JP2009109061A - 暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】床暖房パネルと空調暖房とを同時に運転する場合に、冷凍サイクルの動作を安定化し、暖房を適正に行うことができるヒートポンプ式空調装置を提供する。
【解決手段】圧縮機１１、熱媒循環配管１５、室内熱交換器１６、膨張弁１７及び室外熱交換器１８によって冷暖房ヒートポンプを構成する。床暖房パネル２１の暖房用配管２２、水循環配管２３及び循環ポンプ２４によって床暖房回路を構成する。水循環配管２３と熱媒循環配管１５とによって第１床暖熱交換器２５を構成し、水循環配管２３と熱媒循環配管１５とによって第２床暖熱交換器２６を構成する。循環ポンプ２４によって水循環配管２３内を循環する温水は第１床暖熱交換器２５において熱媒循環配管１５を流れる熱媒ガスの潜熱により３０〜５０℃に一次加熱される。第２床暖熱交換器２６によって熱交換され、熱媒循環配管１５内を流れる熱媒ガスの顕熱によって５０〜７０℃に二次加熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、床暖房パネル、パネルヒータ及びラジエータのうちいずれか一種の暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置に関する。

従来の床暖房システムとして、床面に温水パイプを埋設した床暖房パネルを敷設し、ボイラー等により温水を前記温水パイプに送る温水床暖房システム、又は床面に電気発熱式シートを埋設した床暖房システム等が提案されている。しかし、温水床暖房システムは温水循環システムの配管やボイラー機械等の設備費用が高く、床暖房パネルを含めた設備コストが高くなるという問題がある。一方、電気式の床暖房システムにおいては、設備費用は安いが、直接電気を発熱に使用するため消費電力が高く、ランニングコストが非常に高くなるという問題がある。

上記の問題を解消するため、床暖房システムと空調装置を組み合わせた一体型のヒートポンプ床暖房空調装置が提案されている。この空調装置として、特許文献１に開示されたものがある。この空調装置は、図４に示すように構成されている。圧縮機１１には吐出配管１２、吸入配管１３、四方弁１４及び熱媒循環配管１５を介して室内熱交換器１６が接続され、前記熱媒循環配管１５には膨張弁１７及び室外熱交換器１８が接続され、冷凍サイクルが構成されている。

一方、前記四方弁１４から室内熱交換器１６までの間の熱媒循環配管１５には、床暖房熱交換器５１が直列に配設され、床暖房パネル２１に蛇行するように配設された暖房用配管２２に接続された水循環配管２３の一部を前記床暖房熱交換器５１内に引き回すようになっている。そして、床暖房と空調暖房を同時に運転する場合に、床暖房熱交換器５１に室内熱交換器１６よりも高い温度の熱媒が流れるように構成することにより、暖房能力が過大になったり、逆に床暖房パネル２１の表面温度が不足したりする等の不具合が回避されるようになっている。

図５には横軸に比エンタルピー、縦軸に熱媒ガスの圧力を表したモリエル線図と冷凍サイクルが示されている。この冷凍サイクルのうち圧縮機１１から吐出された（イ）から（ロ）の高温（例えば９０℃）の熱媒ガスの凝縮行程において、熱が床暖房用放熱量として用いられ、（ロ）から（ハ）の熱媒ガスの凝縮潜熱が室内熱交換器１６の暖房放熱量として利用されるようになっている。
特開２００３−１７２５２３号公報

ところが、上記従来のヒートポンプ床暖房空調装置は、前記四方弁１４から室内熱交換器１６に至る熱媒循環配管１５に床暖房熱交換器５１が一箇所のみに接続されていたので、次のような問題があった。即ち、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の熱媒ガスの熱が床暖房熱交換器５１によって水循環配管２３内の凝縮温度（３０〜５０℃）以下の通常０℃〜１５℃の温度の暖房用水と熱交換されると、高温・高圧の冷媒ガスの凝縮液化が過度に進行し、床暖房時に室内熱交換器１６に必要な冷媒ガスが不足する状態となり、熱媒ガスの圧力が低下して暖房能力が低下する。この結果、室内熱交換器１６による暖房運転不能となる可能性がある。換言すれば、熱媒ガスの温度が過度に低下すると、室内熱交換器１６に供給される熱媒ガスの温度も低下し、冷凍サイクルの熱媒の相変化が不安定となり、冷凍サイクルの動作を安定化することができず、室内熱交換器１６による室内の暖房を適正に行うことができない。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、床暖房、パネルヒータ或いはラジエータ等の暖房パネルと空調暖房とを同時に運転する場合に、ヒートポンプの冷凍サイクルの動作を安定化し、ヒートポンプの室内熱交換器による暖房と、暖房パネルを用いた暖房とを適正に行うことができる暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調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吐出配管及び吸入配管に対し四方弁を介して第１熱媒循環配管を接続し、該第１熱媒循環配管に対し空調用の室内熱交換器、膨張弁及び室外熱交換器を順に接続して冷凍サイクルを構成し、一方、床暖房パネル、パネルヒータ及びラジエータのうちいずれか一種の暖房パネルに配設された暖房用配管に接続された第２熱媒循環配管に循環ポンプを接続して暖房回路を構成し、前記第２熱媒循環配管と前記室内熱交換器から膨張弁に至る前記第１熱媒循環配管とに対し、該第１熱媒循環配管を流れる熱媒ガスの潜熱により前記第２熱媒循環配管を流れる熱媒を一次加熱するための第１暖房熱交換器を設け、前記第２熱媒循環配管と前記四方弁から室内熱交換器に至る前記第１熱媒循環配管とに対し、該配管を流れる熱媒ガスの顕熱により第２熱循環配管を流れる熱媒を二次加熱するための第２暖房熱交換器を設け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、前記第１熱媒循環配管には前記第１及び第２暖房熱交換器をそれぞれ迂回するバイパス配管が接続され、前記第１熱媒循環配管及び両バイパス配管には冷房運転時に熱媒が第１及び第２暖房熱交換器に流入するのを阻止するための逆止弁が設けら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、前記第１暖房熱交換器は、前記室内熱交換器と膨張弁との間の第１熱媒循環配管に設けられ、前記第２暖房熱交換器は、前記四方弁と室内熱交換器との間の第１熱媒循環配管に設けら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１〜３のいずれか一項において、前記第２熱媒循環配管の往行管部と復行管部には、温度調節手段が設けられてい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、前記室外熱交換器は地中熱を利用する地中熱交換器であることを要旨とする。

本発明によれば、床暖房、パネルヒータ或いはラジエータ等の暖房パネルと空調暖房とを同時に運転する場合に、ヒートポンプの冷凍サイクルの動作を安定化し、ヒートポンプの室内熱交換器による暖房と、暖房パネルを用いた暖房とを適正に行うことができる。

以下、本発明を具体化した暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置の一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
最初に、図１に基づいてヒートポンプについて説明する。低温・低圧の例えば４１０Ａ或いは二酸化炭素の熱媒ガスを吸入して圧縮し、高温・高圧の熱媒ガスを吐出する圧縮機１１の吐出口及び吸入口に接続された吐出配管１２及び吸入配管１３には四方弁１４が接続されている。この四方弁１４には、第１熱媒循環配管１５が接続され、該第１熱媒循環配管１５には室内熱交換器１６、膨張弁１７及び室外熱交換器１８が順に接続され、これらの部品により冷凍サイクルが構成されている。

次に、上記のように構成された前記冷暖房ヒートポンプに組み込まれた床暖房回路について説明する。
床暖房パネル２１の収容溝の内部に蛇行するように配設された暖房用配管２２の出入口には、第２熱媒循環配管としての水循環配管２３が接続され、該水循環配管２３の途中には循環ポンプ２４が接続されている。前記水循環配管２３の往行管部２３ａと、前記室内熱交換器１６から膨張弁１７に至る前記第１熱媒循環配管１５とには第１暖房熱交換器としての第１床暖熱交換器２５が接続されている。この第１床暖熱交換器２５は前記熱媒循環配管１５の内部を通過する熱媒ガスの潜熱を前記水循環配管２３内を通過する床暖房用熱媒としての水に伝達して熱交換し水の温度を例えば０〜１５℃から３０〜５０℃に加熱することができるようにしている。

前記水循環配管２３の復行管部２３ｂ及び前記四方弁１４から室内熱交換器１６に至る熱媒循環配管１５には、水循環配管２３に関して第１床暖熱交換器２５の下流側に位置するように第２暖房熱交換器としての第２床暖熱交換器２６が接続されている。この第２床暖熱交換器２６は、前記第１床暖熱交換器２５により一次加熱された水循環配管２３内の温水に前記熱媒循環配管１５の高温・高圧の熱媒ガスの顕熱を伝達して熱交換し、例えば３０〜５０℃の前記温水の温度を５０〜７０℃に上昇するようにしている。

前記熱媒循環配管１５には前記第１床暖熱交換器２５を迂回するようにバイパス配管２７が接続され、前記熱媒循環配管１５及びバイパス配管２７にはそれぞれ逆止弁２８，２９が接続されている。前記熱媒循環配管１５には前記第２床暖熱交換器２６を迂回するようにバイパス配管３０が接続され、熱媒循環配管１５及びバイパス配管３０には逆止弁３１，３２が接続されている。

次に、前記のように構成したヒートポンプ式床暖房空調装置の動作について説明する。
図１は空調装置が暖房運転されている状態にある。この状態においては、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の熱媒ガスは四方弁１４によって第２床暖熱交換器２６に導かれ室内熱交換器１６に供給されて、室内の空気と熱交換され、室内の暖房に供される。その後、凝縮されて液化した熱媒液は、熱媒循環配管１５を通して膨張弁１７に導かれて、減圧膨張されて熱媒ガスとなり、室外熱交換器１８によって熱交換され、空気から熱を吸収して中温の熱媒ガスとなって圧縮機１１に戻される。このとき、前記逆止弁２９，３２の機能によってバイパス配管２７，３０に熱媒ガスが流れることは無い。

一方、床暖房回路の循環ポンプ２４が起動されると、水循環配管２３内の温水が図１に示すように矢印方向に循環される。この循環される温水は、最初に第１床暖熱交換器２５の熱交換によって熱媒循環配管１５内を通る熱媒ガスの中温の潜熱により３０〜５０℃に一次加熱される。次に、第２床暖熱交換器２６の熱交換によって熱媒循環配管１５内を通る熱媒ガスの顕熱によって例えば５０〜７０℃の温度に加熱される。このため、水循環配管２３内を循環する床暖房用の温水は往行管部２３ａと復行管部２３ｂとで二段階に分けて加熱されることになり、この加熱された温水が床暖房パネル２１の暖房用配管２２内を循環することにより室内の床暖房が行われる。

一方、図２は四方弁１４によって熱媒ガスの流路方向が切り換られて、空調装置が冷房運転されている状態にある。この状態においては、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の熱媒ガスは吐出配管１２から四方弁１４を通して室外熱交換器１８に導かれ、ここで空気と熱交換されて凝縮され、この熱媒液が熱媒循環配管１５を通して膨張弁１７に至り、この膨張弁１７により熱媒液が減圧膨張されて、熱媒ガスとなる。この熱媒ガスは、第１床暖熱交換器２５には流れず、バイパス配管２７から室内熱交換器１６に導かれ、この室内熱交換器１６によって室内の空気と熱交換されて、室内の冷房に供される。その後、室内熱交換器１６から出た熱媒ガスは第２床暖熱交換器２６には流れず、バイパス配管３０を通って圧縮機１１に戻される。従って、室内が冷房されている状態においては、元々床暖房は不要なため、循環ポンプ２４が停止されていて、冷房運転のみが行われることになる。

上記実施形態の床暖房パネル２１を備えたヒートポンプ式空調装置によれば、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、床暖房回路を構成する水循環配管２３に第１床暖熱交換器２５と第２床暖熱交換器２６を直列に接続し、暖房運転時に第１床暖熱交換器２５によって熱媒循環配管１５内を流れる熱媒ガスの潜熱により水循環配管２３内の暖房用の温水を３０〜５０℃まで一次加熱する。その後、第２床暖熱交換器２６によって温水を熱媒循環配管１５内を流れる熱媒ガスの顕熱によって５０〜７０℃まで二次加熱するようにした。このため、圧縮機１１から吐出された高温・高圧の熱媒ガスの熱が第２床暖熱交換器２６によって水循環配管２３内の凝縮温度（３０〜５０℃）以下の０℃〜１５℃の温度の暖房用水と熱交換されるのを防止することができる。従って、高温・高圧の冷媒ガスが過度に凝縮して液化し、室内熱交換器１６による暖房運転において冷媒ガスが不足することはなく、ガスの圧力の低下もなく、室内熱交換器１６に供給される熱媒ガスの圧力及び温度が適正に維持され、冷凍サイクルの熱媒の相変化が安定化され、冷凍サイクルの動作を安定化することができ、室内熱交換器１６による室内の暖房を適正に行うことができる。

（２）上記実施形態では、室内熱交換器１６から膨張弁１７に至る配管１５に第１床暖熱交換器２５を設けたので、元来、室外熱交換器１８によって外部に廃棄されていた中温の熱を床暖房の一次熱源として有効に利用することができ、このため、ヒートポンプの成績係数（ＣＯＰ）を向上することもできる。

（３）上記実施形態では、床暖房回路の熱源としては、冷暖房ヒートポンプのみであるため、ボイラー機器や電気発熱式の床暖房装置と比較してランニングコストを低減することができる。

（４）上記実施形態では、既に設置されている冷暖房ヒートポンプの四方弁１４から室内熱交換器１６及び該室内熱交換器１６から膨張弁１７に至る熱媒循環配管１５に床暖房回路の第１床暖熱交換器２５及び第２床暖熱交換器２６を接続するようにした。このため、暖房パネルを備えた空調装置を容易に施工することができ、ヒートポンプを有する家屋においては、新たに熱源器を購入する必要がなく、施工及び設備コストを低減することができる。

（５）上記実施形態では、冷暖房ヒートポンプに床暖房回路を組み込んだので、床暖房専用のヒートポンプを有する家屋においては、別に冷房専用設備を設ける必要があるが、この冷房専用設備を不要にすることができ、この点からも設備コストを低減することができる。

（６）上記実施形態では、前記熱媒循環配管１５にバイパス配管２７，３０を設るとともに、両配管に逆止弁２８，２９及び逆止弁３１，３２を設けて、床暖房、空調装置が冷房運転状態において、前記第１及び第２床暖熱交換器２５，２６の内部に冷却された熱媒ガスが侵入しないようにした。このため、第１及び第２床暖熱交換器２５，２６の凍結破壊を未然に防止することができる。

（７）上記実施形態では、冷暖房ヒートポンプの動作を制御する制御装置とは無関係に、床暖房回路の循環ポンプ２４のオン・オフ制御のみで済むため特別の制御動作を行うプログラムを作成する必要がないという利点がある。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 図３に示すように、前記水循環配管２３の往行管部２３ａと、復行管部２３ｂのうち、復行管部２３ｂに温度調節弁４１を設けるとともに、往行管部２３ａ及び復行管部２３ｂに逃し弁４２を設けても良い。この実施形態においては、前記温度調節弁４１及び逃し弁４２により水循環配管２３内を流れる温水の温度を調節し、床暖房の温度を調節することが可能となる。

・ 図１に示す実施形態において、前記第２床暖熱交換器２６を前記吐出配管１２側に設けてもよい。
・ 図３に示す空調装置において、温度調節手段としての前記温度調節弁４１及び逃し弁４２に代えて、図示しないがミキシングバルブを用いて温度調節を行うようにしてもよい。

・ 図示しないが、前記床暖房パネル２１を複数枚並列に、かつ選択的に運転可能に接続するとともに、前記熱媒循環配管１５に対し複数の前記室内熱交換器１６を並列に、かつ選択的に運転可能に接続したヒートポンプに具体化してもよい。

・ 図示しないが、前記床暖房パネル２１に代えて、パネルヒータ或いはラジエータを暖房パネルとして用いても良い。
・ 前記床暖房パネル２１の暖房用配管２２に循環させる熱媒として、水以外に例えば、油、不凍液、その他の熱媒液や熱媒ガスを用いてもよい。

・ 前記各実施形態において、圧縮機１１と四方弁１４との間の吐出配管１２と、前記水循環配管２３の復行管部２３ｂとに前記第２床暖熱交換器２６を接続するようにしてもよい。

・ 前記実施形態では空気の熱を利用した室外熱交換器１８を用いたが、これに代えて水の熱を利用した室外熱交換器を用いたり、地中熱を利用した地中熱交換器を用いたりしてもよい。

この発明を具体化したヒートポンプ式床暖房空調装置の一実施形態を示す暖房運転状態の回路図。 床暖房空調装置の冷房運転状態の回路図。 この発明の別の実施形態を示すヒートポンプ式床暖房空調装置の回路図。 従来のヒートポンプ床暖房空調装置を示す回路図。 従来のヒートポンプ床暖房空調装置の熱媒ガスの比エンタルピーと圧力との関係を示すモリエル線図。

符号の説明

１１…圧縮機、１２…吐出配管、１３…吸入配管、１４…四方弁、１５…第１熱媒循環配管、１６…室内熱交換器、１７…膨張弁、１８…室外熱交換器、２１…床暖房パネル、２２…暖房用配管、２４…循環ポンプ、２５…第１暖房熱交換器としての第１床暖熱交換器、２６…第２暖房熱交換器としての第２床暖熱交換器、２７，３０…バイパス配管、２８，２９，３１，３２…逆止弁。

Claims (5)

1. 圧縮機に接続された吐出配管及び吸入配管に対し四方弁を介して第１熱媒循環配管を接続し、該第１熱媒循環配管に対し空調用の室内熱交換器、膨張弁及び室外熱交換器を順に接続して冷凍サイクルを構成し、一方、床暖房パネル、パネルヒータ及びラジエータのうちいずれか一種の暖房パネルに配設された暖房用配管に接続された第２熱媒循環配管に循環ポンプを接続して暖房回路を構成し、前記第２熱媒循環配管と前記室内熱交換器から膨張弁に至る前記第１熱媒循環配管とに対し、該第１熱媒循環配管を流れる熱媒ガスの潜熱により前記第２熱媒循環配管を流れる熱媒を一次加熱するための第１暖房熱交換器を設け、前記第２熱媒循環配管と前記四方弁から室内熱交換器に至る前記第１熱媒循環配管とに対し、該配管を流れる熱媒ガスの顕熱により第２熱循環配管を流れる熱媒を二次加熱するための第２暖房熱交換器を設けたことを特徴とする暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置。
2. 請求項１において、前記第１熱媒循環配管には前記第１及び第２暖房熱交換器をそれぞれ迂回するバイパス配管が接続され、前記第１熱媒循環配管及び両バイパス配管には冷房運転時に熱媒が第１及び第２暖房熱交換器に流入するのを阻止するための逆止弁が設けられていることを特徴とする暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置。
3. 請求項１又は２において、前記第１暖房熱交換器は、前記室内熱交換器と膨張弁との間の第１熱媒循環配管に設けられ、前記第２暖房熱交換器は、前記四方弁と室内熱交換器との間の第１熱媒循環配管に設けられていることを特徴とする暖房パネルを備えたことを特徴とするヒートポンプ式空調装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記第２熱媒循環配管の往行管部と復行管部には、温度調節手段が設けられていることを特徴とする暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、前記室外熱交換器は地中熱を利用する地中熱交換器であることを特徴とする暖房パネルを備えたヒートポンプ式空調装置。

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