JP6416975B1 - 空気熱源ヒートポンプ式空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】 省エネで低ライフサイクルコストの空気熱源ヒートポンプ式空調機を得る。【解決手段】 第１ヒートポンプ（１）と、第２ヒートポンプ（２）と、第１ヒートポンプ（１）と第２ヒートポンプ（２）を操作して空調用空気を被空調空間（Ｓ）の空調に適した適合空気状態に調整する空調機制御装置（５）と、を備える。空調機制御装置（５）が、第１ヒートポンプ（１）と第２ヒートポンプ（２）のいずれか一方のみの操作で空調用空気を適合空気状態に調整可能な場合に、外気の負荷が予め設定された設定負荷よりも多いときは第１ヒートポンプ（１）のみで外気を熱交換をするように操作し、かつ外気の負荷が設定負荷よりも少ないときは第２ヒートポンプ（２）のみで還気を熱交換をするように操作する切換制御部（２６）を、備える。【選択図】図１

Description

本発明は空気熱源ヒートポンプ式空調機に関するものである。

所定延べ面積以上のビルの室内は二酸化炭素濃度が基準値以下になるように外気を取入れることが定められている。これに対応する空調機は、特許文献１に示すように、２つの熱交換器で空調用空気の外気と還気を別々に熱交換した後で混合させ、被空調空間に供給して冷房又は暖房する構成となっている。この空調機で冷房する場合、冷却除湿した低温の外気に、顕熱冷却した還気を混ぜることで、冷水及び温水で行うレヒートと同様の温度及び湿度制御効果を得られる。そのため、省エネ、省コストとなる利点がある。

特開２００４−３４０５２９号公報

この空調機において、熱交換器毎に室外機を接続して２つの冷凍サイクルを構成した場合、２つの室外機の運転時間が均等にならずライフサイクルコストが高くなる問題が発生しやすい。また、室外機のデフロスト運転が起こりやすい地域では、デフロスト運転に伴う給気温度の低下で、被空調空間が不快な環境になりやすい問題がある。

本発明は上記課題を解決するため、第１冷凍サイクルを構成する第１空調用熱交換器と第１熱源用熱交換器と第１圧縮機とを有する第１ヒートポンプと、第２冷凍サイクルを構成する第２空調用熱交換器と第２熱源用熱交換器と第２圧縮機とを有する第２ヒートポンプと、前記第１ヒートポンプと前記第２ヒートポンプを操作して前記第１空調用熱交換器と前記第２空調用熱交換器で熱交換する外気、還気その他の空調用空気を被空調空間の空調に適した適合空気状態に調整する空調機制御装置と、を備え、前記空調機制御装置が、前記第１ヒートポンプと前記第２ヒートポンプのいずれか一方のみの操作で前記空調用空気を前記適合空気状態に調整可能な場合に前記外気の負荷が予め設定された設定負荷よりも多いときは前記第１ヒートポンプのみで前記外気を熱交換をするように操作しかつ前記外気の負荷が前記設定負荷よりも少ないときは前記第２ヒートポンプのみで前記還気を熱交換をするように操作する切換制御部を、備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、デフロスト運転により加熱能力の下がった空調用熱交換器の給気風量を減らし、通常の加熱能力の空調用熱交換器の給気風量を増やすことで、給気温度の低下を抑制できる。これにより、デフロスト運転が起こりやすい地域でも、被空調空間の快適性の維持を図れる。
請求項２の発明によれば、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプのいずれか一方のみの操作で適合空気状態に調整可能な場合、設定負荷を変更することで第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの運転時間の割合を自由に調整できる。これにより、第１ヒートポンプと第２ヒートポンプの運転時間を平準化でき、ライフサイクルコストの削減を図れる。

請求項３の発明によれば、エンタルピーが大きい空調用空気の風量を減少させ、エンタルピーが小さい空調用空気の風量を増加させるので、余分な空調負荷が減り省エネを図れる。
請求項４と請求項５の発明によれば、１つのヒートポンプを２つの冷凍サイクルに分けて圧縮機の最小限界出力を下げることで、中間期などの低負荷時にも冷暖房能力の過不足が無い細かな給気温度制御ができる。これにより、被空調空間の温度変動を抑制し、圧縮機の無駄なエネルギー消費もなくなって、快適性と省エネ性の向上を図れる。２つの冷凍サイクルが空調用熱交換器を共用しているので、一方の冷凍サイクルが通常の冷暖房運転で他方の冷凍サイクルがデフロスト運転する場合、空調用熱交換器で一方の冷凍サイクルの熱エネルギーを他方の冷凍サイクルのデフロストに利用でき、除霜時間の短縮を図れる。

請求項６の発明によれば、冬期に日射などによって被空調空間に寒暖差が生じても、暖房と外気冷房を自由に切換して快適性の向上と省エネを図れる。
請求項７の発明によれば、気化式加湿器とすれば気化蒸発による冷却を活用できるので冷房時の省エネを図れる。蒸気式加湿器、又は、２つの気化式加湿器とすれば、低温の空調用空気を活用する外気冷房時などでも加湿不足とならず快適な環境となる。

本発明の空気熱源ヒートポンプ式空調機を示す簡略説明図である。（実施例１） 熱交換器の簡略説明図である。 本発明の実施例２を示す簡略説明図である。（実施例２） 本発明の実施例３を示す簡略説明図である。（実施例３） 本発明の実施例４を示す簡略説明図である。（実施例４）

図１と図２は本発明の空気熱源ヒートポンプ式空調機を示し、この空気熱源ヒートポンプ式空調機は、第１ヒートポンプ１、第２ヒートポンプ２、加湿器３、風量調整装置４、空調機制御装置５及びケーシング６を、備えている。この空気熱源ヒートポンプ式空調機の空気出入口を、建物の室内やホールなどの被空調空間Ｓと、屋外に、図示省略のダクトで連結する。屋外から空調用空気の外気（ＯＡ）と、被空調空間Ｓから空調用空気の還気（ＲＡ）を、前記空気熱源ヒートポンプ式空調機へ送り、前記空気熱源ヒートポンプ式空調機から空調用空気の給気（ＳＡ）を被空調空間Ｓへ供給する。各図において実線の太い矢印は気流方向を示す。

第１ヒートポンプ１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第１空調用熱交換器７及び第１熱源用熱交換器８と、循環冷媒を圧縮して搬送する第１圧縮機９と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１０と、第１空調用熱交換器７及び第１熱源用熱交換器８の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１１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第１冷凍サイクルＡを構成する。

第２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第２空調用熱交換器１２及び第２熱源用熱交換器１３と、循環冷媒を圧縮して搬送する第２圧縮機１４と、循環冷媒を膨張させる膨張弁等の減圧機構１５と、第２空調用熱交換器１２及び第２熱源用熱交換器１３の蒸発工程と凝縮工程を切換えるバルブ等の切換機構１６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第２冷凍サイクルＢを構成する。

図例では、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２は、いわゆる室外機側と室内機側に分かれるセパレートタイプで構成している。この室外機側にはファン３５、３６が備えられて、ファン３５、３６で第１熱源用熱交換器８と第２熱源用熱交換器１３に外気を送り冷媒と熱交換する。

図２に示すように、第１空調用熱交換器７は、一般的なプレートフィンコイルと同様に伝熱板１７の群に伝熱管１８の群を挿着して構成する。伝熱管１８の内部に冷媒を流し、伝熱管１８及び伝熱板１７に空調用空気を接触させることで、空調用空気と冷媒を熱交換して空調用空気を冷却又は加熱する。第１熱源用熱交換器８、第２空調用熱交換器１２及び第２熱源用熱交換器１３も第１空調用熱交換器７と同様に構成する。

加湿器３は、第１空調用熱交換器７と第２空調用熱交換器１２の一方又は両方（図例では両方）の風下で空調用空気を加湿するように設ける。この加湿器３は、空調用空気を水の気化蒸発で加湿する気化式で構成する。

風量調整装置４は、被空調空間Ｓへの給気風量を調整する送風機１９と、第１空調用熱交換器７で熱交換する外気の風量を調整する第１ダンパ２０と、第２空調用熱交換器１２で熱交換する還気の風量を調整する第２ダンパ２１と、を備える。図例では、外気を第１ダンパ２０、第１空調用熱交換器７及び加湿器３を通し、還気を第２ダンパ２１、第２空調用熱交換器１２及び加湿器３を通して、送風機１９で被空調空間Ｓへ供給している。

図例では第１空調用熱交換器７、第２空調用熱交換器１２、加湿器３及び送風機１９をケーシング６内に設けているが、空調機制御装置５、第１ダンパ２０及び第２ダンパ２１もケーシング６内に設けてもよい。また、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２の室外機側の部分もケーシング６内に設けて、第１熱源用熱交換器８と第２熱源用熱交換器１３に外気をダクトで送るように構成してもよい。

空調機制御装置５は、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２とを操作して第１空調用熱交換器７と第２空調用熱交換器１２で熱交換される外気、還気その他の空調用空気を被空調空間Ｓの空調に適した適合空気状態に調整する。空調機制御装置５は、外気の温度及び湿度を検出する外気センサー２２、還気の温度及び湿度を検出する還気センサー２３、給気の温度及び湿度を検出する給気センサー２４、被空調空間Ｓの二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度センサー２５、切換制御部２６、除霜制御部２７、空調能力補償部２８、二酸化炭素濃度制御部２９、気化冷却制御部３０、外気冷房制御部３１及び負荷設定部３２を備えている。空調機制御装置５はマイクロプロセッサ、各種センサー、その他の制御機器で構成する。

切換制御部２６は、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２のいずれか一方のみの操作で空調用空気を適合空気状態に調整可能な場合（例えば空調負荷が少ない中間期など）に、外気の負荷が予め設定された設定負荷よりも多いときは第１ヒートポンプ１のみで外気を熱交換するように操作し、かつ外気の負荷が設定負荷よりも少ないときは第２ヒートポンプ２のみで還気を熱交換するように操作する。設定負荷は負荷設定部３２にて設定し、外気負荷と設定負荷は、温度、湿度、エンタルピー、その他の負荷情報を用いて比較する。例えば、冷房時の設定負荷は外気の露点温度を用い、暖房時の設定負荷は、被空調空間Ｓの制御目標とする乾球温度を用いる。

除霜制御部２７は、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２の両方の操作で空調用空気を適合空気状態に調整可能な場合（例えば空調負荷がピークのとき）に、第１ヒートポンプ１のみがデフロスト運転を開始したときは還気の風量を増やして外気の風量を減らし、かつ第２ヒートポンプ２のみがデフロスト運転を開始したときは還気の風量を減らして外気の風量を増やすように風量調整装置４を操作する。デフロスト運転は、オフサイクル方式、ホットガス方式、その他の方式を含む。

空調能力補償部２８は、外気のエンタルピーが還気のエンタルピーより多い場合は還気の風量を増やして外気の風量を減らし、かつ外気のエンタルピーが還気のエンタルピーより少ない場合は還気の風量を減らして外気の風量を増やすように風量調整装置４を操作する。このように、エンタルピーが大きい空調用空気の風量を減少させ、エンタルピーが小さい空調用空気の風量を増加させるので、余分な空調負荷が減り省エネを図れる。エンタルピーは、外気センサー２２と還気センサー２３で検出された温度及び湿度から演算する。

二酸化炭素濃度制御部２９は、風量調整装置４の第１ダンパ２０と第２ダンパ２１の一方又は両方を操作して、二酸化炭素濃度センサー２５で検出された被空調空間Ｓの二酸化炭素濃度が予め設定された範囲になるように外気風量を調整する。図例では、第１ダンパ２０で外気風量を調整し、第２ダンパ２１で還気風量を調整している。

気化冷却制御部３０は、外気と還気の一方又は両方が、予め設定された被空調空間Ｓの設定湿度より低い場合に、外気と還気の一方又は両方を気化蒸発で冷却するように加湿器３を操作する。例えば、冷房運転時に、動力を使わない気化蒸発の冷却で、第１ヒートポンプ１と第２ヒートポンプ２で消費される冷却エネルギーを減らせるので省エネとなる。被空調空間Ｓの湿度は還気センサー２３で検出し、外気湿度は外気センサー２２で検出する。

外気冷房制御部３１は、空調用空気の外気温度が被空調空間Ｓの温度より低い場合に、第１ヒートポンプ１の第１圧縮機９と第２ヒートポンプ２の第２圧縮機１４の一方又は両方を停止し、風量調整装置４を操作して外気で被空調空間Ｓを冷房する。この場合、第１空調用熱交換器７と第２空調用熱交換器１２の一方又は両方の風下で、加湿器３による気化蒸発の冷却を併用して被空調空間Ｓを外気冷房することもでき、省エネとなる。

夏期に除湿が必要な冷房運転をする場合、外気を第１空調用熱交換器７で冷却除湿して、第２空調用熱交換器１２で除湿せずに冷却した還気と混合して、目標の給気温度及び給気湿度に制御する。これにより、被空調空間Ｓを予め設定された温度及び湿度に空調する。外気の除湿が不要な冷房運転時には、加湿器３による気化蒸発の冷却を併用して冷房運転することもできる。

冬期に暖房運転する場合、外気を第１空調用熱交換器７で加熱し、還気を第２空調用熱交換器１２で加熱し、状況に応じて加湿器３で加湿し、混合することで目標の給気温度及び給気湿度に制御する。冬期に冷房運転する場合、被空調空間Ｓの温度より低温の外気を、第１空調用熱交換器７で加熱せずにそのまま又は冷房に適した温度まで第１空調用熱交換器７で加熱し、還気は第２空調用熱交換器１２で加熱せずにそのまま、被空調空間Ｓに供給して外気冷房する。このとき状況に応じて加湿器３で加湿するが、温度の高い還気を加湿することで、気化式でも加湿量を増やすことができる。

図３は図１の実施例１において、加湿器３を、第１空調用熱交換器７と第２空調用熱交換器１２の一方又は両方（図例では第１空調用熱交換器７のみ）の風下で空調用空気を蒸気で加湿する蒸気式とし、気化冷却制御部３０を省略した実施例２である。この場合、中間期などに蒸気加湿による暖房も可能となる。その他の構成や運転例は図１の実施例１と同様であるので説明を省略する。

図４は図１の実施例１において、第１ヒートポンプ１が第１熱源用熱交換器８及び第１圧縮機９を２組備え、１組目の第１熱源用熱交換器８と１組目の第１圧縮機９と第１空調用熱交換器７で構成する第３冷凍サイクルＣと、２組目の第１熱源用熱交換器８と２組目の第１圧縮機９と第１空調用熱交換器７で構成する第４冷凍サイクルＤと、を備えた実施例３である。この場合、空調機制御装置５は、外気の負荷の変動に応じて第１ヒートポンプ１を第３冷凍サイクルＣと第４冷凍サイクルＤの一方又は両方に切換えて操作する第１空調能力制御部３３を、備えている。その他の構成や運転例は図１の実施例１と同様であるので説明を省略する。また、図４の実施例３において、加湿器３を図３の実施例２と同様の蒸気式としてもよい。

図５は図１の実施例１において、第２ヒートポンプ２が第２熱源用熱交換器１３及び第２圧縮機１４を２組備え、１組目の第２熱源用熱交換器１３と１組目の第２圧縮機１４と第２空調用熱交換器１２で構成する第５冷凍サイクルＥと、２組目の第２熱源用熱交換器１３と２組目の第２圧縮機１４と第２空調用熱交換器１２で構成する第６冷凍サイクルＦと、を備えた実施例４である。この場合、空調機制御装置５は、外気の負荷の変動に応じて第２ヒートポンプ２を第５冷凍サイクルＥと第６冷凍サイクルＦの一方又は両方に切換えて操作する第２空調能力制御部３４を、備えている。その他の構成や運転例は図１の実施例１と同様であるので説明を省略する。また、図５の実施例４において、加湿器３を図３の実施例２と同様の蒸気式としてもよい。

なお、本発明は上述の実施例に限定されない。それぞれ図示省略するが、第１ヒートポンプ１が図４の実施例３の第３冷凍サイクルＣと第４冷凍サイクルＤを備え、第２ヒートポンプ２が図５の実施例４の第５冷凍サイクルＥと第６冷凍サイクルＦを備え、空調機制御装置５が、図４の実施例３の第１空調能力制御部３３と、図５の実施例４の第２空調能力制御部３４と、を備えた構成としてもよい。また、風量調整装置４を、送風機１９、第１ダンパ２０及び第２ダンパ２１に代えて、外気風量調整専用の送風機と還気風量調整専用の送風機で構成してもよい。

また、第１空調用熱交換器７と第２空調用熱交換器１２の風下に各々加湿器３を設ける場合に、いずれか一方を気化式で、他方を蒸気式で構成してもよい。あるいは、加湿器３を、気化式加湿器と蒸気式加湿器を両方有するもので構成してもよい。たとえば、空調用空気に対して、先ずエネルギー消費の少ない気化式加湿器で加湿し、気化式加湿器で加湿不足となる場合には、その不足分のみを蒸気加湿器で最低限加湿することで、加湿精度向上と消費エネルギー削減の両立を図れる。

１ 第１ヒートポンプ
２ 第２ヒートポンプ
３ 加湿器
４ 風量調整装置
５ 空調機制御装置
７ 第１空調用熱交換器
８ 第１熱源用熱交換器
９ 第１圧縮機
１２ 第２空調用熱交換器
１３ 第２熱源用熱交換器
１４ 第２圧縮機
２６ 切換制御部
２７ 除霜制御部
２８ 空調能力補償部
３１ 外気冷房制御部
３３ 第１空調能力制御部
３４ 第２空調能力制御部
Ａ 第１冷凍サイクル
Ｂ 第２冷凍サイクル
Ｃ 第３冷凍サイクル
Ｄ 第４冷凍サイクル
Ｅ 第５冷凍サイクル
Ｆ 第６冷凍サイクル
Ｓ 被空調空間

Claims (7)

1. １つのケーシング（６）の内部で空調用空気の外気と前記空調用空気の還気とを個別に熱交換して混合させた空気を被空調空間（Ｓ）に供給する空気熱源ヒートポンプ式空調機であって、
   第１冷凍サイクル（Ａ）を構成する第１空調用熱交換器（７）と第１熱源用熱交換器（８）と第１圧縮機（９）とを有する第１ヒートポンプ（１）と、
   第２冷凍サイクル（Ｂ）を構成する第２空調用熱交換器（１２）と第２熱源用熱交換器（１３）と第２圧縮機（１４）とを有する第２ヒートポンプ（２）と、
   前記第１ヒートポンプ（１）と前記第２ヒートポンプ（２）を操作して前記第１空調用熱交換器（７）で前記外気を熱交換すると共に前記第２空調用熱交換器（１２）で前記還気を熱交換して前記被空調空間（Ｓ）の空調に適した適合空気状態に調整する空調機制御装置（５）と、
   前記第１空調用熱交換器（７）で熱交換する前記外気の風量を調整する第１ダンパ（２０）と前記第２空調用熱交換器（１２）で熱交換する還気の風量を調整する第２ダンパ（２１）とを有する風量調整装置（４）と、を備え、
   前記空調機制御装置（５）が、前記風量調整装置（４）の前記第１ダンパ（２０）と前記第２ダンパ（２１）を操作して前記第１ヒートポンプ（１）のみがデフロスト運転を開始したときは前記第２空調用熱交換器（１２）の前記還気の風量を増やして前記第１空調用熱交換器（７）の前記外気の風量を減らしかつ前記第２ヒートポンプ（２）のみがデフロスト運転を開始したときは前記第２空調用熱交換器（１２）の前記還気の風量を減らして前記第１空調用熱交換器（７）の前記外気の風量を増やす除霜制御部（２７）を、備えたことを特徴とする空気熱源ヒートポンプ式空調機。
2. 空調機制御装置（５）が、第１ヒートポンプ（１）と第２ヒートポンプ（２）のいずれか一方のみの操作で前記空調用空気を前記適合空気状態に調整可能な場合に外気の負荷が予め設定された設定負荷よりも多いときは前記第１ヒートポンプ（１）のみで前記外気を熱交換をするように操作しかつ前記外気の負荷が前記設定負荷よりも少ないときは前記第２ヒートポンプ（２）のみで還気を熱交換をするように操作する切換制御部（２６）を、備えた請求項１記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。
3. 前記第１空調用熱交換器（７）で熱交換する前記外気の風量と前記第２空調用熱交換器（１２）で熱交換する前記還気の風量を調整する風量調整装置（４）を、備え、
   前記空調機制御装置（５）が、前記外気のエンタルピーが前記還気のエンタルピーより多い場合は前記還気の風量を増やして前記外気の風量を減らしかつ前記外気のエンタルピーが前記還気のエンタルピーより少ない場合は前記還気の風量を減らして前記外気の風量を増やすように前記風量調整装置（４）を操作する空調能力補償部（２８）を、備えた請求項１記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。
4. 前記第１ヒートポンプ（１）が前記第１熱源用熱交換器（８）及び前記第１圧縮機（９）を２組備え、１組目の前記第１熱源用熱交換器（８）と１組目の前記第１圧縮機（９）と前記第１空調用熱交換器（７）で構成する第３冷凍サイクル（Ｃ）と、２組目の前記第１熱源用熱交換器（８）と２組目の前記第１圧縮機（９）と前記第１空調用熱交換器（７）で構成する第４冷凍サイクル（Ｄ）と、を備え、
   前記空調機制御装置（５）が、前記外気の負荷の変動に応じて前記第１ヒートポンプ（１）を前記第３冷凍サイクル（Ｃ）と前記第４冷凍サイクル（Ｄ）の一方又は両方に切換えて操作する第１空調能力制御部（３３）を、備えた請求項１から３のいずれかに記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。
5. 前記第２ヒートポンプ（２）が前記第２熱源用熱交換器（１３）及び前記第２圧縮機（１４）を２組備え、１組目の前記第２熱源用熱交換器（１３）と１組目の前記第２圧縮機（１４）と前記第２空調用熱交換器（１２）で構成する第５冷凍サイクル（Ｅ）と、２組目の前記第２熱源用熱交換器（１３）と２組目の前記第２圧縮機（１４）と前記第２空調用熱交換器（１２）で構成する第６冷凍サイクル（Ｆ）と、を備え、
   前記空調機制御装置（５）が、前記外気の負荷の変動に応じて前記第２ヒートポンプ（２）を前記第５冷凍サイクル（Ｅ）と前記第６冷凍サイクル（Ｆ）の一方又は両方に切換えて操作する第２空調能力制御部（３４）を、備えた請求項１から４のいずれかに記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。
6. 前記空調機制御装置（５）が、前記外気の温度が前記被空調空間（Ｓ）の温度より低い場合に前記外気で前記被空調空間（Ｓ）を冷房する外気冷房制御部（３１）を、備えた請求項１から５のいずれかに記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。
7. 前記第１空調用熱交換器（７）と前記第２空調用熱交換器（１２）の一方又は両方の風下で前記空調用空気を加湿する加湿器（３）を、備え、前記加湿器（３）を、前記空調用空気を水の気化蒸発で加湿する気化式、又は、前記空調用空気を蒸気で加湿する蒸気式とした請求項１から６のいずれかに記載の空気熱源ヒートポンプ式空調機。

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