JP5793431B2 - 暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、暖房装置に関する。特に、加熱された熱媒を貯めるタンクを有する蓄熱式の暖房装置に関する。

特許文献１に、蓄熱式の暖房装置が開示されている。この暖房装置は、熱媒を貯めるタンクと、熱媒を加熱する熱源機と、熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末を備えている。タンクと熱源機との間、熱媒を循環させる蓄熱用の循環経路によって接続されており、タンクと暖房端末の間は、熱媒を循環させる暖房用の循環経路によって接続されている。蓄熱用の循環経路と暖房用の循環経路は、互いに独立して設けられている。

特開２０１０−１７５１６３号公報

蓄熱式の暖房装置では、熱源機で加熱された熱媒が、一旦タンクに貯められた後に、暖房端末へ送られる。そのため、熱源機の運転状態にかかわらず、暖房端末へ送られる熱媒の温度は比較的に安定する。しかしながら、タンク内の蓄熱量が減少していくと、タンクから暖房端末へ送られる熱媒の温度は、熱源機からタンクに戻された熱媒の影響を受け易くなる。この場合、熱源機の出力（即ち、熱媒の加熱量）を細かに調整することができれば、暖房端末へ送られる熱媒の温度変動も抑制することができる。しかしながら、熱源機がヒートポンプ、特に二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプであったり、燃料電池であったりすると、その出力を細かに調整することは難しい。この場合、暖房端末へ送られる熱媒の温度変動が避けられなくなる。

上記の問題を鑑み、本発明は、蓄熱式の暖房装置において、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ又は燃料電池を採用した場合でも、暖房端末へ送られる熱媒の温度変動を抑制することを目的とする。

本発明に係る暖房装置は、熱媒を貯めるタンクと、熱媒を加熱する熱源機と、タンクから熱源機へ熱媒を送る蓄熱用往路と、熱源機からタンクへ熱媒を戻す蓄熱用復路と、熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末と、タンクから暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路と、暖房端末からタンクへ熱媒を戻す暖房用復路を備えている。この暖房装置では、熱源機として、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ又は燃料電池を採用することができる。この場合、蓄熱用復路のタンクに接続する終端部分と、暖房用往路のタンクに接続する始端部分を、共通の管路によって構成することが好ましい。また、共通の管路は、熱源機から伸びる蓄熱用復路及び暖房端末へ伸びる暖房用往路と常に導通状態にあり、熱源機と暖房端末との同時運転時において、（１）タンクから共通の管路及び暖房用往路を通じて高温の熱媒が暖房端末へ送られるとともに、熱源機から蓄熱用復路を通じてタンクへ戻される加熱後の熱媒の全部が、暖房用往路を流れる熱媒に直接合流する状態、又は（２）熱源機から蓄熱用復路を通じてタンクへ戻される加熱後の熱媒の一部が前記共通の管路を通ってタンクに送られるとともに、当該熱媒の他の一部が暖房用往路に直接送られる状態のうち、いずれか一方の状態となることが好ましい。

従来の暖房装置では、熱源機で加熱されてタンクに戻される熱媒が、暖房端末へ送られる熱媒の温度に影響を与えないように、蓄熱用の循環経路と暖房用の循環経路を、互いに独立して設けていた。しかしながら、本発明者らの研究によれば、蓄熱用復路のタンクに接続する終端部分と、暖房用往路のタンクに接続する始端部分を、共通の管路によって構成し、熱源機からの熱媒を暖房用往路へ直接合流させた方が、暖房端末へ送られる熱媒の温度変動を抑制できることが判明した。その理由は、下記のように考えられる。

熱媒を貯めるタンク内では、上下方向に温度成層が形成されており、暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路は、通常、タンクの上部に接続されている。タンク内の蓄熱量が十分であれば、タンクの上部における熱媒の温度勾配（上下方向の温度差）は比較的に小さい。そのことから、タンク内の熱媒が揺れ動いたとしても、暖房用往路へ流れ込む熱媒の温度はあまり変動しない。しかしながら、タンク内の蓄熱量が減少してくると、タンクの上部においても熱媒の温度勾配は大きくなる。このとき、熱源機による加熱運転が行われ、タンクに戻された熱媒の流入によりタンク内の熱媒が揺れ動けば、暖房用往路へ流れこむ熱媒の温度は、周期的に変動することになる。即ち、暖房端末へ送られる熱媒の温度変動は、温度勾配を有するタンク内の熱媒が、揺れ動くことによって生じるものであり、密閉されたタンク内では、蓄熱用の循環経路と暖房用の循環経路を独立して形成したとしても、熱媒に生じる振動を避けることは実質的に不可能である。

それに対して、本願発明の暖房装置では、熱源機で加熱された熱媒を、暖房用往路へ直接合流させる。そのことから、タンクから暖房用往路へ流れこむ熱媒の温度が、上述した事象に起因して変動する場合でも、熱源機で加熱された熱媒が合流することによって、暖房端末へ送られる熱媒の温度が安定することになる。

本発明に係る暖房装置は、暖房用往路上に設けられ、暖房端末へ送られる熱媒を加熱する補助熱源機をさらに備えることができる。この構成によると、暖房端末へ送られる熱媒の温度が低すぎるときは、補助熱源機を運転することによって、暖房端末へ送られる熱媒の温度を高めることができる。タンクの蓄熱や熱源機の能力だけでは熱量が不足する場合でも、不足分を補助熱源機によって補うことで、要求された暖房を行うことができる。

実施例の給湯暖房システムの構成を模式的に示す図。 ヒートポンプユニットを運転しながら暖房を行うときの熱媒の流れを示す図。 ヒートポンプユニットを運転せず、給湯暖房ユニット（補助熱源機）のみを用いて暖房を行うときの熱媒の流れを示す図。 融雪電力の供給が停止されている間に、凍結防止運転を行うときの熱媒の流れを示す図。 実施例の暖房装置において、各所の熱媒の温度を測定した結果を示すグラフ。グラフＡは蓄熱復路サーミスタ４６の測定温度を示し、グラフＢはタンク出口サーミスタ４８の測定温度を示し、グラフＣは暖房復路サーミスタ６２の測定温度を示し、グラフＤは蓄熱往路サーミスタ４４の測定温度を示す（図６も同様）。 従来の暖房装置において、各所の熱媒の温度を測定した結果を示すグラフ。

本発明の一実施形態では、暖房用の熱媒に、水又は不凍液を用いることが好ましい。

本発明の一実施形態では、補助熱源機に、可燃性ガス等の燃料を燃焼する燃焼装置を採用することが好ましい。

本発明の一実施形態では、蓄熱用往路又は蓄熱用復路に、熱媒の凍結を防止するための凍防ポンプを設けることが好ましい。この場合、凍防ポンプに対して逆止弁を並列に設けることが好ましい。この構成によると、ヒートポンプ等の熱源機の運転時には、熱媒が逆止弁を通って循環し、凍防ポンプがバイパスされることから、凍防ポンプによって熱媒の循環が妨げられることを避けることができる。一方、凍防ポンプの運転時には、凍防ポンプの入側と出側が逆止弁によって遮断されるので、短絡することなく、タンクと熱源機との間で熱媒を確実に循環させることができる。

本発明の一実施形態では、熱媒の循環する回路を密閉回路とした上で、熱媒の熱膨張を吸収するために、膨張タンクを設けることができる。この場合、膨張タンクは、タンクの容量に応じた第１の膨張タンクと、設置現場の配管容量に応じて第２の膨張タンクを、それぞれ設けることが好ましい。この構成によると、暖房装置の設置時には、設置現場の配管容量のみを考慮して、必要とされる膨張タンクの容量を計算すれば足りる。また、暖房装置の移設や、配管の変更を行った場合には、第２の膨張タンクのみを変更すればよく、第１の膨張タンクはそのまま使用することができる。

本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。図１は、実施例の給湯暖房システム１０を示している。図１に示すように、給湯暖房システム１０は、ヒートポンプユニット２０と、タンクユニット２８と、給湯暖房ユニット８０と、暖房端末９０を備えている。

本実施例の給湯暖房システム１０は、例えば北海道地方のように、融雪用電力（単に融雪電力ともいう）を利用可能な地域での使用を前提とするものである。周知のように、融雪用電力は、暖房のために使用することはできるが、給湯のために使用することは禁止されている。そのことから、本実施例の給湯暖房システム１０では、暖房のみに供されるヒートポンプユニット２０及びタンクユニット２８については融雪用電力を利用し、給湯にも供される給湯暖房システム１０については一般電灯用電力（単に一般電灯電力ともいう）を利用するように構成されている。

ヒートポンプユニット２０は、大気中から採熱して、タンクユニット２８から送られる熱媒を加熱するヒートポンプである。ヒートポンプユニット２０は、図示省略するが、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器と、それらを順に接続する冷媒循環経路を備えている。その他、蒸発器に送風するファンや、それを駆動するモータ等も設けられている。冷媒循環経路内には、冷媒である二酸化炭素が充填されている。ヒートポンプユニット２０の詳細については、公知のものと同じであるので、ここでは説明を省略する。また、ヒートポンプユニット２０には、ヒートポンプユニット２０とタンクユニット２８との間で熱媒を循環させる循環ポンプ２２が設けられている。

タンクユニット２８は、熱媒を貯めるタンク３０を備えている。本実施例の熱媒は、不凍液である。本実施例のタンク３０は、一例であるが、３０リットルの容量を有している。タンク３０には、高さ方向に沿って複数のタンクサーミスタ４２が設けられている。複数のタンクサーミスタ４２は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、複数のタンクサーミスタ４２によって検出された温度から、タンク３０に貯められた熱量を把握することができる。

タンク３０は、蓄熱用往路３４と蓄熱用復路３２を介して、ヒートポンプユニット２０に接続されている。蓄熱用往路３４は、タンク３０からヒートポンプユニット２０へ熱媒を送る管路であり、タンク３０の底部に接続されている。蓄熱用復路３２は、ヒートポンプユニット２０からタンク３０へ熱媒を戻す管路であり、タンク３０の頂部に接続されている。蓄熱用往路３４と蓄熱用復路３２は、ヒートポンプユニット２０とタンク３０との間で熱媒を循環させる循環経路を構成している。当該循環経路には、前述した循環ポンプ２２が設けられている。本実施例の循環ポンプ２２は、ヒートポンプユニット２０に内蔵されているが、循環ポンプ２２の位置は特に限定されない。

蓄熱用往路３４には、手動弁２４と、蓄熱往路サーミスタ４４が設けられている。同様に、蓄熱用復路３２にも、手動弁２４と、蓄熱復路サーミスタ４６が設けられている。蓄熱往路サーミスタ４４と蓄熱復路サーミスタ４６は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、蓄熱往路サーミスタ４４による検出温度から、ヒートポンプユニット２０による加熱前の熱媒の温度を把握し、蓄熱復路サーミスタ４６による検出温度から、ヒートポンプユニット２０による加熱後の熱媒の温度を把握することができる。

暖房端末９０は、タンク３０からの熱媒を放熱させて暖房を行う。暖房端末９０は、例えば、パネルヒータ、パネルラジエータ、床暖房、ファンコンベクタ、温水式ルームエアコンである。暖房端末９０は、暖房用往路５６と暖房用復路６０を介して、タンク３０に接続されている。暖房用往路５６は、タンク３０から暖房端末９０へ熱媒を送る管路であり、タンク３０の頂部に接続されている。暖房用復路６０は、暖房端末９０からタンク３０へ熱媒を戻す管路であり、タンク３０の底部に接続されている。暖房用往路５６と暖房用復路６０は、タンク３０と暖房端末９０との間で熱媒を循環させる循環経路を構成している。ここで、タンク３０の頂部に接続する暖房用往路５６の始端部分４５は、タンク３０の頂部に接続する蓄熱用復路３２の終端部分４５でもあり、両者は共通の管路によって構成されている。この構成による作用効果については、後段において詳細に説明する。

暖房用往路５６には、タンク出口サーミスタ４８と、暖房往路サーミスタ５８が設けられている。暖房用復路６０には、暖房復路サーミスタ６２が設けられている。タンク出口サーミスタ４８と暖房往路サーミスタ５８と暖房復路サーミスタ６２は、タンクユニット２８のコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、タンク出口サーミスタ４８による検出温度から、タンク３０から暖房用往路５６へ流出する熱媒の温度を把握し、暖房往路サーミスタ５８による検出温度から、暖房用往路５６によって暖房端末９０に送られる熱媒の温度を把握し、暖房復路サーミスタ６２による検出温度から、暖房端末９０による放熱後の熱媒の温度を把握することができる。また、暖房用復路６０には、手動弁５２を有する排水管５０が接続されている。

暖房用往路５６は、給湯暖房ユニット８０を経由して、暖房端末９０に接続されている。給湯暖房ユニット８０は、燃焼式の熱源機であり、可燃性ガスを燃焼させる二つのバーナー８４、８６を有する。一方のバーナー８４は、給湯用のものであり、給湯管路８２を流れる上水を加熱する。他方のバーナー８６は、暖房用のものであり、必要に応じて、暖房用往路５６を流れる熱媒を加熱する。それにより、本実施例の給湯暖房システム１０は、タンク３０の蓄熱量が不足する場合や、ヒートポンプユニット２０の運転が不能な場合でも、必要とされる暖房を行うことができる。また、給湯暖房ユニット８０は、コントローラ８８を有している。また、給湯暖房ユニット８０には、暖房端末９０とタンクユニット２８との間で熱媒を循環させる循環ポンプ８７が設けられている。なお、循環ポンプ８７を設ける位置は、給湯暖房ユニット８０に限られず、特に限定されない。

暖房用往路５６と暖房用復路６０の間は、バイパス経路６４を介して接続されている。それにより、暖房用復路６０を流れる熱媒の一部又は全部を、タンク３０を経由することなく、暖房用往路５６へ送ることができるように構成されている。また、暖房用復路６０とバイパス経路６４との分岐位置には流量調整弁６６が設けられており、バイパス経路６４を流れる熱媒の流量を調整できるようになっている。流量調整弁６６は、コントローラ５４に接続されており、その動作はコントローラ５４によって制御される。この構成によると、暖房用往路５６を通って暖房端末９０に送られる熱媒の温度が高すぎるときは、暖房用復路６０を流れる放熱後の熱媒を、暖房用往路５６を流れる熱媒に合流させることによって、暖房端末９０に送られる熱媒の温度を低下させることができる。

図２は、ヒートポンプユニット２０を運転しながら暖房を行うときの熱媒の流れを示している。図２に示すように、暖房端末９０には、タンク３０の上部から暖房用往路５６を通じて高温の熱媒が送られる。暖房端末９０に送られた高温の熱媒は、暖房端末９０において放熱した後に、暖房用復路６０を通じてタンク３０の下部へ戻される。一方、ヒートポンプユニット２０には、タンク３０の下部から蓄熱用往路３４を通じて低温の熱媒が送られる。ヒートポンプユニット２０に送られた低温の熱媒は、ヒートポンプユニット２０において加熱された後に、蓄熱用復路３２を通じてタンク３０の上部へ戻される。このとき、暖房端末９０に送られる熱媒の温度が低すぎるときは、給湯暖房ユニット８０のバーナー８６による補助加熱を行うことができる。逆に、当該熱媒の温度が高すぎるときは、バイパス経路６４を開通させ、暖房用復路６０から暖房用往路５６へ低温の熱媒を送ることができる。

ここで、前述したように、タンク３０の頂部に接続する蓄熱用復路３２の終端部分４５と、タンク３０の頂部に接続する暖房用往路５６の始端部分４５は、共通の管路によって構成されている。そのことから、ヒートポンプユニット２０から送られる加熱後の熱媒の一部又は全部は、タンク３０に入らず、暖房用往路５６を流れる熱媒に直接合流する。この構成によると、図５に示すように、各々の管路を流れる熱媒の温度が安定する。

上記に対して、図６は比較例であり、従来製品のように、蓄熱用復路３２と暖房用往路５６に共通部分を設けず、両者を互いに独立して設けた製品の測定結果を示す。図５と図６を比較して明らかなように、本実施例では、暖房用往路５６を流れる熱媒の温度が特に安定している（グラフＢ参照）。タンク３０の熱媒を加熱する熱源機が、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプユニット２０であると、その出力（熱媒の加熱量）を細かに調整することは難しい。そのことから、タンク３０の蓄熱量が低下したときは、暖房端末９０へ送られる熱媒の温度が不安定になりやすい。当該熱媒の温度変化を避けるために、従来の製品では、蓄熱用復路３２と暖房用往路５６を互いに独立させ、蓄熱用復路３２から一旦タンク３０を経由して暖房用往路５６に熱媒を送っていた。しかしながら、本実施例のシステムでは、蓄熱用復路３２と暖房用往路５６の一部を敢えて共通化し、蓄熱用復路３２から暖房用往路５６へ熱媒を直接的に合流させることで、暖房端末９０へ送られる熱媒の温度変動を抑制することに成功した。この技術は、出力調整の難しい他の熱源機、例えば燃料電池を利用するシステムにも、好適に採用することができる。

図３は、ヒートポンプユニット２０を運転せず、給湯暖房ユニット８０のみを用いて暖房を行うときの熱媒の流れを示す。図３に示すように、本実施例の給湯暖房システム１０は、ヒートポンプユニット２０やタンク３０の蓄熱を利用せず、給湯暖房ユニット８０のみによって暖房を行うこともできる。この場合、暖房用往路５６と暖房用復路６０はバイパス経路６４によって接続され、熱媒はタンク３０を経由することなく循環する。それにより、循環ポンプ８７にかかる負荷を小さくすることができる。

図１に示すように、暖房用往路５６には、二つの膨張タンク７０、７２と、圧力逃がし弁７４が設けられている。本実施例では、熱媒の循環する回路が密閉回路とされているので、熱媒の熱膨張を吸収するために、二つの膨張タンク７０、７２が用意されている。なお、二つの膨張タンク７０、７２を接続する位置は、暖房用往路５６に限定されず、例えば暖房用復路６０や他の経路に接続してもよい。

第１の膨張タンク７０は、タンクユニット２８と一体に設けられている。第１の膨張タンク７０は、タンク３０に対応したサイズを有している。一方、第２の膨張タンク７２は、設置現場の配管容量に応じたサイズを有している。このように、タンク３０の容量といった不変部分と、設置場所等に応じて変わる配管容量などの変化部分に分けて、二つの膨張タンク７０、７２が設けられている。この構成によると、給湯暖房システム１０の設置時には、設置現場の配管容量のみを考慮して、必要とされる第２の膨張タンク７２の容量のみを計算すれば足りる。また、給湯暖房システム１０の移設や、配管の変更を行った場合にも、第２の膨張タンク７２のみを変更すればよく、第１の膨張タンク７０はそのまま使用することができる。

蓄熱用往路３４には、凍防ポンプ３８と逆止弁４０が設けられている。凍防ポンプ３８と逆止弁４０は、互いに並列に接続されている。凍防ポンプ３８は、ヒートポンプユニット２０の停止時に、熱媒を循環させるためのポンプであり、それによって熱媒の凍結を防止する。周知のように、融雪電力の利用者は、電力需要がピークを迎える所定の時間帯において、融雪電力の使用を中止する通電遮断時間を定めなければならない。ヒートポンプユニット２０は、融雪電力を利用することから、通電遮断時間の間、運転をすることができない。その間に、屋外に配置されたヒートポンプユニット２０では、熱媒が凍結するおそれがある。そこで、通電遮断時間の間は、凍防ポンプ３８を運転することによって、熱媒の凍結を防止する。凍防ポンプ３８は、電力線８９によって給湯暖房ユニット８０のコントローラ８８に接続されている。それにより、一般電灯電力の供給を受けて、融雪電力の通電遮断時間でも作動することができる。

凍防ポンプ３８は、凍結を防止することができる程度に熱媒を循環させられればよく、比較的に小型のポンプを採用することができる。ただし、小型の凍防ポンプ３８を熱媒の循環経路へ設けると、ヒートポンプユニット２０の運転時において、凍防ポンプ３８が大きな抵抗となってしまう。そこで、本実施例では、凍防ポンプ３８に対して逆止弁４０を並列に設けている。

上記した構成によると、ヒートポンプユニット２０の運転時には、図２に示すように、熱媒が逆止弁４０を通って循環し、凍防ポンプ３８がバイパスされることから、熱媒が凍防ポンプ３８による抵抗を受けることがない。一方、凍防ポンプ３８の運転時には、図４に示すように、凍防ポンプ３８の入側と出側が逆止弁４０によって遮断されるので、閉回路３６において短絡することなく、タンク３０とヒートポンプユニット２０との間で熱媒を確実に循環させることができる。なお、逆止弁４０に代えて、凍防ポンプ３８の運転時に閉弁し、ヒートポンプユニット２０の運転時に開弁するような電磁弁を設けることもできる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：給湯暖房システム
２０：ヒートポンプユニット
２８：タンクユニット
３０：タンク
３２：蓄熱用復路
３４：蓄熱用往路
３８：凍防ポンプ
４０：逆止弁
４５：蓄熱用復路の終端部分と暖房用往路の始端部分を兼ねる共通の管路
５６：暖房用往路
６０：暖房用復路
６４：バイパス経路
６６：流量調整弁
８０：給湯暖房ユニット
８６：バーナー
９０：暖房端末

Claims (2)

1. 熱媒を貯めるタンクと、
   熱媒を加熱する熱源機と、
   タンクから熱源機へ熱媒を送る蓄熱用往路と、
   熱源機からタンクへ熱媒を戻す蓄熱用復路と、
   熱媒を放熱させて暖房を行う暖房端末と、
   タンクから暖房端末へ熱媒を送る暖房用往路と、
   暖房端末からタンクへ熱媒を戻す暖房用復路と、
   を備え、
   熱源機は、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプと燃料電池のいずれかであり、
   蓄熱用復路のタンクに接続する終端部分と、暖房用往路のタンクに接続する始端部分が、共通の管路によって構成されており、
   タンクから伸びる共通の管路は、熱源機から伸びる蓄熱用復路及び暖房端末へ伸びる暖房用往路と常に導通された状態にあり、
   熱源機と暖房端末との同時運転時において、（１）タンクから共通の管路及び暖房用往路を通じて高温の熱媒が暖房端末へ送られるとともに、熱源機から蓄熱用復路を通じてタンクへ戻される加熱後の熱媒の全部が、暖房用往路を流れる熱媒に直接合流する状態、又は（２）熱源機から蓄熱用復路を通じてタンクへ戻される加熱後の熱媒の一部が前記共通の管路を通ってタンクに送られるとともに、当該熱媒の他の一部が暖房用往路に直接送られる状態のうち、いずれか一方の状態となることを特徴とする暖房装置。
2. 暖房用往路上に設けられ、暖房端末へ送られる熱媒を加熱する補助熱源機をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の暖房装置。

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