JP2017133756A

JP2017133756A - 給湯装置

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Publication number: JP2017133756A
Application number: JP2016013853A
Authority: JP
Inventors: 徳岩崎; Akira Iwasaki; 俊彦 ▲はま▼上; Toshihiko Hamaue
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP6653079B2

Abstract

【課題】入水温度が急激に変動した場合においても、出湯温度を安定させることが可能な給湯装置を提供すること。【解決手段】入水温度、出湯温度、流量および給湯設定温度に基づいて所定周期ごとに燃焼部における必要発生熱量を制御する制御手段を備えた給湯装置において、この制御手段は、入水温度と出湯温度との差温と流量から出力熱量を算出し、必要発生熱量に対する出力熱量の比に基づいて演算係数を学習する学習手段と、給湯設定温度と入水温度との差温と流量と演算係数とに基づいて第１の必要発生熱量を算出するフィードフォワード制御手段と、給湯設定温度と出湯温度との差温と流量と演算係数とに基づいて第２の必要発生熱量を算出するフィードバック制御手段と、第１の必要発生熱量と第２の必要発生熱量とを加算して必要発生熱量を設定する加算手段とを有し、入水温度の変化率が所定範囲外の場合には学習手段が演算係数を初期値に戻すように構成した。【選択図】図２

Description

本発明は、給湯温度を設定温度に保つためにフィードフォワード制御およびフィードバック制御を組み合わせて制御を行う給湯装置に関する。

従来から、給湯装置において、設定温度の湯水が給湯されるように、設定温度に対する出湯温度の偏差に基づくフィードバック制御（ＦＢ制御）に加えて、設定温度と入水温度の差温に基づくフィードフォワード制御（ＦＦ制御）を組み合わせる湯温制御が行われている。

例えば特許文献１には、入水温度と出湯温度の差温と流量から出力熱量を算出し、設定温度の湯水を出湯するために必要な熱量に対する出力熱量の比に基づいて演算係数を学習し、この演算係数に基づくＦＦ制御およびＦＢ制御を組み合わせて加熱手段の出力を調節する湯温制御を行う給湯装置が記載されている。

特開２０１４−１３７２０６号公報

しかし、入水温度が急激に変動した場合には、演算係数への入水温度の変動の反映が遅れ、給湯装置から出湯される湯水の温度が変動し、設定温度の湯水を出湯できない虞がある。例えば、入水温度が高温から低温へと急激に低下すると、給湯装置内に高温の湯水が残存しているにもかかわらず加熱手段の出力を増加させて加熱するので、高温の湯水が過度に加熱されて出湯温度が高温になる。すると給湯装置の安全動作により加熱手段が停止されるので、高温の湯水に続いて低温の湯水が出湯されることとなり、出湯温度が安定せず好ましくない。

一方、入水温度が低温から高温へと急激に上昇すると、給湯装置内に低温の湯水が残存しているにもかかわらず加熱手段の出力を減少させて加熱するので、低温の湯水の加熱量が不足し出湯温度が低温になる。すると、出湯温度の低下を補うために加熱手段の出力を増加させて加熱するので、入水した高温の湯水が過度に加熱され、給湯装置に残存していた低温の湯水に続いて高温の湯水が出湯されることとなり、出湯温度が安定せず好ましくない。

本発明の目的は、入水温度が急激に変動した場合においても、出湯温度を安定させることが可能な給湯装置を提供することである。

第１の発明の給湯装置は、燃焼部で生じた燃焼ガスによって内部を流れる湯水を加熱するための熱交換器と、前記熱交換器に導入される入水温度を検知するための入水温度検知手段と、前記熱交換器から出湯される出湯温度を検知するための出湯温度検知手段と、前記熱交換器を通過する湯水の流量を検知するための流量検知手段と、これらの検知手段によって検知された入水温度、出湯温度、流量および給湯設定温度に基づいて所定周期ごとに前記燃焼部における必要発生熱量を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記入水温度と前記出湯温度との差温と前記流量より出力熱量を算出し、前記必要発生熱量に対する前記出力熱量の比に基づいて演算係数を学習する学習手段と、前記給湯設定温度と前記入水温度との差温と前記流量と前記演算係数とに基づいて第１の必要発生熱量を算出するフィードフォワード制御手段と、前記給湯設定温度と前記出湯温度との差温と前記流量と前記演算係数とに基づいて第２の必要発生熱量を算出するフィードバック制御手段と、前記第１の必要発生熱量と前記第２の必要発生熱量とを加算して前記必要発生熱量を設定する加算手段とを有し、前記学習手段は、前記入水温度の変化率が所定範囲外の場合には前記演算係数を初期値に戻すことを特徴としている。

第２の発明の給湯装置は、第１の発明において前記給湯装置は即湯運転可能に構成されたことを特徴としている。

第１の発明の給湯装置によれば、入水温度の急激な変動により入水温度の変化率が所定範囲外となった場合には、逐次更新される演算係数を初期値に戻して必要発生熱量を制御する湯温制御を行うことにより、出湯温度の変動を抑制して安定した温度の湯水を出湯することができる。

第２の発明の給湯装置によれば、給湯装置が即湯運転可能に構成されたので、即湯運転中に給湯栓等から給湯されて低温の上水が給湯装置に入水した場合や、即湯運転の開始により低温の湯水から加熱されて高温になった湯水が再び給湯装置に入水した場合に入水温度の変動が大きくなるが、入水温度の変化率が所定範囲外であれば演算係数を初期値に戻して湯温制御を行うので、出湯温度の変動を抑制して安定した温度の湯水を出湯することができる。

本発明の給湯装置を有する即湯循環システムの概略構成図である。本発明の給湯装置における湯温制御を説明するための機能ブロック図である。演算係数の重み付けパラメータと流量との関係を概略的に示す図である。湯温制御の処理手順を示すフローチャートである。本実施例に係る給湯装置の湯温制御の１例を示す図である。即湯運転開始時の湯水の昇温制御を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

図１に示すように、即湯循環システム１は、給湯装置２と、給湯装置２に湯水を供給する入水通路３と、給湯装置２で加熱された湯水が出湯される出湯通路４と、出湯通路４を流れる湯水を入水通路３を経由して給湯装置２に送る循環ポンプ５とを備え、給湯装置２から出湯された湯水が給湯装置２に再入水可能な循環通路６が形成されている。

入水通路３には、入水通路３を介して上水を給湯装置２に供給する給水通路７と、循環する湯水の熱膨張を吸収する膨張タンク８が接続され、循環する湯水に混ざったエアを分離するエアセパレータ９と逆流を防ぐ逆止弁１０が備えられている。給水通路７には、入水通路３を流れる湯水が給水通路７に逆流することを防ぐ逆止弁１１が設けられている。出湯通路４には、給湯栓Ｆが設けられている。給湯栓Ｆは１つでもよく複数設けられていてもよい。

給湯装置２は、加熱通路１２と、バーナ１３と、熱交換器１４と、ガス比例弁１５と、出湯流量調整弁１６と、制御ユニット１７（制御手段に相当する）とを含む。

加熱通路１２は、上流端が入水通路３に接続され、下流端が出湯通路４に接続され、入水通路３から供給されて熱交換器１４において加熱された湯水を出湯通路４に出湯する。出湯流量調整弁１６は、制御ユニット１７により開度を調整することによって、出湯流量を制御することができる。

バーナ１３は、図示しないガス配管から供給された燃料ガスと、図示しない燃焼ファンから供給された空気との混合気を燃焼部で燃焼させることによって、高温の燃焼ガスを発生させる。バーナ１３に供給される燃料ガス供給量は、制御ユニット１７によるガス比例弁１５の開度の調節により制御される。燃焼ファンから供給される空気の量は、バーナ１３での燃焼における空燃比が一定となるように制御される。

熱交換器１４は、バーナ１３での燃焼により発生した高温の燃焼ガスと加熱通路１２を流れる湯水との間で熱交換させて湯水を加熱する。

加熱通路１２には、流量センサ１８（流量検知手段に相当する）と、入水温度センサ１９（入水温度検知手段に相当する）と、出湯温度センサ２０（出湯温度検知手段に相当する）が設けられている。流量センサ１８によって、加熱通路１２の流量Ｑが検知される。入水温度センサ１９は、熱交換器１４の上流側に設けられて、入水温度Ｔｃを検知する。出湯温度センサ２０は、熱交換器１４の下流側に設けられて、出湯温度Ｔｈを検知する。検知された流量Ｑ、入水温度Ｔｃおよび出湯温度Ｔｈは、制御ユニット１７に送信される。

制御ユニット１７は、操作リモコン２１の操作等により設定した設定温度Ｔｒに従って出湯温度Ｔｈを制御するための湯温制御を実行する。詳しくは、制御ユニット１７は、湯温制御のためにバーナ１３で発生させる必要発生熱量を算出すると共に、この必要発生熱量に従ってガス比例弁１５の開度を調節する。ガス比例弁１５の開度の調節によりバーナ１３での発生熱量が変化すると、熱交換器１４を介して水温上昇に寄与する熱量が変化するので、出湯温度Ｔｈが変化する。

図２に示すように、制御ユニット１７は、演算係数Ｒを学習する学習手段２２と、フィードフォワード制御手段２３（ＦＦ制御手段２３）と、フィードバック制御手段２４（ＦＢ制御手段２４）と、加算手段２５とを有し、各手段の演算により必要発生熱量Ｕtlを設定する。一般的に給湯装置では、必要発生熱量Ｕtlは号数を単位として演算される。号数１は、Ｑ＝１（Ｌ／ｍｉｎ）の流量下で湯温を２５℃上昇させるのに必要な熱量に相当する。従って、以下必要発生熱量を入力号数と呼ぶこともある。

制御ユニット１７は、設定温度Ｔｒに従って出湯温度Ｔｈを制御するように、入力号数Ｕtlを設定する。設定された入力号数Ｕtlに従って、給湯装置２のバーナ１３への燃料ガスの供給量が制御され、バーナ１３で発生する熱量が制御される。

学習手段２２は、流量センサ１８によって検知された流量Ｑと、入水温度センサ１９によって検知された入水温度Ｔｃと、出湯温度センサ２０によって検知された出湯温度Ｔｈと、入力号数Ｕtlとに基づいて、演算係数Ｒを学習する。

演算係数Ｒは、必要発生熱量Ｕtlに対する、加熱された湯水の上昇温度（Ｔｈ−Ｔｃ）と流量Ｑの積で表される出力熱量の比（出力熱量実績比）Ｋｒに相当する。Ｋｒは、下記（１）式によって定義される。

この出力熱量実績比Ｋｒは上述した号数の定義から理想的には２５である。しかし、ガス比例弁１５における調節のずれや入水温度の状態等に応じて、出力熱量実績比Ｋｒは２５から変動する。例えば、入水温度が高温の場合には、熱交換器１４における熱交換効率が所期の熱交換効率より低下するため、出力熱量実績比Ｋｒは２５より小さくなる。

学習手段２２は、一定の制御周期Δｔ毎、例えば１００ｍｓ毎に下記（２）式に従って演算係数Ｒを学習する。（２）式において、Ｒ（ｎ）は、第ｎ番目の制御周期での学習結果に基づいて算出された学習値であり、Ｒ（ｎ−１）は、１周期前の第（ｎ−１）番目の制御周期で算出された学習値である。パラメータＬは、１周期前の演算係数Ｒ（ｎ−１）と今回検知された流量Ｑ（ｎ）等から算出される現在の出力熱量実績比Ｋｒとに重み付けするパラメータである。

図３に示すように、パラメータＬは、小流量時には大きい値に設定され、流量Ｑが大きくなるにつれて小さい値になるように設定される。流量Ｑが大きい場合には出力熱量の挙動が安定するので、１周期前の演算係数Ｒ（ｎ−１）よりも現在の出力熱量実績比が演算係数Ｒ（ｎ）に反映されるように、パラメータＬにより重み付けされる。流量Ｑが小さい場合には出力熱量が変動し易いため、現在の出力熱量実績比よりも１周期前の演算係数Ｒ（ｎ−１）が演算係数Ｒ（ｎ）に反映されるようにパラメータＬにより重み付けされる。パラメータＬは、実機実験やシミュレーションによって、図３の特性を予め設定することができる。図３の特性に従って、流量ＱからパラメータＬを求める関数式やテーブルを予め作成してもよい。

ＦＦ制御手段２３は、設定温度Ｔｒ（ｎ）と入水温度Ｔｃ（ｎ）の差温と、流量Ｑ（ｎ）と、学習手段２２により算出された学習値Ｒ（ｎ）とに基づいて、ＦＦ制御による入力号数Ｕff（ｎ）（第１の必要発生熱量に相当する）を算出する。ＦＦ制御による入力号数Ｕff（ｎ）は、給湯装置２の入水量（流量Ｑ（ｎ））を、入水温度Ｔｃ（ｎ）から設定湯温Ｔｒ（ｎ）まで変化させるために必要な号数を表す。

ＦＢ制御手段２４は、下記（４）式に従って、設定温度Ｔｒ（ｎ）と出湯温度Ｔｈ（ｎ）の差温と、流量Ｑ（ｎ）と、学習手段２２により算出された学習値Ｒ（ｎ）とに基づいて、ＦＢ制御による入力号数Ｕfb（ｎ）（第２の必要発生熱量に相当する）を算出する。ＦＢ制御による入力号数Ｕfb（ｎ）は、給湯装置２の入水量（流量Ｑ（ｎ））を、差温（Ｔｒ（ｎ）−Ｔｈ（ｎ））だけ変化させるために必要な号数を表す。尚、Ｋｐは給湯装置毎に設定される比例ゲインである。

加算手段２５は、下記（５）式に従って、ＦＦ制御手段２３により算出されたＦＦ制御による入力号数Ｕff（ｎ）と、ＦＢ制御手段２４により算出されたＦＢ制御による入力号数Ｕfb（ｎ）を加算することによって、給湯装置２の入力号数Ｕtl（ｎ）を設定する。
Ｕtl（ｎ）＝Ｕff（ｎ）＋Ｕfb（ｎ）・・・（５）

制御ユニット１７による湯温制御において、入力号数Ｕtlの設定は所定の制御周期Δｔ毎、例えばΔｔ＝１００ｍｓ毎に行われる。図４に示すように、第ｎ番目の制御周期における処理では、入力号数Ｕtl（ｎ）の設定が行われる。尚、Ｓｍ（ｍ＝１，２・・・）は各ステップを表す。

まず、Ｓ１において、流量センサ１８、入水温度センサ１９、出湯温度センサ２０により検知された今回（第ｎ番目）の制御周期における流量Ｑ（ｎ）、入水温度Ｔｃ（ｎ）、出湯温度Ｔｈ（ｎ）、設定湯温Ｔｒ（ｎ）等の必要なデータを取得する。

次に、Ｓ２において、入水温度Ｔｃ（ｎ）の変化率が所定の範囲内であるか否か判定する。例えば、今回の入水温度Ｔｃ（ｎ）と前回の入水温度Ｔｃ（ｎ−１）の差温が所定の範囲内か否か判定する。制御周期が予め定まっているので、ここでは差温を変化率とみなすことができる。判定がＹｅｓの場合にはＳ３に進み、判定がＮｏの場合にはＳ４に進む。所定の範囲内とは、例えば、下記（６）式で表される範囲である。尚、（６）式で表される範囲は制御周期Δｔや給湯装置２の仕様等に応じて適宜設定される。
−１０℃≦（Ｔｃ（ｎ）−Ｔｃ（ｎ−１））≦１０℃ ・・・（６）

次に、Ｓ３において、上記（２）式に従って、学習手段２２により現在の演算係数Ｒ（ｎ）を算出し、Ｓ５に進む。尚、演算係数Ｒ（ｎ）の初期値は、号数の定義に沿ってＲ（０）＝２５とすることができる。

一方、Ｓ２の判定がＮｏの場合にはＳ４において、演算係数Ｒ（ｎ）を初期値２５に設定し、Ｓ５に進む。

次に、Ｓ５において、上記（３）式に従って、Ｓ３またはＳ４で設定された演算係数Ｒ（ｎ）を反映したＦＦ制御を実行し、ＦＦ制御による入力号数Ｕff（ｎ）を算出してＳ６に進む。

次に、Ｓ６において、上記（４）式に従って、Ｓ３またはＳ４で設定された演算係数Ｒ（ｎ）を反映したＦＢ制御を実行し、ＦＢ制御による入力号数Ｕfb（ｎ）を算出してＳ７に進む。

次に、Ｓ７において、上記（５）式に従って、今回（第ｎ番目）の制御周期における給湯装置２の入力号数Ｕtl（ｎ）を設定する。

次に、本発明の給湯装置２の作用および効果について説明する。
図５に示すように、設定温度Ｔｒ＝７５℃の湯水を給湯可能なように循環流量Ｑ＝８Ｌ／ｍｉｎで即湯運転を実行している即湯循環システム１において、例えば経過時間ｔ＝１１０ｓでは、入水温度Ｔｃ＝７２℃程度、出湯温度Ｔｈ＝８３℃程度で安定し、演算係数Ｒ（ｎ）＝２０程度である。尚、実線は本発明の給湯装置２による値を表し、破線および１点鎖線は特許文献１に記載の従来の給湯装置による値を表す。従来の給湯装置は、上述の湯温制御以外は本発明の給湯装置と同等の構成を有する。

経過時間ｔ＝１２７ｓ付近で給湯栓Ｆ等から給湯されて約１５℃の上水が給湯装置２に入水すると、入水温度Ｔｃが低下する。この入水温度Ｔｃの変化率が所定範囲外の場合、例えば−１０℃／１００ｍｓより急激に入水温度Ｔｃが低下した場合には、演算係数Ｒ（ｎ）を初期値に戻す。ここでは入水温度Ｔｃの変化率は−１１℃／１００ｍｓ程度で所定範囲外なので、演算係数Ｒ（ｎ）を２５に設定する。

入力号数Ｕtl（ｎ）は上記（２）〜（５）式に基づいて設定されるので、演算係数Ｒ（ｎ）を初期値に戻したことにより所期の熱交換効率が反映された入力号数Ｕtl（ｎ）が設定される。従って、入水温度が急激に低下した場合でも、湯温制御による入力号数Ｕtl（ｎ）が必要以上に大きくなることがないので、経過時間ｔ＝１２７ｓ以降において出湯温度Ｔｈが高くなって安全動作によりバーナ１３を停止させることがなく、出湯温度Ｔｈの過度の降温が発生することがない。即ち、本発明の給湯装置２によれば、安定した温度で出湯が可能である。

一方、従来の給湯装置では入水温度Ｔｃの急激な低下が演算係数Ｒ（ｎ）にすぐに反映されず、経過時間ｔ＝１４０ｓ付近まで急激に上昇している。この演算係数Ｒ（ｎ）には低下した熱交換効率が反映されているので、演算係数Ｒ（ｎ）に基づいて低温の湯水を加熱するための入力号数Ｕtl（ｎ）が設定されると入力号数Ｕtl（ｎ）が必要以上に大きくなる。そのため、経過時間ｔ＝１４０ｓ付近で出湯温度Ｔｈが過度に上昇して安全動作によりバーナ１３の燃焼が停止し、経過時間ｔ＝１４５ｓ以降で燃焼停止による出湯温度Ｔｈの過度の低下が発生している。

次に、給湯システム１の循環通路６が低温の湯水で満たされた状態で即湯運転を開始した場合について説明する。

図６に示すように、即湯運転が開始され、Ｓ１１において、初期燃焼期間か否か判定される。詳しくは、特許文献１に記載されているので省略するが、設定温度Ｔｒと出湯温度Ｔｈの差温が所定温度α℃（例えばα＝３）以下か否か判定される。判定がＹｅｓの場合はＳ１３に進んで、速やかな昇温を行うために流量Ｑに基づく初期昇温制御が実行され、判定がＮｏの場合はＳ１２に進んで、上述の湯温制御を行う。

即湯運転開始後すぐに、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒに近づき、上記Ｓ１１において初期燃焼期間でない（Ｎｏ）と判定された場合、加熱された湯水が循環通路６を通って再び給湯装置２に入水されるまでは低温の湯水が入水する。このとき、学習により演算係数Ｒ（ｎ）は２５より大きくなる場合がある。

加熱された湯水が再び給湯装置２に入水すると入水温度Ｔｃの上昇が検知される。この入水温度の変化率が所定範囲外の場合、例えば入水温度が１０℃／１００ｍｓより急激に上昇した場合には、演算係数Ｒ（ｎ）を初期値に戻す。

入力号数Ｕff（ｎ）は上記（２）〜（５）式に従って演算係数Ｒ（ｎ）の初期値を反映して算出されるので、入水温度Ｔｃが急激に上昇した場合でも、湯温制御による入力号数Ｕtl（ｎ）は必要以上に小さくなることがない。従って、給湯装置２からの出湯温度Ｔｈが過度に低下することがない。即ち、本発明の給湯装置２によれば、温度が安定した出湯が可能である。

以上説明したように、本発明の給湯装置２は、湯温制御において、入水温度の変化率が所定の範囲外であれば演算係数Ｒ（ｎ）を初期値に設定し、この初期値がＦＦ制御およびＦＢ制御の両方に反映されている。従って、入水温度の急激な変化に対応して演算係数Ｒ（ｎ）の学習による更新を止めて初期値に戻すので、演算係数Ｒ（ｎ）の更新の遅れが生じず、入水温度Ｔｃの急激な変化に対応したＦＦ制御およびＦＢ制御を行って給湯装置２の湯温制御の精度を向上することが可能である。

また、入水温度の変化率が所定の範囲内であれば演算係数Ｒ（ｎ）を学習し、この学習値がＦＦ制御およびＦＢ制御の両方に反映されている。実際の演算係数Ｒ（ｎ）を学習してＦＦ制御およびＦＢ制御に反映するため、給湯装置２の湯温制御の精度の向上が可能である。

本実施例の給湯装置２では、燃料ガスを燃焼させるバーナ１３により湯水を加熱するための熱量を発生させる例を示したが、制御ユニット１７によって設定される必要発生熱量に応じて発生熱量を制御可能に構成されるものであれば、石油を燃焼する石油バーナ等、任意の熱源装置を採用することができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１即湯循環システム
２給湯装置
６循環通路
１２加熱通路
１３バーナ
１４熱交換器
１５ガス比例弁
１６出湯流量調整弁
１７制御ユニット（制御手段）
１８流量センサ（流量検知手段）
１９入水温度センサ（入水温度検知手段）
２０出湯温度センサ（出湯温度検知手段）
２２学習手段
２３フィードフォワード制御手段（ＦＦ制御手段）
２４フィードバック制御手段（ＦＢ制御手段）
２５加算手段

Claims

燃焼部で生じた燃焼ガスによって内部を流れる湯水を加熱するための熱交換器と、
前記熱交換器に導入される入水温度を検知するための入水温度検知手段と、
前記熱交換器から出湯される出湯温度を検知するための出湯温度検知手段と、
前記熱交換器を通過する湯水の流量を検知するための流量検知手段と、
これらの検知手段によって検知された入水温度、出湯温度、流量および給湯設定温度に基づいて所定周期ごとに前記燃焼部における必要発生熱量を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
前記入水温度と前記出湯温度との差温と前記流量より出力熱量を算出し、前記必要発生熱量に対する前記出力熱量の比に基づいて演算係数を学習する学習手段と、
前記給湯設定温度と前記入水温度との差温と前記流量と前記演算係数とに基づいて第１の必要発生熱量を算出するフィードフォワード制御手段と、
前記給湯設定温度と前記出湯温度との差温と前記流量と前記演算係数とに基づいて第２の必要発生熱量を算出するフィードバック制御手段と、
前記第１の必要発生熱量と前記第２の必要発生熱量とを加算して前記必要発生熱量を設定する加算手段とを有し、
前記学習手段は、前記入水温度の変化率が所定範囲外の場合には前記演算係数を初期値に戻すことを特徴とする給湯装置。
前記給湯装置は即湯運転可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。