JP4305052B2 - ヒートポンプ給湯空調装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ利用の給湯空調装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種のヒートポンプ給湯空調装置は、単一回路で給湯機能と空調機能を切換えている(例えば、特許文献1参照)。図6は特許文献1に記載されたヒートポンプシステムを示すものである。図6において、圧縮機1、室内熱交換器2、減圧手段3、貯湯槽4を備えた給湯ユニット5、室外熱交換器6、高圧側配管7、低圧側配管8を備え、給湯運転、暖房運転、冷房運転を開閉弁9a、9b、9c、9d、9e、9fの開閉で切換えるようにしていた。
【0003】
【特許文献1】
特開平7−71839号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例のヒートポンプシステムの構成では、給湯と空調の同時運転ができない、あるいは同時運転時の能力分配による給湯能力不足、空調能力不足が生じて使い勝手が悪い。また、給湯は高温沸き上げするために高圧が高くなる、また圧縮機の吐出温度を高くして運転するなど、給湯運転と空調運転ではヒートポンプの動作点が異なり、効率、能力、負荷温度に対する最適冷媒も異なる。よって、上記従来例では同じ冷媒を用いて給湯運転と空調運転を高効率、かつ給湯負荷に追随する最適な冷媒選定ができないなどの問題があった。
【0005】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高効率で給湯と空調の同時運転を実現するとともに給湯運転時の高温化、大能力化による貯湯槽の小容量化を実現するヒートポンプ給湯空調装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯空調装置は、給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機と、前記ヒートポンプ給湯空調手段と前記ヒートポンプ給湯手段との給湯同時運転時に、前記ヒートポンプ給湯手段、前記ヒートポンプ給湯空調手段、前記ヒートポンプ給湯手段の順に水を循環する給湯回路とを備えたものである。
【0007】
これによって、給湯と空調の同時運転時は、ヒートポンプ給湯手段で給湯運転して、ヒートポンプ給湯空調手段で空調運転する。また、給湯運転時に大能力が必要な場合はヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段を同時運転して給湯能力アップをはかる。従って、高効率で給湯空調の同時運転ができるとともに給湯運転時の高温化、大能力化による利便性向上と貯湯槽の小容量化を実現する。また、この発明によれば、給湯運転時に大能力、また、高温化が実現できる。
【0008】
また、本発明のヒートポンプ給湯空調装置は、給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機とを備え、前記ヒートポンプ給湯空調手段で水を加熱する給湯熱交換器を、前記ヒートポンプ給湯手段側に収納したものである。
【0009】
この発明によれば、水回路部品を集中して収納できるため水回路部品の簡素化および給湯熱交換器の一体化がはかれる。
【0010】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機と、前記ヒートポンプ給湯空調手段と前記ヒートポンプ給湯手段との給湯同時運転時に、前記ヒートポンプ給湯手段、前記ヒートポンプ給湯空調手段、前記ヒートポンプ給湯手段の順に水を循環する給湯回路とを備えたものである。
【0011】
この発明によれば、給湯と空調の同時運転時は、ヒートポンプ給湯手段による給湯運転と、ヒートポンプ給湯空調手段による空調運転を実現することによって、高効率で給湯と空調の同時運転ができるとともに給湯運転時の高温化、大能力化による利便性向上と貯湯槽の小容量化を実現する。また、この発明によれば、給湯運転時に大能力、また、高温化が実現できる。
【0012】
請求項2に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機とを備え、前記ヒートポンプ給湯空調手段で水を加熱する給湯熱交換器を、前記ヒートポンプ給湯手段側に収納したものである。
【0013】
この発明によれば、水回路部品を集中して収納できるため水回路部品の簡素化および給湯熱交換器の一体化がはかれる。
【0014】
請求項3に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、ヒートポンプ給湯手段の冷媒回路Aと、ヒートポンプ給湯空調手段の冷媒回路Bを別回路としたものである。
【0015】
この発明によれば、給湯運転時の冷媒回路と空調運転時の冷媒回路が独立するため、給湯運転は給湯に適した冷媒を封入したヒートポンプ給湯手段を用いて運転し、空調運転は空調に適した冷媒を封入したヒートポンプ給湯空調手段を用いて運転する。よって、給湯と空調の各運転負荷に対応した能力で高効率の運転を実現する。
【0016】
請求項4に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、ヒートポンプ給湯手段の冷媒回路Aは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルからなるものである。
【0017】
この発明によれば、貯湯運転時に水を加熱する熱交換器を流れる冷媒が臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【0018】
請求項5に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段を2段積みして1つのユニットに収納したものである。
【0019】
この発明によれば、設置面積が削減できる。
【0020】
請求項6に記載の発明のヒートポンプ給湯空調装置は、ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段と貯湯槽を1つのユニットに収納したものである。
【0021】
この発明によれば、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段と貯湯槽を接続する空間スペースが削減できるとともに水配管工事が不要になる。
【0022】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、従来例および各実施例において、同じ構成、同じ動作をする部分については同一符号を付与し、詳細な説明を省略する。
【0023】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図である。図1において、11はヒートポンプ給湯手段であり、給湯用圧縮機12、給湯用熱交換器a13、減圧手段a14、給湯用吸熱器15が接続されたヒートポンプ給湯回路16を収納する。そして、ヒートポンプ給湯回路は、例えば炭酸ガス(CO2)を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨
界ヒートポンプサイクルを使用している。17はヒートポンプ給湯空調手段であり、空調用圧縮機18、給湯用熱交換器b19、減圧手段b20、空調用吸熱器21を収納する室外機である。22は貯湯槽であり、ヒートポンプ給湯手段11およびヒートポンプ給湯空調手段17で加熱した湯を貯湯する。23は室内機であり、ヒートポンプ給湯空調手段17と接続されてヒートポンプ給湯空調回路24を構成して、室内の暖房作用あるいは冷房作用をする。25は水熱交換器aであり、給湯用熱交換器a13と熱交換関係にあり、貯湯槽22下部の水、あるいは給水管を通過した水が流れる。26は水熱交換器bであり、給湯用熱交換器b19と熱交換関係にあり、貯湯槽22下部の水、あるいは給水管を通過した水が流れる。27は循環ポンプであり、流量可変型DCポンプからなり、水熱交換器a25および水熱交換器b26に流れる水流量を制御する。28は湯温制御手段であり、水熱交換器a25、水熱交換器b26出口の水温センサー29の検出信号が所定信号となるように循環ポンプ27を制御する。30は切換弁であり、ヒートポンプ給湯手段11が運転時に水熱交換器a25に水が流れるように、また、ヒートポンプ給湯空調手段17の給湯運転時に水熱交換器b26に水が流れるようにする。31は温度調整手段であり、ヒートポンプ給湯手段11およびヒートポンプ給湯空調手段17で加熱した湯と貯湯槽22の湯と混合して所定温度に制御して給湯端末から出湯する。32はヒートポンプ給湯空調装置の室外機であり、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17と貯湯槽22を1つのユニットに収納する。
【0024】
以上のように構成されたヒートポンプ給湯空調装置について、以下その動作、作用について説明する。最初に、ヒートポンプ給湯手段で貯湯槽に貯湯する貯湯運転について述べる。給湯用圧縮機12から吐出する高温高圧冷媒が水熱交換器a25へ流入し、循環ポンプ27を介して貯湯槽22下部から流れてきた水を加熱する。その際、水熱交換器a25の出口温度が所定温度となるように湯温制御手段28が循環ポンプ27の水循環流量を制御する。そして、所定温度に加熱された水は貯湯槽22の上部に流入し貯湯される。一方、給湯用熱交換器a13で放熱した冷媒は減圧手段a14で減圧されて給湯用吸熱器15に流入し、大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、給湯用圧縮機12に戻る。このサイクルを繰り返しながら貯湯槽22上部から貯湯する。そして、炭酸ガス(CO2)を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用して最高温度90℃近傍の高温沸き上げする。
【0025】
次に、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17を運転して貯湯槽22に貯湯する貯湯運転あるいは貯湯槽22を介さず直接給湯端末へ出湯する運転について述べる。ヒートポンプ給湯手段11の動作作用は上記と同じであり省略する。空調用圧縮機18から吐出する高温高圧冷媒が水熱交換器b26へ流入し、循環ポンプ27を介して貯湯槽22下部から流れてきた水を加熱する。その際、水熱交換器a25および水熱交換器b26の出口温度が所定温度となるように湯温制御手段29が循環ポンプ27の水循環流量を制御する。そして、所定温度に加熱された水は貯湯槽22の上部に流入し貯湯される。一方、給湯用熱交換器b19で放熱した冷媒は減圧手段b20で減圧されて空調用吸熱器21に流入し、大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、空調用圧縮機18に戻る。従って、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17を用いて大能力で貯湯運転する。また、大能力で水を加熱するため、水熱交換器a25および水熱交換器b26で所定温度に加熱された水の流量は多いため、そのまま給湯端末から出湯することもできる。その際、貯湯運転時より低温の40〜60℃で加熱して給湯端末へ送水するため、システム効率が非常に高くなる。また、貯湯槽22で貯湯して保温することもないため貯湯槽22からの放熱ロスが低減する。従って、大能力で給湯運転できるため利便性向上と貯湯槽の小容量化が実現できる。
【0026】
次に、暖房運転時を説明する。空調用圧縮機18から吐出する高温高圧冷媒が室内機23に流入して室内に放熱して、室内暖房する。一方、室内機23で放熱した冷媒は減圧手段b20で減圧されて空調用吸熱器21に流入し、大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、空調用圧縮機18に戻る。そして、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17を別回路に構成することによって、暖房運転中に貯湯槽22の追焚き運転の指令が発生した場合、ヒートポンプ給湯手段11で貯湯槽22に貯湯する貯湯運転する、あるいは給湯端末に湯を送水して出湯する。よって、暖房と給湯の同時運転が可能となり、暖房負荷および給湯負荷に対応した能力と効率で運転する。
【0027】
次に、冷房運転時を説明する。空調用圧縮機18から吐出する高温高圧冷媒が空調用吸熱器21に流入し、大気へ放熱して減圧手段b20で減圧されて室内機23に流入し、室内から吸熱して室内を冷房する。そして、蒸発ガス化し、空調用圧縮機18に戻る。そして、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17を別回路に構成することによって、冷房運転中に貯湯槽22の追焚き運転の指令が発生した場合には、ヒートポンプ給湯手段11で貯湯槽に貯湯する貯湯運転する、あるいは給湯端末に湯を送水して出湯する。よって、冷房と給湯の同時運転が可能となり、冷房負荷および給湯負荷に対応した能力と効率で運転する。
【0028】
また、ヒートポンプ給湯空調手段17を用いて冷房運転と端末への給湯運転あるいは貯湯運転を同時に運転することができる。この給湯冷房運転時について説明する。空調用圧縮機18から吐出する高温高圧冷媒が給湯用熱交換器b19に流入し、循環ポンプ27を介して貯湯槽22下部から水熱交換器b26へ流入する水を加熱する。その際、水熱交換器a25および水熱交換器b26の出口温度が所定温度となるように湯温制御手段28が循環ポンプ27の水循環流量を制御する。そして、所定温度に加熱された水は貯湯槽22の上部に流入し貯湯される。一方、給湯用熱交換器b19で放熱した冷媒は減圧手段b20で減圧されて室内機23に流入し、室内から吸熱して室内を冷房する。そして、蒸発ガス化し、空調用圧縮機18に戻る。よって、冷房しながら給湯あるいは貯湯するためシステム効率が非常に高くなる。
【0029】
従って、高効率で給湯と空調の同時運転ができるとともに給湯運転時の高温化、大能力化による利便性向上と貯湯槽の小容量化を実現する。
【0030】
また、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17の各冷媒回路を別回路にして、ヒートポンプ給湯手段11の冷媒回路に封入する冷媒を圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルで構成して、ヒートポンプ給湯空調手段17の冷媒を臨界圧力以下のヒートポンプサイクルで構成することによって、給湯貯湯運転時の高温化高効率化を実現する。そして、空調運転時の高効率化を実現する。また、ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段の冷媒としてはフロンガス、HC冷媒(プロパン、ブタンなど)、アンモニアなどを用いても良いが、一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルで給湯する場合には高温化が80℃程度となるため、炭酸ガスCO2冷媒より沸き上げ最高温度は少し下がる。
【0031】
また、ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段を2段積みして1つのユニットに収納することによって、設置面積が削減できる。
【0032】
また、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17と貯湯槽22を1つの室外ユニット32に収納することによって、ヒートポンプ給湯手段11およびヒートポンプ給湯空調手段17と貯湯槽22を接続する空間スペースが削減できるとともに水配管工事が不要になる。また、凍結による水配管の破損もなくなる。
【0033】
また、図2に示す如く、給水管33を貯湯槽22と接続して、貯湯槽22から水熱交換器a25および水熱交換器b26へ通水する構成でも同様の効果がある。
【0034】
また、図2に示す如く、貯湯運転時には図2の破線矢印方向で表すように湯を開閉弁34を通じて貯湯槽22上部に通水するようにして貯湯する。そして、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17から給湯端末へ出湯する場合は開閉弁34を閉にして図2の実線矢印方向で表すように湯を給湯端末へ通水するようにしても同様の効果がある。さらに、この構成では、貯湯運転と貯湯槽から出湯を同時に実現できる効果がある。
【0035】
また、図3に示す如く、水熱交換器a25の出口水温が所定温度となるように湯温制御手段28aと水温センサー29aを備え、水熱交換器b26の出口水温が所定温度となるように湯温制御手段28bと水温センサー29bを備えても同様の効果がある。さらに、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17の負荷が異なる場合、あるいはヒートポンプサイクルの動作点が異なる場合、例えば、冷房しながら給湯運転する場合にヒートポンプ給湯空調手段17の給湯加熱能力はヒートポンプ給湯手段11の給湯加熱能力と異なるが、水熱交換器b26の出口水温が所定温度となるように制御できる。
【0036】
また、図4に示す如く、循環ポンプ27の流量可変型ポンプDCポンプの代わりに循環ポンプ35と流量制御手段36を用いて流量制御しても同様の効果がある。
【0037】
また、図5に示す如く、ヒートポンプ給湯手段11とヒートポンプ給湯空調手段17の給湯同時運転時にヒートポンプ給湯手段11、ヒートポンプ給湯空調手段17、ヒートポンプ給湯手段11の順に水を循環する給湯回路37を備え、入水する低温をヒートポンプ給湯手段11で加熱する。そして、加熱した水をヒートポンプ給湯空調手段17で加熱して、最後にヒートポンプ給湯手段11で高温水まで加熱して貯湯槽に貯湯するので、ヒートポンプ給湯手段の冷媒に炭酸ガスCO2を用いた場合に、給湯用熱交換器a13を流れる冷媒は、給湯用圧縮機12で臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器a13から給湯回路を流れる流水に熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。従って、給湯用熱交換器a13全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなるため、給湯用熱交換器a13の冷媒出口と水入口を熱交換して、給湯用熱交換器a13の冷媒入口と水出口を熱交換するようにして、高温化と熱交換効率を高くする。
【0038】
また、図5に示す如く、ヒートポンプ給湯空調手段17で水を加熱する給湯用熱交換器b19をヒートポンプ給湯手段11側に収納して、ヒートポンプ給湯空調手段17と給湯用熱交換器b19を冷媒管で接続する。これによって、ヒートポンプ給湯手段11側に水回路部品を集中して収納できるため水部品の簡素化がはかれる。
【0039】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、高効率で給湯空調の同時運転ができるとともに給湯運転時の高温化、大能力化による利便性向上と貯湯槽の小容量化を実現するヒートポンプ給湯空調装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【図2】 本発明の実施例1の他実施例におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【図3】 本発明の実施例1の他実施例におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【図4】 本発明の実施例1の他実施例におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【図5】 本発明の実施例1の他実施例におけるヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【図6】 従来のヒートポンプ給湯空調装置の構成図
【符号の説明】
11 ヒートポンプ給湯手段
12 給湯用圧縮機
13 給湯用熱交換器a
14 減圧手段a
15 給湯用吸熱器
16 ヒートポンプ給湯回路
17 ヒートポンプ給湯空調手段
18 空調用圧縮機
19 給湯用熱交換器b
20 減圧手段b
21 空調用吸熱器
22 貯湯槽
23 室内機
24 ヒートポンプ給湯空調回路
25 水熱交換器a
26 水熱交換器b
27、27a、27b、36 循環ポンプ
28、28a、28b 湯温制御手段
29、29a、29b 水温センサー
30 切換弁
31 温度調整手段
32 室外ユニット
33 給水管
34 開閉弁
35 給湯回路
37 流量制御手段
Claims (6)
- 給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機と、前記ヒートポンプ給湯空調手段と前記ヒートポンプ給湯手段との給湯同時運転時に、前記ヒートポンプ給湯手段、前記ヒートポンプ給湯空調手段、前記ヒートポンプ給湯手段の順に水を循環する給湯回路とを備えたヒートポンプ給湯空調装置。
- 給湯機能を備えたヒートポンプ給湯手段と、給湯機能と冷暖房機能を備えたヒートポンプ給湯空調手段と、ヒートポンプ給湯手段およびヒートポンプ給湯空調手段で加熱した湯を貯湯する貯湯槽と、室内機とを備え、前記ヒートポンプ給湯空調手段で水を加熱する給湯熱交換器を、前記ヒートポンプ給湯手段側に収納したヒートポンプ給湯空調装置。
- ヒートポンプ給湯手段の冷媒回路Aと、ヒートポンプ給湯空調手段の冷媒回路Bを別回路とした請求項1または2に記載のヒートポンプ給湯空調装置。
- ヒートポンプ給湯手段の冷媒回路Aは、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルからなる請求項1〜3のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯空調装置。
- ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段を2段積みして1つのユニットに収納した請求項1〜4のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯空調装置。
- ヒートポンプ給湯手段とヒートポンプ給湯空調手段と貯湯槽を1つのユニットに収納した請求項1〜5のいずれか1項に記載のヒートポンプ給湯空調装置。
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