太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム
【課題】高効率な太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを提供すること。
【解決手段】本発明の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器５と、太陽熱温水器５により生成された太陽熱温水を貯留するタンク１と、圧縮機２１、放熱器２２、膨張弁２３、蒸発器２４の順で冷媒が循環するヒートポンプ２と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を放熱器２２に送り、放熱器２２で太陽熱温水が加熱されて生成した高温水をタンク１の上部に流入させる水加熱回路と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を蒸発器２４に送り、蒸発器２４で太陽熱温水が冷却されて生成した冷水をタンク１の下部に流入させる水冷却回路と、タンク１の上部から取り出された高温水を需要端側に導く給湯配管３０５と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を給湯配管３０５の高温水に混合可能な太陽熱温水混合配管３０８とを備える。
【解決手段】本発明の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器５と、太陽熱温水器５により生成された太陽熱温水を貯留するタンク１と、圧縮機２１、放熱器２２、膨張弁２３、蒸発器２４の順で冷媒が循環するヒートポンプ２と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を放熱器２２に送り、放熱器２２で太陽熱温水が加熱されて生成した高温水をタンク１の上部に流入させる水加熱回路と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を蒸発器２４に送り、蒸発器２４で太陽熱温水が冷却されて生成した冷水をタンク１の下部に流入させる水冷却回路と、タンク１の上部から取り出された高温水を需要端側に導く給湯配管３０５と、タンク１の中部から取り出された太陽熱温水を給湯配管３０５の高温水に混合可能な太陽熱温水混合配管３０８とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱温水器によって太陽熱を集熱して市水を加熱し、生成された温水をタンクに貯留し、このタンクに貯留された温水の温度が目標とする給湯温度に不足している場合には、ヒートポンプによって追加の加熱を行い、必要な温度まで昇温させて需要側に供給することのできる太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムが知られている。
【０００３】
従来、太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムとして、特許文献１には、熱交換部を設けた貯湯槽と、該熱交換部と太陽熱集熱器との間を循環液が循環する集熱循環路と、熱交換部内の下部循環液から熱を吸収する循環液熱源蒸発器および上部循環液に放熱する凝縮器を有するヒートポンプとを備えた給湯装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、太陽光発電および太陽熱集熱を行なうハイブリッド式太陽集熱器と、高温蓄熱槽および低温蓄熱槽と、低温蓄熱槽を低温側熱源として高温蓄熱槽内を昇温させるヒートポンプとを備えてなるハイブリッド式ソーラーシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１３３２６２号公報
【特許文献２】特開平７−２３４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のシステムでは、ヒートポンプの凝縮器により加熱された熱交換部内の上部循環液と、貯湯槽内の上半分の温水とが熱交換することにより、貯湯槽内の上半分の温水が均一に加熱される。特許文献２のシステムでは、高温蓄熱槽内にヒートポンプの凝縮器が設置されており、高温蓄熱槽内の温水が均一に加熱される。このように、特許文献１および２のシステムは、何れも、所定の加熱領域（特許文献１では貯湯槽内の上半分、特許文献２では高温蓄熱槽）の温水を均一に加熱する構成であるので、必要な温度の湯を得るためには、上記加熱領域の全体をその必要な温度まで加熱する必要がある。このため、必要な温度の湯を最小限の量だけ沸き上げるような動作ができず、給湯需要が小さい場合には湯が残って無駄になり、システム効率が低いという問題がある。
【０００７】
また、特許文献１のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、貯湯槽内の上半分は太陽熱温水より高温となり、貯湯槽内の下半分は太陽熱温水より低温となるので、元の温度の太陽熱温水は消滅する。同様に、特許文献２のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、高温蓄熱槽は太陽熱温水より高温となり、低温蓄熱槽は太陽熱温水より低温となるので、元の温度の太陽熱温水は消滅する。このため、特許文献１および２のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、比較的低温の給湯需要に対しても、太陽熱温水を利用不能であり、ヒートポンプにより加熱された高温水だけで給湯熱量をまかなう必要がある。このため、必要な高温水の量が多くなるので、ヒートポンプの消費電力が大きくなり、システム効率が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高効率な太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器と、太陽熱温水器により生成された太陽熱温水を貯留するタンクと、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器の順で冷媒が循環するヒートポンプと、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を放熱器に送り、放熱器で太陽熱温水が加熱されて生成した高温水をタンクの上部に流入させる水加熱回路と、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を蒸発器に送り、蒸発器で太陽熱温水が冷却されて生成した冷水をタンクの下部に流入させる水冷却回路と、タンクの上部から取り出された高温水を需要端側に導く給湯配管と、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を給湯配管の高温水に混合可能な混合配管と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、太陽熱温水を、ヒートポンプの放熱器で加熱されて高温水となる被加熱水、およびヒートポンプの蒸発器で熱源となる熱源用水として利用するだけでなく、高温水と混合して需要側への給湯温度を調節する温調用水としても太陽熱温水を活用することができる。このため、高温水の沸き上げ量を抑制することができ、システム効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。
【図３】本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。
【図４】本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１における太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、湯水を貯留するタンク１と、ヒートポンプ２と、太陽熱温水器用ポンプ３１と、ヒートポンプ用ポンプ３２と、太陽熱温水混合弁４１と、市水混合弁４２と、ヒートポンプ用分配弁４３と、太陽熱温水器５と、循環配管３０１と、市水配管３０２と、市水混合配管３０４と、給湯配管３０５と、水加熱配管３０６と、水冷却配管３０７と、太陽熱温水混合配管３０８と、制御手段１００とを備えている。図示を省略するが、タンク１は、断熱材により覆われており、貯留した湯水を保温する機能を有している。
【００１４】
太陽熱温水器５は、循環配管３０１を介して、タンク１と接続されている。すなわち、循環配管３０１は、タンク１の下部（タンク１の底部付近の部位）と、太陽熱温水器５の入水口とを接続している。また、循環配管３０１は、太陽熱温水器５の出水口と、タンク１の中部に設けられた太陽熱温水流入口１１とを接続している。ここで、「タンク１の中部」とは、タンク１の底部と頂部との間の所定の高さ位置を意味し、必ずしもタンク１の全高の２分の１の高さ位置でなくてよい。循環配管３０１の途中には、太陽熱温水器用ポンプ３１が設けられている。太陽熱温水器用ポンプ３１を駆動すると、タンク１の下部から取り出された水が循環配管３０１を通って太陽熱温水器５に送られる。太陽熱温水器５は、太陽の輻射エネルギーを集熱し、水を加熱して温水を生成する。この温水（以下、「太陽熱温水」と称する）は、循環配管３０１を通ってタンク１に戻り、太陽熱温水流入口１１からタンク１内に流入し、貯留される。
【００１５】
ここで、冬期の凍結防止として、太陽熱温水器５の内部を流れる熱媒体をブラインで構成するようにしてもよい。この場合は、タンク１にブラインを流入させられないので、太陽熱温水器５で加熱されたブラインと、タンク１の下部から導かれる水とを例えばプレート式熱交換器などで熱交換する構成としてもよい。
【００１６】
太陽熱温水器５は、太陽光発電パネル（図示せず）と一体的に形成されていてもよい。太陽光発電パネルは発電時に高温となるので、太陽光発電パネルと一体的に太陽熱温水器５を形成した場合には、太陽熱温水器５は、太陽の輻射エネルギーに加えて太陽光発電パネルの生成熱を集熱して水を加熱する。この場合、太陽光発電パネルの温度は、水に熱を奪われた分だけ低下する。太陽光発電パネルは、パネル温度が低いほど発電効率が上昇するという特性を持つ。このため、太陽光発電パネルの温度を低下させることにより、太陽光発電パネルでの発電量を増加させることができ、システム全体としてのエネルギー効率を更に高めることができる。
【００１７】
ヒートポンプ２は、圧縮機２１と、冷媒と水との熱交換を行う放熱器（凝縮器）２２と、膨張弁２３と、冷媒と水との熱交換を行う蒸発器２４とを有し、この順で冷媒が循環するように構成されている。タンク１の中部に設けられた太陽熱温水取出口１２と、ヒートポンプ用分配弁４３とは、太陽熱温水配管３０３により接続されている。太陽熱温水取出口１２の位置は、タンク１の高さ方向に関して、太陽熱温水流入口１１と同じ高さでもよいし異なる高さでもよい。太陽熱温水配管３０３の途中には、ヒートポンプ用ポンプ３２が設けられている。水加熱配管３０６は、ヒートポンプ用分配弁４３と放熱器２２との間、および、放熱器２２とタンク１の上部との間を接続している。水冷却配管３０７は、ヒートポンプ用分配弁４３と蒸発器２４との間、および、蒸発器２４とタンク１の下部との間を接続している。
【００１８】
ヒートポンプ２およびヒートポンプ用ポンプ３２を駆動すると、タンク１内に貯留された太陽熱温水が太陽熱温水取出口１２から取り出され、この太陽熱温水はヒートポンプ用分配弁４３にて水加熱配管３０６と水冷却配管３０７とに分配される。ヒートポンプ用分配弁４３は、この分配比を制御可能に構成されている。水冷却配管３０７に流入した太陽熱温水は、蒸発器２４に導かれて冷媒により冷却され、温度低下した水（以下、「冷水」と称する）となって、タンク１の下部に流入する。水加熱配管３０６に流入した太陽熱温水は、放熱器２２に導かれて冷媒により加熱され、高温水となってタンク１の上部に流入する。
【００１９】
市水配管３０２は、タンク１の下部に接続されている。この市水配管３０２により市水（水源からの水）がタンク１内に供給される。タンク１は、給湯配管３０５，３０９，３１０を介して、例えば蛇口、シャワー、浴槽等の給湯需要端と接続されている。給湯配管３０５と給湯配管３０９との接続部には、太陽熱温水混合弁４１が設けられている。太陽熱温水混合配管３０８は、太陽熱温水配管３０３から分岐して延び、太陽熱温水混合弁４１に接続されている。市水混合配管３０４は、市水配管３０２から分岐して延び、市水混合弁４２に接続されている。
【００２０】
タンク１の上部から取り出された高温水は、給湯配管３０５を通って太陽熱温水混合弁４１に導かれる。また、太陽熱温水混合弁４１には、太陽熱温水混合配管３０８により太陽熱温水が導かれる。太陽熱温水混合弁４１は、その高温水と太陽熱温水とを混合し、その混合された湯を給湯配管３０９に流入させる。太陽熱温水混合弁４１は、高温水と太陽熱温水との混合比を任意に制御可能になっている。市水混合弁４２は、給湯配管３０９から供給される湯と、市水混合配管３０４から供給される市水とを混合し、給湯配管３１０に流入させる。市水混合弁４２は、湯と市水との混合比を任意に制御可能になっている。
【００２１】
制御手段１００は、圧縮機２１、膨張弁２３、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３の動作を制御する。
【００２２】
タンク１には、高さ方向に間隔をおいて、タンク１内の水温を検出する貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆが設けられている。これらの貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆにより、タンク１内の鉛直方向の温度分布を検出することができる。図示の構成では、貯湯温度センサの個数は６個であるが、この個数はこれに限定されるものではない。
【００２３】
水加熱配管３０６には、放熱器２２の下流側にて高温水の温度を検出するための沸上温度センサ５０２が設けられている。水冷却配管３０７には、蒸発器２４の下流側にて冷水の温度を検出するための冷水温度センサ５０７が設けられている。市水配管３０２には、市水温度を検出するための市水温度センサ５０４が設けられている。タンク１の最上部には、タンク１から導出される湯温を検出する導出温度センサ５０３が設けられている。給湯配管３１０には、需要端で使用される湯温を検出するための給湯温度センサ５０５が設けられている。循環配管３０１には、太陽熱温水器５の下流側にてタンク１に流入する太陽熱温水の温度を検出するための太陽熱温水温度センサ５０６が設けられている。給湯配管３１０には、需要端で使用される湯量を検出する給湯流量センサ６０１が設けられている。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。図２に示すように、制御手段１００は、蓄熱量算出手段１０１、必要熱量予測手段１０４、加熱制御手段１０５、給湯目標温度設定手段１０７、ポンプ制御手段１０８、弁制御手段１０９、圧縮機制御手段１１０、膨張弁制御手段１１１等を有している。
【００２５】
制御手段１００には、時刻検出手段であるタイマー、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆ、沸上温度センサ５０２、導出温度センサ５０３、市水温度センサ５０４、給湯温度センサ５０５、太陽熱温水温度センサ５０６、冷水温度センサ５０７、給湯流量センサ６０１からの情報が入力される。制御手段１００は、入力されたこれらの情報に基づいて、圧縮機２１、膨張弁２３、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３を制御する。詳細は後述する。
【００２６】
給湯目標温度設定手段１０７は、ユーザーインターフェース装置（例えば、台所、浴室等に設置されるリモコン装置）に入力されるユーザーの指示等に基づいて、給湯温度の目標値を設定する。蓄熱量算出手段１０１は、タンク１内の蓄熱量を算出する。蓄熱量は、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆの情報と、市水温度センサ５０４の情報とに基づいて算出される。一般には、市水温度をエネルギーの基準温度としてタンク１内の温度分布を積分することによって算出される。ここで、一般的な給湯温度（例えば４０℃）あるいは給湯目標温度より低い温度領域は積分しないようにして蓄熱量を算出してもよい。
【００２７】
必要熱量予測手段１０４は、給湯に必要な熱量を予測し、算出する。給湯必要熱量は、ユーザーの過去の給湯使用実績や、最低限保証する既定の設計基準値などの情報に基づいて予測される。加熱制御手段１０５は、算出された必要熱量、蓄熱量、高温水領域の平均温度、太陽熱温水領域の平均温度等に基づいて、ヒートポンプ２の起動の要否を判定する。
【００２８】
ポンプ制御手段１０８は、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２の回転数を制御し、ポンプ循環量を調節する。弁制御手段１０９は、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３の開度を制御し、流量比を調節する。圧縮機制御手段１１０は、圧縮機２１の周波数を制御し、冷媒の循環量を調節する。膨張弁制御手段１１１は、膨張弁２３の開度を調節する。
【００２９】
以上、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの構成について説明した。次に、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。なお、以下の説明において、具体的な数値を示して動作を説明した場合、その数値は一例であり、本発明がその数値に限定されるものではない。
【００３０】
まず、本実施の形態１における太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの基本的な動作を説明する。市水配管３０２から供給される市水は、タンク１の下部から流入し、タンク１内に貯留される。タンク１内に貯留された市水は、太陽熱温水器用ポンプ３１によって循環配管３０１を循環し、太陽熱温水器５に導かれて加熱されて太陽熱温水となり、太陽熱温水流入口１１からタンク１内に流入し、貯留される。ここで、太陽熱温水流入口１１より上部のタンク１内の水温が太陽熱温水の温度以下の場合、水の浮力（比重差）の作用により太陽熱温水がタンク１内で上方に移動するので、太陽熱温水流入口１１がタンク１の中部に設けられていても、タンク１内の全体を太陽熱温水の温度（例えば３５℃）まで上昇させることが可能である（図３参照）。
【００３１】
ここで、制御手段１００は、一般には太陽熱温水温度センサ５０６の出力が所定の温度範囲に収まるように太陽熱温水器用ポンプ３１の回転数をフィードバック制御するが、予め定めた回転数で回転させるなどしてもよい。
【００３２】
雨天時や外気温が低い場合など、太陽熱温水の温度が給湯目標温度より低い場合、太陽熱温水ではユーザーの給湯需要を満たせないので、ヒートポンプ２で追加の加熱を行う。この場合、タンク１内の太陽熱温水を太陽熱温水取出口１２から導出し、ヒートポンプ用分配弁４３にて分岐し、一方を放熱器２２、他方を蒸発器２４に導く。放熱器２２に導いた太陽熱温水は加熱されて高温水（例えば６５℃）となり、タンク１の上部に戻される。蒸発器２４に導いた太陽熱温水は、ヒートポンプの冷媒に蒸発熱を供給し、冷却されて冷水（例えば２０℃あるいは１０℃）となり、タンク１の下部に戻される。
【００３３】
このようにして太陽熱温水をヒートポンプの蒸発熱源とすることにより、ヒートポンプの蒸発熱源を室外空気（例えば冬期７℃）とする場合に比べて、ヒートポンプの蒸発温度を高くでき、ヒートポンプのサイクル効率を向上することができる。
【００３４】
ここで、例えば太陽熱温水が不足する場合に備えて、室外空気と熱交換可能な空気熱交換器を、蒸発器２４と並列または直列の回路で併設し、太陽熱温水が不足する場合には当該空気熱交換器にてヒートポンプの冷媒を蒸発させるように構成してもよい。
【００３５】
タンク１の上部に流入した高温水は、タンク１内の太陽熱温水より比重が軽いため、タンク１内の太陽熱温水と混合することはなく、タンク１の上部から順に積層して貯まっていく。タンク１の下部に流入した冷水は、タンク１内の太陽熱温水より比重が重いため、タンク１内の太陽熱温水と混合することはなく、タンク１の下部から順に積層して貯まっていく。このようにして、タンク１内には、図３に示すように、上側から、高温水（例えば６５℃）、太陽熱温水（例えば３５℃）、冷水（例えば２０℃あるいは１０℃）の順で温度成層が形成される。
【００３６】
タンク内の加熱領域を均一に加熱するシステムとは異なり、本実施形態のシステムでは、タンク１内に高温水と太陽熱温水とで温度成層を形成するようにして高温水を貯えることができるので、必要な温度の湯量を最小限だけ沸き上げる動作が可能である。このため、予測された給湯必要熱量が小さい場合には、ヒートポンプ２による沸き上げ動作を最小限に抑制することができ、システム効率を向上することができる。
【００３７】
ヒートポンプ２による沸き上げ動作の制御として、制御手段１００は、一般には目標とする加熱能力に応じて圧縮機２１の周波数を制御し、蒸発器２４の出口の過熱度が所定の範囲に収まるように膨張弁２３の開度を制御し、沸上温度センサ５０２で検出される沸上温度（高温水の温度）と冷水温度センサ５０７で検出される冷水温度との両方が所定の温度範囲に収まるように、ヒートポンプ用ポンプ３２の回転数とヒートポンプ用分配弁４３の開度を調節するが、予め定めた制御定数で制御するなどしてもよい。
【００３８】
タンク１内に貯えられた高温水は、湯が使用される需要端の要求に応じて、給湯配管３０５，３０９，３１０を通じて、需要端に供給することができる。また、本実施形態のシステムでは、需要端へ給湯する際に、タンク１内の太陽熱温水を太陽熱温水取出口１２から取り出し、太陽熱温水混合配管３０８を介して太陽熱温水混合弁４１に導き、タンク１からの高温水と混合させて需要端へ供給することができる。これにより、給湯需要に対して太陽熱温水の熱量を活用することができるので、高温水の使用量を低く抑えることができる。この点について、図３を参照して、数値例を挙げて説明する。
【００３９】
冬期の曇りの日など、太陽熱温水器５による加熱のみでは、タンク１内の温度が３５℃程度の場合、そのままでは給湯に使用できない温度なので、例えば６５℃の高温水を必要な量だけ沸き上げる必要がある。ここでは、給湯需要を４５℃・４３０リットルとし、市水温度を１０℃とする。比較例では、この給湯需要に対し、太陽熱温水を活用せず、高温水の熱量だけで対応する。この比較例の場合には、６５℃の高温水２７４リットルと、１０℃の市水１５６リットルとを市水混合弁４２にて混合して生成された４５℃・４３０リットルの湯を需要端に供給することになる。これに対し、本実施形態では、高温水と混合して温度調節するための温調用水として太陽熱温水を活用することができる。このため、本実施形態の場合には、６５℃の高温水１４３リットルと、３５℃の太陽熱温水２８７リットルとを太陽熱温水混合弁４１にて混合して生成された４５℃・４３０リットルの湯を需要端に供給する。このように、比較例では高温水の必要量が２７４リットルであるのに対し、本実施形態では高温水の必要量が１４３リットルとなり、必要な高温水の量を顕著に削減することができる。このため、ヒートポンプ２による沸き上げ量を大幅に低減することができるので、消費電力を節減し、システム効率を向上することができる。
【００４０】
温調用水として太陽熱温水を活用する場合、太陽熱温水の温度が高いほど、必要な高温水の量（熱量）は少なくなる。このため、ヒートポンプ２による沸き上げを行う際、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆで検出される太陽熱温水の温度が高い場合には、太陽熱温水の温度が低い場合に比べて、タンク１内の上部に生成する高温水の熱量（高温水の量および温度の何れか一方または両方）が低くなるように沸き上げ動作を制御手段１００により制御することが好ましい。これにより、太陽熱温水の温度が高い場合には、それに応じてヒートポンプ２による沸き上げ量を更に抑制することができるので、システム効率を更に向上することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、タンク１の太陽熱温水取出口１２より下側の領域（以下、「冷却領域」と称する）に、太陽熱温水と冷水とで温度成層が形成されるように、ヒートポンプ２による沸き上げ動作（ヒートポンプ用ポンプ３２の循環量等）を制御することが好ましい。この点について、図４を参照して説明する。図４中の上側の図は、タンク１内の冷却領域のほぼ全体が均一な温度（図示の例では２０℃）に冷却されるように沸き上げ動作を行った場合を示す。これに対し、図４中の下側の図は、タンク１内の冷却領域に太陽熱温水と冷水（図示の例では１０℃）とで温度成層が形成される、すなわち太陽熱温水と冷水との温度境界層の位置が太陽熱温水取出口１２より下側になるように、沸き上げ動作を行った場合を示す。
【００４２】
図４中の下側の図のように、タンク１内の冷却領域に太陽熱温水と冷水とで温度成層を形成した場合には、給湯の際に太陽熱温水取出口１２から導出される太陽熱温水の温度が低下することなく高いまま維持することができるので、高温水の使用量を更に低く抑えることができる。また、冷却領域を均一に冷却した場合と比べ、タンク１の下部に生成する冷水の温度が低くなるので、太陽熱温水器５に送られる水の温度が低下する。このため、太陽熱温水器５の集熱効率を向上させることができる。また、太陽熱温水器５に太陽光発電パネルが一体的に形成されている場合には、太陽光発電パネルの温度をより低下させることができるので、太陽光発電パネルの発電効率を更に向上させることができる。
【００４３】
本実施形態では、太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用ポンプ３２および水加熱配管３０６により水加熱回路が構成されている。また、太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用ポンプ３２および水冷却配管３０７により水冷却回路が構成されている。このように、本実施形態では、水加熱回路と水冷却回路とは、それらの流路の一部（太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３およびヒートポンプ用ポンプ３２）が共通化されている。これにより、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。
【００４４】
また、本実施形態では、太陽熱温水取出口１２が、水加熱回路と、水冷却回路と、太陽熱温水混合配管３０８とで共通化されている。これにより、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。ただし、本発明では、このような構成に限らず、タンク１に複数の太陽熱温水取出口を設け、水加熱回路と、水冷却回路と、太陽熱温水混合配管３０８とで太陽熱温水取出口を別々にしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、放熱器２２とタンク１の上部との間の水加熱配管３０６から給湯配管３０５を分岐させている。すなわち、この分岐部とタンク１の上部との間の流路は、水加熱回路の流路の一部と、給湯配管の一部とを共通化した流路に相当している。本実施形態では、このような共通化により、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。ただし、本発明では、このような構成に限らず、水加熱配管３０６と給湯配管３０５とを別々にタンク１の上部に接続する構成としてもよい。
【００４６】
実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図５は、本発明の実施の形態２の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【００４７】
図５に示すように、本実施の形態２では、水加熱配管３０６ａは、ヒートポンプ用分配弁４３から放熱器２２を経由して太陽熱温水混合弁４１に接続されている。水加熱配管３０６ｂは、太陽熱温水混合弁４１とタンク１の上部との間を接続する。給湯時には、タンク１の上部から取り出された高温水が水加熱配管３０６ｂを通って太陽熱温水混合弁４１に導かれるとともに、太陽熱温水取出口１２から取り出された太陽熱温水が太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用分配弁４３および水加熱配管３０６ａを通って太陽熱温水混合弁４１に導かれ、太陽熱温水混合弁４１にて高温水と太陽熱温水とが混合されて給湯配管３０９に流入する。このように、本実施の形態２では、水加熱配管３０６ｂを給湯配管の一部として機能させることができ、また、水加熱配管３０６ａを太陽熱温水混合配管として機能させることができる。
【００４８】
上述したように、本実施の形態２では、水加熱回路の一部（水加熱配管３０６ｂ）と、給湯配管の一部とを共通化したことにより、実施の形態１における給湯配管３０５を省略することができる。また、水加熱回路の一部（水加熱配管３０６ａ）と、太陽熱温水混合配管とを共通化したことにより、実施の形態１における太陽熱温水混合配管３０８を省略することができる。これらのことにより、装置構成をより簡素化でき、更なるコスト低減が図れる。
【００４９】
また、本実施の形態２では、タンク１を覆う断熱材として、上部断熱材６１および下部断熱材６２が設けられている。上部断熱材６１は、概ね太陽熱温水取出口１２より上側の範囲においてタンク１の側面を覆っている。下部断熱材６２は、概ね太陽熱温水取出口１２より下側の範囲においてタンク１の側面を覆っている。下部断熱材６２は、上部断熱材６１と比べ、断熱性能が低い（熱抵抗値が低い）ものとして構成されている。例えば、上部断熱材６１および下部断熱材６２を同じ材料で構成する場合には、下部断熱材６２の厚さを上部断熱材６１より薄くすることにより、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くする。または、上部断熱材６１と比べて熱伝導率の高い材料で下部断熱材６２を構成してもよい。例えば、上部断熱材６１に真空断熱材を用い、下部断熱材６２に発泡ポリスチレン等の発泡性成形断熱材を用いることができる。この場合、上部断熱材６１は真空断熱材と発泡性成形断熱材とを組み合わせて構成されていてもよい。
【００５０】
下部断熱材６２に覆われた領域におけるタンク１内の貯湯温度は、上部断熱材６１に覆われた領域におけるタンク１内の貯湯温度より低い。このため、下部断熱材６２に覆われた領域におけるタンク１からの放熱量は少ないため、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くしても、放熱ロスはそれほど増加しない。一方、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くすることにより、下部断熱材６２の製造コストを大幅に低減することができる。したがって、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くすることにより、システム効率をほとんど低下させずに、より安価なシステムを構築することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ タンク
２ ヒートポンプ
５ 太陽熱温水器
１１ 太陽熱温水流入口
１２ 太陽熱温水取出口
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
３１ 太陽熱温水器用ポンプ
３２ ヒートポンプ用ポンプ
４１ 太陽熱温水混合弁
４２ 市水混合弁
４３ ヒートポンプ用分配弁
６１ 上部断熱材
６２ 下部断熱材
１００ 制御手段
３０１ 循環配管
３０２ 市水配管
３０３ 太陽熱温水配管
３０４ 市水混合配管
３０５，３０９，３１０ 給湯配管
３０６，３０６ａ，３０６ｂ水加熱配管
３０７ 水冷却配管
３０８ 太陽熱温水混合配管
５０１ａ〜５０１ｆ 貯湯温度センサ
５０２ 沸上温度センサ
５０３ 導出温度センサ
５０４ 市水温度センサ
５０５ 給湯温度センサ
５０６ 太陽熱温水温度センサ
５０７ 冷水温度センサ
６０１ 給湯流量センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽熱温水器によって太陽熱を集熱して市水を加熱し、生成された温水をタンクに貯留し、このタンクに貯留された温水の温度が目標とする給湯温度に不足している場合には、ヒートポンプによって追加の加熱を行い、必要な温度まで昇温させて需要側に供給することのできる太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムが知られている。
【０００３】
従来、太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムとして、特許文献１には、熱交換部を設けた貯湯槽と、該熱交換部と太陽熱集熱器との間を循環液が循環する集熱循環路と、熱交換部内の下部循環液から熱を吸収する循環液熱源蒸発器および上部循環液に放熱する凝縮器を有するヒートポンプとを備えた給湯装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、太陽光発電および太陽熱集熱を行なうハイブリッド式太陽集熱器と、高温蓄熱槽および低温蓄熱槽と、低温蓄熱槽を低温側熱源として高温蓄熱槽内を昇温させるヒートポンプとを備えてなるハイブリッド式ソーラーシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１３３２６２号公報
【特許文献２】特開平７−２３４０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のシステムでは、ヒートポンプの凝縮器により加熱された熱交換部内の上部循環液と、貯湯槽内の上半分の温水とが熱交換することにより、貯湯槽内の上半分の温水が均一に加熱される。特許文献２のシステムでは、高温蓄熱槽内にヒートポンプの凝縮器が設置されており、高温蓄熱槽内の温水が均一に加熱される。このように、特許文献１および２のシステムは、何れも、所定の加熱領域（特許文献１では貯湯槽内の上半分、特許文献２では高温蓄熱槽）の温水を均一に加熱する構成であるので、必要な温度の湯を得るためには、上記加熱領域の全体をその必要な温度まで加熱する必要がある。このため、必要な温度の湯を最小限の量だけ沸き上げるような動作ができず、給湯需要が小さい場合には湯が残って無駄になり、システム効率が低いという問題がある。
【０００７】
また、特許文献１のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、貯湯槽内の上半分は太陽熱温水より高温となり、貯湯槽内の下半分は太陽熱温水より低温となるので、元の温度の太陽熱温水は消滅する。同様に、特許文献２のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、高温蓄熱槽は太陽熱温水より高温となり、低温蓄熱槽は太陽熱温水より低温となるので、元の温度の太陽熱温水は消滅する。このため、特許文献１および２のシステムでは、ヒートポンプを稼動させた場合、比較的低温の給湯需要に対しても、太陽熱温水を利用不能であり、ヒートポンプにより加熱された高温水だけで給湯熱量をまかなう必要がある。このため、必要な高温水の量が多くなるので、ヒートポンプの消費電力が大きくなり、システム効率が低下するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、高効率な太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器と、太陽熱温水器により生成された太陽熱温水を貯留するタンクと、圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器の順で冷媒が循環するヒートポンプと、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を放熱器に送り、放熱器で太陽熱温水が加熱されて生成した高温水をタンクの上部に流入させる水加熱回路と、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を蒸発器に送り、蒸発器で太陽熱温水が冷却されて生成した冷水をタンクの下部に流入させる水冷却回路と、タンクの上部から取り出された高温水を需要端側に導く給湯配管と、タンクの中部から取り出された太陽熱温水を給湯配管の高温水に混合可能な混合配管と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、太陽熱温水を、ヒートポンプの放熱器で加熱されて高温水となる被加熱水、およびヒートポンプの蒸発器で熱源となる熱源用水として利用するだけでなく、高温水と混合して需要側への給湯温度を調節する温調用水としても太陽熱温水を活用することができる。このため、高温水の沸き上げ量を抑制することができ、システム効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。
【図３】本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。
【図４】本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施の形態１における太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムは、湯水を貯留するタンク１と、ヒートポンプ２と、太陽熱温水器用ポンプ３１と、ヒートポンプ用ポンプ３２と、太陽熱温水混合弁４１と、市水混合弁４２と、ヒートポンプ用分配弁４３と、太陽熱温水器５と、循環配管３０１と、市水配管３０２と、市水混合配管３０４と、給湯配管３０５と、水加熱配管３０６と、水冷却配管３０７と、太陽熱温水混合配管３０８と、制御手段１００とを備えている。図示を省略するが、タンク１は、断熱材により覆われており、貯留した湯水を保温する機能を有している。
【００１４】
太陽熱温水器５は、循環配管３０１を介して、タンク１と接続されている。すなわち、循環配管３０１は、タンク１の下部（タンク１の底部付近の部位）と、太陽熱温水器５の入水口とを接続している。また、循環配管３０１は、太陽熱温水器５の出水口と、タンク１の中部に設けられた太陽熱温水流入口１１とを接続している。ここで、「タンク１の中部」とは、タンク１の底部と頂部との間の所定の高さ位置を意味し、必ずしもタンク１の全高の２分の１の高さ位置でなくてよい。循環配管３０１の途中には、太陽熱温水器用ポンプ３１が設けられている。太陽熱温水器用ポンプ３１を駆動すると、タンク１の下部から取り出された水が循環配管３０１を通って太陽熱温水器５に送られる。太陽熱温水器５は、太陽の輻射エネルギーを集熱し、水を加熱して温水を生成する。この温水（以下、「太陽熱温水」と称する）は、循環配管３０１を通ってタンク１に戻り、太陽熱温水流入口１１からタンク１内に流入し、貯留される。
【００１５】
ここで、冬期の凍結防止として、太陽熱温水器５の内部を流れる熱媒体をブラインで構成するようにしてもよい。この場合は、タンク１にブラインを流入させられないので、太陽熱温水器５で加熱されたブラインと、タンク１の下部から導かれる水とを例えばプレート式熱交換器などで熱交換する構成としてもよい。
【００１６】
太陽熱温水器５は、太陽光発電パネル（図示せず）と一体的に形成されていてもよい。太陽光発電パネルは発電時に高温となるので、太陽光発電パネルと一体的に太陽熱温水器５を形成した場合には、太陽熱温水器５は、太陽の輻射エネルギーに加えて太陽光発電パネルの生成熱を集熱して水を加熱する。この場合、太陽光発電パネルの温度は、水に熱を奪われた分だけ低下する。太陽光発電パネルは、パネル温度が低いほど発電効率が上昇するという特性を持つ。このため、太陽光発電パネルの温度を低下させることにより、太陽光発電パネルでの発電量を増加させることができ、システム全体としてのエネルギー効率を更に高めることができる。
【００１７】
ヒートポンプ２は、圧縮機２１と、冷媒と水との熱交換を行う放熱器（凝縮器）２２と、膨張弁２３と、冷媒と水との熱交換を行う蒸発器２４とを有し、この順で冷媒が循環するように構成されている。タンク１の中部に設けられた太陽熱温水取出口１２と、ヒートポンプ用分配弁４３とは、太陽熱温水配管３０３により接続されている。太陽熱温水取出口１２の位置は、タンク１の高さ方向に関して、太陽熱温水流入口１１と同じ高さでもよいし異なる高さでもよい。太陽熱温水配管３０３の途中には、ヒートポンプ用ポンプ３２が設けられている。水加熱配管３０６は、ヒートポンプ用分配弁４３と放熱器２２との間、および、放熱器２２とタンク１の上部との間を接続している。水冷却配管３０７は、ヒートポンプ用分配弁４３と蒸発器２４との間、および、蒸発器２４とタンク１の下部との間を接続している。
【００１８】
ヒートポンプ２およびヒートポンプ用ポンプ３２を駆動すると、タンク１内に貯留された太陽熱温水が太陽熱温水取出口１２から取り出され、この太陽熱温水はヒートポンプ用分配弁４３にて水加熱配管３０６と水冷却配管３０７とに分配される。ヒートポンプ用分配弁４３は、この分配比を制御可能に構成されている。水冷却配管３０７に流入した太陽熱温水は、蒸発器２４に導かれて冷媒により冷却され、温度低下した水（以下、「冷水」と称する）となって、タンク１の下部に流入する。水加熱配管３０６に流入した太陽熱温水は、放熱器２２に導かれて冷媒により加熱され、高温水となってタンク１の上部に流入する。
【００１９】
市水配管３０２は、タンク１の下部に接続されている。この市水配管３０２により市水（水源からの水）がタンク１内に供給される。タンク１は、給湯配管３０５，３０９，３１０を介して、例えば蛇口、シャワー、浴槽等の給湯需要端と接続されている。給湯配管３０５と給湯配管３０９との接続部には、太陽熱温水混合弁４１が設けられている。太陽熱温水混合配管３０８は、太陽熱温水配管３０３から分岐して延び、太陽熱温水混合弁４１に接続されている。市水混合配管３０４は、市水配管３０２から分岐して延び、市水混合弁４２に接続されている。
【００２０】
タンク１の上部から取り出された高温水は、給湯配管３０５を通って太陽熱温水混合弁４１に導かれる。また、太陽熱温水混合弁４１には、太陽熱温水混合配管３０８により太陽熱温水が導かれる。太陽熱温水混合弁４１は、その高温水と太陽熱温水とを混合し、その混合された湯を給湯配管３０９に流入させる。太陽熱温水混合弁４１は、高温水と太陽熱温水との混合比を任意に制御可能になっている。市水混合弁４２は、給湯配管３０９から供給される湯と、市水混合配管３０４から供給される市水とを混合し、給湯配管３１０に流入させる。市水混合弁４２は、湯と市水との混合比を任意に制御可能になっている。
【００２１】
制御手段１００は、圧縮機２１、膨張弁２３、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３の動作を制御する。
【００２２】
タンク１には、高さ方向に間隔をおいて、タンク１内の水温を検出する貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆが設けられている。これらの貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆにより、タンク１内の鉛直方向の温度分布を検出することができる。図示の構成では、貯湯温度センサの個数は６個であるが、この個数はこれに限定されるものではない。
【００２３】
水加熱配管３０６には、放熱器２２の下流側にて高温水の温度を検出するための沸上温度センサ５０２が設けられている。水冷却配管３０７には、蒸発器２４の下流側にて冷水の温度を検出するための冷水温度センサ５０７が設けられている。市水配管３０２には、市水温度を検出するための市水温度センサ５０４が設けられている。タンク１の最上部には、タンク１から導出される湯温を検出する導出温度センサ５０３が設けられている。給湯配管３１０には、需要端で使用される湯温を検出するための給湯温度センサ５０５が設けられている。循環配管３０１には、太陽熱温水器５の下流側にてタンク１に流入する太陽熱温水の温度を検出するための太陽熱温水温度センサ５０６が設けられている。給湯配管３１０には、需要端で使用される湯量を検出する給湯流量センサ６０１が設けられている。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。図２に示すように、制御手段１００は、蓄熱量算出手段１０１、必要熱量予測手段１０４、加熱制御手段１０５、給湯目標温度設定手段１０７、ポンプ制御手段１０８、弁制御手段１０９、圧縮機制御手段１１０、膨張弁制御手段１１１等を有している。
【００２５】
制御手段１００には、時刻検出手段であるタイマー、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆ、沸上温度センサ５０２、導出温度センサ５０３、市水温度センサ５０４、給湯温度センサ５０５、太陽熱温水温度センサ５０６、冷水温度センサ５０７、給湯流量センサ６０１からの情報が入力される。制御手段１００は、入力されたこれらの情報に基づいて、圧縮機２１、膨張弁２３、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３を制御する。詳細は後述する。
【００２６】
給湯目標温度設定手段１０７は、ユーザーインターフェース装置（例えば、台所、浴室等に設置されるリモコン装置）に入力されるユーザーの指示等に基づいて、給湯温度の目標値を設定する。蓄熱量算出手段１０１は、タンク１内の蓄熱量を算出する。蓄熱量は、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆの情報と、市水温度センサ５０４の情報とに基づいて算出される。一般には、市水温度をエネルギーの基準温度としてタンク１内の温度分布を積分することによって算出される。ここで、一般的な給湯温度（例えば４０℃）あるいは給湯目標温度より低い温度領域は積分しないようにして蓄熱量を算出してもよい。
【００２７】
必要熱量予測手段１０４は、給湯に必要な熱量を予測し、算出する。給湯必要熱量は、ユーザーの過去の給湯使用実績や、最低限保証する既定の設計基準値などの情報に基づいて予測される。加熱制御手段１０５は、算出された必要熱量、蓄熱量、高温水領域の平均温度、太陽熱温水領域の平均温度等に基づいて、ヒートポンプ２の起動の要否を判定する。
【００２８】
ポンプ制御手段１０８は、太陽熱温水器用ポンプ３１、ヒートポンプ用ポンプ３２の回転数を制御し、ポンプ循環量を調節する。弁制御手段１０９は、太陽熱温水混合弁４１、市水混合弁４２、ヒートポンプ用分配弁４３の開度を制御し、流量比を調節する。圧縮機制御手段１１０は、圧縮機２１の周波数を制御し、冷媒の循環量を調節する。膨張弁制御手段１１１は、膨張弁２３の開度を調節する。
【００２９】
以上、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの構成について説明した。次に、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態１の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの動作を説明するための模式図である。なお、以下の説明において、具体的な数値を示して動作を説明した場合、その数値は一例であり、本発明がその数値に限定されるものではない。
【００３０】
まず、本実施の形態１における太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムの基本的な動作を説明する。市水配管３０２から供給される市水は、タンク１の下部から流入し、タンク１内に貯留される。タンク１内に貯留された市水は、太陽熱温水器用ポンプ３１によって循環配管３０１を循環し、太陽熱温水器５に導かれて加熱されて太陽熱温水となり、太陽熱温水流入口１１からタンク１内に流入し、貯留される。ここで、太陽熱温水流入口１１より上部のタンク１内の水温が太陽熱温水の温度以下の場合、水の浮力（比重差）の作用により太陽熱温水がタンク１内で上方に移動するので、太陽熱温水流入口１１がタンク１の中部に設けられていても、タンク１内の全体を太陽熱温水の温度（例えば３５℃）まで上昇させることが可能である（図３参照）。
【００３１】
ここで、制御手段１００は、一般には太陽熱温水温度センサ５０６の出力が所定の温度範囲に収まるように太陽熱温水器用ポンプ３１の回転数をフィードバック制御するが、予め定めた回転数で回転させるなどしてもよい。
【００３２】
雨天時や外気温が低い場合など、太陽熱温水の温度が給湯目標温度より低い場合、太陽熱温水ではユーザーの給湯需要を満たせないので、ヒートポンプ２で追加の加熱を行う。この場合、タンク１内の太陽熱温水を太陽熱温水取出口１２から導出し、ヒートポンプ用分配弁４３にて分岐し、一方を放熱器２２、他方を蒸発器２４に導く。放熱器２２に導いた太陽熱温水は加熱されて高温水（例えば６５℃）となり、タンク１の上部に戻される。蒸発器２４に導いた太陽熱温水は、ヒートポンプの冷媒に蒸発熱を供給し、冷却されて冷水（例えば２０℃あるいは１０℃）となり、タンク１の下部に戻される。
【００３３】
このようにして太陽熱温水をヒートポンプの蒸発熱源とすることにより、ヒートポンプの蒸発熱源を室外空気（例えば冬期７℃）とする場合に比べて、ヒートポンプの蒸発温度を高くでき、ヒートポンプのサイクル効率を向上することができる。
【００３４】
ここで、例えば太陽熱温水が不足する場合に備えて、室外空気と熱交換可能な空気熱交換器を、蒸発器２４と並列または直列の回路で併設し、太陽熱温水が不足する場合には当該空気熱交換器にてヒートポンプの冷媒を蒸発させるように構成してもよい。
【００３５】
タンク１の上部に流入した高温水は、タンク１内の太陽熱温水より比重が軽いため、タンク１内の太陽熱温水と混合することはなく、タンク１の上部から順に積層して貯まっていく。タンク１の下部に流入した冷水は、タンク１内の太陽熱温水より比重が重いため、タンク１内の太陽熱温水と混合することはなく、タンク１の下部から順に積層して貯まっていく。このようにして、タンク１内には、図３に示すように、上側から、高温水（例えば６５℃）、太陽熱温水（例えば３５℃）、冷水（例えば２０℃あるいは１０℃）の順で温度成層が形成される。
【００３６】
タンク内の加熱領域を均一に加熱するシステムとは異なり、本実施形態のシステムでは、タンク１内に高温水と太陽熱温水とで温度成層を形成するようにして高温水を貯えることができるので、必要な温度の湯量を最小限だけ沸き上げる動作が可能である。このため、予測された給湯必要熱量が小さい場合には、ヒートポンプ２による沸き上げ動作を最小限に抑制することができ、システム効率を向上することができる。
【００３７】
ヒートポンプ２による沸き上げ動作の制御として、制御手段１００は、一般には目標とする加熱能力に応じて圧縮機２１の周波数を制御し、蒸発器２４の出口の過熱度が所定の範囲に収まるように膨張弁２３の開度を制御し、沸上温度センサ５０２で検出される沸上温度（高温水の温度）と冷水温度センサ５０７で検出される冷水温度との両方が所定の温度範囲に収まるように、ヒートポンプ用ポンプ３２の回転数とヒートポンプ用分配弁４３の開度を調節するが、予め定めた制御定数で制御するなどしてもよい。
【００３８】
タンク１内に貯えられた高温水は、湯が使用される需要端の要求に応じて、給湯配管３０５，３０９，３１０を通じて、需要端に供給することができる。また、本実施形態のシステムでは、需要端へ給湯する際に、タンク１内の太陽熱温水を太陽熱温水取出口１２から取り出し、太陽熱温水混合配管３０８を介して太陽熱温水混合弁４１に導き、タンク１からの高温水と混合させて需要端へ供給することができる。これにより、給湯需要に対して太陽熱温水の熱量を活用することができるので、高温水の使用量を低く抑えることができる。この点について、図３を参照して、数値例を挙げて説明する。
【００３９】
冬期の曇りの日など、太陽熱温水器５による加熱のみでは、タンク１内の温度が３５℃程度の場合、そのままでは給湯に使用できない温度なので、例えば６５℃の高温水を必要な量だけ沸き上げる必要がある。ここでは、給湯需要を４５℃・４３０リットルとし、市水温度を１０℃とする。比較例では、この給湯需要に対し、太陽熱温水を活用せず、高温水の熱量だけで対応する。この比較例の場合には、６５℃の高温水２７４リットルと、１０℃の市水１５６リットルとを市水混合弁４２にて混合して生成された４５℃・４３０リットルの湯を需要端に供給することになる。これに対し、本実施形態では、高温水と混合して温度調節するための温調用水として太陽熱温水を活用することができる。このため、本実施形態の場合には、６５℃の高温水１４３リットルと、３５℃の太陽熱温水２８７リットルとを太陽熱温水混合弁４１にて混合して生成された４５℃・４３０リットルの湯を需要端に供給する。このように、比較例では高温水の必要量が２７４リットルであるのに対し、本実施形態では高温水の必要量が１４３リットルとなり、必要な高温水の量を顕著に削減することができる。このため、ヒートポンプ２による沸き上げ量を大幅に低減することができるので、消費電力を節減し、システム効率を向上することができる。
【００４０】
温調用水として太陽熱温水を活用する場合、太陽熱温水の温度が高いほど、必要な高温水の量（熱量）は少なくなる。このため、ヒートポンプ２による沸き上げを行う際、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆで検出される太陽熱温水の温度が高い場合には、太陽熱温水の温度が低い場合に比べて、タンク１内の上部に生成する高温水の熱量（高温水の量および温度の何れか一方または両方）が低くなるように沸き上げ動作を制御手段１００により制御することが好ましい。これにより、太陽熱温水の温度が高い場合には、それに応じてヒートポンプ２による沸き上げ量を更に抑制することができるので、システム効率を更に向上することができる。
【００４１】
また、本実施形態では、タンク１の太陽熱温水取出口１２より下側の領域（以下、「冷却領域」と称する）に、太陽熱温水と冷水とで温度成層が形成されるように、ヒートポンプ２による沸き上げ動作（ヒートポンプ用ポンプ３２の循環量等）を制御することが好ましい。この点について、図４を参照して説明する。図４中の上側の図は、タンク１内の冷却領域のほぼ全体が均一な温度（図示の例では２０℃）に冷却されるように沸き上げ動作を行った場合を示す。これに対し、図４中の下側の図は、タンク１内の冷却領域に太陽熱温水と冷水（図示の例では１０℃）とで温度成層が形成される、すなわち太陽熱温水と冷水との温度境界層の位置が太陽熱温水取出口１２より下側になるように、沸き上げ動作を行った場合を示す。
【００４２】
図４中の下側の図のように、タンク１内の冷却領域に太陽熱温水と冷水とで温度成層を形成した場合には、給湯の際に太陽熱温水取出口１２から導出される太陽熱温水の温度が低下することなく高いまま維持することができるので、高温水の使用量を更に低く抑えることができる。また、冷却領域を均一に冷却した場合と比べ、タンク１の下部に生成する冷水の温度が低くなるので、太陽熱温水器５に送られる水の温度が低下する。このため、太陽熱温水器５の集熱効率を向上させることができる。また、太陽熱温水器５に太陽光発電パネルが一体的に形成されている場合には、太陽光発電パネルの温度をより低下させることができるので、太陽光発電パネルの発電効率を更に向上させることができる。
【００４３】
本実施形態では、太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用ポンプ３２および水加熱配管３０６により水加熱回路が構成されている。また、太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用ポンプ３２および水冷却配管３０７により水冷却回路が構成されている。このように、本実施形態では、水加熱回路と水冷却回路とは、それらの流路の一部（太陽熱温水取出口１２、太陽熱温水配管３０３およびヒートポンプ用ポンプ３２）が共通化されている。これにより、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。
【００４４】
また、本実施形態では、太陽熱温水取出口１２が、水加熱回路と、水冷却回路と、太陽熱温水混合配管３０８とで共通化されている。これにより、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。ただし、本発明では、このような構成に限らず、タンク１に複数の太陽熱温水取出口を設け、水加熱回路と、水冷却回路と、太陽熱温水混合配管３０８とで太陽熱温水取出口を別々にしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、放熱器２２とタンク１の上部との間の水加熱配管３０６から給湯配管３０５を分岐させている。すなわち、この分岐部とタンク１の上部との間の流路は、水加熱回路の流路の一部と、給湯配管の一部とを共通化した流路に相当している。本実施形態では、このような共通化により、装置構成を簡素化でき、コスト低減が図れる。ただし、本発明では、このような構成に限らず、水加熱配管３０６と給湯配管３０５とを別々にタンク１の上部に接続する構成としてもよい。
【００４６】
実施の形態２．
次に、図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。図５は、本発明の実施の形態２の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システムを示す構成図である。
【００４７】
図５に示すように、本実施の形態２では、水加熱配管３０６ａは、ヒートポンプ用分配弁４３から放熱器２２を経由して太陽熱温水混合弁４１に接続されている。水加熱配管３０６ｂは、太陽熱温水混合弁４１とタンク１の上部との間を接続する。給湯時には、タンク１の上部から取り出された高温水が水加熱配管３０６ｂを通って太陽熱温水混合弁４１に導かれるとともに、太陽熱温水取出口１２から取り出された太陽熱温水が太陽熱温水配管３０３、ヒートポンプ用分配弁４３および水加熱配管３０６ａを通って太陽熱温水混合弁４１に導かれ、太陽熱温水混合弁４１にて高温水と太陽熱温水とが混合されて給湯配管３０９に流入する。このように、本実施の形態２では、水加熱配管３０６ｂを給湯配管の一部として機能させることができ、また、水加熱配管３０６ａを太陽熱温水混合配管として機能させることができる。
【００４８】
上述したように、本実施の形態２では、水加熱回路の一部（水加熱配管３０６ｂ）と、給湯配管の一部とを共通化したことにより、実施の形態１における給湯配管３０５を省略することができる。また、水加熱回路の一部（水加熱配管３０６ａ）と、太陽熱温水混合配管とを共通化したことにより、実施の形態１における太陽熱温水混合配管３０８を省略することができる。これらのことにより、装置構成をより簡素化でき、更なるコスト低減が図れる。
【００４９】
また、本実施の形態２では、タンク１を覆う断熱材として、上部断熱材６１および下部断熱材６２が設けられている。上部断熱材６１は、概ね太陽熱温水取出口１２より上側の範囲においてタンク１の側面を覆っている。下部断熱材６２は、概ね太陽熱温水取出口１２より下側の範囲においてタンク１の側面を覆っている。下部断熱材６２は、上部断熱材６１と比べ、断熱性能が低い（熱抵抗値が低い）ものとして構成されている。例えば、上部断熱材６１および下部断熱材６２を同じ材料で構成する場合には、下部断熱材６２の厚さを上部断熱材６１より薄くすることにより、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くする。または、上部断熱材６１と比べて熱伝導率の高い材料で下部断熱材６２を構成してもよい。例えば、上部断熱材６１に真空断熱材を用い、下部断熱材６２に発泡ポリスチレン等の発泡性成形断熱材を用いることができる。この場合、上部断熱材６１は真空断熱材と発泡性成形断熱材とを組み合わせて構成されていてもよい。
【００５０】
下部断熱材６２に覆われた領域におけるタンク１内の貯湯温度は、上部断熱材６１に覆われた領域におけるタンク１内の貯湯温度より低い。このため、下部断熱材６２に覆われた領域におけるタンク１からの放熱量は少ないため、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くしても、放熱ロスはそれほど増加しない。一方、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くすることにより、下部断熱材６２の製造コストを大幅に低減することができる。したがって、下部断熱材６２の断熱性能を上部断熱材６１より低くすることにより、システム効率をほとんど低下させずに、より安価なシステムを構築することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ タンク
２ ヒートポンプ
５ 太陽熱温水器
１１ 太陽熱温水流入口
１２ 太陽熱温水取出口
２１ 圧縮機
２２ 放熱器
２３ 膨張弁
２４ 蒸発器
３１ 太陽熱温水器用ポンプ
３２ ヒートポンプ用ポンプ
４１ 太陽熱温水混合弁
４２ 市水混合弁
４３ ヒートポンプ用分配弁
６１ 上部断熱材
６２ 下部断熱材
１００ 制御手段
３０１ 循環配管
３０２ 市水配管
３０３ 太陽熱温水配管
３０４ 市水混合配管
３０５，３０９，３１０ 給湯配管
３０６，３０６ａ，３０６ｂ水加熱配管
３０７ 水冷却配管
３０８ 太陽熱温水混合配管
５０１ａ〜５０１ｆ 貯湯温度センサ
５０２ 沸上温度センサ
５０３ 導出温度センサ
５０４ 市水温度センサ
５０５ 給湯温度センサ
５０６ 太陽熱温水温度センサ
５０７ 冷水温度センサ
６０１ 給湯流量センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器と、
前記太陽熱温水器により生成された太陽熱温水を貯留するタンクと、
圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器の順で冷媒が循環するヒートポンプと、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記放熱器に送り、前記放熱器で前記太陽熱温水が加熱されて生成した高温水を前記タンクの上部に流入させる水加熱回路と、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記蒸発器に送り、前記蒸発器で前記太陽熱温水が冷却されて生成した冷水を前記タンクの下部に流入させる水冷却回路と、
前記タンクの上部から取り出された前記高温水を需要端側に導く給湯配管と、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記給湯配管の前記高温水に混合可能な混合配管と、
を備える太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項２】
前記タンク内に前記太陽熱温水と前記冷水とで温度成層を形成する請求項１記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項３】
前記タンク内に前記高温水と前記太陽熱温水とで温度成層を形成する請求項１または２記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項４】
前記太陽熱温水の温度が高い場合には前記太陽熱温水の温度が低い場合に比して前記ヒートポンプの作動により前記タンク内の上部側に生成する前記高温水の熱量が低くなるように制御する制御手段を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項５】
前記太陽熱温水器は、太陽光発電パネルと一体的に形成され、前記太陽光発電パネルの生成熱を集熱可能に構成される請求項１乃至４の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項６】
前記タンクの中部から前記太陽熱温水を取り出す太陽熱温水取出口が、前記水加熱回路と、前記水冷却回路と、前記混合配管とで共通化されている請求項１乃至５の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項７】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記給湯配管の一部とが共通化されている請求項１乃至６の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項８】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記水冷却回路の流路の一部とが共通化されている請求項１乃至７の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項９】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記混合配管とが共通化されている請求項１乃至８の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項１０】
前記タンクを覆う上部断熱材と、
前記上部断熱材の下方において前記タンクを覆う下部断熱材とを備え、
前記下部断熱材は、前記上部断熱材と比べて断熱性能が低くされている請求項１乃至９の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項１】
太陽熱を集熱して温水を生成する太陽熱温水器と、
前記太陽熱温水器により生成された太陽熱温水を貯留するタンクと、
圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器の順で冷媒が循環するヒートポンプと、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記放熱器に送り、前記放熱器で前記太陽熱温水が加熱されて生成した高温水を前記タンクの上部に流入させる水加熱回路と、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記蒸発器に送り、前記蒸発器で前記太陽熱温水が冷却されて生成した冷水を前記タンクの下部に流入させる水冷却回路と、
前記タンクの上部から取り出された前記高温水を需要端側に導く給湯配管と、
前記タンクの中部から取り出された前記太陽熱温水を前記給湯配管の前記高温水に混合可能な混合配管と、
を備える太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項２】
前記タンク内に前記太陽熱温水と前記冷水とで温度成層を形成する請求項１記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項３】
前記タンク内に前記高温水と前記太陽熱温水とで温度成層を形成する請求項１または２記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項４】
前記太陽熱温水の温度が高い場合には前記太陽熱温水の温度が低い場合に比して前記ヒートポンプの作動により前記タンク内の上部側に生成する前記高温水の熱量が低くなるように制御する制御手段を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項５】
前記太陽熱温水器は、太陽光発電パネルと一体的に形成され、前記太陽光発電パネルの生成熱を集熱可能に構成される請求項１乃至４の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項６】
前記タンクの中部から前記太陽熱温水を取り出す太陽熱温水取出口が、前記水加熱回路と、前記水冷却回路と、前記混合配管とで共通化されている請求項１乃至５の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項７】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記給湯配管の一部とが共通化されている請求項１乃至６の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項８】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記水冷却回路の流路の一部とが共通化されている請求項１乃至７の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項９】
前記水加熱回路の流路の一部と、前記混合配管とが共通化されている請求項１乃至８の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【請求項１０】
前記タンクを覆う上部断熱材と、
前記上部断熱材の下方において前記タンクを覆う下部断熱材とを備え、
前記下部断熱材は、前記上部断熱材と比べて断熱性能が低くされている請求項１乃至９の何れか１項記載の太陽熱利用ヒートポンプ給湯システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９２３３７（Ｐ２０１３−９２３３７Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６１７５（Ｐ２０１１−２３６１７５）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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