JP2022068973A - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】上水を節約しながら水分を供給することにより、吸着式の蓄熱材に蓄熱した熱を利用して給湯を行うことができるヒートポンプ給湯システムを提供すること。【解決手段】ヒートポンプ式熱源機と、ヒートポンプ式熱源機の加熱運転によって蓄熱する蓄熱部と、蓄熱部の熱を利用して加熱した湯水を給湯する給湯部と、蓄熱部の熱が不足する場合に湯水を加熱するための潜熱回収式熱交換器を有する燃焼式熱源機を備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、蓄熱部は、水分の吸着によって発熱する吸着式の蓄熱材と、加熱運転によって蓄熱材を加熱するための蓄熱材加熱部と、蓄熱材の発熱を利用して湯水を加熱する湯水加熱部と、蓄熱材に送風する送風部と、蓄熱材に水分を供給する水分供給部を備え、潜熱回収式熱交換器とヒートポンプ式熱源機における蒸発熱交換器の何れか一方又は両方において発生した凝縮水を、水分供給部が供給する水分として使用する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式熱源機を備えたヒートポンプ給湯システムに関し、特にヒートポンプ式熱源機で発生させた熱を蓄熱部に蓄熱し、蓄熱部の熱を利用して加熱した湯水を給湯するヒートポンプ給湯システムに関する。

従来から、加熱運転効率に優れたヒートポンプ式熱源機によって加熱した湯水を貯湯槽に貯湯し、貯湯した湯水を給湯に使用するヒートポンプ給湯システムが広く利用されている。ヒートポンプ式熱源機は加熱能力が大きくないので、給湯時に貯湯槽の湯切れが発生しないように例えば４００Ｌ程度の大容量の貯湯槽が使用される。それ故、貯湯槽を有する貯湯ユニットの大型化が避けられず、設置環境が制限される。そして、貯湯槽からの放熱による貯湯熱量の放熱ロスが避けられず、無駄になる熱がある。

また、貯湯槽の湯水を給湯に使用できない場合にも給湯可能なように、ヒートポンプ式熱源機と燃焼式熱源機を備えたヒートポンプ給湯システムも広く利用されている。貯湯槽の湯切れが発生しても燃焼式熱源機で加熱して給湯できるので、貯湯槽の容量を例えば１００Ｌ程度に小さくして貯湯ユニットを小型化することが可能である。それでもやはり貯湯ユニットの小型化が十分ではなく、一層の小型化が要求されている。また、貯湯槽からの放熱による貯湯熱量の放熱ロスも避けられない。

そこで、例えば特許文献１のように、ヒートポンプ式熱源機を駆動して湯水よりも蓄熱密度が大きい潜熱蓄熱材に蓄熱し、蓄熱した熱を利用して加熱した湯水を給湯するヒートポンプ給湯システムが検討されている。湯水よりも蓄熱密度が大きいので蓄熱部を小型化でき、ヒートポンプ給湯システムを小型にすることができる。しかし、潜熱蓄熱材は、固液相変化における潜熱を利用するため、蓄熱材からの放熱による蓄熱量の放熱ロスが避けられない。

貯湯槽の放熱ロスを防ぐために、例えば特許文献２のように、燃焼式熱源機の高温の排気を利用して貯湯槽の周囲の温度を上昇させると共に、その排気の熱を蓄熱する潜熱蓄熱材によって貯湯槽の周囲を保温する給湯システムが知られている。しかし、貯湯槽の周囲に排気通路を形成するので、貯湯ユニットの小型化には不適当である。

一方、例えば特許文献３のように潜熱蓄熱材よりも蓄熱密度が大きい吸着式の蓄熱材を利用して蓄熱し、蓄熱した熱を利用して加熱した湯水を生成することができる冷温熱供給装置が知られている。特許文献１，２の潜熱蓄熱材よりも蓄熱密度が大きい吸着式の蓄熱材を用いることにより、一層小型のヒートポンプ給湯システムを提供することが可能である。また、吸着式の蓄熱材は吸着質として水分を吸着して発熱するので、水分を吸着していない状態では基本的に設置環境と同じ温度であり、蓄熱量の放熱ロスがない。

特開２０１０－２２３５３７号公報 特許第４９１９８５４号公報 特許第６５９１８５７号公報

特許文献３の冷温熱供給装置は、吸着式の蓄熱材から放熱させる際に、空気中の水分を利用する。空気中の水分量は、天気によって変動する。それ故、家庭用の給湯システムに適用した場合に、給湯使用時に十分に水分を供給して放熱させることができず、蓄熱した熱を利用して給湯することができない虞がある。

本発明の目的は、上水を節約しながら水分を供給することにより、吸着式の蓄熱材に蓄熱した熱を利用して給湯を行うことができるヒートポンプ給湯システムを提供することである。

請求項１の発明のヒートポンプ給湯システムは、ヒートポンプ式熱源機と、前記ヒートポンプ式熱源機の加熱運転によって蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部の熱を利用して加熱した湯水を給湯する給湯部と、前記蓄熱部の熱が不足する場合に湯水を加熱するための潜熱回収式熱交換器を有する燃焼式熱源機を備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、前記蓄熱部は、水分の吸着によって発熱する吸着式の蓄熱材と、前記加熱運転によって前記蓄熱材を加熱するための蓄熱材加熱部と、前記蓄熱材の発熱を利用して湯水を加熱する湯水加熱部と、前記蓄熱材に送風する送風部と、前記蓄熱材に水分を供給する水分供給部を備え、前記潜熱回収式熱交換器と前記ヒートポンプ式熱源機における蒸発熱交換器の何れか一方又は両方において発生した凝縮水を、前記水分供給部が供給する水分として使用することを特徴としている。

上記構成によれば、ヒートポンプ式熱源機を駆動して吸着式の蓄熱材に蓄熱し、蓄熱した蓄熱材に水分を供給して発熱させ、この熱を利用して加熱した湯水を給湯する。蓄熱材に吸着させる水分は、ヒートポンプ式熱源機を駆動したときに発生する凝縮水、燃焼式熱源機で燃焼させたときに発生する凝縮水を使用する。従って、凝縮水を使用して上水を節約しながら蓄熱材に水分を供給して発熱させ、この蓄熱材の発熱を利用して加熱した湯水を給湯することができる。

請求項２の発明のヒートポンプ給湯システムは、請求項１の発明において、前記凝縮水を貯留する貯留部を備えたことを特徴としている。
上記構成によれば、ヒートポンプ式熱源機を駆動したときに発生する凝縮水、燃焼式熱源機で燃焼させたときに発生する凝縮水を貯留部に貯留し、この貯留した凝縮水を蓄熱材に供給する水分として使用することができる。従って、凝縮水の発生時期と蓄熱材に水分を供給する時期が一致しなくても、蓄熱材に供給する水分として凝縮水を使用することができるので、上水を節約しながら吸着式の蓄熱材の発熱を利用して安定した給湯を行うことができる。

請求項３の発明のヒートポンプ給湯システムは、請求項１又は２の発明において、前記潜熱回収式熱交換器で発生した凝縮水は、中和手段による中和後に前記水分供給部から供給されることを特徴としている。
上記構成によれば、燃焼ガスに含まれる成分が溶け込んで強い酸性を示す潜熱回収式熱交換器で発生した凝縮水は、中和器で中和された後、蓄熱材に供給される。従って、酸性の凝縮水による例えば腐食等の不具合を防ぐことができ、ヒートポンプ給湯システムの耐久性向上に寄与する。

請求項４の発明のヒートポンプ給湯システムは、請求項２の発明において、前記凝縮水が不足する場合に前記貯留部に上水を供給するための補給通路を有することを特徴としている。
上記構成によれば、凝縮水が不足する場合には貯留部に上水を補給できる。従って、例えば乾燥した気候でも放熱運転に必要な水分が不足することがなく、蓄熱部に十分に蓄熱されているにもかかわらず蓄熱された熱を利用する給湯ができない事態を防ぐことができる。

本発明のヒートポンプ給湯システムによれば、上水を節約しながら水分を供給することにより、吸着式の蓄熱材に蓄熱した熱を利用して給湯を行うことができる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯システムの構成の説明図である。 蓄熱部の説明図である。 蓄熱部の蓄熱運転の説明図である。 蓄熱部の放熱運転の説明図である。 ヒートポンプ給湯システムの他の構成例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、本発明の貯湯給湯システム１の構成について、図１に基づいて説明する。ヒートポンプ給湯システム１は、ヒートポンプ式熱源機１０と、蓄熱部２０と、給湯部３０と、燃焼式熱源機４０を備えている。そして、ヒートポンプ式熱源機１０、蓄熱部２０、給湯部３０、燃焼式熱源機４０の運転を制御するための制御部２を有する。

ヒートポンプ式熱源機１０について説明する。
ヒートポンプ式熱源機１０は、圧縮機１１と凝縮熱交換器１２と膨張弁１３と蒸発熱交換器１４を冷媒通路１５により接続したヒートポンプ回路と、蒸発熱交換器１４に送風するための第１送風機１６を有する。制御部２は、ヒートポンプ式熱源機１０のヒートポンプ回路内に充填された冷媒を循環させて行う加熱運転を制御する。

加熱運転では、圧縮機１１によって圧縮されて温度が上昇した冷媒が、凝縮熱交換器１２における熱交換によって加熱対象を加熱する。この熱交換によって温度が低下した冷媒は、膨張弁１３で断熱膨張して外気よりも低温になる。この低温の冷媒は、蒸発熱交換器１４において、第１送風機１６から送風される外気との熱交換によって加熱される。加熱された冷媒は、再び圧縮機１１に導入される。

蓄熱部２０について説明する。
図１、図２に示すように、蓄熱部２０は、複数の粒状の蓄熱材２１を収容するケース２２と、送風部としてケース２２内の蓄熱材２１に送風するための第２送風機２３と、水分供給部としてケース２２内の蓄熱材２１に水分を供給するための散水ノズル２４を有する。粒状の蓄熱材２１は、水分を吸着して発熱する吸着式の蓄熱材であり、粒状なので粒同士の間に隙間があり、粒同士の隙間を第２送風機２３から送風された空気が流動する。

制御部２は、第２送風機２３を駆動して、ケース２２の上部の給気口２２ａから空気をケース２２内に送る。ケース２２内を流動した空気は、ケース２２の下部の排気口２２ｂから排気される。第２送風機２３を駆動しないときにはケース２２の空気の出入りを遮断できるように、ケース２２には吸気口２２ａと排気口２２ｂに例えばシャッター機構２２ｃ，２２ｄを備え、制御部２がシャッター機構２２ｃ，２２ｄを開閉制御するようにしてもよい。

ケース２２内の上部（給気口２２ａ側部分）には、蓄熱材加熱部としてヒートポンプ式熱源機１０の凝縮熱交換器１２が収容されている。ケース２２内の下部（排気口２２ｂ側部分）には、湯水加熱部として蓄熱材２１の発熱を利用して給湯用の上水を加熱する蓄熱出湯熱交換器３１が収容されている。

給湯部３０について説明する。
図１に示すように、例えば給湯栓に湯水を給湯する給湯部３０は、蓄熱出湯熱交換器３１と、蓄熱出湯熱交換器３１に上水を供給する給水通路３２と、蓄熱出湯熱交換器３１で加熱された湯水を供給するための給湯通路３３を有する。また、給水通路３２の途中から分配弁３４を介して分岐された給水分岐通路３５を有する。この給水分岐通路３５には燃焼式熱源機４０が配設され、給湯通路３３の途中に設けられた混合弁３６を介して、給湯通路３３に接続されている。

給水通路３２には上水の温度を検知する給水温度センサ３２ａが配設されている。給湯通路３３には、蓄熱出湯熱交換器３１で加熱された湯水の温度を検知する出湯温度センサ３３ａと、給湯流量を検知する給湯流量センサ３３ｂと、給湯温度を検知する給湯温度センサ３３ｃが配設されている。

燃焼式熱源機４０は、バーナ４１で発生させた燃焼ガスの顕熱を回収して湯水を加熱する顕熱回収式熱交換器４２と、顕熱が回収された燃焼ガスの潜熱を回収して上水を加熱する潜熱回収式熱交換器４３を備えた熱源機である。

制御部２は、給湯流量センサ３３ｂの流量検知によって給湯運転の制御を開始する。
給湯運転では、給湯温度センサ３３ｃの検知温度が予め設定された給湯設定温度になるように調整して給湯する。制御部２は、蓄熱部２０に蓄熱された熱を利用して給湯することができる場合には、給水温度センサ３２ａと出湯温度センサ３３ａの検知温度に基づいて混合弁３６の混合比率を調整することにより、蓄熱出湯熱交換器３１で加熱された湯水と燃焼させない燃焼式熱源機４０を通過した上水とを混合して給湯設定温度に調整して給湯する。

一方、蓄熱部２０の蓄熱された熱を利用して給湯することができない場合には、制御部２は給水温度センサ３２ａの検知温度に基づいて、燃焼式熱源機４０で上水を予め設定された給湯設定温度に加熱できるように加熱能力を調整して給湯する。このとき、潜熱回収式熱交換器４３では、燃焼ガスに含まれる水分が上水との熱交換によって凝縮して凝縮水が発生する。この凝縮水は、燃焼ガスの成分が溶け込んで強い酸性になっているので、中和手段として中和剤を有する中和器４４に導入される。中和器４４で中和された凝縮水は、貯留部４５に貯留される。

貯留部４５には、貯留された凝縮水を散水ノズル２４に供給する凝縮水供給通路４６が接続されている。凝縮水供給通路４６には開閉電磁弁４７が配設され、制御部２は蓄熱材２１に水分を供給する場合に開閉電磁弁４７を開く。また、貯留部４５には、開閉電磁弁４８が配設された補給通路４９が接続されている。補給通路４９は、貯留部４５の凝縮水が不足する場合に、開閉電磁弁４８を開いて給水通路３２から貯留部４５に上水を補給可能なように給水通路３２から分岐されている。

貯留部４５には、ヒートポンプ式熱源機１０の蒸発熱交換器１４から延びる凝縮水貯留通路１８が接続されている。凝縮水貯留通路１８は、ポンプ１７を備えている。加熱運転中のヒートポンプ式熱源機１０の蒸発熱交換器１４において、低温の冷媒との熱交換により外気に含まれる水分が凝縮して凝縮水が発生する。蒸発熱交換器１４から落下した凝縮水は、ポンプ１７の駆動によって凝縮水貯留通路１８を介して貯留部４５に貯留される。凝縮水が蒸発熱交換器１４に霜として付着する場合には、ヒートポンプ式熱源機１０の除霜運転により融けて落下し、貯留部４５に貯留される。

次に、蓄熱部２０の蓄熱運転、放熱運転について説明する。
図３に示すように、蓄熱運転では、制御部２はシャッター機構２２ｃ，２２ｄを開いて第２送風機２３を駆動すると共に、ヒートポンプ式熱源機１０の加熱運転により矢印Ｒｈで示すように凝縮熱交換器１２に高温の冷媒を供給する。凝縮熱交換器１２において、加熱対象として矢印Ａｄで示す第２送風機２３から送風された空気が高温の冷媒との熱交換によって加熱され、排気口２２ｂに向かって流動する。

このとき、加熱された空気によって蓄熱材２１が加熱され、蓄熱材２１に吸着されている水分が蒸発（脱離）して、矢印Ａｗで示すように空気と共に排気口２２ｂからケース２２の外に排気されるので、蓄熱材２１を乾燥させることができる。尚、蓄熱材２１は、接触している凝縮熱交換器１２や蓄熱材２１との熱伝導によっても加熱され、乾燥される。乾燥された蓄熱材２１は、水分を吸着して発熱することができる蓄熱された状態である。

凝縮熱交換器１２で熱交換により温度が下がった冷媒は、矢印Ｒｃで示すように蓄熱部２０からヒートポンプ式熱源機１０の膨張弁１３に導入される。蓄熱部２０に蓄熱完了後、図２のようにシャッター機構２２ｃ，２２ｄを閉じてケース２２の空気の出入りを遮断することにより、ケース２２内の蓄熱材２１が外気に含まれる水分を吸着することを防止して放熱ロスを防ぐ。

図４に示すように、放熱運転では、制御部２はシャッター機構２２ｃ，２２ｄを開いて第２送風機２３を駆動すると共に、矢印Ｓで示すように貯留部４５から散水ノズル２４に凝縮水を供給し、散水ノズル２４から凝縮水を散布する。散布された凝縮水は、第２送風機２３から送風された矢印Ａｈで示す空気と共に蓄熱材２１の隙間を通って流動する間に、蓄熱材２１に水分として吸着される。また、散布された凝縮水の一部は、水滴として蓄熱材２１の表面に沿って流下して、蓄熱材２１に吸着される。水分を吸着した蓄熱材２１は発熱する。発熱した蓄熱材２１の隙間を流動する空気は加熱され、蓄熱材２１は放熱することになる。

このとき、蓄熱出湯熱交換器３１には矢印Ｗｃで示すように給水通路３２から上水が供給され、蓄熱出湯熱交換器３１において蓄熱材２１の隙間を通って加熱された空気との熱交換によって上水が加熱される。蓄熱出湯熱交換器３１が接触している発熱した蓄熱材２１からの熱伝導によっても上水が加熱される。蓄熱出湯熱交換器３１で加熱された湯水は、矢印Ｗｈで示すように給湯通路３３に供給される。蓄熱出湯熱交換器３１で熱交換により温度が下がった空気は、矢印Ａｃで示すように排気口２２ｂからケース２２の外に排気される。

上記実施例のヒートポンプ給湯システム１の作用、効果について説明する。
ヒートポンプ給湯システム１は、ヒートポンプ式熱源機１０の加熱運転によって蓄熱部２０の吸着式の蓄熱材２１に蓄熱し、蓄熱した蓄熱材２１に水分を供給して発熱させ、この発熱を利用して加熱した湯水を給湯する。蓄熱材２１に吸着させる水分は、ヒートポンプ式熱源機１０の加熱運転で発生する凝縮水と燃焼式熱源機４０で燃焼させたときに潜熱回収式熱交換器４３で発生する凝縮水の何れか一方又は両方を使用する。従って、凝縮水を使用して上水を節約しながら蓄熱材２１に水分を吸着させて発熱させ、この蓄熱材２１の発熱を利用して加熱した湯水を給湯することができる。

また、ヒートポンプ式熱源機１０を駆動したときに発生する凝縮水、燃焼式熱源機４０で燃焼させたときに発生する凝縮水を貯留部４５に貯留しておき、この貯留部４５に貯留した凝縮水を蓄熱材２１に供給する水分として使用する。従って、凝縮水の発生時期と蓄熱材２１に水分を供給する時期が一致しなくても、蓄熱材２１に供給する水分として凝縮水を使用することができる。

潜熱回収式熱交換器４３で発生する凝縮水は、燃焼ガスに含まれる成分が溶け込んで強い酸性を示す。この酸性の凝縮水は中和器４４で中和された後に蓄熱材２１に供給する水分として供給されるので、酸性の凝縮水による例えば腐食等の不具合を防ぐことができ、ヒートポンプ給湯システム１の耐久性向上に寄与する。

例えば乾燥した天気により蓄熱運転で発生する凝縮水が少なくなって、凝縮水が不足する場合には貯留部４５に上水を補給できるので、蓄熱部２０に十分に蓄熱されているにもかかわらず放熱運転に必要な水分が不足して、蓄熱された熱を利用する給湯ができない事態を防ぐことができる。

図５に示すように、蓄熱部２０から供給される湯水を加熱して給湯可能なように、給湯部３０における燃焼式熱源機４０を混合弁３６よりも下流側の給湯通路３３に配設したヒートポンプ給湯システム１Ａを構成することもできる。蓄熱部２０の熱で給湯できる場合には、蓄熱出湯熱交換器３１で加熱された湯水に給水分岐通路３５からの上水を混合して温度調整した湯水を、燃焼させない燃焼式熱源機４０を介して給湯する。蓄熱部２０の熱が不足している場合でも、蓄熱部２０の熱を予熱として利用して燃焼式熱源機４０で加熱し、蓄熱された熱を活用することができる。蓄熱部２０の熱を給湯に利用できない場合には、給水分岐通路３５から供給される上水を燃焼式熱源機４０で給湯設定温度に加熱して給湯することができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１，１Ａ ：ヒートポンプ給湯システム
２ ：制御部
１０ ：ヒートポンプ式熱源機
１１ ：圧縮機
１２ ：凝縮熱交換器（蓄熱材加熱部）
１３ ：膨張弁
１４ ：蒸発熱交換器
１５ ：冷媒通路
１６ ：第１送風機
１７ ：ポンプ
１８ ：凝縮水貯留通路
２０ ：蓄熱部
２１ ：蓄熱材
２２ ：ケース
２２ａ ：給気口
２２ｂ ：排気口
２２ｃ，２２ｄ ：シャッター機構
２３ ：第２送風機（送風部）
２４ ：散水ノズル（水分供給部）
３０ ：給湯部
３１ ：蓄熱出湯熱交換器（湯水加熱部）
３２ ：給水通路
３２ａ ：給水温度センサ
３３ ：給湯通路
３３ａ ：出湯温度センサ
３３ｂ ：給湯流量センサ
３３ｃ ：給湯温度センサ
３４ ：分配弁
３５ ：給水分岐通路
３６ ：混合弁
４０ ：燃焼式熱源機
４１ ：バーナ
４２ ：顕熱回収式熱交換器
４３ ：潜熱回収式熱交換器
４４ ：中和器（中和手段）
４５ ：貯留部
４６ ：凝縮水供給通路
４７，４８ ：開閉電磁弁
４９ ：補給通路

Claims (4)

1. ヒートポンプ式熱源機と、前記ヒートポンプ式熱源機の加熱運転によって蓄熱する蓄熱部と、前記蓄熱部の熱を利用して加熱した湯水を給湯する給湯部と、前記蓄熱部の熱が不足する場合に湯水を加熱するための潜熱回収式熱交換器を有する燃焼式熱源機を備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、
   前記蓄熱部は、水分の吸着によって発熱する吸着式の蓄熱材と、前記加熱運転によって前記蓄熱材を加熱するための蓄熱材加熱部と、前記蓄熱材の発熱を利用して湯水を加熱する湯水加熱部と、前記蓄熱材に送風する送風部と、前記蓄熱材に水分を供給する水分供給部を備え、
   前記潜熱回収式熱交換器と前記ヒートポンプ式熱源機における蒸発熱交換器の何れか一方又は両方において発生した凝縮水を、前記水分供給部が供給する水分として使用することを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
2. 前記凝縮水を貯留する貯留部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。
3. 前記潜熱回収式熱交換器で発生した凝縮水は、中和手段による中和後に前記水分供給部から供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯システム。
4. 前記凝縮水が不足する場合に前記貯留部に上水を供給するための補給通路を有することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯システム。

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