JP2013204820A - 給湯システム - Google Patents

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Abstract

【課題】熱源機に異常が発生したとしても、湯が使えない不便さを回避または緩和できる給湯システムを提供すること。
【解決手段】給湯システム1は、熱源機2と、熱源機2により加熱されることで作られる湯を貯留する貯湯タンク3と、貯湯タンク3内の湯を供給先まで導く給湯経路4と、給湯システム1に異常が発生した非常時に実行される非常モードにおける供給先への給湯設定温度の下げ幅ΔTを設定する給湯温度下げ幅設定手段51と、下げ幅ΔTに応じて貯湯タンク3に水を導入する水導入手段32、および給湯経路4内の湯に下げ幅ΔTに応じて水を混合する水混合手段42の少なくとも一方と、を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、給湯システムに関する。
電気ヒートポンプに代表される貯湯式給湯機を用いる給湯システムは、熱源機により加熱されることで作られる湯を貯湯タンクに貯留し、貯湯タンクから取り出される湯を混合弁にて水と混合して給湯設定温度に温度制御し、給湯管を通じてユーザーに供給する。
このような給湯システムでは、出湯可能な最高温度の湯を貯湯タンクに貯留するのが一般的であり、ヒートポンプ給湯機では、冷媒によっては90℃を超える高温の湯を給湯可能である。
このような給湯システムは、例えば、病院、介護施設、保育施設、工場などの比較的規模の大きい施設でもシャワー、カランからの給湯、あるいは温水暖房、温水殺菌・洗浄などに利用されており、各施設では管理者による管理の下に運用されている。
ここで、災害時の対策を講じたものとして、特許文献1および特許文献2の給湯システムが提案されている。特許文献1では、災害発生を検知すると、その後の断水や停電に備えて低温での沸き上げを実施し、貯湯タンクから使い易い温度の湯を取り出せるようにしている。
一方、特許文献2は、災害による断水、停電が発生した後、復旧するときに、貯湯タンク内の温度センサの検出温度に基づく沸き上げ異常検出機能が働かないように、災害時モードを設け、災害時モードのときには沸き上げ異常検出機能を無効化している。
特開2007−255753号公報 特開2009−162415号公報
災害時に限らず、給湯システムに異常が発生しうる。特許文献1,2では、沸き上げを行うために熱源機が動作することを前提とするが、熱源機に用いられる部品や計器の故障や破損により、熱源機が動作しない事態も想定される。
ここで、給湯システムに異常が発生した非常時には、点検、修理にあたるサービスマンが速やかに派遣される。しかし、遠隔地や繁忙期のためにサービスマンが到着するまでの時間が長いと、熱源機が動作せず湯が作られない場合には貯湯タンク内の湯が枯渇してしまい、湯を全く使用できない状況に置かれたユーザーの不便が増大する。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、熱源機に異常が発生したときに湯が使えない不便さを回避または緩和できる給湯システムを提供することを目的とする。
本発明の給湯システムは、熱源機と、熱源機により加熱されることで作られる湯を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンク内の湯を供給先まで導く給湯経路と、を備える給湯システムであって、給湯システムに異常が発生した非常時に実行される非常モードにおける供給先への給湯設定温度の下げ幅を設定する給湯温度下げ幅設定手段と、下げ幅に応じて貯湯タンクに水を導入する水導入手段、および給湯経路内の湯に下げ幅に応じて水を混合する水混合手段の少なくとも一方と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、異常発生により熱源機の動作が停止したときに、水導入手段により、貯湯タンクに給湯設定温度からの下げ幅に応じて水を加えるか、または水混合手段により、給湯経路内の湯に下げ幅に応じて水を混合する非常モードを実行することにより、貯湯タンク内の残湯を供給先に給湯可能な時間を延長することができる。したがって、湯が使えない不便さを回避または緩和できる。
給湯システムの管理者は、供給先の給湯設定温度を把握していなくても、給湯設定温度からの下げ幅を設定するだけで、供給先に低い温度で湯を分配可能となる。
ここで、本発明の給湯システムは、供給先への給湯設定温度に基づいて水導入手段および水混合手段を選択的に備えることが好ましい。衛生上の目的において貯湯タンク内の湯温の下限が決められるとき、給湯設定温度がその下限温度以下であれば、貯湯タンク内の湯温の下げ代がないので、水導入手段ではなく、水混合手段を選択すればよい。
本発明の給湯システムでは、貯湯タンクの容量と、貯湯タンク内の湯量および湯温と、供給先への給湯設定温度および下げ幅と、に基づいて、給湯可能な推定時間または推定時間を示す尺度を確認する推定時間確認手段を備えることが好ましい。
この発明によれば、推定時間またはその尺度を確認することにより、貯湯タンクへの水導入あるいは給湯経路内の湯への水混合の必要性を状況に応じて判断できるので、非常モードを適切に実行することができる。
また、推定時間またはその尺度を確認してから、下げ幅を変更することができるように構成すれば、給湯可能な推定時間と、湯温の低下とのバランスを取りながら、貯湯タンク内の残湯の有効活用を図ることができる。
本発明の給湯システムでは、複数の供給先が第1優先度と、それよりも優先度が低い第2優先度とに区分され、貯湯タンクから第1優先度の供給先に繋がる第1経路と、貯湯タンクから第2優先度の供給先に繋がる第2経路と、非常時に第2経路を貯湯タンクから切り離す切替弁と、を備えることが好ましい。
非常時に、切替弁を動作させることにより、貯湯タンクから第2経路を切り離すと、貯湯タンク内の湯は第1経路を通じて優先度の高い第1優先度の供給先のみに供給される。
この発明によれば、非常時にも給湯が必要とされる供給先に貯湯タンク内の湯を集中させる手段を提供することにより、ユーザーの満足度を高めることができる。
本発明の給湯システムによれば、熱源機に異常が発生したとしても、貯湯タンク内の残湯を所定温度だけ低い温度で供給先に給湯することにより、貯湯タンク内の湯が早期に枯渇して全く湯が使えない不便さを回避できる。
第1実施形態における給湯システムの構成を示す図である。 制御装置の内部構成を示す図である。 異常発生により熱源機の動作が停止したときの処理を示すフロー図である。 給湯設定温度および出湯温度に応じて本発明の実施形態が分類されることを説明するための図である。 図4に基づいて分類される本発明の給湯システムの構成を示す図である。 第2実施形態における給湯システムの概略構成図である。
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
図1に示すヒートポンプ給湯システム1は、熱源機2と、熱源機2により加熱される湯を貯留する貯湯タンク3と、貯湯タンク3内の湯を供給先まで導く給湯経路4と、システム各部の動作を制御する制御装置5とを備えている。
ヒートポンプ給湯システム1の管理者は、制御装置5と通信するリモートコントローラ(以下、リモコン)6や、熱源機2に設けられた図示しない制御端末を用いて、システムの運転状況、各種設定状況の確認や、動作の指示を行う。
熱源機2は、冷媒(例えば二酸化炭素)が循環する冷媒循環路R1と、水が循環する水循環路R2とを有しており、圧縮、凝縮、膨張および蒸発の冷凍サイクルを形成している。冷媒循環路R1上には、第1熱交換器21、圧縮機22、第2熱交換器23、および膨張弁24が設けられている。水循環路R2上には、第2熱交換器23,水循環ポンプ25、および貯湯タンク3が設けられている。
熱源機2を動作させると、圧縮機22で高温・高圧とされた冷媒が冷媒循環路R1を介して第2熱交換器23を通り、さらに、膨張弁24、第1熱交換器21を通って圧縮機22へと流入する一方、水循環ポンプ25から吐出される水が第2熱交換器23を通って貯湯タンク3に流入する。熱源機2は、冷凍サイクルの凝縮過程で高温とされる冷媒を熱源としており、高温冷媒と水とが第2熱交換器23で熱交換されることによって作られた湯が貯湯タンク3に貯められる。
貯湯タンク3は、給湯量に見合った容量を有しており、1つ以上設けられている。貯湯タンク3内には、水位および湯温を計測するのに用いられる複数の温度センサ31が高さの異なる複数位置に設けられている。この貯湯タンク3内の湯は、所定温度以上に維持される。以下、この所定温度のことをタンク下限温度Tminと呼ぶ。このタンク下限温度Tminは、例えば温度衛生上の観点から65℃とされる。
また、貯湯タンク3には、貯湯タンク3内に水を導入する水導入手段32が接続されている。
給湯経路4は、貯湯タンク3と各供給先とを結ぶ配管からなる。
図2に示す制御装置5は、給湯システム1の非常時のために用いられる機能に特徴を有している。
ここで、非常時は、給湯システム1に異常が発生したときをいう。給湯システム1の異常は、例えば、部品の損傷、センサや弁の断線あるいは短絡などによって生じる。熱源機2に異常が発生し、熱源機2の動作が停止してしまうと、湯が作られなくなる。そのような事態が起きたとしても、貯湯タンク3内の湯を長時間利用できるように、給湯システム1には非常モードが用意されている。
制御装置5は、非常時モードの有効/無効を設定する非常モード有効/無効設定手段51と、非常時に実行される非常モードで用いられる各設定項目を設定する非常時設定手段52と、非常時の貯湯タンク3内の湯の温度および量に基づいて給湯可能な推定時間を算出し、表示する推定時間確認手段53と、非常モードを実行する非常モード実行手段54とを備えている。
非常モード有効/無効設定手段51は、非常モードを有効とするか無効とするかを設定する。
非常時設定手段52は、非常モードが有効の場合に設定可能とされており、非常モードにおける給湯設定温度の下げ幅ΔT、一日の平均的使用時間h、タンク容量Vをそれぞれ設定する。
ここで、非常モードは、上述の水導入手段32により、最大、貯湯タンク3内の湯温からタンク下限温度Tminまでの下げ代で貯湯タンク3内に水を加えて、給湯設定温度よりも低い温度とした湯を供給先に給湯する。これにより、熱源機2の異常発生により湯が作られない事態が生じたときに、貯湯タンク3内の残湯による給湯持続時間を延長することができる。貯湯タンク3内には、給湯設定温度の下げ幅ΔTに応じた量の水が導入される。
給湯温度の下げ幅ΔTは、給湯設定温度から何℃下げるかを示す値であり、給湯設定温度に対する比率で表すこともできる。下げ幅ΔTを大きくすると給湯持続時間が長くなるが、湯の利用目的による下げ幅許容限度、およびタンク下限温度Tminも考慮してΔTが決められる。
一日の平均的使用時間hは、例えば、給湯システム1が設置される施設の作業時間が8時〜20時であれば12時間と設定する。この項目は、後述するように、非常時に給湯可能な推定時間hを算出するのに用いられる。
タンク容量Vには、貯湯タンク3の規定容量を設定する。複数の貯湯タンク3がある場合には、それらの総容量を設定する。このタンク容量VTは、システム導入時に制御装置5のメモリに書き込まれていたり、貯湯タンク3と制御装置5との通信により取得される値であってもよく、必ずしも、非常時設定手段52による設定項目であることを要しない。
推定時間確認手段53は、温度センサ31による計測値に基づいて現在の貯湯タンク3内の湯温Tおよび湯量Vを取得するとともに、給湯設定温度Tを取得した上で、次式(1)に基づいて給湯可能な概算の推定時間hを算出する。
Figure 2013204820
そして、推定時間確認手段53は、算出した推定時間hをリモコン6や制御端末の画面に表示する。
非常モード実行手段54は、リモコン6や制御端末の操作に応答して非常モードを実行する。
次に、図3を参照し、異常発生により熱源機2が動作を停止したときの処理を説明する。熱源機2が異常停止すると(ステップS1)、制御装置5は、非常モードが有効に設定されているとき(ステップS2でY)、貯湯タンク3内の湯温および湯量を温度センサ31による計測値に基づいて取得するとともに、供給先への給湯設定温度を取得する。
これらの取得値と、非常時設定手段52により設定されたタンク容量V、一日の平均的使用時間h、および下げ幅ΔTに基づいて、推定時間確認手段53は、給湯可能な推定時間hを算出し、異常停止したことと併せて、リモコン6や制御端末の画面に表示する(ステップS3)。
一方、非常モードが無効に設定されていれば(ステップS2でN)、異常停止したことのみを画面表示し、異常停止時の処理を終える。この後、非常モード有効/無効設定手段51により、非常モードを有効とすることもできる。その場合には、推定時間確認手段53により推定時間hを表示するステップS3以降の処理が行われる。
リモコン6や制御端末の画面上には、推定時間hと共に、非常モードを実行するボタンと、設定変更のボタンが表示されている。管理者は、推定時間hを確認後、その推定時間hで給湯が持続すれば良いと判断すれば(ステップS4でY)、非常ボタンを押す。すると、非常モード実行手段54によって非常モードが実行される(ステップS6)。具体的には、水導入手段32により、貯湯タンク3内にΔTに応じて水が導入されることにより、貯湯タンク3内の湯温が低下する。温度センサ31による計測値が、給湯設定温度TからΔTだけ低い温度にまで到達したら、貯湯タンク3内への水導入を停止する。
ステップS4において表示された推定時間hでは短い、あるいは長いと判断すれば(ステップS4でN)、管理者は設定変更ボタンを押す。そして、画面に表示される下げ幅ΔTを変更する操作を行うことにより、非常時設定手段52が下げ幅ΔTを再設定すると(ステップS5)、推定時間確認手段53は、推定時間hを再度算出して表示する(ステップS3)。管理者は、適切な推定時間hとなるまでステップS3〜S5を繰り返すことができ、推定時間hが適切であると確認した上で、非常モードを実行する(ステップS6)。
その後、制御装置5は、供給先からの湯の利用要求を受けると、貯湯タンク3内の湯を給湯する。
以上説明したように、本実施形態の給湯システム1では、熱源機2の動作が停止した非常時に、貯湯タンク3内に、給湯設定温度Tからの下げ幅ΔTに応じて水を加える非常モードを実行するので、給湯停止に至るまでの時間を延ばすことができる。管理者は、供給先の給湯設定温度を把握していなくても、ΔTを設定するだけで、給湯温度を確実に下げられる。このとき、供給先には、給湯設定温度よりもΔTだけ低い温度の湯が供給されるが、貯湯タンク3内の湯が早期に枯渇して全くお湯が使えない不便さを回避できる。
また、推定時間確認手段53により、給湯可能な推定時間hを確認してから、非常モードを実行するようにしているので、不用意に非常モードが実行されない。管理者は、推定時間hの確認を通じて、貯湯タンク3への水導入の必要性を状況に応じて判断した上で、非常モードを実行することができる。
さらに、推定時間hを確認してから、下げ幅ΔTを再設定することができるので、給湯持続時間と、給湯温度とが適切にバランスされたΔTで非常モードを実行することができる。
なお、本実施形態では推定時間hを算出して表示したが、下記式(2)によって推定時間を示す係数Cを算出し、その係数Cを表示する、あるいは係数Cを1〜10等の指標値に変換したものを推定時間を示す尺度として表示してもよい。
Figure 2013204820
ここで、本発明の給湯システムは、熱源機2の動作が停止した非常時にΔTに応じて給湯温度を下げる手段として、上記の第1実施形態のような水導入手段32、または給湯経路4内の湯に水を混合する非常時水混合手段を選択的に備える。この選択は、図4に示すように、給湯設定温度Tがタンク下限温度Tminよりも大であるかに基づいて行われる。
給湯設定温度Tがタンク下限温度Tminよりも大のときは(ステップS11でY)、貯湯タンク3内の湯の衛生が確保されるタンク下限温度Tminまでの下げ代を有するために、貯湯タンク3内に水を導入する水導入手段32が選択される(ステップS13およびS14)。一方、給湯設定温度Tがタンク下限温度Tmin以下のときは、給湯経路4内の湯に水を混合する水混合手段が選択される(ステップS15)。
ここで、図4に示すように、給湯設定温度Tと、熱源機2により作られる湯が貯湯タンク3に供給される湯の温度T(出湯温度)によって、本発明の実施形態を分類することができる。
給湯設定温度Tがタンク下限温度Tminよりも大であり(ステップS11でY)、さらに、出湯温度Tと給湯設定温度Tとが同じ(あるいはほぼ同じ)であれば(ステップS12でY)、その給湯システム1は、図5(A)に示すように、貯湯タンク3から取り出された湯をそのまま給湯経路4により供給先まで導く。このような場合をケースAとする。ケースAは、例えば、出湯温度Tは90℃で、給湯設定温度Tもほぼ90℃の場合が相当する。
このケースAでは、非常時、第1実施形態と同様に水導入手段32により、ΔTに応じて貯湯タンク3内に水を導入すれば足りる(ステップS13)。
一方、出湯温度T≠給湯設定温度Tのときは(ステップS12でN)、その給湯システム1は、図5(B)に示すように、平常時に用いられる水混合手段(ここでは平常時水混合手段と称する)41を備えていると判断できる。すなわち、この給湯システム1では、平常時、出湯温度Tで貯湯タンク3内に供給されて貯留される湯に、給湯経路4の途中で平常時水混合手段41により水を混合することによって給湯温度を下げている。このような場合をケースBとする。ケースBは、例えば、出湯温度Tは90℃で、給湯設定温度Tはほぼ70℃の場合が相当する。
このケースBでは、ケースAと同様に、非常時、水導入手段32により、ΔTに応じて貯湯タンク3内に水を導入する(ステップS14)。ここで、平常時水混合手段41に供給される湯は水導入手段32によって既に温度が下げられているため、平常時水混合手段41による水混合は行われない。
このようなケースBでは、非常時に、上記第1実施形態と同様に、水導入手段32により、ΔTに応じて貯湯タンク3内に水が導入される。
上記のステップS11でN(給湯設定温度Tがタンク下限温度Tmin以下のとき)、タンク下限温度Tminに基づいて、その給湯システム1は、ケースBと同様に、平常時水混合手段41を備えていると判断できる。このようなケースCは、例えば、出湯温度Tが90℃で、給湯設定温度Tは50℃の場合が相当する。
このケースCでは、貯湯タンク3内への水の導入を行えないので、図5(C)に示すように、給湯温度を下げる手段として非常時水混合手段42を備えており、給湯経路4の途中でΔTに応じた量の水を混合することによって給湯温度を下げる(ステップS15)。
非常時水混合手段42は、給湯設定温度に調整するために水の流量を制御する流量制御弁401と、流量制御された水を給湯経路4内の湯に混合する混合弁402と、混合弁402よりも下流側の湯温を計測する温度センサ403とを備えている。なお、平常時水混合手段41も非常時水混合手段42とほぼ同様に形成されている。
上記の非常時水混合手段42は、給湯経路4において平常時水混合手段41よりも上流側に位置する。このため、ケースBと同様、平常時水混合手段41に供給される湯は非常時水混合手段42によって既に温度が下げられているため、平常時水混合手段41による水混合は行われない。
このようなケースCでも、ケースAおよびケースBと同様、図3に示すのと同様の手順により、非常時の処理が行われるが、非常モードの動作としては、非常時水混合手段42の流量制御弁401を制御することにより、給湯経路4内の湯にΔTに応じた流量で水を混合し、これによって湯温を低下させる。そして、温度センサ403による計測値が、給湯設定温度からΔTだけ低い温度にまで到達したら、非常時水混合手段42による水混合を停止する。
以上のケースA〜Cのいずれにおいても、給湯持続時間を延ばすことができるため、熱源機2の停止により湯が作られないことで給湯が止まることによるリスクや損害を抑えることができる、
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態について図6を参照して説明する。
第1実施形態では、非常時、各供給先にΔTだけ低い温度で給湯を行うが、第2実施形態では、非常時、優先度の高い第1優先度の供給先には湯を供給し、優先度の低い第2優先度の供給先には水を供給する。
図6に示す本実施形態の給湯システムでは、第1優先度の供給先1に繋がる給湯経路である第1経路61と、第2優先度の供給先2に繋がる給湯経路である第2経路62とを別系統で構成した上で、非常時に貯湯タンク3から第2経路62を切り離せるように電磁弁63を設けている。平常時には、第1経路61および第2経路62は互いに繋がっており、貯湯タンク3内の湯が第1経路61および第2経路62を通じて各供給先に供給される。
本実施形態では、非常時設定手段52(図2)が、給湯システム1全体による供給量に対する第1経路61による供給量の割合Rを設定する。例えば、給湯システム1全体による供給量が5000リットル、第1経路61による供給量が2000リットルであれば、Rは0.4(40%)となる。
この割合Rは、次式(3)に基づく推定時間hの算出に用いられる。
Figure 2013204820
非常モード実行手段54は、非常モードの動作として、上述のケースA〜Cの区分に応じて水導入手段32による水導入、または非常時水混合手段42による水混合を行うとともに、電磁弁63を制御することにより、貯湯タンク3から第2経路62を切り離すとともに第1経路61からも切り分ける。
すると、貯湯タンク3内の湯は第1経路61を通じて、優先度の高い第1優先度の供給先のみに供給される。一方、優先度の低い第2優先度の供給先には、水混合手段41により第2経路62に送られる水が供給される。
本実施形態によれば、給湯停止までの時間をより延長することができるだけでなく、非常時にも真に給湯が必要とされる供給先に貯湯タンク内の湯を集中させる手段を提供することにより、ユーザーの満足度を高めることができる。
なお、優先度は、供給先の湯の使用目的等に応じて適宜決められる。
また、本実施形態は、上述のケースBに適用されているが、ケースA、ケースCにも適用することができる。
ところで、上述の第1実施形態ではΔTを一つだけ設定したが、第2実施形態を応用することにより、貯湯タンク3毎にΔTを設定することもできる。それには、例えば、2つの貯湯タンク3の一方の貯湯タンク3から複数の供給先の半数に繋がる水経路と、他方の貯湯タンク3から残りの供給先に繋がる水経路とを別系統で構成しておく。
そして、平常時には、これらの水経路を互いに接続し、2つの貯湯タンク3内の湯を水経路の区別なく各供給先に供給するが、非常時にはこれらの水経路を切換弁などで切り離す。
以上のようにすれば、各貯湯タンク3毎に、ΔTに応じて温度を下げることができるので、ΔTが小さいために高温で短時間の給湯用途と、ΔTが大きいために低温で長時間の給湯用途とに貯湯タンク3を使い分けることができる。
なお、本発明は、熱源機2の異常停止後に、即、制御装置5が非常モードを自動的に実行することも許容する。これにより、管理者不在のときにも給湯持続時間の延長が可能となる。
また、本発明は、上述したヒートポンプ給湯システムに限らず、ガス燃焼式や電気加熱式の給湯システムにも適用できる。
上記以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
1 給湯システム
2 熱源機
3 貯湯タンク
4 給湯経路
5 制御装置
6 リモコン
31 温度センサ
32 水導入手段
41 平常時水混合手段
42 非常時水混合手段
51 非常モード有効/無効設定手段
52 非常時設定手段
53 推定時間確認手段
54 非常モード実行手段
61 第1経路
62 第2経路
63 電磁弁(切替弁)

Claims (4)

  1. 熱源機と、
    前記熱源機により加熱されることで作られる湯を貯留する貯湯タンクと、
    前記貯湯タンク内の湯を供給先まで導く給湯経路と、を備える給湯システムであって、
    前記給湯システムに異常が発生した非常時に実行される非常モードにおける前記供給先への給湯設定温度の下げ幅を設定する給湯温度下げ幅設定手段と、
    前記下げ幅に応じて前記貯湯タンクに水を導入する水導入手段、および前記給湯経路内の湯に前記下げ幅に応じて水を混合する水混合手段の少なくとも一方と、を備える、
    ことを特徴とする給湯システム。
  2. 前記水導入手段および前記水混合手段は、前記供給先への給湯設定温度に基づいて選択的に備えられる、
    請求項1に記載の給湯システム。
  3. 前記貯湯タンクの容量と、前記貯湯タンク内の湯量および湯温と、前記供給先への給湯設定温度および前記下げ幅と、に基づいて、給湯可能な推定時間または前記推定時間を示す尺度を確認する推定時間確認手段を備える、
    請求項1または2に記載の給湯システム。
  4. 複数の前記供給先が第1優先度と、それよりも優先度が低い第2優先度とに区分され、
    前記貯湯タンクから前記第1優先度の前記供給先に繋がる第1経路と、
    前記貯湯タンクから前記第2優先度の前記供給先に繋がる第2経路と、
    前記非常時に前記第2経路を前記貯湯タンクから切り離す切替弁と、を備える、
    請求項1から3のいずれか一項に記載の給湯システム。
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