(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートポンプシステムの効率を高め、異なった環境下で所望の温度を達成することができるヒートポンプシステムの動作方法を提供する。【解決手段】制御エレメントがヒートポンプの現在の性能を決定し、現在の性能と記憶された性能とを比較し、現在の性能と記憶された性能とを比較した結果に基づいて、ヒートポンプの動作モードおよび蓄熱エレメントの動作モードを選択する、ヒートポンプシステムの動作方法。【選択図】図４
2020165643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプシステムの動作方法であって、
前記ヒートポンプシステムは、
ヒートポンプと、
少なくとも１つの加熱エレメントと、
蓄熱エレメントと、
制御エレメントと、
前記ヒートポンプ、前記少なくとも１つの加熱エレメントおよび前記蓄熱エレメントを接続する熱媒体回路と、を含み、
前記制御エレメントが前記ヒートポンプの現在の性能を決定し、
前記現在の性能と記憶された性能とを比較し、前記現在の性能と前記記憶された性能とを比較した結果に基づいて、前記ヒートポンプの動作モードおよび前記蓄熱エレメントの動作モードを選択する、
ヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項２】
前記制御エレメントは、
前記現在の性能が、前記記憶された性能に対して、予め設定された閾値よりも大きい量で異なる場合、前記ヒートポンプの前記動作モードを調整し、
前記現在の性能が、前記記憶された性能に対して、前記予め設定された閾値よりも小さい量で異なる場合、前記ヒートポンプの前記現在の動作モードを維持する、
請求項１に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項３】
前記制御エレメントは、前記現在の性能が、前記記憶された性能に対して、前記予め設定された閾値よりも大きい量で異なる場合、前記現在の性能を新しい記憶された性能として記憶する、
請求項１または２に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項４】
前記現在の性能および前記記憶された性能は、それぞれ、成績係数ＣＯＰであり、前記記憶された性能は、好ましくは前記ヒートポンプで達成可能な最大ＣＯＰである、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項５】
前記制御エレメントは、前記蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルを決定し、さらに前記蓄熱エレメントの前記現在の蓄熱レベルに基づいて前記動作モードを選択する、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項６】
前記制御エレメントは、熱需要を決定し、さらに前記熱需要に基づいて前記動作モードを選択する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項７】
前記ヒートポンプは適正サイズであり、前記制御エレメントは、以下の表による前記蓄熱エレメントの前記蓄熱レベルおよび前記熱需要に応じて、前記ヒートポンプおよび前記蓄熱エレメントの前記動作モードを選択し、
【表１】
2020165643.tif 000009
前記蓄熱エレメントは、前記蓄熱エレメントに蓄積することができる最大熱量から前記ヒートポンプが一定時間にわたって送出できるゼロよりも大きい最小熱量を差し引いたものよりも大きい熱量を含む場合には、満杯とみなされ、
ＱＨＰは、最大ＣＯＰの動作モードの前記ヒートポンプによって送出される発熱率であり、
さらに、前記蓄熱エレメントは、「熱供給」動作モードでは前記熱媒体回路に熱を供給し、「待機」モードでは前記熱媒体回路に熱を供給することも前記熱媒体回路から熱を奪うこともせず、「蓄熱」モードでは前記熱媒体回路から熱を奪い、
前記ヒートポンプは、「加熱最適」モードでは最大ＣＯＰを有する性能で動作し、「維持動作モード」ではその現在の動作を維持し、「待機」モードでは動作しない、
請求項６に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項８】
前記ヒートポンプはオーバーサイズであり、前記制御エレメントは、以下の表による前記蓄熱エレメントの前記蓄熱レベルおよび前記熱需要に応じて、前記ヒートポンプおよび前記蓄熱エレメントの前記動作モードを選択し、
【表２】
2020165643.tif 000010
前記蓄熱エレメントは、前記蓄熱エレメントに蓄積することができる最大熱量から前記ヒートポンプが一定時間にわたって送出できるゼロよりも大きい最小熱量を差し引いたものよりも大きい熱量を含む場合には、満杯とみなされ、
ＱＨＰは、最大ＣＯＰの動作モードの前記ヒートポンプによって送出される前記発熱率であり、
さらに、前記蓄熱エレメントは、「熱供給」動作モードでは前記熱媒体回路に熱を供給し、「待機」モードでは前記熱媒体回路に熱を供給することも前記熱媒体回路から熱を奪うこともせず、「蓄熱」モードでは前記熱媒体回路から熱を奪い、
前記ヒートポンプは、「加熱最適」モードでは最大ＣＯＰを有する性能で動作し、「維持動作モード」ではその現在の動作を維持し、「待機」モードでは動作しない、
請求項６に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項９】
前記制御エレメントが、
予め設定された時間間隔で、前記ヒートポンプの現在の性能を決定するステップと、前記現在の性能と記憶された性能とを比較するステップと、
前記現在の性能と前記記憶された性能とを比較した結果に基づいて、前記ヒートポンプの動作モードおよび前記蓄熱エレメントの動作モードを選択するステップと
を実行し、
前記予め設定された時間間隔が、好ましくは前記蓄熱エレメントを備えないエネルギーシステム以上の長さを有する、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの動作方法。
【請求項１０】
ヒートポンプシステムであって、
ヒートポンプと、
少なくとも１つの加熱エレメントと、
蓄熱エレメントと、
前記ヒートポンプ、前記少なくとも１つの加熱エレメントおよび前記蓄熱エレメントを接続する熱媒体回路と、
制御エレメントと、を含み、
前記制御エレメントが前記ヒートポンプの現在の性能を決定し、
前記現在の性能と記憶された性能とを比較し、前記現在の性能と前記記憶された性能とを比較した結果に基づいて、前記ヒートポンプおよび前記蓄熱エレメントの動作モードを選択するように構成されている、
ヒートポンプシステム。
【請求項１１】
前記蓄熱エレメントは、相変化材料ＰＣＭを含む、あるいは、水ベースの蓄熱である、
請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
【請求項１２】
前記ヒートポンプシステムが、請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプシステムの動作方法を実行するように構成されている、
請求項１１に記載のヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ヒートポンプシステムの動作方法およびヒートポンプシステムに関し、好ましくはこの方法を採用するヒートポンプシステムに関し、当該動作方法は、ヒートポンプシステムの動作モードを決定するステップを含む。
【背景技術】
【０００２】
建物内のエネルギー消費がＣＯ２排出の主要な発生源と考えられている。近年、家電分野での脱炭素化の目的からゼロ・エネルギー・ハウス（ＺＥＨ）が人気となっている。ヒートポンプは、その再生可能な性質により、暖房および温水を供給するための好ましい解決策である。１つの重要な性能ファクターは、必要とされる作業に対して提供される有用な加熱または冷却の比率である、ヒートポンプシステムの成績係数ＣＯＰ（Coefficient of Performance）である。ヒートポンプシステムの動作中のＣＯＰ値が高く維持される場合、ヒートポンプシステムが高い効率を有することを意味する。
【０００３】
図１は、従来のヒートポンプシステム１００の構成図を示す。ヒートポンプシステム１００は、冷媒回路１１０と、熱媒体回路１２０と、冷媒回路１１０および熱媒体回路１２０に接続されたシート型熱交換器１３０と、制御エレメント１４０とを含む。空気−冷媒熱交換器１１２、コンプレッサー１１１、熱交換器１３０および膨張弁１１３が、冷媒導管を介して順次接続されている。
【０００４】
ヒートポンプシステム１００の加熱動作中、低圧の液相の冷媒が、周囲空気から熱を吸収するように蒸発器として作用する空気−冷媒熱交換器１１２を通過する。次に、冷媒が圧縮器１１１に流入し、次いで冷媒が熱交換器１３０内の熱媒体回路１２０の熱媒体に熱を伝達するように、コンデンサとしての熱交換器１３０に流入するように案内される。熱を伝達した後の冷媒は膨張弁１１３に案内され圧力の低下をもたらす。
【０００５】
上述の加熱動作において、コンプレッサー１１１の速度および膨張弁１１３の開度は、熱交換器１３０内で加熱され、熱交換器１３０から流出する熱媒体の温度が所与の目標流れ温度に達するように、制御エレメント１４０によって制御される。ここで、目標流れ温度は、加熱ユニットによって要求された温度、または水蓄熱タンクに貯められた水を加熱するために要求された水温によって決定される。以下の説明では、加熱ユニットによって要求された上記の室温および要求された水温を設定温度として記載することがある。
【０００６】
ヒートポンプシステム１００の上述の構成では、制御エレメント１４０は、関連する構成エレメントと電気的に結合して、それらを制御するようにする。ここで、図１に示されていないある数の温度センサーおよび／または圧力センサーが、実際の要求に基づいて変化する位置に配置されている。したがって、制御エレメント１４０は、測定されたデータおよび内蔵命令（built-in instructions）に基づいて動作を制御する。
【０００７】
図２は、従来の目標温度制御のためのヒートポンプシステムのフィードフォワード制御とフィードバック制御の機能図を示す。制御エレメント１４０は、フィードフォワード制御手段１４１と、フィードバック制御手段１４２と、節電制御手段１４３とを含む。まず、現在の室温（または水温）および周囲温度が、対応する温度センサーによって測定され、次いで、制御エレメント１４０に送られる。フィードフォワード制御手段１４１およびフィードバック制御手段１４２は、設定温度および測定された周囲空気温度に基づいて目標流れ温度を取得するように構成されている。さらに、節電制御手段１４３は、目標流れ温度に基づいて電力需要の値を取得し、この値を入力して加熱動作を制御するように構成されている。
【０００８】
しかし、ヒートポンプシステム１００は、低熱負荷で作業する場合に、オーバーサイズになる。特に、ヒートポンプシステム１００の低熱負荷は、特に、閉め切ったよく断熱された部屋において設定温度に達することによって引き起こされることがある。
【０００９】
図３に、頻繁に実行されるオン・オフサイクル動作による流れ温度変動と電力変動を示す。図３の最上の位置（uppermost location）における曲線は、熱媒体の供給流の温度変動を表し、図３の中央の位置（middle location）の曲線は、熱媒体の戻り流の温度変動を表し、最下の位置（lowermost location）の曲線は、ヒートポンプシステム１００の電力消費を表す。この中で、「熱媒体の供給流」とは、熱媒体が熱を供給するために流れることを意味し、「熱媒体の戻り流」とは、熱媒体が熱を供給した後に流れることを意味する。上記の状況は、ヒートポンプシステム１００がオンおよびオフを頻繁に切り替えることをもたらす。結果として、ヒートポンプシステム１００の寿命が短くなり、効率が低下する。さらに、従来のヒートカーブ法から直接算出される目標流れ温度と周囲温度の異なった条件下では最大ＣＯＰを達成することは非常に困難である。
【００１０】
一方、最大ＣＯＰに達するために、要求される電力の値は、さらに制御エレメント１４０に内蔵されたヒートポンプ性能テーブルに基づいて選択される。しかし、同じ周囲温度に関して、最大ＣＯＰに対する熱負荷が目標流れ温度に対して要求される熱負荷よりも大きい可能性がある。結果として、加熱動作を介して達成される室温または水温が設定温度を容易に超えてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本開示によって解決されるべき課題は、ヒートポンプシステムの効率を高め、異なった環境条件下で所望の温度を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この問題は、請求項１に記載のヒートポンプシステムを動作させる方法、および請求項１０に記載のヒートポンプシステムによって解決される。
【００１３】
本開示は、ヒートポンプシステムの動作方法に関する。本開示による方法は、原則として、一種のヒートポンプシステムに適用され得る。一般に、ヒートポンプシステムは、ヒートポンプと、少なくとも１つの加熱エレメントと、蓄熱エレメントと、制御エレメントと、ヒートポンプと少なくとも１つの加熱エレメントと蓄熱エレメントとを接続する熱媒体回路とを含む。ヒートポンプは、例えば、凝縮器、膨張弁、蒸発器およびコンプレッサーが冷媒導管によって互いに直列に接続された冷媒回路を含むことができる。ヒートポンプの構成は、本開示にとって必須ではないことを強調しておきたい。本開示は、例えば、空間または水を加熱するためのすべての手段に適用され得る。好ましくは、少なくとも１つの加熱エレメントは、例えば、ラジエータとすることができる。ラジエータは、熱媒体と空気との間、または熱媒体と水との間で熱を伝達することができる。さらに、制御エレメントは、各エレメントを制御するように、ヒートポンプ、少なくとも１つの加熱エレメント、および、蓄熱エレメントと、電気的に結合することができる。ここで、「ヒートポンプ」とは、室内を暖める装置、および媒体を暖めるための装置を表すものとする。
【００１４】
本開示の方法は、制御エレメントによって実行されるステップを含む。ここで、制御エレメントがヒートポンプの現在の性能を決定する。用語「性能」は、例えば、成績係数ＣＯＰ、電力、熱媒体の流れ温度、およびヒートポンプのコンプレッサー周波数のうちの１つとすることができる。さらに、制御エレメントは、現在の性能を記憶された性能と比較し、現在の性能と記憶された性能とを比較した結果に基づいて、ヒートポンプの動作モードと蓄熱エレメントの動作モードを選択する。好ましくは、記憶された性能はテーブルに記憶される。
【００１５】
好ましくは、制御エレメントは、現在の性能が、記憶された性能に対して、予め設定された閾値よりも大きい量で異なる場合、ヒートポンプの動作モードを調整することができ、現在の性能が、記憶された性能に対して、予め設定された閾値よりも小さい量で異なる場合、ヒートポンプの現在の動作モードを維持することができる。好ましくは、当該予め設定された閾値は、値または範囲とすることができる。当該範囲は、例えば、現在の性能と記憶された性能との間の差の５％とすることができる。
【００１６】
好ましくは、制御エレメントは、現在の性能が、記憶された性能に対して、予め設定された閾値よりも大きい量で異なる場合、現在の性能を新しい記憶された性能として記憶することができる。
【００１７】
好ましくは、現在の性能および記憶された性能を、それぞれ、成績係数ＣＯＰとすることができる。記憶された性能は、ヒートポンプで達成可能な最大ＣＯＰであることが望ましい。
【００１８】
好ましくは、制御エレメントが蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルを決定し、さらに蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルに基づいて動作モードを選択する。すなわち、蓄熱エレメントの動作モードの選択および蓄熱エレメントの動作モードの選択は、さらに蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルに依存してもよい。蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルは、さらに最大ＣＯＰの電力で１時間超動作するヒートポンプによって提供される熱と比較することによって定義することができる。
【００１９】
好ましくは、制御エレメントが熱需要を決定することができる。熱需要は、例えば、現在の外気温、現在の熱媒体の温度および熱媒体の目標温度に基づいて算出することができる。熱需要の決定に加えて、制御エレメントがさらに熱需要に基づいて動作モードを選択することができる。
【００２０】
本開示の好ましい実施形態では、ヒートポンプは適正サイズとすることができる。ここでは、ヒートポンプは、設計温度に応じて、建物に合わせた大きさである。例えば、ヒートポンプが５キロワット（ｋＷ）の能力を有し、−５℃の外気温で建物が５ｋＷの熱損失を有する場合、ヒートポンプは特定の建物に対して−５℃の場合に適正サイズとされる。ヒートポンプの能力は室外の温度に依存する。すなわち、外気温が低いほどヒートポンプの能力は小さくなる。例えば、ヒートポンプが−５℃の場合の特定の建物に対して設計される場合、温度が−５℃より高いときにヒートポンプはオーバーサイズであり、逆に温度が−５℃に等しいときにヒートポンプは適正サイズである。この実施形態では、制御エレメントは、好ましくは以下の表による蓄熱エレメントの蓄熱レベルおよび熱需要に応じて、ヒートポンプおよび蓄熱エレメントの動作モードを選択することができる。
【００２１】
【表１】
2020165643.tif 000003
【００２２】
この中で、蓄熱エレメントは、蓄熱エレメントに蓄積することができる最大熱量からヒートポンプが一定時間にわたって送出できるゼロよりも大きい最小熱量を差し引いたものよりも大きい熱量を含む場合には、満杯とみなされ得る。一定時間は、例えば、１分もしくは１０分または１時間とすることができる。好ましくは、一定時間は１時間とすることができる。
【００２３】
ここで、ＱＨＰは、最大ＣＯＰの動作モードのヒートポンプによって送出される発熱率であり、この実施形態では、蓄熱エレメントは、「熱供給」動作モードでは熱媒体回路に熱を供給し、「待機」モードでは熱媒体回路に熱を供給することも熱媒体回路から熱を奪うこともせず、「蓄熱」モードでは熱媒体回路から熱を奪う。
【００２４】
この実施形態では、ヒートポンプは、「加熱最適」モードでは、最大ＣＯＰを有する性能で動作し、「維持動作モード」ではその現在の動作を維持し、「待機」モードでは動作しない。
【００２５】
本開示のさらに別の最適な実施形態では、ヒートポンプは、オーバーサイズとすることができる。この実施形態では、制御エレメントは、以下の表による蓄熱エレメントの蓄熱レベルおよび熱需要に応じて、ヒートポンプおよび蓄熱エレメントの動作モードを選択することができる。
【００２６】
【表２】
2020165643.tif 000004
【００２７】
この中で、蓄熱エレメントは、蓄熱エレメントに蓄積することができる最大熱量からヒートポンプが一定時間にわたって送出できるゼロよりも大きい最小熱量を差し引いたものよりも大きい熱量を含む場合には、満杯とみなされる。一定時間は、例えば、１分もしくは１０分または１時間とすることができる。好ましくは、一定時間は１時間とすることができる。ここで、ＱＨＰは、最大ＣＯＰの動作モードのヒートポンプによって送出される発熱率である。この実施形態では、蓄熱エレメントは、「熱供給」動作モードでは熱媒体回路に熱を供給し、「待機」モードでは熱媒体回路に熱を供給することも熱媒体回路から熱を奪うこともせず、「蓄熱」モードでは熱媒体回路から熱を奪う。
【００２８】
この実施形態では、ヒートポンプは、「加熱最適」モードでは、最大ＣＯＰを有する性能で動作し、「維持動作モード」ではその現在の動作を維持し、「待機」モードでは動作しない。
【００２９】
好ましくは、制御エレメントが、予め設定された時間間隔で、ヒートポンプの現在の性能を決定するステップと、現在の性能と記憶された性能とを比較するステップと、現在の性能と記憶された性能とを比較した結果に基づいて、ヒートポンプの動作モードおよび蓄熱エレメントの動作モードを選択するステップとを実行し、予め設定された時間間隔が、好ましくは蓄熱エレメントを備えないエネルギーシステム以上の長さを有する。
【００３０】
さらに、本開示は、ヒートポンプと、少なくとも１つの加熱エレメントと、蓄熱エレメントと、ヒートポンプと少なくとも１つの加熱エレメントと蓄熱エレメントとを接続する熱媒体回路と、制御エレメントとを含むヒートポンプシステムに関する。制御エレメントがヒートポンプの現在の性能を決定し、現在の性能と記憶された性能とを比較し、現在の性能と記憶された性能とを比較した結果に従って、ヒートポンプおよび蓄熱エレメントの動作モードを選択するように構成されている。
【００３１】
好ましくは、蓄熱エレメントは、相変化材料ＰＣＭ（Phase Change Material）、または、水ベースの蓄熱とすることができる。相変化材料は、例えば、潜熱材料（latent heat material）とすることができる。
【００３２】
ヒートポンプシステムが、上述の方法を実行するように構成されている場合は、特に好ましい。
【００３３】
本開示のヒートポンプシステムの動作方法は、ヒートポンプおよび蓄熱エレメントの両方を制御して、最良の全体的なエネルギー効率を達成することができる。すなわち、本開示の方法は、例えば、設置、気候、加熱回路設計、現住者等の任意の所与の条件セットにおいて、動作中に最大ＣＯＰ性能を維持する。
【発明の効果】
【００３４】
したがって、本開示は、所望の温度下で高効率を改善することができるヒートポンプシステムの動作方法を提供する。
【００３５】
以下、図面を参照しながら、実施例として本開示を説明する。実施例に関連して説明される特徴は、特定の実施例とは独立して実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図２】目標温度制御のための従来のヒートポンプシステムのフィードフォワード制御およびフィードバック制御の機能図を示す。
【図３】頻繁に実行されるオン・オフサイクル動作による流動温度変動および電力変動を示す。
【図４】実施形態１によるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図５】実施形態２によるヒートポンプシステムの構成図を示す。
【図６】本開示のヒートポンプシステムの動作方法によって実行されるプロセスの例示の主なフローチャートを示す。
【図７】現在のヒートポンプ能力による現在の蓄熱レベルを計算するステップのフローチャートを示す。
【図８】本方法のヒートポンプのＣＯＰテーブルを更新するフローチャートを示す。
【図９】本方法のヒートポンプの最大ＣＯＰを追跡するフローチャートを示す。
【図１０】本開示の方法の熱需要を計算するステップのフローチャートを示す。
【図１１】最大ＣＯＰの適正サイズのヒートポンプを制御するフローチャートを示す。
【図１２】最大ＣＯＰのオーバーサイズのヒートポンプを制御するフローチャートを示す。
【図１３】蓄熱エレメントを制御するフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の詳細な説明では、説明を目的として、開示された実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載される。
【００３８】
図４は、好ましい実施形態によるヒートポンプシステムの構成図を示す。この実施形態では、ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプ１１と、加熱エレメント１２１と、水加熱エレメント１２２と、蓄熱エレメント１３と、熱媒体回路１５と、制御エレメント１４とを含む。熱媒体回路１５は、熱媒体導管１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆによって、熱媒体回路１５上で、ヒートポンプ１１、加熱エレメント１２１、水加熱エレメント１２２および蓄熱エレメント１３に並列に接続する。蓄熱エレメント１３は、例えば家庭用水タンクである水ベースの蓄熱である。また、熱媒体回路１５内の熱媒体は水であり、加熱エレメント１２１はラジエータである。
【００３９】
ヒートポンプ１１は、空気−冷媒熱交換器１１１、膨張弁、冷媒−熱媒体熱交換器およびコンプレッサーが冷媒導管によって直列に接続された図示しない冷媒回路を含むことができる。冷媒−熱媒体熱交換器１１１を介して、冷媒回路内の冷媒と熱媒体回路１５内の熱媒体との間の熱転移が利用される。ここで、冷媒は、Ｒ４１０ａもしくはＣＯ２または他の熱伝達流体であってよい。
【００４０】
さらに、周囲温度、熱媒体温度、室温および水加熱温度を検出するために、図４に示さないある数の温度センサーが異なった場所に配置されている。その結果、制御エレメント１４は、その数の温度センサーから測定された温度を受信するように構成されている。
【００４１】
さらに、ヒートポンプシステム１の構成を以下にさらに説明する。冷媒−熱媒体熱交換器１１１、熱媒体ポンプ１６ａおよび三方弁１７ａは、導管１５ａを介して順次接続されている。ポンプ１６ａは、熱交換器１１１から流出する熱媒体を三方弁１７ａに案内するように配置されている。導管１５ａの上端の三方弁１７は、熱媒体の流れ方向を制御するように導管１５ｂおよびバイパス導管１５ｃに接続されている。そこで、バイパス導管１５ｃの両端は、導管１５ａの上端および下端に対応して接続されている。同様に、導管１５ｂの両端は、導管１５ａの上端および下端に対応して接続されている。空間を加熱するための加熱エレメント１２１は、導管１５ｂ内に配置されている。熱媒体−水熱交換器１９は、バイパス導管１５ｃを介して三方弁１７ａに接続され、水熱エレメント１２２からの水が流れるループ型導管１５ｄを介してポンプ１６ｂおよび水熱エレメント１２２に順次接続されている。したがって、熱交換器１９を通過するバイパス導管１５ｃの熱媒体から熱交換器１９を通過する導管１５ｄの水への熱伝達が発生する。そこで、ポンプ１６ｂは、熱交換器１９から流出する水を案内するように配置されている。
【００４２】
ループ型導管１５ｅ内に位置する蓄熱エレメント１３は、熱媒体から熱を受けるか、あるいは熱媒体に熱を提供するように設定されており、ループ型導管１５ｅの両端は、図４において、導管１５ｂの上部および導管１５ｂの下部に対応して接続されている。さらに、ループ型導管１５ｅの上部には、電磁弁１７ｂとポンプ１６ｃとが直列に配置され、ループ型導管１５ｅの下部には、双方向弁１８ｂが配置されている。電磁弁１７ｂは、熱媒体の流量を制御するように設定され、ポンプ１６ｃは、蓄熱エレメント１３から流出する熱媒体を案内するように設定され、双方向弁１８ｂは、熱媒体の流れ方向を制御するように設定されている。したがって、上述の構成による蓄熱エレメント１３は、ヒートポンプシステムにおいて「待機」、「蓄熱」および「熱供給」の動作モードを実施することができる。
【００４３】
また、導管１５ｂの上部に位置する双方向弁１８ａは、三方弁１７ａと加熱エレメント１２１との間に配置されている。バルブ１８ａは、さらに導管１５ｂの上部を流れる熱媒体の流れ方向を制御するように設定されている。ヒートポンプシステム１の構成に基づいて、制御エレメント１４は、さらにヒートポンプシステム１の動作を正確に制御するために、ポンプ１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよびバルブ１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂの制御を実行することができる。
【００４４】
さらに、この実施形態では、制御エレメント１４は、ヒートポンプ１１の現在の性能を決定し、現在の性能と記憶された性能とを比較し、現在の性能と記憶された性能とを比較した結果に基づいて、ヒートポンプ１１および蓄熱エレメント１３の動作モードを選択するように構成されている。用語「性能（performance）」は、例えば、成績係数ＣＯＰ、電力（または出力）、熱媒体の流れ温度、およびヒートポンプのコンプレッサー周波数のうちの１つを表すことができる。この実施形態では、「性能（performance）」という用語は、「成績係数」を表すことができる。
【００４５】
図５は、実施形態２によるヒートポンプシステムの構成図を示す。実施形態１のヒートポンプシステムの構成と比較すると、唯一の違いは実施形態２のヒートポンプシステム２内の蓄熱エレメント２３が多層構造の相変化材料を含むことである。蓄熱エレメント２３を通過する相変化材料と熱媒体との間の熱転移が容易に利用される。
【００４６】
これらの実施形態では、制御エレメント１４は、例えば、従来のヒートカーブ法における設定温度、すなわち、加熱ユニットによって要求される室温または要求される水温の熱需要を取得することができる。表１に示すように、従来のヒートカーブ法において、周囲温度と熱媒体の目標流れ温度を測定しながら、熱需要を取得することができる。例えば、周囲温度（Ｔａｍｂｉｅｎｔ）が２℃、目標流れ温度（Ｔｆｌｏｗ）が４２℃である場合、室温の設定値が２１℃のとき、需要熱（Ｑｄｅｍａｎｄ）に対応する電力は３．２３ｋＷとなる。
【００４７】
【表３】
2020165643.tif 000005
【００４８】
さらに、これら上記の実施形態では、ヒートポンプ性能テーブル、すなわち、表２を制御エレメント１４に記憶することができる。一般に、ヒートポンプ性能のデータは、通常、データブック／データシートに掲載され、通常、ＥＮ１４５１１に規定されているような標準試験から取得される。
【００４９】
ヒートポンプの最良の性能を達成するために、制御エレメント１４はさらに、記憶された性能の最良の値に基づいて熱需要を選択することができる。例えば、表１および表２に示すように、制御エレメント１４が、目標流れ温度４２℃、３．２３ｋＷの要求される電力に関して最大性能を達成する場合、熱需要に対応して３．４５ｋＷでの電力で最大ＣＯＰが３．３５に選択される。さらに、ヒートポンプが最大ＣＯＰで動作する場合、実際には熱供給が熱需要を超える可能性がある。この状況では、制御エレメント１４は、さらにヒートポンプシステムを制御して、加熱エレメント１２および蓄熱エレメント１３、２３に伝達される熱供給量を割り当てる。加熱エレメントの動作モードおよび蓄熱エレメントの動作モードを以下の内容で詳細に説明する。
【００５０】
【表４】
2020165643.tif 000006
【００５１】
以下の制御モードを上記２つの実施形態のヒートポンプシステムの構成に適用することができる。
【００５２】
図６は、本開示のヒートポンプシステムの動作方法により実行されるプロセスの例示の主なフローチャートを示す。設定温度、加熱ユニットにより要求された室温、または水加熱温度が設定されている間に、ステップＳ１が実行されて、制御エレメント１４に周囲温度および熱媒体の目標流れ温度を入力する。周囲温度は、温度センサーのうちの１つによって測定され、制御エレメント１４に入力され、熱媒体の目標流れ温度は、周囲温度および設定温度に応じて従来のヒートカーブ法から取得される。次に、ステップＳ２１は、最小動作時間、例えば１時間に対する最大ＣＯＰのヒートポンプの電力を計算する。一方、ステップＳ２２は、熱媒体の目標流れ温度を達成するための熱需要を計算する。さらに、ステップ３は、蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルを計算する。したがって、それぞれ、ステップＳ４１は、ヒートポンプの動作モードを決定し、ステップＳ４２は、蓄熱エレメントの動作モードを決定する。
【００５３】
さらに、図７は、現在のヒートポンプ能力に応じて現在の蓄熱レベルを計算するステップＳ３のフローチャートを示す。蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベルを計算するステップＳ３がさらに本明細書で特定される。蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルは、少なくとも最小の時間、例えば１時間、最大ＣＯＰの電力で動作するヒートポンプによって提供される熱ＱＨＰと比較することによって決定され得る。蓄熱エレメントの現在の蓄熱レベルが計算され、制御エレメントによって「満杯」、「ＴＲｍｉｎ  Ｑ＿ＨＰよりも大きい」および「枯渇」のレベルのうちの１つとして認識される。
【００５４】
まず、図７に示すように、蓄熱レベルを計算する主なステップ３１が制御エレメント１４によって実行される。次に、ステップ３１は、ＱＨＰ、および蓄熱エレメント１３、２３に蓄積されている現在の熱量Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＫＷＨを入力する。さらに、ステップＳ３２は、式「ＴＲｍｉｎ＊ＱＨＰ＞Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＴＯＴＡＬ−Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＫＷＨ」が真であるかどうかを決定する。ステップＳ３２において、用語「ＴＲｍｉｎ＊ＱＨＰ」は、少なくとも最小時間、最大ＣＯＰの電力で動作するヒートポンプによって提供される熱であり、Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＴＯＴＡＬは、蓄熱エレメント１３、２３の暖房能力である。ステップ３１の式が真である場合、蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベルを「満杯」レベルと認識し、その逆の場合、制御エレメント１４は処理をステップＳ３３に進める。ステップＳ３３は、Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＴＯＴＡＬがゼロであるかどうかを決定する。Ｑ°ＳＴＯＲＡＧＥＴＯＴＡＬがゼロである場合、蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベルを「枯渇」レベルと認識し、その逆の場合、「ＴＲｍｉｎ  Ｑ＿ＨＰよりも大きい」レベルと認識する。
【００５５】
さらに、ヒートポンプの動作中のＣＯＰを最大化するため、図８が本方法のＣＯＰテーブルを更新するフローチャートを示し、図９が本方法の最大ＣＯＰを追跡するフローチャートを示す。
【００５６】
さらに、これら上記の実施形態では、ヒートポンプ性能テーブル、すなわち、表２を制御エレメント１４に記憶することができる。一般に、ヒートポンプ性能のデータは、通常、データブック／データシートに掲載され、通常、ＥＮ１４５１１に規定されているような標準試験から取得される。
【００５７】
さらに図８は、本方法のＣＯＰテーブルを更新するフローチャートを示す。ＣＯＰテーブルとは、ヒートポンプ製造業者によって標準試験から取得されたヒートポンプの性能テーブルを意味する。ここで、表２は、図８のＣＯＰテーブルを更新する際に適用される制御エレメント１４に記憶されるヒートポンプ性能テーブルとすることができる。
【００５８】
図８では、ＣＯＰテーブルを更新するフローチャートは、ヒートポンプシステムのヒートポンプ１１が動作するときに、制御エレメント１４によって実行される。ステップＳ６１は、ヒートポンプ１１の動作、例えば、加熱動作において、現在のＣＯＰが安定しているかどうかを判断する。現在のＣＯＰが安定しているときに、ステップ６２がさらに処理されて、熱媒体の流量、温度差ΔＴに基づいてＱＨＰを計算する。次に、ステップＳ６３は、現在のＣＯＰおよび最大ＣＯＰの対応する値が表２に格納されたｇｅｔＣＯＰ（）を計算する。次に、ステップＳ６４は、対応するｇｅｔＣＯＰ（）が、現在のＣＯＰの５％以内の差であるかどうかを判断する。それが真である場合、制御エレメントはステップＳ６１に戻る。そうではない場合、ステップＳ６４は、新しいテーブル「ΔＣＯＰＴＡＢＬＥ」を設定し、新しいテーブルに対応するｇｅｔＣＯＰ（）と現在のＣＯＰとの差「ｇｅｔＣＯＰ（）−現在のＣＯＰ」を保存する。制御エレメント１１は、ステップＳ６５を実行した後、ステップＳ６１に戻る。
【００５９】
より具体的には、新しいテーブル「ΔＣＯＰ  ＴＡＢＬＥ」は、ヒートポンプ１１のＣＯＰ補正のためのテーブルである。このテーブルは、対象の建物に設置される本開示のヒートポンプシステムに特有のものである。さらに、このテーブルは、ヒートポンプシステムがＣＯＰ  ＴＡＢＬＥと現在のＣＯＰとの差が定義された閾値よりも大きいという下で動作している間に生成される。定義された閾値は、値または範囲とすることができる。図８では、定義された閾値は、現在の性能と記憶された性能の差の５％である。すなわち、製造業者の性能データと現在のＣＯＰとの差が５％よりも大きい場合に、現在のＣＯＰが製造業者性能テーブルを修正するために保存される。
【００６０】
図９は、本方法のＣＯＰテーブルを追跡するフローチャートを示す。ステップ７１は、最大ＣＯＰのヒートポンプの加熱動作が追跡され、真であるかどうかを確認する。ステップＳ７１において、最大ＣＯＰのヒートポンプの加熱動作が真である場合、ステップ７２が処理されて、熱需要、現在のＣＯＰのＣＯＰ（ｔ）およびヒートポンプのコンプレッサーの現在の周波数ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（ｔ）を入力する。
【００６１】
さらに、制御エレメント１４は、熱需要および最大ＣＯＰの電力で動作するヒートポンプ１１によって提供される熱量ＱＨＰに基づいて、コンプレッサーの現在の周波数の制御ステップＳ７３、Ｓ７４、Ｓ７５、Ｓ７６、Ｓ７７、Ｓ７８、Ｓ７９を実行する。ステップＳ７３は、熱需要が熱量ＱＨＰに等しいかどうかを判断する。それが真である場合、ステップＳ７４が処理されて、現在のＣＯＰ「ＣＯＰ（ｔ）」およびヒートポンプ１１のコンプレッサーの現在の周波数ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（ｔ）を維持する。そうではない場合、ステップＳ７５が処理されて、熱需要が熱量ＱＨＰよりも大きいかどうかを判断する。それが真である場合、ステップＳ７６が処理されて、次の時間間隔（ｔ＋１）で、ある量の周波数を減少させるように、現在の周波数ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（ｔ）を調整する。そうではない場合、ステップＳ７７が処理されて、次の時間間隔（ｔ＋１）で、ある量の周波数を増加させるように、現在の周波数ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ（ｔ）を調整する。Ｓ７６およびＳ７７の両方のステップの調整後のステップＳ７８が処理されて、新しい現在のＣＯＰ「ＣＯＰ（ｔ＋１）」が現在のＣＯＰ「ＣＯＰ（ｔ）」よりも大きいかどうかを判断する。それが真である場合、ステップＳ７８は戻され処理される。そうではない場合、ステップＳ７９は、値、現在のＣＯＰ「ＣＯＰ（ｔ）」およびヒートポンプ１１のコンプレッサーの現在の周波数ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒを返す。
【００６２】
したがって、ヒートポンプ１１は、ギャップ効果を回避し、熱力学サイクルの実際の性能トレンドを考慮するために、ΔＣＯＰ  ＴＡＢＬＥの内容を毎日線形化（linearize）する。
【００６３】
図１０は、本開示の方法の熱需要を算出するステップのフローチャートである。熱需要ＱＨＤを計算する図６のステップＳ２２は、さらに、熱需要ＱＨＤと最大ＣＯＰの電力で動作するヒートポンプによって提供されるエネルギーによる熱量ＱＨＰと比較することによって特定される。熱需要ＱＨＤの現在の状態は、「ＱＨＰよりも大きい」状態、「ＱＨＰに等しい」状態および「ＱＨＰよりも小さい」状態のうちの１つである。
【００６４】
次に、図６のヒートポンプの動作モードを決定するステップＳ４１と、蓄熱エレメントの動作モードを決定するステップＳ４２について以下の段落で説明する。
【００６５】
ヒートポンプの動作モードは、さらにヒートポンプのサイズに基づく。ここで、ヒートポンプは、設計温度に応じて、建物に合わせた大きさである。例えば、ヒートポンプの５キロワット（ｋＷ）の能力を有し、外気温が−５℃で建物が５ｋＷの熱損失を有する場合、ＨＰは特定の建物に対して−５℃に対して適切なサイズである。ヒートポンプの能力は室外の温度に依存する。すなわち、外気温が低いほどヒートポンプの能力は低い。例えば、ヒートポンプが−５℃の場合の建物に対して設計されている場合、温度が−５℃を超えるときはオーバーサイズである、逆に温度が−５℃に等しいときは適切なサイズである。
【００６６】
適正サイズのヒートポンプについては、ヒートポンプの動作モードおよび蓄熱エレメントの動作モードは表３に表し、図１１および図１３に示すヒートポンプ制御システムにより管理される。図１１は、最大ＣＯＰの適正サイズのヒートポンプを制御するフローチャートを示し、図１３は、蓄熱エレメントを制御するフローチャートを示す。図１１に示すステップＳ８１、Ｓ８１１、Ｓ８１２、Ｓ８１３、Ｓ８１４およびＳ８１５が制御エレメント１４によって実行され、蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベル、熱需要およびヒートポンプ１１の動作モードの基準条件に対応する。図１３に示すステップＳ９、Ｓ９１、Ｓ９２、Ｓ９３、Ｓ９４、Ｓ９５およびＳ９６が制御エレメント１４によって実行され、表３の蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベル、熱需要および蓄熱エレメント１３、２３の動作モードの基準条件に対応する。
【００６７】
【表５】
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【００６８】
蓄熱エレメントは、「熱供給」動作モードでは熱媒体回路に熱を供給し、「待機」モードでは熱媒体回路に熱を供給することも熱媒体回路から熱を奪うこともせず、「蓄熱」モードでは熱媒体回路から熱を奪う。さらに、ヒートポンプは、「加熱最適」モードでは最大ＣＯＰを有する性能で動作し、「維持動作モード」ではその現在の動作を維持し、「待機」モードでは動作しない。
【００６９】
ヒートポンプが適正サイズである場合、蓄熱エレメントの蓄熱量は大きいことが好ましい。制御エレメントは、最大出力でヒートポンプをより早く起動することにより、蓄熱量が「枯渇」レベルに決して陥らないように設定されている。
【００７０】
オーバーサイズのヒートポンプについて、ヒートポンプの動作モードおよび蓄熱エレメントの動作モードは表４に表し、図１２および図１３に示すようにヒートポンプ制御システムによって管理される。図１２は、最大ＣＯＰのオーバーサイズのヒートポンプを制御するフローチャートであり、図１３は、蓄熱エレメントを制御するフローチャートを示す。
【００７１】
図１２に示すステップＳ８２、Ｓ８２１、Ｓ８２２、Ｓ８２３、Ｓ８２４およびＳ８２５が制御エレメント１４によって実行され、蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベル、熱需要およびヒートポンプ１１の動作モードの基準条件に対応する。図１３に示すステップＳ９、Ｓ９１、Ｓ９２、Ｓ９３、Ｓ９４、Ｓ９５およびＳ９６が制御エレメント１４によって実行され、表３の蓄熱エレメント１３、２３の現在の蓄熱レベル、熱需要および蓄熱エレメント１３、２３の動作モードの基準条件に対応する。
【００７２】
【表６】
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【００７３】
蓄熱エレメントの蓄熱量は、ヒートポンプがオーバーサイズである場合には小さいことが好ましい。オーバーサイズのヒートポンプは、快適な建物を保証するために蓄積装置に依存しないだろう。制御エレメントは、ヒートポンプが最大出力に到達する前に、蓄熱エレメントを「枯渇」レベルで待機しておくように設定されている。
【００７４】
本開示のヒートポンプシステム動作方法は、ヒートポンプおよび蓄熱エレメントの両方をさらに制御して、最良の全体的なエネルギー効率を達成することができる。すなわち、本開示の方法は、例えば、設置、気候、加熱回路設計、現住者等の任意の所与の条件セットにおいて、動作中、最大のＣＯＰ性能を維持する。
【００７５】
したがって、本開示は、所望の温度下で高効率を改善することができるヒートポンプシステムの動作方法を提供する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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