JP4926621B2

JP4926621B2 - ヒートポンプ給湯システム

Info

Publication number: JP4926621B2
Application number: JP2006239741A
Authority: JP
Inventors: 永治桑原
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2026-09-05
Also published as: JP2008064330A

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯システムに関する。

ヒートポンプ給湯システムを利用して施設の温排水から広く排熱を回収するシステムが以下の特許文献１において提案されている。この特許文献１においては、例えば、温排水として風呂の残水を利用する場合には、風呂と排水の回収配管を接続し、温排水の流れを調整する流量調整部を介して吸熱部を有する熱回収部において温排水から熱を回収して放熱部を有する蓄熱部に送るといった技術が開示されている。
特開２００５−１２７６２０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されているような排熱回収システムでは冷凍サイクルが１つしか設けられていないため、温排水のみから熱回収を行うにあたってもともと湯であった排水が温度が下がって水になってしまうと、効率的な排熱回収を行うことができない。また、上記排熱回収システムにおける排水管には、湯だけではなく水も含んだ全ての排水が熱回収手段に流れ込むようにされてくるため、排水管内を流れる排水の温度が低くなる傾向にあり、一層効率的な排熱回収を行うことができない。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、排水の温度に合わせて使用できる複数設けられた冷凍サイクルを使い分けるとともに、排湯のみを排湯タンクに流入させることでより経済的、高効率に熱回収を行うことを可能としたヒートポンプ給湯システムを提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、ヒートポンプ給湯システムにおいて、圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した第１の冷凍サイクルと、前記第１の膨張弁及び前記空気熱交換器と並列となるように前記水熱交換器と前記圧縮機との間に第２の膨張弁及び熱回収用熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口から排水された場合に、前記排湯を貯めるとともに前記熱回収用熱交換器を備える排湯タンクと、前記排湯タンク内の排湯量を検出する排湯水位センサと、前記排湯タンク内の排湯温度を検出する排湯温度センサと、外気温を検出する外気温センサと、浴槽の湯を排湯タンクに排水する排水管に設けられた風呂排湯弁と、前記排湯タンク内の排湯の量及び温度を基に前記第１の冷凍サイクルまたは前記第２の冷凍サイクルのいずれかを選択する制御手段と、を備え、前記制御手段は、浴槽の湯を排湯タンクに排水する時は、前記排湯水位センサからの検出結果を基に、前記風呂排湯弁の開閉を制御することを特徴とする。

本発明によれば、排水の温度に合わせて使用できる複数設けられた冷凍サイクルを使い分けるとともに、排湯のみを排湯タンクに流入させることでより経済的、高効率に熱回収を行うことを可能としたヒートポンプ給湯システムを提供する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１を住宅に設置した例を示した模式図である。

図１に示すように、ヒートポンプ給湯システム１は、大きく分けてヒートポンプユニット１０と、貯湯ユニット３０と、供給された湯が使用される各使用場所５０、使用され排水された湯（以下、「排湯」という。）を貯める排湯タンク７０とから構成されている。ヒートポンプユニット１０と貯湯ユニット３０とはいわゆる水サイクル２１で、貯湯ユニット３０と各使用場所５０とは給湯管４０で、各使用場所５０と排湯タンク７０とは排水管６０（６０ａないし６０ｄ）で、排湯タンク７０とヒートポンプユニット１０とは冷媒配管とでそれぞれ接続されている。また、ヒートポンプ給湯システム１は、制御手段９０によってそのシステムが制御されている。

ヒートポンプユニット１０は、冷凍サイクルにおいてサイクル内を循環する冷媒を圧縮する圧縮機１１と、冷媒の熱を利用して水を温める水熱交換器１３と、第１の膨張弁１４と、第１の膨張弁１４を通ってきた水熱交換器１３で液体となった冷媒を気体にする空気熱交換器１５とを順次配管接続した第１の冷凍サイクル１６が設けられている。さらに、第１の膨張弁１４及び空気熱交換器１５と並列となるように水熱交換器１３と圧縮機１１との間に第２の膨張弁１７及び熱回収用熱交換器１８を順次配管接続した第２の冷凍サイクル１９を備える。さらに、第１及び第２の冷凍サイクルが運転される場合に、後述する貯湯タンクから水を水熱交換器１３に送るポンプ２０が貯湯タンクと水熱交換器１３との間に設けられている。

第１の冷凍サイクル１６では、蒸発器として空気熱交換器１５を用いており、この空気熱交換器は外気を取り入れて冷媒を気体にする。一方、第２の冷凍サイクル１９では、蒸発器として熱回収用熱交換器１８を用いており、この熱回収用熱交換器１８は排湯タンク７０内に設けられている。熱回収用熱交換器１８では排湯タンク７０内の排湯を利用して熱回収を行い冷媒を気体にする。

貯湯ユニット３０は、冷凍サイクルを利用して生成された湯を貯める貯湯タンク３１と、貯湯タンク３１の湯と水道水を混合して各使用場所５０に給湯する混合弁３２と、浴槽に給湯する混合弁３３とから構成される。

ここで、ヒートポンプ給湯システムにおける冷凍サイクルについて、上述の第１の冷凍サイクル１６を例に簡単に説明する。まず、気体である冷媒は圧縮機１１において圧力が掛けられて高温高圧にされ水熱交換器１３に供給される。一方、水道から供給された水は、貯湯ユニット３０を構成する貯湯タンク３１から水配管を介してポンプ２０にて水熱交換器１３に送られる。水熱交換器１３内では、冷媒と水との間で熱交換が行われる。すなわち、冷媒の熱がポンプ２０によって水熱交換器１３に送り込まれた水を熱し、冷媒はこの水によって冷やされて気体から液体に変化する。熱せられた水は、湯となって貯湯タンク３１に貯えられ、また、この湯は混合弁３２または混合弁３３を通って、風呂場等の各使用場所５０に供給される。水熱交換器１３によって熱を奪われ液体になった冷媒は第１の膨張弁１４、空気熱交換器１５、或いは第２の膨張弁１７、熱回収用熱交換器１８によって再び気体にされてこれまでのサイクルを繰り返す。

貯湯タンク３１に貯められている湯は、給湯管４０を介して各使用場所５０へ供給される。本発明の実施の形態においては、図１に示すように湯の使用場所５０の例として、浴室５１、洗面所５２、台所５３が表わされている。浴室５１では、浴槽５１ａに湯が張られ、シャワー５１ｂで湯を使用することができるようにされている。また、洗面所５２では顔や手を洗うために湯が使用され、台所５３では料理をする際に湯が使用される。

各使用場所５０で使用された湯や水は、排水管６０を介して排水される。本発明の実施の形態においては、浴室５１の洗い場、洗面所５２、台所５３にそれぞれ排水管６０ａ、６０ｂ、６０ｃが接続され、床下直下の位置において排水温度センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃが設けられている。この排水温度センサ６１ａないし６１ｃ（以下、適宜「排水温度センサ６１」という。）は、各使用場所５０からの排水の温度を検出するために用いられる。

排水温度センサ６１によって排水が所定の温度以上であることが検出された場合には、湯であるとして切換弁６２ａないし６２ｃ（本発明の実施の形態においては、切換弁として三方弁を使用している。）によって温排水管６３に排水される。一方、所定の温度以下であるとされた場合は、水であるとして三方弁６２ａないし６２ｃによって冷排水管６４に排水される。そして、浴槽５１ａに張られていた湯が排水される場合は、その有している熱量から排水管６０ｄを介して必ず温排水管６３に排水される。

冷排水管６４に排水された水からは熱回収を行うことができないため、そのまま屋外へ排水される。一方、温排水管６３に排水された湯は、排湯タンク７０に供給される。排湯タンク７０には、上述した第２の冷凍サイクル１９を構成する熱回収用熱交換器１８が設けられている。この排湯タンク７０に供給された排湯の熱を熱回収用熱交換器１８によって回収することで貯湯運転を行う。

排湯タンク７０には、温排水管６３を通って排水され、排湯タンク７０に供給された排湯の量を検出する排湯水位センサ７１と、その排湯の温度を検出する排湯温度センサ７２と、外気温を検出する外気温センサ７３が設けられている。また、排湯タンク７０に供給された排湯を屋外に排水するための排水弁７４も設けられている。なお、この排湯タンク７０は、温排水管６３との接続が確保されていればその設置場所は問わない。

制御手段９０は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯システム１のシステム全体を制御している。図１では図示の都合上、第１の膨張弁１４、空気熱交換器１５，第２の膨張弁１７との間の接続のみを例示し、その他のヒートポンプ給湯システム１の各部との接続を省略している。制御手段９０の内部は、図２に示すように、排水温度センサ６１、排湯水位センサ７１、排湯温度センサ７２、外気温センサ７３の各センサから送信される検出結果を受け入れる入力手段９１と、入力された検出結果を比較する比較手段９２と、比較された結果、ヒートポンプ給湯システム１の各部をどのように制御するかを判断する判断手段９３と、判断手段９３での判断結果に基づく指示を例えば、各管に設けられている各種弁やヒートポンプユニット１０を構成する各機器へ送信する出力手段９４とを備える。

次に、排湯タンク７０に供給された排湯を利用したヒートポンプ給湯システム１の運転手順を図３及び図４のフローチャートに基づいて説明する。

まず、各使用場所５０で湯が使用された場合に、その湯（排湯）を利用して貯湯運転を行う場合について説明する。

各使用場所５０で使用された水や湯は排水管６０を介して排水される。その際、各使用場所５０に接続される排水管６０に設けられている排水温度センサ６１が排水管６０を流れる排水の温度を検出する（ＳＴ１）。ここで排水の温度を検出するのは、排水の温度によって排水を湯と水とに選別し、分けて排水するためである。このように排水を湯と水と選別して排水することによって排湯タンク７０に水が供給されることを避けることができ、熱回収用熱交換器１８がより効率よく排湯から熱の回収を行うことができる。

排水温度センサ６１で検出された排水の温度データは、制御手段９０内の入力手段９１を介して比較手段９２に入力される。比較手段９２では、排水を湯と水とに選別する基準となる温度と入力された排水の温度とを比較する。本発明の実施の形態においては、この基準となる温度を予め「外気温＋５℃」と設定している。但し、この基準温度は排湯タンク７０に供給された湯から熱回収用熱交換器１８が熱を回収することができる温度であれば、どのような温度に設定するかは任意である。

比較手段９２では、排水温度センサ６１から送信された排水の温度が外気温＋５℃であるか否かを比較する（ＳＴ２）。排水の温度が外気温＋５℃未満であった場合には（ＳＴ２のＮ）、この排水からは効率よく熱を回収することができないと判断することができるので、判断手段９３は三方弁６２を冷排水管６４に接続するように指示を出し（ＳＴ３）、冷排水管６４に排水する（ＳＴ４）。

排水の温度が外気温＋５℃以上であった場合には（ＳＴ２のＹ）、判断手段９３からの指示により三方弁６２が温排水管６３に接続するように切り替えられ（ＳＴ５）、温排水管６３を介して排湯タンク７０に排水される（ＳＴ６）。

排湯タンク７０では、温排水管６３から供給された排湯の温度を排湯温度センサ７２で検出する（ＳＴ７）。この箇所で温度を検出するのは、温排水管６３を通ってくる途中で排湯の温度が下がってしまい熱回収用熱交換器１８が効率よく排湯から熱の回収を行うことができなくなることを避けるためである。排湯温度センサ７２で検出された排湯の温度データは、比較手段９２に入力され、予め設定されている所定の温度と入力された排湯の温度とが比較される（ＳＴ８）。この所定温度は任意に設定することができる。

もし温排水管６３を通ってくる途中で排湯の温度が下がってしまい、排湯タンク７０内の排湯が所定の温度を保っていない場合には（ＳＴ８のＮ）、判断手段９３はその排湯を屋外に排水するために排水弁７４を開くよう指示を出し（ＳＴ９）、排水を行う（ＳＴ１０）。

排湯タンク７０に供給された排湯が所定の温度を保っている場合には（ＳＴ８のＹ）、さらに排湯水位センサ７１によって排湯タンク７０内の排湯の水位を検出する（ＳＴ１１）。ここで排湯タンク７０内の水位を見るのは、排湯タンク７０内に設けられている熱回収用熱交換器１８が機能するだけの排湯の量がないと効率の良い熱回収ができないからである。従って、熱回収用熱交換器１８が機能すればこの水位は任意に定めることができるる。排湯水位センサ７１による検出結果により、所定の水位がない場合には（ＳＴ１２のＮ）、所定の温度がない場合同様、判断手段９３は排湯タンク７０内の排湯を屋外に排水するために排水弁７４を開くよう指示を出し（ＳＴ９）、排水を行う（ＳＴ１０）。

判断手段９３によって、排湯タンク７０内に熱回収用熱交換器１８が排湯から熱を回収するにあたって十分な排湯量があると判断した場合には（ＳＴ１２のＹ）、貯湯運転を開始する（ＳＴ１３）。具体的には、第１の膨張弁１４（フローチャートでは「ＰＭＶ１」と表わしている。）を閉じるとともに第２の膨張弁１７（ＰＭＶ２）を開いて（ＳＴ１４）、第２の冷凍サイクル１９を用いて貯湯タンク３１に湯を貯める。

貯湯タンク３１には、図１において図示していない温度センサが設けられている。貯湯タンク３１には上部から湯が供給され、下部から水道水が供給され、貯湯タンク３１内において特に仕切を設けなくとも湯と水が混ざることなくそれぞれ貯められている。この温度センサは貯湯タンク３１の下部に設けられている。貯湯タンク３１上部から供給される湯が温度センサが設けられている位置まで到達し、温度センサが予め定められている所定の湯温を検出することができれば、貯湯タンク３１いっぱいに湯が貯められていると判断することができる。

そのため、比較手段９２は、貯湯タンク３１に設けられた温度センサによって検出された温度を予め設定されている所定の温度と比較し（ＳＴ１５、ＳＴ１６）、その結果に基づいて、判断手段９３によって貯湯タンク３１いっぱいに湯が貯められているか否かが判断される。比較の結果、所定の温度に達していない場合は、まだ貯湯タンク３１には湯が十分に貯められていないと判断することができるので（ＳＴ１６のＮ）、さらに貯湯運転を継続する（ＳＴ１７）。

貯湯運転中は、随時、排湯タンク７０内の排湯の温度と外気温とが比較される。排湯の温度が外気温以下となると、第２の冷凍サイクル１９の熱回収用熱交換器１８を用いて排湯タンク７０に供給された排湯から熱の回収を行うよりも、第１の冷凍サイクル１６を構成する空気熱交換器１５を用いて熱回収を行った方が効率が良いからである。従って、図４のフローチャートに示すように、比較手段９２による排湯の温度と外気温との比較の結果、排湯の温度が外気温以下となった場合には（ＳＴ１７ａのＹ）、第２の膨張弁１７を締めて第１の膨張弁１４を開き（ＳＴ１７ｂ）、第１の冷凍サイクル１６を用いて貯湯運転を継続する（ＳＴ１７ｃ）。

また、貯湯運転中は、随時貯湯タンク３１に設けられた温度センサからの温度検出結果のデータも制御手段９０に送信される。送られてきた温度データから貯湯タンク３１内の温度が所定の温度に達したと判断できる場合には（ＳＴ１６のＹ）、貯湯タンク３１内に十分湯が貯められたと判断することができるので、貯湯運転を終了する（ＳＴ１８）。貯湯運転が終了すると、冷凍サイクルの運転が止まるが、排湯温度センサ７２によって排湯タンク７０内の排湯の温度が検出される（ＳＴ１９）。排湯の温度がまだ所定の温度を保っている場合には（ＳＴ２０のＹ）、さらに排湯水位センサ７１によって排湯タンク７０内の水位を検出する（ＳＴ２１）。所定の水位を満たしている場合は（ＳＴ２２のＹ）、その後に貯湯運転を行うまでその排湯を排湯タンク７０内に貯めておく。一方、所定の温度に満たない場合や（ＳＴ２０のＮ）所定の水位を満たしていない場合（ＳＴ２２のＮ）には、判断手段９３は排湯タンク７０内の排湯を屋外に排水するために排水弁７４を開くよう指示を出し（ＳＴ９）、排水を行う（ＳＴ１０）。

次に、浴槽５１ａに残った湯を利用した貯湯運転について説明する。浴槽５１ａに残った湯を利用した貯湯運転は深夜電力を用いて行われる。そのため電気代を節約することができる。

浴槽５１ａに残った湯が排水される場合は、その残り湯が有している熱量から排水管６０ｄを介して必ず温排水管６３に排水される。但し、浴槽５１ａの容量（残り湯の量）に比して、排湯タンク７０の容量は小さいため、一気に排湯タンク７０に残り湯が供給されると排湯タンク７０からオーバーフローしてしまう。排湯タンク７０にはオーバーフローした場合に備えて排水管が設けられているが（図示せず）、熱量の大きな風呂の残り湯をオーバーフローさせるのは無駄である。そこで、残り湯が持っている熱量を余すところなく利用するために、排湯タンク７０内の排湯水位センサ７１からの検出結果を基に、制御手段９０が風呂排湯弁６５の開閉を制御して適切な量が排湯タンク７０に供給されるようにする。

具体的な貯湯運転は、図３のフローチャートに示すステップ７以下、上述した各使用場所５０からの排湯を利用した貯湯運転の場合と同様である。そして、排湯水位センサ７１による排湯タンク７０内の水位の検出結果から浴槽５１ａの残り湯がなくなったと判断されるまで、或いは、貯湯タンク３１の温度センサによる貯湯タンク３１内の湯量の検出結果から貯湯タンク３１に十分な湯が貯められたと判断されるまで貯湯運転が行われる。

このように排水の温度に合わせて使用できる複数設けられたヒートポンプサイクルを使い分けるとともに、排湯のみを排湯タンクに流入させることでより経済的、高効率に熱回収を行うことを可能としたヒートポンプ給湯システムを提供する。

また、上述した各使用場所５０からの排湯を利用した貯湯運転は、各使用場所５０で使用された湯の量に近い量の湯を使用される都度貯湯タンク３１に貯めることができる。さらに、深夜電力により浴槽の残水を利用して貯湯運転を行うに際しても、既に昼間に第２の冷凍サイクルを用いて貯湯していることから貯湯タンクの全量分を貯湯しなくて済むので、経済的かつ効率良く貯湯運転を行うことができる。しかも貯湯タンク３１及び排湯タンク７０の大きさを小さくすることができるので、ヒートポンプ給湯システム全体の大きさを小さくすることもできる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムの制御手段の内部構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る貯湯運転の流れを示すフローチャートである。本発明の実施の形態に係る貯湯運転の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１…ヒートポンプ給湯システム、１０…ヒートポンプユニット、１１…圧縮機、１３…水熱交換器、１４…第１の膨張弁、１５…空気熱交換器、１６…第１の冷凍サイクル、１７…第２の膨張弁、１８…熱回収用熱交換器、１９…第２の冷凍サイクル、３０…貯湯ユニット、５０…各使用場所、６０…排水管、７０…排湯タンク

Claims

圧縮機、水熱交換器、第１の膨張弁、空気熱交換器を順次配管接続した第１の冷凍サイクルと、
前記第１の膨張弁及び前記空気熱交換器と並列となるように前記水熱交換器と前記圧縮機との間に第２の膨張弁及び熱回収用熱交換器を順次配管接続した第２の冷凍サイクルと、
前記水熱交換器の水回路に連結し前記水熱交換器で生成した湯を貯留する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから使用場所へ供給され使用された湯が排水口から排水された場合に、前記排湯を貯めるとともに前記熱回収用熱交換器を備える排湯タンクと、
前記排湯タンク内の排湯量を検出する排湯水位センサと、
前記排湯タンク内の排湯温度を検出する排湯温度センサと、
外気温を検出する外気温センサと、
浴槽の湯を排湯タンクに排水する排水管に設けられた風呂排湯弁と、
前記排湯タンク内の排湯の量及び温度を基に前記第１の冷凍サイクルまたは前記第２の冷凍サイクルのいずれかを選択する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、浴槽の湯を排湯タンクに排水する時は、前記排湯水位センサからの検出結果を基に、前記風呂排湯弁の開閉を制御することを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
前記制御手段は、前記排湯タンクに貯める湯を深夜電力時間帯は浴槽の湯とし、昼間は排水口から排水される湯として前記第２の冷凍サイクルを運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。
前記制御手段は、前記排湯タンク内の排湯を利用して前記第２の冷凍サイクルを運転し、当該排湯タンク内の排湯の温度が所定温度以下に低下したときには、該排湯タンク内の排湯を排水すると共に、前記風呂排湯弁を開き、浴槽の湯を排湯タンクに導いて前記第２の冷凍サイクルを運転することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。