(57)【要約】【課題】水熱媒の流量が定格流量であるかにかかわらずヒートポンプサイクルの高効率化を図れるヒートポンプ温水暖房システムを得ること。【解決手段】ヒートポンプ熱源機２１は、室内放熱器２２の暖房能力が同じになる往き水温と戻り水温との組合せを複数記憶しており、コントローラ２３が設定操作を受け付けた設定室温と室温検知部で検知された室温との温度差に基づいて目標暖房能力を算出し、室内放熱器２２の暖房能力が目標暖房能力を満足する往き水温と流量との組合せの中で、ヒートポンプサイクル１１のエネルギー消費効率が最高となる組合せに基づいて、往き水温、戻り水温及び流量の目標値を設定する制御部９を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室内に設置された室内放熱器と、
ヒートポンプサイクルの冷媒と水熱媒とを熱交換させる冷媒−水熱交換器と、前記室内放熱器へ送り出す前記水熱媒の温度である往き水温を検知する往き水温検知部と、前記室内放熱器から戻ってきた前記水熱媒の温度である戻り水温を測定する戻り水温検知部と、前記室内放熱器へ送り出す前記水熱媒の流量を検知する流量検知部とを有するヒートポンプ熱源機と、
設定室温の設定操作を受け付ける室温設定部と、室温を検知する室温検知部とを有するコントローラとを備え、前記ヒートポンプ熱源機から送り出された前記水熱媒が持つ熱を前記室内放熱器により前記室内で放熱し、放熱後の前記水熱媒を前記ヒートポンプ熱源機へ戻すヒートポンプ温水暖房システムであって、
前記ヒートポンプ熱源機は、前記室内放熱器の暖房能力が同じになる前記往き水温と前記流量との組合せを複数記憶しており、前記コントローラが前記設定操作を受け付けた設定室温と前記室温検知部で検知された室温との温度差に基づいて目標暖房能力を算出し、前記室内放熱器の暖房能力が前記目標暖房能力を満足する前記往き水温と前記流量との組合せの中で、前記ヒートポンプサイクルのエネルギー消費効率が最高となる組合せに基づいて、前記往き水温、前記戻り水温及び前記流量の目標値を設定する制御部を有することを特徴とするヒートポンプ温水暖房システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記往き水温、前記戻り水温及び前記流量の目標値を設定してから設定時間経過後に前記戻り水温検出部で検知した前記戻り水温が、前記目標値と一致しなければ、前記往き水温検知部、前記戻り水温検知部及び前記流量検知部の検知結果から算出した前記室内放熱器の暖房能力で前記目標暖房能力を置き換えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で、暖房に使う水熱媒を生成し、室内放熱器に搬送して暖房を行うヒートポンプ温水暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプサイクルにより採熱した熱で、暖房に使う水熱媒を生成し、室内放熱器に搬送して暖房を行うヒートポンプ温水暖房システムと称される暖房システムにおいて、ヒートポンプサイクルのエネルギー消費効率は、生成する水熱媒の温度である往き水温、及び室内放熱器から戻ってくる水熱媒の温度である戻り水温に影響を受ける。ヒートポンプサイクルのエネルギー消費効率は、同一の暖房能力を発揮していても、往き水温又は戻り水温が高いほど効率が低いという特徴があり、高効率化のためには室内の暖房負荷に応じて適正な往き水温及び戻り水温となるように運転する必要がある。
【０００３】
上記の課題を解決するために、特許文献１には、往き水温と戻り水温との差である往き戻り水温差を検出する往き戻り水温検出部を備え、往き戻り水温差が設定範囲内となるように循環ポンプの揚程を制御する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示される発明では、適正な往き戻り水温差は室内放熱器に定格流量を流した場合の水温差とされ、往き水温が高い場合は室内放熱器での放熱量が大きいため適正水温差は大きく、往き水温が低い場合は室内放熱器での放熱量が小さいため適正水温差が小さくなるように設定されている。特許文献１に開示される発明は、適正水温差は定格流量を流した場合の水温差であるため、室内放熱器の暖房能力は確保しながら、定格流量以上に流量を流し、戻り水温が高くなっている場合においてヒートポンプサイクルの高効率化を図ることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２８７８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
室内放熱器の暖房能力は往き水温が高いほど、また流量が多いほど大きくなる。室内の暖房負荷を満足するように室内放熱器の暖房能力を確保するためには、必ずしも定格流量を確保する必要性はなく、暖房負荷が小さい場合は、定格流量以下であっても必要な暖房能力を確保することが可能である。また、ヒートポンプサイクルのエネルギー消費効率は、流量を少なくすることによって、往き水温が高くなっても、効率は高くなる場合があり、流量を少なくし、往き水温を高く設定することで暖房能力を確保することも可能である。
【０００７】
特許文献１に開示される発明は、室内放熱器の定格流量を確保し、定格流量以上に水熱媒を流している場合のみヒートポンプサイクルの高効率化を図るため、ヒートポンプサイクルをさらに高効率化する余地があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水熱媒の流量が定格流量であるかにかかわらずヒートポンプサイクルの高効率化を図れるヒートポンプ温水暖房システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、室内に設置された室内放熱器と、ヒートポンプサイクルの冷媒と水熱媒とを熱交換させる冷媒−水熱交換器と、室内放熱器へ送り出す水熱媒の温度である往き水温を検知する往き水温検知部と、室内放熱器から戻ってきた水熱媒の温度である戻り水温を測定する戻り水温検知部と、室内放熱器へ送り出す水熱媒の流量を検知する流量検知部とを有する熱源機と、設定室温の設定操作を受け付ける室温設定部と、室温を検知する室温検知部とを有するコントローラとを備え、熱源機から送り出された水熱媒が持つ熱を室内放熱器により室内で放熱し、放熱後の水熱媒を熱源機へ戻すヒートポンプ温水暖房システムである。熱源機は、室内放熱器の暖房能力が同じになる往き水温と流量との組合せを複数記憶しており、コントローラが設定操作を受け付けた設定室温と室温検知部で検知された室温との温度差に基づいて目標暖房能力を算出し、室内放熱器の暖房能力が目標暖房能力を満足する往き水温と流量との組合せの中で、ヒートポンプサイクルのエネルギー消費効率が最高となる組合せに基づいて、往き水温、戻り水温及び流量の目標値を設定する制御部を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水熱媒の流量が定格流量であるかにかかわらずヒートポンプサイクルの高効率化を図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムのシステム構成図
【図２】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの制御動作を示すフローチャート
【図３】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を示す図
【図４】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を示す図
【図５】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を示す図
【図６】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムのヒートポンプ熱源機の暖房能力を固定した場合の流量別の往き水温とエネルギー消費効率との関係例を示す図
【図７】実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を４００Ｗとした場合の往き水温、流量及びヒートポンプ熱源機のエネルギー消費効率を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ温水暖房システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムのシステム構成図である。実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムは、暖房に使う水熱媒を生成するヒートポンプ熱源機２１と、ヒートポンプ熱源機２１から供給される水熱媒により暖房運転を行う室内放熱器２２とを含んで構成されている。ヒートポンプ熱源機２１は、ヒートポンプサイクル１１により採熱した熱で暖房に使う水熱媒を加熱する。ヒートポンプ熱源機２１は、水熱媒を貯留するバッファタンク５と、バッファタンク５の水熱媒を循環させる送水手段である循環ポンプ６と、冷媒−水熱交換器４を介して水熱媒を加熱するヒートポンプサイクル１１とを備えている。
【００１４】
ヒートポンプサイクル１１は、室外空気から熱を採熱する熱源側熱交換器２と、ヒートポンプサイクル１１内を循環し熱を搬送する冷媒を圧縮する圧縮機３と、冷媒の流量を調整する冷媒流量調節弁１０と、冷媒と水熱媒との熱交換をする冷媒−水熱交換器４の一次流路とで構成された熱媒循環閉路である。ヒートポンプサイクル１１の冷媒と室内放熱器循環サイクルの水熱媒とは相互に独立しており、冷媒と水熱媒とが混じり合うことはないが、冷媒−水熱交換器４により熱的には接続している。上記構成のヒートポンプ熱源機２１は、単一のケーシングに収められ、室外に設置される。
【００１５】
バッファタンク５には、往き側接続口５ａと、戻り側接続口５ｂとが設けられていて、往き側接続口５ａは、循環ポンプ６の吸入側に配管接続され、戻り側接続口５ｂは、ヒートポンプ熱源機２１から供給される水熱媒により暖房運転を行う室内放熱器２２からの戻り側配管が接続されている。循環ポンプ６の吐出側には採熱用の冷媒−水熱交換器４の二次流路の入口側である戻り配管側接続口４ａが配管接続され、冷媒−水熱交換器４の出口側である往き配管側接続口４ｂには室内放熱器２２への往き側配管が接続される。室内放熱器２２への往き側配管には、冷媒−水熱交換器４の出口の水熱媒温度を検知する往き水温検知部７と水熱媒の流量を検知する流量検知部１２が設けられている。また、室内放熱器２２からの戻り側配管には、室内放熱器２２からの戻り水温を検知する戻り水温検知部８が設けられている。
【００１６】
制御部９は、マイクロコンピュータを含んで構成され、循環ポンプ６、圧縮機３及び室外空気の熱を採熱する熱源側送風ファン１を制御する。循環ポンプ６はインペラを有し、インペラを回転させることにより循環回路内の水熱媒を強制循環させ、室内放熱器２２に水熱媒を循環させる。実施の形態１においては、循環ポンプ６は、制御部９によってパルス幅変調制御されるモータを備え、速度指令電圧によりインペラの回転数が可変可能である直流電源で駆動するポンプが用いられる。
【００１７】
ヒートポンプ熱源機２１が室外に設置されているのに対して、室内には室内放熱器２２とコントローラ２３とが設置されている。室内放熱器２２は、ヒートポンプ熱源機２１から供給される水熱媒により暖房運転を行う。室内放熱器２２の具体例には、床下に設置され、輻射暖房を行う床暖房パネル、室内壁面に設置され輻射暖房を行うパネルヒーター、室内空気と水熱媒とを熱交換する熱交換器と室内空気循環用の送風機とを備え、強制対流により暖房を行うファンコンベクターを挙げることができる。
【００１８】
コントローラ２３は、現在室温を検知する室温検知部２３１と、目標とする設定室温の設定操作を受け付ける室温設定部２３２とを備えている。
【００１９】
制御部９は、室内に設置されたコントローラ２３との双方向の通信が可能であり、コントローラ２３からの設定室温及び現在室温と、往き水温検知部７の出力と、戻り水温検知部８の出力と、流量検知部１２の出力とが取り込まれ、ヒートポンプ熱源機２１の循環ポンプ６、圧縮機３及び熱源側送風ファン１を制御するための制御情報となる。
【００２０】
次にヒートポンプ温水暖房システムの動作について説明する。図２は、実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの制御動作を示すフローチャートである。図２において、まず、ステップＳ１において、室内放熱器２２のコントローラ２３は、運転開始操作を受け付けると、制御部９に運転開始情報を伝達する。
【００２１】
次にステップＳ２において、コントローラ２３は、室温設定部２３２で設定操作を受け付けた設定室温Ｔ１を制御部９に伝達し、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、コントローラ２３は、室温検知部２３１で現在室温Ｔｓを検出し、制御部９に伝達する。
【００２２】
次にステップＳ４において、制御部９は、目標暖房能力を設定する。目標暖房能力は、設定室温Ｔ１と現在室温Ｔｓとの温度差ΔＴ１によって設定され、ΔＴ１が大きい程、目標暖房能力は大きく、ΔＴ１が小さい程、目標暖房能力は小さくなるように設定される。制御部９には、室内放熱器２２で空調する空調面積と温度差ΔＴ１と目標暖房能力とを対応付けたテーブルを保持しており、このテーブルを参照して目標暖房能力を設定する。なお、室内放熱器２２の空調面積は、施工時に設定される制御情報であり、制御部９に記憶されている。また、室内放熱器２２が床暖房の場合は敷設面積とする。
【００２３】
次にステップＳ５において、制御部９は、ステップＳ４にて設定された目標暖房能力を満足する室内放熱器２２の往き水温と流量との関係を演算する。制御部９には予め、室内放熱器２２の暖房能力が同じになる往き水温と流量との組合せが複数記憶されている。
【００２４】
同一暖房能力を発揮するための往き水温と流量との関係について床暖房を例に説明する。図３、図４及び図５は、実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を示す図である。図３は、往き水温別の流量と室内放熱器２２の１ｍ２あたりの暖房能力との関係を示している。往き水温が高く、流量が多い程、室内放熱器２２の暖房能力は大きくなる。
【００２５】
図４及び図５は、図３に示した暖房能力の例に基づいて、同一暖房能力を発揮するための往き水温と流量との関係を整理したものである。図４は、往き水温と流量との関係を、室内放熱器２２の暖房能力ごとに示している。図５には、暖房能力４０Ｗ／ｍ２を満足する往き水温と流量との組合せを示しており、往き水温３５℃の場合は１．６０Ｌ／ｍｉｎ、往き水温４５℃の場合は０．２８Ｌ／ｍｉｎ、往き水温５５℃の場合は０．１４Ｌ／ｍｉｎの流量が必要となることが示されている。以上のように、室内放熱器２２の暖房能力と室内暖房負荷とがバランスする往き水温と流量との組合せは複数存在する。
【００２６】
仮に、室内放熱器２２である床暖房の敷設面積が１０ｍ２であった場合、必要流量の算出には上記を１０倍した値を用いる。即ち、暖房能力が４００Ｗであれば、往き水温３５℃の場合には１６Ｌ／ｍｉｎの流量が必要であり、往き水温４５℃の場合には２．８Ｌ／ｍｉｎの流量が必要であり、往き水温５５℃の場合には１．４Ｌ／ｍｉｎの流量が必要である。
【００２７】
次にステップＳ６において、制御部９は、ステップＳ５で演算した往き水温と流量との関係を満足し、かつ、ヒートポンプサイクル１１のエネルギー消費効率が最高となるような運転条件を演算する。なお、エネルギー消費効率は、成績係数とも称され、ＣＯＰ（Coefficient  Of  Performance）と省略して表記されることもある。ここでの運転条件は、往き水温、戻り水温及び流量の目標値である。制御部９には、暖房能力、往き水温及び流量に基づいてエネルギー消費効率を算出するプログラムが予め記憶されている。なお、エネルギー消費効率は、暖房能力を消費電力で除したものである。暖房能力、往き水温、戻り水温及び流量には、下記の式（１）で示される関係が成り立つ。
【００２８】
暖房能力＝（往き水温―戻り水温）×水熱媒の比熱×流量  ・・・（１）
【００２９】
よって、暖房能力、往き水温及び流量が決まれば、式（１）に基づいて戻り水温を計算することが可能である。
【００３０】
次に具体的な例を説明する。図６は、実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムのヒートポンプ熱源機の暖房能力を固定した場合の流量別の往き水温とエネルギー消費効率との関係例を示す図である。往き水温が低く、流量が少ない程、エネルギー消費効率は高くなる。なお、流量が少ない場合には、戻り水温は低くなるため、往き水温が低く、戻り水温が低いほど、エネルギー消費効率は高くなると換言することができる。
【００３１】
一方、室内放熱器２２の暖房能力は、図３を用いて説明したように、往き水温が高く、流量が多い程大きくなる。室内放熱器２２の暖房能力と室内暖房負荷とがバランスする往き水温と流量との組合せは複数存在するため、その中で最もエネルギー消費効率の高い条件でヒートポンプ熱源機２１を運転することにより高効率化を図ることが可能である。
【００３２】
図７は、実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムの室内放熱器の暖房能力を４００Ｗとした場合の往き水温、流量及びヒートポンプ熱源機のエネルギー消費効率を示す図である。図７においては、室内放熱器２２の暖房能力が同一となる流量と、その時のヒートポンプ熱源機２１のエネルギー消費効率とを、往き水温を３５℃から４５℃までの１℃刻みで示している。図７には、往き水温が４０℃の時、ヒートポンプ熱源機２１のエネルギー消費効率は４．００で最高となることが示されている。
【００３３】
次にステップＳ７において、制御部９は、ステップＳ６で演算した往き水温、戻り水温及び流量を、往き水温、戻り水温及び流量の目標値に設定する。
【００３４】
次にステップＳ８において、制御部９は、流量検知部１２で検知される流量が目標値となるように循環ポンプ６に速度指令電圧を与える。
【００３５】
次にステップＳ９において、制御部９は、往き水温検知部７で検出される往き水温が目標値となるようにヒートポンプサイクル１１を制御する。
【００３６】
次にステップＳ１０において、制御部９は、ステップＳ９が完了してから予め設定した時間ｔ１が経過したかどうか判定する。時間ｔ１が経過していれば、ステップＳ１０でＹＥＳとなり、ステップＳ１１に進む。時間ｔ１が経過していなければ、ステップＳ１０でＮＯとなり、ステップＳ１０の処理に戻る。時間ｔ１はヒートポンプサイクル１１が安定するまでに必要な時間であり、通常は３分から１０分程度に設定される。
【００３７】
ステップＳ１１において、戻り水温検知部８は、戻り水温を検知し、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２において、制御部９は、戻り水温が目標値と一致しているか判定する。戻り水温が目標値と一致している場合は、ステップＳ１２でＹＥＳとなり、ステップＳ１３に進む。一致していない場合は、ステップＳ１２でＮＯとなり、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１２における判定では、許容誤差の範囲内であれば、戻り水温と目標値とがずれていても一致と判定するようにしても良い。一例を挙げると、許容誤差は±１℃である。
【００３８】
ステップＳ１３において、制御部９は、ステップＳ９が完了してから予め設定した時間ｔ２が経過したかどうか判定する。時間ｔ２が経過していれば、ステップＳ１３でＹＥＳとなり、ステップＳ３の処理に戻り、上記に説明したステップＳ３以降の処理を繰り返す。時間ｔ２が経過していなければ、ステップＳ１３でＮＯとなり、ステップＳ１３の処理に戻る。時間ｔ２は、前回の運転条件の変更によって、室温が安定するまでに必要な時間であり、通常は１５分から３０分程度に設定される。
【００３９】
ステップＳ４における２回目以降の目標暖房能力の設定処理では、設定温度Ｔ１と現在室温Ｔｓの温度差ΔＴ１から暖房能力変化率ΔＧを算出し、暖房能力変化率ΔＧと前回の目標暖房能力Ｑｍ０とに基づいて、目標暖房能力Ｑｍを、算出式Ｑｍ＝Ｑｍ０＋Ｑｍ０×ΔＧを用いて算出する。なお、ΔＧは現在室温Ｔｓが設定室温Ｔ１より低く、温度差ΔＴ１が大きいほど、暖房能力を上げる割合が大きくなるように、逆に、現在室温Ｔｓが設定室温Ｔ１より高く、温度差ΔＴ１が小さくなるほど、暖房能力を下げる割合が大きくなるように設定される。これにより、暖房負荷に追従して暖房能力を可変することが可能となる。
【００４０】
さらに、２回目以降の目標暖房能力の演算処理においては、前回の室内温度Ｔｓｏと現在室温Ｔｓとの温度差（Ｔｓ−Ｔｓｏ）を加味して目標暖房能力を演算しても良い。前回の室内温度Ｔｓｏと現在室温Ｔｓとの温度差（Ｔｓ−Ｔｓｏ）は、室温上昇の傾きを示しているため、これを加味して演算することによって、暖房負荷に対する追従性をさらに高めることが可能となる。具体的には、温度差（Ｔｓ−Ｔｓｏ）が大きい場合には、前回設定した目標暖房能力が大きかったことになるため、暖房能力変化率ΔＧが小さくなるように補正を加えることで、目標暖房能力を小さく設定することができる。また、温度差（Ｔｓ−Ｔｓｏ）が小さい場合には、前回設定した目標暖房能力が小さかったことになるため、暖房能力変化率ΔＧが大きくなるように補正を加えることで、目標暖房能力を大きく小さく設定することができる。
【００４１】
ステップＳ１４において、制御部９は、往き水温、戻り水温及び流量に基づいて、現在発揮しているヒートポンプサイクル１１の暖房能力を式（１）により算出し、ステップＳ５の処理に戻る。以後、上記に説明したステップＳ５以降の処理を繰り返す。ステップＳ１４にて暖房能力を演算し、ステップＳ５の処置に戻すことより、現在の運転状況を制御にフィードバックすることが可能となっている。室内放熱器２２の暖房能力に経時変化が生じているような場合、暖房運転を続けても、戻り水温が目標値に一致しないことも考えられる。このような場合には、ステップＳ１４で算出したヒートポンプサイクル１１の暖房能力に基づいて戻り水温を計算することで、室内放熱器２２の現在の性能に基づいて暖房能力を制御することができる。
【００４２】
上記の処理により、実施の形態１に係るヒートポンプ温水暖房システムは、水熱媒の流量が定格流量であるかにかかわらず室内暖房負荷に対して必要な室内放熱器の暖房能力を確保するとともに、ヒートポンプサイクルの高効率化を実現することができる。
【００４３】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１  熱源側送風ファン、２  熱源側熱交換器、３  圧縮機、４  冷媒−水熱交換器、４ａ  戻り配管側接続口、４ｂ  往き配管側接続口、５  バッファタンク、５ａ  往き側接続口、５ｂ  戻り側接続口、６  循環ポンプ、７  往き水温検知部、８  戻り水温検知部、９  制御部、１０  冷媒流量調節弁、１１  ヒートポンプサイクル、１２  流量検知部、２１  ヒートポンプ熱源機、２２  室内放熱器、２３  コントローラ、２３１  室温検知部、２３２  室温設定部。
【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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