JPH03230062A - ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は現在温水ボイラ等が用いられている給湯や、暖
房及び冷凍機が用いられる冷蔵や冷房などの負荷に対す
る冷却・加熱を行なうヒートポンプ装置に関するもので
ある。

なお、ここで「ヒートポンプ、とは単に加熱目的のヒー
トポンプのみではなく、冷却専用も含む広義のヒートポ
ンプを意味する。

〔従来技術〕

第５図は従来の都市における熱利用形態の概念図である
。図示するように、給湯負荷２０１に対しては、温水ボ
イラ２０２が用いられ、暖房負荷２０−３には温水ボイ
ラ２０２または燃焼熱より直接空気を暖める暖房機が用
いられている。また、冷房負荷２０４に対してはターボ
冷凍機やパッケージエアコン等の冷凍機２０５又は吸収
冷凍機等力秋冷蔵負荷２０７に対してはショーケースや
冷蔵庫２０６に設備されている冷凍機が用いられている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近、大気中に放出される二酸化炭素等による温室効果
により、地球の温暖化が問題となっており、エネルギー
の有効利用が不可欠となってきた。そのためスーパー等
のショーケース、大型冷蔵倉庫等の冷蔵負荷用冷凍機の
凝縮器から廃熱を暖房や給湯等に利用し、エネルギーの
有効利用を図ることが考えられるが、これは次の理由に
より難しく、実用になっていない。即ち、凝縮温度が増
加するために圧縮比が高くなり、冷凍機の性能が悪化し
、動力が増加し、加熱と冷却が同時にできるというメリ
ットよりも一部エネルギーの使用が増加してしまう。

本出願の第１の発明は、温度の低い冷蔵負荷用冷凍機の
廃熱も温熱として利用し、−次エネルキーの使用量を減
じ、地球温暖化の主因である二酸化炭素の発生を抑制す
ることができるヒートポンプ装置を提供することを目的
とする。

また、本出願の第２の発明は、同様に冷却と加熱を同時
に行なうことにより、−次エネルギーの使用量を減じ二
酸化炭素の発生を抑制することであるが、その冷却負荷
の対象が主とし工冷房負荷の場合である。即ち、冷却負
荷が冷房負荷の場合には冬季はその熱量が少ないという
問題点がある。そのため、冬季は熱源として給湯から廃
熱を用いることが考えられるが、この場合も第１の発明
の場合と同様、圧縮機の圧縮比が増大して、圧縮機動力
が増大し、加熱と冷却が同時にできるメリットよりも一
部エネルギー使用が増大してしまう。そこで本出願の第
２の発明は冷却負荷が少ないときにも、加熱負荷の廃熱
を利用して総合性能を向上させることができるヒートポ
ンプ装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本出願の第１の発明は、給湯用
負荷、冷蔵負荷及び少なくとも１以上の圧縮機、凝縮器
、減圧装置、蒸発器等から構成される少なくとも１以上
のヒートポンプを具備し、蒸発器を直接又は間接的に加
熱する該ヒートポンプの吸熱源の少なくとも一部が冷蔵
負荷であり、且つ該冷蔵負荷を熱源とするヒートポンプ
は該冷蔵負荷より奪取した熱を給湯用の給水の予熱に用
いるように構成されたことを特徴とする。

また、本出願の第２の発明は、給湯用負荷を加熱するた
めの高温流体経路、低温負荷を冷却するための低温流体
経路、該低温負荷より高温で給湯用負荷より低温の中間
温度流体のための中間温度流体経路と、少なくとも２以
上の圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器等から構成され
る少なくとも２以上のヒートポンプを具備し、該ヒート
ポンプの少なくとも１台以上が低温負荷を直接又は間接
的に熱源とし、中間温度流体経路の中間温度流体により
冷却される低温ヒートポンプであり、他のヒートポンプ
が中間温度流体を熱源とし、直接又は間接的に給湯用負
荷により冷却されるヒートポンプ装置であって、中間温
度流体経路の流体の一部が低温側ヒートポンプにより冷
却された後、低温負荷経路に移動し、且つ低温負荷経路
の一部が給湯の廃水により直接又は間接的に加熱きれて
中間温度流体経路に移動することを特徴とする。

〔作用〕

ヒートポンプ装置を上記構成とすることにより、第５図
に示す従来システムに比較し、大幅に二酸化炭素発生量
を削減できる。即ち、第６図は本発明のヒートポンプ装
置を利用した都市における熱利用形態の概念図であるが
、図示するように、第６図では第５図のシステムに比較
し、負荷合計２０８が同一である場合、−次エネルギー
消費量を約１／３に削減することができるので、ＣＯ２
発生量も１／３に削減すことができ、地球温暖化助士に
極めて有効に貢献できる。

また、第２の発明の場合は冷蔵負荷がないが、このとき
も冷房負荷が少なくとも一部エネルギ使用量を大幅に減
少することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本出願の第１の発明の詳細な説明するための図
であり、第２図は第１の発明の実施例をなすヒートポン
プ装置のシステム構成を示す図である。なお、図中の温
度（°Ｃ）は説明のだめの一例である。また、第１図に
おいて、横軸はエントロピー、縦軸は温度を示す。

本ヒートポンプ装置においては、低温側ヒートポンプ９
と高温側ヒートポンプ１０が装備されている。この高温
側ヒートポンプ１０が製氷、冷暖房、貯湯の３つのモー
ドを時間差で運転できるようになっている。

第２図において、矢印←は、冷蔵給水加熱時の流れを示
す。冷蔵負荷には、温度レベルに応じて２種類の冷蔵負
荷１１．１２があり、冷蔵負荷１１の冷却には低温側ヒ
ートポンプ９が、冷蔵負荷１２の冷却には氷蓄熱槽１３
に蓄えられた冷熱により冷却される。低温側ヒートポン
プ９は蒸発器１４にてブライン配管１５内のブラインを
冷却する（温度−１５°Ｃ）と同時に凝縮器１６にて給
水熱交換器１７からの給水加熱水を加熱し、間接的に給
水管１８からの給水（温度１０°Ｃ）を加熱する。１９
は低温側ヒートポンプ９の圧縮機である。通常はこの低
温側ヒートポンプ９は常時運転されている。

給水熱交換器１７で予熱された給水は給水熱交換器２０
により更に予熱される。このとき給水熱交換器２０の加
熱流体としては温水槽２１の高温側２２（温度４５°Ｃ
）の温水が用いられている。

即ち、ポンプ２３により配管２４，２５．２６を通って
温水が給水熱交換器２０に送られ、該温水により給水熱
交換器２０が加熱され、逆に温水は冷却され配管２７，
２８．２９を通って温水槽２１の低温側３０（温度４０
°Ｃ）に戻される。

第２図において、矢印←は、高温側ヒートポンプ１０の
温度条件が製氷モードのときの流れを示す。このときは
高温側ヒートポンプ１０のヒートソースに、氷蓄熱槽１
３における水の製氷潜熱が用いられ、ヒートシンクは給
水熱交換器２０における給水予熱が用いられる。即ち、
ポンプ３１により、ブライン配管３２．３３を通ってブ
ライン蒸発器３４にブラインが供給され、高温側ヒート
ポンプ１０を加熱し、また凝縮器３５を冷却した冷却水
は配管３６，３７，２５，２６，２７゜２８を通り、再
び凝縮器３５に戻る。このとき自動切換バルブ３９，４
０，４１，４２，４３．４５は製氷モード側に切替えら
れる。この製氷モードは通常夜間（例えば０時〜８時等
）に運転される。なお、４６は高温側ヒートポンプ１０
の圧縮機である。

第２図において、矢印←は、冷・暖房モードの場合の流
れを示す。将来の省エネルギービルでは、断熱構造とな
っているため、暖房負荷は小さいが、冷房負荷は大きく
なる。従って、この冷・暖房モードは太陽光のある日中
（例えば８時〜１６時）に運転される。高温側ヒートポ
ンプ１０のヒートソースとしては冷房負荷が、ヒートシ
ンクとしては暖房負荷が用いられる。冷房負荷からの還
水は冷水ポンプ５２により、配管４７．４８を通り、冷
水蒸発器４９に供給され冷却され、配管５０．５１を通
って冷房負荷に供給される。一方ヒートシンク側は切替
弁４３，４４，４１．４２が切替えられ、暖房負荷の戻
りは配管５３，２８．２９を通り温水槽２１の低温側３
０に戻り、更にポンプ５５により、配管５４．５６を通
り、凝縮器３５で加熱され、配管５７を通って再び温水
槽２１の高温側２２に戻諮れる。

第２図において、矢印←は、貯湯モードのときの流れを
示す。高温側ヒートポンプ１０は給水の廃水熱をヒート
ソースとして、給湯加熱を行なう運転となる。給湯の廃
水をタンクにより一時貯水する場合は夜間に、貯水しな
い場合には給湯負荷廃水の多いときに、例えば１６時〜
２４時に運転される。給湯廃水は配管５８から四方弁５
９を経由して熱回収熱交換器６０に送られ、四方弁５９
を経由し、配管６１から下水に放流される。この四方弁
５９は自動的にときどき切替えられることにより、熱回
収熱交換器６０のチューブ内のブラシが左右に移動し、
自動洗浄されるようになっている。熱回収熱交換器６０
のチューブ外側の中湿度水が加熱され、冷水ポンプ５２
により配管６１．４８を通って冷水蒸発器４９に送られ
、配管５０．６２を通り再び熱回収熱交換器６０に戻さ
れる。即ち、このモードでは三方弁６３．６４は貯湯モ
ード側に切替えられる。

一方、Ｅ−トシンク側温水は、切替弁３９，４０．６５
が切替えられ、ポンプ５５の運転により凝縮器３５で加
熱され、配管３６．６６を通って貯湯槽８０に送られ、
貯湯槽８０内の湯を加熱する。そして逆に温水は冷却さ
れて、配管６７．５６を経由し、再び凝縮器３５に戻さ
れる。貯湯槽７０内の湯は配管６８により、給湯負荷に
送られる。

上記第２図に示すシステム構成のヒートポンプ装置にお
いては、第１図に示すように、高温側ヒートポンプ１０
の給湯モードのときも、低温側ヒートポンプ９も凝縮温
度と蒸発温度との差が小さく、従って圧縮比も小さく、
・冷凍機の性能が良好となる。なお、第１図において、
６９は給水が湯となる温度変化を示し、７０は給湯廃水
の温度変化を示す。低温側ヒートポンプ９の凝縮は７１
、貯湯モードのときの高温側ヒートポンプ１０の蒸発温
度は７２となり、いずれも圧縮比が小さくなるようにな
っている。

第３図は本出願の第２の発明の詳細な説明するための図
であり、第４図は第２の発明の実施例をなすヒートポン
プ装置のシステム構成を示す図である。なお、図中の温
度（°Ｃ）は説明のための一例である。また、第１図に
おいて、横軸はエントロピー、縦軸は温度を示す。

第４図に示すように、本ヒートポンプ装置は低温側ヒー
トポンプ１０９と高温側ヒートポンプ１１０が装備され
ている。そして低温側ヒートポンプ１０９が時間差で暖
房モードと冷房モードの２つのモードで運転されるよう
になっている。また、低温側ヒートポンプ１０９は時間
差多段凝縮ヒートポンプとなっており、高温側ヒートポ
ンプ１１０は多段凝縮ヒートポンプとなっている。

第４図において、矢印←は、低温側ヒートポンプ１０９
の冷房モードの流れを示す。冷水槽１０１内の冷水は（
温度１２°Ｃ）、ポンプ１０２により配管１０３、切替
バルブ１０４，１０４’配管１０５．１０５’を経由し
て低温側ヒートポンプ１０９に送られ、該低温側ヒート
ポンプ１０９で冷却され（温度７°Ｃ）、切替弁１０７
、配管１０８を経由して、冷水槽１０１に戻される。そ
してこの運転のときこの高温側ヒートポンプは高温側ヒ
ートポンプ１１０の熱源水が用いられる。即↓ ち、中間水槽１１の中間温水は（温度２５°Ｃ）、ポン
プ１１２により配管１１３、切替弁１１４゜１１５を経
由して低温側ヒートポンプ１０９の凝縮器１１６に送ら
れ、ここで加熱され（温度３０℃）、配管１１７、切替
弁１１８，１１９、配管１２０を経由して中間水槽１１
１に戻される。

第４図において、矢印←は、低温側ヒートポンプ１０９
の暖房モードの流れを示す。このとき低温側ヒートポン
プ１０９の熱源には中間水槽１１１の中間温水が用いら
れている。切替弁１１４．１０４’、１０４，１１５，
１１８，１１９が切替えられ、中間水槽１１１の中間温
水（温度２５°Ｃ）がポンプ１１２により配管１１３、
切替弁１１４，１０４’を経由して、蒸発器１０６に送
られ、ここで冷却され（温度１２°Ｃ）、配管１０５、
切替弁１０４、配管１２１を経由して、冷水槽１０１に
戻される。なお、このとき切替弁１０７は配管１０８側
が閉じ、配管１２２から流出した冷水が、更に配管１２
３を通って蒸発器１０６で冷却されるように作用する構
造となっている。また、温水（温度４０°Ｃ）は温水槽
１２４から、ポンプ１２５により、配管１２６、切替弁
１１５を経由し、低温側ヒートポンプ１０９の凝縮器１
１６で加熱され（温度４５°Ｃ）、配管１１７、切替弁
１１８、配管１２７、切替弁１１９、配管１２８を経由
して温水槽１２４に戻される。

第４図において、矢印←は、高温側ヒートポンプ１１０
の給湯モード時の流れを示す。この高温側ヒートポンプ
１１０の熱源は中間水槽１１１の中間温水が用いられる
。中間水槽１１１の中間温水（温度３０°Ｃ）はポンプ
１２９により、配管１３０．１３１を経由し、高温側ヒ
ートポンプ１１０の蒸発器１３２に送られ、ここで冷却
され（温度２５°Ｃ）、配管１３３．１３４を経由して
温水槽１２４に戻される。

また、配管１３０中の中間温水の一部は配管１３５を通
り、高温側ヒートポンプ１１０の凝縮器１３６に送られ
、ここで加熱される（温度６５°Ｃ）。そして配管１３
７を経由して熱交換器１３８で給水を加熱し、配管１３
９．１３４を経由して、中間水槽１１１に戻される。ま
た、給水は中間水槽１１１の中間温水又は冷水槽１０１
内の水により予熱きれ、配管１４０から熱交換器１３８
に送られ、ここで加熱され貯湯槽１４１に貯湯される。

なお、給湯は給湯負荷１４２で使用された後、廃熱回収
装置１６０により熱回収される。即ち、廃水は四方弁１
４３を経由した後、熱交換器１４４により冷水を加熱し
て、熱回収された後、再び四方弁１４３を通り、配管１
４５から廃水される。

この熱交換器１４４で加熱詐れる冷水はポンプ１４６に
より配管１４７を経由して冷水槽１０１から送られてく
る。そして配管１４８，１３４を経由して、中間水槽１
１１に送られる。

なお、冷水槽１０１は主として冷房負荷に供され、温水
槽１２４は暖房負荷に供されるが、冬季、その他の熱源
があればこれら冷水槽１０１、中間水槽１１１、温水槽
１２４を加熱されるようになっている。

また、夏季は暖房負荷がないので、連絡管１４９により
温水槽１２４は冷水槽１０１として用いられる。夏季は
冷却負荷の方が給湯負荷より太きくなるので密閉冷却塔
１５０が用いられる。即ち、中間水槽１１１の水はポン
プ１１２により配管１１３、切替弁１１４，１１５を経
由して凝縮器１１６に送られ、ここで加熱された冷却水
は切替弁１１８を経由して密閉冷却塔１５０で冷却され
、配管１５１、切替弁１１９、配管１２０を経由して中
間水槽１１１（夏季は３２°Ｃ程度の冷却水槽となる）
に戻る。

また、上記システム構成のヒートポンプ装置においては
、給湯負荷の発熱が最も温度の低い冷水槽１０１の冷水
を加熱するようになっていて、且つ熱回収量が多くなっ
ていて、冷水槽１０１の冷水が中間水槽１１１に移るよ
うになっているが、低温側ヒートポンプ１０９の暖房モ
ードのとき、中間水槽１１１の水が冷水槽１０１に移る
ようになっているので、蓄熱水位を安定するように作用
する。

上記第４図に示すシステム構成のヒートポンプ装置にお
いては、高温側ヒートポンプ１１０は第３図に示すよう
に、凝縮温度の異なる２種類の凝縮機を持つ多段凝縮ヒ
ートポンプとなっている。

図中１５２，１５３は凝縮器内の温度変化を示す。低温
側ヒートポンプ１０９は凝縮器は１個であるが、暖房モ
ードのときと冷房モードのときで、図中１５４，１５５
に示すように温度差が異なり、時間差で多段凝縮ヒート
ポンプとなっている。また、蒸発温度も図中１５６，１
５７．１５８に示すように異なり、凝縮温度１５５，１
５４．１５３，１５２と蒸発温度１５６，１５７゜１５
８の差が小さくなっている。

なお、第１図及び第２図の高温側ヒートポンプは、１台
のヒートポンプで製氷モード、冷・暖房モード、給湯モ
ードの３つのモードで運転できるようになっているが、
勿論者々別のヒートポンプを用いてもよい。

また、第３図及び第４図の低温側ヒートポンプは１台の
ヒートポンプで冷房モードと暖房モードの２つのモード
で運転できるようになっているが、勿論者々別のヒート
ポンプを用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本出願の発明によれは下記のような
優れた効果が得られる。

第１の発明の場合は、凝縮温度と蒸発温度との差が小さ
く、従って圧縮比も小さく、冷凍機の性能が良好となる
。従って総合的に一部エネルギーの消費量が大幅に削減
でき、地球の温暖化防止に貢献できるヒートポンプ装置
を提供できる。

第２の発明の場合も、凝縮温度と蒸発温度との差が小さ
く冷凍機の性能が良好となる。従って第１の発明と同様
、地球の温暖化防止に貢献できるヒートポンプ装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願の第１の発明の詳細な説明するための図
、第２図は第１の発明の実施例をなすヒートポンプ装置
のシステム構成を示す図、第３図は本出願の第２の発明
の詳細な説明するための図、第４図は第２の発明の実施
例をなすヒートポンプ装置のシステム構成を示す図、第
５図は従来の都市における熱利用形態の概念図、第６図
は本発明のヒートポンプ装置を利用した都市における熱
利用形態の概念図である。 図中、９・・・・低温側ヒートポンプ、１０・・・・高
温側ヒートポンプ、１１．１２・・・・冷蔵負荷、１３
・・・・氷蓄熱槽、２１・・・・温水槽、１０９・・・
・低温側ヒートポンプ、１１０・・・・高温側ヒートポ
ンプ、１０１・・・・冷水槽、１１１・・・・中間水槽
、１２４・・・・温水槽。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）給湯用負荷、冷蔵負荷及び少なくとも１以上の圧
   縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器等から構成される少な
   くとも１以上のヒートポンプを具備し、 前記蒸発器を直接又は間接的に加熱する該ヒートポンプ
   の吸熱源の少なくとも一部が前記冷蔵負荷であり、且つ
   該冷蔵負荷を熱源とするヒートポンプは該冷蔵負荷より
   奪取した熱を前記給湯用の給水の予熱に用いるように構
   成されたことを特徴とするヒートポンプ装置。
2. （２）給湯用負荷を加熱するための高温流体経路、低温
   負荷を冷却するための低温流体経路、該低温負荷より高
   温で前記給湯用負荷より低温の中間温度流体のための中
   間温度流体経路と、少なくとも２以上の圧縮機、凝縮器
   、減圧装置、蒸発器等から構成される少なくとも２以上
   のヒートポンプを具備し、該ヒートポンプの少なくとも
   １台以上が前記低温負荷を直接又は間接的に熱源とし、
   前記中間温度流体経路の中間温度流体により冷却される
   低温ヒートポンプであり、他のヒートポンプが前記中間
   温度流体を熱源とし、直接又は間接的に給湯用負荷によ
   り冷却されるヒートポンプ装置において、 中間温度流体経路の流体の一部が低温側ヒートポンプに
   より冷却された後、低温負荷経路に移動し、且つ低温負
   荷経路の一部が前記給湯の廃水により直接又は間接的に
   加熱されて中間温度流体経路に移動することを特徴とす
   るヒートポンプ装置。