JP5153444B2 - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯機能と浴槽加温保温機能を備えたヒートポンプ給湯システムに関し、特にエネルギの有効利用を容易に図ることができるものに関する。

業務用給湯分野においては、シャワー給湯の給湯機（ボイラ）と、浴槽加温・保温のための給湯機（ボイラ）とが別途に設置されていた。このように異なる給湯システムを設定すると、設置コストが高くなるとともに、設置スペースが広くなるという問題があった。このため、ファミリーレストラン、老人福祉施設あるいはビジネスホテルなど大量に湯を使用する業態に使用される給湯システムとして、ヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ給湯システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなヒートポンプ給湯システムは、複数の熱源機と、システムタンクユニットとが、それぞれ水供給管及び温水供給管によって並列に接続されている。温水供給管の出口側には開放型タンクが接続されている。開放型タンクにはさらに給湯管がポンプを介して接続され、給湯管の他端側は浴槽に給湯可能に接続されている。浴槽には、再加熱管路が設けられ、ボイラによって再加熱される。なお、ボイラの代わりにヒータが用いられる場合もある。また、浴槽ではなく、床暖房に温水が用いられる場合もある。

このようなヒートポンプ給湯システムでは、浴槽の内部の湯は３日に１回程度の割合で入れ替え、その他の日はボイラーによって適温となるように再加熱・保温している。

また、図２及び図３に示すようなヒートポンプ給湯システム２００も知られている。すなわち、ヒートポンプ装置２１０、貯湯槽２２０、熱交換器２３０、浴槽２４０、シャワーやカラン等の利用端末２５０が配管２６０を介して接続されている。なお、図中矢印は水或いは湯の流れ方向を示している。

夜間は、図２に示すように、ヒートポンプ装置２１０に給水され、加熱されて貯湯槽２２０に湯が貯められる。

昼間は、図３に示すように、給湯を行うとともに、熱交換器２３０を介して浴槽２４０内の湯の保温を行う。このとき、貯湯槽２２０内の温度低下に伴って、貯湯槽２２０内の湯がヒートポンプ装置２１０に送られ、一定温度に維持するよう再循環加熱を行う。
特開２００７−２０５６９８号公報

上述したヒートポンプ給湯システムでは、次のような問題があった。すなわち、給湯用の加熱機と、浴槽や床暖房用の再加熱・保温用の加熱機とが別々にあり、初期設置コストが高かった。

一方、両者を一体化して初期設置コストを低減するために給湯・保温用の両者に用いることができるタンクを有するヒートポンプ装置も知られているが、保温用の熱交換器への供給エネルギー調整のための循環ポンプに能力可変ポンプを用いる必要があることから、ヒートポンプ装置と熱交換器との間で温度情報等の交換が必要になり、制御が複雑になっていた。

そこで本発明は、両方の機能を同一のヒートポンプユニットで行うことで、初期設置コスト、設置スペース、ランニングコストを低減するとともに、簡単な制御でエネルギの有効利用を図ることができるヒートポンプ給湯システムを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明のヒートポンプ給湯システムは次のように構成されている。

ヒートポンプ式給湯装置の水熱交換部で温水を生成し供給する複数台の熱源機と、前記水熱交換部で生成された温水を貯留する密閉型タンクと、この密閉型タンクに接続されるとともに、前記水熱交換部に冷水を供給する冷水供給管と、前記水熱交換部から温水を排出し、前記密閉型タンクに供給する温水供給管と、前記密閉型タンクと前記温水供給管を介して接続され、前記密閉型タンクから供給される温水を貯留する開放型タンクと、前記密閉型タンクと前記開放型タンクとの間の前記温水供給管に複数並列に設けられる流量調節弁と、この流量調節弁のそれぞれの下流側に設けられる複数の流路切換弁と、前記開放型タンクに一端が接続され供給ポンプにより開放型タンクの温水を利用端末へ供給する給湯配管と、前記開放タンクから供給される温水を利用するために貯留する温水槽と、一端側が前記流路切換弁を介して前記温水供給管に接続され、他端側が前記冷水供給管に接続された分岐配管と、前記分岐配管の中途部を１次側とする水熱交換器と、前記温水槽の水または温水を前記水熱交換器の２次側に送る循環配管とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、初期設置コスト、設置スペース、ランニングコストを低減するとともに、簡単な制御でエネルギの有効利用を図ることが可能となる。

図１は本発明の一実施の形態に係るヒートポンプ給湯システム１０の構成を示す説明図である。図１に示すように、ヒートポンプ給湯システム１０は、ヒートポンプ式給湯装置の水熱交換部２１で温水を生成し供給する８台の熱源機２０と、システムタンクユニット１１とを備えている。熱源機２０は、後述するシステムコントローラ（制御部）１２０によって稼働台数が制御されている。

システムタンクユニット１１には、水熱交換部２１で生成された温水を貯留する密閉型タンク３０と、この密閉型タンク３０に接続されるとともに、水熱交換部２１に冷水を供給する冷水供給管４０と、水熱交換部２１から温水を排出し、密閉型タンク３０に供給する温水供給管５０とが設けられている。

密閉タンク３０には、タンクの高さ方向に複数の温度センサ３１が設けられている。これらの温度センサ３１の出力はシステムコントローラ１２０に入力され、６５〜７０℃の湯がタンクの中央部まで満たすように後述する流量調整弁５２にて調整されている。

冷水供給管４０には、外部の水道管から冷水が供給される。なお、冷水供給管４０の入口側には減圧弁４１が設けられている。

温水供給管５０の供給側配管５１は、３つに分岐した分岐配管５１ａを有している。分岐配管５１ａは、それぞれ流量調節弁５２と、この流量調節弁５２の下流側に流路の切換を行う三方弁（流路切替弁）５３が取り付けられている。さらに、三方弁５３の下流側はそれぞれ温水供給枝管５４と分岐配管８０に集合し、それぞれ開放型タンク６０と、水熱交換器９０側に接続されている。

開放型タンク６０は、密閉型タンク３０から供給される湯を貯留するものである。また、開放型タンク６０に一端が接続され供給ポンプ７１により開放型タンク６０の温水を蛇口７２、浴槽１００、シャワーなどの利用端末へ供給する給湯配管７０とが設けられている。給湯配管７０には、ポンプ７１が設けられ、必要に応じて蛇口７２、浴槽１００、シャワーなどに温水を供給する。

流量調節弁５２は熱源機２０で生成された温水の流量を調節する機能を有している。流量調節弁５２の調節動作はシステムコントローラ１２０によって行われる。三方弁５３には、開放型タンク６０に温水供給管５０からの湯を供給する温水供給枝管５４と、熱交換器９０の１次側に導入される分岐配管８０が接続されており、三方弁５３は熱源機２０で生成された温水を温水供給枝管５４側に流すか、分岐配管８０側に流すかを選択的に切り替える機能を有している。三方弁５３の切換動作はシステムコントローラ１２０によって行われる。

分岐配管８０の中途部は、水熱交換器９０の１次側に導入されており、三方弁５３と水熱交換器９０に導入される中途部との間に１次側ポンプ８１が設けられている。分岐配管８０は中途部で水熱交換器９０に導入された後に、システムタンクユニット１１内の冷水供給管４０の密閉タンク３０の上流側に接続される。すなわち分岐配管８０から戻った水が密閉タンク３０へ供給される。なお、その間に逆止弁８２が設けられている。１次側ポンプ８１は、加温、保温回路の湯の鮮度確保のため、システムとして定期的に高温水を循環させる機能を有している。

分岐配管８０において、三方弁５３から湯水が水熱交換器９０へ導入される側、すなわち上流側と、水熱交換器９０から逆止弁８２を通り冷水供給管４０へ戻る側、すなわち下流側の各々に第１温度センサ１４０、第２温度センサ１４１が設けられている。第１温度センサ１４０によって検出された温度をＴＷ１、第２温度センサ１４１によって検出された温度をＴＷ２とする。

また、図中１００は浴槽（温水槽）を示しており、この浴槽１００には、循環配管１１０が接続されている。循環配管１１０の中途部は水熱交換器９０の２次側に設けられ、三方弁５３が分岐配管８０側に切り替えられたときに熱源機２０から送られる温水によって浴槽１００の水または温水が加熱される。循環配管１１０にはろ過器１１１と２次側ポンプ１１２が設けられている。２次側ポンプ１１２には、浴槽温度を検知して運転ＯＮ／ＯＦＦ、過熱、保温能力可変制御が組み込まれている。

このように構成されたヒートポンプ給湯システム１０は、次のように動作する。すなわち、開放型タンク６０に温水を供給する場合には、システムコントローラ１２０で温度・水量を設定する。この設定に基づいて各部が作動する。すなわち、冷水供給管４０から冷水が各熱源機２０に供給され、各熱源機２０が駆動されると、温水供給管５０を介して密閉型タンク３０に温水が供給されるとともに、各三方弁５３にも温水が送られる。各三方弁５３はシステムコントローラ１２０によって切換動作が行われ、送られた温水を、温水供給枝管５４を介して開放型タンク６０に供給する。開放型タンク６０からは必要に応じてポンプ７１を駆動し、給湯配管７０を介して蛇口７２、浴槽１００、シャワー等への給湯が行われる。

浴槽１００の再加熱・保温用の加温を行う場合には、システムコントローラ１２０において湯温や開始時間・終了時間の設定を行うことで、三方弁５３の切換動作が行われ、熱源機２０が生成した温水が分岐配管８０側に導入される。分岐配管８０に導入された温水は、水熱交換器９０の一次側に供給される。浴槽１００の加温のために分岐配管８０に送られた湯水は、水熱交換器９０において熱を奪われ、水熱交換器９０へ導入される前に比べて低温の状態で出てくる。この低温の湯水は、密閉タンク３０の上流側に接続されている分岐配管８０を介して密閉タンク３０へ供給される。

一方、循環配管１１０には、浴槽１００内の水または温水が供給され、ろ過器１１１でろ過した後、循環ポンプ１１２にて水熱交換器９０の２次側に供給する。これにより、循環配管１１０内の水または温水が加熱されて浴槽１００内に戻される。そして、設定の温度になった時点で流量調整弁５２を全て閉じる。

密閉タンク３０の内部ではその中央部において、高温水と低温水の境界層が構築されているが、水熱交換器９０から分岐配管８０を介して密閉タンク３０に低温の湯水が戻ると、その境界層が密閉タンク３０の中央部からずれてしまう。その境界層のずれを前記温度センサ３１により感知すると、システムコントローラ１２０は自動で流量調整弁５２を制御し、境界層が密閉タンク３０の中央部に戻るよう、湯水の流量を調節する。したがって、作った湯を無駄なく供給することができる。

さらに、温度センサ１４０と１４１によって熱源機２０から供給される高温の湯水と、水熱交換器９０から戻る低温の湯水の温度がチェックされ、システムコントローラ１２０に入力される。前記高温の湯水の温度をＴＷ１、前記低温の湯水の温度をＴＷ２とし、ＴＷ２を例えば４５℃となるように設定したとすると、次のように制御される。

ＴＷ２の温度が４５℃より低い場合、浴槽１００の湯水を設定した温度にするには、水熱交換器９０に供給される湯水の温度が低いか、供給される湯水の量が足りないということになる。したがってシステムコントローラ１２０は自動で熱源機２０の稼動数を増やすか、三方弁５３の任意の数を分岐配管８０側へ切り換え、流量調整弁５２を開き流量を増加させるよう指令を出す。これにより、水熱交換器９０へ導入される高温の湯水が増え、多くの熱が水熱交換器９０の１次側から２次側へ移動することにより、浴槽１００の湯水の温度が上がることになる。

ＴＷ２の温度が４５℃より高い場合、浴槽１００の湯水を設定した温度にするには、水熱交換器９０に供給される湯水の温度が高いか、供給される湯水の量が多いということになる。したがってシステムコントローラ１２０は自動で熱源機２０の稼動数を減らすか、三方弁５３の任意の数を貯湯タンク６０側へ切り換え、残りの分岐配管８０側へ流れる流量調整弁５２を絞って流量を減少させるよう指令を出す。これにより、水熱交換器９０へ導入される高温の湯水が減り、前記水熱交換器の１次側から２次側へ移動する熱が少なくなるため、浴槽１００の湯水の温度上昇が適度なものとなる。

これにより浴槽１００の湯水の加温保温をするのに必要な、熱源機２０と三方弁５３及び流量調整弁５２の制御を自動で行うことができる。また本実施例においては、ろ過、加温装置内の１次側ポンプがどのようなものであっても、流量の制御は流量調節弁５２及び三方弁５３によって行われるので、問題なく使用することができる。

また、開放型タンク６０への湯水の供給と、浴槽１００の再加熱・保温用の加温を同時に行いたい場合には、システムコントローラ１２０において設定することにより、三方弁５３の任意の数が開放型タンク６０側へ湯水を送るように切り替わり、同時に残りの三方弁５３が分岐配管８０側へ湯水を送るように切り替わる。これにより開放型タンク６０と分岐配管８０に同時に湯水を供給することが可能となる。

なお、開放型タンク６０へ供給される湯水の量と、分岐配管８０へ送られる湯水の量は三方弁５３の各々の上流側にある流量調節弁５２によって調節される。

なお、保温必要能力・加温必要能力について一例を挙げると、４０．５℃の湯２２トンを１時間で４２℃に昇温するためには、３８．４ｋＷとなる。また、残り湯１トンを用いてろ過器１１１の逆洗浄を考慮し、２５℃の湯１０トンを５時間で４２℃に昇温するためには、４０．０ｋＷの能力が必要となる。

上述したように、ヒートポンプ給湯システム１０によれば、熱源機２０で生成された熱を開放型タンク６０への給湯にも、浴槽１００の再加熱・保温にも用いることができるため、ボイラやヒータが不要となり、初期設置コスト、設置スペース、ランニングコストを低減することが可能となる。

また、三方弁５３の切り替え及び流量調整弁５２の調節をシステムコントローラ１２０によって行うことで、開放型タンク６０への給湯及び浴槽１００の再加熱・保温を自動的に行うことができるため、制御が容易となる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した例では、温水槽として浴槽１００を例示したが、床暖房用の温水パイプにも適用することができる。また、水熱交換器９０とは独立して６０℃の湯を供給し、リターン温度が４５℃になるように保温能力を調整するようにしてもよい。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論である。

本発明の一実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムの構成を示す図。 一般的なヒートポンプ給湯システムの夜間モードを示す説明図。 同ヒートポンプ給湯システムの昼間モードを示す説明図。

符号の説明

１０…ヒートポンプ給湯システム、２０…熱源機、２１…水熱交換部、３０…密閉型タンク、４０…冷水供給管、５０…温水供給管、５２…流量調整弁、５３…三方弁（流路切替弁）、６０…開放型タンク、７０…給湯配管、８０…分岐配管、９０…水熱交換器、１００…浴槽、１１０…循環配管、１２０…システムコントローラ（制御部）。

Claims (3)

1. ヒートポンプ式給湯装置の水熱交換部で温水を生成し供給する複数台の熱源機と、
   前記水熱交換部で生成された温水を貯留する密閉型タンクと、
   この密閉型タンクに接続されるとともに、前記水熱交換部に冷水を供給する冷水供給管と、
   前記水熱交換部から温水を排出し、前記密閉型タンクに供給する温水供給管と、
   前記密閉型タンクと前記温水供給管を介して接続され、前記密閉型タンクから供給される温水を貯留する開放型タンクと、
   前記密閉型タンクと前記開放型タンクとの間の前記温水供給管に複数並列に設けられる流量調節弁と、
   この流量調節弁のそれぞれの下流側に設けられる複数の流路切換弁と、
   前記開放型タンクに一端が接続され供給ポンプにより開放型タンクの温水を利用端末へ供給する給湯配管と、
   前記開放タンクから供給される温水を利用するために貯留する温水槽と、
   一端側が前記流路切換弁を介して前記温水供給管に接続され、他端側が前記冷水供給管に接続された分岐配管と、
   前記分岐配管の中途部を１次側とする水熱交換器と、
   前記温水槽の水または温水を前記水熱交換器の２次側に送る循環配管と、
   を備えていることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
2. 前記密閉型タンクから前記水熱交換器に循環湯を供給し、前記水熱交換器から前記密閉型タンクの戻る湯の配管接続口は前記密閉タンクの上流側とし、前記密閉タンクの高さ方向の中央部に所定温度の湯と低温水の境界層ができるように前記流量調節弁の開度を調整する制御部を備えていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯システム。
3. 前記密閉型タンクから前記水熱交換器に供給する湯温をＴＷ１、前記水熱交換器から前記密閉型タンクに戻ってくる湯温をＴＷ２としたとき、ＴＷ２の温度が所定の温度となるように前記熱源機の運転台数及び流路切換弁の切換を行う制御部を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ給湯システム。

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