JP5078421B2 - ヒートポンプ給湯床暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯床暖房装置に関わり、特に、給湯と床暖房を同時に行なう場合の運転制御に関するものである。

近年、ヒートポンプ給湯機の普及に伴い、給湯機能の他に床暖房機能を備えたものが提案されている。

このようなヒートポンプ給湯機として、例えば、毎日、夜中に長時間（約５〜６時間）ヒートポンプ運転を行なって給湯用水熱交換器で加熱した高温水（約６５〜８５℃）を３７０〜４６０Ｌの大きな貯湯タンクに貯えておき、使用する度に貯湯水に水を混ぜて約４０℃の適温水としてから給湯する給湯機能と、膨張タンクに蓄えた水をポンプで循環させながらヒートポンプの床暖房用水冷媒熱交換器で加熱し、床暖房パネルで放熱させる床暖房機能とを備えたヒートポンプ給湯暖房装置が開示されている（特許文献１参照。）。

一方、貯湯タンクを小形軽量化させるため、従来の貯湯式に較べてヒートポンプの加熱能力を大幅に向上させ、給湯使用時にヒートポンプ運転を行って使用温度に応じて加熱した湯を直接給湯する機能と、暖房機能を備えたヒートポンプ給湯暖房機が開示されている（特許文献２参照。）。

このヒートポンプ給湯暖房機は、給湯と暖房の同時運転時において、１系ヒートポンプサイクルを床暖房用、２系ヒートポンプサイクルを給湯用とし、給湯使用量が多くなり２系ヒートポンプサイクルの加熱能力で足りないときに、床暖房用冷媒の一部を給湯用に移行させるか、又は床暖房を一時中止して１系ヒートポンプサイクルを給湯用として使用するようにしている。

特開２００５−２７４０２１号公報 特開２００４−２７８８７６号公報

ところで、特許文献１の貯湯式ヒートポンプ給湯暖房装置では、大きな貯湯タンクが必要とされるため、ヒートポンプユニットとタンクユニットを別個に設け、大きな設置面積や充分な下地強度を必要としていた。また、もともと長時間かけて貯湯する能力しか持たないため、貯湯運転と床暖房運転を同時に行った場合は、貯湯能力低下または床暖房温度低下をまねくおそれがあり、日中の給湯使用量が多い場合はタンクの湯切れを生じるおそれがある。

これに対し、特許文献２の直接給湯式ヒートポンプ給湯暖房機では、大容量のヒートポンプ装置を２個備えているため、貯湯運転と床暖房運転を同時に行った場合の貯湯能力低下のおそれは解消され、また、使用時にヒートポンプ運転を行なうため、タンク湯切れのおそれも解消される。

しかしながら、２サイクルの直接給湯式ヒートポンプにおける床暖房の付加機能は、提案されてから月日が浅く、２サイクルの特徴が充分に活かされていないことから、より適正な運転制御が求められている。

本発明は、２サイクルの直接給湯式のヒートポンプ給湯床暖房装置において、給湯と床暖房の２種類の用途に対する運転制御の最適化を図り、運転効率を向上させることを課題とする。

本発明は、従来の床暖房機能を備えた貯湯式ヒートポンプ給湯暖房装置における湯切れや、給湯及び床暖房の同時運転時の加熱能力不足の問題については、直接給湯式、２サイクル、大容量ヒートポンプを適用することにより解消できる。また、このようなヒートポンプ給湯床暖房装置において、圧縮機の回転速度と膨張弁開度の制御について検討した結果、以下の構成により制御を行うことにより、従来の課題を解消したヒートポンプ給湯床暖房装置を提供するものである。

すなわち、本発明は、第１の圧縮機、第１の給湯用熱交換器、第１の給湯用膨張弁、第１の蒸発器、及び床暖房用熱交換器、床暖房用膨張弁を備え、第１の給湯用熱交換器及び第１の給湯用膨張弁は、床暖房用熱交換器及び床暖房用膨張弁と並列に接続される１系ヒートポンプ冷媒回路と、第２の圧縮機、第２の給湯用熱交換器、第２の給湯用膨張弁、第２の蒸発器を備えて構成される２系ヒートポンプ冷媒回路と、第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を給湯金具から直接給湯する直接給湯回路と、床暖房用熱交換器で加熱した温水を循環させる床暖房回路と、第１と第２の圧縮機の回転速度、第１と第２の給湯用膨張弁及び床暖房用膨張弁の開度を制御する運転制御手段とを備えたヒートポンプ給湯床暖房装置において、運転制御手段は、給湯と床暖房を同時運転するとき、圧縮機回転速度の制御量を１系、２系とも給湯用熱交換器の水出口温度とし、圧縮機回転速度の目標値を１系は給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値のうち高い方、２系は給湯温度目標値とし、給湯用膨張弁の開度の制御量を１系、２系とも蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度、目標値を蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値とし、床暖房用膨張弁開度の制御量を床暖房往き温度、目標値を床暖房往き温度目標値とすることを特徴としている。

これによれば、給湯と床暖房の同時運転時において、１系のヒートポンプ冷媒回路は、第１の圧縮機の回転速度、第１の給湯用膨張弁及び床暖房用膨張弁の開度、２系のヒートポンプ冷媒回路は、第２の圧縮機の回転速度、第２の給湯用膨張弁が、それぞれ制御量と目標値を定めた制御テーブルに基づいて制御されるため、給湯温度と床暖房温度を同時にそれぞれの目標温度に制御することができる。これにより、給湯と床暖房の同時運転時における２サイクル方式の最適制御化を図ることができ、運転効率を向上することができる。

この場合において、第１の給湯用熱交換器の水側伝熱管出口と第２の給湯用熱交換器の水側伝熱管出口に、それぞれ温度サーミスタを備えるようにしてもよい。このようにすれば、給湯用熱交換器で加熱された熱交水出口温度を１系、２系で個々に検知できるため、それぞれの圧縮機回転速度により水側伝熱管出口温度を目標値にあった適切な温度に制御することができ、給湯温度の安定化を図ることができる
また、運転制御手段は、床暖房往き温度目標値を使用条件によって変更する修正機能を備えるようにしてもよい。これによれば、例えば、床暖房戻り温度の変化に基づいて、床暖房往き温度目標値を適宜変更できるため、床暖房温度の安定化を図ることができる。

また、第１と第２の給湯用熱交換器を一体化させ、第１と第２の給湯用熱交換器の給水側伝熱管が合流した直後の位置に、熱交サーミスタを設けるようにしてもよい。このように、給湯用熱交換器を一体化することにより、構造を簡素化できるだけでなく、熱交換器の表面積が小さくできるため、放熱ロスを低減することができる。

また、上記の運転制御手段は、第１の圧縮機、第１の給湯用熱交換器、第１の給湯用膨張弁、第１の蒸発器、及び床暖房用熱交換器、床暖房用膨張弁を備え、第１の給湯用熱交換器及び第１の給湯用膨張弁は、床暖房用熱交換器及び床暖房用膨張弁と並列に接続されて構成される１系ヒートポンプ冷媒回路と、第２の圧縮機、第２の給湯用熱交換器、第２の給湯用膨張弁、第２の蒸発器から構成される２系ヒートポンプ冷媒回路と、第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を給湯金具から直接給湯する直接給湯回路と、床暖房用熱交換器で加熱した温水を循環させる床暖房回路と、第１と第２の給湯用熱交換器、給湯混合弁、第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を貯える貯湯タンク、機内循環ポンプから構成される貯湯回路と、第１と第２の給湯用熱交換器により加熱された温水と貯湯タンクに貯えた温水とを混合して給湯金具から給湯するタンク給湯回路と、第１と第２の圧縮機の回転速度、第１と第２の給湯用膨張弁及び床暖房用膨張弁の開度を制御する運転制御手段とを備えたヒートポンプ給湯床暖房装置にも適用することができる。

このように、貯湯タンクに温水を貯える機能を備えていれば、例えば、ヒートポンプ冷媒回路の立ち上がり直後において、加熱能力が充分でないとき、直接給湯運転による温水に貯湯タンクの高温の温水を混ぜて給湯することができるため、給湯性能を向上できる。

本発明によれば、２サイクルの直接給湯式のヒートポンプ給湯床暖房装置において、給湯と床暖房の２種類の用途に対する運転制御の最適化を図り、運転効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施例を図１〜図６を用いて説明する。

図１において、ヒートポンプ給湯床暖房装置は、１系ヒートポンプ冷媒回路４１及び２系ヒートポンプ冷媒回路４２の２サイクルからなるヒートポンプ冷媒回路４０、給湯回路４５、床暖房回路５０及び運転制御手段５５を備えて構成されている。

ヒートポンプ冷媒回路４０、給湯回路４５及び床暖房回路５０の各構成部品は同一箱体内に一体的に収納されており、運転制御手段５５は給湯用リモコン５５ａ及び床暖房用リモコン５５ｂにより構成されている。なお、給湯回路４５の使用端末である台所蛇口１４、風呂循環アダプター２２を備えた浴槽２３、及び床暖房パネル３３、３４は、ヒートポンプ給湯床暖房装置と別個に準備し、使用する現地において給水金具６、台所出湯金具１３、入出湯金具２１、風呂出湯金具２５、床暖房用給湯金具３１、３２、及び床暖房用戻り金具３５にそれぞれ接続して使用するものである。

ヒートポンプ冷媒回路４０は床暖房及び給湯の加熱源としての働きをするもので、１系ヒートポンプ冷媒回路４１は、圧縮機１ａ、冷媒開閉弁２ａ、給湯用熱交換器３に配置されている冷媒側伝熱管３ａ、給湯用膨張弁４ａ、蒸発器５ａのそれぞれを冷媒配管で順次接続した給湯用密閉サイクル、及び圧縮機１ａ、冷媒開閉弁２ｃ、床暖房用熱交換器２７に配置されている床暖房用冷媒管２７ａ、床暖房用膨張弁４ｃ、蒸発器５ａのそれぞれを冷媒配管で順次接続した床暖房用密閉サイクルで構成されており、その中に冷媒が封入されている。

ここで、圧縮機１ａ及び蒸発器５ａは、給湯用密閉サイクル及び床暖房用密閉サイクルの共用部品として使用され、冷媒開閉弁２ａ、２ｃの開閉及び床暖房用膨張弁４ｃの開閉によって、給湯用密閉サイクルと床暖房用密閉サイクルとの切換えを行なうものである。また、床暖房用熱交換器２７及び床暖房用膨張弁４ｃは、給湯用熱交換器３及び給湯用膨張弁４ａと並列に設けてある。

２系ヒートポンプ冷媒回路４２は、圧縮機１ｂ、冷媒開閉弁２ｂ、給湯用熱交換器３に配置されている冷媒側伝熱管３ｂ、給湯用膨張弁４ｂ、蒸発器５ｂのそれぞれを冷媒配管で順次接続した給湯用密閉サイクルで構成されており、その中に冷媒が封入されている。

圧縮機１ａ、１ｂは給湯用熱交換器３で加熱された温水を直接給湯する直接給湯式ヒートポンプ給湯機に適合できるような大容量で、かつ、給湯熱量に応じて回転速度を変えられる回転速度制御形圧縮機である。即ち、圧縮機１ａ、１ｂはＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組合せ制御により、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば７０００回転／分）まで回転速度制御されるようになっている。

給湯用熱交換器３は冷媒側伝熱管３ａ、３ｂ及び給水側伝熱管３ｃ、３ｄを備えており、冷媒側伝熱管３ａ、３ｂと給水側伝熱管３ｃ、３ｄとの間で熱交換を行なうように構成されている。

膨張弁４ａ、４ｂ、４ｃは、給湯用熱交換器３、床暖房用熱交換器２７を経て送られてくる中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として蒸発器５ａ、５ｂへ送る。また、ヒートポンプ給湯床暖房装置の場合、膨張弁４ａ、４ｂ、４ｃは加熱能力に応じて冷媒通路の開度を変えてヒートポンプ回路内の冷媒循環量を調節する働きや、給湯用密閉サイクルにおいて絞り量を全開にして中温冷媒を蒸発器５ａ、５ｂに多量に送って霜を溶かす除霜装置の役目も行なうため、絞り量が可変で且つ応答性の良い電動膨張弁が適している。

また、前記蒸発器５ａ、５ｂはファン（図示せず）の回転によって外気を取り込み、空気と冷媒との熱交換を行なう空気冷媒熱交換器で構成されている。

次に、給湯及び床暖房運転時のヒートポンプ運転について説明する。

給湯運転は、圧縮機１ａ、１ｂで圧縮された高温高圧の冷媒が、冷媒開閉弁２ａ、２ｂを通って給湯用熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａ、３ｂに流入して給水側伝熱管３ｃ、３ｄを流れる給水を加熱し、膨張弁４ａ、４ｂで減圧された後に蒸発器５ａ、５ｂで低温低圧ガスとなった冷媒が圧縮機１ａ、１ｂに戻る。この冷媒循環を繰り返すことによって、給水を連続加熱し給湯することができる。

給湯運転において、圧縮機１ａ、１ｂは給水温度及び給湯温度などの給湯負荷に応じた回転速度制御を行なって運転される。

また、給湯用熱交換器３内で加熱された温水は、給水側伝熱管３ｃ、３ｄから合流して給湯混合弁１０、湯水混合弁１１、流量調整弁１２、台所出湯金具１３を経て、使用端末である台所蛇口１４から給湯される。

その間において、給湯混合弁１０は出口部の混合水サーミスタ１０ｓの検知温度が目標値になるよう混合弁開度を制御し、湯水混合弁１１は前記給湯混合弁１０で混合された温水が使用適温より高い場合に給水金具６からの水を混合して適温水とする役目をし、流量調整弁１２は端末使用状況と運転制御手段５５からの給湯温度指令に基づき給湯加熱温度を維持するため流量を調整するものである。

次に、床暖房運転は、１系ヒートポンプ冷媒回路４１を運転し、圧縮機１ａで圧縮された高温高圧の冷媒が冷媒開閉弁２ｃを通って床暖房用冷媒管２７ａに流入して床暖房用伝熱管２７ｂを流れる熱媒体を加熱し、膨張弁４ｃで減圧された後に蒸発器５ａで低温低圧ガスとなった冷媒が圧縮機１ａに戻る。この冷媒循環を繰り返すことによって、床暖房用熱媒体を連続加熱する。

また、床暖房用熱交換器２７内で加熱された熱媒体は床暖房用伝熱管２７ｂから分岐管２８、床暖房用開閉弁２９、３０及び床暖房用給湯金具３１、３２を経て床暖房パネル３３、３４の放熱管３３ａ、３４ａで床を加熱した後、床暖房用戻り金具３５、床暖房用タンク３６、床暖房用循環ポンプ３７、床暖房用熱交換器２７の熱媒体循環サイクルを形成し、床暖房用循環ポンプ３７の運転により循環され、床暖房用熱交換器２７内での加熱と床暖房パネル３３、３４での放熱を連続して行なうものである。

なお、床暖房パネル３３、３４の使い分けは床暖房用開閉弁２９、３０の開閉によって、各一個使用または同時二個使用を選択することができる。

次に、水系統の給湯回路について説明する。

給湯回路は、用途によって台所給湯回路、風呂給湯回路、風呂追焚回路及び貯湯タンク追焚回路がある。

給湯手段としてはヒートポンプ運転により給湯用熱交換器３で要求温度にあわせて加熱された温水を直接給湯する直接給湯回路と、予め貯湯されている貯湯タンク１５内の高温水に給水からの低温水を混ぜ適温として給湯するタンク給湯回路とがある。

台所給湯回路は、給水金具６、減圧弁７、給水水量センサ８、水用逆止弁９、給水側伝熱管３ｃ、３ｄ、給湯混合弁１０、湯水混合弁１１、流量調整弁１２、台所出湯金具１３が水配管を介して順次接続され構成されている。なお、給水金具６は水道などの給水源に接続され、台所出湯金具１３は台所蛇口１４などに接続されている。

風呂給湯回路は、給水金具６、減圧弁７、給水水量センサ８、水用逆止弁９、給水側伝熱管３ｃ、３ｄ、給湯混合弁１０、湯水混合弁１１、流量調整弁１２、風呂注湯弁１７、フロースイッチ１８、風呂循環ポンプ１９、水位センサ２０、入出湯金具２１が水配管を介して順次接続され構成されている。

風呂追焚回路は、入出湯金具２１、水位センサ２０、風呂循環ポンプ１９、フロースイッチ１８、風呂用熱交換器２４の風呂用水配管２４ｂ、風呂出湯金具２５が水配管を介して順次接続され構成されている。なお、入出湯金具２１は風呂循環アダプター２２を介して浴槽２３に接続されており、風呂給湯時は水位センサ２０側から浴槽２３側へ給湯し、風呂追焚き時には浴槽２３側から水位センサ２０側へ水循環するように構成されている。

また、風呂追焚き時には、風呂循環ポンプ１９を運転して風呂追焚回路による浴槽水の水循環を行なうと共に、ヒートポンプ冷媒回路４０によるヒートポンプ運転を行ない、風呂熱交開閉弁２６の開放により給水側伝熱管３ｃ、３ｄ、風呂熱交開閉弁２６、風呂用冷媒管２４ａ、機内循環ポンプ１６の温水循環サイクルを形成し、機内循環ポンプ１６の運転により、給湯用熱交換器３で加熱された温水が風呂用熱交換器２４で風呂用水配管２４ｂを循環する浴槽２３の残り湯を加熱して浴槽２３に戻し風呂追焚きを行なうものである。

貯湯タンク追焚回路は、貯湯タンク１５、機内循環ポンプ１６、給湯用熱交換器３の給水側伝熱管３ｃ、３ｄ、給湯混合弁１０が水配管を介して順次接続され構成されている。

貯湯タンク追焚き運転は、貯湯タンク１５の下側低温水が、機内循環ポンプ１６の運転により給水側伝熱管３ｃ、３ｄへ送られ加熱されて高温水となり、給湯混合弁１０を経て貯湯タンク１５の上側に貯湯される。この循環加熱を繰り返すことにより、貯湯タンク１５の上側から順に高温水となってゆき、やがて貯湯タンク内が所定温度の高温水で満たされ、貯湯タンク追焚き運転は終了する。

次に、運転制御手段５５は、給湯用リモコン５５ａ及び床暖房用リモコン５５ｂの操作設定により、１系及び２系ヒートポンプ冷媒回路４１、４２の運転・停止並びに圧縮機１ａ、１ｂの回転速度制御を行なうと共に、冷媒開閉弁２ａ、２ｂ、２ｃの開閉、膨張弁４ａ、４ｂ、４ｃの開度制御、風呂熱交開閉弁２６の開閉、床暖房用開閉弁２９、３０の開閉、機内循環ポンプ１６、風呂循環ポンプ１９及び床暖房用循環ポンプ３７の運転・停止、及び給湯混合弁１０、湯水混合弁１１、流量調整弁１２、風呂注湯弁１７の開閉制御することにより台所給湯運転、風呂湯張り運転、風呂追焚き運転、貯湯タンク追焚き運転、床暖房運転、等を円滑に行なうものである。

また、運転制御手段５５は、圧縮機１ａ、１ｂの回転速度を制御し、運転開始直後には加熱立上げ時間を早めるため所定の高速回転で運転し、比較的熱負荷の軽い安定運転時には加熱温度に見合った中低速回転で運転するよう制御する。

更に、ヒートポンプ給湯床暖房装置には、圧縮機１ａ、１ｂの吐出温度を検知する吐出口サーミスタ１ｓ、１ｔ、蒸発器５ａ、５ｂの着霜や過熱度を検知する蒸発器サーミスタ５ｓ，５ｔ、給水金具６から供給される給水温度を検知する給水サーミスタ８ｓ、給湯用熱交換器３の出口温度を検知する熱交サーミスタ３ｓ、３ｔ、給湯混合弁１０の出口部の水温を検知する混合水サーミスタ１０ｓ、給水調整後の給湯温度を検知する給湯サーミスタ１１ｓ、貯湯タンク１５内の貯湯温度及び貯湯量を検知するための複数のタンクサーミスタ１５ｓ、風呂給湯用温水の温度を検知する風呂サーミスタ１８ｓ、床暖房用熱交換器２７で加熱された熱媒体の温度を検知する往き温度サーミスタ２７ｓ、床暖房パネル３３、３４で放熱した後の戻り熱媒体の温度を検知する戻り温度サーミスタ３６ｓ、及び浴槽２３内の水位を検出する水位センサ２０等が設けられ、各検出信号は運転制御手段５５に入力されるように構成されている。運転制御手段５５はこれらの信号に基づいて各機器を制御するものである。

また、減圧弁７は、例えば給水源の水道から供給される約２００〜５００ｋＰａものバラツキのある高い水圧を約１７０ｋＰａ程度の使用上適切な一定水圧にコントロールするものであり、水用逆止弁９は、一方向にのみ水を流し逆流を防止するものである。

なお、本実施例においては、給湯用熱交換器３を１系ヒートポンプ冷媒回路と２系ヒートポンプ冷媒回路に分け、給水側伝熱管３ｃ、３ｄのそれぞれに熱交サーミスタ３ｓ、３ｔを設けているが、給湯用熱交換器３は１系、２系を一体とし、熱交水出口温度は給水側伝熱管３ｃ、３ｄの出口合流後に熱交サーミスタを設けることにより、給湯用熱交換器３の小形化及び原価低減、熱交サーミスタの１個削減を図ることができる。

次に、本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における温度制御の一実施例について、図１の１系及び２系ヒートポンプ冷媒回路４１、４２、給湯回路４５、床暖房回路５０及び運転制御手段５５を参照しながら図２の温度制御テーブルによって説明する。

図２は、給湯、床暖房、給湯＋床暖房の各運転時における温度制御テーブルを示す。なお、図２の温度制御テーブル中では、給湯用熱交換器水出口温度を熱交水出口温度と簡略表現する。

給湯、床暖房、給湯＋床暖房の各運転時における温度制御は、１系、２系圧縮機１ａ、１ｂの回転速度、及び１系給湯用、２系給湯用及び床暖房用膨張弁４ａ、４ｂ、４ｃの開度を、制御量が制御目標値になるように、制御することによって行なわれる。

まず、給湯運転の場合、圧縮機回転速度は、１系、２系とも制御量の熱交水出口温度が目標値の給湯温度目標値になるよう制御される。給湯１系及び２系の給湯用膨張弁４ａ、４ｂの開度は、制御量の蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が目標値の蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるよう制御される。なお、蒸発器過熱度及び圧縮機吐出温度を所定の目標値に制御することにより、高効率な冷凍サイクルを形成することができる。

次に、床暖房運転の場合、１系の圧縮機回転速度は、制御量の床暖房往き温度が目標値の床暖房往き温度目標値になるよう制御され、１系の床暖房用膨張弁４ｃの開度は、制御量の蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が目標値の蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるよう制御される。

また、給湯＋床暖房の同時運転の場合、１系の圧縮機回転速度は、制御量の熱交水出口温度が目標値の給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値との高い方になるよう制御され、２系の圧縮機回転速度は、制御量の熱交水出口温度が目標値の給湯温度目標値となるよう制御される。給湯１系及び２系の給湯用膨張弁４ａ、４ｂの開度は、制御量の蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が目標値の蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるよう制御される。１系の床暖房用膨張弁４ｃの開度は、制御量の床暖房往き温度が目標値の修正後の床暖房往き温度目標値になるよう制御される。

図２の温度制御テーブルにおいては、給湯＋床暖房の同時運転の場合、１系の圧縮機回転速度の目標値を給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値との高い方、２系の圧縮機回転速度の目標値を給湯温度目標値とし、床暖房用膨張弁開度の制御量を床暖房往き温度、目標値を修正後の床暖房往き温度目標値としているので、給湯＋床暖房の同時運転時において、床暖房温度が給湯温度につられて下がる恐れがない。また、給湯温度について、給湯温度目標値より床暖房往き温度目標値の方が高く熱交水出口温度が床暖房往き温度目標値になるよう１系圧縮機回転速度が制御された場合においても、２系圧縮機回転速度の目標値が給湯温度目標値であり、熱交出口以降の湯水混合弁１１において給水を加えて適温に調整されるため全く問題なく、給湯、床暖房ともに適温が得られ、最適温度制御を行なうことができる。

ここで、床暖房往き温度目標値を修正しているのは、給湯負荷、床暖房負荷、タンク残湯量等の関係により、例えば、給湯を優先して床暖房を抑えるため、床暖房往き温度目標値を低めに設定する場合を想定している。

図３は、湯水を使用した場合における給湯運転のフローチャートを示し、図１の給湯回路４５及び図３のフローチャートにより、台所蛇口１４による湯水使用時の給湯運転について説明する。

台所蛇口１４を開けて湯水使用が始まる（ステップ６０）と、給水水量センサ８が流量を検知して給湯開始の判定を行ない、流量が一定以上であれば給湯開始と判定して、運転制御手段５５は、圧縮機１ａ、１ｂを始動させヒートポンプ運転を開始し、給水金具６、減圧弁７、給水水量センサ８、水用逆止弁９、給水側伝熱管３ｃ、３ｄ、給湯混合弁１０、湯水混合弁１１、流量調整弁１２、台所出湯金具１３、台所蛇口１４の給湯回路により直接給湯運転を開始する（ステップ６１）。

ここで、運転制御手段５５は、圧縮機１ａ、１ｂを回転速度制御手段により運転し、圧縮した高温高圧冷媒を循環させると同時に、冷媒開閉弁２ａ、２ｂを開き、冷媒開閉弁２ｃを閉じることにより、給湯用熱交換器３には冷媒循環するが、床暖房用熱交換器２７には冷媒循環を行なわない。また、膨張弁４ａ、４ｂを開放調整し、膨張弁４ｃは閉じる。

すなわち、圧縮機１ａ、１ｂで圧縮された高温高圧冷媒を給湯用熱交換器３の冷媒側伝熱管３ａ、３ｂに送り込み、給水側伝熱管３ｃ、３ｄを流れる給水を加熱して湯水混合弁１１側へ循環するが、運転立ち上がり直後は給湯用熱交換器３に送り込まれてくる冷媒が充分に高温高圧となり切らず温度が低く、かつ給湯用熱交換器３全体が冷えていて水を加熱する加熱能力が充分でないため、直接給湯運転（ステップ６１）と並行して、予めタンク貯湯運転により貯湯されている高温水（例えば６０〜６５℃）を給湯するタンク給湯運転（ステップ６２）を行なう。タンク給湯による高温水は、給湯用熱交換器３から給湯される湯と給湯混合弁１０によって混合され、更に適正温度（約４０℃）になるよう湯水混合弁１１で給水水量センサ８側からの冷水を適量混合した後、流量調整弁１２、台所出湯金具１３を通して台所蛇口１４へ給湯する。

直接給湯運転開始後は、時間の経過と共に冷媒は高温高圧となり、それに従って発生する冷媒からの放熱量が増加し、水への加熱能力が増してゆくが、順次、熱交サーミスタ３ｓ、３ｔ、混合水サーミスタ１０ｓ、給湯サーミスタ１１ｓ、給水水量センサ８の検知により、給湯温度及び流量を判定（ステップ６３）し、規定外であれば給湯温度が適正値（約４０℃）になるよう圧縮機回転速度及び膨張弁の制御、給湯混合弁１０及び給水混合弁１１の調整（ステップ６４）を行なって補正する。

ここで、圧縮機回転速度制御及び膨張弁制御（ステップ６４）は図２で説明したように、圧縮機回転速度は給湯用熱交換器３の水出口温度が給湯温度目標値になるよう制御し、膨張弁開度は蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるように制御することにより給湯温度の最適制御が図れる。

また、直接給湯温度の判定（ステップ６５）を行ない、直接給湯温度が適正値（約４０℃）より低く規定値以下であれば直接給湯運転とタンク給湯運転の同時運転を継続し、直接給湯温度が適正値（約４０℃）に達し規定内になれば、タンク給湯運転を停止（ステップ６６）して直接給湯運転のみ（ステップ６７）とし、蛇口を閉じて給湯使用が終了（ステップ６８）するまで直接給湯運転を継続する。

直接給湯運転においては、図１の１系ヒートポンプ冷媒回路４１及び２系ヒートポンプ冷媒回路４２を共に運転し、圧縮機１ａ、１ｂは、運転制御手段によって回転速度制御を行ない、水源の水道等から供給される給水温度が高い夏期は小さな加熱量で済むため回転速度を遅くし、給水温度が低い冬期は大きな加熱量を必要とするため回転速度を速くして運転する。また、運転制御手段は、立ち上がり運転時の膨張弁４ａ、４ｂの開度を小さく調整して、冷媒の循環量を少なくすることにより冷媒の高温化を図り、ヒートポンプの加熱立ち上がり時間を短縮するように制御する。

台所蛇口１４が閉じられ湯水使用が終了（ステップ６８）すると、運転制御手段５５は、ヒートポンプ運転を停止し直接給湯運転は停止（ステップ６９）するが、同時にタンクサーミスタ１５ｓにより貯湯タンク１５の貯湯温度及び貯湯量の判定（ステップ７０）を行ない、規定内であればタンク貯湯運転を終了（ステップ７３）し、規定未満であればタンク貯湯運転（ステップ７１）を行なって、再度、貯湯温度及び貯湯量の判定（ステップ７２）を行ない、規定内に達してからタンク貯湯運転を終了（ステップ７３）する。

次に、図１を参照し、図４、図５によって床暖房単独運転について説明する。

本実施例における床暖房運転の温度制御は、図２で説明した通り、圧縮機回転速度を床暖房往き温度が床暖房往き温度目標値になるように制御し、膨張弁開度を蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度を所定目標値になるよう制御することにより床暖房温度を制御するものである。

図４は、床暖房運転における床暖房往き温度目標値の初期設定値の一例示す。
温度目標値の初期設定値は、主に室温によって３段階に決められているが、部屋の放熱を考慮して外気温度も加味し、外気温度が１１℃を超える場合は初期設定値を５℃下げて設定してある。すなわち、外気温度が比較的高い場合は、部屋から外部への放熱が少なく床暖房温度は幾分低めに設定しても充分快適性が得られるため、初期目標温度を低め設定した例である。

運転制御手段は、図４の温度設定表により床暖房往き温度目標値を初期設定しておき、床暖房運転開始後所定時間（例えば２０分）までは床暖房往き温度目標値を初期設定値とし、所定時間経過以降は床暖房往き温度目標値を使用条件によって変更する。

図１、図５によって床暖房単独運転時の動作及び温度制御について説明する。床暖房用リモコン５５ｂの床暖房ボタンをＯＮして床暖房使用を開始（ステップ８０）すると共に、床暖房する範囲を２ゾーン３３，３４の中から選択し、床暖房戻り温度及び床暖房使用時間を設定（ステップ８１）すると、１系ヒートポンプ冷媒回路及び床暖房用循環ポンプ３７が運転開始される。（ステップ８２）
すなわち、図１において、１系ヒートポンプ冷媒回路４１においては、冷媒開閉弁２ａが閉じ冷媒開閉弁２ｃが開いて、圧縮機１ａ→冷媒開閉弁２ｃ→床暖房用冷媒管２７ａ→床暖房用膨張弁４ｃ→蒸発器５ａ→圧縮機１ａのヒートポンプ回路で床暖房加熱運転が行なわれる。

また、床暖房回路５０においては、床暖房用リモコン５５ｂの選択により床暖房用開閉弁２９、３０のいずれか又は両方が開放され、床暖房用循環ポンプ３７の運転により、床暖房用タンク３６→床暖房用循環ポンプ３７→床暖房用伝熱管２７ｂ→床暖房用開閉弁２９、３０→床暖房用給湯金具３１、３２→放熱管３３ａ、３４ａ→床暖房用戻り金具３５→床暖房用タンク３６の閉回路で熱媒体（図示せず）が循環し、床暖房用熱交換器２７で加熱された熱媒体は床暖房パネル３３、３４で床を暖房、放熱する。

床暖房回路５０を循環する熱媒体については、床暖房用伝熱管２７ｂ出口部の往き温度を往き温度サーミスタ２７ｓで検知し、床暖房用タンク３６入口部の戻り温度を戻り温度サーミスタ３６ｓで検知して、それぞれの温度情報を運転制御手段５５に随時送信している。

図５に戻って、床暖房運転開始直後の立ち上がり運転時は、１系圧縮機の制御量を床暖房往き温度とし、目標値を床暖房往き温度初期設定値として運転することにより、床暖房の適温到達時間の短縮を図るものである。

往き温度制御運転は、床暖房往き温度及び床暖房戻り温度の検知（ステップ８３）情報に基づき、例えば、床暖房戻り温度が［床暖房戻り温度目標値−１℃］未満の場合は床暖房往き温度目標値を上げ、床暖房戻り温度が床暖房戻り温度目標値より高くなった場合は床暖房往き温度目標値を下げ、その他の場合は現状の床暖房往き温度目標値を維持するように、床暖房往き温度目標値を所定時間（例えば１０分）毎に変更（ステップ８４）する。

また、床暖房往き温度目標値には、最低値（例えば３０℃）及び最高値（例えば７０℃）を設け、床暖房往き温度目標値変更（ステップ８４）後、床暖房往き温度目標値の判定（ステップ８５）を行ない、変更後の床暖房往き温度目標値が最低値（例えば３０℃）以上の場合は、床暖房往き温度が床暖房往き温度目標値になるよう圧縮機回転速度制御を行なうとともに、蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるよう膨張弁開度制御（ステップ８６）を行なって運転を継続し、変更後の床暖房往き温度目標値が最低値（例えば３０℃）未満の場合は、１系ヒートポンプ冷媒回路の運転を停止して床暖房用循環ポンプ３７のみの運転（ステップ８７）を行なう。

また、タイマーの時間計測（ステップ８３）により、床暖房使用時間の設定時間経過判定（ステップ８８）を行ない、設定時間以内であれば所定時間毎に床暖房往き温度目標値修正（ステップ８４）に戻って継続運転し、設定時間を超過すればヒートポンプ運転及び床暖房用ポンプの運転を停止して床暖房運転は終了（ステップ８９）する。

なお、フローチャートにおいては各動作を直列的に記載しているが、これは便宜上であって必ずしも順序を規定するものではなく、例えば設定時間経過の判定（ステップ８８）は常時行なわれており、１系ヒートポンプ運転停止（ステップ８７）以前に規定時間に達し床暖房運転を終了（ステップ８９）する場合もある。

次に、図６で台所蛇口使用による給湯運転と床暖房運転が同時に行なわれた場合の温度制御について説明する。なお、給湯及び床暖房の単独運転の詳細については、図４、図５で説明したので、詳細説明は省略する。

台所蛇口１４を開けて湯水使用が始まる（ステップ９０）と、タンク給湯運転（ステップ９１）と、ヒートポンプ運転（ステップ９２）による直接給湯運転（ステップ９３）とが並行して行なわれる。

ヒートポンプ冷媒回路４０は、立ち上がり時間を短縮するため給湯加熱能力を高めるよう圧縮機回転速度制御及び膨張弁開度制御（ステップ９４）を行ない、直接給湯温度判定（ステップ９５）において適正給湯温度（約４０℃）に達すると、タンク給湯運転を停止（ステップ９６）し、直接給湯運転のみで給湯を継続（ステップ９７）する。

一方、給湯運転と並行して、床暖房ボタンをＯＮして床暖房使用（ステップ１００）が始まると、冷媒開閉弁２ｃ及び床暖房用膨張弁４ｃが開放され、床暖房用ポンプを運転（ステップ１０１）して床暖房運転（ステップ１０２）が開始される。

床暖房往き温度目標値は、床暖房運転開始後所定時間（例えば２０分）は初期設定値とし（ステップ１０３）、所定時間（例えば２０分）が経過した以降は修正床暖房往き温度目標値とする。

また、運転制御は、図２において詳細説明した温度制御テーブルにより次のように行なわれる。（ステップ１０４）
１系の圧縮機回転速度は、熱交水出口温度が給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値との高い方になるよう制御され（ステップ１０４ａ）、２系の圧縮機回転速度は、熱交水出口温度が給湯温度目標値となるよう制御される。１系の給湯用膨張弁４ａ及び２系の膨張弁４ｂの開度は、蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度が所定の目標値である蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値になるよう制御される（ステップ１０４ｂ）。１系の床暖房用膨張弁４ｃの開度は、床暖房往き温度が修正後の床暖房往き温度目標値になるよう制御される（ステップ１０４ｃ）。

ここでの床暖房往き温度目標値の修正は、給湯負荷、床暖房負荷、タンク残湯量等の関係により行なわれ、例えば、給湯を優先して床暖房を抑えるため、床暖房往き温度目標値を低めに設定するものである。

具体的に、例えば、１系の給湯温度目標値を６０℃、床暖房往き温度目標値を５０℃とした場合、１系の圧縮機回転速度は６０℃で制御されるため、給湯は加熱された温水をそのまま供給しても問題ない。これに対し、床暖房往き温度は１０℃引き下げる必要があるため、１系の床暖房用膨張弁４ｃの開度を現状よりも絞ることにより、床暖房用冷媒管２７ａ側の冷媒循環量を減らして加熱温度を下げることができる。反対に、１系の給湯温度目標値を５０℃、床暖房往き温度目標値を６０℃とした場合、１系の圧縮機と床暖房用膨張弁は６０℃で制御されるため床暖房については問題ない。ここで、台所出湯金具１３又は入出湯金具２１の給湯温度については１０℃引き下げる必要があるが、湯水混合弁１１からの給水量を増やすことにより、５０℃に保つことができる。

以上のように、１系の圧縮機回転速度の目標値を給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値との高い方、２系の圧縮機回転速度の目標値を給湯温度目標値とし、床暖房用膨張弁４ｃの開度の制御量を床暖房往き温度、目標値を修正後の床暖房往き温度目標値としているので、給湯と床暖房の同時運転時において、床暖房温度が給湯温度につられて下がる恐れがない。また、給湯温度について、給湯温度目標値より床暖房往き温度目標値の方が高く、熱交水出口温度が高い方の床暖房往き温度目標値になるよう１系圧縮機回転速度が制御された場合においても、２系圧縮機回転速度の目標値が給湯温度目標値であり、熱交出口以降の湯水混合弁１１において給水を加えて適温に調整されるため全く問題なく、給湯、床暖房ともに適温が得られ、最適温度制御を行なうことができる。

給水使用においては、温度制御（ステップ１０４）を継続しながら直接給湯運転（ステップ１０５）を継続し、蛇口が閉じられて湯水使用が終了（ステップ１０６）すると、貯湯温度及び貯湯量の判定（ステップ１０７）を行なって、必要であればタンク貯湯運転（ステップ１０８）を行なって充分貯湯してから貯湯運転を終了（ステップ１０９）する。

また、床暖房運転は、温度制御（ステップ１０４）を継続しながら床暖房運転を継続（ステップ１１０）して床暖房往き温度目標値の変更及び温度制御を繰り返す。床暖房往き温度判定（ステップ１１１）において変更後の床暖房往き温度目標値が規定値未満に達した場合はヒートポンプ運転を停止し、床暖房用ポンプのみの運転とする。更に、床暖房使用時間の設定時間経過判定（ステップ１１３）を行ない、設定時間を超過すればヒートポンプ運転及び床暖房用ポンプの運転を停止して床暖房運転は終了（ステップ１１４）する。

以上詳細について説明したように、本発明は２サイクルで直接給湯回路を有するヒートポンプ給湯床暖房装置において、給湯と床暖房を同時使用する場合の運転制御に関するものであり、直接給湯回路を有するものであれば貯湯タンクの大小や夜間貯湯の有無には関係なく適用でき、同様の効果を有する。

本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置の概略構成の一実施例を示す模式図である。 本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における温度制御の一実施例を示す温度制御図である。 本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における湯水使用時の給湯運転の一実施例を示すフローチャートである。 本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における床暖房往き温度目標値の初期値の一実施例を示す温度設定表である。 本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における床暖房運転の一実施例を示すフローチャートである。 本発明のヒートポンプ給湯床暖房装置における給湯運転と床暖房運転との同時運転の一実施例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ，１ｂ 圧縮機
２ａ，２ｂ，２ｃ 冷媒開閉弁
３ 給湯用熱交換器
４ａ，４ｂ，４ｃ 膨張弁
５ａ，５ｂ 蒸発器
１０ 給湯混合弁
１１ 湯水混合弁
１５ 貯湯タンク
２７ 床暖房用熱交換器
３３，３４ 床暖房パネル
４０ ヒートポンプ冷媒回路
４１ １系ヒートポンプ冷媒回路
４２ ２系ヒートポンプ冷媒回路
４５ 給湯回路
５０ 床暖房回路
５５ 運転制御手段

Claims (5)

1. 第１の圧縮機、第１の給湯用熱交換器、第１の給湯用膨張弁、第１の蒸発器、及び床暖房用熱交換器、床暖房用膨張弁を備え、前記第１の給湯用熱交換器及び前記第１の給湯用膨張弁は、前記床暖房用熱交換器及び床暖房用膨張弁と並列に接続される１系ヒートポンプ冷媒回路と、
   第２の圧縮機、第２の給湯用熱交換器、第２の給湯用膨張弁、第２の蒸発器を備えて構成される２系ヒートポンプ冷媒回路と、
   前記第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を給湯金具から直接給湯する直接給湯回路と、
   前記床暖房用熱交換器で加熱した温水を循環させる床暖房回路と、
   前記第１と第２の圧縮機の回転速度、前記第１と第２の給湯用膨張弁及び前記床暖房用膨張弁の開度を制御する運転制御手段とを備えたヒートポンプ給湯床暖房装置において、
   前記運転制御手段は、給湯と床暖房を同時運転するとき、圧縮機回転速度の制御量を１系、２系とも給湯用熱交換器の水出口温度とし、圧縮機回転速度の目標値を１系は給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値のうち高い方、２系は給湯温度目標値とし、
   給湯用膨張弁の開度の制御量を１系、２系とも蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度、目標値を蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値とし、床暖房用膨張弁開度の制御量を床暖房往き温度、目標値を床暖房往き温度目標値としたことを特徴とするヒートポンプ給湯床暖房装置。
2. 前記第１の給湯用熱交換器の水側伝熱管出口と前記第２の給湯用熱交換器の水側伝熱管出口に、それぞれ温度サーミスタを備えた請求項１記載のヒートポンプ給湯床暖房装置。
3. 前記運転制御手段は、前記床暖房往き温度目標値を使用条件によって変更する修正機能を有する請求項１記載のヒートポンプ給湯床暖房装置。
4. 前記第１と第２の給湯用熱交換器を一体化させ、該第１と第２の給湯用熱交換器の給水側伝熱管が合流した直後の位置に、熱交サーミスタを設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯床暖房装置。
5. 第１の圧縮機、第１の給湯用熱交換器、第１の給湯用膨張弁、第１の蒸発器、及び床暖房用熱交換器、床暖房用膨張弁を備え、前記第１の給湯用熱交換器及び前記第１の給湯用膨張弁は、前記床暖房用熱交換器及び床暖房用膨張弁と並列に接続されて構成される１系ヒートポンプ冷媒回路と、
   第２の圧縮機、第２の給湯用熱交換器、第２の給湯用膨張弁、第２の蒸発器から構成される２系ヒートポンプ冷媒回路と、
   前記第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を給湯金具から直接給湯する直接給湯回路と、
   前記床暖房用熱交換器で加熱した温水を循環させる床暖房回路と、
   前記第１と第２の給湯用熱交換器、給湯混合弁、前記第１と第２の給湯用熱交換器で加熱した温水を貯える貯湯タンク、機内循環ポンプから構成される貯湯回路と、
   前記第１と第２の給湯用熱交換器により加熱された温水と前記貯湯タンクに貯えた温水とを混合して前記給湯金具から給湯するタンク給湯回路と、
   前記第１と第２の圧縮機の回転速度、前記第１と第２の給湯用膨張弁及び前記床暖房用膨張弁の開度を制御する運転制御手段とを備えたヒートポンプ給湯床暖房装置において、
   前記運転制御手段は、給湯と床暖房を同時運転するとき、圧縮機回転速度の制御量を１系、２系とも給湯用熱交換器の水出口温度とし、圧縮機回転速度の目標値を１系は給湯温度目標値と床暖房往き温度目標値のうち高い方、２系は給湯温度目標値とし、
   給湯用膨張弁の開度の制御量を１系、２系とも蒸発器過熱度又は圧縮機吐出温度、目標値を蒸発器過熱度目標値又は圧縮機吐出温度目標値とし、床暖房用膨張弁開度の制御量を床暖房往き温度、目標値を床暖房往き温度目標値としたことを特徴とするヒートポンプ給湯床暖房装置。

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