JP2609939B2 - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は現在温水ボイラ等が用いられている給湯や、
暖房及び冷凍機が用いられる冷蔵や冷房などの負荷に対
する冷却・加熱を行なうヒートポンプ装置に関するもの
である。

なお、ここで「ヒートポンプ」とは単に加熱目的のヒ
ートポンプのみではなく、冷却専用も含む広義のヒート
ポンプを意味する。

〔従来技術〕

第５図は従来の都市における熱利用形態の概念図であ
る。図示するように、給湯負荷201に対しては、温水ボ
イラ202が用いられ、暖房負荷203には温水ボイラ202ま
たは燃焼熱より直接空気を暖める暖房機が用いられてい
る。また、冷房負荷204に対してはターボ冷凍機やパッ
ケージエアコン等の冷凍機205又は吸収冷凍機等が、冷
蔵負荷207に対してはショーケースや冷蔵庫206に装備さ
れている冷凍機が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近、大気中に放出される二酸化炭素等による温室効
果により、地球の温暖化が問題となっており、エネルギ
ーの有効利用が不可欠となってきた。そのためスーパー
等のショーケース、大型冷蔵倉庫等の冷蔵負荷用冷凍機
の凝縮器から廃熱を暖房や給湯等に利用し、エネルギー
の有効利用を図ることが考えられるが、これは次の理由
により難しく、実用になっていない。即ち、凝縮温度が
増加するために圧縮比が高くなり、冷凍機の性能が悪化
し、動力が増加し、加熱と冷却が同時にできるというメ
リットよりも一次エネルギーの使用が増加してしまう。

本出願の第１の発明は、温度の低い冷蔵負荷用冷凍機
の廃熱も温熱として利用し、一次エネルギーの使用量を
減じ、地球温暖化の主因である二酸化炭素の発生を抑制
することができるヒートポンプ装置を提供することを目
的とする。

また、本出願の第２の発明は、同様に冷却と加熱を同
時に行なうことにより、一次エネルギーの使用量を減じ
二酸化炭素の発生を抑制することであるが、その冷却負
荷の対象が主として冷房負荷の場合である。即ち、冷却
負荷が冷房負荷の場合には冬季はその熱量が少ないとい
う問題点がある。そのため、冬季は熱源として給湯から
廃熱を用いることが考えられるが、この場合も第１の発
明の場合と同様、圧縮機の圧縮比が増大して、圧縮機動
力が増大し、加熱と冷却が同時にできるメリットよりも
一次エネルギー使用が増大してしまう。そこで本出願の
第２の発明は冷却負荷が少ないときにも、加熱負荷の廃
熱を利用して総合性能を向上させることができるヒート
ポンプ装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本出願の第１の発明は、少な
くとも１以上の圧縮機，凝縮器及び減圧装置，蒸発器等
から構成される１以上のヒートポンプを具備し、給湯用
負荷及び冷蔵負荷に接続されるヒートポンプ装置におい
て、前記ヒートポンプの少なくとも１が低温側ヒートポ
ンプであり、該低温側ヒートポンプの蒸発器を直接又は
間接的に加熱する吸熱源の少なくとも一部が前記冷蔵負
荷であり、且つ該冷蔵負荷を熱源とする低温側ヒートポ
ンプは該冷蔵負荷より奪取した熱の全量をその凝縮器及
び熱交換器を介して前記給湯用負荷へ供給する給水の予
熱に用いるように構成されたことを特徴とする。

また、本出願の第２の発明は、給湯用負荷を加熱する
ための高温流体経路、低温負荷を冷却するための低温流
体経路、該低温負荷より高温で給湯用負荷より低温の中
間温度流体のための中間温度流体経路と、少なくとも１
以上の圧縮機，凝縮器，減圧装置，蒸発器等から構成さ
れる少なくとも２以上のヒートポンプを具備し、該ヒー
トポンプの少なくとも１台以上が低温負荷を直接又は間
接的に熱源とし、中間温度流体経路の中間温度流体によ
り冷却される低温ヒートポンプであり、他のヒートポン
プが中間温度流体を熱源とし、直接又は間接的に給湯用
負荷により冷却されるヒートポンプ装置であって、中間
温度流体経路の流体の一部が低温側ヒートポンプにより
冷却された後、低温負荷経路に移動し、且つ低温負荷経
路の一部が給湯の廃水により直接又は間接的に加熱され
て中間温度流体経路に移動することを特徴とする。

〔作用〕

ヒートポンプ装置を上記構成とすることにより、第５
図に示す従来システムに比較し、大幅に二酸化炭素発生
量を削減できる。即ち、第６図は本発明のヒートポンプ
装置を利用した都市における熱利用形態の概念図である
が、図示するように、第６図では第５図のシステムに比
較し、負荷合計208が同一である場合、一次エネルギー
消費量を約1/3に削減することができるので、CO₂発生量
も1/3に削減することができ、地球温暖化防止に極めて
有効に貢献できる。

また、第２の発明の場合は冷蔵負荷がないが、このと
きも冷房負荷が少なくとも一次エネルギー使用量を大幅
に減少することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本出願の第１の発明の原理を説明するための
図であり、第２図は第１の発明の実施例をなすヒートポ
ンプ装置のシステム構成を示す図である。なお、図中の
温度（℃）は説明のための一例である。また、第１図に
おいて、横軸はエントロビー、縦軸は温度を示す。

本ヒートポンプ装置においては、低温側ヒートポンプ
９と高温側ヒートポンプ10が装備されている。この高温
側ヒートポンプ10が製氷、冷暖房、貯湯の３つのモード
を時間差で運転できるようになっている。

第２図において、矢印←は、冷蔵給水加熱時の流れを
示す。冷蔵負荷には、温度レベル対応に応じて２種類の
冷蔵負荷11,12があり、冷蔵負荷11の冷却には低温側ヒ
ートポンプ９が、冷蔵負荷12の冷却には氷蓄熱槽13に蓄
えられた冷熱により冷却される。低温側ヒートポンプ９
は蒸発器14にてブライン配管15内のブラインを冷却する
（温度−15℃）と当時に凝縮器16にて給水熱交換器17か
らの給水加熱水を加熱し、間接的に給水管18からの給水
（温度10℃）を加熱する。19は低温側ヒートポンプ９の
圧縮機である。通常はこの低温側ヒートポンプ９は常時
運転されている。

給水熱交換器17で予熱された給水は給水熱交換器20に
より更に予熱される。このとき給水熱交換器20の加熱流
体としては温水槽21の高温側22（温度45℃）の温水が用
いられている。即ち、ポンプ23により配管24,25,26を通
って温水が給水熱交換器20に送られ、該温水により給水
熱交換器20が加熱され、逆に温水は冷却され配管27,28,
29を通って温水槽21の低温側30（温度40℃）に戻され
る。

第２図において、 高温側ヒートポンプ10の温度条件が製氷モードのときの
流れを示す。このときは高温側ヒートポンプ10のヒート
ソースに、氷蓄熱槽13における水の製氷潜熱が用いら
れ、ヒートシンクは給水熱交換器20における給水予熱が
用いられる。即ち、ポンプ31により、ブライン配管32,3
3を通ってブライン蒸発器34にブラインが供給され、高
温側ヒートポンプ10を加熱し、また凝縮器35を冷却した
冷却水は配管36,37,25,26,27,28を通り、再び凝縮器35
に戻る。このとき自動切換バルブ39,40,41,42,43,45は
製氷モード側に切替えられる。この製氷モードは通常夜
間（例えば０時〜８時等）に運転される。なお、46は高
温側ヒートポンプ10の圧縮機である。

第２図において、 冷・暖房モードの場合の流れを示す。将来の省エネルギ
ービルでは、断熱構造となっているため、暖房負荷は小
さいが、冷房負荷は大きくなる。従って、この冷・暖房
モードは太陽光のある日中（例えば８時〜16時）に運転
される。高温側ヒートポンプ10のヒートソースとしては
冷房負荷が、ヒートシンクとしては暖房負荷が用いられ
る。冷房負荷からの還水は冷水ポンプ52により、配管4
7,48を通り、冷水蒸発器49に供給され冷却され、配管5
0,51を通って冷房負荷に供給される。一方ヒートシンク
側は切替弁43,44,41,42が切替えられ、暖房負荷の戻り
は配管53,28,29を通り温水槽21の低温側30に戻り、更に
ポンプ55により、配管54,56を通り、凝縮器35で加熱さ
れ、配管57を通って再び温水槽21の高温側22に戻され
る。

第２図において、矢印←は、貯湯モードのときの流れ
を示す。高温側ヒートポンプ10は給水の廃水熱をヒート
ソースとして、給湯加熱を行なう運転となる。給湯の廃
水をタンクにより一時貯水する場合は夜間に、貯水しな
い場合には給湯負荷廃水の多いときに、例えば16時〜24
時に運転される。給湯廃水は配管58から四方弁59を経由
して熱回収熱交換器60に送られ、四方弁59を経由し、配
管61から下水に放流される。この四方弁59は自動的にと
きどき切替えられることにより、熱回収熱交換器60のチ
ューブ内のブラシが左右に移動し、自動洗浄されるよう
になっている。熱回収熱交換器60のチューブ外側の中温
度水が加熱され、冷水ポンプ52により配管61,48を通っ
て冷水蒸発器49に送られ、配管50,62を通り再び熱回収
熱交換器60に戻される。即ち、このモードでは三方弁6
3,64は貯湯モード側に切替えられる。

一方、ヒートシンク側温水は、切替弁39,40,65が切替
えられ、ポンプ55の運転により凝縮器35で加熱され、配
管36,66を通って貯湯槽80に送られ、貯湯槽80内の湯を
加熱する。そして逆に温水は冷却されて、配管67,56を
経由し、再び凝縮器35に戻される。貯湯槽70内の湯は配
管68により、給湯負荷に送られる。

上記第２図に示すシステムの構成のヒートポンプ装置
においては、第１図に示すように、高温側ヒートポンプ
10の給湯モードのときも、低温側ヒートポンプ９も凝縮
温度と蒸発温度との差が小さく、従って圧縮比も小さ
く、冷凍機の性能が良好となる。なお、第１図におい
て、69は給水が湯となる温度変化を示し、70は給湯廃水
の温度変化を示す。低温側ヒートポンプ９の凝縮は71、
貯湯モードのときの高温側ヒートポンプ10の蒸発温度は
72となり、いずれも圧縮比が小さくなるようになってい
る。

第３図は本出願の第２の発明の原理を説明するための
図であり、第４図は第２の発明の実施例をなすヒートポ
ンプ装置のシステム構成を示す図である。なお、図中の
温度（℃）は説明のための一例である。また、第１図に
おいて、横軸はエントロビー、縦軸は温度を示す。

第４図に示すように、本ヒートポンプ装置は低温側ヒ
ートポンプ109と高温側ヒートポンプ110が装備されてい
る。そして低温側ヒートポンプ109が時間差で暖房モー
ドと冷房モードの２つのモードで運転されるようになっ
ている。また、低温側ヒートポンプ109は時間差多段凝
縮ヒートポンプとなっており、高温側ヒートポンプ110
は多段凝縮ヒートポンプとなっている。

第４図において、 低温側ヒートポンプ109の冷房モードの流れを示す。冷
水槽101内の冷水は（温度12℃）、ポンプ102により配管
103、切替バルブ104,104′、配管105,105′を経由して
低温側ヒートポンプ109に送られ、該低温側ヒートポン
プ109で冷却され（温度７℃）、切替弁107、配管108を
経由して、冷水槽101に戻される。そしてこの運転のと
きこの低温側ヒートポンプの冷却は高温側ヒートポンプ
110の熱源水が用いられる。即ち、中間水槽111の中間温
水は（温度25℃）、ポンプ112により配管113、切替弁11
4,115を経由して低温側ヒートポンプ109の凝縮器116に
送られ、ここで加熱され（温度30℃）、配管117、切替
弁118,119、配管120を経由して中間水槽111に戻され
る。

第４図において、 低温側ヒートポンプ109の暖房モードの流れを示す。こ
のとき低温側ヒートポンプ109の熱源には中間水槽111の
中間温水が用いられている。切替弁114,104′,104,115,
118,119が切替えられ、中間水槽111の中間温水（温度25
℃）がポンプ112により配管113、切替弁114,104′を経
由して、蒸発器106に送られ、ここで冷却され（温度12
℃）、配管105、切替弁104、配管121を経由して、冷水
槽101に戻される。なお、このとき切替弁107は配管108
側が閉じ、配管122から流出した冷水が、更に配管123を
通って蒸発器106で冷却されるように作用する構造とな
っている。また、温水（温度40℃）は温水槽124から、
ポンプ125により、配管126、切替弁115を経由し、低温
側ヒートポンプ109の凝縮器116で加熱され（温度45
℃）、配管117、切替弁118、配管127、切替弁119、配管
128を経由して温水槽124に戻される。

第４図において、矢印←は、高温側ヒートポンプ110
の給湯モード時の流れを示す。この高温側ヒートポンプ
110の熱源は中間水槽111の中間温水が用いられる。中間
水槽111の中間温水（温度30℃）はポンプ129により、配
管130,131を経由し、高温側ヒートポンプ110の蒸発器13
2に送られ、ここで冷却され（温度25℃）、配管133,134
を経由して温水槽124に戻される。

また、配管130中の中間温水の一部は配管135を通り、
高温側ヒートポンプ110の凝縮器136に送られ、ここで加
熱される（温度65℃）。そして配管137を経由して熱交
換器138で給水を加熱し、配管139,134を経由して、中間
水槽111に戻される。また、給水は中間水槽111の中間温
水又は冷水槽101内の水により予熱され、配管140から熱
交換器138に送られ、ここで加熱され貯湯槽141に貯湯さ
れる。

なお、給湯は給湯負荷142で使用された後、廃熱回収
装置160により熱回収される。即ち、廃水は四方弁143を
経由した後、熱交換器144により冷水を加熱して、熱回
収された後、再び四方弁143を通り、配管145から廃水さ
れる。

この熱交換器144で加熱される冷水はポンプ146により
配管147を経由して冷水槽101から送られてくる。そして
配管148,134を経由して、中間水槽111に送られる。

なお、冷水槽101は主として冷房負荷に供され、温水
槽124は暖房負荷に供されるが、冬季、その他の熱源が
あればこれら冷水槽101、中間水槽111、温水槽124を加
熱できるようになっている。

また、夏季は暖房負荷がないので、連絡管149により
温水槽124は冷水槽101として用いられる。夏季は冷却負
荷の方が給湯負荷より大きくなるので密閉冷却塔150が
用いられる。即ち、中間水槽111の水はポンプ112により
配管113、切替弁114,115を経由して凝縮器116に送ら
れ、ここで加熱された冷却水は切替弁118を経由して密
閉冷却塔150で冷却され、配管151、切替弁119、配管120
を経由して中間水槽111（夏季は32℃程度の冷却水槽と
なる）に戻る。

また、上記システム構成のヒートポンプ装置において
は、給湯負荷の廃熱が最も温度の低い冷水槽101の冷水
を加熱するようになっていて、且つ熱回数量が多くなっ
ていて、冷水槽101の冷水が中間水槽111に移るようにな
っているが、低温側ヒートポンプ109の暖房モードのと
き、中間水槽111の水が冷水槽101に移るようになってい
るので、蓄熱水位を安定するように作用する。

上記第４図に示すシステム構成のヒートポンプ装置に
おいては、高温側ヒートポンプ110は第３図に示すよう
に、凝縮温度の異なる２種類の凝縮器を持つ多段凝縮ヒ
ートポンプとなっている。図中152,153は凝縮器内の温
度変化を示す。低温側ヒートポンプ109は凝縮器は１個
であるが、冷房モードのときと冷房モードのときで、図
中154,155に示すように温度差が異なり、時間差で多段
凝縮ヒートポンプとなっている。また、蒸発温度も図中
156,157.158に示すように異なり、凝縮温度155,154,15
3,152と蒸発温度156,157.158の差が小さくなっている。

なお、第１図及び第２図の高温側ヒートポンプは、１
台のヒートポンプで製氷モード、冷・暖房モード、給湯
モードの３つのモードで運転できるようになっている
が、勿論各々別のヒートポンプを用いてもよい。

また、第３図及び第４図の低温側ヒートポンプは１台
のヒートポンプで冷房モードと暖房モードの２つのモー
ドで運転できるようになっているが、勿論各々別のヒー
トポンプを用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本出願の発明によれば下記のよう
な優れた効果が得られる。

第１の発明の場合は、凝縮温度と蒸発温度との差が小
さく、従って圧縮比も小さく、冷凍機の性能が良好とな
る。従って総合的に一次エネルギーの消費量が大幅に削
減でき、地球の温暖化防止に貢献できるヒートポンプ装
置を提供できる。

第２の発明の場合も、凝縮温度と蒸発温度との差が小
さく冷凍機の性能が良好となる。従って第１の発明と同
様、地球の温暖化防止に貢献できるヒートポンプ装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願の第１の発明の原理を説明するための
図、第２図は第１の発明の実施例をなすヒートポンプ装
置のシステム構成を示す図、第３図は本出願の第２の発
明の原理を説明するための図、第４図は第２の発明の実
施例をなすヒートポンプ装置のシステム構成を示す図、
第５図は従来の都市における熱利用形態の概念図、第６
図は本発明のヒートポンプ装置を利用した都市における
熱利用形態の概念図である。 図中、９……低温側ヒートポンプ、10……高温側ヒート
ポンプ、11,12……冷蔵負荷、13……氷蓄熱槽、21……
温水槽、109……低温側ヒートポンプ、110……高温側ヒ
ートポンプ、101……冷水槽、111……中間水槽、124…
…温水槽。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１以上の圧縮機，凝縮器及び減
   圧装置，蒸発器等から構成される１以上のヒートポンプ
   を具備し、給湯用負荷及び冷蔵負荷に接続されるヒート
   ポンプ装置において、 前記ヒートポンプの少なくとも１が低温側ヒートポンプ
   であり、該低温側ヒートポンプの蒸発器を直接又は間接
   的に加熱する吸熱源の少なくとも一部が前記冷蔵負荷で
   あり、且つ該冷蔵負荷を熱源とする低温側ヒートポンプ
   は該冷蔵負荷より奪取した熱の全量をその凝縮器及び熱
   交換器を介して前記給湯用負荷へ供給する給水の予熱に
   用いるように構成されたことを特徴とするヒートポンプ
   装置。
2. 【請求項２】給湯用負荷を加熱するための高温流体経
   路、低温負荷を冷却するための低温流体経路、該低温負
   荷より高温で前記給湯用負荷より低温の中間温度流体の
   ための中間温度流体経路と、少なくとも１以上の圧縮
   機，凝縮器及び減圧装置，蒸発器等から構成される２以
   上のヒートポンプを具備し、該ヒートポンプの少なくと
   も１以上が前記低温負荷を直接又は間接的に熱源とし、
   前記中間温度流体経路の中間温度流体より冷却される低
   温ヒートポンプであり、他のヒートポンプが前記中間温
   度流体を熱源とし、直接又は間接的に給湯用負荷により
   冷却されるヒートポンプ装置において、 中間温度流体経路の流体の一部が低温側ヒートポンプに
   より冷却された後、低温負荷経路に移動し、且つ低温負
   荷経路の一部が前記給湯の廃水により直接又は間接的に
   加熱されて中間温度流体経路に移動することを特徴とす
   るヒートポンプ装置。