JPWO2018163347A1 - 地熱ヒートポンプ装置 - Google Patents
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Abstract
地熱ヒートポンプ装置は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、及び地中に埋設された地中熱交換器からの熱媒体が循環接続された冷媒ブライン熱交換器が順次接続された冷媒回路を有したヒートポンプ熱源ユニットと、水冷媒熱交換器にて加熱された温水を暖房空調や給湯に循環供給する温水暖房ユニットと、地中熱交換器の情報から算出した単位必要蒸発能力と、冷媒ブライン熱交換器へ循環する熱媒体の出入り口温度と循環流量から算出した単位実蒸発能力との比較から設定される採熱の限界値を基に圧縮機の運転周波数上限値を制御する制御装置とを備えたものである。
Description
この発明は、地盤を熱源として、地中熱交換器に熱媒体を循環させてヒートポンプにより採熱し、負荷側に温水を供給する地熱ヒートポンプ装置に関する。
地盤や湖を熱源として、地中熱交換器に熱媒体を循環させてヒートポンプにより採放熱し、負荷側に暖房用または生活用温水を供給する地熱ヒートポンプシステムは、再生可能エネルギーを利用した機器であり、特に１年通して温度が安定している地中熱を利用するため、高効率、低ランニングコスト、ＣＯ２排出量削減可能な機器とされ、近年注目が高まってきている。
地熱ヒートポンプシステムを１年中使い続けるためには、夏場に地盤に熱を貯えさせ、貯えた熱を冬場に有効に使う必要がある。貯えた熱は有限であるため、冬場に過剰な暖房運転をさせた場合、熱の消費量が大きくなり、冬が終わる前に、貯えた熱を消費してしまい、暖房運転ができなくなり、最終的には地盤に埋没されている採熱用の地中熱交換器を凍結破壊させてしまう可能性がある。そのため、温度センサで熱媒体水の出口温度を測定可能とし、熱媒体水の出口温度から地中温度を算出し、地中熱交換器による採放熱の限界値を設定可能としている。また、この設定された限界値を超えないようにヒートポンプの運転を停止または抑制可能としている（例えば、特許文献１参照）。
また、限界値の設定方法としては、温度センサで熱媒体水の出口温度を測定し、プログラムや予め入力されたデータが組み込まれた制御装置によって、熱媒体水の出口温度から地中温度を算出して、採放熱の限界値を設定している。さらに、前年の地中温度も基にして限界値を決めている。そして、運転状況と地盤熱特性を随時把握して、それに基づいて運転、性能予測を行い、システムの運転時間や採放熱量を調整する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら、従来の上述のシステムでは、その装置が使用されている場所や気候などの環境条件や多種多様な地盤と地中熱交換器に対応するためには、膨大なプログラムや多数のデータが必要であり、複雑な制御装置が要求されることになる。そして、適切な制御ができない場合は、地中熱交換器の凍結破壊や暖まらないという不暖クレームを引き起こす原因にもなるといった問題があった。
この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、地熱ヒートポンプ装置から得られる検出データやその仕様などを用いて簡易的な方法で地中からの採熱の限界値を設定し、地中熱交換器の凍結破壊を発生させることなく、ユーザーの要求を満足させて快適な空調給湯を提供することを目的とするものである。
この発明に係る地熱ヒートポンプ装置は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、及び地中に埋設された地中熱交換器からの熱媒体が循環接続された冷媒ブライン熱交換器が順次接続された冷媒回路を有したヒートポンプ熱源ユニットと、水冷媒熱交換器にて加熱された温水を暖房空調や給湯に循環供給する温水暖房ユニットと、地中熱交換器の情報から算出した単位必要蒸発能力と、冷媒ブライン熱交換器へ循環する熱媒体の出入り口温度と循環流量から算出した単位実蒸発能力との比較から設定される採熱の限界値を基に圧縮機の運転周波数上限値を制御する制御装置とを備えたものである。
この発明の地熱ヒートポンプ装置は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、及び地中に埋設された地中熱交換器からの熱媒体が循環接続された冷媒ブライン熱交換器が順次接続された冷媒回路を有したヒートポンプ熱源ユニットと、水冷媒熱交換器にて加熱された温水を暖房空調や給湯に循環供給する温水暖房ユニットと、地中熱交換器の情報から算出した単位必要蒸発能力と、冷媒ブライン熱交換器へ循環する熱媒体の出入り口温度と循環流量から算出した単位実蒸発能力との比較から設定される採熱の限界値を基に圧縮機の運転周波数上限値を制御する制御装置とを備えたので、簡易的な方法で地中からの採熱の限界値を設定し、地中熱交換器の凍結破壊を発生させることなく、ユーザーの要求を満足させて快適な空調給湯を提供できるという効果を奏する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る地熱ヒートポンプ装置の概略構成を示す回路図であり、図２は熱ヒートポンプ装置の制御装置の電気的な構成を示すブロック図である。図１及び図２に基づいて全体構成を説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る地熱ヒートポンプ装置の概略構成を示す回路図であり、図２は熱ヒートポンプ装置の制御装置の電気的な構成を示すブロック図である。図１及び図２に基づいて全体構成を説明する。
図１の地熱ヒートポンプ装置１５は、地中熱交換器に熱媒体を循環させてヒートポンプにより採熱し、負荷側に暖房用または生活用温水を供給する地熱利用のヒートポンプ式給湯システムである。冷媒回路を用いたヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）の運転を行うヒートポンプ熱源ユニット２２と、暖房用温水を室内に供給する機能と湯水を貯留する貯湯タンク１２等の機器を搭載している温水暖房ユニット２３とで構成されている。そして、地中に埋没されている地中熱交換器１８または１９がヒートポンプ熱源ユニット２２に接続されており、熱媒体を循環させてヒートポンプにより採熱されている。
本発明の地熱ヒートポンプ装置１５は、ヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）運転を行うヒートポンプ熱源ユニット２２の冷媒回路内の冷媒と地中熱交換器による循環回路の熱媒体（たとえばブラインなど）とで熱交換を行い、ヒートポンプ熱源ユニット２２の冷媒回路内の冷媒と温水暖房ユニット２３に接続された水回路内の水との間で熱交換を行い、この水を循環させることによって、暖房用途の温水を室内へ供給して暖房運転を行い、さらには貯湯タンク１２内に貯留された水を加熱して給湯運転を行うことのできるヒートポンプ式空調給湯システムである。
ここで、地中熱交換器１８、１９について説明する。採熱方式には２種類の形態があり、地中に１００ｍ〜１５０ｍの縦穴のボーリングを実施し、熱交換用のパイプを入れるボアホール方式と、浅層（１ｍ〜２．５ｍ）の地中に熱交換用のチューブを水平に埋没し採熱する水平ループ方式がある。図１において、ボアホール方式を示すのが地中熱交換器１８であり、水平ループ方式を示すのが地中熱交換器１９として示す。
また、ヒートポンプ熱源ユニット２２の冷凍サイクルで用いる冷媒は、例えば、ＨＦＯ−１２３４ｙｆなどのＨＦＯ単体冷媒、又はＨＦＯ冷媒とＲ３２などのＨＦＣ冷媒との混合冷媒、もしくは炭化水素やヘリウム、二酸化炭素等のような自然冷媒などである。
ヒートポンプ熱源ユニット２２には、地中側熱媒体と冷媒との熱交換を行う冷媒ブライン熱交換器（たとえばプレート熱交換器）４、温水暖房側の水と冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器（たとえばプレート熱交換器）２、冷媒を圧縮する圧縮機１、膨張弁３等の冷媒回路の構成機器が搭載されている。
また、ヒートポンプ熱源ユニット２２には、地中熱交換器１８、１９に熱媒体を循環させる採熱用ポンプ５、採熱用の熱媒体の流量を検出する採熱用流量センサ６、採熱の制御用保護用に採熱戻りセンサ７や採熱往きセンサ８が搭載されている。
温水暖房ユニット２３には、貯湯タンク１２のほかに、水冷媒熱交換器（たとえばプレート熱交換器）２にて冷媒回路内の冷媒と熱交換を行った水回路内の水を循環させるポンプ９と、暖房時に水冷媒熱交換器２にて加熱された後の温水を更に補助的に加熱可能な電気ヒータ１０と、水冷媒熱交換器２にて熱交換した水の循環先を切り替える流路切替え手段としての三方弁２１、水流量検出用の温水循環用流量センサ１４、全体の運転制御を行う制御装置１６、ユーザーが設定操作可能なリモートコントローラ１７、暖房運転や給湯運転の制御用保護用に用いられる水温センサ１１や１３が搭載されている。
図１中、矢印の向きは暖房時の冷媒の流れる方向、水の流れる方向、地中の中を熱媒体が流れる方向をそれぞれ表している。
この温水暖房ユニット２３での暖房運転時、あるいは貯湯タンク１２内に貯留された水を加熱する給湯運転時には、ヒートポンプ熱源ユニット２２の中で、図１中の矢印方向に圧縮機１から冷媒が吐出され、水冷媒熱交換器２にて冷媒により水が加熱されて温水（湯）が生成される。その後、冷媒は、膨張弁３で減圧され、冷媒ブライン熱交換器４にて地中に埋没されている地中熱交換器１８や１９に循環されている熱媒体と熱交換し、冷媒は過熱され圧縮機に戻り、再圧縮され吐出される。暖房運転中はこの運転サイクルを継続する。
ヒートポンプ熱源ユニット２２から得られた温水は、電気ヒータ１０を経由して、三方弁２１に至る。三方弁２１は、温水の循環先を室内側の空調放熱器への送水路と、貯湯タンク１２側に切り替え可能になっている。三方弁２１を室内側に切り替えて温水を室内放熱器に循環させることにより、暖房を行うことができる。また、三方弁２１をタンク１２側に切り替えて温水をタンク内に循環させることにより、貯湯タンク１２に貯留された水を加熱することができる。室内または貯湯タンク１２を通過して温度低下した水は、温水循環用ポンプ９を経由して水冷媒熱交換器２に戻り、再び循環する。
貯湯タンク１２は、略円筒形状をなしており、少なくともその外郭は例えばステンレス鋼等の金属材料で構成されている。貯湯タンク１２の下部には、システム外部の水道等から水を供給する給水配管が接続されている。給水配管から供給される水は、貯湯タンク１２内に流入して貯留される。上述した加熱運転を行うことにより、貯湯タンク１２内に貯留された水が加熱され、温水が生成される。貯湯タンク１２内では、上側が高温で下側が低温となるように温度成層が形成されて湯水が貯留される。貯湯タンク１２の上部には、貯湯タンク１２内に生成した温水を取り出すための出湯配管が接続されている。貯湯タンク１２内に生成した温水は、出湯配管を通って地熱ヒートポンプシステム１２外部に供給され、生活用水等として利用される。貯湯タンク１２は、貯留した温水の放熱を抑制するため、断熱材により覆われている。
次に、ヒートポンプ熱源ユニット２２について説明する。圧縮機１はインバータにより回転数が制御され容量制御を可能とするタイプであり、冷媒を吸入、圧縮して高温高圧状態とするものである。膨張弁３は開度が可変に制御される電子膨張弁である。水冷媒熱交換器２は温水循環用ポンプ９などで水と冷媒を熱交換する。冷媒ブライン熱交換器４は採熱用ポンプ５などで地中熱交換器１８、１９の中をながれている熱媒体と冷媒を熱交換する。
図２は本発明の実施の形態１に係る制御ブロック図である。
図２には、本実施の形態１の地熱ヒートポンプ装置１５の各種の計測制御を行う制御装置１６及びこれに接続される運転情報、アクチュエータ類の接続構成を示している。
図２には、本実施の形態１の地熱ヒートポンプ装置１５の各種の計測制御を行う制御装置１６及びこれに接続される運転情報、アクチュエータ類の接続構成を示している。
この地熱ヒートポンプ装置１５の制御装置１６は、温度センサ７、８、１１、１３の計測情報や、地熱ヒートポンプ装置１５の使用者から指示設定される運転内容に基づいて、ヒートポンプ熱源ユニット２２の圧縮機１の運転周波数、膨張弁３の開度などを制御する。
このヒートポンプ熱源ユニット２２の運転動作について説明する。暖房給湯運転時には、ヒートポンプサイクルの冷媒回路において、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は水冷媒熱交換器２に流入する。そして、凝縮器となる水冷媒熱交換器２で放熱しながら凝縮液化し高圧低温の液冷媒となる。冷媒から放熱された熱を負荷側の水に与えることで水を温める。水冷媒熱交換器２を出た高圧低温の冷媒は、その後蒸発器となる冷媒ブライン熱交換器４に流入し、そこで吸熱蒸発し、ガス化される。その後、圧縮機１に吸入され循環する。
地熱ヒートポンプ装置を多種多様な地盤や地中熱交換器に対応させて１年中使い続け、夏場に貯えた地中熱を冬が終わる前に使い切らないようにするため、この地熱ヒートポン装置１５では、この装置本体を現地に据え付ける際に、施工据付工事者が、利用側の設定負荷から見積もった必要暖房能力と、地中熱交換器１８、１９または地盤側の条件等の情報をリモートコントローラ１７から入力し設定登録する。例えば、地中熱交換１８、１９では、ボアホール方式の場合には縦穴の全長長さ、水平ループ方式の場合にはチューブ埋没面積などのデータを入力する。また、使用する地中熱交換器が有する予め設計されて見積もられた総採熱量の情報もリモートコントローラ１７を介して入力する。
本発明の地熱ヒートポンプ装置では、地熱ヒートポンプシステムを１年中使い続けるために、冬場の過剰な暖房運転により貯えた熱を冬が終わる前に使いきってしまい採熱用の地中熱交換器を凍結破壊させることが発生しないように、制御装置１６により、検出した各温度データを用いた演算から算出する採熱の限界値を設定。この設定された限界値を超えないようにヒートポンプの運転を停止または抑制するものである。
つまり、入力された地盤側の情報と必要能力情報をもとに、制御装置１６が採熱の限界値を設定し、圧縮機の運転周波数の上限を制御する。この制御について、図３の制御の流れを示すフローチャートと共に、以下に説明をする。
先ず、リモートコントローラ１７から入力された地盤側の情報、例えばボアホール方式の場合には縦穴の全長Ｄｉｎｐｕｔと、必要暖房能力Ｑ１ｒｅｑｕｉｒｅｄ（ステップＳ１）とからヒートポンプサイクルにおける圧縮機入力Ｗｃｏｍｐを差し引いて必要蒸発器能力Ｑ２ｒｅｑｕｉｒｅｄを算出する。この必要蒸発器能力Ｑ２ｒｅｑｕｉｒｅｄと地中熱交換器１８に関わり埋設するための縦穴の全長長さＤｉｍｐｕｔから、単位長さあたりの単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄを算出する（ステップＳ２）。
次に、実際に流れる熱媒体の流量と冷媒ブライン熱交換器の出入り口温度差から、実蒸発能力Ｑａｃｕｔｕａｌを算出する。実際に流れる熱媒体の流量は採熱用流量センサ６で測定し、冷媒ブライン熱交換器の出入り口温度差は採熱戻りセンサ７と採熱往きセンサ８の測定値から算出する。
この算出した実蒸発能力Ｑａｃｕｔｕａｌから、実際に使用する採熱用の地中熱交換器１８の実縦穴の全長長さＤａｃｔｕａｌで割り出して、単位長さあたりの単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌを算出する。ここで、実縦穴の全長長さＤａｃｔｕａｌを算出するには、実際に流れる熱媒体の流量と冷媒ブライン熱交換器の入口から出口に到達するまでにかかる時間から算出する。実際に流れる熱媒体の流量は採熱用流量センサ６で測定し、冷媒ブライン熱交換器の入口から出口に到達するまでにかかる時間は制御装置１６で測定する（ステップＳ３）。
そして、制御装置１６において、これまでに算出された、単位長さあたりの単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄ及び単位長さあたりの単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌを比較する（ステップＳ４）。
この比較から、予め設定された単位長さあたりの単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄが、実際の採熱運転における単位長さあたりの単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌよりも小さい場合は、算出された単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄを地中からの採熱の限界値と設定して、ヒートポンプ冷凍サイクルの圧縮機運転に利用する（ステップＳ５）。これにより、地熱ヒートポンプ装置１５のヒートポンプ熱源ユニット２２を１年中運転し続けることができ（夏場に貯えた地中熱を冬が終わる前に使い切らない）、電気ヒータを使わないので、省エネ性が高いという効果が得られる。
一方、単位長さあたりの単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄが、単位長さあたりの単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌよりも大きい場合、この算出された単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌをヒートポンプ装置運転での採熱の限界値と設定し（ステップＳ６）、単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄと算出された単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌの差分を電気ヒータ１０による暖房運転とするように、制御装置１６で運転切り替えるように制御する。
単位長さあたりの単位必要蒸発能力ＱＤｒｅｑｕｉｒｅｄが単位長さあたりの単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌよりも大きい場合には、この算出された単位実蒸発能力ＱＤａｃｕｔｕａｌをヒートポンプ装置運転での採熱の限界値と設定し、その差分を補助的に加熱可能な電気ヒータ１０による付加加熱で補う暖房運転とするように運転制御するが、可能な限りヒートポンプ装置で運転させるために、採熱の累積限界値と累積蒸発能力と地中熱交換器を循環している熱媒体の温度で圧縮機の運転周波数上限値に制限を加えていく。
図４に示すように、単位実蒸発能力からこれまでの運転時間や熱媒体の流量から累積算出される累積蒸発能力に基づく採熱の累積限界値と地中熱交換器を循環している熱媒体の温度から圧縮機の運転周波数上限値を制限させる。図４において、縦軸に採熱累積限界値、横軸に圧縮機運転周波数上限値とする。採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差を随時算出し、その差の１／２、かつ地中熱交換器を循環している熱媒体の温度の冷媒ブライン熱交換器４に流入する温度が所定温度Ｔ１を下回った場合、圧縮機運転周波数上限値を制限していく。図４に示すように、採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差が小さくなるにつれて、圧縮機運転周波数上限値が制限され、低下していく。ここで、所定温度Ｔ１はブライン熱媒体の凍結開始温度よりもαｄｅｇ高い温度であり、ブラインの特性による値であり、例えばプロピレングリコールではα＝０℃である。
つまり、採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差の１／２に到達しても、冷媒ブライン熱交換器４に流入する温度がＴ１℃以上である場合は、運転周波数上限値は制限せずに運転をそのまま継続する。
そして、採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差が０に到達した場合、ヒートポンプ熱源ユニット２２での運転を止め、完全に電気ヒータ１０による運転に切り替える。このように採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差が０に到達した場合には電気ヒータ１０による運転に切り替わり暖房運転に対応するが、省エネ性が悪くなってしまうため、次の冬には、採熱の累積限界値と累積蒸発能力の差の１／２かつ冷媒ブライン熱交換器４に流入する温度が（Ｔ１＋１）℃を下回った場合、圧縮機運転周波数上限値を制限していくように学習制御を行うことで、ヒートポンプによる暖房運転ができる期間を長くすることができる。
このように年々学習制御を行うことによって最適化し、ヒートポンプで運転できる期間を長くし、かつ地熱ヒートポンプ装置を多種多様な地盤と地中水熱交換器の上で１年中使い続けるために、夏場に貯えた地中熱を冬が終わる前に使い切らないように、運転制御していくことが可能となり、地熱ヒートポンプ装置から得られる検出データやその仕様などを用いて簡易的な方法で地中からの採熱の限界値を設定し、地中熱交換器の凍結破壊を発生させることなく、ユーザーの要求を満足させて快適な空調給湯を提供できる効果がある。
１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 冷媒ブライン熱交換器
５ 採熱用ポンプ
６ 採熱用流量センサ
７ 採熱戻りセンサ
８ 採熱往きセンサ
９ 温水循環用ポンプ
１０ 電気ヒータ
１１ 温水循環用往き水温センサ
１２ 貯湯タンク
１３ 温水循環用戻り水温センサ
１４ 温水循環用流量センサ
１５ 地熱ヒートポンプ装置
１６ 制御装置
１７ リモートコントローラ
１８ 地中熱交換器（ボアホール方式）
１９ 地中熱交換器（水平ループ方式）
２０ 貯湯タンク用センサ
２１ 三方弁
２２ ヒートポンプ熱源ユニット
２３ 温水暖房ユニット
２ 水冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 冷媒ブライン熱交換器
５ 採熱用ポンプ
６ 採熱用流量センサ
７ 採熱戻りセンサ
８ 採熱往きセンサ
９ 温水循環用ポンプ
１０ 電気ヒータ
１１ 温水循環用往き水温センサ
１２ 貯湯タンク
１３ 温水循環用戻り水温センサ
１４ 温水循環用流量センサ
１５ 地熱ヒートポンプ装置
１６ 制御装置
１７ リモートコントローラ
１８ 地中熱交換器（ボアホール方式）
１９ 地中熱交換器（水平ループ方式）
２０ 貯湯タンク用センサ
２１ 三方弁
２２ ヒートポンプ熱源ユニット
２３ 温水暖房ユニット
Claims (5)
- 圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、及び地中に埋設された地中熱交換器からの熱媒体が循環接続された冷媒ブライン熱交換器が順次接続された冷媒回路を有したヒートポンプ熱源ユニットと、前記水冷媒熱交換器にて加熱された温水を暖房空調や給湯に循環供給する温水暖房ユニットと、前記地中熱交換器の情報から算出した単位必要蒸発能力と、前記冷媒ブライン熱交換器へ循環する熱媒体の出入り口温度と循環流量から算出した単位実蒸発能力との比較から設定される採熱の限界値を基に前記圧縮機の運転周波数上限値を制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする地熱ヒートポンプ装置。
- 前記地中熱交換器と前記冷媒ブライン熱交換器との間に循環する熱媒体の流量を測定する採熱用流量センサを備え、前記採熱用流量センサにより検出された循環流量を用いて前記単位実蒸発能力を算出することを特徴とする請求項１記載の地熱ヒートポンプ装置。
- 前記制御装置に接続されたリモートコントローラを有し、地中に埋設された前記地中熱交換器の配管長さと予め設定された必要暖房能力は前記リモートコントローラを介して登録されることを特徴とする請求項１または２記載の地熱ヒートポンプ装置。
- 前記単位必要蒸発能力が前記単位実蒸発能力より小さい場合は、前記単位必要蒸発能力から地中採熱の上限値を設定し、前記単位必要蒸発能力が前記単位実蒸発能力より大きい場合は、前記単位実蒸発能力から地中採熱の上限値を設定するとともに、差分の不足熱量を前記温水暖房ユニットの温水回路に設けた電気ヒータによる追加加熱の運転制御を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の地熱ヒートポンプ装置。
- 前記単位実蒸発能力からこれまでに採熱した累積蒸発能力と採熱累積限界値との差を用いて、前記圧縮機の運転周波数上限値に制限をかけることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の地熱ヒートポンプ装置。
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