(57)【要約】  外気とその他の熱源との両方から採熱するヒートポンプ装置４０であって、制御装置３０は、単独運転では能力が足りない場合の同時運転への切り替えを、追加する熱源の温度と現在の冷媒温度と比較することで判断する。暖房運転であれば、追加する熱源の温度が現在の冷媒温度よりも高い場合、同時運転に切り替え、追加する熱源の温度が現在の冷媒温度以下の場合、単独運転を続ける。その他の判断方法として、暖房運転であれば、追加後の冷媒温度を推定し、推定した冷媒温度が現在の冷媒温度よりも高い場合、同時運転に切り替え、推定した冷媒温度が現在の冷媒温度以下の場合、単独運転を続ける。
2014054176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、前記第一回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、前記圧縮機の吐出側が前記利用側熱交換器と前記第一、前記第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、前記外気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する利用側熱交換器出口温度検出器と、
前記第一熱源熱交換器又は前記第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、前記第一熱源熱交換器と前記第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、現在運転中の前記単独運転では能力が足りず、前記利用側熱交換器出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合、熱源を追加することで能力が向上するか否かを判断し、能力が向上すると判断した際に前記単独運転から前記同時運転に切り替える制御装置と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、熱源を追加することで能力が向上するか否かの前記判断を、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、熱源を追加することで能力が向上するか否かの前記判断を行うにあたり、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記第一熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第一熱源熱交換器の冷媒温度と、前記第二熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第二熱源熱交換器の冷媒温度とを繰り返し演算しており、前記利用側熱交換器が凝縮器の場合の前記同時運転中、前記演算した各冷媒温度を互いに比較し、低い方が、前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低くなれば、その低い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、熱源を追加することで能力が向上するか否かの前記判断を、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、熱源を追加することで能力が向上するか否かの前記判断を、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第一熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第一熱源熱交換器の冷媒温度と、前記第二熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第二熱源熱交換器の冷媒温度とを繰り返し演算しており、前記利用側熱交換器が蒸発器の場合の前記同時運転中、前記演算した各冷媒温度を互いに比較し、高い方が、前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高くなれば、その高い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１、５及び６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機に接続され、前記圧縮機から吐出した冷媒の流れ方向を切り替える主冷媒流路切替弁を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記別の熱源として、地熱、地下水、海水、太陽熱温水及びボイラーの何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱源を用いるヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷暖房装置及び給湯機に用いられているヒートポンプ装置には、空気を熱源とするものが一般的である。【０００３】
また、外気温度が低い地域では、暖房時に地中熱を利用するヒートポンプ装置も利用されるようになってきている。【０００４】
空気の熱を熱源として用いる空気熱源ヒートポンプ装置では、暖房運転時において外気温度が低い場合、吸入圧力の低下又は着霜などによって暖房能力の低下を招くことがある。このように、ヒートポンプ装置の運転効率は外気温度に左右される。【０００５】
地中熱を利用する地中熱ヒートポンプ装置では、地中温度が外気温度よりも高い場合、採熱量を多くできるため空気熱源ヒートポンプ装置よりも運転効率が高くなる。しかし、地中温度が外気温度よりも低い場合は逆に、地中熱ヒートポンプ装置は空気熱源ヒートポンプ装置よりも運転効率が悪化する。【０００６】
また、地中温度は外気温度に比べて年間を通じて温度変化は小さいものの、地域及び深度、季節によって温度変化幅が異なり、やはり空気熱源ヒートポンプ装置よりも運転効率が悪化する場合がある。【０００７】
これらの問題を解決する手段として、特許文献１には、地上に設置され外気を熱源とした空気熱源熱交換器と、地中に埋設した地中熱交換器により採熱した地中熱を熱源とした地中熱源熱交換器とを切り替えるようにした技術が開示されている。特許文献１では、外気温度が所定値以上又は冷媒温度が所定値以上（例えば空気熱源交換器へ着霜する温度以上）の場合は空気熱源交換器を利用し、冷媒温度が所定値以下の場合は地中熱源熱交換器を利用するように流路を切り替えるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２１６７８３号公報（図１、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では、地中熱交換器と空気熱交換器とを使い分けてどちらか一方から採熱する構成としている。しかし、更に、外気と地中から同時に採熱することも可能とし、地中熱交換器と空気熱交換器とを使い分けてどちらか一方から採熱する運転（以下、単独運転という）と、外気と地中から同時に採熱する運転（以下、同時運転という）とを切り替えられるようにすれば、例えば単独運転で能力が足りない場合に、同時運転に切り替えて能力不足を補うことが可能となる。【００１０】
しかし、同時運転に切り替えれば能力が増えるかというと、必ずしもそうではない。外気温度及び熱源温度によっては、同時運転に切り替えることで逆にヒートポンプ全体としての採熱量が減ってしまい、依然として必要能力を得られない場合もある。【００１１】
このため、単独運転から同時運転への切り替えを的確に判断することが重要である。しかし、特許文献１ではそもそも同時運転を行っておらず、単独運転と同時運転との切り替え判断については何ら検討されていない。【００１２】
ところで近年では、ヒートポンプ装置における熱源として、外気以外に上述したように地中熱が利用されるようになってきているが、地中熱以外の他の熱源の利用も求められている。【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、外気とその他の熱源との両方から採熱するヒートポンプ装置であって、単独運転から同時運転への切り替えを的確に判断して熱源を有効に利用することが可能なヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、第一回路の第一減圧装置及び第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、圧縮機の吐出側が利用側熱交換器と第一、第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、外気とは別の熱源と熱交換して別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する利用側熱交換器出口温度検出器と、第一熱源熱交換器又は第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、第一熱源熱交換器と第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、現在運転中の単独運転では能力が足りず、利用側熱交換器出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合、熱源を追加することで能力が向上するか否かを判断し、能力が向上すると判断した際に単独運転から同時運転に切り替える制御装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、単独運転から同時運転への切り替えを的確に判断して熱源を有効に利用することが可能なヒートポンプ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係るヒートポンプ装置が適用された空調システムの冷媒回路を示す図である。
【図２】図１の空調システムにおける暖房運転時の運転状態と、熱源温度である外気温度と地中温度との関係と、を示した図である。
【図３】図１の空調システムにおける冷房運転時の運転状態と、熱源温度である外気温度と地中温度との関係と、を示した図である。
【図４】図１の空調システムにおけるファン回転数と風量との関係を示す図である。
【図５】図１の空調システムにおける圧縮機回転数と冷媒流速との関係を示す図である。
【図６】図１の空調システムにおける風量と熱交換器性能との関係を示す図である。
【図７】図１の空調システムにおける運転状態の変化を示す図である。
【図８】図１の空調システムにおける暖房運転時の運転切替制御のフローチャートである。
【図９】図１の空調システムにおける熱源を追加した際の冷媒温度の推定方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１の空調システムにおける冷媒回路の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に説明する実施の形態では、ヒートポンプ装置が適用されるシステムが暖房又は冷房を行う空調システムであるものとして説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施の形態のヒートポンプ装置が適用された空調システムの冷媒回路を示す図である。図１の矢印は、暖房運転時の冷媒の流れを示している。
空調システム１００は、ヒートポンプ装置４０と、利用側媒体が循環する利用側回路５１を有し、ヒートポンプ装置４０を熱源として暖房又は冷房を行う利用側装置５０とを有している。
【００１９】
＜＜ヒートポンプ装置＞＞
ヒートポンプ装置４０は、冷媒が循環する冷媒回路１０と、地中熱源側回路２０と、制御装置３０と、記憶装置３１とを備えており、屋外に設置される。
【００２０】
＜冷媒回路＞
冷媒回路１０は、圧縮機１と、冷媒の流路を切り替える主冷媒流路切替弁である四方弁２と、利用側熱交換器である水熱交換器３と、第一減圧装置である膨張弁４ａと、第一熱源熱交換器である空気熱源熱交換器５ａとが順次冷媒配管で接続された第一回路１０ａと、第一回路１０ａの一部に並列に接続された第二回路１０ｂとを備えている。第二回路１０ｂは、第二減圧装置である膨張弁４ｂと第二熱源熱交換器である地中熱源熱交換器５ｂの冷媒流路４１とを直列に接続して構成され、第一回路１０ａの膨張弁４ａ及び空気熱源熱交換器５ａに並列に接続されている。
【００２１】
（圧縮機）
圧縮機１は、例えば全密閉式圧縮機であり、電動機部（図示せず）と圧縮部（図示せず）とが圧縮機シェル（図示せず）に収納された構成を有している。圧縮機１へ吸引された低圧冷媒は圧縮され、高温高圧冷媒となって圧縮機１より吐出される。圧縮機１は制御装置３０によってインバータ（図示しない）を介して回転数制御されることで、ヒートポンプ装置４０の能力を制御している。ここで、圧力の高低については、基準となる圧力（数値）との関係により定められているものではなく、圧縮機１の加圧、各膨張弁４ａ、４ｂの開閉状態（開度）の制御などにより、冷媒回路１０内において、相対的な高低（中間を含む）に基づいて表すものであるとする。温度の高低についても同様である。
【００２２】
（水熱交換器）
水熱交換器３は、利用側装置５０の利用側回路５１内の利用側媒体（ここでは、水）と冷媒回路１０内の冷媒とを熱交換する。利用側回路５１にはポンプ５２により水が循環しており、暖房を行う場合、水熱交換器３は凝縮器として機能し、冷媒回路１０の冷媒の熱で水を加熱して温水を生成する。冷房を行う場合、水熱交換器３は蒸発器として機能し、冷媒回路１０の冷媒の冷熱で水を冷却することで冷水を生成する。この温水又は冷水を利用して室内を暖房又は冷房する。この熱交換器の形態はプレートを積層したプレート式、又は冷媒が流れる伝熱管と水が流れる伝熱管から成る二重管式などがあるが、本実施の形態ではどちらを用いても良い。なお、利用側回路５１を循環する利用側媒体は水に限られず、ブラインなどの不凍液であってもよい。
【００２３】
（膨張弁）
膨張弁４ａは、空気熱源熱交換器５ａを流れる冷媒流量を調整する。また、膨張弁４ｂは、地中熱源熱交換器５ｂの冷媒流路４１を流れる冷媒流量を調整する。各膨張弁４ａ、４ｂの開度は制御装置３０からの制御信号に基づいて可変に設定される。膨張弁４ａ、４ｂは電気信号によって開度が可変な電子膨張弁の他に、複数のオリフィス又はキャピラリを並列に接続し、電磁弁などの開閉弁操作によって熱交換器へ流入する冷媒流量を制御できるようにしても良い。
【００２４】
（空気熱源熱交換器）
空気熱源熱交換器５ａは、例えば銅又はアルミニウムで構成されるフィンアンドチューブ型熱交換器である。空気熱源熱交換器５ａは、空気（外気）を熱源とした熱交換器であり、ファン８から供給された外気と冷媒とを熱交換する。
【００２５】
（四方弁）
四方弁２は、冷媒回路１０の流れを切り替えるために用いられる。流路を切り替えることによって、水熱交換器３を暖房運転時は凝縮器として利用し、冷房運転時は蒸発器として利用することができる。
【００２６】
＜＜地中熱源側回路＞＞
熱交換媒体回路である地中熱源側回路２０は、地中熱源熱交換器５ｂの地中熱源側媒体流路（熱交換媒体流路）４２と、地中に埋設される地中熱交換器２１と、地熱用ポンプ２２とが順次配管で接続されて構成されている。地中熱源側回路２０には、ブラインなどの不凍液である熱交換媒体としての地中熱源側媒体が循環し、地中熱を採熱できるように構成されている。
【００２７】
（地中熱交換器）
地中熱源熱交換器５ｂへの熱源熱交換器となる地中熱交換器２１は、例えば略Ｕ字状に形成されて地中に垂直又は水平に埋設された樹脂製の採熱パイプ群によって構成される。地中熱交換器２１の熱交換性能は、同じ大きさの採熱パイプ群を埋設しても、その埋設した地域及び深度によって異なったものとなる。
【００２８】
（地中熱源熱交換器）
地中熱源熱交換器５ｂは、冷媒回路１０を循環する冷媒と地中熱源側回路２０を循環する地中熱源側媒体との熱交換を行う。地中熱源熱交換器５ｂの地中熱源側媒体流路４２には、地中熱交換器２１によって地中熱を採熱した地中熱源側媒体が流入するため、地中から地中熱交換器２１によって採熱した熱が冷媒流路４１側の冷媒に伝達される。これにより、冷媒回路１０は地中熱を採熱する。地中熱源熱交換器５ｂは、水熱交換器３と同様に、プレート式又は二重管式などで構成され、どちらを用いても良い。
【００２９】
＜制御装置＞
制御装置３０は、各センサからの検出値に基づき、利用側回路５１の出口水温が空調システム１００の設定温度に応じた目標水温となるように各アクチュエータ（圧縮機１、ファン８、地熱用ポンプ２２、ポンプ５２）の回転数制御及び膨張弁４ａ、４ｂの開度制御を行う。また、制御装置３０は、四方弁２の切り替え制御、後述の図８及び図９のフローチャートの処理を含む、空調システム全体の制御を行う。
【００３０】
＜記憶装置＞
記憶装置３１には、空気熱源熱交換器５ａ及び地中熱源熱交換器５ｂのそれぞれの現在の熱交換性能を算出するための各種情報が記憶される。各種情報については後述する。
【００３１】
＜センサの説明＞
ヒートポンプ装置４０には、必要に応じて温度又は圧力センサが設けられている。各センサの検出値は制御装置３０に入力され、ヒートポンプ装置４０の運転制御、例えば圧縮機１の容量制御、及び膨張弁４ａ、４ｂの開度制御に使われている。図１では、第一熱源温度検出器である外気温度センサ３４ａと、第二熱源温度検出器である地熱温度センサ３４ｂと、冷媒温度検出器である冷媒温度センサ３２と、利用側熱交換器出口温度検出器である出口水温検出センサ５３とを備えている。
【００３２】
外気温度センサ３４ａは、熱源である外気の温度を検出する。地熱温度センサ３４ｂは、地中熱交換器２１にて地中との間で熱交換して地熱用ポンプ２２によってくみ上げられた地中熱源側媒体の温度を検出する。冷媒温度センサ３２は、冷媒回路１０の吸入圧力の飽和温度を検出する。なお、冷媒温度センサ３２は、図１に示すように、圧縮機１の吸入側の圧力を検出する吸入圧力センサ３３でもよく、その場合は制御装置３０によって冷媒圧力から冷媒飽和温度を換算すればよい。出口水温検出センサ５３は、利用側回路５１の出口水温（水熱交換器３の利用側媒体流路の出口水温）を検出する。
【００３３】
以下、空調システム１００における暖房運転及び冷房運転について説明する。なお、ヒートポンプ装置４０は、空気熱源と地中熱源との両方を用いた同時運転と、空気熱源又は地中熱源を用いた単独運転とが可能であり、それぞれについて説明する。
【００３４】
（暖房運転）
次に、本実施の形態における暖房運転の運転動作について、同時運転、単独運転の順に説明する。暖房運転時、四方弁２は図１の実線側に切り替えられる。
【００３５】
（暖房運転：同時運転）
図２は、図１の空調システム１００における暖房運転時の運転状態と、熱源温度である外気温度と地中温度との関係と、を示した図である。ここでは、地中温度が外気温度よりも高くなっている。
【００３６】
低温低圧の冷媒は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３に流入し、利用側回路５１の水へ放熱する。水への放熱により低温高圧となった冷媒は２つに分岐してそれぞれ膨張弁４ａ、４ｂに流入して減圧される。
【００３７】
膨張弁４ａで減圧された冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに流入し、外気から熱を吸熱して蒸発し、空気熱源熱交換器５ａから流出する。一方、膨張弁４ｂで減圧された冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂに流入し、地中熱源側媒体と熱交換して吸熱する。ここでの熱交換により地中熱を採熱している。そして、地中熱を採熱して蒸発した冷媒は、空気熱源熱交換器５ａから流出した冷媒と合流し、再び四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００３８】
（暖房運転：単独運転（空気熱源選択時））
空気熱源を選択する場合は、膨張弁４ａを開度制御、膨張弁４ｂを閉、地熱用ポンプ２２を停止、ファン８を運転する。圧縮機１から吐出された冷媒は暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３へ流入し、利用側媒体である水へ放熱する。高圧低温となった冷媒は膨張弁４ａにて減圧された後、空気熱源熱交換器５ａへ流入し、外気から熱を吸熱することで冷媒が蒸発する。そして、空気熱源熱交換器５ａから流出した冷媒は、再び四方弁２へ流入後、冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００３９】
（暖房運転：単独運転（地中熱源選択時））
地中熱源を選択する場合は、膨張弁４ａを閉、膨張弁４ｂを開度制御、地熱用ポンプ２２を駆動、ファン８を停止する。圧縮機１から吐出された冷媒は暖房用に切り替えられた四方弁２を通過して水熱交換器３へ流入し、利用側媒体である水へ放熱する。高圧低温となった冷媒は膨張弁４ｂにて減圧された後、地中熱源熱交換器５ｂへ流入する。
【００４０】
一方、地中熱源側回路２０では、地中熱交換器２１において地中熱源側媒体が地中との間で熱交換して地中熱を採熱しており、地中熱を採熱した地中熱源側媒体が地中熱源熱交換器５ｂに流入する。そして、冷媒回路１０の冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂで地中熱源側媒体と熱交換して地中熱を採熱し、蒸発する。そして、地中熱源熱交換器５ｂから流出した冷媒は、再び四方弁２へ流入後、冷媒容器７ａを通過して圧縮機１へ吸引される。
【００４１】
（冷房運転）
次に、冷房運転の運転動作について、同時運転、単独運転の順に説明する。冷房運転時、四方弁２は図１の点線側に切り替えられる。
【００４２】
（冷房運転：同時運転）
図３は、図１の空調システムにおける冷房運転時の運転状態と熱源温度（外気温度及び地中温度）との関係を示した図である。ここでは、地熱温度が外気温度よりも低くなっている。
【００４３】
低温低圧の冷媒は圧縮機１で圧縮され、高温高圧の冷媒となって吐出される。圧縮機１から吐出された高温高圧の冷媒は、冷房用に切り替えられた四方弁２を通過後、２つに分岐して一方は空気熱源熱交換器５ａに流入し、他方は地中熱源熱交換器５ｂに流入する。
【００４４】
空気熱源熱交換器５ａに流入した冷媒は、大気に放熱して低温高圧冷媒となって空気熱源熱交換器５ａを流出し、膨張弁４ａに流入して減圧される。一方、地中熱源熱交換器５ｂに流入した冷媒は、地中熱源側媒体に放熱して低温高圧冷媒となって地中熱源熱交換器５ｂを流出し、膨張弁４ｂに流入して減圧される。そして、膨張弁４ｂで減圧された冷媒は、膨張弁４ａで減圧された冷媒と合流して水熱交換器３に流入する。水熱交換器３に流入した冷媒は、利用側回路５１の水から吸熱して蒸発し、四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。
【００４５】
（冷房運転：単独運転（空気熱源選択時））
空気熱源を選択する場合は、膨張弁４ａを開度制御、膨張弁４ｂを閉、地熱用ポンプ２２を停止、ファン８を運転する。圧縮機１から吐出された冷媒は、冷房用に切り替えられた四方弁２を通過後、空気熱源熱交換器５ａに流入し、外気に放熱して空気熱源熱交換器５ａを流出する。空気熱源熱交換器５ａを流出した冷媒は、膨張弁４ａに流入して減圧された後、水熱交換器３に流入する。水熱交換器３に流入した冷媒は、利用側回路５１の水から吸熱して蒸発し、四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。
【００４６】
（冷房運転：単独運転（地中熱源選択時））
地中熱源を選択する場合は、膨張弁４ａを閉、膨張弁４ｂを開度制御、地熱用ポンプ２２を駆動、ファン８を停止する。圧縮機１から吐出された冷媒は、冷房用に切り替えられた四方弁２を通過後、地中熱源熱交換器５ｂに流入する。
【００４７】
一方、地中熱源側回路２０では、地中熱交換器２１において地中熱源側媒体が地中との間で熱交換して地中から冷熱を採熱しており、冷熱を採熱した地中熱源側媒体が第二回路１０ｂの地中熱源熱交換器５ｂに流入する。そして、冷媒回路１０の冷媒は、地中熱源熱交換器５ｂで地中熱源側媒体と熱交換して冷熱を採熱し、凝縮する。凝縮した冷媒は、膨張弁４ｂに流入して減圧された後、水熱交換器３に流入する。水熱交換器３に流入した冷媒は、利用側回路５１の水から吸熱して蒸発し、四方弁２及び冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。
【００４８】
（本実施の形態の特徴的な制御の概要）
本実施の形態では、熱源として外気又は地中熱を選択して単独運転中、圧縮機１の回転数を上限まで上げる等、現在運転中のアクチュエータを操作しても能力が足りない場合、つまり利用側回路５１の出口水温を目標水温にできない場合に、熱源の追加の要否を制御装置３０にて判断する。そして、制御装置３０は、熱源の追加要と判断した場合に他方の熱源を追加する。つまり、制御装置３０は単独運転から同時運転に切り替える。
【００４９】
熱源の追加要否の判断方法については後述するが、その判断を行うにあたり、空気熱源熱交換器５ａ及び地中熱源熱交換器６ｂのそれぞれの熱交換量を算出する必要がある。よって、まず、熱交換量を算出方法について説明する。ここでは、暖房運転の場合、つまり熱源熱交換器を吸熱器として利用する場合について説明する。なお、以下の説明では、熱源との熱交換を行う空気熱源熱交換器５ａと地中熱源熱交換器５ｂとを特に区別しない場合は、総称して熱源熱交換器ということがある。また、以下において「追加する熱源の温度」とは、追加する熱源が外気の場合、空気熱源熱交換器５ａに流入する外気の温度Ｔａｏｉを指し、追加する熱源が地中熱の場合、地中熱源熱交換器５ｂに流入するブラインの流入ブライン温度Ｔｇｏｉを指す。
【００５０】
（空気熱源熱交換器の熱交換量Ｑａ）
暖房運転時、空気熱源熱交換器５ａは蒸発器として働く。空気熱源熱交換器５ａでは湿り空気中において凝縮を伴う場合（濡れ面）が多いが、ここでは話を簡単にするため、空気側の熱交換器表面が凝縮を伴わない（乾面）の場合について説明する。
【００５１】
空気熱源熱交換器５ａの熱交換量Ｑａは、空気熱源熱交換器５ａを通過する風量Ｇａ、空気の比熱Ｃｐａ、空気側温度効率εａ、外気温度センサ３４ａで検出された外気温度Ｔａｏｉ、冷媒温度センサ３２で検出された冷媒飽和温度Ｔｓを用いて式（１）で表すことができる。
【００５２】
【数１】
2014054176.tif 000003
【００５３】
冷媒側は飽和温度であり、管内側の流れ方向で温度変化がないとした場合、空気側温度効率εａは空気熱源熱交換器５ａの空気側伝熱面積Ａｏ、熱通過率Ｋａを用いて、式（２）で表すことができる。
【００５４】
【数２】
2014054176.tif 000004
【００５５】
熱通過率Ｋａは、空気側熱伝達率αｏ及び冷媒側熱伝達率αｉと、式（３）に示すように比例関係にある。そして、空気側熱伝達率αｏは風量Ｇａに比例し、冷媒側熱伝達率αｉは冷媒流速Ｖｒｅｆに比例する。
【００５６】
【数３】
2014054176.tif 000005
【００５７】
また、一般に、風量Ｇａはファン８の回転数Ｎｆａｎとの間で例えば図４に示すような関係を持ち、冷媒流速Ｖｒｅｆは圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐとの間で例えば図５に示すような関係を持つ。
【００５８】
よって、図４に示すファン回転数Ｎｆａｎと風量Ｇａとの関係、図５に示す圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐと冷媒流速Ｖｒｅｆとの関係、風量Ｇａと空気側熱伝達率αｏとの関係、冷媒流速Ｖｒｅｆと冷媒側熱伝達率αｉとの関係、を予め把握して記憶装置３１内に記憶しておく。そして、これらの関係と、現在のファン回転数Ｎｆａｎ及び圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐとを用いて、空気熱源熱交換器５ａの熱交換性能を示すＧａ・Ｃｐａ・εａを制御装置３０によって算出することができる。
【００５９】
なお、風量Ｇａと空気側熱伝達率αｏとの関係、及び、冷媒流速Ｖｒｅｆと冷媒側熱伝達率αｉとの関係を記憶するのに代えて、次のようにしてもよい。すなわち、図６に示すように、風量ＧａとＧａ・Ｃｐａ・εａとの関係を冷媒流速Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３、・・・ 毎に記憶しておく。そして、この関係と、図４から求めた風量Ｇａと、図５から求めた冷媒流速Ｖｒｅｆとを用いてＧａ・Ｃｐａ・εａを求めるようにしてもよい。なお、図６より、風量Ｇａが同じ場合、冷媒流速Ｖｒｅｆが速くなるにつれ、熱交換性能が上がることがわかる。
【００６０】
そして、式（１）に、制御装置３０によって算出した熱交換器性能Ｇａ・Ｃｐａ・εａと、外気温度Ｔａｏｉと、冷媒飽和温度Ｔｓとを代入することで、空気熱源熱交換器５ａにおける熱交換量Ｑａを算出することができる。
【００６１】
なお、一般的に知られているように、冷媒側熱伝達率αｉは空気側熱伝達率αｏに比べて十分大きい。このため、式（３）より明らかなように熱通過率Ｋａは空気側に支配される。よって、空気側熱伝達率αｏを把握しておけば、熱通過率Ｋａに当たりが付けられる。本実施の形態では、後述の熱源の追加要否の判断にあたり、圧縮機回転数、冷媒流速、冷媒側熱伝達率まで考慮するが、例えばこの判断を簡素化したい場合などは、冷媒側については無視して空気側だけを用いて（つまり、ファン回転数Ｎｆａｎ、風速Ｇａ、空気側熱伝達率αｏを用いて）も、概ね判断可能である。
【００６２】
（地中熱源熱交換器の熱交換量Ｑｇ）
次に、地中熱源熱交換器５ｂにおける熱交換量Ｑｇの算出方法について説明する。基本的な考え方は空気側と同様である。地中熱源熱交換器５ｂの熱交換量Ｑｇは、地中熱源熱交換器５ｂを流通する地中熱源側媒体（ここではブライン）の流量Ｇｇ、ブラインの比熱Ｃｐｇ、ブライン側温度効率εｇ、地熱温度センサ３４ｂにより検出された流入ブライン温度Ｔｇｏｉ、冷媒温度センサ３２により検出された冷媒飽和温度Ｔｓを用いて式（４）で表すことができる。なお、ここでは地中温度を流入ブライン温度とみなして以下の計算を行う。
【００６３】
【数４】
2014054176.tif 000006
【００６４】
またブライン側温度効率εｇは、熱交換器の伝熱面積Ａｇ、熱通過率Ｋｇを用いて式（５）で、熱通過率Ｋｇはブライン側熱伝達率αｇと冷媒側熱伝達率αｉｇを用いて式（６）表すことができる。
【００６５】
【数５】
2014054176.tif 000007
【数６】
2014054176.tif 000008
【００６６】
空気熱源熱交換器５ａと同様に、ブライン側熱伝達率αｇはポンプ回転数Ｎｐｕｍｐに比例し、冷媒側熱伝達率αｉｇは冷媒流速Ｖｒｅｆｇに比例する。よって、予めポンプ回転数Ｎｐｕｍｐとブライン流量Ｇｇとの関係、圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐと冷媒流速Ｖｒｅｆｇとの関係、ブライン流量Ｇｇと冷媒側熱伝達率αｉｇとの関係、冷媒流速Ｖｒｅｆｇと冷媒側熱伝達率αｉｇとの関係を予め把握して記憶装置３１に記憶しておく。そして、これらの関係と、現在のポンプ回転数Ｎｐｕｍｐ及び圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐとを用いて、地中熱源熱交換器５ｂの熱交換器の性能を示すＧｇ・Ｃｐｇ・εｇを制御装置３０によって算出することが可能となる。
【００６７】
なお、ブライン流量Ｇｇとブライン側熱伝達率αｇとの関係、及び、冷媒流速Ｖｒｅｆｇと冷媒側熱伝達率αｉｇとの関係を記憶するのに代えて、次のようにしてもよい。すなわち、ブライン流量ＧｇとＧｇ・Ｃｐｇ・εｇとの関係を冷媒流速Ｖｒｅｆｇ毎に記憶しておく。そして、この関係と、ポンプ回転数Ｎｐｕｍｐから求めたブライン流量Ｇｇと、圧縮機回転数Ｎｃｏｍｐから求めた冷媒流速ＶｒｅｆｇとからＧｇ・Ｃｐｇ・εｇを求めるようにしてもよい。
【００６８】
そして、式（４）に、制御装置３０によって算出した熱交換器性能Ｇｇ・Ｃｐｇ・εｇと、流入ブライン温度Ｔｇｏｉと、冷媒飽和温度Ｔｓとを代入することで、地中熱源熱交換器５ｂの熱交換量Ｑｇを算出することができる。
【００６９】
以上により、各熱源熱交換器それぞれの熱交換量の算出方法が明かになったところで、続いて、熱源の追加要否の判断方法について説明する。熱源の追加要否の判断は、熱源を追加することで能力向上が図れるかどうかが判断基準であり、その具体的な判断方法について以下に２通り説明する。
【００７０】
（判断方法１）
言うまでも無いが、追加する熱源の温度が冷媒温度より低い場合は、式（１）、式（４）ともに負の値となり、暖房の場合は吸熱、冷房の場合は放熱できない。このため、熱源の追加要否の判断方法１は、暖房の場合、追加する熱源の温度が冷媒温度よりも高い場合に追加要と判断し、追加する熱源の温度が冷媒温度以下の場合に追加否と判断する。冷房の場合は、追加する熱源の温度が冷媒温度よりも低い場合に追加要と判断し、追加する熱源の温度が冷媒温度以上の場合に追加否と判断する。
【００７１】
（判断方法２）
判断方法２は、暖房運転の場合、熱源を追加した場合の蒸発温度を推定し、推定した蒸発温度と現在の冷媒温度との比較結果に基づき熱源の追加の要否を判断する。具体的には、推定した蒸発温度が現在の冷媒温度よりも高い場合、追加要と判断し、推定した蒸発温度が現在の冷媒温度以下の場合、追加否と判断する。熱源を追加した場合の蒸発温度の推定方法については後述する。
【００７２】
冷房運転の場合は、熱源を追加した場合の凝縮温度を推定し、推定した凝縮温度と現在の冷媒温度との比較結果に基づき熱源の追加の要否を判断する。具体的には、推定した凝縮温度が現在の冷媒温度よりも低い場合、追加要と判断し、推定した凝縮温度が現在の冷媒温度以上の場合、追加否と判断する。
【００７３】
上述したように、熱源の追加要否の判断は、熱源を追加することで能力向上が図れるかどうかが判断基準であるが、判断方法２がこの判断基準に合致していることを、以下に説明する。
【００７４】
（冷媒温度と利用側能力との関係）
まず、冷媒温度（ここでは蒸発温度又は凝縮温度を示す）と水熱交換器３の能力との関係について説明する。
【００７５】
（１．蒸発温度が高い方が能力大）
まず、熱源熱交換器を蒸発器として利用する場合について説明する。水熱交換器３の熱交換量Ｑｌｏａｄは冷媒流量Ｇｒと利用側熱交換器の出入口のエンタルピー差ΔＨｌｏａｄとを用いて式（７）で表すことができる。
【００７６】
【数７】
2014054176.tif 000009
【００７７】
また、冷媒流量Ｇｒは圧縮機１の押しのけ量Ｖｃｏｍｐと圧縮機１へ吸引される冷媒の冷媒密度ρｓとを用いて式（８）で表すことができる。
【００７８】
【数８】
2014054176.tif 000010
【００７９】
圧縮機１の回転数が上限に達し、押しのけ量Ｖｃｏｍｐが現在以上に多くならないとすると、冷媒密度ρｓの増加に伴い冷媒流量Ｇｒは増加する。そして、一般的に冷媒密度ρｓは蒸発温度の上昇に伴い増加する（関係は図示しない）。
【００８０】
つまり、暖房運転のように熱源熱交換器の冷媒温度が蒸発温度となる場合、熱源熱交換器の性能を高めることで冷媒温度、つまり蒸発温度が上昇する。そして、蒸発温度の上昇に伴い冷媒密度ρｓが増加すると、冷媒流量Ｇｒが増加し、それに伴い式（７）より水熱交換器３の熱交換量Ｑｌｏａｄも増加する。
【００８１】
（２．凝縮温度が低い方が能力大）
次に、熱源熱交換器を凝縮器として利用する場合について図７のモリエル線図を用いて説明する。水熱交換器３の出入口のエンタルピー差ΔＨｌｏａｄ（＝Ｈｅｏ−Ｈｅｉ）は、凝縮器である熱源熱交換器出口エンタルピーＨｃｏによって決まる。熱源熱交換器を凝縮器として利用する冷房運転では、凝縮器出口過冷却度（ＳＣ）が所定値に一定となるように制御される。よって、凝縮器出口過冷却度（ＳＣ）が同じ場合、凝縮温度が低い方が凝縮器出口エンタルピーＨｃｏは図７の白抜き矢印で示すように低下する。この場合、熱源熱交換器出口エンタルピーはＨｃｏ’となり、水熱交換器３の入口エンタルピーはＨｅｉ’となり、水熱交換器３の出入口のエンタルピー差は、ΔＨｌｏａｄ’となる。つまり、凝縮器出口過冷却度（ＳＣ）が同じ場合、凝縮温度が低い方が水熱交換器３のエンタルピー差ΔＨｌｏａｄが増加することになる。
【００８２】
よって、冷房運転のように熱源熱交換器の冷媒温度が凝縮温度となる場合、凝縮温度が低下することによって、エンタルピー差ΔＨｌｏａｄが増加し、式（７）より、水熱交換器３の熱交換量Ｑｌｏａｄが増加する。
【００８３】
このように、暖房時は蒸発温度が上昇し、冷房時は凝縮温度が低下することにより水熱交換器３の熱交換量が増加する。つまり、熱源を新たに追加することによって水熱交換器３の熱交換量が増加して能力が増すかどうかは、追加する前の冷媒温度に対して、熱源追加後の冷媒温度が上昇するか下降するかによって判断できる。
【００８４】
以上より、暖房時の例で説明すると、熱源を追加することによって冷媒温度（つまり、蒸発温度）が上昇する場合は、水熱交換器３の熱交換量の増加に繋がるため、熱源の追加を行う。逆に、熱源を追加することによって冷媒温度（つまり、蒸発温度）が下降する場合は、水熱交換器３の熱交換量の減少に繋がるため、熱源を追加は行わない。以上の説明により、判断方法２が、熱源を追加することで能力向上が図れるかどうかの判断基準に合致していることが明かとなった。
【００８５】
（運転切替制御フローの説明）
図８は、図１の空調システムにおける暖房運転時の運転切替制御のフローチャートである。ここでは、上記の判断方法２を適用したフローチャートを示している。以下、図８を参照してヒートポンプ装置の暖房運転時の動作について説明する。図８のフローチャートは、熱源Ａを利用して暖房運転中に熱源Ｂを追加するかどうかを選択する場合のフローチャートである。ここでは、熱源Ａが地中熱源、熱源Ｂが空気熱源であるものとする。
【００８６】
制御装置３０は、圧縮機１を駆動、膨張弁４ａを閉じ、膨張弁４ｂを開度制御し且つ地熱用ポンプ２２を駆動して熱源Ａとして地中熱源を用いて運転を行っている（Ｓ０１）。そして、制御装置３０は、出口水温検出センサ５３により検出された出口水温Ｔｗｏと目標水温Ｔｗｏｍとを比較する（Ｓ０２）。出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍ以上の場合（Ｓ０２でＮｏ）は、そのまま地中熱源（熱源Ａ）で運転し、圧縮機１の周波数等で出口水温制御を継続する。
【００８７】
しかし、圧縮機１の周波数を上限にしても能力が足りず、出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍよりも低い場合（Ｓ０２でＹｅｓ）は、出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍに達するように、以下の制御を行う。まず、現在の熱源（ここでは地中熱源）の地中熱源熱交換器５ｂを流通するブラインを搬送する熱源搬送装置である地熱用ポンプ２２の回転数が上限か否かを判断する（Ｓ０３）。この判断は、地熱用ポンプ２２側の回転数だけでなく、電圧指令値、電流値、直接計測した水流量等に基づいて行っても良い。要は、現在運転中のアクチュエータを操作しても能力が足りないかどうかを判断する主旨である。アクチュエータの操作範囲は、圧縮機１について言えば、機械上の制約による回転数範囲の他、運転状態（圧力、温度）等でも上限が決められる場合もある。また、地熱用ポンプ２２及びファン８といった熱源搬送装置の回転数の上限も、機械上の制約による回転数範囲の他に、例えばデマンド制御おける電流値の制約を受ける場合もある。
【００８８】
制御装置３０は、Ｓ０３で地熱用ポンプ２２の回転数が上限ではないと判断した場合、地熱用ポンプ２２の回転数を増加させ、地中熱源熱交換器５ｂの熱交換性能を向上させる（Ｓ０４）。このＳ０１〜Ｓ０４の処理を繰り返し、出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍに達した場合には、現在の地中熱源（熱源Ａ）を用いて運転を継続する。
【００８９】
一方、出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍに達する前に、地熱用ポンプ２２の回転数が上限に達した場合（Ｓ０３でＹｅｓ）は、新たに熱源を追加することによって能力不足を補う。まず、制御装置３０は、現在の状態から空気熱源（熱源Ｂ）を追加した場合の蒸発温度Ｔｒ＊を推定する（Ｓ０５）。この推定方法については後述する。
【００９０】
次に、制御装置３０は、推定した蒸発温度Ｔｒ＊と、冷媒温度センサ３２により検出された現在の冷媒飽和温度（蒸発温度）Ｔｒとを比較する（Ｓ０６）。そして、推定した蒸発温度Ｔｒ＊が現在の冷媒飽和温度Ｔｒよりも高い場合（Ｓ０６でＹｅｓ）は、上述したように空気熱源（熱源Ｂ）を追加することによって熱交換量の増加が見込めるため、制御装置３０は、空気熱源（熱源Ｂ）を追加利用する（Ｓ０７）。つまり、制御装置３０は、膨張弁４ａを開けて空気熱源熱交換器５ａに冷媒が流れるようにして同時運転に切り替えると共に、ファン８を駆動する。
【００９１】
一方、Ｓ０５で推定した蒸発温度Ｔｒ＊  が現在の冷媒飽和温度Ｔｒ以下の場合（Ｓ０６でＮｏ）は、空気熱源（熱源Ｂ）の追加は行わず、現在の地中熱源（熱源Ａ）のまま運転を継続する（Ｓ０８）。つまり、膨張弁４ｂは閉じたままとし、また地熱用ポンプ２２も停止したままとする。
【００９２】
なお、図８のフローチャートには記載していないが、制御装置３０は、空気熱源のみを使った場合の空気熱源熱交換器５ａの冷媒飽和温度Ｔｒａと地中熱源のみを使った場合の地中熱源熱交換器５ｂの冷媒飽和温度Ｔｒｇとを、運転中、繰り返し演算している。
【００９３】
そして、制御装置３０は、同時運転に切り替えた後、暖房運転の場合、冷媒飽和温度Ｔｒａと冷媒飽和温度Ｔｒｇとを比較し、低い方が、冷媒温度センサ３２により検出された現在の冷媒飽和温度よりも低くなれば、その低い方の熱源を停止して単独運転に切り替える。一方、冷房運転の場合は、冷媒飽和温度Ｔｒａと冷媒飽和温度Ｔｒｇとを比較し、高い方が、圧力センサ３５で検出した圧力から換算した現在の冷媒飽和温度よりも高くなれば、その高い方の熱源を停止して単独運転に切り替える。なお、空気熱源熱交換器５ａ又は地中熱源熱交換器５ｂの中間部分に二相部の温度を測るセンサを設け、そのセンサにより検出した冷媒飽和温度を、「圧力センサ３５で検出した圧力から換算した現在の冷媒飽和温度」に代えて用いても良い。
【００９４】
（熱源追加後の冷媒温度推定方法）
先に述べた熱源追加後の冷媒温度推定は以下のように行う。ここでは、暖房運転で、熱源として地中熱源が用いられ、空気熱源を追加する場合を例に説明する。なお、熱源追加後の冷媒温度推定方法を具体的に説明するに先立って、まずは、冷媒側からの熱交換量の求め方と、各熱源熱交換器の蒸発温度の求め方について説明する。その後、フローチャートを用いて熱源追加後の冷媒温度推定方法について説明する。
【００９５】
（冷媒側からの熱交換量の求め方）
ここでは、暖房運転時、つまり熱源熱交換器が蒸発器として利用する場合について説明する。両熱源を使う場合、図１に示す冷媒回路１０では、各熱源熱交換器５ａ、５ｂのそれぞれの出口冷媒温度は互いに同一となる。熱源熱交換器を蒸発器として利用させるためには、上述したように冷媒温度が熱源温度（外気温度Ｔａｏｉ、流入ブライン温度Ｔｇｉ）よりも低くなる必要がある。
【００９６】
つまり、例えば、地中熱を熱源として運転中に、更に外気を熱源として追加する場合に、その熱源の温度（外気温度Ｔａｏｉ）が極端に低く、冷媒温度よりも低い場合、熱源を追加したことで蒸発温度が低下してしまうことになる。また、例えば、外気を熱源として運転中に、更に地中熱を熱源として追加する場合に、地中熱源熱交換器５ｂのポンプ流量が少なくて地中熱源熱交換器５ｂの熱交換性能が現在の空気熱源熱交換器５ａより極端に低かった場合、熱源を追加したことで蒸発温度が低下してしまうことになる。
【００９７】
つまり、両熱源熱交換器の交換熱量比によって現在の冷媒温度に対する熱源追加後の冷媒温度の高低が決定する。
【００９８】
両熱源熱交換器のそれぞれの熱交換量は、水熱交換器３と同様に、通過する冷媒流量Ｇｒによって決定される。そして、熱源熱交換器を通過する冷媒流量Ｇｒａは、膨張弁開度に比例する膨張弁の流量係数であるＣｖ値と膨張弁出入口圧力差ΔＰとを用いた式（９）で表される。つまり、冷媒流量Ｇｒａは熱源熱交換器に直列に接続されている膨張弁４ａ、４ｂの開度に比例する。
【００９９】
【数９】
2014054176.tif 000011
ここで、ρは膨張弁の入口冷媒密度、Ａは比例係数を示す。
【０１００】
熱源熱交換器の出入口のエンタルピー差をΔＨｓとすると、熱源熱交換器の熱交換量Ｑは式（１０）から求めることができる。
【０１０１】
【数１０】
2014054176.tif 000012
【０１０２】
（各熱源熱交換器の冷媒温度の算出方法）
暖房運転時の空気熱源熱交換器５ａにおける冷媒飽和温度である蒸発温度Ｔｓは、式（１１）で求めることができる。また、地中熱源熱交換器５ｂにおける冷媒飽和温度である蒸発温度Ｔｓは、式（１２）で求めることができる。
【０１０３】
【数１１】
2014054176.tif 000013
【数１２】
2014054176.tif 000014
【０１０４】
つまり、同一熱交換量の場合、熱交換器性能（Ｇａ・Ｃｐａ・εａ、Ｇｇ・Ｃｐｇ・εｇ）が高いほど、両熱源ともに蒸発温度は上昇する。また、算出した一方の熱源の熱交換量を用いて、他方の熱源を利用した場合の蒸発温度を推定することも可能である。
【０１０５】
（熱源追加後の冷媒温度推定方法のフローチャートの説明）
図９は、図１の空調システムにおける熱源追加後の冷媒温度推定方法の流れを示すフローチャートである。
制御装置３０は、式（４）から現在の地中熱源熱交換器５ｂの熱交換量Ｑｇを算出し、これを現在の熱源熱交換器における全熱交換量Ｑｓとする（Ｓ１１）。次に、制御装置３０は、追加する熱源、ここでは空気熱源熱交換器５ａの熱交換量Ｑａ＊を仮定する（Ｓ１２）。このとき現実的な熱交換量Ｑａ＊を式（１０）などから算出しても良い。具体的には例えば、熱源を追加する場合の初期膨張弁開度を決めて（Ｃｖ値決定）、ΔＰは測定値とするか、又は、熱源温度及び利用側水温から想定する。ΔＨは現在の蒸発温度を使って蒸発潜熱としたり、図７のように現在の凝縮器出口温度と蒸発器出口温度を用いて決定したりしてもよい。その他、Ｓ１１で算出した熱交換比（例えば５０％）で与えてしまう、等としてもよい。
【０１０６】
そして、制御装置３０は、式（１３）から熱源追加後の推定の空気熱源熱交換器５ａの冷媒温度Ｔｒａ＊  を算出する（Ｓ１３）。
【数１３】
2014054176.tif 000015
【０１０７】
続いて、制御装置３０は、熱源追加後の地中熱源熱交換器５ｂの熱交換量Ｑｇ＊を算出する。この算出は、現在の熱源熱交換器における全熱交換量Ｑｓが、空気熱源（熱源Ｂ）を追加しても変化しないと仮定し、全熱交換量Ｑｓと空気熱源熱交換器５ａの熱交換量Ｑａ＊との差分を取り、これを熱源追加後の地中熱源熱交換器５ｂの熱交換量Ｑｇ＊とする（Ｓ１４）。そして、式（１４）から熱源追加後の地中熱源熱交換器５ｂの冷媒温度Ｔｒｇ＊  を算出する（Ｓ１５）。
【０１０８】
【数１４】
2014054176.tif 000016
【０１０９】
そして、制御装置３０は、Ｔｒａ＊とＴｒｇ＊との差分の絶対値｜Ｔｒａ＊−Ｔｒｇ＊｜が収束したかを判断する（Ｓ１６）。具体的には、｜Ｔｒａ＊−Ｔｒｇ＊｜が所定値以下（例えば０．０１など）であるかを判断する。制御装置３０は、収束していないと判断した場合は、Ｓ１２に戻り、空気熱源熱交換器５ａの熱交換量Ｑａ＊を再仮定する。以上の処理を｜Ｔｒａ＊−Ｔｒｇ＊｜が収束するまで繰り返し、収束したときのＴｒａ＊を熱源追加後の冷媒温度（蒸発温度）Ｔｒ＊として決定する（Ｓ１７）。
【０１１０】
以上のように、本実施の形態では、単独運転において水熱交換器３の出口水温Ｔｗｏが目標水温Ｔｗｏｍに到達せず、且つ現在運転中のアクチュエータをこれ以上、操作できない場合に、熱源の追加要否を判断し、熱源追加により能力増加が可能な場合、熱源追加を行い、同時運転に切り替える。これにより、その追加した熱源からの採熱量を得て能力不足を補うことができ、適切な熱源の選択が可能で、熱源を追加することによる性能低下を防止できる。その結果、熱源を有効に利用することが可能なヒートポンプ装置を得ることができる。
【０１１１】
また、熱源の追加要否を判断するにあたり、現在の冷媒温度と追加する熱源の温度とを比較することで、その判断を容易に行うことができる。
【０１１２】
また、熱源の追加要否を判断するにあたり、他の判断として、熱交換器性能を考慮し、熱源を追加した場合の冷媒温度を推定し、推定した冷媒温度を用いて熱源の追加要否を判断することで、熱源の追加要否をより的確に判断できる。
【０１１３】
また、同時運転中に、両熱源を同時に運転している場合に、一方の熱源のみを使った場合の冷媒温度を推定し、現在の冷媒温度と比較することで、一方の熱源の停止要否を的確に判断できる。
【０１１４】
また、熱交換器性能まで考慮して利用する熱源を判断することで、熱源追加要否を判断することができ、適切にヒートポンプの能力増加を行うことができる。
【０１１５】
なお、上記の図８の熱源選択フローは一つの冷媒回路の２つの熱源を備えたものについて説明したが、３つ以上を備えても考え方は同様である。
【０１１６】
また、上記実施の形態では、外気以外の熱源として地中熱を用いる例を説明したが、地中熱に限られたものではなく、例えば地下水、海水、河川水、太陽熱温水、ボイラーなどを熱源としてもよい。
【０１１７】
また、上記実施の形態では四方弁２を備えた構成を示したが、四方弁２は必ずしも必須ではなく、省略可能である。
【０１１８】
また、各実施の形態では、ヒートポンプ装置４０が適用される装置として空調システムの例を説明したが、これに限られたものではなく給湯システムなどとしてもよい。
【０１１９】
また、冷媒回路１０は図示の構成に限定されず、図１０に示すように、三方弁６０を設けた構成としてもよい。三方弁６０は、暖房運転時に空気熱源熱交換器５ａ及び地中熱源熱交換器５ｂのそれぞれから流出した冷媒が合流する合流点Ｐと地中熱源熱交換器５ｂとの間に設けられる。そして、三方弁６０は、通常運転と空気熱源熱交換器５ａの除霜を行う除霜運転とで、合流点Ｐ側又は圧縮機吸入側に流路を切り替える。なお、図１０の矢印は、除霜運転時の冷媒の流れを示している。
【０１２０】
除霜運転では、四方弁２を冷房運転側に切り替えて空気熱源熱交換器５ａを凝縮器として作用させる一方、三方弁６０を圧縮機吸入側に切り替え、地中熱源熱交換器５ｂを蒸発器として作用させる。これにより、圧縮機１から吐出された冷媒は、空気熱源熱交換器５ａに流入して空気熱源熱交換器５ａの除霜を行う。そして、除霜後の冷媒は、膨張弁４ａで減圧された後、二つに分岐し、一方は水熱交換器３を流れ、他方は膨張弁４ｂ→地中熱源熱交換器５ｂ→三方弁６０を流れた後、水熱交換器３を流れた冷媒と合流し、冷媒容器７ａを通過して再び圧縮機１へ吸引される。なお、この除霜運転時も地熱用ポンプ２２は駆動され地中熱源側回路２０での地中熱の採熱が行われ、圧縮機１の仕事量に加えてここで採熱した熱量も除霜熱量として利用することができる。
【０１２１】
なお、上記実施の形態では、空気熱源選択時は地熱用ポンプ２２を停止させ、地中熱源選択時はファン８を停止させるとしたが、必ず停止させなければならないということではなく、必要時に駆動させることもある。例えば、地熱用ポンプ２２は、地中熱源側回路２０の配管凍結防止のために定期的に駆動させている。また、ファン８は、制御装置３０の基板放熱のため又は適正な外気温度を検知するために駆動させることもある。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明の活用例として、多数の熱源を備えたヒートポンプ装置について有用である。
【符号の説明】
【０１２３】
１  圧縮機、２  四方弁、３  水熱交換器、４ａ  膨張弁、４ｂ  膨張弁、５ａ  空気熱源熱交換器、５ｂ  地中熱源熱交換器、７ａ  冷媒容器、８    ファン、１０  冷媒回路、１０ａ  第一回路、１０ｂ  第二回路、２０  地中熱源側回路、２１  地中熱交換器、２２  地熱用ポンプ、３０  制御装置、３１  記憶装置、３２  冷媒温度センサ、３３  吸入圧力センサ、３４ａ  外気温度センサ、３４ｂ  地熱温度センサ、４０  ヒートポンプ装置、４１  冷媒流路、４２  地中熱源側媒体流路、５０  利用側装置、５１  利用側回路、５２  ポンプ、５３  出口水温検出センサ、６０  三方弁、１００  空調システム。
【図１】
2014054176.tif 000017
【図２】
2014054176.tif 000018
【図３】
2014054176.tif 000019
【図４】
2014054176.tif 000020
【図５】
2014054176.tif 000021
【図６】
2014054176.tif 000022
【図７】
2014054176.tif 000023
【図８】
2014054176.tif 000024
【図９】
2014054176.tif 000025
【図１０】
2014054176.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成27年4月1日(2015.4.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、前記第一回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、前記圧縮機の吐出側が前記利用側熱交換器と前記第一、前記第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、前記外気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、前記利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する出口温度検出器と、前記第一熱源熱交換器又は前記第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、前記第一熱源熱交換器と前記第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、前記出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合には、前記単独運転から前記同時運転に切り替える制御装置とを備えたものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、前記第一回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、前記圧縮機の吐出側が前記利用側熱交換器と前記第一、前記第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、前記外気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する出口温度検出器と、
前記第一熱源熱交換器又は前記第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、前記第一熱源熱交換器と前記第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、前記出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合には、前記単独運転から前記同時運転に切り替える制御装置と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記利用側熱交換器が凝縮器の場合の前記同時運転中、前記各冷媒温度を互いに比較し、低い方が、前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低くなれば、その低い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第一熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第一熱源熱交換器の冷媒温度と、前記第二熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第二熱源熱交換器の冷媒温度とを繰り返し演算しており、前記利用側熱交換器が蒸発器の場合の前記同時運転中、前記演算した各冷媒温度を互いに比較し、高い方が、前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高くなれば、その高い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１、５及び６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機に接続され、前記圧縮機から吐出した冷媒の流れ方向を切り替える主冷媒流路切替弁を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記別の熱源として、地熱、地下水、海水、太陽熱温水及びボイラーの何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年1月22日(2016.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係るヒートポンプ装置は、圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、前記第一回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、前記圧縮機の吐出側が前記利用側熱交換器と前記第一、前記第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、前記外気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、前記利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する出口温度検出器と、前記第一熱源熱交換器又は前記第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、前記第一熱源熱交換器と前記第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、現在運転中の前記単独運転では能力が足りず、前記出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合、熱源を追加することで能力が向上するか否かを判断し、能力が向上すると判断した際に前記単独運転から前記同時運転に切り替える制御装置とを備えたものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、利用側熱交換器の冷媒流路と、第一減圧装置と、第一熱源である外気を熱源として用いる第一熱源熱交換器とを有する第一回路と、第二減圧装置及び第二熱源熱交換器の冷媒流路を直列に接続して構成され、前記第一回路の前記第一減圧装置及び前記第一熱源熱交換器に並列に接続された第二回路とを備え、前記圧縮機の吐出側が前記利用側熱交換器と前記第一、前記第二熱源熱交換器とのうち凝縮器として利用する一方に接続された冷媒回路と、
前記第二熱源熱交換器の熱交換媒体流路を備え、前記外気とは別の熱源と熱交換して前記別の熱源の熱を吸熱する第二熱源である熱交換媒体が循環する熱交換媒体回路と、
前記利用側熱交換器の利用側媒体流路から流出した利用側媒体の出口温度を検出する出口温度検出器と、
前記第一熱源熱交換器又は前記第二熱源熱交換器を選択して冷媒を流す単独運転と、前記第一熱源熱交換器と前記第二熱源熱交換器との両方に冷媒を流す同時運転とを有し、現在運転中の前記単独運転では能力が足りず、前記出口温度検出器で検出された利用側媒体出口温度を目標温度にできない場合、熱源を追加することで能力が向上するか否かを判断し、能力が向上すると判断した際に前記単独運転から前記同時運転に切り替える制御装置と
を備えたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記利用側熱交換器が凝縮器の場合、前記制御装置は、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも高い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以下の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記制御装置は、前記単独運転から前記同時運転に切り替えた後における前記利用側熱交換器が凝縮器の場合の前記同時運転中、前記各冷媒温度を互いに比較し、低い方が、前記単独運転で選択されていた熱源熱交換器の冷媒温度よりも低くなれば、その低い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、追加する熱源の温度が現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記追加する熱源の温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記利用側熱交換器が蒸発器の場合、前記制御装置は、熱源を追加した後の前記第一、第二熱源熱交換器出口の冷媒温度を推定し、この推定した冷媒温度が、現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度よりも低い場合、熱源を追加することで能力が向上すると判断し、前記推定した冷媒温度が前記現在選択されている熱源熱交換器の冷媒温度以上の場合、能力が向上しないと判断することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記第一熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第一熱源熱交換器の冷媒温度と、前記第二熱源熱交換器を選択した単独運転を行った場合の前記第二熱源熱交換器の冷媒温度とを繰り返し演算しており、前記単独運転から前記同時運転に切り替えた後における前記利用側熱交換器が蒸発器の場合の前記同時運転中、前記演算した各冷媒温度を互いに比較し、高い方が、前記単独運転で選択されていた熱源熱交換器の冷媒温度よりも高くなれば、その高い方の熱源を停止して単独運転に切り替えることを特徴とする請求項１、５及び６の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記圧縮機に接続され、前記圧縮機から吐出した冷媒の流れ方向を切り替える主冷媒流路切替弁を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記別の熱源として、地熱、地下水、海水、太陽熱温水及びボイラーの何れかを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載のヒートポンプ装置。
【国際調査報告】
2014054176.tif 000027
2014054176.tif 000028
2014054176.tif 000029
2014054176.tif 000030