JP2009264716A - ヒートポンプ温水システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供すること。
【解決手段】本発明は、室外機１と、冷暖房パネル４と、冷媒水熱交換器２１を有する室内機２と、貯湯タンク３２と、タンク用水冷媒熱交換器３１と、水ポンプ２２とを有し、タンク用水冷媒熱交換器３１を水冷媒熱交換器２１と並列に配設し、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段２４と、タンク用水冷媒熱交換器３１から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段２６と、水冷媒熱交換器２１から出る水の温度を検出する出水温度検出手段２３と、貯湯タンク３２内の温度を検出するタンク水温検出手段３３とを備え、空気熱源熱交換器の除霜運転中に、水ポンプを駆動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水で暖房を行うヒートポンプ温水システムに関するものである。

図２は、従来の水と冷媒とを熱交換するヒートポンプ装置を示した構成図である。図２に示すように、従来のヒートポンプ装置では、貯湯タンクの下部の水をヒートポンプに供給するとともに、貯湯タンクの上部にヒートポンプで生成された高温水を貯留する一方で、風呂の追い焚きや床暖房等には、温水を循環することで機能を実現させており、風呂や床暖房を循環する温水は、貯湯タンク内の高温水と風呂や床暖房を循環して戻ってきた低温水とで熱交換し、貯湯タンク内の高温水の熱から吸熱し、再度高温水となって風呂の追い焚きや床暖房パネル内を循環している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１１３８３６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、貯湯タンクから湯を取り出して外部の熱交換器にて水と水とで熱交換しているため、貯湯タンクが有する熱量に制限があると同時に、低外気温下に設置した場合には、貯湯タンクから熱交換器までの配管、もしくは風呂や床暖房パネルから熱交換器までの配管に温水を流通させると外気温の影響を受けやすく、さらに熱交換効率が低下してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ温水システムは、空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記空気熱源熱交換器の除霜運転中に、前記水ポンプを駆動させることにより、冷媒経路を複数に分岐しているので、同時に複数の熱交換器で冷媒と水とを熱交換することができ、さらに、空気熱源熱交換器の除霜運転時には、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

本発明は、熱交換効率の高いヒートポンプ温水システムを提供することができる。

第１の発明のヒートポンプ温水システムは、空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記空気熱源熱交換器の除霜運転中に、前記水ポンプを駆動させることにより、冷媒経路を複数に分岐しているので、同時に複数の熱交換器で冷媒と水とを熱交換することができ、さらに、空気熱源熱交換器の除霜運転時には、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

第２の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１の発明において、前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも低くなった場合には、前記水ポンプの駆動を停止することにより、水冷媒熱交換器から出る水の温度低下を抑制させながら、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

第３の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第２の発明において、前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも高くなった場合には、前記水ポンプの駆動を開始することにより、水冷媒熱交換器から出る水の温度低下を抑制させながら、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

第４の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１の発明において、前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも低くなった場合には、前記室内側膨張弁を閉じる方向に駆動することにより、水冷媒熱交換器から出る水の温度低下を抑制させながら、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

第５の発明のヒートポンプ温水システムは、特に第１または第４の発明において、前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも高くなった場合には、前記室内側膨張弁を開く方向に駆動することにより、水冷媒熱交換器から出る水の温度低下を抑制させながら、効率のよい除霜運転を行うことができるヒートポンプ温水システムを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ温水システムの構成図を示す
ものである。図１において、ヒートポンプ温水システムは、室外機１、室内機２、タンクユニット３、冷暖房パネル４で構成される。以下にそれぞれのユニットの構成について説明する。

室外機１には、空気と冷媒とで熱交換を行うための空気熱源熱交換器１１、冷媒を減圧するための絞り機構１２、冷凍サイクルを暖房サイクル（空気熱源熱交換器１１が蒸発器として作用）および冷房サイクル（空気熱源熱交換器１１が凝縮器として作用）のどちらかとなるように切り換えるための四方弁１３、冷媒を高温高圧に圧縮する圧縮機１４、空気熱源熱交換器１１において空気と冷媒との熱交換を促進するための送風ファン１５、圧縮機１４の冷媒吐出口側に高圧側圧力検出手段である圧力センサー１６、圧縮機１４の冷媒吸入側に低圧側圧力検出手段である圧力センサー１７が設けられている。

そして室内機２に配設される水冷媒熱交換器２１と、絞り機構１２と、空気熱源熱交換器１１と、圧縮機１４とを図１に示すように四方弁１３を介して順次冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成している。さらに、水冷媒熱交換器２１と絞り機構１２との間と、四方弁１３と水冷媒熱交換器２１との間から冷媒配管がそれぞれ分岐する構成となっており、水冷媒熱交換器２１と並列な位置となるようにタンク用水冷媒熱交換器３１が設けられている。なお、四方弁１３の実線で示す回路が暖房サイクル時の回路となり、点線で示す回路が冷房サイクル時の回路となる。

室内機２には、冷暖房パネル４を流通する水と冷媒で熱交換を行う水冷媒熱交換器２１、冷暖房パネル４を流通する水を搬送する水ポンプ２２、水冷媒熱交換器２１から出る水の温度を検出する出水温度検出手段であるサーミスタ２３が配設されており、水冷媒熱交換器２１の水経路と、水ポンプ２２と、冷暖房パネルの水経路が順次配管で環状に接続されている。また、室内機２内の機器を制御するための制御基板２８を有している。

また、水冷媒熱交換器２１が凝縮器として作用する時の、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒の温度を検出する室内側冷媒温度検出手段であるサーミスタ２４、水冷媒熱交換器２１から出る冷媒の流量を絞るための室内側膨張弁２５を備えている。さらに、タンク側水冷媒熱交換器３１が凝縮器として作用する時の、タンク側水冷媒熱交換器３１から出る冷媒の温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段であるサーミスタ２６、タンク側水冷媒熱交換器３１を流れる冷媒の流量を絞るためのタンク側膨張弁２７を備えている。

タンクユニット３には、湯水を貯える貯湯タンク３２、貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げるために貯湯タンク３２内にタンク側水冷媒熱交換器３１が配設されている。さらに貯湯タンク３２内の湯水の温度を検出するタンク水温検出手段であるサーミスタ３３が配設されている。また貯湯タンク３２の下部には、給水源から水を供給するための給水管３４が接続されており、貯湯タンク３２の上部には、給湯端末へ湯を供給するための出湯管３５が設けられている。

冷暖房パネル４は、水冷媒熱交換器２１で生成した冷水または温水を流通させることで、居室内で暖房もしくは冷房を実現するものである。

以上のように構成されたヒートポンプ温水システムについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、暖房サイクル時には、四方弁１３に実線で示す経路となるように四方弁１３を切り換えて、圧縮機１４の運転を開始することで、冷凍サイクル内に冷媒を流通させる。なお、暖房サイクル時には、図１の実線矢印方向に冷媒が流れる。そして、空気熱源熱交換器１１で熱を吸熱するとともに、圧縮機１４で高温高圧冷媒を生成する。

そして、高温高圧の冷媒は、冷媒配管５１から水冷媒熱交換器２１に入る冷媒配管５２と、タンク側水冷媒熱交換器３１に入る冷媒配管５３とに分岐してそれぞれの熱交換器へ流入する。それぞれの熱交換器へ流入する冷媒量は、室内側膨張弁２５およびタンク側膨張弁２７の開度を調節することで決定される。

冷媒配管５２を通って水冷媒熱交換器２１へ入った高温高圧の冷媒は、冷暖房パネル４を流通する水と熱交換する。そして水冷媒熱交換器２１で生成された高温水は、サーミスタ２３が検出する温度が、使用者が設定した温度となるように水ポンプ２２を駆動することによって冷暖房パネル４内を流通し、使用者の居住空間に快適な暖房を提供する。

一方、冷媒配管５３を取ってタンク側水冷媒熱交換器３１へ入った高温高圧の冷媒は、貯湯タンク内部に貯えられている湯水と熱交換する。そして、サーミスタ３３で検出する温度が、使用者が操作部（図示せず）にて設定する温度となるように貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げる。

そして、水冷媒熱交換器２１から出てくる冷媒配管５４と、タンク側水冷媒熱交換器３１から出てくる冷媒配管５５とが合流して、一つの冷媒配管５６となり、絞り機構１２で減圧されて、再度空気熱源熱交換器１１で空気と冷媒とで熱交換を行う。

また、水冷媒熱交換器２１から出る熱交換した後の冷媒の温度やタンク側水冷媒熱交換器３１から出る熱交換した後の冷媒の温度の情報に基づいて、圧縮機１４の周波数や、絞り機構１２の調節を行っている。

次に、冷房サイクル時について説明する。冷房サイクル時には、四方弁１３に点線で示す経路となるように四方弁１３を切り換えて、圧縮機１４の運転を開始することで、冷凍サイクル内に冷媒を流通させる。なお、冷房サイクル時には、図１の点線矢印方向に冷媒が流れる。そして、圧縮機１４で生成された高温高圧冷媒は、空気熱源熱交換器１１で空気と熱交換すると共に、絞り機構１２で減圧される。

そして、低温低圧の冷媒は、冷媒配管５６から水冷媒熱交換器２１に入る冷媒配管５４と、タンク側水冷媒熱交換器３１に入る冷媒配管５５とに分岐してそれぞれの熱交換器へ流入する構成となっているが、通常は、貯湯タンク３２は湯を貯えておくので、タンク側膨張弁２７を全閉にしておくことで、タンク側水冷媒熱交換器３１へは冷媒が供給されず、貯湯タンク内の湯水の温度低下を防止している。

また、冷媒配管５４を通って水冷媒熱交換器２１へ入った低温低圧の冷媒は、冷暖房パネル４を流通する水と熱交換する。そして水冷媒熱交換器２１で生成された冷温水は、サーミスタ２３が検出する温度が、使用者が設定した温度となるように水ポンプ２２を駆動することによって冷暖房パネル４内を流通し、使用者の居住空間に快適な冷房を提供する。

次に、冷暖房パネル内を流れる湯水の温度を上昇させずに、貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げる方法について説明する。この時には、室内側膨張弁２５を微小開度だけ開放して、微少量の冷媒を流通させて、冷暖房パネル４を循環している水の温度を上昇させない構成とし、水ポンプ２２の駆動を停止させている。一方、タンク側水冷媒熱交換器３１に冷凍サイクル内の殆どの冷媒を送るために、タンク側膨張弁２７の開度を開く。その結果、冷暖房パネル４内を流れる湯水の温度を上昇させることなく、貯湯タンク３２内の湯水を沸き上げることができる。

次に、空気熱源熱交換器１１の除霜運転について説明する。通常の空気調和機と比較した場合、室内側で水と冷媒とで熱交換を行うため、非常に熱交換効率に優れている一方で、熱交換器への着霜量が多くなってしまい、除霜時間が長くなってしまうという課題を有していた。そこで、熱交換効率がよい本発明のヒートポンプ温水システムにおいては、除霜を効率よく行わなければならない。

本実施の形態の空気熱源熱交換器１１の除霜運転は、まず空気熱源熱交換器１１の温度や外気温度の条件に基づいて着霜を判断する。着霜していると判断すると、四方弁１３を切り換えることによって、暖房サイクルから冷房サイクルに切り換える。冷房サイクルに切り換えることで、空気熱源熱交換器１１側が凝縮器となり、空気熱源熱交換器１１に高温高圧の冷媒が流れる。その結果、空気熱源熱交換器１１での冷媒からの放熱量を増やし、除霜を行う。

本発明では、この除霜運転が開始した時には、水冷媒熱交換器２１での熱交換量を増やすために、水ポンプを駆動させて、水を流通させることで水冷媒熱交換器２１での蒸発能力を上昇させるとともに、空気熱源熱交換器１１での凝縮能力を上昇させることができるので、その結果、空気熱源熱交換器１１の霜の溶解を短時間で行うことができる。

また、水ポンプを駆動させて水冷媒熱交換器２１での蒸発能力を上昇させている時において、水冷媒熱交換器２１から出てくる水温を検出するサーミスタ２３の温度に基づいて水ポンプの制御を行っている。

まず、サーミスタ２３で検出される温度が、所定値αよりも低くなった場合に、水ポンプ２２の駆動を継続すると、冷暖房パネルに温度が低くなった温水を流通させるので、使用者に温度低下を感じさせてしまい、不快感を与えかねない。そこで、本発明では、ある所定値αを設けて、所定値αよりもサーミスタ２３で検出される温度が低くなった場合には、水ポンプ２２の駆動を停止するようにしている。その結果、冷暖房パネル４における暖房能力の低下を防ぐことができる。

また、サーミスタ２３で検出される温度が、所定値βよりも高くなった場合には、冷暖房パネル４の暖房能力を下げることのない充分な熱量があると判断し、再度、水ポンプ２２の駆動を行う。そのため、再度蒸発能力を上昇させることができる。なお、所定値αと所定値βは、同じ値であっても異なる値であっても問題はない。

また、除霜運転開始に伴う水ポンプ２２の駆動後、サーミスタ２３で検出される温度が、所定値αよりも低くなった場合に、室内側膨張弁２５を閉じる方向に駆動させてもよい。その結果、サーミスタ２３で検出される温度の低下を抑制し、除霜時間の短縮も可能となる。

また、サーミスタ２３で検出される温度が、所定値βよりも高くなった場合には、室内側膨張弁２５を開く方向に駆動させてもよい。その結果、再度蒸発能力を上昇させることができ、除霜時間の短縮が可能となる。

また空気熱源熱交換器１１に電気ヒータを設けて、除霜運転開始とともに、電気ヒータを通電する構成としてもよい。その結果、水冷媒熱交換器２１を流れる水温の低下を抑制し、除霜時間を短縮することができる。

以上のように、室内冷媒温度検出手段２４と、出水温度検出手段２３と、タンク冷媒温度検出手段２６と、タンク水温検出手段２３とを有することで、常に冷凍サイクル挙動と温水温度を把握することができるので、非常に効率の良いヒートポンプ温水システムを実
現することができる。

また、除霜運転時においても効率よく水冷媒熱交換器２１での蒸発能力を上昇させるので、除霜時間を短縮することができる。

本発明は、水と冷媒を熱交換させる構成を内蔵した室内機と貯湯タンクの組み合わせによるヒートポンプ温水システムはもちろん、水と冷媒を熱交換させる構成を内蔵した室内機同士の組み合わせや貯湯タンク同士の組み合わせ及び、空調用室内機を接続したヒートポンプ温水システムにも適用させる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ温水システムの構成図 従来のヒートポンプ装置の構成図

符号の説明

１ 室外機
２ 室内機
３ タンクユニット
４ 冷暖房パネル
１１ 空気熱源熱交換器
１２ 絞り機構
１３ 四方弁
１４ 圧縮機
１５ 送風ファン
１６ 圧力センサ
１７ 圧力センサ
２１ 水冷媒熱交換器
２２ 水ポンプ
２３ 出水温度検出手段
２４ 室内側冷媒温度検出手段
２６ タンク側冷媒温度検出手段
３１ タンク側水冷媒熱交換器
３２ 貯湯タンク
３３ タンク水温検出手段

Claims (5)

1. 空気熱源熱交換器と四方弁と圧縮機と絞り機構とを有する室外機と、温水または冷水を循環して冷暖房を行う冷暖房パネルと、冷媒と前記冷暖房パネル内の水とを熱交換する水冷媒熱交換器を有する室内機と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンク内に設けて冷媒と水とを熱交換するタンク用水冷媒熱交換器と、前記冷暖房パネル内を流通する水を搬送するための水ポンプとを有し、前記空気熱源熱交換器と前記四方弁と前記圧縮機と前記水冷媒熱交換器と前記絞り機構で冷凍サイクルを構成すると共に、前記タンク用水冷媒熱交換器を前記水冷媒熱交換器と並列に配設し、前記水冷媒熱交換器および前記タンク用水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出する室内側冷媒温度検出手段と、前記タンク用水冷媒熱交換器から出る冷媒温度を検出するタンク側冷媒温度検出手段と、前記水冷媒熱交換器から出る水の温度を検出する出水温度検出手段と、前記貯湯タンク内の温度を検出するタンク水温検出手段と、前記水冷媒熱交換器および前記タンク側水冷媒熱交換器が凝縮器として作用する時の前記水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞る室内側膨張弁と、前記タンク側水冷媒熱交換器の冷媒出口側に冷媒量を絞るタンク側膨張弁と、前記圧縮機の高圧側の圧力を検出する高圧側圧力検出手段と、前記圧縮機の低圧側の圧力を検出する低圧側圧力検出手段とを備え、前記空気熱源熱交換器の除霜運転中に、前記水ポンプを駆動させることを特徴とするヒートポンプ温水システム。
2. 前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも低くなった場合には、前記水ポンプの駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水システム。
3. 前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも高くなった場合には、前記水ポンプの駆動を開始することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ温水システム。
4. 前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも低くなった場合には、前記室内側膨張弁を閉じる方向に駆動することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ温水システム。
5. 前記出水温度検出手段により検出された温度が、所定値よりも高くなった場合には、前記室内側膨張弁を開く方向に駆動することを特徴とする請求項１または４に記載のヒートポンプ温水システム。

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