JP2012132583A - ヒートポンプ式暖房給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温水タンク内の温度成層を乱す要因を減らすとともに、温水タンクの小型化を可能にするだけでなく、暖房負荷及び給湯負荷の両方に対応可能であり、さらにヒートポンプへの送水温度を低下させて高効率な運転を可能にする。
【解決手段】ヒートポンプユニット２と、ヒートポンプユニット２で加熱された温水を貯留する温水タンク３と、温水タンク３に貯留された温水を暖房機器４を経由して再びタンク３内に戻す暖房用流路５と、冷水が流入して給湯を流出する給湯用流路６と、タンク３下部の温水をヒートポンプユニット２を経由して再びタンク３内に戻す加熱用流路７と、温水タンク３の外部に設けられており、給湯用流路６を流れる冷水及び加熱用流路７をヒートポンプに向かって流れる温水の間で熱交換する給湯用熱交換器８とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式暖房給湯装置に関するものである。

従来のヒートポンプ式暖房給湯装置としては、特許文献１に示すように、ヒートポンプユニットと、このヒートポンプユニットで加熱された温水を貯える温水タンクと、この温水タンク内に配置され、給湯水が内部を流れる給湯用熱交換器と、前記温水タンク内に貯められた温水を温水タンク外の暖房機器を経由させて再び温水タンク内に戻す循環回路と、温水タンク底部の温水をヒートポンプユニットを経由して再びタンク内に戻す加熱用流路とを有するものが考えられている。

しかしながら、この構成の暖房給湯装置では、給湯用熱交換器であるコイルパイプがタンク内に収容されてこのコイルパイプ内に冷水を流入させているので、温水タンク内の温度成層が乱れるという問題がある。具体的には、温水タンクの上部の高温水温度を低下させてしまう。また、コイル方式は、自然対流熱伝達のため熱伝達係数が悪く、コイルの伝熱面積を多くすると、温水タンクの容積及び重量の増大に繋がる。

ここでヒートポンプ式熱源機はヒートポンプへの送水温度が高いほど運転効率が悪くなる。上記の構成を用いてヒートポンプへの送水温度を低くするためには、冷水を温水タンクの底部側から流入させることによってタンク下層水の温度を低くすることが考えられる。

しかしながら、容積が大きい下層水と、コイルパイプを流れる容積の小さい冷水との熱交換であるため、送水温度の低下の効果は小さい。

さらに上記の暖房給湯装置を用いて、暖房機器への温水の供給（暖房負荷）と給湯の供給（給湯負荷）との両方の負荷に対応する場合には、特に給湯負荷が大きい場合、温水タンク内の温水の温度成層が乱れるとともに暖房温度の低下を招いてしまうという問題がある。

特開２００９−１８０４８４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、温水タンク内の温度成層を乱す要因を減らすとともに、温水タンクの小型化を可能にするだけでなく、暖房負荷及び給湯負荷の両方に対応可能であり、さらにヒートポンプユニットへの送水温度を低下させて高効率な運転を可能にすることを主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る暖房給湯装置は、ヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットで加熱された温水を貯留する温水タンクと、前記温水タンクに貯留された温水を暖房機器を経由して再び温水タンク内に戻す暖房用流路と、冷水が流入して温水を流出する給湯用流路と、前記温水タンク下部の温水を前記ヒートポンプユニットを経由して再び温水タンク内に戻す加熱用流路と、前記温水タンクの外部に設けられており、前記給湯用流路を流れる冷水及び前記加熱用流路をヒートポンプユニットに向かって流れる温水の間で熱交換する給湯用熱交換器とを備えることを特徴とする。

このようなものであれば、給湯用熱交換器を温水タンクの外部に設けて給湯用流路を流れる冷水及び加熱用流路を流れる温水の間で熱交換していることから、温水タンク内の温度成層を乱す要因を減らすことができる。また、温水タンク内の熱交換器を省略することができ、温水タンクの小型化を可能にすることができる。さらに、給湯用熱交換器が加熱用流路を流れる温水及び給湯用流路を流れる冷水を熱交換することから、ヒートポンプユニットへの送水温度を好適に低くすることができ、より高効率な運転が可能となる。その上、暖房負荷及び給湯負荷の両方に対応する場合、特に給湯負荷が大きい場合であっても、給湯用熱交換器が温水タンクの外部に設けられていることから温水タンクの温度成層を乱すことがなく、暖房温度の低下を招くこともない。

ヒートポンプユニットへの送水温度を可及的に低くしながらも熱交換器を大幅に小型化するためには、前記給湯用熱交換器がプレート式熱交換器であることが望ましい。このプレート式熱交換器では強制対流熱伝達であり、その熱交換効率は、自然対流熱伝達の４〜１０倍である。

給湯（給水）がない場合に加熱用流路の温水が給湯用熱交換器を経由するものでは、圧力損失により加熱用流路に設けた循環ポンプの動力が増大してしまう。この問題を好適に解決するためには、前記加熱用流路が、三方弁を介して、前記ヒートポンプユニットに直接流入する第１加熱用流路と、前記給湯用熱交換器を経由して前記第１加熱用流路に合流する第２加熱用流路とに分岐しており、前記給湯用流路に冷水が流入した場合に、前記三方弁を切り換えて前記温水タンクの温水を前記第２加熱用流路に流して前記給湯用熱交換器に供給することが望ましい。

具体的には、前記給湯用流路が冷水の有無を検出する給水検知手段を有しており、前記給水検知手段が前記給湯用流路に冷水が流入したことを検知した場合に、前記三方弁を切り換えて前記温水タンクの温水を前記第２加熱用流路に流して前記給湯用熱交換器に供給することが望ましい。

温水タンク内の温度成層を一層乱さないようにするためには、前記加熱用流路が、前記ヒートポンプユニットを経由した下流側に温度検知手段を有し、当該温度検知手段の下流側において、三方弁を介して、前記温水タンクの上部に接続された加熱用上部流路及び前記温水タンクの中間部に接続された加熱用中間流路に分岐しており、前記温度検知手段の検知温度が所定値以上の場合に、前記三方弁を切り換えて前記加熱用上部流路により温水を温水タンクに戻し、前記検知温度が所定値未満の場合に前記三方弁を切り換えて前記加熱用中間流路により温水を温水タンクに戻すものであることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、温水タンク内の温度成層を乱す要因を減らすとともに、温水タンクの小型化を可能にするだけでなく、暖房負荷及び給湯負荷の両方に対応可能であり、さらにヒートポンプユニットへの送水温度を低下させて高効率な運転を可能にすることができる。

本実施形態に係る暖房給湯装置の模式的構成図。 同実施形態の暖房給湯装置の動作を示すフローチャート。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る暖房給湯装置１００は、図１に示すように、ヒートポンプユニット２と、ヒートポンプユニット２で加熱された温水を貯留する温水タンク３と、温水タンク３に貯留された温水を暖房機器４を経由して再びタンク３内に戻す暖房用流路５と、冷水が流入して温水を流出する給湯用流路６と、タンク３の底部の温水をヒートポンプユニット２を経由して再びタンク３内に戻す加熱用流路７と、温水タンク３の外部に設けられており、給湯用流路６を流れる冷水及び加熱用流路７をヒートポンプユニット２に向かって流れる温水の間で熱交換するプレート式熱交換器である給湯用熱交換器８と、暖房給湯装置１００の各部を制御する制御手段９とを備えている。なお、暖房給湯装置１００の運転時において、温水タンク３内に形成される温度成層は、図１に示すように一例として上部が８０度であり、底部が５０度〜６０度である。

ヒートポンプユニット２は、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３及び膨張弁２４をこの順に環状に接続し、内部に例えば二酸化炭素等の冷媒を流通させることで、冷凍サイクルを営むように構成したものである。

暖房用流路５は、温水タンク３から暖房機器４に温水を供給する暖房用往路５１と、暖房機器４から排出される温水を温水タンク３に戻す暖房用復路５２からなる。

暖房用往路５１には暖房用流路５に温水を循環させるための暖房用循環ポンプ５３が設けられている。また、暖房用往路５１における暖房用循環ポンプ５３の上流側には暖房用三方弁５４が設けられており、当該暖房用三方弁５４には、温水タンク３の上部に接続された暖房用上部流路５１１と温水タンク３の中間部に接続された暖房用中間流路５１２とが接続されている。なお、温水タンク３には、上部の水の温度を検知する温度センサ３１と、中間部の水の温度を検知する温度センサ３２が設けられている。そして、後述する制御手段９によって暖房用三方弁５４が制御されることにより、温水タンク３からの温水を暖房用上部流路５１１又は暖房用中間流路５１２のいずれかに流れるように切り換えられる。

暖房用復路５２は、温水タンク３の下部に接続されており、その開口は温水タンク３内において鉛直下向きとなるように構成されている。これにより、温水タンク３内の温度成層を乱さないようにしている。

給湯用流路６は、給水ポート６ａから冷水が流入するとともに給湯ポート６ｂから給湯用熱交換器８により温められた温水（給湯水）が流出するものである。また、この給湯用流路６の給湯ポート６ｂ側には、給湯用三方弁６１が設けられており、この給湯用三方弁６１を介して給水ポート６ａ側と接続されている。この給湯用三方弁６１は後述する制御手段９により制御されて、熱交換器８により暖められた温水と給水ポート６ａから流入した冷水との割合を調整することにより、所望の温度の温水が給湯ポート６ｂから流出するように構成している。

また、給湯用流路６には、給湯用熱交換器８及び給湯用流路６における冷水の有無を検出する給水検知手段６２がこの順で設けられている。なお給水検知手段６２としては、例えば温度センサや圧力センサ等が考えられる。

加熱用流路７は、温水タンク３からヒートポンプユニット２に温水を供給する加熱用往路７１と、ヒートポンプユニット２から温水タンク３に加熱された温水を戻す加熱用復路７２とからなる。

加熱用往路７１は、温水タンク３の底部に接続されており、第１加熱用三方弁７３を介して、ヒートポンプユニット２に直接流入する第１加熱用流路７１１と、給湯用熱交換器８を経由して第１加熱用流路７１１に合流する第２加熱用流路７１２とに分岐している。また、加熱用往路７１における第１加熱用三方弁７３の上流側には、温水を加熱用流路７に循環させるための加熱用循環ポンプ７４が設けられている。第１加熱用三方弁７３及び加熱用循環ポンプ７４は、後述する制御手段９により制御される。

また、加熱用復路７２は、当該加熱用復路７２を流れる加熱された温水の温度を検出する温度検知手段である温度センサ７５と、当該温度センサ７５の下流側に設けられた第２加熱用三方弁７６とを備えている。そして加熱用復路７２は、この第２加熱用三方弁７６を介して、温水タンク３の上部に接続された加熱用上部流路７２１と温水タンク３の中間部に接続された加熱用中間流路７２２に分岐している。第２加熱用三方弁７６は、後述する制御手段９により制御される。

制御手段９は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏチャネル、ディスプレイ等の出力機器、キーボードなどの入力機器、ＡＤコンバータ等を有したいわゆるコンピュータであり、前記メモリに格納した制御プログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が動作することによって、暖房給湯装置１００の各部を制御する。

次にこの制御手段９の制御内容とともに暖房給湯装置１００の動作について図２を参照して説明する。なお、以下は暖房給湯装置１００が通常の暖房運転を行っている際に給湯を行う場合である。

給湯を行う場合には給湯用流路６に冷水が供給される（ステップＳ１）。そうすると、当該流路６に設けられた給水検知手段である温度センサ６２により給湯指令が検知される（ステップＳ２）。なお、通常暖房運転時においては、第１加熱用三方弁７３は第１加熱用流路７１１に温水が流れるように制御されている。

温度センサ６２からの検出信号を取得した制御手段９は、まず加熱用往路７１上の第１加熱用三方弁７３を制御して第１加熱用流路７１１から第２加熱用流路７１２に切り換える（ステップＳ３）。また制御手段９は、加熱用復路７２上の第２加熱用三方弁７６を制御して加熱用上部流路７２１から加熱用中間流路７２２に切り換える（ステップＳ４）。ここで加熱用循環ポンプ７４が停止している場合には循環ポンプ７４を起動し（ステップＳ５）、循環ポンプ７４の回転数が最大値となるように制御する（ステップＳ６）。

このような制御により、温水タンク３からの温水が給湯用熱交換器８に流入する。これにより第２加熱用流路７１２を流れる温水と給湯用流路６を流れる冷水との間で熱交換されて、給湯用流路６を流れる水が加熱されるとともに、第２加熱用流路４１２を流れる温水が冷却され、ヒートポンプユニット２に送水される温水の温度が低下する。

そして制御手段９は、加熱用復路７２上の温度センサ７５からの検出信号を取得して、加熱用復路７２を流れる温水の温度が所定値未満か否かを判断する（ステップＳ７）。なお、この所定値は、温水タンク３上部の水の温度を検知する温度センサ３１の検知温度（例えば８０度）である。

加熱用復路７２を流れる温水の温度が所定値未満である場合には、ヒートポンプユニット２の圧縮機２２の周波数を増加して、凝縮器２３で加熱される温水の温度を前記所定値を目標値として上昇させる（ステップＳ８）。また、加熱用復路７２から温水タンク３に戻る温水の温度が８０度以下の場合に中間部に戻すことになり、温水タンク内の温度成層を乱すことを防止できる。

一方、加熱用復路７２を流れる温水の温度が所定値以上である場合には、第２加熱用三方弁７６を制御して加熱用中間流路７２２から加熱用上部流路７２１に切り換えて、加熱された温水が温水タンク３の上部から戻されるようにする（ステップＳ９）。

そして、給湯中は、ステップＳ７〜ステップＳ９を繰り返す（ステップＳ１０）。一方給湯が終了した場合には、制御手段９は、第１加熱用三方弁７３を制御して第２加熱用流路７１２から第１加熱用流路７１１に切り換えて、温水タンク３からの温水が給湯用熱交換器８を経由せずに直接ヒートポンプユニット２に流入するようにする（ステップＳ１１）。そしてその後暖房運転を終了する場合には加熱用循環ポンプ７４等を停止させる（ステップＳ１２）。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る暖房給湯装置１００によれば、給湯用熱交換器８を温水タンク３の外部に設けて給湯用流路６を流れる冷水及び加熱用流路７を流れる温水の間で熱交換していることから、温水タンク３内の温度成層を乱す要因を減らすことができる。また、温水タンク３内の熱交換器８を省略することができ、温水タンク３の小型化を可能にすることができる。さらに、給湯用熱交換器８が加熱用流路７を流れる温水及び給湯用流路６を流れる冷水を熱交換することから、ヒートポンプへの送水温度を好適に低くすることができ、より高効率な運転が可能となる。その上、暖房負荷及び給湯負荷の両方に対応する場合、特に給湯負荷が大きい場合であっても、給湯用熱交換器８が温水タンク３の外部に設けられていることから温水タンク３の温度成層を乱すことがなく、暖房温度の低下を招くこともない。また、プレート式熱交換器８を用いていることから、ヒートポンプユニット２への送水温度を可及的に低くしながらも熱交換器８を大幅に小型化することができる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・暖房給湯装置
２ ・・・ヒートポンプユニット
３ ・・・温水タンク
４ ・・・暖房機器４
５ ・・・暖房用流路５
６ ・・・給湯用流路
７ ・・・加熱用流路
８ ・・・給湯用熱交換器
７３ ・・・第１加熱用三方弁
７１１・・・第１加熱用流路
７１２・・・第２加熱用流路
６２ ・・・給水検知手段
７５ ・・・温度検知手段
７６ ・・・第２加熱用三方弁
７２１・・・加熱用上部流路
７２２・・・加熱用中間流路

Claims (5)

1. ヒートポンプユニットと、
   前記ヒートポンプユニットで加熱された温水を貯留する温水タンクと、
   前記温水タンクに貯留された温水を暖房機器を経由して再び温水タンク内に戻す暖房用流路と、
   冷水が流入して温水を流出する給湯用流路と、
   前記温水タンク下部の温水を前記ヒートポンプユニットを経由して再び温水タンク内に戻す加熱用流路と、
   前記温水タンクの外部に設けられており、前記給湯用流路を流れる冷水及び前記加熱用流路をヒートポンプユニットに向かって流れる温水の間で熱交換する給湯用熱交換器とを備える暖房給湯装置。
2. 前記給湯用熱交換器がプレート式熱交換器である請求項１記載の暖房給湯装置。
3. 前記加熱用流路が、三方弁を介して、前記ヒートポンプユニットに直接流入する第１加熱用流路と、前記給湯用熱交換器を経由して前記第１加熱用流路に合流する第２加熱用流路とに分岐しており、
   前記給湯用流路に冷水が流入した場合に、前記三方弁を切り換えて前記温水タンクの温水を前記第２加熱用流路に流して前記給湯用熱交換器に供給する請求項１又は２記載の暖房給湯装置。
4. 前記給湯用流路が、冷水の有無を検出する給水検知手段を有しており、
   前記給水検知手段が前記給湯用流路に冷水が流入したことを検知した場合に、前記三方弁を切り換えて前記温水タンクの温水を前記第２加熱用流路に流して前記給湯用熱交換器に供給する請求項３記載の暖房給湯装置。
5. 前記加熱用流路が、前記ヒートポンプユニットを経由した下流側に温度検知手段を有し、当該温度検知手段の下流側において、三方弁を介して、前記温水タンクの上部に接続された加熱用上部流路及び前記温水タンクの中間部に接続された加熱用中間流路に分岐しており、
   前記温度検知手段の検知温度が所定値以上の場合に、前記三方弁を切り換えて前記加熱用上部流路により温水を温水タンクに戻し、前記検知温度が所定値未満の場合に前記三方弁を切り換えて前記加熱用中間流路により温水を温水タンクに戻すものである請求項１、２、３又は４記載の暖房給湯装置。