JP2543776B2 - ヒ―トポンプを用いた暖房・給湯システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヒートポンプを用いた暖房・給湯システムに
関し、特に地域暖房・給湯等を行なう大型加熱システム
に好適なヒートポンプを用いた暖房・給湯システムに関
するものである。

〔従来技術〕

通常の地域暖房・給湯システム（以下単に「DHS」と
称する）は温水ボイラなど安価な化石燃料を燃焼させて
温水を得る方法が主流である。この方式の場合は暖房・
給湯等温水の利用方法に無駄があってもボイラの性能は
ほとんど変わらないので、負荷からの還水温度は高くな
っている。

例えば、第５図は従来の暖房用空気加熱器の場合の温
度損失の一例を示す図であるが、図示するように、大き
な熱交換器温度損失がある。図において、縦軸は温度、
横軸はエントロピーである。

この例では戻り空気温度21℃に対してヒートポンプへ
の還水温度が50℃であり、大きな温度差となっている。

また、第６図は給湯用熱交換器の場合であるが、この
場合も給水温度10℃に対してヒートポンプへの還水温度
が50℃であり、大きな温度差となっている。

また、冷房負荷の場合は第７図に示すように、負荷で
ある室内空気と冷水との温度差が小さいので、温度損失
は少なくなっている。即ち、暖房や給湯の場合も、冷房
の場合と同程度の熱交換器を用いることが可能なはずで
あるが、上述の理由により従来は温度損失が大きくなっ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

最近、大気中に放出される二酸化炭素などによる温室
効果により、地球の温暖化が問題となっている。そのた
め、化石燃料を大量に使用する地域暖房・給湯設備にお
いても、将来大幅に一次エネルギーを削減しなければな
らなくなると思われる。そのため、その手段としてヒー
トポンプが推奨されている。しかしながら、最近のヒー
トポンプの熱力学的エネルギー損失、即ち温度損失は、
非常に小さくなっているので、温度上昇幅が大きい場合
にはその削減量は小さい。

また、前述のように、負荷側の温度損失を少なくすれ
ば、負荷から還水温度を下げることができ、ヒートポン
プの性能を向上させることができる。第２図，第３図は
それぞれ暖房・給湯の場合の負荷側温度損失を少なくし
た熱交換器温度変化図を示す。図示するように、いずれ
の場合もヒートポンプへの還水温度を低くすることがで
きる。特に、例えば、ファンコイルユニット等を用い
て、冷房と暖房を行なうような場合には、冷房仕様で既
に伝熱面積の大きなファンコイルユニットが設備されて
いるので、第２図に示すような温度分布とすることは十
分可能である。

しかしながら、このようにすると、理論的にはヒート
ポンプの所要動力を減らすことができるが、下記のよう
な不具合があり、ヒートポンプが使用できなかった。

即ち、負荷の少ないときには、負荷からの還水温度が
高くなり、また、負荷が大きいときには還水温度が低く
なるので、この変動が大きく、また、ヒートポンプ熱源
温度が高く、負荷が大きいときには、負荷からヒートポ
ンプへの還水温度が熱源水温度より低くなる。このため
ヒートポンプ内の冷媒の流れ、即ち、膨張弁や電動機冷
却用冷媒の流れなどに圧力差が小さいことに起因する不
具合いが生じた。そのため理論的には、一次エネルギー
を削減できるにもかかわらずヒートポンプを使用するこ
とができなかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題
点を除去し、ヒートポンプを利用することにより、大幅
に一次エネルギーを削減することができるヒートポンプ
を用いた暖房・給湯システムを提供することにる。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため請求項第（１）に記載の発明
は、蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張弁等を具備する電
動ヒートポンプと、熱回収装置を具備し、該熱回収装置
からの温流体を該電動ヒートポンプに送り、該電動ヒー
トポンプの蒸発器により冷却された流体との間で熱交換
器を介して冷却し再び該熱回収装置に送るように構成す
ると共に、該電動ヒートポンプにより加熱される流体を
暖房又は給湯負荷に送るように構成したヒートポンプを
用いた暖房・給湯システムにおいて、熱回収装置からの
温流体の一部が常に前記ヒートポンプの凝縮器に送られ
加熱され、且つ、暖房又は給湯負荷からの戻り流体の一
部が常に熱回収装置に戻るように構成することを特徴と
する。

また、請求項第（２）に記載の発明は、蒸発器、圧縮
機、凝縮器及び膨張弁等を具備する電動ヒートポンプ
と、熱回収装置を具備し、該熱回収装置からの温流体を
該電動ヒートポンプに送り、該電動ヒートポンプの蒸発
器により冷却された流体との間で熱交換器を介して冷却
し再び該熱回収装置に送るように構成すると共に、該電
動ヒートポンプにより加熱される流体を暖房又は給湯負
荷に送るように構成したヒートポンプを用いた暖房・給
湯システムにおいて、該熱回収装置からの温流体の一部
が常に前記暖房又は給湯負荷からの戻り流体により熱交
換器を介して加熱されるように構成することを特徴とす
る。

また、請求項第（３）に記載の発明は請求項第（１）
又は（２）に記載の発明において、電動ヒートポンプの
蒸発器により直接冷却される流体が流れる流体経路に該
流体を蓄積する蓄熱槽が設けられたことを特徴とする。

〔作用〕

請求項第（１）又は第（２）に記載の発明は上記のよ
うに、熱回収装置からの温流体の一部が常に電動ヒート
ポンプの凝縮器に送られ加熱され、且つ、暖房又は給湯
負荷からの戻り流体の一部が常に熱回収装置に戻るよう
に構成するか、又は熱回収装置からの温流体の一部が常
に前記暖房又は給湯負荷からの戻り流体により熱交換器
を介して加熱されるように構成するので、負荷の変動に
よる負荷からの戻り流体の温度が変動しても変動ヒート
ポンプに流入する流体の温度変動が少なく、電動ヒート
ポンプの不具合（膨張弁や電動機冷却用冷媒流れ等）が
解消でき、暖房又は給湯負荷からの戻り流体の温度を低
くするシステムにおいて、電動ヒートポンプの使用が可
能になり、その結果大幅に一次エネルギーを削減するこ
とができる。

また、負荷側の温度損失が少なくなり、負荷から戻り
流体の温度を下げることができ、負荷に送る温流体の流
量を減少させることができるから、その結果ポンプ動力
が小さく、且つ配管の細い地域暖房・給湯システムが実
現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示すヒートポンプを
用いた暖房・給湯システムの構成を示す図である。本暖
房・給湯システムは、外部熱回収システム１、温冷水供
給センター２及び地域暖房・給湯負荷システム３より構
成される。

外部熱回収システム１はごみ焼却発電装置などの復水
器冷却水、大型冷蔵庫などの冷凍機冷却水、熱機関オイ
ルクーラ冷却水、エンジン冷却水、トランス冷却水、各
種産業プロセスの凝縮のための冷却、低温温泉などから
熱回収を行なう熱回収装置４と配管5,6により構成され
ている。

また、地域暖房・給湯負荷システム３は、熱需要家で
ある、ビルや家庭に設置された熱交換器類とこれら熱交
換機と温冷水供給センター２との間を結ぶ配管により構
成されている。７は温水供給管、８は温水戻り管、９は
冷水供給管、10は冷水戻り管である。11は暖房のみを行
なっているビルで、12は室内空気を加熱するための熱交
換器である。このビル11では熱交換器伝熱面積を小さく
しているため、空気入口温度21℃に対して戻り管13内の
温水温度は50℃となっている。

なお、通常熱単価の料金単価は、使用温水流量に関連
しているので、ビルによっては還水温度を26℃程度とし
ている暖房専用ビルも多い。

14は冷房と暖房の両方を必要とするビルである。通常
このようなビルでは一つの熱交換器で、冷水と温水を切
替えて使用される（切替装置は図示せず）。

15は冷房運転を行なっている熱交換器、16は暖房運転
を行なっている熱交換器である。冷暖房兼用熱交換器は
通常冷房側条件で選定されるので、暖房運転時には必然
的に還水温度が低くなる。図の場合、戻り管17の温度は
26℃となっている。

また、18はホテルや住宅など給湯負荷のある需要場所
である。19は向流形熱交換器で電動ヒートポンプ35から
の温水は70℃で供給される。一方給水は例えば10℃で給
水され、この向流形熱交換器19により、例えば65℃まで
加熱されて貯湯槽20に貯えられる。図の場合は電動ヒー
トポンプ35への戻り管21内温度は15℃となっている。

22は温度の異なる２種類の加熱負荷、即ち高温負荷23
と暖房負荷24のある需要場所である。

図示するように、温水を段階的に使用することによ
り、使用温水流量の削減が図られている。このようにし
て需要場所の熱交換器で温度降下した温水は温水戻り管
８を、また温度上昇した冷水は冷水喪下り管10を経由し
て、温冷水供給センター２に戻される。

冷水部分は冷凍機25により冷却され、例えば７℃とな
ってポンプ26により、再び需要場所に送られる。

一方、温水戻り管８内の温水は、配管27を経由して低
温側熱源水管28に合流され、ポンプ29により熱回収装置
４に送られる。図の場合は、配管27と低温側熱源水管28
の内部流体温度は同一である。配管27内の温度が低温側
熱源水管28内温度より低くなるほど熱回収装置４におけ
る熱回収が容易になる。

熱回収装置４からの還水は配管６を通って高温側熱源
水管30と配管31の２流路に分けられる。高温側熱源水管
30の熱源水はポンプ32により熱交換器33に送られ、冷却
され、低温側熱源水管28に戻される。

一方、配管31内の熱源水はポンプ34により、電動ヒー
トポンプ35の凝縮器36に送られ、加熱され、ポンプ37に
より再び、温水供給管７を通って負荷側に送られる。

一方、熱交換器33で加熱された、熱源水は熱源水蓄熱
タンク38に送られる。そしてポンプ39により、電動ヒー
トポンプ35の蒸発器40で冷却され再び熱交換器33に流入
する。なお、熱源水蓄熱タンク38は十分な容量を有した
大気圧タンクとなっている。従って、ポンプ類のみ運転
しておけば、この熱源水蓄熱タンク38に熱回収装置４に
より回収した回収熱を蓄熱することができる。第１図に
示す温度条件でのヒートポンプ成績係数は８程度とな
る。

なお、41は補助温水ボイラ、42はこのボイラに温水を
供給するポンプであり、電動ヒートポンプ35だけで加熱
容量が足りないとき、電動ヒートポンプ35と同時に運転
できるようになっている。

また、電動ヒートポンプ35は、凝縮器36及び蒸発器40
の他に圧縮機、膨張弁等を具備している。

第４図は本発明の第２の実施例を示すヒートポンプを
用いた暖房・給湯システムの構成を示す図である。熱回
収装置４からの熱源水が汚れている場合の実施例であ
る。大部分の熱源水は第１の実施例と同様、配管43から
熱交換機33に送られる。また、熱源水の一部は配管44に
より、熱交換器45に送られ、負荷からの還水と熱交換さ
れて、低温側熱源水管28′に合流する。負荷からの戻り
配管27′内の負荷水は熱交換器45により、熱源流体温度
に近ずき、配管46を経由して、電動ヒートポンプ35の凝
縮器36に送られる。

なお、例えば第４図において、熱回収装置４の回収熱
があるときは、ポンプ29を運転して熱源側の蓄熱をして
おき、この熱源を利用して暖房負荷のない夜間にも電動
ヒートポンプ35を運転し、需要場所の貯湯槽（図では貯
湯槽20）に貯湯するようにすれば、電力の負荷平準化に
寄与でき、同時に安価な夜間電力を利用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項第（１）又は（２）に記
載の発明によれば、熱回収装置からの温流体の一部が常
に電動ヒートポンプの凝縮器に送られ加熱され、且つ、
暖房又は給湯負荷からの戻り流体の一部が常に熱回収装
置に戻るように構成するか、又は熱回収装置からの温流
体の一部が常に前記暖房又は給湯負荷からの戻り流体に
より熱交換器を介して加熱されるように構成するので、
下記のような優れた効果が得られる。

（１）負荷の変動による負荷からの戻り流体の温度が変
動しても電動ヒートポンプに流入する流体の温度変動が
少なく、電動ヒートポンプの不具合（膨張弁や電動機冷
却用冷媒流れ等）が解消でき、暖房又は給湯負荷からの
戻り流体の温度を低くするシステムにおいて、電動ヒー
トポンプの使用が可能になり、その結果大幅に一次エネ
ルギーを削減することができる。

（２）例えば熱回収装置における熱源流体の温度が35℃
程度である場合には、通常暖房又は給湯負荷からの戻り
流体温度のほうが低くなるから、この戻り流体により熱
源流体の熱を回収できる。

（３）本発明を例えばDHSに用いることにより、負荷か
らの戻り流体の温度を低くすることができ、配管からの
放熱損失を少なくできる。

（４）負荷側の温度損失が少なく、負荷からの戻り流体
の温度を下げることができ、負荷に送る温流体の流量を
減少させることができるから、その結果ポンプ動力が小
さく、且つ配管サイズも小さくできる。

（５）また、請求項第（３）に記載の発明では、電動ヒ
ートポンプの蒸発器により直接冷却される流体が流れる
流体経路に該流体を蓄積する蓄熱槽を設けているので、
例えばDHSの配管系に安価な蓄熱槽の設置が難しい場合
でも電動ヒートポンプ側に蓄熱槽があるから、需要側に
貯湯槽があれば、夜間電力を利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示すヒートポンプを用
いた暖房・給湯システムの構成を示す図、第２図は改良
された暖房用空気加熱器熱交換器温度損失の一例を示す
図、第３図は改良された給湯熱交換器温度損失の一例を
示す図、第４図は本発明の第２の実施例を示すヒートポ
ンプを用いた暖房・給湯システムの構成を示す図、第５
図は従来の暖房用空気加熱器熱交換器温度損失の一例を
示す図、第６図は従来の給湯熱交換器温度損失の一例を
示す図、第７図は通常の冷房用空気冷却器熱交換器温度
損失の一例を示す図である。 １……外部熱回収システム、２……温冷水供給センタ
ー、３……地域暖房・給湯負荷システム。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張弁等を具
   備する電動ヒートポンプと、熱回収装置を具備し、該熱
   回収装置からの温流体を該電動ヒートポンプに送り、該
   電動ヒートポンプの蒸発器により冷却された流体との間
   で熱交換器を介して冷却し再び該熱回収装置に送るよう
   に構成すると共に、該電動ヒートポンプにより加熱され
   る流体を暖房又は給湯負荷に送るように構成したヒート
   ポンプを用いた暖房・給湯システムにおいて、 前記熱回収装置からの温流体の一部が常に前記ヒートポ
   ンプの凝縮器に送られ加熱され、且つ、前記暖房又は給
   湯負荷からの戻り流体の一部が常に前記熱回収装置に戻
   るように構成することを特徴とするヒートポンプを用い
   た暖房・給湯システム。
2. 【請求項２】蒸発器、圧縮機、凝縮器及び膨張弁等を具
   備する電動ヒートポンプと、熱回収装置を具備し、該熱
   回収装置からの温流体を該電動ヒートポンプに送り、該
   電動ヒートポンプの蒸発器により冷却された流体との間
   で熱交換器を介して冷却し再び該熱回収装置に送るよう
   に構成すると共に、該電動ヒートポンプにより加熱され
   る流体を暖房又は給湯負荷に送るように構成したヒート
   ポンプを用いた暖房・給湯システムにおいて、 前記熱回収装置からの温流体の一部が常に前記暖房又は
   給湯負荷からの戻り流体により熱交換器を介して加熱さ
   れるように構成することを特徴とするヒートポンプを用
   いた暖房・給湯システム。
3. 【請求項３】前記電動ヒートポンプの蒸発器により直接
   冷却される流体が流れる流体経路に該流体を蓄積する蓄
   熱槽が設けられたことを特徴とする請求項（１）又は
   （２）に記載のヒートポンプを用いた暖房・給湯システ
   ム。