JP2009074743A - ヒートポンプ式床暖房装置及び該装置に用いられる蓄熱容器 - Google Patents

Abstract

【課題】床暖房のランニングコストを低減することができるとともに、設備のイニシャルコストを低減することができ、迅速な床暖房行うことができるヒートポンプ式床暖房装置を提供する。
【解決手段】根太３１，３１の下面に断熱板３２を装着する。この断熱板３２の上面に中空容器３３を装着する。中空容器３３の上面に床板３６を支持する。前記パネル２３を構成する中空容器３３の上面に形成された配管収容溝３３ａに床暖房用の床暖房用温水配管２４を収容する。前記中空容器３３の内部に収容された潜熱蓄熱材３４を、前記床暖房用温水配管２４内を流れる温水の熱によって加熱し、潜熱蓄熱材３４に２５〜３５℃の温度の熱を蓄熱する。このため、夜間において前記潜熱蓄熱材３４に蓄熱し、昼間に蓄熱された熱を室内に放出することによりランニングコストを低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建造物の室内の床暖房に用いられるヒートポンプ式床暖房装置及び該装置に用いられる蓄熱容器に関する。

一般に、床暖房装置は室内の空気が乾燥しにくく、又、外気温との温度差が少ないため人体にも負担が少ないという長所があり、普及が進んでいる。床暖房の方式には加熱の方法から、ガスや石油の燃焼によって得た温水を床暖房パネルの配管に循環させることによる温水式と、電気ヒーターで床暖房パネルを加熱する電気式とがある。電気式の床暖房装置には、蓄熱方式のものがあり、これは廉価な夜間電力を利用して夜間に電気ヒーターで蓄熱体を加熱して蓄熱し、蓄熱体の放熱によって昼間の床暖房を賄うことによりランニングコストを低減するものである。

一方、近年においては、ヒートポンプ、特に二酸化炭素ガスを熱媒として用いた専用の床暖房装置、あるいは床暖房及び給湯を行うものや床暖房、給湯及び空調を行うもの等が普及し始めている。このヒートポンプを用いた床暖房装置は、空気中の熱を利用することで投入電力以上の熱を得ることができる。この効率を成績係数（ＣＯＰ）と呼び、ＣＯＰが大きいものほど環境負荷が小さい装置とされ、ＣＯＰの大きい給湯装置の開発が競われている。

しかしながら、上記のヒートポンプを用いた床暖房装置は、例えば発泡ポリウレタン等の断熱材により構成された床暖房パネルに形成された配管収容溝に対し、床暖房用の温水を循環させるための床暖房用温水循環配管を蛇行するように収容する構造をとっていたので、次のような問題があった。即ち、前記床暖房パネル自体には蓄熱機能がないため、前述した廉価な夜間電力を利用して夜間にヒートポンプによりパネルを加熱して蓄熱し、蓄熱されたパネルの放熱によって昼間の床暖房を賄うことができず、ランニングコストを低減することができないという第１の問題があった。

又、ヒートポンプを用いた床暖房・給湯装置においては、貯湯タンクに貯留された温水を給湯用として使用するとともに、床暖房用の熱源として使用しているので、給湯及び床暖房機能を適正に発揮させるためには、前記貯湯タンクに大量の温水を貯留しておく必要がある。このため貯湯タンクの容量（例えば４６０Ｌ）が大きくなって、設備のイニシャルコストが高くなるという第２の問題があった。

さらに、床暖房・給湯装置においては、貯湯タンクの中ほどに４０〜６０℃程度の中温水が溜まり易いという問題があり、９０℃程度の熱水と別に中温水を有効に利用することができないという第３の問題があった。

加えて、床暖房装置あるいは床暖房・給湯装置においては、床暖房を起動しても直ぐには床暖房パネルが温まらないため、例えば室内を早朝から利用する人にとって、床暖房を迅速に行うことができないという第４の問題があった。

上述した各問題に対して従来の技術では以下のように対策が採られていった。
ランニングコストに関する第１の問題及び設備のイニシャルコストに関する第２の問題のために、貯湯タンクとは別に蓄熱材に温水の熱を蓄えておく機構を有する床暖房・給湯装置が開発されている（特許文献１）。しかし、この装置においては、第１の問題を解消することができるが、蓄熱槽のためのスペースが新たに発生し、イニシャルコストの低減が十分とは言えない。又、床下空間を利用して蓄熱槽を設置する蓄熱式床暖房システムも提案されている（特許文献２）。このシステムも蓄熱槽を床暖房器とは別に設置する工程が必要であり、同じくイニシャルコストの低減が十分とは言えない。

さらに、貯湯タンク内の中温水を有効に利用できないという第３の問題に対して、貯湯タンクの中間部の中温水を、中間部に新規に設けた取り出し口にて取り出して優先的に使用するという給湯装置が提案されている（特許文献３、特許文献４）。しかし、これらの装置では、確かに中温水の取り出し口から中温水を優先的に取り出すことが可能であるが、中温水を用いる用途について提案されているわけでなく、効果的に中温水を利用することができるとは言えない。イニシャルコストの低減や床暖房を迅速に行うことについても全く対処されていない。

床暖房を迅速に行うことができないという第４の問題に対して、熱媒を加熱して蓄える蓄熱槽を設けたヒートポンプ暖房システムが提案されている（特許文献５）。このシステムは運転初期に蓄熱槽から熱媒を床暖房パネルに循環させ、定常運転状態でヒートポンプからの熱を受けとった熱媒を床暖房パネルに循環させるという方法で、短時間で暖房を立ち上げることができ、第４の問題を解決することができる。しかし、このシステムは蓄熱槽を床暖房パネルと別に設けるため、イニシャルコストの低減という第２の問題を解決するものではない。

さらに、ヒートポンプによって得られた温水を用いて利用側ユニットとして蓄熱床暖房を採用することにより、夜間電力を有効に利用でき、低いランニングコストでの暖房装置を実現することができる冷凍装置が提案されている（特許文献６）。そして、この冷凍装置により給湯タンクの容量を低減することや暖房利用時のＣＯＰを向上させること等が可能になると記されている。しかし、特許文献６には利用側ユニットとして単に蓄熱床暖房を採用することのみが記載されており、具体的な蓄熱床暖房の構成は明らかではなく、従って、第２の問題に関する貯湯タンクの容量の低減をするには不十分である。例えば床暖房に適した温度における蓄熱量を十分なものとする必要がある。蓄熱量が不十分なものであると、給湯タンクの容量を低減することができなくなるおそれがある。又、特許文献６には、中温水を有効利用する方法も、床暖房を迅速に行う方法も記載されておらず、これまでにヒートポンプ給湯装置に付随していた各問題を解決するには不十分である。
特開２００６−１３２８７３号公報 特開２００５−５５１３０号公報 特開２００４−１３２６５９号公報 特開２００６−１２５６７７号公報 特開２００２−３２３２３０号公報 特開２００４−３８０１号公報

前述したように、特許文献１〜６に開示された床暖房機能を備えたヒートポンプ式の給湯装置、システムあるいは冷凍装置等は、前述した第１〜第４の問題のうち、第１の問題を解決することができても、第２の問題を解決することができなかったり、第４の問題を解決することができても、第２の問題を解決することができなかったりするという問題があった。

本発明の第１の目的は、床暖房のランニングコストを低減することができるとともに、専用の蓄熱槽を不要にして設備のイニシャルコストを低減することができ、迅速な床暖房を行うことができるヒートポンプ式床暖房装置を提供することにある。

又、本発明の第２の目的は、上記目的に加え、貯湯タンクの容量を小さくして設備のイニシャルコストを低減することができるヒートポンプ式床暖房・給湯装置を提供することにある。

さらに、本発明の第３の目的は、上記の第２の目的に加えて、貯湯タンク内の中温水を有効に利用することができるヒートポンプ式床暖房・給湯装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、圧縮機に接続された熱媒循環配管に膨張弁及び室外熱交換器を接続して冷凍サイクルを構成し、一方、床暖房パネルに形成された配管収容溝に暖房用熱媒配管を配設し、該熱媒配管に対し熱媒をポンプにより循環させる熱媒循環配管を接続し、該熱媒循環配管と前記冷凍サイクル側の熱媒循環配管とに床暖房用熱交換器を設けたヒートポンプ式床暖房装置において、前記床暖房パネルを構成する中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填して蓄熱容器としたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記中空容器は平面視で偏平四角形状に形成され、その厚さ寸法は５〜５０ｍｍに設定されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記中空容器の上面及び前記配管収容溝の内周面のうち少なくとも該内周面に対し該中空容器を構成する材料よりも熱伝導性の良い材料よりなる均熱層が接着されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記均熱層は１０〜１００μｍのアルミニウム製の均熱シートであることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記中空容器は熱可塑性合成樹脂によりブロー成形されたものであることを要旨とする。

請求項６に記載の発明は、圧縮機に接続された熱媒循環配管に膨張弁及び室外熱交換器を接続して冷凍サイクルを構成し、一方、貯湯タンクに接続され、かつポンプにより給湯水を循環させる給湯水循環配管と前記熱媒循環配管とに給湯用熱交換器を設け、前記貯湯タンクに対しポンプにより給湯水を床暖房用熱媒として循環させる温水循環配管を接続し、床暖房パネルの配管収容溝に暖房用熱媒配管を収容し、該熱媒配管に熱媒をポンプにより循環させる熱媒循環配管を接続し、該熱媒循環配管と前記温水循環配管とに床暖房用熱交換器を設けたヒートポンプ式床暖房装置において、前記床暖房パネルを構成する中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填して蓄熱容器としたことを要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記温水循環配管は貯湯タンクに貯留された給湯水の６０〜９０℃の高温水又は４０〜６０℃の中温水を循環するように構成されていることを要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項６又は７において、前記給湯水循環配管は床暖房用の前記温水循環配管を兼用するものであることを要旨とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項において、前記床暖房パネルは、２５〜３５℃の温度範囲における蓄熱量が２００〜２０００ｋｃａｌ／ｍ^２となるように前記中空容器の形状及び内容積と、潜熱蓄熱材の充填量が設定されていることを要旨とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ式床暖房装置に用いられる蓄熱容器であって、中空容器の上面に配管収容溝を形成するとともに、該中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填したことを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置に用いられることを要旨とする。

請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式床暖房装置によれば、床暖房のランニングコストを低減することができるとともに、専用の蓄熱槽を不要にして設備のイニシャルコストを低減することができ、迅速な床暖房を行うことができる。

請求項６〜９のいずれか１項に記載のヒートポンプ式床暖房・給湯装置によれば、床暖房のランニングコストを低減することができるとともに、専用の蓄熱槽を不要にし、かつ貯湯タンクの容量を小さくして設備のイニシャルコストを低減することができ、迅速な床暖房を行うことができる。

請求項７に記載のヒートポンプ式床暖房・給湯装置によれば、上記の効果に加えて、貯湯タンク内の中温水を有効に利用することができる。

以下、本発明をヒートポンプ式床暖房・給湯装置として具体化した一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
最初に、図３によりヒートポンプの構成について説明する。例えば、二酸化炭素（ＣＯ_２）等の熱媒ガスを高温・高圧に圧縮するための圧縮機１１には、熱媒を循環させる熱媒循環配管１２が接続されている。この熱媒循環配管１２には圧縮されて凝縮された熱媒液を減圧膨張するための膨張弁１３及び室外空気の熱を吸収するための室外熱交換器１４が接続されている。

一方、室外の所定位置には温水を貯留するための貯湯タンク１５が配設され、この貯湯タンク１５に接続された給湯水循環配管１６にはポンプ１７が接続され、前記給湯水循環配管１６及び前記熱媒循環配管１２には給湯用熱交換器１８が接続されている。そして、この給湯用熱交換器１８によって、前記熱媒循環配管１２内を流れる熱媒の熱を利用して前記給湯水循環配管１６内を流れる給湯水を加熱するようになっている。なお、前記貯湯タンク１５には加熱された給湯水を取り出す蛇口が設けられると共に、減少した水を補給するための給水配管が接続されている。

次に、前記貯湯タンク１５に対応して配設された温水式の床暖房装置について説明する。
前記貯湯タンク１５には温水（給湯水）をポンプ２２によって循環させるための第１温水循環配管２１が接続されている。一方、室内の床には床暖房パネル２３が配設され、パネル２３には床暖房用温水配管２４が蛇行するように敷設されている。この床暖房用温水配管２４の両端部には温水をポンプ２６によって前記床暖房用温水配管２４に循環させるための第２温水循環配管２５が接続されている。前記第１温水循環配管２１及び第２温水循環配管２５に床暖房用熱交換器２７が接続されている。そして、前記床暖房用熱交換器２７によって前記第１温水循環配管２１内を流れる温水の熱により前記床暖房用温水配管２４及び第２温水循環配管２５を流れる床暖房用の水を加熱するようになっている。

図１に示すように、床に用いられた複数本の根太３１の下面には例えば発泡ポリウレタン等の合成樹脂製の断熱材よりなる断熱板３２が水平に配設され、この断熱板３２の上面に前記床暖房パネル２３を構成する複数枚の中空容器３３が前記根太３１の間に位置するように支持されている。前記中空容器３３は例えばポリプロピレン等の耐熱性を有する熱可塑性合成樹脂により図２に示すように平面視で扁平長四角箱状にブロー成形されている。中空容器３３の内部には、２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材３４が充填されている。この潜熱蓄熱材３４として、硫酸ナトリウムと水を配合するもの、酢酸ナトリウムと水を配合するものなどがある。水の配合比を変えることで、硫酸ナトリウムと水が２０〜３２℃、酢酸ナトリウムと水が４０〜５５℃で相変化する潜熱蓄熱材３４が得られる。この実施形態では前記中空容器３３と潜熱蓄熱材３４とにより蓄熱容器３３Ａが構成され、複数の蓄熱容器３３Ａが室内の床に配設されて前記床暖房パネル２３が構成される。前記潜熱蓄熱材３４として、例えば床暖房用としての蓄熱性能に優れた硫酸ナトリウム１０水和塩が充填されている。この硫酸ナトリウム１０水和塩は、融点が３０℃で、理論蓄熱量は４９ｋｃａｌ／Ｌである。又、２８℃で潜熱発熱し、３１℃で融解吸熱する性質を備えている。

前記中空容器３３の上面には前記床暖房用温水配管２４を収容するための配管収容溝３３ａが複数箇所に、かつ互いに平行に形成されている。前記中空容器３３の下面には中空容器３３の表面温度を測定するための図示しない温度センサ及び該温度センサに接続されたリード線を収容するための収容溝３３ｂが形成されている。図２に示すように前記中空容器３３の端面には潜熱蓄熱材３４を中空容器３３の内部空間に充填するための充填口３３ｃが形成されている。さらに、前記中空容器３３の内部には図１に示すように前記中空容器３３の上下の水平の板部を互いに連結して補強するためのロッド状の補強リブ３３ｄが該中空容器３３のブロー成形時に同時に成形されている。

図１に示すように、前記中空容器３３の上面及び配管収容溝３３ａの全域には、アルミニウムよりなる例えば１０〜１００μｍの均熱シート３５が接着されている。前記中空容器３３の上面には床板３６が支持されている。

一般に、温水床暖房における床暖房パネル２３は、１畳サイズや半畳サイズ等の合板や金属板内に銅管・架橋ポリエチレン管等をセットしたもののことをいい（「床暖房設計・施工マニュアル」オーム社刊、床暖房設計・施工マニュアル編集委員会編：ｐ．２４２）、主として、根太上設置方式における温水マットやハードパネル等の形状のものを示す。例えば、配管２４、断熱板３２、均熱シート３５を合わせて一体化し、又、中空容器３３を複数枚組み合わせてその間に根太３１を配置し、１畳分等の大きさにしたものを床暖房パネル２３として用いると、従来の温水マットと同様の形状となるが、このような形状であってもよい。

この実施形態においては、例えば、前記蓄熱容器３３Ａは一畳の四分の一の大きさに成形され、６畳間の場合には、２４枚の蓄熱容器３３Ａが使用される。そして、前記断熱板３２の上面に全ての蓄熱容器３３Ａが配設された後に、配管収容溝３３ａに一本の床暖房用温水配管２４が全体として図３に示すように蛇行するように収容される。

この実施形態においては、前記蓄熱容器３３Ａの温度が２５〜３５℃の温度範囲において、該蓄熱容器３３Ａの蓄熱量が２００〜２０００ｋｃａｌ／ｍ^２となるように中空容器３３の容積及び潜熱蓄熱材３４の組成物及び充填量が設定されている。前記蓄熱量とは、床暖房パネル２３を構成する蓄熱容器３３Ａの単位面積当たりの蓄熱量を意味する。

前記潜熱蓄熱材３４として、上述した硫酸ナトリウム１０水和塩（融点３２．４℃、融解熱２５１ｋｊ／ｋｇ）以外に、塩化カルシウム６水和物（融点２９．７℃、融解熱１９２ｋｊ／ｋｇ）、酢酸ナトリウム３水和物（融点５８．０℃、融解熱２６４ｋｊ／ｋｇ） ）、チオ硫酸ナトリウム５水和物（融点４８．０℃、融解熱１９７ｋｊ／ｋｇ）、リン酸水素二ナトリウム１２水和物等の塩水和物がある。又、パラフィンＣ１８（融点２８．２℃、融解熱２４３ｋｊ／ｋｇ）、同Ｃ２０（融点３６．４℃、融解熱２４７ｋｊ／ｋｇ）、同Ｃ２２（融点４４．０℃、融解熱１５７ｋｊ／ｋｇ）、ワックス等の有機物化合物等を潜熱蓄熱材３４の主材として用いることができる。

前記蓄熱容器３３Ａの２５〜３５℃の蓄熱量が大きい潜熱蓄熱材３４であれば、中空容器３３の厚みを薄くして単位面積当たりの潜熱蓄熱材３４の充填量を減らし、床暖房パネル２３を軽量化することが可能となる。そして、中空容器３３に対する潜熱蓄熱材３４の組成物の充填率、潜熱蓄熱材３４の組成物における潜熱蓄熱材３４の濃度等に余裕ができるため好ましい。

潜熱蓄熱材３４の蓄熱量は、中空容器３３に充填したものから測定することは困難であるが、同じ組成の蓄熱材３４の組成物を別途調製し、その組成物の測定サンプルを作成して一般的な測定方法で蓄熱量を測定し、中空容器３３への充填量と中空容器３３を平板と見た際の面積とを用いて計算することで求めることができる。蓄熱量の測定方法として、熱流板法が特に知られており、「電気床暖房自主基準、第三篇、施設型蓄熱式電気床暖房設計・施工基準」（電気床暖房工業会発行）にその方法が記されている。

前記中空容器３３の形状は、特に限定されないが、床暖房パネルとして考えると、平板状の直方体に近い形状で充填口３３ｃを有する中空容器３３であることが好ましい。長さは４５０〜１０００ｍｍ、幅は１５０〜４００ｍｍ、高さは５〜５０ｍｍの範囲であれば、複数枚の中空容器３３からパネル２３を構成する作業や中空容器３３を床に敷設する作業等において敷き詰め易く、作業性もよい。

中空容器３３の材質としては樹脂、金属等が挙げられるが、加工性がよく軽量であることから熱可塑性樹脂からなるものが好ましく用いられる。熱可塑性樹脂としては、エチレン系樹脂、プロピレン系樹脂、スチレン系樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂等が挙げられる。軽量で高剛性であり加工性が良好であること等から、プロピレン系樹脂が特に好ましい。中空容器３３の成形方法は特に限定されないが、熱可塑性樹脂製の中空容器３３の場合は、生産性や液漏れしにくさ等の観点からブロー成形により成形することが特に好ましい。又、ブロー成形の場合は、配管２４を嵌め込むための配管収容溝３３ａを中空容器３３に設けることも他の成形法に比較して行い易いという長所がある。

中空容器３３の肉厚は特に限定されないが、熱可塑性樹脂製の中空容器３３の場合、０．５〜３ｍｍが加工性が良く、又、内容積と容器３３の強さのバランスにおいて優れている。

中空容器３３が平板状の直方体に近い形状の場合、長手方向に配管２４が中空容器３３の端から端まで直線で嵌め込むことができるように配管収容溝３３ａを設けると、配管の作業性がよく、特に好ましい。配管収容溝３３ａの数は特に限定されないが、４０〜１３０ｍｍの間隔で設けることが伝熱の観点から好ましい。配管収容溝３３ａの幅は用いる配管２４の径寸法及び中空容器３３の高さ寸法等によって適切なものとすればよいが、通常５〜２０ｍｍである。配管２４の嵌め込みパターンがいくつかあるような配管収容溝３３ａの形にしてもよく、例えば、直線で２列の配管収容溝３３ａを設けるとともに配管２４の戻り用の半円形の配管収容溝により前記直線の２列の配管収容溝３３ａの端部を接続するようにしてもよい。

次に、前記のように構成されたヒートポンプ式床暖房・給湯装置の動作について説明する。
図３において貯湯タンク１５に温水を蓄熱する加熱運転の場合には、熱媒循環配管１２内を流れる熱媒の方向は実線で示す方向になっている。そして、圧縮機１１から前記給湯用熱交換器１８に供給された高温・高圧の熱媒ガスは、この給湯用熱交換器１８により給湯水循環配管１６内を流れる給湯水の加熱に利用される。給湯用熱交換器１８を出た給湯水循環配管１６を流れる循環水は、例えば９０℃の高温に加熱され、貯湯タンク１５の上部に戻される。給湯用熱交換器１８を出た熱媒ガスは、膨張弁１３により減圧膨張されて、低温低圧となり、室外熱交換器１４に導かれ、空気の熱を吸収し、その後、熱媒ガスは圧縮機１１に戻される。

一方、前記貯湯タンク１５内に貯留されている温水は、前記ポンプ２２の作動によって第１温水循環配管２１を介して床暖房用熱交換器２７に供給され、この床暖房用熱交換器２７によって床暖房用温水配管２４及び第２温水循環配管２５を循環する床暖房用の水が例えば４０〜６０℃に加熱される。前記床暖房用温水配管２４内を流れる加熱された温水は、中空容器３３の内部に収容された潜熱蓄熱材３４と熱交換されて、潜熱蓄熱材３４が２５〜３５℃に加熱される。

以上のヒートポンプ式床暖房・給湯装置の運転は、通常、図８に示すように、昼間と比較して電気料金の安価な夜間の午後１１時から午前７時までの８時間行われる。この運転によって図８に示すように例えば２１℃に温度が降下していたパネル２３の表面温度が約３４℃に、床表面の温度が約２８℃にそれぞれ高められる。そして、午前７時から次の午後１１時までの間に、中空容器３３内の潜熱蓄熱材３４に蓄熱されていた熱が床板３６を介して緩やかに室内の空気に放出されて、室内の暖房に供される。

上記実施形態のヒートポンプ式床暖房装置によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）上記実施形態では、前記パネル２３を構成する中空容器３３の内部に２８〜３１℃の間で液相と固相に相変化する特性を有する潜熱蓄熱材３４を充填した。又、床暖房パネル２３の２５〜３５℃までの１０℃における蓄熱量が２００〜２０００ ｋｃａｌ／ｍ^２となるように、中空容器３３の形状、潜熱蓄熱材３４の組成等について設定した。このため、夜間電力を用いて、潜熱蓄熱材３４を床暖房に適した２５〜３５℃に蓄熱することができ、この蓄熱を昼間の床暖房に用いることにより、床暖房に必要なランニングコストを低減することができる。

ところで、ヒートポンプの運転条件は特に限定されないが、夜間電力を利用することにより電力使用量を平準化しコスト的に優れた動作が可能となり、夜間終了時に貯湯タンク１５への所定温度に加熱された温水の貯湯と潜熱蓄熱材３４への蓄熱が完了している状態となるように運転することで、早朝より床暖房パネル２３からの放熱が生じている状態にすることができる。又、潜熱蓄熱材３４が蓄えた熱を床暖房に放熱してしまって、暖房能力が低下した場合には、ヒートポンプを運転しなくても貯湯タンク１５の温水を循環させて暖房を継続することができる。

（２）上記実施形態では、前記中空容器３３に充填された潜熱蓄熱材３４に蓄熱するようにしたので、専用の中空容器を設ける必要がなく、蓄熱された熱量に相当する分、貯湯タンク１５の容量を小型化することも可能である。この場合は設備のイニシャルコストを低減することができる。

（３）上記実施形態では、床暖房パネル２３の潜熱蓄熱材３４に蓄熱するようにしたので、ヒートポンプの運転制御方法を装置の仕様と温水の使用状況とに適したものとすることにより、潜熱蓄熱材３４に蓄熱された熱量に相当する分のヒートポンプの昼間時間帯の追炊きによる運転の必要回数が低減され、ランニングコストが低減されるのに加えて、ＣＯＰの向上、及び機器の耐久性の向上が期待できる。

（４）上記実施形態では、前記中空容器３３に配管２４を嵌め込むための配管収容溝３３ａを設け、さらに前記中空容器３３の上面及び配管収容溝３３ａの内側面に均熱シート３５を接着したので、床暖房用温水配管２４の内部を流れる温水の熱を、均熱シート３５を介して配管収容溝３３ａの内側面から中空容器３３の上面へ熱を素早く伝達し、床暖房に適した所定温度（２５〜３５℃）に蓄熱するために要する蓄熱所要時間を、均熱シート３５を用いない中空容器３３と比較して、短くすることができる。

（５）上記実施形態では、前記中空容器３３の下面に温度センサや温度センサ用リード線を収容するための収容溝３３ｂを形成したので、配管収容溝３３ａのみを形成した場合と比較して、中空容器３３の温度変動による該容器３３の反りを抑制することができる。

（６）上記実施形態では、蓄熱容器３３Ａを複数枚設置し、その後に蓄熱容器３３Ａの配管収容溝３３ａに床暖房用温水配管２４を嵌め込むという順で敷設することができ、大きなパーツを運搬する必要がないため施工作業に要する人員を削減して省力化を図ることができるとともに、配管２４に継ぎ目が生じるのをなくして配管作業を迅速に行うことができる。

（７）上記実施形態では、中空容器３３に配管２４を嵌め込むための配管収容溝３３ａを設けたので、両部材の接触面積を広くして熱媒を配管２４に循環させた際に、配管２４から熱が中空容器３３に伝わり易く、しかも、収納可能な高さが配管２４によって増加することがないため、床内に高さのスペースがない場合にも適用し易くなる。

（８）上記実施形態では、ヒートポンプの貯湯タンク１５は、タンクの中ほどから中温水の取り出し口を備えているので、４０〜６０℃の中温水を用いて床暖房パネル２３の潜熱蓄熱材３４への蓄熱を行うことができ、中温水を有効に利用することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図３に示す床暖房給湯装置において、前記貯湯タンク１５、給湯水循環配管１６、ポンプ１７及び給湯用熱交換器１８を省略し、図４に示すように熱媒循環配管１２及び温水循環配管２５Ａに床暖房用熱交換器２７を接続することにより、ヒートポンプ式床暖房装置として具体化してもよい。この場合には、床暖房のランニングコスト及び設備コストを低減することができる。

・ 図５に示すように、第１温水循環配管２１及びポンプ２２によって貯湯タンク１５内の温水を直接前記床暖房用温水配管２４に導くようにしてもよい。この場合には、部品点数を少なくして製造及び組付作業を容易に行い、コストを低減することができる。又、床暖房用温水配管２４の内部にも温水を貯留することができるので、貯湯タンク１５の容積をさらに軽減し、設備コストを低減することができる。

・ 図３に示す床暖房給湯装置において、図示しないが前記第１温水循環配管２１及びポンプ２２を省略し前記給湯水循環配管１６と第２温水循環配管２５に床暖房用熱交換器２７を接続してもよい。この場合にも、部品点数を少なくして設備コストを低減することができる。

・ 前記実施形態においては、中空容器３３をブロー成形したが、上下二つの容器の分割パネルとして合成樹脂により射出成形し、両分割パネルを接合することにより中空容器３３を構成してもよい。

・ 前記均熱シート３５を配管収容溝３３ａの内周面のみに接着してもよい。又、均熱シート３５としてアルミテープを使用したり、配管収容溝３３ａ内に横断面がＵ字溝状のアルミニウム等の金属製金具を嵌合接着したりしてもよい。配管収容溝３３ａの内側面に前記金属製金具を嵌め込み、中空容器３３の上面の平坦部にアルミテープを貼るようにしてもよい。

・ 貯湯タンク１５に挿入された第１温水循環配管２１の吸入管を二本に分岐し、分岐部に切換弁を設けて、貯湯タンク１５に貯留された給湯水の６０〜９０℃の高温水又は４０〜６０℃の中温水を選択して第１温水循環配管２１に循環するように構成してもよい。

次に、前述したヒートポンプ式床暖房・給湯装置の実施例について説明する。
前記中空容器３３の原料にはブロー成形グレードのプロピレン系樹脂[ 住友化学（株）製：ノーブレンＡＤ５７１] を用い、押出温度２２０℃の条件で下記形状の中空容器３３を得るための専用の金型を用いブロー成形法にて成形した。１枚の中空容器３３の各寸法は、長さ８００ｍｍ、幅２５０ｍｍ、高さ１２ｍｍである。中空容器３３の肉厚は約２ｍｍである。前記配管収容溝３３ａの円弧状の部分の半径寸法は３．７５ｍｍであり、配管収容溝３３ａには７．５ｍｍの直径の配管２４が嵌め込まれている。中空容器３３の中に設けられた補強リブ３３ｄは、４０ｍｍ間隔で上下面に設けられている。又、１枚の中空容器３３の重量は約５８０ｇである。

一方、潜熱蓄熱材３４として、特許３１０３９２７号公報の記載に準じた方法により得られた蓄熱材組成物を用いた。充填口３３ｃは潜熱蓄熱材３４の充填の後でスピン溶着により封止し、蓄熱容器３３Ａを得た。

蓄熱材組成物を別途所定のサンプル容器に少量取り、蓄熱量の測定サンプルとした。熱流板法にて測定された蓄熱材組成物の蓄熱量は、２５〜３５℃において、３７ｃａｌ／ｇであった。

得られた蓄熱容器３３Ａの蓄熱量は、潜熱蓄熱材３４の充填量が２．１１ｋｇ、面積が０．２ｍ^２であることから計算した結果、２５〜３５℃において７７ｋｃａｌ／枚となり、すなわち３８５ｋｃａｌ／ｍ^２であった。

得られた蓄熱容器３３Ａを床暖房パネル２３として用いて、図３に示す構成と同じ試験装置で蓄熱床暖房の運転を行なった。
図３に示すヒートポンプは、二酸化炭素を熱媒とするヒートポンプであり、定格加熱能力６ｋＷである。又、貯湯タンク１５の容量は４６０Ｌである。

次に、蓄熱容器３３Ａの設置方法を説明する。
厚み５０ｍｍの発泡ウレタンフォームの断熱板３２を中空容器３３の下に敷き、蓄熱容器３３Ａからなる床暖房パネル２３をその上に設置した。その上には厚み１２ｍｍのフローリング（床板３６）を設置した。試験を行う部屋には、１２枚の蓄熱容器３３Ａを設置した。１２枚のうち６枚は得られた蓄熱容器３３Ａをそのまま用い、６枚は配管収容溝３３ａを含む上面の全面に均熱シート３５として厚み５０μｍのアルミテープを貼着したものを用いた。パネル２３の配管２４は、均熱シート３５の有無別に分かれ、流量はそれぞれ３Ｌ／ｍｉｎとした。蓄熱容器３３Ａに嵌め込まれる配管２４は外径７．５ｍｍφの架橋ポリエチレン製のチューブを用いた。４本の配管収容溝３３ａ全てに配管２４を嵌め込み、６枚の蓄熱容器３３Ａを直列に接続して循環するようにした。

次に、蓄熱の試験方法を説明する。
貯湯タンク１５に貯留された温水をポンプ２２により循環して、床暖房用熱交換器２７で熱交換して、床暖房パネル２３（蓄熱容器３３Ａ）には、ポンプ２６により温度範囲が４０〜６０℃の間で、常に一定温度になるように調整して、配管２４に温水を循環して、初期温度１５℃の固体状態の潜熱蓄熱材３４を加熱して蓄熱させた。

配管２４に約５３℃で一定になるように調整して温水を流して、床暖房パネル２３の表面温度の時間変化を試験により測定した結果、図６に示すようなデータが得られた。得られたデータから相変化区間を見定め、蓄熱容器３３Ａ内部の潜熱蓄熱材３４の相変化、即ち、蓄熱が終了していると見なせる点（図６中●で示した点）を決定した。試験の結果、蓄熱終了までに要する時間は、蓄熱容器３３Ａに均熱シート３５が貼着されていない場合は、約５．６時間を要したが、均熱シート３５が有る場合には、約３．５時間で済むことが判った。さらに、床暖房用温水配管２４に流す温水の温度を４０〜６０℃の範囲で変えて蓄熱試験を行った。温水温度は常に一定になるように調整した。試験の結果、図７に示すように、配管２４に供する温水の温度は低いほど、蓄熱を完了させるために要する時間が長くなるが、均熱シート３５有りの蓄熱容器３３Ａについては、約４２℃の場合でも、割安な電気料金が設定されている午後１１時から翌日の午前７時までの８時間の間に蓄熱を完了させることが可能であることが判った。

次に、均熱シート３５を貼着した蓄熱容器３３Ａを、室内温度条件が模擬できる環境試験室内に設置して、室内温度２０℃で、蓄熱と放熱の２４時間サイクル運転を実施した。即ち、図５において、床暖房用温水配管２４の温水の循環は午後１１時から朝７時までに限定し、朝７時から午後１１時まではポンプ２２を停止した。蓄熱容器３３Ａの温水パネル表面温度と、その上部に設置した床板３６の表面温度を測定した。蓄熱容器３３Ａの表面温度は、図８の実線で示され、床板３６の表面温度は図８の破線で示されている。その結果、図８に実線で示すように表面温度が２５℃以上であるところが暖房有効であるとみなすと、温水停止後の７時から１３時までの約６時間暖房が有効であった。暖房は朝７時から１０時までの３時間程度が最も利用される時間帯であり、本実施例の蓄熱容器３３Ａの蓄熱量は、３８５ｋｃａｌ／ｍ^２であり、約半分の２００ｋｃａｌ／ｍ^２以上の蓄熱量を確保することで、午前中３時間の暖房を、蓄熱で賄えることができると考えられる。又、蓄熱量は多いほど好ましいが、現実的に実現可能な蓄熱量としては、２０００ｋｃａｌ／ｍ^２程度である。

この発明をヒートポンプ式冷暖房給湯装置に具体化した一実施形態を示す要部の断面図。 床暖房パネルを構成する蓄熱容器の斜視図。 ヒートポンプ式冷暖房・給湯装置の回路図。 この発明の別の実施形態を示すヒートポンプ式床暖房装置の回路図。 この発明の別の実施形態を示すヒートポンプ式床暖房給湯装置の回路図。 潜熱蓄熱材への蓄熱に要する時間と温度との関係を示すグラフ。 パネルに配設された温水配管内の温水温度と蓄熱所要時間との関係を示すグラフ。 時刻とパネルの表面温度及び床表面の温度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１１…圧縮機、１２…熱媒循環配管、１３…膨張弁、１４…室外熱交換器、１５…貯湯タンク、１６…給湯水循環配管、１７，２２，２６…ポンプ、１８…給湯用熱交換器、２３…床暖房パネル、２５Ａ…温水循環配管、２７…床暖房用熱交換器、３３…中空容器、３３ａ…配管収容溝、３３Ａ…蓄熱容器、３４…潜熱蓄熱材、３５…均熱シート。

Claims (10)

1. 圧縮機に接続された熱媒循環配管に膨張弁及び室外熱交換器を接続して冷凍サイクルを構成し、一方、床暖房パネルに形成された配管収容溝に暖房用熱媒配管を配設し、該熱媒配管に対し熱媒をポンプにより循環させる熱媒循環配管を接続し、該熱媒循環配管と前記冷凍サイクル側の熱媒循環配管とに床暖房用熱交換器を設けたヒートポンプ式床暖房装置において、
   前記床暖房パネルを構成する中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填して蓄熱容器としたことを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
2. 請求項１において、前記中空容器は平面視で偏平四角形状に形成され、その厚さ寸法は５〜５０ｍｍに設定されていることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
3. 請求項１又は２において、前記中空容器の上面及び前記配管収容溝の内周面のうち少なくとも該内周面に対し該中空容器を構成する材料よりも熱伝導性の良い材料よりなる均熱層が接着されていることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
4. 請求項３において、前記均熱層は１０〜１００μｍのアルミニウム製の均熱シートであることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記中空容器は熱可塑性合成樹脂によりブロー成形されたものであることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
6. 圧縮機に接続された熱媒循環配管に膨張弁及び室外熱交換器を接続して冷凍サイクルを構成し、一方、貯湯タンクに接続され、かつポンプにより給湯水を循環させる給湯水循環配管と前記熱媒循環配管とに給湯用熱交換器を設け、前記貯湯タンクに対しポンプにより給湯水を床暖房用熱媒として循環させる温水循環配管を接続し、床暖房パネルの配管収容溝に暖房用熱媒配管を収容し、該熱媒配管に熱媒をポンプにより循環させる熱媒循環配管を接続し、該熱媒循環配管と前記温水循環配管とに床暖房用熱交換器を設けたヒートポンプ式床暖房装置において、
   前記床暖房パネルを構成する中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填して蓄熱容器としたことを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
7. 請求項６において、前記温水循環配管は貯湯タンクに貯留された給湯水の６０〜９０℃の高温水又は４０〜６０℃の中温水を循環するように構成されていることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
8. 請求項６又は７において、前記給湯水循環配管は床暖房用の前記温水循環配管を兼用するものであることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、前記床暖房パネルは、２５〜３５℃の温度範囲における蓄熱量が２００〜２０００ｋｃａｌ／ｍ^２となるように前記中空容器の形状及び内容積と、潜熱蓄熱材の充填量が設定されていることを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ式床暖房装置に用いられる蓄熱容器であって、中空容器の上面に配管収容溝を形成するとともに、該中空容器の内部に２０〜６０℃の温度範囲で液相と固相に相変化する潜熱蓄熱材を充填したことを特徴とするヒートポンプ式床暖房装置に用いられる蓄熱容器。

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