JP4224409B2

JP4224409B2 - 自然エネルギー利用の給湯システム

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Publication number: JP4224409B2
Application number: JP2004025759A
Authority: JP
Inventors: 淳岡本; 裕勝生駒; 克則長野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-02
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2005214591A

Description

本発明は、地熱と太陽熱との自然エネルギーを利用した給湯システムに関する。

従来、自然エネルギーを利用するものとして、地熱を利用してヒートポンプにより室内を加温する暖房システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この暖房システムは、地熱を吸収する採熱部を有する熱媒体の循環回路と、循環回路を流れる熱媒体から蒸発器を介して熱を吸収するヒートポンプと、ヒートポンプにより凝縮器を介して加熱される熱媒体を流す暖房用コイルとを備える。暖房用コイルは、室内に設置され、熱媒体の熱を放熱することにより、室内を暖房する。

また、この暖房システムは、ヒートポンプの蒸発器と並列に接続された太陽熱集熱器を循環回路に備え、循環回路に、太陽熱集熱器を経由せずに採熱部とヒートポンプの蒸発器とに熱媒体を流す状態と、ヒートポンプの蒸発器を経由せずに太陽集熱器と採熱部とに熱媒体を流す状態とに切り換える流路切換手段を設けている。そして、ヒートポンプを使用していない間に、流路切換手段により、ヒートポンプの蒸発器を経由せずに太陽集熱器と採熱部とに熱媒体を流す状態に切り換え、太陽熱集熱器により得られた太陽熱を熱媒体を介して地中に埋設された採熱部から放熱し、地中に蓄熱する。このような暖房システムは、貯湯槽を設けて、貯湯槽内に、ヒートポンプにより凝縮器を介して加温される熱媒体を流す加熱コイルを設けることにより、給湯システムにも応用することができる。

しかしながら、上記システムは、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が貯湯槽の水温以上であっても、集熱した太陽熱を地中に蓄熱することしかできないため、地中に熱が逃げてしまい太陽熱を最大限利用できていなかった。
実開昭６０−２５８２２号公報（第４頁、第１図）

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、得られた太陽熱の熱量に応じて熱媒体が流れる循環回路の流路を切り換えることにより、地熱と太陽熱との自然エネルギーを有効に活用することができる給湯システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の給湯システムは、地熱を吸収する採熱部を有する熱媒体の循環回路と、循環回路を流れる熱媒体から蒸発器を介して熱を吸収するヒートポンプと、ヒートポンプにより凝縮器を介して加熱される熱媒体を流す第１の加熱コイルを有する貯湯槽とを備え、前記循環回路に接続される太陽熱集熱器を設けると共に、循環回路に採熱部と並列に接続される第２の加熱コイルを貯湯槽に設け、採熱部を経由せずに太陽熱集熱器と第２の加熱コイルとに熱媒体を流す第１の状態と、第２の加熱コイルを経由せずに太陽熱集熱器と採熱部とに熱媒体を流す第２の状態と、太陽熱集熱器と第２の加熱コイルとを経由せずに採熱部に熱媒体を流す第３の状態とに切換自在な流路切換手段を循環回路に設け、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度と、採熱部で加温された熱媒体の温度と、貯湯槽内の水温とに応じて、流路切換手段とヒートポンプとの動作を制御することを特徴とする。

かかる構成によれば、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度と、採熱部で加温された熱媒体の温度と、貯湯槽内の水温とに応じて、流路切換手段により循環回路の状態を切り換え及びヒートポンプの作動を制御することができるため、太陽熱を無駄なく利用することができる。

具体的には、貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が貯湯槽内の水温より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動せずに、流路切換手段で第１の状態に切り換える。即ち、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が貯湯槽内の水温より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを介して貯湯槽を加熱する必要がない。また、ヒートポンプを介すると、蒸発器、凝縮器等により熱を伝達する回数が多く、この熱伝達中に大気中に放熱することもあり、太陽熱を充分に利用できない場合がある。これに対して、上記の如く第１の状態に切り換えれば、太陽熱で加温された熱媒体の熱により、貯湯槽内の温水を直接的に効率良く加温することができる。

また、貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が、貯湯槽内の水温より所定温度高い温度より低く、かつ、採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動させると共に、流路切換手段で第２の状態に切り換える。これにより、地熱により加温された熱媒体の温度を太陽熱により更に加温するため、ヒートポンプに蒸発器を介して伝達される熱量が大きくなる。その結果、ヒートポンプの圧縮機の圧縮率を低く抑えることができ、圧縮機の消費電力を抑えることができる。

また、貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度より低い場合には、ヒートポンプを作動させると共に、流路切換手段で第３の状態に切り換える。これにより、地熱で加温された熱媒体の熱を、太陽集熱器で放熱することなく、蒸発器を介してヒートポンプに伝達することができる。

また、貯湯槽内の水温が設定温度以上であり、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動せずに、流路切換手段で第２の状態に切り換える。これにより、貯湯槽内の温水を加温する必要がない間に、太陽熱集熱器で太陽熱により加温された熱媒体の熱を採熱部から放熱し、地中に蓄熱することができる。

本発明の実施の形態を図１から図３を参照して説明する。図１は本実施形態の全体構成を示す模式図、図２、図３は本実施形態の作動を示すフローチャートである。

本発明の実施形態の自然エネルギー利用の給湯システム１は、図１に示すように、給湯用の貯湯槽２と、地熱を吸収する採熱部３を有する熱媒体の循環回路４と、太陽熱を吸収する太陽熱集熱器５と、ヒートポンプ６と、ヒートポンプ６を介して加熱される熱媒体を循環させる放熱回路７とを備える。

ヒートポンプ６は、蒸発器６１と圧縮機６２と凝縮器６３と膨張弁６４とを備える。そして、ヒートポンプ６内に循環する冷媒を蒸発器６１において循環回路４に流れる熱媒体の熱により蒸発させ、また、冷媒を凝縮器６３において凝縮させて、放熱回路７に流れる熱媒体を加熱する。

貯湯槽２には、放熱回路７に接続される第１の加熱コイル８１と、循環回路４に接続される第２の加熱コイル８２とが設けられている。

循環回路４には、蒸発器６１の熱媒体出口６１ａと採熱部３の熱媒体入口３ａとを結ぶ採熱部往き管路４ａと、採熱部３の熱媒体出口３ｂと蒸発器６１の熱媒体入口６１ｂとを結ぶ採熱部戻り管路４ｂとが設けられている。採熱部往き管路４ａには、循環ポンプＰ_１と三方弁９ａとが設けられている。三方弁９ａには、第２の加熱コイル８２に連なる往き管路４ｃが接続される。第２の加熱コイル８２に連なる戻り管路４ｄは採熱部戻り管路４ｂに接続される。

また、採熱部戻り管路４ｂには、第２の加熱コイル８２用の戻り管路４ｄの接続部と蒸発器６１の熱媒体入口６１ｂとの間に位置させて、三方弁９ｂが設けられている。三方弁９ｂには、太陽熱集熱器５に連なる往き管路４ｅが接続されている。太陽熱集熱器５に連なる戻り管路４ｆは、三方弁９ｂと蒸発器６１の熱媒体入口６１ｂとの間に位置させて、採熱部戻り管路４ｂに接続される。

また、太陽熱集熱器５には、太陽熱集熱器５の出口部の熱媒体の温度Ｔ１を測定する温度センサー１０ａが設けられている。また、採熱部戻り管路４ｂには、採熱部３の熱媒体出口３ｂと三方弁９ｂとの間に位置させて、採熱部３で加温された熱媒体の温度Ｔ２を測定する温度センサー１０ｂが設けられている。また、貯湯槽２には、内部の温水の温度Ｔ３を測定する温度センサー１０ｃが設けられている。各温度センサー１０ａ、１０ｂ、１０ｃで測定された温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、図示しないコントローラに入力される。

ここで、本実施形態における流路切換手段としての三方弁９ａ、９ｂは、コントローラにより制御されており、コントローラからの指示信号に応じて三方弁９ａ、９ｂを切り換え制御し、循環回路４の流路を第１乃至第３の状態に切り換える。また、ヒートポンプ６の作動は、コントローラにより制御されている。

具体的には、コントローラから第１の状態に切り換える指示信号が三方弁９ａ、９ｂに送信された場合には、三方弁９ａは、採熱部往き管路４ａの上流部を接続したポート９ａ_１と第２の加熱コイル８２用の往き管路４ｃを接続したポート９ａ_２とを連通させ、採熱部往き管路４ａの下流部を接続したポート９ａ_３を閉塞する。一方、三方弁９ｂは、採熱部戻り管路４ｂの上流部を接続したポート９ｂ_１と太陽熱集熱器５用の往き管路４ｅを接続したポート９ｂ_２とを連通させ、採熱部戻り管路４ｂの下流部を接続したポート９ｂ_３を閉塞する。これにより、採熱部３を経由せずに太陽熱集熱器５と第２の加熱コイル８２とに熱媒体を流す状態（第１の状態）に切り換えられる。

コントローラから第２の状態に切り換える指示信号が三方弁９ａ、９ｂに送信された場合には、三方弁９ａは、ポート９ａ_１とポート９ａ_３とを連通させ、ポート９ａ_２を閉塞する。一方、三方弁９ｂは、ポート９ｂ_１とポート９ｂ_２とを連通させ、ポート９ｂ_３を閉塞する。これにより、第２の加熱コイル８２を経由せずに太陽熱集熱器５と採熱部３とに熱媒体を流す状態（第２の状態）に切り換えられる。

コントローラから第３の状態に切り換える指示信号が三方弁９ａ、９ｂに送信された場合には、三方弁９ａは、ポート９ａ_１とポート９ａ_３とを連通させ、ポート９ａ_２を閉塞する。一方、三方弁９ｂは、ポート９ｂ_１とポート９ｂ_３とを連通させ、ポート９ｂ_２を閉塞する。これにより、太陽熱集熱器５と第２の加熱コイル８２とを経由せずに採熱部３に熱媒体を流す状態（第３の状態）に切り換えられる。

放熱回路７には、ファン１１により送風される室内空気を加温する暖房用コイル８３が介設されている。そして、凝縮器６３の熱媒体出口６３ａと暖房用コイル８３の熱媒体入口８３ａとの間の放熱回路７の部分に循環ポンプＰ_２を介設すると共に、循環ポンプＰ_２と暖房用コイル８３の熱媒体入口８３ａとの間の放熱回路７の部分に、第１の加熱コイル８１に連なる往き管路７ａを接続している。往き管路７ａには二方向弁１２が介設されている。第１の加熱コイル８１に連なる戻り管路７ｂは、暖房用コイル８３の熱媒体出口８３ｂと凝縮器６３の熱媒体入口６３ｂとの間の放熱回路７の部分に接続されている。ファン１１には、暖房用のリモートコントローラ１３が接続されている。

次いで、本実施形態の給湯システム１の作動について、図２、図３を参照して説明する。給湯システム１は、この図２、図３に示すフローの処理を、所定のサイクルタイムで実行する。また、本実施形態の給湯システム１においては、貯湯槽２内の温水の設定温度をＴＳとしている。

まず、ＳＴＥＰ１において、リモートコントローラ１３からの信号に基づいて暖房がＯＦＦであるか否かを判断する。暖房がＯＦＦである場合には、ＳＴＥＰ２に進み、温度センサー１０ｃにより測定される貯湯槽２内の水温Ｔ３が設定温度ＴＳ（例えば５０℃）未満であるか否かを判断する。Ｔ３＜ＴＳである場合には、ＳＴＥＰ３に進み、温度センサー１０ａにより測定される太陽熱集熱器５で加温された熱媒体の温度Ｔ１が、水温Ｔ３より所定温度ΔＴ（例えば、５℃）高い温度以上であるか否かを判断する。Ｔ１≧Ｔ３＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ４に進み、本実施形態における流路切換手段としての三方弁９ａ、９ｂにより、採熱部３を経由せずに太陽熱集熱器５と第２の加熱コイル８２とに熱媒体を流す第１の状態に循環回路４の流路を切り換える。この場合、ヒートポンプ６は作動させない。これにより、太陽熱集熱器５で加温された熱媒体の熱を直接貯湯槽２内に設けられた第２の加熱コイル８２で放熱できる。

また、ＳＴＥＰ３でＴ１＜Ｔ３＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ５に進み、温度Ｔ１が温度センサー１０ｂにより測定される採熱部３で加温された熱媒体の温度Ｔ２より所定温度ΔＴ高い温度以上であるか否かを判断する。Ｔ１≧Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ６に進み、三方弁９ａ、９ｂにより、第２の加熱コイル８２を経由せずに、太陽熱集熱器５と採熱部３とに熱媒体を流す第２の状態に循環回路４の流路を切り換える。そして、ＳＴＥＰ７に進み、ヒートポンプ６を作動させ、ＳＴＥＰ８において二方向弁１２を開く。これにより、ヒートポンプ６からの凝縮器６３を介しての熱伝達で加熱された放熱回路７の熱媒体が第１の加熱コイル８１に流れ、貯湯槽２内の温水が加熱される。そして、この場合には、採熱部３で地熱により加温された熱媒体を太陽熱集熱器５で更に加温するため、蒸発器６１を介してヒートポンプ６に伝達される熱量が大きくなり、圧縮機６２の圧縮率を低く抑えることができる。よって、圧縮機６２の消費電力を低く抑えることができる。

また、ＳＴＥＰ５において、Ｔ１＜Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ９に進み、三方弁９ａ、９ｂにより、太陽熱集熱器５と第２の加熱コイル８２とを経由せずに、採熱部３に熱媒体を流す第３の状態に循環回路４の流路を切り換える。これにより、採熱部３で地熱により加温された熱媒体の熱を、太陽熱集熱器５で放熱することなく、蒸発器６１を介してヒートポンプ６に伝達することができる。

また、ＳＴＥＰ２でＴ３≧ＴＳと判別された場合には、ＳＴＥＰ１０に進み、太陽熱集熱器５で加温された熱媒体の温度Ｔ１が、採熱部３で加温された熱媒体の温度Ｔ２より所定温度ΔＴ高い温度以上であるか否かを判断する。Ｔ１≧Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ１１に進み、三方弁９ａ、９ｂにより、第２の加熱コイル８２を経由せずに、太陽熱集熱器５と採熱部３とに熱媒体を流す第２の状態に循環回路４の流路を切り換える。このとき、ヒートポンプ６は作動せずに、熱媒体を循環回路４内で循環ポンプＰ_１により循環させる。これにより、太陽熱集熱器５により太陽熱で加温された熱媒体の熱が採熱部３で地中に放熱されることにより、地中に蓄熱することができる。

また、ＳＴＥＰ１０でＴ１＜Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、そのまま今回の処理を終了する。

また、ＳＴＥＰ１で暖房がＯＮと判別された場合には、図３のＳＴＥＰ１２に進む。ＳＴＥＰ１２では、太陽熱集熱器５で加温された熱媒体の温度Ｔ１が、採熱部３で加温された熱媒体の温度Ｔ２より所定温度ΔＴ高い温度以上であるか否かが判断される。Ｔ１≧Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ１３に進み、三方弁９ａ、９ｂにより、第２の加熱コイル８２を経由せずに太陽熱集熱器５と採熱部３とに熱媒体を流す第２の状態に循環回路４の流路を切り換える。

また、ＳＴＥＰ１２において、Ｔ１＜Ｔ２＋ΔＴと判別された場合には、ＳＴＥＰ１４に進み、三方弁９ａ、９ｂにより、太陽熱集熱器５と第２の加熱コイル８２とを経由せずに採熱部３に熱媒体を流す第３の状態に循環回路４の流路を切り換える。これにより、採熱部３で加温された熱媒体の熱を、太陽熱集熱器５で放熱することなく、蒸発器６１を介してヒートポンプ６に伝達することができる。

次いで、ＳＴＥＰ１５でヒートポンプ６を作動させると共に、ＳＴＥＰ１６でファン１１を回転させる。こうして、ファン１１により送風される室内空気が暖房用コイル８３により加温され、暖房が行われる。

このようにして暖房を行うと、次に、ＳＴＥＰ１７に進み、貯湯槽２内の水温Ｔ３が設定温度ＴＳ未満であるか否かを判断する。Ｔ３＜ＴＳと判別された場合には、ＳＴＥＰ１８に進み、二方向弁１２を開いて、第１の加熱コイル８１に放熱回路７の熱媒体を流し、貯湯槽２内の温水を加温する。ＳＴＥＰ１６において、Ｔ３≧ＴＳと判別された場合には、そのまま今回の処理を終了する。

本実施形態によれば、太陽熱集熱器５で太陽熱により加温された熱媒体の温度Ｔ１と、採熱部３で加温された熱媒体の温度Ｔ２と、貯湯槽２内の水温Ｔ３とに応じて、図示しないコントローラの指令信号により流路切換手段としての三方弁９ａ、９ｂにより循環回路４の状態を切り換え及びヒートポンプ６の作動を制御することができる。このため、温度Ｔ１の変化に伴い、得られた太陽熱で直接貯湯槽２の温水を暖めたり、また、得られた太陽熱を、地熱を利用するヒートポンプ６の補助熱源として利用したり、若しくは地中に蓄熱したりできるため、太陽熱を無駄なく利用することができる。

本実施形態の全体構成を示す模式図。本実施形態の作動を示すフローチャート。本実施形態の作動を示すフローチャート。

符号の説明

１…給湯システム、２…貯湯槽、３…採熱部、４…循環回路、５…太陽熱集熱器、６…ヒートポンプ、６１…蒸発器、６２…圧縮機、６３…凝縮器、６４…膨張弁、７…放熱回路、８１…第１の加熱コイル、８２…第２の加熱コイル、８３…暖房用コイル、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…温度センサー、９ａ，９ｂ…三方弁、１１…ファン、１２…二方向弁、１３…リモートコントローラ。

Claims

地熱を吸収する採熱部を有する熱媒体の循環回路と、循環回路を流れる熱媒体から蒸発器を介して熱を吸収するヒートポンプと、ヒートポンプにより凝縮器を介して加熱される熱媒体を流す第１の加熱コイルを有する貯湯槽とを備え、
前記循環回路に接続される太陽熱集熱器を設けると共に、循環回路に採熱部と並列に接続される第２の加熱コイルを貯湯槽に設け、
採熱部を経由せずに太陽熱集熱器と第２の加熱コイルとに熱媒体を流す第１の状態と、第２の加熱コイルを経由せずに太陽熱集熱器と採熱部とに熱媒体を流す第２の状態と、太陽熱集熱器と第２の加熱コイルとを経由せずに採熱部に熱媒体を流す第３の状態とに切換自在な流路切換手段を循環回路に設け、
太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度と、採熱部で加温された熱媒体の温度と、貯湯槽内の水温とに応じて、流路切換手段とヒートポンプとの動作を制御し、
貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が貯湯槽内の水温より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動せずに、流路切換手段で第１の状態に切り換え、
貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が、貯湯槽内の水温より所定温度高い温度より低く、かつ、採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動させると共に、流路切換手段で第２の状態に切り換え、
貯湯槽内の水温が設定温度より低く、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度より低い場合には、ヒートポンプを作動させると共に、流路切換手段で第３の状態に切り換え、
貯湯槽内の水温が設定温度以上であり、太陽熱集熱器で加温された熱媒体の温度が採熱部で加温された熱媒体の温度より所定温度高い温度以上である場合には、ヒートポンプを作動せずに、流路切換手段で第２の状態に切り換えることを特徴とする自然エネルギー利用の給湯システム。