(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、第１四方弁、第２四方弁、熱媒熱交換器、水熱交換器及び空気熱交換器ならびにアキュムレータを冷媒配管で連結し、第１，第２四方弁の切替えにより上記３つの熱交換器のうち２つの熱交換器による冷凍サイクルを形成する冷凍回路系と、蓄熱水槽及び負荷部からなり、前記熱媒熱交換器の熱媒配管が循環回路をなして前記蓄熱水槽に連通されていると共に、水熱交換器の高温側配管が直接、蓄熱水槽に連結され、低温側配管が負荷部を介して蓄熱水槽に連結されており、かつ負荷部と蓄熱水槽の間の配管と高温側配管間にわたり、バイパス配管が設けられていて前記空気熱交換器と、他の熱媒熱交換器及び水熱交換器の何れか一方を運転することにより略、従前と同様の冷凍サイクルによる冷暖房を可能ならしめる一方、空気熱交換器を使用しない場合において熱媒熱交換器を用いて蓄熱運転を行い、蓄熱水槽内の水温を上昇させ蓄熱すると共に、蓄熱水槽に、蓄熱した排熱を回収し、暖房を可能ならしめることを特徴とするヒートポンプシステム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は冷暖房空調のうち、冬季の温水蓄熱を有効利用するための冷房、暖房ならびに加熱、給湯に使用されるヒートポンプシステム装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、温水ボイラやヒートポンプによって暖房や給湯等が行なわれており、近年、電力の平準化に寄与する夜間蓄冷、蓄熱、貯湯の普及と共に、冬期、暖房であれば蓄熱を温水槽の貯水に行ない、日中に蓄熱分を暖房に使用している。
【０００３】
しかし、従来、上記方式において温水を暖房に使用する場合は温水蓄熱分を直接利用して暖房を行なわざるを得ないため暖房負荷に供給する温度は通常、４０℃以上が必要となる。一方、夜間に温水蓄熱する場合の沸上温度は通常５０〜５５℃、最大限６０℃であるため蓄熱の利用温度は沸上温度より４０℃までの２０℃程度である。
【０００４】
水槽の温水温度が４０℃程度のままで夜間になると、蓄熱開始しても短時間に蓄熱が完了して了い、夜間電力の使用時間が冬期は夏期と比べて１／４  〜１／５  の時間となり有効活用が低いものとなる。
【０００５】
そこで４０℃〜１０℃までの３０℃の範囲を有効に活用するために、水熱源ヒートポンプとして運転することが考えられるが、この場合には、冬期の気温は低く、水熱源運転中の吸熱側熱交換器の冷媒温度が高く（通常、１５℃程度）、吸熱側熱交換器と同じ圧力となっている空気熱交換器の方が温度が低く（通常１０℃以下）温度的に逆転する。そして、この場合は低温の空気熱交換器に冷媒が凝縮する冷媒の寝込みが起こることとなり、冷凍サイクルに必要な冷媒量が不足し、暖房能力不足や正常運転が維持できず、機器異常に到る。
【０００６】
そのため、冷媒不足を解消するべく蓄熱運転時、強制的に暖房運転を短時間行ない、未使用の熱交換器に冷媒ガスを流入させることが近時、提案（特公平６−８０３７７号公報参照）されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記提案は一応冷媒不足を防止する効果は有するにしても４０℃〜１０℃までの３０℃間の温度を有効に活用するための対策は全く考慮されていない。
【０００８】
本発明は上述の如き実状に対処し、特に４０℃〜１０℃までの３０℃にわたる温度を有効に活用するための水熱源ヒートポンプ運転を見出すことにより冷媒の寝込みを防止し、冷凍サイクルに必要な冷媒を確保すると共に、蓄熱の利用温度幅を大きくし、暖房能力の確保と正常運転の維持をはかることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記目的に適合する本発明の特徴は圧縮機、第１四方弁、第２四方弁、熱媒熱交換器、水熱交換器及び空気熱交換器ならびにアキュムレータを冷媒配管で連結し、第１，第２四方弁に切替えにより上記２つの熱交換器のうち２つの熱交換器による冷凍サイクルを形成する冷凍回路系と、蓄熱水槽及び負荷部からなり、前記熱媒熱交換器の熱媒配管を循環回路をなして前記蓄熱水槽に連通させると共に、水熱交換器の高温側配管が直接、蓄熱水槽に連結し、低温側配管が負荷部を介して蓄熱水槽に連結し、かつ負荷部と蓄熱水槽の間の配管と、高温側配管との間にバイパス配管を設け、前記空気熱交換器と、他の熱媒熱交換器及び水熱交換器の何れか一方を運転することにより略、従前と同様の冷凍サイクルによる冷暖房を可能ならしめる一方、空気熱交換器を使用しない場合において熱媒熱交換器を用いて蓄熱運転を行い、蓄熱水槽内の水温を上昇させ蓄熱すると共に、蓄熱水槽に、蓄熱した排熱を回収し、暖房を可能ならしめてなる構成である。
【００１０】
【作用】
上記本発明において、冷凍サイクルによる冷暖房は空気熱交換器と、他の熱媒熱交換器及び水熱交換器の何れか一方を運転することにより略、従前のものと同様に行なわれるが、空気熱交換器を使用しない場合、特に夜間において熱媒熱交換器を用いて蓄熱運転を行なって蓄熱水槽内の水温を上昇させ蓄熱する。
【００１１】
通常、４５℃位まで上昇させれば暖房に使用可能であり、４０℃〜１０℃の直接暖房に使用できない温水も上記排熱回収により充分、使用可能な温度となり、低温外気温度での冷媒寝込みの影響をなくし蓄熱の利用範囲幅を増大する。
【００１２】
【実施例】
以下、更に添付図面を参照し本発明の実施例を説明する。
【００１３】
図１は本発明に係るヒートポンプシステム装置例であり、２１は蓄熱水槽、２２は熱源機となる冷凍回路系で両者は中間に配管ユニット２７を介して空調機などの負荷部と連結されている。
【００１４】
蓄熱水槽２１は上部に給水弁２５、下部に排水機構を有する水槽で、後述する冷凍回路系２２の熱媒熱交換器６の熱媒配管２９が中間部においてジグザグ状をなして収設されて連結されていると共に、水熱交換器７の水配管がその両端において直接、接続されている。そして、ジグザグ状の熱媒配管部分には入口側、出口側に夫々夏期の製氷時に水槽を保護するための氷厚センサ３２が付設されている。
【００１５】
図２は上記冷凍回路系の拡大図であり、圧縮機１、第１四方弁２、第２四方弁３、プロペラファン５を備えた空気熱交換器４、ブラインなどの熱媒使用の熱交換器６、水使用の熱交換器７及びアキュムレータ１１を冷媒配管によって連結することによって基本回路が構成されており、第１四方弁２と空気熱交換器４との間及び空気熱交換器４と水熱交換７と間において夫々電磁弁１６と、電磁弁１４，１５及び膨張弁９が介設されている。
【００１６】
また１２はレシーバであり、熱媒熱交換器６と該レシーバ１２の間において、一方の配管には膨張弁８と電磁弁１３が、そして他方側の配管には電磁弁１７が夫々設けられていると共に、前記レシーバ１２と水熱交換器７の間に電磁弁１８が設けられており、更にレシーバ１２と、空気熱交換器４との間には膨張弁１０と電磁弁１９が介設されている。
【００１７】
しかして、上記冷凍回路系は前記３つの熱交換器４，６，７のうち、２つを利用し第１，第２の両四方弁２，３を切替作動せしめることによって種々の冷凍サイクルが得られ夫々適応した冷凍サイクルによる運転が行なわれる。
【００１８】
図３乃至図７は上記種々の冷凍サイクルの具体例であり、図中、太線は使用、細線は不使用を示している。従って、特に説明しないが、不使用部分の各弁は閉止されている。
【００１９】
図３は空気熱交換器４を使用しない場合で冷媒は熱媒熱交換器６と水熱交換器７を貫流しており、圧縮機１出口側の高温高圧冷媒は水熱交換器７において負荷側からの水ポンプ（図示せず）を通じ送られて来た水を加熱し、通常、略４５℃の温水として水配管を通って送り出され、図１に示す蓄熱水槽２１より順次排熱回収される。
なお、この際、寝込み防止は電磁弁１５，１６，１９により実施が保証される。即ち、電磁弁１６の閉止の前に空気熱交換器４の冷媒を電磁弁１５，１９を閉とし、冷媒回収した上で電磁弁１６を閉とする。そして、その上で排熱回収運転に入ってゆく。
【００２０】
一方、ブラインポンプなどの熱媒ポンプにより導入されて来た熱媒は空気熱交換器４が使用されていないため通常、略２５℃程度の温度をもって送出され、全体として暖房、排熱回収運転がなされる。
【００２１】
図４は冷房、蓄冷（製氷）運転であり、水熱交換器７が使用されていない。
この場合は圧縮機１出口側の高温高圧冷媒は空気熱交換器４において熱交換され、凝縮して熱媒熱交換器６で蒸発し熱媒を冷却する。熱媒は前述した蓄熱水槽２１に連通されているので、水槽２１内の水は冷却され蓄冷（製氷）が行なわれることになる。
【００２２】
図５はヒートポンプ単独による暖房運転で熱媒熱交換器６を使用していない場合である。
この場合、圧縮機１より出た高温高圧の冷媒は水熱交換器７において凝縮され、水に熱を与えて蓄熱水槽２１に連通するが、負荷側の空調機等に導入して暖房を行なわせる。
【００２３】
図６は暖房、蓄熱運転であり、水熱交換器７は使用されていない。
この場合は圧縮機１より出た高温高圧冷媒は太線の如く熱媒熱交換器６に導入され、ここで熱媒に熱を与えて凝縮し空気熱交換器４で蒸発し、アキュムレータ１１を経て圧縮機１にもどる。
そして、熱媒は蓄熱水槽２１内の配管により蓄熱水槽２１内の水を加熱して槽内に順次蓄熱を行なう。
【００２４】
図７はヒートポンプ単独による冷房運転であり、熱媒熱交換器は使用されていない。
この場合は圧縮機１より出た高温高圧冷媒は空気熱交換器４において凝縮され水熱交換器７で蒸発することによって水配管中の水温を冷却し、負荷側の空調機等に導入して冷房を行なわせる。
【００２５】
以上のように本発明において冷凍回路系２２は種々の冷凍サイクルによって冷暖房、蓄熱、蓄冷、あるいは排熱回収の各運転が実施され、これに対応して蓄熱水槽２１あるいは負荷側の空調機等に所要の作用を行なわせる。
【００２６】
図１に示す２７は前述した冷凍回路系２２と蓄熱水槽２１の間を連結する配管ユニットであり、熱媒熱交換器６の配管２９を形成する配管ユニット、水熱交換器７の配管を形成する配管ユニット、水熱交換器７及び蓄熱水槽２１と負荷側と空調機間にわたる配管ユニットからなっており、サーミスタ３３が設置され、熱媒熱交換器６の還流側配管には熱媒タンク、例えばブラインタンク３１が介設されていると共に、ブラインポンプの如く熱媒循環用ポンプが開閉弁の間に挟まれて設けられている。また水熱交換器７の水配管の出口側より蓄熱水槽２１に至る水配管ユニットの途中には分岐して蓄熱水槽２１より負荷側に至る配管に混合三方弁２４を介して合流するバイパス配管が設けられている。
【００２７】
なお、図１において、２０，２８は制御盤であり、２６は架台、３３は各サーミスタ、３０は水位センサである。
【００２８】
かくして、上記の構成によって本発明システムでは４０℃〜１０℃までの３０℃にわたる排熱を有効に活用すべく回収して暖房に使用せしめ、冬期の蓄熱を最大に生かすことを可能ならしめる。
【００２９】
なお、熱媒熱交換器で冬期は蓄熱、夏期は蓄冷（冷却製氷）を行ない、負荷側のポンプを使用することなく蓄熱，蓄冷ができることは本発明の有効性を倍加する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は以上のように熱交換器が３つから構成されるヒートポンプシステムにおいて四方弁の切替えにより２つの熱交換器による冷凍サイクルを形成可能とし、空気熱交換器と他の熱媒熱交換器及び水熱交換器の何れか一方を運転することにより従来の冷凍サイクルによる冷暖房を可能ならしめると共に、使用しない熱交換器が空気熱交換器である場合に蓄熱水槽に蓄熱した排熱を回収し暖房を可能としたものであり、冬期の蓄熱を最大に生かし暖房を行うことにより安価な電力料金の適用メリットと共に水熱源暖房で強力な暖房を可能にし、低温外気温度での冷媒寝込みの影響をなくし、水熱源暖房を安定して高出力を得ることができる効果を有している。
【００３１】
また、水熱源暖房の使用により従来の６０℃〜４０℃までの範囲での直接暖房に止まらず、４０℃より１０℃までの３０℃の範囲でも排熱回収（水熱源）暖房に使用することができ蓄熱の利用温度幅を大ならしめ得る顕著な効果も有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートポンプシステム装置の１例を示す系統図である。
【図２】本発明における冷凍回路系の配管フロー図である。
【図３】暖房、排熱回収時の冷凍サイクルの構成説明図である。
【図４】冷房、蓄冷時の冷凍サイクル構成説明図である。
【図５】暖房、ヒートポンプ単独時の冷凍サイクル構成説明図である。
【図６】暖房、蓄熱時の冷凍サイクル構成説明図である。
【図７】冷房、ヒートポンプ単独時の冷凍サイクル構成説明図である。
【符号の説明】
１  圧縮機
２  第１四方弁
３  第２四方弁
４  空気熱交換器
５  プロペラファン
６  熱媒熱交換器
７  水熱交換器
１１  アキュムレータ
２１  蓄熱水槽
２２  冷凍回路系
２７  配管ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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