JP5253582B2 - 蓄熱給湯空調機 - Google Patents
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Description
従来、熱源装置からの温熱や冷熱を熱媒によって蓄熱槽に蓄えて、温熱や冷熱を利用する負荷装置へ蓄熱槽に蓄えられた温熱や冷熱を熱媒を介して供給するようにした蓄熱装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この特許文献1の請求項1には、
「潜熱を利用して蓄熱する蓄熱用物質をカプセル内に封入した蓄熱体を収容し、温熱や冷熱を蓄積する蓄熱槽と、熱源装置から蓄熱槽へ温熱や冷熱を持つ熱媒を供給する受熱用の熱媒供給路と、蓄熱槽から負荷装置へ熱媒を介して温熱や冷熱を供給する給熱用の熱媒供給路と、給熱用の熱媒供給路を介して負荷装置へ通流する熱媒が蓄熱槽の内部を通流する際の通流方向と一致する方向で蓄熱槽の内部に熱媒を通流するとともに、負荷装置をバイパスして熱媒を通流する熱媒用のバイパス循環路と、このバイパス循環路に熱媒循環用のポンプ装置とを備えた蓄熱装置」が記載されている。特許文献1では、この蓄熱装置により、蓄熱槽内の蓄熱体と熱媒との熱伝達の向上と、蓄熱槽に流入する熱媒温度の低下とが同時に得られ、熱源装置を運転すること無しに、負荷装置に多量な単位時間当たりの熱量を供給できる、としている。
また従来、熱源により加熱された熱媒体を用途に応じて蓄える複数の蓄熱槽と、複数の蓄熱槽間で熱の授受を行う熱交換手段とを備えた蓄熱システムが知られている(例えば、特許文献2参照)。
この特許文献2の場合は、その要約にあるように、
「暖房用蓄熱槽と熱源とを循環回路を介して接続し、熱源からの暖房用温水を暖房用蓄熱槽に貯める。循環回路に、放熱器を介装した暖房用回路を接続し、暖房用蓄熱槽からの暖房用温水により暖房を行う。循環回路に、給湯用熱交換器を介装した給湯用熱交換回路と、浴槽用熱交換器を介装した浴槽用熱交換回路とを接続し、給湯用熱交換器に、給湯用蓄熱槽を介装した給湯用循環回路を接続し、給湯用温水を給湯用蓄熱槽に貯める。給湯用循環回路に給湯回路を接続し、給湯を行う。浴槽用熱交換器に浴槽用回路を接続し、浴槽内の湯を沸かす。また、給湯用蓄熱槽の給湯用温水を消費した場合の不足分を暖房用蓄熱槽からの暖房用温水の熱でバックアップする。」というものである。この特許文献2では、この蓄熱システムにより、個々の蓄熱槽の熱量不足が生じても、熱交換手段により熱量を補うことができ、個々の蓄熱槽の大型化を回避して蓄熱槽を小型化でき、狭小場所への設置やイニシャルコストを低減できる、としている。
また逆に蓄熱槽に冷熱が蓄積されている場合、負荷装置へは温熱の供給はできない(暖房はできない)構成である。この従来技術では、負荷装置による熱利用は、温熱利用のみか、あるいは冷熱利用のみかの何れか一方であり、負荷装置が並列に複数あってとしても、温熱利用の給湯用と冷熱利用の冷房用とを同時利用するということはできず、利便性が低いという課題があった。
また給湯用蓄熱槽には給水水質によっては低温蓄熱では雑菌繁殖が促進され、高温蓄熱ではスケール生成が促進される課題があった。
温熱または冷熱を必要とする第1熱需要部と、高温化または低温化された第1熱媒体との熱交換によって第2熱媒体を加熱または冷却する第1供給熱交換器とを、前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部に前記第2熱媒体が向かう往路と前記第1熱需要部から前記第1供給熱交換器に前記第2熱媒体が向かう復路とで接続する第1循環路と、
高温化された前記第1熱媒体によって前記第1供給熱交換器で加熱された前記第2熱媒体を前記第1循環路の往路から分岐する供給路が接続されると共に、前記第1循環路の復路に合流する前記第2熱媒体の排出路が接続され、前記供給路から前記第1供給熱交換器で加熱された前記第2熱媒体を収容する第1蓄熱槽と、
前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部に到達する前記第2熱媒体の流通と、前記第1循環路の往路から前記供給路に分岐する前記第2熱媒体の流通とを変更する第1切替部と、
前記第1循環路とは独立して循環可能に設けられると共に、前記第1蓄熱槽と温熱を必要とする第2熱需要部とを、前記第1蓄熱槽から前記第2熱需要部に前記第2熱媒体が向かう往路と前記第2熱需要部から前記第1蓄熱槽に前記第2熱媒体が向かう復路とで接続する第2循環路と
を備えたことを特徴とする。
また給湯のために蓄熱する時と暖房または冷房などの空調をする時に、省エネと雑菌繁殖抑制とスケール生成抑制とを同時に達成できる。
図1〜7を参照して実施の形態1を説明する。図1は実施の形態1に係る蓄熱給湯空調機100の構成図である。蓄熱給湯空調機100は、第1循環路14、第1蓄熱槽16、第1切替部の一例である蓄熱切替弁19、第2循環路23、リターン路18、第2切替部の一例である排熱切替弁20、及びポンプ、弁、圧縮機などの制御対象を制御する制御装置50等を備えている。
蓄熱給湯空調機100は、熱源としてヒートポンプ機構2(ヒートポンプ装置とも呼ばれる)を備えている。ヒートポンプ機構2は、ヒートポンプ循環路4と、圧縮機5と、循環切替弁6と、膨張弁7と、外気熱交換器9と、第1供給熱交換器11とを備えている。
(1)ヒートポンプ循環路4は、炭化水素系や二酸化炭素など使用温度圧力範囲内で気液2相化可能な第1熱媒体3を圧縮と膨張とをさせながら循環させる。
(2)圧縮機5は、第1熱媒体3を気相の状態で圧送して高温高圧化する。
(3)循環切替弁6は、圧縮機5の圧送方向、すなわちヒートポンプ循環路4での第1熱媒体3の循環方向を変更する。
(4)膨張弁7は、高圧の液相の第1熱媒体3を気液混合相へ膨張させて低温低圧化する。
(5)外気熱交換器9は、ファン8で送風された外気と第1熱媒体3とを熱交換する。
(6)第1供給熱交換器11は、グリセリン等を水に混ぜて低温まで凝固しないようにした不凍液である第2熱媒体10と第1熱媒体3とを熱交換する。
ヒートポンプ機構2は、ヒートポンプ循環路4内の第1熱媒体3の凝縮と気化とを利用して外気と第2熱媒体10との何れか一方から吸熱した熱を他方へ放熱する。ヒートポンプ機構2は、圧縮機5の圧縮に要する動力に比して効率良く、第1熱媒体3を介して外気と第2熱媒体10との間で熱を移動させる。勿論、第1供給熱交換器11では、第1熱媒体3と第2熱媒体10とは熱交換するだけで混合されない構成である。
なお、第2熱媒体10を冷却する際は、膨張弁7から第1供給熱交換器11へ気液2相化された低温低圧の第1熱媒体3が流れる(方向52)。一方、第2熱媒体10を加熱する際は、圧縮機5から第1供給熱交換器11へ高温高圧の気相の第1熱媒体3が流れる(方向51)。このように、ヒートポンプ循環路4の第1熱媒体3の循環方向は加熱時と冷却時では反転する。
また、循環切替弁6は4方弁である。4方弁は、4つの接続路A、B、C、Dが接続されており、接続路Aと接続路B、および接続路Cと接続路Dが流通している状態と、接続路Aと接続路C、および接続路Bと接続路Dが流通している状態とを変更できるようになっている。
(1.第1循環路14)
また蓄熱給湯空調機100には、第1供給熱交換器11と第1熱需要部401としての空調熱交換器12との間で第1ポンプ13によって第2熱媒体10が循環する第1循環路14が形成されている。すなわち第1循環路14は、第1供給熱交換器11、蓄熱切替弁19、空調熱交換器12、第1ポンプ13、第1供給熱交換器11の経路である。第1循環路の往路14aは、第1供給熱交換器11、蓄熱切替弁19、空調熱交換器12の経路である。第1循環路の復路14bは、空調熱交換器12、第1ポンプ13、第1供給熱交換器11の経路である。空調熱交換器12の用途は、室内空気を冷房または暖房することである。第2熱媒体10が第1供給熱交換器11で加熱される際には、第1供給熱交換器11から空調熱交換器12へ第2熱媒体10が流れる第1循環路の往路14aの途中から供給路15が分岐され、供給路15の他端は第1蓄熱槽16の上部に接続されている。供給路15が接続された位置との対向側である第1蓄熱槽16の下部には排出路17が接続されている。この排出路17の他端は、空調熱交換器12から第1供給熱交換器11へ第2熱媒体10が流れる第1循環路の復路14bの途中に合流している。
(2.第1蓄熱槽16)
第1蓄熱槽16は外部に対して密閉されて所定量の第2熱媒体10が常に収容されている。第2熱媒体10は供給路15から供給されるに応じて第1蓄熱槽16から排出路17へ押し出されて排出される。
(3.リターン路18)
排出路17の途中からはリターン路18が分岐されており、リターン路18の他端は、供給路15へ分岐した位置(蓄熱切替弁19の設置位置)と、空調熱交換器12との間の第1循環路の往路14aへ合流している。
空調熱交換器12は、冷房あるいは暖房用の室内機に設けられている。空調熱交換器12では、室内空気と、第1循環路14を循環している第2熱媒体10との間で熱が移動し、第2熱媒体10が温熱を循環している場合は室内が暖房され、第2熱媒体10が冷熱を循環している場合は室内が冷房される。室内空気を空調熱交換器12に対して送風するファン(図示していない)を設けることで熱交換効率をより高くできる。
空調熱交換器12による冷暖房は、ファンなど設けずに、輻射によるものであっても良い。
第1ポンプ13は、第1循環路の復路14bに排出路17が合流する位置と、第1供給熱交換器11との間に設けられている。第1ポンプ13は1台である。
(1)第1ポンプ13は、第1循環路の往路14aと第1循環路の復路14bとによって空調熱交換器12での空調運転(暖房運転や冷房運転)時に第1供給熱交換器11と空調熱交換器12との間で第2熱媒体10を循環する役割を持つ。
(2)また、第1ポンプ13は、供給路15、第1蓄熱槽16、排出路17の経路において第1蓄熱槽16への蓄熱運転時に第1供給熱交換器11と第1蓄熱槽16との間で第2熱媒体10を循環させる。
(3)さらに第1ポンプ13は、供給路15、第1蓄熱槽16、排出路17、リターン路18の経路において第1蓄熱槽16への蓄熱運転時かつ空調熱交換器12での空調運転時に、第1蓄熱槽16を経由して第1供給熱交換器11と空調熱交換器12との間で第2熱媒体10を流動するための動力を提供する。
実施の形態1では、第1切替部として、第1循環路の往路14aから供給路15へ分岐する部分に、3方弁である蓄熱切替弁19が設けられている。3方弁は、3つの接続路A、B、Cが接続されており、接続路Aと接続路Bとを流通させるか、接続路Aと接続路Cとを流通させるか、を変更する。また3方弁は一方向の流通が全開となれば、他方向の流通は全閉となるように、2方向の流通量が排他的に変更される。蓄熱切替弁19は、供給路15へ分岐する第2熱媒体10の流通量と、供給路15に分岐されずに第1循環路の往路14aへ流通する第2熱媒体10の流通量とを、排他的に変更できるようになっている。すなわち第1切替部は、第1供給熱交換器11から第1熱需要部401に到達する第2熱媒体10の流通と、第1循環路14の往路14aから供給路15に分岐する第2熱媒体10の流通とを変更する。
また第2切替部として、排出路17からリターン路18が分岐する部分に3方弁である排熱切替弁20が設けられている。排熱切替弁20は、第1蓄熱槽16から第1循環路の復路14bへ合流する第2熱媒体10の流通量と、リターン路18で第1循環路の往路14aへ合流する第2熱媒体10の流通量とを排他的に変更できるようになっている。すなわち第2切替部は、リターン路18を流通する第2熱媒体10の流通と、第1蓄熱槽16から排出路17を経由して第1循環路14の復路14bへ合流する第2熱媒体10の流通とを変更する。
また、この実施の形態1では、第1蓄熱槽16と、第2熱需要部501であり給湯のための給湯熱交換器21との間を、第2ポンプ22で第2熱媒体10が循環する第2循環路23が形成されている。第2循環路23は、第2循環路の往路23aが、供給路15が接続された第1蓄熱槽16の上部と給湯熱交換器21とを接続し、第2循環路の復路23bが、給湯熱交換器21と、排出路17が接続された第1蓄熱槽16の下部とを接続している。給湯熱交換器21には、第2循環路の往路23aと第2循環路の復路23bとに加え、水道水が給水される給水路24と、給湯のための給湯路25とが接続されている。給湯熱交換器21では、第2循環路23で循環される第2熱媒体10と給水路24で給水された水道水とが熱交換され、給水路24で給水された水道水が加熱されて給湯路25を通って所望の場所へ給湯される。勿論、給湯熱交換器21は、第2循環路23の第2熱媒体10と給水路24で給水された水道水とは熱交換するだけで混合されない構成である。
次に、蓄熱切替弁19と排熱切替弁20との切り替え制御に基づく熱媒体の流れを説明する。蓄熱切替弁19と排熱切替弁20とは連動して作動するが、制御装置50によってこれらを制御するのは下記のとおりである。
(2)図3は「蓄熱及び暖房」運転時の第2熱媒体10の流れを示す図である。図中、破線bが「蓄熱及び暖房」時の第2熱媒体10の流れを示している。図3を参照して、蓄熱切替弁19が供給路15側へ全開、かつ、排熱切替弁20がリターン路18側へ全開の場合(蓄熱及び暖房運転時)を説明する。排熱切替弁20がリターン路18側へ全開であると、第1蓄熱槽16の下部から排出路17を通って排出された第2熱媒体10は全量がリターン路18へ流通して第1循環路の往路14aへ合流して空調熱交換器12へ供給されて第1供給熱交換器11へ戻される。
このような運転状態は、第1蓄熱槽16への蓄熱運転と同時に、空調熱交換器12で室内を暖房運転する状態となる。このようにできるのは、次の理由からである。第1蓄熱槽16の蓄熱量が無くなった際に上記の蓄熱運転がなされるが、暖房より高い温度が必要な給湯用の蓄熱量がなくなっただけであり、第1蓄熱槽16から排出される第2熱媒体10はまだ暖房用には供与できる温度を持っていることに依る。
図6は、蓄熱時(第1蓄熱槽16に蓄熱がなくなる前に行う蓄熱運転)の第2熱媒体10の流れを示す図である。図中、第2熱媒体10の流れは図2と同じであるので、破線aとして示した。図6を参照して、第1蓄熱槽16の蓄熱量が無くなる前に行う蓄熱運転について説明する。
上記の蓄熱運転時および「蓄熱および暖房」運転時、すなわち第1蓄熱槽16へ加熱された第2熱媒体10を供給する時(蓄熱運転時)における第1供給熱交換器11の出口の第2熱媒体10の温度を第1の温度T1とする。また、冷房運転時あるいは蓄熱なしの暖房運転時、すなわち第1蓄熱槽16へ加熱された第2熱媒体10を供給しない時における第1供給熱交換器11の出口の第2熱媒体10の温度を第2の温度T2とする。このとき、冷房運転時はもとより、暖房運転時でも第2の温度T2は、第1の温度T1より低温である。
すなわち、
T1>T2
である。
なお、上記では第1供給熱交換器11の出口の第2熱媒体10の温度を、蓄熱を伴う場合は第1の温度T1、蓄熱を伴わない冷暖房時は第1の温度T1より低温の第2の温度T2とするように相対的に規定するものである。第1の温度T1と第2の温度T2とは、それぞれ単一の温度(固定値)ではなくてもよい。たとえば蓄熱容量を大きくしたい時には、第2熱媒体10の第1の温度T1を通常よりも高温としてもよい。また暖房能力を上げたい時は、第2の温度T2を通常より高く設定し、冷房能力を上げたい時は通常より低く設定するようにしてもよい。このように第1の温度T1や第2の温度T2を変更することによって、蓄熱能力や冷暖房能力をより自在に設定することが可能となる。
また実施の形態1の蓄熱給湯空調機100では、第1供給熱交換器11の出口の第2熱媒体10の温度を、蓄熱運転時または「蓄熱および暖房」運転時における第1の温度T1と、第1の温度T1よりも低温な、暖房運転時における第2の温度T2とに区別して運転している。一般的に第1の温度T1よりも低温な第2の温度T2の第2熱媒体10を生成する方が効率よくヒートポンプ機構2を運転できる。また、常時蓄熱運転を要するわけではないので、暖房運転と蓄熱運転の両方を行う蓄熱給湯空調機100では、第2熱媒体10を1つの温度(必要となる最も高い温度である第1の温度T1)で生成する場合に比べて動力少なく、すなわち効率よく必要な温熱を供給できる。
あるいは、殺菌のため一時的にヒートポンプ機構2ではなく電気ヒーターによって高温にする運転を要しないので、電力消費を削減でき、省エネである。また、溜めた水(湯)を給湯していないため、給湯による水(湯)を溜める部分への新たな水の供給はされず、すなわち供給される水に含有されるスケールの基となる成分の新たな供給もされないので、スケール生成が抑制される。またいつでも蓄熱運転できることから蓄熱の熱容量を大きくするために必要以上に高温でなくてもよいので、また熱交換して低温(45℃程度)の給湯をするだけであるので、高温で生じやすいスケール生成を抑制できる。
以下に実施の形態1の変形例を示す。
実施の形態1では、第2熱媒体10は不凍液としたが、凍結しないよう温度の管理を必要とするが、水であってもよい。
実施の形態1では、リターン路18および排熱切替弁20を備えた形態で示したが、それらは備えていなくても良い。少なくともリターン路18を設けたことによる効果、たとえば蓄熱運転と暖房運転を同時にして第1供給熱交換器11での第2熱媒体10の入出温度差を拡大してヒートポンプ機構2を効率よく運転できる効果や利便性が向上するなどの効果は得られないが、それ以外の効果は同様に得られる。
また、この実施の形態1では、第1循環路14を循環する第2熱媒体10の流通方向は、第1供給熱交換器11で第2熱媒体10を冷却する場合も加熱する場合も同じであるように示した。しかし、加熱される場合(暖房運転、蓄熱運転)と冷却される場合(冷房運転)とは反対方向へ循環するようにしても良い。そのようにするために、第1ポンプ13の回転方向を反転するか、切替弁とヒートポンプ機構2における切替弁6と圧縮機5との間と同様な配管とを設けて反転するようにしてもよい。なお、第2熱媒体10が第1供給熱交換器11で冷却される場合、第2熱媒体10の循環方向は加熱時と逆となり、上記における第1循環路の往路14aは復路であり、第1循環路の復路14bは往路となる。このようにすると、第1熱媒体3の循環方向は加熱時と冷却時で反転しているので、第2熱媒体10の循環方向も加熱時と冷却時で反転した方が加熱時と冷却時ともに対向流とできる。よって第1供給熱交換器11での熱交換効率を高く維持できる。またさらに、第1供給熱交換器11で第2熱媒体10を加熱する際と冷却する際とで第1循環路14の第2熱媒体10の循環方向を反転する場合に、次の様にしてもよい。第1循環路の往路14aから第1循環路の復路14bへ、第1循環路の復路14bから第1循環路の往路14aへクロスする配管と切替弁を設ける。そして第1熱需要部401である空調熱交換器12へ第2熱媒体10を供給する方向は冷房運転時と暖房運転時とで変えないようにしていても良い。
また空調熱交換器12は、第1循環路の往路14aから分岐され、第1循環路の復路14bに合流する構成で、複数が並列に設けられていても良い。また第1熱需要部401としては、空調熱交換器12だけでなく、床面から室内の空気を暖める、いわゆる床暖房であっても良い。
また第1切替部は、蓄熱切替弁19のように供給路15へ分岐する部分に設けた3方弁ではなくても良い。例えば供給路15へ分岐後リターン路18が合流する迄の間の第1循環路の往路14aに設けた弁と、供給路15か排出路17かの何れか一方の途中に設けた弁と、の2つの弁に分けて備えても良い。このようにすると弁の開度を個別に独立して変更(調整)できるので流通量の排他性はなく、3方弁である場合よりも広範囲に流通量を変更することができる。また3方弁も含めて何れの弁も、流通方向に対して開か閉かの2位置の開閉弁であっても良いが、途中の開度で停止できる調節弁であればなお良い。
また第2切替部も第1切替部と同様に、排熱切替弁20のようにリターン路へ分岐する部分に設けた3方弁ではなくても良い。例えば、リターン路18に設けた弁と、リターン路18に分岐後の排出路17に設けた弁と、の2つの弁に分けて備えても良い。このようにすると弁の開度を個別に独立して変更(調整)できるので流通量の排他性はなく、3方弁である場合よりも広範囲に流通量を変更することができる。また3方弁でなければ、リターン路18は排出路17から分岐するのではなく、第1蓄熱槽16の下部に直接接続されていても良い。また3方弁も含めて何れの弁も、流通方向に対して開か閉かの2位置の開閉弁であっても良いが、途中の開度で停止できる調節弁であればなお良い。また、第1切替部と第2切替部とがともに2つの弁に分けて備えている場合、排出路17に設ける弁は第1切替部と第2切替部とで共用していても良い。
また第1の温度T1の第2熱媒体10の少なくとも一部が供給路15を経由して第1蓄熱槽16へ供給される運転の時(蓄熱運転時)であって、第1蓄熱槽16から排出される第2熱媒体10の温度T16が、第2の温度T2より低温で、かつ、第1熱需要部401の空調熱交換器12の出口の第1循環路の復路14bの温度T12より高温である時に、
つまり、
T2>T16>T12
である時に、
以下の様に制御する。
すなわち、
第1切替部である蓄熱切替弁19を、連続的に開度調節の可能な構成とすることで流量調節可能とする。また第2切替部である排熱切替弁20によって第1蓄熱槽16から排出される第2熱媒体10の全量が、リターン路18を流通するように切り替えておく。これによって、第1供給熱交換器11から供給路15を経由せずに直接空調熱交換器12へ供給される第2熱媒体10の流通量と、供給路15、第1蓄熱槽16およびリターン路18を流通して第1循環路の往路14aへ合流する第2熱媒体10の流通量との混合比率を変えることができる。この混合比率を変えることによって、リターン路18を流通する第2の温度T2より低い温度(第1蓄熱槽16から排出される第2熱媒体10の温度T16)と、第1の温度T1との範囲で、空調熱交換器12へ供給される第2熱媒体10の温度を調節することが可能になる。。たとえば、空調熱交換器12へ供給される第2熱媒体10の温度を、第2の温度T2に制御することができる。このようにすると、蓄熱運転時に第1の温度T1の第2熱媒体10を第1蓄熱槽16へ供給できると同時に、蓄熱暖房同時運転における暖房運転時に、第2熱媒体10を第1熱需要部401である空調熱交換器12へ第2の温度T2で確実に供給できる。また第1蓄熱槽16に蓄熱されているが、給湯用としては温度が低くて利用できない温熱を暖房用として最大限利用できる。また第1蓄熱槽16で利用されずに第1循環路の復路14bへ合流する温熱を最小限にできるので、第1循環路の復路14bを流通して第1供給熱交換器11へ戻る第2熱媒体10の温度の上昇を抑制できる。よって、第1供給熱交換器11の入出の第2熱媒体10の温度差を大きく維持できるので、ヒートポンプ機構2を高効率に運転でき、省エネとなる。
またこの実施の形態1では第2循環路の往路23aと第2循環路の復路23bとを直接第1蓄熱槽16に接続している。しかし、それぞれ第2循環路の往路23aは供給路15から分岐され、第2循環路の復路23bは排出路17に合流する構成でも良い。また、給湯熱交換器21へ給水路24で給水される水道水に充分な給水圧力が無い場合は、給水路24や給湯路25にポンプ(図示しない)を設けておけばよい。
またこの実施の形態1では第2熱需要部501として給湯用の給湯熱交換器21を示したが別の第2熱需要部501であっても良い。たとえば、給湯熱交換器21、第2ポンプ22、第2循環路23と同様な構成で、水道水を加熱する代わりに、浴槽からポンプ(図示しない)によって循環する浴槽水を加熱する追焚熱交換器を第2熱需要部501としても良い。また給湯熱交換器と追焚熱交換器とをそれぞれ別の第2循環路や第2ポンプとともに複数の第2熱需要部501として設けるようにしても良い。
またこの実施の形態1では、第1蓄熱槽16の上部と下部に供給路15と排出路17とが接続された構成であるが、供給路15と排出路17の接続先は第1蓄熱槽16の上部と下部以外であっても良い。第2熱媒体10が供給される側と排出される側は対向位置にあって第1蓄熱槽16内で高温部と低温部に層が分離されるような位置であれば良い。
図8は実施の形態2に係る蓄熱給湯空調機200の構成図である。実施の形態1と異なる点について説明する。
また追焚路26が第2循環路の復路23bへ合流する部分には、第3切替部である追焚切替弁31が設けられている。追焚切替弁31は、3方弁であり、第2循環路の往路23aから分岐されて追焚路26を通って追焚熱交換器27へ流通する第2熱媒体10の流通量と、給湯熱交換器21を流通する第2熱媒体10の流通量とを排他的に変更できるようになっている。
次に動作について説明する。
給湯運転の場合は、制御装置50は第2ポンプ22を駆動し、追焚切替弁31を追焚路26側へ全閉にするように切り替えて、第1蓄熱槽16の第2熱媒体10を第2循環路の往路23aから給湯熱交換器21を通って第2循環路の復路23bへ流通させる。給水路24から供給された水は、給湯熱交換器21で第2循環路23の第2熱媒体10と熱交換されて加熱され、給湯路25から給湯される。給湯運転は、追焚切替弁31を操作する以外は実施の形態1と同様である。
また浴槽水を追い焚き加熱する追焚運転(開始は人が要求するか、あるいは浴槽28の温度を検知して自動で開始すればよい。)の場合には、制御装置50は追焚ポンプ30を駆動し、浴槽28と追焚熱交換器27との間の浴槽水循環路29に浴槽水を循環する。同時に制御装置50は第2ポンプ22を駆動し、追焚切替弁31を追焚路26側へ全開にするように切り替えて、第1蓄熱槽16の第2熱媒体10を第2循環路の往路23aから追焚路26を通って第2循環路の復路23bへ流通させ、追焚熱交換器27へ供給する。
追焚熱交換器27内で第2熱媒体(たとえば55℃)から浴槽水へ熱交換され、この追焚運転を継続することで、浴槽28の浴槽水が所定温度(たとえば42℃)まで追い焚きされる。なお、浴槽28から追焚熱交換器27へ入る浴槽水循環路29の浴槽水の温度を温度センサ58で検知して、所定の温度に達していれば追焚運転を終了する。勿論、人が要求して追焚運転を終了させても良い。
第3切替部は、追焚切替弁31のように追焚路26が第2循環路の復路23bへ合流する部分に設けた3方弁ではなく、第2循環路の往路23aから追焚路26に分岐する部分に設けた3方弁であっても良い。
図9は実施の形態3に係る蓄熱給湯空調機300の構成図である。実施の形態1と異なる点について説明する。蓄熱給湯空調機100のヒートポンプ機構2と蓄熱給湯空調機300のヒートポンプ機構とは構成が異なっている。このため、蓄熱給湯空調機300のヒートポンプ機構は、ヒートポンプ機構2−1として符号を変えた。
前述の実施の形態1では、第1供給熱交換器11は第1熱媒体3と熱交換して第2熱媒体10を加熱または冷却するための熱交換器であった。これに対して実施の形態3の蓄熱給湯空調機300では、第1供給熱交換器11は第1熱媒体3と熱交換して「第2熱媒体10を加熱するためだけの熱交換器」とした。そして、蓄熱給湯空調機300は、第1供給熱交換器11とは別に、第1熱媒体3と熱交換して「第2熱媒体10を冷却するためだけの第2供給熱交換器32」を備えている。
図10は、ヒートポンプ機構2−1の第1の方式(A方式と呼ぶこととする)における第1熱媒体3の流れを示す図である。図中、破線AがA方式における第1熱媒体3の流れを示す。ヒートポンプ機構2−1では、第1熱媒体3を様々に循環させることができる(A方式〜C方式)。例えば、A方式は、外気熱交換器9から循環切替弁6a、循環切替弁6、圧縮機5、循環切替弁6、第1供給熱交換器11、循環切替弁6c、膨張弁7、循環切替弁6bを経由して外気熱交換器9へ戻る経路(破線A)で第1熱媒体3を循環させる。そうすると、外気熱交換器9で外気から吸熱して第1供給熱交換器11で放熱し、第1供給熱交換器11の第2熱媒体10が加熱される。この場合、実施の形態1と同様なヒートポンプ循環路4による循環である。循環切替弁6によって第1熱媒体3の循環方向を反転すると、外気熱交換器9で外気へ放熱して第1供給熱交換器11で吸熱し、第1供給熱交換器11の第2熱媒体10が冷却される。しかし、実施の形態3では、外気熱交換器9の外部の霜取り運転時以外、このような運転は想定していない。
図11はヒートポンプ機構2−1の第2の方式(B方式と呼ぶこととする)における第1熱媒体3の流れを示す図である。図中、破線BがB方式における第1熱媒体3の流れを示す。第1熱媒体3を、第2供給熱交換器32から第2供給熱交換器循環路34、循環切替弁6a、循環切替弁6、圧縮機5、循環切替弁6、第1供給熱交換器11、循環切替弁6c、膨張弁7、循環切替弁6b、第2供給熱交換器循環路34、第2供給熱交換器32に戻る経路(破線B)で循環させる。そうすると、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10から吸熱して第1供給熱交換器11の第2熱媒体10へ放熱し、第1供給熱交換器11の第2熱媒体10が加熱されると同時に、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10が冷却される。なお、循環切替弁6によって第1熱媒体3の循環方向を反転すると、第1供給熱交換器11の第2熱媒体10が冷却されると同時に、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10が加熱されるが、本実施の形態3ではこのような運転は想定していない。
図12は、ヒートポンプ機構2−1の第3の方式(C方式と呼ぶこととする)における第1熱媒体3の流れを示す図である。図中、破線CがC方式における第1熱媒体3の流れを示す。C方式は、第1熱媒体3を、第2供給熱交換器32から第2供給熱交換器循環路34、循環切替弁6a、循環切替弁6、圧縮機5、循環切替弁6、第1供給熱交換器バイパス路33、循環切替弁6a、外気熱交換器9、循環切替弁6b、第1供給熱交換器バイパス路33、循環切替弁6c、膨張弁7、循環切替弁6b、第2供給熱交換器循環路34、第2供給熱交換器32に戻る経路(破線C)で循環させる。そうすると、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10から吸熱して外気熱交換器9で放熱し、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10が冷却される。なお、循環切替弁6によって第1熱媒体3の循環方向を反転すると、外気熱交換器9で外気から吸熱して第2供給熱交換器32で放熱し、第2供給熱交換器32の第2熱媒体10が加熱される。しかし、本実施の形態3ではこのような運転は想定していない。
蓄熱給湯空調機300では、図9に示すように、第1熱需要部401は、第1循環路の往路14aが上部に、第1循環路の復路14bが下部に接続された第2蓄熱槽35を備える。そして、第1熱需要部401は、空調熱交換器12と第2蓄熱槽35との間が第3循環路36で接続されており、第2蓄熱槽35の第2熱媒体10が第3ポンプ37で空調熱交換器12との間で循環可能である。第3循環路の往路36aが第2蓄熱槽35の上部に、第3循環路の復路36bが第2蓄熱槽35の下部に接続されている。そして、第3ポンプ37は第3循環路の復路36bに設けられ、第2蓄熱槽35の上部から第2熱媒体10が空調熱交換器12へ供給され、第2熱媒体10は空調熱交換器12から第2蓄熱槽35の下部へ戻される。
また、蓄熱給湯空調機300では、バイパス路38が設けられている。バイパス路38は、供給路15への分岐部と第2蓄熱槽35との間の第1循環路の往路14aから分岐する。そして、バイパス路38は、排出路17の合流部と第2蓄熱槽35との間の第1循環路の復路14bに合流して、第1供給熱交換器11と第1ポンプ13と、および第1蓄熱槽16とをバイパスする。バイパス路38には、第2供給熱交換器32と第4ポンプ39とが設けられている。バイパス路38とバイパス路38でバイパスした以外の第1循環路14の経路により、ヒートポンプ機構2−1により冷却された第1熱媒体3との熱交換によって第2供給熱交換器32で冷却された第2熱媒体10が、第2蓄熱槽35へ供給(図11あるいは図12の場合)されるようになっている。排出路17と第1循環路の復路14bとの合流部には、第4切替部としてバイパス切替弁40が設けられている。バイパス切替弁40は、3方弁であり、排出路17から第1供給熱交換器11へ循環する第2熱媒体10の流通量と、第1熱需要部401から第1供給熱交換器11へ循環する第2熱媒体10の流通量とを変更(調整)できるようになっている。またバイパス切替弁40が排出路17から第1供給熱交換器11へ流通するように切り替えた場合は次の様である。すなわち、第2熱媒体10は、第1熱需要部401から第1供給熱交換器11には流通できなくなると同時に、第2熱媒体10が、バイパス路38経由で第1熱需要部401と第2供給熱交換器32との間を流通できるようになる。すなわちバイパス切替弁40は、第1ポンプ13により第1蓄熱槽16と第1供給熱交換器11との間で第2熱媒体10を循環すると同時に(図11に示した破線aの経路)、第4ポンプ39により第1熱需要部401と第2供給熱交換器32との間で第2熱媒体10を循環(図11に示した破線eの経路)できるようにしている。
空調熱交換器12での暖房運転の場合を説明する。たとえば図10のA方式の場合である。図10を参照して説明する。空調熱交換器12で暖房運転する場合は、第1循環路14で接続された第1供給熱交換器11から、さらに蓄熱運転を併用している場合は第1蓄熱槽16及びリターン路18経由(図3)で第1熱需要部401へ第2熱媒体10で温熱が移動するのは実施の形態1と同様である。しかし実施の形態3では、実施の形態1の第1熱需要部401である空調熱交換器12との間で第2熱媒体10が直接循環するのではない。
第2蓄熱槽35へ第2熱媒体10によって温熱が一旦循環供給され、空調熱交換器12へは第2蓄熱槽35から第3循環路36と第3ポンプ37により温熱が供給されるのである。したがって、第1蓄熱槽16によって給湯熱交換器21へ供給される給湯に必要な熱量と、第1供給熱交換器11から第1蓄熱槽16へ蓄熱する際に必要な熱量とは、分離されている。これと同様に、第2蓄熱槽35によって空調熱交換器12へ供給される暖房に必要な熱量と、第1供給熱交換器11または第1蓄熱槽16およびリターン路18経由で第2蓄熱槽35へ蓄熱する際に必要な熱量とは、完全に分離されている。なお、暖房運転時すなわちこの実施の形態3では第2蓄熱槽35への蓄熱運転時あるいは第1蓄熱槽16への温熱の蓄熱運転時は、ヒートポンプ機構2−1は、外気熱交換器9から第1供給熱交換器11へ第1熱媒体3によって熱を運ぶ運転(A方式の運転)である。
空調熱交換器12での冷房運転の場合を説明する。たとえば図11、図12のB方式、C方式の場合である。空調熱交換器12で冷房運転する場合は、図11の説明で述べたように、第2供給熱交換器32からバイパス路38とバイパス路38でバイパスした以外の経路の第1循環路14を通って第2熱媒体10により冷熱が第2蓄熱槽35へ供給される(破線eの経路)。温熱の場合、第2熱媒体10を第2蓄熱槽35の上部へ供給していた。これに対して冷熱の場合、第2熱媒体10を第2蓄熱槽35の下部へ供給するようにしている。これは、温熱の場合も冷熱の場合も第2蓄熱槽35内で上部に貯まり易い高温部と下部に溜まり易い低温部とに層が分離されるようにし、蓄熱された熱を有効に使用するためである。また第3ポンプ37の回転方向を暖房運転時とは反転することで、第2蓄熱槽35の下部から低温の第2熱媒体10が第3循環路36に流出する。そして、この低温の第2熱媒体10が空調熱交換器12へ供給されて第2蓄熱槽35の上部に戻されることで、空調熱交換器12へ供給された冷熱で室内を冷房する。このとき、ヒートポンプ機構2−1では、空調熱交換器12での冷房運転時、すなわちこの実施の形態3では第2蓄熱槽35への冷熱の蓄熱運転時において、第1蓄熱槽16への温熱の蓄熱運転が同時には不要時には、第1供給熱交換器11から外気熱交換器9へ第1熱媒体3によって熱を運ぶ運転(C方式の運転)とすることができる。また一方、第1蓄熱槽16への温熱の蓄熱運転が同時に必要時には、第2供給熱交換器32から第1供給熱交換器11へ第1熱媒体3によって熱を運ぶ運転とすることもできる(B方式の運転)。
この実施の形態3では、冷房運転時と暖房運転時とで第3ポンプ37の回転方向を反転して第3循環路36の第2熱媒体10の循環方向を反転した。しかし、切替弁とヒートポンプ機構2−1における切替弁6と圧縮機5との間と同様な配管とを設けて反転するようにしてもよい。また第3循環路36の往路から復路へ、第3循環路36の復路から往路へクロスする配管と切替弁を設けて、空調熱交換器12へ第2熱媒体10を供給する方向は冷房運転時と暖房運転時とで変えないようにしていても良い。
また実施の形態3では、第4切替部として、排出路17と第1循環路の復路14bとの合流部に設けた3方弁のバイパス切替弁40とした。しかし、バイパス路38と第1循環路の復路14bの合流部に設けた3方弁や、第1循環路の往路14aからバイパス路38への分岐部に設けた3方弁であってもよい。また第4切替部は、バイパス切替弁40のような3方弁ではなく、バイパス路38や第1循環路14の合流前後や分岐前後に設けた複数の開閉弁で構成したものであってもよい。
また逆に、実施の形態1において、第2蓄熱槽35と第3循環路36と第3ポンプ37と第3循環路36上に空調熱交換器12とを備えるようにしても良い。実施の形態1では、冷熱の生成と温熱の生成を同時にはできないので、第1蓄熱槽16への温熱の蓄熱運転と第2蓄熱槽35への冷熱の蓄熱運転の同時使用によるヒートポンプ機構の高効率化の効果は得られない。しかし、第2蓄熱槽35を備えることによる、冷房運転時や暖房運転時の負荷を平準化する効果は得られる。
各実施の形態において、第2熱媒体10の使用温度範囲内で凝固および融解する「潜熱蓄熱材」を容器内に密閉収容した「潜熱蓄熱体」を第1蓄熱槽16内または第2蓄熱槽35内に第2熱媒体とともに収容して備えるようにしても良い。「潜熱蓄熱材」としては、例えば「パラフィンや酢酸ナトリウム水和物やチオ硫酸ナトリウム水和物など」が挙げられる。「潜熱蓄熱体」としては、例えば「中空の球形や平板状で、内部に潜熱蓄熱材を収容するもの」が挙げられる。このようにすると、潜熱蓄熱体を収容した第1蓄熱槽16または第2蓄熱槽35は、所定の蓄熱量を保持したまま蓄熱容積を抑制でき、第1蓄熱槽16または第2蓄熱槽35をより一層小型化できるか、または同じ蓄積容積であれば蓄熱量を大きくできる。
Claims (9)
- 温熱または冷熱を必要とする第1熱需要部と、高温化または低温化された第1熱媒体との熱交換によって第2熱媒体を加熱または冷却する第1供給熱交換器とを、前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部に前記第2熱媒体が向かう往路と前記第1熱需要部から前記第1供給熱交換器に前記第2熱媒体が向かう復路とで接続する第1循環路と、
高温化された前記第1熱媒体によって前記第1供給熱交換器で加熱された前記第2熱媒体を前記第1循環路の往路から分岐する供給路が接続されると共に、前記第1循環路の復路に合流する前記第2熱媒体の排出路が接続され、前記供給路から前記第1供給熱交換器で加熱された前記第2熱媒体を収容する第1蓄熱槽と、
前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部に到達する前記第2熱媒体の流通と、前記第1循環路の往路から前記供給路に分岐する前記第2熱媒体の流通とを変更する第1切替部と、
前記第1循環路とは独立して循環可能に設けられると共に、前記第1蓄熱槽と温熱を必要とする第2熱需要部とを、前記第1蓄熱槽から前記第2熱需要部に前記第2熱媒体が向かう往路と前記第2熱需要部から前記第1蓄熱槽に前記第2熱媒体が向かう復路とで接続する第2循環路とを備え、
前記第2熱需要部は、
前記第2循環路を循環する前記第2熱媒体と給湯用の水とを熱交換して前記水を加熱する給湯熱交換器を備えた
ことを特徴とする蓄熱給湯空調機。 - 前記第1切替部は、
前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部に到達する前記第2熱媒体の流通量と、前記第1循環路の往路から前記供給路へ流通する前記第2熱媒体の流通量とを調整可能であることを特徴とする請求項1記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記蓄熱給湯空調機は、さらに、
前記第1蓄熱槽の前記排出路の途中から前記供給路の分岐後の前記第1循環路の往路に接続するリターン路と、
前記リターン路を流通する前記第2熱媒体の流通と、前記第1蓄熱槽から前記排出路を経由して前記第1循環路の復路へ合流する前記第2熱媒体の流通とを変更する第2切替部と
を備えたことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記第2切替部は、
前記リターン路を流通する前記第2熱媒体の流通量と、前記第1蓄熱槽から前記排出路を経由して前記第1循環路の復路へ合流する前記第2熱媒体の流通量とを調整可能であることを特徴とする請求項3記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記第2熱需要部は、さらに、
前記第2循環路の往路から分岐して前記第2循環路の復路へ合流する分岐路の途中に設けられ、前記分岐路を流通する前記第2熱媒体と追焚時に浴槽との間で循環する浴槽水とを熱交換して前記浴槽水を加熱する追焚熱交換器と、
前記給湯熱交換器への前記第2熱媒体の流通量と、前記追焚熱交換器への前記第2熱媒体の流通量とを調整可能な第3切替部と
を備えたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記第1熱需要部は、
前記第1循環路の往路が接続されると共に復路が接続され前記第2熱媒体を収容する第2蓄熱槽と、
前記第1循環路とは独立して循環可能に設けられ、前記第2蓄熱槽の前記第2熱媒体が循環する第3循環路と、
前記第3循環路の途中に設けられ、前記第3循環路を循環する前記第2熱媒体と空気との熱交換によって前記空気を加熱あるいは冷却する空調熱交換器と
を備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記蓄熱給湯空調機は、さらに、
前記供給路の分岐後の前記第1循環路の往路から分岐して前記排出路の合流前の前記第1循環路の復路に合流することにより、前記第1循環路を流れる前記第2熱媒体の少なくとも一部を前記第1供給熱交換器からバイパスするバイパス路と、
前記バイパス路の途中に設けられ、低温化された前記第1熱媒体との熱交換によって前記バイパス路を流通する前記第2熱媒体を冷却する第2供給熱交換器と、
前記第1供給熱交換器と前記第1熱需要部との間を流通する前記第2熱媒体の流通量と、前記第2供給熱交換器と前記第1熱需要部との間を流通する前記第2熱媒体の流通量とを変更する第4切替部と
を備えたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。 - 前記第2熱媒体を前記第2循環路に流通させるときの前記第2熱媒体の温度を、前記第2熱媒体を前記第1循環路に流通させるときの前記第2熱媒体の温度より高くするようにしたことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。
- 前記第2熱媒体が前記第1蓄熱槽に温熱として蓄熱されている際には、前記第2循環路によって前記第1蓄熱槽から前記第2熱需要部へ温熱としての前記第2熱媒体を循環するのとは独立して、前記第1循環路によって前記第1供給熱交換器から前記第1熱需要部へ冷熱または温熱の何れか一方としての前記第2熱媒体を循環することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の蓄熱給湯空調機。
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