JP6666803B2

JP6666803B2 - 温水暖房システム

Info

Publication number: JP6666803B2
Application number: JP2016133039A
Authority: JP
Inventors: 正巳山口; 直幸内山; 快佐藤
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: JP2018004188A

Description

この発明は、ヒートポンプ装置と熱交換した温水を用いて暖房を実施可能な温水暖房システムに関するものである。

従来、この種のものでは、冷凍回路と温水回路とを室外に設置する熱源機内に備え、冷凍回路内で加熱された高温の冷媒と温水回路内の水とを冷媒水熱交換器内で熱交換させることで、温水回路内の水を高温にして暖房端末へ流入させ床暖房等の温水による暖房を可能とする温水暖房システムがあり、高温の温水が供給される複数の暖房端末へ通じる温水配管の途中に開閉自在の熱動弁を設置し、リモコンにより暖房運転を実施する暖房端末が選択されて暖房運転開始が指示されると、選択された暖房端末へ温水が供給されるよう熱動弁を開弁し、冷凍回路内の各駆動部品や温水回路内の循環ポンプを所定の回転数で駆動させることで暖房運転を可能としていた。（例えば、特許文献１）

特開２０１３−２３４７７７号公報

しかし、この従来のものでは、冬期等で外気温が低い時に暖房運転を実施すると、空気熱交換器内を通過する空気中の水分によって空気熱交換器の表面に霜が付着し、当該霜が成長することで空気熱交換器での熱交換が阻害され、暖房運転の効率が低下する要因となることから、外気温と空気熱交換器の表面温度との差が所定値以上となる等の除霜開始条件が満たされた時に空気熱交換器に霜が付着していると判断して、暖房運転を停止させ冷凍回路内の膨張弁を全開にすると共に温水回路内の循環ポンプを停止させた上で圧縮機を駆動させる除霜運転を実施することで、膨張弁を通過した高温の冷媒により空気熱交換器の表面に付着した霜を溶かしていた。

前記除霜運転の実施時、温水回路側の循環ポンプを停止しても冷媒水熱交換器内で冷媒から水へ熱が伝わることで水温が上昇し、温水回路内で冷媒水熱交換器付近の水温が高く、冷媒水熱交換器から離れた位置の水温が低くなり、水温に差が生じることで対流が発生して水が自然に循環するため、除霜運転時に冷媒水熱交換器内で温水回路内の水との熱交換が実施されることで空気熱交換器へ送られる冷媒の温度が低下してしまい、除霜の効率が低下することから改善の余地があった。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１では、圧縮機、膨張弁、空気熱交換器及び冷媒水熱交換器を冷媒配管で接続した冷凍回路と、
前記冷媒水熱交換器で加熱された水が流動する温水回路と、
当該温水回路と温水配管を介して接続する暖房端末と、
前記温水回路の途中に設置され弁を開閉することで前記暖房端末への温水供給の有無を変化させる熱動弁と、前記温水回路の途中に設置され配管内の温水を循環させる循環ポンプと、
前記暖房端末へ前記温水回路及び前記温水配管を通じて高温の温水を供給して室内温度を昇温させる暖房運転の開始指示を行うリモコンと、
当該リモコンから暖房運転開始の指示があったと判断したら、前記循環ポンプを駆動させると共に前記暖房端末へ温水が供給されるよう前記熱動弁を開弁し、前記冷凍回路内の各駆動部品を制御して前記冷媒水熱交換器に高温の冷媒が流入するよう制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記空気熱交換器の除霜を実施する除霜運転の開始指示があったと判断したら、前記熱動弁を閉弁すると共に前記循環ポンプの駆動を停止させ、前記除霜運転の終了条件を満たしていると判断したら、前記熱動弁を開弁すると共に前記熱動弁を開弁してから所定時間経過後に前記循環ポンプを駆動させることを特徴としている。

また、請求項２では、前記暖房端末は複数あり、複数の前記暖房端末のそれぞれに接続する前記温水配管の途中に前記熱動弁が設置され、前記制御部は、前記除霜運転の開始指示があったと判断したら、現在開弁している前記熱動弁を全て閉弁すると共に前記循環ポンプの駆動を停止させ、前記除霜運転の終了条件を満たしていると判断したら、前記除霜運転の開始前に開弁していた前記熱動弁を開弁すると共に前記熱動弁を開弁してから前記所定時間経過後に前記循環ポンプを駆動させることを特徴としている。

この発明によれば、空気熱交換器の除霜を実施する除霜運転の開始指示があったと判断したら、熱動弁を閉弁すると共に循環ポンプの駆動を停止させるので、冷媒水熱交換器内で温水回路の水温が上昇して対流が発生しても、熱動弁を閉弁したことで温水回路内の水の循環が阻害されるため、冷媒水熱交換器内を通過する冷媒の熱が温水回路側に奪われず、除霜効率の低下が抑制できる。

また、除霜運転の終了条件を満たしていると判断したら、熱動弁を開弁すると共に、熱動弁を開弁してから所定時間経過後に循環ポンプを駆動させるので、熱動弁を開弁することで温水回路内の水が対流により循環することから水を強制的に循環させる循環ポンプの負荷が減るため、循環ポンプの製品寿命を延ばすことができる。

この発明の一実施形態を示す斜視図同実施形態の概略構成図同実施形態の制御ブロック図同実施形態の暖房運転時と除霜運転時の動作を説明するタイミングチャート

次に、この発明の一実施形態における温水暖房システムを図に基づいて説明する。
１は室外に設置される温水暖房システムの熱源機であり、当該熱源機１は、内部に設置された水平仕切り板２により上下の２室に分割された構造となっており、上方には温水が循環する温水配管で構成された温水回路３が設置された温水回路室４、下方には冷媒が循環する冷媒配管で構成されたヒートポンプ装置としての冷凍回路５が設置された冷凍回路室６を備えている。

７は前記温水回路室４と室内に設置された床暖房パネル等で構成される暖房端末８とを配管で接続し、温水回路３で加熱された温水を暖房端末８へ送水する往き側温水配管、９は当該暖房端末８での放熱により温度低下した温水を温水回路３へ戻す戻り側温水配管であり、往き側温水配管７と戻り側温水配管９とで構成される温水配管内を温水が循環することで、暖房端末８による暖房運転を可能としている。
なお、当該暖房端末８は複数の室内にそれぞれ設置することが可能であり、複数の暖房端末８に対してそれぞれ往き側温水配管７及び戻り側温水配管９を接続することで、前記暖房端末８が設置された複数の室内について、それぞれ暖房運転が可能である。

前記温水回路室４内に設置された温水回路３には、冷凍回路５内を流動する冷媒と温水回路３内を流動する水とが熱交換する冷媒水熱交換器１０と、キャビテーションなどで温水中に生じた気泡の分離（気水分離機能）及び温水回路３における膨張温水の吸収及び冷温水の補給を行うシスターンタンク１１と、温水回路３内の温水を循環させ温水配管を介して暖房端末８へ温水を供給する循環ポンプ１２と、温水回路３と往き側温水配管７との接続部に設置され弁を開閉することで暖房端末８への温水供給の有無を変化させる熱動弁１３と、戻り側温水配管９と温水回路３との接続部に設置され暖房端末８から戻ってきた温水の温度を検知する戻り温度センサ１４と、冷媒水熱交換器１０で加熱された温水の温度を検知する往き温度センサ１５と、冷媒水熱交換器１０に設置され熱交換器の表面温度を検知する冷媒水熱交センサ１６とが各所に配置されている。
なお、前記熱動弁１３及び前記戻り温度センサ１４は各暖房端末８に対して１つずつ設置される構成であり、例えば、暖房端末８が２つの室内にそれぞれ設置されていれば、各暖房端末８と接続する往き側温水配管７及び戻り側温水管１０と温水回路３との接続部に対して、熱動弁１３と戻り温度センサ１４とがそれぞれ１つずつ設置される。

前記冷凍回路室６内に設置された冷凍回路５には、冷媒を圧縮して高温・高圧にする圧縮機１７と、冷媒を減圧させて低温の冷媒にする膨張弁１８と、送風ファン１９により送風された空気の熱で冷媒を加熱する空気熱交換器２０と、当該空気熱交換器２０に設置され熱交換器の表面温度を検知する空気熱交センサ２１と、前記圧縮機１７で圧縮された冷媒の温度を検知する吐出温度センサ２２とが各所に配置されており、前記圧縮機１７から吐出された冷媒が冷媒接続バルブ２３を介して温水回路室４内の前記冷媒水熱交換器１０へ案内され、前記冷媒水熱交換器１０で温水回路３の温水と熱交換した冷媒が冷媒接続バルブ２３を介して膨張弁１８へ流入することで、冷媒回路５内の冷媒が循環する構成となっている。

また、前記冷凍回路室６には熱源器１周囲の温度を検知する外気温センサ２４が設置されており、前記空気熱交センサ２１での検知温度と外気温センサ２４での検知温度の差に基づいて除霜運転の実施有無を決定する。

２５は暖房端末８が配置された室内の壁等に設置されたリモコンであり、当該リモコン２５には、暖房端末８による暖房運転の開始有無が決定可能な運転スイッチ２６と、暖房運転時における室内の温度について複数の設定値から選択可能な温度設定スイッチ２７と、暖房運転の有無や現在の設定温度等について表示するディスプレイ２８が備えられている。

２９は熱源機１内に設置された循環ポンプ１２や熱動弁１３等の駆動部品の動作を制御するマイコンで構成された制御部であり、前記リモコン２５で暖房運転の開始指示が出されたら、戻り温度センサ１４や往き温度センサ１５等での検知温度に応じて循環ポンプ１２の駆動有無や熱動弁１３の開閉等を適宜実行する。

３０は前記リモコン２５と制御部２９とを電気配線で接続する信号線であり、リモコン２５で出された各種指示を制御部２９に対して電気信号で送信可能とする。

３１は室内又は室外の図示しない商用電源から熱源機１に電力を供給するための電源線である。

次に、本実施形態における暖房運転時の動作について説明する。
まず、暖房端末８が設置された部屋にあるリモコン２５の運転スイッチ２６が操作されたら、制御部２９は、冷凍回路５の空気熱交センサ２１や吐出温度センサ２２での検知温度に基づいて圧縮機１７及び送風ファン１９を所定の回転数で駆動させ、膨張弁１８の弁開度が所定の開度となるよう制御することで、圧縮機１７から吐出した冷媒が冷媒水熱交換器１０、膨張弁１８、空気熱交換器２０の順に流通する。

これにより、低温・低圧で吸入されたガス状態の冷媒が前記圧縮機１７で圧縮されて高温・高圧のガスになった後、前記冷媒水熱交換器１０（凝縮器として機能）において温水回路３内の水に熱を放出しながら高圧の液体に変化する。このようにして液体になった冷媒は、前記膨張弁１８で減圧されて低圧の液体になり蒸発しやすい状態となる。その後、低圧の液体が前記空気熱交換器２０（蒸発器として機能）において蒸発してガスに変化することで外気から吸熱する。そして冷媒は、低温・低圧のガスとして再度前記圧縮機１７内に流入し高温・高圧のガスに変化する。

このとき、温水回路３内の循環ポンプ１２が駆動すると、冷媒水熱交換器１０で加熱された温水回路３内の温水は、複数の暖房端末８の中で暖房運転を実施するものへ通じる往き側温水配管７へ温水が流入するよう熱動弁１３が開弁していることで、暖房端末８内に温水が流入し室内空気に放熱して室内温度を昇温させ、その後、冷媒水熱交換器１０とシスターンタンク１１を通過して再度前記循環ポンプ１２へ戻る。
このように温水回路３内の温水と冷凍回路５内の冷媒とが循環することで、冷媒水熱交換器１０にて温水回路３内の水が加熱され、暖房端末８が設置された室内空気の温度を上昇させる暖房運転が実施可能となる。

次に、本実施形態の暖房運転から除霜運転へ動作変更する時の循環ポンプ１２及び熱動弁１３の動作について、図４のタイミングチャートに基づいて説明する。
まず、リモコン２５の運転スイッチ２６が操作され、暖房端末８へ高温の温水を流入することで室内空気の温度を上昇させる暖房運転が実施されている時、制御部２９は、冬期等で外気温が低く、外気温センサ２４での検知温度が所定温度未満となって、外気温センサ２４での検知温度と空気熱交センサ２１での検知温度との差が所定値を超えたことや、圧縮機１７の積算時間が所定時間以上になったこと等の除霜開始条件が満たされたか判断する。

前記除霜開始条件が満たされたと判断したら、空気熱交換器２０周囲の温度が低く空気中の水分がフィンに霜となって付着し、空気熱交換器２０での熱交換効率が低下している状態であることから、制御部２９は、温水回路３側では、循環ポンプ１２を停止させると共に現在開弁している熱動弁１３を全て閉弁するよう制御し、また、冷凍回路５側では、圧縮機１７を所定の回転数で駆動させ、送風ファン１９を停止させて膨張弁１８の開度が全開になるよう制御し、圧縮機１７で高温・高圧にされたガス状の冷媒が冷媒水熱交換器１０、膨張弁１８を順次介して空気熱交換器２０内へ流入することで、空気熱交換器２０のフィンに付着した霜を溶かす。

この時、温水回路３の循環ポンプ１２が停止し、かつ全ての熱動弁１３が閉弁していることで、冷媒水熱交換器１０内を高温・高圧の冷媒が通過して温水回路３側に熱が放出され、冷媒水熱交換器１０付近の水温が上昇して温水回路３内の水温に温度差ができることで対流が発生し、冷媒水熱交換器１０と暖房端末８との設置場所について高低差がある（例えば、冷媒水熱交換器１０を備えた熱源機１が家屋の１階、暖房端末８が家屋の２階にそれぞれ設置された等）場合に、温水回路３内の水が循環しようとしても、熱動弁１３が閉弁していることで温水回路３内の水の循環が阻害されていることから、冷媒水熱交換器１０内に低温の温水が流入せず高温・高圧の冷媒の温度低下を防止することができ、空気熱交換器２０を効率よく加熱することができるため、除霜効率の低下を抑制することが可能となる。

そして、空気熱交センサ２１での検知温度が所定値以上になったことや、除霜運転の実施時間が所定時間以上になったこと等の除霜運転の終了条件を満たしたと判断したら、制御部２９は、除霜運転の開始前に開弁していた熱動弁１３を開弁し、当該熱動弁１３を開弁してから所定時間である４０秒が経過したと判断したら、循環ポンプ１２を所定の回転数で駆動させることで、除霜運転を開始する前に実施していた暖房運転を再開させる。

このとき、除霜運転の終了直後は、温水回路３内の水温に温度差が生じていることで対流が発生し、配管内を水が循環しやすい状態となっていることから、熱動弁１３を開弁した直後は往き側温水配管７と戻り側温水配管９内の水がゆっくりと流動し始める状態になっており、熱動弁１３の開弁から４０秒経過後に循環ポンプ１２を駆動開始することで、対流により温水配管３内の水が自然循環により流動しているため、循環ポンプ１２に係る負荷が軽減され製品寿命が向上する。

以上のように、暖房運転の実施時に除霜開始条件が満たされたと判断したら、循環ポンプ１２の駆動を停止させると共に開弁している熱動弁１３を閉弁することで、冷媒水熱交換器１０内に高温・高圧の冷媒が流入することで冷媒水熱交換器１０付近の温水回路３内の水が加熱され、温水回路３内の水温に差が生じて対流が発生しても、熱動弁１３が閉弁していることで対流による自然循環が阻害されるため、除霜運転中に冷媒水熱交換器１０内で冷凍回路５を循環する高温・高圧の冷媒温度が低下せず、除霜の効率低下を抑制することが可能となる。

また、除霜運転の終了条件が満たされたら、除霜運転開始前の暖房運転時の状態となるよう熱動弁１３を開弁してから所定時間である４０秒が経過した後に循環ポンプ１２を駆動させるため、除霜運転により温水回路３内の水温に差が生じ、熱動弁１３開弁直後は対流によって温水回路３内の水が自然流動することから、温水回路３内の水が自然流動してから循環ポンプ１２を駆動させることで、循環ポンプ１２の負荷を低下させ製品寿命を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態で用いたその他の構成は一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おらず、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、暖房端末８を床暖パネルのみを例にとって説明したが、暖房機能を備えた温水ルームヒータや他の専用端末を適用してもよく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、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共に、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熱源機
３温水回路
５冷凍回路
７往き側温水配管
８暖房端末
９戻り側温水配管
１０冷媒水熱交換器
１２循環ポンプ
１３熱動弁
１７圧縮機
１８膨張弁
２０空気熱交換器
２５リモコン
２９制御部

Claims

圧縮機、膨張弁、空気熱交換器及び冷媒水熱交換器を冷媒配管で接続した冷凍回路と、
前記冷媒水熱交換器で加熱された水が流動する温水回路と、
当該温水回路と温水配管を介して接続する暖房端末と、
前記温水回路の途中に設置され弁を開閉することで前記暖房端末への温水供給の有無を変化させる熱動弁と、前記温水回路の途中に設置され配管内の温水を循環させる循環ポンプと、
前記暖房端末へ前記温水回路及び前記温水配管を通じて高温の温水を供給して室内温度を昇温させる暖房運転の開始指示を行うリモコンと、
当該リモコンから暖房運転開始の指示があったと判断したら、前記循環ポンプを駆動させると共に前記暖房端末へ温水が供給されるよう前記熱動弁を開弁し、前記冷凍回路内の各駆動部品を制御して前記冷媒水熱交換器に高温の冷媒が流入するよう制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記空気熱交換器の除霜を実施する除霜運転の開始指示があったと判断したら、前記熱動弁を閉弁すると共に前記循環ポンプの駆動を停止させ、前記除霜運転の終了条件を満たしていると判断したら、前記熱動弁を開弁すると共に前記熱動弁を開弁してから所定時間経過後に前記循環ポンプを駆動させることを特徴とする温水暖房システム。
前記暖房端末は複数あり、複数の前記暖房端末のそれぞれに接続する前記温水配管の途中に前記熱動弁が設置され、
前記制御部は、前記除霜運転の開始指示があったと判断したら、現在開弁している前記熱動弁を全て閉弁すると共に前記循環ポンプの駆動を停止させ、前記除霜運転の終了条件を満たしていると判断したら、前記除霜運転の開始前に開弁していた前記熱動弁を開弁すると共に前記熱動弁を開弁してから前記所定時間経過後に前記循環ポンプを駆動させることを特徴とする請求項１記載の温水暖房システム。