JP4919854B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は，熱源としてヒートポンプとガス燃焼ユニットを用いたハイブリッド式ガスヒートポンプ給湯システムの改良に係り，特に，ガス燃焼ユニットからの排ガスの有効利用を図って，経済性を高めた給湯システムに関するものである。

従来，ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換することで水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段と貯湯タンクとを備え，前記ヒートポンプ給湯手段で加熱された温水を前記貯湯タンクに貯湯して前記貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成された給湯システムであって，前記貯湯タンクから前記給湯負荷への給湯往路に対して，直接或いは補助貯湯タンクを介して給湯可能なガス焚または油焚きによる補助給湯手段を備えることを特徴とする給湯システム（特許文献１）が知られている。
このようなヒートポンプとガス加熱手段とを組み合わせた給湯システムでは，深夜などの電力代の安い時間帯にヒートポンプをフルに稼動させて，安価で高温の湯を貯湯タンクに貯めて置くことが出来るので経済的であると共に，自由な温度範囲で加熱が出来るというガスの特性を利用することが出来るので，高温から低温まで広い範囲で経済的に湯を用いることが出来るという優れたメリットを享受可能である。
特開２００６−３４９２０２号公報

そして，上記のようなヒートポンプとガス加熱手段とを組み合わせた給湯システムについては，ガス加熱方式を使うため，排ガスを伴った廃熱が生じるので，この廃熱を利用して，貯湯タンクに循環する水を加熱してシステムの熱効率を高める試みが行われている。
図６は，上記のような廃熱利用の給湯システムの概念を示すブロック図，図７は，図６に示した貯湯タンクの一部を示す図である。
この場合，給湯システムＳ０は，圧縮機，膨張弁及び水熱交換器を備えたヒートポンプユニット１と，貯湯タンク３を含む給湯部５と，上記ヒートポンプユニット１の水熱交換器７と上記貯湯タンク３とを接続する配管の途中にあって，この配管内の水を加熱するガス燃焼ユニット９とから大略構成されている。
上記水熱交換器７から出た水は，上記ガス燃焼ユニット９の２次熱交換器９ｂから１次熱交換器９ａを経て貯湯タンク３の上部に流入して蓄積される。
上記貯湯タンク３内の水は，前記水熱交換器７の水流管に備えられたポンプなどの水循環手段により，循環される。
上記１次熱交換器９ａは，ガス燃焼部１１によって直接加熱される。上記１次熱交換機９ａで水を加熱した高温の１次燃焼廃熱は，未だ十分な熱量を保持しているので，その後更に２次熱交換器９ｂで水を加熱した後，外部に排出される。
この場合における貯湯タンク３の上部近傍での温度分布の一例が，図７に示されている。例えば，外気温が−１０℃で，貯湯タンク３の上部の湯温が９０℃の場合，貯湯タンク３の外周を覆う断熱材層３ａでの温度は，約３５℃，上記断熱材層３ａの外周を取り巻く空気層３ｂの温度は約−５℃程度である。なお，以下の説明文中で表記する温度は，一例（参考値）であり，本システムの温度を限定するものではない。なお，上記ヒートポンプユニット１の構成及び給湯部５の構成については，図６に記載しておいたので参照されたい。
このように，１次熱交換器９ａで利用できなかった１次廃熱は，２次熱交換器９ｂで利用されるので，ガス燃焼部１１での加熱空気の利用度が高まり，効率の良い給湯システムが達成される。
しかしながら上記のようなガス燃焼部１１の廃熱を利用するシステムでは，貯湯タンク３に循環する水を廃熱によって加熱するのみであるので，そこで使用する熱交換器の熱交換効率によっては，十分な廃熱利用にならない可能性もある。
また，このような熱交換器は高価であって，貯湯システム全体の価格を押し上げる原因となる可能性がある。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，ガス燃焼部における廃熱の利用効率を高めることのできる貯湯システムを提供することである。

上記目的を達成するために本発明は，圧縮機，膨張弁，空気熱交換器及び水熱交換器を備えたヒートポンプユニットと，上記ヒートポンプユニットで加熱された水を加熱するガス燃焼ユニットと，給水経路及び排水経路に接続され，上記ガス燃焼ユニットで加熱された水を蓄積する貯湯タンクと，上記貯湯タンク内の水を前記水熱交換器の水流管に供給する水循環手段とを備えてなる給湯システムにおいて，
上記ガス燃焼ユニットで水熱交換器からの水の加熱に使用された排ガスを，前記貯湯タンクの周囲に導いて，該貯湯タンクの周囲温度を上昇させる排ガス利用手段を備えてなることを特徴とする給湯システムとして構成される。
これにより，廃熱の利用効率を高めることのできる貯湯システムを提供することが可能となる。

また，この場合，前記ガス燃焼ユニットが，複数段のガス水熱交換器を備え，上記排ガス利用手段が，上記複数段のガス水熱交換器における最終段から排出される燃焼排ガスを用いるものであるように構成することが望ましい。また，さらに具体的には，前記ガス燃焼ユニットの上に前記貯湯タンクが配置され，上記ガス燃焼ユニットから排出される上昇排ガスが上記貯湯タンクの周囲に導かれてなるような構成が望ましい。
このようにすれば，電熱効率の良い給湯システムが達成することができる。
さらに放熱によるロスを少なくするために，前記貯湯タンクを内部に収納する外部ケーシングを備え，前記貯湯タンクと前記外部ケーシングとの間に前記ガス燃焼ユニットから排出された排ガスを流通させる空気通路が形成されてなるような構成が望ましい。また，上記外部ケーシングは，前記ガス燃焼ユニットをさらに収納するような構成が望ましい。
この場合，好ましい構成として，前記貯湯タンクと前記外部ケーシングとの間に前記ガス燃焼ユニットから排出された排ガスを流通させる空気通路に蓄熱手段が形成されてなるものが挙げられる。

本発明によれば，圧縮機，膨張弁，空気熱交換器及び水熱交換器を備えたヒートポンプユニットと，上記ヒートポンプユニットで加熱された水を加熱するガス燃焼ユニットと，給水経路及び排水経路に接続され，上記ガス燃焼ユニットで加熱された水を蓄積する貯湯タンクと，上記貯湯タンク内の水を前記水熱交換器の水流管に供給する水循環手段とを備えてなる給湯システムにおいて，上記ガス燃焼ユニットで水熱交換器からの水の加熱に使用された排ガスを，前記貯湯タンクの周囲に導いて，該貯湯タンクの周囲温度を上昇させる排ガス利用手段を備えてなることを特徴とする給湯システムとして構成される。
これにより，廃熱の利用効率を高めることのできる貯湯システムを提供することが可能となる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の第１の実施形態に係る給湯システムに用いられるガス燃焼ユニットを含む貯湯タンク部の概念を示す概略断面図，図２は，図１に示した給湯システムにおける貯湯タンク上部の温度分布を示す図，図３は，第２の実施形態にかかる給湯システムに用いられる貯湯タンク上部の概略断面図，図４は，図３に示した第２の実施形態にかかる給湯システムに用いられる蓄熱材の構造を示す概略断面図，図５は，上記第２の実施形態にかかる給湯システムにおける貯湯タンク上部の温度分布を示す図である。

まず図１を参照して，第１の実施形態にかかる給湯システムＳに用いられるガス燃焼ユニットについて説明する。
図６に示した従来の給湯システムと同じ構造の部分については同じ符号を使用し，説明を省略する。
この給湯システムＳの貯湯タンク部Ｔでは，貯湯タンク３とガス燃焼ユニット１９とがこれらを外包する１つの密閉された筐体２１（外部ケーシング）内に収納されている。上記ガス燃焼ユニット１９は，上記貯湯タンク３の下部に配置され，ガス燃焼部１１により発生した燃焼ガスは１次熱交換器１９ａを通り水を加熱し，高温の排ガスのまま，その上部に配置された２次熱交換器１９ｂでヒートポンプユニット１からの水を加熱した後，上部の貯湯タンク３の周囲を覆う断熱材層３ａの周囲に形成された排ガス通路２３を通って，上記筐体２１上部に設けられた排気口２５から外部に排出される。本実施例では，筐体２１の内部壁面と断熱材層３ａとの間の空間が排ガス通路２３となる。上記構成が，本発明における排ガス利用手段の一例である。
なお，排気を良好にするために，上記排気口２５には，必要に応じて排気ファン２７が設けられる。
上記のような排気通路２３は，図示の如く上記貯湯タンク３の断熱材層３ａの周りに形成されているので，上記２次熱交換器１９ｂから排出された排ガスによって貯湯タンク３の周囲温度が上昇する。従って，貯湯タンク３の周囲温度，言い換えれば，貯湯タンク３の周囲を覆う断熱材層３ａと筐体２１との間の温度を，排ガスを筐体２１内に導かない場合に比べて，高く保つことができる。そのため，断熱材層３ａからの放熱が少なくなり，その結果，貯湯タンク３の保温効率がよくなる。
即ち，貯湯タンク３の下部に設けられた配管Ｐ３から流出した水は，図６に示したと同様のヒートポンプユニット１の水熱交換器７によって加熱され，配管Ｐ１を通って，この配管Ｐ１に接続された２次熱交換器１９ｂを通り，そこで２次廃熱で加熱される。この２次廃熱で加熱された水は,更に１次熱交換器１９ａを通ってガス燃焼部１１でさらに加熱された後配管Ｐ２を通って貯湯タンク３の上部に供給される。このように，貯湯タンク３の下部に設けられた配管Ｐ３から流出した水が，水熱交換器７の水流管，配管Ｐ１，２次熱交換器１９ｂ，１次熱交換器１９ａ，配管Ｐ２を通り，貯湯タンク３の上部に戻るように，水循環経路が形成されている。尚，この水循環経路の途中にはポンプ（水循環手段の一例）が設けてあり，このポンプを動作させることで，貯湯タンク３の水を循環させることができる。
上記２次熱交換器１９ｂから排出された２次廃熱を伴う２次排ガスは，貯湯タンク３の外周の断熱材層３ａの周りに形成された排ガス通路２３を通って排気口２５から外部に排出されるときに，貯湯タンク３及びその周囲に配置している断熱材（保温材）層３ａの周囲温度を上昇させる。
これにより，前述したように，２次排ガスに含まれる熱量は貯湯タンク３内の湯の保温効果を増し，従来廃棄されていたガス廃熱の利用が著しく促進される。
このため，前記図７に示した温度分布度と同じく，外部温度が−１０℃，貯湯タンク３上部の湯温が９０℃という条件下での温度分布は図２に示すように，断熱材層３ａの部分で従来（図７）より高温の６５℃に上昇し，排ガス通路２３の内部で３０℃になり，図２に示した従来の温度分布よりはるかに高い温度に維持されていることが分かる。
なお，図１においてＰ４は，貯湯タンク３への給水のための配管（給水経路），Ｐ５は，貯湯タンク３に蓄積された湯を暖房機器や給湯手段などの給湯負荷に送るための配管（排水経路）である。

次に説明する第２の実施形態では，図３，図５に示すように前記排ガス通路２３に蓄熱材２９が配置される。図５の本実施の形態では，筐体２１の内部壁面と断熱材層３ａとの間に，排ガス通路２３が設けられている。排ガス通路２３と筐体２１の内部壁面との間にも空間が存在する構成となっている。なお，排ガスは，排ガス通路２３を通過するようになっており，排ガス通路２３と筐体２１の内部壁面との間にも空間には通らない構成としている。このようにすることで，排ガス通路２３と筐体２１の内部壁面との間の空間が，筐体２１の外部と排ガス通路２３との間で空気断熱層となる。そのため，排ガス通路２３が，筐体２１の内部壁面と断熱材層３ａとの間の空間として構成されている場合と比べて，保温効率がよくなる。また，排ガス通路２３は，排気口２５に連結されている。
蓄熱材２９は，上記排ガス通路２３内に図４に示すように空間３１を挟んで不連続散点状に配置され，排ガスは，上記空間３１を通って排ガス通路２３内を上方に向かって導かれ，最終的に前記排気口２５から外部に排出される。
上記，蓄熱材の配置方法は，不連続散点状の他に縦縞状や，断熱材層３ａの周りに蓄熱材を巻きつけてその外側に廃熱ガスを通す方法等，様々な方法が考えられる。
上記蓄熱材２９の材質は，種々のものが考えられるが,例えばポリエチレングリコールに代表され，同様にパラフィン等の素材が好適である。
上記のような蓄熱材２９を設けることによって貯湯タンク３からの熱の逃げは更に抑えられる。そのため，蓄熱材２９を設けることによって前記図２と同様の条件における温度分布は図５に示されるようになり，断熱材層３ａにおいて８０℃に，また蓄熱材２７が設けられた排ガス通路２３内において５０℃程度に保つことが可能になった。
なお，上記蓄熱材２９は，図３に示すように，前記断熱材層３ａの周囲に巻きつけられることなどによって設けられたものでも構わない。この場合，排ガス通路２３は，筐体２１の内部壁面と断熱材層３ａとの間の空間が排ガス通路２３となる。
なお，以上の実施の形態では，貯湯タンク３のほぼ真下に，ガス燃焼ユニット１９を設けているが，貯湯タンク３の下部であれば，ずれた位置においても良い。あるいは，ガス燃焼ユニット１９を貯湯タンク３の横や，貯湯タンク３から離れた箇所に設置し，排気ファン２７などの送風装置により，排ガスを貯湯タンク３の周辺に導く構成としてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る給湯システムに用いられるガス燃焼ユニットを含む貯湯タンク部の概念を示す概略断面図。 本発明の第１の実施形態に係る給湯システムにおける貯湯タンク上部の温度分布を示す図。 本発明の第２の実施形態にかかる給湯システムに用いられる貯湯タンク上部の概略断面図。 本発明の第２の実施形態にかかる給湯システムに用いられる蓄熱材の構造を示す概略断面図。 本発明の第２の実施形態にかかる給湯システムにおける貯湯タンク上部の温度分布を示す図。 従来の廃熱利用の給湯システムの概念を示すブロック図。 図６に示した貯湯タンクの一部を示す図。

符号の説明

１…ヒートポンプユニット
３…貯湯タンク
３ａ…断熱材層
５…給湯部
７…水熱交換器
９…ガス燃焼ユニット
９ａ…１次熱交換器
９ｂ…２次熱交換器
１１…ガス燃焼部
１９…ガス燃焼ユニット
１９ａ…１次熱交換器
１９ｂ…２次熱交換器
２１…筐体
２３…排ガス通路
２５…排気口
２７…排気ファン
２９…蓄熱材
３１…空間
Ｐ…配管
Ｓ…給湯システム
Ｔ…貯湯タンク部

Claims (5)

1. 空気熱交換器及び水熱交換器を備えたヒートポンプユニットと、
   前記ヒートポンプユニットで加熱した水を加熱するガス燃焼ユニットと、
   前記ガス燃焼ユニットの上部に位置し、給水経路及び排水経路に接続され、前記ガス燃焼ユニットで加熱された水を蓄積する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の水を前記水熱交換器の水流管に供給する水循環手段と、
   前記ガス燃焼ユニットおよび前記貯湯タンクを収納する外部ケーシングと、
   前記外部ケーシングの上部に設けられた排気口と、
   前記外部ケーシングと前記貯湯タンクとの間の空間で形成され、前記排気口に連結された排ガス通路と
   を備え、
   前記ガス燃焼ユニットから排出された排ガスが、前記排ガス通路を通って前記排気口から排出される、給湯システム。
2. 前記ガス燃焼ユニットは、ガス燃焼部、該ガス燃焼部の上部に配置された１次熱交換器、および、該１次熱交換器の上部に配置された２次熱交換器を含み、
   前記ガス燃焼部から発生した排ガスは、前記水熱交換器により加熱された水を前記２次熱交換器において加熱し、さらに前記１次熱交換器において加熱する、請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記外部ケーシングの内部壁面と前記排ガス通路との間に、前記排ガスが通過しない空間が存在する、請求項１または２に記載の給湯システム。
4. 前記排ガス通路内に、蓄熱材が配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の給湯システム。
5. 前記蓄熱材は、前記排ガス通路内に空間を挟んで不連続散点状に配置され、
   前記排ガスは、該空間を通過する、請求項４に記載の給湯システム。

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