JP2009236424A - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を各湯の使用場所に供給される湯に混合して使用することでより経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供する。
【解決手段】冷凍サイクル１５を構成する水熱交換器１２で生成した湯を貯留する貯湯タンク３１と、使用場所５０で使用された湯が排出される温排水管６３と、温排水管６３に接続されるとともに水と温排水管６３から供給される排湯との間で熱交換を行うことで水熱交換器１２で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器３４と、給湯排熱回収熱交換器３４内の排湯量を検出する排湯水位センサ３４ｄと、排湯水位センサ３４ｄからの情報を基に給湯排熱回収熱交換器３４内の排湯量を調節する制御手段８０と、低温の温水と湯とを混合する混合弁３２，３３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯システムに関する。

ヒートポンプ給湯システムを利用して施設の温排水から広く排熱を回収するシステムが以下の特許文献１において提案されている。この特許文献１に開示された構成によれば、例えば、温排水として風呂の残水を利用する場合には、風呂と排水の回収配管を接続し、温排水の流れを調整する流量調整部を介して吸熱部を有する熱回収部において温排水から熱を回収して放熱部を有する蓄熱部に送ることとされている。
特開２００５−１２７６２０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された構成を採用する排熱回収システムでは冷凍サイクルが１つしか設けられていないため、温排水のみから熱回収を行うにあたってもともと湯であった排水の温度が下がって水になってしまうと、効率的な排熱回収を行うことができない。

また、排熱回収を行って高温の湯を生成しても各使用場所ではその温度を下げて使用することになるため、結局この高温の湯を水と混合させることになる。そのため、貯湯タンクに貯める湯も大量に必要となることから、消費電力の増大や貯湯タンクの大型化を招くことになる。

さらに、上記排熱回収システムにおける排水管には、湯だけではなく水も含んだ全ての排水が熱回収手段に流れ込むようにされてくるため、排水管内を流れる排水の温度が低くなる傾向にあり、一層効率的な排熱回収を行うことができない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を各湯の使用場所に供給される湯に混合して使用することでより経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、ヒートポンプ給湯システムにおいて、圧縮機、水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、水熱交換器の水回路に連結し水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、温排水管に接続されるとともに給水回路から供給された水を温排水管から供給される排湯との間で熱交換を行うことで水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、給湯排熱回収熱交換器内の排湯量を検出する排湯水位センサと、排湯水位センサからの情報を基に給湯排熱回収熱交換器内の排湯の量を調節する制御手段と、給湯排熱回収熱交換器で生成された低温の温水と貯湯タンクから使用場所へ給湯するために水熱交換器で生成した湯とを混合する混合弁とを備える。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、ヒートポンプ給湯システムにおいて、圧縮機、水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、水熱交換器の水回路に連結し水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、温排水管から供給される排湯を貯める排湯バッファタンクと、排湯バッファタンクに貯められた排湯と給水回路から供給された水との間で熱交換を行うことで水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、給湯排熱回収熱交換器に対して供給される水を貯めるとともに、水を基に給湯排熱回収熱交換器が生成した低温の温水を貯める給湯バッファタンクと、給湯バッファタンクから給湯排熱回収熱交換器へ水を送る熱回収ポンプ、及び排湯バッファタンクから給湯排熱回収熱交換器へ排湯を送る排湯ポンプを駆動制御する制御手段と、給湯排熱回収熱交換器で生成され給湯バッファタンクに貯められた低温の温水と水熱交換器で生成され貯湯タンクに貯められた湯とを混合する混合弁とを備える。

本発明の実施の形態に係る第３の特徴は、圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した第１の冷凍サイクルと、水熱交換器の水回路に連結し水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、温排水管に接続されるとともに給水回路から供給された水を温排水管から供給される排湯との間で熱交換を行うことで水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、給湯排熱回収熱交換器内の排湯量を検出する排湯水位センサと、排湯水位センサからの情報を基に給湯排熱回収熱交換器内の排湯の量を調節する制御手段と、給湯排熱回収熱交換器で生成された低温の温水と貯湯タンクから使用場所へ給湯するために水熱交換器で生成した湯とを混合する混合弁と、を備えるヒートポンプ給湯システムにおいて、第１の膨張弁及び前記空気熱交換器と並列となるように水熱交換器と圧縮機との間に第２の膨張弁及び風呂排熱回収熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、風呂排熱回収熱交換器と接続され風呂との間で排湯が循環する排湯回路とを備える。

本発明の実施の形態に係る第４の特徴は、圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、水熱交換器の水回路に連結し水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、温排水管から供給される排湯を貯める排湯バッファタンクと、排湯バッファタンクに貯められた排湯と給水回路から供給された水との間で熱交換を行うことで水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、給湯排熱回収熱交換器に対して供給される水を貯めるとともに、水を基に給湯排熱回収熱交換器が生成した低温の温水を貯める給湯バッファタンクと、給湯バッファタンクから給湯排熱回収熱交換器へ水を送る熱回収ポンプ、及び排湯バッファタンクから給湯排熱回収熱交換器へ排湯を送る排湯ポンプを駆動制御する制御手段と、給湯排熱回収熱交換器で生成され給湯バッファタンクに貯められた低温の温水と水熱交換器で生成され貯湯タンクに貯められた湯とを混合する混合弁と、を備えるヒートポンプ給湯システムにおいて、第１の膨張弁及び空気熱交換器と並列となるように水熱交換器と圧縮機との間に第２の膨張弁及び風呂排熱回収熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、風呂排熱回収熱交換器と接続され風呂との間で排湯が循環する風呂排熱回収水回路とを備える。

本発明によれば、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を各湯の使用場所に供給される湯に混合して使用することでより経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供する。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１を住宅に設置した例を示した模式図である。

図１に示すように、ヒートポンプ給湯システム１は、大きく分けてヒートポンプユニット１０と、貯湯ユニット３０と、供給された湯が使用される各使用場所５０から構成されている。また、ヒートポンプ給湯システム１は、制御手段８０によってそのシステムが制御されている。ヒートポンプユニット１０と貯湯ユニット３０とはいわゆる水サイクル２１で、貯湯ユニット３０と各使用場所５０とは給湯管４０で、各使用場所５０と後述する給湯排熱回収熱交換器３４とは排水管６０（６０ａないし６０ｄ）とでそれぞれ接続されている。

ヒートポンプユニット１０には、冷凍サイクルにおいてサイクル内を循環する冷媒を圧縮する圧縮機１１と、冷媒の熱を利用して水を温める水熱交換器１２と、膨張弁１３と、膨張弁１３を通ってきた水熱交換器１２で液体となった冷媒を気体にする空気熱交換器１４とを順次配管接続した冷凍サイクル１５が設けられている。冷凍サイクル１５では、蒸発器として空気熱交換器１４を用いており、この空気熱交換器は外気を取り入れて冷媒を気体にする。

貯湯ユニット３０は、冷凍サイクル１５を利用して生成された湯を貯める貯湯タンク３１と、貯湯タンク３１の湯と後述する低温の湯を混合して各使用場所５０に給湯する混合弁３２と、浴槽に給湯する混合弁３３と、各使用場所５０において使用され排水された湯（以下、「排湯」という。）が供給されて水との間で熱交換を行う給湯排熱回収熱交換器３４とから構成されている。

給湯排熱回収熱交換器３４には、上述したように排水管６０が接続されるとともに給水回路７０が接続される。給湯排熱回収熱交換器３４に接続された給水回路７０は、さらに混合弁３２及び混合弁３３と接続される。一方、給水回路７０は給湯排熱回収熱交換器３４の他、貯湯タンク３１とも接続され貯湯タンク３１内に水を供給している。

ここで、ヒートポンプ給湯システムにおける冷凍サイクルについて、上述の冷凍サイクル１５を例に簡単に説明する。まず、気体である冷媒は圧縮機１１において圧力が掛けられて高温高圧にされ水熱交換器１２に供給される。一方、給水回路７０から供給された水は、貯湯タンク３１から水配管を介してポンプ２０にて水熱交換器１２に送られる。水熱交換器１２内では、冷媒と水との間で熱交換が行われる。すなわち、冷媒の熱がポンプ２０によって水熱交換器１２に送り込まれた水を熱し、冷媒はこの水によって冷やされて気体から液体に変化する。熱せられた水は、湯となって貯湯タンク３１に貯えられ、また、この湯は混合弁３２または混合弁３３を通って、風呂場等の各使用場所５０に供給される。水熱交換器１２によって熱を奪われ液体になった冷媒は膨張弁１３、空気熱交換器１４によって再び気体にされてこれまでのサイクルを繰り返す。

貯湯タンク３１に貯められている湯は、給湯管４０を介して各使用場所５０へ供給される。以下、本発明の各実施の形態においては、図１に示すように湯の使用場所５０の例として、浴室５１、洗面所５２、台所５３が表わされている。浴室５１では、浴槽５１ａに湯が張られ、シャワー５１ｂで湯を使用することができるようにされている。また、洗面所５２では顔や手を洗うために湯が使用され、台所５３では料理をする際に湯が使用される。

各使用場所５０で使用された湯や水は、排水管６０を介して排水される。本発明の実施の形態においては、浴室５１の洗い場、洗面所５２、台所５３、浴槽５１ａにそれぞれ排水管６０ａないし６０ｄが接続され、床下直下の位置において排水温度センサ６１ａないし６１ｄが設けられている。この排水温度センサ６１ａないし６１ｃ（以下、適宜総称として「排水温度センサ６１」という。）は、各使用場所５０からの排水の温度を検出するために用いられる。

排水温度センサ６１によって排水が所定の温度以上であることが検出された場合には、湯であるとして切換弁６２ａないし６２ｄ（本発明の実施の形態においては、切換弁として三方弁を使用している。）によって温排水管６３に排水される。一方、所定の温度以下であるとされた場合は、水であるとして三方弁６２ａないし６２ｄによって冷排水管６４に排水される。そして、浴槽５１ａに張られていた湯が排水される場合は、その有している熱量から排水管６０ｄを介して必ず温排水管６３に排水される。

冷排水管６４に排水された水からは熱回収を行うことができないため、そのまま屋外へ排水される。一方、温排水管６３に排水された排湯は、給湯排熱回収熱交換器３４に供給される。給湯排熱回収熱交換器３４は、供給された排湯の熱を利用して給水回路７０によって供給される水との間で熱交換を行って、貯湯タンク３１内に貯められた湯よりも温度の低い湯（以下、この湯を便宜上「低温の湯」という。）を生成する。生成された低温の湯は、混合弁３２、混合弁３３において貯湯タンク３１内に貯められた湯と混合されて各使用場所５０に供給される。

本発明の実施の形態における給湯排熱回収熱交換器３４は、例えば図２及び図３に示すような構成となっている。図２は給湯排熱回収熱交換器３４の平面図、図３は給湯排熱回収熱交換器３４の正面図である。給湯排熱回収熱交換器３４は、内管３４ａと外管３４ｂとを備える二重管構造となっており（図３の管を拡大して示す拡大図を参照）、この二重管が螺旋状に積み重ねられている。内管３４ａには給水回路７０に接続され、この給水回路７０から供給された水は下から上へ（図３で言えば左下から内管３４ａを通って右上へ）抜ける。この内管３４ａは給湯排熱回収熱交換器３４を出て混合弁３２及び混合弁３３と接続されている。

一方、外管３４ｂには温排水管６３が接続され、温排水管６３から供給される温排水が流れる。この温排水は上から下へ（図３で言えば右上から外管３４ｂを通って左下へ）抜ける。温排水の出口は流量制御弁３４ｃを介して冷排水管６４に接続されている。

また、排湯の出口付近には排湯水位センサ３４ｄが設けられている。この排湯水位センサ３４ｄは、給湯排熱回収熱交換器３４内に供給された排湯の量を検出する。給水回路７０から供給される水と排湯との間で排湯の排熱を利用して熱交換を行う上で最も効率良く熱交換をすることができるのは、内管３４ａ内の水が給湯排熱回収熱交換器３４に入って出るまでの区間全てにおいて外側にある外管３４ｂを流れる排湯との間で熱交換が行われることである。そのため、この排湯水位センサ３４ｄを使用して給湯排熱回収熱交換器３４内の排湯の量を検出する。排湯水位センサ３４ｄは制御手段８０に接続されており、制御手段８０は排湯水位センサ３４ｄから得た給湯排熱回収熱交換器３４内の排湯の量に関する情報を基に流量制御弁３４ｃの開閉を行って給湯排熱回収熱交換器３４内の排湯の量を調節する。

また、温排水の流入口には空気抜け３４ｅが設けられるとともに、内管３４ａ及び外管３４ｂは断熱材３４ｆに覆われてより効率よく熱交換できるようにされている。

なお、この給湯排熱回収熱交換器３４は、混合弁３２，混合弁３３，温排水管６３及び給水回路７０との接続が確保されていればその設置場所は問わない。

制御手段８０は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１のシステム全体を制御している。図１では図示の都合上、膨張弁１３、空気熱交換器１４との間の接続のみを例示し、その他のヒートポンプ給湯システム１の各部との接続を省略している。

次に、ヒートポンプ給湯システム１の働きについて説明する。各使用場所５０において湯を使用する場合には、ヒートポンプユニット１０によって生成され貯湯タンク３１に貯められていた湯が使用される。但し、このままの湯ではそのまま使用するには温度が高すぎるため（以下、この湯を便宜上「高温の湯」という。）、本発明の実施の形態においては、この高温の湯に混合弁３２或いは混合弁３３において給湯排熱回収熱交換器３４で生成された低温の湯を混ぜて湯温を下げる。このような湯が給湯管４０を介して各使用場所５０に供給される。

なお、図１において図示していないが、別途各使用場所５０には水を供給する管が配設されており、給湯管４０で供給された湯にさらに水を混ぜて使用者に適温な湯とすることができるようにされている。

各使用場所５０で使用された水や湯は排水管６０を介して排水される。その際、各使用場所５０に接続される排水管６０に設けられている排水温度センサ６１が排水管６０を流れる排水の温度を検出する。ここで排水の温度を検出するのは、排水の温度によって排水を湯と水とに選別し、分けて排水するためである。このように排水を湯と水と選別して排水することによって給湯排熱回収熱交換器３４に水が供給されることを避けることができ、より効率よく排湯から熱の回収を行うことができる。

排水温度センサ６１で検出された排水の温度データは、制御手段８０に入力されてその温度データを排水を湯と水とに選別する際に基準となる温度と比較される。なお、この基準温度は給湯排熱回収熱交換器３４に供給された排湯から熱を回収することができる温度であれば、どのような温度に設定するかは任意である。

制御手段８０において排水の温度が基準温度より下であると判断されると、この排水からは効率よく熱を回収することができないと考えることができるので、三方弁６２を冷排水管６４に接続するように指示を出し、冷排水管６４に排水する。

一方、制御手段８０において排水の温度が基準温度より上であると判断されると、三方弁６２が温排水管６３に接続するように切り替えられ、温排水管６３を介して給湯排熱回収熱交換器３４に排水される。

給湯排熱回収熱交換器３４に設けられた排湯水位センサ３４ｄは、外管３４ｂに接続された温排水管６３から供給される排湯の量を検出し制御手段８０にその情報を送信する。給水回路７０から供給される水は内管３４ａを通る間に外管３４ｂを流れる排湯との間で熱交換を行って水から低温の湯となる。一方、排湯は給水回路７０から供給される水を温めることによって自身の温度が下がることになる。給湯排熱回収熱交換器３４において最も効率よく水と排湯との間における熱交換が行われるのは給湯排熱回収熱交換器３４内に排湯が満たされている場合である。

そこで、制御手段８０は、排湯水位センサ３４ｄからの情報を基に排湯が給湯排熱回収熱交換器３４を常に満たすように流量制御弁３４ｃの開閉を制御する。例えば、温排水管６３から排湯が給湯排熱回収熱交換器３４に供給され始めた当初は流量制御弁３４ｃを閉じておき、給湯排熱回収熱交換器３４が排湯で満たされるようにする。そして、排湯が給湯排熱回収熱交換器３４において満水になるまでの時間から温排水管６３から供給される排湯の量に応じて流量制御弁３４ｃを開き、給湯排熱回収熱交換器３４が常に排湯によって満たされるように流量制御弁３４ｃの開閉を制御する。

給湯排熱回収熱交換器３４内を流れることによって給水回路７０から供給された水は低温の湯とされる。生成された低温の湯は、混合弁３２、混合弁３３において貯湯タンク３１内に貯められた高温の湯と混合されて各使用場所５０に供給される。

このように、排湯が発生したらその排湯を利用してすぐに熱回収を行うとともに、この熱回収にあたってヒートポンプユニットは使用されないことから、システムの構成が簡略化できるとともに熱回収にかかる電力をこれまで以上に少なくすることができる。

また、従来のヒートポンプ給湯システムのように高温の湯と水を混ぜて各使用場所に供給するのではなく、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システムでは高温の湯に低温の湯を混ぜることとしている。このようにすることで、高温の湯を大量に貯湯タンク内に貯めておく必要はなく、より少ない高温の湯の量で湯温を下げずにこれまでと同じように各使用場所に湯を供給することが可能となる。

従って、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を各湯の使用場所に供給される湯に混合して使用することでより経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態において、上述の第１の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム２は、温排水管からの排湯が貯められる排湯バッファタンクが設けられた点、及び、給湯排熱回収熱交換器において生成された低温の湯を貯める給湯バッファタンクが設けられた点が第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１と相違する。

第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１では、各使用場所において使用された排湯を利用してすぐに熱回収を行うこととしているため高効率に熱回収することができるが、各使用場所において使用される湯の量が少ないと充分な熱回収を行うことができないことも考えられる。そのため貯湯タンクの容量を小さくすることについても限度がある。

また、排湯を利用して熱回収を行い低温の湯を生成するシステムであることから、例えば、給湯の開始時には排湯がないため熱交換しにくく、一方、給湯が終了しても排湯はあるため低温の湯を生成可能な状態にある、といったように、給湯と排湯の時間的なずれが発生することによる熱交換の無駄が生ずる可能性はなくならない。さらに、使用された排湯が直接給湯排熱回収熱交換器に流入するため、排湯の流量が大きくなるに合わせて給湯排熱回収熱交換器も大きくなりがちである。

そこで、第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム２は、図４に示すように、貯湯ユニット３０内に給湯排熱回収熱交換器３４の他に排湯バッファタンク３５と給湯バッファタンク３７を備えた構成とされている。

すなわち、各使用場所５０において使用されて温排水管６３に流入した排湯は、一旦排湯バッファタンク３５に貯められる。この排湯バッファタンク３５には、排湯水位センサ３５ａと排水弁３５ｂとが設けられている。排湯バッファタンク３５には途中に排湯ポンプ３６を備え給湯排熱回収熱交換器３４に排湯を供給する排湯用管３６ａが配設されている。排湯用管３６ａが給湯排熱回収熱交換器３４内を通る間に水との間で熱交換が行われる。この排湯ポンプ３６によって給湯排熱回収熱交換器３４に供給される排湯の量が調整される。

一方、給水回路７０から供給される水は、貯湯タンク３１に入るとともに、給湯バッファタンク３７下部に接続されて給湯バッファタンク３７にも供給される。給湯バッファタンク３７内の水は、熱回収ポンプ３８を備える管３８ａを通して給湯排熱回収熱交換器３４内に入り、排湯との間で熱交換が行われる。熱交換が行われることによって水から低温の湯となり管３８ａを通り給湯バッファタンク３７の上部に貯湯される。すなわちこの給湯バッファタンク３７は貯湯タンク３１と同様の構造となっており、タンク内上部に低温の湯が、下部に給水回路７０から供給された水が貯められている。

次にヒートポンプ給湯システム２における給湯排熱回収熱交換のサイクルについて、図５に示すフローチャートを使用しつつ説明を行う。

使用場所５０において湯の使用が開始されると、給湯が開始される（ＳＴ１）。この給湯は、貯湯タンク３１内にヒートポンプユニット１０を使用して貯められた高温の湯と給湯バッファタンク３７に貯められている低温の湯を混合弁３２または混合弁３３において混合して給湯管４０を介して各使用場所５０に給湯される（ＳＴ２）。給湯開始時には排湯は出ないため、給湯排熱回収熱交換器３４に排湯が供給されず低温の湯は生成されない。従って、この状態では給湯バッファタンク３７に低温の湯は貯められず、既に給湯バッファタンク３７内に貯められている低温の湯を使用する。

各使用場所５０において湯を使用するとその湯は排水される。排水温度センサ６１によって排水が所定の温度以上であることが検出されると、湯であるとして切換弁６２によって温排水管６３に排水される。上述したように、この温排水管６３は、排湯バッファタンク３５に接続されており、排湯は排湯バッファタンク３５に貯められる。排湯バッファタンク３５には排湯水位センサ３５ａが設けられており、排湯バッファタンク３５内の排湯の量を検出している。

制御手段８０は排湯水位センサ３５ａが検出する排湯バッファタンク３５内の排湯の量を示す情報から排湯バッファタンク３５に予め決められた量以上の排湯が貯められたか否かを判断する（ＳＴ３）。この量は例えば、給湯排熱回収熱交換器３４において効率的に熱交換を行うことのできる量を基に決めることができる。制御手段８０が規定量以上の排湯の量が排湯バッファタンク３５内に貯まったと判断した場合には（ＳＴ３のＹＥＳ）、給湯排熱回収熱交換器３４を使用して熱交換を開始する（ＳＴ４）。

すなわち、制御手段８０は、排湯ポンプ３６を用いて排湯用管３６ａを介して排湯バッファタンク３５から排湯を給湯排熱回収熱交換器３４に供給する。一方、制御手段８０は熱回収ポンプ３８に対しても指示を出し、熱回収ポンプ３８を用いて管３８ａを介して給湯バッファタンク３７から水を給湯排熱回収熱交換器３４に供給する。これによって給湯排熱回収熱交換器３４内において排湯と水との間で熱交換を行う。

なお、給湯排熱回収熱交換器３４の排湯用管３６ａの給湯排熱回収熱交換器３４への入口及び出口、管３８ａの給湯排熱回収熱交換器３４への入口及び出口にはそれぞれ温度センサ３９ａないし３９ｄが設けられている。これは、給湯排熱回収熱交換器３４において高効率に、かつ安定的に熱回収を行うためである。第２の実施の形態においては、制御手段８０は、温度センサ３９ｂ及び温度センサ３９ｃのそれぞれの検出値の差が一定となるような流量が給湯排熱回収熱交換器３４内を流れるよう排湯ポンプ３６の制御を行っている。また、制御手段８０は、温度センサ３９ａ及び温度センサ３９ｄのそれぞれの検出値の差が一定となるような流量が給湯排熱回収熱交換器３４内を流れるように熱回収ポンプ３８の制御を行っている。

給湯排熱回収熱交換器３４内において行われる熱交換によって給水回路７０から供給される水は排湯の熱によって低温の湯となる。生成された低温の湯は、管３８ａを通ってその上部から給湯バッファタンク３７内に入り、貯められる（ＳＴ５）。この貯められた給湯排熱回収熱交換器３４によって生成された低温の湯を使用しての各使用場所５０への給湯は、各使用場所５０での湯の使用が終了するまで続く（ＳＴ６）。各使用場所５０で湯の使用が終了すると給湯が終了する（ＳＴ７）。

給湯が終了しても一定の時間の間は排湯があることから排湯バッファタンク３５には排湯が流れ込む。そこでこの排湯を利用して給湯排熱回収熱交換器３４が水との熱交換を継続し、給湯バッファタンク３７に生成した低温の湯を貯める（ＳＴ８）。

制御手段８０は排湯水位センサ３５ａを通じて排湯バッファタンク３５内に規定量の排湯の量が残っているか否かを検出する（ＳＴ９）。制御手段８０は、排湯バッファタンク３５内に排湯が規定量あるうちは給湯排熱回収熱交換器３４での熱交換を行い、排湯バッファタンク３５内に規定量の排湯がなくなったと判断した場合には（ＳＴ９のＮＯ）、給湯排熱回収熱交換器３４での熱交換を終了する（ＳＴ１０）。

その後、制御手段８０は排湯バッファタンク３５の排水弁３５ｂを開いて排湯バッファタンク３５内にある排湯を冷排水管６４に流す。

このようにして、排湯バッファタンク及び給湯バッファタンクを使用して排熱回収を行って低温の湯を生成し、高温の湯を混合して給湯する。これにより、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を一旦給湯バッファタンクに貯めておくことによって給湯と排熱回収との時間差の存在にかかわらず各湯の使用場所に供給される湯に低温の湯を混合して使用することができ、より経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

特に、排湯を貯めておく排湯バッファタンクや給湯排熱回収熱交換器において生成された低温の湯を貯めておくことのできる給湯バッファタンクを備えていることから、給湯と排湯の時間的なずれが発生することによる熱交換の無駄を少なくすることができ、より高効率の熱交換を行うことができる。

また、排湯バッファタンクを設けて必要な量のみを排湯ポンプで給湯排熱回収熱交換器に供給することができるため、熱交換に必要な流量を減らすことで給湯排熱回収熱交換器の小型化を図ることができる。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第３の実施の形態において、上述の第１及び第２の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

第３の実施の形態においては、第１の実施の形態において説明したヒートポンプ給湯システム１におけるヒートポンプユニット１０の冷凍サイクルにもう１つの冷凍サイクルを付加した構成となっている。

これまでは圧縮機１１と、水熱交換器１２と、膨張弁１３と、空気熱交換器１４とから構成される冷凍サイクル１５（以下、これらのうち、「膨張弁１３」、「空気熱交換器１４」と「冷凍サイクル１５」に関しては、便宜上それぞれ「第１の膨張弁１３」、「第１の空気熱交換器１４」、「第１の冷凍サイクル１５」と表わす。）が設けられていた。

第３の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム３では図６に示すように、第１の膨張弁１３及び空気熱交換器１４と並列となるように水熱交換器１２と圧縮機１１との間に第２の膨張弁１６及び風呂排熱回収熱交換器１７を順次配管接続した第２の冷凍サイクル１８を備える。第２の冷凍サイクル１８では、蒸発器として風呂排熱回収熱交換器１７を用いており、この風呂排熱回収熱交換器１７は風呂の排湯を利用して熱回収を行い冷媒を気体にする。

通常、風呂の排湯は各使用場所からの排出される排湯よりもその温度が高いため、熱回収を行うに適している。但し、給湯と風呂（浴槽５１ａ）からの排湯とはそのタイミングが一致しないことも多いため、各使用場所５０における使用に合わせて低温の湯を生成するために浴槽５１ａの排湯を使用するということは必ずしも適当ではない場合が生ずる。そこで、給湯排熱回収熱交換器３４とは別に風呂排熱回収熱交換器１７を備える第２の冷凍サイクル１８をヒートポンプ給湯システム３に設けることによって、貯湯タンク３１に高温の湯を貯めるために浴槽５１ａのの排湯を利用することができる。この第２の冷凍サイクル１８も併せて使用すれば各使用場所５０からの排湯のみならず、浴槽５１ａに残った排湯も無駄にすることがなく効率よく熱回収を行うことができる。

次に、浴槽５１ａに残った湯を利用した貯湯運転について説明する。浴槽５１ａに残った湯を利用した貯湯運転は例えば、深夜電力を用いて行われる。そのため電気代を節約することができる。

浴槽５１ａと風呂排熱回収熱交換器１７との間は風呂排熱回収水回路１９によって接続されている。この風呂排熱回収水回路１９の浴槽５１ａと風呂排熱回収熱交換器１７との間にはポンプ１９ａが設けられ、浴槽５１ａに残った排湯を風呂排熱回収熱交換器１７に供給する。このようにポンプ１９ａを設けて風呂排熱回収熱交換器１７への排湯の量を調整することによって残り湯が持っている熱量を余すところなく利用することができる。

通常は、第１の冷凍サイクル１５を利用して貯湯タンク３１に高温の湯を貯める。但し、例えば、予め任意に定めることのできる時間内に大量の湯が使用された場合、すなわち、貯湯タンク３１内の高温の湯の量が短時間に大量に使用された場合は、制御手段８０が浴室５１において湯の使用があったと判断する。この判断を基に制御手段８０は第２の冷凍サイクル１８を利用して貯湯運転を開始する。具体的には、まず第１の膨張弁１３を閉じるとともに第２の膨張弁１６を開く。

第２の冷凍サイクル１８では、気体である冷媒は圧縮機１１において圧力が掛けられて高温高圧にされ水熱交換器１２に供給される。水熱交換器１２内では、冷媒と水との間で熱交換が行われる。水熱交換器１２によって熱を奪われ液体になった冷媒は、第２の膨張弁１６を通り、風呂排熱回収熱交換器１７によって再び加熱され気体にされてこの冷凍サイクルを繰り返す。

貯湯タンク３１には、例えば、図１において図示していない温度センサが設けられている。貯湯タンク３１には上部から湯が供給され、下部から水道水が供給され、貯湯タンク３１内において特に仕切りを設けなくとも湯と水が混ざることなくそれぞれ貯められている。この温度センサは貯湯タンク３１の下部に設けられている。貯湯タンク３１上部から供給される湯が温度センサが設けられている位置まで到達し、温度センサが予め定められている所定の湯温を検出することができれば、貯湯タンク３１いっぱいに湯が貯められていると判断することができる。

そのため、制御手段８０は、貯湯タンク３１に設けられた温度センサによって検出された温度を予め設定されている所定の温度と比較することで、貯湯タンク３１いっぱいに湯が貯められているか否かを判断する。比較の結果、所定の温度に達していない場合は、まだ貯湯タンク３１には湯が十分に貯められていないと判断することができ、さらに貯湯運転が継続される。

貯湯運転中は、随時、風呂排熱回収熱交換器１７の排湯の入り口に設けられた温度センサ１７ａによって排湯の温度と外気温とが比較される。これは排湯の温度が外気温以下となると、第２の冷凍サイクル１８の風呂排熱回収熱交換器１７を用いて浴槽５１ａに残った排湯から排熱の回収を行うよりも、第１の冷凍サイクル１５を構成する空気熱交換器１４を用いて熱回収を行った方が効率が良いからである。

従って、制御手段８０による排湯の温度と外気温との比較の結果、排湯の温度が外気温以下となった場合には、第２の膨張弁１６を締めて第１の膨張弁１３を開き、第１の冷凍サイクル１５を用いて貯湯運転を継続する。

また、貯湯運転中は、随時貯湯タンク３１に設けられた温度センサからの温度検出結果のデータも制御手段８０に送信される。制御手段８０は、送られてきた温度データから貯湯タンク３１内の温度が所定の温度に達したと判断できる場合には、貯湯タンク３１内に十分湯が貯められたと判断することができるので、貯湯運転を終了する。

なお、排水温度センサ６１ｄから制御手段８０に送られる排湯の温度から、貯湯運転が終了しても給湯排熱回収熱交換器３４においてこの排湯を利用することが可能であると判断できる場合は、給湯排熱回収熱交換器３４を利用して低温の湯の生成が行われる。一方、排水温度センサ６１ｄによって所定の温度に満たない温度が検出された場合は、制御手段８０は浴槽５１ａの排湯を屋外に排水するために切換弁６２ｄを開くよう指示を出し、冷排水管６４を介して排水を行う。

このように、給湯排熱回収熱交換器の他に風呂排熱回収熱交換器を設けることによって、浴槽に残った排湯をも無駄なく利用することができる。しかも、排水の温度に合わせて使用できる複数設けられたヒートポンプサイクルを使い分けることによって、より経済的、高効率に熱回収を行うことを可能としたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

さらに、第１の実施の形態同様、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を各湯の使用場所に供給される湯に混合して使用することでより経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

なお、上記では浴槽に残った排湯は主に第２の冷凍サイクルにおいて利用することを前提に説明を行った。但し、給湯とのタイミングによっては浴槽に残った排湯を第２の冷凍サイクルにおいて利用する、或いは温排水管を介して給湯排熱回収熱交換器に入れて低温の湯を生成する、のいずれかの方法を選択して利用することももちろん可能である。いずれの方法を選択するかは制御手段８０によって予め決められている条件の基に判断される。

（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。なお、第４の実施の形態において、上述の第１ないし第３の実施の形態において説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、同一の構成要素の説明は重複するので省略する。

第４の実施の形態においては、第２の実施の形態において説明したヒートポンプ給湯システム２におけるヒートポンプユニット１０の冷凍サイクルにもう１つの冷凍サイクルを付加した構成となっている。

すなわち、第４の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム４では図７に示すように、第１の膨張弁１３及び空気熱交換器１４と並列となるように水熱交換器１２と圧縮機１１との間に第２の膨張弁１６及び風呂排熱回収熱交換器１７を順次配管接続した第２の冷凍サイクル１８を備える。なお、第２の冷凍サイクル１８についての説明、また、第２の冷凍サイクル１８を利用しての貯湯を行う際の制御方法は、第３の実施の形態において説明した通りである。

従って、給湯排熱回収熱交換器の他に風呂排熱回収熱交換器を設けることによって、浴槽に残った排湯をも無駄なく利用することができる。しかも、排水の温度に合わせて使用できる複数設けられたヒートポンプサイクルを使い分けることによって、より経済的、高効率に熱回収を行うことを可能としたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

また、排湯バッファタンク及び給湯バッファタンクを使用して給湯するとともに排熱回収も行うことにより、排湯のみを給湯排熱回収熱交換器に供給することで高効率に熱回収を行うことを可能とするとともに、給湯排熱回収熱交換器において生成される低温の湯を一旦給湯バッファタンクに貯めておくことによって給湯と排熱回収との時間差の存在にかかわらず各湯の使用場所に供給される湯に低温の湯を混合して使用することができ、より経済的に優れたヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

さらに、給湯と排湯の時間的なずれが発生することによる熱交換の無駄を減少させてより高効率の熱交換を行うことができる、或いは、熱交換に必要な流量を減らすことで給湯排熱回収熱交換器の小型化を図ることができるといった効果を奏することは上述した通りである。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る給湯排熱回収熱交換器を示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る給湯排熱回収熱交換器を示す正面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る給湯排熱回収熱交換器を利用した低温の湯の生成の流れを示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。 本発明の第４の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。

符号の説明

１，２，３，４…ヒートポンプ給湯システム、１０…ヒートポンプユニット、１１…圧縮機、１２…水熱交換器、１３…（第１の）膨張弁、１４…空気熱交換器、１５…第１の冷凍サイクル、１６…第２の膨張弁、１７…風呂排熱回収熱交換器、１８…第２の冷凍サイクル、１９…風呂排熱回収水回路、３０…貯湯ユニット、３１…貯湯タンク、３２，３３…混合弁、３４…給湯排熱回収熱交換器、３４ａ…内管、３４ｂ…外管、３４ｄ…排湯水位センサ、３５…排湯バッファタンク、３７…給湯バッファタンク、５０…各使用場所、６０…排水管、６１…排水温度センサ、６２…切換弁、６３…温排水管、６４…冷排水管、７０…給水回路、８０…制御手段

Claims (6)

1. 圧縮機、水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、
   前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、
   前記温排水管に接続されるとともに、給水回路から供給された水と前記温排水管から供給される排湯との間で熱交換を行うことで前記水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、
   前記給湯排熱回収熱交換器内の排湯量を検出する排湯水位センサと、
   前記排湯水位センサからの情報を基に前記給湯排熱回収熱交換器内の排湯の量を調節する制御手段と、
   前記給湯排熱回収熱交換器で生成された前記低温の温水と前記水熱交換器で生成され前記貯湯タンクに貯められた前記湯とを混合する混合弁と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
2. 圧縮機、水熱交換器、膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、
   前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、
   前記温排水管から供給される排湯を貯める排湯バッファタンクと、
   前記排湯バッファタンクに貯められた排湯と給水回路から供給された水との間で熱交換を行うことで前記水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、
   前記給湯排熱回収熱交換器に対して供給される前記水を貯めるとともに、前記水を基に前記給湯排熱回収熱交換器が生成した前記低温の温水を貯める給湯バッファタンクと、
   前記給湯バッファタンクから前記給湯排熱回収熱交換器へ前記水を送る熱回収ポンプ、及び前記排湯バッファタンクから前記給湯排熱回収熱交換器へ排湯を送る排湯ポンプを駆動制御する制御手段と、
   前記給湯排熱回収熱交換器で生成され前記給湯バッファタンクに貯められた前記低温の温水と前記水熱交換器で生成され前記貯湯タンクに貯められた前記湯とを混合する混合弁と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
3. 圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した第１の冷凍サイクルと、
   前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、
   前記温排水管に接続されるとともに、給水回路から供給された水を前記温排水管から供給される排湯との間で熱交換を行うことで前記水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、
   前記給湯排熱回収熱交換器内の排湯量を検出する排湯水位センサと、
   前記排湯水位センサからの情報を基に前記給湯排熱回収熱交換器内の排湯の量を調節する制御手段と、
   前記給湯排熱回収熱交換器で生成された前記低温の温水と前記貯湯タンクから使用場所へ給湯するために前記水熱交換器で生成した湯とを混合する混合弁と、を備えるヒートポンプ給湯システムにおいて、
   前記第１の膨張弁及び前記空気熱交換器と並列となるように前記水熱交換器と前記圧縮機との間に第２の膨張弁及び風呂排熱回収熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、
   前記風呂排熱回収熱交換器と接続され風呂との間で排湯が循環する風呂排熱回収水回路と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
4. 圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した冷凍サイクルと、
   前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口を介して排出される温排水管と、
   前記温排水管から供給される排湯を貯める排湯バッファタンクと、
   前記排湯バッファタンクに貯められた排湯と給水回路から供給された水との間で熱交換を行うことで前記水熱交換器で生成した湯よりも低温の温水を生成する給湯排熱回収熱交換器と、
   前記給湯排熱回収熱交換器に対して供給される前記水を貯めるとともに、前記水を基に前記給湯排熱回収熱交換器が生成した前記低温の温水を貯める給湯バッファタンクと、
   前記給湯バッファタンクから前記給湯排熱回収熱交換器へ前記水を送る熱回収ポンプ、及び前記排湯バッファタンクから前記給湯排熱回収熱交換器へ排湯を送る排湯ポンプを駆動制御する制御手段と、
   前記給湯排熱回収熱交換器で生成され前記給湯バッファタンクに貯められた前記低温の温水と前記水熱交換器で生成され前記貯湯タンクに貯められた前記湯とを混合する混合弁と、を備えるヒートポンプ給湯システムにおいて、
   前記第１の膨張弁及び前記空気熱交換器と並列となるように前記水熱交換器と前記圧縮機との間に第２の膨張弁及び風呂排熱回収熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、
   前記風呂排熱回収熱交換器と接続され風呂との間で排湯が循環する風呂排熱回収水回路と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
5. 前記給湯排熱回収熱交換器は内管と外管とを備える二重管構造であり、前記内管には前記給水回路から供給された水が流れ、前記外管には前記温排水管から供給される排湯が流れる構造であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のヒートポンプ給湯システム。
6. 前記排水口に接続された排水管に設けられた排水の温度を検出する排水温度センサと、
   前記排水温度センサによって検出された排水の温度により排水を行う排水管を切り換える切換弁と、
   前記排水温度センサによって水と判断された排水を前記ヒートポンプ給湯システムの外部へと排水する冷排水管と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯システム。

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