JP2011252636A - 温水暖房給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクへの蓄熱運転をしながら放熱器で暖房運転を行う場合、エネルギー利用の効率を向上させる温水暖房給湯装置を提供する。
【解決手段】温水暖房給湯装置１０は、冷凍サイクル装置１と、水回路５と、貯湯タンク５５とを備え、熱交換器部５６は貯湯タンク５５に内設され、貯湯タンク５５内の上部に設けられている。蓄熱運転では、冷媒水熱交換器２２で生成した高温の温水は、熱交換器部５６で放熱して貯湯タンク５５内の温水を加熱し蓄熱する。そして、水温が低下した温水で、放熱器５３へ搬送され暖房運転を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、凝縮器（冷媒水熱交換器）の凝縮潜熱を利用して暖房運転や蓄熱運転を行う温水暖房給湯装置に関する。

従来、冷媒回路の冷媒水熱交換器の凝縮潜熱を利用して温水を生成し、床暖房等の暖房運転を行うと同時に、貯湯タンクに温水を蓄えるために蓄熱運転を行うことができる温水暖房給湯装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された温水暖房給湯装置を示すものである。この温水暖房給湯装置は、冷凍サイクル装置１００を備えており、冷凍サイクル装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路１１０、圧縮機１１１、冷媒水熱交換器１１２、膨張手段１１３及び蒸発器１１４が配管により環状に接続されて構成されている。冷媒水熱交換器１１２は、冷媒回路１１０と、冷媒で水が加熱され生成した温水が循環する水回路１２０とを備えている。

暖房運転を行う場合には、生成された温水は冷媒水熱交換器１１２から流出して、開閉弁１２１と、ヘッダ１２２と、放熱器１２３と、循環手段１２４とを経由して、冷媒水熱交換器１１２へ流入する。そして、放熱器１２３で、冷媒水熱交換器１１２で生成された熱は床暖房等に使われる。

暖房運転と蓄熱運転を同時に行う場合には、生成された温水は冷媒水熱交換器１１２から流出して、開閉弁１２１へ流れるとともに、一部は開閉弁１３１へ流れる。開閉弁１３１を通過した温水は、貯湯タンク１３２内に貯湯される。貯湯された温水は給湯等に使われる。

貯湯タンク１３２へ流入して、貯湯タンク１３２内の温水と熱交換（放熱）することにより、温度が低下した温水は貯湯タンク１３２の下部から流出し、開閉弁１３３を通過後、循環手段１２４を経由して、冷媒水熱交換器１１２へ流入する。一方、開閉弁１２１を通過した温水は、放熱器１２３で温水の熱を放熱し、循環手段１２４を経由して、冷媒水熱交換器１１２へ流入する。そして、放熱器１２３で、冷媒水熱交換器１１２で生成された熱の一部は床暖房等に使われる。

特開２００９−２８１６５０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、比較的温度の低い温水を使用して床暖房等を行う放熱器１２３と、給湯するために比較的温度の高い温水を貯湯する必要がある貯湯タンク１３２の両方へ同じ温度の温水が供給されているため、放熱器１２３での暖房運転を主体とした温度設定で運転した場合、比較的温度の低い温水が、貯湯タンク１３２に供給され、貯湯されてしまう。

温度の低い温水が貯湯された状態で給湯が行われた場合には、貯湯タンク１３２の給湯口から低温の水が出てくる状態（以下、湯切れという）が発生する可能性がある。

湯切れする頻度が増加すると、冷凍サイクル装置１００を始動させて冷媒水熱交換器１１２で高温の温水を生成し、貯湯タンク１３２内の温水を加熱させる運転時間が増加するため、エネルギー利用の効率化が図りにくい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、貯湯タンクの上部に高温の温水を集中的に短時間で蓄熱して貯湯タンク内で湯切れを起こりにくくするとともに、貯湯タンク内の温水を加熱して給湯負荷を賄った後に、温度の低い暖房負荷を賄い、エネルギー利用の効率を向上させる温水暖房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、本発明の温水暖房給湯装置は、冷凍サイクル装置と、放熱器が接続された水回路と、貯湯タンクと、貯湯タンクに内設された熱交換器部とを備え、貯湯タンク内の温水を加熱する蓄熱運転時、冷媒水熱交換器で生成された温水は、熱交換器部を介して放熱して貯湯タンク内の温水を加熱した後、放熱器に搬送される構成としたものである。

これによって、高温の温水が冷媒水熱交換器で生成され流出し、貯湯タンク内に内設した熱交換器部にて放熱して、貯湯タンクの温水を加熱するので、蓄熱運転において、貯湯タンクに高温の温水が蓄熱される。そして、貯湯タンクの温水を加熱することにより、水温の低下した温水は、放熱器へ搬送され暖房運転を行い、さらに水温の低下した温水は、循環手段を経由して冷媒水熱交換器へ流入して水回路を循環する。

本発明の温水暖房給湯装置は、冷媒水熱交換器で生成された高温の温水で、給湯負荷を賄うための温水を貯湯タンク内の熱交換器部で加熱した後、温度が低下した温水で暖房負荷を賄うことができるため、エネルギー利用の効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る温水暖房給湯装置の概略構成図 本発明の実施の形態１の温水暖房給湯装置の蓄熱運転時の動作説明図 従来の温水暖房給湯装置の概略構成図

第１の発明は、圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張手段、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、冷媒水熱交換器にて生成された温水を循環させる循環手段、温水の温熱を放熱させる放熱器が接続された水回路と、貯湯タンクと、貯湯タンクの内部に熱交換器部とを備え、貯湯タンク内の温水を加熱する蓄熱運転時、冷媒水熱交換器で生成された温水は、熱交換器部を介して放熱して貯湯タンク内の温水を加熱して蓄熱させた後、放熱器に搬送され暖房運転を行うことにより、放熱器を流れる温水より、高い温度の温水を貯湯タンクへ供給することができ、かつ、蓄熱運転をしながら暖房運転を行うことができる。

その結果、暖房運転主体の温度設定を行った場合でも、貯湯タンクに温度の低い温水が供給され貯湯されることを防止することができる。つまり、貯湯タンクへの流入水温（蓄熱温度）を高く維持しながら、かつ、放熱器へは暖房運転に適した水温の設定が可能になる。さらに、給湯負荷を賄うために高温の温水を貯湯タンクに蓄熱した後、水温が低下した温水を暖房負荷へ順次使用し、エネルギーの利用効率を向上させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明における貯湯タンクに内設された熱交換器部を貯湯タンクの上部に設けることにより、給湯負荷に必要な高温の温水を、貯湯タンクの上部へ集
中的に短時間に蓄熱させることができる。

その結果、冷媒水熱交換器で高温の温水を生成させる運転時間が減少し、エネルギー利用の効率化を図ることが可能となる。

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に、本発明の第１の実施の形態に係る温水暖房給湯装置１０を示す。

この温水暖房給湯装置１０は、冷凍サイクル装置１と、水回路５と、貯湯タンク５５とを備えている。

冷凍サイクル装置１は、冷媒を循環させる冷媒回路２を備えており、冷媒としては、例えば、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または単一冷媒等を用いることができる。

冷媒回路２は、圧縮機２１、冷媒水熱交換器２２、電動膨張弁などの膨張手段２３及び蒸発器２４が配管により環状に接続されて構成されている。本実施形態では、蒸発器２４と圧縮機２１の間に、気液分離を行うアキュムレータ２５が設けられている。

また、冷媒回路２には、暖房運転と除霜運転とを切り換えるための四方弁３が設けられている。暖房運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒は冷媒水熱交換器２２に送られる一方、除霜運転では、圧縮機２１から吐出された冷媒は蒸発器２４に送られるように、四方弁３は切り替えられる。

冷凍サイクル装置１は、運転により温水を生成する温水生成装置であり、冷媒水熱交換器２２が、冷媒回路２を流れる高温冷媒と水回路５を流れる低温の温水との間で熱交換を行わせて、温水を加熱するための熱交換器となっている。

水回路５は、冷媒水熱交換器２２、供給管５１、放熱器５３、回収管５２が環状に接続されて構成されている。供給管５１は、冷媒水熱交換器２２で生成された高温の温水が放熱器５３へ流れる配管であり、回収管５２は、放熱器５３で放熱し低温となった温水が冷媒水熱交換器２２へ流れる配管である。回収管５２には、水回路５に温水を循環させる循環手段５４として、例えば、ポンプが設けられている。放熱器５３としては、例えば、床板の下に敷設される床暖房用放熱器や、室内空間に設置されるパネルヒーターなどを採用できる。

貯湯タンク５５には熱交換器部５６が内設され、かつ、熱交換器部５６は貯湯タンク５５内の上部に設けられている。熱交換器部５６の入口側は、供給管５１に設けられた第１流路切換弁６１に接続されている。熱交換器部５６の出口側は、供給管５１と回収管５２とを接続する配管上に設けられた第２流路切換弁６２に接続されている。第１流路切換弁６１は、冷媒水熱交換器２２から流出した温水を、放熱器５３または熱交換器部５６のいずれか一方に送る三方弁である。第２流路切換弁６２は、熱交換器部５６から流出した温水を、供給管５１または回収管５２のいずれか一方に送る三方弁である。つまり、熱交換器部５６は、冷媒水熱交換器２２に対して直列に、水回路５に接続され、冷媒水熱交換器２２で生成された温水が、熱交換器部５６にて貯湯タンク５５内の温水を加熱した後、放熱器５３に搬送されるように構成されている。

さらに、供給管５１、回収管５２及び貯湯タンク５５には、おのおの、第１温度検出手
段７１、第２温度検出手段７２、第３温度検出手段７３が設けられている。

以上のように構成された温水暖房給湯装置について、以下、暖房運転を行う場合の動作を、図１を用いて説明する。図１では、暖房運転を行った場合の、冷媒の流れ方向を実線矢印で、水の流れ方向を破線矢印で示している。

まず、冷媒回路２において、圧縮機２１から吐出された高圧ガス冷媒は、四方弁３を通過して冷媒水熱交換器２２に流入し、凝縮熱を放熱して、冷媒水熱交換器２２を通過する水回路５の温水と熱交換して温水を加熱し、高温の温水を生成するとともに、高圧液冷媒となる。

冷媒水熱交換器２２から流出した高圧液冷媒は、膨張手段２３によって減圧されて膨張し低圧二相冷媒となり、蒸発器２４に流入する。蒸発器２４に流入した低圧二相冷媒は、蒸発して空気から気化熱を吸熱して、気相成分が多い低圧冷媒となって蒸発器２４から流出する。蒸発器２４から流出した低圧冷媒は、四方弁３を通過してアキュムレータ２５で気液分離が行われた後、気相冷媒が圧縮機２１に吸入される。

一方、水回路５において、循環手段５４から吐出された温水は、冷媒水熱交換器２２において冷媒水熱交換器２２で凝縮する冷媒と熱交換して加熱され高温の温水となる。

冷媒水熱交換器２２で生成された温水は、供給管５１を通じ、放熱器５３側に切り換えられた第１流路切換弁６１を通過し、放熱器５３へ流入し、温水の保有する温熱を、床や室内空気に放熱する。

放熱して水温の低下した温水は、回収管５２を通じ、循環手段５４を介して冷媒水熱交換器２２へ流入し、再度冷媒の凝縮熱で加熱され高温の温水となる。この際、回収管５２を流れる温水が、第２流路切換弁６２を介して熱交換器部５６に逆流するのを防止するために、第２流路切換弁６２を供給管５１側に切り換えておくのが望ましい。

次に蓄熱運転と暖房運転とを同時に行う場合の動作を、図２を用いて説明する。図２では、蓄熱運転と暖房運転との同時運転を行う場合の、冷媒の流れ方向を実線矢印で、水の流れ方向を破線矢印で示している。

蓄熱運転を行う場合にも、冷凍サイクル装置１の動作は、上述の暖房運転を行う場合の動作と同様であるので説明を省略し、動作の異なる水回路５の動作について説明する。

蓄熱運転を行う場合には、冷媒水熱交換器２２で生成された温水は、供給管５１を通じ、熱交換器部５６側に切り換えられた第１流路切換弁６１を通過し、貯湯タンク５５の熱交換器部５６へ流入し、貯湯タンク５５に内設された熱交換器部５６を通して放熱して、貯湯タンク５５内の温水を加熱する。

このとき、熱交換器部５６は貯湯タンク５５内の上部に配設されているので、貯湯タンク５５の上部から下部に向かって順次、貯湯タンク５５内の温水が加熱されこととなり、高温の温水が貯湯タンク５５の上部に貯湯される。

貯湯された温水は、貯湯タンク５５の上部に接続された給湯管を通じ、湯温の調節を行う混合弁などを介して、台所の蛇口や風呂場のカランやシャワーに送られる。つまり、蓄熱された温水の保有する熱量を用いて、給湯負荷が賄われる。

熱交換器部５６で、貯湯タンク５５内の温水を加熱して水温の低下した温水は、供給管
５１側に切り換えられた第２流路切換弁６２を通過して供給管５１と合流し（図２中ａ点）、放熱器５３に搬送され暖房運転を行う。放熱器５３で、床や室内空気に放熱し、さらに水温の低下した温水は、循環手段５４を経由して再び、冷媒水熱交換器２２へ流入する。

次に蓄熱運転のみを行う場合の動作を説明する。蓄熱運転のみを行う場合には、図２において、第２流路切換弁６２を回収管５２側に切り換える。これにより、冷媒水熱交換器２２で生成された温水は、供給管５１を通じ、熱交換器部５６側に切り換えられた第１流路切換弁６１を通過し、貯湯タンク５５の熱交換器部５６へ流入し、貯湯タンク５５に内設された熱交換器部５６を通して放熱して、貯湯タンク５５内の温水を加熱する。熱交換器部５６で、貯湯タンク５５内の温水を加熱して水温の低下した温水は、回収管５２側に切り換えられた第２流路切換弁６２を通過して回収管５２と合流し、循環手段５４を経由して再び、冷媒水熱交換器２２へ流入する。

本実施形態では、第１温度検出手段７１、第２温度検出手段７２、及び第３温度検出手段７３で検出される検出値等に基づいて、第１流路切換弁６１及び第２流路切換弁６２の制御を行う。

以上説明したように、本実施形態では、貯湯タンク５５内の水を加熱する蓄熱運転時、冷媒水熱交換器２２で生成された温水は、貯湯タンク５５へ流入し、熱交換器部５６を介して放熱して貯湯タンク５５内の温水を加熱して蓄熱させるので、貯湯タンクに高温の温水が貯湯される。そして、貯湯タンク５５の温水に放熱し、水温の低下した温水は、放熱器５３へ搬送され暖房運転を行う。

つまり、熱交換器部５６を流れる温水の温度は、放熱器５３を流れる温水の温度より高くなる。このため、蓄熱運転と暖房運転を行う場合で、暖房運転主体の温度設定で運転を行う場合（暖房運転における放熱器５３での放熱温度を優先し、冷媒水熱交換器２２での放熱温度を低下させた運転を行う場合）でも、貯湯タンク５５には温度の高い温水が供給される。これにより、貯湯タンク５５内に低温の温水が貯湯されることを防止できる。

さらに、貯湯タンク５５内に熱交換器部５６を内設することで、熱交換器部５６の内部を温水が循環するので、冷媒水熱交換器２２から流入した高温の温水と、貯湯タンク５５内の温水との混合が生じない。このため、従来の貯湯タンク５５内に直接、温水を流入させる構成のように貯湯タンク５５内の高温の温水と低温の温水が攪拌されて混合されることがなく、給湯に用いる熱量を効率よく貯湯タンク５５の上部に確保できる。

さらに、従来の構成では有効に利用されていなかった貯湯タンク５５内の温水を加熱した後の熱量で、暖房負荷を賄うことができるために、エネルギーの利用効率を向上させることができる。

また、貯湯タンク５５に内設された熱交換器部５６を貯湯タンク５５の上部に設けることで、貯湯タンク５５の上部へ高温の温水を集中的に短時間に貯湯することができるので、従来の低い温水が貯湯された場合に比べ、貯湯タンク５５内の温水がなくなる、すなわち、湯切れの発生を抑制できる。このため、冷凍サイクル装置１を始動させて冷媒水熱交換器２２で高温の温水を生成させる運転時間が減少し、給湯負荷と暖房負荷の両方を賄う場合にエネルギー利用の効率化を図ることが可能となる。

なお、本実施の形態では、第１流路切換弁６１と第２流路切換弁６２は、それぞれ１つの切換弁で流路を切り換えるように構成しているが、少なくともいずれか１つの流路切換弁を複数個の流量調整弁、あるいは、開閉弁にすることで、流路を切り換えるように構成
してもよい。

以上のように、本発明にかかる温水暖房給湯装置は、貯湯タンクの上部へ高温の温水を集中的に短時間に蓄熱した後、水温が低下した温水を暖房負荷へ順次使用して温水のエネルギーの利用効率を向上させることが可能となるので、水を加熱して温水を生成し、その温水を暖房・給湯に利用する暖房給湯システムのほか、水を冷却して冷水を生成し、その冷水を冷房に利用する冷房機能付き暖房給湯システムなどの用途にも適用できる。

１ 冷凍サイクル装置
２ 冷媒回路
３ 四方弁
５ 水回路
１０ 温水暖房給湯装置
２１ 圧縮機
２２ 冷媒水熱交換器
２３ 膨張手段
２４ 蒸発器
２５ アキュムレータ
５１ 供給管
５２ 回収管
５３ 放熱器
５４ 循環手段
５５ 貯湯タンク
５６ 熱交換器部
７１ 第１温度検出手段
７２ 第２温度検出手段
７３ 第３温度検出手段

Claims (2)

1. 圧縮機、冷媒水熱交換器、膨張手段、蒸発器が環状に接続された冷媒回路と、前記冷媒水熱交換器にて生成された温水を循環させる循環手段、前記温水の温熱を放熱させる放熱器が接続された水回路と、貯湯タンクと、前記貯湯タンクに内設された熱交換器部とを備え、前記貯湯タンク内の温水を加熱する蓄熱運転時、前記冷媒水熱交換器で生成された温水は前記熱交換器部を介して、前記貯湯タンク内の温水を加熱した後、前記放熱器に搬送される構成としたことを特徴とする温水暖房給湯装置。
2. 前記熱交換器部は、前記貯湯タンク内の上部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の温水暖房給湯装置。

Images