JP2007271156A - ヒートポンプ式給湯装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 既存の集合住宅等の上層階に、基礎等の補強を行うことなく設置可能であり、また、冬季におけるCOPの低下を抑制可能なヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】 貯湯タンク2とは別体に構成したヒートポンプユニット3を壁掛け型とし、該ヒートポンプユニット3は、空気熱交換部5と湯水熱交換部6との間で循環流路を形成する熱媒配管7と、ヒートポンプユニットにおける各種制御を司る制御部8とが、空気熱交換部5と湯水熱交換部6との間で並設された構成とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置及び方法に関する。
近年、熱交換効率が良好で給湯コストの低減を図ることができるヒートポンプ式給湯装置が脚光を浴び、各種住宅施設に採用されつつある。該ヒートポンプ式給湯装置は、例えば特許文献1に記載されているように、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットと、貯湯タンクとヒートポンプユニットとの間で循環流路を形成する湯水配管とを備え、湯水配管の中途部に設けたポンプによって貯湯タンク内の湯水がヒートポンプユニットに供給され、該ユニットにおいて加熱され、貯湯タンクに戻されるようになっている。
特開2002−130784号公報
しかし、既存の集合住宅の上層階に新規にヒートポンプ式給湯装置を設置しようとすると、従来のものは貯湯タンクユニットに給湯配管接続口が設けられていたため、給湯湯温の低下を少なくしようとすると、重く大きな貯湯タンクを各室のバルコニー部分に設置する必要があり、基礎や設置部位の補強が必要となるとともに、設置作業も困難である場合が少なくない。一方、ヒートポンプユニットとともに貯湯タンクを地面に設置すると、各戸までの給湯配管や電気配線が長くなり、供給湯温の低下や電気的ノイズの混入といった問題が生じるとともに、各戸から地面までの給湯配管や電気配線の接続作業を行おうとすると作業が煩雑となる。
また、ヒートポンプ式給湯装置において、冬季における気温の低下に伴うCOPの低下という問題点が従前より指摘されており、かかる問題に対処するため、空気熱交換器を大型化したり、コンプレッサー能力を上げるなどにより要求能力を確保するという対処が行われていたが、装置コスト高や光熱費の増加という問題がある。特許文献1には、ヒートポンプから排気される冷気を用いて冷房に用いるという技術が開示されているが、給湯能力を確保し得るものではない。
本発明の第1の目的は、既存の集合住宅等の上層階に、基礎等の補強を行うことなく設置可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することである。
また、本発明の第2の目的は、空気熱交換器の大型化をすることなく、冬季におけるCOPの低下を抑制し得るヒートポンプ式給湯装置を提供することである。
本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を講じた。
即ち、本発明のヒートポンプ給湯装置は、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは壁掛け型に構成されていることを特徴とするものである(請求項1)。これによれば、貯湯タンクとヒートポンプユニットとが別体であるので、ヒートポンプユニットを各戸の壁面に取り付けながら、貯湯タンクを地面に設置することができる。設置した貯湯タンクとヒートポンプユニットとは、貯湯タンクとヒートポンプユニットとの間で湯水を循環させる湯水配管を設置態様に応じて現場で配管接続すればよい。
上記した本発明のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは、空気と熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部と、空気熱交換部と湯水熱交換部との間で循環流路を形成する熱媒配管と、ヒートポンプユニットにおける各種制御を司る制御部とを備え、該制御部が前記空気熱交換部と湯水熱交換部との間で前記熱媒配管に並設されているものとすることができる(請求項2)。これによれば、比較的設置スペースが狭い熱媒配管と制御部とを並設することにより、ヒートポンプユニット全体を薄型に構成することができ、隣接建築物の壁や塀との間のスペースが狭くとも設置可能で、隣接塀や隣接壁の存在による排気空気のショートサイクルに起因するCOPの低下を防止することができるとともに、壁掛け型のヒートポンプユニットとしての外観商品性の向上を図ることができる。また、比較的低温の空気熱交換部と高温の湯水熱交換部との間に制御部を介在させることにより、制御部の動作雰囲気温度が高温になりすぎることや、冷却されることによる結露等を防止することができる。
さらに、空気熱交換部の下方に湯水熱交換部が配置されており、ヒートポンプユニットを貯湯タンクに接続するための配管接続部が、ヒートポンプユニットの下端部に設けられているものとすることができる(請求項3)。これによれば、空気熱交換部、熱媒配管並びに制御部により構成される熱媒通路・制御装置部、及び、湯水熱交換部が上から順に配設されるようになり、湯水熱交換部から出湯される湯水を貯湯タンクに戻すための配管接続部をヒートポンプユニットの下端部に設けてもユニット内の配管構成を簡素化できる。そして、該配管接続部がユニット下端部に設けられているので、地面に設置した貯湯タンクとの接続配管の短縮、簡素化を図ることができる。また、湯水が流通する湯水熱交換部の上方に制御部が配置されるので、漏水時に制御部(電装部)が濡れることがなく、漏水による制御部の故障を防止できる。さらに、熱媒配管の中途部に設けたコンプレッサーにより生じた熱が空気熱交換部側に移行するため、COPの一層の向上が図られる。
また、前記ヒートポンプユニットは建築物の壁面に取付けられ、前記貯湯タンクは地面に設置されているものとするのが好ましい(請求項4)。
さらに、室内への給湯配管接続部が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないものとするのが好ましい(請求項5)。
また、室内に設置した操作装置との電気配線の接続端子が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないものとするのが好ましい(請求項6)。
上記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備えることができ、該ファンを、室内空気の換気用ファンとして兼用するのが好ましい(請求項7)。これによれば、冬季においては、排気される暖かい室内空気を用いてヒートポンプユニット内の熱媒、ひいては湯水を加熱することができ、冬季の気温低下によるCOPの低下を抑制することができるとともに、小型の空気熱交換器でも要求される給湯能力を確保できる。特に、24時間換気システムと併用する構成とすれば、一日に必要な熱量を一日中かけて獲得すればよく、ヒートポンプユニットに要求される能力はさらに小さくてもよく、さらなる小型化とコストダウンとを図ることができる。また、空気熱交換用ファンを浴室の換気用ファンとして兼用すれば、水蒸気を含んだ熱容量の大きい排気を利用して熱を獲得することができ、さらなる小型化を図ることができる。なお、本明細書において、「換気」は、室内空気を直接排気するもののみならず、室内空気と外気との間で熱交換した後に排気するいわゆるロスナイを含む。
また、本発明は、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備え、該ファンが、室内空気の換気用ファンとして兼用されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置として構成することもできる(請求項8)。
上記空気熱交換用ファンは、室内空間を外気に連通させる排気ダクトに設けられ、ファンよりも室内側で排気ダクトには、外気を導入する外気採入部が設けられており、該外気採入部には、採り入れ外気量を調節するダンパが設けられているものとすることができる(請求項9)。これによれば、換気要求の有無に応じてダンパを制御することにより、換気が必要でない場合でもヒートポンプを動作させることができる。
また、ヒートポンプユニットに設けた上水管接続部から供給される冷水と、貯湯タンクから供給される温水とを混合して、操作装置により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット内に設けることもできる(請求項10)。
また、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプ、及び/又は、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていても良い(請求項11)。
また、本発明のヒートポンプ式給湯方法は、浴室内空気の換気目的で浴室内から排気される空気と熱媒との間の熱交換により熱媒に熱を供給し、該熱媒を圧縮した後に熱媒と湯水との間の熱交換により湯水を加熱することを特徴とするものである(請求項12)。これによれば、冬季においては室内から排気される暖かい空気を用いてヒートポンプにより湯水を加熱することで、COPの低下を抑制できるとともに、前記空気は浴室内の空気であるから、湿度が高く熱容量の大きな空気を利用することで、さらなるCOPの向上を図ることができる。
本発明によれば、既存の集合住宅等の上層階にも、基礎等の補強を行うことなく設置可能な貯湯式ヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、空気熱交換器の大型化をすることなく、冬季におけるCOPの低下を抑制し得るヒートポンプ式給湯装置並びに給湯方法を提供することができる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面に基づいて説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係る貯湯式ヒートポンプ式給湯装置1を示し、該給湯装置1は、湯水を貯留する地面設置型の貯湯タンク2と、該貯湯タンク2とは別体に構成された壁掛け型のヒートポンプユニット3とを備えている。貯湯タンク2とヒートポンプユニット3とは、これらの間で循環流路を形成する湯水配管4によって接続されており、該湯水配管4は、貯湯タンク2からヒートポンプユニット3へ湯水を供給する湯水往き管4aと、ヒートポンプユニット3によって加熱された湯水を該ユニット3から貯湯タンク2へ戻す湯水戻り管4bとにより主構成されており、湯水戻り管4bは貯湯タンク上部に、湯水往き管4aは貯湯タンク下部に接続するのが好ましい。なお、湯水配管4の中途部、好ましくは湯水往き管4aの中途部には、湯水を循環させる循環ポンプ(図示せず)が設けられる。
上記貯湯タンク2は従来公知の適宜の構成とすることができ、タンク内に貯留されている湯水の水位センサや、タンクの高さ方向複数箇所で各高さ位置の湯水の温度を検知する温度センサが設けられていてよい。
上記ヒートポンプユニット3は、空気とCO2などの熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部5と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部6と、空気熱交換部5と湯水熱交換部6との間で循環流路を形成する熱媒配管7と、ヒートポンプユニット3における各種制御を司る制御部8と、湯水熱交換部6と外部とを接続する湯水配管により主構成される湯水通路機構部9とが、壁掛け可能な薄型のハウジング10内に配設されてなる。
空気熱交換部5は、内部に熱媒流通路を有する熱交換フィン5a(吸熱器)と、該フィン5aに前後に並設された空気熱交換用ファン5bとからなり、ハウジング10の上端部近傍に配設されている。ハウジング10の上端背面部には外気吸入口10aが設けられ、ハウジング10の上端近傍の前面部には排気口10bが設けられており、該吸入口10aと排気口10bとの間の空間に上記フィン5a並びにファン5bが設けられている。
湯水熱交換部6は、貯湯タンク2から供給された湯水と空気熱交換部5から供給された熱媒との間で熱交換することにより湯水を加熱する従来公知の適宜の熱交換器を用いることができ、上記空気熱交換部5の下方に配設されている。
熱媒配管7は、空気熱交換部5から湯水熱交換部6へ熱媒を流通させる第1の管路部と、湯水熱交換部6から空気熱交換部5へ熱媒を流通させる第2の管路部とを備えており、第1の管路部の中途部にはコンプレッサーが設けられ、第2の管路部の中途部には膨張弁が設けられて、動作時に高圧側の熱媒圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを形成している。第1の管路部と第2の管路部とは、ハウジング10内で横幅方向に配設されるのが好ましい。
前記制御部8は、制御基板その他の電装部からなり、好ましくは制御基板その他の電装部がケーシング内に収容された構成とされている。該ケーシング内面には断熱材を貼設するか、若しくはケーシング内外部の間で空気が流通できるような通路を設けることが好ましい。なお、制御部8は、要求される機能に応じて適宜の構成とすることができ、近年一般的にはアナログ回路部並びにデジタル回路部を有する構成とされるが、アナログ回路部のみで構成されていても構わない。
該制御部8は、ハウジング10内で、空気熱交換部5と湯水熱交換部6との間で熱媒配管7に前後方向に並設されている。
上記湯水通路機構部9は、ハウジング10の下端部に下方に向けて設けられた入水管接続部11(上水道接続部)、出湯管接続部12(室内への給湯配管接続部)、湯水往き管接続部13並びに湯水戻り管接続部14の相互間の湯水流通路、及び/又は、これら接続部と湯水熱交換部6との間の湯水流通路を構成する各配管並びに弁などの流体回路により構成されるものであり、ハウジング10の下端近傍に配設されている。
また、室内には、電源ブレーカー15と、給湯操作を行うためのリモコン16とが設けられており、これらブレーカー15並びにリモコン16(室内の操作装置)との電気配線の接続端子17,18は、ヒートポンプユニット3の下端部に設けられており、貯湯タンク2側には設けられていない。
上記実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置1によれば、ヒートポンプユニット3は建築物の壁面に取付けられ、貯湯タンク2は地面に設置されているので、貯湯タンク2の重量を支持するために建築物の基礎や構造部分を補強する必要がなく、既存の集合住宅等にも容易に設置できる。また、ヒートポンプユニット3を壁面に取り付けるものであるから、ヒートポンプユニット3から各部屋までの給湯管路や電気配線を短くすることができ、配管の通水過程における湯温の低下や、電気的ノイズの混入を抑制できる。また、ヒートポンプユニット3を薄型に構成したので、隣接建築物との隙間が狭い場合でも設置作業が容易であるとともに、空気熱交換部からの排気のショートサイクルによるCOP低下を抑制できる。
図2は本発明の第2実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置を示し、上記第1実施形態と同様の構成については同符号を付して詳細説明を省略するとともに、異なる構成、作用効果について説明する。
本実施形態のヒートポンプ式給湯装置1は、室内の換気システムと併せて用いられるものであって、該換気システムは、建築物の天井部分に室内空間を外気に連通させるように設けられた外気導入ダクト21並びに排気ダクト22と、外気導入ダクト21と排気ダクト22とを連通させるバイパスダクト23と、排気ダクト22の出口部に配設された上記空気熱交換用ファン5bと、バイパスダクト23と排気ダクト22との接続部に設けられた採り入れ外気量調節用のダンパ24とにより主構成されている。該ダンパ24は、ダクト外面に取り付けられたアクチュエータ25によって、排気ダクト22を全開し且つバイパスダクト23を閉じる換気全開位置から、排気ダクト22を閉じバイパスダクト23を全開する換気全閉位置まで回動可能であり、その中間位置においては各ダクト22,23の開量を無段階に調節できるようになっている。このバイパスダクト23の排気ダクト22への開口部が、外気を排気ダクト22に採り入れる外気採入部として構成されており、この外気採入部からの採り入れ外気量がダンパ24によって調節できるようになっている。
本実施形態のヒートポンプ式給湯装置1のケーシング10は、排気ダクト22の出口部を覆うように壁面に取り付けられ、フィン5a並びにファン5bが排気ダクト22の出口部に配設され、而して、空気熱交換用ファン5bが、室内空気の換気用ファンとして兼用されている。なお、図示実施例では、湯水通路機構部9、ブレーカー15、リモコン16、接続端子17,18、入水管接続部11並びに出湯管接続部12が図示されていないが、必要に応じて第1実施形態と同様に設けることができる。
本実施形態によれば、冬季において室内の暖かい空気を利用してヒートポンプにより湯水の加熱をすることができるので、冬季におけるCOPの低下を抑制できる。また、換気要求の有無やヒートポンプ動作要求の有無に応じてダンパ24を切り換えることにより、換気とヒートポンプ動作とを個別に行わせることも可能であり、換気システムとヒートポンプ式給湯システムの施工のトータルコストを節減できる。
ダンパ制御の一例を説明すると、換気要求が無く、ヒートポンプ動作要求がある場合は、ダンパ24を換気全閉位置としてヒートポンプユニット3を作動させることにより、換気することなく湯水の加熱を行うことができる。
一方、換気要求もヒートポンプ動作要求もある場合は、ダンパ24を中間位置(若しくは換気全開位置)としてヒートポンプユニット3を作動させることにより、換気と湯水の加熱とを同時に行うことができる。かかる制御中に換気能力の増加要求がある場合、ヒートポンプ能力の増加も要求される場合は、ダンパ24を換気全開位置側に回動させ及び/又はコンプレッサー並びにファン5bの出力を上げることにより、換気能力並びにヒートポンプ能力の双方を増加でき、ヒートポンプ能力の増加要求は無い場合は、ダンパ24を換気全開位置側に回動させるか、ファン5bの出力を増加させることで室内からの排気量を増加させることができる。また、上記制御中に換気能力の増加要求が無い場合にヒートポンプ能力の増加要求がある場合は、ヒートポンプのコンプレッサー並びにファン5bの出力を増加させるとともに、ダンパ24を換気全閉位置側に若干量回動させることにより、室内からの排気量を変えることなくヒートポンプ能力を向上できる。
また、換気要求はあるがヒートポンプ動作要求は無い場合は、ダンパ24を換気全開位置としてファン5bを動作させ、ヒートポンプのコンプレッサーを停止させることで、換気は行うがヒートポンプの作動による湯水の加熱は停止できる。
上記したヒートポンプ式給湯装置は、電気料金が安い深夜時間帯に貯湯タンク2の保有熱量が最大となるまでヒートポンプユニット3を作動させ、その他の時間帯は深夜までの使用予測熱量に応じて極力消費電力を抑えるように作動させるのが好ましい。例えば、特定時間帯(深夜時間帯)以外のその他の時間帯においては、通常時は最低能力でヒートポンプユニットを作動させ、現在の運転能力で特定時間帯までの平均使用予測熱量及び/又は最大使用予測熱量が確保できないと判断される場合のみヒートポンプユニットの能力を増加させるように制御することができる。また、最低能力運転中に、最大使用予測熱量以上の熱量がタンク内に貯留されたと判断される場合は、ヒートポンプユニットの作動を停止させることができる。なお、いずれの場合においても、ヒートポンプの最低能力運転をタンク内貯蓄可能熱量が最大となるまで継続させることができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。例えば、上記したヒートポンプユニット3やダンパ24等の各動作部の制御のすべてを制御部8で行ってもよく、一部の制御を別途設けた制御装置によって行わせることも可能である。また、ヒートポンプユニット3に設けた上水管接続部11から供給される冷水と、貯湯タンク2から供給される温水とを混合して、操作装置16により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット3内に設けてもよい。さらに、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプとをヒートポンプユニット内に備えることができる。また、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていても良い。
本発明の第1実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の模式断面図である。 本発明の第2実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の模式断面図である。
符号の説明
1 ヒートポンプ式給湯装置
2 貯湯タンク
3 ヒートポンプユニット
4 湯水配管
5 空気熱交換部
6 湯水熱交換部
7 熱媒配管
8 制御部

Claims (12)

  1. 湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは壁掛け型に構成されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  2. 請求項1に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは、空気と熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部と、空気熱交換部と湯水熱交換部との間で循環流路を形成する熱媒配管と、ヒートポンプユニットにおける各種制御を司る制御部とを備え、該制御部が前記空気熱交換部と湯水熱交換部との間で前記熱媒配管に並設されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  3. 請求項2に記載のヒートポンプ式給湯装置において、空気熱交換部の下方に湯水熱交換部が配置されており、ヒートポンプユニットを貯湯タンクに接続するための配管接続部が、ヒートポンプユニットの下端部に設けられていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  4. 請求項1,2又は3に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは建築物の壁面に取付けられ、前記貯湯タンクは地面に設置されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、室内への給湯配管接続部が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、室内に設置した操作装置との電気配線の接続端子が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備え、該ファンが、室内空気の換気用ファンとして兼用されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  8. 湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備え、該ファンが、室内空気の換気用ファンとして兼用されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  9. 請求項7又は8に記載のヒートポンプ式給湯装置において、空気熱交換用ファンは、室内空間を外気に連通させる排気ダクトに設けられ、ファンよりも室内側で排気ダクトには、外気を導入する外気採入部が設けられており、該外気採入部には、採り入れ外気量を調節するダンパが設けられていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプユニットに設けた上水管接続部から供給される冷水と、貯湯タンクから供給される温水とを混合して、操作装置により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット内に設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプ、及び/又は、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  12. 浴室内空気の換気目的で浴室内から排気される空気と熱媒との間の熱交換により熱媒に熱を供給し、該熱媒を圧縮した後に熱媒と湯水との間の熱交換により湯水を加熱することを特徴とするヒートポンプ式給湯方法。
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