(57)【要約】【課題】本発明の目的は、寒冷地に好適なヒートポンプ給湯装置の運転方法およびヒートポンプ給湯装置を提供することである。【解決手段】本発明は、ヒートポンプ給湯装置の冷媒量を、外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、８０％乃至９５％の範囲に調整してヒートポンプ給湯装置を運転することを特徴とするものであり、外気温１６℃以下の条件で運転することが好ましく、外気温が１０℃〜−１０℃であるときに運転することがより好ましい。また、本発明のヒートポンプ給湯装置も、その冷媒量が外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、８０％乃至９５％の範囲に調整されていることを特徴とするものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱能力５０ｋＷ〜８０ｋＷのヒートポンプ給湯装置の運転方法であって、
外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、前記ヒートポンプ給湯装置の冷媒量を該標準冷媒量の８０％乃至９５％の範囲に調整して運転することを特徴とするヒートポンプ給湯装置の運転方法。
【請求項２】
外気温１６℃以下の条件で運転することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置の運転方法。
【請求項３】
前記外気温が１０℃〜−１０℃であることを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ給湯装置の運転方法。
【請求項４】
熱交換により冷媒に熱を吸収・放出させる熱交換器と、該熱交換器から供給された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張弁とを有する、加熱能力５０ｋＷ〜８０ｋＷのヒートポンプ給湯装置であって、
前記冷媒量が、外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、８０％乃至９５％の範囲に調整されていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寒冷地に好適なヒートポンプ給湯装置の運転方法およびヒートポンプ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な市販の家庭用・業務用ヒートポンプ給湯装置は、第１熱交換器、圧縮機、第２熱交換器、膨張弁を順次接続した冷媒回路に冷媒を循環させることにより、第１熱交換器で熱交換により冷媒に熱を吸収させ、圧縮機で冷媒を圧縮してさらに高温にし、第２熱交換器で冷媒から熱交換により熱を放出させ、膨張弁で冷媒を膨張させるよう構成されている。そして、この構成により、ヒートポンプ給湯装置は、第２熱交換器で放出される熱を利用して湯を沸かすことができる。
【０００３】
社団法人日本冷凍空調工業会（ＪＲＡＩＡ）は、このヒートポンプ給湯装置について、ＪＲＡ規格（ＪＲＡ  ４０５０：２００７Ｒ、ＪＲＡ  ４０５０：２００９、ＪＲＡ  ４０６０：２００９）を定めており、特に、冷媒量については、外気温１６℃のときの加熱能力の表示が規定されている。このため、一般の家庭用・業務用ヒートポンプ給湯装置は、冷媒量を、外気温１６℃で加熱能力が最大となる標準冷媒量（以下、「標準冷媒量」という）に調整して市販されているのが実情である。なお、この「標準冷媒量」は、ヒートポンプ給湯装置の大きさ等によって異なっており、市販の最も小さい装置では、標準冷媒量が１．６ｋｇよりも少なく、最も大きい装置では、標準冷媒量が１４．２ｋｇよりも多くなっている。本発明者等は「標準冷媒量」が１１．３ｋｇと１４．２ｋｇの市販の装置で実験を行っており、本発明でいう「標準冷媒量」は、「１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇ」の範囲とする。
【０００４】
しかし、北海道や東北地方などの寒冷地では、冬季と夏季の外気温差が大きく、しかも年間を通して外気温が１６℃以下である日が多いため、標準冷媒量に調整されたヒートポンプ給湯装置であっても、最大の能力を発揮して運転されることは殆どなく、むしろ加熱能力が低下してしまうという問題が生じている。
【０００５】
特許文献１には、このような問題に対して、冬季と夏季の年間を通じて安定した一定の最適温度の給湯を可能にするために、冬季と夏季の冷媒量の差を吸収するバッファーを設けたヒートポンプ給湯装置が記載されている。しかし、このようなヒートポンプ給湯装置では、バッファーや冷媒制御回路を設ける必要があるために、生産コストが高くなるという問題があるばかりか、平均外気温が１６℃以下の条件では、バッファーの設置だけでは加熱能力の低下を解決するのに十分ではないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３２６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者等は、このような寒冷地の事情に着目して、先ず、東北地方の実態調査を行った。その結果、表１に示すように、寒冷地を代表する青森市や盛岡市では、年間を通して、社団法人日本冷凍空調工業会による外気温条件（ＪＲＡ標準）よりも平均外気温が低く、また中間期（春期、秋期）および冬期の平均気温が１６℃を下回っており、夏期以外のほとんどの時期で１６℃以下であることが確認された。なお、表１の青森市および盛岡市の平均外気温は、社団法人日本冷凍空調工業会による算出方法と同じ方法で算出したものである。
【０００８】
【表１】
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【０００９】
そこで、青森市や盛岡市において、外気温が１６℃以下の条件下で、標準冷媒量に調整された市販のヒートポンプ給湯装置（冷媒量：１１．３Ｋｇ）を使ってその性能試験を行ったところ、両市では、ヒートポンプ給湯装置の加熱能力が低下することが明らかになった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、寒冷地に好適なヒートポンプ給湯装置の運転方法およびヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者等は、上記目的を達成するために鋭意検討を行ったところ、平均外気温が１６℃以下の寒冷地では、外気から吸熱したときに、冷媒量が必要以上に過剰であれば、その過剰な冷媒が凝縮器において液冷媒で留まる割合が多くなり、伝熱効率が低下し、ヒートポンプの加熱能力を下げてしまうこと、また、冷媒が過剰な場合には高圧が上昇するため、その上昇を回避するために膨張弁が開き、その結果、過熱度が取れなくなり圧縮機吐出口温度が低下してヒートポンプの加熱能力を下げてしまうことを知見し、本発明に至ったものである。
【００１２】
すなわち、本発明に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法は、加熱能力５０ｋＷ〜８０ｋＷのヒートポンプ給湯装置の運転方法であって、外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、前記ヒートポンプ給湯装置の冷媒量を該標準冷媒量の８０％乃至９５％の範囲に調整して運転することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るヒートポンプ給湯装置の運転方法は、外気温１６℃以下の条件で運転することが好ましく、特に、前記外気温が１０℃〜−１０℃であることが好ましい。
【００１４】
本発明に係るヒートポンプ装置の運転方法では、標準冷媒量よりも冷媒量を減らして運転することにより、外気温１６℃以下の条件での加熱能力を高めることができる。このため、平均外気温が１６℃以下の寒冷地での加熱性能を向上させることができる。特に、冷媒量を標準冷媒量の８０％乃至９５％にすることにより、外気温が１０℃〜−１０℃のときの加熱能力を高めることができ、寒冷地で効率的に運転することができる。
【００１５】
また、本発明に係るヒートポンプ給湯装置は、熱交換により冷媒に熱を吸収・放出させる熱交換器と、該熱交換器から供給された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記冷媒を膨張させる膨張弁とを有する、加熱能力５０ｋＷ〜８０ｋＷのヒートポンプ給湯装置であって、前記冷媒量が、外気温１６℃のときの加熱能力が最大になる標準冷媒量１１．０ｋｇ〜１４．５ｋｇに対して、８０％乃至９５％の範囲に調整されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るヒートポンプ装置では、標準冷媒量よりも冷媒量が少ないため、外気温１６℃以下での加熱能力を高めることができる。このため、平均外気温が１６℃以下の寒冷地での加熱性能を向上させることができる。特に、冷媒量を標準冷媒量の８０％乃至９５％にすることにより、外気温が１０℃〜−１０℃のときの加熱能力を高めることができ、寒冷地で効率的に使用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、寒冷地に好適なヒートポンプ給湯装置の運転方法およびヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、平均外気温が１６℃以下になることが多い寒冷地では、ヒートポンプ給湯装置の加熱能力を市販のものと比べて向上させることができるため、寒冷地でのヒートポンプ給湯装置の普及・拡販に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置の、外気温８℃における冷媒量と加熱能力との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置の、冷媒量が標準冷媒量の８７％のときおよび標準冷媒量のときの、外気温度に対する加熱能力を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置の、外気温−７℃における冷媒量と加熱能力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置の運転方法およびヒートポンプ給湯装置を示している。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１０は、第１熱交換器１１と圧縮機１２と第２熱交換器１３と膨張弁１４とを有している。ヒートポンプ給湯装置１０は、第１熱交換器１１、圧縮機１２、第２熱交換器１３、膨張弁１４を順次接続した冷媒回路１５に冷媒を循環して使用されるようになっている。なお、本発明の実施の形態のヒートポンプ給湯装置の運転方法は、ヒートポンプ給湯装置１０により好適に実施される。
【００２０】
第１熱交換器１１は、蒸発器から成り、熱交換により外気から熱を奪い、その熱を冷媒に吸収させるようになっている。圧縮機１２は、第１熱交換器１１から供給された冷媒を圧縮して、冷媒の温度をさらに高めるようになっている。第２熱交換器１３は、凝縮器から成り、給湯に使用するための水が内部を通過するよう構成されている。第２熱交換器１３は、圧縮機１２から供給された冷媒から熱交換により熱を放出させ、その熱で給湯用の水を加熱するようになっている。
【００２１】
膨張弁１４は、第２熱交換器１３から供給された冷媒を膨張して冷媒の温度をさらに低下させた後、第１熱交換器１１に冷媒を供給するようになっている。冷媒は、二酸化炭素（ＣＯ２）から成っている。また、冷媒は、圧縮機１２の潤滑油としての油を含んでいる。ヒートポンプ給湯装置１０は、第２熱交換器１３で水を加熱して沸かしたお湯を貯湯槽等に蓄えるなどして、給湯を行うよう構成されている。
【００２２】
また、ヒートポンプ給湯装置１０は、アキュムレータ（液分離器）１６と油・液戻し制御弁１７とデフロスト弁１８とを有している。アキュムレータ１６は、第１熱交換器１１と圧縮機１２との間の冷媒回路１５に配置され、圧縮機１２での液圧縮を防止するため、冷媒を気液分離させて気体の冷媒だけを圧縮機１２に送るよう構成されている。油・液戻し制御弁１７は、アキュムレータ１６の底部から圧縮機１２の上流に伸びる配管１７ａに設けられ、アキュムレータ１６で分離された液状の冷媒と油とを圧縮機１２へ戻す際に、その量を調節するために設けられている。デフロスト弁１８は、圧縮機１２の下流と第１熱交換器１１の上流とを接続する配管１８ａに設けられ、第１熱交換器１１に霜がつくのを防ぐために、圧縮機１２で高温にされた冷媒を第１熱交換器１１に供給する際に、その量を調整するために設けられている。
【００２３】
［冷媒量の検討］
ヒートポンプ給湯装置１０は、寒冷地での加熱能力を高めるために、以下のようにして冷媒量を設定している。まず、割安な夜間電力を利用することを考慮して、寒冷地の青森市や盛岡市での夜間（２２時〜８時）の中間期（春期、秋期）の平均外気温を求め、表２に示す。表２に示すように、中間期の夜間平均気温は、青森市で８．６℃、盛岡市で７．８℃であり、この２都市の平均は８．２℃であった。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
一般的に給湯の使用量は、冬期が多く、夏期は少ない。また、空冷式の場合には、冬期は加熱能力が低く生成湯量も少ないが、夏期は加熱能力が高く生成湯量が多い。このことから、ヒートポンプ給湯機では、給湯使用量が多く、生成湯量の少ない冬期における性能向上が重要であり、寒冷地においては、中間期の夜間平均気温の約８℃以下での性能向上が特に効果的である。なお、０℃以下における性能向上は、湯切れ発生回避効果も得られる。
【実施例１】
【００２６】
そこで、中間期の夜間平均気温の約８℃以下での性能向上が特に効果的であることから、外気温８℃における種々の冷媒量比について実験を行って、ヒートポンプ給湯装置１０の加熱能力を調べた。この実験は、具体的には、室温を一定に保つことができる環境試験室（恒温槽）内にヒートポンプ給湯装置１０を設置し、室温を８℃で一定に調整した状態でヒートポンプ給湯装置１０を運転させて行った。実験は、冷媒量を標準冷媒量の１００％から７６％まで変化させながら、給水温度、給湯温度、生成湯量を計測し、加熱能力を算出するという方法で実施し、図２および表３に示すような結果が得られた。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
なお、この実験では、標準冷媒量が「１１．３ｋｇ」のインバータ制御のヒートポンプ給湯装置を使用している。このヒートポンプ給湯装置は、１６℃における加熱能力が、標準モード（消費電力１６．１ｋＷ）のとき、６７．５ｋＷ、省エネモード（消費電力１１．４ｋＷ）のとき、５０．０ｋＷ、パワーモード（消費電力２１．０ｋＷ）のとき、８０．０ｋＷである。本実験は、標準モードで行っている。図２および表３の冷媒量を変化させたときの加熱能力比は、標準冷媒量の加熱能力を１００％としたときの割合で示している。
【００２９】
図２および表３に示すように、冷媒量が標準冷媒量の８０％、８４％、８７％、８９％、９２％、９５％のとき、その加熱能力が標準冷媒量の場合と比べて向上していることが確認された。特に、８７％の場合に最も向上していることが確認されたが、一方で７６％の場合には加熱能力が向上しないことも確認された。
【００３０】
そこで、次に、図２および表３で最も加熱能力が高かった８７％の場合について、種々の外気温度における加熱能力を試験したところ、図３および表４に示すような結果が得られた。図３および表４は、冷媒量が標準冷媒量の８７％の場合の外気温度に対する加熱能力と、標準冷媒量の場合の外気温度に対する加熱能力とを比較したものである。
【００３１】
【表４】
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【００３２】
表４に示すように、冷媒量が標準冷媒量の８７％の場合、ヒートポンプを運転する外気温度が１６℃を超えたとき、および−２０℃のときには、加熱能力の向上は見られず、−１０℃から７℃の範囲で加熱能力の向上が確認された。図３では、外気温度が１０℃〜−１０℃のとき、加熱能力が向上していることが確認された。
【００３３】
以上の結果から、外気温が１６℃以下の寒冷地では、ヒートポンプ給湯装置１０の運転は、冷媒量を標準冷媒量に対して８０％乃至９５％に設定して行うことが加熱能力の向上にとって好ましく、また、外気温が−１０℃〜１０℃の場合に、より好ましいことが確認できた。
【実施例２】
【００３４】
次に、特に寒いときのヒートポンプ給湯装置１０の加熱能力を調べるために、外気温−７℃における種々の冷媒量比について実験を行った。この実験は、具体的には、室温を一定に保つことができる環境試験室（恒温槽）内にヒートポンプ給湯装置１０を設置し、室温を−７℃で一定に調整した状態でヒートポンプ給湯装置１０を運転させて行った。実験は、冷媒量を標準冷媒量の１００％から７９％まで変化させながら、給水温度、給湯温度、生成湯量を計測し、加熱能力を算出するという方法で実施し、図４および表５に示すような結果が得られた。
【００３５】
【表５】
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【００３６】
なお、この実験では、標準冷媒量が「１４．２ｋｇ」の一定速のヒートポンプ給湯装置を使用している。このヒートポンプ給湯装置は、１６℃における加熱能力が、６７．５ｋＷである。図４および表５の冷媒量を変化させたときの加熱能力比は、標準冷媒量の加熱能力を１００％としたときの割合で示している。
【００３７】
図４および表５に示すように、冷媒量が標準冷媒量の８０％、８１％、８２％、８５％、のとき、その加熱能力が標準冷媒量の場合と比べて向上していることが確認された。特に、８２％の場合に最も向上していることが確認されたが、一方で７９％の場合には加熱能力が向上しないことも確認された。この結果から、外気温が−７℃と非常に寒いときでも、冷媒量を標準冷媒量に対して８０％乃至９５％に設定してヒートポンプ給湯装置１０の運転を行うことが、加熱能力の向上にとって好ましいことが確認できた。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ヒートポンプ給湯装置
１１  第１熱交換器
１２  圧縮機
１３  第２熱交換器
１４  膨張弁
１５  冷媒回路
１６  アキュムレータ
１７  油・液戻し制御弁
１８  デフロスト弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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