JP2011017468A - ハイブリッド給湯システム、及び、その運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 貯湯タンクに対して、電気式のヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段を並列に配置して構成されたハイブリッド給湯システムにおいて、ヒートポンプ給湯手段の運転の高効率化、高稼働率化を図り、システム全体での高効率化を図る。
【解決手段】 貯湯タンク１内に水温分布が生じた場合に異なる水温となる所定の２点の内の高温位置の水温を検出する第１温度センサ１６と、所定の２点の内の低温位置の水温または低温位置に設けられた出水口１４付近の水温を検出する第２温度センサ１７を備え、補助給湯手段３は、第１温度センサ１６の検出温度に基づいて発停制御され、ヒートポンプ給湯手段２は、第２温度センサ１７の検出温度に基づいて発停制御され、ヒートポンプ給湯手段２及び補助給湯手段３は、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクに対して、電気式のヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段を並列に配置して構成されたハイブリッド給湯システムに関する。

電気式のヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段を備えたハイブリッド給湯システムは、ヒートポンプ給湯手段と補助給湯手段を状況に応じて使い分け、或いは、同時に使用することにより、双方の給湯手段の長所を利用し、また、互いの短所を補完し合うことで、ランニングコストやイニシャルコストの低減、ＣＯ_２排出量の低減が可能であり、且つ、安定した給湯が可能である。

ハイブリッド給湯システムの中でも、１つの貯湯タンクに対して、ヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段を並列に配置して設け、貯湯タンク内の温度センサで検出された貯湯温度に基づいてヒートポンプ給湯手段を優先的に運転させ、貯湯タンク内の貯湯量が減少した時点で補助給湯手段を運転させるシステム構成の場合、双方の給湯手段で１つの貯湯タンクを共用できるため、省スペース化及びイニシャルコストの低減が図れるとともに、高効率運転可能なヒートポンプ給湯手段を優先的に運転させるため省エネルギ性が高く、総合的に非常に有効な給湯システムである。斯かるハイブリッド給湯システムとして、例えば下記の特許文献１（図１参照）或いは特許文献２（図３、図４参照）等に開示されたものがある。

特許第４１３９８２６号明細書 特開２００７-１７０７７０号公報

図５に、１つの貯湯タンク１に対して、ヒートポンプ給湯手段２と燃焼式温水機からなる補助給湯手段３を並列に配置して構成されたハイブリッド給湯システムの概略構成を模式的に示す。

図５に示す構成では、ヒートポンプ給湯手段２は、貯湯タンク１の下部に設けられた入出水口１５から出水した低温水を加熱して、貯湯タンク１の上部に設けられた入水口１１から貯湯タンク１へ供給し、同様に、補助給湯手段３も、貯湯タンク１の下部に設けられた出水口１４から出水した低温水を加熱して、貯湯タンク１の上部に設けられた入水口１１から貯湯タンク１へ供給する。ヒートポンプ給湯手段２の入水口と貯湯タンク１の入出水口１５の間の管路に循環ポンプ２０が、補助給湯手段３の入水口と貯湯タンク１の出水口１４の間の管路に循環ポンプ３０が、夫々介装されている。

貯湯タンク１には、貯湯タンク１内の上下方向中間部分の水温を検出する第１温度センサ１８と、貯湯タンク１内の下部の水温を検出する第２温度センサ１９が設けられており、各温度センサ１８，１９は、検出値が夫々に設定された温度範囲の下限値以下となると操作値をオン状態に、逆に上限値以上となると操作値をオフ状態にして出力する温度指示調節計（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）の機能を兼ね備える。

ヒートポンプ給湯手段２及び循環ポンプ２０の運転の発停は、第２温度センサ１９から出力される操作値により制御され、補助給湯手段３及び循環ポンプ３０の運転の発停は、第１温度センサ１８から出力される操作値により制御される。

貯湯タンク１から給湯負荷４へ高温水が供給されると、貯湯タンク１内の圧力が低下し、上水道或いは給水タンク等の給水源５から貯湯タンク１の下部に設けられた入出水口１５を介して、貯湯タンク１内に低温水が供給される。従って、貯湯タンク１の上方側に高温水の層（高温層）が形成され、貯湯タンク１の下方側に低温水の層（低温層）が形成され、給湯負荷４へ高温水が供給されるに伴い、低温水の層が上方へ拡大し、高温層を上に押し上げる。低温層が形成されると、第２温度センサ１９の検出値が、第２温度センサ１９の設定温度範囲の下限値以下となり、第２温度センサ１９から出力される操作値によってヒートポンプ給湯手段２及び循環ポンプ２０の運転が開始し、ヒートポンプ給湯手段２で加熱された高温水が貯湯タンク１内の高温層に供給され、高温層が下方に拡大し、低温層を下に押し下げる。これにより、第２温度センサ１９の検出値が、第２温度センサ１９の設定温度範囲の上限値以上となると、ヒートポンプ給湯手段２及び循環ポンプ２０の運転が停止する。給湯負荷４での熱消費量が大きい場合は、給湯負荷４への高温水の出水量が増大し、ヒートポンプ給湯手段２で加熱された高温水の貯湯タンク１内の高温層への供給量を上回り、高温層が更に上に押し上げられると、第１温度センサ１８の検出値が、第１温度センサ１８の設定温度範囲の下限値以下となり、第１温度センサ１８から出力される操作値によって補助給湯手段３及び循環ポンプ３０の運転が開始し、ヒートポンプ給湯手段２及び補助給湯手段３で加熱された高温水が貯湯タンク１内の高温層に供給され、高温層が下方に拡大し、低温層を下に押し下げる。これにより、第１温度センサ１８の検出値が、第１温度センサ１８の設定温度範囲の上限値以上となると、補助給湯手段３及び循環ポンプ３０の運転が停止する。以上の結果、補助給湯手段３に対して高効率運転可能なヒートポンプ給湯手段が優先的に運転されるとともに、貯湯タンク１内の高温水の貯湯量が、第１温度センサ１８の検出値が設定温度範囲内に収まる一定量に維持される。

ところで、ヒートポンプ給湯手段２のエネルギ消費効率（成績係数：ＣＯＰ）は、入水温が低いほど高くなる特性があり、貯湯タンク１の下部に設けられた入出水口１５から供給される低温水の温度は低い方が、ＣＯＰが高くなり好ましい。また、低負荷時には、貯湯タンク１内の高温層の水温は、ヒートポンプ給湯手段２の出水温となるため、高温層の水温を一定に保つことで、低温層の水温の変動を抑制して高効率運転を図るのが好ましい。従って、一般的に、ヒートポンプ給湯手段２の運転は、出水温が一定となるように制御される。これに対して、燃焼式温水機からなる補助給湯手段３は、エネルギ消費効率が入水温によって影響されないため、燃焼式温水機の加熱能力が一定となるように制御されるだけで、一般的には、出水温が一定となるようには制御されていない。

つまり、従来のハイブリッド給湯システムでは、補助給湯手段３は、出水温が一定となるように制御されておらず、出水温は、燃焼式温水機の加熱能力と入水温と循環ポンプ３０の流量によって一意的に定まり、入水温または循環ポンプ３０の流量の変化に応じて、常時変動している。

補助給湯手段３の運転は、第１温度センサ１８の検出値が、第１温度センサ１８の設定温度範囲の下限値以下となると開始し、上限値以上となるまで継続されるため、補助給湯手段３の出水温が、当該上限値より低い状態が続くと、ヒートポンプ給湯手段２から供給される高温水に、補助給湯手段３から供給されるヒートポンプ給湯手段２の出水温より低い温水が混合するため、図６に示すように、本来の高温層より低温の中間温度層が、貯湯タンク１内の高温層下に大きく形成されることになる。中間温度層が大きくなると、低温層が下に押し下げられ、中間温度層が貯湯タンク１の下部に設けられた入出水口１５にまで達する。中間温度層の水温が、第２温度センサ１９の設定温度範囲の上限値より低いと、ヒートポンプ給湯手段２の運転が停止されることなく継続されるが、ヒートポンプ給湯手段２の入水温は、中間温度層の影響で上昇するため、エネルギ消費効率が大幅に低下し、ハイブリッド給湯システム全体の運転効率が低下することになる。

また、中間温度層は、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の両方の加熱によって形成されるため、中間温度層が大きくなることは、補助給湯手段３に対するヒートポンプ給湯手段２の稼働率が相対的に低下することを意味し、ヒートポンプ給湯手段２を優先的に稼働させることで、ハイブリッド給湯システム全体の運転効率を上げるという本来の運転制御が、中間温度層の形成によって阻害される。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートポンプ給湯手段の高効率、高稼働率で運転可能なハイブリッド給湯システム及びその運転制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクと、前記貯湯タンクから供給される水を、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、前記貯湯タンクに供給する電気式のヒートポンプ給湯手段と、前記貯湯タンクから供給される水を加熱して、前記貯湯タンクに供給する燃焼式温水機からなる補助給湯手段と、前記貯湯タンク内に水温分布が生じた場合に異なる水温となる所定の２点の内の高温位置の水温を検出する第１温度センサと、前記所定の２点の内の低温位置の水温または前記低温位置に設けられた出水口または入出水口付近の水温を検出する第２温度センサと、を備えてなるハイブリッド給湯システムまたはその運転制御方法であって、前記補助給湯手段は、少なくとも前記第１温度センサの検出温度に基づいて運転の発停制御がなされ、前記ヒートポンプ給湯手段は、少なくとも前記第２温度センサの検出温度に基づいて運転の発停制御がなされ、前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段は、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御されることを特徴とするハイブリッド給湯システムまたはその運転制御方法を提供する。

上記特徴のハイブリッド給湯システムでは、ヒートポンプ給湯手段と補助給湯手段の何れもが、貯湯タンクから供給される水を加熱して貯湯タンクに供給する構成であるため、各給湯手段は、貯湯タンクに対して並列に配置されている。

尚、貯湯タンク内に水温分布が生じた場合に異なる水温となる所定の２点とは、例えば、貯湯タンクが一槽式の場合には、貯湯タンク内に水温分布が生じた場合には上方ほど高温となるので、上下方向に異なる所定の２点となり、例えば、一方は図１または図４に示す第１温度センサ１６の設置位置、他方が出水口１４または第２温度センサ１７の設置位置が夫々該当する。

更に、上記特徴のハイブリッド給湯システムまたはその運転制御方法において、前記ヒートポンプ給湯手段は、前記第２温度センサの検出温度が、所定の第１温度以下になると運転を開始し、前記第２温度センサの検出温度が、前記第１温度より高い所定の第２温度以上になると運転を停止するように制御され、前記補助給湯手段は、前記第１温度センサの検出温度が、所定の第３温度以下になると運転を開始し、前記第１温度センサの検出温度が、前記第３温度より高い所定の第４温度以上になると運転を停止するように制御され、前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段は、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、前記第２温度と前記第４温度の何れか高い方の温度以上に各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御されることが好ましい。

更に、上記特徴のハイブリッド給湯システムまたはその運転制御方法において、前記補助給湯手段の出水温度制御が、前記補助給湯手段と前記貯湯タンク間の循環流量を、前記出水設定温度と前記補助給湯手段の入水温の検出値と前記補助給湯手段の加熱能力に応じて定まる１次循環流量に設定する１次制御と、前記補助給湯手段の出水温が、前記出水設定温度から所定の誤差範囲以上に変動した場合に、前記１次制御に優先して、当該変動時の前記循環流量を、前記変動を抑制する方向にフィードバック制御する２次制御と、を備えて構成されることが好ましい。

上記特徴のハイブリッド給湯システムまたはその運転制御方法によれば、貯湯タンクに対して電気式のヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段が並列に配置された構成のハイブリッド給湯システムにおいて、エネルギ消費効率の低い補助給湯手段に対しても、ヒートポンプ給湯手段と同様に出水温度制御を行うため、補助給湯手段を出水温度制御しない場合に比べて貯湯タンク内に形成される中間温度層を大幅に削減できるため、中間温度層によってヒートポンプ給湯手段のエネルギ消費効率及び稼働率が低下するのを抑制することができ、高効率で運転可能なハイブリッド給湯システム及びその運転制御方法を提供することができる。

本発明に係るハイブリッド給湯システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図 図１に示すハイブリッド給湯システムにおける貯湯タンク内の水温分布を模式的に示す説明図 本発明に係るハイブリッド給湯システムの別実施形態における概略構成を模式的にシステム構成図 本発明に係るハイブリッド給湯システムの他の別実施形態における概略構成を模式的にシステム構成図 従来のハイブリッド給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図 図５に示す従来のハイブリッド給湯システムにおける貯湯タンク内の水温分布を模式的に示す説明図

本発明に係るハイブリッド給湯システム（以下、適宜「本発明システム」と称す）、及び、その運停制御方法（以下、適宜「本発明方法」と称す）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。本実施形態では、図５に示すハイブリッド給湯システムと同じ構成要素及び同じ部位には、本発明の理解の容易のために同じ符号を付して説明する。

図１は、本発明システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図である。尚、図中の二重線は水路の配管（管路）を示しており、実線は電力線、点線及び破線は制御用の信号線を夫々示している。図１に示すように、本発明システムは、貯湯タンク１、電気式のヒートポンプ給湯手段２、燃焼式温水機からなる補助給湯手段３、制御装置６を備え、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３が、貯湯タンク１に対して並列に配置されて構成される。

貯湯タンク１は、本実施形態では、一槽式のものを想定し、貯湯タンク１の壁部には、貯湯タンク１内に水が流入する入水口、及び、貯湯タンク１内から水が流出する出水口が、夫々設けられている。具体的には、入水口１１と出水口１２が上部に、入水口１３が上下方向中央に、出水口１４と入水口１５が下部に、夫々設けられている。

更に、貯湯タンク１には、貯湯タンク１内の上下方向中間部分の水温を検出する第１温度センサ１６と、貯湯タンク１内の下部の水温を検出する第２温度センサ１７が貯湯タンク１の出水口１４に接続する管路２３に設けられている。本実施形態では、第２温度センサ１７は、貯湯タンク１内の下部の水温を直接検出するようには設置されておらず、貯湯タンク１内の下部の水温と略等しい出水口１４付近の管路２１内の水温を代替的に検出する構成となっている。つまり、本実施形態の貯湯タンク１は、ヒートポンプ給湯手段２を備えず、第１温度センサ１６の検出温度だけで燃焼式温水機（補助給湯手段３）の運転の発停制御を行っていた従来の給湯システムで使用されていた貯湯タンクが利用できる。従って、本発明システムは、当該従来の給湯システムにヒートポンプ給湯手段２を追加して構成することが可能であり、第２温度センサ１７を設置するために貯湯タンク１をわざわざ改造する手間と費用が省ける。また、同様に、本実施形態の貯湯タンク１は、補助給湯手段３を備えず、第１温度センサ１６の検出温度だけでヒートポンプ給湯手段２の運転の発停制御を行っていた従来のヒートポンプ給湯システムで使用されていた貯湯タンクも利用できる。尚、貯湯タンク１の壁部下部に第２温度センサ１７を設置するための貫通孔が設けてある場合には、第２温度センサ１７を直接貯湯タンク１の壁部に取り付けても良い。

水は、温度が高くなるにつれ上方に移動する性質、所謂対流性を有する。貯湯タンク１は、下部に設けられた入水口１５から低温水が供給され、上部に設けられた入水口１１からは高温水が供給されるため、貯湯タンク１に貯湯される温水は、上方ほど高温となる水温分布を示すこととなる。第１温度センサ１６の方が、第２温度センサ１７より、貯湯タンク１の水温分布における高温位置に設置されていることになる。

本実施形態では、第１及び第２温度センサ１６，１７は、図５に示すハイブリッド給湯システムで使用する第１及び第２温度センサ１８，１９が備える温度指示調節計の機能を兼ね備えておらず、検出温度を電圧または電流のアナログ値として、制御装置６に設けられた演算処理部６１のアナログ入力ポートに出力する。

以下、図１を参照して、本発明システムのシステム構成について具体的に説明する。

ヒートポンプ給湯手段２は、ヒートポンプ回路の冷媒として例えばＣＯ_２を採用したＣＯ_２ヒートポンプで構成され、入水口２１から入水した低温水をヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、出水口２２から管路２４を介して貯湯タンク１の入水口１１に供給する。また、貯湯タンク１の出水口１４とヒートポンプ給湯手段２の入水口２１の間は、管路２３で連結され、管路２３には電動の循環ポンプ２０が介装されている。これにより、ヒートポンプ給湯手段２と貯湯タンク１の間に循環路が形成される。尚、循環ポンプ２０は、管路２４に設けても良く、また、ヒートポンプ給湯手段２の内部に設けられ、ヒートポンプ給湯手段２の一部として構成されていても良い。ヒートポンプ回路の圧縮機は、例えば、３相誘導電動機で構成され、商用電力（３相２００Ｖ）を電源として作動するものとする。

本実施形態では、ヒートポンプ給湯手段２は、外部からの制御に依らずに、設定された出水温となるように自動的に出水温度制御されるように構成されている。尚、ヒートポンプ給湯手段２の出水温度制御は、後述する補助給湯手段３の出水温度制御と同様の流量制御により行われるため、詳細な説明は割愛する。

補助給湯手段３は、例えば、ガス焚真空式温水機等の燃焼式温水機で構成される。ガス焚真空式温水機は、缶体内の下部にガスバーナの火炎で熱媒水を加熱する火炉を設けるとともに、缶体内の上部の減圧空気中にＵ字状の伝熱管を設けてなり、缶体内の下部に封入された熱媒水をガスバーナの火炎で加熱し、また、その上部の減圧蒸気中の伝熱管を加熱することによって、伝熱管中を流れる水を加熱する構成となっている。尚、補助給湯手段３は、電気式のヒートポンプ給湯手段２の短所を補完するために、燃焼式温水機で構成されており、必ずしもガス焚真空式温水機に限定されるものではなく、燃料がガスであるガス焚温水機以外にも、石油を燃料とした油焚温水機であっても良く、他の燃料やエネルギを利用する燃焼式温水機であっても良い。

補助給湯手段３は、入水口３１から入水した低温水を上記伝熱管に導入して加熱し、出水口３２から管路３４，２４を介して貯湯タンク１の入水口１１に供給する。管路３４は、管路２４の途中に設けられた分岐点と補助給湯手段３の出水口３２を連結している。また、管路２３の循環ポンプ２０より上流側に設けられた分岐点と補助給湯手段３の入水口３１の間が、管路３３で連結され、管路３３には電動の循環ポンプ３０が介装されている。これにより、補助給湯手段３と貯湯タンク１の間に循環路が形成される。尚、循環ポンプ３０は、補助給湯手段３の内部に設けられ、補助給湯手段３の一部として構成されていても良い。尚、循環ポンプ３０は、管路３４側に設けても良い。

給湯負荷４が、管路４１，４２を介して貯湯タンク１の出水口１２と入水口１３に接続している。尚、給湯負荷４は、例えば、カランやシャワー、浴槽等で構成される。また、給湯負荷４が循環負荷の場合には、管路４１（または管路４２）の途中に循環ポンプ４０が介装される。また、貯湯タンク１の入水口１５には、管路５１を介して給水源５が接続している。給水源５は、上水道、或いは、上水道の上水を貯留した給水タンク等で構成される。

尚、上記管路２３，２４，３３，３４，４１，４２，５１には、夫々、開閉弁（２方弁）、逆止弁、減圧弁、定流量弁、安全弁、自動空気抜き弁等の内、適宜必要なものが介装されるものとし、図示を省略する。

次に、図１に示す本発明システムの運転制御方法（本発明方法）について説明する。

図５に示す従来のハイブリッド給湯システムでは、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各発停制御は、温度指示調節計の機能を備えた第１温度センサ１８と第２温度センサ１９から出力される操作値によるオンオフ制御であったが、本実施形態では、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各発停制御、及び、補助給湯手段３の出水温度制御を行う制御装置６を別途備える。

制御装置６は、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各発停制御と、補助給湯手段３の出水温度制御の演算処理を行う専用のマイクロコンピュータを備えた演算処理部６１と、補助給湯手段３の循環ポンプ３０に供給する交流電力の周波数を変化させるインバータ回路部６２を備えて構成される。

演算処理部６１は、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各発停制御として、図５に示す従来のハイブリッド給湯システムにおける第１温度センサ１８と第２温度センサ１９の温度指示調節計と同様の処理、つまり、第１及び第２温度センサ１６，１７から入力される夫々の検出温度を示す信号値が、夫々に設定された温度範囲の下限値以下となると操作値をオン状態に、逆に上限値以上となると操作値をオフ状態にして出力する処理を行う。以下、便宜的に、第２温度センサ１７の設定された温度範囲の下限値を第１温度Ｔ１、上限値を第２温度Ｔ２と夫々称し、第１温度センサ１６の設定された温度範囲の下限値を第３温度Ｔ３、上限値を第４温度Ｔ４と夫々称する。以下の説明において、一例として、第１温度Ｔ１、第２温度Ｔ２、第３温度Ｔ３、第４温度Ｔ４が、記載順に夫々３５℃、５０℃、５５℃、６０℃である場合を想定する。

インバータ回路部６２は、１次側に入力する商用交流電力（例えば、３相２００Ｖ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）の周波数を演算処理部６１から出力される操作値に基づいて変化させた交流出力電力を２次側から出力して、循環ポンプ３０に電力を供給する。図１中、インバータ回路部６２から循環ポンプ３０への電力供給を実線で表示している。循環ポンプ３０の吐出流量（つまり、補助給湯手段３の伝熱管内を通流する水の流量）は、当該交流出力電力の周波数に応じて変化し、後述する原理によって補助給湯手段３の出水温が制御される。

補助給湯手段３の入水口３１に接続する管路３３の循環ポンプ３０より下流側の入水口３１の付近に補助給湯手段３の入水温を検出する第３温度センサ３５が設けてあり、補助給湯手段３の出水口３２に接続する管路３４の出水口３２の付近に補助給湯手段３の出水温を検出する第４温度センサ３６が設けてある。第３及び第４温度センサ３５，３６は、貯湯タンク１の水温を検出する第１及び第２温度センサ１６，１７とは同様に、温度指示調節計の機能は追加されておらず、検出温度を電圧または電流のアナログ値として、演算処理部６１のアナログ入力ポートに出力する。図１中、温度センサ１６，１７，３５，３６から演算処理部６１に入力する４本の信号線は点線で表示しており、演算処理部６１からヒートポンプ給湯手段２、補助給湯手段３、循環ポンプ２０へ出力される制御信号線は破線で表示されている。以下、温度センサ１６，１７，３５，３６の各検出温度について、電圧または電流のアナログ値に変換された信号値を含めて「検出温度」と称す。

先ず、本発明方法におけるヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各運転の発停制御について説明する。

貯湯タンク１内の所定量の高温水が貯湯され、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の運転が夫々停止している状態で、給湯負荷４で温水が使用され、貯湯タンク１から給湯負荷４へ高温水が供給されると、貯湯タンク１内の圧力が低下し、給水源５から貯湯タンク１の下部に設けられた入出水口１５を介して、貯湯タンク１内に低温水が供給される。従って、貯湯タンク１の下方側から貯湯タンク１内の水温が低下していくため、先ず、第２温度センサ１７の検出温度が低下して、第１温度Ｔ１（３５℃）以下となり、第２温度センサ１７から当該検出温度を示す信号値の入力を受け付けた制御装置６の演算処理部６１は、第２温度センサ１７の検出温度が第１温度Ｔ１（３５℃）以下であることを判定し、ヒートポンプ給湯手段２と循環ポンプ２０に対して制御信号（オン状態）を出力し、夫々の運転を開始させる。ヒートポンプ給湯手段２は運転を開始すると、出水温を第４温度Ｔ４以上の所定の水温（例えば、６０℃〜６５℃）となるように内蔵する制御手段（図示せず）により出水温度制御を行い、当該出水温に制御された高温水を貯湯タンク１の上部の入水口１１から貯湯タンク１に供給する。ここで、給湯負荷４の温水使用量が少なく、ヒートポンプ給湯手段２だけで高温水の補給が可能な場合は、貯湯タンク１内の高温水の貯湯量（高温層）が上方から下方に向けて増大し、第２温度センサ１７の検出温度が第２温度Ｔ２（５０℃）以上となり、第２温度センサ１７から当該検出温度を示す信号値の入力を受け付けた制御装置６の演算処理部６１は、第２温度センサ１７の検出温度が第２温度Ｔ２（５０℃）以上であることを判定し、ヒートポンプ給湯手段２と循環ポンプ２０に対して制御信号（オフ状態）を出力し、夫々の運転を停止させる。

一方、給湯負荷４の温水使用量が多く、ヒートポンプ給湯手段２だけでは高温水の補給が不十分な場合は、貯湯タンク１内の高温水の貯湯量（高温層）が更に減少し、貯湯タンク１の下方側か供給された低温水の層（低温層）が上方に向かって増大し、第１温度センサ１６の検出温度が低下して、第３温度Ｔ３（５５℃）以下となり、第１温度センサ１６から当該検出温度を示す信号値の入力を受け付けた制御装置６の演算処理部６１は、第１温度センサ１６の検出温度が第３温度Ｔ３（５５℃）以下であることを判定し、補助給湯手段３に対して制御信号（オン状態）を出力し運転を開始させるとともに、インバータ回路部６２を活性化して、循環ポンプ３０に対して電力供給を指示し、循環ポンプ３０の運転を開始させる。制御装置６は、補助給湯手段３と循環ポンプ３０の運転開始から、補助給湯手段３に対して、出水温が第４温度Ｔ４以上の所定の水温（例えば、６０℃〜６５℃）となるように出水温度制御を行い、補助給湯手段３は、当該出水温に制御された高温水を貯湯タンク１の上部の入水口１１から貯湯タンク１に供給する。尚、補助給湯手段３に対する出水温度制御は、後述するように、実際は循環ポンプ３０に対して行われる。ここで、補助給湯手段３に対する出水温度制御を行わない場合は、補助給湯手段３の出水温が４０℃前後に低下する場合があり、６０℃程度の高温層に４０℃前後の温水が混合するので、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、貯湯タンク１内に中間温度層が形成され、ヒートポンプ給湯手段２のエネルギ消費効率を低下させる場合がある。しかし、本実施形態では、補助給湯手段３に対して出水温度制御がなされるので、斯かる中間温度層は形成されず、ヒートポンプ給湯手段２の高エネルギ消費効率を維持できる。

ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の両方が稼働している状態で、両給湯手段の給湯量の合計が給湯負荷４の温水使用量を相対的に超えると、貯湯タンク１内の高温水の貯湯量（高温層）が上方から下方に向けて増大し、先ず、第１温度センサ１６の検出温度が第４温度Ｔ４（６０℃）以上となり、第１温度センサ１６から当該検出温度を示す信号値の入力を受け付けた制御装置６の演算処理部６１は、第１温度センサ１６の検出温度が第４温度Ｔ４（６０℃）以上であることを判定し、補助給湯手段３に対して制御信号（オフ状態）を出力し、運転を停止させるとともに、インバータ回路部６２を非活性化し、循環ポンプ３０への電力供給を停止させ、循環ポンプ３０の運転が停止する。更に、貯湯タンク１内の高温水の貯湯量（高温層）が下方に向けて増大すると、第２温度センサ１７の検出温度が第２温度Ｔ２（５０℃）以上となり、第２温度センサ１７から当該検出温度を示す信号値の入力を受け付けた制御装置６の演算処理部６１は、第２温度センサ１７の検出温度が第２温度Ｔ２（５０℃）以上であることを判定し、ヒートポンプ給湯手段２と循環ポンプ２０に対して制御信号（オフ状態）を出力し、夫々の運転を停止させる。

以上、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各運転の発停制御について整理すると、ヒートポンプ給湯手段２による給湯は、第２温度センサ１７の検出温度が、第１温度Ｔ１（３５℃）以下で開始し、第２温度Ｔ２（５０℃）以上で停止し、補助給湯手段３による給湯は、第１温度センサ１６の検出温度が、第３温度Ｔ３（５５℃）以下で開始し、第４温度Ｔ４（６０℃）以上で停止する。ここで、第２温度センサ１７の第１温度Ｔ１（３５℃）と第２温度Ｔ２（５０℃）の各設定値は、補助給湯手段３が単独で運転状態とならないように、実験データ等に基づいて決定され、上記括弧内の各具体値は、その一例である。従って、第１温度Ｔ１が第３温度Ｔ３以上に設定され、第２温度Ｔ２が第４温度Ｔ４以上に設定される場合もあり得る。尚、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各出水温度制御の目標値（第２温度Ｔ２と第４温度Ｔ４の何れか高い方の温度以上の所定値）は、互いに同じ値に設定しても良く、また、１〜５℃程度の相違があっても構わない。また、仮に、第２温度Ｔ２が、第４温度Ｔ４（６０℃）より高く設定されている場合には、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各出水温度制御の目標値は、夫々第２温度Ｔ２以上に設定される。

次に、本発明方法における補助給湯手段３に対する出水温度制御について説明する。補助給湯手段３に対する出水温度制御は、補助給湯手段３と貯湯タンク１の間を循環する水の流量を制御することで実行される。

補助給湯手段３として、ガス焚真空式温水機を想定した場合、温水機自体の制御は、内部缶水の温度によって燃焼制御が行われている。例えば、缶水温度が８３℃以下になると燃焼を開始し、９０℃以上になると燃焼を停止する制御により、缶水温度を所定の制御温度範囲内に維持する。缶水温度は、循環ポンプ３０の作動により伝熱管中を流れる水との間で熱交換により低下し、燃焼により上昇する。よって、補助給湯手段３の定格の加熱能力は、伝熱管中を流れる水の流量（循環ポンプ３０の吐出流量）と、補助給湯手段３（伝熱管）の入水温と出水温の差で決定される。従って、定格の加熱能力と入水温に基づいて、所定の出水温となるように、循環ポンプ３０の吐出流量を調整することにより、出水温を一定に制御することができる。

そこで、本実施形態では、補助給湯手段３に対する出水温度制御を、補助給湯手段３を定格運転させ、補助給湯手段３の入水口３１付近に設置した第３温度センサ３５の検出温度（入水温）に基づいて循環ポンプ３０の吐出流量を調整するフィードフォワード制御（１次制御に相当）を行う。具体的には、インバータ回路部６２から循環ポンプ３０に供給する交流電力の周波数を変化させることで、循環ポンプ３０の吐出流量の調整を行う。

補助給湯手段３の入水温と出水温を夫々Ｔｉ（℃），Ｔｏ（℃）とし、定格の加熱能力（仕事率）をＡ（ｋＷ）、循環ポンプ３０の吐出流量をＢ（Ｌ／ｈ）とすると、夫々の関係は以下の数１で与えられる。尚、数１中の８６０（ｋｃａｌ／ｋＷｈ）は、仕事率と単位時間当たり熱量の変換係数である。例えば、補助給湯手段３の定格の加熱能力Ａが１１０ｋＷ、入水温Ｔｉが１５℃の場合に、吐出流量Ｂを２２１７（Ｌ／ｈ）に調整すると、出水温Ｔｏは６０℃となる。

（数１）
Ｂ＝Ａ×８６０／（Ｔｏ−Ｔｉ）

演算処理部６１は、補助給湯手段３の運転を開始する制御を行う場合、補助給湯手段３に対して運転開始の制御信号を出力するとともに、第３温度センサ３５の検出温度を用いて、上記数１の関係式により算出される循環ポンプ３０の吐出流量に対応する出力周波数をインバータ回路部６２に対して指定する。例えば、出力周波数の制御値として予め複数の離散値を設定し、第３温度センサ３５の検出温度と当該出力周波数の離散値との対応関係をテーブル化しておき、演算処理部６１内の記憶領域に格納しておく。演算処理部６１は、当該テーブルを用いて、入力された第３温度センサ３５の検出温度から出力周波数を決定し、インバータ回路部６２に指定する。インバータ回路部６２は、演算処理部６１が指定した出力周波数の交流出力電力を循環ポンプ３０に供給することで、循環ポンプ３０が、演算処理部６１の算出した吐出流量で運転を開始する。

ところで、ガス焚真空式温水機等の燃焼式温水機の加熱能力は、燃料量の調整や経年劣化等により、上記数１の関係式に設定した値から変化する可能性がある。そうすると、上記フィードフォワード制御では、補助給湯手段３の出水温が、所望の水温から外れてしまうことが考えられる。そこで、本実施形態では、補助給湯手段３の出水温度制御において、長期的に安定した制御を行うために、上述のフィードフォワード制御（１次制御）に加えて、以下に説明するフィードバック制御（２次制御に相当）を行う。

具体的には、フィードフォワード制御用に、第３温度センサ３５を用いて補助給湯手段３の入水温を検出するとともに、フィードバック制御用に、第４温度センサ３６を用いて補助給湯手段３の出水温を検出し、第４温度センサ３６の検出温度を演算処理部６１に入力する。演算処理部６１は、入力された第４温度センサ３６の検出温度（出水温）と、出水温の目標値（例えば、６０℃）の誤差範囲の下限値と上限値（例えば、５９℃と６１℃）を比較して、温度センサ３６の検出温度が、下限値（５９℃）より低い場合は、演算処理部６１が現時点で指定している出力周波数の離散値を１段階下げる操作を行う。これにより、循環ポンプ３０の吐出流量が１段階低下するため、補助給湯手段３の出水温は上昇する。補助給湯手段３の出水温が、目標範囲の下限値（５９℃）以上となるまで、当該出力周波数の離散値を１段階下げる操作を続ける。一方、第４温度センサ３６の検出温度が、上限値（６１℃）より高い場合は、演算処理部６１は、現時点で指定している出力周波数の離散値を１段階上げる操作を行う。これにより、循環ポンプ３０の吐出流量が１段階増加するため、補助給湯手段３の出水温は低下する。補助給湯手段３の出水温が、目標範囲の上限値（６１℃）以下となるまで、当該出力周波数の離散値を１段階上げる操作を続ける。

従って、補助給湯手段３の出水温が目標範囲（５９℃〜６１℃）を外れる場合は、フィードバック制御が、フィードフォワード制御に優先して、出力周波数の離散値を操作することになる。

本実施形態では、補助給湯手段３の加熱能力、或いは、循環ポンプ３０の吐出能力に変動が生じて、上記フィードフォワード制御では、補助給湯手段３の出水温を目標値に制御できない場合でも、フィードフォワード制御を追加することで、長期的に安定した補助給湯手段３の出水温度制御を行うことができる。

尚、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の夫々が稼働することで、貯湯タンク１内には高温水が貯湯されるため、補助給湯手段３の入水温が運転開始時と比較して高くなる方向に変化するため、フィードフォワード制御で設定された循環ポンプ３０の吐出流量のままでは、補助給湯手段３の出水温も同様に高くなるが、上記フィードバック制御によって、フィードフォワード制御で設定された循環ポンプ３０の吐出流量が調整される。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態では、制御装置６を設け、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各発停制御と、補助給湯手段３の出水温度制御を行う構成としたが、図３に示すように、ヒートポンプ給湯手段２及び循環ポンプ２０の発停制御を、温度指示調節計の機能を備えた第２温度センサ１９から出力される操作値により行い、補助給湯手段３の発停制御を、温度指示調節計の機能を備えた第１温度センサ１８から出力される操作値により行い、制御装置６を専ら循環ポンプ３０の吐出流量の制御用としても良い。この場合、第１温度センサ１８から出力される操作値は、演算処理部６１に入力する必要があるが、第２温度センサ１９から出力される操作値は、演算処理部６１に入力する必要はない。更に、制御装置６を専ら循環ポンプ３０の吐出流量の制御用とする場合、制御装置６を補助給湯手段３内に設けるようにしても良い。

〈２〉更に、上記実施形態では、補助給湯手段３の出水温度制御における循環ポンプ３０の吐出流量の制御を、循環ポンプ３０に供給する交流電力の周波数を制御することで行ったが、補助給湯手段３と貯湯タンク１間の循環流路を形成する管路３３，３４の何れかに比例弁を設け、当該比例弁の開度を制御することで行っても良く、更には、循環ポンプ３０に供給する交流電力の周波数と該比例弁の開度の両方を制御することで行っても良い。

〈３〉更に、上記実施形態では、貯湯タンク１の水温を検出する第１温度センサ１６と第２温度センサ１７は、温度指示調節計の機能を備えず、当該温度指示調節計による判定処理を演算処理部６１で行う構成であったが、貯湯タンク１の水温を検出する各温度センサとして、上記別実施形態〈１〉と同様に、当該温度指示調節計の機能を備えた第１温度センサ１８と第２温度センサ１９を使用し、各温度センサ１８，１９から出力される操作値（オンオフの２値情報）を夫々、演算処理部６１のディジタル入力ポートに出力する構成としても良い。この場合、演算処理部６１では、各検出温度と夫々の設定温度との比較判定は行わずに、第１温度センサ１８から受け取った操作値を、制御信号として補助給湯手段３に出力し、第２温度センサ１９から受け取った操作値を、制御信号としてヒートポンプ給湯手段２及び循環ポンプ２０に出力することになる。

〈４〉更に、上記実施形態では、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３の各運転の発停制御は、ヒートポンプ給湯手段２は第２温度センサ１７の検出温度にのみ基づいて、補助給湯手段３は、第１温度センサ１６の検出温度にのみ基づいて、夫々制御される場合を説明したが、夫々の発停制御において、他の条件を付加しても構わない。

例えば、ヒートポンプ給湯手段２のエネルギ消費効率（ＣＯＰ）が、入水温だけでなく、設置場所の外気温度にも大きく影響される場合に、当該外気温度を検出する温度センサを別途備えて、第２温度センサ１７の検出温度と外気温度の両方に基づいて、ヒートポンプ給湯手段２の運転の発停制御を行うようにしても良い。

〈５〉更に、上記実施形態では、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３が、貯湯タンク１に対して並列に配置される管路構成として、図１に示す構成を例示したが、ヒートポンプ給湯手段２と補助給湯手段３が、貯湯タンク１に対して並列に配置される管路構成は、図１に示す構成に限定されるものではない。例えば、図４に示すように、入水口１５を入出水口１５とし、貯湯タンク１の入出水口１５とヒートポンプ給湯手段２の入水口２１の間を管路２３で連結し、貯湯タンク１の出水口１４と補助給湯手段３の入水口３１の間を管路３３で連結し、管路２３の循環ポンプ２０より上流側に設けられた分岐点と給水源５を管路５１で連結する構成としても良い。また、図４に示すように、第２温度センサ１７を、管路２３の入出水口１５の付近に設ける代わりに、直接貯湯タンク１の壁部の下方に取り付けても良い。

〈６〉更に、上記実施形態では、貯湯タンク１として一槽式のものを想定したが、複数の貯湯タンク１を直列に接続した多槽式であっても良い。この場合、貯湯タンク１内の水温分布は、各タンク内で上下方向に形成されるだけでなく、各タンクの配列順にも形成されるため、第１温度センサ１６は、配列順で中間に存在するタンクに設け、第２温度センサは、ヒートポンプ給湯手段２の入水口２１に最も近いタンクに設けるようにすれば良い。

本発明に係るハイブリッド給湯システム及びその運停制御方法は、温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクに対して、電気式のヒートポンプ給湯手段と燃焼式温水機からなる補助給湯手段を並列に配置して構成されたハイブリッド給湯システムに利用可能である。

１： 貯湯タンク
２： 電気式のヒートポンプ給湯手段
３： 補助給湯手段（燃焼式温水機）
４： 給湯負荷
５： 給水源
６： 制御装置
１１，１３： 貯湯タンクの入水口
１２，１４： 貯湯タンクの出水口
１５： 貯湯タンクの入水口（入出水口）
１６： 第１温度センサ
１７： 第２温度センサ
１８： 第１温度センサ（温度指示調節計）
１９： 第２温度センサ（温度指示調節計）
２０，３０，４０： 循環ポンプ
２１： ヒートポンプ給湯手段の入水口
２２： ヒートポンプ給湯手段の出水口
２３，２４，３３，３４，４１，４２，５１： 管路
３１： 補助給湯手段の入水口
３２： 補助給湯手段の出水口
３５： 第３温度センサ
３６： 第４温度センサ
６１： 演算処理部
６２： インバータ回路部

Claims (6)

1. 温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから供給される水を、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、前記貯湯タンクに供給する電気式のヒートポンプ給湯手段と、
   前記貯湯タンクから供給される水を加熱して、前記貯湯タンクに供給する燃焼式温水機からなる補助給湯手段と、
   前記貯湯タンク内に水温分布が生じた場合に異なる水温となる所定の２点の内の高温位置の水温を検出する第１温度センサと、
   前記所定の２点の内の低温位置の水温または前記低温位置に設けられた出水口または入出水口付近の水温を検出する第２温度センサと、を備え、
   前記補助給湯手段は、少なくとも前記第１温度センサの検出温度に基づいて運転の発停制御がなされ、
   前記ヒートポンプ給湯手段は、少なくとも前記第２温度センサの検出温度に基づいて運転の発停制御がなされ、
   前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段は、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御されることを特徴とするハイブリッド給湯システム。
2. 前記ヒートポンプ給湯手段は、前記第２温度センサの検出温度が、所定の第１温度以下になると運転を開始し、前記第２温度センサの検出温度が、前記第１温度より高い所定の第２温度以上になると運転を停止するように制御され、
   前記補助給湯手段は、前記第１温度センサの検出温度が、所定の第３温度以下になると運転を開始し、前記第１温度センサの検出温度が、前記第３温度より高い所定の第４温度以上になると運転を停止するように制御され、
   前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段は、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、前記第２温度と前記第４温度の何れか高い方の温度以上に各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド給湯システム。
3. 前記補助給湯手段の出水温度制御が、
   前記補助給湯手段と前記貯湯タンク間の循環流量を、前記出水設定温度と前記補助給湯手段の入水温の検出値と前記補助給湯手段の加熱能力に応じて定まる１次循環流量に設定する１次制御と、
   前記補助給湯手段の出水温が、前記出水設定温度から所定の誤差範囲以上に変動した場合に、前記１次制御に優先して、当該変動時の前記循環流量を、前記変動を抑制する方向にフィードバック制御する２次制御と、を備えて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド給湯システム。
4. 温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクから供給される水を、ヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、前記貯湯タンクに供給する電気式のヒートポンプ給湯手段と、
   前記貯湯タンクから供給される水を加熱して、前記貯湯タンクに供給する燃焼式温水機からなる補助給湯手段と、
   前記貯湯タンク内に水温分布が生じた場合に異なる水温となる所定の２点の内の高温位置の水温を検出する第１温度センサと、
   前記所定の２点の内の低温位置の水温または前記低温位置に設けられた出水口または入出水口付近の水温を検出する第２温度センサと、を備えてなるハイブリッド給湯システムの運転制御方法であって、
   前記補助給湯手段の運転の発停を、少なくとも前記第１温度センサの検出温度に基づいて制御し、
   前記ヒートポンプ給湯手段の運転の発停を、少なくとも前記第２温度センサの検出温度に基づいて制御し、
   前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段に対し、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御することを特徴とするハイブリッド給湯システムの運転制御方法。
5. 前記ヒートポンプ給湯手段の運転を、前記第２温度センサの検出温度が、所定の第１温度以下になると開始し、前記第２温度センサの検出温度が、前記第１温度より高い所定の第２温度以上になると停止するように制御し、
   前記補助給湯手段の運転を、前記第１温度センサの検出温度が、所定の第３温度以下になると開始し、前記第１温度センサの検出温度が、前記第３温度より高い所定の第４温度以上になると停止するように制御し、
   前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段に対し、夫々の運転が開始すると、夫々の出水温が、前記第２温度と前記第４温度の何れか高い方の温度以上に各別または共通に設定された出水設定温度となるように出水温度制御することを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド給湯システムの運転制御方法。
6. 前記補助給湯手段の出水温度制御において、
   前記補助給湯手段と前記貯湯タンク間の循環流量を、前記出水設定温度と前記補助給湯手段の入水温の検出値と前記補助給湯手段の加熱能力に応じて定まる１次循環流量に設定する１次制御と、
   前記補助給湯手段の出水温が、前記出水設定温度から所定の誤差範囲以上に変動した場合に、前記１次制御に優先して、当該変動時の前記循環流量を、前記変動を抑制する方向にフィードバック制御する２次制御と、を実行することを特徴とする請求項４または５に記載のハイブリッド給湯システムの運転制御方法。
   

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