JP5982636B2

JP5982636B2 - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP5982636B2
Application number: JP2012083588A
Authority: JP
Inventors: 隆幸高谷
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: JP2013213598A

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来、この種の給湯装置には、貯湯槽出口の入水配管の熱を蓄熱する機能を備えたもの
がある（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。

図４に示すように、給湯装置１００は貯湯槽１０１、ヒートポンプユニット１０２、暖房ユニット１０３、蓄熱部１０４、熱交換部１０７、熱媒体循環路１０８を備える。蓄熱部１０４は、貯湯槽１０１からヒートポンプユニット１０２への入水管１０５と外部水道から貯湯槽１０１への給水管１０６との双方に接するように配置されている。

この構成により、貯湯１０１からヒートポンプユニット１０２へ送られる中間的な温度の中温水は蓄熱部１０４によって熱を奪われて水温が低下する。

また、蓄熱部１０４に取り込まれた熱は、外部からの補給水が貯湯槽１０１へ給水される際に、給水管１０６で補給水の水温を上昇させる。

この結果、ヒートポンプユニット１０２において、冷媒と水との加熱温度差を大きくして、ヒートポンプユニット１０２の熱交換効率を高めるものである。

特開２０１１−７４１８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、貯湯槽１０１に供給される補給水は、給水管１０６を通って蓄熱部１０４から吸熱した後、貯湯槽１０１に流入する。そして、この補給水が流入した貯湯槽１０１の水は、入水管１０５を通り、蓄熱部１０４に熱を吸収される。

よって、蓄熱部１０４は、給水管１０６で補給水に放出した熱を、入水管１０５で再度吸収することになるため、蓄熱した熱エネルギーを有効利用することができず、エネルギー効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽底部に蓄えられる水温を低く保つことで、ヒートポンプユニットへと供給される水温を低下させて、ヒートポンプの熱交換効率の向上を図るとともに、蓄熱した熱エネルギーを用いることで、沸き上げ湯量を低減させ、エネルギー効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットにて加熱した湯を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽の外部に配設され、前記貯湯槽内に蓄えられた湯水を高温側の熱媒体として用いる熱交換器と、前記貯湯槽から前記熱交換器へ湯水を供給する往き配管と、前記熱交換器から前記貯湯槽へ湯水を戻す戻り配管と、前記貯湯槽からお湯を出湯する出湯配管と、前記貯湯槽に水を給水する給水配管と、前記給水配管から分岐して前記出湯配管に接続するバイパス配管とを備え、前記戻り配管と前記バイパス配管との間で熱伝達する蓄熱ユニットが、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管に継ぎ手を介して接続されており、かつ、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管には、開閉弁と水抜き栓とが設けられていることを特徴とする。

これにより、蓄熱ユニットでの吸熱によって、貯湯槽底部に蓄えられる水温を低く保つ
ことができるので、ヒートポンプユニットへ供給される水の入水温度を低下させて、ヒートポンプユニットの熱交換効率を向上させ、また、蓄熱ユニットの熱エネルギーを用いて出湯配管に合流する水の加熱することで、沸き上げ湯量を低減させ、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明は、エネルギー効率に優れたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図同蓄熱ユニット周辺の詳細図本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成図従来の給湯装置の構成図

第１の発明は、ヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットにて加熱した湯を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽の外部に配設され、前記貯湯槽内に蓄えられた湯水を高温側の熱媒体として用いる熱交換器と、前記貯湯槽から前記熱交換器へ湯水を供給する往き配管と、前記熱交換器から前記貯湯槽へ湯水を戻す戻り配管と、前記貯湯槽からお湯を出湯する出湯配管と、前記貯湯槽に水を給水する給水配管と、前記給水配管から分岐して前記出湯配管に接続するバイパス配管とを備え、前記戻り配管と前記バイパス配管との間で熱伝達する蓄熱ユニットが、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管に継ぎ手を介して接続されており、かつ、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管には、開閉弁と水抜き栓とが設けられていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置である。

これにより、蓄熱ユニットでの吸熱によって、貯湯槽底部に蓄えられる水温を低く保つことができるので、ヒートポンプユニットへ供給される水の入水温度を低下させて、ヒートポンプユニットの熱交換効率を向上させ、また、蓄熱ユニットの熱エネルギーを用いて出湯配管に合流する水の加熱することで、沸き上げ湯量を低減させ、エネルギー効率に優れたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記貯湯槽から前記熱交換器を介して湯水を循環させ、前記水抜き栓を含む循環ポンプを備え、前記循環ポンプは、前記戻り配管の配管経路上で最も低い位置に配設されることを特徴とするヒートポンプ給湯装置である。

これにより、蓄熱ユニットの交換などのメンテナンスを行う場合に、一次側ポンプの水抜き栓から湯水を抜くことができる。よって、蓄熱ユニットに接続される配管のうち、循環ポンプが接続されていない側の配管に水抜き栓を１個設置するだけで、蓄熱ユニット内の湯水を抜くことが可能となり、ヒートポンプ給湯装置の低コスト化を実現できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記蓄熱ユニットには、潜熱蓄熱材が充填されていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置である。

これにより、ヒートポンプユニットへ入る入水温度が高い場合、この蓄熱材に放熱して、低温でかつ一定温度の水をヒートポンプユニットに供給し続けることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置の構成図、図２は本発明の実施の形態１における蓄熱ユニット周辺の詳細図である。

図１において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、蓄熱ユニット４と、暖房ユニット１０と、貯湯槽１内の湯水を高温側の熱媒体とし、暖房ユニット１０の水と貯湯槽１の湯水とを熱交換するように構成された熱交換器である第１の熱交換器１１を備える。

貯湯槽１の水は、入水配管５、入水配管５の配管経路上に配設された沸き上げポンプ１２を介し、ヒートポンプユニット２で加熱され、沸き上げ配管１３を通り、貯湯槽１に流入する。

貯湯槽１の下部にある給水配管１４は、減圧弁１５を介し、水道管等の水供給配管６に接続されている。貯湯槽１の上部にある出湯配管１６は、混合弁１７を介し、給湯配管１８に接続されている。給水配管１４から分岐したバイパス配管１９は、第二の開閉弁２７、蓄熱ユニット４を介し、混合弁１７に接続されている。

なお、第二の開閉弁２７は、蓄熱ユニット４の交換などのメンテナンスを行う場合に閉とし、通常は開状態を維持している。

貯湯槽１の上部にある往き配管２０は、第１の熱交換器１１に接続されている。また、戻り配管２２は、第１の熱交換器１１と貯湯槽１との間を接続し、戻り配管２２と貯湯槽１との接続箇所は、往き配管２０と貯湯槽１との接続箇所と比較して、貯湯槽１内に低温の湯水が存在する部分に設けられている。

さらに、戻り配管２２の配管経路上には、貯湯槽１からの湯水を、第１の熱交換器１１を介して循環させる循環ポンプである一次側ポンプ２１、蓄熱ユニット４、第一の開閉弁２６が、第１の熱交換器と貯湯槽１の間に、この順で配設されている。

なお、第一の開閉弁２６は、蓄熱ユニット４の交換などのメンテナンスを行う場合に閉とし、通常は開状態を維持している。

また、一次側ポンプ２１は、戻り配管２２の最も低い位置に設置されている。

暖房ユニット１０の出口配管２３の配管経路上には、二次側ポンプ２４が配設され、また、出口配管２３は、第１の熱交換器１１を介し、暖房ユニット１０の入口配管２５に接続されている。

以上のように構成された給湯装置について、以下にその動作、作用を説明する。

一般的な家庭での湯の利用における基本的な動作として、朝には貯湯槽１にその日使う分の湯が貯えられており、活動している時間帯に順次給湯に利用される。給湯利用中に貯湯量が不足する場合には必要に応じてヒートポンプユニット２を運転し、追加で貯湯運転を行うこともある。

まず、貯湯運転について説明する。貯湯槽１の水は、入水配管５を通り、沸き上げポンプ１２へ導かれ、ヒートポンプユニット２で、６５〜９０℃に加熱され、沸き上げ配管１３を通り、貯湯槽１に流入し、貯湯運転を行う。

次に、暖房運転について説明する。暖房運転指令が出されると、一次側ポンプ２１が起動する。その後、二次側ポンプ２４が起動し、第１の熱交換器１１で熱交換を行い、暖房ユニット１０は３０℃程度に暖められる。この時、一次側ポンプ２１の下流の戻り配管２２内の水は３５℃程度となり、その後、蓄熱ユニット４に入る。

例えば、蓄熱ユニット４内に、融点１０〜２０℃の潜熱蓄熱材が充填されている場合、３５℃程度の戻り配管２２内の水は、蓄熱ユニット４で２０℃程度まで冷やされ、第一の開閉弁２６を介し、貯湯槽１に戻ることとなる。この暖房運転が継続されると、貯湯槽１内の高温のお湯が減少し、前述したヒートポンプユニット２による貯湯運転を行うこととなる。このとき、貯湯槽１内底部の水温は、２０℃程度になっている。

このように、第１の熱交換器１１と貯湯槽１の間を接続する戻り配管２２の配管経路上に蓄熱ユニット４を設置しているので、３５℃程度の中温水ではなく、２０℃程度の水が貯湯槽１内底部に戻ることなり、貯湯槽１の底部に蓄えられる水温を低く保つことができるので、ヒートポンプユニット２に供給される水温も低く保って加熱温度差を大きくでき、ヒートポンプユニット２の熱交換効率を高めることができる。

次に、給湯運転について説明する。給湯管１８の下流にある蛇口（図示せず）を使用者が開くと、貯湯槽１の上部にある出湯配管１６からのお湯とバイパス配管１９からの水が、混合弁１７で所望の温度になるように混合され、給湯される。ここで、前述の暖房運転で蓄熱ユニット４に蓄熱されている場合には、水供給配管６において９℃程度の低温水は、蓄熱ユニット４を通って、１５℃程度にまで加熱され、バイパス配管１９を通り混合弁１７に導かれる。

このように、蓄熱ユニット４で蓄熱した熱エネルギーで、バイパス配管１９を流通する水の温度を上昇させるため、所望の給湯温度を達成するために必要な、貯湯槽１からの湯量を減らすことができる。つまり、沸かす湯量を少なくすることができるので、ヒートポンプ給湯装置の効率を向上させることができる。

以上のように、本実施の形態においては、ヒートポンプユニットへ入る入水温度を低下させて、ヒートポンプユニットの熱交換効率を高めると共に、蓄熱した熱エネルギーでバイパス配管１９を流通する水の温度を上昇させるため、所望の給湯温度を達成するために貯湯槽から使用するお湯の量を減らす、すなわち、沸き上げ湯量を低減することができるので、ヒートポンプ給湯装置としてのエネルギー効率を向上させることができる。

また、蓄熱ユニット４内には、融点１０〜２０℃の潜熱蓄熱材が充填されているとので、潜熱蓄熱材に蓄熱された熱エネルギーがなくなった場合の、水道水との温度差が小さくなる。よって蓄熱ユニット４の出口温度の過渡的な変化を小さくすることができるので、混合弁１７を介しての給湯温度の変動を小さくできる。

なお、本実施の形態では、ヒートポンプ給湯装置として暖房ユニット１０が接続されている場合で説明したが、暖房ユニット１０の代わりに浴槽が接続されていても、同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、蓄熱ユニット４内に融点１０〜２０℃の潜熱蓄熱材が充填された場合について説明したが、貯湯槽に給水される水の温度によっては、融点が２０〜３０℃の潜熱蓄熱材を用いてもよい。

また、本実施の形態では、蓄熱ユニット４内に、１種類の潜熱蓄熱材が充填された場合で説明したが、融点の異なる複数の潜熱蓄熱材を用いてもよい。

また、本実施の形態では、ヒートポンプユニット２に封入されている冷媒に関して、特に触れていないが、二酸化炭素、Ｒ４１０ＡやＨＣ冷媒などの冷媒を用いてもよい。

次に、蓄熱ユニット４および一次側ポンプ２１の周辺構造について、その詳細を説明する。

図２において、一次側ポンプ２１の下部には第一の水抜き栓２８が取り付けられている。この第一の水抜き栓２８は、戻り配管２２の重力方向で最も下側に設置されている。また、第二の水抜き栓２９は、バイパス配管１９の重力方向で最も下側に取り付けられている。さらに、継ぎ手３０は、第一の開閉弁２６、第二の開閉弁２７や継ぎ手３０同士を接続している。

一般的に、蓄熱ユニット４の交換などのメンテナンスを行う場合、蓄熱ユニット４を構成している配管内の湯水を抜く必要があり、配管の下部に水抜き栓が２個必要となる。しかしながら、循環ポンプである一次側ポンプ２１は戻り配管２２の配管経路上で重力方向に最も低い位置に設置されているため、一次側ポンプ２１の水抜き栓から湯水を抜くことができる。よって、新たにバイパス配管１９に水抜き栓を１個設置するだけで、蓄熱ユニット４内の湯水を抜くことができるので、ヒートポンプ給湯装置の製造においてコストを下げることができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯装置の構成を示す図である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同一構成部分には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図３は、ヒートポンプ給湯装置において、暖房ユニットと浴槽の両方を使用する場合を示している。

本実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置は、浴槽３５と、浴槽３５の水と貯湯槽１の水とを熱交換するように構成された熱交換器である第２の熱交換器３１を備える。貯湯槽１の上部にある風呂往き配管３２は、第２の熱交換器３１に接続されている。また、風呂戻り配管３４は、第２の熱交換器３１と戻り配管２２との間を接続し、風呂戻り配管３４の配管経路上には貯湯槽１からの湯水を、第２の熱交換器３１を介して循環させる循環ポンプである風呂一次側ポンプ３３が配設されている。

浴槽３５の出口配管４１の配管経路上には、風呂二次側ポンプ４０が配設され、また、出口配管４１は、第２の熱交換器３１を介し、浴槽３５の入口配管３９に接続されている。

また、浴槽水注湯回路３８は、貯湯槽１の水を浴槽３５へ注湯する回路で、給湯配管１８から分岐した浴槽水注湯分岐管３６、浴槽水注湯弁３７を備えている。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。ここでは実施の形態１との相違点である浴槽追い焚き運転について説明する。

浴槽追い焚き運転指令が出されると、風呂一次側ポンプ４０が起動する。その後、風呂二次側ポンプ３３が起動し、第２の熱交換器３１で熱交換を行い、浴槽３５内の水は４０℃程度に暖められる。このとき、風呂一次側ポンプ３３の下流の風呂戻り配管３４内の水は４２℃程度となり、その後、蓄熱ユニット４に入る。

ここで例えば、蓄熱ユニット４内に、融点１０〜２０℃の潜熱蓄熱材が充填されている場合、４２℃程度の風呂戻り配管３４内の水は、２０℃程度まで冷やされ、第一の開閉弁２６を介し、貯湯槽１に戻ることとなる。この浴槽追い焚き運転が継続されると、貯湯槽１内の高温のお湯が減少し、ヒートポンプユニット２による貯湯運転を行う必要が生じる。このとき、貯湯槽１内底部の温度は、２０℃程度になっており、水を沸き上げることとなる。

このように、風呂戻り配管３４の下流に蓄熱ユニット４を設置しているので、４２℃程度の中温水ではなく、２０℃程度の水が貯湯槽１内底部に戻ることなり、貯湯槽１の底部に蓄えられる水温を低く保つことができるので、ヒートポンプユニット２に供給される水温も低く保って加熱温度差を大きくでき、ヒートポンプユニット２の熱交換効率を高めることができる。

次に、給湯運転について説明する。給湯管１８の下流にある蛇口（図示せず）を使用者が開くと、貯湯槽１の上部にある出湯配管１６からのお湯とバイパス配管１９からの水が、混合弁１７で所望の温度になるように混合され、給湯される。ここで、前述の暖房運転もしくは、浴槽追い焚き運転で蓄熱ユニット４に蓄熱されている場合には、水供給配管６において９℃程度の低温水は、蓄熱ユニット４を通って、１５℃程度にまで加熱され、バイパス配管１９を通り混合弁１７に導かれる。

このように、蓄熱ユニット４で蓄熱した熱エネルギーで、バイパス配管１９を流通する水の温度を上昇させるため、所望の給湯温度を達成するために必要な、貯湯槽１からの湯量を減らすことができる。つまり、沸き上げ湯量を少なくすることができるので、ヒートポンプ給湯装置の効率を向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、複数の熱源による貯湯槽への蓄熱によって、システムの効率を向上させることができるので、家庭用の給湯装置に適用できるほか、業務用などの規模の大きい給湯装置にも適用できる。

１貯湯槽
２ヒートポンプユニット
４蓄熱ユニット
１１第１の熱交換器（熱交換器）
１４給水配管
１６出湯配管
１９バイパス配管
２０往き配管
２１一次側ポンプ（循環ポンプ）
２２戻り配管
３１第２の熱交換器（熱交換器）
３２風呂往き配管
３４風呂戻り配管

Claims

ヒートポンプユニットと、前記ヒートポンプユニットにて加熱した湯を蓄える貯湯槽と、前記貯湯槽の外部に配設され、前記貯湯槽内に蓄えられた湯水を高温側の熱媒体として用いる熱交換器と、前記貯湯槽から前記熱交換器へ湯水を供給する往き配管と、前記熱交換器から前記貯湯槽へ湯水を戻す戻り配管と、前記貯湯槽からお湯を出湯する出湯配管と、前記貯湯槽に水を給水する給水配管と、前記給水配管から分岐して前記出湯配管に接続するバイパス配管とを備え、前記戻り配管と前記バイパス配管との間で熱伝達する蓄熱ユニットが、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管に継ぎ手を介して接続されており、かつ、前記戻り配管、前記バイパス配管のそれぞれの配管には、開閉弁と水抜き栓とが設けられていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
前記貯湯槽から前記熱交換器を介して湯水を循環させ、前記水抜き栓を含む循環ポンプを備え、前記循環ポンプは、前記戻り配管の配管経路上で最も低い位置に配設されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯装置。
前記蓄熱ユニットには、潜熱蓄熱材が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。