JP2013170791A - 暖房給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】給湯要求と暖房要求とを同時に実現することのできる暖房給湯システムを提供する。
【解決手段】熱媒体を加熱するヒートポンプユニット１と、熱媒体と貯湯タンク１１内の水との間で熱交換を行う給湯熱交換器１９と、熱媒体により室内を暖房する暖房熱交換器３１，３２と、熱媒体ポンプ１８と、ポンプ１８の吐出側、ヒートポンプ１、貯湯熱交換器１９、暖房熱交換器３１，３２およびポンプ１８の吸込側を順に接続する熱媒体配管１２〜１５と、熱媒体配管から貯湯熱交換器１９をバイパスするバイパス配管２２と、熱媒体配管から暖房熱交換器３１，３２をバイパスするバイパス配管２３と、貯湯熱交換器１９と配管２２との間、および暖房熱交換器３１，３２と配管２３との間で熱媒体の回路をそれぞれ切り替える四方弁２０と、給湯要求および暖房要求の有無に応じて、四方弁２０を制御する制御手段と、を備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、暖房給湯システムに係り、特に、ヒートポンプにより加熱された温水を媒体として給湯と暖房を実施する暖房給湯システムに関する。

従来、例えば特許文献１には、加熱機構にて加熱された温水を暖房端末に循環させることで暖房機能を実現する暖房システムと、加熱機構にて加熱された温水を貯湯タンク内熱交換器に循環させることにより貯湯タンク内の水を加熱する給湯システムと、を備えた暖房給湯システムが開示されている。この暖房給湯システムでは、具体的には、ヒートポンプユニットにて加熱された温水を暖房端末に循環させるための回路と、当該暖房端末をバイパスして貯湯タンク内熱交換器に温水を循環させる回路とを備え、これらの回路の分岐点に設けられた三方弁を切り替えて何れか一方の回路を選択することにより、暖房システムと給湯システムとを使い分けることとしている。

特開２０１０−６０２７０号公報 特開２０１０−８０３６号公報

しかしながら、従来の暖房給湯システムでは、暖房端末に温水を循環させる回路と貯湯タンク内熱交換器に温水を循環させる回路とを切り替えて各機能を実現している。このため、給湯機能と暖房機能とを同時に実現することはできず、その結果、給湯中に室温が低下し快適性を損ねるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、給湯要求と暖房要求とを同時に実現することのできる暖房給湯システムを提供することを目的とする。

この発明に係る暖房給湯システムは、熱媒体を加熱する加熱手段と、熱媒体と水との間で熱交換を行う給湯熱交換器と、給湯熱交換器により加熱された水を貯湯する貯湯タンクと、熱媒体により室内を暖房する暖房熱交換器と、熱媒体を送流する熱媒体ポンプと、熱媒体ポンプの吐出側、加熱手段、貯湯熱交換器、暖房熱交換器および熱媒体ポンプの吸込側を順に環状に接続する循環配管と、循環配管から貯湯熱交換器をバイパスする第１のバイパス配管と、循環配管から暖房熱交換器をバイパスする第２のバイパス配管と、貯湯熱交換器と第１のバイパス配管との間、および暖房熱交換器と第２のバイパス配管との間で熱媒体の回路をそれぞれ切り替える切替手段と、給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求および暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求の有無に応じて、切替手段を制御する制御手段と、を備えるものである。

本発明によれば、給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求と暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求とを同時に実現することができる。

本発明の実施の形態１としての暖房給湯システムの回路構成図である。 本実施の形態の暖房給湯システムに用いる四方弁の内部構造を説明するための図である。 給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 暖房給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。 暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路の変形例について説明するための図である。 本発明の実施の形態１としての暖房給湯システムの変形例を示す回路構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての暖房給湯システム１００の回路構成図である。図１に示す暖房給湯システム１００は、蒸気圧縮式冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）の冷媒回路を搭載したヒートポンプユニット１と、貯湯タンク１１内の水を加熱する加熱循環回路を搭載した貯湯タンクユニット１０と、加熱循環回路の一部により構成され、室内を暖房する暖房ユニット３０とを備えている。

ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット１０とは、熱媒体配管１２，１３を介して接続されている。貯湯タンクユニット１０と暖房ユニット３０とは、熱媒体配管１４，１５を介して接続されている。また、貯湯タンクユニット１０は、給湯端末（例えば、台所や洗面所等の蛇口）に繋がる給湯管１７と、水道等の水源から給水するための給水管１６とに接続されている。

ヒートポンプユニット１は、圧縮機２と、冷媒−水熱交換器（凝縮器）３と、膨張弁４と、蒸発器５とを冷媒配管６により環状に接続した冷媒回路を搭載している。圧縮機２は、冷媒を吸入し圧縮して高温高圧の状態にする。冷媒−水熱交換器３は、熱媒体（たとえば、水）と冷媒とを熱交換させることで、熱媒体を加熱し、冷媒を冷却する。冷媒−水熱交換器３は、例えばプレート式熱交換器により構成される。膨張弁４は、冷媒を減圧して低温低圧の状態にする。蒸発器５は、外気と冷媒を熱交換させることで、外気から熱を吸収して冷媒を加熱する。尚、ヒートポンプユニット１の冷媒回路に用いられる冷媒は、特に限定されず、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ、炭化水素や二酸化炭素のような自然冷媒、などを用いることができる。また、本実施の形態では、循環回路に用いられる熱媒体として水を用いた場合について説明するが、使用可能な熱媒体は特に限定されず、本システムの使用各国における規制の範囲内で、種々の液体（例えば、エチレングリコール、プロピレングリコール、或いはこれらの混合物など）を用いることができる。

貯湯タンクユニット１０には、上述した貯湯タンク１１、熱媒体配管１２，１３，１４，１５、給湯管１７、給水管１６の他、熱媒体ポンプ１８、給湯熱交換器１９、四方弁２０、バイパス配管２２，２３、および温度センサ２４等が搭載されている。図２は、本実施の形態の暖房給湯システム１００に用いる四方弁２０内部構造を説明するための図である。以下、図１および図２を参照して、本実施の形態の暖房給湯システムの構成について更に詳細に説明する。

四方弁２０は、熱媒体の流れ方向を切り替える切替手段として機能するものである。具体的には、四方弁２０は、２つの入口ａ，ｂと、２つの出口ｃ，ｄと、を備え、入口ａ，ｂ、および出口ｃ，ｄをそれぞれ切り替える機能を有している。熱媒体配管１２は、冷媒−水熱交換器３における熱媒体の吐出側と四方弁２０の入口ａとを接続している。熱媒体配管１２途中には給湯熱交換器１９が配設されている。給湯熱交換器１９は、熱媒体と貯湯タンク１１内の水とを熱交換させることで、水を加熱し熱媒体を冷却する。また、温度センサ２４は、給湯熱交換器１９から吐出する熱媒体の温度を検出する。

熱媒体配管１３は、冷媒−水熱交換器３における熱媒体の吸込側と熱媒体配管１５の一端とを接続している。熱媒体配管１３の途中には、熱媒体ポンプ１８が配設されている。熱媒体ポンプ１８は、熱媒体配管１３内の熱媒体を冷媒−水熱交換器３内へ送水する機能を有している。また、熱媒体配管１４は、四方弁２０の出口ｄと後述する暖房熱交換器３１，３２の入口側とを接続している。更に、暖房熱交換器３１，３２の出口側は、熱媒体配管１５の他端に接続されている。

バイパス配管２２は、熱媒体配管１２における冷媒−水熱交換器３と給湯熱交換器１９との間と四方弁２０の入口ｂとを接続している。また、バイパス配管２３は、熱媒体配管１３と熱媒体配管１４の接続部と四方弁２０の出口ｃとを接続している。

暖房ユニット３０は、給湯端末としての暖房熱交換器３１，３２を備えている。暖房熱交換器３１，３２に熱媒体を流すことによって、室内の空気を暖房する。尚、本実施の形態では給湯端末を２台にしているが、１台若しくは３台以上としても良い。また、暖房熱交換器３１，３２としては、例えばラジエータ、ファンコイルユニット、床暖房ヒータ等の暖房熱交換器を用いることができる。

［実施の形態１の動作］
暖房給湯システム１００は、暖房ユニット３０に要求される暖房要求（すなわち、暖房熱交換器３１，３２において熱交換を行う要求）及び貯湯タンクユニット１０に要求される給湯要求（すなわち、給湯熱交換器１９において熱交換を行う要求）に応じて、ヒートポンプユニット１、貯湯タンクユニット１０及び暖房ユニット３０に搭載されている各機器の制御を行い、暖房運転モード、給湯運転モード、または暖房給湯運転モードを実行する。以下、各運転モードにおける運転動作について詳細に説明する。

（給湯運転モード）
先ず、図３を参照して、給湯運転モードについて説明する。図３は、給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図３中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。暖房要求が出されていない状態で給湯要求が出されると給湯運転モードによる運転が行われる。給湯運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁２０は入口ａと出口ｃとが連通するように切り替えられる。これにより、熱媒体ポンプ１８、冷媒−水熱交換器３、給湯熱交換器１９、および四方弁２０が、熱媒体配管１３、熱媒体配管１２、およびバイパス配管２３によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成される。この状態にてヒートポンプユニット１及び貯湯タンクユニット１０の運転を実施する。そうすると、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ１８により送流された熱媒体は貯湯タンクユニット１０より流出し、熱媒体配管１３を経由してヒートポンプユニット１に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット１に流入後、冷媒−水熱交換器３にて冷媒により加熱され、高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット１より流出し、熱媒体配管１２を経由して、再び貯湯タンクユニット１０に流入する。熱媒体は、その後、給湯熱交換器１９に流入し、水と熱交換を行うことで貯湯タンク１１内の水を加熱し、熱媒体は低温となる。この温度低下した熱媒体は、その後、再び熱媒体ポンプ１８に流入する。これにより、貯湯タンク１１内の水が熱媒体によって有効に加熱される。

（暖房運転モード）
次に、図４を参照して、暖房運転モードについて説明する。図４は、暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図４中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。給湯要求が出されていない状態で暖房要求が出されると暖房運転モードによる運転が行われる。暖房運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁２０は入口ｃと出口ｄとが連通するように切り替えられる。これにより、熱媒体ポンプ１８、冷媒−水熱交換器３、四方弁２０、および暖房熱交換器３１，３２が、熱媒体配管１３、熱媒体配管１２、バイパス配管２２、熱媒体配管１４、および熱媒体配管１５によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成される。この状態にてヒートポンプユニット１及び暖房ユニット３０の運転を実施する。そうすると、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ１８により送流された熱媒体が貯湯タンクユニット１０より流出し、熱媒体配管１３を経由してヒートポンプユニット１に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット１に流入後、冷媒−水熱交換器３にて冷媒により加熱され、高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット１より流出し、熱媒体配管１２を経由して、再び貯湯タンクユニット１０に流入する。熱媒体は、その後、四方弁２０を経由して貯湯タンクユニット１０から流出し、熱媒体配管１４を経由して、暖房ユニット３０に流入する。暖房熱交換器３１，３２にて熱媒体と室内空気とが熱交換することにより室内を暖房し、熱媒体は低温となる。低温となった熱媒体は、暖房ユニット３０から流出し、熱媒体配管１５を経由して貯湯タンクユニット１０に流入し、再び熱媒体ポンプ１８に流入する。これにより、室内が熱媒体によって有効に加熱される。

（暖房給湯運転モード）
更に、図５を参照して、暖房給湯運転モードについて説明する。図５は、暖房給湯運転モードにおける熱媒体の循環回路について説明するための図である。尚、図５中の矢印は冷媒および熱媒体の流れ方向を示している。暖房要求と給湯要求との両要求が出されると暖房給湯運転モードによる運転が行われる。暖房給湯運転モードでは、この図に示すとおり、四方弁２０は入口ａと出口ｄとが連通するように切り替えられる。これにより、熱媒体ポンプ１８、冷媒−水熱交換器３、給湯熱交換器１９、四方弁２０、および暖房熱交換器３１，３２が、熱媒体配管１３、熱媒体配管１２、熱媒体配管１４、および熱媒体配管１５によって環状に接続された熱媒体の循環回路が形成される。この状態にてヒートポンプユニット１、貯湯タンクユニット１０、および暖房ユニット３０の運転を実施する。そうすると、形成された循環回路では、熱媒体ポンプ１８により送流された熱媒体は貯湯タンクユニット１０より流出し、熱媒体配管１３を経由してヒートポンプユニット１に流入する。熱媒体は、ヒートポンプユニット１に流入後、冷媒−水熱交換器３にて冷媒により加熱され、高温状態となる。この高温の熱媒体は、ヒートポンプユニット１より流出し、熱媒体配管１２を経由して、再び貯湯タンクユニット１０に流入する。熱媒体は、その後、給湯熱交換器１９に流入し、水と熱交換を行うことで貯湯タンク１１内の水を加熱し、熱媒体は低温となる。これにより、貯湯タンク１１内の水が熱媒体によって有効に加熱される。

給湯熱交換器１９から流出した熱媒体は、その後、四方弁２０を経由して貯湯タンクユニット１０から流出し、熱媒体配管１４を経由して、暖房ユニット３０に流入する。暖房熱交換器３１，３２にて熱媒体と室内空気とが熱交換することにより室内を暖房し、熱媒体は更に低温となる。低温となった熱媒体は、暖房ユニット３０から流出し、熱媒体配管１５を経由して貯湯タンクユニット１０に流入し、再び熱媒体ポンプ１８に流入する。これにより、室内が熱媒体によって有効に加熱される。

尚、上述した暖房給湯運転モードは、給湯熱交換器１９から流出した熱媒体の温度を温度センサ２４により検出し、この熱媒体温度が室内温度よりも高い場合のみに実行することが好ましい。これにより、暖房ユニット３０によって室内を暖房することができない場合に当該モードが実行される事態を有効に抑止することができる。

以上説明したとおり、本実施の形態の暖房給湯システム１００では、四方弁２０を制御することによって、熱媒体が給湯熱交換器１９と暖房熱交換器３１，３２とを循環する循環回路を構成することができる。これにより、暖房要求と給湯要求とが同時に発生した場合であっても、給湯運転をしながら暖房運転を実施することで、室温低下を最低限に抑えることができる。また、本実施の形態の暖房給湯システム１００では、暖房給湯運転モードだけでなく、従来技術と同様の暖房運転モードや給湯運転モードについても、四方弁２０を制御することによって、問題なく実現することができる。

ところで、上述した実施の形態では、暖房運転モードを実行する際に、ヒートポンプユニット１の運転を実施して冷媒−水熱交換器３により熱媒体を加熱することとしているが、貯湯タンク１１内の湯の熱量を利用して熱媒体を加熱することとしてもよい。図６は、暖房運転モードにおける熱媒体の循環回路の変形例について説明するための図である。この図に示す変形例では、具体的には、先ず、ヒートポンプ性能が良い昼時間帯の安価なランニングコスト時に給湯運転モードを実施し、貯湯タンク１１内に高温の湯を貯湯しておく。そして、ヒートポンプ性能が悪化する夜時間帯の暖房運転モードの実施時に、暖房給湯運転モード時と同様の循環回路を形成し、ヒートポンプユニット１の運転を停止した状態で暖房ユニット３０の運転を実施する。これにより、貯湯タンク１１内の高温の湯の熱が給湯熱交換器１９において熱媒体に受熱され、暖房熱交換器３１，３２においてこの熱が室内に放熱される。これにより、あらかじめヒートポンプ性能が良い時に蓄熱していた熱量を用いて暖房を行うことができるため、システム全体のエネルギー効率を有効に向上させることができる。

また、上述した実施の形態では、四方弁２０を用いて２つの入口ａ，ｂおよび２つの出口ｃ，ｄをそれぞれ切り替えることとしているが、四方弁２０に替えて２つの三方弁を用いることとしてもよい。図７は、本発明の実施の形態１としての暖房給湯システム１００の変形例を示す回路構成図である。図６に示す暖房給湯システム１００は、図１に示す四方弁２０に替えて三方弁４０，４１を備えている。三方弁４０は、切り替え可能な２つの入口ａ，ｂと単一の出口ｅとを有している。また、三方弁４１は、切り替え可能な２つの出口ｃ，ｄと単一の入口ｆとを有している。三方弁４０，４１の入口ａ，ｂおよび出口ｃ，ｄは、四方弁２０と同様に、熱媒体配管１２、バイパス配管２２、バイパス配管２３、および熱媒体配管１４にそれぞれ接続されている。また、三方弁４０の出口ｅと三方弁４１の入口ｆは、バイパス配管４３で接続されている。

このような構成の暖房給湯システム１００によれば、四方弁２０と同様の切り替え制御を三方弁４０，４１に適用することにより、四方弁２０を用いた場合と同様の動作を行うことが可能となる。また、四方弁２０に替えて、熱媒体配管１２、バイパス配管２２、バイパス配管２３、および熱媒体配管１４にそれぞれ二方弁を配設し、四方弁２０と同様の切り替え制御を４つの二方弁の開閉制御によって実現することとしてもよい。

１ ヒートポンプユニット
３ 冷媒−水熱交換器（加熱手段）
１０ 貯湯タンクユニット
１１ 貯湯タンク
１２ 熱媒体配管（循環配管）
１３ 熱媒体配管（循環配管）
１４ 熱媒体配管（循環配管）
１５ 熱媒体配管（循環配管）
１８ 熱媒体ポンプ
１９ 貯湯熱交換機
２０ 四方弁（切替手段）
２２ バイパス配管（第１のバイパス配管）
２３ バイパス配管（第２のバイパス配管）
２４ 温度センサ（温度検出手段）
３０ 暖房ユニット
３１，３２ 暖房熱交換器
４０ 三方弁（第１の三方弁）
４１ 三方弁（第２の三方弁）

Claims (7)

1. 熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記熱媒体と水との間で熱交換を行う給湯熱交換器と、
   前記給湯熱交換器により加熱された水を貯湯する貯湯タンクと、
   前記熱媒体により室内を暖房する暖房熱交換器と、
   前記熱媒体を送流する熱媒体ポンプと、
   前記熱媒体ポンプの吐出側、前記加熱手段、前記貯湯熱交換器、前記暖房熱交換器および前記熱媒体ポンプの吸込側を順に環状に接続する循環配管と、
   前記循環配管から前記貯湯熱交換器をバイパスする第１のバイパス配管と、
   前記循環配管から前記暖房熱交換器をバイパスする第２のバイパス配管と、
   前記貯湯熱交換器と前記第１のバイパス配管との間、および前記暖房熱交換器と前記第２のバイパス配管との間で熱媒体の回路をそれぞれ切り替える切替手段と、
   前記給湯熱交換器において熱交換を行う給湯要求および前記暖房熱交換器において熱交換を行う暖房要求の有無に応じて、前記切替手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする暖房給湯システム。
2. 前記貯湯熱交換器から吐出した熱媒体の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記温度検出手段により検出された温度が室内温度よりも高い場合であって、前記給湯要求および前記暖房要求の両要求が出されている場合に、前記切替手段を制御して、熱媒体が前記給湯熱交換器および前記暖房熱交換器を通過する回路を形成することを特徴とする請求項１記載の暖房給湯システム。
3. 前記制御手段は、前記加熱手段の動作が制限されている状態で前記暖房要求が出された場合に、前記切替手段を制御して、熱媒体が前記給湯熱交換器および前記暖房熱交換器を通過する回路を形成することを特徴とする請求項１または２記載の暖房給湯システム。
4. 前記切替手段は、前記第１のバイパス配管と前記循環配管との合流部と、前記第２のバイパス配管と前記循環配管との分岐部とを含む部位に設けられた四方弁であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の暖房給湯システム。
5. 前記切替手段は、
   前記第１のバイパス配管と前記循環配管との合流部に設けられた第１の三方弁と、
   前記第２のバイパス配管と前記循環配管との分岐部に設けられた第２の三方弁と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の暖房給湯システム。
6. 前記切替手段は、
   前記第１のバイパス配管の途中に設けられた第１の二方弁と、
   前記循環配管における前記第１のバイパス配管との分岐部と合流部との間に設けられた第２の二方弁と、
   前記第２のバイパス配管の途中に設けられた第３の二方弁と、
   前記循環配管における前記第２のバイパス配管との分岐部と合流部との間に設けられた第４の二方弁と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の暖房給湯システム。
7. 前記加熱手段はヒートポンプであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の暖房給湯システム。

Images