JP2003120950A - ヒートポンプ暖房システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒートポンプを用いた暖房システムにおい
て、大きな加熱能力のヒートポンプを用いることを必要
とせずに、暖房の立ち上がり時間を早くすること。 【解決手段】 ヒートポンプ１１を用いた暖房システム
１０であって、運転開始当初は、ヒートポンプ１１から
送られてきた熱媒を三方弁１６により蓄熱槽１３内の熱
交換器１４を経由させ、より高温に昇温させて暖房器１
２に送り、定常状態に移行したと判断した後には、三方
弁１６を切り替え、ヒートポンプ１１から送られてきた
熱媒を直接暖房器１２に送るもの。

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を用い
た暖房システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開2000-46417号公報に記載の暖房シス
テムでは、ヒートポンプと床暖房パネル（暖房器）の間
で熱媒を循環させている。ヒートポンプで加温した熱媒
を、床暖房パネルまでの配管で循環させ、そこで熱媒の
熱を放出して床を暖房する。床暖房ではヒートポンプの
電源を投入してすぐに、暖めようとする部屋のみならず
床そのものも暖める必要があり、熱容量が大きく、一般
的な空調に比べて必要な熱量が大きい。そのため、床暖
房を立ち上げるのに長時間かかってしまう。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような床暖房等の
暖房システムでは暖房の立ち上がり時に最も多くの熱量
が必要であり、ヒートポンプの熱媒に高温を得ることが
できると尚良い。しかしながら、ヒートポンプは、一般
的に多くの熱量、高い温度を得ることが苦手であり、立
ち上がり時間を早くすることに困難がある。

【０００４】本発明の課題は、ヒートポンプを用いた暖
房システムにおいて、大きな加熱能力のヒートポンプを
用いることを必要とせずに、暖房の立ち上がり時間を早
くすることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、熱媒
に熱を与えるヒートポンプと、上記熱媒から熱を受け取
る暖房器と、蓄熱槽と、ヒートポンプから送られてきた
熱媒を直接暖房器に送るか、蓄熱槽を経由させ更に昇温
して暖房器に送るか切り替えるための三方弁と、蓄熱槽
内においてヒートポンプから送られてきた熱媒に蓄熱槽
内の熱を与えるための熱交換器と、からなるヒートポン
プ暖房システムであり、運転開始当初は、ヒートポンプ
から送られてきた熱媒を三方弁により蓄熱槽内の熱交換
器を経由させて暖房器に送り、定常状態に移行したと判
断した後には、三方弁を切り替え、ヒートポンプから送
られてきた熱媒を直接暖房器に送るようにしたものであ
る。

【０００６】請求項２の発明は、熱媒に熱を与えるヒー
トポンプと、上記熱媒から熱を受け取る暖房器と、蓄熱
槽と、ヒートポンプから送られてきた熱媒を直接暖房器
に送るか、蓄熱層を経由させ更に昇温して暖房器に送る
か切り替えるための第１三方弁と、ヒートポンプから送
られてきた熱媒を蓄熱槽と第１三方弁のいずれに送るか
切り替えるための第２三方弁と、蓄熱槽内においてヒー
トポンプから第１三方弁を介して送られてきた熱媒に蓄
熱層内の熱を与えるための第１熱交換器と、蓄熱槽内に
おいてヒートポンプから第２三方弁を介して送られてき
た熱媒から蓄熱層内に熱を与えるための第２熱交換器
と、からなるヒートポンプ暖房システムであり、運転開
始当初は、ヒートポンプから送られてきた熱媒を第１三
方弁と第２三方弁により蓄熱槽内の熱交換器を経由させ
て暖房器に送り、定常状態に移行したと判断した後に
は、第１三方弁を切り替え、ヒートポンプから送られて
きた熱媒を直接暖房器に送るとともに、ヒートポンプか
ら送られてきた熱媒を第２三方弁により蓄熱槽内の第２
熱交換器に送り、蓄熱槽内に蓄熱を行なうようにしたも
のである。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において更に、前記定常状態に移行したことの判断基準
として、暖房器に出入りする熱媒の温度と流量を測定
し、暖房器で放出された熱量を求め、暖房器の運転開始
当初は、熱媒をヒートポンプから蓄熱槽を通して暖房器
へ送り、暖房器から放出された熱量よりもヒートポンプ
出力の方が多くなった時点で定常状態に移行したと判断
するようにしたものである。

【０００８】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において更に、前記定常状態に移行したことの判断基準
として、暖房器による暖房領域の温度又は暖房器から出
る熱媒の温度を測定し、その測定温度が設定温度に到達
した時点で定常状態に移行したと判断するようにしたも
のである。

【０００９】

【作用】請求項１の発明によれば下記の作用がある。 蓄熱槽に予め熱を蓄えておき、暖房の立ち上げ当初は
ヒートポンプで一度暖めた熱媒を蓄熱槽に通して更に加
温することで該熱媒をより高温に昇温させ、多くの熱
量、高い温度の熱媒を暖房器に送ることができる。これ
により、ヒートポンプ単独の暖房システムに比べて多く
の熱量、高い熱媒を得ることが可能になり、暖房器の立
ち上がり時間を短縮することが可能になる。また、立ち
上げ後の室内を暖房するために必要な熱量を基準にヒー
トポンプの能力を決定することが可能となるため、大き
な加熱能力のヒートポンプを用いる必要がなくなり、安
価でコンパクトな暖房システムを構築できる。

【００１０】請求項２の発明によれば下記の作用があ
る。 ヒートポンプを蓄熱槽内の第２熱交換器につないで蓄
熱槽内に蓄熱を行なうことできるようにしたから、暖房
器の立ち上げ等により蓄熱量の減少した蓄熱槽に再び蓄
熱量を確保できる。

【００１１】請求項３の発明によれば下記の作用があ
る。 暖房器から放出された熱量をヒートポンプ出力と比較
することにより、暖房器の運転が定常状態に入ったこと
を判断し、暖房器の熱源をヒートポンプのみに切り替え
ることができる。

【００１２】請求項４の発明によれば下記の作用があ
る。 暖房器による暖房領域の温度（又は暖房器から出る熱
媒の温度）をその設定温度と比較することにより、暖房
器の運転が定常状態に入ったことを判断し、暖房器の熱
源をヒートポンプのみに切り替えることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は第１実施形態のヒートポン
プ暖房システムを示す配管図、図２は第１実施形態の運
転モードを示し、（Ａ）は立ち上がりモードを示す配管
図、（Ｂ）は定常モードを示す配管図、（Ｃ）は蓄熱モ
ードを示す配管図、図３は第２実施形態のヒートポンプ
暖房システムを示す配管図、図４は第２実施形態の運転
モードを示し、（Ａ）は立ち上がりモードを示す配管
図、（Ｂ）は定常モードを示す配管図、（Ｃ）は貯湯モ
ードを示す配管図である。

【００１４】（第１実施形態）（図１、図２） 図１は、床暖房のためのヒートポンプ暖房システム１０
を示し、暖房システム１０はヒートポンプ１１と、暖房
器１２と、蓄熱槽１３と、熱交換器１４と、予熱装置１
５と、三方弁１６と、制御装置１７とを有して構成され
る。

【００１５】ヒートポンプ１１は、熱媒入口に入ってき
た熱媒に熱を与える。そして、熱せられた熱媒を熱媒出
口へ送る。

【００１６】暖房器１２は、一端が熱媒入口、他端が熱
媒出口となる熱媒配管が床パネル等の床構成部材に設置
されたものであり、熱媒から熱を受け取り、放熱する。
ここで、ヒートポンプ１１の熱媒出口と暖房器１２の熱
媒入口は、往路管４１で接続され、ヒートポンプ１１の
熱媒入口と暖房器１２の熱媒出口は、復路管４２で接続
されている。

【００１７】蓄熱槽１３は、下端に給水管、上端に給湯
管が接続された貯湯槽であり、内部のお湯を蓄熱状態で
貯える。また、蓄熱槽１３には、給水管から水が供給さ
れる。この水は後述する予熱装置１５でお湯に加温され
る。このお湯は、給湯管から給湯設備に送られる。蓄熱
槽１３の上部のお湯は常に熱湯となっている。

【００１８】熱交換器１４は、蓄熱槽１３内の上部に設
置され、ヒートポンプ１１から送られてきた熱媒に蓄熱
層１３内のお湯から熱を与える。

【００１９】予熱装置１５は、蓄熱槽１３内の下部に設
置され、例えばシーズヒータから構成される。予熱装置
１５は、給水管からの水を加温してお湯とすることで蓄
熱槽１３に蓄熱する。

【００２０】三方弁１６は、往路管４１上に設けられ、
ヒートポンプ１１から送られてきた熱媒を直接暖房器１
２に送るか、蓄熱槽１３を経由させ更に昇温して暖房器
１２に送るかの切り替えを行なう。三方弁１６の分岐口
と熱交換器１４の熱媒入口は分岐往路管５１で接続され
ている。また、熱交換器１４の熱媒出口は、分岐復路管
５２で、往路管４１における三方弁１６と暖房器１２の
熱媒入口との間に接続されている。

【００２１】制御装置１７は、三方弁１６を切り替え制
御する。即ち、制御装置１７は、暖房システム１０の運
転開始当初は、ヒートポンプ１１から送られてきた熱媒
を三方弁１６により蓄熱槽１３内の熱交換器１４を経由
させ、お湯から熱媒に熱を与えてより高温に昇温させて
暖房器１２に送り、暖房器１２の暖房能力を上げる。ま
た、制御装置１７は、暖房システム１０が定常状態に移
行したと判断した後には、三方弁１６を切り替え、ヒー
トポンプ１１から送られてきた熱媒を直接暖房器１２に
送ることでより効率的に暖房を行なう。

【００２２】制御装置１７は、暖房システム１０の運転
開始を、暖房器１２に設けたスイッチ１２Ａのオンによ
り検知する。

【００２３】制御装置１７は、暖房システム１０が定常
状態に移行したことの判断基準として、暖房器１２の熱
媒入口と出口のそれぞれに設けた熱媒温度センサ２１、
２２の測定結果と、暖房器１２の熱媒出口（入口でも
可）の熱媒流量計２３の測定結果に基づき、暖房器１２
で放出された熱量を求める。本実施形態では、熱媒流量
計２３をヒートポンプ１１の熱媒入口（戻り口）に設け
たが、この熱媒入口は暖房器１２の熱媒出口と、往路管
４２上にあるため実質的に同じである。そして、制御装
置１７は、暖房器１２の運転開始当初は、熱媒をヒート
ポンプ１１から蓄熱槽１３を通して暖房器１２へ送り、
暖房器１２で放出された熱量をヒートポンプ１１の出力
に比較し、ヒートポンプ１１の出力の方が多くなった時
点で定常状態に移行したと判断する。ヒートポンプ１１
の出力は、予めヒートポンプ１０について求めた熱媒流
量−出力特性と、上記熱媒流量計２３が測定したヒート
ポンプ１１の熱媒流量測定結果とから演算される。尚、
ヒートポンプ１１の出力は、ヒートポンプ１１の熱媒出
口と戻り口のそれぞれに設けた熱媒温度センサの測定結
果と、ヒートポンプ１１の熱媒出口又は戻り口に設けた
熱媒流量計の測定結果に基づき演算されても良い。

【００２４】従って、暖房システム１０の運転モードは
以下の如くになる。 (1)立ち上がりモード（図２（Ａ）） 床暖房のスイッチ１２Ａを入れた直後の暖房システム１
０の立ち上がり時には、三方弁１６の切り替えをヒート
ポンプ１１から蓄熱層１３へ向かうように切り替えてお
く。ヒートポンプ１１にて熱を与えられた熱媒は、三方
弁１６を経て予熱装置１５により予め高温に暖められて
いる蓄熱槽１３内の熱交換器１４に入り、熱交換を行な
うことにより更に温度が高くなる。その後、この熱媒は
暖房器１２へ入り、そこで熱を放出させて床パネル等の
床構成部材と部屋を暖め、ヒートポンプ１１へ戻る。

【００２５】(2)定常モード（図２（Ｂ）） 暖房システム１０が定常状態に移行したことを制御装置
１７により判断したときには、暖房器１２による暖房対
象が十分に暖まり、蓄熱槽１３の熱を用いなくても暖房
が可能になったものと判断し、ヒートポンプ１１のみを
熱源とした運転（定常運転）に入る。このときには、三
方弁１６の切り替えをヒートポンプ１１から直接暖房器
１２に向かうように切り替える。このときの熱媒はヒー
トポンプ１１で暖められ、その後三方弁１６から暖房器
１２へ入る。熱媒は暖房器１２で熱を放出後、ヒートポ
ンプ１１へ戻る。

【００２６】(3)蓄熱モード（図２（Ｃ）） 暖房システム１０の運転停止後、暖房システム１０の立
ち上げによる蓄熱量の減少した蓄熱槽１３に、予熱装置
１５を用いて再び蓄熱量を確保する。その方法として
は、例えばシーズヒータを用いて深夜電力で蓄熱すれ
ば、安価に蓄熱することが可能になる。

【００２７】本実施形態によれば以下の作用がある。 蓄熱槽１３に予め熱を蓄えておき、暖房の立ち上げ当
初はヒートポンプ１１で一度暖めた熱媒を蓄熱槽１３に
通して更に加温することで該熱媒をより高温に昇温さ
せ、多くの熱量、高い温度の熱媒を暖房器１２に送るこ
とができる。これにより、ヒートポンプ１１単独の暖房
システム１０に比べて多くの熱量、高い熱媒を得ること
が可能になり、暖房器１２の立ち上がり時間を短縮する
ことが可能になる。また、立ち上げ後の室内を暖房する
ために必要な熱量を基準にヒートポンプ１１の能力を決
定することが可能となるため、大きな加熱能力のヒート
ポンプ１１を用いる必要がなくなり、安価でコンパクト
な暖房システム１０を構築できる。

【００２８】暖房器１２から放出された熱量をヒート
ポンプ出力と比較することにより、暖房器１２の運転が
定常状態に入ったことを判断し、暖房器１２の熱源をヒ
ートポンプ１１のみに切り替えることができる。

【００２９】（第２実施形態）（図３、図４） 第２実施形態の暖房システム１０が第１実施形態の暖房
システム１０と異なる点は以下の通りである。第１実施
形態の熱交換器１４を第１熱交換器とし、三方弁１６を
第１三方弁として用いる他に、第２三方弁３１と第２熱
交換器３２を用いる。

【００３０】第２三方弁３１は、往路管４１上における
ヒートポンプ１１の熱媒出口と第１三方弁１６との間に
設けられ、ヒートポンプ１１から送られてきた熱媒を蓄
熱槽１３と第１三方弁１６のいずれに送るか切り替え
る。

【００３１】第２熱交換器３２は蓄熱層１３内の下部
（但し、予熱装置５１より上方）に設けられる。第２熱
交換器３２はヒートポンプ１１から第２三方弁３１を介
して送られてきた熱媒から蓄熱層１３内に熱を与える。
また、第２熱交換器３２は、熱媒入口と熱媒出口とを備
え、熱媒入口は第２三方弁３１の分岐口に第２分岐往路
６１で接続され、熱媒出口は復路管４２に第２分岐復路
６２で接続されている。

【００３２】制御装置１７は、第１三方弁１６と第２三
方弁３１を切り替え制御する。即ち、制御装置１７は、
暖房システム１０の運転開始当初は、ヒートポンプ１１
から送られてきた熱媒を第１三方弁１６と第２三方弁３
１により蓄熱槽１３内の第１熱交換器１４を経由させ、
より高温に昇温させて暖房器１２に送り、暖房器１２の
暖房能力を上げる。また、制御装置１７は、暖房システ
ム１０が定常状態に移行したと判断した後には、第１三
方弁１６を切り替え、ヒートポンプ１１から送られてき
た熱媒を直接暖房器１２に送ることでより効率的に暖房
を行なう。

【００３３】従って、暖房システム１０の運転モードは
以下の如くになる。 (1)立ち上がりモード（図４（Ａ）） 床暖房のスイッチ１２Ａを入れた直後の暖房システム１
０の立ち上がり時には、第２三方弁３１の切り替えをヒ
ートポンプ１１から第１三方弁１６へ向かうように切り
替え、かつ第１三方弁１６の切り替えをヒートポンプ１
１から蓄熱層１３へ向かうように切り替えておく。ヒー
トポンプ１１にて熱を与えられた熱媒は、第２三方弁３
１と第１三方弁１６を経て予熱装置１５により予め高温
に暖められている蓄熱層１３内の第１熱交換器１４に入
り、熱交換を行なうことにより更に温度が高くなる。そ
の後、この熱媒は、暖房器１２へ入り、そこで熱を放出
させて床パネル等の床構成部材で部屋を暖め、ヒートポ
ンプ１１へ戻る。

【００３４】(2)定常モード（図４（Ｂ）） 暖房システム１０が定常状態に移行したことを制御装置
１７により判断したときには、暖房器１２による暖房対
象が十分に暖まり、蓄熱層１３の熱を用いなくても暖房
が可能になったものと判断し、ヒートポンプ１１のみを
熱源とした運転（定常運転）に入る。このときには、第
２三方弁３１の切り替えをヒートポンプ１１から第１三
方弁１６へ向かうように維持しながら、第１三方弁１６
の切り替えをヒートポンプ１１から直接暖房器１２に向
かうように切り替える。このときの熱媒はヒートポンプ
１１で暖められ、その後、第２三方弁３１と第１三方弁
１６から暖房器１２へ入る。熱媒は暖房器１２で熱を放
出後、ヒートポンプ１１へ戻る。

【００３５】(3)貯湯モード（図４（Ｃ）） 暖房システム１０の運転停止後、暖房システム１０の立
ち上げにより蓄熱量の減少した蓄熱槽１３に、先ずヒー
トポンプ１１を用いて蓄熱する。このとき、第２三方弁
３１の切り替えをヒートポンプ１１から蓄熱槽１３へ向
かうように切り替え、ヒートポンプ１１からの熱媒を第
２三方弁３１から蓄熱層１３の第２熱交換器３２に導い
て放熱させた後にヒートポンプ１１へ戻す。その後、蓄
熱槽１３に設置してある予熱装置１５を用いて更に蓄熱
量を確保する。

【００３６】本実施形態によれば、第１実施形態の作用
に加え、以下の作用がある。ヒートポンプ１１を蓄熱槽
１３内の第２熱交換器３２につないで蓄熱槽１３内に蓄
熱を行なうことできるようにしたから、暖房器１２の立
ち上げ等により蓄熱量の減少した蓄熱槽１３に再び蓄熱
量を確保できる。

【００３７】尚、第１実施形態と第２実施形態の暖房シ
ステム１０において、暖房システム１０が定常状態に移
行したことの、制御装置１７による判断基準としては、
暖房器１２による暖房領域の温度（例えば床表面温度、
床構成部材の温度等）又は暖房器１２の熱媒出口温度を
測定し、それらの測定温度を制御装置１７に予め定めた
設定温度と比較し、それらの測定温度が設定温度に到達
した時点で定常状態に移行したと判断することができ
る。

【００３８】以上、本発明の実施の形態を図面により詳
述したが、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限
られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計の変更等があっても本発明に含まれる。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ヒートポ
ンプを用いた暖房システムにおいて、大きな加熱能力の
ヒートポンプを用いることを必要とせずに、暖房の立ち
上がり時間を早くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は第１実施形態のヒートポンプ暖房システ
ムを示す配管図である。

【図２】図２は第１実施形態の運転モードを示し、
（Ａ）は立ち上がりモードを示す配管図、（Ｂ）は定常
モードを示す配管図、（Ｃ）は蓄熱モードを示す配管図
である。

【図３】図３は第２実施形態のヒートポンプ暖房システ
ムを示す配管図である。

【図４】図４は第２実施形態の運転モードを示し、
（Ａ）は立ち上がりモードを示す配管図、（Ｂ）は定常
モードを示す配管図、（Ｃ）は貯湯モードを示す配管図
である。

【符号の説明】

１０ 暖房システム １１ ヒートポンプ １２ 暖房器 １３ 蓄熱槽 １４ 熱交換器、第１熱交換器 １５ 予熱装置 １６ 三方弁、第１三方弁 １７ 制御装置 ３１ 第２三方弁 ３２ 第２熱交換器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒に熱を与えるヒートポンプと、 上記熱媒から熱を受け取る暖房器と、 蓄熱槽と、 ヒートポンプから送られてきた熱媒を直接暖房器に送る
   か、蓄熱槽を経由させ更に昇温して暖房器に送るか切り
   替えるための三方弁と、 蓄熱槽内においてヒートポンプから送られてきた熱媒に
   蓄熱槽内の熱を与えるための熱交換器と、 からなるヒートポンプ暖房システムであり、 運転開始当初は、ヒートポンプから送られてきた熱媒を
   三方弁により蓄熱槽内の熱交換器を経由させて暖房器に
   送り、定常状態に移行したと判断した後には、三方弁を
   切り替え、ヒートポンプから送られてきた熱媒を直接暖
   房器に送ることを特徴とするヒートポンプ暖房システ
   ム。
2. 【請求項２】 熱媒に熱を与えるヒートポンプと、 上記熱媒から熱を受け取る暖房器と、 蓄熱槽と、 ヒートポンプから送られてきた熱媒を直接暖房器に送る
   か、蓄熱層を経由させ更に昇温して暖房器に送るか切り
   替えるための第１三方弁と、 ヒートポンプから送られてきた熱媒を蓄熱槽と第１三方
   弁のいずれに送るか切り替えるための第２三方弁と、 蓄熱槽内においてヒートポンプから第１三方弁を介して
   送られてきた熱媒に蓄熱層内の熱を与えるための第１熱
   交換器と、 蓄熱槽内においてヒートポンプから第２三方弁を介して
   送られてきた熱媒から蓄熱層内に熱を与えるための第２
   熱交換器と、 からなるヒートポンプ暖房システムであり、 運転開始当初は、ヒートポンプから送られてきた熱媒を
   第１三方弁と第２三方弁により蓄熱槽内の熱交換器を経
   由させて暖房器に送り、定常状態に移行したと判断した
   後には、第１三方弁を切り替え、ヒートポンプから送ら
   れてきた熱媒を直接暖房器に送るとともに、 ヒートポンプから送られてきた熱媒を第２三方弁により
   蓄熱槽内の第２熱交換器に送り、蓄熱槽内に蓄熱を行な
   うことを特徴とするヒートポンプ暖房システム。
3. 【請求項３】 前記定常状態に移行したことの判断基準
   として、 暖房器に出入りする熱媒の温度と流量を測定し、暖房器
   で放出された熱量を求め、 暖房器の運転開始当初は、熱媒をヒートポンプから蓄熱
   槽を通して暖房器へ送り、暖房器から放出された熱量よ
   りもヒートポンプ出力の方が多くなった時点で定常状態
   に移行したと判断する請求項１又は２に記載のヒートポ
   ンプ暖房システム。
4. 【請求項４】 前記定常状態に移行したことの判断基準
   として、 暖房器による暖房領域の温度又は暖房器から出る熱媒の
   温度を測定し、その測定温度が設定温度に到達した時点
   で定常状態に移行したと判断する請求項１又は２に記載
   のヒートポンプ暖房システム。