JP6078780B2

JP6078780B2 - ヒートポンプ温水暖房機

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Publication number: JP6078780B2
Application number: JP2012175704A
Authority: JP
Inventors: 松井　大; 大松井; 俊二森脇; 繁男青山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: JP2014035112A

Description

本発明は、ヒートポンプ温水暖房機に関するものである。

従来のヒートポンプ温水暖房機は、ヒートポンプサイクルと熱媒サイクルとで構成され、ヒートポンプサイクルを流れる冷媒が、熱媒サイクルを流れる水熱媒を冷媒−熱媒熱交換器１１５にて加熱し、加熱した水熱媒を複数の放熱器１２５に送水して放熱させ、部屋の暖房行う（図３参照）。

利用者は、冷媒−熱媒熱交換器１１５から放熱器１２５に送水される温水温度（往き温度Ｔｗｏ）を設定することにより、放熱器１２５における放熱量を調整する。水熱媒を送水する手段としては、交流もしくは直流電源で駆動する循環ポンプ１２１が利用されている。直流電源で駆動する循環ポンプ１２１は、その回転数を制御することにより、水熱媒の循環流量を調整できる。

放熱器１２５における水熱媒の放熱量は、水熱媒の温度Ｔｗと、室内温度Ｔｒとの差で決まる。放熱器１２５内部の温水配管において、温水配管入口を原点にして熱媒体の流れる方向にｘ軸を取り、位置ｘにおける熱媒体温度をＴｗ（ｘ）とすると、水熱媒が放熱する熱量は下記のように概算できる。なお、計算を簡略化するため、ここでは、放熱器１２５の接続数は１台とする。

水熱媒の循環流量をＭ、水熱媒の比熱をｃ、放熱器１２５に流れる水熱媒と室内空気との間の熱通過率をＫ、放熱器１２５内部の温水配管長さを放熱器１２５の放熱面積で除した、単位温水配管長さあたりの放熱面積をＡと表記すると、熱媒体温度Ｔｗ（ｘ）には、数１の微分方程式が成り立つ。

冷媒−熱媒熱交換器１１５から放熱器１２５の温水配管入口までに熱ロスがないと仮定し、熱通過率Ｋを一定として数１を積分すると、

放熱器１２５において、熱媒体が流入してから位置ｘまでの放熱量Ｑｒ（ｘ）は（Ｔｗ
ｏ−Ｔｗ（ｘ））・Ｍであり、数２を代入すると、数３のように整理できる。

放熱器１２５内部の温水配管の長さをＬとすると、上記条件における放熱器１２５の放熱量はＱｒ（Ｌ）となる。Ｑｒ（Ｌ）は、図４に示すように、水熱媒の循環流量Ｍに対して単調増加する特徴を持つ。すなわち、水熱媒の循環流量Ｍが大きいほど、放熱器１２５における放熱量は大きくなる。

一方で、冷媒−熱媒熱交換器１１５において、冷媒から水熱媒への加熱量Ｑｅは、数４で表される。

数４において、Ｔｗｉは放熱器１２５から冷媒−熱媒熱交換器１１５に流入する戻り温度である。ＱｅとＱｒ（Ｌ）とが等しい場合は、Ｔｗｉ＝Ｔｗ（Ｌ）となる。

数４は、加熱量Ｑｅ一定のもとで、水熱媒の循環流量Ｍを大きくすると、温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｉは小さくなることを示している。一般的なヒートポンプ温水暖房機では、前述したように、往き温度Ｔｗｏが設定値（目標往き温度Ｔｗｏｔ）に保たれるため、水熱媒の循環流量Ｍを大きくすると、戻り温度Ｔｗｉのみが高くなる。

ヒートポンプサイクルの冷媒凝縮温度、すなわち高圧は、水熱媒の往き温度Ｔｗｏと戻り温度Ｔｗｉと密接に関連しており、戻り温度Ｔｗｉのみが上昇しても、ヒートポンプサイクルの高圧は高くなる。すなわち、水熱媒の循環流量Ｍを大きくすると、ヒートポンプサイクルの入力は増加してしまう。

そこで、直流電源駆動で循環流量を制御できる循環ポンプ１２１を使用し、ヒートポンプ温水暖房機の高効率化を図る技術がある（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特許文献１には、水熱媒の往き温度Ｔｗｏと戻り温度Ｔｗｉとの差である往き戻り温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｉが、所定の範囲内となるように、循環ポンプの回転数の制御方法が開示されている。

特許文献１では、戻り温度Ｔｗｉの過度の上昇を抑え、すなわち、冷媒−熱媒熱交換器における冷媒凝縮温度の過度の上昇を抑えて、サイクル効率悪化を防止し、かつ、循環ポンプの消費電力を削減できると記述されている。

図５に、この制御方法の循環ポンプの制御フローを示す。往き戻り温度差ΔＴａ（＝Ｔｗｏ−Ｔｗｉ）を算出し（ステップＳ０４）、往き戻り温度差が所定値（４Ｋ）よりも小さい場合、もしくは、目標往き温度Ｔｗｏｔが確保されていない場合は、水熱媒の循環流
量を下げるよう、循環ポンプを制御する（ステップＳ０９）。

逆に、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔとほぼ近い温度を確保していても、往き戻り温度差が所定値（２０Ｋ）以上となっている場合は、水熱媒の循環流量を大きくするよう、循環ポンプを制御する（ステップＳ１０）。

すなわち、往き戻り温度差が所定範囲内（４Ｋ以上２０Ｋ未満）で、かつ目標往き温度Ｔｗｏｔが確保されている場合のみ、水熱媒の循環流量は保持される（ステップＳ０８）。

また、特許文献２には、水熱媒の往き温度Ｔｗｏが目標往き温度（Ｔｗｏｔ）となるようにヒートポンプサイクルにおけるヒートポンプサイクルの圧縮機の周波数を制御し、これと平行して、往き戻り温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｉが目標往き戻り温度差となるように循環ポンプを制御する方法が開示されている。

図６に、この制御方法の循環ポンプの制御フローを示す。往き戻り温度差ΔＴａ（＝Ｔｗｏ−Ｔｗｉ）を算出し（ステップＳ２４）、往き戻り温度差ΔＴａが目標往き戻り温度差ΔＴａｔよりも大きい状態を所定時間維持しているならば、温度差が大きすぎるとみなして、水熱媒の循環流量を大きくするよう、循環ポンプを制御する（ステップＳ２６）。

逆に、往き戻り温度差ΔＴａが目標往き戻り温度差ΔＴａｔよりも小さい、もしくは往き戻り温度差ΔＴａが目標往き戻り温度差ΔＴａｔよりも大きい状態を所定時間維持できていない場合は、往き温度Ｔｗｏと目標往き温度Ｔｗｏｔとの関係を調べる（ステップＳ２７）。

往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔ以上の状態が所定時間維持されている状態では、水熱媒の循環流量を下げるよう、循環ポンプを制御する（ステップＳ２８）。

逆に、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔ未満、もしくは、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔ以上の状態が所定時間維持されていない状態では、水熱媒の循環流量は据え置く。

なお、ステップＳ２６とステップＳ２８において、循環ポンプの制御には、ＰＩ制御が用いられている。また、Ｓ２５以降の処理は一定時間ごと行い、水熱媒の循環流量はその間据え置く。

特許文献２でも、特許文献１と同様、冷媒−熱媒熱交換器における冷媒凝縮温度の過度の上昇を抑えて、サイクル効率悪化を防止し、かつ、循環ポンプの消費電力を削減できるとしている。

特開２００９−２８７８９５号公報特開２０１０−１９６９４６号公報

特許文献１と特許文献２は、双方とも、戻り温度Ｔｗｉが過度に上昇することを防ぐため、水熱媒の循環流量を低減し、冷媒凝縮温度の上昇を抑え、ヒートポンプサイクルと循環ポンプの合計入力を下げることを目的としている。

しかしながら、水熱媒の循環流量を低減すると、室内放熱器における放熱量が低下することについては考慮されていない。

利用者側から見ると、ヒートポンプ温水暖房機の運転効率は、室内放熱器における放熱量を、ヒートポンプサイクルと循環ポンプの合計入力で除した値とするべきである。

水熱媒の循環流量を低減すると、ヒートポンプサイクルと循環ポンプの合計入力は低下するが、室内放熱器における放熱量も低下してしまうため、前記特許文献の制御方法では、運転効率は必ずしも向上しないという課題がある。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、機器の運転効率が増加から減少に転じるまで循環ポンプの制御を継続して、運転効率が最大となる熱媒循環量を決定することで、運転効率を最大にできるヒートポンプ温水暖房機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ温水暖房機は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒−熱媒熱交換器、減圧手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環するヒートポンプサイクルと、循環ポンプ、放熱器、前記冷媒−熱媒熱交換器が環状に接続され、前記冷媒−熱媒熱交換器にて前記冷媒と熱交換する熱媒が循環する熱媒サイクルと、前記冷媒−熱媒熱交換器から前記放熱器に流れる前記熱媒の温度を検知する往き温度検知手段と、制御装置とを備えたヒートポンプ温水暖房機において、前記制御装置は、前記熱媒の循環量が増加または減少するように、前記循環ポンプの運転動作を変更することで、前記放熱器における放熱量をＱｒ、前記ヒートポンプ温水暖房機の入力をＷとし、η＝Ｑｒ／Ｗにて求める前記ηが最大となるように調整するとともに、前記ヒートポンプサイクルの運転中に、目標往き温度が高い値に変更された場合には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を変更することを特徴とするものである。

これにより、例えば、循環ポンプを制御して、熱媒循環量を所定量低減させると運転効率が増加する場合は、運転効率が増加から減少に転じるまで、熱媒循環量を低減させる循環ポンプの制御を継続する。

逆に、循環ポンプを制御して、熱媒循環量を所定量増加させると運転効率が増加する場合は、運転効率が増加から減少に転じるまで、熱媒循環量を増加させる循環ポンプの制御を継続する。

このように、運転効率が増加から減少に転じるまで循環ポンプの制御を継続して、運転効率が最大となる熱媒循環量を決定することで、ヒートポンプ温水暖房機の運転効率を最大化できる。

本発明によれば、機器の運転効率が増加から減少に転じるまで循環ポンプの制御を継続して、運転効率が最大となる熱媒循環量を決定することができるため、運転効率を最大にできるヒートポンプ温水暖房機を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ温水暖房機の制御フローチャート本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ温水暖房機の循環ポンプが送出する熱媒循環量と揚程との関係と、放熱器を流れる熱媒循環量と圧力損失との関係を示す図本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ温水暖房機の構成図従来のヒートポンプ温水暖房機の熱媒循環量と放熱器における放熱量との関係を示す図従来のヒートポンプ温水暖房機の制御フローチャート従来の他のヒートポンプ温水暖房機の制御フローチャート

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒−熱媒熱交換器、減圧手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環するヒートポンプサイクルと、循環ポンプ、放熱器、前記冷媒−熱媒熱交換器が環状に接続され、前記冷媒−熱媒熱交換器にて前記冷媒と熱交換する熱媒が循環する熱媒サイクルと、前記冷媒−熱媒熱交換器から前記放熱器に流れる前記熱媒の温度を検知する往き温度検知手段と、制御装置とを備えたヒートポンプ温水暖房機において、前記制御装置は、前記熱媒の循環量が増加または減少するように、前記循環ポンプの運転動作を変更することで、前記放熱器における放熱量をＱｒ、前記ヒートポンプ温水暖房機の入力をＷとし、η＝Ｑｒ／Ｗにて求める前記ηが最大となるように調整するとともに、前記ヒートポンプサイクルの運転中に、目標往き温度が高い値に変更された場合には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を変更することを特徴とするヒートポンプ温水暖房機である。

また、これにより、リモコン操作等で、目標往き温度が現在よりも高い値に変更された場合は、放熱器における放熱量が足りないと判断し、熱媒循環量を最大として、放熱器で放熱する熱量を最大化することで、目標往き温度が高い値に変更された場合でも、放熱器における放熱量を増加させる要求に速やかに対応することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記ヒートポンプサイクルの起動時には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を制御することを特徴とするものである。

これにより、ヒートポンプ温水暖房機が起動した後には、熱媒循環量を最大とし、室内放熱器で放熱する熱量を最大化することで、ヒートポンプ温水暖房機が起動した直後の暖房立ち上がりを早めることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記制御装置は、前記ヒートポンプサイクルが運転中で、前記放熱器の数が増加した場合には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を変更することを特徴とするものである。

これにより、リモコン操作等で、ヒートポンプ温水暖房機が熱媒を供給する放熱器の数
が増加し、熱負荷が増加した場合は、熱媒循環量を最大とすることで、放熱器で放熱する熱量を最大化でき、熱媒を供給する放熱器が増加し、熱負荷が増加した場合でも、暖房立ち上がりを早めることができる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記冷媒−熱媒熱交換器から前記放熱器に流れる前記熱媒の温度を検知する往き温度検知手段と、前記放熱器から前記冷媒−熱媒熱交換器に戻る前記熱媒の温度を検知する戻り温度検知手段とを備え、前記制御装置は、前記往き温度検知手段の検出値の所定時間における変化量が第１の所定範囲内で、前記戻り温度検知手段の検出値の所定時間における変化量が第２の所定範囲内で、かつ、前記往き温度検知手段の検出値と目標往き温度との差が所定値以内の場合に、前記循環ポンプの運転動作を変更しないことを特徴とするものである。

これより、ヒートポンプサイクルの起動後や、熱媒を供給する放熱器の数が変化した後や、目標往き温度が変更された後のように、熱媒サイクルが過渡状態にあり、ヒートポンプサイクルの圧縮機の制御が行われると想定される場合は、循環ポンプの制御を行わないことで、ヒートポンプサイクルの圧縮機の制御と、循環ポンプの制御とが、お互いに干渉することがなく、それぞれの制御が不安定となることを防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態とヒートポンプ温水暖房機１００の構成図である。ヒートポンプ温水暖房機１００は、ヒートポンプサイクル１１０、熱媒サイクル１２０、そして制御装置１３０とで構成される。

ヒートポンプサイクル１１０は、気体状態の冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒を吐出する圧縮機１１１、室外空気から採熱する空気熱交換器１１２、室外空気を強制的に空気熱交換器１１２に導入する空気熱交換器ファン１１３、冷媒の流量を調整する減圧手段１１４、そして、冷媒と水熱媒との熱交換を行う冷媒−熱媒熱交換器１１５で構成されている。

一方、熱媒サイクル１２０は、冷媒−熱媒熱交換器１１５と接続され、熱媒サイクル１２０内の水熱媒を循環させる循環ポンプ１２１、水熱媒を貯留するバッファタンク１２２、４台の室内放熱器１２５ａ〜１２５ｄ、そして、個々の室内放熱器１２５への水熱媒供給を制御する開閉弁１２３で構成されている。

ヒートポンプサイクル１１０の冷媒と熱媒サイクル１２０の水熱媒とは、互いに独立し、混合することはないが、冷媒−熱媒熱交換器１１５を介して熱交換可能な構成となっている。冷媒−熱媒熱交換器１１５には、二重管式熱交換器やプレート熱交換器が使用される。また、直流電源によって駆動される循環ポンプ１２１は羽根車を有し、この羽根車の回転数をＰＷＭ制御することで、熱媒サイクル１２０内の水熱媒の循環流量を変更することができる。

熱媒サイクル１２０において、冷媒−熱媒熱交換器１１５の出口側には、冷媒−熱媒熱交換器１１５から放熱器１２５ａ〜１２５ｄに向かう水熱媒の往き温度Ｔｗｏを計測する往き温度検知センサ１２６が設置されている。また、冷媒−熱媒熱交換器１１５の入口側には、放熱器１２５ａ〜１２５ｄから冷媒−熱媒熱交換器１１５に戻る水熱媒の戻り温度Ｔｗｉを計測する戻り温度検知センサ１２７が設置されている。

制御装置１３０は、マイコン（図示せず）に組み込まれた制御プログラムで、室外温度、圧縮機１１１の吐出温度（ともに図示しない温度センサにより検知）、往き温度検知センサ１２６で検知した往き温度Ｔｗｏ、戻り温度検知センサ１２７で検知した戻り温度Ｔｗｉを取得し、圧縮機１１１の周波数、空気熱交換器ファン１１３の回転数、減圧手段１１４の開度、使用する放熱器１２５ａ〜１２５ｄと接続した開閉弁１２３の開度、および、循環ポンプ１２１の回転数を制御する。

リモコン１２４と放熱器１２５ａ〜１２５ｄは、共に暖房対象となる部屋内に設置される。リモコン１２４は、４台接続して、放熱器１２５ａ〜１２５ｄを個別に制御するようにしても、２〜３台接続して、放熱器１２５ａ〜１２５ｄのうち数台ごとに制御するようにしても、１台接続して、放熱器１２５ａ〜１２５ｄの全てを制御するようにしてもよい。

リモコン１２４の操作により、ヒートポンプ温水暖房機１００が稼動し、加熱された水熱媒が循環ポンプ１２１により放熱器１２５ａ〜１２５ｄに搬送され放熱することにより、部屋の暖房が行われる。

なお、放熱器１２５としては、床に埋め込まれ輻射暖房を行う床暖房パネル、室内壁面に設置され輻射暖房を行うラジエータ、送風機を使い放熱器１２５の熱を強制的に部屋内に供給するファンコンベクターなどを利用する。

ヒートポンプ温水暖房機１００の利用者は、リモコン１２４において目標往き温度Ｔｗｏｔを設定する。あるいは、暖房強度レベル、例えば、放熱器１２５に床暖房パネルを用いる場合は床面温度の高さレベルを設定する。この場合、制御装置１３０は、利用者が設定した暖房強度レベルに応じて、目標往き温度Ｔｗｏｔを計算し保持する。

次に、ヒートポンプ温水暖房機１００の動作について説明する。図１は、本発明の実施の形態における、制御装置１３０の、圧縮機１１１と循環ポンプ１２１に対する制御動作を説明したフローチャートである。

まず、ヒートポンプ温水暖房機１００を起動し、加熱した水熱媒を、室内放熱器１２５ａのみに搬送開始してから、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔになるまでの制御動作について説明する。

利用者がリモコン１２４で運転開始操作（ステップＳ００１）をすると、リモコン１２４は、運転開始指令とともに、利用者が設定した目標往き温度Ｔｗｏｔを制御装置１３０に送信する。制御装置１３０は受信した目標往き温度Ｔｗｏｔを保持する。

リモコン１２４が暖房強度レベルを制御装置１３０に送信した場合は、制御装置１３０は、受信した暖房強度レベルに応じた目標往き温度Ｔｗｏｔを計算し、保持する（ステップＳ００２）。目標往き温度Ｔｗｏｔを設定すると、制御装置１３０は、圧縮機１１１、空気熱交換器ファン１１３、減圧手段１１４、循環ポンプ１２１の運転を開始する。

循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓに関しては、Ｆｓ＝０から段階的に上げる起動時循環流量制御を行う。起動時循環流量制御は、循環ポンプ１２１の起動開始（ステップＳ００３）から、所定時間、例えば１０分経過するまで行われる。

一般的には、該所定時間内に、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓが最大回転数Ｆｓｍａｘに達するよう、３〜５段階に分けて、回転数Ｆｓを上昇させる（ステップＳ０２０）。なお、循環ポンプ１２１を起動開始する際、後述する、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓの制
御方向性を決める値Ｎｃをゼロリセットしておく（ステップＳ００４）。

起動時循環流量制御を実施する理由は、ヒートポンプサイクル１１０起動直後に、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを急激に上げてしまうと、放熱器１２５に滞留していた冷えた水熱媒が冷媒−熱媒熱交換器１１５に大量に流れて、冷媒−熱媒熱交換器１１５におけるヒートポンプサイクル１１０側の冷媒凝縮温度の上昇が遅れ、放熱器１２５の温度上昇に時間を要する恐れがあり、これを避けるためである。

上記の起動時循環流量制御と同時に、圧縮機１１１の周波数Ｆｃの制御も行う。この制御の最も基本的な手法は、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔとなるように、圧縮機１１１の周波数Ｆｃの調整を行うＰ制御（比例制御）である。

圧縮機１１１の周波数ＦｃのＰ制御（比例制御）では、往き温度Ｔｗｏと目標往き温度Ｔｗｏｔとの温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔに、比例ゲインＫｐ１を乗じたＫｐ１×（Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔ）を、圧縮機１１１の周波数Ｆｃを修正する値とする（ステップＳ０２１とステップＳ０２２）。

比例ゲインＫｐ１の値は、次のような効果が出るよう、負の値をとる。すなわち、Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔ＞０のときは、圧縮機１１１の周波数Ｆｃを低下させて、冷媒−熱媒熱交換器１１５において水熱媒を加熱する熱量Ｑｅを低下させる。逆に、Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔ＜０のときは、圧縮機１１１の周波数を上昇させ、熱量Ｑｅを上昇させる。

圧縮機１１１の周波数Ｆｃの制御方法としては、Ｐ制御の替わりに、いわゆるＰＩ制御を用いてもよい。ＰＩ制御では、往き温度Ｔｗｏと目標往き温度Ｔｗｏｔとの温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔの時間積分に積分ゲインＫｉ１を乗じたＫｉ１×∫（Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔ）ｄｔと、Ｐ制御（比例制御）のＫｐ１×（Ｔｗｏ−Ｔｗｏｔ）との和を用いて、圧縮機１１１の周波数を修正する。

Ｐ制御では、往き温度Ｔｗｏの変化がなくなった状態（定常状態）でも、往き温度Ｔｗｏと目標往き温度Ｔｗｏｔとの間に、残留偏差（オフセット）が生じる可能性がある。しかし、比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉとを適切に設定したＰＩ制御を用いると、往き温度Ｔｗｏを目標往き温度Ｔｗｏｔに確実に収束させることができる。

なお、制御装置１３０は、起動時循環流量制御を実施中、空気熱交換器ファン１１３の回転数と、減圧手段１１４の開度も、それぞれ制御する。たとえば、空気熱交換器ファン１１３の回転数は、圧縮機１１１の周波数Ｆｃに応じて制御し、減圧手段１１４の開度は、目標往き温度Ｔｗｏｔに応じて制御する。

さて、起動時循環流量制御が所定時間（たとえば１０分）経過して終了すると、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓは最大回転数に達している。制御装置１３０は、水熱媒を供給する放熱器１２５の数が増加していないか（ステップＳ００６）、目標往き温度が現在より高い温度に変更されていないか（ステップＳ００７）を監視し、放熱器１２５の数が増加せず、かつ、目標往き温度が現在より高い温度に変更されていない場合にのみ、ステップＳ００９以降の処理を行う。

まず、往き温度Ｔｗｏの変化量ΔＴｗｏ、および戻り温度Ｔｗｉの変化量ΔＴｗｉが、それぞれ、数５、数６を満たしているかどうかの監視する（ステップＳ００９とステップＳ０１０）。

なお、数５におけるε１は、往き温度変化許容範囲、数６におけるε２は、戻り温度変化許容範囲を示し、それぞれの値は、たとえば、０．５Ｋとする。

往き温度Ｔｗｏの変化量ΔＴｗｏ、および戻り温度Ｔｗｉの変化量ΔＴｗｉは、現在の計測値と、現在から所定時間（たとえば５分）前の計測値との差としてもよいし、所定時間内（たとえば５分）の、それぞれの計測値の最大値から最小値を引いた値を用いても良い。

数３と数４とを同時に満たさない場合は、ステップＳ０２１とステップＳ０２２の処理、すなわち、圧縮機１１１の周波数Ｆｃの制御を行う。逆に、数３と数４とを同時に満たす場合には、ヒートポンプ温水暖房機１００の運転状態は、定常状態になっているとみなし、ステップＳ０１１に移行し、往き温度Ｔｗｏが目標往き温度Ｔｗｏｔに達しているかどうかを判断する。

ステップＳ０１１では、往き温度Ｔｗｏと目標往き温度Ｔｗｏｔとの差が数７を満たしているかどうかを調べる。数７において、ε３は往き温度誤差許容範囲であり、この値は、たとえば、０．３Ｋとする。

ステップＳ０１１において、数７を満たさない場合は、放熱器１２５が放熱している部屋が、十分に暖まっていない可能性があるため、ステップＳ０２１とステップＳ０２２の処理、すなわち、圧縮機１１１の周波数Ｆｃの制御を継続する。

一方、数７を満たしている場合は、放熱器１２５が放熱している部屋が、十分に暖まっていると判断し、ステップＳ０１２に移行して、ヒートポンプ温水暖房機１００の運転効率ηを検知する。ヒートポンプ温水暖房機１００の運転効率ηは、放熱器１２５における放熱量Ｑｒと、ヒートポンプ温水暖房機１００の入力Ｗとを検知し、η＝Ｑｒ／Ｗにて求める。放熱器１２５における放熱量Ｑｒと、ヒートポンプ温水暖房機１００の入力Ｗの検知には、それぞれ以下の手法を用いる。

放熱器１２５における放熱量Ｑｒの検知は、数３に示したＱｒ（ｘ）に、放熱器１２５内部の温水配管長さＬを代入する（ｘ＝Ｌ）と、放熱器１２５の放熱量が計算できるが、放熱器１２５を設置した部屋の温度Ｔｒの測定や、放熱器１２５を設置した部屋の状態等で変化する熱通過率Ｋの設定が必要である。

ステップ０１２では、ヒートポンプ温水暖房機１００の運転状態は定常状態になっているため、数４で示した、冷媒−熱媒熱交換器１１５における水熱媒への加熱量Ｑｅを、放熱器１２５における放熱量とみなすことができる。数４における未知数は、循環ポンプ１２１が送出する水熱媒の循環流量Ｍである。

水熱媒の循環流量Ｍは、流量センサを熱媒サイクル１２０に設置して検知してもよいが、流量センサは大きく、部品コストが増加する問題がある。そこで、循環ポンプ１２１が送出する水熱媒の流量と揚程との関係と、放熱器１２５ａを流れる水熱媒の流量と圧力損失との関係が明確であれば、推定することも可能である。

図２には、横軸に水熱媒の流量、縦軸に圧力を取り、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓにおける、循環ポンプ１２１が送出する水熱媒の流量と圧力（揚程）との関係を線Ｎで示している。この関係は、上に凸の曲線となり、回転数Ｆｓが大きいほど、線Ｎは、図２中で上方に移動する。循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓが最大回転数Ｆｓｍａｘのときの流量と圧力（揚程）との関係は、線Ｎｍａｘとなる。

さらに、図２には、放熱器１２５ａのみに水熱媒を供給する場合の、水熱媒の流量と圧力損失との関係を線Ｐ１、４台の室内放熱器１２５ａ〜１２５ｄに同時に水熱媒を供給する場合の、水熱媒の流量と圧力損失との関係を線Ｐ４で示している。

水熱媒の循環流量Ｍは、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓにおいて、放熱器１２５ａのみに水熱媒を供給する場合は、線Ｎと線Ｐ１との交点である点Ａが示す流量Ｍ１となり、４台の放熱器１２５ａ〜１２５ｄに同時に水熱媒を供給する場合は、線Ｎと線Ｐ４との交点である点Ｂが示す流量Ｍ２となる。

また、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓｍａｘでは、水熱媒の循環流量Ｍは、放熱器１２５ａのみに水熱媒を供給する場合は、線Ｎｍａｘと線Ｐ１との交点である点Ａｍが示す流量Ｍ１ｍａｘとなり、４台の放熱器１２５ａ〜１２５ｄに同時に水熱媒を供給する場合は、線Ｎｍａｘと線Ｐ４との交点である点Ｂｍが示す流量Ｍ２ｍａｘとなる。

このように、あらかじめ、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓごとの線Ｎ、および、水熱媒を供給する放熱器１２５ａ〜１２５ｄの組合せごとの線Ｐのデータを保持しておけば、どのような運転下でも、水熱媒の循環流量Ｍを高精度で検知できる。

循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓごとの線Ｎとは、循環ポンプ１２１の回転数を制御する制御変更量ΔＦｓごとの曲線データである。

また、水熱媒を供給する放熱器１２５ａ〜１２５ｄの組合せごとの線Ｐとは、放熱器１２５ａ〜１２５ｄがそれぞれ単独で使用される場合の４通り、放熱器１２５ａ〜１２５ｄのうち２台が使用される６通り、放熱器１２５ａ〜１２５ｄのうち３台が使用される４通り、放熱器１２５ａ〜１２５ｄが全て使用される１通り、の計１５通りの曲線データである。曲線データとは、例えば、２次近似式の係数である。

ヒートポンプ温水暖房機１００の入力Ｗの検知は、ヒートポンプ温水暖房機１００に電力検知センサを設置して、入力Ｗを直接検知してもよいが、部品コストが増加する問題が
ある。一般的に、ヒートポンプ温水暖房機１００には、過電流保護のため、外部電源との接続部に電流センサ（ＣＴ、図示せず）が設置され、制御装置１３０は、ヒートポンプ温水暖房機１００全体、すなわち、ヒートポンプサイクル１１０、熱媒サイクル１２０、制御装置１３０で消費される電流値を常時監視している。

外部電源は、ほとんどの場合交流であり、実際のＷは、微小時間ごとの電流と電圧との積を積算する必要があるが、電圧変動がほとんどない場合は、制御装置１３０は、電流センサ（ＣＴ）の検知値を代用してもよい。

ステップＳ０１２では、上記のように得られた、放熱器１２５における放熱量Ｑｒとヒートポンプ温水暖房機１００の入力Ｗから、運転効率ηを計算する。

つぎに、ステップＳ０１３において、ヒートポンプ温水暖房機１００の起動後、初めて循環ポンプ１２１の回転数を制御するか否かを判断し、初めて循環ポンプ１２１の回転数を制御する場合（Ｎｃ＝０）は、循環ポンプ１２１の回転数を、最大回転数Ｆｓｍａｘから所定量ΔＦｓだけ落とす制御を行う（ステップＳ０１４）。

このとき、循環ポンプ１２１の回転数の制御方向を示すＮｃの値は−１とし（ステップＳ０１５）、運転効率ηをη０として保存する（ステップＳ０２０）。

ステップＳ０１３において、循環ポンプ１２１の回転数の制御が初めてでないと判断した場合（Ｎｃ≠０）は、運転効率ηを制御前のη０と比較することで、次の循環ポンプ１２１の回転数の制御方向を決める。

運転効率ηが制御前のη０よりも上昇している場合は、循環ポンプ１２１の回転数の制御方向を示すＮｃはそのままにして、Ｆｓ＝Ｆｓ＋Ｎｃ×ΔＦｓとする（ステップＳ０１７）。一方、運転効率ηが制御前のη０よりも低下している場合は、循環ポンプ１２１の回転数の制御方向を示すＮｃの符号を変更したうえで（ステップＳ０１９）、Ｆｓ＝Ｆｓ＋Ｎｃ×ΔＦｓとする（ステップＳ０１７）。

循環ポンプ１２１の回転数を制御した後、ヒートポンプサイクル１１０、および熱媒サイクル１２０の状態は変化し、次の循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを制御するまでには、ある程度の時間を要する。

例えば、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを下げると、数４より、往き戻り温度差Ｔｗｏ−Ｔｗｉは拡大する。実際は、数Ｌの水熱媒を保有する放熱器１２５から戻る水熱媒の温度Ｔｗｉの変化は遅いため、まずは、冷媒−熱媒熱交換器１１５出口の往き温度Ｔｗｏが急上昇する。

往き温度Ｔｗｏが急上昇すると、ステップＳ００９で数５を満たさなくなるため、圧縮機１１１の周波数Ｆｃの制御（ステップＳ０２１とＳ０２２）に移行する。そして、制御装置１３０は、上昇した往き温度Ｔｗｏを目標往き温度Ｔｗｏｔに戻すために、圧縮機１１１の周波数Ｆｃを落とす。この結果、往き温度Ｔｗｏの上昇は止まり、逆に下降に転じる。

一方で、水熱媒の循環流量Ｍの低下の影響を受け、放熱器１２５から戻る水熱媒の温度Ｔｗｉは徐々に低下する。一方で、圧縮機１１１の周波数Ｆｃは低下し、冷媒−熱媒熱交換器１１５において水熱媒を加熱する熱量Ｑｅが低下しているため、往き温度Ｔｗｏはさらに低下し、目標往き温度Ｔｗｏｔを下回るようになる。すると、制御装置１３０は、低下した往き温度Ｔｗｏを目標往き温度Ｔｗｏｔに戻すために、圧縮機１１１の周波数Ｆｃ
を元に戻すように上げる。

以上のような制御過程を経て、徐々に、ヒートポンプサイクル１１０、および熱媒サイクル１２０の状態は再び安定となる。ステップＳ００９〜Ｓ０１１にて、数５〜数７を満たすと、再度、循環ポンプ１２１の回転数の制御を行う。

なお、ステップＳ００６において、水熱媒を供給する放熱器１２５の数が増加していると判断した場合や、ステップＳ００７において、目標往き温度が現在より高い温度に変更されていると判断した場合は、直ちに、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを最大回転数Ｆｓｍａｘとし、放熱器１２５における放熱量を最大化する。

以上述べたように、本実施の形態によれば、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを所定量ΔＦｓ低減させるとヒートポンプ温水暖房機１００の運転効率ηが増加する場合は、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを低減させる制御を継続し、運転効率ηが低下に転じると、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを低減させる制御を停止する。

逆に、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを所定量ΔＦｓ増加させると運転効率ηが増加する場合は、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを増加させる制御を継続し、運転効率ηが低下に転じると、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを増加させる制御を停止する。この結果、ヒートポンプ温水暖房機１００の運転効率ηが最大となる循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを決定することができる。

また、ヒートポンプサイクル１１０の起動時には、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを最大回転数Ｆｓｍａｘとなるよう制御して、放熱器１２５における放熱量を最大化するため、ヒートポンプ温水暖房機１００が起動した直後の暖房立ち上がりを早めることができる。

また、ヒートポンプサイクル１１０の運転中に、リモコン操作等で放熱器１２５の数が増加し、熱負荷が増加した場合でも、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを最大回転数Ｆｓｍａｘとなるよう制御して、放熱器１２５における放熱量を最大化するため、暖房立ち上がりを早めることができる。

また、ヒートポンプサイクル１１０の運転中に、目標往き温度Ｔｗｏｔが現在よりも高い値に変更された場合は、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓを最大回転数Ｆｓｍａｘとなるよう制御して、放熱器１２５における放熱量を最大化するため、放熱器における放熱量を増加させる要求に速やかに対応することができる。

また、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓの制御は、循環ポンプ１２１の回転数Ｆｓの制御を行った直後、ヒートポンプサイクルの起動直後、水熱媒を供給する放熱器１２５の数が変化した後、目標往き温度が変更された後のように、熱媒サイクル１２０が過渡状態にあり、圧縮機１１１の制御が行われると想定される場合は行わないため、循環ポンプ１２１の制御は、圧縮機１１１の制御と、お互いに干渉することがなく、それぞれの制御が不安定となることを防止できる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ温水暖房機は、機器の運転効率が増加から減少に転じるまで循環ポンプの制御を継続して、運転効率が最大となる熱媒循環量を決定することで、機器の運転効率を最大とすることができるため、ヒートポンプを搭載した温水暖房機に適用できる。

１００ヒートポンプ温水暖房機
１１０ヒートポンプサイクル
１１１圧縮機
１１２空気熱交換器（蒸発器）
１１４減圧手段
１１５冷媒−熱媒熱交換器
１２０熱媒サイクル
１２１循環ポンプ
１２５放熱器
１２６往き温度検知センサ
１２７戻り温度検知センサ
１３０制御装置

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒−熱媒熱交換器、減圧手段、蒸発器が環状に接続され、冷媒が循環するヒートポンプサイクルと、循環ポンプ、放熱器、前記冷媒−熱媒熱交換器が環状に接続され、前記冷媒−熱媒熱交換器にて前記冷媒と熱交換する熱媒が循環する熱媒サイクルと、前記冷媒−熱媒熱交換器から前記放熱器に流れる前記熱媒の温度を検知する往き温度検知手段と、制御装置とを備えたヒートポンプ温水暖房機において、前記制御装置は、前記熱媒の循環量が増加または減少するように、前記循環ポンプの運転動作を変更することで、前記放熱器における放熱量をＱｒ、前記ヒートポンプ温水暖房機の入力をＷとし、η＝Ｑｒ／Ｗにて求める前記ηが最大となるように調整するとともに、前記ヒートポンプサイクルの運転中に、目標往き温度が高い値に変更された場合には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を変更することを特徴とするヒートポンプ温水暖房機。
前記制御装置は、前記ヒートポンプサイクルの起動時には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水暖房機。
前記制御装置は、前記ヒートポンプサイクルが運転中で、前記放熱器の数が増加した場合には、前記熱媒の循環量が最大となるように、前記循環ポンプの運転動作を変更することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ温水暖房機。
前記冷媒−熱媒熱交換器から前記放熱器に流れる前記熱媒の温度を検知する往き温度検知手段と、前記放熱器から前記冷媒−熱媒熱交換器に戻る前記熱媒の温度を検知する戻り温度検知手段とを備え、前記制御装置は、前記往き温度検知手段の検出値の所定時間における変化量が第１の所定範囲内で、前記戻り温度検知手段の検出値の所定時間における変化量が第２の所定範囲内で、かつ、前記往き温度検知手段の検出値と目標往き温度との差が所定値以内の場合に、前記循環ポンプの運転動作を変更しないことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに１項に記載のヒートポンプ温水暖房機。