(57)【要約】【課題】バーナの制御を容易化しつつ給湯システムの熱効率の低下を防止することができる給湯システムを提供する。【解決手段】給湯システム５０では、吸着式ヒートポンプ３，３で加熱された熱媒体から水に熱を移動させた後、バーナ１５で加熱されたボイラ水Ｍ１から水に熱を移動させることにより、水を温水として供給する。ここで、吸着式ヒートポンプ３，３においては、凝縮熱により熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転の際に、ボイラ水Ｍ１が熱源として用いられている。また、バーナ１５においては、ボイラ水Ｍ１の温度が所定範囲内となるように、点火と消火とが繰り返される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着式ヒートポンプで加熱された第１熱媒体から水に熱を移動させた後、バーナで加熱された第２熱媒体から前記水に熱を移動させることにより、前記水を温水として供給する給湯システムであって、
前記吸着式ヒートポンプにおいては、凝縮熱により前記第１熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転の際に、前記第２熱媒体が熱源として用いられ、
前記バーナにおいては、前記第２熱媒体の温度が所定範囲内となるように、点火と消火とが繰り返されることを特徴とする給湯システム。
【請求項２】
前記所定範囲は、７０℃〜８５℃であることを特徴とする請求項１記載の給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着式ヒートポンプとバーナとを備えた給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の給湯システムとして、バーナにより熱媒体を加熱し、その熱媒体から水に熱を移動させることで、水を温水として供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような給湯システムでは、熱媒体の温度が所定範囲内となるように、バーナの点火と消火とが繰り返される。
【０００３】
ところが、この給湯システムでは、バーナを再点火する前に、例えばエアパージを行って未燃ガスを除去する必要があることから熱損失が著しく、給湯システムの熱効率が低下するという問題がある。
【０００４】
一方、近年、熱効率の向上を課題とした給湯システムとして、吸着式ヒートポンプで加熱された第１熱媒体から水に熱を移動させた後、バーナで加熱された第２熱媒体から水に熱を移動させることにより、水を温水として供給するものが開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００５−９７３３号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したような給湯システムでは、熱効率の向上という課題を解決するために高い熱効率を実現する手段が最重要視されることから、バーナの火力が例えば水の流量に応じて制御されるため、給湯システムの熱効率の低下は防止されるもののバーナの制御が複雑化するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、バーナの制御を容易化しつつ給湯システムの熱効率の低下を防止することができる給湯システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、吸着式ヒートポンプとバーナとを備えた給湯システムにおいて、第２熱媒体を脱離−凝縮運転の熱源として用いると共に第２熱媒体の温度が所定範囲内となるようにバーナの点火と消火とを繰り返すことで、バーナの制御を容易化しつつ給湯システムの熱効率の低下を防止できることを見出した。本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明に係る給湯システムは、吸着式ヒートポンプで加熱された第１熱媒体から水に熱を移動させた後、バーナで加熱された第２熱媒体から水に熱を移動させることにより、水を温水として供給する給湯システムであって、吸着式ヒートポンプにおいては、凝縮熱により第１熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転の際に、第２熱媒体が熱源として用いられ、バーナにおいては、第２熱媒体の温度が所定範囲内となるように、点火と消火とが繰り返されることを特徴とする。
【０００９】
ここで、所定範囲は、７０℃〜８５℃であることが好ましい。このように、第２熱媒体の温度が７０℃〜８５℃となるようにバーナの点火と消火とを繰り返すことで、吸着式ヒートポンプの熱効率を高い状態で安定化させ、給湯システムの熱効率の低下を一層防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、バーナの制御を容易化しつつ給湯システムの熱効率の低下を防止することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。図１に示すように、給湯システム５０は、ヒートポンプユニット１とボイラ２とを備え、給水された水をヒートポンプユニット１で予熱した後、必要とする温度までボイラ２でさらに加熱（追い炊き）することで、水を温水として供給するハイブリッド給湯システムである。なお、「水」とは、低温水、水中温水及び高温水等のいかなる温度の水を含むものをいい、「温水」とは「水」に熱が移動されて「水」よりも温度が高くなったものをいう。これについては以下の説明においても同様である。
【００１３】
ヒートポンプユニット１は、水流通ライン４Ａ、熱媒体流通ライン５、一対の吸着式ヒートポンプ３，３、及び熱交換器（第１熱交換器）１３を含んで構成されている。このヒートポンプユニット１は、吸着式ヒートポンプ３，３で熱媒体（第１熱媒体：例えば、水等）を加熱し、熱交換器１３で熱媒体から水に熱を移動させるものである。ここでは、ヒートポンプユニット１は、その最大出力が１６ｋＷとなっており、給水器１６により給水された水を約２０℃前後の中温水（温水）としてボイラ２へ供給する。
【００１４】
水流通ライン４Ａは、熱交換器１３を通過するように設けられている。この水流通ライン４Ａは、給水された水を留めることなく矢印Ａ方向へと流通させると共に、中温水をボイラ２へ供給する。熱媒体流通ライン５は、吸着式ヒートポンプ３，３と熱交換器１３とを通過してこれらの間を循環するように設けられている。この熱媒体流通ライン５は、熱媒体をポンプ６により矢印Ｂ方向に流通させる。また、熱媒体流通ライン５には、熱媒体を貯留するタンク１８が設けられている。
【００１５】
吸着式ヒートポンプ３，３は、その内部が真空に保たれた真空容器３１を有し、この真空容器３１の内部において、例えばシリカゲル等の吸着剤３２を備えた熱交換器３４が上部に、また、例えば水等の冷媒３３に浸かるよう設置された熱交換器３５が下部に設けられている。吸着式ヒートポンプ３，３は、吸着剤から脱離した冷媒を凝縮させて凝縮熱を発生させ、この凝縮熱で熱媒体を加熱する脱離−凝縮運転と、蒸発した冷媒を吸着させて吸着熱を発生させ、この吸着熱で熱媒体を加熱する蒸発−吸着運転と、を実施するものである。これらの吸着式ヒートポンプ３，３は、互いに異なる運転が実施されるように構成されており、具体的には、一方が脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａとされるとき、他方が蒸発−吸着運転時の吸着式ヒートポンプ３Ｂとされている。
【００１６】
脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａは、その内部の上方において、バーナ（加熱器）１５で加熱されたボイラ水（第２熱媒体）Ｍ１が高温熱源流通ライン７（詳しくは後述）を通って熱交換器３４に送られるように接続されている。熱交換器３４の周囲に設置されている吸着剤３２は、熱交換器３４を通してボイラ水Ｍ１との間で熱が移動可能となっている。つまり、脱離−凝縮運転時において、ボイラ水Ｍ１は、熱を吸着式ヒートポンプ３Ａに供給される熱源となることができる。
【００１７】
一方、この吸着式ヒートポンプ３Ａの内部の下方においては、熱媒体流通ライン５が熱交換器３５と接続されている。熱交換器３５の周囲には、冷媒３３が満たされており、熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と冷媒３３との間で熱が移動可能となっている。
【００１８】
これにより、吸着式ヒートポンプ３Ａでは、熱交換器３４においてボイラ水Ｍ１から吸着剤３２に熱が移動されて吸着剤３２に吸着されていた冷媒が脱離され、脱離された冷媒がヒートポンプ３Ａ下部の冷媒３３と接触し凝縮して凝縮熱が発生され、その凝縮熱で熱媒体流通ライン５内の熱媒体が加熱されることとなる。
【００１９】
蒸発−吸着運転時の吸着式ヒートポンプ３Ｂは、その上方において、熱媒体流通ライン５が熱交換器３４と接続されている。熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と、熱交換器３４の周囲に設置されている吸着剤３２の間で熱が移動可能となっている。
【００２０】
一方、吸着式ヒートポンプ３Ｂの内部の下方においては、熱交換器３５と低温熱源ライン９が接続されている。低温熱源流通ライン９は、空気熱交換器１１を通過するように設けられており、水等の低温熱媒体をポンプ１０で矢印Ｃ方向に循環されるように流通させる。そして、空気熱交換器１１及びファン１２により大気中の熱が低温熱媒体に移動（外気吸熱）され、低温熱媒体が加熱されている。熱交換器３５の周囲には、冷媒３３が満たされており、熱媒体流通ライン５内を流通する熱媒体と冷媒３３との間で熱が移動可能となっている。つまり、蒸発−吸着運転時において、大気中の熱は吸着式ヒートポンプ３Ｂに供給される熱源となることができる。
【００２１】
これにより、吸着式ヒートポンプ３Ｂでは、熱交換器３５において大気の熱が冷媒３３に熱が移動されて冷媒３３が蒸発され、蒸発された冷媒が吸着剤３２で吸着されて吸着熱が発生され、この吸着熱で熱媒体流通ライン５内の熱媒体が加熱されることとなる。なお、低温熱媒体は熱交換器３５で熱を冷媒３３に与えるため、温度が室温以下まで低下するが、空気熱交換器１１及びファン１２によって室温付近まで加熱され、再びヒートポンプ３Ｂにおいて熱源として機能することができる。
【００２２】
また、図１及び図２に示すように、吸着式ヒートポンプ３では、電磁弁（不図示）により熱源流通ライン７，９と熱媒体流通ライン５との流路が所定時間で交互に切り替えられ、脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転とが所定時間で交互に切り替えられる。つまり、運転状態が互いに異なる一対の吸着式ヒートポンプ３Ａ，３Ｂ（図１参照）が所定時間で互いに入れ替わって吸着式ヒートポンプ３Ｂ，３Ａ（図２参照）になり、その後、所定時間で再び互いに入れ替わって吸着式ヒートポンプ３Ａ，３Ｂ（図１参照）に戻り、これが順次に繰り返される。図１及び図２のいずれにおいても、熱媒体はまず吸着式ヒートポンプ３Ａにおいて熱を得て、引き続き吸着式ヒートポンプ３Ｂにおいて熱を得ることによって加熱される。これにより、大気中の熱を効率よく利用して、熱媒体を連続的に加熱することができる。
【００２３】
熱交換器１３は、例えばプレート型の熱交換器とされており、内部に通過された水流通ライン４Ａ及び熱媒体流通ライン５内のそれぞれを流通する熱媒体及び水の間で熱を移動させる。
【００２４】
ボイラ２は、水流通ライン４Ｂ、ボイラタンク１４及びバーナ１５を含んで構成されている。このボイラ２は、バーナ１５でボイラタンク１４内のボイラ水Ｍ１を加熱し、このボイラ水Ｍ１から水に熱を移動させるものである。ここでは、ボイラ２は、その最大出力が１００ｋＷとなっており、上記ヒートポンプユニット１から供給された中温水を、約５５℃前後の高温水（温水）として外部へ供給（出湯）する。
【００２５】
水流通ライン４Ｂは、上記水流通ライン４Ａに連続すると共に、後述の熱交換部（第２熱交換器）２４を通過するように設けられている。この水流通ライン４Ｂは、ヒートポンプユニット１の水流通ライン４Ａから供給された温水を留めることなく矢印Ｄ方向に流通させると共に、高温水を外部へ供給する。
【００２６】
ボイラタンク１４は、タンク本体２３と熱交換部２４とボイラ水流通部２５とを有している。タンク本体２３は、ボイラ水を貯留する。熱交換部２４は、その内部がボイラ水Ｍ１で満たされ、水流通ライン４Ｂが通過されるように設けられている。この熱交換部２４は、ヒートポンプユニット１から供給され水流通ライン４Ｂを流通する温水にボイラ水Ｍ１の熱を移動させる。つまり、熱交換部２４は、水流通ライン４において熱交換器１３よりも下流側に設けられている。ボイラ水流通部２５は、タンク本体２３と熱交換部２４との間を循環するように設けられており、タンク本体２３のボイラ水Ｍ１をポンプ２６により矢印Ｅ方向に流通させる。
【００２７】
このボイラ水流通部２５には、高温熱源流通ライン７が連結されている。高温熱源流通ライン７は、脱離−凝縮運転時の吸着式ヒートポンプ３Ａを通過するように設けられ、ボイラ水Ｍ１を矢印Ｆ方向に流通させる。つまり、高温熱源流通ライン７は、吸着式ヒートポンプ３Ａの脱離−凝縮運転時の熱源としてボイラ水Ｍ１が用いられるように、ボイラ水Ｍ１を吸着式ヒートポンプ３Ａに供給する。
【００２８】
バーナ１５は、ボイラタンク１４に取り付けられており、ボイラタンク１４内のボイラ水Ｍ１を加熱する。バーナ１５の燃料としては、例えば灯油、Ａ重油などの液体燃料、若しくは都市ガス、ＬＰＧなどのガス燃料が用いられている。また、このバーナ１５には、制御手段１７が接続されている。
【００２９】
制御手段１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭに保持されるソフトウエアをＣＰＵで実行することにより、バーナ１５の動作を制御する。具体的には、制御手段１７は、ボイラ水の温度が７０℃〜８５℃（所定範囲内）となるように、バーナ１５を制御して点火と消火とを繰り返し実施（いわゆるＯＮ／ＯＦＦ制御）させる。また、制御手段１７は、バーナ１５を再点火する前、バーナ１５内に残留した未燃ガスを除去するため、空気供給手段（不図示）を制御してバーナ１５内に空気を噴出（エアパージ）させる。
【００３０】
次に、説明した給湯システム５０の動作について説明する。まず、水が水流通ライン４によりヒートポンプユニット１に供給され、熱交換器１３にて吸着式ヒートポンプ３，３で加熱された熱媒体から水に熱が移動されて中温水とされ、この中温水が水流通ライン４によりボイラ２へ供給される。続いて、熱交換部２４にてバーナ１５で加熱されたボイラ水Ｍ１から中温水に熱が移動されて高温水とされ、そして、この高温水が水流通ライン４の下流側から外部へ供給される。
【００３１】
ここで、給湯システム５０の出力が低出力に設定された場合（例えば、給水される水の流量が少ない場合）、制御手段１７によりバーナ１５に対し以下のＯＮ／ＯＦＦ制御が行われ、ボイラ水Ｍ１の温度が７０℃〜８５℃内で一定に保たれる。
【００３２】
すなわち、まず、バーナ１５が点火されてボイラ水Ｍ１が加熱され、ボイラ水Ｍ１の温度が上昇される。続いて、ボイラ水Ｍ１の温度が閾値より高くなったとき、バーナ１５が消火され、ボイラ水Ｍ１の温度が低下される。続いて、エアパージによりバーナ１５内に残留した未燃ガスを除去され、その後、ボイラ水Ｍ１の温度が閾値より低くなったとき、バーナ１５が再点火されてボイラ水Ｍ１が再加熱される。そして、このようなバーナ１５の点火と消火が繰り返されることにより、ボイラ水Ｍ１の温度が７０℃〜８５℃内で一定に保たれることとなる。
【００３３】
図３は給湯システムにおけるＯＮ／ＯＦＦ制御時の水の温度を示す線図である。図中において、Ｔ１はボイラ水の温度、Ｔ２は高温水の温度、Ｔ３は給水された水の温度をそれぞれ示している。図３に示すように、給湯システム５０では、ボイラ水Ｍ１の温度Ｔ１が７０℃〜８５℃内となるようにＯＮ／ＯＦＦ制御され、高温水の温度Ｔ２が５５℃〜６５℃内となるようになっている。
【００３４】
ところで、図４に示すように、ボイラ２単体では、バーナ１５を再点火する前のエアパージのために熱が損失し易いことから、熱効率が低下することが知られており、出力を低くするに従って熱効率が特に低下することが知られている。
【００３５】
一方、近年、熱効率の向上を図る給湯システムとして、吸着式ヒートポンプで加熱された熱媒体から水に熱を移動させた後、バーナで加熱されたボイラ水から水に熱を移動させることにより、水を温水として供給するものが開発されているが、この給湯システムでは、熱効率の向上という課題を解決するために高い熱効率を実現する手段が最重要視されることから、バーナの火力が例えば水の流量に応じて制御されるため、給湯システムの熱効率の低下は防止されるもののバーナの制御が複雑化してしまう。
【００３６】
このような事情に鑑み、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、吸着式ヒートポンプ３とバーナ１５とを備えた給湯システム５０において、ボイラ水Ｍ１を脱離−凝縮運転の熱源として用いると共に、制御が比較的容易なＯＮ／ＯＦＦ制御でバーナ１５を制御してボイラ水Ｍ１の温度を所定範囲内とすることで、バーナ１５の制御を容易化しつつ、図５に示されるように給湯システム５０の熱効率の低下を防止できることを見出した。さらに、給湯システム５０全体の出力が低くなればなる程、熱効率が向上することができ、ひいては、給湯システム５０の出力が３３ｋＷ以下のときに、給湯システム５０の熱効率が１００％を超えるという格別な効果が奏される。
【００３７】
以上、給湯システム５０では、バーナ１５をＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、バーナ１５を容易に制御することができると共に、給湯システム５０の熱効率を、例えば水の流量に応じてバーナ１５の火力を制御する場合に比べて多少低下するものの未だ十分に確保することができる。従って、給湯システム５０によれば、バーナ１５の制御を容易化しつつ給湯システム５０の熱効率の低下を防止することができる。つまり、給湯システム５０は、バーナ１５の制御の複雑化と給湯システム５０の熱効率の低下という２つの問題をバランスよく一挙に解決できる画期的なものといえる。
【００３８】
図６はヒートポンプユニット１の熱効率と脱離−凝縮運転の熱源として用いるボイラ水Ｍ１の温度との相関を示す線図である。本発明者らは鋭意研究をさらに重ね、図６に示すように、ヒートポンプユニット１において、脱離−凝縮運転の熱源として用いるボイラ水Ｍ１の温度が７０℃〜８５℃の温度範囲のとき、ヒートポンプユニット１の熱効率が高く且つ略一定になることを見出した。すなわち、給湯システム５０では、上述したように、ボイラ水Ｍ１の温度が７０℃〜８５℃となるようにバーナ１５の点火と消火とが繰り返されるため、吸着式ヒートポンプ３，３の熱効率を高い状態で安定化させ、給湯システム５０全体の熱効率を低下するのを一層防止することができる。
【００３９】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、熱媒体はまず吸着式ヒートポンプ３Ａで熱を得た後に引き続き吸着式ヒートポンプ３Ｂで熱を得て加熱されたが、それとは逆に、まず吸着式ヒートポンプ３Ｂで熱を得た後に吸着式ヒートポンプ３Ａで熱を得て加熱されるような熱媒体流通ラインの流路であってもよい。
【００４１】
また、上記実施形態では、空気熱交換器１１及びファン１２を用いて大気中の熱を利用したが、地熱等の他の自然エネルギを利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る給湯システムの概略構成図である。
【図２】図１に示す給湯システムにおいて吸着式ヒートポンプの脱離−凝縮運転と蒸発−吸着運転とが切り替えられた後の概略構成図である。
【図３】図１に示す給湯システムにおけるＯＮ／ＯＦＦ制御時の水の温度を示す線図である。
【図４】ボイラの熱効率と出力との相関を示す線図である
【図５】図１に示す給湯システムの熱効率と出力との相関を示す線図である。
【図６】図１に示す給湯システムのヒートポンプユニットにおける熱効率とボイラ水の温度との相関を示す線図である。
【符号の説明】
【００４３】
３，３Ａ，３Ｂ…吸着式ヒートポンプ、１５…バーナ（加熱器）、５０…給湯システム、Ｍ１…ボイラ水（第２熱媒体）。
【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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