JP5982635B2

JP5982635B2 - ヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP5982635B2
Application number: JP2012083585A
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: JP2013213596A

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、ヒートポンプユニットへと供給される水の入水温度を低下させて、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、前記貯湯槽から前記ヒートポンプユニットへ水を供給する入水配管と、前記ヒートポンプユニットで加熱された湯を前記貯湯槽へ送る沸き上げ配管と、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、前記入水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、前記入水配管、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、前記入水配管、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ものである。

これにより、蓄熱ユニットでの吸熱によって、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を加熱することで、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、前記貯湯槽から前記ヒートポンプユニットへ水を供給する入水配管と、前記ヒートポンプユニットで加熱された湯を前記貯湯槽へ送る沸き上げ配管と、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、前記入水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、前記入水配管、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、前記入水配管、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、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を加熱することで、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。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記入水配管の経路上に配設され、前記ヒートポンプユニットへ水を供給し、前記水抜き栓を含む沸き上げポンプを備え、前記沸き上げポンプは、前記入水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、沸き上げポンプの水抜き栓から湯水を抜くことができる。よって、蓄熱ユニットを連通する配管のうち、沸き上げ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、暖房ユニット１０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１１を備える。

貯湯槽１の水は、第一の開閉弁２６、入水配管５、蓄熱ユニット４、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。

また、沸き上げポンプ１２は、入水配管５の最も低い位置に設置している。

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。

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の上部にある暖房往き配管２０は、熱交換器１１、暖房一次側ポンプ２１を介し、貯湯槽１の暖房戻り配管２２に接続されている。暖房ユニット１０の出口配管２３は、配管の経路上に暖房二次側ポンプ２４を有し、熱交換器１１を介して、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、第一の開閉弁２６、入水配管５、蓄熱ユニット４を通り、沸き上げポンプ１２へ導かれる。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、３０℃程度の貯湯槽１の水は、２０℃程度まで冷やされ、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℃程度までに加熱され、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。

したがって、３０℃程度の中温水が貯湯槽にあり、ヒートポンプユニットで沸き上げ運転を行う場合、まず、３０℃程度の中温水が蓄熱ユニットに入り、蓄熱ユニットが中温水の熱を吸熱して中温水の温度が下げられた後、ヒートポンプユニット２へと流入し、沸き上げ運転が行われる。これにより、ヒートポンプユニット２での加熱温度差をより大きくすることができ、熱交換効率を向上させることができる。

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、暖房一次側ポンプ２１が起動する。その後、暖房二次側ポンプ２４が起動し、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、暖房一次側ポンプ２１の下流の暖房
戻り配管２２内の水は３５℃程度となり、貯湯槽１に戻る。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するため、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。

このとき、貯湯槽１内底部の温度は３５℃程度の中温水になっている。ここで、前述した貯湯運転と同様に、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と、３５℃程度の貯湯槽１の中温水は、入水配管５を通って２０℃程度まで冷やされ後に沸き上げポンプ１２へ導かれ、ヒートポンプユニット２へと流入して６５〜９０℃に加熱され、沸き上げ配管１３を通って、貯湯槽１に流入する。

したがって、３５℃程度の中温水が貯湯槽に戻り、その後、ヒートポンプユニットで沸き上げ運転を行う場合、まず、３５℃程度の中温水が、蓄熱ユニットに入り２０℃程度まで下げられた後、ヒートポンプユニットへ入り、沸き上げ運転を行うので、ヒートポンプユニットでの加熱温度差を大きくすることができ、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を通過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、蓄熱材と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および沸き上げポンプ１２の周辺構造について、その詳細を説明する。

図２において、蓄熱ユニット４は沸き上げポンプ１２よりも重力方向上側に設置され、沸き上げポンプ１２の下部には第一の水抜き栓２８が取り付けられている。また、バイパス配管１９の重力方向で最も下側には第二の水抜き栓２９が取り付けられている。さらに、入水配管５およびバイパス配管１９は、継ぎ手３０によって第一の開閉弁２６、第二の開閉弁２７とそれぞれ接続され、また、継ぎ手３０同士も接続されている。

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内の湯水を抜く必要があり、蓄熱ユニット４の下部に水抜き栓が２個必要となる。しかしながら、沸き上げポンプは入水配管の最も低い位置に設置しているため、沸き上げポンプ１２の水抜き栓から湯水を抜くことができる。よって、蓄熱ユニットを連通する配管のうち、沸き上げポンプ１２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において、暖房ユニット１０の出口配管２３は、配管経路上に暖房二次側ポンプ２４を有し、貯湯槽１内部に設置された熱交換器３１を介して、暖房ユニット１０の入口配管２５に接続されている。

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、暖房二次側ポンプ２４が起動し、貯湯槽１内部に設置された熱交換器３１で熱交換を行い、暖房ユニット１０は３０℃程度に暖められる。

一方、暖房ユニット１０から出た水が、貯湯槽１内部に設置された熱交換器３１で熱交換を行うことにより、貯湯槽１のお湯の温度は低下する。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、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、３５℃程度の中温水となっているので、ヒートポンプユニット２により、水の沸き上げを行う。

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、貯湯槽１からの中温水は蓄熱ユニット４通って、２０℃程度まで冷やされた後に沸き上げポンプ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を通って貯湯槽１に流入する。

このように、蓄熱ユニット４によって、ヒートポンプユニット２へ入る入水温度を低下させることができるので、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。

また、熱交換器３１が貯湯槽１の内部に設置されているので、簡易な構成で、貯湯槽１の内部の流体と暖房ユニット１０に用いる流体の熱交換を行うことができる。

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
５入水配管
１２沸き上げポンプ
１３沸き上げ配管
１４給水配管
１６出湯配管
１９バイパス配管

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、前記貯湯槽から前記ヒートポンプユニットへ水を供給する入水配管と、前記ヒートポンプユニットで加熱された湯を前記貯湯槽へ送る沸き上げ配管と、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、前記入水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、前記入水配管、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、前記入水配管、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。
前記入水配管の経路上に配設され、前記ヒートポンプユニットへ水を供給し、前記水抜き栓を含む沸き上げポンプを備え、前記沸き上げポンプは、前記入水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。