JP2019207059A - 貯湯給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給湯使用の予測に基づいて適切な熱量の貯湯を行って省エネルギー性を向上させることができる貯湯給湯装置を提供すること。【解決手段】貯湯給湯装置は、貯湯タンクと、ヒートポンプ熱源機と、補助熱源機と、給湯使用履歴に基づいて予測した将来の給湯使用の予測熱量を予測した給湯使用時刻の前にヒートポンプ熱源機を駆動して貯湯タンクに貯湯する貯湯運転を制御する制御手段を備えている。この制御手段は、予測した給湯使用の開始から終了までの期間に応じて予測熱量の増加補正を行う。【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源機と補助熱源機と貯湯タンクを備えた貯湯給湯装置に関し、特に給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用の予測を行い、その給湯使用予測に基づいて貯湯タンクに加熱した湯水を貯湯する貯湯給湯装置に関する。

従来から、運転効率が高いヒートポンプ熱源機によって加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯し、この貯湯した湯水を給湯等に使用する貯湯給湯装置が広く利用されている。貯湯タンクは、貯湯した湯水の放熱による降温を抑えるための保温材に覆われている。

このような貯湯給湯装置として、例えば特許文献１のように、日中に比べて料金単価が安価な深夜電力を利用して貯湯タンクに貯湯する貯湯給湯装置が広く利用されている。この貯湯給湯装置は、給湯使用の履歴に基づいて貯湯する湯水の量を変化させている。しかし、貯湯完了から給湯使用までの期間が長くなるので、貯湯タンクからの放熱によって湯切れが起きないように高温で貯湯する必要があり、実際に給湯に使用する熱量よりも多い熱量を貯湯している。従って、給湯に使用されずに無駄になる熱量が多く、省エネルギー性に課題がある。

一方、過去の給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用の予測を行い、予測した給湯使用時刻の前にヒートポンプ熱源機を駆動して予測した給湯使用量に相当する熱量の湯水を貯湯タンクに貯湯する貯湯運転を行うように構成された貯湯給湯装置も広く利用されている。この貯湯給湯装置は、予測した熱量の貯湯を予測した給湯使用時刻の直前に完了する。それ故、貯湯されても使用されずに無駄になる湯水が少なく、省エネルギー性に優れている。

特許第５８３８８２５号公報

保温材に覆われた貯湯タンクであっても、予測した給湯使用の開始から終了までの期間が長くなる程、貯湯タンクからの放熱によって貯湯された湯水の温度が低下する。それ故、給湯使用の終了に近くなると貯湯された湯水を給湯設定温度で給湯できなくなり、ヒートポンプ熱源機よりも運転効率が低い補助熱源機で再加熱して給湯することがある。できるだけ補助熱源機の使用を回避することが省エネルギー性を向上させることになるので、放熱を考慮して予め定められた所定温度として例えば３℃だけ給湯に必要な貯湯温度より高い目標貯湯温度を設定して貯湯運転を行っている。

しかし、所定温度が固定値のため、予測した給湯使用の開始から終了までの期間が短い場合には過剰であり、長い場合には不足して補助熱源機を使用する虞があるので、さらなる貯湯給湯装置の省エネルギー性向上が困難である。

本発明の目的は、給湯使用の予測に基づいて適切な熱量の貯湯を行って省エネルギー性を向上させることができ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、貯湯タンクと、ヒートポンプ熱源機と、補助熱源機と、給湯使用履歴に基づいて予測した将来の給湯使用の予測熱量を予測した給湯使用時刻の前に前記ヒートポンプ熱源機を駆動して前記貯湯タンクに貯湯する貯湯運転を制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、前記制御手段は、予測した給湯使用の開始から終了までの期間に応じて前記予測熱量の増加補正を行うことを特徴としている。

上記構成によれば、給湯使用の予測に基づいて給湯使用の開始から終了までの期間の放熱を考慮した適切な熱量を貯湯することができるので、貯湯給湯装置の省エネルギー性の向上を図ることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記制御手段は、前記予測した給湯使用の開始から終了までの期間が長い程前記増加補正を大きくすることを特徴としている。

上記構成によれば、給湯使用の開始から終了までの期間が長い程増加する放熱量に応じた適切な熱量を貯湯することができるので、貯湯給湯装置の省エネルギー性の向上を図ることができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記制御手段は、前記貯湯運転の貯湯温度を上昇させることにより前記増加補正を行うことを特徴としている。

上記構成によれば、湯水の放熱による温度低下があっても給湯可能な温度を維持して補助熱源機の使用を回避できるので、貯湯給湯装置の省エネルギー性の向上を図ることができる。

本発明の貯湯給湯装置によれば、給湯使用の予測に基づいて適切な熱量の貯湯を行って省エネルギー性を向上させることができる。

本発明の実施例に係る貯湯給湯装置の全体構成を示す図である。 予測熱量の増加補正の説明図である。 実施例に係る貯湯運転のフローチャートである。 補正温度を増減するための相違時間の説明図である。 給湯使用期間に応じて定められた補正温度の対応テーブルの例を示す図である。

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、本発明の貯湯給湯装置１の全体構成について、図１に基づいて説明する。
貯湯給湯装置１は、ヒートポンプ熱源機２と、貯湯給湯ユニット３を備えている。貯湯給湯ユニット３は、例えば燃焼式の補助熱源機４と、ヒートポンプ熱源機２により加熱された湯水を貯湯する貯湯タンク５と、給湯使用履歴に基づいて給湯使用予測を行うと共に予測した給湯使用量に相当する予測熱量を予測した給湯使用の開始時刻の前に貯湯タンク５に貯湯するように貯湯運転を制御する制御部７（制御手段）等を備えている。

ヒートポンプ熱源機２は、外気から吸熱した熱により湯水を目標貯湯温度（貯湯温度）に加熱して貯湯タンク５に貯湯する。このヒートポンプ熱源機２の貯湯運転により貯湯タンク５に貯湯された湯水が給湯や浴槽１９の湯張りに使用される。貯湯タンク５の湯水では給湯設定温度で給湯できない場合には、貯湯タンク５の湯水又は上水を補助熱源機４で加熱して給湯に使用する。尚、給湯設定温度は図示外の操作端末からユーザが所望の温度に設定可能であり、目標貯湯温度は制御部７によって給湯設定温度よりも高い温度に設定される。

貯湯タンク５の上部には、貯湯タンク５に貯湯した湯水を出湯するための出湯通路１１が接続されている。出湯通路１１には、出湯通路１１を流通して湯水混合弁１２に供給される湯水の出湯温度を検知するための出湯温度センサ１１ａが配設されている。貯湯タンク５の下部には、貯湯タンク５に上水源から上水を供給するための給水通路１３が接続されている。給水通路１３には給水温度を検知するための給水温度センサ１３ａが配設されている。

給水バイパス通路１４は、給水通路１３から分岐して湯水混合弁１２に接続されている。湯水混合弁１２は、給湯設定温度の給湯のために出湯通路１１の湯水と給水バイパス通路１４の上水との混合比率を調整して混合する。湯水混合弁１２には給湯通路１６が接続され、湯水混合弁１２で混合されて給湯設定温度に調整された湯水は、給湯通路１６を流通して図示外の給湯栓等に給湯される。

湯水混合弁１２で混合された湯水は、給湯通路１６から分岐して追焚回路１７に接続する湯張り通路１８を介して浴槽１９に湯張り可能である。給湯通路１６には、給湯温度を検知するための給湯温度センサ１６ａと給湯流量を検知する給湯流量センサ１６ｂが配設され、湯張り通路１８は湯張りのときに開弁する開閉弁１８ａを備えている。

貯湯タンク５の下部にはヒートポンプ熱源機２に湯水を供給する上流加熱通路２１ａが接続され、ヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯タンク５に供給する下流加熱通路２１ｂが貯湯タンク５の上部に接続されて、貯湯タンク５とヒートポンプ熱源機２の間で循環ポンプ２２により湯水が循環可能な循環加熱回路２１が形成されている。貯湯運転時には、下流加熱通路２１ｂに配設された温度センサ２１ｃの検知温度が、制御部７が設定した目標貯湯温度となるように制御される。

貯湯タンク５の外周には、貯湯された湯水の温度を検知する複数の貯湯温度センサ５ａ〜５ｅが上下方向に所定の間隔を空けて配設されている。貯湯温度センサ５ａ〜５ｅによって貯湯されている湯水の温度及びその温度の湯水量を検知可能である。貯湯温度センサ５ａ〜５ｅ及び貯湯タンク５は、貯湯された湯水の放熱による降温を抑える図示外の保温材により覆われている。

貯湯タンク５の湯水を補助熱源機４で加熱するための補助加熱通路２３が、出湯通路１１から分岐されて補助熱源機４に接続されている。補助熱源機４で加熱した湯水を出湯するための補助出湯通路２４は、補助加熱通路２３の分岐部より下流側の出湯通路１１に接続されている。補助出湯通路２４に配設された調整弁２５は、補助出湯通路２４から出湯通路１１に供給される湯水量を調整する。補助加熱通路２３には、三方弁２６と補助熱源機４に湯水を送るためのポンプ２７が配設されている。

補助出湯通路２４から分岐した熱交換器通路２８は、三方弁２６に接続されている。三方弁２６は、補助熱源機４に貯湯タンク５の湯水又は熱交換器通路２８の湯水を供給可能となるように切換えられる。熱交換器通路２８には熱交換器２８ａと開閉弁２８ｂが配設されている。この熱交換器２８ａは、追焚ポンプ２９の作動により追焚回路１７を流れる浴槽１９の湯水を補助熱源機４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。また、熱交換器通路２８には、給水通路１３から分岐した分岐通路部１３ｂが熱交換器通路２８に上水を供給可能なように接続されている。

ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、凝縮熱交換器３３、膨張弁３４、蒸発熱交換器３５を冷媒回路３６により接続して構成されている。このヒートポンプ熱源機２は、冷媒回路３６に封入された冷媒を圧縮機３２で圧縮して高温にし、循環ポンプ２２によって循環加熱回路２１を流通する湯水を凝縮熱交換器３３において高温の冷媒との熱交換により加熱する。熱交換後の冷媒は、膨張弁３４で膨張して外気より低温になり、蒸発熱交換器３５で外気から吸熱した後、再び圧縮機３２に導入される。一般的にヒートポンプ熱源機２の運転効率は成績係数（Coefficient Of Performance：ＣＯＰ）で表され、目標貯湯温度を低くする程ＣＯＰが向上する。

蒸発熱交換器３５は外気温度を検知する外気温度センサ３５ａと送風機３５ｂを備えている。また、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、膨張弁３４、送風機３５ｂ等を制御するヒートポンプ制御部３７を備えている。ヒートポンプ制御部３７は、貯湯給湯装置１の主たる制御手段である制御部７に通信可能に接続され、制御部７の指令に従ってヒートポンプ熱源機２を一定出力で駆動する。

制御部７は、各種センサの検知信号等に基づいて給湯等の制御を行うと共に、給湯使用量や給湯使用時刻、そのときの各種温度等の給湯使用状況を学習記憶している。この学習記憶した給湯使用状況の履歴（給湯使用履歴）に基づいて、制御部７は所定期間毎（例えば５分毎）に周期的に将来の給湯使用を予測する。この予測で算出される熱量は、給水温度と加熱後の温度とその湯水量に基づいて、又はヒートポンプ熱源機の出力と貯湯運転時間に基づいて適宜算出される。

例えば図２に示すように、時刻ｔ０で給湯使用を予測したとき、予測した給湯使用の開始時刻ｔ１及び終了時刻ｔ２と、開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの所定時間毎に予測した熱量（例えば３０分毎の時間帯別熱量Ｂ１〜Ｂ４）を合計した予測熱量Ｂを設定する。この給湯使用の開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの給湯使用期間Ｒに応じて予測熱量Ｂを例えば熱量Ｕだけ増加させる補正する。そして、実線Ｌ１で示すように給湯使用の開始時刻ｔ１の前に貯湯タンク５に予測熱量Ｂを増加補正した熱量（Ｂ＋Ｕ）を貯湯するように貯湯運転を制御する。この予測熱量Ｂの増加補正について図３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、給湯使用予測を行う時刻ｔ０における貯湯タンク５に貯湯されている湯水の温度Ｔｃ［℃］及びその湯水量等に基づいて貯湯熱量Ａ［Ｊ］を算出してＳ２に進む。湯水量は、貯湯温度センサ５ａ〜５ｅの検知温度、給湯使用履歴、放熱損失等に基づいて算出する。給湯設定温度Ｔｓ［℃］よりも所定温度（例えば２℃）以上の高い温度の湯水が貯湯タンク５に貯湯されていない場合は、貯湯熱量Ａをゼロとする。この湯水が給湯されるまでの降温による補助熱源機４の使用を回避するためである。尚、貯湯給湯装置１は給湯使用予測に基づいて給湯に必要な量だけ貯湯するので、貯湯タンク５に残っている貯湯熱量Ａがゼロである場合が多い。

次にＳ２において、給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用予測を行ってＳ３に進む。この給湯使用予測で給湯使用の開始時刻ｔ１と終了時刻ｔ２と予測熱量Ｂ［Ｊ］を設定する。

次にＳ３において、これから貯湯する熱量（Ｂ−Ａ）と、給湯使用の開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの給湯使用期間Ｒ［ｓ］を算出してＳ４に進む。このとき、例えば図４に示すように、給湯使用期間Ｒにおける予測した時間帯別熱量が最大（この場合Ｂ１）の時間帯と、この時間帯の始時刻（時刻ｔ１）から前後に給湯使用期間Ｒの範囲内で、前日までの給湯使用履歴における時間帯別熱量の実績値が最大（例えばＣ）の時間帯の相違時間Ｄ［ｓ］（この場合１時間）を算出しておく。

次にＳ４において、給湯使用期間Ｒに応じて補正温度α［℃］を設定してＳ５に進む。補正温度αは、例えば図５に示すように給湯使用期間Ｒが長くなる程大きくなるように定められた対応テーブルに基づいて設定され、この対応テーブルを制御部７が記憶している。この対応テーブルは、放熱実験等に基づいてその補正温度αが定められる。制御部７が例えば図５に対応する演算式を記憶しており、この演算式に基づいてαを演算して設定するようにしてもよい。また、図４の相違時間Ｄに応じて、例えばＤ＞Ｒのときは設定された補正温度αを所定温度β（例えば０．５℃）だけ増加させ、Ｄ＜Ｒのときは設定された補正温度αを所定温度βだけ減少させる補正を行うようにしてもよい。尚、給湯使用期間Ｒが７時間を超える場合は、放熱損失が大きいので次回の貯湯運転で貯湯する。

次にＳ５において、貯湯タンク５に貯湯されている貯湯熱量Ａがゼロより大きいか否か、即ち貯湯熱量Ａの有無を判定する。貯湯熱量Ａが有り判定がＹｅｓの場合はＳ６に進み、貯湯熱量Ａがゼロで判定がＮｏの場合はＳ７に進む。

Ｓ６において、温度Ｔｃの湯水を貯湯タンク５に満たしたときの熱量が、予測熱量Ｂよりも大きいか否か判定する。ヒートポンプ熱源機２のＣＯＰを高くするために、貯湯されている湯水を含めて予測熱量Ｂをできるだけ低温となる温度Ｔｃで貯湯可能か否かの判定である。判定がＹｅｓの場合はＳ８に進み、Ｓ８において温度Ｔｃを補正温度αだけ上昇させた温度（Ｔｃ＋α）を目標貯湯温度に設定する。判定がＮｏの場合はＳ９に進み、Ｓ９においてできるだけ低い温度で予測熱量Ｂの湯水を貯湯タンク５に満たしたときの湯水温度Ｔｂ［℃］を補正温度αだけ上昇させた温度（Ｔｂ＋α）を目標貯湯温度に設定する。湯水温度Ｔｂは、予測熱量Ｂ、貯湯タンク５の容量等から算出される。Ｓ８又はＳ９において目標貯湯熱量を設定したらＳ１１に進む。

一方、Ｓ５の判定がＮｏの場合にＳ７において、給湯設定温度Ｔｓの湯水を貯湯タンク５に満たしたときの熱量が、予測熱量Ｂよりも大きいか否か判定する。ヒートポンプ熱源機２のＣＯＰを高くするために、予測熱量Ｂをできるだけ低温となる給湯設定温度Ｔｓで貯湯可能か否かの判定である。判定がＹｅｓの場合はＳ１０に進み、Ｓ１０において給湯設定温度Ｔｓを補正温度αだけ上昇させた温度（Ｔｓ＋α）を目標貯湯温度に設定する。判定がＮｏの場合はＳ９に進み、Ｓ９においてできるだけ低い温度で予測熱量Ｂの湯水を貯湯タンク５に満たしたときの湯水温度Ｔｂを補正温度αだけ上昇させた温度（Ｔｂ＋α）を目標貯湯温度に設定する。Ｓ１０又はＳ９において目標貯湯熱量を設定したらＳ１１に進む。

次にＳ１１において、予測熱量Ｂの貯湯運転を行うときの他の運転条件（例えば循環ポンプ２２の回転数等）を設定してＳ１２に進む。そしてＳ１２において、設定した運転条件で貯湯運転を実行して貯湯が完了したらリターンする。

次に、本発明の貯湯給湯装置１の作用、効果について説明する。
図２に示すように、制御部７は時刻ｔ０において、貯湯熱量Ａを算出し、給湯使用予測を行って給湯使用の開始時刻ｔ１と終了時刻ｔ２と予測熱量Ｂを設定する。そして、貯湯タンク５に予測熱量Ｂをできるだけ低温で貯湯するための温度（Ｔｃ、Ｔｂ又はＴｓ）に対して、給湯使用の開始時刻ｔ１から終了時刻ｔ２までの給湯使用期間Ｒに応じて補正温度αだけ上昇させた目標貯湯温度を設定して貯湯運転を行う。従って、予測熱量Ｂに対して補正温度α相当の熱量Ｕの増加補正を行うことにより、実線Ｌ１で示すように給湯使用の予測に基づいて適切な熱量を貯湯することができるので、貯湯給湯装置１の省エネルギー性の向上を図ることができる。

また、制御部７は、給湯使用期間Ｒが長い程補正温度αを大きくすることによって増加補正を大きくしているので、給湯使用期間Ｒが長い程増加する放熱量に応じた適切な熱量を貯湯することができ、貯湯給湯装置１の省エネルギー性の向上を図ることができる。その上、制御部７は、貯湯運転の目標貯湯温度を上昇させて予測熱量Ｂの増加補正を行っているので、湯水の放熱による温度低下があっても給湯可能な温度を維持して補助熱源機４の使用を回避でき、貯湯給湯装置１の省エネルギー性の向上を図ることができる。

また、制御部７は、給湯使用期間Ｒと相違時間Ｄに応じて、例えばＤ＞Ｒのとき設定された補正温度αをβだけ増加させ、Ｄ＜Ｒのとき設定された補正温度αをβだけ減少させる補正を行う。相違時間Ｄが小さい程予測通りの給湯使用となる可能性が高いと言えるので、Ｄ＞Ｒのときに放熱損失を大きく見積もって貯湯する熱量を増やして補助熱源機４の使用を回避し、Ｄ＜Ｒのときに放熱損失を小さく見積もって貯湯する熱量を減らして、貯湯給湯装置１の省エネルギー性の向上を図ることができる。

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上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 ：貯湯給湯装置
２ ：ヒートポンプ熱源機
５ ：貯湯タンク
５ａ〜５ｅ ：貯湯温度センサ
７ ：制御部（制御手段）
２１ ：循環加熱回路
２２ ：循環ポンプ

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、ヒートポンプ熱源機と、補助熱源機と、給湯使用履歴に基づいて予測した将来の給湯使用の予測熱量を予測した給湯使用時刻の前に前記ヒートポンプ熱源機を駆動して前記貯湯タンクに貯湯する貯湯運転を制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、
   前記制御手段は、予測した給湯使用の開始から終了までの期間に応じて前記予測熱量の増加補正を行うことを特徴とする貯湯給湯装置。
2. 前記制御手段は、前記予測した給湯使用の開始から終了までの期間が長い程前記増加補正を大きく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. 前記制御手段は、前記貯湯運転の貯湯温度を上昇させることにより前記増加補正を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。