JP2010513830A - 空気熱源ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

周囲温度の空気から蒸発器４で熱が抽出され、より高温の熱がコンデンサ２において排出される空気熱源ヒートポンプにおいて、上記ヒートポンプは、上記蒸発器４上の霜の堆積を回避することが必要な場合に、上記周囲空気を予熱するように構成された補助ヒータ７をさらに含み、該補助ヒータ７は、放熱器を加熱するための再循環水を加熱するように構成されたガス燃焼ボイラーなどの燃焼ヒータを用いることができ、燃焼排ガスは上記周囲空気と混合した後、上記蒸発器４を通過する。

Description

本発明は、周囲温度の空気から熱を抽出する空気熱源ヒートポンプに関する。より高温で排出された熱は、建物などを加熱するための熱源として使用される。

ヒートポンプという概念は、長年にわたって知られている。ヒートポンプの動作原理としては、特定の（より低い）温度の熱源から得られる熱を抽出し、この熱を、ヒートポンプを駆動するために必要なエネルギーと共に、より高温で排出する。排出された熱は、通常、建物などの生息空間を加熱するために用いられ、生息空間中の空気を直接的に、または水などの再循環伝熱流体の利用を通じて加熱し得る。冷蔵庫は一種のヒートポンプであり、その主目的は、冷却すべき対象から熱を除去することである。状況に応じて、冷却効果の恩恵を受けるだけでなく、排熱の利用が可能である。このようなヒートポンプは特に経済的である。しかし、ほとんどの状況において、加熱要求と冷却要求との間でのマッチングが困難であり、実際、ほとんどのシステムは、加熱目的または冷却目的いずれかのためだけに用いられている。

長年にわたり、燃料価格が低かったため、ヒートポンプは概して経済的でなく、化石燃料燃焼に起因する二酸化炭素放出に対する関心も低かった。ところが、燃料価格が上昇し、大気中の二酸化炭素濃度上昇の影響への関心も大きくなり、状況は変化している。

蒸気圧縮サイクルで動作するヒートポンプは、圧縮段階を開始するためのエネルギー源を必要とする。吸収型ヒートポンプの場合、溶解冷媒および溶媒が、液体となるまで高圧に圧縮され、純冷媒の凝縮が可能になる圧力において溶媒から冷媒を沸騰させるために熱が使用される。その後、純冷媒は圧力を下げられ、熱抽出が可能な蒸発器まで移送される。別の構成において、電気的または機械的に駆動される圧縮器が用いられ、これにより、建物内での化石燃料の燃焼が回避される。蒸気圧縮ヒートポンプの場合、建物内に排出される熱エネルギーの量は、通常、ヒートポンプ駆動に用いられるエネルギー量の数倍になる。建物の加熱のためのヒートポンプの利用は、今や経済的となり、状況によっては義務づけられている。ヒートポンプから出力される熱の大部分は、周囲環境によって提供されるため、再生可能である。

地中または地下水から熱を抽出するヒートポンプは公知である。しかし、本発明は、周囲空気を熱源として用いるヒートポンプに関する。空気熱源ヒートポンプにおいては、周囲空気から熱を抽出し、この熱によって、蒸発器中の蒸発冷媒を加熱する。その後、冷媒に対して作用（ワーク）が働き、冷媒が圧縮され、より高温に加熱される。圧縮された冷媒からより高温で熱が出力され、この熱は、建物などの加熱のための熱源として用いられる。一般的に、ヒートポンプの効率が最も高いのは、熱が吸収される温度と熱が排出される温度との間の差が小さいときである。しかしこれは、建物を加熱することがほとんど要求されない状況である。通常、最大量の熱が要求されるのは、周囲空気の温度が最も低く、それゆえにヒートポンプの効率が最低になる場合である。

その他、特に冷たい周囲空気が使用されたために蒸発器の温度があまりに低くなった場合に、凝縮した水蒸気が霜となって蒸発器を詰まらせる危険性があるという課題がある。このため、空気熱源ヒートポンプには、気候が寒冷である場合に、何らかの補助的な熱源が通常必要とされるという課題がある。このような補助的な熱源の提供については公知であり、通常は電源が用いられる。周囲温度が特に低い場合、補助ヒータを作動させて建物内に直接追加的な熱を提供することで、ヒートポンプからの熱を増大させることができる。周囲温度がより低くなるにつれ、ヒートポンプ効率が低下し、追加の補助加熱を行う必要性が増すことになる。

米国特許第４１９１０２３号には、ヒートポンプそのものの一部として動作する補助燃焼ヒータを提供することが開示されている。この場合、補助ヒータは、第２の回路中の冷媒をコンデンサ到達前に沸騰させ、ヒートポンプから排出される熱の量を増加させている。しかしながら、このようなシステムは、蒸発器中の霜発生の問題には対応してない。

米国特許第４１９１０２３号

本発明は、これらの不利点を軽減することを目的としている。

概略的には、本発明は、空気熱源ヒートポンプへの流入空気を直接加熱することで、周囲空気温度が低い場合に生ずる霜の発生を回避する、ヒータの使用に関する。このため、周囲空気温度が効果的に上昇し、これにより、霜発生を低減させるだけでなく、ヒートポンプ効率を上昇させる。

具体的には、本発明は、空気熱源ヒートポンプを提供する。上記空気熱源ヒートポンプにおいて、周囲温度の熱が蒸発器によって抽出され、コンデンサにおいてより高温で熱が排出される。上記ヒートポンプは、上記蒸発器上での霜の堆積を回避することが必要になった場合に、上記周囲空気を予熱するように構成された補助ヒータをさらに備える。

一般的に、上記補助ヒータは、例えば低温条件下において上記蒸発器表面上に霜が形成される危険性がある場合のみ、作動する。通常、上記補助ヒータは、上記周囲温度が１０℃を下回った場合（特に、５℃を下回った場合、さらには２℃を下回った場合、とりわけ１℃を下回った場合）に、上記周囲空気に補助熱を提供するように構成される。上記周囲空気の相対湿度が高い場合、上記周囲空気の加熱効果はより高くなり、補助加熱の必要性は低くなる。

上記補助ヒータは、通常、冷媒の蒸発圧力（または温度）をモニタリングし、その後、十分な熱を付与することにより、霜形成が可能となる圧力において冷媒が蒸発することを回避しうるように構成される。あるいは、上記補助ヒータは、上記周囲空気の温度および湿度に応じて制御することもできるが、これを実際に行うのはかなり困難である。

上記補助ヒータとしては、電気ヒータ、その他の熱源からの廃熱の利用が挙げられるが、燃焼ヒータを用いるのが特に好ましい。この場合、上記燃焼ヒータからの燃焼排ガスが上記周囲空気と混合される。上記周囲空気そのものを上記燃焼ヒータ用の空気熱源として用いることができるが、そのための空気を別の場所から導入してもよい。上記燃焼ヒータそのものは上記システムの二酸化炭素排出の一因となるが、それでも比較的低コストであり、効率的に補助加熱を行うことができ、また、温暖な気候においてはほとんどの暖房期間において不要である。条件は、一般的には、燃焼排ガス中の燃焼の生成物として得られる水が上記蒸発器の表面上に液体として凝縮し、これにより、蒸発潜熱が回収されるように、構成される。上記補助燃焼ヒータは、一般的には、炭化水素などの化石燃料を燃料源として用いる。硫黄分が低いガス（例えば、北海ガス）は、上記蒸発器表面の腐食を引き起こさないことが知られている。炭化水素は一般的には液状またはガス状の炭化水素であり、より詳細には１０個未満の炭素原子を持つ。Ｃ₁〜Ｃ₆炭化水素が好適であり、特に天然ガス（これは、ほとんどがメタンである）、プロパンまたはブタンが好適である。

好適な実施形態において、上記補助ヒータは燃焼ヒータ（例えば、ガス燃焼ボイラー）であり、この燃焼ヒータは、建物（または、すべての加熱対象）へ熱を直接提供するために用いられる流体を加熱する。典型的には、上記流体は空気または再循環水である。上記ヒータはさらなる加熱が必要な場合に作動し、加熱された流体を介して建物に直接熱を提供する。また、上記ボイラーからの燃焼排ガスが周囲空気と混合した後、上記空気は上記蒸発器を通過するため、さらなる熱入力が上記ヒートポンプに提供される。

上記ガス燃焼ボイラーとしては凝縮型のものが挙げられるが、この場合、効率が高まり、加熱流体の熱含量に対する燃焼排ガスの熱含量を低減させることができる。ただし、上記ガス燃焼ボイラーは非凝縮型のものでもよい。

上記加熱された流体は、通常、空気または再循環水である。他の用途にその他のガスまたは液体を用いてもよい。再循環水は、通常、放熱器の加熱に用いられる。上記加熱された空気または水は、建物内での床下加熱を提供し得る。

上記ヒートポンプには、任意の適切な冷媒を用いうる。本発明による顕著な効果は、熱が抽出される温度（すなわち、蒸発温度）を、ヒートポンプ性能を向上させうるように制御することが可能である点である。上記ヒートポンプは、典型的には、揮発性冷媒を圧縮するためのエネルギー源を用いて、蒸発−凝縮サイクルで作動する。上記エネルギー源は、圧縮器（例えば、電動圧縮器）であってもよいし、あるいは吸収型システムでは、液体ポンプおよび熱源の組合せであってもよい。

通常、上記ヒートポンプは、５〜１５℃（特に７〜１２℃）の範囲の周囲空気（必要ならば予熱されたもの）から熱を抽出するように構成される。熱は、直接空気加熱または床下加熱の場合には、通常、３０〜３５℃の温度範囲で排出され、循環水による加熱の場合には、通常、５０〜５５℃の温度範囲で排出される。

図１は、本発明の第１の実施形態による空気熱源ヒートポンプの模式図である。この空気熱源ヒートポンプは、燃焼ヒータを補助ヒータとして用いる。 図２ａは、第２の実施形態の模式図である。補助ヒータは、再循環する加熱水の流れも加熱するガスボイラーである。 図２ｂは、同様に、第２の実施形態の模式図である。

以下、本発明の一実施形態について、例示目的のみのために、添付図面を参照しながら説明する。

簡潔に述べると、図１は、空気熱源ヒートポンプの回路を示す。この空気熱源ヒートポンプは、圧縮器１、コンデンサ２、膨張装置３、蒸発器４、ケーシング５、ファン６、ガスバーナー７および相互接続配管１４を有する。上記ヒートポンプは、再循環される揮発性冷媒を含む。

作動時において、コンデンサ２からの温度５５℃の液化冷媒は、膨張装置３を通って膨張し、蒸発器４へと移動し、ここで上記冷媒は、上記蒸発器のパイプ内において蒸発し、周囲空気から熱を抽出する。温度５℃の冷媒が、圧縮器１によって上記蒸発器から引き出され、その後凝縮圧力まで再度圧縮され、コンデンサ２において凝縮される。温度５５℃の凝縮冷媒は、加熱対象である建物へ熱を排出することで、温度５５℃において液化される。空気流から抽出された熱および圧縮器中に投入されたワーク（仕事）と等価が、上記コンデンサから排出される。その後、上記冷媒は、相互接続配管１４を通じて膨張装置３へと戻る。膨張装置において、上記冷媒は蒸発圧力まで低下され、上記蒸発器へと戻され、ここで上記サイクルが再開する。

周囲空気１０は、ヒートポンプの熱源である。周囲空気は、ファン６によってケーシング５中へと引き込まれ、矢印方向に出て行く。周囲空気温度が低すぎることのない通常の状態下において、蒸発器４の表面との熱交換により上記周囲空気から熱が抽出される。しかし、上記周囲空気温度が低下した場合、上記蒸発器表面上に霜が集まる危険性がある。上記蒸発器の温度および／または圧力は、センサー手段（図示せず）によってモニタリングされ、所定値に達した場合、燃焼ヒータ７が作動する。上記燃焼ヒータ７は、天然ガス（これは、蒸発器表面を損傷させ得る腐食性燃焼排ガスを一般的に生成しない）を用いる。補助燃焼ヒータ７は、上記周囲空気温度をプリセット温度まで戻すように作動し、これにより、霜生成の危険性が回避され、上記ヒートポンプの効率が向上する。上記蒸発器表面上で凝縮する水は、ドレイン（図示せず）を介して排水されるように構成されうる。

よって、通常の作動条件下において、上記蒸発器表面上に霜を生成することなく、熱が周囲空気から抽出される。しかし、上記周囲空気温度が、上記蒸発器上に霜が形成される程度まで低下した場合には、補助ガスバーナー７が点火され、さらなる熱源が提供され、霜形成が回避される。上記バーナー７は、上記蒸発器表面上を流れる周囲空気がプリセット温度となるように制御してもよいし、あるいは、水の氷点未満の温度で冷媒が蒸発するのを回避するように制御してもよい。

選択された圧縮器、蒸発器、およびアンモニアを冷媒として用いるコンデンサを用いたとき、製造業者のデータから、空気が温度１５℃（相対湿度は７５％）であり、空気流が１７ｍ³／ｓであれば、上記冷媒が１０℃（６．１５絶対バール）で蒸発し、５５℃で凝縮する場合、熱抽出は１４０ｋＷとなることが分かる。これらの状態下において、上記圧縮器は３４．７ｋＷを吸収する。従って、性能係数（加熱）は（３４．７＋１４０）／３７．４＝５．０２である。

霜形成前の上記システムの限界は、冷媒が０℃（４．１９絶対バール）において蒸発する場合である。冷媒が０℃において蒸発し、５５℃において凝縮した場合、冷却システムは１０１．７ｋＷの熱を抽出し、３３．７ｋＷの電力を吸収する。従って、性能係数（加熱）は（３３．７＋１０１．７）／３３．７＝４．０２である。

よって、限定的条件下においても、上記ヒートポンプは、熱形態の入力エネルギーの４倍を超えるエネルギーを生成する。

冷媒が０℃において蒸発する場合の限定的条件において、周囲温度は約３℃であることが分かる。周囲温度が３℃を下回った場合、上記補助ヒータによって全ての熱が提供されるまで、上記補助ヒータが徐々に用いられる。

英国または日本などの温暖な気候においては、相当の期間においても、温度が３℃を下回ることはまれである。よって、説明された本発明は、例外的状況を除いて、化石燃料を使用する必要はなく、効果的な熱提供方法を提供する。化石燃料をどうしても使用しなければならない場合、燃焼生成物が約３℃まで冷却されるため、化石燃料は最大効率で用いられる。

図２ａおよび図２ｂは、第２の実施形態（類似部分は図１と同様の参照符号で示す）を示す。図２ａおよび図２ｂにおいて、ガスバーナー７は、蒸発器４中に燃焼排ガスを提供するだけではなく、加熱された水の再循環流１５も加熱する。この水の再循環流は、（コンデンサ２からの熱と共に）建物を加熱するために用いられる。

図２ａは、仕切り８によって規定された別個のチャンバ中に収容されたガス燃焼ボイラー７を示す。空気流９は、ボイラーに燃焼空気を供給し、燃焼排ガス１２はボイラー煙道１３を経由して出て行く。周囲空気１０が、ケーシング５の壁中のルーバー１６を通じてヒートポンプユニットに入り、上記ガスボイラーからの燃焼排ガス１２と混ざる。その後、この混合ガス流は、上述したように蒸発器４を通過し、流れ１１として出て行く。

加熱水回路１５は、建物内の放熱器などへと提供され、ヒートポンプの通常動作時にコンデンサ２中で排出された熱をピックアップする。しかし、さらなる加熱が必要な場合、ガス燃焼ボイラー７が作動する。その結果、さらなる熱が再循環水１５へと提供され、燃焼排ガスも提供され、その結果、蒸発器４上を流れる周囲空気１０へとさらなる熱が提供される。その結果、水流１５を介した直接加熱と、上記ヒートポンプを介した間接加熱との間のバランスが得られ、このバランスは、異なる条件に合うように最適化可能である。

Claims (11)

1. 周囲温度の空気から熱が蒸発器によって抽出され、より高温の熱がコンデンサによって排出される空気熱源ヒートポンプであって、前記蒸発器上での霜の堆積を回避する必要がある場合に、前記周囲空気を予熱するように構成された補助ヒータをさらに備えることを特徴とするヒートポンプ。
2. 前記補助ヒータは燃焼ヒータであり、前記燃焼ヒータからの燃焼排ガスは、前記周囲空気と混合した後、前記蒸発器を通過することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 前記燃焼ヒータはガス燃焼ボイラーであり、前記ボイラーは、さらなる熱を提供する加熱流体回路を含むことを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
4. 前記補助ヒータは、前記周囲空気の温度が５℃を下回った場合に作動するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
5. 前記補助ヒータは、前記周囲空気の温度が２℃を下回った場合に動作するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ。
6. 前記蒸発圧力をモニタリングし、前記補助ヒータによって十分な熱を付加するように構成され、これにより、前記蒸発器上に霜が形成される圧力で前記蒸発器が作動することを回避することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
7. 前記燃焼排ガスからの燃焼の水が、前記蒸発器表面上に液体として凝縮するように構成され、これにより蒸発の潜熱を回収することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
8. 前記加熱流体回路は、前記蒸発器を通過し、次に前記ガス燃焼ボイラーを通過することを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
9. 前記ガス燃焼ボイラーは凝縮型であることを特徴とする請求項８に記載のヒートポンプ。
10. 直接空気加熱または床下加熱のために、３０〜３５℃の範囲の温度で熱が排出されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
11. 水を前記加熱流体として加熱するために、５０〜５５℃の範囲の温度で熱が排出されることを特徴とする請求項８または９に記載のヒートポンプ。

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