JP2009270763A - 暖冷房システム及びユニット建物 - Google Patents

Abstract

【課題】床下空間を有効に活用することができるとともに、低コストで運転可能な暖冷房システムを提供する。
【解決手段】熱源であるヒートポンプ６と、ヒートポンプからの熱搬送流体が経由してユニット建物Ｕの室内１５の空気との熱交換をおこなう室内機４と、ユニット建物の床下空間１４に設置されてヒートポンプからの熱搬送流体が経由する蓄熱部２とを備えている。
そして、ヒートポンプには室内機４に冷媒を循環させる熱交換器用経路５と、蓄熱部２に温水又は冷水を循環させる蓄熱用経路３とがそれぞれ接続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを使用した暖冷房システム、及びそれを備えたユニット建物に関するものである。

従来、ヒートポンプを使用して建物の暖冷房をおこなう暖冷房システムが知られている（特許文献１，２など参照）。

この特許文献１には、深夜電力を使ってヒートポンプによって温められた湯を貯湯タンクに貯留し、その湯を媒体に使って床暖房をおこなうシステムが開示されている。ここでは、貯湯タンクに複数の湯取り出し口を設け、複雑な給湯制御をおこなうことにより、エネルギー効率を向上させている。

また、特許文献２には、一台のヒートポンプに、温風や冷風の対流によって室内空間の冷暖房をおこなう室内側熱交換器と、床下空間に温風を送る床下側熱交換器とを接続した空調システムが開示されている。
特開２００３−２９４２５１号公報 特開２００７−７８３２４号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、配管が複雑になるとともに、貯湯タンクの全体構成が大型化するため、設置できる場所が限られてくる。また、複雑な制御をおこなう装置が必要となるため、コストも高くなる傾向にある。

さらに、特許文献２の空調システムは、一台のヒートポンプに室内側熱交換器と床下側熱交換器とを接続しているので、エネルギー効率はよいが、いずれの熱交換器もヒートポンプ稼動時にのみ出力可能な構成であるため、深夜電力などを有効に利用して運転コストを下げるのが難しい。

そこで、本発明は、床下空間を有効に活用することができるとともに、低コストで運転可能な暖冷房システム、及びそれを備えたユニット建物を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の暖冷房システムは、熱源であるヒートポンプと、前記ヒートポンプからの熱搬送流体が経由して建物の屋内の空気との熱交換をおこなう熱交換器と、前記建物の床下空間に設置されて前記ヒートポンプからの熱搬送流体が経由する蓄熱部とを備え、前記ヒートポンプには前記熱交換器に第１の熱搬送流体を循環させる熱交換器用経路と、前記蓄熱部に第２の熱搬送流体を循環させる蓄熱用経路とがそれぞれ接続されることを特徴とする。

ここで、前記蓄熱部は、前記床下空間の空気と熱交換可能に構成することができる。

また、前記蓄熱部は、前記建物の屋内に設置された蓄熱利用型熱交換器と連結され、前記蓄熱部に貯留された熱搬送流体が前記蓄熱利用型熱交換器に搬送されるように構成することができる。

さらに、前記蓄熱部は、複数の蓄熱器によって構成することができる。

また、前記第１の熱搬送流体は気体と液体との相変化を伴う冷媒であり、第２の熱搬送流体は相変化を伴わない液体とすることができる。

そして、本発明のユニット建物は、上記いずれかの暖冷房システムを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の暖冷房システムは、一台のヒートポンプに熱交換器と床下空間に設置される蓄熱部とが接続されている。そして、熱交換器には熱交換器用経路によって第１の熱搬送流体をヒートポンプから送り込み、蓄熱部には蓄熱用経路によって第２の熱搬送流体をヒートポンプから送り込む。

このように蓄熱部を床下空間に設けることによって有効に床下空間を活用することができる。また、コストの安い深夜電力によって蓄熱部に蓄熱をおこなうことで、電気代を低減することができる。

また、蓄熱部への蓄熱を深夜におこない、日中や夜は熱交換器を稼働させるようにすれば、一台のヒートポンプに２系統の接続がなされていても、ヒートポンプの最大出力を抑えることができる。さらに、蓄熱部を備えた構成であれば、ヒートポンプの稼働を平準化できるので、エネルギー効率を良くすることができる。

また、蓄熱部を床下空間の空気との熱交換が可能な構成とすることで、床下空間を暖めたり、冷やしたりした熱を床に伝達させ、床からの暖冷房をおこなうことができる。

また、蓄熱部に蓄熱利用型熱交換器を連結することで、蓄熱部に貯えられた熱を所望するタイミングで取り出すことができ、屋内の適切な温度制御をおこなうことができる。

さらに、蓄熱部を複数の蓄熱器によって構成することで、床下空間に多くの熱を貯えることができる。また、蓄熱器を熱交換可能な構成とした場合は、複数の蓄熱器を散在配置することで、床全体に均一に熱を伝達させてムラのない暖冷房をおこなうことができる。

また、第１の熱搬送流体に冷媒を使用することによって熱搬送効率が高くなり、即効性や制御性を高めることができる。さらに、第２の熱搬送流体に相変化を伴わない（圧力変化がない）液体を使用することで、簡便な配管とすることができ、メンテナンスがしにくい床下空間への適用が容易になる。

そして、このような暖冷房システムを備えたユニット建物は、建物全体を効率よく暖冷房することができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の暖冷房システムＳを備えたユニット建物Ｕの全体構成を説明する説明図である。

まず、構成から説明すると、このようなユニット建物Ｕは、基礎断熱として構築される底盤コンクリート１１と、その側縁に立設される側壁コンクリート１２と、さらにその上に立設される壁部１７と、その壁部１７の上端開口を塞ぐ天井部１６とから主に構成される。

そして、この天井部１６と壁部１７とに囲まれる空間は、床１０によって床下空間１４と屋内としての室内１５とが区切られている。この床１０は、床下空間１４からの熱又は冷気が伝達され易いように、断熱材が貼り付けられていない構成となっている。

また、この室内１５には、図２に示すように、リビング１５１、和室１５２、キッチン１５３などの居室、及び廊下１５４、洗面所１５５などの非居室が設けられる。

また、側壁コンクリート１２の床下空間１４側には、グラスウールなどの断熱材１３が貼り付けられており、床下空間１４の熱や冷気が屋外１８に移動し難い構造となっている。

そして、本実施の形態の暖冷房システムＳは、屋外１８に設置されるヒートポンプ６と、室内１５の壁部１７の上方に取り付けられる熱交換器としての室内機４と、床下空間１４に設置される蓄熱部２とを備えている。そして、ヒートポンプ６と室内機４とは熱交換器用経路５によって接続され、ヒートポンプ６と蓄熱部２とは蓄熱用経路３によって接続される。

このヒートポンプ６は、熱を低温物体と高温物体との間で移動させることで加熱又は冷却をおこなう装置で、二酸化炭素などの冷媒を熱搬送流体として循環させながら圧縮・膨張をおこなうことで、熱を吸収したり、熱を放出したりして、その冷媒に接する物体を加熱したり、冷却したりする。

すなわち、熱交換器用経路５に循環させる第１の熱搬送流体には、この冷媒を使用する。この熱交換器用経路５は、ヒートポンプ６から吐出される冷媒を室内機４に供給する往路管５１と、室内機４から排出される冷媒をヒートポンプ６に戻す復路管５２とによって、冷媒をヒートポンプ６の内外に循環させる経路が形成されている。

例えば、ヒートポンプ６で加熱（又は冷却）された冷媒は、往路管５１から流れ出し、室内機４において取り込まれた室内１５の空気と熱交換をおこない、放熱して温度が下がった（又は吸熱して温度が上がった）冷媒は、復路管５２を通ってヒートポンプ６に戻ることになる。そして、ヒートポンプ６の内部では、冷媒は屋外１８の大気と熱交換をおこなって、再び加熱（又は冷却）された冷媒が往路管５１から流れ出す。ここで、この冷媒は、熱交換をおこなう際に気体と液体との間で相が変化する。

一方、蓄熱用経路３に循環させる第２の熱搬送流体には、水（温水又は冷水）などの液体を使用する。

この蓄熱用経路３によって温水（又は冷水）が供給される蓄熱部２は、複数の蓄熱器２１，２２を備えている。この蓄熱器２１，２２は、プラスチックなどの合成樹脂材料によって外殻が形成されたタンクであって、外殻に接触する床下空間１４の空気と熱交換がおこなわれる。

すなわち、この蓄熱器２１，２２の内部には、ヒートポンプ６から供給された温水又は冷水が充填されて蓄熱されることになる。また、蓄熱された熱は、床下空間１４の空気との熱交換によって、放熱又は吸熱されることになる。

さらに、この蓄熱部２に接続される蓄熱用経路３は、ヒートポンプ６と第１の蓄熱器２１とを繋ぐ往路管３１と、第１の蓄熱器２１と第２の蓄熱器２２とを繋ぐ中継管３２と、第２の蓄熱器２２とヒートポンプ６とを繋ぐ復路管３３とから主に構成される。

図２は、このような蓄熱用経路３と熱交換器用経路５とを図示した平面図である。

この図２に示すように、ユニット建物Ｕには２組の暖冷房システムＳ，Ｓが配置されている。まず、第１の暖冷房システムＳでは、第１の蓄熱器２１と第２の蓄熱器２２は、リビング１５１の下方の床下空間１４に設置されている。そして、キッチン１５３との境界付近の屋外１８に設置したヒートポンプ６と第１の蓄熱器２１とが往路管３１によって連結される。また、第１の蓄熱器２１と第２の蓄熱器２２とは、リビング１５１の床下空間１４に配管された中継管３２によって連結される。さらに、第２の蓄熱器２２とヒートポンプ６とは、床下空間１４を通って配管される復路管３３によって連結される。

一方、ヒートポンプ６と室内機４とは、ユニット建物Ｕの外壁を貫通して配管される往路管５１及び復路管５２によって連結される。

また、第２の暖冷房システムＳは、第１の蓄熱器２１が廊下１５４の下方の床下空間１４に設置され、第２の蓄熱器２２が和室１５２の下方の床下空間１４に設置される。そして、洗面所１５５との境界付近の屋外１８に設置したヒートポンプ６と第１の蓄熱器２１とは、洗面所１５５や廊下１５４などの床下空間１４を通って配管される往路管３１によって連結される。また、第１の蓄熱器２１と第２の蓄熱器２２とは中継管３２によって連結される。さらに、第２の蓄熱器２２とヒートポンプ６とは、和室１５２の床下空間１４を通って配管される復路管３３によって連結される。そして、ヒートポンプ６と室内機４とは、ユニット建物Ｕの外壁に沿って配管される往路管５１及び復路管５２によって連結される。

次に、本実施の形態の暖冷房システムＳを、冷媒及び温水の流れに着目して、図１，２を参照しながら説明する。なお、ここでは、暖房をおこなう場合について説明するが、冷房の場合も同様の流れになる。

まず、暖房をおこないたいときに室内機４のスイッチを入れると、ヒートポンプ６で加熱された冷媒が往路管５１から流れ出し、室内機４に送られる。この室内機４の内部には冷媒が通る管路が蛇行した熱交換部（図示省略）が設けられており、室内機４に取り込まれた室内１５の空気と冷媒によって温められた熱交換部とが接触することになる。

そして、この熱交換部で熱交換がおこなわれ、冷媒の熱が空気に伝達されて空気が加熱されるとともに、熱を奪われた冷媒は温度が低下して復路管５２に排出される。

このようにして復路管５２を通ってヒートポンプ６に戻った冷媒は、膨張されて屋外１８の大気より低い温度になり、大気と熱交換することで再び温度が上昇し、圧縮してさらに加熱された冷媒は、再び室内機４に向けて送り出される。

このように室内機４では冷媒と空気の熱交換は室内機４においておこなわれるが、蓄熱用経路３に供給される温水は、ヒートポンプ６の内部で冷媒と水とが熱交換されたことによって生成される。

すなわち、第２の熱搬送流体としての水と、上述したようにヒートポンプ６の内部で加熱される冷媒とを、同じくヒートポンプ６の内部で間接的に接触させ、熱交換をおこなわせる。

そして、ヒートポンプ６で加熱された温水が往路管３１から流れ出し、第１の蓄熱器２１に送り込まれると、蓄熱器２１には温水という熱が蓄熱されることになる。さらに、第１の蓄熱器２１が温水で満たされると、中継管３２を通って第２の蓄熱器２２にも温水が送られ、蓄熱器２２に蓄熱がされる。

他方、蓄熱器２１，２２から放熱されるなどして温度の下がった水は、復路管３３を通ってヒートポンプ６に戻されることになる。

そして、温度の下がった水と、上述したようにヒートポンプ６の内部で加熱された冷媒とで再び熱交換をおこなわせる。この熱交換によって加熱された温水は、再び往路管３１から送り出される。このようヒートポンプ６を稼働させておこなう蓄熱部２での蓄熱は、電気料金の安い深夜電力を使っておこなうと経済的である。

次に、本実施の形態の暖冷房システムＳの作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の暖冷房システムＳは、一台のヒートポンプ６に室内機４と床下空間１４に設置される蓄熱部２とが接続されている。そして、室内機４には熱交換器用経路５によって二酸化炭素などの冷媒をヒートポンプ６から送り込み、蓄熱部２には蓄熱用経路３によって温水又は冷水をヒートポンプ６から送り込む。

このように、第１の熱搬送流体に冷媒を使用することによって熱搬送効率が高くなり、暖冷房の即効性や制御性を高めることができる。さらに、第２の熱搬送流体に相変化を伴わない（圧力変化がない）水を使用することで、簡便な配管とすることができ、メンテナンスがしにくい床下空間１４への適用が容易になる。

そして、蓄熱部２を床下空間１４に設けることによって、未利用空間の多い床下空間１４を有効に活用することができる。また、コストの安い深夜電力によって蓄熱部２に蓄熱をおこなえば、電気代を低減することができる。

また、蓄熱部２への蓄熱を深夜におこない、この蓄熱部２の持つ熱エネルギーを床下空間１４に放出させることで、床下空間１４の空気を暖める。さらに、床下空間１４の温度が上昇すると床１０が温められ、この温度が上昇した床１０からの輻射熱によって室内１５を暖房することができる。

このように床下空間１４を暖めることによって、ユニット建物Ｕの躯体を保温することができ、建物全体の平均温度を上昇させて部屋間の温度差によって発生するヒートショックを抑えることができる。

仮に、相変化を伴う冷媒を液体にして蓄熱する場合は、液体に変化したときの体積が少なくなるのでそのまま蓄熱部を放熱器として使用するのに適さないが、第２の熱搬送流体に温水を利用するのであれば蓄熱量を任意に設定することができ、放熱による床下暖房に適した容量の蓄熱部２を容易に形成することができる。

一方、このような床暖房だけでは所望する室温が確保できない場合は、室内機４を作動させる。この室内機４を作動させる時間帯は、居住者が起きている日中や夜であることが多く、深夜になることは少ないので、一台のヒートポンプ６に２系統の蓄熱用経路３と熱交換器用経路５とが接続されていても、ヒートポンプ６の最大出力を抑えることができる。

また、このような蓄熱部２を備えた構成であれば、室内機４を稼働させないときに蓄熱をおこなうことでヒートポンプ６の稼働による負荷を平準化でき、エネルギー効率を良くすることができる。

さらに、蓄熱部２を複数の蓄熱器２１，２２によって構成することで、床下空間１４に多くの熱を貯えることができる。すなわち、床下空間１４に連続した広い空間が確保できない場合でも、小中規模の蓄熱器２１，２２を複数、配置することで、蓄熱可能な総熱量を任意に設定することができる。

さらに、床下空間１４に散在配置された複数の蓄熱器２１，２２が放熱（熱交換）をおこなうと、床１０の広い範囲に均一に熱が伝達されてムラのない床暖房をおこなうことができる。

また、床下空間１４をコンクリートで囲んで断熱材１３を配置して断熱構造にすることで、蓄熱器２１，２２によって効率よく床下空間１４の空気を暖めることができ、その暖かい空気を床１０に伝達して室内１５の床暖房をおこなうことができる。

以上の暖冷房システムＳの作用は、暖房時を中心に記載したが、冷房時に蓄熱部２に冷水を蓄えた場合においても、本実施の形態の暖冷房システムＳであれば、同様の効果を得ることができる。

さらに、このような暖冷房システムＳを備えたユニット建物Ｕは、建物全体の暖冷房をエネルギー効率の良いものにすることができる。

以下、前記した実施の形態とは別の形態の実施例について、図３を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については同一符号を付して説明する。

この実施例で説明する暖冷房システムＳ１は、蓄熱部２としての第１の蓄熱器２１に、室内１５に設置された蓄熱利用型熱交換器としての室内放熱器７が連結されている。

この室内放熱器７は、室内１５の床１０上に設置され、第１の蓄熱器２１と室内放熱器７とを繋ぐ供給管７１と、その供給管７１の途中に設けられるポンプ７３と、室内放熱器７と床下空間１４の蓄熱器２１とを繋ぐ戻り管７２とを備えている。

この蓄熱器２１に接続される供給管７１と戻り管７２は、温度の高い温水を取り出す供給管７１を蓄熱器２１の上部に接続し、温度の低くなった温水を送り込む戻り管７２を蓄熱器２１の下部に接続することで、蓄熱器２１内で温水が混ざり合って温度が低下することがないようにする。

このような室内放熱器７は、蓄熱器２１に蓄えられた温水又は冷水の熱と室内１５の空気との熱交換をおこなう装置であり、送風ファンなどが備えられており、室内１５の温度を迅速に調整することができる。

すなわち、室内１５の温度を上昇（又は低下）させるために室内放熱器７のスイッチを入れると、ポンプ７３が作動して供給管７１を介して蓄熱器２１から温水（又は冷水）が吸い込まれて、室内放熱器７に送られることになる。

この室内放熱器７の内部には、熱交換部（図示省略）として管路が蛇行しており、室内１５の空気と接触することによって熱交換がおこなわれる。また、送風ファンが設けられている場合は、その風量によって放熱が促進されて、暖かい空気が室内１５に放出される。

このように構成された実施例の暖冷房システムＳ１は、蓄熱部２の蓄熱器２１に室内放熱器７を接続することで、蓄熱器２１に貯えられた熱を所望するタイミングで取り出すことができ、室内１５の適切な温度制御をおこなうことができる。

また、図２に示すように、蓄熱器２１，２２や室内機４が配置されていない、キッチン１５３、廊下１５４、洗面所１５５などに室内放熱器７を配置して、暖冷房をおこなわせることができる。

なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態又は実施例では、蓄熱部２を構成する蓄熱器２１，２２は熱交換が可能な構成として説明したが、これに限定されるものではなく、プラスチックなどの合成樹脂材料によって外殻が形成されたタンクの外周をグラスウールなどの断熱部によって被覆することで、断熱性能の高い蓄熱部２とすることができる。すなわち、この場合は、蓄熱器２１，２２は、床下空間１４の空気と熱交換をおこなわない。

また、前記実施の形態及び前記実施例では、熱搬送流体として二酸化炭素などの気体、水などの液体を例示したが、これに限定されるものではなく、熱を輸送することができる媒体であれば、いずれの流体を使用してもよい。

さらに、前記実施例では、室内放熱器７を通った温水（又は冷水）を排出させる戻り管７２を蓄熱器２１に接続したが、これに限定されるものではなく、室内放熱器７で放熱（又は吸熱）をおこなった利用済みの水は、蓄熱器２１，２２を経由することなくヒートポンプ６に戻されるような経路にすることもできる。

本発明の最良の実施の形態の暖冷房システムを配置したユニット建物の構成を説明する説明図である。 暖冷房システムの熱搬送流体の流れを説明する平面図である。 実施例の暖冷房システムを配置したユニット建物の構成を説明する説明図である。

符号の説明

Ｓ，Ｓ１ 暖冷房システム
Ｕ ユニット建物（建物）
１４ 床下空間
１５ 室内（屋内）
２ 蓄熱部
２１，２２ 蓄熱器
３ 蓄熱用経路
４ 室内機（熱交換器）
５ 熱交換器用経路
６ ヒートポンプ
７ 室内放熱器（蓄熱利用型熱交換器）

Claims (6)

1. 熱源であるヒートポンプと、前記ヒートポンプからの熱搬送流体が経由して建物の屋内の空気との熱交換をおこなう熱交換器と、前記建物の床下空間に設置されて前記ヒートポンプからの熱搬送流体が経由する蓄熱部とを備え、
   前記ヒートポンプには前記熱交換器に第１の熱搬送流体を循環させる熱交換器用経路と、前記蓄熱部に第２の熱搬送流体を循環させる蓄熱用経路とがそれぞれ接続されることを特徴とする暖冷房システム。
2. 前記蓄熱部は、前記床下空間の空気と熱交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の暖冷房システム。
3. 前記蓄熱部は、前記建物の屋内に設置された蓄熱利用型熱交換器と連結され、前記蓄熱部に貯留された熱搬送流体が前記蓄熱利用型熱交換器に搬送されることを特徴とする請求項１又は２に記載の暖冷房システム。
4. 前記蓄熱部は、複数の蓄熱器によって構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の暖冷房システム。
5. 前記第１の熱搬送流体は気体と液体との相変化を伴う冷媒であり、前記第２の熱搬送流体は相変化を伴わない液体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の暖冷房システム。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の暖冷房システムを備えたことを特徴とするユニット建物。

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