JP2009097770A - ヒートポンプ式温水暖房装置の循環流量算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式温水暖房装置において、流量センサを用いることなく、より正確に二次側循環回路の循環流量を算出できるようにする。
【解決手段】ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した一次側温水を暖房用熱交換器９へ循環させて、温水暖房端末器８に循環する二次側暖房循環水を加熱するようにしたヒートポンプ式温水暖房装置の二次側暖房循環水の循環流量の算出方法であって、一次側温水のヒートポンプ式加熱手段４の出入り口温度差ΔＴｈｐと、一次側温水のヒートポンプ式加熱手段４の入水温度Ｔｈｐｉと外気温度Ｔａとから推定されるヒートポンプ加熱能力Ｗと、一次側温水の暖房用熱交換器９の出入り口温度差ΔＴ１と、二次側暖房循環水の暖房用熱交換器９の出入り口温度差ΔＴ２と、暖房用熱交換器９の熱交換効率ηとから二次側暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式加熱手段で加熱した一次側温水を暖房用熱交換器へ循環させて、温水暖房端末器に循環する二次側暖房循環水を加熱するようにしたヒートポンプ式温水暖房装置の二次側暖房循環水の循環流量の算出方法に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ式温水暖房装置においては、ヒートポンプ式加熱手段で加熱した一次側温水を給湯用貯湯タンクを介することなく直接に暖房用熱交換器へ循環させて、温水暖房端末器に循環する二次側暖房循環水を加熱するようにしたものがあった。（特許文献１参照）

また、温水暖房装置において、無駄な放熱が少ない効率的な暖房運転を行うために暖房負荷と温水暖房端末器での放熱量とをバランスさせようとしたものを本件出願人が先に出願している。（特許文献２参照）

特開２００６−４６８００号公報（図１、図４） 特願２００７−１７３７５１号

しかし、温水暖房端末器での放熱量を適切にするためには、温水暖房端末器に流入させる二次側暖房循環水の循環流量を知る必要がある。二次側暖房循環水の循環流量を求めるには、二次側循環回路中に流量センサを設けて循環流量を測定するか、二次側循環ポンプの回転数から循環流量を算出するしかなかった。そして、二次側循環回路中に流量センサを設ける場合は、流量センサの分だけコスト高となってしまい、二次側循環ポンプの回転数から循環流量を算出する場合は、温水暖房端末器の種類や数、あるいは温水暖房端末器までの配管状況等、温水暖房装置の設置状況毎に異なる二次側循環回路の圧力損失が判らないと不正確な循環流量を算出してしまうため、温水暖房端末器での放熱量を適切にすることができないものであった。

そこで、本発明は、流量センサを用いることなく、より正確に二次側循環回路の循環流量を算出できるようにすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達するため、ヒートポンプ式加熱手段で加熱した一次側温水を暖房用熱交換器へ循環させて、温水暖房端末器に循環する二次側暖房循環水を加熱するようにしたヒートポンプ式温水暖房装置の二次側暖房循環水の循環流量の算出方法であって、一次側温水の前記ヒートポンプ式加熱手段の出入り口温度差ΔＴｈｐと、一次側温水の前記ヒートポンプ式加熱手段の入水温度Ｔｈｐｉと外気温度Ｔａとから推定されるヒートポンプ加熱能力Ｗと、一次側温水の前記暖房用熱交換器の出入り口温度差ΔＴ１と、二次側暖房循環水の前記暖房用熱交換器の出入り口温度差ΔＴ２と、前記暖房用熱交換器の熱交換効率ηとから二次側暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出するようにした。

また、予め記憶設定されている入水温度Ｔｈｐｉと外気温度Ｔａとに応じたヒーポン加熱能力Ｗのマトリクスマップを用いて、ヒートポンプ加熱能力Ｗを推定するようにした。

また、二次側暖房循環水の流量Ｇ２を算出する際に、二次側暖房循環水の平均温度Ｔ２ａｖを算出し、予め設定記憶されている二次側暖房循環水の平均温度Ｔ２ａｖに応じた特性値Ｃ２の関係を用いて二次側暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出するようにした。

本発明によれば、流量センサを用いることなく、より正確に二次側暖房循環水の流量を算出することが可能となったものである。

次に、本発明の第１の実施形態であるヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置について、図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に接続された給水管、３は貯湯タンク１上部に接続された給湯管、４は貯湯タンク１内の湯水を循環加熱するヒートポンプ式加熱手段、５は貯湯タンク１底部とヒートポンプ式加熱手段４の入水側を接続するＨＰ往き管６とヒートポンプ式加熱手段４の出湯側と貯湯タンク１上部とを接続するＨＰ戻り管７から構成されるヒーポン循環回路である。

８は温水を循環させて暖房を行うための温水暖房端末器、９は貯湯タンク１内の湯またはヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を循環させて温水暖房端末器８を循環する二次側暖房循環水を加熱するための暖房用熱交換器、１０は温水暖房端末器８と暖房用熱交換器９とを暖房循環水を循環させる二次側循環回路、１１は二次側循環回路１０に設けられた二次側循環ポンプである。

１２は暖房用熱交換器９に湯を供給するための熱交往き管１３と暖房用熱交換器９を流出した湯を貯湯タンク１の下部へ戻すための熱交戻り管１４を備えた一次側循環回路、１５は一次側循環回路に設けられた一次側循環ポンプ、１６はＨＰ戻り管７と熱交往き管１１と接続した位置に設けられた分配弁で、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した湯を暖房用熱交換器９と貯湯タンク１とに任意の割合で分流するものである。

１７は暖房用熱交換器９の一次側の入口側に設けられ一次側入口温度Ｔ１ｉを検出する一次側入口温度センサ、１８は一次側の出口側に設けら一次側出口温度Ｔ１ｏを検出する一次側出口温度センサ、１９は二次側の入口側に設けら二次側入口温度Ｔ２ｉを検出する二次側入口温度センサ、２０は二次側の出口側に設けられ二次側出口温度Ｔ２ｏを検出する二次側出口温度センサである。

次に、前記ヒートポンプ式加熱手段４について詳細に説明すると、２１は冷媒を圧縮して高圧にする圧縮機、２２は冷媒と水との間で熱交換させる冷媒−水熱交換器、２３は開度調整可能な電子膨張弁よりなる温度低下した冷媒を減圧する減圧手段、２４は低温低圧の冷媒と空気とを熱交換させて蒸発させる空気熱交換器、２５は空気熱交換器２４に空気を強制的に送る送風機であり、これらによってヒートポンプサイクル２６を構成している。

２７はヒーポン循環回路５の途中に設けられたヒーポン循環ポンプ、２８は外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ、２９は冷媒−水熱交換器２２の水入口側に設けられ入水温度Ｔｈｐｉを検出するヒーポン入水温度センサ、３０は冷媒−水熱交換器２２の水出口側に設けら出湯温度Ｔｈｐｏを検出するヒーポン出湯温度センサである。

そして、３１は貯湯タンク１の側面上下に複数設けられ貯湯タンク１内の貯湯温度を検出する貯湯温度センサ、３２は各センサの検出値が入力されて演算を行い各アクチュエータの作動を制御する制御装置で、試験等によって決められた各種のデータが設定記憶されているものである。

次に、本発明のヒートポンプ式の貯湯式給湯暖房装置の作動について説明する。
まず、深夜時間帯になると、制御装置３２は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ２７を作動し、貯湯タンク１下部から取り出した水を加熱して貯湯タンク１上部へ戻すようにして貯湯運転を行う。このとき、分配弁１６は貯湯タンク１側を全開として沸き上げた温水が全て貯湯タンク１の上部から戻るようにしている。

そして、蛇口（図示せず）が開かれると、給水管２から市水が貯湯タンク１底部に流入し、貯湯タンク１上部から湯が給湯管３を介して蛇口から給湯され給湯運転が行われる。

次に、暖房運転を行う際の作動について説明する。暖房運転の要求があると、制御装置３２は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ２７と一次側循環ポンプ１５を作動させると共に、二次側循環ポンプ１１を作動させる。このとき、分配弁１６は暖房用熱交換器９側を全開とする。これにより、一次側では貯湯タンク１の底部からの低温水がヒートポンプ式加熱手段４で加熱され、加熱された高温水が暖房用熱交換器９へ流通し、温度低下した温水が貯湯タンク１の下部へ戻されると共に、二次側では暖房用熱交換器９で熱交換して加熱された暖房循環水が温水暖房端末器８へ循環して暖房を行い、温度低下した暖房循環水が再度暖房用熱交換器９へ循環する。

暖房負荷よりもヒートポンプ式加熱手段４の加熱能力Ｗが大きい場合は、制御装置３２は、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した高温水を暖房用熱交換器９側と貯湯タンク１側に分配弁１６の分配比率を適切な比率とすることで、暖房用熱交換器９側へ流入する熱量を制御する。ここで、暖房用熱交換器９側へ分配される一次側の温水の比率の値をｄｒとする。

この暖房運転において、暖房負荷と温水暖房端末器での放熱量とをバランスさせるため、温水暖房端末器に流入させる二次側暖房循環水の循環流量を知る必要があるが、以下に説明する方法によって制御装置３２が二次側暖房循環水の循環流量を算出する。

まず、図２のステップ１では、外気温度センサ２８で検出する外気温度Ｔａと、ヒーポン入水温度センサ２９で検出する入水温度Ｔｈｐｉと、予め制御装置３２に記憶されている外気温度Ｔａと入水温度Ｔｈｐｉとに基づいたヒーポン加熱能力Ｗのマトリクスマップ（表１参照）とからヒーポン加熱能力Ｗを決定する。

次に、ステップ２では、二次側入口温度センサ１９で検出する二次側入口温度Ｔ２ｉと二次側出口温度センサ２０で検出する二次側出口温度Ｔ２ｏとから二次側の暖房循環水の平均温度Ｔ２ａｖを算出する。

そして、ステップ３では、予め制御装置３２に記憶されている暖房循環水の温度対特性値Ｃ２の関係（図３参照）から、平均温度Ｔ２ａｖでの特性値Ｃ２を決定する。ここで、暖房循環水の特性値Ｃ２とは、暖房循環水の比熱と密度に基づいた値を示すものである。

そして、ステップ４〜７では、予め設定記憶されている暖房用熱交換器９の熱交換効率ηと予め設定記憶されている下記の数式１によって二次側の暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出する。

ここで、ΔＴ１＝Ｔ１ｏ−Ｔ１ｉ
ΔＴ２＝Ｔ２ｏ−Ｔ２ｉ
ΔＴｈｐ＝Ｔｈｐｏ−Ｔｈｐｉ

このように、本発明のヒートポンプ式温水暖房装置の循環流量算出方法によれば、温水暖房端末器の種類や数、あるいは温水暖房端末器までの配管状況等、温水暖房装置の設置状況毎に異なる二次側循環回路の圧力損失が判らずとも、流量センサを用いることなく、より正確に二次側暖房循環水の流量を算出することが可能となり、暖房端末器での放熱量を適切にすることができ、温度変動や無駄な放熱の少ない効率的な温水暖房を実現できる。

また、ヒートポンプ式加熱手段４の加熱能力Ｗは、外気温度Ｔａと入水温度Ｔｈｐｉに影響されるが、その影響を試験等により予め求め、マトリクスマップとして制御装置３２に設定記憶されているため、外気温度Ｔａや入水温度Ｔｈｐｉが時間の経過によって変化する等、様々な状況においても正確に二次側暖房循環水の流量を算出することが可能となる。

さらに、二次側暖房循環水として不凍液を用いた場合、その温度変化に応じて比熱と密度が大きく変化するが、使用する不凍液の温度に応じた比熱と密度の積である特性値Ｃ２の関係が制御装置３２に設定記憶されているため、不凍液の温度変化を考慮して、より正確な二次側暖房循環水の流量を算出することが可能となる。

なお、ここで、制御装置３２には、温水暖房装置で実際に使用している不凍液の濃度を設定する手段（図示せず）が接続され、制御装置３２は設定された濃度に応じて特性値Ｃ２を補正するようにしてもよい。これによって不凍液の濃度が異なっていても、より正確に二次側暖房循環水の流量を算出することが可能となる。不凍液の濃度を設定する手段としては、制御装置３２の回路基板上にＤＩＰスイッチを設けたり、リモコンでの特定の操作で設定可能とするような構成が例として挙げられる。

本発明の一実施形態の温水暖房装置のシステム図。 本発明の算出方法を説明する図。 二次側暖房循環水の温度対特性図。

符号の説明

４ ヒートポンプ式加熱手段
８ 温水暖房端末器
９ 暖房用熱交換器

Claims (3)

1. ヒートポンプ式加熱手段で加熱した一次側温水を暖房用熱交換器へ循環させて、温水暖房端末器に循環する二次側暖房循環水を加熱するようにしたヒートポンプ式温水暖房装置の二次側暖房循環水の循環流量の算出方法であって、一次側温水の前記ヒートポンプ式加熱手段の出入り口温度差ΔＴｈｐと、一次側温水の前記ヒートポンプ式加熱手段の入水温度Ｔｈｐｉと外気温度Ｔａとから推定されるヒートポンプ加熱能力Ｗと、一次側温水の前記暖房用熱交換器の出入り口温度差ΔＴ１と、二次側暖房循環水の前記暖房用熱交換器の出入り口温度差ΔＴ２と、前記暖房用熱交換器の熱交換効率ηとから二次側暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式温水暖房装置の循環流量算出方法。
2. 予め記憶設定されている入水温度Ｔｈｐｉと外気温度Ｔａとに応じたヒーポン加熱能力Ｗのマトリクスマップを用いて、ヒートポンプ加熱能力Ｗを推定するようにしたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式温水暖房装置の循環流量算出方法。
3. 二次側暖房循環水の流量Ｇ２を算出する際に、二次側暖房循環水の平均温度Ｔ２ａｖを算出し、予め設定記憶されている二次側暖房循環水の平均温度Ｔ２ａｖに応じた特性値Ｃ２の関係を用いて二次側暖房循環水の循環流量Ｇ２を算出するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式温水暖房装置の循環流量算出方法。

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