JP2016048151A - 給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯機の沸上運転における水の加熱量を調整し、電力使用量の上限値を超過することなく、かつ、給湯機の湯切れを防止する。
【解決手段】電力を使用して水の加熱を行う沸上運転機能を有する給湯機において、電力の使用量を監視する使用電力監視システムからの指令を受ける機能を有し、指令に基いて水の加熱量を調整する。水の加熱源は、電気ヒータ又はヒートポンプである。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力を使用して温水を生成する給湯機に関する。

従来、深夜電力等を利用してヒートポンプサイクルや電気ヒータを稼働し、低温水を加熱して所望の温度の湯を貯湯タンクに貯える沸上機能を備えた給湯機が知られている。

ヒートポンプサイクルを使用した電気式給湯機は、ヒートポンプサイクル内に設けられた水−冷媒熱交換器と貯湯タンクとを配管にて接続し、接続した配管内に貯湯タンク内の水を循環させ、水−冷媒熱交換器において貯湯タンクの水と冷凍サイクルの冷媒とを熱交換させることにより沸上（沸き上げ）を行っている。このようなヒートポンプ式給湯機には、オゾン層破壊係数がゼロであり、かつ、地球温暖化係数もフロン類に比べて格段に小さい二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置が実用化されてきている。また、電気ヒータを使用した電気式給湯機は、貯湯タンク内に設けた電気ヒータを通電加熱することにより、貯湯タンク内の水を加熱することにより沸上運転を行っている。

電気式給湯機は、沸上運転を行うときに電力を多量に使用するため、家庭での電力消費が少ない深夜に沸上運転を行う。しかしながら、貯湯式の給湯機の場合、ユーザの給湯使用量によっては湯切れが発生することがあり、湯切れを防止するためには昼間の時間帯に沸上運転を行う必要がある。しかし、電力消費が大きい沸上運転を深夜時間帯以外で行うと、ユーザが電力会社と契約している電力使用量をオーバーしてしまう場合がある。また、夏場の昼間時間帯に電気式給湯機の沸上運転を行うと、地域の電力使用量が増加し、停電が発生する恐れがある。

このような問題を解消するために、次の技術が提案されている。

特許文献１には、電力を熱源とした給湯機を電力負荷として含む施設の契約電力の管理において、施設の使用状況に応じて、最大需要電力の超過防止のためや、給湯機の湯切れ防止のための優先制御をユーザがリアルタイムに選択することができる貯湯式給湯システムの運転方法が開示されている。

特許文献２には、電力エネルギーを管理するエネルギー管理装置から電力使用に関する情報を取得し、得られた情報を用いて運転制御計画を立案する機能を有するヒートポンプ式給湯機が開示されている。

特許第５１４５０６８号公報 特開２０１３−１７４４０９号公報

特許文献１に示すような技術の場合、ユーザに電力の超過防止か湯切れ防止かを選択させるため、使用電力の超過又は湯切れが発生する可能性がある。

また、特許文献２に示すような技術の場合、電力使用に関する情報を取得し、運転制御計画を立案しても、当日のユーザの給湯使用量や電力の使用量と相違が発生した場合、使用電力の超過や湯切れが発生する可能性がある。

特にヒートポンプ式給湯機の場合、大気から吸熱をして沸上運転を行うため、沸上運転時の外気温度などの天候により使用電力のばらつきが発生するため、運転制御計画と沸上運転時の電力使用量に相違が発生しやすい。

本発明の目的は、給湯機の沸上運転における水の加熱量を調整し、電力使用量の上限値を超過することなく、かつ、給湯機の湯切れを防止することにある。

本発明の給湯機は、電力を使用して水の加熱を行う沸上運転機能を有し、電力の使用量を監視する使用電力監視システムからの指令を受ける機能を有し、指令に基いて水の加熱量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、給湯機の沸上運転における水の加熱量を調整することができるため、電力使用量の上限値を超過することなく、かつ、給湯機の湯切れを防止することができる。

ヒートポンプ式給湯機の例を示す概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の沸上運転時における電力調整の手順を示すフローチャートである。 電気温水器の例を示す概略構成図である。 本発明の第二実施形態に係る電気温水器の沸上運転時における電力調整の手順を示すフローチャートである。 使用電力監視システムを一軒の家屋において使用する電気機器に適用した場合の例を示す概念図である。 使用電力監視システムを地域内の複数の家屋等に適用した場合の例を示す概念図である。

本発明は、電力を使用して水の加熱を行う電気式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下するように指令を受けたとき、加熱能力を低下させることにより使用している電力を低下させ、電力を増加するように指令を受けたとき、加熱能力を増加させることにより使用している電力を増加させる沸上運転機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下するように指令を受けたとき、指令として受けた電力の低下率と同様の低下率で圧縮機回転数を低下させることにより使用している電力を低下させ、電力を増加するように指令を受けたとき、指令として受けた電力の増加率と同様の増加率で圧縮機回転数を増加させることにより使用している電力を増加させる沸上運転機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下するように指令を受けたとき、圧縮機回転数の低下率と同様の低下率で水循環量を低下させることにより使用している電力を低下させ、電力を増加するように指令を受けたとき、圧縮機回転数の増加率と同様の増加率で水循環量を増加させることにより使用している電力を増加させる沸上運転機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下するように指令を受けたとき、圧縮機回転数の低下率に合わせて減圧弁の開度を調整することにより使用している電力を低下させ、電力を増加するように指令を受けたとき、圧縮機回転数の増加率に合わせて減圧弁の開度を調整することにより使用している電力を増加させる沸上運転機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下、あるいは増加するように指令を受けて、圧縮機回転数、水循環流量、減圧弁開度の調整を実施した後、沸上温度、圧縮機回転数が安定しているかの判定を行い、安定したと判断された後に、電力の使用量を監視しているシステムへ判定結果を通知する機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下するように指令を受けたとき、指令として受けた電力の低下率と同様の低下率で圧縮機回転数を低下させることにより使用している電力を低下させる機能を設け、かつ、使用している圧縮機の回転数下限値を設け、電力を低下させる指令を受けたとき、電力を低下させる低下率と同様の低下率としたときの圧縮機回転数を算出し、算出した圧縮機回転数が回転数下限値よりも低い場合には、圧縮機回転数下限値で運転することにより使用している電力を低下させ、かつ、下限値に到達したことを電力の使用量を監視するシステムへ通知する機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、電力を低下させる低下率としたときの圧縮機回転数を算出し、算出した圧縮機回転数が回転数下限値よりも低い場合には、圧縮機回転数下限値を現在圧縮機回転数で除した値を下限調整量と設定し、下限調整量を使用して減圧弁の開度と水循環量の調整を行う機能を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、水−冷媒熱交換器から減圧弁を介して流入する低温低圧の冷媒を空気と熱交換させて圧縮機に戻す蒸発器と、水−冷媒熱交換器へ流入する水循環量を調整する水循環量調整手段と、を備えるヒートポンプ式給湯機において、沸上運転中に電力の使用量を監視するシステムから沸上運転で使用している電力を低下、あるいは増加するように指令を受けて加熱能力の調整を実施した後に、指令が解除された後には、通常の沸上運転に戻すことを特徴とする。

また、本発明は、電力を使用して水の加熱を行う電気式給湯機において、電力の使用量を監視するシステムは、家庭で使用している電力を監視しているシステムか、地域で使用している電力を監視しているシステムであることを特徴とする。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。本発明のヒートポンプ式給湯機は、電力の使用量を監視するシステムから、沸上運転中の電力使用量を低減させる指令を受けたとき、運転中の沸上加熱能力を低減することにより、電力を低減させる機能を有している。

ヒートポンプ式給湯機の場合、加熱能力の増減（水の加熱量の調整）は、圧縮機若しくは循環ポンプの回転数又は減圧弁の開度の変更により行う。

以下では、本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の全体構成について説明した後に、前記した機能について更に具体的に説明する。

図１は、ヒートポンプ式給湯機の例を示す概略構成図である。

本図に示すように、ヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプユニット１と、貯湯タンクユニット２と、を備えている。ちなみに、ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２とは、ヒートポンプ式給湯機が現場に配置される際に、接続配管３ａ，３ｂによって連結される構造となっている。

ヒートポンプユニット１の冷凍サイクルは、圧縮機４と、水−冷媒熱交換器５と、減圧弁６と、蒸発器７と、送風ファン８と、ヒートポンプユニット制御部１８と、で主に構成されている。そして、圧縮機４、水−冷媒熱交換器５、減圧弁６、及び蒸発器７は、この順番で冷媒が循環するように配管で環状に連結されている。なお、本実施形態での冷媒としては、二酸化炭素が使用されている。そして、ヒートポンプユニット１では、圧縮機４より吐出される冷媒（二酸化炭素）の吐出圧力が臨界圧力以上となる超臨界蒸気圧縮式のヒートポンプサイクルを使用している。冷媒としては、このほか、プロパンなどの自然系冷媒やＲ３２などのフロン系冷媒を使用してもよい。

圧縮機４は、環状の回路から戻ってきた冷媒を圧縮すると共に、圧縮した高温高圧のガス冷媒（以下、「ホットガス」ということがある。）を再び環状の回路に送り出している。更に具体的には、蒸発器７から戻ってきた冷媒を圧縮して水−冷媒熱交換器５に向かって送り出している。

圧縮機４は、容量制御が可能で、高温貯湯（例えば、９０℃）を行う場合は、通常よりも速い回転数（例えば３０００〜４０００回転／分）で運転する。また、通常の貯湯温度（例えば、６５℃）で運転する場合は、比較的遅い回転数（例えば２０００〜３０００回転／分）で運転する。また、圧縮機４は、ＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば１０００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転速度の制御が行えるようになっている。

圧縮機４には、運転中の圧縮機温度を検出するための圧縮機温度センサ１３が設けられている。

圧縮機４と、次に説明する水−冷媒熱交換器５とを接続する配管には、圧縮機４寄りに、圧縮機４の高圧側冷媒圧力（圧縮機吐出冷媒圧力）を検出する圧力センサ１４（圧縮機吐出冷媒圧力センサ）が設けられている。この配管は、水−冷媒熱交換器５の入口と接続されている。

水−冷媒熱交換器５は、放熱器として機能するものであり、圧縮機４から吐出されたホットガスを流通させる冷媒伝熱管５ａと、水を流通させる水伝熱管５ｂとを備えている。これらの冷媒伝熱管５ａ及び水伝熱管５ｂは、冷媒と水とが相互に熱交換するよう密着して設けられている。また、水−冷媒熱交換器５は、冷媒と水とが相互に熱交換できる構造であれば、密着していない構造（例えば、水伝熱管５ｂの中に冷媒伝熱管５ａを通す構造）でもよい。

減圧弁６は、水−冷媒熱交換器５と蒸発器７との間に配置される配管の途中に設けられており、電動膨張弁が使用されている。この減圧弁６は、水−冷媒熱交換器５からの高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低温低圧の冷媒として蒸発器７に送り出している。そして、減圧弁６は、絞り開度（開閉度合い）が調節可能となっており、ヒートポンプユニット制御部１８がこの絞り開度を変えてヒートポンプユニット１での高圧側圧力を調節することができる。この機能を使用して、ヒートポンプユニット制御部１８は、後記するように、減圧弁６の絞り開度を変えることで、圧縮機４の吐出冷媒圧力を調節することとなる。

ここで、減圧弁６の制御は、圧縮機４の吐出冷媒圧力を調整することについて記載したが、減圧弁６の制御は、圧縮機温度センサ１３より得られる圧縮機温度が所望の温度となるように制御を行なっても良い。

ちなみに、減圧弁６は、蒸発器７に着霜した場合に、絞り開度を全開にしてデフロストを行うようにも働く。

蒸発器７は、送風ファン８の回転によって外気を取り入れた空気（送風）と、蒸発器７内を流通する低温低圧の冷媒との熱交換を行って、外気から熱を汲み上げるものである。そして、冷媒は、この蒸発器７から圧縮機４に戻されることとなる。

符号１７は、外気温度を検出する温度センサを指す。本実施形態での外気温度センサ１７は、蒸発器７に流入する空気の温度を検出するように、送風ファン８が形成する空気流の上流側に配置されている。なお、ヒートポンプユニット制御部１８は、後記するように、この外気温度センサ１７の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機４の目標吐出冷媒圧力値と、循環ポンプ１０の回転数を調整するための圧縮機基準回転数を算出する。

符号２０ａは、水送出配管を指す。送出配管２０ａは、前記冷媒で加熱される水を水−冷媒熱交換器５に送り出すものである。送出配管２０ａの一端は、水−冷媒熱交換器５の水伝熱管５ｂの入口に接続されている。この送出配管２０ａは、前記した接続配管３ａ及び後記の配管１１ｂを介して後記する貯湯タンク９の底部側と接続されることとなる。

この送出配管２０ａには、循環ポンプ１０が、水−冷媒熱交換器５の上流側に配置されている。なお、本実施形態での循環ポンプ１０は、貯湯タンク９の水を水伝熱管５ｂの入口側に送り込むように駆動する。この循環ポンプ１０は、後記する水循環路で水を循環させるように機能し、水循環装置としての役割を果たす。ちなみに、循環ポンプ１０は、ヒートポンプユニット制御部１８によって、循環路内での水の流量（質量流量）、流速及び圧力が自由に選択できるように構成されている。

また、送出配管２０ａの水−冷媒熱交換器５寄りには、熱交換器入口水温度センサ１５が設けられている。この熱交換器入口水温度センサ１５は、水−冷媒熱交換器５の入口で水の温度を検出するものである。なお、ヒートポンプユニット制御部１８は、後記するように、この熱交換器入口水温度センサ１５の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機４の目標吐出冷媒圧力値と、循環ポンプ１０の回転数を調整するための圧縮機基準回転数とを算出する。

符号２０ｂは、水戻し配管を指す。戻し配管２０ｂの一端は、水−冷媒熱交換器５の水伝熱管５ｂの出口に接続されている。この戻し配管２０ｂは、冷媒で加熱された水（湯）を水−冷媒熱交換器５から貯湯タンク９に戻すものである。戻し配管２０ｂの水−冷媒熱交換器５寄りには、水−冷媒熱交換器５の出口水温度を検出する熱交換器出口水温度センサ１６が設けられている。この戻し配管２０ｂは、前記した接続配管３ｂ及び後記の配管１２ｂを介して貯湯タンク９の塔頂部側と接続されている。なお、ヒートポンプユニット制御部１８は、後記するように、この熱交換器出口水温度センサ１６の検出する温度を参照要素の一つとして、圧縮機４の回転数を調整する。 次に、このようなヒートポンプユニット１と共にヒートポンプ式給湯機を構成する貯湯タンクユニット２について説明する。

タンクユニット２は、水（湯）を貯蔵する貯湯タンク９を備えている。

この貯湯タンク９の塔頂部には、前記したように、水−冷媒熱交換器５における水伝熱管５ｂの出口から送り出される水（湯）が、配管１２ｂを介して流れ込むようになっている。そして、この貯湯タンク９の底部からは、前記したように、配管１１ｂを介して、水−冷媒熱交換器５の水伝熱管５ｂの入口に水が流れ込むようになっている。

つまり、水−冷媒熱交換器５から貯湯タンク９に湯を送り出すと共に、貯湯タンク９の水を水−冷媒熱交換器５に送り出すように、配管１１ｂ，３ａ，２０ａ，２０ｂ，３ｂ，１２ｂが、水−冷媒熱交換器５と貯湯タンク９とを接続することで、水（湯）の水循環路を形成している。

また、貯湯タンク９の底部には、給水配管１１ａを介して水道等の給水源（図示省略）が接続され、貯湯タンク９の塔頂部には、貯湯タンク９内の湯を導出して所定の給湯栓（図示省略）に給湯する給湯配管１２ａが接続されている。なお、図示しないが、給水配管１１ａから分岐すると共に、所定の湯水混合弁を介して給湯配管１２ａに合流するように分岐配管を設けた構成とすることもできる。このような分岐配管によれば、湯水混合弁の開口度合いに応じて、給水配管１１ａから給湯配管１２ａに流れ込む水の量を調節することで、前記した給湯栓から出る湯の温度を調節することができる。

ヒートポンプユニット制御部１８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェース、電子回路等を含む構成であり、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係るヒートポンプユニット１を総合的に制御するようになっている。

また、ヒートポンプユニット制御部１８は、圧縮機４の回転数を熱交換器出口水温度センサ１６で検出される水−冷媒熱交換器５の出口水温度に基づいて制御する。具体的には、ヒートポンプユニット制御部１８は、熱交換器出口水温度センサ１６で検出される温度が、予め設定された出口水温度の目標値（目標温水温度）となるように、圧縮機４の回転数を制御する。つまり、目標値に対して熱交換器出口水温度センサ１６の検出温度（計測値）が低い場合には圧縮機４の回転数を速め、これとは逆に検出温度（計測値）が高い場合には圧縮機４の回転数を遅くする。

また、ヒートポンプユニット制御部１８は、循環ポンプ１０が水−冷媒熱交換器５の水伝熱管５ｂに送り込む水の量を、予め求めた圧縮機４の目標回転数に基づいて制御する。具体的には、圧縮機４の目標回転数に対して実回転数が遅い場合には、水伝熱管５ｂに送り込まれる水の量が増えるように循環ポンプ１０を制御し、これとは逆に圧縮機４の実回転数が速い場合には、水伝熱管５ｂに送り込まれる水の量が減るように循環ポンプ１０を制御する。

ここで、圧縮機４の回転数制御は、熱交換器出口水温度センサ１６の検出する温度が目標値となるように制御を行い、かつ、循環ポンプ１０は予め求めた圧縮機４の目標回転数に基いて制御を行う方法について記載したが、圧縮機４の回転数制御は、外気温度１７と貯湯温度の目標値を参照要素として制御し、かつ、熱交換器出口水温度センサ１６の検出する温度が目標値となるように水循環ポンプ１０の制御を行ってもよい。

そして、ヒートポンプユニット制御部１８は、圧力センサ１４により検出される圧縮機４の吐出冷媒圧力が、外気温度と水−冷媒熱交換器５の水入口に設けた水入口温度センサ１５により検出した水入口温度と、目標温水温度より算出される目標吐出冷媒圧力値と一致するように減圧弁６の開度を制御する。つまり、目標値に対して圧力センサ１４の検出圧力（計測値）が低い場合には減圧弁６の開度を小さくし、これとは逆に検出圧力（計測値）が高い場合には減圧弁６の開度を大きくする。

貯湯タンクユニット制御部１９は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェース、電子回路等を含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機を総合的に制御するようになっており、ヒートポンプ式給湯機のユーザとのインターフェースとなるリモコン（図示省略）からの情報や、貯湯タンク９に設けた１２０ａ〜１２０ｅにより構成される温度センサ１２０から得られる貯湯タンク９内の残湯量の情報などから、沸き上げる目標温水温度及び沸上開始時間を算出し、ヒートポンプユニット制御部１８に対して沸上運転開始、停止指令の発報や、目標温水温度の伝達を行う。

次に、本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機の動作について説明する。

このヒートポンプ式給湯機では、貯湯タンク９内に所定の温度で所定の湯量を確保するのに先立って、貯湯タンク９を満たすように水が供給される。この際、貯湯タンク９には、残存する湯に加えられるように、図示しない給水源から給水配管１１ａを介して水が加えられる。もちろん貯湯タンク９が空の場合には、その全てが水で満たされる。

以下では、貯湯タンク９に残存する湯と新たに加えられた水とを一緒にして単に「水」ということがある。

そして、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンク９が水で満たされてから、貯湯運転工程を実施する。

ヒートポンプ式給湯機は、起動した圧縮機４が吐出するホットガス（高温高圧の冷媒）を水−冷媒熱交換器５（放熱器）の冷媒伝熱管５ａに送り込む。冷媒伝熱管５ａに送り込まれたホットガスは、水伝熱管５ｂ内の水に熱を放出する。そして、水伝熱管５ｂ内の水はホットガスで加熱される。

次いで、水−冷媒熱交換器５（放熱器）の冷媒伝熱管５ａから送り出された冷媒は、減圧弁６（膨張弁）で減圧された後に、蒸発器７に流れ込む。そして、流れ込んだ低温低圧の冷媒は、送風ファン８から送り込まれた風によって蒸発する際に外気から熱を汲み上げる。その後、冷媒は圧縮機４に戻って再び圧縮される。

その一方で、貯湯タンク９に満たされた水は、循環ポンプ１０が起動することで、送出配管２０ａを介して水−冷媒熱交換器５の水伝熱管５ｂ内に送り込まれる。そして、送り込まれた水は、前記したように、冷媒に加熱されて湯となって、戻し配管２０ｂに流れ込む。

戻し配管２０ｂに流れ込んだ湯は、貯湯タンク９に戻って貯蔵される。このように貯湯タンク９と水−冷媒熱交換器５との間で水が循環する間に、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンク９内に所定の温度で所定の湯量を確保する。

貯湯タンク９に貯蔵された湯は、給水栓から給湯として使用され、貯湯タンク９内では使用された湯量分だけ給水配管１１ａから水が供給される。

このように動作するヒートポンプ式給湯機では、貯湯タンク９の沸上運転は、電力使用量が少ない深夜に行われるように、貯湯タンクユニット制御部１９が運転の管理を実施している。貯湯タンクユニット制御部１９は、温度センサ１２０から得られた温度データから、貯湯タンク内の残湯量を推定し、推定した残湯量と給湯の使用量から推定した必要沸上熱量を算出して沸上に必要な運転時間を計算する。計算した運転時間により、電力使用量が増加し始める明け方に沸上を完了するために必要な運転開始時間を算出し、算出した開始時間より沸上運転を始める。このように明け方で沸上運転が完了するようにすることで、貯湯タンク９からの放熱によるエネルギーロスを最小限とすることができる。ここで、必要沸上熱量から算出した沸上運転時間で貯湯タンク９内の水を沸き上げるために、ヒートポンプユニット１は所定の加熱能力を出力する必要がある。

このように深夜時間で沸上運転を行い、貯湯した湯を給湯に使用するヒートポンプ式給湯機では、使用される給湯量が推定した量と相違が無い場合には貯湯タンク９内の湯が湯切れすることは無いが、推定した以上の給湯量で使用された場合、湯切れが発生し、給湯ができなくなる問題がある。この問題を解消するために、貯湯タンクユニット制御部１９は、温度センサ１２０から得られる温度データより貯湯タンク９内の湯量を常に推定し、湯量が低下して湯切れが発生する恐れがある場合、ヒートポンプユニット１により貯湯タンク９内の水を沸き上げる運転を行う。ヒートポンプユニット１による沸上運転は電力を大量に使用するため、家庭や地域などでの電力使用量が多い昼間の時間帯に湯切れを回避するための沸上運転を実施すると、契約電力以上の電力消費の発生や、供給電力不足による停電が発生するリスクがある。このリスクを回避するために、本発明の第一実施形態では、家庭や地域で使用される電力を監視する使用電力監視システム２１を設け、使用電力監視システム２１と連携して沸上運転で使用する電力を調整する機能を設けている。

この機能について図２に示すフローチャートを用いて詳述する。以下では、図１の符号も併記して説明する。

ヒートポンプユニット１は、貯湯タンクユニット制御部１９から沸上運転開始指令及び目標温水温度をヒートポンプユニット制御部１８が受信したとき、ヒートポンプユニットによる沸上運転を開始する。ヒートポンプユニットの運転を開始するとき、圧縮機４、減圧弁６、循環ポンプ１０及び送風ファン８の初期値で起動する。

起動後、温度センサ１７から得られる外気温度、熱交換器入口水温度センサ１５から得られる水入口温度、及び貯湯タンクユニット制御部１９より受信した目標温水温度から、循環ポンプの回転数を制御するための参照値となる圧縮機基準回転数の算出を行う。

家庭や地域で使用している電力を監視している使用電力監視システム２１において、電力が超過する恐れが無いと判断されている間は、使用電力監視システム２１は電力調整指令を発報しないため、ヒートポンプユニット１は電力調整指令無しと判断して沸上運転を継続する（図中、Ｓ１）。電力調整指令が無い場合は、ヒートポンプユニット１は通常の沸上運転動作として、受信した目標温水温度をセットする。また、外気温度、水入口温度及び目標温水温度から算出した目標吐出冷媒圧力値をセットする。

その後、圧力センサから得られる吐出冷媒圧力値が目標圧力値となるように減圧弁６の開度を修正する（図中、Ｓ２）。

水−冷媒熱交換器出口水温度センサから得られる出口水温度が目標温水温度となるように圧縮機４の回転数の修正を行う（図中、Ｓ３）。

また、圧縮機回転数が圧縮機基準回転数となるように循環ポンプ１０の回転数を修正する（図中、Ｓ４）。

吐出冷媒圧力値及び出口水温度が目標値と、圧縮機４の回転数が基準回転数と一致するまで、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の動作を繰返す。吐出冷媒圧力値、出口水温度が目標値と一致し、かつ圧縮機４の回転数が基準回転数と一致したとき、すなわち、膨張弁６の開度、圧縮機４の回転数及び循環ポンプ１０の回転数の修正が行われなくなったとき、ヒートポンプユニット１は沸上運転が安定したと判断し、貯湯タンクユニット制御部１９へ沸上運転安定信号を送信する（図中、Ｓ５）。

ヒートポンプユニット１より送信された沸上運転安定信号は、貯湯タンクユニット制御部１９を介して、使用電力監視システム２１へと送信される。この間、運転指令が解除となった場合は、沸上運転を停止する。

ヒートポンプユニット１による沸上運転が開始されると使用している電力量が増加するため、電力を使用する他の機器の使用状況によっては、家庭や地域で使用している電力が制限値を超過する恐れが発生する。この時、使用電力監視システム２１は電力の超過を抑えるために、ヒートポンプユニット１で使用している電力を調整するための電力調整指令を送信する。この電力調整指令は一定値（例えば電力使用量を８０％とする）でも良いし、超過量を予測してその都度可変した値でも良い。使用電力監視システム２１から送信された電力調整指令は、貯湯タンクユニット制御部１９を介してヒートポンプユニット制御部１８で受信される。

ヒートポンプユニット１は電力調整指令を受信した場合、電力調整量（例えば８０％）を取得した後、圧縮機４の回転数、減圧弁６の開度及び循環ポンプ１０の回転数を修正する。修正は、現在の圧縮機回転数、膨張弁開度及び循環ポンプ回転数を取得した電力調整量分だけ変更することにより行う。電力調整指令の受信と同時に、それぞれの機器の運転状態を変更するため、ヒートポンプユニット１で使用している電力が調整できる。また循環ポンプ１０の回転数の修正に使用している圧縮機基準回転数も電力調整量の比率で変更を行う。それぞれの機器の状態を変更した後は、吐出冷媒圧力値、出口水温度が目標値と、圧縮機４の回転数が基準回転数と一致するまで、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の動作を繰返し、沸上運転が安定した後、沸上運転安定信号を送信する。使用電力監視システム２１は沸上運転安定信号を受信した後、使用している電力の状況を確認し、更なる電力調整を行うのか、現在の運転を維持するのか、電力調整を終了し、通常の運転に戻すのかを判断し、判断した結果の電力調整指令を送信する。また、圧縮機４には、信頼性の問題から、使用できる回転数の下限値が設定されている。そこで、電力調整量から算出した修正圧縮機回転数が下限値を下回るような場合には、現在の圧縮機回転数と回転数下限値とから下限調整量を算出し、下限調整量を使用して機器の修正を行う（図中、Ｓ６）。

以上のような本発明の第一実施形態に係るヒートポンプ式給湯機によれば、次のような作用効果を奏することができる。

従来のヒートポンプ式給湯機では、ユーザの家庭で使用する電力使用量が電力会社と契約している電力量を超過しそうなときや、地域で使用する電力使用量がその地域の上限値を超過しそうなときは、ヒートポンプ式給湯機の沸上運転を停止するしかないため、湯切れが発生することがあった。

本実施形態に係るヒートポンプ式給湯機では、電力使用量が上限値を超過しそうなときは、ヒートポンプユニット１の圧縮機４、減圧弁６及び循環ポンプ１０のうち少なくとも１つの状態を変更することにより、使用している電力を調整することが可能である。これにより、電力使用量が上限値を超過することなく、また、ユーザによる貯湯タンク９の湯の使用により発生する湯切れを防止することができる。

（第二実施形態）
本発明の第二実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の電気ヒータを使用した電気式給湯機は、電力の使用量を監視するシステムから、沸上運転中の電力使用量を低減させる指令を受けたとき、運転中の沸上加熱能力を低減することにより、電力を低減させる機能を有しており、加熱能力の低下は、電気ヒータの出力を低下することで行う機能を設けたことを特徴とする。

以下では、本発明の実施形態に係る電気式給湯機の全体構成について説明した後に、前記した機能について更に具体的に説明する。

図３は、電気温水器の例を示す概略構成図である。

本図に示すように、電気式給湯機は、筐体２２の中に貯湯タンク２３を収めた構造となっている。

この貯湯タンク２３の底部には、給水配管２４を介して水道等の給水源（図示省略）が接続され、貯湯タンク２３の塔頂部には、貯湯タンク２３内の湯を導出して所定の給湯栓（図示省略）に給湯する給湯配管２５が接続されている。なお、図示しないが、給水配管２４から分岐すると共に、所定の湯水混合弁を介して給湯配管２５に合流するように分岐配管を設ける構成とすることもできる。このような分岐配管によれば、湯水混合弁の開口度合いに応じて、給水配管２４から給湯配管２５に流れ込む水の量を調節することで、前記した給湯栓から出る湯の温度を調節することができる。

貯湯タンク２３の内部には、給水配管２４から導入した水を加熱するための電気ヒータ２６が設けられている。なお、本図においては、電気ヒータ２６は、貯湯タンク２３の内部に設置されているが、本発明は、これに限定されるものではなく、電気ヒータ２６が貯湯タンク２３の外部に設置されていてもよい。

給湯ユニット制御部２７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インターフェース、電子回路等を含む構成であり、その内部に記憶されたプログラムに従って、本実施形態に係る電気式給湯機を総合的に制御するようになっている。給湯ユニット制御部２７は電気式給湯機のユーザとのインターフェースとなるリモコン（図示省略）からの情報や、貯湯タンク２３に設けた２８ａ〜２８ｅにより構成される温度センサ２８から得られる貯湯タンク２３内の残湯量の情報などから、沸き上げる目標温水温度と沸上開始時間を算出し、電気ヒータ２６への通電による貯湯タンク２３内の水の沸上運転を行う。

次に、本実施形態に係る電気式給湯機の動作について説明する。
電気式給湯機において貯湯タンク２３の沸上運転は、電力使用量が少ない深夜に行われるように、給湯ユニット制御部２７が運転の管理を実施している。給湯ユニット制御部２７は、温度センサ２８から得られた温度データから、貯湯タンク２３内の残湯量を推定し、推定した残湯量と給湯の使用量から推定した必要沸上熱量を算出して沸上に必要な運転時間を計算する。計算した運転時間により、電力使用量が増加し始める明け方に沸上を完了するために必要な運転開始時間を算出し、算出した開始時間より沸上運転を始める。このように明け方で沸上運転が完了するようにすることで、貯湯タンク２３からの放熱によるエネルギーロスを最小限とすることができる。ここで、必要沸上熱量から算出した沸上運転時間で貯湯タンク２３内の水を沸き上げるために、電気ヒータ２６は所定の加熱能力を出力する必要がある。

このように深夜時間で沸上運転を行い、貯湯した湯を給湯に使用する電気式給湯機では、使用される給湯量が推定した量と相違が無い場合には貯湯タンク２３内の湯が湯切れすることは無いが、推定した以上の給湯量で使用された場合、湯切れが発生し、給湯ができなくなる問題がある。この問題を解消するために、給湯ユニット制御部２７は、温度センサ２８から得られる温度データより貯湯タンク２３内の湯量を常に推定し、湯量が低下して湯切れが発生する恐れがある場合、電気ヒータ２６により貯湯タンク２３内の水を沸き上げる運転を行う。

電気ヒータ２６による沸上運転は電力を大量に使用する。このため、家庭や地域などでの電力使用量が多い昼間の時間帯に湯切れを回避するための沸上運転を実施すると、契約電力以上の電力消費の発生や、供給電力不足による停電が発生するリスクがある。このリスクを回避するために、本発明の第二実施形態では、家庭や地域で使用される電力を監視する使用電力監視システム２１を設け、使用電力監視システム２１と連携して沸上運転で使用する電力を調整する機能を設けている。

この機能について図４に示すフローチャートを用いて詳述する。

給湯ユニット制御部２７は、沸上運転開始と判断した後に、電気ヒータ２６への通電を開始する。家庭や地域で使用している電力を監視している使用電力監視システム２１は、電力が超過する恐れが無いと判断されている間は、電力調整指令を発報しないため、給湯ユニット制御部２７は電力調整指令無しと判断して沸上運転を継続する（図中、Ｓ７）。

運転中、給湯ユニット制御部２７は、ヒータ通電が安定していることを使用電力監視システム２１へ知らせるために、通電安定信号を送信する（図中、Ｓ８）。この間、温度センサ２８から得られるタンク内水温度より、タンク内の沸上が完了となった場合は、沸上運転を停止する。

電気ヒータ２６による沸上運転が開始されると、使用している電力量が増加するため、電力を使用する他の機器の使用状況によっては、家庭や地域で使用している電力が超過する恐れが発生する。このとき、使用電力監視システム２１は、電力の超過を抑えるために、電気ヒータ２６で使用している電力を調整するための電力調整指令を送信する。この電力調整指令は、一定値（例えば電力使用量を８０％とする）でも良いし、超過量を予測してその都度可変した値でも良い。

使用電力監視システム２１から送信された電力調整指令は、給湯ユニット制御部２７で受信される。給湯ユニット制御部２７は、電力調整指令を受信した場合、電力調整量（例えば８０％）を取得した後、電気ヒータ２６への通電量を修正する。修正は、現在の電気ヒータ通電量を取得した電力調整量分だけ変更することにより行う。電力調整指令の受信と同時に、電気ヒータ２６への通電量を変更するため、使用している電力が調整できる。

また、給湯ユニット制御部２７は、電気ヒータ２６への通電が安定した後、通電安定信号を使用電力監視システム２１へ送信する。使用電力監視システム２１は、通電安定信号を受信した後、使用している電力の状況を確認し、更なる電力調整を行うのか、現在の運転を維持するのか、電力調整を終了し、通常の運転に戻すのかを判断し、判断した結果の電力調整指令を送信する。

以上のような本発明の第二実施形態に係る電気式給湯機によれば、次のような作用効果を奏することができる。

従来の電気式給湯機では、沸上運転実施中の電力使用量が、ユーザが電力会社と契約している電力量を超過しそうなときや、地域で使用する電力使用量が上限値を超過しそうなときは、電気ヒータへの通電を停止し、沸上運転を停止するしかない。このため、湯切れが発生することがあった。

本実施形態に係る電気式給湯機では、電力使用量が上限値を超過しそうなときは、電気ヒータ２６への通電量を修正することにより、使用している電力を調整することが可能であるため、電力使用量が上限値を超過することなく、また、ユーザの給湯使用量によって発生する湯切れを防止することができる。

図５は、使用電力監視システムを一軒の家屋において使用する電気機器（電化製品）に適用した場合の例を示す概念図である。

本図に示すように、使用電力監視システム５２１は、家庭内にある冷蔵庫５３、テレビ５４、ルームエアコン５５、ヒートポンプ式給湯機（５１、５２）その他の電力を使用する電気機器を監視するシステムである。各電気機器が使用している電力量の測定は、各電気機器で実施しても良いし、使用電力監視システム５２１で実施しても良い。

上述の実施形態においては、給湯機の電力使用量を制限することを例として説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、給湯機以外の電気機器の電力使用量を同様の手法（電力調整の手順）で制限するようにしてもよい。この場合、使用電力監視システム５２１から指令を発し、冷蔵庫５３、ルームエアコン５５等の電力使用量を制限する。

給湯機の電力使用量を制限すると、場合によっては湯切れの問題が生じる。これに対して、給湯機の電力使用量を制限することなく、冷蔵庫５３、ルームエアコン５５等の電力使用量を制限したとしても、ユーザに要求される忍耐は許容できる程度であると考えられる。言い換えると、電力使用量を制限することにより、冷蔵庫５３の冷蔵品の周囲の冷気の温度が一時的に１〜２℃高くなったとしても、冷蔵品の温度が著しく上昇することはなく、ユーザは許容できると考えられる。また、ルームエアコン５５の冷房能力又は暖房能力が一時的に制限され、室温が一時的に１〜２℃上昇したとしても、ユーザは許容できると考えられる。

電力の総供給量の上限を抑制する観点から、各家屋において使用する電気機器のうちいずれの電力使用量を制限するかは自由度がある。使用電力監視システム５２１によりユーザの快適度を計算して、電力使用量を制限する電気機器を自動的に選択するようにしてもよい。

図６は、使用電力監視システムを地域内の複数の家屋に適用した場合の例を示す概念図である。

本図に示すように、上記実施例で使用している使用電力監視システム６２１は、地域にある複数のビル６１、家屋６２その他の電力を使用する場所を監視するシステムである。ビル６１、家屋６２等で使用している電力量の測定は、それぞれの建屋内で実施しても良いし、使用電力監視システム６２１で実施しても良い。また、それぞれの建屋内で電力量の測定を実施する場合は、図５に示す使用電力監視システム５２１をそれぞれの建屋に設け、それぞれの使用電力監視システム５２１が地域を監視する使用電力監視システム６２１（図６）と通信するようにしても良い。

１：ヒートポンプユニット、２：貯湯タンクユニット、３ａ、３ｂ：接続配管、４：圧縮機、５：水−冷媒熱交換器、６：減圧弁、７：蒸発器、８：送風ファン、９：貯湯タンク、１０：循環ポンプ、１１ａ：給水配管、１１ｂ：配管、１２ａ：給湯配管、１２ｂ：配管、１３：圧縮機温度センサ、１４：圧力センサ、１５：熱交換器入口水温度センサ、１６：熱交換器出口水温度センサ、１７：外気温度センサ、１８：ヒートポンプユニット制御部、１９：貯湯タンクユニット制御部、２１、５２１、６２１：使用電力監視システム、２２：筐体、２３：貯湯タンク、２４：給水配管、２５：給湯配管、２６：電気ヒータ、２７：給湯ユニット制御部、２８：温度センサ、５１、５２：ヒートポンプ式給湯機、５３：冷蔵庫、５４：テレビ、５５：ルームエアコン、１２０：温度センサ。

Claims (9)

1. 電力を使用して水の加熱を行う沸上運転機能を有する給湯機であって、
   前記電力の使用量を監視する使用電力監視システムからの指令を受ける機能を有し、
   前記指令に基いて水の加熱量を調整することを特徴とする給湯機。
2. 水の加熱源である電気ヒータと、水を貯蔵するタンクと、を有し、前記指令に基づいて前記電気ヒータの通電量を調整して水の加熱量を調整することを特徴とする、請求項１記載の給湯機。
3. 前記水の加熱量の調整を行った後、前記電気ヒータへの通電が安定しているか否かの判定を行い、前記判定の結果を前記使用電力監視システムに通知する機能を有する、請求項２記載の給湯機。
4. 水の加熱源であるヒートポンプと、水を貯蔵するタンクと、を有し、
   前記ヒートポンプは、
   冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機から吐出される高温高圧の前記冷媒により水を加熱する水−冷媒熱交換器と、
   減圧弁と、
   前記減圧弁を通過した低温低圧の前記冷媒を空気により加熱する蒸発器と、を含み、
   さらに、前記タンクの水を前記水−冷媒熱交換器に送る循環ポンプを有する、請求項１記載の給湯機。
5. 前記水の加熱量の調整は、前記圧縮機若しくは前記循環ポンプの回転数又は前記減圧弁の開度の変更により行う、請求項４記載の給湯機。
6. 前記水の加熱量の調整を行った後、前記ヒートポンプの運転が安定しているか否かの判定を行い、前記判定の結果を前記使用電力監視システムに通知する機能を有する、請求項５記載の給湯機。
7. 前記圧縮機の回転数が下限値に達したか否かを判別する機能を有する、請求項５記載の給湯機。
8. 前記指令により前記電力の使用量を低減した状態において当該指令が解除された場合は、前記電力の使用量の制限を解除する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の給湯機。
9. 前記使用電力監視システムは、一軒の家屋の電力又は複数の家屋を含む地域の電力を監視するものであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の給湯機。

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