JP3976999B2 - ヒートポンプを用いた給湯暖房システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、冷媒回路を有するヒートポンプで給湯と暖房を行うシステムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、特開2000−46417号公報に記載の暖房システムは、ヒートポンプを備えている。ヒートポンプは、吸熱部と熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒回路を有している。冷媒は、吸熱部で吸熱し、熱交換器で放熱する。この放熱で熱媒を温め、この熱媒を床暖房パネル(暖房器)に送り、暖房を行っている。
なお、ヒートポンプの放熱で貯湯槽の水を温め、給湯に供する給湯システムも公知である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記のヒートポンプを用いた暖房システムでは、ヒートポンプの出力が小さいため、暖房の開始時に暖まるのが遅いという問題があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するために提案されたものであり、その第1の特徴は、(イ)吸熱部と第1熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒回路を有し、上記冷媒が上記吸熱部で吸熱し上記第1熱交換器で放熱するヒートポンプと、(ロ)第2熱交換器と貯湯槽との間で温水を循環させる温水回路と、(ハ)上記第1、第2熱交換器に挟まれた受熱部と暖房器との間で熱媒を循環させる暖房回路と、(ニ)これら3つの回路を制御することにより、上記暖房器の運転初期に暖房初期モードを実行し、その後、暖房定常モードを実行する制御手段とを備え、上記暖房初期モードでは、上記温水回路と上記暖房回路が運転され、上記熱媒が、上記第2熱交換器で上記温水から熱を受け取り上記暖房器で放熱し、上記暖房定常モードでは、上記冷媒回路と上記暖房回路が運転され、上記熱媒が、上記第1熱交換器で上記冷媒から熱を受け取り上記暖房器で放熱することにある。
【0005】
本発明の第2の特徴は、上記第1の特徴において、上記第1、第2熱交換器どうしが一体をなして上記ヒートポンプに含まれており、上記制御手段が、上記暖房器の停止時に貯湯モードを実行し、この貯湯モードでは、上記冷媒回路と上記温水回路が運転され、上記貯湯槽から上記一体をなす熱交換器に送られた水が上記冷媒の放熱を受け取り上記温水として上記貯湯槽に蓄えられることにある。
【0006】
本発明の第3の特徴は、上記第2の特徴において、上記貯湯槽には、下側部に上記水を供給する給水管が接続され、上側部に上記温水を給湯に供する給湯管が接続されており、上記温水回路が、上記貯湯槽から上記熱交換器に向かう往路と、上記熱交換器から上記貯湯槽に戻る復路と、流路切替手段とを有し、この流路切替手段が、上記貯湯モードで上記往路を上記下側部に接続するとともに上記復路を上記上側部に接続し、上記暖房初期モードで上記往路を上記上側部に接続するとともに上記復路を上記下側部に接続することにある。
【0007】
本発明の第4の特徴は、上記第3の特徴において、上記流路切替手段が、2位置4ポートの方向制御弁であることにある。
【0008】
本発明の第5の特徴は、上記第3の特徴において、上記流路切替手段が、上記往路を上記貯湯槽の上側部と下側部の一方に選択的に接続する往路三方弁と、上記復路を上記貯湯槽の上側部と下側部の一方に選択的に接続する復路三方弁とからなることにある。
【0009】
本発明の第6の特徴は、上記第1〜第5の特徴の何れかにおいて、上記暖房初期モードで上記温水回路の温水の流量と上記暖房回路の熱媒の流量とを、上記暖房器への入口での熱媒温度に応じて調節することにある。
【0010】
本発明の第7の特徴は、上記第1〜第6の特徴の何れかにおいて、上記暖房初期モードで上記暖房器への入口での熱媒温度が所定に達した後、上記暖房定常モードに切り換えることにある。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る給湯暖房システムを示したものである。このシステムは、ヒートポンプ10と、温水回路20と、暖房回路30とを備えている。
【0012】
ヒートポンプ10は、熱交換器11と、ブライン等の冷媒が循環する冷媒回路12とを有している。冷媒回路12には、圧縮機13、凝縮器14(放熱部)、膨張弁15、及び蒸発器16(吸熱部)が順次設けられている。上記冷媒は、圧縮機13によって凝縮器14へ圧送されるようになっている。凝縮器14は、上記熱交換器11に収容されている。この凝縮器14で冷媒が凝縮、液化され、放熱するようになっている。その後、冷媒は、膨張弁15を経て蒸発器16で蒸発、気化され、吸熱するようになっている。
【0013】
温水回路20は、上記熱交換器11に収容された熱交換部21と、この熱交換部21に接続された往路22及び復路23と、これら往復路22,23に方向制御弁24を介して接続された貯湯槽25とを有している。往路22には、ポンプ26が設けられている。復路23には、補助ヒータ27が設けられている。貯湯槽25の下側部には、給水管50が連なり、この給水管50から供給された水で貯湯槽25内が満たされている。後述するように、この水は、貯湯槽25の上側部では温水になっている。この上側部から給湯管51が延びている。
【0014】
方向制御弁24は、2位置4ポートの電磁方向制御弁であり、ソレノイドがオフの時は、貯湯槽25の下側部を往路22に連ねるとともに貯湯槽25の上側部を復路23に連ねるようになっている。これによって、水が、貯湯槽25の下側部、方向制御弁24、往路22、熱交換部21、復路23、方向制御弁24、貯湯槽25の上側部の順に循環されるようになっている。一方、ソレノイドがオンの時は、貯湯槽25の上側部を往路22に連ねるとともに貯湯槽25の下側部を復路23に連ねるようになっている。これによって、温水が、貯湯槽25の上側部、方向制御弁24、往路22、熱交換部21、復路23、方向制御弁24、貯湯槽25の下側部の順に循環されるようになっている。
【0015】
暖房回路30は、上記熱交換器11に収容された受熱部31と、床暖房パネル32(暖房器)に添って設けられた放熱部33と、これら受熱部31及び放熱部33を接続する往路34及び復路35とを有している。往路34には、ポンプ36が設けられている。このポンプ36によって、熱媒が、往路34、受熱部31、復路35、放熱部33、往路34の順に循環するようになっている。熱媒には、例えばプロピレングリコールが用いられている。
【0016】
冷媒回路12の凝縮器14と暖房回路30の受熱部31とにより、特許請求の範囲の「第1熱交換器」が構成されている。温水回路20の熱交換部21と暖房回路30の受熱部31とにより、「第2熱交換器」が構成されている。ヒートポンプ10の熱交換器11は、これら第1、第2熱交換器を一体に含んでいる。
【0017】
給湯暖房システムには、コントローラ40(制御手段)がさらに備えられている。コントローラ40は、回路10〜30を制御することにより、貯湯モード、暖房初期モード、及び暖房定常モードを実行する。以下、このコントローラ40の制御内容を説明する。
【0018】
貯湯モードは、上記貯湯槽25に供給された水を温めるときに実行される。この貯湯モードでは、暖房回路30のポンプ36は停止される。一方、冷媒回路12の圧縮機13が駆動される。これによって、凝縮器14から冷媒の放熱がなされる。また、温水回路20のポンプ26が駆動される。方向制御弁24はソレノイドオフの位置にされる。これによって、貯湯槽25の下側部の水が、往路22を経て熱交換部21に導かれる。水は、この熱交換部21を通過する過程で、上記冷媒の放熱を受け取り、温められ、復路23を経て貯湯槽25の上側部に戻される。これによって、貯湯槽25の上側部に、例えば60℃程度の温水として蓄えることができる。この温水を、給湯管51を介して給湯に供することができる。給湯に伴って給水管50から貯湯槽25の下側部に新たな水が供給される。
【0019】
この貯湯モードは、通常深夜に実行される。これによって、電力使用料を軽減できる。また、温度センサT1よって温水が許容最低量(例えば100リットル)を満たしているかどうかが検出され、満たしていない時は、昼夜に拘わらず貯湯モードが実行される(沸き増し運転)。
冬季には補助ヒータ27をオンすることによって、湯温をさらに高くして(例えば85℃〜90℃)蓄えることができる。
【0020】
冬季に居住者のリモコン操作などによって床暖房パネル32の暖房運転の指示がなされると、コントローラ40は、先ず暖房初期モードを実行し、その後、暖房定常モードを実行する。
暖房初期モードでは、暖房回路30のポンプ36が駆動される。これによって、熱媒が往路34、受熱部31、復路35、放熱部33の順に循環される。同時に温水回路20のポンプ26が駆動される。(冷媒回路12の圧縮機13は停止される。)方向制御弁24は、ソレノイドオンの位置にされる。これによって貯湯槽25の上側部の温水が、往路22を経て熱交換部21に導かれる。この温水によって、受熱部31を通過する熱媒の加温を直ちに実行することができる。この加温された熱媒が放熱器33を通過する過程で床暖房パネル32に熱を与える。これによって、床暖房パネル32を急速に暖めることができる。熱を与えた後の温水は、復路23を経て貯湯槽25の下側部に戻される。
【0021】
コントローラ40は、温度センサT2によってパネル32への入口での熱媒温度t2を検出し、この入口温度t2が所定範囲(例えば55℃〜70℃)になるようにポンプ26,36の出力を調節する。すなわち、入口温度t2が所定範囲を下回っている段階では、温水回路20のポンプ26の出力を大きくして温水の流量を大きくする一方、暖房回路30のポンプ36の出力を小さくして熱媒の流量を小さくする。これによって、熱媒が温水から受け取る熱量を大きくすることができ、入口温度t2を短時間で所定範囲まで上昇させることができる。その後、入口温度t2が所定範囲を超えた時は、ポンプ26の出力を小さくする一方、ポンプ36の出力を大きくする。これによって、熱媒が受け取る熱量を小さくすることができ、オーバーシュート量を小さくすることができる。
【0022】
上記所定範囲は、床暖房パネル32が到達すべき所望の暖房温度(例えば40℃)よりかなり高温である。これによって、床暖房パネル32を一層急速に暖めることができる。コントローラ40は、入口温度t2の所定範囲への到達から一定時間(例えば3分)経過するまでは、暖房初期モード(すなわち、入口温度t2が所望の暖房温度よりかなり高い状態)を維持する。これによって、床暖房パネル32を、短時間で所望温度にすることができる。
【0023】
上記一定時間の経過後、暖房定常モードに切り換える。
なお、床暖房パネル32は熱容量が大きいので、入口温度t2が所定範囲に達する少し前に暖房定常モードへの切換タイミングを設定しても、暖房の立ち上がりを良好に維持できる。これによって、温水の熱利用量を減らすこともできる。
また、温度センサT3によって床暖房パネル32の出口での熱媒温度t3を検出し、この出口温度t3の経時的な上昇度が所定以下になった時点で、暖房定常モードに切り換えてもよく、入口温度t2と出口温度t3の差(t2−t3)が所定以下になった時点で、切り換えてもよい。
【0024】
暖房定常モードでは、温水回路20のポンプ26が停止される。また、温度センサT3によるパネル32からの出口での熱媒温度t3に基づいて、冷媒回路12の圧縮機13がインバータ制御される(この制御の詳細は上掲公報参照)。暖房回路30のポンプ36は駆動状態に維持される。これによって、熱交換器11において冷媒から熱媒に熱が受け渡される。熱媒は、放熱器33を通過する過程で床暖房パネル32に熱を渡す。これによって、床暖房パネル32を所望温度に維持できる。
なお、圧縮機13を、インバータ制御に代えて単純な間欠運転で駆動しても、床暖房パネル32は熱容量が大きいので所望温度に維持可能である。
【0025】
図2は、本発明の第2実施形態を示したものである。この実施形態では、上記方向制御弁24に代えて、往路22と復路23に三方弁28,29がそれぞれ設けられている。往路三方弁28は、往路22を貯湯槽25の上側部と下側部の一方に選択的に接続するようになっている。復路三方弁29は、復路23を貯湯槽25の上側部と下側部の一方に選択的に接続するようになっていいる。これら2つの三方弁28,29により「流路切換手段」が構成されている。
【0026】
貯湯モードでは、往路三方弁28により往路22が貯湯槽25の下側部に接続され、復路三方弁29により復路23が貯湯槽25の上側部に接続される。暖房初期モードでは、往路三方弁28により往路22が貯湯槽25の上側部に接続され、復路三方弁29により復路23が貯湯槽25の下側部に接続される。
【0027】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
例えば、温水回路とは別の回路(温水とは別個の熱媒が貯湯槽とヒートポンプとの間を循環する熱媒回路や、太陽熱を集熱して供給する太陽熱利用回路等)で貯湯槽内の水を温めてもよい。
暖房回路が、冷媒回路から受熱する第1受熱部と、温水回路から受熱する第2受熱部とを別々に有していてもよい。第1受熱部は、冷媒回路の凝縮器と協働して第1熱交換器を構成し、第2受熱部は、温水回路の熱交換部(放熱部)と協働して第2熱交換器を構成する。
第2熱交換器は、ヒートポンプに内蔵されていなくてもよい。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の第1の特徴によれば、暖房初期に温水で熱媒の加温を直ちに実行でき、暖房器を素早く暖めることができる。
本発明の第2の特徴によれば、冷媒回路を貯湯槽の水を温めるのにも利用することができる。
本発明の第3の特徴によれば、貯湯モードで貯湯槽の上側部に温水を溜めることができ、暖房初期モードでこの上側部の温水を熱媒の加温に利用することができる。
本発明の第4の特徴によれば、1つの方向制御弁で流路切替手段を簡単に実現することができる。
本発明の第5の特徴によれば、2つの三方弁で流路切替手段を簡単に実現することができる。
本発明の第6の特徴によれば、熱媒が温水から受け取る熱量を調節でき、暖房器の入口での熱媒温度を短時間で上昇させたり所定範囲に維持したりすることができる。
本発明の第7の特徴によれば、暖房器を短時間で確実に所望温度にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【図2】本発明の第2実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【符号の説明】
10 ヒートポンプ
11 熱交換器
12 冷媒回路
16 蒸発器(吸熱部)
20 温水回路
22 往路
23 復路
24 方向制御弁(流路切替手段)
25 貯湯槽
28 往路三方弁
29 復路三方弁
30 暖房回路
32 床暖房パネル(暖房器)
40 コントローラ(制御手段)
50 給水管
51 給湯管
Claims (7)
- (イ)吸熱部と第1熱交換器との間で冷媒を循環させる冷媒回路を有し、上記冷媒が上記吸熱部で吸熱し上記第1熱交換器で放熱するヒートポンプと、(ロ)第2熱交換器と貯湯槽との間で温水を循環させる温水回路と、(ハ)上記第1、第2熱交換器に挟まれた受熱部と暖房器との間で熱媒を循環させる暖房回路と、(ニ)これら3つの回路を制御することにより、上記暖房器の運転初期に暖房初期モードを実行し、その後、暖房定常モードを実行する制御手段とを備え、上記暖房初期モードでは、上記温水回路と上記暖房回路が運転され、上記熱媒が、上記第2熱交換器で上記温水から熱を受け取り上記暖房器で放熱し、上記暖房定常モードでは、上記冷媒回路と上記暖房回路が運転され、上記熱媒が、上記第1熱交換器で上記冷媒から熱を受け取り上記暖房器で放熱することを特徴とするヒートポンプを用いた給湯暖房システム。
- 上記第1、第2熱交換器どうしが一体をなして上記ヒートポンプに含まれており、
上記制御手段が、上記暖房器の停止時に貯湯モードを実行し、この貯湯モードでは、上記冷媒回路と上記温水回路が運転され、上記貯湯槽から上記一体をなす熱交換器に送られた水が上記冷媒の放熱を受け取り上記温水として上記貯湯槽に蓄えられることを特徴とする請求項1に記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。 - 上記貯湯槽には、下側部に上記水を供給する給水管が接続され、上側部に上記温水を給湯に供する給湯管が接続されており、
上記温水回路が、上記貯湯槽から上記熱交換器に向かう往路と、上記熱交換器から上記貯湯槽に戻る復路と、流路切替手段とを有し、
この流路切替手段が、上記貯湯モードで上記往路を上記下側部に接続するとともに上記復路を上記上側部に接続し、上記暖房初期モードで上記往路を上記上側部に接続するとともに上記復路を上記下側部に接続することを特徴とする請求項2に記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。 - 上記流路切替手段が、2位置4ポートの方向制御弁であることを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。
- 上記流路切替手段が、上記往路を上記貯湯槽の上側部と下側部の一方に選択的に接続する往路三方弁と、上記復路を上記貯湯槽の上側部と下側部の一方に選択的に接続する復路三方弁とからなることを特徴とする請求項3に記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。
- 上記暖房初期モードにおいて、上記温水回路の温水の流量と上記暖房回路の熱媒の流量とを、上記暖房器への入口での熱媒温度に応じて調節することを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。
- 上記暖房初期モードにおいて上記暖房器への入口での熱媒温度が所定に達した後、上記暖房定常モードに切り換えることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のヒートポンプを用いた給湯暖房システム。
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