JP4337775B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来、この種の温水を用いた床暖房等の暖房及び台所や風呂に温水を給湯する給湯装置は、貯湯槽の上方側から高温の温水を取り出し、この高温の温水を熱源として暖房を行った後、温度の低下した温水を貯湯槽の下方側に戻している。また、台所や風呂に温水を給湯する場合は、貯湯槽の上方側から高温の温水を取り出し、水道水と混合して所定の設定温度の温水を給湯し、使ったお湯の分だけ貯湯槽の下方側に水道水を補給する。そして、貯湯槽内の低温の温水、つまり貯湯槽の下方側に溜まった温水を再加熱することにより、再び高温の温水を生成している（例えば、特許文献１参照）。
特開昭５９−７７２３３号公報

暖房用に熱を与えて貯湯槽の下方側に戻ってくる温水は、貯湯槽の上方側から出湯したときと比べて温度が低下しているものの、水道から貯湯槽に補給される給湯用の水に比べると、充分に温度が高く、給湯用の温水としては使用可能である。しかしながら、既に、台所や風呂で温水を給湯して貯湯槽下方側には水道水が給水されていた場合、比較的温度の高い温水は、水道から給水された温度の低い水と混合されてしまうため、温水温度が更に下がってしまい、給湯に使えない中間温度水が発生してしまうという課題があった。更に、温水を再加熱するための手段としてヒートポンプ式加熱手段を用いた場合には、ヒートポンプへの入水温度（水−冷媒熱交の水入口温度）が中間温度水となり、エネルギー消費効率（ＣＯＰ＝加熱能力／消費電力）の比較的悪い条件での加熱運転を継続しなければならないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温水暖房システムを搭載したヒートポンプ式給湯装置において、暖房運転開始時の貯湯槽下方側の温度を判断してヒートポンプ加熱手段を起動することで、エネルギー消費効率の良い温度の低い湯水を再加熱する給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を加熱するヒートポンプ加熱手段と、前記貯湯槽の上部から下部へ接続する１次側回路に設けた熱交換器と、前記熱交換器と放熱手段とが接続された２次側回路と、前記貯湯槽の下部の湯水温度を検出する温度検出手段とを備え、前記放熱手段が放熱を開始し、前記温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記ヒートポンプ加熱手段を起動させるものである。

これにより、放熱手段が放熱を開始したときに貯湯槽下部の温度を検出して所定温度より低い温度であれば、低い湯水と放熱手段から戻ってきた比較的高温の湯水とが混ざって中途半端な中間温度水が出来る前にヒートポンプ加熱手段を起動することで水から高温水をつくれるのでエネルギー消費効率の高い加熱運転ができ、ランニングコストを安くすることができる。

本発明のヒートポンプ式給湯装置は、放熱手段が放熱を開始したときに貯湯槽下部の温度を検出して所定温度より低い温度であれば、低い湯水と放熱手段から戻ってきた比較的高温の湯水とが混ざって中途半端な中間温度水が出来る前にヒートポンプ加熱手段を起動することで水から高温水をつくれるのでエネルギー消費効率の高い加熱運転ができ、ランニングコストを安くすることができる。

第１の発明は、貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を加熱するヒートポンプ加熱手段と、前記貯湯槽の上部から下部へ接続する１次側回路に設けた熱交換器と、前記熱交換器と放熱手段とが接続された２次側回路と、前記貯湯槽の下部の湯水温度を検出する温度検出手段とを備え、前記放熱手段が放熱を開始し、前記温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記ヒートポンプ加熱手段を起動させる給湯装置である。

これによって、放熱手段が放熱を開始したときに貯湯槽下部の温度を検出して所定温度より低い温度であれば、低い湯水と放熱手段から戻ってきた比較的高温の湯水とが混ざって中途半端な中間温度水が出来る前にヒートポンプ加熱手段を起動することで水から高温水をつくれるのでエネルギー消費効率の高い加熱運転ができ、ランニングコストを安くすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、１次側回路上に流量ポンプを設け、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記流量ポンプにより流量を下げるようにするものである。

これによって、放熱手段が放熱を開始したときに貯湯槽下部の温度を検出して所定温度より低い温度であれば、１次側の流量ポンプの流量を下げることで、貯湯槽下部へ戻ってくる比較的温度の高い温水をできるだけ少なくして、ヒートポンプ加熱手段のエネルギー消費効率の低い中間温度の混合層が出来る前に、エネルギー消費効率の高い加熱運転ができ、ランニングコストを安くすることが出来る。

第３の発明は、特に、第１の発明において、２次側回路上に流量ポンプを設け、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記流量ポンプにより流量を下げるようにするものである。

これによって、放熱手段が放熱を開始したときに貯湯槽下部の温度を検出して所定温度より低い温度であれば、放熱側の放熱量を制限することで、２次側の流量ポンプの流量を下げることで、熱交換して貯湯槽下部へ戻ってくる比較的温度の高い温水をできるだけ少なくして、ヒートポンプ加熱手段のエネルギー消費効率の低い中間温度の混合層が出来る前に、エネルギー消費効率の高い加熱運転ができ、ランニングコストを安くすることが出来る。

第４の発明は、特に、第３の発明において、ヒートポンプ加熱手段には圧縮機を備え、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記圧縮機の回転数を増加させるものである。

これによって、ヒートポンプ加熱手段で再沸き上げを行うとき、圧縮機の回転数を増加させて、加熱能力を上げることで、放熱側と熱交換して貯湯槽下部へ戻ってくる比較的温度の高い温水と貯湯槽下部の温度の低い湯水が混ざって中間温度水の出来る前に、エネルギー消費効率の高い加熱運転ができるので、ランニングコストを安くすることが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図を示すものである。

図１において、１は湯水を貯湯する貯湯槽であり、２は貯湯槽１の下部の湯水の温度を検出する温度検出手段である。３は貯湯槽１の上部から下部へ接続された１次側回路であり、４は熱交換器であり、５は１次側回路に流れる流量をコントロールする１次側流量ポンプであり、１次側回路３上に熱交換器４と１次側流量ポンプ５が設けられている。６は２次側回路であり、７は放熱手段であり、８は２次側回路に流れる流量をコントロールする２次側流量ポンプであり、２次側回路６は１次側回路と熱交換するために熱交換器４と接続されている。９は市水と接続された給水配管であり、１０は貯湯槽上部のお湯と市水を混合して所定の給湯温度にコントロールする湯水混合手段である。１１は貯湯槽１内の湯水を加熱するためのヒートポンプ加熱手段であり、１２はヒートポンプ加熱手段内の冷媒を圧縮する圧縮機である。

図２は、本発明の第１の実施の形態における制御処理手順を示すフロー図である。

図３は、本発明の第１の実施の形態における貯湯槽１内部の湯水の温度分布を表した概略図である。

以上のように構成されたヒートポンプ式給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、図３（ａ）はヒートポンプ加熱手段１１で貯湯槽１内部の湯水を加熱し、高温の湯水で満たされている状態である。例えば、貯湯槽１の内部の湯水は９０℃に沸き上げられているとする。この状態のときに、暖房運転がＯＮされると（ステップ２０）、１次側流量ポンプ５と２次側流量ポンプ８が駆動されることで熱交換器４で熱交換されて所定の温度になった２次側回路６の温水が放熱手段７へと供給される（ステップ２１、２２）。

例えば、放熱手段７への往き温水温度を５５℃とすると、放熱手段７で放熱されて熱交換器４に戻ってくる温水温度は約１０℃下がった４５℃となっている。４５℃まで下がった温水を１次側の高温水と熱交換して再び５５℃まで加熱する。１次側の高温水は熱交換器４から出たときには約５０℃まで温度がさがっており、この温水が貯湯槽１の下部へと戻って行く。貯湯槽１内部が９０℃の湯水で満たされているので、温度検出手段２は貯湯槽１の下部が高温水で満たされていると検出するので、暖房運転をＯＮしてもヒートポンプ加熱手段１１は起動されない。

つまり、熱交換器４で熱交換された１次側の５０℃の温水が貯湯槽１の下部に戻ってきても図３（ｂ）のように、６０℃〜７０℃の混合層が形成されることになる。通常、台所や風呂で給湯される温度は４０℃〜４５℃の温水であり、６０℃〜７０℃の温水が貯湯されていれば、給水配管９からの水と湯水混合手段１０で混合して充分給湯に使用できる温水を作り出すことができる。このように、暖房運転をしても貯湯槽１の下部の温度を温度検出手段２で判断して給湯に使用できる温水があると判断すると、不要な沸き上げを実施しない。つまり、電力契約によっては比較的高めに設定された昼間の電気料金で沸き上げをすることもなく、ランニングコストを安くすることができる。

次に、図３（ｃ）はヒートポンプ加熱手段１１で貯湯槽１内部の湯水を加熱し、高温の湯水で満たされてた状態から、台所や風呂で給湯をして給水配管９から水道水が給水されて、貯湯槽１の下部には低温の水が供給されている状態である。例えば、貯湯槽１の上部側は９０℃に沸き上げられた湯水が残っており、下部側は１０℃の水が給水されているとする。この状態のときに、暖房運転がＯＮされると（ステップ２０）、１次側流量ポンプ５と２次側流量ポンプ８が駆動されることで熱交換器４で熱交換されて所定の温度になった２次側回路６の温水が放熱手段７へと供給される（ステップ２１、２２）。

例えば、放熱手段７への往き温水温度を５５℃とすると、放熱手段７で放熱されて熱交換器４に戻ってくる温水温度は約１０℃下がった４５℃となっている。４５℃まで下がった温水を１次側の高温水と熱交換して再び５５℃まで加熱する。１次側の高温水は熱交換器４から出たときには約５０℃まで温度がさがっており、この温水が貯湯槽１の下部へと戻って行く。貯湯槽１の下部側には１０℃の水が給水されているので、温度検出手段２は所定温度以下を検出するので（例えば、３０℃以下）、ヒートポンプ式加熱手段１１は起動される（ステップ２４）。

熱交換器４で熱交換された１次側の５０℃の温水が貯湯槽１の下部に戻ってきても図３（ｄ）のように、３０℃〜４０℃の混合層が形成されて、通常、台所や風呂で給湯される４０℃〜４５℃の温水よりも低い温水が貯湯されることになり、給湯に使用できず、また、ヒートポンプ式加熱手段１１でもエネルギー消費効率の低い状態で沸き上げすることもない。このように、暖房運転をしても貯湯槽１の下部の温度を温度検出手段２で判断して中間温水が出来上がる前に、沸き上げを実施するのでエネルギー消費効率の高い水を沸き上げることができ、ランニングコストを安くすることができる。

また、暖房運転ＯＮ時に温度検出手段２が所定温度以下を検出すると１次側流量ポンプ５の流量を落とすことで貯湯槽１下部に５０℃の熱交換後の温水が戻る量を少なくして中間温水が出来る量を少なくするものである。ヒートポンプ加熱手段１１でエネルギー昇非効率の高い低温の湯水を沸き上げる事ができ、ランニングコストを安くすることができる。

また、暖房運転ＯＮ時に温度検出手段２が所定温度以下を検出すると２次側流量ポンプ８の流量を落とすことで熱交換器４での熱交換量を少なくすむので、１次側流量ポンプ５の流量を落とすことができ、貯湯槽１下部に５０℃の熱交換後の温水が戻る量を少なくして中間温水が出来る量を少なくするものである。ヒートポンプ加熱手段１１でエネルギー消費効率の高い低温の湯水を沸き上げる事ができ、ランニングコストを安くすることができる。

また、暖房運転ＯＮ時に温度検出手段２が所定温度以下を検出するとヒートポンプ式加熱手段１１内の圧縮機１２の周波数を上げることで、加熱能力をアップさせることができる。貯湯槽１下部に中間温水が出来る前に、加熱能力を上げたヒートポンプ式加熱手段で沸き上げる事ができ、ランニングコストを安くすることができる。

以上のように、本発明は貯湯式給湯装置の湯水を利用した温水暖房システムのヒートポンプ加熱方式による湯水沸き上げ制御に有用である。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯装置の構成図 本発明の実施の形態１における制御フロー図 本発明の実施の形態１における貯湯槽の湯水分布例であり、（ａ）は高温の湯水で満たされている場合を示す図（ｂ）は（ａ）の時に暖房運転を開始した場合の湯水分布を示す図（ｃ）は給湯に湯水を使用して下部側に給水されている場合を示す図（ｄ）は（ｃ）の時に暖房運転を開始した場合の湯水分布の状態を示す図

符号の説明

１ 貯湯槽
２ 温度検出手段
３ １次側回路
４ 熱交換器
５ １次側流量ポンプ
６ ２次側回路
７ 放熱手段
８ ２次側流量ポンプ
９ 給水配管
１０ 湯水混合手段
１１ ヒートポンプ加熱手段
１２ 圧縮機

Claims (4)

1. 貯湯槽と、前記貯湯槽内の湯水を加熱するヒートポンプ加熱手段と、前記貯湯槽の上部から下部へ接続する１次側回路に設けた熱交換器と、前記熱交換器と放熱手段とが接続された２次側回路と、前記貯湯槽の下部の湯水温度を検出する温度検出手段とを備え、前記放熱手段が放熱を開始し、前記温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記ヒートポンプ加熱手段を起動させる給湯装置。
2. １次側回路上に流量ポンプを設け、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記流量ポンプにより流量を下げるようにする請求項１記載の給湯装置。
3. ２次側回路上に流量ポンプを設け、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記流量ポンプにより流量を下げるようにする請求項１記載の給湯装置。
4. ヒートポンプ加熱手段には圧縮機を備え、温度検出手段による検出温度が所定温度以下であったときに、前記圧縮機の回転数を増加させる請求項１記載の給湯装置。