JP7073056B2 - 給気予熱装置および暖房システム - Google Patents

Description

本発明は、外気を温めて室内に導入する給気予熱装置およびこれを含む暖房システムに関する。

近年の住宅には２４時間換気システムが設置されている。その代表的な構成は、図１に示すように、たとえば、風呂場の天井裏等に換気ファン１０１を設け、この換気ファン１０１の吸込口１０２をトイレや洗面所、浴室などの天井（家の中心付近）に配置し、屋外に面する各居室の壁に給気口１０３を設け、換気ファン１０１の排気はダクトを通じて玄関先等に設けた排気口１０４から屋外に排出する、といった構成になっている。これは、排気はファンで行い、給気はファンを使用せずに自然に取込む方式（排気型）であり、一般の住宅で多く採用されている。

このように、２４時間換気システムを用いると、冬場は給気口から冷たい外気が室内に入って来るので、部屋を暖房器具で暖房していたとしても、給気口の近くにいると冷たい空気に当たってしまう。

下記特許文献１には、近接対向配置された２枚のパネル状の放熱器に熱源機からの温水を循環させ、その２枚のパネルの間に屋外からの空気を通して室内に導入する空調装置が開示される。

特開２００９－９２３１０号公報

外気を温めて導入するための熱交換器（引用文献１では２枚のパネル）の比較的近くに熱源機を配置できれば、熱源器と該熱交換器との間に敷設する温水循環用の配管の長さは短くて済む。しかし、たとえば、風呂暖房給湯器を熱源機とした場合、マンション等では、風呂暖房給湯器は玄関のある共用廊下側に設置されることが多いので、リビングにおいて外気を温めて給気しようとすると、上記の配管が長くなり、施工の手間と費用が嵩んでしまう。

ところで、近年は、リビングには温水式の床暖房が普及している。熱源機から、たとえば、６０℃の湯を温水マットに送ると、床材を経て部屋の空気の自然対流で放熱し、５０℃になって熱源機に戻ってくる。この戻り温度が低いほど、熱源機における熱効率は良くなる。しかし、住宅の高気密、高断熱化により、暖房開始から短時間で部屋が暖まるため、ある程度部屋が暖まった後は、温水マットでの放熱量が減り、熱源機での熱効率が低下していた。

本発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、外気を温めて室内に給気するための熱交換器を熱源機から遠いリビングの給気口などに設けた場合にも該熱交換器に温水を循環させるための配管長を抑えて施工の手間と費用を削減できると共に、床暖房における熱効率を改善することのできる給気予熱装置および暖房システムを提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。

［１］熱源機から送出された温水を床暖房用の温水マットに経由させて前記熱源機に戻す循環回路のうちの前記熱源機から前記温水マットへ向かう往き配管から第１分岐管を分岐させる第１分岐部と、
前記循環回路のうちの前記温水マットから前記熱源機に戻る戻り配管から第２分岐管を分岐させる第２分岐部と、
前記第１分岐管からの温水と前記第２分岐管からの温水を混合する混合器と、
壁を貫通して屋外と屋内を接続する給気口に取り付けられると共に、前記混合器から出た湯が通される熱交換器と、
前記熱交換器を経た湯を、前記第２分岐管の分岐箇所よりも前記熱源機側の前記戻り配管に合流させる合流部と、
を有する
ことを特徴とする給気予熱装置。

上記発明では、温水マットへの往き温水と温水マットからの戻り温水を混合器で混合した湯が給気予熱用の熱交換器に流れる。温水マットへの往き温水の温度や温水マットでの放熱状況に応じて混合比を調整することで、給気予熱の熱交換器に流れる湯水の温度変化を抑えることができる。

［２］前記混合器は、混合後の湯温が所定温度になるように混合比を変更する
ことを特徴とする［１］に記載の給気予熱装置。

［３］前記熱交換器は、温水を通す扁平管を、放熱板として、所定間隔をあけて複数併設して構成されたマイクロ扁平管熱交換器である
ことを特徴とする［１］または［２］に記載の給気予熱装置。

上記発明では、マイクロ扁平管熱交換器は小型で高い熱交換効率を得ることができる。

［４］［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の給気予熱装置と、
前記熱源機と、
前記床暖房用の前記温水マットと、
前記循環回路と、
を有する
ことを特徴とする暖房システム。

本発明に係る給気予熱装置および暖房システムによれば、外気を温めて室内に給気するための熱交換器を熱源機から遠いリビングの給気口などに設けた場合にも該熱交換器に温水を循環させるための配管長を抑えて施工の手間と費用を削減できると共に、床暖房時における風呂暖房給湯器の熱効率を改善することができる。

住宅（マンション）に設置された２４時間換気システムの構成例を示す図である。 放熱ユニットを給気口に取り付けた状態の一例を示す図である。 放熱ユニットとその周囲の給気ダクトを示す斜視図である。 マイクロ扁平管熱交換器の概略構成を示す断面図および２枚のマイクロ扁平管を取り出して示す斜視図ある。 暖房システムの設置状況の一例を示す図である。 放熱ユニットに温水を循環させるための専用配管を設けた場合の暖房システムの設置状況の一例を示す図である。 熱源機である風呂給湯器の概略構成を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１に示すような２４時間換気システムを導入すると、冬場は給気口１０３から冷たい外気が室内に入って来る。そこで、本実施の形態に係る暖房システム３（図５、図７参照）では、給気口１０３に小型で熱交効率の高いマイクロ扁平管熱交換器１２を用いた放熱ユニット１０を取り付け(図２参照)、共用廊下側のポーチ等に設置された風呂暖房給湯器４０等の熱源機から該放熱ユニット１０に温水を循環させることで、外気を少し暖めてから室内に導入する。このような外気を温めて室内に導入する暖房を給気予熱と呼ぶものとする。

ここで、近年、リビングには温水式の床暖房が普及しているので、床暖房用の温水マット２０に温水を循環させるための配管が、廊下の床下等を通じて、風呂暖房給湯器４０と温水マット２０との間に設置されていることが多い。そこで、本実施の形態に係る暖房システム３では、その床暖房用の配管に流れる温水を放熱ユニット１０にも循環させる。

図２は、放熱ユニット１０を給気口１０３に取り付けた状態の一例を示している。給気口１０３は、屋外に面する壁に直径１００mm（あるいは１５０mm）ほどの穴を貫通させ、この穴に給気ダクト１０６を挿入し、その屋内側の端部に開け閉め可能な屋内側カバーユニット１０７を取り付け、屋外側の端部に、雨避けカバー１０８を取り付けて構成される。給気ダクト１０６の途中に放熱ユニット１０が取り付けてある。

図３は、放熱ユニット１０とその周囲の給気ダクト１０６を示す斜視図である。放熱ユニット１０は、給気ダクト１０６に密に内挿される円板形状のベース板１１と、ベース板１１に大きく開設された矩形の貫通穴に嵌めこまれたマイクロ扁平管熱交換器１２を備えている。

ベース板１１は不燃材で構成される。たとえば、ベース板１１は鋼鈑などで構成される。ベース板１１は、マイクロ扁平管熱交換器１２と給気口１０３の内壁との隙間を不燃材で封鎖する。

図４は、マイクロ扁平管熱交換器１２の概略構成を示す断面図および２枚のマイクロ扁平管１４を取り出して示す斜視図ある。マイクロ扁平管熱交換器１２は、並行に配置した入水管１６と出水管１７との間に、薄く扁平した管路であるマイクロ扁平管１４を所定間隔で多数並列に接続して構成される。各マイクロ扁平管１４はマイクロ扁平管熱交換器１２の放熱板になっている。

図では、入水管１６の端部の入水口１６ａから流入した温水は、分岐して各マイクロ扁平管１４の中を流れ、各マイクロ扁平管１４の他端側で出水管１７に流れ出て合流し、出水管１７の端部の流出口１７ａから流出する。

本例のマイクロ扁平管１４は、長さL=68mm、幅W=15mm、厚みH=0.7mm（板厚t=0.2mm、内部の水路の厚みはH=0.3mm）である。配列されたマイクロ扁平管１４同士の隙間D(間隔)は1.3mm程度になっている。通気抵抗は20Pa(25m³/h時)以下にする。なお、後述する循環ポンプによる送水では、最大で0.1MPa程度の耐水圧があればよいので、マイクロ扁平管１４の板厚は0.2mm未満などの非常に薄い鋼鈑で問題ない。
配列されたマイクロ扁平管１４同士の隙間Dは、2.2mm以下、好ましくは1.8mm以下である。このような隙間でマイクロ扁平管１４を配列すれば、マイクロ扁平管１４とマイクロ扁平管１４の隙間Dを炎が通り抜けられなくなり、防火効果を得ることができる。
放熱ユニット１０では、マイクロ扁平管１４同士の間隔を消炎距離以下にすると共に、マイクロ扁平管熱交換器１２と給気口１０３の内側との隙間を不燃材のベース板１１で塞いでいるので、火災時に炎が給気口１０３を通過することを防ぎ、延焼を防ぐことができる。

図５は、暖房システム３の設置状況の一例を示す図である。熱源機である風呂暖房給湯器４０は、前述したようにマンションの共用廊下側の玄関のポーチ脇などに設置されており、リビングは玄関から離れた、たとえば南側のバルコニー側にあり、床暖房用の温水マット２０は該リビングの床下に設置されている。

温水マット２０に温水を循環させる循環回路は、熱源機としての風呂暖房給湯器４０から温水マット２０に至る往き配管２１と、温水マット２０（温水マット２０内部の水管）と、温水マット２０から風呂暖房給湯器４０に戻る戻り配管２２と、風呂暖房給湯器４０の内部の水管とから構成される。風呂暖房給湯器４０は、循環回路を循環する湯水を加熱するための熱交換器とバーナ、および、循環回路に湯水を循環させるための循環ポンプ等を有する。

放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２は、温水マット２０から風呂暖房給湯器４０への戻り配管２２の途中に介挿されている。

より詳細には、放熱ユニット１０により給気予熱を行うための給気予熱装置は、熱源機としての風呂暖房給湯器４０から送り出された温水を床暖房用の温水マット２０を経由して循環させる循環回路の往き配管２１から第１分岐管２３を分岐させる第１分岐部２４と、温水マット２０から風呂暖房給湯器４０に戻る戻り配管２２から第２分岐管２５を分岐させる第２分岐部２６と、第１分岐管２３からの温水と第２分岐管２５からの温水を混合する混合器２７と、混合器２７の出側と放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２の入水口１６ａを結ぶ管路２８と、放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２の流出口１７ａに一端が接続された管路２９と、管路２９の他端が接続されると共に第２分岐部２６よりも風呂暖房給湯器４０側の戻り配管２２に設けられて、放熱ユニット１０を経た湯を戻り配管２２に合流させる合流部３０を有している。

混合器２７は、混合後の湯温が所定温度になるように混合比を変更する。ここでは、ワックスサーモスタット式の混合器を使用するが、たとえば、風呂暖房給湯器４０からの電気的な制御等で混合比を調整するものであってもかまわない。

混合器２７は、温水マット２０からの戻り温水の温度が高いときは、戻り配管２２からの取水割合を高くし、戻り温水の温度が低いときは、往き配管２１からの取水割合を高くするように混合比を調整する。初期状態では混合比は１：１とする。

放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２への配管（第１分岐管２３、第２分岐管２５、管路２８、管路２９）は屋内側から配管する。

第１分岐部２４、第２分岐部２６、合流部３０は、温水マット２０の近く、あるいは放熱ユニット１０までの配管が短くなる箇所に取り付けられる。

このように、床暖房用の温水マット２０への配管を利用して放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に温水を循環させるので、図６のように、風呂暖房給湯器４０と放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２との間に、該マイクロ扁平管熱交換器１２に温水を循環させるための専用配管を設置する場合に比べて、施工の手間と費用が少なく抑えることができる。

図７は、風呂暖房給湯器４０の概略構成を示す図である。風呂暖房給湯器４０は、給水を加熱して浴室内のシャワーや台所の水栓等へお湯を供給（出湯）する給湯機能、浴槽へ湯を落とし込み湯張りする注湯機能、浴槽内の湯水を追い焚きして昇温する追い焚き機能、床暖房用の温水マット２０に温水を循環させて暖房する暖房機能や浴室乾燥機の熱交換器などに温水を循環させる機能などを備えている。また、浴槽に設定温度の湯を設定水位になるように自動的に湯張りし、湯張り完了後は設定水位・設定温度が所定時間（たとえば、４時間）に渡って維持されるように追い焚き等を行う風呂の自動運転機能を備えている。さらに、温水マット２０に温水を循環させる際に、給気口１０３に設けられた放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２にも温水を循環させることで、給気口１０３から室内に流入する外気を予熱する給気予熱を行うようになっている。

風呂暖房給湯器４０は、バーナによって加熱される給湯用の第１熱交換器４１および追い焚きおよび暖房用の第２熱交換器４２を有する。第１熱交換器４１、第２熱交換器４２はいずれも、顕熱熱交換器４１ａ、４２ａと排気の潜熱を回収する潜熱熱交換器４１ｂ、４２ｂを備えている。

給湯管４４の先に設けられた出湯栓が開かれると、給水元から供給される給水が、給水管４３、第１熱交換器４１の水管および給湯管４４を経て出湯栓から流れ出る。給水管４３には、水量センサ４５、水量を調整(制限)するための水量サーボ４６、入水温度センサ４７などが設けてある。給水管４３と給湯管４４は、水量サーボ４６の直ぐ下流でバイパス管４８を通じて接続されており、バイパス管４８の途中には、バイパス管４８に流す水量を調整するバイパスサーボ４９が設けてある。

給湯管４４には第１熱交換器４１を出た直後の湯温を検出する熱交温度センサ５１、バイパス管４８からの給水が合流した後の湯温（出湯温度）を検出する給湯温度センサ５２が設けてある。

床暖房用の温水マット２０に温水を循環させる循環回路の戻り配管(低温戻り配管)２２から風呂暖房給湯器４０に戻ってきた湯は、集合ヘッダ５３、機内戻り管５４、第２熱交換器４２の潜熱熱交換器４２ｂ、大気開放のシスターン５５、循環ポンプ５６を経由し、一部は循環ポンプ５６下流の分岐箇所から機内低温往き管５７、熱動弁５８を経由して、往き配管(低温往き配管)２１へと流れ出る。分岐箇所で分岐した残りの湯は第２熱交換器４２の顕熱熱交換器を経由し、流量制御弁５９、追い焚き用の水－水熱交換器６１の一次側水管、戻し配管６２を経て(図中、破線の矢印で示すルート)、機内戻り管５４の途中に合流する。第２熱交換器４２の顕熱熱交換器４２ａ側を通す湯量は流量制御弁５９で調整される。

なお、第２熱交換器４２の顕熱熱交換器４２ａの出側の配管は前述の流量制御弁５９へ接続される管路と、熱動弁６３に接続される管路に分岐しており、該熱動弁６３の出側は外部の高温往き配管に接続される。高温往き配管は、たとえば、浴室乾燥機などの放熱器に接続され、該放熱器からの戻り配管である高温戻り配管は集合ヘッダ５３に接続される。集合ヘッダ５３は、高温戻り配管からの湯と低温戻り配管２２からの湯を合流させて機内戻り管５４へ送り出す。

循環ポンプ５６を作動させることで、温水マット２０および放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２を経由する循環回路に湯水が循環し、第２熱交換器４２を加熱するためのバーナを燃焼させることで、その湯水が昇温される。

暖房システム３では、温水マット２０を経由した温水をさらに放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２を経由させるため、放熱ユニット１０を経由させない場合に比べて、風呂暖房給湯器４０に戻って来る温水(戻り温水)の温度を下げることができ、風呂暖房給湯器４０の第２熱交換器４２（特に、潜熱熱交換器４２ｂ）における熱交換効率を高めることができる。

ところで、風呂暖房給湯器４０は床暖房において、暖房運転の開始時など床や部屋が冷たいときは８０℃の温水を送り出し、部屋がある程度暖まった後の通常時は６０℃の温水を送り出し、床や部屋が十分暖かいときは４０℃の温水を送り出すように動作する。

したがって、図６に示すように、温水マット２０と放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に専用配管を設置した場合、放熱ユニット１０には、通常、温水マット２０と同じ温度の温水を供給することになるので（熱源機内で別の温度の湯を作る場合には構造が複雑になり、また専用機となるため大幅なコストアップになるため）、放熱ユニット１０に供給される温水の温度は８０℃～４０℃の間で大きく変動することになる。

たとえば、給気口１０３に流入する外気の温度を５℃とした場合に、放熱ユニット１０に供給される温水の温度が８０℃～４０℃の間で変化すると、温度差は３５Ｋ～７５Ｋの範囲で変化するため、放熱ユニット１０の放熱量はおよそ２．１倍に変化する。そのため、給気口１０３から室内に入って来る空気の温度が大きく変化し給気口１０３の近くの室内に居る人に不快感を与えてしまう。

これに対し、本実施の形態のように温水マット２０からの戻り温水を放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に流すようにすれば、風呂暖房給湯器４０から送り出す湯温の変動幅に比べて温水マット２０を経由した湯の温度幅は小さくなるため、放熱ユニット１０の放熱量の変動幅を小さくすることができる。

たとえば、風呂暖房給湯器４０から温水マット２０に送り出す温水暖房の湯量を２Ｌ／分、とすると以下のようになる。
・床暖房用の温水マット２０での放熱が３０００Ｗであれば、戻り温度の降下は２１．５℃になる。このような状況では、風呂暖房給湯器４０は８０℃の湯を温水マット２０に送り出すので、温水マット２０を経由した戻り温水の温度は５８℃になる。

・床暖房用の温水マット２０での放熱が１０００Ｗであれば、戻り温度の降下は７．１℃になる。このような状況では、風呂暖房給湯器４０は６０℃の湯を温水マット２０に送り出すので、温水マット２０を経由した戻り温水の温度は５３℃になる。

・床暖房用の温水マット２０での放熱が２００Ｗであれば、戻り温度の降下は１．４℃になる。このような状況では、風呂暖房給湯器４０は４０℃の湯を温水マット２０に送り出すので、温水マット２０を経由した戻り温水の温度は３９℃になる。

このように、温水マット２０からの戻り温水は５８℃～３９℃の範囲で変動し、この戻り温水を放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に流すようにすれば、給気される外気の温度を５℃とした場合、温度差は３４Ｋ～５３Ｋの範囲で変化し、放熱ユニット１０の放熱量はおよそ１．５倍の変動幅に収まる。よって、給気口１０３から室内に導入される空気の温度変動も少なくなり、室内に居る人に与える不快感を無くすあるいは低減することができる。

さらに、混合器２７を介挿させ、温水マット２０からの戻り温水と往き温水を混合した湯を放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に流すので、混合器２７から出る湯の温度が一定になるように混合比を調整すれば、放熱ユニット１０の放熱量の変動幅をさらに小さくすることができる。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に示したものに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

実施の形態では、混合器２７を有する例を示したが、混合器２７を設けず、放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２を温水マット２０の下流の戻り配管２２に介挿し、温水マット２０からの戻り温水のみを放熱ユニット１０のマイクロ扁平管熱交換器１２に流すように構成されてもよい。

実施の形態では、放熱ユニット１０の熱交換器としてマイクロ扁平管熱交換器１２を使用したが、フィンとチューブを用いるタイプの放熱器でもかまわない。熱源機は潜熱回収型の風呂暖房給湯器４０に限定されない。たとえば、燃料電池の排熱を利用して湯を作るような装置を熱源機に利用してもよい。

３…暖房システム
１０…放熱ユニット
１１…ベース板
１２…マイクロ扁平管熱交換器
１４…マイクロ扁平管
１６…入水管
１６ａ…入水口
１７…出水管
１７ａ…流出口
２０…温水マット
２１…往き配管
２２…戻り配管
２３…第１分岐管
２４…第１分岐部
２５…第２分岐管
２６…第２分岐部
２７…混合器
２８…管路
２９…管路
３０…合流部
４０…風呂暖房給湯器
４１…第１熱交換器
４２…第２熱交換器
４３…給水管
４４…給湯管
４５…水量センサ
４６…水量サーボ
４７…入水温度センサ
４８…バイパス管
４９…バイパスサーボ
５１…熱交温度センサ
５２…給湯温度センサ
５３…集合ヘッダ
５４…機内戻り管
５５…シスターン
５６…循環ポンプ
５７…機内低温往き管
５８…熱動弁
５９…流量制御弁
６１…追い焚き用の水－水熱交換器
６２…戻し配管
６３…熱動弁
１０１…換気ファン
１０２…吸込口
１０３…給気口
１０４…排気口
１０６…給気ダクト
１０７…屋内側カバーユニット
１０８…雨避けカバー

Claims (4)

1. 熱源機から送出された温水を床暖房用の温水マットに経由させて前記熱源機に戻す循環回路のうちの前記熱源機から前記温水マットへ向かう往き配管から第１分岐管を分岐させる第１分岐部と、
   前記循環回路のうちの前記温水マットから前記熱源機に戻る戻り配管から第２分岐管を分岐させる第２分岐部と、
   前記第１分岐管からの温水と前記第２分岐管からの温水を混合する混合器と、
   壁を貫通して屋外と屋内を接続する給気口に取り付けられると共に、前記混合器から出た湯が通される熱交換器と、
   前記熱交換器を経た湯を、前記第２分岐管の分岐箇所よりも前記熱源機側の前記戻り配管に合流させる合流部と、
   を有する
   ことを特徴とする給気予熱装置。
2. 前記混合器は、混合後の湯温が所定温度になるように混合比を変更する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給気予熱装置。
3. 前記熱交換器は、温水を通す扁平管を、放熱板として、所定間隔をあけて複数併設して構成されたマイクロ扁平管熱交換器である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の給気予熱装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の給気予熱装置と、
   前記熱源機と、
   前記床暖房用の前記温水マットと、
   前記循環回路と、
   を有する
   ことを特徴とする暖房システム。

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