JP5259133B2

JP5259133B2 - ヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置

Info

Publication number: JP5259133B2
Application number: JP2007193966A
Authority: JP
Inventors: 誠森田; 勝巳諸我
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: JP2009030849A

Description

この発明は、貯湯タンク内の湯水を暖房熱交換器へ循環させて行う暖房運転と、ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を暖房熱交換器へ循環させて行う暖房運転とを切り換えるようにしたヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置においては、ヒートポンプ式加熱手段により深夜時間帯に貯湯タンク内の水を循環加熱して昼間での給湯に必要な分量を貯湯し、暖房を行う場合は、貯湯タンク内の湯水を暖房熱交換器へ循環させて行う蓄暖運転と、ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を暖房熱交換器へ循環させて行う暖房運転とを切り換えて行うようにしたものがあった。

そして、貯湯タンク内の貯湯熱量が多い場合は蓄暖運転を行い、蓄暖運転中に貯湯タンク内の貯湯熱量が少なくなった場合に、ヒートポンプ式加熱手段を運転して貯湯タンク内の貯湯熱量を増加させる沸き増し運転を行うようにしていた。
特開２００４−２１８９０９号公報

しかし、この従来のものでは、貯湯タンク内の貯湯熱量が一定の値以下になると沸き増し運転をするようにしているため、多様な給湯パターンおよび暖房パターンに対応しにくく、湯切れや湯余りが起きる可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記貯湯タンク内の湯水で２次側の暖房用循環液を加熱するための暖房熱交換器と、前記貯湯タンク内の湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる蓄暖回路と、前記貯湯タンク内の貯湯熱量を検出するための貯湯温度センサとを備え、前記貯湯タンク内の湯水を前記ヒーポン循環回路を介して循環加熱する貯湯運転と、前記貯湯タンク内の湯水を前記蓄暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う蓄暖運転と、前記貯湯運転しながら前記蓄暖運転する貯湯蓄暖運転とを行うようにしたヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置において、前記貯湯蓄暖運転から前記蓄暖運転への切り換え条件を、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上とし、前記蓄暖運転から前記貯湯蓄暖運転への切り換え条件を、前記第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下、あるいは前記第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ以上の貯湯熱量Ｑｋが第３所定量Ｑ３以下のいずれか一方を満たしたこととした。

また、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記貯湯タンク内の湯水で２次側の暖房用循環液を加熱するための暖房熱交換器と、前記貯湯タンク内の湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる蓄暖回路と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる直暖回路と、前記貯湯タンク内の貯湯熱量を検出するための貯湯温度センサとを備え、前記貯湯タンク内の湯水を前記蓄暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う蓄暖運転と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記直暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う直暖運転とを行うようにしたヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置において、前記直暖運転から前記蓄暖運転への切り換え条件を、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上とし、前記蓄暖運転から前記直暖運転への切り換え条件を、前記第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが前記第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下、あるいは前記第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ以上の貯湯熱量Ｑｋが第３所定量Ｑ３以下のいずれか一方を満たしたこととした。

また、浴槽への湯張り後は前記所定量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を湯張り前よりも少ない値に変更するようにした。

また、前記第１所定量Ｑ１は、所定時間ｔ１の暖房運転が可能な熱量とし、前記第２所定量Ｑ２は、前記所定時間ｔ１より短い所定時間ｔ２の暖房運転が可能な熱量とし、前記第３所定量Ｑ３は給湯に必要な熱量とし、さらには、前記第１所定量Ｑ１は、所定時間ｔ１の暖房運転に消費した熱量の学習値とした。

本発明によれば、給湯可能な貯湯熱量あるいは貯湯量、暖房に利用可能な貯湯熱量あるいは貯湯量をそれぞれ演算して、蓄暖運転と貯湯蓄暖運転あるいは直暖運転とを切り換えるので、暖房用の熱量不足を防止可能であると共に、給湯の湯切れおよび湯余りを防ぐことが可能となり、多様な給湯パターンおよび暖房パターンに対応可能となる。

また、浴槽への湯張り後は貯湯熱量あるいは貯湯量を湯張り前より少なくなるように制御するため、深夜時間帯に入る直前の貯湯タンク内の湯余りを少なくすることができる。

本発明のヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置の一実施形態を図１に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１の下部に接続された給水管、３は貯湯タンク１の上部に接続された給湯管、４は貯湯タンク１内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段、５は貯湯タンク１下部とヒートポンプ式加熱手段４と貯湯タンク１上部とを貯湯タンク１内の湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路、６はヒーポン循環回路５途中に設けられたヒーポン循環ポンプである。また、図示しないが給湯管３から分岐して浴槽への湯張り回路が設けられている。

前記ヒートポンプ式加熱手段４は、冷媒を圧縮する圧縮機７、高温高圧の冷媒から貯湯タンク１の湯水へ放熱する水熱交換器８、冷媒を減圧する膨張弁９、低温低圧の冷媒を空気との熱交換で蒸発させる空気熱交換器１０を環状に接続して構成されている。

次に、１１は貯湯タンク１内の湯水で２次側の暖房用循環液を加熱するための暖房熱交換器、１２は前記貯湯タンク１内の湯水を暖房熱交換器１１へ循環させるための蓄暖回路、１３は蓄暖回路１２途中に設けられた１次側暖房ポンプ、１４は温水式床暖房パネル等の温水暖房端末器、１５は暖房熱交換器１１の２次側と温水暖房端末器１４とを暖房用循環液が循環可能に接続する２次側循環回路、１６は２次側循環回路途中に設けられた２次側暖房ポンプである。

１７は貯湯タンク１の側面上下に複数設けられた貯湯温度センサ、１８は各センサの出力に基づいて所定の演算を行い機器の運転を制御する制御装置で、前記貯湯温度センサ１７の検出温度と予め与えられている容量情報との組合せによって貯湯タンク１内の貯湯熱量あるいは貯湯量を検出するようにしているものである。

次に、この一実施形態の作動について説明する。
深夜時間帯になると翌朝までの間にヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転し、貯湯タンク１の下部から取り出した低温の湯水を水熱交換器８で所定の高温になるように加熱して貯湯タンク１の上部へ戻すようにして翌日の給湯、暖房の予測負荷量に応じた熱量分だけ沸き上げる沸き上げ運転を行う。

そして、給湯管３の終端に設けられている蛇口が開かれると、貯湯タンク１下部の給水管２から市水が貯湯タンク１内に給水され、貯湯タンク１上部の給湯管３から高温の湯水が給湯される。

次に、暖房の運転について説明すると、昼間時間帯の開始直後等の貯湯タンク１内に暖房用の熱量が多量に確保されている場合においては、暖房要求があると、１次側循環ポンプ１３と２次側循環ポンプ１６を駆動して、貯湯タンク１内上部の高温水を暖房熱交換器１１の１次側へ循環させ、２次側へ放熱して貯湯タンク１の下部へ蓄暖回路１２を介して戻される一方、２次側においては、暖房熱交換器１１で加熱された温水が温水暖房端末器１４へ循環して被暖房空間で放熱した後、再度暖房熱交換器１１へ戻って加熱されることで暖房運転を行う。このように深夜時間帯に沸き上げられて貯湯タンク１内に貯められている湯水の熱量のみを用いて暖房を行う運転を蓄暖運転と称する。

そして、蓄暖運転および給湯運転によって貯湯タンク１内の熱量が減った状態で暖房要求があると、１次側循環ポンプ１３と２次側循環ポンプ１６を駆動して、貯湯タンク１内上部の高温水を暖房熱交換器１１の１次側へ循環させ、２次側へ放熱して貯湯タンク１の下部へ蓄暖回路１２を介して戻される一方、２次側においては、暖房熱交換器１１で加熱された温水が温水暖房端末器１４へ循環して被暖房空間で放熱した後、再度暖房熱交換器１１へ戻って加熱されることで暖房運転を行うと同時に、昼間時間帯であってもヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転し、貯湯タンク１の下部から取り出した低温の湯水を水熱交換器８で所定の高温になるように加熱して貯湯タンク１の上部へ戻すようにして沸き上げ運転を行う。これにより、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱貯湯された高温水をすぐに暖房用に用いることができ、貯湯タンク１内の貯湯熱量が少ない場合においても暖房運転を行うことができる。ここで、ヒートポンプ式加熱手段４は、安定時の暖房負荷よりも大きな加熱能力のものが選定されるもので、暖房運転を行いながらも貯湯熱量を増加させることを可能としている。このように蓄暖運転と同時に沸き上げ運転を行う運転を貯湯蓄暖運転と称する。

本発明においては、暖房運転は２４時間連続運転またはそれに近い運転で行うものとしており、電力単価の安価な深夜時間帯においてはヒートポンプ式加熱手段４で加熱した温水を暖房に用い、昼間時間帯においては深夜時間帯に沸き上げた温水でできる限り給湯と暖房を賄うようにし、貯湯熱量が足りなくなると判断した時点で昼間時間帯の電力を用いてヒートポンプ式加熱手段４で加熱した温水を暖房に用いるようにしたものである。

ここで、制御装置１８は貯湯タンク１内の貯湯熱量に基づいて前記蓄暖運転と前記貯湯蓄暖運転とを切り換えるようにしているもので、図２に基づいて説明すると、貯湯蓄暖運転状態から蓄暖運転状態への切り換え条件は、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ（例えば６０℃）以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上ある場合は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転停止して貯湯蓄暖運転から蓄暖運転へ切り換える。

ここで、第１所定量Ｑ１は所定時間ｔ１の暖房運転を行うことが可能な熱量であり、器具の設置された環境や外気温、設定温度等に応じて可変するもので、実際の器具の使用状況に応じて所定時間ｔ１の暖房運転に消費した熱量を学習値として設定することが望ましい。

また、蓄暖運転状態において、第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量が第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下になるかあるいは、第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ（例えば４０℃）以上の貯湯熱量Ｑ３以下になると、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転開始して蓄暖運転から貯湯蓄暖運転に切り換える。

ここで、第２所定量Ｑ２は所定時間ｔ１より短い時間ｔ２（０≦ｔ２＜ｔ１）の暖房運転を行うことが可能な熱量である。また第３所定量Ｑ３はその時点にて今後の給湯に必要な熱量である。

このように、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量が十分に確保されている場合に蓄暖運転を行い、暖房熱源として利用可能な貯湯熱量が少なくなるかあるいは、その後の給湯運転に必要な貯湯熱量が少なくなると貯湯蓄暖運転を行うようにしているため、暖房用の熱量不足を防止可能であると共に、給湯の湯切れおよび湯余りを防ぐことが可能となり、多様な給湯パターンおよび暖房パターンに対応可能となる。

また、前記制御装置１８は、図示しない浴槽への湯張りを行ったと判断した後は、前記貯湯熱量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３をそれまでよりも少ない値に変更する。このように、湯張りの後は貯湯タンク１内に保有する熱量を少なくすることで、湯切れを防止しつつ深夜時間帯の開始時刻における湯余り量を減少させ、昼間時間帯での沸き上げ運転を少なくすることができるものである。

次に、本発明の他の一実施形態について図３に基づき説明する。なお、先の一実施形態と同一のものあるいはほぼ等しい作動を行うものについては、同一の符号を付してその説明を省略する。

この一実施形態においては、ヒーポン循環回路５と蓄暖回路１２とがその配管を一部共有され貯湯タンク１に対して水熱交換器８と暖房熱交換器１１とが並列になるように配置されていると共に、貯湯タンク１から水熱交換器８と暖房熱交換器１１の分岐位置において、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱した温水を貯湯タンク１に戻す量と暖房熱交換器１１へ循環させる量の分配比率を調節する分配弁１９が設けられている。

次に、暖房の運転について説明すると、昼間時間帯の開始直後等の貯湯タンク１内に暖房用の熱量が多量に確保されている場合においては、暖房要求があると、分配弁１９を貯湯タンク１と蓄暖回路１２を１００％、ヒーポン循環回路５側を０％の比率とし、１次側循環ポンプ１３と２次側循環ポンプ１６を駆動して、貯湯タンク１内上部の高温水を暖房熱交換器１１の１次側へ循環させ、２次側へ放熱して貯湯タンク１の下部へ蓄暖回路１２を介して戻される一方、２次側においては、暖房熱交換器１１で加熱された温水が温水暖房端末器１４へ循環して被暖房空間で放熱した後、再度暖房熱交換器１１へ戻って加熱されることで暖房運転を行う。このように深夜時間帯に沸き上げられて貯湯タンク１内に貯められている湯水の熱量のみを用いて暖房を行う運転を蓄暖運転と称する。

そして、蓄暖運転および給湯運転によって貯湯タンク１内の熱量が減った状態で暖房要求があると、分配弁１９を貯湯タンク１を所定の開度Ａ％、蓄暖回路１２を所定の開度（１００−Ａ）％、ヒーポン循環回路５を１００％とし、１次側循環ポンプ１３と２次側循環ポンプ１６を駆動して、貯湯タンク１内上部の高温水を暖房熱交換器１１の１次側へ循環させ、２次側へ放熱して貯湯タンク１の下部へ蓄暖回路１２を介して戻される一方、２次側においては、暖房熱交換器１１で加熱された温水が温水暖房端末器１４へ循環して被暖房空間で放熱した後、再度暖房熱交換器１１へ戻って加熱されることで暖房運転を行うと同時に、昼間時間帯であってもヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転し、貯湯タンク１の下部から取り出した低温の湯水を水熱交換器８で所定の高温になるように加熱して貯湯タンク１の上部および蓄暖回路１２へ循環させるようにして沸き上げ運転を行う。これにより、ヒートポンプ式加熱手段４で加熱された高温水をすぐに暖房用に用いることができ、貯湯タンク１内の貯湯熱量が少ない場合においても暖房運転を行うことができる。ここで、ヒートポンプ式加熱手段４は、安定時の暖房負荷よりも大きな加熱能力のものが選定されるもので、分配弁１９の分配比率を調節することで暖房運転を行いながらも貯湯熱量を増加させることを可能としている。このようにヒートポンプ式加熱手段４で加熱した温水を暖房熱交換器１１へ循環させて暖房を行う運転を直暖運転と称する。

ここで、制御装置１８は貯湯タンク１内の貯湯熱量に基づいて前記蓄暖運転と前記直暖運転とを切り換えるようにしているもので、図４に基づいて説明すると、直暖運転状態から蓄暖運転状態への切り換え条件は、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ（例えば６０℃）以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上ある場合は、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転停止して直暖運転から蓄暖運転へ切り換える。

また、蓄暖運転状態において、第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量が第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下になるかあるいは、第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ（例えば４０℃）以上の貯湯熱量Ｑ３以下になると、ヒートポンプ式加熱手段４とヒーポン循環ポンプ６を運転開始して蓄暖運転から直暖運転に切り換える。

このように、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量が十分に確保されている場合に蓄暖運転を行い、暖房熱源として利用可能な貯湯熱量が少なくなるかあるいは、その後の給湯運転に必要な貯湯熱量が少なくなると直暖運転を行うようにしているため、暖房用の熱量不足を防止可能であると共に、給湯の湯切れおよび湯余りを防ぐことが可能となり、多様な給湯パターンおよび暖房パターンに対応可能となる。

なお、分配弁１９の分配比率を調節することでヒートポンプ式加熱手段４で加熱した温水の暖房に用いる量と貯湯する量とをその時点での状況に応じて適切に分配することができ、湯切れの防止と暖房能力の確保が確実に行える利点がある。

なお、この一実施形態および先の一実施形態においては、所定温度ＴｄあるいはＴｋ以上の貯湯熱量を算出するようにしているが、これに限らず、所定温度ＴｄあるいはＴｋ換算の貯湯量を算出し、これを第１、２、３の所定量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３に相当するＶ１、Ｖ２、Ｖ３と比較することによって蓄暖運転と貯湯蓄暖運転あるいは直暖運転とを切り換え制御するようにしてもよいものである。

なお、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で改変可能なもので、温水暖房端末器を複数接続してもよく、その種類としては床暖房パネルおよび温水ラジエーターや温水コンベクターが望ましいものの、他の種類の温水暖房端末器でも適用可能なものである。

本発明の一実施形態の温水暖房装置の概略構成図。同一実施形態の切り換え条件を説明する図。本発明の他の一実施形態の温水暖房装置の概略構成図。同他の一実施形態の切り換え条件を説明する図。

符号の説明

１貯湯タンク
４ヒートポンプ式加熱手段
５ヒーポン循環回路
１１暖房熱交換器
１２蓄暖回路
１４温水暖房端末器
１７貯湯温度センサ

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記貯湯タンク内の湯水で２次側の暖房用循環液を加熱するための暖房熱交換器と、前記貯湯タンク内の湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる蓄暖回路と、前記貯湯タンク内の貯湯熱量を検出するための貯湯温度センサとを備え、前記貯湯タンク内の湯水を前記ヒーポン循環回路を介して循環加熱する貯湯運転と、前記貯湯タンク内の湯水を前記蓄暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う蓄暖運転と、前記貯湯運転しながら前記蓄暖運転する貯湯蓄暖運転とを行うようにしたヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置において、前記貯湯蓄暖運転から前記蓄暖運転への切り換え条件を、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上とし、前記蓄暖運転から前記貯湯蓄暖運転への切り換え条件を、前記第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下、あるいは前記第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ以上の貯湯熱量Ｑｋが第３所定量Ｑ３以下のいずれか一方を満たしたこととしたことを特徴とするヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置。
湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを湯水が循環可能に接続するヒーポン循環回路と、前記貯湯タンク内の湯水で２次側の暖房用循環液を加熱するための暖房熱交換器と、前記貯湯タンク内の湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる蓄暖回路と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記暖房熱交換器へ循環させる直暖回路と、前記貯湯タンク内の貯湯熱量を検出するための貯湯温度センサとを備え、前記貯湯タンク内の湯水を前記蓄暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う蓄暖運転と、前記ヒートポンプ式加熱手段で加熱した湯水を前記直暖回路を介して前記暖房熱交換器へ循環させて暖房運転を行う直暖運転とを行うようにしたヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置において、前記直暖運転から前記蓄暖運転への切り換え条件を、暖房熱源として利用可能な第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが第１所定量Ｑ１以上とし、前記蓄暖運転から前記直暖運転への切り換え条件を、前記第１所定温度Ｔｄ以上の貯湯熱量Ｑｄが前記第１所定量Ｑ１より少ない第２所定量Ｑ２以下、あるいは前記第１所定温度Ｔｄより低く給湯熱源として利用可能な第２所定温度Ｔｋ以上の貯湯熱量Ｑｋが第３所定量Ｑ３以下のいずれか一方を満たしたこととしたことを特徴とするヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置。
浴槽への湯張り後は前記所定量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を湯張り前よりも少ない値に変更するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置。
前記第１所定量Ｑ１は、所定時間ｔ１の暖房運転が可能な熱量とし、前記第２所定量Ｑ２は、前記所定時間ｔ１より短い所定時間ｔ２の暖房運転が可能な熱量とし、前記第３所定量Ｑ３は給湯に必要な熱量としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置。
前記第１所定量Ｑ１は、所定時間ｔ１の暖房運転に消費した熱量の学習値としたことを特徴とする請求項４記載のヒートポンプ貯湯式給湯暖房装置。