JP7706184B2 - マルチ熱源ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気および地下水等の水を採熱・放熱の熱源とするマルチ熱源ヒートポンプ装置に関し、さらに詳しく言えば、施設園芸に好適なマルチ熱源ヒートポンプ装置に関するものである。

近年、化石燃料の埋蔵量が減少するなか、燃油価格が上昇する傾向がある。このような状況のなか、燃油式暖房機の代替技術として空気熱源ヒートポンプの導入が推進されているが、その導入は余り進んでいないのが実情である。

その理由の一つとして、外気温が低いときに暖房運転を行うと、室外機の熱交換器に着霜が生じ、採熱効率あるいはＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）が低下することが挙げられる。特に、園芸施設の暖房負荷は外気温がもっとも低くなる夜間から明け方にかけて最大となるため、家庭／ビル用や産業用の空気熱源ヒートポンプに比べてＣＯＰが低い。

また、室外熱交換器に着霜が生じた場合、室外熱交換器を凝縮器、室内熱交換器を蒸発器とするデフロスト（霜取り）運転を行うことになるが、デフロスト中は室内への熱供給が停止されるとともに、電力のみが消費され暖房には寄与しない。また、施設園芸用に開発された専用の機器が少なく、初期導入コストが高価ということも普及の妨げになっている。

一方、水熱源ヒートポンプの一つである地中熱源ヒートポンプは、厳寒のなかでも地中や地下水から効率的に採熱することができる（例えば、特許文献１，２参照）。

しかしながら、熱交換器を埋設するための掘削、ボーリングが必要であり、その埋設のための工事コストが高いことや、その費用も地域の土質や地下水の状況によって異なることが設備投資を検討するうえでのマイナス要因となり、技術普及、社会実装には至っていない。

また、従来の地中熱源ヒートポンプは、地中や地下水などの熱源とヒートポンプとの間で熱の受け渡しを行うブラインを循環させるためのポンプを駆動する必要があり、ヒートポンプ全体のシステムＣＯＰを低下させる一因となっている。

特開２００６－１４５０５９号公報 特開２００９－０３６４１５号公報

したがって、本発明の課題は、空気および地下水等の水を採熱・放熱の熱源とするマルチ熱源ヒートポンプ装置で、外気温や水温等に応じて運転の最適化をはかることができる、特に施設園芸用に好適なマルチ熱源ヒートポンプ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するマルチ熱源ヒートポンプ装置において、
上記室外熱交換器として、第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の２つの熱交換器を有し、上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記第１室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水－冷媒熱交換器であり、上記第２室外熱交換器が送風ファンを有する空気－冷媒熱交換器であり、
上記第１室外熱交換器と上記第２室外熱交換器とが上記冷媒配管に対して並列に接続されているとともに、上記第１室外熱交換器と上記第２室外熱交換器のいずれか一方もしくは両方に上記冷媒を流す切替弁を備え、
冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器側に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水または外気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器側に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水または外気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴としている。

本発明によれば、水－冷媒熱交換器（第１室外熱交換器）を貯水槽内に浸漬するオープンループ方式であるため、構築コストがクローズドループ方式よりも低コストであり、また、貯水槽内を流水とすることにより、熱交換効率を高めることができる。

また、水－冷媒熱交換器（第１室外熱交換器）のほかに、送風ファンを有する空気－冷媒熱交換器（第２室外熱交換器）をさらに備え、これら熱交換器を選択的に使用することができるため、水温や外気温等に応じて運転の最適化をはかることができる。

また、上記除霜手段によれば、暖房運転を継続しながら空気－冷媒熱交換器（第２室外熱交換器）に付着した霜を除霜することができる。

本発明によるマルチ熱源ヒートポンプ装置の第１実施形態を示す模式図。 上記実施形態において、貯水槽と室外熱交換器を示す模式図。 対向流方式とした水－冷媒熱交換器を示す平面図。 本発明の第２実施形態として、除霜手段を備えたマルチ熱源ヒートポンプ装置を示す模式図。

次に、図１および図２を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、この実施形態に係るマルチ熱源ヒートポンプ装置１は、熱源側の室外機１０と利用側の室内機２０とを備えている。この実施形態において、室内機２０は、農業等の園芸施設の栽培ハウス内に設置されることを想定しているが、通常の住居家屋やビルもしくは産業用として工場施設等に設置されてもよい。

室外機１０は、基本的な構成として、冷媒を圧縮する圧縮機１１０、四方弁１２０、室外熱交換器１３０、膨張弁１４０およびアキュムレータ１５０とを備えている。冷媒には例えばＲ４１０Ａ，Ｒ３２やＲ４５２ＢなどＨＦＯ混合冷媒などが用いられてよい。

室内機２０には、基本的な構成として、室内熱交換器２１０と室内送風機２１１とが設けられている。なお、床暖房等を行う場合には、室内熱交換器２１０は図示しない温水タンク内に入れられる。室外機１０と室内機２０は、液側配管２とガス側配管３を介して接続される。

冷房運転時には、四方弁１２０が図示実線の状態に切り替えられ、圧縮機１１０にて生成された高温高圧のガス冷媒が室外熱交換器１３０に送られ、室外熱交換器１３０で例えば外気と熱交換して凝縮され、膨張弁１４０にて所定に減圧されたのち、室内熱交換器２１０で室内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁１２０を経由してアキュムレータ１５０に至り、再度圧縮機１１０に吸入される。

暖房運転時には、四方弁１２０が図示鎖線の状態に切り替えられ、圧縮機１１０にて生成された高温高圧のガス冷媒が室内熱交換器２１０に送られ、室内熱交換器２１０で室内の空気と熱交換して凝縮され、膨張弁１４０を経て室外熱交換器１３０で例えば外気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって四方弁１２０を経由してアキュムレータ１５０に至り、再度圧縮機１１０に吸入される。

このように、冷房運転時、室外熱交換器１３０は凝縮器（放熱器）、室内熱交換器２１０は蒸発器（採熱器）として作用し、これに対して、暖房運転時には、室外熱交換器１３０は蒸発器（採熱器）、室内熱交換器２１０は凝縮器（放熱器）として作用する。

この実施形態によると、室外熱交換器１３０として、第１室外熱交換器１３１と第２室外熱交換器１３２の２つの室外熱交換器を備えている。

第１室外熱交換器１３１は、オープンループ方式の水－冷媒直接膨張式の熱交換器であり、図２に示すように、貯水槽１６０内に浸漬される。第２室外熱交換器１３２は、送風ファン１３３を有する通常の空気－冷媒熱交換器である。

第１室外熱交換器１３１と第２室外熱交換器１３２は、液側配管（液側の冷媒配管）２に対して並列に接続され、第１室外熱交換器１３１側の分岐流路２ａには開閉弁としての電磁弁１３５が取り付けられ、第２室外熱交換器１３２側の分岐流路２ｂには開閉弁としての電磁弁１３６が取り付けられている。

この実施形態において、貯水槽１６０は地表に設置された貯水タンクで、揚水ポンプＰ１を有する給水管１６１より地下水（井戸水）が汲み上げられる。貯水槽１６０内で、貯留水が下から上に向けて流れるようにするため、給水管１６１の先端は貯水槽１６０の底部にまで引き込まれることが好ましいが、給水管１６１を貯水槽１６０の底部から引き込んでもよい。また、貯水槽１６０には、オーバーフロー水を排水する排水管１６２が設けられる。

第１室外熱交換器１３１は、その冷媒配管（パスとも呼ばれる銅管）１３１ａが貯水槽１６０内に浸漬されることにより、水－冷媒熱交換器として作用する。浸漬される冷媒配管１３１ａにはフィンが取り付けられてもよい。ジグザク状ではなく、例えば螺旋条に巻回された状態で浸漬されてもよい。

冷媒配管１３１ａに銅管以外の材質の管が用いられてもよいが、いずれにしても、その冷媒配管１３１ａには、耐腐食性の金属材料製の配管、耐腐食性の塗料（例えば、一般的な金属管内外面のライニング処理に用いられるエポキシ樹脂塗料）が塗布された配管もしくは耐腐食性の例えばポリエチレン樹脂で被覆された配管が用いられることが好ましい。

図２に示すように、貯水槽１６０内に、端部側の管壁に複数の空気噴出孔１６６を有する空気供給パイプ１６５を配置して、ブロワーＰ２より空気供給パイプ１６５内に空気を送り込んで空気噴出孔１６６から空気を噴出させて貯留水の対流を促進させることが好ましい。この場合、空気供給パイプ１６５の空気噴出孔１６６が設けられている端部側を貯水槽１６０の底部に沿って配置するとよい。

空気供給パイプ１６５に代えて、もしくは空気供給パイプ１６５とともに貯水槽１６０内に、例えばプロペラ状の撹拌羽根が設けられてもよい。

別の態様として、図３（貯水槽１６０の平面図）に示すように、貯水槽１６０内に仕切板１６７（この例では３枚の仕切板）によりジグザグ状の水路を形成し、その水路に沿って第１室外熱交換器１３１の冷媒配管１３１ａをジグザグ状に配管し、水路内の水の流れ方向（実線矢印）と、冷媒配管１３１ａ内の冷媒の流れ方向（鎖線矢印）とを逆方向の対向流とすることにより、水－冷媒の熱交換効率を高めることもできる。

また、水温センサーを設け水温が所定温度内に収まるように揚水ポンプＰ１を駆動することもできる。貯水槽１６０は掘削による貯水池等であってもよく、熱交換用の水は井戸水のほかに、河川水、工業用の排水や農業用水等であってもよい。

圧縮機１１０は、好ましくはインバータ制御による可変速型の圧縮機で、貯水槽１６０内での第１室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）１３１の熱交換量に応じてその回転数が制御されるとよい。

冷房運転時もしくは暖房運転時において、第１室外熱交換器１３１を使用する場合には電磁弁１３５を開き、電磁弁１３６を閉じる。これに対して、第２室外熱交換器１３２を使用する場合には電磁弁１３６を開き、電磁弁１３５を閉じる。

第１室外熱交換器１３１、第２室外熱交換器１３２のいずれを使用するかは外気温や水温それに利用側から要求される暖房もしくは冷房能力等によって決められるが、場合によっては、電磁弁１３５，１３６の弁開度を調節して、第１室外熱交換器１３１と第２室外熱交換器１３２を併用することもできる。

次に、第２実施形態によれば、第１室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）１３１と第２室外熱交換器（空気－冷媒熱交換器）１３２とを有する態様において、暖房運転時に第２室外熱交換器１３２に着霜（霜付き）が生じた場合、暖房運転を停止することなく、デフロスト（除霜）することができる。

そのため、図４に示すように、上記の構成（図１の構成）に加えて、第１および第２の２本の枝管４，５と３つの電磁弁１３７，１３８，１３９が用いられる。なお、以下の説明において、上流，下流は、暖房運転時の冷媒の流れ方向を基準にしている。

まず、第１の枝管４の一端は、ガス側配管３に接続される。第１の枝管４の他端は、第２室外熱交換器１３２側の分岐流路２ｂのうちの第２室外熱交換器１３２の上流側の一端１３２ａ側に接続される。その接続点をＰとする。第１の枝管４には、電磁弁１３７が設けられる。

次に、第２の枝管５の一端は、第２室外熱交換器１３２側の分岐流路２ｂ内において、第２室外熱交換器１３２の下流側の他端１３２ｂと電磁弁１３６との間に接続される。その接続点をＱとする。第２の枝管５の他端は、液側配管２のうちの膨張弁１４０の上流側の配管部分に接続される。その接続点をＲとする。第１の枝管５には、電磁弁１３８が設けられる。

また、第２室外熱交換器１３２側の分岐流路２ｂ内において、上記接続点Ｐと膨張弁１４０との間には、電磁弁１３９が設けられる。

第２室外熱交換器（空気－冷媒熱交換器）１３２を使用しての暖房運転時には、四方弁１２０が図示鎖線の状態に切り替えられるとともに、電磁弁１３６，１３９が開、電磁弁１３５，１３７，１３８が閉とされる。

この暖房運転時には、上記したように、室内熱交換器２１０が凝縮器（放熱器）となり、第２室外熱交換器１３２が蒸発器（採熱器）となるため、特に低外気温下では第２室外熱交換器１３２に着霜（霜付き）が生じやすい。着霜が増えると、空気－冷媒の熱交換効率が低下する。

そこで、デフロスト（霜取り）することになるが、この実施形態では、電磁弁１３５～１３９のうち、電磁弁１３５，１３７，１３８が開、残りの電磁弁１３６，１３９が閉とされる。

これにより、圧縮機１１０にて生成され室内熱交換器２１０に向かう高温・高圧のガス冷媒の一部が第１の枝管４を介して第２室外熱交換器１３２に流れることから除霜が行われる。

第２室外熱交換器１３２にて凝縮（放熱）して液化した冷媒は、第２の枝管５を介して膨張弁１４０の上流側の上記接続点Ｒに至り、そこで室内熱交換器２１０で凝縮（放熱）し液化した冷媒と合流し、膨張弁１４０で圧力が下げられたのち、第１室外熱交換器（水－冷媒熱交換器）１３１で蒸発して低圧のガス冷媒となり、アキュムレータ１５０を経て圧縮機１１０に戻される。

このように、図４に示す実施形態によれば、室内熱交換器２１０に供給される高温・高圧のガス冷媒の量は、第１の枝管４を介して第２室外熱交換器１３２に供給される分だけ減るものの、暖房運転を中断することなく、第２室外熱交換器１３２に付着した霜を除霜することができる。

除霜後には、電磁弁１３５，１３７，１３８が閉、電磁弁１３６，１３９が開とされて第２室外熱交換器１３２を蒸発器とする除霜開始前の元の暖房運転状態に戻されるが、場合によっては、電磁弁１３５のみを開とし、残りの電磁弁１３６，１３７，１３８，１３９を閉として、第１室外熱交換器１３１を蒸発器として暖房運転を継続してもよい。

冷房運転時には、電磁弁１３７，１３８は閉、電磁弁１３９は開とされ、第１室外熱交換器１３１もしくは第２室外熱交換器１３２のいずれを使用するかに応じて電磁弁１３５，１３６が開閉制御される。なお、これら電磁弁の開閉は、図示しない制御部により制御される。

以上説明したところから、温室や太陽光利用型植物工場等の園芸施設においては、本発明のマルチ熱源ヒートポンプ装置を導入することにより、空気熱源ヒートポンプの長所を活かしつつ、外気温が低下したときに生ずる室外熱交換器への着霜という短所を、オープンループ方式の直接膨張式ヒートポンプに切り替えることにより、安定的に採熱することができる。

また、水熱源ヒートポンプの設備・運転コストの大幅な削減とＣＯＰの最大化をはかることができる。また、農業分野だけでなく、家庭やビル、産業分野等への普及も期待することができる。

１ マルチ熱源ヒートポンプ装置
２ 液側配管
２ａ，２ｂ 分岐流路
３ ガス側配管
１０ 室外機
１１０ 圧縮機
１２０ 四方弁
１３０ 室外熱交換器
１３１ 第１室外熱交換器（水－冷媒直接膨張式熱交換器）
１３２ 第２室外熱交換器（空気－冷媒熱交換器）
１３５，１３６，１３７，１３８，１３９ 電磁弁
１４０ 膨張弁
１５０ アキュムレータ
１６０ 貯水槽
２０ 室内機
２１０ 室内熱交換器

Claims (1)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、四方弁、室外熱交換器、膨張弁、室内熱交換器およびアキュムレータを冷媒配管を介して接続してなる冷凍サイクルを含み、上記四方弁の切り替えにより、冷房運転時には上記室外熱交換器が凝縮器、上記室内熱交換器が蒸発器として作用し、暖房運転時には上記室内熱交換器が凝縮器、上記室外熱交換器が蒸発器として作用するマルチ熱源ヒートポンプ装置において、
   上記室外熱交換器として、第１室外熱交換器と第２室外熱交換器の２つの熱交換器を有し、上記室内熱交換器が農業等の栽培ハウス内に配置されるとともに、河川水、工業用水の排水、農業用水の中から選択される水が溜められるオープンループ方式の貯水槽を有し、上記第１室外熱交換器が上記貯水槽内の水中に浸漬され、上記水と上記冷媒との間で熱交換が行われるオープンループ方式でかつ直接膨張方式の水－冷媒熱交換器であり、上記第２室外熱交換器が送風ファンを有する空気－冷媒熱交換器であり、
   上記第１室外熱交換器と上記第２室外熱交換器とが上記冷媒配管に対して並列に接続されているとともに、上記第１室外熱交換器と上記第２室外熱交換器のいずれか一方もしくは両方に上記冷媒を流す切替弁を備え、
   冷房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室外熱交換器側に送られ、上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水または外気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁にて所定に減圧されたのち、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入され、
   暖房運転時には、上記四方弁の切り替えにより、上記圧縮機にて生成された高温高圧のガス冷媒が上記室内熱交換器側に送られ、上記室内熱交換器で上記栽培ハウス内の空気と熱交換して凝縮され、上記膨張弁を経て上記室外熱交換器で上記貯水槽内の水または外気と熱交換して蒸発し、低温低圧のガス冷媒となって上記四方弁を経由して上記アキュムレータに至り、再度上記圧縮機に吸入されることを特徴とするマルチ熱源ヒートポンプ装置。

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