JP4790538B2 - 貯湯式給湯暖房装置 - Google Patents

Description

この発明はヒートポンプ加熱式の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、図５に示すように、入水管１０１と出湯管１０２が接続され湯水を貯湯する貯湯タンク１０３と、前記貯湯タンク１０３内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段１０４と、前記貯湯タンク１０３と前記ヒートポンプ式加熱手段１０４とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記ヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプ１０５と、前記ヒーポン循環回路に三方弁１０６を介して接続され前記ヒーポン循環回路をバイパスするバイパス管１０７と、前記バイパス管１０７途中に設けられ暖房用放熱器へ循環する循環水を加熱するための暖房用熱交換器１０８とを備え、前記ヒートポンプ式加熱手段１０４で加熱された温水を前記暖房用熱交換器１０８に循環させる構成とし、前記バイパス管１０７の前記暖房用熱交換器１０８の下流から分岐して前記貯湯タンク１０３の中間位置に連通する中間戻し管１０９を接続すると共に、前記貯湯タンク１０３の中間位置に中間出湯管１１０を接続し、貯湯運転時は前記三方弁１０６を前記ヒートポンプ式加熱手段１０４と前記貯湯タンク１０３とで循環するように切換え、暖房運転時は前記三方弁１０６を前記ヒートポンプ式加熱手段１０４と前記暖房用熱交換器１０８とで循環するように切換えるように構成し、前記バイパス管１０７途中、又は中間戻し管１０９に１次側暖房循環ポンプ１１１を設けることで、貯湯タンク１０３内の貯湯温水を暖房循環ポンプ１１１の駆動により暖房用熱交換器１０８に循環させることが可能となり、貯湯タンク１０３内の貯湯温水も暖房運転の熱源として用いることが可能となるものであった。（例えば、特許文献１参照）
特開２００６−１０１８７号公報

ところが、この従来のものでは、前記ヒートポンプ式加熱手段１０４を作動せずに貯湯タンク１０３内の温水のみで暖房を行うためには、ヒーポン循環ポンプ１０５と１次側暖房循環ポンプ１１１と２次側暖房循環ポンプ１１２の３台もの循環ポンプが必要であるため、暖房時の消費電力の増加や運転騒音の問題が有った。
また、タンクユニット内に３台の循環ポンプを収納しなければならないために、タンクユニットの大型化や重量増大の原因になっていた。
更にヒーポン循環回路の凍結防止に関しては、何ら対策されず、凍結による破損の危険を有するものであった。

この発明はこの点に着目し上記課題を解決するために、特にその構成を、請求項１では、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、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、このヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、暖房用放熱器に接続して２次側暖房循環回路を形成する暖房用熱交換器と、２次側暖房循環回路の湯水を循環する暖房循環ポンプと、前記暖房用熱交換器に貯湯タンクの湯水を循環させる１次側暖房循環回路を備えた貯湯式給湯暖房装置に於いて、前記ヒーポン循環回路のヒーポン往き管に前記ヒーポン循環ポンプを備え、このヒーポン循環ポンプの上流側に第１三方弁を下流側に流量可変弁を設け、前記貯湯タンク上部と暖房用熱交換器を接続する第１兼用管を設け、この第１兼用管の暖房用熱交換器に近い位置に第２三方弁を、この第２三方弁と貯湯タンクの間に第３三方弁を設け、前記暖房用熱交換器の下流から貯湯タンクの中間位置に連通する中間戻し管を接続し、前記流量可変弁と第２三方弁を接続してバイパス管を、前記第１三方弁と第３三方弁を接続して第２兼用管を設け、この第２兼用管の中間部と冷媒−水熱交換器を接続するヒーポン戻り管を設けたものである。

また、請求項２では、前記第１三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、前記第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプを作動することで前記貯湯タンクへの貯湯動作を行う貯湯運転機能と、前記第１三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の暖房用熱交換器側を連通するようにセットし、第２三方弁を第１兼用管側にセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することでヒートポンプ式加熱手段による直接暖房を行う直接暖房機能と、前記第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記第１三方弁を第２兼用管とヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記流量可変弁をバイパス管とヒーポン往き管の貯湯タンク側を連通すると共に、ヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記第２三方弁をバイパス管と第１兼用管の暖房用熱交換器側と連通するようにセットし、ヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することで貯湯タンクの蓄熱による蓄熱暖房と、ヒートポン循環回路の凍結防止を行うものである。

また、請求項３では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくするものである。

また、請求項４では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、ヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくするものである。

また、請求項５では、前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくし、更にこの弁開度にヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくなるように補正するものである。

この発明によれば、暖房運転や貯湯運転で使用する循環ポンプを２台に削減したので、暖房時の消費電力を低下することができ、運転騒音も低下することができた。
また、タンクユニットのコンパクト化や重量の低減をすることができた。
また、直接暖房と貯湯動作を同時に行うことができるようになった。
更に蓄熱暖房をしながら、蓄熱暖房用の温水の一部をヒーポン循環回路に流すことにより、ヒーポン循環回路の凍結を確実に防止することができ、暖房を中止する必要がなく、極めて便利であり器具の破損の心配もなく安心して使用できるものである。

次にこの発明の一実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づき説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク２等を収納する貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ式加熱手段で、内部には圧縮機４と凝縮器としての冷媒−水熱交換器５と電子膨張弁６と強制空冷式の蒸発器７とで構成され、このヒートポンプ式加熱手段３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。また、前記圧縮機４や電子膨張弁６等によりヒートポンプサイクルを駆動制御するヒーポン制御部８を設けている。

９は前記貯湯タンク２の下部と冷媒−水熱交換器５を接続するヒーポン往き管で、ヒーポン循環ポンプ１０が取り付けられ、このヒーポン循環ポンプ１０と前記貯湯タンク２の間には第１三方弁１１を、ヒーポン循環ポンプ１０と前記冷媒−水熱交換器５の間には、該ヒーポン循環ポンプ１０側が常開状態で冷媒−水熱交換器５側のともう一方側の両方を同時に連通可能で、連通している弁開度を閉塞も含んで可変する流量可変弁弁１２を設けている。

１３は前記貯湯タンク２の上部と暖房用熱交換器１４を接続する第１兼用管で、暖房用熱交換器１４側より貯湯タンク２に向かって第２三方弁１５、第３三方弁１６、第４三方弁１７を備えている。１８は前記暖房用熱交換器１４と前記貯湯タンク１の中間位置に接続された中間戻し管である。１９は前記流量可変弁１２と第２三方弁１５を接続したバイパス管で、このバイパス管１９側と冷媒−水熱交換器５側への流量を流量可変弁１２で可変するものである。２０は前記第１三方弁１１と第３三方弁１６を接続した第２兼用管。２１は前記第２兼用管２０の中間部２２と冷媒−水熱交換器５とを接続したヒーポン戻り管。２３は前記貯湯タンク２の稍上部と第４三方弁１７を接続した中間暖房管で前記貯湯タンク２内の湯量や湯温に応じて前記第４三方弁１７を切換え制御するものである。

２４は前記貯湯タンク２の下部に接続され貯湯タンク２に水を給水する入水管。２５は前記貯湯タンク２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。２６は前記貯湯タンク２の中間位置に接続された中間出湯管。２７は前記出湯管２５からの湯水と前記中間出湯管２６からの湯水とを任意の温度になるよう混合する中間混合弁。２８は前記入水管２４から分岐された給水管。２９は前記中間混合弁２７からの湯水と前記給水管２８からの給水とを給湯設定温度に混合する給湯混合弁である。

３０は前記暖房用熱交換器１４の２次側に暖房往き管３１と暖房戻り管３２で接続された暖房用放熱器で、前記暖房戻り管３２の途中に暖房循環ポンプ３３を接続し、前記暖房用熱交換器１４と暖房往き管３１と暖房用放熱器３０と暖房戻り管３２を連通して２次側暖房循環回路３４を形成している。

３５は前記三方弁１１・１５・１６・１７や循環ポンプ１０・３３や流量可変弁１２等の駆動制御を行うと共に、前記ヒーポン制御部８に指令を発し、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制御部である。

３６はヒーポン循環回路で、前記冷媒−水熱交換器５とヒーポン戻り管２１と第２兼用管２０の中間部２２から第３三方弁１６までと第１兼用管１３の第３三方弁１６から貯湯タンク２上部までと、該貯湯タンク２底部からのヒーポン往き管９と冷媒−水熱交換器５を連通して形成している。

３７は１次側暖房循環回路で、前記貯湯タンク２とヒーポン往き管９と冷媒−水熱交換器５とヒーポン戻り管２１と第２兼用管２０の中間部２２から第３三方弁１６までと第１兼用管１３の第３三方弁１６から暖房用熱交換器１４と中間戻し管１８と貯湯タンク２を連通して形成している。

３８は蓄熱暖房循環回路で、前記貯湯タンク２と第１兼用管１３の第３三方弁１６までと第２兼用管２０とヒーポン往き管９の第１三方弁１１から流量可変弁１２の間とバイパス管１９と第１兼用管１３の第２三方弁１５から暖房用熱交換器１４と中間戻し管１８と貯湯タンク２を連通して形成している。

３９はヒートポンプ式加熱手段３に備えられ外気温を検知する凍結防止温度センサで、外気温が凍結防止温度以下に低下したことを検知し、蓄熱暖房中の流量可変弁１２をヒーポン往き管９と冷媒−水熱交換器５側も連通させ、蓄熱暖房中の温水の一部を冷媒−水熱交換器５を流通させて、ヒーポン循環回路３６の凍結を防止するものであり、更にこの流量可変弁１２の弁開度は、暖房往き管３１に備えられ暖房往き温度を検知する暖房温度センサ４０の検知温度が高くなるに従い冷媒−水熱交換器５側の弁開度を小さくして、温度が上がっているのに無駄に温水を使用しないようにし、又ヒーポン循環ポンプ１０の回転数を検知する回転数センサ４１による回転数検知で、回転数が高くなるに従い前記冷媒−水熱交換器５側の弁開度を更に小さくなるように補正を加えて、ヒーポン循環ポンプ１０の回転数によっても無駄な温水の使用を防止するものである。

ここで、貯湯タンク２内にヒートポンプ式加熱手段３で加熱された高温水を貯湯する貯湯運転について説明する。
制御部３５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、三方弁１１・１５・１６・１７をヒートポンプ式加熱手段３と貯湯タンク２とが連通するように切換えると共に、流量可変弁１２をヒートポンプ式加熱手段３側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ１０とヒートポンプ式加熱手段３を駆動および起動して、貯湯タンク２の下部から取り出した湯水をヒートポンプ式加熱手段３により沸き上げ温度まで沸き上げて貯湯タンク２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ヒーポン循環ポンプ１０およびヒートポンプ式加熱手段３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２４から貯湯タンク２内に給水されると同時に出湯管２５から貯湯温水が出湯される。このとき、中間混合弁２７の混合比率により中間出湯管２６からも貯湯温水が出湯され、中間混合弁２７によってある温度に混合される。そして、この中間混合弁２７からの湯水は給湯混合弁２９に流入し、給水管２８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、直接暖房運転について説明する。
暖房の要求が発生すると、制御部３５は暖房の２次側の運転を開始すると共に、三方弁１１・１５・１６・１７を１次側暖房循環回路３７が連通するように切換えると共に、流量可変弁１２をヒートポンプ式加熱手段３側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ１０とヒートポンプ式加熱手段３を駆動及び起動して、ヒートポンプ式加熱手段３で沸き上げた高温水を暖房用熱交換器１４に直接供給し、２次側と熱交換して温度低下した温水を貯湯タンク２に導いた後再度ヒートポンプ式加熱手段３に循環させて再度加熱して、これを順次繰り返して暖房を行うものであり、ヒートポンプ式加熱手段３で直接温水を加熱しながら暖房しているので、暖房能力は変動することなく常に一定で、強力で確実な暖房を行うことが出来るものである。

次に、ヒートポンプ式加熱手段３が停止状態での蓄熱暖房運転について説明する。
暖房の要求が発生すると、制御部３５は暖房の２次側の運転を開始すると共に、三方弁１１・１５・１６・１７を蓄熱暖房循環回路３８が連通するように切換え、流量可変弁１２はバイパス管１９側全開状態として、ヒーポン循環ポンプ１０を駆動及び起動して、貯湯タンク２内の高温水を暖房用熱交換器１４に供給し、２次側と熱交換して温度低下した温水を貯湯タンク２に戻して循環させ暖房を行うもので（図１に実線矢印で示すように流れる。）、貯湯タンク２に蓄熱された熱を利用して暖房するので、無駄がなく効率的で良好な暖房が行えるものである。

次に、直接暖房と貯湯を同時に行う運転について説明する。
制御部３５は暖房の２次側の運転を開始すると共に、三方弁１１・１５・１６・１７をヒーポン循環回路３６と１次側暖房循環回路３７が同時に連通するように切換えると共に、流量可変弁１２をヒートポンプ式加熱手段３側全開状態とし、この時第３三方弁１６を暖房用熱交換器１４側と貯湯タンク２側への流量を任意の比率で分配調整することで暖房と貯湯を同時に行うことができるものである。

次に、暖房運転と給湯運転とが同時に行われる併用運転について説明する。
暖房運転中に給湯運転の要求が発生すると、制御部３５は三方弁１１・１５・１６・１７を貯湯タンク２とヒートポンプ式加熱手段３とが連通するように切換えると共に、流量可変弁１２をヒートポンプ式加熱手段３側全開状態として、該ヒートポンプ式加熱手段３で加熱された温水は暖房用熱交換器１４を通過し、２次側との熱交換により温度低下した温水が中間戻し管１８を介して貯湯タンク２の中間部に戻される。そして、貯湯タンク２の下部に貯められている湯水および入水管２４から貯湯タンク２の下部に流入した冷水がヒーポン往き管９を介してヒートポンプ式加熱手段３に循環されて加熱される。一方、貯湯タンク１の中間部に戻された温水は、制御部３５でコントロールされる中間混合弁２７の混合比率に応じた量が中間出湯管２６を介して出湯され、給湯混合弁２９によって給湯設定温度の湯として給湯される。

このように、暖房運転と給湯運転の併用運転時には、ヒートポンプ式加熱手段３では貯湯タンク２の下部から取り出した湯水を加熱することとなるので、暖房用熱交換器１４で温度低下した温水よりも温度の低い湯水を加熱することとなり、ヒートポンプ式加熱手段３でのＣＯＰが向上すると共に、暖房用熱交換器１４で温度低下した温水を中間戻し管１８を介して貯湯タンク２の中間部に戻し、暖房用熱交換器１４で温度低下した温水の少なくとも一部を中間出湯管２６を介して給湯に即利用することができ、熱交換後の温水の温度を有効に活用することで給湯と暖房のトータルで機器全体のエネルギー効率を向上させることができるものである。

次に、蓄熱暖房中に凍結防止温度センサ３９が凍結危険温度である３℃を検知した場合について説明する。
この場合蓄熱暖房中であるから暖房回路は、ヒーポン循環ポンプ１０の駆動で三方弁１７・１６を介して貯湯タンク２上部の高温水が、第２兼用管２０を通り第１三方弁１１からヒーポン循環ポンプ１０、そしてバイパス管１９側全開状態の流量可変弁１２を介して該バイパス管１９を通って、第２三方弁１５から暖房用熱交換器１４に達し、熱交換後の温水は中間戻し管１８から貯湯タンク２の中間に戻される循環で暖房を行っている。（図１に実線矢印で示すように流れる。）

この状態の時に凍結防止温度センサ３９が凍結危険温度を検知することで、バイパス管１９側全開状態の流量可変弁１２を、バイパス管１９側を少し閉めて、替わりにヒートポンプ式加熱手段３側を少し開成状態として、暖房用の高温水の一部をヒートポンプ式加熱手段３の冷媒−水熱交換器５に流し、ヒーポン戻り管２１を介して再び暖房回路に戻すことで、ヒーポン循環回路３６の凍結を防止するものであり（図１に点線矢印で示すように流れる。）、又この時の流量可変弁１２のヒートポンプ式加熱手段３側の開成量は、暖房往き管３１に備えられ暖房往き温度を検知する暖房温度センサ４０の検知温度が高い程小さくされ、そしてこの開度をヒーポン循環ポンプ１０の回転数を検知する回転数センサ４１による回転数検知で、回転数が高い程小さくなるように補正されるものである。

従って、蓄熱暖房中でもヒーポン循環回路３６の凍結防止運転が行われ、凍結を確実に防止することが出来、常に安心して使用出来るものであり、更に暖房往き温度やヒーポン循環ポンプ１０の回転数によって、凍結防止のためにヒーポン循環回路３６を流通する温水量を極力少なくして、無駄がなく効率の良い凍結防止が行えるようにしているものである。

この発明の一実施形態を示す貯湯式給湯暖房装置の概略構成図。 同要部電気回路のブロック図。 同流量可変弁の暖房往き温度によるヒーポン側への弁開度の特性図。 同流量可変弁のヒーポン循環ポンプ回転数によるヒーポン側への弁開度の特性図。 従来例の概略構成図。

符号の説明

２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプ式加熱手段
９ ヒーポン往き管
１０ ヒーポン循環ポンプ
１１ 第１三方弁
１２ 流量可変弁
１３ 第１兼用管
１４ 暖房用熱交換器
１５ 第２三方弁
１６ 第３三方弁
１８ 中間戻し管
１９ バイパス管
２０ 第２兼用管
２１ ヒーポン戻り管
２２ 中間部
３０ 暖房用放熱器
３３ 暖房循環ポンプ
３９ 凍結防止温度センサ
４０ 暖房温度センサ
４１ 回転数センサ

Claims (5)

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、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、このヒーポン循環回路に設けられ湯水を循環させるヒーポン循環ポンプと、暖房用放熱器に接続して２次側暖房循環回路を形成する暖房用熱交換器と、２次側暖房循環回路の湯水を循環する暖房循環ポンプと、前記暖房用熱交換器に貯湯タンクの湯水を循環させる１次側暖房循環回路を備えた貯湯式給湯暖房装置に於いて、前記ヒーポン循環回路のヒーポン往き管に前記ヒーポン循環ポンプを備え、このヒーポン循環ポンプの上流側に第１三方弁を下流側に流量可変弁を設け、前記貯湯タンク上部と暖房用熱交換器を接続する第１兼用管を設け、この第１兼用管の暖房用熱交換器に近い位置に第２三方弁を、この第２三方弁と貯湯タンクの間に第３三方弁を設け、前記暖房用熱交換器の下流から貯湯タンクの中間位置に連通する中間戻し管を接続し、前記流量可変弁と第２三方弁を接続してバイパス管を、前記第１三方弁と第３三方弁を接続して第２兼用管を設け、この第２兼用管の中間部と冷媒−水熱交換器を接続するヒーポン戻り管を設けたことを特徴とする貯湯式給湯暖房装置。
2. 前記第１三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、前記第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプを作動することで前記貯湯タンクへの貯湯動作を行う貯湯運転機能と、前記第１三方弁と流量可変弁をヒーポン往き管側にセットし、第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の暖房用熱交換器側を連通するようにセットし、第２三方弁を第１兼用管側にセットし、前記ヒートポンプ式加熱手段とヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することでヒートポンプ式加熱手段による直接暖房を行う直接暖房機能と、前記第３三方弁を第２兼用管と第１兼用管の貯湯タンク側を連通するようにセットし、前記第１三方弁を第２兼用管とヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記流量可変弁をバイパス管とヒーポン往き管の貯湯タンク側を連通すると共に、ヒーポン往き管の冷媒−水熱交換器側を連通するようにセットし、前記第２三方弁をバイパス管と第１兼用管の暖房用熱交換器側と連通するようにセットし、ヒーポン循環ポンプと暖房循環ポンプを作動することで貯湯タンクの蓄熱による蓄熱暖房と、ヒートポン循環回路の凍結防止を行うことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯暖房装置。
3. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくすることを特徴とする請求項２記載の貯湯式給湯暖房装置。
4. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、ヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくすることを特徴とする請求項２記載の貯湯式給湯暖房装置。
5. 前記凍結防止運転時に於ける流量可変弁のヒートポンプ式加熱手段側への弁開度を、暖房往き温度が高くなるに従い小さくし、更にこの弁開度にヒーポン循環ポンプの回転数が多くなるに従い小さくなるように補正することを特徴とする請求項２記載の貯湯式給湯暖房装置。

Images