JP7209585B2 - 冷暖房装置および冷暖房装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱された水熱媒からの放熱による暖房と冷却された水熱媒への吸熱による冷房とを行う冷暖房装置および冷暖房装置の制御方法に関する。

冷暖房装置は、冷温水熱源機において加熱された水熱媒を循環させ、暖房用熱交換器での放熱によって暖房を行う。また、冷暖房装置は、冷温水熱源機において冷却された水熱媒を循環させ、冷房用熱交換器での吸熱によって冷房を行う。

水熱媒を循環させる循環経路の内部における圧力条件によって、循環経路の外部の空気が循環経路の内部へ浸透することがある。循環経路において水熱媒が循環している状態では、循環経路の内部へ浸透した空気は、水熱媒とともに流動することによって、水熱媒が貯められるシスターンタンクへ送られる。空気は、シスターンタンクにおいて水熱媒から分離されることによって、循環経路の外へ排出される。一方、循環経路における水熱媒の循環が停止している状態では、循環経路の内部へ浸透した空気は、循環経路の外へ排出されず、循環経路の内部に留まる。循環経路の内部に留まる空気の量が一定の量を超えると、シスターンタンクにおいて水熱媒のオーバーフローが発生する。オーバーフローの発生によって、冷暖房装置の運転に必要な水熱媒の量よりも水熱媒が減少した場合には、水熱媒の補充が必要となる。

特許文献１には、熱源機から暖房用熱交換器へ水熱媒が流動する往き経路の配管に逆止弁が設けられており、かつ暖房用熱交換器から熱源機へ水熱媒が流動する戻り経路の配管に圧力応動弁が設けられている暖房装置が開示されている。特許文献１にかかる暖房装置は、水熱媒の循環を停止させる場合には、逆止弁と圧力応動弁の作動によってシスターンタンクへの水熱媒の流動を抑制させる。

特許第３６９１３７５号公報

上記特許文献１の技術によると、１つの循環経路に逆止弁と圧力応動弁とが必要となる。循環経路に設けられる弁の数が多くなるほど、循環経路の構成が複雑になる。また、冷暖房装置では、暖房のための循環経路と冷房のための循環経路との双方に逆止弁と圧力応動弁とを設ける必要があるため、循環経路の構成がさらに複雑になる。このように、上記特許文献１にかかる従来の技術によると、循環経路の構成が複雑になるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、循環経路を簡易な構成にでき、かつ水熱媒のオーバーフローを抑制可能とする冷暖房装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる冷暖房装置は、室内の暖房のための熱交換を行う暖房用熱交換器と、室内の冷房のための熱交換を行う冷房用熱交換器と、暖房用熱交換器を通る第１の循環経路と冷房用熱交換器を通る第２の循環経路とにおいて水熱媒を循環させ、かつ第１の循環経路へ循環させる水熱媒の加熱と第２の循環経路へ循環させる水熱媒の冷却とを行う冷温水熱源機と、第１の循環経路と第２の循環経路とにおいて循環させる水熱媒が貯められるシスターンタンクと、第１の循環経路における水熱媒の流量を調節する第１の弁と、第２の循環経路における水熱媒の流量を調節する第２の弁と、第１の弁および第２の弁のうち閉状態である弁について、閉状態である時間があらかじめ設定された時間を超えており、かつ、室内の露点温度よりも水熱媒の温度が高い場合に、第１の循環経路および第２の循環経路のうち水熱媒の循環が停止している状態である一方について水熱媒の循環を開始させる制御を行う制御部と、を備える。

本発明によれば、冷暖房装置は、循環経路を簡易な構成にでき、かつ水熱媒のオーバーフローを抑制できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる冷暖房装置の構成を示す図 実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置の機能構成を示すブロック図 実施の形態１にかかる冷暖房装置の動作手順を示すフローチャート 実施の形態１にかかる冷暖房装置における弁の閉状態時間と空気侵入率との関係の例を示す図 実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置のハードウェア構成の例を示す第１の図 実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置のハードウェア構成の例を示す第２の図

以下に、本発明の実施の形態にかかる冷暖房装置および冷暖房装置の制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が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にかかる冷暖房装置の構成を示す図である。冷暖房装置１は、暖房のための熱交換を行う暖房用熱交換器２１と、冷房のための熱交換を行う冷房用熱交換器２２とを有する。暖房用熱交換器２１と冷房用熱交換器２２とは、冷暖房端末機に設けられている。冷暖房端末機は、冷暖房が行われる室内２０に設置されている。図１では、冷暖房端末機の図示を省略する。

冷暖房装置１は、暖房運転における水熱媒の加熱と冷房運転における水熱媒の冷却とを行って、第１の循環経路１７と第２の循環経路１８とにおいて水熱媒を循環させる冷温水熱源機１０を有する。第１の循環経路１７は、暖房用熱交換器２１を通る循環経路である。第２の循環経路１８は、冷房用熱交換器２２を通る循環経路である。循環経路を構成する配管には、金属製の配管あるいは樹脂製の配管が使用される。

冷温水熱源機１０は、水熱媒が貯められるシスターンタンク１１と、暖房運転のための水熱媒の加熱と冷房運転のための水熱媒の冷却とを行う加熱冷却装置１３と、循環経路において水熱媒を循環させるポンプである循環装置１４とを有する。循環装置１４は、暖房運転時において、第１の循環経路１７において一方向へ水熱媒を流す。循環装置１４は、冷房運転時において、第２の循環経路１８において一方向へ水熱媒を流す。

第１の循環経路１７を循環した水熱媒と第２の循環経路１８を循環した水熱媒とは、シスターンタンク１１に貯められる。水熱媒に空気が含まれている場合、空気は、シスターンタンク１１において水熱媒から分離される。シスターンタンク１１には、オーバーフローホース１２が設けられている。シスターンタンク１１に貯められている水熱媒の水位が一定の水位を超えると、一定の水位を超えた分の水熱媒は、オーバーフローホース１２を通ってシスターンタンク１１の外部へ排出される。

弁ユニット３０は、２つの弁３１，３２からなる。第１の弁である弁３１は、第１の循環経路１７に設けられている。第２の弁である弁３２は、第２の循環経路１８に設けられている。弁３１は、第１の循環経路１７のうち、冷温水熱源機１０から暖房用熱交換器２１へ向けて水熱媒が流動する配管に設けられている。弁３１は、第１の循環経路１７における水熱媒の流量を調節する。弁３２は、第２の循環経路１８のうち、冷温水熱源機１０から冷房用熱交換器２２へ向けて水熱媒が流動する配管に設けられている。弁３２は、第２の循環経路１８における水熱媒の流量を調節する。

温度センサ１５は、循環装置１４から送り出される水熱媒の温度を検出する。温湿度センサ２３は、室内２０の温度および湿度を検出する。制御部である制御装置１６は、冷暖房装置１のうち冷暖房端末機以外の構成全体を制御する。温度センサ１５は、温度の検出結果を制御装置１６へ出力する。温湿度センサ２３は、温度および湿度の検出結果を制御装置１６へ出力する。図１において、制御装置１６は、冷温水熱源機１０の内部に設けられている。なお、制御装置１６は、冷温水熱源機１０の外に設けられていても良い。

制御装置１６は、水熱媒の加熱および冷却を制御するための制御信号を加熱冷却装置１３へ出力する。また、制御装置１６は、水熱媒の循環を制御するための制御信号を循環装置１４と弁ユニット３０とへ出力する。制御装置１６は、循環装置１４へ制御信号を出力することによって、循環経路における水熱媒の循環および循環停止と、循環経路へ送り出される水熱媒の流量とを制御する。制御装置１６は、弁ユニット３０へ制御信号を出力することによって、弁３１の開閉動作と弁３２の開閉動作とを制御する。

図２は、実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置の機能構成を示すブロック図である。制御装置１６は、制御装置１６の外部からの情報が入力される入力部４１と、時間をカウントするカウンタ４２と、各種処理を実行する演算部４３と、水熱媒の循環を制御するための制御信号を出力する循環制御部４４とを有する。

温度センサ１５による温度の検出結果と温湿度センサ２３による温度および湿度の検出結果とは、入力部４１へ入力される。入力部４１は、入力された情報を演算部４３へ出力する。カウンタ４２は、演算部４３からの指示にしたがって時間をカウントし、カウント結果を示す数値を演算部４３へ出力する。演算部４３は、入力部４１へ入力された情報とカウント結果の数値とに基づく処理を行う。循環制御部４４は、演算部４３での処理結果に従って制御信号を出力する。

次に、冷暖房装置１の動作について説明する。図３は、実施の形態１にかかる冷暖房装置の動作手順を示すフローチャートである。ステップＳ１において冷暖房装置１に電源が投入されると、演算部４３は、２つの弁３１，３２の各々について開状態と閉状態とのいずれであるかを確認する。ステップＳ２において、カウンタ４２は、２つの弁３１，３２のうち閉状態である弁について、弁が閉状態である時間ｔｃをカウントする。

ステップＳ３において、演算部４３は、時間ｔｃが第１の設定時間ｔ１を超えたか否かを判断する。第１の設定時間ｔ１は、あらかじめ設定された時間であって、例えば６日とする。第１の設定時間ｔ１には、任意の時間が設定可能であるものとする。例えば、第１の設定時間ｔ１は、水熱媒の空気侵入率に基づいて設定される。空気侵入率については後述する。時間ｔｃが第１の設定時間ｔ１を超えていない場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、制御装置１６は、ステップＳ３の手順を繰り返す。

時間ｔｃが第１の設定時間ｔ１を超えた場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、ステップＳ４において、演算部４３は、室内２０の露点温度Ｔｄを算出する。演算部４３は、温湿度センサ２３による温度および湿度の検出結果を入力部４１から取得し、温度および湿度の検出結果に基づいて露点温度Ｔｄを算出する。

ステップＳ５において、演算部４３は、温度センサ１５によって検出された水熱媒温度Ｔｏｕｔが露点温度Ｔｄよりも高いか否かを判断する。演算部４３は、水熱媒温度Ｔｏｕｔのデータを入力部４１から取得する。水熱媒温度Ｔｏｕｔが露点温度Ｔｄ以下である場合（ステップＳ５，Ｎｏ）、制御装置１６は、ステップＳ５の手順を繰り返す。すなわち、検出された水熱媒温度Ｔｏｕｔが露点温度Ｔｄ以下である場合には、閉状態である弁を閉状態のまま維持する。

検出された水熱媒温度Ｔｏｕｔが露点温度Ｔｄよりも高い場合（ステップＳ５，Ｙｅｓ）、循環制御部４４は、閉状態である弁を開くための制御信号を弁ユニット３０へ出力する。ステップＳ６において、弁ユニット３０は、かかる制御信号に従って、閉状態である弁を開く。ステップＳ７において、カウンタ４２は、ステップＳ６において開かれた弁について、弁が開状態である時間ｔｏをカウントする。

ステップＳ８において、演算部４３は、循環装置１４が動作しているか否かを確認する。循環装置１４が動作している場合（ステップＳ８，Ｙｅｓ）、制御装置１６は、手順をステップＳ１０へ進める。一方、循環装置１４が動作していない場合（ステップＳ８，Ｎｏ）、循環制御部４４は、ステップＳ９において、循環装置１４へ制御信号を出力することによって、循環装置１４の動作を開始させる。ステップＳ９において循環装置１４の動作を開始させると、制御装置１６は、手順をステップＳ１０へ進める。

このように、制御装置１６は、弁３１および弁３２のうち閉状態である一方について閉状態である時間ｔｃをカウントした結果と、水熱媒温度Ｔｏｕｔおよび露点温度Ｔｄの比較結果とに基づいて、閉状態である弁をステップＳ６において開く。当該弁を開くとともに循環装置１４を動作させることによって、制御装置１６は、第１の循環経路１７と第２の循環経路１８のうち当該弁を含む循環経路における水熱媒の循環を開始させる。すなわち、制御装置１６は、弁３１および弁３２の状態に基づいて、第１の循環経路１７および第２の循環経路１８のうち水熱媒の循環が停止している状態である一方について水熱媒の循環を開始させる制御を行う。

かかる制御によって、冷暖房装置１は、水熱媒の循環が停止している状態のまま第１の設定時間ｔ１が経過した循環経路について、循環経路の内部の水熱媒をシスターンタンク１１へ送る。これにより、冷暖房装置１は、水熱媒に含まれている空気を、シスターンタンク１１において水熱媒から分離させる。

ステップＳ１０において、演算部４３は、時間ｔｏが第２の設定時間ｔ２を超えたか否かを判断する。第２の設定時間ｔ２は、あらかじめ設定された時間であって、例えば１５分とする。第２の設定時間ｔ２には、任意の時間が設定可能であるものとする。例えば、第２の設定時間ｔ２には、循環経路の内部に蓄積された空気をシスターンタンク１１へ送り出すことが可能な時間が設定される。時間ｔｏが第２の設定時間ｔ２を超えていない場合（ステップＳ１０，Ｎｏ）、制御装置１６は、ステップＳ１０の手順を繰り返す。

時間ｔｏが第２の設定時間ｔ２を超えた場合（ステップＳ１０，Ｙｅｓ）、ステップＳ１１において、演算部４３は、循環装置１４の動作要求があるか否かを判断する。循環装置１４の動作要求がある場合（ステップＳ１１，Ｙｅｓ）、制御装置１６は、手順をステップＳ１３へ進める。一方、循環装置１４の動作要求が無い場合（ステップＳ１１，Ｎｏ）、循環制御部４４は、ステップＳ１２において、循環装置１４の動作を停止させる。ステップＳ１２において循環装置１４の動作を停止させると、制御装置１６は、手順をステップＳ１３へ進める。

ステップＳ１３において、循環制御部４４は、ステップＳ６において開いた弁を閉じるための制御信号を弁ユニット３０へ出力する。ステップＳ１３において、弁ユニット３０は、かかる制御信号に従って、開状態である弁を閉じる。ステップＳ１４において、カウンタ４２は、時間ｔｃのカウントと時間ｔｏのカウントとをリセットする。以上により、冷暖房装置１は、図３に示す手順による動作を終了する。その後、冷暖房装置１は、電源投入が継続されている場合において、ステップＳ２からの手順を繰り返す。

次に、冷暖房装置１の具体的な動作例を説明する。ここでは、冷暖房装置１が冷房運転を行う場合における動作を例とする。冷暖房装置１への電源投入の際に冷房運転が指示されると、冷暖房装置１は、弁３１を閉状態、かつ弁３２を開状態として、循環装置１４を動作させる。循環装置１４を動作させることによって、加熱冷却装置１３によって冷却された水熱媒が第２の循環経路１８を循環する。また、第１の循環経路１７では、水熱媒の循環は停止される。上記のステップＳ２において、カウンタ４２は、弁３１が閉状態である時間ｔｃをカウントする。カウンタ４２は、冷房運転のオンオフに関わらず、時間ｔｃのカウントを継続する。

上記のステップＳ３からステップＳ５を経て、冷暖房装置１は、時間ｔｃが第１の設定時間ｔ１を超えると、上記のステップＳ６において弁３１を開く。冷暖房装置１は、循環装置１４を動作させるとともに弁３１を開くことによって、第１の循環経路１７において水熱媒を循環させる。上記のステップＳ７において、カウンタ４２は、弁３１が開状態である時間ｔｏをカウントする。

上記のステップＳ１０において時間ｔｏが第２の設定時間ｔ２を超えてから、冷暖房装置１は、上記のステップＳ１３において弁３１を閉じる。第１の循環経路１７において水熱媒を循環させることによって、冷暖房装置１は、第１の循環経路１７の内部に滞留していた水熱媒に含まれる空気をシスターンタンク１１において除去する。ステップＳ１４の後、冷暖房装置１は、手順をステップＳ２に戻して、時間ｔｃのカウントを再開する。

図４は、実施の形態１にかかる冷暖房装置における弁の閉状態時間と空気侵入率との関係の例を示す図である。図４に示すグラフにおいて、横軸は閉状態時間である時間ｔｃ、縦軸は空気侵入率を表す。空気侵入率とは、水熱媒で満たされた循環経路内に侵入した空気量の比率とする。循環経路内の水熱媒へ空気が浸透していない状態を空気侵入率０％とする。また、オーバーフローホース１２への水熱媒の排出が開始されるまで循環経路内に空気が蓄積している状態を空気侵入率１００％とする。

図４に示すように、閉状態時間が長くなるに従って空気侵入率は高くなる。空気侵入率が１００％を超えると、水熱媒のオーバーフローが発生する。なお、閉状態時間と空気侵入率との関係は、循環経路の配管長さと、配管の酸素透過率とに応じて変化する。図４に示す例では、閉状態時間が１０日であるときに空気侵入率は１００％になる。この場合、冷暖房装置１は、閉状態時間が１０日未満であるときに循環経路内の空気が排出されることによって、水熱媒のオーバーフローを防ぐことができる。したがって、冷暖房装置１は、第１の設定時間ｔ１を１０日よりも短い６日とすることによって、水熱媒のオーバーフローを抑制することができる。冷暖房装置１は、水熱媒のオーバーフローを防ぐことによって、水熱媒の補充のための作業負担を低減でき、かつ水熱媒の補充によるコストを低減できる。

冷暖房装置１には、水熱媒のオーバーフローの回避のために動作させる弁として、第１の循環経路１７に１つの弁３１と第２の循環経路１８に１つの弁３２とが設けられている。冷暖房装置１は、オーバーフローの回避のために第１の循環経路１７と第２の循環経路１８との各々に複数の弁が設けられる場合に比べて、循環経路を簡易な構成にすることができる。

次に、制御装置１６が有するハードウェア構成について説明する。制御装置１６の機能は、処理回路を使用して実現される。処理回路は、冷暖房装置１に搭載される専用のハードウェア、または、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサである。

図５は、実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置のハードウェア構成の例を示す第１の図である。図５には、制御装置１６の機能が専用のハードウェアを使用して実現される場合におけるハードウェア構成を示している。制御装置１６は、各種処理を実行する処理回路５１と、制御装置１６の外部の機器との接続インタフェースであるインタフェース５２とを備える。

専用のハードウェアである処理回路５１は、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又はこれらの組み合わせである。カウンタ４２と演算部４３と循環制御部４４との各機能は、処理回路５１を用いて実現される。入力部４１の機能は、インタフェース５２を用いて実現される。インタフェース５２には、温度センサ１５からの信号と温湿度センサ２３からの信号とが入力される。また、インタフェース５２は、加熱冷却装置１３と循環装置１４と弁ユニット３０とへ制御信号を出力する。

図６は、実施の形態１にかかる冷暖房装置が有する制御装置のハードウェア構成の例を示す第２の図である。図６には、プログラムを実行するハードウェアを用いて制御装置１６の機能が実現される場合におけるハードウェア構成を示している。制御装置１６は、プロセッサ５３と、メモリ５４と、インタフェース５２とを有する。

プロセッサ５３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）である。プロセッサ５３は、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であっても良い。カウンタ４２と演算部４３と循環制御部４４との各機能は、プロセッサ５３と、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせによって実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述され、内蔵メモリであるメモリ５４に格納される。メモリ５４は、不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリであって、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）またはＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）である。

実施の形態１によると、冷暖房装置１は、弁３１，３２の状態に基づいて、第１の循環経路１７および第２の循環経路１８のうち水熱媒の循環が停止している状態である一方について水熱媒の循環を開始させる。これにより、冷暖房装置１は、循環経路を簡易な構成にでき、かつ水熱媒のオーバーフローを抑制できるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 冷暖房装置、１０ 冷温水熱源機、１１ シスターンタンク、１２ オーバーフローホース、１３ 加熱冷却装置、１４ 循環装置、１５ 温度センサ、１６ 制御装置、１７ 第１の循環経路、１８ 第２の循環経路、２０ 室内、２１ 暖房用熱交換器、２２ 冷房用熱交換器、２３ 温湿度センサ、３０ 弁ユニット、３１，３２ 弁、４１ 入力部、４２ カウンタ、４３ 演算部、４４ 循環制御部、５１ 処理回路、５２ インタフェース、５３ プロセッサ、５４ メモリ。

Claims (2)

1. 室内の暖房のための熱交換を行う暖房用熱交換器と、
   前記室内の冷房のための熱交換を行う冷房用熱交換器と、
   前記暖房用熱交換器を通る第１の循環経路と前記冷房用熱交換器を通る第２の循環経路とにおいて水熱媒を循環させ、かつ前記第１の循環経路へ循環させる前記水熱媒の加熱と前記第２の循環経路へ循環させる前記水熱媒の冷却とを行う冷温水熱源機と、
   前記第１の循環経路と前記第２の循環経路とにおいて循環させる前記水熱媒が貯められるシスターンタンクと、
   前記第１の循環経路における前記水熱媒の流量を調節する第１の弁と、
   前記第２の循環経路における前記水熱媒の流量を調節する第２の弁と、
   前記第１の弁および前記第２の弁のうち閉状態である弁について、前記閉状態である時間があらかじめ設定された時間を超えており、かつ、前記室内の露点温度よりも前記水熱媒の温度が高い場合に、前記第１の循環経路および前記第２の循環経路のうち前記水熱媒の循環が停止している状態である一方について前記水熱媒の循環を開始させる制御を行う制御部と、
   を備えることを特徴とする冷暖房装置。
2. シスターンタンクから送り出される水熱媒を加熱し、暖房用熱交換器を通る第１の循環経路において前記水熱媒を循環させることによる室内の暖房と、前記シスターンタンクから送り出される前記水熱媒を冷却し、冷房用熱交換器を通る第２の循環経路において前記水熱媒を循環させることによる前記室内の冷房とを行う冷暖房装置を制御装置によって制御する冷暖房装置の制御方法であって、
   前記第１の循環経路における前記水熱媒の流量を調節する第１の弁と、前記第２の循環経路における前記水熱媒の流量を調節する第２の弁とのうち閉状態である弁について、前記閉状態である時間があらかじめ設定された時間を超えており、かつ、前記室内の露点温度よりも前記水熱媒の温度が高い場合に、前記第１の循環経路および前記第２の循環経路のうち前記水熱媒の循環が停止している状態である一方について前記水熱媒の循環を開始させることを特徴とする冷暖房装置の制御方法。

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