JP2015010774A - ヒートポンプ式給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱需要予測対象期間の終期がヒートポンプの運転禁止時間帯に重なることに起因して発生する不具合を適切に防止し、エネルギ効率のよい給湯運転動作が可能なヒートポンプ式給湯システムを提供する。
【解決手段】過去の熱需要に基づく学習能力をもち、今後の所定の熱需要予測対象期間Ｐ１内における熱需要の発生時期および熱需要量を予測し、かつ予測される熱需要の発生前にヒートポンプ１を運転させて熱需要に対応する熱量の湯水を貯湯タンク２に貯留させる制御を実行する制御手段４を備えている、ヒートポンプ式給湯システムＡであって、ヒートポンプの運転禁止時間帯Ｐａを設定可能な手段８を備え、制御手段４は、熱需要予測対象期間Ｐ１の終期が運転禁止時間帯Ｐａに重なる場合には、熱需要予測対象期間Ｐ１を延長し、熱需要予測対象期間Ｐ１の終期を運転禁止時間帯Ｐａの終期よりも所定時間以上遅らせるように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯システムに関し、さらに詳しくは、ヒートポンプの運転禁止時間が設定されるように構成されたヒートポンプ式給湯システムに関する。

ヒートポンプ式給湯システムとしては、過去の熱需要に基づく学習能力をもち、今後の熱需要の発生時期や熱需要量を比較的細かく予測し、予測された熱需要に対応した熱量の湯水をヒートポンプの運転により生成して貯湯タンクに貯留させる動作を、できる限り熱需要の発生時期の直前に行なわせるようにしたものがある。従来においては、このような方式とは異なり、たとえば夜間電力を利用してヒートポンプを運転させることにより１日分の熱需要に対応した湯水を一括して生成させてから貯湯タンクに貯留させるようにしたものもあるが、このようなものと比較すると、前記前者のものは、貯湯タンクからの放熱ロスを少なくできる。また、貯湯タンクに貯留される湯水の熱量を実際の熱需要に対して、より的確に対応させることができる。したがって、湯余りや湯不足が生じることを抑制する上で好ましい。さらに、貯湯タンクとしては、１日分の熱需要に対応する湯水を貯留可能なサイズのものを用いる必要がなく、小型の貯湯タンクを用いればよいこととなり、設備コストを廉価にすることもできる。

前記したようなヒートポンプ式給湯システムにおいては、今後の熱需要の予測を期間無制限で行なっている訳ではなく、予め定められた熱需要予測対象期間の範囲で行なっている。この熱需要予測対象期間は、たとえば現時刻から９時間先までの期間である。一方、ヒートポンプ式給湯システムとしては、ユーザなどの要望に応じ、所定の時間帯においては、ヒートポンプの運転を停止し、運転を許容しないようにしたものがある。このような構成によれば、たとえば家庭内における電力消費量がピークとなる時間帯においては、ヒートポンプの運転を回避し、電力消費量のピーク値を抑えたいといった要望などに的確に応えることが可能である。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、改善すべき余地があった。

すなわち、ヒートポンプの運転禁止時間帯が設定された場合、熱需要予測対象期間の終期がヒートポンプの運転禁止時間帯に丁度重なってしまう場合がある。このような事態が生じると、ヒートポンプの運転禁止時間帯の終了間際や終了直後に熱需要が発生する予定があったとしても、この熱需要の発生を的確に予測することが困難となる。これでは、たとえば運転禁止時間帯前にヒートポンプを運転させて貯湯タンク内に必要な熱量の湯水を予め貯留させておくといったことができなくなり、エネルギ効率のよい給湯運転ができなくなる不具合を生じる。したがって、このような不具合を解消することが望まれる。

特許第４６５４８４４号公報 特開２０１２−２２５５４４号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、熱需要予測対象期間の終期がヒートポンプの運転禁止時間帯に重なることに起因して発生する不具合を適切に防止し、エネルギ効率のよい給湯運転動作を行なうことが可能なヒートポンプ式給湯シ
ステムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供されるヒートポンプ式給湯システムは、ヒートポンプと、このヒートポンプによって加熱された湯水を貯留し、かつこの湯水を所定の出湯口または熱負荷に供給可能な貯湯タンクと、過去の熱需要に基づく学習能力をもち、今後の所定の熱需要予測対象期間内における熱需要の発生時期および熱需要量を予測し、かつ予測される熱需要の発生前に前記ヒートポンプを運転させて熱需要に対応する熱量の湯水を前記貯湯タンクに貯留させる制御を実行する制御手段と、を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、前記ヒートポンプの運転禁止時間帯を設定可能なヒートポンプ運転禁止時間設定手段を備えており、前記制御手段は、前記熱需要予測対象期間の終期が前記運転禁止時間帯に重なる場合には、前記熱需要予測対象期間を延長し、前記熱需要予測対象期間の終期を前記運転禁止時間帯の終期よりも所定時間以上遅らせるように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、熱需要予測対象期間の終期がヒートポンプの運転禁止時間帯に重なることが適切に回避され、しかも熱需要予測対象期間の終期は、ヒートポンプの運転禁止時間帯の終期よりも所定時間以上遅れるために、ヒートポンプの運転禁止時間帯の終了直前や終了後に熱需要が発生する場合であっても、この熱需要が発生することを適切に予測することが可能となる。したがって、そのような熱需要に対応させて、たとえばヒートポンプの運転禁止時間帯の前にヒートポンプを運転させて必要な熱量の湯水を貯湯タンクに予め貯留させておくといったことが可能となり、従来よりもエネルギ効率のよい給湯運転動作が実現できる。

本発明において、好ましくは、前記制御手段は、前記熱需要予測対象期間の終期が前記運転禁止時間帯の後である場合において、前記運転禁止時間帯の終期から前記熱需要予測対象期間の終期までの時間が所定時間に満たないときにおいても、前記熱需要予測対象期間を延長し、前記熱需要予測対象期間の終期を前記運転禁止時間帯の終期よりも所定時間以上遅らせるように構成されている。

このような構成によれば、熱需要予測対象期間が、ヒートポンプの運転禁止時間帯の終了直後に終了することが回避される。したがって、ヒートポンプの運転禁止時間帯の終了時からやや時間を経過してから熱需要が発生するような場合であっても、この熱需要を適切に予測することができ、この熱需要に対して好適に対処することが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記運転禁止時間帯が設定された場合には、前記運転禁止時間帯直前の所定時間内おいては、前記ヒートポンプの始動が禁止されるように構成されている。

このような構成によれば、ヒートポンプの運転禁止時間帯の直前の所定時間内にヒートポンプを始動させることが禁止されるために、ヒートポンプを始動させてから短時間しか経過しないうちに運転禁止時間帯となってその運転が停止されてしまうといったことが生じないようにすることができる。ヒートポンプを短時間だけ運転させることは、エネルギ効率を高くする上で好ましいものではないが、前記構成によれば、そのようなエネルギ効率の悪い態様でヒートポンプが運転されることを防止することができる。

本発明において、好ましくは、前記貯湯タンクから前記所定の出湯口または熱負荷に供
給される湯水をその途中で加熱可能な補助熱源機を、さらに備えており、熱需要に対応させるための湯水加熱は、前記ヒートポンプを運転させる場合と、前記補助熱源機を運転させる場合とのいずれの方が、エネルギ効率が高いかが予め判断された上で、エネルギ効率が高い方を利用して行なわれるように構成されている。

このような構成によれば、補助熱源機を備えたヒートポンプ式給湯システムを運転する際のエネルギ効率をよくすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るヒートポンプ式給湯システムの一例を示す概略説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図１に示すヒートポンプ式給湯システムにおけるデータ処理の一例を示すタイムチャートである。 （ａ），（ｂ）は、図１に示すヒートポンプ式給湯システムにおけるデータ処理の他の例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すヒートポンプ式給湯システムＡは、ヒートポンプ１と、貯湯タンクユニットＵとを組み合わせて構成されている。

ヒートポンプ１は、従来既知のものと同様であり、たとえばＣＯ₂などの冷媒の循環路に、ファン１０ａを利用して取り込まれる空気から熱を吸収する蒸発器１０、圧縮器１１、凝縮器としての湯水加熱用の熱交換器１２、および膨張弁１３が設けられたものである。

貯湯タンクユニットＵは、貯湯タンク２、補助熱源機３、および制御部４を具備している。

貯湯タンク２の下部および上部は、ヒートポンプ１の熱交換器に１２に対し、配管部５０ａ，５０ｂを介して接続されている。配管部５０ａに設けられた循環ポンプＰ１が駆動されると、矢印Ｎ１１〜Ｎ１３で示す経路で湯水が流通し、貯湯タンク２の下部から流出した湯水は熱交換器１２によって加熱されてから、貯湯タンク２内の上部に戻される。このことにより、貯湯タンク２への貯湯がなされる。

貯湯タンク２の下部および上部には、入水口６１ａを有する入水管６１および出湯口６２ａを有する出湯管６２が接続されている。出湯口６２ａに配管接続された給湯栓９０が開状態にされると、貯湯タンク２内への入水圧によって貯湯タンク２内の湯水は出湯管６２に流出し、流出口６２ａから給湯栓９０に向けて供給される。なお、図面では省略しているが、本実施形態のヒートポンプ式給湯システムＡにおいては、浴槽への湯張りなどを行なうための風呂給湯も可能とされている。

補助熱源機３は、貯湯タンク２に湯量不足が生じた場合などにおいて、湯水加熱を行なうのに利用されるものであり、その構成は、たとえばガス瞬間式湯沸器と同様である。具体的には、この補助熱源機３は、バーナ３０および熱交換器３１が缶体３２内に収容され、熱交換器３１に供給された湯水をバーナ３０によって迅速に加熱できるように構成されている。補助熱源機３の入水側配管部７０ａは、ポンプＰ２および三方弁Ｖ１を介して貯
湯タンク２の上部に繋がっている。補助熱源機３の出湯側配管部７０ｂは、三方弁Ｖ２を介して出湯管６２に繋がっている。このため、出湯口６２ａから給湯栓９０に向けて出湯が行なわれる場合に、三方弁Ｖ２を切り替えることによって、矢印Ｎ２１，Ｎ２２に示すように、補助熱源機３によって加熱された湯水を出湯口６２ａに供給することが可能である。

補助熱源機３の出湯側配管部７０ｂに分岐接続された配管部７１には、熱交換器９２が設けられている。この熱交換器９２は、熱負荷の１つであり、たとえば床暖房装置などの暖房端末９１用の熱媒を加熱するためのものである。ポンプＰ３の駆動によって熱交換器９２と暖房端末９１との間を熱媒が循環流通可能である。なお、図１に示す三方弁Ｖ１，Ｖ３間は、配管部６３を介して接続されており、熱交換器９２を通過して三方弁Ｖ３に到達した湯水を、貯湯タンク２を介することなく補助熱源機３に再度送り込んで加熱することが可能となっている。

制御部４は、本発明でいう制御手段の一例に相当し、マイクロコンピュータなどを用いて構成されている。この制御部４は、貯湯タンクユニットＵの各部の動作制御やデータ処理を実行するとともに、ヒートポンプ１の制御部（図示略）と協働してヒートポンプ式給湯システムＡの全体の動作制御も実行する。制御部４には、リモコン８が通信接続されている。リモコン８は、データ用の表示部８０、および複数の操作スイッチ８１を有しており、これらの操作スイッチ８１を操作することによって、たとえば暖房端末９１の運転開始や、浴槽への湯張りなどについてのタイマ予約が可能である。さらに、リモコン８は、ヒートポンプ１の運転禁止時間帯を設定するのにも利用される。この運転禁止時間帯は、操作スイッチ８１を操作し、ヒートポンプ１の運転を強制的に停止させておきたい時間帯を指定し、また必要に応じて曜日（あるいは日付など）を指定することによって設定可能である。リモコン８は、本発明でいうヒートポンプ運転禁止時間帯設定手段の一例に相当する。

制御部４は、過去の熱需要（給湯運転実績）に基づき、今後の熱需要予測対象期間Ｐ１における熱需要を予測する学習能力を有している。このような学習能力自体は、既知であるため、省略する。熱需要予測対象期間Ｐ１は、たとえば現時刻から９時間先までの期間である。なお、本実施形態における熱需要の予測は、たとえば１時間などの比較的短い時間を単位として行なわれ（１０時〜１１時，１１時〜１２時など）、熱需要が発生する場合にはその熱需要量が予測される。この予測に際しては、風呂給湯予約や暖房運転予約などの事情も考慮される。

制御部４は、熱需要が予測される場合には、この熱需要に対して、ヒートポンプ１の運転により対応する場合と、補助熱源機３の運転により対応する場合とのいずれの方がエネルギ効率がよいかを判断し、エネルギ効率がよい方の湯水加熱手段を選択するように構成されている。ヒートポンプ１が選択される場合には、できる限り熱需要の発生予測時期に近いタイミングでヒートポンプ１の運転を開始させて、熱需要に対応した熱量の湯水を貯湯タンク２に貯留させる制御が実行される。制御部４は、運転禁止時間帯Ｐａが設定されている場合には、一定条件下において熱需要予測対象期間Ｐ１を延長するが、その詳細については後述する。

次に、前記したヒートポンプ式給湯システムＡの作用について、図２および図３を参照しつつ説明する。

まず、制御部４は、図２（ａ）に示すように、現時刻ｔ０から熱需要予測対象期間Ｐ１における熱需要を予測する処理を、常時、短周期で繰り返して実行している。一方、リモコン８が操作されることによってヒートポンプの運転禁止時間帯Ｐａが時刻ｔ１〜ｔ２の
範囲で設定された場合に、この運転禁止時間帯Ｐａと熱需要予測対象期間Ｐ１の終期とが丁度重なる場合ある。このような場合には、制御部４は、図２（ｂ）に示すように、熱需要予測対象期間Ｐ１を延長し、その終期ｔ３を運転禁止時間帯Ｐａの終期ｔ３よりも所定時間Ｔａ（たとえば２時間）以上遅らせる処理を実行する。

前記した処理により、たとえば運転禁止時間帯Ｐａの後に熱需要Ｄ１が発生する場合に、この熱需要Ｄ１を適切に予測することが可能となる。図２（ａ）の状態のままでは、熱需要Ｄ１の予測は困難であり、この熱需要Ｄ１に対しては、たとえば補助熱源機３の運転によって対処しなければならないが、図２（ｂ）に状態では熱需要Ｄ１が的確に予測されるために、ヒートポンプ１の運転によって対処する場合と、補助熱源機３の運転によって対処する場合とのエネルギ効率を比較し、エネルギ効率の高い方の手段を適切に選択することができることとなる。

制御部４は、運転禁止時間帯Ｐａが設定された場合には、この運転禁止時間帯Ｐａの始期ｔ１の直前の所定期間Ｐｂ内（時刻ｔ１’〜ｔ１の期間）については、ヒートポンプ１の始動を禁止する。前記の所定期間Ｐｂは、たとえば３０分程度である。仮に、所定期間Ｐｂ中にヒートポンプ１が始動された場合には、ヒートポンプ１が短時間運転されただけで運転禁止時間帯Ｐａが直ちに到来し、その運転が即座に停止される。このようなヒートポンプ１の運転の仕方は、エネルギ効率が悪く、できる限り回避することが要望されるが、本実施形態によれば、そのような要望に的確に応えることが可能である。なお、ヒートポンプ１が所定期間Ｐｂよりも前から運転されている場合には、所定期間Ｐｂになったとしてもヒートポンプ１の運転は継続される。所定期間Ｐｂ中にヒートポンプ１始動を禁止する処理は、運転禁止時間帯Ｐａが設定された場合には常に行なわれ、後述する図３の場合も同様である。

図３（ａ）に示すように、熱需要予測対象期間Ｐ１の終期ｔ４が、ヒートポンプの運転禁止時間帯Ｐａには重ならないものの、運転禁止時間帯Ｐａの終了時刻ｔ２からさほど長い時間を経ない時期となる場合がある。この場合においても、運転禁止時間帯Ｐａの終了時から暫くの時間を経て発生する熱需要Ｄ２を、的確に予測することは困難である。これに対し、本実施形態では、前記したような場合には、図３（ｂ）に示すように、やはり熱需要予測対象期間Ｐ１が延長され、運転禁止時間帯Ｐａの終期ｔ２から熱需要予測対象期間Ｐ１の終期ｔ５までの期間Ｔｂが、所定時間（たとえば２時間）以上となるようにされる。このことにより、同図（ａ）では予測することができなかった運転禁止時間帯Ｐａの経過後の熱需要Ｄ２を的確に予測することができ、ヒートポンプ１と補助熱源機３とのいずれを運転させて対応すべきかを適切に判断することが可能となる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るヒートポンプ式給湯システムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

上述の実施形態においては、ヒートポンプの運転禁止時間帯Ｐａは、リモコン８を操作することによってユーザにより設定されているが、本発明はこれに代えて、または加えて、制御部４の制御によって設定させるようにしてもよい。たとえば、制御部４は、ヒートポンプ式給湯システムＡが設置された家庭の電力消費量を監視しており、この電力消費量が所定値を超える状況となった際には、制御部４がヒートポンプの運転禁止時間帯を設定し、かつその後に所定時間が経過し、あるいは前記諸費電力量が所定値を下回る時間がある程度継続した時点で、ヒートポンプの運転禁止時間帯を解除させるようにしてもよい。

熱需要予測対象期間Ｐ１や、本発明でいう所定時間などの値は、上述した実施形態の値に限定されないことは言う迄もない。熱助熱源機としては、ガス燃焼方式のものに限らず
、オイル燃焼方式のもの、あるいは電熱ヒータなどとすることもできる。

Ａ ヒートポンプ式給湯システム
１ ヒートポンプ
２ 貯湯タンク
３ 補助熱源機
４ 制御部（制御手段）
８ リモコン（ヒートポンプ運転禁止時間設定手段）

Claims (4)

1. ヒートポンプと、
   このヒートポンプによって加熱された湯水を貯留し、かつこの湯水を所定の出湯口または熱負荷に供給可能な貯湯タンクと、
   過去の熱需要に基づく学習能力をもち、今後の所定の熱需要予測対象期間内における熱需要の発生時期および熱需要量を予測し、かつ予測される熱需要の発生前に前記ヒートポンプを運転させて熱需要に対応する熱量の湯水を前記貯湯タンクに貯留させる制御を実行する制御手段と、
   を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記ヒートポンプの運転禁止時間帯を設定可能なヒートポンプ運転禁止時間設定手段を備えており、
   前記制御手段は、前記熱需要予測対象期間の終期が前記運転禁止時間帯に重なる場合には、前記熱需要予測対象期間を延長し、前記熱需要予測対象期間の終期を前記運転禁止時間帯の終期よりも所定時間以上遅らせるように構成されていることを特徴とする、ヒートポンプ式給湯システム。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記制御手段は、前記熱需要予測対象期間の終期が前記運転禁止時間帯の後である場合において、前記運転禁止時間帯の終期から前記熱需要予測対象期間の終期までの時間が所定時間に満たないときにおいても、前記熱需要予測対象期間を延長し、前記熱需要予測対象期間の終期を前記運転禁止時間帯の終期よりも所定時間以上遅らせるように構成されている、ヒートポンプ式給湯システム。
3. 請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記運転禁止時間帯が設定された場合には、前記運転禁止時間帯直前の所定時間内おいては、前記ヒートポンプの始動が禁止されるように構成されている、ヒートポンプ式給湯システム。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記貯湯タンクから前記所定の出湯口または熱負荷に供給される湯水をその途中で加熱可能な補助熱源機を、さらに備えており、
   熱需要に対応させるための湯水加熱は、前記ヒートポンプを運転させる場合と、前記補助熱源機を運転させる場合とのいずれの方が、エネルギ効率が高いかが予め判断された上で、エネルギ効率が高い方を利用して行なわれるように構成されている、ヒートポンプ式給湯システム。

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