JP2005241167A - ヒートポンプ式給湯暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 給湯用の水冷媒熱交換器と暖房用の水冷媒熱交換器とに冷媒を振り分けて同時に流す際に、給湯のトラブル発生を防止すること。
【解決手段】 圧縮機２１の能力が９．０ｋＷのものでも、放熱ロス等が起因して暖房効率が給湯効率よりも劣るため、７．７ｋＷ程度の実質能力となるので、暖房用に４．７ｋＷ、給湯用に３．０ｋＷとなるように制御装置Ｓ１が割り振ると共に圧縮機２１の周波数制御、暖房用の膨張弁２６及び貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御をする。残湯量が５０リットルとなって、湯温検出センサ４５による検出湯温が５５℃未満となって湯切れ寸前の緊急事態と判断された場合には、圧縮機２１の実質能力を８．４ｋＷ程度として、暖房用に２．４ｋＷ、給湯用に６．０ｋＷとなるように制御装置Ｓ１が割り振ると共に圧縮機２１の周波数制御、膨張弁２６及び２７の弁開度制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＨＦＣやＣＯ_２等の冷媒を用いたヒートポンプ式給湯暖房装置に関する。詳述すれば、圧縮機、それぞれ膨張弁が接続された暖房用の第1水冷媒熱交換器と貯湯用の第２水冷媒熱交換器との並列回路、空気熱交換器とを順次環状に接続してなる冷媒回路と、前記第１水冷媒熱交換器と温水暖房器との間で温水を循環させる第１温水循環路と、前記第２水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間で温水を循環させる第２温水循環路とを備えたヒートポンプ式給湯暖房装置に関する。

この種のヒートポンプ式給湯暖房装置において、ヒートポンプユニットの冷媒回路に給湯用の水冷媒熱交換器と暖房用の水冷媒熱交換器を組み込み、給湯用の温水と暖房用の温水とを得られるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２５７３６６号公報

しかし、圧縮機の能力の問題から給湯用の水冷媒熱交換器と暖房用の水冷媒熱交換器とに冷媒を同時に流す際に、適切に冷媒を振り分ける必要があるが、特に貯湯タンク内の使用できる貯湯量が減少してきて湯切れ状態となると、給湯にトラブルが生じる。

そこで本発明は、給湯用の水冷媒熱交換器と暖房用の水冷媒熱交換器とに冷媒を振り分けて同時に流す際に、貯湯タンク内の使用できる貯湯量が十分にある場合には、暖房用の第1水冷媒熱交換器に多く冷媒を流し、そうでない場合には貯湯用の第２水冷媒熱交換器に多く冷媒を流すようにすることを目的とする。

このため第１の発明は、圧縮機、それぞれ流量調整弁が接続された暖房用の第1水冷媒熱交換器と貯湯用の第２水冷媒熱交換器との並列回路、空気熱交換器とを順次環状に接続してなる冷媒回路と、前記第１水冷媒熱交換器と温水暖房器との間で温水を循環させる第１温水循環路と、前記第２水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間で温水を循環させる第２温水循環路とを備えたヒートポンプ式給湯暖房装置において、前記貯湯タンク内の使用できる温水の量が一定レベル以下となったことを検出する検出センサと、前記圧縮機の運転により前記冷媒回路内の並列回路に冷媒を流す際に前記検出センサが前記一定レベル以下となったことを検出していない場合には暖房用の流量調整弁を介する冷媒の流量が貯湯用の流量調整弁を介する冷媒の流量より多くなるように制御すると共に前記一定レベル以下となったことを検出した場合には暖房用の流量調整弁を介する冷媒の流量が貯湯用の流量調整弁を介する冷媒の流量より少なくなるように制御する制御手段とを設けたことを特徴とする。

また第２の発明は、第１の発明において、前記圧縮機を能力調整が可能なものとし、前記検出センサが前記一定レベル以下となったことを検出していない場合と検出した場合とで前記圧縮機の能力を変更するように制御する制御装置を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、給湯用の水冷媒熱交換器と暖房用の水冷媒熱交換器とに冷媒を振り分けて同時に流す際に、貯湯タンク内の使用できる貯湯量が十分にある場合には、暖房用の第1水冷媒熱交換器に多く冷媒を流し、そうでない場合には貯湯用の第２水冷媒熱交換器に多く冷媒を流すようにすることができる。従って、貯湯タンク内の使用できる貯湯量が十分にある場合には、瞬間的に動作が要求される暖房側を優先とし、貯湯量が減少してきて湯切れ寸前の緊急事態になった場合には、貯湯側を優先するようにして、給湯にトラブルが生じることが防止できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１はヒートポンプ式給湯暖房装置の全体システムを示す系統図である。図1において、Ａはヒートポンプユニット、Ｂはタンクユニット、Ｃ１は温水暖房用の第1温水循環路、Ｃ２は貯湯用の第２温水循環路、ＲはヒートポンプユニットＡに内蔵された冷媒回路である。ＨＦＣやＣＯ_２等の冷媒を用いることができるが、本実施形態ではＣＯ_２を用いる。

１及び２は前記第１温水循環路Ｃ１に設けられた床暖房パネル、３及び４は床暖房パネル１及び２に対応して設けられた床暖房リモートコントローラ（以下、「床暖房リモコン」という）であり、前記第１温水循環路Ｃ１には、熱動弁５及び６、循環ポンプ７、膨張タンク８、第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂ、バイパス管１０の途中に設けられたバイパス弁１１などが設けられている。

また、前記温水循環路Ｃ１には、暖房用の第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂから流出した暖房用温水の温度を検出するサーミスタ１２、浴室暖房用のファンコイル１３が設けられている。１４は浴室暖房リモートコントローラ（以下、「浴室暖房リモコン」という）、１５は前記ファンコイルの１３の入口部に設けられた熱動弁、１６は前記循環ポンプ７によって膨張タンク８から流出した温水の一部を床暖房パネル１、２に供給するための混合熱動弁、１８は床暖房パネル１、２に流入する温水温度を検知するサーミスタである。

前記冷媒回路Ｒは、ＣＯ_２冷媒を用いた能力調整が可能な２段圧縮式の圧縮機２１と、共に一端が前記圧縮機２１に接続される第１開閉弁２３及び第２開閉弁２４と、前記第１開閉弁２３の他端に接続される前記第１水冷媒熱交換器９の冷媒流路９Ａ、前記第２開閉弁２４の他端に接続される貯湯用の第２水冷媒熱交換器２２の一次流路２２Ａ、冷媒流路９Ａが接続される内部熱交換器２５の一次流路２５Ａ、この一次流路２５Ａの他端が接続される暖房用の流量調整弁である膨張弁（減圧装置）２６、一次流路２２Ａの他端が接続される流量調整弁である貯湯用の膨張弁（減圧装置）２７、空気熱交換器２８と、内部熱交換器２５の二次流路２５Ｂと、アキュムレーター２９とが順次環状に配管接続されている。

前記第２温水循環路Ｃ２において、第２水冷媒熱交換器２２の水流路２２Ｂの一端と貯湯タンク３１の下部とが循環ポンプ３２を介して接続されると共に、水流路２２Ｂの他端と貯湯タンク３１の上部とが接続されており、また第２水冷媒熱交換器２２の水流路２２Ｂから流出した温水の温度を検知するサーミスタ３３が水流路２２Ｂの他端と貯湯タンク３１の上部との間の第２温水循環路Ｃ２に設けられている。

前記貯湯タンク３１には追焚用の水々熱交換器３４の一次流路３４Ａが循環ポンプ３５を介して接続されている。また、水々熱交換器３４の二次流路３４Ｂには循環ポンプ３６を介して浴槽３７が接続されている。４０は貯湯タンク３１の上部に接続された給湯管であり、この給湯管４０にはミキシングバルブ４１が設けられている。４２は減圧弁４３が配設された給水管であり、この給水管４２は貯湯タンク３１の下部とミキシングバルブ４１とに分岐接続され、更に開閉弁４４を介して前記膨張タンク８に接続されている。

そして、前記貯湯タンク３１には、湯温検出センサ４５が設けられ、沸き上げ可能温度が８５℃までのため、前記湯温検出センサ４５の検出湯温が５５℃以上の場合には残湯ありと判断し、５５℃未満の場合には湯切れ寸前の緊急事態と判断される。このとき、湯温検出センサ４５の配置箇所は残湯量が例えば５０リットルの位置である。

なお、部屋が暖まってくると、床暖房パネル１、２ではそれほど放熱されなくなり、膨張タンク８から水冷媒熱交換器９へは５０〜６０℃の高温水が供給されることとなるため、水冷媒熱交換器９ではそれほど熱交換されず、冷媒温度も高温となり、圧縮機２１に高負荷が掛かることとなる。そこで、高温となった冷媒の冷却機構として前記水冷媒熱交換器９の他に設けたのが前記内部熱交換器２５である。この内部熱交換器２５での放熱分は同じ冷媒回路Ｒ内の空気熱交換器２８を通過した後の冷媒に取込まれるので、冷媒回路Ｒの吸熱効率をも向上させている。さらに、サーミスタ５０は冷媒が所定の高温度に達したのを検知すると、圧縮機２１の保護のため、この圧縮機２１を停止させるように制御するためのものである。

なお、４６は台所リモートコントローラ（以下、「台所リモコン」という）、４７は風呂リモートコントローラ（以下、「風呂リモコン」という）である。

また、ヒートポンプユニットＡとタンクユニットＢにはそれぞれマイクロコンピュータから成る制御装置（制御手段）Ｓ１、Ｓ２が設けられている。この制御装置Ｓ１、Ｓ２は床暖房リモコン３、４、浴室暖房リモコン１４、台所リモコン４６、風呂リモコン４７からの運転信号やサーミスタ１２、１７、１８、３３、５０の温度信号とに応じて、圧縮機２１の運転及び周波数制御、循環ポンプ７、３２の運転制御、熱動弁５、６、１６の開閉制御、膨張弁２６、２７の開度制御などを行うものであり、以下その動作を説明する。

〈給湯運転〉
台所リモコン４６や風呂リモコン４７からの運転信号が制御装置Ｓ２に入力されると、その信号が制御装置Ｓ２から制御装置Ｓ１に伝達され、貯湯タンク３１への貯湯が行なわれる。即ち、制御装置Ｓ１により循環ポンプ３２が運転し、第２温水循環路Ｃ２では、貯湯タンク３１→循環ポンプ３２→第２水冷媒熱交換器２２の水流路２２Ｂ→貯湯タンク３１の順に給湯用の温水が流れ、貯湯タンク３１内に貯湯される。

一方、ヒートポンプユニットＡでは制御装置Ｓ１が圧縮機２１を運転させて、第２開閉弁２４及び貯湯用の膨張弁２７を開かせ、冷媒回路Ｒでは、圧縮機２１→第２開閉弁２４→貯湯用の第２水冷媒熱交換器２２の冷媒流路２２Ａ→貯湯用の膨張弁２７→空気熱交換器２８→内部熱交換器２５のニ次流路２５Ｂ→アキュムレーター２９→圧縮機２１の順に冷媒が流れる。このとき、暖房は行われないので、第１開閉弁２３及び暖房用の膨張弁２６は閉じている。

貯湯タンク３１へ供給される温水温度は６５℃〜８５℃であるが、サーミスタ３３が検知する温度がこの温度になるように、圧縮機２１の周波数制御、貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

貯湯タンク３１に貯湯された高温水は給水管４２からの１５℃程度の水道水が加えられミキシングバルブ４１にて適度な温度に調整され、給湯管４０から台所や浴槽３７へのお湯張り等に利用される。そして、給湯が行われると、給水管４２から貯湯タンク３１に給水が行われる。また、循環ポンプ３５、３６を運転することにより、貯湯タンク３１の高温水と浴槽３７の温水を追焚用の水々熱交換器３４で熱交換し、浴槽３７の温水の追焚きを行うこともできる。

以上のような通常の給湯運転動作の場合では、９．０ｋＷの能力があるヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の能力が、例えば効率の良い６．０ｋＷ程度となるように、圧縮機２１の周波数制御、貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。しかし、使用できる残湯量が５０リットルとなって、前記湯温検出センサ４５による検出湯温が５５℃未満となって湯切れ寸前の緊急事態と判断され場合には、ヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の能力が、９．０ｋＷとなるように、圧縮機２１の周波数制御、貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

〈床暖房運転〉
次に、床暖房パネル１又は２による床暖房を行う場合、その部屋の壁面等に取り付けられた床暖房リモコン３又は４の運転スイッチをオンにする。すると、運転信号を受けた制御装置Ｓ２によりこれに対応した熱動弁５又は６が開かれ、循環ポンプ７が運転し、第１温水循環路Ｃ１では、膨張タンク８→循環ポンプ７→第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂ→熱動弁５又は６→床暖房パネル１又は２→膨張タンク８の順に温水が流れる。なお、バイパス弁１１は、熱動弁５又は６が開くのに時間がかかり、また熱動弁５又は６が故障している場合に開いて対応できるように、温水の一部をバイパス管１０を介してバイパスさせるものであり、微少量の温水が流れる。

一方、前記床暖房リモコン３又は４の運転スイッチをオンにした際に、制御装置Ｓ２から運転信号が伝達された制御装置Ｓ１によりヒートポンプユニットＡの圧縮機２１が運転すると共に第１開閉弁２３が開き、冷媒回路Ｒでは、圧縮機２１→第１開閉弁２３→暖房用の第１水冷媒熱交換器９の冷媒流路９Ａ→内部熱交換器２５の一次流路２５Ａ→暖房用の膨張弁２６→空気熱交換器２８→内部熱交換器２５の二次流路２５Ｂ→アキュムレーター２９→圧縮機２１の順に冷媒が流れる。このとき、貯湯は行われないので、第２開閉弁２４及び貯湯用の膨張弁２７は閉じており、貯湯用の水冷媒熱交換器２２の一次流路２２Ａには冷媒は流れない。

前記床暖房パネル１又は２に供給される温水の温度は６０〜７０℃であるが、サーミスタ１２が検知する温水温度がこの温度になるように圧縮機２１の周波数制御、暖房用の膨張弁２６の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

また、床暖房制御は、床暖房リモコン３又は４に搭載された室温サーミスタ（図示せず）により室温を検知し、設定温度と室温との偏差に基づき熱動弁５又は６を開閉制御し、床暖房パネル１又は２への温水量を制御装置Ｓ２が制御する。

また、床暖房パネル１及び２で同時に床暖房を行う場合、床暖房リモコン３及び４の運転スイッチをオンにすることにより、同様に熱動弁５及び６が開閉制御され、床暖房パネル１及び２に同時に温水が供給され、床暖房パネル１及び２への温水量を個別に制御することにより、床暖房の個別制御が可能となっている。

このような床暖房運転を行う場合、床暖房する部屋が暖まってくると、床暖房パネル１、２からの放熱量が小さくなり、膨張タンク８から水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂへは５０〜６０℃の温水が供給されることとなる。このため、水冷媒熱交換器９ではそれほど熱交換されず、冷媒温度も高温となって圧縮機２１に負荷がかかる。このような場合の冷媒の冷却機構として設けたのが内部熱交換器２５であり、内部熱交換器２５の一次流路２５Ａでの放熱分は同じ冷媒回路Ｒにある内部熱交換器２５の二次流路２５Ｂで再度吸収されるため、無駄なく、効率を落とすことなく、冷媒回路Ｒを構成できる。

〈浴室暖房運転〉
次に、ファンコイル１３による浴室の温風暖房を行う場合、浴室暖房リモコン１４をオンにする。すると、制御装置Ｓ２によりファンコイル１３入口部の熱動弁１５が開き、循環ポンプ７が運転する。第１温水循環路Ｃ１では、膨張タンク８→循環ポンプ７→暖房用の第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂ→熱動弁１５→ファンコイル１３→膨張タンク８の順に温水が流れる。なお、バイパス弁１１は、熱動弁１５が開くのに時間がかかり、また熱動弁１５が故障している場合に開いて対応できるように、温水の一部をバイパス管１０を介してバイパスさせるものであり、微少量の温水が流れる。

ヒートポンプユニットＡの動作と冷媒循環は床暖房運転と同様であり、貯湯は行われないので、第２開閉弁２４及び熱動弁２７は閉じており、水冷媒熱交換器２２の一次流路２２Ａには冷媒は流れない。

前記ファンコイル２１に供給される温水の温度は８０℃であるが、そのための温水制御は床暖房運転の場合と同様である。また、制御装置Ｓ２による浴室暖房制御はファンコイル１３に搭載された室温サーミスタ（図示せず）により室温を検知し、ファン回転数を制御し、熱動弁１５を開閉制御することにより行われる。

以上のような床暖房運転又は浴室暖房運転動作の場合では、９．０ｋＷの能力があるヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の能力が、例えば７．０ｋＷ程度となるように、圧縮機２１の周波数制御、暖房用の膨張弁２６の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

〈床暖房と浴室暖房の同時運転〉
床暖房パネル１、２による床暖房と、ファンコイル１３による浴室温風暖房を同時に行う場合、それぞれのリモコン３、４、１４の運転スイッチをオンにする。すると、制御装置Ｓ２により熱動弁５、６、１５が開き、循環ポンプ７が運転し、第１温水循環路Ｃ１では、膨張タンク８→循環ポンプ７→暖房用の第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂ→熱動弁５及び６→床暖房パネル１及び２→膨張タンク８の順に温水が流れると共に、膨張タンク８→循環ポンプ７→暖房用の第１水冷媒熱交換器９の水流路９Ｂ→熱動弁１５→ファンコイル１３→膨張タンク８の順に温水が流れる。

バイパス弁１１は、熱動弁５、６、１５が開くのに時間がかかり、また熱動弁５、６、１５が故障している場合に開いて対応できるように、温水の一部をバイパス管１０を介してバイパスさせるものであり、微少量の温水が流れる。

このときのサーミスタ１２による温水温度制御は８０℃であるが、これでは床暖房パネル１、２用の温水としては温度が高すぎることになる。これを解決するために、混合熱動弁１６を開くことで８０℃の温水に膨張タンク８からの中温水を混ぜ、サーミスタ１８にて検知される温水の温度が６０〜７０℃になるように制御している。また、中温水を混ぜすぎて低温になった場合は混合熱動弁１６を閉じ、サーミスタ１８の検知温度に基づく熱動弁１６の開閉制御を制御装置Ｓ２が行う。

ヒートポンプユニットＡの動作と冷媒循環は床暖房運転又は浴室暖房運転と同様であり、貯湯は行われないので、第２開閉弁２４及び貯湯用の熱動弁２７は閉じており、貯湯用の水冷媒熱交換器２２の一次流路２２Ａには冷媒は流れない。

以上のような床暖房及び浴室暖房の同時運転動作の場合では、９．０ｋＷの能力があるヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の能力が、例えば７．０ｋＷ程度となるように、圧縮機２１の周波数制御、貯湯用の膨張弁２６の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

〈暖房と給湯の同時運転〉
暖房と給湯の同時運転の場合の暖房用温水の循環経路と給湯用温水の循環経路は上述したとおりである。冷媒回路Ｒでは、制御装置Ｓ１により第１及び第２開閉弁２３、２４が共に開き、圧縮機２１→第１及び第２開閉弁２３、２４→暖房用の第１水冷媒熱交換器９の冷媒流路９Ａ及び貯湯用の第２水冷媒熱交換器２２の一次流路２２Ａ→内部熱交換器２５の一次流路２５Ａと暖房用の膨張弁２６、及び貯湯用の膨張弁２７→空気熱交換器２８→内部熱交換器２５の二次流路２５Ｂ→アキュムレーター２９→圧縮機２１の順に冷媒が流れる。このとき、第１水冷媒熱交換器９、第２水冷媒熱交換器２２及び内部熱交換器２５で熱交換が行われるのは言うまでもない。

以上のような通常の暖房と給湯の同時運転動作の場合では、ヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の能力が９．０ｋＷのものであっても、放熱ロスなどが起因となって暖房効率が給湯効率よりも劣るため、例えば７．７ｋＷ程度の実質能力となる。そこで、暖房用に４．７ｋＷ、給湯用に３．０ｋＷとなるように制御装置Ｓ１が割り振って、圧縮機２１の周波数制御、暖房用の膨張弁２６及び貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。しかし、使用できる残湯量が５０リットルとなって、前記湯温検出センサ４５による検出湯温が５５℃未満となって湯切れ寸前の緊急事態と判断された場合には、ヒートポンプユニットＡの圧縮機２１の実質能力を例えば、８．４ｋＷ程度として、暖房用に２．４ｋＷ、給湯用に６．０ｋＷとなるように制御装置Ｓ１が割り振って、圧縮機２１の周波数制御、暖房用の膨張弁２６及び貯湯用の膨張弁２７の弁開度制御が制御装置Ｓ１により行われる。

従って、ヒートポンプユニットの出力に限界があり、貯湯側と暖房側の出力がヒートポンプユニットの出力より上回る場合があるので、出力の振り分けが必要であるが、この場合、瞬間的に動作の要求される暖房を優先させて、使用者は安心して使用できる。但し、湯切れ寸前の緊急事態と判断された場合には、湯切れ予防のため、貯湯側へヒートポンプユニットの出力の大半を移行させて、トラブルを予防できる。

以上本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。

ヒートポンプ式給湯暖房装置の全体系統図である。

符号の説明

９ 第１水冷媒熱交換器
２１ 圧縮機
２２ 第２水冷媒熱交換器
２６ 暖房用の膨張弁
２７ 貯湯用の膨張弁
２８ 空気熱交換器
３１ 貯湯タンク
３２ 循環ポンプ
４５ 湯温検出センサ
Ｓ１ 制御装置
Ｓ２ 制御装置
Ａ ヒートポンプユニット
Ｂ タンクユニット
Ｃ１ 温水暖房用の第1温水循環路
Ｃ２ 貯湯用の第２温水循環路
Ｒ 冷媒回路

Claims (2)

1. 圧縮機、それぞれ流量調整弁が接続された暖房用の第1水冷媒熱交換器と貯湯用の第２水冷媒熱交換器との並列回路、空気熱交換器とを順次環状に接続してなる冷媒回路と、前記第１水冷媒熱交換器と温水暖房器との間で温水を循環させる第１温水循環路と、前記第２水冷媒熱交換器と貯湯タンクとの間で温水を循環させる第２温水循環路とを備えたヒートポンプ式給湯暖房装置において、前記貯湯タンク内の使用できる温水の量が一定レベル以下となったことを検出する検出センサと、前記圧縮機の運転により前記冷媒回路内の並列回路に冷媒を流す際に前記検出センサが前記一定レベル以下となったことを検出していない場合には暖房用の流量調整弁を介する冷媒の流量が貯湯用の流量調整弁を介する冷媒の流量より多くなるように制御すると共に前記一定レベル以下となったことを検出した場合には暖房用の流量調整弁を介する冷媒の流量が貯湯用の流量調整弁を介する冷媒の流量より少なくなるように制御する制御手段とを設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房装置。
2. 前記圧縮機を能力調整が可能なものとし、前記検出センサが前記一定レベル以下となったことを検出していない場合と検出した場合とで前記圧縮機の能力を変更するように制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯暖房装置。

Images