JP2012159253A - 加温システム - Google Patents

Abstract

【課題】
加温する負荷の大きさに応じて最適な加熱能力を備えたヒートポンプ式熱源機を準備しなければならず、機種数が多くなってしまい、製造や流通が非効率的になるという問題が生じる。
【解決手段】
水配管によって負荷と複数台のヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクル中の水―冷媒熱交換器を直列に接続し、各ヒートポンプ式熱源機は、水―冷媒熱交換器の入口側の水温と停止温度とを比較して冷凍サイクルの運転／停止を制御する運転制御手段と、水―冷媒熱交換器の出口側の水温と目標温度とを比較して冷凍サイクルによる加熱量を制御する加熱量制御手段とを備え、上流側のヒートポンプ式熱源機の目標温度を、下流側のヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルの停止温度以上に設定した加温システム。
【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、ヒートポンプ式冷凍サイクルを用いて温水を発生させるヒートポンプ式熱源機を複数台用いた加温システムに関する。

床暖房、ファンコイルユニット等の負荷に対して温水を供給して暖房等の加温を行なう加温システムにおいて、水を加熱する手段として外気等の空気を熱源としたヒートポンプ式熱源機を用いることが考えられている。 このようなヒートポンプ式熱源機では、水を加熱するための熱量が負荷の要求する熱量以上である必要がある。したがって、負荷の放熱量に応じて最適能力（加熱熱量）のヒートポンプ式熱源機を選定する必要がある。 加熱熱量は設置先や負荷の種類等によって異なるため、それぞれの負荷に見合った加熱能力を備えたヒートポンプ式熱源機の種類を準備しなければならない。
また、加熱能力を大きくするために複数の冷凍サイクルを備え、各冷凍サイクルの加熱出力となる水熱交換器を直列に接続して大能力化を図ったヒートポンプ式熱源機も考えられている。（特許文献１参照）

特開２００８−１７５４７６号公報

しかしながら、負荷に応じて最適な加熱能力を備えたヒートポンプ式熱源機を準備した場合、機種数が多くなってしまい、製造や流通が非効率的になるという問題が生じる。

本発明の実施形態によれば、加温システムは、水配管によって負荷に複数台のヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクル中の水―冷媒熱交換器を直列に接続する。
各ヒートポンプ式熱源機は、水―冷媒熱交換器の入口側の水温を検出する入口温度センサと、水―冷媒熱交換器の出口側の水温を検出する出口温度センサと、入口温度センサによって検出した入口水温と停止温度とを比較してヒートポンプ冷凍サイクルの運転／停止を制御する運転制御手段と、出口温度センサによって検出した出口水温と目標温度とを比較してヒートポンプ冷凍サイクルによる加熱量を制御する加熱量制御手段とを備える。 加温システムは、直列接続されたヒートポンプ式熱源機中の上流側のヒートポンプ式熱源機の目標温度を、下流側のヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルの停止温度以上に設定する。

本発明の実施形態に係る加温システムの構成図。 同加温システムに使用されるヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクルと制御ブロック図。 同ヒートポンプ式熱源機の制御フローチャート。 同ヒートポンプ式熱源機の各部の温度変化と冷凍サイクルの運転状態を示すグラフ。

本発明の実施形態について、図１乃至図４を用いて説明する。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ式熱源機およびこのヒートポンプ式熱源機を用いた加温システム１の構成を図１に示す。

加温システム１では、床暖房、ファンコイルユニット等の負荷４に水配管５から供給される温水が流通する。負荷４では、この温水の熱が放熱され所定の暖房や加温が行われる。水配管５は途中にポンプ３が設けられ、このポンプ３が動作することで水配管５内の水が流通するようになっている。水配管５途中には複数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）が直列に設けられている。水配管５は負荷４とポンプ３、複数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の各水―冷媒熱交換器(図２中の２６)を直列に接続した閉回路を構成している。ポンプ３を運転することで、水配管５内の水が負荷４、直列接続された複数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）間を循環する。このように熱を搬送する水は閉回路になっている。
なお、図１では最終段のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）と負荷４との間にポンプ３を配置しているが、ポンプ３の設置位置は水配管５途中のどこに設けても良い。

以下、水配管５に対して直列接続されたヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）において任意のヒートポンプ式熱源機をヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）とし、このヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）に隣接し、水配管５に流れる水の方向を基準として下流側のヒートポンプ式熱源機をヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）で表す。
ポンプ３の運転によって、負荷４から流出した低温水は、複数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）を直列に流れる。ここで、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）が運転されれば、水配管５内の水が所望の温度になるまで各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）で順次加熱され、この加熱された水（湯）が、再び負荷４に戻る。この結果、負荷４には温水が供給され、その熱を放熱して、暖房または加温が実行される。

図２に示す各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）は、いずれも同一構成となっており、１つのヒートポンプ式冷凍サイクルとその冷凍サイクルを制御する制御装置とから構成される。ヒートポンプ式冷凍サイクルは、インバータ装置２３で可変速駆動される圧縮機２４、冷媒の流通方向を変更する四方弁２５、水―冷媒熱交換器２６、膨張弁２７、熱源側熱交換器２８、再び四方弁２を通過して圧縮機２４へと戻るように順次冷媒配管を接続することで構成された一般的な冷凍サイクルとなっている。

熱源側熱交換器２８は、例えば、フィンドチューブタイプの空気熱交換器であり、この熱交換器に通風するためのプロペラファン２９が設けられている。
なお、四方弁２５は熱源側熱交換器２８の表面に空気中の水分が凝縮してできる着霜を溶かす除霜運転のために設けられるが、着霜しない高温の雰囲気条件下で熱源側熱交換器２８が使用されるのであれば、四方弁２５は不要となる。

冷凍サイクルが運転されると圧縮機２４で冷媒が圧縮され、吐出された高温高圧冷媒が四方弁２５を経由して水―冷媒熱交換器２６に流れる。水―冷媒熱交換器２６では水配管５を流れる水と冷凍サイクル中の高温高圧冷媒が熱交換し、水が加熱される。

各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の冷凍サイクルの冷媒として、本実施の形態ではＨＦＣ冷媒であるＲ４１０Ａを用いているが、適切な他の冷媒を用いてもよい。

ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）は、負荷４が必要とする最大加熱量すなわち負荷４での最大放熱量に対し、少なくとも各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の最大加熱能力の合計が大きくなるように選定される。 望ましくは、負荷４の予想される最大放熱量が、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ−１）の最大加熱能力を合計した合計最大加熱能力と略同じとし、最下流にあるヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）の加熱能力が余るように設定する。

例えば、負荷４が必要とする最大加熱能力が７Ｋｗであれば、最大加熱能力が５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機が２台（合計最大加熱能１０Ｋｗ）を水配管５に対して直列接続して用いられる。
また、各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）は全く同一でなくとも、各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の加熱能力を異ならせても良い。例えば、加熱能力が５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機と２．５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機を組み合わせることも可能である。
負荷４が必要とする最大加熱能力が７Ｋｗの場合の組み合わせとして、水配管５中の水の流れに対して上流側から５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機を１台と２．５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機２台を直列に接続（合計最大加熱能１０Ｋｗ）すればよい。この組み合わせであれば、上流側の５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機を１台とその下流側の２．５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機１台で、負荷４の最大加熱能力である７Ｋｗを超えた７．５Ｋｗとなり、最下流の２．５Ｋｗのヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）は余裕分となる。

次に、図２に従ってヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の制御装置について説明する。 圧縮機２４を駆動するインバータ装置２３とプロペラファン２９を駆動するファンモータ３０は、制御手段である制御器２１によって制御される。 制御器２１は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路から構成される。制御器２１には、その入力側に水―冷媒熱交換器２６の入口側の水配管５の温度（以下、入口水温Ｔｉｎ（ｉ）という。）を検出する入口温度センサ３２と水―冷媒熱交換器２６の出口側の水配管５の温度（以下、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）という。）を検出する出口温度センサ３１が入力される。さらに、制御器２１には、使用者が設定操作可能な操作手段である操作器２２が接続されている。 制御器２１には、これらのセンサ３１、３２の検出温度および操作器２２の設定内容が入力され、これらのデータに基づき圧縮機２４やファンモータ３０の回転数を決定し、制御する。

さらに、熱源側熱交換器２８の加熱運転時の冷媒出口配管近傍には熱交温度センサ３３が設けられ、冷媒温度（Ｔｅ）を検出する。また熱源側熱交換器２８の熱交換用空気流入側には熱交換用の空気温度（Ｔｏ）を検出する温度センサ３４が設けられている。これらのセンサ３３，３４も制御器２１に接続され、制御器２１は、検出した各温度Ｔｅ、Ｔｏを読み取る。 これらのセンサ３３，３４の検出温度は、熱源側熱交換器２８の着霜状態の検出に用いられる。制御器２１は、各温度Ｔｅ、Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその差の時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行なう。なお、上述したように除霜運転が必要なければ、これらのセンサ３３，３４は不要となる。

操作手段として機能する操作器２２は、図２にその外観を示すように、表面に２種類のアップ／ダウン操作ボタン２２ａ、２２ｂ及びヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の運転／停止を指示する運転／停止釦２２ｃが設けられている。第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａは、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）を設定するための操作釦で、入口温度センサ３２の検出する入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）を超えると圧縮機２４及びファンモータ３０を停止する。 この第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａの上部には表示手段である第１液晶表示部２２ｄが設けられており、第１アップ／ダウン操作ボタン２２ａによって設定された停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）がデジタル値で表示される。

一方、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂは、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の出湯温度を設定するための釦で、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）から出力される温水(出口水温)の目標温度Ｔｓ（ｉ）を設定するためのものである。 第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂの上部にも表示手段である第２液晶表示部２２ｅが設けられており、第２アップ／ダウン操作ボタン２２ｂによって設定された目標温度Ｔｓ（ｉ）がデジタル値で表示される。このように、操作器２２は、使用者が、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）と温水の目標温度Ｔｓ（ｉ）を独立して設定可能になっている。

制御器２１は、操作器２２により設定された停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）と目標温度Ｔｓ（ｉ）を読み込むとともに入口温度センサ３２の検出する入口水温Ｔｉｎ（ｉ）と出口温度センサ３１が検出する出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）、冷媒温度Ｔｅ、空気温度Ｔｏを読み込む。 制御器２１は、これらのデータ等を用いてヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）を制御するための以下の手段を有している。
（１） 入口水温Ｔｉｎ（ｉ）と停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）を比較し、その結果に応じてヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の冷凍サイクルの運転／停止を制御する運転制御手段。
（２） ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の運転中、目標温度Ｔｓ（ｉ）と出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）との差ΔＴ（ｉ）に応じてインバータ装置２３の出力周波数ｆ（ｉ）を変化させ、圧縮機２４の回転数を制御してヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱量を制御する加熱量制御手段。
（３） 熱源側熱交換器２８の冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその差の時間変化に基づき着霜状態を検出し、その着霜量が除霜に必要な量に到達したか否かを判断し、除霜が必要と判断した場合、除霜運転を行う除霜運転手段。

操作器２２での設定内容に基づくヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の運転動作を、図３の制御器２１の制御フローチャートに基づき説明する。
制御器２１は、運転／停止釦２２ｃにおいて運転が設定されている間は、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）を運転するために操作器２２に設定された停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）、目標温度Ｔｓ（ｉ）を読み込むと共に各種温度センサの検出値である入口水温Ｔｉｎ（ｉ）、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）、冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏを読み込む（ステップＳＴ０）。なお、運転／停止釦２２ｃにおいて停止が設定されていれば、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の運転を停止する。

ステップＳＴ０に続いて、入口水温Ｔｉｎ（ｉ）と停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）を比較し（ステップＳＴ１）、Ｔｉｎ（ｉ）＞Ｔｏｆｆ（ｉ）となった場合（ステップＳＴ１のＹｅｓ）は、負荷４での放熱が少なく、加熱の必要がないと判断されるため、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の冷凍サイクルの運転を停止、すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を停止させる（ステップＳＴ２）。ステップＳＴ２で冷凍サイクルを停止させた後は、再び最初のステップＳＴ１に戻り、入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）未満に低下するまでは停止状態を継続する。

一方、ステップＳＴ１において、入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）未満に低下している場合（ステップＳＴ１のＮｏ）には、負荷４に供給する水の温度が低下しているため、加熱が必要と判断されるため、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の冷凍サイクルを運転する。すなわち、圧縮機２４、ファンモータ３０を運転させる（ステップＳＴ３〜５）。

具体的には、圧縮機２４を運転するインバータ装置２３の出力周波数ｆ（ｉ）をステップＳＴ３、４で決定して、この周波数出力ｆ（ｉ）をインバータ装置２３から圧縮機２４に対して出力させるとともにファンモータ３０が所定の回転数となるように運転する。 まず、ステップＳＴ３では、温度差ΔＴ（ｉ）を操作器２２により設定された目標温度Ｔｓ（ｉ）から出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）を減算して算出する。続いてステップＳＴ４にてこの温度差ΔＴ（ｉ）とその時間変化割合に基づきインバータ装置２３の出力周波数ｆ（ｉ）を算出する。この出力周波数ｆ（ｉ）の算出は、例えばＰＩ制御等により、温度差ΔＴ（ｉ）に比例して出力周波数ｆ（ｉ）を制御することで、加熱量を制御するために行なわれる。そして、算出された出力周波数ｆ（ｉ）となるように次のステップＳＴ５でインバータ装置２３を制御する。

この結果、目標温度Ｔｓ（ｉ）と出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）との差ΔＴ（ｉ）が大きければ出力周波数ｆ（ｉ）が大きくなって圧縮機２４の回転数が増加し、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱能力を増大させ、差ΔＴ（ｉ）が小さければ出力周波数ｆ（ｉ）が小さくなって圧縮機２４の回転数が低下し、ヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱能力を減少させる。

ステップＳＴ５に続き、除霜運転の要否の判定が行われる。まず、冷媒温度Ｔｅと空気温度Ｔｏとの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその時間変化が算出される（ステップＳＴ６）。算出されたデータが、予め定められた除霜必要条件に合致するか否かが判定される(ステップＳＴ７)。ここで、除霜が必要と判断されると冷凍サイクルの除霜運転が実行される（ステップＳＴ８）。除霜運転中は除霜運転が完了したか否かが判断され(ステップＳＴ９)、完了するまで（ステップＳＴ９のＮＯ）除霜運転が継続され、完了すれば（ステップＳＴ９のＹＥＳ）、再びステップＳＴ１に戻り、加熱運転に復帰する。なお、除霜完了の判断は、例えば、除霜運転の時間（７分間）や冷媒温度Ｔｅの上昇等が用いられる。
一方、ステップＳＴ７において除霜が不要と判断された場合（ステップＳＴ７のＮｏ）は、ステップＳＴ０に戻り、再び各ステップを繰り返す。

ここで、図２に戻り、冷凍サイクルの動作を説明する。 加熱運転中は、図２に示す冷凍サイクルの配管の横に記載された実線矢印の方向に冷媒が流れる。 まず圧縮機２４が運転されると、圧縮され高温・高圧となった冷媒は、四方弁２５を通過して水―冷媒熱交換器２６へと流入する。水―冷媒熱交換器２６は、凝縮器として機能し、冷媒の熱を水配管５中を流れる水に供給し、水を加熱し、冷媒自身は凝縮して液冷媒となる。この液冷媒は、膨張弁２７を通過する際に膨張して低圧・低温となり、蒸発器として機能する熱源側熱交換器２８へと流入する。熱源側熱交換器２８内で、冷媒は、プロペラファン２９によって送風される空気と熱交換し、空気中の熱を奪い、ガス冷媒へと蒸発し、四方弁２５を通って圧縮機２４へと戻り、これを繰り返す。

熱源側熱交換器２８を室外に設置している場合、冬季には、吸熱する熱源側熱交換器２８の表面に結露した水が凍結し、霜に成長することがある。この着霜を放置すると熱源側熱交換器２８が空気と熱交換できなくなるため、適宜、除霜運転が必要となる。冷媒温度Ｔｅと熱交換用の空気温度Ｔｏの差（Ｔｏ−Ｔｅ）及びその差の時間変化に基づき除霜運転が必要と判断された場合、制御器２１は、四方弁２５を反転させ、冷媒の流れを逆方向へ移行させるとともにインバータ装置２３の出力周波数ｆ（ｉ）を制御して圧縮機２４を除霜用の回転数に固定し、ファンモータ３０の運転を停止させる。

この結果、除霜運転中は、圧縮機２４から吐出された冷媒は、図２中破線矢印の方向に流れ、四方弁２５を通過し、熱源側熱交換器２８へと流れ、ここで放熱する。熱源側熱交換器２８の表面に付着した霜は、内部を流れる高温の冷媒によって溶かされる。その後、冷媒は膨張弁２７、水―冷媒熱交換器２６を経て四方弁を経由して圧縮機２４へと戻る。この際、水―冷媒熱交換器２６では、加熱運転ができず、逆に吸熱が行なわれるため、水配管５を流れる水の温度を低下させてしまうことになる。このため、除霜運転は極力短時間で完了することが望ましい。除霜運転が完了すると制御器２１は、四方弁２５を元の位置に戻し、再び上述した加熱運転が再開される。

本実施の形態は、使用者がヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の操作器２２を操作して停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ）及び温水の目標温度Ｔｓ（ｉ）のそれぞれを独立して設定することができるようにしているため、きわめて容易にヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の複数台の直列接続設置が可能となる。

図１に示すように加温システム１では、複数台の独立した、すなわち、統合的に制御する制御装置を備えない、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が水配管５を通じて負荷４に対して直列接続される。ここで、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）は、その合計最大加熱能力が、負荷４の予想される最大放熱量を超えるものが選定されている。すなわち、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の各最大加熱能力を合計した合計最大加熱能力が、負荷４の最大放熱量より大きい。

使用者はヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）及び、その下流に設置されたヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の各々の操作器２２を操作して、水配管５内の水の流れ方向を基準に上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の水―冷媒熱交換器２６出口の温水の目標温度Ｔｓ（ｉ）をその下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）以上に設定する。すなわち、Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）≦Ｔｓ（ｉ）とする。このような温度設定を行なうことで両方のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）を効率よく運転させることが可能となる。例えば、各温度の設定値をＴｓ（ｉ）＝４７℃＞Ｔｏｆｆ（ｉ）＝４５℃、Ｔｓ（ｉ＋１）＝４７℃＞Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃とする。なお、この実施の形態においては、Ｔｓ（ｉ）＝Ｔｓ（ｉ＋１）としたが、Ｔｓ（ｉ）≦Ｔｓ（ｉ＋１）であれば、良い。

ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）及びヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）に対して、上記設定を行なった場合の加温システム１の動作を図４に基づき説明する。なお、図４の各部の温度変化を示す上段のグラフにおいて、太い実線がヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）（＝Ｔｉｎ（ｉ））を、一点鎖線が、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ＋１）を、細い実線がヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ）を表している。
ここで、図４中、ｔ０〜ｔ１の区間のようにヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜（ｎ）の合計加熱能力よりも負荷４の放熱量が少ない状態では、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｉ）によって水が十分な温度にまで昇温できるため、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）は、目標温度Ｔｓ（ｉ）の４７℃近くに維持されている。このため、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）は、入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１）が停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃を超えているため、冷凍サイクルの運転を停止している。

ここで、負荷４の放熱量が増加し、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が低下すると、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱量が不足し出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ） も低下してくる。ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）では、温度差ΔＴ（ｉ）（Ｔｓ（ｉ）−Ｔｏｕｔ（ｉ））が大きくなることでインバータ装置２３の出力周波数ｆ（ｉ）を増加させ、加熱能力を増加させ、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）を上昇させようとするが、それでも加熱能力が不足し、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）が下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１）が停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃よりも低下する図４中ｔ１時点でヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の冷凍サイクルが運転を開始する。

すなわち、負荷４の放熱量が大きい状態においては、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）及び下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の両方の加熱運転が行われる。結果的に、複数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）〜ＨＳ（ｉ＋１）が分散して加熱運転を行うことになる。このため、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の出口水温Ｔｕｏｔ（ｉ＋１）は、負荷４の放熱量の変動に伴って大きく低下することなく４７℃近くを維持できる。
なお、図４に示すようにヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の出口配管とヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の入口配管は水配管５によって直接接続されているため、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）とヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１）はほぼ同じとなる。

再び、負荷４の放熱量が減少すると、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が上昇し、これに伴って上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱能力で十分に水を加熱できるようになり、図４中ｔ２時点で出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）が４６℃を超えると、Ｔｉｎ（ｉ＋１）が４６℃を超え、Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃以上となる。この時点で、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）が加熱運転を停止（ＯＦＦ）し、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）のみが加熱運転を継続する。 なお、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）が加熱運転を停止（ＯＦＦ）に伴い、加温システム１全体の加熱能力が減少するため、水配管５中を循環する水の温度が若干低下する。この水温低下がヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）の低下に至れば、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）では、目標温度Ｔｓ（ｉ）と出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）との差ΔＴ（ｉ）が大きくなり、出力周波数ｆ（ｉ）を大きくしてヒートポンプ熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱能力を増大させ、自動的に水温低下を補う運転が実行される。

このように負荷４の放熱量が小さい場合に、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜（ｎ）によって分散して加熱すると個々のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜（ｎ）における加熱量が小さくなりすぎて個々の熱源機の効率が低下する。そこで、負荷４の放熱量が減少した場合は、一部のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）を停止させ、少ない台数のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱能力を制御して運転することで１台当たりの加熱量を大きくすることができ、加温システム１の総合効率を向上させることができる。

ここで、図４中ｔ３時点で、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）では、その長時間の運転に伴い除霜運転が開始されている。除霜運転中は、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の水−冷媒熱交換器２６が低温となる。このため、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）が急激に低下し、その入口水温Ｔｉｎ（ｉ）以下まで低下していく。すなわち、本来加熱すべき水配管５中の水から熱を奪う。この出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）の低下に伴い、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の入水温度Ｔｉｎ（ｉ＋１）が、その停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃よりも低下した時点で、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の冷凍サイクル運転が開始される（図４中のｔ４点）。

ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の冷凍サイクル運転開始に伴い、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ＋１）は、上昇を始める。この結果、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ＋１）は極端に低下することなく、高い温度を維持できる。このように、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が除霜運転を行なうと停止していた下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）がバックアップ運転を行い、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ＋１）の低下が防止できる（図４中のｔ４〜ｔ５区間）。
ここで、最下流のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）が除霜運転に入った場合、低い出口水温Ｔｏｕｔ（ｎ）の水が負荷４に流れることになってしまうが、本実施の形態の加温システム１では上流側のヒートポンプ式熱源機ほど運転頻度(時間)が多く、下流側に行くほど運転頻度(時間)が少なくなる。このため、最下流のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）が除霜運転に入る状況は、極めて稀であり、その可能性は極めて低い。したがって、ほぼ常に最終段のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）の出口水温Ｔｏｕｔ（ｎ）である負荷４への供給水の温度は、負荷４の要求する温度を維持することができる。

また、負荷４の予想される最大放熱量が、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ−１）の最大加熱能力を合計した合計最大加熱能力と略同じとし、最下流にあるヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）の加熱能力が余るように設定しておけば、最下流のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）は、通常状態では運転することがなく、負荷４の放熱量が大きい状態において上流側のいずれかのヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ−１）が除霜運転に入った場合のみ加熱運転をすることになり、完全なバックアップ運転用となる。接続されているヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ−１）のうちの複数のヒートポンプ式熱源機が同時に除霜運転に入る可能性は極めて少ない。この結果、最下流にあるヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｎ）の加熱能力が余る設定であれば、負荷４への供給水の温度は、常に負荷４の要求する温度を維持することができる。

さらに、万が一いずれかのヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）が故障し、冷凍サイクル運転ができなくなった場合にも、上述したようにヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）のいずれかが除霜運転に入った場合と同様に、残りのヒートポンプ式熱源機でバックアップ運転して、供給水の温度は、負荷４の要求する温度を維持することができ、信頼性の高い加温システム１を構築できる。

再び、図４の戻り説明する。図中、ｔ５時点にてヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の除霜運転が終了し、加熱運転に復帰する。この復帰に伴い、出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）（＝入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１））は急激に上昇し、ｔ６時点において入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１）が、停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）を超えるため、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の加熱運転は終了し、冷凍サイクルが停止する。ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の加熱運転が停止すると出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ＋１）は出口水温Ｔｏｕｔ（ｉ）及び入口水温Ｔｉｎ（ｉ＋１）と略同じになる。この時点では、すでにヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱運転により十分に高温の４６℃の温水が供給されている。

図４中、ｔ６〜ｔ７の区間ではｔ０〜ｔ１区間と同様にヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱運転だけが行われ、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の加熱運転は停止した状態である。ここで、負荷４の放熱量が減少し、水配管５からヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）に流入する水温が上昇して、入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が停止温度Ｔｓ（ｉ）＝４５℃を超える値まで上昇すると、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）も停止する（区間ｔ７〜）。

以上の通り、本実施の形態によれば、温水を供給する負荷４の放熱量が大きい時には、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が同時に加熱運転を行なう分散加熱運転が実行され、負荷４の放熱量が小さい時には複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）のうち下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）から停止し、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）のみで加熱運転が行なわれることになり、負荷の状況に合致した総合効率の高い運転が可能な加温システム１を得ることができる。 また、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が除霜運転に入った場合には、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の加熱運転を行うことで所定の出湯温度を維持できる。そして、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の運転頻度は、上流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）よりも少なくなるため、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が除霜運転に入る頻度を少なくすることができ、下流側のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が除霜運転に入り、出湯温度を低下させる頻度を少なくできる。

さらに、このような加温システム１を構築するにあたり、各ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）で検出される情報のすべてを統合して制御する集中管理装置を設けることなく、独立した個々のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の操作器２２を用いて設置場所（順序）に基づき各温度設定を行なうだけでよい。このため、標準的となるヒートポンプ式熱源機ＨＳを準備するだけで放熱量の異なる負荷４に対しても良好な加熱運転が可能となる。また、下流側の

なお、本実施の形態の加温システム1では、複数台のヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜（ｎ）において、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の温水の目標温度Ｔｓ（ｉ）をその下流に設置されたヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の停止温度Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）以上に設定（Ｔｓ（ｉ）≧Ｔｏｆｆ（ｉ＋１））したが、負荷４の放熱量が大きく、水配管５に直列接続されるヒートポンプ式熱源機ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）の台数が多数に上る場合には、これを水配管５に対する上流と下流で複数の群(グループ)に分け、上流群内のヒートポンプ式熱源機の温水の目標温度Ｔｓを同じ値にするとともに、この目標温度Ｔｓを下流群のヒートポンプ式熱源機の停止温度Ｔｏｆｆ以上に設定するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）とその下流に設置されたヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）の各温度の設定値をＴｓ（ｉ）＝４７℃＞Ｔｏｆｆ（ｉ）＝４５℃、Ｔｓ（ｉ＋１）＝４７℃＞Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃としている。ここで、Ｔｏｆｆ（ｉ）＝４５℃＜Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）＝４６℃に設定しているため、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）の入口水温Ｔｉｎ（ｉ）が４５℃と４６℃の間にある場合、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が停止し、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）のみが運転することになる。このような状態はそれほど発生頻度は多くないと思われるが、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）を完全にヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）のバックアップ用、すなわち、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が除霜運転や故障で運転を停止している時以外は、ヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ）が運転している期間内でしかヒートポンプ式熱源機ＨＳ（ｉ＋１）運転しないようにするには、Ｔｏｆｆ（ｉ）≧Ｔｏｆｆ（ｉ＋１）、例えば、両方とも４５℃等に設定すれば良い。

本発明は、上記実施形態に限定されない。さらに、本発明の実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、本発明の実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…加温システム、ＨＳ（１）〜ＨＳ（ｎ）…ヒートポンプ熱源機、３…ポンプ、４…負荷、５…水配管、２２…操作器、２１…制御器、２３…インバータ装置、２４…圧縮機、２６…水―冷媒熱交換器、２８…熱源側熱交換器、２９…プロペラファン、３０…ファンモータ、３１…出口温度センサ、３２…入口温度センサ

Claims (2)

1. 水配管によって負荷と複数台のヒートポンプ式熱源機の冷凍サイクル中の水―冷媒熱交換器を直列に接続し、
   各ヒートポンプ式熱源機は、前記水―冷媒熱交換器の入口側の水温を検出する入口温度センサと、前記水―冷媒熱交換器の出口側の水温を検出する出口温度センサと、前記入口温度センサによって検出した入口水温と停止温度とを比較して冷凍サイクルの運転／停止を制御する運転制御手段と、前記出口温度センサによって検出した出口水温と目標温度とを比較して冷凍サイクルによる加熱量を制御する加熱量制御手段とを備え、
   前記水―冷媒熱交換器が直列接続された前記ヒートポンプ式熱源機中の上流側の前記ヒートポンプ式熱源機の前記目標温度を、下流側の前記ヒートポンプ式熱源機の前記停止温度以上に設定したことを特徴とする加温システム。
2. 前記複数台のヒートポンプ式熱源機は、その合計最大加熱能力が、負荷の最大放熱量より大きいことを特徴とする請求項１記載の加温システム。

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