WO2011045878A1 - 水質診断方法及びその方法を用いたヒートポンプ利用の給湯システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for diagnosing water quality to which calcium scale adheres in a hot water supply system using a heat pump, and a hot water supply system including the diagnosis method.
- hardness components For equipment that heats water by heat exchange between a heat medium and water, such as a water heater using a heat pump (hereinafter sometimes referred to as a heat pump water heater), hardness components (calcium, magnesium, etc.) dissolve depending on the quality of the water used.
- a heat pump hereinafter sometimes referred to as a heat pump water heater
- hardness components calcium, magnesium, etc.
- the hardness component dissolved in the water precipitates as calcium scale (calcium carbonate, sometimes referred to as scale hereinafter) and heat transfer in the hot water heat exchanger Adhering to the wall surface may cause a decrease in heat transfer efficiency or block the water circuit, making it difficult to operate the apparatus.
- Patent Document 1 In addition, in order to reduce the total amount of scale factor flowing into the endothermic heat exchanger on the water side below the scale deposition condition, a water quality adjustment unit is newly installed to improve the water quality, and the water supply system is used as it is.
- the water supply system is branched into two water supply systems, a straight water supply system that supplies water to the tank and a water supply system that supplies water to the water tank via the water quality adjustment unit.
- the water quality judgment criteria to which the scales of the respective indexes are attached are Langeria index> 0 and stability index ⁇ 6.
- pH is a hydrogen ion concentration index at the operating water temperature, and pHs cannot be completely dissolved in water. It is the pH when the saturated solubility is reached (saturated pH). It is known that pHs can be easily calculated by the following equation.
- TDS Total dissolved solids (mg / L) or 0.7 ⁇ conductivity ( ⁇ S / cm)
- MA M alkalinity (mgCaCO 3 / L)
- CH Calcium Hardness (mgCaCO 3 / L)
- a heat exchanger or refrigeration of an open circulating cooling water system is obtained from the Langeria index of the cooling water, the silica saturation of the cooling water, and the scale index that is the ratio of the silica saturation to the Langeria index.
- Scale component estimation method that makes it possible to easily determine the presence of scale deposits on the machine or the scale component from the quality of the makeup water and the operating conditions (concentration factor, temperature), and to select an appropriate cleaning method There is. (For example, Patent Document 3)
- the pH value substituted into the formula for obtaining the Langeria index is only a value measured at room temperature. That is, the temperature near the heat exchanger outlet where the scale is most likely to adhere is high (eg, about 90 ° C.), and the pH value is different from that at room temperature (eg, about 25 ° C.), but near the actual heat exchanger outlet.
- the pH value cannot be measured with water used. For this reason, when the estimation method of scale adhesion using the Langeria index or the stability index is used in a heat pump water heater, it is difficult to make a determination, and the determination may be wrong and measures may not be taken. There was a problem.
- the present invention has been made to solve such a problem, and has an object to determine a water quality to which a scale adheres and a water quality to which a scale does not adhere by a simple method.
- the method for diagnosing the quality of water supplied to a heat pump water heater is a method for diagnosing the quality of water supplied to a heat pump water heater heated to approximately 90 ° C., wherein the M alkalinity is measured and the M alkalinity is 50 mg CaCO 3 / A step of determining whether the hardness is less than L, a step of measuring calcium hardness, a step of determining whether the calcium hardness is 90 mgCaCO 3 / L or less, a pH, and a pH of 7.5 or less A process for determining whether or not there is, and when all the determination results in each process satisfy the conditions, the water quality is difficult to form a scale.
- This invention can determine the water quality to which scale adheres and the water quality to which it does not adhere almost without error by a simple method.
- FIG. 4 is a diagram showing pH and the abundance ratio (molar ratio) of H 2 CO 3, HCO 3 ⁇ , and CO 3 2 ⁇ It is the schematic which shows the structure of the refrigerant circuit and water circuit of a general heat pump water heater. It is a figure which shows schematic structure of the heat pump water heater using the water quality improvement technique in Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the heat pump water heater using the water quality improvement technique in Embodiment 3 of this invention. It is a figure which shows schematic structure of the heat pump water heater using the water quality improvement technique in Embodiment 4 of this invention. It is a figure which shows the range of the water quality reference
- FIG. 1 is a diagram experimentally showing the water quality reference range of water to which scale does not adhere in Embodiment 1 of the present invention.
- part (a) is a diagram experimentally showing whether the scale adheres to the relationship between M alkalinity and calcium hardness.
- the vertical axis represents M alkalinity (mgCaCO 3 / L), and the horizontal axis represents calcium hardness (mgCaCO 3 / L).
- the part (b) is the figure which showed experimentally whether the scale adheres the relationship between M alkalinity and pH.
- the vertical axis represents M alkalinity (mgCaCO 3 / L)
- the horizontal axis represents pH.
- the measurement values shown here are values measured at room temperature (about 25 ° C.).
- the mark ⁇ indicates the water quality in which scale adhesion was confirmed, and the mark ⁇ indicates the water quality in which scale adhesion was not confirmed.
- FIG. 2 is a graph showing the pH and the abundance ratio (molar ratio) of H 2 CO 3, HCO 3 ⁇ , and CO 3 2 ⁇ .
- the vertical axis represents the abundance ratio (molar ratio)
- the horizontal axis represents pH.
- pH is an indicator of the abundance ratio of bicarbonate ions in water, and a decrease in pH in the range of pH 7.5 or lower works in a direction to lower the abundance ratio of bicarbonate ions. This is the direction in which calcium formation reaction is unlikely to occur. Therefore, it is not necessary to define a lower limit for pH.
- an indicator that changes color at pH 7.5 for example, when cresol red is used as the indicator, the color may change from yellow to red according to the change in pH.
- a first container containing the indicator, and an indicator that changes color with an M alkalinity of 50 mg CaCO 3 / L for example, a second container containing dilute hydrochloric acid and methyl orange, which end at an M alkalinity of 50 mg CaCO 3 / L.
- a container and an indicator that changes color with a calcium hardness of 90 mg CaCO 3 / L for example, a third container containing EDTA, a potassium cyanide solution, a hydroxylammonium chloride solution, and a NANA indicator that end at a calcium hardness of 90 mg CaCO 3 / L are prepared.
- the water to be diagnosed is put into each of the first container, the second container, and the third container, and the presence or absence of discoloration is determined by visual determination using a color sample or an absorptiometer.
- a change discoloration
- the water quality is determined to be adhered to the scale under the 90 ° C. boiling condition.
- the pH is 7.5 or less may be determined by actually measuring with a portable pH meter without using the indicator. Further, the measurement of M alkalinity and calcium hardness may be carried out with a commercially available water quality analysis kit (for example, drop test) without using the above indicator.
- a commercially available water quality analysis kit for example, drop test
- the scale can be prevented from adhering by applying a water quality improvement technique using an ion exchange resin.
- FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration of a refrigerant circuit and a water circuit of a general heat pump water heater.
- a heated gas refrigerant for example, carbon dioxide refrigerant
- the water stored in the hot water storage tank 4 is pushed out by the pump 5, passes through the first water pipe 6, and flows into the refrigerant / water heat exchanger 3.
- the heated gas refrigerant and water exchange heat to heat water.
- the heated water returns to the hot water storage tank 4 through the second water pipe 7.
- the heated gas refrigerant that has transmitted heat to the water passes through the second refrigerant pipe 8 and is sent to the expansion valve 9.
- the heated gas refrigerant sent to the expansion valve 9 is depressurized and flows into the evaporator 11 through the third refrigerant pipe 10.
- the heat is absorbed by the outside air sent from the blower 12, and then returns to the compressor 1 through the fourth refrigerant pipe 13.
- FIG. 4 shows a schematic configuration of a heat pump water heater using a water quality improvement technique for such a general heat pump water heater.
- the tap water supplied from the second water supply pipe 15 does not pass through the first flow control valve 17 and the purified water resin tower 16 for adjusting the flow rate of the purified water (ion exchange) resin tower 16.
- the flow rate of water flowing into the hot water storage tank 4 is adjusted and the water quality is improved by the second flow rate control valve 18 for adjusting the amount of water flowing directly into the hot water storage tank 4.
- the inflow water to the hot water storage tank 4 is within the reference by passing a part of the feed water through the purified water resin tower 16 for items that are out of the reference value. Fit to prevent scale adhesion.
- the conductivity meter 19 monitors the conductivity of the treated water. For example, if the conductivity meter 19 is provided with an alarm function so that an alarm is sounded when the conductivity exceeds 10 ⁇ S / cm, it is possible to notify the replacement timing of the pure water resin.
- M alkalinity and calcium hardness standards such as M alkalinity 90 mgCaCO 3 / L, calcium hardness 120 mgCaCO 3 / L, and pH 7.0 are satisfied.
- M alkalinity 90 mgCaCO 3 / L calcium hardness 90 mgCaCO 3 / L
- pH 7.0 pH 7.0
- the water quality extracted from the water quality diagnosis cock 20 provided in the first water supply pipe 14 is diagnosed using the method according to the first embodiment of the present invention.
- the flow rate of the first flow rate control valve 17 is adjusted, the flow rate of the purified water resin tower 16 is increased, and the quality of the water extracted from the water quality diagnosis cock 20 is diagnosed again.
- the flow rate of the first flow rate control valve 17 is adjusted again to increase the flow rate of the purified water resin tower 16. By repeating such adjustment, water quality without scales can be obtained. Note that the same adjustment may be performed by reducing the amount of flowing water of the second flow control valve 18, or both the first flow control valve 17 and the second flow control valve 18 may be adjusted.
- M alkalinity and calcium hardness depend on the bicarbonate ion concentration and calcium ion concentration which are ionic species.
- the pure water resin tower 16 reduces the bicarbonate ion concentration and the calcium ion concentration.
- each ion concentration and the M alkalinity and calcium hardness which are indexes are in a direct proportional relationship, in the case of the above-mentioned water used, if about half of the supplied water is passed through the purified water resin column 16.
- the water quality of the water flowing into the hot water storage tank 4 can be expected to have an M alkalinity of about 45 mg CaCO 3 / L and a calcium hardness of about 60 mg CaCO 3 / L.
- Embodiment 2 FIG.
- the water quality is improved by providing the pure water resin tower 16, and it is determined that the water used is water quality that adheres to the scale under the boiling condition of 90 ° C.
- the hot water supply system that obtains the water quality that satisfies the water quality standard where scale does not adhere is described.
- the heating gas refrigerant temperature of the refrigerant / water heat exchanger 3 is set to the water in the first water pipe 6.
- the temperature at which the water does not boil for example, the temperature of the heated gas refrigerant flowing into the refrigerant / water heat exchanger 3 in the first refrigerant pipe 2 is controlled to about 85 ° C., and the outlet boiling temperature on the water side is lowered to about 75 ° C. What should I do?
- nucleate boiling since the maximum temperature of the heat exchanger water-side heat transfer surface can be maintained below the boiling point of water in the first water pipe 6, nucleate boiling does not occur, Scale nucleation can be prevented.
- nucleate boiling part the component dissolved in water is instantly precipitated, so if it remains without being redissolved, it becomes a scale nucleus. Therefore, prevention of nucleate boiling has an effect of preventing scale adhesion to the heat transfer surface.
- Embodiment 3 FIG.
- the description has been given of the hot water supply system for preventing the scale adhesion by suppressing the nucleate boiling when the water diagnosed as having scale adhesion by the scale water quality diagnosis method is used.
- a hot water supply system that prevents scale adhesion to water with a quality such that scales precipitate even when the boiling temperature is set to a low boiling temperature at which nucleate boiling hardly occurs will be described.
- FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the refrigerant circuit and the water circuit of the heat pump water heater according to Embodiment 3 of the present invention.
- a bypass pipe 21 is a pipe that connects a pipe on the inlet side of the pump 5 and a pipe on the outlet side.
- the bypass pipe 21 is provided with an automatic opening / closing valve 22, and the opening / closing of the automatic opening / closing valve 22 can be set periodically or arbitrarily.
- a pulsating flow is generated in the first water pipe 6, and the pulsating flow is generated from the water side of the refrigerant / water heat exchanger 3 to the second water pipe 7. Since it propagates, the flow rate of the water-side heat transfer surface of the heat exchanger 3 changes, and the deposited scale becomes difficult to adhere. The reason why the deposited scale is difficult to adhere when pulsating flow occurs is not described in detail here, but is as shown in International Application No. PCT / JP2009 / 055637.
- the inflow water to the hot water storage tank 4 can be kept within the standard by passing a part of the supplied water through the purified water resin tower 16. Therefore, by using together with the method for generating the pulsating flow described in the third embodiment, it is possible to enhance the effect that the deposited scale is difficult to adhere. In addition, since the amount of water passing through the purified water resin tower 16 can be reduced by using in combination, the replacement period of the purified water resin tower 16 can be extended.
- Embodiment 4 According to the scale water quality diagnosis method according to the first embodiment, even if the water quality is diagnosed as having no scale adhesion at an early time, due to seasonal variations, environmental variations, or human variations, The water quality of the water source may vary. In such a case, such a change is detected by detecting that the water quality has changed to a scale where water adheres to the scale during use, and shifting to the hot water supply system described in the second embodiment or the third embodiment. Even when this occurs, scale adhesion can be effectively prevented.
- FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the refrigerant circuit and the water circuit of the heat pump water heater according to Embodiment 4 of the present invention.
- the same reference numerals as those in the drawings described in the above embodiment indicate the same contents, and the description thereof is omitted.
- the description will focus on the parts different from the above embodiment.
- a conductivity monitor 23 is installed in the first water supply pipe 14 in order to detect a change in water quality.
- the conductivity monitor 23 can measure the values of M alkalinity, calcium hardness, and pH.
- the method for easily measuring the M alkalinity, calcium hardness, and pH using a reagent or the like has been described. However, even if these methods are not used, the scale and cost However, it is also possible to measure using a known measuring instrument.
- the conductivity monitor 23 can also measure the conductivity at the time of the scale water quality diagnosis.
- the measurement can be performed using a known conductivity meter 19.
- This data is stored in a memory such as a RAM together with the data relating to the M alkalinity, calcium hardness, and pH.
- water quality is diagnosed based on the values of M alkalinity, calcium hardness, and pH, and the presence or absence of scale adhesion is determined.
- the conductivity is also measured, and the reference conductivity is recorded in a memory or the like.
- the conductivity is not determined only by the values of M alkalinity, calcium hardness, and pH, but the conductivity changes as the values of M alkalinity, calcium hardness, and pH change. It can be used as a standard for monitoring water quality. And when it becomes a value that can be estimated from the conductivity data that has been measured in advance to change the water quality that may cause scale adhesion, it is determined that the water quality has changed to the possibility that the scale adheres.
- the hot water supply system of the second embodiment or the third embodiment is implemented.
- Embodiment 5 the method for determining whether or not the water quality is likely to adhere to the scale under the 90 ° C. boiling condition is described. However, the second side on the water side of the refrigerant / water heat exchanger 3 is described. Whether the water quality is such that the scale may adhere under the operating condition where the water temperature at the water-side outlet, which is the connection with the water pipe 7, is approximately 60 ° C., compared to the operating condition where the boiling temperature is approximately 90 ° C. The standard value for such diagnosis can be relaxed.
- FIG. 7 is a diagram experimentally showing the water quality reference range of water to which scale does not adhere in Embodiment 5 of the present invention.
- part (a) is a diagram experimentally showing whether the scale adheres to the relationship between M alkalinity and calcium hardness.
- the vertical axis represents M alkalinity (mgCaCO 3 / L), and the horizontal axis represents calcium hardness (mgCaCO 3 / L).
- the part (b) is the figure which showed experimentally whether the scale adheres the relationship between M alkalinity and pH.
- the vertical axis represents M alkalinity (mgCaCO 3 / L)
- the horizontal axis represents pH.
- the measurement values shown here are values measured at room temperature (about 25 ° C.).
- the mark ⁇ indicates the water quality in which the adhesion of the scale was confirmed, and the symbol ⁇ indicates the water quality in which the adhesion of the scale was not confirmed.
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Abstract
90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機における、供給水によるスケール付着有無判定において、Mアルカリ度50mgCaCO3/L未満、カルシウム硬度90mgCaCO3/L以下、pH7.5以下の何れか一条件が満たされない場合に、スカルシウムケールを形成する水質であると判定する。また、カルシウムスケール付着すると判定された場合には、カルシウムスケールが付着しない水の水質基準となるように供給水の水質改善を行う。また、沸き上げ温度を80℃に下げる対策において、冷媒/水熱交換器に流入する高温ガス冷媒の温度が水を沸騰させない温度とする。
Description
本発明は、ヒートポンプ利用の給湯システムにおいて、カルシウムスケールが付着する水質の診断方法と当該診断方法を備えた給湯システムに関するものである。
ヒートポンプ利用の給湯装置(以下、ヒートポンプ給湯機と記載する場合がある)などの熱媒体と水との熱交換により湯沸しする機器は、使用する水質によっては、硬度成分(カルシウム、マグネシウムなど)が溶解している水をある温度以上に加熱したときに、水に溶解していた硬度成分がカルシウムスケール(炭酸カルシウム、以下スケールとのみ記載する場合もある)として析出し、給湯熱交換器の伝熱壁面に固着することで、熱伝達効率の低下や水回路を閉塞させて装置の運転が困難になるという場合がある。
そこで、スケール生成し易い高温沸き上げの運転時間などの履歴を記憶して、スケールが成長して装置の運転が不可能になる前に加熱手段で加熱する温水温度を下げて耐久性を向上するように構成したものがある。(例えば、特許文献1)
また、少なくとも水側の吸熱熱交換器に流入するトータルのスケール因子量を、スケール析出条件以下にするために、新に水質を改善する水質調整ユニットを設置し、水の供給系路をそのまま水タンクに給水されるストレートな水供給系路と水質調整ユニットを介して水タンクに供給する水供給系路との2つの水供給系統に分岐し、使用される実際の水質により水質調整ユニットと水タンク側の各々へ流れる水の流量(分流量)を適切にコントロールするように構成したものがある。(例えば、特許文献2)
また、スケール生成し易いか否かの水質推定方法として、ランゲリア指数(=pH-pHs)や安定度指数(=2pHs-pH)による推定方法がある。それぞれの指数のスケールが付着する水質判定基準は、ランゲリア指数>0、安定度指数<6である。ここで、pHは運用する水温での水素イオン濃度指数であり、pHsは炭酸カルシウムが水に溶解しきれな
い飽和溶解度に達した状態時のpH(飽和pH)である。pHsは下式で簡易的に算出できることが知られている。
また、少なくとも水側の吸熱熱交換器に流入するトータルのスケール因子量を、スケール析出条件以下にするために、新に水質を改善する水質調整ユニットを設置し、水の供給系路をそのまま水タンクに給水されるストレートな水供給系路と水質調整ユニットを介して水タンクに供給する水供給系路との2つの水供給系統に分岐し、使用される実際の水質により水質調整ユニットと水タンク側の各々へ流れる水の流量(分流量)を適切にコントロールするように構成したものがある。(例えば、特許文献2)
また、スケール生成し易いか否かの水質推定方法として、ランゲリア指数(=pH-pHs)や安定度指数(=2pHs-pH)による推定方法がある。それぞれの指数のスケールが付着する水質判定基準は、ランゲリア指数>0、安定度指数<6である。ここで、pHは運用する水温での水素イオン濃度指数であり、pHsは炭酸カルシウムが水に溶解しきれな
い飽和溶解度に達した状態時のpH(飽和pH)である。pHsは下式で簡易的に算出できることが知られている。
上記ランゲリア指数を用いた推定方法として、冷却水のランゲリア指数、冷却水のシリカの飽和度、及び、ランゲリア指数に対するシリカの飽和度の比であるスケール指数から開放循環冷却水系の熱交換器や冷凍機に付着するスケールの析出の有無又はスケール成分を、補給水の水質と運転条件(濃縮倍数、温度)から容易に判定し、適切な洗浄方法を選定することを可能とするスケール成分の推定方法がある。(例えば、特許文献3)
しかしながら、スケールが付着するか否かは主として水質に依存しており、特許文献1または特許文献2に記載されている発明では、水質の的確な判断なしに、全ての水質に対してスケールの付着防止機能をヒートポンプ給湯機が具備することで、複雑な制御を伴うとともに、ヒートポンプ給湯機自体のコストが上昇するという問題があった。
また、特許文献3に記載されている推定方法では、判定基準値近傍の水質で誤判定する可能性がある。当該誤判定の要因は、ランゲリア指数を求める式中に代入するpH値は常温で測定した値でしかないことによるためと考えられる。すなわち、スケールが最も付着しやすい熱交換器出口近傍の温度は高温(例えば約90℃)であり、pH値は常温(例えば約25℃)の場合と異なるが、実際の熱交換器出口付近でのpH値を使用水で測定することはできない。このため、ランゲリア指数や安定度指数を用いたスケール付着の推定方法をヒートポンプ給湯機で使用した場合に判定が難しく、該判定を誤り、対策を施さなかったために、スケールが付着する可能性があるという問題があった。
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、スケールが付着する水質と付着しない水質を簡単な方法により見極めること目的とするものである。
この発明に係るヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法は、略90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法であって、Mアルカリ度を測定し、Mアルカリ度が50mgCaCO3/L未満であるか否かを判定する工程と、カルシウム硬度を測定し、カルシウム硬度が90mgCaCO3/L以下であるか否かを判定する工程と、pHを測定し、pHが7.5以下であるか否かを判定する工程とを有し、各工程の判定結果が全て条件を満たす場合にはスケールを形成しにくい水質であると診断するように構成したものである。
この発明は、簡単な方法で、ほぼ誤り無くスケールが付着する水質と付着しない水質を見極めることができる。
実施の形態1.
次に、図面を用いて、この発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
次に、図面を用いて、この発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
図1は、この発明の実施の形態1におけるスケールが付着しない水の水質基準の範囲を実験的に示した図である。図において、(a)の部分は、Mアルカリ度とカルシウム硬度との関係をスケールが付着するか否かについて実験的に示した図である。縦軸がMアルカリ度(mgCaCO3/L)、横軸がカルシウム硬度(mgCaCO3/L)を表す。また、(b)の部分は、Mアルカリ度とpHとの関係をスケールが付着するか否かについて実験的に示した図である。同じく、縦軸がMアルカリ度(mgCaCO3/L)、横軸がpHを表す。ここで示した測定値(測定された分析値、図中にプロット)は、常温(約25℃)で測定された値である。図中、●印はスケールの付着が確認された水質を示し、△印はスケールの付着が確認されなかった水質を示す。
実験結果から明らかなように、図中斜線部分の範囲内に入る水質では、スケールの付着が起こらない。すなわち、以下に示す条件を全て満たす水質ではスケールが付着しないことがわかる。
・Mアルカリ度50mg/L(CaCO3換算)未満
・カルシウム硬度90mg/L(CaCO3換算)以下
・pH7.5以下
なお、上記3つの項目以外の測定は任意であり、基本的には不要である。すなわち、約90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水において、スケールが付着するか否かの判断は、水質を左右する他の成分の違いによらない。つまり、約90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機では、上記3つの項目の測定値が上記基準を全て満たしている場合、他の要素、例えば、導電率または塩化物イオン濃度等の値にかかわらず、スケールがほぼ付着しないと判断できる。
・Mアルカリ度50mg/L(CaCO3換算)未満
・カルシウム硬度90mg/L(CaCO3換算)以下
・pH7.5以下
なお、上記3つの項目以外の測定は任意であり、基本的には不要である。すなわち、約90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水において、スケールが付着するか否かの判断は、水質を左右する他の成分の違いによらない。つまり、約90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機では、上記3つの項目の測定値が上記基準を全て満たしている場合、他の要素、例えば、導電率または塩化物イオン濃度等の値にかかわらず、スケールがほぼ付着しないと判断できる。
また、上記3つの項目について、下限値の規定は不要である。なぜなら、スケールの主成分は炭酸カルシウム(CaCO3)であり、炭酸カルシウムの生成反応は、Ca2++2HCO3
-→CaCO3+CO2+H2Oで示されるため、重炭酸イオン(2HCO3
-)濃度の指標であるMアルカリ度、及びカルシウムイオン(Ca2+)濃度の指標であるカルシウム硬度が低いほど、スケールの生成反応は起こりにくくなるからである。
また、図2はpHとH2CO3、HCO3
-、及び、CO3
2-の存在比率(モル比)を示した図である。図において、縦軸は存在比率(モル比)、横軸はpHを表す。図から明らかなように、pHは重炭酸イオンの水中での存在比率の指標であり、pH7.5以下の範囲でのpH低下は重炭酸イオン濃度の存在比率を低下させる方向に働くため、炭酸カルシウムの生成反応が起こりにくい方向である。したがって、pHについても下限値の規定は不要である。
次に、実際の測定方法について具体的に記載する。この発明の実施の形態1における水質診断は、pH7.5で変色する指示薬、例えば、該指示薬としてクレゾールレッドを用いた場合には、pHの変化に応じて、黄色から赤色へと変色することが知られおり、前記指示薬を入れた第1の容器と、Mアルカリ度50mgCaCO3/Lで変色する指示薬、例えば、Mアルカリ度50mgCaCO3/Lで終点となる希塩酸とメチルオレンジを入れた第2の容器と、カルシウム硬度90mgCaCO3/Lで変色する指示薬、例えば、カルシウム硬度90mgCaCO3/Lで終点となるEDTAとシアン化カリウム溶液と塩化ヒドロキシルアンモニウム溶液とNANA指示薬を入れた第3の容器を準備する。
上記第1の容器、第2の容器、及び第3の容器のそれぞれに対し、診断対象の水を入れて、色見本による目視判定もしくは吸光度計により、変色の有無を判定する。第1の容器、第2の容器、及び第3の容器の内、少なくとも1つの容器で変化(変色)が確認された場合、90℃沸き上げ条件下で、スケールが付着する水質と判定する。
なお、pH7.5以下か否かの判定は上記指示薬を用いずとも、ポータブルpH計で実測し、判断してもかまわない。また、Mアルカリ度及びカルシウム硬度の測定についても、上記指示薬を用いずとも、市販の水質分析キット(例えば、ドロップテスト)で行ってもかまわない。ここで、90℃沸き上げ条件下で、スケールが付着する水質であると判断された場合、イオン交換樹脂による水質改善技術等の適用により、スケールが付着を防止することができる。
次に、この発明の実施の形態1に係る方法を用いた水質改善システムについて記載する。図3は一般的なヒートポンプ給湯機の冷媒回路と水回路の構成を示す概略図である。図において、圧縮機1により高温高圧になった加熱ガス冷媒(例えば、二酸化炭素冷媒)は、第一冷媒配管2を通り、冷媒/水熱交換器3に流入する。一方、貯湯タンク4に蓄えられた水は、ポンプ5により押し出され、第一水配管6を通り、冷媒/水熱交換器3に流入する。冷媒/水熱交換器3では、加熱ガス冷媒と水が熱交換することで水を加熱する。加熱された水は第二水配管7を通り貯湯タンク4へと戻る。
一方、水へ熱を伝えた加熱ガス冷媒は第二冷媒配管8を通り膨張弁9に送られる。膨張弁9に送られた加熱ガス冷媒は減圧され、第三冷媒配管10を通り蒸発器11に流入する。蒸発器11では、送風機12から送られた外気により吸熱した後、第四冷媒配管13を通り圧縮機1へと戻る。
例えば、深夜電力を利用して湯沸しを行う一般的なヒートポンプ給湯機では、昼間に貯湯タンク4の湯が使用されると、第一給水配管14から水道水が使用湯量に応じて貯湯タンク4に供給される。貯湯タンク4内の水は攪拌が無い限り、高温層と低温層の2層に分離しているため、水道水の供給により高温層と低温層の境界層部分が貯湯タンク4の上部(貯湯タンク4の出水側)へと移動する。したがって、昼間に高温の湯が常時供給される。ここで、スケールが付着する水質で一般的なヒートポンプ給湯機を動作させた場合、スケールは冷媒/水熱交換器3の出口側水回路伝熱面に付着する。
このような一般的なヒートポンプ給湯機に対して、水質改善技術を用いたヒートポンプ給湯機の概略構成を図4に示す。図において、第二給水配管15から供給される水道水は、純水化(イオン交換)樹脂塔16の流水量を調整するための第一流量制御弁17と純水化樹脂塔16を通らずに直接貯湯タンク4に流入する流水量を調整する第二流量制御弁18とにより、貯湯タンク4に流入する流水量が調整されると共に水質が改善される。ここで、スケールが付着する水質と判断された場合、基準値を外れた項目について、給水水の一部を純水化樹脂塔16に通すことで、貯湯タンク4への流入水が基準内に収まるようにし、スケール付着を防止する。
純水化樹脂塔16に使用される純水化樹脂は、寿命が来るとカルシウムイオンや重炭酸イオンを捕捉しにくくなる(水素イオンや水酸化物イオンとのイオン交換が行えなくなる)。したがって、その状態を検知するために、導電率計19は処理水の導電率を監視する。例えば、導電率計19にアラーム機能を持たせ、導電率が10μS/cmを超えた場合にアラームが鳴るように設定すれば、純水化樹脂の交換時期を知らせることができる。
この発明の実施の形態1に係る方法を用いた水質改善システムでは、例えば、Mアルカリ度90mgCaCO3/L、カルシウム硬度120mgCaCO3/L、及びpH7.0といったMアルカリ度およびカルシウム硬度の基準を満たさない水質の水を用いた場合でも、供給水の一部を純水化樹脂塔16に通すことで貯湯タンク4への流入水が基準内に収めることができる。
第一給水配管14に設けられた供給水の水質診断コック20から抜き取られた水の水質をこの発明の実施の形態1に係る方法を用いて診断する。基準を満たさない場合には、第一流量制御弁17の流水量を調整し、純水化樹脂塔16の流水量を増加させ、水質診断コック20から抜き取られた水の水質を再び診断する。基準を満たさない場合には、再度、第一流量制御弁17の流水量を調整し、純水化樹脂塔16の流水量を増加させる。このような調整を繰り返すことで、スケールが付着しない水質が得られる。なお、第二流量制御弁18の流水量を減少させることで、同様な調整を行っても良いし、第一流量制御弁17と第二流量制御弁18の双方を調整しても良い。
なお、Mアルカリ度とカルシウム硬度とは、イオン種である重炭酸イオン濃度とカルシウムイオン濃度に依存する。純水化樹脂塔16は重炭酸イオン濃度とカルシウムイオン濃度とを低減させる。ここで、各イオン濃度と指標であるMアルカリ度およびカルシウム硬度は、共に正比例の関係にあるため、上記使用水の場合、供給水のうち1/2程度を純水化樹脂塔16に通せば、貯湯タンク4に流入する水の水質は、Mアルカリ度約45mgCaCO3/L、カルシウム硬度約60mgCaCO3/Lとなることが予想できる。よって、このような流量となるよう第一流量制御弁17と第二流量制御弁18とを調整すればよい。調整後、確認のため、この発明の実施の形態1に係る方法を用いて診断することで、スケールが付着しない水質基準を満たす水質を得ることができる。
実施の形態2.
前記実施の形態1では、スケール水質診断方法とその方法を用い、純水化樹脂塔16を設けることで水質を改善し、使用水が90℃沸き上げ条件下でスケール付着する水質であると判断された場合にスケールが付着しない水質基準を満たす水質を得る給湯システムについて説明したが、この実施の形態2では、冷媒/水熱交換器3の加熱ガス冷媒温度を第一水配管6内の水が沸騰しない温度、例えば、第一冷媒配管2で冷媒/水熱交換器3に流入する加熱ガス冷媒の温度を約85℃に制御して、水側の出口沸き上げ温度を約75℃に下げるようにすればよい。
前記実施の形態1では、スケール水質診断方法とその方法を用い、純水化樹脂塔16を設けることで水質を改善し、使用水が90℃沸き上げ条件下でスケール付着する水質であると判断された場合にスケールが付着しない水質基準を満たす水質を得る給湯システムについて説明したが、この実施の形態2では、冷媒/水熱交換器3の加熱ガス冷媒温度を第一水配管6内の水が沸騰しない温度、例えば、第一冷媒配管2で冷媒/水熱交換器3に流入する加熱ガス冷媒の温度を約85℃に制御して、水側の出口沸き上げ温度を約75℃に下げるようにすればよい。
この実施の形態2に係る発明によれば、熱交換器水側伝熱面の最高温度を第一水配管6内部での水の沸点未満で維持することができるため、核沸騰が起こらず、スケールの核形成が防止できる。核沸騰部では水に溶けている成分が瞬時に析出するため、再溶解せずに残るとスケールの核となってしまう。したがって、核沸騰の防止は伝熱面へのスケール付着防止効果がある。
また、この実施の形態2に係る発明とこの実施の形態1に係るスケール水質診断方法とその方法を用い、純水化樹脂塔16を設けることで水質を改善する発明とを併用することで、より確実に伝熱面へのスケール付着が防止できる。
実施の形態3.
前記実施の形態2では、スケール水質診断方法によりスケール付着が発生すると診断された水を使用した場合に、核沸騰を抑制することでスケール付着を防止する給湯システムについて説明をしたが、この発明の実施の形態3は、核沸騰が起こり難い低い沸き上げ温度に設定した場合であっても、スケールが析出するような水質の水に対し、スケール付着を防止する給湯システムについて説明する。
前記実施の形態2では、スケール水質診断方法によりスケール付着が発生すると診断された水を使用した場合に、核沸騰を抑制することでスケール付着を防止する給湯システムについて説明をしたが、この発明の実施の形態3は、核沸騰が起こり難い低い沸き上げ温度に設定した場合であっても、スケールが析出するような水質の水に対し、スケール付着を防止する給湯システムについて説明する。
図5は、この発明の実施の形態3に係るヒートポンプ給湯機の冷媒回路と水回路の構成を示す概略図である。図において、上記実施の形態で説明した図と同一番号が付された部分は、同一内容を示すため説明を省略する。ここでは、上記実施の形態と異なる部分を中心に説明する。図において、バイパス配管21は、ポンプ5の入り口側の配管と出口側の配管とを繋ぐ配管である。バイパス配管21には、自動開閉弁22が設けられており、定期的、または、任意に自動開閉弁22の開閉を設定できる。
このように構成されたこの発明の実施の形態3に係る給湯システムでは、第一水配管6に脈流が生じ、冷媒/水熱交換器3の水側から第二水配管7にかけて脈流が伝播するため、熱交換器3の水側伝熱面の流速に変化が付き、析出したスケールが付着し難くなる。なお、脈流が生じた場合に、析出したスケールが付着し難くなる根拠は、ここでは詳しく記載しないが、国際出願番号PCT/JP2009/055637号に示されている通りである。
また、上記実施の形態1で説明したように、供給水の一部を純水化樹脂塔16に通すことで貯湯タンク4への流入水が基準内に収めることができる。そこで、本実施の形態3で説明した脈流を発生させる方法と併用することで、さらに析出したスケールが付着し難いという効果を高めることが可能である。加えて、併用することで、純水化樹脂塔16を通す水量を少なくすることができるため、純水化樹脂塔16の交換期間を長くすることも可能である。
実施の形態4.
前記実施の形態1に係るスケール水質診断方法により、初期の時点で、スケール付着が発生しないと診断された水質であっても、季節による変動、環境による変動、または、人的な変動等により、水源の水質が変動する場合が考えうる。このような場合において、使用中にスケール付着が発生する水質へ移行したことを検知し、前記実施の形態2、または、前記実施の形態3記載の給湯システムへ移行することで、このような変化が生じた場合でも効果的にスケール付着を防止することが可能である。
前記実施の形態1に係るスケール水質診断方法により、初期の時点で、スケール付着が発生しないと診断された水質であっても、季節による変動、環境による変動、または、人的な変動等により、水源の水質が変動する場合が考えうる。このような場合において、使用中にスケール付着が発生する水質へ移行したことを検知し、前記実施の形態2、または、前記実施の形態3記載の給湯システムへ移行することで、このような変化が生じた場合でも効果的にスケール付着を防止することが可能である。
図6は、この発明の実施の形態4に係るヒートポンプ給湯機の冷媒回路と水回路の構成を示す概略図である。図において、上記実施の形態で説明した図と同一番号が付された部分は、同一内容を示すため説明を省略する。ここでは、上記実施の形態と異なる部分を中心に説明する。
図6において、水質の変化を検知するために、導電率モニター23が第一給水配管14に設置されている。ここで、導電率モニター23は、Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHの値を測定することが可能である。上記実施の形態では、Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHについて、試薬等を用いて簡単に測定する方法を記載したが、これらの方法を用いない場合であっても、規模、及び、費用が大きくなるが、公知の測定機器を用いて測定することも可能である。
また、導電率モニター23は、スケール水質診断時に導電率も併せて測定することが可能である。当該測定は公知の導電率計19を用いて測定することが可能である。このデータは、上記Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHに係るデータと共にRAMなどのメモリー等に記憶する。初期の時点で、Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHの値で水質診断を行い、スケール付着の有無を判定する。このとき、導電率も併せて測定し、基準となる導電率をメモリー等に記録する。
その後、水源の水質が、季節による変動、環境による変動、または、人的な変動等により変化しことが、導電率の変化により検地することが可能である。ここで、導電率は、Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHの値のみで決まるものではないが、導電率は、Mアルカリ度、カルシウム硬度、及び、pHの値が変化すれば変化するため水質を監視する上での基準とすることが可能である。そして、予め測定しておいた導電率のデータからスケール付着の起きる可能性がある水質に変化したと推定できる値となった場合に、スケールが付着する可能性がある水質に変わったと判断して、前記実施の形態2又は前記実施の形態3の給湯システムを実施する。
このように構成されたこの発明の実施の形態4に係る給湯システムでは、水源の水質が、季節、環境、または、人的な影響等により変動する場合に、初期の時点で、スケールの付着が発生しない水質と判断された供給水に対して、余分なスケール付着防止対策を施すことなく、スケールが付着する可能性がある水質に変化した場合のみにスケール付着防止対策を施すことができ、効率的な運転が実現可能である。
実施の形態5.
上記実施の形態では、90℃沸き上げ条件下で、スケールが付着する可能性がある水質であるか否かの判断方法について記載してきたが、冷媒/水熱交換器3の水側の第二水配管7との接続部である水側出口の水温が略60℃となる運転条件下では、沸き上げ温度略90℃の運転条件下よりもスケールが付着する可能性がある水質であるか否かの診断の基準値が緩和できる。
上記実施の形態では、90℃沸き上げ条件下で、スケールが付着する可能性がある水質であるか否かの判断方法について記載してきたが、冷媒/水熱交換器3の水側の第二水配管7との接続部である水側出口の水温が略60℃となる運転条件下では、沸き上げ温度略90℃の運転条件下よりもスケールが付着する可能性がある水質であるか否かの診断の基準値が緩和できる。
図7は、この発明の実施の形態5におけるスケールが付着しない水の水質基準の範囲を実験的に示した図である。図において、(a)の部分は、Mアルカリ度とカルシウム硬度との関係をスケールが付着するか否かについて実験的に示した図である。縦軸がMアルカリ度(mgCaCO3/L)、横軸がカルシウム硬度(mgCaCO3/L)を表す。また、(b)の部分は、Mアルカリ度とpHとの関係をスケールが付着するか否かについて実験的に示した図である。同じく、縦軸がMアルカリ度(mgCaCO3/L)、横軸がpHを表す。ここで示した測定値(測定された分析値、図中にプロット)は、常温(約25℃)で測定された値である。図中、●印はスケールの付着が確認された水質であり、△印はスケールの付着が確認されなかった水質である。
図中斜線部分で示された範囲内に入る水質では、スケールの付着が起こらない。すなわち、以下に示す条件のみを全て満たす水質ではスケールが付着しないことがわかる。
・Mアルカリ度75mg/L(CaCO3換算)未満
・カルシウム硬度120mg/L(CaCO3換算)以下
・pH7.5以下
以上説明したように、この発明の実施の形態5に係る給湯システムでは、前記実施の形態1で説明した水質診断方法と同様の方法を用い、上記基準のうち少なくとも一つを満たさずに、冷媒/水熱交換器3の水側の第二水配管7との接続部である水側出口の水温が略60℃でスケールが付着する可能性があると診断された水質の共給水に対し、実施の形態1または実施の形態3のスケール付着防止方法を実施することで、このような低温での沸き上げ条件下においても、スケールが付着するような水質に対しても確実にスケール付着を防止することが可能となる。
・Mアルカリ度75mg/L(CaCO3換算)未満
・カルシウム硬度120mg/L(CaCO3換算)以下
・pH7.5以下
以上説明したように、この発明の実施の形態5に係る給湯システムでは、前記実施の形態1で説明した水質診断方法と同様の方法を用い、上記基準のうち少なくとも一つを満たさずに、冷媒/水熱交換器3の水側の第二水配管7との接続部である水側出口の水温が略60℃でスケールが付着する可能性があると診断された水質の共給水に対し、実施の形態1または実施の形態3のスケール付着防止方法を実施することで、このような低温での沸き上げ条件下においても、スケールが付着するような水質に対しても確実にスケール付着を防止することが可能となる。
1 圧縮機、2 第一冷媒配管、3 冷媒/水熱交換器、4 貯湯タンク、5 ポンプ、6 第一水配管、7 第二水配管、8 第二冷媒配管、9 膨張弁、10 第三冷媒配管、11 蒸発器、12 送風機、13 第四冷媒配管、14 第一給水配管、15 第二給水配管、16 純水化樹脂塔、17 第一流量制御弁、18 第二流量制御弁、19 導電率計、20 水質診断コック、21 バイパス配管、22 自動開閉弁、23 導電率モニター
Claims (10)
- 略90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法であって、Mアルカリ度を測定し、該Mアルカリ度が50mgCaCO3/L未満であるか否かを判定する工程と、カルシウム硬度を測定し、該カルシウム硬度が90mgCaCO3/L以下であるか否かを判定する工程と、pHを測定し、該pHが7.5以下であるか否かを判定する工程とを有することを特徴とする水質診断方法。
- 略90℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法であって、Mアルカリ度を測定し、該Mアルカリ度が50mgCaCO3/L未満であるか否かを判定する工程と、カルシウム硬度を測定し、該カルシウム硬度が90mgCaCO3/L以下であるか否かを判定する工程と、pHを測定し、該pHが7.5以下であるか否かを判定する工程とを有し、前記各工程のみからなることを特徴とする水質診断方法。
- 前記請求項1又は前記請求項2に記載の水質診断方法を用いたヒートポンプ利用の給湯システムにおいて、供給水の給水配管と、純水化(イオン交換)樹脂塔と、前記給水配管から分岐し前記純水化(イオン交換)樹脂塔を通って再び前記給水配管に合流する第一の流路と、前記給水配管から分岐し前記純水化(イオン交換)樹脂塔を通らない第二の流路とを備え、前記水質診断方法における各工程の判定結果のうち、少なくとも一つの工程で所定の条件を満たさない場合には、前記第一の流路を通る流量と前記第二の流路を通る流量との比率を変更することを特徴とするヒートポンプ利用の給湯システム。
- 前記請求項1又は前記請求項2に記載の水質診断方法を用いたヒートポンプ利用給湯システムにおいて、前記水質診断方法における各工程の判定結果のうち、少なくとも一つの工程で所定の条件を満たさない場合には、沸き上げ温度を下げることを特徴とするヒートポンプ利用の給湯システム。
- 前記請求項1又は前記請求項2に記載の水質診断方法を用いたヒートポンプ利用の給湯システムにおいて、冷媒/水熱交換器と、前記冷媒/水熱交換器に水を送るポンプと、前記ポンプの流入口と流出口とを繋ぐバイパス配管とを備え、前記バイパス配管上の所定の位置に、前記バイパス配管を流れる水の流量を可変する自動開閉弁を設けたことを特徴とするヒートポンプ利用の給湯システム。
- 供給水のMアルカリ度、カルシウム硬度、pH、及び、導電率を計測し、記憶する導電率モニターを備えたことを特徴とする前記請求項3乃至前記請求項5のいずれか一つに記載のヒートポンプ利用の給湯システム。
- 略60℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法であって、Mアルカリ度を測定し、該Mアルカリ度が75mgCaCO3/L未満であるか否かを判定する工程と、カルシウム硬度を測定し、該カルシウム硬度が120mgCaCO3/L以下であるか否かを判定する工程と、pHを測定し、該pHが7.5以下であるか否かを判定する工程とを有することを特徴とする水質診断方法。
- 略60℃沸き上げのヒートポンプ給湯機の供給水の水質診断方法であって、Mアルカリ度を測定し、該Mアルカリ度が75mgCaCO3/L未満であるか否かを判定する工程と、カルシウム硬度を測定し、該カルシウム硬度が120mgCaCO3/L以下であるか否かを判定する工程と、pHを測定し、該pHが7.5以下であるか否かを判定する工程とを有し、前記各工程のみからなることを特徴とする水質診断方法。
- 前記請求項7又は前記請求項8に記載の水質診断方法を用いたヒートポンプ利用の給湯システムにおいて、供給水の給水配管と、純水化(イオン交換)樹脂塔と、前記給水配管から分岐し前記純水化(イオン交換)樹脂塔を通って再び前記給水配管に合流する第一の流路と、前記給水配管から分岐し前記純水化(イオン交換)樹脂塔を通らない第二の流路とを備え、前記水質診断方法における各工程の判定結果のうち、少なくとも一つの工程で所定の条件を満たさない場合には、前記第一の流路を通る流量と前記第二の流路を通る流量との比率を変更することを特徴とするヒートポンプ利用の給湯システム。
- 前記請求項7又は前記請求項8に記載の水質診断方法を用いたヒートポンプ利用の給湯システムにおいて、冷媒/水熱交換器と、前記冷媒/水熱交換器に水を送るポンプと、前記ポンプの流入口と流出口とを繋ぐバイパス配管とを備え、前記バイパス配管上の所定の箇所に、前記バイパス配管の流量を可変する自動開閉弁を設けたことを特徴とするヒートポンプ利用の給湯システム。
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