JP4879228B2 - 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、給湯運転の際に熱発電素子による発電を行う給湯装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この給湯装置は、入水管と出湯管との間に接続された熱交換器を加熱する湯沸し用バーナの他に熱発電素子の高温側を加熱する素子用バーナを備えている。熱発電素子は、その高温側が素子用バーナにより加熱され、その低温側が入水管に接続された冷却水路により冷却されるようになっている。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もので、熱発電素子から得られる電力は電気機器に供給され、或いは、バッテリに蓄電される。

この給湯装置においては、入水管から供給される水により熱発電素子の低温側を冷却するので、熱発電素子の低温側を冷却するためだけの冷却水回路を設ける必要がなく、装置構成をコンパクトにすることができる。しかしその反面、入水管において水流が生じていない状態では、熱発電素子の低温側の冷却が不十分となる。このため、素子用バーナによ熱発電素子の加熱は給湯運転時に限られ、長時間に亘って十分な発電を行うことができない。

そこで、暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を加熱する暖房用バーナと、熱交換器を介して暖房用水を循環ポンプにより循環させる暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷とを備える温水暖房装置に、熱発電素子を設けることが考えられる。即ち、暖房用バーナとは別に素子用バーナを設けて熱発電素子の高温側を加熱し、熱交換器の上流側の暖房用水回路に熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路を接続する。暖房運転は比較的長時間に亘って行われるので、暖房運転の際に循環ポンプにより循環される暖房用水回路の暖房用水によって熱発電素子の低温側を冷却することができ、長時間に亘って十分な発電を行うことができる。

しかし、商用電源を電源として温水暖房装置の暖房運転が行われている場合には、商用電源に停電が生じると循環ポンプが停止し、これに伴い熱発電素子の低温側を冷却する暖房用水の流動も停止する。このため、低温側の冷却が不十分となって、低温側の温度が過剰に高くなる。そして、一般に熱発電素子の低温側の耐熱温度は比較的低いため、このとき低温側がその耐熱温度より高くなって熱発電素子が焼損するおそれがある。
特開平１１−５５９７５号公報

本発明は、上記の点に鑑み、商用電源を電源とする暖房運転中に発電を行うとき、商用電源に停電が生じても熱発電素子の焼損を確実に防止す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、暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を加熱する暖房用加熱手段と、前記熱交換器を介して暖房用水を循環ポンプにより循環させる暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、商用電源を主電源として暖房運転を制御する暖房運転制御手段とを備える温水暖房装置において、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、熱発電素子の高温側を加熱する素子用加熱手段と、前記温水暖房回路の暖房負荷より下流側に接続され、暖房用水を冷却水として熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路と、熱発電素子から得られる電力を蓄えるバッテリと、該バッテリからの電力を電源として発電運転を制御する発電運転制御手段とを有する熱発電装置を備え、前記発電運転制御手段は、前記商用電源の停電を検出する停電検出手段と、該停電検出手段により停電が検出されたとき、前記素子用加熱手段を停止させる発電燃焼停止手段と、前記停電検出手段により停電が検出されたとき、少なくとも前記循環ポンプへの給電を商用電源から前記バッテリに切り替える給電切替手段とを備えることを特徴とする。

通常時は、暖房運転制御手段を介して温水暖房装置の暖房用加熱手段や循環ポンプに商用電源から電力が供給され、熱発電素子から発電した電力は発電運転制御手段を介して熱発電装置の素子用加熱手段に供給されると共にバッテリに蓄電される。

商用電源に停電が起きたときには、発電運転制御手段の停電検出手段により商用電源の停電が検出され、発電燃焼停止手段が素子用加熱手段を停止させると共に給電切替手段が循環ポンプへの給電を商用電源からバッテリに切り替える。これにより、暖房運転中に商用電源に停電が生じて温水暖房装置が停止しても、バッテリからの給電により循環ポンプは停止することはなく、熱発電素子の低温側を冷却する暖房用水の流動が維持される。従って、熱発電素子の低温側の冷却が十分に行われ、熱発電素子の焼損を確実に防止することができる。

また、本発明において、前記発電運転制御手段は、前記暖房運転制御手段との通信を行う通信手段を備え、前記停電検出手段は、該通信手段による暖房運転制御手段との通信が不能となったとき、前記商用電源からの給電が停止されたとみなして前記商用電源の停電を検出することを特徴とする。これにより、発電運転制御手段は、暖房運転中に商用電源に停電が生じたことを容易に検出することができ、発電燃焼停止手段による素子用加熱手段の停止や給電切替手段による循環ポンプへの給電切り替えを円滑に行うことができる。

ところで、停電により温水暖房装置の暖房運転が停止し、熱発電装置における発電が停止した後には、循環ポンプへの給電がバッテリから行われるので、バッテリの電力が次第に消耗する。一方、素子用加熱手段が停止して熱発電素子の高温側の温度が十分に低下すれば熱発電素子の焼損も生じない。そこで、本発明において、前記発電運転制御手段は、前記熱発電素子の高温側の温度低下を判定する判定手段を備え、該判定手段による判定結果に基づいて循環ポンプを停止させることが好ましい。これによれば、熱発電素子の焼損のおそれがなくなったときに循環ポンプを停止することができ、バッテリの消耗を抑えることができる。

このとき、具体的には、前記熱発電素子の発電量を検出する発電量検出手段を備えておき、該発電量検出手段により検出された熱発電素子の発電量が所定の発電量以下となったところで、前記判定手段において前記熱発電素子の高温側の温度低下の判定を行うことができる。また、それ以外には、前記熱発電素子の低温側の温度を検出する温度検出手段を備えておき、該温度検出手段により検出された低温側の温度が所定の温度以下となったところで、前記判定手段において前記熱発電素子の高温側の温度低下の判定を行うことができる。

本発明の一実施形態である温水暖房装置１は、図１に示すように、暖房用水回路２に接続された熱交換器３と、ガス供給管４から供給される燃料ガスの燃焼排気によって熱交換器３を加熱する第１バーナ５と、第１バーナ５へ燃焼用の空気を送り込むファン６とを備えている。第１バーナ５へ繋がるガス供給管４には、元弁やガス量調整弁等により構成される弁装置７が介設されている。第１バーナ５及びファン６は、図示しない点火装置や炎検知装置と共に本発明の暖房用加熱手段を構成している。そして、第１バーナ５の点火・消火、ファン６の動作、及び弁装置７の動作等は暖房運転制御手段８により制御される。暖房運転制御手段８には商用電力線９を介して商用電力が供給され、暖房運転制御手段８を介してファン６や弁装置７等の暖房運転時に作動する電気部品に商用電力が供給されるようになっている。

暖房用水回路２には家屋内の床暖房や温風暖房等の暖房負荷１０が接続されており、循環ポンプ１１により暖房用水が循環される。熱交換器３は、第１バーナ５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３ａと、燃焼排気中の潜熱を回収する二次熱交換部３ｂとによって構成されている。二次熱交換部３ｂの下方には二次熱交換部３ｂ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１２が設けられている。

暖房用水回路２は、一次熱交換部３ａから暖房負荷１０に至る部分が暖房用水の往路とされ、暖房負荷１０から二次熱交換部３ｂへ至る部分が復路とされる。

後述する暖房運転が開始されると、第１バーナ５の燃焼排気により熱交換器３内の暖房用水が加熱され、循環ポンプ１１の作動により熱交換器３において加熱された暖房用水が一次熱交換部３ａから往路に沿って暖房負荷１０へ送り出され、更に、暖房負荷１０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３ｂへ戻る。第１バーナ５から発生した燃焼排気は、一次熱交換部３ａ、二次熱交換部３ｂの順に通過して装置外へ排出される。このとき、二次熱交換部３ｂでは、復路から流れて来る暖房用水へ燃焼排気中の潜熱を回収させ、一次熱交換部３ａでは、二次熱交換部３ｂから流れて来る潜熱回収済みの暖房用水へ燃焼排気中の顕熱を回収させる。

また、暖房用水回路２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１３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１４とが設けられ、前記暖房運転制御手段８は、第１温度センサ１３と第２温度センサ１４との温度に基づいて第１バーナ５の燃焼量等を制御する。

更に、温水暖房装置１は熱発電装置１５を備えている。熱発電装置１５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。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２０が介設されている。第２バーナ１８及びファン１９は、図示しない点火装置や炎検知装置と共に本発明の素子用加熱手段を構成している。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２０の動作等は発電運転制御手段２１により制御される。発電運転制御手段２１は暖房運転制御手段８に図示しない通信手段を介して信号線２２により接続され、暖房運転制御手段８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の低温側には冷却水路２３が密着して設けられている。冷却水路２３は、暖房用水回路２の復路である暖房負荷１０より下流側に接続されている。これにより、暖房負荷１０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２３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。

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熱交換器３の近傍へ案内する排気路２４が設けられている。排気路２４は、一次熱交換部３ａと二次熱交換部３ｂとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入する。これにより、二次熱交換部３ｂ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。

熱発電素子１６には、この熱発電素子１６から発電出力を取り出す発電電力線２５を介して電力分配手段２６が接続されている。電力分配手段２６はインバータや電圧計等を備えており、熱発電素子１６の発電出力を蓄電するバッテリ２７と、図外の照明器具や家庭電器等の電力機器に電力を供給する端子２８とが接続されている。電力分配手段２６は信号線２９により発電運転制御手段２１に接続され、発電運転制御手段２１により制御される。発電運転制御手段２１には電力分配手段２６を介してバッテリ２７の電力が供給され、発電運転制御手段２１を介してファン１９や弁装置２０等の発電運転時に作動する電気部品にバッテリ２７の電力が供給されるようになっている。

発電運転制御手段２１は、停電検出部３０（停電検出手段）と、燃焼停止制御部３１（発電燃焼停止手段）と、判定部３２と、給電切替部３３（給電切替手段）とを備えている。停電検出部３０は、暖房運転制御手段８との通信が不能となったとき、商用電源からの給電が停止されたとみなして商用電源の停電を検出する。燃焼停止制御部３１は、停電検出部３０により停電が検出されたとき、第２バーナ１８の燃焼を停止させる。判定部３２は、熱発電素子１６の低温側に設けられた第３温度センサ３４（温度検出手段）の検出温度が所定の温度以下となったとき熱発電素子１６の高温側の温度低下を判定する。なお、判定部３２においては、第３温度センサ３４の検出温度に基づく判定以外に、図示しないが、熱発電素子１６の発電量を検出する発電量検出手段を設けておき、熱発電素子１６の発電量が所定の発電量以下となったとき、熱発電素子１６の高温側の温度低下を判定するようにしてもよい。給電切替部３３は、暖房運転制御手段８を介して商用電源に接続されていると共に、電力分配手段２６を介してバッテリ２７に接続されている。循環ポンプ１１は、給電切替部３３に接続されて、商用電源とバッテリ２７との何れか一方から選択的に給電されるようになっている。そして給電切替部３３は、停電検出部３０により停電が検出されたとき、循環ポンプ１１への給電を商用電源からバッテリ２７に切り替える。

ここで、商用電源が停電した際の発電運転制御手段２１の作動を説明する。温水暖房装置１による暖房運転中には、発電運転制御手段２１が暖房運転制御手段８と連動し、熱発電装置１５も発電運転を行う。この間、温水暖房装置１は商用電源の電力により暖房運転が行われ、熱発電装置１５はバッテリ２７の電力により発電運転制御手段２１が作動する。このとき、熱発電素子１６の発電電力は発電運転制御手段２１に供給さえたもの以外が同時にバッテリ２７に蓄えられる。

この状態で商用電源が停電すると、暖房運転制御手段８への給電が停止し、第１バーナ５に供給される燃料ガスが弁装置７によって遮断される等により暖房運転が停止する。そして、暖房運転制御手段８は、停電により作動停止した場合には、停電が解消して商用電源からの給電が再開されても、暖房運転の運転開始操作が行われるまで停止状態となる。

一方、熱発電装置１５においては、暖房運転制御手段８への給電が停止することによって、発電運転制御手段２１の停電検出部３０が商用電源の停電を検出する。この停電検出に応じて、燃焼停止制御部３１が第２バーナ１８の燃焼を停止させ、同時に、給電切替部３３が循環ポンプ１１への給電をバッテリ２７に切り替える。これにより、停電時にバッテリ２７から循環ポンプ１１へ給電され、暖房用水回路２における暖房用水の循環が継続して行われる。熱発電素子１６は、暖房用水の循環により冷却水路２３における暖房用水の流動が維持されるので、その低温側が十分に冷却され、熱発電素子１６の焼損が確実に防止される。

その後、第３温度センサ３４の検出温度が所定温度に低下すると、発電運転制御手段２１の判定部３２が熱発電素子の高温側の温度が低下したと判定し、循環ポンプ１１を停止させる。こうすることにより、循環ポンプ１１への給電に伴うバッテリ２７の消耗を防止して、暖房運転の再開に備えることができる。

なお、熱発電装置１５は、電力分配手段２６に接続された端子２８を備えることにより、商用電源の停電中に他の電気機器に対するバックアップ電源としてバッテリ２７からの給電を行うことができ、また、バッテリ２７から暖房運転制御手段８への給電が行えるようにしておくことで、停電が解消していなくてもバッテリ２７を電源として暖房運転を再開することができる。

また、本実施形態における停電検出部３０は、暖房運転制御手段８との通信不能により商用電源の停電を検出するようにしたものであるが、これに限るものではなく、例えば、商用電源の電力を監視し、商用電源の電力低下により停電を検出するようにしてもよい。

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２３を、暖房用水回路２における暖房負荷１０と熱交換器３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１０と熱交換器３との間から分岐する流路を設けてこの流路に冷却水路２３を接続し、冷却水路２３を暖房負荷１０と熱交換器３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。

符号の説明

１…温水暖房装置、２…暖房用水回路、３…熱交換器、５…第１バーナ（暖房用加熱手段）、８…暖房運転制御手段、１０…暖房負荷、１１…循環ポンプ、１５…熱発電装置、１６…熱発電素子、１８…第２バーナ（素子用加熱手段）、２１…発電運転制御手段、２３…冷却水路、２７…バッテリ、３０…停電検出部（停電検出手段）、３１…燃焼停止制御部（発電燃焼停止手段）、３２…判定部（判定手段）、３３…給電切替部（給電切替手段）、３４…第３温度センサ（温度検出手段）。

Claims (5)

1. 暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を加熱する暖房用加熱手段と、前記熱交換器を介して暖房用水を循環ポンプにより循環させる暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、商用電源を主電源として暖房運転を制御する暖房運転制御手段とを備える温水暖房装置において、
   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、熱発電素子の高温側を加熱する素子用加熱手段と、前記温水暖房回路の暖房負荷より下流側に接続され、暖房用水を冷却水として熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路と、熱発電素子から得られる電力を蓄えるバッテリと、該バッテリからの電力を電源として発電運転を制御する発電運転制御手段とを有する熱発電装置を備え、
   前記発電運転制御手段は、前記商用電源の停電を検出する停電検出手段と、該停電検出手段により停電が検出されたとき、前記素子用加熱手段を停止させる発電燃焼停止手段と、前記停電検出手段により停電が検出されたとき、少なくとも前記循環ポンプへの給電を商用電源から前記バッテリに切り替える給電切替手段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、
   前記発電運転制御手段は、前記暖房運転制御手段との通信を行う通信手段を備え、
   前記停電検出手段は、該通信手段による暖房運転制御手段との通信が不能となったとき、前記商用電源からの給電が停止されたとみなして前記商用電源の停電を検出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、
   前記発電運転制御手段は、前記熱発電素子の高温側の温度低下を判定する判定手段を備え、該判定手段による判定結果に基づいて循環ポンプを停止させることを特徴とする温水暖房装置。
4. 請求項３記載の温水暖房装置において、
   前記熱発電素子の発電量を検出する発電量検出手段を備え、
   前記判定手段は、該発電量検出手段により検出された熱発電素子の発電量が所定の発電量以下となったとき、前記熱発電素子の高温側の温度低下を判定することを特徴とする温水暖房装置。
5. 請求項３記載の温水暖房装置において、
   前記熱発電素子の低温側の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記判定手段は、該温度検出手段により検出された低温側の温度が所定の温度以下となったとき、前記熱発電素子の高温側の温度低下を判定することを特徴とする温水暖房装置。
   

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