JP2012042105A - ヒートポンプ給湯機及びヒートポンプ給湯機システム - Google Patents

Abstract

【課題】
データセンターや工場などでの排熱を有効に利用するヒートポンプ給湯機、並びに、ヒートポンプ給湯機システムを提供する。
【解決手段】
本発明に係るヒートポンプ給湯機は、熱媒体を圧縮するコンプレッサ１２と、圧縮された熱媒体を膨張させる膨張弁１３と、データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体から、膨張弁にて膨張させた熱媒体に熱量を移動させる第１熱交換器１１と、コンプレッサ１２にて圧縮された熱媒体から、市水に熱量を移動させる第２熱交換器１４と、第２熱交換器１４にて熱量が与えられた市水を貯留し、給湯を行う貯湯タンク２１と、を有するものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱量を受け取った熱媒体をコンプレッサにて圧縮することで温度を上昇させ、熱交換器にて市水に熱量を与えることで給湯を行うヒートポンプ給湯機及びヒートポンプ給湯機システムに関する。

従来、家庭などではエネルギー効率の向上を図るため、大気の熱量を利用して給湯を行うヒートポンプ給湯機が利用されている。特許文献１には、このようなヒートポンプ給湯機を利用して快適な温度環境に調整可能な冷風供給装置が開示されている。

特開２００７−２１８５０２号公報

現在、インターネット上のサーバにてデータ管理を行うクラウド化が進む中、インターネットに接続されるデータサーバの重要性、並びに、必要とされる規模は大きくなり、大規模なデータセンター（ＩＤＣ：Internet Data Center）の建造が行われている。データセンターには、膨大な数のサーバコンピュータが設置され、サーバコンピュータからの排熱は利用されることなく大気中に放出されている。

本発明は、このようなデータセンターなどにおける排熱など未利用のエネルギーに着目し、家庭などでの給湯に用いられるヒートポンプ給湯機にて利用することを提案するものである。なお、未利用のエネルギーとしては、データセンターの他、工場、ゴミ焼却場、オフィスなどが考えられる。

本発明に係るヒートポンプ給湯機は、熱媒体を圧縮するコンプレッサと、前記圧縮された熱媒体を膨張させる膨張弁と、データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体から、前記膨張弁にて膨張させた熱媒体に熱量を移動させる第１熱交換器と、前記コンプレッサにて圧縮された熱媒体から、市水に熱量を移動させる第２熱交換器と、前記第２熱交換器にて熱量が与えられた市水を貯留し、給湯を行う貯湯タンクと、を有することを特徴としている。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、送風ファンの送風により、大気中の熱量を前記膨張弁にて膨張させた熱媒体に熱量を移動させる第３熱交換器を有することを特徴としている。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機において、前記貯湯タンクには、データセンターなどでの余剰熱量にて予熱された市水が供給されることを特徴としている。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機において、前記貯湯タンクには、予熱されていない市水を供給可能とすることを特徴としている。

また、本発明に係るヒートポンプ給湯機システムは、前述した何れかのヒートポンプ給湯機を複数有し、データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体は、第１の配管か
ら各ヒートポンプ給湯機に供給されることを特徴としている。

さらに、本発明に係るヒートポンプ給湯機システムは、第２の配管を流れる地域 熱源
媒体から、前記第１の配管を流れる熱源媒体に熱量を移動させる熱源媒体熱交換器を有することを特徴している。

本発明のヒートポンプ給湯機によれば、給湯の加熱源としてデータセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体を利用することで、未利用の熱エネルギーの有効利用を図ることが可能となる。また、このようなヒートポンプ給湯機では、従来の大気熱温度を利用したヒートポンプ給湯機と比較して、高い温度レベルが期待でき、給湯加熱効率を大幅に向上させるとともに、電気料金の削減を図ることが可能となる。

さらに、本発明のヒートポンプ給湯機によれば、送風ファン、第３熱交換器を備えることで、熱源媒体からの余剰熱量に加え大気からの熱量も利用することが可能となる。このような構成によれば給湯における信頼性をさらに高めることが可能となる。

さらに、本発明のヒートポンプ給湯機によれば、余剰熱量にて予熱された市水を貯湯タンクに供給することで、データセンターなどでの余剰熱量の移動箇所の多様化を図り、さらに効率よく余剰熱量を給湯に利用することが可能となる。

余剰熱量にて予熱された市水を貯湯タンクに供給する場合、予熱された市水が既に給湯に必要十分な温度となっている場合がある。このような場合、貯湯タンク内、あるいは、第２熱交換器内にて市水が滞り、衛生上の問題が発生することが考えられる。そのため、本発明のヒートポンプ給湯機では、予熱されていない市水を貯湯タンクに供給する弁と、予熱された市水を貯湯タンクに導入する弁が設けられている。

さらに、本発明のヒートポンプ給湯機システムでは、第１の配管を流れる熱源媒体を利用し、複数のヒートポンプ給湯機に対し余剰熱量を供給することとしている。このようなヒートポンプ給湯機システムでは、例えば集合住宅など、複数のヒートポンプ給湯機を必要とする施設において効率よく余剰熱量を供給することが可能となる。

従来のヒートポンプ給湯機を示す図。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機システムを示す図。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機（タイプＡ）を示す図。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機（タイプＢ）を示す図。 本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯機（タイプＣ）を示す図。

図１は、従来の大気温度を利用したヒートポンプ給湯機を示す図である。ヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット５と貯湯タンクユニット６にて構成されている。ヒートポンプユニット５は、コンプレッサ５３、空気／熱媒体熱交換器５２、熱媒体／市水熱交換器５５、膨張弁５４を主な構成として有するものとなっており、これらの構成間を接続する配管中には、熱媒体としてのＣＯ₂が流動している。

熱膨張弁５４にて膨張された熱媒体は、空気／熱媒体交換器５２にて、送風ファン５１から大気中の熱量を受け取る。大気中の熱量を受け取った熱媒体は、コンプレッサ５３にて圧縮され、その温度がさらに高められる。その後、熱媒体／市水熱交換器５５にて市水に熱量を移動させ、市水の温度を上昇させる。

一方、貯湯タンク６１では、外部から供給される市水を熱媒体／市水熱交換器５５に供給し、温度上昇した市水を再度、貯湯タンク６１に貯留する。温度の上昇した市水は三方弁６２を介して給湯に利用される。三方弁６２は、給湯に必要とされる温度に応じて、貯湯タンク６１内の市水と、外部から供給された市水とを混合して給湯する。

このように、従来のヒートポンプ給湯機は、送風ファン５１を利用して、大気の熱量を市水に移動させ、給湯を行うこととするものであった。本発明では、この大気の熱量に代え、データセンター、ゴミ焼却場、工場などでの排熱を利用し給湯を行うことを特徴としている。

まず、本発明のヒートポンプ給湯機を利用したヒートポンプ給湯機システムについて図２を用いて説明する。図２に示されるようにデータセンター、オフィスなどからは、サーバコンピュータや空調機器などで発生した余剰熱量を吸熱した地域熱源媒体は、配管を通して各ヒートポンプ給湯機システムに供給される。また、地域熱源媒体は、第２の配管３０５中をポンプ３０３にて循環するように構成されている。ここでは、地域熱源媒体として、水を利用しているが、液体、気体を問わず、他の熱媒体を利用することとしても構わない。

本実施形態のヒートポンプ給湯機システムは、この地域熱源媒体の循環経路上に配置される。図では、２つのヒートポンプ給湯機システムが示されており、それぞれ集合住宅１、集合住宅２に配置されている。集合住宅１に配置されたヒートポンプ給湯機システムでは、地域熱媒体の熱量は、熱源媒体熱交換器３２ａにて、集合住宅１中に施設された第１の配管３０４ａ中を流動する熱源媒体に受け渡される。

本実施形態では熱源媒体にも、地域熱源媒体と同様、水が利用されている。この第２熱源媒体についても適宜種類のものを採用することが考えられる。この熱源媒体は、ポンプ３０２ａにて集合住宅１内の第１の配管３０４ａを循環し、各戸に配置されたヒートポンプ給湯機３ａ〜３ｇに供給される。なお、熱源媒体の循環経路中には、バッファタンク３４ａが設けられており、配管中を流れる熱源媒体の膨張・圧縮に対応できるように構成されている。

この集合住宅１のヒートポンプ給湯機システムにて利用されるヒートポンプ給湯機の例として３ｃのタイプＡと、３ｄのタイプＢについて後ほど説明を行う。これらタイプのヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニットにて熱源媒体の熱量を利用して給湯を行うものである。図では、各フロアに１つのヒートポンプ給湯機３が設けられているが、同フロアに複数のヒートポンプ給湯機３を設置することも可能である。

一方、集合住宅２にて配置されたヒートポンプ給湯機システムでは、集合住宅１と同様、集合住宅２内に配設された第１の配管３０４ｂを循環する熱源媒体によって、地域熱源媒体からの熱量が各戸のヒートポンプ給湯機３ｈ〜３ｎに与えることができる。さらに、この実施形態では市水熱交換器３３が設置されており、外部から供給される市水は、予熱された上で各ヒートポンプ給湯機３ｈ〜３ｎに供給される。このように、複数の熱交換器を利用することで、熱源媒体が保持する熱量をより効果的にヒートポンプ給湯機３ｈ〜３ｎに伝達することが可能となる。この集合住宅２にて利用されるヒートポンプ給湯機について、３ｊのものを例にとって説明する。なお、この集合住宅２にて配置されたヒートポンプ給湯機システムにおいても、集合住宅１におけるタイプＡ、タイプＢのヒートポンプ給湯機を混在して設置することとしてもよい。

図３は、図２において集合住宅１に設置されたタイプＡのヒートポンプ給湯器を示した
図である。本実施形態のヒートポンプ給湯機３ｃは、ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２にて構成されている。ヒートポンプユニット１は、第１熱交換器１１、コンプレッサ１２、第２熱交換器１４、膨張弁１３を主な構成要素としている。各構成は、図示するように配管で接続されている。

これらの各構成間を接続する配管中には、熱媒体としてのＣＯ₂等が流動し、熱媒体と
市水との間で熱交換を行う。熱膨張弁１３にて膨張された熱媒体は、第１熱交換器１１にて、熱源媒体熱交換器３２ａから供給された熱源媒体の熱量を受け取る。この第１熱交換器１１には、プレート熱交換タイプのものなどを利用することが考えられる。熱源媒体から熱量を受け取った熱媒体は、コンプレッサ５３にて圧縮され、その温度がさらに高められる。その後、熱媒体／市水熱交換器５５にて市水に熱量を移動させ、市水の温度を上昇させる。

貯湯タンク２１では、外部から供給される市水を第２熱交換器１４に供給し、温度上昇した市水を再度、貯湯タンク２１に貯留する。温度の上昇した市水は三方弁２０１を介して給湯に利用される。三方弁２０１は、給湯に必要とされる温度に応じて、貯湯タンク２１内の市水と、外部から供給された市水とを混合して給湯する。

以上、本実施形態のヒートポンプ給湯機３ｃでは、データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体を利用して給湯を行うことで、データセンターなどで発生する未利用のエネルギーを効率的に利用することが可能となる。この構成によれば、従来の大気の温度を利用するヒートポンプ給湯機と比較して、高い温度レベルが期待でき、給湯加熱効率を大幅に上昇させることが可能となる。

図４は、図２において集合住宅１に設置されたタイプＢのヒートポンプ給湯機３ｄを示した図である。本実施形態では、図３で説明したタイプＡのものに加え、大気の熱量を利用することが可能となっている。そのため、熱媒体の循環経路に第３熱交換器１６が配設されている。

第３熱交換器１６は、膨張弁１３を通過した熱媒体に送風ファン１５にて大気の熱量を与え、その温度を上昇させる。本実施形態では、第１熱交換器１１と第３熱交換器１６とが並列に接続、すなわち、膨張弁１３を通過した熱媒体が両熱交換器１１、１６に供給されるように構成されている。そのため、両熱交換器１１、１６にてそれぞれ、熱源媒体からの熱量、大気中の熱量を十分に熱媒体に受け渡すことが可能とされている。

第１熱交換器１１に対する熱媒体の供給量は弁１０６と弁１０４にて調整される。また、第３熱交換器１６に対する熱媒体の供給量は弁１０５と弁１０３にて調整される。これらを調整することで、両熱交換器１１、１６における熱変換効率を変更することが可能となる。両熱交換器１１、１６における熱交換率は、熱源媒体の温度や、外気温をモニタリングして自動調整することとしてもよい。

以上、本実施形態のヒートポンプ給湯機では、熱源媒体のみならず、第３熱交換器１６にて大気の熱量を利用することが可能となっている。なお、第１熱交換器１１、第２熱交換器１４、貯湯タンクユニット２など、前述の実施形態と同様の構成については、その説明を省略したものとなっている。

次に、図５を用いて、図２における集合住宅２に設置されたタイプＣのヒートポンプ給湯機３ｊについて説明を行う。本実施形態では、給水熱交換器３３にて予熱された市水は貯湯タンクユニット２に対して供給される。このとき、予熱された市水は、貯湯タンク２１、三方弁２０１のどちらか一方に切り換え可能に供給することで、予熱された市水を貯
湯タンク２１に直接供給すること、あるいは、予熱された市水を貯湯タンク２１内の市水と三方弁２０１にて混合して供給することができる。

給水熱交換器３３では、高い温度で予熱されることが考えられる。給湯温度以上の市水が貯湯タンク２１に供給された場合、予熱された市水がそのまま給湯され続けることとなり、貯湯タンク２１内、あるいは、第２熱交換器１４内に温度の低い市水が停留し続ける場合がある。そのため本実施形態では、予熱された市水を貯湯タンク２１へ供給する選択弁２０２、予熱されていない市水を貯湯タンク２１へ供給する選択弁２０３が設けられている。これら選択弁２０２、２０３の開閉は、スケジュールにより定期的に稼働される。

このように、本実施形態では、市水熱交換器３３にて予熱された市水を貯湯タンクに供給することで、さらなる給湯の熱源を確保し、さらに効果的な熱効率を有するヒートポンプ給湯機を提供することが可能となる。

なお、本実施形態は、図４で説明した実施形態のヒートポンプ給湯機３ｄと同様、第１熱交換器１１、第３熱交換器１６を有するヒートポンプ給湯機を用いることとしているが、この予熱された市水の利用は、図３で説明した実施形態のヒートポンプ給湯機３ｃのタイプにも利用することができる。さらに、本発明とは異なるものとなるが、貯湯タンク２１への予熱された市水の供給、並びに、予熱されていない市水の供給の構成について、図１で説明したような従来のヒートポンプ給湯機に対して適用することとしてもよい。

なお、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１…ヒートポンプユニット、２…貯湯タンクユニット、３…ヒートポンプ給湯機、１１…第１熱交換器、１２…コンプレッサ、１３…膨張弁、１４…第２熱交換器、１５…送風ファン、１６…第３熱交換器、１０１〜１０６…弁、２１…貯湯タンク、２０１…三方弁、２０２、２０３…選択弁、３２…熱源媒体熱交換器、３３…市水熱交換器、３０１〜３０３…ポンプ、５…ヒートポンプユニット、６…貯湯タンクユニット、５１…送風ファン、５２…空気／熱媒体熱交換器、５５…熱媒体／市水熱交換器、６１…貯湯タンク、６２…三方弁

Claims (6)

1. 熱媒体を圧縮するコンプレッサと、
   前記圧縮された熱媒体を膨張させる膨張弁と、
   データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体から、前記膨張弁にて膨張させた熱媒体に熱量を移動させる第１熱交換器と、
   前記コンプレッサにて圧縮された熱媒体から、市水に熱量を移動させる第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器にて熱量が与えられた市水を貯留し、給湯を行う貯湯タンクと、を有することを特徴とする
   ヒートポンプ給湯機。
2. 送風ファンの送風により、大気中の熱量を前記膨張弁にて膨張させた熱媒体に熱量を移動させる第３熱交換器を有することを特徴とする
   請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記貯湯タンクには、データセンターなどでの余剰熱量にて予熱された市水が供給されることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記貯湯タンクには、予熱されていない市水を供給可能とすることを特徴とする
   請求項３に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 請求項１から請求項４の何れか１項に記載のヒートポンプ給湯機を複数有し、
   データセンターなどでの余剰熱量を吸熱した熱源媒体は、第１の配管にて各ヒートポンプ給湯機に供給されることを特徴とする
   ヒートポンプ給湯機システム。
6. 第２の配管を流れる地域熱源媒体から、前記第１の配管を流れる熱源媒体に熱量を移動させる熱源媒体熱交換器を有することを特徴とする
   請求項５に記載のヒートポンプ給湯機システム。

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