JP4139826B2 - ハイブリッド給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱された温水を貯湯タンクに貯湯して貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成されたヒートポンプ式の給湯システムに関する。

ヒートポンプ式の給湯システムは、夜間の安価な電力を使用して、夜間の給湯使用量の少ない、低給湯負荷状態となる時間帯に、貯湯タンクに温水を貯めて、翌日の昼間の給湯負荷、例えば風呂やシャワー等の給湯に対して使用するシステムである。当該ヒートポンプ式の給湯システムの概略の構成は、図２に模式的に示すように、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段２と、加熱された温水を貯湯する貯湯タンク３を備えた構成となっている。但し、ヒートポンプ給湯手段２の加熱能力は、夜間の低給湯負荷状態を想定して決定されているため、専ら貯湯目的に所定の温度に加熱するだけでよく、短時間での加熱能力は非常に低くなっており、高給湯負荷時に貯湯タンクの温水を消費した場合に温水の給湯能力が不足する場合が生じる。また、ヒートポンプ給湯手段２の加熱能力は、外気温度や水温の影響も受けるため、給湯システムとしては安全率を高く設定しておく必要があり、能力的に過剰なシステムとなることもある。また、貯湯タンク３の貯湯量も日常の給湯需要に対して湯切れが起きないように実際の需要量より多い貯湯量のものを使用することになり、成績係数が高いとされているヒートポンプ式の給湯システムではあるが、これは機器側、つまり、ヒートポンプ給湯手段２の性能であり、貯湯タンク３の残湯や放熱等を考慮した実際に給湯として使用するときの実効的な成績係数は低くなってしまう。

また、ヒートポンプ給湯手段２の加熱能力不足を補い、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を確保するために、貯湯タンクと給湯負荷の間に貯湯タンクを備えた電気温水器を設けた給湯システムがある（下記特許文献１参照）。

特開２００３−１０６６５２号公報

例えば、特許文献１に開示されているように、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を確保するために電気温水器を追加した場合、昼間の高給湯負荷時に電気温水器を作動させる必要があり、昼間の高い電気料金による運転コストの上昇、及び、電気温水器は１次エネルギから見るとエネルギ効率が悪いため、システム全体としての総合的なエネルギ効率が低下する。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を高いエネルギ効率を維持して確保可能な給湯システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る給湯システムは、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段と貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプ給湯手段で加熱された温水を前記貯湯タンクに貯湯して前記貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成された給湯システムであって、前記貯湯タンクに対して給湯可能なガス焚または油焚きによる補助給湯手段を、前記ヒートポンプ給湯手段と並列に備えることを第１の特徴とする。

更に、上記特徴の本発明に係る給湯システムは、１日の内の低給湯負荷状態となる主として夜間を含む第１時間帯に、所定量の温水を前記ヒートポンプ給湯手段で加熱して前記貯湯タンクに貯湯し、１日の内の前記第１時間帯以外の第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が所定の第１貯湯量以上である場合は、前記貯湯タンクからのみ前記給湯負荷へ給湯し、前記第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が前記第１貯湯量を下回ると、前記ヒートポンプ給湯手段による温水加熱を追加し、前記第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が前記第１貯湯量より少ない所定の第２貯湯量を下回ると、前記補助給湯手段による給湯を追加することを第２の特徴とする。

更に、上記何れかの特徴の本発明に係る給湯システムは、前記貯湯タンクが、複数のタンクを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互に連通させて構成され、前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記ヒートポンプ給湯手段の入水口に連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通していることを第３の特徴とする。

更に、上記第２の特徴の本発明に係る給湯システムは、前記貯湯タンクが、複数のタンクを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互に連通させて構成され、前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記ヒートポンプ給湯手段の入水口に連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通し、前記貯湯タンクの貯湯量と前記第１貯湯量との大小比較が、前記複数のタンクの最前列から所定番目のタンクに設けられた温度センサの検出温度により判定され、前記貯湯タンクの貯湯量と前記第２貯湯量との大小比較が、前記所定番目のタンクより前方のタンクに設けられた温度センサの検出温度により判定されることを第４の特徴とする。

更に、上記第３または第４の特徴の本発明に係る給湯システムは、前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記補助給湯手段の入水口に電磁弁を介して連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通していることを第５の特徴とする。

上記各特徴の給湯システムによれば、貯湯タンクに対して給湯可能なガス焚または油焚きによる補助給湯手段を備えることで、高給湯負荷時において、給湯システムの給湯能力が不足する場合であっても、補助給湯手段による給湯が可能となり、湯切れを起こさずに安定した給湯が可能となる。また、補助給湯手段を備えることで、ヒートポンプ給湯手段の能力を、翌日の昼間の通常の標準的な給湯需要の温水を貯湯タンクに夜間の間に貯湯するのに必要な能力に設定すればよく、また、貯湯タンクの容量を極度の残湯が生じないように適正化でき、システム全体でのエネルギ効率を向上できる。つまり、給湯能力の不足をヒートポンプ給湯手段の高出力化と貯湯タンクを大型化、或いは、給湯システムを複数使用等によらずに補助給湯手段により解決するため、ヒートポンプ給湯手段を含むヒートポンプ回路、及び、更に、貯湯タンクを小型化でき、給湯システム全体の小型化、低コスト化が図れる。更に、給湯システムの給湯能力が不足する昼間の時間帯に作動させる補助給湯手段が、電気式加熱手段ではなく、ガス焚または油焚きであるため、１次エネルギから見たエネルギ効率の悪い、また、昼間のエネルギコストの高い電力に頼らずに補助給湯が可能なため、エネルギ効率の向上及び運転コストの低減が可能となる。

特に、上記第２の特徴の給湯システムによれば、低給湯負荷状態となる主として夜間を含む第１時間帯に、第２時間帯における給湯需要を賄うための温水を貯湯タンクに貯湯するため、成績係数の高いヒートポンプ給湯手段を電力料金の安価な時間帯に高効率、低コストで運転させることができる。また、昼間の第２時間帯に、貯湯タンクの貯湯量に応じて、給湯負荷状態を判断して、成績係数の高いヒートポンプ給湯手段から順番に、補助給湯手段までの給湯の能力の追加を行うため、高給湯負荷時においても湯切れを起こすことなく、高効率の給湯が可能となる。

特に、上記第３の特徴の給湯システムによれば、１つの大きなタンク内での対流または急激な温水供給による内部攪拌による温度変化によって温度センサが誤動作するのを、複数のタンクに分割して対流または内部攪拌を抑制し、各タンクに夫々温度センサを配置することで解消できる。

特に、上記第４の特徴の給湯システムによれば、１つの大きなタンク内での対流または急激な温水供給による内部攪拌による温度変化によって温度センサが誤動作するのを、複数のタンクに分割して対流または内部攪拌を抑制し、複数のタンクの内の所定のタンク内の温度を正確に検出でき、当該所定のタンク内の貯湯状態を正確に把握でき、上記第２の特徴の作用効果をより確実に奏することができる。

特に、上記第５の特徴の給湯システムによれば、貯湯タンクが複数のタンクを直列に配列して構成された場合に、貯湯タンクに対して給湯可能な具体的な構成を実現でき、上記各特徴の作用効果を具体的に奏することができる。

以下、本発明に係る給湯システム（以下、適宜「本発明システム」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明システムの概略のシステム構成図である。尚、図中の破線は、各種制御用の信号線を示す。図１に示すように、本発明システム１は、ヒートポンプ給湯手段２、貯湯タンク３、補助給湯手段であるガス焚給湯機４、及び、本発明システム１の運転を制御する制御手段５を備えて構成される。更に、ヒートポンプ給湯手段２と貯湯タンク３とガス焚給湯機４と給湯負荷４０の相互間が複数の管路２０〜２３で接続されている。具体的には、ヒートポンプ給湯手段２の出水口１１と給湯負荷４０間が給湯往路である管路２０で接続され、ヒートポンプ給湯手段２の入水口１２と補給水（上水道等）４１間が給水路である管路２１で接続され、貯湯タンク３の上部入出水口１３が管路２０に、貯湯タンク３の下部入出水口１４が管路２１に、夫々接続されている。給湯往路である管路２０上の、貯湯タンク３の上部入出水口１３との接続個所より下流側（給湯負荷４０側）に、温度調整用の３方弁３０が介装され、給水路である管路２１が、貯湯タンク３の下部入出水口１４との接続個所より上流側（補給水４１側）で分岐して、３方弁３０に接続している。温度調整用の３方弁３０は、３方弁３０より下流側の管路２０に設けられた温度センサ３１の検出温度に基づいて、管路２１側からの給水量を調整する。

更に、ガス焚給湯機４の出水口１５が、給湯往路である管路２０の貯湯タンク３の上部入出水口１３との接続個所より上流側（ヒートポンプ給湯手段２側）と、管路２２を介して接続している。尚、管路２２には、循環ポンプ３２と電磁弁３３が介装されており、ガス焚給湯機４を作動させる場合に作動する。ガス焚給湯機４の入水口１６が、給水路である管路２１の貯湯タンク３の下部入出水口１４との接続個所より下流側（ヒートポンプ給湯手段２側）と、管路２３を介して接続している。尚、図示していないが、各管路２０〜２３には、夫々、開閉弁（２方弁）、逆止弁、減圧弁、定流量弁、安全弁、自動空気抜き弁等の内、適宜必要なものが介装されている。また、ヒートポンプ給湯手段２の入水口１２の内側にも、図示しないが、開閉弁や循環ポンプが設けられている。

ヒートポンプ給湯手段２は、ヒートポンプ回路の冷媒としてＣＯ_２を採用したＣＯ_２ヒートポンプで構成され、入水口１２から給水された水をヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、出水口１１から管路２０を介して貯湯タンク３または給湯負荷４０に対して給湯を行う。ヒートポンプ回路の圧縮機は３相誘導電動機で構成され、商用電力（３相２００Ｖ）を電源として作動する。本実施形態では、例えば、圧縮機の定格出力が８．４ｋＷ、加熱能力が２１〜２６ｋＷ程度のものを想定する。

貯湯タンク３は、ヒートポンプ給湯手段２から給湯される温水を貯湯して、管路２０を介して給湯負荷４０に対して給湯を行う。本実施形態では、貯湯タンク３は、６台のタンク３ａ〜３ｆを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互に連通させて構成される。各タンク容量として５００Ｌ（リットル）を想定すると、貯湯タンク３の総容量は３０００Ｌとなる。貯湯タンク３の各タンク３ａ〜３ｆには内部の水温を計測するサーミスタ等の温度センサ３５ａ〜３５ｆが各別に設けられている。尚、最後列以外の５つのタンク３ａ〜３ｅには、温度センサ３５ａ〜３５ｅが夫々、タンク内の上下方向中間位置に設置され、最後列のタンク３ｆには、温度センサ３５ｆがタンク内の底部に設けられている。

ガス焚給湯機４は、ヒートポンプ給湯手段２に対する補助的な給湯手段として機能し、本実施形態では、ガス焚真空式ボイラで構成された給湯機を想定する。ガス焚真空式ボイラは、例えば、缶体内の下部にガスバーナの火炎で熱媒水を加熱する火炉を設け、缶体内の上部の減圧空気中にＵ字状の伝熱管を設け、缶体内の下部に封入された熱媒水をガスバーナの火炎で加熱し、その上部の減圧空気中の伝熱管を加熱して、伝熱管中を流れる水を加熱する構造のものである。本実施形態では、缶体出力が、例えば１００ｋＷ程度のものを想定する。

制御手段５は、１日の内の時間帯、給湯負荷状態等に基づいて、ヒートポンプ給湯手段２の運転、ガス焚給湯機４の運転、電磁弁３３の開閉または開度、及び、循環ポンプ３２の運転の各制御を行う。貯湯タンク３の各タンク３ａ〜３ｆに設けられた温度センサ３５ａ〜３５ｆの出力は、ヒートポンプ給湯手段２を経由して制御手段５に入力される。

次に、制御手段５による本発明システム１の運転制御条件の一例について説明する。本実施形態では、１日（２２時から翌日の２２時までの２４時間）を、２２時から８時までの主として夜間を含む第１時間帯と、８時から２２時までの主として昼間を含む第２時間帯（第１時間帯以外）に区分し、第１時間帯と第２時間帯で制御方法を変えている。

先ず、夜間の第１時間帯では、電磁弁３３を閉成し、ヒートポンプ給湯手段２による給湯を専ら貯湯タンク３への貯湯に使用する。貯湯タンク３の貯湯状態は、温度センサ３５ａ〜３５ｆの出力による各タンク３ａ〜３ｆの水温により判定する。貯湯タンク３の全てのタンクがヒートポンプ給湯手段２から給湯された温水で充填されると、ヒートポンプ給湯手段２の運転が停止する。

尚、第１時間帯に給湯負荷４０での給湯需要（例えば、温水シャワーの使用等）が生じた場合は、電磁弁３３を開成し、循環ポンプ３２とガス焚給湯機４を作動させ、補給水４１からの給水を加熱して給湯負荷４０への給湯を行い、ヒートポンプ給湯手段２による給湯のバックアップを行う。

次に、第１時間帯から昼間の第２時間帯に移行すると、給湯負荷４０での給湯需要に対しては、貯湯タンク３の貯湯量が一定量消費されて所定の第１貯湯量となるまでは、貯湯タンク３からのみ給湯負荷４０に給湯する。各タンク３ａ〜３ｆは直列に接続されており、最前列のタンク３ａ側の上部入出水口１３から給湯負荷４０へ給湯されるが、給湯によって排出された温水は後段のタンクから順次補給されるため、最後列のタンク３ｆ（下部入出水口１４側）から順番に前方に向けてタンク内の水温が低下していく。従って、各タンク３ａ〜３ｆの温度センサ３５ａ〜３５ｆの検出温度により、貯湯タンク３の貯湯量（温水の残量）が分かる。本実施形態では、最前列から３番目のタンク３ｃの温度センサ３５ｃの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以上であれば、貯湯タンク３の貯湯量（温水の残量）が第１貯湯量以上と判断する。

引き続き、第２時間帯において給湯負荷４０での給湯需要が累積して、貯湯タンク３の貯湯量（温水の残量）が減少して、第１貯湯量を下回ると、つまり、温度センサ３５ｃの出力による検出温度が５０℃未満となると、湯切れ防止のため、ヒートポンプ給湯手段２を作動させて、貯湯タンク３からの給湯量の増加の抑制を図る。ここで、給湯負荷４０の給湯負荷状態が、ヒートポンプ給湯手段２の給湯能力以下の場合は、貯湯タンク３の貯湯量が増加するため、例えば、最前列から４番目のタンク３ｄの温度センサ３５ｄの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以上であれば、ヒートポンプ給湯手段２の作動を停止する。

更に、給湯負荷４０が高給湯負荷状態に進行すると、ヒートポンプ給湯手段２の運転状態を維持していても、貯湯タンク３の貯湯量（温水の残量）が更に減少して、第１貯湯量より少ない所定の第２貯湯量を下回ると、電磁弁３３を開成して循環ポンプ３２を作動させ、ガス焚給湯機４への給水を行うとともに、ガス焚給湯機４を作動させ、貯湯タンク３及び給湯負荷４０への給湯を開始する。これにより、高給湯負荷状態におけるヒートポンプ給湯手段２と貯湯タンク３の給湯能力の不足分をガス焚給湯機４で補い、湯切れを防止して安定した給湯を行うことができる。尚、本実施形態では、最前列から２番目のタンク３ｂの温度センサ３５ｂの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以下になると、貯湯タンク３の貯湯量（温水の残量）が第２貯湯量以下と判断する。尚、給湯負荷４０の給湯負荷状態が、ヒートポンプ給湯手段２とガス焚給湯機４の合計の給湯能力以下の場合は、貯湯タンク３の貯湯量が増加するため、例えば、最前列から３番目のタンク３ｃの温度センサ３５ｃの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以上であれば、ガス焚給湯機４の作動を停止する。

次に、本発明システムの別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態において、ヒートポンプ給湯手段２としてＣＯ_２ヒートポンプを想定して説明したが、ＣＯ_２ヒートポンプは効率及び温水の加熱温度が高い点で有利ではあるが、ヒートポンプ給湯手段２は、ＣＯ_２ヒートポンプに限定されるものではない。

〈２〉上記各実施形態において、貯湯タンク３として６台のタンク３ａ〜３ｆを直列に配列して構成されたものを例示したが、貯湯タンク３の構成及びタンク数は、上記各実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、貯湯タンク３として単槽構造のものを利用しても構わない。

〈３〉上記各実施形態において例示した補助給湯手段としてのガス焚給湯機４に代えて、油焚き給湯機を利用しても構わない。また、補助給湯手段は、必ずしも真空式ボイラに限定されるものではない。

〈４〉上記各実施形態において例示した制御手段５による本発明システム１の運転制御条件は、一例であり、必ずしも上記各実施形態で例示した条件に限定されるものではない。例えば、第１時間帯と第２時間帯の定義も上記各実施形態のものに限定されない。また、第１貯湯量及び第２貯湯量の判定に使用する温度センサの検出温度も例えば５０℃に限定されるものではない。更に、第２時間帯において作動したヒートポンプ給湯手段２を停止させる条件も、例えば、最前列から５番目のタンク３ｅの温度センサ３５ｅの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以上としてもよく、或いは、第２時間帯において作動したガス焚給湯機４を停止させる条件も、例えば、最前列から４番目のタンク３ｄの温度センサ３５ｄの検出温度が所定の設定温度（例えば、５０℃）以上としてもよい。更に、第１貯湯量及び第２貯湯量の判定に使用する温度センサの設置されたタンクの位置も、上記各実施形態では、夫々、最前列から３番目のタンク３ｃの温度センサ３５ｃと、最前列から２番目のタンク３ｂの温度センサ３５ｂとしたが、例えば、夫々のタンクの位置を１台ずつ後段にずらしても構わない。

〈５〉また、上記実施形態で説明した本発明システム１の構成は、図１に例示する構成に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲で示される技術的範囲内において適宜変更可能である。従って、図１に例示した管路構成は一例であり、適宜変更可能である。例えば、給湯往路である管路２０上に温度調整用の３方弁３０を設けず、給湯負荷４０への給湯温度の調整を管路２０上で行わないようにしても構わない。
必要はない。

〈６〉更に、上記各実施形態では、制御手段５がヒートポンプ給湯手段２とガス焚給湯機４に対して独立して存在する構成としたが、制御手段５を、例えば、ヒートポンプ給湯手段２の運転制御装置内に設けるようにしても構わない。

〈７〉また、上記各実施形態において例示したヒートポンプ給湯手段２の圧縮機の定格出力及び加熱能力、貯湯タンク３の総容量、ガス焚給湯機４の缶体出力等の数値は、説明の理解のための例示であり、これらの数値に限定されるものではない。

本発明に係る給湯システムは、ヒートポンプ式の給湯システムに利用でき、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を高いエネルギ効率を維持して確保可能な給湯システムを提供することができる。

本発明に係る給湯システムの一実施形態における概略の構成を模式的に示すシステム構成図 従来のヒートポンプ式の給湯システムの典型的な構成例を模式的に示すシステム構成図

符号の説明

１： 本発明に係る給湯システム
２： ヒートポンプ給湯手段
３： 貯湯タンク
３ａ〜３ｆ： タンク
４： ガス焚給湯機（補助給湯手段）
５： 制御手段
１１： ヒートポンプ給湯手段の出水口
１２： ヒートポンプ給湯手段の入水口
１３： 貯湯タンクの上部入出水口
１４： 貯湯タンクの下部入出水口
１５： ガス焚給湯機の出水口
１６： ガス焚給湯機の入水口
２０： 管路（給湯往路）
２１： 管路（給水路）
２２、２３： 管路
３０： ３方弁
３１： 温度センサ
３２： 循環ポンプ
３３： 電磁弁
３５ａ〜３５ｆ： 温度センサ
４０： 給湯負荷
４１： 補給水

Claims (4)

1. ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して水を加熱して給湯する電気式のヒートポンプ給湯手段と貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプ給湯手段で加熱された温水を前記貯湯タンクに貯湯して前記貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成された給湯システムであって、
   前記貯湯タンクに対して給湯可能なガス焚または油焚きによる補助給湯手段を、前記ヒートポンプ給湯手段と並列に備える構成であり、
   １日の内の低給湯負荷状態となる主として夜間を含む第１時間帯に、所定量の温水を前記ヒートポンプ給湯手段で加熱して前記貯湯タンクに貯湯し、
   １日の内の前記第１時間帯以外の第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が所定の第１貯湯量以上である場合は、前記貯湯タンクからのみ前記給湯負荷へ給湯し、
   前記第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が前記第１貯湯量を下回ると、前記ヒートポンプ給湯手段による温水加熱を追加し、
   前記第２時間帯に、前記貯湯タンクの貯湯量が前記第１貯湯量より少ない所定の第２貯湯量を下回ると、前記補助給湯手段による給湯を更に追加することを特徴とする給湯システム。
2. 前記貯湯タンクが、複数のタンクを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互に連通させて構成され、
   前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記ヒートポンプ給湯手段の入水口に連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通していることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記貯湯タンクが、複数のタンクを直列に配列し、その内の連続する２つのタンクの前段の底部と後段の上部を相互に連通させて構成され、
   前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記ヒートポンプ給湯手段の入水口に連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通し、
   前記貯湯タンクの貯湯量と前記第１貯湯量との大小比較が、前記複数のタンクの最前列から所定番目のタンクに設けられた温度センサの検出温度により判定され、
   前記貯湯タンクの貯湯量と前記第２貯湯量との大小比較が、前記所定番目のタンクより前方のタンクに設けられた温度センサの検出温度により判定されることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
4. 前記貯湯タンクの最後列のタンクの底部が、前記補助給湯手段の入水口に電磁弁を介して連通し、前記貯湯タンクの最前列のタンクの上部が、前記ヒートポンプ給湯手段の出水口に連通していることを特徴とする請求項２または３に記載の給湯システム。