JP5227823B2

JP5227823B2 - 給湯暖房装置

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Publication number: JP5227823B2
Application number: JP2009018686A
Authority: JP
Inventors: 克也大島
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2009-01-29
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-01-29
Also published as: JP2010175150A

Description

本発明は、熱源としてヒートポンプと燃焼機とを備えるハイブリッド式の給湯暖房装置に関する。

ハイブリッド式給湯暖房装置は、熱源としてヒートポンプと燃焼機とを備えており、熱源を適宜使い分けることによって、低コスト運転を行う。ハイブリッド式給湯装置では、主としてヒートポンプを熱源に用い、ヒートポンプによって加熱した水を貯湯タンクに貯え、必要に応じて利用する。低コスト熱源であるヒートポンプを主に利用して貯湯を行い、貯湯タンクでの湯切れやヒートポンプによる加熱不足が生じた場合に、補助加熱源として燃焼機を用いることで、温水量と温水温度とを確保する。ヒートポンプの能力が不足する暖房負荷が大きい場合や寒冷地等の場合においても、安定して給湯暖房を実施できる。

ハイブリッド式の給湯暖房装置においては、暖房運転は、暖房端末を備えた暖房機構に熱媒として暖房用水等を循環させ、熱源によって直接的もしくは間接的に加熱することによって実施される。加熱された暖房用水は、暖房機構を循環して放熱し、再び熱源によって加熱される。熱源としてヒートポンプを用いて高効率の暖房運転を行うためには、暖房機構から戻る暖房用水の温度が十分に低くなっている必要がある。暖房機構から戻る暖房用水がいわゆる中温水である場合、ヒートポンプの効率が低下して、低コスト運転ができなくなる。

特許文献１では、ヒートポンプのみを熱源として用いるヒートポンプ給湯暖房装置において、貯湯タンクの高さ方向に複数の温水流入口を設置している。暖房運転時には、貯湯タンクの温水を取り出して、床暖房ユニットを循環する暖房用水を加熱し、再び貯湯タンクに戻す。貯湯タンクに戻される温水は、貯湯タンクに戻す温水温度と同程度の貯湯タンク内の水が存在する領域に設けられた温水流入口を選んで、導入される。これによって貯湯タンク内に形成された温度成層を維持し、貯湯タンクに戻される中温水と貯湯タンク下部の水の温度が混合されることによって貯湯タンク下部の水の温度が高くなることを抑制している。さらに、中温水領域となる貯湯タンクの高さ方向の中央部に温水流出口を設置して、給湯の要求温度に応じて中温水を出湯して給湯用水として利用している。

特開２００３−１１４０５３号公報

しかしながら、通常、ハイブリッド式の給湯暖房装置は、暖房負荷が大きい場合に用いられるため、ヒートポンプのみを熱源とする給湯暖房装置と比べて、暖房によって生じる中温水の量が多くなる。多量の中温水が貯湯タンクに戻されるため、特許文献１のように、いったん中温水を貯湯タンクに流入させてから給湯に利用すると、温度成層が維持されていても、中温水領域が貯湯タンクの下部へと拡大し、貯湯タンク下部の水の温度を十分に低く維持できなくなってしまう。給湯暖房装置では、暖房と同時に給湯を行う場合に、特に負荷が大きくなり、ヒートポンプの能力不足が生じ易いため、補助熱源として燃焼機を利用する割合が多くなってしまう。

そこで、本発明は、ヒートポンプと、ヒートポンプによって加熱した温水を貯える貯湯タンクと、貯湯タンクの温水を利用して給湯する給湯機構と、貯湯タンクの温水を利用して暖房する暖房機構と、暖房機構に設けられた燃焼機を備える給湯暖房装置を提供する。この給湯暖房装置は、貯湯タンクの温水を給湯機構に送る給湯温水経路と、貯湯タンクの温水を暖房機構に送る暖房温水往路と、暖房機構からの温水を貯湯タンクに戻す第１暖房温水復路と、暖房機構からの温水を給湯温水経路の給湯機構より上流側に供給する第２暖房温水復路と、暖房機構からの温水の行き先を第１暖房復路と第２暖房復路の何れかに切り替える切替弁を備える。給湯と暖房を同時に行う場合に、暖房機構からの温水の行先を第２暖房温水復路に切替弁を切り替え、かつ、貯湯タンクの温水の温度が所定温度に満たない場合には、給湯と暖房を同時に行う場合であっても、暖房機構からの温水の行先を第１暖房温水復路に切り替えるようにする。

本発明によれば、切替弁を切り替えることによって暖房機構からの温水の流路を、貯湯タンクに戻る第１暖房復路側と、給湯温水経路に供給する第２暖房復路側との何れかに切り替えることができる。暖房機構からの温水を給湯温水経路に供給し、給湯機構に送ることで、暖房機構からの温水の熱エネルギーを給湯に利用することができる。これによって貯湯タンクに中温水が戻ることを防止でき、貯湯タンク下部の水の温度を低く維持できるため、貯湯タンク下部の水を加熱するヒートポンプの効率を向上させることができる。

また、本発明では、給湯と暖房を同時に行う場合に、暖房機構からの温水の行先を第２暖房温水復路に切替弁を切り替えるため、暖房機構からの温水を給湯に利用することができる。

また、本発明では、貯湯タンクの温水の温度が所定温度に満たない場合には、給湯と暖房を同時に行う場合であっても、暖房機構からの温水の行先を第１暖房温水復路に切り替えるようにするため、給湯温度、暖房温度を確保するとともに、湯切れを防止でき、安定に運転を実施することができる。

貯湯タンクに給湯機構に利用可能な給湯用水を貯える給湯暖房装置においては、暖房機構は、暖房機構を循環する熱媒と貯湯タンクの温水とを熱交換させる熱交換器を備えている。暖房温水往路は貯湯タンクの温水を熱交換器に送る。第１暖房温水復路は、熱交換器からの温水を貯湯タンクに戻し、第２暖房温水復路は、熱交換器からの温水を給湯温水経路の給湯機構より上流に供給する。給湯機構は、給湯温水経路からの温水と上水とを混合して、給湯端末に供給する。

貯湯タンクに給湯用水を貯えて、貯湯タンクの温水を暖房機構に送り、熱交換器を介して熱媒を加熱するため、暖房に利用した後の温水を給湯用水として直接給湯端末から供給することができる。暖房に利用した後の温水を給湯した分、貯湯タンクに低温水である上水を供給でき、貯湯タンク下部の水の温度をより低く維持することができる。

本発明によれば、ヒートポンプと燃焼機とを熱源として備えた給湯暖房装置によって給湯と暖房を同時に行う場合において、ヒートポンプの効率を向上させることができる。高負荷運転となる暖房と給湯の同時運転時においても、低コスト熱源であるヒートポンプを熱源として有効利用できるため、低コスト運転を行うことができる。

実施例の給湯暖房装置を説明する図。実施例の給湯暖房運転を説明するフローチャート。実施例の給湯暖房運転を説明するフローチャート。実施例の給湯暖房運転を説明するフローチャート。実施例の給湯暖房運転を説明するフローチャート。実施例の給湯暖房装置を説明する図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を以下に列記する。
（特徴１）暖房機構には、高温暖房端末と低温暖房端末とが含まれている。
（特徴２）ヒートポンプユニットに用いる冷媒はＣＯ_２である。
（特徴３）暖房機構を循環する熱媒は、水または不凍液である。
（特徴４）暖房機構を循環する熱媒を加熱する第１燃焼機と、給湯用水を加熱する第２燃焼機とが設置されている。
（特徴５）第１燃焼機と第２燃焼機はガス熱源ユニット内に隣接して設置してあり、電源やガス配管などを共有できる。

以下、本発明に係る実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施例に係るハイブリッド式の給湯暖房装置１を示す。給湯暖房装置１は、タンクユニット１１、ヒートポンプユニット１２、ガス熱源ユニット１３、および各ユニットを制御する制御装置（図示しない）を備えている。

タンクユニット１１は、貯湯タンク１０１、熱交換器１０２、ポンプＰ２、ポンプＰ４を備えている。貯湯タンク１０１には、ヒートポンプユニット１２によって加熱された温水を貯える。熱交換器１０２は、暖房機構を構成しており、暖房機構を循環する熱媒と貯湯タンク１０１の温水とを熱交換する。貯湯タンク１０１は、密閉式であり、断熱材によって外側が覆われている。湯を貯えた状態では、貯湯タンク１０１の内部に温度成層が形成されており、貯湯タンク１０１下部の水温は低く、上部の水温は高くなる。貯湯タンク１０１の頭頂部には導出口１１１、１１２、導入口１１３、１１８が設けられており、底部には導入口１１６、導出口１１７が設けられている。貯湯タンク１０１の高さ方向の中央部には、導出口１１４、導入口１１５が設けられている。貯湯タンク１０１の上部には、貯湯タンク内の温水温度を検知する温度センサＴＨ１およびＴＨ２が設置されている。

ヒートポンプユニット１２は、配管で接続された圧縮機１２１、放熱器１２２、膨張機構１２３、蒸発器１２４を冷媒がこの順序で循環する冷凍サイクル装置である。貯湯タンク１０１からポンプＰ５によって放熱器１２２に送られる水は、放熱器１２２において、圧縮機１２１から吐出される高温高圧の冷媒によって加熱される。膨張機構１２３としては、膨張弁のほか、エジェクタや膨張機などを用いてもよい。蒸発器１２４はフィンチューブ型の熱交換器であり、ファンを回転させて外気と熱交換する。

ガス熱源ユニット１３は、暖房機構、給湯機構、追い焚き機構を備えている。暖房機構は、暖房機構を循環する熱媒を加熱する第１燃焼機１４１、シスターン１５０、高温暖房端末（図示しない）、低温暖房端末（図示しない）、ポンプＰ１を備えている。給湯機構は給湯路１４４、上水路１４５、混合器１４６を備えている。追い焚き機構は、追い焚き用熱交換器１４３、ポンプＰ３を備えている。さらに、ガス熱源ユニット１３は、貯湯タンク１０１内の水を加熱する第２燃焼機１４２を備えている。高温暖房端末の入口は高温暖房端末往路１６４と接続され、出口は暖房端末復路１６１に接続されている。低温暖房端末の入口は低温暖房端末往路１６５と接続され、出口は暖房端末復路１６１に接続されている。高温暖房端末往路１６４には熱媒の温度を検知する温度センサＴＨ６が設けられている。

第１燃焼機１４１および第２燃焼機１４２は、都市ガスやＬＰガス等の燃料を燃焼させることによって、水等を加熱する燃焼機である。第１燃焼機１４１と第２燃焼機１４２は、ガス熱源ユニット１３内において隣接して設置されており、ガス配管や電源等を共有できるようになっている。

本実施例においては、熱媒として水を用いており、シスターン１５０には暖房用水が貯えられている。以下、本実施例においては、熱媒として暖房用水（水）を用いる場合について説明するが、水の代わりに、例えば、エチレングリコール等を主成分とする不凍液を用いることもできる。シスターン１５０の底部の導出口１５１は、第２暖房端末往路１６３によって分岐部１７１に接続している。第２暖房端末往路１６３にはポンプＰ１が設けられており、ポンプＰ１と分岐部１７１との間には、熱媒（暖房用水）の温度を検知する温度センサＴＨ５が設けられている。分岐部１７１において管路は分岐しており、一方の管路は低温暖房端末往路１６５と接続し、他方の管路は、第１燃焼機１４１、分岐部１７２を経由して高温暖房端末往路１６４に接続している。暖房端末復路１６１は熱交換器１０２の暖房温水入口に接続され、熱交換器１０２の暖房温水出口は第１暖房端末往路１６０によってシスターン１５０の底部の導入口１５２と接続している。暖房端末復路１６１には切替弁Ｖ１が設けられており、熱交換器１０２をバイパスして第１暖房端末往路１６０に接続するバイパス側と、熱交換器１０２側とを切り替えることができる。第１暖房端末往路１６０には熱媒（暖房用水）の温度を検知する温度センサＴＨ４が設けられている。

シスターン１５０には、暖房用水が貯えられている。シスターン１５０には、排水口１５４が設けられており、水位が排水口１５４を超えるとオーバーフローによって排水される。また、上水路１４５と接続する給水口１５５と水位センサ１５３が設けられており、水位センサ１５３の検知値に基づいて、暖房用水をシスターン１５０に給水することができる。

貯湯タンク１０１中央部の導出口１１４は、タンクユニット１１に設置されたポンプＰ４を経由して第２燃焼機１４２の温水（水）入口と接続されており、第２燃焼機１４２の温水出口は、貯湯タンク１０１頭頂部の導入口１１３に接続されている。導出口１１４、ポンプＰ４、第２燃焼機１４２、導入口１１３を備えた給湯用燃焼回路に貯湯タンク１０１内の水を循環させることで、貯湯タンク１０１の温水温度を高くすることができる。

貯湯タンク１０１の温水が流れる熱交換器１０２の流路については、入口側は暖房温水往路１３０によって導出口１１１に接続されており、出口側は第３暖房温水復路１３３によってポンプＰ２を経由して切替弁Ｖ３に接続されている。切替弁Ｖ３は、貯湯タンク１０１の導入口１１５に接続する第１暖房温水復路１３１と、合流部１７４において給湯温水経路１３４に接続する第２暖房温水復路１３２に分岐されている。給湯温水経路１３４は、貯湯タンク１０１の導出口１１２と接続し、合流部１７４を経由して、ガス熱源ユニット１３内の合流部１７５に接続している。

合流部１７５は給湯温水経路１３４、上水路１４５、給湯路１４４と接続している。上水路１４５と合流部１７５とを接続する管路には、給湯の要求温度に応じて合流部１７５に流入する上水と温水との混合比を制御する混合器１４６が設けられている。

分岐部１７２は、追い焚き用熱交換器１４３の入口に設けられた流調弁Ｖ２と接続しており、追い焚き用熱交換器１４３の出口は、第１暖房端末往路１６０とを接続する管路に設けられた合流部１７３に接続されている。追い焚き用熱交換器１４３は二重管構造となっており、暖房温水流路が内側であり、浴槽に貯められた温水の流路が外側となっている。ポンプＰ３は、浴槽に貯められた温水を追い焚き回路に循環させる。

次に、本実施例の貯湯操作について説明する。貯湯タンク１０１の下部には、上水道と接続する導入口１１６から上水が供給される。導出口１１７は、ヒートポンプユニット１２の放熱器１２２に接続されており、ポンプＰ５によって貯湯タンク１０１の下部の低温の水が供給され、放熱器１２２において冷媒と熱交換される。本実施例においては、冷媒としてはＣＯ_２を用いており、放熱器１２２の出口における温水の温度は、９０℃程度に加熱される。ヒートポンプユニット１２は、一般的な冷凍サイクル装置の制御方法によって制御される。例えば圧縮機１２１の吐出温度や、外気温、貯湯タンク１０１より流入する水の放熱器１２２での入口温度に基づいて制御することができる。

ヒートポンプユニット１２で加熱された温水は、導入口１１８から貯湯タンク１０１の頭頂部に戻される。貯湯タンク１０１内に貯えられる水は、下部は低温であり、上部に向かって徐々に温度が高くなる。本実施例においては、貯湯タンク１０１上部の温水温度は９０℃程度となる。

給湯暖房装置１の起動時や、貯湯タンク１０１の湯切れ時等、ヒートポンプユニット１２の能力が不足する場合には、第２燃焼機１４２を通過する給湯用燃焼回路を用いて貯湯タンク１０１の温水をさらに加熱する。給湯用燃焼回路では、導出口１１４から中温程度の温水が抜き出され、第２燃焼機１４２によって加熱されて導入口１１３から貯湯タンク１０１の上部に戻される。ポンプＰ４によって給湯用燃焼回路に貯湯タンク１０１内の温水を循環させて第２燃焼機１４２によって加熱する。

次に本実施例の暖房操作について説明する。本実施例に係る給湯暖房装置では、貯湯タンクの温水を利用して暖房用水を加熱し、加熱された暖房用水を暖房機構に循環させて、暖房が行われる。タンクユニット１１では、導出口１１１から貯湯タンク１０１の上部の高温水を抜き出し、暖房温水往路１３０を通して暖房機構を構成する熱交換器１０２へ送る。熱交換器１０２を通過した後の温水は、暖房機構を構成する第３暖房温水復路１３３を通して切替弁Ｖ３に戻される。給湯需要の無い場合には、切替弁Ｖ３を第１暖房温水復路１３１側に接続し、熱交換器１０２からの温水は貯湯タンク１０１に戻される。給湯需要のある場合には、切替弁Ｖ３を第２暖房温水復路１３２側に接続し、熱交換器１０２からの温水を給湯用水として利用することができる。

熱交換器１０２においては、貯湯タンク１０１からの温水によって暖房用水が加熱される。加熱された暖房用水は、第１暖房端末往路１６０からシスターン１５０に導入され、シスターン底部の導出口１５１からポンプＰ１によって汲み出されて、分岐部１７１において分流される。分流された暖房用水の一方は低温暖房端末往路１６５に流入する。他方は、第１燃焼機１４１を通過した後、分岐部１７２を経由して高温暖房端末往路１６４に流入する。高温暖房端末および低温暖房端末を通過した暖房用水は、混合され、暖房端末復路１６１を流れて熱交換器１０２に流入し、貯湯タンク１０１からの温水によって再度加熱される。上記のように、熱交換器１０２で加熱された暖房用水は、暖房機構を循環して、熱交換器１０２に戻って再度加熱される。

流調弁Ｖ２を開いて、高温暖房端末往路１６４を流れる暖房用水（第１燃焼機１４１を通過後の暖房用水）を分岐部１７２から追い焚き用熱交換器１４３に導入すれば、風呂の追い焚きを行うことも可能である。追い焚き機構においては、ポンプＰ３によって浴槽に貯められた温水を追い焚き用熱交換器１４３の外管に循環させ、追い焚き用熱交換器１４３の内管を通過する暖房用水と熱交換することで、追い焚きを行う。追い焚きに利用した暖房用水は、合流部１７３で第１暖房端末往路１６０を流れる暖房用水と合流し、シスターン１５０の底部へと戻される。追い焚きの設定温度等に応じて、第１燃焼機１４１を運転させることもできる。

次に本実施例の給湯操作について説明する。本実施例に係る給湯暖房装置では、貯湯タンク１０１の導出口１１２から取り出した温水を、給湯温水経路１３４から給湯機構を構成する合流部１７５へ供給する。給湯機構では、貯湯タンク１０１からの温水を上水と適宜混合し、給湯路１４４から給湯端末に給湯する。給湯温水経路１３４から流入した温水量に応じて、上水路１４５から、混合器１４６を経由して、貯湯タンク１０１の導入口１１６に上水が供給される。

切替弁Ｖ３が第１暖房温水復路１３１側に接続されている場合には、混合器１４６によって貯湯タンク１０１底部の導入口１１６に送られた水の量に応じて、導出口１１２から給湯温水経路１３４によって給湯機構を構成する合流部１７５に温水が供給される。

切替弁Ｖ３が第２暖房温水復路１３２側に接続されている場合には、ポンプＰ２によって、給湯温水経路１３４に暖房機構からの温水が供給される。第２暖房温水復路１３２から給湯温水経路１３４に流入する温水は、合流部１７４において導出口１１２から取り出される温水と合流し、給湯温水経路１３４を通過して、合流部１７５において給湯機構に供給される。合流部１７５では、給湯温水経路１３４から供給される温水と、上水路１４５から供給される上水が、適宜混合されて給湯路１４４に供給される。

混合器１４６は、給湯の要求温度、貯湯タンク１０１の上部の高温水の温度、熱交換器からの温水の温度、上水の温度などに基づいて、給湯温水経路１３４からの温水と上水との混合比を調整する。混合器１４６によって貯湯タンク１０１に流入する上水量と、ポンプＰ２によって貯湯タンク１０１から流出する温水量との差に応じて、貯湯タンク１０１の導出口１１２から合流部１７５に温水が供給される。

本実施例においては、給湯需要の有無および貯湯タンク上部に設けられた温度センサＴＨ１の検知値に基づいて、制御装置が切替弁Ｖ３の流路を切り替える。貯湯タンク１０１の上部の高温水よりも高温の給湯用水に対する需要がある場合には、給湯用燃焼回路によって第２燃焼機１４２を用いて貯湯タンク１０１の上部の温水温度を速やかに高くして供給することができる。

本実施例によれば、給湯需要のある場合には、暖房機構を構成する熱交換器から戻る中温〜高温の温水の熱エネルギーが給湯機構によって有効利用される。暖房機構から戻る温水を貯湯タンクに戻さず、給湯用水として利用し、貯湯タンクにはより温度の低い上水を供給するため、貯湯タンク下部の水温を低く維持することができる。これによって、貯湯タンク下部からヒートポンプユニットに送られる水の温度も低く維持することが可能であるから、ヒートポンプユニットを高効率で運転することができる。ヒートポンプと燃焼機とを熱源として備えたハイブリッド式の給湯暖房装置において、低コスト熱源であるヒートポンプを有効利用できるため、低コスト運転を実現することができる。

次に、本実施例に係る給湯暖房装置の運転制御について説明する。本実施例においては、図２〜図５に示すフローチャートに従って、制御装置によって各ユニットが制御される。

（低温暖房運転＋給湯）
低温暖房運転時に、給湯需要が発生した場合の本実施例における運転制御について、図２および図３に示すフローチャートを用いて説明する。尚、以下に説明するフローチャートにおいて、運転開始時には、切替弁Ｖ１はバイパス側（バイパス１６２側）に、切替弁Ｖ３はタンク側（貯湯タンク１０１側）に接続されている。流調弁Ｖ２は閉じている。

ステップＳ１１において低温暖房運転が開始されると、まずステップＳ１２によって、貯湯タンク１０１内の温水温度が、暖房に利用可能な温度以上となっているかを判断する。具体的には、低温暖房の要求温度以上の温度Ａを設定し、貯湯タンク１０１の上部に設置された温度センサＴＨ１の検知値が温度Ａ以上でない場合には、ステップＳ１３に移行して、ポンプＰ１をＯＮとした後、ステップＳ１４において第１燃焼機１４１による暖房運転を実施する。この間、ヒートポンプユニット１２によって加熱された温水が貯湯タンク１０１に貯えられ、貯湯タンク１０１内の温水温度は上昇していく。ステップＳ１２で温度センサＴＨ１の検知値が温度Ａ以上である場合には、ステップＳ１５に移行する。

図３は、図２のステップＳ１４およびステップＳ２０によって実施される第１燃焼機１４１による暖房運転のフローチャートを示している。第１燃焼機１４１による暖房運転では、第１燃焼機１４１によって暖房用水を加熱することによって暖房を行う。低温暖房の要求温度に応じて温度Ｄ（４０〜７０℃）を設定し、ステップＳ７１では、第２暖房端末往路１６３に設置された温度センサＴＨ５の検知値が温度Ｄとなるように第１燃焼機１４１の燃焼量を制御する。次のステップＳ７２においては、暖房がＯＮとなっている場合には、ステップＳ７３に移行する。暖房がＯＦＦになっていると判断された場合には、図２に示すステップＳ２８に移行して、切替弁Ｖ１をバイパス側とし、ポンプＰ１、Ｐ２を停止し、運転を終了する。ステップＳ７３においては、貯湯タンク１０１内の温水温度が、暖房に利用可能な温度以上となっているかを再度判断する。低温暖房の要求温度以上の温度Ｃを設定し、貯湯タンク１０１の上部に設置された温度センサＴＨ２の検知値が温度Ｃ以上である場合には、第１燃焼機１４１による暖房運転を終了し、図２に示すステップＳ１５に移行する。温度センサＴＨ２の検知値が温度Ｃより低い場合には、ステップＳ７１に戻って第１燃焼機１４１による暖房用水の加熱が継続される。尚、本実施例においては、作動ハンチングを防ぐため、温度Ｃを温度Ａより低く設定し、温度センサＴＨ２の検知値に基づいて第１燃焼機１４１を制御している。

ステップＳ１５では、貯湯タンク１０１の温水による暖房用水の加熱が開始される。具体的には、ステップＳ１５において切替弁Ｖ１が熱交換器側（熱交換器１０２側）に、切替弁Ｖ３がタンク側（第１暖房温水復路１３１側）に接続され、ポンプＰ１およびポンプＰ２はＯＮとなる。これによって、熱交換器１０２に貯湯タンク１０１からの温水と暖房用水が循環する。次に、ステップＳ１６では、低温暖房の要求温度に応じて設定した温度Ｆ（４０〜７０℃）に対して、暖房端末往路１６３に設置された温度センサＴＨ４の検知値が温度Ｆとなるように、ポンプＰ２が制御される。

低温暖房運転時には、低温暖房の要求温度以上の温度Ｂを設定し、貯湯タンク１０１内の温水温度が温度Ｂよりも低くならないように制御する。尚、温度Ｂは、作動ハンチングを防ぐため、温度Ａよりも低く設定する。具体的には、ステップＳ１７においてＴＨ１の検知値が温度Ｂより低いと判断された場合には、ステップＳ１８で、ポンプＰ２をＯＦＦとし、切替弁Ｖ１をバイパス側に切り替えて、貯湯タンク１０１からの温水を利用した暖房用水の加熱を中断する。ステップＳ２０によって第１燃焼機１４１による暖房用水の加熱を行い、この間にヒートポンプユニット１２によって貯湯タンク１０１内の水が加熱される。次のステップＳ２０では、ステップＳ１４と同様に、図３のフローチャートに従って第１燃焼機１４１による暖房が実施される。ステップＳ７３においてＴＨ２の検知値が温度Ｃ以上であると判断された場合には、第１燃焼機１４１による暖房運転を終了し、ステップＳ２１に移行する。ステップＳ２１では、ポンプＰ２をＯＮとし、切替弁Ｖ１を熱交換器側に切り替えて、貯湯タンク１０１からの温水を利用した暖房用水の加熱を再開し、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ１７において、ＴＨ１≧Ｂと判断された場合にも、ステップＳ２２に移行する。このように、適宜、暖房用水の加熱を第１燃焼機１４１によって行うことで、貯湯タンク１０１からの放熱を中断し、ヒートポンプユニット１２によって貯湯タンク１０１の温水温度を速やかに上昇させるため、湯切れが発生することを回避できる。

ステップＳ２２においては、暖房がＯＮとなっている場合には、給湯需要の有無を判断するステップＳ２３に移行する。暖房がＯＦＦになっていると判断された場合には、ステップＳ２８に移行して、切替弁Ｖ１をバイパス側とし、ポンプＰ１、Ｐ２を停止し、運転を終了する。

ステップＳ２３において、給湯需要があった場合には、ステップＳ２４において切替弁Ｖ３が給湯側（第２暖房温水復路１３２側）に切り替えられ、熱交換器１０２から戻る貯湯タンク１０１の温水が、第２暖房温水復路１３２に流入し、給湯機構で給湯用水として利用される。ステップＳ２５において、暖房がＯＮとなっている場合には、ステップＳ２６に移行する。暖房がＯＦＦになっていると判断された場合には、ステップＳ２８に移行して、切替弁Ｖ１をバイパス側とし、ポンプＰ１、Ｐ２を停止し、運転を終了する。ステップＳ２６では、貯湯タンク１０１上部の温度センサＴＨ１の検知値と給湯需要の有無によって、切替弁Ｖ３を制御する。温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂより小さくなっている場合や、給湯需要が無くなり、給湯ＯＦＦと判断された場合には、ステップＳ２７に移行して切替弁Ｖ３等をタンク側に切り替え、熱交換器１０２からの温水を利用した給湯を停止して、ステップＳ１６に戻る。このとき、給湯需要が継続している場合には、導出口１１２から取り出された貯湯タンク１０１上部の温水が給湯温水経路１３４によって給湯機構に供給される。温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂ以上であり、かつ、給湯需要がある場合には、熱交換器１０２からの温水を利用した給湯が継続される。

本実施例においては、温度Ａ＝７０℃、温度Ｂ＝６５℃、温度Ｃ＝６５℃、温度Ｄ＝６０℃、温度Ｆ＝６０℃として運転制御を実施している。これによれば、貯湯タンク１０１から熱交換器１０２に入る温水の温度が９０℃の場合、熱交換器１０２を通過した後の温水の温度は４５℃程度となる。暖房端末復路１６１の暖房用水の温度は４０℃程度となり、熱交換器１０２を通過した後の暖房用水の温度は６０℃程度となる。給湯温水経路１３４を流れる温水の温度は５５℃程度になり、合流部１７５において１０℃の上水と混合される。貯湯タンク１０１へは、混合器１４６によって、１０℃の上水が流入する。これにより、貯湯タンク１０１の最下部の水温は、上水と同程度の１０℃程度となり、この１０℃程度の水が導出口１１７からヒートポンプユニット１２の放熱器１２２に送られ、加熱される。

上記のとおり、低温暖房時に給湯需要が発生した場合には、例えば、熱交換器１０２から切替弁Ｖ３に戻る４５℃程度の温水を給湯機構に供給することができる。同時に、貯湯タンク１０１の下部には、給湯機構に供給された熱交換器１０２からの温水量に応じて１０℃程度の上水を供給できるため、ヒートポンプユニット１２を高効率で運転することができる。また、貯湯タンク１０１内の温水温度を検知して、第１燃焼機による暖房用水の加熱を適宜実施するため、貯湯タンク１０１の湯切れを防ぐこともできる。

（高温暖房運転＋給湯）
高温暖房運転時に、給湯需要が発生した場合の本実施例における運転制御について、図４のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ３１において高温暖房運転が開始されると、第１燃焼機１４１による暖房用水の加熱が開始される。具体的には、ステップＳ３２によって、切替弁Ｖ３がタンク側１１に接続され、ポンプＰ１がＯＮとなり、暖房用水を加熱する第１燃焼機１４１がＯＮとなる。高温暖房の要求温度に応じて温度Ｅ（６０〜９０℃）が設定されており、ステップＳ３３では、高温暖房端末往路１６４に設置された温度センサＴＨ６の検知値が温度Ｅとなるように、第１燃焼機１４１の燃焼量を制御する。次のステップＳ３４において、暖房がＯＮとなっている場合には、給湯需要の有無を判断するステップＳ３５に移行する。暖房がＯＦＦになっていると判断された場合には、ステップＳ４１に移行して、ポンプＰ１を停止し、運転を終了する。

ステップＳ３５において、給湯需要がある場合には、ステップＳ３６に移行し、温度センサＴＨ１の検知値が温度Ａ以上である場合には、さらにステップＳ３７に移行する。ステップＳ３７においては、第１燃焼機１４１がＯＦＦとなり、切替弁Ｖ１が熱交換器側に、切替弁Ｖ３が給湯側に切り替えられ、ポンプＰ２がＯＮとなる。これによって、貯湯タンク１０１からの温水を利用した暖房用水の加熱と、熱交換器１０２からの温水を利用した給湯とが開始される。高温暖房の要求温度に応じて温度Ｇ（６０〜９０℃）を設定し、ステップＳ３８では、温度センサＴＨ４の検知値が温度Ｇとなるように、ポンプＰ２が制御され、ステップＳ３９に移行する。ステップＳ３５において、給湯需要が無い場合には、ステップＳ３３に戻る。

ステップＳ３９で、温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂより低い場合や、給湯需要が無くなり、給湯ＯＦＦと判断された場合には、ステップＳ４０に移行する。ステップＳ４０では、ステップＳ３７と逆の操作によって貯湯タンク１０１の温水を利用した暖房用水の加熱が停止されて第１燃焼機１４１による暖房用水の加熱が開始され、ステップＳ３３に戻る。ステップＳ３９において、温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂ以上、かつ、給湯需要がある場合には、熱交換器１０２からの温水を利用した給湯が継続される。

本実施例においては、温度Ａ＝９０℃、温度Ｂ＝８５℃、温度Ｅ＝８０℃、温度Ｇ＝８０℃として運転制御を実施している。これによれば、貯湯タンク１０１から熱交換器１０２に入る温水の温度が９０℃の場合、熱交換器１０２を通過した後の温水の温度は６５℃程度となる。暖房端末復路１６１の暖房用水の温度は６０℃程度となり、熱交換器１０２を通過した後の暖房用水の温度は８０℃程度となる。給湯温水経路１３４を流れる温水の温度は７０℃程度になり、合流部１７５において１０℃の上水と混合される。貯湯タンク１０１へは、混合器１４６によって、１０℃の上水が流入し、貯湯タンク１０１の最下部の水温は上水と同程度の１０℃程度となる。

上記のとおり、高温暖房時に給湯需要が発生した場合には、例えば、熱交換器１０２から切替弁Ｖ３に戻る６５℃程度の温水を給湯用水として利用することができる。同時に、貯湯タンク１０１の下部には１０℃程度の上水を供給できるため、ヒートポンプユニット１２を高効率で運転することができる。高温暖房時には熱交換器１０２から戻る温水温度が特に高くなるため、これを貯湯タンク１０１に戻すと、貯湯タンク１０１からヒートポンプユニット１２に供給される水の温度が高くなり過ぎてヒートポンプユニット１２を運転できなくなる場合もある。本実施例によれば、給湯需要が発生した場合には、高温暖房においてもヒートポンプユニット１２を効率よく運転することが可能となる。

また、本実施例のように、ヒートポンプユニット１２において冷媒としてＣＯ_２を用いている場合には、沸き上げ温度を９０℃程度にすることも可能であるため、暖房用水を加熱する第１燃焼機１４１を利用することなく高温暖房と給湯との同時運転を実施することができる。例えば、風呂の湯はり（給湯）を行いながら、風呂場や脱衣室の温風暖房（高温暖房）を行うような場合にも、ヒートポンプユニット１２を有効に利用できる。

（低温暖房＋高温暖房運転＋給湯）
高温暖房と低温暖房との同時運転時に、給湯需要が発生した場合の本実施例における運転制御について、図５のフローチャートを用いて説明する。尚、図４に示した高温暖房と給湯を同時に行う場合と大部分が共通しているので、共通部分は説明を省略する。

ステップＳ５１において低温暖房運転、高温暖房運転が開始されると、ステップＳ５２に移行する。ステップＳ５２〜Ｓ５６およびＳ６１は、図４のステップＳ３２〜Ｓ３６およびＳ４１と同様であるので、説明を省略する。

ステップＳ５７においては、第１燃焼機１４１が運転され続ける点がステップＳ３７と相違している。低温暖房端末往路１６５には、シスターン１５０からの暖房用水が直接流入し、高温暖房端末往路１６４には、第１燃焼機１４１によって加熱された暖房用水が流入する。ステップＳ５３における制御が継続しており、第１燃焼機１４１は、温度センサＴＨ６の検知値が温度Ｅとなるように制御されている。続くステップＳ５８においては、温度センサＴＨ４の検知値が、低温暖房の要求温度に応じて設定された温度Ｆとなるように、ポンプＰ２が制御される点において、ステップＳ３８と相違している。

続くステップＳ５９では、ステップＳ３９と同様の判断が行われ、温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂより低い場合や、給湯需要が無くなり、給湯ＯＦＦと判断された場合には、ステップＳ６０に移行する。ステップＳ６０では、ステップＳ５７と逆の操作が行われ、ステップＳ５３に戻る。ステップＳ５９において、温度センサＴＨ１の検知値が温度Ｂ以上、かつ、給湯需要がある場合には、熱交換器１０２から戻る温水を利用した給湯が継続される。

本実施例においては、温度Ａ＝７０℃、温度Ｂ＝６５℃、温度Ｅ＝８０℃、温度Ｆ＝６０℃として運転制御を実施している。これによれば、貯湯タンク１０１から熱交換器１０２に入る温水の温度はが９０℃である場合、熱交換器１０２を通過した後の温水の温度は５５℃程度となる。暖房端末復路１６１の暖房用水の温度は５０℃程度となり、熱交換器１０２を通過した後の暖房用水の温度は６０℃程度となる。給湯温水経路１３４を流れる温水の温度は６０℃程度になり、合流部１７５において１０℃の上水と混合される。貯湯タンク１０１へは、混合器１４６によって、１０℃の上水が流入し、貯湯タンク１０１の最下部の水温は上水と同程度の１０℃程度となる。

上記のように、低温暖房、高温暖房を同時に運転している時に給湯需要が発生した場合には、例えば、熱交換器１０２から切替弁Ｖ３に戻る５５℃程度の温水を給湯用水として利用することができる。同時に、貯湯タンク１０１の下部には１０℃程度の上水を供給できるため、ヒートポンプユニット１２を高効率で運転することができる。

以上、本実施例によれば、給湯と暖房の同時運転時には、貯湯タンクの温水は、暖房端末復路の暖房用水と熱交換した後、給湯機構に供給される低温の上水と混合されて給湯端末に供給されるため、貯湯タンクに戻される温水の熱エネルギーを給湯機構で有効利用できる。貯湯タンクの下部には、給湯機構に供給された貯湯タンクの温水に応じて上水が供給されるため、貯湯タンク下部の水温を低く維持することができる。これによって、貯湯タンク下部からヒートポンプユニットに送られる水の温度も低く維持することが可能であるから、ヒートポンプユニットを高効率で運転することができる。ヒートポンプと燃焼機とを熱源として備えたハイブリッド式の給湯暖房装置において、低コスト熱源であるヒートポンプを有効利用できるため、低コスト運転を実現することができる。

また、本実施例では、給湯需要の有無および貯湯タンクに貯えられた水の水温に基づいて切替弁を操作し、適宜、熱媒を加熱する燃焼機を運転することができるため、温水温度および温水量が確保され、湯切れの発生を防止でき、安定的に運転制御を実施することができる。

尚、本実施例においては、ＣＯ_２を冷媒として用いた場合について説明したが、ヒートポンプユニットで加熱する水の入口温度を低くすれば、ヒートポンプユニットの効率が向上することは、フロン系冷媒等の他の冷媒についても同様である。ヒートポンプユニットの効率向上に寄与し、ハイブリッド式の給湯暖房装置の低コスト運転が可能である。

実施例１においては、貯湯タンクに貯えられた水を給湯用水に用いる場合について説明したが、実施例２に示すように、貯湯タンクに貯えられた水を暖房用水（熱媒）として用いる場合においても、本発明を有効に実施することができる。

図６は、実施例２に係る給湯暖房装置２を示す図である。給湯暖房装置２は、タンクユニット２１、ヒートポンプユニット２２、ガス熱源ユニット２３、および各ユニットを制御する制御装置（図示しない）を備えている。

タンクユニット２１は、貯湯タンク２０１、貯湯タンク２０１の上部に設置されるシスターン２５０を備えている。貯湯タンク２０１は開放式であり、ヒートポンプユニット２２によって加熱された暖房用水を貯える。貯湯タンク２０１の上部には、暖房温水往路２３０と接続する導出口２１１、給湯温水経路２３４と接続する導出口２１２、ヒートポンプユニット２２からの温水が流入する導入口２１８が設けられている。貯湯タンク２０１の中央部には、第１暖房温水復路２３１と接続する導入口２１５が設けられている。貯湯タンク２０１の底部には、給湯温水復路２３５と接続する導入口２１６、ヒートポンプユニット２２に貯湯タンク２０１下部の水を送る導出口２１７が設けられている。第３暖房温水復路２３３と接続する切替弁Ｖ５は、暖房用水の流路を、第１暖房温水復路２３１と、第２暖房温水復路２３２との何れかに切り替えることができる。第２暖房温水復路２３２は合流部２７４において給湯温水経路２３４と接続しており、給湯温水復路２３５には、暖房用水を循環させるポンプＰ６が設けられている。

ヒートポンプユニット２２は、実施例１に係るヒートポンプユニット１２と同様の構成であるため、説明を省略する。

ガス熱源ユニット２３は、暖房機構を構成する第１燃焼機２４１、高温暖房端末（図示しない）、低温暖房端末（図示しない）、混合弁Ｖ４、ポンプＰ７と、給湯用水を加熱する第２燃焼機２４２と、給湯機構を構成する熱交換器２７５、給湯路２４４、上水路２４５、混合器２４６と、追い焚き機構を構成する追い焚き用熱交換器２４３等を備えている。

混合弁Ｖ４には、暖房温水往路２３０から貯湯タンクの温水（暖房用水）が流入するとともに、暖房機構を構成する暖房端末復路２６１からの暖房用水の一部が流入する。混合弁Ｖ４の下流側の暖房端末往路２６０には、温度センサＴＨ８が設けられており、暖房の要求温度に応じて設定された目標温度と温度センサＴＨ８の検知値に基づいて混合弁Ｖ４が制御される。混合弁Ｖ４で合流した暖房用水は、分岐部２７１において高温暖房端末往路２６４と低温暖房端末往路２６５に分流される。高温および低温暖房端末を通過後の暖房用水は、暖房端末復路２６１から、分岐部２７２に至る。分岐部２７２において、暖房用水の一部は混合弁Ｖ４に送られる。残りの暖房用水は、暖房機構を構成する第３暖房温水復路２３３から切替弁Ｖ５に送られる。上記のとおり、混合弁Ｖ４から送られる暖房用水は、暖房機構を循環して、一部は混合弁Ｖ４に戻り、その残りは暖房機構から切替弁Ｖ５に戻される。

切替弁Ｖ５が第１暖房温水復路２３１側に接続されている場合には、暖房用水は貯湯タンク２０１中央部の導入口２１５に戻される。切替弁Ｖ５が第２暖房温水復路２３２側に接続されている場合には、暖房用水は、合流部２７４において給湯温水経路２３４を流れる貯湯タンク２０１からの温水と合流し、給湯機構を構成する熱交換器２７５を通過して給湯用水を加熱した後、貯湯タンク２０１底部の導入口２１６に戻される。熱交換器２７５において給湯用水と熱交換されるため、切替弁Ｖ５を第１暖房温水復路２３１側に接続して暖房用水を貯湯タンク２０１に直接戻す場合よりも、低い温度の暖房用水を貯湯タンク２０１に戻すことができる。

切替弁Ｖ５は、給湯需要が無い場合には第１暖房温水復路２３１側に接続し、給湯需要がある場合には第２暖房温水復路２３２側に接続するように制御することで、暖房機構からの温水を給湯用水の加熱に利用することができる。また、実施例１と同様に、給湯需要があっても、貯湯タンク２０１内の温水温度が低くなった場合には、切替弁Ｖ５を第１暖房温水復路２３１側に切り替えるようにすることもできる。

熱交換器２７５では、給湯温水経路２３４から供給される暖房用水によって上水路２４５から送られる上水が加熱され、給湯路２４４から給湯用水として供給される。熱交換器２７５の給湯用水側の出口流路には、温度センサＴＨ７が設けられており、温度センサＴＨ７の検知値に基づいて、タンクユニット２１のポンプＰ６を制御し、熱交換器２７５での熱交換量を調整することができる。切替弁Ｖ６を切り替えることで、熱交換器２７５によって加熱された給湯用水を第２燃焼機２４２に送り、さらに加熱することもできる。

上記のように、貯湯タンクに暖房機構を循環させる暖房用水を貯える場合においても、切替弁によって、暖房機構からの温水の流路を貯湯タンクに戻す第１暖房温水復路と、暖房機構からの温水を給湯温水経路の給湯機構より上流側に供給する第２暖房温水復路との何れかに切り替えることができる。給湯機構に供給される水は、給湯機構に設けられた熱交換器を通過し、暖房用水によって加熱された後に給湯される。これによって、貯湯タンクに戻される温水（暖房用水）の熱エネルギーを給湯用水の加熱に利用することができる。また、貯湯タンクに戻される暖房用水（温水）の温度を低くすることができ、貯湯タンク下部の水温を低く維持できるため、ヒートポンプユニットで加熱する水の温度も低く維持され、ヒートポンプを高効率で運転できる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、５給湯暖房装置
１１、２１タンクユニット
１２、２２ヒートポンプユニット
１３、２３ガス熱源ユニット
１０１、２０１貯湯タンク
１０２、２７５熱交換器
１１１、１１２、１１４、１１７、２１１、２１２、２１７貯湯タンク導出口
１１３、１１５、１１６、１１８、２１５、２１６貯湯タンク導入口
１２１圧縮機
１２２放熱器
１２３膨張機構
１２４蒸発器
１３０、２３０暖房温水往路
１３１、２３１第１暖房温水復路
１３２、２３２第２暖房温水復路
１３３、２３３第３暖房温水復路
１３４、２３４給湯温水経路
１４１、２４１第１燃焼機
１４２、２４２第２燃焼機
１４４、２４４給湯路
１４５、２４５上水路
１４６、２４６混合器
１５０、２５０シスターン
１５１シスターン導出口
１５２シスターン導入口
１５３水位センサ
１５４排出口
１５５給水口
１６０第１暖房端末往路
１６１、２６１暖房端末復路
１６２バイパス
１６３第２暖房端末往路
１６４、２６４高温暖房端末往路
１６５、２６５低温暖房端末往路
１７１、１７２、２７１、２７２分岐部
１７３、１７４、１７５、２７４合流部
２６０暖房端末往路
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７ポンプ
ＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ４、ＴＨ５、ＴＨ６、ＴＨ７、ＴＨ８温度センサ
Ｖ１、Ｖ３、Ｖ５、Ｖ６切替弁
Ｖ２流調弁（流量調整弁）
Ｖ４混合弁

Claims

ヒートポンプと、ヒートポンプによって加熱した温水を貯える貯湯タンクと、前記貯湯タンクの温水を利用して給湯する給湯機構と、前記貯湯タンクの温水を利用して暖房する暖房機構と、前記暖房機構に設けられた燃焼機とを備える給湯暖房装置であって、
前記貯湯タンクの温水を前記給湯機構に送る給湯温水経路と、
前記貯湯タンクの温水を前記暖房機構に送る暖房温水往路と、
前記暖房機構からの温水を前記貯湯タンクに戻す第１暖房温水復路と、
前記暖房機構からの温水を前記給湯温水経路の前記給湯機構より上流側に供給する第２暖房温水復路と、
前記暖房機構からの温水の行き先を前記第１暖房復路と前記第２暖房復路の何れかに切り替える切替弁とを備え、
前記切替弁は、給湯と暖房を同時に行う場合に、前記暖房機構からの温水の行先を前記第２暖房温水復路に切り替え、
前記切替弁は、前記貯湯タンクの温水の温度が所定温度に満たない場合には、給湯と暖房を同時に行う場合であっても、前記暖房機構からの温水の行先を前記第１暖房温水復路に切り替えることを特徴とする給湯暖房装置。
前記暖房機構は、前記暖房機構を循環する熱媒と前記貯湯タンクの温水とを熱交換させる熱交換器を備えており、
前記暖房温水往路は前記貯湯タンクの温水を前記熱交換器に送り、
前記第１暖房温水復路は、前記熱交換器からの温水を前記貯湯タンクに戻し、
前記第２暖房温水復路は、前記熱交換器からの温水を前記給湯温水経路の前記給湯機構より上流に供給し、
前記給湯機構は、前記給湯温水経路からの温水と上水とを混合して、給湯端末に供給することを特徴とする請求項１に記載の給湯暖房装置。