JPH0419458B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は晴天時は太陽熱を、天候の悪いとき
は外気熱などを熱源にして運転されるソーラーヒ
ートポンプ給湯装置に関する。

従来、いわゆる貯湯槽を有する給湯装置には各
種のタイプがあり、実用化されていた。その制御
方法は熱源の種類により異なり、たとえばガスや
灯油を燃料とするものでは湯温を温度センサで検
知し、いつでも最適な温度になるよう制御してい
た。

また、電気を使用するタイプでは、料金の安い
深夜電力を利用するのが一般的で、タイマで深夜
電力時間帯のみヒータに通電し、かつ温度センサ
で水温を制御していた。

さらに、最近では成績係数（COP）が１より
大きいヒートポンプ装置を用いた給湯装置も実用
化されており、この場合、普通の電力を使うもの
と深夜電力を使うものがある。

ガスや灯油、普通電力を使用するものは湯の使
用により湯温が下がれば自動的に沸き上げるた
め、１日中いつでも湯を使うことができる。

また、深夜電力を使用するものも給湯負荷のな
い夜中の時間帯に沸き上げるため朝から晩にかけ
て発生する給湯負荷をまかなうことができる。

しかし、これらの装置はいずれも負荷のない夜
中にも湯を貯えておくか加熱しているので、貯湯
槽からの放熱損失が大きい欠点があつた。

さらに、最近ではチートポンプ装置のCOPを
一層向上させ省エネルギ運転を実現するため太陽
熱を利用したヒートポンプ装置が実用化されよう
としている。

第１図から第４図に冷凍回路中に直接太陽熱コ
レクタを挿入した各種のソーラーヒートポンプ給
湯装置を示す。

第１図において１は圧縮機、２は凝縮器、３は
膨張弁、４はフインアンドチユーブ式の蒸発器
で、これらが蒸発器４の入口に設けた電磁弁７と
ともに、環状に結ばれて主冷凍回路を構成してい
る。

蒸発器４にフアン８から送風するようになつて
おり、また、凝縮器２は貯湯槽９に挿入されてい
る。

また、蒸発器４に並列的に太陽熱コレクタ５が
連結されており、太陽熱コレクタ５の入口に、電
磁弁６が設けられている。

太陽熱コレクタ５は図示していないが、外箱、
透明カバー、断熱材、集熱板などで構成されてい
る。

次に動作について説明する。まず日射が弱いと
きは蒸発器４が外気から熱をくみあげる熱交換器
として使われ、凝縮器２によつて貯湯槽９内の水
を加熱する。

また晴天時は太陽熱コレクタ５が太陽熱をくみ
あげる熱交換器として使われる。

外気を熱源とする場合と、太陽熱を熱源とする
場合では蒸発温度が異なり、外気熱利用の場合は
蒸発温度は外気温より数度低く、太陽熱利用の場
合は太陽熱コレクタ５の性能にもよるが、外気温
程度か外気温を数度〜十数度上回る温度となる。

したがつて、太陽熱を利用した場合の方が、蒸
発温度と凝縮温度の差が縮まり、同じ熱量を得る
ために消費される圧縮機１の電気入力は小さくな
り、ヒートポンプのCOPは向上し、省エネルギ
運転となる。

第２図は太陽熱コレクタ５と蒸発器４が冷凍回
路上で直列に接続されたソーラヒートポンプ給湯
装置で、蒸発器４にはバイパス回路が設けられ、
そこに電磁弁１０が設置されている。

晴天時には電磁弁１０を開にし、冷媒を太陽熱
コレクタ５から電磁弁１０を通し圧縮機１に直接
戻す。

また、日射が弱いときは、電磁弁１０を閉に
し、太陽熱コレクタ５と蒸発器４に直列に冷媒を
流し、太陽熱コレクタ５では、若干の太陽熱と外
気熱を蒸発器４で外気熱を集熱する。

第３図は太陽熱と外気熱を１台の太陽コレクタ
５で集熱するようにしたソーラーヒートポンプ給
湯装置で、太陽熱コレクタ５内には太陽熱、外気
熱集熱兼用の蒸発器４とフアン８が組み込まれて
いる。

晴天時はフアン８を停止し、太陽熱を、日射の
弱いときはフアン８を運転し外気熱をそれぞれ集
熱する。

第４図は凝縮器２と並列に太陽熱コレクタ５を
設け、この太陽熱コレクタ５の入口側に冷媒液搬
送用のポンプ１１を、また出口側に逆止弁１２を
備え、また圧縮機１の吐出側に逆止弁１３を備え
た装置である。

晴天時は凝縮器２からの液冷媒をポンプ１１で
太陽熱コレクタ５へ送り、蒸発させ、太陽熱集熱
を行なわせ、日射量が中間的なときにはさらに圧
縮機１を運転し蒸発器４で外気熱を同時に集熱す
る。

日射が弱いときは、圧縮機１のみを運転し、通
常の空気熱源運転を行わせる。なお各装置の圧縮
機１は必要に応じ、回転数制御などによつて能力
制御される。

第５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を示したものであ
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
負荷は割合少ない。

ソーラーヒートポンプ装置としては日射のある
ときはなるべく太陽熱を利用して蒸発温度を高
め、大きなCOPで運転させることが必要である。

一方季節にあつた給湯負荷を必要な時刻に確保
しておく必要があり、日射のあるときは太陽熱
を、ないときは外気熱をという単純な制御では薄
く気まぐれな日射を相手にするシステムにおいて
は確実に集熱量を得ることはできないという問題
点があつた。

この発明は、ヒートポンプのCOPをなるべく
高く保ちながら必要な熱量を確実に得るソーラー
ヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とす
るものである。

以下、この発明のソーラーヒートポンプ給湯装
置の一実施例を図について説明する。第６図はこ
の発明のソーラーヒートポンプ給湯装置の制御概
念を示すフローチヤートである。

なお、システムは先に第１図から第４図に示し
たいずれでもよく、太陽熱コレクタ５と外気熱集
熱用の蒸発器４で日射条件に応じて太陽熱と外気
熱をくみ上げ貯湯槽９内の水を加熱し、給湯に供
するものである。

上記各ソーラーヒートポンプ給湯装置では、凝
縮器２は貯湯槽９の最下部に位置しているため、
貯湯槽９内の水は自然対流により上下均一に沸き
上つていく。

この場合、凝縮温度は水温の上昇とともに順次
高まつていく。凝縮器２を貯湯槽９の外部に設け
両者を小形の温水循環ポンプで結び貯湯槽９の上
部から給湯に適した一定水温で湯を作つていく方
法もある。

この方法によれば、水量は別としていつでも適
温の湯が利用できる。しかし、凝縮温度にはいつ
も高い温度が要求されるため冷凍サイクルの
COPは前者に比べて小さくなる。

いずれの場合にしろ、一日の各時間帯における
貯湯槽９の水温分布は第５図中に示したように、
朝方はほとんど給水温度で、夕方入浴の給湯負荷
が発生する前に完全に沸き上げるようにしてお
く。

なぜならば、入浴時や夜中にCOPの低い外気
熱源で貯湯槽９に湯を作つてしまうと、翌日晴天
となつても太陽熱を有効に利用できなくなるから
である。したがつてソーラーヒートポンプ給湯装
置では天候に関係なく日中のみ装置を運転するよ
う制御することが必要である。

第６図において、まずステツプ14で貯湯槽９の
水湯が設定値に到つしているかどうか判断され
る。水温が上まわつていればスタートに戻り、下
まわつていればステツプ15に進む。

ここで、切換スイツチが手動ならば、ステツプ
18へ、自動ならばステツプ16へ進む。ステツプ16
では、時刻が17時以降７時までならばスタートに
戻り、７時から12時までならばステツプ17へ進
む。また12時から17時までならば、ステツプ18へ
進む。

ステツプ17では、冷凍サイクルのCOPが大き
くなるように制御される。具体的には日射がある
ときは最大限太陽熱コレクタ５を利用して太陽熱
を集熱し、蒸発温度を高める。圧縮機１は低めの
回転数に制御され、その結果蒸発温度と凝縮温度
の温度差は小さくなり、圧縮機１の電気入力が低
減し、高いCOP運転となる。

日射が弱いときは蒸発器４を使い外気熱を集熱
するが、やはり圧縮機１の回転数を下げたCOP
優先で制御を行なう。午前中曇りで午後から晴れ
た日などの場合、午前中能力優先制御で湯温を高
めてしまうと午後の日射が有効に利用できなくな
るためである。

ステツプ18では、能力優先制御を行う。もちろ
ん日射のあるときは太陽熱を、ないときは外気熱
を集熱するが、圧縮機１の回転数は高めに設定
し、貯湯槽９内の水温と凝縮温度との温度差を大
きくし、大きな能力で運転する。その結果、貯湯
槽９の水温は設定値に向つて早く上昇する。しか
し、この場合、特に外気熱集熱時のCOPは、蒸
発温度と凝縮温度との温度差が大きくなるため低
下する。

以上の説明から、圧縮機１は午前中は回転数を
下げた成績係数優先制御され、、午後は回転数を
上げた能力優先制御されることが理解される。

以上説明した通り、この発明のソーラーヒート
ポンプ給湯装置によれば、太陽熱コレクタと蒸発
器の二つの集熱温度レベルの異なる集熱器を運転
する時間帯を日中に限定し、かつ運転中をCOP
優先制御時間帯と能力優先制御時間帯に分けると
いうように構成したので、冷凍サイクルのCOP
が高く、必要熱量も確保できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図は従来のソーラーヒートポン
プ給湯装置の冷媒回路図、第５図は日射および給
湯負荷パターンを示す説明線図、第６図はこの発
明のソーラーヒートポンプ給湯装置の一実施例の
動作を示すフローチヤートである。 １……圧縮機、２……凝縮器、３……膨張弁、
４……蒸発器、５……太陽熱コレクタ、９……貯
湯槽、１１……ポンプ。 なお、図中、同一符号は同一、または相当部分
を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 日中のみ運転され午前中は回転数を下げた成
   績係数優先制御され、午後は回転数を上げた能力
   優先制御される圧縮機と、貯湯槽内の水を加熱す
   る凝縮器と、日射の弱いとき外気熱を集熱する蒸
   発器と、この蒸発器と並列・直列・一体のいずれ
   かの形で接続され、日照時に選択的に太陽熱を集
   熱する太陽熱コレクタと、冷媒を減圧する膨張弁
   とを有する冷凍回路を備えたことを特徴とするソ
   ーラヒートポンプ給湯装置。