JP2004218873A

JP2004218873A - 貯湯式給湯装置

Info

Publication number: JP2004218873A
Application number: JP2003004327A
Authority: JP
Inventors: Teruhiko Taira; 輝彦平; Shizuo Tsuchiya; 静男土屋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-10
Also published as: JP3982416B2

Abstract

【課題】所定の時間帯において効率の良い沸き上げを行い、電気料金の低減を可能とする貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】給湯用の湯を貯える貯湯タンク１１０と、貯湯タンク１１０内の水を加熱して湯とするヒートポンプ装置１２０と、貯湯タンク１１０内の湯が１日の必要沸き上げ熱量Ｑを有するように、主に電力コストに応じて定まる所定時間帯にヒートポンプ装置１２０を作動制御する制御装置１３０とを備える貯湯式給湯装置において、制御装置１３０は、必要沸き上げ熱量Ｑを所定の沸き上げ温度Ｔｐおよび所定の沸き上げ流量Ｖで所定時間帯に貯湯する際に、貯湯タンク１１０内が湯によって満たされないと判定すると、所定の沸き上げ流量Ｖが増大するように所定の沸き上げ温度Ｔｐまたはヒートポンプ装置１２０の加熱能力の少なくとも一方を変更して、貯湯タンク１１０内を湯で満たすようにする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ装置によって加熱される給湯用の湯を貯湯タンク内に貯える貯湯式給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の貯湯式給湯装置として、特許文献１に示されるように、給湯水を加熱する加熱手段として、ヒートポンプ集熱器とソーラ集熱器とを備えたものが知られている。この貯湯式給湯装置においては、電力コストに応じて定まる所定時間帯、例えば時間帯別電灯契約において電気料金が安価な深夜時間帯（具体的には例えば当日２３時〜翌日７時）にヒートポンプ集熱器の運転によりタンク内の湯水のほとんどを沸き上げる。そして、それ以外の昼間の時間帯では、深夜時間帯では沸き上げられなかった不足分や、昼間の時間帯で使用した分を補足的にソーラ集熱器あるいはヒートポンプ集熱器の運転によって湯を沸き上げるようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９５６５０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、昼間の時間帯にソーラ集熱器やヒートポンプ集熱器を運転させずに電力料金の安価な深夜時間帯において湯の沸き上げが完了されるのがベストであるが、例えばユーザの湯の使用量や、季節の給湯水温度や外気温度の変化による加熱手段の能力低下等によって、所定の沸き上げが完了できない場合がある。そのような状況においては、沸き上げ可能な熱量をいかに効率良く得るかが重要になってくるが、上記特許文献１では、その点に対する考慮は特に見られない。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み、所定の時間帯において効率の良い沸き上げを行い、電気料金の低減を可能とする貯湯式給湯装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、内部に給湯用の高温の湯を貯える貯湯タンク（１１０）と、貯湯タンク（１１０）内の水を加熱して湯とするヒートポンプ装置（１２０）と、貯湯タンク（１１０）内の湯が１日の給湯に必要とされる必要沸き上げ熱量（Ｑ）を有するように、主に電力コストに応じて定まる所定時間帯にヒートポンプ装置（１２０）を作動制御する制御装置（１３０）とを備える貯湯式給湯装置において、制御装置（１３０）は、必要沸き上げ熱量（Ｑ）を所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）および所定の沸き上げ流量（Ｖ）で所定時間帯に貯湯する際に、貯湯タンク（１１０）内が湯によって満たされないと判定すると、所定の沸き上げ流量（Ｖ）が増大するように所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）またはヒートポンプ装置（１２０）の加熱能力の少なくとも一方を変更して、貯湯タンク（１１０）内を湯で満たすようにすることを特徴としている。
【０００８】
これにより、必要沸き上げ熱量（Ｑ）を確保できない場合でも貯湯できうる熱量が同一であるならば、沸き上げ温度（Ｔｐ）は所定値よりも低い温度にして湯を多量に溜めたほうが、高温の湯を少量溜めるよりもヒートポンプ装置（１２０）を高いエネルギー効率（成績係数）のポイントで作動できるので、消費電力を低減することができる。
【０００９】
また、加熱能力については増加する方向に変更することで、沸き上げ流量（Ｖ）を増加させ、貯湯タンク（１１０）内を必要沸き上げ熱量（Ｑ）で満たすことができる。即ち、所定時間帯以外でのヒートポンプ装置（１２０）の作動による沸きましを不要とすることができ、総じて電気料金を低減することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、制御装置（１３０）は、外気温度（Ｔａ）が低いほど沸き上げ温度（Ｔｐ）を低い側に変更することを特徴としている。
【００１１】
これにより、外気温度（Ｔａ）に対応して低下する水の温度（Ｔｗ）と変更後の沸き上げ温度（Ｔｐ）との差を同等あるいは小さくすることができる。よって、ヒートポンプ装置（１２０）の加熱能力を小さくしてエネルギー効率（成績係数）の高いポイントで作動させることができ、消費電力を低減することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、制御装置（１３０）は、外気温度（Ｔａ）が低いほど加熱能力を高い側に変更することを特徴としている。
【００１３】
これにより、外気温度（Ｔａ）の変化に対して貯湯式給湯装置（１００）の蓄熱量をほぼ一定に保つことができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明では、制御装置（１２０）は、外気温度（Ｔａ）がヒートポンプ装置（１２０）内の吸熱部（１２４）に着霜が生ずる温度領域において、所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）を低い側に変更、あるいは加熱能力を高い側に変更することを特徴としている。
【００１５】
これにより、沸き上げに支障をきたす着霜時において効率的な沸き上げが可能となる。
【００１６】
尚、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施形態の貯湯式給湯装置１００の概略構成を示す模式図である。貯湯式給湯装置１００は、主に貯湯タンク１１０、ヒートポンプ装置１２０、制御装置１３０から成る。
【００１８】
貯湯タンク１１０は、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）より成るタンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、給湯用の高温の湯を長時間に渡って保温することができるようにしている。貯湯タンク１１０は、設置時のスペース効率を考慮して縦長形状としており、そのタンク容量Ｌは一般家庭での給湯量をまかなえるように、ここでは３７０Ｌとしている。そして貯湯タンク１１０の底面には導入口１１１が設けられ、この導入口１１１には貯湯タンク１１０内に水道水を導入する導入管１４１が接続されている。導入管１４１には、サーミスタ１４３ａが設けられており、サーミスタ１４３ａは導入管１４１を流れる水道水の温度情報を後述する制御装置１３０に出力するようにしている。
【００１９】
一方、貯湯タンク１１０の最上部には導出口１１２が設けられ、導出口１１２には貯湯タンク１１０内の高温の湯を導出するための導出管１４２が接続されている。そして、導出管１４２には、水道水の給水配管１４５が接続されており、この給水配管１４５との合流点には、混合弁１４６が配置されている。混合弁１４６は開口面積比（導出管１４２に連通する湯側の開度と給水配管１４５に連通する水側の開度の比率）を調節することにより、下流側にあるカラン、シャワー、風呂等に高温の湯と水とを適宜混合して給湯するようにしている。
【００２０】
また、貯湯タンク１１０の下部には、導入管１４１から貯湯タンク１１０内に供給された水道水を流出するための冷水出口１１３が設けられ、また貯湯タンク１１０の上部には、貯湯タンク１１０内に湯が流入する温水入口１１４が設けられている。冷水出口１１３と温水入口１１４とは循環回路１４７で接続されており、この循環回路１４７の冷水出口１１３側にはポンプ１４８が設けられている。また、循環回路１４７の一部は後述するヒートポンプ装置１２０内の水熱交換器１２２に接続されている。
【００２１】
更に、貯湯タンク１１０の外壁面には、複数のサーミスタ１４３ｂが縦方向に所定の間隔をあけて配置され、貯湯タンク１１０内の各水位レベルにおける温度情報を後述する制御装置１３０に出力するようにしている。
【００２２】
ヒートポンプ装置１２０は、例えばＣＯ_２を冷媒とする加熱手段であり、電動圧縮機１２１、水熱交換器１２２、膨張弁１２３、送風機１２５を備える室外側熱交換器１２４が冷媒配管１２６によって順次接続されて閉回路を構成している。電動圧縮機１２１には、インバータ１２７が設けられており、このインバータ１２７は、電動圧縮機１２１に供給する電力を可変する。また、室外側熱交換器１２４の送風機１２５によって生ずる空気流れの上流側には外気温センサ１２４ａが設けられており、外気温センサ１２４ａは室外側熱交換器１２４に流入する外気の温度情報を後述する制御装置１３０に出力するようにしている。
【００２３】
尚、ヒートポンプ装置１２０は、冷媒を電動圧縮機１２１で高温高圧にして水熱交換器１２２において貯湯タンク１１０から供給される冷水（水道水）との間で熱交換を行い、所定温度（沸き上げ温度Ｔｐ、例えば９０℃）の湯に沸き上げ、高温の湯を貯湯タンク１１０内に貯湯するようにしている。水熱交換機１２２で放熱した冷媒に対しては、室外側熱交換器１２４によって外気から吸熱させるようにしている。
【００２４】
制御装置１３０は、主に電動圧縮機１２１とポンプ１４８との作動を制御するものである。制御装置１３０には、上記外気温センサ１２４ａからの温度情報、サーミスタ１４３ａ、１４３ｂからの温度情報が入力される。また、制御装置１３０には、図２に示すように、外気温度Ｔａに対する電動圧縮機１２１の圧縮機回転数Ｎの関係を示す制御特性が予め記憶されている。この制御特性は、外気温度Ｔａが４３℃から−１０℃に低下するにつれて、圧縮機回転数ＮがＮ１からＮ２に増加するものとしている。
【００２５】
そして制御装置１３０は、これらの入力情報、制御特性および予め定めた各種演算式（後述）から得られる結果に基づいて電動圧縮機１２１とポンプ１４８の回転数をそれぞれ可変させ、主に深夜時間帯において湯の沸き上げを行う。尚、深夜時間帯とは従来技術の項でも説明したように、電力コストに応じて定まる所定時間帯、例えば時間帯別電灯契約において電気料金が安価な時間帯であり、具体的には当日の２３時〜翌日の７時等（他に２２時〜８時の場合もある）に対応する。
【００２６】
尚、図示しないカラン等が開かれ給湯が行なわれる時には、タンク１１０の導出口１１２から高温の湯が導出される。これに伴い、導入口１１１から貯湯タンク１１０の下部へ水道水の導入が行なわれる。この時の給湯量に応じて、サーミスタ１４３ｂからの各水位レベルにおける温度情報によって貯湯タンク１１０内の高温の湯が所定熱量未満になったと判定すると、深夜時間帯に係わらず、貯湯タンク１１０内に予め定めた演算式によって得られる熱量分の沸き増しを行うために、ヒートポンプ装置１２０を運転する。
【００２７】
本発明においては深夜時間帯の沸き上げにおける電動圧縮機１２１とポンプ１４８の作動制御に特徴を持たせており、以下その詳細について図３に示すフローチャートを用いて詳細に説明する。
【００２８】
まず、深夜時間帯の開始時刻である２３時になると、ステップＳ１００で外気温センサ１２４ａから外気温度Ｔａを把握する。そして、ステップＳ１１０で、▲１▼沸き上げ条件の演算、▲２▼電動圧縮機１２１の圧縮機回転数Ｎの決定、▲３▼沸き上げ流量Ｖの演算を行う。
【００２９】
▲１▼の沸き上げ条件の演算においては、当日必要とされる湯の必要沸き上げ熱量Ｑとこの必要沸き上げ熱量Ｑを得るために必要となる所要沸き上げ時間Ｈａを算出する。必要沸き上げ熱量Ｑは以下の数式１によって算出するようにしている。
【００３０】
【数１】
Ｑ＝（Ｌ−Ｌｚ）×（Ｔｐ−Ｔｗ）
ここで、Ｌは貯湯タンク１１０のタンク容量（３７０Ｌ）、Ｌｚは２３時時点における貯湯タンク１１０内の残湯量であり、（Ｌ−Ｌｚ）は必要沸き上げ量となる。Ｔｐは沸き上げ温度、Ｔｗは水道水の平均給水温度である。
【００３１】
残湯量Ｌｚは、サーミスタ１４３ｂの各水位レベルのおける温度情報から所定の演算式によって得られるようにしている。沸き上げ温度Ｔｐは、６５℃〜９０℃の範囲で設定されるようにしており、この制御の初期値としては９０℃としている。平均給水温度Ｔｗは、サーミスタ１４３ａから得られる温度である。
【００３２】
また、所要沸き上げ時間Ｈａは、以下の数式２によって算出するようにしている。
【００３３】
【数２】
Ｈａ＝Ｑ／（８６０×ヒートポンプ定格能力Ｐ）
ヒートポンプ定格能力Ｐはここでは４．５ｋｗのものとしている。尚、ヒートポンプ装置１２０の室外側熱交換器１２４に着霜を伴う温度条件、即ち外気温度Ｔａが５℃以下では、ヒートポンプ定格能力Ｐは０．８掛けとした３．６ｋｗとする。
【００３４】
▲２▼の圧縮機回転数Ｎは、図２で説明した制御特性を用いて外気温度Ｔａに対応する値として決定する。
【００３５】
▲３▼の沸き上げ流量Ｖは、以下の数式３によって算出するようにしている。
【００３６】
【数３】
沸き上げ流量Ｖ＝（Ｌ−Ｌｚ）／Ｈａ
そして、ステップＳ１２０で沸き上げ流量Ｖ×深夜時間（８時間）は、必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）より大きいか否かを判定する。即ちこれは、深夜時間（８時間）のうちに必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）の沸き上げを完了して貯湯タンク１１０内を満タンにできるか否かを意味する。
【００３７】
ステップＳ１２０で肯定的判定をすると、ステップＳ１３０で深夜時間帯の終了時刻となる７時から所要沸き上げ時間Ｈａ分をさかのぼって沸き上げ開始時刻を設定し、その時刻になったら沸き上げを開始する。
【００３８】
しかしながら、ステップＳ１２０で否と判定すると、深夜時間帯内において必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）、即ち必要沸き上げ熱量Ｑが得られないことになり、ステップＳ１４０で沸き上げ温度Ｔｐの設定を所定量α分だけ下げ、再びステップＳ１１０に戻る。沸き上げ温度Ｔｐを下げるということは、即ち水熱交換器１２２（循環回路１４７）を流通する水道水の流量を増加させることであり、ここではポンプ１４８の回転数を増加させる。
【００３９】
沸き上げ温度Ｔｐを下げると、ステップＳ１１０中の演算において、必要沸き上げ熱量Ｑが小さくなり、所要沸き上げ時間Ｈａが短くなり、沸き上げ流量Ｖが増加する。そして、ステップＳ１４０、ステップＳ１１０の繰り返しによって、ステップＳ１２０において、沸き上げ温度Ｔｐは初期の９０℃よりも低くなるものの、必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）を８時間で満たす条件が設定され、ステップＳ１３０で沸き上げが開始される。
【００４０】
これにより、必要沸き上げ熱量Ｑを確保できない場合でも貯湯できうる熱量が同一であるならば、沸き上げ温度Ｔｐは初期値（９０℃）よりも低い温度にして湯を多量に溜めたほうが、高温の湯を少量溜めるよりもヒートポンプ装置１２０を高いエネルギー効率（成績係数）のポイントで作動できるので（図４）、消費電力を低減して電気料金を低減することができる。
【００４１】
また、外気温度Ｔａの低下に応じて圧縮機回転数Ｎを増加させることでヒートポンプ装置１２０の加熱能力をほぼ一定に保つことができる。
【００４２】
更に、本制御においては、１日毎に貯湯タンク１１０内を満タンにして沸き上げを行うので、順次内部の湯が更新されていき、衛生的に使用することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図５に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、ステップＳ１２１で、沸き上げ流量Ｖ×深夜時間（８時間）が必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）よりも少ないと判定した場合に、ステップＳ１５０で圧縮機回転数Ｎを所定量β分だけ増加するようにしている。
【００４４】
圧縮機回転数Ｎが増加すると冷媒流量が増加し、ヒートポンプ装置１２０の加熱能力が増加する。加熱能力が増加すると所要沸き上げ時間Ｈａが短くなり、時間あたりの沸き上げ流量Ｖは増加し、ステップＳ１５０、ステップＳ１１０の繰り返しによって、ステップＳ１２１において、必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）を８時間で満たす条件が設定され、ステップ１３０で沸き上げが開始される。尚、圧縮機回転数Ｎを増加させる際には、図２で説明したようにＮ２を上限としており、ステップＳ１２１でその判定を行う。
【００４５】
これにより、沸き上げ流量Ｖを増加させ、貯湯タンク１１０内を必要沸き上げ熱量Ｑで満たすことができるので、深夜時間帯以外でのヒートポンプ装置１２０の作動による沸きましを不要とすることができ、電気料金を低減することができる。また、電力の使用が深夜時間帯のみの契約であった場合は、貯湯熱量が不足して湯切れを起こすことが無い。
【００４６】
また、必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）に見合った電動圧縮機１２１の作動を行うので、不必要に騒音を悪化させたり、エネルギー効率を低下させることが無い。
【００４７】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、沸き上げ温度Ｔｐ（ポンプ１４８の回転数）の変更および圧縮機回転数Ｎの変更をそれぞれ個々に行うものとして説明したが、本発明の制御においては、両者を共に変更するものとしても良い。
【００４８】
また、外気温度Ｔａについては、低温から高温まで広い領域において判定対象としたが、必要沸き上げ量（Ｌ−Ｌｚ）の確保が困難となるのは通常、ヒートポンプ装置１２０の室外側熱交換器１２４において着霜が生じる温度領域（具体的には、５℃以下の領域）であるので、本発明の制御をこの着霜が生じる温度領域に適用して好適であり、効率的な沸き上げが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における貯湯式給湯装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】外気温度に対する圧縮機回転数を示す制御特性図である。
【図３】第１実施形態における沸き上げ制御を示すフローチャートである。
【図４】沸き上げ温度に対するエネルギー効率を示すグラフである。
【図５】第２実施形態における沸き上げ制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００貯湯式給湯装置
１１０貯湯タンク
１２０ヒートポンプ装置
１２４室外側熱交換器（吸熱部）
１３０制御装置

Claims

内部に給湯用の高温の湯を貯える貯湯タンク（１１０）と、前記貯湯タンク（１１０）内の水を加熱して前記湯とするヒートポンプ装置（１２０）と、
前記貯湯タンク（１１０）内の前記湯が１日の給湯に必要とされる必要沸き上げ熱量（Ｑ）を有するように、主に電力コストに応じて定まる所定時間帯に前記ヒートポンプ装置（１２０）を作動制御する制御装置（１３０）とを備える貯湯式給湯装置において、
前記制御装置（１３０）は、前記必要沸き上げ熱量（Ｑ）を所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）および所定の沸き上げ流量（Ｖ）で前記所定時間帯に貯湯する際に、前記貯湯タンク（１１０）内が前記湯によって満たされないと判定すると、前記所定の沸き上げ流量（Ｖ）が増大するように前記所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）または前記ヒートポンプ装置（１２０）の加熱能力の少なくとも一方を変更して、前記貯湯タンク（１１０）内を前記湯で満たすようにすることを特徴とする貯湯式給湯装置。
前記制御装置（１３０）は、外気温度（Ｔａ）が低いほど前記沸き上げ温度（Ｔｐ）を低い側に変更することを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
前記制御装置（１３０）は、外気温度（Ｔａ）が低いほど前記加熱能力を高い側に変更することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
前記制御装置（１２０）は、外気温度（Ｔａ）が前記ヒートポンプ装置（１２０）内の吸熱部（１２４）に着霜が生ずる温度領域において、前記所定の沸き上げ温度（Ｔｐ）を低い側に変更、あるいは前記加熱能力を高い側に変更することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。