JP2006090689A - ヒートポンプ熱源機付きソーラー給湯システム - Google Patents

ヒートポンプ熱源機付きソーラー給湯システム Download PDF

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則男 土屋
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    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers

Abstract

【課題】イニシャルコストもランニングコストも割安なヒートポンプ熱源機付きソーラーシステムの提供。
【解決手段】貯湯タンク1内の熱媒・水熱交換器6に太陽熱コレクター2で温められた熱媒を循環させる回路(Aモード)と貯湯タンク内水温が目的の温度に達しない状態で、太陽熱コレクター2での吸熱が充分期待できない状態になれば前記熱媒・水熱交換器6にヒートポンプ熱源機3で加熱された熱媒を循環させる回路(Bモード)を設け、各モードの循環ポンプを共通にして該回路それぞれに電磁ニ方弁を組合わせ組み込むことにより前記各モードを独立可能にした。
【選択図】図1

Description

本発明は補助熱源としてヒートポンプ機器をシステムの中に組み込んだ太陽熱熱源利用給湯システムに関する。

従来技術

石油、ガス等燃焼熱を熱源とした給湯機、太陽熱コレクターで熱媒を加熱し、この熱媒で貯湯タンク内の水を加熱する太陽熱温水器、夜間電力利用の電気温水器、ヒートポンプ給湯機等各種給湯機は出回っているがこの中で太陽熱温水器のみ天候や季節により補助熱源が必要な為、前述の各種給湯機との組み合わせが考えられ、実用化されてきた。

近年ヒートポンプ技術の向上もありソーラーシステムとの組み合わせが脚光を浴びてきたが天候、季節による太陽エネルギーの変動に対応する為、木目細かな制御とヒートポンプ機内の冷凍サイクル運転から来る複雑さと相俟って、大掛かりな物となったり、タンク内を高温層と低温層と分けざるをえない為に、沢山のお湯を使用した時、急に高温から低温に変わってしまうという使用上、制約を受けたり、ヒートポンプ運転が殆どとなり太陽熱の利用が大幅に減り、大きな省エネルギーを期待できない等、不便な事も有った。

太陽熱コレクターから得られる無償であるが不規則で日々正確に取得熱量が予測出来ない太陽熱エネルギーを取り込み、目的のお湯を必要な時、必要なだけ得られる様、補助熱源機を組み入れ割安なランニングコストで運転可能で、割安なイニシャルコストとすべく、シンプルな給湯システムが本発明の解決しようとする課題である。

課題を解決する為の手段

前述の課題を解決する為、本発明は

請求項1

にある様に、熱媒を加熱する太陽熱コレクターと凝縮器で熱媒を加熱する熱媒・冷媒熱交換器を具備するヒートポンプ熱源機とタンク内の貯湯水と熱媒との熱交換させる熱媒・水熱交換器を具備する貯湯タンクとこれら各ユニットを運転制御する制御機を少なくとも有するシステムで少なくとも以下に説明するA,B,Cの3種類の運転モードがヒートポンプ熱源機、熱媒循環ポンプ、熱媒循環回路を切り替える複数の電動弁のオンとオフの組み合わせにより作られ、太陽熱コレクターと貯湯タンク内の熱媒・水熱交換器間のみの熱媒循環のAモード時の熱媒循環ポンプがヒートポンプ熱源機内の熱媒・冷媒熱交換器と貯湯タンク内の熱媒・水熱交換器間のみの熱媒循環のBモード時の循環ポンプにもなり、共通の熱媒を循環させる回路で、循環ポンプが貯湯タンクの入り口又は出口に直接接続されている。Cモードは熱媒循環ポンプ、ヒートポンプ熱源機がオフ、電動弁が閉となるモードとなる。
熱源をAモードの太陽熱コレクターにするか、Bモードのヒートポンプ熱源機にするか、或いはCモードにするかは、時間又は各部温度により制御機が自動的に判断し、ヒートポンプ熱源機、熱媒循環ポンプ及び熱媒循環回路切り替えの分岐部に位置する電動弁に信号を出す事によりモード切り替えを行う。
少なくとも以上の部品、ユニットと熱媒循環回路と制御を有すヒートポンプ熱源機付きソーラーシステムとするのが課題を解決する手段となる。

また、

請求項2

にあるように、前記システムにおいて太陽熱コレクター温度又は太陽熱コレクターから循環してもどってきた温度と貯湯タンク内温度との温度差が設定温度差以下になった場合はAモードからB又はCモードとなり、Bモード運転になるには、タンク内温水温度が設定温以下で、しかもタイマーの設定時以降という制約の設定を可能とするヒートポンプ熱源機付きソーラー給湯システムにするのが課題を解決する手段となる。。

発明の効果

上記の手段を採用する事により、貯湯タンクと太陽熱コレクターを循環する往復の熱媒循環回路の途中にヒートポンプに往復する熱媒回路を入れ、熱媒循環回路の切り替え、配管内自然対流による熱リーク防止も複数の電動弁でできるいうシンプルな回路にする事によりソーラー熱コレクター回路とヒートポンプ熱源機回路の循環ポンプを共通化する事が出来、割安なイニシャルコストのシステムとなる。
また、最も割安な太陽エネルギーの取り込みを最優先とし、それでも熱が不足な場合に石油、ガスよりランニングコストの安いヒートポンプ熱源機を運転するという理想のシステムが実現する。

また上記回路のシステムであれば上記弁の開閉のコントロールとポンプのオンオフコントロールにより太陽熱コレクターからの放熱を防ぎ、非効率な循環ポンプの運転を防ぎ、お湯の必要な時までに必要な温度で、お湯を作る事が出来る。

発明を実施する為の最良の形態

以下、本発明に付いて図示の実施例に基づいて説明する。
図1は本発明のヒートポンプ熱源機付きソーラー給湯システムの実施例を示すシステム図である。
太陽熱コレクター2で温められた熱媒はコレクター流出口11から電動2方弁12Aは開の為ここを通り、電動2方弁12Bは閉の為ここは通らず、循環ポンプ5を通り、貯湯タンク1に入り、熱媒・水熱交換器流入口13より熱媒・水熱交換器6に入りタンク内の水に放熱し、熱媒・水熱交換器流出口14を通り、電動2方弁15Aは開の為ここを通り、15Bは閉の為,コレクター流入口10を通り、太陽熱コレクター2に戻る。以上の運転モードがAモードである。
Aモード運転中貯湯タンク1内の水の温度が目的の温度になればCモードとなり、タンク内の湯が冷めない様に2方弁12A、12B、15A、15Bは全て閉となり熱媒循環ポンプ5はオフとなる。
又、Aモード運転中、貯湯タンク内水温が目的の温度に達しないが日が暮れたり、雨が降ったりし、太陽熱コレクター2での吸熱が充分期待できない状態等を温度センサー、タイマーで感知し、ヒートポンプ熱源機3で貯湯タンク内の水を加温するBモードとなり、冷媒循環ポンプ5とヒートポンプ熱源機3はオン、電動2方弁12B、15Bが開、12A、15Aが閉となる。

熱媒はヒートポンプ熱源機3の熱媒・冷媒熱交換器16で熱を貰う為、まず熱媒・冷媒熱交換器16を含む冷凍サイクルから説明する。この冷凍サイクル中、冷媒・空気熱交換器18において、モーター21で駆動されるファン22の風で空気中の熱を冷媒に吸収し、コンプレッサー19に吸われ、圧縮される為、冷媒は加熱され、熱媒・冷媒熱交換器16に送られる。ここで冷媒の熱が熱媒を加熱する事となり冷媒は凝縮し、膨張弁20で減圧され冷媒は蒸発した状態で冷媒・空気熱交換器18に戻り、また熱を吸収し、このサイクルを繰り返す。

熱媒・冷媒熱交換器16で加熱された熱媒は熱媒・冷媒熱交換器流出口17から電動2方弁12Bを通り、熱媒循環ポンプ5から貯湯タンク1の熱媒・水熱交換器流入口13から熱媒・水熱交換器6に入り熱媒は水に放熱する。熱媒は熱媒・水熱交換器流出口14から電動2方弁15Bを通り熱媒・冷媒熱交換器流入口16経由、熱媒・冷媒熱交換器6に戻りこの熱媒流れを繰り返す。

以上がAモード、Bモードの説明であるが貯湯タンク1内のお湯が設定温に達した時、或いは設定温以上である時、或いはヒートポンプ熱源機の運転スタートを待つ時、ヒートポンプ熱源機3はオフとなり、貯湯タンク1の熱が配管を通し自然対流で太陽熱コレクター2やヒートポンプ熱源機3に逃げない様に、電動2方弁12A、12B、15A、15Bは閉となる。

ヒートポンプ熱源機3は石油又はガスの熱源機に比べ、ランニングコストは割安であるが、太陽熱コレクター2から吸熱するほど安くないから本発明のシステムにおいて、太陽熱コレクター2からの吸熱をヒートポンプ熱源機3より優先しつつ、それでいて給湯に不便をなくさせようとするのが

請求項2

の発明である。
一般家庭で使用する例で説明すると、残湯でなく高温の湯が欲しい夕刻以降のある時間を制御機ユニット4に設定するとヒートポンプ熱源機3の能力と貯湯タンク1内湯温から制御機ユニット4が判断し、Bモードすなわちヒートポンプ熱源機3、熱媒循環ポンプ5の運転スタート時間、電動弁12A、12B、15A、15Bの切り替え時間を決定、運転し、必要な時間までに目的の湯温の湯が貯湯タンク1に溜まるようにする。

産業上の利用の可能性

自明ゆえ説明は省略

システム図 本発明の実施形態の例を示すシステム系統図である。

符号の説明

1 貯湯タンク
2 太陽熱コレクター
3 ヒートポンプ熱源機
4 制御機ユニット
5 熱媒循環ポンプ
6 熱媒・水熱交換器
7 熱媒・冷媒熱交換器
8 水道水入り口
9 温水出口
10 コレクター流入口
11 コレクター流出口
12A 電動2方弁
12B 電動2方弁
13 熱媒・水熱交換器流入口
14 熱媒・水熱交換器流出口
15A 電動2方弁
15B 電動2方弁
16 熱媒・冷媒熱交換器流入口
17 熱媒・冷媒熱交換器流出口
18 冷媒・空気熱交換器
19 コンプレッサー
20 膨張弁
21 モーター
22 ファン

Claims (2)

  1. 熱媒を加熱する太陽熱コレクターと凝縮器で熱媒を加熱する熱媒・冷媒熱交換器を具備するヒートポンプ熱源機とタンク内の貯湯水と熱媒との熱交換させる熱媒・水熱交換器を具備する貯湯タンクとこれら各ユニットを運転制御する制御機を少なくとも有するシステムで少なくとも以下に説明するA,B,Cの3種類の運転モードがヒートポンプ熱源機、熱媒循環ポンプ、熱媒循環回路を切り替える電動弁のオンとオフの組み合わせにより作られ、太陽熱コレクターと貯湯タンク内の熱媒・水熱交換器間のみの熱媒循環のAモード時の熱媒循環ポンプがヒートポンプ熱源機内の熱媒・冷媒熱交換器と貯湯タンク内の熱媒・水熱交換器間のみの熱媒循環のBモード時の循環ポンプにもなり、共通の熱媒を循環させる回路で、循環ポンプが貯湯タンクの入り口又は出口に配置されている。Cモードは熱媒循環ポンプ、ヒートポンプ熱源機がオフ、電動弁が閉となるモードとなる。
    熱源をAモードの太陽熱コレクターにするか、Bモードのヒートポンプ熱源機にするか、或いはCモードのオフとするかは、時間又は各部温度により制御機が自動的に判断し、ヒートポンプ熱源機、ポンプ及び熱媒循環回路切り替えの分岐部に位置する電動弁に信号を出す事によりモード切り替えを行う。。
    少なくとも以上の部品、ユニットと熱媒循環回路と制御を有すヒートポンプ熱源機付きソーラーシステム。
  2. 前記システムにおいて太陽熱コレクター温度又は太陽熱コレクターから循環してもどってきた温度と貯湯タンク内温度との温度差が設定温度差以下になった場合はAモードからB又はCモードとし、Bモード運転になるには、タンク内温水温度が設定温以下で、しかもタイマーの設定時以降という制約の設定を可能とするヒートポンプ熱源機付きソーラー給湯システム。
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