JP5573757B2

JP5573757B2 - 温水暖房機

Info

Publication number: JP5573757B2
Application number: JP2011074984A
Authority: JP
Inventors: 慶郎青柳
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012207882A

Description

この発明は、水熱交換器とバイパス回路を備える、温水暖房機に関する。特に、ヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時における制御技術に関する。

従来より、ヒートポンプ式加熱源で温水を生成し、生成した温水を貯湯タンクに溜めて利用側機器へ供給するヒートポンプ式給湯装置がある。
このヒートポンプ式給湯装置では、温水生成の循環路にポンプと水熱交換器とを設け、貯湯タンク下側の取水口と前記循環路で生成した温水を貯湯タンクへ入れる給湯口とをバイパスするバイパス回路とそのバイパス回路を備え、ヒートポンプ式加熱源の起動時、除霜中、あるいは除霜復帰後に、バイパス回路を使用することにより貯湯タンク内の貯湯の温度を低下させることなく、高出湯温度を保持することを可能とするヒートポンプ式給湯装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、温水生成の循環回路に補助ヒータを保有し除霜時に補助ヒータによる過熱運転を行うヒートポンプ式給湯装置に関して、ヒートポンプ式加熱源の除霜運転時に、四方弁が切り替わると同時に、水循環回路側の補助ヒータがＯＮし、貯湯タンク内に冷水が入ることがなく温水温度の低下を防止するヒートポンプ式給湯装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００２−４８３９８号公報（第３−５頁、第１、４図）特開平７−３１８１６４号公報（第2−３頁、第1−３図）

従来の温水暖房機は、貯湯タンクや利用側機器（例えば、ラジエータ）を有した温水暖房機とヒートポンプ式給湯用室外機の組み合わせで暖房システムが構成されており、ヒートポンプ式給湯用室外機でのヒートポンプ冷凍サイクルの高温冷媒熱を温水暖房機側での循環水回路へ熱交換させて温水を生成している。ヒートポンプ式給湯用室外機に流れる冷媒と温水暖房機側を流れる水を熱交換するのに水熱交換器（たとえばプレート熱交換器）が使用されている。この水熱交換器は、温水暖房機側に配設されている。

低外気温度（ヒートポンプ式給湯用室外機の周囲温度が氷点下）では、室外機側空気熱交換器に着霜が発生するため除霜運転が必要になるが、その際冷媒の持つ熱は除霜に使用され（低外気温度での過度な熱交換による放熱）、水熱交換器に流入される前に冷媒の温度が０℃以下のマイナス温度になり、そのマイナス温度の冷媒が水熱交換器に流入されることによって水熱交換器内の水温度が低下する。ここで、ヒートポンプ式給湯用室外機は、除霜運転時には、ヒートポンプ冷凍サイクルでのリバースサイクルとなるため冷房運転になり、水熱交換器が蒸発側となる。

温水暖房機では、この水熱交換器が凍結しないようシステムコントローラにてヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時も水を循環させていたが、循環させていても水熱交換器内の流路に淀み（水が流れないで停滞していること）が発生し、かつ、除霜運転中は、水熱交換器に流入される水は水熱交換器入口で１０℃以下になり、それにつれて水熱交換器出口では０℃以下になるため、水の淀み箇所から凍結が進行し、水熱交換器が凍結する恐れがあった。この問題点の解決として開示されている特許文献は見当たらない。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は温水暖房機とヒートポンプ式給湯用室外機の組み合わせにて暖房システムが構成されている温水暖房機において、暖房システムとして温水暖房機と接続されているヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時に、温水暖房機内に配設している水熱交換器の凍結防止を確保している温水暖房機を目的とする。

また、第２の目的は、前記の目的に加え、水熱交換器の凍結防止を確保すると共に、ラジエータに低温水流入防止を確保した温水暖房機を目的とする。

また、第３の目的は、前記の目的に加え、水熱交換器の凍結防止を確保すると共に、給湯回路に低温水流入を防止し、貯湯タンク内水温低下を確保した温水暖房機を目的とする。

また、第４の目的は、前記の目的に加え、水熱交換器の凍結防止を確保すると共に、給湯運転が可能な温水暖房機を得ることを目的とする。

この発明に係る温水暖房機は、ヒートポンプ式給湯用室外機の冷凍サイクルを循環する冷媒が流通する水熱交換器と、前記水熱交換器にて冷媒と熱交換を行う水を暖房機器が接続された暖房回路または貯湯タンクが接続された給湯回路へ循環させる水循環ポンプと、前記水循環ポンプから吐出された温水を前記暖房回路とに切り替える三方弁と、前記水循環ポンプと前記三方弁を接続する配管と前記暖房回路および前記給湯回路からの戻り水を前記水熱交換器へ接続する配管の間に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路の水のバイパス流通を制御する第１の開閉弁と、前記暖房回路の前記三方弁の下流側に設けて水の流動を制御する第２の開閉弁と、前記水熱交換器と前記水循環ポンプとの間に設けた第１補助ヒータを備え、さらに前記水循環ポンプの吐出配管に設けた第１水温センサと、前記水熱交換器へ戻り水が流入する配管に設けた第２水温センサの両方もしくは少なくとも一方を備え、前記ヒートポンプ式給湯用室外機が冷凍サイクルのリバースサイクルによる除霜運転を行う場合、前記三方弁を暖房回路側に切り替えるとともに、前記第１の開閉弁を開き、前記第２の開閉弁を閉じ、前記第１水温センサにより検知された検知水温Ｔ１または前記第２水温センサにより検知された検知水温Ｔ２に応じて前記第１補助ヒータを通電動作させるものである。

この発明の温水暖房機は、ヒートポンプ式給湯用室外機の冷凍サイクルを循環する冷媒が流通する水熱交換器と、前記水熱交換器にて冷媒と熱交換を行う水を暖房機器が接続された暖房回路または貯湯タンクが接続された給湯回路へ循環させる水循環ポンプと、前記水循環ポンプから吐出された温水を前記暖房回路とに切り替える三方弁と、前記水循環ポンプと前記三方弁を接続する配管と前記暖房回路および前記給湯回路からの戻り水を前記水熱交換器へ接続する配管の間に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路の水のバイパス流通を制御する第１の開閉弁と、前記暖房回路の前記三方弁の下流側に設けて水の流動を制御する第２の開閉弁と、前記水熱交換器と前記水循環ポンプとの間に設けた第１補助ヒータを備え、さらに前記水循環ポンプの吐出配管に設けた第１水温センサと、前記水熱交換器へ戻り水が流入する配管に設けた第２水温センサの両方もしくは少なくとも一方を備え、前記ヒートポンプ式給湯用室外機が冷凍サイクルのリバースサイクルによる除霜運転を行う場合、前記三方弁を暖房回路側に切り替えるとともに、前記第１の開閉弁を開き、前記第２の開閉弁を閉じ、前記第１水温センサにより検知された検知水温Ｔ１または前記第２水温センサにより検知された検知水温Ｔ２に応じて前記第１補助ヒータを通電動作させる構成としたので、暖房システムとして温水暖房機と接続されているヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転の際、温水暖房機のバイパス回路内の第１の電磁弁を開き、三方弁を暖房回路に切り替えて、第２の電磁弁を閉め、水循環ポンプから吐出される水すべてをバイパス回路で水熱交換器入口にバイパスさせることにより、ラジエータに流れて放熱されず延長配管断熱不足による放熱や据付環境過酷による放熱を防ぎ、水温低下をせず水熱交換器に流入させることができ水熱交換器の凍結を防止することができる。バイパスされた水はヒートポンプ式水熱交換器の除霜運転により水熱交換器によって循環水温が低下するが、暖房回路のラジエータに流すことを防止し、給湯回路側の貯湯タンク内の水温低下を防止させることができ、さらには循環水温の低下が制御設定値以下となったら、第１補助ヒータを作動させることで水温を上昇させて、凍結に至らない温度以上に保持させて、水熱交換器の凍結を防止させることができる効果を有する。

この発明の実施の形態１におけるヒートポンプ式給湯用室外機と温水暖房機とが接続された暖房システムの構成図である。この発明の実態の形態１におけるヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時の冷媒回路構成図である。この発明の実態の形態１における温水暖房機の暖房運転の水回路構成図である。この発明の実態の形態１における温水暖房機の給湯運転の水回路構成図である。この発明の実態の形態１における温水暖房機のバイパス回路使用時の水回路構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるヒートポンプ式給湯用室外機と温水暖房機とが接続された暖房システムの構成図である。本発明の温水暖房機は、水熱交換器（たとえばプレート熱交換器）２、ヒートポンプ式給湯用室外機の能力不足時の暖房回路に設置された第１補助ヒータ９、暖房回路と給湯回路の水を循環する水循環ポンプ１０、暖房回路と給湯回路を切り替える三方弁１２、利用側の貯湯を行う貯湯タンク１１、ヒートポンプ式給湯用室外機の能力不足時の貯湯タンク内に設置された第２補助ヒータ２０、水配管１７、バイパス回路２１、バイパス回路に水のバイパス流通の開閉を行う第１電磁弁１３、暖房回路側に水の流動を止める第２電磁弁を備え、配管接続して構成されている。

ここで、暖房回路は、水熱交換器２で加熱された温水を水循環ポンプ１０を介して暖房機器であるラジエータ１８に流通して放熱し、低温となった温水を水配管１７を通して再び水熱交換器２へ循環させる回路で構成されている。また、給湯回路は、水熱交換器２で加熱された温水を水循環ポンプ１０を介して貯湯タンク１１内に配設された配管を通過しながら貯湯タンク１１に貯留された水へ放熱して、低温となった温水を水配管１７を通して再び水熱交換器２へ循環させる回路で構成されている。

暖房システムとして温水暖房機と接続されているヒートポンプ式給湯用室外機は、空気熱交換器１、水熱交換器（たとえばプレート熱交換器）２、圧縮機３、暖房給湯運転と除霜運転を切替える四方弁４、膨張弁５を備え、圧縮機３、四方弁４、水熱交換器２、膨張弁５、空気熱交換器１が順次冷媒配管８で接続されて冷凍サイクルを構成している。

温水暖房機は、前記暖房回路と前記給湯回路を切り替えの三方弁１２を起点に並列に組み合わせた循環回路と、前記給湯回路の貯湯タンク利用側への回路を保有している。

水循環ポンプ１０は、ポンプ駆動の回転数が制御され循環流量制御可能なタイプである。

水熱交換器２は、ヒートポンプ式給湯用室外機の冷凍サイクルに流れる冷媒と温水暖房機内に流れる水とが熱交換を行う熱交換器である。この水熱交換器は温水暖房機内に配設保有しているので、ヒートポンプ式給湯用室外機の四方弁４および膨張弁５と温水暖房機に内蔵された前記水熱交換器２とがそれぞれ冷媒配管で接続されてヒートポンプ冷凍サイクルを構成するものである。

温水暖房機１９の暖房回路で水熱交換器２と水循環ポンプ１０の間に設けられた第１補助ヒータ９、そして給湯回路の貯湯タンク１１内に設置された第２補助ヒータ２０は、ヒートポンプ式給湯用室外機のヒートポンプによる加熱能力不足や水温昇温時に使用され、作動に関しては、制御装置２２によって制御している。

暖房回路のバイパス回路２１に設けられた第１電磁弁１３と、暖房機器であるラジエータ１８へ温水を流通する配管に設けられた第２電磁弁１４は開閉する電磁弁である。なお、バイパス回路２１は、水循環ポンプ１０と三方弁１２の間の配管と、ラジエータ１８および貯湯タンク１１からの戻り水を流通させる水配管とを接続してバイパスさせるように構成されている。

この温水暖房機内には第２制御装置２２が設置されている。温水暖房機の水回路には第１水温センサ１５が水循環ポンプ出口に、第２水温センサ１６が水熱交換器入口側に設けられ、それぞれが設置された位置で流通する水温度を計測する。

温水暖房機内の第２制御装置２２は、各水温度センサ１５，１６にて検出された計測温度情報や、温水暖房機使用者からリモコンなどにより指示される運転内容に基づいて、水循環ポンプ１０の運転方法、三方弁１２の流路切換、第１補助ヒータ９及び第２補助ヒータ２０の作動有無、第１電磁弁１３及び第２電磁弁１４の開閉などを制御する。

次に、この温水暖房機の運転動作について説明する。まず暖房運転の動作について図３に示す温水暖房機の暖房運転の水回路構成図をもとに説明する。暖房運転時には、三方弁１２の流路は図３に示す矢印方向（暖房機器であるラジエータ１８側）に設定される。そして、水循環ポンプ１０から吐出された温水は三方弁１２を経てラジエータ１８に流入する。そして、ラジエータで放熱しながら、温水暖房機内に戻る。温水暖房機内に戻ってきた水は、戻り水として水熱交換器２に流入し、ヒートポンプ式給湯用室外機の高温冷媒と熱交換されて水が温められ、第１補助ヒータ９を経て、再び水循環ポンプ１０に流入される。つまり上述の温水暖房機１９の暖房回路を形成する。

続いて、温水暖房機の給湯運転動作について図４に示す温水暖房機の給湯運転の水回路構成図をもとに説明する。給湯運転時には、三方弁１２の流路は図４に示す矢印方向（貯湯タンク側）に設定される。そして、水循環ポンプ１０から吐出された温水は三方弁１２を経て貯湯タンク１１内を通る水配管に流入する。このとき流入する温水は、貯湯タンクの内部に貯留してある水とは混合せず、水配管を介して貯湯タンク内に貯留してある水と熱交換する。貯湯タンク内の貯留水と熱交換して低温となった温水は、貯湯タンクを経て、戻り水として水熱交換器２に流入し、ヒートポンプ式給湯用室外機の高温冷媒と熱交換されてこの戻り水が加熱され、第１補助ヒータ９を経て、再び水循環ポンプ１０に流入される。とまり上述の温水暖房機１９の給湯回路を形成する。

次に温水暖房機１９と接続されているヒートポンプ式給湯用室外機について説明する。圧縮機３はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。膨張弁５は開度が可変に制御される電子膨張弁である。空気熱交換器１はファンなどで送風される外気と熱交換する。このヒートポンプ式給湯用室外機の冷媒としてはＨＦＣ系の混合冷媒であるＲ４１０ＡあるいはＲ４０７Cが用いられる。

このヒートポンプ式給湯用室外機内には第１制御装置６が設置され、冷媒回路の空気熱交換器１に設けられた冷媒用温度センサ７により検出される冷媒温度を計測する。

ヒートポンプ式給湯用室外機内の第１制御装置６は冷媒用温度センサ７の計測温度情報や、ヒートポンプ式給湯用室外機使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機３の運転方法、四方弁４の流路切換、空気熱交換器１のファン送風量、膨張弁５の開度量などを制御する。

このヒートポンプ式給湯用室外機での運転動作について説明する。まず暖房給湯運転時の動作を、図１に示すヒートポンプ式給湯用室外機と温水暖房機とが接続された暖房システムの構成図の冷媒回路をもとに説明する。暖房給湯運転時には、四方弁４の流路は図１に示す点線方向に設定される。そして圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て水熱交換器２に流入する。そして、凝縮器となる水熱交換器２で放熱しながら凝縮液化し高圧低温の液冷媒となる。冷媒から放熱された熱を負荷側の水に与えることで水を温める。水熱交換器２を出た高圧低温の冷媒は、膨張弁６で減圧され二相冷媒となり、その後蒸発器となる空気熱交換器１に流入し、そこで吸熱し蒸発、ガス化される。その後四方弁４を経て、圧縮機３に吸入されて循環するヒートポンプサイクルを形成する。

また、次にこのヒートポンプ式給湯用室外機での除霜運転動作について、図２に示すヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転時の冷媒回路構成図をもとに説明する。空気熱交換器１の冷媒用温度センサ７が検出する温度ＴＬ（例えば−１０℃）を予め設定した所定時間のｔ_０秒継続した場合、空気熱交換器１に霜が付着していると判断して、暖房運転から除霜運転動作に移行する。圧縮機３から吐出された高温高圧のガス冷媒は四方弁４を経て着霜した空気熱交換器１へ流通して除霜し、膨張弁５を通り水熱交換器２に流入する。水熱交換器２で温水暖房機の水配管内を流通する温水から熱をもらい、再度四方弁４を通り圧縮機３に戻ることで除霜を行う。このときの除霜運転動作はリバースサイクル（冷房運転）による除霜になる。

この除霜運転の際に、水熱交換器２に流入する水の温度低下（ラジエータによる放熱や現地延長配管断熱不足や据付環境過酷を起因とする）、または、低外気温（室外機周囲温度が氷点下）による水熱交換器２に流入する冷媒温度の低下（０℃以下のマイナス温度）となる場合、水熱交換器２に流入される水は水熱交換器入口部で１０℃以下になると水熱交換器出口部では０℃以下になる。温水暖房機の運転を制御するシステムコントローラは除霜運転時には水熱交換器が凍結しないよう水を循環しているが、循環していても水熱交換器内に淀み（局所的に水が流れないで停滞していること）箇所が発生し、この水の淀み箇所から凍結が進行成長して水熱交換器内部の凍結に至ることがある。

このため、温水暖房機は、ヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転の際、温水暖房機のバイパス回路２１に設けた第１電磁弁１３を開く（開状態）と共に、三方弁１２を暖房回路に切り替え、第２電磁弁１４を閉め（閉塞状態）、水循環ポンプ１０から吐出される水すべてをバイパス回路２１により水を水熱交換器入口にバイパスさせる。ラジエータ１８に流れて放熱されることなく、延長配管断熱不足による放熱や据付環境過酷による放熱を防ぎ、水温低下を起させず水熱交換器に流入させることができるので、水熱交換器の凍結を防止することができる。

バイパスされた水はヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転により、前記水熱交換器にて熱交換されながら循環して、熱交換により水温が低下するため、水温低下した水をラジエータに流すことを防止することができる。また、給湯回路側にも流入されないため、貯湯タンク内の水温低下を防止させることができる。

また、バイパス回路２１にてバイパスされた水がヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転により前記水熱交換器によって熱交換されながら循環されて水温が低下することを防ぐように、前記水循環ポンプ出口に取り付けられている第１水温センサ１５が検知する温度がＴ１℃以下（例えば１０℃以下）、そして前記水熱交換器入口に取り付けられた第２水温センサ１６が検知する温度がＴ2℃（例えば１℃）以下を下回った場合には、第１補助ヒータ９を通電作動させる制御を行い、水温を上昇させることで、水循環ポンプ出口温度を予め設定した所定温度Ｔ３℃（＞Ｔ１℃）以上、水熱交換器入口温度を所定温度Ｔ４℃（＞Ｔ２℃）以上となるように保持させて、水熱交換器２の凍結を防止することができる。

さらに、前記のようにヒートポンプ式給湯用室外機除霜運転時は、温水暖房機のバイパス回路２１内の第１電磁弁１３を開き、三方弁１２を暖房回路側に切り替え、第２電磁弁を閉め、水循環ポンプ１０から吐出される水すべてをバイパス回路２１で水熱交換器入口にバイパスさせるため、ヒートポンプ式給湯用室外機による加熱温水を用いた貯湯タンク内に貯留している湯の給湯ができなくなるが、貯湯タンク内に取り付けられている第２補助ヒータ２０を通電作動させる制御を行うことにより、給湯運転を可能にすることができる。

以上のように、実態形態１の温水暖房機とヒートポンプ式給湯用室外機が接続された暖房システムにて、温水暖房機に配設された水熱交換器は、ヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転において、水熱交換器２に流入する水の温度低下（ラジエータによる放熱や現地延長配管断熱不足や据付環境過酷）、または、低外気温（室外機周囲温度が氷点下）による水熱交換器２に流入する冷媒温度の低下（マイナス温度）となる場合には、温水暖房機のバイパス回路２１内の第１電磁弁１３を開き、三方弁１２を暖房回路に切り替え、第２電磁弁１４を閉め、水循環ポンプ１０から吐出される水すべてをバイパス回路２１で水熱交換器入口にバイパスさせことで、ラジエータに流れて放熱されず延長配管断熱不足による放熱や据付環境過酷による放熱を防ぎ、水温低下をせず水熱交換器に流入させることができ水熱交換器の凍結防止となる効果を有する。

さらには、バイパスされた水はヒートポンプ式水熱交換器の除霜運転により前記水熱交換器によって熱交換されながら循環し、熱交換により水温が低下するが、水温低下した水を暖房回路のラジエータに流すことを防止することができる。また、給湯回路側にも流入されないため、貯湯タンク内の水温低下を防止させることができる。さらには、バイパス回路２１にてバイパスされた水はヒートポンプ式給湯用室外機の除霜運転により前記水熱交換器によって熱交換されながら循環されるため、水温が低下するため、前記水循環ポンプ出口に取り付けられている第１水温センサ、前記水熱交換器入口に取り付けられた第２水温センサにて水温を検知し、制御設定値の水温度以下を検出したら、第１補助ヒータ９を作動させることで水温を上昇させて、凍結に至らない温度以上に保持させて、水熱交換器２の凍結を防止させることができる。

１空気熱交換器、２水熱交換器、３圧縮機、４四方弁、５膨張弁、６第１制御装置、７冷媒用温度センサ、８冷媒配管、９第一補助ヒータ、１０水循環ポンプ、１１貯湯タンク、１２三方弁、１３第１電磁弁、１４第２電磁弁、１５第１水温センサ、１６第２水温センサ、１７水配管、１８ラジエータ、１９温水暖房機、２０第２補助ヒータ、２１バイパス回路、２２第２制御装置。

Claims

ヒートポンプ式給湯用室外機の冷凍サイクルを循環する冷媒が流通する水熱交換器と、前記水熱交換器にて冷媒と熱交換を行う水を暖房機器が接続された暖房回路または貯湯タンクが接続された給湯回路へ循環させる水循環ポンプと、前記水循環ポンプから吐出された温水を前記暖房回路とに切り替える三方弁と、前記水循環ポンプと前記三方弁を接続する配管と前記暖房回路および前記給湯回路からの戻り水を前記水熱交換器へ接続する配管の間に設けたバイパス回路と、前記バイパス回路の水のバイパス流通を制御する第１の開閉弁と、前記暖房回路の前記三方弁の下流側に設けて水の流動を制御する第２の開閉弁と、前記水熱交換器と前記水循環ポンプとの間に設けた第１補助ヒータを備え、さらに前記水循環ポンプの吐出配管に設けた第１水温センサと、前記水熱交換器へ戻り水が流入する配管に設けた第２水温センサの両方もしくは少なくとも一方を備え、前記ヒートポンプ式給湯用室外機が冷凍サイクルのリバースサイクルによる除霜運転を行う場合、前記三方弁を暖房回路側に切り替えるとともに、前記第１の開閉弁を開き、前記第２の開閉弁を閉じ、前記第１水温センサにより検知された検知水温Ｔ１または前記第２水温センサにより検知された検知水温Ｔ２に応じて前記第１補助ヒータを通電動作させることを特徴とする温水暖房機。
前記第１水温センサにより検知された検知水温Ｔ１が１℃以下、または前記第２水温センサにより検知された検知水温Ｔ２が１０℃以下となると前記第１補助ヒータを動作させることを特徴とする請求項１記載の温水暖房機。
前記給湯回路の貯湯タンク内に第２補助ヒータを設け、給湯運転の要求に応じて前記第２補助ヒータを通電動作させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の温水暖房機。
前記ヒートポンプ式給湯用室外機の冷凍サイクルは冷媒としてＨＦＣ系冷媒を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の温水暖房機。