JP4867514B2 - ヒートポンプ式給湯暖房装置 - Google Patents
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Description
ヒートポンプ式給湯暖房装置による暖房運転には、(1)ヒートポンプサイクルで加熱された給湯水により、直接、暖房用のブラインを加熱する「直暖運転」と、(2)貯湯タンクに蓄えられた給湯水により、暖房用のブラインを加熱する「蓄暖運転」とがある。この直暖運転と蓄暖運転を、ヒートポンプ式給湯暖房装置の運転条件に応じて切り替えることが提案されている。
このため、直暖運転時で、暖房装置側がブラインの加熱量を多く要求しない運転状態(定常運転など)が続くほど、貯湯タンクの内部には、ヒートポンプサイクルで低めに加熱された中温の給湯水(中温水:例えば65℃)が多く蓄えられる。
しかし、上述したように、直暖運転時で、暖房装置側がブラインの加熱量を多く要求しない運転状態(定常運転など)が続くことで、貯湯タンクの内部にはヒートポンプサイクルで低めに加熱された中温水が多く蓄えられることとなるため、深夜等において高温貯湯運転を行う際にCOPが低下する不具合が生じる。
請求項1の手段を採用するヒートポンプ式給湯暖房装置の制御装置(4)は、直暖運転時において、H/P給水温度(T1)が低い時に、ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を低温側に制御し、H/P給水温度(T1)が高い時に、ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を高温側に制御する。
H/P給水温度(T1)が低い時は、沸き上げ温度を高くするよりも、沸き上げ温度を低くした方がヒートポンプサイクル(R)のCOPを高くできるため、直暖運転時におけるCOPを高くできる。
このように、貯湯タンク(5)内の中温水の割合が抑えられるため、深夜等に高温貯湯運転を行う際、中温水を熱水に沸き上げる運転(COPの低い運転)を減らすことができる。即ち、高温貯湯運転時のCOPを高めることができる。
また、貯湯タンク(5)内の熱水の割合が増えるため、深夜等に貯湯タンク(5)内を熱水に沸き上げる高温貯湯運転の運転時間を短縮することができ、高温貯湯運転に要する消費電力を抑えることができる。
請求項2の手段を採用するヒートポンプ式給湯暖房装置の制御装置(4)は、直暖運転時にヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を低温側に制御する際、ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分を、貯湯タンク(5)の上下方向の中間部に戻し、直暖運転時にヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を高温側に制御する際、ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分を、貯湯タンク(5)の上下方向の上部に戻す。
即ち、直暖運転時に、熱水が貯湯タンク(5)の上部に戻され、中温水が貯湯タンク(5)の中間部に戻される。
これにより、貯湯タンク(5)内において熱水と中温水とが混ざり合う不具合が生じない。
請求項3の手段を採用するヒートポンプ式給湯暖房装置の制御装置(4)は、暖房運転時に所定の運転条件が成立した際に、貯湯タンク(5)における上下方向の中間部に蓄えられた中温水を水/ブライン熱交換器(34)に導いて暖房運転を実施する。
これにより、暖房運転時、貯湯タンク(5)内に蓄えられた中温水を消費することができ、結果的に貯湯タンク(5)内における熱水以外の給湯水温度を下げることができる。 このように、貯湯タンク(5)内における熱水以外の給湯水温度を下げることができるため、深夜等に高温貯湯運転を行う際のCOPを高めることができる。
請求項4の手段を採用するヒートポンプ式給湯暖房装置の制御装置(4)は、暖房運転中に貯湯タンク(5)における上下方向の中間部の貯湯温度が所定温度より高い時に、貯湯タンク(5)における上下方向の中間部に蓄えられた中温水を水/ブライン熱交換器(34)に導いて暖房運転を実施する。
このヒートポンプ式給湯暖房装置は、直暖運転時に、ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分を貯湯タンク(5)に戻す構造を採用している。
この沸き上げ温度切替手段が実行されることにより、H/P給水温度(T1)が低い時は沸き上げ温度が低く、COPを高くできる。
また、H/P給水温度(T1)が高い時は沸き上げ温度が高く、貯湯タンク(5)内の中温水の割合が抑えられ、高温貯湯運転を行う際にCOPの低い運転を減らすことができる。即ち、高温貯湯運転時のCOPを高めることができる。
さらに、H/P給水温度(T1)が高い時は沸き上げ温度が高くて貯湯タンク(5)内の熱水の割合が増えるため、高温貯湯運転の運転時間を短縮でき、消費電力を抑えることができる。
ヒートポンプ式給湯暖房装置は、タンク装置1、ヒートポンプ熱源装置2および温水式暖房装置3を備え、制御装置4によって運転が制御される。
なお、以下では、貯湯タンク5内に蓄えられる水を「給湯水」と称し、給湯水のうち貯湯タンク5の上部に蓄えられる高温の水(例えば、75〜90℃の水)を「熱水」と称し、給湯水のうち貯湯タンク5の上下方向の中間部に蓄えられ、熱水より温度の低い水(例えば、40〜75℃の水)を「中温水」と称し、給湯水のうち貯湯タンク5の下部に蓄えられ、中温水より温度の低い水(例えば、40℃未満の水)、あるいは上水道から直接供給される水を「冷水」と称して説明する。
タンク装置1は、給湯水を蓄える貯湯タンク5を搭載する。この貯湯タンク5は、熱水を長時間保温した状態で蓄えることのできる所定容量の断熱容器であり、耐腐食性に優れた材料(例えば、ステンレス等)よりなる。
貯湯タンク5の下部には、上水道に接続される給水配管6が接続されている。この給水配管6には、図示しない逆止弁および電動開閉弁(例えば、常開弁)が設けられており、上水道に接続された状態で、且つ電動開閉弁が開かれた状態において、上水道から供給される水道水が水道圧によって貯湯タンク5の下部に供給される。
貯湯タンク5の中間部には、貯湯タンク5の中間部に蓄えられている中温水を外部に給湯するための中温水配管8が接続されている。この中温水配管8の下流端は、給湯配管7の途中に設けられた第1電動三方弁11(熱水/中温水切替三方弁)に接続されており、第1電動三方弁11を切り替えることにより、熱水または中温水が出水可能に設けられている。
貯湯タンク5は、上記配管類とは別に、内部に貯溜する給湯水を加熱するための給湯水加熱回路K0と、内部に貯溜する給湯水によって暖房用のブラインを加熱するための暖房用1次回路K1とが接続される。先ず、給湯水加熱回路K0および暖房用1次回路K1の基本構成を説明する。
(1)水側熱交換器14で加熱された『熱水』を貯湯タンク5の上部に供給する「高温貯湯運転{図2(a)参照}」、
(2)貯湯タンク5の上部の『熱水』を暖房用水側熱交換器16に導く「高温蓄熱利用の床暖房運転(高温蓄暖){図2(b)参照}」、
(3)貯湯タンク5の中間部の『中温水』を暖房用水側熱交換器16に導く「中温蓄熱利用の床暖房運転(中温蓄暖){図2(c)参照}」、
(4)水側熱交換器14で加熱された『熱水』を直接的に暖房用水側熱交換器16に導く「高温直接暖房運転(高温直暖:この時、水側熱交換器14で加熱された熱水の余剰分は貯湯タンク5の上部へ戻される){図2(d)参照}」、
(5)水側熱交換器14で加熱された『中温水』を直接的に暖房用水側熱交換器16に導く「中温直接暖房運転(中温直暖:この時、水側熱交換器14で加熱された中温水の余剰分は貯湯タンク5の中間部へ戻される){図2(e)参照}」など、運転状況に応じて種々の運転が可能となっている。
上記(4)、(5)により、貯湯タンク5内において熱水と中温水とが混ざり合う不具合が生じない。
なお、給湯水加熱回路K0および暖房用1次回路K1の水回路構成は、機能等に応じて種々変更可能なものである。
ヒートポンプ熱源装置2は、上述した給湯水加熱回路K0を用いて貯湯タンク5内の給湯水を加熱する熱源ユニットであり、給湯水加熱回路K0によって水側熱交換器14に導かれた給湯水を加熱するためのヒートポンプサイクルRを搭載する。
ヒートポンプサイクルRは、貯湯タンク5内の給湯水を高温(例えば、90℃)の熱水に加熱する超臨界ヒートポンプサイクルを採用している。ここで、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば、二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。
冷媒圧縮機21は、冷媒(この実施例では二酸化炭素)の吸入、圧縮、吐出を行うものであり、この冷媒圧縮機21は、図示しない電動モータによって駆動される。なお、冷媒圧縮機21は、電動モータと一体型のものであっても良いし、電動モータと別体のものであっても良い。
冷媒蒸発器24は、膨張装置23を通過して減圧された冷媒と大気とを熱交換させて、冷媒の熱エネルギーを上昇させる。なお、冷媒蒸発器24には、冷媒と大気との熱交換を促進させる電動ファン27が設けられている。
アキュムレータ25は、ヒートポンプサイクルRの余剰冷媒を蓄えるとともに、ガス冷媒のみを冷媒圧縮機21に導く気液分離器である。
温水式暖房装置3は、上述した暖房用1次回路K1を用いて暖房用のブラインを加熱し、加熱されたブラインを用いて床暖房を行うものであり、給湯水の熱をブラインが受ける暖房用ブライン側熱交換器31と、暖房用ブライン側熱交換器31で加熱されたブラインの熱を放熱させる床暖房パネル32と、暖房用ブライン側熱交換器31で加熱されたブラインを床暖房パネル32を通して再び暖房用ブライン側熱交換器31に戻す暖房用2次回路K2と、この暖房用2次回路K2においてブラインを循環駆動する暖房用2次ポンプP2とを備える。
暖房用2次回路K2は、水/ブライン熱交換器34で加熱されたブラインを床暖房パネル32に導くとともに、床暖房パネル32を通過した放熱後のブラインを再び水/ブライン熱交換器34に戻す循環回路である。
暖房用2次ポンプP2は電動ポンプであり、制御装置4から運転指示が与えられると、水/ブライン熱交換器34→床暖房パネル32→再び水/ブライン熱交換器34の順でブラインを循環させる。
制御装置4は、制御処理、演算処理を行うCPU、各種プログラムおよびデータを保存するメモリ(ROM、スタンバイRAM、EEPROM、RAM等)、入力回路、出力回路、電源回路などを含んで構成される周知のコンピュータである。
制御装置4は、読み込まれたセンサ類の信号(運転指示信号、温度設定信号、ヒートポンプ式給湯暖房装置の運転状態など)に基づいて各種の演算処理を行い、ヒートポンプ式給湯暖房装置に搭載された各種電気機能部品(各ポンプ類、各電動バルブ類、冷媒圧縮機21の電動モータ、電動ファン27など)の通電制御を実施する。
暖房用1次ポンプP1の回転数は、内蔵する電動モータの通電量に応じて可変制御される。制御装置4は、暖房運転中に暖房用1次ポンプP1の回転数を可変制御する。
制御装置4は、暖房運転中、往き温度センサ49で検出された往き温度が、予め設定された目標往き温度となるように、暖房用1次ポンプP1の回転数をフィードバック制御する。
暖房用2次ポンプP2の回転数は、内蔵する電動モータの通電量に応じて可変制御可能に設けられている。この暖房用2次ポンプP2の回転数は、施工時に所定の初期回転数(定常回転数)に設定される。
ヒートポンプ式給湯暖房装置は、ヒートポンプサイクルRによる給湯水の沸き上げ温度を可変する「沸き上げ温度可変手段」を備える。
この実施例における沸き上げ温度可変手段は、冷媒/水熱交換器26を通過した給湯水の温度を熱水または中温水の一方に切り替えるものである。
具体的にこの実施例では、貯湯用ポンプP0の回転数を可変することで、冷媒/水熱交換器26を通過した給湯水の温度を熱水または中温水に切り替えように設けられている。
制御装置4は、運転状態に応じて、ヒートポンプサイクルRによる給湯水の沸き上げ温度を、熱水または中温水の一方に決定する「沸き上げ温度決定手段」を備えており、制御装置4が熱水の沸き上げを決定している際は、沸き上げ温度センサ48で検出された沸き上げ温度T2が熱水(例えば、90℃)となるように、貯湯用ポンプP0の回転数をフィードバック制御し、制御装置4が中温水の沸き上げを決定している際は、沸き上げ温度センサ48で検出された沸き上げ温度T2が中温(例えば、65℃)となるように、貯湯用ポンプP0の回転数をフィードバック制御する。
制御装置4には、上述したポンプ制御の他に、(1)暖房用1次回路K1と暖房用2次回路K2を作動させて床暖房を実行する「暖房運転制御機能(制御プログラム)」と、(2)給湯水加熱回路K0とヒートポンプ熱源装置2を作動させて貯湯タンク5内に高温の熱水を貯湯する「貯湯運転制御機能(制御プログラム)」と、(3)外気温度が低い時に、給湯水が停滞する給湯水加熱回路K0および暖房用1次回路K1の凍結を防止する「凍結防止制御機能(制御プログラム)」とが搭載されている。
次に、暖房運転制御機能の制御例を、図3のフローチャートを参照して説明する。
この制御ルーチンに侵入すると(スタート)、先ず図示しない暖房運転スイッチがONされたか否かの判断を行う(ステップS1)。この判断結果がNOの場合(OFF)は、ステップS1へ戻り待機する。
ステップS1の判断結果がYESの場合(ON)は、貯湯サーミスタ41〜46で検出した貯湯タンク5の中間部近傍の給湯水の温度が、所定温度(例えば、40℃)より低いか否かの判断を行う(ステップS2)。
一方、ステップS3の判断結果がNO(運転開始初期でない)の場合は、貯湯タンク5の中間部の中温水を暖房用水側熱交換器16に導く「中温蓄熱利用の床暖房運転」を実施し(ステップS5)、その後ステップS2へ戻る。なお、ステップS2およびステップS5の制御は、中温蓄暖実行手段による制御機能に相当するものである。
ステップS6の判断結果がYES(運転開始初期)の場合は、ヒートポンプ熱源装置2を作動させて水側熱交換器14で加熱された熱水を直接的に暖房用水側熱交換器16に導く「高温直接暖房運転(高温直暖)」を実施し(ステップS7)、その後ステップS2へ戻る。
ステップS6の判断結果がNOの場合(定常運転時)は、H/P給水温度センサ47の検出するH/P給水温度T1に応じて、高温直暖{図2(d)参照}と、中温直暖{図2(e)参照}とを切り替える(ステップS8:沸き上げ温度切替手段の機能)。
具体的には、H/P給水温度センサ47の検出するH/P給水温度T1が予め設定された基準給水温度(例えば30℃)以下の場合に、ヒートポンプサイクルRによる給湯水の沸き上げ温度を低温側(即ち、中温沸き上げ)に制御した中温直暖{図2(e)参照}を実行し、H/P給水温度センサ47の検出するH/P給水温度T1が予め設定された基準給水温度(例えば30℃)より高い場合に、ヒートポンプサイクルRによる給湯水の沸き上げ温度を高温側(即ち、高温沸き上げ)に制御した高温直暖{図2(d)参照}を実行する。
この制御ルーチンに侵入すると、先ずH/P給水温度T1が基準給水温度(例えば30℃)以下であるか否かの判断を行う(ステップS11)。
このステップS11の判断結果がYES(H/P給水温度T1が低い)の場合は、中温直暖{図2(e)参照}を実行し(ステップS12)、ステップS2へ戻る。
上記ステップS11の判断結果がNO(H/P給水温度T1が高い)の場合は、高温直暖{図2(d)参照}を実行し(ステップS13)、ステップS2へ戻る。
ここで、高温沸き上げ時と中温沸き上げ時におけるヒートポンプサイクルRのCOPを図5を参照して説明する。この図5では、H/P給水温度T1の変化に対する高温沸き上げのCOPの変化を実線Aに示し、H/P給水温度T1の変化に対する中温沸き上げのCOPの変化を破線Bに示す。
この図5から読み取れるように、H/P給水温度T1が低くなるほど、高温沸き上げより中温沸き上げのCOPが高くなるが、逆にH/P給水温度T1が高くなると共にCOPが低くなり、COPの差が小さくなる。
H/P給水温度T1が低い時は、図5に示すように、沸き上げ温度を高くするよりも、沸き上げ温度を低くした方がヒートポンプサイクルRのCOPを高くできる。即ち、直暖運転時のCOPを高くできる。
このように、貯湯タンク5内の中温水の割合が抑えられるため、深夜等に高温貯湯運転を行う際に、中温水を熱水に沸き上げる運転(COPの低い運転)を減らすことができる。即ち、高温貯湯運転時のCOPを高めることができる。
また、貯湯タンク5内の熱水の割合が増えるため、深夜等に貯湯タンク5内を熱水に沸き上げる高温貯湯運転の運転時間を短縮することができ、高温貯湯運転に要する消費電力を抑えることができる。
この実施例1のヒートポンプ式給湯暖房装置は、上述したように、暖房運転中に貯湯タンク5における上下方向の中間部の貯湯温度が所定温度より高い時に、貯湯タンク5の中間部に蓄えられた中温水を水/ブライン熱交換器34に導いて「中温蓄熱利用の床暖房運転」を実施する。
これにより、暖房運転時、貯湯タンク5内に蓄えられた中温水を消費することができ、結果的に貯湯タンク5内における熱水以外の給湯水温度を下げることができる。このように、貯湯タンク5内における熱水以外の給湯水温度を下げることができるため、深夜等に高温貯湯運転を行う際のCOPを高めることができる。
上記実施例で示した各数値は、実施例説明のための一例であって、仕様等に応じて適宜変更可能なものである。
上記の実施例では、高温直暖と中温直暖とを切り替えるH/P給水温度T1の温度(基準給水温度)を一定値に設ける例を示したが、ヒステリシスを持たせても良い。
上記の実施例では、ヒートポンプサイクルRによる沸き上げ温度の可変手段として、貯湯用ポンプP0の回転数を可変制御する例を示したが、他の沸き上げ温度の可変手段(例えば、冷媒圧縮機21の回転数制御や、可変容量型の冷媒圧縮機21を用いた容量可変など)を用いたり、組み合わせたりして沸き上げ温度を可変しても良い。
上記の実施例では、超臨界ヒートポンプサイクルを用いる例を示したが、フロン冷媒(代替フロンを含む)を用いた一般的なヒートポンプサイクルを用いても良い。
上記の実施例では、ヒートポンプ式給湯暖房装置の制御を1つの制御装置4で制御する例を示したが、制御装置を複数に分けて用いても良い。
2 ヒートポンプ熱源装置
3 温水式暖房装置
4 制御装置
5 貯湯タンク
22 放熱器
26 冷媒/水熱交換器
34 水/ブライン熱交換器
R ヒートポンプサイクル
Claims (4)
- 加熱された給湯水を蓄える貯湯タンク(5)と、
冷媒の放熱を行う放熱器(22)を備えたヒートポンプサイクル(R)と、
前記放熱器(22)における冷媒の放熱によって前記貯湯タンク(5)内の給湯水を加熱する冷媒/水熱交換器(26)と、
前記貯湯タンク(5)内に蓄えられた給湯水の熱、あるいは前記ヒートポンプサイクル(R)により加熱された給湯水の熱によって、暖房用のブラインを加熱する水/ブライン熱交換器(34)と、
前記ヒートポンプサイクル(R)によって加熱される給湯水の温度を制御する制御装置(4)とを具備し、
前記ヒートポンプサイクル(R)により加熱された給湯水を直接、前記水/ブライン熱交換器(34)へ供給する直暖運転時に、前記ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分が前記貯湯タンク(5)に戻されるヒートポンプ式給湯暖房装置において、
前記制御装置(4)は直暖運転時に、
前記貯湯タンク(5)内から前記冷媒/水熱交換器(26)に導かれるH/P給水温度(T1)が低い時に、前記ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を低温側に制御し、
前記貯湯タンク(5)内から前記冷媒/水熱交換器(26)に導かれるH/P給水温度(T1)が高い時に、前記ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を高温側に制御する沸き上げ温度切替手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房装置。 - 請求項1に記載のヒートポンプ式給湯暖房装置において、
前記制御装置(4)が直暖運転時に前記ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を低温側に制御する際、前記ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分を、前記貯湯タンク(5)の上下方向の中間部に戻し、
前記制御装置(4)が直暖運転時に前記ヒートポンプサイクル(R)による給湯水の沸き上げ温度を高温側に制御する際、前記ヒートポンプサイクル(R)で加熱された給湯水の余剰分を、前記貯湯タンク(5)の上下方向の上部に戻すことを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房装置。 - 請求項2に記載のヒートポンプ式給湯暖房装置において、
前記制御装置(4)は、暖房運転時に所定の運転条件が成立した際に、前記貯湯タンク(5)における上下方向の中間部に蓄えられた給湯水を前記水/ブライン熱交換器(34)に導いて暖房運転を実施する中温蓄暖実行手段を備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房装置。 - 請求項3に記載のヒートポンプ式給湯暖房装置において、
前記所定の運転条件が成立した際とは、暖房運転中に前記貯湯タンク(5)における上下方向の中間部の貯湯温度が所定温度より高い時であることを特徴とするヒートポンプ式給湯暖房装置。
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