JP6862961B2 - 水加熱システム - Google Patents
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Description
本発明の第1実施形態に係る水加熱システムである暖房・給湯システム20を、図1に示す。
暖房・給湯システム20は、室外ユニット23と、室内ユニット25と、ラジエターやファンコイルユニットなどの暖房装置26と、蛇口やシャワーなどの給湯機器28と、室外ユニット23および室内ユニット25の各機器を制御する制御部90とを有している。
ヒートポンプ装置として機能する室外ユニット23は、主として、圧縮機31と、四路切換弁32と、室外熱交換器33と、膨張弁34と、ファン39とを有している。また、室外ユニット23は、それぞれ室内ユニット25と接続される第1、第2ポート23a,23bを有している。
水循環装置として機能する室内ユニット25は、主として、第1〜第6水循環用配管51〜56と、冷媒配管57とを有している。また、室内ユニット25は、室外ユニット23の第1、第2ポート23a,23bとそれぞれ接続される第1、第2冷媒配管接続ポート25a、25bと、暖房装置26を接続するための第1、第2水配管接続ポート25c、25dと、給湯機器28等を接続するための第3,第4水配管接続ポート25e、25fとを有している。さらに、室内ユニット25は、水を循環させるためのポンプ71と、冷媒と水とを熱交換させる室内熱交換器72と、水循環経路を切り換えるための三方弁73と、第1、第2逆止弁74、75と、加熱した水を貯留する貯水タンク60とを有している。
ポンプ71は、暖房装置26との間に形成される水循環経路、あるいは貯水タンク60との間に形成される水循環経路において、吸い込んだ水を第1水循環用配管51に吐出する。
室内熱交換器72は、室外ユニット23から送られてきて冷媒配管57を流れる冷媒と、第1水循環用配管51から入り第2水循環用配管52へと流れていく水との間で、熱交換を行わせる。
貯水タンク60は、給湯機器28に供給する水を加熱するための熱源である高温水を貯める容器である。貯水タンク60の上部には第5水循環用配管55が接続され、貯水タンク60の下部には第6水循環用配管56が接続されている。また、貯水タンク60に貯留される水の中に、給湯用伝熱管63が配置され固定されている。給湯用伝熱管63の入口は、第4水配管接続ポート25fを介して、上水道などの給水源99から延びる給水管99aと接続される。給湯用伝熱管63の出口は、第3水配管接続ポート25eを介して、給湯機器28と接続される。
また、貯水タンク60は、その内部空間に貯まっている水の中に位置する複数の蓄熱部材61を有している。蓄熱部材61は、貯水タンク60内で固定されており、給湯用伝熱管63の下方に配置されている。
三方弁73は、室内熱交換器72と暖房装置26との間で水が循環する第1状態と、室内熱交換器72と貯水タンク60との間で水が循環する第2状態とを切り換える弁である。第1状態においては、ポンプ71から吐出された水が、第1水循環用配管51、室内熱交換器72、第2水循環用配管52、三方弁73、第3水循環用配管53、暖房装置26、第4水循環用配管54、第1逆止弁74を順に流れ、再びポンプ71に吸い込まれる。第2状態においては、ポンプ71から吐出された水が、第1水循環用配管51、室内熱交換器72、第2水循環用配管52、三方弁73、第5水循環用配管55、貯水タンク60、第6水循環用配管56、第2逆止弁75を順に流れ、再びポンプ71に吸い込まれる。
暖房装置26は、家などの建物内に配備されるラジエターやファンコイルユニット、床暖房ユニット、などであり、内部を流れる高温の水(湯)の熱によって建物内を暖房する。各暖房装置26は、暖房用水連絡配管26a,26bを介して、室内ユニット25の第1、第2水配管接続ポート25c、25dに接続される。
制御部90は、室外ユニット23および室内ユニット25の各機器や各弁を制御して、各種運転を行わせるコントローラである。制御部90は、主にCPUからなり、RAM、ROM、及びハードディスク等からなるメモリ(図示せず)に記憶されたプログラムを実行することで各種処理を実行する。制御部90は、図2に示すように、圧縮機31、四路切換弁32、膨張弁34、ファン39、ポンプ71、三方弁73などと接続されている。また、図示しない冷媒温度センサや水温センサなども、制御部90に接続されている。
暖房・給湯システム20では、以下の各運転を行うことができる。これらの運転では、冷媒や水が、以下に説明するように流れ、暖房や冷房、給湯、蓄熱が行われる。
暖房運転91においては、図4に示すように、室外ユニット23では、暖房サイクルで冷媒が循環し、室外熱交換器33において室外空気から温熱を奪った冷媒が、室内ユニット25の室内熱交換器72へと流れる。すなわち、制御部90は、暖房運転91において、四路切換弁32を第2状態にして、膨張弁34の開度を絞って冷媒を減圧させる。ここでは、冷媒が、圧縮機31、室内熱交換器72、膨張弁34、室外熱交換器33の順に流れ、圧縮機31に戻る。室内熱交換器72は冷媒の凝縮器として機能し、室外熱交換器33は冷媒の蒸発器として機能する。圧縮機31から吐出された高温、高圧の冷媒は、室内熱交換器72において室内ユニット25を循環する水に熱を放出する。
暖房・給湯システム20は、基本的に暖房と給湯とを行うシステムであるが、本実施形態では、室外ユニット23に四路切換弁32を配備し、暖房装置26に冷水を流すことで冷房を行うことも可能なシステムとしている。
給湯運転93においては、図6に示すように、室外ユニット23では、暖房サイクルで冷媒が循環し、室外熱交換器33において室外空気から温熱を奪った冷媒が、室内ユニット25の室内熱交換器72へと流れる。すなわち、制御部90は、暖房運転91において、四路切換弁32を第2状態にして、膨張弁34の開度を絞って冷媒を減圧させる。ここでは、冷媒が、圧縮機31、室内熱交換器72、膨張弁34、室外熱交換器33の順に流れ、圧縮機31に戻る。室内熱交換器72は冷媒の凝縮器として機能し、室外熱交換器33は冷媒の蒸発器として機能する。圧縮機31から吐出された高温、高圧の冷媒は、室内熱交換器72において室内ユニット25を循環する水に熱を放出する。
暖房や給湯の要求がなく、貯水タンク60内の水温が低いときに、貯水タンク60内の水および蓄熱部材61に温熱を蓄えるために、制御部90によって蓄熱運転94が実行される。図7に示すように、蓄熱運転94においては、室外ユニット23では、暖房サイクルで冷媒が循環し、室外熱交換器33において室外空気から温熱を奪った冷媒が、室内ユニット25の室内熱交換器72へと流れる。暖房運転91と同様に、圧縮機31から吐出された高温、高圧の冷媒は、室内熱交換器72において室内ユニット25を循環する水に熱を放出する。
蓄熱運転によって、貯水タンク60内の水温が十分に高くなっていれば、蓄熱部材61にも十分な温熱が蓄えられた状態であると言える。この状態において、給湯の要求があったときには、しばらくの間、室外ユニット23の圧縮機31は稼働させず、貯水タンク60内の水および蓄熱部材61の蓄熱を利用した給湯運転(蓄熱利用給湯運転95)が行われる。
(3−1)
本実施形態に係る暖房・給湯システム20は、ヒートポンプ装置としての室外ユニット23と、水循環装置としての室内ユニット25とを備えている。室外ユニット23は、圧縮機31、四路切換弁32、室外熱交換器33、膨張弁34を有する冷媒循環回路を含むユニットであり、蓄熱運転94を行っているときに、室外熱交換器33において外気(室外空気)から熱を奪う。室外ユニット23は、第1〜第6水循環用配管51〜56やポンプ71を有する水循環回路を含むユニットであり、室内熱交換器72において、冷媒循環回路を流れる冷媒から熱を奪って、水循環回路を流れる水を加熱する。水循環回路に含まれる貯水タンク60は、その内部の水と熱交換を行う蓄熱部材61を有している。そして、制御部90が、蓄熱部材61および貯水タンク60内の水に熱を蓄えさせる蓄熱運転94を実行する。
本実施形態に係る暖房・給湯システム20は、給水管99a、給湯用伝熱管63、給湯用水連絡配管28a、給湯機器28などを含む給湯装置を備えている。シャワーや蛇口といった給湯機器28は、ユーザーの要求に応じて加熱された水を提供する。給水源99から供給される水を給湯機器28へと導く給水管99a、給湯用伝熱管63および給湯用水連絡配管28aのうち、給湯用伝熱管63は、貯水タンク60の中に配置されている。この給湯用伝熱管63は、蓄熱部材61および貯水タンク60内の水から熱を奪う熱交換器としての役割を果たす。
本実施形態に係る暖房・給湯システム20では、蓄熱部材61が、蓄熱運転94において、貯水タンク60内で貯水タンク60を流れる循環水から熱を奪って温熱を蓄える。また、蓄熱部材61は、蓄熱利用給湯運転95において、貯水タンク60を流れる循環水に温熱を放出する。そして、蓄熱部材61として、蓄熱運転94や蓄熱利用給湯運転95において外形を保ちつつ相変化する複合蓄熱材を採用している。複合蓄熱材は、主材料と、複数の副材料とを含んでいる。この複合蓄熱材の潜熱を利用することにより蓄熱密度が向上するため、蓄熱能力に対する蓄熱部材61のサイズが、相対的に水や水和物スラリーよりも小さくなっている。これにより、蓄熱運転94を行う暖房・給湯システム20の小型化が図られている。
上記の第1実施形態では、蓄熱部材61を円柱形状に成形して、それらの長手方向を循環水の流れる方向に合わせて複数の蓄熱部材61を貯水タンク60内に配置しているが、図9に示すような貯水タンク160および蓄熱部材161を代わりに採用してもよい。
本発明の第2実施形態に係る水加熱システムである暖房・給湯システム220を、図10に示す。暖房・給湯システム220は、図1に示す暖房・給湯システム20と同じ室外ユニット23、暖房装置26および給湯機器28を含む給湯装置を使用しつつ、室内ユニット25に代えて室内ユニット225を採用したシステムである。
制御部90は、暖房・予備蓄熱運転において、室外ユニット23では、暖房サイクルで冷媒を循環させる。圧縮機31から吐出された高温、高圧の冷媒は、室内熱交換器72において室内ユニット25を循環する水に熱を放出する。一方、室内ユニット225では、三方弁73を第1状態にし、第2三方弁278を、暖房装置26から第2三方弁279および第7水循環用配管254を通って貯水タンク60の上部に循環水が流れ込む状態にする。すると、ポンプ71から吐出された水が、第1水循環用配管51、室内熱交換器72、第2水循環用配管52、三方弁73、第3水循環用配管53、暖房装置26、第2三方弁279、第7水循環用配管254、貯水タンク60、第6水循環用配管56、第2逆止弁75を順に流れ、再びポンプ71に吸い込まれる。ポンプ71から吐出された水は、室内熱交換器72において冷媒配管57を流れる高温の冷媒から熱を奪って高温となり、暖房装置26において熱を放出する。例えば、60℃で暖房装置26に入った高温水は、40〜50℃になって室内ユニット25に戻る。室内ユニット25に戻った水は、第2三方弁279および第7水循環用配管254を通って貯水タンク60の上部に流れ、低温の貯水タンク60内の水をポンプ71へと押し出すとともに、蓄熱部材61へ放熱する。言い換えると、30℃以下といった低温になっている蓄熱部材61は、貯水タンク60に流れ込んでくる40〜50℃の循環水と熱交換を行い、循環水から温熱を奪って蓄熱する。
また、制御部90は、上述の第1実施形態の蓄熱運転94が行われ、貯水タンク60内の水温が十分に高くなっていれば、上述の暖房運転91よりも暖房能力が高くなる急速暖房運転を行わせることもできる。図10に示すように冷媒および水を循環させると、循環水の加熱源が、室内熱交換器72および貯水タンク60内の蓄熱部材61となり、より高温の循環水を暖房装置26に提供できる。
23 室外ユニット(ヒートポンプ装置)
25 室内ユニット(水循環装置)
26 暖房装置
28 給湯機器(給湯部)
28a 給湯用水連絡配管(水配管)
60 貯水タンク
61 蓄熱部材
63 給湯用伝熱管(水配管)
90 制御部
94 蓄熱運転
99 給水源
99a 給水配管(水配管)
160 貯水タンク
161 蓄熱部材
220 暖房・給湯システム(水加熱システム)
Claims (5)
- 冷媒循環回路を含み、外気から熱を奪う、ヒートポンプ装置(23)と、
水循環回路を含み、前記冷媒循環回路を流れる冷媒から熱を奪って前記水循環回路を流れる水を加熱する、水循環装置(25)と、
を備え、
前記水循環回路は、加熱された水を貯める貯水タンク(60、160)と、前記貯水タンクの中に配置され水と熱交換を行う蓄熱部材(61、161)と、を有し、
前記蓄熱部材は、主材料と1又は複数の副材料とを含み前記蓄熱運転において外形を保ちつつ相変化する複合蓄熱材であり、
前記複合蓄熱材は、
前記主材料として、熱を吸収する蓄熱あるいは熱を放出する放熱の際に相変化を伴う材料を含み、
前記副材料として、前記主材料が相変化しても形状を維持させるための材料を含み、
前記主材料に前記副材料が混ぜられて生成されている、
水加熱システム(20、220)。 - 前記ヒートポンプ装置および前記水循環装置を制御して、前記蓄熱部材および前記貯水タンク内の水に熱を蓄えさせる蓄熱運転(94)を行う、制御部(90)、
をさらに備える、請求項1に記載の水加熱システム。 - ユーザーの要求に応じて加熱された水を提供する給湯部(28)と、給水源(99)から供給される水を前記給湯部へと導く水配管(99a、63、28a)と、を有する給湯装置、
をさらに備え、
前記水配管の一部(63)は、前記貯水タンクの中に配置されて、前記蓄熱部材および前記貯水タンク内の水から熱を奪う熱交換器としての役割を果たす、
請求項1又は2に記載の水加熱システム。 - 建物内の所定空間に設置され、前記貯水タンクから流れてくる水の熱によって前記所定空間を暖める暖房装置(26)、
をさらに備え、
前記貯水タンクから前記暖房装置に流れた水は、前記所定空間の空気と熱交換をして冷却されて前記貯水タンクに戻る、
請求項1から3のいずれか1項に記載の水加熱システム(220)。 - 前記複合蓄熱材は、前記副材料として、熱伝導性を向上させるための材料を含む、
請求項1から4のいずれか1項に記載の水加熱システム。
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