JP2007218463A - ヒートポンプ給湯冷暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房運転時における排熱を給湯に利用する省エネ給湯機を提供すること。
【解決手段】少なくとも圧縮機１、給湯用熱交換器２、四方弁３、第１の絞り装置４、室外熱交換器５、第２の絞り装置６、室内熱交換器７を順に環状に接続した回路、前記室外熱交換器５と前記第２の絞り装置６との間から分岐して、前記室内熱交換器７と前記四方弁３との間に接続した回路９からなる冷媒回路と、前記給湯用熱交換器２に接続され、前記給湯用熱交換器２にて加熱された温水の流路である給湯回路とから構成されることを特徴とするもので、冷房運転時の排熱を利用し貯湯運転ができるため、高効率で運転し、消費電力を削減することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、空調機能と給湯機能を省エネルギで行うヒートポンプ給湯冷暖房装置に関する。

例えば、従来のヒートポンプ給湯冷暖房装置としては、給湯ユニットの熱交換器と室外熱交換器とを並列に配置し、冷房運転を行う場合は冷媒を給湯ユニットの熱交換器と室外熱交換器の双方で冷却、凝縮し、室内ユニットを冷房してきた。

具体的には、図２に示すように、従来のヒートポンプ給湯冷暖房装置は、圧縮機５１と、圧縮機５１の吐出側に接続された四方弁５２と、四方弁５２に一端が接続された室外熱交換器５３と、室外熱交換器５３の他端に一端が接続された第一の膨張弁５４、第二の膨張弁６１、室内熱交換器６２を有し、第二の膨張弁６１は第一の膨張弁５４と接続され、室内熱交換器６２は四方弁５２と接続されて冷凍サイクルを構成している。

また、圧縮機５１と四方弁５２との間に第一の電磁弁５５を設け、圧縮機５１と第一の電磁弁５５との間の冷媒配管から分岐して、第ニの電磁弁５６、給湯熱交換器７２を、第一の膨張弁５４と第二の膨張弁６１との間の冷媒配管に合流する経路に、第三の膨張弁７１を介して配設されている。

図２の構成において、冷房運転のみを行う場合は、四方弁５２を実線の位置に合わせ、第一の膨張弁５４を全開にし、第二の膨張弁６１を所定開度に絞る一方、第三の膨張弁７１ を全閉にすると共に、第一の電磁弁５５を開く。そして、圧縮機５１から吐出された冷媒は、四方弁５２、室外熱交換器５３、第一の膨張弁５４、第二の膨張弁６１、室内熱交換器６２、四方弁５２及び圧縮機５１の順に循環する。

また、暖房運転のみを行う場合は、四方弁５２を破線の位置に切替えた後、第一の膨張弁５４を全開にし、第二の膨張弁６１を所定開度に絞る一方、第三の膨張弁７１を全閉にすると共に、第一の電磁弁５５を開く。そして、圧縮機５１から吐出された冷媒は、四方弁５２、室内熱交換器６２、第二の膨張弁６１、第一の膨張弁５４、室外熱交換器５３、四方弁５２、圧縮機５１の順に循環する。

更に、貯湯運転が必要な場合には、四方弁５２を破線の位置に合わせると共に、第一の膨張弁５４を全開に、第二の膨張弁６１を全閉に、第三の膨張弁７１を所定開度にする。そして、第一の電磁弁５５を閉じ、、第ニの電磁弁５６を開き、圧縮機５１から吐出された冷媒が、給湯熱交換器７２、第三の膨張弁７１、第一の膨張弁５４、室外熱交換器５３、四方弁５２および圧縮機５１の順に循環して、給湯熱交換器７２で凝縮し、室外熱交換器５３で蒸発することにより、貯湯運転が可能となる（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１２２６８４号公報

しかしながら、上述した従来のヒートポンプ給湯冷暖房装置では、冷房と給湯、或いは、暖房と給湯の両方が必要な場合、給湯熱交換器と室外熱交換器とが並列であったため、冷媒を二方向に分割しなければならず、効率の低下を招いていた。また、冷房運転の場合には、常に室外熱交換器を運転させることが必要であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、冷房運転時における排熱を給湯に利用する省エネ給湯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯冷暖房装置は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、四方弁、第１の絞り装置、室外熱交換器、第２の絞り装置、室内熱交換器を順に環状に接続した回路、前記室外熱交換器と前記第２の絞り装置との間から分岐して、前記室内熱交換器と前記四方弁との間に接続した回路からなる冷媒回路と、前記給湯用熱交換器に接続され、前記給湯用熱交換器にて加熱された温水の流路である給湯回路とから構成されることを特徴とするもので、冷房運転時の排熱を利用し貯湯運転ができるため、高効率で運転し、消費電力を削減することができる。

本発明のヒートポンプ給湯冷暖房装置は、冷房運転時に排熱を給湯に利用する省エネ給湯機を提供することができる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、四方弁、第１の絞り装置、室外熱交換器、第２の絞り装置、室内熱交換器を順に環状に接続した回路、前記室外熱交換器と前記第２の絞り装置との間から分岐して、前記室内熱交換器と前記四方弁との間に接続した回路からなる冷媒回路と、前記給湯用熱交換器に接続され、前記給湯用熱交換器にて加熱された温水の流路である給湯回路とから構成されることを特徴とするもので、給湯運転、暖房運転、冷房運転、給湯暖房運転、冷房排熱を利用した給湯運転を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明の給湯回路に給湯用熱交換器にて加熱された温水を貯湯する貯湯槽を備え、前日に使用した給湯量と冷房運転時間から、翌日の冷房運転時間を予測し、冷房排熱を利用する貯湯量を設定し、夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量を決定し、夜間の貯湯運転を行うように制御することとしたため、消費電力の削減と、貯湯槽の湯切れを防止することができる。

第３の発明は、第１の発明の給湯回路に給湯用熱交換器にて加熱された温水を貯湯する貯湯槽を備え、１日の給湯や冷房運転の発生分布を、いくつかの時間帯に分け、それぞれの時間帯毎の給湯発生量と冷房運転時間の１週間毎のデータを記憶し、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間から、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行い、夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量を決定し、夜間の貯湯運転を行うように制御することとしたため、消費電力をさらに削減でき、貯湯槽の湯切れを防止することができる。

第４の発明は、第３の発明において、時間帯毎の給湯発生量と冷房運転時間の１週間毎のデータを１ヶ月間記憶し、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間の平均値を算出し、曜日毎のデータも考慮し、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行うこととしたため、消費電力をさらに削減でき、貯湯槽の湯切れを防止することができる。

第５の発明は、第２〜第４のいずれかの発明において、カレンダーや外気温の変化を考慮して、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行うこととしたため、消費電力をさらに削減でき、貯湯槽の湯切れを防止することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明の冷媒回路の冷媒として炭酸ガスを用いたので、給湯水の高温化を高効率で実現すると共に、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響は非常に少なくなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

なお、各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯冷房暖房装置の構成図を示すものである。

図１において、圧縮機１、給湯用熱交換器２、四方弁３、第１の絞り装置４、室外熱交換器５、第２の絞り装置６、室内熱交換器７を順に環状に接続し、室外熱交換器５と第２の絞り装置６の間の冷媒配管から分岐し、二方弁８を介して室内熱交換器７と四方弁３の間の冷媒配管に接続しバイパス回路９を構成し、冷媒として炭酸ガスを封入して冷媒循環回路を形成し、室外熱交換器５は、室外空気を送風するための室外ファン１０、室内熱交換器７は室内空気を送風するための室内ファン１１を備えている。

また、貯湯槽１２、循環ポンプ１３、給湯用熱交換器２を順に接続した給湯回路を形成しており、圧縮機１より吐出された高温高圧の過熱ガス冷媒は給湯用熱交換器２に流入し、ここで循環ポンプ１３から送られてきた水を加熱するようになっている。

また、給湯用熱交換器２に流入する入水温度を検知する入水温度センサ２１と給湯用熱交換器２から流出する出湯温度を検知する出湯温度センサ２２と室外気温を検知する室外気温センサ２３、貯湯槽１２の残湯量を検出する複数の残湯温度センサ２４〜２７を設け、圧縮機１の運転周波数や第１の絞り装置４や第２の絞り装置６の開度、室外ファン１０や室内ファン１１の回転数、循環ポンプ１３の回転数を制御する制御装置３０を設置している。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯冷暖房装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、貯湯運転を行う場合、運転信号により、第２の膨張弁６を全閉、二方弁８を開き、圧縮機１が運転される。冷媒は圧縮機１で圧縮され高温高圧となり、給湯熱交換器２で水を加熱することにより放熱し、四方弁３を通り、第１の絞り装置４により低温低圧となり、室外熱交換器５により大気から吸熱し蒸発し、バイパス回路１０、四方弁３を通り、圧縮機１に戻る。また、給湯回路では、貯湯槽１２の下部から循環ポンプ１３により給湯熱交換器２に水が供給され、給湯熱交換器２で加熱される。

そして、加熱され高温となった湯は、貯湯槽１２の上部に流入し、上部から次第に貯湯されていく。そして、貯湯槽１２に湯がいっぱいになり沸き上げ運転完了近くになると、湯水混合層が給湯熱交換器２に流入し、給湯熱交換器２の入口水温は上昇する。入水温度センサ２１により給湯熱交換器２の入口水温が第１の設定値（例えば５５℃）に達したことを検知し、圧縮機１の運転を停止する。

通常、給湯端末から供給される湯温は４５℃以下であるが、貯湯運転では、給湯回路の加熱温度を６０℃以上として貯湯槽１２への蓄熱量を増加させることにより、貯湯槽１２の容量を少なくし、貯湯槽１２を小型とすることができる。

なお、給湯端末から４５℃で給湯する場合、市水温度は季節により変動するため、市水
温度と外気温度によりヒートポンプ給湯冷暖房装置の加熱必要能力は変化する。

そのため、室外気温や市水温度により給湯回路の加熱温度を６０℃から９０℃に変化させて、貯湯槽１２への蓄熱量を変化させる。特に冬期は市水温度が低下し、さらに室外気温が低下するため、ヒートポンプ給湯冷暖房装置の加熱能力が低下するため、給湯回路の加熱温度を高くして、貯湯槽１２への蓄熱量を増加させる必要がある。

次に、暖房運転を行う場合、運転信号により、第１の膨張弁４を全開、二方弁８を閉じ、第２の膨張弁６は所定の開度に制御され、圧縮機１が運転される。冷媒は圧縮機１で圧縮され高温高圧となり、四方弁３を通り、室内熱交換器７で室内ファン１１により室内熱交換器７に送られる室内空気に放熱して、室内を暖房し、第２の絞り装置４で低圧低温の冷媒となり、室外ファン１０により室外熱交換器５に送られる空気で室外空気から吸熱し蒸発し、四方弁３を通り、圧縮機１に戻る。この時、循環ポンプ１３を運転すれば、給湯熱交換器２で水を加熱することにより放熱し貯湯運転を行うことができ、循環ポンプ１３を運転しなければ、水を給湯熱交換器２に供給しないため放熱せず、貯湯運転を行わない。

次に、冷房運転を行う場合、運転信号により、第１の膨張弁４を全開、二方弁８を閉じ、第２の膨張弁６は所定の開度に制御され、圧縮機１が運転される。冷媒は圧縮機１で圧縮され高温高圧となり、四方弁３を通り、第１の絞り装置４を通り、室外ファン１０により室外熱交換器５に送られる空気で高温高圧の冷媒は大気に放熱し凝縮し、第２の絞り装置６で低圧低温の冷媒となり、室内ファン１１により室内熱交換器７に送られる室内空気から吸熱して、室内を冷房し、四方弁３を通り、圧縮機１に戻る。この時、循環ポンプ１３は運転せず、水を給湯熱交換器２に供給しないため放熱せず、貯湯運転は行わない。

次に、冷房運転を行い。その排熱により給湯を行う場合、運転信号により、第１の膨張弁４は所定の開度に制御され、第２の膨張弁６を全開、二方弁８を閉じ、圧縮機１が運転される。冷媒は圧縮機１で圧縮され高温高圧となり、給湯熱交換器２で水を加熱することにより放熱し、四方弁３、第１の絞り装置４で低圧低温の冷媒となり、室外熱交換器５、第２の絞り装置６を通り、室内ファン１１により室内熱交換器７に送られる室内空気から吸熱して、室内を冷房し、四方弁３を通り、圧縮機１に戻る。この時、室外ファン１０は運転せず、室外熱交換器５から放熱しない。

さらに、室内温度が設定温度より低下した場合、室内ファン１１を停め冷房運転を停止する。そして、第２の膨張弁６を全閉に制御し、二方弁８を開き、室外ファン１０を運転する。冷媒は圧縮機１で圧縮され高温高圧となり、給湯熱交換器２で水を加熱することにより放熱し、四方弁３、第１の絞り装置４で低圧低温の冷媒となり、室外ファン１０により室外熱交換器５に送られる空気から吸熱し、バイパス回路８、四方弁３を通り、圧縮機１に戻る。

この様に暖房運転、暖房・貯湯運転、冷房運転、冷房・貯湯運転を行うことができる。また冷房時の排熱を給湯に使用することで、消費電力を削減することが出来る。

通常、貯湯運転は安価な夜間電力を使用し夜間に行うため、電力料金を安くできる。
さらに冷房時の排熱を利用する貯湯運転について詳しく説明する。

その年初めて冷房運転する場合は、夜間に貯湯槽全量沸上を行っているため、冷房排熱を利用した貯湯運転を行うことは出来ないが、その次の日は、前日までに使用した給湯量と冷房運転時間から、冷房運転時間を予測し、冷房排熱を利用する貯湯量を設定し、貯湯槽容量から残湯量を差し引いた沸上必要量を算出し、その沸上必要量から冷房排熱を利用
する貯湯量を引いた貯湯量を夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量として、夜間の貯湯運転を行う。

例えば、貯湯槽１２の容量が３７０Ｌ、残湯量１５０Ｌとすると、その日使用した湯の量は６５℃で２２０Ｌであり、沸上必要量は２２０Ｌとなる。また、前日５時間冷房運転を行ったとすると、その時の消費電力量または運転電流値から消費電力量Ｗ(４ｋＷｈ)を推定し、推定ＣＯＰ（４．０）と入水温度Ｔｗｉ（１５℃）、沸上温度Ｔｗｏ（６５℃）から、排熱を利用して沸上できる貯湯量Ｑｃｗを算出する。貯湯量Ｑｃｗは、Ｗ＊ＣＯＰ／（Ｔｗｏ−Ｔｗｉ）にて算出され、上記値を代入すると、１３８Ｌとなる。従って、夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量は、沸上必要量（２２０Ｌ）より、貯湯量（１３８Ｌ）を減じたもので、８２Ｌとなる。

従って、夜間貯湯運転で８２Ｌの沸上を行い、昼間の冷房運転の排熱を使用して、残りの１３８Ｌを沸き上げる。この結果、消費電力は貯湯運転と冷房運転を別々に行うより低減することが出来る。

また、１日の給湯や冷房運転の発生分布を、いくつかの時間帯、例えば、午前０時〜６時、６時〜１２時、午後１２時〜１８時、１８時〜２４時の４つの時間帯に分け、それぞれの時間帯毎の給湯発生量と冷房運転時間の１週間毎のデータを１ヶ月間記憶し、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間の平均値を算出し、当日の給湯発生量と冷房運転時間だけでなく、曜日毎のデータも考慮し、より生活パターンに応じた翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行い、夜間の貯湯運転時間を決定する。

例えば、平日は給湯発生量と冷房運転が午後１８時時〜２４時に多く発生し、その他の時間では冷房運転をほとんど行われない場合、冷房排熱を利用する貯湯運転は、給湯発生時と重なり、貯湯槽１２の湯がなくなってしまう、いわゆる湯切れの可能性がある。その場合は曜日毎のデータから、給湯発生量と冷房運転が午後１８時時〜２４時に発生すると判断し、夜間の貯湯量を増加させ湯切れの発生を防止する。

また、休日は冷房運転を午前６〜２４時行い、給湯発生量が午後１８時時〜２４時に多く発生する場合、残湯量が一定量（例えば１００Ｌ）以上あれば、夜間の貯湯を行わず、冷房排熱のみで貯湯運転をおこなうことで、消費電力を低減できる。このように、機器が使用される曜日毎のパターンを記憶し、それにより夜間の貯湯運転を制御することで、消費電力の低減と湯切れの防止が可能になる。

なお、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間の平均値ではなく、最大値を用いると、より湯切れを起こす可能性が低くなる。また、標準偏差を算出しばらつきを考慮すると、さらに湯切れを起こす可能性が低くなる。

また、曜日毎の平均値などのデータだけでなく、カレンダーや外気温の変化により、７月で外気温が高くなり、だんだん暑くなる季節では冷房運転時間を長く予測し、９月になり外気温が下がり始めると冷房運転時間を短く予測することで、より冷房排熱を利用し、消費電力を低減し、湯切れを防止することが出来る。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯冷暖房装置は、冷房排熱を利用して貯湯運転を行うことができるので、高温を得るヒートポンプ給湯機や高温風を得る空調機等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるのヒートポンプ給湯冷暖房装置の構成図 従来のヒートポンプ給湯冷暖房装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 給湯用熱交換器
３ 四方弁
４ 第１の絞り装置
５ 室外熱交換器
６ 第２の絞り装置
７ 室内熱交換器
８ 二方弁
９ バイパス回路
１０ 室外ファン
１１ 室内ファン
１２ 貯湯槽
１３ 循環ポンプ
２１ 入水温度センサ
２２ 出湯温度センサ
２３ 室外気温センサ
２４〜２７ 複数の残湯温度センサ

Claims (6)

1. 少なくとも圧縮機、給湯用熱交換器、四方弁、第１の絞り装置、室外熱交換器、第２の絞り装置、室内熱交換器を順に環状に接続した回路、前記室外熱交換器と前記第２の絞り装置との間から分岐して、前記室内熱交換器と前記四方弁との間に接続した回路からなる冷媒回路と、前記給湯用熱交換器に接続され、前記給湯用熱交換器にて加熱された温水の流路である給湯回路とから構成されることを特徴とするヒートポンプ給湯冷暖房装置。
2. 給湯回路に給湯用熱交換器にて加熱された温水を貯湯する貯湯槽を備え、前日に使用した給湯量と冷房運転時間とから、翌日の冷房運転時間を予測し、冷房排熱を利用する貯湯量を設定し、貯湯槽容量から残湯量を差し引いた沸上必要量を算出し、前記沸上必要量から冷房排熱を利用する貯湯量を引いた貯湯量を夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量として、夜間の貯湯運転を行うように制御することを特徴する請求項１記載のヒートポンプ給湯冷暖房装置。
3. 給湯回路に給湯用熱交換器にて加熱された温水を貯湯する貯湯槽を備え、１日の給湯や冷房運転の発生分布を、いくつかの時間帯に分け、それぞれの時間帯毎の給湯発生量と冷房運転時間の１週間毎のデータを記憶し、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間から、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行い、夜間の貯湯運転で沸き上げる貯湯量を決定し、夜間の貯湯運転を行うように制御することを特徴する請求項１記載のヒートポンプ給湯冷暖房装置。
4. 時間帯毎の給湯発生量と冷房運転時間の１週間毎のデータを１ヶ月間記憶し、曜日毎の給湯発生量と冷房運転時間の平均値を算出し、曜日毎のデータも考慮し、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行うことを特徴する請求項３記載のヒートポンプ給湯冷暖房装置。
5. カレンダーや外気温の変化を考慮して、翌日の給湯発生量と冷房運転時間の予測を行うことを特徴する請求項２〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯冷暖房装置。
6. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯冷暖房装置。

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