JP5312176B2 - 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。

近年、大気汚染や地球温暖化の問題、設備や装置の省エネルギー化という点から、給湯システムとしてボイラに代わって、ヒートポンプを利用したものが採用されるようになってきている。

ヒートポンプは、外気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、熱交換されて温度が上昇した熱媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された熱媒体と加熱対象物との間で熱交換する熱交換器と、温度は下がるものの圧縮された状態の熱媒体を膨張させる膨張弁とを備える構成とされている。

ヒートポンプは、熱媒体を移動させるのに必要とされるエネルギーのみを与えればよいため、消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点で効率的である。また、ボイラのように液体燃料を使用するものではないため、温暖化ガスの排出量を抑制することができる。

ヒートポンプの圧縮機で圧縮される熱媒体は、その吸引温度が高いほど、吐出温度が高くなる。このため、短時間で湯を生成することができ、消費電力を低減させることができる。

一方、住宅の屋内では、換気のために、外気を取り入れ、屋内の空気を屋外へ排出することが行われている。屋内の空気は、冬場において、暖房により温められており、それをそのまま排気するのは熱の無駄になっている。

そこで、換気により排出された屋内の空気の熱を熱媒体に与えて加熱するように構成された排熱回収装置が提案されている（特許文献１および２参照）。これらの装置は、通常、無駄に捨てられている換気排熱を有効に利用して、給湯、温水暖房等を行うものである。

特開２００２−１４７７９１号公報 特開２００４−３１７０８０号公報

従来の排熱回収装置は、屋内から排出された空気を直接、熱媒体が循環する配管と接触させ、熱媒体を加熱している。なお、この空気は、熱媒体に熱を与えるので冷却され、温度が下がる。

一般住宅には、リビング、寝室、トイレ、キッチン、浴室等があり、特に、浴室から排出される湿った空気は、より多くの熱をもっている。この暖かい湿った空気を利用することができれば、より効率的に給湯システムを運転することができるが、熱媒体に熱を与えて冷却されると、容易に凝縮し、外気温が低いと、熱媒体が循環する配管に凝結するおそれがある。ヒートポンプは、外気から吸熱するために、アルミニウム製のフィンが設けられるが、このように外気温が低い場合、そのフィンに着霜（デフロスト）し、フィン間を外気が通らない状態になって、熱を吸収することができなくなってしまう。このため、デフロストが発生するおそれがある寒冷地域、冬場において、浴室から排出される湿った空気を有効利用することはできない。

したがって、この暖かい湿った空気を有効利用し、消費電力を低減することができる給湯システムの提供が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑み、建築物内の浴室から浴室換気のために排出される湿った第１空気と、建築物の浴室以外の各空間から換気のために排出される湿度が低い第２空気とを熱交換し、その湿った第１空気により温められた湿度が低い第２空気の熱を熱媒体に与えるように構成する。

湿った第１空気が直接、熱媒体が循環する配管に接触しないため、凝結してその配管表面に着霜することはなく、その第１空気がもつ熱エネルギーを有効に利用することができる。運転開始時に、霜がついている場合においても、温められた第２空気を吹き付けるため、霜を除去することができ、その後は、この第２空気を利用して効率的に湯を生成することができる。

第２空気は、リビング、キッチン、トイレ、浴槽の下部、寝室のほか、屋根裏、床下の換気により排出される空気も含む。暖房の利用により、屋根裏の空気は暖まっており、床暖房の利用により、床下の空気も暖まっており、これらを有効利用することで、さらに効率的に湯を生成することができる。また、屋根裏や床下を換気することで、湿気の滞留を防止し、害虫等の発生を防止することができる。

熱交換器は、その一例として、地面に対して垂直に配設され、第１空気を地面に向けて流通させる中空の外管と、外管内に配設され、第２空気を流通させるとともに管壁を介して第１空気と熱交換を行う内管と、内管に連続し、熱交換され温められた第２空気を給湯機へ向けて放出させる放出管とを含む構成とすることができる。これにより、凝縮水を地面へ確実に排出することができ、上記のように着霜することはなく、その第１空気がもつ熱エネルギーを有効に利用することができる。

内管は、熱交換のための伝熱面積を広くするために、外表面にフィンが設けられたチューブまたは管壁に凹凸を有するフレキシブルチューブとすることが好ましい。

給湯機は、第２空気の熱を熱媒体へ与える吸熱手段を含み、吸熱手段が、内部に熱媒体を流通させ、外表面にフィンを備えるチューブまたはコイル状のチューブを含み、熱交換器は、第２空気を当該チューブに吹き付けることができる。

上記のような構成を採用し、特に、冬場に著しく昇温能力が低下するヒートポンプのCOP（成績係数）を改善することにより、夜間の昇温通電時間を短縮することができ、温暖化ガス発生を抑制することができる。

給湯システムの構成例を示した図。 給湯システムに用いられる熱交換器の一例を示した図。 給湯システムに用いられる給湯機の一例を示した図。

図１は、給湯システムの構成例を示した図である。この給湯システムは、建築物としての住宅１に近隣した屋外に設置され、熱交換器１０と給湯機とから構成されている。給湯機は、ヒートポンプユニット２０と貯湯ユニット３０とから構成されている。

住宅１は、リビング、寝室、子供部屋、書斎、トイレといった部屋２、浴室３、床下４、屋根裏等の壁、天井、床により間仕切りされた空間を有し、各々を換気するための換気手段としてファン５および換気扇６を備えている。各空間は、ファン５、換気扇６により適宜換気され、かびや害虫の繁殖を予防し、腐朽菌やシロアリの発生を防止することができるようにされている。建築物は、住宅１に限られるものではなく、病院、ホテル、旅館、大衆浴場、老人ホーム、スポーツ施設等にも適用可能なものである。浴室３は、浴場、シャワールームを含む。

ファン５、換気扇６は、各空間に滞留する空気を排出する。このとき、フレッシュな外気が、窓やドア等の隙間、換気口から流入する。これにより、空気を入れかえ、各空間を乾燥した状態に維持することができる。

図１では、ファン５と換気扇６の２つが示されているが、ファン５は１つに限られるものではなく、各空間に対して１つずつ等、複数設けることもできる。ファン５、換気扇６は、壁や天井等に取り付けられ、住宅１の外部へと連通するダクトを介して空気を排出することができる。

換気扇６により排出される空気は、浴槽からの蒸気により、水蒸気が飽和した空気で、他のリビング、寝室、トイレ等の空間よりも温度も高くなっている。一方、ファン５により排出される空気は、隙間や換気口等からの外気の流入があり、換気扇６から排出される空気より温度および湿度が低いものである。

換気扇６により排出される湿度の高い空気は、加熱媒体として有用であり、そのまま大気中へ排出するのは熱エネルギーの無駄である。そこで、浴室から排出される湿度の高い空気をそのまま給湯機へ送ることも考えられるが、後述する吸熱手段により熱が奪われて容易に凝縮し、特に、寒冷地方や冬場において、それが凝結するおそれがあり、吸熱手段を有効に機能させることができない。

すなわち、ヒートポンプを利用した給湯機は、空気から吸熱するために、アルミニウム製のフィンが設けられるが、空気の温度が低い場合、そのフィンに着霜（デフロスト）し、フィン間を空気が通らない状態になって、空気から熱を吸収することができなくなってしまう。

そこで、本発明では、ファン５により排出される空気と、換気扇６により排出される空気との熱交換を行う熱交換器１０を設ける。このように熱交換器１０を利用し、ファン５により排出される空気に、換気扇６により排出される空気の熱を与えてさらに温め、これを吹き付けることで、デフロストを防止することができ、熱エネルギーの無駄をなくすことができる。また、熱交換器１０を利用することで、ファン５により排出される空気をそのまま送る場合に比較して、特に冬場において給湯機の昇温能力の低下を改善することができ、消費電力も低減することができる。

ここで、本発明の給湯システムに用いることができる熱交換器１０の一例を、図２を参照して詳細に説明する。この熱交換器１０は、地面１１に対して垂直に配設され、換気扇６により排出される湿った空気を地面１１に向けて流通させる中空の外管１２と、外管１２内に配設され、ファン５により排出される空気を流通させるとともに管壁を介してその外側を流通する湿った空気と熱交換を行う内管１３と、内管１３に連続し、熱交換され温められた空気を給湯機へ向けて放出させる放出管１４とを含む構成とされる。

湿った空気は、外管１２と内管１３との間を地面１１に向けて下方へと流れ、その間に、内管１３の管壁を通してその内部を流れる空気に熱を与える。この湿った空気は、熱を与えることにより温度が低下し、露点に達したときに凝縮水が発生するが、下方へと流れるので、その凝縮水も下方へと流れ、地面１１へ放出される。外管１２は、一端が地面１１へ向き、大気中へ開放されている。他端は、浴室へとつながるダクトに接続されている。

内管１３を流れる空気は、外部を流れる湿った空気から熱を奪いながら流れ、内管１３の一端に連続して設けられる放出管１４から、給湯機のヒートポンプユニット２０が備える吸熱手段、具体的には上述したフィンに向けて放出される。内管１３の他端は、リビングや寝室等へとつながるダクトに接続されている。

内管１３は、熱交換効率を高めるために、その管壁の外面にフィンを設けることができる。また、フィンに代えて、内管１３自体を、アルミニウム製の管壁が凹凸を有するフレキシブルチューブ、すなわち蛇腹タイプの管を採用することができる。このように、伝熱面積を増加させることで、より効率的に熱交換を行うことができる。なお、外管１２の周囲には保温材が巻かれ、内部を流れる空気の温度が低下しないようにされる。

外管１２および内管１３は、地面１１に対して垂直に配置され、その長さが長いほうが好ましい。これは、設置スペースを少なくするとともに充分な伝熱面積を確保し、凝縮水が発生した場合に、その凝縮水を外管１２外へ確実に排出させることができるからである。これに対し、外管１２内に凝縮水が滞留する部分が存在する場合は、水が凍りつくおそれがあり、凍りつくと、それが内管１３の内部を流れる空気を冷やしてしまい、浴室から排出される空気を有効利用する意味をなさなくなってしまうからである。ここでは、地面１１に対して垂直に配設するものとしたが、水を適切に放出させることができれば、垂直に限られるものではなく、地面１１に対して傾斜した状態とされていてもよい。

給湯機は、図３に示すように、貯湯ユニット３０と、ヒートポンプユニット２０とから構成され、貯湯ユニット３０は、貯湯タンク３１と、給水受入ノズル３２と、給湯送出ノズル３３と、ヒートポンプユニット２０との間で加熱のために水を循環する循環用ノズル３４、３５とを備えることができる。貯湯ユニット３０は、給水を受け、その水を、循環用ノズル３４、３５を通して循環し、所定温度で所定量の湯を生成していく。

ヒートポンプユニット２０は、空気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段２１と、熱媒体を圧縮する圧縮手段２２と、圧縮された熱媒体により貯湯ユニット３０へ供給された水を加熱する加熱手段２３と、圧縮された熱媒体を膨張させ、吸熱手段２１へ供給する膨張手段２４とを含むことができる。

吸熱手段２１は、熱交換器１０から排出される暖かい空気が吹き付けられ、吹き付けられた暖かい空気の熱を熱媒体へ伝えて、熱媒体を温める。そのため、吸熱手段２１は、その吹き付けられた暖かい空気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を含み、管内に熱媒体を流し、その暖かい空気をその管に接触させてその熱を管内の熱媒体へ与える。熱交換器において熱伝導効率を向上させるために、伝熱面積を大きくすることができ、例えば、熱媒体が流れる管をコイル状としたり、その管の表面にフィンを設けることができる。熱媒体としては、圧縮比を大きくとることができ、その圧縮により大きく温度上昇するガスが好ましく、空気や二酸化炭素等を挙げることができる。

圧縮手段２２は、吸熱手段２１で温められた熱媒体を圧縮する。この圧縮手段２２で行われる圧縮は、断熱圧縮に近いポリトロープ圧縮であるため、その吐出温度は圧縮比に依存して上昇する。例えば、熱媒体として空気を使用し、約０．１ＭＰａ、約２０℃の空気を約０．７ＭＰａまで圧縮すると、外部との熱の授受がない場合、その圧縮のために加えられたエネルギーは全て温度上昇となり、理論上約２６０℃となるが、現実には熱損失があり、約１７０〜２００℃となる。熱損失があるとはいえ、１００℃を超える温度であるため、十分に水を加熱することができる。この圧縮手段２２としては、容積圧縮機が好ましく、例えば、往復圧縮機、ダイアフラム式圧縮機等を挙げることができる。なお、圧縮手段２２へ入る温度が約１０℃上昇すると、圧縮手段２２により約０．１ＭＰａから約０．７ＭＰａへ圧縮された後の温度は、約１０〜１５℃上昇する。

このように圧縮され高温とされた熱媒体は、加熱手段２３へ送られ、貯湯ユニット３０へ供給された水へその熱を与える。加熱手段２３は、熱交換器とすることができ、伝熱面積を大きくするために、コイル状としたり、フィンを設けることができる。

加熱手段２３において水へ熱を与えて温度が降下された熱媒体は、圧縮された状態で維持され、その温度も、貯湯ユニット３０内に貯留される湯の温度以下には下がらない。これでは、吸熱手段２１において上記の暖かい空気の熱を吸収することができない。そこで、膨張手段２４により膨張させ、温度を降下させる。膨張手段２４としては、膨張弁を用いることができる。この膨張手段２４では、圧縮手段２２で約０．１ＭＰａから約０．７ＭＰａへ昇圧する場合、約０．７ＭＰａから約０．１ＭＰａへ降圧することができる。

給湯機は、給水された水を加熱して湯を作り、給湯するが、その際、圧縮手段２２としての圧縮機へ電力を供給する必要がある。同じ量の湯を作るのにかかるコストは、上述したようにヒートポンプが消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点から大幅に削減することができ、必要とされるエネルギー量も少なくて済むことから、省エネルギー化を図ることができる。また、液体燃料を使用しないため、温暖化ガスとしての二酸化炭素の発生も抑制することができる。

給湯機は、業務蓄熱契約時間に運転することができ、その業務蓄熱契約時間とは、電力コストが安価な夜間電力帯である。

ここで、この給湯システムの運転について説明する。給湯機およびファン５、換気扇６へ電力を供給し、それらの運転を開始する。これは、自動で、ある時間になった場合に電力供給されるように設定されていてもよいし、その住宅に住む住人が電力供給し、運転させてもよい。ファン５、換気扇６は、各空間の空気を排出する。給湯機では、ヒートポンプユニット２０が備える圧縮手段２２が起動し、熱媒体の循環を開始し、貯湯ユニット３０への給水を開始して、水の循環を開始する。

ファン５、換気扇６が排出した各空気は、熱交換器１０へ供給され、それら空気間で熱交換が行われる。換気扇６により排出された空気は、水蒸気が飽和した暖かい空気で、この空気が、ファン５により排出された空気と熱交換し、このファン５により排出された空気を温める。

温められた空気は、ヒートポンプユニット２０の吸熱手段２１へ向けて放出され、吸熱手段２１がその空気の熱を熱媒体へ与える。吸熱手段２１で熱を与えられた熱媒体は、圧縮手段２２へ送られるが、その温度が高いほど、吐出温度が高くなり、その結果、貯湯タンク３１内の水を短時間で所定温度にまで昇温することができる。このように短時間で所定温度にまで昇温することができるので、圧縮手段２２で消費する電力を低減させることができる。

実際には、貯湯ユニット３０内へ一定量の水を供給し、その水を、加熱手段２３を介して循環することより、徐々に所定温度まで昇温しつつ湯量を増加することで、所定温度で所定量の湯を生成する。

湯が目的とする所定温度で所定量となったところで運転を停止するが、その量および温度に保持するべく、ある温度にまで低下したところで運転を再び開始し、再び所定温度に達したところで停止することを繰り返すことができる。この動作は、業務蓄熱契約時間内において繰り返し行うことができる。そして、業務蓄熱契約時間が終了したところで、給湯システムの運転を終了する。

これまで本発明の給湯システムおよびその運転方法を図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１…住宅、２…部屋、３…浴室、４…床下、５…ファン、６…換気扇、１０…熱交換器、１１…地面、１２…外管、１３…内管、１４…放出管、２０…ヒートポンプユニット、２１…吸熱手段、２２…圧縮手段、２３…加熱手段、２４…膨張手段、３０…貯湯ユニット、３１…貯湯タンク、３２…給水受入ノズル、３３…給湯送出ノズル、３４、３５…循環用ノズル

Claims (4)

1. 湯を生成して供給する給湯システムであって、
   建築物内の浴室から浴室換気のために排出される第１空気と、前記建築物の前記浴室以外の各空間から換気のために排出される第２空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器から排出され吹き付けられた前記第２空気の熱を吸収し、圧縮された熱媒体により水を加熱して湯を生成する給湯機とを含む、給湯システム。
2. 前記熱交換器は、地面に対して垂直に配設され、前記第１空気を前記地面に向けて流通させる中空の外管と、前記外管内に配設され、前記第２空気を流通させるとともに管壁を介して前記第１空気と熱交換を行う内管と、前記内管に連続し、熱交換され温められた前記第２空気を前記給湯機へ向けて放出させる放出管とを含む、請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記内管は、外表面にフィンが設けられたチューブまたは管壁に凹凸を有するフレキシブルチューブである、請求項２に記載の給湯システム。
4. 前記給湯機は、前記第２空気の熱を前記熱媒体へ与える吸熱手段を含み、前記吸熱手段が、内部に前記熱媒体を流通させ、外表面にフィンを備えるチューブまたはコイル状のチューブを含み、前記熱交換器は、前記第２空気を当該チューブに吹き付ける、請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯システム。

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