JP6548144B2 - 温水暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、温水暖房装置に関する。

温水暖房装置の具体例として、特許文献１に記載されたものがある。
同文献に記載された温水暖房装置は、バーナにより発生させた燃焼ガスから熱回収を行なうことが可能な熱交換器を有する熱媒加熱装置を備えており、熱媒用のタンクに貯留されている熱媒を、ポンプを利用して前記熱媒加熱装置および暖房端末に供給させてから前記タンクに戻すように構成されている。
暖房端末としては、高温暖房端末に加え、低温暖房端末も用いられているが、この低温暖房端末に対する熱媒供給の手法としては、ポンプの吐出側と熱交換器とを接続する第１流路から第２流路を分岐させ、かつこの第２流路に低温暖房端末を接続させるようにしている。このような構成によれば、熱交換器に供給される前の低温暖房に適する温度の熱媒を低温暖房端末に好適に供給することができる。

前記したような温水暖房装置において、熱媒加熱装置による熱媒加熱効率を高くするには、熱媒加熱装置として、バーナにより発生させた燃焼ガスから顕熱を回収する１次熱交換器に加え、潜熱を回収する２次熱交換器をも備えた潜熱回収型のものを用いることが望まれる（たとえば、特許文献２を参照）。ただし、このような手段を採用した場合、１次熱交換器のみを用いる場合と比べると、２次熱交換器の通水抵抗分だけ熱媒流路全体の流路抵抗が大きくなり、圧力損失が大きくなる。装置稼働時のエネルギ効率をよくし、省エネを図る上では、圧力損失をできる限り抑制することが望まれる。

特開平７−１０３４９５号公報 特開２０１３−１６４１７４号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、熱媒の加熱効率をよくするとともに、熱媒流通時の圧力損失を少なくすることができる温水暖房装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される温水暖房装置は、熱媒加熱用の気体から顕熱および潜熱をそれぞれ回収して熱媒を加熱することが可能な１次熱交換器および２次熱交換器を有する熱媒加熱装置と、熱媒用のタンクに貯留されている熱媒を、ポンプを利用して前記熱媒加熱装置および暖房端末に供給させてから前記タンクに戻すように、前記熱媒を一定の経路で循環可能とする暖房用の熱媒循環流路と、を備えており、前記暖房用の熱媒循環流路は、前記ポンプの吐出側と前記１次熱交換器とを接続する第１流路と、この第１流路から分岐し、かつ端部に前記暖房端末を接続可能とする第２流路と、を有している、温水暖房装置であって、前記２次熱交換器は、前記第２流路に設けられており、前記１次熱交換器の下流側に接続され、かつ端部に前記暖房端末とは別の暖房端末を接続可能とする第３流路と、この第３流路から分岐し、かつ前記第３流路に流れ込んだ熱媒を前記第２流路の前記２次熱交換器よりも下流側の位置に流入させることが可能な第１バイパス流路と、をさらに備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、１次熱交換器に加えて２次熱交換器をも利用しているため、熱媒の加熱効率をよくすることができることに加え、次のような効果がさらに得られる。
すなわち、ポンプから第１流路を介して１次熱交換器に熱媒を適切に送り込むには、第２流路に適度な流路抵抗が必要である。本発明においては、第２流路に本来的に必要とされる流路抵抗を生じさせるための要素として、２次熱交換器が用いられている。したがって、この２次熱交換器自体の流路抵抗は、不必要かつ余分な流路抵抗にはならないものとなる。本発明とは異なり、たとえば２次熱交換器を第２流路以外の箇所に設け、かつ第２流路にそれ専用の流路抵抗部材をさらに設けた場合には、全体の流路抵抗が大きくなるが、これと比較すると、本発明の方が圧力損失を小さくすることが可能である。
また、２次熱交換器には第２流路を通過した熱媒が供給される構成とされているため、ポンプから送り出された熱媒の全量が常に２次熱交換器を通過するのではなく、特定の運転状況の場合にのみ２次熱交換器に熱媒が流れるようにすることができる。したがって、このことによっても圧力損失を小さくすることが可能となる。

さらに、このような構成によれば、第２流路に接続された暖房端末を低温暖房端末とし、かつ第３流路に接続された別の暖房端末を高温暖房端末とした上で、これら２種類の暖房端末の双方に対し、適切な温度の熱媒を効率よく供給することができる。

本発明において、好ましくは、前記第２流路の前記２次熱交換器よりも下流側の位置から分岐し、かつ前記２次熱交換器を通過した熱媒および前記第３流路から流れてきた熱媒を前記タンクに戻すことが可能な第２バイパス流路を、さらに備えている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、ポンプ運転時において、暖房端末に供給されない余剰分の熱媒については、第２バイパス流路を介して、または第１バイパス流路および第２バイパス流路の双方を介してタンクに戻し、循環させることができる。このため、装置を適正に運転するのに必要なポンプ吐出流量（ポンプ揚程）を適切に確保することができる。
第２に、第２バイパス流路を利用して余剰分の熱媒をバイパス循環させている状況下であっても、２次熱交換器には熱媒が供給され、２次熱交換器を利用した熱媒加熱が可能である。したがって、余剰分の熱媒をバイパス循環させている際には２次熱交換器を利用した熱媒加熱ができない仕様のものと比較すると、加熱効率がよい。
第３に、第２バイパス流路を流れる熱媒の温度と、第２流路に接続された暖房端末に供給される熱媒の温度とは同一となる。このため、後述するように、温度センサを用いて第２バイパス流路の熱媒の温度を検出すれば、前記暖房端末への熱媒供給開始前において、熱媒をバイパス循環させている際に、前記暖房端末への熱媒供給温度を判断することができるといった利点も得られる。

本発明において、好ましくは、前記第２バイパス流路には、この第２バイパス流路を流通する熱媒の温度を検出するための温度センサが設けられている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
既述したように、第２バイパス流路を流通する熱媒の温度は、第２流路に接続された暖房端末に供給される熱媒の温度と同じであり、第２バイパス流路の熱媒温度を検出することにより、前記暖房端末への熱媒供給前において供給熱媒温度を察知することが可能である。このため、前記暖房端末に供給される熱媒の温度検出手段として、たとえば前記暖房端末の熱媒入口部分などの限定された箇所に温度センサを取り付ける場合とは異なり、温度センサの取り付けに際しては、第２バイパス流路のうち、温度センサの取り付けなどが容易な位置を適宜に選択してから、この選択した位置に温度センサを取り付ければよいこととなり、融通性に優れたものとなる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る温水暖房装置の一例を示す説明図である。 温水暖房装置の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す温水暖房装置Ａは、熱媒を貯留するタンク３９（膨張タンク）、ポンプＰ、熱媒加熱装置１、低温暖房端末２Ａ、高温暖房端末２Ｂ、風呂追い焚き用の熱交換器３０、制御部４、およびその他の後述する機器を備えている。
低温暖房端末２Ａは、たとえば床暖房用のパネル装置であり、高温暖房端末２Ｂは、たとえば浴室乾燥機やファンコンベクタなどである。熱媒は、たとえば水である。ただし、不凍液を混ぜるようなことも可能である。

熱媒加熱装置１は、潜熱回収型の瞬間式湯沸器と同様な構成であり、バーナ１０、このバーナ１０により発生された燃焼ガスから顕熱および潜熱をそれぞれ回収する１次および２次の熱交換器１１，１２を備えている。図面においては、便宜上、１次および２次の熱交換器１１，１２がかなり離間した状態に示されているが、これらは互いに接近した配置にあり、１次熱交換器１１を通過した後の燃焼ガスが２次熱交換器１２に供給されるよう
になっている。

熱媒用の流路としては、第１ないし第３流路５１〜５３、戻り流路５９、これらを利用して構成された低温暖房用の熱媒循環流路５Ａ、高温暖房用の熱媒循環流路５Ｂ、ならびに第１および第２のバイパス流路７ａ，７ｂが設けられている。熱媒循環流路５Ａ，５Ｂは、一部重複している。

第１流路５１は、ポンプＰの吐出側と１次熱交換器１１とを接続する流路である。第２流路５２は、第１流路５１から分岐し、かつ端部に低温暖房端末２Ａが接続可能な流路である。この第２流路５２には、流量調整弁Ｖｃ、２次熱交換器１２、および開閉弁としての熱動弁Ｖａがこれらの順序で設けられており、低温暖房端末２Ａは、熱動弁Ｖａの下流側部分に外部配管５８ａを介して接続される。第３流路５３は、１次熱交換器１１の下流側に繋がり、かつ端部に高温暖房端末２Ｂが接続可能な流路である。この第３流路５３にも、開閉弁としての熱動弁Ｖｂが設けられており、高温暖房端末２Ｂは、この熱動弁Ｖｂの下流側部分に外部配管５８ｂを介して接続される。

低温暖房用の熱媒循環流路５Ａは、タンク３９の熱媒が、ポンプＰにより第１流路５１に送り出された後に、第２流路５２に流れ込み、その後は２次熱交換器１２を通過して低温暖房端末２Ａに送られ、戻り流路５９を介してタンク３９に戻される循環流路である。ただし、低温暖房端末２Ａには、第１バイパス流路７ａを介して第３流路５３から第２流路５２に流れ込んだ熱媒も供給される。高温暖房用の熱媒循環流路５Ｂは、タンク３９の熱媒が、ポンプＰにより第１流路５１を介して１次熱交換器１１に送られた後に、第３流路５３を介して高温暖房端末２Ｂに送られ、その後は戻り流路５９を介してタンク３９に戻される循環流路である。

第１バイパス流路７ａは、既述したように、第３流路５３を流通する熱媒を、第２流路５２に流れ込ませるための流路であり、これら２つの流路５３，５２を相互に接続している。第２流路５２における第１バイパス流路７ａの接続位置は、２次熱交換器１２と熱動弁Ｖａとの間の領域である。第１バイパス流路７ａには、第２流路５２から第３流路５３への逆流を防止する逆止弁Ｖｄが設けられている。

第２バイパス流路７ｂは、第２流路５２に分岐接続され、かつこの第２流路５２を流通する熱媒をタンク３９に戻すことを可能とする流路である。第２流路５２における第２バイパス流路７ｂの接続位置は、第１バイパス流路７ａと同様に、２次熱交換器１２と熱動弁Ｖａとの間の位置である。したがって、第１バイパス流路７ａを介して第２流路５２に流れ込んだ熱媒についても、第２バイパス流路７ｂを介してタンク３９に戻すことが可能である。

第２バイパス流路７ｂには、オリフィス６が設けられている。このオリフィス６は、第２バイパス流路７ｂに適度な流路抵抗を生じさせるためのものである。仮に、第２バイパス流路７ｂに流路抵抗がないとすると、熱動弁Ｖａが開状態となっているにも拘わらず、第２流路５２の殆どの熱媒が第２バイパス流路７ｂに流れてしまい、低温暖房端末２Ａには流れなくなる不具合が生じる。オリフィス６は、このような不具合を防止するためのものである。

第３流路５３の上流寄り部分には、風呂追い焚き用の熱交換器３０、流量調整弁３１、および熱媒循環流路用オリフィス３２を有する配管部が別途分岐接続されている。風呂追い焚き用の熱交換器３０には、浴槽（図示略）の湯水が組み上げられて供給され、浴槽の湯水と熱媒との熱交換により湯水が加熱される。加熱された湯水は、浴槽に戻される。流量調整弁３１は、風呂追い焚き用の熱交換器３０への熱媒流入量を調整するためのもので
ある。熱媒循環流路用オリフィス３２は、往き流路５０に適度な流路抵抗をもたせるためのものである。

制御部４は、熱媒温度流量調整弁Ｖｃや熱動弁Ｖａ，Ｖｂの制御、およびバーナ１０の駆動制御など、温水暖房装置Ａの各部の動作制御や種々のデータ処理を行なうためのであり、マイクロコンピュータなどを用いて構成されている。制御部４によって監視される熱媒温度の検出手段としては、たとえば１次熱交換器１１の出口側の熱媒温度を検出するための温度センサＳａ、第２バイパス流路７ｂの熱媒温度を検出するための温度センサＳｂ、およびタンク３９の熱媒温度を検出するための温度センサＳｃなどがある。

次に、前記した温水暖房装置Ａの作用について説明する。

まず、低温暖房端末２Ａおよび高温暖房端末２Ｂを運転させる際には、ポンプＰの駆動開始と同時に、熱動弁Ｖａ，Ｖｂをオンにするが、熱動弁Ｖａ，Ｖｂが全開状態に到るには、たとえば１分程度の時間を要する。それ迄の期間中においては、ポンプＰから吐出されて第２流路５２および第３流路５３に流れてきた熱媒を、第１および第２のバイパス流路７ａ，７ｂに流れさせ、タンク３９に戻すことができる。このことにより、ポンプ圧によって熱媒圧力が異常上昇するなどの不具合を防止することができる。

第１および第２のバイパス流路７ａ，７ｂを利用した熱媒のバイパス循環が行なわれる場合、熱媒は１次熱交換器１１により加熱されることに加え、２次熱交換器１２によっても加熱される。本実施形態とは異なり、２次熱交換器１２が、たとえば戻し流路５９に設けられている場合には、熱媒のバイパス循環時において、２次熱交換器１２を利用した熱媒加熱は困難である。これに対し、本実施形態によれば、そのようなことを解消し、熱媒の加熱効率を高めることができる。

２次熱交換器１２は、第２流路５２における流路抵抗となる。１次熱交換器１１に熱媒を適切に流入させるには、第２流路５２に所定以上の適度な流路抵抗が必要であるが、本実施形態では、前記流路抵抗を発生させる要素として、２次熱交換器１２が有効に利用されている。したがって、本実施形態とは異なり、たとえば２次熱交換器１２を第２流路５２とは別の位置に設け、かつ流量調整弁Ｖｃのみを利用して第２流路５２に所定以上の流路抵抗を生じさせる場合と比較すると、全体の流路抵抗を小さくし、ポンプＰの稼働時の圧力損失を少なくすることが可能である。オリフィス６のみで流路内径を絞る場合と比較すると、２次熱交換器１２自体が流路抵抗となっているため、オリフィス６における流路の絞り量を少なくすることが可能であり、キャビテーションが発生し難いという効果もある。

流量調整弁Ｖｃは、２次熱交換器１２のみでは流路抵抗が不足する場合に、この不足分を補う流路抵抗を生じさせるのに役立つが、本実施形態では、流量調整弁Ｖｃの弁開口度を小さく絞った状態のまま維持させておく必要はない。このため、流量調整弁Ｖｃを利用した流量調整の幅を大きくとることができるといった利点も得られる。

熱動弁Ｖｂが開状態となった高温暖房端末２Ｂの運転時においては、１次熱交換器１１を利用して高温（たとえば８０℃程度）に加熱された熱媒が、第３流路５３を介して高温暖房端末２Ｂに供給される。この高温暖房端末２Ｂを通過した熱媒は、戻し流路５９を介してタンク３９にそのまま戻され、２次熱交換器１２には送り込まれない。このため、高温暖房運転時には、圧力損失を一層少なくすることが可能である。第２流路５２の熱媒が、第１バイパス流路７ａを介して第３流路５３に流れ込むことは、逆止弁Ｖｄによって適切に防止される。このため、高温暖房端末２Ｂに供給される熱媒の温度は、１次熱交換器１１の出口温度（温度センサＳａを利用して検出される温度）と同一にすることができ、
その温度制御が容易となる。

熱動弁Ｖａが開状態となった低温暖房端末２Ａの運転時には、第１流路５１から第２流路５２に流れ込んだ熱媒と、第３流路５３から第１バイパス流路７ａを介して第２流路５２に流れ込んだ熱媒とが混合したやや低温気味（たとえば６０℃程度）の熱媒が低温暖房端末２Ａに供給される。この低温暖房端末２Ａに供給される熱媒は、第２バイパス流路７ｂを流れる熱媒と同一温度である。したがって、第２バイパス流路７ｂの熱媒温度を、温度センサＳｂを利用して監視し、この温度を所望温度となるように制御すれば、低温暖房端末２Ａの温度制御を的確に行なうことが可能となる。また、第２バイパス流路７ｂの熱媒温度を監視すれば、低温暖房端末２Ａに供給される熱媒の温度を、熱動弁Ｖａが実際に開く前の時期に察知することが可能である。温度センサＳｂは、第２バイパス流路７ｂのいずれの箇所に設けてもよく、特定部位に限定されないため、温度センサＳｂの取り付け融通性にも優れる。

温度センサＳｂで検出される第２バイパス流路７ｂの熱媒温度をＴｂ、温度センサＳｃで検出されるタンク３９の熱媒温度をＴｃとした場合、本来ならば、Ｔｂ≧Ｔｃとなる。第２バイパス流路７ｂには、タンク３９から送り出された熱媒のうち、１次熱交換器１１および２次熱交換器１２によって個々に加熱された熱媒が流れるからである。ただし、逆止弁Ｖｄが故障して第１バイパス流路７ａに逆流を生じ、前記加熱された熱媒が第２バイパス流路７ｂに流入しない状態になると、Ｔｂ＝Ｔｃの関係、またはＴｂ≒Ｔｃの関係となる。したがって、前記した温度Ｔｂ，Ｔｃを監視しておき、温度Ｔｂ，Ｔｃの差が所定以下の小さい値になった場合には、逆止弁Ｖｄが故障であると判断するような制御を行なうこともできる。

第２のバイパス流路７ｂに高温の熱媒が比較的多くの流量で流れた場合には、オリフィス６の設置箇所においてキャビテーションが発生する虞がある。オリフィス６は、流路内径を部分的に絞るものであるため、熱媒がオリフィス６の設置箇所を流れる場合には、オリフィス６の下流近傍領域のうち、流路の周囲側は、流路の中心側よりもかなり低圧となる現象を生じ、この圧力が飽和蒸気圧よりも低くなると、熱媒が沸騰する。これに対し、本実施形態では、既述したように、第２のバイパス流路７ｂには、低温暖房端末２Ａに供給される熱媒と同一温度の比較的低温の熱媒が流れるようになっている。したがって、オリフィス６の設置箇所にキャビテーションが発生するといった不具合もない。

図２は、温水暖房装置の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付すこととし、重複説明は省略する。

図２に示す温水暖房装置Ａａにおいては、２次熱交換器１２が、第２流路５２に代えて、第２バイパス流路７ｂに設けられている。
このような構成によれば、２次熱交換器１２は、第２バイパス流路７ｂに流路抵抗を生じさせる要素として作用する。第２バイパス流路７ｂへの過度の熱媒流入を防止し、かつ低温暖房端末２Ａへの熱媒供給を適切に行なわせるには、本来的に、第２バイパス流路に適度な流路抵抗をもたせておく必要がある。２次熱交換器１２は、そのような流路抵抗として利用されている。したがって、２次熱交換器１２をたとえば戻し流路５９に設けるなどし、かつ第２バイパス流路７ｂに適度な流量抵抗を生じさせるための専用機器を設ける場合と比較すると、やはりポンプ稼働時の圧力損失を少なくすることができるといった利点が得られる。
図２においては、第２バイパス流路流路７ｂに、流量調整弁６ａが設けられているが、これは２次熱交換器１２では不足する流量抵抗を補うのに役立たせることができる。勿論、流量調整弁６ａに代えて、オリフィスを用いることも可能である。図１におけるオリフィス６を流量調整弁に変更することも可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る温水暖房装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

熱媒加熱装置は、バーナを用いて発生させた燃焼ガスやその他の熱媒加熱用気体（たとえば、コージェネレーションシステムの高温の排ガスなど）から顕熱および潜熱を順次回収する１次熱交換器および２次熱交換器を備えていればよく、これら２つの熱交換器の具体的な構造は限定されない。
暖房端末としては、必ずしも高温および低温の２種類の暖房端末が接続可能でなくてもよい。暖房端末の具体的な種類は問わない。熱媒の具体的な成分なども限定されない。

Ａ，Ａａ 温水暖房装置
Ｐ ポンプ
１ 熱媒加熱装置
１１ １次熱交換器
１２ ２次熱交換器
２Ａ 低温暖房端末
２Ｂ 高温暖房端末
３９ タンク
５Ａ，５Ｂ 熱媒循環流路
５１ 第１流路
５２ 第２流路
５３ 第３流路
６ オリフィス
７ａ 第１バイパス流路
７ｂ 第２バイパス流路

Claims (3)

1. 熱媒加熱用の気体から顕熱および潜熱をそれぞれ回収して熱媒を加熱することが可能な１次熱交換器および２次熱交換器を有する熱媒加熱装置と、
   熱媒用のタンクに貯留されている熱媒を、ポンプを利用して前記熱媒加熱装置および暖房端末に供給させてから前記タンクに戻すように、前記熱媒を一定の経路で循環可能とする暖房用の熱媒循環流路と、
   を備えており、
   前記暖房用の熱媒循環流路は、前記ポンプの吐出側と前記１次熱交換器とを接続する第１流路と、この第１流路から分岐し、かつ端部に前記暖房端末を接続可能とする第２流路と、を有している、温水暖房装置であって、
   前記２次熱交換器は、前記第２流路に設けられており、
   前記１次熱交換器の下流側に接続され、かつ端部に前記暖房端末とは別の暖房端末を接続可能とする第３流路と、
   この第３流路から分岐し、かつ前記第３流路に流れ込んだ熱媒を前記第２流路の前記２次熱交換器よりも下流側の位置に流入させることが可能な第１バイパス流路と、
   をさらに備えていることを特徴とする、温水暖房装置。
2. 請求項１に記載の温水暖房装置であって、
   前記第２流路の前記２次熱交換器よりも下流側の位置から分岐し、かつ前記２次熱交換器を通過した熱媒および前記第３流路から流れてきた熱媒を前記タンクに戻すことが可能な第２バイパス流路をさらに備えている、温水暖房装置。
3. 請求項２に記載の温水暖房装置であって、
   前記第２バイパス流路には、この第２バイパス流路を流通する熱媒の温度を検出するための温度センサが設けられている、温水暖房装置。

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