JP7142314B2 - ハイブリッドチラーシステム - Google Patents
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Description
このような空気調和装置として、従来、例えば、能力の高い圧縮機、四方弁、室外熱交換器を備えた第二の室外ユニットと、能力の低い圧縮機、四方弁、室外熱交換器を備えた第一の室外ユニットと、これらの室外ユニットに1つの冷媒系統により接続された室内ユニットと、を備えた空気調和装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
これに対して、近年、GHP室外ユニットとEHP室外ユニットとを水熱交換器に接続して、この水熱交換器により冷媒と熱交換し、冷温水を作り出すチラーシステムが望まれている。
そして、チラーシステムを構築した場合、空気熱交換空調システムのように熱交換容積が大きくなく、冷媒配管が比較的短いため、冷媒の溜まり込みや冷媒の偏りなどの問題が発生するおそれがある。
本発明は、前記した点に鑑みてなされたものであり、チラーシステムを構築することができ、チラーシステムにおける冷媒の溜まり込みなどを防止することのできるハイブリッドチラーシステムを提供することを目的とする。
これによれば、GHP室外ユニットおよびEHP室外ユニットを用いて、水熱交換器により冷温水と熱交換を行うチラーシステムを構築することができる。
これによれば、GHP室外ユニットおよびEHP室外ユニットを用いて、水熱交換器により冷温水と熱交換を行うチラーシステムを構築することができる。
これによれば、コントローラ制御部からの制御指示信号に基づいて、GHP制御部によりGHP室外ユニットを制御することができるとともに、EHP制御部によりEHP室外ユニットを制御することができる。
これによれば、チラー空調を行い、かつ、暖房運転を行っている場合に、GHP制御部は、GHP室外ユニットのガスエンジンの回転を下げる制御を行わないように制御することで、水熱交換器における水温変動を小さくすることができ、安定した運転を行うことができる。
これによれば、チラー空調を行う場合であって暖房運転を行っている場合に、冷媒の吐出温度のしきい値が低くなるように設定することにより、電動弁の開度が早めに開く傾向となるように制御することができる。そして、電動弁の開度を早めに開くように制御することで、高圧の上昇や液封を防止することができる。
これによれば、EHP制御部により、EHP室外ユニットの上限馬力を引き上げるように制御することで、冷媒の寝込みを防止して、GHP室外ユニットのガス欠の発生を防止することができる。
これによれば、EHP制御部により、EHP室外ユニットを起動するように制御し、EHP室外ユニットが起動するまでの間、GHP制御部は、GHP室外ユニットのオイル戻し弁を開くとともに、EHP制御部は、高圧冷媒用電磁弁を開くように制御し、EHP室外ユニットが起動した後は、GHP室外ユニットのガスエンジンの回転を抑制するように制御することで、GHP室外ユニットとEHP室外ユニットとの冷媒圧バランスを確保することができ、EHP室外ユニットに寝込んでいる冷媒をGHP室外ユニットに供給することができ、GHP室外ユニットのガス欠を解消することができる。
これによれば、水熱交換器の入口側温度と出口側温度との差温が大きい場合は、ガスガスエンジンの回転数を高める制御を抑制するように制御することで、冷房運転時に水熱交換器の温度が極端に低下することを防止することができる。その結果、EHP室外ユニットが停止状態から起動する制御の遅延を防止することができ、GHP室外ユニットのガス欠の発生を防止することができる。
図1は、本発明に係るハイブリッドチラーシステムを適用した空気調和装置の実施の形態を示す構成図である。
図1に示すように、空気調和装置1は、能力の高い圧縮機としてのガスエンジン12で駆動されるGHP圧縮機13を備えたGHP室外ユニット2と、能力の低い圧縮機としての商用電源で駆動されるEHP圧縮機62を備えたEHP室外ユニット3と、水熱交換器8とを備えている。GHP室外ユニット2、EHP室外ユニット3および水熱交換器8とは、ユニット間配管5およびオイルバランス配管6を介して接続され、これにより、空調運転を行うための冷凍サイクル回路が構成されている。
GHP室外ユニット2には、ガスエンジン12と、ガスエンジン12の駆動力により冷媒を圧縮するGHP圧縮機13とが設けられている。GHP圧縮機13は、並列に設けられる第1のGHP圧縮機13aおよび第2のGHP圧縮機13bから構成されている。
ガスエンジン12の出力軸と、GHP圧縮機13の従動軸との間には、駆動ベルト14が掛け渡されており、ガスエンジン12の駆動力を駆動ベルト14を介して伝達することで、GHP圧縮機13を駆動するように構成されている。
また、他方の外部接続バルブ10bには、冷媒配管20が接続されており、この冷媒配管20は、途中四方弁16およびアキュムレータ19を介してGHP圧縮機13の吸込側に接続されている。
また、GHP圧縮機13の吸込側と冷媒配管20との間には、GHP圧縮機13の吸込側と冷媒配管20とを接続する熱交換冷媒配管23が接続されており、この熱交換冷媒配管23には、電動弁26が設けられている。熱交換冷媒配管23の電動弁26とGHP圧縮機13の吸込側との間には、プレート型熱交換器27が設けられている。
バイパス管28には、バイパス管28の流量を調整するバイパス弁29が設けられている。バイパス弁29は、段階的に開閉可能な電動弁である。
第1の戻し管31は、キャピラリチューブ32を備えている。
第2の戻し管36は、キャピラリチューブ32をバイパスするように第1の戻し管31に接続されており、第2の戻し管36の一端は、第1の戻し管31におけるキャピラリチューブ32の上流側に接続され、第2の戻し管36の他端は、第1の戻し管31におけるキャピラリチューブ32の下流側に接続される。
第2の戻し管36は、キャピラリチューブ33と、キャピラリチューブ33の下流に設けられるオイル戻し弁34とを備えている。
水熱交換器8には、冷温水配管が接続されており、水熱交換器8において、GHP室外ユニット2から送られる冷媒と、冷温水配管を流れる冷温水と熱交換するように構成されている。
水熱交換器8に接続された冷温水配管9は、図示しない室内ユニットに接続され、室内ユニットに冷温水を供給することができように構成されている。
すなわち、本実施の形態の空気調和装置1は、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3によるいわゆるハイブリッドの室外ユニットを備えるとともに、これらGHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3を用いてチラーシステムにより空気調和を行うハイブリッドチラーシステムによる空気調和装置とされている。
また、水熱交換器8に接続される冷媒配管には、冷媒の入口側温度を検出する入口温度センサ120および冷媒の出口側温度を検出する出口温度センサ121が設けられている。
冷却水回路50は、ガスエンジン12から冷却水配管51を介して順に接続される冷却水三方弁52と、プレート型熱交換器27と、一方の室外熱交換器17に近接配置されたラジエータ53と、冷却水ポンプ54と、ガスエンジン12の排気ガス熱交換器55とを備え、冷却水ポンプ54を駆動することにより、この回路内に冷却水を循環させるように構成されている。
冷却水回路50の冷却水配管51は、図1に二重線で示されるとともに、冷却水の流れは、実線の矢印で示される。
ラジエータ53では、外気と冷却水との熱交換が行われる。
また、プレート型熱交換器27では、電動弁26の動作で、GHP圧縮機13に戻る冷媒が冷却水配管51内を流れる冷却水によって加熱される。これにより、冷媒の低圧圧力が上昇し、暖房効率が向上する。
また、冷却水回路50は、冷却水を、ガスエンジン12、冷却水三方弁52、プレート型熱交換器27、冷却水ポンプ54、排気ガス熱交換器55およびガスエンジン12の順に冷却水が流れる第2経路を形成可能である。
EHP室外ユニット3は、外部のユニット間配管5と接続するための2つの外部接続バルブ60およびオイルバランス配管6を接続するためのオイル接続バルブ61を備えている。
EHP室外ユニット3は、商用電源で駆動されるEHP圧縮機62を備えている。このEHP圧縮機62は、例えば、出力を可変することのできるインバータ式の圧縮機とされている。
室外熱交換器65と外部接続バルブ60aとの間には、過冷却熱交換器90が設けられている。
室外熱交換器65には、2系統の管路が形成されており、四方弁64側の冷媒配管66および過冷却熱交換器90側の冷媒配管66は、それぞれ分岐して室外熱交換器65に接続されるように構成されている。また、室外熱交換器65の過冷却熱交換器90側の冷媒配管66には、それぞれ室外用電子制御弁68,68が設けられている。
各熱交換ユニット91は、本実施の形態においては、二重管式の熱交換器とされており、熱交換ユニット91の外側の配管には、室外熱交換器65側の冷媒配管66および外部接続バルブ60a側の冷媒配管67がそれぞれ接続されるように構成されている。
また、EHP圧縮機62には、EHP圧縮機62の吸込側に接続されるオーバーフロー管84が接続されている。このオーバーフロー管84には、ストレーナ85と、油を減圧するための絞り86が組み込まれている。
そして、冷房運転を行う場合には、図1中実線矢印で示すように、冷媒が流れ、暖房運転を行う場合は、図1中破線で示すように、冷媒が流れる。
図2に示すように、本実施の形態においては、GHP室外ユニット2は、制御部としてのGHP制御部100を備えており、EHP室外ユニット3は、制御部としてのEHP制御部101を備えている。
コントローラ110は、GHP制御部100およびEHP制御部101を統括して制御するためのコントローラ制御部111を備えている。
これらGHP制御部100、EHP制御部101およびコントローラ制御部111は、例えば、CPUなどの演算処理回路、記憶手段としてのROM、RAMなどを備え、所定のプログラムを実行することにより、所定の制御を行うものである。
EHP制御部101は、EHP室外ユニット3のEHP圧縮機62、室外送風機105の駆動制御を行うとともに、EHP室外ユニット3の外部接続バルブ60a,60b、オイル接続バルブ61、室外用電子制御弁68、冷媒戻し用電磁弁71、オイル戻し弁76、高圧冷媒用電磁弁81および過冷却用電子制御弁22の開閉制御または開度制御を行うように構成されている。
このとき、本実施の形態においては、GHP制御部100はマスター、EHP制御部101および室内制御部102はスレイブに設定されており、コントローラ制御部111からの制御指示信号は、最初にGHP制御部100に送信され、この制御指示信号は、GHP制御部100からEHP制御部101、室内制御部102に順次送信されるように構成されている。
システム制御部103は、室内ユニットの運転台数、設定温度、外気温度などに基づいて、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3を制御することで、GHP室外ユニット2による運転と、EHP室外ユニット3による運転とが、最も省エネルギになるように、GHP制御部100およびEHP制御部101に制御信号を出力する。これにより、GHP制御部100によりGHP室外ユニット2の運転制御、EHP制御部101によりEHP室外ユニット3の運転制御をそれぞれ効率よく行うように構成されている。
[上限馬力指示制御]
空気熱交換空調を行う場合、コントローラ制御部111は、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3の運転状態に基づいて上限馬力を設定し、この上限馬力の指示信号をGHP制御部100に送信するともに、GHP制御部100を介してEHP制御に送信する。そして、GHP制御部100およびEHP制御部101は、コントローラ制御部111により設定された上限馬力にしたがった運転制御を行う。
これは、EHP室外ユニット3の運転馬力が上限馬力に満たない場合に、GHP室外ユニット2のガスエンジン12の回転を下げることにより、EHP室外ユニット3の馬力が上がりやすくなり、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3により効率のよい運転を行うことができるためである。
これは、チラー空調を行い、かつ、暖房運転を行っている場合に、GHP室外ユニット2のガスエンジン12の回転を下げる制御を行うと、水熱交換器8における水温変動が大きくなり、運転が安定しなくなるためである。
空気熱交換空調を行う場合、暖房運転時において、GHP制御部100は、電動弁24の開度制御を行う。すなわち、GHP制御部100は、GHP圧縮機13の冷媒の吐出温度に基づいて、吸込スーパーヒートまたは吐出スーパーヒートによる制御を行う。
また、チラー空調を行う場合であって暖房運転を行っている場合には、GHP制御部100は、GHP圧縮機13の冷媒の吐出温度のしきい値を空気熱交換空調を行う場合より、低く設定して制御を行う。
これにより、チラー空調を行う場合であって暖房運転を行っている場合に、しきい値が低くなるように設定することにより、電動弁24の開度が早めに開く傾向となるように制御することが可能となる。そのため、チラー空調を行う場合、必要な能力の確保のため出力を上げたいが、電動弁24の開度が小さいと、高圧が上昇したり、水熱交換器8の液封のおそれがあるが、電動弁24の開度を早めに開くように制御することで、高圧の上昇や液封を防止することができる。
これに対して、チラー空調を行う場合、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3の設置場所と、水熱交換器8との距離が比較的短く構成されている。しかも、本実施の形態の場合、例えば、EHP室外ユニット3に余剰冷媒を溜めておくレシーバタンクを設置していない構成となっている。そのため、チラー空調を行う場合、余剰冷媒を溜めておく場所を確保できないため、水熱交換器8に冷媒が溜まりやすい傾向にある。
前述のように、チラー空調を行う場合であって暖房運転を行う場合に、GHP制御部100により、電動弁24の開度を早め開くように制御することで、高圧の上昇や液封を防止することができる。
チラー空調を行う場合であってGHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3により冷房運転を行っている場合、コントローラ制御部111からGHP制御部100を介して送信されるEHP室外ユニット3の上限馬力の指示信号を受信した場合に、EHP制御部101は、EHP室外ユニット3の上限馬力を引き上げてEHP室外ユニット3の制御を行う。
すなわち、チラー空調時にGHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3が運転している場合、EHP室外ユニット3の運転馬力が抑えられてしまうと、EHP室外ユニット3に冷媒が寝込んでしまうことがあり、GHP室外ユニット2において、ガス欠が発生するおそれがある。本実施の形態のように、EHP制御部101により、EHP室外ユニット3の上限馬力を引き上げるように制御することで、冷媒の寝込みを防止して、GHP室外ユニット2のガス欠の発生を防止することができる。
EHP室外ユニット3の上限馬力は、例えば、あらかじめ設定した所定%だけ、一律に引き上げるように制御される。
空気熱交換空調を行う場合、冷房運転時において、GHP制御部100は、GHP室外ユニット2のオイルが少なくなるガス欠が発生した場合、GHP制御部100によりEHP制御部101に起動指示を送り、EHP制御部101は、EHP室外ユニット3を起動し、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3により、運転を行うように制御している。
また、チラー空調を行う場合であってGHP室外ユニット2により冷房運転を行っている場合に、GHP制御部100がガス欠であると判断した場合は、GHP制御部100によりEHP制御部101に起動指示を送り、EHP制御部101は、EHP室外ユニット3を起動するように制御する。GHP制御部100は、EHP室外ユニット3が起動するまでの間、GHP室外ユニット2のオイル戻し弁34を開くとともに、EHP制御部101は、高圧冷媒用電磁弁81を開くように制御する。
なお、GHP室外ユニット2のガス欠は、水熱交換器8の入口側温度と出口側温度との差温と水熱交換用弁の開度に基づいて判定される。すなわち、水熱交換用弁の開度が大きく開いている状態で、入口側温度と出口側温度との差温が大きい場合に、ガス欠であると判定される。
チラー空調を行う場合であって冷房運転時には、GHP制御部100は、入口温度センサ120および出口温度センサ121により検出された水熱交換器8の入口側温度と出口側温度との差温が小さい場合は、ガスエンジン12の回転数を維持あるいは下げるように制御する。
また、GHP制御部100は、水熱交換器8の入口側温度と出口側温度との差温が大きい場合は、ガスエンジン12の回転数を高める制御を抑制するように制御する。
このように制御することで、冷房運転時に水熱交換器8の温度が極端に低下することを防止することができる。その結果、EHP室外ユニット3が停止状態から起動する制御の遅延を防止することができ、GHP室外ユニット2のガス欠の発生を防止することができる。
これによれば、GHP室外ユニット2およびEHP室外ユニット3を用いて、水熱交換器8により冷温水と熱交換を行うチラーシステムを構築することができる。
これによれば、コントローラ制御部111からの制御指示信号に基づいて、GHP制御部100によりGHP室外ユニット2を制御することができるとともに、EHP制御部101によりEHP室外ユニット3を制御することができる。
これによれば、チラー空調を行い、かつ、暖房運転を行っている場合に、GHP制御部100は、GHP室外ユニット2のガスエンジン12の回転を下げる制御を行わないように制御することで、水熱交換器8における水温変動を小さくすることができ、安定した運転を行うことができる。
これによれば、チラー空調を行う場合であって暖房運転を行っている場合に、冷媒の吐出温度のしきい値が低くなるように設定することにより、電動弁24の開度が早めに開く傾向となるように制御することができる。そして、電動弁24の開度を早めに開くように制御することで、高圧の上昇や液封を防止することができる。
これによれば、EHP制御部101により、EHP室外ユニット3の上限馬力を引き上げるように制御することで、冷媒の寝込みを防止して、GHP室外ユニット2のガス欠の発生を防止することができる。
これによれば、EHP制御部101により、EHP室外ユニット3を起動するように制御し、EHP室外ユニット3が起動するまでの間、GHP制御部100は、GHP室外ユニット2のオイル戻し弁34を開くとともに、EHP制御部101は、高圧冷媒用電磁弁を開くように制御し、EHP室外ユニット3が起動した後は、GHP室外ユニット2のガスエンジン12の回転を抑制するように制御することで、GHP室外ユニット2とEHP室外ユニット3との冷媒圧バランスを確保することができ、EHP室外ユニット3に寝込んでいる冷媒をGHP室外ユニット2に供給することができ、GHP室外ユニット2のガス欠を解消することができる。
これによれば、水熱交換器8の入口側温度と出口側温度との差温が大きい場合は、ガスエンジン12の回転数を高める制御を抑制するように制御することで、冷房運転時に水熱交換器8の温度が極端に低下することを防止することができる。その結果、EHP室外ユニット3が停止状態から起動する制御の遅延を防止することができ、GHP室外ユニット2のガス欠の発生を防止することができる。
前記実施の形態では、GHP制御部100をマスター、EHP制御部101をスレイブに設定した場合の例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、EHP制御部101をマスター、GHP制御部100をスレイブに設定し、コントローラ制御部111からの制御指示信号を、最初にEHP制御部101に送信するようにしてもよい。
また、マスター、スレイブの設定を行わず、GHP制御部100、EHP制御部101および室内制御部102を並列にコントローラ制御部111に接続し、コントローラ制御部111からGHP制御部100、EHP制御部101および室内制御部102に個別に制御指示信号を送信するようにしてもよい。
また、前記実施の形態では、チラーシステムを用いて空調を行う場合について説明したが、空調に限定されるものではなく、例えば、プロセス冷却、加熱用途などにも適用することが可能である。
2 GHP室外ユニット
3 EHP室外ユニット
8 水熱交換器
12 ガスエンジン
13 GHP圧縮機
15 オイルセパレータ
17,65 室外熱交換器
40 室内熱交換器
62 EHP圧縮機
71 冷媒戻し用電磁弁
100 GHP制御部
101 EHP制御部
110 コントローラ
111 コントローラ制御部
120 入口温度センサ
121 出口温度センサ
Claims (2)
- ガスエンジンで駆動されるGHP圧縮機を備えたGHP室外ユニットと、
商用電源で駆動される圧縮機を備えたEHP室外ユニットと、
前記GHP室外ユニットおよび前記EHP室外ユニットから送られる冷媒と冷温水とを熱交換する水熱交換器と、を備え、
前記GHP室外ユニットにより冷房運転を行っている場合であって、かつ、前記GHP室外ユニットがガス欠であると判断された場合に、前記EHP室外ユニットを起動し、
前記EHP室外ユニットが起動するまでの間、前記GHP室外ユニットのオイル戻し弁と前記EHP室外ユニットの高圧冷媒用電磁弁を開き、
前記EHP室外ユニットが起動した場合、前記GHP室外ユニットの前記ガスエンジンの回転を抑制することを特徴とするハイブリッドチラーシステム。 - ガスエンジンで駆動されるGHP圧縮機を備えたGHP室外ユニットと、
商用電源で駆動される圧縮機を備えたEHP室外ユニットと、
前記GHP室外ユニットおよび前記EHP室外ユニットから送られる冷媒と冷温水とを熱交換する水熱交換器とを備えるハイブリッドチラーシステムであって、
前記GHP室外ユニットはGHP制御部を備え、
前記EHP室外ユニットはEHP制御部を備え、
前記GHP室外ユニットにより冷房運転を行っている場合であって、かつ、前記GHP室外ユニットがガス欠であると前記GHP制御部が判断した場合、前記GHP制御部は、前記EHP制御部に起動指示を送り、
前記起動指示によって前記EHP室外ユニットが起動するまでの間、前記GHP制御部は前記GHP室外ユニットのオイル戻し弁を開き、前記EHP制御部は前記EHP室外ユニットの高圧冷媒用電磁弁を開き、
前記EHP室外ユニットが起動したと前記GHP室外ユニットが判断した場合、前記GHP制御部は、前記GHP室外ユニットの前記ガスエンジンの回転を抑制することを特徴とするハイブリッドチラーシステム。
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