JP2004156805A

JP2004156805A - ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP2004156805A
Application number: JP2002321106A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kuwabara; 修桑原; Masahiro Kobayashi; 雅博小林; Hiroshi Mukoyama; 洋向山; Takanori Iwasaki; 崇徳岩崎; Yutaka Tamura; 裕田村; Mitsuhiro Ishikawa; 光浩石川
Original assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】熱利用効率を高めることができるようにしたヒートポンプシステムを提供すること。
【解決手段】熱利用機器３０を要求温度の高い高温型機器３１と、該高温型機器３１より要求温度の低い低温型機器３２とにより構成し、熱交換器１２からの２次流体が高温型機器３１を通り、次に低温型機器３２に供給されて該熱交換器１２に戻るように高温型機器３１と低温型機器３２とを直列に接続する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱利用効率を向上させたヒートポンプシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、暖房や給湯の熱源としてサイクル効率の高いヒートポンプシステムの利用が広く研究され、利用に供給され始めている。
【０００３】
このようなヒートポンプシステムは、冷媒を圧縮する圧縮機、圧縮されて高温になった冷媒と２次流体とを熱交換させて当該２次流体を加熱する熱交換器、該熱交換器からの冷媒を膨張させる膨張弁、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器等を有して、２次流体が熱利用機器に循環してその熱を利用する構成となっている。
【０００４】
なお、冷媒を床暖房パネル、空調機等の熱利用機器に直接供給する構成もあり、これらの複数の熱利用機器を負荷とする場合には、２次流体を分流して各熱利用機器に供給したりしている（特許文献１〜特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−８８６２８号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８６０９号公報
【特許文献３】
特開２００１−１０８２４９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の熱利用機器を負荷とする場合には、上述したように各熱利用機器は並列に接続されているためヒートポンプシステムとして熱利用効率を高めることが困難である問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、熱利用効率を高めることができるようにしたヒートポンプシステムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、圧縮機で圧縮された高温の冷媒が循環すると共に、熱利用機器に供給される２次流体が循環して、冷媒の熱で２次流体を加熱することにより温度上昇した当該２次流体の熱を熱利用機器で利用するヒートポンプシステムにおいて、熱利用機器を要求温度の高い高温型機器と、該高温型機器より要求温度の低い低温型機器とにより構成し、熱交換器からの２次流体が高温型機器を通り、次に低温型機器に供給されて該熱交換器に戻るように、高温型機器と低温型機器とを直列に接続して、熱利用効率を高めることができるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、熱交換器と高温型機器との間に循環ポンプが設けられると共に、該循環ポンプと熱交換器との間に３方弁が設けられ、かつ、当該３方弁の一端が高温型機器と低温型機器とを接続する配管とバイパス管により接続されて、熱交換器、３方弁、循環ポンプ、高温型機器、低温型機器を循環する流路と、３方弁、循環ポンプ、高温型機器、バイパス管を循環する流路とを形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、熱交換器で２次流体と熱交換した冷媒が循環して、当該冷媒の熱を利用する熱利用機器を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、熱交換器と並列に、該熱交換器で熱交換して高温になった２次流体を貯留するバッファタンクを設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５にかかる発明は、冷媒が、二酸化炭素冷媒であり、２次流体が市水等の水又はブラインであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明に係るヒートポンプシステムの回路図である。
【００１４】
当該ヒートポンプシステム１は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、該圧縮機１１からの冷媒と２次流体とを熱交換させる熱交換器１２、熱交換器１２で熱交換した冷媒を膨張させる膨張弁１３、膨張した冷媒と送風機１４で送風された外気とを熱交換させる蒸発器１５、２次流体を循環させる循環ポンプ１６等を主要構成として、２次流体が熱利用機器３０に循環するようになっている。
【００１５】
なお、２次流体としては市水等の水やブラインが利用可能であり、冷媒としては二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の種々の冷媒を用いることができる。
【００１６】
また、熱利用機器３０として、ラジエタ、床暖房パネル、ファンコンベクタ等の要求される温度が高い機器（本明細書では高温型機器と記載する）、これらより要求される温度が低い空調機、融雪槽、融雪パネル等（本明細書では低温型機器と記載する）が例示できる。
【００１７】
本明細書では、要求される温度が高い機器を高温型機器３１と記載し、これらより要求される温度が低い機器を低温型機器３２と記載する。
【００１８】
図１に示すように、本発明にかかるヒートポンプシステム１では、高温型機器３１と低温型機器３２とが直列に接続されて、熱交換器１２から循環ポンプ１６により圧送された２次流体は高温型機器３１、低温型機器３２を順次流動する。
【００１９】
このように高温型機器３１と低温型機器３２とを直列接続にしたのは、熱利用効率を向上させて熱の有効利用を図るためである。
【００２０】
即ち、従来のように高温型機器３１と低温型機器３２とを同時に運転する場合に、これらを並列に接続して、それぞれに供給される２次流体の量を制御することにより要求される熱量を供給する構成では、熱交換器１２に戻る２次流体の温度は十分に低くならず発生した熱を有効に利用できない問題があった。
【００２１】
例えば、床暖房パネルでは、パネル面での温度分布が発生しないことが要求されるが、かかる床暖房パネルは２次流体が流動する管を一筆書きに近い状態でパネル面内に蛇行して埋設することにより形成されている。
【００２２】
従って、温度分布を小さくするため、２次流体の流量を多くしたりして、パネルの入口温度と出口温度との温度差を小さくしている。
【００２３】
このことは、２次流体のほんの一部しか利用されないことを意味しており、熱利用効率が低くなってしまう。
【００２４】
熱利用効率が低くなると、２次流体と熱交換する冷媒の放熱量も少なくなり、圧縮機１１から吐出された温度の冷媒が略その温度で膨張弁１３に流入して膨張され、蒸発器１５で蒸発することになる。
【００２５】
一般に、暖房は外気温が低い冬季において利用されるが、蒸発器１５で冷媒が蒸発するためには、外気により冷媒が加熱（ヒートポンプ）される必要がある。
【００２６】
ところが上述したように蒸発器１５に温度の高い冷媒が流入する状態では、外気による加熱効率が悪く、殆どヒートポンプしない状態で圧縮機１１に流入してしまい、サイクル効率までもが低下する。
【００２７】
そこで、本発明では、高温型機器３１と低温型機器３２とを直列接続することで、例え床暖房パネルのような高温型機器３１での温度降下が小さくても、次の低温型機器３２で２次流体を再利用し、これにより熱交換器１２に戻る２次流体の温度を低くするようにしている。
【００２８】
熱交換器１２に戻る２次流体の温度が低くなることは、圧縮機１１からの冷媒がこの熱交換器１２で十分に放熱することを意味し、冬季のように外気温が低い場合であっても蒸発器１５で効率的な蒸発（大きなヒートポンプ）を行うことが可能になりサイクル効率を高めることが可能となる。
【００２９】
図２は、熱交換器１２からの２次流体を高温型機器３１（例えば、床暖房パネル）にのみ循環させた場合（ａｂｃｆａのサイクル）に対して、高温型機器３１（例えば、床暖房パネル）と低温型機器３２（例えば、融雪パネル）とを直列接続して循環させた場合（ａｂｃｄｅｆａのサイクル）を対比して示したｐ−ｈ線図を示している。
【００３０】
ｐ−ｈ線図に示すように高温型機器３１と低温型機器３２とを直列に接続することによりこの仕事量を増大させることが可能であることが理解できる。
【００３１】
このように、本発明では、高温型機器３１と低温型機器３２とを直列接続することにより熱利用効率のみならずサイクル効率も向上させることが可能になる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態を図を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００３３】
第１の実施の形態では、熱利用効率等を向上させるために高温型機器３１と低温型機器３２とを直列接続した。このため、高温型機器３１と低温型機器３２とには同じ量の２次流体が供給されることになる。
【００３４】
しかし、床暖房パネルでは温度分布を抑制するために流量を多くする必要があるが、空調機や融雪パネルでは、温度分布が発生しても問題にならず、寧ろ熱利用効率の観点から流量が少ない方が好ましい場合がある。
【００３５】
例えば、高温型機器３１に床暖房パネルを用い、低温型機器３２に融雪パネルを用いるような構成で、２次流体の流量を床暖房パネルに対して設定すると、２次流体は融雪パネルで十分に熱回収されない状態で熱交換器１２に戻るようになって、熱利用効率をより向上させることができない場合が生じる。
【００３６】
そこで、本実施の形態では、各熱利用機器で要求される水量が異なる場合でも、この要求をも満たしながら熱利用効率やサイクル効率を向上させるように、図３に示すように循環ポンプ１６と熱交換器１２とを接続する配管途中に３方弁１７を設けると共に、バイパス管１８を設けている。
【００３７】
そして、このバイパス管１８の一端は高温型機器３１と低温型機器３２とを接続する配管に接続され、他端は３方弁１７に接続している。
【００３８】
３方弁１７は、２つの入口に対して１つの出口を持つ弁で、一方の入口の弁解度を大きくすると、それに応じて他方の入口の弁解度が小さくなるように形成されている。
【００３９】
従って、循環ポンプ１６が駆動されると、この循環ポンプ１６の駆動条件により決る流量を流すように２つの入口から２次流体が流入し、これらが混合して１つの出口から流出する。
【００４０】
図３に示す、実線矢印は流路Ａを示し、点線矢印は流路Ｂを示して、２つの入口から流入して流れる２次流体の流路を示している。
【００４１】
このように２次流体は２つの流路を流れ、流路Ｂを流れる２次流体は高温型機器３１にしか流れないので、その分だけ低温型機器３２より流量を多くすることが可能になる。
【００４２】
従って、高温型機器３１として床暖房パネルを用いた場合であっても温度分布の発生を抑制することが可能になると共に、この高温型機器３１で放熱した２次流体の一部が低温型機器３２に供給されるので、当該低温機器に供給される２次流体の熱は殆ど利用できるようになって熱利用効率及びサイクル効率を更に向上させることが可能になる。
【００４３】
なお、このような構成では、流路Ｂを循環する２次流体は熱交換器１２で加熱されないことになるので、高温型機器３１に供給される２次流体の温度が低下してしまうことが危惧される。
【００４４】
しかし、熱交換器１２から流出する２次流体の温度は約９０℃まであげることが可能であり、高温型機器３１で要求される温度はこれより低く、床暖房パネルでは６０℃〜８０℃であり、また３方弁１７を調整することにより、多少の温度低下は実用上問題がない。
【００４５】
以上説明したように、バイパス管１８や３方弁１７を設けることにより、高温型機器３１と低温型機器３２とを循環する２次流体の流量が調整できるようになり、各熱利用機器３０が要求する流量を供給しながら熱利用効率及びサイクル効率をさらに向上させることができるようになる。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施の形態を図を参照して説明する。なお、これまで説明した構成と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００４７】
第１及び第２の実施の形態においては、熱利用効率の向上を図るべく、高温型機器３１と低温型機器３２とを直列に接続して熱交換器１２に戻る２次流体の温度を下げるようにした。
【００４８】
そして、熱交換器１２に戻る２次流体の温度を下げることは、膨張弁１３、蒸発器１５を介して圧縮機１１に戻る冷媒の温度を下げることでもあり、このためサイクル効率も向上した。
【００４９】
そこで、本実施の形態では、図４に示すように、低温型機器３２を熱交換器１２と膨張弁１３との間に接続して、熱交換器１２で熱交換した後の冷媒を再利用することにより熱利用効率やサイクル効率を向上させるようにしたものである。
【００５０】
無論、高温型機器３１を圧縮機１１と熱交換器１２との間に接続してもよい。以下、図４に示す構成を例に説明する。
【００５１】
図４に示す構成では、圧縮機１１からの冷媒は熱交換器１２で２次流体と熱交換し、その後低温型機器３２に供給され、ここで熱利用が行われて膨張弁１３、蒸発器１５を介して圧縮機１１に戻る。
【００５２】
従って、高温型機器３１には高温の２次流体が供給でき、かつ、必要とする流量は循環ポンプ１６の運転条件を制御することにより調整できるようになると共に、低温型機器３２では熱交換器１２で熱交換した冷媒が再利用されて熱利用効率及びサイクル効率が向上する。
【００５３】
特に、高温型機器３１と低温型機器３２とを流動する流体が、２次流体と冷媒とであるため、例えば給湯器や風呂のように安全衛生上から市水等を用いなければならない機器との併用も可能になると共に、高温型機器３１で凍結が危惧される場合にはブラインを用いることも可能になる利点がある。
【００５４】
なお、第１及び第２の実施の形態における構成に、かかる冷媒を循環させて利用する機器を接続することも可能である。図５は、図３に示す構成に対して冷媒回路側に熱利用機器３３を設けた場合を示している。
【００５５】
このような構成にすることで、より多くの熱が利用できるようになり、さらなる熱利用効率やサイクル効率の向上が可能になる。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施の形態を図を参照して説明する。なお、これまで説明した構成と同一構成に関しては同一符号を用い説明を適宜省略する。
【００５７】
熱利用機器３０として種々のものが例示できることは先に述べたが、例えば風呂のお湯張り等におけるように、一時的に大量の湯が必要になったりすることがある。
【００５８】
また、電力代の節約を図るために深夜等の料金の安い時間帯に高温の２次流体を作り、それを日中利用することが考えられる。
【００５９】
さらに、外気温が低い場合には蒸発器１５に霜や氷が付着することがあり、この場合には除霜運転を行うが、除霜運転中は熱利用機器３０への温熱を供給できなくなる。
【００６０】
そこで、本発明では、図６に示すように、図３に示す構成に対して熱交換器１２と並列にバッファタンク１９を設けると共に、貯留用ポンプ２０及び第１及び第２切換バルブ２２，２１を設けている。
【００６１】
そして、熱交換器１２で加熱された２次流体をそのまま熱利用機器３０に供給する場合には（バッファタンク１９に貯留しない場合）、貯留用ポンプ２０を停止し、第１切換バルブ２２を開き、第２切換バルブ２１を閉じて循環ポンプ１６を運転する。
【００６２】
また、バッファタンク１９に貯留する場合には、第１，第２切換バルブ２２，２１を開き、循環ポンプ１６を停止して貯留用ポンプ２０を運転する。
【００６３】
これにより熱交換器１２で加熱された２次流体は、バッファタンク１９の上部から当該バッファタンク１９内に流入し、また該バッファタンク１９の下部から貯留用ポンプ２０に流出するようになる。
【００６４】
このバッファタンク１９は、外気に対して断熱されて湯が成層をなして貯留できるようになっている。なお、成層とはタンク内で対流が殆どなく、貯留されている湯の温度勾配が例えばタンクの上部から下部に向って滑らかに変化している状態を言う。
【００６５】
従って、貯留運転を開始すると、その運転時間に応じてバッファタンク１９の上部から下部に向って、当該バッファタンク１９に貯留していた温度の低い２次流体が高温の２次流体に置き換わって貯留が完了する。
【００６６】
一方、貯留された２次流体を用いる場合には、貯留用ポンプ２０を停止し、第１切換バルブ２２を閉じ、第２切換バルブ２１を開いて循環ポンプ１６を運転する。
【００６７】
これにより２次流体は、バッファタンク１９の上部から３方弁１７、循環ポンプ１６を介して熱利用機器３０に供給できるようになる。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１にかかる発明によれば、熱利用機器を要求温度の高い高温型機器と、該高温型機器より要求温度の低い低温型機器とにより構成し、熱交換器からの２次流体が高温型機器を通り低温型機器に供給されて該熱交換器に戻るように、高温型機器と低温型機器とを直列に接続したので、熱利用効率及びサイクル効率を向上させることが可能になる。
【００６９】
請求項２にかかる発明によれば、熱交換器と高温型機器との間に循環ポンプが設けられると共に、該循環ポンプと熱交換器との間に３方弁が設けられ、かつ、当該３方弁の一端が高温型機器と低温型機器とを接続する配管とバイパス管により接続されて、熱交換器、３方弁、循環ポンプ、高温型機器、低温型機器を循環する流路と、３方弁、循環ポンプ、高温型機器、バイパス管を循環する流路とを形成したので、各熱利用機器で要求される流量を供給しながら熱利用効率及びサイクル効率を向上させることが可能になる。
【００７０】
請求項３にかかる発明によれば、熱交換器で２次流体と熱交換した冷媒が循環して、当該冷媒の熱を利用する熱利用機器を設けたので、熱利用効率及びサイクル効率を向上させることが可能になる。
【００７１】
請求項４にかかる発明によれば、熱交換器と並列に、該熱交換器で熱交換して高温になった２次流体を貯留するバッファタンクを設けので、一時的に大量の熱が必要になるような場合に対応できるようになると共に、電力のやすい時間帯に高温の２次流体を作り貯留することが可能になって、経済性が向上する。
【００７２】
請求項５にかかる発明によれば、冷媒として二酸化炭素冷媒を用い、２次流体が市水等の水又はブラインを選択して用いるようにしたので、高温の２次流体が供給できるようになると共に、用途に合わせた２次流体を用いることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプサイクルの構成図である。
【図２】高温型機器と低温型機器とを直列接続した場合の効果を示すｈ−ｐ線図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプサイクルの構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプサイクルの構成図である。
【図５】図４に代る構成を示すヒートポンプサイクルの構成図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の説明に適用されるヒートポンプサイクルの構成図である。
【符号の説明】
１ヒートポンプシステム
１１圧縮機
１２熱交換器
１３膨張弁
１５蒸発器
１６循環ポンプ
１８バイパス管
１９バッファタンク
２０貯留用ポンプ
２１第２切換バルブ
２２第１切換バルブ
３０，３３熱利用機器
３１高温型機器
３２低温型機器

Claims

圧縮機で圧縮された高温の冷媒が循環すると共に、熱利用機器に供給される２次流体が循環して、前記冷媒の熱で前記２次流体を加熱することにより温度上昇した当該２次流体の熱を前記熱利用機器で利用するヒートポンプシステムにおいて、
前記熱利用機器を要求温度の高い高温型機器と、該高温型機器より要求温度の低い低温型機器とにより構成し、前記熱交換器からの２次流体が高温型機器を通り、次に低温型機器に供給されて該熱交換器に戻るように、前記高温型機器と低温型機器とを直列に接続したことを特徴とするヒートポンプシステム。
前記熱交換器と高温型機器との間に循環ポンプが設けられると共に、該循環ポンプと前記熱交換器との間に３方弁が設けられ、かつ、当該３方弁の一端が前記高温型機器と低温型機器とを接続する配管とバイパス管により接続されて、前記熱交換器、３方弁、循環ポンプ、高温型機器、低温型機器を循環する流路と、前記３方弁、循環ポンプ、高温型機器、バイパス管を循環する流路とを形成したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプシステム。
前記熱交換器で前記２次流体と熱交換した冷媒が循環して、当該冷媒の熱を利用する熱利用機器を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプシステム。
前記熱交換器と並列に、該熱交換器で熱交換して高温になった２次流体を貯留するバッファタンクを設けたことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載のヒートポンプシステム。
前記冷媒が、二酸化炭素冷媒であり、前記２次流体が市水等の水又はブラインであることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載のヒートポンプシステム。