JP2018091518A - 給湯装置 - Google Patents

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Koichi Iki
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Abstract

【課題】デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプの回転速度にオーバーシュートやハンチングが発生するのを抑制すること。【解決手段】給湯装置は、ヒートポンプユニット(50)と、貯湯タンク(10)と、沸き上げポンプ(P1)と、沸き上げ回路(BC)と、上記沸き上げポンプ(P1)の回転速度を制御するフィードバックポンプ制御部(100c)と、ポンプ起動制御部(100d)とを含む。上記ポンプ起動制御部(100d)は、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプ(P1)の平均回転速度を、上記沸き上げポンプ(P1)のオープンループの指令速度とする。【選択図】図1

Description

この発明は、給湯装置に関する。
従来、給湯装置としては、デフロスト運転の終了後の沸き上げ運転の再開時に、ヒートポンプユニットの圧縮機の回転速度を予め定められた固定の最低回転速度に制御して、ヒートポンプユニットからの温水の往き温度が過度に高くなるのを抑制するようにしたものがある(特許文献1:特開2016−156602号公報)。
特開2016−156602号公報
しかしながら、上記従来の給湯装置では、デフロスト運転の終了後の沸き上げ運転の再開時に、ヒートポンプユニットの圧縮機の回転速度を外気温度や沸き上げ回路の現地配管の長さなどの外的条件の変化に関係なく固定の最低回転速度に制御しているため、ヒートポンプユニットから貯湯タンクへの温水の出湯温度が目標出湯温度になるようにフィードバック制御する沸き上げポンプの回転速度にハンチングやオーバーシュートが生じるという問題がある。
特に、正サイクルデフロスト運転では、デフロスト運転中は、ヒートポンプユニットの冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器の二次側通路に温水を流さずに、高温の冷媒を水熱交換器の一次側を素通りさせて空気熱交換器に供給しているため、水熱交換器の二次側通路の停止している温水の温度が高くなっている。そのため、デフロスト運転の終了後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプの回転速度のオーバーシュートやハンチングが著しいものになる。
そこで、この発明の課題は、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプの回転速度にオーバーシュートやハンチングが発生するのを抑制することができる給湯装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の給湯装置は、
圧縮機と水熱交換器と膨脹機構と空気熱交換器とを含むヒートポンプユニットと、
貯湯タンクと、
沸き上げポンプと、
上記貯湯タンクと沸き上げポンプと水熱交換器の二次側通路とを環状に接続してなる沸き上げ回路と、
上記沸き上げ回路に設けられた出湯温度センサの出力に基づいて、上記貯湯タンクへの出湯温度が目標出湯温度になるように沸き上げポンプの回転速度を制御するフィードバックポンプ制御部と、
デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプの平均回転速度を、上記沸き上げポンプのオープンループの指令速度とするポンプ起動制御部と
を備えることを特徴としている。
上記構成の給湯装置によれば、上記ポンプ起動制御部は、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプの平均回転速度を、オープンループの指令速度として、上記沸き上げポンプの回転速度を制御する。
このように、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、そのデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプの平均回転速度をオープンループの指令速度として用いて、そのオープンループの指令速度がデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中の沸き上げポンプの回転速度の履歴を反映していて外気温度や沸き上げ回路の配管長などによる外的な条件等に適合していることになるから、沸き上げポンプの回転速度の制御にオーバーシュートやハンチングが発生するのを抑制することができる。
なお、この明細書で、デフロスト運転前の沸き上げ運転中とは、上記デフロスト運転とその前のデフロスト運転との間の沸き上げ運転をしている間のことを言う。また、沸き上げ運転中の所定期間とは、例えば、上記沸き上げ運転中の沸き上げポンプのフィードバック制御をしている期間であってもよく、あるいは、上記沸き上げ運転中の全ての期間であってもよい。
1実施形態では、
上記所定期間とは、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の上記沸き上げポンプの回転速度を上記フィードバックポンプ制御部でフィードバック制御している期間である。
上記実施形態によれば、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中において、沸き上げポンプの回転速度をフィードバック制御部でフィードバック制御している期間を所定期間として、この所定期間の沸き上げポンプの平均回転速度を、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時の沸き上げポンプのオープンループの指令速度としている。したがって、このデフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時のオープンループの指令速度は、沸き上げポンプの回転速度をフィードバック制御部でフィードバック制御している期間の沸き上げポンプの平均回転速度であるから、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において外気温度や沸き上げ回路の配管長などによる外的な条件等により適合していて、沸き上げポンプの回転速度の制御において、オーバーシュートやハンチングをより効果的に抑制することができる。
1実施形態では、
上記ヒートポンプユニットは正サイクルデフロスト運転を行う。
正サイクルデフロスト運転では、ヒートポンプユニットの冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器の二次側通路に温水を流さずに、高温の冷媒を水熱交換器の一次側通路を素通りさせて空気熱交換器に供給して空気熱交換器に付着した霜や氷を溶かす。そのため、水熱交換器の二次側通路の停止している温水の温度が高くなっている。このように、正サイクルデフロスト運転の終了時には、水熱交換器の二次側通路の温水の温度が高くなっているから、デフロスト運転の終了後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプの回転速度に生じるオーバーシュートやハンチングが著しいものになる傾向がある。
しかし、この実施形態では、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、そのデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプの平均回転速度をオープンループの指令速度としているので、著しいオーバーシュートやハンチングの発生を防止できる。
この発明によれば、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプの回転速度にオーバーシュートやハンチングが発生するのを抑制することができる。
この発明の1実施形態の給湯装置の回路図である。 上記給湯装置の沸き上げ回路を説明する図である。 上記給湯装置の時間の対する圧縮機の運転周波数と沸き上げポンプの回転速度との関係を示すグラフである。
以下、この発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
まず、この発明の実施形態の給湯装置のうちで、この発明に強く関係する箇所について図面を参照しながら詳細に説明し、その後、この実施形態の給湯装置のこの発明との関係が少ない箇所について簡単に説明する。
図1に示すように、この実施形態の給湯装置は、貯湯タンク10および制御装置100を有する貯湯ユニット1と、上記貯湯ユニット1の貯湯タンク10内の水を沸き上げるためのヒートポンプユニット50とを備えている。
上記ヒートポンプユニット50は、圧縮機51と水熱交換器52の一次側通路52aと膨脹機構53と空気熱交換器54とを環状に接続している。上記水熱交換器52は一次側通路52aを流れる冷媒と、二次側通路52bを流れる水または温水との間で熱交換を行う。
上記ヒートポンプユニット50は、外気温度を検出する外気温度センサT23を有し、上記空気熱交換器54には着霜を検出するための温度センサT55を設けている。
また、このヒートポンプユニット50は、冷媒として炭酸ガス(CO)を用いており、出湯温度を例えば65℃〜90℃の範囲で制御することが可能である。
一方、上記貯湯タンク10には、下側から上側に向かって略等間隔に6つの温度センサT1〜T6を設けている。上記貯湯タンク10の下部には、配管L1の一端を接続し、配管L1の他端をポンプ入水弁V1の一方の入力側に接続している。また、ポンプ入水弁V1の出力側に配管L2の一端を接続し、配管L2の他端をバイパス弁V2の入力側に接続している。この配管L2に沸き上げポンプP1を配設している。また、バイパス弁V2の一方の出力側に配管L3を介してヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52bの一端に接続している。
上記ヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52bの他端を配管L4の一端に接続し、配管L4の他端を沸き上げ三方弁V3の入力側に接続している。また、バイパス弁V2の他方の出力側に配管L6の一端を接続し、配管L6の他端を配管L4の沸き上げ三方弁V3側に接続している。
また、上記沸き上げ三方弁V3の一方の出力側に配管L5の一端を接続し、配管L5の他端を貯湯タンク10の上部に接続している。一方、上記沸き上げ三方弁V3の他方の出力側に配管L7の一端を接続し、配管L7の他端を貯湯タンク10の下部に接続している。
上記配管L1〜L5,L7とポンプ入水弁V1とバイパス弁V2と沸き上げ三方弁V3で、貯湯タンク10と沸き上げポンプP1とヒートポンプユニット50の水熱交換器52とを接続して、沸き上げ回路BCを構成している。
また、上記ヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52bへの往き水の入水温度を検出する温度センサT21を配管L3に設けている。さらに、上記ヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52bからの戻り湯の出湯温度を検出する出湯温度センサT22を配管L4に設けている。
なお、図1では、ポンプ入水弁V1は、配管L2と配管L1が連通した状態を示し、バイパス弁V2は、配管L2と配管L3が連通した状態を示し、沸き上げ三方弁V3は、配管L4と配管L7が連通した状態を示している。
この配管L1のポンプ入水弁V1よりも貯湯タンク10側に排水用二方弁27を配設している。通常、排水用二方弁27は閉じており、メンテナンスなどにより貯湯タンク10内の水を排水するとき、排水用二方弁27を開いて、貯湯タンク10の下部と排水口とを連通させる。
上記沸き上げポンプP1により、貯湯タンク10内の湯水を、配管L1,ポンプ入水弁V1,バイパス弁V2,ヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52b,配管L4,沸き上げ三方弁V3および配管L5(またはL7)を介して循環させる。
なお、この実施形態では、貯湯タンク10,ポンプ入水弁V1,バイパス弁V2,ヒートポンプユニット50の水熱交換器52の二次側通路52b,沸き上げ三方弁V3を環状に接続して、沸き上げ回路BCを構成しているが、沸き上げ回路は、図示しないが、少なくとも貯湯タンクと沸き上げポンプと水熱交換器の二次側通路とを環状に接続して構成してもよい。
一方、上記制御装置100は、マイクロコンピュータと入出力回路などからなり、リモートコントローラ200との間で送受信を行う。
上記制御装置100は、目標出湯温度算出部100aとデフロスト制御部100bとフィードバックポンプ制御部100cとポンプ起動制御部100dとを備え、これらはソフトウェアにより構成されている。
上記目標出湯温度算出部100aは、周知のものであるので、以下に簡単に説明する。上記目標出湯温度算出部100aは、例えば、日、時間帯、週、季節など毎の貯湯タンク10から浴槽3,蛇口26などへの出湯量が多いほど目標出湯温度が高くなるように、目標出湯温度を予め定められた算式やテーブルなどによって算出する。例えば、出湯量が多い場合、目標出湯温度は例えば85℃と高くなり、出湯量が少ない場合、目標出湯温度は例えば65℃と低くなる。上記出湯量は、後記する水量センサ6,25の積算流量と、湯張り混合弁V4の開度および給湯混合弁V5の開度に基づいて求めている。
また、上記デフロスト制御部100bは、ヒートポンプユニット50の空気熱交換器54の着霜を温度センサT55の検出温度によって検出すると、沸き上げポンプP1を停止し、膨脹機構53の開度を最大に拡げて、圧縮機51からの高温の冷媒ガスを水熱交換器52の一次側通路52a,膨張機構53,空気熱交換器54の順に流して、デフロスト運転を行う。そして、このデフロスト運転を温度センサ55が霜や氷が溶けたことを検出するまで、あるいは、予め定められた時間だけ行う。
また、上記フィードバックポンプ制御部100cは、沸き上げ回路BCに設けられた出湯温度センサT22の出力に基づいて、貯湯タンク10への出湯温度が上記目標出湯温度になるように沸き上げポンプP1の回転速度をフィードバック制御する。
また、上記ポンプ起動制御部100dは、デフロスト運転の直前の沸き上げ運転中において、沸き上げポンプP1の回転速度をフィードバックポンプ制御部100cでフィードバック制御している期間における沸き上げポンプP1の平均回転速度を算出する。そして、この平均回転速度を、上記デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時の一定時間において、沸き上げポンプP1にオープンループの指令速度として出力する。
上記構成の給湯装置において、今、図2に示すように、ポンプ入水弁V1が配管L1とL2を接続し、バイパス弁V2が配管L2とL3を接続し、三方弁V3が配管L4とL5を接続するように、ポンプ入水弁V1,バイパス弁V2および三方弁V3を切り換えて、沸き上げ回路BCを形成して、沸き上げ運転を行う。
そうすると、上記ポンプ起動制御部100dは、図3に示すように、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、そのデフロスト運転直前の沸き上げ運転中の沸き上げポンプP1の回転速度をフィードバックポンプ制御部100cでフィードバック制御している期間における沸き上げポンプP1の回転速度PVの平均回転速度を、オープンループの指令速度OIとして、上記沸き上げポンプP1の回転速度PVを制御する。
このように、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、そのデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中のフィードバック制御している期間の沸き上げポンプP1の平均回転速度をオープンループの指令速度OIとして用いて、そのオープンループの指令速度OIがデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中の沸き上げポンプP1の回転速度の履歴を反映していて外気温度や沸き上げ回路BCの配管長などによる外的な条件等に適合していることになるから、沸き上げポンプP1の回転速度の制御にオーバーシュートやハンチングが発生するのを抑制することができる。
なお、図3において、CHはヒートポンプユニット50の圧縮機51の運転周波数である。
上記実施形態では、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の沸き上げポンプP1の回転速度をフィードバックポンプ制御部100cでフィードバック制御している期間を所定期間として、その所定期間の沸き上げポンプP1の平均回転速度を、そのデフロスト運転直後の沸き上げ運転の起動時のオープンループの指令速度OIとしているが、上記沸き上げ運転中の全ての期間を所定期間として、その沸き上げ運転中の全ての期間における沸き上げポンプP1の平均回転速度を、そのデフロスト運転直後の沸き上げ運転の起動時のオープンループの指令速度としてもよい。
また、上記実施形態では、上記ヒートポンプユニット50は正サイクルデフロスト運転を行う。
正サイクルデフロスト運転では、ヒートポンプユニット50の冷媒と水との熱交換を行う水熱交換器52の二次側通路52bに温水を流さずに、高温の冷媒を水熱交換器52の一次側通路52aを素通りさせて空気熱交換器54に供給して空気熱交換器54に付着した霜や氷を溶かす。そのため、水熱交換器52の二次側通路52bの停止している温水の温度が高くなっている。このように、正サイクルデフロスト運転の終了時には、水熱交換器52の二次側通路52bの温水の温度が高くなっているから、一般的には、デフロスト運転の終了後の沸き上げ運転の起動時に、沸き上げポンプP1の回転速度に、著しいオーバーシュートやハンチングが生じる傾向がある。
しかし、この実施形態では、図3に示すように、デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、そのデフロスト運転の直前の沸き上げ運転中のフィードバック制御している期間における沸き上げポンプP1の回転速度PVの平均値を沸き上げポンプP1のオープンループの指令速度OIとしているので、著しいオーバーシュートやハンチングの発生を防止できる。
なお、この実施形態では、ヒートポンプユニット50は正サイクルデフロスト運転をしているが、ヒートポンプユニットは逆サイクルデフロスト運転をするものであってもよい。
なお、風呂給湯回路、風呂循環回路、風呂追い焚き回路、給湯回路、温度センサ群は、図1に示されているが、この発明の要旨とは、比較的関係が少ないので、以下において簡単に説明する。
<風呂給湯回路>
上記貯湯タンク10の下部に配管L11を介して外部の給水口を接続している。この配管L11に、ストレーナ11と、給水管側から貯湯タンク10側への流れのみを許容する逆止弁12と、減圧弁V10とを上流側から順に配設している。
また、上記貯湯タンク10の上部に配管L21の一端を接続し、配管L21の他端を湯張り混合弁V4の一方の入力側に接続している。上記配管L21の湯張り混合弁V4近傍に、貯湯タンク10側から湯張り混合弁V4側への流れのみを許容する逆止弁21を配設している。
上記湯張り混合弁V4の他方の入力側に、分岐配管L12の一端を接続し、その分岐配管L12の他端を、配管L11の減圧弁V10の上流側に接続している。この分岐配管L12の湯張り混合弁V4近傍に、給水口側から湯張り混合弁V4への流れのみを許容する逆止弁22を配設している。
また、上記湯張り混合弁V4の出力側に配管L22の一端を接続し、配管L22の他端を、浴槽3に設けられた接続アダプタ9の給湯口9aに接続している。この配管L22には、湯張り混合弁V4側から順に、湯張り電磁弁V6と、湯張り混合弁V4側から浴槽3への流れのみを許容する逆止弁5と、水量センサ6と、湯張り混合弁V4側から浴槽3への流れのみを許容する逆止弁7を配設している。
上記配管L22の逆止弁5と水量センサ6との間に、排水弁V7が配設された排水配管L42の一端を接続している。また、配管L21の貯湯タンク10近傍に、逃がし弁28が配設された排水配管41の一端を接続している。
上記湯張り電磁弁V6と逆止弁5と水量センサ6と逆止弁7で複合水弁30を構成している。
上記配管L21,湯張り混合弁V4,配管L22,複合水弁30で、貯湯タンク10と浴槽3との間の風呂給湯回路を構成している。
<風呂循環回路>
上記接続アダプタ9の吸水口9bに配管L24の一端を接続し、配管L24の他端を追い焚き熱交換器20の2次側の入力に接続している。上記配管L24に風呂循環ポンプP2を配設している。また、配管L22の複合水弁30よりも下流側に分岐配管L23の一端を接続し、分岐配管L23の他端を追い焚き熱交換器20の2次側の出力に接続している。
上記風呂循環ポンプP2により、浴槽3内の湯水を、配管L24,追い焚き熱交換器20(2次側),分岐配管L23および配管L22の一部を介して循環させる。
上記配管L24,追い焚き熱交換器20(2次側),分岐配管L23,配管L22および風呂循環ポンプP2で風呂循環回路を構成している。
上記湯張り電磁弁V6は、風呂循環回路を介して貯湯タンク10内の温水を浴槽3内に流す経路を開閉する開閉弁である。
<風呂追い焚き回路>
また、上記配管L22の複合水弁30よりも上流側に分岐配管L25の一端を接続し、分岐配管L25の他端を追い焚き熱交換器20(1次側)の一端に接続している。上記追い焚き熱交換器20(1次側)の他端に配管L26の一端を接続し、配管L26の他端をポンプ入水弁V1の一方の入力側に接続している。
上記配管L21,湯張り混合弁V4,配管L22の一部,分岐配管L25,追い焚き熱交換器20(1次側),配管L26,ポンプ入水弁V1,配管L2,バイパス弁V2,配管L6,配管L4の一部,沸き上げ三方弁V3,配管L7および沸き上げポンプP1で風呂追い焚き回路を構成している。
<給湯回路>
また、上記貯湯タンク10の上部に配管L31の一端を接続し、配管L31の他端を給湯混合弁V5の一方の入力側に接続している。上記配管L31に、貯湯タンク10側から給湯混合弁V5への流れのみを許容する逆止弁23を配設している。
また、配管L12の逆止弁22近傍の給水口側に、分岐配管L13の一端を接続し、分岐配管L13の他端を給湯混合弁V5の他方の入力側に接続している。上記分岐配管L13の給湯混合弁V5近傍に、給水口側から給湯混合弁V5への流れのみを許容する逆止弁24を配設している。
上記給湯混合弁V5の出力側に配管L32の一端を接続し、配管L32の他端を給湯部26(この実施形態では蛇口)に接続している。上記配管L32に水量センサ25を設けている。
上記配管L31,給湯混合弁V5,配管L32,配管L11,配管L12の一部,配管L13で給湯回路を構成している。
<温度センサ群>
また、配管L12と配管L13の接続点近傍の上流側に、給水温度を検出する温度センサT11を設けている。また、給湯部26に接続された配管L32には、水量センサ25よりも下流側に給湯温度を検出する温度センサT12を設けている。
また、浴槽3に接続された配管L24には、浴槽3側の接続アダプタ9と風呂循環ポンプP2との間に、水位センサLSと、水流センサの一例としての水流スイッチSWと、温度センサT13を接続アダプタ9側から順に設けている。
さらに、浴槽3に接続された配管L22に分岐配管L23が接続された接続点に、浴槽3に供給される湯温を検出する温度センサT14を設けている。
上記実施形態および変形例で述べた構成要素は、適宜、組み合わせてもよく、また、適宜、選択、置換、あるいは、削除してもよいのは、勿論である。
10 貯湯タンク
50 ヒートポンプユニット
51 圧縮機
52 水熱交換器
52b 二次側通路
53 膨脹機構
54 空気熱交換器
100c フィードバックポンプ制御部
100d ポンプ起動制御部
P1 沸き上げポンプ
BC 沸き上げ回路
T22 出湯温度センサ

Claims (3)

  1. 圧縮機(51)と水熱交換器(52)と膨脹機構(53)と空気熱交換器(54)とを含むヒートポンプユニット(50)と、
    貯湯タンク(10)と、
    沸き上げポンプ(P1)と、
    上記貯湯タンク(10)と沸き上げポンプ(P1)と水熱交換器(52)の二次側通路(52b)とを環状に接続してなる沸き上げ回路(BC)と、
    上記沸き上げ回路(BC)に設けられた出湯温度センサ(T22)の出力に基づいて、上記貯湯タンク(10)への出湯温度が目標出湯温度になるように沸き上げポンプ(P1)の回転速度を制御するフィードバックポンプ制御部(100c)と、
    デフロスト運転後の沸き上げ運転の起動時において、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の所定期間の沸き上げポンプ(P1)の平均回転速度を、上記沸き上げポンプ(P1)のオープンループの指令速度とするポンプ起動制御部(100d)と
    を備えることを特徴とする給湯装置。
  2. 請求項1に記載の給湯装置において、
    上記所定期間とは、上記デフロスト運転前の沸き上げ運転中の上記沸き上げポンプ(P1)の回転速度を上記フィードバックポンプ制御部(100c)でフィードバック制御している期間であることを特徴とする給湯装置。
  3. 請求項1または2に記載の給湯装置において、
    上記ヒートポンプユニット(50)は正サイクルデフロスト運転を行うことを特徴とする給湯装置。
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