JP2006090574A - ヒートポンプ式給湯暖房システム - Google Patents

Abstract

【課題】 貯湯槽２３や蓄熱槽２７の容量を大きくすることなく、貯湯不足および蓄熱不足を軽減すること。
【解決手段】 複数のヒートポンプ回路１０７と、複数のヒートポンプ回路１０７の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第１の熱交換器３ａと、第１の熱交換器３ａの流路を流れる冷媒によって加熱された温水を貯湯して給湯する貯湯槽２３と、複数のヒートポンプ回路１０９の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第２の熱交換器３ｂと、第２の熱交換器３ｂの流路を流れる冷媒によって加熱された熱媒の熱を蓄熱して暖房３１ａ〜３１ｂの熱源を供給する蓄熱槽２７とを備え、第１と第２の熱交換器３ａ、３ｂの冷媒が通流される複数の流路は、それぞれ開閉弁を介して複数のヒートポンプ回路に接続して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ回路により暖房と給湯を行うヒートポンプ式給湯暖房システムに関する。

ヒートポンプ回路を用いた給湯暖房システムとしては、例えば、通常のヒートポンプ式ルームエアコンに給湯用の貯湯槽と暖房用の蓄熱槽を接続したもの、或いは、通常のヒートポンプ式ルームエアコンの室外機に給湯用の貯湯槽と暖房用の蓄熱槽を接続した構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなシステムでは、日中にルームエアコンと蓄熱槽の熱による空調および貯湯槽による給湯を行い、電力料が安価な夜間にヒートポンプを稼動させて貯湯槽と蓄熱槽に熱を蓄えるようにしている。

特開平６−２２１７１７号公報

しかしながら、特許文献１のように、従来のヒートポンプ式給湯暖房システムでは、ヒートポンプの加熱能力に起因して貯湯槽や蓄熱槽に短時間で貯湯および蓄熱を行うことは難しく、給湯使用量や蓄熱槽の熱使用量が多い場合、貯湯槽、蓄熱槽において、貯湯不足や蓄熱不足を発生するおそれがある。

このように、常時変動する給湯負荷や暖房負荷に対して、貯湯不足や蓄熱不足を回避する方法として、貯湯槽や蓄熱槽を大容量化することが考えられるが、これによれば、設置床面積が拡がると共に重量が増加して設置場所が制限されるという問題がある。

本発明は、貯湯槽や蓄熱槽の容量を大きくすることなく、貯湯不足および蓄熱不足を軽減することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、複数のヒートポンプ回路と、複数のヒートポンプ回路の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第１の熱交換器と、第１の熱交換器の流路を流れる冷媒によって加熱された温水を貯湯して給湯する貯湯槽と、複数のヒートポンプ回路の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第２の熱交換器と、この第２の熱交換器の流路を流れる冷媒によって加熱された熱媒の熱を蓄熱して暖房の熱源を供給する蓄熱槽とを備え、第１と第２の熱交換器の冷媒が通流される複数の流路は、それぞれ開閉弁を介して複数のヒートポンプ回路に接続されてなることを特徴とする。

このような構成によれば、給湯負荷や暖房負荷の増加に合わせて第１又は第２の熱交換器に接続するヒートポンプ回路の数を増やすことができる。これにより、貯湯槽や蓄熱槽に所定の熱量を蓄えるヒートポンプ回路の加熱能力を大きくできるから、貯湯不足又は蓄熱不足を軽減できる。この場合において、それぞれの熱交換器に接続するヒートポンプ回路の数は、例えば、負荷の大きさに基づいて予め設定しておき、負荷変動に合わせて各ヒートポンプ回路の開閉弁を可変設定して制御することが好ましい。

ここで、ヒートポンプ回路は、第１の熱交換器と第２の熱交換器に対応させてそれぞれ設ける構成としてもよい。また、ヒートポンプ回路は、第１の熱交換器と第２の熱交換器に対応させてそれぞれ設けられてなる第１、第２のヒートポンプ回路と、第１の熱交換器と第２の熱交換器に切替弁を介して切替可能に接続された第３のヒートポンプ回路とを備える構成とすることができる。これによれば、第１と第２の熱交換器に、第１と第２のヒートポンプ回路をそれぞれ接続した状態において、給湯負荷や蓄熱負荷の増加に応じて第３のヒートポンプ回路を第１と第２の熱交換器のいずれかに切り替えて接続できるから、ヒートポンプによる加熱を効率的かつ簡単な構成で行うことができる。

また、第１と第２の熱交換器は、同一の熱交換器、すなわち、各ヒートポンプ回路の冷媒流路と、貯湯槽に接続された温水の流路と、蓄熱槽に接続された熱媒の流路とを熱的に結合させて一体的に形成することができる。これによれば、装置構成を簡単化および小型化できる。

本発明によれば、貯湯槽や蓄熱槽の容量を大きくすることなく、貯湯不足および蓄熱不足を軽減できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用してなる本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの全体構成図である。本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムは、図に示すように、ヒートポンプ熱源機１０１と、給湯用貯湯槽ユニット１０３と、暖房用蓄熱槽ユニット１０５とを備えて構成される。

ヒートポンプ熱源機１０１は、圧縮機１ａ、水冷媒熱交換器３ａ、膨張弁５ａ、空気冷媒熱交換器７ａを冷媒配管により順次接続した第１のヒートポンプ回路１０７と、圧縮機１ｂ、暖房用冷媒間熱交換器３ｂ、膨張弁５ｂ、空気冷媒熱交換器７ｂを冷媒配管により順次接続した第２のヒートポンプ回路１０９とからなり、各回路に一次側冷媒を封入して一次側冷媒サイクルを構成する。

除霜用電磁弁９ａ、９ｂは、例えば、電磁コイルと、電磁コイル通電中のみ開放する開閉弁とを備えて構成され、圧縮機１ａ、１ｂの出側と空気冷媒熱交換器７ａ、７ｂの入側をそれぞれバイパスして配設され、空気冷媒熱交換器７ａ、７ｂが着霜する際に開閉弁を開き、圧縮機１ａ、１ｂから吐出される高温高圧の冷媒ガスを空気冷媒熱交換器７ａ、７ｂに導いて霜を融かすようになっている。

第１のヒートポンプ回路１０７には、水冷媒熱交換器３ａの入側と出側をバイパスさせて、暖房用冷媒間熱交換器３ｂを経由する冷媒配管１１ａが設けられている。また、第２のヒートポンプ回路１０９には、水冷媒熱交換器３ｂの入側と出側をバイパスさせて、水冷媒熱交換器３ａを経由する冷媒配管１１ｂが設けられている。

第１のヒートポンプ回路１０７は、水冷媒熱交換器３ａを挟んで、圧縮機１ａの出側と膨張弁５ａの入り側との配管にそれぞれ切替弁１５ａ、１３ａが配設され、暖房用冷媒間熱交換器３ｂを挟んで、圧縮機１ａの出側と膨張弁５ａの入り側との配管１１ａにそれぞれ切替弁１７ａ、１９ａが配設されている。また、第２のヒートポンプ回路１０９は、暖房用冷媒間熱交換器３ｂを挟んで、圧縮機１ｂの出側と膨張弁５ｂの入り側との配管にそれぞれ切替弁１５ｂ、１３ｂが配設され、水冷媒熱交換器３ａを挟んで、圧縮機１ｂの出側と膨張弁５ｂの入り側との配管１１ｂにそれぞれ切替弁１７ｂ、１９ｂが配設されている。

給湯用貯湯槽ユニット１０３は、水循環ポンプ２１と、貯湯槽２３と、混合弁２５とを備えている。すなわち、循環ポンプ２１により貯湯槽２３の底部から抜き出された水は、水冷媒熱交換器３ａに導かれて一次側冷媒と熱交換して加熱された後、給湯用温水として貯湯槽２３の頂部に供給されて蓄えられる。給湯時は、所定の水圧を有する給水を貯湯槽２３の底部から導入することにより、貯湯槽２３の頂部から温水が排出され、給湯口から給湯されるようになっている。給湯温度（出湯温度）は、貯湯槽２３から供給される温水と給水とを混合弁２５で混合することにより調整できる。

暖房用蓄熱槽ユニット１０５は、蓄熱槽内冷媒循環ポンプ２６と、蓄熱槽２７と、二次冷媒循環ポンプ２９ａ、２９ｂ、２９ｃと、室内暖房器具３１ａ、３１ｂ、３１ｃとを備えて構成される。すなわち、蓄熱槽内冷媒循環ポンプ２６により蓄熱槽２７の底部から抜き出された二次側冷媒は、暖房用冷媒間熱交換器３ｂに導かれて一次側冷媒と熱交換して加熱された後、暖房用の蓄熱冷媒として蓄熱槽２７の頂部に供給されて蓄えられる。暖房時には、蓄熱槽２７の蓄熱冷媒を二次冷媒循環ポンプ２９ａ、２９ｂ、２９ｃにより抜き出して、室内暖房器具３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれ供給し、循環させることにより室内の暖房を行うようになっている。

また、本実施形態では、給湯用貯湯槽ユニット１０３において、例えば、給湯流量が設定流量以上になったとき、或いは、貯湯槽２３に貯留される設定温度以上の残湯量が設定量未満になったとき、給湯負荷が増加したものとして、切替弁の開度を調整し、ヒートポンプ回路の接続数を増加させる一方、暖房用蓄熱槽ユニット１０５の暖房負荷として、例えば、蓄熱槽２７の設定温度以上の冷媒量が設定量未満になったとき、暖房負荷が増加したものとして、切替弁の開度を調整し、ヒートポンプ回路の接続数を増加させる制御を行う制御手段を備えている。

次に、本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの動作を説明する。まず、本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムは、通常の給湯負荷および暖房負荷のときは、切替弁１３ａ、１５ａ、１３ｂ、１５ｂを全開とし、切替弁１７ａ、１９ａ、１７ｂ、１９ｂを全閉とすることにより、貯湯槽２３と蓄熱槽２７に、それぞれ一つずつの一次側冷媒サイクルを振り分けて給湯と暖房を行う。

ここで、例えば、家庭内の給湯流量の増加などにより貯湯槽２３内の設定温度以上の残湯量が設定量未満に減少した場合、切替弁１３ｂ、１５ｂ、１７ａ、１９ａを全閉とし、切替弁１３ａ、１５ａ、１７ｂ、１９ｂを全開とすることにより、給湯用の水の加熱に２つの一次側冷媒サイクルを割り当てることが可能になるため、給湯用貯湯不足を軽減できる。反対に、例えば、外気温度の低下などにより蓄熱槽２７の設定温度以上の冷媒量が設定量未満になった場合、切替弁１３ａ、１５ａ、１７ｂ、１９ｂを全閉とし、切替弁１３ｂ、１５ｂ、１７ａ、１９ａを全開とすることにより、蓄熱冷媒の加熱に２つの一次冷媒サイクルを割り当てることが可能になるため、暖房用蓄熱不足を軽減できる。

また、本実施形態では、水冷媒熱交換器３ａと暖房用冷媒間熱交換器３ｂを別々に設けているが、例えば、一つの容器内に、第１と第２のヒートポンプ回路の冷媒流路と、貯湯槽２３に接続された温水の流路と、蓄熱槽２７に接続された蓄熱冷媒の流路とを熱的に結合させて一体的に形成した熱交換器とする構成としてもよい。これによれば、装置構成を簡単化および小型化できる。

以上述べたように、本実施形態によれば、給湯負荷や暖房負荷の増加に合わせて、水冷媒熱交換器３ａ又は暖房用冷媒間熱交換器３ｂを加熱するヒートポンプ回路の数をそれぞれ増加させ、給湯能力又は暖房能力を向上できるから、負荷増加時において、貯湯槽２３や蓄熱槽２７の容量を増加させなくても、貯湯不足、蓄熱不足を軽減できる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態を図面に基づいて説明する。図２は本発明を適用してなる本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの全体構成図である。なお、図２において、第１の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムは、図に示すように、ヒートポンプ熱源機１１７として、第１のヒートポンプ回路１１１と、第２のヒートポンプ回路１１３と、第３のヒートポンプ回路１１５とを備えている点で、第１の実施形態のヒートポンプ熱源機１０１と相違する。

具体的に、第１のヒートポンプ回路１１１は、圧縮機３３ａ、水冷媒熱交換器３５ａ、膨張弁３７ａ、空気冷媒熱交換器３９ａを冷媒配管により順次接続して構成され、第２のヒートポンプ回路１１３は、圧縮機３３ｂ、暖房用冷媒間熱交換器３５ｂ、膨張弁３７ｂ、空気冷媒熱交換器３９ｂを冷媒配管により順次接続して構成される。第３のヒートポンプ回路１１５は、圧縮機３３ｃ、水冷媒熱交換器３５ａ、膨張弁３７ｃ、空気冷媒熱交換器３９ｃを冷媒配管で順次接続した経路と、圧縮機３３ｃ、暖房用冷媒間熱交換器３５ｂ、膨張弁３７ｃ、空気冷媒熱交換器３９ｃを冷媒配管で順次接続した経路の二つを並列して備えている。

第３のヒートポンプ回路１１５は、水冷媒熱交換器３５ａを挟んで、圧縮機３３ｃの出側と膨張弁３７ｃの入り側との配管にそれぞれ切替弁４１、４３を配設する一方、暖房用冷媒間熱交換器３５ｂを挟んで、圧縮機３３ｃの出側と膨張弁３７ｃの入り側との配管にそれぞれ切替弁４５、４７が配設されている。

なお、第１のヒートポンプ回路１１１、第２のヒートポンプ回路１１３、第３のヒートポンプ回路１１５には、それぞれ除霜用電磁弁４９ａ、４９ｂ、４９ｃが配管を介して配設されている。

次に、本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの動作を説明する。まず、本実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムは、通常の給湯負荷および暖房負荷のときは、切替弁４１、４３、４５、４７を全閉とし、第１のヒートポンプ回路により給湯用の水の加熱を行い、第２のヒートポンプ回路により暖房用の蓄熱冷媒の加熱を行う。

ここで、例えば、家庭内の給湯流量の増加などにより貯湯槽２３内の設定温度以上の残湯量が設定量未満に減少した場合、切替弁４１、４３を全開とし、切替弁４５、４７を全閉とした状態で、圧縮機３３ｃの運転を行うことにより、給湯用の水の加熱に２つの一次側冷媒サイクルを割り当てることが可能になり、例えば、蓄熱冷媒の加熱能力を低下させることなく、給湯用貯湯不足を軽減できる。反対に、例えば、外気温度の低下などにより蓄熱槽２７の設定温度以上の冷媒量が設定量未満に減少した場合、切替弁４５、４７を全開とし、切替弁４１、４３を全閉とした状態で圧縮機３３ｃの運転を行うことにより、蓄熱冷媒の加熱に２つの一次側冷媒サイクルを割り当てることが可能になり、例えば、給湯用貯湯の加熱能力を低下させることなく、暖房用蓄熱不足を軽減できる。

また、本実施形態では、水冷媒熱交換器３５ａと暖房用冷媒間熱交換器３５ｂを別々に設けているが、例えば、一つの容器内に、第１と第２のヒートポンプ回路の冷媒流路と、貯湯槽２３に接続された温水の流路と、蓄熱槽２７に接続された蓄熱冷媒の流路とを熱的に結合させて一体的に形成した熱交換器とする構成としてもよい。これによれば、装置構成を簡単化および小型化できる。

以上述べたように、本実施形態によれば、水冷媒熱交換器３５ａと暖房用冷媒間熱交換器３５ｂに、第１のヒートポンプ回路１１１と第２のヒートポンプ回路１１３をそれぞれ接続した状態において、給湯負荷又は蓄熱負荷の増加に合わせて第３のヒートポンプ回路１１５をいずれかの熱交換器に切り替えて接続できるから、ヒートポンプによる加熱を効率的かつ簡単な構成で行うことができる。

本発明を適用してなる第１の実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの全体構成図である。 本発明を適用してなる第２の実施形態のヒートポンプ式給湯暖房システムの全体構成図である。

符号の説明

１，３３ 圧縮機
３ａ，３５ａ 水冷媒熱交換器
３ｂ，３５ｂ 暖房用冷媒間熱交換器
５，３７ 膨張弁
７，３９ 空気冷媒熱交換器
１３，１５，１７，１９ 切替弁
２１ 水循環ポンプ
２３ 貯湯槽
２７ 蓄熱槽
２９ 二次冷媒循環ポンプ
３１ 室内暖房器具
１０１，１１７ ヒートポンプ熱源機
１０３ 給湯用貯湯槽ユニット
１０５ 暖房用蓄熱槽ユニット
１０７，１１１ 第１のヒートポンプ回路
１０９，１１３ 第２のヒートポンプ回路
１１５ 第３のヒートポンプ回路

Claims (5)

1. 複数のヒートポンプ回路と、複数の前記ヒートポンプ回路の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器の前記流路を流れる冷媒によって加熱された温水を貯湯して給湯する貯湯槽と、複数の前記ヒートポンプ回路の冷媒がそれぞれ通流される複数の流路を有する第２の熱交換器と、該第２の熱交換器の前記流路を流れる冷媒によって加熱された熱媒の熱を蓄熱して暖房の熱源を供給する蓄熱槽とを備え、
   前記第１と第２の熱交換器の前記冷媒が通流される複数の流路は、それぞれ開閉弁を介して前記複数のヒートポンプ回路に接続されてなるヒートポンプ式給湯暖房システム。
2. 前記ヒートポンプ回路は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器に対応させてそれぞれ設けられてなる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システム。
3. 前記ヒートポンプ回路は、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器に対応させてそれぞれ設けられてなる第１と第２のヒートポンプ回路と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器に切替弁を介して切替可能に接続された第３のヒートポンプ回路とを備えている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システム。
4. 前記第１と第２の熱交換器は、同一の熱交換器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯暖房システム。
5. 前記第１と第２の熱交換器の前記冷媒が通流される複数の流路は、給湯負荷または暖房負荷の変動に応じて前記ヒートポンプ回路の接続数が可変設定されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯暖房システム。
   

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