(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接膨張型熱交換器を太陽電池パネルの裏面に配設したハイブリッドパネルと、蓄熱槽に蓄熱させる蓄熱槽加熱手段と、圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、膨張弁とからヒートポンプサイクルを構成し、運転モードに応じて回路を切り替える手段を備え、
第１の冷房運転モードでは、前記圧縮機、前記室外熱交換器、前記蓄熱槽加熱手段をこの順に接続し、前記蓄熱槽加熱手段の後段の一方の経路に第１の膨張弁と前記室内熱交換器を接続するとともに、他方の経路に第２の膨張弁と前記ハイブリッドパネルを接続して、前記圧縮機に戻る回路を構成し、前記室内熱交換器と前記ハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに、前記室外熱交換器と前記蓄熱槽加熱手段を凝縮器として機能させ、
第２の冷房運転モードでは、前記圧縮機、前記室外熱交換器をこの順に接続し、前記室外熱交換器の後段の一方の経路に第１の膨張弁と前記室内熱交換器を接続するとともに、他方の経路に第２の膨張弁と前記ハイブリッドパネルを接続して、前記圧縮機に戻る回路を構成し、前記室内熱交換器と前記ハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに、前記室外熱交換器を凝縮器として機能させることを特徴とするソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機。
【請求項２】
前記第１の冷房運転モードと前記第２の冷房運転モードとの切り替えを、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度との温度差により行うことを特徴とする請求項１に記載のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ手段を用いた太陽光熱利用のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の太陽光熱を利用する冷暖房給湯機では、太陽電池パネルの裏面に一体的に設けた太陽光熱集熱器で太陽光熱を集め、この集めた熱を温水または不凍液等を用いて一旦蓄熱槽に蓄熱し、この熱を給湯または暖房の熱源として利用する構造となっている。
【０００３】
ところが、このような構造の冷暖房給湯機では、蓄熱槽の温度状態によって太陽光熱集熱器の温度が上昇し、そのため太陽電池パネルの温度も上昇して発電効率が低下するという欠点を有していた。この欠点を解決するために、ヒートポンプのフロン冷媒等の作動流体を太陽光熱集熱器に循環させて、作動流体の温度を低く保つようにしたものが特開平５−６６０６５号公報に開示されている。
【０００４】
この特開平５−６６０６５号公報に開示されたソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機では、圧縮機、冷媒水熱交換器、第一電子膨張弁、太陽電池パネルと太陽光熱集熱器を一体にしたハイブリッドパネルから構成されるソーラーヒートポンプ給湯回路と、圧縮機、冷媒水熱交換器、第二電子熱膨張弁、室内熱交換器から構成される冷房排熱ヒートポンプ給湯回路と、圧縮機、室内熱交換器、第二電子膨張弁、第一電子膨張弁、ハイブリッドパネルから構成されるソーラーヒートポンプ暖房回路と、圧縮機、室内熱交換器、第二電子膨張弁、第三電子膨張弁、室外熱交換器とから構成されるヒートポンプ暖房回路並びに圧縮機、室外熱交換器、第二電子膨張弁、室内熱交換器から構成されるヒートポンプ冷房回路とを有している。
【０００５】
上記構成の従来の冷暖房給湯機では、ソーラーヒートポンプ給湯時およびソーラーヒートポンプ暖房時においては、太陽電池パネルは大気より低い温度に保つことができ、温度上昇による発電効率の低下を抑制することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−６６０６５号に示された従来の冷暖房給湯機では、太陽光熱の集熱は給湯または暖房に限定され、主として給湯の負荷を目的としたシステムとなっている。ソーラーヒートポンプ暖房運転時には、ヒートポンプ暖房運転時に比べて性能向上が期待できるが、ハイブリッドパネルでの蒸発熱量に対して必要とされる暖房能力が大きく室内熱交換器の凝縮熱量が大きい場合には、ヒートポンプ暖房運転となり、太陽光熱が有効に活用されないという問題点を持っていた。
【０００７】
一方、ハイブリッドパネルでの蒸発熱量が暖房負荷に対して過剰に得られる場合には、蒸発温度が上昇し、太陽電池パネルの温度を低くできないという問題点があった。更に、冷房運転が必要とされる夏期には、太陽電池パネルの温度が非常に上昇するにも拘わらず、集熱作用による太陽電池パネルの温度制御機能を得ることができないとの問題点も有していた。
【０００８】
本発明は、上記従来のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の問題点に着目してなされたものであり、作動流体の温度を低く押さえることにより、年間を通じて太陽電池パネルの発電効率を高く保って太陽光熱集熱器からの熱を有効に活用することを目的としたものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機は、直接膨張型熱交換器を太陽電池パネルの裏面に配設したハイブリッドパネルと、蓄熱槽に蓄熱させる蓄熱槽加熱手段と、圧縮機と、室内熱交換器と、室外熱交換器と、膨張弁とからヒートポンプサイクルを構成し、運転モードに応じて回路を切り替える手段を備え、第１の冷房運転モードでは、前記圧縮機、前記室外熱交換器、前記蓄熱槽加熱手段をこの順に接続し、前記蓄熱槽加熱手段の後段の一方の経路に第１の膨張弁と前記室内熱交換器を接続するとともに、他方の経路に第２の膨張弁と前記ハイブリッドパネルを接続して、前記圧縮機に戻る回路を構成し、前記室内熱交換器と前記ハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに、前記室外熱交換器と前記蓄熱槽加熱手段を凝縮器として機能させ、第２の冷房運転モードでは、前記圧縮機、前記室外熱交換器をこの順に接続し、前記室外熱交換器の後段の一方の経路に第１の膨張弁と前記室内熱交換器を接続するとともに、他方の経路に第２の膨張弁と前記ハイブリッドパネルを接続して、前記圧縮機に戻る回路を構成し、前記室内熱交換器と前記ハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに、前記室外熱交換器を凝縮器として機能させることを特徴としている。
【００２０】
この構成によれば、冷房運転時にハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに、室外熱交換器のみ或いは室外熱交換器と蓄熱槽加熱手段の両方を凝縮器として機能させることになる。
【００２１】
また本発明は、前記第１の冷房運転モードと前記第２の冷房運転モードとの切り替えを、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度との温度差により行うことを特徴としている。
【００２２】
この構成によれば、暖房運転時において室内熱交換器を通る作動流体の温度と蓄熱槽の温度の差を判定して蓄熱槽加熱手段を凝縮器として機能させるか否かの切り替えを実行する。そして、冷房運転時において室外熱交換器を通る作動流体の温度と蓄熱槽の温度の差を判定して蓄熱槽加熱手段を凝縮器として機能させるか否かの切り替えを実行する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に従って詳細に説明する。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は本発明の第１実施形態にかかるソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。同図において、１は太陽電池パネルの裏面に直接膨張型熱交換器である太陽光熱集熱器を配置したハイブリッドパネル、２は圧縮機、３は冷媒水熱交換器（蓄熱槽加熱手段）、４は冷媒水熱交換器３を介して温水や不凍液等に蓄熱する蓄熱槽、５は室内を冷暖房する室内熱交換器、６は大気との間で吸熱または放熱を行う室外熱交換器、７は第１膨張弁、８は第２膨張弁、９は四方弁、１０は三方切替弁、１１及び１２はバルブである。
【００２５】
四方弁９は経路９ａ、９ｂを開いて経路９ｃを閉じる暖房側と経路９ａ、９ｂを閉じて経路９ｃを開く冷房側とに切り替えることができる。三方切替弁１０は経路１０ａを開いて四方弁９と冷媒水熱交換器３を連通させる給湯側と、経路１０ｂを開いて四方弁９と室内熱交換器５を連通させる室内側とに切り替えることができる。
【００２６】
ハイブリッドパネル１は、太陽光熱が照射されると太陽電池パネルで光電変換して電力として取り出すもので、電力として取り出せなかったエネルギーは熱として太陽光熱集熱器で集熱する。このとき、ハイブリッドパネル１の温度が外気温度より低いときには大気からの集熱も可能である。また蓄熱槽４は冷媒水熱交換器３を内蔵する構成であっても良く、本実施形態に示すように冷媒水熱交換器３を外部に独立して設けても良い。このような構成において、図２のフローチャートを参照してソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の各運転モードについて説明する。
【００２７】
（１）ソーラー給湯モード
このモードでは空気調和を行わずステップＳ１においてＮｏと判断することから、ステップＳ１０において四方弁９を暖房側（経路９ａ、９ｂ開）に切り替えるとともに三方切替弁１０を給湯側（経路１０ａ開）に切り替える。更にステップＳ１１でセンサ等により「日射あり」と判断されることによってバルブ１１が開くとともにバルブ１２が閉じることによってステップＳ１２に示すソーラー給湯モードが設定される。
【００２８】
この時、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、冷媒水熱交換器３、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。なお、このモードでは、ハイブリッドパネル１はヒートポンプにおける蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、ハイブリッドパネル１で集められた太陽光熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００２９】
（２）空気熱給湯モード
上記「日射あり」の判断ステップＳ１１においてＮｏと判断されると、バルブ１１が閉じ、バルブ１２が開いて空気熱給湯モードに入る。この時、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、冷媒水熱交換器３、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。そして、室外熱交換器６は蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、空気熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００３０】
（３）ソーラー・空気熱併用給湯モード
上記ソーラー給湯モードにおいて、日射量が不十分な場合には、必要とする給湯能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が所定の温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＳ１３でＹｅｓと判断され、バルブ１２を開いてソーラー・空気熱併用給湯モードとなる（ステップＳ１４）。
【００３１】
このモードでは、熱源として太陽光熱と空気熱を併用するものであり、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、冷媒水熱交換器３を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と他方のバルブ１１、第一膨張弁７、ハイブリッドパネル１の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００３２】
そして、このモードでは、第２膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能する。
【００３３】
（４）ソーラー暖房モード
このモードでは、制御回路の動作によってステップＳ１で先ず空調運転Ｙｅｓとなり、ステップＳ２で三方切替弁１０を室内側に切り替えるとともにステップＳ３で暖房運転がＹｅｓと判断する。次いで、ステップＳ４において「日射あり」か否かを判断し、日射ありと判断すれば四方弁９を暖房側に設定するとともにバルブ１１を開き、バルブ１２を閉じて、ソーラー暖房モードに入る。
【００３４】
この時、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成して太陽光熱による室内の暖房を行うモードとなる。そして、このモードでは、ハイブリッドパネル１は蒸発器、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、太陽光熱は暖房用のエネルギーとして利用される。
【００３５】
（５）ソーラー・空気熱併用暖房モード
上記ソーラー暖房モードにおいて日射量が不十分な場合には、必要とする給湯能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が設定した温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＳ６でＹｅｓと判断され、ソーラー・空気熱併用暖房モードとなる（ステップＳ７）。
【００３６】
このモードでは、太陽光熱と空気熱を併用して暖房に利用するもので、上記ソーラー暖房モードにおいて閉じていたバルブ１２が開かれ、その結果圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と、他方のバルブ１１、第一膨張弁７、ハイブリッドパネル１の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００３７】
そして、このモードでは、第２膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、室内熱交換器５は凝縮器として機能する。
【００３８】
（６）空気熱暖房モード
ステップＳ４で日射量が少なく、蒸発温度が上記設定した温度Ｔ０とした場合に第１膨張弁７の開度が設定した最低開度以下になると判断されると、バルブ１１を閉じ、バルブ１２を開いてステップＳ９で示される空気熱暖房モードになる。
【００３９】
このモードでは、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２へ戻る回路を構成する。この回路は、通常用いられるヒートポンプ式空気調和機と同様の構成になっており、室外熱交換器６が蒸発器、室内熱交換器５が凝縮器として機能し、室外の空気熱をヒートポンプ作用により室内暖房に利用する。
【００４０】
（７）空気熱冷房モード
このモードは上記ステップＳ３の暖房か否かの判断ステップにおいて、Ｎｏの判断がなされると設定されるモードであり、四方弁９が冷房側（経路９ｃ開）に設定されるとともにバルブ１１は閉じ、バルブ１２は開くように夫々設定される。従って、圧縮機２、四方弁９、室外熱交換器６、第２膨張弁８、バルブ１２、室内熱交換器５、三方切替弁１０、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００４１】
この回路は、通常用いられるヒートポンプ式空気調和機と同様の構成であり、室内熱交換器５が蒸発器、室外熱交換器６が凝縮器として夫々機能し、室内の空気熱をヒートポンプ作用により室外に放出し、室内冷房を実行する。
【００４２】
上述のように、本実施形態では、バルブ１１、１２の開閉を制御してバルブ１１のみを開いた状態、バルブ１２のみを開いた状態並びに両バルブ１１、１２を共に開いた状態に切り替えるとともに、第１膨張弁７、第２膨張弁８を夫々制御することにより、太陽光熱のみを熱源とするモード、空気熱のみを熱源とするモード、太陽光熱と空気熱を併用するモードで運転することができる。
【００４３】
そして、暖房運転時または蓄熱槽への蓄熱時に、ハイブリッドパネル１のみ、室外熱交換器６のみ、あるいはハイブリッドパネル１と室外熱交換器６の両者を蒸発器として切り替えて機能させることができる。その結果、例えば暖房運転時において、ハイブリッドパネル１での蒸発熱量が室内熱交換器５で要求される凝縮熱量に比較して不十分な場合においてもハイブリッドパネル１を停止させることなく空気熱を補助的に用い、太陽光熱を有効に利用することができる。
【００４４】
またこの実施形態では、四方弁、三方切り替え弁を用いてシステムを構成したが、バルブのみを用いても同様のシステムを構成することができる。また例えば第１膨張弁７を全閉にすることが可能であればバルブ１１は不要であり、同じく第２膨張弁８を全閉にすることが可能であればバルブ１２も省くことができる。
【００４５】
［第２実施形態］
図３は本発明の第２実施形態にかかるソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。上記第１実施形態では暖房能力に比較してハイブリッドパネルでの蒸発能力が小さくなる場合に有効なシステム構成であったが、更に、ハイブリッドパネルが十分に大きく、暖房能力に比較して蒸発能力が大きくなる状態も発生する場合には、本実施形態の構成が望ましい。
【００４６】
本実施形態のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機のサイクルは、図３に示すように第１実施形態における三方切替弁１０と冷媒水熱交換器３との間に他の三方切替弁１３を設け、三方切替弁１３の一方出口を室内熱交換器５に接続した構成である。三方切替弁１３は経路１３ａ開いて三方切替弁１０と冷媒水熱交換器３を連通させる給湯側と、経路１３ｂを開いて冷媒水熱交換器３が回路を構成しない空調側と、経路１３ｃを開いて圧縮機２と冷媒水熱交換器３を連通させる直列側とに切り替えることができる。四方弁９及び三方切替弁１０の切り替えは第１実施形態と同様に行うことができる。このような構成において、図４のフローチャートを使用して各運転モードについて説明する。
【００４７】
（１）ソーラー給湯モード
このモードでは空気調和を行わず、制御回路の動作によってステップＫ１においてＮｏと判断することから、ステップＫ１４において四方弁９を暖房側（経路９ａ、９ｂ開）に切り替えるとともに三方切替弁１０、１３（経路１０ａ、１３ａ開）を夫々給湯側に設定し、更にステップＫ１５で「日射あり」と判断されると、ステップＫ１６においてバルブ１１を開いてバルブ１２を閉じ、ソーラー給湯モードが設定される。
【００４８】
このソーラー給湯モードでは、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、三方切替弁１３、冷媒水熱交換器３、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。そして、ハイブリッドパネル１はヒートポンプにおける蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、ハイブリッドパネル１で集められた太陽光熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００４９】
（２）空気熱給湯モード
上記ステップＫ１５で日射なしと判断されることによってステップＫ１９においてバルブ１１を閉じてバルブ１２を開き空気熱給湯モードに入る。このモードでは圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、三方切替弁１３、冷媒水熱交換器３、バルブ１２、第二膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。そして、室外熱交換器６は蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、室外の空気熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００５０】
（３）ソーラー・空気熱併用給湯モード
上記ソーラー給湯モードにおいて、日射量が不十分な場合には、必要とする給湯能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が設定した温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＫ１７でＹｅｓと判断され、ソーラー・空気熱併用給湯モードとなる（ステップＫ１８）。
【００５１】
このモードでは、熱源として太陽光熱と空気熱を併用するものでありバルブ１２が開かれ、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、三方切替弁１３、冷媒水熱交換器３を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と、他方のバルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００５２】
そして、このモードでは、第２膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能する。
【００５３】
（４）ソーラー暖房給湯モード
このモードでは、制御回路の動作によってステップＫ１で先ず、空調運転がＹｅｓとなり、ステップＫ２で四方弁９が暖房側（経路９ａ、９ｂ開）に切り替わるとともに三方切替弁１０が室内側（経路１０ｂ開）に切り替わる。そして、次のステップＫ３で暖房運転がＹｅｓと判断し、ステップＫ４において日射ありと判断することによりソーラー暖房給湯モードに入る。
【００５４】
このモードではバルブ１１を開き、バルブ１２を閉じるとともに三方切替弁１３を直列側（経路１３ｃ開）にする。即ち、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１３、冷媒水熱交換器３、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成して太陽光熱による暖房と給湯を行うモードとなる。そして、このモードでは、ハイブリッドパネル１は蒸発器、室内熱交換器５及び冷媒水熱交換器３は直列に配されて凝縮器として機能し、太陽光熱は暖房用のエネルギー及び給湯用の蓄熱エネルギーとして利用される。
【００５５】
（５）ソーラー暖房モード
上記ソーラー暖房給湯モードにおいて、作動流体の凝縮温度と蓄熱槽４の温度差が所定温度Ｔ１より大きい場合には、ハイブリッドパネル１の蒸発熱量を室内熱交換器５及び冷媒水熱交換器３の凝縮熱量より大きくできると判断してハイブリッドパネル１で生じた余熱を給湯用の蓄熱に利用することができる。しかし、該温度差が所定温度Ｔ１より小さくなると、エネルギーを給湯用蓄熱に利用せず全て暖房に利用する方が望ましい。
【００５６】
このため、ステップＫ６で該凝縮温度と蓄熱温度の温度差が所定温度Ｔ１より小さい時、ステップＫ７で三方切替弁１３を空調側に切り替えてソーラー暖房モードが設定される。蓄熱温度は蓄熱槽４内に限らず冷媒水熱交換器３の蓄熱槽４側の入口で測定してもよい。凝縮温度は室内熱交換器５内または室内熱交換器５の入口で測定することができる。
【００５７】
従って、このモードでは、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１３、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成して太陽光熱によって室内の暖房を行うモードとなる。この時、ハイブリッドパネル１は蒸発器、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、太陽光熱は暖房用のエネルギーとして利用される。
【００５８】
（６）ソーラー・空気熱併用暖房モード
上記ソーラー暖房モードにおいて日射量が不十分な場合には、必要とする暖房能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が設定した温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＫ８でＹｅｓと判断され、ソーラー・空気熱併用暖房モードとなる（ステップＫ９）。
【００５９】
このモードでは、太陽光熱と空気熱を併用して暖房に利用することになるもので、上記ソーラー暖房モードにおいて閉じていたバルブ１２が開かれ、その結果圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、及び三方切替弁１３を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と、他方のバルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００６０】
そして、第１膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、室内熱交換器５は凝縮器として機能する。
【００６１】
（７）空気熱暖房給湯モード
このモードは上記ステップＫ４の「日射あり」の判断ステップにおいてＮｏの判断がなされると設定されるモードであり、三方切替弁１３が直列側に設定されるとともにバルブ１１は閉じ、バルブ１２は開かれる（ステップＫ１１）。従って、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１３、冷媒水熱交換器３、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。この時、室外熱交換器６は蒸発器、室内熱交換器５及び冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、室外の空気熱は暖房用のエネルギー及び給湯用の蓄熱エネルギーとして利用される。
【００６２】
（８）空気熱暖房モード
このモードは、上記空気熱暖房給湯モードにおいて、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度との温度差が所定温度Ｔ１より小さい場合（ステップＫ１２）、前述のソーラー暖房モードと同様に給湯用の蓄熱を行わないようにするモードである。従って、ステップＫ１３で三方切替弁１３を空調側（経路１３ｂ開）にし、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１３、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成して空気熱による室内の暖房モードとなる。この時、室外熱交換器６は蒸発器、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、この回路は通常用いられるヒートポンプ式空気調和機と同様の構成であり、室外の空気熱は暖房用のエネルギーとして利用される。
【００６３】
（９）空気熱冷房モード
このモードは上記ステップＫ３の暖房か否かの判断ステップにおいて、Ｎｏの判断がなされると設定されるモードであり、四方弁９が冷房側（経路９ｃ開）に設定されるとともに三方切替弁１３が空調側に設定され、またバルブ１１は閉じ、バルブ１２は開かれる。
【００６４】
従って、圧縮機２、四方弁９、室外熱交換器６、第２膨張弁８、バルブ１２、三方切替弁１３、室内熱交換器５、三方切替弁１０、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。この回路は、通常用いられるヒートポンプ式空気調和機と同様の構成であり、室内熱交換器５が蒸発器、室外熱交換器６が凝縮器として夫々機能し、室内の空気熱をヒートポンプ作用により室外に放出し、室内の冷房を実行する。
【００６５】
本実施形態の発明では、三方切替弁１３を給湯側、空調側、直列側に切り替えることができる。その結果、例えば暖房運転時において、ハイブリッドパネル１での蒸発熱量が室内熱交換器で要求される凝縮熱量に比較して十分すぎる場合においても、ハイブリッドパネル１の余剰熱量を蓄熱槽４に蓄熱することで太陽電池パネルの過度な温度上昇を抑制することができるとともに、太陽光熱を有効に利用することができる。
【００６６】
［第３実施形態］
図５は本発明の第３実施形態にかかるソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。上記第１、第２実施形態は、給湯あるいは暖房での運転時のみにハイブリッドパネル１を用いたシステムとなっていたが、ハイブリッドパネル１は夏期、即ち冷房時において温度がより上昇し、冷却が必要とされる。
【００６７】
本実施形態は、冷房時にハイブリッドパネル１を冷却することも可能なように構成されたものであり、冷房運転時において室内熱交換器５と冷媒水熱交換器３が直列にできるとともに、ハイブリッドパネル１と室内熱交換器５を並列にできるように構成されている。
【００６８】
図５に示すように、本実施形態では図３の第２実施形態と比較して、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６との間及び室内熱交換器５の三方切替弁１０の間に三方切替弁１４、１６を設けた点、三方切替弁１６の１つの接続部に第３膨張弁１７を連結した点、バルブ１５、１８、１９、２０を設けた点が異なる。以下にこの第３実施形態のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の動作について、図６のフローチャート及び図７に示す各バルブ等の動作を参照して各運転モードについて説明する。
【００６９】
（１）ソーラー給湯モード
このモードでは空気調和を行わず、制御回路の動作によってステップＭ１でＮｏと判断されることから、ステップＭ９に進み、ここで「日射あり」がＹｅｓと判断されると、ステップＭ１０のソーラー給湯モードになる。この時、四方弁９が暖房側（経路９ａ、９ｂ開）、三方切替弁１０が給湯側（経路１０ａ開）、三方切替弁１４が経路１４ａを開、三方切替弁１６が経路１６ａを開、バルブ１１、１８、２０が開、バルブ１２、１５、１９が閉となっている。
【００７０】
従って、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、バルブ２０、冷媒水熱交換器３、バルブ１８、バルブ１１、第一膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。そして、ハイブリッドパネル１はヒートポンプにおける蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、ハイブリッドパネル１で集められた太陽光熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００７１】
（２）空気熱給湯モード
上記「日射あり」の判断ステップＭ９においてＮｏと判断されると、上記ソーラー給湯モードに対してバルブ１１が閉じ、バルブ１２が開いて空気熱給湯モードに入る。このモードでは圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、バルブ２０、冷媒水熱交換器３、バルブ１８、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。そして、室外熱交換器６は蒸発器、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、室外の空気熱は蓄熱槽４に蓄えられ給湯に利用される。
【００７２】
（３）ソーラー・空気熱併用給湯モード
上記ソーラー給湯モードにおいて、日射量が不十分な場合には、必要とする給湯能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が設定した温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＭ１１でＹｅｓと判断され、バルブ１２が開かれてソーラー・空気熱併用給湯モードとなる（ステップＭ１２）。
【００７３】
このモードでは、熱源として太陽光熱と空気熱を併用するものであり、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、バルブ２０、冷媒水熱交換器３、バルブ１８を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と、他方のバルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４の経路を並列に接続し四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００７４】
そして、このモードでは、第２膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能する。
【００７５】
（４）ソーラー暖房給湯モード
このモードは、制御回路の動作によってステップＭ１で空調運転がＹｅｓ、ステップＭ２で暖房運転がＹｅｓ、ステップＭ３で日射ありがＹｅｓと判断することによって設定される。この時、四方弁９が暖房側（経路９ａ、９ｂ開）、三方切替弁１０が室内側（経路１０ｂ開）、三方切替弁１４が経路１４ａを開、三方切替弁１６が経路１６ａを開、バルブ１１、１８、２０が開、バルブ１２、１５、１９が閉となっている。
【００７６】
従って、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１６、バルブ２０、冷媒水熱交換器３、バルブ１８、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成し、太陽光熱による暖房と給湯を行うモードとなる。そして、このモードでは、ハイブリッドパネル１は蒸発器、直列に配される室内熱交換器５及び冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、太陽光熱は暖房用のエネルギー及び給湯用の蓄熱エネルギーとして利用される。
【００７７】
（５）ソーラー暖房モード
このモードは、上記ソーラー暖房給湯モードにおいて、前述と同様に作動流体の凝縮温度と蓄熱温度の差が所定温度Ｔ１より小さい場合（ステップＭ５）、給湯用の蓄熱を行わないようにするモードである。従って、ステップ６でバルブ１８、２０を閉じ、バルブ１９を開いて、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１６、バルブ１９、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成し、太陽光熱による室内の暖房を行うモードとなる。そして、このモードでは、ハイブリッドパネル１は蒸発器、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、太陽光熱は暖房用のエネルギーとして利用される。
【００７８】
（６）ソーラー・空気熱併用暖房モード
上記ソーラー暖房モードにおいて日射量が不十分な場合には、必要とする暖房能力に見合った蒸発熱量を得るために蒸発温度が低くなる。その結果、圧縮機２での圧縮比が大きくなり、性能が低下する。従って、蒸発温度が設定した温度Ｔ０、例えば１０℃より低くなるとステップＭ７でＹｅｓと判断され、ソーラー・空気熱併用暖房モードとなる（ステップＭ８）。
【００７９】
このモードでは、上記ソーラー暖房モードにおいて閉じていたバルブ１２が開かれる。その結果圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１６、及びバルブ１９を接続し、一方のバルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６の経路と、他方のバルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００８０】
そして、このモードでは、第１膨張弁８によって室外熱交換器６の過熱制御を行うとともに、第１膨張弁７によってハイブリッドパネル１の過熱制御を行うことによって、夫々の出口圧力、温度が等しくなるように制御している。このとき、ハイブリッドパネル１と室外熱交換器６が夫々蒸発器として機能し、室内熱交換器５は凝縮器として機能する。
【００８１】
（７）空気熱暖房給湯モード
このモードは、上記ステップＭ３の「日射あり」の判断ステップにおいてＮｏの判断がなされると設定されるモードである（ステップＭ１９）。この時、四方弁９が暖房側（経路９ａ、９ｂ開）、三方切替弁１０が室内側（経路１０ｂ開）、三方切替弁１４が経路１４ａを開、三方切替弁１６が経路１６ａを開、バルブ１１、１５、１９が閉、バルブ１２、１８、２０が開となっている。
【００８２】
従って、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１６、バルブ２０、冷媒水熱交換器３、バルブ１８、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。この時、室外熱交換器６は蒸発器、直列に配される室内熱交換器５及び冷媒水熱交換器３は凝縮器として機能し、室外の空気熱は暖房用のエネルギー及び給湯用の蓄熱エネルギーとして利用される。
【００８３】
（８）空気熱暖房モード
このモードは、上記空気熱暖房給湯モードにおいて、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度の差が所定温度Ｔ１より小さい場合（ステップＭ２０）、給湯用の蓄熱を行わないようにするモードである。
【００８４】
従って、ステップＭ２１でバルブ１８、２０が閉じ、バルブ１９が開いて、圧縮機２、四方弁９、三方切替弁１０、室内熱交換器５、三方切替弁１６、バルブ１９、バルブ１２、第２膨張弁８、室外熱交換器６、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成して太陽光熱による室内の暖房を行うモードとなる。この時、室外熱交換器６は蒸発器、室内熱交換器５は凝縮器として機能し、室外の空気熱は暖房用のエネルギーとして利用される。
【００８５】
（９）空気熱冷房モード
このモードは上記ステップＭ２の暖房運転か否かの判断ステップにおいて、Ｎｏの判断がなされ、更にステップＭ１４において日射なしと判断されると設定されるモードである。この時、四方弁９が冷房側（経路９ｃ開）、三方切替弁１０が室内側（経路１０ｂ開）、三方切替弁１４が経路１４ｂを開、三方切替弁１６が経路１６ｂを開、バルブ１１、１２、１８、１９が閉、バルブ１５、２０が開となっている。
【００８６】
従って、圧縮機２、四方弁９、室外熱交換器６、バルブ１５、バルブ２０、第３膨張弁１７、三方切替弁１６、室内熱交換器５、三方切替弁１０、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。この回路は、通常用いられているヒートポンプ式空気調和機と同じであり、室内熱交換器５が蒸発器、室外熱交換器６が凝縮器として夫々機能し、室内の空気熱をヒートポンプ作用により室外に放出し、室内の冷房を実行する。
【００８７】
（１０）ソーラー・空気熱併用冷房給湯モード
このモードは、上記「日射あり」を判断するステップＭ１４においてＹｅｓと判断すると設定されるモードであり、上記空気熱冷房モードに対して、バルブ１１、１８、１９が開かれ、バルブ２０が閉じられる。従って、圧縮機２、四方弁９、室外熱交換器６、バルブ１５、冷媒水熱交換器３、バルブ１８を接続し、一方のバルブ１９、第３膨張弁１７、三方切替弁１６、室内熱交換器５、三方切替弁１０の経路と、他方のバルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００８８】
この回路では、並列に配される室内熱交換器５及びハイブリッドパネル１が蒸発器、直列に配される室外熱交換器６及び冷媒水熱交換器３が凝縮器として夫々機能し、室内の空気熱とハイブリッドパネル１の太陽光熱が、室外に放出されるとともに給湯用の蓄熱に利用される。
【００８９】
（１１）ソーラー・空気熱併用冷房モード
このモードは、上記ソーラー・空気熱併用冷房給湯モードにおいて、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度の差が所定温度Ｔ１より小さい場合（ステップＭ１７）、給湯用の蓄熱を行わないようにするモードである。従って、ステップ１８でバルブ１８を閉じ、バルブ２０を開いて、圧縮機２、四方弁９、室外熱交換器６、バルブ１５、バルブ２０を接続し、一方の第３膨張弁１７、三方切替弁１６、室内熱交換器５、三方切替弁１０、四方弁９の経路と、他方のバルブ１９、バルブ１１、第１膨張弁７、ハイブリッドパネル１、三方切替弁１４の経路を並列に接続し、四方弁９を介して圧縮機２に戻る回路を構成する。
【００９０】
この回路では、並列に配される室内熱交換器５及びハイブリッドパネル１が蒸発器、室外熱交換器６が凝縮器として夫々機能し、凝縮温度は室外熱交換器６内で測定することができる。そして、室内の空気熱とハイブリッドパネル１の太陽光熱が室外に放出される。
【００９１】
本実施形態では、冷房運転時にハイブリッドパネル１及び室内熱交換器５を蒸発器として機能させるとともに、室外熱交換器６のみまたは室外熱交換器６と冷媒水熱交換器３の両方を凝縮器として切り替えて機能させることが可能になる。従って、太陽光熱による余剰熱を蓄熱槽４に蓄えて太陽光熱を有効に利用するとともに、太陽電池パネルの過度な温度上昇を抑制することができる。
【００９２】
【実施例】
上記第３実施形態のソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機を用いて実験を行った結果を以下に述べる。実験を行った運転モードは、ソーラー・空気熱併用給湯モード、ソーラー・空気熱併用冷房モード、及びソーラー・空気熱併用冷房給湯モードであり、実験の諸条件は、以下の通りである。
【００９３】
室内の床面積                    １２５ｍ2
室内の熱損失係数                ３．１Ｗ／ｍ2Ｋ
室内設定温度                    ２０℃
ハイブリッドパネル１の出力      ２．８ｋＷ
室内熱交換器５の冷房能力        ２．５ｋＷ
冷房時消費能力  ０．７〜３．１ｋＷ
暖房能力        ３．６ｋＷ
暖房時消費能力  ０．５〜５．０ｋＷ
室外熱交換器６の冷房能力        ２．５ｋＷ
冷房時消費能力  ０．７〜３．１ｋＷ
暖房能力        ３．６ｋＷ
暖房時消費能力  ０．５〜５．０ｋＷ
圧縮機２の周波数                ６０Ｈｚ（給湯のみのモードを除く）
【００９４】
上記条件で実験を行った結果、ソーラー・空気熱併用冷房給湯モードでは、充分な給湯能力が得られ、蓄熱槽４の温度が所定の温度（凝縮温度−Ｔ１）に達してソーラー・空気熱併用冷房モードに切り替わったのに対し、ハイブリッドパネル１を停止して同様に運転した場合には蓄熱槽４の温度が所定の温度に達することができなかった。また、ソーラー・空気熱併用給湯モードでは、ハイブリッドパネル１の冷却効果によって、冷却を行わない時に対し発電量が約１０％向上した。
【００９８】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されるものであり、冷房運転時にハイブリッドパネルを蒸発器として機能させるとともに室外熱交換器及び蓄熱槽加熱手段を凝縮器として機能させることができるようになる。従って、冷房運転時において、太陽光熱による余剰熱を蓄熱槽に蓄えて太陽光熱を有効に利用するとともに、太陽電池パネルの過度な温度上昇を抑制することができる。
【００９９】
また、凝縮器の切り替えを、作動流体の凝縮温度と蓄熱温度との温度差により行うので、ハイブリッドパネルの負荷に応じて蓄熱させることができるようになる。従って、より太陽光熱を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。
【図２】  本発明の第１実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の動作説明に供されたフローチャートを示す図である。
【図３】  本発明の第２実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。
【図４】  本発明の第２実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の動作説明に供されたフローチャートを示す図である。
【図５】  本発明の第３実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の構成図である。
【図６】  本発明の第３実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機の動作説明に供されたフローチャートを示す図である。
【図７】  本発明の第３実施形態に係るソーラーヒートポンプ冷暖房給湯機のバルブ、各種弁の動作状態の説明に供された図である。
【符号の説明】
１    ハイブリッドパネル
２    圧縮機
３    冷媒水熱交換器
４    蓄熱槽
５    室内熱交換器
６    室外熱交換器
７    第１膨張弁
８    第２膨張弁
９    四方弁
１０、１３、１４、１６  三方切替弁
１１、１２、１５、１８、１９、２０  バルブ
１７    第３膨張弁
【図１】
0003775933.tif 000002
【図２】
0003775933.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003775933.tif 000006
【図６】
0003775933.tif 000007
【図７】
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