JP3976999B2

JP3976999B2 - ヒートポンプを用いた給湯暖房システム

Info

Publication number: JP3976999B2
Application number: JP2000275269A
Authority: JP
Inventors: 洋一佐藤
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002089867A

Description

【０００１】
【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

（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。