JP5759906B2 - 暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、暖房装置に関する。特に、加熱された熱媒を貯めるタンクを有する蓄熱式の暖房装置に関する。

特許文献１に、蓄熱式の暖房装置が開示されている。この暖房装置は、熱媒を貯めるタンクと、熱媒を加熱する熱源機と、熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末を備えている。タンクと熱源機との間は、熱媒を循環させる蓄熱用の循環経路によって接続されており、タンクと暖房端末の間は、熱媒を循環させる暖房用の循環経路によって接続されている。蓄熱用の循環経路と暖房用の循環経路は、互いに独立して設けられている。

特開２００３−２４０３４１号公報

暖房端末で必要とされる熱媒の温度は、暖房端末の利用状況に応じて変化する。暖房端末の利用状況が変化した場合には、それに応じて暖房端末に送る熱媒の温度を調整する必要がある。タンクには熱源機で加熱された高温の熱媒が貯められるから、熱源機が熱媒を加熱する加熱温度を調整すれば、タンクから暖房端末に送られる熱媒の温度を調整することができる。加熱温度を調整するには、熱源機の加熱能力を変動させる。しかしながら、熱源機がヒートポンプ、特に二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプである場合、加熱能力の調整は段階的な切換のみで、切換に時間がかかるものがある。また、高い効率でヒートポンプを運転させるためには、加熱能力を小刻みに変動させることは好ましくない。熱源機の加熱能力を急激に変動させることなく、暖房端末における要求の変化に対応することが可能な技術が期待されている。

本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、蓄熱式の暖房装置において、熱源機の加熱能力を変動させることなく、暖房端末における要求の変化に対応することが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する暖房装置は、熱媒を貯めるタンクと、熱媒を加熱する熱源機と、タンクから熱源機へ熱媒を送る蓄熱用往路と、熱源機からタンクへ熱媒を戻す蓄熱用復路と、熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末と、タンクから暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路と、暖房端末からタンクへ熱媒を戻す暖房用復路と、暖房用復路からタンクを介さずに暖房用往路へ熱媒を送るバイパス経路と、暖房用復路からタンクへ送られる熱媒の流量と暖房用復路からバイパス経路へ送られる熱媒の流量の比率を調整可能な混合弁を備えている。

上記の暖房装置では、暖房端末で放熱して低温となった熱媒を、必要に応じてバイパス経路を介して暖房用往路へ送り、タンクから暖房用往路へ送られる高温の熱媒と混合させることができる。これにより、暖房端末の要求する熱媒の温度に対して、タンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が高い場合であっても、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を、暖房端末の要求する熱媒の温度に調整することができる。上記の暖房装置によれば、暖房装置の運転中に、暖房端末の要求する熱媒の温度が低下した場合でも、熱源機の加熱能力を急激に変化させることなく、暖房端末における要求の変化に速やかに対応することができる。

上記の暖房装置は、暖房用往路上に設けられ、暖房端末へ送られる熱媒を加熱する補助熱源機をさらに備えることが好ましい。

上記の暖房装置によれば、暖房端末の要求する熱媒の温度に対して、タンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が低い場合であっても、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を、暖房端末の要求する熱媒の温度に調整することができる。上記の暖房装置によれば、暖房装置の運転中に、暖房端末の要求する熱媒の温度が上昇した場合でも、熱源機の加熱能力を変化させることなく、暖房端末における要求の変化に速やかに対応することができる。

上記の暖房装置は、熱源機が大気から吸熱するヒートポンプであることが好ましい。

大気から吸熱するヒートポンプを熱源機として利用する場合、高い効率でヒートポンプを運転させるためには、加熱能力をあまり変動させないことが好ましい。上記の暖房装置では、ヒートポンプの加熱能力を急激に変動させることなく、暖房端末における要求の変化に対応することができるので、高い効率でヒートポンプを運転させることができる。
本明細書が開示する別の暖房装置は、熱媒を貯めるタンクと、熱媒を加熱するヒートポンプと、タンクからヒートポンプへ熱媒を送る蓄熱用往路と、ヒートポンプからタンクへ熱媒を戻す蓄熱用復路と、熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末と、タンクから暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路と、暖房端末からタンクへ熱媒を戻す暖房用復路と、暖房用復路からタンクを介さずに暖房用往路へ熱媒を送るバイパス経路と、暖房用復路からタンクを介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量と暖房用復路からバイパス経路を介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量の比率を調整可能な混合弁と、暖房用往路上に設けられ、暖房端末へ送られる熱媒を加熱する補助熱源機を備えている。その暖房装置は、暖房端末の要求する熱媒の温度に対してタンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が高い場合に、混合弁を制御して、暖房用復路からバイパス経路を介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量を増加させ、暖房用復路からタンクを介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量を減少させることで、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を暖房端末の要求する熱媒の温度に調整する。その暖房装置は、暖房端末の要求する熱媒の温度に対してタンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が低い場合に、補助熱源機で暖房用往路を流れる熱媒を加熱し、補助熱源機における加熱量を調整することで、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を暖房端末の要求する熱媒の温度に調整する。
上記の暖房装置は、タンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度を検出する第１暖房往路サーミスタと、タンクから暖房用往路に送られる熱媒とバイパス経路から暖房用往路に送られる熱媒が混合した後の温度を検出する第２暖房往路サーミスタと、暖房用復路を流れる熱媒の温度を検出する暖房復路サーミスタを備えており、第１暖房往路サーミスタ、第２暖房往路サーミスタおよび暖房復路サーミスタの検出温度に基づいて混合弁の動作を制御するように構成することができる。

実施例の給湯暖房システム１０の構成を模式的に示す図である。 ヒートポンプユニット２０を運転しながら暖房を行うときの熱媒の流れを示す図である。 暖房端末９０の要求する熱媒の温度に対して、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒の温度が高い場合の熱媒の流れを示す図である。 暖房端末９０の要求する熱媒の温度に対して、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒の温度が低い場合の熱媒の流れを示す図である。 融雪電力の供給が停止されている間に、凍結防止運転を行うときの熱媒の流れを示す図である。

本発明の一実施形態では、暖房用の熱媒に、水又は不凍液を用いることが好ましい。

本発明の一実施形態では、補助熱源機に、可燃性ガス等の燃料を燃焼する燃焼装置を採用することが好ましい。

本発明の一実施形態では、蓄熱用往路又は蓄熱用復路に、熱媒の凍結を防止するための凍防ポンプを設けることが好ましい。この場合、凍防ポンプに対して逆止弁を並列に設けることが好ましい。この構成によると、ヒートポンプ等の熱源機の運転時には、熱媒が逆止弁を通って循環し、凍防ポンプがバイパスされることから、凍防ポンプによって熱媒の循環が妨げられることを避けることができる。一方、凍防ポンプの運転時には、凍防ポンプの入側と出側が逆止弁によって遮断されるので、短絡することなく、タンクと熱源機との間で熱媒を確実に循環させることができる。

本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施例の給湯暖房システム１０を示している。図１に示すように、給湯暖房システム１０は、ヒートポンプユニット２０と、タンクユニット２８と、給湯暖房ユニット８０と、暖房端末９０を備えている。

本実施例の給湯暖房システム１０は、例えば北海道地方のように、融雪用電力（単に融雪電力ともいう）を利用可能な地域での使用を前提とするものである。周知のように、融雪用電力は、暖房のために使用することはできるが、給湯のために使用することは禁止されている。そのことから、本実施例の給湯暖房システム１０では、暖房のみに供されるヒートポンプユニット２０及びタンクユニット２８については融雪用電力を利用し、給湯にも供される給湯暖房システム１０については一般電灯用電力（単に一般電灯電力ともいう）を利用するように構成されている。

ヒートポンプユニット２０は、大気から吸熱して、タンクユニット２８から送られる熱媒を加熱するヒートポンプである。ヒートポンプユニット２０は、図示省略するが、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器と、それらを順に接続する冷媒循環経路を備えている。その他、蒸発器に送風するファンや、それを駆動するモータ等も設けられている。冷媒循環経路内には、冷媒である二酸化炭素が充填されている。ヒートポンプユニット２０の詳細については、公知のものと同じであるので、ここでは説明を省略する。また、ヒートポンプユニット２０には、ヒートポンプユニット２０とタンクユニット２８との間で熱媒を循環させる循環ポンプ２２が設けられている。

タンクユニット２８は、熱媒を貯めるタンク３０を備えている。本実施例の熱媒は、不凍液である。本実施例のタンク３０は、一例であるが、３０リットルの容量を有している。タンク３０には、高さ方向に沿って複数のタンクサーミスタ４２が設けられている。複数のタンクサーミスタ４２は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、複数のタンクサーミスタ４２によって検出された温度から、タンク３０に貯められた熱量を把握することができる。

タンク３０は、蓄熱用往路３４と蓄熱用復路３２を介して、ヒートポンプユニット２０に接続されている。蓄熱用往路３４は、タンク３０からヒートポンプユニット２０へ熱媒を送る管路であり、タンク３０の底部に接続されている。蓄熱用復路３２は、ヒートポンプユニット２０からタンク３０へ熱媒を戻す管路であり、タンク３０の頂部に接続されている。蓄熱用往路３４と蓄熱用復路３２は、ヒートポンプユニット２０とタンク３０との間で熱媒を循環させる循環経路を構成している。当該循環経路には、前述した循環ポンプ２２が設けられている。本実施例の循環ポンプ２２は、ヒートポンプユニット２０に内蔵されているが、循環ポンプ２２の位置は特に限定されない。

蓄熱用往路３４には、手動弁２４と、蓄熱往路サーミスタ４４が設けられている。同様に、蓄熱用復路３２にも、手動弁２４と、蓄熱復路サーミスタ４６が設けられている。蓄熱往路サーミスタ４４と蓄熱復路サーミスタ４６は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、蓄熱往路サーミスタ４４による検出温度から、ヒートポンプユニット２０による加熱前の熱媒の温度を把握し、蓄熱復路サーミスタ４６による検出温度から、ヒートポンプユニット２０による加熱後の熱媒の温度を把握することができる。

暖房端末９０は、タンク３０からの熱媒を放熱させて暖房を行う。暖房端末９０は、例えば、パネルヒータ、パネルラジエータ、床暖房、ファンコンベクタ、温水式ルームエアコンである。暖房端末９０は、暖房用往路５６と暖房用復路６０を介して、タンク３０に接続されている。暖房用往路５６は、タンク３０から暖房端末９０へ熱媒を送る管路であり、タンク３０の頂部に接続されている。暖房用復路６０は、暖房端末９０からタンク３０へ熱媒を戻す管路であり、タンク３０の底部に接続されている。暖房用往路５６と暖房用復路６０は、タンク３０と暖房端末９０との間で熱媒を循環させる循環経路を構成している。

暖房用復路６０には、手動弁５２を有する排水管５０が接続されている。また、暖房用復路６０には、膨張タンク７０が設けられている。本実施例では、熱媒の循環する回路が密閉回路とされているので、熱媒の熱膨張を吸収するために、膨張タンク７０が用意されている。なお、膨張タンク７０を接続する位置は、暖房用復路６０に限定されず、例えば暖房用往路５６や他の経路に接続してもよい。

暖房用往路５６は、給湯暖房ユニット８０を経由して、暖房端末９０に接続されている。給湯暖房ユニット８０は、燃焼式の熱源機であり、可燃性ガスを燃焼させる二つのバーナー８４、８６を有する。一方のバーナー８４は、給湯用のものであり、給湯管路８２を流れる上水を加熱する。他方のバーナー８６は、暖房用のものであり、必要に応じて、暖房用往路５６を流れる熱媒を加熱する。また、給湯暖房ユニット８０は、コントローラ８８を有している。また、給湯暖房ユニット８０には、暖房端末９０とタンクユニット２８との間で熱媒を循環させる循環ポンプ８７が設けられている。なお、循環ポンプ８７を設ける位置は、給湯暖房ユニット８０に限られず、特に限定されない。この構成によると、暖房用往路５６を通って暖房端末９０に送られる熱媒の温度が低すぎるときは、バーナー８６で暖房用往路５６を流れる熱媒を加熱することにより、暖房端末９０に送られる熱媒の温度を上昇させることができる。

暖房用往路５６と暖房用復路６０の間は、バイパス経路６４を介して接続されている。それにより、暖房用復路６０を流れる熱媒の一部又は全部を、タンク３０を経由することなく、暖房用往路５６へ送ることができるように構成されている。また、暖房用復路６０とバイパス経路６４との分岐位置には混合弁６６が設けられており、暖房用復路６０からバイパス経路６４を介して暖房用往路５６へ送られる熱媒の流量と、暖房用復路６０からタンク３０を介して暖房用往路５６へ送られる熱媒の流量の比率を調整できるようになっている。混合弁６６は、コントローラ５４に接続されており、その動作はコントローラ５４によって制御される。この構成によると、暖房用往路５６を通って暖房端末９０に送られる熱媒の温度が高すぎるときは、暖房用復路６０を流れる放熱後の熱媒を、暖房用往路５６を流れる熱媒に合流させることによって、暖房端末９０に送られる熱媒の温度を低下させることができる。

暖房用往路５６には、第１暖房往路サーミスタ４８、第２暖房往路サーミスタ５８が設けられている。第１暖房往路サーミスタ４８は、バイパス経路６４が暖房用往路５６に合流する合流点よりも上流側に設けられており、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒の温度を検出する。第２暖房往路サーミスタ５８は、バイパス経路６４が暖房用往路５６に合流する合流点よりも下流側に設けられており、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒とバイパス経路６４から暖房用往路５６に送られる熱媒が混合した後の温度を検出する。暖房用復路６０には、暖房復路サーミスタ６２が設けられている。暖房復路サーミスタ６２は、暖房用復路を流れる熱媒の温度を検出する。第１暖房往路サーミスタ４８、第２暖房往路サーミスタ５８および暖房復路サーミスタ６２は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、第１暖房往路サーミスタ４８、第２暖房往路サーミスタ５８および暖房復路サーミスタ６２の検出温度に基づいて、混合弁６６の動作を制御することで、暖房端末９０に送られる熱媒の温度を所望の温度に調整することができる。

なお、混合弁６６は、バイパス経路６４が暖房用復路６０から分岐する分岐点に設置してもよいし、バイパス経路６４が暖房用往路５６に合流する合流点に設置してもよい。本実施例のように、混合弁６６をバイパス経路６４が暖房用復路６０から分岐する分岐点に設けた場合、混合弁６６には低温の熱媒のみが流れるため、混合弁６６として耐熱性の低いものを用いることができる。

図２は、ヒートポンプユニット２０を運転しながら暖房を行うときの熱媒の流れを示している。図２に示すように、暖房端末９０には、タンク３０の上部から暖房用往路５６を通じて高温の熱媒が送られる。暖房端末９０に送られた高温の熱媒は、暖房端末９０において放熱した後に、暖房用復路６０を通じてタンク３０の下部へ戻される。一方、ヒートポンプユニット２０には、タンク３０の下部から蓄熱用往路３４を通じて低温の熱媒が送られる。ヒートポンプユニット２０に送られた低温の熱媒は、ヒートポンプユニット２０において加熱された後に、蓄熱用復路３２を通じてタンク３０の上部へ戻される。

図３は、暖房端末９０の要求する熱媒の温度に対して、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒の温度が高い場合の熱媒の流れを示している。この場合には、混合弁６６を制御して、暖房用復路６０からバイパス経路６４を介して暖房用往路５６へ送られる熱媒の流量を増加させ、暖房用復路６０からタンク３０を介して暖房用往路５６へ送られる熱媒の流量を減少させる。これにより、暖房用往路５６から暖房端末９０へ送られる熱媒の温度を、暖房端末９０の要求する熱媒の温度に調整することができる。暖房端末９０の要求する熱媒の温度が低下した場合でも、ヒートポンプユニット２０の加熱能力を変化させることなく、暖房端末９０における要求の変化に速やかに対応することができる。

図４は、暖房端末９０の要求する熱媒の温度に対して、タンク３０から暖房用往路５６に送られる熱媒の温度が低い場合の熱媒の流れを示している。この場合には、バーナー８６で暖房用往路５６を流れる熱媒を加熱する。バーナー８６における加熱量を調整することで、暖房用往路５６から暖房端末９０へ送られる熱媒の温度を、暖房端末９０の要求する熱媒の温度に速やかに調整することができる。暖房端末９０の要求する熱媒の温度が上昇した場合でも、ヒートポンプユニット２０の加熱能力を変化させることなく、暖房端末９０における要求の変化に速やかに対応することができる。

蓄熱用往路３４には、凍防ポンプ３８と逆止弁４０が設けられている。凍防ポンプ３８と逆止弁４０は、互いに並列に接続されている。凍防ポンプ３８は、ヒートポンプユニット２０の停止時に、熱媒を循環させるためのポンプであり、それによって熱媒の凍結を防止する。周知のように、融雪電力の利用者は、電力需要がピークを迎える所定の時間帯において、融雪電力の使用を中止する通電遮断時間を定めなければならない。ヒートポンプユニット２０は、融雪電力を利用することから、通電遮断時間の間、運転をすることができない。その間に、屋外に配置されたヒートポンプユニット２０では、熱媒が凍結するおそれがある。そこで、通電遮断時間の間は、凍防ポンプ３８を運転することによって、熱媒の凍結を防止する。凍防ポンプ３８は、電力線８９によって給湯暖房ユニット８０のコントローラ８８に接続されている。それにより、一般電灯用電力の供給を受けて、融雪電力の通電遮断時間でも作動することができる。

凍防ポンプ３８は、凍結を防止することができる程度に熱媒を循環させられればよく、比較的に小型のポンプを採用することができる。ただし、小型の凍防ポンプ３８を熱媒の循環経路へ設けると、ヒートポンプユニット２０の運転時において、凍防ポンプ３８が大きな抵抗となってしまう。そこで、本実施例では、凍防ポンプ３８に対して逆止弁４０を並列に設けている。

上記した構成によると、ヒートポンプユニット２０の運転時には、図２に示すように、熱媒が逆止弁４０を通って循環し、凍防ポンプ３８がバイパスされることから、熱媒が凍防ポンプ３８による抵抗を受けることがない。一方、凍防ポンプ３８の運転時には、図４に示すように、凍防ポンプ３８の入側と出側が逆止弁４０によって遮断されるので、閉回路３６において短絡することなく、タンク３０とヒートポンプユニット２０との間で熱媒を確実に循環させることができる。なお、逆止弁４０に代えて、凍防ポンプ３８の運転時に閉弁し、ヒートポンプユニット２０の運転時に開弁するような電磁弁を設けることもできる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０ 給湯暖房システム
２０ ヒートポンプユニット
２２ 循環ポンプ
２４ 手動弁
２８ タンクユニット
３０ タンク
３２ 蓄熱用復路
３４ 蓄熱用往路
３６ 閉回路
３８ 凍防ポンプ
４０ 逆止弁
４２ タンクサーミスタ
４４ 蓄熱往路サーミスタ
４６ 蓄熱復路サーミスタ
４８ 第１暖房往路サーミスタ
５０ 排水管
５２ 手動弁
５４ コントローラ
５６ 暖房用往路
５８ 第２暖房往路サーミスタ
６０ 暖房用復路
６２ 暖房復路サーミスタ
６４ バイパス経路
６６ 混合弁
７０ 膨張タンク
８０ 給湯暖房ユニット
８２ 給湯管路
８４ バーナー
８６ バーナー
８７ 循環ポンプ
８８ コントローラ
８９ 電力線
９０ 暖房端末

Claims (2)

1. 熱媒を貯めるタンクと、
   熱媒を加熱するヒートポンプと、
   タンクからヒートポンプへ熱媒を送る蓄熱用往路と、
   ヒートポンプからタンクへ熱媒を戻す蓄熱用復路と、
   熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末と、
   タンクから暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路と、
   暖房端末からタンクへ熱媒を戻す暖房用復路と、
   暖房用復路からタンクを介さずに暖房用往路へ熱媒を送るバイパス経路と、
   暖房用復路からタンクを介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量と暖房用復路からバイパス経路を介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量の比率を調整可能な混合弁と、
   暖房用往路上に設けられ、暖房端末へ送られる熱媒を加熱する補助熱源機を備えており、
   暖房端末の要求する熱媒の温度に対してタンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が高い場合に、混合弁を制御して、暖房用復路からバイパス経路を介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量を増加させ、暖房用復路からタンクを介して暖房用往路へ送られる熱媒の流量を減少させることで、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を暖房端末の要求する熱媒の温度に調整し、
   暖房端末の要求する熱媒の温度に対してタンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度が低い場合に、補助熱源機で暖房用往路を流れる熱媒を加熱し、補助熱源機における加熱量を調整することで、暖房用往路から暖房端末へ送られる熱媒の温度を暖房端末の要求する熱媒の温度に調整する、暖房装置。
2. タンクから暖房用往路に送られる熱媒の温度を検出する第１暖房往路サーミスタと、
   タンクから暖房用往路に送られる熱媒とバイパス経路から暖房用往路に送られる熱媒が混合した後の温度を検出する第２暖房往路サーミスタと、
   暖房用復路を流れる熱媒の温度を検出する暖房復路サーミスタを備えており、
   第１暖房往路サーミスタ、第２暖房往路サーミスタおよび暖房復路サーミスタの検出温度に基づいて混合弁の動作を制御する、請求項１の暖房装置。

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