JPH0235911B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は太陽熱と外気熱を選択的に熱源とし
て利用し、例えば給湯用の温水を製造するソーラ
ーヒートポンプ装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来この種の給湯装置としては第１図に示すも
のがあつた。図において、１は圧縮機、２は凝縮
器、３は膨張弁、４は蒸発器として作動する直膨
形のコレクターで、これらが順次環状に結ばれて
冷凍回路を構成している。５は前記凝縮器２が下
部に挿入された給湯用の貯湯槽である。なおコレ
クター４には種々の形式のものが利用でき、例え
ば太陽熱と外気熱を同時に集熱できる集熱板と冷
媒流通管が一体化され、外気に露出させた裸タイ
プのコレクターや、太陽熱集熱用のコレクターと
外気熱集熱用の熱交換器を直列または並列に独立
して設け、気象条件に応じ選択的に利用するもの
や、透明板と送風機を備えた蒸発器を送風機を停
止することによつて太陽熱コレクターとして、ま
た送風機を回すことにより外気熱コレクターとし
て利用するものなどが考えられる。またソーラー
ヒートポンプ装置用の圧縮機１は運転条件範囲が
広いことからインバーター等により能力が可変で
きるものが好ましく、膨張弁３も広い制御範囲を
有するものを使用することができる。

次に動作について説明する。圧縮機１から吐出
された高温高圧の冷媒ガスは凝縮器２へ送られ、
ここで液化し凝縮潜熱を貯湯槽５の水へ放出し水
温を高める。液化した冷媒は膨張弁３で減圧され
低温低圧となりコレクター４へ至る。ここでもし
日射が十分あれば太陽熱で冷媒は加熱され、日射
が弱ければ外気から熱をうばい蒸発してガスにな
り圧縮機１に吸入される。太陽熱を熱源とする場
合と外気を熱源とする場合では圧縮機１の回転数
制御等により蒸発温度を変えることが望ましい。
外気熱利用の場合の蒸発温度は外気温より５〜10
℃程度低いが、太陽熱利用の場合は圧縮機１の回
転数を下げることによつて外気温程度が、外気温
を上回る温度で蒸発させることができる。太陽熱
を使う事により蒸発温度を高め冷凍サイクルの圧
縮比を縮めて成積係数（COP）を高めることが
できる。

従来のソーラーヒートポンプ装置は以上のよう
に構成されているので、日射が十分ある時でも圧
縮比は小さいが圧縮機１で冷媒ガスを圧縮して圧
力を高めるという効率の悪い仕事がいぜんとして
必要で、圧縮機１の電気入力、つまりコレクター
４から凝縮器２へのエネルギー移動の搬送動力を
極端に低減することができず、また日射が短時間
で激しく変わり蒸発能力が大きく変動する時に圧
縮機１への冷媒の液バツクを起こさせる事なく安
定して冷凍サイクルを運転させる事がむずかしい
という欠点があつた。

〔発明の概要〕

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、日射が得られる時
間帯は冷凍サイクル内の冷媒の循環を液領域に設
けた冷媒ポンプで行なわせる省エネルギー形のソ
ーラーヒートポンプ装置を提供することを日的と
している。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第２図において、１，２，３，５は上記従来
装置と全く同一である。４は太陽熱または外気熱
を集熱する兼用形のコレクターで、透明板６を備
えた外箱７内に蒸発器８が設置されている。また
コレクター４には上記蒸発器８を外気を通風させ
る送風機９が付属している。１０は膨張弁３に並
列に設けられた冷媒液搬送用の循環ポンプ、１１
はこの循環ポンプの吸入側に設けられた電磁弁、
１２は膨張弁３の入口側に設けられた第１逆止
弁、１３は圧縮機１の前後をバイパスする回路上
に設けられた第２逆止弁で、圧縮機１の吸入側か
ら吐出側への冷媒ガスの流れを可能にしている。
１４は凝縮器２の出口側へ設けられた冷媒液を一
時貯えておくための液溜である。

上記の様に構成されたソーラーヒートポンプ装
置においては、空気熱源運転時と太陽熱源運転時
ではそれぞれ次のようにシステムが動作する。ま
ず空気熱源運転では圧縮機１と送風機９が運転さ
れる。このとき電磁弁１１は閉じておく。圧縮機
１から出た冷媒ガスは凝縮器２で凝縮潜熱を放出
して液化し、液溜１４にいつたん溜り第１逆止弁
１２を通り膨張弁３へ至る。冷媒はここで減圧さ
れコレクター４の蒸発器８へ入り送風機９で外箱
７内通風路に送られた外気から熱をうばい取り蒸
発して圧縮機１へ戻る。この時の凝縮温度・蒸発
温度は貯湯槽水温・外気温とそれぞれ５〜10℃の
温度差をもつている。なお空気熱源運転時でも晴
れていれば日射がコレクター４内に入り直接蒸発
器８で吸収され熱量に変わるため通常のヒートポ
ンプ装置の空外コイルに比べ蒸発温度のレベルを
若干上げCOPを改善することができる。冷凍サ
イクルとしての制御は例えばスーパーヒートを計
測して膨張弁３の開度をコントロールする。また
外気温や貯湯槽水温に応じて圧縮機１の能力をイ
ンバータ等により制御してやるとCOPを平均的
に高めることができる。次に太陽熱源運転時では
電磁弁１１を開け循環ポンプ１０を運転する。圧
縮機１と送風機９は停止しておく。循環ポンプ１
０から送り出された液冷媒はコレクター４の蒸発
器８で太陽熱によつて蒸発させられる。冷媒ガス
は第２逆止弁１３を通つて圧縮機１をバイパス
し、凝縮器２で液化し液溜１４へ溜り再び電磁弁
１１を通り循環ポンプ１０へ吸い込まれる。この
時の蒸発器８と凝縮器２の圧力差は両者を結ぶ冷
媒回路の圧損分だけに縮まり、したがつて飽和温
度の差も小さい。蒸発温度は貯湯槽５の水温の上
昇にともなつて高くなる。したがつてコレクター
４としては集熱温度が高くとも集熱効率が急激に
低下しない断熱構造をもつていることが必要であ
る。液溜１４は循環ポンプ１０に安定して液冷媒
を供給するために設けてあるが場合によつては取
り除くことも可能である。循環ポンプ１０の冷媒
搬送能力は日射が強い時でも蒸発器８の出口が飽
和状態であることが望ましいが、省エネルギーの
観点からはなるべく小電力の方がよい。なお圧縮
機１にインバータを備えている場合にはこのイン
バータを使つて蒸発器８の出口のスーパーヒート
により循環ポンプ１０の回転数制御を行なつてや
れば蒸発器８全体を相変化の領域として使うこと
ができ集熱効率の上昇あるいは消費電力の低減に
つながる。この事は特公昭55−39737にくわしく
述べてある。なお循環ポンプ１０の設置される位
置は重力により液冷媒が溜りやすい冷凍サイクル
下部が望ましい。

なお、冷媒ガス用の圧縮機１を運転して低温か
ら高温へ熱を移動させるのに消費される電力量と
冷媒液用の循環ポンプ１０を運転してほぼ同温度
で熱を移動させる電力量とでは大きな違いがあ
り、循環ポンプ１０を利用した方が省エネルギー
となる。つまりシステムの成積係数（COP）は
循環ポンプ利用の方が大きいことになる。

次にシステムの運転制御法について述べる。第
３図は晴天日の日射パターンと日本の一般家庭に
おける給湯負荷パターンおよび貯湯槽５内の水温
状態を示したものである。なお貯湯槽５内の水は
凝縮器２が槽下部へ挿入されているため加熱時に
は自然対流により上下均一に沸上つていく。凝縮
温度は水温の上昇と共に順次高まつていく。貯湯
槽５からの熱の取り出しはその槽上部から行なわ
れ、使用した分だけ冷たい水が槽下部から給水さ
れる。温水と冷水は比重の違いにより互いに混合
せず上下に分離している。朝方の貯湯槽５は上部
に前日の残り湯が１〜２割ありその下は給水温度
になつている。日中の運転により槽水温は徐々に
高まつていく。午前から日中にかけて発生する給
湯負荷に対しては前日の残り湯で対応する。夕方
入浴の給湯負荷が発生する前までに水温は沸上つ
ている。給湯負荷としては入浴のための負荷が大
きく夕方から22時頃までに集中していて、日中の
負荷は比較的少ない。ソーラーヒートポンプ装置
としては日射のある時はなるべく有効に太陽熱を
利用して省エネルギー的に運転させることが必要
である。一方季節に合つた給湯負荷を必要な時刻
に確保しておくことも必要であり、高いCOPの
維持と必要熱量の確保を実現させるための最適制
御法が求められている。第４図は制御概念を示す
フローチヤートである。ソーラーヒートポンプ装
置の運転は日中に限定する必要がある。なぜなら
ば夜間、外気温の低い時間帯にCOPの低い空気
熱源運転で温水を作つてしまうと、翌日晴天とな
つても高COPで運転できる太陽熱源運転が不可
能になつてしまうからである。したがつてソーラ
ーヒートポンプ装置では天候に関係なく日中のみ
装置を運転するよう制御することが好ましい。第
４図においてまずステツプ１５で貯湯槽５の水温
が設定値に達つしているか否かを判断する。水温
が設定値を上回つていればスタートに戻り、下回
つていればステツプ１６に進む。ここで切換スイ
ツチが手動（空気熱源）ならばステツプ１９へ進
み圧縮機１が運転される。また切換スイツチが手
動（太陽熱源）ならばステツプ１８へ進み循環ポ
ンプ１０が運転される。さらに切換スイツチが自
動ならばステツプ１７へ進む。ここではタイマー
により現在の時刻が判定され、もし18時以降６時
までならばスタートに戻り、６時から９時または
15時から18時の間ならばステツプ１９へ進み空気
熱源運転が行なわれる。時刻が９時から15時の間
ならばステツプ１８へ進み太陽熱源運転が行なわ
れる。ステツプ１８とステツプ１９からは再びス
タートへ戻る。空気熱源運転の行なわれる朝と夕
方は晴天日であつても日射量の少ない時間帯であ
り、また朝方は貯湯槽５の水温が低く空気熱源運
転を行なつても凝縮温度と蒸発温度の差が小さく
比較的高いCOPで運転することができる。また
夕方の運転時間帯は貯湯槽５への熱量を確実に確
保するためのいわば余裕の時間帯であり、晴天日
で15時までの太陽熱源運転で水温が設定値に沸上
つてしまえば運転はされない。反対に天気が悪く
15時までの温度上昇が小さければ15時から18時ま
での間でいつきに空気熱源運転で沸き上げてしま
う。この時間帯のCOPは凝縮温度が高くなつて
いるため比較的悪い。９時から15時までの時間帯
は天候にかかわりなく太陽熱源運転を行なう。な
おフローチヤートには示していないが、日射量が
少なく循環ポンプ１０を運転しても集熱量がごく
少なくCOPが1.0を下回るような時は循環ポンプ
１０を停止する。この判断は蒸発温度と凝縮温度
との差を検知することによつて可能である。なお
第４図のステツプ１７で示した判定時刻は絶対的
なものではなく、圧縮機１や循環ポンプ１０・コ
レクター４の能力と貯湯槽５の容量との関係や季
節等によつて最適な値を採用する必要がある。

第５図は循環ポンプ１０と膨張弁３回りの他の
実施例を示すもので、循環ポンプ１０と膨張弁３
を選択的に使用するための電磁弁１１と第１逆止
弁１２に変えて三方電磁弁２０を設けている。第
６図も循環ポンプ１０回りの他の実施態様を示す
もので、このとき膨張弁３は、絞り機構部のオリ
フイスの開口面積を充分に開けて、流れ抵抗の少
ない構成とし、その入口側に設けた第１逆止弁１
２に並列に循環ポンプ１０を設けている。この場
合膨張弁３は全開時圧損がごく少なくなるタイプ
のものを使用することが必要である。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば太陽熱と外気
熱を選択的に利用できるコレクターを蒸発器とし
てもつ冷凍サイクル上に冷媒液の搬送用の循環ポ
ンプを設け、この循環ポンプと圧縮機の運転を時
間帯制御することにより、太陽熱を有効に利用で
き高いCOPが得られ、また熱量を必要な時刻ま
でに確実に確保できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のソーラーヒートポンプ装置の給
湯システムを示すシステム図、第２図はこの発明
の一実施例を示す給湯システム図、第３図は晴天
日の日射および給湯負荷パターンを示す説明線
図、第４図はこの発明の一実施例の制御動作を示
すフローチヤート図、第５図はこの発明の他の実
施例を示す循環ポンプ回りを示すシステム図、第
６図はこの発明のさらに他の実施例を示す循環ポ
ンプ回りのシステム図である。 １…圧縮機、２…凝縮器、３…膨張弁、４…コ
レクター、６…透明板、８…蒸発器、９…送風
機、１０…循環ポンプ、１３…第２逆止弁。なお
図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 透明板と蒸発器と送風機とからなり太陽熱と
   外気熱を選択的に集熱するコレクター、圧縮機、
   凝縮器および膨張弁とを環状に結んだ冷凍サイク
   ルにおいて、凝縮器とコレクター間に両者の圧力
   差を小さく保つ形で凝縮器側からコレクターへ冷
   媒液を搬送する循環ポンプと、圧縮機の前後をそ
   の吸入側から吐出側へバイパスさせる逆止弁とを
   備えたソーラーヒートポンプ装置において、凝縮
   器とコレクターとの中間の配管中に冷媒液流の上
   流側から順次接続した逆止弁と膨張弁の両者と並
   列になるように上流側から電磁弁と循環ポンプを
   接続したことを特徴とするソーラーヒートポンプ
   装置。 ２ 凝縮器とコレクターとの中間の配管中に、三
   方切換え弁によつて冷媒液と膨張弁と循環ポンプ
   に選択的に流すことのできる構成を有する特許請
   求の範囲第１項記載のソーラーヒートポンプ装
   置。 ３ 透明板と蒸発器と送風機とからなり太陽熱と
   外気熱を選択的に集熱するコレクターと、圧縮機
   と、凝縮器と、膨張弁とを環状に結んだ冷凍サイ
   クルにおいて、凝縮器とコレクター間にこの両者
   の圧力差を小さく保つ形で凝縮器側からコレクタ
   ーへ冷媒液を搬送する循環ポンプと、圧縮機の前
   後をその吸入側から吐出側へバイパスさせる逆止
   弁と、圧縮機を朝方と夕方の時間帯に運転させ、
   循環ポンプを日中の時間帯に運転させる制御器を
   備えたソーラーヒートポンプ装置において、凝縮
   器とコレクターとの中間の配管中に冷媒液流の上
   流側から順次接続した逆止弁と膨張弁の両者と並
   列になるように上流側から電磁弁と循環ポンプを
   接続したことを特徴とするソーラーヒートポンプ
   装置。 ４ 凝縮器とコレクターとの中間の配管中に、三
   方切換え弁によつて冷媒液を膨張弁と循環ポンプ
   に選択的に流すことのできる構成を有する特許請
   求の範囲第３項記載のソーラーヒートポンプ装
   置。