WO2015129128A1 - ヒートポンプシステムおよびその運転方法 - Google Patents

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剛 淵本
松尾　実
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    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Definitions

  • the present invention relates to a heat pump system in which a plurality of heat pumps are connected to a system load and a method of operating the same.
  • the air-cooled heat pump chiller forms frost on the heat source side heat exchanger during heating operation under low ambient temperature conditions, and if it progresses, heat exchange is inhibited and efficiency drops, so frost is removed A frost (defrost) operation is required.
  • frost defrost
  • Patent Documents 1 and 2 disclose that the capacity reduction is backed up by operating the system. Further, Patent Document 3 discloses a technology in which two or more heat pumps connected in a plurality are connected to defrosting operation at the same time as much as possible.
  • heat pumps in recent years are being modularized in units.
  • individual air-cooled heat pump chillers are modularized, a plurality of such modules are connected in series to form a unit, and further external load (system load)
  • system load external load
  • a heat pump system configured by connecting a plurality of units in parallel has been put to practical use.
  • the heat pump in the defrosting operation uses the heat exchanger on the use side to function as an evaporator and takes heat, a spare unit and a shutdown unit are added according to the number of heat pumps that have simply entered the defrosting operation. There is a problem that the operation may be insufficient due to the thermal load of the system load only by operating.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a heat pump system in which a plurality of heat pumps are connected to a system load, the number of operating heat pumps can be appropriately controlled even while any heat pump is defrosting. It is an object of the present invention to provide a heat pump system capable of always operating at a capacity corresponding to load and a method of operating the same.
  • the heat pump system of the present invention and its operation method adopt the following means. That is, the heat pump system according to the first aspect of the present invention is a heat pump system in which a plurality of heat pumps are connected to a system load, and sequentially calculates the output capability of the heat pump in operation;
  • the system controller is provided with a system control unit that controls the number of operating heat pumps by comparing the capacity calculation value with a thermal load of the system load as a threshold.
  • the capacity that the heat pump in operation can output is sequentially calculated, and the capacity calculation value Because the system control unit is used to control the number of heat pumps operated by comparing the heat load of the system load with the threshold value as the threshold, even if one of the heat pumps in operation enters defrost operation, the heat pump in operation at that time If a heat pump capable of exhibiting the heating capacity in the operating heat pump exists by setting the calculated value of the capacity that can be output as the threshold value and comparing it with the heat load of the system load to control the number of operating heat pumps.
  • Heat-poon with the ability to handle the heat load of the system load immediately without additional operation of another heat pump It is possible to operate the system. Therefore, even when one of the heat pumps is defrosting, energy saving can be achieved by making the additional operation of another heat pump unnecessary depending on the conditions and operating the heat pump system efficiently with the minimum number of heat pumps. In addition, it is possible to improve the reliability of the system by suppressing the on / off frequency of the heat pump and preventing the occurrence of failure or trouble due to frequent on / off repetition.
  • the calculation of the output capable ability of each heat pump is performed by either the control unit on each heat pump side or the system control unit It may be possible.
  • the control unit on each heat pump side has an operation function of the ability Even if the heat pump does not have an additional function of calculating the capacity of the system control unit, as described above, even if a certain heat pump is defrosting, the minimum heat pump may be operated without additional heat pump operation under some conditions.
  • the heat pump system can be operated efficiently by the number. Therefore, the present invention can be easily applied to an existing heat pump system.
  • the system control unit when the heat pump of any one of the heat pumps starts or finishes defrosting operation, the system control unit
  • the capacity of each of the heat pumps may be increased or decreased to calculate the capacity that can be output by each heat pump.
  • the system control unit increases or decreases the capacity of the heat pump when one of the heat pumps of each heat pump starts or ends the defrost operation, and can calculate the capacity that each heat pump can output. Since each heat pump starts and ends the defrost operation, even if the available output capacity increases or decreases, the available output capacity including that can be calculated at any time. Therefore, regardless of the presence or absence of defrost operation, each heat pump can be operated by accurately setting the number of heat pump operation with respect to the thermal load of the system load, and a situation such as a shortage of capacity can be reliably avoided. .
  • the system control unit is configured to be able to calculate the output that each of the heat pumps can output, with the heat component taken by the heat pump during defrosting being minus capacity. It may be
  • the system control unit is configured to be able to calculate the ability that each heat pump can output with the heat capacity taken by the heat pump in defrost as a minus capacity, so the capacity of the heat pump in defrost is reduced.
  • the capacity that can be more accurately output by calculating the capacity that the heat pump can output as a minus capacity the heat component that the heat exchanger use side heat exchanger in defrost is functioning as an evaporator and deprived as well can do. Therefore, it is possible to operate by setting the number of heat pump operating units correctly with respect to the thermal load of the system load, and it is possible to reliably avoid a situation such as a capacity shortage.
  • the system control unit is preset when one of the heat pumps of the respective heat pumps starts defrosting operation.
  • the capacity that can be output by the heat pump in operation may be calculated by multiplying a certain margin ratio.
  • the system control unit can calculate the ability of the heat pump in operation to be able to output by multiplying the margin set in advance. In this case, by assuming that one heat pump is in a defrost operation and the other heat pumps are also frosted and it is operated in a state where it is easy to enter the defrost, as it is configured.
  • the capacity that can be output is calculated by multiplying the preset margin rate to prevent heat load on the heat pump to suppress frost, and the other heat pumps do not follow and enter the defrost operation Can be Therefore, it is possible to reduce the frequency at which each heat pump enters the defrost operation or to delay the timing at which the heat pump enters the defrost operation, and to improve the efficiency at the time of the heating operation.
  • the system control unit cancels the allocation of the margin rate to the available output capacity for a set time from the end of the defrost operation for the heat pump after the end of the defrost operation. It may be configured as follows.
  • the system control unit is configured to cancel allocation of the allowance rate to the possible output capacity for the set time from the end of the defrost operation to the heat pump after the defrost operation is completed.
  • the capacity that can be output if there is a heat pump immediately after the end of defrost, it is judged that the heat pump is not frosted, so it is judged that there is no need to multiply the margin rate, and only the set time from the end of defrost
  • canceling the allocation of the margin rate it is possible to calculate an output capable ability closer to the actual state. As a result, it is possible to calculate the output capable capability more accurately, and set the heat pump operating number appropriately for the heat load of the system load.
  • the system control unit may be configured to gradually reduce and multiply the margin ratio as the time during which each heat pump continues heating operation is longer.
  • the system control unit is configured to gradually reduce the margin ratio as the time during which each heat pump continues the heating operation is longer, the time during which the heating operation is continued The longer the heat pump is, the easier it is for the frost to occur and the other heat pump can easily follow the defrost operation.
  • calculate the capacity that can be output by multiplying the margin ratio to gradually decrease according to the operation continuation time By setting the heat pump so as not to apply a heat load to suppress the frost, it is possible to suppress the start of the defrost operation of another heat pump. Therefore, the frequency at which each heat pump enters the defrost can be reduced or the timing of entering the defrost operation can be delayed to improve the efficiency at the time of the heating operation.
  • the system control unit counts the number of times of defrosting of the heat pump during operation, and gradually reduces the margin rate as the number increases. It may be configured to be multiplied.
  • the system control unit counts the number of times of heat pump defrosting during operation, and the margin ratio is gradually reduced and multiplied as the number of times increases.
  • the number of defrosting cycles of the heat pump during operation is counted, depending on the number of frosts, since some frost remains due to unmelted and enters the defrost again in a short time and the number of times of defrosting may increase.
  • the capacity that can be output by multiplying the margin rate to be gradually reduced it is possible to suppress frost and prevent the heat pump from entering the defrosting operation without applying a heat load to the heat pump. Therefore, the frequency at which each heat pump enters the defrost can be reduced or the timing of entering the defrost operation can be delayed to improve the efficiency at the time of the heating operation.
  • an operating method of a heat pump system is an operating method of a heat pump system in which a plurality of heat pumps are connected to a system load, and the heat pump in operation can be output
  • the process of calculating the capacity sequentially, the process of comparing the capacity calculation value with the heat load of the system load as a threshold, and the heat load of the system load exceeds the threshold which is the capacity calculation value.
  • a second aspect of the present invention in a method of operating a heat pump system in which a plurality of heat pumps are connected to a system load, the process of sequentially calculating the output capable of outputting the heat pump in operation; In order to have the process of comparing the thermal load of the system load with the capacity calculation value as a threshold and the process of increasing or decreasing the number of operating heat pumps depending on whether the thermal load of the system load exceeds the threshold of the capacity calculation value.
  • the calculated value of the ability that the heat pump in operation can output at that time is used as the threshold value to compare with the heat load of the system load, Heat pump during operation by increasing or decreasing the number of operating heat pumps depending on whether the heat load of the If I heat pump capable of exerting heating capacity exists in immediately without adding operation and another heat pump, it is possible to operate the heat pump system capacity that may correspond to the heat load of the system load. Therefore, even when one of the heat pumps is defrosting, energy saving can be achieved by making the additional operation of another heat pump unnecessary depending on the conditions and operating the system efficiently with the minimum number of heat pumps. In addition, it is possible to improve the reliability of the system by suppressing the on / off frequency of the heat pump and preventing the occurrence of failure or trouble due to frequent on / off repetition.
  • the increase or decrease in the number of operating heat pumps is the threshold value where the thermal load of the system load is the capacity calculation value. It may be determined depending on whether the value exceeds the value obtained by multiplying the step-up load factor or the step-down load factor.
  • the increase or decrease in the number of operating heat pumps is determined based on whether or not the thermal load of the system load is a value obtained by multiplying the step-up load factor or the step-down load factor Therefore, when increasing or decreasing the number of operating heat pumps by comparing the threshold value, which is the capacity calculation value, with the heat load, the value obtained by multiplying the capacity calculation value, which is the threshold value, by the increase load factor or reduction load factor The heat load is compared to determine whether to increase or decrease the number of operating heat pumps or to maintain the number as it is.
  • a load factor range in which the coefficient of performance (COP) of each heat pump is equal to or more than a predetermined value is set in advance, and the load factor defined by the relationship between the heat pump capacity and the required heat load is the upper limit of the load factor range. If the value (increased load factor) is exceeded, the number of operating heat pumps is increased, and if the load factor exceeds the lower limit value of the load factor range (reduced load factor), the number of operated heat pumps is decreased to By increasing or decreasing the number of operating units, each heat pump can always be operated at a COP equal to or higher than a predetermined value. Therefore, regardless of the change in the number of operating units, the heat pump system is always operated efficiently and stably at a high COP. be able to.
  • the calculated value of the ability of the heat pump in operation at that time can be output is used as the threshold. If there is a heat pump capable of exhibiting the heating capacity in the operating heat pump by controlling the number of operating heat pumps by comparing the heat load of the load, the system load without immediately operating another heat pump
  • the heat pump system can be operated with the ability to cope with the heat load of one heat pump, so that even when one heat pump is defrosting, additional heat pump operation is not required depending on conditions, and the heat pump system can be efficiently done with the minimum number of heat pumps. Save energy by operating It is possible.
  • it is possible to improve the reliability of the system by suppressing the on / off frequency of the heat pump and preventing the occurrence of failure or trouble due to frequent on / off repetition.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a heat pump system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a configuration diagram of each unit thereof.
  • the heat pump system 1 is a heat medium that circulates a heat medium (here, hot water or cold water) with respect to an air conditioner such as a fan coil unit, a water heater, an external load such as factory equipment (hereinafter referred to as system load) 2.
  • the piping 3 is provided.
  • a supply header 4 is provided on the supply side of the heat medium pipe 3 and a return header 5 is provided on the return side.
  • a bypass pipe 7 having a bypass valve 6 is connected between the return header 5 and the supply header 4 so that the heat medium can be bypassed from the supply header 4 to the return header 5 side.
  • a plurality of heat pumps 10A, 10B, 10C are connected in parallel between the return header 5 and the supply header 4 via the heat medium pipes 8A, 8B, 8C and the heat medium pumps 9A, 9B, 9C, respectively.
  • FIG. 10A, 10B and 10C an example in which three heat pumps 10A, 10B and 10C are connected in parallel is shown, but it goes without saying that the number of heat pumps is increased or decreased according to the size of the system load and the like.
  • each unit 10A, 10B, and 10C is configured by a single heat pump, and a plurality of heat pumps are connected in series.
  • each heat pump may be referred to as a "module”, and the heat pump referred to as this module may be modularized. It includes both heat pump and normal heat pump which is not modularized.
  • Each of the units 10A, 10B, 10C is provided with unit-side control units 11A, 11B, 11C that individually control the units 10A, 10B, 10C. Further, each unit 10A, 10B, 10C is configured by connecting a plurality of individual heat pumps (here, heat pump chillers) 12 as modules 13A, 13B, 13C, 13D in series. In this embodiment, one module 10A, 10B, 10C is configured by connecting four modules 13A to 13D in series, but the number of modules connected is as follows. It is not limited and can be increased or decreased as appropriate.
  • each heat pump chiller 12 which comprises each module 13A, 13B, 13C, 13D is demonstrated.
  • the heat pump chiller 12 exchanges heat between a plurality of compressors 14A and 14B connected in parallel, a four-way switching valve 15 for switching the flow direction of the refrigerant, and the refrigerant and water to produce hot water or cold water
  • the refrigeration cycle of the closed circuit comprised by connecting sequentially the refrigerant
  • the heat pump chiller 12 itself may be a known one, and the heat pump chiller 12 having the same configuration is used in each of the modules 13A to 13D. However, they do not necessarily have to have the same configuration.
  • Each heat pump chiller 12 is a module for controlling the number of revolutions and the like of the compressors 14A and 14B based on the detection values of the temperature sensors 19 and 20 provided in the heat medium inlet piping and outlet piping of the water heat exchanger 16, respectively.
  • a control system such as the substrate 21 and the inverter substrates 22A and 22B is provided, and is configured as a module.
  • each of the units 10A, 10B, and 10C described above has a configuration in which four modules 13A to 13D are connected in series to the heat medium pipes 8A, 8B, and 8C.
  • Each module 13A is provided with a control unit 11A, 11B, 11C on each unit side provided with a unit control board 23 for controlling the control of four modules 13A to 13D and an operation unit 24. It is assumed.
  • the unit side control units 11A, 11B and 11C are configured to receive detection values from temperature sensors 25 and 26 provided in the heat medium inlet piping and outlet piping for the units 10A, 10B and 10C. .
  • the heat pump system 1 is provided with a system control unit 27 that controls the number of operating units 10A, 10B, 10C connected in parallel to the system load 2.
  • the system control unit 27 calculates the heat load (flow rate ⁇ return temperature difference ⁇ specific gravity ⁇ specific heat) Q of the system load 2 and the ability C that can be output by the operating units 10A, 10B and 10C as needed. The two are compared based on the result, and the number of operating units 10A, 10B, 10C is controlled to increase or decrease.
  • increase / decrease control of the number of operating units 10A, 10B, 10C by the system control unit 27 will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 3 shows a control flowchart when increasing or decreasing the number of operation
  • FIG. 4 shows an image of the control threshold.
  • the heat load Q of the system load 2 acquires the main pipe flow rate F, the cold water return temperature Ts, the cold water return temperature Tr, etc., which are water supply data to the load side in step S2, and is preset in step S3.
  • Data such as specific gravity Cp, specific heat ⁇ , etc. can be fetched, and can be calculated from the following equation (1) in step S4.
  • Q F (Tr-Ts) Cp ⁇ ((1)
  • the unit 10A during operation, 10B, 10C capable C possible output units 10A in operation at step S12, 10B, the defrost condition monitoring data of each module 13A to 13D of 10C, the heating operation module number M H , obtained as defrost module M D, also by taking the rated capacity Crate of each module which is set in advance in step S13 (heat pump), it is possible in step S14, the calculation from the following equation (2).
  • Crate (M D / M H + M D ) may be replaced by ⁇ ⁇ M D.
  • the capacity C that each unit 10A, 10B, 10C can output during the heating operation is the air heat exchanger 18 of any of the four modules 13A to 13D that constitute each unit 10A, 10B, 10C.
  • the defrosting operation must be performed to melt the frost, and since the heating operation of the module is interrupted, it is necessary to calculate by subtracting its capacity.
  • the thermal load Q of the system load 2 thus calculated is compared with the capability C that the units 10A to 10C can output during the heating operation in step S5, and the number of units 10A to 10C operated is increased or decreased. That is, in the present embodiment, the capability C which can be output by the units 10A to 10C in operation is sequentially calculated, and the calculated value is used as a threshold value when increasing or decreasing the number of operating units. In the above case, as shown in FIG. 4, if the thermal load Q originally exceeds 100 kW, which is the capacity C that can be output, the number of units 10A to 10C operated will be increased, but one module is defrosted Since the possible output capacity C is 75 kW, this value is used as a threshold to increase the number of units 10A to 10C operated.
  • step S5 it is determined whether or not the thermal load Q of the system load 2 exceeds the output capability C. If YES, the process proceeds to step S6 to operate the units 10A to 10C. Instruct to increase the number by one. In the present embodiment, when increasing / decreasing the number of units 10A to 10C operated by comparing the thermal load Q and the available output capacity C, the available output capacity C is multiplied by the increase load factor and the decrease load factor. I use a value.
  • load factor ranges in which the coefficient of performance (COP) of each unit 10A to 10C is equal to or more than a predetermined value are set in advance. If the load factor specified in the relationship with the upper limit value of the load factor range exceeds the operating load factor of units 10A to 10C, the load factor is set as the lower limit value of the load factor range. If the defined step reduction load factor is exceeded, the number of operating units 10A to 10C is decreased to increase or decrease the number of operating units 10A to 10C, so that each unit 10A to 10C always has a COP equal to or greater than a predetermined value. It makes it possible to drive.
  • COP coefficient of performance
  • step S5 "Q> C ⁇ stage increase load factor” is determined, and when the thermal load Q exceeds "C ⁇ stage increase load factor”, "Q ⁇ C ⁇ stage increase load factor” is determined in step S6. The number of units will be calculated and the number of operating units will be instructed to increase. If NO in step S5, the process proceeds to step S7, where "Q> C ⁇ step reduction load factor” is determined, and when the thermal load Q exceeds "C ⁇ step reduction load factor", The process proceeds to step S8 to instruct to decrease the number of operating units 10A to 10C, and when it is determined NO in step S7, the process proceeds to step S9 and nothing is performed (the number of operating units is not increased or decreased). It will return to the position.
  • the system control unit 27 calculates the capability C that the units 10A to 10C in operation can output
  • the capability C that each unit 10A to 10C can output is
  • the control units 11A to 11C on the units 10A to 10C may calculate and send the calculation result to the system control unit 27 to determine increase or decrease in the number of operation.
  • the control units 11A to 11C on the units 10A to 10C side are responsible for the functions shown in steps S11 to S14 in FIG.
  • cold water or hot water is produced by operating the appropriate number of units 10A to 10C, and the cold water or hot water is circulated to the system load 2 for use. it can.
  • the system control unit 27 or the unit side control units 11A to 11C calculate the thermal load Q of the system load 2 and the capability C which can be output by each unit 10A to 10C as needed, and the thermal load Q and the capability capable of outputting
  • the number of operating units 10A to 10C is controlled to be increased or decreased, and the heat pump system 1 is operated with the ability to correspond to the heat load Q of the system load 2.
  • the capacity C which each unit 10A to 10C can output is sequentially calculated, and the capacity calculation value C is used as a threshold value to compare with the thermal load Q of the system load 2 to calculate the number of units 10A to 10C operating. Since the system control unit 27 for controlling is provided, even if any module 13A to 13D in each unit 10A to 10C enters the defrosting operation, calculation of the ability C that each unit 10A to 10C can output at that time. By controlling the number of units 10A to 10C operating by comparing the thermal load Q of the system load 2 with a threshold value and controlling the number of units 10A to 10C operating, modules 13A to 13D capable of exhibiting the heating capacity are present. If there are any other units 10A to 10C immediately without additional operation, It is possible to operate the heat pump system 1 in capacity, which may correspond to the stem load 2.
  • the modules 13A to 13D in the units 10A to 10C are defrosting, depending on the conditions, additional operation of the other units 10A to 10C is not required, and energy saving is achieved by operating the heat pump system 1 efficiently with the minimum number of units.
  • the on / off frequency of the units 10A to 10C can be suppressed, and the occurrence of failure or trouble due to frequent on / off repetition can be prevented, and the reliability of the heat pump system 1 can be improved.
  • the thermal load Q of the system load 2 is compared with the capacity C that the units 10A to 10C in operation can output and the number of units 10A to 10C is increased or decreased, the thermal load Q of the system load 2 is Since it is determined whether it exceeds a value obtained by multiplying the loadable capability C, which is the threshold value, by the step-up load factor or the step-down load factor, each unit 10A to 10C always has a predetermined value or more. It is possible to operate with the coefficient of performance (COP), and therefore, the heat pump system 1 can always be operated efficiently and stably with a high COP regardless of the change in the number of operation.
  • COP coefficient of performance
  • the calculation of the output capability C of the units 10A to 10C in operation can be performed by the module 13A to 13D. Since the calculation is performed by increasing and decreasing the minutes, even if the output capability C increases or decreases, the output can be included including the increase or decrease as the modules 13A to 13D start or end defrosting. The ability can be calculated appropriately at any time. Therefore, regardless of the presence or absence of defrost operation of each of the modules 13A to 13D, the unit operation number can be accurately set with respect to the thermal load Q of the system load 2 and operation can be performed. It can be avoided.
  • the calculation of the output capability C of each unit 10A to 10C can be performed by any of the control units 11A to 11C on each unit side or the system control unit 27, control on each unit side
  • control on each unit side Even when the units 11A to 11C do not have the capability arithmetic function, by adding the capability arithmetic function to the system control unit 27, even if a certain module 13A to 13D is defrosting, some modules may be spared depending on the conditions.
  • the heat pump system 1 can be efficiently operated with the minimum number of units corresponding to the heat load Q of the system load 2 without additionally operating the units 10A to 10 of the above. Thereby, the present invention can be easily applied to an existing heat pump system.
  • Example 1 In the first embodiment described above, when any of the plurality of modules 13A to 13D constituting each unit 10A to 10C enters the defrosting operation or the operation is ended, the modules 13A to 13D are The capacity C is increased or decreased by calculating the capacity C. However, in the heat pump, the water heat exchanger 16 which is the use side heat exchanger functions as an evaporator when the defrost operation is started during heating. In the modules 13A to 13D, heat is taken from the load side.
  • the output capable ability C is calculated in consideration of this point.
  • the modules 13A to 13D that have entered defrost operation not only loses the output capability C to zero, but also consumes heat, acting as a minus capability.
  • 100kW x (1/4)-100kW x (3/4) -50kW Since the units 10A to 10C have a negative capacity, the number of units to be added may be one or two.
  • Example 2 Furthermore, when any module 13A to 13D in the units 10A to 10C enters the defrosting operation, the other modules 13A to 13D are also frosted and are operated in a state where it is easy to enter the defrosting. You can look at it. In such a case, there is a possibility that the other modules 13A to 13D also follow and enter the defrost, and in order to avoid it, the margin ratio (for example, 0.9) is set when calculating the output capability C. By interrupting it and not applying a thermal load to the units 10A to 10C, it is possible to suppress frost and prevent the other modules 13A to 13D from following and entering the defrost operation. it can.
  • the margin ratio for example, 0.9
  • the output capability C is calculated by multiplying the preset margin ratio, and heat is generated to the units 10A to 10C.
  • the allowances rate was set to "for example, 0.9" in the above, it is needless to say that it is not limited to this and it may be changed suitably. Further, the margin rate may be changed according to the number of modules 13A to 13D in the heating operation.
  • Example 3 In the second embodiment, at the time of calculating the output capability C of the units 10A to 10C, the other modules 13A to 13D are made difficult to enter the defrost by multiplying the margin ratio, but after the defrost is completed Modules 13A-13D can generally be considered not to be frosted. Therefore, with regard to the modules 13A to 13D after the end of defrosting, the allowance ratio may be released during the calculation of the output capability C for the set time T from the end of the defrost operation.
  • Example 4 In addition, the longer the time during which each unit 10A to 10C or module 13A to 13D continues the heating operation, the more easily frost is generated, and the other module 13A to 13D becomes easier to follow in the defrosting operation. For this reason, according to the continuation time of heating operation, the said margin ratio can be reduced gradually and it can be made to be so long that time is long. That is, the concept of time is taken into setting the margin rate, and for example, the margin rate is decreased by 10% each time t minutes elapse.
  • the capacity C which can be output is calculated by multiplying the margin rate which is gradually reduced according to the operation duration time, and the frost is suppressed by not applying a thermal load to the units 10A to 10C, Defrosting of the other modules 13A to 13D can be suppressed. Therefore, the frequency at which each module 13A to 13D enters the defrost can be reduced or the timing of entering the defrosting operation can be delayed, and the efficiency at the time of heating operation can be improved.
  • Example 5 Furthermore, even if defrosting is performed, frost may remain unmelted and in such a case, it becomes easy to enter defrost again. Therefore, the number of times of defrosting of the modules 13A to 13D while the units 10A to 10C are in operation may be counted, and the margin rate may be gradually reduced and divided as the number of times of defrosting increases. That is, according to the number of times of defrosting, for example, the margin rate is decreased by 10% at a time of one defrosting and divided, and the output capability C is calculated.
  • the defrosting may be increased again by entering the defrosting again in a short time.
  • the defrosting times of the modules 13A to 13D during unit operation are counted.
  • the frost is suppressed so as not to apply a heat load to the units 10A to 10C, and the other modules 13A to It is possible to suppress the entry of the 13D defrost operation. Therefore, the frequency at which each module 13A to 13D enters the defrost can be reduced or the timing at which the defrost operation starts can be delayed, and the efficiency at the time of the heating operation can be improved.
  • the present invention is not limited to the invention according to the above-described embodiment, and appropriate modifications can be made without departing from the scope of the invention.
  • the amount of heat removed by each of the modules 13A to 13D at the time of defrosting is made equal to the capacity of each of the modules 13A to 13D, but a fixed value may be separately provided.
  • each heat pump is described as a module or one or a plurality of heat pumps connected as a unit for convenience, in the present invention, a plurality of heat pumps are connected to a load.
  • a heat pump system or a plurality of heat pumps can be used as a unit and can be applied to any of a plurality of heat pump systems connected.
  • modules or units may be read as heat pumps in each case, and Each heat pump may be either modularized or not as described above.
  • Heat pump system System load (external load) 10A, 10B, 10C unit (heat pump) 11A, 11B, 11C unit side control part 12 heat pump (heat pump chiller) 13A, 13B, 13C, 13D modules (heat pump) 27 System controller

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Abstract

　いずれかのヒートポンプがデフロスト中でもその運転台数を適切に制御できるとともに、常に負荷に対応した能力で運転ができるヒートポンプシステムおよびその運転方法を提供する。システム負荷に対して複数台のヒートポンプ（１０Ａないし１０Ｃ（１３Ａないし１３Ｄ））が接続されているヒートポンプシステム１であって、運転中のヒートポンプ（１０Ａないし１０Ｃ（１３Ａないし１３Ｄ））が出力可能な能力を逐次演算し、その能力演算値を閾値としてシステム負荷の熱負荷と比較し、ヒートポンプ（１０Ａないし１０Ｃ（１３Ａないし１３Ｄ））の運転台数を制御するシステム制御部（２７）を備えている。

Description

ヒートポンプシステムおよびその運転方法
　本発明は、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムおよびその運転方法に関するものである。
　空冷ヒートポンプチラーは、外気温が低い条件下での暖房運転時に熱源側熱交換器に着霜（フロスト）し、それが進行すると、熱交換を阻害して効率が低下するため、霜を溶かす除霜（デフロスト）運転が必要となる。この場合、ヒートポンプチラーでは、利用側の水熱交換器が蒸発器として機能することにより熱を奪うため、負荷への供給温度が低下してしまうという課題が発生する。
　そこで、負荷に対して複数台のヒートポンプを接続したシステムにおいて、或るヒートポンプがフロストしてデフロスト運転に入ったとき、停止していたヒートポンプを強制的に運転し、あるいは非定常運転の予備のヒートポンプを運転することにより、能力の低下分をバックアップするようにしたものが特許文献１，２に開示されている。また、特許文献３には、複数台接続されたヒートポンプの中の２台以上が同時期にデフロスト運転に入るのを極力回避するようにした技術が開示されている。
　一方、近年のヒートポンプは、ユニット内モジュール化が進んでおり、例えば、個々の空冷ヒートポンプチラーをモジュール化し、そのモジュールを複数台直列に接続してユニットを構成し、更に外部負荷（システム負荷）に対して複数台のユニットを並列に接続した構成のヒートポンプシステムが実用化されている。
特開平６－７４５３１号公報 特許第３２２１２３２号公報 特開２０１３－１０８７３２号公報
　しかしながら、負荷に対して複数台のヒートポンプを接続した構成のヒートポンプシステムでは、いずれかのヒートポンプがデフロスト中であっても、中に暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在している場合、デフロスト運転に入ったヒートポンプに対応して直ちに予備や停止中のヒートポンプを追加運転する必要はなく、特許文献１，２に示すもののように、或るヒートポンプがデフロストに入ったとき、それに対応して予備機や停止機を追加運転するものでは、予備機や停止機を無駄に運転することになり兼ねず、省エネルギー化に反する等の課題を有していた。
　また、デフロスト運転中のヒートポンプは、利用側熱交換器が蒸発器として機能し、熱を奪うことになるため、単純にデフロスト運転に入ったヒートポンプ台数に対応して、予備機や停止機を追加運転するだけでは、システム負荷の熱負荷に対して能力不足に陥る場合がある等の課題があった。
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続したヒートポンプシステムにおいて、いずれかのヒートポンプがデフロスト中でもその運転台数を適切に制御できるとともに、常に負荷に対応した能力で運転ができるヒートポンプシステムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
　上記した課題を解決するために、本発明のヒートポンプシステムおよびその運転方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の第１の態様にかかるヒートポンプシステムは、システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムであって、運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算し、その能力演算値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較し、前記ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備えている。
　本発明の上記第１の態様によれば、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムにあって、運転中のヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算し、その能力演算値を閾値としてシステム負荷の熱負荷と比較し、ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備えているため、運転中のヒートポンプのいずれかがデフロスト運転に入ったとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値とし、それとシステム負荷の熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を制御することによって、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができる。従って、いずれかのヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。
　さらに、本発明の上記第１の態様のヒートポンプシステムは、上記のヒートポンプシステムにおいて、前記各ヒートポンプの出力可能な能力の演算は、前記各ヒートポンプ側の制御部または前記システム制御部のいずれかにより演算可能とされていることとしてもよい。
　上記態様によれば、各ヒートポンプの出力可能な能力の演算が、各ヒートポンプ側の制御部またはシステム制御部のいずれかにより演算可能とされているため、各ヒートポンプ側の制御部が能力の演算機能を有していない場合でも、システム制御部に能力の演算機能を付加することにより、上記の如く、或るヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては予備のヒートポンプを追加運転することなく、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することができる。従って、既設のヒートポンプシステムに対しても簡易に本発明を適用することができる。
　さらに、本発明の上記第１の態様のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのヒートポンプの能力分を増減して前記各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされていることとしてもよい。
　上記態様によれば、システム制御部が、各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのヒートポンプの能力分を増減して各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、各ヒートポンプがデフロスト運転を開始したり、終了したりすることによって、出力可能な能力が増減しても、それを含めて出力可能な能力を随時的確に演算することができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト運転の有無にかかわらず、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
　さらに、上記構成のヒートポンプシステムは、上記のヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、デフロスト中の前記ヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として前記各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされていることとしてもよい。
　上記構成によれば、システム制御部が、デフロスト中のヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、デフロスト中のヒートポンプの能力分を減ずるだけでなく、デフロスト中のヒートポンプの利用側熱交換器が蒸発器として機能し奪う熱分を、更にマイナス能力としてヒートポンプが出力可能な能力を演算することによって、より正確に出力可能な能力を演算することができる。従って、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
　さらに、本発明の上記第１の態様のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている余裕率を割り掛けして運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされていることとしてもよい。
　上記態様によれば、システム制御部が、各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている余裕率を割り掛けて運転中のヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされているため、或るヒートポンプがデフロスト運転に入ったことを以って他のヒートポンプもフロストしており、デフロストに入り易い状態で運転されていると見做すことにより、この場合、出力可能な能力を予め設定されている余裕率を割り掛けて演算し、そのヒートポンプに熱負荷をかけないようにすることによりフロストを抑制し、他のヒートポンプが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト運転に入る頻度を低減あるいはデフロスト運転に入るタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を高めることができる。
　さらに、上記構成のヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記デフロスト運転終了後の前記ヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、前記出力可能能力への前記余裕率の割り掛けを解除する構成とされていることとしてもよい。
　上記構成によれば、システム制御部が、デフロスト運転終了後のヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、出力可能能力への余裕率の割り掛けを解除する構成とされているため、出力可能な能力の演算時、デフロスト終了直後のヒートポンプが存在した場合、そのヒートポンプはフロストしていないと見做せることから余裕率を割り掛ける必要がないと判断し、デフロスト終了時点から設定時間だけ余裕率の割り掛けを解除することによって、より実態に近い出力可能な能力を演算することができる。これによって、出力可能な能力をより正確に演算し、システム負荷の熱負荷に対してヒートポンプ運転台数を適切に設定して運転することができる。
　さらに、上記構成のヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、前記各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、前記余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされていることとしてもよい。
　上記構成によれば、システム制御部が、各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされているため、暖房運転を継続している時間が長いヒートポンプほどフロストが発生し易く、他のヒートポンプに追従してデフロスト運転に入り易くなることから、この場合、運転継続時間に応じて漸次低減する余裕率を割り掛けて出力可能な能力を演算し、そのヒートポンプに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制することにより、他のヒートポンプのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。
　さらに、上記構成のヒートポンプシステムは、上述のいずれかのヒートポンプシステムにおいて、前記システム制御部は、運転中の前記ヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、前記余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされていることとしてもよい。
　上記構成によれば、システム制御部が、運転中のヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされているため、デフロストを実施しても一部の霜が溶け残しにより残存し、短時間のうちに再度デフロストに入ってデフロスト回数が多くなる場合があることから、この場合、運転中のヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数に応じて漸次低減する余裕率を割り掛けて出力可能な能力を演算することにより、当該ヒートポンプに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制し、そのヒートポンプのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各ヒートポンプがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。
　さらに、本発明の第２の態様にかかるヒートポンプシステムの運転方法は、システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムの運転方法であって、運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算する過程と、前記能力演算値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較する過程と、前記システム負荷の熱負荷が前記能力演算値である前記閾値を超えているか否かにより前記ヒートポンプの運転台数を増減制御する過程と、を備える。
　本発明の第２の態様によれば、システム負荷に対して複数台のヒートポンプを接続しているヒートポンプシステムの運転方法にあって、運転中のヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算する過程と、その能力演算値を閾値としてシステム負荷の熱負荷と比較する過程と、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値を超えている否かによりヒートポンプの運転台数を増減制御する過程とを備えるため、運転中のヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転に入ったとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値に、それとシステム負荷の熱負荷とを比較し、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値以上か否かによりヒートポンプの運転台数を増減することによって、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができる。従って、いずれかのヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくシステムを運転することにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。
　さらに、本発明の第２の態様のヒートポンプシステムの運転方法は、上記のヒートポンプシステムの運転方法において、前記ヒートポンプの運転台数の増減が、前記システム負荷の熱負荷が前記能力演算値である前記閾値に対して増段負荷率または減段負荷率を掛けた値を超えている否かにより決定されることとしてもよい。
　上記態様によれば、ヒートポンプの運転台数の増減が、システム負荷の熱負荷が能力演算値である閾値に対して、増段負荷率または減段負荷率を掛けた値以上か否かにより決定されるため、能力演算値である閾値と熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を増減する際、閾値である能力演算値に増段負荷率または減段負荷率を掛けた値とシステム負荷の熱負荷とを比較し、ヒートポンプの運転台数を増減するかそのままの台数を維持するかを決定するようにしている。これにより、各ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）が所定値以上となる負荷率範囲を予め設定しておき、ヒートポンプの能力と要求熱負荷との関係で規定される負荷率がその負荷率範囲の上限値（増段負荷率）を超えた場合、ヒートポンプの運転台数を増加し、負荷率が負荷率範囲の下限値（減段負荷率）を超えた場合、ヒートポンプの運転台数を減少してヒートポンプの運転台数を増減することで、各ヒートポンプを常に所定値以上のＣＯＰで運転可能とすることができ、従って、運転台数の変更にかかわらず、常にヒートポンプシステムを高ＣＯＰで効率よく安定的に運転することができる。
　本発明のヒートポンプシステムおよびその運転方法によると、運転中のヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転に入ったとしても、その時の運転中のヒートポンプが出力可能な能力の演算値を閾値とし、それとシステム負荷の熱負荷とを比較してヒートポンプの運転台数を制御することにより、運転中のヒートポンプに暖房能力を発揮できるヒートポンプが存在しておれば、直ちに他のヒートポンプを追加運転することなく、システム負荷の熱負荷に対応し得る能力でヒートポンプシステムを運転することができるため、或るヒートポンプがデフロスト時でも、条件によっては他のヒートポンプの追加運転を不要とし、最少のヒートポンプ台数で効率よくヒートポンプシステムを運転することにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止して、システムの信頼性を向上することができる。
本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの構成図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの運転台数を制御する際のフローチャート図である。 上記ヒートポンプシステムの各ユニットの運転台数を増減する際の制御閾値のイメージ図である。
　以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図４を用いて説明する。
　図１には、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプシステムの概略構成図が示され、図２には、その各ユニットの構成図が示されている。
　ヒートポンプシステム１は、ファンコイルユニット等の空調機器、給湯機器、工場設備等の外部負荷（以下、システム負荷という。）２に対して、熱媒体（ここでは、温水または冷水）を循環する熱媒体配管３を備えている。この熱媒体配管３の供給側にはサプライヘッダ４、戻り側にはリターンヘッダ５が設けられている。
　リターンヘッダ５とサプライヘッダ４間には、バイパス弁６を備えたバイパス配管７が接続されており、サプライヘッダ４側からリターンヘッダ５側に対して熱媒体がバイパス可能とされている。また、リターンヘッダ５とサプライヘッダ４間には、それぞれ熱媒体配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃおよび熱媒体ポンプ９Ａ，９Ｂ，９Ｃを介して複数台のヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが並列に接続されている。ここでは、３台のヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを並列に接続した例を示すが、台数は、システム負荷の大きさ等に応じて増減されることは云うまでもない。
　以下、本実施形態では、このヒートポンプ１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃをそれぞれ「ユニット」と称することとし、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、それぞれ単独のヒートポンプで構成されるもの、複数台のヒートポンプを直列に接続して構成されるもののいずれであってもよく、また、複数台のヒートポンプで構成されるユニットの場合、それぞれのヒートポンプを「モジュール」と称することとし、このモジュールと称するヒートポンプには、モジュール化したヒートポンプ、モジュール化していない通常ヒートポンプのいずれをも含むものとする。
　各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃには、各々のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを個別に制御するユニット側制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられている。また、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、個々のヒートポンプ（ここでは、ヒートポンプチラー）１２をモジュール１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄとして複数台直列に接続して構成したものである。なお、この実施形態では、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄを直列に接続することにより、１台のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成したものを例示しているが、モジュールの接続台数は、これに限られるものではなく、適宜増減することができるものとする。
　以下に、各モジュール１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄを構成する個々のヒートポンプチラー１２の構成について説明する。
　ヒートポンプチラー１２は、並列に接続される複数台の圧縮機１４Ａ，１４Ｂと、冷媒の流れ方向を切換える四方切換弁１５と、冷媒と水とを熱交換し、温水または冷水を製造する水熱交換器１６と、膨張弁１７と、外気と冷媒とを熱交換する空気熱交換器１８とを順次冷媒配管を介して接続することにより構成された閉回路の冷凍サイクルを備えたものである。このヒートポンプチラー１２自体は、公知のものでよく、各々のモジュール１３Ａないし１３Ｄとも、同一構成のヒートポンプチラー１２が使用されている。但し、必ずしも同一構成である必要はない。
　個々のヒートポンプチラー１２は、それぞれ水熱交換器１６の熱媒体入口配管および出口配管に設けられている温度センサ１９，２０の検出値に基づいて圧縮機１４Ａ，１４Ｂの回転数等を制御するモジュール基板２１、インバータ基板２２Ａ，２２Ｂ等の制御系を備えたものであり、モジュール化された構成とされている。
　本実施形態において、上記した各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、図２に示されるように、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄを熱媒体配管８Ａ，８Ｂ，８Ｃに対して直列に接続した構成とされており、そのモジュールの１つ１３Ａに、４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄの制御を統括するユニット統括基板２３および操作部２４を備えた各ユニット側の制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが設けられた構成とされている。このユニット側制御部１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃには、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに対する熱媒体入口配管および出口配管に設けられた温度センサ２５，２６からの検出値が入力されるようになっている。
　また、上記ヒートポンプシステム１には、システム負荷２に対して並列に接続されている複数台のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数を制御するシステム制御部２７が設けられている。このシステム制御部２７は、システム負荷２の熱負荷（流量×往還温度差×比重・比熱）Ｑと、運転しているユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃとを随時演算し、その結果に基づいて両者を比較し、ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数を増減制御するものである。
　以下に、システム制御部２７によるユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの運転台数の増減制御を、図３および図４を参照して詳しく説明する。
　図３には、運転台数を増減する際の制御フローチャート図が示され、図４には、その制御閾値のイメージ図が示されている。
　制御が開始されると、ステップＳ１およびステップＳ１１において、システム負荷２の熱負荷Ｑおよび運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃの計算（演算）が随時実行される。システム負荷２の熱負荷Ｑは、ステップＳ２で負荷側への送水データである主管流量Ｆ、冷水往温度Ｔｓ、冷水還温度Ｔｒ等を各センサから取得し、またステップＳ３で予め設定されている比重Ｃｐ、比熱ρ等のデータを取り込み、ステップＳ４において、下記（１）式から演算することができる。
　Ｑ＝Ｆ（Ｔｒ－Ｔｓ）Ｃｐ・ρ　　（１）
　一方、運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、ステップＳ１２で運転中のユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各モジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト状態監視データを、暖房運転モジュール数ＭＨ、デフロストモジュールＭＤとして取得し、またステップＳ１３で予め設定されている各モジュール（ヒートポンプ）の定格能力Ｃｒａｔｅを取り込むことにより、ステップＳ１４において、下記（２）式から演算することができる。
　Ｃ＝Σ｛Ｃｒａｔｅ（ＭＨ／ＭＳ＋ＭＤ）－Ｃｒａｔｅ（ＭＤ／ＭＨ＋ＭＤ）｝（２）
　なお、Ｃｒａｔｅ（ＭＤ／ＭＨ＋ＭＤ）を、α×ＭＤにより代替してもよい。
　ここで、暖房運転中の各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを構成している４台のモジュール１３Ａないし１３Ｄのいずれかの空気熱交換器１８がフロストした場合、その霜を溶かすためにデフロスト運転しなければならず、当該モジュールの暖房運転が中断されることから、その能力を差し引いて演算する必要がある。例えば、各ユニット１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの能力を各々１００ｋＷとしたとき、上記した１ユニット４モジュールの場合、１モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、各ユニットの出力可能な能力Ｃは、
　１００ｋＷ×（３／４）＝７５ｋＷ
となる。
　こうして演算されたシステム負荷２の熱負荷Ｑと、暖房運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力ＣとをステップＳ５において比較し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減するようにしている。つまり、本実施形態においては、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを逐次演算し、その演算値をユニットの運転台数を増減制御する際の閾値として用いる構成としている。上記ケースでは、図４に示すように、本来、熱負荷Ｑが出力可能な能力Ｃである１００ｋＷを上回った場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増加されることになるが、１モジュールがデフロスト中であり、出力可能能力Ｃが７５ｋＷとなることから、この値を閾値としてユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増加されることになる。
　このように、ステップＳ５においては、システム負荷２の熱負荷Ｑが出力可能な能力Ｃを上回っているが否かを判断し、ＹＥＳであれば、ステップＳ６に移行してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を１台増加指示する。本実施形態では、熱負荷Ｑと出力可能能力Ｃとを比較してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減制御するに当たり、出力可能能力Ｃに対して増段負荷率および減段負荷率を掛けた値を用いるようにしている。
　この増段負荷率および減段負荷率は、各ユニット１０Ａないし１０Ｃの成績係数（ＣＯＰ）が所定値以上となる負荷率範囲を予め設定しておき、ユニット１０Ａないし１０Ｃの能力と要求熱負荷との関係で規定される負荷率がその負荷率範囲の上限値として定義される増段負荷率を超えた場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増加し、負荷率が負荷率範囲の下限値として定義される減段負荷率を超えた場合、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を減少して、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減することによって、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを常に所定値以上のＣＯＰで運転できるようにするものである。
　これによって、ステップＳ５においては、「Ｑ＞Ｃ×増段負荷率」が判断され、熱負荷Ｑが「Ｃ×増段負荷率」を超える場合、ステップＳ６で「Ｑ＜Ｃ×増段負荷率」となるユニット台数を計算して運転台数を増加指示することになる。また、ステップＳ５でＮＯと判断されると、ステップＳ７に移行し、ここで「Ｑ＞Ｃ×減段負荷率」が判断され、熱負荷Ｑが「Ｃ×減段負荷率」を超える場合、ステップＳ８に移行し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数減少を指示することになり、ステップＳ７でＮＯと判定されると、ステップＳ９に移行し、何もせず（運転台数を増減せず）にスタート位置に戻ることになる。
　なお、上記実施形態では、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃをシステム制御部２７で演算するようにした例について説明したが、各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃは、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ側の制御部１１Ａないし１１Ｃで演算し、その演算結果をシステム制御部２７に送って運転台数の増減を決定するようなシステムとしてもよい。この場合、図４におけるステップＳ１１ないしステップＳ１４に示す機能を各ユニット１０Ａないし１０Ｃ側の制御部１１Ａないし１１Ｃが担うことになる。
　斯くして、上記のヒートポンプシステム１によると、適宜台数のユニット１０Ａないし１０Ｃを運転することにより冷水または温水を製造し、その冷水または温水をシステム負荷２に循環することによりその利用に供することができる。この際、システム制御部２７またはユニット側制御部１１Ａないし１１Ｃにおいて、システム負荷２の熱負荷Ｑおよび各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを随時演算され、その熱負荷Ｑと出力可能な能力Ｃとが比較されることにより、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数が増減制御され、システム負荷２の熱負荷Ｑに対応し得る能力にてヒートポンプシステム１が運転されることになる。
　つまり、本実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃを逐次演算し、その能力演算値Ｃを閾値としてシステム負荷２の熱負荷Ｑと比較し、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を制御するシステム制御部２７を備えているため、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転に入ったとしても、その時の各ユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃの演算値を閾値に、それとシステム負荷２の熱負荷Ｑとを比較してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を制御することにより、当該ユニット１０Ａないし１０Ｃ内に暖房能力を発揮できるモジュール１３Ａないし１３Ｄが存在しておれば、直ちに他のユニット１０Ａないし１０Ｃを追加運転することなく、システム負荷２に対応し得る能力でヒートポンプシステム１を運転することができる。
　従って、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時でも、条件によっては他のユニット１０Ａないし１０Ｃの追加運転を不要とし、最少のユニット台数で効率よくヒートポンプシステム１を運転することにより省エネルギー化を図ることができる。また、ユニット１０Ａないし１０Ｃのオンオフ頻度を抑制し、頻繁なオンオフの繰り返しによる故障やトラブルの発生を防止してヒートポンプシステム１の信頼性を向上することができる。
　また、システム負荷２の熱負荷Ｑと運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃが出力可能な能力Ｃとを比較して、ユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を増減制御する際、システム負荷２の熱負荷Ｑが閾値である出力可能な能力Ｃに対して増段負荷率または減段負荷率を掛けた値を超えている否かで決定するようにしているため、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを常に所定値以上の成績係数（ＣＯＰ）で運転可能とすることができ、従って、運転台数の変更にかかわらず、常にヒートポンプシステム１を高ＣＯＰで効率よく安定的に運転することができる。
　また、運転中のユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算を、各ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を増減して演算するようにしているため、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストを開始したり、終了したりすることにより、出力可能な能力Ｃが増減しても、それを含めて出力可能な能力を随時的確に演算することができる。従って、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転の有無にかかわらず、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
　さらに、本実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算を各ユニット側の制御部１１Ａないし１１Ｃまたはシステム制御部２７のいずれかで演算可能としているため、各ユニット側の制御部１１Ａないし１１Ｃが能力の演算機能を有していない場合であっても、システム制御部２７に能力の演算機能を付加することにより、或るモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時でも、条件によっては予備のユニット１０Ａないし１０を追加運転することなく、システム負荷２の熱負荷Ｑに対応させて最少のユニット台数で効率よくヒートポンプシステム１を運転することができる。これにより、既設のヒートポンプシステムに対しても簡易に本発明を適用することができる。
［他の実施形態］
　次に、本発明の他の実施形態について説明する。
　［実施例１］
　上記した第１実施形態では、各ユニット１０Ａないし１０Ｃを構成している複数台のモジュール１３Ａないし１３Ｄのいずれかがデフロスト運転に入ったり、その運転が終了したりした際、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を増減して出力可能な能力Ｃを演算するようにしているが、ヒートポンプでは、暖房時にデフロスト運転に入ると、利用側熱交換器である水熱交換器１６が蒸発器として機能するため、当該モジュール１３Ａないし１３Ｄでは負荷側から熱を奪うことになる。
　本実施例では、この点を考慮して出力可能な能力Ｃを演算するようにしたものである。
　つまり、デフロスト運転に入ったモジュール１３Ａないし１３Ｄは、出力可能な能力Ｃが零になるだけでなく、熱を奪う分がマイナス能力として作用するため、上記した１ユニットが４モジュールの場合、１モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、各ユニットの出力可能な能力Ｃは、
　１００ｋＷ×（３／４）－１００ｋＷ×（１／４）＝５０ｋＷ
となる。また、３モジュールがフロストしてデフロスト運転に入ると、
　１００ｋＷ×（１／４）－１００ｋＷ×（３／４）＝－５０ｋＷ
となり、ユニット１０Ａないし１０Ｃの能力が、マイナス能力となるため、追加されるユニットの運転台数は、１台もしくは２台になることも考えられる。
　このように、デフロスト中のモジュール１３Ａないし１３Ｄの能力分を差し引くだけでなく、デフロスト中のモジュール１３Ａないし１３Ｄの利用側熱交換器が蒸発器として機能し奪う熱分を、マイナス能力としてユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能能力Ｃを演算することによって、より正確に出力可能能力Ｃを演算することができるため、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット運転台数を正確に設定して運転することができ、能力不足に陥る事態等を確実に回避することができる。
　［実施例２］
　さらに、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内のいずれかのモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト運転に入ったことを以って、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄもフロストしており、デフロストに入り易い状態で運転されていると見做すことができる。このような場合、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄも追従してデフロストに入る虞があり、それを回避するため、出力可能な能力Ｃを演算する際、余裕率（例えば、０．９）を設定してそれを割り掛けし、ユニット１０Ａないし１０Ｃに対して熱負荷をかけないようにすることにより、フロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができる。
　この場合の各ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃは、上記した１ユニット４モジュールの場合で、１モジュールがデフロストのとき、
　１００ｋＷ×（３／４）×０．９＝６７．５ｋＷ
あるいは、
　１００ｋＷ×（３／４）×０．９－１００ｋＷ×（１／４）＝４２．５ｋＷ
として演算することができる。
　このように、デフロストに入り易い状態で運転していると見做すことができる場合、出力可能な能力Ｃを予め設定されている余裕率を割り掛けて演算し、そのユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにすることにより、フロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄが追従してデフロスト運転に入らないようにすることができ、これによって、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストに入る頻度を低減あるいはデフロストに入るタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を高めることができる。
　なお、余裕率は、上記では「例えば、０．９」としたが、これに限定されるものではないことは云うまでもなく、適宜変更してもよい。また、暖房運転しているモジュール１３Ａないし１３Ｄの数に応じて、余裕率を変えるようにしてもよい。
　［実施例３］
　上記実施例２では、ユニット１０Ａないし１０Ｃの出力可能な能力Ｃの演算時、余裕率を割り掛けすることにより、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロストに入り難くなるようにしているが、デフロスト終了後のモジュール１３Ａないし１３Ｄは、通常フロストしていないと見做すことができる。このため、デフロスト終了後のモジュール１３Ａないし１３Ｄについては、デフロスト運転終了時点から設定時間Ｔだけ、出力可能な能力Ｃの演算時において、上記余裕率の割り掛けを解除するようにしてもよい。
　つまり、上記実施例２の後者のケースで、１モジュールがデフロスト中で、１モジュールがデフロスト終了後Ｔ時間以内の場合、
　１００ｋＷ×（２／４）×０．９＋１００ｋＷ×（１／４）－１００ｋＷ×（１／４）＝４５ｋＷ
として出力可能な能力Ｃを演算することができる。
　このように、ユニット１０Ａないし１０Ｃ内にデフロスト終了直後のモジュール１３Ａないし１３Ｄが存在した場合、そのモジュール１３Ａないし１３Ｄに対してデフロスト運転終了時点から設定時間だけ、出力可能な能力Ｃの演算時、余裕率の割り掛けを解除することにより、より実態に近い出力可能能力Ｃを演算することができる。従って、出力可能能力Ｃをより正確に演算し、システム負荷２の熱負荷Ｑに対してユニット１０Ａないし１０Ｃの運転台数を適切に設定して運転することができる。
　［実施例４］
　また、各ユニット１０Ａないし１０Ｃまたはモジュール１３Ａないし１３Ｄが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、フロストが発生し易く、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄに追従してデフロスト運転に入り易くなる。このため、暖房運転の継続時間に応じて、その時間が長くなるほど、上記余裕率を漸次低減して割り掛けるようにすることができる。つまり、余裕率の設定に時間的な概念を取り入れ、例えば、ｔ分経過する度に余裕率を１０％ずつ低下するようにする。
　この場合、１ユニット４モジュールで、１モジュールがデフロスト中のとき、ユニット１０Ａないし１０Ｃとしてのデフロストがｔ分継続時、出力可能な能力Ｃは、
　１００ｋＷ×（３／４）×（１－０．１×ｔ）－１００ｋＷ×（１／４）＝５０ｋＷ
として演算することができる。
　このように、運転継続時間に応じて漸次低減される余裕率を割り掛けて出力可能な能力Ｃを演算し、そのユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制することにより、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト運転入りを抑止することができる。従って、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。
　［実施例５］
　さらに、デフロストを実施しても霜が溶け残しにより残存することがあり、このような場合、再度デフロスト入りし易くなる。そこで、ユニット１０Ａないし１０Ｃが運転中のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト回数をカウントし、デフロスト回数が多くなるほど、余裕率を漸次低減して割り掛けするようにしてもよい。つまり、デフロスト回数に応じて、例えば１回のデフロストにより余裕率を１０％ずつ低下させて割り掛け、出力可能な能力Ｃを演算するようにする。
　この場合、１ユニット４モジュールで、１モジュールがデフロストに入り、運転継続している３モジュールがそれぞれ２回デフロスト済みのとき、出力可能な能力Ｃは、
　１００ｋＷ×（３／４）×（１－０．１×２）－１００ｋＷ×（１／４）＝３５ｋＷ
として演算することができる。
　このように、デフロスト時の霜の溶け残しによって、短時間のうちに再度デフロスト入りしてデフロスト回数が多くなることがあるので、この場合、ユニット運転中のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト回数をカウントし、その回数に応じて漸次低減された余裕率を割り掛けて出力可能能力Ｃを演算することにより、当該ユニット１０Ａないし１０Ｃに熱負荷をかけないようにしてフロストを抑制し、他のモジュール１３Ａないし１３Ｄのデフロスト運転入りを抑止することができる。このため、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト入りする頻度を低減あるいはデフロスト運転入りするタイミングを遅延し、暖房運転時の効率を向上することができる。
　なお、本発明は、上記実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。例えば、上記実施形態では、各モジュール１３Ａないし１３Ｄがデフロスト時に奪う熱量を各モジュール１３Ａないし１３Ｄの能力と同等としたが、別途固定値を与えるようにしてもよい。
　更に、上記実施形態では、便宜上、個々のヒートポンプをモジュールまたはそれを１台または複数台接続したものをユニットと称して説明したが、本発明は、負荷に対して個別のヒートポンプを複数台接続したヒートポンプシステム、または複数台のヒートポンプをユニットとし、それを複数台接続したヒートポンプシステムのいずれにも適用することができるものであり、この場合、それぞれにおいてモジュールあるいはユニットをヒートポンプと読み替えればよく、また、各々のヒートポンプは、上述した通り、モジュール化されたもの、されていないもののいずれであってもよい。
１　ヒートポンプシステム
２　システム負荷（外部負荷）
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ　ユニット（ヒートポンプ）
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ　ユニット側制御部
１２　ヒートポンプ（ヒートポンプチラー）
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ　モジュール（ヒートポンプ）
２７　システム制御部

Claims (10)

  1. 　システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムであって、
    　運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算し、その能力演算値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較し、前記ヒートポンプの運転台数を制御するシステム制御部を備えているヒートポンプシステム。
  2. 　前記各ヒートポンプの出力可能な能力の演算は、前記各ヒートポンプ側の制御部または前記システム制御部のいずれかにより演算可能とされている請求項１に記載のヒートポンプシステム。
  3. 　前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始または終了したとき、そのヒートポンプの能力分を増減して前記各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされている請求項１または２に記載のヒートポンプシステム。
  4. 　前記システム制御部は、デフロスト中の前記ヒートポンプが奪う熱分をマイナス能力として前記各ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされている請求項３に記載のヒートポンプシステム。
  5. 　前記システム制御部は、前記各ヒートポンプのいずれかのヒートポンプがデフロスト運転を開始したとき、予め設定されている余裕率を割り掛けして運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を演算可能な構成とされている請求項１ないし４のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
  6. 　前記システム制御部は、前記デフロスト運転終了後の前記ヒートポンプに対して、デフロスト運転終了時点から設定時間だけ、前記出力可能能力への前記余裕率の割り掛けを解除する構成とされている請求項５に記載のヒートポンプシステム。
  7. 　前記システム制御部は、前記各ヒートポンプが暖房運転を継続している時間が長くなるほど、前記余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされている請求項５または６に記載のヒートポンプシステム。
  8. 　前記システム制御部は、運転中の前記ヒートポンプのデフロスト回数をカウントし、その回数が多くなるほど、前記余裕率を漸次低減して割り掛ける構成とされている請求項５ないし７のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
  9. 　システム負荷に対して複数台のヒートポンプが接続されているヒートポンプシステムの運転方法であって、
    　運転中の前記ヒートポンプが出力可能な能力を逐次演算する過程と、前記能力演算値を閾値として前記システム負荷の熱負荷と比較する過程と、前記システム負荷の熱負荷が前記能力演算値である前記閾値を超えているか否かにより前記ヒートポンプの運転台数を増減制御する過程と、を備えるヒートポンプシステムの運転方法。
  10. 　前記ヒートポンプの運転台数の増減が、前記システム負荷の熱負荷が前記能力演算値である前記閾値に対して増段負荷率または減段負荷率を掛けた値を超えている否かにより決定される請求項９に記載のヒートポンプシステムの運転方法。
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