WO2013168641A1 - ヒートポンプ - Google Patents

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WO2013168641A1
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hot water
cold water
temperature
water
cold
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PCT/JP2013/062644
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English (en)
French (fr)
Inventor
裕紀 高井
有人 松本
Original Assignee
三機工業株式会社
株式会社神戸製鋼所
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/003—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00—Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/04—Details of condensers
    • F25B2339/047—Water-cooled condensers

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump, and more particularly to a heat pump that supplies cold water and hot water to the outside simultaneously.
  • Patent Document 1 describes an absorption heat pump that is operated in either a cold water extraction operation for producing cold water or a hot water extraction operation for producing hot water.
  • the cold water extraction operation and the hot water extraction operation are automatically switched according to the temperature of the absorption liquid to prevent the absorption liquid from explosive boil.
  • the heat pump is used not only for supplying either cold heat or heat to an external load, but also for absorbing heat from the heat load while supplying heat absorbed from the external heat load to the external heat load. It may be used to supply the cold heat to the cold load, that is, to supply cold heat and hot heat to an external load at the same time.
  • a heat pump can be used to produce cold water and hot water simultaneously.
  • the cooling load in the evaporator and the heating load in the condenser fluctuate independently of each other. Therefore, a heat pump that uses both cold and warm heat is optimized for either the cold load or the warm load, and the supply of heat to the other is a success.
  • Patent Document 2 discloses an independent cooling operation that performs only cold water production, an independent heating operation that performs only hot water production, and cooling basic heat recovery that also produces hot water with exhaust heat while maintaining the cold water temperature at a target temperature.
  • a heat pump that can be switched between an operation and a heating-based heat recovery operation that produces cold water with exhaust heat while maintaining the hot water temperature at a target temperature.
  • the warm water temperature indicates the temperature of warm water sent from the condenser (detected at the warm water outlet).
  • the cold water temperature refers to the temperature of cold water sent from the evaporator (detected at the cold water outlet).
  • the heat pump of Patent Document 2 includes an air heat exchanger that can discard a part of the heat supplied to the evaporator or the condenser into the air by switching the flow path of the refrigerant. That is, in the heat pump of Patent Document 2, in the air heat exchanger, the heat on the side opposite to the key that is not involved in the output adjustment of the heat pump is used in the air conditioning heat recovery operation (cooling water basic operation) and the heating basic heat recovery operation (warm water basic operation). By consuming, the cold water temperature and the hot water temperature are both set to the target temperature. Therefore, it is necessary to input an external signal for selecting an operation based on a relatively large load to the heat pump.
  • the conventional heat pump for safety, control is performed such that the operation of the entire heat pump is stopped when the temperature on the opposite side, which is not directly controlled, reaches an allowable limit. Therefore, the conventional heat pump has a problem that a sufficient operation rate cannot be secured when the ratio of the cooling load to the heating load varies greatly.
  • JP-A-5-332634 Japanese Patent Laid-Open No. 7-305914
  • a first aspect of the heat pump according to the present invention is a water-cooled heat recovery heat pump that supplies cold water and hot water at the same time so that the temperature of the cold water approaches a predetermined cold water set temperature.
  • a chilled water basic operation for capacity control and a hot water basic operation for capacity control so that the temperature of the hot water approaches a predetermined hot water set temperature is possible, and in the hot water basic operation, the temperature of the chilled water is below a predetermined switching chilled water temperature.
  • the switching cold water temperature may be a temperature equal to or lower than the cold water set temperature
  • the switching hot water temperature may be a temperature equal to or higher than the hot water set temperature
  • the second aspect of the heat pump of the present invention is a water-cooled heat recovery heat pump that supplies cold water and hot water at the same time, and controls the capacity of the cold water so that the temperature of the cold water approaches a predetermined cold water set temperature.
  • a hot water basic operation in which capacity control is performed so that the temperature of the hot water approaches a predetermined hot water set temperature, and when the amount of heat of the cold water is less than or equal to the amount of cold water in the hot water basic operation, the cold water Switching to the basic operation, and in the cold water basic operation, when the amount of heat of the hot water becomes equal to or less than the switching amount of hot water, the operation is switched to the hot water basic operation.
  • the third aspect of the heat pump of the present invention is a water-cooled heat recovery heat pump that supplies cold water and hot water at the same time, and controls the capacity of the cold water so that the temperature of the cold water approaches a predetermined cold water set temperature. And a hot water based operation in which capacity control is performed so that the temperature of the hot water approaches a predetermined hot water set temperature, and when the flow rate of the cold water is lower than the switching cold water flow rate in the hot water basic operation, When the flow rate of the warm water becomes equal to or lower than the switching warm water flow rate in the cold water basic operation, the operation is switched to the warm water basic operation.
  • the state on the anti-tone side which is not controlled by hot water and cold water is monitored, and excessive cooling of the cold water and excessive heating of the hot water are prevented.
  • the capacity is more than the minimum capacity, the automatic stop for protecting the device does not occur due to the imbalance between the cooling load and the heating load.
  • FIG. 9 is a capacity control routine for controlling the heat pump of FIG. 8.
  • FIG. 1 shows a configuration of a heat pump according to the first embodiment of the present invention.
  • the heat pump of the present embodiment is provided with a screw compressor 1, a condenser 2, an expansion valve 3, and an evaporator 4, and has a circulation channel 5 in which a refrigerant is enclosed.
  • the screw compressor 1 is roughly composed of a pair of male and female screw rotors (not shown) that are configured to mesh with each other and rotate, and a casing (not shown) that accommodates the screw rotors. ing.
  • the screw compressor 1 sucks and compresses the refrigerant that is a gas as the screw rotor rotates, and discharges the compressed refrigerant.
  • the condenser 2 exchanges heat between the refrigerant discharged from the screw compressor 1 and water supplied from the outside, condenses and liquefies the refrigerant, and heats the supplied water to produce hot water. It is a heat exchanger.
  • the expansion valve 3 reduces the pressure of the refrigerant liquefied in the condenser 2.
  • the evaporator 4 is a heat exchanger that performs heat exchange between the refrigerant and water supplied from the outside, evaporates the refrigerant, and cools the water to produce cold water.
  • the screw compressor 1 is driven by a motor 6, and AC power of variable frequency is supplied from the inverter 7 to the motor 6.
  • the frequency of the AC power output from the inverter 7 is set by the control device 8.
  • the frequency of the alternating current power which the inverter 7 outputs is changed, the rotation speed of the screw compressor 1 (screw rotor) is changed, and the capacity
  • the control device 8 is provided at the outlet of the cold water of the evaporator 4 according to the temperature detected by the hot water temperature detector 9 provided at the outlet of the hot water of the condenser 2 during the hot water key operation described later.
  • the set frequency of the inverter 7 is adjusted according to the detected temperature of the cold water temperature detector 10.
  • FIG. 2 shows a control procedure for starting the heat pump.
  • step S1 the presence or absence of a start command such as switch operation or signal input from an external device is confirmed. If there is an activation command, it is checked in step S2 whether a predetermined activation condition such as a pressure condition or a temperature condition is satisfied. If the start condition is satisfied, the screw compressor 1 is started in step S3 to start the operation of the heat pump, and the capacity control routine shown in FIG. 3 is performed in step S4.
  • step S11 it is confirmed whether or not the first capacity control routine is executed after the start of control. If it is not the first capacity control, in step S12, it is confirmed whether the previously executed control is a hot water key control or a cold water key control described later, and the process proceeds to step S13 or step S16 to execute the same control as the previous one. . In step S11, when it is the first execution of the capacity control routine, the process proceeds to step S13 to execute the hot water keynote control.
  • the hot water keynote control in step S13 is a control to increase or decrease the capacity of the screw compressor 1, that is, the set frequency of the inverter 7, so that the detected temperature of the hot water temperature detector 9 approaches a preset hot water temperature set value.
  • a known control such as PID control can be applied.
  • the capacity of the screw compressor 1 is reduced (the set frequency of the inverter 7 is reduced).
  • the capacity of the screw compressor 1 is increased (the set frequency of the inverter 7 is increased) as the detected temperature of the hot water temperature detector 9 is lower than the set value of the hot water temperature and the difference between them is increased.
  • the hot water keynote control indicated in step S13 is not continuous control but means one calculation in the control device 8.
  • step S14 When the set frequency of the inverter 7 is changed or reset to the same value based on the temperature detected by the hot water temperature detector 9 in step S13, a stop determination routine described later is performed in step S14.
  • step S15 the cold water temperature It is confirmed whether or not the detected temperature of the detector 10 is equal to or lower than a preset switching chilled water temperature. If the chilled water temperature is equal to or lower than the switching chilled water temperature, the process proceeds to step S16 to perform chilled water key control, but if the chilled water temperature is higher than the switching chilled water temperature, the process returns to step S13 and the hot water key tune control is performed again. That is, the hot water key operation in which the hot water key tone control and the stop determination routine are repeatedly executed is performed until the cold water temperature becomes the switching cold water temperature or lower.
  • the switching chilled water temperature is set to a value lower by 0.5 ° C. or more than the chilled water temperature set value (any temperature between 5 ° C. and 30 ° C.).
  • the switching chilled water temperature is set to a value 0.5 ° C. or more lower than the chilled water temperature set value, a dead zone as a control system for the chilled water (heat source water) system can be secured, and an effect of avoiding so-called hunting can be expected.
  • the chilled water key control in step S16 is a control to increase or decrease the capacity of the screw compressor 1, that is, the set frequency of the inverter 7, so that the detected temperature of the chilled water temperature detector 10 approaches the chilled water temperature set value.
  • a control such as a known PID control can also be applied to this control.
  • the capacity of the screw compressor 1 is increased (the set frequency of the inverter 7 is increased) as the detected temperature of the chilled water temperature detector 10 is higher than the set value of the chilled water temperature and the difference between them is increased.
  • the capacity of the screw compressor 1 is controlled to be decreased (the set frequency of the inverter 7 is decreased) as the detected temperature of the chilled water temperature detector 10 is lower than the chilled water temperature set value and the difference between them is increased.
  • the cold water keynote control shown by step S16 is not continuous control, but means one calculation in the control device 8.
  • step S17 a stop judgment routine is performed in step S17, and it is confirmed in step S18 whether the detected temperature of the hot water temperature detector 9 is more than the said switching hot water temperature. If the hot water temperature is equal to or higher than the switching hot water temperature, the process proceeds to step S13 to perform the hot water keynote control. If the hot water temperature is lower than the switching hot water temperature, the process returns to step S16 and the cold water keynote control is performed again. That is, the cold water key operation in which the cold water key tone control and the stop determination routine are repeatedly executed is performed until the hot water temperature becomes equal to or higher than the switching hot water temperature.
  • the switching hot water temperature is set to a value higher by 0.5 ° C.
  • the hot water temperature set value any temperature between 35 ° C. and 90 ° C..
  • step S21 it is confirmed whether there is a stop command such as a switch operation or a signal input from an external device. If there is a stop command, the process proceeds to step S22, the screw compressor 1 is stopped to stop the operation of the heat pump, and the process further proceeds to step S23 to execute the startup routine shown in FIG.
  • step S21 if there is no stop command, the process proceeds to step S24 to check whether a predetermined stop condition such as pressure or temperature is satisfied. If the stop condition is satisfied, the process proceeds to step S25 to stop the screw compressor 1 to stop the operation of the heat pump, and further proceeds to step S26 to execute the restart routine shown in FIG. If the stop condition is not satisfied, the stop determination routine is terminated and the process returns to the capacity control routine.
  • a predetermined stop condition such as pressure or temperature
  • the restart routine of FIG. 5 confirms whether or not there is a stop command in step S31. If there is a stop command, the process proceeds to step S32 to stop the screw compressor 1 and stop the operation of the heat pump. Furthermore, it progresses to step S33 and the starting routine of FIG. 2 is performed.
  • step S31 If there is no stop command in step S31, the process proceeds to step S34 and waits until the same start condition as confirmed in step S2 of FIG. 2 is established. When the start condition is satisfied, the capacity control routine of FIG. 3 is executed.
  • a thermal load necessary for producing hot water having a desired temperature (hot water temperature set value) and a cold load necessary for producing cold water having a desired temperature (cold water temperature set value).
  • the capacity of the heat pump is adjusted according to the relatively smaller load. For this reason, the amount of supplied heat is reduced with respect to the load on the opposite side.
  • the hot water temperature does not rise much higher than the hot water temperature set value
  • the load on the antikeynote side is cold water
  • the cold water temperature is higher than the cold water temperature set value.
  • condition on the anti-tone side that is not controlled by hot water and cold water is monitored to prevent excessive cooling of the cold water and excessive heating of the hot water, so both the cold load and the hot load are above the minimum capacity of the heat pump.
  • an automatic stop for device protection does not occur due to an imbalance between the cold load and the warm load.
  • the operation when the temperature of the cold water is switched to the cold water temperature or lower in the hot water key operation, the operation is switched to the cold water key operation, and when the temperature of the hot water is higher than the switching hot water temperature in the cold water key operation, the operation is switched to the hot water key operation. Moreover, if the switching cold water temperature is set lower than the cold water set temperature and the switching hot water temperature is set higher than the hot water set temperature, it is difficult to frequently switch the operation between the hot water basic operation and the cold water basic operation. Of course, the switching cold water temperature and the switching hot water temperature must be sufficiently warm from the viewpoint of equipment protection.
  • the next operation is performed until a predetermined time (for example, about 2 minutes) elapses after the operation is switched. It is also preferable to incorporate control that does not cause switching. This is because when the key operation is switched without elapse of the predetermined time, the operation on the key tone side is stabilized from the state in which the operation on the anti key tone side is taken over (the cold water temperature or hot water temperature which is the final control target is the set value). The key operation will be switched again before it converges), so the chilled water temperature or hot water temperature cannot converge to the set value, and so-called hunting or overshoot status (automatic stop due to the overshoot) This is because it is assumed.
  • a predetermined time for example, about 2 minutes
  • FIG. 6 shows a configuration of a heat pump according to the second embodiment of the present invention.
  • the heat pump of this embodiment includes a hot water calorimeter 11 that detects the flow rate and temperature of hot water flowing out of the condenser 2, and a cold water calorimeter 12 that detects the flow rate and temperature of cold water flowing out of the evaporator 4.
  • the hot water calorimeter 11 and the cold water calorimeter 12 detect the flow rate and temperature, respectively, and calculate the heat amount of the flowing water.
  • FIG. 7 shows a capacity control routine in the present embodiment.
  • Step S41 and Step S42 are executed as illustrated. Specifically, in step S41 of the present embodiment, it is confirmed whether or not the amount of cold water detected by the chilled water calorimeter 12 is equal to or less than a preset switching chilled water calorific value. In step S42, the hot water calorimeter 11 It is confirmed whether or not the detected amount of heat of hot water is equal to or less than a preset amount of heat of warm water.
  • the heat pump of the present embodiment switches to the cold water key operation when the cold water heat amount decreases to the predetermined switching cold water heat amount during the hot water key operation, and hot water key operation when the hot water heat amount switches to the hot water heat amount during the cold water key operation. Switch to.
  • the hot water calorimeter 11 and the cold water calorimeter 12 in this embodiment can use what is installed near the load, and central monitoring that centrally controls the whole including equipment using hot water or cold water. It can be adopted when a heat pump is applied to a cold / hot water production facility of a typical system. In particular, when only the existing cold / hot water production facility is replaced, there is no need to newly install the hot water calorimeter 11 or the cold water calorimeter 12. In addition, when the amount of heat of the entire system is controlled, the linkage with the load is excellent.
  • FIG. 8 shows a configuration of a heat pump according to a third embodiment of the present invention.
  • the heat pump of this embodiment includes a hot water flow meter 13 that detects the flow rate of hot water flowing out from the condenser 2 and a cold water flow meter 14 that detects the flow rate of cold water flowing out from the evaporator 4.
  • FIG. 9 shows a capacity control routine in the present embodiment.
  • step S51 and step S52 are executed instead of step S15 and step S18 of FIG. 3 in the first embodiment.
  • step S51 the flow rate of cold water detected by the cold water flow meter 14 is changed. It is confirmed whether or not it is equal to or less than a preset switching cold water flow rate, and in step S52, it is confirmed whether or not the flow rate of hot water detected by the hot water flow meter 13 is equal to or less than a preset switching hot water flow rate.
  • the heat pump according to the present embodiment switches to the cold water key operation when the cold water flow rate decreases to the cold water flow rate during the hot water key operation, and switches to the hot water key operation when the hot water flow decreases to the switch hot water flow rate during the cold water key operation.
  • the hot water flow meter 13 and the cold water flow meter 14 of this embodiment can also use what is installed near the load, and it is necessary to newly install when replacing only the existing cold / hot water production equipment. There is no.
  • This embodiment is suitable for a configuration in which the flow rate changes in conjunction with a change in load.

Abstract

　冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプにおいて、冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、温水基調運転において冷水の温度が所定の切り替え冷水温度以下となった場合には冷水基調運転に切り替え、冷水基調運転において温水の温度が所定の切り替え温水温度以上となった場合には温水基調運転に切り替える。冷水を供給するための冷熱負荷と温水を供給するための温熱負荷との不均衡が大きくなっても運転を継続できるヒートポンプを提供する。

Description

ヒートポンプ
　本発明は、ヒートポンプ、特に、冷水と温水とを同時に外部へ供給するヒートポンプに関する。
　特許文献１には、冷水を製造する冷水取出運転と、温水を製造する温水取出運転とのいずれかで運転される吸収式ヒートポンプが記載されている。特許文献１のヒートポンプでは、吸収液の温度に応じて、冷水取出運転と温水取出運転とを自動的に切り替えて、吸収液の突沸（explosive boil）を防止している。
　また、ヒートポンプは、外部の負荷に冷熱および温熱のいずれか一方を供給するために用いられるだけでなく、外部の冷熱負荷から吸収した温熱を外部の温熱負荷に供給しながら、前記温熱負荷から吸収した冷熱を前記冷熱負荷に供給、つまり、冷熱と温熱とを同時に外部の負荷に供給するために使用されることもある。例えば、冷水と温水とを同時に製造するためにも、ヒートポンプが使用され得る。
　通常、蒸発器における冷熱負荷と凝縮器における温熱負荷とは、互いに独立して変動する。したがって、冷熱と温熱の両方を利用するヒートポンプは、冷熱負荷と温熱負荷のいずれか一方に対して最適化され、他方に対しての熱の供給は成り行きとなる。
　特許文献２には、外部信号により、冷水製造のみを行う冷房単独運転と、温水製造のみを行う暖房単独運転と、冷水温度を目標温度に維持しながら排温熱で温水も製造する冷房基調熱回収運転と、温水温度を目標温度に維持しながら排冷熱で冷水も製造する暖房基調熱回収運転とを切り換えられるヒートポンプが開示されている。尚、温水温度とは、凝縮器から送出される（温水出口で検出される）温水の温度のことを示す。また、冷水温度とは、蒸発器から送出される（冷水出口で検出される）冷水の温度のことを示す。
　特許文献２のヒートポンプは、冷媒の流路を切り替えることによって、蒸発器または凝縮器に供給する熱の一部を空気中に廃棄できる空気熱交換器を備える。つまり、特許文献２のヒートポンプは、冷房基調熱回収運転（冷水基調運転）および暖房基調熱回収運転（温水基調運転）において、ヒートポンプの出力調整に関与しない反基調側の熱を空気熱交換器において消費することによって、冷水温度と温水温度が共に目標温度になるようにしている。したがって、このヒートポンプには、負荷が相対的に大きい方を基調とするような運転を選択する外部信号を入力する必要がある。
　また、冷熱負荷が温熱負荷に比して極端に大きい場合、温水温度が過度に上昇することを防止するためには、冷却塔等の容量の大きい装置によって余剰の熱を廃棄することが考えられる。しかしながら、温水の設定温度が５０℃を超える高温である場合、一般的な冷却塔の耐熱温度を超えるため、冷却塔では温熱を廃棄することができない。
　逆に、温熱負荷が冷熱負荷に比して極端に大きい場合にも、蒸発器において冷水が凍結しないように、容量の大きい熱交換器を設ける必要があるが、多量の冷熱を大気に放出することは困難である。そこで、井水や河川水などに冷熱を廃棄する熱交換器を設けることが考えられるが、そのような冷熱の廃棄先を確保できない場合も少なくない。
　このため、従来のヒートポンプでは、安全のために、直接に温度が制御されない反基調側の温度が許容限度に達するとヒートポンプ全体の運転を停止するような制御がなされている。よって、従来のヒートポンプは、冷熱負荷と温熱負荷との比が大きく変動する場合には、十分な稼働率を確保できないという問題がある。
特開平５－３３２６３４号公報 特開平７－３０５９１４号公報
　前記問題点に鑑みて、本発明は、冷水を供給するための冷熱負荷と温水を供給するための温熱負荷との不均衡が大きくなっても運転を継続できるヒートポンプを提供することを課題とする。
　前記課題を解決するために、本発明によるヒートポンプの第１の態様は、冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、前記温水基調運転において前記冷水の温度が所定の切り替え冷水温度以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、前記冷水基調運転において前記温水の温度が所定の切り替え温水温度以上となった場合には前記温水基調運転に切り替えるものとする。
　また、本発明の第１の態様のヒートポンプにおいて、前記切り替え冷水温度は、前記冷水設定温度以下の温度であり、前記切り替え温水温度は、前記温水設定温度以上の温度であってもよい。
　また、本発明のヒートポンプの第２の態様は、冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、前記温水基調運転において前記冷水の熱量が切り替え冷水熱量以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、前記冷水基調運転において前記温水の熱量が切り替え温水熱量以下となった場合には前記温水基調運転に切り替えるものとする。
　また、本発明のヒートポンプの第３の態様は、冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、前記温水基調運転において前記冷水の流量が切り替え冷水流量以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、前記冷水基調運転において前記温水の流量が切り替え温水流量以下となった場合には前記温水基調運転に切り替えるものとする。
　本発明によれば、温水と冷水の制御対象となっていない反基調側の状態を監視し、冷水の過剰な冷却や温水の過剰な加熱を防止するので、冷熱負荷と温熱負荷がともにヒートポンプの最低容量以上である場合には、冷熱負荷と温熱負荷とのアンバランスに起因して装置保護のための自動停止が生じることがない。
本発明の第１実施形態のヒートポンプの概略構成図である。 図１のヒートポンプの制御の起動ルーチンである。 図１のヒートポンプの制御の容量制御ルーチンである。 図１のヒートポンプの制御の停止判断ルーチンである。 図１のヒートポンプの制御の再起動ルーチンである。 本発明の第２実施形態のヒートポンプの概略構成図である。 図６のヒートポンプの制御の容量制御ルーチンである。 本発明の第３実施形態のヒートポンプの概略構成図である。 図８のヒートポンプの制御の容量制御ルーチンである。
　これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。最初に、図１に本発明の第１実施形態に係るヒートポンプの構成を示す。本実施形態のヒートポンプは、スクリュ圧縮機１、凝縮器２、膨張弁３および蒸発器４を介設してなり、冷媒を封入した循環流路５を有する。
　スクリュ圧縮機１は、大まかには、互いに噛み合って回転可能に構成されてなる雌雄一対のスクリュロータ（図示せず）と、そのスクリュロータを収容してなるケーシング（図示せず）などから構成されている。そして、スクリュ圧縮機１は、スクリュロータが回転されることに伴い、気体である冷媒を吸い込んで圧縮し、圧縮した冷媒を吐出する。凝縮器２は、スクリュ圧縮機１が吐出した冷媒と外部から供給される水との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮して液化すると共に、供給された水を加熱して温水を製造する熱交換器である。膨張弁３は、凝縮器２において液化した冷媒の圧力を下げる。蒸発器４は、冷媒と外部から供給される水との間で熱交換を行い、冷媒を蒸発させると共に、水を冷却して冷水を製造する熱交換器である。
　スクリュ圧縮機１は、モータ６によって駆動され、モータ６には、インバータ７から可変周波数の交流電力が供給される。インバータ７が出力する交流電力の周波数は、制御装置８によって設定される。そして、インバータ７が出力する交流電力の周波数が変更されることにより、スクリュ圧縮機１（のスクリュロータ）の回転数が変更され、スクリュ圧縮機１の容量が変更される。また、制御装置８は、後述する温水基調運転時には凝縮器２の温水の出口に設けた温水温度検出器９の検出温度に応じて、後述する冷水基調運転時には蒸発器４の冷水の出口に設けた冷水温度検出器１０の検出温度に応じて、インバータ７の設定周波数を調整するようになっている。
　図２ないし図５に、本実施形態のヒートポンプの制御の流れを示す。図２は、このヒートポンプの起動の制御手順である。先ず、ステップＳ１において、スイッチ操作や外部機器からの信号の入力のような起動指令の有無を確認する。起動指令があったなら、ステップＳ２において、圧力条件や温度条件等、所定の起動条件を満たしているかどうか確認する。起動条件が成立していれば、ステップＳ３において、スクリュ圧縮機１を起動して、ヒートポンプの運転を開始し、ステップＳ４において、図３に示す容量制御ルーチンの処理を行う。
　容量制御ルーチンでは、ステップＳ１１において、制御開始後の最初の容量制御ルーチンの実行であるか否かを確認する。最初の容量制御でなければ、ステップＳ１２において、前回実行した制御が後述する温水基調制御と冷水基調制御のいずれであったかを確認し、ステップＳ１３またはステップＳ１６に進んで、前回と同じ制御を実行する。ステップＳ１１において、最初の容量制御ルーチンの実行であった場合は、ステップＳ１３に進んで温水基調制御を実行する。
　ステップＳ１３における温水基調制御は、温水温度検出器９の検出温度を予め設定した温水温度設定値に近づけるように、スクリュ圧縮機１の容量、つまり、インバータ７の設定周波数を増減する制御である。この制御には、公知のＰＩＤ制御等の制御が適用できる。定性的にいえば、温水温度検出器９の検出温度が温水温度設定値より高く、それらの差分が大きくなるほど、スクリュ圧縮機１の容量を減少（インバータ７の設定周波数を減少）するよう制御される。また、温水温度検出器９の検出温度が温水温度設定値より低く、それらの差分が大きくなるほど、スクリュ圧縮機１の容量を増加（インバータ７の設定周波数を増加）するよう制御される。尚、ステップＳ１３が示す温水基調制御は、継続的な制御ではなく、制御装置８における１回の演算を意味する。
　ステップＳ１３において、温水温度検出器９の検出温度に基づいてインバータ７の設定周波数を変更または同じ値に再設定すると、ステップＳ１４において、後述する停止判断ルーチンの処理を行い、ステップＳ１５において、冷水温度検出器１０の検出温度が、予め設定した切り替え冷水温度以下であるか否かを確認する。冷水温度が切り替え冷水温度以下であれば、ステップＳ１６に進んで冷水基調制御を行うが、冷水温度が切り替え冷水温度よりも高ければ、ステップＳ１３に戻って、再度、温水基調制御を行う。つまり、冷水温度が切り替え冷水温度以下になるまで、温水基調制御および停止判断ルーチンが繰り返し実行される温水基調運転が行われる。なお、切り替え冷水温度は冷水温度設定値（５℃～３０℃の間の何れかの温度）より０．５℃以上低い値に設定されている。切り替え冷水温度を冷水温度設定値より０．５℃以上低い値に設定することによって、冷水（熱源水）系の制御系としての不感帯を確保して、いわゆるハンチングを回避する効果も期待できる。
　ステップＳ１６における冷水基調制御は、冷水温度検出器１０の検出温度を冷水温度設定値に近づけるように、スクリュ圧縮機１の容量、つまり、インバータ７の設定周波数を増減する制御である。この制御にも、公知のＰＩＤ制御等の制御が適用できる。定性的にいえば、冷水温度検出器１０の検出温度が冷水温度設定値より高く、それらの差分が大きくなるほど、スクリュ圧縮機１の容量を増加（インバータ７の設定周波数を増加）するよう制御される。また、冷水温度検出器１０の検出温度が冷水温度設定値より低く、それらの差分が大きくなるほど、スクリュ圧縮機１の容量を減少（インバータ７の設定周波数を減少）するよう制御される。なお、ステップＳ１６が示す冷水基調制御もまた、継続的な制御ではなく、制御装置８における１回の演算を意味する。
　そして、ステップＳ１６で冷水基調制御を行うたびに、ステップＳ１７において停止判断ルーチンを実行し、ステップＳ１８において温水温度検出器９の検出温度が前記切り替え温水温度以上であるか否かを確認する。温水温度が切り替え温水温度以上であれば、ステップＳ１３に進んで温水基調制御を行うが、温水温度が切り替え温水温度よりも低ければ、ステップＳ１６に戻って、再度、冷水基調制御を行う。つまり、温水温度が切り替え温水温度以上になるまで、冷水基調制御および停止判断ルーチンが繰り返し実行される冷水基調運転が行われる。なお、切り替え温水温度は温水温度設定値（３５℃～９０℃の間の何れかの温度）より０．５℃以上高い値に設定されている。切り替え温水温度を温水温度設定値より０．５℃以上高い値に設定することによって、温水系の制御系としての不感帯を確保して、いわゆるハンチングを回避する効果も期待できる。
　ここで、図４の停止判断ルーチンについて説明する。停止判断ルーチンでは、ステップＳ２１において、スイッチ操作や外部機器からの信号の入力のような停止指令の有無を確認する。停止指令があった場合には、ステップＳ２２に進んで、スクリュ圧縮機１を停止してヒートポンプの運転を停止し、さらにステップＳ２３に進んで、先に説明した図２の起動ルーチンを実行する。
　ステップＳ２１において、停止指令がなかった場合には、ステップＳ２４に進んで、圧力や温度等の所定の停止条件が成立しているかどうか確認する。停止条件を満たしている場合には、ステップＳ２５に進んで、スクリュ圧縮機１を停止してヒートポンプの運転を停止し、さらにステップＳ２６に進んで、図５に示す再起動ルーチンを実行する。停止条件が成立していない場合には、停止判断ルーチンを終了して、容量制御ルーチンに戻る。
　図５の再起動ルーチンは、ステップＳ３１において、停止指令の有無を確認し、停止指令があった場合には、ステップＳ３２に進んで、スクリュ圧縮機１を停止してヒートポンプの運転を停止し、さらにステップＳ３３に進んで、図２の起動ルーチンを実行する。
　ステップＳ３１において、停止指令がなかった場合には、ステップＳ３４に進んで、図２のステップＳ２において確認したのと同じ起動条件が成立するまで待機する。起動条件を満たしたときには、図３の容量制御ルーチンを実行する。
　以上の制御手順によれば、所望の温度（温水温度設定値）の温水を製造するために必要な温熱負荷と、所望の温度（冷水温度設定値）の冷水を製造するために必要な冷熱負荷との内、相対的に小さい方の負荷に合わせてヒートポンプの容量を調整することになる。このため、反基調側の負荷に対して供給熱量が少なくなる。つまり、反基調側の負荷が温水である場合、温水温度が温水温度設定値よりも大きく上昇することがなく、反基調側の負荷が冷水である場合、冷水温度が冷水温度設定値よりも大きく低下することがない。したがって、冷媒の圧力上昇（果ては温水の沸騰）や冷水の凍結の畏れがなく、それらから装置を保護するために運転を停止する必要がない。
　このため、本発明のヒートポンプでは、温水や冷水のラインに余剰の熱を消費するための熱交換器を設ける必要がなく、そのような機器を保護するためにヒートポンプ全体の運転を停止する必要もない。
　すなわち、温水と冷水の制御対象となっていない反基調側の状態を監視し、冷水の過剰な冷却や温水の過剰な加熱を防止するので、冷熱負荷と温熱負荷がともにヒートポンプの最低容量以上である場合には、冷熱負荷と温熱負荷とのアンバランスに起因して装置保護のための自動停止が生じることがない。
　本実施形態では、温水基調運転において冷水の温度が切り替え冷水温度以下になったときに冷水基調運転に切り替え、冷水基調運転において温水の温度が切り替え温水温度以上になったときに温水基調運転に切り替える。また、切り替え冷水温度を冷水設定温度よりも低く設定し、切り替え温水温度を温水設定温度よりも高く設定すれば、温水基調運転と冷水基調運転との間で頻繁に運転を切り替える状態になりにくい。当然ながら、切り替え冷水温度および切り替え温水温度は、設備保護の観点から、十分に余裕のある温度でなければならない。
　なお、温水基調運転と冷水基調運転との間で頻繁に運転を切り替える状態を回避するには、運転の切り替えの後、所定時間（例えば約２分）が経過するまでの間は、次の運転の切り替えが発生しないような制御を組み込むことも好ましい。これは、所定時間を経過せずに基調運転を切り替えると、反基調側の運転を引き継いだ状態から、基調側の運転が安定する（最終的な制御対象である冷水温度または温水温度が設定値に収束する）前に、再び基調運転を切り替えることになるため、冷水温度または温水温度が設定値に収束することができず、いわゆるハンチングや、オーバーシュートの状態（そのオーバーシュートによる自動停止）となることが想定されるからである。
　基調運転の切り替えがなされる直前には、反基調側の負荷（冷水もしくは温水のうちのいずれか一方）のＰＶ値（測定値）、ＳＶ値（設定値）との間に大きな偏差が生じている場合がある。この場合、基調運転の切り替えがなされた際に、上述した偏差の大きさゆえに、直接の制御対象たるスクリュ圧縮機１（インバータ７）に対して大きなＭＶ値（操作量）が出力される。しかしながら、そこで更に基調運転の切り替えがなされると、制御対象に対して、大きなＭＶ値（操作量）が出力された状態から、新たな基調運転に基づく新たなＭＶ値（操作量）が出力される状態に急に推移するため、いわゆるオーバーシュートの状態を助長してしまう恐れがある。所定時間が経過するまでの間、次の基調運転の切り替えが発生しないような制御を組み込むことで、上述のオーバーシュートの状態を回避することができる。
　続いて、図６に、本発明の第２実施形態のヒートポンプの構成を示す。尚、以降の説明において、先に説明した構成と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。本実施形態のヒートポンプは、凝縮器２から流出する温水の流量と温度を検出する温水熱量計１１と、蒸発器４から流出する冷水の流量と温度を検出する冷水熱量計１２とを有する。温水熱量計１１および冷水熱量計１２は、それぞれ、流量と温度を検出して、流出する水の熱量を算出するものである。
　そして、図７に、本実施形態における容量制御ルーチンを示す。本実施形態では、第１実施形態における図３のステップＳ１５およびステップＳ１８に替えて、図示するように、ステップＳ４１およびステップＳ４２を実行する。具体的に説明すると、本実施形態のステップＳ４１では、冷水熱量計１２が検出した冷水の熱量が予め設定した切り替え冷水熱量以下であるか否かを確認し、ステップＳ４２では、温水熱量計１１が検出した温水の熱量が予め設定した切り替え温水熱量以下であるか否かを確認する。つまり、本実施形態のヒートポンプは、温水基調運転のときに冷水熱量が所定の切り替え冷水熱量まで低下すると冷水基調運転に切り替え、冷水基調運転のときに温水熱量が切り替え温水熱量まで低下すると温水基調運転に切り替える。
　尚、本実施形態における温水熱量計１１や冷水熱量計１２は、負荷の近くに設置されているものを利用することができ、温水や冷水を使用する設備を含めて全体を集中制御する中央監視的なシステムの冷温水製造設備にヒートポンプを適用する場合に採用され得る。特に、既存設備の冷温水製造設備のみを入れ替える場合には、温水熱量計１１や冷水熱量計１２を新たに設置する必要がない。また、システム全体の熱量を制御している場合には、負荷との連動性にも優れる。
　さらに、図８に、本発明の第３実施形態のヒートポンプの構成を示す。本実施形態のヒートポンプは、凝縮器２から流出する温水の流量を検出する温水流量計１３と、蒸発器４から流出する冷水の流量を検出する冷水流量計１４とを有する。
　そして、図９に、本実施形態における容量制御ルーチンを示す。本実施形態では、第１実施形態における図３のステップＳ１５およびステップＳ１８に替えて、ステップＳ５１およびステップＳ５２を実行、具体的には、ステップＳ５１において、冷水流量計１４が検出した冷水の流量が予め設定した切り替え冷水流量以下であるか否かを確認し、ステップＳ５２において、温水流量計１３が検出した温水の流量が予め設定した切り替え温水流量以下であるか否かを確認する。つまり、本実施形態のヒートポンプは、温水基調運転のときに冷水流量が切り替え冷水流量まで減少すると冷水基調運転に切り替え、冷水基調運転のときに温水流量が切り替え温水流量まで減少すると温水基調運転に切り替える。
　本実施形態の温水流量計１３や冷水流量計１４も、負荷の近くに設置されているものを利用することができ、既存設備の冷温水製造設備のみを入れ替える場合には、新たに設置する必要がない。本実施形態は、負荷の変化と連動して、流量が変化する形態のものに好適である。
　　１…スクリュ圧縮機
　　２…凝縮器
　　３…膨張弁
　　４…蒸発器
　　５…循環流路
　　６…モータ
　　７…インバータ
　　８…制御装置
　　９…温水温度検出器
　　１０…冷水温度検出器
　　１１…温水熱量計
　　１２…冷水熱量計
　　１３…温水流量計
　　１４…冷水流量計

Claims (4)

  1. 　冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、
    　前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、
    　前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、
    　前記温水基調運転において前記冷水の温度が所定の切り替え冷水温度以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、
    　前記冷水基調運転において前記温水の温度が所定の切り替え温水温度以上となった場合には前記温水基調運転に切り替えることを特徴とするヒートポンプ。
  2. 　前記切り替え冷水温度は、前記冷水設定温度以下の温度であり、前記切り替え温水温度は、前記温水設定温度以上の温度であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
  3. 　冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、
    　前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、
    　前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、
    　前記温水基調運転において前記冷水の熱量が切り替え冷水熱量以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、
    　前記冷水基調運転において前記温水の熱量が切り替え温水熱量以下となった場合には前記温水基調運転に切り替えることを特徴とするヒートポンプ。
  4. 　冷水と温水とを同時に供給する水冷式熱回収ヒートポンプであって、
    　前記冷水の温度を所定の冷水設定温度に近づけるように容量制御する冷水基調運転と、
    　前記温水の温度を所定の温水設定温度に近づけるように容量制御する温水基調運転とが可能であり、
    　前記温水基調運転において前記冷水の流量が切り替え冷水流量以下となった場合には前記冷水基調運転に切り替え、
    　前記冷水基調運転において前記温水の流量が切り替え温水流量以下となった場合には前記温水基調運転に切り替えることを特徴とするヒートポンプ。
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