JP2007170690A - ヒートポンプ給湯機および該ヒートポンプ給湯機の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽熱を効率良く利用し、システム全体の成績係数（加熱能力を消費電力で割った数値）を向上させるヒートポンプ給湯機を提供する。
【解決手段】ヒートポンプ給湯機２０は、タンク循環水回路１６と太陽熱循環回路４とヒートポンプ回路２と第１熱交換器５と第２熱交換器９と第３熱交換器６とを備える。タンク循環水回路１６は、内部にタンク循環水を貯留する貯湯タンク３を含む。太陽熱循環回路４は、太陽熱を集熱する太陽熱コレクター１を含む。ヒートポンプ回路２は、冷媒加熱手段である圧縮機８を含む。第１熱交換器５は、タンク循環水と圧縮機８により高温高圧となった冷媒との間で熱交換を行なう。第２熱交換器９は、タンク循環水と圧縮機８により加熱された冷媒との間で熱交換を行なう。第３熱交換器６は、太陽熱循環回路４を流れる冷媒とヒートポンプ回路２を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機および該ヒートポンプ給湯機の制御方法に関し、たとえば、太陽熱を利用したヒートポンプ給湯機および該ヒートポンプ給湯機の制御方法に関する。

従来、ヒートポンプ給湯機において、環境等の観点から、太陽熱を利用しているものがある。たとえば、太陽熱コレクターがヒートポンプサイクルの冷媒回路において低圧側に配置されていて太陽熱を集熱するヒートポンプ給湯機、太陽熱コレクターがヒートポンプサイクルの冷媒回路において高圧側に配置されて太陽熱を集熱するヒートポンプ給湯機、または太陽熱コレクターがヒートポンプサイクルの冷媒回路において高圧側と低圧側の中間に配置されて太陽熱を集熱するヒートポンプ給湯機などが考案あるいは製品化されている。その例として、特開昭５９−３５７５６号公報（特許文献１）にヒートポンプ給湯機が開示されている。

特許文献１に記載のヒートポンプ給湯機は、太陽熱コレクターと、貯湯槽と、ヒートポンプサイクルを構成する２の温水熱交換器と、圧縮機とを備えている。当該ヒートポンプ給湯機は、圧縮機で集熱された冷媒を第１温水熱交換器で貯湯槽の水と熱交換させる。そして、冷媒を条件により太陽熱コレクターで集熱させて、第２温水熱交換器で貯湯槽の水と熱交換させる。

また、従来の太陽熱を利用したヒートポンプ給湯機の他の例として、特開２００４−９２９３４号公報（特許文献２）にソーラーシステム付きヒートポンプ給湯機が開示されている。

特許文献２に記載のソーラーシステム付きヒートポンプ給湯機は、コレクターと熱交換器とを含むソーラーシステムと、ヒートポンプユニットと、貯湯タンクとを備えている。当該ソーラーシステム付きヒートポンプ給湯機は、ソーラーシステムとヒートポンプユニットとを組み合わせて、貯湯タンクの水を加温している。ソーラーシステムで集めた熱を、水あるいは不凍液で循環する回路を有しており、該回路に貯湯タンク内下部の熱交換器でタンク内の水を加温している。そして、貯湯タンクの中間位置から出た水をヒートポンプで加温してから、貯湯タンクの上部に循環させている。
特開昭５９−３５７５６公報 特開２００４−９２９３４公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたヒートポンプ給湯機では、加熱能力が向上するものの、圧縮機を運転しなければ太陽熱を集熱することができない。そのため、日射量が十分にある時でも圧縮機を運転するための消費電力が必要であり、日射量がない時の約７０〜８０％の消費電力が必要となり、効率的な運転ができない。一方、ヒートポンプサイクルを用いない太陽熱集熱システムでは循環水ポンプの消費電力だけで太陽熱を集熱できるが、日射量の十分でない時に、貯湯槽を加温できないという問題がある。よって、上記特許文献１では、太陽熱を利用して加熱能力を上げると消費電力が大きくなる。

また、上記特許文献２に開示されたソーラーシステム付きヒートポンプ給湯機では、コレクターから得て冷媒に伝えられた熱を、貯湯タンクの水だけに伝えている。そのため、日射量が十分でないときは、コレクターから集熱できず、ヒートポンプのみでタンク水を加熱することになり、太陽熱を十分に利用できていない。つまり、当該ソーラーシステム付きヒートポンプ給湯機では、日射量を十分に利用できていないという問題がある。よって、上記特許文献２では、太陽熱を十分に利用できず、加熱能力が劣る。

それゆえに、本発明の目的は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、太陽熱を効率良く利用し、システム全体の成績係数（加熱能力を消費電力で割った数値）を向上させるヒートポンプ給湯機を提供することである。

本発明にしたがったヒートポンプ給湯機は、タンク循環水回路と、太陽熱循環回路と、ヒートポンプ回路と、第１熱交換器と、第２熱交換器と、第３熱交換器とを備える。タンク循環水回路は、内部にタンク循環水を貯留する貯湯タンクを含む。太陽熱循環回路は、太陽熱を集熱する太陽熱コレクターを含み、冷媒が循環する。ヒートポンプ回路は、圧縮機を含み、冷媒が循環する。第１熱交換器は、タンク循環水と太陽熱コレクターにより加熱された冷媒との間で熱交換を行なう。第２熱交換器は、タンク循環水と圧縮機により高温高圧になった冷媒との間で熱交換を行なう。第３熱交換器は、太陽熱循環回路を流れる冷媒とヒートポンプ回路を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。

上記ヒートポンプ給湯機において、第１熱交換器により熱交換されたタンク循環水の温度を測定する第１温度センサと、第２熱交換器により熱交換されたタンク循環水の温度を測定する第２温度センサとをさらに備えることが好ましい。

上記ヒートポンプ給湯機において、第１熱交換器により加温されたタンク循環水の第１熱交換器の出口温度が設定温度以上となるときにヒートポンプ回路の運転を中断し、出口温度が設定温度より低くなるときに、ヒートポンプ回路の運転を行なう制御手段をさらに有することが好ましい。

上記ヒートポンプ給湯機において、ヒートポンプ回路の冷媒にＣＯ₂を用いることが好ましい。

上記ヒートポンプ給湯機において、タンク循環水回路において第１熱交換器と第２熱交換器とが直列的に配置されることが好ましい。

上記ヒートポンプ給湯機において、タンク循環水回路においてタンク循環水が流れる方向に、貯湯タンク、第１熱交換器、第２熱交換器の順に配置されることが好ましい。

本発明のヒートポンプ給湯機の制御方法は、上記ヒートポンプ給湯機の制御方法であって、太陽熱コレクターにより集熱される太陽熱によりタンク循環水の温度が設定以上となったか否かを判断する判断工程と、判断工程において設定温度よりも低い場合にヒートポンプ回路の運転を行なう工程とを備える。

このように、本発明によれば、太陽熱循環回路を運転する場合には、第３熱交換器により、ヒートポンプ回路を流れる冷媒が、太陽熱循環回路を流れる冷媒により温められるため、ヒートポンプ回路を流れる冷媒を温めるための消費電力を低減することができる。よって、システム全体の成績係数を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機を示す模式図である。図１を参照して、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機を説明する。本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０は、図１に示すように、たとえば、タンク循環水回路１６と、太陽熱循環回路４と、ヒートポンプ回路２と、第１熱交換器５と、第２熱交換器９と、第３熱交換器６とを備える。

詳細には、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０は、図１に示すように、たとえば、太陽熱コレクター１と、貯湯タンク３と、第１熱交換器５と、第３熱交換器６と、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７と、冷媒加熱手段としての圧縮機８と、第２熱交換器９と、空気熱交換器１０と、絞り機構１１と、タンク循環水ポンプ１２と、制御手段１３と、第１温度センサ１４と、第２温度センサ１５とを備えている。

太陽熱コレクター１は、太陽熱を集熱する。貯湯タンク３は、内部にタンク循環水を貯留する。第１熱交換器５は、タンク循環水と太陽熱コレクター１により加熱された冷媒との間で熱交換を行なう。第３熱交換器６は、太陽熱循環回路４を流れる冷媒とヒートポンプ回路２を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。本実施の形態では、第３熱交換器６は、第２熱交換器９により熱交換された冷媒と太陽熱コレクター１により熱交換された冷媒との間で熱交換させる。太陽熱利用冷媒循環ポンプ７は、太陽熱循環回路４を流れる冷媒を循環させる。圧縮機８としては、本実施の形態では回転数で能力制御ができるインバータ圧縮機を用いている。第２熱交換器９は、タンク循環水と圧縮機８により加熱された冷媒との間で熱交換を行なう。空気熱交換器１０は、冷媒を外気（空気）と熱交換させる。絞り機構１１は、冷媒を膨張させる。タンク循環水ポンプ１２は、タンク循環水回路１６を流れるタンク循環水を循環させる。

制御手段１３は、第１温度センサ１４および第２温度センサ１５で測定される温度に基づいて、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７、圧縮機８、空気熱交換器１０、絞り機構１１、およびタンク循環水ポンプ１２を制御する。なお、図１における点線は、制御手段１３による制御線を示している。また、制御手段１３は、第１熱交換器５により加温されたタンク循環水の第１熱交換器５の出口温度が設定温度以上となるときにヒートポンプ回路２の運転を中断し、出口温度が設定温度より低くなるときに、ヒートポンプ回路２の運転を行なう機能を有する。

第１温度センサ１４は、第１熱交換器５により熱交換されたタンク循環水の温度を測定する。第２温度センサ１５は、第２熱交換器９により熱交換されたタンク循環水の温度を測定する。第１温度センサ１４および第２温度センサ１５は、本実施の形態では、シース熱電対あるいは保護管で覆われたサーミスタがセンサとして用いられている。そして、第１の熱交換器５および第２の熱交換器９におけるタンク循環水の出口近傍の配管にセンサの感温部を挿入している。なお、温度測定の精度がやや劣るがサーミスタをクリップ状の取付ばねにより取り付けることもできる。

タンク循環水回路１６は、貯湯タンク３と、第１温度センサ１４と、第２温度センサ１５とを含む。タンク循環水回路１６において、第１熱交換器５と第２熱交換器９とは直列的に配置されている。「直列的に配置」とは、タンク循環水回路は１流路であり、タンク循環水回路１６に沿って第１熱交換器５と第２熱交換器９とが配置されていることを意味する。本実施の形態では、タンク循環水回路１６においてタンク循環水が流れる方向に、貯湯タンク３、第１熱交換器５、第２熱交換器９の順に配置されている。すなわち、タンク循環水は、貯湯タンク３、第１熱交換器５、第２熱交換器９の順に循環する。具体的には、タンク循環水は、貯湯タンク３の相対的に下方から流出し、第１熱交換器５、第２熱交換器９を通り、貯湯タンク３の相対的に上方に流入することにより循環している。

第１温度センサ１４は、第１熱交換器５の出口と第２熱交換器９の入口との間に配置されている。なお、第１温度センサ１４は、第１熱交換器５の入口と第２熱交換器９の出口との間に配置されていれば、特に限定されない。たとえば、第１熱交換器５で熱交換を終えたタンク循環水の温度を正確に測定する点から、第１熱交換器５の出口近傍に配置することが好ましい。

第２温度センサ１５は、第２熱交換器９の出口と貯湯タンク３の流入場所３ａとの間に配置されている。なお、第２温度センサ１５は、第２熱交換器９の出口と貯湯タンク３の流入場所３ａとの間に配置されていれば、特に限定されない。たとえば、第２熱交換器９で熱交換を終えたタンク循環水の温度を正確に測定する点から、第２熱交換器９の出口近傍に配置することが好ましい。

第２熱交換器９から流出するタンク循環水が貯湯タンク３に流入する流入場所３ａは、貯湯タンク３の相対的に上方としている。流入場所３ａは、貯湯タンク３の相対的に上方に配置されていれば、特に限定されない。たとえば、流入場所３ａは、貯湯タンク３が設置される面に対して最も高い位置近傍に設けることが好ましい。また、貯湯タンク３からタンク循環水が流出する流出場所３ｂは、貯湯タンク３の相対的に下方としている。流出場所３ｂは、貯湯タンク３の相対的に下方に配置されていれば、特に限定されない。たとえば流出場所３ｂは、貯湯タンク３が設置される面に対して最も低い位置近傍に設けることが好ましい。このような配置とすると、タンク循環水回路１６において、貯湯タンク３の下方のタンク循環水は相対的に低温であり、その低温のタンク循環水が、第１の熱交換器５と第２の熱交換器９とを通ることにより設定温度付近の温度となる。相対的に高温のタンク循環水は比重が軽いため、貯湯タンク３の相対的に上方のタンク循環水が高温となる。タンク循環水回路１６を運転することにより、低温のタンク循環水が貯湯タンク３の下方に位置する流出場所３ｂから流出して、高温となったタンク循環水が貯湯タンク３の上方に位置する流入場所３ａから流入することが繰り返される。これにより、貯湯タンク３に貯留される高温のタンク循環水の割合が増え、貯湯タンク３の全体を高温とすることができる。そのため、貯湯タンク３の全体を所定の温度に上げることが容易となり、貯湯タンク３の容量を有効に利用できる。

また、太陽熱循環回路４は、太陽熱コレクター１と、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７とを含む。太陽熱循環回路４に沿って、第１熱交換器５と、第３熱交換器６とは配置されている。本実施の形態では、太陽熱循環回路４において第１熱交換器５と、第３熱交換器６とは直列的に配置されている。太陽熱循環回路４で用いる冷媒は、水または不凍液としている。当該冷媒は、太陽熱コレクター１、第１熱交換器５、第３熱交換器６の順に循環する。なお、太陽熱循環回路４はこの構成に特に限定されない。たとえば、当該冷媒が太陽熱コレクター１を出たのちに、第１熱交換器５と第３熱交換器６との双方に並列に通ることができる分岐部材を有していてもよい。

また、ヒートポンプ回路２は、圧縮機８と、空気熱交換器１０と、絞り機構１１とを含む。ヒートポンプ回路２に沿って、第３熱交換器６と、第２熱交換器９とは配置されている。本実施の形態では、ヒートポンプ回路２において第３熱交換器６と第２熱交換器９とは直列的に配置されている。ヒートポンプ回路２で用いる冷媒はＣＯ₂としている。当該冷媒は、圧縮機８、第２熱交換器９、絞り機構１１、空気熱交換器１０、第３熱交換器６の順に循環する。なお、空気熱交換器１０を動作するのに室外熱交換器ファンモータ（図示せず）を備えている。

ヒートポンプ回路２で用いる冷媒は、ＣＯ₂に特に限定されない。たとえば、ＨＣＦＣ（ハイドロクロロフルオロカーボン）、またはＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）を用いることもできる。ＣＯ₂冷媒を用いると、高温給湯が可能であり、地球温暖化係数が小さいので好ましい。

次に、図１および図２を参照して、ヒートポンプ給湯機２０の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の制御方法を示すフローチャートである。

まず、図１を参照して、タンク循環水回路１６の動作について説明する。タンク循環水回路１６では、貯湯タンク３に貯留しているタンク循環水と、第１熱交換器５において太陽熱循環回路４を流れる冷媒との間で熱交換が行なわれる。そして、第２熱交換器９においてヒートポンプ回路２を流れる冷媒とタンク循環水との間で熱交換が行なわれる。なお、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２の併用運転が行なわれていない場合には、運転が行なわれていない第１熱交換器５と第２熱交換器９では、タンク循環水は熱交換を行なわずに通過させる。

次に、図１を参照して、太陽熱循環回路４の動作について説明する。太陽熱循環回路４では、太陽熱コレクター１により熱交換された冷媒は、第１熱交換器５においてタンク循環水と熱交換する。そして、第１熱交換器５で熱交換を終えた冷媒と、第２熱交換器９で熱交換を終えたヒートポンプ回路２を流れる冷媒との間で、第３熱交換器６において熱交換させる。第３熱交換器６により、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒を温めることができる。

次に、図１を参照して、ヒートポンプ回路２の動作について説明する。ヒートポンプ回路２では、圧縮機８により冷媒を高温高圧の状態として、第２熱交換器９においてタンク循環水と冷媒との間で熱交換させる。そして、絞り機構１１により冷媒を低温低圧の状態とし、空気熱交換器１０において外気（空気）と冷媒との間で熱交換させる。そして、第３熱交換器６において、冷媒と、太陽熱循環回路４において第１熱交換器５で熱交換を終えた冷媒との間で熱交換させる。

次に、図１および図２を参照して、ヒートポンプ給湯機２０の制御方法の一例について説明する。

図２に示すように、まず、昼間・日照時の判断を行なう工程（Ｓ１０）を実施して、工程（Ｓ１０）でＹＥＳと判断された後、太陽熱循環回路４を運転する（工程Ｓ２０）。この工程（Ｓ２０）では、たとえば、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７を作動する。これにより、第１熱交換器５において太陽熱循環回路４を流れる冷媒によりタンク循環水を加温することができる。また、この工程（Ｓ２０）では、ヒートポンプ回路２の運転は中断しているため、タンク循環水は第２熱交換器９を通過するだけで熱交換は行なわれない。なお、この工程（Ｓ２０）においては、太陽熱循環回路４を運転するとともに、タンク循環水ポンプ１２によりタンク循環水回路１６も運転する。

つぎに、第１温度センサ１４が設定温度以上か否かを判断する工程（Ｓ２１）を実施する。工程（Ｓ２１）を実施するのは、太陽熱コレクター１により集熱される太陽熱によりタンク循環水の温度が設定温度以上となったか否かを判断する判断工程を実施するためである。太陽熱コレクター１により集熱される太陽熱によりタンク循環水の温度が設定以上となったか否かを判断する判断工程は、太陽熱の熱量が十分か否かを判断している。しかし、太陽熱コレクター１により集熱される太陽熱によりタンク循環水がある温度以上加熱されたか否かを判断する判断工程を備えていれば、特に工程（Ｓ２１）に限定されない。たとえば、熱量計で第１熱交換器５の出口のタンク循環水を測定して、太陽熱コレクター１により集熱される太陽熱によりタンク循環水の熱量が設定熱量以上となったか否かを判断する判断工程を備えていてもよい。

工程（Ｓ２１）において、第１温度センサ１４が設定温度以上であれば、ＹＥＳと判断される。なお、ＹＥＳと判断される場合とは、たとえば、昼間でかつ日射が十分にある等の場合である。

工程（Ｓ２１）において、第１温度センサ１４が設定温度よりも低い場合には、ＮＯと判断される。なお、ＮＯと判断される場合とは、昼間でかつ曇り、朝、または夕方等で日射が十分でない場合と、夜間や雨等で日射がない場合とがある。

上記のように、太陽熱循環回路４を運転しながら、第１温度センサ１４が設定温度以上か否かを判断する工程（Ｓ２１）が実施される。この工程（Ｓ２１）において、第１温度センサ１４が設定温度以上であれば、ＹＥＳと判断される。すると、ふたたびスタートに戻り、上述の太陽熱循環回路４を運転する工程（Ｓ２０）が繰り返される。なお、太陽熱を利用できない場合には、消費電力を低減する観点から、工程（Ｓ４０）のように、太陽熱循環回路４の運転を中断し、圧縮機８等を作動してヒートポンプ回路２のみを運転する。つぎに、工程（Ｓ２１）において、第１温度センサ１４が設定温度よりも低い場合には、ＮＯと判断される。すると、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２を運転する工程（Ｓ３０）が実施される。

工程（Ｓ２１）でＮＯと判断されると、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２を運転する工程（Ｓ３０）が実施される。なお、この工程（Ｓ３０）においては、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２を運転するとともに、タンク循環水ポンプ１２によりタンク循環水回路１６も運転する。

この工程（Ｓ３０）では、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２を運転する。この場合には、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７および圧縮機８等を作動する。

次に、第２温度センサ１５が設定温度か否かを判断する工程（Ｓ３１）が実施される。第２温度センサ１５が設定温度である場合には、工程（Ｓ３１）においてＹＥＳと判断される。すると、再びスタートに戻り、太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２の運転継続の判断を繰り返す。第２温度センサ１５が設定温度でない場合（工程３２）で、第２温度センサ１５が設定温度よりも低い場合には、工程（Ｓ３２）においてＮＯと判断される。この場合には、圧縮機８の回転数を増加する工程（Ｓ３３）が実施される。

工程（Ｓ３３）では、圧縮機を用いている圧縮機８の回転数を増加することにより、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒の温度の上昇を抑制できる。これにより、タンク循環水の温度を設定温度に維持することができるとともに、圧縮機８等を動作させるのに必要な消費電力を低減することができる。

なお、工程（Ｓ３２）においてＹＥＳと判断された場合には、消費電力を低減する観点から、圧縮機８の回転数を低減する工程(Ｓ３４)を実施する。

次に、ヒートポンプのみの運転時（工程４０）にも、同様に、工程（Ｓ３１）から工程（Ｓ３４）が実施される。

次に、太陽熱の熱量が十分にある場合、太陽熱の熱量が十分でない場合、および太陽熱の熱量がない場合について具体的な動作について説明する。

まず、太陽熱の熱量が十分にある場合について説明する。この場合には、ヒートポンプ回路２は運転せず、太陽熱循環回路４を運転する。具体的には、太陽熱コレクター１で熱を得た冷媒は、第１熱交換器５においてタンク循環水との間で熱交換を行なう。これにより、タンク循環水は加温される。加温されたタンク循環水は、貯湯タンク３の流入場所３ａから貯湯タンク３へ入り、貯湯される。

たとえば、貯湯タンク３から流出したタンク循環水が１５℃で、第１温度センサ１４の設定温度が６０℃の場合、第１熱交換器５の出口でのタンク循環水の温度は、約６０℃に加温される。

太陽熱の熱量が十分にある場合において、加熱能力を４５００Ｗとするために必要な消費電力は、ヒートポンプ回路２を運転しないため、たとえば、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７の消費電力である５０Ｗと、タンク循環水ポンプ１２の消費電力である５０Ｗとの合計となり、１００Ｗとなる。この場合の成績係数は、４５（＝４５００Ｗ／１００Ｗ）となる。

次に、太陽熱の熱量が十分でない場合について説明する。この場合には、ヒートポンプ回路２および太陽熱循環回路４の併用運転を行なう。具体的には、制御手段１３にて第１温度センサ１４の温度を検知し、この温度が設定温度より低い場合には、ヒートポンプ回路２の運転を行なう。太陽熱コレクター１で熱を得た冷媒は、第１熱交換器５においてタンク循環水との間で熱交換を行なう。これにより、タンク循環水は加温される。当該冷媒は、その後、第３熱交換器６において、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒との間で熱交換を行なう。これにより、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒は加温される。そして、太陽熱循環回路４を流れる冷媒は、再び太陽熱利用冷媒循環ポンプ７を経て太陽熱コレクター１に入る。一方、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒は、空気熱交換器１０、第３熱交換器６で得られた熱で蒸発し、圧縮機８で高温高圧のガスとなり、第２熱交換器９においてタンク循環水との間で熱交換を行なう。これにより、タンク循環水が十分に加熱される。

たとえば、第１温度センサ１４および第２温度センサ１５の設定温度を６０℃とし、第１温度センサ１４で設定温度に達していないため、制御手段を介してヒートポンプ回路２の運転を行なっているものとする。貯湯タンク３から流出したタンク循環水が１５℃の場合、第１熱交換器５の出口では、約３０℃に加温される。そして、第１熱交換器５の出口で約３０℃のタンク循環水は第２熱交換器９の出口では約６０℃に加温される。なお、制御手段１３にて、第２温度センサ１５の温度を検知し、この温度が設定温度になるように圧縮機８の回転数を制御する。

太陽熱の熱量が十分でない場合において、タンク循環水が、第１熱交換器５で必要としている熱量の半分を受け、第２熱交換器９で残りの半分の熱量を受けるものとする。この場合では、圧縮機８の回転数は半分程度でよいため、圧縮機８の消費電力は、太陽熱循環回路４の運転がない場合の約５０％となる。また、第３熱交換器６によりヒートポンプ回路２を流れる冷媒の温度が上昇するため、圧縮機８の消費電力は、第３熱交換器６を備えていない場合の約８８％となる。そのため、第１熱交換器５および第２熱交換器９を備えていない場合の圧縮機の消費電力に対して、ヒートポンプ給湯機２０の圧縮機８の消費電力は約４４％となる。加熱能力を４５００Ｗとするために必要な消費電力は、たとえば、圧縮機８の消費電力である４００Ｗと、室外熱交換器ファンモータの消費電力である５０Ｗと、太陽熱利用冷媒循環ポンプ７の消費電力である５０Ｗと、タンク循環水ポンプ１２の消費電力である５０Ｗとの合計となり、５５０Ｗとなる。この場合の成績係数は、８．１８（＝４５００Ｗ／５９０Ｗ）となる。なお、日射量が多いときほど圧縮機８の回転数を低くできるので、消費電力を低減でき、その結果として成績係数は高くなる。

次に、太陽熱の熱量がない場合について説明する。この場合には、太陽熱循環回路４は運転を行なわず、ヒートポンプ回路２だけの運転を行なう。具体的には、第２熱交換器９においてヒートポンプ回路２を流れる冷媒とタンク循環水との間で熱交換を行なう。

たとえば、第２温度センサ１５の設定温度が６０℃とし、貯湯タンク３から流出したタンク循環水が１５℃の場合、第２熱交換器９の出口では、約６０℃に加温される。そして、加温されたタンク循環水は、貯湯タンク３の流入場所３ａから貯湯タンク３へ入り、貯湯される。

太陽熱の熱量がない場合において、加熱能力を４５００Ｗとするために必要な消費電力は、ヒートポンプ回路２のみ運転するため、たとえば、圧縮機８の消費電力である９００Ｗと、室外熱交換器ファンモータの消費電力である５０Ｗと、タンク循環水ポンプ１２の消費電力である５０Ｗとの合計となり、１０００Ｗとなる。この場合の成績係数は、４．５（＝４５００Ｗ／１０００Ｗ）となる。

なお、電力会社では、電力平滑化のために夜間の電気料金を昼間の３分の１程度に設定している。電気式の給湯機は、主に夜間に電力を消費してタンクが貯留しているタンク循環水を設定温度に加温・保温し、必要なときに貯留しているタンク循環水を利用することが経済的である。本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０では電気式とし、たとえば、制御手段１３が有しているタイマーにて、夜間時間帯はヒートポンプ回路２の運転により必要なタンク循環水の湯量の４０％から７０％を加温し、昼間に残りの湯量分を太陽熱循環回路４の運転、または太陽熱循環回路４およびヒートポンプ回路２の併用運転で加温する制御を行なう。これにより、システム全体として省エネを図ることができ、成績係数を向上することができる。

次に、１日を単位として本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０を用いた場合の成績係数と、本発明の範囲外のヒートポンプ給湯機の成績係数について説明する。

たとえば、晴天日であれば、正午前後の２時間はヒートポンプ回路２の運転を行なわずに、太陽熱循環回路４のみの運転でタンク循環水を加熱し、残り４時間はヒートポンプ回路２の運転および太陽熱循環回路４の運転の併用運転とする。この場合、一日の消費電力はヒートポンプ回路２のみの運転の場合と比較して、約４０％程度の消費電力となる。すなわち、加熱能力を４５００Ｗとするために必要な消費電力は、４００Ｗ（１０００Ｗ×０．４）となる。よって、この場合の成績係数は、約１１．３（４５００Ｗ／４００Ｗ）となる。

一方、ヒートポンプ回路２のみを備えるヒートポンプ給湯機では、夜間の運転時と同様の成績係数となるので、４．５である。よって、本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０によれば、成績係数は非常に向上する。

また、第３熱交換器６を備えていないヒートポンプ給湯機では、圧縮機の消費電力は、第３熱交換器６を備えている場合の約１１４％（＝１／０．８８）となる。そのため、必要な消費電力は、７．６Ｗ（＝４００Ｗ×（０．１１４×４／２４））増えるため、４０７．６Ｗとなる。よって、この場合の成績係数は約１１．０（４５００Ｗ／４０７．６Ｗ）となる。本発明のヒートポンプ給湯機２０によれば、第３熱交換器６を備えているので、成績係数は向上する。

以上説明したように、本発明のヒートポンプ給湯機２０によれば、太陽熱循環回路４とヒートポンプ回路２とタンク循環水回路１６とを運転する場合には、第３熱交換器６において、第１熱交換器５によりタンク循環水と熱交換を終えた冷媒が、第２熱交換器９によりタンク循環水と熱交換を終えた冷媒との間で熱交換を行なう。そのため、加熱能力を維持したままの状態で、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒が太陽熱循環回路４を流れる冷媒により温められるので、ヒートポンプ回路２を流れる冷媒を温めるための消費電力を低減することができる。よって、ヒートポンプ給湯機２０のシステム全体の成績係数（加熱能力を消費電力で割った数値）を向上することができる。

また、太陽熱循環回路４を運転しない場合には、ヒートポンプ回路２とタンク循環水回路１６とを運転することとなるため、通常のヒートポンプ給湯機と同様となる。そのため、太陽熱循環回路４を運転する場合に向上する成績係数に影響を及ぼさない。よって、太陽熱循環回路４を運転しない場合を含む本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０のシステム全体の成績係数を向上することができる。

また、ヒートポンプ給湯機２０において、第１温度センサ１４および第２温度センサ１５を備えていてもよい。これにより、第１熱交換器５と、第２熱交換器９を通った後のタンク循環水温度を測定することができる。そのため、第１温度センサ１４により測定されるタンク循環水の温度に基づいて、ヒートポンプ回路２の運転の制御を適正に行なうことができる。また、第２温度センサ１５により測定されるタンク循環水の温度に基づいて、ヒートポンプ回路２における圧縮機８を適正に制御することができる。

また、ヒートポンプ給湯機２０において、第１熱交換器５により加温されたタンク循環水の第１熱交換器５の出口温度が設定温度以上となったときにヒートポンプ回路２の運転を中断し、出口温度が設定温度より低くなったときに、ヒートポンプ回路２の運転を行なう制御手段１３を有していてもよい。第１熱交換器５の出口温度が設定温度以上となるときにヒートポンプ回路２の運転を中断することにより、ヒートポンプ回路２の運転に必要な消費電力を低減することができる。また、第１熱交換器５の出口温度が設定温度より低くなるときにヒートポンプ回路２の運転を行なうことにより、貯湯タンク３に貯留するタンク循環水の温度を設定温度にすることができる。そのため、制御手段１３を備えることにより、ヒートポンプ給湯機２０のシステム全体の成績係数をさらに向上することができるとともに、タンク循環水の温度を設定温度に維持できる。

また、ヒートポンプ給湯機２０において、ヒートポンプ回路の冷媒にＣＯ₂を用いてもよい。ヒートポンプ給湯機２０では、ヒートポンプ回路２を１流路としているため、ヒートポンプ回路２に含まれる圧縮機８等の機器間の接続管は継手等で接続されずにロー付けまたは溶接により接続することができる。そのため、冷媒が漏洩する恐れが極めて低いので、ヒートポンプ回路の冷媒に高圧のＣＯ₂を用いることができる。よって、ヒートポンプ給湯機２０は、高温給湯が可能であり、地球温暖化係数が小さいＣＯ₂冷媒を用いることができる。

また、ヒートポンプ給湯機２０において、タンク循環水回路１６において第１熱交換器５と第２熱交換器９とは直列的に配置されてもよい。これにより、タンク循環水が１流路として貯湯タンク３に流入・流出するため、貯湯タンク３が貯留しているタンク循環水の温度を監視しやすくなる。よって、ヒートポンプ回路２の運転等の制御を容易とすることができる。

また、ヒートポンプ給湯機２０において、タンク循環水回路１６においてタンク循環水が流れる方向に、貯湯タンク３、第１熱交換器５、第２熱交換器９の順に配置されてもよい。これにより、太陽熱循環回路４を運転する場合には、第１熱交換器５により熱交換されたタンク循環水が設定温度に達していない場合には、第２熱交換器９によりさらにタンク循環水と熱交換させて、タンク循環水を設定温度まで上昇させることができる。よって、消費電力をさらに低減することができる。

本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機２０の制御方法は、ヒートポンプ給湯機２０の制御方法であって、太陽熱コレクター１により集熱される太陽熱によりタンク循環水の温度が設定以上となったか否かを判断する判断工程（Ｓ１０）と、判断工程（Ｓ１０）において設定温度よりも低い場合にヒートポンプ回路２の運転を行なう工程（Ｓ３０）とを備えている。これにより、判断工程（Ｓ１０）における判断にしたがってヒートポンプ回路２の運転を行なうこととなる。そのため、ヒートポンプ回路２の運転が必要な場合のみヒートポンプ回路２を運転することとなる。よって、ヒートポンプ回路２を運転するための消費電力を低減することができるため、ヒートポンプ給湯機２０のシステム全体の成績係数をさらに向上することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等な意味および範囲内でのすべての変更点が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機を示す模式図である。 本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 太陽熱コレクター、２ ヒートポンプ回路、３ 貯湯タンク、３ａ 流入場所、３ｂ 流出場所、４ 太陽熱循環回路、５ 第１熱交換器、６ 第３熱交換器、７ 太陽熱利用冷媒循環ポンプ、８ 圧縮機、９ 第２熱交換器、１０ 空気熱交換器、１１ 絞り機構、１２ タンク循環水ポンプ、１３ 制御手段、１４ 第１温度センサ、１５ 第２温度センサ、１６ タンク循環水回路、２０ ヒートポンプ給湯機。

Claims (7)

1. 内部にタンク循環水を貯留する貯湯タンクを含むタンク循環水回路と、
   太陽熱を集熱する太陽熱コレクターを含み、冷媒が循環する太陽熱循環回路と、
   冷媒加熱手段を含み、冷媒が循環するヒートポンプ回路と、
   前記タンク循環水と前記太陽熱コレクターにより加熱された冷媒との間で熱交換を行なう第１熱交換器と、
   前記タンク循環水と前記冷媒加熱手段により加熱された冷媒との間で熱交換を行なう第２熱交換器と、
   前記太陽熱循環回路を流れる冷媒と前記ヒートポンプ回路を流れる冷媒との間で熱交換を行なう第３熱交換器とを備える、ヒートポンプ給湯機。
2. 前記第１熱交換器により熱交換された前記タンク循環水の温度を測定する第１温度センサと、
   前記第２熱交換器により熱交換された前記タンク循環水の温度を測定する第２温度センサとをさらに備える、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記第１熱交換器により加温された前記タンク循環水の前記第１熱交換器の出口温度が設定温度以上となったときに前記ヒートポンプ回路の運転を中断し、前記出口温度が設定温度より低くなったときに、ヒートポンプ回路の運転を行なう制御手段をさらに有する、請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記ヒートポンプ回路の冷媒にＣＯ₂を用いている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記タンク循環水回路において前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とは直列的に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記タンク循環水回路において前記タンク循環水が流れる方向に、前記貯湯タンク、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器の順に配置される、請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機の制御方法であって、
   前記太陽熱コレクターにより集熱される太陽熱により前記タンク循環水の温度が設定温度以上となったか否かを判断する判断工程と、
   前記判断工程において、設定温度よりも低い場合にヒートポンプ回路の運転を行なう工程とを備える、ヒートポンプ給湯機の制御方法。

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