JP6151409B2 - ヒートポンプ式熱源装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式熱源装置に関するものである。

空気調和システムは、熱交換用水の熱エネルギーで空気を冷却又は加熱して空調する空調機と、空調機で使用して設定水温から外れた熱交換用水の温度を調整するヒートポンプ式熱源装置と、を備えている。空調機は屋内に設置され、ヒートポンプ式熱源装置は屋外に設置される。ヒートポンプ式熱源装置は、屋外空気と冷媒とを熱交換する空気−冷媒熱交換器と、冷媒と熱交換用水とを熱交換する冷媒−水熱交換器と、冷媒を圧縮して空気−冷媒熱交換器及び冷媒−水熱交換器に循環させる圧縮機と、を備え、これらをケーシング内に一体に設けている。熱交換用水は、水配管と送水ポンプによりヒートポンプ式熱源装置と空調機を循環する。

特開２００７−２０５６０５号公報

高層建築物や大型建築物では、長い水配管が必要となるためイニシャルコストが高くなり、送水ポンプも大能力が必要となるためランニングコストが高くなる問題があった。
また、ヒートポンプ式熱源装置の圧縮機は、故障予防等のために所定出力以上でないと運転できない構造になっている。この所定出力である最小限界出力は、大能力の圧縮機になるほど大きくなる。したがって、中間期などのように空調負荷が小さな場合に、圧縮機が能力過多となって無駄にエネルギーを消費する。しかも、年間を通して考えると空調負荷が最大でない時間が大半であるため、熱源装置の浪費するエネルギー消費量が膨大になる問題があった。

また、ヒートポンプ式熱源装置の空気−冷媒熱交換器は、屋外空気が流れ込む空気入口を有しているが、この空気入口は屋外に剥き出しのままなので、空気−冷媒熱交換器に対して冬期は着霜しやすく、風雨の直吹き込みや夏期の直射日光により熱交換能力が低下する問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、屋内に設置された空調機へ供給される熱交換用水の温度を調整するヒートポンプを、備え、
前記ヒートポンプが、屋外に設置された複数の屋外側ユニットと、前記屋内又は前記屋内付近に設置された一つの屋内側ユニットと、を備え、
前記屋内側ユニットが、冷媒と前記熱交換用水とを熱交換する屋内側熱交換器と、前記熱交換用水を前記屋内側熱交換器及び前記空調機に搬送する送水ポンプと、を備え、
前記屋外側ユニットが、屋外空気と前記冷媒とを熱交換する屋外側熱交換器と、前記冷媒を圧縮して前記屋外側熱交換器及び前記屋内側熱交換器に搬送する圧縮機と、を備え、
前記複数の屋外側ユニットの屋外側熱交換器及び圧縮機と前記一つの屋内側ユニットの屋内側熱交換器とに前記冷媒が循環するように設けた冷媒配管と、
前記一つの屋内側ユニットの屋内側熱交換器及び前記送水ポンプと前記空調機とに前記熱交換用水が循環するように設けた水配管と、を備えていることを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、屋内側だけに水配管を設ければよいので配管が短くて済みイニシャルコストが安くなる。配管が短くなる分、送水ポンプの能力が小さくなりランニングコストが安くなる。一台分の圧縮機の能力を複数の圧縮機にて分担して負担するので、各圧縮機の最小限界出力が小さくて済む。したがって、空調負荷が小さな場合に、圧縮機が能力過多とならず、無駄なエネルギー消費がなくなって省エネ性を向上させることができる。複数の屋外側熱交換器で一つの屋内側熱交換器を共用しているので部品点数が削減され、コスト安となる。複数の圧縮機の出力の増減を相殺させてオーバーシュートとアンダーシュートを無くすことで、熱交換用水の温度調整の過不足が無くなる。したがって、空調機へ温度ムラの無い熱交換用水を供給でき、快適空調を行える。

請求項２の発明によれば、圧縮機毎に最小限界出力を異なるようにしてあるので（例えば６：４）、各最小限界出力が同じ場合（例えば５：５）と比べて、さらに少ない最小限界出力制御（例えば５よりも少ない４）が可能となり、空調負荷の一層広い変動幅に対応して快適性と省エネ性を確実に保障することができる。

請求項３の発明によれば、複数の圧縮機の始動・停止の偏りを少なくして、一部の圧縮機だけを使いすぎないようにし、空調機のライフサイクルコスト（Life cycle cost）を低減できる。例えば制御ソフトウエアにより運転パターンを切換えるだけでよいので容易に実施でき、タイマーなどの余分な機器が不要でコストダウンにつながる。

請求項４の発明によれば、複数の圧縮機の合計始動回数又は合計作動時間の偏りを無くして、全ての圧縮機の使用頻度又は使用時間を均一化でき、空調機のライフサイクルコストの大幅削減につながる。

請求項５の発明によれば、屋外側ユニットの屋外側熱交換器のデフロスト時には複数の圧縮機が全て同時に停止することないので、暖房運転が途切れず不快とならない。また、別個にヒーターなどの余分な装置を設ける必要もなくなる。

請求項６の発明によれば、整流部材のプレートによって、屋外側熱交換器の空気入口が屋外に剥き出しにならないので、冬期の屋外側熱交換器への着霜を抑制し、風雨の直吹き込みや夏期の直射日光による熱交換能力低下を防げる。
請求項７の発明によれば、整流部材のプレートによって、屋外側熱交換器の空気入口を遮ぎりながら屋外空気を空気入口の全域へ流れ込ませるので、屋外側熱交換器の着霜抑制と熱交換能力の低下防止効果が維持されつつ、熱交換ムラが無くなって熱交換効率が向上する。しかも、プレートを設けるだけの簡易構造なので製作コストが安価となる。

請求項８の発明によれば、一方のプレートの端部と空気入口の間隔部を通った屋外空気と、一方のプレートの端部と他方のプレートの端部の間隔部を通った屋外空気と、が合流して乱流を生じながら屋外側熱交換器の空気入口に流れ込むので、屋外側熱交換器をバイパスする屋外空気が減少して熱交換効率が高まる。
請求項９の発明によれば、第１のプレートと第２のプレートの面積比率が６：４〜７：３なので、ファンから離れたところからも空気入口の中央部に屋外空気が流れ込み易い。かつ、プレートと屋外側熱交換器の空気入口との間隔がファンから離れるにしたがって拡がっているので、空気入口の中央部に屋外空気が流れ込み易い。これらの相乗効果で屋外側熱交換器の空気入口全域の風量分布が均等化されて、熱交換の効率及び能力が確実に向上する。

図１と図２は本発明のヒートポンプ式熱源装置の一実施例を示している。このヒートポンプ式熱源装置は、屋内に設置された空調機１へ供給される熱交換用水の温度を調整するヒートポンプ２と、冷媒往管及び冷媒復管を有する冷媒配管１０と、水往管及び水復管を有する水配管１１と、制御装置３と、を備えている。ヒートポンプ２は、屋外に設置された複数の屋外側ユニット４と、屋内又は屋内付近に設置された一つの屋内側ユニット５と、を備えている。図１は、一つの屋内側ユニット５と二つの屋外側ユニット４、４をセットにして、３階建のビルの各階毎に屋内側ユニット５を設置し、屋上に屋外側ユニット４を設置した例を示している。屋内側ユニット５は、屋内の機械室やベランダやバルコニーなどの屋内付近に設置する。

屋内側ユニット５は、冷媒と熱交換用水とを熱交換する屋内側熱交換器６と、熱交換用水を屋内側熱交換器６及び空調機１に搬送する送水ポンプ７と、を備えている。屋外側ユニット４は、屋外空気と冷媒とを熱交換する屋外側熱交換器８と、冷媒を圧縮して屋外側熱交換器８及び屋内側熱交換器６に搬送する圧縮機９と、ファン１６と、を備えている。空調機１は、空調用空気と熱交換用水とを熱交換する空調用熱交換器１８と、ファン２１と、を備えている。

冷媒配管１０は、複数の屋外側ユニット４の屋外側熱交換器８及び圧縮機９と一つの屋内側熱交換器６とに冷媒が循環するするように設ける。水配管１１は、一つの屋内側ユニット５の屋内側熱交換器６及び送水ポンプ７と空調機１の空調用熱交換器１８とに熱交換用水が循環するように設ける。冷媒配管１０と水配管１１と屋内側熱交換器６は、一つの屋内側ユニット５の屋内側熱交換器６の内部で熱交換用水と複数の屋外側ユニット４からの冷媒とが互いに熱交換するように構成する。

ヒートポンプ２は、循環冷媒に対して圧縮・凝縮・膨張・蒸発の工程順を繰返し、この循環冷媒と熱交換する空気や水などに対して冷媒蒸発工程で吸熱を冷媒凝縮工程で放熱を各々行うもので、循環冷媒の蒸発工程と凝縮工程であって互いに異なる工程を担う屋外側熱交換器８及び屋内側熱交換器６と、圧縮機９と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１２と、屋外側熱交換器８及び屋内側熱交換器６の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１３と、を少なくとも備え、これらを冷媒が循環するように配管接続して構成する。

図２と図３に示すように、屋外側熱交換器８は、一般的なプレートフィンコイルと同様に伝熱板１４に伝熱管１５を挿着して構成する。圧縮機９にて伝熱管１５の内部に冷媒を流し、ファン１６にて伝熱管１５及び伝熱板１４に屋外空気を接触させることで、伝熱管１５及び伝熱板１４を介して、屋外空気と冷媒を熱交換する。

図２と図４に示すように、屋内側熱交換器６は、一般的なプレート式熱交換器と同様に内部を伝熱板１７で区画して構成する。圧縮機９と送水ポンプ７にて伝熱板１７と伝熱板１７の間に熱交換用水と複数の冷媒を交互に流し、伝熱板１７を介して、熱交換用水と複数の冷媒を熱交換する。

図２と図５に示すように、空調用熱交換器１８は、一般的なプレートフィンコイルと同様に伝熱板１９に伝熱管２０を挿着して構成する。送水ポンプ７にて伝熱管２０の内部に熱交換用水を流し、ファン２１にて伝熱管２０及び伝熱板１９に空調用空気を接触させることで、伝熱管２０及び伝熱板１９を介して、空調用空気と熱交換用水を熱交換する。空調機１に取入れられた空調用空気は空調用熱交換器１８にて冷風又は温風となり被空調空間に給気される。

制御装置３は、空調負荷の増減に応じて複数の屋外側ユニット４の圧縮機９の始動と停止を切換えかつ出力を増減調整する。図６の（Ａ）に示すように、制御装置３は、複数の屋外側ユニット４の圧縮機９を順次始動させて出力を増加調整する場合に始動が先行の圧縮機９（９ａ）の出力を始動が後行の圧縮機９（９ｂ）の始動時出力分だけ下げて後行の圧縮機９（９ｂ）を始動させるように制御する。

さらに、図６の（Ｂ）に示すように、制御装置３は、複数の屋外側ユニット４の圧縮機９を順次停止させて出力を減少調整する場合に停止が後行の圧縮機９（９ｂ）の出力を停止が先行の圧縮機９（９ａ）の停止直前出力分だけ上げて先行の圧縮機９（９ａ）を停止させるように制御する。制御装置３はマイクロプロセッサや各種センサー等にて構成する。圧縮機９は、故障予防等のために所定出力以上でないと始動できない構造になっている。この所定出力である最小限界出力は、屋外側ユニット４の圧縮機９毎に相違させたり、あるいは、同じに設定する。

制御装置３は、複数の屋外側ユニット４の圧縮機９を順次始動又は停止させる場合に複数の屋外側ユニット４の圧縮機９の始動又は停止の順序を異ならせた複数の運転パターンにて複数の屋外側ユニット４の圧縮機９の始動又は停止させるように制御する。あるいは、制御装置３は、複数の屋外側ユニット４の圧縮機９を順次始動又は停止させる場合に複数の屋外側ユニット４の圧縮機９の各々の合計始動回数又は合計作動時間の多少を比較して少ない屋外側ユニット４の圧縮機９を優先的に始動させかつ多い屋外側ユニット４の圧縮機９を優先的に停止させるように制御する。さらに、制御装置３は、屋外側ユニット４の屋外側熱交換器８のデフロストが必要なときには複数の屋外側ユニット４の圧縮機９を順次始動又は停止させないように制御する。

図７と図８は屋外側ユニット４の詳細を示している。屋外側ユニット４は、ケーシング３５、ヒートポンプ２の一部を構成する機器、ファン１６及び整流部材３１を備え、ケーシング３５内には、ヒートポンプ２の一部を構成する機器である屋外側熱交換器８、圧縮機９、減圧機構１２及び切換機構１３が設けられる。整流部材３１は、屋外側熱交換器８の空気入口３２が遮られるように、かつ屋外空気を空気入口３２へ流れ込ませるように、設けられる。整流部材３１は、屋外側熱交換器８の空気入口３２に対して間を隔てて対面するように設けられた平板状のプレート３３を、備える。図７以降の各図において、プレート３３と屋外側熱交換器８を通る点線矢印は空気の流れる方向を示す。

図９〜図１１は、図７の実施例において整流部材３１の構成を変更したものを示している。この整流部材３１は、屋外側熱交換器８の空気入口３２が遮られるように、かつ屋外空気を分流させて空気入口３２の外周部から中央部に至る全域へ流れ込ませるように、設けられる。整流部材３１は、屋外側熱交換器８の空気入口３２に対して間を隔てて対面しかつ空気入口３２に沿って隣合うように設けられた複数の平板状のプレート３３を、備える。各プレート３３は、空気入口３２とプレート３３の間隔部と、互いに隣合うプレート３３、３３の間隔部と、を通って屋外空気が空気入口３２へ流れ込むように、配置される。

一方のプレート３３の端部と屋外側熱交換器８の空気入口３２の間隔部には、他方のプレート３３の端部が、一方のプレート３３と空気入口３２に対して互いに間を隔てて配置されている。この一方のプレート３３の端部と空気入口３２の間隔部を通った屋外空気と、一方のプレート３３の端部と他方のプレート３３の端部の間隔部を通った屋外空気と、が合流して乱流を生じながら屋外側熱交換器８の空気入口３２に流れ込む。

ファン１６は、屋外空気をプレート３３の側から屋外側熱交換器８へ流れ込ませるように屋外側熱交換器８の空気出口３４の下流域であって空気出口３４の外方（図例では上方）に設けられる。整流部材３１は、第１のプレート３３（３３ａ）と第２のプレート３３（３３ｂ）から成る。第１のプレート３３（３３ａ）と第２のプレート３３（３３ｂ）が、第１のプレート３３（３３ａ）よりも第２のプレート３３（３３ｂ）の方がファン１６から離れかつ屋外側熱交換器８の空気入口３２と対面する部位の面積比率が第１のプレート３３（３３ａ）：第２のプレート３３（３３ｂ）＝６：４〜７：３になるように、構成される。第２のプレート３３（３３ｂ）は、屋外側熱交換器８の空気入口３２と第２のプレート３３（３３ｂ）との間隔がファン１６から離れるにしたがって拡がるように、構成される。

また、図１２と図１３に示すように、整流部材３１を３つ以上のプレート３３で構成したり、プレート３３の向きを変えて隣合わせて構成してもよい。その他の構成は上述の実施例と同様であるので省略する。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。たとえば、図２の実施例では屋外側ユニット４が二つの場合を示しているが三以上備えてもよい。また、図７、図９、図１２及び図１３の実施例では、屋外側熱交換器８と整流部材３１を対にしたものを二組設けているが組数の増減は自由である。

ビル空調への本発明の使用例を示す簡略説明図である。 本発明の全体構成を示す簡略説明図である。 屋外側熱交換器の簡略説明図である。 屋内側熱交換器の断面図である。 空調用熱交換器の簡略説明図である。 圧縮機の制御例を示す説明図である。 屋外側ユニットの縦断面図である。 図７の実施例を示す斜視図である。 整流部材の構成を変更した実施例の縦断面図である。 図９の実施例を示す斜視図である。 図９の整流部材と屋外側熱交換器の要部縦断面図である。 整流部材の構成を変更した他の実施例の斜視図である。 整流部材の構成を変更した別の実施例の斜視図である。

１ 空調機
２ ヒートポンプ
３ 制御装置
４ 屋外側ユニット
５ 屋内側ユニット
６ 屋内側熱交換器
７ 送水ポンプ
８ 屋外側熱交換器
９ 圧縮機
１０ 冷媒配管
１１ 水配管
３１ 整流部材
３２ 空気入口
３３ プレート

Claims (9)

1. 屋内に設置された空調機へ供給される熱交換用水の温度を調整するヒートポンプを、備え、
   前記ヒートポンプが、屋外に設置された複数の屋外側ユニットと、前記屋内又は前記屋内付近に設置された一つの屋内側ユニットと、を備え、
   前記屋内側ユニットが、冷媒と前記熱交換用水とを熱交換する屋内側熱交換器と、前記熱交換用水を前記屋内側熱交換器及び前記空調機に搬送する送水ポンプと、を備え、
   前記屋外側ユニットが、屋外空気と前記冷媒とを熱交換する屋外側熱交換器と、前記冷媒を圧縮して前記屋外側熱交換器及び前記屋内側熱交換器に搬送する圧縮機と、を備え、
   複数の前記屋外側ユニットの前記屋外側熱交換器及び前記圧縮機と一つの前記屋内側ユニットの前記屋内側熱交換器とに前記冷媒が循環するように設けた冷媒配管と、
   一つの前記屋内側ユニットの前記屋内側熱交換器及び前記送水ポンプと前記空調機とに前記熱交換用水が循環するように設けた水配管と、を備え、
   空調負荷の増減に応じて複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機の始動と停止を切換えかつ出力を増減調整する制御装置を、備え、
   前記制御装置が、
   複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機を順次始動させて出力を増加調整する場合に始動が先行の前記圧縮機の出力を始動が後行の前記圧縮機の始動時出力分だけ下げて後行の前記圧縮機を始動させるように制御すると共に
   複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機を順次停止させて出力を減少調整する場合に停止が後行の前記圧縮機の出力を停止が先行の前記圧縮機の停止直前出力分だけ上げて先行の前記圧縮機を停止させるように制御することを特徴とするヒートポンプ式熱源装置。
2. 屋外側ユニットの圧縮機毎に最小限界出力を相違させた請求項１記載のヒートポンプ式熱源装置。
3. 制御装置が、複数の屋外側ユニットの圧縮機を順次始動又は停止させる場合に複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機の始動又は停止の順序を異ならせた複数の運転パターンにて複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機の始動又は停止させるように制御する請求項１又は２記載のヒートポンプ式熱源装置。
4. 制御装置が、複数の屋外側ユニットの圧縮機を順次始動又は停止させる場合に複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機の各々の合計始動回数又は合計作動時間の多少を比較して少ない前記屋外側ユニットの前記圧縮機を優先的に始動させかつ多い前記屋外側ユニットの前記圧縮機を優先的に停止させるように制御する請求項１又は２記載のヒートポンプ式熱源装置。
5. 制御装置が、屋外側ユニットの屋外側熱交換器のデフロストが必要なときには複数の前記屋外側ユニットの前記圧縮機を順次始動又は停止させないように制御する請求項３又は４記載のヒートポンプ式熱源装置。
6. 屋外側ユニットが、面状の空気入口を有すると共にヒートポンプの冷媒と前記空気入口から流れ込む屋外空気とを熱交換する屋外側熱交換器と、前記空気入口が遮られるようにかつ前記屋外空気を前記空気入口へ流れ込ませるように設けられた整流部材と、を備え、
   前記整流部材が、前記空気入口に対して間を隔てて対面するように設けられたプレートを、備えた請求項１から５のいずれかに記載のヒートポンプ式熱源装置。
7. 屋外側ユニットが、面状の空気入口を有すると共にヒートポンプの冷媒と前記空気入口から流れ込む屋外空気とを熱交換する屋外側熱交換器と、前記空気入口が遮られるようにかつ前記屋外空気を分流させて前記空気入口の全域へ流れ込ませるように設けられた整流部材と、を備え、
   前記整流部材が、前記空気入口に対して間を隔てて対面しかつ前記空気入口に沿って隣合うように設けられた複数のプレートを、備え、
   前記空気入口と前記プレートの間隔部と、互いに隣合う前記プレートの間隔部と、を通って前記屋外空気が前記空気入口へ流れ込むように、前記プレートが配置されている請求項１から５のいずれかに記載のヒートポンプ式熱源装置。
8. 一方のプレートの端部と屋外側熱交換器の空気入口の間隔部に、他方のプレートの端部が、前記一方のプレートと前記空気入口に対して互いに間を隔てて配置されている請求項７記載のヒートポンプ式熱源装置。
9. 屋外空気を屋外側熱交換器の空気入口へ流れ込ませるファンを、備え、
   整流部材が、第１のプレートと第２のプレートにて構成され、
   前記第１のプレートと前記第２のプレートが、前記第１のプレートよりも前記第２のプレートの方が前記ファンから離れかつ前記プレートの面積比率が前記第１のプレート：前記第２のプレート＝６：４〜７：３となるように、構成され、
   前記第２のプレートが、前記空気入口と前記第２のプレートとの間隔が前記ファンから離れるにしたがって拡がるように、構成されている請求項７又は８記載のヒートポンプ式熱源装置。

Images