JP2010175222A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、大容量の給湯ができるとともに、密閉型タンクでの放熱量を抑制して、省エネルギ性に優れた給湯装置を提供する。
【解決手段】複数の熱源機２に供給された冷水を加熱して所定温度の湯を生成し、熱源機で生成された湯を密閉型タンク３に貯溜し、密閉型タンクから供給される湯を開放型タンク５に貯溜し、流量調整弁１３ａで密閉型タンクから開放型タンクに導かれる湯の供給量を制御し、密閉型タンクの内部に深さ方向に沿い所定間隔を存して複数の温度センサＴ１〜Ｔ５を配置し、システムコントローラ１６は、熱源機の起動時および運転台数が変動するとき、密閉型タンク内部の湯と冷水との境界層をタンクの深さ方向の中央付近に位置させ、通常運転時に境界層が密閉型タンクの上部に位置するよう流量調整弁の開度を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数のヒートポンプユニットを備え、比較的大規模な給湯能力を有する給湯装置に関する。

比較的大規模な貯湯機能と浴槽加温保温機能を有する業務用の給湯装置は、シャワー給湯の給湯機（ボイラ）と、浴槽に対する加温・保温のための熱源機（ボイラ）とが別途に設置されているのがほとんど大部分である。しかしながら、このような異なる給湯装置を設定すると、設置コストが高くなり、設置スペースが広くなるという問題があった。

そこで、病院、老人福祉施設あるいはホテルなどの比較的多量の湯を供給する給湯装置として、たとえば［特許文献１］に開示されるような、ヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯装置（給湯システム）が知られている。

この給湯装置は、複数のヒートポンプユニットと、密閉型タンクと、開放型タンクを備え、主に深夜電力時間帯に必要湯量に応じてヒートポンプユニットの運転台数を必要に応じて切換えて貯湯運転をなす。そして、給湯栓に接続する給湯用循環路を形成し、この循環路に滞留する湯を所定温度以上に保持し、常に所望温度の湯が得られる。

特開２００７−２０５６９８号公報

ところで、上記の給湯装置においては、密閉型タンクの内部に深さ方向に沿って所定間隔を存し複数の温度センサを備えている。これら温度センサからの検出信号を受けた制御手段（システムコントローラ）は、密閉型タンクと開放型タンクを連通する給湯管路に設けられる流量調整弁の開度を制御する。

流量調整弁を絞ることにより、密閉型タンクから開放型タンクへの給湯量が減り、密閉型タンクの湯の貯溜量が増え、冷水の貯溜量が減る。流量調整弁を開放すれば、逆に現象となる。いずれにしても、密閉型タンク内の湯と冷水との境界層が、常に、密閉型タンクの深さ方向の中央部に位置するように設定されている。
すなわち、常時、密閉型タンク内の約半分に高温の湯が蓄えられ、ヒートポンプユニットで作られた高温の湯が安定した湯温出開放型タンクに供給できるようにしている。

しかしながら、密閉型タンクから開放型タンクへの湯の供給が停止しているときにおいては、密閉型タンクの上半分の部分から高温の湯が放熱することとなり、放熱量が大きくなって、無駄なエネルギを費やす結果を招いている。

本願発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、大容量の給湯に対応できるとともに、密閉型タンクでの放熱量を抑制して、省エネルギ性に優れた給湯装置を提供しようとするものである。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の給湯装置は、複数のヒートポンプユニットにおいて供給された冷水を加熱して所定温度の湯を生成し、密閉型タンクにヒートポンプユニットで生成された湯を貯溜し、この密閉型タンクと給湯管路を介して接続される開放型タンクに密閉型タンクから供給される湯を貯溜し、給湯管路に設けられる流量調整弁で密閉型タンクから開放型タンクに導かれる湯の供給量を制御し、密閉型タンクの内部に深さ方向に沿い所定間隔を存して複数の温度センサを配置し、この温度センサの検出信号を受ける制御手段は、ヒートポンプユニットの起動時またはヒートポンプユニットの運転台数が変動するとき、密閉型タンク内部の湯と冷水との境界層を密閉型タンクの深さ方向の中央付近に位置させ、通常運転時には境界層が密閉型タンクの上部に位置するよう、流量調整弁の開度を制御する。

本発明によれば、開放型タンクへ適正な温度の湯を供給する本来の目的を維持したままで、密閉型タンクからの放熱量を抑制して、省エネルギ性に優れた給湯装置を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る、給湯装置の概略構成図。 同実施の形態に係る、給湯装置を構成する熱源機の概略構成図。 同実施の形態に係る、給湯装置を構成する密閉型タンクの概略構成図。 同実施の形態に係る、給湯装置の動作状態を説明する図。 同実施の形態に係る、熱源機の通常運転時の概念図と、除霜運転時の概念図。 同実施の形態に係る、給湯装置を構成する密閉型タンクの概略構成図。

図１は本発明の一実施の形態に係る給湯装置１の概略の構成図であり、図２は給湯装置１に用いられヒートポンプ式給湯装置を組み込んだ熱源機（ヒートポンプユニット）２の概略の構成図である。

給湯装置１は、それぞれが所定温度の高温水である湯を生成する複数台の熱源機２と、これら熱源機２と並列に給湯管路１３を介して接続され、熱源機２から給湯管路１３に供給される湯を貯溜する密閉型タンク３を備えている。

さらに給湯装置１は、前記密閉型タンク３と給湯管路４を介して接続し、密閉型タンク３から供給される湯を蓄積して貯溜する開放型タンク５と、この開放型タンク５に一端が接続され、給湯ポンプ６により開放型タンク５に貯溜された湯を供給する給湯管路７を備えている。

さらに給湯装置１は、前記給湯管路７に接続される複数の給湯栓８と、これら給湯栓８と循環ポンプ９とを連通する給湯用循環路１０と、この給湯用循環路１０に滞留する湯を所定の温度以上に保持するためのヒートポンプ式給湯装置である再加熱装置１１を備えている。

前記熱源機２に組み込まれるヒートポンプ式給湯装置は、３相２００Ｖで運転されるようになっていて、圧縮機２ａと、水熱交換器２ｂと、減圧機構２ｃと、熱源側熱交換器２ｄを備え、これら構成部品は冷媒管を介して連通される。

前記水熱交換器２ｂは、入口側が密閉型タンク３に接続される給水管路１２と、三方弁２ｅおよびポンプ２ｆを介して接続され、出口側が密閉型タンク３に接続される給湯管路１３と、三方弁２ｇを介して接続される。

前記三方弁２ｅ，２ｇは、それぞれ通常の切換え姿勢として、上述の連通状態を保持するように設定され、条件に応じて切換えられる。また、密閉型タンク３は、給湯装置１への冷水供給を行うため、水源として受水槽１５から延出される給水導入路１４と接続している。

図３は、前記密閉型タンク３の概略構成図である。
密閉型タンク３には、４個の配管接続口が設けられる。
すなわち、図１に示す受水槽１５から減圧弁１４ａを備えた給水導入路１４と連通し冷水を供給するための冷水供給口３ａと、密閉型タンク３から給水管路１２を介して連通し各熱源機２へ冷水を供給するための冷水供給口３ｂが設けられる。

さらに、各熱源機２と給湯管路１３を介して連通し、各熱源機２で生成された湯を密閉型タンク３へ湯を供給するための給湯口３ｃと、密閉型タンク３から開放型タンク５へ給湯管路４を介して連通し、湯を開放型タンク５へ供給するための給湯口３ｄである。

また、密閉型タンク３内部には複数個、たとえば５個の温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５が、密閉型タンク３の深さ方向に沿い所定間隔を存して設けられる。ここでは温度センサＴ１が最も浅い位置（最上部）にあり、温度センサＴ５が最も深い位置（最下部）にあり、温度センサＴ３は密閉型タンク３の深さ方向の略中央に位置する。

これら温度センサＴ１〜Ｔ５の検知信号は、図１に示すシステムコントローラ（制御手段）１６へ送られ、システムコントローラ１６ではこれら温度センサＴ１〜Ｔ５の検知温度情報にもとづいて密閉型タンク３内の湯温度と貯湯量を算出する。

そして、システムコントローラ１６は密閉型タンク３内の貯湯量に応じて流量調整弁１３ａをコントロールし、開放型タンク５への温水供給量を調整するようになっている。具体的な密閉型タンク３の貯湯量の制御については後述する。

また、給湯ポンプ６の作動により開放型タンク５の湯を供給する給湯管路７に接続された多数の給湯栓８は、ホテルや、病院などの給湯装置設置場所における１フロア単位で配設される温水蛇口や、浴槽の給湯栓である。そして、これらの給湯栓８は、環状に配管された給湯用循環路１０に取付けられている。

開放型タンク５から給湯用循環路１０に高温の湯が供給されるが、給湯栓８が長時間使用されない状態では、湯が給湯用循環路１０に滞留した状態のままとなる。そのため、時間の経過とともに湯の温度が低下し、いざ、使用するときには、開放型タンク５から高温の湯が供給されるまで、温度の高い湯が出ないという不具合が生じる。

しかしながら、この給湯用循環路１０には、循環ポンプ９と、ヒートポンプ式給湯装置を用いた再加熱装置１１を備えている。そして、図示しないが、再加熱装置１１の湯の入口付近の温度センサが給湯用循環路１０内の湯温度を検知して、その検知信号を前記システムコントローラ１６へ送る。

システムコントローラ１６は、温度センサの検知温度が所定温度よりも低下しているとの判断をなすと、再加熱装置１１により湯を再加熱するよう制御する。このため、給湯用循環路１０内は、常に必要とする湯温度を維持した状態となし、給湯栓８から瞬時に高温の湯を供給することができる。

上記システムコントローラ１６は、熱源機２、タンクユニット１７、開放型タンク５などの制御機器と通信線で接続される。密閉型タンク３の近傍に設けられていて、操作スイッチを備え給湯システム全体をコントロールする。密閉型タンク３とシステムコントローラ１６は筐体内に収納され、タンクユニット１７を構成する。

再加熱装置１１に組み込まれるヒートポンプ式給湯装置は、熱源機２の給湯装置と同様に通常のものであり、制御手段を有し、いずれも図示しない圧縮機、水熱交換器、減圧機構、熱源側熱交換器を備え、順次冷媒管を介して連通される。

このように構成された給湯装置１は、次に述べるように動作する。なお、ここでは出湯温度が６５℃の場合を例にとり説明する。
図４に示すように、システムコントローラ１６により、各熱源機２に運転指令を発する。このとき、流量調整弁１３ａは閉成状態にある。受水槽１５から給水導入路１４を介して密閉型タンク３に冷水が供給され、さらに密閉型タンク３から給水管路１２に冷水が導かれる。

ここで、図５に示す通常運転状態にある場合は、給水管路１２から三方弁２ｅとポンプ２ｆを介して各熱源機２の水熱交換器２ｂに給水される。各熱源機２ではヒートポンプ運転が行われていて、水熱交換器２ｂに導かれた冷水は、水熱交換器２ｂに導かれた冷媒の凝縮熱を吸収し、加熱されて高温の湯となる。

水熱交換器２ｂから導出される高温の湯は、三方弁２ｇから給湯管路１３に導かれ、密閉型タンク３へ供給される。それぞれの熱源機２で加熱された湯は、全て密閉型タンク３へ導かれて貯溜される。

密閉型タンク３においては、この下端面から冷水が導入され、かつ下端面から供出される。その一方で、この上端面から所定温度に加熱された高温の湯が供給される。密閉型タンク３内には冷水と高温の湯が充満し、互いに、および密閉型タンク３内壁に圧力（水圧）をかける。冷水と高温の湯は密閉型タンク３内で循環せず、したがって混合しない。

密閉型タンク３内部の深さ方向の１箇所で冷水と高温の湯とが接する、境界層が存在する。受水槽１５から給水導入路１４を介して常に一定の水圧がかかっている一方で、密閉型タンク３と開放型タンク５とは給湯管路４で連通され、かつ給湯管路４には流量調整弁１３ａが設けられている。

したがって、前記流量調整弁１３ａを開放することで、密閉型タンク３に貯溜する高温の湯を開放型タンク５へ供給できる。そして、このときの流量調整弁１３ａの開放量を調整することで、密閉型タンク３内の冷水と高温の湯との境界層位置が上下方向に移動するようになっている。

前記開放型タンク５に密閉型タンク３から供給された湯が充満した状態で、システムコントローラ１６は密閉型タンク３に設けられる温度センサＴ１〜Ｔ５から送られる温度検知信号を記憶し、演算する。

密閉型タンク３の深さ方向の中央部に設けられる温度センサＴ３の検知温度が、Ｔ３≧６５℃にて、流量調整弁１３ａを一定開度に開く。この温度センサＴ３より一段下部（深い）位置に設けられる温度センサＴ４の検知温度が、Ｔ４≧６５℃にて流量調整弁１３ａを閉じる方向に移動させる。

温度センサＴ３より一段上部（浅い）位置に設けられる温度センサＴ２の検知温度が、Ｔ２＜６５℃にて流量調整弁１３ａを閉じる方向に移動させる。最下部（最深部）位置に設けられる温度センサＴ５の検知温度が、Ｔ５≧６５℃にて流量調整弁１３ａを全開し、最上部（最浅部）位置に設けられる温度センサＴ１の検知温度が、Ｔ１≦６５℃にて流量調整弁１３ａを全閉する。

このような動作により、基本的には、温度センサＴ２〜Ｔ４の位置に常時６５℃の湯があるように流量調整弁１３ａの開度が調整される。各熱源機２で沸き上げた高温の湯を全て開放型タンク５に供給でき、密閉型タンク３に供給された湯と同量の湯を開放型タンク５に供給することができる。

開放型タンク５に供給された湯は、給湯栓８を開放しての給湯要求により、給湯ポンプ６と、給湯用循環路１０を介して給湯栓８から供給される。
そして、給湯が終了し次の給湯要求があるまで、給湯用循環路１０に湯が滞留し、滞留した湯が所定温度よりも低くなったことを図示しない温度センサが検知して、その検知信号をシステムコントローラ１６へ送る。

システムコントローラ１６は、再加熱装置１１を作動させて給湯用循環路１０に滞留している湯を加熱し、所定温度以上に保つ。したがって、一旦、給湯が終了し、次に給湯栓８が開放されるまでに長い時間が存在しても、常に所定温度以上の高温の湯が供給されることとなる。

上記のように、熱源機２で沸き上げられた湯は、密閉型タンク３に供給されて、この密閉型タンク３内に高温の湯が貯溜される。密閉型タンク３内に所定温度以上の湯が蓄えられたところで、開放型タンク５に供給され、この開放型タンク５に湯を貯溜する。

したがって、熱源機２は大容量のものでなくても、給湯装置１の容量に応じて複数台を並列接続することでシステム対応が可能になる。このため、標準化された熱源機２を使用して、集合住宅などに対応する比較的小規模のシステムから、ホテル、病院、工場など向けの大規模の給湯装置まで、巾の広い容量のシステムを構成することが可能となる。

開放型タンク５を備えたため、ビルの屋上などへの設置が容易で、安全性も高く、各階への給湯も容易に行うことができる。熱源機２がヒートポンプ式給湯装置を構成しているので、省エネ性に優れている。給湯装置１として、据付けが容易で、大容量の給湯ができ、省エネルギ性に優れる。

複数台の熱源機２を備えて湯を沸き上げ、安定した状態で開放型タンク５に供給する必要がある。そのため、上述したように、複数の温度センサＴ１〜Ｔ５の検知温度情報にもとづき流量調整弁１３ａの開度を調整することで、密閉型タンク３内の冷水と湯の境界層位置を適宜移動させる。

なお説明すると、給湯装置１の運転開始時、すなわちヒートポンプユニットである熱源機２の起動時および、熱源機２の運転台数が変動した時、システムコントローラ１６は密閉型タンク３内の境界層の位置を、タンクの深さ方向の略中央付近（温度センサＴ３の略取付け位置）に置くよう、流量調整弁１３ａの開度を制御する。

また、給湯装置１としての運転が安定した状態となったら、システムコントローラ１６は密閉型タンク３内の境界層の位置を最上部（温度センサＴ１の略取付け位置）に移動させるよう、流量調整弁１３ａの開度を制御する。

すなわち、給湯装置１の起動時や熱源機２の運転台数が変動したときは、開放型タンク５に導かれる高温の湯の量が大幅に変動するために、流量調整弁１３ａの動きは大きく変動してしまう。

このようなときにおいても、冷水が開放型タンク５に行かないように、密閉型タンク３の深さ方向の略中央付近になるよう流量調整弁１３ａの開度を制御する。したがって、起動時や運転台数の変動時においても、安定して密閉型タンク３から開放型タンク５へ湯を供給できる。

給湯装置１として安定した状態で給湯を継続しているときには、密閉型タンク３内の深さ方向の上部に境界層を移動させるようにしたので、密閉型タンク３内のほとんどが低温部となり、密閉型タンク３からの放熱ロスを低減できる。

特に外気温が低下する、たとえば厳冬季においては、ヒートポンプユニットで構成される熱源機２で、冷媒の蒸発作用をなす熱源側熱交換器２ｄに霜が付着し、そのまま放置すると熱交換効率が低下して所定温度の湯が得られなくなる。そこで、熱源側熱交換器２ｄに付着した霜を融解するために、熱源機２において除霜運転を行う必要がある。

除霜運転は、必ずしも熱源側熱交換器２ｄに霜が付着したことを確認してから行うことに限定されるものではなく、システムコントローラ１６に対し予め熱源側熱交換器２ｄに霜が付着し易い条件を定めておいて、その情報が得られたら直ちに除霜運転に入るようにしてもよい。

たとえば、外気温度が所定温度以下であり、この状態で熱源機２の運転を所定時間以上継続したことの情報を事前に確認し、一定の条件が揃った時点で除霜運転を開始する。このとき、密閉型タンク３内の境界層の位置を除霜する熱源機２の台数に応じて下方に移動させる制御をなす。

すなわち、上述したようにシステムコントローラ１６は、給湯運転の安定期に密閉型タンク３の深さ方向の上部に境界層位置を移動させる制御をなす。そのままの状態で各熱源機２に対する除霜運転を一斉に行うと、密閉型タンク３から供給される湯の量が不足し、冷水が供給されてしまう虞れがある。

そこで、上述したように除霜に入る熱源機２の台数が少ない場合は境界層位置をさほど変えなくてもよいが、台数が多くなるにしたがって境界層位置をより深い位置となるよう制御する。

このことにより、たとえ多くの熱源機２が一斉に除霜運転を開始したとしても、密閉型タンク３から全ての熱源機２に湯が確実に供給されて、除霜運転を完了する。熱源機２からの放熱ロスを最小限に押えたうえで、高温の湯を用いた効率のよい除霜が可能となる。

図６に、実際の除霜運転時における湯の流れを示している。三方弁２ｅ、２ｇを切換え、かつ熱源機２を逆サイクルとする。熱源側熱交換器２ｄを凝縮器とし、水熱交換器２ｂを蒸発器として作用させる構成とする。

この状態でポンプ２ｆを駆動することにより、密閉型タンク３に貯溜されている高温の湯が給湯管路１３から三方弁２ｇを介して水熱交換器２ｂに導かれ、水熱交換器２ｂに導かれる冷媒を加熱する。温度上昇した冷媒が図２に示す減圧装置２ｃを介して熱源側熱交換器２ｄに導かれ、ここでは凝縮熱を発熱して付着した霜を融解させる。

水熱交換器２ｂに導かれて低温の冷媒と熱交換した湯は温度低下して低温水に変り、三方弁２ｅと給水管路１２を介して密閉型タンク３に戻る。このように、基本的に密閉型タンク３上部の湯を用いて効率のよい除霜運転を行う。除霜運転は比較的短時間で終了するため、密閉型タンク３の湯を用いても給湯装置１として支障をきたすことはない。

除霜運転が完了したらシステムコントローラ１６は、給湯運転安定時の状態に戻す。具体的には、流量調整弁１３ａの開度を調整して、密閉型タンク３内部の湯と冷水との境界層を上部（たとえば、温度センサＴ２ｏｒＴ１）に移動させ、冷水の量を多くして放熱ロスの抑制を図る。

また、上記システムコントローラ１６は熱源機２に対する除霜運転をなすのに上述の外気温度と運転継続時間の条件によるばかりでなく、単純に、給湯装置１としての安定運転時に、熱交換器２の周囲温度によって密閉型タンク３の境界層位置を決める制御をなすようにしてもよい。
なお説明すれば、熱源機２が除霜運転に入る事前情報を検知することの代りに、システムコントローラ１６は図１に示す外気温度センサ２０の検知信号を受け、外気温に応じて給湯装置１の運転安定時における境界層の位置を変化させる機能を有している。

たとえば、外気温度が７℃以上のときに、システムコントローラ１６は密閉型タンク３の最上部に設けられる温度センサＴ１取付け位置に境界層を合せるよう、流量調整弁１３ａの開度を調整する。すなわち、外気温度が７℃以上あれば熱源機２の熱源側熱交換器２ｄに霜が付着することは無いと判断し、給湯装置１の安定運転時の状態とする。

外気温度が７℃以下のときに、システムコントローラ１６は密閉型タンク３のつぎの上部に設けられる温度センサＴ２取付け位置に境界層を合せるよう、流量調整弁１３ａの開度を調整する。すなわち、外気温度が７℃以下となれば熱源機２の熱源側熱交換器２ｄに
霜が付着することが予想され、境界層の位置を下げて除霜運転に備える。

なお、本発明は上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。そして、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。

２…熱源機（ヒートポンプユニット）、３…密閉型タンク、４…給湯管路、５…開放型タンク、１３ａ…流量調整弁、Ｔ１〜Ｔ５…温度センサ、１６…システムコントローラ（制御手段）、２０…外気温度センサ。

Claims (3)

1. 供給された冷水を加熱し、所定温度の湯を生成する複数のヒートポンプユニットと、
   これらヒートポンプユニットで生成された湯を貯溜する密閉型タンクと、
   この密閉型タンクと給湯管路を介して接続され、前記密閉型タンクから供給される湯を貯溜する開放型タンクと、
   前記密閉型タンクと前記開放型タンクとを連通する給湯管路に設けられ、密閉型タンクから開放型タンクに導かれる湯の供給量を制御する流量調整弁と、
   前記密閉型タンクの内部に、この深さ方向に沿い所定間隔を存して配置される複数の温度センサと、
   これら温度センサの検出信号を受け、ヒートポンプユニットの起動時またはヒートポンプユニットの運転台数が変動するとき、密閉型タンク内部の湯と冷水との境界層を密閉型タンクの深さ方向の中央付近に位置させ、通常運転時に、前記境界層を密閉型タンクの上部に位置するよう、前記流量調整弁の開度を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とする給湯装置。
2. さらに、前記制御手段は、
   前記ヒートポンプユニットの除霜運転の際に、除霜運転を行うヒートポンプユニットの台数に応じて、前記密閉型タンク内部の湯と冷水との境界層の位置を下方に移動させるよう制御することを特徴とする請求項１記載の給湯装置。
3. さらに、前記制御手段は、
   外気温度を検出するセンサからの外気温度検出信号を受け、外気温度に応じて前記密閉型タンク内部の湯と冷水との境界層の位置を移動させるよう制御することを特徴とする請求項１記載の給湯装置。

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