JPH0370142B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、一般家屋に用いられそれぞれ空気源
式の太陽熱集熱器とヒートポンプ式空調装置およ
び２組の蓄熱装置とを併用した空調装置の改良に
関する。

（従来の技術） 近年、小規模住宅用のヒートポンプ式空調装置
における省エネルギ化および性能向上が進展し、
この種装置の普及率の伸びが顕著である。すなわ
ち従来の大気を熱源とするヒートポンプ式空調装
置の欠点とされていた外気温が低いときの暖房能
力の低下を、圧縮機の回転数を可変としたインバ
ータの開発により著しく改善された結果とみられ
る。

しかしながら、住宅用暖房器として今日最も多
用されているものは、依然として石油ストーブで
あり、ヒートポンプ式空調装置のなお一層の能力
向上と省エネルギ化の努力が要望されている。

従来より、ヒートポンプ式空調装置の性能向上
のために種々の研究開発がなされてきたが、圧縮
機の効率改善や熱交換器の性能向上などの対策は
次第に限界に近付いて、年々、開発努力の割に得
られる成果は低減していくものと予想されてい
る。

そこで、この種装置の大幅な能力向上をなすた
めの手段として、かつ熱源温度の改善効果を保持
するため、どの場所においても容易に得られる太
陽エネルギを利用する方式が注目されている。

たとえば、第４図に示すものは水対水ヒートポ
ンプを用いた太陽熱利用ヒートポンプの例であ
り、家屋の屋根に載設される太陽熱集熱器１にポ
ンプ２で水を汲み上げて温度上昇させ、温水を太
陽熱蓄熱槽３に貯留する。この太陽熱蓄熱槽３内
にはヒートポンプ式空調装置４の熱源側熱交換器
５が収容されていて、圧縮機６の駆動により太陽
熱蓄熱槽３から熱を吸収して別に配設される温水
槽７内の利用側熱交換器８から放出する。特に日
照が強く、太陽熱集熱器１の太陽熱吸収量が大の
場合には、上記太陽熱集熱器１と温水槽７とを連
通する温水管９の中途部から分岐し、上記温水槽
７内に吸収される放熱器１０に高温水を導くよう
になつている。温水槽７の温水は被空調室に配置
される暖房用放熱器１１に導かれ、ここで放熱す
る。

このような構造によると、太陽熱が得られる日
が続けばよいが、集熱できない天候不順の日が続
くと、太陽熱蓄熱槽１の温度が外気温以下になる
恐れがあり、その場合にはヒートポンプ式空調装
置４の使用ができなくなつてしまう。そこで、上
記熱源側熱交換器５とは別個に外気を熱源とする
熱源側交換器を備え、これらを切換弁を介して適
宜切換える必要があり、高価なものとなる。

また第５図に示す構造のものは、空気対空気ヒ
ートポンプを用いた太陽熱利用ヒートポンプの例
であり、家屋２０の屋根を太陽熱集熱構造となし
た集熱屋根２１に外気を導入案内し、高温化した
空気を直ちにヒートポンプ式空調装置２２の熱源
側熱交換器２３に導通させて熱交換する。この利
用側熱交換器２４は蓄熱槽２５内に配設されてい
て、利用側熱交換器２４の熱を蓄熱槽２５に吸収
させる。蓄熱槽２５と被空調室２６とはダクト２
７で連通していて、太陽熱が得られる昼間の間に
蓄熱を行なつて暖房運転をなし、外気温低下にと
もなう屋根の天空放射を利用し冷気を得られる夜
間に蓄熱を行なつて冷房運転をなすと都合がよ
い。

しかるにこのような装置においても、暖房作用
の際に太陽熱源ヒートポンプを運転できるのは日
照のあるときだけに限定され、日照のないときに
は通常の空気熱源ヒートポンプとなり、必要な熱
量が得られ難い。しかも、深夜電力を利用して蓄
熱するには上記集熱屋根２１は全く無用のものと
なり、ランニングコストに悪影響がある。

第６図のものは、ヒートポンプ式空調装置３０
の熱源側熱交換器３１を太陽熱集熱器３２と一体
に備え、必要な熱量を得るとともに利用側熱交換
器３３は蓄熱槽３４内に収容してなる。この蓄熱
槽３４には水が充填され、得られる温水を利用し
て暖房作用をなす。

しかしながら、冷房運転の際には熱源側熱交換
器３１が太陽熱集熱器３２と一体になつているこ
とが欠点となり、冷媒の凝縮効率が低下する。ま
た、暖房運転の際に日照がないと同様に熱源側熱
交換器３１が吸熱できない。太陽熱集熱器３２に
たとえば空気を導いて空気熱源とすることが考え
られるが、太陽熱集熱器はガラスで覆つた密閉構
造が望ましく、空気から熱を取るには大量に空気
を流す必要から矛盾する構造が要求され、どちら
の性能も良いものは作り難い。

第７図のものは、太陽熱集熱器４０で得られた
熱を水熱交換器４１で吸収して温水装置４２の水
を加熱できるとともに蓄熱槽４３に蓄熱できる。
暖房時には蓄熱槽４３の熱を利用したり、ヒート
ポンプ式空調装置４４の利用側熱交換器４５の熱
を利用するように切換が可能となつている。

このような構造では、ヒートポンプ式空調装置
４４の熱源側熱交換器４６が室外に配置されてい
るところから、外気温が低下すると熱を汲み上げ
る能力が低下する。すなわち、蓄熱された太陽熱
を有効利用することができないという不具合があ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上述したように空気源とするヒート
ポンプ式空調装置に空気式の太陽熱集熱器と蓄熱
槽とを併用した装置において、太陽熱を吸収でき
ない日が続くと効果が低減するという不具合を除
去し、より完璧に近い空調をなし、かつ特に深夜
電力の利用も効果的にした空調装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、家屋の屋根上に空気式の太陽熱集熱
器を載設し、この太陽熱集熱器と熱源側蓄熱装置
とをダクトを介して連通し太陽熱集熱器で集熱し
た熱を熱源側蓄熱装置に蓄熱させ、外気導通口を
設けて外気を熱源側蓄熱装置を介して上記ダクト
に逆流可能とし、上記ダクトに分岐して分岐ダク
トを設けて外部と連通させ、この分岐ダクトに空
気源としたヒートポンプ式空調装置の熱源側熱交
換器を配設して上記太陽熱集熱器もしくは熱源側
蓄熱装置の熱を吸収させ、被空調室の空気を吸込
むとともに再び被空調室に導出案内する循環ダク
トに上記ヒートポンプ式空調装置の利用側熱交換
器を収容し、この循環ダクトに上記利用側熱交換
器と並列に利用側蓄熱装置を接続し利用側熱交換
器と熱交換した空気を導通してその熱を蓄熱する
ことを特徴とする空調装置である。

（作用） このようにして構成することにより、たとえば
暖房作用時には、日中において太陽熱集熱器で集
熱した熱を熱源側蓄熱装置で蓄熱し、夜間などこ
の熱をヒートポンプ式空調装置の熱源側熱交換器
に導いて加熱し、利用側熱交換器へのヒートポン
プ効率を上げられる。また利用側蓄熱装置は、上
記利用側熱交換器で熱交換した熱の一部を蓄熱し
て、必要に応じて放熱ができる。深夜電力を利用
してヒートポンプ式空調装置を駆動し、利用側蓄
熱装置に蓄熱することもできる。冷房作用をなす
には、夜間放射冷却によつて冷えている屋根から
外気を熱源側蓄熱装置に導いて冷熱を蓄熱し、こ
の冷熱を日中に熱源側蓄熱装置から引出してヒー
トポンプ式空調装置の熱源側熱交換器に導き、冷
房の凝縮効率を向上せしめるものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図にもとづいて
説明する。図中５０は一般の家屋であり、この屋
根５１のうち特に日照のよい、たとえば南側に面
した部分を太陽熱集熱器５２とする。太陽熱集熱
器５２は、たとえば表面をガラス板から構成した
薄箱体内に選択吸収膜を備えた集熱板を収容し、
かつその傾斜下端部には導入口５３が開口すると
ともに傾斜上端部には導出口５４が開口する。家
屋５０の小屋裏５０ａにおいては上記導出口５４
と対向してプレナムダクト５５が設けられる。家
屋５０の地下もしくは半地下には熱源側蓄熱装置
５６と利用側蓄熱装置５７とが離間して設けられ
る。上記熱源側蓄熱装置５６は、たとえば床下布
基礎の中に多数の砕石を収容した簡単なもので、
後述するように比較的低温で蓄熱するので特に断
熱構造にする必要もない。土の上に直接砕石が置
かれているので、砕石ばかりでなく地中まで一部
蓄熱され、したがつて特別な構成としなくても蓄
熱量を確保できる。この一側部は家屋５０の側壁
に設けられ外部に開口する外気導通口５８と連通
する。他側部には上記プレナムダクト５５と連通
する熱源側ダクト５９が接続される。すなわちこ
の熱源側ダクト５９は家屋５０の天井裏から床下
まで上下方向に亘つて設けられる。またプレナム
ダクト５５の熱源側ダクト５９との接続部分には
ダンパ６０およびフアン６１が設けられ、さらに
フアン６１近傍のダクト５９中途部には分岐ダク
ト６２の一端部が接続されていて、この他端部は
屋根５１を貫通して外部に開口する図となつてい
るが、実際には建屋妻側壁よりも外部に開口す
る。（図示が困難であるので、原理が分るように
図示したものである。）分岐ダクト６２の中途部
には、空気源とするヒートポンプ式空調装置６３
の一部を構成する熱源側熱交換器６４が収容され
ているとともにこれと離間対向してフアン６５お
よびダンパ６６が設けられる。

一方、上記利用側蓄熱装置５７は蓄熱再生温度
効果が高く、断熱も充分な高性能蓄熱装置を採用
する。しかしながら、後述するように上記熱源側
蓄熱装置５６と比較して蓄熱温度差が大きいの
で、熱容量は小さくても大きな熱容量を蓄えら
れ、かつ小型なものでよい。たとえば、周囲の断
熱をよくした砕石蓄熱装置あるいは固体充填槽で
ある厚さ10mm程度のモルタルプレートを３〜５mm
の間隙を存して配置したものが考えられる。この
利用側蓄熱装置５７は循環ダクト６７に設けられ
る上記ヒートポンプ式空調装置６３の利用側熱交
換器６８と並列に接続される。利用側熱交換器６
８は上記熱源側熱交換器６４および図示しない圧
縮機や四方弁および減圧機構などと冷媒管を介し
てヒートポンプ式の冷凍サイクルを構成するよう
連通する。上記循環ダクト６７はその一端部を被
空調室６９…の壁面下部に設けられる吸込口７０
に接続され、中途部が被空調室６９の床下壁面お
よび天井に沿つて延出され、かつ他端部は被空調
室６９の天井に開口する吹出口７１に接続され
る。中途部には上記利用側熱交換器６８およびこ
れと対向してフアン７２およびダンパ７３が設け
られる。上記利用側蓄熱装置５７は循環ダクト６
７を循環する空気の一部が利用側熱交換器６８と
ともに分流して導かれるような位置に設けられ
る。さらに、この循環ダクト６７の中途部にはフ
アン７４が設けられるとともにそれぞれの被空調
室６９の導入側にダンパ７５…が設けられる。

しかして、太陽熱集熱器５２で太陽熱を集熱す
ると、外気は導入口５３から吸込まれ、太陽熱集
熱器５２内を導通して温度上昇する。このときダ
ンパ６０を開放するとともにフアン６１を駆動し
て、温度上昇した外気である温風を一旦プレナム
ダクト５５に導いてから熱源側ダクト５９を介し
て熱源側蓄熱装置５６に導き、ここで太陽熱を蓄
熱することになる。熱源側蓄熱装置５６の温度が
ある程度上昇したら、あるいは夜間など日照がな
くなつたら、ダンパ６０を閉成してフアン６１を
停止するとともにダンパ６６を開放し、かつフア
ン６５を駆動する。外気は外気導通口５８から熱
源側蓄熱装置６４に導通してこの熱を吸収し、温
度上昇して温風となる。この温風は熱源側ダクト
６７を逆流し、かつ分岐ダクト６２に導かれ熱源
側熱交換器６４と熱交換する。同時にヒートポン
プ式空調装置６３の図示しない圧縮機が駆動され
ていて、温風が熱源側熱交換器６４において冷媒
の蒸発作用を助成する。温風の熱は汲み上げられ
利用側熱交換器６８から放出する冷媒凝縮熱とな
つて循環ダクト６７内に循環する空気を加熱す
る。各ダンパ７３，７５…を開放し、フアン７
２，７４を駆動することにより、循環ダクト６７
を循環する空気は利用側熱交換器６８と熱交換し
温度上昇してから被空調室６９…に吹出される。
すなわちこれらの暖房作用をなす。

太陽熱集熱器５２における集熱量が大の場合に
は、ダンパ６０，６６を開放し、フアン６１，６
５を駆動する。プレナムダクト５５から導出する
一部の温風は、直ちに熱源側熱交換器６４を導通
してヒートポンプの熱源となり、残りの温風は熱
源側蓄熱装置５６に導かれて蓄熱される。すなわ
ち、蓄熱作用と並行してヒートポンプ運転ができ
る。

また、たとえば複数ある被空調室６９…のうち
その一室だけを暖房すればよい場合には、該当す
る吹出口７１のダンパ７５を閉成する。したがつ
て、一部の温風は利用側蓄熱装置５７に分流して
蓄熱される。このことから、ヒートポンプ式空調
装置６３の運転を停止しても、フアン７４を駆動
すれば利用側蓄熱装置５７の熱を被空調室６９…
に放出でき、経済的な暖房作用をなす。

あるいは廉価な深夜料金を利用し、ヒートポン
プ式空調装置６３を深夜に運転する。このときは
当然、日照がなく太陽熱集熱器５２は集熱できな
いが、熱源側蓄熱装置５６の蓄熱を利用して熱源
側熱交換器６４の熱交換作用を助成する。すなわ
ち、深夜運転においても蓄熱した太陽熱を利用で
きる。利用側熱交換器６８で得られる温熱は利用
側蓄熱装置５７に蓄熱すること勿論である。

日照のない日が続いた場合においては、熱源側
蓄熱装置５６に全く蓄熱できない。しかしなが
ら、通常のヒートポンプ暖房運転をなし、外気を
外気導通口５８から取入れて熱源側蓄熱装置５６
を導通させるので、平均的な外気温度の空気が送
られて蓄熱される。よつて、この出口温度である
熱源側熱交換器６４の熱源温度が外気温以下に低
下することはなく、通常の外気熱源ヒートポンプ
の運転条件よりも有利である。

積雪地帯に建設される家屋５０においては、適
宜フアン６１を逆回転して熱源側蓄熱装置５６の
熱を太陽熱集熱器５２に導き、これを温度上昇さ
せるとよい。この表面はガラス板で形成されると
ころから、雪は短時間で融解し、かつ屋根５１か
ら落ちる。

夏期など冷房運転をなすには、夜間のみダンパ
６０を開放し、放射冷却によつて温度低下する太
陽熱集熱器５２を介して外気を熱源側蓄熱装置６
４に導き蓄熱する。この冷熱をヒートポンプ式空
調装置６３の運転にともなつて熱源側熱交換器６
４に導き、冷媒の凝縮効率を助成する。すなわ
ち、低温の空気が熱源側熱交換器６４に導かれる
ので、高い成績係数が得られ冷房効率がよい。利
用側熱交換器６８の余剰令熱を上記利用側蓄熱装
置５７に蓄熱することは、同様である。また、深
夜電力を利用して冷房運転する場合には、太陽熱
集熱器５２を出た冷気を直接熱源側熱交換器５７
に導いて熱交換させるとよい。

なお、第２図に示すような構成であつてもよ
い。すなわち、太陽熱集熱器５２と熱源側蓄熱装
置５６とを戻りダクト７６で連通する。この戻り
ダクト７６の中途部にはダンパ７７が設けられる
とともに外気導入口７８と外気導出口７９とが設
けられる。

たとえば暖房作用をなすために太陽熱を集熱し
ている際には、ダンパ７７を開放し熱源側蓄熱装
置５６から導出した空気を戻りダクト７６を介し
て再び太陽熱集熱器５２に導き、循環させる。よ
つて、太陽熱集熱器５２における集熱効率が向上
する。また冷房運転の際には、夜間にダンパ７７
を閉成して外気導入口７８から外気を導入し、太
陽熱集熱器５２の放射冷却による冷熱を得て熱源
側蓄熱装置５６に蓄熱させ、さらにこの空気は外
気導入口７９から外部に排出する。すなわち、上
記実施例と同様の作用効果を得られる。

あるいは、第３図に示すような構成であつても
よい。すなわち、ダンパ７７と外気導入口７８お
よび外気導出口７９を備えた戻りダクト７６を設
けるとともに太陽熱集熱器５２の導入側と吸込口
７０近傍の循環ダクト６７とを新たに設けたダク
ト８０で連通する。また、プレナムダクト５５に
は温水装置８１の吸熱器８２が配置される。上記
熱源側ダクト５９と並行に案内ダクト８３が設け
られていて、この一端部は熱源側熱交換器６４近
傍の熱原側ダクト５９に接続され、他端部は循環
ダクト６７の中途部に接続される。案内ダクト８
３と熱源側ダクト５９とが接続する部分には、切
換ダンパ８４が設けられている。

しかして、熱源側ダクト５９を閉成し、かつ案
内ダクト８３を開放するよう切換ダンパ８４を切
換えることにより、太陽熱集熱器５２で得られた
温風が案内ダクト８３を介して直接被空調室６９
…に導かれ、これらを暖房することができるとと
もに利用側蓄熱装置５７の蓄熱が同時にできる。
夏期において夜間の放射冷却度が強ければ、同様
に冷気を直接被空調室６９に導いて冷房作用をな
す。ダクト８０には戻りダクト７６を導通する空
気を導き、直接被空調室６９に案内できる。（な
お、第２図および第３図の構造のものにおいて、
上記第１図に示す構造と同様部分は同番号を付し
て新たな説明は省略した。） このようにいずれの構成においても、太陽熱で
空気を加熱するとともにヒートポンプは空気を熱
源として利用し、かつ熱源側と利用側の蓄熱装置
を備えてなり、熱交換効率の向上を図れる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、ヒートポ
ンプ式空調装置の構成部品および各蓄熱装置とも
に屋内に設置でき、外部に特別な設置スペースが
必要でない。特に利用側蓄熱装置を備えたことに
より、ヒートポンプ運転の制御が容易となり、こ
れまでの最大の欠点とされている瞬発力の欠如を
回復して熱の急速な放出が可能となるとともに日
照のない日が続いてもヒートポンプの運転効率を
確保でき、安全で使い勝手もよい空調装置を得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す家屋に備えら
れる空調装置の概略的構成図、第２図および第３
図は本発明の互いに異なる他の実施例を示す家屋
に備えられる空調装置の概略的構成図、第４図な
いし第７図は本発明の互いに異なる従来例を示す
家屋に備えられる空調装置の概略的構成図であ
る。 ５０……家屋、５１……屋根、５２……太陽熱
集熱器、５９……（熱源側）ダクト、５６……熱
源側蓄熱装置、５８……外気導通口、６２……分
岐ダクト、６３……ヒートポンプ式空調装置、６
４……熱源側熱交換器、６９……被空調室、６８
……利用側熱交換器、６７……循環ダクト、５７
……利用側蓄熱装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 家屋の屋根上に載設される空気式の太陽熱集
   熱器と、この太陽熱集熱器とダクトを介して連通
   され太陽熱集熱器で集熱した熱を蓄熱する熱源側
   蓄熱装置と、この熱源側蓄熱装置と外部とを連通
   し外気を熱源側蓄熱装置に導入して熱交換させ上
   記ダクトに逆流可能とした外気導通口と、上記熱
   源側蓄熱装置と太陽熱集熱器とを連通する上記ダ
   クトに分岐して設けられ外部と連通する分岐ダク
   トと、この分岐ダクトに配設され上記太陽熱集熱
   器もしくは熱源側蓄熱装置を導通した空気から熱
   を吸収するヒートポンプ式空調装置の熱源側熱交
   換器と、上記ヒートポンプ式空調装置の利用側熱
   交換器を収容し被空調室の空気を吸込むとともに
   利用側熱交換器を介して再び被空調室に導出案内
   する循環ダクトと、この循環ダクトに上記利用側
   熱交換器と並列に接続され少なくとも利用側熱交
   換器と熱交換した空気を導通しその熱を蓄熱する
   利用側蓄熱装置とを具備したことを特徴とする空
   調装置。