JP5385824B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は太陽熱を利用した貯湯式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種の太陽熱を利用した貯湯式給湯装置においては、特許文献１に開示されているように、貯湯タンクと、水冷媒熱交と水太陽熱熱交とを有した加熱循環回路と、太陽熱集熱回路と、大気熱および太陽熱を熱源としたヒートポンプ回路とを備え、太陽熱集熱回路を流れる冷媒を水太陽熱熱交を介して加熱循環回路を流れる貯湯タンク内の湯水を加熱し、また、太陽熱集熱回路を流れる冷媒をヒートポンプ回路の熱源として回収し、ヒートポンプ回路で高温となった冷媒にて水冷媒熱交を流れる貯湯タンク内の湯水を加熱するようにしたものがあった。

また、特許文献２に開示されているように、太陽熱集熱回路で回収した太陽熱を蓄熱槽で蓄熱し、夜間に蓄熱槽の蓄熱をヒートポンプ回路の熱源とするようにしたものがあった。

特開２００７−１７０６９０号公報 特開２００７−３２７６７１号公報

ところがこの従来の特許文献１のものでは、太陽の出ている間しか太陽熱をヒートポンプ熱源として用いることができないため、夜間は大気熱のみがヒートポンプ熱源となり加熱効率の向上できず、また、特許文献２のものでは、太陽熱集熱器で集熱した蓄熱槽の熱をヒートポンプ熱源として用いることができるため、夜間のヒートポンプ熱源として太陽熱を用いることができるが、太陽熱の集熱量が多くて蓄熱槽の温度が高かった場合、ヒートポンプ回路の高圧異常を引き起こす恐れがあった。

本発明は上記課題を解決するため、給水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱を集熱して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する太陽熱タンクと、前記貯湯タンク内の湯水と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する貯湯熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換する水熱交換器、冷媒を減圧する減圧手段、冷媒と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する熱媒熱交換器、を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、前記太陽熱タンクの熱媒温度が所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記貯湯熱交換器へ循環させて前記貯湯タンク内の湯水へ放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が前記所定温度以下の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記熱媒熱交換器へ循環させ、前記熱媒熱交換器を熱源としてヒートポンプ回路を作動して、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するようにした。

また、給水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱を集熱して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する太陽熱タンクと、前記貯湯タンク内の湯水と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する貯湯熱交換器と、前記太陽熱タンク内の熱媒を熱源に暖房を行う温水暖房器と、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換する水熱交換器、冷媒を減圧する減圧手段、冷媒と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する熱媒熱交換器、を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、前記太陽熱タンクの熱媒温度が第１の所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記貯湯熱交換器へ循環させて前記貯湯タンク内の湯水へ放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が第１の所定温度以下かつ第２の所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記温水暖房器へ循環させて暖房によって放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が前記第２の所定温度以下の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記熱媒熱交換器へ循環させ、前記熱媒熱交換器を熱源としてヒートポンプ回路を作動して、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するようにした。

このように本発明によれば、太陽熱によって蓄熱された熱媒のエネルギーのうち、高い温度のエネルギーは貯湯タンク内に回収し、低い温度のエネルギーはヒートポンプ回路に回収するので、自然エネルギーを効率的に無駄なく利用することができ、太陽の出ていない時間帯においても太陽熱をヒートポンプ回路での熱源として利用することができると共に、ヒートポンプ回路での沸き上げ運転時において冷媒圧力の高圧異常を引き起こすことがない。

本発明の一実施形態の概略構成図。 同一実施形態の作動を説明するためのタイムチャート。 本発明の他の一実施形態の概略構成図。

次に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
１は給湯用の湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１底部に接続された給水管、３は貯湯タンク１頂部に接続された出湯管であり、また、４は貯湯タンク１の外周側面の上下に複数個設けられ、貯湯温度を検出する貯湯温度センサで、上から４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと呼ぶ。

５は太陽熱によって熱媒を加熱する太陽熱集熱器、６は太陽熱集熱器５で加熱された熱媒を貯留する太陽熱タンク、７は貯湯タンク１内下部に設けられ太陽熱タンク６内に貯留された熱媒によって貯湯タンク１内の湯水を加熱するための貯湯熱交換器、８は太陽熱タンク６と貯湯熱交換器７とを熱媒が循環可能に接続する太陽熱循環回路、９は太陽熱循環回路８途中に設けられて熱媒を循環させる太陽熱循環ポンプである。

１０はヒートポンプ回路で、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、貯湯タンク１内の湯水と熱交換する水熱交換器１２と、高圧冷媒を減圧する電子膨張弁からなる減圧手段１３と、低温低圧の冷媒と大気熱とで熱交換する空気熱交換器１４と、太陽熱タンク６の熱媒と熱交換する熱媒熱交換器１５とを冷媒配管で環状に接続したものである。ここで、空気熱交換器１４には送風ファン１６が備えられている。

１７は貯湯タンク１の下部と水熱交換器１２と貯湯タンク１の上部とを湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、１８は貯湯タンク１下部から取り出した湯水を水熱交換器１２を通過させて貯湯タンク１上部へ戻す加熱循環ポンプである。

１９は太陽熱循環回路８の貯湯熱交換器７をバイパスして熱媒熱交換器１５に太陽熱タンク６内の熱媒を循環させる熱媒バイパス回路、２０は太陽熱タンク６からの熱媒を貯湯熱交換器７へ循環させるか、熱媒熱交換器１５へ循環させるかを切り替える切替弁、２１は太陽熱タンク６内の熱媒の温度を検出する熱媒温度センサである。

２２は貯湯温度センサ４、熱媒温度センサ２１の検出値が入力され、太陽熱循環ポンプ９、圧縮機１１、減圧手段１３、送風ファン１６、加熱循環ポンプ１８、切替弁２０の作動を制御する制御手段である。この制御手段２２は、予め作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有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図２に示すタイムチャートに基づいて説明すると、太陽熱タンク６の蓄熱量は日照から日没までの時間の経過に伴って増加し、熱媒の温度が上昇する。また、貯湯タンク１内の貯湯熱量は電力料金単価の安価な深夜時間帯にヒートポンプ回路１０によって沸き上げられ、深夜時間帯の終了時刻（ここでは７時）と同時にヒートポンプ回路１０の沸き上げが停止され、給湯が行われる毎に貯湯熱量が減少する。

ここで、日没時間帯ごろ（ここでは１７時ごろ）に熱媒温度センサ２１で検出している熱媒の温度が第１の所定温度（ここでは４０℃）以上で、かつ、貯湯熱交換器７の高さ位置付近の貯湯温度センサ４ｄで検出する貯湯温度が第１の所定温度より低い所定貯湯温度（例えば３０℃）以下まで低下していると、制御手段２２は切替弁２０を貯湯熱交換器７側に切り替えて太陽熱循環ポンプ９を駆動し、太陽熱タンク６から流出した高温の熱媒は低温雰囲気下にある貯湯熱交換器７へ循環して貯湯タンク１内の低温の湯水に放熱した後に再度太陽熱タンク６へ戻し、このようにして高温の太陽熱を貯湯タンク１内に回収し、太陽熱タンク６には第１の所定温度以下まで温度低下し、貯湯タンク１内の湯水を加熱するのには不向きな温度の熱媒が貯留されるものである。

そして、電力料金単価の安価な深夜時間帯の開始時刻（ここでは２３時）になると、制御手段２２は熱媒温度センサ２１で検出している熱媒の温度が第１の所定温度以下であることを確認した後に切替弁２０を熱媒熱交換器７側に切り替えて太陽熱循環ポンプ９を駆動すると共に、圧縮機１１、減圧手段１３、加熱循環ポンプ１８を駆動制御して、太陽熱タンク６内の温度低下した熱媒を熱源としてヒートポンプ回路１０で貯湯タンク１内の湯水を沸き上げる。このとき、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒は、空気熱交換器１４で大気熱を少量吸熱し、その下流の熱媒熱交換器１５で熱媒から必要な分の熱量を吸熱することとなる。

ここで、深夜時間帯の開始時刻に熱媒温度センサ２１が第１の所定温度以上を検出している場合は、切替弁２０を貯湯熱交換器７側に切り替えて太陽熱循環ポンプ９を駆動し、熱媒温度が第１の所定温度以下を検出するまで貯湯タンク１内に放熱し、その後に切替弁２０を熱媒熱交換器７側に切り替え、温度低下した太陽熱タンク６の熱媒を熱源としてヒートポンプ回路１０で貯湯タンク１内の湯水を沸き上げるようにしている。

この沸き上げ運転中に熱媒温度センサ２１で検出する太陽熱タンク６の熱媒温度が所定の低温度（ここでは１０℃）以下まで低下すると、ヒートポンプ回路１０での加熱効率が悪化するので、制御手段２２は太陽熱循環ポンプ９を駆動停止し、送風ファン１６を駆動開始して、空気熱交換器１４で吸熱する大気熱を用いた沸き上げ運転を行い、深夜時間帯の終了時刻となると、太陽熱循環ポンプ９、圧縮機１１、減圧手段１３、送風ファン１６、加熱循環ポンプ１８の作動を停止して、沸き上げ運転を終了するようにしている。

このように、太陽熱によって蓄熱された熱媒のエネルギーのうち、高い温度のエネルギーは貯湯タンク１内に回収し、低い温度のエネルギーはヒートポンプ回路１０を介して回収するので、自然エネルギーを効率的に無駄なく利用することができ、太陽の出ていない時間帯においても太陽熱をヒートポンプ回路１０での熱源として利用することができると共に、熱媒熱交換器１５へ循環する熱媒の温度が適温となるためヒートポンプ回路１０での沸き上げ運転時において冷媒圧力の高圧異常を引き起こすことがない。

次に、本発明の他の一実施形態について、図３に基づいて説明する。なお、先の一実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、その説明を省略する。

２３は先の一実施形態において貯湯タンク１内の貯湯熱交換器７の代わりに貯湯タンク１外に設けられた貯湯熱交換器、２４は貯湯タンク１下部の湯水を貯湯熱交換器２３を通過させて貯湯タンク１中間部に戻す貯湯熱交循環回路、２５は貯湯熱交循環回路２４に設けられ貯湯タンク１内の湯水を貯湯熱交循環回路２４に循環させる貯湯熱交循環ポンプ、２６は太陽熱循環回路８の貯湯熱交換器２３よりも下流側に設けられた温水暖房器である。

この一実施形態では、熱媒温度センサ２１で検出する太陽熱タンク６に貯留されている熱媒の温度が第１の所定温度（ここでは４０℃）より高く、かつ、貯湯温度センサ４ｅで検出する貯湯タンク１下部の湯水の温度が第１の所定温度より低い所定貯湯温度（例えば３０℃）以下まで低下している場合は、制御手段２２は、切替弁２０を貯湯熱交換器２３側に切り替えて太陽熱循環ポンプ９と貯湯熱交循環ポンプ２５を駆動して、太陽熱タンク６から流出した高温の熱媒は低温雰囲気下にある貯湯熱交換器７へ循環して貯湯タンク１内の低温の湯水に放熱する。

そして、貯湯熱交換器７で第１の所定温度以下まで温度低下した熱媒は温水暖房器２６で暖房に供され、第１の所定温度より低い第２の所定温度（ここでは３０℃）程度まで更に温度低下して太陽熱タンク６に戻され、このようにして高温の太陽熱を貯湯タンク１内に回収し、太陽熱タンク６には第２の所定温度以下まで温度低下し、温水暖房の熱源として用いるには不向きな温度の熱媒が貯留されるものである。

そして、電力料金単価の安価な深夜時間帯の開始時刻（ここでは２３時）になると、制御手段２２は制御手段２２は熱媒温度センサ２１で検出している熱媒の温度が第２の所定温度以下であることを確認した後に切替弁２０を熱媒熱交換器７側に切り替えて太陽熱循環ポンプ９を駆動すると共に、圧縮機１１、減圧手段１３、加熱循環ポンプ１８を駆動制御して、太陽熱タンク６内の温度低下した熱媒を熱源としてヒートポンプ回路１０で貯湯タンク１内の湯水を沸き上げる。このとき、ヒートポンプ回路１０を流れる冷媒は、空気熱交換器１４で大気熱を少量吸熱し、その下流の熱媒熱交換器１５で熱媒から必要な分の熱量を吸熱することとなる。

ここで、深夜時間帯の開始時刻に熱媒温度センサ２１が第２の所定温度以上を検出している場合は、切替弁２０を貯湯熱交換器７側に切り替えて貯湯熱交循環ポンプ２５を停止したまま太陽熱循環ポンプ９を駆動し、熱媒温度が第２の所定温度以下を検出するまで温水暖房器２６へ放熱し、その後に切替弁２０を熱媒熱交換器７側に切り替え、温度低下した太陽熱タンク６の熱媒を熱源としてヒートポンプ回路１０で貯湯タンク１内の湯水を沸き上げるようにしている。

この沸き上げ運転中に熱媒温度センサ２１で検出する太陽熱タンク６の熱媒温度が所定の低温度（ここでは１０℃）以下まで低下すると、ヒートポンプ回路１０での加熱効率が悪化するので、制御手段２２は太陽熱循環ポンプ９を駆動停止し、送風ファン１６を駆動開始して、空気熱交換器１４で吸熱する大気熱を用いた沸き上げ運転を行い、深夜時間帯の終了時刻となると、太陽熱循環ポンプ９、圧縮機１１、減圧手段１３、送風ファン１６、加熱循環ポンプ１８の作動を停止して、沸き上げ運転を終了するようにしている。

なお、暖房要求がない場合に、深夜時間帯の開始時刻に太陽熱タンク６に第１の所定温度以下かつ第２の所定温度以上の熱媒が存在する場合は、暖房を行うことなく切替弁２０を熱媒熱交換器７側へ切り換えて太陽熱タンク６の熱媒を熱源としてヒートポンプ回路１０で貯湯タンク１内の湯水を沸き上げるようにしてもよいものである。

このように、太陽熱によって蓄熱された熱媒のエネルギーのうち、高い温度のエネルギーは貯湯タンク１内に回収し、中間の温度のエネルギーは暖房に供し、低い温度のエネルギーはヒートポンプ回路１０を介して回収するので、自然エネルギーを効率的に無駄なく利用することができ、太陽の出ていない時間帯においても太陽熱をヒートポンプ回路１０での熱源として利用することができると共に、熱媒熱交換器１５へ循環する熱媒の温度が適温となるためヒートポンプ回路１０での沸き上げ運転時において冷媒圧力の高圧異常を引き起こすことがない。

１ 貯湯タンク
２ 給水管
３ 出湯管
５ 太陽熱集熱器
６ 太陽熱タンク
７ 貯湯熱交換器
１０ ヒートポンプ回路
１１ 圧縮機
１２ 水熱交換器
１３ 減圧手段
１５ 熱媒熱交換器
２３ 貯湯熱交換器
２６ 温水暖房器

Claims (2)

1. 給水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱を集熱して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する太陽熱タンクと、前記貯湯タンク内の湯水と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する貯湯熱交換器と、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換する水熱交換器、冷媒を減圧する減圧手段、冷媒と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する熱媒熱交換器、を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、前記太陽熱タンクの熱媒温度が所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記貯湯熱交換器へ循環させて前記貯湯タンク内の湯水へ放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が前記所定温度以下の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記熱媒熱交換器へ循環させ、前記熱媒熱交換器を熱源としてヒートポンプ回路を作動して、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 給水管と出湯管が接続され湯水を貯湯する貯湯タンクと、太陽熱を集熱して熱媒を加熱する太陽熱集熱器と、前記太陽熱集熱器で加熱された熱媒を貯留する太陽熱タンクと、前記貯湯タンク内の湯水と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する貯湯熱交換器と、前記太陽熱タンク内の熱媒を熱源に暖房を行う温水暖房器と、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と前記貯湯タンク内の湯水とを熱交換する水熱交換器、冷媒を減圧する減圧手段、冷媒と前記太陽熱タンク内の熱媒とを熱交換する熱媒熱交換器、を環状に接続したヒートポンプ回路と、を備え、前記太陽熱タンクの熱媒温度が第１の所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記貯湯熱交換器へ循環させて前記貯湯タンク内の湯水へ放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が第１の所定温度以下かつ第２の所定温度以上の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記温水暖房器へ循環させて暖房によって放熱させ、前記太陽熱タンクの熱媒温度が前記第２の所定温度以下の場合は、前記太陽熱タンクの熱媒を前記熱媒熱交換器へ循環させ、前記熱媒熱交換器を熱源としてヒートポンプ回路を作動して、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。

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