JP6208085B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ装置に関し、特に、地中熱を利用する地中熱ヒートポンプ装置に関する。

従来、ヒートポンプ装置の一例として、地中熱を利用する温水循環式の地中熱ヒートポンプ装置が知られている。
この種の地中熱ヒートポンプ装置は、図９に示すように、圧縮機１０２、負荷側熱交換器１０３、減圧手段１０４、および熱源側熱交換器１０５を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路１０７と、熱源側熱交換器１０５、および地中に設置された熱源としての地中熱交換器１１０を熱媒配管で環状に接続した熱源側循環回路１１２と、熱源側循環回路１１２に熱媒を循環させる熱源側循環ポンプ１１３と、床暖房パネル等の負荷端末１１５、および負荷側熱交換器１０３を熱媒配管で環状に接続した負荷側循環回路１１８と、負荷側循環回路１１８に熱媒を循環させる負荷側循環ポンプ１１６とを備えている。

この地中熱ヒートポンプ装置は、熱源側熱交換器１０５を蒸発器、負荷側熱交換器１０３を凝縮器として機能させて、負荷端末１１５で被空調空間を加熱する暖房運転等の負荷運転を行う。そして、地中熱ヒートポンプ装置は、負荷運転中に、例えば熱源側熱交換器１０５側の冷媒の温度が所定の目標温度になるように熱源側循環ポンプ１１３の回転速度（単位時間当たりの回転数）を制御する（特許文献１参照）。これによれば、冷媒温度の変動により負荷出力の変動を素早く把握して熱源側循環回路１１２を循環する熱媒の流量を調整することで、最適な採熱を行わせることができる。

特開２０１１−９４８４０号公報

ところで、例えば住宅における暖房負荷等の負荷は、大きい場合も小さい場合もあり、一定とは限らない。負荷が小さい場合には、負荷運転実行時に、設定された目標温度への到達が早いため、圧縮機や熱源側循環ポンプを発動（駆動）させても短時間で停止し、圧縮機や熱源側循環ポンプが停止状態から駆動状態になることを繰り返してしまうおそれがある。この場合、負荷が小さいにもかかわらず、ヒートポンプ装置の立上がり時の制御に従って、熱源側循環ポンプが、常に、立上がり時の目標回転速度として予め決められた設定値である最大回転速度となるように立ち上がると、消費電力が大きくなり、ＳＣＯＰ（システム成績係数）が悪化してしまうという問題を生じるものであった。

本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものであり、負荷が小さい場合でも効率の良い暖房運転等の負荷運転を行うことが可能なヒートポンプ装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、および熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器、および熱源を熱媒配管で環状に接続した熱源側循環回路と、該熱源側循環回路に熱媒を循環させる熱源側循環ポンプと、前記圧縮機の立上がり時から所定時間の間の該圧縮機の回転速度の上限値が所定値以下の場合、前記熱源側循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を予め決められた設定値よりも低下させる制御を行う制御手段とを備えることを特徴とするヒートポンプ装置である。

このような構成によれば、暖房負荷等の負荷が小さい場合には、ヒートポンプ装置の圧縮機の回転速度が所定時間内に直ぐに上限値である所定回転速度に達っしないときには、熱源側循環ポンプの立上がり時の目標回転速度が予め決められた設定値よりも低下させられる。この場合、熱源側循環ポンプは、立上がり時に、予め決められた設定値である最大回転速度とならないため、ヒートポンプ装置の全体的な効率が向上する。
すなわち、負荷が小さい場合でも効率の良い暖房運転等の負荷運転を行うことが可能なヒートポンプ装置を提供することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のヒートポンプ装置であって、前記制御手段は、低圧側の冷媒温度が所定温度以下を所定時間以上継続したことを条件に、前記熱源側循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を前記設定値に戻す制御を行うことを特徴とする。

このような構成によれば、地中からの必要な採熱、または地中への必要な放熱をより適切に行うことができる。

本発明によれば、負荷が小さい場合でも効率の良い暖房運転等の負荷運転を行うことが可能なヒートポンプ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置の概略構成図である。 暖房運転時における地中熱循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を設定する処理の内容を示すフローチャートである。 暖房運転時におけるヒートポンプ装置の各パラメータの動きを表すタイムチャートである。 本発明の他の実施形態に係るヒートポンプ装置の概略構成図である。 ヒートポンプ装置の暖房運転時の状態を示す概略構成図である。 ヒートポンプ装置の冷房運転時の状態を示す概略構成図である。 冷房運転時における地中熱循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を設定する処理の内容を示すフローチャートである。 冷房運転時におけるヒートポンプ装置の各パラメータの動きを表すタイムチャートである。 従来のヒートポンプ装置の概略構成図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下に示す図面において、同一の部材または相当する部材には同一の参照符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るヒートポンプ装置１００の概略構成図である。本実施形態に係るヒートポンプ装置１００は、地中熱を利用する温水循環式の地中熱ヒートポンプ装置である。

図１に示すように、本実施形態に係るヒートポンプ装置１００は、ヒートポンプユニット１に内蔵されるヒートポンプ回路７と、熱源側循環回路としての地中熱循環回路１２と、負荷側循環回路としての加熱循環回路１８とを備えている。

ヒートポンプ回路７は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機２と、圧縮機２から吐出された高温冷媒を流通させ、この高温冷媒と加熱循環回路１８を流れる熱媒との熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器３と、負荷側熱交換器３から流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁４と、膨張弁４からの減圧した低温冷媒を流通させこの低温冷媒と地中熱循環回路１２を流れる熱媒との熱交換を行う蒸発器としての熱源側熱交換器５と、これらを環状に接続する冷媒配管６とを備えて構成されている。

なお、ヒートポンプ回路７の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができるものである。また、図１において、符号８は、圧縮機２から吐出された冷媒の温度を検出する冷媒吐出温度センサであり、符号９は、膨張弁４から圧縮機２に至るまでの熱源側熱交換器５側の冷媒配管６、つまり低圧側の冷媒配管６に設けられ、低圧側の冷媒の温度を検出する冷媒温度センサである。

負荷側熱交換器３および熱源側熱交換器５は、例えばプレート式熱交換器で構成されており、プレート式熱交換器は、複数の伝熱プレートが積層され、冷媒を流通させる冷媒流路と熱媒である流体を流通させる流体流路とが各伝熱プレートを境にして交互に形成されているものである。

地中熱循環回路１２は、熱源側熱交換器５と、熱源側熱交換器５を流通する冷媒を加熱する熱源として地中に設置された地中熱交換器１０と、これらを環状に接続する熱媒配管としての地中熱配管１１とを備えて構成されている。また、地中熱配管１１には、地中熱循環回路１２に熱媒としてエチレングリコールやプロピレングリコール等を添加した不凍液を循環させる回転速度（単位時間当たりの回転数）可変の熱源側循環ポンプとしての地中熱循環ポンプ１３が設けられている。なお、図１における符号１４は、不凍液を貯留し
地中熱循環回路１２の圧力を調整する地中熱用シスターンである。

ここで、地中熱循環回路１２では、後記する負荷運転を行う際に、地中熱交換器１０によって地中から地中熱を採熱し、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ１３により熱源側熱交換器５に供給される。そして、熱源側熱交換器５にて、熱源側熱交換器５の冷媒流路を流通する冷媒と熱源側熱交換器５の流体流路を流通する不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器１０にて採熱された地中熱がヒートポンプユニット１の冷媒側に汲み上げられて冷媒が加熱され、熱源側熱交換器５は蒸発器として機能するものとなる。

加熱循環回路１８は、負荷側熱交換器３と、被空調空間を加熱する床暖房パネルやパネルコンベクタ等の負荷端末としての放熱端末１５と、これらを環状に接続する熱媒配管としての加熱配管１７とを備えて構成されている。また、加熱配管１７には、加熱循環回路１８に熱媒として温水等の循環液を循環させる負荷側循環ポンプとしての加熱循環ポンプ１６が設けられており、放熱端末１５毎に分岐した加熱配管１７の各々には、その開閉により放熱端末１５への循環液の供給を制御する熱動弁１９がそれぞれ設けられている。

なお、図１において、符号２０は、循環液を貯留し加熱循環回路１８の圧力を調整する暖房用シスターンであり、符号２１は、加熱配管１７に設けられ放熱端末１５から負荷側熱交換器３に流入する循環液の温度を検出する戻り温水温度センサである。

放熱端末１５によって加熱される被空調空間には、リモコン２３が各々設置されており、このリモコン２３から被空調空間の加熱の指示がなされると、圧縮機２、地中熱循環ポンプ１３、および加熱循環ポンプ１６の駆動が開始され、熱源側熱交換器５を蒸発器として機能させるとともに、負荷側熱交換器３を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転としての暖房運転が行われる。この暖房運転の際、負荷側熱交換器３では、負荷側熱交換器３の冷媒流路を流通する冷媒と負荷側熱交換器３の流体流路を流通する循環液とが対向して流れて熱交換が行われて循環液が加熱され、加熱された循環液が熱動弁１９を介して放熱端末１５に送られ、リモコン２３により指示された被空調空間を加熱するものである。

ヒートポンプユニット１には制御手段２２が備えられており、制御手段２２は、冷媒吐出温度センサ８、冷媒温度センサ９、戻り温水温度センサ２１からの検出信号や、リモコン２３からの操作信号を受けて、圧縮機２、膨張弁４、地中熱循環ポンプ１３、加熱循環ポンプ１６の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有している。

制御手段２２は、暖房運転中、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように圧縮機２の回転速度を制御し、例えば、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度よりも低下すると、圧縮機２の回転速度を増加するよう制御するものである。

また、制御手段２２は、暖房運転時、リモコン２３で設定される設定温度に基づき圧縮機２から吐出される冷媒の目標吐出温度を設定し、暖房運転中、冷媒吐出温度センサ８の検出する圧縮機２から吐出された冷媒の温度が、設定された目標吐出温度になるように膨張弁４の開度を開閉制御し、例えば、冷媒吐出温度センサ８の検出する冷媒の吐出温度が、設定された目標吐出温度よりも低下すると、開度を閉じる方向に制御するものである。

また、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時には、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を目標回転速度に立ち上げるように制御するものである。さらに、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の目標回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば
２分）経過後には、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように地中熱循環ポンプ１３の回転速度を制御し、例えば、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度よりも低下すると、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を増加させるよう制御するものである。

また、制御手段２２は、圧縮機２の立上がり時から所定時間の間ここでは１２分間での該圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下ここでは７０ｒｐｓを越えない場合、暖房負荷が小さいと判断し、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）よりも低下させる、具体的には最大回転速度よりも低い上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定するよう制御するものである。

次に、図２のフローチャートを参照して、図１に示すヒートポンプ装置１００の暖房運転時における主に地中熱循環ポンプ１３の動作について説明する。
図２は、暖房運転時における地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を設定する処理の内容を示すフローチャートである。

リモコン２３から放熱端末１５による被空調空間の加熱（暖房）の指示がなされると、制御手段２２は、圧縮機２、地中熱循環ポンプ１３、および加熱循環ポンプ１６の駆動を開始させ、負荷運転としての暖房運転が開始される。暖房運転が開始されると、負荷側熱交換器３では加熱循環ポンプ１６により循環される循環液と圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、加熱された循環液が放熱端末１５に供給され被空調空間を加熱するとともに、熱源側熱交換器５では、地中熱循環ポンプ１３により循環され地中熱交換器１０を介して地中熱を採熱した不凍液と膨張弁４から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、地中熱により冷媒を加熱し蒸発させる。

図２に示すように、制御手段２２は、暖房運転の開始時には、まず、内蔵のタイマーをスタートさせる（ステップＳ１）。ここで、制御手段２２は、圧縮機２から吐出される冷媒の目標吐出温度、熱源側熱交換器５側（低圧側）の冷媒の目標温度、および負荷側の目標暖房温度を設定する。また、制御手段２２は、暖房運転中には、冷媒吐出温度センサ８の検出する圧縮機２から吐出された冷媒の温度が設定された目標吐出温度になるように膨張弁４の開度を開閉制御し、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように圧縮機２の回転速度を制御する。

そして、制御手段２２は、地中熱の迅速な採熱を行うために、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に設定する（ステップＳ２）。この後、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を目標回転速度である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に立ち上げるように制御する立上がり時制御を行う。また、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の最大回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を制御する通常時制御を行う。

ステップＳ３では、制御手段２２は、タイマーがスタートしてからの経過時間が予め決められた設定時間（例えば１２分）以上となったか否を判断し、前記経過時間が予め決め
られた設定時間以上となるまで待機する（ステップＳ３でＮｏ）。

ステップＳ３において経過時間が予め決められた設定時間以上となった場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、制御手段２２は、ステップＳ４に処理を移行させてタイマーをリセットして再度ゼロからスタートさせた後、ステップＳ５に処理を移行させる。

ステップＳ５では、制御手段２２は、直前の所定時間（例えば１２分）の間において圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下ここでは７０ｒｐｓを越えた場合（ステップＳ５でＮｏ）、制御手段２２は、暖房負荷が大きいと判断し、ステップＳ２に処理を戻す。この場合のステップＳ２では、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に維持、あるいは後記するステップＳ６にて既に上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定されていた場合には、負荷が変化したと判断して、最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に戻すように変更する。これにより、地中からの必要な採熱をより適切に行うことができる。

ステップＳ５において所定時間の間における圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下ここでは７０ｒｐｓを越えない場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、暖房負荷が小さいと判断して、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）よりも低い上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定する（ステップＳ６）。この後、地中熱循環ポンプ１３を発動する時には、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を目標回転速度である上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に立ち上げるように制御する立上がり時制御を行う。また、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の上限回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を制御する通常時制御を行う。

ステップＳ７では、制御手段２２は、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が−１０℃以下の状態が所定時間（例えば２分）以上継続しているか否かを判断する。低圧側の冷媒温度が−１０℃以下の状態が所定時間以上継続していないと判断された場合（ステップＳ７でＮｏ）、制御手段２２は、ステップＳ３に処理を戻す。

一方、ステップＳ７において低圧側の冷媒温度が−１０℃以下の状態が所定時間以上継続していると判断された場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、制御手段２２は、ステップＳ２に処理を戻す。この場合のステップＳ２では、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）から最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に戻すように変更する。これにより、地中からの採熱が増すため、熱源側熱交換器５の流体流路を流通する不凍液中の水分が凍結し始めて流れにくくなることを防止できる。なお、ステップＳ７でＹｅｓと判断された場合、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を最大回転速度に戻すように変更するとともに（ステップＳ２）、その時点で、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を最大回転速度に上昇させる制御を行ってもよい。このようにすれば、地中からの採熱を迅速に増大させることができ、熱源側熱交換器５の流体流路を流通する不凍液中の水分が凍結し始めて流れにくくなることをより防止できる。

次に、図３のタイムチャートを参照して、図１に示すヒートポンプ装置１００の暖房運転時の動作について説明する。図３は、暖房運転時におけるヒートポンプ装置１００の各
パラメータの動きを表すタイムチャートである。

図３に示すように、時間ｔ０〜ｔ１において、ヒートポンプ装置１００の立上がり時の制御に従って、地中熱の迅速な採熱を行うために、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての立上がり時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、立上がり時の目標回転速度として予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）となるように立ち上がる。また、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が設定された目標暖房温度になるように、圧縮機２が例えば７０ｒｐｓの回転速度で駆動される。ここで、ヒートポンプ出力（暖房出力）の増加に伴って、低圧側の冷媒温度が低下している。

時間ｔ１〜ｔ２において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の最大回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、最大回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。また、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が目標暖房温度に達して室内温度が十分上昇しているため、圧縮機２の回転速度が減少するとともに、低圧側の冷媒温度が上昇する。

時間ｔ２〜ｔ３において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、最大回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。ここでは、地中熱循環ポンプ１３の回転速度が、最大回転速度から減少し、低圧側の冷媒温度が減少する。戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が目標暖房温度に達して室内温度が十分高くなっているため、圧縮機２の回転速度がさらに下限回転速度まで減少している。

時間ｔ３において、室内温度が十分高く維持されており、圧縮機２の回転速度を下限回転速度よりも減少させると効率が悪化するため、制御手段２２は、圧縮機２の駆動を停止させる制御を行う。また、これに伴い、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の駆動を停止させる制御を行う。なお、加熱循環ポンプ１６の駆動は継続され、余熱による暖房が行われる。

時間ｔ４において、室内温度が低下し、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が所定値以上低下したことが検知されると、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３が再度駆動させられる。そして、時間ｔ４〜ｔ７において、暖房負荷が小さいことで圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内の状態が継続されるものである。

図３のタイムチャートでは、時間ｔ４〜ｔ７において示されるように、予め決められた立上がりからの所定時間（例えば１２分）間に、圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内の状態が発生した場合（図２のステップＳ５でＹｅｓ）、このため、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、次回の立上がりから最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）よりも低い上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定する（図２のステップＳ６）。

時間ｔ８〜ｔ９において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての立上がり時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、立上がり時の目標回転速度として設定された上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）となるように立ち上がる。また、時間ｔ９〜ｔ１０において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の上限回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、時間ｔ９〜ｔ１０では、地中熱循環ポンプ１３は、上限回転速
度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。さらに、時間ｔ１０〜ｔ１１において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、上限回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。ここでは、地中熱循環ポンプ１３の回転速度が、上限回転速度から減少し、低圧側の冷媒温度が減少する。もちろん、時間ｔ９〜ｔ１１において、制御手段２２が、地中熱循環ポンプ１３について通常時制御を行っているとき、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度に到達しない場合は、冷媒温度センサ９の検出する低圧側の冷媒温度が設定された目標温度に到達するように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を上限回転速度を超えて増加させるものである。また、時間ｔ１１において、制御手段２２は、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３の駆動を停止させる制御を行う。また、時間ｔ１２において、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が所定値以上低下したことが検知されると、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３が再度駆動させられる。そして、時間ｔ１２〜ｔ１６において、ここでは時間ｔ８〜ｔ１２と同様な動作が行われる。

図３において、本実施形態の場合（所定時間の間の圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内のときには地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を最大回転速度よりも低下させる場合）のＳＣＯＰおよび低圧側の冷媒温度および地中熱循環ポンプ１３の回転速度を実線で示し、比較例としての従来の場合（地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を常に最大回転速度とする場合）のＳＣＯＰおよび低圧側の冷媒温度および地中熱循環ポンプ１３の回転速度を破線で示す。
本実施形態において、図３の時間ｔ８〜ｔ１１，ｔ１２〜ｔ１５に示すように、暖房負荷が小さい場合（低負荷時）には、地中熱循環ポンプ１３が最大回転速度で動作しないため、ＳＣＯＰ（＝「暖房出力／（圧縮機２の消費電力＋地中熱循環ポンプ１３の消費電力）とする）が向上していることがわかる。

前記したように、本実施形態に係るヒートポンプ装置１００は、圧縮機２の立上がり時から所定時間の間の該圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下の場合、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を予め決められた設定値である最大回転速度よりも低下させる制御を行う制御手段２２を備える。

したがって本実施形態によれば、暖房負荷が小さい場合には、ヒートポンプ装置１００の圧縮機２が上限値に達せず所定値以内である。この場合、地中熱循環ポンプ１３は、立上がり時に、予め決められた設定値である最大回転速度とならないため、ヒートポンプ装置１００の全体的な効率が向上する。すなわち、負荷が小さい場合でも効率の良い暖房運転を行うことが可能なヒートポンプ装置１００を提供することができる。

次に、図４〜図８を参照して、本発明の他の実施形態について、前記した図１〜図３に示す実施形態と相違する点を中心に説明し、共通する点についての説明を適宜省略する。

図４は、本発明の他の実施形態に係るヒートポンプ装置１００ａの概略構成図である。図５は、ヒートポンプ装置１００ａの暖房運転時の状態を示す概略構成図である。図６は、ヒートポンプ装置１００ａの冷房運転時の状態を示す概略構成図である。つまり、本実施形態に係るヒートポンプ装置１００ａは、地中熱を利用する地中熱ヒートポンプエアコンである点で、地中熱を利用する温水循環式の地中熱ヒートポンプ装置である前記した図１に示すヒートポンプ装置１００と相違している。

図４に示すように、本実施形態に係るヒートポンプ装置１００ａは、空調用の室内機３１を備えており、該室内機３１で被空調空間を冷却または加熱するものである。冷媒配管６には、冷媒配管６における冷媒の流れ方向を変えて暖房と冷房とを切り替える４方弁２５が設けられている。負荷側熱交換器３は、送風ファン３２の作動により送られる空気と冷媒との熱交換を行う。室内機３１によって冷却または加熱される被空調空間には、リモコン２３が設置されている。なお、図４における符号３３は、被空調空間である室内の空気の温度（室内温度）を検出する室温センサである。室内機３１には室内機制御手段２４が備えられており、室内機制御手段２４は、室温センサ３３からの検出信号や、リモコン２３からの操作信号を受けるとともに、ヒートポンプユニット１の制御手段２２と通信を行う。

リモコン２３から被空調空間の加熱（暖房）の指示がなされると、図５に示すように、圧縮機２から吐出される冷媒が負荷側熱交換器３に向けて流れるように、４方弁２５が切り替えられる。そして、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３の駆動が開始され、熱源側熱交換器５を蒸発器として機能させるとともに、負荷側熱交換器３を凝縮器として機能させて負荷側を加熱する負荷運転としての暖房運転が行われる。暖房運転の際、負荷側熱交換器３では、圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒と送風ファン３２により送られる空気とで熱交換が行われ、負荷側熱交換器３にて加熱された空気は被空調空間に送られ、リモコンにより指示を受けた被空調空間を加熱するものである。

一方、リモコン２３から被空調空間の冷却（冷房）の指示がなされると、図６に示すように、圧縮機２から吐出される冷媒が熱源側熱交換器５に向けて流れるように、４方弁２５が切り替えられる。そして、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３の駆動が開始され、負荷側熱交換器３を蒸発器として機能させるとともに、熱源側熱交換器５を凝縮器として機能させて負荷側を冷却する負荷運転としての冷房運転が行われる。冷房運転の際、負荷側熱交換器３では、膨張弁４から吐出された低温低圧の冷媒と送風ファン３２により送られる空気とで熱交換が行われ、負荷側熱交換器３にて冷却された空気は被空調空間に送られ、リモコンにより指示を受けた被空調空間を冷却するものである。

図４に示すヒートポンプ装置１００ａの暖房運転時（図５参照）における動作は、図１に示すヒートポンプ装置１００の暖房運転時における図２および図３で示した動作と概ね同様であるため、説明を省略する。

次に、図７のフローチャートを参照して、図４に示すヒートポンプ装置１００ａの冷房運転時（図６参照）における主に地中熱循環ポンプ１３の動作について説明する。
図７は、冷房運転時における地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を設定する処理の内容を示すフローチャートである。

リモコン２３から室内機３１による被空調空間の冷却（冷房）の指示がなされ、該指示が室内機制御手段２４を介して制御手段２２に送られると、制御手段２２は、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３の駆動を開始させ、負荷運転としての冷房運転が開始される。冷房運転が開始されると、負荷側熱交換器３では送風ファン３２の作動により送られる空気と膨張弁４から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、冷却された空気が被空調空間に送られて該被空調空間を冷却するとともに、熱源側熱交換器５では、地中熱循環ポンプ１３により循環された不凍液と圧縮機２から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、その熱を帯びた不凍液が地中熱交換器１０に供給されて、地中熱交換器１０により地中に放熱される。

図７に示すように、制御手段２２は、冷房運転の開始時には、まず、内蔵のタイマーを
スタートさせる（ステップＳ１１）。ここで、制御手段２２は、圧縮機２から吐出される冷媒の目標吐出温度、熱源側熱交換器５側（高圧側）の冷媒の目標温度、および負荷側の目標冷房温度を設定する。また、制御手段２２は、冷房運転中には、冷媒吐出温度センサ８の検出する圧縮機２から吐出された冷媒の温度が設定された目標吐出温度になるように膨張弁４の開度を開閉制御し、室温センサ３３の検出する室内温度が設定された目標冷房温度（リモコン２３で設定された設定温度）になるように圧縮機２の回転速度を制御する。

そして、制御手段２２は、地中への迅速な放熱を行うために、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に設定する（ステップＳ１２）。この後、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を目標回転速度である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に立ち上げるように制御する立上がり時制御を行う。また、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の最大回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を制御する通常時制御を行う。

ステップＳ１３では、制御手段２２は、タイマーがスタートしてからの経過時間が予め決められた所定時間（例えば１２分）を経過したか否を判断し、前記経過時間が予め決められた所定時間以上となるまで待機する（ステップＳ１３でＮｏ）。

ステップＳ１３において経過時間が予め決められた所定時間となった場合（ステップＳ１３でＹｅｓ）、制御手段２２は、ステップＳ１４に処理を移行させてタイマーをリセットして再度ゼロからスタートさせた後、ステップＳ１５に処理を移行させる。

ステップＳ１５では、制御手段２２は、直前の所定時間（例えば１２分）の間において圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下ここでは７０ｒｐｓを越えた場合（ステップＳ１５でＮｏ）、制御手段２２は、負荷が大きいと判断し、ステップＳ１２に処理を戻す。この場合のステップＳ１２では、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に維持、あるいは後記するステップＳ１６にて既に上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定されていた場合には、負荷が変化したと判断して、最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）に戻すように変更する。これにより、地中からの必要な採熱をより適切に行うことができる。

ステップＳ１５において所定時間の間における圧縮機２の回転速度の上限値が所定値以下ここでは７０ｒｐｓを越えない場合（ステップＳ１５でＹｅｓ）、負荷が小さいと判断して、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）よりも低い上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定する（ステップＳ６）。この後、地中熱循環ポンプ１３を発動する時には、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を目標回転速度である上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に立ち上げるように制御する立上がり時制御を行う。また、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の上限回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を制御する通常時制御を行う。
ステップＳ１６の後、制御手段２２は、ステップＳ１３に処理を戻す。

次に、図８のタイムチャートを参照して、図４に示すヒートポンプ装置１００ａの冷房運転時（図６参照）の動作について説明する。図８は、冷房運転時におけるヒートポンプ装置１００ａの各パラメータの動きを表すタイムチャートである。

図８に示すように、時間ｔ０〜ｔ１において、ヒートポンプ装置１００ａの立上がり時の制御に従って、地中への迅速な放熱を行うために、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての立上がり時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、立上がり時の目標回転速度として予め決められた設定値である最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）となるように立ち上がる。また、室温センサ３３の検出する室内温度が設定された目標冷房温度になるように、圧縮機２が例えば７０ｒｐｓの回転速度で駆動される。ここで、ヒートポンプ出力（冷房出力）の増加に伴って、高圧側の冷媒温度が上昇している。

時間ｔ１〜ｔ２において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の最大回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、最大回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。また、室温センサ３３の検出する室内温度が目標冷房温度に達しているため、圧縮機２の回転速度が減少するとともに、高圧側の冷媒温度が減少する。

時間ｔ２〜ｔ３において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、最大回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。ここでは、地中熱循環ポンプ１３の回転速度が、最大回転速度から減少し、高圧側の冷媒温度が増加する。室温センサ３３の検出する室内温度が目標冷房温度に達して室内温度が十分低くなっているため、圧縮機２の回転速度がさらに下限回転速度まで減少している。

時間ｔ３において、室内温度が十分低く維持されており、圧縮機２の回転速度を下限回転速度よりも減少させると効率が悪化するため、制御手段２２は、圧縮機２の駆動を停止させる制御を行う。また、これに伴い、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の駆動を停止させる制御を行う。

時間ｔ４において、室内温度が上昇し、室温センサ３３の検出する室内温度が所定値以上上昇したことが検知されると、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３が再度駆動させられる。そして、時間ｔ４〜ｔ８において、冷房負荷が小さいことで圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内の状態が継続されるものである。

図８のタイムチャートでは、時間ｔ４〜ｔ７において示されるように、予め決められた立上がりからの所定時間（例えば１２分）間に、圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内の状態が発生した場合（図７のステップＳ１５でＹｅｓ）、このため、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を、次回の立上がりから最大回転速度（例えば４０００ｒｐｍ）よりも低い上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）に設定する（図７のステップＳ１６）。

時間ｔ８〜ｔ９において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての立上がり時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、立上がり時の目標回転速度として設定された上限回転速度（例えば２０００ｒｐｍ）となるように立ち上がる。また、時間ｔ９〜ｔ１０において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３の上限回転速度への立上がり完了時から規定時間（例えば２分）経過後には、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、時間ｔ９〜ｔ１０では、地中熱循環ポンプ１３は、上限回転速
度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。さらに、時間ｔ１０〜ｔ１１において、制御手段２２は、地中熱循環ポンプ１３についての通常時制御を行う。すなわち、地中熱循環ポンプ１３は、上限回転速度を超えない範囲で、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度になるように、回転速度が制御される。ここでは、地中熱循環ポンプ１３の回転速度が、上限回転速度から減少し、高圧側の冷媒温度が減少する。もちろん、時間ｔ９〜ｔ１１において、制御手段２２が、地中熱循環ポンプ１３について通常時制御を行っているとき、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度に到達しない場合は、冷媒温度センサ９の検出する高圧側の冷媒温度が設定された目標温度に到達するように、地中熱循環ポンプ１３の回転速度を上限回転速度を超えて増加させるものである。また、時間ｔ１１において、制御手段２２は、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３の駆動を停止させる制御を行う。また、時間ｔ１２において、戻り温水温度センサ２１の検出する循環液の温度が所定値以上低下したことが検知されると、圧縮機２および地中熱循環ポンプ１３が再度駆動させられる。そして、時間ｔ１２〜ｔ１６において、ここでは時間ｔ８〜ｔ１２と同様な動作が行われる。

図８において、本実施形態の場合（所定時間の間の圧縮機２の回転速度が上限値の所定値７０ｒｐｓの回転速度を越えない所定値以内のときには地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を最大回転速度よりも低下させる場合）のＳＣＯＰおよび高圧側の冷媒温度および地中熱循環ポンプ１３の回転速度を実線で示し、比較例としての従来の場合（地中熱循環ポンプ１３の立上がり時の目標回転速度を常に最大回転速度とする場合）のＳＣＯＰおよび高圧側の冷媒温度および地中熱循環ポンプ１３の回転速度を破線で示す。
本実施形態において、図８の時間ｔ８〜ｔ１１，ｔ１２〜ｔ１５に示すように、冷房負荷が小さい場合（低負荷時）には、地中熱循環ポンプ１３が最大回転速度で動作しないため、ＳＣＯＰ（＝「冷房出力／（圧縮機２の消費電力＋地中熱循環ポンプ１３の消費電力）とする）が向上していることがわかる。

このように、図４に示すヒートポンプ装置１００ａによっても、前記した図１に示すヒートポンプ装置１００と同様に、負荷が小さい場合でも効率の良い負荷運転を行うことが可能となる。

以上、本発明について、実施形態に基づいて説明したが、本発明は、前記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、前記実施形態に記載した構成を適宜組み合わせ乃至選択することを含め、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。また、前記実施形態の構成の一部について、追加、削除、置換をすることができる。

２ 圧縮機
３ 負荷側熱交換器
４ 膨張弁（減圧手段）
５ 熱源側熱交換器
６ 冷媒配管
７ ヒートポンプ回路
１０ 地中熱交換器（熱源）
１１ 地中熱配管（熱媒配管）
１２ 地中熱循環回路（熱源側循環回路）
１３ 地中熱循環ポンプ（熱源側循環ポンプ）
２２ 制御手段
１００，１００ａ ヒートポンプ装置

Claims (2)

1. 圧縮機、負荷側熱交換器、減圧手段、および熱源側熱交換器を冷媒配管で環状に接続したヒートポンプ回路と、前記熱源側熱交換器、および熱源を熱媒配管で環状に接続した熱源側循環回路と、該熱源側循環回路に熱媒を循環させる熱源側循環ポンプと、前記圧縮機の立上がり時から所定時間の間の該圧縮機の回転速度の上限値が所定値以下の場合、前記熱源側循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を予め決められた設定値よりも低下させる制御を行う制御手段とを備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 前記制御手段は、低圧側の冷媒温度が所定温度以下を所定時間以上継続したことを条件に、前記熱源側循環ポンプの立上がり時の目標回転速度を前記設定値に戻す制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ装置。

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