(57)【要約】      （修正有）【課題】ヒートポンプ給湯器において、水道水温度が低い冬季でも６０℃以上の出湯温度を可能にする。【解決手段】２台の圧縮機と２回路の独立した冷媒サイクルを使用して、低温段加熱用と高温段加熱用に別け、冬季には５℃の水道水を低温段加熱用冷媒サイクルでは３５℃程度まで昇温し、次に高温段加熱用冷媒サイクルで６５℃まで昇温加熱して出湯出来るよう組み合わせた。また本発明では凝縮器、すなわち、給湯用加熱器に２重管式熱交換器を採用し、圧縮機吐出の高温の過熱冷媒ガスの顕熱を活かして、凝縮温度より高温の出湯温度が得られる様にした。【選択図】図１
2009281712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水を熱源とするヒートポンプ給湯器において、各２台の冷媒圧縮機、凝縮器、絞り装置、蒸発器を使用して、冷媒回路的には２組の独立したヒートポンプサイクルを形成し、１台目の圧縮機によるヒートポンプでは水道水などの被加熱水を必要な給湯温度まで昇温させる温度幅の前半分を加熱し、２台目の圧縮機によるヒートポンプでは後半分を加熱するよう、２台のヒートポンプの凝縮器を水回路的には２台直列に接続したことを特色とする地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項２】
請求項１のヒートポンプ給湯器において２台の蒸発器についても、熱源水回路的には直列に接続し、昇温の後半の加熱を行うヒートポンプサイクルの蒸発器には熱源水としては先に熱交換をさせ、昇温の前半の加熱を行うヒートポンプサイクルの蒸発器には後に熱交換をさせるように接続したことを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項３】
請求項１のヒートポンプ給湯器において水道水を加熱する凝縮器の全体または出湯口に近い部分を２重管式の熱交換器とし、被加熱水と圧縮機からの吐出冷媒ガスを逆流の関係になるように接続したことを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項４】
請求項１並びに請求項３のヒートポンプ給湯器において、各凝縮器の冷媒入口では圧縮機の吐出ガスが過熱状態になるような冷媒の充填量とし、凝縮温度より高い出湯温度を得るようにしたことを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項５】
請求項３のヒートポンプ給湯器において、水道水を加熱する２重管式の凝縮器の通水路を加熱初期の低温の部分では高い流速とし、温度が上昇するに従って流速が遅くなるよう、管路の直径を増したり、並列に使用する管路の本数を増すなどの変化を与えて、通水路全長に亙って高い熱伝達率と低い圧力損失で使用できるような構造を持つことを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項６】
夜間時間帯など使用頻度の少ない時間帯には貯湯槽に貯湯するために適した６５℃以上の高温の出湯温度まで昇温し、使用頻度の多い昼間などの時間帯には直接使用して適温の４０℃〜４５℃程度の低温の出湯温度まで昇温するように、時間帯別に自動的に出湯温度を切り替えることを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項７】
請求項６のヒートポンプ給湯器において高温で出湯する場合と低温で出湯する場合を別けて、電動弁などで切り替えて２つの異なる出湯口から出湯するように給湯回路を形成したことを特色とする請求項１の地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項８】
請求項１．２．６のヒートポンプ給湯器において高温出湯する場合は２つのヒートポンプサイクルの凝縮器、蒸発器をそれぞれ直列接続となるように、また、低温出湯する場合には２つのヒートポンプサイクルの凝縮器、蒸発器をそれぞれ並列接続となるように電動弁などの切り替え弁によって水回路の切り替え使用を可能にしたことを特色とする地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項９】
本発明によるヒートポンプ給湯器を設置する大規模建物において、夏季に冷房負荷がある場合には地下水熱源から、冷房装置の負荷を処理する冷水循環系統に切り替えて、１６℃→４℃の温度範囲を冷房期間に限り１２℃→７℃に変更し、水量もこれに合わせて増し、夏季の地下水使用を抑制すると同時に、冷房廃熱を給湯に利用することを可能にした事を特色とする地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【請求項１０】
請求項９のヒートポンプ給湯器を夜間電力による貯湯式給湯に使用するに際し冷房についても夜間、同時に氷蓄熱を行える様に冷媒回路の氷蓄熱設備を併設し、または外部の氷蓄熱設備に接続運用を可能にしたことを特色とする地下水熱源ヒートポンプ給湯器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  医療施設・福祉施設療・療養所・ホテルなど給湯を必要とする大型建物の業務用の給湯設備に関する。
【背景技術】
【０００２】  上記の大形建物の業務用の給湯設備には、在来、石化燃料のボイラーを使用して給湯加熱を行っており、極く一部にはヒートポンプ給湯器も使用されているが在来の地下水熱源ヒートポンプ給湯器はヒートポンプサイクル１段のものが殆どで、近年、レジオネラ菌対策として求められる６０℃以上の出湯温度には到達出来ないものや、到達してもエネルギー消費効率が極めて低いものである。
【発明の開示】
【０００３】  この発明は、上記の背景に照らし、６５℃までの昇温を行っても実用性が高く、省エネルギーの観点からエネルギー消費効率の高い地下水熱源のヒートポンプ給湯器を提供する技術に関する。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  多くの熱エネルギーを必要とする給湯設備について、地球温暖化防止のために為すべき事は、電動式圧縮機を用い、ヒートポンプを利用して熱源とする地下水から熱を採って給湯加熱に使用するに当たり、近年レジオネラ菌対策として求められる６０℃以上の出湯温度まで昇温してもエネルギー消費効率を高く維持し、石化燃料の使用を止めるのみならず、消費電力を低く抑えることが重要で、かつ、原子力発電によるクリーンエネルギーを使用するため、夜間電力でヒートポンプを運転して貯湯する様、温度に余裕をもって６５℃以上で出湯する事が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  そこで本発明では１台の地下水熱源ヒートポンプに２台の冷媒圧縮機を使用して２つのヒートポンプサイクルを造り、夫れ夫れのヒートポンプサイクルの圧縮比を低減して２段加熱を行うことによって、高い出湯温度を保ちながら、１段加熱の在来の地下水熱源ヒートポンプ給湯器に比較してエネルギー消費効率を高く維持することのできる地下水熱源ヒートポンプ給湯器を提供する。
【発明の効果】
【０００６】  医療施設・福祉施設療・療養所・ホテルなど給湯を必要とする大型建物の業務用の給湯設備では、在来殆んどが石化燃料を使用して給湯加熱を行っているため、本発明により給湯加熱の方法が直接石化燃料のエネルギーを消費することから、地下水の持つ天然のエネルギーを使用することに替わり、その手段として電力が使用されることになり、地球温暖化ガスのばら蒔きが抑制される。また極く一部でヒートポンプ給湯器が使われているが、在来のヒートポンプ給湯器は１段加熱であるため、近年必要となったレジオネラ菌対策として採られる６０℃以上の出湯温度という制約の中では効率が低下して使用に耐えないか、または使用出来ないものが殆んどである。
【０００７】  本発明による給湯器は６５℃以上の出湯温度でもエネルギー消費効率が４〜５程度と高く、発電所や送配電設備の３５％程度の効率から見ると、発電に使用する石化燃料の使用も３０％〜４０％の大幅な節減となり、更に、夜間時間帯における原子力発電による電力を使用して貯湯槽に貯えて翌日の使用に供することによって、その分だけ石化燃料の消費もゼロ、地球温暖化ガスの排出もゼロとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】  本発明を実施する場合の地下水熱源ヒートポンプ給湯器は次のとおりの構成とする。主たる機器は、２台の冷媒圧縮機で夫れ夫れ高温段加熱と低温段加熱に使用するもの、２組の２重管式凝縮器で夫れ夫れ高温段加熱と低温段加熱に使用され、前者は後者より並列に使用する被加熱水の管路の数が多いか、管路の直径が大きいもの、冷媒の減圧膨張に使用する２組の絞り装置、地下水から冷媒ガスに熱を移動吸収させる２台の蒸発器、冷媒管路、被加熱水管路、給水槽、給水ポンプ、温度調節弁、熱源水閉止弁、出湯温度センサー、温度調節器、フロースイッチ、電気回路、制御装置、筺体、構造体、ケーシングなどからなる。【０００９】  冷媒管路は圧縮機吐出口から凝縮器入口へ、凝縮器出口から絞り装置を経て蒸発器入口へ、蒸発器出口から圧縮機吸入口へと循環経路を形成し、高温段用、低温段用の二つの独立した冷媒循環サイクルを形成する。【００１０】  被加熱水管路は水道水入口から給水槽へボールタップによって接続され、給水槽から給水ポンプを経て被加熱水は加圧され、低温段の凝縮器入口へ、低温段凝縮器出口から高温段凝縮器入口へ、高温段凝縮器出口から、温度センサー取り付け部分、温度調節弁を経て出湯口へと順次接続されている。【００１１】  熱源地下水は熱源水入口から高温段用冷媒サイクルの蒸発器入口へ、高温段用冷媒サイクルの蒸発器出口から低温段用冷媒サイクルの蒸発器入口へ、低温段用冷媒サイクルの蒸発器出口からフロースイッチ、熱源水閉止弁を経て排水口へと順次接続されている。本発明では上に述べた様な冷媒圧縮機をはじめとする部品構成と接続関係をもって２つの冷媒サイクルと被加熱水回路、熱源地下水回路により地下水熱源ヒートポンプ給湯器を構成した。
【実施例】
【００１２】  本発明による地下水熱源ヒートポンプ給湯器の作動に就いて［図１］の系統図に沿って説明する。図中１は高温段用圧縮機で２重管式の高温段用凝縮器２、高温段用絞り装置３、高温段用蒸発器４の４個の主要部品をもって１、２、３、４、１の順に冷媒管路で接続され、高温段冷媒サイクルを形成している。また同様に、低温段用圧縮機５、２重管式の低温段用凝縮器６、低温段用絞り装置７、低温段用蒸発器８の４個の主要部品をもって５、６、７、８、５の順に冷媒管路で接続され、低温段冷媒サイクルを形成しており、各冷媒サイクル内には適量の冷媒が充填されている。【００１３】  水道水を給水口９からボールタップ１０を経て給水槽１１に一定水位で張り、給水ポンプ１２を運転して水道水を低温段加熱用凝縮器６、高温段加熱用凝縮器２へ送る。圧縮機の運転を行わない間は水温が上昇していないので、温度センサー１３が水温が設定された出湯温度と比較して低い場合は温度調節器１４を通じて温度調節弁１５に閉の信号を送り、温度調節弁１５が閉止しているため、給水ポンプ１１の働きによって圧力は掛かっていても調節弁１５の先へは流れない。【００１４】  次に、熱源水閉止弁１６を開放し、外部の熱源水ポンプによって加圧された熱源地下水は高温段用蒸発器４、低温段用蒸発器８を経て、フロースイッチ１７を作動させて排水口１８から排水される。ここで、高温段用圧縮機１と低温段用圧縮機５を運転すると、冷媒ガスが圧縮され、高温段冷媒サイクル、低温段冷媒サイクルとも圧縮機吐出口から、凝縮器、絞り装置、蒸発器を順次経て圧縮機吸入口へと冷媒は戻り、以降は同様に繰り返し循環する。【００１５】  圧縮機で圧縮された冷媒ガスは高温高圧となり、凝縮器に達して冷媒ガスより低温の被加熱水に熱を奪われて、凝縮液化して凝縮器から絞り装置を通り、蒸発器に達して圧力が低下して冷媒自身の蒸発が始まり、熱源水の温度より低くなると熱源水から熱を得て、熱源水よりやや低い温度のガスとなり、再び圧縮機へと戻り、冷媒サイクルとして冷媒が循環作動する。【００１６】  圧縮機の運転で温度センサー１３の周囲の水温が６５℃近く上がると、温度センサー１３の信号で温度調節器１４が反応し、温度調節弁１５を開き始めると、冬季５℃の給水は低温段加熱用凝縮器、高温段加熱用凝縮器を経て温度センサー１３の周囲を通過して、開いた温度調節弁１５から出湯口１９に至り、出湯する。【００１７】  この作動を数値的に捉えるために［図２］、［図３］の冷媒Ｒ４０７Ｃのモリエル線図に沿って説明する。モリエル線図の座標は、縦座標が冷媒の圧力、横座標が冷媒１ｋｇの持つ熱量を示し、半卵形の曲線は頂点が冷媒の臨界点、臨界点より右の曲線は飽和蒸気線でこれより右は冷媒が蒸気の状態であることを示し、左の曲線は飽和液線でこれより左は冷媒が液の状態であることを示す。【００１８】  さらに、半卵形の内側は冷媒が液・ガス混じりの状態であることを示している。モリエル線図の上から右へのＳ字形の曲線は臨界点より右は冷媒の蒸気の温度を示し、左方では冷媒の液の温度を示している。また右方に描かれた右上がりの曲線は断熱圧縮、または断熱膨張の変化を示し、圧縮機での圧縮による冷媒の状態変化は理論的にはこの曲���に沿って起こるとして知られている。［図４］は本発明によらない在来の一段加熱のヒートポンプの冷媒サイクルの状態を示し、本発明と比較させて本発明の省エネルギー効果を明かにするためのものである。【００１９】  ［図２］モリエル線図に示した逆台形は低温段冷媒サイクルの冷媒循環を示し、［図３］モリエル線図に示した逆台形は高温段冷媒サイクルの冷媒循環を示す。逆台形の右、断熱圧縮線の下端は圧縮機入口の冷媒ガスの状態を示し、圧縮機で圧縮された冷媒ガスは斜線に沿って上昇しその状態は変化して高温高圧となり断熱圧縮線の上端の状態で圧縮機を出る。【００２０】  逆台形の上の水定圧力線は右端から凝縮器を略一定の圧力で通過する際に、冷媒ガス温度より低温の被加熱水に先ず過熱蒸気の顕熱を放出し飽和蒸気線の温度まで下がると液化が始まり凝縮の潜熱を放出し、更に左に進んで飽和液線から先は完全に液の状態となり、それ以降は液の顕熱を放出して過冷却の状態になり下の定圧力線の左端に達する。【００２１】  この高圧の冷媒液はこの先に連なる絞り装置が、蒸発器を経由して圧縮機吸入口と連絡しているので、圧縮機の運転により圧力が低下し、逆台形の左、等エンタルピー線に沿って上端から下に向けて圧力が低下し、絞り装置では圧縮機の圧力差に近い圧力差が生じるため、冷媒液は絞り装置を通過して低圧となり、逆台形の下の定圧力線の左端に達する。【００２２】  この間に低圧のため液冷媒は蒸発が始まり、気化の潜熱により冷媒自身の温度が低下し、蒸発器を流れる熱源地下水の温度より低くなると、熱源地下水から気化の潜熱を得て蒸発し、完全に蒸発が終わると、飽和蒸気線を左から右へ越えて逆台形の下の定圧力線の右端に示される過熱状態となって、再び圧縮機に吸入され、圧縮されてサイクル内を循環する。このように、圧縮機で電力を使用して、使用した電力の数倍の熱エネルギーを熱源地下水から得て、被加熱水に与え被加熱水を昇温して給湯の目的を達する。【００２３】  先ず、［図２］の低温段冷媒サイクルについて検討をする。逆台形の右の断熱圧縮線の下端、すなわち、圧縮機入口の状態では温度は１０℃、圧力は０．５ＭＰａ、熱量は４１９ｋＪ／ｋｇ、蒸発温度は２．５℃であり、同断熱圧縮線の上端、すなわち、圧縮機出口では冷媒温度は５０℃、圧力は１．３３ＭＰａ、熱量は４４２ｋＪ／ｋｇ、凝縮温度は３３℃である。ここでは圧縮機で圧縮されることによって４４２ｋＪ／ｋｇ−４１９ｋＪ／ｋｇ＝２３ｋＪ／ｋｇの熱量換算電力を受け取って、圧力が１．３３ＭＰａ−０．５ＭＰａ＝０．８３ＭＰａ上昇し、冷媒の実際の過熱温度は１０℃から５０℃まで４０℃上昇して、高温高圧の過熱蒸気となっている。【００２４】  次に凝縮器での変化について説明すると、上の定圧力線の左端では、温度が９℃、圧力は変化なし、熱量は２０８ｋＪ／ｋｇの液冷媒の状態を示している。これは圧縮機を出た５０℃の高温の冷媒蒸気が冬季５℃で入って来る水道水に過熱蒸気の顕熱を与えて温度が下がり、３３℃まで冷却されると飽和蒸気線を左に越えて凝縮が始まり、更に凝縮潜熱を３３℃から２８℃程度まで温度降下しながら水道水に放出して飽和液線に達して完全に液化し、更に５℃の水道水入口付近の温度によって８℃程���まで液冷媒の顕熱を放出して凝縮器での変化を終了する。この間に、被加熱水に与えられる熱量は４４２ｋＪ／ｋｇ−２０８ｋＪ／ｋｇ＝２３４ｋＪ／ｋｇである。【００２５】  一方、水道水は冬季は５℃で凝縮器に入り、冷媒の出口で８℃から３５℃まで変化する液冷媒と熱交換して次第に温度が上がり、３２℃で凝縮潜熱を放出する液・ガス混じりの冷媒からもその熱を受けて約３０℃程度まで昇温し、その後は３３から５０℃まで温度変化する過熱冷媒ガスと被加熱水とは逆流の関係で過熱冷媒ガスの顕熱を吸収しながら出口では凝縮温度より高い３６℃に達する。この熱交換は、冷媒サイクルの充填冷媒量を適切に管理して確実に過熱状態で圧縮機に吸入される状態を造り、圧縮機出口で凝縮温度より２０℃程度以上高い過熱蒸気となるようにして初めて可能になると同時に、これらのアプローチの小さい優れた熱伝達は逆流２重管熱交換器にして初めて成立する熱交換であり、一般のプレート熱交換器では望むらくもないことである。【００２６】  次に、絞り装置を通過する際には圧力が１．３３ＭＰａから０．５ＭＰａまで一気に下がるので、液冷媒は圧力低下により蒸発が始まり、下がり上から下へ飽和液線を越えて、自身の温度が−４℃まで下がった液・ガス混じりの状態となり、ここから冷媒は蒸発器に入り、高温段蒸発器で先に熱を奪われて１６℃から１０℃程度まで冷却された熱源地下水と熱交換して、−４℃から次第に温度上昇を伴って、蒸発温度２．５℃まで達すると完全に蒸発して蒸気となり、更に、飽和蒸気線を左から右へ越えて１０℃程度まで昇温し、圧縮機吸入口へ戻り、以降は繰り返し循環する。低温段蒸発器で熱源地下水から得る熱量は４１９ｋＪ／ｋｇ−２０８ｋＪ／ｋｇ＝２１１ｋＪ／ｋｇである。【００２７】  熱源地下水が豊富に得られる場合は請求項２に関わりなく、高温段加熱用蒸発器と低温段蒸発器の双方に並列に１６℃の熱源地下水を供給する方が、蒸発温度が上昇し、ヒートポンプの効率は向上することは勿論であるが、熱源地下水が豊富では無い場合でも、請求項２によれば余り効率を下げずに運転可能である。【００２８】  上の冷媒サイクルの運転を熱量的に見ると、圧縮機で２３ｋＪ／ｋｇの熱量換算の電力を使って熱源地下水から２１１ｋＪ／ｋｇの熱量を取り入れ、凝縮器ではこれに圧縮機で使用した２３ｋＪ／ｋｇの熱量換算の電力を加えて２３４ｋＪｋｇとして被加熱水を加熱したことになり、効率は２３４／２３＝１０．２となる。ただし、この値は理論上の効率であり、実際には圧縮機による圧縮の際に、圧縮機の効率、フロンガスの熱力学上の理想気体との差異などによって理論値と実際値の間には４５％〜５０％程度の効率低下が見られ、これをモリエル線図上に示すと、右の圧縮線は熱量差が１．８倍から２倍程度増して、破線で示した傾斜の緩い線となり、圧縮線の右上端の圧縮機出口の冷媒ガス温度は、過熱度が増して電力消費が１．８倍としても２３ｋＪ／ｋｇ×１．８＝４２ｋＪ／ｋｇで熱量は４１９ｋＪ／ｋｇ＋４２ｋＪ／ｋｇ＝４６１ｋＪ／ｋｇの点で６８℃となる。【００２９】  従って、実際の冷媒サイクルでは２１１ｋＪ／ｋｇの取り入れ熱量に４２ｋＪ／ｋｇの圧縮機入力が加算されて、被過熱水の加熱量は２５３ｋＪ���ｋｇに増し、効率は２５３／４２＝６．０３となる。しかしながら、本発明による２重管式熱交換器で被加熱水と圧縮機吐出ガスを完全逆流で利用すれば、被加熱水としては最後の段階で、圧縮機吐出口からの６８℃の高温の冷媒蒸気の熱と接して、昇温の目的に正に適った運転状態を造ることが出来る。【００３０】  ここで、９ｋＷ入力の圧縮機を使用すれば被加熱水の加熱量は６．０３倍の５４．３ｋＷとなり（４６７００ｋｃａｌ）、１５５０Ｌｉｔ／ｈの５℃の被加熱水を３０℃昇温して３５℃として次の高温段ヒートポンプに送る結果となる。なお、高温段ヒートポンプで熱を吸収されて概ね１０．６℃に温度低下した熱源地下水６６００Ｌｉｔ／ｈは、ここで更に５４．３ｋＷ−９ｋＷ＝４５．３ｋＷ（３９０００ｋｃａｌ）の熱を吸収されて４．７℃まで温度低下して排水される。【００３１】  水道水はここで５℃から３５℃まで昇温されるが、２重管の熱伝達率を高く保つことは、熱交換器のコスト、しいては、ヒートポンプのコストに影響を与える。熱伝達率を高く採るためには、管内流速によるレイノルズ数が３６００以上の準乱流から乱流の範囲で流速を決めることが必要であるが、レイノルズ数は流速と管内径の積に比例し、流体の動粘性係数に逆比例する関係にあり、水の動粘性係数は本発明のヒートポンプの加熱温度範囲内でも４倍近く変化するので注意が必要である。さらに、流速を上げて熱伝達率は向上しても、流速の２乗で熱交換器の圧力損失が決まるので、双方のバランスを配慮することが必要である。【００３２】  例えば内径８ｍｍの管で、レイノルズ数が４０００になる流速は温度によって異なり、５℃では８０ｃｍ／ｓｅｃ、３５℃では３５ｃｍ／ｓｅｃ、６５℃では２２ｃｍ／ｓｅｃと大きく変化するので、乱流の状態を確保して、かつ、圧力損失を最小限に留めるためには、低温段の熱交換器では流速８０ｃｍを確保できる管断面積と本数を配慮する必要があり、高温段の熱交換器では管断面積と本数の積を２．３倍〜２．７倍にすることが必要であり、請求項５は本問題の解決に直結している。【００３３】  次に、［図３］の高温段冷媒サイクルについて検討をする。逆台形の右の断熱圧縮線の下端、すなわち、圧縮機入口の状態では温度は１４℃、圧力は０．６ＭＰａ、熱量は４２０ｋＪ／ｋｇ、蒸発温度では８℃であり、同斜線の上端、すなわち、圧縮機出口では冷媒温度は７４℃、圧力は２．２ＭＰａ、熱量は４５３ｋＪ／ｋｇ、凝縮温度は５４℃である。ここでは圧縮機で圧縮されることによって４５３ｋＪ／ｋｇ−４２０ｋＪ／ｋｇ＝３３ｋＪ／ｋｇの熱換算電力を受け取って、圧力が２．２ＭＰａ−０．６ＭＰａ＝１．６ＭＰａ上昇し、冷媒の実際の過熱温度は１４℃から７４℃まで６０℃上昇し、高温高圧の過熱蒸気となっている。【００３４】  次に、凝縮器での変化について説明すると、上の定圧力線の左端では温度が３９℃、圧力は変化なし、熱量は２５５ｋＪ／ｋｇの液冷媒の状態を示している。これは圧縮機を出た７４℃の高温の冷媒蒸気が、低温段で２３４ｋＪ／ｋｇの加熱を受けて３６℃まで温度上昇した被加熱水に、過熱蒸気の顕熱を与えて温度が下がり、５４℃まで冷却されると飽和蒸気線を左に越えて凝縮が始まり、更に凝縮潜熱を５４℃から５０℃程度まで温度降下しながら、被加熱水に放出して飽和液線に至り、完全に液化し、入って来る被加熱と熱交換して３９℃程度まで液冷媒の顕熱を放出して凝縮器での変化を終了する。この間に、被加熱水に与えられる熱量は４５３ｋＪ／ｋｇ−２５５ｋＪ／ｋｇ＝１９８ｋＪ／ｋｇである。【００３５】  次に、絞り装置を通過する際には圧力が２．２ＭＰａから０．６ＭＰａまで一気に下がるので、液冷媒は圧力低下により、蒸発が始まり上から下へ飽和液線を越えて、自身の温度が３℃程度まで下がった液・ガス混じりの状態となり、ここから冷媒は蒸発器に入り１６℃で入って来る熱源地下水と熱交換を行って、熱源地下水から熱を得て３℃から次第に温度上昇を伴って蒸発温度８℃まで達すると飽和蒸気線を左から右へ越えて１４℃程度まで昇温し、圧縮機入口まで戻り、以降は繰り返し循環する。高温段蒸発器で熱源地下水から得る熱量は４２０ｋＪ／ｋｇ−２５５ｋＪ／ｋｇ＝１６５ｋＪ／ｋｇである。【００３６】  上の冷媒サイクルの運転を熱量的に見ると、圧縮機で３３ｋＪ／ｋｇの熱量換算の電力を使用して熱源地下水から１６５ｋＪ／ｋｇの熱量を取り入れこれに加えて、１９８ｋＪ／ｋｇとして被加熱水を加熱したことになり、効率は１９８／３３＝６．０となる。ただし、この値は理論上に効率であり、実際には圧縮機による圧縮の際に、圧縮機の効率、フロンガスの熱力学上の理想気体との差異などに影響されて理論値と実際値の間には３５％〜４０％程度の効率低下が見られ、これをモリエル線図上に示すと右の圧縮線は熱量差が１．５倍から１．７倍程度増すために、破線で示した傾斜の緩い線となり、圧縮線の右上端の圧縮機出口の冷媒ガス温度は過熱度が増して電力消費量が１．５倍としても３３ｋＪ／ｋｇ×１．５＝５０Ｊ／ｋｇで、熱量は４２０ｋＪ／ｋｇ＋５０ｋＪ／ｋｇ＝４７０ｋＪ／ｋｇとなり、過熱温度は８９℃となることが判る。、【００３７】  従って、実際の冷媒サイクルでは１６５ｋＪ／ｋｇの取り入れ熱量に５０ｋＪ／ｋｇの圧縮機入力が加算されて、被加熱水の加熱量は２１５ｋＪ／ｋｇに増し、効率は２１５／５０＝４．３となる。しかしながら、本発明による２重管式熱交換器で被加熱水と圧縮機吐出ガスを完全逆流で利用すれば、被加熱水としては最後の段階で、圧縮機吐出口からの８９℃の高温の冷媒蒸気と接して、昇温の目的に正に適った運転状態を造ることが出来る。【００３８】  ここで、１２．６ｋＷ入力の圧縮機を使用すれば被加熱水の加熱量は４．３倍の５４ｋＷとなり（４６５００ｋｃａｌ）、低温段ヒートポンプで３５℃まで昇温された１５５０Ｌｉｔ／ｈの被加熱水をさらにここで３０℃昇温して６５℃で出湯できる結果となる。なお、１６℃の熱源地下水６６００Ｌｉｔ／ｈは５４ｋＷ−１２．６ｋＷ＝４１．４ｋＷ（３５６００ｋｃａｌ）の熱を吸収されて１０．６℃となり、さらにこの後、低温段ヒートポンプの熱源として利用される。【００４０】  結果的には、低温段ヒートポンプでは９ｋＷの圧縮機入力で１５５０Ｌｉｔ／ｈの５℃の水道水を５４．３ｋＷの熱量を以って加熱して３５℃まで昇温し、高温段ヒートポンプでは１２．６ｋＷの圧縮機入力で５４ｋＷの熱量を以って、上の３５℃の被加熱水を６５℃まで昇温して出湯することになり、効率としては（５４．３ｋＷ＋５４ｋＷ）／（９ｋＷ＋１２．６ｋＷ）＝５．０となる。【００４１】  次に、本発明による２段加熱ヒートポンプの有利性を明かにするため、１段加熱ヒートポンプとの比較を行う目的で、１段加熱ヒートポンプの冷媒サイクルを［図４］に示して以下に説明を述べる。逆台形の右の断熱圧縮線の下端、すなわち、圧縮機入口の状態では［図２］と同じに温度は１０℃、圧力は０．５ＭＰａ、熱量は４１８ｋＪ／ｋｇ、蒸発温度は２℃であり、同断熱圧縮線の上端、すなわち、圧縮機出口では、冷媒温度は７６℃、圧力は［図３］と同じに２．２ＭＰａ、熱量は４６０ｋＪ／ｋｇ、凝縮温度も［図３］と同じに５４℃である。圧縮機での熱量換算電力は４６０ｋＪ／ｋｇ−４１８ｋＪ／ｋｇ＝４２ｋＪ／ｋｇである。【００４２】  凝縮器での変化は、上の定圧力線の左端は温度については［図２］の場合と同じに９℃で、圧力は変化なく２．２ＭＰａ、熱量についても［図２］と同じに２０８ｋＪ／ｋｇの液冷媒の状態を示している。次に絞り装置を通過する際には圧力が２．２ＭＰａから０．５ＭＰａまで一気に下がるので、液冷媒は圧力低下によって蒸発が始まり、上から下へ飽和液線を越えて、自身の温度が［図２］の場合と同じ−３℃まで下がった液・ガス混じりの状態となる。ここから冷媒は蒸発器に入り、熱源地下水と熱交換して−３℃から次第に温度上昇を伴って、蒸発温度２．５℃まで達すると完全に蒸発して蒸気となり、飽和蒸気線を左から右へ越えて１０℃まで昇温して圧縮機入口へ戻り、以降は繰り返し循環する。蒸発器で熱源地下水から得る熱量は［図２］の場合と全く同様で、４１８ｋＪ／ｋｇ−２０８ｋＪ／ｋｇ＝２１０ｋＪ／ｋｇである。【００４４】  上の冷媒サイクルの運転を熱量的に見ると、圧縮機で４２ｋＪ／ｋｇの熱量換算電力を使って熱源地下水から２１０ｋＪ／ｋｇの熱を取り入れ、凝縮器ではこれに圧縮機で使用した４２ｋＷの熱量換算の電力を加えて２５２ｋＪ／ｋｇとして水道水を加熱したことになり、効率は２５２／４２＝６．０となる。【００４５】  ただし、この値は理論上の効率であり、実際には圧縮機による圧縮の際に、圧縮機の効率、フロンガスの熱力学上の理想気体との差異などの影響によって、理論値と実際値の間に４０％〜４５％程度の効率低下が見られ、これをモリエル線図に示すと、右の圧縮線は熱量差が１．７倍〜１．９倍程度増すために、破線で示した傾斜の緩い線となり、圧縮線の上右端の圧縮機出口の冷媒ガス温度は、過熱度が増して電力消費量が１．７倍としても４２ｋＪ／ｋｇ×１．７＝７２ｋＪ／ｋｇで、熱量は４１８ｋＪ／ｋｇ＋７２ｋＪ／ｋｇ＝４９０ｋＪ／ｋｇとなり、過熱温度は１０５℃となることが判る。【００４６】  従って、実際の冷媒サイクルでは２１０ｋＪ／ｋｇの取り入れ熱量に７２ｋＪ／ｋｇの圧縮機入力が加算されて、被過熱水の加熱量は２８２ｋＪ／ｋｇとなり、効率は２８２／７２＝３．９となる。ここで２１．６ｋＷ入力の圧縮機を使用すれば被加熱水の加熱量は３．９倍の８４ｋＷとなり（７２２４０ｋｃａｌ）、５℃の水道水を６５℃まで昇温加熱すると１２００Ｌｉｔ／ｈの水量となる。【００４７】  比較の結果は本発明による２段加���方式の場合は効率５．０で、２１．６ｋＷ入力の圧縮機を使用して５℃の水道水を１５５０Ｌｉｔ／ｈ、６５℃まで昇温、これに比較して同温度条件で１段加熱方式の場合は効率３．９で、同じ２１．６ｋＷ入力の圧縮機を使用して５℃の水道水を１２００Ｌｉｔ／ｈ、６５℃まで昇温となり、２段加熱の方が加熱水量で２９％増し、すなわち、２９％省エネルギー性能が優れていることになる。【００４８】  上に述べた比較は１段加熱についても本発明に含まれる２重管式の熱交換器を凝縮器に使用しており、圧縮機吐出の高温高圧冷媒ガスと、被加熱水を逆流させた場合には伝熱性能が極めて優れ、１０５℃の過熱蒸気の顕熱を利用して、凝縮温度が５５℃であるにも関わらず、これより１０℃も高い６５℃の出湯温度が得られる、本発明による特性の兼ね備えていてさえも、本発明の２段加熱方式より２９％も省エネルギー性能が劣っている。【００４９】  このことから考えても、況して、アプローチ性能の低いプレート熱交換器を使用した一般的な給湯用ヒートポンプでは６５℃出湯を求められ場合には凝縮温度は７０℃を越すことが必要で、１段加熱では圧縮機吐出ガス温度は１２０℃を越すことになり、現在のこの種の圧縮機の常識的吐出ガス温度制限である１０８℃を越えないためには、液冷媒インジェクションなどの複雑な冷媒回路となる上に凝縮温度５５℃と比較すると凝縮温度７０℃の場合が理論上でも更に２２％低下し、本発明による２段加熱方式と比較すると、エネルギー消費効率は５０％にも満たないものとなる。【００５０】  本発明による地下水熱源ヒートポンプ給湯器を設置する大規模建物で、夏季に冷房の負荷がある場合には、夏季に限って地下水の使用を抑制し、地下水熱源の替わりに建物の冷房負荷を熱源とすることも可能である。［図１］の系統図で、排水口１８の先に分岐を設けて、分岐の一方を排水管に、他方を冷房設備の冷水往き管に接続し、熱源地下水入口２０の先に同様に分岐を設けて、分岐の一方を地下水熱源管に、他方を冷房設備の冷水還り管に接続すればよい。【００５１】  なお、還り温度１６℃、往き温度４．６℃の冷水は一般的に冷房設備としては温度差が大きすぎるので、冷房設備側の冷水ポンプの仕様によって冷水循環量を期間中は増して、冷房設備にとって好都合になる様な運転を行って、多少給湯の温度に変化が生じても、夏季で給湯にも余裕が出来ることもあり支障は生じない。【００５２】  更に、夜間時間帯に貯湯槽に貯湯を行う場合、冷房設備についても氷蓄熱を利用してこれに対応することが望まれる場合には、低温段の蒸発器の冷媒回路に切り替え弁を設置して、低温段の蒸発器と並列の関係となるように、外部の氷蓄熱槽の蒸発器への接続を可能に準備することもよい。または、氷蓄熱槽を本体に組み込むことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】  上の説明の通り、本発明による地下水熱源ヒートポンプ２段加熱式給湯機は、近年、レジオネラ菌対策として必要な６０℃以上の出湯温度の確保を条件とした場合にでも、余裕をもって６５℃以上出湯温度を確保でき、省エネルギー性能もエネルギー消費効率５．０と優れ、常識的な１段加熱のヒートポンプでは、６５℃の出湯温度ではエネルギー消費効率３．０達することは不可能に近く、これについても装置が複雑になり極めて高価に付くか、あるいは製作不可能となる。【００５４】  従って、省エネルギー性能が重視され、レジオネラ菌対策も急を要する昨今の給湯器を囲む社会環境から考えて、本発明による地下水熱源ヒートポンプ２段加熱式給湯器は、多いにこの方面で社会貢献が出来るものと考えてよい。【００５５】  また、請求項９、１０に述べた通り、夏季、渇水しがちな熱源地下水の使用を抑制して、熱源地下水に替わって、冷房負荷を熱源として使用すれば一石二鳥の優れた効果をも期待出来る。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】は本発明による地下水熱源２段加熱式ヒートポンプ給湯器のフロー図であり、
【図２】は低温段加熱ヒートポンプの冷媒サイクルの熱力学的図解、
【図３】は高温段加熱ヒートポンプの冷媒サイクルの熱力学的図解であり、
【図４】は本発明による２段加熱ヒートポンプと通常の１段加熱ヒートポンプとを比較するために用意された１段加熱ヒートポンプの冷媒サイクルの熱力学的図解を示す。
【符号の説明】
【００５７】  １．高温段加熱用冷媒圧縮機
２．高温段加熱用凝縮器
３．高温段加熱用絞り装置
４．高温段加熱用蒸発器
５．低温段加熱用冷媒圧縮機
６．低温段加熱用凝縮器
７．低温段加熱用絞り装置
８．低温段加熱用蒸発器
９．給水口
１０．ボールタップ
１１．給水槽
１２．給水ポンプ
１３．温度センサー
１４．温度調節器
１５．温度調節弁
１６．熱源水閉止弁
１７．フロースイッチ
１８．排水口
１９．出湯口
２０．熱源地下水入口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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