JP2001272136A - 住宅等の空調・給湯熱源システムと蓄熱空調機の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】住宅などで使用する空調・給湯熱源として深夜
電力などを利用した蓄熱を行い、冷房用熱源としては氷
蓄熱を行い、その時発生する凝縮器側の高温エネルギー
を給湯に利用して省エネルギー化を計ると共に熱源の一
元化を計り便利で快適な熱源システムを提供を目的にす
る。 【構成】ヒートポンプを中心に空調装置と温水蓄熱装置
を設置し、これらを冷媒配管で結び、冷熱・温熱を有効
に利用する構成とし、かつ温熱が不足する時は深夜電力
蓄熱器から補給するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、住宅で使用する給湯用
・暖房用の温熱源および冷房用の冷熱源の生産を省エネ
ルギー的に行う方法と利用を効率的に行うことに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、深夜電力を利用した蓄熱には、給
湯用の蓄熱を主としていたが、最近では冷房用の熱源と
して氷蓄熱が利用されるようになった。いずれも蓄熱槽
で蓄熱して空調機に熱媒体で輸送する方法が取られてい
る。

【０００３】そこで本発明者は、住宅等の空調用熱源に
関して特開平９−１４６８９を発明している。

【０００４】熱源機器として使用するヒートポンプは、
冷熱と温熱に分離する熱機関である。利用する熱が冷熱
の場合が冷凍機であり、温熱の場合がヒートポンプと呼
ばれている。

【０００５】冷凍機の場合は、低温側（蒸発器側）を冷
房や製氷として利用し、高温側（凝縮器側）を温水とし
て排出または高温排気として大気に放熱している。

【０００６】ヒートポンプの場合は、冷凍機の場合とは
逆に、高温側（凝縮器側）を暖房・給湯などに利用し
て、低温側（蒸発器側）を冷水や冷気として排出してい
る。これらは、むしろ井水とか河川水・大気を熱源とし
て水や空気から熱を採取すると考えてよい。

【０００７】従来は、冷凍機として、あるいはヒートポ
ンプとして、冷熱・温熱の一方のみを利用するのが一般
的である。

【０００８】しかし最近では、冷凍機として使用する場
合に排熱を給湯などに利用する機器も開発されている
が、コスト面、温度や効率などの技術面、取り扱いの難
しさなどから市場を形成するまでには至っていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、エネルギー
の消費が地球環境に影響することから、省エネルギーが
叫ばれており、従来利用されずに捨てられている熱を有
効に利用することにある。使い易くかつ効率よく利用す
ることによってエネルギーの消費削減を果たすことを目
的としている。

【００１０】深夜電力を利用して蓄熱槽に冷熱または温
熱で蓄熱して、空調機に熱媒体で輸送する方法において
は輸送用のポンプ設備、同配管設備が必要になる。また
輸送に伴って搬送動力が必要なことはもちろん、輸送用
ポンプ動力は熱に変わり、冷房の場合は負荷になってい
る。当然のことであるが、これら設備には動力費の他に
運転管理費などの経費も必要となる。

【００１１】特開平９−１４６８９においては、蓄熱槽
と空調機を一体化して、輸送用のポンプ設備、同配管設
備を無くしたが、熱交換蓄熱体をケースと冷媒配管で構
成したことから蓄熱空調機の製造にコスト面の問題が生
じた。また空調機の外気取り入れダンパー部における空
気漏れが問題となった。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヒートポンプ
に対して空調装置と温熱蓄熱装置、大気熱交換器を設け
た構成になっている。

【００１３】空調装置は、蓄熱空調機と空調熱源コイル
で構成されている。温水蓄熱装置は温水蓄熱器と深夜電
力蓄熱器によって構成されている。

【００１４】蓄熱空調機においては、蓄熱空調機に流入
・流出する空気の流路を形成するダクトを空調機上部で
行う構造とする。側壁には開閉の出来るダンパーなど機
密を阻害する開口部は設けない。

【００１５】蓄熱空調機内のダクトは、空調機上面から
多数の蓄熱体の両端に複数本差し込むように設け、上部
のヘッダーで系統毎に一体とする。空調機内には空気の
流通に支障の無い程度に密に蓄熱体を設置し、ダクトに
は吹き出し・吸い込み口用の通気口を開け空調機内部の
流れが偏り流れにならないようにする。

【００１６】温水蓄熱装置の温水蓄熱器は、冷媒熱交換
器（凝縮器）、給湯熱交換器、熱源熱交換器（深夜電力
用）を内蔵し、下から冷媒熱交換器、給湯熱交換器、熱
源熱交換器さらに給湯熱交換器の順に設置されている。
給湯熱交換器は上下に分割されているが、配管で繋がっ
ていて一体である。

【００１７】温水蓄熱器においては、冷房（氷蓄熱運転
を含む）時には凝縮器として働き、蓄熱材（水）と熱交
換し、飽和状態になった時は大気熱交換器によって放熱
する

【００１８】大気熱交換器はヒートポンプとして用いる
時、大気から熱を採り、冷凍機として使用する時は、温
水蓄熱器が飽和状態になった時に放熱器となるものであ
る。

【００１９】暖房時においては、大気熱交換器から熱を
採り、空調熱源コイルで蓄熱空調機に温水蓄熱し、飽和
状態になったら温水蓄熱器に蓄熱する。温水蓄熱器が飽
和状態になったらヒートポンプの運転を停止する。

【００２０】

【作用】本発明は、ヒートポンプに対して空調装置と温
熱蓄熱装置、大気熱交換器を設けた構成になっているか
ら、ヒートポンプで発生する高温・低温の熱を有効に利
用することが出来る。

【００２１】空調装置は、蓄熱空調機と空調熱源コイル
で構成され、熱源ファンで空気を循環させるから、深夜
電力を利用して蓄熱空調機に氷蓄熱または温水蓄熱をす
ることが出来る。この時の蓄熱空調機内の流れは空調時
の逆向きの流れとなる。

【００２２】蓄熱空調機の蓄熱容量が不足した時は、空
調熱源コイルを利用して空調することも出来る。

【００２３】空調装置は、蓄熱空調機と空調熱源コイル
で構成されているから、蓄熱空調機の製造に際しては、
多数の蓄熱体を空気の流通を妨げない程度に密に空調機
内に設置する。この蓄熱体は蓄熱材を封入するだけでよ
い。蓄熱体の冷媒配管が省略されるから製造コストを低
減させることが出来る。

【００２４】蓄熱空調機においては、流入・流出する空
気の流路を形成するダクトを空調機上面から蓄熱体群の
両端に複数本差し込むように設け、空調機側面にはダク
ト接続などの開口設けないから、蓄熱空調機における空
気の漏洩（流出入）を無くすることが出来る。

【００２５】特に、氷蓄熱時においての蓄熱空調機内の
空気は、周囲温度より低く、比重が重いから空調機ケー
シング（箱型）内に溜まった状態になり漏洩を防ぐこと
が出来る。

【００２６】温水蓄熱器の蓄熱材（水）は、温度によっ
て比重に差が生ずることから上部ほど高温となる。つま
り上部高温、下部低温の温度層を形成する。これは給湯
において給湯温度確保には好都合である。ここでは給湯
に給湯熱交換器を用いた説明をしているが、蓄熱材を直
接給湯で行っても良い。この場合は給湯熱交換器は省略
できる。ただ温水蓄熱器の使用材料の選定には注意が必
要である。（給湯直接蓄熱の説明は省略するが給湯熱交
換器を用いた場合と同じである。）

【００２７】温水蓄熱器は、下部より冷媒熱交換器、給
湯熱交換器、熱源熱交換器、給湯熱交換器の順に設置さ
れているから、温水蓄熱器の最も低温となる下部で凝縮
器が働くことから効率よく熱交換する。

【００２８】給湯熱交換器は上下に分割されているが、
水道水の流入は、下側から行い、加熱されながら上昇し
て上側熱交換器に入る。この様な配置にすることによっ
て、上部の高温部を経ることから所定の給湯温度を効率
よく確保出来る。

【００２９】温水蓄熱器の容量（温度）不足から所定の
給湯温度が確保出来なくなった時は、深夜電力蓄熱器か
ら熱源熱交換器を通して熱補給を行う。この時は、熱源
熱交換器から上の部分が加熱される。下部は加熱されず
冷媒の凝縮熱の加熱のみとなる。この低温部分があるこ
とによって、温水蓄熱器が有効にかつ高効率の省エネル
ギーが確保される。これは冬季水道水温度が低下した時
や暖房運転ををする時に起こる。

【００３０】季節の変化すなわち気温の変化・水温の変
化によって必要とする低温（氷）・高温（給湯・暖房）
の蓄熱容量は変化するから、大気熱交換器によって調節
する。大気熱交換器はヒートポンプとして用いる時、大
気から熱を採り、冷凍機として使用する時は、温水蓄熱
器が飽和状態になった時に放熱器となるものである。

【００３１】暖房時においては、大気熱交換器から熱を
採り、熱源用空調機で蓄熱空調機に温水蓄熱し、飽和状
態になったら温水蓄熱器に蓄熱する。温水蓄熱器が飽和
状態になったらヒートポンプの運転を停止する。

【００３２】中間期（冷房・暖房が不要な期間）におい
ては、ヒートポンプとして温水蓄熱器に蓄熱する。ヒー
トポンプを用いることによって、電力を直接熱にする場
合との比較において約２〜５倍の熱が製造できるから省
エネルギーに寄与する。

【００３３】

【実施例】図１は空調・衛生熱源系統図である。ヒート
ポンプ１を中心に空調装置２，温水蓄熱装置３によって
構成されている。それらには相互に冷媒配管４が接続さ
れている。

【００３４】ヒートポンプ１は、大気と熱交換する大気
熱交換器５を有している。

【００３５】空調装置２は、蓄熱空調機６と空調熱源コ
イル７、給気ファン８，熱源ファン９、フィルター１
０，外気取入口１１で構成されている。

【００３６】温水蓄熱装置３は温水蓄熱器１２，深夜電
力蓄熱器１３，電気ヒーター１４によって構成されてい
る。

【００３７】図２は蓄熱空調装置２の構成詳細図であ
る。図３は蓄熱空調装置２のＡ−Ａ断面を矢印方向に見
た図である。

【００３８】蓄熱空調機６の製造に際しては、蓄熱体１
７を空気の流通を妨げない程度に密に設置する。この多
数の蓄熱体１７は蓄熱材を封入するだけでよい。蓄熱体
１７の冷媒配管が省略されるから製造コスト低減出来
る。

【００３９】蓄熱空調装置２の蓄熱空調機７において
は、蓄熱空調機７に流入・流出する空気の流路を形成す
るダクト１５を断熱ケーシング１６からなる空調機上面
から複数本蓄熱体１７の両端に差し込むように設け、空
調機側面にはダクト接続などの開口設けないから、蓄熱
空調機における空気の漏洩（流出入）を無くすることが
出来る。

【００４０】特に、氷蓄熱（深夜電力利用）時において
の蓄熱空調機６内の空気は、周囲温度より低く、比重が
重いから断熱ケーシング１６（箱型）内に溜まった状態
になり側面開口が無いことから空気の漏洩を完全に防ぐ
ことが出来る。

【００４１】この他蓄熱空調装置２には、運転に必要な
空気流路切り替えや流量制御を行うダンパー１８、断熱
ケーシング１６内ダクト１５をまとめて外部ダクト１５
と接続するためのヘッダー１９、給気温度を検出するサ
ーモスタット２０がある。

【００４２】図４は蓄熱体１７の単体図で内部に蓄熱材
２１が封入されている。上部には蓄熱材２１の膨張・収
縮を吸収する空隙２２がある。蓄熱材としては水を基本
に各種氷点の異なる塩類を用いることもある。

【００４３】図５は温水蓄熱装置３の構成詳細図であ
る。温水蓄熱器１２は、下部より冷媒熱交換器２３、給
湯熱交換器２４、熱源熱交換器２５、給湯熱交換器２４
の順に設置されているから、温水蓄熱器の最も低温とな
る下部で凝縮器として働くことから効率よく熱交換す
る。

【００４４】給湯熱交換器２４は上下に分割されている
が、水道水の流入は、下側水道管２６から行い、加熱さ
れながら上昇して上側給湯熱交換器２４に入り、給湯管
２７から給湯される。この様な配置にすることによっ
て、所定の給湯温度を効率よく確保出来る。

【００４５】温水蓄熱器１２の容量（温度）不足から所
定の給湯温度が確保出来なくなった時は、深夜電力蓄熱
器１３から熱源熱交換器２５を通じて熱補給を行う。温
水蓄熱器１３の温度をサーモスタット２８で検出し、所
定の温度を下回った時は電動弁２９を開き深夜電力蓄熱
槽１３から高温水を熱源熱交換器２５に送り補給する。
この補給が必要になるのは、冷媒冬季水道水温度が低下
した時や暖房運転ををする時である。更に温水蓄熱器１
２には暖房往管３０，暖房還管３１の接続口が設けられ
ている。（給湯の方法によっては暖房回路熱交換器を設
けることもある）

【００４６】深夜電力蓄熱槽１３は、深夜の時間帯にな
ると、電気ヒーター１４に通電され蓄熱される。所定の
温度になるとサーモスタット３２で検出され通電は停止
する。また深夜電力蓄熱槽１３内温度が所定の温度を下
回った時は、深夜の時間帯にない時でもサーモスタット
３３で検出し、電気ヒーター１４に通電され蓄熱され
る。通電の停止はサーモスタット３２により行う。

【００４７】図６、図７はヒートポンプ運転時の冷媒循
環系統図である。冷媒の流れを冷媒配管４に沿って矢印
で示す。圧縮機３４，冷凍機・ヒートポンプ切替弁３
５，温水蓄熱器１２の凝縮器２０への冷媒切替弁３６，
絞り装置３７，ヒートポンプ運転時の温水蓄熱器１２の
凝縮器２０へ冷媒供給制御弁３８，熱源コイル７への冷
媒供給制御弁３９で構成されている。また大気熱交換器
５には送風機４０がある。

【００４８】図６は蓄熱空調機６に氷蓄熱運転をする時
や蓄熱空調機６の蓄熱容量不足で空調熱源コイル７を利
用して冷房運転する時のヒートポンプ運転時の冷媒循環
系統図である。

【００４９】圧縮機３４で圧縮された冷媒は温水蓄熱器
１２の冷媒熱交換器２３で蓄熱材と熱交換し液化する。
絞り装置３７を経て熱源コイル７に入る。熱源ファン９
の運転によって空調熱源コイル７で冷却され、蓄熱空調
機６の蓄熱体１７と熱交換をして再び熱源ファン９に至
る循環をする。これによって蓄熱空調機６に氷蓄熱され
る。

【００５０】ここで圧縮機３３の運転について見ると 氷蓄熱と温水蓄熱が同時に終了する場合。 温水蓄熱が氷蓄熱より早く終了する場合。 氷蓄熱が温水蓄熱より早く終了する場合。 蓄熱空調機６の蓄熱容量不足で冷房運転する場合。 の４通りがある。

【００５１】氷蓄熱と温水蓄熱が同時に終了する場
合。 蓄熱が完了すると圧縮機３４の運転は停止する。（停止
信号は冷媒圧力や温度で行うが省略する。）

【００５２】温水蓄熱が氷蓄熱より早く終了する場
合。 温水蓄熱器１２の蓄熱温度が所定の温度（交換熱量が減
少する状態）になると、大気熱交換器５の送風機４０が
運転され冷媒熱は、大気と熱交換し液化し、絞り装置２
８を経て空調熱源コイル７に入る。氷蓄熱が完了すると
とも圧縮機３４の運転は停止する。

【００５３】氷蓄熱が温水蓄熱より早く終了する場
合。 氷蓄熱が完了すると、圧縮機３４の運転は停止する。空
調熱源コイル７への冷媒供給制御弁３９を閉とし、空調
熱源コイル７への冷媒供給を停止して冷媒回路を図７に
切り替えて温水蓄熱を行うことも出来るが説明は省略す
る。

【００５４】蓄熱空調機６の蓄熱容量不足で冷房運転
する場合。 この場合温水蓄熱は、の場合と同じであるから説明は
省略する。

【００５５】図７は暖房期、中間期など温熱利用期の冷
媒循環系統図である。冷房運転からの切り替えは、冷凍
機・ヒートポンプ切替弁３５，および冷媒切替弁３６で
行う。蓄熱空調機６は潜熱蓄熱が出来る氷蓄熱を基準に
設計されるから、温水の蓄熱容量は少ないものとなる。
温水蓄熱時の運転は冷房時の運転と同じである。

【００５６】温水利用期の運転の基本は、大気から熱を
採って利用することになる。圧縮機３４で圧縮された冷
媒は空調熱源コイル７に入る。または温水蓄熱器１２の
冷媒熱交換器２３に入る。空気または蓄熱材と熱交換し
液化する。絞り装置３７を経て大気熱交換器５に入り送
風機４０の運転により大気と熱交換して気化し再び圧縮
機３４に至る循環をする。

【００５７】暖房期の圧縮機３４の運転は、暖房優先の
運転にする。運転のケースとしては、 蓄熱空調機６の蓄熱運転および暖房運転をする場合。 温水蓄熱運転する場合。（暖房運転を停止して行
う。） の２通りになる。

【００５８】蓄熱空調機６の蓄熱運転および暖房運転
をする場合。 この場合は、凝縮器２３へ冷媒供給制御弁３８を閉、空
調熱源コイル７への冷媒供給制御弁３９を開として行
い、氷蓄熱の場合と同じ運転となる。

【００５９】温水蓄熱運転する場合。（暖房運転を停
止して行う。） この場合は、空調熱源コイル７への冷媒供給制御弁３９
を閉、凝縮器２３へ冷媒供給制御弁３８を開として行
う。蓄熱空調機６の蓄熱運転が終了したときはこのケー
スになる。

【００６０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記に記載されるような効果を奏する。 １）冷房時に捨てていた温熱を給湯に利用するので熱効
率が向上し省エネルギーが実現できる。 ２）蓄熱空調機の漏洩が無くなりロスが減少するので熱
効率が向上する。 ３）温水蓄熱器の各熱交換器の設置が蓄熱材の温度を考
慮して行われているから熱の有効利用と熱効率向上に役
立つ。 ４）給湯にヒートポンプを利用するので省エネルギーに
なる。

【００６１】

【図面の簡単な説明】

【図１】空調・衛生熱源系統図である。

【図２】蓄熱空調装置２の構成詳細図である。

【図３】蓄熱空調装置２のＡ−Ａ断面を矢印方向に見た
図である。

【図４】蓄熱体１６の単体図である。

【図５】温水蓄熱装置３の構成詳細図である。

【図６】ヒートポンプ運転（氷蓄熱・冷房運転）時の冷
媒循環系統図である。

【図７】ヒートポンプ運転（温水蓄熱・暖房運転）時の
冷媒循環系統図である。

【符号の説明】

１ ヒートポンプ ２ 空調装置 ３ 温水蓄熱装置 ４ 冷媒配管 ５ 大気熱交換器 ６ 蓄熱空調機 ７ 空調熱源コイル ８ 給気ファン ９ 熱源ファン １０ フィルター １１ 外気取入口 １２ 温水蓄熱器 １３ 深夜電力蓄熱器 １４ 電気ヒーター １５ ダクト １６ 断熱ケーシング １７ 蓄熱体 １８ ダンパー １９ ヘッダー ２０ サーモスタット ２１ 蓄熱材 ２２ 空隙 ２３ 冷媒熱交換器 ２４ 給湯熱交換器 ２５ 熱源熱交換器 ２６ 水道管 ２７ 給湯管 ２８ サーモスタット（熱補給用） ２９ 電動弁 ３０ 暖房往管接続口 ３１ 暖房還管接続口 ３２ サーモスタット（電気ヒーター１３の停止） ３３ サーモスタット（電気ヒーター１３の通電） ３４ 圧縮機 ３５ 冷凍機・ヒートポンプ切替弁 ３６ 冷媒切替弁 ３７ 絞り装置 ３８ 冷媒供給制御弁 ３９ 冷媒供給制御弁 ４０ 送風機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ２５Ｂ 13/00 ３５１ Ｆ２４Ｄ 17/00 Ｔ Ｆ２８Ｄ 20/00 Ｆ２８Ｄ 20/00 Ｂ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気との熱交換器を有するヒートポンプと
   空調装置の熱源コイルと温水蓄熱装置の温水蓄熱器の下
   部に設けた冷媒熱交換器は冷媒配管で接続され、空調装
   置にある蓄熱空調機に氷蓄熱する時、温水蓄熱器の下部
   に設けた冷媒熱交換器は凝縮器となり温水蓄熱器の蓄熱
   材を加熱することを特徴とする住宅などの空調・給湯熱
   源システム。
2. 【請求項２】請求項１において、温水蓄熱装置に深夜電
   力蓄熱器を設置し、温水蓄熱器の下部に設けた冷媒熱交
   換器の上に熱源熱交換器を設け、温水蓄熱器の蓄熱材の
   温度が不足する時深夜電力の高温水を熱源熱交換器に送
   り蓄熱材を加熱することを特徴とする住宅などの空調・
   給湯熱源システム。
3. 【請求項３】空調装置において、断熱ケーシングで作ら
   れて内部には蓄熱体を空気の流通が確保される程度に密
   に設置し、その両端には均一流れを形成するよう複数本
   のダクトが設けられた蓄熱空調機で、複数本のダクトは
   空調機上部のみを貫通し、系統毎にヘッダーでまとめら
   れ、外部ダクトと接続されることを特徴とする蓄熱空調
   機。