JP2019173976A - 貯湯給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】循環通路の配管長を推定して設定する貯湯給湯装置を提供すること。【解決手段】外部熱源機と、貯湯運転により前記外部熱源機で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記外部熱源機の間で湯水を循環させる循環通路と、前記循環通路に介装された循環ポンプと、外気温度を検知する外気温度検知手段を備え、前記循環通路内の湯水が凍結する虞がある外気温度を前記外気温度検知手段が検知したときに前記循環ポンプを駆動して湯水を循環させる凍結予防運転を実行する貯湯給湯装置において、前記貯湯運転時に前記循環ポンプを予め設定した回転数で駆動して前記外部熱源機で加熱された湯水の温度が設定した目標温度になるように前記循環ポンプの回転数を調整し、この調整後の回転数と前記予め設定した回転数の比率に基づいて前記循環通路の配管長を推定する配管長推定手段を備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源機等の外部熱源機と貯湯タンクを備えた貯湯給湯装置に関し、特に外部熱源機と貯湯タンクの間で凍結予防運転を行う貯湯給湯装置に関する。

従来から、ヒートポンプ熱源機等の外部熱源機と、この外部熱源機により加熱した湯水を貯湯するための貯湯タンクを備えた貯湯給湯ユニットを備え、貯湯タンクの湯水を給湯等に使用するように構成された貯湯給湯装置が広く利用されている。貯湯給湯ユニットと外部熱源機との間には、貯湯タンクの湯水を外部熱源機で加熱して貯湯タンクに戻すための循環通路を構成する接続配管が設けられている。

貯湯給湯装置は、貯湯給湯ユニットと外部熱源機の配置が設置現場毎に異なることが多く、循環通路の長さは一定ではない。一般に配管の通水抵抗はその配管長に比例するので、循環通路に湯水を流通させる循環ポンプの回転数が一定であってもその流量は循環通路の配管長によって変わる。例えば、配管長が長い程流量が小さくなるので、循環ポンプの回転数を増加させる必要がある。このような場合に特許文献１のように、循環通路の配管長が基準長以上であれば、予め設定された固定流量を一定の割合で増加させるようにポンプの回転数を上昇させる技術が知られている。

特開２００８−２５９６２号公報

ところで、貯湯給湯装置は、その配管内の湯水が凍結すると故障する虞があるので、外気温度が凍結の虞がある温度に低下する前に、凍結予防の動作を行うように構成されている。例えば、貯湯給湯装置内の配管に配設されたヒータにより配管を温める。また、所定の回転数で循環ポンプを駆動して循環通路に貯湯タンクの湯水を循環させる凍結予防運転を行う。凍結予防運転では、循環通路の配管長が長くても凍結予防効果を確保できるように、循環ポンプの所定の回転数は予め高めの回転数に設定されている。

しかし、貯湯給湯ユニットに隣接するように外部熱源機が配置されて循環通路の配管長が短い場合、予め設定された所定の回転数は過剰に高い回転数であり、この貯湯給湯装置に対しては凍結予防運転時の騒音と消費電力が過度に大きくなるため好ましくない。そのため、貯湯給湯装置の施工時に、配管長が基準長と比べて長いか短いかによって高低２段階の所定の回転数を切替える設定を施工者が行うようにしている。

ここで、特許文献１の技術は、切換スイッチやリモコン等の配管長設定手段から人が配管長を設定し、この設定した配管長に基づいて固定流量を増加させるか否か判定している。特許文献１の技術と同様にして凍結予防運転における循環ポンプの回転数を増加させても、実際の配管長に対して適切な回転数が設定されない虞がある。また、配管長の設定に誤りがあった場合、適切なポンプの回転数の設定がなされない虞がある。

本発明の目的は、循環通路の配管長を推定して設定する貯湯給湯装置を提供することである。

請求項１の発明は、外部熱源機と、貯湯運転により前記外部熱源機で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記外部熱源機の間で湯水を循環させる循環通路と、前記循環通路に介装された循環ポンプと、外気温度を検知する外気温度検知手段を備え、前記循環通路内の湯水が凍結する虞がある外気温度を前記外気温度検知手段が検知したときに前記循環ポンプを駆動して湯水を循環させる凍結予防運転を実行する貯湯給湯装置において、前記貯湯運転時に前記循環ポンプを予め設定した回転数で駆動して前記外部熱源機で加熱された湯水の温度が設定した目標温度になるように前記循環ポンプの回転数を調整し、この調整後の回転数と前記予め設定した回転数の比率に基づいて前記循環通路の配管長を推定する配管長推定手段を備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、配管長に比例する通水抵抗と循環ポンプの回転数に比例する流量の関係を利用して、循環ポンプの調整後の回転数と予め設定した回転数の比率に基づいて実際の配管長を推定でき、その推定した配管長を設定することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記配管長推定手段は、推定した配管長に応じた前記凍結予防運転における前記循環ポンプの回転数を設定することを特徴としている。
上記構成によれば、凍結予防運転時の循環ポンプの適切な回転数を設定できるので、騒音や使用電力を抑えながら凍結予防効果の確保することができる。また、施工者が行う設定項目を減らして施工者の負担を軽減することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記配管長の推定は試運転時に行うことを特徴としている。
上記構成によれば、貯湯給湯装置は修理等によって配管を交換するような特別な場合以外に配管長が変わることはないので、配管長を試運転時に１度推定して設定した後で配管長を推定する必要はなく、貯湯給湯装置の通常の運転を妨げない。

本発明の貯湯給湯装置によれば、外部熱源機と貯湯給湯ユニット間の配管長を推定して設定することができる。

本発明の実施例に係る貯湯給湯装置の構成を示す図である。 本発明の実施例に係る配管長推定の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。

最初に図１に基づいて本発明の貯湯給湯装置１の全体構成について説明する。
貯湯給湯装置１は、外部熱源機として例えばヒートポンプ熱源機２と、貯湯給湯ユニット３とを備えている。貯湯給湯ユニット３は、貯湯運転によりヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンク１１と、貯湯タンク１１の湯水を再加熱するための燃焼式の補助熱源機１２と、各種センサの検知信号等に基づいて貯湯運転や給湯運転等を制御する制御部１３等を備えている。ヒートポンプ熱源機２は、制御部１３からの貯湯運転の指令に基づいて、外気から吸熱して貯湯タンク１１の湯水を加熱し、この加熱した湯水を貯湯タンク１１に戻して貯湯する。

貯湯給湯ユニット３は、貯湯運転により貯湯タンク１１に貯湯した湯水を給湯や浴槽２９の湯張りに使用する。また、貯湯タンク１１の湯水を使用できない温度の給湯や浴槽２９の追焚運転等の場合に、補助熱源機１２において燃料を燃焼させて加熱した湯水を給湯や追焚運転等に使用する。

貯湯タンク１１の上部には、貯湯タンク１１に貯湯した湯水を出湯するための出湯通路１４が接続されている。出湯通路１４は湯水混合弁１５に接続され、湯水混合弁１５に供給する湯水の温度を検知するための出湯温度センサ１４ａを備えている。また、貯湯タンク１１の下部には、貯湯タンク１１に上水源から上水を供給するための給水通路１６が接続されている。給水通路１６には、上水の温度を検知するための給水温度センサ１６ａが配設されている。

湯水混合弁１５は、出湯通路１４の湯水と、給水通路１６から分岐して湯水混合弁１５に上水を供給可能に接続されたバイパス通路１７の上水を混合する。この湯水混合弁１５の混合比率を調整することによって給湯温度を調整する。湯水混合弁１５には給湯通路１８が接続され、湯水混合弁１５で混合された湯水は、給湯時には給湯通路１８を流通して図示外の給湯栓等に供給され、湯張り時には給湯通路１８から分岐して追焚回路３２に接続する湯張り通路１９を介して浴槽２９に供給される。給湯通路１８には、給湯温度を検知するための給湯温度センサ１８ａが配設されている。

貯湯タンク１１の下部にはヒートポンプ熱源機２に湯水を供給するための上流加熱通路２１ａが接続され、このヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯タンク１１に戻すための下流加熱通路２１ｂが貯湯タンク１１の上部に接続されて、循環加熱回路２１（循環通路）が形成されている。循環加熱回路２１には循環ポンプ２２が介装され、循環ポンプ２２の駆動により貯湯タンク１１とヒートポンプ熱源機２の間で湯水が循環する。貯湯運転では、貯湯タンク１１の湯水がヒートポンプ熱源機２によって貯湯設定温度に加熱され、貯湯タンク１１の上部から貯湯される。上流加熱通路２１ａにはヒートポンプ熱源機２に供給する湯水の温度を検知する温度センサ２３ａが配設され、下流加熱通路２１ｂにはヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水の温度を検知する温度センサ２３ｂが配設されている。

貯湯タンク１１の外周部には、貯湯タンク１１内の湯水の温度と量を検知する複数の貯湯温度センサ１１ａ〜１１ｄが上下方向に所定の間隔を空けて設けられている。これら貯湯温度センサ１１ａ〜１１ｄ及び貯湯タンク１１は、貯湯タンク１１からの放熱を低減する図示外の保温材により覆われている。

貯湯タンク１１の湯水を補助熱源機１２で加熱するための補助加熱通路２４は、出湯通路１４から分岐され、補助熱源機１２に接続されている。補助熱源機１２で加熱した湯水を出湯するための補助出湯通路２５は、補助加熱通路２４の分岐部より下流側の出湯通路１４に水比例弁２６を介して接続されている。補助加熱通路２４には、三方弁２７と補助熱源機１２に湯水を送るためのポンプ２８が配設されている。

補助出湯通路２５から分岐した熱交換器通路３０は、三方弁２７に接続されている。三方弁２７は、貯湯タンク１１の湯水又は熱交換器通路３０の湯水を補助熱源機１２に供給可能となるように切換えられる。熱交換器通路３０には熱交換器３０ａと開閉弁３０ｂが配設されている。また、給水通路１６から分岐した分岐通路部１６ｂが熱交換器通路３０の開閉弁３０ｂと三方弁２７の間に接続されている。熱交換器３０ａは、追焚ポンプ３１の作動により追焚回路３２を流れる浴槽２９の湯水を補助熱源機１２で加熱した湯水との熱交換により加熱する追焚運転に使用される。

ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、膨張弁３５、蒸発熱交換器３６を冷媒配管により接続したヒートポンプ回路３７を備えている。このヒートポンプ熱源機２は、冷媒配管に封入された冷媒を圧縮機３３で圧縮して昇温し、凝縮熱交換器３４において高温の冷媒との熱交換により循環加熱回路２１を流通する湯水を加熱して貯湯タンク１１に貯湯する。熱交換後の冷媒は、膨張弁３５で膨張して外気より低温になり、蒸発熱交換器３６で外気から吸熱した後、再び圧縮機３３に導入される。

蒸発熱交換器３６は、外気温度を検知する外気温度センサ３６ａ（外気温度検知手段）と送風機３６ｂを備えている。また、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３３、膨張弁３５、送風機３６ｂ等を制御する補助制御部３８を備えている。補助制御部３８は、貯湯給湯装置１の主たる制御手段である制御部１３に通信可能に接続され、制御部１３の指令に基づいてヒートポンプ熱源機２を制御する。

制御部１３には、ユーザによる給湯設定温度の設定等の各種設定や操作のための操作端末１３ａが接続されている。この制御部１３は、出湯温度センサ１４ａ等の検知信号に基づいて給湯運転等を制御する。また、外気温度センサ３６ａが貯湯給湯装置１の配管内の湯水の凍結の虞がある所定温度（例えば５℃）以下の外気温度を検知した場合に、制御部１３は凍結予防運転を実行する。凍結予防運転では、ヒートポンプ熱源機２を作動させない状態で、循環ポンプ２２を後述の設定した回転数で駆動して循環加熱回路２１に貯湯タンク１１の湯水を流通させる。

貯湯給湯装置１が家庭に設置されると、各種設定や確認のための試運転を行う。例えば貯湯運転の試運転では、循環加熱回路２１を構成するヒートポンプ熱源機２と貯湯給湯ユニット３の間の接続配管の配管長を初期設定配管長として、初期設定回転数Ｎｉ[rpm] で循環ポンプ２２を駆動して所定の加熱能力Ｐ[ｋＷ]のヒートポンプ熱源機２で加熱する。このとき、例えば下流加熱通路２１ｂの温度センサ２３ｂで検知される加熱後の温度が、上流加熱通路２１ａの温度センサ２３ａで検知される加熱前の温度Ｔｉ[℃]より３０℃高い温度になるように目標温度Ｔｔ[℃]が設定される。また、貯湯給湯装置１の仕様により接続配管の配管長は例えば往復で最大３０ｍに設定され、初期設定配管長がその半分の１５ｍに設定されている。

循環加熱回路２１の流量Ｑ[l/min] は、貯湯給湯装置１の仕様として定まっている定数α、βと循環ポンプ２２の初期設定回転数Ｎｉによって下記（１）式のように表される。
Ｑ＝α・Ｎｉ＋β …（１）

また、この循環加熱回路２１の流量Ｑは、ヒートポンプ熱源機２の加熱能力Ｐと、目標温度Ｔｔと、上流加熱通路２１ａの温度センサ２３ａで検知される加熱前の温度Ｔｉによって、下記（２）式のように表される。
Ｑ＝（Ｐ・８６０）／（（Ｔｔ−Ｔｉ）・６０） …（２）

上記の（１）式と（２）式から、初期設定回転数Ｎｉは下記（３）式で表すことができる。
Ｎｉ＝（（Ｐ・８６０）／（（Ｔｔ−Ｔｉ）・６０）−β）／α …（３）

この初期設定で貯湯運転の試運転を開始すると、湯水を目標温度Ｔｔに加熱するように循環ポンプ２２の回転数が調整され、例えば運転開始から１０分後のヒートポンプ熱源機２の駆動が安定した後の循環ポンプ２２の回転数が、安定回転数Ｎａ[rpm] に調整されている。初期設定回転数Ｎｉと調整後の安定回転数Ｎａを比較して、Ｎａ＞Ｎｉの場合は流量を増やすために回転数を上げているので、実際の配管長が初期設定配管長よりも長いことになる。反対に、Ｎａ＜Ｎｉの場合は実際の配管長が初期設定配管長よりも短いことになる。

初期設定回転数Ｎｉから安定回転数Ｎａに調整した回転数の比率（Ｎａ／Ｎｉ）に基づいて初期設定配管長から実際の配管長を推定して（例えば初期設定配管長にそのＮａとＮｉの比率を乗じて）その配管長を設定しておく。制御部１３は、この配管長推定機能を有して配管長推定手段になっている。

この配管長推定手段による配管長の推定について、図２のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。

最初にＳ１において、循環ポンプ２２を初期設定回転数Ｎｉで駆動して貯湯運転の試運転を開始してＳ２に進む。次にＳ２において、ヒートポンプ熱源機２の所定の加熱能力Ｐで加熱された湯水温度が、設定された目標温度Ｔｔか否か判定する。判定がＮｏの場合はＳ３に進んで循環ポンプ２２の回転数を調整してＳ２に戻り、判定がＹｅｓの場合はＳ４に進む。

次にＳ４において、ヒートポンプ熱源機２の駆動が安定した後に初期設定回転数Ｎｉから安定回転数Ｎａまでの回転数の調整量を取得してＳ５に進む。そしてＳ５において、Ｓ４で取得した回転数調整量に基づいて実際の配管長を推定してその配管長を設定（記憶）する。

ここで、凍結予防運転における循環ポンプ２２の回転数も初期設定により所定の回転数Ｎｃ０[rpm] に設定されている。この回転数Ｎｃ０も初期設定配管長で適切な流量となる回転数に設定されているので、Ｓ５で推定した配管長に応じた適切な流量になる回転数に設定する。そのため、Ｓ６において、Ｓ４で取得した回転数調整量に基づいて凍結予防運転における循環ポンプ２２の適切な回転数Ｎｃ１[rpm] を設定して終了する。凍結予防運転における循環ポンプ２２の回転数Ｎｃ１は、下記（４）式のように設定する。
Ｎｃ１＝Ｎｃ０・Ｎａ／Ｎｉ …（４）

以上のように、貯湯給湯装置１の貯湯運転の試運転時に、制御部１３により、配管長に比例する通水抵抗と循環ポンプ２２の回転数に比例する流量Ｑの関係を利用して、循環ポンプ２２の調整後の安定回転数Ｎａと初期設定回転数Ｎｉの比率に基づいて循環加熱回路２１の配管長を推定することができる。また、循環加熱回路２１の配管長に応じた凍結予防運転における循環ポンプ２２の適切な回転数Ｎｃ１を設定することができ、騒音や使用電力を抑えながら凍結予防効果の確保することができる。その上、配管長の推定と凍結予防運転時の循環ポンプ２２の回転数の設定は、制御部１３が試運転時に行うので、通常の貯湯運転等の妨げにならず、設定項目を減らして施工者の負担も軽減することができる。

外部熱源機としてヒートポンプ熱源機２の例を説明したが、これ以外の燃料電池の排熱を利用する熱源機等公知の外部熱源機を備えた貯湯給湯装置においても同様に構成できる。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、本発明はその種の変更形態をも包含するものである。

１ ：貯湯給湯装置
２ ：ヒートポンプ熱源機（外部熱源機）
３ ：貯湯給湯ユニット
１１ ：貯湯タンク
１２ ：補助熱源機
１３ ：制御部（配管長推定手段）
２１ ：循環加熱回路（循環通路）
２２ ：循環ポンプ
３６ａ ：外気温度センサ（外気温度検知手段）

Claims (3)

1. 外部熱源機と、貯湯運転により前記外部熱源機で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクと前記外部熱源機の間で湯水を循環させる循環通路と、前記循環通路に介装された循環ポンプと、外気温度を検知する外気温度検知手段を備え、前記循環通路内の湯水が凍結する虞がある外気温度を前記外気温度検知手段が検知したときに前記循環ポンプを駆動して湯水を循環させる凍結予防運転を実行する貯湯給湯装置において、
   前記貯湯運転時に前記循環ポンプを予め設定した回転数で駆動して前記外部熱源機で加熱された湯水の温度が設定した目標温度になるように前記循環ポンプの回転数を調整し、この調整後の回転数と前記予め設定した回転数の比率に基づいて前記循環通路の配管長を推定する配管長推定手段を備えたことを特徴とする貯湯給湯装置。
2. 前記配管長推定手段は、推定した配管長に応じた前記凍結予防運転における前記循環ポンプの回転数を設定することを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯装置。
3. 前記配管長の推定は試運転時に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯給湯装置。