(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水口と給湯口を有する貯湯タンクと、
該貯湯タンク内の水を加熱する凝縮部を有するヒートポンプと、
前記貯湯タンクの給水口から分岐して給湯口に至るバイパス管路と、
該バイパス管路に設けられて当該バイパス管路を通過する水を加熱する小型給湯器とを備え、
前記ヒートポンプに第２の凝縮部を設けるとともに、該第２の凝縮部により保温を必要とする消費場所からのお湯を加熱する保温部をさらに設け、
前記凝縮部と前記第２の凝縮部を直列に接続し、前記第２の凝縮部を前記凝縮部より上流側に配置したことを特徴とするハイブリッド型給湯装置。
【請求項２】
前記保温部は、減圧された缶体内に缶水を永久的に収容して缶水貯溜部と気層部に分離し、前記缶水貯溜部に前記第２の凝縮部を挿入し、前記気層部に消費場所からのお湯が通る熱交換チューブを挿入してなることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型給湯装置。
【請求項３】
前記小型給湯器が前記保温部の気層部に挿入した熱交換チューブであることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型給湯装置。
【請求項４】
前記小型給湯器がガス給湯器であることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のハイブリッド型給湯器。
【請求項５】
前記貯湯タンク内の水を前記ヒートポンプの凝縮部により約６０℃まで加熱した後、前記小型給湯器により約９０℃まで加熱して沸き上げることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のハイブリッド型給湯装置。
【請求項６】
貯湯タンク内の水をヒートポンプにより所定の第１温度まで加熱する第１加熱工程と、小型給湯器により前記第１温度より高い所定の第２温度まで加熱する第２加熱工程とにより沸き上げ、通常給湯時に、前記ヒートポンプにより前記第１温度より低い所定の第３温度に加熱することを特徴とするハイブリッド型給湯方法。
【請求項７】
前記前記第１加熱工程におけるヒートポンプを深夜電力を利用して運転することを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド型給湯方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヒートポンプとガス給湯器を利用したハイブリッド型給湯装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家庭用の給湯装置としてはガス給湯器や電気温水器がある。ガス給湯器は、ガスを燃焼させて給水を加熱しつつ浴槽等に給湯する一方、浴槽からのお湯を加熱して戻し保温するのに使用される。電気温水器は、貯湯タンク内の水を電気ヒータで加熱して貯湯しておき、必要に応じて貯湯タンクから浴槽等に給湯する一方、浴槽からのお湯を別の電気ヒータで加熱して戻し保温するようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ガス給湯器は、給水の加熱に費やされずに放出される燃焼ガスが多いので、その成績係数ＣＯＰ（または加熱効率）は、電気温水器における電気ヒータの成績係数を１とすると０．８２である。給湯装置のエネルギー効率を１次エネルギー（電力）の使用量に対する使用熱量の比と定義すると、ガス給湯器では、電力の使用量が少ないので、成績係数が低くても、エネルギー効率は良い。これに対し、電気温水器では、電気ヒータにおける電力の使用量が多いので、電気ヒータの成績係数が高くても、エネルギー効率が悪い。
【０００４】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、成績係数の高いヒートポンプと１次エネルギー使用量の少ないガス給湯器とを組み合わせたエネルギー効率の良いハイブリッド型給湯器および方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための手段として、本発明にかかるハイブリッド型給湯装置は、吸水口と給湯口を有する貯湯タンクと、該貯湯タンク内の水を加熱する凝縮部を有するヒートポンプと、前記貯湯タンクの給水口から分岐して給湯口に至るバイパス管路と、該バイパス管路に設けられて当該バイパス管路を通過する水を加熱する小型給湯器とを備え、前記ヒートポンプに第２の凝縮部を設けるとともに、該第２の凝縮部により保温を必要とする消費場所からのお湯を加熱する保温部をさらに設け、前記凝縮部と前記第２の凝縮部を直列に接続し、前記第２の凝縮部を前記凝縮部より上流側に配置したものである。
【０００６】
ヒートポンプの成績係数は、図４に示すように、凝縮部出口の水温が低いほど成績係数が高くなることが知られている。そこで成績係数が高くなるように、ヒートポンプの凝縮部出口の水温が低い範囲で運転して、貯湯タンク内の水を低めの温度に加熱しておき、それ以上の温度へは小型給湯器で加熱する。このようにすることで、１次エネルギーの使用量を抑えて、エネルギー効率を高くすることができる。
【０００７】
また、前記ヒートポンプに第２の凝縮部を設けるとともに、該第２の凝縮部により保温を必要とする消費場所からのお湯を加熱する保温部をさらに設けたので、この保温部でも、１次エネルギーの使用量の少ないヒートポンプを使用するので、エネルギー効率を高くすることができる。
【０００８】
さらに、前記凝縮部と前記第２の凝縮部を直列に接続し、前記第２の凝縮部を前記凝縮部より上流側に配置したので、第２の凝縮部の冷媒のスーパーヒート部で保温を高温度に加熱することができる。
【０００９】
前記保温部は、減圧された缶体内に缶水を永久的に収容して缶水貯溜部と気層部に分離し、前記缶水貯溜部に前記第２の凝縮部を挿入し、前記気層部に消費場所からのお湯が通る熱交換チューブを挿入してなるものを使用することができる。このような保温部は、缶体内に缶水が入れ替わることがないので、缶体に水あかやスケールの付着がない。また、循環チューブは缶水と接触せず、気層部の蒸気とのみ接触するので、汚れが無く、熱交換性能が高く維持される。
【００１０】
前記小型給湯器は、前記保温部の気層部に挿入した熱交換チューブとしてもよいし、ガス給湯器としてもよい。
【００１１】
前記貯湯タンク内の水を前記ヒートポンプの凝縮部により約６０℃まで加熱した後、前記小型給湯器により約９０℃まで加熱して沸き上げることが好ましい。このようにすることで、通常のお湯の使用時には、ヒートポンプの運転で貯湯タンクの約６０℃のお湯を使用し、風呂のお湯はりのように大量に使用する時には、小型給湯器により約９０℃まで加熱して使用することができる。
【００１２】
前記課題を解決するための手段として、本発明にかかるハイブリッド型給湯方法は、貯湯タンク内の水をヒートポンプにより所定の第１温度まで加熱する第１加熱工程と、小型給湯器により前記第１温度より高い所定の第２温度まで加熱する第２加熱工程とにより沸き上げ、通常給湯時に、前記ヒートポンプにより前記第１温度より低い所定の第３温度に加熱するものである。ここで、前記第１加熱工程におけるヒートポンプは深夜電力を利用して運転することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。
【００１４】
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかるハイブリッド型給湯装置を示す。このハイブリッド型給湯装置は、給湯側の貯湯タンク１と、ヒートポンプ２と、ガス給湯器３と、保温側の真空式蓄熱部４と、制御部５とからなっている。
【００１５】
貯湯タンク１は、風呂のお湯はりに必要なお湯を貯湯できる容量（例えば１２０リッター）を有する縦長の円筒容器で、下端の給水口６から水が給水され、上端の給湯口７から電磁弁（不図示）を介して図示しない風呂等の給湯場所に給湯されるようになっている。貯湯タンク１の壁には、内部の水の温度を検出する温度センサ９が取り付けられている。貯湯タンク１の下方には、加熱部１０が設けられている。この加熱部１０は、貯湯タンク１の壁を貫通して挿入された後述するヒートポンプ２の第１凝縮部１３ａからなり、該第１凝縮部１３ａの冷媒の放熱によって内部の水を加熱できるようになっている。貯湯タンク１の外側には、給水口６から分岐して電磁弁８および第１循環ポンプ１１を介して給湯口７に至るバイパス管１２が配設されている。電磁弁８は、バイパス管１２の流路を開閉し、またその流量を制御するものである。
【００１６】
ヒートポンプ２は、図示しない圧縮機、凝縮器、キャピラリーチューブおよび蒸発器に冷媒を循環させる公知の冷凍サイクルからなり、その凝縮器は並列に接続された第１凝縮部１３ａと第２凝縮部１３ｂからなっている。第１凝縮部１３ａは、前記貯湯タンク１の内部に挿入され、第２凝縮部１３ｂは後述する真空式蓄熱部４の内部に加熱部１０として挿入されている。ヒートポンプ２の図示しない蒸発器には、蒸発器への着霜を防止し、あるいは除霜をするために、前記バイパス管路１２から分岐して配設されたデフロスト用管路１４が近接して配置されている。
【００１７】
ガス給湯器３は、前記バイパス管路１２に設けられ、ガスを燃焼させてバイパス管路１２内を通過する水を加熱する公知のものである。なお、このガス給湯器３に代えて石油給湯器を使用してもよい。
【００１８】
真空式蓄熱部４は、缶体１５と、加熱部１６と、熱交換チューブ１７とからなっている。缶体１５は、約２０リッター程度の容量の完全密閉され減圧された容器で、内部には缶水が永久的に収容され、缶水貯溜部１８と気層部１９に分離されている。加熱部１６は、前記缶水貯溜部１８に挿入された前記ヒートポンプ２の第２凝縮部１３ｂからなっている。熱交換チューブ１７は、前記気層部１９に挿入され、風呂からのお湯が第２循環ポンプ２０を介して循環するようになっている。缶体１５の壁には、内部の水の温度を検出する温度センサ２１が取り付けられている。
【００１９】
制御部５は、前記温度センサ９，２１からの温度に基づいて、前記電磁弁８、第１循環ポンプ１１、ヒートポンプ２、ガス給湯器３、第２循環ポンプ２０を制御するものである。
【００２０】
次に、前記構成からなるハイブリッド型給湯器の動作を説明する。
【００２１】
まず、貯湯タンク１に給水を行い満杯にする。図２に示すように、午前４時から７時までの間の深夜電力を利用してヒートポンプ２を駆動し、貯湯タンク１内の水を加熱する。熱膨張したお湯は膨張弁等により逃さずに、デフロスタ用管路１４に通してヒートポンプ２の図示しない蒸発器の着霜を防止し、あるいは除霜する。貯湯タンク１内の水が図２（ｃ）中ａで示すように最高約６０℃に達すると、しばらくこの状態で放置して貯湯する。貯湯タンク１内のお湯は、放熱して６０℃から例えば図２（ｃ）中ｃで示すように５５℃に低下するが、通常の使用には差し支えない。この間にお湯が使用されると、使用されたお湯の分だけ給水が行われるので、図２（ｃ）中ｂで示すように、貯湯タンク１内は上部の５５℃のお湯と、下部の例えば１５℃の水とに分離された状態になる。貯湯タンク１内のお湯の割合いが減少すると、ヒートポンプ２を駆動して、貯湯タンク１内を約５５℃のお湯に維持する。
【００２２】
お湯が大量に使用される時刻に近づき、例えば午後４時になると、第１循環ポンプ１１を駆動して貯湯タンク１内の水をバイパス管路１２を通して循環させるとともに、ガス給湯器３を駆動してバイパス管路１２内を通過するお湯を加熱し、図２（ｃ）中ｄで示すように、貯湯タンク１内のお湯を９０℃まで昇温させる。この状態で、貯湯タンク１内のお湯を風呂に給湯し、お湯はりを行う。このお湯はりが完了すると、貯湯タンク１内は、図２（ｃ）中ｅで示すように、上部に僅かな９０℃のお湯が残り、下部には１５℃の水が溜まる。そこで、ヒートポンプ２を駆動して、図２（ｃ）中ｆで示すように、貯湯タンク１内の水を約５５℃まで加熱して貯湯する。その後、風呂以外の使用場所にお湯が給湯されて、図２（ｃ）中ｇで示すように、上部の５５℃のお湯が少なくなると、図２（ｃ）中ｈで示すように、ヒートポンプ２を駆動して、貯湯タンク１内を約５５℃のお湯に維持し、これを繰り返す。
【００２３】
通常使用時、貯湯タンク１内のお湯が満杯状態から、図３に示すように、上から１／３のＡ位置までお湯が使用されると、ヒートポンプ２を運転して貯湯タンク１内の水を加熱し、これにより１／２のＢ位置までお湯が増加すると、ヒートポンプ２の運転を停止する。ここで、水温をＴ０、給水量をＷ０とすると、使用湯量Ｗは、次式で示される。
Ｗ＝Ｗ０×（４０−Ｔ０）／４０
沸き上げ温度はＴ１は、次式で示される。
Ｔ１＝（４０−Ｔ０）×Ｗ／１２０
基準沸き上げ温度をＴ２とすると、Ｔ１≦Ｔ２の場合は沸き上げ温度をＴ２とし、Ｔ１＞Ｔ２の場合は沸き上げ温度をＴ１とする。ただし、Ｔ１は９０℃以上にはしない。
【００２４】
一方、前記ヒートポンプ２の運転時に、ヒートポンプ２の第２凝縮部１３ｂによって真空式蓄熱部４の缶水を加熱して、約６０℃に維持するとともに、気層部１９に蒸気を充満させておく。そして、風呂にお湯はりしたお湯の温度が低下すると、第２循環ポンプ２０を駆動して循環させ、真空式蓄熱部５の気層部１９に充満した蒸気との熱交換によって昇温させ保温する。
【００２５】
ヒートポンプ２は、図４に示すように、凝縮器出口温度が低いほど成績係数（ＣＯＰ）が高く、凝縮器出口温度が高いほど成績係数（ＣＯＰ）が低くなることが知られている。本発明では、凝縮器出口温度が５０から６０°の範囲内でヒートポンプ２を運転して、貯湯タンク１内の水を最高約６０℃に加熱する。したがって、成績係数（ＣＯＰ）は５から４の範囲内に留めている。
【００２６】
表１は、本発明にかかるハイブリッド型給湯装置のエネルギー効率と、従来のガス給湯器、電気温水器のエネルギー効率を示す。この表１において、給湯に使用する熱量は、水温を１５℃として４０℃のお湯を一日に７００リッター使用するとして算出した。１次エネルギーの使用量は、送電損失等を考慮した機器使用端での発電効率を３７％と仮定した。この表に示すように、本発明にかかるハイブリッド型給湯装置のエネルギー効率は、従来のガス給湯器、電気温水器よりもはるかに高く、大幅な省エネルギー効果が得られることが分かる。
【００２７】
0004410957.tif 000002
【００２８】
図１（ｂ）は、以上説明した図１（ａ）のハイブリッド型給湯装置の変形例を示す。図１（ａ）のハイブリッド型給湯装置は、貯湯タンク１内に加熱部１０を設けて貯湯タンク１内の水を対流熱伝達によって加熱するものであるが、この図１（ｂ）のハイブリッド型給湯装置は、加熱部１０を貯湯タンク１の外側にあるバイパス管１２の内部に設けて、貯湯タンク１内の水を循環させながら強制熱伝達により加熱するものである。この装置の動作は、貯湯タンク１内の水を加熱するために、貯湯タンク１内の水をバイパス管１２に通して循環させながら行う以外は、以上説明した動作と同一であるので、説明を省略する。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施形態にかかるハイブリッド型給湯装置を示す。この第２実施形態のハイブリッド型給湯装置は、特記以外は、前記第１実施形態のものと実質的に同一であり、対応する部分には同一符号を附して説明を省略する。
【００３０】
このハイブリッド型給湯装置は、貯湯タンク１の加熱部１０を外部のバイパス管路１２（以下、第１バイパス管路という）に設置するとともに、該第１バイパス管路１２にさらに第２のバイパス管路２２を設けて三方弁２３によって第１バイパス管路１２と切換可能にし、第２バイパス管路２２に熱交換チューブ２４を設けて、この熱交換チューブ２４を真空式蓄熱部４の気層部１９に挿入したものである。そして、貯湯タンク１の加熱部１０の第１凝縮部１３ａは真空式蓄熱部４の第２凝縮器１３ｂと直列に接続され、真空式蓄熱部４の第２凝縮器１３ｂのほうが貯湯タンク１の加熱部１０の第１凝縮部１３ｂよりも上流側に位置している。真空式蓄熱部４の缶水貯溜部１８には、加熱部１６のほかに、ガスまたは石油による補助加熱手段２５が設けられている。
【００３１】
前記ハイブリッド型給湯装置では、貯湯タンク１内の水は、外部の加熱部１０によって約６０℃まで加熱し、真空式蓄熱部４の熱交換チューブ２４によって貯湯タンク１内のお湯を約９０℃まで加熱する。また、第２凝縮部１３ｂは第１凝縮部１３ａより上流側に配置されているので、第２凝縮部１３ｂの冷媒のスーパーヒート部で真空式蓄熱部４の缶水を高温度に加熱することができ、風呂のお湯を安定して保温することができる。通常使用時のヒートポンプ２の動作は、前記第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、成績係数の高いヒートポンプと１次エネルギー使用量の少ないガス給湯器とを組み合わせたので大幅な省エネルギー効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明の第１実施形態のハイブリッド型給湯装置の概略図、（ｂ）はその変形例のハイブリッド型給湯装置の概略図。
【図２】  （ａ）はヒートポンプとガス給湯器のタイムチャート、（ｂ）はタンク内温度の時間的変化、（ｃ）はタンク内温度分布の時間的変化を示す図。
【図３】  タンク内のお湯と水の状態を示す図。
【図４】  ヒートポンプの凝縮器出口温度と成績係数の関係を示す図。
【図５】  本発明の第２実施形態のハイブリッド型給湯装置の概略図。
【符号の説明】
１  貯湯タンク
２  ヒートポンプ
３  ガス給湯器
４  真空式蓄熱部
５  制御部
６  給水口
７  給湯口
１０  加熱部
１２  バイパス管路
１３ａ  第１凝縮部
１３ｂ  第２凝縮部
１５  缶体
１６  加熱部
１７  熱交換チューブ
１８  缶水貯溜部
１９  気層部
【図１】
0004410957.tif 000003
【図２】
0004410957.tif 000004
【図３】
0004410957.tif 000005
【図４】
0004410957.tif 000006
【図５】
0004410957.tif 000007