JP2017194214A

JP2017194214A - 貯湯式給湯装置

Info

Publication number: JP2017194214A
Application number: JP2016084327A
Authority: JP
Inventors: 兼造大西; Kenzo Onishi; 岩本　淳; Atsushi Iwamoto; 淳岩本; 邦彦中野; Kunihiko Nakano
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-20
Also published as: JP6672982B2

Abstract

【課題】貯湯タンク内の湯水の熱が有効に利用されることなく長時間にわたって放置される不具合を解消し、エネルギ効率のよい貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】予測された熱需要の熱量Ｑ１と貯湯タンクに蓄熱されている貯湯タンク内熱量Ｑ２とに基づいて、直近の熱需要が発生する迄に貯湯タンクに補充すべき必要熱量Ｑｎを求める処理を実行する制御手段を備えている、貯湯式給湯装置であって、貯湯タンク内熱量Ｑ２は、通常の貯湯運転の場合には、貯湯タンク内の湯水のうち、給湯設定温度Ｔ０以上とされた所定の基準温度Ｔ１未満の湯水の熱量は含まず、基準温度Ｔ１以上の湯水の熱量とされる一方、当日最後の貯湯運転の場合には、基準温度Ｔ１未満の湯水の熱量も含めた熱量とされる。【選択図】図４

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯装置などの貯湯式給湯装置に関する。

ヒートポンプ給湯装置としては、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その熱量を予測し、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（たとえば、特許文献１）。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、前者は、貯湯タンクからの放熱ロスを少なくすることができる。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。従来においては、湯水加熱手段として、ヒートポンプに加え、補助熱源機をさらに備えたものもあるが、このような構成によれば、仮に、ヒートポンプの蓄熱量に不足を生じた場合であっても、湯不足（湯切れ）を生じないようにすることが可能である。

しかしながら、前記したような従来のヒートポンプ給湯装置においては、次のように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、予測される直近の熱需要に対応すべくヒートポンプの貯湯運転を行なう際には、予測される熱需要の熱量と、現時点における貯湯タンク内熱量とに基づき、貯湯タンクに補充すべき必要熱量、つまりヒートポンプによって新たに沸き上げるべき湯水熱量を求める必要がある。この場合、貯湯タンク内熱量として、貯湯タンク内の湯水の全熱量を求めるのではなく、貯湯タンク内の湯水のうち、給湯設定温度未満の湯水の熱量を除外し、給湯設定温度以上の湯水の熱量を求めた上で、これを貯湯タンク内熱量とする手段がある。このような手段によれば、その後の熱需要に対し、補助熱源機を稼働させることなく、貯湯タンク内の湯水のみで給湯設定温度以上の湯水給湯が可能である。
ところが、このような手段を単に採用しただけでは、貯湯タンク内のうち、給湯設定温度未満の湯水は、有効に利用されず、エネルギ効率が悪くなる場合がある。具体例を挙げると、たとえば夜に給湯の需要があることに対応して貯湯運転が行なわれた場合、その後翌朝まで給湯の需要がなく、比較的長い時間ヒートポンプが停止するといった状況は、一般的に多くみられるが、このような状況において、前記した手段を単に採用しただけでは、夜間中に、給湯設定温度未満の湯水が貯湯タンク内に残ったままとなり、この湯水の熱量が比較的多い場合であっても、有効に利用されることなく放置されてしまう。このような事態が発生したのでは、放熱ロスにより貯湯タンク内の湯水温度が下がり、エネルギ効率が悪くなる。このような不具合は、夜間に生じるだけではなく、ヒートポンプの貯湯運転終了時から次の貯湯運転が開始される迄の時間がかなり長いような場合にも生じ得る。

特開２０１５−１０７７３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、貯湯タンク内の湯水の熱が有効に利用されることなく長時間にわたって放置されるなどの不具合を解消し、エネルギ効率をよくすることが可能な貯湯式給湯装置を提供することを、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貯湯式給湯装置は、加熱した湯水を貯湯タンクに貯留させる貯湯運転が可能な外部熱源機と、前記貯湯タンクから所定の出湯口または熱負荷に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、過去の給湯運転実績に基づいて今後の熱需要の熱量を予測し、かつこの予測された熱需要の熱量と前記貯湯タンクに蓄熱されている貯湯タンク内熱量とに基づいて、直近の熱需要が発生する迄に前記貯湯タンクに補充すべき必要熱量を求める処理を実行可能な制御手段と、を備えている、貯湯式給湯装置であって、前記貯湯タンク内熱量は、通常の貯湯運転の場合には、前記貯湯タンク内の湯水のうち、給湯設定温度以上とされた所定の基準温度未満の湯水の熱量を含まず、前記基準温度以上の湯水の熱量とされる一方、当日最後の貯湯運転としての第１の特定の貯湯運転、または今回の貯湯運転終了時から次回の貯湯運転開始時迄に所定以上の時間間隔がある第２の特定の貯湯運転の場合には、前記基準温度未満の湯水の熱量も含めた熱量とされ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。
まず、前記した第１または第２の特定の貯湯運転が実行された場合には、その後の熱需要に対し、貯湯タンク内のうち、前記基準温度に満たず、給湯にはそのまま利用することができない湯水も給湯に有効に利用されることとなる（補助熱源機の稼働により、湯水温度を給湯温度迄上昇させることが可能である）。このため、貯湯タンク内に基準温度未満の湯水が多く残存したまま、この湯水が当日から翌日に持ち越されること、またはヒートポンプの貯湯運転の時間間隔が長い場合においてその期間中に基準温度未満の湯水が多く残存したまま放置されることは解消される。
一方、通常の貯湯運転が実行された場合には、その後の熱需要に対し、所定の基準温度以上の高温の湯水のみによって、その後の熱需要を賄うことが可能となる。このため、補助熱源機を稼働させる必要をなくすことができる。
このようなことから、貯湯式給湯装置をエネルギ効率がよく、省エネ性および経済性に優れたものとすることが可能である。

本発明において、好ましくは、前記第１または第２の特定の貯湯運転の場合には、前記貯湯タンク内熱量は、前記貯湯タンク内の湯水全量の熱量とされる。

このような構成によれば、第１または第２の特定の貯湯運転が実行された後の熱需要発生時において、貯湯タンク内の残湯の利用効率を高める上で、より好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記貯湯タンク内熱量は、前記貯湯タンク内の湯水の温度およびその量に基づいて求められ、かつ前記湯水の温度の値としては、前記貯湯タンクへの入水温度または前記外部熱源機への入水温度と、前記貯湯タンク内の湯水の実温度との差の値が用いられる。

このような構成によれば、貯湯タンク内熱量を求める演算処理を容易にできる他、貯湯タンク内熱量が、貯湯タンクへの入水温度または外部熱源機への入水温度を反映したものとすることができる。

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。

本発明に係る貯湯式給湯装置の一例を示す概略説明図である。図１に示す貯湯式給湯装置の制御部によって実行される基本的な動作手順の一例を示すフローチャートである。（ａ），（ｂ）は、熱需要と貯湯運転との関係の一例を示すタイムチャートである。図１に示す貯湯式給湯装置の制御部によって実行されるデータ処理の例を示すフローチャートである。

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に示す貯湯式給湯装置Ａは、ヒートポンプ給湯装置であり、外部熱源機としてのヒートポンプ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。これら各部のハード構成は、特許文献１に記載されたヒートポンプ給湯装置と同様であるため、その説明は簡単に行なうこととする。

ヒートポンプ１は、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が設けられた構成である。

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には、内部に貯留された湯水の温度を検出するための複数の温度センサＳａが取り付けられている。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１２に往き戻り管５０ａ，５０ｂを介して接続されており、往き管５０ａの循環ポンプＰ１を駆動することにより、ヒートポンプ１によって沸き上げた湯水を貯湯タンク２に貯留させる貯湯運転が可能である。この貯湯運転では、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。

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、出湯口６２ａから給湯栓９０に向けて供給される。

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に、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し得る構成である。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。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）と協働して貯湯式給湯装置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、たとえば給湯温度や、暖房端末９１の運転開始時刻の設定などが可能である。

制御部４は、図２のフローチャートに示すような動作制御を実行可能である。
すなわち、制御部４は、現時点から所定期間内における熱需要を予測する（Ｓ１）。制御部４は、過去の熱需要（給湯運転実績）や、リモコン８を利用した各種の給湯予約設定内容などに基づき、たとえば今後９時間の範囲における熱需要を予測する学習能力を有しており、この能力に基づき、前記した熱需要の予測を行なう。熱需要の予測は、具体的には、熱需要の発生時間帯、およびその時間帯における熱需要の熱量を予測する処理であり、熱需要の発生時間帯は、たとえば１７時〜１８時迄、１８時〜１９時迄など、１時間毎に区分される。

熱需要が予測される場合、この熱需要が発生する迄に貯湯タンク２に補充すべき必要熱量Ｑｎを算出する処理も実行される（Ｓ２）。この処理の詳細については、後述するが、必要熱量Ｑｎは、次の式１で求められる。
Ｑｎ＝Ｑ１−Ｑ２ …式１
Ｑ１：予測される熱需要の熱量
Ｑ２：現時点における貯湯タンク内熱量

制御部４は、必要熱量Ｑｎを算出した後には、この必要熱量Ｑｎの湯水をヒートポンプ１によって沸き上げるための所要時間などを判断し、ヒートポンプ１の貯留運転開始時期を判断する（Ｓ３）。その後、この時期が到来すると、ヒートポンプ１の貯留運転が開始され、必要熱量Ｑｎの湯水が沸き上げられる（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ５）。

次に、前記した貯湯式給湯装置Ａの作用、とくに必要熱量Ｑｎを求める処理について、図３に示したタイムチャート、および図４に示したフローチャートを参照しつつ説明する。

必要熱量Ｑｎは、最終的には、図４のステップＳ１３に示すように、前述した式１のＱｎ＝Ｑ１−Ｑ２を演算することにより求められるが、本実施形態では、ヒートポンプ１の貯湯運転が当日最後の貯湯運転であるか否かを判断し（Ｓ１１）、その判断結果によって、貯湯タンク内熱量Ｑ２の値を変える。ここで、「当日」とは、必ずしも時刻０時から２４時迄の範囲でなくてもよい。たとえば図３に示すように、時刻３時を始期とし、かつその２４時間後を終期とするなど、当日（１日間）の始期および終期をずらせたものとすることが可能である。図３（ａ）においては、第１ないし第３グループの熱需要Ｄ１〜Ｄ３が発生しており、同図（ｂ）に示すように、それらに対応する貯湯運転期間Ｐ１〜Ｐ３が設けられている。同図において、期間Ｐ３の貯湯運転が当日最後の貯湯運転に相当し、期間Ｐ１，Ｐ２の貯湯運転はそれには相当しない。

ヒートポンプ１の貯湯運転が、当日最後の貯湯運転ではない通常の貯湯運転の場合には、貯湯タンク２内の湯水のうち、所定の基準温度Ｔ１未満の湯水の熱量は考慮されることなく、基準温度Ｔ１以上の湯水の熱量が算出され、この熱量が貯湯タンク内熱量Ｑ２とされる（Ｓ１１：ＮＯ，Ｓ１４）。基準温度Ｔ１未満の湯水の熱量は、貯湯タンク内熱量Ｑ２には含まれない。基準温度Ｔ１は、リモコン８などを用いて設定された給湯設定温度Ｔ０（目標給湯温度）以上の温度であり、たとえば給湯設定温度Ｔ０に一定の値を加えた温度とされる。一定の値は、たとえば１℃であり、この場合、給湯設定温度Ｔ０が４０℃であると、基準温度Ｔ１は４１℃である。ただし、基準温度Ｔ１の具体的な値がこれに限定されないことは言う迄もない。

既述したように、貯湯タンク内熱量Ｑ２は基準温度Ｔ１以上の湯水の熱量とされるが、この湯水の熱量は、基準温度Ｔ１以上の湯水の量、およびその具体的な湯水温度Ｔ２とに基づいて算出することができる。基準温度Ｔ１以上の湯水の量は、複数の温度センサＳａのうち、基準温度Ｔ１以上の温度が検出されている温度センサＳａの数、あるいは位置に基づき、貯湯タンク２の全体の容量から判断することが可能である。
一方、本実施形態では、湯水温度Ｔ２については、貯湯タンク２への入水温度Ｔ３と、貯湯タンク２内の湯水の実温度Ｔ２’との差の値が用いられる。入水温度Ｔ３は、たとえば図１に示す入水管６１に取り付けられた温度センサＳｂを利用して検出され、実温度Ｔ２’は、複数の温度センサＳａを利用して検出される温度である。具体例を挙げると、入水温度Ｔ３が１０℃、実温度Ｔ２’が６０℃である場合、湯水温度Ｔ２として、５０℃の値が用いられる。このような手法を用いれば、演算処理が容易となり、また貯湯タンク内熱量Ｑ２が入水温度Ｔ３を反映したものとなる。なお、入水温度Ｔ３に代えて、ヒートポンプ１への入水温度を用いることも可能であり、この入水温度は、たとえば図１に示す往き管５０ａに取り付けられた温度センサＳｃを用いて検出することができる。
貯湯タンク内熱量Ｑ２を算出した後には、既述したように、Ｑｎ＝Ｑ１−Ｑ２を演算し、必要熱量Ｑｎが求められる（Ｓ１３）。

通常の貯湯運転において、前記のようにして求めた必要熱量Ｑｎの湯水が貯湯タンク２に補充された場合には、その後に熱需要が発生した際に、基準温度Ｔ１以上の高温の湯水のみを貯湯タンク２から出湯させて、熱需要を賄うことが可能となる。このことにより、補助熱源機３を稼働させる必要をなくし、エネルギ効率をよくすることができる。

一方、前記とは異なり、ヒートポンプ１の貯湯運転が、当日最後の貯湯運転である場合には、貯湯タンク２内の湯水の全量の熱量が算出され、この熱量が貯湯タンク内熱量Ｑ２とされる（Ｓ１１：ＹＥＳ，Ｓ１３）。基準温度Ｔ１未満の湯水の熱量も、貯湯タンク内熱量Ｑ２に含まれる。この場合においても、先に述べた場合と同様に、貯湯タンク内熱量Ｑ２の算出に際しては、貯湯タンク２内の湯水温度Ｔ２として、貯湯タンク２への入水温度Ｔ３（またはヒートポンプ１への入水温度）と、貯湯タンク２内の湯水の実温度Ｔ２’との差の値が用いられる。貯湯タンク内熱量Ｑ２は、通常の貯湯運転の場合と同様に、Ｑｎ＝Ｑ１−Ｑ２により求められる（Ｓ１３）。

当日最後の貯湯運転において、前記のようにして求めた必要熱量Ｑｎの湯水が貯湯タンク２に補充された場合には、その後に熱需要が発生した際に、基準温度Ｔ１未満の湯水も貯湯タンク２から出湯し、有効に利用され得ることとなる。このため、貯湯タンク２内に基準温度Ｔ１未満の湯水が多く残存したまま、この湯水が翌日の朝迄持ち越されて、放熱による温度低下を生じるといったことは回避される。したがって、エネルギ効率を高めることができる。なお、基準温度Ｔ１未満の湯水が貯湯タンク２から出湯する際には、この湯水は補助熱源機３を利用して加熱される。したがって、給湯先には、給湯設定温度の湯水を適切に供給することが可能である。

図４のフローチャートには示されていないが、本発明では、当日最後の貯湯運転（第１の特定の貯湯運転）の場合に実行されるステップＳ１２と同様な処理を、今回の貯湯運転終了時から次回の貯湯運転開始時迄に所定以上の時間間隔がある貯湯運転（第２の特定の貯湯運転）の場合にも適用することができる。今回の貯湯運転終了後から次回の貯湯運転までの期間が長い場合には、前記した当日最後の貯湯運転の場合と同様に、貯湯タンク２内に残存する基準温度Ｔ１未満の湯水が比較的長時間にわたって放置され、放熱によるエネルギロスが多く発生する虞がある。ステップＳ１２と同様な処理を適用すれば、そのような虞を適切に解消することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る貯湯式給湯装置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。

図４のステップＳ１２においては、貯湯タンク２内の湯水全量の熱量を、貯湯タンク内熱量Ｑ２としているが、必ずしもこれに限定されない。たとえば、所定温度未満のかなり低温の湯水が一部存在するような場合には、この湯水の熱量を無視したかたちで貯湯タンク内熱量Ｑ２を求めるようにしてもよい。

外部熱源機としては、ヒートポンプ以外の装置を用いることも可能である。補助熱源機としては、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貯湯式給湯装置
Ｑｎ必要熱量
Ｑ１熱需要の熱量
Ｑ２貯湯タンク内熱量
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）

Claims

加熱した湯水を貯湯タンクに貯留させる貯湯運転が可能な外部熱源機と、
前記貯湯タンクから所定の出湯口または熱負荷に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、
過去の給湯運転実績に基づいて今後の熱需要の熱量を予測し、かつこの予測された熱需要の熱量と前記貯湯タンクに蓄熱されている貯湯タンク内熱量とに基づいて、直近の熱需要が発生する迄に前記貯湯タンクに補充すべき必要熱量を求める処理を実行可能な制御手段と、
を備えている、貯湯式給湯装置であって、
前記貯湯タンク内熱量は、
通常の貯湯運転の場合には、前記貯湯タンク内の湯水のうち、給湯設定温度以上とされた所定の基準温度未満の湯水の熱量を含まず、前記基準温度以上の湯水の熱量とされる一方、
当日最後の貯湯運転としての第１の特定の貯湯運転、または今回の貯湯運転終了時から次回の貯湯運転開始時迄に所定以上の時間間隔がある第２の特定の貯湯運転の場合には、前記基準温度未満の湯水の熱量も含めた熱量とされることを特徴とする、貯湯式給湯装置。
請求項１に記載の貯湯式給湯装置であって、
前記第１または第２の特定の貯湯運転の場合には、前記貯湯タンク内熱量は、前記貯湯タンク内の湯水全量の熱量とされる、貯湯式給湯装置。
請求項１または２に記載の貯湯式給湯装置であって、
前記貯湯タンク内熱量は、前記貯湯タンク内の湯水の温度およびその量に基づいて求められ、かつ前記湯水の温度の値としては、前記貯湯タンクへの入水温度または前記外部熱源機への入水温度と、前記貯湯タンク内の湯水の実温度との差の値が用いられる、貯湯式給湯装置。