JP6258005B2 - 空気調和システム - Google Patents

Description

本発明に係る実施形態は、空気調和システムに関する。

既設の冷凍サイクルに追加して設置することが可能であり、冷凍サイクルの消費電力を抑える熱交換装置が知られている。

この従来の熱交換装置は、冷凍サイクルの凝縮器と蒸発器とを結ぶ冷媒配管の一部に設置される熱交換器と、熱源から熱媒体を熱交換器へ搬送する搬送装置と、を備えている。

特開平６−１０１９３４号公報

従来の熱交換装置は、冷凍サイクルの運転を前提とし、運転中の冷凍サイクルを補助している。

つまり、従来の熱交換装置は、室内と熱源との温度差が大きく、冷凍サイクルを運転しなくても室内の空気調和を行い得る場合であっても、冷凍サイクルの運転に要する電力を無駄にしてしまう。

そこで、本発明は、冷凍サイクルをより効果的に省電力化する空気調和システムを提案する。

前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る空気調和システムは、圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁および利用側熱交換器が配管接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルを構成する熱源機と、自然の水熱源に由来する熱媒体を流通させて被空調室内の空気と熱交換を行う室内熱交換器を備えた熱交換ユニットと、前記自然の水熱源に由来する熱媒体を前記熱源機の冷媒と熱交換する利用側熱交換器を介在して前記室内熱交換器へ導く流入側管路と、前記熱媒体を前記室内熱交換器へ供給するポンプと、前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記自然の水熱源側へ戻す流出側管路と、前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記流出側管路側に戻さずに前記流入側管路の前記利用側熱交換器の入口側に導く中継管路と、前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記流出側管路側に送るか前記中継管路側に送るかの流路を切り替える流路切替手段と、前記室内熱交換器から出た前記熱媒体が流通する前記流出側管路中に介在し、前記熱源側熱交換器の吸い込み側に配置されて、または前記熱源側熱交換器に接触させて設けられて前記熱源側熱交換器の熱交換効率を高める室外補助熱交換器と、を備えている。

本発明の実施形態に係る空気調和システムを示すブロック図。 本発明の実施形態に係る空気調和システムを示す変形例のブロック図。

本発明に係る空気調和システムの実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る空気調和システムを示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る空気調和システム１は、一般的な冷媒が循環される冷凍サイクルで運転される熱源機２と、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを流通させて利用する一方で熱源機２を補助的に利用して、熱媒体ＨＭと被空調室内の空気とを熱交換させることで被空調室内の空気調和を行う熱交換ユニット３と、を備えている。

ここでまず、被空調室の外に設置される熱源機２は、水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭとの熱交換を行う構成の利用側熱交換器１１と、圧縮機１５と、四方弁１６と、室外空気との熱交換を行う構成の熱源側熱交換器１７と、膨張弁１８と、室外ファン１９と、室外制御部２１と、を備えている。

熱源機２の冷凍サイクルは、圧縮機１５と、四方弁１６を通じて熱源側熱交換器１７、膨張弁１８および利用側熱交換器１１が順次配管接続されている。

先ず、熱源機２の冷凍サイクルについて概説する。

熱源機２は、熱媒体ＨＭの冷却運転時には、図１中に実線矢印で示すように、圧縮機１５から吐出するガス冷媒を四方弁１６によって熱源側熱交換器１７へ案内し、熱源機２に吸い込まれた室外空気と熱交換することで凝縮、液化させる。熱源機２は、次に熱源側熱交換器１７から流出する液化した冷媒を、膨張弁１８を通して利用側熱交換器１１に案内して比較的温度の高い状態の熱媒体ＨＭと熱交換させることで蒸発、気化させ、再び四方弁１６によって圧縮機１５へ吸い込む。この冷媒の実線矢印の流路（以下、単に「冷却運転流路」という。）によって、熱源側熱交換器１７は凝縮器として機能し、利用側熱交換器１１は蒸発器として機能する。

一方、熱源機２は、熱媒体ＨＭ加熱運転時には、図１中に破線矢印で示すように、圧縮機１５から吐出する冷媒を四方弁１６によって利用側熱交換器１１へ案内し比較的温度の低い状態の熱媒体ＨＭと熱交換させることで凝縮、液化させる。熱源機２は、次に利用側熱交換器１１から流出する液化した冷媒を、膨張弁１８を通して熱源側熱交換器１７に案内し、室外空気と熱交換することで蒸発、気化させ、再び四方弁１６によって圧縮機１５へ吸い込む。この冷媒の破線矢印の流路（以下、単に「加熱運転流路」という。）によって、利用側熱交換器１１は凝縮器として機能し、熱源側熱交換器１７は蒸発器として機能する。

室外ファン１９は、熱源機２内の通風路に配置された熱源側熱交換器１７の通風路下流側に配置されている。室外ファン１９は、運転によって熱源機２内に室外空気を吸い込み、熱源側熱交換器１７を通過した熱交換後の室外空気を、熱源機２の外へ吹き出させる。

次いで、空気調和システム１は、図１中に実線矢印で示すように、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを熱交換ユニット３内に配置された室内熱交換器３１へ導き、熱媒体ＨＭと被空調室内の空気とを熱交換させ、室内熱交換器３１を流通させた後、水熱源ＮＨ側に戻す運転状態で被空調室の空気調和を行う。なお、空気調和システム１は、上記運転状態において、自然の水熱源ＮＨから供給される熱媒体ＨＭの温度と被空調室内との差温が被空調室の空気調和に不十分な場合には、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを熱源機２の利用側熱交換器１１部分で冷却もしくは加熱を行い、被空調室の空気調和に必要な所定の温度差となるように、熱源機２と協働して被空調室の空気調和を行う。

また、空気調和システム１は、図１中に破線矢印で示すように、室内熱交換器３１を流通させた後の熱媒体ＨＭの温度が、冷房運転時では被空調室内の温度よりある程度低い場合、暖房運転時ではある程度高い場合、或いは、例えば水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭの温度が低い場合において、被空調室内の暖房運転を行いたい場合や、水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭの温度が高い場合において、被空調室の冷房運を行いたい場合などには、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを利用側熱交換器１１を介在して再び室内熱交換器３１を流通させる運転状態で、熱源機２と協働して被空調室の空気調和を行う。

ここで、自然の水熱源ＮＨとは、夏季における雨水、河川水、地下水、湧水など外気温よりも冷たい水、または温泉水や、冬季における地下水などの外気温よりも温かい水を熱媒体ＨＭとして供給可能な熱源である。これらの熱媒体ＨＭは、例えば、貯水槽に一時的に貯留されて空気調和システム１に利用される。

空気調和システム１は、熱交換ユニット３内に配置された自然の水熱源ＮＨに由来する熱媒体ＨＷを流通させて被空調室内の空気と熱交換を行うよう構成した室内熱交換器３１と、自然の水熱源ＮＨに由来する熱媒体ＨＭを熱源機２の冷媒と熱交換する利用側熱交換器１１を介在して室内熱交換器３１へ導く流入側管路３２と、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを室内熱交換器３１へ供給するポンプ３３、３３と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを貯水槽などの自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４と、を備えている。

さらに、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４側に戻さずに流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導くように流出側管路３４と流入側管路３２を接続する中継管路３５と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを自然の水熱源ＮＨへ戻す流出側管路３４側に送るか、または中継管路３５側に送り利用側熱交換器１１を介在して室内熱交換器３１へ循環させるかの流路を切り替える流路切替手段３６と、を備えている。

また、熱交換ユニット３は、内部に室内ファン３７と、室内ファン３７の駆動用モータ３８と、駆動用モータ３８を駆動する室内ファン駆動部３９と、室内温度の検知手段（図示せず）、室内熱交換器３１の温度の検出手段（図示せず）と、これらの温度手段の検知温度、およびリモコンなどの運転操作手段（図示せず）からの操作信号を受ける室内制御部４１と、を備えている。

流路切替手段３６は、流入側管路３２を開閉させる流入管路元弁４５、流出側管路３４を開閉させる流出管路元弁４６、および中継管路３５を開閉させる流路切替弁４７より構成されている。

空気調和システム１は、流路切替手段３６の各弁の開閉の組み合わせによって、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４側に送るか中継管路３５側に送るかに流路が切り替えられる。

具体的には、空気調和システム１は、流入管路元弁４５および流出管路元弁４６を開き、かつ流路切替弁４７を閉じることで流入側管路３２から流入する自然の水熱源ＮＨに由来する熱媒体ＨＭを、熱源機３の冷媒と熱交換する利用側熱交換器１１を介在して室内熱交換器３１へ導き、被空調室の空気と熱交換を行なわせた後、流出側管路３４により自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流路を構成する。

他方、空気調和システム１は、流入管路元弁４５および流出管路元弁４６を閉じ、かつ流路切替弁４７を開くことで流入側管路３２から流入した自然の水熱源ＮＨに由来する熱媒体ＨＭを、熱源機２の冷媒と熱交換する利用側熱交換器１１を介在して熱交換ユニット３の室内熱交換器３１へ導き、熱交換ユニット３に吸い込まれる被空調室の空気と熱交換を行なわせた後、流出側管路３４側に戻さずに流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導くことで利用側熱交換器１１で熱源機２の冷媒と熱交換を行い、再び室内熱交換器３１に送る循環流路を構成する。

熱交換ユニット３は、室内ファン３７の運転により被空調室の空気を吸い込み、室内熱交換器３１を流通する熱媒体ＨＭと被空調室の空気との熱交換を行う。冷却または加熱された被空調室の空気は、被空調室内に送られ、被空調室内の冷房または暖房を行う。

流入側管路３２は、自然の水熱源ＮＨから熱源機２の利用側熱交換器１１を経由して室内熱交換器３１の入口側へ到達するまでの配管である。

ポンプ３３、３３は、自然の水熱源ＮＨから熱媒体ＨＭを搬送するため、自然の水熱源ＮＨと熱交換ユニット３部分との水頭圧差に応じて流入側管路３２の吸込口や途中部分に適宜の台数が設けられている。

流出側管路３４は、熱媒体ＨＭを必ずしも自然の水熱源ＮＨへ戻す必要はないが、環境負荷に配慮して熱交換後の熱媒体ＨＭを適宜の箇所へ導けるよう構成させている。

室内ファン３７は、熱交換ユニット３の空気通風路における室内熱交換器３１の下流側に配置されている。室内ファン３７は、運転によって被空調室内の空気を熱交換ユニット３の空気通風路に吸い込み、室内熱交換器３１を通過させ熱交換後の被空気を、被空調室内へ吹き出させる。

室内ファン駆動部３９は、室内制御部４１の指令に基づいて駆動用モータ３８を制御して室内ファン３７を駆動させる。

室内制御部４１は、室外制御部２１と協働して、リモコンなどの運転操作手段により設定された運転条件に応じて空調運転を実行する。室外制御部２１と室内制御部４１とは、信号線５１によって相互に接続されている。室外制御部２１は、圧縮機１５や室外ファン１９の運転を制御し、また、膨張弁１８の開度や四方弁１６の流路切換を制御する。

また、室内制御部４１は、流路切替手段３６の流路切り替え、ポンプ３３、３３の運転停止についても制御する。

例えば、熱媒体ＨＭの温度が室温より大幅に低温の場合、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４側へ送る流路となるよう流路切替手段３６を制御し、熱源機２の運転を行わない。この状態でポンプ３３、３３を運転することにより、流入側管路３２を通して供給される水熱源ＮＨからの熱媒体ＨＭは、利用側熱交換器１１を通過する際、冷媒との熱交換を行わずに熱交換ユニット３の室内熱交換器３１に送られ、室内ファン３７の運転により、被空調室の空気と熱交換が行われ、被空調室内の冷房を行う。

また、熱媒体ＨＭの温度が室温より僅かに低温の場合は、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４側へ送る流路となるよう流路切替手段３６を制御し、かつ冷房運転する熱源機２と協働する。この状態でポンプ３３、３３を運転することにより、流入側管路３２を通して供給される水熱源ＮＨからの熱媒体ＨＭは、利用側熱交換器１１を通過する際、冷媒との熱交換を行い自然の水熱源ＮＨよりも冷たくなった状態で熱交換ユニット３の室内熱交換器３１に送られ、室内ファン３７の運転により、被空調室の空気と熱交換が行われ、被空調室内の冷房を行う。

さらに、熱媒体ＨＭの温度が室温より高温の場合は、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、流出側管路３４側に戻さずに、流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導く中継管路３５側に送る流路となるように流路切替手段３６を制御し、かつ冷房運転する熱源機２と協働する。この状態で利用側熱交換器１１と室内側熱交換器３１との間の流入側管路３２に設けられたポンプ３３を運転することにより、中継管路３５側から供給される熱媒体ＨＭは、利用側熱交換器１１を通過する際、冷媒との熱交換を行い自然の水熱源ＮＨよりも冷たくなった状態で熱交換ユニット３の室内熱交換器３１に送られ、室内ファン３７の運転により、被空調室の空気と熱交換が行われ、被空調室内の冷房を行う。

他方、被空調室を暖房する場合は、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、流出側管路３４側に戻さずに、流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導く中継管路３５側に送る流路となるように流路切替手段３６を制御し、かつ暖房運転する熱源機２と協働する。この状態で利用側熱交換器１１と室内側熱交換器３１との間の流入側管路３２に設けられたポンプ３３を運転することにより、中継管路３５側から供給される熱媒体ＨＭは、利用側熱交換器１１を通過する際、冷媒との熱交換を行い暖まった状態で熱交換ユニット３の室内熱交換器３１に送られ、室内ファン３７の運転により、被空調室の空気と熱交換が行われ、被空調室内の暖房を行う。

次に、実施形態に係る空気調和システム１の変形例を説明する。なお、変形例に係る空気調和システム１Ａにおいて、空気調和システム１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図２は、本発明の実施形態に係る空気調和システムを示す変形例のブロック図である。

図２に示すように、本実施形態に係る空気調和システム１Ａは、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４Ａの途中に、熱媒体ＨＭが流通する室外補助熱交換器５５が設けられている。この室外補助熱交換器５５は、熱源機２の熱源側熱交換器１７の室外空気の吸い込み側に設けられる。

この室外補助熱交換器５５は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４Ａ側へ送る流路となるよう流路切替手段３６を制御し、かつ冷房運転する熱源機２と協働する運転状態の場合に、効果を発揮する。

なお、室外補助熱交換器５５は、熱源側熱交換器１７の吸い込み側に設けられる構成に限るものではなく、熱源側熱交換器１７に接触させて配置された構成であってもよい。

例えば、熱媒体ＨＭの温度が室温より僅かに低温の場合は、空気調和システム１は、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを、自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４Ａ側へ送る流路となるよう流路切替手段３６を制御し、かつ冷房運転する熱源機２と協働する。この状態でポンプ３３、３３を運転することにより、流入側管路３２を通して供給される水熱源ＮＨからの熱媒体ＨＭは、利用側熱交換器１１を通過する際、冷媒との熱交換を行い自然の水熱源ＮＨよりも冷たくなった状態で熱交換ユニット３Ａの室内熱交換器３１に送られ、室内ファン３７の運転により、被空調室の空気と熱交換が行われ、被空調室内の冷房を行う。

室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭは、流出側配管３４Ａに送られその途中に設けられた室外補助熱交換器５５に流通し、運転中の熱源機２の熱源側熱交換器１７を通過する以前の外気と熱交換を行い冷却する。室外補助熱交換器５５を通過して外気より低温となった空気を熱源側熱交換器１７に送り、熱源側熱交換器１７を流れる冷媒と熱交換させることで、熱源機２の冷却運転の熱源を補助する。

この運転は、熱源機２が冷却運転されていて、外気よりも流出側配管３４Ａを流通する熱媒体ＨＭの方が低温の場合には、室外補助熱交換器５５は、熱源側熱交換器１７に吹きかかる以前の外気を冷却して熱源機２の冷房運転を補助することができ、熱源側熱交換器１７の熱交換効率を高めることができる。

なお、室内熱交換器３１の上流側の流入側配管３２と下流側の流出側配管３４Ａには、配管接続弁５６、５６が配置されている。この配管接続弁５６、５６は、この部分で、配管の接続、分離が可能となっており、熱交換ユニット３Ａを室内に据え付け後、この配管接続弁５６、５６で配管接続することができる。

本実施形態に係る空気調和システム１は、自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを熱源機２の冷媒と熱交換する利用側熱交換器１１を介在して、被空調室内の空気と熱交換を行う室内熱交換器３１へ導く流入側管路３２と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを自然の水熱源ＮＨ側へ戻す流出側管路３４と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４側に戻さずに流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導く中継管路３５と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４側に送るか中継管路３５側に送るかの流路を切り替える流路切替手段３６とを備えることによって、熱源機２の運転とは個別に空気調和運転を行うことができる。つまり、空気調和システム１は、被空調室内と自然の水熱源ＮＨとの温度差によっては、熱源機２を運転しなくても被空調室内の空気調和を行い、冷凍サイクルの運転に要する電力を大幅に削減することができる。

また、本実施形態の変形例に係る空気調和システム１Ａでは、自然の水熱源ＮＨによって熱源機２の外気と夏交換される熱源側熱交換器１７の熱源の補助もできる。これにより、空気調和システム１Ａは、冷凍サイクルの運転に要する電力を大幅に削減することができる。

さらに、本実施形態に係る空気調和システム１、１Ａは、被空調室内の空気と熱交換して室内熱交換器３１から出た自然の水熱源ＮＨの熱媒体ＨＭを、流出側管路３４，３４Ａ側に戻さずに流入側管路３２の利用側熱交換器１１の入口側に導く中継管路３５と、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４，３４Ａ側に送るか中継管路３５側に送るかの流路を切り替えを流路切替手段３６によって容易に切り替えることができる。

したがって、本実施形態に係る空気調和システム１、１Ａによれば、冷凍サイクルをより効果的に省電力化できる。

なお、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４，３４Ａ側に送るか中継管路３５側に送るかの流路を切り替えを行う流路切替手段３６は、流入側管路３２を開閉させる流入管路元弁４５、流出側管路３４，３４Ａを開閉させる流出管路元弁４６、および中継管路３５を開閉させる流路切替弁４７より構成するものに限定するものではなく、例えば、中継管路３５を開閉させる流路切替弁４７を流出側管路３４，３４Ａと中継管路３５の分岐路部分に介在させた３方切り替え弁で構成させ、室内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭを流出側管路３４，３４Ａ側に送るか中継管路３５側に送るかの流路を切り替えるようにしてもよく、また、流入側管路３２を開閉させる流入管路元弁４５、流出側管路３４，３４Ａを開閉させる流出管路元弁４６、および中継管路３５を開閉させる流路切替弁４７の一部もしくは全部を、流量調整が出来る弁として、内熱交換器３１から出た熱媒体ＨＭの一部を中継管路３５側に送り、残りを流出側管路３４，３４Ａ側に送るように調整させるようにしてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１Ａ 空気調和システム
２ 熱源機
３、３Ａ 熱交換ユニット
１１ 利用側熱交換器
１５ 圧縮機
１６ 四方弁
１７ 熱源側熱交換器
１８ 膨張弁
１９ 室外ファン
２１ 室外制御部
３１ 室内熱交換器
３２ 流入側管路
３３ ポンプ
３４、３４Ａ 流出側管路
３５ 中継管路
３６ 流路切替手段
３７ 室内ファン
３８ 駆動用モータ
３９ 室内ファン駆動部
４１ 室内制御部
４５ 流入管路元弁
４６ 流出管路元弁
４７ 流路切替弁
５１ 信号線
５５ 室外補助熱交換器
５６ 配管接続弁

Claims (1)

1. 圧縮機、熱源側熱交換器、膨張弁および利用側熱交換器が配管接続されて冷媒が循環する冷凍サイクルを構成する熱源機と、
   自然の水熱源に由来する熱媒体を流通させて被空調室内の空気と熱交換を行う室内熱交換器を備えた熱交換ユニットと、
   前記自然の水熱源に由来する熱媒体を前記熱源機の冷媒と熱交換する利用側熱交換器を介在して前記室内熱交換器へ導く流入側管路と、
   前記熱媒体を前記室内熱交換器へ供給するポンプと、
   前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記自然の水熱源側へ戻す流出側管路と、
   前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記流出側管路側に戻さずに前記流入側管路の前記利用側熱交換器の入口側に導く中継管路と、
   前記室内熱交換器から出た前記熱媒体を前記流出側管路側に送るか前記中継管路側に送るかの流路を切り替える流路切替手段と、
   前記室内熱交換器から出た前記熱媒体が流通する前記流出側管路中に介在し、前記熱源側熱交換器の吸い込み側に配置されて、または前記熱源側熱交換器に接触させて設けられて前記熱源側熱交換器の熱交換効率を高める室外補助熱交換器と、を備える空気調和システム。

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