JP6113708B2 - 館内空調・給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、温水を利用して加湿する館内空調・給湯システムに関するものである。

特許文献１には、温水暖房のほかに温水を利用して加湿を行うことができる温水暖房装置を提供することが記載されている。給湯器から供給される温水を熱源として暖房を行う空調機であって、給湯器から供給される温水を蒸気に変換して発生させる蒸気発生部と、室内の湿度を検出する湿度センサと、湿度センサにより検出された湿度に基づいて蒸気発生部の動作を制御する制御部とを有する空調機が記載されている。

特開２００２−２９５８４４号公報

空調用に温調された空気の湿度を調整するために、水の代わりに温水を蒸気源とすることにより空調用に吐出する空気の温度が低下することを抑制でき、また、加湿効率を向上できるので加湿部分のサイズを小さくできる。その一方、温水の温度が高くなると、水道水に添加されているカルキ（次亜塩素酸カルシウム）または水中のカルシウムの溶解度が低下する。このため、温水の温度が高く、さらに、蒸発が進みやすくなるとフィルタなどにカルキなどが析出しやすくなり、それらの粉が空調用の空気に混入しやすいという問題もある。したがって、全館暖房システムなどに湿度調整を付加する場合に、温水を蒸気源として使いにくい。

本発明の一態様は、加湿材と、出湯口を上部に備えた貯湯タンクの中間部分から抽出された温水であって、貯湯タンクへの給水に対してカルキの溶解度の低い温水を、給水を利用せずに加湿材に流下させる温水供給ユニットとを有する加湿装置である。

家庭、店舗、工場などの給湯システムにおいては、ボイラあるいはヒートポンプで生成した湯を直に給湯する代わりに、貯湯タンクにいったん貯留して供給することがある。典型的にはエコキュート（登録商標）などと呼ばれる自然冷媒ヒートポンプ給湯システムであり、特に深夜電力を用いたシステムでは使用時間帯と生成時間帯とが異なるので貯湯タンクが必要となる。

出湯口を上部に備えた貯湯タンクにおいては、お湯（高温層）と水（低温層）とが接してそれぞれの層の中間温度となる温水の層（混合層）が貯湯タンクの中間部分に形成される。混合層の温水は、給湯、暖房などの生活用水などとして利用するには温度が低く、また、沸かし直すには温度が高く、水を沸かすよりも熱効率が低下する。また、貯湯タンク内に占める混合層の割合が増加すると貯湯能力が低下する。この加湿装置においては、貯湯タンクの中間部に存在し、比較的低温で利用しにくく、どちらかというと、貯湯タンクから排出したい混合層の温水を蒸気源して利用し、加湿装置の加湿材に流下させることにより加湿する。

温水であるが比較的低温であるために、水を蒸気源とするよりは蒸気の生成効率は高く、使用量を低減でき、加湿装置もコンパクトになる。一方、高温の温水に比較すると蒸発速度が抑えられるのでカルキ等の析出も抑えられる。さらに、排水することにより貯湯タンクの性能も維持できるので排水量を大幅に抑える必要もなく、この点でもカルキ等の析出を抑制できる。したがって、貯湯タンク内に形成される低温の温水を加湿に利用することで、加湿装置の性能の向上と、加湿用の水の使用量の低減と、給湯システムの性能の向上という複数のメリットを得ることができる。

本発明の他の態様は、上記の加湿装置と、この加湿装置により加湿された空気を館内に供給する空調装置とを有する館内空調システムである。貯湯タンク内の利用しにくい混合層の温水を利用して加湿された空気により館内を空調できる。また、温水を利用した加湿効率のよい加湿装置を含むため、湿度制御のしやすい館内空調システムを提供できる。

このシステムの空調装置は、加湿装置の上流側に設置された熱交換ユニットと、加湿装置の排水を熱交換ユニットのドレンパンの中で熱交換ユニットの上流に導く排水管とを含んでもよい。熱交換ユニットの上流側に排水を流すことにより、熱交換ユニットの下流側にカルキが析出することを抑制できる。このため、熱交換ユニットの下流側にカルキが析出して館内に拡散するのをさらに抑制できる。

本発明の異なる他の態様は、上記の館内空調システムと、貯湯タンクと、貯湯タンクに湯を供給する湯生成ユニットと、貯湯タンクの出湯口から館内に給湯する装置と、貯湯タンクの中間部分から温水を抽出して温水供給ユニットに供給する温水抽出ユニットとを有する館内空調・給湯システムである。

このシステムの温水抽出ユニットは貯湯タンクの中間部分の複数の領域から温水を抽出する抽水制御ユニットを含んでもよい。貯湯タンク内の混合層の位置（レベル、高さ）、層厚は、湯の使用量や貯湯タンクの使用経過などより変動する。したがって、適切な温度の層から抽水し、給湯用に適した高温の温水層（湯層）や低温の水層から抽水されることを抑制できることが望ましい。貯湯タンクに複数の抽出口を設けてもよく、貯湯タンク内で上下に移動するような抽出用の配管を設けてもよい。湯生成ユニットの一例は、ヒートポンプサイクルを利用したヒートポンプユニットである。

本発明のさらに異なる他の態様は、上記の館内空調・給湯システムを有する建物である。

館内空調・給湯システムが配置された建物の概要を示す模式図。

図１に、館内空調・給湯システムが設置された建物の概要を模式図により示している。本実施例の館内空調・給湯システム１０が設置された建物１は、住宅であるが、建物１はビルなどの建築物であってもよい。館内空調・給湯システム１０は、館内２の空調を行う館内空調システム２０と、館内２にお湯１１を供給する給湯システム３０と、館内空調システム２０および給湯システム３０を制御する制御ユニット６０とを含む。

館内空調システム２０は、給湯システム３０の排水（低温の温水）を蒸発させて加湿を行う加湿装置４０と、加湿装置４０により加湿された空気９を館内２に供給する空調装置５０とを含む。

加湿装置（加湿ユニット）４０は、板状に形成された不織布などからなる通気性のフィルターである加湿材４１と、温水１２を加湿材４１に流下させる温水供給ユニット４２とを含む。温水供給ユニット４２は、配管４９により給湯システム３０の温水抽出ユニット３４に接続されており、給湯システム３０の出湯口３３ａを上部に備えた貯湯タンク３１の中間部分から抽出された温水１２が加湿材４１に供給される。

温水供給ユニット４２は、加湿材４１に流下する温水１２の流量をオンオフ制御するアクチュエータ（ソレノイドバルブ、制御弁）４３と、制御弁４３を介して供給される温水１２を加湿材４１の上方から滴下するヘッド（パイプ）４４とを含み、ヘッド４４には複数の孔が設けられている。加湿装置４０は、さらに、加湿材４１の下側に、蒸発せずに加湿材４１を流れ落ちた温水（排水、ドレン）を受けるドレンパン４５を含む。この加湿装置４０は、加湿材４１に流下された温水１２が気化蒸発して加湿を行う気化式加湿装置である。加湿装置４０は、噴霧式の加湿装置などの他のタイプの加湿装置であってもよい。

加湿装置４０の加湿材４１に温水１２を流下させることにより、水を利用する場合に比較して、蒸発量が増える。このため、加湿効率を高めることができ、加湿材４１をコンパクトにしたり、消費量（給水量）を削減できる。実際に、本件出願人による実験によると、２３℃の水を使用した場合の加湿量（１）に対して比較的高温の５０℃の温水を使用した場合の加湿量は１４倍程度になり、一方、冬季で水温が低下する場合を想定した１０℃の水では０．３倍程度になる。この加湿装置４０は比較的低温の温水、例えば、３０〜４０℃を使用するが、加湿が必要な冬季において温水を蒸気源として利用するメリットが大きいことは明らかである。また、温水１２を蒸気源として加湿を行うことにより、冬季においては暖房された空気８の温度が冷めることを抑制できる。

一方、温水を蒸気源に使用すると、水中に溶存するカルシウムやカルキの溶解度が温度の上昇とともに低下し、水分が蒸発することによりこれらの成分の濃度が増加するために、これらの成分が析出しやすいという問題がある。加湿材４１にカルキなどが析出すると、加湿材４１であるフィルターの目詰まりの要因になって空調用の空気の流量が低下したり、空調用の空気に析出した成分（粉末）が混入して空調用の空気とともに空調対象の領域（部屋など）に吹出すことがある。また、ドレンパン４５などへカルキなどが析出しても析出した粉末が空調用の空気に巻き込まれる原因となる。したがって、水道を水源とするシステムにおいては、蒸発効率だけを追い求めることが難しく、蒸発効率を高くするために高温の温水を生成しても空調システムとして適切な性能を得ること難しい。

空調装置５０は、建物１の内側に設置され、館内２の空気７を空調する室内ユニット５１と、建物１の外側に設置され、冷媒循環系５３を介して室内ユニット５１と熱交換を行う室外ユニット５２とを含む。室内ユニット５１は、加湿装置４０の上流側に設置され、館内２の空調対象の空気７の温度を制御する室内熱交換ユニット５４と、温度および湿度が制御され、空調された空気９を建物１の室内２に供給するファン５５と、室内熱交換ユニット５４で発生した露（結露水）を受けるドレンパン５６と、加湿装置４０のドレンパン４５に接続して加湿装置４０の排水を室内熱交換ユニット５４の上流に導く排水管（ホース）５７とを含む。室内熱交換ユニット５４は冷媒を用いて空気の温度を制御するユニット（エバポレータ、コンデンサー）と、暖房専用のヒーターとを含んでいてもよい。

ドレンパン５６は、生活排水用配管５とは異なる排水配管６と接続されており、室内熱交換ユニット５４に結露した結露水や、加湿装置４０の排水は、ドレン１４として排水配管６により建物１の外、たとえば浸透桝などに排出される。加湿装置４０の加湿材４１を流下した排水を、排水管５７により室内熱交換ユニット５４の上流側に排出することにより、除湿される前の湿度の高い雰囲気でドレンパン５６に排出できる。特に、冬季においては加温される前の低温の雰囲気でドレンパン５６にドレン１４を排出でき、ドレン１４が高温になったり、ドレン１４が蒸発したりすることを抑制できる。したがって、加湿材４１よりもカルキ等が析出しにくい条件でドレンパン５６にドレン１４を排出することにより、カルキなどがファン５５により吸引されて館内２に拡散するのを防止している。

室内ユニット５１は空調の対象となる建屋内の各部屋に配置してもよい。また、全館空調を行うシステムにおいては、建物１の天井裏、地下、中間フロア等の居住空間として使用しないスペースに設置して、ダクトなどを利用して建物１内の空調が必要なスペースに空調された空気９を提供するようにしてもよい。

給湯システム３０は、建物１に供給する湯１１を貯える貯湯タンク３１と、貯湯タンク３１に湯１１を供給する湯生成ユニット３２と、貯湯タンク３１の出湯口３３ａから館内２に給湯する装置（給湯系）３３と、貯湯タンク３１の中間部分から温水１２を抽出して温水供給ユニット４２に供給する温水抽出ユニット３４とを含む。給湯システム３０は、ふろのお湯が冷めた際に再加熱を行う追い焚きユニットや、建物１の床下などにお湯を循環させて暖房を行う暖房ユニットなどを含んでいてもよい。

貯湯タンク３１は、比重の大きな冷水（水道水）１３を加圧源となる水道システムからタンク３１の下部に注入し、その圧力で比重の小さい湯１１を上部から排出（給湯）するのが一般的である。このため、タンク３１の下部に設けられた、水道管３９から水１３を供給する給水口３９ａと、タンク３１の上部に設けられた、出湯口３３ａとを含む。また、タンク３１に給水された水１３を湯生成ユニット３２により沸かして（加温して）お湯にするために、湯生成ユニット３２に配管３５を介して水１３を供給する出水口３５ａと、加温されたお湯１１を配管３６を介してタンク上部に供給する給湯口３６ａとを含む。

給水口３９ａから貯湯タンク３１に供給された水１３は高温の湯１１に対して温度差が数１０℃となり比重差により混合されにくく、貯湯タンク３１内の下部に低温領域（低温層）３１ｃを形成する。したがって、貯湯タンク３１内の上部に高温領域（高温層）３１ａが形成され、高温層３１ａと低温層３１ｃとが接する領域には、湯１１と水１３とがまじりあって形成される中間温度、例えば３０〜４０℃の温水１２が混合領域（混合層、中間層）３１ｂとして形成される。混合層３１ｂが拡大すると、使用できるお湯１１の湯量が減少するため、混合層３１ｂは可能な限り少ないことが好ましい。

混合層３１ｂを形成する温水１２は、給湯用として利用するには温度が低すぎる。また、湯生成ユニット３２がヒートポンプタイプの場合には、冬季に温度差があり熱回収効率が低下する。このため、混合層３１ｂの温水１２は、利用が難しい。また、給水を繰り返すと混合層３１ｂの領域が広がることもあり、貯湯量を確保するためには、できれば貯湯タンク３１から定期的に温水１２を排出したいという要望もある。

湯生成ユニット３２の一例は、自然冷媒によるヒートポンプサイクルを利用するように構成されたヒートポンプユニットを含み、夜間電力を用いて湯を生成するものである。湯生成ユニット３２は、電力を利用したり、軽油などの燃料を燃やすことにより湯を生成するボイラーであってもよい。また、湯生成ユニット３２は燃料電池などの副次的に温水を生成するユニットであってもよい。

貯湯タンク３１から湯１１をユーザに供給する給湯系３３は、キッチンや浴室に設置された蛇口４にお湯１１を供給する配管３３ｂを含む。給湯系３３は、貯湯タンク３１の出湯口３３ａから供給される湯１１の温度を予め設定された温度に調整して供給するシステムを含んでいてもよく、個々の蛇口４に給水温度を制御するシステムを含んでいてもよい。

貯湯タンク３１から低温の温水１２を加湿装置４０に供給する温水抽出ユニット３４は、貯湯タンク３１の中間部分の複数の領域から温水１２を抽出する抽水制御ユニット３７を含む。抽水制御ユニット３７は、貯湯タンク３１の中間部分の異なる高さに設けられた複数、本実施例においては３個の温水抽出口３７ａ、３７ｂおよび３７ｃと、それぞれの温水抽出口３７ａ〜３７ｃから供給される温水１２の温度を検出する温度センサー３７ｄと、それぞれの温水抽出口３７ａ〜３７ｃから抽出される温水１２をそれぞれオンオフするアクチュエータ（電磁弁）３８とを含む。

低温の温水１２からなる混合層３１ｂの高さ（位置）は、使用される湯量により変動する。すなわち、夜間に作られた湯１１に対して使用される湯量が少なければ水１３の供給量は少ないので混合層３１ｂは比較的低い位置に形成される。一方、湯の使用量が多ければ混合層３１ｂは比較的高い位置に形成される。したがって、高さの異なる抽出口を複数設けておくことにより、給水システムとしては無用で、加湿に適した温度の温水１２を、湯の使用量が変動する場合であっても適宜得ることができる。貯湯タンク３１の中間部分に設置する温水抽出口の数は、湯の使用量の変動が少ない場合は２個以下であってもよく、使用量の変動が大きい場合は４個以上であってもよい。

抽水制御ユニット３７は、複数の温水抽出口３７ａ〜３７ｃを設ける代わりに、タンク内の抽出用ノズルの位置を温度により上下に移動するようなシステムを採用してもよい。

館内空調システム２０および給湯システム３０を制御する制御ユニット６０は、抽水制御ユニット３７により温水供給ユニット４２に適切な温度（適切な位置、高さ）の温水１２を供給する機能６１と、加湿装置４０に供給する温水１２を電磁弁（制御弁）４３によりオンオフして館内２の湿度を制御する機能（湿度制御機能）６２と、室内ユニット５１のファン５５のオンオフおよび出力を制御する機能（空調機能）６３と、貯湯タンク３１のお湯１１の量が少なくなったり、深夜などの所定の時間になると湯生成ユニット３２をオンして貯湯タンク３１にお湯１１を供給する機能６４とを含む。

この館内空調・給湯システム１０においては、リモコンや設定パネルなどにより空調開始の指示がされると、空調機能６３が室内ユニット５１のファン５５をオンすることにより、館内２の空調が行われる。合わせて湿度の設定も行われていれば、湿度制御機能６２が貯湯タンク３１の低温の温水１２を加湿装置４０の加湿材４１に供給することにより加湿された空気９が館内２に供給される。

加湿装置４０が貯湯タンク３１の混合層３１ｂの比較的低温の温水１２を加湿源（蒸気源）として使用することにより、低温の水、特に加湿が必要な冬季において低温となる水道水を蒸気源とする従来の装置に対し、加湿効率を高くできる。このため、加湿装置４０をコンパクトにでき、加湿のために給湯システム３０を介して消費される水量を低減できる。

さらに、給湯システム３０から供給される加湿用の温水１２は、カルキやカルシウムなどが析出しにくい低温の温水１２であり、排出することにより貯湯タンク３１の混合層３１ｂの拡大を防いで給湯システム３０の性能を維持あるいは効率アップできる排水に属する。したがって、加湿装置４０における蒸発率を低く設定することが可能であり、この点でもカルキなどの析出を抑制できる。したがって、この館内空調・給湯システム１０においては、加湿装置４０をコンパクトにでき、加湿のために消費される水量を削減でき、さらに、加湿のために消費される温水は給湯システム３０の貯湯タンク３１における不用な低温の温水１２であり、実質的なランニングコストを大幅に低減できる。このため、非常に経済的で、制御性のよい館内空調・給湯システム１０を提供できる。

１０ 館内空調・給湯システム
２０ 館内空調システム
３０ 給湯システム、 ３１ 貯湯タンク、 ３４ 温水抽出ユニット
４０ 加湿装置、 ４１加湿材、 ４２温水供給ユニット

Claims (7)

1. 加湿材と、
   出湯口を上部に備えた貯湯タンクの中間部分から抽出された温水であって、前記貯湯タンクへの給水に対してカルキの溶解度の低い温水を、前記給水を利用せずに前記加湿材に流下させる温水供給ユニットとを有する加湿装置。
2. 請求項１に記載の加湿装置と、
   前記加湿装置により加湿された空気を館内に供給する空調装置とを有する館内空調システム。
3. 請求項２において、
   前記空調装置は、前記加湿装置の上流側に設置された熱交換ユニットと、
   前記加湿装置の排水を前記熱交換ユニットのドレンパンの中で前記熱交換ユニットの上流に導く排水管とを含む、館内空調システム。
4. 請求項２または３に記載の館内空調システムと、
   前記貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクに湯を供給する湯生成ユニットと、
   前記貯湯タンクの前記出湯口から館内に給湯する装置と、
   前記貯湯タンクの中間部分から温水を抽出して前記温水供給ユニットに供給する温水抽出ユニットとを有する館内空調・給湯システム。
5. 請求項４において、前記温水抽出ユニットは前記貯湯タンクの中間部分の複数の領域から温水を抽出する抽水制御ユニットを含む、館内空調・給湯システム。
6. 請求項４または５において、前記湯生成ユニットはヒートポンプユニットである、館内空調・給湯システム。
7. 請求項４ないし６のいずれかに記載の館内空調・給湯システムを有する建物。

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