JP4873227B2

JP4873227B2 - ヒートポンプ式給湯装置

Info

Publication number: JP4873227B2
Application number: JP2006096869A
Authority: JP
Inventors: 知明西川; 達朗荒井; 浩作城出; 義雄時岡; 敏克柳生; 博文田中; 剛英長谷川; 貴信金城
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007271156A

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯装置に関する。

近年、熱交換効率が良好で給湯コストの低減を図ることができるヒートポンプ式給湯装置が脚光を浴び、各種住宅施設に採用されつつある。該ヒートポンプ式給湯装置は、例えば特許文献１に記載されているように、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットと、貯湯タンクとヒートポンプユニットとの間で循環流路を形成する湯水配管とを備え、湯水配管の中途部に設けたポンプによって貯湯タンク内の湯水がヒートポンプユニットに供給され、該ユニットにおいて加熱され、貯湯タンクに戻されるようになっている。
特開２００２−１３０７８４号公報

しかし、既存の集合住宅の上層階に新規にヒートポンプ式給湯装置を設置しようとすると、従来のものは貯湯タンクユニットに給湯配管接続口が設けられていたため、給湯湯温の低下を少なくしようとすると、重く大きな貯湯タンクを各室のバルコニー部分に設置する必要があり、基礎や設置部位の補強が必要となるとともに、設置作業も困難である場合が少なくない。一方、ヒートポンプユニットとともに貯湯タンクを地面に設置すると、各戸までの給湯配管や電気配線が長くなり、供給湯温の低下や電気的ノイズの混入といった問題が生じるとともに、各戸から地面までの給湯配管や電気配線の接続作業を行おうとすると作業が煩雑となる。

また、ヒートポンプ式給湯装置において、冬季における気温の低下に伴うＣＯＰの低下という問題点が従前より指摘されており、かかる問題に対処するため、空気熱交換器を大型化したり、コンプレッサー能力を上げるなどにより要求能力を確保するという対処が行われていたが、装置コスト高や光熱費の増加という問題がある。特許文献１には、ヒートポンプから排気される冷気を用いて冷房に用いるという技術が開示されているが、給湯能力を確保し得るものではない。

本発明の第１の目的は、既存の集合住宅等の上層階に、基礎等の補強を行うことなく設置可能なヒートポンプ式給湯装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、空気熱交換器の大型化をすることなく、冬季におけるＣＯＰの低下を抑制し得るヒートポンプ式給湯装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を講じた。
即ち、本発明のヒートポンプ給湯装置は、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは壁掛け型に構成されており、前記ヒートポンプユニットは建築物の壁面に取付けられ、前記貯湯タンクは地面に設置されており、室内への給湯配管接続部が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないことを特徴とするものである（請求項１）。これによれば、貯湯タンクとヒートポンプユニットとが別体であるので、ヒートポンプユニットを各戸の壁面に取り付けながら、貯湯タンクを地面に設置することができる。設置した貯湯タンクとヒートポンプユニットとは、貯湯タンクとヒートポンプユニットとの間で湯水を循環させる湯水配管を設置態様に応じて現場で配管接続すればよい。

上記した本発明のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは、空気と熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部と、空気熱交換部と湯水熱交換部との間で循環流路を形成する熱媒配管と、ヒートポンプユニットにおける各種制御を司る制御部とを備え、該制御部が前記空気熱交換部と湯水熱交換部との間で前記熱媒配管に並設されているものとすることができる（請求項２）。これによれば、比較的設置スペースが狭い熱媒配管と制御部とを並設することにより、ヒートポンプユニット全体を薄型に構成することができ、隣接建築物の壁や塀との間のスペースが狭くとも設置可能で、隣接塀や隣接壁の存在による排気空気のショートサイクルに起因するＣＯＰの低下を防止することができるとともに、壁掛け型のヒートポンプユニットとしての外観商品性の向上を図ることができる。また、比較的低温の空気熱交換部と高温の湯水熱交換部との間に制御部を介在させることにより、制御部の動作雰囲気温度が高温になりすぎることや、冷却されることによる結露等を防止することができる。

さらに、空気熱交換部の下方に湯水熱交換部が配置されており、ヒートポンプユニットを貯湯タンクに接続するための配管接続部が、ヒートポンプユニットの下端部に設けられているものとすることができる（請求項３）。これによれば、空気熱交換部、熱媒配管並びに制御部により構成される熱媒通路・制御装置部、及び、湯水熱交換部が上から順に配設されるようになり、湯水熱交換部から出湯される湯水を貯湯タンクに戻すための配管接続部をヒートポンプユニットの下端部に設けてもユニット内の配管構成を簡素化できる。そして、該配管接続部がユニット下端部に設けられているので、地面に設置した貯湯タンクとの接続配管の短縮、簡素化を図ることができる。また、湯水が流通する湯水熱交換部の上方に制御部が配置されるので、漏水時に制御部（電装部）が濡れることがなく、漏水による制御部の故障を防止できる。さらに、熱媒配管の中途部に設けたコンプレッサーにより生じた熱が空気熱交換部側に移行するため、ＣＯＰの一層の向上が図られる。

また、室内に設置した操作装置との電気配線の接続端子が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないものとするのが好ましい（請求項４）。

上記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備えることができ、該ファンを、室内空気の換気用ファンとして兼用するのが好ましい（請求項５）。これによれば、冬季においては、排気される暖かい室内空気を用いてヒートポンプユニット内の熱媒、ひいては湯水を加熱することができ、冬季の気温低下によるＣＯＰの低下を抑制することができるとともに、小型の空気熱交換器でも要求される給湯能力を確保できる。特に、２４時間換気システムと併用する構成とすれば、一日に必要な熱量を一日中かけて獲得すればよく、ヒートポンプユニットに要求される能力はさらに小さくてもよく、さらなる小型化とコストダウンとを図ることができる。また、空気熱交換用ファンを浴室の換気用ファンとして兼用すれば、水蒸気を含んだ熱容量の大きい排気を利用して熱を獲得することができ、さらなる小型化を図ることができる。なお、本明細書において、「換気」は、室内空気を直接排気するもののみならず、室内空気と外気との間で熱交換した後に排気するいわゆるロスナイを含む。

また、本発明に関連する発明は、湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備え、該ファンが、室内空気の換気用ファンとして兼用されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置として構成する。

上記空気熱交換用ファンは、室内空間を外気に連通させる排気ダクトに設けられ、ファンよりも室内側で排気ダクトには、外気を導入する外気採入部が設けられており、該外気採入部には、採り入れ外気量を調節するダンパが設けられているものとすることができる（請求項６）。これによれば、換気要求の有無に応じてダンパを制御することにより、換気が必要でない場合でもヒートポンプを動作させることができる。

また、ヒートポンプユニットに設けた上水管接続部から供給される冷水と、貯湯タンクから供給される温水とを混合して、操作装置により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット内に設けることもできる（請求項７）。

また、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプ、及び／又は、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていても良い（請求項８）。

また、本発明に関連するヒートポンプ式給湯方法は、浴室内空気の換気目的で浴室内から排気される空気と熱媒との間の熱交換により熱媒に熱を供給し、該熱媒を圧縮した後に熱媒と湯水との間の熱交換により湯水を加熱することを特徴とする。これによれば、冬季においては室内から排気される暖かい空気を用いてヒートポンプにより湯水を加熱することで、ＣＯＰの低下を抑制できるとともに、前記空気は浴室内の空気であるから、湿度が高く熱容量の大きな空気を利用することで、さらなるＣＯＰの向上を図ることができる。

本発明によれば、既存の集合住宅等の上層階にも、基礎等の補強を行うことなく設置可能な貯湯式ヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、空気熱交換器の大型化をすることなく、冬季におけるＣＯＰの低下を抑制し得るヒートポンプ式給湯装置を提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る貯湯式ヒートポンプ式給湯装置１を示し、該給湯装置１は、湯水を貯留する地面設置型の貯湯タンク２と、該貯湯タンク２とは別体に構成された壁掛け型のヒートポンプユニット３とを備えている。貯湯タンク２とヒートポンプユニット３とは、これらの間で循環流路を形成する湯水配管４によって接続されており、該湯水配管４は、貯湯タンク２からヒートポンプユニット３へ湯水を供給する湯水往き管４ａと、ヒートポンプユニット３によって加熱された湯水を該ユニット３から貯湯タンク２へ戻す湯水戻り管４ｂとにより主構成されており、湯水戻り管４ｂは貯湯タンク上部に、湯水往き管４ａは貯湯タンク下部に接続するのが好ましい。なお、湯水配管４の中途部、好ましくは湯水往き管４ａの中途部には、湯水を循環させる循環ポンプ（図示せず）が設けられる。

上記貯湯タンク２は従来公知の適宜の構成とすることができ、タンク内に貯留されている湯水の水位センサや、タンクの高さ方向複数箇所で各高さ位置の湯水の温度を検知する温度センサが設けられていてよい。

上記ヒートポンプユニット３は、空気とＣＯ₂などの熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部５と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部６と、空気熱交換部５と湯水熱交換部６との間で循環流路を形成する熱媒配管７と、ヒートポンプユニット３における各種制御を司る制御部８と、湯水熱交換部６と外部とを接続する湯水配管により主構成される湯水通路機構部９とが、壁掛け可能な薄型のハウジング１０内に配設されてなる。

空気熱交換部５は、内部に熱媒流通路を有する熱交換フィン５ａ（吸熱器）と、該フィン５ａに前後に並設された空気熱交換用ファン５ｂとからなり、ハウジング１０の上端部近傍に配設されている。ハウジング１０の上端背面部には外気吸入口１０ａが設けられ、ハウジング１０の上端近傍の前面部には排気口１０ｂが設けられており、該吸入口１０ａと排気口１０ｂとの間の空間に上記フィン５ａ並びにファン５ｂが設けられている。

湯水熱交換部６は、貯湯タンク２から供給された湯水と空気熱交換部５から供給された熱媒との間で熱交換することにより湯水を加熱する従来公知の適宜の熱交換器を用いることができ、上記空気熱交換部５の下方に配設されている。

熱媒配管７は、空気熱交換部５から湯水熱交換部６へ熱媒を流通させる第１の管路部と、湯水熱交換部６から空気熱交換部５へ熱媒を流通させる第２の管路部とを備えており、第１の管路部の中途部にはコンプレッサーが設けられ、第２の管路部の中途部には膨張弁が設けられて、動作時に高圧側の熱媒圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを形成している。第１の管路部と第２の管路部とは、ハウジング１０内で横幅方向に配設されるのが好ましい。

前記制御部８は、制御基板その他の電装部からなり、好ましくは制御基板その他の電装部がケーシング内に収容された構成とされている。該ケーシング内面には断熱材を貼設するか、若しくはケーシング内外部の間で空気が流通できるような通路を設けることが好ましい。なお、制御部８は、要求される機能に応じて適宜の構成とすることができ、近年一般的にはアナログ回路部並びにデジタル回路部を有する構成とされるが、アナログ回路部のみで構成されていても構わない。

該制御部８は、ハウジング１０内で、空気熱交換部５と湯水熱交換部６との間で熱媒配管７に前後方向に並設されている。

上記湯水通路機構部９は、ハウジング１０の下端部に下方に向けて設けられた入水管接続部１１（上水道接続部）、出湯管接続部１２（室内への給湯配管接続部）、湯水往き管接続部１３並びに湯水戻り管接続部１４の相互間の湯水流通路、及び／又は、これら接続部と湯水熱交換部６との間の湯水流通路を構成する各配管並びに弁などの流体回路により構成されるものであり、ハウジング１０の下端近傍に配設されている。

また、室内には、電源ブレーカー１５と、給湯操作を行うためのリモコン１６とが設けられており、これらブレーカー１５並びにリモコン１６（室内の操作装置）との電気配線の接続端子１７，１８は、ヒートポンプユニット３の下端部に設けられており、貯湯タンク２側には設けられていない。

上記実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置１によれば、ヒートポンプユニット３は建築物の壁面に取付けられ、貯湯タンク２は地面に設置されているので、貯湯タンク２の重量を支持するために建築物の基礎や構造部分を補強する必要がなく、既存の集合住宅等にも容易に設置できる。また、ヒートポンプユニット３を壁面に取り付けるものであるから、ヒートポンプユニット３から各部屋までの給湯管路や電気配線を短くすることができ、配管の通水過程における湯温の低下や、電気的ノイズの混入を抑制できる。また、ヒートポンプユニット３を薄型に構成したので、隣接建築物との隙間が狭い場合でも設置作業が容易であるとともに、空気熱交換部からの排気のショートサイクルによるＣＯＰ低下を抑制できる。

図２は本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置を示し、上記第１実施形態と同様の構成については同符号を付して詳細説明を省略するとともに、異なる構成、作用効果について説明する。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１は、室内の換気システムと併せて用いられるものであって、該換気システムは、建築物の天井部分に室内空間を外気に連通させるように設けられた外気導入ダクト２１並びに排気ダクト２２と、外気導入ダクト２１と排気ダクト２２とを連通させるバイパスダクト２３と、排気ダクト２２の出口部に配設された上記空気熱交換用ファン５ｂと、バイパスダクト２３と排気ダクト２２との接続部に設けられた採り入れ外気量調節用のダンパ２４とにより主構成されている。該ダンパ２４は、ダクト外面に取り付けられたアクチュエータ２５によって、排気ダクト２２を全開し且つバイパスダクト２３を閉じる換気全開位置から、排気ダクト２２を閉じバイパスダクト２３を全開する換気全閉位置まで回動可能であり、その中間位置においては各ダクト２２，２３の開量を無段階に調節できるようになっている。このバイパスダクト２３の排気ダクト２２への開口部が、外気を排気ダクト２２に採り入れる外気採入部として構成されており、この外気採入部からの採り入れ外気量がダンパ２４によって調節できるようになっている。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置１のケーシング１０は、排気ダクト２２の出口部を覆うように壁面に取り付けられ、フィン５ａ並びにファン５ｂが排気ダクト２２の出口部に配設され、而して、空気熱交換用ファン５ｂが、室内空気の換気用ファンとして兼用されている。なお、図示実施例では、湯水通路機構部９、ブレーカー１５、リモコン１６、接続端子１７，１８、入水管接続部１１並びに出湯管接続部１２が図示されていないが、必要に応じて第１実施形態と同様に設けることができる。

本実施形態によれば、冬季において室内の暖かい空気を利用してヒートポンプにより湯水の加熱をすることができるので、冬季におけるＣＯＰの低下を抑制できる。また、換気要求の有無やヒートポンプ動作要求の有無に応じてダンパ２４を切り換えることにより、換気とヒートポンプ動作とを個別に行わせることも可能であり、換気システムとヒートポンプ式給湯システムの施工のトータルコストを節減できる。

ダンパ制御の一例を説明すると、換気要求が無く、ヒートポンプ動作要求がある場合は、ダンパ２４を換気全閉位置としてヒートポンプユニット３を作動させることにより、換気することなく湯水の加熱を行うことができる。

一方、換気要求もヒートポンプ動作要求もある場合は、ダンパ２４を中間位置（若しくは換気全開位置）としてヒートポンプユニット３を作動させることにより、換気と湯水の加熱とを同時に行うことができる。かかる制御中に換気能力の増加要求がある場合、ヒートポンプ能力の増加も要求される場合は、ダンパ２４を換気全開位置側に回動させ及び／又はコンプレッサー並びにファン５ｂの出力を上げることにより、換気能力並びにヒートポンプ能力の双方を増加でき、ヒートポンプ能力の増加要求は無い場合は、ダンパ２４を換気全開位置側に回動させるか、ファン５ｂの出力を増加させることで室内からの排気量を増加させることができる。また、上記制御中に換気能力の増加要求が無い場合にヒートポンプ能力の増加要求がある場合は、ヒートポンプのコンプレッサー並びにファン５ｂの出力を増加させるとともに、ダンパ２４を換気全閉位置側に若干量回動させることにより、室内からの排気量を変えることなくヒートポンプ能力を向上できる。

また、換気要求はあるがヒートポンプ動作要求は無い場合は、ダンパ２４を換気全開位置としてファン５ｂを動作させ、ヒートポンプのコンプレッサーを停止させることで、換気は行うがヒートポンプの作動による湯水の加熱は停止できる。

上記したヒートポンプ式給湯装置は、電気料金が安い深夜時間帯に貯湯タンク２の保有熱量が最大となるまでヒートポンプユニット３を作動させ、その他の時間帯は深夜までの使用予測熱量に応じて極力消費電力を抑えるように作動させるのが好ましい。例えば、特定時間帯（深夜時間帯）以外のその他の時間帯においては、通常時は最低能力でヒートポンプユニットを作動させ、現在の運転能力で特定時間帯までの平均使用予測熱量及び／又は最大使用予測熱量が確保できないと判断される場合のみヒートポンプユニットの能力を増加させるように制御することができる。また、最低能力運転中に、最大使用予測熱量以上の熱量がタンク内に貯留されたと判断される場合は、ヒートポンプユニットの作動を停止させることができる。なお、いずれの場合においても、ヒートポンプの最低能力運転をタンク内貯蓄可能熱量が最大となるまで継続させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。例えば、上記したヒートポンプユニット３やダンパ２４等の各動作部の制御のすべてを制御部８で行ってもよく、一部の制御を別途設けた制御装置によって行わせることも可能である。また、ヒートポンプユニット３に設けた上水管接続部１１から供給される冷水と、貯湯タンク２から供給される温水とを混合して、操作装置１６により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット３内に設けてもよい。さらに、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプとをヒートポンプユニット内に備えることができる。また、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていても良い。

本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の模式断面図である。本発明の第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の模式断面図である。

１ヒートポンプ式給湯装置
２貯湯タンク
３ヒートポンプユニット
４湯水配管
５空気熱交換部
６湯水熱交換部
７熱媒配管
８制御部

Claims

湯水を貯留する貯湯タンクと、ヒートポンプユニットとを備え、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプユニットとは別体に構成され、前記ヒートポンプユニットは壁掛け型に構成されており、
前記ヒートポンプユニットは建築物の壁面に取付けられ、前記貯湯タンクは地面に設置されており、
室内への給湯配管接続部が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは、空気と熱媒との間で熱交換することにより熱媒に熱を供給する空気熱交換部と、熱媒と前記湯水との間で熱交換することにより湯水に熱を供給する湯水熱交換部と、空気熱交換部と湯水熱交換部との間で循環流路を形成する熱媒配管と、ヒートポンプユニットにおける各種制御を司る制御部とを備え、該制御部が前記空気熱交換部と湯水熱交換部との間で前記熱媒配管に並設されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置において、空気熱交換部の下方に湯水熱交換部が配置されており、ヒートポンプユニットを貯湯タンクに接続するための配管接続部が、ヒートポンプユニットの下端部に設けられていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、室内に設置した操作装置との電気配線の接続端子が、ヒートポンプユニットに設けられており、貯湯タンク側には設けられていないことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、前記ヒートポンプユニットは空気熱交換用ファンを備え、該ファンが、室内空気の換気用ファンとして兼用されることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項５に記載のヒートポンプ式給湯装置において、空気熱交換用ファンは、室内空間を外気に連通させる排気ダクトに設けられ、ファンよりも室内側で排気ダクトには、外気を導入する外気採入部が設けられており、該外気採入部には、採り入れ外気量を調節するダンパが設けられていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、ヒートポンプユニットに設けた上水管接続部から供給される冷水と、貯湯タンクから供給される温水とを混合して、操作装置により設定された温度に調整された湯を作り出す湯水混合機構をヒートポンプユニット内に設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ式給湯装置において、浴槽水の加熱に使用する湯水熱交換器と浴槽水の搬送に使用する循環ポンプ、及び／又は、高温水を浴槽内に注湯する機構をヒートポンプユニット内に備えていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。