JP3811682B2 - ヒートポンプ式給湯暖房機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプサイクルを用いて給湯および暖房を行う給湯暖房機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術のヒートポンプ貯湯式給湯暖房機として、ヒートポンプサイクルにより高温に貯湯したタンク内の上部に設けた水循環式の熱交換器を設け、タンク内に貯湯された高温水と暖房機で放熱して戻った低温水が熱交換器内を循環することにより高温貯湯側から吸熱して再昇温し循環ポンプを介して暖房機に温水を循環させることにより暖房を行うシステムが特開2002−349964号公報(以下、特許文献1)に開示されている。
【0003】
本従来技術のタンク内高温貯湯運転はヒートポンプサイクルの高圧高温の冷媒回路と循環ポンプによりタンク底部から吸入した循環水により熱交換を行い、水回路内の水温を昇温させてからタンク上部に戻し貯湯を行っている。
【0004】
従って、ヒートポンプサイクルから水回路と冷媒回路との熱交換を行う水冷媒熱交換器を介して一旦高温水をタンクに貯湯し、この高温水と暖房機内を循環する水回路との熱交換を別途設置した水熱交換器を用いて吸熱し暖房運転を行うため、ヒートポンプサイクルから貯湯タンクに高温水を貯湯するための水冷媒熱交換と、暖房機へ高温水を循環するためのタンク内高温水と暖房水回路との水水熱交換の合計2回の熱交換を行わなければならない。このため、熱交換効率が低下し、システムのエネルギー効率が低下する恐れがある。
【0005】
また、他の給湯暖房システムとして、例えばエチレングリコール水溶液などの熱媒を循環させて貯湯タンク内の水を温めたり、床暖房運転を行うことが特開2002−286231号公報(以下、特許文献2)に開示されている。
【0006】
特許文献2のシステムでは給湯用のタンク内高温水貯湯運転はタンク内に設置された電気ヒーターにより行っており、貯湯のエネルギー効率(加熱能力/使用電力)は1以下の低効率化を招く。また、暖房安定後に使用するヒートポンプサイクルによる暖房回路は別途暖房用熱源機を設置するためシステムの大形化が懸念されるとともに、ヒートポンプサイクルは給湯には使用されず暖房専用の熱源機として構成されているため夏季などの暖房運転不要時期では動作せず年間利用の観点からは過剰な構成となる。また、冬期においては暖房の立上りに要する使用熱量が増大するためタンク内の貯湯熱量が減少し、対応としてタンク容量を大きくするか、電気代の高い昼間貯湯運転を行う必要が生じることがある。
【特許文献1】
特開2002−349964号公報(要約)
【特許文献2】
特開2002−286231号公報(要約)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記不具合、即ち暖房運転する場合に高温水をタンクに貯湯させるヒートポンプ運転ではヒートポンプサイクルから吸熱するため、冷媒回路とタンク水回路を接触あるいは接合した水冷媒熱交換器を用い、更にこの高温貯湯された高温水から暖房機に利用する循環水の温度上昇を得るために水熱交換器をタンク内に設置する必要がある。従って、暖房用に温水を循環するにはヒートポンプサイクルで吸熱した熱源を一旦水冷媒熱交換器によりタンク水回路に吸熱貯湯し、このタンク内高温水から水熱交換器を介して暖房機用循環水に吸熱させ暖房用温水を作らなけらばならない。熱交換を行う場合には熱交換効率が生じ、当該システムのように高温冷媒回路からタンク貯湯への熱交換、タンク貯湯した高温水から更に暖房用循環水への熱交換と2重に熱交換させるため熱損失が増加し、暖房システムとして効率低下を招く。また、暖房の立上げは貯湯タンク内高温水からの吸熱により暖房用温水を作り、立上げ後はヒートポンプサイクルの冷媒回路から暖房用熱源を吸熱するシステムではヒートポンプサイクル熱源機がタンク貯湯には使用されず暖房専用の熱源機となるため貯湯および立上げ暖房用高温水は電気ヒーターを用いたタンクユニットにより運転される。安定時の暖房運転は専用のヒートポンプサイクル熱源機が必要となりシステムの大形化およびヒートポンプサイクル熱源機の夏季など暖房運転不要時の運転率低下が予想される。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、ヒートポンプサイクル熱源機による直接給湯および暖房を行う給湯暖房システムを用い、暖房時も熱交換効率を向上させるため冷媒管と暖房用温水を暖房専用に直接熱交換させる水冷媒熱交換器を給湯用水冷媒熱交換器とは別に並列に設置する。また、(1)圧縮機出口の高温冷媒は給湯用と暖房用の水冷媒熱交換器手前に設置した切換え弁により冷媒回路が変更され、減圧装置手前で給湯用熱交換器と暖房用熱交換器の各々出口パイプが合流する。または、 (2) 給湯用水冷媒熱交換器および暖房用水冷媒熱交換器の各々の出口側に開度可変の電動式膨張弁を設置しても同様の制御が可能である。尚、暖房用の水冷媒熱交換器出口から給湯用水冷媒熱交換器出口との合流部手前に減圧装置側に向かった流れ方向の逆止弁を設置し、暖房停止中のサイクルパイプ内に冷媒が凝縮することを防止する。
【0009】
このような暖房用回路を構成することにより暖房用熱源をヒートポンプサイクルの高温冷媒回路から直接効率良く吸熱し、水冷媒熱交換器の小形化が可能となり、高効率な暖房運転を行うことができる。また、本発明のヒートポンプサイクル熱源機は高出力とし、貯湯用の大容量タンクユニットは使用せず給湯時はヒートポンプサイクル冷媒回路と給湯水回路の給湯用水冷媒熱交換器により直接給湯を行う。暖房も同様に冷媒回路と暖房水回路の水冷媒熱交換器により行われるため、熱交換器、切換え弁/電動式膨張弁、逆支弁等はヒートポンプサイクル熱源機内に収納可能であり、給湯暖房システムの集約、コンパクト構造および製造原価の低減に貢献できる。
【0010】
以上のようなヒートポンプ給湯暖房機の給湯回路および暖房回路を冷凍サイクル、給湯用水冷媒熱交換器、暖房用水冷媒熱交換器、暖房機器、切換え弁/電動式膨張弁などから構成することにより暖房熱源の高効率熱交換、暖房回路の低原価構成を得ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図1を用いて説明する。図1は本実施例のヒートポンプサイクル熱源機を用いた給湯および床暖房回路を示しており、1は回転数制御可能な圧縮機、2は外気との熱交換により吸熱を行う蒸発器、3は蒸発器2への送風を行い熱交換を促進する送風機、4は凝縮した高温高圧冷媒を減圧させる減圧装置、5は外気が低温時に蒸発器に着霜し運転時間とともに着霜量が増大したとき高温冷媒ガスを蒸発器に流入させて除霜を行う2方弁である。本実施例ではヒートポンプサイクルが2系統独立して構成され、圧縮機、蒸発器、減圧装置、ファン等は各々2台用いており、添字aおよびbはサイクルに用いる機器の系統を区別している。添字aは第1系統のヒートポンプサイクル、添字bは第2系統のヒートポンプサイクルを示している。給湯用の水冷媒熱交換器6は、冷媒回路と給湯・タンク沸上げ・風呂追焚き水回路が接触し熱交換を行う。床暖房用水冷媒熱交換器8は床暖房パネル9に這わせたパイプに循環ポンプ7により送水する温水をつくる。21は給湯および床暖房運転の冷媒回路を切り換えるための3方向切り変え弁である。10は逆止弁であり、暖房用水冷媒熱交換器8の冷媒回路出口と減圧装置4aの間に設置される。給湯用水冷媒熱交換器の冷媒回路は補助貯湯タンク13の周囲に螺旋状に設置され、この周囲を断熱材で覆うため冷媒回路はタンクからの熱伝導により高温に保持され、停止中に冷媒が凝縮することはない。11は給湯、風呂湯張りを行う時の給水口、12は洗面、台所などへ出湯させるための出湯口である。バイパス比例弁19は給水された水を出湯する水に混合するために通過させる弁である。水比例弁20は、必要に応じて混合弁18で混合された給湯用水冷媒熱交換器6からの水と貯湯タンク13からの水からなる高温の水と、給水口11からの低い温度の水とが混ぜられて、その温度が適切になった水の出湯量の調節を行う。出湯口12の17は風呂15へ自動湯張りを行う場合の注湯電磁弁を示す。また、16は風呂15の追焚きを行う場合の循環ポンプを示している。14は補助貯湯タンク13に貯湯する場合、水冷媒熱交換器6を介してタンクに循環させるタンク沸上げ用ポンプである。
【0012】
ここで、貯湯タンクは少容量であり給湯開始時のヒートポンプサイクルが立ち上がりの過渡状態にある時、混合弁18を介して給湯回路にタンク内温水が補助的に供給される。
【0013】
図2は本実施例で示した給湯、追焚き用水冷媒熱交換器の一例であり、25は第1系統のヒートポンプサイクルの冷媒管、26は給湯、タンク沸上げ用水管、27は第2系統のヒートポンプサイクルの冷媒管、28は風呂追焚き用の水管であり各々偏平に成形され各管の接触面積を増加させている。各第1系統ヒートポンプサイクル冷媒管、給湯用水管、第2系統ヒートポンプサイクル冷媒管、風呂追焚き用水管は4本を1組として螺旋状に成形し補助貯湯タンクの周囲に設置する構造としている。
【0014】
図3は床暖房用の水冷媒熱交換器であり、29は第1のヒートポンプサイクルの冷媒管、30は床暖房用の温水管であり、第1ヒートポンプサイクル冷媒管、床暖房用水管の2本を1組として螺旋状に成形し、給湯用水冷媒熱交換器と同様に補助貯湯タンク周囲に設置する構造としている。
【0015】
尚、給湯用および暖房用水冷媒熱交換器として、水管周囲から冷媒用細管を複数本押込み成形した熱交換器等、種々の熱交換器を螺旋状あるいは直管に成形して使用することも可能である。
【0016】
このような構成からなるヒートポンプ給湯暖房機において給湯および風呂湯張り、風呂追焚き、タンク沸上げ運転は1系統および2系統のヒートポンプサイクルを同時駆動することによりタンクからの補助出湯を少なくして大部分の出湯をヒートポンプサイクルの吸熱から直接行うことができ、高効率な給湯運転となる。
【0017】
一方、本発明の構成による床暖房を行う場合は図4に示す如く1系統のみのヒートポンプサイクルを運転し、冷媒流路切換え弁を床暖房側へ冷媒流路を切り換え、床暖房パネルへ温水を循環させるための循環ポンプを運転する。一般的に床暖房の立上り負荷は3kW、安定時負荷は1から2kW程度と少ないため、1系統のみの運転でも充分対応可能である。また、床暖房用の温水は、ヒートポンプサイクルの高温側冷媒と熱交換して作るため熱交換効率が高く、エネルギー効率に優れた床暖房運転を行うことができる。床暖房の温度調節はパネル温度を検知したリモコン23から設定温度との温度差によりヒートポンプサイクルの圧縮機回転数を制御器22に与えて調整し水冷媒熱交換器からの吸熱量を増減しパネル温度を制御する。ただし、床暖房運転中に給湯の要求があった場合は先ず、床暖房回路に未接続の第2系統のヒートポンプサイクルを起動し給湯運転を行う。更に第2系統のヒートポンプサイクルの給湯能力を超える出湯負荷が発生した場合は第1系統のヒートポンプサイクルの冷媒流路を切換え弁により給湯回路側に切り換え、床暖房運転を一時停止する。
【0018】
また、床暖房を運転してしばらく経過している場合は、床暖房パネル内の温水が十分温まっているため、次のような運転制御が効果的である。すなわち、第1系統のヒートポンプサイクルが床暖房運転を行っているときに給湯の要求があった場合、第2系統のヒートポンプサイクルの運転を開始すると共に、既に運転状態にあった第1系統のヒートポンプサイクルの3方切換え弁21を切り換え高温高圧の冷媒の全量を給湯用水冷媒熱交換器6に流す。
【0019】
そして第2系統のヒートポンプサイクルの冷媒が十分高温になり単独で湯を供給できるようになったら、出湯は第2系統のヒートポンプサイクルのみで出湯運転する。そして、第1系統のヒートポンプサイクルは3方切換え弁21が流路を切換え、もとの床暖房運転に戻る。
【0020】
また、本実施例では冷媒流路切換えを3方切換え弁21を使用しているため、床暖房運転中は第1系統のヒートポンプサイクルによる給湯側運転は停止されるが、図5に示す如く3方向の内2方向に同時に流出できる弁を使用すると第2系統のヒートポンプサイクルと第1系統のヒートポンプサイクル能力のうち、暖房負荷を除く能力は給湯側に追加できるため床暖房と高負荷の給湯の同時運転が可能になる。
【0021】
また、給湯用水冷媒熱交換器および暖房用水冷媒熱交換器の各々の出口側に開度可変の電動式膨張弁を設置しても同様の制御が可能である。
【0022】
尚、本実施例では暖房機として床暖房パネルを接続しているが、浴室乾燥、浴室暖房、および室内暖房機などの接続も可能であり、また、複数の暖房機機器を接続することも可能である。
【0023】
また、ヒートポンプサイクルに使用する冷媒に自然系冷媒を用いた場合、特に二酸化炭素を使用し従来の貯湯式タンクに高温水(90℃)を貯湯すると周囲温度との温度差が大きくなりタンクからの放熱量が増加する。本発明では給湯あるいは暖房運転の要求が発生したときにヒートポンプサイクルを運転し冷媒回路と温水回路で高効率熱交換を行い、保温による熱漏洩もないため給湯暖房システムの省電力化が顕著に現れる。
【0024】
以上説明したように、本発明によれば回転数制御可能な圧縮機を2台用いて、各々独立したヒートポンプサイクル系統を構成し、第1系統のヒートポンプサイクルの冷媒回路に暖房用水冷媒熱交換器を設置し、当該熱交換器からの吸熱により昇温した温水を循環ポンプにより暖房機器内に循環することにより効率的な暖房運転を行うことができる。また、ヒートポンプサイクルを2系統に各々独立して構成することにより暖房運転中においても第2系統のヒートポンプサイクルは給湯運転が可能であり第2系統ヒートポンプサイクル能力で賄える給湯負荷と暖房運転を同時に行うことができる。
【0025】
また、第2系統ヒートポンプサイクルの給湯能力以上の給湯負荷と暖房要求が同時に発生する場合は第1系統のヒートポンプサイクルの3方向切換え弁の構造を2方向同時流出可能な切換え弁を使用する構成により高負荷の給湯および暖房の同時運転が可能となる。
【0026】
以上のように、本発明によればヒートポンプ給湯暖房機において給湯と暖房運転を少ない部品構成で効率的に達成できる給湯暖房機を提供することができる。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば効率的な暖房運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例における給湯暖房機の構成図。
【図2】 本発明に係わる給湯、風呂追焚きに使用可能な水冷媒熱交換器の構造図。
【図3】 本発明に係わる暖房に使用可能な水冷媒熱交換器の構造図。
【図4】 本発明に係わる床暖房の運転制御を行うための構成図。
【図5】 本発明に係わる給湯、暖房同時運転の冷媒回路に3方弁を用いた構成図。
【符号の説明】
1…回転数制御圧縮機、4…蒸発器、6…給湯用水冷媒熱交換器、8…暖房用水冷媒熱交換器、9…床暖房パネル、11…給水口、12…出湯口、13…補助貯湯タンク、15…浴槽、19…バイパス比例弁、20…水比例弁、21…冷媒流路切換え弁、22…サイクル制御装置、23…床暖房用リモコン、24…2方向流出3方切換え弁。
Claims (8)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された高温の冷媒が供給される給湯用熱交換器と、そこで熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を気化する蒸発器とを順次接続したヒートポンプサイクルと、
前記給湯用熱交換器からの吸熱量を増減するために前記圧縮機の回転数を制御する制御手段と、
前記給湯用熱交換器とは並列に配置され、前記ヒートポンプサイクルから分岐した冷媒により熱交換を行う暖房用熱交換器と、
を有し、
前記給湯用熱交換器からの吸熱によって給水口から給水された水が直接給湯可能に昇温され、必要に応じて、混合弁を介した貯湯タンクからの高温の水、及び/又は、バイパス比例弁を介した前記給水口からの低温の水が出湯する水に混ぜられて、適切な温度になった水を出湯口に給湯し、
暖房機器を接続することによって前記暖房用熱交換器と前記暖房機器とで暖房回路を形成し、前記冷媒と前記暖房回路内の流体とで熱交換を行い、当該暖房機器によって暖房を行うことができるヒートポンプ式給湯暖房機。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された高温の冷媒が供給される給湯用熱交換器と、そこで熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を気化する蒸発器とを順次接続したヒートポンプサイクルと、
前記給湯用熱交換器からの吸熱量を増減するために前記圧縮機の回転数を制御する制御手段と、
前記給湯用熱交換器とは並列に配置され、前記ヒートポンプサイクルから分岐した冷媒により熱交換を行う暖房用熱交換器と、
前記給湯用熱交換器を含むヒートポンプサイクルから分岐して前記冷媒を前記暖房用熱交換器に供給するため、前記給湯用熱交換器の上流側の前記ヒートポンプサイクル内に設けられた弁であって、前記給湯用熱交換器への冷媒流路と前記暖房用熱交換器への冷媒流路との双方に前記冷媒を分配することができる弁と、
を有し、
前記給湯用熱交換器からの吸熱によって給水口から給水された水が直接給湯可能に昇温され、必要に応じて、混合弁を介した貯湯タンクからの高温の水、及び/又は、バイパス比例弁を介した前記給水口からの低温の水が出湯する水に混ぜられて、適切な温度になった水を出湯口に給湯し、
暖房機器を接続することによって前記暖房用熱交換器と前記暖房機器とで暖房回路を形成し、前記冷媒と前記暖房回路内の流体とで熱交換を行い、当該暖房機器によって暖房を行うことができるヒートポンプ式給湯暖房機。 - 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から吐出された高温の冷媒が供給される給湯用熱交換器と、そこで熱交換された冷媒を減圧する減圧装置と、減圧された冷媒を気化する蒸発器とを順次接続したヒートポンプサイクルと、
前記給湯用熱交換器からの吸熱量を増減するために前記圧縮機の回転数を制御する制御手段と、
前記給湯用熱交換器とは並列に配置され、前記ヒートポンプサイクルから分岐した冷媒により熱交換を行う暖房用熱交換器と、
前記給湯用熱交換器の出口側に配設された開度可変の第1電動式膨張弁と、
前記暖房用熱交換器の出口側に配設された開度可変の第2電動式膨張弁と、
を有し、
前記給湯用熱交換器からの吸熱によって給水口から給水された水が直接給湯可能に昇温され、必要に応じて、混合弁を介した貯湯タンクからの高温の水、及び/又は、バイパス比例弁を介した前記給水口からの低温の水が出湯する水に混ぜられて、適切な温度になった水を出湯口に給湯し、
暖房機器を接続することによって前記暖房用熱交換器と前記暖房機器とで暖房回路を形成し、前記冷媒と前記暖房回路内の流体とで熱交換を行い、当該暖房機器によって暖房を行うことができるヒートポンプ式給湯暖房機。 - 請求項1乃至3の何れかにおいて、
前記給湯用熱交換器に対して前記ヒートポンプサイクル(第1のヒートポンプサイクルと称する)とは別のヒートポンプサイクル(第2のヒートポンプサイクル称する)を備え、
前記第1のヒートポンプサイクルで暖房運転を行っているときに給湯要求があった場合、前記第2のヒートポンプサイクルを起動して給湯運転を行うヒートポンプ式給湯暖房機。 - 請求項1乃至3の何れかにおいて、
前記給湯用熱交換器に対して前記ヒートポンプサイクル(第1のヒートポンプサイクルと称する)とは別のヒートポンプサイクル(第2のヒートポンプサイクル称する)を備え、
前記第1のヒートポンプサイクルで暖房運転を行っているときに給湯要求があった場合、前記第2のヒートポンプサイクルを起動して給湯運転を行い、
当該給湯要求による出湯量が多く、高負荷給湯のときは、前記暖房用熱交換器に循環している冷媒を前記給湯用熱交換器に分配し、又は、前記暖房用熱交換器への冷媒の供給を停止するヒートポンプ式給湯暖房機。 - 請求項1乃至5の何れかにおいて、
前記制御手段は、前記暖房機器の温度、及び、設定温度に基づいて前記圧縮機の回転数を制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房機。 - 請求項1乃至6の何れかにおいて、
前記ヒートポンプ式給湯暖房機は、前記暖房回路内に循環ポンプを備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房機。 - ヒートポンプサイクルに使用する冷媒は自然系冷媒である請求項1乃至7の何れかに記載のヒートポンプ式給湯暖房機。
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