JP4743039B2 - 建物において温水を循環させて暖房を行う温水循環暖房システム - Google Patents

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Description

本発明は、建物において温水を循環させて暖房を行う温水循環暖房システムに関する。
従来から、ボイラーや電気ヒータにより温水を生成し、その温水を建物内の各室に設けられたラジエータに循環させて建物の暖房を行う温水循環暖房システムが、ヨーロッパ等の寒冷地を中心に普及している。例えば、特許文献１に開示されている空調システムでは、冷温水を供給する冷温水供給手段が住宅の屋外や地下に設置され、各室に設けられている熱交換器や床暖房装置に温水が供給され、室内の暖房を行うことができるようになっている。
特開平１０−２６６３５１号公報
特許文献１の空調システムでは、冷温水供給手段を屋外に設置しているが、冷温水を作るために加熱等を行う熱源として熱効率に秀でるヒートポンプを採用することを検討するとき、空調システムの各構成要素の配置によっては、ボイラーや電気ヒータを熱源として採用する場合に較べて熱効率の向上度合いが小さくなってしまうことが考えられる。これでは、ヒートポンプを採用するメリットが小さくなってしまう。
また、温水等を屋内で循環させる空調システムにおいてヒートポンプを熱源として採用する場合に、さらなる熱効率の改善も求められる。
本発明の課題は、温水等を屋内で循環させる空調システムである温水循環暖房システムであって、熱効率が高く省エネルギーが達成できるシステムを提供することにある。
第１発明に係る温水循環暖房システムは、建物において温水を循環させて暖房を行う温水循環暖房システムであって、温水を溜めるタンクと、居室内放熱器と、第１循環ポンプと、温水を加熱するための蒸気圧縮式のヒートポンプと、第２循環ポンプと、給湯用熱交換器とを備えている。居室内放熱器は、建物の居室に配置され、温水の持つ熱を居室の室内空気に放熱させる。第１循環ポンプは、タンクから居室内放熱器へと温水を流し、居室内放熱器で放熱を行った温水を再びタンクへと戻す。第２循環ポンプは、タンクからヒートポンプへと温水を流し、ヒートポンプから再びタンクへと温水を戻す。ヒートポンプは、圧縮機、放熱器、膨張機構および蒸発器を有し、放熱器から放出する熱によって、タンクから流れてくる温水を加熱する。給湯用熱交換器は、タンクの内部に配置されている。また、給湯用熱交換器は、タンク内の温水とは互いに混ざり合うことがない給水源から取り入れた水と、タンク内の温水との間で熱交換をさせ、水を加熱して建物の給湯配管に供給する。
ここでは、第２循環ポンプの作動によりタンクから放熱器に流れてくる温水を、ヒートポンプの作動によって、放熱器から放出される熱によって加熱する。これにより、タンクには、例えば７０℃といった高温の温水を戻すことができる。この高温の温水を第１循環ポンプの作動によって居室にある居室内放熱器に送ると、温水の熱が居室の室内空気に移動し、居室が暖房される。そして、例えば１０℃〜４０℃ぐらいに温度が下がった温水が、再びタンクに戻ることになる。この温度が下がった温水は、ヒートポンプの作動で再び高温にされる。このように、ここでは、タンクとヒートポンプとを循環する第１のループと、タンクと居室内放熱器とを循環する第２のループとが形成され、それぞれのループを温水が循環し、ヒートポンプの作動によって屋外から集めた熱や圧縮機の作動により生じた熱が、タンクに溜められた温水を介して、最終的には居室の室内空気に移動する。
そして、ここでは、タンクの温水を第２循環ポンプによってヒートポンプへと導き、ヒートポンプで加熱した温水を再びタンクへと戻す構成を採っているため、例えば、ヒートポンプを屋外に設置しつつタンクを屋内に設置すれば、タンクが屋外の冷たい空気に曝されずタンク内の温水の温度低下が抑えられ、且つ、ヒートポンプで屋外の空気（外気）から熱を汲み上げることができるようになる。このように、第１発明によれば、効率よく大量の高温度の温水をタンクに確保することができるようになる。
なお、居室内放熱器としては、ラジエータ、床暖房用の配管、ファンコイルユニット、それらの組合せなど、どのような形態のものであってもよい。また、タンクに溜めて循環させる温水は、液体であればよく、水（Ｈ２Ｏ）でなくてもよい。
第２発明に係る温水循環暖房システムは、第１発明の温水循環暖房システムであって、タンクの高さ方向のどの部分から温水を引き出して居室内放熱器へと温水を流すのかを調整する調整手段をさらに備えている。
第３発明に係る温水循環暖房システムは、第１発明の温水循環暖房システムであって、第１循環ポンプによって再びタンクへと戻される温水をタンクの高さ方向のどの部分へ戻すかを調整する調整手段をさらに備えている。
第４発明に係る温水循環暖房システムは、第１〜第３発明のいずれかの温水循環暖房システムであって、コントローラをさらに備えている。コントローラは、ヒートポンプに付随する機器およびタンクに付随する機器を、外部から入力される信号に基づいて制御する。
ここでは、ヒートポンプやタンクに付随する各機器を、室内温度センサやタンク内の温水の温度を計測する温度センサなどからの各種外部信号に基づいてコントローラが制御しているため、ヒートポンプを最適に運転させることができる。
第５発明に係る温水循環暖房システムは、第１〜第４発明のいずれかの温水循環暖房システムであって、居室内放熱器からタンクへと戻ってくる温水の温度が第１設定温度よりも高く、且つ、居室の室内温度が第２設定温度よりも高い場合に、ヒートポンプの運転が停止する。また、居室の室内温度が第３設定温度よりも低くなった場合に、あるいは、居室の室内温度が第３設定温度よりも一定時間継続して低くなった場合に、ヒートポンプの運転が再開される。なお、第３設定温度は、第２設定温度よりも低い設定温度である。
居室の室内温度が上がってくると、建物の躯体温度も上昇し、温水循環暖房システムの能力を小さくしても居室の室内温度を維持することができる状態に移る。これに鑑み、ここでは、居室内放熱器からタンクへと戻ってくる温水の温度が第１設定温度よりも高く、且つ、居室の室内温度が第２設定温度よりも高い場合に、ヒートポンプの運転を止めるようにしている。これにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプの運転を止め続けていると、躯体の蓄熱があったとしても、だんだんと居室の室内温度が下がってくるため、室内温度が第３設定温度を下回ったとき（あるいは、一定時間継続して下回ったとき）には、ヒートポンプの運転を再開させている。これにより、省エネルギー化を図りつつ、居室の室内温度が下がりすぎないようにすることができる。
なお、ヒートポンプの運転を止める際の、居室内放熱器からタンクへと戻ってくる温水の温度のしきい値である第１設定温度としては、例えば、水道水の温度などを用いることが考えられる。
また、第５発明は、一度暖まれば冷めにくい躯体蓄熱量の大きな住宅等の建物において、特に有効となる。例えば、煉瓦や石によって外壁が作られた住宅等では、躯体蓄熱量が大きくなる。
第６発明に係る温水循環暖房システムは、第１〜第４発明のいずれかの温水循環暖房システムであって、ヒートポンプの圧縮機は、インバータ制御により容量可変である。そして、居室内放熱器からタンクへと戻ってくる温水の温度が第１所定温度よりも高く、且つ、居室の室内温度が第２所定温度よりも高い場合に、圧縮機のインバータ周波数を最小周波数に近づける第１制御が為される。また、居室の室内温度が第３設定温度よりも低くなった場合に、あるいは、居室の室内温度が第３設定温度よりも一定時間継続して低くなった場合に、第１制御を解除する。なお、第３設定温度は、第２設定温度よりも低い設定温度である。
居室の室内温度が上がってくると、建物の躯体温度も上昇し、温水循環暖房システムの能力を小さくしても居室の室内温度を維持することができる状態に移る。これに鑑み、ここでは、居室内放熱器からタンクへと戻ってくる温水の温度が第１設定温度よりも高く、且つ、居室の室内温度が第２設定温度よりも高い場合に、圧縮機のインバータ周波数を最小周波数に近づけるようにしている。これにより、省エネルギー化を図ることができる。また、ヒートポンプの圧縮機の周波数を小さくし続けていると、躯体の蓄熱があったとしても、だんだんと居室の室内温度が下がってくるため、室内温度が第３設定温度を下回ったとき（あるいは、一定時間継続して下回ったとき）には、圧縮機のインバータ周波数を最小周波数に近づける第１制御を解除している。これにより、省エネルギー化を図りつつ、居室の室内温度が下がりすぎないようにすることができる。
第７発明に係る温水循環暖房システムは、第６発明の温水循環暖房システムであって、第１制御では、圧縮機のインバータ周波数を最小周波数にセットする。
ここでは、圧縮機を止めてヒートポンプの運転を停止させると再起動時に消費電力が大きくなり却ってエネルギー消費量が増えたり、ヒートポンプの寿命を縮めたりする恐れがあることに鑑み、暖房能力を落としてもよい状態になったときに、圧縮機のインバータ周波数を最小周波数にセットするようにしている。
なお、第６，第７発明は、一度暖まれば冷めにくい躯体蓄熱量の大きな住宅等の建物において、特に有効となる。
本発明によれば、効率よく大量の温水を所望の温度でタンクに確保することができるようになり、熱効率が高く省エネルギーが達成できるシステムとなる。
＜温水循環暖房システムの主要構成＞
本発明の一実施形態に係る温水循環暖房システムの構成を、図１〜図３に示す。温水循環暖房システムは、建物において温水を循環させて暖房を行うとともに給湯機能を持つシステムであって、温水を溜めるタンク４０と、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａと、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅと、屋内暖房用循環ポンプ５１と、温水を加熱するための蒸気圧縮式のヒートポンプ１０と、温水加熱用循環ポンプ２５と、給湯用熱交換器４１と、加熱水散布装置７５と、コントロールユニット２０とを備えている。
居室内ラジエータ６１ａ，６２ａは、建物の居室６１，６２に配置され、温水の持つ熱を居室６１，６２の室内空気に放熱させる。
トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅは、建物のトイレ６９に配置され、温水の持つ熱をトイレ６９内で放熱させる。
屋内暖房用循環ポンプ５１は、タンク４０から居室内ラジエータ６１ａ，６２ａおよびトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅへと温水を流し、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａおよびトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅで放熱を行った温水を再びタンク４０へと戻す。タンク４０を出た温水は、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを流れた後、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅを流れて、タンク４０へと戻る。
ヒートポンプ１０は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１３および蒸発器１４を有し、蒸発器１４により外気から熱を奪い、放熱器１２から放出する熱によってタンク４０から流れてくる温水を加熱する。
温水加熱用循環ポンプ２５は、タンク４０からヒートポンプ１０の放熱器１２へと温水を流し、ヒートポンプ１０の放熱器１２から再びタンク４０へと温水を戻す。
給湯用熱交換器４１は、タンク４０内に配置され、給水源から取り入れた水とタンク４０内の温水との間で熱交換をさせ、水を加熱して建物の給湯配管７２に供給する。給湯用熱交換器４１で加熱され給湯配管７２に供給される水を、以下、加熱水と称する。なお、給水源から取り入れられ給湯配管７２に供給される水と、タンク４０内の温水とは、互いに混ざり合うことはない。
加熱水散布装置７５は、給湯用熱交換器４１から給湯配管７２に供給される加熱水を、ヒートポンプ１０の蒸発器１４の外表面に散布する装置である。
なお、タンク４０に溜められ、屋内暖房用循環ポンプ５１や温水加熱用循環ポンプ２５により閉じたループを循環する温水は、ここでは普通の水を用いているが、液体であればよく、必ずしも水（Ｈ２Ｏ）でなくてもよい。屋内暖房用循環ポンプ５１や温水加熱用循環ポンプ２５の動力を低減でき、循環ルートとなる配管５２，３１などのサイズを水（Ｈ２Ｏ）よりも小さくすることができる液体があれば、その液体を用いることが望ましい。
＜温水循環暖房システムの概略動作＞
温水循環暖房システムでは、温水加熱用循環ポンプ２５の作動によりタンク４０からヒートポンプ１０の放熱器１２に流れてくる温水を、ヒートポンプ１０の作動により放熱器１２から放出される熱を使って加熱する。これにより、ヒートポンプ１０からタンク４０へは、約７０℃の高温の温水が戻される。一方、タンク４０内の温水は、屋内暖房用循環ポンプ５１の作動により、居室６１，６２にある居室内ラジエータ６１ａ，６２ａやトイレ６９にあるトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅに送られる。温水の熱は、居室６１，６２の室内空気やトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅの周囲に移動し、居室６１，６２が暖房され、トイレ６９においてもトイレタンク６９ａ内の洗浄水や便座６９ｄなどが暖められる。そして、約１０℃〜２０℃に温度が下がった温水が、再びタンク４０に戻されてくる。この温度が下がった温水は、ヒートポンプ１０の作動によって再び高温にされる。
このように、ここでは、配管３１で接続されるタンク４０とヒートポンプ１０とを循環する第１のループと、配管５２で接続されるタンク４０と居室内ラジエータ６１ａ，６２ａやトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅとを循環する第２のループとが形成されており、それぞれのループを温水が循環する。これにより、ヒートポンプ１０の作動によって屋外から集めた熱や圧縮機１１の作動により生じた熱が、タンク４０に溜められた温水を介して、最終的には居室６１，６２の室内空気やトイレ６９の各部に移動することになる。
また、タンク４０内には給湯用熱交換器４１が配備されており、給水源から取り入れられた水が、給湯用熱交換器４１を通るときにタンク４０内の温水から熱を奪って加熱水となり、建物の給湯配管７２に流れていく。この給湯配管７２に流れた加熱水は、シャワー７３や浴槽７４などで使用されることになる。さらに、給湯配管７２に流れた加熱水の一部は、加熱水散布装置７５により、ヒートポンプ１０の蒸発器１４の外表面に散布される。この散布は、ヒートポンプ１０の蒸発器１４に霜がつく所定条件のときに、定期的に行われる。
＜タンク４０の詳細構成＞
タンク４０は、屋内に設置されている。タンク４０には、複数の異なる高さ位置において温水の温度を計測する目的で、複数の温度センサ（サーミスタ）４０ａ〜４０ｅが設けられている。タンク４０内の温水は、自然と、上部が高温、下部が低温となる。ヒートポンプ１０で加熱された高温の温水は、図１に示すように、タンク４０の高さ方向の中央付近に戻される。ヒートポンプ１０へは、タンク４０の下部から低温の温水が向かうことになる。一方、居室６１，６２にある居室内ラジエータ６１ａ，６２ａなどへは、タンク４０の上部や中央部から温水が向かうことになり、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅから戻ってくる低温の温水は、タンク４０の下部や中央部に戻される。
また、タンク４０には、上述の給湯用熱交換器４１のほかに、ヒートポンプ１０の加熱能力が足りない場合に使用するブースターヒータ４２が配備されている。このブースターヒータ４２は、電気ヒータであり、後述する総合コントローラ２９がタンク４０内の温水の温度を上げる必要があり且つヒートポンプ１０の加熱能力だけでは所望の温水の温度上昇が見込めないと判断したときに作動して、タンク４０内の温水をヒートポンプ１０とともに加熱する。
＜ヒートポンプ１０の詳細構成＞
ヒートポンプ１０は、屋外に設置されており、冷媒配管１５により接続され冷凍サイクルを構成する圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁（電動膨張弁）１３および蒸発器１４と、蒸発器１４に外気を当てるためのファン１７と、ヒートポンプ制御ユニット１９とを備えている。冷凍サイクル内を流れる冷媒として、ヒートポンプ１０では、二酸化炭素（以下、ＣＯ２冷媒と称する）を採用している。このため、ヒートポンプ１０では、ＣＯ２冷媒が放熱器１２において超臨界状態となる。冷凍サイクルにおいて、ＣＯ２冷媒は、圧縮機１１で臨界圧力を超える圧力まで圧縮され（図８のＡ点からＢ点への移行を参照）、放熱器１２で冷却されて段々と温度が下がり超臨界状態から液体状態に移行し（図８のＢ点からＣ点への移行を参照）、膨張弁１３で減圧され（図８のＣ点からＤ点への移行を参照）、蒸発器１４で蒸発して気体となって再び圧縮機１１に吸入される（図８のＤ点からＡ点への移行を参照）。
放熱器１２は、タンク４０から延びる配管３１と接続される伝熱管と、冷媒配管１５と接続されＣＯ２冷媒が流れる伝熱管とから構成されており、一方の伝熱管が他方の伝熱管の外周面に螺旋状に巻き付けられる。これにより、放熱器１２では、圧縮されて高圧高温となっている臨界状態のＣＯ２冷媒と、タンク４０から流れてきた低温の温水との間で熱交換が行われ、ＣＯ２冷媒から温水へと熱が移動し、温水が加熱される。
＜暖房のためのラジエータ等の屋内放熱器の詳細構成＞
居室内ラジエータ６１ａ，６２ａは、図２に示すように、建物の居室６１，６２に配置され、タンク４０から流れてきた温水の持つ熱を居室６１，６２の室内空気に放熱させる役割を果たす。ここでは、２つの居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを例示しているが、数量を限定する趣旨ではない。また、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａの形態も、窓際に配置されるものであってもよいし、床下に埋め込まれるものであってもよい。さらに、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａは、ここでは直列に配置しているが、並列に配置してもよい。
トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅは、トイレタンク内放熱部６９ｂと、便座内放熱部６９ｅと、トイレ内ラジエータ６９ｃとから成り、トイレ６９の各部において温水の熱を取り込む。トイレタンク内放熱部６９ｂは、トイレ６９において洗浄水を溜めるトイレタンク６９ａの内部に設けられており、温水の持つ熱をトイレタンク６９ａ内の洗浄水に放熱させる。便座内放熱部６９ｅは、トイレ６９の便座６９ｄの内部に設けられており、温水の持つ熱を便座６９ｄに放熱させる。トイレ内ラジエータ６９ｃは、温水の持つ熱をトイレ６９の中の空気に放熱させる。
また、タンク４０、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａおよびトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅを結んでループを形成させる配管５２には、暖房温水往き温度センサ５２ａ、暖房温水戻り温度センサ５２ｂ、温水流量調整弁５３，５４，５５が設けられている。
＜給湯機能に関する詳細構成＞
（通常給湯に関する構成）
タンク４０に配備されている給湯用熱交換器４１は、伝熱管として銅管あるいはステンレス管を使用する水熱交換器であって、図３に示すように、給水源（水道）から延びる給水配管７１と、シャワー７３や浴槽７４に湯を供給するための給湯配管７２とが接続されている。給水配管７１は、常温の水を、給湯用熱交換器４１の下端に入れる。給水配管７１より給湯用熱交換器４１に入った常温水は、上に移動しながらタンク４０内の温水から熱を奪い、加熱された高温の加熱水となって給湯配管７２へと排出される。給水配管７１には給水配管温度センサ７１ａが、給湯配管７２には給湯配管温度センサ７２ａが、それぞれ設けられている。例えば、給水配管温度センサ７１ａは５℃という水道水の温度を検出し、給湯配管温度センサ７２ａは４５℃という加熱水の温度を検出する。また、給湯配管７２には、電磁弁である給湯用バルブ（開閉操作弁）７２ａが設置されている。
なお、図示を省略しているが、シャワー７３や浴槽７４に供給される加熱水は、混合弁により水道水と混ぜられ、温度調整されてシャワー７３や浴槽７４に送られる。
（デフロストのための給湯利用構成）
上述の加熱水散布装置７５は、給湯用熱交換器４１で加熱されて給湯配管７２に供給された加熱水を、屋外のヒートポンプ１０の蒸発器１４のほうへ導き、蒸発器１４の表面に散布する。この加熱水散布装置７５は、給湯配管７２から分岐して屋外に延びる散布用配管７６と、散布用配管７６の途中に設けられるデフロスト用バルブ（開閉操作弁）７７と、散布用配管７６の先端部分に設けられ蒸発器１４に向けて加熱水を散布するデフロスト用ノズル７８とから構成されている。後述するが、加熱水散布装置７５は、蒸発器１４の霜取りが必要なときに、加熱水の一部を、所定周期で蒸発器１４に向けて散布する。デフロスト用バルブ７７は、上述の給湯用バルブ７２ａと同じく電磁弁であり、総合コントローラ２９の指令に基づいて蒸発器１４への散水が必要なときに開けられる。
＜コントロールユニット２０の詳細構成＞
総合コントローラ２９は、図１および図４に示すように、ヒートポンプ１０に付随する機器およびタンク４０に付随する機器を、外部から入力される信号に基づいて制御する。総合コントローラ２９は、三方弁２１，２２や温水加熱用循環ポンプ２５とともにケーシングの中に収められ、１つのコントロールユニット２０を形成している（図１参照）。
三方弁２１，２２は、タンク４０の高さ方向のどの部分から温水を引き出して居室内ラジエータ６１ａ，６２ａなどへ送り出すかや、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅから戻ってくる低温の温水をタンク４０の高さ方向のどの部分へ戻すかを調整するために設けられている。これらの三方弁２１，２２は、総合コントローラ２９からの指示によって作動する。
総合コントローラ２９は、三方弁２１，２２のほか、ブースターヒータ４２、ヒートポンプ制御ユニット１９、屋内暖房用循環ポンプ５１、温水加熱用循環ポンプ２５、温水流量調整弁５３〜５５、デフロスト用バルブ７７、などを制御する。また、総合コントローラ２９は、暖房温水往き温度センサ５２ａ、暖房温水戻り温度センサ５２ｂ、タンク４０の温度センサ４０ａ〜４０ｅ、給水配管温度センサ７１ａ、給湯配管温度センサ７２ａなどから計測結果の信号を受けるとともに、居室６１，６２などに配備されたリモコン／サーモスタット９１から室内温度や室内設定温度の情報などを受ける。
＜躯体蓄熱を利用した省エネ制御について＞
この温水循環暖房システムは、煉瓦や石といった蓄熱性の高い材料で外壁などが構成されている住宅等の建物に設置する場合に備え、総合コントローラ２９に、躯体蓄熱利用省エネルギー制御（以下、躯体蓄熱利用省エネ制御と称す）を持たせている。この躯体蓄熱利用省エネ制御を使う場合には、極めて高いレベルの省エネルギー運転を行わせることができる。
図５および図６に、躯体蓄熱利用省エネ制御の簡略化した制御フローを示す。ここでは、この制御フローに基づいて、躯体蓄熱利用省エネ制御について説明を行う。
ステップＳ１１では、まず、暖房温水戻り温度センサ５２ｂの計測値である暖房温水戻り温度Ｔｉｎが第１設定温度Ｔ１よりも大きいかについて判定する。第１設定温度Ｔ１は、水道水の温度などを基準に決めることが考えられるが、例えば、２０℃にセットされる。ステップＳ１１で「Ｎｏ」という判定をした場合には、ステップＳ１２以降に進まない。これは、十分に温度が低下した温水がタンク４０に戻っており、ヒートポンプ１０の熱効率を高く保つことができると判断されるからである。ステップＳ１１で「Ｙｅｓ」という判定をした場合には、ステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２では、リモコン／サーモスタット９１から受信した室内温度Ｔｒｍが第２設定温度Ｔ２よりも大きいかについて判定する。第２設定温度Ｔ２は、例えば、リモコン／サーモスタット９１から受信しているユーザーによる室内設定温度より少し高い温度にセットされる。ステップＳ１２で「Ｎｏ」という判定をした場合には、ステップＳ１３以降に進まず、ステップＳ１１に戻る。これは、室内温度がユーザーの設定温度を下回っているような場合にヒートポンプ１０の能力を落とすと、さらに室内温度が下がってしまうためである。ステップＳ１２で「Ｙｅｓ」という判定をした場合には、ステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３では、ヒートポンプ１０の圧縮機１１がインバータ圧縮機であるか定速圧縮機であるかを判定する。インバータ圧縮機の場合には、ステップＳ１４に進み、インバータの周波数を設定可能な最小の周波数にセットする。一方、定速圧縮機の場合には、ステップＳ１５に進み、圧縮機１１の運転を停止する。さらに、ステップＳ１４，Ｓ１５に続き、ステップＳ１６において、温水流量調整弁５３の開度を小さくして、タンク４０と居室内ラジエータ６１ａ，６２ａやトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅとの間を循環する暖房のための温水の量を、ゼロ、あるいはゼロに近づける。このように循環量を絞ることにより、圧縮機１１が消費するエネルギー量が小さくなる。しかし、タンク４０から居室内ラジエータ６１ａ，６２ａへと送り出される温水の量も少なくなるため、タンク４０内の温水の温度はそれほど低下しない。また、蓄熱性の高い建物であれば、躯体も含めて建物内が一度暖まってしまえば、ヒートポンプ１０の能力を落としても、しばらくは暖かさが保たれる。
ステップＳ１６の後、ステップＳ１７に移行する。ステップＳ１７では、室内温度Ｔｒｍが第３設定温度Ｔ３を下回っていないかについて判定する。第３設定温度Ｔ３は、第２設定温度Ｔ２よりも低い温度であり、通常は、リモコン／サーモスタット９１から受信しているユーザーによる室内設定温度より少し低い温度にセットされる。ステップＳ１６で「Ｎｏ」という判定をした場合には、次のステップＳ１８に進まない。これは、ヒートポンプ１０の能力を上げなくても、躯体に蓄積されている熱によって建物内の暖かさを保つことができるからである。
ステップＳ１７で「Ｙｅｓ」という判定をした場合には、ステップＳ１８でタイマーをスタートさせて、ステップＳ１９に進む。ステップＳ１９では、室内温度Ｔｒｍが第３設定温度よりも大きくなっているかについて判定する。ステップＳ１９で「Ｙｅｓ」と判定した場合には、ステップＳ１７に戻る。ステップＳ１９で「Ｎｏ」と判定した場合には、ステップＳ２０に進み、タイマースタート後に一定時間が経過したかについて判定する。ステップＳ２０で「Ｎｏ」と判定した場合には、ステップＳ１９に戻る。ステップＳ１７の後、再び室内温度Ｔｒｍが第３設定温度Ｔ３よりも大きくなっていれば、ヒートポンプ１０の能力を上げる必要がなく、室内温度Ｔｒｍが一定時間継続して第３設定温度Ｔ３よりも小さい場合にだけヒートポンプ１０の能力を上げるようにすることが望まれるため、これらのステップＳ１８〜Ｓ２０の処理が行われている。
室内温度Ｔｒｍが第３設定温度Ｔ３よりも小さい状態が一定時間継続している場合には、ステップＳ２０で「Ｙｅｓ」と判定され、ステップＳ２１に進む。ステップＳ２１では、ステップＳ１４あるいはステップＳ１５とステップＳ１６とで行った処理をキャンセルする。すなわち、ステップＳ２１では、圧縮機１１が定速圧縮機の場合には圧縮機１１の運転を再開させ、圧縮機１１がインバータ圧縮機の場合には、圧縮機１１の周波数を通常の制御に従わせるようにし、設定可能な最小の周波数にセットしていたステップＳ１４の処理を解除する。また、ステップＳ２１では、温水流量調整弁５３の開度を大きくする。これにより、第３設定温度Ｔ３よりも小さくなっていた室内温度Ｔｒｍは、徐々に上昇していくことになる。
＜ヒートポンプ１０のデフロスト運転について＞
上述のように、加熱水散布装置７５は、給湯用熱交換器４１でタンク４０内の温水の熱を奪って給湯配管７２に供給された加熱水を、屋外のヒートポンプ１０の蒸発器１４のほうへ導き、蒸発器１４の表面に散布する。この散布は、蒸発器１４の霜取りが必要なときに、ヒートポンプ制御ユニット１９と信号の送受信を行う総合コントローラ２９からの指示により、デフロスト用バルブ７７が開閉することで、所定周期で実施される。これにより、蒸発器１４に付いた霜が溶かされ、ヒートポンプ１０の熱効率が向上する。
なお、霜取りが必要なときの考え方については、従来のフルオロカーボンを冷媒として用いる冷凍サイクルにおける考え方と同じである。
＜温水循環暖房システムの特徴＞
（１）
本システムでは、タンク４０の温水を温水加熱用循環ポンプ２５によってヒートポンプ１０へと導き、ヒートポンプ１０で加熱した温水を再びタンク４０へと戻す構成を採り、ヒートポンプ１０を屋外に、タンク４０を屋内に設置している。このため、タンク４０が屋外の冷たい空気に曝されず、タンク４０内の温水の温度低下が抑えられるとともに、ヒートポンプ１０で屋外の空気（外気）から熱を汲み上げることができるようになっている。したがって、本システムでは、効率よく大量の高温度の温水をタンク４０に確保することができている。
（２）
本システムでは、ヒートポンプ１０やタンク４０に付随する各機器（三方弁２１，２２、ブースターヒータ４２、ヒートポンプ制御ユニット１９、圧縮機１１、膨張弁１３、屋内暖房用循環ポンプ５１、温水加熱用循環ポンプ２５、温水流量調整弁５３〜５５、デフロスト用バルブ７７、など）を、居室６１，６２などに配備されたリモコン／サーモスタット９１から受信する室内温度や室内設定温度の情報、タンク４０の温度センサ４０ａ〜４０ｅからの情報、などに基づいて、総合コントローラ２９が制御している。これにより、ヒートポンプ１０を最適に運転させることができている。
（３）
居室６１，６２等の室内温度が上がってくると、建物の躯体温度も上昇し、温水循環暖房システムの能力を小さくしても居室６１，６２の室内温度を維持することができる状態に移る。
これに鑑み、圧縮機１１が定速圧縮機であるとき、本システムでは、図５および図６の制御フローに示すように、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａからタンク４０へと戻ってくる温水の温度Ｔｉｎが第１設定温度Ｔ１よりも高く、且つ、居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが第２設定温度Ｔ２よりも高い場合に、圧縮機１１を止めてヒートポンプ１０の運転を停止させるようにしている。これにより、省エネルギー化を図ることができている。また、ヒートポンプ１０の運転を止め続けていると、躯体の蓄熱があったとしても、だんだんと居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが下がってくるため、室内温度Ｔｒｍが第３設定温度Ｔ３を一定時間継続して下回ったときには、ヒートポンプ１０の圧縮機１１の運転を再開させている。これにより、省エネルギー化を図りつつ、居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが下がりすぎないようにすることができている。
同様に、圧縮機１１がインバータ圧縮機であるとき、本システムでは、図５および図６の制御フローに示すように、居室内ラジエータ６１ａ，６２ａからタンク４０へと戻ってくる温水の温度Ｔｉｎが第１設定温度Ｔ１よりも高く、且つ、居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが第２設定温度Ｔ２よりも高い場合に、圧縮機１１のインバータの周波数を設定可能な最小の周波数にセットしてヒートポンプ１０の能力を落とすようにしている。これにより、省エネルギー化を図ることができている。また、ヒートポンプ１０の能力を低く抑え続けていると、躯体の蓄熱があったとしても、だんだんと居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが下がってくるため、室内温度Ｔｒｍが第３設定温度Ｔ３を一定時間継続して下回ったときには、圧縮機１１のインバータの周波数を通常制御に従う状態に戻している。これにより、省エネルギー化を図りつつ、居室６１，６２の室内温度Ｔｒｍが下がりすぎないようにすることができている。
なお、上記の本システムの特徴は、一度暖まれば冷めにくい躯体蓄熱量の大きな住宅等の建物において、特に有効となる。
（４）
ヒートポンプの特性として、一般に、加熱対象の温度変化範囲が広いほどヒートポンプの熱効率が向上することが挙げられる。これを本システムに当てはめると、例えば、タンク４０の温水について、４０℃の温水を７０℃まで加熱する場合のヒートポンプ１０の熱効率よりも、１０℃の温水を７０℃まで加熱する場合のヒートポンプ１０の熱効率のほうが、かなり大きくなる（図７および図８参照）。
図７に示すように、４０℃の温水を７０℃まで加熱する場合には、圧縮機１１の仕事量に相当するＨ１に対して蒸発器１４によって外気から取り込まれる分に相当するＨ３が比較的小さな値となっているのに較べ、図８に示すように、１０℃の温水を７０℃まで加熱する場合には、圧縮機１１の仕事量に相当するＨ１に対して蒸発器１４によって外気から取り込まれる分に相当するＨ２が比較的大きな値となっている。前者の場合、圧縮機１１に供給する電気エネルギーを生成するときの発電効率まで考慮すると、消費エネルギーの１．０倍未満の熱しか発生しないことになるが、後者の場合、消費エネルギーの１．２〜１．４倍の熱を発生することになる。
このように、ヒートポンプ、特に、ＣＯ２冷媒を採用する本システムのヒートポンプ１０においては、タンク４０から放熱器１２へと流れてくる加熱前の温水の温度を下げることが、熱効率の向上に大きく寄与することになる。
これに鑑み、本システムでは、居室ではないトイレ６９にも放熱器（トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅ）を配備し、タンク４０を出た温水が居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを流れた後に、少なくともいずれかのトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅを流れるように構成している。これにより、例えば、７０℃で居室内ラジエータ６１ａ，６２ａに入り４０℃で居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを出た温水が、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅを通ることによって温度を下げ、タンク４０に戻るときに例えば１０℃まで温度が下がった状態になる。すなわち、タンク４０に戻る温水の温度が非常に小さくなり、その温度から例えば７０℃まで温水を加熱するヒートポンプ１０は、非常に高い熱効率で温水の加熱を行うことができるようになっている。
また、本システムでは、従来において暖房システムとは別に設置していたトイレ６９内の電気ヒータなどを省略することができる。そして、その分のトイレ６９内の加熱仕事を電気ヒータよりも熱効率の高いヒートポンプ１０で受け持つことにしているため、さらなる省エネルギー化を達成することができている。
なお、トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅとして、トイレ内ラジエータ６９ｃだけではなく、洗浄水を溜めるトイレタンク６９ａの内部に設けられるトイレタンク内放熱部６９ｂや、便座６９ｄの内部に設けられる便座内放熱部６９ｅを配備して、温水の温度の低下を促進させる工夫をしているため、必然的にタンク４０に戻る温水の温度が非常に小さくなっている。
（５）
加熱対象の温度変化範囲が広いほど熱効率が向上するというヒートポンプの特性に鑑み、本システムでは、さらに、タンク４０内に給湯用熱交換器４１を設置するという構成を採っている。これにより、ガス給湯機などの別の給湯機を不要にするとともに、ヒートポンプ１０が高い熱効率を保つようになっている。
すなわち、本システムでは、居室６１，６２の居室内ラジエータ６１ａ，６２ａに送って暖房を行うためにタンク４０に溜めている温水の熱を奪って、その熱を給湯に利用している。具体的には、タンク４０内に給湯用熱交換器４１を設置し、給水源からの水が給湯用熱交換器４１を通るときにタンク４０内の温水の熱を奪うように構成している。これにより、タンク４０内の温水の温度が下がり、その温度から例えば７０℃まで温水を加熱するヒートポンプ１０は、非常に高い熱効率で温水の加熱を行うことができるようになっている。
（６）
さらに、本システムでは、タンク４０内の給湯用熱交換器４１から給湯配管７２に排出（供給）された加熱水の一部を利用して、加熱水散布装置７５によりヒートポンプ１０の蒸発器１４の外表面に加熱水を散布する構成を採用している。加熱水は、少なくとも４０℃以上になるため、蒸発器１４についた霜を溶かすことができる。
このように、タンク４０内の熱を利用して生成された加熱水によって蒸発器１４の霜取りを行うようにしているため、従来のように冷凍サイクルを逆転させて蒸発器１４を放熱器として作用させるデフロスト運転を行ってヒートポンプ１０の熱効率を悪化させたり、別の電気ヒータなどによって蒸発器１４に付いた霜を溶かして電気消費量を上げたりすることがなくなる。このため、本システムでは、さらなる省エネルギー化が達成できている。
なお、蒸発器１４の霜取りが不要なときには、総合コントローラ２９から加熱水散布の指示が出されない。このため、タンク４０内の温水の熱が無駄に消費されてしまうことはない。
＜変形例＞
（Ａ）
上記の温水循環暖房システムでは、居室ではないトイレ６９にも放熱器（トイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅ）を配備し、タンク４０を出た温水が居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを流れた後に、少なくともいずれかのトイレ内放熱器６９ｂ，６９ｃ，６９ｅを流れるように構成しているが、この構成に代えて以下のような構成を採っても、ヒートポンプ１０を高い熱効率で稼働させることができる。
ここでは、図９に示すように、タンク４０を出た温水が居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを流れた後に、窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂを流れ、そこからタンク４０に戻されるように屋内の温水循環経路を形成している。窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂは、建物の窓６５，６６の窓枠に形成され、温水の持つ熱を窓６５，６６の近傍の空気（窓６５，６６の屋内側の空気や窓６５，６６の屋外側の空気）に放熱させるものである。窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂは、窓枠の内部に収納された配管であってもよいし、ガラス窓の保持と温水の流路とを兼用する窓枠自身であってもよい。温水循環暖房システムの他の構成については、図１，図３および図４に示す上述の構成と同じである。
この温水循環暖房システムにおいても、ヒートポンプ１０の作動によってタンク４０内の温水が加熱され、この温水が屋内暖房用循環ポンプ５１の作動によって居室６１，６２にある居室内ラジエータ６１ａ，６２ａや窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂに送られる。すると、温水の熱が居室６１，６２の室内空気や窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂの周囲の空気に移動し、居室６１，６２が暖房される。そして、温度が下がった温水は、再びタンク４０に戻る。この温度が下がった温水は、ヒートポンプ１０の作動で再び高温にされる。
そして、建物の窓６５，６６の窓枠に窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂを設置し、タンク４０を出た温水が居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを流れた後に窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂを流れるように構成しているため、例えば、７０℃で居室内ラジエータ６１ａ，６２ａに入り４０℃で居室内ラジエータ６１ａ，６２ａを出た温水が、窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂを通ることによってさらに温度を下げ、タンク４０に戻るときには例えば１０℃まで温度が下がった状態になる。すると、タンク４０に戻る温水の温度が非常に小さくなり、その温度から例えば７０℃まで温水を加熱するヒートポンプ１０は、非常に高い熱効率で温水の加熱を行うことができるようになる。
さらに、本システムの場合、従来は窓６５，６６から降りてきていた冷気の温度が、窓枠放熱器６１ｂ，６２ｂから放出される熱によって緩和され、居室６１，６２の中の温度低下が抑えられたり、居室６１，６２の中の各部における温度偏差が抑えられたりするという有用な効果も得られる。
（Ｂ）
上記の温水循環暖房システムは、暖房機能と給湯機能とを併せ持つシステムであるが、冷房機能を有していない。
しかし、給湯機能を外すとともに、ヒートポンプ１０の冷凍サイクルを四路切換弁などで逆転させるようにして、タンク４０内に温水ではなく冷水を溜めることを可能にすれば、冷水を屋内に循環させて冷房を行うシステムとして使うこともできる。
（Ｃ）
上記の温水循環暖房システムでは、ヒートポンプ１０の冷媒としてＣＯ２冷媒を用いているが、本発明は、Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ３２などのＨＦＣ系のフロン系冷媒を用いる温水循環暖房システムにおいても、ＧＷＰ（Global Warming Potential）が２００以下のフロン系冷媒を用いる温水循環暖房システムにおいても、プロパンやブタンといったＨＣ系の自然系冷媒を用いる温水循環暖房システムにおいても、有効である。
本発明の一実施形態に係る温水循環暖房システムの構成の一部を示す図。 温水循環暖房システムの構成の一部を示す図。 温水循環暖房システムの構成の一部を示す図。 温水循環暖房システムの制御ブロック図。 躯体蓄熱利用省エネルギー制御のフローを示す図。 躯体蓄熱利用省エネルギー制御のフローを示す図。 暖房に供された温水のタンク４０への戻り温度が高い場合のヒートポンプサイクルを示す図（Ｔ−ｈ線図）。 暖房に供された温水のタンク４０への戻り温度が低い場合のヒートポンプサイクルを示す図（Ｔ−ｈ線図）。 変形例（Ａ）の温水循環暖房システムの構成の一部を示す図。
１０ ヒートポンプ
１１ 圧縮機
１２ 放熱器
１３ 膨張弁（膨張機構）
１４ 蒸発器
２５ 温水加熱用循環ポンプ（第２循環ポンプ）
４０ タンク
５１ 屋内暖房用循環ポンプ（第１循環ポンプ）
６１，６２ 居室
６１ａ，６２ａ 居室内放熱器
Ｔ１ 第１設定温度
Ｔ２ 第２設定温度
Ｔ３ 第３設定温度
Ｔｒｍ 室内温度

Claims (11)

  1. 建物において温水を循環させて暖房を行う温水循環暖房システムであって、
    温水を溜めるタンク（４０）と、
    前記建物の居室（６１，６２）に配置され、温水の持つ熱を前記居室の室内空気に放熱させる居室内放熱器（６１ａ，６２ａ）と、
    前記タンクから前記居室内放熱器へと温水を流し、前記居室内放熱器で放熱を行った温水を再び前記タンクへと戻す第１循環ポンプ（５１）と、
    圧縮機（１１）、放熱器（１２）、膨張機構（１３）および蒸発器（１４）を有し、前記放熱器から放出する熱によって、前記タンクから流れてくる温水を加熱する、蒸気圧縮式のヒートポンプ（１０）と、
    前記タンクから前記ヒートポンプへと温水を流し、前記ヒートポンプから再び前記タンクへと温水を戻す第２循環ポンプ（２５）と、
    前記タンク（４０）の内部に配置され、前記タンク（４０）内の温水とは互いに混ざり合うことがない給水源から取り入れた水と、タンク（４０）内の温水との間で熱交換をさせ、水を加熱して前記建物の給湯配管（７２）に供給する、給湯用熱交換器（４１）と、
    を備えた、温水循環暖房システム。
  2. 前記タンク（４０）の高さ方向のどの部分から温水を引き出して前記居室内放熱器へと温水を流すのかを調整する調整手段、
    をさらに備えた、
    請求項１に記載の温水循環暖房システム。
  3. 前記第１循環ポンプ（５１）によって再び前記タンクへと戻される温水を前記タンクの高さ方向のどの部分へ戻すかを調整する調整手段、
    をさらに備えた、
    請求項１に記載の温水循環暖房システム。
  4. 前記ヒートポンプに付随する機器および前記タンクに付随する機器を、外部から入力される信号に基づいて制御するコントローラ（２９）をさらに備えた、
    請求項１から３のいずれかに記載の温水循環暖房システム。
  5. 前記居室内放熱器から前記タンクへと戻ってくる温水の温度が第１設定温度（Ｔ１）よりも高く、且つ、前記居室の室内温度（Ｔｒｍ）が第２設定温度（Ｔ２）よりも高い場合に、前記ヒートポンプの運転が停止し、
    前記居室の室内温度が、第２設定温度よりも低い第３設定温度（Ｔ３）よりも低くなった場合に、あるいは、前記居室の室内温度が、第２設定温度よりも低い第３設定温度よりも一定時間継続して低くなった場合に、前記ヒートポンプの運転が再開される、
    請求項１から４のいずれかに記載の温水循環暖房システム。
  6. 前記ヒートポンプの圧縮機は、インバータ制御により容量可変であり、
    前記居室内放熱器から前記タンクへと戻ってくる温水の温度が第１所定温度（Ｔ１）よりも高く、且つ、前記居室の室内温度（Ｔｒｍ）が第２所定温度（Ｔ２）よりも高い場合に、前記圧縮機のインバータ周波数を最小周波数に近づける第１制御が為され、
    前記居室の室内温度が、第２設定温度よりも低い第３設定温度（Ｔ３）よりも低くなった場合に、あるいは、前記居室の室内温度が、第２設定温度よりも低い第３設定温度よりも一定時間継続して低くなった場合に、前記第１制御を解除する、
    請求項１から４のいずれかに記載の温水循環暖房システム。
  7. 前記第１制御では、前記圧縮機のインバータ周波数を最小周波数にセットする、
    請求項６に記載の温水循環暖房システム。
  8. 前記調整手段は、前記居室用室内放熱器への延びる温水配管と前記タンク（４０）の上部との間で連通／遮断を切り換える機能と、前記温水配管と前記タンク（４０）の中央部との間で連通／遮断を切り換える機能とを有している、
    請求項２に記載の温水循環暖房システム。
  9. 前記調整手段は、３つの接続部を有する三方弁（２１）を有し、
    前記三方弁は、前記３つの接続部が、前記居室用室内放熱器への延びる温水配管、前記タンク（４０）の上部、及び前記タンク（４０）の中央部につながっている、
    請求項８に記載の温水循環暖房システム。
  10. 前記調整手段は、前記居室用室内放熱器から前記タンクへと戻る温水を通す温水配管と前記タンク（４０）の下部との間で連通／遮断を切り換える機能と、前記温水配管と前記タンク（４０）の中央部との間で連通／遮断を切り換える機能とを有している、
    請求項３に記載の温水循環暖房システム。
  11. 前記調整手段は、３つの接続部を有する三方弁（２２）を有し、
    前記三方弁は、前記３つの接続部が、前記居室用室内放熱器から前記タンクへと戻る温水を通す温水配管、前記タンク（４０）の下部、及び前記タンク（４０）の中央部につながっている、
    請求項１０に記載の温水循環暖房システム。
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