JP2004144341A - Heat pump system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプ熱源により貯湯槽の上部より沸き上げ、かつ沸き上げ湯量、水温を制御できる貯湯式給湯器と、風呂追焚、暖房などの負荷端末を接続したヒートポンプシステムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
貯湯タンクと、圧縮機と、該圧縮機からの冷媒が循環する冷媒用伝熱管と、貯湯タンクからの水が循環する貯湯用伝熱管と、湯船の湯が循環する追焚用伝熱管とにより形成された放熱器と、膨張弁と、該膨張弁からの冷媒と機外空気とを熱交換させる蒸発器とによりヒートポンプ給湯機を構成し、圧縮機からの冷媒が冷媒用伝熱管を介して循環することにより、貯湯タンクから貯湯用伝熱管に循環してきた水を加熱し、当該加熱された水を貯湯タンクに戻すことにより貯湯すると共に、追焚用伝熱管を介して湯船の湯を循環させて冷媒で加熱することにより風呂の追焚を行うようにしている(例えば特許文献1)。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−106963号公報(段落0020−0027、0053−0059、図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のヒートポンプシステムは、追焚回路が冷媒との熱交換においてのみしか稼動できず、貯湯式給湯器での深夜電力時間帯以外の時間帯で追焚負荷が発生したときに追焚できず、また、ヒートポンプがデフロスト運転に入った時にも追焚不能の状態に陥るという問題があった。さらに、給湯と追焚と冷媒との熱交換器が同一であるため、給湯のみ、追焚のみ、給湯追焚同時の3パターンの運転があり、特にCO2冷媒によるヒートポンプの場合、熱交換器への流入水温が低くないと効率向上が図れないため、追焚からの高い水温が熱交換器に流入すると効率が低下するという問題があった。
【0005】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、簡単な構成で、効率の高いヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るヒートポンプシステムは、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクのあらかじめ定められた位置の戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、この放熱循環回路の前記貯湯タンクの前記戻し部近傍の前記配管内の水温または前記貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備えたものである。
【0007】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1はこの発明に係る実施の形態1を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図2は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図、図3はCO2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【0008】
図1において、ヒートポンプ50は、圧縮機51、加熱熱交換器52、絞り部53及び吸熱熱交換器54が順次接続されている。加熱循環回路62は、貯湯タンク60の底部、加熱ポンプ61、ヒートポンプ50の加熱熱交換器52及び貯湯タンク60の上部が順次接続されている。また、加熱循環回路62には、ヒートポンプ50にて加熱される温度を検知する沸き上げ水温センサー84、貯湯タンク60から加熱ポンプ61に入水する入水温センサー85が設けられている。負荷循環回路70は、放熱熱交換器67、負荷ポンプ71及び負荷端末72が順次接続されている。負荷端末72は風呂の保温追焚機能、床暖房機能、放射空調機、強制対流空調機、風呂乾燥機、熱駆動冷凍機、熱駆動空調機、熱駆動除湿機、熱駆動加湿機等である。また、負荷循環回路70の負荷端末72には、負荷の温度を検出する負荷温度センサー83が設けられている。
【0009】
放熱循環回路63は、貯湯タンク60の上部の放熱循環回路取り出し部64、負荷端末に接続された熱交換器67、加熱ポンプ65、主流量調整手段である流量調節弁66及び貯湯タンク60のあらかじめ定められた位置の戻し部68が順次配管69により接続されている。また、放熱循環回路63には、貯湯タンク60内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーa81a、貯湯タンク60の戻し部68近傍の配管69内の水温を検知する放熱戻し水温センサー80が設けられている。
また、貯湯タンク水温センサーa81aまたは放熱戻し水温センサー80で検出された水温に基づいて、水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁66制御する制御手段101が設けられている。
【0010】
放熱循環回路63には、負荷循環回路70の他に、貯湯タンク60の上部の放熱循環回路取り出し部64近傍の配管69の分岐部98aから分岐して給湯に使う出湯管91が設けられ、出湯管91には市水からの給水管90が混合弁92を介して接続される。
【0011】
次に動作について図1〜3により説明する。上記構成のヒートポンプシステムにおいて、まず、貯湯タンク60内に給水管90より市水が流入し、貯湯タンク60内、加熱循環回路62内、放熱循環回路63内は冷たい水で満たされる。この状態で、ヒートポンプ50と加熱ポンプ61を稼動させ、沸き上げ水温センサー84の検出温度があらかじめ定められたの水温になるようにヒートポンプ50と加熱ポンプ61を調整すると貯湯タンク60の上部より湧き上がってくる。貯湯タンク60内に湯が満たされ、いわゆる満蓄状態になると入水温センサー85の検出温度が上昇してあらかじめ定められたの温度になったところでヒートポンプ50と加熱ポンプ61を停止する。
【0012】
この沸き上げ動作は通常、深夜電力時間帯や貯湯タンク60内の貯湯量を検出してあらかじめ定められたの貯湯量より少ないときに実施する。一方、負荷端末72の動作指示があったとき、負荷ポンプ71が稼動して負荷循環回路70内を熱媒体が循環し、放熱熱交換器67で吸熱し負荷温度センサー83の検出温度があらかじめ定められた温度になるまで送水される。これと同時に、放熱循環回路63は放熱ポンプ65が稼動し貯湯タンク60の上部64より湯を取り出し、放熱熱交換器67で放熱し、放熱ポンプ65、流量調整弁66を通過し、戻し部68より貯湯タンク60内に戻る。
【0013】
ここで、放熱循環回路63からの戻り水が戻し部68から戻った場合の貯湯タンク60内の高さ方向の水温分布を図2により説明する。図において、実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布であり、実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。ここで貯湯タンク60の戻し部68が温度境界層より下の位置の場合は、図に示すように放熱循環回路63からの戻り水が温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻るので40℃近傍の中温水が生成される。
【0014】
一方、例えば、CO2を冷媒に使用したヒートポンプサイクルの冬場における冷媒−水熱交換器(図1で言えば加熱熱交換器52に相当)への入口水温とCOPの関係を図3により説明すると、冷媒−水熱交換器入口水温が8℃のときのCOPを100%とすると入口水温が45℃になるとCOPが約60%と大幅に低下してしまう。
従って、上述のように負荷端末72が動作している状態で温度境界層より下で放熱循環回路63からの水が戻り、貯湯タンク60の低温部に40℃前後の中温水が生成されたときは、これが沸き上げ時に加熱熱交換器52に入水するとCOPを大幅に低下させてしまうことになる。
【0015】
本実施の形態では、貯湯タンク60の戻し部68が温度境界層より下の位置の場合でも、貯湯タンク60の低温部に40℃前後の中温水が生成されないようにし、COPを大幅に低下させないように制御手段101で制御するものであり、次に説明する。
放熱循環回路63からの戻り水の温度は、放熱循環回路63の流量調整弁66によって流量を変化させて任意の温度にすることが可能であるので、制御手段101により、放熱戻し水温センサー80の検出温度があらかじめ定められた温度(低温)になるように、流量調整弁66により戻り水の流量を変化させ、貯湯タンク60の低温部に40℃前後の中温水が生成されないように制御する。
なお、制御手段101により、放熱戻し水温センサー80の検出温度(低温)が、戻し部68での貯湯タンク水温センサーa81aの検出温度と略同一になるように流量調整弁66により戻り水の流量を制御してもよい。
また、貯湯タンク水温センサーa81aの検出温度があらかじめ定められた温度(低温)になるように、流量調整弁66により戻り水の流量を制御してもよい。
なお、貯湯タンク60の戻し部68が温度境界層より下の位置にするのは、負荷が大きく戻り温度が低い場合である。
【0016】
以上のように、貯湯タンク60及びこの貯湯タンク60の水を加熱するヒートポンプ50が接続された加熱循環回路62と、貯湯タンク60上部の放熱循環回路取り出し部64、負荷端末72に接続された放熱熱交換器67、放熱ポンプ65、流量量調弁66及び貯湯タンク60のあらかじめ定められた位置の戻し部68が順次配管69により接続された放熱循環回路63と、この放熱循環回路63の貯湯タンク60の戻し部68近傍の配管69内の水温または貯湯タンク60内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、流量調整弁66を制御する制御手段101とを備えたので、貯湯タンク60内に中温水を生成することがなく、貯湯タンク内60の温度成層を壊すことなく、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、CO2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【0017】
また、放熱循環回路63の貯湯タンク60の戻し部近傍の配管69内の水温を検出する放熱戻し水温センサー80と、貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温センサーa81aと、放熱戻し水温センサー80により検出された水温が貯湯タンク水温センサーa81aにより検出された水温とが略同一になるように制御する制御手段101と、を備えたので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、CO2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【0018】
実施の形態2.
実施の形態1では、貯湯タンクの戻し部が温度境界層より下の位置の場合を示したが、本実施の形態は、貯湯タンクの戻し部を温度境界層より上にしたものである。構成は実施の形態1の図1で戻し部が異なるだけで他は同じなので、構成及び基本的な動作の説明を省略する。図4は実施の形態2を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【0019】
放熱循環回路63からの戻り水が戻し部68から戻った場合の貯湯タンク60内の高さ方向の水温分布を図4により説明する。図において実線が負荷を動作させる前、点線が負荷を動作させ貯湯タンク内に戻した場合の水温分布である。実線のように沸き上げ後の水温分布は高温部と低温部が温度境界層を介して存在する。
ここで、実施の形態1の図2のように温度境界層より下の位置で、低温部の水温より高い温度で戻してしまうと40℃近傍の中温水が生成されてしまいCOPが低下してしまう。
【0020】
ここで、例えば、370Lの貯湯タンク60で90℃沸き上げとすると、一般的な家庭の給湯負荷から勘案して、貯湯タンクの半分程度を毎日使用する場合、温度境界層は貯湯タンクの中心部185L付近にできるのが上限で、そこより下の位置で、温度境界層が上下することになる。温度境界層より上の位置では90℃の湯が存在し、温度境界層より下の位置で市水温度で水が存在することになる。
【0021】
本実施の形態では、貯湯タンク60の水の沸き上げ後で、負荷端末72を使用開始前に貯湯タンク60内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク60の戻し部68を配設したものである。例えば、上述のように370Lの貯湯タンク60を使用し、温度境界層は貯湯タンクの中心部185L付近にできるのが上限のとき、放熱循環回路63の戻し部68を、例えば、貯湯タンク60の上から100Lの位置に配置する。
【0022】
このような構成において、制御手段101により、図4に示す温度境界層より上の位置で、高温部の水温がそのまま給湯に使える温度、例えば50℃以上になるように、流量調整弁66で流量を調整し、放熱戻し水温センサー80の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー81aがあらかじめ定められた水温になるように制御する。
【0023】
以上のように、貯湯タンク60の水の沸き上げ後で、負荷端末72を使用開始前に貯湯タンク60内にできる温度境界層より上方に、貯湯タンク60の戻し部68を配設し、放熱戻し水温センサー80の検出温度、または、貯湯タンク水温センサー81aがあらかじめ定められた水温になるように制御したので、温度境界層より上部の高温部はそのまま給湯可能であり、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、CO2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【0024】
実施の形態3.
図5はこの発明に係る実施の形態3を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図6は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態1の図1と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図5において、貯湯タンク60の上部の放熱循環回路取り出し部64と、放熱循環回路63の配管69と出湯管91の分岐部98の間に開閉弁A93を配設し、出湯管91に出湯水温センサー86が取り付けられている。開閉弁A93は開閉手段であっても、流量調整手段であってもよい。
また、開閉弁A93の代わりに、分岐部98に流量を任意に分配できる三方弁、または、切り替えの開閉手段を設けてもよい。
【0025】
次に動作を図5、6により説明する。沸き上げ時は実施の形態1と同じであり、説明を省略する。放熱時は開閉弁A93が開の状態であり貯湯タンク60から放熱循環回路63へ循環する。出湯時には開閉弁A93が閉の状態で放熱循環回路63の流量調整手段66を開の状態で、放熱ポンプ65は停止とすると、戻し部68からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路63を逆流して、放熱循環回路取り出し部64より出湯管91に流入し出湯される。
【0026】
放熱循環回路63からの戻り水が戻し部68から戻り、負荷端末72の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク60内の高さ方向の水温分布を図6により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線が出湯動作させ貯湯タンク内より放熱循環回路63を逆流させた水温分布である。
この状態で、貯湯タンク水温センサーa81aの検出温度が出湯可能な、たとえば50℃以上であれば、放熱循環回路63を逆流させると、開閉弁A93が閉となっているので、取り出し位置(戻し部68)より下の位置にある湯が入水され、出湯管91より給湯される。このとき出湯管91に設けられた出湯水温センサー86の検出温度が所望の水温になるように混合弁92の開度を調整してやればよい。また、タンク内の中温水の水温が低下して給湯不能な水温になった場合、開閉弁A93を開き、貯湯タンク60上部の高温水を出湯させるようにする。
【0027】
なお、50℃以上の湯はそのまま出湯できるので、貯湯タンク60上部の80℃の湯より先に温度の低い部分を先に給湯すると、貯湯タンク60下部より低い温度の市水が入水され、貯湯タンク60下部を低い水温の水で満たすことができる。
【0028】
このように、制御手段101は、放熱循環回路63の放熱ポンプ65を停止、流量調整弁66を開とし、貯湯タンク水温センサー81aの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁A93をを閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁A93を開とする。
また、出湯水温センサー86により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁92または流量調整手段を制御する。
【0029】
このようにして、仮に50℃前後の中温水が生成されてしまったとしても放熱循環回路63を逆流させて出湯させるので温度境界層より下部の低温部は水温が低い。
【0030】
以上のように、放熱循環回路63の放熱循環回路取り出し部64近傍の配管69から分岐して設けられた出湯管91と、この出湯管91及び配管69の分岐部98と放熱循環回路取り出し部64の間に設けられた開閉弁A93または流量調節手段と、を備え、制御手段101は、放熱循環回路63のポンプを停止、流量調整弁66を開とし、貯湯タンク水温センサーa81aの検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、開閉弁A93または流量調節手段を閉とし、検出温度が設定温度未満のときに、開閉弁A93または流量調節手段を開とするので、温度境界層より下部の低温部は水温が低く、CO2ヒートポンプの冷媒−水熱交換器に入水しても高いCOP運転をすることができる。
【0031】
また、出湯管91に設けられ吸水管からの給水を混合する混合弁92または給水と出湯の両方の流量調節が可能な流量調整手段と、この混合弁92または流量調節手段の下流の出湯管91の水温を検出する出湯水温センサー86と、を備え、制御手段101は、出湯水温センサー86により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁92または流量調整手段を制御するので、所望の出湯温度にすることができる。
【0032】
実施の形態4.
図7はこの発明に係る実施の形態4を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図、図8は貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
図において実施の形態1の図1と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
図7において、貯湯タンク60の戻し部68より上部に設けたバイパス管取り出し部96より開閉弁B95を介してバイパス管94を放熱循環回路63と並列に配設する。バイパス管94の戻り側は、出湯管91のバイパス管戻し分岐部99に接続される。また、貯湯タンク60上部の放熱循環回路取り出し部64近傍の放熱循環回路63の配管69の分岐部98と出湯管91のバイパス管戻し分岐部99の間に開閉弁93が設けられる。なお、開閉A弁93は流量調節手段でもよい。
また、貯湯タンク水温センサーa81aは戻し部68の位置、貯湯タンク水温センサーb81bはバイパス管94のバイパス管取り出し部96付近に配設する。
【0033】
次に動作について図7、8により説明する。沸き上げ時は実施の形態1と同じであり説明を省略する。放熱時は貯湯タンク60から循環回路63へ湯が循環する。出湯時において、放熱が行われない場合には、開閉弁A93を開き、流量調整手段66を開くと、貯湯タンク60の上部からと戻し部68からタンク内湯が吸い込まれ放熱循環回路63を逆流して、タンク内上部湯と混合して出湯管91から出湯される。しかし、負荷端末72の動作と出湯が同じ時に起こる可能性があり、このときは、負荷端末の放熱と出湯を交互にやってもよいが、本実施の形態はこれを同時に行うものである。
【0034】
すなわち、出湯時と放熱が同時に行われる場合には、開閉弁A93を閉、流量調整手段66を開とし、放熱ポンプ65を作動させ貯湯タンク60から湯を放熱循環回路63へ循環させ放熱を行う。同時に、バイパス管94の開閉弁b95を開とすると、貯湯タンク60のバイパス管取り出し部96からタンク内の湯が吸い込まれ、バイパス管94を通り出湯管91から出湯される。
なお、中温水が貯湯タンク60内広範囲に存在し、貯湯タンクの水温センサー81bの検出温度が出湯可能な水温である場合にもこのようにバイパス管94を使用する。
【0035】
次に、放熱循環回路63からの戻り水が戻し部68から戻り、負荷端末72の状況によりタンク内に中温水が生成してしまった場合の貯湯タンク60内の高さ方向の水温分布を図により説明する。図において、実線が出湯動作させる前の中温水が生成してしまった後の水温分布、点線、1点鎖線が出湯動作させ貯湯タンク内よりバイパス管93に流入させた水温分布である。
バイパス管93に流入させるとバイパス管取り出し部96より下の位置にある湯が入水され出湯管91より給湯される。このとき水温センサー81bの水温がそのまま出湯できるときは、放熱循環回路63の逆流分のみを出湯させてやればよいし、できないときは、開閉弁A93を開き、貯湯タンク上部の湯と混合して出湯させる。そして、出湯管91に配置された出湯水温センサー84の検出温度が所望の水温になるように混合弁の開度を調整してやればよい。
【0036】
このように、制御手段101は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁A93または流量調整手段を閉、放熱循環回路63のポンプを作動、流量調整弁66を開とするとともに、バイパス管94近傍の貯湯タンク水温センサーb81bの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁95または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには開閉弁A93または流量調節手段を開とする。
また、出湯水温センサー86により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように混合弁92または流量調整手段を制御する。
【0037】
以上のように、放熱循環回路63の取り出し部近傍の配管から分岐して設けられた出湯管91と、この出湯管91から分岐し、バイパス管用の開閉弁95または流量調整手段介して貯湯タンクの放熱回路の戻し部96より上方に接続されたバイパス管94と、出湯管91と取り出し部近傍64の配管69の分岐部98及びバイパス管94と出湯管91の分岐部の間に設けられた開閉弁A93または流量調節手段と、貯湯タンク60内のバイパス管94の接続部近傍の温度を検知するバイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーb81bと、を備え、制御手段101は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉弁A93または流量調整手段を閉、放熱循環回路63のポンプを作動、流量調整弁66を開とするとともに、バイパス管近傍の貯湯タンク水温センサーb81bの検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、バイパス管用の開閉弁95または流量調整手段を開とし、検出温度が設定温度未満のときには、開閉弁A93または流量調節手段を開とするので、貯湯タンク60の高さ方向に多く中温水が存在するときに、放熱、出湯を効率よく行うことができる。
また、放熱しながら中温水を出湯させることができる。
【0038】
実施の形態5.
図9はこの発明に係る実施の形態5を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。図において実施の形態1の図1及び羽実施の形態3の図5と同一の部分には同一の符号を付し説明を省略する。
貯湯タンクの戻し部68を貯湯タンク60の上部に設け、この戻し部68から貯湯タンク60内部に延設され、戻し口97aを有する貯湯タンク内戻し配管97を設けている。貯湯タンク内戻し配管97は熱伝導性のよい材質、例えば、銅等を使用する。
【0039】
次に動作について説明する。沸き上げ時は実施の形態1と同じであり説明を主略する。放熱時は貯湯タンク60から循環回路63へ湯が循環する。貯湯タンク内戻し配管97により、周囲の湯と熱交換して、戻し口97aより貯湯タンク60内に戻る。放熱戻し水温センサー80の検出温度が低い場合、そのまま貯湯タンク水温センサー81aの位置に戻すと、多量の中温水、およそ40℃前後を生成してしまう。
本実施の形態では、戻し口97aまでの貯湯タンク内戻し配管97により、周囲の湯と熱交換することにより中温水の温度を上げ、たとえば50℃以上でそのまま出湯可能な湯を生成できる。
【0040】
以上のように、貯湯タンクの戻し部を貯湯タンクの上部に設け、この戻し部から貯湯タンク内部に延設された貯湯内戻し配管を備えたので、貯湯タンク内戻し配管97により、周囲の湯と熱交換して、中温水の水温をそのまま出湯できる水温まで上昇させることができる。
【0041】
なお、実施の形態1〜5において、ヒートポンプの冷媒はCO2として、冷媒−水熱交換器の入水温度を低く保つようにし、高いCOP運転をするようにすることができる。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、貯湯タンク及びこの貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプが接続された加熱循環回路と、前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクのあらかじめ定められた位置の戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、この放熱循環回路の前記貯湯タンクの前記戻し部近傍の前記配管内の水温または前記貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備えたので、簡単な構成で、効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図2】貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図3】CO2冷媒のヒートポンプの冷媒−水熱交換器入口水温とCOPの関係を示す図である。
【図4】実施の形態2を示すヒートポンプシステムの貯湯タンクにおける高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図5】この発明に係る実施の形態3を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図6】この発明に係る実施の形態3を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図7】この発明の実施の形態4を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【図8】この発明に係る実施の形態4を示すヒートポンプシステムの貯湯タンク高さ方向の水温分布変化の説明図である。
【図9】この発明の実施の形態5を示すヒートポンプシステムの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 ヒートポンプ、51 圧縮機、52 加熱熱交換器、53 絞り部、54吸熱熱交換器、60 貯湯タンク、61 加熱ポンプ、62 加熱循環回路、63 放熱循環回路、64 放熱循環回路取り出し部、65 放熱ポンプ、66流量調整弁、67 放熱熱交換器、68 放熱循環回路戻し部、69 配管、70 負荷循環回路、71 負荷ポンプ、72 負荷端末、80 放熱戻し水温センサ、81a 貯湯タンク水温センサーa、81b 貯湯タンク水温センサーb、83 負荷温度センサー、84 沸き上げ温度センサー、85 入水温度センサー、90 給水管、91 出湯管、92 混合弁、93 開閉弁A、94 バイパス管、95 開閉弁B、96 バイパス管取り出し部、97 貯湯タンク内戻し配管、98 分岐部、99 バイパス管戻し分岐部、101 制御手段。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat pump system in which a heat pump heat source boils water from an upper portion of a hot water storage tank and can control the amount of hot water and the temperature of the hot water, and a load terminal such as additional heating of a bath or heating.
[0002]
[Prior art]
A hot water storage tank, a compressor, a heat transfer tube for the refrigerant in which the refrigerant from the compressor circulates, a heat transfer tube for the hot water in which the water from the hot water tank circulates, and a supplementary heat transfer tube in which the hot water of the bathtub circulates. A heat pump water heater is constituted by the formed radiator, the expansion valve, and an evaporator for exchanging heat between the refrigerant from the expansion valve and the outside air, and the refrigerant from the compressor passes through the refrigerant heat transfer tube. By circulating, the water circulating from the hot water storage tank to the hot water storage heat transfer tube is heated, and the heated water is returned to the hot water storage tank to store the hot water, and the hot water of the bathtub is circulated through the additional heating heat transfer tube. Then, additional heating of the bath is performed by heating with a refrigerant (for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-106963 (paragraphs 0020-0027, 0053-0059, FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional heat pump system, the reheating circuit can only operate only in the heat exchange with the refrigerant, it can not reheat when the reheating load occurs in the time zone other than late-night power time in the hot water storage water heater, In addition, there is a problem that even when the heat pump enters a defrost operation, it becomes impossible to reheat the heat pump. Further, since the heat exchangers for hot water supply, additional heating, and refrigerant are the same, there are three types of operation: hot water supply only, additional heating only, and simultaneous hot water supply additional heating. 2 In the case of a heat pump using a refrigerant, the efficiency cannot be improved unless the temperature of the water flowing into the heat exchanger is low. Therefore, there is a problem that the efficiency is reduced when a high water temperature from the reheating flows into the heat exchanger.
[0005]
The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object to provide a highly efficient heat pump system with a simple configuration.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
A heat pump system according to the present invention includes a heating circulation circuit to which a hot water storage tank and a heat pump that heats water in the hot water storage tank are connected; a heat exchanger connected to a load terminal at an upper portion of the hot water storage tank; a load terminal; A flow circulating circuit in which a flow rate adjusting means and a return portion of a predetermined position of the hot water storage tank are sequentially connected by piping, and a water temperature or the hot water storage in the pipe near the return portion of the hot water storage tank of the heat radiation circulation circuit. Temperature detecting means for detecting a water temperature at a predetermined position in the tank, and control means for controlling the flow rate adjusting means so that the water temperature detected by the temperature detecting means becomes a predetermined temperature. It is provided.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a height direction in a hot water storage tank, and FIG. 2 It is a figure which shows the relationship between COP and the refrigerant-water heat exchanger inlet water temperature of the heat pump of a refrigerant.
[0008]
In FIG. 1, a
[0009]
The heat
Further, control means 101 is provided for controlling the flow
[0010]
In addition to the
[0011]
Next, the operation will be described with reference to FIGS. In the heat pump system configured as described above, first, city water flows into the hot
[0012]
This boiling operation is usually performed when the amount of hot water stored in the hot
[0013]
Here, the water temperature distribution in the height direction in the hot
[0014]
On the other hand, for example, CO 2 The relationship between the inlet water temperature to the refrigerant-water heat exchanger (corresponding to the
Therefore, when the water from the heat
[0015]
In the present embodiment, even when the
The temperature of the return water from the heat
The flow rate of the return water is controlled by the
Further, the flow rate of the return water may be controlled by the flow
The
[0016]
As described above, the
[0017]
Further, a heat return
[0018]
Embodiment 2 FIG.
In the first embodiment, the case where the return portion of the hot water storage tank is at a position below the temperature boundary layer has been described, but in the present embodiment, the return portion of the hot water storage tank is located above the temperature boundary layer. The configuration is the same as that of the first embodiment shown in FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a height direction in a hot water storage tank of the heat pump system according to the second embodiment.
[0019]
The water temperature distribution in the height direction in the hot
Here, as shown in FIG. 2 of the first embodiment, if the temperature is returned to a position lower than the temperature boundary layer at a temperature higher than the water temperature of the low temperature part, medium-temperature water near 40 ° C. is generated, and the COP decreases. I will.
[0020]
Here, for example, assuming that the water is heated to 90 ° C. in the 370 L hot
[0021]
In the present embodiment, the
[0022]
In such a configuration, the flow rate is controlled by the
[0023]
As described above, after the water in the hot
[0024]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 6 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a height direction in a hot water storage tank.
In the figure, the same parts as those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
In FIG. 5, an opening / closing valve A93 is provided between a heat radiation circulation circuit take-out
Instead of the on-off valve A93, a three-way valve capable of arbitrarily distributing the flow rate to the
[0025]
Next, the operation will be described with reference to FIGS. The operation at the time of boiling is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted. During heat release, the on-off valve A93 is open and circulates from the hot
[0026]
FIG. 6 illustrates the water temperature distribution in the height direction in the hot
In this state, if the temperature detected by the hot water storage tank water temperature sensor a81a is such that the hot water can be discharged, for example, 50 ° C. or more, when the heat
[0027]
Since the hot water of 50 ° C. or more can be discharged as it is, if the lower temperature portion is supplied first before the hot water of 80 ° C. at the upper part of the hot
[0028]
As described above, the control means 101 stops the
Further, the mixing
[0029]
In this way, even if medium-temperature water of about 50 ° C. is generated, since the heat is circulated by flowing back the heat
[0030]
As described above, the tapping
[0031]
Also, a mixing
[0032]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 8 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a height direction in a hot water storage tank.
In the figure, the same parts as those in FIG. 1 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
In FIG. 7, a
The hot water tank temperature sensor a81a is disposed at the position of the
[0033]
Next, the operation will be described with reference to FIGS. The operation at the time of boiling is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted. During heat release, hot water circulates from hot
[0034]
That is, when the hot water is discharged and the heat radiation is performed simultaneously, the on-off valve A93 is closed, the flow rate adjusting means 66 is opened, and the
It should be noted that the
[0035]
Next, the water temperature distribution in the height direction in the hot
When the hot water flows into the
[0036]
As described above, the control means 101 closes the on-off valve A93 or the flow rate adjustment means, activates the pump of the heat
Further, the mixing
[0037]
As described above, the tapping
Also, the medium-temperature water can be discharged while dissipating heat.
[0038]
Embodiment 5 FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to Embodiment 5 of the present invention. In the drawing, the same portions as those in FIG. 1 of the first embodiment and FIG. 5 of the wing embodiment 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
A
[0039]
Next, the operation will be described. The operation at the time of boiling is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted. During heat release, hot water circulates from hot
In the present embodiment, the temperature of the medium-temperature water is increased by exchanging heat with the surrounding hot water through the
[0040]
As described above, the return portion of the hot water storage tank is provided above the hot water storage tank, and the return pipe for hot water storage extending from the return portion to the inside of the hot water storage tank is provided. And the temperature of the medium-temperature water can be raised to the temperature at which hot water can be discharged.
[0041]
In the first to fifth embodiments, the refrigerant of the heat pump is CO 2 2 As a result, the inlet water temperature of the refrigerant-water heat exchanger can be kept low, and a high COP operation can be performed.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, the heating circulation circuit to which the hot water storage tank and the heat pump that heats the water in the hot water storage tank are connected, the heat exchanger, the pump, and the main flow rate adjusting means connected to the take-out part at the top of the hot water storage tank, the load terminal. And a heat radiating circuit in which a return portion of a predetermined position of the hot water storage tank is sequentially connected by a pipe, and a water temperature in the pipe near the return portion of the hot water storage tank of the heat radiation circulating circuit or in the hot water storage tank. Since it has temperature detecting means for detecting a water temperature at a predetermined position, and control means for controlling the flow rate adjusting means so that the water temperature detected by the temperature detecting means becomes a predetermined temperature. With a simple configuration, the efficiency can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a hot water storage tank height direction.
FIG. 3 CO 2 It is a figure which shows the relationship between COP and the refrigerant-water heat exchanger inlet water temperature of the heat pump of a refrigerant.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a water temperature distribution change in a height direction in a hot water storage tank of a heat pump system according to a second embodiment.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a height direction of a hot water storage tank of the heat pump system according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a change in water temperature distribution in a hot water storage tank height direction of a heat pump system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a heat pump system according to Embodiment 5 of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 heat pump, 51 compressor, 52 heating heat exchanger, 53 throttle unit, 54 heat absorption heat exchanger, 60 hot water storage tank, 61 heating pump, 62 heating circulation circuit, 63 heat radiation circulation circuit, 64 heat radiation circulation circuit take-out part, 65 heat radiation Pump, 66 flow regulating valve, 67 heat radiation heat exchanger, 68 heat radiation circulation circuit return part, 69 piping, 70 load circulation circuit, 71 load pump, 72 load terminal, 80 heat radiation return water temperature sensor, 81a hot water storage tank water temperature sensor a, 81b Hot water storage tank temperature sensor b, 83 load temperature sensor, 84 boiling temperature sensor, 85 incoming water temperature sensor, 90 water supply pipe, 91 hot water pipe, 92 mixing valve, 93 on-off valve A, 94 bypass pipe, 95 on-off valve B, 96 bypass Pipe take-out section, 97 return pipe in hot water storage tank, 98 branch section, 99 bypass pipe return branch section, 101 controller .
Claims (8)
前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクのあらかじめ定められた位置の戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、
この放熱循環回路の前記貯湯タンクの前記戻し部近傍の前記配管内の水温または前記貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する温度検出手段と、
この温度検出手段で検出された水温があらかじめ定められた温度になるように、前記流量調整手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。A heating circulation circuit to which a hot water storage tank and a heat pump for heating water in the hot water storage tank are connected;
A heat-dissipation circuit in which a take-out unit at the top of the hot water storage tank, a heat exchanger connected to a load terminal, a pump, a main flow rate adjusting unit and a return unit at a predetermined position of the hot water storage tank are sequentially connected by piping,
Temperature detecting means for detecting a water temperature in the pipe near the return portion of the hot water storage tank of the heat radiation circulation circuit or a water temperature at a predetermined position in the hot water storage tank;
A heat pump system comprising: a control unit that controls the flow rate adjusting unit so that the water temperature detected by the temperature detecting unit becomes a predetermined temperature.
前記貯湯タンク上部の取り出し部、負荷端末に接続された熱交換器、ポンプ、主流量調整手段及び前記貯湯タンクのあらかじめ定められた位置の戻し部が順次配管により接続された放熱循環回路と、
この放熱循環回路の前記貯湯タンクの前記戻し部近傍の前記配管内の水温を検出する戻し水温検出手段と、
前記貯湯タンク内のあらかじめ定められた位置の水温を検知する貯湯タンク水温検出手段と、
前記戻し水温検出手段より検出された水温が前記貯湯タンク水温検出手段により検出された水温とが略同一になるように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とするヒートポンプシステム。A heating circulation circuit to which a hot water storage tank and a heat pump for heating water in the hot water storage tank are connected;
A heat-dissipation circuit in which a take-out unit at the top of the hot water storage tank, a heat exchanger connected to a load terminal, a pump, a main flow rate adjusting unit and a return unit at a predetermined position of the hot water storage tank are sequentially connected by piping,
Return water temperature detection means for detecting a water temperature in the pipe near the return portion of the hot water storage tank of the heat radiation circulation circuit,
Hot water tank temperature detection means for detecting the water temperature at a predetermined position in the hot water tank,
Control means for controlling the water temperature detected by said return water temperature detection means to be substantially the same as the water temperature detected by said hot water storage tank water temperature detection means.
この出湯管及び前記配管の分岐部と前記取り出し部の間に設けられた開閉手段または流量調節手段と、を備え、
制御手段は、前記放熱循環回路のポンプを停止、主流量調整手段を開とし、貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた設定温度以上のときに、前記開閉手段または前記流量調節手段を閉とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときに、前記開閉手段または流量調節手段を開とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のヒートポンプシステム。A tapping pipe provided by branching from a pipe near the take-out portion of the heat radiation circulation circuit,
An opening / closing means or a flow rate adjusting means provided between the tapping portion and the branch portion of the tapping pipe and the pipe,
The control means stops the pump of the heat radiation circulation circuit, opens the main flow rate adjusting means, and when the detected temperature of the hot water storage tank water temperature detecting means is equal to or higher than a predetermined temperature, sets the opening / closing means or the flow rate adjusting means. The heat pump system according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat pump system is closed, and the opening / closing means or the flow rate adjusting means is opened when the detected temperature is lower than the set temperature.
この出湯管から分岐し、バイパス管用の開閉手段または流量調整手段介して貯湯タンクの放熱回路の戻し部より上方に接続されたバイパス管と、
前記出湯管と前記取り出し部近傍の前記配管の分岐部及び前記バイパス管と前記出湯管の分岐部の間に設けられた開閉手段または流量調節手段と、
前記貯湯タンク内の前記バイパス管の接続部近傍の温度を検知するバイパス管近傍の貯湯タンク水温検出手段と、を備え、
制御手段は、放熱運転と出湯を同時に行うときは、開閉手段または流量調整手段を閉、前記放熱循環回路のポンプを作動、主流量調整手段を開とするとともに、前記バイパス管近傍の貯湯タンク水温検出手段の検出温度があらかじめ定められた温度以上のときに、前記バイパス管用の前記開閉手段または流量調整手段を開とし、前記検出温度が前記設定温度未満のときには、前記開閉手段または流量調節手段を開とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のヒートポンプシステム。A tapping pipe provided by branching from a pipe near the take-out portion of the heat radiation circulation circuit,
A bypass pipe branched from the tapping pipe and connected above the return portion of the heat radiation circuit of the hot water storage tank via opening / closing means or flow rate adjusting means for the bypass pipe;
An opening / closing means or a flow rate adjusting means provided between the tapping pipe and a branch of the pipe near the take-out section and a branch of the bypass pipe and the tapping pipe;
Hot water storage tank temperature detection means near the bypass pipe for detecting the temperature near the connection of the bypass pipe in the hot water storage tank,
When simultaneously performing the heat radiation operation and tapping, the control means closes the opening / closing means or the flow rate adjusting means, activates the pump of the heat radiation circulation circuit, opens the main flow rate adjusting means, and adjusts the temperature of the hot water tank water near the bypass pipe. When the detected temperature of the detecting means is equal to or higher than a predetermined temperature, the opening / closing means or the flow rate adjusting means for the bypass pipe is opened, and when the detected temperature is lower than the set temperature, the opening / closing means or the flow rate adjusting means is opened. The heat pump system according to claim 1, wherein the heat pump system is open.
この混合手段または流量調節手段の下流の出湯管の水温を検出する出湯水温検出手段と、を備え、
制御手段は、前記出湯温度検出手段により検出された温度があらかじめ定められたの水温になるように前記混合手段または流量調整手段を制御することを特長とする請求項4または5記載のヒートポンプシステム。Mixing means for mixing the water supplied from the water absorption pipe provided in the tapping pipe or a flow rate adjusting means capable of adjusting the flow rates of both the supply water and the tapping water;
Tap water temperature detection means for detecting the water temperature of the tap pipe downstream of the mixing means or the flow rate adjustment means,
6. The heat pump system according to claim 4, wherein the control means controls the mixing means or the flow rate adjusting means such that the temperature detected by the tapping water temperature detecting means becomes a predetermined water temperature.
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Cited By (2)
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KR100859245B1 (en) | 2006-06-01 | 2008-09-18 | 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤 | Heat pump hot water supply floor heating apparatus |
JP2011112320A (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-09 | Rinnai Corp | Heat pump type heater |
-
2002
- 2002-10-22 JP JP2002307492A patent/JP3968653B2/en not_active Expired - Lifetime
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KR100859245B1 (en) | 2006-06-01 | 2008-09-18 | 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤 | Heat pump hot water supply floor heating apparatus |
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