JP2012117768A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯槽の湯を利用する構成において、中温水の利用量を増大することにより省エネルギー性に優れた給湯装置を提供すること。
【解決手段】貯湯槽１と、貯湯槽１の上部に接続された第１出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管５と、貯湯槽１の上下方向において第１出湯管３が接続された位置と給水管５が接続された位置との間に接続された第２出湯管４とを備えた貯湯式給湯装置において、給湯温度設定手段３０と、第２出湯管４を流れる湯温を検知する中温検知手段１２と、中温検知手段１２の検知温度が所定温度未満に低下した場合に沸き上げ運転を行う沸き上げ制御手段３３とを備えたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ方式の加熱手段で加熱した水を貯湯槽へ貯湯して利用する貯湯式給湯装置に関するものである。

この種の給湯装置は、加熱手段によって貯湯槽の底部から供給される水を高温に加熱し、断熱材で被覆された貯湯槽の上部へ貯留する一連のサイクルを繰り返すことにより、貯湯槽の全体または一部に高温の湯を蓄える。使用者が湯を使用する給湯時には、貯湯槽の高温の湯と加熱されていない水とを混合することで所定温度にして、給湯端末で使用する。

ここで用いるヒートポンプ式加熱手段の運転効率は、外気温と沸き上げ温度と加熱手段に供給される水の温度である入水温度とに依存し、外気温が高い場合や沸き上げ温度が低い場合、入水温度が低い場合に運転効率が向上する。外気温は季節や稼動時刻によって変動し、それに加えて入水温度は貯湯槽の温度状態によっても変動する。

特に、風呂追い焚きやラジエター等の貯湯槽内の熱を利用する端末を使用する場合は、熱利用端末内の湯と貯湯槽の湯を熱交換器によって熱交換した後の湯を貯湯槽下部へ戻す構成となっている。本来は、貯湯槽の底部には給水温度と同程度の温度の水が存在しているが、熱利用端末の利用が発生する場合は、熱交換器からの湯が下部の低い水と混合されるため、給水温度よりも高い中間的な温度となった中温水が貯湯槽の下部に生じる。また、風呂追い焚きやラジエター等の貯湯槽内の熱を利用しない場合でも、貯湯槽内の高温の湯と低温の水との境界部分では、熱伝導や対流によっても中温水が時間と共に増大する。この中温水が、沸き上げの際に加熱手段へ供給されると、入水温度が上昇することになり、ヒートポンプ式加熱手段の運転効率は著しく低下する。

従来、貯湯槽内で生じる中温水を取り除くために、貯湯槽の上下方向の中間的な位置に第２の出湯口を設け、中間位置に存在する湯を優先的に使用する構成としていた（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。図９に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１の湯水を加熱する加熱手段２と、貯湯槽１の上部に接続された第１出湯管３と、貯湯槽１の中間部分に接続された第２出湯管４と、貯湯槽１の第１出湯管３からの湯と第２出湯管４からの湯を混合させる第１混合弁６と、第２出湯管４が接続された位置での貯湯槽１内の湯温を検知する湯温検知手段１２と、給湯温度を設定する給湯温度設定手段３０とを設け、湯温検知手段１２により検知された湯温が給湯温度設定手段３０で設定された給湯設定温度以上であれば第２出湯管４から出湯し、給湯設定温度未満であれば第１出湯管３から出湯するように、第１混合弁６の流路を切り換える。

また、熱利用端末２３と、貯湯槽１の熱と熱利用端末２３内の熱を交換する熱交換器２０と、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１と、熱交換器２０と貯湯槽１の下部に接続された熱利用戻り管２２と、貯湯槽１から熱交換器２０へ湯を搬送するためのポンプ２５と、熱利用端末２３での利用熱温度を検知する熱利用温度検知手段２４と、熱利用端末２３での利用温度を設定する熱利用温度設定手段３１とを設け、熱利用端末２３による熱の利用が発生する場合は、熱利用温度検知手段２４の検知する温度と熱利用温度設定手段３１で設定された温度とに従ってポンプ２５を制御して流量を制御する。熱利用戻り管２２から戻る中温水は、貯湯槽１の下部から入水され、湯の利用に従って上昇し、第２
出湯管４から出湯して利用される。

特開２００３−２４０３４２号公報

しかしながら、湯温検知手段１２により検知された湯温が中温未満になり、更に給湯負荷が発生して中温水の領域（以下、中温層と称する）が湯温検出手段１２の上方に移動すると、沸き上げ運転で中温層の位置を湯温検出手段１２の下方に移動させない限り、第２出湯管から中温を取り出すことができなくなり、中温水を十分に利用できないという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯槽の中温水を利用する構成において、中温層の位置が第２出湯管位置の上方に移動した後に沸き上げ運転を行うことにより、中温層の位置を第２出湯管位置の下方に移動させることで中温水利用量を増大させることができ、省エネルギー性に優れた給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯式給湯装置は、加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯槽の上部に接続された第１出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２出湯管と、前記第２出湯管を流れる湯温を検知する中温検知手段と、制御装置とを備え、前記中温検知手段の検知温度が所定温度未満の場合に、前記加熱手段により加熱した湯を貯湯する沸き上げ運転を行うことを特徴とするものである。

これによって、貯湯槽内の中温水を、第２出湯管を通じて有効に利用することができる。

本発明によれば、貯湯槽の中温水を利用する構成において、中温水利用量を増大させることができ、省エネルギー性に優れた給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における貯湯式給湯装置の構成図 同給湯が発生する場合の制御ブロックを示す図 同給湯が発生する場合の運転動作のフローチャート 同貯湯槽内の温度分布の変化を示す図 同熱利用端末での熱利用が発生する場合の制御ブロックを示す図 同熱利用端末での熱利用が発生する場合の運転動作のフローチャート （ａ）同熱利用端末での熱利用が発生する前の温度分布を示す図（ｂ）同熱利用端末での熱利用が発生した直後の温度分布を示す図（ｃ）同熱利用端末での熱利用が発生した後、給湯が発生した後の温度分布を示す図 本発明の実施の形態２における貯湯式給湯装置の構成図 従来の給湯装置の構成図

第１の発明は、加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、前
記貯湯槽の上部に接続された第１出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２出湯管と、前記第２出湯管を流れる湯温を検知する中温検知手段と、制御装置とを備え、前記中温検知手段の検知温度が所定温度未満の場合に、前記加熱手段により加熱した湯を貯湯する沸き上げ運転を行うことを特徴とする貯湯式給湯装置で、中温水利用量を増大させることができ、省エネルギー性が向上するという効果がある。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態における貯湯式給湯装置の構成を示す図である。

図１において、給湯装置は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段２であるヒートポンプ装置と、貯湯槽１の上部に接続された第１出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管５と、第１出湯管３と給水管５とが接続された位置の間、すなわち、高さ方向において貯湯槽１の胴部略中央部に接続された第２出湯管４と、給水管５から分岐された給水分岐管１０と、第１出湯管３と第２出湯管４とが入口側に接続された第１混合弁６と、この第１混合弁６の出口側に接続された出湯管合流管８と給水分岐管１０とが入口側に接続された第２混合弁７と、この第２混合弁７の出口側に接続された混合水管９とを備えている。

また、この混合水管９に接続された給湯口１１と、第２出湯管４を流れる湯温を検知する中温検知手段１２と、出湯管合流管８を流れる湯温を検知する合流温検知手段１３と、混合水管９を流れる湯温を検知する給湯温度検知手段１４と、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１と、熱利用出湯管２１に接続された熱交換器２０と、貯湯槽１と熱利用出湯管２１、貯湯槽１と第２出湯管４が接続された位置の間に接続された熱利用戻り管２２と、熱交換器２０に接続された熱利用端末２３と、熱利用戻り管２２に流れる湯量を調整するポンプ２５と、熱利用端末２３に流れる湯温を検知する熱利用温度検知手段２４とを備えている。

さらに、給湯口１１の給湯温度を設定する給湯温度設定手段３０と、熱利用端末２３の熱利用温度を設定する熱利用温度設定手段３１と、中温検知手段１２と合流温検知手段１３と給湯温度検知手段１４の出力ならびに給湯温度設定手段３０の設定に基づいて第１混合弁６と第２混合弁７とを制御し、熱利用温度設定手段３１と熱利用温度検知手段２４の出力、ならびに熱利用温度設定手段３１の設定に基づいてポンプ２５を制御する熱利用制御手段３２と、中温検知手段１２の検知温度が所定温度未満に低下した場合に沸き上げ運転を行う沸き上げ制御手段３３とを有する制御装置３４とを備えている。

図２は制御のブロック図を示し、中温検知手段１２，合流温検知手段１３，給湯温度検知手段１４の出力と給湯温度設定手段３０の設定に基づいて第１混合弁６と第２混合弁７の制御を行う熱利用制御手段３２と、中温検知手段１２の出力と過去の給湯負荷とから沸き上げ運転の運転・停止を制御する沸き上げ制御手段３３からなる。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、沸き上げ運転を開始すると、貯湯槽１の水が、加熱手段であるヒートポンプ装置２に送出され、そこで加熱されて高温になった湯が、貯湯槽１に戻され貯湯される。これによって貯湯
槽１には高温の湯が貯えられていく。

沸き上げ後の給湯利用の際には、第１出湯管３と第２出湯管４とを通じて出湯される貯湯槽１の湯を第１混合弁６によって混合された出湯管合流管８内の湯と、給水分岐管１０からの給水を第２混合弁７によって給湯設定温度に混合されて給湯口１１へ供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管５を通じて貯湯槽１下部から流入する。

ここで、この給湯利用時の動作と熱利用端末利用時の動作を図３〜図７を用いて詳細に説明する。給湯温度は給湯温度設定手段３０で給湯設定温度として設定され、ｔｓを給湯口１１の給湯設定温度とし、ｔｓ２を例えば給湯設定温度ｔｓに対して＋５℃だけ高い温度とし、ｔｍを中温検知手段１２で検知した温度とする。また、ｔｅを熱利用温度検知手段２４で検出する温度とし、ｔｓ３を熱利用設定温度手段で設定される温度とする。

図３は、給湯が発生した場合の制御のフローチャートである。給湯が開始されると、ｔｍとｔｓ２の大小関係を判断し（ステップ１）、ｔｍがｔｓ２よりも高い場合は、第２出湯管４からのみ出湯するように、第１混合弁６を第２出湯管４側に全開にする（ステップ２）。

ｔｍがｔｓ２以下である場合は、合流温検知手段１３で検知する湯温に基づいて、合流温検知手段１３がｔｓ２になるように第１混合弁６の開度を調整する（ステップ３）。その後、給湯温度検知手段１４からの出力がｔｓになるように、第２混合弁７によって出湯管合流管８の湯と給水分岐管１０の水を混合する（ステップ４）。設定温度ｔｓに調整された湯は、混合水管９を通じて給湯口１１から給湯される。

図４は、貯湯槽１内の温度分布の変化を示した図である。横軸に温度、縦軸に貯湯槽１の高さを示し、４５の温度分布は、中間的な温度帯である中温層の上端が第２出湯管４の貯湯槽１との接続位置にある場合、つまり、中温層の給湯利用が開始される直前の様子である。第１出湯管３と第２出湯管４の両方から出湯される間、中温層は縮小しながら貯湯槽１の上方へ移動する。

両方から出湯したときの出湯管合流管８での湯温がｔｓ以下になると、第２出湯管４からの出湯は停止し、中温層はそのまま貯湯槽１の上方へ移動する。この結果、中温層の大きさは当初は１５ｆであったものが１５ｇまで縮小する。４６は、中温層１５ｇが第２出湯管４の接続位置を通過した時点の温度分布である。

第１出湯管３と第２出湯管４の両方から出湯したときの出湯管合流管８での湯温がｔｓ以下になって、第２出湯管４からの出湯が停止した時の中温検知手段１２の検知温度を所定温度ｔｍ１、給水管５からの給水温度をｔ０と定義すると、所定温度ｔｍ１は給水温度ｔ０に近い温度であることがわかっており、例えば、給水温度ｔ０に対して５℃だけ高い温度で近似することができる。この時の給水温度ｔ０は、給水管５に温度センサー（図示していない）を設置して検知してもよいし、通常、貯湯槽１の残湯量を把握するために、貯湯槽１の壁面に複数個備えられている残湯サーミスタ（図示していない）のうち、貯湯槽１の底部の検知温度を代用しても良い。

中温検知手段１２の検知温度ｔｍがｔｍ１未満になった場合（ステップ５）、沸き上げ制御手段３３で沸き上げ運転を行い（ステップ６）、中温層の位置を第２出湯管４の接続位置よりも下方に移動させた後に沸き上げ運転を停止し、ステップ１に戻る。これにより、その後の給湯時にはステップ１またはステップ２に移行して、第２出湯管４から再度中温を利用することができる。

このように、中温層の位置が第２出湯管４接続位置を通過して上方に移動すると第２出湯管４からの中温は利用できなくなるが、沸き上げ運転で中温層の位置を第２出湯管４接続位置よりも下方に移動させることにより、再度、第２出湯管４からの中温が利用できることになり、中温層の領域１５ｇは、更に縮小することになるのである。

図５は、熱利用端末２３での熱利用があった場合の制御のブロック図を示し、熱利用温度検知手段２４の出力と、熱利用温度設定手段３１の設定に基づいて、ポンプ２５の制御を行う熱利用制御手段３２からなる。

図６は、熱利用端末２３での熱利用があった場合の制御のフローチャートである。熱利用端末での利用が開始されると、熱利用温度検知手段２４で熱利用端末の温度ｔｅを検知し、ｔｅと熱利用端末設定温度ｔｓ３との比較を行う（ステップ７）。ｔｅがｔｓ３よりも低い場合は、ポンプの駆動を開始し（ステップ８）、高い場合は、ポンプの駆動を停止する（ステップ９）。

図７は、貯湯槽１内の熱利用戻り管２２からの湯による温度変化と、給湯が発生した場合の温度変化について説明したものであり、横軸に温度、縦軸に貯湯槽１高さをとって温度分布を示す。Ｔ１は給水温度であり、Ｔ３は貯湯槽１上部の温度、Ｔ２は熱利用戻り管２２からの湯の流入により生じた中温水の温度である。

図７（ａ）の６１は初期の温度分布であり、その状態から貯湯槽１の上部に熱利用戻り管２２からの湯が流入した場合、図７（ｂ）の６２に示すような温度分布となる。Ｔ２は、熱利用戻り管２２から流入する温度とＴ３によって変化するが、必ず、貯湯槽１の熱利用戻り管２２が接続されている位置より下の湯が中温水となる。

その後、給湯が発生した場合、第２出湯管４が熱利用戻り管２２よりも下の位置に接続されているため、熱利用戻り管２２により生じた中温水が、優先的に利用され、熱利用戻り管２２による温度分布変化の影響を取り除くことができる。

また、熱利用戻り管２２は貯湯槽１の上部に接続されており、貯湯槽１下部の温度が給水温度Ｔ１に保たれているため、沸き上げ時に加熱装置に中温水が循環して効率が低下することは無くなる。

図６及び図７で示したように、熱利用端末２３での熱利用により中温層が増大した場合であっても、給湯時に第２出湯管４から中温を利用することで中温層の領域は縮小し、更には、沸き上げ運転で中温層の位置を第２出湯管４接続位置よりも下方に移動させることにより、再度、第２出湯管４から中温を利用することで中温層の領域が一層縮小することになるのである。

このように、本発明の実施の形態１によれば、中温層の位置が第２出湯管４接続位置を通過して上方に移動して第２出湯管４からの中温は利用できなくなった場合に、沸き上げ運転で中温層の位置を第２出湯管４接続位置よりも下方に移動させることにより、再度、第２出湯管４からの中温が利用可能となり、中温水の利用量が増大して、高い省エネルギー性をと実現できる。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における貯湯式給湯装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、一端を熱交換器２０に接続された熱利用戻り管２２の他端を、貯湯槽１の下部に接続している点である。

風呂追い焚きやラジエター等の貯湯槽内の熱を利用する場合は、熱交換器からの湯が下部の低い水と混合されるため、給水温度よりも高い中間的な温度となった中温水が貯湯槽の下部に生じる。

また、風呂追い焚きやラジエター等の貯湯槽内の熱を利用しない場合でも、貯湯槽内の高温の湯と低温の水との境界部分では、熱伝導や対流によっても中温水が時間と共に増大する。

このような構成においても、中温層の位置が第２出湯管４接続位置を通過して上方に移動して第２出湯管４からの中温は利用できなくなった場合に、沸き上げ運転で中温層の位置を第２出湯管４接続位置よりも下方に移動させることにより、再度、第２出湯管４からの中温が利用可能となり、中温水の利用量が増大して、高い省エネルギー性を実現できる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、貯湯槽内の湯の熱を利用する場合において熱利用端末利用による効率の低下を減少させるので、前記したような家庭用の給湯装置に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた省エネルギー性を提供できる。

１ 貯湯槽
２ 加熱手段（ヒートポンプ装置）
３ 第１出湯管
４ 第２出湯管
５ 給水管
６ 第１混合弁
７ 第２混合弁
８ 出湯管合流管
９ 混合水管
１０ 給水分岐管
１１ 給湯口
１２ 中温検知手段
１３ 合流温検知手段
１４ 給湯温度検知手段
１６ 沸き上げ管
２０ 熱交換器
２１ 熱利用出湯管
２２ 熱利用戻り管
２３ 熱利用端末
２４ 熱利用温度検知手段
２５ ポンプ
３０ 給湯温度設定手段
３１ 熱利用温度設定手段
３２ 熱利用制御手段
３３ 沸き上げ制御手段
３４ 制御装置

Claims (1)

1. 加熱手段と、前記加熱手段により加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、前記貯湯槽の上部に接続された第１出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２出湯管と、前記第２出湯管を流れる湯温を検知する中温検知手段と、制御装置とを備え、前記中温検知手段の検知温度が所定温度未満の場合に、前記加熱手段により加熱した湯を貯湯する沸き上げ運転を行うことを特徴とする貯湯式給湯装置。

Images