JP4114613B2 - ヒートポンプ式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプと、温水を貯蔵する貯湯タンクとを有するヒートポンプ式給湯システムの凍結防止に関するものである。

従来からヒートポンプにより水を温めて貯湯タンクに貯湯するヒートポンプ式給湯システムが使用されている。ここで、外部の温度が低下した場合に、ヒートポンプと貯湯タンクとを接続する循環配管が凍結することを防止するために、通常は循環配管にヒーターを設置することが実施されている。

これに対して、循環ポンプを運転して水を循環させることにより凍結を防止することが、特開平５−２７２８１２号公報（特許文献１）、特許２００２―４８３９９号公報（特許文献２）や特許２００２―２１３８２１号公報（特許文献３）に開示されている。これらの特許文献に開示されているヒートポンプ式給湯システムは、基本構成を図４に示すように、ヒートポンプ１と、ヒートポンプ１の水を循環させる循環ポンプ２と、温水を貯蔵する貯湯タンク４と、ヒートポンプ１から出水するヒートポンプ往路配管５と、ヒートポンプ１へ水を供給するためのヒートポンプ復路配管６と、貯湯タンク４に温水を供給するタンク往路配管１０と、貯湯タンク４から出水するタンク復路配管１１と、を有している。また、貯湯タンク４に外部から水道水等を供給するための水道管１３と、貯湯タンクから給湯口１５へと温水を供給するための給湯管１４を備えている。なお、ヒートポンプ復路配管６には逆止弁９が、水道管１３には水道栓１６が、給湯管１４には給湯栓１７がそれぞれ具備されていて、水の供給量等を調整している。

ここで、ヒートポンプ往路配管５とタンク往路配管１０との間、ヒートポンプ復路配管６とタンク復路配管１１との間には、バイパス切替弁１２が具備されている。通常は、ヒートポンプ１と循環ポンプ２を運転して、ヒートポンプ１→ヒートポンプ往路配管５→バイパス切替弁１２→タンク往路配管１０→貯湯タンク４→タンク復路配管１１→バイパス切替弁１２→ヒートポンプ復路配管６→ヒートポンプヒートポンプ１という給湯回路で水を循環させることによって、ヒートポンプ１で温めた水を貯湯タンク４へと供給している。この状態のヒートポンプ式給湯システムでは水が循環しているので、外部の温度が低下しても凍結を起こすこはない。しかし、例えば、貯湯タンク４が満タンとなって、ヒートポンプ１と循環ポンプ２の運転を停止した場合に、温度が低下すると、ヒートポンプ１、ヒートポンプ往路配管５、ヒートポンプ復路配管６で凍結を起こすおそれを生じていた。そこで、温度センサ等により凍結を予知した場合には、循環ポンプ２を運転されるとともに、バイパス切替弁１２を切替えることにより、ヒートポンプ１→ヒートポンプ往路配管５→バイパス切替弁１２ヒートポンプ復路配管６→ヒートポンプヒートポンプ１というバイパス回路を構成して、このバイパス回路で水を循環させることにより、凍結を防止している。このようなヒートポンプ式給湯システムでは、加熱ヒーター等を設けることなく、凍結を防止することができる。なお、図４には図示していないが、特許文献１〜３に開示されているヒートポンプ式給湯システムには、ヒートポンプ１と貯湯タンク４との間に熱交換器を設けている。
特開平５−２７２８１２号公報 特許２００２―４８３９９号公報 特許２００２―２１３８２１号公報

最近、大量の温水が使用できるように、貯湯タンクを大型化することがなされている。こらにあわせて、貯湯タンクに対して複数のヒートポンプを並列に接続して、多量の温水を貯湯タンクに供給することも実施されている。このようなヒートポンプ式給湯システムでは、貯湯タンクの貯湯量が極めて少ないときは、すべてのヒートポンプを運転させることにより、短時間で大量の温水を提供する一方、貯湯タンクの貯湯量が一定以上になった場合には、一部のヒートポンプのみを運転されることにより省エネを図っている。

ここで、このような複数のヒートポンプを有する給湯システムに対して、特許文献１〜３に開示されている凍結防止方法をそのまま用いた場合には、一部のヒートポンプのみを運転しているときには、運転していないヒートポンプが凍結を起こすおそれがあった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて発明されたものであり、複数のヒートポンプを有する給湯システムについて、凍結を防止する方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯システムは、複数のヒートポンプと、各々の前記ヒートポンプの水を循環させる循環ポンプと、各々の前記ヒートポンプの凍結を予知する凍結センサと、各々の前記循環ポンプを制御する制御部と、各々の前記制御部を全体として制御する総括制御部と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記ヒートポンプから出水するためのヒートポンプ往路配管と、前記ヒートポンプへ水を供給するためのヒートポンプ復路配管と、前記貯湯タンクに温水を供給するためのタンク往路配管と、前記貯湯タンクから出水するためのタンク復路配管と、を有してなり、前記ヒートポンプから出水して前記ヒートポンプ往路配管、前記タンク往路配管、前記貯湯タンク、前記タンク復路配管、前記ヒートポンプ復路配管の順に通過して各々の前記ヒートポンプヒートポンプに戻る給湯回路と、前記ヒートポンプから出水して前記ヒートポンプ往路配管、前記ヒートポンプ復路配管の順に通過して前記ヒートポンプに戻るバイパス回路と、を切替えるバイパス切替弁を具備してなり、前記ヒートポンプの少なくとも１台が運転している場合には、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプ及び循環ポンプを追加して運転することを特徴としている。

本実施形態のヒートポンプ式給湯システムは、各々の循環ポンプを制御する制御部と、各々の制御部を全体として制御する総括制御部とを有して、バイパス切替弁によって、給湯回路とバイパス回路とを切替えることができるので、複数のヒートポンプを有する給湯システムであっても確実に凍結を防止することができる。

本実施形態のヒートポンプ式給湯システムを図１〜３に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ式給湯システムは、３台のヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃと、それぞれのヒートポンプに内蔵されている循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃと、それぞれのヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃと循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃの運転を制御する制御部３ａ、３ｂ、３ｃとを有している。また、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃの内部には、内部温度をセンシングして、一定温度以下になると凍結予知信号を発する凍結センサ（図示せず）を有している。そして、制御部３ａ、３ｂ、３ｃと電気的に接続されていて全体として制御する総括制御部１８と、これを外部からコントロールするリモコン部１９とを備えている。

一方、温水を貯蔵する貯湯タンク４と、貯湯タンク４に外部から水道水等を供給するための水道管１３と、貯湯タンクから給湯口１５へと温水を供給するための給湯管１４を備えていて、給湯口１５を操作することにより、必要に応じて温水を得ることができる。ここで、水道管１３には水道栓１６が具備されて、貯湯タンク４から水が逆流しないようになっていて、給湯管１４には給湯栓１７がそれぞれ具備されて、給湯口１５への温水量の供給を調整している。

また、貯湯タンク４には、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃから温水を供給するためのタンク往路配管１０と、ヒートポンプ４へと水（ここでは、水には冷水と温水との両方を含んでいる）を移動するためのタンク復路配管１１とが接続されている。そして、タンク往路配管１０とタンク復路配管１１の先端には、バイパス切替弁１２が具備されている。さらに、バイパス切替弁１２のヒートポンプ側には、ヒートポンプ側から温水を供給するためのヒートポンプ往路配管５と、ヒートポンプ側に出水するためのヒートポンプ復路配管６とが具備されいてる。そして、ヒートポンプ往路配管５とヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃとは、それぞれヒートポンプ往路分岐管７ａ、７ｂ、７ｃによって接続されいて、ヒートポンプ復路配管６とヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃとは、それぞれヒートポンプ復路分岐管８ａ、８ｂ、８ｃによって接続されている。また、ヒートポンプ復路分岐管８ａ、８ｂ、８ｃには、逆止弁９ａ、９ｂ、９ｃが設けられていて、水の逆流を防止している。

最初に、外部の温度が適度に高くて凍結のおそれのない状態での本実施形態のヒートポンプ式給湯システムの運転について説明する。まず、給湯口１５から温水を大量に使用する等により、貯湯タンク４の水位が一定以下になると、水道栓１６を調節して水道管１３から水を供給するとともに、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃとそれぞれの循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃを運転させて、貯湯タンク４から供給される水を加熱する。このとき、バイパス切替弁１２を操作して、図２（ａ）に示すように、ヒートポンプ往路配管５とタンク往路配管１０とを、タンク復路配管１１とヒートポンプ復路配管６とをそれぞれ接続する。このようにして、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃ→ヒートポンプ往路分岐管７ａ、７ｂ、７ｃ→ヒートポンプ往路配管５→バイパス切替弁１２→タンク往路配管１０→貯湯タンク４→タンク復路配管１１→バイパス切替弁１２→ヒートポンプ復路配管６→ヒートポンプ復路分岐管８ａ、８ｂ、８ｃ→ヒートポンプ１という給湯回路で水を循環させることによって、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃで加熱した温水を貯湯タンク４へと供給する。次に、貯湯タンク４内部の水位が一定以上になれば、水道栓１６を調節することにより貯湯タンク４に供給する水道水の量を低減するとともに、ヒートポンプ１ｂ、１ｃと循環ポンプ２ｂ、２ｃの運転を停止させて、ヒートポンプ１ａと循環ポンプ２ａのみを運転させるようにさせる。また、さらに貯湯タンク４内部の水位が上昇して満タンになれば、水道水の貯湯タンク４への供給を停止するとともに、ヒートポンプ１ａと循環ポンプ２ａの運転も停止させる。

このように、最初の貯湯タンク４が低水位のときには３台のヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃを同時に運転することにより、大量の温水を短時間で供給することができる。また、貯湯タンク４の水位が一定以上になれば、ヒートポンプと循環ポンプの台数を減じて運転させることにより、省エネを図ることができる。これらの制御は総括制御部１８からの制御部３ａ、３ｂ、３ｃ及びバイパス切替弁１２に信号を送ることにより実施される。また、リモコン部１９を操作することにより、ヒートポンプと循環ポンプの台数を減じて運転させるときの水位や供給する温水の温度を調整させることもできる。このとき、外部の温度が適度に高いために、運転を停止しているヒートポンプと循環ポンプが凍結することはない。なお、必要に応じて、２台のヒートポンプと循環ポンプを運転させる状態を設定してもよい。

次に、外部の温度が低くなり、凍結センサから凍結を予知する信号が発せられたときのヒートポンプ式給湯システムの運転について説明する。ここで、凍結センサは、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの内部に１個ずつ設置されていて、ヒートポンプの温度をセンシングして、一定以下になった場合には、凍結が予知されるとして所定の電気信号を制御部３ａ、３ｂ、３ｃを通じて総括制御部１８に送る。

このようにして、凍結予知の信号を総括制御部１８が受信したときのヒートポンプ式給湯システムの運転操作について図３のフローチャートに基づいて、以下に説明する。まず、凍結予知の信号を受信する（Ｓ01）と、運転しているヒートポンプの台数を確認する。ここで、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃのすべてが運転していると判断した（Ｓ02）場合には、このヒートポンプ式給湯システムは、異常運転をしていることになる。したがって、このときは、所定場所に故障表示を示して（Ｓ03）システムを停止させる（Ｓ04）。さらに、必要に応じて警報を発するようにしておくことも望ましい。一方、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃの一部が運転していると判断した（Ｓ05）場合には、貯湯タンク４は低水位で満タンになっていないことになる。したがって、この場合は、バイパス切替弁１２によって給湯回路を構成していることを確認して（Ｓ06）、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃと循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃの中で、凍結予知信号を発したヒートポンプと循環ポンプを運転させる（Ｓ07）。このようにして、凍結予知信号が解除すれば（Ｓ08）、先に凍結予知の信号を発したヒートポンプと循環ポンプの運転を停止させる（Ｓ10）（この後、再度凍結を予知する信号が発せられれば、最初に戻って同じ操作をすることになる。）。

また、凍結予知信号が解除されなければ（Ｓ08）、貯湯タンク４が満タンになるまで（Ｓ09）、ヒートポンプと循環ポンプの運転して、貯湯タンク４に温水を供給する。次に、貯湯タンク４が満タンになっ場合には、図２（ｂ）に示すようにバイパス切替弁１２を切替える（Ｓ12）。つまり、タンク往路配管１０とタンク復路配管１１との先端を閉鎖した状態にして、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃ→ヒートポンプ往路分岐管７ａ、７ｂ、７ｃ→ヒートポンプ往路配管５→バイパス切替弁１２ヒートポンプ復路配管６→ヒートポンプ復路分岐管８ａ、８ｂ、８ｃ→ヒートポンプヒートポンプ１というバイパス回路を構成させる。そして、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃと循環ポンプと循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃの中で、凍結予知信号を発したヒートポンプの循環ポンプのみを運転させて（Ｓ13）、バイパス回路で水を循環させる。そして、凍結予知信号が解除するまで、この循環ポンプを運転させて、凍結予知信号が解除すれば（Ｓ14）、循環ポンプの運転を停止させる（Ｓ15）。

また、すべてのヒートポンプが停止している場合には（Ｓ11）、貯湯タンク４は満タンになっていることになる。したがって、さらに、貯湯タンク４に温水を供給することはできない。このときは、バイパス回路を構成するように、バイパス切替弁１２を切替えて（Ｓ12）、ヒートポンプ１ａ、１ｂ、１ｃと循環ポンプと循環ポンプ２ａ、２ｂ、２ｃの中で、凍結予知信号を発したヒートポンプの循環ポンプのみを運転させて（Ｓ13）、バイパス回路で水を循環させる。そして、凍結予知信号が解除するまで、この循環ポンプを運転させて、凍結予知信号が解除すれば（Ｓ14）、循環ポンプの運転を停止させる（Ｓ15）。（ここで、「ヒートポンプの一部が運転している（Ｓ05）」と判断した後、「すべてのヒートポンプが停止していない（Ｓ11）」と判断したときには、システムとしては異常な動作となっているので、故障表示（Ｓ16）を示してシステムを停止させる（Ｓ17）。）
本実施形態のヒートポンプ式給湯システムの凍結防止方法では、以下のような効果が得られる。まず、貯湯タンクが満タンではない場合には、凍結予知信号を発したヒートポンプと循環ポンプを運転させて、温水を貯湯タンクに供給することにより、該当ヒートポンプの凍結を回避するとともに、貯湯タンクに供給する温水の温度を一定保持することができる（このとき、循環ポンプのみを運転させると、供給する温水の温度が低下してしまう。）。また、この後に凍結予知信号が解除すれば、先に凍結予知信号を発したヒートポンプと循環ポンプを停止させることにより、省エネを図ることができる。

さらに、貯湯タンクが満タンの場合には、バイパス切替弁をバイパス回路側に切替えて、凍結予知信号を発したヒートポンプの循環ポンプのみを運転させる。こうして、貯湯タンクに温水を供給することなく、バイパス回路で水を循環させることで、ヒートポンプの凍結を回避するとともに、省エネ効果を得ることができる。（このとき、ヒートポンプも同時に運転させると、必要としない温水を供給することにより無駄なエネルギーを使用してしまう。）つまり、本実施形態のヒートポンプ式給湯システムは、各々のヒートポンプの凍結を予知する凍結センサと、各々の循環ポンプを制御する制御部と、各々の制御部を全体として制御する総括制御部と、給湯回路とバイパス回路とを切替えるバイパス切替弁とを有してなるので、総括制御部により、各々のヒートポンプと循環ポンプ及び貯湯タンクへの温水の供給量と、を集中的に制御することができる。このために、加熱ヒーターを用いることなく、複数のヒートポンプを有する給湯システムの凍結を効果的に防止することができる。

また、凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプの循環ポンプを運転することを特徴としているので、凍結が予知されるヒートポンプの凍結を確実に防止することができる。さらに、ヒートポンプの少なくとも１台が運転している場合には、凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプを運転させることを特徴としているので、貯湯タンクが満タンではない場合に、凍結予知信号を発したヒートポンプと循環ポンプを運転させて、温水を貯湯タンクに供給することにより、ヒートポンプの凍結を回避するとともに、貯湯タンクに供給する温水の温度を一定保持することができる。

加えて、ヒートポンプのすべてが運転を停止している場合には、バイパス回路を構成して、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプの循環ポンプを運転することを特徴としているので、貯湯タンクが満タンの場合には、凍結予知信号を発したヒートポンプの循環ポンプのみを運転させて、貯湯タンクに温水を供給することなく、バイパス回路で水を循環させることにより、該当ヒートポンプの凍結を回避するとともに、省エネ効果を得ることができる。

本実施形態のヒートポンプ式給湯システムのブロック図である。 本実施形態のバイパス切替弁を示す断面図である。 本実施形態のヒートポンプ式給湯システムの動作を示すフローチャートである。 従来のヒートポンプ式給湯システムの基本ブロック図である。

符号の説明

１、１ａ〜１ｃ ヒートポンプ
２、２ａ〜２ｃ 循環ポンプ
３、３ａ〜３ｃ 制御部
４ 貯湯タンク
５ ヒートポンプ往路配管
６ ヒートポンプ復路配管
７ａ〜７ｃ ヒートポンプ往路分岐管
８ａ〜８ｃ ヒートポンプ復路分岐管
９、９ａ〜９ｃ 逆止弁
１０ タンク往路配管
１１ タンク復路配管
１２ バイパス切替弁
１３ 水道管
１４ 給湯管
１５ 給湯口
１６ 水道栓
１７ 給湯栓
１８ 総括制御部
１９ リモコン部

Claims (4)

1. 水を加熱する複数のヒートポンプと、各々の前記ヒートポンプの水を循環させる循環ポンプと、各々の前記ヒートポンプの凍結を予知する凍結センサと、各々の前記循環ポンプを制御する制御部と、各々の前記制御部を全体として制御する総括制御部と、温水を貯蔵する貯湯タンクと、前記ヒートポンプから出水するヒートポンプ往路配管と、前記ヒートポンプへ水を供給するヒートポンプ復路配管と、前記貯湯タンクに温水を供給するタンク往路配管と、前記貯湯タンクから出水するタンク復路配管と、を有してなり、前記ヒートポンプから前記ヒートポンプ往路配管、前記タンク往路配管、前記貯湯タンク、前記タンク復路配管、前記ヒートポンプ復路配管の順に水が流れて各々の前記ヒートポンプヒートポンプに戻る給湯回路と、前記ヒートポンプから出水して前記ヒートポンプ往路配管、前記ヒートポンプ復路配管の順に水が流れて前記ヒートポンプに戻るバイパス回路と、を切替えるバイパス切替弁を具備してなり、前記ヒートポンプの少なくとも１台が運転している場合には、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプ及び循環ポンプを追加して運転することを特徴とするヒートポンプ式給湯システム。
2. 前記ヒートポンプのすべてが運転を停止している場合には、バイパス回路を構成して、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプの循環ポンプを運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システム。
3. 前記ヒートポンプの少なくとも１台が運転している場合には、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプを運転することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯システム。
4. 前記ヒートポンプのすべてが運転を停止している場合には、バイパス回路を構成して、前記凍結センサにより凍結を予知したヒートポンプの循環ポンプを運転することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯システム。
   
   

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