JP2010101521A - 暖房装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源としてヒートポンプと燃焼機とを備えるハイブリッド式の暖房装置において、高温暖房、低温暖房を効率よく行い、かつ、湯切れを抑制する。
【解決手段】
高温暖房戻り路の熱媒は、低温暖房端末を通過した後に、熱交換器に戻される。熱交換器では、ヒートポンプによって加熱された温水が貯えられている貯湯タンクの温水を循環させることによって、熱媒が加熱される。高温暖房戻り路の熱媒の熱エネルギーは低温暖房端末で有効利用され、熱交換器には十分に温度が低くなった暖房用水のみが戻されるため、貯湯タンク底部からヒートポンプに供給される水の温度を低く維持することができ、ヒートポンプを有効に利用した低コスト運転が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱源としてヒートポンプと燃焼機を備えるハイブリッド式の暖房装置に関する。

熱源としてヒートポンプと燃焼機を備えたハイブリッド式の温水暖房装置や給湯装置では、熱源を適宜使い分けることによって、低コスト運転を行いつつ、温水量と温水温度とを確保する。例えば、特許文献１に記載されているハイブリッド式給湯装置では、主として低コスト運転が可能なヒートポンプを熱源に用いる。ヒートポンプ給湯器によって加熱した水を貯湯タンクに貯え、必要に応じて利用する。低コスト熱源であるヒートポンプを主に利用して貯湯を行い、貯湯タンクでの湯切れやヒートポンプの加熱能力不足が生じた場合に、補助熱源として瞬間式給湯器を用いることで給湯量と給湯温度とを確保する。

貯湯タンクの蓄熱を暖房端末に利用するハイブリッド式の暖房装置においては、暖房端末を備えた暖房回路に熱媒として例えば暖房用水を循環させ、熱源によって直接的もしくは間接的に加熱する。加熱された暖房用水は、暖房回路を循環して放熱し、再び熱源によって加熱される。暖房端末として、高温暖房端末（温風暖房機など）と低温暖房端末（床暖房など）とを備えている暖房回路においては、高温暖房と低温暖房が同時に行われる場合には、高温暖房端末から戻る暖房用水と低温暖房端末から戻る暖房用水は混合された後に、再び熱源によって加熱される。
特開２００４−１２５２２６号公報

しかしながら、熱源としてヒートポンプを用いて高効率の暖房運転を行うためには、暖房回路から戻る暖房用水の温度が十分に低くなっている必要がある。暖房回路から戻る暖房用水がいわゆる中温水である場合、ヒートポンプの効率が低下して、低コスト運転ができなくなる。暖房端末として、高温暖房端末と低温暖房端末とを備えている暖房回路においては、高温暖房端末から戻る暖房用水の温度は、低温暖房端末から戻る暖房用水の温度よりも高くなる。従来のように、高温暖房端末から戻る暖房用水と低温暖房端末から戻る暖房用水とを混合した場合、高温暖房端末から戻る暖房用水の熱エネルギーが大きいために、暖房回路から戻る暖房用水の温度が高くなってしまっていた。これによって、貯湯タンク内の水の温度が高くなって中温水領域が広がり、貯湯タンクの下部の水の温度を十分に低く維持することができず、この貯湯タンク下部の水を抜き出して加熱するヒートポンプの効率が低下してしまっていた。

そこで、本発明は、高温暖房端末と低温暖房端末とを備えた暖房回路と、ヒートポンプと、ヒートポンプによって加熱された水を貯える貯湯タンクと、暖房回路を循環する熱媒を加熱する燃焼機と、貯湯タンクに貯えられた水と暖房回路を循環する熱媒とを熱交換する熱交換器とを備えた暖房装置を提供する。

本発明においては、暖房回路は、その一部が前記高温暖房端末を含む経路と前記低温暖房端末を含む経路に分岐しており、高温暖房端末を含む経路は、熱媒の流れ方向の上流側から燃焼機と高温暖房端末とが直列に接続しており、低温暖房端末を含む経路は、熱媒の流れ方向の上流側から低温暖房端末と熱交換器とが直列に接続している。高温暖房端末の下流側は、熱交換器の下流側に合流している。

暖房回路を循環する熱媒の流れに沿って説明すると、熱媒は、高温暖房端末側の経路と低温暖房端末側の経路に分流される。高温暖房端末側の経路に分流された熱媒は、燃焼機を通過した後、高温暖房端末を通過する。低温暖房端末側の経路に分流された熱媒は、低温暖房端末を通過した後、熱媒と貯湯タンクに貯えられた水（温水）とを熱交換する熱交換器を通過する。高温暖房端末を通過した後の熱媒と、熱交換器を通過した後の熱媒は、合流したのち、再度、高温暖房端末側の経路と低温暖房端末側の経路に分流され、循環する。

本発明によれば、高温暖房端末から戻る比較的高温の熱媒は、熱媒と貯湯タンクに貯えられた水（温水）とを熱交換する熱交換器に供給される前に低温暖房端末を循環し、十分に温度が低くなった後に熱交換器に供給されるため、ヒートポンプによって加熱される貯湯タンク内の水の温度を十分に低くすることができ、ヒートポンプの効率を高く維持することができる。

本発明によれば、ヒートポンプと燃焼機とを熱源として備え、高温暖房、低温暖房が実施できる暖房装置において、ヒートポンプの効率を向上させることができる。これによって、熱源として低コスト熱源であるヒートポンプを有効利用できるため、暖房装置を低コストで運転することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を以下に列記する。
（特徴１）暖房回路を循環する熱媒は水または不凍液である。
（特徴２）ヒートポンプユニットに用いる冷媒はＲ４１０Ａである。
（特徴３）暖房回路を循環する熱媒を加熱する第１燃焼機と、貯湯タンクに貯えられる水を加熱する第２燃焼機とが設置されている。
（特徴４）第１燃焼機と第２燃焼機はガス熱源ユニット内に隣接して設置してあり、電源やガス配管などを共有できる。

以下、本発明に係る実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係るハイブリッド式の給湯暖房装置１を示す。給湯暖房装置１は、タンクユニット１０、ヒートポンプユニット２０、ガス熱源ユニット３０によって構成されている。

タンクユニット１０は、貯湯タンク１１、熱媒を加熱する熱交換器１２、ポンプ１２１、１２２によって構成されている。貯湯タンク１１には、ヒートポンプユニット２０によって加熱された温水を貯える。貯湯タンク１１は、密閉式であり、断熱材によって外側が覆われている。湯を貯えた状態では、貯湯タンク１１の内部に温度成層が形成されており、貯湯タンク１１の下部の水温は低く、上部の水温は高くなる。貯湯タンク１１の頭頂部には導入口１１８が設けられており、上部には導出口１１１、１１２、導入口１１３が設けられており、底部には導入口１１６、導出口１１７が設けられている。貯湯タンク１１の高さ方向の中央部には、導出口１１４、導入口１１５が設けられている。

ヒートポンプユニット２０は、配管で接続された圧縮機２１、放熱器２２、膨張機構２３、蒸発器２４を冷媒がこの順序で循環する冷凍サイクル装置である。貯湯タンク１１からポンプ２２１によって放熱器２２に送られる水は、放熱器２２において、圧縮機２１から吐出される高温高圧の冷媒によって、加熱される。膨張機構２３としては、膨張弁のほか、エジェクタや膨張機などを用いてもよい。蒸発器２４はフィンチューブ型の熱交換器であり、ファンを回転させて外気と熱交換する。

ガス熱源ユニット３０は、暖房回路を循環する熱媒を加熱する第１燃焼機３２、シスターン３３、高温暖房端末（図示しない）、低温暖房端末（図示しない）、ポンプ３２１によって構成される暖房回路と、貯湯タンク１１に貯えられる水を加熱する第２燃焼機４２、給湯口４４、上水口４６、混合器４８によって構成される給湯回路、追い焚き用熱交換器４５、ポンプ４２１によって構成される風呂追い焚き回路によって構成されている。高温暖房端末の入口は高温暖房往路３４１と接続され、出口は高温暖房戻り路３４２に接続されている。低温暖房端末の入口は低温暖房往路３５１と接続され、出口は低温暖房戻り路３５２に接続されている。

第１燃焼機３２および第２燃焼機４２は、都市ガスやＬＰガス等の燃料を燃焼させることによって、水や熱媒を加熱する燃焼機である。第１燃焼機３２と第２燃焼機４２は、ガス熱源ユニット３０内において隣接して設置されており、ガス配管や電源等を共有できるようになっている。

シスターン３３の底部の導出口３３１は、ポンプ３２１を経由して、分岐部３０４に接続し、分岐される。分岐部３０４において一方の管路は低温暖房往路３５１と接続し、他方の管路は、第１燃焼機３２、分岐部３０５を経由して高温暖房往路３４１に接続している。低温暖房戻り路３５２は熱交換器１２の熱媒入口に接続され、熱交換器１２の熱媒出口は合流部３０３と接続している。高温暖房戻り路３４２は、合流部３０３に接続している。合流部３０３はシスターン３３の底部の導入口３３２に接続している。本実施例においては、熱媒として水を用いており、シスターン３３には、暖房回路で暖房用水として利用する温水が貯えられている。以下、本実施例においては、熱媒として水を用いる場合について説明するが、水の代わりに、例えば、エチレングリコール等を主成分とする不凍液を用いることもできる。シスターン３３には、排水口３３４が設けられており、水位が排水口３３４を超えるとオーバーフローによって排水される。また、上水口４６と接続する給水口３３５と水位センサ３３３が設けられており、水位センサ３３３の検知値に基づいて、暖房用水を給水することができる。

貯湯タンク１１中央部の導出口１１４は、タンクユニット１０に設置されたポンプ１２１を経由して第２燃焼機４２の入口と接続されており、第２燃焼機４２の出口は、貯湯タンク１１の上部の導入口１１３に接続されている。熱交換器１２の貯湯タンク１１の水側の流路は、入口側は導出口１１１に接続されており、出口側はポンプ１２２を経由して導入口１１５に接続されている。

上水口４６と、貯湯タンク１１上部の導出口１１２とは、合流部４０１によって接続されており、合流部４０１は給湯口４４と接続している。上水口４６と合流部４０１とを接続する管路には、給湯の要求温度に応じて上水と貯湯タンク１１内の湯との混合比を調整する混合器４８が設けられている。

分岐部３０５は、追い焚き用熱交換器４５の入口と接続しており、追い焚き用熱交換器４５の出口は、合流部３０３とシスターン３３の導入口３３２とを接続する管路に設けられた合流部３０６に接続されている。追い焚き用熱交換器は二重管構造となっており、熱媒流路が内側であり、浴槽に貯められた温水の流路が外側となっている。ポンプ４２１は、浴槽に貯められた温水を循環させる。

次に、本実施例の貯湯および給湯操作について説明する。貯湯タンク１１の底部には、上水道と接続する導入口１１６から上水が供給される。貯湯タンク１１底部の導出口１１７は、ヒートポンプユニット２０の放熱器２２に接続されており、ポンプ２２１によって貯湯タンク１１の底部の低温の水が供給され、放熱器２２において冷媒と熱交換される。本実施例においては、ヒートポンプユニット２０の能力は６．０ｋＷである。冷媒としてはＲ４１０Ａを用いており、放熱器２２の出口における温水の温度は、５０〜６０℃程度となる。ヒートポンプユニット２０は、一般的な冷凍サイクル装置の制御方法によって制御される。例えば圧縮機２１の吐出温度や、外気温、貯湯タンク１１より流入する水の放熱器２２での入口温度に基づいて制御することができる。

ヒートポンプユニット２０で加熱された温水は、導入口１１８から貯湯タンク１１の頭頂部に戻る。貯湯タンク１１内に貯えられる水は、下部は低温であり、上部に向かって徐々に温度が高くなる。本実施例においては、貯湯タンク１１の上部の温水温度は５０〜６０℃程度となる。

給湯暖房装置１の起動時や貯湯タンク１１の湯切れ時、ヒートポンプユニット２０の能力が不足する場合には、第２燃焼機４２を通過する給湯用燃焼回路を用いて貯湯タンク１１の温水をさらに加熱する。給湯用燃焼回路では、導出口１１４から中温程度の温水が抜き出され、第２燃焼機４２によって加熱されて導入口１１３から貯湯タンク１１の上部に戻される。ポンプ１２１によって給湯用燃焼回路に貯湯タンク１１内の温水を循環させて第２燃焼機４２によって加熱する。

給湯用水としては、導出口１１２から貯湯タンク１１の上部の高温の温水が適宜上水口４６から供給される上水と混合されて給湯口４４に供給される。混合器４８は、給湯の要求温度、貯湯タンク１１の上部の温水の温度、上水の温度などに基づいて、貯湯タンク１１上部の温水と上水との混合比を調整する。貯湯タンク１１の上部の温水よりも高温の給湯用水に対する需要がある場合には、給湯用燃焼回路によって第２燃焼機４２を用いて貯湯タンク１１の上部の温水温度を速やかに高くして供給することができる。

次に本実施例の暖房操作について説明する。タンクユニット１０では、導出口１１１から貯湯タンク１１上部の高温の温水を抜き出し、熱交換器１２を通過させた後、導入口１１５から貯湯タンク１１の中央部の中温水領域に戻す熱媒加熱回路によって、熱媒として用いる暖房用水と貯湯タンク１１上部の温水とを熱交換する。ポンプ１２１によって熱媒加熱回路に貯湯タンク１１内の温水を循環させることによって貯湯タンク１１内の温水によって暖房用水を加熱する。

熱交換器１２によって加熱された暖房用水は、合流部３０３において高温暖房戻り路３４２を流れてくる暖房用水と合流する。合流部３０３において合流した暖房用水は、導入口３３２からシスターン３３に導入される。暖房用水はシスターン３３底部の導出口３３１からポンプ３２１によって汲み出され、分岐部３０４において分流される。分流された暖房用水のうち、一方は低温暖房往路３５１に流入する。他方は、第１燃焼機３２を通過した後、分岐部３０５を経由して高温暖房往路３４１に流入する。低温暖房端末を通過した暖房用水は、低温暖房戻り路３５２を流れて熱交換器１２に流入し、貯湯タンク１１上部の温水によって再度加熱される。高温暖房端末を通過した暖房用水は、高温暖房戻り路３４２を流れて、合流部３０３において熱交換器１２によって加熱された暖房用水と合流する。

分岐部３０５から高温暖房往路３４１に供給する暖房用水（第１燃焼機３２を通過後の暖房用水）を追い焚き用熱交換器４５に導入すれば、風呂の追い焚きを行うことも可能である。風呂追い焚き回路においては、ポンプ４２１によって浴槽に貯められた温水を追い焚き用熱交換器４５の外管に循環させ、追い焚き用熱交換器４５の内管を通過する暖房用水と熱交換することで、追い焚きを行う。追い焚きに利用した暖房用水は、高温暖房戻り路３４２の暖房用水と同様に、合流部３０６からシスターン３３の底部へと戻される。

本実施例においては、熱交換器１２によって加熱された暖房用水の温度は４０〜６０℃、高温暖房戻り路３４２の暖房用水の温度は６０〜７０℃程度となり、合流部３０３において合流した後の暖房用水の温度は、成り行きで６０℃程度となる。高温暖房往路３４１の暖房用水の温度は８０℃程度にする必要があるため、第１燃焼機３２によって８０℃程度となるように加熱する。低温暖房往路３５１の暖房用水の温度が６０℃程度のとき、低温暖房戻り路３５２の暖房用水の温度は、熱交換器１２の入口において、３０〜５０℃となる。

本実施例によれば、高温暖房戻り路の暖房用水は、必ず低温暖房端末を通過した後に、熱交換器に戻されるため、高温暖房戻り路の暖房用水の熱エネルギーは低温暖房端末で有効利用される。熱交換器には、低温暖房端末によって熱利用され、十分に温度が低くなった暖房用水のみが戻される。これによって、熱交換器において、暖房用水と貯湯タンクからの温水との温度差が確保され、熱交換効率が向上するため、貯湯タンクに戻る水の温度を十分に低くすることができる。十分に温度が低くなった水を貯湯タンクの中央部に戻すため、貯湯タンク底部の水温を低く維持することができる。これによって、貯湯タンク底部からヒートポンプユニットに送られる水の温度も低く維持することが可能であるから、ヒートポンプユニットを高効率で運転することができる。ヒートポンプと燃焼機とを熱源として備えたハイブリッド式の給湯暖房装置において、低コスト熱源であるヒートポンプを有効利用できるため、低コスト運転を実現することができる。

また、本実施例では、高温暖房戻り路の暖房用水と、熱交換器によって加熱された暖房用水とを合流させることで、暖房用水の温度が低温暖房往路の暖房用水に必要な温度になるように調整することができる。

また、本実施例の給湯暖房装置によれば、ヒートポンプユニットで加熱する水の入口温度を低くすることが可能であるので、沸き上げ温度が５０〜６０℃程度までしか上げられないＲ４１０Ａ等のフロン系冷媒を用いても、加熱用水と冷媒温度との温度差を確保することができ、ヒートポンプユニットを有効に利用して沸き上げを行うことが可能である。

また、本実施例の給湯暖房装置では、暖房用水を加熱する第１燃焼機と貯湯タンクの水を加熱する第２燃焼機をそれぞれ別々に設けているため、貯湯タンクに貯える温水の最高温度が５０〜６０℃程度であっても、速やかにより高温（例えば８０℃）の給湯や高温暖房に対応することができる。貯湯タンクに貯える温水の温度が低くてもよいので、貯湯タンクでの熱ロス（例えば外気との温度差による放熱）が低減できる。また、低温暖房を定常的に用い、高温暖房を一時的に用いるような場合において、特に効率よい運転を実現することが可能である。

尚、本実施例では、給湯暖房装置の場合について説明したが、給湯回路を備えない暖房専用装置にも本発明を適用できる。

尚、本実施例においては、Ｒ４１０Ａを冷媒として用いた場合について説明したが、ヒートポンプユニットで加熱する水の入口温度を低くすれば、ヒートポンプユニットの効率が向上することは、ＣＯ_２冷媒等の他の冷媒についても同様である。ヒートポンプユニットの効率向上に寄与し、ハイブリッド式の給湯暖房装置の低コスト運転が可能である。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例の給湯暖房装置を説明する図。

符号の説明

１ 給湯暖房装置
１０ タンクユニット
１１ 貯湯タンク
１２ 熱交換器
２０ ヒートポンプユニット
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 膨張機構
２４ 蒸発器
３０ ガス熱源ユニット
３２ 第１燃焼機
３３ シスターン
４２ 第２燃焼機
４４ 給湯口
４５ 追い焚き用熱交換器
４６ 上水口
４８ 混合器
１１１、１１２、１１４、１１７ 貯湯タンク導出口
１１３、１１５、１１６、１１８ 貯湯タンク導入口
１２１、１２２、２２１、３２１、４２１ ポンプ
３０３、３０６、４０１ 合流部
３０４、３０５ 分岐部
３３１ シスターン導出口
３３２ シスターン導入口
３３３ 水位センサ
３３４ 排出口
３３５ 給水口
３４１ 高温暖房往路
３４２ 高温暖房戻り路
３５１ 低温暖房往路
３５２ 低温暖房戻り路

Claims (1)

1. 高温暖房端末と低温暖房端末とを備えた暖房回路と、
   ヒートポンプと、
   ヒートポンプによって加熱された水を貯える貯湯タンクと、
   前記暖房回路を循環する熱媒を加熱する燃焼機と、
   前記貯湯タンクに貯えられた水と、前記暖房回路を循環する熱媒とを熱交換する熱交換器とを備えた暖房装置であって、
   前記暖房回路は、その一部が前記高温暖房端末を含む経路と前記低温暖房端末を含む経路に分岐しており、
   前記高温暖房端末を含む経路は、前記熱媒の流れ方向の上流側から前記燃焼機と前記高温暖房端末とが直列に接続しており、
   前記低温暖房端末を含む経路は、前記熱媒の流れ方向の上流側から前記低温暖房端末と前記熱交換器とが直列に接続しており、
   前記高温暖房端末の下流側は、前記熱交換器の下流側に合流していることを特徴とする暖房装置。

Images