JP6320633B2 - ヒートポンプ式設備装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱源にヒートポンプ装置を用いたヒートポンプ式設備装置に関し、特に暖房使用時などに給湯を実施する際の制御処理を実行するヒートポンプ式設備装置に関する。

従来のヒートポンプ式設備装置（以下、ヒートポンプ式給湯暖房装置と称する）は、ヒートポンプ装置を熱源として、冷媒と内部を流れる水を代表とする熱媒体との熱交換を行う熱交換器と、熱媒体により加熱された水を貯湯タンクに貯湯する給湯水回路と、熱媒体の熱を放熱させる暖房装置と、を備えている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の技術では、貯湯タンク内の水を加熱する給湯運転と、部屋を暖める暖房運転と、の両方の需要がある場合に、ヒートポンプ装置にて発生した熱量を両方に分配して運転を実施する。

特開２００４−３１７０９３号公報

従来のヒートポンプ式給湯暖房装置は、給湯と暖房の両方の需要が同時にある場合、ヒートポンプ装置にて発生した熱量を、両方に分配する必要がある。給湯暖房同時要求時の暖房能力は、熱量が給湯側にも分配されているため、暖房単独要求時の暖房能力と同等であるか低くなってしまい、快適性を損なうおそれがある。
そこで、給湯暖房同時要求時は、室内の快適性を損なわないように、比較的短時間での給湯運転終了を目指し、ヒートポンプ装置は最大能力で運転する。
しかし、ヒートポンプ装置の最大運転時の暖房成績係数(以下、ＣＯＰと称する)は、そのヒートポンプ装置の持っている最高ＣＯＰより低くなるため、効率が悪化するという課題がある。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、給湯暖房同時要求時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施するヒートポンプ式設備装置を提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式設備装置は、圧縮機、熱交換器、膨張弁、蒸発器を順次接続し運転能力可変型のヒートポンプ装置と、前記熱交換器を介して前記ヒートポンプ装置と接続される熱媒体回路と、前記熱媒体回路と熱交換された水を貯えるタンクと、前記熱媒体回路と接続されて放熱を行う暖房装置と、前記圧縮機の回転数を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、外気温度と室内温度との温度差に基づいて、前記タンクの水を加熱すると共に前記暖房装置を使用する給湯暖房運転同時要求時の給湯時間を設定し、設定した前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を決定するものである。

本発明に係るヒートポンプ式設備装置によれば、暖房使用時の外気温度と室内温度との温度差に基づいて給湯時間を算出し、その給湯時間でタンク内の水が最も効率良く設定温度に到達するよう圧縮機の回転数を決定することで、給湯暖房同時要求時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施することができる。

本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯暖房装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯暖房装置の給湯制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る暖房未使用時に給湯運転の要求があった場合の給湯運転時間と圧縮機の回転数との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合の一般的な給湯運転時間と圧縮機の回転数との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差がある閾値より小さいときの給湯運転時間と圧縮機の回転数との関係を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差が閾値より小さいときの圧縮機を最大回転数にする時間を設定するマップを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差が閾値より小さいときの給湯運転時間を設定するマップを示す図である。 本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯暖房装置の概略構成を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一のまたはこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。
さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯暖房装置１の概略構成を示す図である。
ヒートポンプ式給湯暖房装置１は、運転能力可変型のヒートポンプ装置１００と、給湯装置２００と、暖房装置３００と、制御部４００と、を備える。

ヒートポンプ装置１００は、運転能力可変型であり、圧縮機１１と、冷媒と熱媒体としての水との熱を交換する熱交換器１２と、膨張弁１３と、蒸発器１４と、これらを接続する冷媒回路１５と、外気温度センサ１６と、を有するヒートポンプ式熱源である。
圧縮機１１は、容量制御可能なインバータ圧縮機などで構成され、低温低圧ガス冷媒を吸引し、圧縮して高温高圧ガス冷媒の状態にして吐出する。
熱交換器１２は、たとえばプレート式熱交換器で構成される。
膨張弁１３は、高圧冷媒を減圧させて低圧二相冷媒にする。
蒸発器１４は、たとえばプレートフィン式熱交換器などで構成され、冷媒と外気とで熱交換させて冷媒を蒸発させる。

給湯装置２００は、熱交換器１２で熱交換された水の流通方向を切り替える三方弁２１と、熱交換器１２で熱交換された水によって給湯された水を貯える給湯タンク２２と、熱交換器１２で熱交換された水と給湯タンク２２に貯えられた水との熱を交換するタンク内熱交換器２３と、ポンプ２４と、熱交換器１２で熱交換された水が循環する一次水回路２５と、給湯タンク２２に水を供給する入水口２６と、給湯タンク２２から温められた水を供給する給水口２７と、室内温度センサ２８と、を有する。
三方弁２１は、流入する水を一方あるいは他方または両方に分流する。
タンク内熱交換器２３は、たとえばプレート式熱交換器で構成される。
ポンプ２４は、水を搬送する。

暖房装置３００は、一次水回路２５の水を暖房装置３００に流通させる暖房回路３１を有する。暖房装置３００は、一次水回路２５の加熱された水によって室内に熱を放熱する。

制御部４００は、マイクロコンピュータまたはＤＳＰ（Digital Signal Processor）などで構成され、ヒートポンプ装置１００および給湯装置２００の制御を行う。
制御部４００は、外気温度センサ１６から外気温度を取得し、室内温度センサ２８から室内温度を取得し、これらの取得温度に基づき圧縮機１１の回転数を制御する。このため、制御部４００には、図２のフローチャートに対応したプログラムが記憶され、図６、図７のマップが記憶されている。

次にヒートポンプ式給湯暖房装置１の動作を説明する。
給湯または暖房の要求があると、圧縮機１１の回転により高温高圧となった冷媒が熱交換器１２で一次水回路２５の水と熱交換を行う。一次水回路２５の加熱された水は、ポンプ２４によって搬送され、三方弁２１を通り、タンク内熱交換器２３へと搬送され、給湯タンク２２内の水を加熱することで給湯運転を行う。また、一次水回路２５の加熱された水は、三方弁２１から暖房回路３１を流通して暖房装置３００に搬送され、室内に熱を放熱することで暖房運転を行う。給湯装置２００は、三方弁２１によって給湯運転か暖房運転のどちらか一方あるいは同時に両方（給湯暖房同時運転）を選択して行う。
給湯暖房同時運転とは、一次水回路２５の加熱された水によって給湯タンク２２内の水を加熱する給湯運転と、一次水回路２５の加熱された水によって暖房装置３００が室内に熱を放熱する暖房運転と、を同時に行うことをいう。

図２は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ式給湯暖房装置１の給湯制御を示すフローチャートである。
図３は、本発明の実施の形態１に係る暖房未使用時に給湯運転の要求があった場合の給湯運転時間と圧縮機１１の回転数との関係を示した図である。図３の横軸が給湯運転時間を示し、図３の縦軸が圧縮機１１の回転数を示す。
図４は、本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合の一般的な給湯運転時間と圧縮機１１の回転数との関係を示した図である。図４の横軸が給湯運転時間を示し、図４の縦軸が圧縮機１１の回転数を示す。
図５は、本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差がある閾値Ｔ１より小さいときの給湯運転時間と圧縮機１１の回転数の関係を示した図である。図５の横軸が給湯運転時間を示し、図５の縦軸が圧縮機１１の回転数を示す。
図２〜図５に基づいてヒートポンプ式給湯暖房装置１の給湯制御を説明する。

制御部４００は、ステップＳ１にて給湯運転指示がある場合には、ステップＳ２に移行して給湯暖房同時要求があるか否かを判断する。

制御部４００は、ステップＳ２にて給湯暖房同時要求がない場合には、ステップＳ３に移行して給湯時の高効率運転を行う。
給湯単独要求時は、暖房未使用であるため、時間がかかっても室内の快適性に影響はない。この場合、圧縮機１１の回転数を最大回転数よりも低い最も効率の良い回転数の高効率の回転数に決定し、高効率運転で給湯タンク２２内の水を加熱する。つまり、制御部４００は、圧縮機１１の回転数を高効率回転数に決定する。図３のｔ１は高効率運転時の給湯運転終了時間である。

制御部４００は、ステップＳ２にて給湯暖房同時要求がある場合には、ステップＳ４に移行する。制御部４００は、ステップＳ４にて室内温度センサ２８が検出する室内温度が予め定められた設定温度以上であるか否かを判断する。制御部４００は、ステップＳ４にて室内温度が予め定められた設定温度以上でない場合には、ステップＳ５に移行して給湯時の最大運転を行う。
給湯運転時に、ヒートポンプ装置１００から発生した熱量を給湯運転側に分配する時間が長すぎると、室内温度が低下し室内の快適性を損なってしまうため、給湯運転を比較的短時間での給湯運転終了を目指して、圧縮機１１の回転数を最大回転数に決定して給湯運転を行う。つまり、制御部４００は、圧縮機１１の回転数を最大回転数に決定する。図４のｔ２は最大運転時の給湯運転終了時間であり、ｔ２＜ｔ１の関係になっている。

制御部４００は、ステップＳ４にて室内温度が予め定められた設定温度以上である場合には、ステップＳ６に移行する。制御部４００は、ステップＳ６にて外気温度センサ１６により検出された外気温度と室内温度センサ２８により検出された室内温度との温度差が閾値Ｔ１より小さいか否かを判断する。制御部４００は、ステップＳ６にて外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１より小さくない場合には、ステップＳ５に移行して給湯時の最大運転を行う。
外気温度と室内温度との温度差は、外気温度から室内温度を差し引いた値の絶対値を用いる。温度差の閾値Ｔ１は、実験や検証などによって予め設定された値である。

制御部４００は、ステップＳ６にて外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１より小さい場合には、ステップＳ７に移行して給湯時の組み合わせ運転を行う。

たとえば、ヒートポンプ式給湯暖房装置１を使用する欧州などでは、冬の間中暖房運転を止めないという使われ方が多いため、外気温度と室内温度との温度差が小さい条件が存在する。この温度差が小さい条件では、暖房運転停止時の室温低下が遅いため、給湯運転を早く終わらせて暖房を優先させる必要性が少ない。
上述の条件のとき、室内の快適性と沸き上げの省エネルギとの両方を考慮して、外気温度と室内温度との温度差に対応する予め設定された最大回転数時間ｔ３と、組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間ｔ４と、を設定する。そして、この組み合わせ給湯運転の序盤では最大能力運転（圧縮機１１の最大回転数運転）を行い、終盤では高効率運転を行う。つまり、制御部４００は、組み合わせ給湯運転に、序盤では圧縮機１１の回転数を最大回転数とし、終盤では圧縮機１１の回転数を高効率回転数とする組み合わせからなる回転数に決定する。図５のｔ３は最大能力運転を継続する最大回転数時間であり、ｔ４はこの組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間であり、ｔ３＜ｔ２＜ｔ４＜ｔ１の関係になっている。

図６は、本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差が閾値Ｔ１より小さいときの圧縮機１１を最大回転数にする時間を設定するマップを示す図である。図６の横軸が外気温度と室内温度との温度差の大きさを示し、縦軸が最大回転数時間ｔ３の長さを示す。
図６に示すように、外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１以下で比較的大きいときは、最大回転数時間ｔ３は比較的長くなり給湯時間ｔ２に近づく。すなわち、外気温度と室内温度との温度差に応じて予め設定される最大回転数時間ｔ３は比例した相関を有する。この図６のマップが制御部４００に予め記憶されている。

図７は、本発明の実施の形態１に係る暖房使用時に給湯運転の要求があった場合で外気温度と室内温度との差が閾値Ｔ１より小さいときの給湯運転時間を設定するマップを示す図である。図７の横軸が外気温度と室内温度との温度差の大きさを示し、縦軸が組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間ｔ４の長さを示す。
図７に示すように、外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１以下で比較的大きいときは、組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間ｔ４は比較的短くなる。一方、温度差が閾値Ｔ１以下で比較的小さいときは、給湯運転終了目標時間ｔ４は比較的長くなり、給湯時間ｔ１に近づき高効率な給湯運転を優先する。すなわち、外気温度と室内温度との温度差に応じて予め設定される組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間ｔ４は逆相関を有する。この図７のマップが制御部４００に予め記憶されている。

図６、図７のマップの違いから、制御部４００は、温度差が閾値Ｔ１以下で大きい程、給湯運転終了目標時間ｔ４を短く設定しかつ給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を最大回転数にする割合を高めるように決定することになる。

以上のように、制御部４００は、組み合わせ運転時に、図６、図７のマップを用いて最大回転数時間ｔ３と組み合わせ運転時の給湯運転終了目標時間ｔ４とを設定し、室内の快適性を損なわずかつ沸き上げの省エネルギを達成する。

なお、ステップＳ２にて給湯暖房同時要求があっても、ステップＳ４にて室内温度が設定温度に達していない場合は、暖房による室内の快適性を優先して、図４に示す圧縮機１１の回転数が常に最大である給湯運転を行う。

また、ステップＳ２にて給湯暖房同時要求があっても、ステップＳ６にて外気温度センサ１６により検出された外気温度と室内温度センサ２８により検出された室内温度の温度差が閾値Ｔ１より大きいときは、暖房運転停止時の室温低下が早いため、図４に示す圧縮機１１の回転数が常に最大である給湯運転を行う。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、給湯タンク２２内にタンク内熱交換器２３を有するものであるが、次に給湯タンク２２の外部にタンク外熱交換器４１を有する実施の形態２を説明する。実施の形態１と同じ構成、動作するものについては同一符号とし、説明を省略する。
図８は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ式給湯暖房装置１の概略構成を示す図である。
ヒートポンプ式給湯暖房装置１は、運転能力可変型のヒートポンプ装置１００と、給湯装置２０１と、暖房装置３００と、制御部４００と、を備える。

給湯装置２０１は、一次水回路２５と、二次水回路４３と、を有する。一次水回路２５は、三方弁２１と、タンク外熱交換器４１と、ポンプ２４と、を順次配管により接続する。二次水回路４３は、給湯タンク２２と、入水口２６と、給水口２７と、ポンプ４２と、を接続する。また、給湯装置２０１は、室内温度センサ２８を有する。給湯装置２０１の一次水回路２５には、暖房装置３００に熱交換した水を流通させる暖房回路３１を有する。このように、タンク外熱交換器４１は、給湯タンク２２の外部に設けられる。

次にヒートポンプ式給湯暖房装置１の動作を説明する。
給湯または暖房の要求があると、ヒートポンプ装置１００によって一次水回路２５の加熱された水は三方弁２１を通り、タンク外熱交換器４１へと搬送されることで給湯運転を行う。また、一次水回路２５の加熱された水は、三方弁２１から暖房回路３１を流通して暖房装置３００に搬送されることで暖房運転を行う。タンク外熱交換器４１で熱交換された水は、ポンプ４２により搬送されることで給湯タンク２２内に貯えられる。

実施の形態２においても、実施の形態１と同様に図２の給湯制御を行うことで、室内の快適性を損なわずかつ沸き上げの省エネルギを達成することができる。

以上の実施の形態１、２によると、制御部４００は、外気温度センサ１６が検出した外気温度と室内温度センサ２８が検出した室内温度との温度差に基づいて、給湯タンク２２の水を加熱すると共に暖房装置３００を使用する給湯暖房運転同時要求時の給湯運転終了目標時間ｔ４を設定する。そして、設定した給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を決定する。この構成によって、暖房使用時の外気温度と室内温度との温度差に基づいて給湯運転終了目標時間ｔ４を算出し、その給湯運転終了目標時間ｔ４で給湯タンク２２内の水が最も効率良く設定温度に到達するよう圧縮機１１の回転数を決定することで、給湯暖房同時要求時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施することができる。

制御部４００は、給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を最大回転数と高効率回転数との組み合わせからなる回転数に決定する。この構成によって、給湯運転終了目標時間ｔ４で給湯タンク２２内の水が最も効率良く設定温度に到達するよう圧縮機１１の回転数を制御することができる。

制御部４００は、給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を序盤では最大回転数とし、終盤では高効率回転数とする組み合わせからなる回転数に決定する。この構成によって、給湯運転終了目標時間ｔ４で給湯タンク２２内の水が最も効率良く設定温度に到達するよう圧縮機１１の回転数を制御することができる。そして、給湯暖房同時要求時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施することができる。

制御部４００は、暖房使用時の外気温度と室内温度との温度差が大きい程、給湯運転終了目標時間ｔ４を短く設定しかつ給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を最大回転数にする割合を高めるように決定する。この構成によって、給湯暖房同時要求時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施することができる。

制御部４００は、給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を最大回転数と最効率回転数との組み合わせからなる回転数に決定する処理を、暖房装置３００によって室内温度が設定温度以上の時に実施する。給湯運転時に、ヒートポンプ装置１００から発生した熱量を給湯運転側に分配する時間が長すぎると、室内温度が低下し室内の快適性を損なってしまうためである。

制御部４００は、暖房装置３００が不使用の場合には、給湯時間ｔ１内の圧縮機１１の回転数を最効率回転数に決定し、暖房装置３００を使用し、室内温度が設定温度よりも低いまたは外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１を超える場合には、給湯時間ｔ２内の圧縮機１１の回転数を最大回転数に決定し、暖房装置３００を使用し、室内温度が設定温度以上かつ外気温度と室内温度との温度差が閾値Ｔ１以内の場合には、給湯運転終了目標時間ｔ４内の圧縮機１１の回転数を序盤では最大回転数とし、終盤では高効率回転数とする組み合わせからなる回転数に決定する。この構成によって、給湯時に室内の快適性を損なわずかつ省エネルギを達成する給湯運転を実施することができる。

一次水回路２５と給湯タンク２２に貯える水とを熱交換するタンク外熱交換器４１を給湯タンク２２の外部に設けた。この構成によって、給湯タンク２２に貯える水を徐々にタンク外熱交換器４１に搬送して効率良く加熱することができる。

１ ヒートポンプ式給湯暖房装置、１１ 圧縮機、１２ 熱交換器、１３ 膨張弁、１４ 蒸発器、１５ 冷媒回路、１６ 外気温度センサ、２１ 三方弁、２２ 給湯タンク、２３ タンク内熱交換器、２４ ポンプ、２５ 一次水回路、２６ 入水口、２７ 給水口、２８ 室内温度センサ、３１ 暖房回路、４１ タンク外熱交換器、４２ ポンプ、４３ 二次水回路、１００ ヒートポンプ装置、２００ 給湯装置、２０１ 給湯装置、３００ 暖房装置、４００ 制御部。

Claims (7)

1. 圧縮機、熱交換器、膨張弁、蒸発器を順次接続し運転能力可変型のヒートポンプ装置と、
   前記熱交換器を介して前記ヒートポンプ装置と接続される熱媒体回路と、
   前記熱媒体回路と熱交換された水を貯えるタンクと、
   前記熱媒体回路と接続されて放熱を行う暖房装置と、
   前記圧縮機の回転数を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、外気温度と室内温度との温度差に基づいて、前記タンクの水を加熱すると共に前記暖房装置を使用する給湯暖房運転同時要求時の給湯時間を設定し、設定した前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を決定するヒートポンプ式設備装置。
2. 前記制御部は、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を最大回転数と高効率回転数との組み合わせからなる回転数に決定する請求項１に記載のヒートポンプ式設備装置。
3. 前記制御部は、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を序盤では最大回転数とし、終盤では高効率回転数とする組み合わせからなる回転数に決定する請求項１に記載のヒートポンプ式設備装置。
4. 前記制御部は、前記温度差が大きい程、前記給湯時間を短く設定しかつ前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を最大回転数にする割合を高めるように決定する請求項２または３に記載のヒートポンプ式設備装置。
5. 前記制御部は、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を最大回転数と最効率回転数との組み合わせからなる回転数に決定する処理を、前記暖房装置によって前記室内温度が設定温度以上の時に実施する請求項２〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式設備装置。
6. 前記制御部は、
   前記暖房装置が不使用の場合には、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を最効率回転数に決定し、
   前記暖房装置を使用し、前記室内温度が設定温度よりも低いまたは前記温度差が閾値を超える場合には、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を最大回転数に決定し、
   前記暖房装置を使用し、前記室内温度が設定温度以上かつ前記温度差が閾値以内の場合には、前記給湯時間内の前記圧縮機の回転数を序盤では最大回転数とし、終盤では高効率回転数とする組み合わせからなる回転数に決定する請求項１に記載のヒートポンプ式設備装置。
7. 前記熱媒体回路と前記タンクに貯える水とを熱交換する熱交換器を前記タンクの外部に設けた請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式設備装置。

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