JP5989262B2 - ヒートポンプ冷温水システム - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプ冷温水システムに関する。
一般に、オフィスビルなどの建物内の各部屋には熱負荷源として空気調和機(室内機)が設けられ、これらの空気調和機(室内機)には、冷温熱源機からの冷温水が供給される場合が多い。ここで、冷温熱源機とは、ヒートポンプ式冷凍サイクルの熱交換器を用いて冷水又は温水を生成するものを指し、冷温水とは、冷温熱源機によって生成される冷水又は温水を指す。
このような冷温水が供給されるシステムにおいては、加熱運転中に、霜が空冷式熱源機に付着する。霜が空気熱交換器に付着すると、熱交換率が低減してしまうため、空冷式熱源機は、除霜運転(デフロスト運転)を行うことで、霜を溶かす制御をする。また、その場合には、空冷式熱源機は冷房運転と同様の運転となっており、負荷には冷水が流れることになる。
従来、除霜運転が暖房運転よりも優先させるように決定されている場合に、一の冷凍サイクルが暖房運転を実行している状態で、他の冷凍サイクルが除霜運転を開始すると、一の冷凍サイクルの暖房を停止させる空気調和装置があった(例えば、特許文献1参照)。
また従来、2つの室外ユニットの内部にそれぞれデフロストコントローラを設け、各デフロストコントローラが、自身に対応する室外ユニットの除霜運転の状況を示す信号を互いに送受信し、2つの室外ユニットが同時にデフロスト運転を開始しないようにする空気調和機があった(例えば、特許文献2参照)。
また従来、予め設定されている所定の条件が成立した場合(所定の運転モードでの動作を完了した場合)において、3つの室外機間の2つのローテーションパターンが交互に切替えられるマルチ形空気調和機があった(例えば、特許文献3参照)。
また従来、「複数の熱源機と、少なくとも1台以上の室内機とを、高圧管と低圧管を介して接続し、さらに、前記複数台の熱源機にそれぞれ着霜検知手段を設け、いずれか1台の熱源機が着霜状態であることを検知すると、着霜を検知した熱源機のみが除霜運転を行い、他の熱源機は暖房運転を継続する」空気調和装置があった(例えば、特許文献4参照)。
実開平5−26496号公報([0016]、[0017]、図4) 特開2001−272083号公報([0058]〜[0063]、図1) 特開2012−184876号公報([0026]、図1、図4) 特開2007−271094号公報([請求項1]、図2)
しかしながら、特許文献1に示される空気調和装置においては、除霜運転中において、冷水が負荷側に流れてしまうという課題があった。また、除霜運転中において、冷水が負荷側に流れてしまうことに伴い、熱源機に戻ってくる水の温度が低くなり、熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結が生じる等の課題もあった。また、除霜運転以外の熱源機を全て停止させるため、暖房運転をしていた熱源機から流れる温水も負荷側に流れなくなるため、要求に対する能力不足となる課題もあった。
また、特許文献2に示される空気調和機においては、暖房運転中の熱源機が停止した場合、除霜運転の熱源機のみが残るため、特許文献1と同様に負荷側に冷水が流れてしまうという課題があった。それに伴い熱源機に戻ってくる水の温度が低くなり、熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結等の課題もあった。
また、特許文献3に示されるマルチ形空気調和機においては、暖房運転中の熱源機が停止した場合、除霜運転の熱源機のみが残るため、特許文献1と同様に負荷側に冷水が流れてしまうという課題があった。それに伴い熱源機に戻ってくる水の温度が低くなり、熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結等の課題もあった。
また、特許文献4に示される空気調和装置においては、暖房運転中の熱源機が停止した場合、除霜運転の熱源機のみが残るため、特許文献1と同様に負荷側に冷水が流れてしまうという課題があった。それに伴い熱源機に戻ってくる水の温度が低くなり、熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結等の課題もあった。
本発明は、上述のような課題を背景としてなされたものであり、除霜運転中に熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結を抑制するヒートポンプ冷温水システムを提供することを目的とする。
本発明に係るヒートポンプ冷温水システムは、水熱交換器及び空気熱交換器を有する第1熱源機と、水熱交換器及び空気熱交換器を有する第2熱源機と、前記第1熱源機の水熱交換器及び前記第2熱源機の水熱交換器から流出する冷温水が合流する合流部と、前記空気熱交換器を蒸発器として機能させる暖房運転及び前記空気熱交換器を凝縮器として機能させる除霜運転を切り替える制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第1熱源機及び前記第2熱源機の何れか一方の熱源機が暖房運転を実行し、前記第1熱源機及び前記第2熱源機の何れか他方の熱源機が除霜運転を実行している場合において、前記一方の熱源機の暖房運転が実行不可になったとき、前記他方の熱源機の除霜運転を停止させる
本発明によれば、暖房運転を実行する熱源機が存在しない場合に除霜運転を実行する熱源機の運転を停止させる。このため、冷水が負荷側に過渡に流れることを抑制できる。したがって、除霜運転中に熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結を抑制できる。
本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ冷温水システム100を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ冷温水システム100の動作を示す図である。 本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ冷温水システム100の動作を示すフローチャートである。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1におけるヒートポンプ冷温水システム100を示す概略構成図である。図1に示されるように、本実施の形態1におけるヒートポンプ冷温水システム100は、熱源機11,21と、冷温水ポンプ30と、配管40と、を備える。
熱源機11は、供給された冷温水を加熱又は冷却するものであり、圧縮機13、水熱交換器14、空気熱交換器16、及び制御手段17を備える。熱源機21は、供給された冷温水を加熱又は冷却するものであり、圧縮機23、水熱交換器24、空気熱交換器26、及び制御手段27を備える。熱源機11,21には、例えば空気調和機(図示省略)等の複数の室内機の各々を通過する冷温水が供給される。
圧縮機13、四方弁(図示省略)、水熱交換器14、膨張弁(図示省略)、空気熱交換器16等が接続されて、冷媒回路が構成される。また、圧縮機23、四方弁(図示省略)、水熱交換器24、膨張弁(図示省略)、空気熱交換器26等が接続されて、冷媒回路が構成される。すなわち、熱源機11,21のそれぞれに対応して冷媒回路が設けられている。
圧縮機13,23は、冷凍サイクル内を流れる冷媒を高温、高圧の冷媒に圧縮して吐出するものである。水熱交換器14,24は、冷温水ポンプ30から供給される水と、水熱交換器14,24に供給される冷媒とを熱交換するものである。暖房運転時には、水熱交換器14,24において、冷温水ポンプ30から供給される水が加熱する。除霜運転時には、水熱交換器14,24において、冷温水ポンプ30から供給される水が冷却される。
空気熱交換器16,26は、室外送風機(図示省略)から導入される空気と、冷媒回路を循環する冷媒と、を熱交換するものである。暖房運転時に空気熱交換器16,26は蒸発器として機能し、除霜運転時に空気熱交換器16,26は凝縮器として機能する。暖房運転時に空気熱交換器16,26における熱交換が行われることで、室外送風機から空気熱交換器16,26に導入された空気は温度低下し、冷媒回路を循環する冷媒は温度上昇する。除霜運転時に空気熱交換器16,26における熱交換が行われることで、室外送風機から空気熱交換器16,26に導入された空気は温度上昇し、冷媒回路を循環する冷媒は温度低下する。
制御手段17,27は、ユニットの制御状態を検知する検知手段を備えており、互いに有線又は無線で接続されている。制御手段17,27は、例えば、この機能を実現する回路デバイスなどのハードウェア、又はマイコン若しくはCPUなどの演算装置上で実行されるソフトウェアで構成される。
制御手段17は、例えば、圧縮機13の周波数の値、制御手段27から出力された情報に基づいて、熱源機11を制御する。また、制御手段17は、熱源機11の運転状態(例えば、暖房運転又は除霜運転の運転状態)に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報を出力する。
制御手段27は、例えば、圧縮機23の周波数の値、制御手段17から出力された情報に基づいて、熱源機21を制御する。また、制御手段27は、熱源機21の運転状態(例えば、暖房運転又は除霜運転の運転状態)に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報を出力する。
冷温水ポンプ30は、冷温水を循環供給するものである。具体的には、冷温水ポンプ30は、熱負荷源(図示省略)を通過する冷温水を水熱交換器14及び水熱交換器24に循環供給するものである。配管40は、水熱交換器14及び水熱交換器24から流出する冷温水を合流させた後に負荷側に供給するための配管である。水熱交換器14及び水熱交換器24から流出した冷媒は合流部40aで合流する。
ここで、ヒートポンプ冷温水システム100の冷却動作について説明する。水は、冷温水ポンプ30によって、水熱交換器14,24に供給される。冷温水ポンプ30によって、水熱交換器14,24に供給された水は、水熱交換器14,24を通過するときに熱交換されて温度上昇(下降)して流出した後に合流部40aで合流し、負荷側に流れる。
次に、(1)熱源機11が暖房運転を実行し且つ熱源機21が除霜運転を実行している場合に圧縮機13が故障停止した場合、(2)熱源機11が除霜運転を実行し且つ熱源機21が暖房運転を実行している場合に圧縮機23が故障停止した場合、における制御手段17,27の制御内容について説明する。
(1)熱源機11が暖房運転を実行し且つ熱源機21が除霜運転を実行している場合に圧縮機13が故障停止した場合
圧縮機13が故障停止した場合には、制御手段17は、熱源機11の運転状態に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報を出力する。次に、制御手段27は、制御手段17から出力された、熱源機11の運転状態に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報に基づいて、熱源機21の除霜運転を停止させる。ここで、熱源機11の運転状態に関する情報とは例えば、熱源機11が暖房運転を停止中であることを示す情報である。また、圧縮機13の周波数に関する情報とは例えば、圧縮機13の周波数が0Hzであることを示す情報である。
圧縮機13が故障から復帰して起動されると、制御手段17は、熱源機11の運転状態に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報を出力する。次に、制御手段27は、制御手段17から出力された、熱源機11の運転状態に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報に基づいて、熱源機21の除霜運転を開始させる。ここで、熱源機11の運転状態に関する情報とは例えば、熱源機11が暖房運転を実行中であることを示す情報である。また、圧縮機13の周波数に関する情報とは例えば、圧縮機13の周波数が0Hzを上回ることを示す情報である。
(2)熱源機11が除霜運転を実行し且つ熱源機21が暖房運転を実行している場合に圧縮機23が故障停止した場合
圧縮機23が故障停止した場合には、制御手段27は、熱源機21の運転状態に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報を出力する。次に、制御手段17は、制御手段27から出力された、熱源機21の運転状態に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報に基づいて、熱源機11の除霜運転を停止させる。ここで、熱源機21の運転状態に関する情報とは例えば、熱源機21が暖房運転を停止中であることを示す情報である。また、圧縮機23の周波数に関する情報とは例えば、圧縮機23の周波数が0Hzであることを示す情報である。
圧縮機23が故障から復帰して起動されると、制御手段27は、熱源機21の運転状態に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報を出力する。次に、制御手段17は、制御手段27から出力された、熱源機21の運転状態に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報に基づいて、熱源機11の除霜運転を開始させる。ここで、熱源機21の運転状態に関する情報とは例えば、熱源機21が暖房運転を実行中であることを示す情報である。また、圧縮機23の周波数に関する情報とは例えば、圧縮機23の周波数が0Hzを上回ることを示す情報である。
なお、制御手段17は、熱源機11の運転状態に関する情報及び圧縮機13の周波数に関する情報を出力する例について説明したが、これに限定されない。制御手段27が熱源機11の運転状態を把握することができる場合には、制御手段17がいずれか一方の情報のみを出力するようにしてもよい。
また、制御手段27は、熱源機21の運転状態に関する情報及び圧縮機23の周波数に関する情報を出力する例について説明したが、これに限定されない。制御手段17が熱源機21の運転状態を把握することができる場合には、制御手段27がいずれか一方の情報のみを出力するようにしてもよい。
また、制御手段17が熱源機11の構成要素であり、制御手段27が熱源機21の構成要素である例について説明したが、制御手段17が熱源機11とは別に設けられていてもよく、制御手段27が熱源機21とは別に設けられていてもよい。
図2は本発明の実施の形態1に係るヒートポンプ冷温水システム100の動作を示す図である。
図2を用いて、熱源機11,21の状態が(状態1)〜(状態7)まで遷移する過程を順に説明する。なお、図2中の(状態1)〜(状態7)に示される、2つの矩形のうち左側の矩形枠内のユニット親機が熱源機11に相当し、2つの矩形のうち右側の矩形枠内のユニット子機が熱源機21に相当する。このことは、図2中の(状態2)〜図2中の(状態7)についても同様である。
(状態1)
熱源機11が暖房運転を実行し、熱源機21が暖房運転を実行している場合、制御手段17は、熱源機21の除霜運転を許可する信号を出力する。そして、制御手段27は、制御手段17から出力された、熱源機21の除霜運転を許可する信号に基づいて、熱源機21の除霜運転を開始させる制御を行う。
(状態2)
(状態1)の状態で、制御手段27が熱源機21を除霜運転を開始させる制御を行うことで、熱源機11が暖房運転を実行し、熱源機21が除霜運転を実行している状態に移行する。ここで、圧縮機13が故障して圧縮機13の周波数が0Hzとなった場合には、熱源機11の暖房運転を停止させる停止条件が成立する。すなわち、熱源機11の暖房運転が停止される。
(状態3)
(状態2)の状態で、熱源機11の暖房運転が停止されると、熱源機11が暖房運転を停止し、熱源機21が除霜運転を実行している状態に移行する。そして、制御手段17は、熱源機21の除霜運転を停止させる信号を出力する。制御手段27は、制御手段17から出力された除霜運転を停止させる信号に基づいて、熱源機21の除霜運転を停止させる制御を行う。
(状態4)
(状態3)の状態で、制御手段27が熱源機21の除霜運転を停止させることで、熱源機11及び熱源機21の運転が停止した状態となる。ここで、圧縮機13が故障から復帰して圧縮機13の周波数が0Hzを上回った場合には、熱源機11の暖房運転を開始させる起動条件が成立する。そして、制御手段17は、熱源機11の暖房運転を開始させる制御を行う。
(状態5)
(状態4)の状態で、制御手段17が、熱源機11の暖房運転を開始させる制御を行うことで、熱源機11の暖房運転が実行され、熱源機21の運転は停止された状態となる。そして、制御手段17は、熱源機21の除霜運転を許可する信号を出力する。制御手段27は、制御手段17から出力された除霜運転を許可する信号に基づいて、熱源機21の除霜運転を開始させる制御を行う。
(状態6)
(状態5)の状態で、制御手段27が、熱源機21の除霜運転を開始させる制御を行うことで、熱源機11の暖房運転が実行され、熱源機21の除霜運転が実行された状態となる。そして、制御手段27は、熱源機21の除霜運転を暖房運転に切り替える制御を行う。
(状態7)
(状態6)の状態で、制御手段27が、熱源機21の除霜運転を暖房運転に切り替える制御を行うことで、熱源機11及び熱源機21の暖房運転が実行された状態となる。
なお、一般に、暖房運転から除霜運転への切り替えは、暖房運転時において圧縮機の運転を停止し、四方弁を冷房側に切り替え、圧縮機の運転を再度開始することで行われる。 また、一般に、除霜運転から暖房運転への切り替えは、除霜運転時において圧縮機の運転を停止し、四方弁を暖房側に切り替え、圧縮機の運転を再度開始することで行われる。
また、上記の説明では、ユニット親機が熱源機11であり、ユニット子機が熱源機21である例について説明したが、これに限定されず、ユニット親機が熱源機21であり、ユニット子機が熱源機11であってもよい。
図3は本実施の形態1における制御手段17,27の動作を示すフローチャートである。図2では、熱源機11,21が暖房運転を実行している状態で、圧縮機13が故障停止した場合における、制御手段17,27の制御例について説明した。これに対し、図3では、熱源機11が暖房運転を実行し且つ熱源機21が除霜運転を実行している状態で、熱源機11の除霜運転の開始要求があった場合における、制御手段17,27の制御例について説明する(ステップS101〜S106)。
ステップS101において、制御手段17は、外部から熱源機11に除霜運転を開始する要求がされたことを示す情報を出力し、ステップS102に進む。ステップS102において、制御手段27は、制御手段17から出力された、熱源機11に除霜運転を開始する要求がされたことを示す情報が入力されると、熱源機21が暖房運転を実行中であるか否かを示す情報を取得する。
ステップS102において、制御手段27は、熱源機21が暖房運転を実行中であることを示す情報を取得した場合には(ステップS102でYes)、ステップS103に進む。そして、ステップS103において、制御手段27は、熱源機11が除霜運転を開始することを許可する情報を出力し、ステップS105に進む。一方、ステップS102において、制御手段27は、熱源機21が暖房運転を実行中でないことを示す情報を取得した場合には(ステップS102でNo)、ステップS104に進む。そして、ステップS104において、制御手段27は、熱源機11が除霜運転を開始することを不許可とする情報を出力し、ステップS102に戻る。
ステップS105において、制御手段27は、熱源機11が除霜運転を終了したことを示す情報が制御手段17から入力されたか否かを判定する。ステップS105において、制御手段27は、熱源機11が除霜運転を終了したと判定した場合には(ステップS105においてYes)、ステップS106に進む。そして、ステップS106において、制御手段17は、熱源機11の暖房運転を開始させる制御を行う。一方、ステップS105において、制御手段27は、熱源機11が除霜運転を終了していないと判定した場合には(ステップS105においてNo)、ステップS105を繰り返す。
なお、以上の説明では、制御手段17が除霜運転を開始することを示す情報を受けとった場合の制御内容について説明したが、これに限定されない。例えば、制御手段27が除霜運転を開始することを示す情報を受けとった場合に制御を実行するようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態1に係るヒートポンプ冷温水システム100は、暖房運転を実行する熱源機が存在しない場合に除霜運転を実行する熱源機の運転を停止させる。このため、冷水が負荷側に過渡に流れることを抑制できる。したがって、除霜運転中に熱源機の熱交換器内の水温低下による凍結を抑制できる。
なお、制御手段17及び制御手段27が設けられる例について説明したが、これに限定されない。例えば、制御手段17及び制御手段27に代えて、熱源機11,21の運転状態に関する情報及び圧縮機13,23の周波数に関する情報を出力する制御手段を設けてもよい。このように構成しても、上述の効果を発揮することができる。
また、熱源機の具体的な個数は、上述した例に限定されるものでない。例えば、2台を上回る熱源機を採用した場合にも、本発明を適用することができる。例えば3台の熱源機を設け、2台の熱源機が暖房運転を実行し且つ残り1台の熱源機が除霜運転を実行している状態で、2台の熱源機の暖房運転が停止された場合には、制御手段は、残り1台の熱源機の除霜運転を停止させる。
また、熱源機11が本発明の第1熱源機に相当し、熱源機21が本発明の第2熱源機に相当する。また、制御手段17が本発明の第1制御手段に相当し、制御手段27が本発明の第2制御手段に相当する。
11 熱源機、13 圧縮機、14 水熱交換器、16 空気熱交換器、17 制御手段、21 熱源機、23 圧縮機、24 水熱交換器、26 空気熱交換器、27 制御手段、30 冷温水ポンプ、40 配管、40a 合流部、100 ヒートポンプ冷温水システム。

Claims (6)

  1. 水熱交換器及び空気熱交換器を有する第1熱源機と、
    水熱交換器及び空気熱交換器を有する第2熱源機と、
    前記第1熱源機の水熱交換器及び前記第2熱源機の水熱交換器から流出する冷温水が合流する合流部と、
    前記空気熱交換器を蒸発器として機能させる暖房運転及び前記空気熱交換器を凝縮器として機能させる除霜運転を切り替える制御手段と、を備え、
    前記制御手段は、
    前記第1熱源機及び前記第2熱源機の何れか一方の熱源機が暖房運転を実行し、前記第1熱源機及び前記第2熱源機の何れか他方の熱源機が除霜運転を実行している場合において、前記一方の熱源機の暖房運転が実行不可になったとき、前記他方の熱源機の除霜運転を停止させる
    ことを特徴とするヒートポンプ冷温水システム。
  2. 前記制御手段は、
    前記他方の熱源機の除霜運転を停止させた後に前記一方の熱源機の暖房運転が実行可能になり暖房運転が開始された場合に、前記他方の熱源機の除霜運転を開始させる
    ことを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプ冷温水システム。
  3. 前記第1熱源機及び前記第2熱源機はそれぞれ圧縮機を有し、
    前記制御手段は、
    前記一方の熱源機の前記圧縮機が故障したとき、前記一方の熱源機の暖房運転が実行不可であると判定する
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のヒートポンプ冷温水システム。
  4. 前記制御手段は、
    前記第1熱源機を制御する第1制御手段と、
    前記第2熱源機を制御する第2制御手段と、によって構成され、
    前記第1制御手段は、
    前記第1熱源機が除霜運転を実行し前記第2熱源機が暖房運転を実行している場合において、前記第2熱源機の暖房運転が実行不可になったとき、前記第1熱源機の除霜運転を停止させ、
    前記第2制御手段は、
    前記第1熱源機が暖房運転を実行し前記第2熱源機が除霜運転を実行している場合において、前記第1熱源機の暖房運転が実行不可になったとき、前記第2熱源機の除霜運転を停止させる
    ことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか一項に記載のヒートポンプ冷温水システム。
  5. 前記第1制御手段は、
    前記第1熱源機の除霜運転を停止させた後に前記第2熱源機の暖房運転が実行可能になり暖房運転が開始された場合に、前記第1熱源機の除霜運転を開始させ、
    前記第2制御手段は、
    前記第2熱源機の除霜運転を停止させた後に前記第1熱源機の暖房運転が実行可能になり暖房運転が開始された場合に、前記第2熱源機の除霜運転を開始させる
    ことを特徴とする請求項4に記載のヒートポンプ冷温水システム。
  6. 前記第1熱源機及び前記第2熱源機はそれぞれ圧縮機を有し、
    前記第1制御手段は、
    前記第2熱源機の前記圧縮機が故障したとき、前記第2熱源機の暖房運転が実行不可であると判定し、
    前記第2制御手段は、
    前記第1熱源機の前記圧縮機が故障したとき、前記第1熱源機の暖房運転が実行不可であると判定する
    ことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載のヒートポンプ冷温水システム。
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