JP6234780B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、空調システムに関し、更に詳しくは、ヒートポンプで冷却した冷水あるいは加熱した温水を貯溜して蓄熱する水蓄熱槽を備えた空調システムに関する。

電気料金が割安な夜間に冷凍機を稼働して冷熱を蓄熱槽に蓄熱し、この冷熱を昼間に消費する蓄熱槽を用いた空調システムがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１０８３８５号公報

上記特許文献１では、昼間の放熱時には、蓄熱槽に蓄熱した冷熱を、空調負荷に入る冷媒に放熱しており、冷凍機には、空調負荷で温度が上昇した高温の冷媒が戻るように構成されており、冷凍機に戻る冷媒温度が高く、このため、冷凍機の効率が悪いという課題がある。

本発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであって、蓄熱槽を備える空調システムにおけるヒートポンプの効率を高めることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明では次のように構成している。

（１）本発明に係る空調システムは、熱媒体を冷却するヒートポンプと、前記ヒートポンプからの前記熱媒体が供給される負荷と、前記熱媒体と水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器で熱交換される水を貯留する水蓄熱槽とを備え、
蓄熱時には、前記ヒートポンプで冷却された熱媒体によって、前記水蓄熱槽の水を前記熱交換器で冷却して前記水蓄熱槽に冷水として蓄熱し、
放熱時には、前記ヒートポンプで冷却された熱媒体を前記負荷に供給して冷房すると共に、前記水蓄熱槽の前記冷水によって、前記負荷で昇温した熱媒体を前記熱交換器で冷却して前記ヒートポンプに戻すものであり、
前記ヒートポンプを複数台備えると共に、前記複数台のヒートポンプが直列に接続され、
前記蓄熱時には、前記複数台のヒートポンプを全て稼働させ、前記放熱時には、前記複数台よりも少ない台数のヒートポンプを稼働させることを特徴とする。

本発明によると、冷房運転の蓄熱時には、ヒートポンプで冷却された熱媒体によって、水蓄熱槽の水を冷却して冷水として蓄熱し、冷房運転の放熱時には、負荷で昇温した熱媒体を、熱交換器で、水蓄熱槽の冷水によって冷却してヒートポンプに戻すことが可能となり、ヒートポンプへの熱媒体の戻りの温度を低下させることができるので、ヒートポンプの効率を高めることができる。
放熱時には、上記のようにヒートポンプへの熱媒体の戻りの温度を、調整してヒートポンプの効率を高めることができるので、蓄熱時に比べて稼働させるヒートポンプの台数を減らすことによって、システム全体の効率を向上させることができる。

（２）本発明の好ましい実施態様では、前記ヒートポンプは、前記熱媒体を冷却または加熱するものであり、蓄熱時には、前記ヒートポンプで加熱された熱媒体によって、前記水蓄熱槽の水を前記熱交換器で加熱して前記水蓄熱槽に温水として蓄熱し、放熱時には、前記ヒートポンプで加熱された熱媒体を前記負荷に供給して暖房すると共に、前記蓄熱槽の前記温水によって、前記負荷で降温した熱媒体を前記熱交換器で加熱して前記ヒートポンプに戻すようにしている。

この実施態様によると、暖房運転の蓄熱時には、ヒートポンプで加熱された熱媒体によって、水蓄熱槽の水を加熱して温水として蓄熱し、暖房運転の放熱時には、負荷で昇温した熱媒体を、熱交換器で、水蓄熱槽の温水によって加熱してヒートポンプに戻すことが可能となり、ヒートポンプへの熱媒体の戻りの温度を上昇させることができるので、ヒートポンプの効率を高めることができる。

（３）本発明の他の実施態様では、前記蓄熱時には、前記ヒートポンプからの前記熱媒体を前記負荷に供給して躯体蓄熱する。

この実施態様によると、蓄熱時には、ヒートポンプからの熱媒体を負荷に供給することによって、躯体蓄熱を行えると同時に、前記熱交換器を介して水蓄熱槽に水蓄熱を行うことができる。

（４）本発明の更に他の実施態様では、前記負荷が、放射空調用の負荷である。

この放射空調用の負荷としては、調湿機と放射パネルとを備えるのが好ましい。

この実施態様によると、放熱時には、水蓄熱槽の蓄熱を利用して放射空調を行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、冷房運転の放熱時には、水蓄熱槽に蓄熱した冷熱によって、ヒートポンプへの熱媒体の戻りの温度を低下させるので、ヒートポンプの効率を高めることができる。

本発明の一実施形態に係る空調システムの構成図である。 図１の空調システムの冷房運転モードの蓄熱時の構成図である。 図１の空調システムの冷房運転モードの放熱時の構成図である。 図１の空調システムの暖房運転モードの蓄熱時の構成図である。 図１の空調システムの暖房運転モードの放熱時の構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る空調システムの構成図である。

この実施形態の空調システムは、冷房運転と暖房運転を切換選択できるものであり、この空調システムは、熱媒体を冷却または加熱する熱源装置としての２台の第１，第２ヒートポンプと、第１ヒートポンプ１からの熱媒体が供給される空調用の負荷５と、前記熱媒体と水との熱交換を行う熱交換器４と、この熱交換器４で熱交換される水を貯留する水蓄熱槽３と、ヒートポンプ１，２側の熱媒体を循環させる第１循環ポンプ６と、蓄熱槽３側の水を循環させる第２循環ポンプ７とを備えている。

第１，第２ヒートポンプ１，２は、直列に接続され、高温用の第２ヒートポンプ２によって冷却または加熱した熱媒体である水を、低温用の第１ヒートポンプ１によって、更に冷却または加熱する。

第１ヒートポンプ１で冷却または加熱された熱媒体である水が供給される空調用の負荷５は、放射空調用の負荷であって、調湿機及び放射パネルを含む。

第１ヒートポンプ１の出口(往き)と熱交換器４とを接続する管路Ｌ１には、第１循環ポンプ６と第１開閉弁８とが配設され、第１循環ポンプ６と第１開閉弁８との間の管路Ｌ１に負荷５の入口が接続される。

第２ヒートポンプの入口(戻り)と熱交換器４とを接続する管路Ｌ２には、第２開閉弁９と第３開閉弁１０とが配設され、第２開閉弁９と第３開閉弁１０との間の管路Ｌ２には、負荷５の出口が接続される。

負荷５と熱交換器４との間には、それらと並列に並列管路Ｌ３が接続され、この並列管路３には、第４開閉弁１１が配設される。第２ヒートポンプの入口(戻り)と熱交換器４とを接続する上記管路Ｌ２には、第２，第３開閉弁９，１０をバイパスするように、バイパス管路Ｌ４が接続される。

水蓄熱槽３は、高温側の水を貯留する高温槽３ａと低温側の水を貯留する低温槽３ｂとを備えている。水蓄熱槽３から熱交換器４への往き管路Ｌ５には、第２循環ポンプ７及び第１切換弁１２が配設され、熱交換器４から水蓄熱槽３への戻り管路Ｌ６には、第２切換弁１３が配設されている。第１切換弁１２は、高温槽３ａ側の管路Ｌ７または低温槽３ｂ側の管路Ｌ８を、往き管路Ｌ５に切換え接続し、第２切換弁１３は、高温槽３ａ側の管路Ｌ９または低温槽３ｂ側の管路Ｌ１０を、戻り管路Ｌ６に切換え接続する。

各ヒートポンプ１，２、各循環ポンプ６，７、各開閉弁８〜１１及び各切換弁１２，１３は、図示しない制御装置によって制御される。

この実施形態の空調シテスムは、電気料金が割安な夜間、例えば、午後１０時から午前８時までは第１,第２ヒートポンプ１，２を稼働して負荷５に熱媒体である水を供給して躯体蓄熱を行うと同時に、熱交換器４を介して水蓄熱槽３に蓄熱し、日中、例えば、午前８時から午後１０時までは放熱を行うものであり、蓄熱と放熱とを時間帯によって自動的に切換える。

以下、冷房運転モードと暖房運転モードとに分けて、蓄熱時と放熱時の動作についてそれぞれ説明する。

冷房運転モード
[蓄熱時]
図２は、冷房運転モードにおける蓄熱時の動作を説明するための図１に対応する構成図である。

電力料金が割安な夜間の蓄熱時には、第１，第２ヒートポンプ１，２側の管路Ｌ１，Ｌ２では、第１〜第３開閉弁８〜１０を開放し、並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を閉止する。すなわち、第１，第２ヒートポンプ１，２に対して、負荷５及び熱交換器４をそれぞれ並列に接続する。

水蓄熱槽３の往き管路Ｌ５の第１切換弁１２は、高温槽３ａ側の管路Ｌ７を前記往き管路Ｌ５に接続し、戻り管路Ｌ６の第２切換弁１３は、低温槽３ｂ側の管路Ｌ１０を前記戻り管路Ｌ６に接続する。

この状態で、第１，第２ヒートポンプ１，２及び第１，第２循環ポンプ６，７をそれぞれ稼働する。

第２ヒートポンプ２で冷却され、更に第１ヒートポンプ１で冷却された、例えば、５℃の冷水は、第１循環ポンプ６によって空調用の負荷５に供給されて躯体、例えば、建造物の骨格材、内壁材、外壁材等を冷却して躯体蓄熱が行われる。また、第１ヒートポンプ１で冷却された５℃の冷水は、第１開閉弁８を介して熱交換器４にも供給される。熱交換器４には、水蓄熱槽３の高温槽３ａ側の、例えば、１４℃の水が、往き管路Ｌ５の第２循環ポンプ７によって第１切換弁１２を介して供給され、第１，２ヒートポンプ１，２によって冷却された５℃の冷水と熱交換して、例えば、７℃に冷却され、戻り管路Ｌ６及び第２切換弁１３を介して水蓄熱槽３の低温槽３ｂに戻されて冷水として蓄熱される。

負荷５に供給されて躯体蓄熱を行って温度が上昇した、例えば、８℃の冷水は、第２開閉弁９を介して第２ヒートポンプ２へ流れる。熱交換器４で水蓄熱槽３からの水を冷却して温度が上昇した、例えば、１２℃の冷水は、第３，第２開閉弁１０，９を介して、あるいは、バイパス管路Ｌ４を介して、負荷５からの８℃の冷水と混合されて、例えば、１０℃の冷水として第２ヒートポンプ２に戻される。

第２ヒートポンプ２に戻された１０℃の冷水は、再び、第２ヒートポンプ２及び第１ヒートポンプ１によって、例えば、５℃に冷却されて上記と同様に、負荷５及び熱交換器４に供給されて躯体蓄熱及び水蓄熱を同時に行う。

このように電気料金が割安な夜間には、第１，第２ヒートポンプ１，２を稼働させて負荷５に冷水を供給して躯体蓄熱を行うと同時に、熱交換器４を介して水蓄熱槽３に冷水として蓄熱する。

[放熱時]
図３は、冷房運転モードにおける放熱時の動作を説明するための図１に対応する構成図である。

日中の放熱時には、第１，第２ヒートポンプ１，２側の管路Ｌ１，Ｌ２では、第１〜第３開閉弁８〜１０を全て閉止し、並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を開放する。すなわち、ヒートポンプ１，２に対して、負荷５及び熱交換器４が、この順序で直列に接続される。
水蓄熱槽３の往き管路Ｌ５の第１切換弁１２は、低温槽３ｂ側の管路Ｌ８を前記往き管路Ｌ５に切換接続し、戻り管路Ｌ６の第２切換弁１３は、高温槽３ａ側の管路Ｌ９を前記戻り管路Ｌ６に接続する。

この状態で、第１ヒートポンプ１を稼働させず、第２ヒートポンプ２及び第１，第２循環ポンプ６，７をそれぞれ稼働する。

第２ヒートポンプ２で冷却された、例えば、７℃の冷水は、稼働させていない第１ヒートポンプ１をバイパスして第１循環ポンプ６によって空調用の負荷５に供給されて冷房が行われる。負荷５で昇温した、例えば、１９℃の冷水は、第２開閉弁９と第３開閉弁１０との間の管路Ｌ２及び並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を介して熱交換器４に供給される。熱交換器４には、水蓄熱槽３の低温槽３ｂ側の、例えば、７℃の低温の冷水が、往き管路Ｌ５の第２循環ポンプ７によって第１切換弁１２を介して供給され、負荷５で昇温した１９℃の水を冷却し、昇温した、例えば、１４℃の水は、戻り管路Ｌ６及び第２切換弁１３を介して水蓄熱槽３の高温槽３ａに戻される。

このように負荷５で冷房を行って昇温した１９℃の水は、熱交換器４で水蓄熱槽３からの７℃の低温の冷水によって、例えば、１２℃に冷却され、バイパス管路Ｌ４を介して第２ヒートポンプ２に戻されて、７℃に冷却されて上記と同様に、負荷５に供給されて冷房を行うと共に、熱交換器４で冷却される。

このように放熱時には、負荷５で昇温した、例えば、１９℃の冷水を、熱交換器４で水蓄熱槽３からの、例えば、７℃の低温の冷水によって、例えば、１２℃に冷却して第２ヒートポンプ２に戻すので、第２ヒートポンプ２へ戻る冷水の温度を低く抑えることが可能となり、ヒートポンプの効率を高めることができ、この実施形態では、第１ヒートポンプ１を稼働させることなく、第２ヒートポンプ２による単独運転を可能としている。

暖房運転モード
[蓄熱時]
図４は、暖房運転モードにおける蓄熱時の動作を説明するための図１に対応する構成図である。

電力料金が割安な夜間の蓄熱時には、第１，第２ヒートポンプ１，２側の管路Ｌ１，Ｌ２では、第１〜第３開閉弁８〜１０を開放し、並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を閉止する。すなわち、第１，第２ヒートポンプ１，２に対して、負荷５及び熱交換器４をそれぞれ並列に接続する。

水蓄熱槽３の往き管路Ｌ５の第１切換弁１２は、低温槽３ｂ側の管路Ｌ８を前記往き管路Ｌ５に接続し、戻り管路Ｌ６の第２切換弁１３は、高温槽３ａ側の管路Ｌ９を前記戻り管路Ｌ６に接続する。

この状態で、第１，第２ヒートポンプ１，２及び第１，第２循環ポンプ６，７をそれぞれ稼働する。

第２ヒートポンプ２で加熱され、更に第１ヒートポンプ１で加熱された、例えば、４８℃の温水は、第１循環ポンプ６によって空調用の負荷５に供給されて躯体蓄熱が行われる。また、第１ヒートポンプ１で加熱された４８℃の温水は、第１開閉弁８を介して熱交換器４にも供給される。熱交換器４には、水蓄熱槽３の低温槽３ｂ側の、例えば、３５℃の水が、往き管路Ｌ５の第２循環ポンプ７によって第１切換弁１２を介して供給され、第１，２ヒートポンプ１，２によって加熱された４８℃の温水と熱交換して、例えば、４５℃に加熱され、戻り管路Ｌ６及び第２切換弁１３を介して水蓄熱槽３の高温槽３ａに戻されて温水として蓄熱される。

負荷５に供給されて躯体蓄熱を行って温度が降下した、例えば、４３℃の温水は、第２開閉弁９を介して第２ヒートポンプ２へ流れる。熱交換器４で水蓄熱槽３からの水を加熱して温度が降下した、例えば、３５℃の温水は、第３，第２開閉弁１０，９を介して、あるいは、バイパス管路Ｌ４を介して、負荷５からの４３℃の温水と混合されて、例えば、３９℃の温水として第２ヒートポンプ２に戻される。

第２ヒートポンプ２に戻された３９℃の温水は、再び、第２ヒートポンプ２及び第１ヒートポンプ１によって、例えば、４８℃に加熱されて上記と同様に、負荷５及び熱交換器４に供給されて躯体蓄熱及び水蓄熱を同時に行う。

このように電気料金が割安な夜間には、第１，第２ヒートポンプ１，２を稼働させて負荷５に温水を供給して躯体蓄熱を行うと同時に、熱交換器４を介して水蓄熱槽３に温水として蓄熱する。

[放熱時]
図５は、暖房運転モードにおける放熱時の動作を説明するための図１に対応する構成図である。

日中の放熱時には、第１，第２ヒートポンプ１，２側の管路Ｌ１，Ｌ２では、第１〜第３開閉弁８〜１０を全て閉止し、並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を開放する。すなわち、ヒートポンプ１，２に対して、負荷５及び熱交換器４が、この順序で直列に接続される。
水蓄熱槽３の往き管路Ｌ５の第１切換弁１２は、高温槽３ａ側の管路Ｌ７を前記往き管路Ｌ５に切換接続し、戻り管路Ｌ６の第２切換弁１３は、低温槽３ｂ側の管路Ｌ１０を前記戻り管路Ｌ６に接続する。

この状態で、第１ヒートポンプ１を稼働させず、第２ヒートポンプ２及び第１，第２循環ポンプ６，７をそれぞれ稼働する。

第２ヒートポンプ２で加熱された、例えば、４５℃の温水は、稼働させていない第１ヒートポンプ１をバイパスして第１循環ポンプ６によって空調用の負荷５に供給されて暖房が行われる。負荷５で降温した、例えば、３０℃の温水は、第２開閉弁９と第３開閉弁１０との間の管路Ｌ２及び並列管路Ｌ３の第４開閉弁１１を介して熱交換器４に供給される。熱交換器４には、水蓄熱槽３の高温槽３ａ側の、例えば、４５℃の高温の温水が、往き管路Ｌ５の第２循環ポンプ７によって第１切換弁１２を介して供給され、負荷５で降温した３０℃の温水を加熱し、降温した、例えば、３５℃の温水は、戻り管路Ｌ６及び第２切換弁１３を介して水蓄熱槽３の低温槽３ｂに戻される。

このように負荷５で暖房を行って降温した３０℃の温水は、熱交換器４で水蓄熱槽３からの４５℃の温水によって、例えば、４０℃に加熱され、バイパス管路Ｌ４を介して第２ヒートポンプ２に戻されて、４５℃に加熱されて上記と同様に、負荷５に供給されて暖房を行うと共に、熱交換器４で加熱される。

このように放熱時には、負荷５で降温した、例えば、３０℃の温水を、熱交換器４で水蓄熱槽３からの、例えば、４５℃の高温の温水によって、例えば、４０℃に加熱して第２ヒートポンプ２に戻すので、第２ヒートポンプ２へ戻る温水の温度を高くすることが可能となり、ヒートポンプの効率を高めることができ、この実施形態では、第１ヒートポンプ１を稼働させることなく、第２ヒートポンプ２による単独運転を可能としている。

１ 第１ヒートポンプ
２ 第２ヒートポンプ
３ 水蓄熱槽
４ 熱交換器
５ 負荷
６ 第１循環ポンプ
７ 第２循環ポンプ
８〜１１ 第１〜第４開閉弁
１２，１３ 第１，第２切換弁

Claims (4)

1. 熱媒体を冷却するヒートポンプと、前記ヒートポンプからの前記熱媒体が供給される負荷と、前記熱媒体と水との熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器で熱交換される水を貯留する水蓄熱槽とを備え、
   蓄熱時には、前記ヒートポンプで冷却された熱媒体によって、前記水蓄熱槽の水を前記熱交換器で冷却して前記水蓄熱槽に冷水として蓄熱し、
   放熱時には、前記ヒートポンプで冷却された熱媒体を前記負荷に供給して冷房すると共に、前記水蓄熱槽の前記冷水によって、前記負荷で昇温した熱媒体を前記熱交換器で冷却して前記ヒートポンプに戻すものであり、
   前記ヒートポンプを複数台備えると共に、前記複数台のヒートポンプが直列に接続され、
   前記蓄熱時には、前記複数台のヒートポンプを全て稼働させ、前記放熱時には、前記複数台よりも少ない台数のヒートポンプを稼働させる、
   ことを特徴とする空調システム。
2. 前記ヒートポンプは、前記熱媒体を冷却または加熱するものであり、
   蓄熱時には、前記ヒートポンプで加熱された熱媒体によって、前記水蓄熱槽の水を前記熱交換器で加熱して前記水蓄熱槽に温水として蓄熱し、
   放熱時には、前記ヒートポンプで加熱された熱媒体を前記負荷に供給して暖房すると共に、前記蓄熱槽の前記温水によって、前記負荷で降温した熱媒体を前記熱交換器で加熱して前記ヒートポンプに戻す、
   請求項１に記載の空調システム。
3. 前記蓄熱時には、前記ヒートポンプからの前記熱媒体を前記負荷に供給して躯体蓄熱する、
   請求項１または２に記載の空調システム。
4. 前記負荷が、放射空調用の負荷である、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の空調システム。

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