JP6231403B2

JP6231403B2 - 複合熱源ヒートポンプ装置

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Publication number: JP6231403B2
Application number: JP2014037672A
Authority: JP
Inventors: 眞柄　隆志; 隆志眞柄; 真典上田; 近藤　建; 建近藤
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: JP2015161467A

Description

本発明は、複合熱源ヒートポンプ装置に係り、特に、空気熱源を利用する第２ヒートポンプ回路が単独で作動して暖房運転を行っている時に空気熱源熱交換器の除霜動作に入る場合、除霜動作時は、地中熱源を利用する第１ヒートポンプ回路を作動させて暖房運転をバックアップする複合熱源ヒートポンプ装置に関するものである。

近時、太陽の熱を受けて大地に蓄えられた「地中熱」は、年間を通して温度変化が少ないためこの地中熱エネルギーを有効活用できる地中熱ヒートポンプが注目されている。特に、地中熱ヒートポンプは、冬の寒さが厳しい寒冷地でも安定した暖房ができるという特質を有する。

従来、地中熱ヒートポンプに加勢して空気熱ヒートポンプによってさらに暖房出力を向上させるために、第１圧縮機、第１加熱熱交換器、第１膨張弁、地中熱源熱交換器を有する地中熱ヒートポンプと、第２圧縮機、第２加熱熱交換器、第２膨張弁、空気熱源熱交換器を有する空気熱ヒートポンプとを備え、凝縮器としての第１加熱熱交換器および第２加熱熱交換器とを、放熱端末に循環液を循環させる加熱循環ポンプを有する加熱循環回路に対して直列に連結し、外気温度に応じて採熱効率の高い熱源を選択して、地中熱ヒートポンプまたは空気熱ヒートポンプのどちらか一方を作動させると共に加熱循環ポンプを駆動させる、あるいは暖房負荷の大きさに応じて地中熱ヒートポンプおよび空気熱ヒートポンプの双方を作動させると共に加熱循環ポンプを駆動させて、放熱端末側の熱媒（循環液）を加熱して放熱端末に供給する暖房運転を行うヒートポンプ装置が創案されている。（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−３５１０９号公報

ところで、このような従来のヒートポンプサイクル装置において、空気熱ヒートポンプが単独で作動して暖房運転を行っている時、外気温度や暖房負荷の大きさ等、条件によっては空気熱ヒートポンプを構成する空気熱源熱交換器が着霜することがあり、空気熱源熱交換器は着霜すると熱交換効率が低下するため、空気熱源熱交換器の除霜をする必要がある。

上記除霜の動作としては、空気熱ヒートポンプを構成する第２膨張弁を全開とすると共に空気熱ヒートポンプの冷媒の流れ方向を暖房運転時の冷媒の流れ方向とは逆転させ、第２圧縮機から吐出された高温の冷媒を、空気熱源熱交換器に直接供給して空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かし、空気熱源熱交換器から流出した冷媒を、第２膨張弁で減圧されることなく第２膨張弁を通過させ、第２加熱熱交換器を流通させて、再び第２圧縮機に戻している。（除霜動作）

この除霜動作を行う時に加熱循環ポンプの駆動を停止すると、循環液が放熱端末側に供給されないため無暖房状態になると共に、第２加熱熱交換器において、空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かすために熱交換して低温となった冷媒と第２加熱熱交換器内に滞留している循環液との間で最初は熱交換するものの、循環液の温度は低下の一途をたどり、循環液側から冷媒側に吸熱される熱も少なくなり、空気熱源熱交換器の除霜に利用する熱が採れず、除霜動作時間が長引いてしまい、たとえ除霜動作が終了して暖房運転を再開したとしても、再開当初は温度の低い循環液が放熱端末に供給されてしまうので、暖房感を大幅に損ねてしまうという問題を有するものであった。

一方、除霜動作を行う時に加熱循環ポンプの駆動を継続しても、空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かすために熱交換して低温となった冷媒と循環液とが、第２加熱熱交換器において熱交換し、循環液は冷却され、第２加熱熱交換器を流出した温度の低い循環液が放熱端末に供給されることになり、今まで暖房していた被空調空間を逆に冷却してしまうという問題を有するものであり、さらに、放熱端末を流出した循環液は加熱されることがないので、再び第２加熱熱交換器に流入する循環液は温度が低いままであることから、第２加熱熱交換器において循環液側から冷媒側に吸熱される熱も少なく、空気熱源熱交換器の除霜に利用する熱が採れず、除霜動作時間が長引くという問題を有するものであった。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、除霜動作中も被空調空間の暖房が継続され、除霜動作時間も長引くことのない複合熱源ヒートポンプ装置を提供することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、請求項１では、放熱端末に循環液を循環させる加熱循環ポンプを有する加熱循環回路と、この加熱循環回路に配設された凝縮器としての第１加熱熱交換器と、前記加熱循環回路に配設された凝縮器としての第２加熱熱交換器と、地中から採熱して回路内を循環する第１冷媒を加熱する地中熱源熱交換器と、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機から吐出された前記第１冷媒を流通させる前記第１加熱熱交換器と、前記第１加熱熱交換器から流出した前記第１冷媒を減圧する第１膨張弁と、を有し、前記第１加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第１ヒートポンプ回路と、外気から採熱して回路内を循環する第２冷媒を加熱する空気熱源熱交換器と、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機から吐出された前記第２冷媒を流通させる前記第２加熱熱交換器と、前記第２加熱熱交換器から流出した前記第２冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２冷媒の流れ方向を切り換える切換弁と、を有し、前記第２加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第２ヒートポンプ回路と、動作を制御する制御装置と、を備え、前記第１加熱熱交換器は、前記加熱循環回路における前記第２加熱熱交換器の上流側に直列に配設され、前記第２ヒートポンプ回路のみを作動させると共に前記加熱循環ポンプを駆動させて前記循環液を加熱する暖房運転を行う複合熱源ヒートポンプ装置において、前記制御装置は、前記切換弁を、前記第２冷媒の流れ方向が前記暖房運転時の前記第２冷媒の流れ方向と逆になるように切り換えて、前記第２圧縮機から吐出された前記第２冷媒を前記空気熱源熱交換器に供給して前記空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かす除霜動作を実行すると共に当該除霜動作時に前記加熱循環ポンプを駆動させる除霜動作制御手段を有し、前記暖房運転時に前記除霜動作制御手段が前記除霜動作を実行する場合には、前記第１ヒートポンプ回路を作動させるようにし、前記制御装置は、前記除霜動作を開始するための所定の除霜開始条件が成立したと判断したら、前記第１ヒートポンプ回路の作動を開始させ、前記第１ヒートポンプ回路の作動を開始させてから所定時間が経過した後に、前記除霜動作制御手段は、前記除霜動作を開始するものとした。

また、請求項２では、前記除霜動作制御手段は、前記除霜動作時の前記加熱循環ポンプを所定の除霜回転速度で駆動させるようにし、前記所定の除霜回転速度は前記暖房運転時よりも低く設定した回転速度とするものとした。

また、請求項３では、前記制御装置は、前記除霜動作時に、前記第１ヒートポンプ回路の前記第１圧縮機を最大回転速度で駆動させるものとした。

また、請求項４では、前記制御装置は、前記除霜動作を終了するための所定の除霜終了条件が成立したと判断したら、前記切換弁を、前記第２冷媒の流れ方向が前記暖房運転時の前記第２冷媒の流れ方向となるように切り換えて、前記暖房運転としての前記第２ヒートポンプ回路の作動を再開させ、前記第２ヒートポンプ回路の作動再開後、一定時間が経過するまでは、前記第１ヒートポンプ回路の作動を継続するものとした。

また、請求項５では、前記制御装置は、前記第２ヒートポンプ回路の作動を再開して前記一定時間が経過した後、前記加熱循環回路を循環する前記循環液の温度が設定された目標温水温度に到達したら、前記第１圧縮機の回転速度を徐々に低下させて、前記第１ヒートポンプ回路の作動を停止するものとした。

この発明の請求項１によれば、第２ヒートポンプ回路のみを作動させると共に加熱循環ポンプを駆動させて循環液を加熱する暖房運転を行っているときに、空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かす除霜動作が実行される場合において、除霜動作を実行するときは、第１ヒートポンプ回路を作動させることにより、除霜動作前に第２ヒートポンプ回路の作動により行われていた暖房運転を、第１ヒートポンプ回路を作動させてバックアップし、安定した暖房出力を確保して、除霜動作中も暖房運転を継続することができると共に、空気熱源熱交換器の除霜に利用される熱を、第２加熱熱交換器を介して循環液側から第２冷媒側に与えることができ、除霜動作が行われる時間を長引かせることがないものであり、さらに、除霜動作を開始するための所定の除霜開始条件が成立したと判断したら、第１ヒートポンプ回路の作動を開始させ、第１ヒートポンプ回路の作動を開始させてから所定時間が経過した後に、除霜動作を開始するようにしたことで、バックアップとして作動する第１ヒートポンプ回路が安定した暖房出力を出せるようになる時間が経過するまでは除霜動作の開始を待つので、安定した暖房出力を確保した状態で除霜動作を開始することができ、除霜動作中も暖房運転を継続することができるものである。

また、請求項２によれば、除霜動作時の加熱循環ポンプを所定の除霜回転速度で駆動させるようにし、所定の除霜回転速度は暖房運転時よりも低く設定した回転速度としたことで、暖房運転時と比較して、単位時間当たりの循環液の循環流量が減少し、温度効率が上がるため、第１加熱熱交換器から流出する循環液の温度が高くなり、第２加熱熱交換器に流入する循環液の温度が高くなるので、第２加熱熱交換器において循環液側から第２冷媒側に吸熱される熱が多くなり、第２圧縮機から吐出されて空気熱源熱交換器に供給される第２冷媒の温度も上がるため、空気熱源熱交換器に発生した霜も溶けやすくなり、除霜動作時間を短縮することができ、除霜動作時間を長引かせることがないものである。

また、請求項３によれば、除霜動作時に、第１ヒートポンプ回路の第１圧縮機を最大回転速度で駆動させることで、除霜動作が行われる前の第２ヒートポンプ回路の暖房出力分をできるだけカバーするように第１ヒートポンプ回路を作動させ、第１加熱熱交換器から流出する循環液の温度をより高めることができるため、第２加熱熱交換器に流入する循環液の温度が高くなり、第２加熱熱交換器を流出する循環液の温度も高く保つことができ、放熱端末へ供給される循環液の温度低下をできるだけ抑制し、できるだけ暖房感を損ねないように暖房運転を継続できるものである。さらに、第１加熱熱交換器から流出する循環液の温度を高めることができるため、第２加熱熱交換器に流入する循環液の温度が高くなるので、第２加熱熱交換器において循環液側から第２冷媒側に吸熱される熱が多くなり、第２冷媒の温度もその分上昇し、第２圧縮機から吐出されて空気熱源熱交換器に供給される第２冷媒の温度も上がるため、空気熱源熱交換器に発生した霜も溶けやすくなり、除霜動作を行っている時間を短縮することができ、除霜動作時間を長引かせることがないものである。

また、請求項４によれば、除霜動作を終了するための所定の除霜終了条件が成立したと判断したら、切換弁を、第２冷媒の流れ方向が暖房運転時の第２冷媒の流れ方向となるように切り換えて、暖房運転としての第２ヒートポンプ回路の作動を再開させ、第２ヒートポンプ回路の作動再開後、一定時間が経過するまでは、第１ヒートポンプ回路の作動を継続するようにしたことで、第２ヒートポンプ回路が安定した暖房出力を出せるようになる時間が経過するまでは、バックアップとして作動させている第１ヒートポンプ回路の作動を継続させるので、除霜動作終了後においても安定した暖房出力を確保することができ、暖房運転を継続することができるものである。

また、請求項５によれば、第２ヒートポンプ回路の作動を再開して一定時間が経過した後、加熱循環回路を循環する前記循環液の温度が設定された目標温水温度に到達したら、第１圧縮機の回転速度を徐々に低下させて、第１ヒートポンプ回路の作動を停止するようにしたことで、除霜動作終了後において、バックアップとして作動させていた第１ヒートポンプ回路の作動を徐々に制限していき、第２ヒートポンプ回路のみを作動させての暖房運転の状態にスムーズに移行させることができるものである。

本発明の実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置の主要なユニットを示す外観構成図。本発明の実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置の全体構成を示す構成図。本発明の実施形態に係る除霜動作を示す回路図。本発明の実施形態に係る第２ヒートポンプ回路を作動させての暖房運転時に除霜動作が実行される場合の動作を示すタイムチャート。

本発明の実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置１の構成について適宜図１と図２を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、複合熱源ヒートポンプ装置１は、第１ヒートポンプ回路４０（図２参照）を備える地中熱ヒートポンプユニット４と、第２ヒートポンプ回路５０（図２参照）を備える空気熱ヒートポンプユニット５とを有している。また、複合熱源ヒートポンプ装置１は放熱端末３６に熱媒としての循環液Ｌ（例えば、温水や不凍液）を循環させる負荷側循環回路としての加熱循環回路３０と、熱源側循環回路としての地中熱循環回路２０と、複合熱源ヒートポンプ装置１の動作を制御する制御手段としての制御装置６（６１、６２、６３）と、制御装置６に信号を送るリモコン６０とを有している。

図２に示すように、本実施形態に係る複合熱源ヒートポンプ装置１は、地中熱源を利用して放熱端末３６側の循環液Ｌを加熱する第１ヒートポンプ回路４０の第１加熱熱交換器４１と、空気熱源を利用して放熱端末３６側の循環液Ｌを加熱する第２ヒートポンプ回路５０の第２加熱熱交換器５１とを加熱循環回路３０に対して直列に接続した複合熱源ヒートポンプ装置であり、加熱循環回路３０を循環する循環液Ｌの流れに対して、第１加熱熱交換器４１が第２加熱熱交換器５１よりも上流側に配設されている。この複合熱源ヒートポンプ装置１は、暖房装置および冷房装置として機能させることができるが、以下の実施形態においては主として暖房装置として使用している場合の構成要素および動作について説明する。

第１ヒートポンプ回路４０は、第１冷媒Ｃ１を圧縮する能力可変の第１圧縮機４３と、第１圧縮機４３から吐出された高温の第１冷媒Ｃ１を流通させ、この高温の第１冷媒Ｃ１と加熱循環回路３０を流れる循環液Ｌとの熱交換を行う第１凝縮器としての第１加熱熱交換器４１と、第１加熱熱交換器４１から流出する第１冷媒Ｃ１を減圧する第１減圧手段としての第１膨張弁４４と、第１膨張弁４４からの減圧された低温の第１冷媒Ｃ１と地中熱循環回路２０を流れる熱媒Ｈ１との熱交換を行う第１蒸発器としての地中熱源熱交換器４５と、これらを環状に接続する第１冷媒配管４２とを備えて構成されている。この第１ヒートポンプ回路４０は、第１冷媒Ｃ１が循環すると共に、第１加熱熱交換器４１を介して加熱循環回路３０を流れる循環液Ｌを加熱する。

また、図２に示す地中熱ヒートポンプユニット４において、符号４２ａは、第１圧縮機４３から吐出された第１冷媒Ｃ１の温度を検出する第１冷媒吐出温度センサであり、符号４２ｂは、第１膨張弁４４から地中熱源熱交換器４５までの第１冷媒配管４２、つまり低圧側の第１冷媒配管４２に設けられ、低圧側の第１冷媒Ｃ１の温度を検出する第１冷媒温度センサである。

第２ヒートポンプ回路５０は、第２冷媒Ｃ２を圧縮する能力可変の第２圧縮機５３と、第２圧縮機５３から吐出された高温の第２冷媒Ｃ２を流通させ、この高温の第２冷媒Ｃ２と加熱循環回路３０を流れる循環液Ｌとの熱交換を行う第２凝縮器としての第２加熱熱交換器５１と、第２加熱熱交換器５１から流出する第２冷媒Ｃ２を減圧する第２減圧手段としての第２膨張弁５４と、第２膨張弁５４からの減圧した低温の第２冷媒Ｃ２を流通させ、この低温の第２冷媒Ｃ２と送風ファン５６の作動により送られる空気との熱交換を行う第２蒸発器としての空気熱源熱交換器５５と、これらを環状に接続する第２冷媒配管５２とを備えて構成されている。この第２ヒートポンプ回路５０は、第２冷媒Ｃ２が循環すると共に、第２加熱熱交換器５１を介して加熱循環回路３０を流れる循環液Ｌを加熱する。

第２冷媒配管５２には、第２ヒートポンプ回路５０における第２冷媒Ｃ２の流れ方向を切り換える切換弁としての四方弁５８が設けられており、四方弁５８は、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２を、第２加熱熱交換器５１、第２膨張弁５４、空気熱源熱交換器５５の順に流通させ、第２圧縮機５３に戻す流路を形成する状態（暖房運転時の状態）と、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２を、空気熱源熱交換器５５、第２膨張弁５４、第２加熱熱交換器５１の順に流通させ、第２圧縮機５３に戻す流路を形成する状態（除霜動作時の状態）とに切り換え可能なものである。
本実施形態では、空気熱源熱交換器５５が低温となり、着霜した場合に、第２圧縮機５３から吐出される第２冷媒Ｃ２が空気熱源熱交換器５５に向けて流れるように四方弁５８が切り換えられて、第２圧縮機５３からの高温の第２冷媒Ｃ２により空気熱源熱交換器５５に発生した霜が溶かされるようになっている。

また、図２に示す空気熱ヒートポンプユニット５において、符号５２ａは、第２圧縮機５３から吐出された第２冷媒Ｃ２の温度を検出する第２冷媒吐出温度センサであり、符号５２ｂは、第２膨張弁５４から空気熱源熱交換器５５までの第２冷媒配管５２、つまり低圧側の第２冷媒配管５２に設けられ、低圧側の第２冷媒Ｃ２の温度を検出する第２冷媒温度センサであり、符号５７は外気温度を検出する外気温センサである。

なお、第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の冷媒としては、Ｒ４１０ＡやＲ３２等のＨＦＣ冷媒や二酸化炭素冷媒等の任意の冷媒を用いることができる。

第１加熱熱交換器４１、地中熱源熱交換器４５、および第２加熱熱交換器５１は、例えばプレート式熱交換器で構成されている。この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。

地中熱循環回路２０は、地中熱源熱交換器４５と、地中熱源熱交換器４５を流通する第１冷媒Ｃ１を加熱する熱源として地中に設置された地中熱交換器２３と、これらを環状に接続する地中熱配管２１とを備えて構成されている。また、地中熱配管２１には、地中熱循環回路２０に熱媒Ｈ１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）可変の地中熱循環ポンプ２２が設けられている。なお、図２における符号２４は、熱媒Ｈ１を貯留し地中熱循環回路２０の圧力を調整する地中用シスターンである。

ここで、地中熱循環回路２０では、暖房運転を行う際に、地中熱交換器２３によって地中から地中熱を採熱し、その熱を帯びた熱媒Ｈ１が地中熱循環ポンプ２２により地中熱源熱交換器４５に供給される。そして、地中熱源熱交換器４５にて、地中熱源熱交換器４５の冷媒流路を流通する第１冷媒Ｃ１と地中熱源熱交換器４５の流体流路を流通する熱媒Ｈ１とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器２３にて採熱された地中熱が第１冷媒Ｃ１側に汲み上げられて第１冷媒Ｃ１が加熱され、地中熱源熱交換器４５は蒸発器として機能するものとなる。

加熱循環回路３０は、第１凝縮器としての第１加熱熱交換器４１と、第２凝縮器としての第２加熱熱交換器５１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３６と、これらを上流側から順に環状に接続する加熱配管３１とを備えて構成されている。また、加熱配管３１には、加熱循環回路３０に循環液Ｌを循環させる加熱循環ポンプ３２が設けられており、放熱端末３６毎に分岐した加熱配管３１の各々には、その開閉により放熱端末３６への循環液Ｌの供給を制御する熱動弁３３がそれぞれ設けられている。なお、放熱端末３６は、図２では２つ設けられているが、１つであってもよく、３つ以上であってもよく、数量や仕様が特に限定されるものではない。

このように、加熱循環回路３０において第１凝縮器としての第１加熱熱交換器４１と第２凝縮器としての第２加熱熱交換器５１とが直列に接続されており、加熱循環回路３０を循環する循環液Ｌは、第１加熱熱交換器４１を流通した後で、第２加熱熱交換器５１を流通して、放熱端末３６に供給されるように構成されている。

なお、図２に示す加熱循環回路３０において、符号３４は、加熱配管３１に設けられ放熱端末３６から第１加熱熱交換器４１に流入する循環液Ｌの温度を検出する戻り温水温度センサであり、符号３５は、循環液Ｌを貯留し加熱循環回路３０の圧力を調整する暖房用シスターンである。

制御装置６は、地中熱循環回路２０、第１ヒートポンプ回路４０、および加熱循環回路３０の動作を制御する地中熱ヒートポンプ制御装置６１と、第２ヒートポンプ回路５０の動作を制御する空気熱ヒートポンプ制御装置６２と、除霜動作を制御する除霜動作制御手段としての除霜動作制御装置６３とを備えている。制御装置６は、各種のデータやプログラムを記憶する記憶部と、演算・制御処理を行う制御部とを備えており、外気温センサ５７や温度センサ４２ａ、４２ｂ等の各温度センサ、およびリモコン６０からの信号を受けて、複合熱源ヒートポンプ装置１の動作を制御できるようになっている。

制御装置６は、暖房運転中、第１加熱熱交換器４１の直上流側の循環液Ｌの温度を検出する戻り温水温度センサ３４の検出値が、リモコン６０の設定温度に基づいて設定される目標温水温度になるように、第１ヒートポンプ回路４０作動による暖房運転の場合は第１圧縮機４３の回転速度を制御し、第２ヒートポンプ回路５０作動による暖房運転の場合は第２圧縮機５３の回転速度を制御し、第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の双方が作動している場合は第１圧縮機４３および第２圧縮機５３の回転速度を制御する。すなわち、制御装置６は、第１加熱熱交換器４１の直上流側の加熱循環回路３０に設置され放熱端末３６から流出した循環液Ｌの温度を検出する１つの戻り温水温度センサ３４の検出値から全体の暖房負荷を把握して、これに応じて、第１ヒートポンプ回路４０または第２ヒートポンプ回路５０のどちらか一方、あるいは第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の双方の作動を制御するように構成されている。

前記除霜動作制御装置６３は、加熱循環ポンプ３２を所定の除霜回転速度で駆動させ放熱端末３６による暖房運転を継続した状態で、第２圧縮機５３から吐出された高温の第２冷媒Ｃ２を空気熱源熱交換器５５に供給して、空気熱源熱交換器５５に発生した霜を溶かす除霜動作を実行する。
加熱循環ポンプ３２の所定の除霜回転速度は、暖房運転時における回転速度よりも低く設定されている。例えば、暖房運転における加熱循環ポンプ３２の回転速度が３５００ｒｐｍとすると、除霜動作時の加熱循環ポンプ３２の除霜回転速度は、３５００ｒｐｍよりも低い２５００ｒｐｍとすることができる。

なお、本実施形態においては、暖房運転時の加熱循環ポンプ３２の回転速度を３５００ｒｐｍとし、除霜動作を行っている時の加熱循環ポンプ３２の除霜回転速度を２５００ｒｐｍとしたが、これに限定されるものではなく、暖房運転における加熱循環ポンプ３２の回転速度、および除霜回転速度は、ヒートポンプ装置の仕様や圧縮機の性能、設置環境、熱負荷等を勘案しながら、必要な暖房出力と除霜動作時間とのバランスを考慮して適宜設定される。

前記除霜動作の形態は、図３に示すように、暖房運転時（図１の空気熱ヒートポンプユニット５参照）と逆方向に第２冷媒Ｃ２を循環させる形態であり、具体的には、図３に示す除霜動作は、第２膨張弁５４を除霜動作前の暖房運転時よりも所定の開度まで拡大、ここでは全開まで拡大すると共に、四方弁５８を除霜動作時の状態に切り換えて第２冷媒Ｃ２の流れ方向が暖房運転時の第２冷媒Ｃ２の流れ方向と逆になるようにし、第２圧縮機５３から吐出された高温の第２冷媒Ｃ２を、空気熱源熱交換器５５に直接供給して空気熱源熱交換器５５に発生した霜を溶かす。空気熱源熱交換器５５にて霜との熱交換で温度低下し空気熱源熱交換器５５から流出した低温の第２冷媒Ｃ２は、第２膨張弁５４で減圧されることなく第２膨張弁５４を通過し、第２加熱熱交換器５１を流通して再び第２圧縮機５３に戻るものである。

前記除霜動作の開始は、例えば、外気温センサ５７で検出した外気温度が予め設定された除霜開始温度に達したか否か、または外気温センサ５７で検出した外気温度および第２冷媒温度センサ５２ｂで検出した冷媒温度がそれぞれ予め設定された除霜開始温度に達したか否かを制御装置６が判断、すなわち所定の除霜開始条件が成立したか否かを制御装置６が判断して、除霜開始条件が成立したと判断したら除霜動作を開始することができる。また、除霜動作の完了は、第２冷媒温度センサ５２ｂで検出する空気熱源熱交換器５５を流通してきた第２冷媒Ｃ２の温度が、予め設定された除霜終了温度に達したか否かを制御装置６が判断、すなわち所定の除霜終了条件が成立したか否かを制御装置６が判断して、除霜終了条件が成立したと判断したら除霜動作を終了することができる。

次に、図１および図２に示す複合熱源ヒートポンプ装置１の動作について説明する。
リモコン６０から放熱端末３６による被空調空間の加熱の指示がなされると、制御装置６は、外気温センサ５７の検出する外気温度に基づき、地中熱源を利用する第１ヒートポンプ回路４０および空気熱源を利用する第２ヒートポンプ回路５０のうち、熱源として採熱効率のよい方を選択して作動させる。

例えば、春季や秋季のように外気温度がそれほど低くない場合（例えば、５℃以上）で、暖房負荷が小さい場合には、制御装置６は、空気熱源を利用する第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させる。この場合、制御装置６は、第２圧縮機５３、第２膨張弁５４、送風ファン５６、および加熱循環ポンプ３２の駆動を開始させ、暖房運転が開始される。暖房運転が開始されると、第２加熱熱交換器５１では加熱循環ポンプ３２により循環される循環液Ｌと第２圧縮機５３から吐出された高温高圧の第２冷媒Ｃ２とが熱交換され、加熱された循環液Ｌが放熱端末３６に供給され被空調空間を加熱すると共に、空気熱源熱交換器５５では、送風ファン５６の駆動により送られる空気と第２膨張弁５４から吐出された低温低圧の第２冷媒Ｃ２とが熱交換され、空気熱により第２冷媒Ｃ２を加熱し蒸発させる。なお、この場合、加熱循環回路３０を循環する循環液Ｌは、第１加熱熱交換器４１も通過することになるが、このときには第１ヒートポンプ回路４０は作動していないため、第１加熱熱交換器４１では加熱されることなく通過する。

一方、冬季のように外気温度が低い場合（例えば、５℃以下）には、制御装置６は、地中熱源を利用する第１ヒートポンプ回路４０のみを作動させる。この場合、制御装置６は、第１圧縮機４３、第１膨張弁４４、地中熱循環ポンプ２２、および加熱循環ポンプ３２の駆動を開始させ、暖房運転が開始される。暖房運転が開始されると、第１加熱熱交換器４１では加熱循環ポンプ３２により循環される循環液Ｌと第１圧縮機４３から吐出された高温高圧の第１冷媒Ｃ１とが熱交換され、加熱された循環液Ｌが放熱端末３６に供給され被空調空間を加熱すると共に、地中熱源熱交換器４５では、地中熱循環ポンプ２２により循環され地中熱交換器２３を介して地中熱を採熱した熱媒Ｈ１と第１膨張弁４４から吐出された低温低圧の第１冷媒Ｃ１とが熱交換され、地中熱により第１冷媒Ｃ１を加熱し蒸発させる。なお、この場合、加熱循環回路３０を循環する循環液Ｌは、第２加熱熱交換器５１も通過することになるが、このときには第２ヒートポンプ回路５０は作動していないため、第２加熱熱交換器５１では加熱されることなく通過する。

また、暖房運転の立ち上げ時や、第１ヒートポンプ回路４０または第２ヒートポンプ回路５０のどちらか一方が作動して暖房運転を行っている時に、外気温度がさらに低下する等して暖房負荷が大きくなり、一方の作動のみでは所望の暖房出力が得られないとき等に、制御装置６は、第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の両方を作動させた暖房運転を行う。第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の両方を作動させた暖房運転を例とした場合、制御装置６は、第１圧縮機４３、第１膨張弁４４、地中熱循環ポンプ２２、第２圧縮機５３、第２膨張弁５４、送風ファン５６、および加熱循環ポンプ３２を駆動させて暖房運転が行われる。暖房運転中は、第１加熱熱交換器４１では、加熱循環ポンプ３２により循環される循環液Ｌと第１圧縮機４３から吐出された高温高圧の第１冷媒Ｃ１とが対向して流れて熱交換が行われて循環液Ｌが加熱され、また、第２加熱熱交換器５１では、加熱循環ポンプ３２により循環される循環液Ｌと第２圧縮機５３から吐出された高温高圧の第２冷媒Ｃ２とが対向して流れて熱交換が行われて循環液Ｌが加熱される。このように、加熱循環回路３０を循環する循環液Ｌは、第１加熱熱交換器４１で加熱された後、第２加熱熱交換器５１でもさらに加熱されて放熱端末３６に供給され、放熱端末３６を流通するときに循環液Ｌの熱が被空調空間に放熱されることで被空調空間の暖房が行われるものである。

次に、特徴的な動作として、空気熱源の利用する第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させて暖房運転を行っているときに空気熱源熱交換器５５に発生した霜を溶かす除霜動作が実行される場合の複合熱源ヒートポンプ装置１の動作について、図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、図４中の時間ｔ０は、第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させて行う暖房運転が安定した後の任意の時間とする。

前記第２ヒートポンプ回路５０を作動させると共に加熱循環ポンプ３２を駆動させ、第２加熱熱交換器５１にて循環液Ｌを加熱して、加熱された循環液Ｌを放熱端末３６に供給する暖房運転を行っている最中に、制御装置６が、外気温センサ５７で検出した外気温度等から除霜開始条件が成立したと判断した場合（時間ｔ１）、第１圧縮機４３、第１膨張弁４４、地中熱循環ポンプ２２の駆動を開始させて第１ヒートポンプ回路４０の作動を開始させる（時間ｔ１〜）。この時、加熱循環ポンプ３２は駆動させたままである。

前記第１ヒートポンプ回路４０の作動を開始させてから、予め設定された第１の時間（ｔ時間１〜時間ｔ２）として例えば５分が経過した後、第２圧縮機５３、第２膨張弁５４、送風ファン５６の駆動を停止させ、一旦、第２ヒートポンプ回路５０の作動を停止させる（時間ｔ２）。第２ヒートポンプ回路５０の作動を停止させた時、第２膨張弁５４の開度は全開とされ、予め設定された第２の時間（時間ｔ２〜時間ｔ３）が経過するのを待つものであるが、これは、第２膨張弁５４の開度を全開として所定の時間の経過を待つことで第２圧縮機５３の吐出側（高圧側）と吸込側（低圧側）の差圧をなくし、第２圧縮機５３等の機能部品を次の起動時に安全に起動させるために行っているものである。なお、本実施形態では、時間ｔ２〜時間ｔ３の間、第２ヒートポンプ回路５０の作動を停止させているが、この期間、第２圧縮機５３を駆動させたまま第２膨張弁５４の開度を全開として、予め設定された第２の時間（時間ｔ２〜時間ｔ３）が経過するのを待つことで、第２圧縮機５３の吐出側（高圧側）と吸込側（低圧側）の差圧をなくすこともできるため、第２ヒートポンプ回路５０を作動させたまま次の動作へ移行することも可能である。

前記制御装置６が、第１ヒートポンプ回路４０の作動を開始させてから所定時間（時間ｔ１〜時間ｔ３）が経過したと判断すると、除霜動作制御装置６３は、四方弁５８を除霜動作時の状態に切り換えて除霜動作を開始すると共に、加熱循環ポンプ３２を所定の除霜回転速度（ここでは２５００ｒｐｍ）で駆動させる（時間ｔ３〜）。このとき、加熱循環ポンプ３２は駆動し第１ヒートポンプ回路４０も作動しているので、暖房運転を継続した状態で除霜動作が行われることとなる。

前記除霜動作は、先に図３を用いて説明したように、第２膨張弁５４を全開とすると共に、四方弁５８を除霜動作時の状態に切り換えて第２冷媒Ｃ２の流れ方向が暖房運転時の第２冷媒Ｃ２の流れ方向と逆となるようにし、第２圧縮機５３から吐出された高温の第２冷媒Ｃ２を、直接的に空気熱源熱交換器５５に供給して空気熱源熱交換器５５に発生した霜を溶かし、空気熱源熱交換器５５から流出した第２冷媒Ｃ２を、第２膨張弁５４で減圧されることなく第２膨張弁５４を通過させ、第２加熱熱交換器５１を流通させて、再び第２圧縮機５３に戻す。

この除霜動作時、第２加熱熱交換器５１では、第２冷媒Ｃ２と循環液Ｌとの間で熱交換が行われ、循環液Ｌの熱が第２冷媒Ｃ２側に吸熱されて、その熱が空気熱源熱交換器５５の除霜用として利用されるものであるが、除霜動作を行っている時の加熱循環ポンプ３２は、除霜動作が行われる前の暖房運転時における回転速度（ここでは３５００ｒｐｍ）よりも低い所定の除霜回転速度（ここでは２５００ｒｐｍ）で駆動している。ここで、第１加熱熱交換器４１に流入する循環液Ｌの温度が一定で、第１加熱熱交換器４１において冷媒Ｃ１から循環液Ｌに一定の熱量が与えられた場合を想定すると、加熱循環ポンプ３２の回転速度を、例えば３５００ｒｐｍとしたときよりも２５００ｒｐｍと低くしたときの方が、単位時間当たりの循環液Ｌの循環流量が減少し、温度効率が上がるため、第１加熱熱交換器４１から流出する循環液Ｌの温度が高くなるものである。よって、除霜動作時に、加熱循環ポンプ３２が所定の除霜回転速度で駆動すると、除霜動作が行われる前の暖房運転時と比較して、単位時間当たりの循環液Ｌの循環流量が減少し、温度効率が上がるため、第１加熱熱交換器４１から流出する循環液Ｌの温度が高くなる、すなわち、第２加熱熱交換器５１に流入する循環液Ｌの温度が高くなるので、第２加熱熱交換器５１において循環液Ｌ側から第２冷媒Ｃ２側に吸熱される熱が多くなり、第２冷媒Ｃ２の温度もその分上昇し、第２圧縮機５３から吐出されて空気熱源熱交換器５５に供給される第２冷媒Ｃ２の温度も上がるため、空気熱源熱交換器５５に発生した霜も溶けやすくなるものである。したがって、除霜動作時の加熱循環ポンプ３２の回転速度を、除霜動作が行われる前の第２ヒートポンプ回路５０を作動させての暖房運転時よりも、それよりも低く設定された所定の除霜回転速度で駆動させた時の方が、除霜動作時間を短縮することができ、除霜動作時間を長引かせることがないものである。

また、除霜動作時は、第１ヒートポンプ回路４０の第１圧縮機４３を最大回転速度（例えば、９０ｒｐｓ）で駆動させており、そうすることで、除霜動作が行われる前の第２ヒートポンプ回路５０の暖房出力分をできるだけカバーするように第１ヒートポンプ回路４０を作動させ、第１加熱熱交換器４１から流出する循環液Ｌの温度をより高めることができるため、第２加熱熱交換器５１に流入する循環液Ｌの温度が高くなり、第２加熱熱交換器５１を流出する循環液Ｌの温度も高く保つことができ、放熱端末３６へ供給される循環液Ｌの温度低下をできるだけ抑制し、できるだけ暖房感を損ねないように暖房運転を継続できるものである。さらに、第１加熱熱交換器４１から流出する循環液Ｌの温度を高めることができるため、第２加熱熱交換器５１に流入する循環液Ｌの温度が高くなるので、第２加熱熱交換器５１において循環液Ｌ側から第２冷媒Ｃ２側に吸熱される熱が多くなり、第２冷媒Ｃ２の温度もその分上昇し、第２圧縮機５３から吐出されて空気熱源熱交換器５５に供給される第２冷媒Ｃ２の温度も上がるため、空気熱源熱交換器５５に発生した霜も溶けやすくなり、除霜動作を行っている時間を短縮することができ、除霜動作時間を長引かせることがないものである。
なお、第１圧縮機４３の前記最大回転速度は、厳格に適用する趣旨ではなく、許容回転速度や許容回転速度から安全率を見込んだもの等も含まれるものとする。

そして、除霜動作を行っている時に、制御装置６が、第２冷媒温度センサ５２ｂで検出する空気熱源熱交換器５５を流通してきた第２冷媒Ｃ２の温度から所定の除霜終了条件が成立したと判断すると、第２圧縮機５３の駆動を停止させ、除霜動作を終了させると同時に、一旦、第２ヒートポンプ回路５０の作動を停止させる（時間ｔ４）。この時、加熱循環ポンプ３２の回転速度は、所定の除霜回転速度（２５００ｒｐｍ）から除霜動作が行われる前の暖房運転時における回転速度（３５００ｒｐｍ）に戻すものである（時間ｔ４）。

時間ｔ４において、第２ヒートポンプ回路５０の作動を停止させた時、第２膨張弁５４の開度は全開であり、予め設定された第３の時間（時間ｔ４〜時間ｔ５）が経過するのを待つものであるが、これは、第２膨張弁５４の開度を全開として所定の時間の経過を待つことで第２圧縮機５３の吐出側（高圧側）と吸込側（低圧側）の差圧をなくし、第２圧縮機５３等の機能部品を次の起動時に安全に起動させるために行っているものである。なお、本実施形態では、時間ｔ４〜時間ｔ５の間、第２ヒートポンプ回路５０の作動を一旦停止させているが、除霜動作中は第２膨張弁５４の開度は全開であり、第２圧縮機５３の吐出側（高圧側）と吸込側（低圧側）の差圧はないため、除霜動作が終了したときに、予め設定された第３の時間（時間ｔ４〜時間ｔ５）を省略して、第２圧縮機５３の駆動を停止させることなく第２ヒートポンプ回路５０を作動させたまま、四方弁５８を暖房運転時の状態に切り換えて次の動作へ移行することも可能である。

前記制御装置６が、前記第３の時間が経過したと判断すると、四方弁５８を暖房運転時の状態に切り換えると共に、第２圧縮機５３、第２膨張弁５４、送風ファン５６の駆動を再開させ、第２ヒートポンプ回路５０の作動を再開させ（時間ｔ５〜）、第２ヒートポンプ回路５０の作動を再開させてから、予め設定された一定時間（時間ｔ５〜時間ｔ６）として例えば５分が経過したと判断すると、第１圧縮機４３、第１膨張弁４４、地中熱循環ポンプ２２の駆動を停止させ、第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させ（時間ｔ６）、第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させての暖房運転に戻るものである（時間ｔ６〜）。

なお、本実施形態では、制御装置６は、前記一定時間が経過したと判断した場合、第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させるようにしたが、前記一定時間が経過した時点で端末温度センサ３４で検出される循環液Ｌの温度が目標温水温度に到達している場合は、第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させるようにしてもよく、さらに、前記一定時間が経過した時点で端末温度センサ３４で検出される循環液Ｌの温度が目標温水温度に到達していたら、第１圧縮機４３の回転速度を徐々に低下させるようにして、最終的に第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させるようにしてもよく、また、前記一定時間が経過した時点で端末温度センサ３４で検出される循環液Ｌの温度が目標温水温度に到達していない場合には、端末温度センサ３４で検出される循環液Ｌの温度が目標温水温度に到達するまでは第１ヒートポンプ回路４０および第２ヒートポンプ回路５０の両方を作動させ、端末温度センサ３４で検出される循環液Ｌの温度が目標温水温度に到達したら、第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させる、あるいは、第１圧縮機４３の回転速度を徐々に低下させるようにして、最終的に第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させるようにしてもよいものである。なお、上記のように、循環液Ｌの温度が設定された目標温水温度に到達したら、第１圧縮機４３の回転速度を徐々に低下させて、第１ヒートポンプ回路４０の作動を停止させる制御を行うものは、除霜動作終了後において、バックアップとして作動させていた第１ヒートポンプ回路４０の作動を徐々に制限していき、主動力源としての第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させての暖房運転の状態にスムーズに移行させることができるものである。

以上説明したように、第２ヒートポンプ回路５０のみを作動させての暖房運転を行っているときに空気熱源熱交換器５５に発生した霜を溶かす除霜動作が実行される場合において、除霜動作を実行しているとき（時間ｔ３〜時間ｔ４）は、第１ヒートポンプ回路４０を作動させると共に加熱循環ポンプ３２を駆動させることにより、除霜動作前に第２ヒートポンプ回路５０の作動により行われていた暖房運転を、第１ヒートポンプ回路４０を作動させてバックアップし、第１ヒートポンプ回路４０の作動で安定した暖房出力を確保して除霜動作中も暖房運転を継続することができると共に、空気熱源熱交換器５５の除霜に利用される熱を、第２加熱熱交換器５１を介して循環液Ｌ側から第２冷媒Ｃ２側に与えることができ、除霜動作が行われる時間を長引かせることがないものである。

また、第１ヒートポンプ回路４０の作動を開始させてから、所定時間（時間ｔ１〜時間ｔ３）が経過した後に、除霜動作制御装置６３は除霜動作を開始するようにしたことで、バックアップとして作動する第１ヒートポンプ回路４０が安定した暖房出力を出せるようになる時間が経過するまでは除霜動作の開始を待つので、安定した暖房出力を確保した状態で除霜動作を開始することができ、除霜動作中も暖房運転を継続することができるものである。

また、除霜動作が終了すると、除霜動作前に暖房運転の主動力源として作動していた第２ヒートポンプ回路５０の作動を再開させ、第２ヒートポンプ回路５０の作動再開後、一定時間（時間ｔ５〜時間ｔ６）が経過するまでは、第１ヒートポンプ回路４０の作動を継続するようにしたことで、主動力源としての第２ヒートポンプ回路５０が安定した暖房出力を出せるようになる時間が経過するまでは、バックアップとして作動させている第１ヒートポンプ回路４０の作動を継続させるので、除霜動作終了後においても安定した暖房出力を確保することができ、暖房運転を継続することができるものである。

１複合熱源ヒートポンプ装置
６制御装置
３０加熱循環回路
３２加熱循環ポンプ
３６放熱端末
４０第１ヒートポンプ回路
４１第１加熱熱交換器
４３第１圧縮機
４４第１膨張弁
４５地中熱源熱交換器
５０第２ヒートポンプ回路
５１第２加熱熱交換器
５３第２圧縮機
５４第２膨張弁
５５空気熱源熱交換器
５８四方弁
６１地中熱ヒートポンプ制御装置
６２空気熱ヒートポンプ制御装置
６３除霜動作制御装置
Ｃ１第１冷媒
Ｃ２第２冷媒
Ｌ循環液

Claims

放熱端末に循環液を循環させる加熱循環ポンプを有する加熱循環回路と、
この加熱循環回路に配設された凝縮器としての第１加熱熱交換器と、
前記加熱循環回路に配設された凝縮器としての第２加熱熱交換器と、
地中から採熱して回路内を循環する第１冷媒を加熱する地中熱源熱交換器と、前記第１冷媒を圧縮する第１圧縮機と、前記第１圧縮機から吐出された前記第１冷媒を流通させる前記第１加熱熱交換器と、前記第１加熱熱交換器から流出した前記第１冷媒を減圧する第１膨張弁と、を有し、前記第１加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第１ヒートポンプ回路と、
外気から採熱して回路内を循環する第２冷媒を加熱する空気熱源熱交換器と、前記第２冷媒を圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機から吐出された前記第２冷媒を流通させる前記第２加熱熱交換器と、前記第２加熱熱交換器から流出した前記第２冷媒を減圧する第２膨張弁と、前記第２冷媒の流れ方向を切り換える切換弁と、を有し、前記第２加熱熱交換器を介して前記循環液を加熱する第２ヒートポンプ回路と、
動作を制御する制御装置と、を備え、
前記第１加熱熱交換器は、前記加熱循環回路における前記第２加熱熱交換器の上流側に直列に配設され、
前記第２ヒートポンプ回路のみを作動させると共に前記加熱循環ポンプを駆動させて前記循環液を加熱する暖房運転を行う複合熱源ヒートポンプ装置において、
前記制御装置は、
前記切換弁を、前記第２冷媒の流れ方向が前記暖房運転時の前記第２冷媒の流れ方向と逆になるように切り換えて、前記第２圧縮機から吐出された前記第２冷媒を前記空気熱源熱交換器に供給して前記空気熱源熱交換器に発生した霜を溶かす除霜動作を実行すると共に当該除霜動作時に前記加熱循環ポンプを駆動させる除霜動作制御手段を有し、
前記暖房運転時に前記除霜動作制御手段が前記除霜動作を実行する場合には、前記第１ヒートポンプ回路を作動させるようにし、前記制御装置は、前記除霜動作を開始するための所定の除霜開始条件が成立したと判断したら、前記第１ヒートポンプ回路の作動を開始させ、前記第１ヒートポンプ回路の作動を開始させてから所定時間が経過した後に、前記除霜動作制御手段は、前記除霜動作を開始するようにしたことを特徴とする複合熱源ヒートポンプ装置。
前記除霜動作制御手段は、前記除霜動作時の前記加熱循環ポンプを所定の除霜回転速度で駆動させるようにし、前記所定の除霜回転速度は前記暖房運転時よりも低く設定した回転速度としたことを特徴とする請求項１に記載の複合熱源ヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記除霜動作時に、前記第１ヒートポンプ回路の前記第１圧縮機を最大回転速度で駆動させることを特徴とする請求項１または２に記載の複合熱源ヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記除霜動作を終了するための所定の除霜終了条件が成立したと判断したら、前記切換弁を、前記第２冷媒の流れ方向が前記暖房運転時の前記第２冷媒の流れ方向となるように切り換えて、前記暖房運転としての前記第２ヒートポンプ回路の作動を再開させ、前記第２ヒートポンプ回路の作動再開後、一定時間が経過するまでは、前記第１ヒートポンプ回路の作動を継続するようにしたことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の複合熱源ヒートポンプ装置。
前記制御装置は、前記第２ヒートポンプ回路の作動を再開して前記一定時間が経過した後、前記加熱循環回路を循環する前記循環液の温度が設定された目標温水温度に到達したら、前記第１圧縮機の回転速度を徐々に低下させて、前記第１ヒートポンプ回路の作動を停止するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の複合熱源ヒートポンプ装置。