(57)【要約】【課題】            補助熱源を使わずにヒートポンプサイクル単独で全ての給湯負荷をまかなうことができるヒートポンプ式給湯システムを得る。高温沸き上げと周年にわたって高効率な給湯を行うことができるヒートポンプ式給湯システムを得る。【解決手段】        ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクル１と、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクル２を併せ持ち、この二つのヒートポンプサイクル１，２を使い分けて外気から熱を汲み上げ、温水を生成する。これにより、高温の温水が必要なときには沸き上げ温度の高いＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクル１を使って採熱することができ、比較的低温の温水が必要なときには、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクル２を使って採熱することができ、補助熱源を使わずにエネルギ消費効率の高い給湯を行うことができる。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルと、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルを併せ持ち、この二つのヒートポンプサイクルを使い分けるようにしたヒートポンプ式給湯システム。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、高温の温水が必要な時にはＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルを使い、比較的低い温度の温水が必要なときには、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルを使うようにしたヒートポンプ式給湯システム。
【請求項３】
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、予め入力しておいた各冷媒の、沸き上げ温度とエネルギ消費効率の関係、外気温度とエネルギ消費効率の関係から、その時点の給湯負荷と外気温度から効率の高い冷媒によるヒートポンプサイクルを使うようにしたヒートポンプ式給湯システム。
【請求項４】
請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、二つのヒートポンプサイクルのどちらを使用したときも、各ヒートポンプサイクルの圧縮機での冷媒の圧縮率を調節することにより、沸き上げ温度を調節できるようにしたヒートポンプ式給湯システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４までのいずれかに記載のヒートポンプ式給湯システムであって、給湯とは独立した温水暖房用の閉回路を付加したヒートポンプ式給湯システム。
【請求項６】
請求項５に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、温水暖房用の閉回路をＲ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルに付加したヒートポンプ式給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つのヒートポンプサイクルを持ったヒートポンプ式給湯システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ給湯機は、特許文献１に示されているように圧縮機、蒸発器としての水または空気対冷媒熱交換器、凝縮器としての水対冷媒熱交換器、膨張弁から構成されたヒートポンプサイクルを備えている。沸き上げ温度が不足するような場合には、電気ヒータによる補助熱源が使われる。
【０００３】
【特許文献１】特開平５―２５６５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクルで沸き上げた温水を貯湯槽に蓄え、給湯端末から出水要求がある場合に貯湯槽の温水を供給するものである。ヒートポンプサイクルの冷媒としては、Ｒ２２（クロロジフロロメタン）やＲ４１０Ａ（ジフロロメタン＋ペンタフロロメタン）が使われることが多いが、冷媒の特性上、６５℃以上の温水の沸き上げは困難である。従って、６５℃以上の高温の温水を給湯するためには、電気ヒータ等の補助熱源を使用して温水温度を上げる必要がある。
【０００５】
冬季など給湯負荷が大きいときにおいて貯湯槽の容量にも限界があり、貯湯温度を高く設定する必要があるが、ヒートポンプサイクル単独でまかなうことができない給湯負荷については補助熱源による加熱が必要で、結果的にエネルギ消費効率（ＣＯＰ）が低くなってしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記した問題点を解決するためになされたものであり、その課題とするところは、補助熱源を使わずにヒートポンプサイクル単独で全ての給湯負荷をまかなうことができるヒートポンプ式給湯システムを開発することであり、高温沸き上げと周年にわたって高効率な給湯を行うことができるヒートポンプ式給湯システムを得ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルと、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルを併せ持ち、この二つのヒートポンプサイクルを使い分けて外気から熱を汲み上げ、温水を生成する手段を採用する。
【発明の効果】
【０００８】
上記手段を採用することにより、高温の温水が必要なときには沸き上げ温度の高いＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルを使って採熱することができ、比較的低温の温水が必要なときには、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルを使って採熱することができ、補助熱源を使わずにエネルギ消費効率の高い給湯を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルと、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルを併せ持ち、この二つのヒートポンプサイクルを選択的に使い分けて外気の持つ熱を採熱し、熱交換器を通じて温水を生成し、貯湯タンクに蓄えて給湯するようにする。
【００１０】
ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルでは９０℃の温水を沸き上げることができ、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルでは６５℃程度の温水を沸き上げることができる。沸き上げ温度によってＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクルかＲ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクルかのいずれかによって外気の熱を採熱することにより、電気ヒータ等の補助熱源を使うことなく周年にわたって効率の良い給湯が可能になる。
【００１１】
実施の形態１．
図１は本実施の形態のヒートポンプ式給湯システムの構成図である。このヒートポンプ式給湯システムは、ＣＯ２を冷媒とするヒートポンプサイクル１と、Ｒ２２やＲ４１０Ａを冷媒とするヒートポンプサイクル２を併せ持っている。ヒートポンプサイクル１は、圧縮機３、空気対冷媒での熱交換を行う熱交換器４、電磁弁、冷媒対水での熱交換を行う熱交換器５、膨張弁６とからなる閉回路で構成されている。ヒートポンプサイクル２も、圧縮機３、空気対冷媒での熱交換を行う熱交換器４、電磁弁、冷媒対水での熱交換を行う熱交換器５、膨張弁６とからなる閉回路で構成されている。いずれのヒートポンプサイクル１，２も熱交換器５において貯湯タンク７の水を循環させる循環ポンプ８を有する水循環回路９と熱的に接続されている。貯湯タンク７は、給水管１０と給湯管１１が設けられ、給水管１０は水道等の給水源に、給湯管１１は給湯端末に接続される。貯湯タンク７内は、上部が高温層、下部が低温層となっていて、高温層から給湯管１１を通って給湯端末へ給湯がなされたときには、給水源から給水管１０により下部層に給水が行われる。
【００１２】
ヒートポンプサイクル１は、熱交換器４により外気の熱を採熱した冷媒を圧縮機３で圧縮して高温高圧にして熱交換器５で貯湯タンク７の水と熱交換を行う。水との熱交換で熱を奪われた冷媒は膨張弁６で圧力を下げられ液化し、再び熱交換器４で外気の熱を汲み上げる。循環ポンプ８によって貯湯タンク７の下部層から汲み上げられた低温の水は熱交換器５で冷媒から熱を受取り、高温水となって貯湯タンク７の上部層に戻される。熱交換器５では、冷媒と水の流れは逆になっていて、効率良く熱交換が行われる。
【００１３】
ヒートポンプサイクル２も同様で、熱交換器４により外気の熱を採熱した冷媒を圧縮機３で圧縮して高温高圧にして熱交換器５で貯湯タンク７の水と熱交換を行う。水との熱交換で熱を奪われた冷媒は膨張弁６で圧力を下げられ液化し、再び熱交換器４で外気の熱を汲み上げる。循環ポンプ８によって貯湯タンク７の下部層から汲み上げられた低温の水は熱交換器５で冷媒から熱を受取り、高温水となって貯湯タンク７の上部層に戻される。熱交換器５では、冷媒と水の流れは逆になっていて、効率良く熱交換が行われる。
【００１４】
ヒートポンプサイクル１，２の外気との熱交換器４には、温度センサー１２が配備され、外気温度を検知することができる。また、毎日の負荷実績と外気温度、時刻別の給湯量のパターンを記憶する記憶手段１３も備えられている。制御手段１４により沸き上げ温度を決定する。またヒートポンプサイクル１，２の圧縮機３は、圧縮率が可変であり、冷媒の圧縮度を調節することにより、設定された沸き上げ温度での温水の沸き上げを行うことができる。
【００１５】
ヒートポンプサイクル１とヒートポンプサイクル２とは、沸き上げ温度とエネルギ消費効率に図２に示すような関係がある。ヒートポンプサイクル２のエネルギ消費効率は、ヒートポンプサイクル１のそれに比べて高いが、沸き上げ温度は、６５℃程度が上限となる。一方、ヒートポンプサイクル１のエネルギ消費効率は、ヒートポンプサイクル２のそれに比べてやや低いが、９０℃程度の高温沸き上げが可能である。ＣＯ２の冷媒は、臨界温度が低く、図４に示すように水との熱交換で凝縮域が無いため熱交換効率が非常に高くなり、９０℃程度と高温の温水を沸き上げることができる。Ｒ２２やＲ４１０Ａの冷媒では、図３に示すように水との熱交換で凝縮域が有り熱交換効率は劣り、沸き上げ温度は６５℃が上限となる。給湯負荷が小さいときにはヒートポンプサイクル２を使って温水を沸き上げ、給湯負荷が大きいときや、高温の温水が必要なときにはヒートポンプサイクル１を使って沸き上げる。即ち、沸き上げ温度によってヒートポンプサイクル１，２を使い分けることにより、高効率な運転が可能となる。
【００１６】
ヒートポンプサイクル１、２とは、外気温度とエネルギ消費効率に図５に示すような関係がある。図２とあわせて考えると、エネルギ消費効率は沸き上げ温度と外気温度によって変化するため、この二つを変数とする関数である。制御手段１４にて沸き上げ温度を決定される。また制御手段１４には、予めこのヒートポンプ給湯システムでの二つの冷媒のエネルギ消費効率と温水の沸き上げ温度、外気温度の関係式が入力されている。温度センサー１２で検知した外気温度と決定した沸き上げ温度を関係式に入力しＣＯ２冷媒とＲ２２やＲ４１０Ａ冷媒のどちらのエネルギ消費効率が高いか判断し、エネルギ消費効率が高い方のヒートポンプサイクルを使用して温水を沸き上げる。
【００１７】
図６に１日の外気温度と一般的な住宅の給湯負荷のイメージを時系列変化で示す。外気は日中が最も高く、夜明け前に最低となる。給湯負荷は一般的に食事の用意や入浴の用意、追い炊きを行う時間帯にピークを迎える。そして給湯負荷は外気温度が高くなるほど低く、外気温度が低いほど高くなる。図６のような生活のパターンがある程度固定された家庭では、過去のデータを蓄積することによって、外気温度から時刻毎の給湯量が予測される。時刻毎の給湯量がわかれば、貯湯タンクに何度の温水を蓄えればよいかがわかるため、沸き上げ温度が決まる。このように沸き上げ温度は制御手段１４にて過去の実績と当日の外気温度から決定される。例えば、夕方から夜にかけての時間帯のように高い給湯負荷が予測される場合には90℃と沸き上げ温度を決定し、予め90℃以上の高温水を貯蔵しておき、12時ごろの給湯負荷が比較的低く予測される場合には沸き上げ温度を65℃と決定し、Ｒ410Ａサイクルで65℃程度の温水を作るといったように制御手段１４で沸き上げ温度を設定し、使用する冷媒を決定する。冷媒のエネルギ消費効率の差と、沸き上げ温度の差、放熱ロスの差による省エネルギが可能となる。
【００１８】
図５に示すようにヒートポンプサイクル１，２のエネルギ消費効率は外気温度によっても影響を受ける。給湯を行う場合には外気温度が低いほどエネルギ消費効率は低下するが、それぞれの冷媒により異なった特性を持っている。このため本実施の形態では、要求される給湯温度とそのときの外気温度を考慮して最も効率的な運転が可能となる冷媒を使用して温水を沸き上げるような制御方法を採っている。ヒートポンプサイクル１，２のどちらを使用したとも、温水の沸き上げ温度を調節することができるため60〜90℃程度の範囲の温水の沸き上げが可能である。給湯負荷が高いときに高温による沸き上げを行うなど、給湯負荷に応じて貯湯温度を変化させることで、貯湯タンク７の小型化や貯湯時の放熱ロスの削減が可能になる。前述したように時刻毎に給湯負荷を予測して沸き上げ温度を決定するシステムであるが、例えば朝の給湯のピークと日中の給湯のピークでの沸き上げ温度を65℃程度と予測した場合でも、それぞれの時刻の外気温度は大きく異なる場合もある。どちらの冷媒を使用したときにも65℃温水の沸き上げは可能であるが、図５のように外気温度がＡ，Ｂで冷媒のエネルギ消費効率が逆転するときにはエネルギ消費効率が高い冷媒サイクルを用いて温水を沸き上げることで、高効率な運転が可能となる。
【００１９】
実施の形態２．
図７によって示す本実施の形態のヒートポンプ式給湯システムは、実施の形態１で示したヒートポンプ式給湯システムに、給湯とは独立した温水暖房用の閉回路を付加したものであり、ヒートポンプ式給湯システム自体の構成については実施の形態１のものと同じである。従って、実施の形態１と同じ部分については、実施の形態１のものと同じ符号を用いそれらについての説明は省略する。
【００２０】
本実施の形態のヒートポンプ式給湯システムは、温水暖房用の閉回路１５をヒートポンプサイクル２に付加したものである。温水暖房用の閉回路１５は、低温輻射暖房を行う床暖房パネル等の室内放熱器１６と循環ポンプ１７と冷媒対水での熱交換を行う熱交換器１８で構成され、ヒートポンプサイクル２によって輻射暖房を行うに適した６０℃ほどの温水を得て、室内放熱器１６での放熱によって暖房がなされる。ヒートポンプサイクル２の熱交換器５と温水暖房用の閉回路１５の熱交換器１８とは同時に稼動することはない構成となっている。ただし、貯湯タンク７に蓄えられた温水と暖房用の閉回路１５で熱交換が可能なように熱交換器１８を設ければ、ヒートポンプサイクル２の熱交換器５と温水暖房用の閉回路１５の熱交換器１８とは同時に稼動させても構わない。この構成を採用することにより、暖房も可能なヒートポンプ式給湯システムとなる。これ以外の機能は実施の形態１のものと同じである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ヒートポンプ式給湯システムの構成図である。（実施の形態１）
【図２】温水の沸き上げ温度と冷媒のエネルギ消費効率の相関関係を示す説明図である。（実施の形態１）
【図３】ヒートポンプサイクル２での水との熱交換の関係を示す説明図である。（実施の形態１）
【図４】ヒートポンプサイクル１での水との熱交換の関係を示す説明図である。（実施の形態１）
【図５】外気温度と各冷媒のエネルギ消費効率の相関関係を示す図である。実施の形態１）
【図６】外気温度と一般的な住宅の給湯負荷の時系列のイメージ図である。実施の形態１）
【図７】ヒートポンプ式給湯システムの構成図である。（実施の形態２）
【符号の説明】
【００２２】
１  ヒートポンプサイクル、  ２  ヒートポンプサイクル、  ９  水循環回路、  １４  制御手段、  １５  閉回路。
【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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