JP7419871B2 - 給水加温システム - Google Patents
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Description
特許文献2に係るシステムの循環加温では、貯留水は凝縮器のみに通水、または過冷却器と凝縮器の両方に通水されるが、熱回収用熱交換器には通水されない構成が開示されている。このような構成においては、熱回収用熱交換器の効力を活かせず、効率の良い加温ができていない場合があった。
また、特許文献2には、循環通水において、貯留水が熱回収用熱交換器にも通水される構成も示されているが、この場合は、給水タンク内の水位が上限水位に達しても、圧縮機は停止しつつ、給水ポンプおよび熱源供給ポンプを作動させ、給水タンクの貯留水を循環保温し続けている。よって、保温動作を通じて、給水タンク内の貯留水の温度が維持されるというメリットはあるものの、給水ポンプおよび熱源供給ポンプを作動させ続けることにより、無駄な電力消費が発生していた。すなわち、このような構成においては、効率良く加温状態を維持することが困難であった。
また、本実施形態の給水加温システム1は、熱回収用熱交換器40およびヒートポンプ回路10の凝縮器12の順に給水W1を流通させる給水ラインL1と、温水タンク60内の温水W2を熱回収用熱交換器40よりも上流側に還流させる還流ラインL2と、熱回収用熱交換器40に対して給水W1をバイパスさせるバイパスラインL3と、温水タンク60内の温水W2を温水需要箇所に供給するための温水供給ラインL4と、熱回収用熱交換器40およびヒートポンプ回路10の蒸発器14に熱源流体としての熱源水W5を流通させる熱源流体ラインL5と、を備える。
給水ラインL1の給水W1は、熱回収用熱交換器40および凝縮器12の順に通過し、熱源流体ラインL5の熱源水W5は、熱回収用熱交換器40および蒸発器14の順に通過する。
圧縮機11は、駆動源としての電気モータ15を有しており、フロンガス等のガス状の冷媒Rを圧縮して高温高圧の冷媒Rにする。凝縮器12は、給水ラインL1を通じて送られてくる給水W1へ放熱して、圧縮機11からの冷媒Rを凝縮液化する。膨張弁13は、凝縮器12から送られた冷媒Rを通過させることで、冷媒Rの圧力と温度とを低下させる。蒸発器14は、熱源流体ラインL5を通じて送られてくる熱源水W5から吸熱して、膨張弁13から送られる冷媒Rを蒸発させる。
このように、ヒートポンプ回路10は、蒸発器14において、冷媒Rが外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器12において、冷媒Rが外部へ放熱して凝縮している。このような原理を利用して、ヒートポンプ回路10は、蒸発器14において、熱源水W5から熱をくみ上げ、凝縮器12において、給水ラインL1の給水W1を加温する。
温水タンク60内に貯留された温水W2は、循環して加温することが可能である。具体的には、温水タンク60内の温水W2は、還流ラインL2を通じて給水ラインL1と合流し、給水ラインL1を通じて、再度、熱回収用熱交換器40および凝縮器12を通過して加温され、温水タンク60内に戻ることが可能である。
そして、温水タンク60には、温水タンク60内の温水W2の温度を検知する温水温度センサ61を備える。また、温水タンク60には、温水タンク60内の水位を検出する水位検出部62が設けられている。本実施形態においては、水位検出部62は、複数の電極棒を備える電極式水位検出器により構成されている。具体的には、長さの異なる2本の電極棒621、622が、その下端部の高さ位置を互いに異ならせて差し込まれて保持されている。本実施形態においては、電極棒621、622が、順に下端部の高さ位置を低くして、温水タンク60に挿入されている。各電極棒621、622は、その下端部が水に浸かるか否かにより、下端部における水位の有無を検出する。
本実施形態においては、温水温度センサ61および水位検出部62の検出結果を用いるなどして、制御部100が、後述の通水モードの切り替え制御を行う。この制御内容については、追って詳細に説明する。
第1逆止弁23は、後述の還流ラインL2の合流部よりも上流側に設けられている。これにより、後述の循環通水モードの際に、温水W2が補給水タンク70側に流れ込むのを防ぐ。
第1給水温度センサ24は、熱回収用熱交換器40に流入する前の給水W1の温度を検知する熱交換器流入前給水温度センサである。この第1給水温度センサ24は、バイパスラインL3の分岐部の上流側に設けられている。
三方弁25は、バイパスラインL3の分岐部に配置されている。この三方弁25は、熱回収用熱交換器40に対して給水W1をバイパスさせるか否かを切り替える手段であり、予熱モード切替手段を構成する。バイパスラインL3は、熱回収用熱交換器40に対して給水W1をバイパスさせるバイパスラインである。
第2給水温度センサ26は、ヒートポンプ回路10の凝縮器12に流入する前の給水W1の温度を検知する給水温度センサである。この第2給水温度センサ26は、凝縮器12の上流側に配置されており、本実施形態においては、熱回収用熱交換器40の下流側に配置されている。
出湯温度センサ27は、凝縮器12から流出する加温された給水W1の出湯温度を検知する。
第2逆止弁33は、還流ラインL2において、給水ラインL1と還流ラインL2の合流部よりも上流側に設けられている。これにより、後述の一過通水モードの際に、補給水タンク70からの補給水Wが温水タンク60側に流れ込むのを防ぐ。
温水供給ラインL4には、温水供給ポンプ63が設けられている。温水需要箇所の例としては、蒸気ボイラの給水利用が挙げられる。但し、温水W2の利用先は、蒸気ボイラに限らない。例えば、食品・飲料・薬品用の容器洗浄や、パストライザー殺菌(瓶詰の殺菌)等に、本実施形態の給水加温システム1により製造した温水W2を利用してもよい。この場合は、常に、60℃~80℃程度の高温域の温水W2の供給が求められることがある。本実施形態の給水加温システム1によれば、このような、常に所定の温度範囲内の温度の温水の供給が要求される用途において、例えば、温水タンク60内に加温された給水W1のみが供給されるシステム(温水タンク60内に加温されていない補給水が直接供給されないシステム)において、特に好適に、温水を効率よく加温し、かつその温度を維持しつつ供給することができる。
熱源供給ポンプ53を作動させることで、熱源水タンク50からの熱源水W5を、熱回収用熱交換器40と蒸発器14の順に流通させることができる。
第1熱源温度センサ54は、熱回収用熱交換器に流入させる前の熱源水W5の温度を検知する、熱交換器流入前熱源温度センサである。なお、本実施形態においては、第1熱源温度センサ54は、熱源流体ラインL5に設けられているが、このセンサは、熱源水タンク50に設けられていてもよい。
第2熱源温度センサ55は、蒸発器14で冷媒Rとの間で熱交換を行う熱源流体の温度を検知する熱源温度センサである。本実施形態においては、蒸発器14に流入する前の熱源水W5の温度を検出している。この第2熱源温度センサ55は、蒸発器14の上流側に配置されており、本実施形態においては、熱回収用熱交換器40の下流側に配置されている。
このように、熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流すことで給水W1の予熱量を増やし、熱回収用熱交換器40の熱出力をアップさせることができる。なお、熱源水W5の温度が高いほど熱出力を高める効果が大きい。
このように、熱回収用熱交換器40および蒸発器14の順に熱源水W5を流し、かつ熱回収用熱交換器40と蒸発器14のそれぞれで給水W1の流れ方向に対してカウンターフローで流すことにより、熱回収量の最大化を図ることができる。
このように、熱源流体としての熱源水W5の温度に応じて適切な目標過熱度を設定することで、液圧縮による圧縮機11の破損を防止しつつ、蒸発器14での熱回収量を増加させることができる。
図3は、縦軸を第2熱源温度センサ55の検知温度T、横軸を時間tとしたときのグラフであり、第2熱源温度センサ55の検知温度の変動を示すグラフである。例えば、図3に示すように、第2熱源温度センサ55の検知温度Tの単位時間t0当たりの変化量ΔTが所定の閾値ΔT0を上回った場合、第2熱源温度センサ55の検知温度の変動が大きいと判定し、目標過熱度を大きくする制御を行う。例えば、ΔT0=5℃、t0=1minとし、5℃/minよりも大きい変動があったときに、目標過熱度を大きくする制御を行う。このとき、例えばそれまでの目標過熱度が5℃に設定されていた場合、目標過熱度を例えば10℃に設定する。図3の例では、単位時間t0当たりの検知温度Tの低下量ΔTが、所定の閾値ΔT0よりも大きい。よって、熱源水W5の温度が急変する状況と考えられるため、目標過熱度を例えば10℃に変更する。
例えば、熱源水W5の温度の急変により温度が急激に低下するような場合であっても、目標過熱度を高い値に設定することにより蒸発器14で冷媒Rを確実に気化させることができるため、液圧縮や潤滑不良による圧縮機11の破損を防止することができる。
例えば、第2熱源温度センサ55の検知温度Tが所定時間、所定の温度の範囲内のときに、第2熱源温度センサ55の検知温度が安定していると判定する。また、検知温度Tが所定時間、単位時間t0当たりの変化量ΔTが所定の閾値ΔT0を下回っている場合に、第2熱源温度センサ55の検知温度が安定していると判定してもよい。そしてこのとき、目標過熱度を小さくする制御を行う。例えばそれまでの目標過熱度が10℃に設定されていた場合、目標過熱度を例えば5℃に変更する。
具体的には、過熱度算出部112は、蒸気圧力センサ18の検知圧力から液冷媒Rの蒸発温度を求めると共に、吸込温度センサ17の検知温度から蒸発温度を差し引いてガス冷媒Rの過熱度を算出する。
具体的な制御としては、例えば、過熱度算出部112によりリアルタイムで算出される算出過熱度をフィードバック値として、この算出過熱度を目標過熱度に収束させるように膨張弁13の弁開度を調整するフィードバック制御を採用するのが好ましい。フィードバック制御は、比例制御(P制御)のほか、これに積分制御(I制御)および/または微分制御(D制御)を組み合わせた操作量の演算アルゴリズムを採用することができる。
本実施形態における目標出湯温度の設定可能範囲は、設定可能範囲Aに示される三角形の領域となっている。すなわち、本実施形態においては、目標出湯温度は、上限値と下限値の間の値に設定可能であり、下限値は、第2給水温度センサ26の検知温度に所定値を加えた値であって、第2給水温度センサ26の検知温度が高くなるほど高い値となっている。より詳細には、下限値は、第2給水温度センサ26の検知温度に15℃を加えた値となっており、上限値は、一定の温度、本実施形態においては75℃となっている。
このモリエル線図の縦軸は冷媒の圧力(p)であり、横軸は冷媒の比エンタルピー(h)である。そして、モリエル線図には、飽和液線Y1と、飽和蒸気線Y2が示されている。このようなモリエル線図により、ヒートポンプサイクル中における冷媒Rの状態変化を表すことができる。冷媒Rは、飽和液線Y1よりも左側で過冷却液状態(液冷媒Rの状態)、飽和液線Y1と飽和蒸気線Y2との間で気液混合状態である湿り蒸気状態、飽和蒸気線Y2より右側で過熱蒸気状態(ガス冷媒Rの状態)となる。
圧縮機11に吸引された過熱蒸気状態のガス冷媒Rは、圧縮機11において断熱圧縮されて高温高圧の過熱蒸気状態のガス冷媒Rとなり(a→b)、その後、凝縮器12で凝縮・過冷却されることにより過冷却液状態の液冷媒Rとなり(b→c)、さらにその後、膨張弁13にて断熱膨張されることにより湿り蒸気状態の冷媒Rとなる(c→d)。そして、湿り蒸気状態の冷媒Rは、蒸発器14において蒸発・加温されて、過熱蒸気状態のガス冷媒Rとなる(d→a)。このようなサイクルで、冷媒Rは循環する。なお、図5における(b→c)の過程について詳細に説明すると、凝縮器12は、ガス冷媒Rの潜熱および顕熱を放出して、ガス冷媒Rを液冷媒Rへと変化させ、かつ、液冷媒Rの過冷却を行っている。
しかしながら、本実施形態においては、下限値を、第2給水温度センサ26の検知温度に所定値を加えた値としていることから、凝縮器12の入り口側と出口側の給水W1の温度差が少なくとも所定値より大きくなるようにシステムを制御することとなり、上述の問題は生じない。すなわち、適正な状態のヒートポンプサイクルで運転することができる。
すなわち、目標出湯温度設定部122は、第2給水温度センサ26の検知温度を取得し、取得した第2給水温度センサ26の検知温度に対して所定値を加えた値であって、第2給水温度センサ26の検知温度が高くなるほど高い値を下限値として、目標出湯温度を設定することができる。これにより、適正な状態のヒートポンプサイクルで運転することができ、かつ目標出湯温度の設定範囲を広くすることができる。
具体的な制御としては、例えば、出湯温度センサ27によりリアルタイムに検知される出湯温度をフィードバック値として、この出湯温度を目標出湯温度に収束させるように給水ポンプ21または還流ポンプ31の駆動周波数を調整するフィードバック制御を採用するのが好ましい。フィードバック制御は、比例制御(P制御)のほか、これに積分制御(I制御)および/または微分制御(D制御)を組み合わせた操作量の演算アルゴリズムを採用することができる。
また、給水ポンプ21および還流ポンプ31に替わる構成として、給水ラインL1と還流ラインL2に開閉弁を設けた上で、或いは給水ラインL1と還流ラインL2の合流部に三方弁を設けた上で、給水ラインL1と還流ラインL2の合流部の下流側にインバータ制御が可能なポンプを設けて、これを給水流量調整手段としてもよい。
さらに、凝縮器12に流入する前の給水W1の温度に応じて設定可能な目標出湯温度の範囲の下限値を設定することで、確実に凝縮器12での過冷却不足を防止して、蒸発器14での熱回収量を安定させることができる。また、給水W1の流量が過多になるのを防止して、給水ポンプ21等の過負荷による劣化を抑制することができる。
このとき、熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流すことで蒸発器14に流入する熱源水W5の温度は低下するが、さらなる制御の追加、すなわち、過熱度に基づく冷媒流量の調整と、出湯温度に基づく給水流量の調整の組み合わせによる多重効果により、例えば、低い過熱度設定に応じた冷媒流量の調整による蒸発器14の熱入力アップと、低い出湯温度設定に応じた給水流量の調整による熱回収用熱交換器40の更なる熱出力アップおよび蒸発器14の熱出力アップの多重効果により、熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流す構成において、システムのCOPを大幅に高めることができる。
具体的には、通水モード切替制御部130は、還流ラインL2の合流箇所に対して新たな水供給が実行される場合には、一過通水モードを実行させるように通水モード切替手段を制御し、合流箇所に対する新たな水供給が停止され、かつ温水温度センサ61の検知温度が所定の設定温度を下回っている場合には、循環通水モードを実行させるように通水モード切替手段を制御し、合流箇所に対する新たな水供給が停止され、かつ温水温度センサ61の検知温度が所定の設定温度を上回っている場合には、通水停止モードを実行させるように通水モード切替手段を制御する。
通水モード切替制御部130は、各通水モードの実行中、水位検出部62により温水タンク60内の温水W2の水位を監視すると共に、温水温度センサ61により温水タンク60内の温水W2の温度を監視する。通水停止モードの実行中においては、水位検出部62の電極棒622の検出位置を上回り、かつ温水温度センサ61の検知温度が第1設定温度(例えば、目標出湯温度よりも2~3℃低い温度)を上回っている場合には、通水モード切替制御部130は、通水停止モードを継続する。
通水停止モードの実行中、温水タンク60内の水位が低下し、水位検出部62の電極棒622の検出位置を下回った場合には、通水モード切替制御部130は、還流ポンプ31の停止を維持したまま給水ポンプ21を駆動する。給水ポンプ21の駆動により、還流ラインL2の合流箇所に対して新たな補給水Wの供給が実行されることになるので、通水モード切替制御部130は、熱源供給ポンプ53および圧縮機11を駆動して一過通水モードへ移行させる。一過通水モードでは、所定の目標出湯温度に調節された温水W2が温水タンク60に供給される。
一過通水モードの実行中、温水タンク60内の水位が上昇し、水位検出部62の電極棒621の検出位置を上回った場合には、通水モード切替制御部130は、還流ポンプ31の停止を維持したまま給水ポンプ21を停止する。給水ポンプ21の停止により、還流ラインL2の合流箇所に対して新たな補給水Wの供給が停止されることになるので、通水モード切替制御部130は、熱源供給ポンプ53および圧縮機11を停止して通水停止モードへ移行させる。通水停止モードでは、温水タンク60への温水W2の供給が停止される。
通水停止モードの実行中、温水温度センサ61の検知温度が設定温度を下回った場合には、給水ポンプ21の停止を維持したまま還流ポンプ31を駆動する。還流ポンプ31の駆動により、還流ラインL2の合流箇所に対して新たな補給水Wの供給が停止された状態で貯留水の水循環が実行されることになるので、通水モード切替制御部130は、熱源供給ポンプ53および圧縮機11を駆動して循環通水モードへ移行させる。循環通水モードでは、所定の目標出湯温度まで再加温された温水W2が温水タンク60に供給される。
循環通水モードの実行中、温水温度センサ61の検知温度が設定温度を上回った場合には、通水モード切替制御部130は、給水ポンプ21の停止を維持したまま還流ポンプ31を停止する。そして、熱源供給ポンプ53および圧縮機11を停止して通水停止モードへ移行させる。通水停止モードでは、温水タンク60に対する温水W2の循環が停止される。
循環通水モードの実行中、温水タンク60内の水位が低下し、水位検出部62の電極棒622の検出位置を下回った場合には、通水モード切替制御部130は、還流ポンプ31の停止させ、給水ポンプ21を駆動する。給水ポンプ21の駆動により、還流ラインL2の合流箇所に対して新たな補給水Wの供給が実行されることになるので、通水モード切替制御部130は、熱源供給ポンプ53および圧縮機11を駆動したまま一過通水モードへ移行させる。一過通水モードでは、所定の目標出湯温度に調節された温水W2が温水タンク60に供給される。
なお、本実施形態では、一過通水モードから循環通水モードへの移行は行わない。一過通水モードへは温水需要が大きいときに移行するので、補給水Wの温水タンク60への供給を優先し、速やかに水位を回復させるためである。また、一過通水モードでの出湯温度は、温水タンク60の貯湯温度よりも高いため、短時間で貯湯温度を上昇させることもできる。
また、給水ラインL1における、還流ラインL2の合流箇所よりも上流側に不図示の流量センサを配置し、この流量センサの検出結果に基づいて判定を行ってもよい。
すなわち、熱回収用熱交換器40に対して給水W1をバイパス、および/または、熱回収用熱交換器40に対して熱源水W5をバイパスさせる1本ないし2本のバイパスラインを備え、予熱モード切替手段が、給水W1および熱源水W5を同時に熱回収用熱交換器40に流通させる給水予熱モードと、給水W1および熱源水W5の少なくとも一方をバイパスラインに流通させる予熱停止モードと、を切り替える態様となっていればよい。
これにより、熱回収用熱交換器40を、状況に応じて選択的に利用することができる。
具体的には、予熱モード切替制御部140は、第1給水温度センサ24による第1検知温度と、第1熱源温度センサ54による第2検知温度と、を比較し、第1検知温度が第2検知温度を下回っている場合には、給水予熱モードを実行させるように予熱モード切替手段を制御し、第1検知温度が第2検知温度を上回っている場合には、予熱停止モードを実行させるように予熱モード切替手段を制御する。
このような、給水温度と熱源水温度に応じた自動予熱モード切替により、システムCOPの最大化を図ることができる。
これにより、例えば、給水W1として比較的温度が低いことが多い補給水Wを用いる一過通水モードでは、熱回収用熱交換器を積極的に活用する一方、給水W1として比較的温度が高いことが多い温水タンク60の貯留水を用いる循環通水モードでは、給水W1と熱源水W5の温度の関係に応じて、選択的に熱回収用熱交換器を活用することができる。
但し、様々な補給水温度と熱源水温度の状況下においても効率的な加温ができるよう、予熱モード切替制御部140は、通水モードが循環通水モードまたは一過通水モードのときに、予熱モード切替手段を各予熱モード間で切り替え可能に構成してもよい。
通水モード切替制御部130は、第1信号入力部151に入力された通水モード指定信号に従い、一過通水モード、循環通水モードまたは通水停止モードを実行させるように通水モード切替手段を制御する。そして、通水モード切替制御部130は、循環通水モードまたは通水停止モードの実行時に、給水ポンプ21を制御するなどして、還流ラインL2の合流箇所に対する新たな水供給を停止する。
これにより、例えば、補給水ありの外部信号を利用して、システムCOPが最大となる一過通水モードで運転させることができる。また、補給水なしの外部信号を利用して、循環通水モードで貯留水の保温を行うことができる。
予熱モード切替制御部140は、第2信号入力部152に入力された予熱モード指定信号に従い、給水予熱モードまたは予熱停止モードを実行させるように予熱モード切替手段を制御する。
これにより、外部信号に従った他動予熱モード切替により、システムCOPの最大化を図ることができる。
これにより、熱源流体としての熱源水W5の温度が急変する状況が確認された場合であっても、安定的にヒートポンプ回路10を駆動することができる。
図6Cは、制御部100の予熱モード切替制御部140による、給水予熱モードおよび予熱停止モードを切り替える予熱モード切替制御の流れの一例を示すフローチャートである。この例では、予熱モード切替制御部140は、第1給水温度センサ24(熱交換器流入前給水温度センサ)による第1検知温度(熱交換器流入前給水温度)と、第1熱源温度センサ54(熱交換器流入前熱源温度センサ)による第2検知温度(熱交換器流入前熱源温度)の検出結果に基づいて、予熱モードの切り替え制御を行っている。
本実施形態におけるヒートポンプ回路10の凝縮器12は、冷媒Rの凝縮および過冷却の機能を担っていた。しかしながら、本変形例に示すように、ヒートポンプ回路10の凝縮器は、主に冷媒Rの凝縮の機能を担う凝縮器12Aと、主に冷媒Rの過冷却の機能を担う過冷却器12Bとに分かれていてもよい。この場合、ヒートポンプ回路10の冷媒Rは、好適には、凝縮器12Aにおいて潜熱を放出し、過冷却器12Bにおいて顕熱を放出する。すなわち、凝縮器12Aにおいて、ガス冷媒Rは凝縮して液冷媒Rとなり、その液冷媒Rが過冷却器12Bに供給されて、過冷却器12Bにおいて、液冷媒Rはさらに冷却(過冷却)される。
過冷却器12Bは、凝縮器12Aに送られる給水W1と、凝縮器12Aから膨張弁13に流れる冷媒Rとの間の熱交換を行う間接熱交換器である。過冷却器12Bにより、凝縮器12Aへの給水W1を用いて凝縮器12Aから膨張弁13への冷媒Rの過冷却を行うことができると共に、凝縮器12Aから膨張弁13への冷媒Rを用いて凝縮器12Aへの給水W1を加温することができる。
このように、冷媒Rの凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、コスト削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。
なお、本変形例においては、ヒートポンプ回路10の凝縮器12に流入する前の給水W1の温度を検知する給水温度センサとしての第2給水温度センサ26は、過冷却器12Bの上流側に配置されていることが好ましい。
このように、熱源流体としての熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流すことで熱回収用熱交換器40の熱出力がアップし、給水W1の予熱量が増える。熱源水温度が高いほど熱出力を高める効果が大きい。熱回収用熱交換器40の熱回収量が増えるので、相対的にヒートポンプ回路10の熱回収量を減らすことができる。蒸発器14および熱回収用熱交換器40の順で熱源水W5を流す場合と同じシステム熱出力を得る場合、圧縮機11の出力を下げてヒートポンプ回路10の電力消費量を低減することができる。
このとき、熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流すことで蒸発器14に流入する熱源水W5の温度は低下するが、さらなる制御の追加、すなわち、過熱度に基づく冷媒流量の調整と、出湯温度に基づく給水流量の調整の組み合わせによる多重効果により、例えば、低い過熱度設定に応じた冷媒流量の調整による蒸発器14の熱入力アップと、低い出湯温度設定に応じた給水流量の調整による熱回収用熱交換器40の更なる熱出力アップおよび蒸発器14の熱出力アップの多重効果により、熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流す構成において、システムのCOPを大幅に高めることができる。
このように、熱回収用熱交換器40および蒸発器14の順に熱源水W5を流し、かつ熱回収用熱交換器40と蒸発器14のそれぞれで給水W1の流れ方向に対してカウンターフローで流すことにより、熱回収量の最大化を図ることができる。
このように、ガス冷媒Rの過熱度を正確に算出し、さらにその値を一定に保つことにより、予熱後の給水W1に対する凝縮器12の熱出力が安定する。これにより、温水流量の変動が少なくなる。また、例えば目標出湯温度の設定値により給水流量を適切に増やし、その流量を一定範囲に保つことにより、高い熱出力を維持することができる。
このように、熱源流体の温度に応じて適切な目標過熱度を設定することで、液圧縮による圧縮機11の破損を防止しつつ、蒸発器14での熱回収量を増加させることができる。
例えば、熱源水温度が低い場合には目標過熱度を低く設定することにより冷媒循環流量が増加する。これにより、低温の熱源水W5であっても熱回収量を増やすことができる。目標過熱度の下限値を例えば5℃にすることで、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。また、目標過熱度の上限値を例えば10℃にすることで、冷媒循環流量を所定流量以上に維持し、熱回収量の低下を防止することができる。
これにより、熱源流体の温度が急変する状況が確認された場合であっても、安定的にヒートポンプ回路10を駆動することができる。
例えば、熱源流体の温度が急激に低下した場合であっても、目標過熱度を高い値に設定することにより蒸発器14で冷媒を確実に気化させることができるため、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
これにより、熱源流体の温度が安定しているときは、目標過熱度を低い値に設定することにより冷媒循環流量を増加させ、蒸発器14での熱回収量を増加させることができる。
このように、給水の温度に応じて適切な目標出湯温度を設定することで、凝縮器12での過冷却不足、給水流量過多等の発生を防止することができる。
このように、給水温度に応じて設定可能な目標出湯温度の範囲の下限値を設定することで、確実に凝縮器12での過冷却不足を防止して、蒸発器14での熱回収量を安定させることができる。また、給水流量が過多になるのを防止して、給水ポンプ21の過負荷による劣化を抑制することができる。
これにより、熱回収用熱交換器40の効力を発揮できない条件では熱回収用熱交換器40をバイパスさせることで、給水W1および/または熱源水W5の圧力損失を低減させ、給水ポンプ21や熱源供給ポンプ53を含むシステムCOPを向上させることができる。
このような給水温度と熱源水温度に応じた自動予熱モード切替により、システムCOPの最大化を図ることができる。
このような外部信号に従った他動予熱モード切替により、システムCOPの最大化を図ることができる。
このように、一過通水モードに加えて循環通水モードでの運転を可能とすることで、必要に応じて温水タンク60の循環加温を行って貯湯温度を維持することができる。循環通水モードでは、熱回収用熱交換器40の手前に貯留水を流入させる構成であるので、貯留水温度<熱源水温度になっているときは、効率のよい加温ができる。
これにより、熱回収用熱交換器40を、状況に応じて選択的に利用することができる。
これにより、例えば、一過通水モードでは熱回収用熱交換器40を積極的に活用し、循環通水モードでは選択的に熱回収用熱交換器40を活用することができる。
これにより、熱源流体としての熱源水W5を先に熱回収用熱交換器40に流すことで給水W1の予熱量を増やし、熱回収用熱交換器40の熱出力をアップさせることができる。熱源水温度が高いほど熱出力を高める効果が大きい。
これにより、温水需要が十分にあり補給水Wの供給が必要である時は、システムCOPが最大となる一過通水モードで運転させることができる。また、温水需要が小さく補給水Wの供給が必要でない時は、温水タンク60内の貯留水の温度低下時に、循環通水モードで貯留水の昇温を行うことができる。
このような給水温度と熱源水温度に応じた自動予熱モード切替により、システムCOPの最大化を図ることができる。
これにより、例えば補給水の供給ありの外部信号を利用して、システムCOPが最大となる一過流通モードで運転させることができる。また、補給水の供給なしの外部信号を利用して、循環モードで貯留水の保温を行うことができる。
これにより、例えば外部信号に従った他動予熱モード切替も可能となり、システムCOPの最大化を図ることができる。
このように、熱源流体の温度に応じて適切な目標過熱度を設定することで、液圧縮による圧縮機11の破損を防止しつつ、蒸発器14での熱回収量を増加させることができる。
例えば、熱源水温度が低い場合には目標過熱度を低く設定することにより冷媒循環流量が増加する。これにより、熱源流体が低温の熱源水W5であっても熱回収量を増やすことができる。目標過熱度の下限値を例えば5℃にすることで、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。また、目標過熱度の上限値を例えば10℃にすることで、冷媒循環流量を所定流量以上に維持し、熱回収量の低下を防止することができる。
これにより、熱源流体の温度が急変する状況が確認された場合であっても、安定的にヒートポンプ回路10が駆動することができる。
例えば、熱源流体の温度が急激に低下した場合であっても、目標過熱度を高い値に設定することにより蒸発器14で冷媒を確実に気化させることができるため、液圧縮による圧縮機11の破損を防止することができる。
これにより、熱源流体の温度が安定しているときは、目標過熱度を低い値に設定することにより冷媒循環流量を増加させ、蒸発器14での熱回収量を増加させることができる。
このように、ガス冷媒Rの過熱度を正確に算出し、さらにその値を一定に保つことにより、予熱後の給水W1に対する凝縮器12の熱出力が安定する。これにより、温水流量の変動が少なくなる。
これにより、給水W1を常に所望の温度に加温して出湯することができる。
このように、給水W1の温度に応じて適切な目標出湯温度を設定することで、凝縮器12での過冷却不足、給水流量過多等の発生を防止することができる。
このように、給水温度に応じて設定可能な目標出湯温度の範囲の下限値を設定することで、確実に凝縮器12での過冷却不足を防止して、蒸発器14での熱回収量を安定させることができる。また、給水流量が過多になるのを防止して、給水ポンプ21の過負荷による劣化を抑制することができる。
10 ヒートポンプ回路
11 圧縮機
12 凝縮器
12A 凝縮器
12B 過冷却器
13 膨張弁(冷媒流量調整手段)
14 蒸発器
17 吸込温度センサ
18 蒸気圧力センサ
21 給水ポンプ(給水流量調整手段、通水モード切替手段)
24 第1給水温度センサ(熱交換器流入前給水温度センサ、給水温度センサ)
25 三方弁(予熱モード切替手段)
26 第2給水温度センサ(給水温度センサ)
27 出湯温度センサ
31 還流ポンプ(給水流量調整手段、通水モード切替手段)
40 熱回収用熱交換器
50 熱源水タンク
53 熱源供給ポンプ
54 第1熱源温度センサ(熱交換器流入前熱源温度センサ、熱源温度センサ)
55 第2熱源温度センサ(熱源温度センサ)
60 温水タンク
61 温水温度センサ
62 水位検出部
63 温水供給ポンプ
70 補給水タンク
100 制御部
111 目標過熱度設定部
112 過熱度算出部
113 冷媒流量制御部
121 目標出湯温度設定可能範囲決定部
122 目標出湯温度設定部
123 給水流量制御部
130 通水モード切替制御部
140 予熱モード切替制御部
150 信号入力部
151 第1信号入力部
152 第2信号入力部
L1 給水ライン
L2 還流ライン
L3 バイパスライン
L4 温水供給ライン
L5 熱源流体ライン
L9 冷媒循環ライン
R 冷媒(ガス冷媒、液冷媒)
W 補給水
W1 給水
W2 温水
W5 熱源水(熱源流体)
Claims (5)
- 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が冷媒循環ラインにより環状に接続され、前記圧縮機の駆動により前記凝縮器で温熱を取り出す蒸気圧縮式のヒートポンプ回路と、
熱回収用熱交換器と、
前記熱回収用熱交換器および前記蒸発器に熱源流体を流通させる熱源流体ラインと、
前記熱回収用熱交換器および前記凝縮器の順に給水を流通させる給水ラインと、
前記凝縮器で生成された温水を貯留する温水タンクと、
前記温水タンク内の温水を前記熱回収用熱交換器よりも上流側に還流させる還流ラインと、
前記給水ラインに配置された給水ポンプと、
前記還流ラインに配置された還流ポンプと、
前記熱源流体ラインに配置された熱源供給ポンプと、
前記温水タンク内の温水の温度を検知する温水温度センサと、
前記温水タンク内の水位を検出する水位検出器と、
前記還流ラインに温水を流通させずに前記凝縮器に通水する一過通水モードと、前記還流ラインに温水を流通させながら前記凝縮器に通水する循環通水モードと、前記凝縮器への通水を停止する通水停止モードと、を切り替えて実行させる制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記通水停止モードの実行中、前記水位検出器の検出水位が第1設定水位を下回っている場合には、前記一過通水モードに移行させ、
前記一過通水モードの実行中、前記水位検出器の検出水位が前記第1設定水位よりも上位の第2設定水位を上回っている場合には、前記通水停止モードに移行させ、
前記通水停止モードの実行中、前記温水温度センサの検知温度が第1設定温度を下回っている場合には、前記循環通水モードに移行させ、
前記循環通水モードの実行中、前記温水温度センサの検知温度が前記第1設定温度よりも上位の第2設定温度を上回っている場合には、前記通水停止モードに移行させ、
前記循環通水モードの実行中、前記水位検出器の検出水位が前記第1設定水位を下回っている場合には、前記一過通水モードに移行させ、
前記一過通水モードにおいては、前記還流ポンプの駆動を停止する一方、前記給水ポンプ、前記熱源供給ポンプおよび前記圧縮機を駆動し、
前記循環通水モードにおいては、前記給水ポンプの駆動を停止する一方、前記還流ポンプ、前記熱源供給ポンプおよび前記圧縮機を駆動し、
前記通水停止モードにおいては、前記給水ポンプ、前記還流ポンプ、前記熱源供給ポンプおよび前記圧縮機の駆動を停止する給水加温システム。 - 前記熱回収用熱交換器に対して給水をバイパス、および/または、前記熱回収用熱交換器に対して熱源流体をバイパスさせる1本ないし2本のバイパスラインと、
前記バイパスラインに対して配置される1つの三方弁、または前記バイパスラインおよび前記バイパスラインが接続されるラインのそれぞれに配置される2つの二方弁と、
前記熱回収用熱交換器に流入させる前の給水の温度を検知する熱交換器流入前給水温度センサと、
前記熱回収用熱交換器に流入させる前の熱源流体の温度を検知する熱交換器流入前熱源温度センサと、を備え、
前記制御手段は、少なくとも前記循環通水モードのときに、給水および熱源流体を同時に前記熱回収用熱交換器に流通させる給水予熱モードと、給水および熱源流体の少なくとも一方を前記バイパスラインに流通させる予熱停止モードと、を切り替えて実行させ、
前記熱交換器流入前給水温度センサによる第1検知温度と、前記熱交換器流入前熱源温度センサによる第2検知温度と、を比較し、
前記第1検知温度が前記第2検知温度を下回っている場合には、前記給水予熱モードを実行させるように前記三方弁または前記二方弁を制御し、
前記第1検知温度が前記第2検知温度を上回っている場合には、前記予熱停止モードを実行させるように前記三方弁または前記二方弁を制御する、請求項1に記載の給水加温システム。 - 前記熱源流体ラインは、前記熱回収用熱交換器および前記蒸発器の順に熱源流体を流通させる接続構成である、請求項1または請求項2に記載の給水加温システム。
- 前記制御手段は、
前記一過通水モード、前記循環通水モード、前記通水停止モードのいずれかを指定する通水モード指定信号を受け付ける第1信号入力部と、
前記第1信号入力部に入力された前記通水モード指定信号に従い、前記一過通水モード、前記循環通水モードまたは前記通水停止モードを実行させるように制御する通水モード切替制御部と、を有し、
前記通水モード切替制御部は、前記循環通水モードまたは前記通水停止モードの実行時に、前記還流ラインの合流箇所に対する新たな水供給を停止する、請求項1~3のいずれか1項に記載の給水加温システム。 - 前記制御手段は、
前記給水予熱モード、前記予熱停止モードのいずれかを指定する予熱モード指定信号を受け付ける第2信号入力部と、
前記第2信号入力部に入力された前記予熱モード指定信号に従い、前記給水予熱モードまたは前記予熱停止モードを実行させるように制御する予熱モード切替制御部と、を有する、請求項2に記載の給水加温システム。
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