JP5809853B2 - 集合住宅用給湯設備 - Google Patents

Description

本発明は、集合住宅に設置され、太陽光の集熱によって水を加熱して各戸への給湯を行う集合住宅用給湯設備に関する。

環境保全の観点から太陽光の熱を利用して水を加熱し、湯を供給する給湯設備が住宅で使用されている。一戸建て住宅に対しては、この種の給湯設備の製品化が進み、多くの場合において太陽光により水や熱媒を加熱する集熱パネルは屋上に設置されることが前提になっている。
そして、集合住宅に用いられる給湯設備については、例えば、特許文献１、２に記載されているように、集熱パネルが各戸のベランダに垂直状態で設置され、居住空間を狭めない態様で設けられている。

特開２０１１−０２７３０６号公報 特開２００８−３０４１６７号公報

しかしながら、下層階は上層階に比べて陽のあたりが悪く、上層階と下層階で同じ集熱量を利用可能な環境を確保することができない。
また、集熱パネルは太陽光に対して垂直配置された場合に集熱効率が最大になるので、ベランダに垂直配置された状態では集熱率が低くなるという課題もある。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、集熱パネルによって効率的な集熱を行うと共に、集合住宅の上層階と下層階の間で利用可能な集熱量の差が生じるのを防止する集合住宅用給湯設備を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る集合住宅用給湯設備は、集合住宅に設置され、集熱パネルによって加熱した熱媒Ａを熱源にして貯湯タンク内の水を加熱する集合住宅用給湯設備において、前記集合住宅の屋上に前記集熱パネルを配置し、内側にタンク用熱交換器を備える前記貯湯タンクと該タンク用熱交換器に第１の循環回路を介して接続されたソーラ熱交換器とを前記集合住宅の各戸にそれぞれ設け、該各ソーラ熱交換器と前記集熱パネルを第２の循環回路で接続し、前記第２の循環回路には、前記ソーラ熱交換器毎に、該ソーラ熱交換器から送り出される前記熱媒Ａの流量を開度調整によって変更するバランシングバルブを設け、前記第１の循環回路に熱媒Ｂを、前記第２の循環回路に前記熱媒Ａをそれぞれ循環させて前記貯湯タンク内の水を加熱する。

本発明に係る集合住宅用給湯設備において、前記貯湯タンク内の水は、前記集合住宅の各戸に設けられたヒートポンプ装置によっても加熱されるのが好ましい。

本発明に係る集合住宅用給湯設備において、前記ソーラ熱交換器はプレート式熱交換器であるのが好ましい。

本発明に係る集合住宅用給湯設備は、集合住宅の各戸に設けられた貯湯タンク内の水を加熱するための熱源である熱媒Ａが、屋上に配置された集熱パネルによって加熱される。従って、集合住宅の上層階と下層階の日当たりの差は、集熱パネルによる集熱に影響せず、各戸で利用可能な集熱量に差が生じるのを回避可能である。
そして、屋上に集熱パネルを設置することで各戸の居住空間を狭めることはないため、集熱パネルの設置は自由度が高い。従って集熱パネルは効率的な集熱が可能な角度で設置することが可能である。

また、貯湯タンク内の水が、ヒートポンプ装置によっても加熱される場合、集熱パネルで十分な集熱ができない天候でも、各戸に安定して湯を供給することができる。
また、ソーラ熱交換器がプレート式熱交換器である場合、プレート式熱交換器は一般的に耐圧設計になっているので、熱媒Ａから受ける圧力が高くなる下層階にソーラ熱交換器を設置しても、故障等の発生を抑制可能である。

本発明の一実施の形態に係る集合住宅用給湯設備の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同集合住宅用給湯設備の制御装置の信号接続及び集熱制御装置の信号接続を示す回路図である。 熱媒Ａを熱源に貯湯タンク内の水を加熱するプロセスを示すフローチャートである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る集合住宅用給湯設備１０は、集合住宅に設置され、集熱パネル１１によって加熱した熱媒Ａ（本実施の形態では不凍液）を熱源にして貯湯タンク１２内の水を加熱する設備である。以下詳細に説明する。

集合住宅用給湯設備１０は、集合住宅の屋上１３に配置された複数の集熱パネル１１と集合住宅の各戸（各住居）にそれぞれ設けられた貯湯タンク１２、１２ａを備えている。
複数の集熱パネル１１は第２の循環回路１４によって直列に接続され、複数の集熱パネル１１を有する集熱パネル群１５を形成している。各集熱パネル１１は、効率的な集熱が可能な向き（方角）及び角度（仰角）で屋上１３に設置されている。
なお、集熱パネル群は、複数の集熱パネルを並列に接続して形成することや、それぞれが２〜３枚の集熱パネルを直列に接続してなる複数のグループを並列に接続して形成することもできる。
第２の循環回路１４には熱媒Ａが循環しており、熱媒Ａは集熱パネル群１５を通過する際に太陽光により加熱されて昇温し、貯湯タンク１２内の水を加熱するための熱源となる。
第２の循環回路１４には、集熱パネル群１５の入側と出側にそれぞれポンプ１６、１７が取付けられ、熱媒Ａは、ポンプ１６、１７の運転によって第２の循環回路１４を循環する。ポンプ１６、１７は、集熱パネル群１５に対し直列に配置されているので、いずれか一方を廃止しポンプを１つにすることも可能である。

各戸に設置された貯湯タンク１２、１２ａは、台所１８や浴槽１９等に供給するための湯を蓄えている。貯湯タンク１２の頂部と貯湯タンク１２ａの底部は接続管２０によって連結されており、貯湯タンク１２、１２ａに蓄えられている湯はそれぞれの頂部から出湯して台所１８や浴槽１９等に送られる。
貯湯タンク１２は、内側に貯湯タンク１２内の水を加熱するタンク用熱交換器２１を備えている。タンク用熱交換器２１は、熱媒Ｂ（本実施の形態では不凍液）が循環する第１の循環回路２２に連結され、熱媒Ｂを熱源にして貯湯タンク１２内の水を加熱する。

また、各戸にはタンク用熱交換器２１に第１の循環回路２２を介して接続されたソーラ熱交換器２３が設けられている。ソーラ熱交換器２３は、第２の循環回路１４を介して集熱パネル群１５に接続されており、第２の循環回路１４を循環する熱媒Ａを熱源に熱交換して第１の循環回路２２内を流れる熱媒Ｂを加熱する。
第１の循環回路２２には、熱媒Ｂを第１の循環回路２２に循環させるポンプ２４と加熱による熱媒Ｂの膨張を吸収するアキュームタンク２５が設けられている。なお、ポンプ２４から出た熱媒Ｂは、ソーラ熱交換器２３を通った後にタンク用熱交換器２１に送られる。

ポンプ２４には、図２（Ａ）に示すように、制御装置２６が信号接続されており、ポンプ２４は、制御装置２６から送信される指令信号によって運転の開始や停止を行う。
制御装置２６には、ポンプ２４に加えて、ソーラ熱交換器２３に送られる熱媒Ｂの温度Ｔｉｎを計測する温度センサ２８とソーラ熱交換器２３から送り出された熱媒Ｂの温度Ｔｏｕｔを計測する温度センサ２９が信号接続されている。
本実施の形態において温度センサ２８、２９はサーミスタであり、共に第１の循環回路２２に設けられている。
制御装置２６は、各戸に設けられ、各戸にある制御装置２６はそれぞれ、他の制御装置２６と連携することなく独立して、信号接続されているポンプ２４を制御する。
各制御装置２６はマイクロコンピュータ等によって構成でき、そのマイクロコンピュータには時刻及び時間の管理を行うためのプログラム等が搭載されている。
また、制御装置２６には、熱媒Ａの熱によって貯湯タンク１２内の水を加熱する集熱加熱運転を行う時間帯が設定可能であり、その設定された時間帯に集熱加熱運転を行う。

以下、熱媒Ａを熱源にした貯湯タンク１２内の水の加熱工程について説明する。
制御装置２６は、図３に示すように、制御装置２６の管理する時刻を基にして集熱加熱運転を行う時間帯であるか否かの判定を行う（ステップＳ１）。そして、集熱加熱運転を行う時間帯でないという判定がなされた場合、予め定められた時間が経過した後に改めてステップＳ１の判定を行う。
本実施の形態では、午前９時〜午後４時の時間帯が集熱加熱運転を行う時間帯として設定されているが、この時間帯設定は変更することができる。

一方、集熱加熱運転を行う時間帯であるという判定がなされた場合、制御装置２６は、最後にさぐり運転を行ってから予め定められた時間Ｉ以上経過しているか否かを検出して、さぐり運転を行うか否かの判定を行う（ステップＳ２）。
さぐり運転は、熱媒Ａを熱源に貯湯タンク１２内の水を加熱するのに先立って、熱媒Ａが貯湯タンク１２内の水を加熱するのに十分な温度を備えているか否かを判定するために行われる。具体的には、ポンプ２４を所定時間（例えば５〜１５秒）作動した後、温度センサ２８、２９を介して計測した温度を基に熱媒Ａを熱源に貯湯タンク１２内の水を加熱するか否かを判定する。なお、この判定は、温度センサ２９と貯湯タンク１２下部にある温度センサ（図示せず）で計測した温度を基に行ってもよい。

ステップＳ２において、最後のさぐり運転から時間Ｉ以上経過していないことが検出された場合には、さぐり運転は行わず、予め定められた時間が経った後にステップＳ１を行う。一方、最後のさぐり運転から時間Ｉ以上経過している場合には、ポンプ２４を作動してさぐり運転を開始する（ステップＳ３）。
このように最後のさぐり運転からの時間経過をさぐり運転開始の条件にしたのは、時間が経過しなければ、最後にさぐり運転を行ってからの熱媒Ａの温度変化量は小さく、改めてさぐり運転を行う意義がないためである。

時間Ｉには、最後にさぐり運転を行った際に温度センサ２９で計測された熱媒Ｂの温度によって異なった値が設定される。具体的には、最後にさぐり運転を行った際の計測温度がＰ℃以上だったときＩ＝Ｉ１となり、計測温度がＰ℃未満だったときＩ＝Ｉ２となる。
Ｉ２はＩ１より長い時間の値であり、本実施の形態では、Ｉ１＝５分、Ｉ２＝１０分で、Ｐは５０℃〜７０℃の範囲（具体的には６０℃）である。Ｉ２＞Ｉ１としているのは、熱媒Ｂが高温のときにさぐり運転を行う時間間隔を長くすると、熱媒Ｂが沸騰して第１の循環回路２２等に過大な圧力がかかる虞があるためである。そして、熱媒Ｂが低温のときにさぐり運転を行う時間間隔を短くすると、新たにさぐり運転を行っても一つ前のさぐり運転の際に得られた判定結果（即ち、熱媒Ａの温度が貯湯タンク１２の水を加熱するのに十分でないという判定結果）と同じ判定結果を得る可能性が高く、ポンプ２４の作動によって消費される電力が無駄になるためである。

また、制御装置２６は、ポンプ２４の作動開始から予め定められた時間が経過したのを検知すると（ステップＳ４）、温度センサ２８、２９それぞれから熱媒Ｂの計測温度を取得する（ステップＳ５）。ここで、ポンプ２４の作動開始と同時に温度センサ２８、２９の温度を計測しないのは、ソーラ熱交換器２３から送り出された熱媒Ｂがタンク用熱交換器２１を通過し温度センサ２８の配置位置まで到達するのに時間を要するからである。
制御装置２６は、温度センサ２８、２９で熱媒Ｂの温度を計測し、温度センサ２９の計測温度Ｔｏｕｔから温度センサ２８の計測温度Ｔｉｎを差し引いた温度差の値△Ｔ（△Ｔ＝Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）と制御装置２６に予め設定された値αを比較する（ステップＳ６）。
△Ｔがα未満の場合、制御装置２６は、熱媒Ａによる貯湯タンク１２内の水の加熱を行わないことを決定し、ポンプ２４の運転を停止する（ステップＳ８）。

一方、△Ｔがα以上の場合、制御装置２６は、熱媒Ａにより貯湯タンク１２内の水を加熱することを決定し、ポンプ２４の運転を継続する。第１の循環回路２２を循環する熱媒Ｂは、ソーラ熱交換器２３で熱媒Ａの熱を吸収し、タンク用熱交換器２１を通過してその吸収した熱を貯湯タンク１２内の水に与える。
そして、制御装置２６は、ポンプ２４の運転を継続しながら、所定の時間間隔（例えば３分間隔）で温度センサ２８、２９を介してＴｉｎ及びＴｏｕｔをそれぞれ計測し、△Ｔが予め定められた温度差β未満になったの検知すると（ステップＳ７）、ポンプ２４を停止し（ステップＳ８）、熱媒Ａによる貯湯タンク１２内の水の加熱を終える。
本実施の形態では、α、βは３〜７℃の範囲で例えば５℃である。
このようなＴｉｎとＴｏｕｔを参照した貯湯タンク１２内の水の加熱制御は、各戸で個別に行われる。

また、ソーラ熱交換器２３は、図１に示すように、貯湯タンク１２、１２ａと共に各戸において居住外空間３０に配置されている。
ここで、第２の循環回路１４は、集合住宅の屋上１３から地上にかけて配管されているので、地上近くに設置されたソーラ熱交換器２３は、上層階に設置されたものに比べ熱媒Ａから高い圧力を受けることになる。本実施の形態では、ソーラ熱交換器２３が、一般的に高い耐圧性能を有することで知られるプレート式熱交換器であり、熱媒Ａから受ける圧力で損傷等が生じるのを抑制されている。

また、仮に第２の循環回路を貯湯タンク内のタンク用熱交換器（本実施の形態では、タンクコイル式熱交換器）に直接接続する場合には、タンク用熱交換器に耐圧設計をする等の対応が必要になる。これに対し、本実施の形態では、タンク用熱交換器２１が第２の循環回路１４に直接接続されていないので、タンク用熱交換器２１として、特別な設計等がなされていない汎用品を採用することができる。
そして、ソーラ熱交換器２３は、タンク用熱交換器２１のようにタンク内に設置されておらず、点検や取替え等を容易に行えるので、メンテナンス性に優れている。
なお、居住空間３１に配置されている台所１８及び浴槽１９等と居住外空間３０に配置されている貯湯タンク１２、１２ａは配管接続されている。

第２の循環回路１４は、屋上１３から地上にかけて縦に配管された導管１４ａとその導管１４ａから各階で枝分かれしてソーラ熱交換器２３に接続された連結管１４ｂを備えている。
導管１４ａは集熱パネル群１５を通過して加熱された熱媒Ａを屋上１３から地上に向かって送り、各階で熱媒Ａを連結管１４ｂに供給する。また、連結管１４ｂには、屋上１３から地上にかけて設けられ、導管１４ａに対して略平行な導管１４ｃが連結されている。導管１４ｃは、導管１４ａから連結管１４ｂに供給された熱媒Ａを回収し屋上１３まで運んでいる。

そして、各連結管１４ｂには、ソーラ熱交換器２３に送られる熱媒Ａの流路を閉じる開閉弁３２が設けられている。各開閉弁３２はそれぞれ各ソーラ熱交換器２３に対応しており、ソーラ熱交換器２３は、対応する開閉弁３２が閉じられることによって第２の循環回路１４から切離される。
このように連結管１４ｂに開閉弁３２を設けることで、ソーラ熱交換器２３への熱媒の流れを止めることができ、ソーラ熱交換器２３のメンテナンスを容易に行うことができる。
また、連結管１４ｂには、ソーラ熱交換器２３の出側に、ソーラ熱交換器２３から送り出される熱媒Ａの流量を開度調整によって変更するバランシングバルブ３３が設けられている。
ソーラ熱交換器２３を介して貯湯タンク１２に供給される熱量が各戸によって大きく異なったアンバランスな状態は、バランシングバルブ３３の開度調整によって改善することができる。

第２の循環回路１４は、導管１４ａ、１４ｃがそれぞれ開閉弁３４、３４ａを介して接続された導管１４ｄを屋上１３に備え、集熱パネル群１５で加熱された熱媒Ａを導管１４ａに送り、導管１４ｃから回収された熱媒Ａを受け取り集熱パネル群１５に送る流路を形成している。
導管１４ｄには、集熱パネル群１５の熱媒Ａの出側に、集熱パネル１１で加熱された熱媒Ａを一時的に蓄えるミキシングタンク３５が設けられている。集熱パネル群１５を通過した熱媒Ａは、ミキシングタンク３５内に流入し、ミキシングタンク３５内に蓄えられている熱媒Ａと混ざり合った後にミキシングタンク３５から流出して導管１４ｄを通って導管１４ａに送られる。
従って、集熱パネル１１で加熱された熱媒Ａは、ミキシングタンク３５内で温度の平均化がなされた後に、貯湯タンク１２内の水を暖める熱源として用いられるので、ソーラ熱交換器２３での熱交換を安定したものにすることができ、貯湯タンク１２内の水を安定的に加熱することが可能である。

また、導管１４ｄには、集熱パネル群１５の熱媒Ａの出側やミキシングタンク３５の熱媒Ａの出側、開閉弁３４ａの熱媒Ａの出側等に熱媒Ａの温度を計測する複数の温度センサ３６が取付けられている。
この複数の温度センサ３６とポンプ１６、１７には、図２（Ｂ）に示すように、集熱制御装置２７が信号接続されている。集熱制御装置２７は、温度センサ３６を介して熱媒Ａの温度を計測し、その計測温度に基づいて、導管１４ｄに設けられたポンプ１６、１７の運転を制御する。
集熱制御装置２７はマイクロコンピュータ等によって構成でき、そのマイクロコンピュータには制御用のプログラムが搭載されている。なお、制御装置２６及び集熱制御装置２７は非接続であり、集熱制御装置２７は制御装置２６と連携することなくポンプ１６、１７の制御を行う。
従って、制御装置２６及び集熱制御装置２７に搭載されているプログラムは、制御装置と集熱制御装置を連携する場合に比べて簡素なものとなり、プログラムの設計コストを抑制可能である。

各戸には、図１に示すように、居住外空間３０に貯湯タンク１２、１２ａ内の水を加熱するヒートポンプ装置３８が設けられている。ヒートポンプ装置３８は、貯湯タンク１２の底部から水を取り出して加熱し、貯湯タンク１２ａの頂部に湯を送る。
貯湯タンク１２ａに送られた湯は、貯湯タンク１２ａ内の頂部に湯の層を形成する。そして、この湯の層は貯湯タンク１２ａの頂部から底部に向かって徐々に拡大する。貯湯タンク１２ａ内の全体が湯で満たされると、貯湯タンク１２ａ内の湯は、接続管２０を介して貯湯タンク１２の頂部に流入し、貯湯タンク１２にも湯の層を形成する。
なお、ヒートポンプ装置３８は主として深夜電気料金の時間帯に運転される。

各戸の居住外空間３０には、貯湯タンク１２、１２ａのほか、浴槽１９の追焚きを行うための追焚き用熱交換器３９や、各種のポンプ及び複数の混合弁等が設置されている。
そして、各戸には、水道管４０が引き込まれており、水道管４０から供給される水道水は、貯湯タンク１２、１２ａから送り出される湯に混合されて台所１８等に供給される。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、各戸に２つ設けている貯湯タンクは１つであってもよい。また、集熱パネル相互の接続は、直列接続に限定されず、並列に接続しても良いし、２〜３枚の集熱パネルを直列接続して集熱パネル群をなし、その集熱パネル群を並列に接続するようにしても良い。

１０：集合住宅用給湯設備、１１：集熱パネル、１２、１２ａ：貯湯タンク、１３：屋上、１４：第２の循環回路、１４ａ：導管、１４ｂ：連結管、１４ｃ、１４ｄ：導管、１５：集熱パネル群、１６、１７：ポンプ、１８：台所、１９：浴槽、２０：接続管、２１：タンク用熱交換器、２２：第１の循環回路、２３：ソーラ熱交換器、２４：ポンプ、２５：アキュームタンク、２６：制御装置、２７：集熱制御装置、２８、２９：温度センサ、３０：居住外空間、３１：居住空間、３２：開閉弁、３３：バランシングバルブ、３４、３４ａ：開閉弁、３５：ミキシングタンク、３６：温度センサ、３８：ヒートポンプ装置、３９：追焚き用熱交換器、４０：水道管

Claims (3)

1. 集合住宅に設置され、集熱パネルによって加熱した熱媒Ａを熱源にして貯湯タンク内の水を加熱する集合住宅用給湯設備において、
   前記集合住宅の屋上に前記集熱パネルを配置し、内側にタンク用熱交換器を備える前記貯湯タンクと該タンク用熱交換器に第１の循環回路を介して接続されたソーラ熱交換器とを前記集合住宅の各戸にそれぞれ設け、該各ソーラ熱交換器と前記集熱パネルを第２の循環回路で接続し、前記第２の循環回路には、前記ソーラ熱交換器毎に、該ソーラ熱交換器から送り出される前記熱媒Ａの流量を開度調整によって変更するバランシングバルブを設け、前記第１の循環回路に熱媒Ｂを、前記第２の循環回路に前記熱媒Ａをそれぞれ循環させて前記貯湯タンク内の水を加熱することを特徴とする集合住宅用給湯設備。
2. 請求項１記載の集合住宅用給湯設備において、前記貯湯タンク内の水は、前記集合住宅の各戸に設けられたヒートポンプ装置によっても加熱されることを特徴とする集合住宅用給湯設備。
3. 請求項１又は２記載の集合住宅用給湯設備において、前記ソーラ熱交換器はプレート式熱交換器であることを特徴とする集合住宅用給湯設備。

Images