(57)【要約】  地熱ヒートポンプシステムは、ヒートポンプ装置と温水暖房装置と制御装置を有する。ヒートポンプ装置は、圧縮機と、負荷側に供給される水と冷媒との熱交換が行われる第１熱交換器と、膨張弁と、冷媒と熱媒体との熱交換が行われる第２熱交換器と、採熱用ポンプと、熱媒体と地中熱との熱交換が行われる第３熱交換器とを有する。採熱用ポンプと第２熱交換器と第３熱交換器が順次配管で接続され、熱媒体が循環する採熱回路とが形成されている。温水暖房装置は負荷側に温水を供給する。採熱回路において、第３熱交換器を迂回して熱媒体を循環させるためのバイパス機構を備える。制御装置は、地熱ヒートポンプシステムの運転の開始時、バイパス機構を駆動する。その状態で、制御装置は、採熱回路を循環する熱媒体におけるブラインの濃度を推定し、ブラインの濃度が適正範囲から外れているか判定し、ブラインの濃度が前記適正範囲を外れている場合、運転を停止する。
2019082267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、負荷側に供給される水と冷媒との熱交換が行われる第１熱交換器と、膨張弁と、前記冷媒と熱媒体との熱交換が行われる第２熱交換器と、採熱用ポンプと、前記熱媒体と地中熱との熱交換が行われる第３熱交換器とを有するヒートポンプ装置と、
制御装置とを有する地熱ヒートポンプシステムであって、
前記圧縮機と前記第１熱交換器と前記膨張弁と前記第２熱交換器が順次配管で接続され、前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、前記採熱用ポンプと前記第２熱交換器と前記第３熱交換器が順次配管で接続され、前記熱媒体が循環する採熱回路とが形成され、前記採熱回路において、前記第３熱交換器を迂回して前記熱媒体を循環させるためのバイパス機構を備えており、
前記制御装置は、
前記バイパス機構を駆動し、前記採熱回路において前記第３熱交換器を迂回させて前記熱媒体を循環させ、
前記採熱回路を循環する前記熱媒体におけるブラインの濃度を推定し、
前記ブラインの濃度が適正範囲から外れているか判定し、
前記ブラインの濃度が前記適正範囲を外れている場合、運転を停止する地熱ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記ブラインの濃度と前記熱媒体の温度及び流量との関係を示すデータが記憶されている記憶部と、
前記第２熱交換器の流入側に設けられ、前記第２熱交換器に流入する前記熱媒体の温度を検知する採熱戻りセンサと、
前記第２熱交換器の流出側に設けられ、前記第２熱交換器から流出する前記熱媒体の温度を検知する採熱往きセンサと、
前記第２熱交換器と前記バイパス機構との間に設けられ、前記採熱回路を循環する前記熱媒体の流量を検知する採熱用流量センサとを備え、
前記制御装置は、
前記採熱用流量センサの検知結果に基づいて、前記採熱回路を前記熱媒体の流量を測定し、前記採熱戻りセンサの検知結果に基づいて、前記第２熱交換器に流入する前記熱媒体の戻り温度を測定し、前記採熱往きセンサの検知結果に基づいて、前記第２熱交換器から流出する前記熱媒体の往き温度を測定し、
測定された前記熱媒体の流量、前記熱媒体の前記戻り温度、及び前記熱媒体の前記往き温度に基づいて、前記記憶部に記憶されている前記データを検索し、前記熱媒体における前記ブラインの濃度を推定する請求項１に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記ブラインの濃度が前記適正範囲を外れている場合、運転を継続することにより起こる可能性のあるリスクをエンドユーザに報知する請求項１又は２に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項４】
さらにリモートコントローラを備え、
前記ブラインの種類、及び前記ブラインの濃度の前記適正範囲が、前記リモートコントローラを介して据付業者により入力され、前記記憶部に記録されている請求項２又は請求項２を引用する請求項３に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記ブラインの濃度が前記適正範囲よりも低い場合、運転を継続すると前記熱媒体の凍結のリスクがあることをエンドユーザに報知し、前記ブラインの濃度が前記適正範囲よりも高い場合、運転を継続する前記ヒートポンプ装置の能力低下のリスクがあることをエンドユーザに報知する請求項３を引用する請求項４に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記リモートコントローラを介して前記リスクをエンドユーザに報知する請求項５に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項７】
前記リモートコントローラはＬＥＤを備え、
前記制御装置は、前記ＬＥＤを点灯させることにより、前記リスクをエンドユーザに報知する請求項６に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項８】
前記リモートコントローラはディスプレイを備え、
前記制御装置は、前記ディスプレイに前記リスクの内容を表示することにより、前記リスクをエンドユーザに報知する請求項６又は７に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項９】
さらにアラーム装置を備え、
前記制御装置は、前記アラーム装置を駆動して前記リスクをエンドユーザに報知する請求項６〜８のいずれか一項に記載の地熱ヒートポンプシステム。
【請求項１０】
圧縮機と、負荷側に供給される水と冷媒との熱交換が行われる第１熱交換器と、膨張弁と、前記冷媒と熱媒体との熱交換が行われる第２熱交換器と、採熱用ポンプと、前記熱媒体と地中熱との熱交換が行われる第３熱交換器とを有するヒートポンプ装置と、前記熱媒体のブラインの濃度と前記熱媒体の温度及び流量との関係を示すデータが記憶されている記憶部と、制御装置とを有し、
前記圧縮機と前記第１熱交換器と前記膨張弁と前記第２熱交換器が順次配管で接続され、前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、前記採熱用ポンプと前記第２熱交換器と前記第３熱交換器が順次配管で接続され、前記熱媒体が循環する採熱回路とが形成されており、前記採熱回路において、前記第３熱交換器を迂回して前記熱媒体を循環させるためのバイパス機構を備える地熱ヒートポンプシステムの制御方法であって、
前記バイパス機構を駆動するバイパス機構駆動ステップと、
前記バイパス機構駆動ステップの実行後に前記熱媒体の温度と流量とを測定する測定ステップと、
前記測定ステップの測定結果と前記記憶部の前記データとに基づいて、前記熱媒体のブライン濃度を推定する推定ステップと、
前記推定ステップで推定した前記ブライン濃度が適正範囲にあるか否かを判定する判定ステップと、
前記判定ステップで判定した結果に基づいて、前記地熱ヒートポンプシステムの運転を制御する運転制御ステップとを含んでいる地熱ヒートポンプシステムの制御方法。
【請求項１１】
前記ブラインの濃度の前記適正範囲は、前記記憶部に記録されている請求項１０に記載の地熱ヒートポンプシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤等の熱を熱源とし、地中に設けた地中熱交換器に熱媒体を循環させてヒートポンプにより採放熱し、負荷側に温水を供給する地熱ヒートポンプシステム、及び地熱ヒートポンプシステムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤若しくは湖の熱を熱源とし、地中に設けた地中熱交換器に熱媒体を循環させ、ヒートポンプにより採放熱し、負荷側に暖房用又は生活用の温水を供給する地熱ヒートポンプシステムが知られている。地熱ヒートポンプシステムは、再生可能エネルギーを利用したシステムであり、１年を通して温度が安定している地中熱を利用するものである。そのため、他の暖房システムよりも、高効率であり、かつランニングコストが低く、さらにはＣＯ２排出量削減の実現が可能なシステムとして、近年注目が高まってきている。【０００３】
地中熱交換器としては、採熱方式に関して、ボアホール方式と水平ループ方式の２種類の形態がある。ボアホール方式とは、地中に１００ｍ〜１５０ｍの縦穴をボーリングにより形成し、縦穴に熱交換用の配管を入れ、採放熱する方式である。水平ループ方式とは、１ｍ〜２．５ｍの浅層の地中に、熱交換用の配管を水平に埋没させ、採放熱する方式である。【０００４】
地熱ヒートポンプシステムの稼働中、熱媒体として地中熱交換器を循環する流体は、冷媒と熱交換して冷媒に熱を与える一方、地中熱交換器において地中側の熱と熱交換をして採放熱するため、地中側の熱が消費されていく。冷媒との熱交換により、地中熱交換器を循環する流体の温度は低下していき、零度を下回った流体が地中熱交換器の熱交換用のパイプ若しくは熱交換用の配管を含む循環回路に流入することになる。そのため、流体の凍結を防ぐべく、不凍液、すなわちブラインを、循環回路を循環する流体に入れることが行われている。地熱ヒートポンプシステムの製造業者は、据付説明書に循環回路を循環する流体にブラインを入れることを明記している。据付業者は、据付説明書の記載に従って地熱ヒートポンプシステムの据付時に循環回路を循環する流体にブラインを入れている。【０００５】
据付業者が地熱ヒートポンプシステムの据付時にブラインを入れ忘れてしまった場合、地中熱交換器を流れる例えば水等の流体が零度を下回ると凍結する恐れがあり、流体が凍結すると、地盤に埋没されている採放熱用の地中熱交換器を破壊させてしまう可能性がある。従って、地中熱交換器を流れる流体におけるブラインの濃度が適正範囲にあるか否かを検出し、流体の凍結を事前に防止する必要がある。【０００６】
特許文献１には、冷却装置であるチラーにおいて、凝固点を低下させる添加物を混ぜた被冷却流体を使用し、被冷却流体の濃度を濃度計等の計測器を使用することなく検出する構成が記載されている。被冷却流体の濃度の検出には、冷却装置の運転情報に基づいて演算した被冷却流体の物性値が用いられている。この運転情報には、被冷却流体と冷媒の熱交換が行われる蒸発器へ流入する被冷却媒体の温度、蒸発器から流出する被冷却媒体の温度、及び被冷却流体が循環する流路における被冷却流体の流量等が含まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１９０１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の技術を地熱ヒートポンプシステムに適用しようとすると、地中熱交換器へ流入する流体の流入温度、地中熱交換器から流出する流体の流出温度、及び流体の流量を検出することになる。しかしながら、地熱ヒートポンプシステムにおける地中熱交換器の地中配管の配管長により、流体の流入温度、流出温度、及び流量は左右される。従って、地中配管の配管長が不明である地中熱交換器を有する地熱ヒートポンプシステムに、特許文献１に記載の技術を地熱ヒートポンプシステムにそのまま適用すると、ブライン濃度を精度良く検出できない。このため、ブライン濃度が適正ではない場合に起こる可能性のあるリスクを事前に回避することができない、という課題がある。【０００９】
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あり、ブライン濃度が適正でない場合に起こる可能性のあるリスクを事前に回避することが可能な、信頼性の高い地熱ヒートポンプシステム、及びその制御方法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】
【００１０】
本発明に係る地熱ヒートポンプシステムは、圧縮機と、負荷側に供給される水と冷媒との熱交換が行われる第１熱交換器と、膨張弁と、前記冷媒と熱媒体との熱交換が行われる第２熱交換器と、採熱用ポンプと、前記熱媒体と地中熱との熱交換が行われる第３熱交換器とを有するヒートポンプ装置と、制御装置とを有する地熱ヒートポンプシステムであって、前記圧縮機と前記第１熱交換器と前記膨張弁と前記第２熱交換器が順次配管で接続され、前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、前記採熱用ポンプと前記第２熱交換器と前記第３熱交換器が順次配管で接続され、前記熱媒体が循環する採熱回路とが形成され、前記採熱回路において、前記第３熱交換器を迂回して前記熱媒体を循環させるためのバイパス機構を備えており、前記制御装置は、前記バイパス機構を駆動し、前記採熱回路において前記第３熱交換器を迂回させて前記熱媒体を循環させ、前記採熱回路を循環する前記熱媒体におけるブラインの濃度を推定し、前記ブラインの濃度が適正範囲から外れているか判定し、前記ブラインの濃度が前記適正範囲を外れている場合、運転を停止するものである。【００１１】
また、本発明に係る地熱ヒートポンプシステムの制御方法は、圧縮機と、負荷側に供給される水と冷媒との熱交換が行われる第１熱交換器と、膨張弁と、前記冷媒と熱媒体との熱交換が行われる第２熱交換器と、採熱用ポンプと、前記熱媒体と地中熱との熱交換が行われる第３熱交換器とを有するヒートポンプ装置と、前記熱媒体のブラインの濃度と前記熱媒体の温度及び流量との関係を示すデータが記憶されている記憶部と、制御装置とを有し、前記圧縮機と前記第１熱交換器と前記膨張弁と前記第２熱交換器が順次配管で接続され、前記冷媒が循環する冷媒回路が形成され、前記採熱用ポンプと前記第２熱交換器と前記第３熱交換器が順次配管で接続され、前記熱媒体が循環する採熱回路とが形成されており、前記採熱回路において、前記第３熱交換器を迂回して前記熱媒体を循環させるためのバイパス機構を備える地熱ヒートポンプシステムの制御方法であって、前記バイパス機構を駆動するバイパス機構駆動ステップと、前記バイパス機構駆動ステップの実行後に前記熱媒体の温度と流量とを測定する測定ステップと、前記測定ステップの測定結果と前記記憶部の前記データとに基づいて、前記熱媒体のブライン濃度を推定する推定ステップと、前記推定ステップで推定した前記ブライン濃度が適正範囲にあるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップで判定した結果に基づいて、前記地熱ヒートポンプシステムの運転を制御する運転制御ステップとを含んでいる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る地熱ヒートポンプシステム、及び地熱ヒートポンプシステムの制御方法によると、地中熱交換器に流入する熱媒体のブライン濃度が適正範囲にない場合、運転が停止される。従って、ブライン濃度が適正範囲にない場合に起こる可能性のあるリスクを事前に回避することができ、システムとしての信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムのシステム構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムの機能ブロック図である。
【図３】熱媒体の温度及び流量とブライン濃度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムの温水暖房装置における運転の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態の変形例の地熱ヒートポンプシステムの変形例のシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明における地熱ヒートポンプシステムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては各構成部材の大きさ及び形状は実際の装置とは異なる場合がある。
【００１５】
実施の形態．
＜概要＞
図１は、本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムのシステム構成図である。地熱ヒートポンプシステム１は、ヒートポンプサイクル、すなわち冷凍サイクルの運転を行うヒートポンプ装置１０と、温水を供給する温水暖房装置３０とを備えている。地熱ヒートポンプシステム１には、地中に埋設された第３熱交換器である地中熱交換器２１が接続されており、地中熱交換器２１に熱媒体を循環させ、ヒートポンプにより採放熱する。地中熱交換器２１は、ボアホール方式の熱交換器である。すなわち、ボーリングにより地中に形成された１００ｍ〜１５０ｍの縦穴に熱交換用の配管が配置されている。ヒートポンプ装置１０において、冷媒回路１１を循環する冷媒と採熱回路１２を循環する熱媒体との間で熱交換が行われ、冷媒回路１１内の冷媒と水回路３１を循環する水との間で熱交換が行われる。そして、この水を循環させることによって、温水暖房装置３０において、暖房用途の温水を室内へ供給する暖房運転、及び水回路３１の貯湯タンク３２内に貯留された水を加熱する給湯運転が実行される。
【００１６】
＜装置構成＞
ヒートポンプ装置１０は、圧縮機１３と、第１熱交換器である水冷媒熱交換器１４と、膨張弁１５と、第２熱交換器である冷媒ブライン熱交換器１６と、採熱用ポンプ１７とを有している。圧縮機１３は、インバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプのものであり、冷媒を圧縮し、高温高圧のガス冷媒を吐出する。膨張弁１５は、開度が可変に制御される電子膨張弁である。水冷媒熱交換器１４及び冷媒ブライン熱交換器１６は、例えばプレート熱交換器である。また、ヒートポンプ装置１０は、採熱用流量センサ１８と、採熱戻りセンサ１９と、採熱往きセンサ２０とを有している。採熱戻りセンサ１９は、冷媒ブライン熱交換器１６の流入側に設けられ、採熱往きセンサ２０は、冷媒ブライン熱交換器１６の流出側に設けられている。
【００１７】
温水暖房装置３０は、貯湯タンク３２と、三方弁３３と、温水循環用ポンプ３４と、電気ヒータ３５と、制御装置３６と、リモートコントローラ３７と、アラーム装置３８とを有している。制御装置３６は、地熱ヒートポンプシステム１を全体的に制御する装置である。リモートコントローラ３７は、地熱ヒートポンプシステム１の据付業者及びエンドユーザにより操作可能なコントローラである。据付業者及びエンドユーザは、リモートコントローラ３７を介して各種情報を入力する。入力された情報はリモートコントローラ３７から制御装置３６へ送信される。また、制御装置３６の制御により、リモートコントローラ３７を介してエンドユーザに警告が報知される。アラーム装置３８は、エンドユーザに警告を音声により報知するためのものであり、制御装置３６により制御されてアラーム音を発するよう構成されている。エンドユーザに報知される警告の内容については後述する。
【００１８】
貯湯タンク３２は、略円筒形状をなしており、少なくともその外郭は例えばステンレス鋼等の金属材料で構成されている。貯湯タンク３２の下部には、地熱ヒートポンプシステム１００の外部の水道等から水を供給する給水配管４３が接続されている。給水配管４３から流入する水は、貯湯タンク３２内に貯留される。貯湯タンク３２の内部には、貯湯タンク用センサ４２が設けられている。貯湯タンク用センサ４２により貯湯タンク３２内の温水の温度が検知される。貯湯タンク３２の上部には、貯湯タンク３２内で生成された湯水を取り出すための出湯配管４４が接続されている。貯湯タンク３２は、貯留された湯水の放熱を抑制するために、断熱材により覆われている。
【００１９】
また、温水暖房装置３０は、温水循環用流量センサ３９と、水温センサ４０と、水温センサ４１とを有している。水温センサ４０は、電気ヒータ３５の流出側に設けられ、水温センサ４１は、温水循環用ポンプ３４の流入側に設けられている。
【００２０】
＜回路構成＞
冷媒ブライン熱交換器１６と、地中熱交換器２１と、採熱用ポンプ１７が順次配管で接続されており、熱媒体が循環する採熱回路１２が形成されている。熱媒体は、採熱用ポンプ１７により採熱回路１２を循環する。
【００２１】
冷媒ブライン熱交換器１６は、バイパス弁２２及びバイパス弁２３を介して地中熱交換器２１と接続されている。また、採熱回路１２において、地中熱交換器２１の前段にバイパス回路２４が形成されている。バイパス弁２２及びバイパス弁２３と、バイパス回路２４とでバイパス機構が構成されている。バイパス弁２２及びバイパス弁２３を開放することにより、熱媒体は地中熱交換器２１に流入し、地中熱を採熱し、地中熱交換器２１から流出し、採熱回路１２を循環する。バイパス弁２２及びバイパス弁２３を閉じることにより、熱媒体は地中熱交換器２１を迂回してバイパス回路２４を流れ、採熱回路１２を循環する。バイパス弁２２及びバイパス弁２３の開閉は、制御装置３６により制御される。
【００２２】
圧縮機１３と、水冷媒熱交換器１４と、膨張弁１５と、冷媒ブライン熱交換器１６が順次配管で接続されており、冷媒が循環する冷媒回路１１が形成されている。本実施の形態では、冷媒として、例えばＲ４１０若しくはＲ３２等のＨＦＣ系の混合冷媒、又はＣＯ２若しくはプロパン等の自然冷媒が用いられる。
【００２３】
貯湯タンク３２と、温水循環用ポンプ３４と、水冷媒熱交換器１４と、電気ヒータ３５と、三方弁３３が順次配管で接続されており、水回路３１が形成されている。温水循環用ポンプ３４により水回路３１において温水が循環される。また、三方弁３３により、温水の循環先が貯湯タンク３２又は空調対象の室内に切り替えられる。
【００２４】
採熱回路１２を循環する熱媒体の流量は、採熱用流量センサ１８により計測される。採熱戻りセンサ１９により、冷媒ブライン熱交換器１６に流入する熱媒体の温度が計測され、採熱往きセンサ２０により、冷媒ブライン熱交換器１６から流出する熱媒体の温度が計測される。
【００２５】
水回路３１を循環する水の流量は、温水循環用流量センサ３９により計測される。水温センサ４０により、貯湯タンク３２へ流入する温水若しくは空調対象の室内へ循環する温水の温度が計測される。水温センサ４１により、空調対象の室内から戻り、水冷媒熱交換器１４に流入する水の温度が計測される。
【００２６】
本実施の形態において、採熱回路１２を循環する熱媒体には、水に凝固点を降下させる添加物である不凍液、すなわちブラインが混合されたものが用いられる。ブラインには、非電解質である有機物で構成された有機系ブラインのメタノール系、エタノール系、エチレングリコール系、若しくはプロピレングリコール系を主成分としたものが用いられる。
【００２７】
流体である熱媒体の凍結温度、すなわち凝固点は、添加物の含有濃度であるブライン濃度によって異なってくる。従って、熱媒体の凝固点が、ブラインが添加される熱媒体の使用温度範囲よりも低くなるよう、熱媒体のブライン濃度を調整する。例えば、使用温度範囲の下限値が−８℃であれば、熱媒体の凝固点が−１８℃となるようにブライン濃度が調整される。添加物の含有量を高めてブライン濃度を高くするほど熱媒体の凝固点は低くなり、添加物の含有量を低くしてブライン濃度を低くするほど熱媒体の凝固点は高くなる。
【００２８】
以上のように、地中熱交換器２１に流入する熱媒体の凝固点は、ブライン濃度を調整することによって調整することができる。一方、ブラインが添加された熱媒体はブライン濃度を変えることにより粘度が変わる特徴も有している。また、熱媒体の濃度は、流体である熱媒体の循環流量に影響を与える。また、ブラインの粘度は液体の温度変化によっても変化し、熱媒体の温度が低くなるとブラインの粘度は高くなり、熱媒体の循環流量が低下する。
【００２９】
＜運転＞
図１中、矢印の向きは、温水暖房装置３０において、暖房運転あるいは給湯運転が実行されるときの、冷媒の流れる方向、水の流れる方向、及び熱媒体が流れる方向を示している。ここで、暖房運転とは、温水を空調対象の室内の供給する運転であり、給湯運転とは、貯湯タンク３２内の温水を加熱する運転である。
【００３０】
冷媒ブライン熱交換器１６から流出する熱媒体は、図１中の矢印方向に流れ、地中熱交換器２１に流入し、地中熱交換器２１において、地中熱と熱交換し採放熱する。地中熱交換器２１から流出する熱媒体は、冷媒ブライン熱交換器１６に流入し、冷媒回路１１を循環する冷媒との間で熱交換が行われる。
【００３１】
圧縮機１３で圧縮され高温高圧となった冷媒は、図１中の矢印方向に、圧縮機１３から吐出され、水冷媒熱交換器１４に流入する。水冷媒熱交換器１４において、圧縮機１３から吐出された冷媒と、水回路３１の水との間で熱交換が行われる。すなわち、水回路３１の水が加熱され、湯水が生成される。その後、冷媒は膨張弁１５で減圧され低温低圧となり、冷媒ブライン熱交換器１６に流入する。冷媒ブライン熱交換器１６において、低温低圧の冷媒と採熱回路１２の熱媒体との間で熱交換が行われる。高温高圧となり、冷媒ブライン熱交換器１６から流出した冷媒は、圧縮機１３に吸入される。暖房運転中、及び給湯運転中は、この運転サイクルが継続される。
【００３２】
水冷媒熱交換器１４における熱交換により高温となった湯水は、水冷媒熱交換器１４から流出し、電気ヒータ３５でさらに補助的に加熱され、三方弁３３へ至る。三方弁３３を制御することにより、湯水の循環先が室内又は貯湯タンク３２に切り替えられる。電気ヒータ３５の駆動及び三方弁３３の切換は制御装置３６により制御される。三方弁３３を室内側に切り替えると、湯水は図示省略の室内放熱器に循環させられ、その結果、室内の暖房を行うことができる。三方弁３３を貯湯タンク３２側に切り替えると、湯水は貯湯タンク３２の内部に流入し、貯湯タンク３２に貯留されている水と熱交換する。貯湯タンク３２に貯留されている水は加熱され、生活用水として供給される。貯湯タンク３２に貯留されている水と熱交換し、温度低下した水、及び室内放熱器で熱交換し、温度低下した水は、温水循環用ポンプ３４を経由して、水冷媒熱交換器１４に流入する。
【００３３】
上述の加熱運転を行うことにより、貯湯タンク３２内に貯留された水が過熱され、温水が生成される。貯湯タンク３２内では、上側が高温で下側が低温となるように温度成層が形成されて、湯水が貯留されている。貯湯タンク３２内で生成された湯水は、出湯配管４４を通って地熱ヒートポンプシステム１の外部に供給され、生活用水等として利用される。
【００３４】
以上のように、地熱ヒートポンプシステム１は、地中熱交換器２１に熱媒体を循環させ、ヒートポンプにより採放熱し、負荷側である温水暖房装置３０に、暖房用温水又は生活用温水を供給するシステムである。
【００３５】
図２は、本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムの機能ブロック図である。制御装置３６は、バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、報知制御部３６６、及び記憶部３６７を備えている。制御装置３６における、バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、及び報知制御部３６６の各機能は、処理回路３６０により実現される。リモートコントローラ３７は、ＬＥＤ３７１とディスプレイ３７２を備えている。
【００３６】
制御装置３６の記憶部３６７には、採熱回路１２を循環する熱媒体の戻り温度、往き温度、及び流量と、ブライン濃度との関係を示すデータが記録されている。また、記憶部３６７には、ブライン濃度の適正値が、ブラインの種類と関連づけられて記録されている。図３は、熱媒体の温度及び流量とブライン濃度との関係を示すグラフである。図３のグラフは、横軸に熱媒体の温度をとり、縦軸に熱媒体の流量をとっている。実線Ｌ１は、ブライン濃度の適正値を示している。図３に示すブラインの例では、熱媒体の温度がＡ１、かつ流量がＢ１のとき、ブライン濃度は適正である。点線Ｌ２及び点線Ｌ３により、ブライン濃度の適正範囲が示されている。点線Ｌ２は適正範囲の上限を示し、点線Ｌ３は適正範囲の下限を示している。例えば、熱媒体の温度がＡ１のとき、熱媒体の流量がＢ２〜Ｂ３の範囲内にあれば、ブライン濃度は適正範囲内にある。一点鎖線Ｌ４及び一点鎖線Ｌ５は、測定値の一例を示している。一点鎖線Ｌ４で示すように、熱媒体の温度がＡ１であって熱媒体の流量がＢ４の場合、ブライン濃度は適正範囲よりも低い。また、一点鎖線Ｌ５で示すように、熱媒体の温度がＡ１であって熱媒体の流量がＢ５の場合、ブライン濃度は適正範囲よりも高い。図３に示す熱媒体の温度及び流量とブライン濃度の適正値の関係は一例であり、この関係はブラインの種類に応じて異なっている。
【００３７】
また、本実施の形態において、上述のブライン濃度の適正範囲は、据付業者が、地熱ヒートポンプシステム１の据付時に設定するものである。ブライン濃度の適正範囲は、次のように定められる。まず、据付業者がブラインの種類をリモートコントローラ３７を介して入力する。制御装置３６は、入力されたブラインの種類に基づいて、記憶部３６７に記録されている適正値を取得し、リモートコントローラ３７のディスプレイ３７２に表示する。据付業者は、ディスプレイ３７２に表示された適正値を確認し、適正範囲をリモートコントローラ３７を介して設定する。設定された適正範囲は、記憶部３６７に記録される。
【００３８】
図２に示すバイパス機構駆動部３６１は、バイパス弁２２及びバイパス弁２３の開閉を実行する。バイパス機構駆動部３６１がバイパス弁２２及びバイパス弁２３を閉じる処理を実行すると、上述のように、図１の採熱回路１２において、熱媒体は、バイパス回路２４に流れ、地中熱交換器２１を迂回するよう循環する。
【００３９】
測定部３６２は、採熱用流量センサ１８の検知結果に基づいて採熱回路１２を循環する熱媒体の流量を測定する。また、測定部３６２は、採熱戻りセンサ１９の検知結果に基づいて冷媒ブライン熱交換器１６に流入する熱媒体の温度を測定し、採熱往きセンサ２０の検知結果に基づいて冷媒ブライン熱交換器１６から流出する熱媒体の温度を測定する。
【００４０】
推定部３６３は、測定部３６２による測定結果と、記憶部３６７に記録されている上述のデータに基づいて、採熱回路１２を循環する熱媒体のブライン濃度を推定する。
【００４１】
判定部３６４は、推定部３６３が推定したブライン濃度が、記憶部３６７に記録されている上述の適正範囲の範囲内にあるか否かを判定する。
【００４２】
運転制御部３６５は、判定部３６４の判定結果に基づいて、圧縮機１３、採熱用ポンプ１７、及び温水循環用ポンプ３４の運転を制御する。
【００４３】
報知制御部３６６は、判定部３６４の判定結果に基づいて、リモートコントローラ３７のＬＥＤ３７１の点灯、及びディスプレイ３７２の表示を制御し、アラーム装置３８の駆動を制御する。ＬＥＤ３７１を点灯することにより、また、ディスプレイ３７２に文字列若しくはアイコン等を表示することにより、採熱回路１２を循環する熱媒体のブライン濃度が適正範囲にないことがエンドユーザに報知される。また、アラーム装置３８を駆動することにより、音声により採熱回路１２を循環する熱媒体のブライン濃度が適正範囲にないことがエンドユーザに報知される。
【００４４】
処理回路３６０は専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）であってもよい。尚、ＣＰＵは、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、若しくはＤＳＰ（Digital Signal Processor）とも称される。
【００４５】
処理回路３６０が専用のハードウェアである場合、処理回路３６０は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又はこれらを組み合わせたものが該当する。バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、及び報知制御部３６６の各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
【００４６】
処理回路３６０がＣＰＵの場合、バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、及び報知制御部３６６の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア及びファームウェアはプログラムとして記述され、メモリに格納される。処理回路３６０は、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、制御装置３６は、処理回路３６０により実行されるときに、各部の機能に対応するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリを備える。各部の機能に対応するステップについては後述する。また、これらのプログラムは、バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、及び報知制御部３６６の手順及び方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここでメモリとは、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、及びＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性若しくは揮発性の半導体メモリ、又は磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、及びＤＶＤ等が該当する。
【００４７】
尚、バイパス機構駆動部３６１、測定部３６２、推定部３６３、判定部３６４、運転制御部３６５、及び報知制御部３６６の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェア又はファームウェアで実現するようにしてもよい。
【００４８】
このように、処理回路３６０は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。
【００４９】
記憶部３６７は、例えば、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性の半導体メモリ、又は磁気ディスク、フレキシブルディスク、及び光ディスク等で構成される。
【００５０】
図４は、本発明の実施の形態に係る地熱ヒートポンプシステムの温水暖房装置における運転の処理手順を示すフローチャートである。ここで、運転とは、上述の暖房運転及び給湯運転である。温水暖房装置３０の運転が開始されると、既定の時間が経過した後、ステップＳ１において、制御装置３６のバイパス機構駆動部３６１は、バイパス弁２２及びバイパス弁２３を閉じる。これにより、採熱回路１２を循環する熱媒体は、バイパス回路２４に流入し、地中熱交換器２１には流入しない。ステップＳ１の処理の実行後、ステップＳ２において、測定部３６２は、採熱用流量センサ１８の検知結果に基づいて、採熱回路１２を循環する熱媒体の流量を測定する。また、測定部３６２は、採熱戻りセンサ１９の検知結果に基づいて、冷媒ブライン熱交換器１６に流入する熱媒体の戻り温度を測定し、採熱往きセンサ２０の検知結果に基づいて、冷媒ブライン熱交換器１６から流出する熱媒体の往き温度を測定する。
【００５１】
ステップＳ３では、推定部３６３は、ステップＳ２で得られた測定結果を記憶部３６７に記憶されている上述のデータと比較し、採熱回路１２を循環する熱媒体のブライン濃度を推定する。すなわち、ステップＳ２で得られた熱媒体の流量、戻り温度、及び往き温度に基づいて、記憶部３６７に記憶されているブライン濃度と流体の温度及び流量との関係を示す情報が検索される。そして、採熱回路１２を循環している熱媒体のブライン濃度が推定される。
【００５２】
次いでステップＳ４において、ステップＳ３で推定されたブライン濃度が適正範囲内にあるか否かを、判定部３６４が判定する。判定部３６４は、上述のように据付業者により設定され、記憶部３６７に記憶されているブライン濃度の適正範囲を用いて、ステップＳ４の処理を実行する。
【００５３】
ステップＳ４において、判定部３６４が、推定されたブライン濃度が適正範囲内にあると判定したら、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、運転制御部３６５がバイパス弁２２及びバイパス弁２３を開く処理を実行する。そして、地熱ヒートポンプシステム１の運転は継続される。
【００５４】
ステップＳ４において、判定部３６４が、推定されたブライン濃度が適正範囲外にあると判定したら、ステップＳ６へ進む。推定されたブライン濃度が適正範囲外にあると、後述するように地熱ヒートポンプシステム１に不具合が発生する可能性がある。そこで、ステップＳ６において、運転制御部３６５は、圧縮機１３、採熱用ポンプ１７、及び温水循環用ポンプ３４の駆動を停止し、地熱ヒートポンプシステム１の運転を停止する。
【００５５】
次いで、ステップＳ７へ進み、判定部３６４は、推定されたブライン濃度が適正範囲よりも低いか否かを判定する。ステップＳ７において、判定部３６４が、推定されたブライン濃度が適正範囲よりも低いと判定したら、ステップＳ８へ進む。推定されたブライン濃度が適正範囲よりも低い場合とは、ブラインの凝固点が、地熱ヒートポンプシステム１の使用温度範囲よりも高くなっている場合である。従って、運転を継続して地中熱交換器２１に流れる熱媒体の温度が低下すると、ブラインが凝固し、熱媒体が凍結し、地中熱交換器２１を破壊するリスクが起こる可能性がある。そこで、ステップＳ８において、報知制御部３６６が凍結の警告報知を実行する。報知制御部３６６は、ＬＥＤ３７１を点灯させ、ディスプレイ３７２にリスクの内容、すなわち熱媒体の凍結の可能性を示す文字列及びアイコンを表示させる制御信号をリモートコントローラ３７へ送信する。また、温水暖房装置３０のアラーム装置３８に駆動信号を出力する。これにより、リモートコントローラ３７のＬＥＤ３７１の点灯、ディスプレイ３７２の表示、及びアラーム装置３８のアラーム音により、エンドユーザにブラインが凍結する可能性があることが報知される。
【００５６】
ステップＳ７において、判定部３６４が、推定されたブライン濃度が適正範囲よりも低くないと判定したら、ステップＳ９へ進む。推定されたブライン濃度が適正範囲になく、かつ適正範囲よりも低くない場合とは、推定されたブライン濃度が適正範囲よりも高い場合であり、ブラインの粘度が適正範囲よりも高くなっている場合である。従って、ブラインを含有している熱媒体の流量が適正な流量より低下する可能性がある。運転を継続して地中熱交換器２１に流れるブラインの温度が低下すると、熱媒体の流量の低下はより顕著となる。その結果、地熱ヒートポンプシステム１の能力低下というリスクが起こる可能性がある。そこで、ステップＳ９において、報知制御部３６６が能力低下の警告報知を実行する。報知制御部３６６は、ＬＥＤ３７１を点灯させ、ディスプレイ３７２にリスクの内容、すなわち地熱ヒートポンプシステム１の能力低下の可能性を示す文字列及びアイコンを表示させる制御信号をリモートコントローラ３７へ送信する。また、報知制御部３６６は、温水暖房装置３０のアラーム装置３８に駆動信号を出力する。これにより、リモートコントローラ３７のＬＥＤ３７１の点灯、ディスプレイ３７２の表示、及びアラーム装置３８のアラーム音により、エンドユーザに地熱ヒートポンプシステム１の能力が低下する可能性があることが報知される。
【００５７】
一般的に、地中熱交換器２１の地中配管の長さ長い場合には、採熱用流量センサ１８によって測定される熱媒体の流量が過大になり、採熱戻りセンサ１９及び採熱往きセンサ２０によって測定される熱媒体の温度が過大になる。一方、地中熱交換器２１の地中配管の長さが短い場合には、採熱用流量センサ１８によって測定される熱媒体の流量が過小になり、採熱戻りセンサ１９及び採熱往きセンサ２０によって測定される熱媒体の温度が過小になる。
【００５８】
これに対して、本実施の形態の地熱ヒートポンプシステム１においては、採熱回路１２の地中熱交換器２１の前段にバイパス回路２４を設けており、熱媒体の流量及び温度を測定する際に、地中熱交換器２１の地中配管をバイパスしている。かかる構成によれば、地中熱交換器２１の地中配管の長短の影響を受けることなく、熱媒体の流量及び温度の適正値を得ることができ、ブラインの推定濃度の誤差を小さくすることができる。これにより、据付業者が予め設定したブラインの適正濃度と、推定濃度との比較において、据え付け時にブラインを入れ忘れたことを発見し、ブライン濃度が低いことに起因して生じる熱媒体の凍結を未然に防止することができる。
【００５９】
また、本実施の形態では、ブラインの推定濃度が適正範囲外である場合、地熱ヒートポンプシステム１の運転を停止する。そして、リモートコントローラ３７のＬＥＤ３７１の点灯、ディスプレイ３７２の表示、及びアラーム装置３８のアラーム音により、エンドユーザに報知する。従って、エンドユーザは、ブライン濃度の過大又は過小に対して、対応処置をとることができる。すなわち、本実施の形態によれば、ブライン濃度の過大又は過小に起因する不具合の発生を確実に未然に防止することができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、ブラインの濃度が適正範囲よりも低い場合、運転を継続すると熱媒体の凍結のリスクがあることが報知される。一方、ブラインの濃度が適正範囲よりも高い場合、運転を継続すると地熱ヒートポンプシステム１の能力低下のリスクがあることが報知される。従って、より詳細な情報がエンドユーザに提供される。
【００６１】
また、本実施の形態の地熱ヒートポンプシステム１においては、一般的に用いられている複数種類のブライン濃度の適正値を、記憶部３６７に予め記憶している。そして、据付業者が、リモートコントローラ３７を介して、使用するブラインの種類を入力、又は選択して特定することにより、記憶部３６７から得られる適正値が選択される。さらに、据付業者が、リモートコントローラ３７を介して、ブライン濃度の適正範囲を設定する。かかる構成によれば、市場に流通する複数種類のブラインに対応できるので、ブライン種類の制約を受けることなく、地熱ヒートポンプシステム１の汎用性が高まる。
【００６２】
本実施の形態によれば、リモートコントローラ３７のＬＥＤ３７１を点灯することにより、採熱回路１２の熱媒体のブライン濃度が適正範囲の範囲外にあることを報知する。従って、視覚により直感的に、ブライン濃度の異常をエンドユーザに報知することができる。
【００６３】
本実施の形態によれば、リモートコントローラ３７のディスプレイ３７２に、文字列及びアイコンを表示し、採熱回路１２の熱媒体のブライン濃度が適正範囲の範囲外にあること、及びそれに起因するリスクの可能性を報知する。従って、より詳細な情報をエンドユーザに報知することができる。
【００６４】
本実施の形態によれば、アラーム装置３８を駆動することにより、採熱回路１２の熱媒体のブライン濃度が適正範囲の範囲外にあることを報知する。従って、聴覚により直感的に、ブライン濃度の異常をエンドユーザに報知することができる。
【００６５】
＜変形例＞
図５は、本発明の実施の形態の変形例の地熱ヒートポンプシステムの変形例のシステム構成図である。この変形例の地熱ヒートポンプシステム１００においては、ボアホール式の地中熱交換器２１に替えて、水平ループ方式の地中熱交換器２５が接続されている。地中熱交換器２５は、チューブ形状を呈しており、１ｍ〜２．５ｍの浅層の地中において水平に埋没されている。その他の構成は、図１の地熱ヒートポンプシステム１と同様である。地熱ヒートポンプシステム１００においても、上述と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１  地熱ヒートポンプシステム、１０  ヒートポンプ装置、１１  冷媒回路、１２  採熱回路、１３  圧縮機、１４  水冷媒熱交換器、１５  膨張弁、１６  冷媒ブライン熱交換器、１７  採熱用ポンプ、１８  採熱用流量センサ、１９  採熱戻りセンサ、２０  採熱往きセンサ、２１  地中熱交換器、２２  バイパス弁、２３  バイパス弁、２４  バイパス回路、２５  地中熱交換器、３０  温水暖房装置、３１  水回路、３２  貯湯タンク、３３  三方弁、３４  温水循環用ポンプ、３５  電気ヒータ、３６  制御装置、３７  リモートコントローラ、３８  アラーム装置、３９  温水循環用流量センサ、４０  水温センサ、４１  水温センサ、４２  貯湯タンク用センサ、４３  給水配管、４４  出湯配管、１００  地熱ヒートポンプシステム、３６０  処理回路、３６１  バイパス機構駆動部、３６２  測定部、３６３  推定部、３６４  判定部、３６５  運転制御部、３６６  報知制御部、３６７  記憶部、３７１  ＬＥＤ、３７２  ディスプレイ。
【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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【国際調査報告】
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