JP3557918B2 - 冷暖房及び給湯システム - Google Patents
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- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型の冷暖房及び給湯システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からエアコンシステムとして蒸気圧縮冷凍サイクル空調機が多用されているが、それ以外のエアコンシステムとして蒸気吸着サイクル空調機も知られている。なお、蒸気吸着サイクル空調機の開示例としては、特開平５−２７２８３２号公報等がある。
【０００３】
この種の蒸気吸着サイクル空調機は、吸着剤の再生過程において他の熱エネルギーを取り込むことができるというメリットがある一方、種々の問題点も指摘されている。とりわけ、蒸気吸着サイクル空調機を使用するに際して問題となるのは、吸着剤が或る一定の温度状況下にないと蒸気吸着サイクル空調機自体が適切に作動しないという点である。換言すれば、蒸気吸着サイクル空調機を適切に作動させるためには吸着剤に対する温度制約がつきまとい、これが蒸気吸着サイクル空調機の普及を妨げる原因の一つとなっている。
【０００４】
そこで、本件発明者は、蒸気吸着サイクル空調機に蒸気圧縮サイクル空調機を組み合わせたエアコンシステム（即ち、ハイブリッドエアコン）に関する発明を想起し、当該エアコンシステムに係る出願が本件出願人により既に行われた（特願平１０−１２２３５４号参照；現時点では未公開）。
【０００５】
このハイブリッドエアコンによれば、冷房に関し、外部熱源温度が高温域にある場合には、蒸気吸着サイクル空調機は適切に作動するため、蒸気吸着サイクル空調機のみを作動させる。一方、外部熱源温度が低温域にある場合には、もはや蒸気吸着サイクル空調機の適切な作動は得られないため、それ自体効率も高い蒸気圧縮サイクル空調機のみが作動される。そして、外部熱源温度が中温域にある場合には、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とが併用される。すなわち、外部熱源の温度不足分を蒸気圧縮サイクル空調機を作動させることでアシストし、これにより蒸気吸着サイクル空調機の温度制約を取り除こうというものである
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記エアコンシステム（ハイブリッドエアコン）に関する出願をすることにより初期の目的は達成されたが、引き続き本件に関する研究を発明者が試みたところ、更なる改良発明を想起するに至った。
【０００７】
すなわち、上記ハイブリッドエアコンの出願時点では、蒸気吸着サイクル空調機の温度制約を取り除いてその作動許容範囲を拡大することに主眼があったため、冷暖房運転をした際に発生するリターン湯の再利用までは考慮していなかった。しかしながら、蒸気吸着サイクル空調機を使用した場合のリターン湯は依然として比較的高い温度を保有しているため、これを再利用することができれば、より一層の省エネを図ることができる。
【０００８】
本発明は上記背景に鑑み、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型のシステムにおいて、更なる省エネを図ることができる冷暖房及び給湯システムを得ることが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、太陽熱コレクタと接続された蓄湯槽と、この蓄湯槽と接続されかつ吸着過程と再生過程とを繰り返すことにより冷凍サイクルを構成する蒸気吸着サイクル空調機と、この蒸気吸着サイクル空調機と接続されかつ当該蒸気吸着サイクル空調機をアシスト可能な蒸気圧縮サイクル空調機と、を含んで構成され、冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が高温の場合には、当該熱水の熱を前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が中温の場合には、前記蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて当該蒸気圧縮サイクル空調機からの熱と当該熱水の熱とを前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、暖房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が十分に高い場合には、当該熱水をそのまま利用して暖房運転が行われる冷暖房及び給湯システムにおいて、前記冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯及び前記暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用する、ことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、夏季なら夏季に応じた熱が又冬季なら冬季に応じた熱が太陽熱コレクタから得られる。この熱によって蓄湯槽に熱水が蓄湯される。
【００１１】
夏季の冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が高温の場合には、蒸気吸着サイクル空調機は適切に作動するため、蒸気吸着サイクル空調機のみを作動させることにより冷房運転がなされる。すなわち、蓄湯槽内の熱水の熱が蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用されて冷房運転が行われる。冷房に使用された熱水は降温されるものの、依然として高い温度を保有している。そこで、本発明では、冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用するというものである。
【００１２】
また、夏季の冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が下がってきて中温になった場合には、蒸気吸着サイクル空調機のみでは適切な作動が得られないため、蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて蒸気吸着サイクル空調機をアシストしてやることにより冷房運転がなされる。すなわち、蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて当該蒸気圧縮サイクル空調機からの熱と当該熱水の熱とを蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われる。これにより、蒸気吸着サイクル空調機の温度制約が取り除かれ、当該蒸気吸着サイクル空調機の作動許容範囲が拡大される。
【００１３】
一方、冬季の暖房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が十分に高い場合には、当該熱水をそのまま利用して暖房運転がなされる。暖房に使用された熱水は降温されるものの、依然として高い温度を保有している。そこで、本発明では、暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用するというものである。
【００１４】
このように本発明によれば、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、リターン湯を給湯に利用することとしたので、熱をカスケード的に有効利用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０について説明する。
【００１６】
図１には、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０の概略構成図（熱伝達系統図）が示されている。この図に示されるように、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０は、蒸気吸着サイクル空調機（水吸着式冷凍機）１２、蒸気圧縮サイクル空調機（３コイル式小型圧縮式ヒートポンプ）１４、及び太陽熱利用型の蓄湯槽１６といった三つの要素を主要部として構成されており、本実施形態では、これらの要素をベースにして、後述する如く、室内冷暖房用の室内機１８及び給湯器２０に熱をカスケード的に利用しようとするものである。
【００１７】
付言すると、「カスケード」とは本来的には滝が落ちるといった意味であるが、本明細書では、熱を高いところから低いところへ直列的に有効利用するという意味で使っている。
【００１８】
ここで、上記三要素の概略構成について簡単に触れておく。
【００１９】
蒸気吸着サイクル空調機１２は、図示しない室内側ブライン回路が接続された蒸発器２２と、図示しない凝縮器冷却用ブライン回路が接続された凝縮器２４と、を備えている。これらの蒸発器２２と凝縮器２４との間には、シリカゲル等の吸着剤が収容された第１吸着槽２６及び第２吸着槽２８が並設されている。蒸発器２２及び凝縮器２４と第１吸着槽２６及び第２吸着槽２８との間には、第１開閉弁３０、第２開閉弁３２、第３開閉弁３４、及び第４開閉弁３６が介在されている。さらに、蒸発器２２と凝縮器２４とは、流量調整弁３８を途中に備えたリターン管路４０によって相互に接続されている。
【００２０】
蒸気圧縮サイクル空調機１４は、フロン等の熱媒体を圧送するためのコンプレッサ４２と、熱媒体送給サイクル変更用の四方弁４４と、第１蓄湯槽１６に接続された第１熱交換器４６と、ファン４８が並設された第２熱交換器５０と、第２蓄湯槽１６に接続された第３熱交換器５１と、直列的に配設された第１膨張弁５２及び第１逆止弁５４並びに第２膨張弁５６及び第２逆止弁５８と、第３熱交換器５１への流路変更用の図示しない三方弁と、を含んで構成されている。
【００２１】
蓄湯槽１６は、蓄湯槽タンク６０を備えている。蓄湯槽タンク６０の上部外周及び下部外周には、蒸気圧縮サイクル空調機１４と接続された第１熱交換器６２及び第２熱交換器６４が配設されている。さらに、蓄湯槽タンク６０の下部外周には、太陽熱コレクタ６６と接続された第３熱交換器６８が配設されている。さらに、図示は省略するが、蓄湯槽タンク６０は、前述した第１蓄湯槽１６及び第２蓄湯槽１６にそれぞれ配設された蓄湯槽側第１熱交換器及び蓄湯槽側第２熱交換器と接続されている他、室内側ブライン回路及び凝縮器冷却用ブライン回路とも接続されている。
【００２２】
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
【００２３】
図２には、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０を利用することにより実現される熱のカスケード化の夏冬ごとの温度パターンが示されている。以下、この温度パターンに沿って冷暖房及び給湯時の熱の流れについて説明していくことにする。
【００２４】
この温度パターンに示されるように、夏季においては、まず、深夜電力を使って蒸気圧縮サイクル空調機１４が作動されることにより、約２０°Ｃの水道水が約６０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ａがこれに対応する）。約６０°Ｃまで加熱された蓄湯槽タンク６０内の熱水は、太陽熱コレクタ６６によって更に約８０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ｂがこれに対応する）。その結果、蓄湯槽タンク６０内には、約８０°Ｃに加熱された熱水が蓄湯される。
【００２５】
次に、この蓄湯された熱水を利用して冷房運転がなされる。外部熱源として約８０°Ｃの熱水を利用できる高温時には、蒸気吸着サイクル空調機１２の適切な作動が得られるため、蓄湯槽１６から供給された熱水を利用して（図１の矢印Ｃがこれに対応）、蒸気吸着サイクル空調機１２のみを作動させて冷房運転がなされる（図１の矢印Ｄがこれに対応）。
【００２６】
今仮に、第１吸着槽２６の吸着剤が乾燥状態にあり、第２吸着槽２８の吸着剤が吸着飽和状態にあるとした場合、第１吸着槽２６側では吸着過程を行わせ、第２吸着槽２８側で再生過程を行わせる。各開閉弁は、コントローラによって第１開閉弁３０及び第４開閉弁３６が開放状態とされ、第２開閉弁３２及び第３開閉弁３４が閉塞状態とされる。第１吸着槽２６側では蒸発器２２で生じた蒸気が第１吸着槽２６の吸着剤に吸着され、この際に蒸発潜熱が奪われて蒸発器２２が冷却される。この冷熱を室内側ブライン回路で冷房時の室内機１８へ回して冷房運転を行う。一方、第２吸着槽２８側では蓄湯槽１６から第２吸着槽２８の蓄湯槽側第２熱交換器へ熱水が供給され、当該第２吸着槽２８内の吸着剤が加熱されて乾燥される。この際に生じた蒸気は第４開閉弁３６を通って凝縮器２４内へ入り、凝縮器冷却用ブライン回路で冷却されて液化される。液化された熱媒体は流量調整弁３８を通って低圧化されて蒸発器２２へ戻される。なお、第１吸着槽２６と第２吸着槽２８は、吸着過程と再生過程を交互に繰り返して使用される。
【００２７】
上記の如くして冷房運転がなされた結果、図２に示される如く、熱水温度は約６０°Ｃまで降温される。ところで、給湯器２０に供給すべき給湯温度は約４５°Ｃくらいである。そこで、本実施形態では、約６０°Ｃに降温された温水をリターン湯として蓄湯槽タンク６０の低温側に戻すことにする（図１の矢印Ｅがこれに対応）。そして、この約６０°Ｃのリターン湯を薄めて約４５°Ｃの温水とし、給湯に利用する（図１の矢印Ｆがこれに対応）。逆に観れば、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用した冷暖房及び給湯システム１０であるがために、冷房時には約６０°Ｃの熱を保有したリターン湯が得られ、これを給湯に有効利用しようとするものである。その後、給湯にも利用できない温度（約４０°Ｃ）まで降温したら、排水するか或るいは給水用に使う。
【００２８】
なお、上述した冷房運転は蓄湯槽１６の熱水が高温時の場合であったが、中温時の場合には蒸気吸着サイクル空調機１２を単独で作動させることはもはやできない。そこで、このような場合には、蒸気圧縮サイクル空調機１４を作動させることにより、蓄湯槽１６との熱交換だけでは不足する分をアシストしながら、蒸気吸着サイクル空調機１２を作動させる（図１の矢印Ｇ、矢印Ｈがこれに対応）。具体的には、第１吸着槽２６に接続された蓄湯槽側第１熱交換器（図示省略）を流れる空冷された熱媒体によって吸着剤を冷却するのに加えて、蒸気圧縮サイクル空調機１４を三方弁で流路変更することなく冷房サイクルモードで作動させることにより第１熱交換器４６でも吸着剤を冷却する（即ち、二系統で吸着剤を冷却する）。或いは、第２吸着槽２８に接続された蓄湯槽側第２熱交換器（図示省略）を流れる中温の熱媒体によって吸着剤を加熱するのに加えて、蒸気圧縮サイクル空調機１４を三方弁で流路変更した上で冷房サイクルモードで作動させることにより第２吸着槽２８に接続された第３熱交換器５１でも吸着剤を加熱する（即ち、二系統で吸着剤を加熱する）。これにより、蒸気吸着サイクル空調機１２の温度制約が取り除かれ、作動許容範囲が拡大される。さらに熱水温度が下がった低温時の場合には、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用することなく、それ自体効率も高い蒸気圧縮サイクル空調機１４を単独で作動させることにより冷房運転がなされる（図１の矢印Ｉがこれに対応）。
【００２９】
一方、冬季において暖房運転する場合はどうかというと、この場合も、上述した夏季の冷房運転時におけるカスケード化と基本的には同様である。
【００３０】
すなわち、冬季においては、まず、深夜電力を使って蒸気圧縮サイクル空調機１４が作動されることにより、約５°Ｃの水道水が約６０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ａがこれに対応する）。約６０°Ｃまで加熱された蓄湯槽タンク６０内の熱水は、太陽熱コレクタ６６によって更に約６５°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ｂがこれに対応する）。なお、冬季であるので、太陽熱コレクタ６６を利用しても、夏季程には加熱することはできない。従って、蓄湯槽１６には、約６５°Ｃに加熱された熱水が蓄湯されることになる。
【００３１】
そして、この約６５°Ｃの熱水を使って、暖房運転が行われる。概略的には、蓄湯槽タンク６０内の熱水が室内側ブライン回路を介して暖房時の室内機１８へ直接的に送給されて暖房運転がなされる（図１の矢印Ｊがこれに対応）。暖房運転がなされた結果、図２に示される如く、熱水温度は約５０°Ｃまで降温される。しかし、給湯器２０に供給すべき給湯温度である約４５°Ｃよりは高温である。そこで、本実施形態では、約５０°Ｃに降温された温水をリターン湯として蓄湯槽タンク６０の低温側に戻すことにする（図１の矢印Ｋがこれに対応）。そして、この約５０°Ｃのリターン湯を薄めて約４５°Ｃの温水とし、給湯に利用する（図１の矢印Ｆがこれに対応）。逆に観れば、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用した冷暖房及び給湯システム１０であるがために、暖房時には約５０°Ｃの熱を保有したリターン湯が得られ、これを給湯に有効利用しようとするものである。その後、給湯にも利用できない温度（約４０°Ｃ）まで降温したら、排水するか或るいは給水用に使う。
【００３２】
なお、冬季の日中等においてお湯が無くなってしまったような場合には、低温時の冷房のときと同様に、蒸気圧縮サイクル空調機１４のみが作動されて暖房運転がなされる（図１の矢印Ｌがこれに対応）。
【００３３】
このように本実施形態では、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、約６０°Ｃ或るいは約５０°Ｃに降温したリターン湯を蓄湯槽１６に戻して、約４５°Ｃに薄めて給湯に利用する構成としたので、熱をカスケード的に有効利用することができる。その結果、蒸気吸着サイクル空調機１２と蒸気圧縮サイクル空調機１４とを組み合わせた太陽熱利用型の冷暖房及び給湯システム１０において、更なる省エネを図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の本発明に係る冷暖房及び給湯システムは、冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯及び暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用することとしたので、熱をカスケード的に利用することができ、その結果、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型のシステムにおいて、更なる省エネを図ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る冷暖房及び給湯システムの概略構成図（熱伝達系統図）である。
【図２】本実施形態に係る冷暖房及び給湯システムを利用することにより実現される熱のカスケード化を示す夏冬ごとの温度パターンである。
【符号の説明】
１０ 冷暖房及び給湯システム
１２ 蒸気吸着サイクル空調機
１４ 蒸気圧縮サイクル空調機
１６ 蓄湯槽
６６ 太陽熱コレクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型の冷暖房及び給湯システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からエアコンシステムとして蒸気圧縮冷凍サイクル空調機が多用されているが、それ以外のエアコンシステムとして蒸気吸着サイクル空調機も知られている。なお、蒸気吸着サイクル空調機の開示例としては、特開平５−２７２８３２号公報等がある。
【０００３】
この種の蒸気吸着サイクル空調機は、吸着剤の再生過程において他の熱エネルギーを取り込むことができるというメリットがある一方、種々の問題点も指摘されている。とりわけ、蒸気吸着サイクル空調機を使用するに際して問題となるのは、吸着剤が或る一定の温度状況下にないと蒸気吸着サイクル空調機自体が適切に作動しないという点である。換言すれば、蒸気吸着サイクル空調機を適切に作動させるためには吸着剤に対する温度制約がつきまとい、これが蒸気吸着サイクル空調機の普及を妨げる原因の一つとなっている。
【０００４】
そこで、本件発明者は、蒸気吸着サイクル空調機に蒸気圧縮サイクル空調機を組み合わせたエアコンシステム（即ち、ハイブリッドエアコン）に関する発明を想起し、当該エアコンシステムに係る出願が本件出願人により既に行われた（特願平１０−１２２３５４号参照；現時点では未公開）。
【０００５】
このハイブリッドエアコンによれば、冷房に関し、外部熱源温度が高温域にある場合には、蒸気吸着サイクル空調機は適切に作動するため、蒸気吸着サイクル空調機のみを作動させる。一方、外部熱源温度が低温域にある場合には、もはや蒸気吸着サイクル空調機の適切な作動は得られないため、それ自体効率も高い蒸気圧縮サイクル空調機のみが作動される。そして、外部熱源温度が中温域にある場合には、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とが併用される。すなわち、外部熱源の温度不足分を蒸気圧縮サイクル空調機を作動させることでアシストし、これにより蒸気吸着サイクル空調機の温度制約を取り除こうというものである
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記エアコンシステム（ハイブリッドエアコン）に関する出願をすることにより初期の目的は達成されたが、引き続き本件に関する研究を発明者が試みたところ、更なる改良発明を想起するに至った。
【０００７】
すなわち、上記ハイブリッドエアコンの出願時点では、蒸気吸着サイクル空調機の温度制約を取り除いてその作動許容範囲を拡大することに主眼があったため、冷暖房運転をした際に発生するリターン湯の再利用までは考慮していなかった。しかしながら、蒸気吸着サイクル空調機を使用した場合のリターン湯は依然として比較的高い温度を保有しているため、これを再利用することができれば、より一層の省エネを図ることができる。
【０００８】
本発明は上記背景に鑑み、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型のシステムにおいて、更なる省エネを図ることができる冷暖房及び給湯システムを得ることが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、太陽熱コレクタと接続された蓄湯槽と、この蓄湯槽と接続されかつ吸着過程と再生過程とを繰り返すことにより冷凍サイクルを構成する蒸気吸着サイクル空調機と、この蒸気吸着サイクル空調機と接続されかつ当該蒸気吸着サイクル空調機をアシスト可能な蒸気圧縮サイクル空調機と、を含んで構成され、冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が高温の場合には、当該熱水の熱を前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が中温の場合には、前記蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて当該蒸気圧縮サイクル空調機からの熱と当該熱水の熱とを前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、暖房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が十分に高い場合には、当該熱水をそのまま利用して暖房運転が行われる冷暖房及び給湯システムにおいて、前記冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯及び前記暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用する、ことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、夏季なら夏季に応じた熱が又冬季なら冬季に応じた熱が太陽熱コレクタから得られる。この熱によって蓄湯槽に熱水が蓄湯される。
【００１１】
夏季の冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が高温の場合には、蒸気吸着サイクル空調機は適切に作動するため、蒸気吸着サイクル空調機のみを作動させることにより冷房運転がなされる。すなわち、蓄湯槽内の熱水の熱が蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用されて冷房運転が行われる。冷房に使用された熱水は降温されるものの、依然として高い温度を保有している。そこで、本発明では、冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用するというものである。
【００１２】
また、夏季の冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が下がってきて中温になった場合には、蒸気吸着サイクル空調機のみでは適切な作動が得られないため、蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて蒸気吸着サイクル空調機をアシストしてやることにより冷房運転がなされる。すなわち、蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて当該蒸気圧縮サイクル空調機からの熱と当該熱水の熱とを蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われる。これにより、蒸気吸着サイクル空調機の温度制約が取り除かれ、当該蒸気吸着サイクル空調機の作動許容範囲が拡大される。
【００１３】
一方、冬季の暖房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が十分に高い場合には、当該熱水をそのまま利用して暖房運転がなされる。暖房に使用された熱水は降温されるものの、依然として高い温度を保有している。そこで、本発明では、暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用するというものである。
【００１４】
このように本発明によれば、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、リターン湯を給湯に利用することとしたので、熱をカスケード的に有効利用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０について説明する。
【００１６】
図１には、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０の概略構成図（熱伝達系統図）が示されている。この図に示されるように、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０は、蒸気吸着サイクル空調機（水吸着式冷凍機）１２、蒸気圧縮サイクル空調機（３コイル式小型圧縮式ヒートポンプ）１４、及び太陽熱利用型の蓄湯槽１６といった三つの要素を主要部として構成されており、本実施形態では、これらの要素をベースにして、後述する如く、室内冷暖房用の室内機１８及び給湯器２０に熱をカスケード的に利用しようとするものである。
【００１７】
付言すると、「カスケード」とは本来的には滝が落ちるといった意味であるが、本明細書では、熱を高いところから低いところへ直列的に有効利用するという意味で使っている。
【００１８】
ここで、上記三要素の概略構成について簡単に触れておく。
【００１９】
蒸気吸着サイクル空調機１２は、図示しない室内側ブライン回路が接続された蒸発器２２と、図示しない凝縮器冷却用ブライン回路が接続された凝縮器２４と、を備えている。これらの蒸発器２２と凝縮器２４との間には、シリカゲル等の吸着剤が収容された第１吸着槽２６及び第２吸着槽２８が並設されている。蒸発器２２及び凝縮器２４と第１吸着槽２６及び第２吸着槽２８との間には、第１開閉弁３０、第２開閉弁３２、第３開閉弁３４、及び第４開閉弁３６が介在されている。さらに、蒸発器２２と凝縮器２４とは、流量調整弁３８を途中に備えたリターン管路４０によって相互に接続されている。
【００２０】
蒸気圧縮サイクル空調機１４は、フロン等の熱媒体を圧送するためのコンプレッサ４２と、熱媒体送給サイクル変更用の四方弁４４と、第１蓄湯槽１６に接続された第１熱交換器４６と、ファン４８が並設された第２熱交換器５０と、第２蓄湯槽１６に接続された第３熱交換器５１と、直列的に配設された第１膨張弁５２及び第１逆止弁５４並びに第２膨張弁５６及び第２逆止弁５８と、第３熱交換器５１への流路変更用の図示しない三方弁と、を含んで構成されている。
【００２１】
蓄湯槽１６は、蓄湯槽タンク６０を備えている。蓄湯槽タンク６０の上部外周及び下部外周には、蒸気圧縮サイクル空調機１４と接続された第１熱交換器６２及び第２熱交換器６４が配設されている。さらに、蓄湯槽タンク６０の下部外周には、太陽熱コレクタ６６と接続された第３熱交換器６８が配設されている。さらに、図示は省略するが、蓄湯槽タンク６０は、前述した第１蓄湯槽１６及び第２蓄湯槽１６にそれぞれ配設された蓄湯槽側第１熱交換器及び蓄湯槽側第２熱交換器と接続されている他、室内側ブライン回路及び凝縮器冷却用ブライン回路とも接続されている。
【００２２】
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
【００２３】
図２には、本実施形態に係る冷暖房及び給湯システム１０を利用することにより実現される熱のカスケード化の夏冬ごとの温度パターンが示されている。以下、この温度パターンに沿って冷暖房及び給湯時の熱の流れについて説明していくことにする。
【００２４】
この温度パターンに示されるように、夏季においては、まず、深夜電力を使って蒸気圧縮サイクル空調機１４が作動されることにより、約２０°Ｃの水道水が約６０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ａがこれに対応する）。約６０°Ｃまで加熱された蓄湯槽タンク６０内の熱水は、太陽熱コレクタ６６によって更に約８０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ｂがこれに対応する）。その結果、蓄湯槽タンク６０内には、約８０°Ｃに加熱された熱水が蓄湯される。
【００２５】
次に、この蓄湯された熱水を利用して冷房運転がなされる。外部熱源として約８０°Ｃの熱水を利用できる高温時には、蒸気吸着サイクル空調機１２の適切な作動が得られるため、蓄湯槽１６から供給された熱水を利用して（図１の矢印Ｃがこれに対応）、蒸気吸着サイクル空調機１２のみを作動させて冷房運転がなされる（図１の矢印Ｄがこれに対応）。
【００２６】
今仮に、第１吸着槽２６の吸着剤が乾燥状態にあり、第２吸着槽２８の吸着剤が吸着飽和状態にあるとした場合、第１吸着槽２６側では吸着過程を行わせ、第２吸着槽２８側で再生過程を行わせる。各開閉弁は、コントローラによって第１開閉弁３０及び第４開閉弁３６が開放状態とされ、第２開閉弁３２及び第３開閉弁３４が閉塞状態とされる。第１吸着槽２６側では蒸発器２２で生じた蒸気が第１吸着槽２６の吸着剤に吸着され、この際に蒸発潜熱が奪われて蒸発器２２が冷却される。この冷熱を室内側ブライン回路で冷房時の室内機１８へ回して冷房運転を行う。一方、第２吸着槽２８側では蓄湯槽１６から第２吸着槽２８の蓄湯槽側第２熱交換器へ熱水が供給され、当該第２吸着槽２８内の吸着剤が加熱されて乾燥される。この際に生じた蒸気は第４開閉弁３６を通って凝縮器２４内へ入り、凝縮器冷却用ブライン回路で冷却されて液化される。液化された熱媒体は流量調整弁３８を通って低圧化されて蒸発器２２へ戻される。なお、第１吸着槽２６と第２吸着槽２８は、吸着過程と再生過程を交互に繰り返して使用される。
【００２７】
上記の如くして冷房運転がなされた結果、図２に示される如く、熱水温度は約６０°Ｃまで降温される。ところで、給湯器２０に供給すべき給湯温度は約４５°Ｃくらいである。そこで、本実施形態では、約６０°Ｃに降温された温水をリターン湯として蓄湯槽タンク６０の低温側に戻すことにする（図１の矢印Ｅがこれに対応）。そして、この約６０°Ｃのリターン湯を薄めて約４５°Ｃの温水とし、給湯に利用する（図１の矢印Ｆがこれに対応）。逆に観れば、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用した冷暖房及び給湯システム１０であるがために、冷房時には約６０°Ｃの熱を保有したリターン湯が得られ、これを給湯に有効利用しようとするものである。その後、給湯にも利用できない温度（約４０°Ｃ）まで降温したら、排水するか或るいは給水用に使う。
【００２８】
なお、上述した冷房運転は蓄湯槽１６の熱水が高温時の場合であったが、中温時の場合には蒸気吸着サイクル空調機１２を単独で作動させることはもはやできない。そこで、このような場合には、蒸気圧縮サイクル空調機１４を作動させることにより、蓄湯槽１６との熱交換だけでは不足する分をアシストしながら、蒸気吸着サイクル空調機１２を作動させる（図１の矢印Ｇ、矢印Ｈがこれに対応）。具体的には、第１吸着槽２６に接続された蓄湯槽側第１熱交換器（図示省略）を流れる空冷された熱媒体によって吸着剤を冷却するのに加えて、蒸気圧縮サイクル空調機１４を三方弁で流路変更することなく冷房サイクルモードで作動させることにより第１熱交換器４６でも吸着剤を冷却する（即ち、二系統で吸着剤を冷却する）。或いは、第２吸着槽２８に接続された蓄湯槽側第２熱交換器（図示省略）を流れる中温の熱媒体によって吸着剤を加熱するのに加えて、蒸気圧縮サイクル空調機１４を三方弁で流路変更した上で冷房サイクルモードで作動させることにより第２吸着槽２８に接続された第３熱交換器５１でも吸着剤を加熱する（即ち、二系統で吸着剤を加熱する）。これにより、蒸気吸着サイクル空調機１２の温度制約が取り除かれ、作動許容範囲が拡大される。さらに熱水温度が下がった低温時の場合には、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用することなく、それ自体効率も高い蒸気圧縮サイクル空調機１４を単独で作動させることにより冷房運転がなされる（図１の矢印Ｉがこれに対応）。
【００２９】
一方、冬季において暖房運転する場合はどうかというと、この場合も、上述した夏季の冷房運転時におけるカスケード化と基本的には同様である。
【００３０】
すなわち、冬季においては、まず、深夜電力を使って蒸気圧縮サイクル空調機１４が作動されることにより、約５°Ｃの水道水が約６０°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ａがこれに対応する）。約６０°Ｃまで加熱された蓄湯槽タンク６０内の熱水は、太陽熱コレクタ６６によって更に約６５°Ｃまで加熱される（図１の矢印Ｂがこれに対応する）。なお、冬季であるので、太陽熱コレクタ６６を利用しても、夏季程には加熱することはできない。従って、蓄湯槽１６には、約６５°Ｃに加熱された熱水が蓄湯されることになる。
【００３１】
そして、この約６５°Ｃの熱水を使って、暖房運転が行われる。概略的には、蓄湯槽タンク６０内の熱水が室内側ブライン回路を介して暖房時の室内機１８へ直接的に送給されて暖房運転がなされる（図１の矢印Ｊがこれに対応）。暖房運転がなされた結果、図２に示される如く、熱水温度は約５０°Ｃまで降温される。しかし、給湯器２０に供給すべき給湯温度である約４５°Ｃよりは高温である。そこで、本実施形態では、約５０°Ｃに降温された温水をリターン湯として蓄湯槽タンク６０の低温側に戻すことにする（図１の矢印Ｋがこれに対応）。そして、この約５０°Ｃのリターン湯を薄めて約４５°Ｃの温水とし、給湯に利用する（図１の矢印Ｆがこれに対応）。逆に観れば、蒸気吸着サイクル空調機１２を使用した冷暖房及び給湯システム１０であるがために、暖房時には約５０°Ｃの熱を保有したリターン湯が得られ、これを給湯に有効利用しようとするものである。その後、給湯にも利用できない温度（約４０°Ｃ）まで降温したら、排水するか或るいは給水用に使う。
【００３２】
なお、冬季の日中等においてお湯が無くなってしまったような場合には、低温時の冷房のときと同様に、蒸気圧縮サイクル空調機１４のみが作動されて暖房運転がなされる（図１の矢印Ｌがこれに対応）。
【００３３】
このように本実施形態では、冷房運転時及び暖房運転時のいずれにおいても、約６０°Ｃ或るいは約５０°Ｃに降温したリターン湯を蓄湯槽１６に戻して、約４５°Ｃに薄めて給湯に利用する構成としたので、熱をカスケード的に有効利用することができる。その結果、蒸気吸着サイクル空調機１２と蒸気圧縮サイクル空調機１４とを組み合わせた太陽熱利用型の冷暖房及び給湯システム１０において、更なる省エネを図ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の本発明に係る冷暖房及び給湯システムは、冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯及び暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用することとしたので、熱をカスケード的に利用することができ、その結果、蒸気吸着サイクル空調機と蒸気圧縮サイクル空調機とを組み合わせた太陽熱利用型のシステムにおいて、更なる省エネを図ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係る冷暖房及び給湯システムの概略構成図（熱伝達系統図）である。
【図２】本実施形態に係る冷暖房及び給湯システムを利用することにより実現される熱のカスケード化を示す夏冬ごとの温度パターンである。
【符号の説明】
１０ 冷暖房及び給湯システム
１２ 蒸気吸着サイクル空調機
１４ 蒸気圧縮サイクル空調機
１６ 蓄湯槽
６６ 太陽熱コレクタ
Claims (1)
- 太陽熱コレクタと接続された蓄湯槽と、この蓄湯槽と接続されかつ吸着過程と再生過程とを繰り返すことにより冷凍サイクルを構成する蒸気吸着サイクル空調機と、この蒸気吸着サイクル空調機と接続されかつ当該蒸気吸着サイクル空調機をアシスト可能な蒸気圧縮サイクル空調機と、を含んで構成され、
冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が高温の場合には、当該熱水の熱を前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、冷房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が中温の場合には、前記蒸気圧縮サイクル空調機を作動させて当該蒸気圧縮サイクル空調機からの熱と当該熱水の熱とを前記蒸気吸着サイクル空調機の再生過程で利用して冷房運転が行われ、
暖房運転時において蓄湯槽内の熱水の温度が十分に高い場合には、当該熱水をそのまま利用して暖房運転が行われる冷暖房及び給湯システムにおいて、
前記冷房運転時に蓄湯槽の熱水が蒸気吸着サイクル空調機で利用されて降温したリターン湯及び前記暖房運転時に蓄湯槽の熱水が暖房に利用されて降温したリターン湯を蓄湯槽に戻すと共に、当該リターン湯の温度が給湯に利用可能な所定温度以上である場合には当該リターン湯を給湯に利用する、
ことを特徴とする冷暖房及び給湯システム。
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