JP4879227B2 - 温水暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、加熱した暖房用水により暖房を行う温水暖房装置に関する。

従来、特許文献１に見られるように、給湯器に設けた熱発電素子を給湯運転時にバーナの火炎により加熱して発電を行う装置が知られている。熱発電素子は、周知のようにＮ型半導体とＰ型半導体との間に閉回路が形成され、高温側と低温側とに温度差を付与することにより起電力が得られる。熱発電素子から得られた電力は他の電気部品に供給したり、バッテリ等に蓄電することができる。

この種の装置においては、バーナにより熱発電素子と熱交換器とを加熱し、該熱交換器において湯を生成すると同時に熱発電素子により発電を行う。これによれば、熱発電素子と熱交換器とでバーナの熱を効率よく利用できるため、省エネルギー性が向上する。しかし、１つのバーナにより熱発電素子と熱交換器とを加熱する構成では、湯温の調節等に伴ってバーナの燃焼量が低下する場合があり、この場合には熱発電素子に対する加熱が不十分となって発電効率が悪化する。

また、特許文献１には、熱交換器を加熱するバーナとは別に熱発電素子を加熱する発電用のバーナを設けた構成のものも記載されている。これによれば、発電用のバーナにおいて一定の燃焼量が維持できるので、熱交換器用のバーナの燃焼量の影響受けることなく、熱発電素子において安定した発電を行うことができる。
特開平１１−５５９７５号公報（図２、図６、図７）

しかし、発電用のバーナによって熱発電素子を加熱した場合には、発電時に熱発電素子に吸熱されたもの以外の熱が排気と共に放出されて排気熱が無駄になり、十分な省エネルギー性を得ることができない不都合がある。

本発明は、上記の点に鑑み、熱発電素子による安定した発電を得るだけでなく、高い省エネルギー性を得ることができる温水暖房装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本発明は、加熱した暖房用水により暖房を行う温水暖房装置において、暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を燃焼排気により加熱する第１バーナと、前記熱交換器を介して暖房用水が循環する暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、高温側と低温側との温度差により発電する熱発電素子と、該熱発電素子の高温側を加熱する第２バーナと、該第２バーナにより生成した燃焼排気を前記熱交換器に向かって供給する排気路と、冷却水が内部を流動して前記熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路とを備えることを特徴とする。

本発明は、第１バーナにより熱交換器を加熱し、第２バーナにより熱発電素子を加熱するので、第１バーナの燃焼量に影響されることなく熱発電素子において安定した発電を行うことができる。そして、熱発電素子を加熱した後の第２バーナの燃焼排気は、前記排気路により熱交換器に向かって供給されるので、第２バーナの排気熱も暖房用水の加熱に用いることができる。これによって、熱発電素子による発電を行いつつ第１バーナの燃焼量を抑えて十分な暖房性能を得ることができるので高い省エネルギー性を得ることができる。

また、本発明において、前記熱交換器は、顕熱吸収型の一次熱交換部と潜熱吸収型の二次熱交換部とを備え、前記排気路は、前記第２バーナの燃焼排気を一次熱交換部と二次熱交換部との間に供給することを特徴とする。

一次熱交換部と二次熱交換部とを備える所謂コンデンシング形式の熱交換器は、第１バーナの燃焼排気の顕熱を一次熱交換部によって吸収した後、その潜熱を二次熱交換部によって吸収する。本発明においては、熱発電素子の高温側を加熱した後の第２バーナの燃焼排気を、前記排気路の案内により一次熱交換部と二次熱交換部との間に供給する。

第２バーナから発生して熱発電素子の高温側の加熱を経た燃焼排気は、第２バーナから発生直後よりも温度が低下しており、その燃焼排気の体積も減少している。一方、第１バーナの燃焼排気も、一次熱交換部と二次熱交換部との間においては一次熱交換部の上流側に比べて温度が低下している。そこで、第２バーナの燃焼排気を一次熱交換部と二次熱交換部との間に供給することにより、熱発電素子の高温側を加熱した後の第２バーナの燃焼排気を同程度に温度が低下した第１バーナの燃焼排気に円滑に合流させることができ、燃焼排気の流れを阻害することがない。従って、例えば、一次熱交換部の上流側に温度差のある燃焼排気を導入した場合のように排気流の乱れや騒音が発生するおそれがなく、円滑な燃焼排気の流動が得られて第２バーナの燃焼排気の熱を二次熱交換部により効率よく吸収することができる。

また、本発明において、前記冷却水路は、前記温水暖房回路の前記暖房負荷より下流側に接続され、前記熱発電素子の低温側は暖房負荷から前記熱交換器へ向かう暖房用水により冷却されることが好ましい。これによれば、暖房負荷を通過した暖房用水により熱発電素子の低温側を冷却することができるので、暖房用水を暖房用水回路に沿って循環させておくだけで熱発電素子の低温側を確実に冷却することができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の温水暖房装置を示す概略構成図、図２は本実施形態の温水暖房装置の要部の説明図である。以下、各部の詳細を説明する。

本実施形態の温水暖房装置１は、図１に示すように、暖房燃焼部２と発電燃焼部３とを備えている。暖房燃焼部２は、暖房用水回路４に接続された熱交換器５と、ガス供給管６から供給される燃料ガスの燃焼排気によって熱交換器５を加熱する第１バーナ７と、第１バーナ７へ燃焼用の空気を送り込むファン８とを備えている。暖房用水回路４には家屋内の床暖房や温風暖房等の暖房負荷９が接続されており、循環ポンプ１０により暖房用水が循環される。熱交換器５は、第１バーナ７から放出される燃焼排気中の顕熱を回収する一次熱交換部５ａと、燃焼排気中の潜熱を回収する二次熱交換部５ｂとによって構成されている。二次熱交換部５ｂの下方には二次熱交換部５ｂから生じるドレンを受けて図外の中和器へ導くドレン受け１１が設けられている。

第１バーナ７へ繋がるガス供給管６には、元弁やガス量調整弁等により構成される弁装置１２が介設されている。そして、第１バーナ７の点火・消火、ファン８の動作、及び弁装置１２の動作等は暖房運転制御部１３により制御される。

暖房用水回路４は、一次熱交換部５ａから暖房負荷９に至る部分が暖房用水の往路とされ、暖房負荷９から二次熱交換部５ｂへ至る部分が復路とされる。

また、暖房用水回路４には往路を流れる暖房用水の温度を検出する第１温度センサ１４と、復路を流れる暖房用水の温度を検出する第２温度センサ１５とが設けられ、前記暖房運転制御部１３は、第１温度センサ１４と第２温度センサ１５との温度に基づいて第１バーナ７の燃焼量等を制御する。

発電燃焼部３は、熱発電素子１６と、ガス供給管１７から供給される燃料ガスの燃焼排気や輻射熱によって熱発電素子１６の高温側を加熱する第２バーナ１８と、第２バーナ１８へ燃焼用の空気を送り込むファン１９とを備えている。熱発電素子１６の低温側には冷却水路２０が密着して設けられている。冷却水路２０は、暖房用水回路４の復路である暖房負荷９より下流側に接続されている。これにより、暖房負荷９を経て温度が低下した暖房用水が冷却水として冷却水路２０に送られ、この暖房用水により熱発電素子１６の低温側が冷却される。熱発電素子１６は、高温側と低温側とに生じる温度差により発電する。

第２バーナ１８へ繋がるガス供給管１７には、元弁やガス量調整弁等により構成される弁装置２１が介設されている。そして、第２バーナ１８の点火・消火、ファン１９の動作、及び弁装置２１の動作等は発電運転制御部２２により制御される。発電運転制御部２２は暖房運転制御部１３に接続され、暖房運転制御部１３の制御に連動して第２バーナ１８の燃焼制御が行えるようになっている。熱発電素子１６には、分電装置２３を介して電力機器２４やバッテリ２５が接続され、発電運転制御部２２の制御により発電電力を電力機器２４に供給したり、バッテリ２５に蓄電したりできるようになっている。

また、第２バーナ１８の上方には、熱発電素子１６の高温側の加熱を経た燃焼排気を暖房燃焼部２へ案内する排気路２６が設けられている。排気路２６は、一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入する。

ここで、熱交換器５と排気路２６との構成について更に詳しく説明すれば、図２に示すように、第１バーナ７の上方に一次熱交換部５ａが位置し、一次熱交換部５ａの上方には二次熱交換部５ｂが位置し、一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間にはドレン受け１１が位置している。

第１バーナ７の燃焼排気は、一次熱交換部５ａを経てドレン受け１１の下方から上昇する。このとき、前記排気路２６によって第２バーナ１８からの燃焼排気が導入され、第１バーナ７の燃焼排気に第２バーナ１８からの燃焼排気が合流して二次熱交換部５ｂに向かって流動する。一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に導入された燃焼排気は、既に熱発電素子１６の高温側の加熱を行った後であるため、温度が低下しており体積も減少している。一方、第１バーナ７の燃焼排気も、一次熱交換部５ａにおいて吸熱された後であるた、一次熱交換部５ａの上流側に比べて温度が低下している。これによって、一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に流れる第１バーナ７の燃焼排気と第２バーナ１８の燃焼排気とは同程度に温度が低下しているため、燃焼排気の流動を阻害することなく円滑に混じりあい、騒音等の発生も極めて少ない。

そして、暖房運転時には、循環ポンプ１０の作動により熱交換器５において加熱された暖房用水が一次熱交換部５ａから往路に沿って暖房負荷９へ送り出され、更に、暖房負荷９を通過して温度が低下した暖房用水が復路に沿って流動して二次熱交換部５ｂへ戻る。このとき、二次熱交換部５ｂには復路から暖房用水が流れ込んで二次熱交換部５ｂによる第１バーナ７の燃焼排気中の潜熱及び第２バーナ１８の燃焼排気熱の回収が行われ、二次熱交換部５ｂにおいて潜熱を回収した暖房用水が一次熱交換部５ａへ流れ込んで一次熱交換部５ａによる燃焼排気中の顕熱の回収が行われる。

これにより、二次熱交換部５ｂにおいては第２バーナ１８により生成されて熱発電素子１６の高温側を加熱した後の燃焼排気の熱を暖房用水へ回収させることができる。

次に、以上の構成による温水暖房装置１の作動を説明する。図１を参照して、使用者により温水暖房装置１の運転開始操作がされると、先ず、暖房運転制御部１３により循環ポンプ１０の駆動が開始される。これにより、暖房用水回路４に沿って暖房用水が循環し熱発電素子１６の低温側に密着する冷却水路２０に水流が生じる。

次いで、発電運転制御部２２により第２バーナ１８の燃焼が開始され、暖房運転制御部１３により第１バーナ７の燃焼が開始される。これにより、熱発電素子１６の高温側が加熱され、熱発電素子１６の高温側と低温側との温度差が大となって熱発電素子１６が発電を開始する。更に、第１バーナ７により加熱された暖房用水が暖房負荷９に供給されて暖房が行われる。

そして、使用者の操作により設定された温度に基づいて暖房運転制御部１３による温調制御が行われる。この温調制御においては、第１バーナ７の燃焼量の増減が行われる。一方、熱発電素子１６は、第２バーナ１８により加熱されるので、第１バーナ７の燃焼量の増減には影響されず、安定した発電状態を維持することができる。

また、第２バーナ１８の燃焼排気が一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に導入されていることにより、第１バーナ７の燃焼量を比較的小さくすることができ、高い省エネルギー性を得ることができる。

なお、本実施形態においては、最も好ましい例として、熱交換器５の一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を供給する排気路２６を備えるものを示したが、本発明における排気路は、第２バーナ１８の燃焼排気を熱交換器５に向かって供給するように構成してもよい。具体的には、図示しないが、第１バーナ７と一次熱交換部５ａとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を供給するように排気路を設けることも可能であり、また、熱交換器５が単一の熱交換部のみを備える場合でも、第１バーナ７と熱交換器５との間に第２バーナ１８の燃焼排気を供給するように排気路を設ければ、第２バーナ１８の燃焼排気熱を暖房に用いることができる。

また、本実施形態においては、熱発電素子１６の低温側を冷却する冷却水路２０を、暖房用水回路４における暖房負荷９と熱交換器５との間の復路に直列に接続したものを示したが、これ以外に、暖房負荷９と熱交換器５との間から分岐する流路を設けてこの流路に冷却水路２０を接続し、冷却水路２０を暖房負荷９と熱交換器５との間の復路に並列に接続して暖房用水の一部を熱発電素子１６の冷却水としてもよい。

本発明の一実施形態の温水暖房装置を示す概略構成図。 本実施形態の温水暖房装置の要部の説明図。

符号の説明

１…温水暖房装置、４…暖房用水回路、５…熱交換器、５ａ…一次熱交換器、５ｂ…二次熱交換器、７…第１バーナ、９…暖房負荷、１６…熱発電素子、１８…第２バーナ、２０…冷却水路、２６…排気路。

Claims (3)

1. 加熱した暖房用水により暖房を行う温水暖房装置において、
   暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を燃焼排気により加熱する第１バーナと、前記熱交換器を介して暖房用水が循環する暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、高温側と低温側との温度差により発電する熱発電素子と、該熱発電素子の高温側を加熱する第２バーナと、熱発電素子の高温側を加熱した後の第２バーナの燃焼排気を前記熱交換器に向かって供給する排気路と、冷却水が内部を流動して前記熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路とを備えることを特徴とする温水暖房装置。
2. 請求項１記載の温水暖房装置において、
   前記熱交換器は、顕熱吸収型の一次熱交換部と潜熱吸収型の二次熱交換部とを備え、前記排気路は、前記第２バーナの燃焼排気を一次熱交換部と二次熱交換部との間に供給することを特徴とする温水暖房装置。
3. 請求項１又は２記載の温水暖房装置において、
   前記冷却水路は、前記温水暖房回路の前記暖房負荷より下流側に接続され、前記熱発電素子の低温側は暖房負荷から前記熱交換器へ向かう暖房用水により冷却されることを特徴とする温水暖房装置。