JP2012127633A - 給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の熱源機を備える給湯システムにおいて、消費電力を抑制する。
【解決手段】給湯システム１は、熱源機として複数のヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２を備え、沸き上げられた湯がタンク８に送られて貯留される。ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２は、制御装置１６から送信される制御信号により稼働・停止制御される。制御装置１６は、制御信号を送信する制御部１８と、タンク８内の残湯量及びカラン１１からの出湯量に基づいて使用湯量を検出する使用湯量検出部１９と、使用湯量、沸き上げに必要な時間に関するデータテーブル２３を備える。制御部１８は、データテーブル２３を参照し、検出した使用湯量と、沸き上げまでに許容される時間とに基づいて、稼働するヒートポンプの台数を決定する。使用湯量に応じて極力少ない台数のヒートポンプにより比較的長い時間をかけて湯を生成するので、トータルの消費電力が抑制される。
【選択図】図１

Description

本発明は複数台の熱源機を備える給湯システムに関する。

熱源機として複数台のヒートポンプを備える給湯システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この給湯システムでは、複数台のヒートポンプを個別に稼働・停止できるようにして、予測されるデマンド値が契約した最大需要電力を越えそうな場合には、稼働するヒートポンプの台数を減らし、最大需要電力が更新されないように制御している。

特開２００８−２６７７０８号公報

ところで、熱源機としてヒートポンプを備える給湯システムでは、通常、電力料金が安い夜間においてヒートポンプを稼働して湯を少量ずつ生成し、生成した湯は、タンクに集めて貯留し、例えばレストラン設備であれば、タンクに接続された厨房などの給湯端末にて日中消費される。そして、日中に消費されて減少したタンク内の湯（使用湯量）を補充するように、再び夜間において生成しタンク内に貯留する。

一方、工場設備向けなどにおいて大容量のタンクを備える給湯システムがあり、この場合、大容量タンクに対して１台の大型のヒートポンプを設けるのではなく、小型のヒートポンプを多数台（例えば、１０台以上）連結して設け、必要な湯の生成能力を持たせる構成としている。このようにタンクの容量が大きい場合には、使用湯量の変動幅が大きくなり、夜間において生成するべき湯量の変動幅も大きくなりがちである。ところが、従来では、湯の生成を開始するにあたって、使用湯量に関わらず、全台数のヒートポンプを一斉に稼働して湯を生成していた。

全台数のヒートポンプを稼働させる場合、使用湯量を沸き上げてタンクを補充するまでに要する時間は短くて済むが、消費電力の増大につながりやすい。何故なら、ヒートポンプは稼働開始時に比較的大きな電力を必要とし、多くの台数を一斉に稼働開始する分だけ余分に電力を必要とするからである。また、ヒートポンプ間を連結する配管などに奪われる熱量は、台数が多くなるほど多くなり、そのことからも消費電力の増大につながりやすい。

そこで、本発明は、複数の熱源機を備える給湯システムにおいて、消費電力を抑制することができる給湯システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、複数台の熱源機と、該複数台の熱源機から供給される湯を集めて貯留するタンクとを備える給湯システムにおいて、前記タンクの使用湯量を検出する使用湯量検出部と、前記使用湯量検出部により検出した使用湯量に応じて稼働する前記熱源機の台数を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

前記熱源機の過去の稼働時間を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記記憶部に記憶された過去の稼働時間を参照して稼働時間が最も短い熱源機を優先的に稼働させるものであることが好ましい。

前記熱源機の稼働中の使用湯量の変化を検出する使用湯量変化検出部を備え、前記制御部は、前記使用湯量変化検出部により検出された使用湯量の変化の程度が所定の幅より小さい場合には、熱源機の稼働台数を変化させないヒステリシス性を持たせて制御するものであることが好ましい。

使用湯量、熱源機台数、及び沸き上げに必要な時間に関するデータテーブルを備え、前記制御部は、前記データテーブルを参照し、前記使用湯量検出部により検出した使用湯量と沸き上げまでに許容される時間に基づいて前記熱源機の稼働台数を決定するものであることが好ましい。

前記制御部は、複数の前記熱源機を、時間的に互いにずらしたタイミングで稼働させるものであることが好ましい。

本発明によれば、使用湯量に応じて熱源機の稼働台数を制御するので、少ない台数で比較的長い時間をかけて湯を生成することができ、その結果、消費電力を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る給湯システムのブロック図。 同給湯システムにおいて記憶部に記憶されたヒートポンプ毎の過去の稼働時間の例を示す図。 同給湯システムにおけるデータテーブルを示す図。 同給湯システムにおいてデータテーブルを参照して求めたヒートポンプの必要稼働台数の変化と実際の稼働台数の変化を示す図。 同給湯システムにおいて複数台のヒートポンプを、タイミングをずらして稼働開始するときの電力量の変化を示す図。 同給湯システムにおける電力量の変化と従来の給湯システムにおける電力量の変化を示す図。

以下、本発明の一実施形態に係る給湯システムについて、図１〜６を参照して説明する。本実施形態の給湯システム１は、図１に示されるように、熱源機として１２台のヒートポンプ２−１、２−２、・・２−１２を備える。４台ずつのヒートポンプ２−１、・・２−４、２−５、・・２−８、２−９、・・２−１２が、小容量（例えば５０リットル）の貯湯タンク３−１、３−２、３−３に接続されて、各々４台のヒートポンプと１台の貯湯タンクの組合せからなる３つの給湯ユニット４、５、６に構成されている。

各貯湯タンク３−１、・・３−３には、図示しない給水管を介して市水が供給され、各貯湯タンク３−１、・・３−３に溜まった市水がヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２に循環されることにより所定の温度（例えば９０度）まで加熱される。貯湯タンク３−１、・・３−３は、管寄せ配管７により大容量（例えば１０００リットル）の大型タンク８に接続されており、各貯湯タンク３−１、・・３−３内の水が所定温度まで沸き上げられた段階で、大型タンク８へ送られるようになっている。また、給湯ユニット４、５、６による湯生成は、原則として、電力料金が安い夜１０時から朝８時までの間（以下、運転時間帯という）に行われる。

大型タンク８には、給水配管９を介して、給湯端末として多数のカラン１１が接続され、内部にはタンク８内の残りの湯量及び湯温度を検出するセンサ８ａが設けられている。各カラン１１は、手動又は自動によりバルブ１２を開けることによって出湯が開始され、各カラン１１からの出湯量が流量計１３により計測されるようになっている。大型タンク８内のセンサ８ａ及び流量計１３は、それぞれ通信線１４、１５により後述する制御装置１６に接続され、残湯量、流量などのデータを制御装置１６へ送信する。なお、大型タンク８に接続される給湯端末はカランの他にも種々の設備が可能である。

ヒートポンプ２−１、２−２、・・２−１２は、各々通信線１７−１、１７−２、・・１７−１２を介して制御装置１６に個別に接続され、制御装置１６からの制御信号によって稼働・停止を含む種々の運転制御が行われる。制御装置１６は、通信線１７−１、１７−２・・１７−１２を介して各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２へ制御信号を送る制御部１８と、センサ８ａ及び流量計１３から送られる残湯量、及びカラン１１の流量などのデータに基づいて使用湯量を検出する使用湯量検出部１９と、使用湯量の変化を検出する使用湯量変化検出部２１と、各ヒートポンプ２−１、２−２、・・２−１２の過去の稼働時間を記憶する稼働時間記憶部（記憶部）２２と、稼働台数を決定するためのデータテーブル２３を格納したメモリ２４と、を備える。制御部１８、使用湯量検出部１９、使用湯量変化検出部２１、及び稼働時間記憶部２２は、それぞれマイクロプロセッサから構成される。

使用湯量検出部１９は、センサ８ａから送信されるタンク８内の残湯量のデータ及び各流量計１３から送信されるカラン１１（給湯端末）における出湯量のデータに基づいて、給湯ユニット４、５、６によって生成する必要がある湯量（使用湯量）を算出し、算出した使用湯量を制御部１８へ送信する。具体的には、タンク８の満タン時の容量から現在の残湯量を減算し、カラン１１（給湯端末）からの出湯量を加算する。

使用湯量変化検出部２１は、所定時間（例えば３０分）毎に使用湯量検出部１９によって算出された使用湯量を比較し、使用湯量の変化量を算出して制御部１８に送信する。例えば、沸き上げ開始時点（午後１０時）において使用湯量が５００リットルであり、次の検出時点（午後１０時３０分）では使用湯量が４５０リットルに変化していた場合には、制御部１８に対して変化量が５０リットルであることを送信する。

稼働時間記憶部２２は、制御部１８から各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の稼働時間のデータを取得し、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２毎の過去の稼働時間の合計を算出して記憶する。図２に稼働時間記憶部２２に記憶された内容の例を示す。なお、稼働時間記憶部２２は、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の過去の累積稼働時間のデータを記憶するメモリ機能だけを備え、ヒートポンプを稼働することにより逐次更新される累積稼働時間の算出は制御部１８が行うようにしてもよい。

メモリ２４に格納されたデータテーブル２３は、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の沸上げ能力に基づいて予め算出されたものであり、（使用湯量）及び（沸き上げまでに必要な時間）の２つの条件がそれぞれ変化したときの、稼働が必要なヒートポンプの台数を示すものである。具体的には、図３に示されるように、横軸に（使用湯量）、縦軸に（沸き上げまでに必要な時間）をとったテーブルとして格納されている。使用湯量が多いほど、多くの稼働台数が設定され、使用湯量が少ないほど少ない稼働台数が設定されている。また、湧き上げまでに必要な時間が長いほど少ない稼働台数が設定され、湧き上げまでに必要な時間が短いほど多くの稼働台数が設定されている。

条件としての（湧き上げまでに必要な時間）は、運転時間帯が約１０時間に制限されていることから、湧き上げを開始した時点から運転時間帯の終了するまでの時間を表し、湧き上げまでに許容される時間でもある。したがって、実際のデータテーブル２３における条件としての（沸き上げまでに必要な時間）の最長値は約１０時間である。また、条件としての（使用湯量）の最多値は、ほぼタンク８の満タン時の容量に相当し、約１０００リットルである。

例えば、いま、工場設備などにおいて運転時間帯（夜間）における給湯端末からの出湯が多く、運転時間帯の終盤になっても生成が必要な湯量（使用湯量）が多い場合には、（使用湯量）が「多」であり、（湧き上げまでに必要な時間）は「短」であるので、必要な稼働台数は、データテーブル２３の右上部（３１）の全１２台となる。（使用湯量）が「多」であっても、湧き上げまでに十分な時間がある場合には、（湧き上げまでに必要な時間）が「長」になるので、必要な稼働台数は右下部（３２）の１０台になる。

また、（使用湯量）が「少」であっても、湧き上げまでに許容される時間が短い場合には、必要稼働台数は左上部（３３）の５台になり、さらに、湧き上げまでに許容される時間が長い場合には、必要稼働台数は左下部（３４）の１台となる。

なお、制御装置１６がデータテーブル２３を持たない場合には、制御部１８が、必要な稼働台数を、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の沸上げ能力と、使用湯量検出部１９により検出された使用湯量と、沸き上げまでに許容される時間と、に基づいて、逐次、所定の演算式を用いて算出する。これに対して、本給湯システム１では、制御装置１６がデータテーブル２３を持つので、上記の演算処理を省略することができ、制御部１８の負荷を低減させることができる。また、例えば、ヒートポンプの台数を増加させるなどの、給湯システム１の拡張を行う場合には、データテーブル２３を変更したり、追加することによって容易に対応することができる。

本給湯システム１の動作について図４を参照して説明する。図４は、本給湯システムが湯の生成を開始（Ｔ１）してからのヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の稼働台数の経時的変化を表す。点線４１がデータテーブル２３を参照して求めた計算上のヒートポンプの必要活動台数であり、実線４２が実際のヒートポンプの稼働台数である。

いま、湯の生成開始時点（Ｔ１）において、タンク８内の残湯量が僅少（使用湯量が最多）であるとする。この状態で制御部１８は、使用湯量検出部１９が検出した使用湯量のデータと、制御部１８が内蔵するタイマの時刻データにより算出した沸き上げまでに許容される時間のデータと、に基づき、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数を求める。Ｔ１が運転時間帯の開始時刻（夜１０時）であるとすると、沸き上げまでに必要な時間は最長になるので、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数は１０台になる。

そして、制御部１８は、求めた稼働台数（１０台）分のヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２に制御信号を送信して稼働を開始させる。このとき、制御部１８は、稼働時間記憶部２２に記憶された各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２毎の過去の稼働時間を参照して稼働時間が最も短いヒートポンプから優先的に稼働させる。稼働時間記憶部２２に記憶されたデータが図２に示すものであるときには、制御部１８は、３番目からの１０台のヒートポンプ２−３、２−４・・２−１２に対して制御信号を送信して、稼働させる。このように、稼働時間が短いものから優先的に稼働することにより、ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２内の寿命部品（コンプレッサなど）への負荷を均等化することができ、特定のヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の機器効率が早期に低下することを防止することができる。

ヒートポンプ２−３、２−４・・２−１２を稼働することにより給湯ユニット４、５、６で湯が生成され、生成された湯が貯湯タンク３−１、３−２、３−３から逐次大型タンク８へと送られる。カラン１１（給湯端末）からの出湯が無い（あるいは少ない）場合には、使用湯量（生成が必要な湯量）が徐々に減少する。

Ｔ２の時点において、制御部１８は、使用湯量検出部１９からの使用湯量のデータと、使用湯量変化検出部２１からの使用湯量の変化量のデータを受信し、使用湯量のデータと、沸き上げまでに許容される時間のデータと、に基づき、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数を求める。Ｔ２時点では使用湯量が減少しているので、データテーブル２３から求められた台数は８台である。このとき、制御部１８は、受信した変化量の値が所定の基準幅以内であるか否かに基づいて、基準幅以内である場合には、実際の稼働台数を変化させずヒステリシス性を持たせた制御を行う。

具体的には、例えば、Ｔ２時点で使用湯量変化検出部２１から受信した変化量の値が１０リットルであり、基準幅が２０リットルであるとすると、制御部１８は、変化量が基準幅以内であるので、稼働台数を現在の１０台のまま維持する。

制御部１８がヒステリシス性を持たせた制御を行うことにより、ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の稼働・停止の頻度が抑制され、寿命部品への負担を軽減させることができる。また、ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の起動時には、熱交換のためのファンを駆動させることから比較的大きな電力を必要とするが、稼働・停止の頻度が抑制されることから、トータルの消費電力を抑えることにもなる。

Ｔ３の時点において、制御部１８は、Ｔ２の時点と同様に、使用湯量のデータと変化量のデータを受信し、使用湯量のデータと、沸き上げまでに許容される時間のデータと、に基づき、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数を求める。Ｔ３の時点では使用湯量がさらに減少しているので、データテーブル２３を参照して求めた台数は２台である。このとき、制御部１８は、使用湯量の変化量が基準幅以内か否かを判断し、変化量（例えば、３０リットル）が基準幅（２０リットル）を越えているので、稼働している１０台のヒートポンプのうち８台を停止させ、稼働台数を２台に減少させる。

Ｔ４の時点において、制御部１８は、同様に、使用湯量のデータと変化量のデータを受信し、使用湯量のデータと、沸き上げまでに許容される時間のデータと、に基づき、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数を求める。Ｔ４の時点では、カラン１１からの出湯があり、使用湯量（生成が必要な湯量）が増加しているので、データテーブル２３を参照して求めた台数は４台になっている。また、制御部１８は、受信した使用湯量の変化量の値が基準幅以内か否かを判断し、変化量（例えば、８リットル）が基準幅（２０リットル）以内であるので、稼働台数を２台のまま維持する。

さらに、Ｔ５の時点において、制御部１８は、使用湯量のデータと変化量のデータを受信し、データテーブル２３を参照して必要な稼働台数を求める。Ｔ５の時点では、カラン１１から大量の出湯があり、使用湯量（生成が必要な湯量）が大幅に増加し、沸き上げまでに許容される時間が短くなってきているので、データテーブル２３を参照して求められる台数は、最大の１２台になる。そして、制御部１８は、使用湯量の変化量が基準幅以内か否かを判断し、このＴ５の時点では、変化量が基準幅を越えることから、実際の稼働台数を１２台へ増加させる。

上記タイミングＴ１〜Ｔ５は、使用湯量変化検出部２１が使用湯量の変化を検出するタイミング（例えば、３０分毎）と同じであってもよいし、制御部１８自体が有するタイマに基づいた所定の間隔のタイミングであってもよい。

また、上記Ｔ１時点及びＴ５時点のように、複数のヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２を稼働開始するときには、制御部１８は、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２を稼働させるための制御信号を、時間的に互いにずらしたタイミングで送って、複数のヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２を時間的にずらして稼働させる。

具体的には、図５に示したように、ｔ１時点で最初のヒートポンプ２−１に稼働のための制御信号を送り、短時間（例えば、１０秒）後のｔ２時点で次のヒートポンプ２−２に対して制御信号を送り、・・といった制御を行う。これにより、ヒートポンプ２−１、２−２・・２−６の起動時の突入電流に起因する電力のピークｐ１、ｐ２・・ｐ６が分散されて、デマンド値を抑えることができ、ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２へ電源を供給する電源機器（図示せず）への負担を軽減することができる。また、電源機器と各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−６の接続路にあるブレーカなどの機器にかかる負荷変動を小さくすることができる。

仮に、制御部１８が複数のヒートポンプ２−１、２−２・・２−６に対して稼働を開始させる制御信号を同時に送信した場合には、突入電流が重なるので、電力量は、点線５１で示したように、大きなピークＰを持つことになり、デマンド値が契約した最大需要電力を越えてしまう虞が生じる。

以上のように、制御部１８は、使用湯量検出部１９が検出する使用湯量に応じて、極力少ない台数により、許容される時間内において比較的長い時間をかけて湯を生成するようにヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の稼働台数を制御するので、消費電力を抑えることができる。

これについて、図６を参照して説明する。図６において、点線６１は、従来の給湯システム１において、例えば、１２台のヒートポンプを稼働させて所定量の湯を生成するときの電力量を示し、実線６２は、本給湯システム１において、例えば６台のヒートポンプを稼働させて同量の湯を生成するときの電力量を示す。本給湯システム１では、従来の給湯システムに比べて、同量の湯を生成するために比較的長い時間かかるが、稼働台数が少ない分だけ、稼働開始時の比較的大きな電力量を要するヒートポンプ台数が少なくて済み、沸き上げ開始時のヒートポンプ自体や配管により奪われる熱量のロスも少なくて済むことから、トータルの電力量が抑えられる。各給湯システムにおけるトータル電力量は、各線６１、６２の矩形部分６１ａ、６２ａの面積に相当する。

また、湯を生成する過程において、電力量の最大値が抑えられるので、デマンド値を低く抑えることができ、デマンド値が契約した最大需要電力を越え、最大需要電力が大きい値に更新されてしまう虞を低減することができる。

なお、熱源機としてヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２の代わりに、ガス加熱器、太陽熱加熱器などの他のものを用いてもよい。また、各給湯ユニット４、５、６の貯湯タンク３−１、３−２、３−３は、極めて小容量のバッファ的なものであり、各ヒートポンプ２−１、２−２・・２−１２とタンク８とが実質的に直接接続されたものであってもよい。

１ 給湯システム
２−１、２−２・・２−１２ ヒートポンプ（熱源機）
８ タンク
１８ 制御部
１９ 使用湯量検出部
２１ 使用湯量変化検出部
２２ 稼働時間記憶部（記憶部）
２３ データテーブル

Claims (5)

1. 複数台の熱源機と、該複数台の熱源機から供給される湯を集めて貯留するタンクとを備える給湯システムにおいて、
   前記タンクの使用湯量を検出する使用湯量検出部と、
   前記使用湯量検出部により検出した使用湯量に応じて稼働する前記熱源機の台数を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする給湯システム。
2. 前記熱源機の過去の稼働時間を記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記記憶部に記憶された過去の稼働時間を参照して稼働時間が最も短い熱源機を優先的に稼働させることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記熱源機の稼働中の使用湯量の変化を検出する使用湯量変化検出部を備え、
   前記制御部は、前記使用湯量変化検出部により検出された使用湯量の変化の程度が所定の幅より小さい場合には、熱源機の稼働台数を変化させないヒステリシス性を持たせて制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の給湯システム。
4. 使用湯量、熱源機台数、及び沸き上げに必要な時間に関するデータテーブルを備え、
   前記制御部は、前記データテーブルを参照し、前記使用湯量検出部により検出した使用湯量と沸き上げまでに許容される時間に基づいて前記熱源機の稼働台数を決定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の給湯システム。
5. 前記制御部は、複数の前記熱源機を、時間的に互いにずらしたタイミングで稼働させることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。

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