JP2002286286A - ハイブリッド型給湯装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成績係数の高いヒートポンプと１次エネルギ
ー使用量の少ないガス給湯器とを組み合わせてエネルギ
ー効率の向上を図る。 【解決手段】 吸水口６と給湯口７を有する貯湯タンク
１と、該貯湯タンク１内の水を加熱する凝縮部１３ａを
有するヒートポンプ２と、貯湯タンク１の給水口６から
分岐して給湯口７に至るバイパス管路１２と、該バイパ
ス管路１２に設けられて当該バイパス管路１２を通過す
る水を加熱する小型給湯器３とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はヒートポンプとガス
給湯器を利用したハイブリッド型給湯装置および方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、家庭用の給湯装置としてはガス給
湯器や電気温水器がある。ガス給湯器は、ガスを燃焼さ
せて給水を加熱しつつ浴槽等に給湯する一方、浴槽から
のお湯を加熱して戻し保温するのに使用される。電気温
水器は、貯湯タンク内の水を電気ヒータで加熱して貯湯
しておき、必要に応じて貯湯タンクから浴槽等に給湯す
る一方、浴槽からのお湯を別の電気ヒータで加熱して戻
し保温するようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ガス給湯器は、給水の
加熱に費やされずに放出される燃焼ガスが多いので、そ
の成績係数ＣＯＰ（または加熱効率）は、電気温水器に
おける電気ヒータの成績係数を１とすると０．８２であ
る。給湯装置のエネルギー効率を１次エネルギー（電
力）の使用量に対する使用熱量の比と定義すると、ガス
給湯器では、電力の使用量が少ないので、成績係数が低
くても、エネルギー効率は良い。これに対し、電気温水
器では、電気ヒータにおける電力の使用量が多いので、
電気ヒータの成績係数が高くても、エネルギー効率が悪
い。

【０００４】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、成績係数の高いヒートポンプと１次エネルギー
使用量の少ないガス給湯器とを組み合わせたエネルギー
効率の良いハイブリッド型給湯器および方法を提供する
ことを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段として、本発明にかかるハイブリッド型給湯装置
は、吸水口と給湯口を有する貯湯タンクと、該貯湯タン
ク内の水を加熱する凝縮部を有するヒートポンプと、前
記貯湯タンクの給水口から分岐して給湯口に至るバイパ
ス管路と、該バイパス管路に設けられて当該バイパス管
路を通過する水を加熱する小型給湯器とを備えたもので
ある。

【０００６】ヒートポンプの成績係数は、図４に示すよ
うに、凝縮部出口の水温が低いほど成績係数が高くなる
ことが知られている。そこで成績係数が高くなるよう
に、ヒートポンプの凝縮部出口の水温が低い範囲で運転
して、貯湯タンク内の水を低めの温度に加熱しておき、
それ以上の温度へは小型給湯器で加熱する。このように
することで、１次エネルギーの使用量を抑えて、エネル
ギー効率を高くすることができる。

【０００７】前記ヒートポンプに第２の凝縮部を設ける
とともに、該第２の凝縮部により保温を必要とする消費
場所からのお湯を加熱する保温部をさらに設けることが
好ましい。この保温部でも、１次エネルギーの使用量の
少ないヒートポンプを使用するので、エネルギー効率を
高くすることができる。

【０００８】前記凝縮部と前記第２の凝縮部を直列に接
続し、前記第２の凝縮部を前記凝縮部より上流側に配置
してもよい。第２の凝縮部の冷媒のスーパーヒート部で
保温を高温度に加熱することができる。

【０００９】前記保温部は、減圧された缶体内に缶水を
永久的に収容して缶水貯溜部と気層部に分離し、前記缶
水貯溜部に前記第２の凝縮部を挿入し、前記気層部に消
費場所からのお湯が通る熱交換チューブを挿入してなる
ものを使用することができる。このような保温部は、缶
体内に缶水が入れ替わることがないので、缶体に水あか
やスケールの付着がない。また、循環チューブは缶水と
接触せず、気層部の蒸気とのみ接触するので、汚れが無
く、熱交換性能が高く維持される。

【００１０】前記小型給湯器は、前記保温部の気層部に
挿入した熱交換チューブとしてもよいし、ガス給湯器と
してもよい。

【００１１】前記貯湯タンク内の水を前記ヒートポンプ
の凝縮部により約６０℃まで加熱した後、前記小型給湯
器により約９０℃まで加熱して沸き上げることが好まし
い。このようにすることで、通常のお湯の使用時には、
ヒートポンプの運転で貯湯タンクの約６０℃のお湯を使
用し、風呂のお湯はりのように大量に使用する時には、
小型給湯器により約９０℃まで加熱して使用することが
できる。

【００１２】前記課題を解決するための手段として、本
発明にかかるハイブリッド型給湯方法は、貯湯タンク内
の水をヒートポンプにより所定の第１温度まで加熱する
第１加熱工程と、小型給湯器により前記第１温度より高
い所定の第２温度まで加熱する第２加熱工程とにより沸
き上げるものである。ここで、前記第１加熱工程におけ
るヒートポンプは深夜電力を利用して運転することが好
ましい。通常給湯時には、前記ヒートポンプにより前記
第１温度より低い所定の第３温度に加熱してもよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に従って説明する。

【００１４】図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にか
かるハイブリッド型給湯装置を示す。このハイブリッド
型給湯装置は、給湯側の貯湯タンク１と、ヒートポンプ
２と、ガス給湯器３と、保温側の真空式蓄熱部４と、制
御部５とからなっている。

【００１５】貯湯タンク１は、風呂のお湯はりに必要な
お湯を貯湯できる容量（例えば１２０リッター）を有す
る縦長の円筒容器で、下端の給水口６から水が給水さ
れ、上端の給湯口７から電磁弁８を介して図示しない風
呂等の給湯場所に給湯されるようになっている。貯湯タ
ンク１の壁には、内部の水の温度を検出する温度センサ
９が取り付けられている。貯湯タンク１の下方には、加
熱部１０が設けられている。この加熱部１０は、貯湯タ
ンク１の壁を貫通して挿入された後述するヒートポンプ
２の第１凝縮部１３ａからなり、該第１凝縮部１３ａの
冷媒の放熱によって内部の水を加熱できるようになって
いる。貯湯タンク１の外側には、給水口６から分岐して
電磁弁８および第１循環ポンプ１１を介して給湯口７に
至るバイパス管１２が配設されている。電磁弁８は、バ
イパス管１２の流路を開閉し、またその流量を制御する
ものである。

【００１６】ヒートポンプ２は、図示しない圧縮機、凝
縮器、キャピラリーチューブおよび蒸発器に冷媒を循環
させる公知の冷凍サイクルからなり、その凝縮器は並列
に接続された第１凝縮部１３ａと第２凝縮部１３ｂから
なっている。第１凝縮部１３ａは、前記貯湯タンク１の
内部に挿入され、第２凝縮部１３ｂは後述する真空式蓄
熱部４の内部に加熱部１０として挿入されている。ヒー
トポンプ２の図示しない蒸発器には、蒸発器への着霜を
防止し、あるいは除霜をするために、前記バイパス管路
１２から分岐して配設されたデフロスト用管路１４が近
接して配置されている。

【００１７】ガス給湯器３は、前記バイパス管路１２に
設けられ、ガスを燃焼させてバイパス管路１２内を通過
する水を加熱する公知のものである。なお、このガス給
湯器３に代えて石油給湯器を使用してもよい。

【００１８】真空式蓄熱部４は、缶体１５と、加熱部１
６と、熱交換チューブ１７とからなっている。缶体１５
は、約２０リッター程度の容量の完全密閉され減圧され
た容器で、内部には缶水が永久的に収容され、缶水貯溜
部１８と気層部１９に分離されている。加熱部１６は、
前記缶水貯溜部１８に挿入された前記ヒートポンプ２の
第２凝縮部１３ｂからなっている。熱交換チューブ１７
は、前記気層部１９に挿入され、風呂からのお湯が第２
循環ポンプ２０を介して循環するようになっている。缶
体１５の壁には、内部の水の温度を検出する温度センサ
２１が取り付けられている。

【００１９】制御部５は、前記温度センサ９，２１から
の温度に基づいて、前記電磁弁８、第１循環ポンプ１
１、ヒートポンプ２、ガス給湯器３、第２循環ポンプ２
０を制御するものである。

【００２０】次に、前記構成からなるハイブリッド型給
湯器の動作を説明する。

【００２１】まず、貯湯タンク１に給水を行い満杯にす
る。図２に示すように、午前４時から７時までの間の深
夜電力を利用してヒートポンプ２を駆動し、貯湯タンク
１内の水を加熱する。熱膨張したお湯は膨張弁等により
逃さずに、デフロスタ用管路１４に通してヒートポンプ
２の図示しない蒸発器の着霜を防止し、あるいは除霜す
る。貯湯タンク１内の水が図２（ｃ）中ａで示すように
最高約６０℃に達すると、しばらくこの状態で放置して
貯湯する。貯湯タンク１内のお湯は、放熱して６０℃か
ら例えば図２（ｃ）中ｃで示すように５５℃に低下する
が、通常の使用には差し支えない。この間にお湯が使用
されると、使用されたお湯の分だけ給水が行われるの
で、図２（ｃ）中ｂで示すように、貯湯タンク１内は上
部の５５℃のお湯と、下部の例えば１５℃の水とに分離
された状態になる。貯湯タンク１内のお湯の割合いが減
少すると、ヒートポンプ２を駆動して、貯湯タンク１内
を約５５℃のお湯に維持する。

【００２２】お湯が大量に使用される時刻に近づき、例
えば午後４時になると、第１循環ポンプ１１を駆動して
貯湯タンク１内の水をバイパス管路１２を通して循環さ
せるとともに、ガス給湯器３を駆動してバイパス管路１
２内を通過するお湯を加熱し、図２（ｃ）中ｄで示すよ
うに、貯湯タンク１内のお湯を９０℃まで昇温させる。
この状態で、貯湯タンク１内のお湯を風呂に給湯し、お
湯はりを行う。このお湯はりが完了すると、貯湯タンク
１内は、図２（ｃ）中ｅで示すように、上部に僅かな９
０℃のお湯が残り、下部には１５℃の水が溜まる。そこ
で、ヒートポンプ２を駆動して、図２（ｃ）中ｆで示す
ように、貯湯タンク１内の水を約５５℃まで加熱して貯
湯する。その後、風呂以外の使用場所にお湯が給湯され
て、図２（ｃ）中ｇで示すように、上部の５５℃のお湯
が少なくなると、図２（ｃ）中ｈで示すように、ヒート
ポンプ２を駆動して、貯湯タンク１内を約５５℃のお湯
に維持し、これを繰り返す。

【００２３】通常使用時、貯湯タンク１内のお湯が満杯
状態から、図３に示すように、上から１／３のＡ位置ま
でお湯が使用されると、ヒートポンプ２を運転して貯湯
タンク１内の水を加熱し、これにより１／２のＢ位置ま
でお湯が増加すると、ヒートポンプ２の運転を停止す
る。ここで、水温をＴ_０、給水量をＷ_０とすると、使用
湯量Ｗは、次式で示される。 Ｗ＝Ｗ_０×（４０−Ｔ_０）／４０ 沸き上げ温度はＴ_１は、次式で示される。 Ｔ_１＝（４０−Ｔ_０）×Ｗ／１２０ 基準沸き上げ温度をＴ_２とすると、Ｔ_１≦Ｔ_２の場合は
沸き上げ温度をＴ_２とし、Ｔ１＞Ｔ２の場合は沸き上げ
温度をＴ_１とする。ただし、Ｔ_１は９０℃以上にはしな
い。

【００２４】一方、前記ヒートポンプ２の運転時に、ヒ
ートポンプ２の第２凝縮部１３ｂによって真空式蓄熱部
４の缶水を加熱して、約６０℃に維持するとともに、気
層部１９に蒸気を充満させておく。そして、風呂にお湯
はりしたお湯の温度が低下すると、第２循環ポンプ２０
を駆動して循環させ、真空式蓄熱部５の気層部１９に充
満した蒸気との熱交換によって昇温させ保温する。

【００２５】ヒートポンプ２は、図４に示すように、凝
縮器出口温度が低いほど成績係数（ＣＯＰ）が高く、凝
縮器出口温度が高いほど成績係数（ＣＯＰ）が低いほど
高くなることが知られている。本発明では、凝縮器出口
温度が５０から６０°の範囲内でヒートポンプ２を運転
して、貯湯タンク１内の水を最高約６０℃に加熱する。
したがって、成績係数（ＣＯＰ）は５から４の範囲内に
留めている。

【００２６】表１は、本発明にかかるハイブリッド型給
湯装置のエネルギー効率と、従来のガス給湯器、電気温
水器のエネルギー効率を示す。この表１において、給湯
に使用する熱量は、水温を１５℃として４０℃のお湯を
一日に７００リッター使用するとして算出した。１次エ
ネルギーの使用量は、送電損失等を考慮した機器使用端
での発電効率を３７％と仮定した。この表に示すよう
に、本発明にかかるハイブリッド型給湯装置のエネルギ
ー効率は、従来のガス給湯器、電気温水器よりもはるか
に高く、大幅な省エネルギー効果が得られることが分か
る。

【００２７】

【００２８】図１（ｂ）は、以上説明した図１（ａ）の
ハイブリッド型給湯装置の変形例を示す。図１（ａ）の
ハイブリッド型給湯装置は、貯湯タンク１内に加熱部１
０を設けて貯湯タンク１内の水を対流熱伝達によって加
熱するものであるが、この図１（ｂ）のハイブリッド型
給湯装置は、加熱部１０を貯湯タンク１の外側にあるバ
イパス管１２の内部に設けて、貯湯タンク１内の水を循
環させながら強制熱伝達により加熱するものである。こ
の装置の動作は、貯湯タンク１内の水を加熱するため
に、貯湯タンク１内の水をバイパス管１２に通して循環
させながら行う以外は、以上説明した動作と同一である
ので、説明を省略する。

【００２９】図５は、本発明の第２実施形態にかかるハ
イブリッド型給湯装置を示す。この第２実施形態のハイ
ブリッド型給湯装置は、特記以外は、前記第１実施形態
のものと実質的に同一であり、対応する部分には同一符
号を附して説明を省略する。

【００３０】このハイブリッド型給湯装置は、貯湯タン
ク１の加熱部１０を外部のバイパス管路１２（以下、第
１バイパス管路という）に設置するとともに、該第１バ
イパス管路１２にさらに第２のバイパス管路２２を設け
て三方弁２３によって第１バイパス管路１２と切換可能
にし、第２バイパス管路２２に熱交換チューブ２４を設
けて、この熱交換チューブ２４を真空式蓄熱部４の気層
部１９に挿入したものである。そして、貯湯タンク１の
加熱部１０の第１凝縮部１３ａは真空式蓄熱部４の第２
凝縮器１３ｂと直列に接続され、真空式蓄熱部４の第２
凝縮器１３ｂのほうが貯湯タンク１の加熱部１０の第１
凝縮部１３ｂよりも上流側に位置している。真空式蓄熱
部４の缶水貯溜部１８には、加熱部１６のほかに、ガス
または石油による補助加熱手段２５が設けられている。

【００３１】前記ハイブリッド型給湯装置では、貯湯タ
ンク１内の水は、外部の加熱部１０によって約６０℃ま
で加熱し、真空式蓄熱部４の熱交換チューブ２４によっ
て貯湯タンク１内のお湯を約９０℃まで加熱する。ま
た、第２凝縮部１３ｂは第１凝縮部１３ａより上流側に
配置されているので、第２凝縮部１３ｂの冷媒のスーパ
ーヒート部で真空式蓄熱部４の缶水を高温度に加熱する
ことができ、風呂のお湯を安定して保温することができ
る。通常使用時のヒートポンプ２の動作は、前記第１実
施形態のものと同様であるので、説明を省略する。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、成績係数の高いヒートポンプと１次エネルギ
ー使用量の少ないガス給湯器とを組み合わせたので大幅
な省エネルギー効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 （ａ）は本発明の第１実施形態のハイブリッ
ド型給湯装置の概略図、（ｂ）はその変形例のハイブリ
ッド型給湯装置の概略図。

【図２】 （ａ）はヒートポンプとガス給湯器のタイム
チャート、（ｂ）はタンク内温度の時間的変化、（ｃ）
はタンク内温度分布の時間的変化を示す図。

【図３】 タンク内のお湯と水の状態を示す図。

【図４】 ヒートポンプの凝縮器出口温度と成績係数の
関係を示す図。

【図５】 本発明の第２実施形態のハイブリッド型給湯
装置の概略図。

【符号の説明】

１ 貯湯タンク ２ ヒートポンプ ３ ガス給湯器 ４ 真空式蓄熱部 ５ 制御部 ６ 給水口 ７ 給湯口 １０ 加熱部 １２ バイパス管路 １３ａ 第１凝縮部 １３ｂ 第２凝縮部 １５ 缶体 １６ 加熱部 １７ 熱交換チューブ １８ 缶水貯溜部 １９ 気層部

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸水口と給湯口を有する貯湯タンクと、 該貯湯タンク内の水を加熱する凝縮部を有するヒートポ
   ンプと、 前記貯湯タンクの給水口から分岐して給湯口に至るバイ
   パス管路と、 該バイパス管路に設けられて当該バイパス管路を通過す
   る水を加熱する小型給湯器とを備えたことを特徴とする
   ハイブリッド型給湯装置。
2. 【請求項２】 前記ヒートポンプに第２の凝縮部を設け
   るとともに、該第２の凝縮部により保温を必要とする消
   費場所からのお湯を加熱する保温部をさらに設けたこと
   を特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型給湯装
   置。
3. 【請求項３】 前記凝縮部と前記第２の凝縮部を直列に
   接続し、前記第２の凝縮部を前記凝縮部より上流側に配
   置したことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド
   型給湯装置。
4. 【請求項４】 前記保温部は、減圧された缶体内に缶水
   を永久的に収容して缶水貯溜部と気層部に分離し、前記
   缶水貯溜部に前記第２の凝縮部を挿入し、前記気層部に
   消費場所からのお湯が通る熱交換チューブを挿入してな
   ることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型給
   湯装置。
5. 【請求項５】 前記小型給湯器が前記保温部の気層部に
   挿入した熱交換チューブであることを特徴とする請求項
   ４に記載のハイブリッド型給湯装置。
6. 【請求項６】 前記小型給湯器がガス給湯器であること
   を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のハイブ
   リッド型給湯器。
7. 【請求項７】 前記貯湯タンク内の水を前記ヒートポン
   プの凝縮部により約６０℃まで加熱した後、前記小型給
   湯器により約９０℃まで加熱して沸き上げることを特徴
   とする請求項１から６のいずれかに記載のハイブリッド
   型給湯装置。
8. 【請求項８】 貯湯タンク内の水をヒートポンプにより
   所定の第１温度まで加熱する第１加熱工程と、小型給湯
   器により前記第１温度より高い所定の第２温度まで加熱
   する第２加熱工程とにより沸き上げることを特徴とする
   ハイブリッド型給湯方法。
9. 【請求項９】 前記前記第１加熱工程におけるヒートポ
   ンプを深夜電力を利用して運転することを特徴とする請
   求項８に記載のハイブリッド型給湯方法。
10. 【請求項１０】 通常給湯時に、前記ヒートポンプによ
    り前記第１温度より低い所定の第３温度に加熱すること
    を特徴とする請求項８または９に記載のハイブリッド型
    給湯方法。