JP7266171B2 - ヒートポンプ式給湯システム - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯システムに関する。
本出願人は、ヒートポンプ式給湯システムの具体例として、特許文献1に記載のものを先に提案している。
同文献に記載の給湯システムは、ヒートポンプユニットと、このヒートポンプによって加熱された湯水を貯湯するための貯湯タンクを有する貯湯タンクユニットとが組み合わされたものであり、この給湯システム全体の使用電力に制限を加えることにより、前記両ユニットの電源の共有化が図られている。このような構成によれば、ヒートポンプユニットおよび貯湯タンクユニットをそれぞれ異なる電源に接続する必要がなくなる。具体的には、貯湯タンクユニットを屋外コンセントに接続し、かつヒートポンプユニットを屋内分電盤に接続するといった必要がなくなり、それら両ユニットを屋外コンセントに接続することが可能となる。したがって、給湯システムの施工作業の容易化、および施工コストの低減化を図ることができる。
しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。
すなわち、前記従来技術においては、給湯システム全体の使用電力に制限を加えるための具体的な手段として、貯湯タンクユニットの運転状況に応じてヒートポンプの使用電力を制限する手段、あるいはヒートポンプユニットの電源回路に流れる電流を測定し、この電流が所定値を超えないようにヒートポンプユニットの運転を制御する手段が採用されている。ところが、このような構成によれば、貯湯タンクユニットの運転状況に応じてヒートポンプユニットの出力が頻繁に変動することとなり、ヒートポンプユニットにおける湯水加熱温度が不安定となる虞がある。また、ヒートポンプユニットの制御も煩雑なものとなる。
特開2016-99072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、ヒートポンプユニットの運転が不安定となったり、あるいは制御が煩雑になるなどの不具合を回避しながらも、システム全体の使用電力を抑え、ヒートポンプユニットと貯湯タンクユニットとの電源の共有化を適切に図ることが可能なヒートポンプ式給湯システムを提供することを、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ヒートポンプ式給湯システムは、ヒートポンプユニットと、このヒートポンプユニットを利用して加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを有し、かつこの貯湯タンクからの出湯による給湯動作および熱負荷への熱供給が可能とされている貯湯タンクユニットと、を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、前記ヒートポンプユニットの動作モードとして、標準出力動作モードと、この標準出力動作モードよりも使用電力が大きい高出力動作モードと、があり、前記標準出力動作モードは、前記高出力動作モードが設定されていないときの動作モードであり、かつ前記貯湯タンクユニットが所定以上の電力負荷状態である高負荷運転状態となった場合であっても、前記ヒートポンプユニットと前記貯湯タンクユニットとのトータルの使用電力が所定値未満とされる動作モードであり、前記ヒートポンプユニットは、前記標準出力動作モードによっては必要熱量を賄えない状況が生じる場合には、前記貯湯タンクユニットにおいて所定の高電力負荷動作が実行されていないことを最低条件として、前記高出力動作モードに切り替え設定されるように構成されていることを特徴としている。
前記所定の高電力負荷動作は、たとえば凍結防止動作である。
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、ヒートポンプユニットは、通常運転時においては、標準出力動作モードで運転し、貯湯タンクユニットで必要とされる熱量が賄えない状況になった場合には、高出力動作モードに切り替えればよいため、前記従来技術と比較すると、ヒートポンプユニットの運転状態を安定させることができる。したがって、ヒートポンプユニットにおける湯水加熱温度の変動を抑え、またヒートポンプユニットの制御、ひいてはシステム全体の制御の容易化を図ることができる。
第2に、ヒートポンプユニットが、標準出力動作モードから高出力動作モードに切り替えられるための最低条件として、貯湯タンクユニットにおいて、たとえば凍結防止動作などの所定の高電力負荷動作が実行されていないことが条件とされているため、前記高電力負荷動作が実行されているにも拘わらず、ヒートポンプユニットが高出力動作モードとなって、システム全体の使用電力がかなり大きくなって所定値以上になることは適切に回避される。したがって、ヒートポンプユニットおよび貯湯タンクユニットのそれぞれの電源の共有化を適切に図ることができる。その結果、たとえば、前記両ユニットの一方を屋外コンセントに接続し、かつ他方を屋内分電盤に接続するといった必要がなくなり、施工作業の容易化やコストの低減化を図ることができる。
本発明において、好ましくは、前記貯湯タンクユニットは、前記貯湯タンクから出湯し、または前記貯湯タンクに供給される湯水、もしくは外部から前記貯湯タンクを経由することなく供給されてくる湯水を加熱可能な補助熱源機を、さらに備えている。
本発明において、好ましくは、前記ヒートポンプユニットが前記高出力動作モードに設定される条件として、前記補助熱源機が所定の小電力運転であることが追加の条件とされている。
前記補助熱源機の前記所定の小電力運転は、たとえば、前記補助熱源機が、暖房加熱運転、追い焚き加熱運転、外部から供給されてくる湯水を加熱して出湯させる一般給湯運転、前記貯湯タンクの湯水の再加熱を行なう補助加熱運転のいずれかの単独運転に用いられる運転である。
このような構成によれば、次のような効果が得られる。
補助熱源機は、貯湯タンクに貯留された湯水のみでは必要熱量を賄えない場合などに運転されるが、この補助熱源機が前記した所定の小電力運転を行なう場合であれば、ヒートポンプユニットを標準出力動作モードから高出力動作モードに切り替えたとしても、システム全体の電力が所定値以上にならないようにすることが可能である。
本発明において、好ましくは、前記ヒートポンプユニットが既に前記高出力動作モードとされている場合において、前記補助熱源機が前記所定の小電力運転以外の運転に用いられる場合の動作モードとして、前記ヒートポンプユニットを前記標準出力動作モードに切り替えた上で、前記補助熱源機の運転は制限無しとする第1のモードと、前記ヒートポンプユニットを前記高出力動作モードに維持したままで、前記補助熱源機の運転を制限する第2のモードと、があり、これらのうちのいずれかを任意に選択して設定することが可能
とされている。
このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、前記第1のモードは、いわば補助熱源機優先モード、あるいは熱需要に対して十分な熱供給が可能な快適モードである。これに対し、第2のモードは、いわばヒートポンプユニット優先モード、あるいは補助熱源機の運転を抑えた省エネモードである。前記した構成によれば、ユーザの要望に応じた態様、またはこれに近い態様で、システムを稼働させることができる。
本発明において、好ましくは、前記第1および第2のモードのいずれかの選択設定を、前記貯湯タンクの蓄熱量の多少とは無関係に行なうことが可能とされている。
このような構成によれば、第1および第2のモードのいずれかに設定した場合に、その設定状態が、貯湯タンクの蓄熱量の影響を受けて切り替わらないようにし、設定されたモードを固定させておくことができる。したがって、そのようなことを要望するユーザにとって好ましいものとなる。
本発明において、好ましくは、前記第1および第2のモードのいずれかの選択設定を、前記貯湯タンクの蓄熱量に応じて切り替えることが可能とされている。
このような構成によれば、第1および第2のモードの設定に際し、貯湯タンクの蓄熱量に応じてきめ細かく切り替え設定することができる。したがって、そのようなことを要望するユーザにとって好ましいものとなる。
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。
本発明に係るヒートポンプ式給湯システムの一例を示す概略説明図である。 図1に示すヒートポンプ式給湯システムにおける動作処理手順の一例を示すフローチャートである。 図1に示すヒートポンプ式給湯システムにおける動作処理手順の他の例を示すフローチャートである。
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に示すヒートポンプ式給湯システムAは、ヒートポンプユニットU1と、貯湯タンクユニットU2とを組み合わせて構成されている。
ヒートポンプユニットU1は、ヒートポンプ1と、ヒートポンプ1の各部への必要な電力を供給するための電源回路15とを備えている。ヒートポンプ1は、従来既知のものと同様であり、たとえばCO2などの冷媒の循環路に、ファン10aを利用して取り込まれる空気から熱を吸収する蒸発器10、圧縮機11、湯水加熱用の凝縮熱交換器12(凝縮器)、および膨張弁13が設けられたものである。
貯湯タンクユニットU2は、貯湯タンク2、補助熱源機3、制御部4、および貯湯タンクユニットU2の各部への必要な電力供給を行なうための電源回路25を具備している。
貯湯タンク2の下部および上部は、ヒートポンプ1の凝縮熱交換器12に対し、湯水往
き流路5aおよび湯水戻り流路5bを介して接続(配管接続)されている。湯水往き流路5aに設けられた循環ポンプP1が駆動されることにより、貯湯タンク2の下部から湯水往き流路5aに流出した湯水は、凝縮熱交換器12に送り込まれて加熱され、かつその後に湯水戻り流路5bを経て貯湯タンク2内の上部に戻され、貯湯動作(蓄熱動作)が行なわれる。貯湯タンク2には、複数の温度センサSaが装着され、これら温度センサSaからの検出信号に基づいて貯湯タンク2内の貯湯量(蓄熱量)を制御部4において判断可能である。
貯湯タンク2の下部および上部には、入水口61aを有する入水管61および出湯口62aを有する出湯管62が別途接続されている。出湯口62aに配管接続された給湯栓90が開状態にされると、貯湯タンク2内への入水圧によって貯湯タンク2内の湯水は出湯管62に流出し、出湯口62aから給湯栓90に向けて供給(一般給湯)される。
貯湯タンクユニットU2においては、前記した一般給湯に加え、浴槽91への湯張り・風呂追い焚き、暖房端末92への温水(熱媒)供給による暖房動作、および凍結防止動作なども可能とされ、さらには貯湯タンク2内の蓄熱量(貯湯量)が不足する際には、補助熱源機3を用いてその不足熱量を補うことが可能とされている。
具体的には、この貯湯タンクユニットU2には、浴槽91への湯張りを可能とする流路63、風呂追い焚きを可能とする循環ポンプP2および熱交換器8a、暖房端末92用の循環ポンプP3を有する熱媒循環流路64および熱交換器8b、ならびにこれらに関連する各種の湯水流路、バルブ、ポンプなどが具備されている。
凍結防止動作は、貯湯タンクU2の配管部の各所に温水を流通させる動作、および温水流通のみでは十分に温度を上昇させることが困難な箇所に設けられた不図示の凍結防止ヒータを駆動オンにするといった動作である。
補助熱源機3は、たとえばガス瞬間式湯沸器と同様であり、バーナ30および熱交換器31が缶体32内に収容され、熱交換器31に供給された湯水をバーナ30によって迅速に加熱できるように構成されたものである。
また、補助熱源機3は、入水口61aに入水されて貯湯タンク2を経由することなくこの補助熱源機3に流れてきた湯水を加熱し、かつこの加熱された湯水を出湯口62aから出湯させる態様の一般給湯、および貯湯タンク2から出湯した湯水を加熱して貯湯タンク2に貯留させる態様の貯湯動作も可能とされている。
制御部4は、マイクロコンピュータなどを用いて構成されており、貯湯タンクユニットU2の各部の動作制御やデータ処理を実行するとともに、ヒートポンプユニットU1の制御部(図示略)と協働してヒートポンプ式給湯システムAの全体の動作制御も実行する。
この制御部4は、過去の熱需要(給湯運転実績)に基づき、今後の熱需要を予測する学習能力を有し、適当なタイミングで事前に貯湯タンク2への貯湯動作(蓄熱動作)を行なわせる。蓄熱量が不足する際には、既述したように、補助熱源機3を動作させる制御も実行する。
制御部4には、リモコン40が通信接続されている。リモコン40は、データ用の表示部41、および複数の操作スイッチ42などを有しており、操作スイッチ42を操作することによって、たとえば後述する第1および第2のモードの選択設定操作などが可能である。
本実施形態のヒートポンプ式給湯システムAにおいては、ヒートポンプユニットU1および貯湯タンクユニットU2とのトータルの最大使用電力が所定値を超えないようにされており、電源回路15,25に流れるトータルの電流が、たとえば15Aを超えないように構成されている。このため、このヒートポンプ式給湯システムAは、2つの電源回路1
5,25を共通の商用電源コンセント99に配線接続した状態で適切に稼働させることが可能となっている。
制御部4は、前記したトータルの最大使用電力が所定値を超えないようにするための手段として、後述するように、このヒートポンプ式給湯システムAの通常運転時においては、ヒートポンプユニットU1を標準出力動作モードとし、かつ所定の条件が満たされたときにのみ、高出力動作モードに切り替える制御を実行する。
ここで、「標準出力動作モード」とは、貯湯タンクユニットU2が所定の高負荷運転状態となった場合であっても、ヒートポンプユニットU1と貯湯タンクユニットU2とのトータルの使用電力が前記所定値未満となる出力でヒートポンプユニットU1が動作するモードである。このモードでは、たとえば圧縮機11の回転数が所定回転数以上にならないようにされる。
前記「所定の高負荷運転状態」とは、貯湯タンクユニットU2において、たとえば一般給湯動作、風呂湯張り・追い焚き、暖房、および凍結防止動作が同時に行なわれている状態である。もちろん、これとは異なる運転状態を、本発明でいう高負荷運転状態として定めることができる。
前記「高出力動作モード」とは、ヒートポンプユニットU1が標準出力動作モード時よりも高い出力で運転されるモードである。
次に、前記したヒートポンプ式給湯システムAの作用について、図2および図3に示したフローチャートを参照しつつ説明する。
まず、貯湯タンク2への貯湯を行なうべく、ヒートポンプユニットU1の運転を開始する場合において、貯湯タンクユニットU2で凍結防止動作がなされていると、ヒートポンプユニットU1は、標準出力動作モードに設定され、このモードで運転される(S1:YES,S2:YES,S4)。標準出力動作モードについては、既述したとおりの動作モードであり、この標準出力動作モードに設定している限りは、貯湯タンクユニットU2において複数の給湯動作が同時に行なわれていたとしても、ヒートポンプ式給湯システムAの全体の使用電力が所定値以上になることはない。その後、貯湯タンク2に必要熱量の加熱湯水が貯留されると、その時点で貯湯タンク2への貯湯動作は完了し、ヒートポンプユニットU1の運転は停止される(S5:YES,S6)。
一方、凍結防止動作がなされていない場合において、補助熱源機3が運転され、かつこの運転が所定の小電力運転のみに該当する場合には、ヒートポンプユニットU1は、高出力動作モードに切り替えられる(S2:NO,S3:YES,S7)。
前記「所定の小電力運転のみ」とは、補助熱源機3がたとえば暖房加熱運転、追い焚き加熱運転、外部から供給されてくる湯水を加熱して出湯させる一般給湯運転、貯湯タンク2の湯水の再加熱を行なう補助加熱運転のいずれかの単独運転に用いられる運転が該当する。このような運転時においては、補助熱源機3は比較的小電力で運転される。
ヒートポンプ式給湯システムAにおいては、ヒートポンプユニットU1の働きを多くし、かつ補助熱源機3の働きを少なくするほど、システム全体のエネルギ効率を良好にすることが可能であるが、前記したように、ヒートポンプユニットU1を高出力動作モードに設定すれば、システム全体のエネルギ効率を高めることが可能である。その一方、高出力動作モードは、貯湯タンクユニットU2において、使用電力が大きい凍結防止動作がなされている場合には設定されず、また補助熱源機3は、前記所定の小電力運転のみに用いられていることを条件として設定されるため、高出力動作モードが設定されることに起因して、システム全体の使用電力が過大になることは回避され、前記使用電力を所定値未満に適切に抑えることが可能である。
なお、補助熱源機3が運転される場合において、前記した高出力動作モードを設定するための条件を満たさない場合には、ヒートポンプユニットU1は、標準出力動作モードに設定される(S3:NO,S4)。
ヒートポンプユニットU1が高出力動作モードに設定された場合、その後に貯湯タンクユニットU2において、前記小電力運転とは異なる給湯動作が実行される場合がある(図3のS7,S7a:YES)。この場合には、ヒートポンプユニットU1の運転モードとして、第1および第2のモードのうち、予め選択されている側のモードが設定される(S7b)。
第1および第2のモードは、次の表1のとおりである。
Figure 0007266171000001
表1に示すように、第1のモードは、ヒートポンプユニットU1が標準出力動作モードとされ、かつ補助熱源機3は、その出力(使用電力)に制限なしとされるモードである。第2のモードは、ヒートポンプユニットU1が高出力動作モードとされ、かつ補助熱源機3は、その出力に制限ありとされるモードである。ここで、「制限あり」には、補助熱源機3を運転させないことも含む。この点は、以下同様である。補助熱源機3の出力の制限は、ヒートポンプユニットU1が高出力動作モードとされた場合に、システム全体の使用電力が所定値以上にならないようにするための制限である。
前記第1のモードは、補助熱源機3の運転を優先し、熱需要に対して十分な熱供給を可能としており、ユーザにとって快適モードである。これに対し、前記第2のモードは、ヒートポンプユニットU1の運転を優先し、補助熱源機3の運転を抑えた省エネモードである。ユーザは、このような2種類のモードのうち、自己の好みに応じたモードを任意に選択し、設定することが可能であるため、より好ましいものとなる。
さらに、このヒートポンプ式給湯システムAにおいては、表1に示す2種類のモードに代えて、次の表2に示すような、4種類のモードのうちのいずれかをユーザが任意に選択し、設定することが可能な構成とすることもできる。
Figure 0007266171000002
表2に示す4種類のモードは、貯湯タンク2の蓄熱量が、要求熱量(予測熱量)に対して所定以上(たとえば85%以上)である場合と、そうでない場合とを考慮した上で、ヒ
ートポンプユニットU1が標準出力動作モードと高出力動作モードとのいずれとされるか、および補助熱源機3の出力に制限があるか否かが互いに相違するモードである。具体的には、「a.快適モード」,「b.省エネ・快適モード」,「c.快適・省エネモード」,「d.省エネモード」がある(これらの詳細は、表2に示されているとおりであり、繰り返し説明は省略する)。
このような構成によれば、前記した4種類のモードから、自己の要望に合致したモードを選択し、設定することができるため、やはり好ましいものとなる。
なお、表2に示した4種類のモードは、その内容を先に述べた第1および第2のモードで表すと、次の表3のとおりとなる。
Figure 0007266171000003
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るヒートポンプ式給湯システム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。
上述の実施形態においては、貯湯タンクユニットU2において、一般給湯、風呂湯張り・追い焚き、暖房、および凍結防止が実行されるように構成されているが、本発明はこれに限定されず、これらのうちの一部の動作のみが実行されるものとされていてもよい。また、前記以外の動作(給湯動作)がさらに可能とされていてもよい。したがって、本発明でいう「所定の高電力負荷動作」は、凍結防止動作に限らず、使用電力が高い他の動作を高電力負荷動作とすることもできる。また、本発明でいう「高負荷運転状態」、補助熱源機の「所定の小電力運転」なども、上述した実施形態とは異なる内容とすることができる。
ヒートポンプの具体的な種類(冷媒の種類など)も限定されない。
A ヒートポンプ式給湯システム
U1 ヒートポンプユニット
U2 貯湯タンクユニット
1 ヒートポンプ
2 貯湯タンク
4 制御部

Claims (7)

  1. ヒートポンプユニットと、
    このヒートポンプユニットを利用して加熱された湯水を貯留する貯湯タンクを有し、かつこの貯湯タンクからの出湯による給湯動作および熱負荷への熱供給が可能とされている貯湯タンクユニットと、
    を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記ヒートポンプユニットの動作モードとして、標準出力動作モードと、この標準出力動作モードよりも使用電力が大きい高出力動作モードと、があり、
    前記標準出力動作モードは、前記高出力動作モードが設定されていないときの動作モードであり、かつ前記貯湯タンクユニットが所定以上の電力負荷状態である高負荷運転状態となった場合であっても、前記ヒートポンプユニットと前記貯湯タンクユニットとのトータルの使用電力が所定値未満とされる動作モードであり、
    前記ヒートポンプユニットは、前記標準出力動作モードによっては必要熱量を賄えない状況が生じる場合には、前記貯湯タンクユニットにおいて所定の高電力負荷動作が実行されていないことを最低条件として、前記高出力動作モードに切り替え設定されるように構成されていることを特徴とする、ヒートポンプ式給湯システム。
  2. 請求項1に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記所定の高電力負荷動作は、凍結防止動作である、ヒートポンプ式給湯システム。
  3. 請求項1または2に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記貯湯タンクユニットは、前記貯湯タンクから出湯し、または前記貯湯タンクに供給される湯水、もしくは外部から前記貯湯タンクを経由することなく供給されてくる湯水を加熱可能な補助熱源機を、さらに備えている、ヒートポンプ式給湯システム。
  4. 請求項3に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記ヒートポンプユニットが前記高出力動作モードに設定される条件として、前記補助熱源機が所定の小電力運転であることが追加の条件とされている、ヒートポンプ式給湯システム。
  5. 請求項4に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記補助熱源機の前記所定の小電力運転は、前記補助熱源機が、暖房加熱運転、追い焚き加熱運転、外部から供給されてくる湯水を加熱して出湯させる一般給湯運転、前記貯湯タンクの湯水の再加熱を行なう補助加熱運転のいずれかの単独運転に用いられる運転である、ヒートポンプ式給湯システム。
  6. 請求項4または5に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記ヒートポンプユニットが既に前記高出力動作モードとされている場合において、前記補助熱源機が前記所定の小電力運転以外の運転に用いられる場合の動作モードとして、
    前記ヒートポンプユニットを前記標準出力動作モードに切り替えた上で、前記補助熱源機の運転は制限無しとする第1のモードと、
    前記ヒートポンプユニットを前記高出力動作モードに維持したままで、前記補助熱源機の運転を制限する第2のモードと、
    があり、これらのうちのいずれかを任意に選択して設定することが可能とされている、ヒートポンプ式給湯システム。
  7. 請求項6に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
    前記第1および第2のモードのいずれかの選択設定を、前記貯湯タンクの蓄熱量に応じて切り替えることが可能とされている、ヒートポンプ式給湯システム。
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