JP2004060925A - 貯湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯のエネルギー密度を大きくでき、貯湯タンクの小型化を図ることができる給湯や暖房用の貯湯システムを提供する。
【解決手段】貯湯タンク１０から給湯管１２が延び、浴槽や厨房等の給湯設備に連なっている。貯湯タンク１０は、第１熱媒循環路２１、中継熱交換器２３、第２熱媒循環路２２を順次介して床暖房パネル２０（暖房設備）に接続されている。貯湯タンク１０内の水は、水冷媒ヒートポンプ３０（加温手段）の加温操作によって１２０℃の高温になっている。貯湯タンク１０の内圧は、この１２０℃の水の蒸気圧より高圧になるように加圧されている。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建物の暖房や給湯のための温水を貯える貯湯タンクを備えたシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のシステムでは、１００℃未満の温水を貯湯タンクに貯えていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の１００℃未満の貯湯システムでは、特に冬季において暖房と給湯を同時に行なうような場合、エネルギーが不足してしまう。そのため、電力等の他のエネルギーで補う必要があった。また、貯湯タンクを大きくする必要があり、集合住宅等では設置スペースの確保が容易でなかった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明に係る貯湯システムは、建物の暖房設備又は給湯設備等の温水利用設備に接続された貯湯タンクと、この貯湯タンクに熱的に接続され、貯湯タンクに貯えられる水を１００℃以上に加温する加温手段とを備え、上記貯湯タンク内が、上記加温された水の蒸気圧より高圧になるように加圧されていることを特徴とする。これによって、貯湯のエネルギー密度を大きくすることができ、例えば冬季に暖房と給湯を同時に行なう場合でも十分に対応することができる。また、給湯時に貯湯タンクから汲み出す湯量が少なくて済み、貯湯タンクの小型化を図ることができる。これによって、集合住宅等でも設置スペースを容易に確保することができる。貯湯タンクには、市水路を接続して給水するようにすれば、市水路の圧力を貯湯タンク内に導入できる。これにより、所望水温が１２０℃程度であれば、水の蒸気圧より高圧にすることが可能である。勿論、貯湯タンク内を上記所望水温での水の蒸気圧より高圧に加圧するための専用の加圧手段を設けてもよい。
【０００５】
本貯湯システムの望ましい態様は、水を冷媒とするヒートポンプを備えていることである。この水冷媒ヒートポンプは、冷媒用水を減圧膨張させる膨張手段と、蒸発させる蒸発手段と、圧縮させる圧縮手段と、凝縮させる凝縮手段とを有している。圧縮手段によって、凝縮手段が、貯湯タンクの所望水温（≧１００℃）での水の蒸気圧より高圧になるように加圧されている。これにより、凝縮手段で凝縮した冷媒用水の温度が、貯湯タンクの所望水温以上になっている。この凝縮手段が、上記貯湯タンクに熱的に接続されてタンク内の水を所望温度まで加温することにより、上記加温手段として提供されている。更に、加温・貯湯されるべき水を凝縮手段に入れて冷媒用水と直接的に熱交換させ、これにより所望水温になった水を貯湯タンクに送ることが望ましい。上記水冷媒ヒートポンプの蒸発手段に熱源を熱的に接続し、この熱源で蒸発手段を加温して水の蒸気圧を高めるのが望ましい。上記熱源は、水以外の物質（例えばフロンや二酸化炭素等）を冷媒とする他のヒートポンプでもよく、燃料電池や太陽熱集熱器でもよい。
【０００６】
上記貯湯タンクの水を１００℃以上の所望温度まで加温する加温手段として、電気ヒーターや二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプやフロンを冷媒とするヒートポンプを用いてもよい。
【０００７】
貯湯タンクの温水熱を暖房設備に利用する場合には、貯湯タンクと暖房設備の間に中継熱交換器を設けるのが望ましい。そして、中継熱交換器と貯湯タンクとの間で無害な第１熱媒（例えば水）を循環させるとともに、中継熱交換器と暖房設備との間で暖房に一般的に用いられる第２熱媒（例えばエチレングリコールやプロピレングリコール等の不凍液）を循環させ、貯湯タンクの熱を、中継熱交換器を中継して暖房設備に受け渡す。これにより、エチレングリコール等の第２熱媒が貯湯タンク内に漏れるおそれを防止することができる。
【０００８】
貯湯タンクと暖房設備との熱的接続構造として、上記中継熱交換器により第１、第２熱媒を分離する方式に代えて、単一の熱媒（上記第１熱媒でもよく第２熱媒でもよい）を用いることとし、貯湯タンクからの熱媒と暖房設備からの熱媒を合流させ、この合流路において熱交換を行なわせた後、熱媒を２手に分流し、一部を貯湯タンクへ送って採熱させ、残りを暖房設備へ送って放熱させるようにしてもよい。この場合、上記一部の（貯湯タンクを通る）熱媒の流量を、上記残りの（暖房設備を通る）熱媒の流量より小さくするのが望ましい。これによって、暖房設備への熱媒の温度が高すぎないように抑えることができる。さらに、上記一部の熱媒流量を可変に構成することにすれば、暖房出力を調節することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る住宅（建物）の給湯・暖房用貯湯システムＳ１を示したものである。システムＳ１は、貯湯タンク１０と、この貯湯タンク１０の温水熱を利用する床暖房パネル２０（温水利用設備としての暖房設備）と、貯湯タンク１０の加温手段としての水冷媒ヒートポンプ３０と、この水冷媒ヒートポンプ３０の熱源としてのフロンヒートポンプ４０とを備えている。
【００１０】
貯湯タンク１０の下端部に、給水路（市水路）１１が接続されている。この給水路１１から貯湯タンク１０内に市水が給湯用水として供給され、貯留されている。貯湯タンク１０の下側部は、常温（約２０℃）近くになっている。一方、貯湯タンク１０の上側部の所望水温は、１２０℃に設定されている。なお、市水路としての給水路１１の水圧は、絶対圧で通常２５０ｋＰａ以上になっている。これが減圧されることにより、貯湯タンク１０の水圧は、例えば２００ｋＰａ（絶対圧）になっている。また、後記圧縮機３４等の加圧手段によって貯湯タンク１０の水圧を確実に２００ｋＰａに維持することができる。この圧力は、水の上記所望温度（１２０℃）での蒸気圧（絶対圧１９６ｋＰａ）より大きい。
貯湯タンク１０の上端部から給湯路１２が延びている。この給湯路１２が、図示しない浴槽や厨房などの給湯設備（温水利用設備）に連なっている。
【００１１】
貯湯タンク１０と床暖房パネル２０との熱的接続構造について説明する。
貯湯タンク１０と床暖房パネル２０の間には、中継熱交換器２３が設けられている。中継熱交換器２３は、一対のコイル状の伝熱管２３ａ，２３ｂを有する対向流型熱交換器で構成されている。中継熱交換器２３の一方の伝熱管２３ａの両端が貯湯タンク１０の上側部に収容されたコイル状の採熱管２４の両端にそれぞれ接続されることにより、第１熱媒循環路２１が構成されている。この循環路２１を水（無害な第１熱媒）が循環されるようになっている。また、中継熱交換器２３の他方の伝熱管２３ｂの両端が床暖房パネル２０内の放熱管２０ａの両端にそれぞれ接続されることにより、第２熱媒循環路２２が構成されている。この循環路２２をエチレングリコール（暖房によく用いられる第２熱媒）が循環されるようになっている。
【００１２】
次に、水冷媒ヒートポンプ３０について説明する。
このヒートポンプ３０は、水を冷媒とし、膨張弁３１（膨張手段）と蒸発器３２（蒸発手段）と圧縮機３３（圧縮手段）と凝縮器３４を順次環状に接続することによって構成されている。タンク状をなす蒸発器３２及び凝縮器３４には、それぞれ冷媒用水がほぼ満杯に貯えられている。凝縮器３４の上端部から送出路３９ａが延び、膨張機３１の一次ポートに連なっている。膨張機３１の二次ポートから減圧路３９ｂが延び、蒸発器３２の下端部に連なっている。蒸発器３２の上端部から吸込み路３９ｃが延び、圧縮機３３の吸込みポートに連なっている。圧縮機３３の吐出ポートから吐出路３９ｄが延び、凝縮器３４の下端部に連なっている。
【００１３】
凝縮器３４に貯湯タンク１０が熱的に接続されている。
詳述すると、貯湯タンク１０の下側部から加温往路１３が延び、凝縮器３４の上端部に連なっている。加温往路１３には、送水ポンプ１５が設けられている。凝縮器３４の下端部から加温復路１４が延び、貯湯タンク１０の上端部に連なっている。
【００１４】
熱源としてのフロンヒートポンプ４０は、フロンを冷媒とするヒートポンプであり、膨張弁４１と蒸発器４２と圧縮機４３と凝縮器４４を順次環状に接続することによって構成されている。フロンは、蒸発器４２で蒸発して外気から採熱し、コイル管状の凝縮器４４で凝縮して放熱するようになっている。この凝縮器４４が、水冷媒ヒートポンプ３０の蒸発器３２に収容されて冷媒用水に漬けられることにより、蒸発器３２と熱的に接続されている。
【００１５】
上記のように構成された給湯・暖房用貯湯システムＳ１の動作を説明する。
水冷媒ヒートポンプ３０の圧縮機３３の駆動により、凝縮器３４の上側部の水が送出路３９ａに送り出される。そして、膨張弁３１で減圧された後、蒸発器３２の下部に注入され、蒸発器３２内の水と混ざり合う。
【００１６】
蒸発器３２には、フロンヒートポンプ４０で汲み上げられた熱が供給されている。すなわち、フロンヒートポンプ４０の圧縮機４３の駆動により、フロンが、蒸発器４２で蒸発して外気から採熱し、凝縮器４４で凝縮する。この凝縮熱で水冷媒ヒートポンプ３０の蒸発器３２の水が例えば６０℃程度まで加温され、その蒸気圧が高められる。これによって、蒸発器３２から多量の蒸気が発生し、吸込み路３９ｃを介して圧縮機３３に吸込まれる。この圧縮機３３において蒸気が２００ｋＰａまで加圧、圧縮される。圧縮後の蒸気は、吐出路３９ｄを介して凝縮器３４の下側部に注入され、凝縮器３４内の水中を気泡となって上昇する。
【００１７】
一方、送水ポンプ１５の駆動により、貯湯タンク１０の下側部の水が加温往路１３を経て凝縮器３４の上端部に注入され、凝縮器３４の下端部から加温復路１４を経て貯湯タンク１０の上側部に戻される。この送水ポンプ１５による流量は、圧縮機３３による流量より相当に大きい。したがって、凝縮器３４内では、水が上から下に向かって流れる。凝縮器３４において、この下向きに流れる水中を上記吐出路３９ｄからの気泡が上昇する過程で、気泡の水蒸気が凝縮する。この凝縮熱によって水が加温され、下に向かうにしたがって高温となる。凝縮器３４内は上記圧縮機３３の加圧によって２００ｋＰａになっているため、水の到達温度は１００℃を越え、１２０℃まで加温することができる。この１２０℃の高温水が、加温復路１４を経て貯湯タンク１０の上側部に送られる。貯湯タンク１０も上記給水路１１や圧縮機３３の加圧によって２００ｋＰａ（１２０℃の水の蒸気圧（１９６ｋＰａ）より高圧）になっているため、水は沸騰することなく、１２０℃の液相のまま貯められることになる。
【００１８】
上記貯湯タンク１０の高温水を浴槽や厨房の給湯設備に供給する際は、給湯路１２で取り出した高温水を混合栓で常温の市水と混ぜることにより適温にする。また、指し湯に使う場合は高温水をそのまま浴槽に流し込んでもよい。このとき、高温水が１２０℃もあるので、その使用量は少しでよい。例えば、３９℃、２００Ｌの湯に指し湯をして４２℃にする場合、６０℃の指し湯では３３Ｌを必要とするのに対し、貯湯タンク１０の１２０℃の指し湯では僅か７．７Ｌで済む。したがって、貯湯タンク１０から汲み出す湯量が少なくて済み、貯湯タンク１０の小型化を図ることができる。これによって、集合住宅等でも設置スペースを容易に確保することができる。加えて、給湯の最中でも更に暖房を行ない得るだけの十分な貯湯量を残すことができる。
【００１９】
暖房の際は、第１熱媒循環路２１、すなわち貯湯タンク１０内の採熱管２４と中継熱交換器２３の伝熱管２３ａとの間で、第１熱媒の水を循環させる。併せて、第２熱媒循環路２２、すなわち中継熱交換器２３の伝熱管２３ｂと床暖房パネル２０の放熱管２０ａとの間で、第２熱媒のエチレングリコールを循環させる。これによって、第１熱媒の水が、採熱管２４内において貯湯タンク１０から採熱し、その熱を中継熱交換器２３内において第２熱媒のエチレングリコールに受け渡す。このエチレングリコールが、床暖房パネル２０の放熱管２０ａで放熱することにより床暖房を行なうことができる。
【００２０】
このシステムＳ１によれば、例えば採熱管２４が破損しても貯湯タンク１０には無害な水が漏れるだけである。また、伝熱管２３ｂ及び放熱管２０ａを含む第２熱媒循環路２２の配管が破損しても、第２熱媒のエチレングリコールが、貯湯タンク１０ひいては給湯設備に混入されることはない。これによって、安全性を十分に確保することができる。
【００２１】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、上記第１実施形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。図２に示すように、第２実施形態に係る給湯・暖房用貯湯システムＳ２は、貯湯タンク１０と床暖房パネル２０との熱的接続構造が上記システムＳ１と異なっている。すなわち、システムＳ２では、中継熱交換器２３が設けられていない。それに代えて、貯湯タンク１０の採熱管２４の両端と床暖房パネル２０の放熱管２０ａの両端とを結ぶ２つの熱媒通路２５，２６が、バイパス通路２７（合流路）によってバイパスされている。このバイパス通路２７に熱媒流通ポンプ２８が設けられている。このポンプ２８の駆動によって、採熱管２４の下流端と放熱管２０ａの下流端からそれぞれ熱媒通路２５の両側に取り込まれた熱媒が、路２５，２７の接合部で合流してバイパス通路２７に流れ込む。このバイパス通路２７の通過中に、採熱管２４からの熱媒と放熱管２０ａからの熱媒との熱交換がなされる。その後、熱媒が、路２７，２６の接合部において熱媒通路２６の両側へ向けて２手に分流し、一部が、採熱管２４へ流れて貯湯タンク１０から採熱し、残りが、放熱管２０ａへ流れて床暖房パネル２０で放熱することになる。
なお、この第２実施形態の熱媒は、上記第１実施形態の第１、第２熱媒の何れを用いてもよく、それ以外の物質を用いてもよい。
【００２２】
バイパス通路２７より貯湯タンク１０側の熱媒通路２６には、流量制御弁２９が設けられている。この弁２９によって、採熱管２４を通る熱媒の流量が、放熱管２０ａを通る熱媒の流量より小さくなるように絞られている。これによって、放熱管２０ａを通る熱媒の温度が高すぎないように抑えることができる。また、弁２９の流量調節によって、床暖房パネル２０の温度を制御することができる。
【００２３】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、水冷媒ヒートポンプ３０の凝縮器をコイル管状に構成して、貯湯タンク１０内に収容することにしてもよい。そうすると、加温往復路１３，１４及び送水ポンプ１５が不要となる。
水冷媒ヒートポンプ３０の熱源として、フロンヒートポンプ４０に代えて燃料電池や太陽熱集熱器等を用いてもよい。
貯湯タンク１０内の水を１００℃以上に加温する加温手段として、水冷媒ヒートポンプ３０に代えて水以外の常温常圧で液相の物質を冷媒とするヒートポンプを用いてもよく、二酸化炭素やフロン等の常温常圧で気相の物質を冷媒とするヒートポンプを用いてもよく、更には電気ヒーターやガス燃焼装置を用いてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、貯湯のエネルギー密度を大きくすることができ、例えば冬季に暖房と給湯を同時に行なう場合でも十分に対応することができる。また、給湯時に貯湯タンクから汲み出す湯量が少なくて済み、貯湯タンクの小型化を図ることができる。これによって、集合住宅等でも設置スペースを容易に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯・暖房用貯湯システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る給湯・暖房用貯湯システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２　給湯・暖房用貯湯システム
１０　貯湯タンク
１２　給湯設備（温水利用設備）への給湯管
２０　床暖房パネル（暖房設備、温水利用設備）
３０　水冷媒ヒートポンプ（加温手段）

Claims (1)

1. 建物の暖房設備又は給湯設備等の温水利用設備に接続された貯湯タンクと、この貯湯タンクに熱的に接続され、貯湯タンクに貯えられる水を１００℃以上に加温する加温手段とを備え、上記貯湯タンク内が、上記加温された水の蒸気圧より高圧になるように加圧されていることを特徴とする貯湯システム。

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