JP2008045826A - 貯湯式給湯暖房装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄熱暖房しながらヒーポン循環回路の凍結防止運転が行える貯湯式給湯暖房装置を提供する。
【解決手段】ヒーポン循環回路36のヒーポン往き管9にヒーポン循環ポンプ10備え、このヒーポン循環ポンプ10の上流側に第1三方弁11を下流側に流量可変弁12を設け、貯湯タンク2上部と暖房用熱交換器14を接続する第1兼用管13を設け、この第1兼用管13の暖房用熱交換器14に近い位置に第2三方弁15を、この第2三方弁15と貯湯タンク2の間に第3三方弁16を設け、前記暖房用熱交換器14の下流から貯湯タンク2の中間位置に連通する中間戻し管18を接続し、前記流量可変弁12と第2三方弁15を接続してバイパス管19を、前記第1三方弁11と第3三方弁16を接続して第2兼用管20を設け、この第2兼用管20の中間部22と冷媒−水熱交換器5を接続するヒーポン戻り管21を設けたものである。
【選択図】図1

Description

この発明はヒートポンプ加熱式の貯湯式給湯暖房装置に関するものである。
従来よりこの種のものには、図5に示すように、入水管101と出湯管102が接続され湯水を貯湯する貯湯タンク103と、前記貯湯タンク103内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段104と、前記貯湯タンク103と前記ヒートポンプ式加熱手段104とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプ105と、前記ヒーポン循環回路に三方弁106を介して接続され前記ヒーポン循環回路をバイパスするバイパス管107と、前記バイパス管107途中に設けられ暖房用放熱器へ循環する循環水を加熱するための暖房用熱交換器108とを備え、前記ヒートポンプ式加熱手段104で加熱された温水を前記暖房用熱交換器108に循環させる構成とし、前記バイパス管107の前記暖房用熱交換器108の下流から分岐して前記貯湯タンク103の中間位置に連通する中間戻し管109を接続すると共に、前記貯湯タンク103の中間位置に中間出湯管110を接続し、貯湯運転時は前記三方弁106を前記ヒートポンプ式加熱手段104と前記貯湯タンク103とで循環するように切換え、暖房運転時は前記三方弁106を前記ヒートポンプ式加熱手段104と前記暖房用熱交換器108とで循環するように切換えるように構成し、前記バイパス管107途中、又は中間戻し管109に1次側暖房循環ポンプ111を設けることで、貯湯タンク103内の貯湯温水を暖房循環ポンプ111の駆動により暖房用熱交換器108に循環させることが可能となり、貯湯タンク103内の貯湯温水も暖房運転の熱源として用いることが可能となるものであった。(例えば、特許文献1参照)
特開2006−10187号公報
ところが、この従来のものでは、前記ヒートポンプ式加熱手段104を作動せずに貯湯タンク103内の温水のみで暖房を行うためには、ヒーポン循環ポンプ105と1次側暖房循環ポンプ111と2次側暖房循環ポンプ112の3台もの循環ポンプが必要であるため、暖房時の消費電力の増加や運転騒音の問題が有った。
また、タンクユニット内に3台の循環ポンプを収納しなければならないために、タンクユニットの大型化や重量増大の原因になっていた。
更にヒーポン循環回路の凍結防止に関しては、何ら対策されず、凍結による破損の危険を有するものであった。
この発明はこの点に着目し上記課題を解決するために、特にその構成を、請求項1では、入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、このヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、暖房用放熱器に接続して2次側暖房循環回路を形成する暖房用熱交換器と、2次側暖房循環回路の湯水を循環する暖房循環ポンプと、前記暖房用熱交換器に貯湯タンクの湯水を循環させる1次側暖房循環回路を備えた貯湯式給湯暖房装置に於いて、前記ヒーポン循環回路のヒーポン往き管に前記ヒーポン循環ポンプを備え、このヒーポン循環ポンプの上流側に第1三方弁を下流側に流量可変弁を設け、前記貯湯タンク上部と暖房用熱交換器を接続する第1兼用管を設け、この第1兼用管の暖房用熱交換器に近い位置に第2三方弁を、この第2三方弁と貯湯タンクの間に第3三方弁を設け、前記暖房用熱交換器の下流から貯湯タンクの中間位置に連通する中間戻し管を接続し、前記流量可変弁と第2三方弁を接続してバイパス管を、前記第1三方弁と第3三方弁を接続して第2兼用管を設け、この第2兼用管の中間部と冷媒−水熱交換器を接続するヒーポン戻り管を設けたものである。
また、請求項2では、前記第1三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、前記第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプを作動することで前記貯湯タンクへの貯湯動作を行う貯湯運転機能と、前記第1三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の暖房用熱交換器側を連通するようにセットし、第2三方弁を第1兼用管側にセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することでヒートポンプ式加熱手段による直接暖房を行う直接暖房機能と、前記第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記第1三方弁を第2兼用管とヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記流量可変弁をバイパス管とヒーポン往き管の貯湯タンク側を連通すると共に、ヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記第2三方弁をバイパス管と第1兼用管の暖房用熱交換器側と連通するようにセットし、ヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することで貯湯タンクの蓄熱による蓄熱暖房と、ヒートポン循環回路の凍結防止を行うものである。
また、請求項3では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくするものである。
また、請求項4では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、ヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくするものである。
また、請求項5では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくし、更にこの弁開度にヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくなるように補正するものである。
この発明によれば、暖房運転や貯湯運転で使用する循環ポンプを2台に削減したので、暖房時の消費電力を低下することができ、運転騒音も低下することができた。
また、タンクユニットのコンパクト化や重量の低減をすることができた。
また、直接暖房と貯湯動作を同時に行うことができるようになった。
更に蓄熱暖房をしながら、蓄熱暖房用の温水の一部をヒーポン循環回路に流すことにより、ヒーポン循環回路の凍結を確実に防止することができ、暖房を中止する必要がなく、極めて便利であり器具の破損の心配もなく安心して使用できるものである。
次にこの発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づき説明する。
1は湯水を貯湯する貯湯タンク2等を収納する貯湯タンクユニット、3は貯湯タンク2内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ式加熱手段で、内部には圧縮機4と凝縮器としての冷媒−水熱交換器5と電子膨張弁6と強制空冷式の蒸発器7とで構成され、このヒートポンプ式加熱手段3には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。また、前記圧縮機4や電子膨張弁6等によりヒートポンプサイクルを駆動制御するヒーポン制御部8を設けている。
9は前記貯湯タンク2の下部と冷媒−水熱交換器5を接続するヒーポン往き管で、ヒーポン循環ポンプ10が取り付けられ、このヒーポン循環ポンプ10と前記貯湯タンク2の間には第1三方弁11を、ヒーポン循環ポンプ10と前記冷媒−水熱交換器5の間には、該ヒーポン循環ポンプ10側が常開状態で冷媒−水熱交換器5側のともう一方側の両方を同時に連通可能で、連通している弁開度を閉塞も含んで可変する流量可変弁弁12を設けている。
13は前記貯湯タンク2の上部と暖房用熱交換器14を接続する第1兼用管で、暖房用熱交換器14側より貯湯タンク2に向かって第2三方弁15、第3三方弁16、第4三方弁17を備えている。18は前記暖房用熱交換器14と前記貯湯タンク1の中間位置に接続された中間戻し管である。19は前記流量可変弁12と第2三方弁15を接続したバイパス管で、このバイパス管19側と冷媒−水熱交換器5側への流量を流量可変弁12で可変するものである。20は前記第1三方弁11と第3三方弁16を接続した第2兼用管。21は前記第2兼用管20の中間部22と冷媒−水熱交換器5とを接続したヒーポン戻り管。23は前記貯湯タンク2の稍上部と第4三方弁17を接続した中間暖房管で前記貯湯タンク2内の湯量や湯温に応じて前記第4三方弁17を切換え制御するものである。
24は前記貯湯タンク2の下部に接続され貯湯タンク2に水を給水する入水管。25は前記貯湯タンク2の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管。26は前記貯湯タンク2の中間位置に接続された中間出湯管。27は前記出湯管25からの湯水と前記中間出湯管26からの湯水とを任意の温度になるよう混合する中間混合弁。28は前記入水管24から分岐された給水管。29は前記中間混合弁27からの湯水と前記給水管28からの給水とを給湯設定温度に混合する給湯混合弁である。
30は前記暖房用熱交換器14の2次側に暖房往き管31と暖房戻り管32で接続された暖房用放熱器で、前記暖房戻り管32の途中に暖房循環ポンプ33を接続し、前記暖房用熱交換器14と暖房往き管31と暖房用放熱器30と暖房戻り管32を連通して2次側暖房循環回路34を形成している。
35は前記三方弁11・15・16・17や循環ポンプ10・33や流量可変弁12等の駆動制御を行うと共に、前記ヒーポン制御部8に指令を発し、予めプログラミングされたマイクロコンピュータを主体として構成されている制御部である。
36はヒーポン循環回路で、前記冷媒−水熱交換器5とヒーポン戻り管21と第2兼用管20の中間部22から第3三方弁16までと第1兼用管13の第3三方弁16から貯湯タンク2上部までと、該貯湯タンク2底部からのヒーポン往き管9と冷媒−水熱交換器5を連通して形成している。
37は1次側暖房循環回路で、前記貯湯タンク2とヒーポン往き管9と冷媒−水熱交換器5とヒーポン戻り管21と第2兼用管20の中間部22から第3三方弁16までと第1兼用管13の第3三方弁16から暖房用熱交換器14と中間戻し管18と貯湯タンク2を連通して形成している。
38は蓄熱暖房循環回路で、前記貯湯タンク2と第1兼用管13の第3三方弁16までと第2兼用管20とヒーポン往き管9の第1三方弁11から流量可変弁12の間とバイパス管19と第1兼用管13の第2三方弁15から暖房用熱交換器14と中間戻し管18と貯湯タンク2を連通して形成している。
39はヒートポンプ式加熱手段3に備えられ外気温を検知する凍結防止温度センサで、外気温が凍結防止温度以下に低下したことを検知し、蓄熱暖房中の流量可変弁12をヒーポン往き管9と冷媒−水熱交換器5側も連通させ、蓄熱暖房中の温水の一部を冷媒−水熱交換器5を流通させて、ヒーポン循環回路36の凍結を防止するものであり、更にこの流量可変弁12の弁開度は、暖房往き管31に備えられ暖房往き温度を検知する暖房温度センサ40の検知温度が高くなるに従い冷媒−水熱交換器5側の弁開度を小さくして、温度が上がっているのに無駄に温水を使用しないようにし、又ヒーポン循環ポンプ10の回転数を検知する回転数センサ41による回転数検知で、回転数が高くなるに従い前記冷媒−水熱交換器5側の弁開度を更に小さくなるように補正を加えて、ヒーポン循環ポンプ10の回転数によっても無駄な温水の使用を防止するものである。
ここで、貯湯タンク2内にヒートポンプ式加熱手段3で加熱された高温水を貯湯する貯湯運転について説明する。
制御部35は深夜時刻になると電力単価が安価な深夜時間帯内で朝の所定時刻までに沸き上がるように貯湯運転を開始し、三方弁11・15・16・17をヒートポンプ式加熱手段3と貯湯タンク2とが連通するように切換えると共に、流量可変弁12をヒートポンプ式加熱手段3側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ10とヒートポンプ式加熱手段3を駆動および起動して、貯湯タンク2の下部から取り出した湯水をヒートポンプ式加熱手段3により沸き上げ温度まで沸き上げて貯湯タンク2の上部に積層させるように貯湯する。そして、所望の熱量を貯湯するとヒーポン循環ポンプ10およびヒートポンプ式加熱手段3の停止して貯湯運転を終了する。
次に、ユーザーが給湯栓を開いて給湯する時の給湯運転について説明する。
給湯栓が開かれると入水管24から貯湯タンク2内に給水されると同時に出湯管25から貯湯温水が出湯される。このとき、中間混合弁27の混合比率により中間出湯管26からも貯湯温水が出湯され、中間混合弁27によってある温度に混合される。そして、この中間混合弁27からの湯水は給湯混合弁29に流入し、給水管28からの給水と混合されて所望の給湯設定温度で給湯栓から給湯される。
次に、直接暖房運転について説明する。
暖房の要求が発生すると、制御部35は暖房の2次側の運転を開始すると共に、三方弁11・15・16・17を1次側暖房循環回路37が連通するように切換えると共に、流量可変弁12をヒートポンプ式加熱手段3側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ10とヒートポンプ式加熱手段3を駆動及び起動して、ヒートポンプ式加熱手段3で沸き上げた高温水を暖房用熱交換器14に直接供給し、2次側と熱交換して温度低下した温水を貯湯タンク2に導いた後再度ヒートポンプ式加熱手段3に循環させて再度加熱して、これを順次繰り返して暖房を行うものであり、ヒートポンプ式加熱手段3で直接温水を加熱しながら暖房しているので、暖房能力は変動することなく常に一定で、強力で確実な暖房を行うことが出来るものである。
次に、ヒートポンプ式加熱手段3が停止状態での蓄熱暖房運転について説明する。
暖房の要求が発生すると、制御部35は暖房の2次側の運転を開始すると共に、三方弁11・15・16・17を蓄熱暖房循環回路38が連通するように切換え、流量可変弁12はバイパス管19側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ10を駆動及び起動して、貯湯タンク2内の高温水を暖房用熱交換器14に供給し、2次側と熱交換して温度低下した温水を貯湯タンク2に戻して循環させ暖房を行うもので(図1に実線矢印で示すように流れる。)、貯湯タンク2に蓄熱された熱を利用して暖房するので、無駄がなく効率的で良好な暖房が行えるものである。
次に、直接暖房と貯湯を同時に行う運転について説明する。
制御部35は暖房の2次側の運転を開始すると共に、三方弁11・15・16・17をヒーポン循環回路36と1次側暖房循環回路37が同時に連通するように切換えると共に、流量可変弁12をヒートポンプ式加熱手段3側全開状態とし、この時第3三方弁16を暖房用熱交換器14側と貯湯タンク2側への流量を任意の比率で分配調整することで暖房と貯湯を同時に行うことができるものである。
次に、暖房運転と給湯運転とが同時に行われる併用運転について説明する。
暖房運転中に給湯運転の要求が発生すると、制御部35は三方弁11・15・16・17を貯湯タンク2とヒートポンプ式加熱手段3とが連通するように切換えると共に、流量可変弁12をヒートポンプ式加熱手段3側全開状態として、該ヒートポンプ式加熱手段3で加熱された温水は暖房用熱交換器14を通過し、2次側との熱交換により温度低下した温水が中間戻し管18を介して貯湯タンク2の中間部に戻される。そして、貯湯タンク2の下部に貯められている湯水および入水管24から貯湯タンク2の下部に流入した冷水がヒーポン往き管9を介してヒートポンプ式加熱手段3に循環されて加熱される。一方、貯湯タンク1の中間部に戻された温水は、制御部35でコントロールされる中間混合弁27の混合比率に応じた量が中間出湯管26を介して出湯され、給湯混合弁29によって給湯設定温度の湯として給湯される。
このように、暖房運転と給湯運転の併用運転時には、ヒートポンプ式加熱手段3では貯湯タンク2の下部から取り出した湯水を加熱することとなるので、暖房用熱交換器14で温度低下した温水よりも温度の低い湯水を加熱することとなり、ヒートポンプ式加熱手段3でのCOPが向上すると共に、暖房用熱交換器14で温度低下した温水を中間戻し管18を介して貯湯タンク2の中間部に戻し、暖房用熱交換器14で温度低下した温水の少なくとも一部を中間出湯管26を介して給湯に即利用することができ、熱交換後の温水の温度を有効に活用することで給湯と暖房のトータルで機器全体のエネルギー効率を向上させることができるものである。
次に、蓄熱暖房中に凍結防止温度センサ39が凍結危険温度である3℃を検知した場合について説明する。
この場合蓄熱暖房中であるから暖房回路は、ヒーポン循環ポンプ10の駆動で三方弁17・16を介して貯湯タンク2上部の高温水が、第2兼用管20を通り第1三方弁11からヒーポン循環ポンプ10、そしてバイパス管19側全開状態の流量可変弁12を介して該バイパス管19を通って、第2三方弁15から暖房用熱交換器14に達し、熱交換後の温水は中間戻し管18から貯湯タンク2の中間に戻される循環で暖房を行っている。(図1に実線矢印で示すように流れる。)
この状態の時に凍結防止温度センサ39が凍結危険温度を検知することで、バイパス管19側全開状態の流量可変弁12を、バイパス管19側を少し閉めて、替わりにヒートポンプ式加熱手段3側を少し開成状態として、暖房用の高温水の一部をヒートポンプ式加熱手段3の冷媒−水熱交換器5に流し、ヒーポン戻り管21を介して再び暖房回路に戻すことで、ヒーポン循環回路36の凍結を防止するものであり(図1に点線矢印で示すように流れる。)、又この時の流量可変弁12のヒートポンプ式加熱手段3側の開成量は、暖房往き管31に備えられ暖房往き温度を検知する暖房温度センサ40の検知温度が高い程小さくされ、そしてこの開度をヒーポン循環ポンプ10の回転数を検知する回転数センサ41による回転数検知で、回転数が高い程小さくなるように補正されるものである。
従って、蓄熱暖房中でもヒーポン循環回路36の凍結防止運転が行われ、凍結を確実に防止することが出来、常に安心して使用出来るものであり、更に暖房往き温度やヒーポン循環ポンプ10の回転数によって、凍結防止のためにヒーポン循環回路36を流通する温水量を極力少なくして、無駄がなく効率の良い凍結防止が行えるようにしているものである。
この発明の一実施形態を示す貯湯式給湯暖房装置の概略構成図。 同要部電気回路のブロック図。 同流量可変弁の暖房往き温度によるヒーポン側への弁開度の特性図。 同流量可変弁のヒーポン循環ポンプ回転数によるヒーポン側への弁開度の特性図。 従来例の概略構成図。
符号の説明
2 貯湯タンク
3 ヒートポンプ式加熱手段
9 ヒーポン往き管
10 ヒーポン循環ポンプ
11 第1三方弁
12 流量可変弁
13 第1兼用管
14 暖房用熱交換器
15 第2三方弁
16 第3三方弁
18 中間戻し管
19 バイパス管
20 第2兼用管
21 ヒーポン戻り管
22 中間部
30 暖房用放熱器
33 暖房循環ポンプ
39 凍結防止温度センサ
40 暖房温度センサ
41 回転数センサ

Claims (5)

  1. 入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、このヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、暖房用放熱器に接続して2次側暖房循環回路を形成する暖房用熱交換器と、2次側暖房循環回路の湯水を循環する暖房循環ポンプと、前記暖房用熱交換器に貯湯タンクの湯水を循環させる1次側暖房循環回路を備えた貯湯式給湯暖房装置に於いて、前記ヒーポン循環回路のヒーポン往き管に前記ヒーポン循環ポンプを備え、このヒーポン循環ポンプの上流側に第1三方弁を下流側に流量可変弁を設け、前記貯湯タンク上部と暖房用熱交換器を接続する第1兼用管を設け、この第1兼用管の暖房用熱交換器に近い位置に第2三方弁を、この第2三方弁と貯湯タンクの間に第3三方弁を設け、前記暖房用熱交換器の下流から貯湯タンクの中間位置に連通する中間戻し管を接続し、前記流量可変弁と第2三方弁を接続してバイパス管を、前記第1三方弁と第3三方弁を接続して第2兼用管を設け、この第2兼用管の中間部と冷媒−水熱交換器を接続するヒーポン戻り管を設けたことを特徴とする貯湯式給湯暖房装置。
  2. 前記第1三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、前記第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプを作動することで前記貯湯タンクへの貯湯動作を行う貯湯運転機能と、前記第1三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の暖房用熱交換器側を連通するようにセットし、第2三方弁を第1兼用管側にセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することでヒートポンプ式加熱手段による直接暖房を行う直接暖房機能と、前記第3三方弁を第2兼用管と第1兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記第1三方弁を第2兼用管とヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記流量可変弁をバイパス管とヒーポン往き管の貯湯タンク側を連通すると共に、ヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記第2三方弁をバイパス管と第1兼用管の暖房用熱交換器側と連通するようにセットし、ヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することで貯湯タンクの蓄熱による蓄熱暖房と、ヒートポン循環回路の凍結防止を行うことを特徴とする請求項1記載の貯湯式給湯暖房装置。
  3. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくすることを特徴とする請求項2記載の貯湯式給湯暖房装置。
  4. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、ヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくすることを特徴とする請求項2記載の貯湯式給湯暖房装置。
  5. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくし、更にこの弁開度にヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくなるように補正することを特徴とする請求項2記載の貯湯式給湯暖房装置。
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