JP5116338B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプを利用したヒートポンプユニット及び給湯システムに関する。

従来のヒートポンプユニットとして、吸着式ヒートポンプで熱媒体を加熱し、熱交換器で熱媒体から水に熱を移動させることで、水を温水として供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなヒートポンプユニットでは、吸着剤から脱離した冷媒が凝縮するときに発生する凝縮熱により熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転と、蒸発した冷媒が吸着剤に吸着されるときに発生する吸着熱により熱媒体を加熱する蒸発−吸着運転とが交互に切り替えられるように吸着式ヒートポンプが運転され、これにより、比較的温度の高い温水の供給が図られている。
特開２００６−１２５７１３号公報

ところで、上述したようなヒートポンプユニットでは、図５に示すように、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転との切替え時Ａの直後に、吸着式ヒートポンプにて発生する凝縮熱や吸着熱の熱量が一時的に多くなる。そのため、切替え時Ａの直後に熱媒体の温度Ｔ１が一時的に急上昇し、その結果、供給される温水の温度Ｔ２も一時的に急上昇するおそれがある。

そこで、本発明は、供給される温水の温度を安定化することができるヒートポンプユニット及び給湯システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るヒートポンプユニットは、吸着式ヒートポンプで第１熱媒体を加熱し、第１熱交換器で第１熱媒体から水に熱を移動させることで、水を温水として供給するヒートポンプユニットであって、第１熱交換器を通過するように設けられ、水が流通する水流通ラインと、吸着式ヒートポンプと第１熱交換器との間を循環するように設けられ、第１熱媒体が流通する熱媒体流通ラインと、を備え、熱媒体流通ラインにおいて吸着式ヒートポンプの下流側且つ第１熱交換器の上流側には、第１熱媒体を貯留するタンクが設けられていることを特徴とする。

このヒートポンプユニットでは、熱媒体流通ラインにおいて吸着式ヒートポンプの下流側且つ第１熱交換器の上流側には、第１熱媒体を貯留するタンクが設けられている。そのため、このタンクに第１熱媒体を貯留することで、第１熱交換器に入力される第１熱媒体の急激な温度変動を緩和することができる。よって、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転との切替え直後に吸着式ヒートポンプにて発生する熱量が一時的に多くなった場合でも、第１熱媒体から水に移動される熱の熱量を平準化することが可能となり、水を常に略一定の加熱量で加熱することができる。従って、供給される温水の温度を安定化することが可能となる。なお、「水」とは、低温水や高温水等のいかなる温度の水を含むものをいい、「温水」とは「水」に熱が移動されて「水」よりも温度が高くなったものをいう。

ここで、水流通ラインは、水を留めることなく流通させることが好ましい。この場合、必要量の温水を得るために必要量の水が瞬時に加熱されて供給される（いわゆる瞬間給湯）ため、供給される温水の温度を安定化するという上記効果は特に顕著となる。

タンクの容量は、吸着式ヒートポンプにおいて凝縮熱により第１熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転と吸着熱により第１熱媒体を加熱する蒸発−吸着運転とが切り替えられてから次に切り替えられるまでの間に循環する第１熱媒体の流量の１／７以上となっていることが好ましい。この場合、タンクに第１熱媒体を貯留することで、第１熱交換器に入力される第１熱媒体の急激な温度変動が好適に緩和され、よって、第１熱交換器で水に移動される熱の熱量を好適に平準化することができる。また、タンクの容量は大きければ大きいほど温度の平準化効果は高くなる。

また、本発明に係る給湯システムは、上記ヒートポンプユニットを具備する給湯器システムであって、第２熱媒体を加熱する加熱器と、水流通ラインにおいて第１熱交換器の下流側に設けられ、第２熱媒体の熱を水に移動させる第２熱交換器と、を備え、吸着式ヒートポンプには、第２熱媒体が脱離−凝縮運転の熱源として用いられていることを特徴とする。

この給湯システムでは、加熱器で加熱された第２熱媒体を脱離−凝縮運転の際の熱源として用いる上記ヒートポンプユニットにより水が加熱され、この加熱された水が第２熱媒体でさらに加熱されて供給されるため、温水の温度を安定化するという上記効果が奏されると共に高効率で高温の温水を供給することができる。

本発明によれば、供給される温水の温度を安定化することが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。図１に示すように、給湯システム５０は、ヒートポンプユニット１とボイラ２とを備え、給水された水をヒートポンプユニット１で予熱した後、必要とする温度までボイラ２でさらに加熱（追い炊き）することで、水を温水として供給するハイブリッド給湯システムである。なお、「水」とは、低温水、水中温水及び高温水等のいかなる温度の水を含むものをいい、「温水」とは「水」に熱が移動されて「水」よりも温度が高くなったものをいう。これについては以下の説明においても同様である。

ヒートポンプユニット１は、水流通ライン４Ａ、熱媒体流通ライン５、一対の吸着式ヒートポンプ３，３、及び熱交換器（第１熱交換器）１３を含んで構成されている。このヒートポンプユニット１は、吸着式ヒートポンプ３，３で熱媒体（第１熱媒体：例えば、水等）を加熱し、熱交換器１３で熱媒体から水に熱を移動させるものである。ここでは、ヒートポンプユニット１は、その最大出力が１６ｋＷとなっており、給水器１６により給水された水を約２０℃前後の中温水（温水）としてボイラ２へ供給する。

水流通ライン４Ａは、熱交換器１３を通過するように設けられている。この水流通ライン４Ａは、給水された水を留めることなく矢印Ａ方向へと流通させると共に、中温水をボイラ２へ供給する。熱媒体流通ライン５は、吸着式ヒートポンプ３，３と熱交換器１３とを通過してこれらの間を循環するように設けられている。この熱媒体流通ライン５は、熱媒体をポンプ６により矢印Ｂ方向に流通させる。また、熱媒体流通ライン５には、熱媒体を貯留するタンク１８が設けられている。

吸着式ヒートポンプ３，３は、その内部が真空に保たれた真空容器３１を有し、この真空容器３１の内部において、例えばシリカゲル等の吸着剤３２を備えた熱交換器３４が上部に、また、例えば水等の冷媒３３に浸かるよう設置された熱交換器３５が下部に設けられている。吸着式ヒートポンプ３，３は、吸着剤から脱離した冷媒を凝縮させて凝縮熱を発生させ、この凝縮熱で熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転と、蒸発した冷媒を吸着させて吸着熱を発生させ、この吸着熱で熱媒体を加熱する蒸発−吸着運転と、を実施するものである。これらの吸着式ヒートポンプ３，３は、互いに異なる運転が実施されるように構成されており、具体的には、一方が脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａとされるとき、他方が蒸発−吸着運転時の吸着式ヒートポンプ３Ｂとされている。

脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａは、その内部の上方において、バーナ（加熱器）１５で加熱されたボイラ水（第２熱媒体）Ｍ１が高温熱源流通ライン７（詳しくは後述）を通って熱交換器３４に送られるように接続されている。熱交換器３４の周囲に設置されている吸着剤３２は、熱交換器３４を通してボイラ水Ｍ１との間で熱が移動可能となっている。つまり、脱離−凝縮運転時において、ボイラ水Ｍ１は、熱を吸着式ヒートポンプ３Ａに供給される熱源となることができる。

一方、この吸着式ヒートポンプ３Ａの内部の下方においては、熱媒体流通ライン５が熱交換器３５と接続されている。熱交換器３５の周囲には、冷媒３３が満たされており、熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と冷媒３３との間で熱が移動可能となっている。

これにより、吸着式ヒートポンプ３Ａでは、熱交換器３４においてボイラ水Ｍ１から吸着剤３２に熱が移動されて吸着剤３２に吸着されていた冷媒が脱離され、脱離された冷媒がヒートポンプ３Ａ下部の冷媒３３と接触し凝縮して凝縮熱が発生され、その凝縮熱で熱媒体流通ライン５内の熱媒体が加熱されることとなる。

蒸発−吸着運転時の吸着式ヒートポンプ３Ｂは、その上方において、熱媒体流通ライン５が熱交換器３４と接続されている。熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と、熱交換器３４の周囲に設置されている吸着剤３２の間で熱が移動可能となっている。

一方、吸着式ヒートポンプ３Ｂの内部の下方においては、熱交換器３５と低温熱源ライン９が接続されている。低温熱源流通ライン９は、空気熱交換器１１を通過するように設けられており、水等の低温熱媒体をポンプ１０で矢印Ｃ方向に循環されるように流通させる。そして、空気熱交換器１１及びファン１２により大気中の熱が低温熱媒体に移動（外気吸熱）され、低温熱媒体が加熱されている。熱交換器３５の周囲には、冷媒３３が満たされており、熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と冷媒３３との間で熱が移動可能となっている。つまり、蒸発−吸着運転時において、大気中の熱は吸着式ヒートポンプ３Ｂに供給される熱源となることができる。

これにより、吸着式ヒートポンプ３Ｂでは、熱交換器３５において大気の熱が冷媒３３に熱が移動されて冷媒３３が蒸発され、蒸発された冷媒が吸着剤３２で吸着されて吸着熱が発生され、この吸着熱で熱媒体流通ライン５内の熱媒体が加熱されることとなる。なお、低温熱媒体は熱交換器３５で熱を冷媒３３に与えるため、温度が室温以下まで低下するが、空気熱交換器１１及びファン１２によって室温付近まで加熱され、再びヒートポンプ３Ｂにおいて熱源として機能することができる。

また、図１及び図２に示すように、吸着式ヒートポンプ３では、電磁弁（不図示）により熱源流通ライン７，９と熱媒体流通ライン５との流路が所定時間で交互に切り替えられ、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転とが所定時間で交互に切り替えられる。つまり、運転状態が互いに異なる一対の吸着式ヒートポンプ３Ａ，３Ｂ（図１参照）が所定時間で互いに入れ替わって吸着式ヒートポンプ３Ｂ，３Ａ（図２参照）になり、その後、所定時間で再び互いに入れ替わって吸着式ヒートポンプ３Ａ，３Ｂ（図１参照）に戻り、これが順次に繰り返される。図１及び図２のいずれにおいても、熱媒体はまず吸着式ヒートポンプ３Ａにおいて熱を得て、引き続き吸着式ヒートポンプ３Ｂにおいて熱を得ることによって加熱される。これにより、大気中の熱を効率よく利用して、熱媒体を連続的に加熱することができる。

熱交換器１３は、例えばプレート型の熱交換器とされており、内部に通過された水流通ライン４Ａ及び熱媒体流通ライン５内のそれぞれを流通する熱媒体及び水の間で熱を移動させる。

ボイラ２は、水流通ライン４Ｂ、ボイラタンク１４及びバーナ１５を含んで構成されている。このボイラ２は、バーナ１５でボイラタンク１４内のボイラ水Ｍ１を加熱し、このボイラ水Ｍ１から水に熱を移動させるものである。ここでは、ボイラ２は、その最大出力が１００ｋＷとなっており、上記ヒートポンプユニット１から供給された中温水を、約５５℃前後の高温水（温水）として外部へ供給（出湯）する。

水流通ライン４Ｂは、上記水流通ライン４Ａに連続すると共に、後述の熱交換部（第２熱交換器）２４を通過するように設けられている。この水流通ライン４Ｂは、ヒートポンプユニット１の水流通ライン４Ａから供給された温水を留めることなく矢印Ｄ方向に流通させると共に、高温水を外部へ供給する。

ボイラタンク１４は、タンク本体２３と熱交換部２４とボイラ水流通部２５とを有している。タンク本体２３は、ボイラ水を貯留する。熱交換部２４は、その内部がボイラ水Ｍ１で満たされ、水流通ライン４Ｂが通過されるように設けられている。この熱交換部２４は、ヒートポンプユニット１から供給され水流通ライン４Ｂを流通する温水にボイラ水Ｍ１の熱を移動させる。つまり、熱交換部２４は、水流通ライン４において熱交換器１３よりも下流側に設けられている。ボイラ水流通部２５は、タンク本体２３と熱交換部２４との間を循環するように設けられており、タンク本体２３のボイラ水Ｍ１をポンプ２６により矢印Ｅ方向に流通させる。

このボイラ水流通部２５には、高温熱源流通ライン７が連結されている。高温熱源流通ライン７は、脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａを通過するように設けられ、ボイラ水Ｍ１を矢印Ｆ方向に流通させる。つまり、高温熱源流通ライン７は、吸着式ヒートポンプ３Ａの脱離−凝縮運転時の熱源としてボイラ水Ｍ１が用いられるように、ボイラ水Ｍ１を吸着式ヒートポンプ３Ａに供給する。

バーナ１５は、ボイラタンク１４に取り付けられており、ボイラタンク１４内のボイラ水Ｍ１を加熱する。バーナ１５の燃料としては、例えば灯油、Ａ重油などの液体燃料、若しくは都市ガス、ＬＰＧなどのガス燃料が用いられている。また、このバーナ１５には、制御手段１７が接続されている。制御手段１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭに保持されるソフトウエアをＣＰＵで実行することにより、バーナ１５の動作を制御する。

ここで、給湯システム５０では、上述したように、ヒートポンプユニット１の熱媒体流通ライン５にタンク１８が設けられている。具体的には、タンク１８は、熱媒体流通ライン５において吸着式ヒートポンプ３，３の下流側且つ熱交換器１３の上流側に設けられている。このタンク１８は、図３に示すように、流入口１８Ａから流入された熱媒体Ｍ２を貯留部１８Ｂに溜めつつ流出口１８Ｃから流出させる。

また、タンク１８の容量は、吸着式ヒートポンプ３の脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転とが切り替えられてから次に切り替えられるまでの間に、熱媒体流通ライン５にて循環する熱媒体の流量以上（流量の１／７以上）となっている。ここでは、タンクの容量を１８リットルとしている。

次に、説明した給湯システム５０の動作について説明する。まず、水が水流通ライン４によりヒートポンプユニット１に供給され、熱交換器１３にて吸着式ヒートポンプ３，３で加熱された熱媒体から水に熱が移動されて中温水とされ、この中温水が水流通ライン４によりボイラ２へ供給される。続いて、熱交換部２４にてバーナ１５で加熱されたボイラ水Ｍ１から中温水に熱が移動されて高温水とされ、そして、この高温水が水流通ライン４の下流側から外部へ供給される。

ここで、ヒートポンプユニット１では、上述したように、運転状態が互いに異なる２つの吸着式ヒートポンプ３Ａ，３Ｂにより熱媒体が加熱され、これらが電磁弁により所定時間で交互に切り替わるように運転される。従って、図５に示すように、従来の給水システムでは、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転との切替え時Ａの直後に、吸着式ヒートポンプ３Ａで発生する凝縮熱及び吸着式ヒートポンプ３Ｂで発生する吸着熱の熱量が一時的に多くなり、切替え時Ａの直後に熱媒体の温度Ｔ１が一時的に急上昇する。その結果、ヒートポンプユニット１により供給された中温水の温度Ｔ２が一時的に急上昇し、ボイラ２により供給された高温水の温度Ｔ４が一時的に急上昇する場合がある。

そこで、給湯システム５０のヒートポンプユニット１においては、上述したように、熱媒体流通ライン５において吸着式ヒートポンプ３，３の下流側且つ熱交換器１３の上流側に、熱媒体を貯留するタンク１８が設けられているため、このタンク１８に熱媒体が貯留され、熱交換器１３に入力される熱媒体の急激な温度変動が緩和される。よって、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転との切替え直後に吸着式ヒートポンプ３，３にて発生する熱量が一時的に多くなった場合でも、熱媒体から水に移動される熱の熱量を平準化することができ、水を常に略一定の加熱量で加熱することが可能となる。従って、供給される温水の温度Ｔ２，Ｔ４の温度変動を吸収し、温度Ｔ２，Ｔ４を安定化することができる。

図４は給湯システム５０における水の温度を示す線図である。図中において、Ｔ１は熱媒体の温度、Ｔ２はヒートポンプユニット１により供給された中温水の温度、Ｔ３はヒートポンプユニット１に給水される水の温度、Ｔ４はボイラ２により供給された高温水の温度をそれぞれ示している。図４に示すように、給湯システム５０では、切替え時Ａの直後に熱媒体の温度Ｔ１が急上昇するものの、中温水の温度Ｔ２及び高温水の温度Ｔ４が略一定値となっている。これにより、温水の温度Ｔ２，Ｔ４を安定化するという上記効果を確認することができた。

また、給湯システム５０では、上述したように、水流通ライン４が水を留めることなく流通させることにより、必要量の温水を得るために必要量の水が瞬時に加熱されて供給されることになる（いわゆる瞬間給湯される）。そのため、供給される温水の温度Ｔ２，Ｔ４を安定化するという上記効果は特に顕著となる。

また、給湯システム５０のヒートポンプユニット１では、上述したように、タンク１８の容量が、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転との切替え時Ａ（図４参照）から次の切替え時Ａまでの間に循環する熱媒体の流量以上（流量の１／７以上）となっているため、タンク１８に熱媒体を貯留することで、熱交換器１３に入力される熱媒体の急激な温度変動が好適に緩和され、よって、熱交換器１３で水に移動される熱の熱量を好適に平準化することができる。また、タンク１８の容量は大きければ大きいほど温度の平準化効果は高くなる。

また、給湯システム５０では、上述したように、バーナ１５で加熱されたボイラ水Ｍ１を脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａの熱源として用いるため、高効率で高温の温水を供給することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、熱媒体はまず吸着式ヒートポンプ３Ａで熱を得た後に引き続き吸着式ヒートポンプ３Ｂで熱を得て加熱されたが、それとは逆に、まず吸着式ヒートポンプ３Ｂで熱を得た後に吸着式ヒートポンプ３Ａで熱を得て加熱されるような熱媒体流通ラインの流路であってもよい。

また、上記実施形態では、空気熱交換器１１及びファン１２を用いて大気中の熱を利用したが、地熱等の他の自然エネルギを利用してもよい。

また、上記実施形態では、高温熱源としてボイラ水Ｍ１を利用したが、未利用の高温排ガスや排水を利用してもよい。

また、上記実施形態では、ヒートポンプユニット１をボイラ２と組み合わせて給湯システム５０として用いたが、ヒートポンプユニット単体で用いてもよい。この場合、ヒートポンプユニットを例えば床暖房やロードヒーティングに採用することができる。

本発明の一実施形態に係る給湯システムの概略構成図である。 図１に示す給湯システムにおいて吸着式ヒートポンプの脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転とが切り替えられた後の概略構成図である。 図１に示す給湯システムのタンクを示す概略断面図である。 図１に示す給湯システムにおける水の温度を示す線図である。 従来の給湯システムにおける水の温度を示す線図である。

符号の説明

１…ヒートポンプユニット、３，３Ａ，３Ｂ…吸着式ヒートポンプ、４，４Ａ，４Ｂ…水流通ライン、５…熱媒体流通ライン、１３…熱交換器（第１熱交換器）、１５…バーナ（加熱器）、１８…タンク、２４…熱交換部（第２熱交換器）、５０…給湯システム、Ｍ１…ボイラ水（第２熱媒体）、Ｍ２…熱媒体（第１熱媒体）。

Claims (3)

1. 吸着式ヒートポンプで第１熱媒体を加熱し、第１熱交換器で前記第１熱媒体から水に熱を移動させることで、前記水を温水として供給するヒートポンプユニットを具備する給湯システムであって、
   前記第１熱交換器を通過するように設けられ、前記水が流通する水流通ラインと、
   前記吸着式ヒートポンプと前記第１熱交換器との間を循環するように設けられ、前記第１熱媒体が流通する熱媒体流通ラインと、
   第２熱媒体を加熱する加熱器と、
   前記水流通ラインにおいて前記第１熱交換器の下流側に設けられ、前記第２熱媒体の熱を前記水に移動させる第２熱交換器と、を備え、
   前記熱媒体流通ラインにおいて前記吸着式ヒートポンプの下流側且つ前記第１熱交換器の上流側には、前記第１熱媒体を貯留するタンクが設けられており、
   前記吸着式ヒートポンプにおいては、凝縮熱により前記第１熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転の際に、前記第２熱媒体が熱源として用いられていることを特徴とする給湯システム。
2. 前記水流通ラインは、前記水を留めることなく流通させることを特徴とする請求項１記載の給湯システム。
3. 前記タンクの容量は、前記吸着式ヒートポンプにおいて凝縮熱により前記第１熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転と吸着熱により前記第１熱媒体を加熱する蒸発−吸着運転とが切り替えられてから次に切り替えられるまでの間に循環する前記第１熱媒体の流量の１／７以上となっていることを特徴とする請求項１又は２記載の給湯システム。

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