(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給湯用の水を貯える貯湯槽と、この貯湯槽に水循環系を介して接続され、水を加温する熱源器と、この熱源器に上記水循環系を介して接続され、水から熱媒に熱を受け渡させる熱交換器と、この熱交換器に熱媒循環系を介して接続され、上記熱媒から熱を受け取る暖房器とを備え、上記暖房器がオフの時に、上記熱源器を駆動しながら上記水循環系により水を上記貯湯槽と上記熱源器との間で循環させる貯湯運転を実行し、上記水循環系が、上記貯湯運転を実行する際、水をまず上記熱源器と上記熱交換器との間で循環させた後、上記熱源器と上記貯湯槽との間で循環させ、上記暖房器がオンの時は、上記熱源器を駆動しながら上記水循環系により水を上記熱源器と上記熱交換器との間で循環させるとともに、上記熱媒循環系により上記熱媒を上記熱交換器と上記暖房器との間で循環させる暖房運転を実行することを特徴とする給湯暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプを用いた暖房システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平９−１０１０５９号公報には、貯湯槽の内部に熱源器と熱交換器を収容した給湯暖房システムが記載されている。このシステムでは、貯湯槽内の水が、熱源器で加温され、給湯に供される。また、熱交換器で水から熱媒に熱が受け渡され、この熱媒が暖房器に送られることにより、暖房が行われる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のシステムでは、暖房を継続して行うには、貯湯槽内の多量の水を熱源器で加温し続けなければならず、効率が悪いという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題を解決するために提案されたものであり、その特徴は、給湯用の水を貯える貯湯槽と、この貯湯槽に水循環系を介して接続され、水を加温する熱源器と、この熱源器に上記水循環系を介して接続され、水から熱媒に熱を受け渡させる熱交換器と、この熱交換器に熱媒循環系を介して接続され、上記熱媒から熱を受け取る暖房器とを備え、上記暖房器がオフの時に、上記熱源器を駆動しながら上記水循環系により水を上記貯湯槽と上記熱源器との間で循環させる貯湯運転を実行し、上記水循環系が、上記貯湯運転を実行する際、水をまず上記熱源器と上記熱交換器との間で循環させた後、上記熱源器と上記貯湯槽との間で循環させ、上記暖房器がオンの時は、上記熱源器を駆動しながら上記水循環系により水を上記熱源器と上記熱交換器との間で循環させるとともに、上記熱媒循環系により上記熱媒を上記熱交換器と上記暖房器との間で循環させる暖房運転を実行するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る給湯暖房システムＳ１を示したものである。このシステムＳ１は、貯湯槽１０と、この貯湯槽１０の外部に配されたヒートポンプ２０（熱源器）と、室内の床に設置された床暖房パネル３０（暖房器）とを備えている。
【００１１】
貯湯槽１０の下側部に給水管１１が連なっている。この給水管１１から供給された水で貯湯槽１０内が満たされている。後述するように、この槽１０内の水、特に槽１０の上側部の水は、ヒートポンプ２０によって約９０℃の熱湯にされている。
【００１２】
ヒートポンプ２０は、例えば二酸化炭素からなる冷媒を循環させながら、蒸発と凝縮を反復させるようになっている。冷媒は、蒸発時に外気から採熱し、凝縮時にヒートポンプ２０内の受熱路２１へ放熱する。なお、二酸化炭素は臨界温度が低い（約３０℃）ので、超臨界領域で凝縮する。
【００１３】
貯湯槽１０とヒートポンプ２０とは、水循環系４０により接続されている。水循環系４０は、往路４１と復路４２を有している。往路４１は、貯湯槽１０の下端（下側部）から延び、ヒートポンプ２０の受熱路２１の上流端に連なっている。復路４２は、受熱路２１の下流端から延び、貯湯槽１０の上端（上側部）に連なっている。
【００１４】
これら往復路４１，４２は、後述する熱交換器５０の伝熱管５１によって短絡されている。往路４１と伝熱管５１との接続部には、電磁三方弁４４が設けられており、この電磁三方弁４４を境に、往路４１が、貯湯槽１０側の往路部４１ａとヒートポンプ２０側の往路部４１ｂとに分かれている。ヒートポンプ側往路部４１ｂに、水循環ポンプ４３が設けられている。
【００１５】
電磁三方弁４４は、例えばソレノイドオフのとき、往路部４１ａ，４１ｂどうしを連通させるとともに、伝熱管５１を遮断するようになっている。これによって、貯湯槽１０、往路４１、受熱路２１、復路４２の順に結ぶ水の循環回路が形成されるようになっている。また、電磁三方弁４４は、ソレノイドオンのとき、伝熱管５１とヒートポンプ側往路部４１ｂとを連通させるとともに、貯湯槽側往路部４１ａを遮断するようになっている。これによって、伝熱管５１、往路部４１ｂ、受熱路２１、伝熱管５１よりヒートポンプ２０側の復路４２（ヒートポンプ側復路部４２ａ）の順に結ぶ水の循環回路が形成されるようになっている。
【００１６】
熱交換器５０は、水を通す上記伝熱管５１と、例えばプロピレングリコールからなる熱媒を通す伝熱管５２とを有している。この熱交換器５０と上記床暖房パネル３０とが、熱媒循環系６０を介して接続されている。
【００１７】
熱媒循環系６０は、床暖房パネル３０内の放熱路３１の下流端から延びて伝熱管５２の上流端に連なる熱媒通路６１と、伝熱管５２の下流端から延びて放熱路３１の上流端に連なる熱媒通路６２とを有している。通路６１に、熱媒循環ポンプ６３が設けられている。
【００１８】
さらに、給湯暖房システムＳ１には、コントローラ７０（制御手段）が備えられている。コントローラ７０は、ヒートポンプ２０や循環系４０，６０の循環ポンプ４３，６３、電磁三方弁４４などを制御することにより、貯湯運転と暖房運転を実行する。以下、コントローラ７０の制御内容を説明する。
【００１９】
貯湯運転は、床暖房パネル３０がオフの時に適宜実行される。コントローラ７０は、ヒートポンプ１０と水循環ポンプ４３を駆動するとともに、電磁三方弁４４により往路４１ａ，４１ｂを連通させる。これによって、貯湯槽１０とヒートポンプ２０との間で水が循環される。すなわち、貯湯槽１０の下側部の水が、往路４１を経て受熱路２１に導かれ、ヒートポンプ２０の冷媒から熱を受け取る。冷媒は超臨界状態で放熱するので、受熱路２１通過後の水を約９０℃の熱湯にすることができる。この熱湯が、復路４２を経て貯湯槽１０の上側部に戻され、貯えられる。この熱湯を、貯湯槽１０の上側部から延びる給湯管１２を介して給湯に供することができる。
【００２０】
上記貯湯運転は、主に深夜（例えば午前１時〜午前５時）に実行するのが望ましい。これによって、ヒートポンプ２０の電力使用量を低減できる。
【００２１】
居住者のリモコン操作やタイマ予約などにより床暖房パネル３０がオンされると、コントローラ７０は、暖房運転を実行する。すなわち、ヒートポンプ２０と循環ポンプ４３を駆動するとともに、電磁三方弁４４により伝熱管５１と往路部４１ｂを連通させる。これによって、水が、往路部４１ｂ、受熱路２１、復路部４２ａ、伝熱管５１の順に循環される（ヒートポンプ２０と熱交換器５０との間で循環される）。この水が受熱路２１を通過する過程でヒートポンプ２０により加温される。
【００２２】
また、コントローラ７０は、循環ポンプ６３を駆動する。これによって、熱媒が、通路６１、伝熱管５２、通路６２、放熱路３１の順に循環される（熱交換器と床暖房パネル３０との間で循環される）。そして、熱交換器５０において、伝熱管５１を通過中の水から伝熱管５２を通過中の熱媒に熱が受け渡される。この熱媒が、放熱路３１を通過する過程で床暖房パネル３０に放熱する。これによって、床暖房を行うことができる。
【００２３】
上述したように、ヒートポンプ２０は、出口（受熱路２１の下流端）での水温を約９０℃まで高めることができるので、熱交換器５０において、熱媒を例えば８０℃程度まで加温できる。これによって、床の温度を短時間で所望のレベルまで立ち上げることができる。その後もヒートポンプ２０の小さな出力で快適な暖房状態を十分に維持可能であり、上記従来システムのように貯湯槽１０内の多量の水を加温し続ける必要はない。
【００２４】
なお、上記貯湯運転に際して、まず電磁三方弁４４で伝熱管５１と往路部４１ｂを連通させ、水をヒートポンプ２０と熱交換器５０との間で数十秒〜数分程度循環させ、そのうえで、電磁三方弁４４で往路部４１ａ，４１ｂを連通させ、ヒートポンプ２０と貯湯槽１０との間で循環させるようにしてもよい。これによって、熱交換器５０の伝熱管５１に水が長時間滞留するのを防止でき、衛生を保つことができる。
【００２５】
次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において、既述の実施形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。
図２は、本発明の第２実施形態に係る給湯暖房システムＳ２を示したものである。このシステムＳ２のヒートポンプ２０’は、未臨界領域で凝縮を行う物質（例えばフロンや代替フロンなど）を冷媒にしている。また、ヒートポンプ側復路部４２ａには、電熱式の補助ヒータ２２が設けられている。これによって、熱媒を、ヒートポンプ２０’である程度（例えば６０℃）まで加温した後、さらに補助ヒータ２２によって所望温度（例えば９０℃）まで加温することができ、ヒートポンプ２０の負担を軽減できる。これらヒートポンプ２０’と補助ヒータ２２とによって特許請求の範囲の「熱源器」が構成されている。
【００２６】
図３は、本発明の第３実施形態に係る給湯暖房システムＳ３を示したものである。このシステムＳ３では、貯湯槽１０の上側部に、伝熱管からなる採熱器１３が収容されている。採熱器１３の両端は、熱媒循環系６０の熱媒通路６４，６５に連ねられている。
【００２７】
採熱器１３の上流端に連なる通路６４は、ポンプ６３より下流の通路６１から分岐されている。この分岐部を境に、通路６１は、床暖房パネル３０側の通路部６１ａと、熱交換器５０側の通路部６１ｂとに分かれている。
【００２８】
採熱器１３の下流端に連なる通路６５は、電磁三方弁６６を介して熱媒通路６２に接続されている。熱媒通路６２は、電磁三方弁６６を境に、熱交換器５０側の通路部６２ａと、床暖房パネル３０側の通路部６２ｂとに分かれている。
【００２９】
電磁三方弁６６は、例えばソレノイドオフのとき、通路部６２ａ，６２ｂどうしを連通させるとともに、通路６５を遮断するようになっている。これによって、通路部６１ａ，６１ｂ、伝熱管５２、通路部６２ａ，６２ｂ、放熱路３１の順に（熱交換器５０と床暖房パネル３０の間で）熱媒が循環する循環回路が形成されるようになっている。また、電磁三方弁６６は、ソレノイドオンのとき、通路６５とパネル側通路部６２ｂとを連通させるとともに、熱交換器側通路部６２ａを遮断するようになっている。これによって、通路部６１ａ、通路６４、採熱器１３、通路６５、通路部６２ｂ、放熱路３１の順に（採熱器１３と床暖房パネル３０の間で）熱媒が循環する循環回路が形成されるようになっている。
【００３０】
システムＳ３のコントローラ７０は、暖房運転の際、先ず、熱媒循環ポンプ６３を駆動するとともに、電磁三方弁６６により通路６５と通路部６２ｂを連通させる。これによって、熱媒が、採熱器１３と床暖房パネル３０との間で循環される。この熱媒が、採熱器１３を通過する過程で、貯湯槽１０の上側部の熱湯から多量の熱を受け取ることができる。これによって、放熱路３１から多量の放熱を行うことができる。この結果、床の温度をより一層短時間で所望のレベルまで立ち上げることができる。
【００３１】
暖房開始から所定の時間（例えば５分〜３０分）が経過した後、又は、床暖房パネル３０の出口（放熱路３１の下流端）での熱媒温度が所定（例えば５０℃）に達した後、コントローラ７０は、電磁三方弁６６により通路部６２ａ，６２ｂを連通させる。これによって、熱媒が、熱交換器５０と床暖房パネル３０との間で循環される。これに併せて、コントローラ７０は、水循環系４０の電磁三方弁４４により伝熱管５１と往路部４１ｂを連通させるとともに、ヒートポンプ２０と水循環ポンプ４３を駆動する。これによって、水が、ヒートポンプ２０と熱交換器５０との間で循環される。よって、上記第１実施形態で述べたのと同様に、ヒートポンプ２０の小さな出力により快適な暖房状態を効率的に維持することができる。
【００３２】
図４は、本発明の第４実施形態に係る給湯暖房システムＳ４を示したものである。このシステムＳ４は、上記第３実施形態のシステムＳ３に、太陽熱集熱器８０と太陽熱放熱器１４が付加されている。集熱器８０は、屋根などの屋外に設置され、太陽熱を集熱して熱媒に与える。放熱器１４は、伝熱管にて構成され、貯湯槽１０の下側部に収容されている。
【００３３】
これら集熱器８０と放熱器１４は、熱媒循環系６０を介して接続されている。すなわち、熱媒循環系６０は、集熱器８０の下流端から延びて放熱器１４の上流端に連なる熱媒通路９１と、放熱器１４の下流端から延びて集熱器８０の上流端に連なる熱媒通路９２とを含んでいる。通路９２には、熱媒循環ポンプ９３が設けられている。
【００３４】
熱媒通路９１の中途部から熱媒通路９４が分岐して延びている。通路９４の下流端は、電磁三方弁９７を介して通路部６２ｂに接続されている。通路部６２ｂは、弁９７を挟んで床暖房パネル３０側の通路部分６２ｄと、その反対側の通路部分６２ｃとに分かれている。
【００３５】
さらに、床暖房パネル３０の下流側の通路部６１ａには、ポンプ６３よりパネル３０側から熱媒通路９５が分岐して延びている。この分岐部を境に、通路部６１ａは、パネル３０側の通路部分６１ｃと、ポンプ６３を含む通路部分６１ｄとに分かれている。
【００３６】
熱媒通路９５の下流端は、電磁三方弁９８を介して、通路９４との分岐部より下流の熱媒通路９１に接続されている。この接続部（弁９８）より下流の熱媒通路９１には、電磁三方弁９９が設けられており、この弁９９から短絡通路９６が延びて、ポンプ９３より貯湯槽１０側の熱媒通路９２に連なっている。
【００３７】
熱媒通路９１は、集熱器８０と通路９４間の通路部９１ａと、通路９４と弁９８間の通路部９１ｂと、弁９８，９９間の通路部９１ｃと、弁９９と貯湯槽１０間の通路部９１ｄとに分けられている。
【００３８】
電磁三方弁９７は、例えばソレノイドオフのとき、通路部分６２ｃ，６２ｄどうしを連通するとともに、通路９４を遮断するようになっている。また、ソレノイドオンのとき、通路９４と通路部分６２ｄを連通するとともに、通路部分６２ｃを遮断するようになっている。
【００３９】
電磁三方弁９８は、例えばソレノイドオフのとき、通路部９１ｂ，９１ｃどうしを連通するとともに、通路９５を遮断するようになっている。また、ソレノイドオンのとき、通路９５と通路部９１ｃを連通するとともに、通路部９１ｂを遮断するようになっている。
【００４０】
電磁三方弁９９は、例えばソレノイドオフのとき、通路部９１ｃ，９１ｄどうしを連通するとともに、通路９６を遮断するようになっている。また、ソレノイドオンのとき、通路部９１ｄを遮断するとともに、通路部９１ｃと通路９６を連通し、ひいては通路９１，９２どうしを通路９６を介して短絡するようになっている。
【００４１】
システムＳ４のコントローラ７０には、モード指定スイッチ７１（指定手段）が接続されている。居住者は、このスイッチ７１により、熱媒循環系６０に対して貯湯主体モードと暖房貯湯モードの一方を指定できるようになっている。
【００４２】
すなわち、春〜秋などの暖房が不要な季節には、貯湯主体モードを指定しておく。このモードでは、晴天の日中などのように、集熱器８０が太陽熱を十分集熱できる時、具体的には、温度センサ７２による集熱器８０の出口での熱媒温度が、温度センサ７４による貯湯槽１０の放熱器１４周辺での水温より十分（例えば５℃〜１０℃以上）高くなった時、コントローラ７０が、電磁三方弁９８，９９により通路部９１ｂ〜９１ｄを連通させるとともに、熱媒循環ポンプ９３を駆動することにより、太陽熱利用貯湯運転を実行する。これによって、熱媒が、集熱器８０、通路９１、放熱器１４、通路９２の順に循環される（集熱器８０と放熱器１４との間で循環される）。この熱媒が、集熱器８０で太陽熱を受け取り、放熱器１４で放熱する。これによって、貯湯槽１０内の水を加温することができる。
【００４３】
なお、貯湯主体モードにおいても、床暖房パネル３０がオンされると、上記第３実施形態のシステムＳ３と同様の暖房運転が実行される。太陽熱利用貯湯運転を実行中に、床暖房パネル３０がオンされた場合には、太陽熱利用貯湯運転と暖房運転とが併行して行われることになる。
【００４４】
冬季になると、スイッチ７１によって暖房貯湯モードを指定しておく。このモードでは、晴天の日中（太陽熱を十分集熱可能な時、具体的には、集熱器８０出口での熱媒温度が、温度センサ７３による床暖房パネル３０出口での熱媒温度や貯湯槽１０の放熱器１４周辺での水温より十分高い時）になると、コントローラ７０が、太陽熱利用暖房貯湯運転を実行する。すなわち、弁９７により通路９４と通路部分６２ｄを連通させ、弁９８により通路９５と通路部９１ｃを連通させ、弁９９により通路部９１ｃ，９１ｄを連通させ、さらに熱媒循環ポンプ９３を駆動する。
【００４５】
これによって、熱媒が、集熱器８０、通路部９１ａ、通路９４、通路部分６２ｄ、放熱路３１、通路部分６１ｃ、通路９５、通路部９１ｃ，９１ｄ、放熱器１４、通路９２の順に循環される。この熱媒が、集熱器８０から受け取った太陽熱を放熱路３１で放熱するとともに、放熱器１４で放熱する。放熱器１４での放熱によって貯湯槽１０内の水を加温することができる。また、放熱路３１での放熱によって、床暖房パネル３０がオフになっているときでも、床暖房パネル３０を温め、暖房状態にすることができる。
【００４６】
この太陽熱利用暖房貯湯運転だけでは暖房が十分でない場合には、床暖房パネル３０をオンする。これによって、太陽熱利用暖房貯湯運転が停止され、上記システムＳ３と同様の暖房運転が実行される。すなわち、コントローラ７０が、まず、弁６６により通路６５と通路部分６２ｃを連通させ、弁９７により通路部分６２３ｃ，６２ｄを連通させ、熱媒循環ポンプ６３を駆動する。
【００４７】
これによって、熱媒が、貯湯槽１０の採熱器１３と床暖房パネル３０の放熱路３１の間で循環され、貯湯槽１０で採熱し、床暖房パネル３０で放熱する。床暖房パネル３０は、太陽熱利用暖房貯湯運転によって既に温められているので、より短い時間で快適な暖房状態にすることができる。
【００４８】
その後、コントローラ７０は、弁６６を通路部６２ａ，６２ｂの連通状態に切り換えるとともに、弁４４により伝熱管５１と往路部４１ｂを連通させ、ヒートポンプ２０と水循環ポンプ４３を駆動する。これによって、水が、ヒートポンプ２０と熱交換器５０との間で循環され、熱媒が、熱交換器５０と床暖房パネル３０との間で循環される。そして、ヒートポンプ２０から熱交換器５を介して床暖房パネル３０に熱が供給され、快適な暖房状態が維持される。
【００４９】
なお、暖房貯湯モードでも、貯湯主体モードと同様に、上記暖房運転と併行して、集熱器８０と放熱器１４との間で熱媒を循環させ、上記太陽熱利用貯湯運転を実行する場合がある。
【００５０】
暖房運転を停止している時において、集熱器８０が床暖房パネル３０より十分高温でない場合には、熱媒を集熱器８０と放熱器１４との間だけで循環させ、床暖房パネル３０をパスする。
【００５１】
一方、集熱器８０が貯湯槽１０より十分高温でない時には、熱媒を集熱器８０と床暖房パネル３０との間だけで循環させ、放熱器１４をパスする。すなわち、弁９７で通路９４と通路部分６２ｄを連通させ、弁９８で通路９５と通路部９１ｃを連通させ、弁９９で通路部９１ｃと通路９６を連通させ、循環ポンプ９３を駆動することにより、熱媒を、通路９２、集熱器８０、通路部９１ａ、通路９４、通路部分６２ｄ、放熱路３１、通路部分６１ｃ、通路９５、通路部９１ｃ、通路９６の順に循環させる。
【００５２】
集熱器８０が、貯湯槽１０及び床暖房パネル３０の何れよりも十分高温でない時には、熱媒循環ポンプ９３が停止される。
【００５３】
深夜には、貯湯主体モード及び暖房貯湯モードの何れにおいても、第１実施形態で述べたのと同様の貯湯運転が実行される。なお、このシステムＳ４では、水循環系４０の往路４１の上流端が、貯湯槽１０における放熱器１４より上に配されている。したがって、貯湯運転によって、貯湯槽１０内の水は、放熱器１４より上側では熱湯になるが、放熱器１４の周りでは低温のまま維持される。これによって、明くる日の日中、太陽熱で貯湯する際に、放熱器１４での熱媒の放熱効率を高めることができ、ひいては、集熱器８０に入る熱媒を低温にして太陽熱集熱効率を高くすることができる。
【００５４】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
例えば、システムＳ３，Ｓ４においても、ヒートポンプ２０に代えて、ヒートポンプ２０’と補助ヒータ２２とにより熱源器を構成してもよい。
システムＳ４において、モード指定スイッチ７１をリモコン操作装置に設け、スイッチング情報が無線でコントローラ７０に送られるようにしてもよい。さらに、指定手段が、モードを季節や気温などに応じて自動的に指定するようになっていてもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヒートポンプは、出口での水温約９０℃まで高めることができるので、熱交換器において、熱媒を例えば８０℃程度まで加温できる。これによって、床の温度を短時間で所望のレベルまで立ち上げることができる。その後もヒートポンプの小さな出力で快適な暖房状態を十分に維持可能であり、従来システムのように貯湯槽内の多量の水を加温し続ける必要はない。又貯湯運転に際して、まず電磁三方弁で伝熱管と往路部を連通させ、水をヒートポンプと熱交換器との間で数十秒〜数分程度循環させ、そのうえで、電磁三方弁で往路部を連通させ、ヒートポンプと貯湯槽との間で循環させることで、熱交換器の伝熱管に水が長時間滞留するのを防止でき、衛生を保つことができる。従って、貯湯だけでなく暖房をも効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る給湯暖房システムの概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１〜Ｓ４  給湯暖房システム
１０  貯湯槽
１３  採熱器
１４  放熱器
２０  ヒートポンプ
２２  補助ヒータ
３０  床暖房パネル（暖房器）
４０  水循環系
５０  熱交換器
６０  熱媒循環系
７１  モード指定スイッチ（指定手段）
【図１】
0004025026.tif 000002
【図２】
0004025026.tif 000003
【図３】
0004025026.tif 000004
【図４】
0004025026.tif 000005