JP2006138493A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒートポンプユニットに問題となる程の能力低下が生じた場合には、少なくともユーザに対しメインテナンス要請を行い、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する。
【解決手段】 ヒートポンプユニット２に供給する電力を測定する電力測定器51を設け、沸かし上げ開始時刻Tsから一定の期間、ヒートポンプユニット２に供給される電力を計測する。当該一定期間内のヒートポンプユニット２の稼動による沸かし増し熱量を、ヒートポンプユニットを循環した湯の量と、ヒートポンプユニットに供給した水の温度と、ヒートポンプユニットが出力する湯の温度とにより実測熱量として求める。供給電力に対する実測熱量の比に基づいて求めたヒートポンプユニットの実質能力値が、予め定めた第一の下限値を下回った場合には、表示装置53，55を稼動させ、ユーザに対し、ヒートポンプユニットの能力低下警告を発する。
【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ヒートポンプユニットを稼動させ、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、特にヒートポンプユニットの能力低下による電力料金の無駄を防止するための改良に関する。

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、電力料金の安い深夜電力時間帯（現在の所、23時から翌日7時まで）の間のいわゆる“深夜電力”を利用して蓄熱を行い、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電力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、深夜電力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、深夜電力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、ヒートポンプユニットの実質能力を計測、監視するような構成は認められなかった。そのため、この時間から沸かし上げを開始すれば深夜電力時間帯の終了時間（一般に翌朝7時)までには目標蓄熱量に相当する熱量までの沸かし上げが完了するとして沸かし上げ開始時刻を設定しても、実際には沸かし上げが完了せずに深夜電力時間帯終了後の時間帯にまで及んでしまい、電力料金が異常に高額となることや、前日の深夜電力の沸き上げでは蓄熱量不足となることもあった。

本発明はこの点に鑑み、ヒートポンプユニットに問題となる程の能力低下が生じた場合には、少なくともユーザに対しメインテナンス要請を行い、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おり、付帯的にはまた、実質能力の低下に伴い、蓄熱量不足となることを自動的に防ぐ構成の提供をも目的としている。

本発明は上記目的を達成するために、
深夜電力時間帯の終了時までには貯湯タンク内に貯め置く湯に目標蓄熱量の熱量を与え得るとして制御装置が算出した沸かし上げ開始時刻に至るとヒートポンプユニットを商用電力により稼動させ、当該ヒートポンプユニットにより貯湯タンク内の湯を加温させる貯湯式給湯装置であって；
沸かし上げ開始時刻から一定の期間、ヒートポンプユニットに供給される電力を計測すると共に；
当該一定期間内のヒートポンプユニットの稼動による沸かし増し熱量を、ヒートポンプユニットを循環した湯の量と、ヒートポンプユニットに供給した水の温度と、ヒートポンプユニットが出力する湯の温度とにより実測熱量として求め；
供給電力に対する実測熱量の比に基づいて求めたヒートポンプユニットの実質能力値が予め定めた第一の下限値を下回った場合には、表示装置を稼動させ、ユーザに対し、ヒートポンプユニットの能力低下警告を発すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置を提案する。

上記に加えて、本発明ではまた、特定の態様において、上記の実質能力値が第一の下限値よりも低い、予め定めた第二の下限値をも下回った場合には、表示装置により、警告よりも緊急性の高い警報としての異常警報を発しさせ、ヒートポンプユニットを停止する構成も提案する。

表示装置は可聴的なものでも視覚的なものでも、また、双方であっても良く、視覚表示の場合には、上記した実質能力値を定期間隔でグラフ表示しても良い。定期間隔とは、例えば日毎、週毎、月毎、年毎等であって良く、グラフ表示は例えば棒グラフや折れ線グラフ表示であって良い。

また、視覚表示する実質能力値は、上記した、供給電力に対する実測熱量の比そのものであっても良いし、これを任意の単位または次元に変換したものでも良い。ユーザが直感的に理解のできる形であれば形態を問わない。

さらに本発明では、より積極的に、求めた実質能力値に基づき、制御装置が翌日以降の沸かし上げ開始時刻を調整する（一般には能力低下に基づき早めの時刻にする）構成も提案する。

本発明によると、ヒートポンプユニットの能力低下の度合いによってユーザにメンテナンス要請をなすことができ、ヒートポンプユニットをして電力を無駄に消費させ続ける不具合を解消できる。メインテナンスを促す警告を発してもそのまま使い続けられ、ヒートポンプユニットの実質能力値が最早、看過し得ない程に低下した場合にも、本発明の特定の態様によれば、警告よりも強い警報を発した上でヒートポンプユニットを強制停止できるので、知らぬ間に高額な電力料金を払わなければならない羽目に使用者を陥らせる惧れが少ない。

さらに、本発明の特定の態様によれば、ヒートポンプユニットの実質能力値に基づき制御装置が沸かし上げ開始時刻を設定するので、当該実質能力値が低下しても、深夜電力時間帯の終了時に沸かし上げ不足となっていることを効果的に防ぐこともできる。

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。

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、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電力稼動型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、上述の熱交換器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、それぞれ循環回路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各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。例えば台所に設置されるリモートコントローラ（以下、台所リモコン）52とか、風呂場内に設置されるリモートコントローラ（同様に以下、風呂リモコン）54とかにそうした操作盤が設けられる。

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、このような貯湯式給湯装置に対して本発明を適用した一例に就き、以下に説明する。

まず、電力稼動型のヒートポンプユニット２に供給する電力を測定する電力測定器51が設けられている。図１(B) に示すように、既述の深夜電力時間帯（23:00〜翌朝7:00)tn内において、制御装置３が深夜電力時間帯終了時刻7:00までには少なくとも目標蓄熱量を得られるようにと決めた沸かし上げ開始時刻Tsからヒートポンプユニット２に商用電力A.C.を供給し始めたならば、この一定の時間、電力測定器51は当該ヒートポンプユニット２に供給される電力を計測する。この一定時間は設計的に任意であるが、余りに短いと後述の演算の制度に影響するので、ある程度以上に長めに取るが、例えば１時間程度であって良い。

そして、制御装置３内に設けた図示しない演算回路により、この一定期間内のヒートポンプユニット２の稼動による沸かし増し熱量を、ヒートポンプユニット２を循環した湯の量と、ヒートポンプユニット２に供給した水の温度と、ヒートポンプユニット２が出力する湯の温度とにより実測熱量として求める。これには循環経路20中に設けられた流量センサ56，供給水温センサ57，出湯温センサ58からの情報を利用し得る。もっとも、出湯温センサ58は、既述したように、通常設けられている、貯湯タンク１内最上部の水温を検出するサーミスタ31にて代用できるし、供給水温センサ57も、貯湯タンク１内最下部の水温を検出するサーミスタ36にて代用できる。

その上で、当該一定時間内にヒートポンプユニット２に供給した供給電力に対する実測熱量の比に基づき、ヒートポンプユニット２の実質能力値を求める。この値が工場出庫時のものと余り変わりない範囲であるならば、沸かし上げ開始時刻から、最も遅くても翌朝の7:00には終了する沸かし上げ時間ta内において、貯湯タンク１内の湯には目標蓄熱量が与えられる筈である。

ところが、経年変化により、上記で算出した実質能力値が低下してくると、当然、深夜電力時間帯終了時にまだ目標蓄熱量が得られていない状況に陥ることになり、高い電力料金を支払わねばならない場合が生じ得る。

そこで、本発明では、ヒートポンプユニットの上記の実質能力値が予め定めた第一の下限値を下回った場合には、表示装置を稼動させ、ユーザに対し、ヒートポンプユニットの能力低下警告を発するようにしている。警告が発せられれば、ユーザは無駄な高額電力消費が生ずる前に、メインテナンスを業者に依頼することができるようになる。

この表示装置は可聴的表示装置であっても視覚的表示装置であっても、また双方であっても良いが、例えば昨今のこの種の装置には台所リモコン52や風呂リモコン54に液晶等を利用した可視表示装置53，55が設けられていることが多いので、これを上述の警告の表示装置として流用することができる。

また、表示装置がそうした視覚的表示装置の場合には、実質能力値を定期的間隔でグラフ表示（例えば認知性の高い棒グラフや折れ線グラフ表示）しても良い。これにより使用者はヒートポンプユニットの能力低下の「傾向」を知ることができ、メインテナンスのための準備にも余裕をもって対処できるようになる。その表示形態も、日毎、週毎、月毎、年毎等、任意であって、使用者の操作により切り替えられるようにするとなお良い。

なお、視覚表示する実質能力値は、供給電力に対する実測熱量の比そのものであっても良いし、これを任意の単位または次元に変換したものでも良い。ユーザが直感的に理解のできる形であれば形態を問わない。

さらに、算出したヒートポンプユニット２の実質能力値が上記の第一の下限値よりも低い、予め定めた第二の下限値をも下回った場合には、表示装置53，55により、上記の警告よりも緊急性の高い警報としての異常警報を発しさせ、さらにはヒートポンプユニット２を停止させても良い。これらももちろん、使用者に多大な出費を防がせるための配慮である。

また、制御装置３が、算出したヒートポンプユニット２の実質能力値に基づき、翌日の沸かし上げ開始時刻tcを自動的に調整するように構成するのも望ましい。一般にヒートポンプユニット２の実質能力値は経時的に低下して行くのであるから、図１(B) に即して言えば、制御装置３はそうした実質能力値の低下と共に、沸かし上げ開始時刻Tsを矢印tcで示すように、時間的に早める方向に制御するものとなる。

本発明の一実施形態における貯湯式給湯装置の概略構成と深夜電力時間帯における沸かし上げ開始時刻、及びその調整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
31〜36 サーミスタ
41 吸入口
42 吐出口
43 第二循環回路
51 電力測定器
52 台所リモコン
53 表示装置
54 風呂リモコン
55 表示装置
56 流量センサ
57 給水センサ
58 出湯センサ
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 (5)

1. 深夜電力時間帯の終了時までには貯湯タンク内に貯め置く湯に目標蓄熱量の熱量を与え得るとして制御装置が算出した沸かし上げ開始時刻に至るとヒートポンプユニットを商用電力により稼動させ、該ヒートポンプユニットにより上記貯湯タンク内の湯を加温させる貯湯式給湯装置であって；
   上記ヒートポンプユニットに供給する電力を測定する電力測定器を設け；
   上記沸かし上げ開始時刻から一定の期間、該ヒートポンプユニットに供給される電力を計測すると共に；
   該一定期間内のヒートポンプユニットの稼動による沸かし増し熱量を、該ヒートポンプユニットを循環した湯の量と、該ヒートポンプユニットに供給した水の温度と、該ヒートポンプユニットが出力する湯の温度とにより実測熱量として求め；
   上記供給電力に対する該実測熱量の比に基づいて求めた上記ヒートポンプユニットの実質能力値が、予め定めた第一の下限値を下回った場合には、表示装置を稼動させ、ユーザに対し、上記ヒートポンプユニットの能力低下警告を発すること；
   を特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 請求項１記載の貯湯式給湯装置であって；
   上記実質能力値が上記第一の下限値よりも低い、予め定めた第二の下限値をも下回った場合には、上記表示装置により、上記警告よりも緊急性の高い警報としての異常警報を発しさせ、上記ヒートポンプユニットを停止させること；
   を特徴とする貯湯式給湯装置。
3. 請求項１記載の貯湯式給湯装置であって；
   上記表示装置は可聴的表示装置であるか視覚的表示装置、または可聴的及び視覚的表示装置であること；
   を特徴とする貯湯式給湯装置。
4. 請求項３記載の貯湯式給湯装置であって；
   上記表示装置が視覚的表示装置の場合に、該表示装置に対し、上記実質能力値を定期間隔でグラフ表示すること；
   を特徴とする貯湯式給湯装置。
5. 請求項１記載の貯湯式給湯装置であって；
   上記実質能力値に基づき、上記制御装置は翌日の上記沸かし上げ開始時刻を調整すること；
   を特徴とする貯湯式給湯装置。

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