JP5788526B2 - 空調給湯システム - Google Patents
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Description
ここで、前記メインサイクルは、第一圧縮機と、第一の四方弁と、室外熱交換器と、第一電子膨張弁と、室内熱交換器とを接続することにより構成され、前記サブサイクルは、第二圧縮機と、第二の四方弁及び第三の四方弁と、給湯用熱交換器と、補助熱交換器と、第二電子膨張弁及び第三電子膨張弁と、を接続することにより構成される。
したがって、例えば、暖房運転時において空調対象である室内空気が設定温度に近い場合にはメインサイクルで断続運転を行うこととなり、システム全体の効率が悪化してしまうという問題がある。
図1は、本実施形態に係る給湯空調システムの系統図である。図1に示すように、空調給湯システムSは、室外(被空調空間外)に設置されるヒートポンプユニット1と、室内(被空調空間内)に設置される室内ユニット2と、給湯タンクユニット3と、制御装置4と、を備えている。
ヒートポンプユニット1に設けられた空調用冷媒回路10は、空調用圧縮機11と、第一四方弁12と、第二四方弁14と、空調熱源側熱交換器15と、空調用第二膨張弁16と、中間熱交換器21の一次側伝熱管21aと、空調用第一膨張弁18と、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bと、が環状に配管で接続されている。
また、第二四方弁14の右ポートは配管14aを介して中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに接続され、下ポートは配管17aを介して空調用第一膨張弁18に接続され、左ポートは配管15aを介して空調熱源側熱交換器15に接続されている。
第一四方弁12は、冷房運転と暖房運転とで空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bを通流する第一冷媒の向きを切り替える四方弁である。すなわち、第一四方弁12の切り替えによって、冷房運転時には空調用第一膨張弁18で膨張した低温低圧の第一冷媒が、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bに流入するようになっている。また、暖房運転時には、空調用圧縮機11で圧縮された高温高圧の第一冷媒が、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bに流入するようになっている。
空調熱源側熱交換器15は、空調用ファン15fから送られてくる空気(室外空気)と第一冷媒との熱交換を行う熱交換器である。
空調用第一膨張弁18及び空調用第二膨張弁16は、運転モードに応じて第一冷媒を減圧する減圧装置として機能する。ちなみに、空調運転時において、空調用第一膨張弁18及び空調用第二膨張弁16のいずれか一方が、第一冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
中間熱交換器21は、一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒と、二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒との熱交換を行う熱交換器である。
なお、第一冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒(例えば、CO2冷媒)などを用いることができる。
ヒートポンプユニット1に設けられた給湯用冷媒回路30は、給湯用圧縮機31と、給湯利用側熱交換器32の一次側伝熱管32aと、給湯用第一膨張弁33と、給湯用三方弁34と、給湯熱源側熱交換器35と、給湯用第二膨張弁36と、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bと、給湯用三方弁37と、が環状に配管で接続されている。
また、給湯用三方弁34と給湯用三方弁37とは、配管38aを介して相互に接続されている。また、給湯用冷媒回路30は給湯用冷媒制御弁39を備える。給湯用冷媒制御弁39は、その一端が配管35aから分岐する配管に接続され、他端が配管38aから分岐する配管に接続されている。
給湯利用側熱交換器32は、一次側伝熱管32aを通流する第二冷媒と、二次側伝熱管32bを通流する被加熱液体との熱交換を行う熱交換器である。
給湯用第一膨張弁33及び給湯用第二膨張弁36は、運転モードに応じて第二冷媒を減圧する減圧装置として機能する。ちなみに、給湯運転時において、給湯用第一膨張弁33及び給湯用第二膨張弁36のいずれか一方が、第二冷媒を減圧する減圧装置として機能する。
給湯用三方弁34,37は、通流する第二冷媒の流量比率を調整可能に構成された三方弁である。給湯用冷媒制御弁39は、開閉が制御可能に構成された開閉弁である。
なお、第二冷媒として、HFC、HFO-1234yf、HFO-1234ze、自然冷媒(例えば、CO2冷媒)などを用いることができる。また、第二冷媒は第一冷媒よりも高い臨界点(温度、圧力)を有する冷媒を使用する事が望ましい。
ヒートポンプユニット1から室内ユニット2に亘って設けられた空調用熱搬送媒体循環回路40は、第一ポンプ41と、熱搬送媒体四方弁42と、空調利用側熱交換器19の一次側伝熱管19aと、室内熱交換器43と、が環状に配管で接続して構成されている。
熱搬送媒体四方弁42は、空調利用側熱交換器19の一次側伝熱管19aを通流する熱搬送媒体と、二次側伝熱管19bを通流する第一冷媒とが対向流となるように、冷房運転と暖房運転とで熱搬送媒体の流れる向きを切り替える四方弁である。
室内熱交換器43は、室内ファン43fから送られてくる空気(室内空気)と熱搬送媒体との熱交換を行う熱交換器である。
なお、熱搬送媒体として、エチレングリコールなどのブライン(不凍液)や、水などを用いることができる。
ヒートポンプユニット1から給湯タンクユニット3に亘って設けられた給湯回路50は、第二ポンプ51と、給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bと、タンク52と、を環状に配管で接続して構成されている。
第二ポンプ51は、タンク52から被加熱液体を汲み上げ、給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bに向けて圧送するポンプである。
タンク52は、被加熱液体を貯留するものであり、断熱材(図示せず)で覆われている。
なお、以下の説明において、被加熱液体は水を用いるものとして説明する。
給水金具53は、一端が三方弁54に接続され、他端が給水端末(図示せず)に接続されている。そして、使用者が給湯端末(図示せず)を開操作した場合に、給水源からの圧力によって、給水金具53を介してタンク52の下部に被加熱液体(水)が流入するようになっている。
給湯金具55は、一端が三方弁56に接続され、他端が給湯端末(図示せず)に接続されている。そして、使用者が給湯端末を開操作することにより、温度調整がされた被加熱液体(湯)が給湯金具55を介して給湯端末に供給されるようになっている。
また、空調給湯システムSは、制御装置4を備えている。
制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを決定し、決定した運転モードに従って各種弁(第一四方弁12、第二四方弁14、空調用第一膨張弁18、空調用第二膨張弁16、給湯用第一膨張弁33、給湯用三方弁34,37、給湯用第二膨張弁36、給湯用冷媒制御弁39、三方弁54,56)の状態(開度)、圧縮機(空調用圧縮機11、給湯用圧縮機31)の回転速度、各熱交換器のファン(空調用ファン15f、給湯用ファン35f、室内ファン43f)の回転速度、ポンプ(第一ポンプ41、第二ポンプ51)の回転速度、を制御して、空調給湯システムSの各種運転を制御する機能を有している。
次に、制御装置4が実行する空調給湯システムSの運転モードについて説明する。図2及び図3は、本実施形態に係る空調給湯システムSの運転モードの決定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップS101において、制御装置4は、空調サイクル運転要求が有るか否かを判定する。ここで、空調サイクル運転要求とは、室内ユニット2が設置された室内(被空調空間)を空調(冷房/暖房)する運転要求である。空調サイクル運転要求は、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力されてもよく、室内の温度を検出する室内温度検出器(図示せず)の検出温度(室内温度)と室内設定温度とに基づいて決定されてもよい。
空調サイクル運転要求が有る場合(S101→Yes)、制御装置4の処理はステップS105に進む。空調サイクル運転要求がない場合(S101→No)、制御装置4の処理はステップS102に進む。
給湯サイクル運転要求が有る場合(S102→Yes)、制御装置4の処理はステップS104に進む。給湯サイクル運転要求がない場合(S102→No)、制御装置4の処理はステップS103に進む。
ステップS104において、制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを「給湯運転モード」に決定する。なお、給湯運転モードとは、空調給湯システムSの給湯運転を実行するモードである。この運転モードにおける空調給湯システムS(ヒートポンプユニット1)の動作は、図6を用いて後記する。
給湯サイクル運転要求が有る場合(S105→Yes)、制御装置4の処理はステップS111に進む。給湯サイクル運転要求がない場合(S105→No)、制御装置4の処理はステップS106に進む。
空調サイクル運転要求が「冷房運転」である場合(S106→Yes)、制御装置4の処理はステップS107に進む。空調サイクル運転要求が「冷房運転」でない場合(S106→No)、制御装置4の処理はステップS110に進む。
ステップS107において、空調負荷Qacが閾値Q1以上である場合(S107→Yes)、制御装置4の処理はステップS108に進む。空調負荷Qacが閾値Q1未満である場合(S107→No)、制御装置4の処理はステップS109に進む。
空調サイクル運転要求が「冷房運転」である場合(S111→Yes)、制御装置4の処理はステップS112に進む。空調サイクル運転要求が「冷房運転」でない場合(S111→No)、制御装置4の処理は図3のステップS201に進む。
なお、空調排熱量Qac_ex及び給湯吸熱量Qec_exの推定処理は、図4を用いて後記する。
空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exより大きい場合(S113→Yes)、制御装置4の処理はステップS114に進む。空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_ex以下である場合(S113→No)、制御装置4の処理はステップS115に進む。
空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exと等しい場合(S115→Yes)、制御装置4の処理はステップS116に進む。空調排熱量Qac_exが給湯吸熱量Qec_exと等しくない場合(S115→No)、制御装置4の処理はステップS117に進む。
なお、単独総消費電力Wsys1及び余剰熱運転消費電力Wsys2の推定処理は、図5を用いて後記する。
単独総消費電力Wsys1が余剰熱運転消費電力Wsys2以下である場合(S202→Yes)、制御装置4の処理はステップS203に進む。単独総消費電力Wsys1が余剰熱運転消費電力Wsys2より大きい場合(S202→No)、制御装置4の処理はステップS204に進む。
図4は、図2のステップS112における空調排熱量Qac_ex及び給湯吸熱量Qec_exの推定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップS301において、制御装置4は、空調負荷Qacを推定する。なお、空調負荷Qacは、室外温度Tao、室内温度Tai、室内設定温度Tac_set、室内風量Vac_setに基づいて推定される。
ステップS303において、制御装置4は、空調排熱量Qac_exを推定する。なお、空調排熱量Qac_exは、ステップS301で推定した空調負荷Qac、ステップS302で推定した空調消費電力Wacに基づいて推定される。
給水温度Twiは、例えば、ヒートポンプユニット1の給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bの入口側に設けられた温度センサ(図示せず)で検出される。給湯温度Two、は、ヒートポンプユニット1で沸き上げる湯(被加熱液体)の設定温度であり、例えば、室内に設置されたリモコン(図示せず)を使用者が操作することにより制御装置4に入力される。給水流量Vwは、例えば、ヒートポンプユニット1の第二ポンプ51の回転速度を検出することにより算出する。
ステップS306において、制御装置4は、給湯吸熱量Qec_exを推定する。なお、給湯吸熱量Qec_exは、ステップS304で推定した給湯負荷Qec、ステップS305で推定した給湯消費電力Wecに基づいて推定される。
図5は、図3のステップS201における単独総消費電力Wsys1及び余剰熱運転消費電力Wsys2の推定処理の手順を示すフローチャートである。
ステップS401において、制御装置4は、空調負荷Qacを推定する。なお、空調負荷Qacは、室外温度Tao、室内温度Tai、室内設定温度Tac_set、室内風量Vac_setに基づいて推定される。
ステップS403において、制御装置4は、ステップS402で推定した空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin以上であるか否かを判定する。
ここで、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acminとは、空調用冷媒回路10の空調用圧縮機11が運転制御可能な回転速度の下限である。
ステップS405において、制御装置4は、給湯負荷Qecを推定する。なお、給湯負荷Qecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
ステップS407において、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定する。なお、単独総消費電力Wsys1は、ステップS404で推定した空調消費電力WacとステップS406で推定した給湯消費電力Wecとを加算して(即ち、Wsys1=Wac+Wec)推定する。
このように、制御装置4は、単独総消費電力Wsys1を推定し(S407参照)、余剰熱運転消費電力Wsys2を推定して(S408参照)、図3のステップS201の処理を終了し、ステップS202に進む。
空調用圧縮機11は、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin未満の回転速度で運転することができないため、空調負荷Qacから推定された空調用圧縮機目標回転速度Ncp_acが、空調用圧縮機最低回転速度Ncp_acmin未満となった場合、圧縮機回転数はNcp_acminで回転することになる。
このため、実際に出力される空調能力は、Ncp_acmin/Ncp_ac分だけ空調負荷Qacよりも大きくなるため、制御装置4は空調用圧縮機11の運転と停止を繰り返す断続運転となる。したがってこの場合、空調給湯システムSの効率が悪化する。
ステップS411において、制御装置4は、給湯消費電力Wecを推定する。なお、給湯消費電力Wecは、ステップS304で推定した給湯負荷Qec、室外温度Tao、給湯温度Twoに基づいて推定される。
ステップS413において、制御装置4は、空調擬似負荷Qac_ecを推定する。なお、空調擬似負荷Qac_ecは、室外温度Tao、給水温度Twi、給湯温度Two、給水流量Vwに基づいて推定される。
このため、給湯用冷媒回路30の中間熱交換器21における給湯吸熱量を、空調用冷媒回路10の中間熱交換器21における空調擬似負荷として、空調擬似負荷Qac_ecを推定する。
ステップS415において、制御装置4は、擬似負荷を考慮した空調消費電力Wac2を推定する。なお、空調消費電力Wac2は、ステップS414で推定した空調負荷Qac2、室外温度Tao、室内設定温度Tac_setに基づいて推定される。
次に、制御装置4が実行する空調給湯システムSの各運転モードについて、図6から図14を用いて説明する。制御装置4は、空調給湯システムSの運転モードを決定し(図2、図3参照)、決定した運転モードに従って空調給湯システムSを制御して各種運転を行う。
なお、以下に説明する図6から図14において、第一冷媒、第二冷媒、熱搬送媒体、被加熱液体が通流している配管を太線で示し、流れ方向を矢印で示すものとする。また、各種弁(給湯用三方弁34,37、給湯用第二膨張弁36、給湯用冷媒制御弁39)について、通流を閉止している側を黒塗りで図示するものとする。
このモードにおいて、空調用冷媒回路10、給湯用冷媒回路30、空調用熱搬送媒体循環回路40及び給湯回路50は停止している。制御装置4は、運転指令の入力を待つ。運転指令が入力された場合には、空調給湯システムSの運転モードを決定する(図2、図3参照)。
図6は、給湯運転モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、空調用冷媒回路10及び空調用熱搬送媒体循環回路40は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、給湯用冷媒回路30において閉止されている。
給湯利用側熱交換器32の一次側伝熱管32aから流出した中温高圧の第二冷媒は、給湯用第一膨張弁33で減圧され、低温低圧の第二冷媒となる。
第二ポンプ51を駆動させることにより、タンク52の下部から流出した被加熱液体は給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bに流入する。給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bを通流する被加熱液体は、給湯利用側熱交換器32の一次側伝熱管32aを通流する第二冷媒と熱交換することにより吸熱し、高温の被加熱液体となる。そして、高温の被加熱液体は、給湯利用側熱交換器32の二次側伝熱管32bからタンク52の上部に戻され、貯留される。
図7は、冷房運転(通常)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒及び熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、給湯用冷媒回路30及び給湯回路50は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、給湯用冷媒回路30において閉止されている。
すなわち、制御装置4は、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bから流出した第一冷媒が、空調用圧縮機11に流入するように第一四方弁12を制御し、空調用圧縮機11から吐出された第一冷媒が、空調熱源側熱交換器15に流入するように第二四方弁14を制御する。
図7に示すように第二四方弁14を制御することによって、空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒を、中間熱交換器21よりも先に空調熱源側熱交換器15に流入させることができる。
ちなみに、前記とは逆の場合(第一冷媒が空調熱源側熱交換器15よりも先に中間熱交換器21に流入する場合)には、空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒が中間熱交換器21で放熱する。この結果、第一冷媒の温度が低下し、空調熱源側熱交換器15で室外空気へ放熱する放熱量が低下する。したがって、圧縮機11による第一冷媒の圧縮によって前記放熱量を補う必要があるため、圧縮機11の負荷が大きくなる。
空調熱源側熱交換器15を通流する第一冷媒は、空調用ファン15fにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより放熱(排熱)し、中温高圧の第一冷媒となる。空調熱源側熱交換器15から流出した中温高圧の第一冷媒は、空調用第二膨張弁16、中間熱交換器21の一次側伝熱管21a、第二四方弁14を介して空調用第一膨張弁18に流入する。
そして、低温の熱搬送媒体は、室内ユニット2の室内熱交換器43に流入する。室内熱交換器43を通流する熱搬送媒体は、室内ファン43fにより送られてくる空気(室内空気)と熱交換することにより吸熱する。そして、吸熱した熱搬送媒体は、室内熱交換器43から第一ポンプ42へと送られ、空調用熱搬送媒体循環回路40を循環する。
このように、室内ユニット2の室内熱交換器43で熱搬送媒体が吸熱することにより、空気(室内空気)が冷却され、室内(被空調空間)が冷房される。
図8は、冷房運転(自然循環)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒及び熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
冷房運転(自然循環)モードは、冷房運転を行う際の空調負荷が過負荷である場合の運転モードである。当該運転モードでは、中間熱交換器21において、二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒に、一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒の熱を放熱(排熱)させることによって、第一冷媒をさらに凝縮させる。
なお、冷房運転(自然循環)モードで冷房運転を実行するためには、給湯熱源側熱交換器35と中間熱交換器21との間にヘッド差を設ける必要がある。すなわち、図8に示すように、給湯熱源側熱交換器35を中間熱交換器21よりも所定高さHだけ高く設置する必要がある。これは、給湯用冷媒回路30において、凝縮器として機能する給湯熱源側熱交換器35で放熱して液体状態となった第二冷媒を、重力により中間熱交換器21に流入させるためである。
また、空調用冷媒回路10については、空調熱源側熱交換器15に加えて中間熱交換器21も凝縮器として機能する点以外は、前記で説明した冷房運転(通常モード)の場合と同様であるから説明を省略する。
気体状態で中温の第二冷媒は、給湯熱源側熱交換器35を通流する際に、給湯用ファン35fにより送られてくる空気(室外空気)と熱交換することにより放熱し、低温の液体状態になる。そして、低温の液体状態の第二冷媒は、重力により配管35aを下降し、給湯用第二膨張弁36を介して中間熱交換器21の二次側伝熱管21bに流入し、給湯冷媒回路30を循環する。
図9は、暖房運転モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒及び熱搬送媒体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、給湯用冷媒回路30及び給湯回路50は停止している。また、中間熱交換器21への冷媒の通流は、給湯用冷媒回路30において閉止されている。
すなわち、制御装置4は、空調用圧縮機11から吐出された第一冷媒が、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bに流入するように第一四方弁12を制御し、中間熱交換器21から流出した第一冷媒が、空調用圧縮機11に流入するように第二四方弁14を制御する。
また、制御装置4は、空調用第二膨張弁16を全開とし、空調用第一膨張弁18の開度(絞り)を制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11及び空調用ファン15fの回転速度を制御する。
第一ポンプ41を駆動させることにより、熱搬送媒体は空調利用側熱交換器19の一次側伝熱管19aに流入する。空調利用側熱交換器19の一次側伝熱管19aを通流する熱搬送媒体は、空調利用側熱交換器19の二次側伝熱管19bを通流する第一冷媒と熱交換することにより吸熱して、高温の熱搬送媒体となる。
このように、室内ユニット2の室内熱交換器43で熱搬送媒体が放熱することにより、空気(室内空気)が加熱され、室内(被空調空間)が暖房される。
図10は、冷房給湯運転(排熱回収A)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Aは「空調排熱>給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路30で回収し、余分な空調排熱を室外空気に排熱している。
給湯回路50の動作は、図6に示す給湯運転モードと同様であるから説明を省略する。また、空調用熱搬送媒体循環回路40の動作は、図7に示す冷房運転(通常)モードと同様であるから説明を省略する。
また、冷房運転(通常)モードでは、空調用圧縮機11から吐出された第一冷媒が空調熱源側熱交換器15に流入するように第二四方弁14を制御していたのに対し、冷房給湯運転(排熱回収A)モードでは、空調用圧縮機11から吐出された第一冷媒が中間熱交換器21に流入するように第二四方弁14を制御する点で異なる。
空調熱源側熱交換器15から流出した中温高圧の第一冷媒は、第二四方弁14を介して空調用第一膨張弁18に流入し、空調用第一膨張弁18で減圧されて低温低圧の第一冷媒となる。
また、給湯運転モードでは第二冷媒が中間熱交換器21を通流しないのに対し、冷房給湯運転(排熱回収A)モードでは第二冷媒が中間熱交換器21を通流する点で異なる。
図11は、冷房給湯運転(排熱回収B)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Bは「空調排熱=給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路30で回収している。
給湯回路50の動作は給湯運転モード(図6参照)と同様であり、空調用熱搬送媒体循環回路40の動作は冷房運転(通常)モード(図7参照)と同様であり、給湯用冷媒回路30の動作は冷房給湯運転(排熱回収A)モード(図10参照)と同様であるから、説明を省略する。
その他の制御については、冷房給湯運転(排熱回収A)モードにおける空調用冷媒回路10と同様であるから説明を省略する。
図12は、冷房給湯運転(排熱回収C)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
ここで、排熱回収Cは「空調排熱<給湯吸熱」の場合であり、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の排熱を給湯用冷媒回路30で回収し、給湯に必要な熱の不足分を室外空気から吸熱している。
給湯回路50の動作は給湯運転モード(図6参照)と同様であり、空調用熱搬送媒体循環回路40の動作は冷房運転(通常)モード(図7参照)と同様であり、空調用冷媒回路10の動作は冷房給湯運転(排熱回収B)モード(図11参照)と同様であるから、説明を省略する。
また、制御装置4は、給湯用第一膨張弁33の開度(絞り)を制御し、給湯用第二膨張弁36を全開とする。また、制御装置4は、給湯用圧縮機31及び給湯用ファン35fの回転速度を制御する。
中間熱交換器21の二次側伝熱管21bから流出した第二冷媒は、給湯用三方弁37を介して給湯用圧縮機31へと送られ、給湯用冷媒回路30を循環する。
図13は、暖房給湯運転(独立)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードにおいて、中間熱交換器21への冷媒の通流は、給湯用冷媒回路30において閉止されている。
給湯用冷媒回路30及び給湯回路50の動作は給湯運転モード(図6参照)と同様であり、空調用冷媒回路10及び空調用熱搬送媒体循環回路40の動作は暖房運転モード(図9参照)と同様であるから説明を省略する。
図14は、暖房給湯運転(空調余剰加熱)モードにおけるヒートポンプユニット1の冷媒、熱搬送媒体及び被加熱液体の流れを示す系統図である。
このモードは、空調負荷(暖房負荷)が小さい場合に実行され、中間熱交換器21を介して空調用冷媒回路10の余剰熱を給湯用冷媒回路30で回収している。
すなわち、制御装置4は、空調用圧縮機11から吐出された第一冷媒が、空調利用側熱交換器19に流入するように第一四方弁12を制御する。また、制御装置4は、空調熱源側熱交換器15から流出した第一冷媒が、空調用圧縮機11に流入するように第二四方弁14を制御する。
さらに制御装置4は、空調用第一膨張弁18を全開とするように制御し、空調用第二膨張弁16の開度(絞り)を制御する。また、制御装置4は、空調用圧縮機11及び空調用ファン15fの回転速度を制御する。
そして、第一冷媒は空調用第一膨張弁18及び第二四方弁14を介して、凝縮器として機能する中間熱交換器21の一次側伝熱管21aに流入する。中間熱交換器の一次側伝熱管21aを通流する第一冷媒は、中間熱交換器21の二次側伝熱管21bを通流する第二冷媒と熱交換し、第二冷媒に放熱(排熱)して中温高圧の第一冷媒となる。
本実施形態に係る空調給湯システムSによれば、使用者の要求に応じて「給湯運転」、「冷房運転」、「冷房給湯運転」、「暖房運転」及び「暖房給湯運転」を運転可能な空調給湯システムSとすることができる。
また、「冷房給湯運転」時において、空調排熱と給湯吸熱の大小関係に応じて、冷房給湯運転(排熱回収A)モード、冷房給湯運転(排熱回収B)モード、又は冷房給湯運転(排熱回収C)モードを実行することにより(図2参照)、空調用冷媒回路10の排熱を効率的に給湯加熱に用いることができる。
これにより、空調給湯システムSの全体の効率を向上させることができる。
特許文献1に記載の空気調和装置(空調給湯システム)は、暖房運転(暖房給湯運転)時において暖房負荷が低負荷の場合、空調サイクル(空調用冷媒回路10)の第一圧縮機(本実施形態に係る空調給湯システムSの空調用圧縮機11に相当)が動作状態と停止状態を繰り返す断続運転となるため、空気調和装置(空調給湯システム)の運転効率が低下するという問題があった。
このため、必要熱量を空調用熱搬送媒体循環回路40に搬送した後、余剰の熱量(空調用圧縮機11から吐出された高温高圧の第一冷媒の残部)を中間熱交換器21の一次側伝熱管21aへと送る事ができる。その結果、複雑な制御することなく空調に必要な熱量を確保でき、かつ、中間熱交換器21を介して給湯用冷媒回路30に空調余剰熱を与えることができる。
すなわち、本実施形態に係る空調給湯システムSは、冷房運転・暖房運転にかかわらず、中間熱交換器21を凝縮器として機能させることができる。これによって、空調用冷媒回路10から給湯用冷媒回路30に熱(排熱、余剰熱)を受け渡すことができるので、一年を通して運転効率を向上させることが可能な空調給湯システムを構築することができる。
図15は、縦軸を暖房負荷[kW](図15のグラフ上では実線で示す)、室外空気温度[℃](図15のグラフ上では破線で示す)、日射量[MJ](図15のグラフ上では一点鎖線で示す)とし、横軸を時刻[日]とし、最寒日(時刻1.0〜2.0[日])の前日(時刻0.0〜1.0[日])から翌日(時刻2.0〜3.0[日])までを示したものである。なお、暖房負荷は断熱性能を示すQ値(熱損失係数)が1.6[KW/m2・K]の高断熱化住宅について求めた。
このように、住宅を高断熱化して暖房負荷を低減することにより期待される省エネ効果に対して、実際に空調システム(空調給湯システム)を運転した場合に得られる省エネ効果は、空調用圧縮機11が断続運転となるため小さなものとなっていた。
したがって、空調用冷媒回路10の第一冷媒からの排熱を最大限使用することによって、空調給湯システムS全体としての効率を向上させることができる。
すなわち、給湯用圧縮機31を回転させることなく、空調用冷媒回路10の第一冷媒の熱を給湯用冷媒回路30の第二冷媒に吸熱させることによって、足りない分の空調負荷を補うことができる。したがって、空調給湯システムS全体としての効率を向上させることができる。
仮に、空調用冷媒回路10又は給湯用冷媒回路30において前記熱交換器を並列に接続し、運転モードに応じて各種弁の開閉を制御することとした場合、配管内での冷媒の分布によっては余剰冷媒が生じる可能性がある。この場合、運転を開始する前に、まず回路内における冷媒の分布状態を調整する必要がある。
なお、本実施形態に係る空調給湯システムSは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
なお、空調用第二膨張弁16についても前記と同様のことがいえる。
前記のように、空調用第一膨張弁18及び/又は空調用第二膨張弁16にバイパス配管及び開閉弁を設置することによって、各膨張弁を減圧装置として使用しない場合の圧力損失を低減させることができる。これによって、空調給湯システムS全体の効率をさらに向上させることができる。
この場合には、前記のように、空調用第一膨張弁18及び/又は空調用第二膨張弁16にバイパス配管及び開閉弁を設置することなく、各膨張弁における圧力損失を低減することができる。これによって、空調給湯システムS全体の効率を向上させることができるとともに、その製造コストを削減できる。
この場合、制御装置14は、空調利用側熱交換器19の第二伝熱管19bから流出した第一冷媒が空調用第一膨張弁18を介して中間熱交換器21に流入し、空調熱源側熱交換器15から流出した第一冷媒が第二四方弁14及び第一四方弁12を介して空調用圧縮機11に流入するように、第二四方弁14の切替手段(図示せず)を制御する。
また、制御装置4は、空調用第一膨張弁18を全開とし、空調用第二膨張弁16の開度(絞り)を制御する。
なお、給湯用三方弁37についても、前記と同様のことがいえる。
10 空調用冷媒回路
11 空調用圧縮機
12 第一四方弁(第一切替手段)
14 第二四方弁(第二切替手段)
15 空調熱源側熱交換器
16 空調用第二膨張弁(空調用減圧装置、空調用第二減圧装置)
18 空調用第一膨張弁(空調用減圧装置、空調用第一減圧装置)
19 空調利用側熱交換器
21 中間熱交換器
30 給湯用冷媒回路
31 給湯用圧縮機
32 給湯利用側熱交換器
33 給湯用第一膨張弁(給湯用減圧装置)
34,37 給湯用三方弁(切替手段)
35 給湯熱源側熱交換器
36 給湯用第二膨張弁(給湯用減圧装置)
39 給湯用冷媒制御弁(切替手段)
Claims (4)
- 第一冷媒が循環する空調用冷媒回路と、第二冷媒が循環する給湯用冷媒回路と、を備える空調給湯システムであって、
前記空調用冷媒回路は、
第一冷媒を圧縮する空調用圧縮機と、
空調熱源と熱交換可能な空調熱源側熱交換器と、
第一冷媒と第二冷媒との熱交換をする中間熱交換器と、
第一冷媒を減圧する空調用減圧装置と、
冷房運転時に蒸発器として機能し、暖房運転時に凝縮器として機能する空調利用側熱交換器と、
冷房運転と暖房運転とで前記空調利用側熱交換器を通流する第一冷媒の向きを切り替える第一切替手段と、
前記第一切替手段に接続された第二切替手段と、を備え、
暖房運転を行うとともに給湯運転を行う場合において、第一冷媒の余剰熱を第二冷媒で回収する第一モードを実行するとき、前記第一切替手段及び前記第二切替手段は、前記空調用圧縮機から吐出された第一冷媒が、前記空調利用側熱交換器、前記中間熱交換器、前記空調用減圧装置、及び前記空調熱源側熱交換器を順次介して前記空調用圧縮機の吸入側に戻るようにすることで、前記中間熱交換器を第一冷媒の凝縮器として機能させること
を特徴とする空調給湯システム。 - 第一冷媒を減圧する別の空調用減圧装置を備え、
冷房運転を行うとともに給湯運転を行う場合において、第一冷媒の余剰熱を第二冷媒で回収する第二モードを実行するとき、前記第一切替手段及び前記第二切替手段は、前記空調用圧縮機から吐出された第一冷媒が、前記中間熱交換器、前記空調熱源側熱交換器、前記別の空調用減圧装置、及び前記空調利用側熱交換器を順次介して前記空調用圧縮機の吸入側に戻るようにすること
を特徴とする請求項1に記載の空調給湯システム。 - 前記給湯用冷媒回路は、
第二冷媒を圧縮する給湯用圧縮機と、
給湯運転時に凝縮器として機能する給湯利用側熱交換器と、
第二冷媒を減圧する給湯用減圧装置と、
給湯熱源と熱交換可能な給湯熱源側熱交換器と、
第一冷媒の凝縮器として機能し、第二冷媒の蒸発器として機能する前記中間熱交換器と、
運転モードに応じて、前記給湯熱源側熱交換器及び/又は前記中間熱交換器に第二冷媒を通流させる切替手段と、を備え、
前記第一モードを実行するとき、前記切替手段は、前記給湯用圧縮機から吐出された第二冷媒が、前記給湯熱源側熱交換器を迂回して、前記給湯利用側熱交換器、前記給湯用減圧装置、及び前記中間熱交換器を順次介して前記給湯用圧縮機の吸入側に戻るようにすること
を特徴とする請求項2に記載の空調給湯システム。 - 前記給湯熱源側熱交換器は、前記中間熱交換器よりも高い位置に設置され、
冷房運転を行う場合において、前記中間熱交換器を第一冷媒の凝縮器として機能させる第三モードを実行するとき、前記切替手段は、前記中間熱交換器で蒸発した第二冷媒が、前記給湯用圧縮機、前記給湯利用側熱交換器、及び前記給湯用減圧装置を迂回して、前記給湯熱源側熱交換器を介して前記中間熱交換器に戻るようにすること
を特徴とする請求項3に記載の空調給湯システム。
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