JP4223468B2 - 貯湯式給湯暖房装置 - Google Patents

Description

この発明は給湯と共に室内の暖房が行える貯湯式給湯暖房装置に関するものである。

従来よりこの種のものには、加熱手段により深夜時間帯に貯湯タンク内の水を循環加熱して昼間での給湯に必要な分量を貯湯し、暖房を行う場合は、加熱手段で加熱した温水を貯湯タンクと並列関係にある暖房用熱交換器に直接循環させて暖房を行うようにしたものがあった（例えば特許文献１）。
特開２００４−２８４１４号公報

ところでこの従来のものでは、暖房運転から貯湯タンク底部の低温水を加熱手段で加熱して前記貯湯タンク上部から貯湯する貯湯運転を、流路切換手段による流路切換で直ぐに行った場合、加熱手段に流入する湯水温度が急激に下がる為に、加熱手段で加熱後の湯水温度が一時的に低下し、貯湯タンク内の上部に残っている高温水の温度を下げてしまうと言う問題点を有するものであった。

この発明はこの点に着目し、上記欠点を解決する為、特にその構成を、入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクと前記加熱手段とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路と、前記加熱循環回路に設けられ湯水を循環させる循環ポンプと、二次側の湯水を加熱するための熱交換器と、前記熱交換器と前記加熱手段とを湯水が循環可能に接続する熱交循環回路と、前記熱交循環回路の前記熱交換器の下流から分岐され前記貯湯タンク下部に熱交換後の湯水を戻すタンク戻し管と、前記熱交循環回路を循環する湯水を前記貯湯タンクを経由して前記加熱手段に循環させるか、前記貯湯タンクを経由しないで前記加熱手段に循環させるかを切換える経路切換手段とを備えたものに於いて、前記経路切換手段は貯湯タンクを経由しない熱交循環回路の暖房運転中に貯湯運転信号が入力されると、一旦熱交換器を通過した後に貯湯タンク下部を経由し加熱手段で加熱され、再び熱交換器を通過する循環を行った後、加熱手段で加熱された湯温が所定温度以上で貯湯タンク底部の低温水を該加熱手段で加熱して前記貯湯タンク上部から貯湯する貯湯運転を行うようにしたものである。

この発明によれば、暖房運転から貯湯運転に切換ても湯水の沸き上げ温度が低下することがなく、高温に沸き上げることが出来、貯湯タンク内に残っている高温水の温度を下げる心配もなく、残湯を無駄にすることなく有効に使用出来、極めて経済的で効率の良い貯湯式給湯暖房装置を提供出来るものである。

次にこの発明の貯湯式給湯暖房装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１内の湯水を加熱する加熱手段を構成するヒートポンプ式加熱手段、３は前記貯湯タンク１の下部に接続された加熱往き管４および前記貯湯タンク１の上部に接続された加熱戻り管５よりなる加熱循環回路、６は前記加熱循環回路３に設けられて貯湯タンク１の湯水を循環させる加熱循環ポンプ、７は前記貯湯タンク１の下部に接続され貯湯タンク１に水を給水する入水管、８は前記貯湯タンク１の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管である。

９は二次側に放熱部（図示せず）に循環する湯水を加熱するための熱交換器、１０は前記熱交換器９と前記ヒートポンプ式加熱手段２とを湯水が循環可能に接続する熱交循環回路、この熱交循環回路１０はその回路の少なくとも一部を前記加熱循環回路３と共有し、何れか一方の循環回路を循環可能にする循環切換手段１１が設けられているものである。なお、この一実施形態では、前記加熱循環回路３のヒートポンプ式加熱手段２側のヒーポン往き管４とヒーポン戻り管５を前記熱交循環回路１０が共有しているもので、前記循環切換手段１１はヒーポン戻り管５のヒートポンプ式加熱手段２側を、ヒーポン戻り管５の貯湯タンク１側に連通するか熱交循環回路１０側に連通するかを切換える電動三方弁より構成されている。

１２は前記熱交循環回路１０の熱交換器９の下流から分岐され貯湯タンク１下部に熱交換後の湯水を戻すタンク戻し管、１３は熱交循環回路１０のタンク戻し管１２への分岐点に設けられ熱交循環回路１０を循環する湯水を貯湯タンク１を経由してヒートポンプ式加熱手段２に循環させるか、貯湯タンク１を経由しないでヒートポンプ式加熱手段２に循環させるかを切換える経路切換手段である。

１４は前記入水管７から分岐された給水管、１５は前記出湯管８からの出湯と給水管１４からの給水を混合して設定温度の湯を供給する給湯混合弁である。

１６は貯湯タンク１の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅと呼び、この貯湯温度センサ１６が検出する温度情報によって、貯湯タンク１内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク１内の上下方向の温度分布を検知するものである。

ここで前記ヒートポンプ式加熱手段２は、圧縮機１７と凝縮器としての冷媒−水熱交換器１８と電子膨張弁１９と強制空冷式の蒸発器２０とで構成され、このヒートポンプ式加熱手段２には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。

２１は前記循環切換手段１１と前記給湯混合弁１５の駆動を制御し、更にヒートポンプ回路の構成要素と前記循環ポンプ６の駆動を制御することで冷媒−水熱交換器１８に流入してきた湯水を所望の沸き上げ温度まで沸き上げて貯湯するようにしていると共に、前記貯湯温度センサ１６で検出する温度に基づいて前記経路切換手段１３を切換える制御手段であり、予めプログラミングされたマイクロコンピュータを主体として構成されている。

前記制御手段２１は、各制御モードによっても相違するが、深夜時間帯の所定時間に自動的に貯湯運転信号が発せられて貯湯運転を行う他に、貯湯タンク１内の高温水量が所定量以下なったことを貯湯温度センサ１６が検出することで貯湯運転信号が発せられて貯湯運転を行うものであり、又貯湯運転スイッチ（図示せず）の押圧でも強制的な貯湯運転信号で貯湯運転を開始させるものである。

２２は冷媒−水熱交換器１８の湯水側出口に備えられた循環水温度センサで、暖房運転時に上記の貯湯運転が行われる場合に、制御手段２１によって循環切換手段１１は貯湯タンク１側閉で熱交循環回路１０を開の状態のままとし、経路切換手段１３はタンク戻し管１２側開として貯湯タンク１を経由してヒートポンプ式加熱手段２に循環させる状態として、ヒートポンプ式加熱手段２に流入する湯水温度が急激に下がることで、ヒートポンプ式加熱手段２の能力が安定せず、温度上昇しない湯水が貯湯タンク１上部の高温水に混入することを防止する運転を行っている時に、この循環水温度センサ２２が所定の安定温度９０℃を検知することで、制御手段２１を介して循環切換手段１１を貯湯タンク１側を開に切換ると共に、経路切換手段１３のタンク戻し管１２側閉とし、通常の貯湯運転の経路に切換るようにしたものである。

次にこの一実施形態の作動を説明する。
先ず暖房運転中でなく、通常の貯湯運転について説明する。
制御手段２１は深夜時刻になると電力単価が安価な深夜時間帯内で朝の所定時刻までに沸き上がるように貯湯運転を開始し、循環切換手段１１を加熱循環回路３が循環可能に切換える（この実施形態では加熱循環回路３のヒートポンプ式加熱手段２側を、ヒーポン戻り管５の貯湯タンク１側に連通する）と共に、循環ポンプ６とヒートポンプ式加熱手段２を駆動および起動して、貯湯タンク１の下部から取り出した湯水をヒートポンプ式加熱手段２により沸き上げ温度まで沸き上げて貯湯タンク１の上部に積層させるように貯湯する。そして、所望の熱量を貯湯すると循環ポンプ６およびヒートポンプ式加熱手段２の停止して貯湯運転を終了する。

次に、ユーザーが給湯栓を開いて給湯する時の給湯運転について説明する。
給湯栓が開かれると入水管７から貯湯タンク１内に給水されると同時に出湯管８から貯湯温水が出湯される。このとき、貯湯タンク１の底部には低温の給水が貯湯温水と入れ替わりで貯められる。そして、この出湯管８からの湯水は給湯混合弁１４に流入し、前記制御手段２０によりコントロールされる給湯混合弁１４によって給水管１３からの給水と混合されて所望の給湯設定温度で給湯栓から給湯される。

次に暖房運転について説明する。
暖房の要求が発生すると、前記制御手段２１は暖房の二次側の運転を開始して循環切換手段１１を熱交循環回路１０が循環可能に切換える（この実施形態では加熱循環回路３のヒートポンプ式加熱手段２側を、熱交循環回路１０側に連通する）と共に、循環ポンプ６とヒートポンプ式加熱手段２を駆動及び起動して、ヒートポンプ式加熱手段２で沸き上げた高温水を熱交換器９に直接供給し、二次側と熱交換して温度低下した温水を再度加熱手段２に直接循環させて再度加熱して暖房を行う。なお、この場合の暖房運転を直暖運転と呼ぶ。

この時、前記制御手段２１は前記貯湯温度センサ１６で検出する貯湯タンク１下部の温度が所定温度（ここでは例えば４０℃）以上あるかを判断し、貯湯タンク１下部の温度が所定温度以上である場合は、図２に示すように、熱交換器９を通過した湯水が貯湯タンク１を経由しないでヒートポンプ式加熱手段２に循環するよう前記制御手段２１は前記経路切換手段１３を熱交循環回路１０の上流側と下流側とが連通するように切換える。そして、ヒートポンプ式加熱手段２で沸き上げた高温水を熱交換器９に直接供給し、二次側と熱交換して温度低下した温水を再度ヒートポンプ式加熱手段２に直接循環させて再度加熱して暖房を行うようにしている。

又給湯運転により貯湯タンク１の下部に低温の水が溜められて、貯湯温度センサ１６で検出する貯湯タンク１下部の温度が所定温度未満である場合は、図３に示すように、熱交循環回路１０を循環する湯水がタンク戻し管１２を介し貯湯タンク１を経由してヒートポンプ式加熱手段２に循環するよう前記制御手段２１は前記経路切換手段１３を熱交循環回路１０の上流側とタンク戻し管１２が連通するように切換える。同時に、前記循環切換手段１１を加熱循環回路３が循環可能に切換える（この実施形態では加熱循環回路３のヒートポンプ式加熱手段２側を、ヒーポン戻し管５の貯湯タンク１側に連通する）。そして、ヒートポンプ式加熱手段２で沸き上げた高温水を熱交換器９に直接供給し、二次側と熱交換して温度低下した温水をタンク戻し管１２を介して貯湯タンク１の中間部に戻す。一方、貯湯タンク１の下部の低温水が加熱循環回路３に押し出されて前記ヒートポンプ式加熱手段２に循環され、この低温の水がヒートポンプ式加熱手段２で沸き上げられて熱交換器９に循環される。

このように、貯湯タンク１内に低温の水がある場合は、暖房運転においてこの低温の水を沸き上げるようにしているので、ヒートポンプ式加熱手段２のＣＯＰ（成績係数）が向上し、暖房を効率よく運転することができるものである。

次に上記の暖房運転中に貯湯運転信号が入力した場合は、、制御手段２１によって循環切換手段１１は貯湯タンク１側閉で熱交循環回路１０を開の状態のままとし、図３に示すように経路切換手段１３はタンク戻し管１２側開として貯湯タンク１を経由してヒートポンプ式加熱手段２に循環させる状態として、暖房運転から貯湯運転への切換当初はヒートポンプ式加熱手段２に流入する湯水温度が急激に下がることで、ヒートポンプ式加熱手段２の能力が安定せず、温度上昇しない湯水が貯湯タンク１上部の高温水に混入することを防止する運転を行い、そしてヒーポン戻し管５に備えた循環水温度センサ２２が所定の安定温度９０℃を検知することで、図４に示すように制御手段２１を介して循環切換手段１１を貯湯タンク１側を開に切換ると共に、経路切換手段１３の戻し管１２側閉とし、通常の貯湯運転の経路に切換て貯湯運転を行うものである。

これによって、暖房運転から貯湯運転に切換ても湯水の沸き上げ温度が低下することがなく、高温に沸き上げることが出来、貯湯タンク内に残っている高温水の温度を下げる心配もなく、残湯を無駄にすることなく有効に使用出来、極めて経済的で効率の良い運転が行えるものであり、更にヒートポンプ式加熱手段２で加熱後の湯水温度を循環水温度センサ２２で検知し、直接循環する湯水温度を検知して切換のタイミングを決定するから、確実な切換が行え安心して使用出来るものである。

次に、この発明の他の一実施形態について図５、図６に基づいて説明する。なお、先の実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略することとする。

この実施形態では、図５に示すように先の一実施形態の循環水温度センサ２２の替わりに制御手段２１にタイマー手段２３を設け、暖房運転中の貯湯運転信号による経路切換手段１３の戻し管１２を介しての貯湯タンク１への連通からカウントを開始し、実験で得られた所定時間のカウントアップで前記経路切換手段１３をタンク戻し管１２側の連通から、貯湯タンク１を経由せずにヒーポン往き管４と直接連通するように切換るもので、同様の効果の他に温度センサが必要なくなるので、安価に提供出来る効果を得られるものである。

又図６は循環切換手段１１を熱交循環回路１０とヒーポン往き管５との分岐点に設けると共に、循環ポンプ６の他に別のポンプ２４を熱交換器９と経路切換手段１３との間に備えたもので、同様の作動で同様な効果が得られるものである。

この発明の一実施形態の概略構成図。 同一実施形態の作動を説明する概略構成図。 同一実施形態の作動を説明する概略構成図。 同一実施形態の作動を説明する概略構成図。 この発明の他の一実施形態の概略構成図。 更に他の一実施形態の概略構成図。

符号の説明

１ 貯湯タンク
２ ヒートポンプ式加熱手段（加熱手段）
３ 加熱循環回路
６ 循環ポンプ
７ 入水管
８ 出湯管
９ 熱交換器
１０ 熱交循環回路
１２ タンク戻し管
１３ 経路切換手段
１６ 貯湯温度センサ
２１ 制御手段
２２ 循環水温度センサ
２３ タイマー手段

Claims (1)

1. 入水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンクと前記加熱手段とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路と、前記加熱循環回路に設けられ湯水を循環させる循環ポンプと、二次側の湯水を加熱するための熱交換器と、前記熱交換器と前記加熱手段とを湯水が循環可能に接続する熱交循環回路と、前記熱交循環回路の前記熱交換器の下流から分岐され前記貯湯タンク下部に熱交換後の湯水を戻すタンク戻し管と、前記熱交循環回路を循環する湯水を前記貯湯タンクを経由して前記加熱手段に循環させるか、前記貯湯タンクを経由しないで前記加熱手段に循環させるかを切換える経路切換手段とを備えたものに於いて、前記経路切換手段は貯湯タンクを経由しない熱交循環回路の暖房運転中に貯湯運転信号が入力されると、一旦熱交換器を通過した後に貯湯タンク下部を経由し加熱手段で加熱され、再び熱交換器を通過する循環を行った後、加熱手段で加熱された湯温が所定温度以上で貯湯タンク底部の低温水を該加熱手段で加熱して前記貯湯タンク上部から貯湯する貯湯運転を行う事を特徴とする貯湯式給湯暖房装置。

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