JP7465232B2 - ハイブリッド用ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Description
本実施形態のハイブリッド温水暖房システム1全体の回路構成を図1に示す。図1に示すように、前記ハイブリッド温水暖房システム1は、熱交換ユニット4Aと、ガス暖房給湯器ユニット4Bと、ヒートポンプユニット5と、を備えている。このハイブリッド温水暖房システム1には、熱交換端末36(負荷端末に相当)に循環液L(例えば、水や不凍液)を循環させる、負荷側回路としての端末循環回路30と、前記熱交換ユニット4A及び前記ガス暖房給湯器ユニット4Bに備えられ、ガス加熱による熱源(後述)を利用して前記熱交換端末36側の前記循環液Lを加熱可能な温水循環回路40と、前記ヒートポンプユニット5に備えられ、外気(第1熱源に相当)を利用して前記熱交換端末36側の前記循環液Lを加熱又は冷却可能な冷媒循環回路50(ヒートポンプ回路に相当)と、が設けられている。
前記温水循環回路40は、出力可変のガス加熱器(いわゆるバーナー。第2熱源に相当)43と、第2負荷側熱交換器としての第1熱交換器41と、暖房熱交換器45と、温水循環ポンプ44と、が、温水配管42によって環状に接続されている。
前記冷媒循環回路50は、能力可変の圧縮機53と、第1負荷側熱交換器としての第2熱交換器51と、減圧器としての膨張弁54と、外気と熱交換可能に構成された熱源側熱交換器としての空気熱交換器55とが、冷媒配管52によって環状に接続されている。この冷媒配管52には、前記冷媒循環回路50における冷媒C2(後述の図2、図4等参照)の流れ方向を切り換える切換弁としての四方弁58が設けられている。また前記空気熱交換器55には、送風ファン56が設けられている。
前記端末循環回路30は、前記第1熱交換器41と、前記第2熱交換器51と、少なくとも1つの熱交換端末36とが、循環液配管としての負荷配管31によって上流側から順に環状に接続されている。
なお、前記端末循環回路30と、前記ヒートポンプユニット5と、熱交換端末36とが、ハイブリッド用ヒートポンプ装置に相当している。
ここで、前記ハイブリッド温水暖房システム1は、前記四方弁58の切替によって暖房運転を行う暖房装置、若しくは、冷房運転を行う冷房装置として選択的に機能させることができる。特に暖房運転の場合は、前記冷媒循環回路50を介した外気による第1熱源の利用のみにより前記循環液Lの加熱を行う暖房運転(以下適宜、「HP単独暖房運転」という)と、前記温水循環回路40を介したガス加熱による第2熱源の利用のみにより前記循環液Lの加熱を行う暖房運転(以下適宜、「ガス単独暖房運転」という)と、前記冷媒循環回路50を介した外気による第1熱源の利用と前記温水循環回路40を介したガス加熱による第2熱源の利用との両方により前記循環液Lの加熱を行う暖房運転(以下適宜、「HP・ガス暖房運転」という)と、の3つを選択的に実行することができる。
図2に、HP単独暖房運転時の状態を示す。なお、図示の煩雑を防止するために、図1に示していた各種の信号線は省略している。この図2に示すHP単独暖房運転時においては、前記冷媒循環回路50では、図示のように前記四方弁58が切り替えられることで、前記圧縮機53から吐出された前記冷媒C2を、前記第2熱交換器51、前記膨張弁54、前記空気熱交換器55の順に流通させた後、前記圧縮機53に戻す流路を形成する。これにより、低温・低圧で吸入されたガス状態の前記冷媒C2が前記圧縮機53で圧縮されて高温・高圧のガスとなった後、凝縮器として機能する前記第2熱交換器51において前記端末循環回路30を流れる前記循環液Lと熱交換を行って前記循環液Lを加熱しながら高圧の液体に変化する。こうして液体となった前記冷媒C2は前記膨張弁54において減圧されて低圧の液体となって蒸発しやすい状態となり、蒸発器として機能する前記空気熱交換器55において、前記送風ファン56の作動により送られる空気との熱交換を行って蒸発してガスに変化することで吸熱した後、低温・低圧のガスとして再び前記圧縮機53へと戻る。
図3に、ガス単独暖房運転時の状態を示す。前述と同様、図1に示していた各種の信号線は省略している。この図3に示すガス単独暖房運転時においては、前記温水循環ポンプ44により前記暖房熱交換器45に流入した前記温水C1が、前記暖房熱交換器45において前記ガス加熱器43の火力により加熱され、高温となる。その後、高温となっている前記温水C1は、前記第1熱交換器41において前記端末循環回路30を流れる前記循環液Lと熱交換を行って前記循環液Lを加熱して温度降下した後、再び前記暖房熱交換器45へと戻る。
図4に、HP・ガス暖房運転時の状態を示す。前述と同様、図1に示していた各種の信号線は省略している。この図4に示すHP・ガス暖房運転時においては、図2を用いて前述した前記冷媒循環回路50における前記空気熱交換器55による前記冷媒C2の加熱と、図3を用いて前述した前記温水循環回路40における前記ガス加熱器43による前記温水C1の加熱と、の両方が行われる。
次に、本実施形態における前記熱交換ユニット制御装置61、前記ボイラー制御装置63、及び前記ヒートポンプ制御装置62について説明する。前記熱交換ユニット制御装置61、前記ボイラー制御装置63、及び前記ヒートポンプ制御装置62は、詳細な図示を省略するが、各種のデータやプログラムを記憶する記憶部と、演算・制御処理を行う制御部とを備えている。これら前記熱交換ユニット制御装置61、前記ボイラー制御装置63、及び前記ヒートポンプ制御装置62の機能的構成を図5、図6、及び図7により説明する。なお、以下の図5、図6、及び図7においては、前述のように互いに送受信可能である前記熱交換ユニット制御装置61、前記ボイラー制御装置63、前記ヒートポンプ制御装置62同士の信号送受信、及び、各制御装置を介した信号送受信については、適宜図示を省略し、実質的に後述の各制御部に入出力される信号を示している。
図5に示すように、前記ヒートポンプ制御装置62は、圧縮機制御部62Aと、膨張弁制御部62Bと、ポンプ制御部62Cと、ファン制御部62Dと、四方弁制御部62Eと、を機能的に備えている。
図6に示すように、前記熱交換ユニット制御装置61は、運転制御部61Aと、加熱制御部61Bと、ポンプ制御部61Cと、を機能的に備えている。
図7に示すように、前記ボイラー制御装置63は、例えば前記加熱制御部61Bからの加熱制御信号、前記ポンプ制御部61Cからの回転制御信号、及び、前記ボイラー往き温度センサ42aによって検出された前記温水C1の往き温度、等に基づき、前記温水循環ポンプ44の回転数及び前記ガス加熱器43の出力を制御する。
以上の構成を有するハイブリッド温水暖房システム1では、上記のように、HP単独暖房運転、及び、HP・ガス暖房運転が可能であり、これらの暖房運転時のいずれにおいても、前記冷媒循環回路50を有するヒートポンプユニット5では、前述のように、基本的に、前記第2往き温度センサ35により検出された前記循環液Lの温度Tが目標温度となるように前記圧縮機53の回転数が制御され、前記冷媒吐出温度センサ52aにより検出される冷媒温度が目標温度となるように前記膨張弁54の弁開度が制御されている。そして、HP単独暖房運転のみで前記循環液Lの加熱が不十分になる場合には、前記熱交換ユニット制御装置61から前記ボイラー制御装置63にON信号が発信されて、HP・ガス暖房運転へと切り替わるようになっている。
図8は、上記比較例における各種温度挙動を表すタイムチャートである。図8において、例えば時間t0においてHP単独暖房運転が開始されることで、前述の制御により、圧縮機53から吐出される冷媒C2の吐出温度(前記実吐出温度。図中では「実温度」と略記。以下同様)はその後の時間t1~t2の間、目標温度(前記目標吐出温度。図中では単に「目標温度」と略記。以下同様)へ向かって徐々に上昇し、これに伴い、膨張弁54の開度も段階的に小さくなる(この例では時間t3まで段階的に小さくされている)。またこれらに対応して循環液Lの温度T(前記循環液温度。図中では「実温度」と略記。以下同様)も、目標温度To(前記目標循環液温度。図中では単に「目標温度」と略記。以下同様)に向かってゆっくりと上昇する。
そこで、上記に対応して、本実施形態のハイブリッド温水暖房システム1では、膨張弁制御部62Bの前記目標吐出温度調整部62Bbによって、前記冷媒C2の前記吐出温度の上昇抑制制御が行われる。この上昇抑制制御は、外気温センサ57により検出された前記外気温Tout、及び、前記温度センサ34,35により検出された前記循環液Lの温度Tと前記目標循環液温度Toとの偏差△T(=To-T)、のうち少なくとも一方に応じて、前記目標吐出温度を可変に低下させる制御である。特にこの例では、前記目標吐出温度調整部62Bbは、外気温センサ57により検出された前記外気温Tout、及び、前記第2往き温度センサ35により検出された前記循環液Lの温度Tと前記目標循環液温度Toとの偏差△Tに応じて、前記目標吐出温度を可変に低下させる。
すなわち、外気温Toutが上昇挙動にある場合は、外気温Tout<9℃の範囲が温度範囲(3)に区分され、9℃≦外気温Tout<15℃の範囲が温度範囲(2)に区分され、15℃≦外気温Toutの範囲が温度範囲(1)に区分される。一方、外気温Toutが低下挙動にある場合は、外気温Tout>13℃の範囲が温度範囲(1)に区分され、13℃≧外気温Tout>7℃の範囲が温度範囲(2)に区分され、7℃≧外気温Toutの範囲が温度範囲(3)に区分される。
すなわち、偏差△Tが増大挙動にある場合は、偏差△T<13℃の範囲が温度範囲(C)に区分され、13℃≦偏差△T<20℃の範囲が温度範囲(B)に区分され、20℃≦偏差△Tの範囲が温度範囲(A)に区分される。一方、偏差△Tが減少挙動にある場合は、偏差△T>15℃の範囲が温度範囲(A)に区分され、15℃≧偏差△T>10℃の範囲が温度範囲(B)に区分され、10℃≧偏差△Tの範囲が温度範囲(C)に区分される。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は15℃、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は13℃、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は10℃に規定されている。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は5℃、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は3℃、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は0℃に規定されている。
図12は、上述した内容の上昇抑制制御が行われる本実施形態における各種温度挙動を表すタイムチャートであり、上記図8に対応する図である。
以上説明したように、本実施形態によれば、ヒートポンプ制御装置62の膨張弁制御部62Bにおいて、判定部62Bcと目標吐出温度調整部62Bbとが設けられる。前記のように前記ガス加熱器43の受熱を利用して前記循環液Lの加温が開始されると、前記判定部62Bcによりその受熱が行われていると判定され、その判定結果に基づき、前記目標吐出温度調整部62Bbによって前記した冷媒C2の前記吐出温度の上昇抑制制御が行われる。この結果、本実施形態によれば、前記比較例のように冷媒C2の前記実吐出温度が短時間のうちに上昇し前記目標吐出温度を超えてしまうのを防止することができ、安定的な制御を確保することができる。
上記実施形態では、前記抑制制御手段としての前記目標吐出温度調整部62Bbが、外気温センサ57が検出した外気温Tout、及び、戻り温度センサ34や第2往き温度センサ35が検出した循環液Lの温度Tと目標循環液温度Toとの偏差△Tの少なくとも一方に基づき、前記目標吐出温度を可変に低下させたが、この手法に限定されるものではない。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は40パルス相当、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は35パルス相当、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は30パルス相当に規定されている。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は20パルス相当、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は15パルス相当、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は10パルス相当に規定されている。
また、上記の例では、膨張弁54の開き量が可変に開き方向に駆動されているが、前記開き量を一律固定的に設定してもよい。
また、吐出温度が目標吐出温度となるように膨張弁54の開度を閉じ方向に駆動しようとしている場合において、その閉じ量と前記開き量とを差し引きするようにするものも含む。
すなわち、本変形例では、図15に示すように、前記抑制制御手段として、膨張弁制御部62Bにおいて、前記目標吐出温度調整部62Bbに代え、前記圧縮機53の回転数を低下させる圧縮機調整部62Aa(圧縮機調整手段に相当)が設けられる。前記圧縮機調整部62Aaは、前記判定部62Bcにより前記ガス加熱器43から受熱されていると判定された場合に、前記吐出温度の上昇抑制制御として、外気温センサ57により検出された前記外気温Tout、及び、前記温度センサ34,35により検出された前記循環液Lの温度Tと前記目標循環液温度Toとの偏差△T、のうち少なくとも一方に応じて、前記圧縮機53の回転数を可変に低下させる制御を行う。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は10rps、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は8rps、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(B)の場合は5rpsに規定されている。
また、外気温Toutの温度範囲(1)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は5rps、外気温Toutの温度範囲(2)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は3rps、外気温Toutの温度範囲(3)かつ偏差△Tの温度範囲(C)の場合は0rpsに規定されている。
なお、以上においては、前記端末循環回路30において、循環する前記循環液Lの流れに対して前記第2熱交換器51が前記第1熱交換器41よりも上流側に配設されている場合を例にとって説明したが、これに限られず、反対に前記第1熱交換器41が前記第2熱交換器51よりも上流側に配設されてもよい。さらには、前記端末循環回路30において前記第1熱交換器41と前記第2熱交換器51とが並列に接続されてもよい。
30 端末循環回路(負荷側回路)
31 負荷配管(循環液配管)
34 戻り温度センサ(循環液温度検出手段)
35 第2往き温度センサ(循環液温度検出手段)
36 熱交換端末(負荷端末)
41 第1熱交換器(第2負荷側熱交換器)
42 温水配管
43 ガス加熱器(第2熱源)
50 冷媒循環回路(ヒートポンプ回路)
51 第2熱交換器(第1負荷側熱交換器)
52 冷媒配管
52a 冷媒吐出温度センサ(吐出温度検出手段)
53 圧縮機
54 膨張弁(減圧器)
55 空気熱交換器(熱源側熱交換器)
57 外気温センサ(外気温検出手段)
62A 圧縮機制御部(圧縮機制御手段)
62Aa 圧縮機調整部(抑制制御手段、圧縮機調整手段)
62Ba 吐出温度制御部(吐出温度制御手段)
62Bb 目標吐出温度調整部(抑制制御手段、目標吐出温度調整手段)
62Bc 判定部(判定手段)
62Bd 膨張弁調整部(抑制制御手段、減圧器調整手段)
C1 温水
C2 冷媒
L 循環液
T 循環液温度
To 目標循環液温度
Tout 外気温
Claims (5)
- 圧縮機、凝縮器としての第1負荷側熱交換器、減圧器、及び、第1熱源と熱交換可能な蒸発器としての熱源側熱交換器、を冷媒配管で接続してヒートポンプ回路を形成し、
前記第1負荷側熱交換器及び少なくとも1つの負荷端末を、燃焼式の第2熱源から受熱可能な循環液配管で接続して負荷側回路を形成し、
前記ヒートポンプ回路において、前記圧縮機の吐出側から吐出される冷媒の実吐出温度を検出する吐出温度検出手段と、
前記吐出温度検出手段により検出される前記実吐出温度が目標吐出温度となるように、前記減圧器の弁開度を制御する吐出温度制御手段と、
前記負荷側回路における循環液温度を検出する循環液温度検出手段と、
前記循環液温度検出手段が検出した前記循環液温度が目標循環液温度となるように、前記圧縮機の回転数を制御する圧縮機制御手段と、
を設けたハイブリッド用ヒートポンプ装置において、
前記循環液配管における前記第2熱源からの受熱の有無を判定する判定手段と、
前記判定手段により前記第2熱源から受熱されていると判定された場合、前記実吐出温度の上昇抑制制御を行う抑制制御手段と、
を有することを特徴とするハイブリッド用ヒートポンプ装置。 - 外気温を検出する外気温検出手段をさらに有し、
前記抑制制御手段は、
前記判定手段により前記第2熱源から受熱されていると判定された場合に、前記外気温検出手段により検出された前記外気温、及び、前記循環液温度検出手段により検出された前記循環液温度と前記目標循環液温度との偏差、のうち少なくとも一方に応じて、前記目標吐出温度を可変に低下させる目標吐出温度調整手段である
ことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド用ヒートポンプ装置。 - 前記抑制制御手段は、
前記判定手段により前記第2熱源から受熱されていると判定された場合に、前記減圧器の弁開度を開き方向に駆動する減圧器調整手段である
ことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド用ヒートポンプ装置。 - 前記抑制制御手段は、
前記判定手段により前記第2熱源から受熱されていると判定された場合に、前記圧縮機の回転数を低下させる圧縮機調整手段である
ことを特徴とする請求項1記載のハイブリッド用ヒートポンプ装置。 - 前記第2熱源はガス加熱器であり、
前記循環液配管には、前記ガス加熱器から受熱する温水配管に対して熱交換可能な第2負荷側熱交換器が接続されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のハイブリッド用ヒートポンプ装置。
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