KR20110129418A

KR20110129418A - 히트 펌프 시스템

Info

Publication number: KR20110129418A
Application number: KR1020117022097A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 혼다
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤; 다이킨 유럽 엔.브이.
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2011-12-01
Also published as: WO2010098072A1; JP2010196946A; EP2402662A1; CN102326028A; AU2010219255A1; US20110302947A1

Abstract

히트 펌프 시스템(1)은 수계 매체를 환상의 온수 회로의 내부에서 순환시키는 용량 가변형의 순환 펌프(43a)와, 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도가 목표하는 제1 목표 온도 Twls가 되도록 냉매 회로에 있어서의 냉매측 순환량을 제어함과 동시에, 이용측 열교환기(41a)의 출구와 입구의 수계 매체의 매체 온도차 ΔTw가 목표하는 제2 목표 온도차 ΔTws가 되도록 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다.

Description

히트 펌프 시스템{HEAT PUMP SYSTEM}

본 발명은 수계 매체를 순환시키는 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.

종래부터 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2003-314838호 공보)에 기재된 바와 같이, 히트 펌프식의 온수 난방 장치가 알려져 있다. 이 온수 난방 장치는 히트 펌프식의 실외기와, 냉매와 물을 열교환시키는 물 냉매용 열교환기와, 물 냉매용 열교환기와 온수 배관에서 접속된 바닥 난방 패널이나 난방용 열교환기와, 온수 배관의 온수를 순환시키는 순환 펌프를 구비하고 있다.

일본 특허 공개 제2003-314838호 공보

그러나, 이와 같은 종래의 히트 펌프식의 온수 난방 장치에서는 실내를 난방하는 바닥 난방 패널이나 난방용 열교환기 등의 부하가 감소한 경우, 물 냉매 열교환기의 출입구 온도차가 작아져, 바닥 난방 패널이나 난방용 열교환기 등에 공급되는 물이 과도한 온도 상승이 발생하여, 기기의 발진 정지(發停)나 에너지 효율의 악화를 초래하고, 나아가 쾌적성이 손상된다고 하는 문제가 있다.

본 발명의 과제는 운전 부하의 변화에 대응해서 쾌적한 공조를 제공할 수 있는 히트 펌프 시스템을 제공하는 데에 있다.

제1 관점의 히트 펌프 시스템은 냉매 회로와, 이용측 열교환기에 있어서의 수계 매체의 열교환기 입구 온도를 측정하는 입구 온도 센서와, 이용측 열교환기에 있어서의 수계 매체의 열교환기 출구 온도를 측정하는 출구 온도 센서와, 수계 매체를 환상의 온수 회로의 내부에서 순환시키는 용량 가변형의 순환 펌프와, 제어 수단을 구비하고 있다. 냉매 회로는 압축기와, 냉매와 수계 매체 사이에서 열교환을 행하는 이용측 열교환기와, 팽창 밸브와, 열원측 열교환기가 환상으로 접속된 회로이다. 제어 수단은 이용측 열교환기의 출구의 수계 매체의 온도가 목표하는 제1 목표 온도가 되도록 냉매 회로에 있어서의 냉매측 순환량을 제어함과 동시에, 이용측 열교환기의 출구와 입구의 수계 매체의 매체 온도차가 목표하는 제2 목표 온도차가 되도록 순환 펌프의 운전 용량을 제어한다.

즉, 이 히트 펌프 시스템에서는 제1 제어로서, 이용측 열교환기 출구의 수계 매체의 온도가 목표하는 제1 목표 온도가 되도록 냉매 회로에 있어서의 냉매측 순환량을 제어하고, 이용측 열교환기의 출구측의 수온이 소정의 온도로 유지되도록 제어한다. 그와 동시에, 제2 제어로서, 이용측 열교환기의 출구와 입구의 수계 매체의 매체 온도차가 목표하는 제2 목표 온도차가 되도록 순환 펌프의 운전 용량을 제어하고, 출입구의 온도차를 소정의 온도차가 되도록 제어한다. 이에 의해, 이용측 열교환기의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 변화를 확실하게 방지할 수 있다.

제2 관점의 히트 펌프 시스템은 제1 관점의 히트 펌프 시스템이며, 제어 수단은 현 시점의 매체 온도차를 제2 목표 온도차에 접근하도록 PI 제어를 행함으로써, 펌프의 운전 용량을 제어한다.

여기에서는, PI 제어에 의해 현 시점의 매체 온도차를 제2 목표 온도차에 접근해서 편차를 없애도록 온도 제어할 수 있으므로, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

제3 관점의 히트 펌프 시스템은 제1 관점 또는 제2 관점의 히트 펌프 시스템이며, 이용측 열교환기에 있어서의 냉매의 응축에 의해 생성된 온수를 사용하여, 대상 공간의 난방을 행한다.

여기에서는, 이용측 열교환기에 있어서의 냉매의 응축에 의해 생성된 온수를 사용하여, 대상 공간의 난방을 행함으로써, 대상 공간의 실온이 높아지고 이용측 열교환기의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

제4 관점의 히트 펌프 시스템은 제3 관점의 히트 펌프 시스템이며, 제어 수단은 매체 온도차가 제2 목표 온도차보다 작고, 또한, 이용측 열교환기의 출구의 수계 매체의 온도가 제1 목표 온도 이상인 경우에는 펌프의 운전 용량을 감소시키는 제어를 행하고, 한편, 매체 온도차가 제2 목표 온도차보다 큰 경우에는, 펌프의 운전 용량을 증가시키는 제어를 행한다.

여기에서는 매체 온도차가 제2 목표 온도차보다 작고, 또한, 이용측 열교환기의 출구의 수계 매체의 온도가 제1 목표 온도 이상인 경우에는 펌프의 운전 용량을 감소시키는 제어를 행하고, 한편, 매체 온도차가 제2 목표 온도차보다 큰 경우에는, 펌프의 운전 용량을 증가시키는 제어를 행함으로써, 매체 온도차가 제2 목표 온도차보다 작고, 또한, 이용측 열교환기의 출구의 수계 매체의 온도가 제1 목표 온도 이상인 경우에는 이용측 열교환기의 부하가 감소했다고 판단하여, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

제5 관점의 히트 펌프 시스템은 제4 관점의 히트 펌프 시스템이며, 난방을 행하는 대상 공간의 공기 온도를 설정하는 공기 온도 설정 수단과, 공기 온도를 검지하는 공기 온도 검지 수단을 추가로 구비하고 있다. 제어 수단은 공기 온도 검지 수단에 의해 검지된 검지 공기 온도와 공기 온도 설정 수단에 의해 설정된 설정 공기 온도와의 공기 온도차가 소정의 제3 목표 온도차보다도 큰 경우에는, 매체 온도차가 작아지는 방향으로 제2 목표 온도차를 변경한다.

여기에서는, 공기 온도 검지 수단에 의해 검지된 검지 공기 온도와 공기 온도 설정 수단에 의해 설정된 설정 공기 온도와의 공기 온도차가 소정의 제3 목표 온도차보다도 큰 경우에는, 매체 온도차가 작아지는 방향으로 제2 목표 온도차를 변경하므로, 실온과 연동한 물 매체의 유량 제어를 할 수 있고, 이용측 열교환기의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 히트 펌프 시스템의 회로도이다.
도 2는 도 1의 히트 펌프 시스템에 의한 물 매체의 유량 제어의 흐름도이다.
도 3은 도 1의 히트 펌프 시스템에 의한 실온과 물 매체의 유량의 연동 제어의 흐름도이다.

다음으로 본 발명의 히트 펌프 시스템의 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

〔실시 형태〕

-전체-

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 히트 펌프 시스템(1)의 개략 구성도이다. 히트 펌프 시스템(1)은 증기 압축식의 히트 펌프 사이클을 이용해서 물 매체를 가열하는 운전 등을 행하는 것이 가능한 장치이다.

히트 펌프 시스템(1)은, 주로 열원 유닛(2)과, 이용 유닛(4a)과, 액냉매 연락관(13)과, 가스 냉매 연락관(14)과, 온수 난방 유닛(9a)과, 물 매체 연락관(15a)과, 물 매체 연락관(16a)을 구비하고 있고, 열원 유닛(2)과 이용 유닛(4a)이 냉매 연락관(13, 14)을 통하여 접속됨으로써, 열원측 냉매 회로(20)를 구성하고, 이용 유닛(4a)과 온수 난방 유닛(9a)이 물 매체 연락관(15a, 16a)을 통하여 접속됨으로써, 물 매체 회로(80a)를 구성하고 있다. 열원측 냉매 회로(20)에는 HFC계 냉매의 일종인 HFC-410A가 열원측 냉매로서 봉입되어 있고, 또한, HFC계 냉매에 대하여 상용성을 갖는 에스테르계 또는 에테르계의 냉동기유가 열원측 압축기(21)(후술)의 윤활을 위해서 봉입되어 있다. 또한, 물 매체 회로(80a)에는 물 매체로서의 물이 순환하도록 되어 있다.

이 히트 펌프 시스템(1)에서는 열원측 압축기(21)와, 냉매와 수계 매체 사이에서 열교환을 행하는 이용측 열교환기(41a)와, 팽창 밸브(25, 42a)와, 열원측 열교환기(24)가 환상으로 접속됨으로써, 하나의 열원측 냉매 회로(20)를 구성하고 있다.

또한, 도 1의 히트 펌프 시스템(1)은 온수 난방 유닛(9a)이 배치된 방(R)에 설치된 실온 컨트롤러(202)와, 공기 온도 센서(203)와, 수온 컨트롤러(204)와, 이들 실온 컨트롤러(202), 공기 온도 센서(203) 및 수온 컨트롤러(204), 기타 각 센서류(물 매체 입구 온도 센서(51a), 물 매체 출구 온도 센서(52a) 기타)로부터의 신호에 기초하여, 히트 펌프 시스템(1)의 운전을 제어하는 제어부(201)를 추가로 구비하고 있다.

제어부(201)는, 주로 열원 유닛(2)측에서는 열원측 압축기(21) 및 열원측 팽창 기구(25) 등 및 이용 유닛(4a)측에서는 이용측 유량 조절 밸브(42a), 순환 펌프(43a) 등의 운전을 제어한다.

실온 컨트롤러(202)는 방(R)의 실온에 대해서 희망 온도를 설정하기 위한 컨트롤러이며, 기존의 리모콘 등에 설치된다. 실온 컨트롤러(202)는 제어부(201)에 설정 온도의 신호를 송신한다.

공기 온도 센서(203)는 방(R)의 실온을 검출하고, 검출된 실온의 신호를 제어부(201)에 송신한다.

수온 컨트롤러(204)는 온수 난방 유닛(9a)에 공급되는 온수의 수온을 측정하고, 소정의 설정 수온으로 설정하는 컨트롤러이다. 수온 컨트롤러(204)는 제어부(201)에 현재의 수온의 신호 및 설정 수온의 신호를 송신한다.

-열원 유닛-

열원 유닛(2)은 옥외에 설치되어 있고, 냉매 연락관(13, 14)을 통하여 이용 유닛(4a)에 접속되어 있고, 열원측 냉매 회로(20)의 일부를 구성하고 있다.

열원 유닛(2)은, 주로 열원측 압축기(21)와, 오일 분리 기구(22)와, 열원측 전환 기구(23)와, 열원측 열교환기(24)와, 열원측 팽창 기구(25)와, 흡입 복귀관(26)과, 과냉각기(27)와, 열원측 어큐뮬레이터(28)와, 액측 폐쇄 밸브(29)와, 가스측 폐쇄 밸브(30)와, 토출측 폐쇄 밸브(31)를 갖고 있다.

열원측 압축기(21)는 열원측 냉매를 압축하는 기구이고, 여기에서는, 케이싱(도시하지 않음) 내에 수용된 로터리식이나 스크롤식 등의 용적식의 압축 요소(도시하지 않음)가 동일하게 케이싱 내에 수용된 열원측 압축기 모터(21a)에 의해 구동되는 밀폐식 압축기가 채용되어 있다. 이 열원측 압축기(21)의 케이싱 내에는, 압축 요소에 있어서 압축된 후의 열원측 냉매가 충만하는 고압 공간(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 이 고압 공간에는 냉동기유가 저류되어 있다. 열원측 압축기 모터(21a)는 인버터 장치(도시하지 않음)에 의해, 그 회전수(즉, 운전 주파수)를 가변할 수 있고, 이에 의해, 열원측 압축기(21)의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.

오일 분리 기구(22)는, 열원측 압축기(21)로부터 토출된 열원측 냉매 중에 포함되는 냉동기유를 분리해서 열원측 압축기의 흡입으로 복귀시키기 위한 기구이며, 주로 열원측 압축기(21)의 열원측 토출관(21b)에 설치된 오일 분리기(22a)와, 오일 분리기(22a)와 열원측 압축기(21)의 열원측 흡입관(21c)을 접속하는 오일 복귀관(22b)을 갖고 있다. 오일 분리기(22a)는 열원측 압축기(21)로부터 토출된 열원측 냉매 중에 포함되는 냉동기유를 분리하는 기기이다. 오일 복귀관(22b)은 모세관 튜브를 갖고 있으며, 오일 분리기(22a)에 있어서 열원측 냉매로부터 분리된 냉동기유를 열원측 압축기(21)의 열원측 흡입관(21c)에 복귀시키는 냉매관이다.

열원측 전환 기구(23)는, 열원측 열교환기(24)를 열원측 냉매의 방열기로서 기능시키는 열원측 방열 운전 상태와 열원측 열교환기(24)를 열원측 냉매의 증발기로서 기능시키는 열원측 증발 운전 상태를 전환 가능한 사방 전환 밸브이며, 열원측 토출관(21b)과, 열원측 흡입관(21c)과, 열원측 열교환기(24)의 가스측에 접속된 제1 열원측 가스 냉매관(23a)과, 가스측 폐쇄 밸브(30)에 접속된 제2 열원측 가스 냉매관(23b)에 접속되어 있다. 그리고, 열원측 전환 기구(23)는, 열원측 토출관(21b)과 제1 열원측 가스 냉매관(23a)을 연통시킴과 함께, 제2 열원측 가스 냉매관(23b)과 열원측 흡입관(21c)을 연통(열원측 방열 운전 상태에 대응, 도 1의 열원측 전환 기구(23)의 실선을 참조)시키거나, 열원측 토출관(21b)과 제2 열원측 가스 냉매관(23b)을 연통시킴과 함께, 제1 열원측 가스 냉매관(23a)과 열원측 흡입관(21c)을 연통(열원측 증발 운전 상태에 대응, 도 1의 열원측 전환 기구(23)의 파선을 참조)시키는 전환을 행하는 것이 가능하다. 또한, 열원측 전환 기구(23)는, 사방 전환 밸브에 한정되는 것이 아니라, 예를 들어 복수의 전자기 밸브를 조합하거나 하여, 상술한 바와 같은 열원측 냉매의 흐름의 방향을 전환하는 기능을 갖도록 구성한 것이어도 좋다.

열원측 열교환기(24)는, 열원측 냉매와 실외 공기의 열교환을 행함으로써 열원측 냉매의 방열기 또는 증발기로서 기능하는 열교환기이며, 그 액측에 열원측 액냉매관(24a)이 접속되어 있고, 그 가스측에 제1 열원측 가스 냉매관(23a)이 접속되어 있다. 이 열원측 열교환기(24)에 있어서 열원측 냉매와 열교환을 행하는 실외 공기는, 열원측 팬 모터(32a)에 의해 구동되는 열원측 팬(32)에 의해 공급되도록 되어 있다.

열원측 팽창 밸브(25)는, 열원측 열교환기(24)를 흐르는 열원측 냉매의 감압 등을 행하는 전동 팽창 밸브이며, 열원측 액냉매관(24a)에 설치되어 있다.

흡입 복귀관(26)은, 열원측 액냉매관(24a)을 흐르는 열원측 냉매의 일부를 분기하여 열원측 압축기(21)의 흡입으로 복귀시키는 냉매관이며, 여기에서는, 그 일단부가 열원측 액냉매관(24a)에 접속되어 있고, 그 타단이 열원측 흡입관(21c)에 접속되어 있다. 그리고, 흡입 복귀관(26)에는, 개방도 제어가 가능한 흡입 복귀 팽창 밸브(26a)가 설치되어 있다. 이 흡입 복귀 팽창 밸브(26a)는, 전동 팽창 밸브로 이루어진다.

과냉각기(27)는, 열원측 액냉매관(24a)을 흐르는 열원측 냉매와 흡입 복귀관(26)을 흐르는 열원측 냉매(보다 구체적으로는, 흡입 복귀 팽창 밸브(26a)에 의해 감압된 후의 냉매)의 열교환을 행하는 열교환기이다.

열원측 어큐뮬레이터(28)는, 열원측 흡입관(21c)에 설치되어 있고, 열원측 냉매 회로(20)를 순환하는 열원측 냉매를 열원측 흡입관(21c)으로부터 열원측 압축기(21)에 흡입되기 전에 일시적으로 저류하기 위한 용기이다.

액측 폐쇄 밸브(29)는, 열원측 액냉매관(24a)과 액냉매 연락관(13)의 접속부에 설치된 밸브이다. 가스측 폐쇄 밸브(30)는, 제2 열원측 가스 냉매관(23b)과 가스 냉매 연락관(14)과의 접속부에 설치된 밸브이다.

또한, 열원 유닛(2)에는 각종 센서가 설치되어 있다. 구체적으로는, 열원 유닛(2)에는, 열원측 압축기(21)의 흡입에 있어서의 열원측 냉매의 압력인 열원측 흡입 압력 Ps1을 검출하는 열원측 흡입 압력 센서(33)와, 열원측 압축기(21)의 토출에 있어서의 열원측 냉매의 압력인 열원측 토출 압력 Pd1을 검출하는 열원측 토출 압력 센서(34)와, 열원측 열교환기(24)의 액측에 있어서의 열원측 냉매의 온도인 열원측 열교환기 온도 Thx를 검출하는 열원측 열교환 온도 센서(35)와, 외기 온도 To를 검출하는 외기 온도 센서(36)가 설치되어 있다.

-액냉매 연락관-

액냉매 연락관(13)은, 액측 폐쇄 밸브(29)를 통하여 열원측 액냉매관(24a)에 접속되어 있고, 열원측 전환 기구(23)가 열원측 방열 운전 상태에 있어서 열원측 냉매의 방열기로서 기능하는 열원측 열교환기(24)의 출구로부터 열원 유닛(2) 외부로 열원측 냉매를 도출하는 것이 가능하고, 또한, 열원측 전환 기구(23)가 열원측 증발 운전 상태에 있어서 열원 유닛(2) 외부로부터 열원측 냉매의 증발기로서 기능하는 열원측 열교환기(24)의 입구에 열원측 냉매를 도입하는 것이 가능한 냉매관이다.

-가스 냉매 연락관-

가스 냉매 연락관(14)은, 가스측 폐쇄 밸브(30)를 통하여 제2 열원측 가스 냉매관(23b)에 접속되어 있고, 열원측 전환 기구(23)가 열원측 방열 운전 상태에 있어서 열원 유닛(2) 외부로부터 열원측 압축기(21)의 흡입에 열원측 냉매를 도입하는 것이 가능하고, 또한, 열원측 전환 기구(23)가 열원측 증발 운전 상태에 있어서 열원측 압축기(21)의 토출로부터 열원 유닛(2) 외부로 열원측 냉매를 도출하는 것이 가능한 냉매관이다.

-이용 유닛-

이용 유닛(4a)은 옥내에 설치되어 있고, 냉매 연락관(13)을 통하여 열원 유닛(2)에 접속되어 있고, 열원측 냉매 회로(20)의 일부를 구성하고 있다. 또한, 이용 유닛(4a)은 물 매체 연락관(15a, 16a)을 통하여 온수 난방 유닛(9a)에 접속되어 있고, 물 매체 회로(80a)의 일부를 구성하고 있다.

이용 유닛(4a)은, 주로 이용측 열교환기(41a)와, 이용측 유량 조절 밸브(42a)와, 순환 펌프(43a)를 갖고 있다.

이용측 열교환기(41a)는 열원측 냉매와 물 매체의 열교환을 행함으로써 열원측 냉매의 방열기로서 기능하는 열교환기이며, 그 열원측 냉매가 흐르는 유로의 액측에는 이용측 액냉매관(45a)이 접속되어 있고, 그 열원측 냉매가 흐르는 유로의 가스측에는 이용측 가스 냉매관(54a)이 접속되어 있고, 그 물 매체가 흐르는 유로의 입구측에는 이용측 물 입구관(47a)이 접속되어 있고, 그 물 매체가 흐르는 유로의 출구측에는 이용측 물 출구관(48a)이 접속되어 있다. 이용측 액냉매관(45a)에는 액냉매 연락관(13)이 접속되어 있고, 이용측 가스 냉매관(54a)에는 가스 냉매 연락관(14)이 접속되어 있고, 이용측 물 입구관(47a)에는 물 매체 연락관(15a)이 접속되어 있고, 이용측 물 출구관(48a)에는 물 매체 연락관(16a)이 접속되어 있다.

이용측 유량 조절 밸브(42a)는 개방 제어를 행함으로써 이용측 열교환기(41a)를 흐르는 열원측 냉매의 유량을 가변하는 것이 가능한 전동 팽창 밸브이며, 이용측 액냉매관(45a)에 설치되어 있다.

순환 펌프(43a)는 물 매체의 승압을 행하는 기구이며, 여기에서는 원심식이나 용적식의 펌프 요소(도시하지 않음)가 순환 펌프 모터(44a)에 의해 구동되는 펌프가 채용되어 있다. 순환 펌프(43a)는 이용측 물 출구관(48a)에 설치되어 있다. 순환 펌프 모터(44a)는 인버터 장치(도시하지 않음)에 의해, 그 회전수(즉, 운전 주파수)를 가변할 수 있고, 이에 의해, 순환 펌프(43a)의 용량 제어가 가능하게 되어 있다.

이에 의해, 이용 유닛(4a)은 이용측 열교환기(41a)를 냉매 연락관(14)으로부터 도입되는 열원측 냉매의 방열기로서 기능시킴으로써, 이용측 열교환기(41a)에 있어서 방열한 열원측 냉매를 액냉매 연락관(13)에 도출하고, 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 열원측 냉매의 방열에 의해 물 매체를 가열하는 급탕 운전을 행하는 것이 가능하게 되고 있다.

또한, 이용 유닛(4a)에는 각종 센서가 설치되어 있다. 구체적으로는, 이용 유닛(4a)에는 이용측 열교환기(41a)의 액측에 있어서의 열원측 냉매의 온도인 이용측 냉매 온도 Tsc1를 검출하는 이용측 열교환 온도 센서(50a)와, 이용측 열교환기(41a)의 입구에 있어서의 물 매체의 온도인 물 매체 입구 온도 Twr를 검출하는 물 매체 입구 온도 센서(51a)와, 이용측 열교환기(41a)의 출구에 있어서의 물 매체의 온도인 물 매체 출구 온도 Twl를 검출하는 물 매체 출구 온도 센서(52a)가 설치되어 있다.

-온수 난방 유닛-

온수 난방 유닛(9a)은, 옥내에 설치되어 있고, 물 매체 연락관(15a, 16a)을 통하여 이용 유닛(4a)에 접속되어 있고, 물 매체 회로(80a)의 일부를 구성하고 있다.

온수 난방 유닛(9a)은, 주로 열교환 패널(91a)을 갖고 있으며, 라디에이터나 바닥 난방 패널 등을 구성하고 있다.

열교환 패널(91a)은, 라디에이터의 경우에는 실내의 벽가 등에 설치되고, 바닥 난방 패널의 경우에는 실내의 바닥 하부 등에 설치되어 있고, 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체의 방열기로서 기능하는 열교환기이며, 그 입구에는 물 매체 연락관(16a)이 접속되어 있고, 그 출구에는 물 매체 연락관(15a)이 접속되어 있다.

-물 매체 연락관-

물 매체 연락관(15a)은 온수 난방 유닛(9a)의 열교환 패널(91a)의 출구에 접속되어 있다. 물 매체 연락관(16a)은 온수 난방 유닛(9a)의 열교환 패널(91a)의 입구에 접속되어 있다.

또한, 물 매체 연락관(15a, 16a)에는 온수 난방 유닛(9a)과 병렬로 저탕 유닛을 접속하는 것도 가능하다.

-온수 난방 운전-

이어서, 히트 펌프 시스템(1)의 온수 난방 운전에 대해서 설명한다.

이용 유닛(4a)의 온수 난방 운전을 행하는 경우에는, 열원측 냉매 회로(20)에 있어서는 열원측 전환 기구(23)가 증발 운전 상태(도 1의 열원측 전환 기구(23)가 파선으로 표시된 상태)로 전환되어, 흡입 복귀 팽창 밸브(26a)가 폐지된 상태가 된다.

이러한 상태의 열원측 냉매 회로(20)에 있어서, 냉동 사이클에 있어서의 저압의 열원측 냉매는 열원측 흡입관(21c)을 통하여, 열원측 압축기(21)에 흡입되어, 냉동 사이클에 있어서의 고압까지 압축된 후에, 열원측 토출관(21b)에 토출된다. 열원측 토출관(21b)에 토출된 고압의 열원측 냉매는 오일 분리기(22a)에 있어서 냉동기유가 분리된다. 오일 분리기(22a)에 있어서 열원측 냉매로부터 분리된 냉동기유는 오일 복귀관(22b)을 통하여, 열원측 흡입관(21c)에 복귀된다. 냉동기유가 분리된 고압의 열원측 냉매는 제2 열원측 가스 냉매관(23b) 및 가스측 폐쇄 밸브(30)를 통하여, 열원 유닛(2)으로부터 냉매 연락관(14)에 보내진다.

냉매 연락관(14)에 보내진 고압의 열원측 냉매는 이용 유닛(4a)에 보내진다. 이용 유닛(4a)에 보내진 고압의 열원측 냉매는 이용측 열교환기(41a)에 보내진다. 이용측 열교환기(41a)에 보내진 고압의 열원측 냉매는 이용측 열교환기(41a)에 있어서, 순환 펌프(43a)에 의해 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체와 열교환을 행하여 방열한다. 이용측 열교환기(41a)에 있어서 방열한 고압의 열원측 냉매는 이용측 유량 조절 밸브(42a) 및 이용측 액냉매관(45a)을 통하여, 이용 유닛(4a)으로부터 액냉매 연락관(13)에 보내진다.

액냉매 연락관(13)에 보내진 열원측 냉매는 열원 유닛(2)에 보내진다. 열원 유닛(2)에 보내진 열원측 냉매는 액측 폐쇄 밸브(29)를 통하여, 과냉각기(27)에 보내진다. 과냉각기(27)에 보내진 열원측 냉매는 흡입 복귀관(26)에 열원측 냉매가 흐르고 있지 않기 때문에, 열교환을 행하지 않고, 열원측 팽창 밸브(25)에 보내진다. 열원측 팽창 밸브(25)에 보내진 열원측 냉매는 열원측 팽창 밸브(25)에 있어서 감압되어서, 저압의 기액 이상 상태가 되어, 열원측 액냉매관(24a)을 통하여, 열원측 열교환기(24)에 보내진다. 열원측 열교환기(24)에 보내진 저압의 냉매는 열원측 열교환기(24)에 있어서, 열원측 팬(32)에 의해 공급되는 실외 공기와 열교환을 행해서 증발한다. 열원측 열교환기(24)에 있어서 증발한 저압의 열원측 냉매는 제1 열원측 가스 냉매관(23a) 및 열원측 전환 기구(23)를 통하여, 열원측 어큐뮬레이터(28)에 보내진다. 열원측 어큐뮬레이터(28)에 보내진 저압의 열원측 냉매는 열원측 흡입관(21c)을 통하여, 다시, 열원측 압축기(21)에 흡입된다.

한편, 물 매체 회로(80a)에 있어서는 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 열원측 냉매의 방열에 의해 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체가 가열된다. 이용측 열교환기(41a)에 있어서 가열된 물 매체는 이용측 물 출구관(48a)을 통하여, 순환 펌프(43a)에 흡입되고, 승압된 후에, 이용 유닛(4a)으로부터 물 매체 연락관(16a)에 보내진다. 물 매체 연락관(16a)에 보내진 물 매체는 온수 난방 유닛(9a)에 보내진다.

온수 난방 유닛(9a)에 보내진 물 매체는 열교환 패널(91a)에 있어서 방열하고, 이에 의해, 실내의 벽가 등을 가열하거나 실내의 바닥을 가열한다.

-물 매체 회로를 순환하는 물 매체의 유량 제어-

상술한 온수 난방 운전에 있어서의 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체의 유량 제어에 대해서, 도 2 및 도 3의 흐름도를 참조하면서 설명한다.

본 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는 우선, 제어부(201)는 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체 출구 온도 Twl이 목표하는 제1 목표 온도 Twls가 되도록 압축기(21)의 운전 주파수를 변경하여 냉매 순환량을 제어한다. 또한, 냉매 순환량의 제어는, 이하의 물 매체의 유량 제어 중에도 병행해서 행해진다.

그와 동시에, 제어부(201)는 이용측 열교환기(41a)의 출구와 입구의 수계 매체의 출입구 온도차 ΔTw(=Twl-Twr)가 목표하는 제2 목표 온도차인 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws가 되도록 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다.

구체적으로는, 도 2의 스텝 S1에서는 우선, 순환 펌프 모터(44a)의 회전수 R(즉, 운전 주파수)를 초기값 R0로 설정한다.

계속해서, 스텝 S2에서는, 제어부(201)는 순환 펌프 모터(44a)의 회전수 R를 R0로 유지하고, 순환 펌프(43a)를 일정 시간 운전하도록 제어한다.

계속해서, 스텝 S3에서는, 제어부(201)는 이용측 열교환기(41a)의 출구와 입구의 수계 매체의 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다도 큰지의 여부를 판정한다.

물 매체 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다도 큰 상태를 소정 시간 유지하고 있을 경우에는(스텝 S3이 "예"일 때), 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체의 유량이 적은 것으로 판정하고, 순환 펌프 모터(44a)의 회전수(즉, 운전 주파수)를 크게 함으로써 순환 펌프(43a)의 운전 용량이 커지도록 제어한다(스텝 S4 및 S5). 본 실시 형태에서는, 제어부(201)는 현 시점의 출입구 온도차 ΔTw를 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws에 접근하도록 PI 제어를 행함으로써, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다.

여기서, PI 제어는 소위 비례 적분 제어이며, 입출력 관계는 일반적으로 이하의 식 1로 표시된다.

[식 1]

u(t)=kp{e(t)+(1/Ti)∫e(t)dt}

여기서,

u(t): 시간 t에 대한 조작량의 함수

kp: 비례 게인

e(t): 시간 t에 대한 편차의 함수

Ti: 적분 시간

이다.

PI 제어는 목표값의 변경이나 정상적인 외란이 있어도 편차(오차)를 발생시키지 않는다는 특징이 있다.

상기의 PI 제어의 기본식 1에 기초하여, 목표하는 온도차 ΔTws와, 이용측 열교환기의 출입구의 온도차 ΔTw의 편차 EF(=ΔTws-ΔTw)를 제로로 하는 PI 제어를 행한다. 이 경우의 순환 펌프 모터(44a)의 회전수 R의 보정값인 α값은 이하의 식 2와 같다.

[식 2]

α=α#+Kc×{(EF-EF#)+Kic×(EF+EF#)Δtc/2Tic}

α#: 전회의 α

EF: 금회의 편차

EF#: 전회의 편차

Kc, Kic: 게인

Δtc: 샘플링 시간

Tic: 적분 상수

구체적으로는, 스텝 S4에 있어서 제어부(201)는 상기의 식 2에 기초하여, α를 산출한다.

계속해서, 스텝 S5에 있어서, 제어부(201)는 순환 펌프 모터(44a)의 회전수 R를 현재의 회전수로부터 α값을 더한 회전수가 되도록 보정하고, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다. 그 후, 스텝 S2에 복귀된다.

한편, 물 매체 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다도 작은 경우에는 (스텝 S3이 "아니오"일 때)이고, 또한, 물 매체 출구 온도 Twl이 목표하는 제1 목표 온도 Twls 이상일 때(스텝 S6이 "예"일 때)에는, 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체의 유량이 많은 것으로 판정하여, 순환 펌프 모터(44a)의 회전수(즉, 운전 주파수)를 작게 함으로써 순환 펌프(43a)의 운전 용량이 작아지도록, 전술과 동일하게 PI 제어를 행한다(스텝 S7 및 S8).

구체적으로는, 스텝 S7에 있어서, 제어부(201)는 상기 식 2에 기초하여, α를 산출한다.

계속해서, 스텝 S8에 있어서, 제어부(201)는 순환 펌프 모터(44a)의 회전수 R를 현재의 회전수에서 α값을 뺀 회전수가 되도록 보정하고, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다. 그 후, 스텝 S2에 복귀된다.

이상과 같은 물 매체의 유량 제어에 의해, 물 매체 회로(80a)를 순환하는 물 매체의 유량을 적절하게 제어하는 것이 가능하다. 또한, 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws는 이용측 열교환기(41a)의 열교환 능력의 설계 조건 등을 고려해서 설정되어 있다.

<실온과 물 매체의 유량의 연동 제어>

또한, 제어부(201)는 공기 온도 센서(203)에 의해 검지된 방(R)의 내부의 실온인 검지 공기 온도 Td와 실온 컨트롤러(202)에 의해 설정된 설정 공기 온도 Ts의 공기 온도차 ΔTa(=Ts-Td)가 소정의 제3 목표 온도차 ΔTcs보다도 큰 경우에는, 물 매체 출입구 온도차 ΔTw가 작아지는 방향으로 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 변경하는 제어를 행한다.

구체적으로는, 도 3의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 우선, 제어부(201)는 스텝 S31에 있어서, 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 초기값 T0으로 설정한다.

계속해서, 스텝 S32에 있어서, 제어부(201)는 검지 공기 온도 Td와 실온 컨트롤러(202)에 의해 설정된 설정 공기 온도 Ts의 공기 온도차 ΔTa가 소정의 제3 목표 온도차 ΔTcs보다도 큰지의 여부를 판정한다.

ΔTa가 ΔTcs보다도 큰 상태가 소정 시간 유지되고 있는 경우에는(스텝 S32가 "예"일 때), 스텝 S33에 있어서, 제어부(201)는 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws에서 소정의 보정값 Tδ을 뺀 값을, 새로운 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws로서, 물 매체 출입구 온도차 ΔTw가 작아지는 방향으로 운전 제어, 즉, 물 매체의 순환량을 증가시키는 방향으로 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다.

한편, ΔTa가 ΔTcs보다도 큰 상태가 소정 시간 유지 되어 있지 않은 경우에는(스텝 S32가 "아니오"일 때), 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 초기값 T0으로 설정한다.

이러한 실온과 연동한 물 매체의 유량 제어를 함으로써, 온수 난방 유닛(9a)이나 다른 난방용 열교환기의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

<실시 형태의 특징>

(1)

실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는 2개의 제어를 병행하여 행하고 있다. 제1 제어로서, 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도 Twl이 목표하는 제1 목표 온도 Twls가 되도록 열원측 냉매 회로(20)에 있어서의 냉매측 순환량을 제어하고, 이용측 열교환기(41a)의 출구측의 수온이 소정의 온도로 유지하도록 제어한다. 그와 동시에, 제2 제어로서, 이용측 열교환기(41a)의 출구와 입구의 수계 매체의 매체 온도차 ΔTw가 목표하는 제2 목표 온도차 ΔTws가 되도록 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어하고, 종래의 히트 펌프 시스템에서는 설치시 등의 수동 조정에 의해 고정되어 있었던 출입구의 온도차를 소정의 온도차가 되도록 자동적으로 제어한다. 이에 의해, 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 변화를 확실하게 방지할 수 있다.

(2)

따라서, 이용측의 부하가 감소한 경우라도, 제2 목표 온도차 ΔTws를 향해서 이용측 열교환기(41a)의 출입구 온도차인 매체 온도차 ΔTw를 크게 하는 PI를 제어함으로써, 온수 난방 유닛(9a) 등의 이용측 기기의 중간 수온 설비 설계 온도보다도 상승하는 것을 방지하고, 지나치게 따뜻함이나 기기의 발진 정지도 방지할 수 있다. 그 결과, 에너지 효율이 향상되고, 쾌적성도 향상된다. 또한, 순환 펌프(43a)의 수량 조절을 자동적으로 행하므로, 온수 유량의 관리 및 조정이 용이하다.

(3)

또한, 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는, 제어부(201)는 현 시점의 출입구 온도차 ΔTw를 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws에 접근하도록 PI 제어를 행함으로써, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어한다.

따라서, 본 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는, 이러한 PI 제어에 의해, 현 시점의 출입구 온도차 ΔTw와 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws의 편차를 없애도록 온도 제어할 수 있으므로, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

(4)

또한, 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는, 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 냉매의 응축에 의해 생성된 온수를 사용하여, 방(R)의 난방을 행한다. 이에 의해, 방(R)의 실온이 높아져 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

(5)

실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는, 제어부(201)는 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다 작고, 또한, 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도 Twl이 목표하는 제1 목표 온도 Twls 이상인 경우에는 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 감소시키는 제어를 행하고, 한편, 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다 큰 경우에는 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 증가시키는 제어를 행한다.

이에 의해, 출입구 온도차 ΔTw가 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws보다 작고, 또한, 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도 Twl이 목표하는 제1 목표 온도 Twls 이상인 경우에는, 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했다고 판단하여, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

(6)

실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는, 제어부(201)는 공기 온도 센서(203)에 의해 검지된 검지 공기 온도 Td와 실온 컨트롤러(202)에 의해 설정된 설정 공기 온도 Ts의 차 ΔTa(=Ts-Td)가 소정의 제3 목표 온도차 ΔTcs보다도 큰 경우에는, 출입구 온도차 ΔTw가 작아지는 방향으로 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 변경한다.

이러한 실온과 연동한 물 매체의 유량 제어를 함으로써, 실온이 설정 온도보다도 충분히 높아져서 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우에는, 출입구 온도차 ΔTw가 작아지는 방향으로 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 변경하고, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 증가시키는 제어를 행하므로, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

따라서, 예를 들어 히트 펌프 시스템(1)의 워밍업시 등에 능력이 부족한 경우에는, 목표 물 매체 출입구 온도차 ΔTws를 자동적으로 변경함으로써, 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 실온 컨트롤러(202)를 사용해서 설정 공기 온도 Ts를 변경할 필요가 없어진다.

<변형예>

(A)

또한, 상기 실시 형태에서는 본 발명의 히트 펌프 시스템(1)의 일례로서, 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서, 이용측에 1기의 이용 유닛(4a)이 설치되어 있는 예가 나타나고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 액냉매 연락관(13) 및 가스 냉매 연락관(14)에는 이용 유닛(4a)과 병렬로 다른 이용 유닛(실내 공조 유닛 등)을 접속하는 것도 가능하다. 이 경우에도, 상기 실시 형태의 운전 제어를 행함으로써, 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체의 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

(B)

또한, 상기 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는 이용 유닛(4a)으로서, 이용측 열교환기(41a)에 의해 열원측 냉매 회로(20)의 냉매와 물 매체 회로(80a)의 물 사이에서 직접 열교환을 행하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 열원측 냉매 회로(20)과 물 매체 회로(80a) 사이에 별도의 냉매 회로를 개재시켜서 캐스케이드식의 히트 펌프 시스템을 구성해도 좋다. 이 경우에도, 상기 실시 형태의 운전 제어를 행함으로써, 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우라도, 수계 매체가 과도한 온도 상승을 확실하게 방지할 수 있다.

(C)

또한, 상기 실시 형태의 히트 펌프 시스템(1)에서는 온수 바닥 난방을 행하는 히트 펌프 시스템을 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 히트 펌프 시스템(1)에 있어서의 열원측 전환 기구(23)를 전환해서 열원측 냉매 회로(20)에 있어서의 냉매의 흐름을 역회전하고, 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 냉매의 증발에 의해 생성된 냉수를 사용해서 방(R)의 냉방을 행해도 좋다. 이 경우에는, 상기의 운전 제어를 행함으로써, 이용측 열교환기(41a)의 부하가 감소했을 경우에, 수계 매체의 과도한 온도 저하를 확실하게 방지할 수 있다.

<산업상 이용가능성>

본 발명은 수계 매체를 순환하는 히트 펌프 시스템에 여러가지 적용하는 것이 가능하다.

1: 히트 펌프 시스템
2: 열원 유닛
4a: 이용 유닛
12: 토출 냉매 연락관
13: 액냉매 연락관
14: 가스 냉매 연락관
20: 열원측 냉매 회로
21: 열원측 압축기
23: 열원측 전환 기구
24: 열원측 열교환기
41a: 이용측 열교환기
42a: 이용측 유량 조절 밸브
43a: 순환 펌프
80a: 물 매체 회로
201: 제어부
202: 실온 컨트롤러
203: 공기 온도 센서
204: 수온 컨트롤러

Claims

압축기(21)와, 냉매와 수계 매체 사이에서 열교환을 행하는 이용측 열교환기(41a)와, 팽창 밸브(25, 42a)와, 열원측 열교환기(24)가 환상으로 접속된 냉매 회로(20)와,
상기 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 수계 매체의 열교환기 입구 온도를 측정하는 입구 온도 센서(51a)와,
상기 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 수계 매체의 열교환기 출구 온도를 측정하는 출구 온도 센서(52a)와,
상기 수계 매체를 환상의 온수 회로의 내부에서 순환시키는 용량 가변형의 순환 펌프(43a)와,
상기 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도가 목표하는 제1 목표 온도(Twls)가 되도록 상기 냉매 회로에 있어서의 냉매측 순환량을 제어하는 동시에, 상기 이용측 열교환기(41a)의 출구와 입구의 수계 매체의 매체 온도차(ΔTw)가 목표하는 제2 목표 온도차(ΔTws)가 되도록 상기 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어하는 제어부(201)를 구비하고 있는
히트 펌프 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제어부(201)는 현 시점의 상기 매체 온도차(ΔTw)를 상기 제2 목표 온도차(ΔTws)에 접근하도록 PI 제어를 행함으로써, 상기 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 제어하는
히트 펌프 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이용측 열교환기(41a)에 있어서의 냉매의 응축에 의해 생성된 온수를 사용하여, 대상 공간의 난방을 행하는
히트 펌프 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어부(201)는 상기 매체 온도차(ΔTw)가 상기 제2 목표 온도차(ΔTws)보다 작고, 또한 상기 이용측 열교환기(41a)의 출구의 수계 매체의 온도가 상기 제1 목표 온도(Twls) 이상인 경우에는, 상기 펌프의 운전 용량을 감소시키는 제어를 행하고, 한편, 상기 매체 온도차(ΔTw)가 상기 제2 목표 온도차(ΔTws)보다 큰 경우에는 상기 순환 펌프(43a)의 운전 용량을 증가시키는 제어를 행하는
히트 펌프 시스템.
제4항에 있어서, 난방을 행하는 상기 대상 공간의 공기 온도를 설정하는 공기 온도 설정 수단(202)과,
상기 공기 온도를 검지하는 공기 온도 검지 수단(203)을 더 구비하고,
상기 제어부(201)는 상기 공기 온도 검지 수단(203)에 의해 검지된 검지 공기 온도와 상기 공기 온도 설정 수단(202)에 의해 설정된 설정 공기 온도와의 공기 온도차(ΔTa)가 소정의 제3 목표 온도차(ΔTcs)보다도 큰 경우에는, 상기 매체 온도차(ΔTw)가 작아지는 방향으로 상기 제2 목표 온도차(ΔTws)를 변경하는
히트 펌프 시스템.