WO2017109905A1

WO2017109905A1 - 空調給湯複合システム

Info

Publication number: WO2017109905A1
Application number: PCT/JP2015/086090
Authority: WO
Inventors: 智一川越; 幸志東
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-06-29
Also published as: GB2561095B; GB2561095A; GB201806389D0

Abstract

圧縮機および熱源側熱交換器が搭載された熱源ユニットと、冷媒－熱媒体熱交換器、給湯側絞り装置およびポンプが搭載された給湯ユニットとを備え、給湯ユニットは、給湯ユニットの熱媒体側出口の出口温度と目標温度との温度差が予め設定された設定値より小さい場合、出口温度を目標温度にするために必要な要求給湯能力と、熱源ユニットおよび給湯ユニットを循環する冷媒の温度および圧力を示す冷媒情報とに基づいて、出口温度が目標温度となるように給湯側絞り装置の開度を制御する制御装置を備えたものである。

Description

空調給湯複合システム

　本発明は、ヒートポンプサイクルを利用して冷却または加熱された熱媒体を用いて、空調運転および給湯運転が可能な空調給湯複合システムに関するものである。

　ヒートポンプサイクルを搭載し、熱源（空気または水）から温熱を授受し、複数台の室内ユニットまたは給湯ユニットに供給する空調給湯複合システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１に記載されている空調給湯複合システムは、圧縮機および熱源側熱交換器が搭載された少なくとも１台の熱源ユニットと、室内側熱交換器および室内側絞り装置が搭載された少なくとも１台の室内ユニットと、冷媒－熱媒体熱交換器および給湯側絞り装置が搭載された少なくとも１台の給湯ユニットとが接続されて構成されている。そして、この空調給湯複合システムは、室内側熱交換器が凝縮器または放熱器として機能する暖房運転を少なくとも行う冷媒回路と、冷媒回路の冷媒と冷媒－熱媒体熱交換器にて熱交換して熱媒体を加熱する加熱運転を少なくとも行う熱媒体回路とを備えており、１冷媒系統で空調運転（暖房運転）と給湯運転（加熱運転）とを同時に行うことを可能としたシステムである。

　このように、特許文献１は異冷媒系統が複雑に接続されたシステムではないため、非常に安価で空調給湯複合システムを構築することができる。

国際公開第２０１３／０４６２６９号

　前述のシステムにおいて暖房運転と加熱運転とを同時に行う同時運転では、室内ユニットおよび給湯ユニットのそれぞれの過冷却度が、それぞれ対応の目標過冷却度となるように室内側絞り装置、給湯側絞り装置を個別に制御する過冷却度制御が行われる。この過冷却制御は、給湯ユニットの熱媒体側出口の出口温度である熱媒体出口温度を目標温度にする制御とは異なり、熱媒体出口温度は成り行きとなるため、熱媒体出口温度を目標温度にできない場合がある。このため、近年の空調給湯複合システムにおける、きめ細かな出口温度制御の要望に応えられないという問題があった。

　空調給湯複合システムでは、圧縮機の回転数制御で直接、熱媒体出口温度を制御することはできず、過冷却制御を行うことで、結果として熱媒体出口温度が目標温度に近づくように制御しているに過ぎない。また、給湯ユニットが、自身に求められている要求給湯能力に応じて自立して熱媒体出口温度を制御することもできず、改善が求められていた。

　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、給湯ユニットが自立してきめ細かな出口温度制御を実施することが可能な空調給湯複合システムを得ることを目的としている。

　本発明に係る空調給湯複合システムは、圧縮機および熱源側熱交換器が搭載された熱源ユニットと、冷媒－熱媒体熱交換器、給湯側絞り装置およびポンプが搭載された給湯ユニットとを備え、給湯ユニットは、給湯ユニットの熱媒体側出口の出口温度と目標温度との温度差が予め設定された設定値より小さい場合、出口温度を目標温度にするために必要な要求給湯能力と、熱源ユニットおよび給湯ユニットを循環する冷媒の温度および圧力を示す冷媒情報とに基づいて、出口温度が目標温度となるように給湯側絞り装置の開度を制御する制御装置を備えたものである。

　本発明によれば、給湯ユニットが自立してきめ細かな出口温度制御を実施することが可能である。

本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムの冷媒回路構成の一例を示す冷媒回路図である。本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおけるポンプの動力曲線を示す図である。本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおいて熱媒体流量情報を知る方法の説明図である。本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける制御フローチャートを示す図である。本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける、ポンプ動力による熱媒体流量検知のフローチャートを示す図である。本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける、熱媒体流量予測による熱媒体流量検知のフローチャートを示す図である。

［回路構成］
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
　図１は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムの冷媒回路構成の一例を示す冷媒回路図である。図１に基づいて、空気調和機の構成および動作について説明する。

　本実施の形態に係る空調給湯複合システム１００は、ビルやマンション、ホテル等に設置され、冷媒を循環させる冷凍サイクルを利用することで空調負荷（冷房負荷、暖房負荷）および給湯負荷を同時に供給できるものである。

［構成］
　空調給湯複合システム１００は、熱源ユニット（室外機）１１０と、負荷側ユニット（室内ユニット）２１０と、給湯ユニット３１０と、を少なくとも有している。このうち、室内ユニット２１０および給湯ユニット３１０は、熱源ユニット１１０に対して並列となるように接続されている。

　熱源ユニット１１０と室内ユニット２１０とは、冷媒配管である液主管１、冷媒配管である液枝管３ｂ、冷媒配管であるガス枝管３ａ、冷媒配管であるガス主管２で接続されている。熱源ユニット１１０と給湯ユニット３１０とは、冷媒配管である液主管１、冷媒配管である液枝管４ｂ、冷媒配管であるガス枝管４ａ、冷媒配管であるガス主管２で接続されている。

［熱源ユニット１１０］
　熱源ユニット１１０は、室内ユニット２１０および給湯ユニット３１０に温熱または冷熱を供給する機能を有している。この熱源ユニット１１０には、圧縮機（熱源側圧縮機）１１１と、流路切替手段である流路切替弁１１２と、熱源側熱交換器１１３と、アキュムレーター１１５とが直列に接続されて搭載されている。また、熱源ユニット１１０には、熱源側熱交換器１１３に空気を供給するためのファン等の送風機１１４が熱源側熱交換器１１３の近傍位置に設置されている。

　圧縮機１１１は、ガス主管２を流れる冷媒を吸入し、その冷媒を圧縮して高温高圧の状態にするものである。圧縮機１１１は、吸入した空調用冷媒を高圧状態に圧縮できるものであればよく、特にタイプを限定するものではない。例えば、レシプロ、ロータリー、スクロールあるいはスクリューなどの各種タイプを利用して圧縮機１１１を構成することができる。この圧縮機１１１は、インバーターにより回転数が可変に制御可能なタイプのもので構成するとよい。

　流路切替弁１１２は、要求される運転モード（冷房または暖房）に応じて空調用冷媒の流れを切り替えるものである。熱源側熱交換器１１３は、冷房サイクル時には放熱器（凝縮器）、暖房サイクル時には蒸発器として機能し、送風機１１４から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化または蒸発ガス化するものである。アキュムレーター１１５は、圧縮機１１１の吸入側に配置され、余剰冷媒を貯留するものである。なお、アキュムレーター１１５は、余剰冷媒を貯留できる容器であればよい。

［室内ユニット２１０］
　室内ユニット２１０は、熱源ユニット１１０からの温熱または冷熱の供給を受けて暖房負荷または冷房負荷を担当する機能を有している。室内ユニット２１０には、室内側絞り装置２１２と、室内側熱交換器２１１とが、直列に接続されて搭載されている。なお、図１では、１台の室内ユニット２１０が搭載されている状態を例に示しているが、台数を特に限定するものではない。また、室内ユニット２１０には、室内側熱交換器２１１に空気を供給するためのファン等の送風機を室内側熱交換器２１１の近傍に設けるとよい。

　室内側絞り装置２１２は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この室内側絞り装置２１２は、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。室内側熱交換器２１１の前後配管にはガス管温度検知センサー２１３Ｇ、液管温度検知センサー２１３Ｌが設置されている。これらのセンサーから得られた温度データ情報を基に、制御装置２２０は室内側絞り装置２１２の制御量を決定し、室内側絞り装置２１２の冷媒流量制御を実施する。室内側熱交換器２１１は、暖房サイクル時には放熱器（凝縮器）、冷房サイクル時には蒸発器として機能し、図示省略の送風機から供給される空気と冷媒との間で熱交換を行い、冷媒を凝縮液化または蒸発ガス化するものである。

［給湯ユニット３１０］
　給湯ユニット３１０は、熱源ユニット１１０からの温熱または冷熱の供給を受けて給湯負荷または冷却負荷を担当する機能を有している。給湯ユニット３１０には、給湯側絞り装置３１２と、冷媒－熱媒体熱交換器３１１とが、直列に接続されて搭載されている。なお、図１では、１台の給湯ユニット３１０が搭載されている状態を例に示しているが、台数を特に限定するものではない。

　給湯側絞り装置３１２は、減圧弁や膨張弁としての機能を有し、冷媒を減圧して膨張させるものである。この給湯側絞り装置３１２は、開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁による緻密な流量制御手段、毛細管等の安価な冷媒流量調節手段等で構成するとよい。

　冷媒－熱媒体熱交換器３１１は、冷媒が流れる冷媒配管と熱媒体が流れる熱媒体配管とを有し、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器である。冷媒－熱媒体熱交換器３１１は、暖房サイクル時には放熱器（凝縮器）、冷房サイクル時には蒸発器として機能し、冷媒配管を流れる冷媒を、熱媒体回路１０を流れる熱媒体との熱交換により凝縮液化または蒸発ガス化するものである。冷媒－熱媒体熱交換器３１１の冷媒配管側の前後配管にはガス管温度検知センサー３１３Ｇ、液管温度検知センサー３１３Ｌが設置されている。また、冷媒－熱媒体熱交換器３１１の熱媒体配管側の前後配管には、熱媒体入口温度Ｔｗｉを検出する入口温度センサー３１６Ｒと、熱媒体出口温度Ｔｗｏを検出する出口温度センサー３１６Ｆとを備えている。これらのセンサーから得られた温度データ情報を基に、制御装置３２０は給湯側絞り装置３１２の制御量を決定し、給湯側絞り装置３１２の冷媒流量制御を実施する。

　冷媒－熱媒体熱交換器３１１の熱媒体配管は熱媒体回路１０の一部を構成しており、熱媒体回路１０は他に、ポンプ３１５と、熱媒体配管５と、熱媒体配管６とを備え、これらが接続されて、冷媒－熱媒体熱交換器３１１で加熱または冷却された熱媒体をポンプ３１５で循環させるように構成されている。なお、熱媒体配管５および熱媒体配管６は、銅管やステンレス管、鋼管、塩化ビニル系配管などによって構成するとよい。

　ポンプ３１５は熱媒体回路１０内の熱媒体を循環させる機能を有する。ポンプ種類としては、安価な定速タイプやインバーターを用いて流量を可変させるタイプがある。またポンプ３１５を並列に複数接続し、運転台数を変更することで流量を可変させるようにしてもよい。ポンプ３１５は、接続される熱媒体回路１０の水頭、流量に合わせて適切なものを選定すればよい。ここでは、ポンプ３１５として流量可変タイプが選定され、給湯負荷が大きくなるに連れて流量を増加させるように制御されるものとする。

　熱源ユニット１１０、室内ユニット２１０、給湯ユニット３１０はそれぞれ、制御装置１２０、制御装置２２０、制御装置３２０を有しており、各々のユニットが有するアクチュエーターを制御する機能を有する。なお、制御装置１２０、制御装置２２０および制御装置３２０は、それぞれ例えばマイクロコンピュータまたはＤＳＰなどで構成されている。また熱源ユニット１１０、室内ユニット２１０、給湯ユニット３１０はそれぞれ、通信装置１３０、通信装置２３０、通信装置３３０を有しており、それぞれが有している情報を伝達する。

　熱源ユニット１１０の制御装置１２０は、空調給湯複合システム１００における冷媒の圧力状態および冷媒の温度状態を制御する機能を有している。具体的には、熱源ユニット１１０の制御装置１２０は、圧縮機１１１の運転周波数を制御したり、送風機１１４のファン回転数を制御したり、流路切替弁１１２を切り替えたりする機能を有している。他に例えば、熱源側熱交換器１１３が複数の熱交換器に分割され、熱源側熱交換器１１３の一次側に図示省略の開閉弁が熱交換器ごとに設置された構成であれば、制御装置１２０は、開閉弁を制御して熱源側熱交換器１１３の熱交換する面積を変化させる機能を有している。

　室内ユニット２１０の制御装置２２０は、ガス管温度検知センサー２１３Ｇ、液管温度検知センサー２１３Ｌから得られた情報を基に、室内ユニット２１０の冷房運転時における過熱度と、室内ユニット２１０の暖房運転時における過冷却度とを制御する機能を有している。具体的には、制御装置３２０は、図示省略の送風機のファン回転数を制御したり、室内側絞り装置２１２の開度を制御したりする機能を有している。他に例えば、室内側熱交換器２１１が複数の熱交換器に分割され、室内側熱交換器２１１の一次側に図示省略の開閉弁が熱交換器ごとに設置された構成であれば、開閉弁を制御して室内側熱交換器２１１の熱交換面積を変化させる機能を有する。

　給湯ユニット３１０の制御装置３２０は、ガス管温度検知センサー３１３Ｇ、液管温度検知センサー３１３Ｌから得られた情報を基に、給湯ユニット３１０の冷却運転時における過熱度、給湯ユニット３１０の給湯運転時における過冷却度または熱媒体出口温度Ｔｗｏを制御する機能を有している。具体的には、制御装置３２０は、冷媒－熱媒体熱交換器３１１が複数の熱交換器に分割され、冷媒－熱媒体熱交換器３１１の一次側に図示省略の開閉弁が熱交換器ごとに設置された構成であれば、開閉弁を制御して冷媒－熱媒体熱交換器３１１の熱交換面積を変化させる。他に例えば、制御装置３２０は、給湯側絞り装置３１２の開度を制御する機能を有している。さらに熱媒体回路１０側においては、入口温度センサー３１６Ｒおよび出口温度センサー３１６Ｆから得られた情報を基に、目標温度制御する機能を有していたり、熱媒体回路１０に接続されたポンプ３１５の運転ＯＮ／ＯＦＦ出力したり、ポンプ３１５の流量制御をしたりする機能も有している。

　また、図示していないが、空調給湯複合システム１００には、冷媒の吐出圧力を検知するセンサー、冷媒の吸入圧力を検知するセンサー、冷媒の吐出温度を検知するセンサー、冷媒の吸引温度を検知するセンサー、熱源側熱交換器１１３に流出入する冷媒の温度を検知するセンサー、熱源ユニット１１０に取り込まれる外気温を検知するセンサー、室内側熱交換器２１１に吸込または吹出す空気温度を検知するセンサー、図示省略の貯湯タンク内に貯留される熱媒体の温度を検知するセンサー等を設けておくとよい。これらの各種センサーで検知された情報（温度情報や圧力情報等の計測情報）は、通信装置１３０、通信装置２３０および通信装置３３０を経て、制御装置１２０、制御装置２２０、制御装置３２０に送られ、各アクチュエーターの制御に利用されることになる。

　ここで、空調給湯複合システム１００に使用可能な冷媒について説明する。空調給湯複合システム１００の冷凍サイクルに使用できる冷媒には、非共沸混合冷媒、擬似共沸混合冷媒、単一冷媒等がある。非共沸混合冷媒には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）冷媒であるＲ４０７Ｃ（Ｒ３２／Ｒ１２５／Ｒ１３４ａ）等がある。この非共沸混合冷媒は、沸点が異なる冷媒の混合物であるので、液相冷媒と気相冷媒との組成比率が異なるという特性を有している。擬似共沸混合冷媒には、ＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａ（Ｒ３２／Ｒ１２５）やＲ４０４Ａ（Ｒ１２５／Ｒ１４３ａ／Ｒ１３４ａ）等がある。この擬似共沸混合冷媒は、非共沸混合冷媒と同様の特性の他、Ｒ２２の約１．６倍の動作圧力という特性を有している。

　また、単一冷媒には、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）冷媒であるＲ２２やＨＦＣ冷媒であるＲ１３４ａ等がある。この単一冷媒は、混合物ではないので、取り扱いが容易であるという特性を有している。そのほか、自然冷媒である二酸化炭素やプロパン、イソブタン、アンモニア等を使用することもできる。なお、Ｒ２２はクロロジフルオロメタン、Ｒ３２はジフルオロメタン、Ｒ１２５はペンタフルオロメタンを、Ｒ１３４ａは１，１，１，２－テトラフルオロメタンを、Ｒ１４３ａは１，１，１－トリフルオロエタンをそれぞれ示している。したがって、空調給湯複合システム１００の用途や目的に応じた冷媒を使用するとよい。

　給湯ユニット３１０の熱媒体回路１０を循環する熱媒体は、水でも良いし、他の流体でもよい。例えば、熱媒体回路１０が低温になる環境下で熱媒体配管５、熱媒体配管６の凍結がある場合には、水に不凍剤を入れてもよい。不凍剤は特に種類を限定するものでもなく、エチレングリコール、プロプレングリコール等、入手性や用途に応じて選定すればよい。

＜運転モードにおける制御動作説明＞
　空調給湯複合システム１００で行う運転には、暖房（加熱）運転および冷房（冷却）運転が存在する。以下に両運転について説明する。なお、暖房（加熱）運転では流路切替弁１１２は図１の点線側に切り替えられ、冷房（冷却）運転では流路切替弁１１２は図１の実線側に切り替えられる。

＜暖房（加熱運転）＞
　圧縮機１１１にて加熱圧縮された高圧のガス冷媒は流路切替弁１１２、ガス主管２、ガス枝管３ａ（またはガス枝管４ａ）を経て、室内ユニット２１０（または給湯ユニット３１０）へ搬送される。室内ユニット２１０（または給湯ユニット３１０）に搬送された冷媒は、室内側熱交換器２１１または冷媒－熱媒体熱交換器３１１において室内空気（または熱媒体回路１０の熱媒体）に熱を放熱することで、凝縮作用により高圧の液冷媒へと変化する。高圧の液冷媒は熱交換器二次側にある室内側絞り装置２１２（または給湯側絞り装置３１２）にて膨張作用により低圧の二相冷媒（ガスと液が入り混じった冷媒）へと変化する。

　低圧の二相冷媒は液枝管４ｂおよび液主管１を経由して、熱源ユニット１１０内の熱源側熱交換器１１３にて空気から熱を授受することで、低圧のガス冷媒へと変化する。低圧のガス冷媒は流路切替弁１１２、アキュムレーター１１５を経て、圧縮機１１１にて吸入され、高圧のガス冷媒へと変化する。上述したサイクルにより、空調給湯複合システム１００は暖房（給湯）運転を実施することが可能である。

＜冷房（冷却運転）＞
　圧縮機１１１にて加熱圧縮された高圧のガス冷媒は流路切替弁１１２を経て、熱源ユニット内の熱源側熱交換器１１３に搬送される。熱源側熱交換器１１３において、熱を空気へ放出することで、高圧のガス冷媒は凝縮され、高圧の液冷媒へと変化する。高圧の液冷媒は液主管１および液枝管３ｂ（または液枝管４ｂ）を経て、室内ユニット２１０（または給湯ユニット３１０）へ搬送される。

　室内ユニット２１０（または給湯ユニット３１０）においては、室内側絞り装置２１２（または給湯側絞り装置３１２）にて膨張作用で高圧の液冷媒は低圧の二相冷媒（ガスと液が入り混じった冷媒）へと変化し、室内側熱交換器２１１（または冷媒－熱媒体熱交換器３１１）にて、負荷から熱を授受することで低圧のガス冷媒へと変化する（負荷側は熱が奪われることで冷却される）。室内ユニット２１０（または給湯ユニット３１０）を出た低圧のガス冷媒は、ガス枝管３ａ（またはガス枝管４ａ）、ガス主管２を経て、熱源ユニット１１０へ返る。熱源ユニット１１０内に流入した低圧のガス冷媒は、流路切替弁１１２、アキュムレーター１１５を経て、圧縮機１１１にて吸入され、高圧のガス冷媒へと変化する。上述したサイクルにより、空調給湯複合システム１００は冷房（冷却）運転を実施することが可能である。

　また冷房（冷却）、暖房（加熱）運転が可能なヒートポンプにおいては、暖房運転において冷媒が余るため、その余剰冷媒はアキュムレーター１１５に保管される。

＜本実施の形態の制御の概要＞
　本実施の形態では、給湯ユニット３１０の過冷却度が目標過冷却度となるように給湯側絞り装置３１２を制御する過冷却度制御と、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍになるように給湯側絞り装置３１２を制御する出口温度制御とを有している。過冷却制御は、従来のビル用マルチエアコンでの冷媒制御そのものであるが、本実施の形態では、きめ細かい出口温度制御を求めない場合には従来通りの制御手法を選択可能としている。そして、給湯ユニット３１０では、「通常設定」と、熱媒体出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｍとすることを優先した「熱媒体出口温度サーモ設定」との２つの設定モードを有しており、設定モードをユーザー操作により切替可能としている。

　「通常設定」では過冷却制御のみが行われ、「熱媒体出口温度サーモ設定」では、過冷却度制御と出口温度制御とを切り替える制御が行われる。「熱媒体出口温度サーモ設定」では、具体的には、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が予め設定された設定値α以上の場合、つまり熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍに近づくまではは過冷却制御を行う。一方、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が設定値αより小さい場合、つまり熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍに近づくと、出口温度制御を行う。これは以下の理由に寄る。

　過冷却制御では熱媒体出口温度Ｔｗｏは成り行きとなるため、熱媒体出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｍにできない場合がある。このため、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍに近づくまでは過冷却制御を行い、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍに近づくと、目標温度Ｔｗｏｍを達成するために出口温度制御を行う。

　ここで、出口温度制御を行うにあたり、本実施の形態では、給湯ユニット３１０が自立して給湯側絞り装置３１２を制御するようにしている。各々の給湯ユニット３１０が自立して出口温度制御を実施するためには、各々の給湯ユニット３１０が熱媒体回路１０の負荷を処理するために求められる要求給湯能力Ｑｄを知る必要がある。

　ポンプ３１５は上述したように、給湯負荷が大きくなるに連れて熱媒体流量が増加するように制御されている。よって、給湯ユニット３１０が給湯ユニット３１０自身に流れる熱媒体流量Ｖｗを把握できれば、給湯ユニット３１０に求められる要求給湯能力Ｑｄを求めることが可能である。

　そして、給湯ユニット３１０は、熱媒体出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｍにするために冷媒－熱媒体熱交換器３１１にて必要な必要冷媒循環量Ｇｒｍを、要求給湯能力Ｑｄと冷媒情報とを用いて求め、必要冷媒循環量Ｇｒｍから給湯側絞り装置３１２のＣｖ値を決定して給湯側絞り装置３１２を制御する。このように、本発明は、要求給湯能力Ｑｄと冷媒情報とに基づいて、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍとなるように給湯側絞り装置３１２を制御する出口温度制御を行うことで、熱媒体出口温度Ｔｗｏが成り行きとなる過冷却制御に比べて、きめ細かな出口温度制御を可能とした点に特徴がある。以下、要求給湯能力Ｑｄの算出方法について説明し、続いて必要冷媒循環量Ｇｒｍの算出方法、給湯側絞り装置３１２の開度決定方法について順に説明する。

＜要求給湯能力Ｑｄの算出＞
　給湯ユニット３１０における現在の給湯能力Ｑｎは、給湯ユニット３１０の熱媒体流量情報である熱媒体流量Ｖｗと、入口温度センサー３１６Ｒから得られた熱媒体入口温度Ｔｗｉと、出口温度センサー３１６Ｆから得られた熱媒体出口温度Ｔｗｏと、冷媒－熱媒体熱交換器３１１に流れる熱媒体の密度および比熱を考慮した定数Ａとを用いて、次式（１）で表せる。

　この式（１）において、熱媒体出口温度Ｔｗｏを出口温度センサー３１６Ｆの値ではなく、目標温度Ｔｗｏｍに設定した次式（２）とすれば、熱媒体出口温度Ｔｗｏを目標温度Ｔｗｏｍにするために給湯ユニット３１０に要求される要求給湯能力Ｑｄを算出できる。

　式（２）における熱媒体流量Ｖｗを給湯ユニット３１０が知る方法として、例えば以下の３つ方法が挙げられる。

　まず１つ目の方法は、熱媒体回路１０に流量センサー１１（図１において点線で図示）を設置し、流量センサー１１で検知した熱媒体流量Ｖｗを制御装置３２０に取り込むことで知る方法が挙げられる。流量センサー種類の指定は特になく、目的や仕様を基に自由に選定すればよい。また給湯ユニット３１０自身の流量に対する差圧が予めわかっている場合には、流量センサーの代わりに差圧センサーを代用してもよい。

　熱媒体流量Ｖｗを知る２つ目の方法は、ポンプ３１５の動力および回転数を基に熱媒体流量Ｖｗを知る方法がある。次の図２を用いて説明する。

　図２は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおけるポンプの動力曲線を示す図である。動力曲線は動力と流量との関係を示すものであり、図２において、（ａ）は回転数ｎ１の場合における動力曲線、（ｂ）は回転数ｎ２の場合における動力曲線を示している。図２の横軸は熱媒体流量Ｖｗ、縦軸は動力Ｗを示している。
　図２に示すように、ポンプ３１５の動力Ｗと熱媒体流量Ｖｗとは動力曲線に基づいて一意的に決まっている。よって、ポンプ３１５に印加される電圧、電流および力率等の情報がわかれば、それらの情報から動力を算出し、算出して得た動力とポンプ３１５の回転数と動力曲線とから、熱媒体流量Ｖｗを算出することができる。図２では、動力Ｗ２と回転数ｎ２の動力曲線（ａ）とから、熱媒体流量Ｖｗ２を求める例を示している。電圧、電流情報は、図１に未記載の電圧センサーおよび電流センサーから算出することが可能である。また電圧および力率等は製品仕様から一意的に決定しているものもある。ポンプ３１５は、給湯ユニット３１０の仕様に併せて適宜選定すればよい。

　熱媒体流量Ｖｗを知る３つ目の方法は、次の図３を参照して説明する。
　図３は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおいて熱媒体流量情報を知る方法の説明図である。図３において横軸は時間、縦軸は冷媒－熱媒体熱交換器３１１の熱媒体側の出入口の熱媒体温度差である。

　３つ目の方法としては、学習機能として、各制御間隔にて検知された冷媒－熱媒体熱交換器３１１の出入口の熱媒体温度差を基に、給湯ユニット３１０自身に流れる熱媒体流量Ｖｗを予測する方法が挙げられる。以下では、図３における「現在時刻」を「今回」、「現在時刻から１つ前の時刻」を「前回」として説明する。

　入口温度センサー３１６Ｒと出口温度センサー３１６Ｆとを用いて実測して得られた実測値である、今回の熱媒体温度差ΔＴｍ（ｎ）を、前回の実測値に基づき予測して得た予測値である、今回の熱媒体温度差（以下、予測温度差という）ΔＴｐ（ｎ）で除算して得た比率Ｒは、今回の熱媒体流量Ｖｗ、つまりここで求めたい熱媒体流量Ｖｗを前回の熱媒体流量で除算して得た比率に等しい。この等式を熱媒体流量Ｖｗで解くと、「前回の熱媒体流量」に比率Ｒを積算する数式となり、この数式により熱媒体流量Ｖｗを求めることができる。比率Ｒは後述の熱媒体流量補正比率Ｒに相当する。「前回の熱媒体流量」は、初回の熱媒体流量Ｖｗの算出時には予め設定した初期値を用いればよい。初期値が大きいと制御量が過大になることを考慮し、初期値には装置上可能な最低熱媒体流量を用いればよい。しかし、熱媒体回路１０側の状況に応じて制御の安定性も変動するため、状況に応じて最適な初期値を設定するとよい。

　上記等式における、今回の予測温度差ΔＴｐ（ｎ）は、以下の式（３）に基づいて求められる。

　ここで、Ｑｒは冷媒側能力である。冷媒側能力Ｑｒは後述の式（４）を用いて算出できる。式（４）におけるＧｒｍには、前回の必要冷媒循環量Ｇｒｍを用いればよい。Ａは冷媒－熱媒体熱交換器３１１に流れる熱媒体の密度および比熱を考慮した定数である。Ｖｗは熱媒体流量であり、初回の熱媒体流量Ｖｗの算出時には、上記と同様、例えば装置上可能な最低熱媒体流量が用いられ、次回以降は、前回の熱媒体流量算出時に算出して得られた熱媒体流量を用いればよい。

　以上のようにして得た熱媒体流量Ｖｗに基づいて、上記式（２）から要求給湯能力Ｑｄを求めることができる。

＜必要冷媒循環量Ｇｒｍの算出＞
　必要冷媒循環量Ｇｒｍの算出には冷媒側能力Ｑｒが用いられる。冷媒側能力Ｑｒは、冷媒回路側から熱媒体回路１０側の負荷に与えられる熱量であり、必要冷媒循環量Ｇｒｍと、冷媒－熱媒体熱交換器３１１の一次側のエンタルピＨ１と、二次側のエンタルピＨ２とを用いて、次式（４）で表せる。一次側とは、給湯用途であればガス側、冷却用途であれば液側であり、二次側とは、給湯用途であれば液側、冷却用途であればガス側である。

　ここで、給湯ユニット３１０側が求めている要求給湯能力Ｑｄと冷媒側能力Ｑｒとが等しいとすると、必要冷媒循環量Ｇｒｍは、次式（５）で表せる。

　上記式（５）における、エンタルピＨ１およびエンタルピＨ２は以下のようにして算出できる。給湯用途であれば、つまり加熱運転であれば、エンタルピＨ１はガス管側の冷媒圧力と冷媒温度とから算出することが可能であり、エンタルピＨ２は液管温度から算出することが可能である。冷却用途であれば、つまり冷却運転であれば、エンタルピＨ１は室内側絞り装置２１２から液枝管４ｂを通過する冷媒温度から算出することが可能であり、エンタルピＨ２は液管温度検知センサー３１３Ｌの検知温度とガス管温度検知センサー３１３Ｇの検知温度とから算出することが可能である。圧力や温度情報は図１記載の温度センサーや未記載の圧力センサー情報を用いてもよい。また通信装置１３０、通信装置３３０を用いて、制御装置１２０で用いられることで得られる圧力情報を用いてもよい。もしくは、試験や実験等で予め決めた値を用いてもよい。

＜給湯側絞り装置３１２の開度＞
　一般的に、絞り装置と冷媒循環量Ｇｒとの間には以下の式（６）が成り立っている。

　ここで、Ｂは任意の定数であり、Ｃｖ値は絞り装置の開度ごとに定められたＣｖ値である。

　このため、上記式（５）で求めた必要冷媒循環量Ｇｒｍを式（６）のＧｒに代入することで、給湯側絞り装置３１２のＣｖ値を算出できる。

　ここで、「絞り装置一次側の冷媒密度」は、加熱運転であれば、給湯側絞り装置一次側の圧力情報と、液管温度検知センサー３１３Ｌで検知された冷媒温度とから算出することが可能である。加熱運転における給湯側絞り装置一次側とは、冷媒－熱媒体熱交換器３１１から給湯側絞り装置３１２側に相当する。また、「絞り装置一次側の冷媒密度」は、冷却運転であれば、給湯側絞り装置一次側の圧力情報と、室内側絞り装置２１２から液枝管４ｂ側の冷媒温度とから算出することが可能である。冷却運転における給湯側絞り装置一次側とは、液枝管４ｂ側に相当する。「絞り装置の前後差圧」は、給湯側絞り装置前後に圧力センサーを設けるか、冷媒の状態に応じて液管温度検知センサー３１３Ｌから算出することが可能である。

　前述したいずれの冷媒圧力情報および冷媒温度情報も、熱源ユニット側の制御装置１２０で得られた情報を通信装置１３０および通信装置３３０を介して給湯ユニット３１０側の制御装置３２０が取得して用いてもよい。また、前述したいずれの冷媒圧力情報および冷媒温度情報も、試験や実験等で予め決めた値を用いてもよい。どの方法で得た値を用いるかは、必要に応じて適宜判断すればよい。式（６）で用いる冷媒圧力情報および冷媒温度情報が、本発明の「冷媒情報」に相当する。

　以上に説明したように、要求給湯能力Ｑｄおよび冷媒情報に基づいて算出した必要冷媒循環量Ｇｒｍから給湯側絞り装置３１２に必要な開度を求めることができ、制御量を決定することが可能である。制御量については、一気に目標値の開度になる制御量を給湯側絞り装置３１２に与えてもよいし、冷媒制御の安定性を考慮し、決定された制御量を分割した制御量を制御間隔ごとに給湯側絞り装置３１２に与えてもよい。

＜設定モード判断＞
　本実施の形態に係る制御を図４に示すフローチャートにて述べる。

＜図４に示すフローチャート＞
　図４は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける制御フローチャートを示す図である。
　空調給湯複合システム１００では、制御開始処理終了後、設定モードが、きめ細かな出口温度制御が可能な「熱媒体出口温度サーモ設定」に設定されているかどうかの判断を行う（Ｓ１）。ステップＳ１の判定にて、もし「熱媒体出口温度サーモ設定」に設定されていれば、制御装置３２０は、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差を算出し、温度差と任意で設定した設定値αとの比較を実施（Ｓ２）する。ここで、温度差が設定値αよりも小さい場合、熱媒体流量情報取得処理（Ｓ３）へ移行する。

　熱媒体流量情報取得処理において給湯ユニット３１０の制御装置３２０は、熱媒体回路１０の熱媒体流量Ｖｗを取得する（Ｓ３）。ステップＳ３において熱媒体流量Ｖｗを取得する方法については、上述したように、流量センサー１１を用いる方法、ポンプ動力を用いる方法、各制御間隔にて検知された熱媒体温度差を基に予測する方法、の計３つの方法を用いる。これらの３つの方法のうち、後半の２つの方法については、後述の図５および図６にて改めて説明する。

　熱媒体流量情報取得処理後、制御装置３２０は、上述のようにして要求給湯能力Ｑｄの算出処理（Ｓ４）を行い、続いて上述のようにして給湯側絞り装置３１２の開度制御量の算出処理（Ｓ５）を順次実施する。以上の処理により、制御装置３２０から給湯側絞り装置３１２に出力される開度制御量が決定される。

　一方、ステップＳ１の判断において、設定モードが「熱媒体出口温度サーモ設定」に設定されていない場合、つまり「通常設定」に設定されている場合または「熱媒体出口温度サーモ設定」に設定されていても、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が設定値α以上の場合には、過冷却制御を行う。過冷却制御を行うにあたり、まず、現在の過冷却度を取得する処理（Ｓ６）を行い、続いて、ステップＳ６で取得した過冷却度が予め設定した目標過冷却度となるように給湯側絞り装置３１２の開度制御量を算出する処理（Ｓ７）を実施する。

　以上のようにして給湯側絞り装置３１２の開度制御量が得られると、制御装置３２０は、その開度制御量を給湯側絞り装置３１２へ出力する処理（Ｓ８）を実施する。本出力によって、給湯側絞り装置３１２に開度情報が出力されて制御されることとなる。制御処理実施後、給湯ユニット３１０が停止するまでは（Ｓ９）、ステップＳ１～ステップＳ８の処理が制御間隔ごとに繰り返される。制御間隔については任意に設定した時間でよく、冷凍サイクルの安定性を見ながら設定すればよい。

＜図５に示すフローチャート＞
　図５は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける、ポンプ動力による熱媒体流量検知のフローチャートを示す図である。
　まず、給湯ユニット３１０の制御装置３２０は、ポンプ３１５に印加される電圧の電圧情報、電流情報、ポンプ回転数情報とを取得する（Ｓ１１）。その後、制御装置３２０は電力値算出処理（Ｓ１２）を行う。すなわち、制御装置３２０は、ステップＳ１１で取得した情報に基づいてポンプ３１５の動力である電力値を算出する。電力値は電圧と電流の積であるが、ポンプ仕様に応じて単相／３相および力率ＣＯＳφ等を考慮して算出すればよい。そして、制御装置３２０は、動力と、ポンプ回転数と、上記図２に示したような動力曲線とに基づき熱媒体流量値を算出する（Ｓ１３）。なお、回転数ごとの動力曲線は予め制御装置３２０に記憶されている。

＜図６に示すフローチャート＞
　図６は、本発明の実施の形態に係る空調給湯複合システムにおける、熱媒体流量予測による熱媒体流量検知のフローチャートを示す図である。
　まず、給湯ユニット３１０の制御装置３２０は、まず冷媒圧力、冷媒温度、熱媒体入口温度Ｔｗｉおよび熱媒体出口温度Ｔｗｏを検知する（Ｓ２１）。その後、熱媒体流量の初期値を設定する（Ｓ２２）。この初期値には、上述したように装置上可能な最低熱媒体流量を用いる。続いて制御装置３２０は上述したようにして冷媒側能力Ｑｒを算出する能力算出処理（Ｓ２３）を行う。そして、制御装置３２０は、能力算出処理で算出した冷媒側能力Ｑｒに基づいて予測温度差ΔＴｐを上記（３）式で算出する（Ｓ２４）。

　そして、次の制御間隔のタイミングまで待機し（Ｓ２５）、次の制御間隔のタイミングになると、再度、最新の冷媒圧力、冷媒温度、熱媒体入口温度Ｔｗｉおよび熱媒体出口温度Ｔｗｏを取得する（Ｓ２６）。そして、ステップＳ２６で得た、最新の冷媒圧力、冷媒温度、熱媒体入口温度Ｔｗｉおよび熱媒体出口温度Ｔｗｏに基づいて、熱媒体流量補正算出処理（Ｓ２７）を実施する。熱媒体流量補正算出処理では、熱媒体流量補正比率Ｒを算出し、熱媒体流量補正比率Ｒを前回タイミングで得た熱媒体流量、ここではステップＳ２２で設定した最低熱媒体流量に積算して熱媒体流量Ｖｗを算出する。熱媒体流量補正比率Ｒは図３に示す通りＲ＝ΔＴｍ÷ΔＴｐで算出する。ここでΔＴｍ＝今回の冷媒－熱媒体熱交換器３１１の熱媒体側の出入口の熱媒体温度差である。

　以上のステップＳ２３～Ｓ２７の処理を、給湯ユニット３１０がサーモＯＦＦまたは停止されるまで（Ｓ２８）、制御間隔ごとに実施する。そして、給湯ユニット３１０がサーモＯＦＦまたは停止されると、熱媒体流量計算を終了する。

　以上説明したように、本実施の形態によれば、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの差が設定値より小さい場合、給湯ユニット３１０は、要求給湯能力と冷媒情報とに基づいて、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍになるように給湯側絞り装置３１２を制御するようにした。このため、熱媒体出口温度Ｔｗｏが成り行きとなる過冷却制御に比べてきめ細かな出口温度制御が可能となる。これにより、各給湯ユニット３１０が、きめ細かな出口温度制御を自立して個々に行える個別分散制御を実現できる。また冷却運転においても同様の制御が可能である。

　また、給湯ユニット３１０は、要求給湯能力と冷媒情報とに基づいて必要冷媒循環量Ｇｒｍを算出し、必要冷媒循環量Ｇｒｍに基づいて給湯側絞り装置３１２の開度を決定するようにしたので、きめ細かな出口温度制御を実現できる。

　また、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が設定値以上では従来と同様の過冷却制御を行い、熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が設定値より小さくなってから出口温度制御に切り替えるようにした。熱媒体出口温度Ｔｗｏと目標温度Ｔｗｏｍとの温度差が大きい間は運転効率の点で出口温度制御よりも過冷却制御が好ましく、熱媒体出口温度Ｔｗｏが目標温度Ｔｗｏｍに近づいた時点で過冷却制御から出口温度制御に切り替えることで、きめ細かな出口温度制御を行うにあたり、運転効率の低下を招くことがない。

　１　液主管、２　ガス主管、３ａ　ガス枝管、３ｂ　液枝管、４ａ　ガス枝管、４ｂ　液枝管、５　熱媒体配管、６　熱媒体配管、１０　熱媒体回路、１１　流量センサー、１００　空調給湯複合システム、１１０　熱源ユニット、１１１　圧縮機、１１２　流路切替弁、１１３　熱源側熱交換器、１１４　送風機、１１５　アキュムレーター、１２０　制御装置、１３０　通信装置、２１０　室内ユニット、２１１　室内側熱交換器、２１２　室内側絞り装置、２１３Ｇ　ガス管温度検知センサー、２１３Ｌ　液管温度検知センサー、２２０　制御装置、２３０　通信装置、３１０　給湯ユニット、３１１　熱媒体熱交換器、３１２　給湯側絞り装置、３１３Ｇ　ガス管温度検知センサー、３１３Ｌ　液管温度検知センサー、３１５　ポンプ、３１６Ｆ　出口温度センサー、３１６Ｒ　入口温度センサー、３２０　制御装置、３３０　通信装置。

Claims

　圧縮機および熱源側熱交換器が搭載された熱源ユニットと、
　冷媒－熱媒体熱交換器、給湯側絞り装置およびポンプが搭載された給湯ユニットとを備え、
　前記給湯ユニットは、
　前記給湯ユニットの熱媒体側出口の出口温度と目標温度との温度差が予め設定された設定値より小さい場合、前記出口温度を前記目標温度にするために必要な要求給湯能力と、前記熱源ユニットおよび前記給湯ユニットを循環する冷媒の温度および圧力を示す冷媒情報とに基づいて、前記出口温度が前記目標温度となるように前記給湯側絞り装置の開度を制御する制御装置
を備えた空調給湯複合システム。
　前記制御装置は、前記要求給湯能力と前記冷媒情報とに基づいて必要冷媒循環量を算出し、前記必要冷媒循環量に基づいて前記給湯側絞り装置の開度を制御する請求項１記載の空調給湯複合システム。
　前記制御装置は、前記出口温度が前記目標温度となるように前記給湯側絞り装置の開度を制御する前記制御である出口温度制御と、前記冷媒－熱媒体熱交換器の冷媒側出口の過冷却度が目標過冷却度となるように前記給湯側絞り装置を制御する過冷却制御とを、前記温度差に基づいて切り替えるようにしており、前記温度差が前記設定値以上の場合、前記過冷却制御を行う
　請求項１または請求項２記載の空調給湯複合システム。
　室内側熱交換器および室内側絞り装置とが搭載された室内ユニットをさらに有する
　請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の空調給湯複合システム。
　前記給湯ユニットは、前記冷媒－熱媒体熱交換器の熱媒体流量を検知する流量センサーを備え、
　前記制御装置は、前記流量センサーで得た前記熱媒体流量に基づいて前記要求給湯能力を算出する
　請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の空調給湯複合システム。
　前記制御装置は、前記ポンプの動力と回転数とに基づいて前記冷媒－熱媒体熱交換器の熱媒体流量を算出し、算出した前記熱媒体流量に基づいて前記要求給湯能力を算出する
　請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の空調給湯複合システム。
　前記制御装置は、前記冷媒－熱媒体熱交換器の熱媒体側の出入口温度差である熱媒体温度差を制御間隔ごとに取得しており、取得した各熱媒体温度差に基づいて前記冷媒－熱媒体熱交換器の熱媒体流量を算出し、算出した前記熱媒体流量に基づいて前記要求給湯能力を算出する
　請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の空調給湯複合システム。
　前記給湯ユニットは、前記冷媒－熱媒体熱交換器を放熱器として機能させる加熱運転と、前記冷媒－熱媒体熱交換器を蒸発器として機能させる冷却運転とを行う
　請求項１～請求項７のいずれか一項に記載の空調給湯複合システム。