JP2021076301A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】沸き上げ運転のときに水中の溶存空気から発生した気泡が水の回路に溜まることによって水流量が不安定になることを防止する上で有利になる貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、加熱手段を通過する水の流量である沸き上げ水流量を調整可能な流量調整手段と、沸き上げ運転を実行可能な制御手段とを備える。制御手段は、沸き上げ水流量が閾値以下に維持される低流量運転と、沸き上げ水流量が閾値を超えるとともに低流量運転の持続時間よりも短い時間だけ続く流量増加運転とを交互に繰り返すエア溜まり防止沸き上げ運転を沸き上げ運転として実行可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、貯湯式給湯装置に関する。

例えばヒートポンプ装置のような加熱手段により加熱された湯を貯留する貯湯タンクを備えた貯湯式給湯装置が広く用いられている。下記特許文献１では、ヒートポンプ装置により水を加熱して貯湯タンク内に貯湯する過程において、貯湯タンクを含むユニットとヒートポンプ装置ユニットとの間を接続する配管の接続箇所などから、循環回路内に徐々にエアが混入する場合があり、ヒートポンプ装置の沸き上げの安定性を悪化させる、とされている。特許文献１の発明では、制御装置は、一日のうちに９０秒間だけ、循環回路エア抜きのために所定流量以上となるように循環ポンプを運転する。

特開２００７−１７０７２３号公報

水が加熱されると、水中の溶存空気がガス化する。このため、沸き上げ運転のときに、外部から混入するエアではなく、水中の溶存空気から発生した気泡が水の回路に溜まる可能性がある。特許文献１の技術では、循環回路エア抜きのために所定流量以上となるように循環ポンプを運転する時間が、一日のうちに９０秒間だけに限定されている。しかしながら、加熱される水の量が多いほど、溶存空気から発生する気泡の量も多くなる。このため、特許文献１の技術では、溶存空気から発生した気泡が水の回路に溜まることを確実に防止することが困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、沸き上げ運転のときに水中の溶存空気から発生した気泡が水の回路に溜まることによって水流量が不安定になることを防止する上で有利になる貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、水を加熱する加熱手段と、貯湯タンクから流出した水を加熱手段に流入させる入水通路と、加熱手段から流出した湯を貯湯タンクの上部に流入させるタンク上部通路と、入水通路、加熱手段及びタンク上部通路の内部の水を流れさせる水ポンプとを有する貯湯回路と、加熱手段を通過する水の流量である沸き上げ水流量を調整可能な流量調整手段と、貯湯回路により貯湯タンクに湯を蓄積する沸き上げ運転を実行可能な制御手段と、を備え、制御手段は、沸き上げ水流量が閾値以下に維持される低流量運転と、沸き上げ水流量が閾値を超えるとともに低流量運転の持続時間よりも短い時間だけ続く流量増加運転とを交互に繰り返すエア溜まり防止沸き上げ運転を沸き上げ運転として実行可能であるものである。

本発明によれば、沸き上げ運転のときに水中の溶存空気から発生した気泡が水の回路に溜まることによって水流量が不安定になることを防止する上で有利になる貯湯式給湯装置を提供することが可能となる。

実施の形態１による貯湯式給湯装置を示す図である。 実施の形態１による貯湯式給湯装置の機能ブロック図である。 沸き上げ運転を開始するときにヒートポンプコントローラ及びタンクコントローラが実行する処理の例を示すフローチャートである。 エアだまり防止沸き上げ運転の最中の、沸き上げ水流量、ヒートポンプ入水温度、圧縮機の回転速度、及びヒートポンプユニットの加熱能力のそれぞれの経時変化の例を示す図である。 実施の形態２による貯湯式給湯装置を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。以下の説明において、「水」との記載は、原則として、液体の水を意味し、低温の水から高温の湯まで含まれうるものとする。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による貯湯式給湯装置１を示す図である。図１に示すように、本実施の形態の貯湯式給湯装置１は、水を加熱する加熱手段に相当するヒートポンプユニット２と、貯湯タンク１１を有するタンクユニット３とを備えている。ヒートポンプユニット２は、室外に配置される。タンクユニット３は、室外または室内に配置される。本実施の形態ではヒートポンプユニット２とタンクユニット３とが別体となっているが、本開示による貯湯式給湯装置は、ヒートポンプユニット２及びタンクユニット３が一体となった構造を有するものでもよい。

ヒートポンプユニット２は、冷媒を圧縮する圧縮機４と、冷媒−水熱交換器５と、膨張弁６と、蒸発器７と、ヒートポンプコントローラ９とを筐体の内部に備えている。冷媒として使用される物質は、特に限定されないが、例えばＣＯ_２、ＨＦＣ、ＨＣ、ＨＦＯ等を使用可能である。冷媒−水熱交換器５は、冷媒流路５ａ及び水流路５ｂを備える。冷媒流路５ａを通る冷媒と、水流路５ｂを通る水との間で熱が交換される。圧縮機４、冷媒流路５ａ、膨張弁６、及び蒸発器７が冷媒管を介して接続されることにより、冷媒回路が形成されている。

膨張弁６は、高圧冷媒を減圧及び膨張させる減圧装置に相当する。蒸発器７は、ヒートポンプユニット２の外部から取り込まれる室外の空気である外気と、冷媒との間で熱を交換させる。蒸発器７は、外気の熱によって冷媒を蒸発させる。ヒートポンプユニット２は、外気が蒸発器７を通過して流れるようにするための送風機１０を備えている。

タンクユニット３は、貯湯タンク１１と、分岐弁１２と、水ポンプ１３と、給湯混合弁１４と、タンクコントローラ１６とを筐体の内部に備えている。

貯湯タンク１１は、ヒートポンプユニット２により加熱された湯を貯留する。貯湯タンク１１は、図示しない断熱材により覆われている。貯湯タンク１１内では、温度の違いによる水の比重の違いにより、上側の高温域と下側の低温域との温度成層を形成することができる。

図示の例では、貯湯タンク１１は、単一のタンクで構成されている。この例に限らず、貯湯タンク１１は、複数のタンクを有するものでもよい。本開示では、貯湯タンク１１の高さ方向すなわち上下方向の位置に関して記載することがある。その場合において、上位側のタンクの下部が下位側のタンクの上部に連結管を介して直列に接続されている複数のタンクを貯湯タンク１１が備えている場合には、最上位のタンクから最下位のタンクまでの全体を対象として、上下方向の位置が特定されるものとする。

貯湯タンク１１は、上部、下部、及び中間部を有している。貯湯タンク１１の中間部は、貯湯タンク１１の上部と下部との間の高さの部分である。

タンクユニット３に設けられた給水端１７には、例えば上水道のような水源から供給される水が通る外部給水管（図示省略）が接続されている。給水端１７の下流側は、第一給水管１８と第二給水管１９とに分岐している。第一給水管１８は、貯湯タンク１１の下部に接続されている。給湯混合弁１４は、流入口ａ、流入口ｂ、及び流出口ｃを有している。第二給水管１９は、給湯混合弁１４の流入口ｂに接続されている。

タンクユニット３に設けられた給湯端２０には、例えばシャワー、蛇口、浴槽のような給湯先につながる外部給湯管（図示省略）が接続されている。給湯管２１は、貯湯タンク１１の上部を給湯混合弁１４の流入口ａにつないでいる。給湯管２２は、給湯混合弁１４の流出口ｃを給湯端２０につないでいる。

給湯混合弁１４は、貯湯タンク１１の上部から給湯管２１を通って供給される高温水と、第二給水管１９から供給される低温水とを混合する。その混合された湯は、給湯管２２及び外部給湯管を通って給湯先へ送られる。給湯混合弁１４により高温水と低温水との混合比を調整することで、給湯温度を調整することができる。貯湯タンク１１の上部に貯留された高温水が給湯管２１へ流出すると、それと同量の低温水が第一給水管１８から貯湯タンク１１の下部に流入する。そのようにして、貯湯タンク１１は、満水状態に維持される。

ヒートポンプユニット２及びタンクユニット３は、ヒートポンプ入水配管２３及びヒートポンプ出湯配管２４により、互いに接続されている。水ポンプ１３の吐出口は、ヒートポンプ入水配管２３を介して、冷媒−水熱交換器５の水流路５ｂの入口につながっている。分岐弁１２は、流入口ａ、流出口ｃ、及び流出口ｄを有している。冷媒−水熱交換器５の水流路５ｂの出口は、ヒートポンプ出湯配管２４を介して、分岐弁１２の流入口ａにつながっている。

水ポンプ１３の吸入口は、タンク下部通路２５を介して、貯湯タンク１１の下部につながっている。分岐弁１２の流出口ｃは、タンク上部通路２６を介して、貯湯タンク１１の上部につながっている。タンク下部通路２５の途中の位置に合流部２７が形成されている。分岐弁１２の流出口ｄは、バイパス通路２８を介して、合流部２７につながっている。

以下の説明では、ヒートポンプユニット２に流入する水の温度を「ヒートポンプ入水温度」と称し、ヒートポンプユニット２から流出する湯の温度を「ヒートポンプ出湯温度」と称する。ヒートポンプユニット２には、圧縮機４から吐出される冷媒の温度である圧縮機吐出温度を検出する吐出温度センサ２９と、ヒートポンプ入水温度を検出する入水温度センサ３０と、ヒートポンプ出湯温度を検出する出湯温度センサ３１と、外気温度を検出する外気温度センサ３２とが設置されている。図示の例では、水流路５ｂの入口に入水温度センサ３０が配置され、水流路５ｂの出口に出湯温度センサ３１が設置されている。この例に代えて、例えばタンクユニット３内に入水温度センサ３０及び出湯温度センサ３１が配置されてもよい。

貯湯タンク１１には、互いに異なる高さの位置に配置された複数の貯湯温度センサ３３が設けられている。これらの貯湯温度センサ３３によれば、貯湯タンク１１内の鉛直方向の水温分布を検出することができる。図示の例では４個の貯湯温度センサ３３が設けられているが、貯湯温度センサ３３の数はこれに限定されない。

ヒートポンプコントローラ９とタンクコントローラ１６とは、有線または無線により、双方向にデータ通信可能に接続されている。ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、貯湯式給湯装置１の動作を制御する制御手段に相当する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６の少なくとも一方は、時刻を管理するタイマー機能を有していてもよい。ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６の少なくとも一方は、年月日を管理するカレンダー機能を有していてもよい。

本実施の形態では、ヒートポンプコントローラ９とタンクコントローラ１６とが連携して、貯湯式給湯装置１の動作を制御する。本開示では、図示の例のように複数のコントローラが連携して貯湯式給湯装置１の動作を制御する構成に限定されるものではなく、単一のコントローラにより貯湯式給湯装置１の動作が制御される構成にしてもよい。

本実施の形態の貯湯式給湯装置１は、リモコン５０を備える。リモコン５０とタンクコントローラ１６とは、有線または無線により、双方向にデータ通信可能に接続されている。リモコン５０は、例えば台所、浴室のような部屋に設置されてもよい。リモコン５０は、運転動作指令、設定値の変更、その他に関する使用者の操作を受け付ける機能を有する。リモコン５０は、ユーザーインターフェースに相当する。図示を省略するが、リモコン５０には、貯湯式給湯装置１の状態に関する情報を表示するディスプレイ、使用者が操作するスイッチ等の操作部、スピーカ、マイク等が搭載されていてもよい。貯湯式給湯装置１は、異なる場所に設置される複数台のリモコン５０を備えてもよい。また、リモコン５０に代えて、またはリモコン５０に加えて、例えばスマートフォンまたはタブレット端末のような携帯端末を貯湯式給湯装置１のユーザーインターフェースとして使用可能であってもよい。

ヒートポンプ入水配管２３及びタンク下部通路２５は、貯湯タンク１１から流出した水をヒートポンプユニット２に流入させる入水通路に相当している。ヒートポンプユニット２から流出した湯は、ヒートポンプ出湯配管２４及びタンク上部通路２６を通って、貯湯タンク１１の上部に流入することができる。本実施の形態では、タンク下部通路２５、水ポンプ１３、ヒートポンプ入水配管２３、水流路５ｂ、ヒートポンプ出湯配管２４、及びタンク上部通路２６により、貯湯回路が形成される。水ポンプ１３が作動すると、貯湯回路内の水が流れる。

本実施の形態における貯湯回路は、ヒートポンプユニット２から流出した湯の一部を入水通路の水に合流させることが可能なバイパス通路２８をさらに備えている。分岐弁１２は、流入口ａから流入した湯を流出口ｃと流出口ｄとに分配することができるとともに、その分配比率を調整可能である。本実施の形態における分岐弁１２は、ヒートポンプユニット２から流出した湯をタンク上部通路２６とバイパス通路２８とに分配する分配比率を調整可能な分配比率調整手段に相当している。以下の説明では、当該分配比率を「出湯分配比率」と称する。出湯分配比率は、タンク上部通路２６を流れる湯の流量と、バイパス通路２８を流れる湯の流量との比率に相当する。

分岐弁１２は、流入口ａから流入した湯の全量が流出口ｃへ流れる状態にすることもできる。この状態では、ヒートポンプユニット２から流出した湯は、バイパス通路２８に流入することなく、その全量がタンク上部通路２６を通って貯湯タンク１１の上部に流入する。

図２は、実施の形態１による貯湯式給湯装置１の機能ブロック図である。図２に示すように、圧縮機４、膨張弁６、送風機１０、吐出温度センサ２９、入水温度センサ３０、出湯温度センサ３１、及び外気温度センサ３２のそれぞれは、ヒートポンプコントローラ９に対して電気的に接続されている。分岐弁１２、水ポンプ１３、給湯混合弁１４、及び貯湯温度センサ３３のそれぞれは、タンクコントローラ１６に対して電気的に接続されている。

ヒートポンプコントローラ９の各機能は、処理回路により実現されてもよい。ヒートポンプコントローラ９の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９ａと少なくとも１つのメモリ９ｂとを備えてもよい。少なくとも１つのプロセッサ９ａは、少なくとも１つのメモリ９ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、ヒートポンプコントローラ９のそれぞれの各機能を実現してもよい。ヒートポンプコントローラ９の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェアを備えてもよい。

タンクコントローラ１６の各機能は、処理回路により実現されてもよい。タンクコントローラ１６の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１６ａと少なくとも１つのメモリ１６ｂとを備えてもよい。少なくとも１つのプロセッサ１６ａは、少なくとも１つのメモリ１６ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、タンクコントローラ１６のそれぞれの各機能を実現してもよい。タンクコントローラ１６の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェアを備えてもよい。

ヒートポンプコントローラ９は、例えばインバータ制御により、圧縮機４の回転速度が可変となるように制御することができる。タンクコントローラ１６は、例えばインバータ制御により、水ポンプ１３の回転速度が可変となるように制御することができる。

ヒートポンプユニット２を通過する水の流量を以下「沸き上げ水流量」と称する。沸き上げ水流量は、水流路５ｂを流れる水の流量に相当する。本実施の形態では、タンクコントローラ１６が水ポンプ１３の回転速度を調整することにより、沸き上げ水流量を調整可能である。したがって、タンクコントローラ１６は、沸き上げ水流量を調整可能な流量調整手段に相当する。流量調整手段は、この例に限定されない。例えば、流量調整手段として、貯湯回路に流量制御弁（図示省略）を設け、その流量制御弁の開度をタンクコントローラ１６あるいはヒートポンプコントローラ９が調整することで沸き上げ水流量を調整可能としてもよい。

貯湯式給湯装置１は、沸き上げ運転を実行できる。沸き上げ運転は、貯湯回路により貯湯タンク１１に湯を蓄積する運転である。ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、沸き上げ運転を制御する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、沸き上げ運転のときの動作を例えば以下のように制御する。圧縮機４及び水ポンプ１３が駆動される。圧縮機４により圧縮されることで高温高圧となった冷媒が冷媒−水熱交換器５の冷媒流路５ａに流入する。冷媒流路５ａを流れる冷媒は、水流路５ｂを流れる水により冷却される。冷媒流路５ａを通過した冷媒は、膨張弁６により減圧されることで低温低圧の冷媒となる。この低温低圧冷媒は、蒸発器７に流入する。蒸発器７では、送風機１０によって導かれた外気と、低温低圧冷媒との間で熱を交換する。蒸発器７にて外気により加熱されることで冷媒が蒸発する。蒸発した冷媒が圧縮機４に吸入される。このようにして、冷凍サイクルが形成される。

貯湯タンク１１の下部にある水は、タンク下部通路２５、水ポンプ１３、及びヒートポンプ入水配管２３を通って、冷媒−水熱交換器５の水流路５ｂに流入する。冷媒−水熱交換器５では、冷媒流路５ａを流れる冷媒により、水流路５ｂを流れる水が加熱されて高温の湯になる。その加熱された高温の湯は、ヒートポンプ出湯配管２４、分岐弁１２、及びタンク上部通路２６を通って、貯湯タンク１１の上部に流入する。このような沸き上げ運転により、貯湯タンク１１内で上から下に向かって高温水が徐々に蓄積されていくことで、貯湯タンク１１内の蓄熱量が増加する。

タンクコントローラ１６は、貯湯温度センサ３３により検出される貯湯タンク１１内の鉛直方向に沿った温度分布を用いて、貯湯タンク１１内の貯湯量または蓄熱量を計算することができる。タンクコントローラ１６は、一定時間ごとに現在の貯湯量または蓄熱量を算出する。現在の貯湯量または蓄熱量が基準を下回ると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、沸き上げ運転を開始する。沸き上げ運転の実行中の貯湯量または蓄熱量が目標値に達すると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、沸き上げ運転を終了する。

タンクコントローラ１６は、給湯管２１または給湯管２２を流れる湯の温度及び量をセンサ（図示省略）により検出することで、給湯負荷を検出してもよい。タンクコントローラ１６は、過去複数日間の給湯負荷を統計的に処理して得た学習結果に基づいて、貯湯量または蓄熱量の目標値を定めてもよい。

ヒートポンプユニット２の加熱能力［Ｗ］は、単位時間当たりにヒートポンプユニット２が水に与える熱量である。ヒートポンプコントローラ９は、圧縮機４の回転速度を調整することにより、ヒートポンプユニット２の加熱能力を調整することができる。圧縮機４に吸入される冷媒の過熱度を以下「吸入過熱度」と称する。ヒートポンプコントローラ９は、吸入過熱度、または吐出温度センサ２９により検出される圧縮機吐出温度が、目標値に等しくなるように、膨張弁６の開度を調整してもよい。膨張弁６の開度が大きいほど、冷媒流量が増加し、圧縮機吐出温度及び吸入過熱度が低下する。

沸き上げ運転のときのヒートポンプ出湯温度の目標値を以下「目標出湯温度」と称する。タンクコントローラ１６は、使用者がリモコン５０を用いて設定した給湯設定温度に応じて、目標出湯温度を決定してもよい。例えば、タンクコントローラ１６は、給湯設定温度に等しい温度または給湯設定温度よりも高い温度を目標出湯温度として設定してもよい。目標出湯温度は、例えば６５℃でもよい。

沸き上げ運転のとき、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、出湯温度センサ３１により検出されるヒートポンプ出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、水ポンプ１３により沸き上げ水流量を調整することができる。ヒートポンプ出湯温度を目標出湯温度に等しくするためには、ヒートポンプユニット２の加熱能力が低い場合ほど、沸き上げ水流量を低くすることが必要となる。なお、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、フィードバック制御により水ポンプ１３の回転速度を調整してもよい。

本実施の形態のヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、沸き上げ運転として、通常沸き上げ運転と、エアだまり防止沸き上げ運転との２種類の沸き上げ運転を実行可能である。通常沸き上げ運転は、エアだまり防止沸き上げ運転よりも貯湯式給湯装置１の消費電力が大きい。

本実施の形態では、貯湯式給湯装置１が利用される住宅または施設（以下、代表して「住宅」と称する）に、太陽光発電装置（図示省略）が備えられていてもよい。貯湯式給湯装置１と、住宅で用いられる他の電気機器とは、太陽光発電装置を用いて発電された電力により運転可能である。以下の説明では、太陽光発電装置により発電された電力を「太陽光発電電力」と称する。また、太陽光発電電力のうち、貯湯式給湯装置１が使用可能な電力を「余剰電力」と称する。例えば、太陽光発電電力のうち、貯湯式給湯装置１以外の他の電気機器が消費する電力を除いた分を「余剰電力」とみなしてもよい。本実施の形態の貯湯式給湯装置１は、商用電源から供給される電力を用いることなく、余剰電力のみを用いて沸き上げ運転を実行可能である。

商用電源から供給される電力を用いて夜間に沸き上げ運転を行う場合には、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、通常沸き上げ運転を実行する。

昼間に余剰電力のみを用いて沸き上げ運転を行う場合に、余剰電力が、通常沸き上げ運転の消費電力に比べて足りない可能性がある。そのような場合に、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、余剰電力のみを用いてエアだまり防止沸き上げ運転を実行することができる。これにより、電力単価の高い昼間に商用電源から買電することを抑制できる。

通常沸き上げ運転のときのヒートポンプユニット２の加熱能力の値は、定格加熱能力に相当する。エアだまり防止沸き上げ運転のときのヒートポンプユニット２の加熱能力は、定格加熱能力よりも低い。このため、エアだまり防止沸き上げ運転のときの沸き上げ水流量は、通常沸き上げ運転のときの沸き上げ水流量よりも低くなる。

水が加熱されると、水中の溶存空気がガス化する。このため、沸き上げ運転のときには、冷媒−水熱交換器５により加熱された水の中の溶存空気から発生した気泡が貯湯回路内に生成する。沸き上げ水流量が高ければ、貯湯回路内に生成した気泡は、配管内に滞留することなく、下流へ押し流されて、貯湯タンク１１に流入する。貯湯タンク１１に流入した気泡は、貯湯タンク１１の上部に接続された圧力逃し弁（図示省略）から系外へ排出されるので、問題ない。

これに対し、沸き上げ水流量が低いときには、水流が気泡を押し流す作用が弱いので、貯湯回路内に生成した気泡が配管内に溜まる可能性がある。貯湯回路の配管内に気泡が溜まると、沸き上げ水流量が不安定になるという問題がある。

以下の説明では、貯湯回路の配管内に気泡が溜まるおそれがある沸き上げ水流量の閾値を「水流量閾値」と称する。沸き上げ水流量が水流量閾値を超えていれば、貯湯回路内に生成した気泡は、下流へ押し流されるので、配管内に滞留することはない。これに対し、沸き上げ水流量が水流量閾値以下であると、貯湯回路内に生成した気泡が、下流へ押し流されずに、配管内に滞留する可能性がある。

通常沸き上げ運転の最中には、沸き上げ水流量が水流量閾値を超える状態に維持される。このため、通常沸き上げ運転においては、配管内に溜まった気泡によって沸き上げ水流量が不安定になるおそれはない。

エアだまり防止沸き上げ運転は、低流量運転と、流量増加運転とを交互に繰り返す運転である。低流量運転では、沸き上げ水流量が水流量閾値以下となる状態が維持される。このため、低流量運転のときには、溶存空気から生成した気泡が貯湯回路の配管内に滞留する可能性がある。流量増加運転では、沸き上げ水流量が水流量閾値を超えて増加するように水ポンプ１３が制御される。低流量運転のときに貯湯回路の配管内に滞留した気泡は、流量増加運転のときに下流へ押し流されて除去される。このため、エアだまり防止沸き上げ運転であれば、配管内に溜まった気泡によって沸き上げ水流量が不安定になることを確実に防止できる。

流量増加運転は、低流量運転の持続時間よりも短い時間だけ続く。すなわち、流量増加運転の持続時間は、低流量運転の持続時間よりも短い。１回の低流量運転の持続時間は、例えば、３０分間以上、６０分間以下の範囲にあってもよい。１回の流量増加運転の持続時間は、例えば、１分間以上、５分間以下の範囲にあってもよい。

ヒートポンプ入水温度が一定の場合、沸き上げ水流量が増えると、ヒートポンプ出湯温度が低下する。このため、流量増加運転のときに、目標出湯温度よりも低い温度の湯が貯湯タンク１１の上部に流入する可能性がある。流量増加運転の持続時間は低流量運転の持続時間よりも短いので、流量増加運転のときに目標出湯温度よりも低い温度の湯が貯湯タンク１１の上部に流入したとしても、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度が大きく低下することを確実に防止できる。

本実施の形態において、タンクコントローラ１６は、流量増加運転のときの水ポンプ１３の回転速度が低流量運転のときの水ポンプ１３の回転速度よりも高くなるように制御する。

エアだまり防止沸き上げ運転の実行中、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、低流量運転と流量増加運転とを周期的に実行する。すなわち、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、低流量運転が第一時間だけ持続すると流量増加運転に切り替え、流量増加運転が第一時間よりも短い第二時間だけ持続すると低流量運転に切り替える、という処理を繰り返す。したがって、一回のエアだまり防止沸き上げ運転が継続される時間が長いほど、当該エアだまり防止沸き上げ運転の最中に実行される流量増加運転の回数が増加する。エアだまり防止沸き上げ運転が継続される時間が長い場合には、加熱される水の総量が多いので、溶存空気から発生する気泡の総量も多くなる。そのような場合においても、配管内に気泡が溜まることを確実に防止できる。このため、配管内に溜まった気泡によって沸き上げ水流量が不安定になることを確実に抑制できる。

エアだまり防止沸き上げ運転が開始されると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、初回の流量増加運転よりも前に低流量運転を実行する。初回の低流量運転が実行される前に流量増加運転を実行する必要はない。初回の低流量運転が実行される前には、貯湯回路の配管内に、溶存空気から発生した気泡が溜まっていないと考えられるからである。

通常沸き上げ運転のとき及び低流量運転のときには、タンクコントローラ１６は、ヒートポンプユニット２から流出した湯の全量がタンク上部通路２６を通って貯湯タンク１１の上部に流入するように、分岐弁１２を制御する。すなわち、通常沸き上げ運転のとき及び低流量運転のときには、バイパス通路２８に湯が流れない。

本実施の形態の貯湯式給湯装置１は、ヒートポンプ入水温度を上昇させることが可能なヒートポンプ入水温度上昇手段を備えている。タンクコントローラ１６は、ヒートポンプ入水温度上昇手段により、流量増加運転のときのヒートポンプ入水温度が低流量運転のときのヒートポンプ入水温度よりも高くなるようにする。これにより、流量増加運転によって沸き上げ水流量が増えたときでも、ヒートポンプ出湯温度の低下を確実に抑制できる。すなわち、流量増加運転のときに目標出湯温度よりも低い温度の湯が貯湯タンク１１の上部に流入することを確実に抑制できる。それゆえ、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度が低下することをより確実に防止できる。

本実施の形態では、分岐弁１２及びバイパス通路２８がヒートポンプ入水温度上昇手段に相当している。流量増加運転のときに、タンクコントローラ１６は、ヒートポンプユニット２から流出した湯の一部がバイパス通路２８へ流れるように分岐弁１２を制御する。その結果、バイパス通路２８へ流れた湯と、貯湯タンク１１の下部からタンク下部通路２５へ流れた低温水とが合流部２７にて合流及び混合し、ヒートポンプユニット２に流入する。これにより、流量増加運転のときのヒートポンプ入水温度が低流量運転のときよりも高くなる。それゆえ、沸き上げ水流量が増えてもヒートポンプ出湯温度の低下を確実に抑制できる。

流量増加運転のときに、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、出湯温度センサ３１により検出されるヒートポンプ出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、出湯分配比率を分岐弁１２により調整してもよい。そのようにすることで、流量増加運転のときでも、実際のヒートポンプ出湯温度を目標出湯温度に対してより確実に近づけることができる。なお、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、フィードバック制御により分岐弁１２の開度を調整してもよい。

図３は、沸き上げ運転を開始するときにヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６が実行する処理の例を示すフローチャートである。図４は、エアだまり防止沸き上げ運転の最中の、沸き上げ水流量、ヒートポンプ入水温度、圧縮機４の回転速度、及びヒートポンプユニット２の加熱能力のそれぞれの経時変化の例を示す図である。以下、図３及び図４に示す例に基づき、本実施の形態についてさらに説明する。

沸き上げ運転を実行する必要が生ずると、まず、図３のステップＳ１０１として、太陽光発電の余剰電力が有るかどうかが判定される。例えば、タンクコントローラ１６は、ホームエネルギーマネジメントシステム（図示省略）から、余剰電力の情報を受信することができる。余剰電力が無い場合には、ステップＳ１０３として、通常沸き上げ運転が実行される。余剰電力が有る場合には、ステップＳ１０２として、余剰電力の値に基づいて、これから実行する沸き上げ運転の最中の貯湯式給湯装置１の消費電力Ｗ［ｋＷ］が設定される。消費電力Ｗは、例えば、現在の余剰電力以下の値となるように設定される。

ステップＳ１０２からステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、貯湯温度センサ３３により、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度Ｔｗｈ［℃］と、貯湯タンク１１の下部の貯湯温度Ｔｗｃ［℃］とが計測される。次いで、ステップＳ１０５として、これから実行する沸き上げ運転の最中の目標出湯温度Ｔｗｏｔ［℃］が設定される。目標出湯温度Ｔｗｏｔは、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度Ｔｗｈ以上の値になるように設定されることが好ましい。目標出湯温度Ｔｗｏｔを貯湯温度Ｔｗｈ以上にすれば、ヒートポンプユニット２から貯湯タンク１１の上部に流入した湯が、貯湯タンク１１内に残っていた湯と混合することなく、その上に積層される。

次に、ステップＳ１０６として、外気温度センサ３２により外気温度Ｔａが計測される。続いて、ステップＳ１０７として、沸き上げ運転のＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の予測値Ａ_COPが演算される。ヒートポンプコントローラ９は、例えば、ヒートポンプ入水温度の値、ヒートポンプ出湯温度の値、及び外気温度の値を変数としてＣＯＰの値を算出可能なテーブルを記憶している。ヒートポンプコントローラ９は、上記計測された外気温度Ｔａの値とともに、貯湯タンク１１の下部の貯湯温度Ｔｗｃをヒートポンプ入水温度の値として用い、目標出湯温度Ｔｗｏｔをヒートポンプ出湯温度の値として用いて、上記テーブルにより、ＣＯＰの予測値Ａ_COPを演算する。

次に、ステップＳ１０８として、ヒートポンプコントローラ９は、ステップＳ１０２で設定された消費電力Ｗの値と、ステップＳ１０７で算出されたＣＯＰの予測値Ａ_COPとを用いて、これから実行する沸き上げ運転において予測される加熱能力の値であるＱｈを次式（１）により演算する。
Ｑｈ＝Ｗ×Ａ_COP ・・・（１）

続いて、ステップＳ１０９として、ヒートポンプコントローラ９は、上述した貯湯タンク１１の下部の貯湯温度Ｔｗｃ、目標出湯温度Ｔｗｏｔ、及び加熱能力Ｑｈの各値と、予め記憶された水の比熱Ｃｐｗ［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］の値とを用いて、これから実行する沸き上げ運転において予測される沸き上げ水流量の値であるＭｗ［ｋｇ／ｓ］を次式（２）により算出する。
Ｍｗ＝Ｑｈ／（Ｃｐｗ×（Ｔｗｏｔ−Ｔｗｃ）） ・・・（２）

なお、沸き上げ水流量Ｍｗ［ｋｇ／ｓ］の値を、Ｖｗ［Ｌ／ｍｉｎ］等に単位変換してもよい。例えば、予め記憶された水の密度ρｗ［ｋｇ／ｍ^３］の値を用いて、次式（３）により沸き上げ水流量Ｖｗ［Ｌ／ｍｉｎ］を算出することができる。
Ｖｗ＝Ｍｗ／ρｗ×６０×１０００ ・・・（３）

次に、ステップＳ１１０として、これから実行する沸き上げ運転での沸き上げ水流量Ｖｗが、前述した水流量閾値Ｖｗｍｉｎ［Ｌ／ｍｉｎ］以下であるかどうかが判定される。ヒートポンプコントローラ９またはタンクコントローラ１６は、水流量閾値Ｖｗｍｉｎを予め記憶している。

例えば、ヒートポンプユニット２の定格加熱能力Ｑｈｒ［ｋＷ］と、最高のヒートポンプ出湯温度Ｔｗｏｍａｘ［℃］と、最低のヒートポンプ入水温度Ｔｗｃｍｉｎ［℃］とから算出される沸き上げ水流量Ｖｗｒ［Ｌ／ｍｉｎ］の５０％程度に相当する値を水流量閾値Ｖｗｍｉｎとして用いてもよい。この場合、次式（４）により水流量閾値Ｖｗｍｉｎを算出することができる。
Ｖｗｍｉｎ＝０．５×Ｖｗｒ＝０．５×Ｑｈｒ×６０×１０００／（ρｗ×Ｃｐｗ×（Ｔｗｏｍａｘ−Ｔｗｃｍｉｎ）） ・・・（４）

ステップＳ１１０で、これから実行する沸き上げ運転での沸き上げ水流量Ｖｗが水流量閾値Ｖｗｍｉｎを超える場合には、ステップＳ１１２へ進み、通常沸き上げ運転が実行される。これに対し、これから実行する沸き上げ運転での沸き上げ水流量Ｖｗが水流量閾値Ｖｗｍｉｎ以下となる場合には、ステップＳ１１１へ進み、エアだまり防止沸き上げ運転が実行される。

以下、図４を参照して、エアだまり防止沸き上げ運転についてさらに説明する。図４に示す例では、エアだまり防止沸き上げ運転の最中の圧縮機４の回転速度は一定に維持される。すなわち、流量増加運転のときの圧縮機４の回転速度は、低流量運転のときの圧縮機４の回転速度に等しい。低流量運転のとき、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、出湯温度センサ３１により検出されるヒートポンプ出湯温度が目標出湯温度Ｔｗｏｔに等しくなるように、水ポンプ１３により沸き上げ水流量Ｖｗ１を調整する。低流量運転のときの沸き上げ水流量Ｖｗ１は、水流量閾値Ｖｗｍｉｎ以下となり、ステップＳ１０９で予測された値に等しくなると考えられる。

流量増加運転のとき、タンクコントローラ１６は、沸き上げ水流量Ｖｗ２が水流量閾値Ｖｗｍｉｎを超えるように、水ポンプ１３の回転速度を増加させる。このとき、タンクコントローラ１６は、流量増加運転中の沸き上げ水流量Ｖｗ２の最高値が、水ポンプ１３を最高回転速度で作動させたときの沸き上げ水流量の５０％程度に相当する値になるように、水ポンプ１３の回転速度を調整してもよい。

本実施の形態では、流量増加運転のときに、タンクコントローラ１６は、ヒートポンプユニット２から流出した湯が、タンク上部通路２６とバイパス通路２８との双方へ分配されるように分岐弁１２を制御する。その結果、流量増加運転のときのヒートポンプ入水温度Ｔｗｉが低流量運転のときよりも高くなる。これにより、流量増加運転によって沸き上げ水流量が増加したときでも、圧縮機４の回転速度を増加させることなく、ヒートポンプ出湯温度の低下を防止できる。

ヒートポンプ入水温度が高いほど、ヒートポンプユニット２の加熱能力が低下する性質がある。このため、図４に示す例では、流量増加運転のときの加熱能力が低流量運転のときよりも低くなる。

また、ヒートポンプ入水温度が高いほど、ヒートポンプユニット２のＣＯＰが低下する性質がある。本実施の形態であれば、低流量運転のときにはヒートポンプ入水温度が低温に維持され、低流量運転よりも短時間の流量増加運転のときにだけヒートポンプ入水温度が上昇する。このため、ヒートポンプ入水温度の上昇によるＣＯＰの低下の影響を小さくできる。

太陽光発電の余剰電力を用いて沸き上げ運転をする場合には、消費電力を大きくすると買電が発生する可能性がある。これに対し、本実施の形態であれば、流量増加運転の最中にも、圧縮機４の回転速度を増加させずにヒートポンプ出湯温度の低下を防止できる。このため、流量増加運転のときに消費電力が増加することを確実に防止でき、買電の発生を回避できる。

昼間の沸き上げ運転が実行されるときには、ある程度夜間に蓄熱されているので、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度Ｔｗｈが比較的高い状態にある。前述したように、目標出湯温度Ｔｗｏｔは、貯湯タンク１１の上部の貯湯温度Ｔｗｈ以上の値になるように設定されることが好ましい。このため、昼間の沸き上げ運転では、目標出湯温度Ｔｗｏｔが高くなりやすいので、沸き上げ水流量が特に低くなりやすい。本実施の形態であれば、エアだまり防止沸き上げ運転を実行することで、沸き上げ水流量が特に低い場合であっても、溶存空気から発生した気泡が貯湯回路の配管内に溜まることを防止でき、安定した運転が可能となる。

貯湯タンク１１の上部の湯温が高いときに、それよりも低い温度の水が貯湯タンク１１の上部に流入すると、両者の密度の差が大きいため、混合による影響が大きくなる可能性がある。これに対し、本実施の形態であれば、流量増加運転のときでもヒートポンプ出湯温度の低下を確実に防止できるので、そのような影響を確実に抑制できる。

実施の形態２．
次に、図５を参照して、実施の形態２について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、前述した要素と共通または対応する要素には、同一の符号を付して、共通する説明を簡略化または省略する。

図５は、実施の形態２による貯湯式給湯装置３４を示す図である。図５に示すように、本実施の形態の貯湯式給湯装置３４の貯湯回路は、実施の形態１の貯湯式給湯装置１の貯湯回路と比べて、分岐弁１２及びバイパス通路２８に代えて、沸き上げ混合弁３５及びタンク中間部通路３６を備える点が異なる。沸き上げ混合弁３５は、流入口ａ、流入口ｂ、及び流出口ｃを有している。貯湯タンク１１の中間部は、タンク中間部通路３６により、沸き上げ混合弁３５の流入口ａにつながっている。貯湯タンク１１の下部は、タンク下部通路２５により、沸き上げ混合弁３５の流入口ｂにつながっている。沸き上げ混合弁３５の流出口ｃは、通路３７により、水ポンプ１３の吸入口につながっている。

沸き上げ混合弁３５は、貯湯タンク１１の中間部から流入口ａに流入する中温水と、貯湯タンク１１の下部から流入口ｂに流入する低温水とを混合させた水を流出口ｃから流出させることができる。また、沸き上げ混合弁３５は、中温水と低温水との混合比率を連続的に変化させることができる。

通常沸き上げ運転のとき、及びエアだまり防止沸き上げ運転の低流量運転のときには、タンクコントローラ１６は、沸き上げ混合弁３５の流入口ａを閉鎖し、流入口ｂから低温水のみが流入するように沸き上げ混合弁３５の開度を設定する。すなわち、通常沸き上げ運転のとき、及びエアだまり防止沸き上げ運転の低流量運転のときには、タンク中間部通路３６に中温水が流れず、貯湯タンク１１の下部からの低温水のみがヒートポンプユニット２へ供給される。

エアだまり防止沸き上げ運転の流量増加運転のときには、タンクコントローラ１６は、水ポンプ１３の回転速度を増加させるとともに、貯湯タンク１１の中間部からの中温水と貯湯タンク１１の下部からの低温水とが沸き上げ混合弁３５にて混合した水がヒートポンプユニット２へ供給されるように、沸き上げ混合弁３５の開度を設定する。これにより、流量増加運転のときのヒートポンプ入水温度が低流量運転のときよりも高くなる。それゆえ、流量増加運転において沸き上げ水流量が増加したときでも、圧縮機４の回転速度を増加させることなく、ヒートポンプ出湯温度の低下を防止することができる。

本実施の形態における沸き上げ混合弁３５及びタンク中間部通路３６は、貯湯タンク１１の下部から流出した水である低温水と、貯湯タンク１１の中間部から流出した水である中温水とを混合してヒートポンプユニット２に流入させることが可能な混合手段に相当している。また、沸き上げ混合弁３５及びタンク中間部通路３６は、ヒートポンプ入水温度を上昇させることが可能なヒートポンプ入水温度上昇手段に相当している。

流量増加運転のときに、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、出湯温度センサ３１により検出されるヒートポンプ出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、沸き上げ混合弁３５により低温水と中温水との混合比を調整してもよい。そのようにすることで、流量増加運転のときでも、実際のヒートポンプ出湯温度を目標出湯温度に対してより確実に近づけることができる。なお、ヒートポンプコントローラ９及びタンクコントローラ１６は、フィードバック制御により沸き上げ混合弁３５の開度を調整してもよい。

１ 貯湯式給湯装置、 ２ ヒートポンプユニット、 ３ タンクユニット、 ４ 圧縮機、 ５ 冷媒−水熱交換器、 ５ａ 冷媒流路、 ５ｂ 水流路、 ６ 膨張弁、 ７ 蒸発器、 ９ ヒートポンプコントローラ、 ９ａ プロセッサ、 ９ｂ メモリ、 １０ 送風機、 １１ 貯湯タンク、 １２ 分岐弁、 １３ 水ポンプ、 １４ 給湯混合弁、 １６ タンクコントローラ、 １６ａ プロセッサ、 １６ｂ メモリ、 １７ 給水端、 １８ 第一給水管、 １９ 第二給水管、 ２０ 給湯端、 ２１ 給湯管、 ２２ 給湯管、 ２３ ヒートポンプ入水配管、 ２４ ヒートポンプ出湯配管、 ２５ タンク下部通路、 ２６ タンク上部通路、 ２７ 合流部、 ２８ バイパス通路、 ２９ 吐出温度センサ、 ３０ 入水温度センサ、 ３１ 出湯温度センサ、 ３２ 外気温度センサ、 ３３ 貯湯温度センサ、 ３４ 貯湯式給湯装置、 ３５ 沸き上げ混合弁、 ３６ タンク中間部通路、 ３７ 通路、 ５０ リモコン

Claims (9)

1. 貯湯タンクと、
   水を加熱する加熱手段と、
   前記貯湯タンクから流出した水を前記加熱手段に流入させる入水通路と、前記加熱手段から流出した湯を前記貯湯タンクの上部に流入させるタンク上部通路と、前記入水通路、前記加熱手段及び前記タンク上部通路の内部の水を流れさせる水ポンプとを有する貯湯回路と、
   前記加熱手段を通過する水の流量である沸き上げ水流量を調整可能な流量調整手段と、
   前記貯湯回路により前記貯湯タンクに湯を蓄積する沸き上げ運転を実行可能な制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記沸き上げ水流量が閾値以下に維持される低流量運転と、前記沸き上げ水流量が前記閾値を超えるとともに前記低流量運転の持続時間よりも短い時間だけ続く流量増加運転とを交互に繰り返すエア溜まり防止沸き上げ運転を前記沸き上げ運転として実行可能である貯湯式給湯装置。
2. 前記加熱手段に流入する水の温度である入水温度を上昇させることが可能な入水温度上昇手段を備え、
   前記制御手段は、前記入水温度上昇手段により、前記流量増加運転のときの前記入水温度が前記低流量運転のときの前記入水温度よりも高くなるようにする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記貯湯回路は、前記加熱手段から流出した湯の一部を前記入水通路の水に合流させることが可能なバイパス通路を備え、
   前記流量増加運転のときに、前記制御手段は、前記加熱手段から流出した湯の一部が前記バイパス通路を通って前記入水通路に流入するようにすることで、前記加熱手段に流入する水の温度である入水温度が前記低流量運転のときよりも高くなるようにする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記加熱手段から流出した湯を前記タンク上部通路と前記バイパス通路とに分配する分配比率を調整可能な分配比率調整手段を備え、
   前記流量増加運転のときに、前記制御手段は、前記加熱手段から流出する湯の温度が目標値に等しくなるように、前記分配比率を調整する請求項３に記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記貯湯回路は、前記貯湯タンクの下部から流出した水である低温水と、前記下部と前記上部との間の高さにある前記貯湯タンクの中間部から流出した水である中温水とを混合して前記加熱手段に流入させることが可能な混合手段を備え、
   前記流量増加運転のときに、前記制御手段は、前記低温水に前記中温水が前記混合手段により混合した水が前記加熱手段に流入するようにすることで、前記加熱手段に流入する水の温度である入水温度が前記低流量運転のときよりも高くなるようにする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
6. 前記流量増加運転のときに、前記制御手段は、前記加熱手段から流出する湯の温度が目標値に等しくなるように、前記低温水と前記中温水との混合比を前記混合手段により調整する請求項５に記載の貯湯式給湯装置。
7. 前記制御手段は、前記エア溜まり防止沸き上げ運転よりも前記貯湯式給湯装置の消費電力が大きい通常沸き上げ運転を前記沸き上げ運転として実行可能であり、
   前記通常沸き上げ運転の最中は、前記沸き上げ水流量が前記閾値を超える状態に維持される請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
8. 前記エア溜まり防止沸き上げ運転において、前記制御手段は、前記低流量運転と前記流量増加運転とを周期的に実行する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
9. 前記エア溜まり防止沸き上げ運転が開始されると、前記制御手段は、初回の前記流量増加運転よりも前に前記低流量運転を実行する請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。

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