JP5892120B2 - 暖房給湯システム - Google Patents

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Description

本発明は、暖房給湯システムに係り、特に、ヒートポンプにより加熱された温水を媒体として給湯と暖房を実施する暖房給湯システムに関する。
従来、例えば特許文献1には、加熱機構にて加熱された温水を暖房端末に循環させることで暖房機能を実現する暖房システムと、加熱機構にて加熱された温水を貯湯タンク内熱交換器に循環させることにより貯湯タンク内の水を加熱する給湯システムと、を備えた暖房給湯システムが開示されている。この暖房給湯システムでは、具体的には、ヒートポンプユニットにて加熱された温水を暖房端末に循環させるための回路と、当該暖房端末をバイパスして貯湯タンク内熱交換器に温水を循環させる回路とを備え、これらの回路の分岐点に設けられた三方弁を切り替えて何れか一方の回路を選択することにより、暖房システムと給湯システムとを使い分けることとしている。
特開2010−60270号公報 特開2010−8036号公報
しかしながら、従来の暖房給湯システムでは、暖房端末に温水を循環させる回路と貯湯タンク内熱交換器に温水を循環させる回路とを切り替えて各機能を実現している。このため、給湯機能と暖房機能とを同時に実現することはできず、その結果、給湯中に室温が低下し快適性を損ねるという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、給湯要求と暖房要求とを同時に実現することのできる暖房給湯システムを提供することを目的とする。
この発明に係る暖房給湯システムは、熱媒体を加熱する加熱手段と、熱媒体と水との間で熱交換を行う給湯熱交換器と、給湯熱交換器により加熱された水を貯湯する貯湯タンクと、熱媒体により室内を暖房する暖房熱交換器と、熱媒体を送流する熱媒体ポンプと、熱媒体ポンプの吐出側、加熱手段、給湯熱交換器、暖房熱交換器および熱媒体ポンプの吸込側を順に環状に接続する循環配管と、循環配管から給湯熱交換器をバイパスする第1のバイパス配管と、循環配管から暖房熱交換器をバイパスする第2のバイパス配管と、循環配管と第1のバイパス配管との合流部に設けられ、給湯熱交換器へ流れる熱媒体の流量と第1のバイパス配管へ流れる熱媒体の流量との比率を調整する第1の流量調整手段と、循環配管と第2のバイパス配管との合流部に設けられ、暖房熱交換器へ流れる熱媒体の流量と第2のバイパス配管へ流れる熱媒体の流量との比率を調整する第2の流量調整手段と、給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求および暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求の度合いに応じて、第1の流量調整手段及び第2の流量調整手段を制御する制御手段と、を備えるものである。
本発明によれば、給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求と暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求とを同時に実現することができる。
本発明の実施の形態1としての暖房給湯システムの回路構成図である。 本実施の形態の暖房給湯システムに用いる四方弁の内部構造を説明するための図である。 給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 暖房給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 本発明の実施の形態2としての暖房給湯システムの回路構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1としての暖房給湯システム100の回路構成図である。図1に示す暖房給湯システム100は、蒸気圧縮式冷凍サイクル(ヒートポンプサイクル)の冷媒回路を搭載したヒートポンプユニット1と、貯湯タンク11内の水を加熱する加熱循環回路を搭載した貯湯タンクユニット10と、加熱循環回路の一部により構成され、室内を暖房する暖房ユニット30とを備えている。
ヒートポンプユニット1と貯湯タンクユニット10とは、熱媒体配管12,13を介して接続されている。貯湯タンクユニット10と暖房ユニット30とは、熱媒体配管14,15を介して接続されている。また、貯湯タンクユニット10は、給湯端末(例えば、台所や洗面所等の蛇口)に繋がる給湯管17と、水道等の水源から給水するための給水管16とに接続されている。
ヒートポンプユニット1は、圧縮機2と、冷媒−水熱交換器(凝縮器)3と、膨張弁4と、蒸発器5とを冷媒配管6により環状に接続した冷媒回路を搭載している。圧縮機2は、冷媒を吸入し圧縮して高温高圧の状態にする。冷媒−水熱交換器3は、熱媒体(たとえば、水)と冷媒とを熱交換させることで、熱媒体を加熱し、冷媒を冷却する。冷媒−水熱交換器3は、例えばプレート式熱交換器により構成される。膨張弁4は、冷媒を減圧して低温低圧の状態にする。蒸発器5は、外気と冷媒を熱交換させることで、外気から熱を吸収して冷媒を加熱する。尚、ヒートポンプユニット1の冷媒回路に用いられる冷媒は、特に限定されず、例えば、R410A、R32、HFO−1234yf、炭化水素や二酸化炭素のような自然冷媒、などを用いることができる。また、本実施の形態では、循環回路に用いられる熱媒体として水を用いた場合について説明するが、使用可能な熱媒体は特に限定されず、本システムの使用各国における規制の範囲内で、種々の液体(例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、或いはこれらの混合物など)を用いることができる。
貯湯タンクユニット10には、上述した貯湯タンク11、熱媒体配管12,13,14,15、給湯管17、給水管16の他、熱媒体ポンプ18、給湯熱交換器19、四方弁20、バイパス配管22,23、および温度センサ24等が搭載されている。図2は、本実施の形態の暖房給湯システム100に用いる四方弁20の内部構造を説明するための図である。以下、図1および図2を参照して、本実施の形態の暖房給湯システムの構成について更に詳細に説明する。
四方弁20は、熱媒体の流量配分を調整する手段として機能するものである。具体的には、四方弁20は、2つの入口a,bと、2つの出口c,dと、を備え、入口a,b、および出口c,dの流量をそれぞれ調整する機能を有している。熱媒体配管12は、冷媒−水熱交換器3における熱媒体の吐出側と四方弁20の入口aとを接続している。熱媒体配管12途中には給湯熱交換器19が配設されている。給湯熱交換器19は、熱媒体と貯湯タンク11内の水とを熱交換させることで、水を加熱し熱媒体を冷却する。温度センサ24は、給湯熱交換器19から吐出する熱媒体の温度を検出する。
熱媒体配管13は、冷媒−水熱交換器3における熱媒体の吸込側と熱媒体配管15の一端とを接続している。熱媒体配管13の途中には、熱媒体ポンプ18が配設されている。熱媒体ポンプ18は、熱媒体配管13内の熱媒体を冷媒−水熱交換器3内へ送水する機能を有している。また、熱媒体配管14は、四方弁20の出口dと後述する暖房熱交換器31,32の入口側とを接続している。更に、暖房熱交換器31,32の出口側は、熱媒体配管15の他端に接続されている。温度センサ25は、出口dから流出した熱媒体の温度を検出する。また、温度センサ26は、暖房熱交換器31,32から流出した熱媒体の温度を検出する。
バイパス配管22は、熱媒体配管12における冷媒−水熱交換器3と給湯熱交換器19との間と四方弁20の入口bとを接続している。また、バイパス配管23は、熱媒体配管13と熱媒体配管14の接続部と四方弁20の出口cとを接続している。
暖房ユニット30は、給湯端末としての暖房熱交換器31,32を備えている。暖房熱交換器31,32に熱媒体を流すことによって、室内の空気を暖房する。尚、本実施の形態では給湯端末を2台にしているが、1台若しくは3台以上としても良い。また、暖房熱交換器31,32としては、例えばラジエータ、ファンコイルユニット、床暖房ヒータ等の暖房熱交換器を用いることができる。
[実施の形態1の動作]
暖房給湯システム100は、暖房ユニット30に要求される暖房要求(すなわち、暖房熱交換器31,32において熱交換を行う要求)及び貯湯タンクユニット10に要求される給湯要求(すなわち、給湯熱交換器19において熱交換を行う要求)に応じて、ヒートポンプユニット1、貯湯タンクユニット10及び暖房ユニット30に搭載されている各機器の制御を行い、暖房運転モード、給湯運転モード、または暖房給湯運転モードを実行する。以下、各運転モードにおける運転動作について詳細に説明する。
(給湯運転モード)
先ず、図3を参照して、給湯運転モードについて説明する。図3は、給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図3中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。暖房要求が出されていない状態で給湯要求が出されると給湯運転モードによる運転が行われる。給湯運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁20は入口aと出口cとが連通するように調整される。これにより、熱媒体ポンプ18、冷媒−水熱交換器3、給湯熱交換器19、および四方弁20が、熱媒体配管13、熱媒体配管12、およびバイパス配管23によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成される。この状態にてヒートポンプユニット1及び貯湯タンクユニット10の運転を実施する。そうすると、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ18により送流された熱媒体は貯湯タンクユニット10より流出し、熱媒体配管13を経由してヒートポンプユニット1に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット1に流入後、冷媒−水熱交換器3にて冷媒により加熱され、高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット1より流出し、熱媒体配管12を経由して、再び貯湯タンクユニット10に流入する。熱媒体は、その後、給湯熱交換器19に流入し、水と熱交換を行うことで貯湯タンク11内の水を加熱し、熱媒体は低温となる。この温度低下した熱媒体は、その後、再び熱媒体ポンプ18に流入する。これにより、貯湯タンク11内の水が熱媒体によって有効に加熱される。
(暖房運転モード)
次に、図4を参照して、暖房運転モードについて説明する。図4は、暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図4中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。給湯要求が出されていない状態で暖房要求が出されると暖房運転モードによる運転が行われる。暖房運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁20は入口bと出口dとが連通するように調整される。これにより、熱媒体ポンプ18、冷媒−水熱交換器3、四方弁20、および暖房熱交換器31,32が、熱媒体配管13、熱媒体配管12、バイパス配管22、熱媒体配管14、および熱媒体配管15によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成される。この状態にてヒートポンプユニット1及び暖房ユニット30の運転を実施する。そうすると、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ18により送流された熱媒体が貯湯タンクユニット10より流出し、熱媒体配管13を経由してヒートポンプユニット1に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット1に流入後、冷媒−水熱交換器3にて冷媒により加熱され、高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット1より流出し、熱媒体配管12を経由して、再び貯湯タンクユニット10に流入する。熱媒体は、その後、四方弁20を経由して貯湯タンクユニット10から流出し、熱媒体配管14を経由して、暖房ユニット30に流入する。暖房熱交換器31,32にて熱媒体と室内空気とが熱交換することにより室内を暖房し、熱媒体は低温となる。低温となった熱媒体は、暖房ユニット30から流出し、熱媒体配管15を経由して貯湯タンクユニット10に流入し、再び熱媒体ポンプ18に流入する。これにより、室内が熱媒体によって有効に加熱される。
(暖房給湯運転モード)
更に、図5を参照して、暖房給湯運転モードについて説明する。図5は、暖房給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図5中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。暖房要求と給湯要求との両要求が出されると暖房給湯運転モードによる運転が行われる。暖房給湯運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁20は入口aと入口bとの流量配分を調整するとともに、出口cと出口dとの流量配分を調整する。これにより、熱媒体ポンプ18、冷媒−水熱交換器3、給湯熱交換器19、四方弁20、および暖房熱交換器31,32が、熱媒体配管13、熱媒体配管12、熱媒体配管14、および熱媒体配管15によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成されるとともに、熱媒体の一部がバイパス配管22,23を通じて給湯熱交換器19および暖房熱交換器31,32をそれぞれバイパスする通路が形成される。
暖房給湯運転モードでは、この状態にてヒートポンプユニット1、貯湯タンクユニット10、および暖房ユニット30の運転を実施する。その結果、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ18により送流された熱媒体が貯湯タンクユニット10より流出し、熱媒体配管13を経由してヒートポンプユニット1に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット1に流入後、冷媒−水熱交換器3にて冷媒により加熱されて高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット1より流出し、熱媒体配管12を経由して再び貯湯タンクユニット10に流入する。熱媒体の一部は、その後給湯熱交換器19に流入し、水と熱交換を行うことで貯湯タンク11内の水を加熱して低温となる。これにより、貯湯タンク11内の水が熱媒体によって有効に加熱される。
給湯熱交換器19から流出した熱媒体は、その後四方弁20にてバイパス配管22を経由した残りの熱媒体と合流し、その一部は貯湯タンクユニット10から流出し、熱媒体配管14を経由して、暖房ユニット30に流入する。暖房熱交換器31,32にて熱媒体と室内空気とが熱交換することにより室内を暖房し、熱媒体は更に低温となる。低温となった熱媒体は、暖房ユニット30から流出し、熱媒体配管15を経由して貯湯タンクユニット10に流入し、バイパス配管23を経由した熱媒体と合流し再び熱媒体ポンプ18に流入する。これにより、室内が熱媒体によって有効に加熱される。
四方弁20の流入側の流量配分調整は、要求暖房能力に応じて制御される。すなわち、暖房熱交換器31,32に多大な能力が必要な場合には、四方弁20は入口bから流入する熱媒体の流入配分が大きくなるようにその開度が調整される。具体的には、出口dから流出して暖房熱交換器31,32への流入する熱媒体の温度(流入温度)が温度センサ25により検出され、この流入温度が要求暖房能力に応じて設定された目標温度(流入温度目標値)となるように、四方弁20の流入側の流量配分が調整される。これにより、給湯熱交換器19にて放熱していない高温の熱媒体の暖房熱交換器31,32への流入配分が増大される。一方、暖房熱交換器31,32に微小な能力が必要な場合には、四方弁20は入口aから流入する熱媒体の流入配分が大きくなるようにその開度が調整される。これにより、給湯熱交換器19にて放熱した中温の熱媒体の暖房熱交換器31,32への流入配分が増大される。なお、要求暖房能力の設定は、例えば室内温度と目標室内温度とを比較して、室内温度が目標室内温度に対して低いほど多大な能力となるように設定することができる。
また、四方弁20の流出側の流量配分調整は、要求暖房能力と四方弁20の流入能力に応じで制御される。すなわち、四方弁20の出口dから流出した熱媒体の暖房能力が要求暖房能力に対して過大である場合に、四方弁20は出口cから流出する熱媒体の流入配分が大きくなるようにその開度が調整される。具体的には、暖房熱交換器31,32から流出した熱媒体の温度(流出温度)が温度センサ26により検出され、この流出温度が要求暖房能力に応じて設定された目標温度(流出温度目標値)となるように、四方弁20の流出側の流量配分が調整される。これにより、暖房熱交換器31,32へ流入する熱媒体の量が要求暖房能力に応じた適量となるように制限される。
上記の通り四方弁20の入口側、出口側の流量調整を行うことで、目標室内温度に対する要求暖房能力に応じて、四方弁20を経て熱媒体配管14から送り込まれる熱媒体の温度と流量、すなわち暖房能力を制御することが可能となり、室内の快適性を損なわずに給湯暖房同時運転が可能となる。
以上説明したとおり、本実施の形態の暖房給湯システム100では、四方弁20を制御
することによって、熱媒体が給湯熱交換器19と暖房熱交換器31,32とを循環する循
環回路を構成することができる。これにより、暖房要求と給湯要求とが同時に発生した場
合であっても、給湯運転をしながら暖房運転を実施することで、室温低下を最低限に抑え
ることができる。また、本実施の形態の暖房給湯システム100では、暖房給湯運転モー
ドだけでなく、従来技術と同様の暖房運転モードや給湯運転モードについても、四方弁2
0を制御することによって、問題なく実現することができる。
ところで、上述した実施の形態では、四方弁20を用いて2つの入口a,bおよび2つの出口c,dの流量配分をそれぞれ調整することとしているが、四方弁20に替えて2つの三方弁を用いることとしてもよい。具体的には、2つの入口a,bから流入する熱媒体の流量配分を調整した上で1つの出口へ導出する第1の三方弁と、第1の三方弁から流入する熱媒体の流量配分を調整した上で2つの出口c,dから導出する第2の三方弁と、を四方弁20に替えて設けることとしてもよい。これにより、四方弁20を用いた場合と同様の動作を2つの三方弁を用いて行うことが可能となる。
また、上述した実施の形態では、温度センサ25により検出される流入温度が流入温度目標値となるように、四方弁20の流入側の流量配分を調整することとしているが、四方弁20の流入側の流量配分を調整する方法はこれに限られない。すなわち、要求暖房能力に応じて四方弁20の流入側の流量配分が調整されるのであれば、温度センサ24によって検出される貯湯熱交換器19から流出した熱媒体の温度や、温度センサ26によって検出される流出温度等を更に考慮して、四方弁20の流入側の流量配分を調整することとしてもよい。
また、上述した実施の形態では、温度センサ26により検出される流出温度が要求暖房能力に応じて設定された流出温度目標値となるように、四方弁20の流出側の流量配分を調整することとしているが、四方弁20の流出側の流量配分を調整する方法はこれに限られない。すなわち、要求暖房能力に応じて四方弁20の流出側の流量配分が調整されるのであれば、温度センサ24によって検出される貯湯熱交換器19から流出した熱媒体の温度が室温に対して極端に高い場合に、四方弁20の出口cから流出する熱媒体の流量配分を減らすこととしてもよい。
実施の形態2.
[実施の形態2の構成]
図6は、本発明の実施の形態2としての暖房給湯システム200の回路構成図である。図6に示す暖房給湯システム200は、図1に示す暖房給湯システム100の構成に加えて、熱媒体配管13における熱媒体ポンプ18の下流側と熱媒体配管14を接続する熱媒体配管27を備えている。熱媒体配管27の途中には、当該熱媒体配管を流れる熱媒体の流量を調整するための流量調整弁28が設けられている。流量調整弁28としては、例えばグローブ弁またはバタフライ弁等、細やかな流量調整が可能なものが望ましい。
[実施の形態2の動作]
暖房給湯システム200は、暖房ユニット30に要求される暖房要求(すなわち、暖房熱交換器31,32において熱交換を行う要求)及び貯湯タンクユニット10に要求される給湯要求(すなわち、給湯熱交換器19において熱交換を行う要求)に応じて、ヒートポンプユニット1、貯湯タンクユニット10及び暖房ユニット30に搭載されている各機器の制御を行い、暖房運転モード、給湯運転モード、または暖房給湯運転モードを実行する。以下、各運転モードにおける運転動作について詳細に説明する。
(給湯運転モード)
給湯運転モードでは、流量調整弁28が全閉に制御された状態で、実施の形態1の暖房給湯システム100と同様の動作が行われる。つまり、給湯運転モードでは熱媒体が熱媒体配管27を介して流通することはない。
(暖房運転モード)
暖房運転モードでは、流量調整弁28が全閉に制御された状態で、実施の形態1の暖房給湯システム100と同様の動作が行われる。つまり、暖房運転モードでは熱媒体が熱媒体配管27を介して流通することはない。
(暖房給湯運転モード)
暖房運転モードでは、実施の形態1の暖房給湯システム100の動作に加えて、流量調整弁28によって熱媒体配管27を流れる熱媒体の流量が調整される。より詳しくは、四方弁20により出口cの流量配分が小さく調整されている場合、暖房熱交換器31,32への流量低下によって熱交換効率の低下や暖房温度ムラが発生する可能性がある。そこで、本実施の形態の暖房給湯システム200では、このような不具合発生を低減するため、流量調整弁28を調整して、暖房熱交換器31,32において熱交換を行った後の低温の熱媒体の一部を、熱媒体配管27を介して暖房熱交換器31,32の上流側に再び導入させる。これにより、四方弁20の流出側の流量配分調整によって暖房熱交換器31,32へ流入する熱媒体の量が制限されている場合であっても、一定の流量を確保することが可能となるので、上述した懸念点を払拭することができる。
なお、流量調整弁28の開度は、四方弁20の流出側の流量配分が上記不具合の発生する流量配分となった場合に、所定の開度に開弁することとしてもよいし、また、流量配分に応じてリニアに調整することとしてもよい。
1 ヒートポンプユニット、3 冷媒−水熱交換器(加熱手段)、10 貯湯タンクユニット、11 貯湯タンク、12 熱媒体配管(循環配管)、13 熱媒体配管(循環配管)、14 熱媒体配管(循環配管)、15 熱媒体配管(循環配管)、18 熱媒体ポンプ、19 給湯熱交換器、20 四方弁(第1,第2の流量調整手段)、22 バイパス配管(第1のバイパス配管)、23 バイパス配管(第2のバイパス配管)、24 温度センサ、25 温度センサ(流入温度検出手段)、26 温度センサ(流出温度検出手段)、27 熱媒体配管(第3のバイパス配管)、28 流量調整弁(第3の流量調整手段)、30 暖房ユニット、31,32 暖房熱交換器

Claims (4)

  1. 熱媒体を加熱する加熱手段と、
    前記熱媒体と水との間で熱交換を行う給湯熱交換器と、
    前記給湯熱交換器により加熱された水を貯湯する貯湯タンクと、
    前記熱媒体により室内を暖房する暖房熱交換器と、
    前記熱媒体を送流する熱媒体ポンプと、
    前記熱媒体ポンプの吐出側、前記加熱手段、前記給湯熱交換器、前記暖房熱交換器および前記熱媒体ポンプの吸込側を順に環状に接続する循環配管と、
    前記循環配管から前記給湯熱交換器をバイパスする第1のバイパス配管と、
    前記循環配管から前記暖房熱交換器をバイパスする第2のバイパス配管と、
    前記循環配管と前記第1のバイパス配管との合流部に設けられ、前記給湯熱交換器へ流れる熱媒体の流量と前記第1のバイパス配管へ流れる熱媒体の流量との比率を調整する第1の流量調整手段と、
    前記循環配管と前記第2のバイパス配管との合流部に設けられ、前記暖房熱交換器へ流れる熱媒体の流量と前記第2のバイパス配管へ流れる熱媒体の流量との比率を調整する第2の流量調整手段と、
    前記給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求および前記暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求の度合いに応じて、前記第1の流量調整手段及び前記第2の流量調整手段を制御する制御手段と、
    を備える暖房給湯システム。
  2. 前記暖房熱交換器へ流入する熱媒体の流入温度を検出する流入温度検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記流入温度が前記暖房要求から定められる流入温度目標値となるように、前記第1の流量調整手段を制御する請求項1に記載の暖房給湯システム。
  3. 前記暖房熱交換器から流出する熱媒体の流出温度を検出する流出温度検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記流出温度が前記暖房要求から定められる流出温度目標値となるように、前記第2の流量調整手段を制御する請求項1又は2に記載の暖房給湯システム。
  4. 前記熱媒体ポンプの吐出側から前記第2の流量調整手段と前記暖房熱交換器との間とを接続する第3のバイパス配管と、
    前記第3のバイパス配管の途中に設けられた第3の流量調整手段と、
    前記第2の流量調整手段によって調整される比率に応じて、前記第3の流量調整手段の開度を調整する第2の制御手段と、
    を更に備える請求項1乃至3の何れか1項に記載の暖房給湯システム。
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