JP2005257213A

JP2005257213A - 貯湯式給湯装置

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Publication number: JP2005257213A
Application number: JP2004071857A
Authority: JP
Inventors: Yoshibumi Uchise; 義文内▲勢▼
Original assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Current assignee: Hanshin Electric Co Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP3869426B2

Abstract

【課題】日々の急激な温度変化が生じた場合にも蓄熱量不足、蓄熱量過多による使い勝手の悪さ、電力料金の無駄を防止し得る機能を備えた貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプユニット２を可動させての深夜時間帯の蓄熱に際し、給湯で使用した過去数日間の熱量を平均化し、これに正または負の値であるαを加えて沸かし上げ後の一日において給湯に使用すると予測される給湯予測熱量を求め、また暖房に使用した過去数日間の熱量を平均化し、これにやはり正または負の値であるβを加えて沸かし上げ後の一日において暖房に使用されると予測される暖房予測熱量とを求めて、これらの和となる熱量を当該深夜に蓄熱する目標蓄熱量として算出し、これが得られるように貯湯タンク内の湯の沸かし上げを行う。上記したα，βの値は、過去数日間の平均外気温度と、予め記憶してある前日における一日の中の温度推移に基づき決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力によってヒートポンプユニット等の給水加熱装置を稼動させ、制御装置により指令された目標蓄熱量になるまで給水を加熱して貯湯タンク内に貯め置く貯湯式給湯装置に関し、特に日々の急激な温度変化にも対応して蓄熱量の過不足を解消ない低減する機能を有する貯湯式給湯装置に関する。

従来から、電力稼動のヒートポンプユニットで加熱した高温の湯を貯湯タンク内に貯える貯湯式給湯装置がある。特にこのタイプの給湯装置として、貯湯タンク内の最下部の水をヒートポンプユニットにより加熱し、高温の湯として貯湯タンク内の最上部に送ることで、温度の異なる水の比重差を利用し、貯湯タンク内の上部側に高温の湯を貯え、貯湯タンク内の下部側の水と混合しないようにしているものが知られている。また、貯湯タンク内の湯を出力する（例えば、蛇口等を開き貯湯タンク外で湯を消費する）場合には、貯湯タンクの最上部に接続した出湯配管から給湯し、貯湯タンクの最下部に接続した給水配管から貯湯タンク内に水を供給するようになっている。

こうした貯湯式給湯装置はまた、一般に暖房熱源としての機能も有することが普通で、例えば貯湯タンク内の高温の湯を貯湯タンク外に循環し、床暖房等の熱源として利用してから再び貯湯タンクに戻すようになっている。当然、こうした暖房を行う場合、暖房により蓄熱していた熱が使用され、すなわちタンク内の蓄熱量はその分低下する。

しかるに、ヒートポンプユニットには商用電力を供給するので、なるべく深夜電力を利用し、電力料金の安い深夜時間帯（現在の所、23時から翌日7時まで）で蓄熱を行い、料金の高い昼間の時間帯には極力蓄熱を行わないように、その日に使用する熱量を当該深夜時間帯で蓄熱しておくように工夫されているものが多い。そのためには当然、深夜時間帯の以降の翌日に使用される熱量を予測する必要があり、従来からも、蓄熱量は一定期間の日毎の給湯による使用熱量により平均化し、要すれば若干の増し分を加えて給湯に使用する熱量とし、これと暖房に使用した熱量（これも一定期間の日毎の給湯による使用熱量により平均化し、要すれば若干の増し分を加える）とを足し込んで目標蓄熱量とし、深夜時間帯にこの分の蓄熱を図るようにしていた。

さらに、他の観点からも、無駄な蓄熱をさせないように、あるいは蓄熱量が足りないことが無いように、従来からも過去のデータに基づく種々の工夫もなされては来た。例えば下記特許文献１では、タンク内に貯め置く湯量に鑑み、これに過不足が生じないようにとの観点から、過去一週間で最も熱量を要した時の熱量を目標蓄熱量とするようにもしていた。
特開2002-168524号公報

しかし、従来のいずれの装置構成を見ても、季節の変化で徐々に気温の変化があり、暖房の使用状況が徐々に変わるようなときには大きな問題は発生しないが、急激な気温変化が生じた場合、すなわち、暖房で消費する熱量が大きく変化するような場合には対応できるものがなく、前日の深夜電力の沸き上げでは蓄熱量不足となることや、逆に余剰になってしまうことがあった。

本発明はこの点に鑑みてなされたもので、日々の急激な温度変化が生じた場合にも蓄熱量不足、蓄熱量過多による使い勝手の悪さ、電力料金の無駄を防止し得る機能を備えた貯湯式給湯装置の提供を目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、
電力によって給水加熱装置を稼動させ、制御装置により指令された目標蓄熱量になるまで給水を沸かして貯湯タンク内に貯め置き、使用者による出湯や暖房に、この貯め置いた湯を利用させる貯湯式給湯装置であって；
給水加熱装置を可動させての深夜時間帯の蓄熱に際し、給湯で使用した過去数日間の熱量を平均化し、これに正または負の値であるαを加えて沸かし上げ後の一日において給湯に使用すると予測される給湯予測熱量を求め、また暖房に使用した過去数日間の熱量を平均化し、これにやはり正または負の値であるβを加えて沸かし上げ後の一日において暖房に使用されると予測される暖房予測熱量とを求め、これらの和となる熱量を当該深夜に蓄熱する目標蓄熱量として算出し、これが得られるように貯湯タンク内の湯の沸かし上げを行うと共に；
過去数日間の平均外気温度を求めておき、この温度に対し、上側に所定の差を置く温度を上限閾値温度、下側に所定の差を置く温度を下限閾値温度としてそれぞれ予め定めて置く一方、前日における一日の中の温度推移も予め記憶しておき、現在の外気温度が上限閾値温度を上に越えているか下限閾値温度を下に超えているかを判断し、いずれかを越えていた場合には前日の温度推移を参照して沸かし上げ後の一日の温度変化を推定し、これに基づき上記したα，βの値を決定すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置を提案する。

さらにまた、別な本発明一形態として、上記の基本構成を満たした上で、過去の日の暖房使用時間帯の情報とその時の外気温、特に望ましくは先週の同じ曜日の暖房使用時間帯の情報とその時の外気温から、上記のα、βを調整するのも良い配慮である。

本発明によると、平均外気温に対し予め定めた差以上の大きな外気温変化が前日に認められた時のように、通常の季節変化を越える気温変化が生じても、沸かし上げ後の一日に必要な熱量を良く確保でき、無駄な電力消費や蓄熱量不足を解消ないし軽減することができ、使用感は大いに向上する。さらに、本発明の特定の形態に従い、過去の日の暖房使用時間帯の情報とその時の外気温から上記のα、βを調整するようにすると、より目的に合致した精緻な制御が行える。

以下、本発明の望ましい実施形態に関し説明するが、まず図１(A) には本発明の適用可能な貯湯式給湯装置の概略構成が示されているので、これに就き説明を始めると、貯湯タンク１は通常、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）で、外周部に図示しない断熱材が配置されており、高温の給湯用水を長時間に亘って保温可能となっている。貯湯タンク１は一般に縦長形状であり、その底面には導入口11が設けられ、この導入口11には貯湯タンク１内の最下部に給水（一般に水道水）Wfを導入するための給水配管12が接続されている。

給水配管12には給水温度検出手段である給水サーミスタ21が設けられており、給水配管12内の温度情報を制御装置３に出力するようになっている。そして、給水配管12の途中で給水サーミスタ21が設けられた位置より下流側には給水配管12を分岐して後述する混合弁16に接続するバイパス配管15が接続している。

貯湯タンク１の最上部には導出口13が設けられ、この導出口13には貯湯タンク１内の湯を導出するための給湯経路である導出管14が接続されている。そして、この経路途中に設けられている混合弁16は、開口面積比を調節することにより、導出管14からの湯とバイパス配管15から供給される水道水Wfとの混合比を調節できるようになっている。一般にこの混合弁16はサーボモータ等の駆動源（図示せず）により弁体を駆動して各経路の開度を調節する電動弁であり、制御装置３からの制御信号により作動すると共に、作動状態を制御装置３に帰還するようにもなっている。

混合弁16の出口側には蛇口、シャワー、風呂等の出湯口73への混合湯経路である出湯配管17が接続し、この配管17には出湯温度検出手段である出湯サーミスタ71と出湯量検出手段である流量カウンタ72が設けられており、出湯サーミスタ71は配管17内の温度情報を、流量カウンタ72は配管17内の流量情報を制御装置３に出力するようになっている。

貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の最下部の水を吸入するための吸入口18が設けられ、貯湯タンク１の上部側には貯湯タンク１内の最上部に向けて湯を吐出するための吐出口19が設けられている。吸入口18と吐出口19とは循環回路20（本実施形態における便宜上、これを第一循環回路20とも呼称する）で接続されており、この循環回路20の一部は制御装置３により制御される給水加熱装置２、一般にヒートポンプユニット２内に配置されている。

循環回路20のヒートポンプユニット２内に配置された部分には、図示しない熱交換器が設けられており、吸入口18から吸入した貯湯タンク１内の水を望ましくは高温の二酸化炭素冷媒との熱交換により加熱し、吐出口19から貯湯タンク１内に戻すことにより、貯湯タンク１内の水を沸き上げるようになっている。ヒートポンプユニット２の冷媒に二酸化炭素を採用すると、超臨界域を用いることで図示しない圧縮機からの冷媒吐出温度を高くすることができるので、フロン冷媒等を採用した場合よりも高温の湯を効率良く沸き上げることができる。なお、ヒートポンプユニット２により加熱された湯は、バイパス三方弁23を介し、必要に応じては吸入口18側にも湯を戻せるようになっている。

貯湯タンク１の外壁面には複数の（本実施形態では六つの）水位サーミスタ31〜36が縦方向（貯湯タンク１の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１内に満たされた水の各水位レベルでの温度情報を制御装置３に出力するようになっている。従って制御装置３は、各水位サーミスタからの温度情報に基づき、貯湯タンク１内上方の沸き上げられた湯と貯湯タンク１内下方の沸き上げられる前の水との境界位置を検出できる。

なお、貯湯タンク１の最上部外壁面に設けられている水位サーミスタ31は、導出口13や後述する吸入口41から外部に向けて吸入される湯の温度である貯湯タンク１内最上部の水温を検出するタンク出力湯温サーミスタの機能も有している。

貯湯タンク１の上部にまた別な吸入口41があるのに加え、貯湯タンク１の下部にも貯湯タンク１内に湯を吐出するまた別な吐出口42が設けられていて、これら吸入口41と吐出口42とは循環回路43（便宜上、この実施形態では第二循環回路43と呼称することもある）で接続されており、この循環回路43の一部は熱交換手段である熱交換器81内に配置されている。熱交換器81は例えば対向流型の熱交換器であり、循環回路43を流れる高温の湯と後述する第三の循環回路となる循環回路82を流れる被加熱流体である熱媒体（例えば水）とを熱交換できるようになっている。

循環回路43の熱交換器81が設けられた部位より下流側には、当該循環回路43内に湯を循環するためのウォータポンプ47と、循環湯温検出手段であるサーミスタ48が設けられていて、このサーミスタ48は、循環回路43内の熱交換器81による熱交換後の湯の温度情報を制御装置３に出力するようになっている。

上述した第三の循環回路82中には外部熱放出機器として例えば床暖房熱交換器ユニット83が設けられており、熱交換器81で加熱された被加熱流体で床暖房が行なえるようになっている。この第三の循環回路82中にも、当該循環回路82中に熱媒体を循環させるウォータポンプ84が設けられ、また、循環回路82の熱交換器81の入口近傍および出口近傍にはサーミスタ85，86が配設され、循環回路82内において熱交換器81に流入する熱媒体および熱交換器81から流出する熱媒体の温度情報を制御装置３に出力するようになっている。

制御装置３は、これまで述べてきた各サーミスタや流量カウンタ72からの出湯流量情報に加え、ヒートポンプユニット２等に備えられている外気温検出手段である外気温サーミスタ22からの情報を受け、また、図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの信号等に基づいて、ヒートポンプユニット２、混合弁16、ウォータポンプ47，84等を制御するように構成されている。なお、図示しない操作盤は、一般には浴室内や台所等、使用者が湯を使用する場所の近傍に設置され、操作盤以外は屋外等の適所に設置されるのが普通である。

さて、給湯装置の図示しない電源スイッチがオンにされている場合には、制御装置３は貯湯タンク１に設けられた各サーミスタからの温度情報等や、図示しない操作盤により設定された時刻情報等に基づいて、適宜にヒートポンプユニット２を作動させ、貯湯タンク１内の水を加熱して高温の湯（例えば90℃の湯）まで沸き上げる。ヒートポンプユニット２等、適当な箇所には、上述のように外気の温度を検出する外気温サーミスタ22も設けられており、気温低下による第一循環回路20の凍結を防止すべく、上述のバイパス三方弁23を吸入口18側に切り換えることで、ヒートポンプ２内のポンプ（図示せず）を駆動し、凍結防止運転を行うこともできる。

図示しない操作盤の床暖房スイッチがオンとされた場合（床暖房予約タイマによってスイッチがオンとされた場合を含む）には、制御装置３はウォータポンプ47，84を作動し、貯湯タンク１内の最上部より吸入口41から第二循環回路43内に高温の湯を吸入するとともに、第三循環回路82内に熱媒体を循環させる。

これにより、熱交換器81において第二循環回路43を流れる高温の湯と熱交換された第三循環回路82内の熱媒体により、床暖房熱交換器ユニット83を介して床暖房を行なうことができる。このとき制御装置３は、水位サーミスタ31、サーミスタ48，85，86等の温度情報に基づき、熱交換器81および床暖房熱交換器ユニット83における熱交換が良好に行なわれるように、ウォータポンプ47，84の作動を制御する。

また、流量カウンタ72が出湯配管17内の水（湯）の流れを検出したときには、出湯口73を介して使用者が湯が使用したと言うことである。そこでこのとき、制御装置３はそのときの設定温度に応じ、給水サーミスタ21、水位サーミスタ31および出湯サーミスタ71からの温度情報に基づき、混合弁16の開口面積比制御を行なって、設定温度になるべく近い温度の湯が出湯されるように図る。すなわち、設定温度が水位サーミスタ31の検出温度以下である場合には、制御装置３は、まず混合弁16をバイパス配管15と配管17とを連通状態とすると共に配管14方向を遮断状態とし、次に給水サーミスタ21の検出温度と水位サーミスタ31の検出温度とから混合弁16の開口面積比を概略調節し、その後出湯サーミスタ71からの温度情報に基づいて給湯温度が設定温度となるように混合弁16の開口面積比を微細に制御する。

貯湯式給湯装置の基本的な制御形態はこうしたものであるが、これに加え、本発明に従い、蓄熱当日の急激な気温変化にも良く対応し、蓄熱不足ないしは過剰蓄熱（無駄な電力消費）をできるだけ防ぐための制御に関して説明する。

まず、給湯を使用する際には、流量カウンタ72による流量と、給水サーミスタ21及び出湯サーミスタ71により得られる温度情報を基に、給湯に使用される熱量を逐次算出し、積算することで、一日に使用された熱量として記憶しておく。つまり、過去データとして、こうした情報を記憶しておく。

また、上述の床暖房その他、暖房が使用される際には、ポンプ47による水量（設計段階の測定量）、水位サーミスタ31の検出温度、及びタンクに戻ってくる湯温を検出するサーミスタ48の検出温度により、暖房に使用した熱量を逐次算出し、積算することで、やはり過去データとして、一日の暖房使用熱量を記憶しておく。

そして、深夜時間帯の蓄熱に際しては、給湯で使用した過去数日間の熱量を平均化し、これに後述する判断基準で決められる正または負の値であるαを加えて沸かし上げ後の一日（実質的に当日）において給湯に使用すると予測される給湯予測熱量を求め、また、暖房に使用した過去数日間の熱量を平均化し、これにやはり、後述する判断基準で決められる正または負の値であるβを加えて沸かし上げ後の一日において暖房に使用されると予測される暖房予測熱量とを求め、これらの和となる熱量を当該深夜に蓄熱する目標蓄熱量として算出し、これが得られるようにして、貯湯タンク１の沸き上げを行う。

ここで、α，βの値の算出に関しては、図１(B) に即して次のように説明できる。すなわち、過去数日間（例えば一週間）の平均外気温度Tavを求めておき、この温度に対し、上側に所定の差を置く温度を上限閾値温度TH-U、下側に所定の差を置く温度を下限閾値温度TH-Lとしてそれぞれ予め定めて置く。一方で、前日における一日の中の温度推移Tystも予め記憶しておく。

その上で、現在の外気温度が上記の上限閾値温度TH-Uを上に越えているか下限閾値温度TH-Lを下に超えているかを判断し、いずれかを越えていた場合には、前日の温度推移Tsytを参照し、沸かし上げ後の一日の温度変化Ttdyが図１(B)中に仮想線で示すようになるものと推定し、この推定に基づき、α，βの値を決定する。

さらに望ましくは、過去の日の暖房使用時間帯Trの情報とその時の外気温、特に良いのは先週の同じ曜日の暖房使用時間帯Trの情報とその時の外気温から、さらにα、βを調整すると良い。ここで、着目するのを例えば前日の暖房使用時間帯ではなくて上述のように先週の同じ曜日のそれとするというのは、より実践的な配慮である。実際の家庭生活における生活パターンは、前日に近いというより、曜日ごとに似ている場合が多いからである。

本発明に係る貯湯式給湯装置の概略構成と本発明に従う制御にて参照する一日の中の温度変化に関する説明図である。

符号の説明

１貯湯タンク
２ヒートポンプユニット
３制御装置
11 導入口
12 給水配管
13 導出口
14 導出管
15 バイパス配管
16 混合弁
17 出湯配管
18 吸入口
19 吐出口
20 第一循環回路
22 外気温サーミスタ
41 吸入口
42 吐出口
43 第二循環回路
81 熱交換器
82 第三循環回路
83 床暖房熱交換器ユニット（外部熱放出機器）

Claims

電力によって給水加熱装置を稼動させ、制御装置により指令された目標蓄熱量になるまで給水を沸かして貯湯タンク内に貯め置き、使用者による出湯や暖房に、該貯め置いた湯を利用させる貯湯式給湯装置であって；
上記給水加熱装置を可動させての深夜時間帯の蓄熱に際し、給湯で使用した過去数日間の熱量を平均化し、これに正または負の値であるαを加えて沸かし上げ後の一日において給湯に使用すると予測される給湯予測熱量を求め、また暖房に使用した過去数日間の熱量を平均化し、これにやはり正または負の値であるβを加えて沸かし上げ後の一日において暖房に使用されると予測される暖房予測熱量とを求め、これらの和となる熱量を当該深夜に蓄熱する目標蓄熱量として算出し、これが得られるように上記貯湯タンク内の湯の沸かし上げを行うと共に；
過去数日間の平均外気温度を求めておき、この温度に対し、上側に所定の差を置く温度を上限閾値温度、下側に所定の差を置く温度を下限閾値温度としてそれぞれ予め定めて置く一方、前日における一日の中の温度推移も予め記憶しておき、現在の外気温度が該上限閾値温度を上に越えているか該下限閾値温度を下に超えているかを判断し、いずれかを越えていた場合には該前日の温度推移を参照して沸かし上げ後の一日の温度変化を推定し、これに基づき上記α，βの値を決定すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
請求項１記載の貯湯式給湯装置であって；
過去の日の暖房使用時間帯の情報とその時の外気温から上記α、βを調整すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
請求項２記載の貯湯式給湯装置であって；
上記過去の日は、先週の同じ曜日であること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。