JP5169157B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを利用した給湯システムに関する。

ヒートポンプ（ヒートポンプ回路）を備えた給湯システムは、大気の熱を利用することから、電気温水器などの他の一般的な給湯機に比べて、水加熱時におけるエネルギー利用効率が比較的高いことが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００４−２８４７９号公報 特開２００５−１６７５９号公報

従来より、ヒートポンプ給湯システムでは、貯湯スペース（タンク）の容量が比較的大きいことが課題となっている。ヒートポンプ給湯システムの一般家庭へのさらなる普及のために、システムの小型化が望まれている。また、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。

本発明は、システムの小型化が可能な給湯システムを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、蓄熱材が配置されかつ第２流体が少なくとも一時的に貯えられるタンクを有する第２ユニットであり、前記蓄熱材及び前記第１流体の少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２流体が加熱される前記第２ユニットと、を備え、前記ヒートポンプは、前記第１流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部からの前記第１流体の熱を前記タンクに向かう前記第２流体に与える放熱部と、前記圧縮部からの前記第１流体を前記放熱部及び前記タンクの少なくとも一方に導く弁と、を有する給湯システムが提供される。
また、第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、蓄熱材が配置されかつ第２流体が少なくとも一時的に貯えられるタンクを有する第２ユニットであり、前記蓄熱材及び前記第１流体の少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２流体が加熱される前記第２ユニットと、を備え、前記タンクは、第１及び第２タンクを有し、前記ヒートポンプは、前記第１流体を圧縮する第１及び第２圧縮部と、前記第１圧縮部からの前記第１流体を前記第１タンク又は前記第２圧縮部に選択的に導く第１弁と、前記第２圧縮部からの前記第１流体の熱を前記第２タンクに向かう前記第２流体に与える第１放熱部と、前記第２圧縮部からの前記第２流体を前記第２タンク又は前記第１放熱部に選択的に導く第２弁と、を有し、前記第２ユニットは、前記第１放熱部からの熱を受けた前記第２流体を前記第１タンク及び前記第２タンクに導く経路をさらに有する給湯システムが提供される。

本発明の別の態様に従えば、ヒートポンプと蓄熱材とを用いた給湯方法であって、前記ヒートポンプからの熱を、タンク内に配置された前記蓄熱材に蓄える工程と、前記ヒートポンプによって加熱された第１湯を前記タンクに貯える工程と、前記タンクに貯えられた前記第１湯を所定設備に供給する工程と、前記タンク内で前記蓄熱材によって加熱された第２湯を前記所定設備に供給する工程と、前記ヒートポンプによって加熱された第３湯を直接的に前記所定設備に供給する工程と、を有する給湯方法が提供される。

本発明の態様によれば、蓄熱材を利用することにより、従来に比べてシステムの小型化が可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態を示す概略図である。図１において、給湯システム１０は、作動流体（作動媒体、第１流体）が流れるヒートポンプ（ヒートポンプ回路）２０を有するヒートポンプユニット（第１ユニット）１２と、被加熱流体（被加熱媒体、第２流体）としての水の供給ユニット（第２ユニット）３０と、制御装置７０とを備える。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。給湯システム１０の構成は、設計要求に応じて様々に変更可能である。

ヒートポンプ２０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、作動流体の状態変化を利用して複数の物体間で熱の授受を行う回路である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高いという利点を有する。本実施形態において、ヒートポンプ２０は、大気から熱を汲み上げ、それを熱源として水を加熱する。

本実施形態において、ヒートポンプ２０は、吸熱部２１、圧縮部２２、放熱部（第１放熱部２３Ａ、第２放熱部２３Ｂ）、及び膨張部２４を有し、これらは導管を介して接続されている。

吸熱部２１では、主経路２５内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、大気の熱を吸収する。ヒートポンプ２０の吸熱部２１が大気以外の熱源（例えば冷熱供給装置）の熱を吸収する構成とすることもできる。

圧縮部２２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部２２は、作動流体を単段又は複数段に圧縮する構造を有する。圧縮の段数は、給湯システム１０の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部２２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。

本実施形態において、圧縮部２２は、作動流体を多段に圧縮する構造を有する。図１に示す圧縮部２２は、第１圧縮部２２Ａ、及び第２圧縮部２２Ｂを含む２段圧縮構造を有する。圧縮部２２は、各圧縮部２２Ａ，２２Ｂに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、圧縮部２２は、同軸圧縮構造を有することができる。本実施形態において、圧縮部２２は、圧縮部２２Ａ及び２２Ｂに対応する多軸構造を有し、２軸のそれぞれに動力が供給される。各圧縮部２２Ａ，２２Ｂの圧縮比（圧力比）は、給湯システム１０の仕様に応じて設定される。

放熱部２３Ａ，２３Ｂは、圧縮部２２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の物体に与える。本実施形態において、作動流体の流れ方向に沿って、第１放熱部２３Ａ、及び第２放熱部２３Ｂがその順に並んでいる。放熱部の数は、給湯システム１０の仕様に応じて設定され、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、あるいは１１以上である。第１放熱部２３Ａは第２圧縮部２２Ｂの下流位置に配置され、第２放熱部２３Ｂは、第１放熱部２３Ａの下流位置に配置される。各放熱部２３Ａ，２３Ｂは、供給ユニット３０の一部に熱的に接続されている。

膨張部２４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。タービンを使用した場合には膨張部２４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部２２に供給してもよい。ヒートポンプ２０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245faなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、給湯システム１０の仕様及び熱バランス等に応じて用いられる。ヒートポンプ２０の放熱部２２Ａ，２２Ｂを流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態であってもよい。

本実施形態において、ヒートポンプ２０はさらに、バイパス経路２７と、再生器２８とを有する。バイパス経路２７の入口端がヒートポンプ２０の主経路２５における第１放熱部２３Ａと第２放熱部２３Ｂとの間の導管に流体的に接続される。バイパス経路２７の出口端が主経路２５における第２放熱部２３Ｂと膨張部２４との間の配管に流体的に接続される。バイパス経路２７の入口に、作動流体のバイパス流量を制御する流量制御弁を設けることができる。バイパス経路２７において、第１放熱部２３Ａからの作動流体の一部が、第２放熱部２３Ｂを迂回し、膨張部２４の手前で第２放熱部２３Ｂからの作動流体と合流する。第１放熱部２３Ａからの残りの作動流体は、第２放熱部２３Ｂを流れ、第２放熱部２３Ｂからの熱が供給ユニット３０内の水に伝わる。

再生器２８は、バイパス経路２７の導管の一部と、ヒートポンプ２０の主経路２５の導管（吸熱部２１と圧縮部２２との間の導管）の一部とが熱的に接続された構成を有する。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。ヒートポンプ２０において、吸熱部２１からの作動流体に比べて、第１放熱部２３Ａからの作動流体は高温である。再生器２８において、バイパス経路２７を流れる第１放熱部２３Ａからの作動流体と、ヒートポンプ２０の主経路２５を流れる吸熱部２１からの作動流体とが熱交換する。この熱交換により、バイパス経路２７内の作動流体の温度が降下し、主経路２５内の作動流体の温度が上昇する。再生器２８は、低温の流体（主経路２５内の作動流体）と高温の流体（バイパス経路２７内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、再生器２８は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。

供給ユニット３０は、水の供給源１５、貯湯タンク３２、第１蓄熱タンク３４、及び第２蓄熱タンク３６を有する。供給ユニット３０は、必要に応じて、導管、ポンプ、及びバルブをさらに有する。本実施形態において、供給源１５からの水は、バルブ４１を介して経路５１及び／又は経路５２に送られる。制御装置７０の制御によって、バルブ４１及び／又は他の流量制御手段を介して、経路５１を流れる水の流量及び経路５２を流れる水の流量が制御される。

経路５１は、ヒートポンプ２０の第２放熱部２３Ｂに熱的に接続されかつ供給源１５からの水が流れる第１加熱導管５１Ａと、第２加熱導管５１Ｂとを有する。第１加熱導管５１Ａと第２放熱部２３Ｂとによって第１熱交換器６１が構成される。第１熱交換器６１は、低温の流体（第１加熱導管５１Ａ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ２０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第１熱交換器６１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、第１熱交換器６１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。第１加熱導管５１Ａと第２放熱部２３Ｂの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、第２放熱部２３Ｂの導管を、第１加熱導管５１Ａの導管の外周面や内部に配設することができる。ヒートポンプ２０の第２放熱部２３Ｂからの伝達熱によって、第１加熱導管５１Ａ内の水が温度上昇する。

また、第２加熱導管５１Ｂと第１放熱部２３Ａとによって第２熱交換器６３が構成される。第２熱交換器６３は、第１熱交換器６１と同様に、低温の流体（第２加熱導管５１Ｂ内の水）と高温の流体（ヒートポンプ２０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、第２熱交換器６３は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有してもよい。本実施形態において、第２熱交換器６３の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。第２加熱導管５１Ｂと第１放熱部２３Ａの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、第１放熱部２３Ａの導管を、第２加熱導管５１Ｂの導管の外周面や内部に配設することができる。ヒートポンプ２０の第１放熱部２３Ａからの伝達熱によって、第２加熱導管５１Ｂ内の水（第１加熱導管５１Ａからの温水）がさらに温度上昇する。

経路５２は、第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６に流体的に接続される。バルブ４１からの水は、経路５２を介して、第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６に送られる。経路５２は、第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６への水の供給量を制御するバルブを有してもよい。

経路５１上には貯湯タンク３２への温水の供給量を制御するバルブ４２が配置される。バルブ４２の配置位置は、経路５１における第１加熱導管５１Ａと第２加熱導管５１Ｂとの間である。経路５３がバルブ４２を介して経路５１に流体的に接続される。第１熱交換器６１で温度上昇した水が経路５３を介して貯湯タンク３２に供給される。貯湯タンク３２に貯留された温水は、不図示のバルブを介して、貯湯タンク３２に流体的に接続された排出管５４に適宜導かれる。

経路５１上にはさらに第１蓄熱タンク３４及び第２蓄熱タンク３６への温水の供給量を制御するバルブ４３及びバルブ４４がそれぞれ配置される。第２蓄熱タンク３６への温水の供給量を制御するバルブ４３の配置位置は、経路５１における第２加熱導管５１Ｂの下流位置である。第１蓄熱タンク３４への温水の供給量を制御するバルブ４４の配置位置も同様に、経路５１における第２加熱導管５１Ｂの下流位置である。図１において、バルブ４３とバルブ４４とを１つに統合してもよく、バルブ４３とバルブ４４の経路５１上の位置関係を図１のそれの逆にしてもよい。

分岐経路５５及び５６がバルブ４３及び４４を介して経路５１に流体的にそれぞれ接続される。第２熱交換器６３で温度上昇した水が分岐経路５５，５６を介して第２蓄熱タンク３６，第１蓄熱タンク３４にそれぞれ供給される。

前述したように、第１及び第２蓄熱タンク３４，３６には、供給源１５からの加熱されていない水、及び第１及び第２放熱部２３Ａ，２３Ｂからの加熱された水（温水）が供給可能である。

さらに、第１蓄熱タンク３４には、第１圧縮部２２Ａからの作動流体が供給可能である。第１圧縮部２２Ａと第２圧縮部２２Ｂとの間の経路には、第１圧縮部２２Ａからの作動流体を第１蓄熱タンク３４又は第２圧縮部２２Ｂに選択的に導くバルブ７１が配置される。第１圧縮部２２Ａで圧縮された作動流体が、バルブ７１及び経路８１を介して第１蓄熱タンク３４に供給される。第１蓄熱タンク３４からの作動流体は、経路８２及びバルブ７２を介して第１圧縮部２２Ａと第２圧縮部２２Ｂとの間の経路に導かれる。

一方、第２蓄熱タンク３６には、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体が供給可能である。第２圧縮部２２Ｂと第１放熱部２３Ａとの間の経路には、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体を第２蓄熱タンク３６又は第１放熱部２３Ａに選択的に導くバルブ７３が配置される。第２圧縮部２２Ｂで圧縮された作動流体が、バルブ７３及び経路８３を介して第２蓄熱タンク３６に供給される。第２蓄熱タンク３６からの作動流体は、経路８４及びバルブ７４を介して第１放熱部２３Ａと第２放熱部２３Ｂとの間の経路に導かれる。

第１及び第２蓄熱タンク３４，３６内には、蓄熱材１００が配置される。第１蓄熱タンク３４の蓄熱材１００は、第１圧縮部２２Ａからの作動流体からの伝達熱を蓄えることができる。一方、第２蓄熱タンク３６の蓄熱材１００は、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体の伝達熱を蓄えることができる。

給湯システム１０の仕様に応じて、蓄熱材１００の材料特性が定められる。本実施形態において、蓄熱材１００は、液体−固体の相変化を伴って蓄熱及び放熱する潜熱蓄熱材(PCM: Phase Change Material）を含む。すなわち、蓄熱材１００は、融解する際に熱を蓄え、凝固するときに放熱する。潜熱蓄熱材の融点は、給湯システム１０の仕様に応じて設定され、例えば、２０〜３０℃、３０〜４０℃、４０〜５０℃、５０〜６０℃、６０〜７０℃、７０〜８０℃、８０〜９０℃、９０〜１００℃、又は１００℃以上である。潜熱蓄熱材としては、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）、酢酸ナトリウム、酢酸ナトリウム三水塩、又は無機水和塩等を主成分とする材料が挙げられる。一例として、RUBITHRM 社製の RUBITHERM RTシリーズ（登録商標）、ENVIRONMENTAL PROCESS SYSTEMS 社製の PULSE ICE Eシリーズ（登録商標）、三菱化学エンジニアリング社製の STL シリーズ（登録商標）などがある。潜熱蓄熱材は、相変化に伴う体積変化が小さく（すなわち、蓄積エネルギー密度が高い）、装置のコンパクト化に有利である。蓄熱材１００として、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材、超臨界流体を用いた蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。

本実施形態において、各タンク３４，３６内には、蓄熱材１００が収容される複数の容器１０２が配置されている。複数の容器１０２は、同じ形状を有してもよく、互いに異なる形状を有してもよい。図２Ａ及び２Ｂは、蓄熱材１００の容器１０２の一例を示す模式断面図である。図２Ａ及び２Ｂに示すように、各容器１０２の外形は、例えば、略球状、又は突起及び／又は窪みを有する略球状を有することができる。容器１０２の形状は上記の例に限定されない。各容器１０２の外形は、略楕円状、略矩形状など様々な形状を有することができる。内容量に対する表面積の割合が比較的大きい形状を容器１０２が有することにより、蓄熱材１００と他の物体との間の熱交換効率の向上が図られる。

図１に戻り、複数の容器１０２は、各タンク３４，３６内で比較的分散して配置される。例えば、複数の容器１０２は、少なくとも部分的に互いに離間して配置される。複数の容器１０２の間隙及び／又はその間隙に位置する流路を第１圧縮部２２Ａ又は第２圧縮部２２Ｂからの圧縮された高温の作動流体が流れることができる。各タンク３４，３６において、作動流体から熱を受けた蓄熱材１００は、固体から液体に相変化する。本実施形態において、各タンク３４，３６内で、蓄熱材１００が収容された複数の容器１０２のそれぞれが作動流体と熱交換する。すなわち、蓄熱材１００（容器１０２）が分散配置されているので、各タンク３４，３６内のほぼ全体にわたって、短時間で、作動流体の熱を固体の蓄熱材１００に伝えることができる。その結果、タンク３４，３６内の蓄熱材１００の全体が比較的均質に相変化し、タンク３４，３６における相変化位置の偏り及び／又は部分的な相変化遅れが抑制される。

また、液化した蓄熱材１００を有する複数の容器１０２の間隙及び／又はその間隙に位置する流路を供給源１５及び経路５２からの水が流れることができる。各タンク３４，３６において、蓄熱材１００は、その低温の水に熱を伝えることができる。蓄熱材１００から伝達熱を受けた水は温度上昇し、不図示のバルブを介して、各タンク３４，３６に流体的に接続された排出管５４に適宜導かれる。

蓄熱タンク３４，３６において、熱を奪われた蓄熱材１００は、液体から固体に相変化する。この相変化においても、蓄熱材１００（容器１０２）の分散配置のため、タンク３４，３６内の蓄熱材１００の全体が比較的均質に相変化し、タンク３４，３６における相変化位置の偏り及び／又は部分的な相変化遅れが抑制される。

相変化に伴って蓄熱材１００が体積変化する。本実施形態において、各タンク３４，３６内の複数の容器１０２に蓄熱材１００が分散配置されているから、個々の容器１０２での蓄熱材１００の体積変化は比較的小さい。そのため、蓄熱材１００の体積変化に伴う容器１０２及びタンク３４，３６の破損が防止される。

なお、容器１０２は、様々な材料から構成することができる。例えば、容器１０２は、高剛性を有する材料、又は変形可能な材料（例えば樹脂材など）から構成することができる。容器１０２が蓄熱材１００の体積変化に応じて変形（例えば弾性変形）することにより、蓄熱材１００の体積変化に伴う容器１０２及びタンク３４，３６の破損がより確実に防止される。

なお、蓄熱タンク３４，３６及び容器１０２の形状、配列、材質などは任意に設定可能であり、様々な態様が適用可能である。本実施形態において、第２蓄熱タンク３６の容量（大きさ）は、第１蓄熱タンク３４に比べて大きく設定されているが、本発明はこれに限定されない。複数の容器１０２は、各タンク３４，３６内で配置位置が固定されていてもよく、流動可能に配置されていてもよい。蓄熱タンク３４，３６には、断熱材が必要に応じて配置される。蓄熱タンク３４，３６がフィンなどの熱伝達促進部材を必要に応じて有してもよい。

制御装置７０は、ヒートポンプ２０における各機器、及びポンプ及びバルブを含む各種配管機器等の制御を行って、給湯システム１０を統括的に制御するものであり、演算及び制御を行う演算部の他、記憶部、入出力部等を有する。給湯システム１０は、不図示の温度センサ及び流量センサ等の計測器が適宜有している。制御装置７０は例えばこれらの計測器の計測結果に基づいて上記制御を行う。

次に、給湯システム１０の動作について説明する。本実施形態において、給湯システム１０は、第１蓄熱モード、第２蓄熱モード、第１給湯モード、第２給湯モード、及び第３給湯モードを少なくとも有する。図３は、第１蓄熱モードにおける、ヒートポンプの作動流体の温度変化を模式的に示す図である。図４は、第２蓄熱モード及び第３給湯モードにおける、ヒートポンプの作動流体の温度変化を模式的に示す図である。図５は、第２給湯モードにおける、水の温度変化を模式的に示す図である。

＜第１蓄熱モード＞
第１蓄熱モードにおいて、例えば夜間電力（深夜電力）を利用して給湯システム１０のヒートポンプ２０が稼動される。ヒートポンプ２０の稼動は、例えば電力料金が低く設定されている時間帯とすることができる。こうした時間帯の電力利用により、エネルギーコストの低減が図られる。

第１蓄熱モードにおいて、第１圧縮部２２Ａで圧縮された作動流体が温度上昇する（図３のｍ１）。ヒートポンプ２０のバルブ７１は、第１圧縮部２２Ａからの作動流体を第１蓄熱タンク３４に導く。第１圧縮部２２Ａからの圧縮された作動流体の温度は、例えば約９０℃である。第１蓄熱タンク３４において、作動流体からの伝達熱が蓄熱材１００に蓄えられる。すなわち、図３の（ａ）に示すように、第１圧縮部２２Ａからの作動流体から伝わる熱によって容器１０２内の蓄熱材１００（ＰＣＭ）が加熱され、蓄熱材１００が固相から液相に変化する。第１蓄熱タンク３４において、潜熱蓄熱材の融点は、例えば約５０〜６５℃である。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。第１蓄熱タンク３４において、蓄熱材１００の液状化に伴い、蓄熱材１００の融解潜熱が蓄えられる。第１蓄熱タンク３４において、蓄熱材１００に熱を奪われることで、作動流体の温度は下降する。

第１蓄熱モードにおいて、温度降下した第１蓄熱タンク３４からの作動流体は、第２圧縮部２２Ｂに導入される。バルブ７３は、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体を第２蓄熱タンク３６に導く。第２圧縮部２２Ｂからの圧縮された作動流体が温度上昇する（図３のｍ２）。第２圧縮部２２Ｂで圧縮された作動流体の温度は、第１圧縮部２２Ａからの作動流体の温度と同程度であり、例えば約９０℃である。第２蓄熱タンク３６において、作動流体からの伝達熱が蓄熱材１００に蓄えられる。すなわち、図３の（ｂ）に示すように、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体から伝わる熱によって容器１０２内の蓄熱材１００が加熱され、蓄熱材１００が固相から液相に変化する。第２蓄熱タンク３６においても、潜熱蓄熱材の融点は、例えば約５０〜６５℃である。制御装置７０は、システムを統括的に制御する。第２蓄熱タンク３６において、蓄熱材１００の液状化に伴い、蓄熱材１００の融解潜熱が蓄えられる。

第１蓄熱モードにおいて、上記の第１及び第２蓄熱タンク３４，３６での蓄熱と並行して、第１熱交換器６１を利用して貯湯タンク３２に温水が貯えられる。すなわち、図３の（ｃ）に示すように、ヒートポンプ２０の稼動状態において、供給源１５から経路５１に水が導入される。経路５１の第１加熱導管５１Ａを流れる水が第２放熱部２３Ｂからの伝達熱によって加熱される。バルブ４２は、第２放熱部２３Ｂからの温水を貯湯タンク３２に導く。その温水が貯湯タンク３２に貯えられる。供給源１５からの水の温度は、例えば約２０℃、貯湯タンク３２内の温水の温度は、例えば約５０〜６５℃である。

所定時間を経過すると、蓄熱材１００に所定量の熱が蓄えられるとともに、貯湯タンク３２に所定量の温水が貯えられる。例えば、時刻、処理時間、第１及び第２蓄熱タンク３４，３６の温度、及び／又は貯湯タンク３２の貯水量などに基づいて、第１蓄熱モードの終了が判断される。

＜第２蓄熱モード＞
次に、第２蓄熱モードにおいて、例えば夜間電力（深夜電力）を利用して給湯システム１０のヒートポンプ２０が稼動される。第２蓄熱モードにおいて、ヒートポンプ２０のバルブ７１は、第１圧縮部２２Ａからの作動流体を第２圧縮部２２Ｂに導く。第１及び第２圧縮部２２Ａ，２２Ｂで２段圧縮によって作動流体が温度上昇する（図４のｍ１＋ｍ２）。その作動流体の温度は、例えば約１０５℃である。バルブ７３は、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体を第１放熱部２３Ａに導く。図４の（ｅ）に示すように、第１熱交換器６１において、経路５１の第１加熱導管５１Ａを流れる供給源１５からの水が第２放熱部２３Ｂからの伝達熱によって加熱される。さらに、図４の（ｄ）に示すように、第２熱交換器６３において、経路５１の第２加熱導管５１Ｂを流れる第１加熱導管５１Ａからの水（温水）が第１放熱部２３Ａからの伝達熱によって加熱される。第２熱交換器６３からの水（温水）の温度は、例えば約９５℃である。

第２蓄熱モードにおいて、バルブ４３及び経路５５を介して第２熱交換器６３からの温水が第２蓄熱タンク３６に導入される。また、バルブ４４及び経路５６を介して第２熱交換器６３からの温水が第１蓄熱タンク３４に導入される。すなわち、第１及び第２蓄熱タンク３４，３６において、蓄熱材１００が有する潜熱に加え、第２熱交換器６３からの温水が有する顕熱が蓄えられる。各タンク３４，３６に供給された温水によって、蓄熱材１００の温度がさらに上昇してもよい。蓄熱タンク３４，３６内の温水の温度は、例えば約８０〜９５℃である。

所定時間を経過すると、第１及び第２蓄熱タンク３４，３６に所定量の温水が貯えられる。例えば、時刻、処理時間、及び／又は第１及び第２蓄熱タンク３４，３６の貯水量などに基づいて、第２蓄熱モードの終了が判断される。

＜第１給湯モード＞
第１給湯モードにおいて、バルブやポンプ等の制御によって、温水需要に応じて、貯湯タンク３２及び／又は第１及び第２蓄熱タンク３４，３６からの温水が配水部９５に導入される。その温水が配水部９５から、風呂、台所、洗面所などの各種設備に供給される。温水は、製造プラント、調理施設、空調設備、発電プラントなどに供給されてもよい。前述したように、貯湯タンク３２の温水の温度は例えば約５０〜６５℃であり、蓄熱タンク３４，３６の温水の温度は例えば約８０〜９５℃である。両者の温水を適宜組み合わせることにより、供給温水温度を、所定範囲内で変化させることができる。第１給湯モードにおいて、通常、ヒートポンプ２０は非稼動状態である。このモードは、給湯開始時に好ましく用いられる。このモードでは、指示から給湯に要する時間が比較的短く、蓄熱タンク３４，３６の貯湯容量の範囲内で持続的に給湯可能である。

＜第２給湯モード＞
第２給湯モードにおいて、バルブやポンプ等の制御によって、温水需要に応じて、供給源１５からの水が経路５２を介して第１及び第２蓄熱タンク３４，３６に導入される。図５に示すように、蓄熱材１００によって加熱された水は温度上昇する。第１及び第２蓄熱タンク３４，３６からの温水は、配水部９５を介して、風呂、台所、洗面所などの設備に供給される。第２給湯モードにおいても、通常、ヒートポンプ２０は非稼動状態である。このモードは、蓄熱材１００の蓄熱容量に応じた給湯能力（貯湯量）を有している。

＜第３給湯モード＞
第３給湯モードにおいて、温水需要に応じて、ヒートポンプ２０が稼動される。ヒートポンプ２０のバルブ７１は、第１圧縮部２２Ａからの作動流体を第２圧縮部２２Ｂに導く。第１及び第２圧縮部２２Ａ，２２Ｂで２段圧縮された作動流体は温度上昇する（図４のｍ１＋ｍ２）。その作動流体の温度は、例えば約１０５℃である。バルブ７３は、第２圧縮部２２Ｂからの作動流体を第１放熱部２３Ａに導く。図４の（ｅ）に示すように、第１熱交換器６１において、経路５１の第１加熱導管５１Ａを流れる供給源１５からの水が第２放熱部２３Ｂからの伝達熱によって加熱される。さらに、図４の（ｄ）に示すように、第２熱交換器６３において、経路５１の第２加熱導管５１Ｂを流れる第１加熱導管５１Ａからの水（温水）が第１放熱部２３Ａからの伝達熱によって加熱される。第２熱交換器６３からの水（温水）の温度は、例えば約９５℃である。第２熱交換器６３からの温水は、配水部９５を介して、風呂、台所、洗面所などの設備に供給される。このモードは、例えば、蓄熱タンク３４，３６における蓄熱量が所定量を下回るなど、貯湯タンク３２、第１蓄熱タンク３４、及び第２蓄熱タンク３６による蓄熱が温水需要に対応できなくなった場合に補助的に用いられる。

このように、本実施形態において、給湯システム１０は、電気料金の低い夜間にヒートポンプ２０を稼動し、需要に応じて温水を外部に供給する。蓄熱モードでは、貯湯タンク３２、第１蓄熱タンク３４、及び第２蓄熱タンク３６に熱を蓄える。なお、タンク３２，３４，３６の少なくとも１つ温水が貯えられることは、給湯の立ち上がり時間の短縮に有利である。

本実施形態において、従来の貯湯タンクの機能の少なくとも一部を、蓄積エネルギー密度の高い潜熱蓄熱材１００を有する蓄熱タンク３４，３６で補完するから、装置全体のコンパクト化が図られる。

高い熱容量（蓄積エネルギー密度）を有する蓄熱材１００（潜熱蓄熱材）を利用した蓄熱は蓄熱スペースの縮小化に有利である。ここで、蓄熱材１００として、酢酸ナトリウム三水和物を用いる場合を考える。酢酸ナトリウム三水和物の熱容量は約２５５ｋＪ／ｋｇ（融解熱）、比重は約１．３、蓄熱温度は約５８℃である。一方、水の熱容量は２５１ｋＪ／ｋｇ（３０〜９０℃）、比重は１．０である。つまり、酢酸ナトリウム三水和物は、水と比較して、熱容量はほぼ等しく、比重が１．３倍である。これは、水のそれに比べて酢酸ナトリウム三水和物を使った蓄熱のスペース効率が３０％高いことを示す。

蓄熱材１００の蓄熱温度が比較的低い場合（酢酸ナトリウム三水和物の蓄熱温度：５８℃）、第１蓄熱モードにおける第１蓄熱タンク３４から第２圧縮部２２Ｂに導入される作動流体の温度が比較的低く抑えられる。これは、第２圧縮部２２Ｂの圧縮効率の向上、及びヒートポンプ２０の性能向上に有利である。

また、第１蓄熱モードにおいて、第１及び第２圧縮部２２Ａ，２２Ｂからの作動流体は、蓄熱材１００を融解可能な程度の比較的低レベルの温度を有すればよい。これは、ＣＯＰの向上に有利である。

また、本実施形態において、蓄熱タンク３４，３６には、蓄熱材１００による潜熱と、温水による顕熱とが蓄えられる。各タンク３４，３６内に蓄熱材１００と温水とが収容されることにより、温水の熱で蓄熱材１００の温度が一定値以上に保持され、その結果、蓄熱材１００の固化が防止される。これは、蓄熱材１００が有する熱の安定利用に有利である。

また、本実施形態において、蓄熱タンク３４，３６で蓄熱材１００は複数の容器１０２に収容されており、したがって、タンク３４，３６内の蓄熱材１００の全体が比較的均質に相変化する。蓄熱タンク３４，３６における複数の容器１０２以外のスペースを顕熱蓄熱用の温水で埋めることができ、これは、スペースの利用効率の向上、及びシステムの小型化に有利である。

また、本実施形態において、第２蓄熱モードでは、第１及び第２熱交換器６１，６３によって加熱された温水は比較的高い温度を有する。顕熱蓄熱用の温水が比較的高い温度（多くの熱量）を有することは、スペース利用の効率化に有利である。

また、本実施形態において、水の加熱温度は、需要サイドの実際の使用温度に近く、これはシステム全体の温度レベルの抑制につながる。システムの温度レベルが低いことは、装置コスト及び熱損失の抑制、システムのＣＯＰの向上に有利である。

潜熱蓄熱材１００による蓄熱は、バッテリを使用した蓄熱に比べて、イニシャルコストの抑制に有利であり、また、同等以上の蓄熱効率を期待できる。本実施形態の変形例として、電力補完的に、バッテリを使用することも可能である。例えば、給湯開始時における水の加熱に、バッテリに蓄えたエネルギーを利用することが可能である。

また、本実施形態において、バイパス経路２７を介して作動流体の一部が第１熱交換器６１を迂回することにより、第１熱交換器６１に入る作動流体の流量が最適化される。これは、作動流体の保有熱を有効に使う上で有利である。作動流体のバイパス量は、水及び作動流体の各物性値（比熱など）等に応じて定められる。

バイパス経路２７を流れる作動流体は、再生器２８において、ヒートポンプ２０の主経路２５を流れる吸熱部２１からの作動流体と熱交換する。この熱交換により、バイパス経路２７内の作動流体の温度が降下し、ヒートポンプ２０の主経路２５内の作動流体の温度が上昇する。圧縮部２２に対する作動流体の入力温度の上昇により、圧縮部２２の動力の低減が図られる。

また、本実施形態において、再生器２８で温度降下したバイパス経路２７内の作動流体は、膨張部２４の手前で、ヒートポンプ２０の主経路２５を流れる第１熱交換器６１（第２放熱部２３Ｂ）からの作動流体と合流する。前述した流量最適化の効果により、第１熱交換器６１からの作動流体の出力温度も十分に低い。そのため、膨張部２４には、比較的低い温度の作動流体が導入される。膨張部２４に対する作動流体の入力温度の低下は、作動流体の液ガス比の最適化に有利である。その結果、吸熱部２１においてサイクル外の熱源（大気）から有効に熱が吸収される。このように、本実施形態において、蓄熱材１００の加熱に用いた後の作動流体が水の加温と作動流体の再生とに用いられることにより、熱の有効利用が図られる。

上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

第１実施形態を示す概略図である。 蓄熱材の容器の一例を示す模式断面図である。 蓄熱材の容器の別の例を示す模式断面図である。 第１蓄熱モードにおける、ヒートポンプの作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 第２蓄熱モード及び第３給湯モードにおける、ヒートポンプの作動流体の温度変化を模式的に示す図である。 第２給湯モードにおける、水の温度変化を模式的に示す図である。

符号の説明

１２…ヒートポンプユニット（第１ユニット）、１５…供給源、２０…ヒートポンプ、２１…吸熱部、２２…圧縮部、２２Ａ…第１圧縮部、２２Ｂ…第２圧縮部、２３Ａ…第１放熱部、２３Ｂ…第２放熱部、２４…膨張部、２５…主経路、２７…バイパス経路、２８…再生器、３０…供給ユニット（第２ユニット）、３２…貯湯タンク、３４…第１蓄熱タンク、３６…第２蓄熱タンク、５１Ａ…第１加熱導管、５１Ｂ…第２加熱導管、６１…第１熱交換器、６３…第２熱交換器、７０…制御装置、９５…配水部、１００…蓄熱材、１０２…容器。

Claims (2)

1. 第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、
   蓄熱材が配置されかつ第２流体が少なくとも一時的に貯えられるタンクを有する第２ユニットであり、前記蓄熱材及び前記第１流体の少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２流体が加熱される前記第２ユニットと、
   を備え、
   前記ヒートポンプは、前記第１流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部からの前記第１流体の熱を前記タンクに向かう前記第２流体に与える放熱部と、前記圧縮部からの前記第１流体を前記放熱部及び前記タンクの少なくとも一方に導く弁と、を有することを特徴とする給湯システム。
2. 第１流体が流れるヒートポンプを有する第１ユニットと、
   蓄熱材が配置されかつ第２流体が少なくとも一時的に貯えられるタンクを有する第２ユニットであり、前記蓄熱材及び前記第１流体の少なくとも一方からの伝達熱によって前記第２流体が加熱される前記第２ユニットと、
   を備え、
   前記タンクは、第１及び第２タンクを有し、
   前記ヒートポンプは、前記第１流体を圧縮する第１及び第２圧縮部と、前記第１圧縮部からの前記第１流体を前記第１タンク又は前記第２圧縮部に選択的に導く第１弁と、前記第２圧縮部からの前記第１流体の熱を前記第２タンクに向かう前記第２流体に与える第１放熱部と、前記第２圧縮部からの前記第２流体を前記第２タンク又は前記第１放熱部に選択的に導く第２弁と、を有し、
   前記第２ユニットは、前記第１放熱部からの熱を受けた前記第２流体を前記第１タンク及び前記第２タンクに導く経路をさらに有することを特徴とする給湯システム。

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