JP4545691B2 - 貯湯システム - Google Patents

Description

本発明は、水を加熱して貯湯槽に温水を貯える貯湯システムに関する。詳しくは、加熱する水の温度に応じて、圧縮式ヒートポンプのみを利用した加熱と、吸収式ヒートポンプと圧縮式ヒートポンプを併用した加熱とを切換ることで、高いＣＯＰ（Coefficient of Performance）を実現する貯湯システムに関する。

従来から、ヒートポンプを利用して水を加熱し、貯湯槽へ温水を貯湯するシステムが知られている。ヒートポンプとしては種々の様式のものが利用されているが、代表的には圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプが知られている。

圧縮式ヒートポンプは、作動流体を圧縮する圧縮器と、圧縮された作動流体を冷却する冷却手段と、冷却された作動流体を膨張させる膨張器と、膨張した作動流体を加熱する加熱手段を備えている。作動流体は圧縮器で圧縮され、冷却手段で冷却され、膨張器で膨張して、加熱手段で加熱されるサイクルを繰返す。

上記の圧縮式ヒートポンプを利用して、冷却手段において水と作動流体を熱交換させ、加熱手段において大気と作動流体を熱交換させることで、水を加熱することができる。この場合、膨張器で膨張した作動流体は大気より低温となっており、大気との熱交換によって作動流体は加熱される。また圧縮器で圧縮された作動流体は高温となっており、水との熱交換によって作動流体は冷却される。加熱された水を貯湯槽へ流入させることで、貯湯槽に温水を貯えることができる。貯湯槽から水を汲出し、圧縮式ヒートポンプで加熱して、加熱された水を貯湯槽へ戻す一連の処理を繰返すことで、所望の温度まで昇温された温水を貯湯槽に貯えることができる。

上記した圧縮式ヒートポンプを利用した貯湯システムでは、大気から吸収した熱を利用して水を加熱するため、少ないエネルギー消費量で貯湯槽へ大きな熱量の温水を貯えることが可能であり、高いＣＯＰを実現することができる。

一方、吸収式ヒートポンプは、溶媒で希釈された溶液を加熱して溶媒蒸気と濃縮溶液に分離する再生器と、分離された溶媒蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮された溶媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、蒸発した溶媒を濃縮溶液に吸収させて希釈し、希釈された溶液を冷却する吸収器を備えている。溶媒は、蒸発器で蒸発し、吸収器で濃縮溶液に吸収され、再生器で溶液から蒸発して分離され、凝縮器で凝縮されるサイクルを繰返す。溶液は、吸収器で溶媒を吸収して希釈化され、再生器で溶媒が蒸発して濃縮されるサイクルを繰返す。

再生器では溶液中の溶媒が蒸発熱を吸収して蒸発する。蒸発した溶媒は、凝縮器で凝縮熱を放出して凝縮する。従って、再生器で加えられた熱を利用して、凝縮器で作動流体を加熱することができる。加熱された作動流体を、貯湯のために水を加熱する手段として利用することができる。

また蒸発器では溶媒が蒸発熱を吸収して蒸発する。蒸発した溶媒は、吸収器で濃縮溶液に吸収され、吸収熱を放出する。従って、蒸発器で加えられた熱を利用して、吸収器で作動流体を加熱することができる。加熱された作動流体を、貯湯のために水を加熱する手段として利用することができる。

吸収式ヒートポンプは、圧縮式ヒートポンプに比べてＣＯＰは劣るものの、溶質と溶媒の組み合わせや、溶液の濃度や、溶媒の蒸発や凝縮の圧力を調整することによって、作動流体の温度を調整することが可能である。

上記した圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用したハイブリッドヒートポンプシステムが、例えば特許文献１から５に記載されている。
特開２００４−１０８７３１号公報 特開２００４−１１６８００号公報 特開２００４−１１６８０６号公報 特開２００５−７７０３６号公報 特開２００５−７７０３７号公報

圧縮式ヒートポンプを用いた貯湯システムでは、水を高温まで加熱しようとすると、圧縮器に過大な負荷がかかり、ＣＯＰが低下してしまうという問題がある。例えば水を２０℃から３０℃まで加熱する場合に比べて、４０℃から５０℃まで加熱する場合では、ＣＯＰが大きく低下してしまう。従って、圧縮式ヒートポンプを用いた貯湯システムでは、例えば４０℃程度まで水を加熱しておき、４０℃程度のそれほど高温でない温水を大型の貯湯槽へ貯える。貯湯されている温水の温度よりも低温の温水（例えば３０℃程度の温水）を給湯したい場合には、貯湯槽の温水を水道水と混合してから給湯することで、所望の温度に調整された温水を給湯することができる。より高温の温水（例えば６０℃程度の温水）を給湯したい場合には、貯湯槽から汲出される温水をバーナ等の補助熱源機でさらに加熱して、所望の温度まで昇温してから給湯を行う。このように補助熱源機を用いると、熱損失が増大してシステムの熱効率を低下させてしまう。

補助熱源機を用いることなく高温の温水を給湯できるシステムとして、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用するシステムが考えられる。圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用することで、熱効率を低下させずに、水を高温まで加熱することができる。高温まで加熱された温水（例えば６０℃程度の温水）を貯湯槽へ貯えておけば、補助熱源機を用いることなく、高温の温水を給湯することができる。貯湯されている温水の温度よりも低温の温水を給湯したい場合には、貯湯槽の温水を水道水と混合してから給湯することで、所望の温度に調整された温水を給湯することができる。

しかしながら、水道水などの低温の水を高温まで加熱する場合、水の温度がそれほど高温でない間は、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用するよりも、圧縮式ヒートポンプのみを利用して水を加熱する方が熱効率は高い。例えば水を２０℃から３０℃まで加熱する場合には、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用するよりも、圧縮式ヒートポンプのみを利用する方が、ＣＯＰは高い。

上述のように、圧縮式ヒートポンプのみを利用して水を加熱する貯湯システムと、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用する貯湯システムには、それぞれに一長一短がある。両者を適宜使い分けることができれば、高いＣＯＰで高温の温水を貯湯槽へ貯えることが可能となる。

本発明では、高温の温水を貯湯槽に貯えることが可能な貯湯システムにおいて、高いＣＯＰを実現することが可能な技術を提供する。

本発明は圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用して貯湯槽に温水を貯える貯湯システムとして具現化される。その圧縮式ヒートポンプは、第１作動流体を圧縮する圧縮器と、第１作動流体を膨張させる膨張器と、第１作動流体と大気の間で熱交換して第１作動流体を加熱する吸熱器を備えている。その吸収式ヒートポンプは、溶液を加熱して溶媒蒸気と濃縮溶液に分離する再生器と、分離された溶媒蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、凝縮した溶媒と第１作動流体の間で熱交換して溶媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、溶媒蒸気を濃縮溶液に吸収させて濃縮溶液を希釈し、希釈された溶液と第２作動流体の間で熱交換して溶液を冷却する吸収器と、冷却された溶液を再生器に還流させる手段を備えている。その貯湯システムは、貯湯槽と、貯湯槽の底部を第１熱交換器と第２熱交換器を経て貯湯槽の上部に接続する水流路と、貯湯槽の底部の水を水流路を経て貯湯槽の上部へ還流させる駆動手段と、第１作動流体を、圧縮器と第１熱交換器と膨張器と吸熱器の順に循環する第１循環路を循環させる第１循環手段と、第１作動流体を、圧縮器と蒸発器と膨張器と吸熱器の順に循環する第２循環路を循環させる第２循環手段と、第２作動流体を、吸収器と第２熱交換器の順に循環させる第３循環路を循環させる第３循環手段を備えている。その貯湯システムは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度に応じて、圧縮式ヒートポンプと第１循環手段を運転して第１熱交換器で水を加熱する第１貯湯運転と、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプと第２循環手段と第３循環手段を運転して第２熱交換器で水を加熱する第２貯湯運転を切換える。その貯湯システムは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも高くなる温度範囲にある場合には、第１貯湯運転を実施する。また、その貯湯システムは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも低くなる温度範囲にある場合には、第２貯湯運転を実施する。第１貯湯運転を実施する温度範囲は、第２貯湯運転を実施する温度範囲よりも、低い温度範囲に設定されている。

上記の貯湯システムでは、駆動手段によって貯湯槽の底部から水を汲出し、汲出した水を第１熱交換器または第２熱交換器によって加熱し、加熱された水を貯湯槽の上部へ還流させる。このような循環加熱を繰返すことによって、貯湯槽の内部に所望の温度の温水を貯えることができる。貯湯槽に貯えられる温水は、例えば給湯や暖房などに利用することができる。

上記の貯湯システムは、貯湯槽の底部から汲出した水を加熱する熱源として、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを備えている。上記の貯湯システムは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度に応じて、圧縮式ヒートポンプのみを利用して水を加熱する第１貯湯運転を実施することもあるし、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用して水を加熱する第２貯湯運転を実施することもある。

上記の貯湯システムでは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも高くなる温度範囲にある場合、すなわち貯湯槽の底部から水流路へ流入する水がそれほど高温でない場合には、第１貯湯運転を実施する。つまり、圧縮式ヒートポンプによって大気中から熱を吸収して、吸収した熱を利用して水流路を流れる水を加熱する。このような場合には、圧縮式ヒートポンプの第１作動流体はそれほど高温としなくても水を加熱することが可能であるから、圧縮器に過大な負荷をかけることがなく、高いＣＯＰを実現しながら水を加熱することができる。

また、上記の貯湯システムでは、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも低くなる温度範囲にある場合、すなわち貯湯槽の底部から水流路へ流入する水が高温の場合には、第２貯湯運転を実施する。つまり、圧縮式ヒートポンプによって大気から熱を吸収して、その吸収した熱を吸収式ヒートポンプの蒸発器の熱源として利用する。吸収式ヒートポンプは、蒸発器で第１作動流体から加えられた熱を利用して、吸収器で第２作動流体を加熱する。加熱された第２作動流体が、水流路を流れる水を加熱する。吸収式ヒートポンプでは、それほど高温ではない第１作動流体を蒸発器の熱源とした場合であっても、吸収器で第２作動流体を高温まで加熱することが可能である。従って、圧縮式ヒートポンプの圧縮器に過大な負荷をかけることなく、水流路を流れる高温の水を加熱することができる。

なお、第１作動流体と第２作動流体は、同種の流体を用いていてもよい。

なお、貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度は、種々の手法によって計測することができる。例えば、貯湯槽の内部の水温を計測する温度センサであって、貯湯槽の底部付近に設けられたものを用いて計測することもできる。あるいは、水流路の内部の水温を計測する温度センサであって、第１熱交換器および第２熱交換器のいずれよりも上流側に設けられたものを用いて計測することもできる。

上記の貯湯システムでは、吸収式ヒートポンプの凝縮器が、分離された溶媒蒸気と第２作動流体の間で熱交換して溶媒蒸気を冷却する熱交換器を備えており、第３循環手段が、第２作動流体を、吸収器と凝縮器と第２熱交換器の順に循環させることが好ましい。

上記のような構成とすることによって、水流路を流れる高温の水を加熱する際に、吸収式ヒートポンプの吸収器において第２作動流体に加えられる熱と、凝縮器において第２作動流体に加えられる熱の双方を利用して、水を加熱することができる。貯湯槽の底部から汲出された水が貯湯槽の上部へ戻るまでの昇温幅が増大し、短期間で高温の温水を貯湯槽へ貯えることができる。

本発明によれば、高温の温水を貯湯槽に貯えることが可能な貯湯システムにおいて、高いＣＯＰを実現することができる。

以下に説明する実施例の主要な特徴を最初に列記する。
（形態１）圧縮式ヒートポンプの第１作動流体は、フレオン、炭酸ガスなどの圧縮性流体である。
（形態２）吸収式ヒートポンプの溶液は、臭化リチウム水溶液などのリチウム塩溶液、あるいはアンモニア水溶液である。
（形態３）吸収式ヒートポンプの蒸発器と吸収器は、共通のタンクの内部に設けられている。
（形態４）吸収式ヒートポンプを高い温度領域で使用する場合には、溶液としてリチウム塩溶液を用いる。この場合には、水が溶媒となる。蒸発器および吸収器は、内部が低圧に維持される。
（形態５）吸収式ヒートポンプを低い温度領域で使用する場合には、溶液としてアンモニア水溶液を用いる。この場合には、アンモニアが溶媒となる。蒸発器および吸収器は、内部が高圧に維持される。

本発明を具現化したシステム１００を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１から図５に示すように、システム１００は主に、空調装置１０２と、貯湯槽１０４と、吸収式ヒートポンプ１０６と、圧縮式ヒートポンプ１０８と、コントローラ３００と、リモコン３０２から構成されている。システム１００は、コントローラ３００によって運転の態様を制御されており、冷房運転、暖房運転、貯湯運転などを行うことができる。

リモコン３０２はコントローラ３００と通信可能である。システム１００の利用者は、リモコン３０２を操作することによって、システム１００の運転状態や、冷房運転または暖房運転の際の設定温度や、貯湯槽への貯湯温度や、給湯温度などを設定することができる。リモコン３０２において利用者によって設定された内容は、コントローラ３００へ送信される。コントローラ３００は、利用者によって設定された内容に基づいて、システム１００を構成する各種の弁やポンプやコンプレッサや加熱源などの動作を制御して、システム１００の運転を制御する。

（１）冷房運転、暖房運転
図１は、本実施例のシステム１００の冷房運転時の状態を示す。システム１００は、リモコン３０２において利用者が冷房運転の開始を設定すると、冷房運転を開始する。

空調装置１０２は、水を作動流体とする空調装置である。空調装置１０２はコントローラ３００と通信可能であって、コントローラ３００からの指示に応じて冷房運転と暖房運転のいずれかを実施する。冷房運転の際には、作動流体を吸収式ヒートポンプ１０６によって冷却し、冷却された作動流体を用いて冷房運転を行う。暖房運転の際には、作動流体を吸収式ヒートポンプ１０６によって加熱し、加熱された作動流体を用いて暖房運転を行う。

吸収式ヒートポンプ１０６は、臭化リチウム水溶液などのリチウム塩溶液を作動流体とする。吸収式ヒートポンプ１０６は、主に、高温再生器１１０と、分離機１２２と、低温再生器１１２と、凝縮器１１４と、蒸発器１１６と、吸収器１１８から構成されている。低温再生器１１２、凝縮器１１４、蒸発器１１６、吸収器１１８は、内部が低圧に保たれた負圧タンク１２０内に形成されている。

高温再生器１１０は、低濃度の溶液（以下では希液という）が通過する高温再生熱交換器１２４と、高温再生熱交換器１２４を通過する希液を燃焼ガスによって加熱する加熱源（バーナ）１２６を備えている。希液流路１３０内の希液は、ポンプ１２８によって駆動されて高温再生器１１０へ流入し、高温再生熱交換器１２４へ供給される。高温再生熱交換器１２４を通過する間に加熱され沸騰した希液は、分離器１２２に導かれ、水蒸気と、濃縮した中濃度の溶液（以下では中液という）に分離される。

分離器１２２で分離された水蒸気と中液は、それぞれ水蒸気流路１３２、中液流路１３４を経て、負圧タンク１２０内の上部に形成された低温再生器１１２に区分して供給される。低温再生器１１２に供給される際に、中液流路１３４を流れる中液は、希液流路１３０を流れる希液と、熱交換器１３６で熱交換する。これによって、中液は冷却されて低温再生器１１２に供給され、希液は加熱されて高温再生器１１０へ供給される。

低温再生器１１２内には、低温再生熱交換器１３８が備えられており、水蒸気流路１３２から低温再生熱交換器１３８内に流入する水蒸気と、中液流路１３４から低温再生熱交換器１３８の表面に滴下する中液との間で熱交換が行われる。熱交換によって、水蒸気は冷却され、中液は加熱される。冷却された水蒸気は凝縮して水となり、低温再生熱交換器１３８から凝縮器１１４に導かれ、凝縮器１１４の底部に溜められる。水蒸気が凝縮する際に生じる凝縮熱は中液に吸収され、中液は再び沸騰し、水蒸気と高濃度の溶液（以下では濃液という）が生成される。水蒸気と濃液は低温再生器１１２内で分離し、濃液は低温再生器１１２の底部に溜められる。中液より生成した水蒸気は、蒸気圧の低い凝縮器１１４内へ移動する。

凝縮器１１４内の水蒸気は、冷房運転時には、図１に示すようにバルブ１４０を備える水蒸気流路１４２を経由して、送風機１４４によって冷却される大気熱交換器１４６に導かれる。水蒸気は大気熱交換器１４６で凝縮し、凝縮器１１４へ還流し、凝縮器１１４の底部に溜められる。この際の凝縮熱は、大気熱交換器１４６から大気へ放出される。暖房運転時には、図２に示すようにバルブ１４０が閉止され、凝縮器１１４内に設けられた凝縮熱交換器１４８の表面で凝縮し、凝縮器１１４の底部に溜められる。この際の凝縮熱は、凝縮熱交換器１４８内を流れる作動流体によって吸収される。

負圧タンク１２０の下部には、２つの熱交換器１５０、１５２が備えられている。熱交換器１５０、１５２は、三方弁１５４、１５６の流路切替えによって、一方が蒸発器１１６の熱交換器（蒸発熱交換器）として機能し、他方が吸収器１１８の熱交換器（吸収熱交換器）として機能する。図１に示すように、冷房運転時には熱交換器１５０が吸収熱交換器、熱交換器１５２が蒸発熱交換器として機能する。図２に示すように、暖房運転時には熱交換器１５２が吸収熱交換器、熱交換器１５０が蒸発熱交換器として機能する。吸収熱交換器には、濃液流路１５８を経由して低温再生器１１２の底部から供給される濃液が、上方から散布される。この際に、濃液流路１５８を流れる濃液は、希液流路１３０を流れる希液と、熱交換器１６２で熱交換する。これによって、希液流路１３０を流れる希液は加熱されて熱交換器１３６へ供給され、濃液流路１５８を流れる濃液は冷却されて吸収器１１８に供給される。蒸発熱交換器には、水流路１６０を経由して凝縮器１１４の底部から供給される水が、上方から散布される。

蒸発熱交換器（図１に示す冷房運転時は熱交換器１５２）に散布された水は、蒸発熱交換器の表面で蒸発して水蒸気となり、蒸気圧の低い吸収器１１８に移動する。この際に、蒸発熱交換器の表面で発生する水蒸気によって、蒸発熱交換器内を流れる作動流体から蒸発熱が奪われ、作動流体が冷却される。吸収器１１８に移動した水蒸気は、吸収熱交換器（冷房運転時は熱交換器１５０）の表面で濃液に吸収され、希液となって吸収器１１８の底部に溜められる。この際に発生する吸収熱は、吸収熱交換器内を流れる作動流体によって吸収される。

濃液流路１５８、水流路１６０は、それぞれ三方弁１５４、１５６を備えている。冷房運転時には、三方弁１５４は濃液が熱交換器１５０へ流れるように、三方弁１５６は水が熱交換器１５２へ流れるように切替わる。暖房運転時には、三方弁１５４は濃液が熱交換器１５２へ流れるように、三方弁１５６は水が熱交換器１５０へ流れるように切替わる。

高温再生器１１０には、高温再生熱交換器１２４での熱交換によって希液を加熱した後の燃焼ガス（燃焼排ガス）と、内部を流れる作動流体とを熱交換する排熱回収熱交換器１９６が設けられている。作動流体との熱交換によって、燃焼排ガスは冷却されて高温再生器１１０の外部へ排出される。燃焼排ガスとの熱交換によって、排熱回収熱交換器１９６の内部を流れる作動流体は加熱される。

圧縮式ヒートポンプ１０８は、フレオン、炭酸ガスなどの圧縮性流体を作動流体とする。圧縮式ヒートポンプ１０８は、コンプレッサ１６４と、大気熱交換器１６６と、膨張弁１６８を備えている。大気熱交換器１６６には送風機１４４が付設されている。圧縮式ヒートポンプ１０８は四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を備えており、コントローラ３００からの指示に応じて、作動流体の流路を切換える。

冷房運転時は、図１に示すように、コントローラ３００は四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を切換えて、コンプレッサ１６４で圧縮された作動流体が、大気熱交換器１６６、膨張弁１６８、熱交換器１５０（冷房運転時には吸収熱交換器として機能する）の順に通過して、コンプレッサ１６４へ戻る流路を形成する。作動流体はコンプレッサ１６４によって圧縮されて高温高圧となり、大気熱交換器１６６において送風機１４４によって冷却されて凝縮し、凝縮熱を大気に放出する。凝縮した作動流体は膨張弁１６８で膨張して低温となり、熱交換器１５０に供給される。熱交換器１５０へ流入した低温の作動流体は、熱交換器１５０の表面で発生する吸収熱によって加熱されて蒸発する。蒸発した作動流体はコンプレッサ１６４へ戻る。

暖房運転時は、図２に示すように、コントローラ３００は四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を切替えて、コンプレッサ１６４で圧縮された作動流体が、熱交換器１５０（暖房運転時には蒸発熱交換器として機能する）、膨張弁１６８、大気熱交換器１６６の順に通過して、コンプレッサ１６４へ戻る流路を形成する。作動流体はコンプレッサ１６４によって圧縮されて高温高圧となり、熱交換器１５０に供給される。熱交換器１５０に流入した作動流体は、熱交換器１５０の表面で発生する水蒸気に蒸発熱を奪われ、冷却されて凝縮する。凝縮した作動流体は膨張弁１６８で膨張して低温となり、大気熱交換器１６６において送風機１４４によって加熱され、蒸発する。蒸発した作動流体はコンプレッサ１６４へ戻る。

空調装置１０２の作動流体の流れについて説明する。冷房運転時は、図１に示すように、四方弁１８６、１８８、三方弁１９０、１９２が切換えられる。これによって、ポンプ１９４によって空調装置１０２から供給される作動流体が、熱交換器１５２（冷房運転時には蒸発熱交換器として機能する）を通過して、空調装置１０２へ戻る流路が形成される。冷房運転時に空調装置１０２から供給される高温の作動流体は、熱交換器１５２の表面で発生する水蒸気に蒸発熱を奪われ、低温となって空調装置１０２へ戻る。

暖房運転時は、図２に示すように、四方弁１８６、１８８、三方弁１９０、１９２が切換えられる。これによって、ポンプ１９４によって空調装置１０２から供給される作動流体が、排熱回収熱交換器１９６、熱交換器１５２（暖房運転時には吸収熱交換器として機能する）、凝縮熱交換器１４８の順に通過して、空調装置１０２へ戻る流路が形成される。暖房運転時に空調装置１０２から供給される低温の作動流体は、高温再生器１１０の排熱回収熱交換器１９６で燃焼排ガスによって加熱され、熱交換器１５２の表面で発生する吸収熱によって加熱され、凝縮熱交換器１４８の表面で発生する凝縮熱によって加熱されて、空調装置１０２へ戻る。

本実施例のシステム１００は、空調装置１０２が冷房運転を行う際に、空調装置１０２で吸収した熱を、大気熱交換器１４６、１６６を用いて大気へ放出することによって、冷房を行うことができる。圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用することで、吸収式ヒートポンプ１０６のみを利用する場合に比べて、高いＣＯＰを実現することができる。また圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用することで、圧縮式ヒートポンプ１０８のみを利用する場合に比べて、コンプレッサ１６４にかかる負荷を軽減することができる。

本実施例のシステム１００は、空調装置１０２が暖房運転を行う際に、大気熱交換器１６６で大気中から吸収した熱と、高温再生器１１０の高温再生熱交換器１２４で燃焼ガスから吸収した熱と、コンプレッサ１６４で作動流体に付与されるエネルギーを利用して、暖房を行うことができる。圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用することで、吸収式ヒートポンプ１０６のみを利用する場合に比べて、高いＣＯＰを実現することができる。また圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用することで、圧縮式ヒートポンプ１０８のみを利用する場合に比べて、コンプレッサ１６４にかかる負荷を軽減することができる。

本実施例のハイブリッドヒートポンプ１００では、空調装置１０２が暖房運転を行う際に、空調用の作動流体を高温再生器１１０の熱交換器１９６で燃焼排ガスを利用して加熱している。これによって、高温再生器１１０の燃焼ガスの熱を有効に活用することができ、ＣＯＰをさらに向上することができる。

（２）貯湯運転
本発明のシステム１００の貯湯運転について、図３と図４を参照しながら説明する。
貯湯槽１０４は、内部に温水を蓄えている。貯湯槽１０４の内部の温水は温度成層を形成しており、貯湯槽１０４の上部には高温の温水が貯えられ、下部には低温の温水が貯えられる。給湯を行う際には、貯湯槽１０４の上部から高温の温水が汲出され、貯湯槽１０４の下部から水道水が給水される。
貯湯槽１０４の底部付近には、貯湯槽１０４の内部の水温を計測する温度センサ３０６が設けられている。温度センサ３０６は、計測される温度をコントローラ３００へ送信する。

コントローラ３００は、温度センサ３０６によって計測される温度を看視している。温度センサ３０６によって計測される温度が、リモコン３０２において設定された貯湯温度に満たない場合に、コントローラ３００は貯湯運転を開始する。

貯湯運転を開始すると、コントローラ３００は、温度センサ３０６によって計測される温度に応じて、第１貯湯運転を行うか、第２貯湯運転を行うかを判断する。温度センサ３０６によって計測される温度が４５℃未満の場合には、コントローラ３００は第１貯湯運転を開始する。温度センサ３０６によって計測される温度が４５℃以上の場合には、コントローラ３００は第２貯湯運転を開始する。

（Ａ）第１貯湯運転
温度センサ３０６で計測される温度、すなわち貯湯槽１０４の内部の底部付近の水温が４５℃に満たない場合、システム１００は、吸収式ヒートポンプ１０６を駆動せずに、圧縮式ヒートポンプ１０８のみを用いて水の加熱を行う。図３を参照しながら、第１貯湯運転について説明する。

第１貯湯運転を開始すると、コントローラ３００は、圧縮式ヒートポンプ１０８の四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を切換える。これによって、コンプレッサ１６４から流出する作動流体が、熱交換器２００、膨張弁１６８、熱交換器１５０、大気熱交換器１６６を順に通過して、コンプレッサ１６４に戻る流路が形成される。コントローラ３００がコンプレッサ１６４を駆動することによって、形成された流路を作動流体が循環する。
またコントローラ３００は、四方弁１９８を切換える。これによって、貯湯槽１０４の底部から熱交換器２００を経由して貯湯槽１０４の上部に戻る流路が形成される。コントローラ３００がポンプ２０４を駆動することによって、形成された流路を貯湯槽１０４の内部の水が循環する。
なお第１貯湯運転時には、吸収式ヒートポンプ１０６は動作しておらず、熱交換器１５０では熱交換が行われない。

第１貯湯運転においては、コンプレッサ１６４から熱交換器２００へ流入する高温高圧の作動流体と、ポンプ２０４の駆動によって貯湯槽１０４の底部から熱交換器２００へ汲出された水との間で熱交換が行われる。熱交換器２００での熱交換によって、作動流体は冷却されて凝縮し、水は加熱されて昇温する。熱交換器２００で加熱された水は、貯湯槽１０４の上部へ還流する。熱交換器２００で冷却されて凝縮した作動流体は、膨張弁１６８で膨張し、低温となる。膨張弁１６８で膨張して低温となった作動流体は、大気熱交換器１６６で大気と熱交換する。大気熱交換器１６６での熱交換によって、作動流体は加熱されて蒸発する。大気熱交換器１６６で加熱されて蒸発した作動流体は、コンプレッサ１６４へ流入する。

作動流体が上記のように循環することで、大気熱交換器１６６で大気から吸収した熱を利用して、貯湯槽１０４の底部から汲出された水を加熱することができる。貯湯槽１０４の水を上記のように循環加熱することによって、貯湯槽１０４の内部の水は徐々に昇温していく。

第１貯湯運転を行っている間、コントローラ３００は温度センサ３０４で計測される水温を看視している。温度センサ３０４で計測される水温は、貯湯槽１０４の底部から汲出される水の温度を示している。温度センサ３０４で計測される水温が４５℃以上となった場合、コントローラ３００は後述する第２貯湯運転へ処理を移行する。温度センサ３０４で計測される水温が４５℃に満たない場合、コントローラ３００は第１貯湯運転を継続する。

第１貯湯運転を行っている間は、熱交換器２００へ流入する水の温度は４５℃未満である。従って、熱交換器２００へ供給する作動流体の温度を、それほど高温まで上げる必要がなく、コンプレッサ１６４における消費エネルギーも低い。圧縮式ヒートポンプ１０８を高いＣＯＰで運転させることができる。

（Ｂ）第２貯湯運転
温度センサ３０６で計測される温度が４５℃以上の場合、あるいは温度センサ３０４で計測される温度が４５℃以上の場合、システム１００は圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用して水の加熱を行う。図４を参照しながら、第２貯湯運転について説明する。

第２貯湯運転を開始すると、コントローラ３００は、圧縮式ヒートポンプ１０８の四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を切換える。これによって、コンプレッサ１６４から流出する作動流体が、熱交換器１５０、膨張弁１６８、大気熱交換器１６６を順に通過して、コンプレッサ１６４に戻る流路が形成される。コントローラ３００がコンプレッサ１６４を駆動することによって、形成された流路を作動流体が循環する。
またコントローラ３００は、吸収式ヒートポンプ１０６の三方弁１５４、１５６を切換える。これによって、熱交換器１５０は蒸発熱交換器として機能し、熱交換器１５２は吸収熱交換器として機能する。コントローラ３００がポンプ１２８を駆動し、加熱源１２６の燃焼を開始することで、吸収式ヒートポンプ１０６における一連のサイクルが進行する。
またコントローラ３００は、四方弁１８６、１８８、三方弁１９０、１９２を切換える。これによって、ポンプ２０６から流出する作動流体が、排熱回収熱交換器１９６、熱交換器１５２、凝縮熱交換器１４８、熱交換器２０２を順に経由して、ポンプ２０６に戻る作動流体の流路が形成される。コントローラ３００がポンプ２０６を駆動することによって、形成された流路を作動流体が循環する。
さらにコントローラ３００は、四方弁１９８を切換える。これによって、貯湯槽１０４の底部から熱交換器２００、２０２を経由して貯湯槽１０４の上部に戻る流路が形成される。コントローラ３００がポンプ２０４を駆動することによって、形成された流路を貯湯槽１０４の内部の水が循環する。
なお第２貯湯運転においては、圧縮式ヒートポンプ１０８の作動流体は熱交換器２００を流れず、熱交換器２００における熱交換は行われない。

第２貯湯運転においては、ポンプ２０６の駆動によって熱交換器２０２から流出する作動流体は、排熱回収熱交換器１９６によって加熱される。加熱された作動流体は、熱交換器１５２（吸収熱交換器に相当する）において、熱交換器１５２の表面で発生する吸収熱によって加熱される。加熱された作動流体は、凝縮熱交換器１４８において、凝縮熱交換機１４８の表面で発生する凝縮熱によって加熱される。高温再生器１１０の燃焼排ガスの排熱と、吸収器１１８の吸収熱と、凝縮器１１４の凝縮熱で加熱された作動流体は、熱交換器２０２へ戻り、貯湯槽１０４の下部からポンプ２０４によって汲出された水を加熱する。加熱された水は、貯湯槽１０４の上部へ還流する。

第２貯湯運転においては、コンプレッサ１６４によって圧縮されて高温高圧となった作動流体が熱交換器１５０（蒸発熱交換器に相当する）へ流入する。熱交換器１５０に流入した作動流体は、熱交換器１５０の表面で発生する水蒸気に蒸発熱を奪われ、冷却されて凝縮する。凝縮した作動流体は膨張弁１６８で膨張して低温となり、大気熱交換器１６６において送風機１４４によって加熱され、蒸発する。蒸発した作動流体はコンプレッサ１６４へ戻る。

圧縮式ヒートポンプ１０８が駆動することにより、大気熱交換器１６６で吸収した熱を利用して、吸収式ヒートポンプ１０６の蒸発熱交換器で水が蒸発する。吸収式ヒートポンプ１０６が駆動することにより、熱交換器２０２を流れる作動流体は、高温再生器１１０の燃焼排ガスから回収される熱と、吸収熱交換器における吸収熱と、凝縮熱交換器１４８における凝縮熱によって加熱される。加熱された作動流体との熱交換によって、貯湯槽１０４から汲出された水が加熱される。貯湯槽１０４の水が上記のように循環することによって、貯湯槽１０４の内部の水は徐々に昇温していく。

第２貯湯運転を行っている間、コントローラ３００は温度センサ３０４で計測される水温を看視している。温度センサ３０４で計測される水温は、貯湯槽１０４の底部から汲出される水の温度を示している。温度センサ３０４で計測される水温が６０℃以上となった場合、コントローラ３００はこれ以上の貯湯は必要ないと判断して、貯湯運転を終了する。

第２貯湯運転を行っている間は、熱交換器２０２へ流入する水の温度は４５℃から６０℃の範囲内である。従って、熱交換器２０２へ供給する作動流体の温度は、高温とする必要がある。本実施例では、圧縮式ヒートポンプ１０８を利用して吸収式ヒートポンプ１０６の蒸発器１１６へ熱を供給し、吸収式ヒートポンプ１０６の吸収器１１８や凝縮器１１４を利用して熱交換器２０２へ供給する作動流体を加熱している。このような構成とする場合、圧縮式ヒートポンプ１０８の作動流体の温度は、それほど高温まで上げる必要がない。従って、圧縮式ヒートポンプ１０８を高いＣＯＰで運転させることができるため、システム全体での熱効率を高いものとすることができる。

本実施例のシステム１００では、貯湯槽１０４への貯湯を行う際に、貯湯槽１０４の底部から汲出される水の温度に応じて、第１貯湯運転と第２貯湯運転を切換える。貯湯槽１０４から汲出される水が低温の間は、圧縮式ヒートポンプ１０８のみを利用して水を加熱する第１貯湯運転を実施し、貯湯槽１０４から汲出される水が高温となると、圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用して水を加熱する第２貯湯運転を実施する。圧縮式ヒートポンプ１０８のコンプレッサ１６４に過剰な負荷をかけることがないため、システム全体の熱効率を高いものとすることができる。

（３）冷房・貯湯運転
本実施例のシステム１００は、冷房運転を行っている間に貯湯運転を開始して、冷房運転と貯湯運転を並行して行うこともできるし、貯湯運転を行っている間に冷房運転を開始して、冷房運転と貯湯運転を並行して行うこともできる。以下では冷房運転と貯湯運転を並行して行う態様を冷房・貯湯運転と記述する。図５を参照しながら、冷房・貯湯運転について説明する。

冷房・貯湯運転を開始すると、コントローラ３００は四方弁１９８を切換える。これによって、貯湯槽１０４の底部から熱交換器２００、２０２を経由して貯湯槽１０４の上部に戻る流路が形成される。コントローラ３００がポンプ２０４を駆動することによって、形成された流路を貯湯槽１０４の内部の水が循環する。
またコントローラ３００は、圧縮式ヒートポンプ１０８の四方弁１７０、１７２、１７８、三方弁１８４を切換える。これによって、コンプレッサ１６４から流出する作動流体が、熱交換器２００、膨張弁１６８、熱交換器１５０を順に通過して、コンプレッサ１６４に戻る流路が形成される。
またコントローラ３００は、吸収式ヒートポンプ１０６の三方弁１５４、１５６を切換える。これによって、熱交換器１５０は吸収熱交換器として機能し、熱交換器１５２は蒸発熱交換器として機能する。コントローラ３００がポンプ１２８を駆動し、加熱源１２６の燃焼を開始することで、吸収式ヒートポンプにおける一連のサイクルが進行する。
さらにコントローラ３００は、四方弁１８６、三方弁１９０、１９２を切換える。これによって、ポンプ１９４から流出する作動流体が、空調装置１０２、熱交換器１５２を順に経由して、ポンプ１９４に戻る流路が形成される。コントローラ３００がポンプ１９４を駆動することによって、形成された流路を作動流体が循環する。コントローラ３００は、四方弁１８８を切換える。これによって、ポンプ２０６から流出する作動流体が、凝縮熱交換器１４８、熱交換器２０２を順に経由してポンプ２０６に戻る流路が形成される。コントローラ３００がポンプ２０６を駆動することによって、形成された流路を作動流体が循環する。

冷房・貯湯運転においては、吸収式ヒートポンプ１０６と、圧縮式ヒートポンプ１０８の双方の運転によって、貯湯槽１０４の水を加熱する。冷房・貯湯運転においては、吸収式ヒートポンプ１０６は、冷房運転時とほぼ同様の運転を行うが、凝縮器１１４内の水蒸気を大気熱交換器１４６で大気との熱交換によって冷却する代わりに、蒸発熱交換器１４８内を流れる作動流体との熱交換によって冷却する。圧縮式ヒートポンプ１０８の作動流体は、コンプレッサ１６４によって圧縮されて高温となり、熱交換器２００において冷却されて凝縮し、凝縮熱を放出する。凝縮した作動流体は膨張弁１６８で膨張して低温となり、熱交換器１５０に供給される。低温の作動流体は熱交換器１５０の表面で発生する吸収熱によって加熱されて蒸発する。蒸発した作動流体は排熱回収熱交換器１８５において高温再生器１１０の燃焼排ガスによって加熱され、コンプレッサ１６４へ戻る。熱交換器２００では、ポンプ２０４の駆動によって貯湯槽１０４の底部から汲出された水と、コンプレッサ１６４で圧縮されて高温となった作動流体との間で熱交換が行われ、水は加熱されて熱交換器２０２へ供給される。
冷房・貯湯運転においては、ポンプ２０６の駆動によって、作動流体は熱交換器２０２から凝縮熱交換器１４８を経由して熱交換器２０２に戻る。作動流体は凝縮熱交換器１４８において、凝縮熱交換器１４８の表面で発生する凝縮熱によって加熱されて高温となる。高温となった作動流体は、熱交換器２０２において、貯湯槽１０４に戻る水と熱交換する。熱交換器２０２で加熱されて高温となった水は、貯湯槽１０４の上部に還流する。
上記のようにして、本実施例のシステム１００は、冷房運転と貯湯運転を同時並行して行うことができる。

以上のように、本実施例のシステム１００は、圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６を併用して貯湯槽１０４に温水を貯える貯湯システムである。圧縮式ヒートポンプ１０８は、第１作動流体を圧縮するコンプレッサ１６４と、第１作動流体を膨張させる膨張弁１６８と、第１作動流体と大気の間で熱交換して第１作動流体を加熱する大気熱交換器１６６を備えている。吸収式ヒートポンプ１０６は、溶液を加熱して溶媒蒸気と濃縮溶液に分離する高温再生器１１０および低温再生器１１２と、分離された溶媒蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器１１４と、凝縮した溶媒と第１作動流体の間で熱交換して溶媒を加熱して蒸発させる蒸発器１１６と、溶媒蒸気を濃縮溶液に吸収させて濃縮溶液を希釈し、希釈された溶液と第２作動流体の間で熱交換して溶液を冷却する吸収器１１８と、冷却された溶液を高温再生器１１０および低温再生器１１２に還流させる手段を備えている。そのシステム１００は、貯湯槽１０４と、貯湯槽１０４の底部を熱交換器２００と熱交換器２０２を経て貯湯槽１０４の上部に接続する水流路と、貯湯槽１０４の底部の水を水流路を経て貯湯槽１０４の上部へ還流させるポンプ２０４と、第１作動流体を、コンプレッサ１６４と熱交換器２００と膨張弁１６８と大気熱交換器１６６の順に循環する第１循環路を循環させる第１循環手段と、第１作動流体を、コンプレッサ１６４と蒸発器１１６と膨張弁１６８と大気熱交換器１６６の順に循環する第２循環路を循環させる第２循環手段と、第２作動流体を、吸収器１１８と熱交換器２０２の順に循環させる第３循環路を循環させる第３循環手段を備えている。システム１００は、貯湯槽１０４の底部から水流路へ流入する水の温度に応じて、圧縮式ヒートポンプ１０８と第１循環手段を運転して熱交換器２００で水を加熱する第１貯湯運転と、圧縮式ヒートポンプ１０８と吸収式ヒートポンプ１０６と第２循環手段と第３循環手段を運転して熱交換器２０２で水を加熱する第２貯湯運転を切換える。システム１００は、貯湯槽１０４の底部から水流路１６０へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも高くなる温度範囲にある場合には、第１貯湯運転を実施する。また、システム１００は、貯湯槽１０４の底部から水流路１６０へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも低くなる温度範囲にある場合には、第２貯湯運転を実施する。システム１００では、第１貯湯運転を実施する温度範囲は、第２貯湯運転を実施する温度範囲よりも、低い温度範囲に設定されている。

またシステム１００は、凝縮器１１４が、分離された溶媒蒸気と第２作動流体の間で熱交換して溶媒蒸気を冷却する凝縮熱交換器１４８を備えており、前記第３循環手段が、第２作動流体を、吸収器１１８と凝縮器１１４と熱交換器２０２の順に循環させるものである。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

図１はシステム１００の冷房運転時の状態を示す図である。 図２はシステム１００の暖房運転時の状態を示す図である。 図３はシステム１００の第１貯湯運転時の状態を示す図である。 図４はシステム１００の第２貯湯運転時の状態を示す図である。 図５はシステム１００の冷房・貯湯運転時の状態を示す図である。

符号の説明

１００：システム
１０２：空調装置
１０４：貯湯槽
１０６：吸収式ヒートポンプ
１０８：圧縮式ヒートポンプ
１１０：高温再生器
１１２：低温再生器
１１４：凝縮器
１１６：蒸発器
１１８：吸収器
１２０：負圧タンク
１２２：分離器
１２４：高温再生熱交換器
１２６：加熱源
１２８、１９４、２０４、２０６：ポンプ
１３０：希液流路
１３２、１４２：水蒸気流路
１３４：中液流路
１３６、１５０、１５２、１６２、２００、２０２：熱交換器
１３８：低温再生熱交換器
１４０：バルブ
１４４：送風機
１４６、１６６：大気熱交換器
１４８：凝縮熱交換器
１５４、１５６、１８４、１９０、１９２：三方弁
１５８：濃液流路
１６０：水流路
１６４：コンプレッサ
１６８：膨張弁
１７０、１７２、１７８、１８６、１８８、１９８：四方弁
１９６：排熱回収熱交換器
３００：コントローラ
３０２：リモコン
３０４、３０６：温度センサ

Claims (2)

1. 圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプを併用して貯湯槽に温水を貯える貯湯システムであって、
   圧縮式ヒートポンプは、
   第１作動流体を圧縮する圧縮器と、
   第１作動流体を膨張させる膨張器と、
   第１作動流体と大気の間で熱交換して第１作動流体を加熱する吸熱器を備えており、
   吸収式ヒートポンプは、
   溶液を加熱して溶媒蒸気と濃縮溶液に分離する再生器と、
   分離された溶媒蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、
   凝縮した溶媒と第１作動流体の間で熱交換して溶媒を加熱して蒸発させる蒸発器と、
   溶媒蒸気を濃縮溶液に吸収させて濃縮溶液を希釈し、希釈された溶液と第２作動流体の間で熱交換して溶液を冷却する吸収器と、
   冷却された溶液を再生器に還流させる手段を備えており、
   その貯湯システムは、
   貯湯槽と、
   貯湯槽の底部を第１熱交換器と第２熱交換器を経て貯湯槽の上部に接続する水流路と、
   貯湯槽の底部の水を水流路を経て貯湯槽の上部へ還流させる駆動手段と、
   第１作動流体を、圧縮器と第１熱交換器と膨張器と吸熱器の順に循環する第１循環路を循環させる第１循環手段と、
   第１作動流体を、圧縮器と蒸発器と膨張器と吸熱器の順に循環する第２循環路を循環させる第２循環手段と、
   第２作動流体を、吸収器と第２熱交換器の順に循環させる第３循環路を循環させる第３循環手段を備えており、
   貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度に応じて、圧縮式ヒートポンプと第１循環手段を運転して第１熱交換器で水を加熱する第１貯湯運転と、圧縮式ヒートポンプと吸収式ヒートポンプと第２循環手段と第３循環手段を運転して第２熱交換器で水を加熱する第２貯湯運転を切換え、
   貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも高くなる温度範囲にある場合には、第１貯湯運転を実施し、
   貯湯槽の底部から水流路へ流入する水の温度が、第１貯湯運転時の熱効率が第２貯湯運転時の熱効率よりも低くなる温度範囲にある場合には、第２貯湯運転を実施し、
   第１貯湯運転を実施する温度範囲は、第２貯湯運転を実施する温度範囲よりも、低い温度範囲であることを特徴とする貯湯システム。
2. 前記凝縮器は、分離された溶媒蒸気と第２作動流体の間で熱交換して溶媒蒸気を冷却する熱交換器を備えており、
   前記第３循環手段が、第２作動流体を、吸収器と凝縮器と第２熱交換器の順に循環させることを特徴とする請求項１の貯湯システム。

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