JP2021162287A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】電力料金を抑制する上で有利になるヒートポンプ給湯機を提供する。【解決手段】ヒートポンプ給湯機は、深夜時間帯に行う深夜沸き上げ運転と、深夜時間帯以外の時間帯に行う非深夜沸き上げ運転とを実施する制御手段と、給湯に使用された熱量である給湯使用熱量を算出する給湯熱量算出手段とを備える。制御手段は、深夜沸き上げ運転の開始前に、過去所定期間の給湯使用熱量に基づいて、深夜沸き上げ運転で生成する目標熱量である深夜沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯のうちに深夜沸き上げ熱量を生成できる加熱能力である第一加熱能力を決定し、第一加熱能力が、同じ日に実施された非深夜沸き上げ運転のときの加熱能力である第二加熱能力以上である場合には第一加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施し、第一加熱能力が第二加熱能力よりも小さい場合には第二加熱能力と同等かそれ以上の加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施する。【選択図】図４

Description

本開示は、ヒートポンプ給湯機に関する。

下記特許文献１には、ヒートポンプ給湯機に関して、夜間時間帯の沸き上げ運転時に貯湯タンク内の残湯量に応じて加熱能力を変更し、昼間時間帯の沸き上げ運転時には湯量とは関係なく最大加熱能力で運転する技術が開示されている。

特開２００９−６３２６２号公報

主として夜間時間帯に通電して蓄熱する機器に対して電力料金の割引が受けられる電力料金体系が存在している。特許文献１のヒートポンプ給湯機のように、昼間時間帯の沸き上げ運転の消費電力が夜間時間帯の沸き上げ運転の消費電力よりも大きくなる機器は、そのような電力料金割引の対象外となるので、電力料金が高くなりやすい。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力料金を抑制する上で有利になるヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

本開示に係るヒートポンプ給湯機は、電力により駆動され、水を加熱するヒートポンプサイクルを有し、加熱能力を変更可能な加熱手段と、貯湯タンクと、加熱手段により加熱された湯を貯湯タンクに蓄積する沸き上げ運転として、深夜時間帯に行う深夜沸き上げ運転と、深夜時間帯以外の時間帯に行う非深夜沸き上げ運転とを実施する制御手段と、給湯に使用された熱量である給湯使用熱量を算出する給湯熱量算出手段と、を備え、制御手段は、深夜沸き上げ運転の開始前に、過去所定期間の給湯使用熱量に基づいて、深夜沸き上げ運転で生成する目標熱量である深夜沸き上げ熱量を算出し、深夜時間帯のうちに深夜沸き上げ熱量を生成できる加熱能力である第一加熱能力を決定し、第一加熱能力が、同じ日に実施された非深夜沸き上げ運転のときの加熱能力である第二加熱能力以上である場合には第一加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施し、第一加熱能力が第二加熱能力よりも小さい場合には第二加熱能力と同等かそれ以上の加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施するものである。

本開示によれば、電力料金を抑制する上で有利になるヒートポンプ給湯機を提供することが可能となる。

実施の形態１によるヒートポンプ給湯機を示す全体構成図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における沸き上げ運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。 ヒートポンプユニットの加熱能力とＣＯＰとの関係を示す図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における深夜沸き上げ運転の制御フローチャートである。 目標沸き上げ温度と残湯熱量と第一加熱能力との関係を示すテーブルである。

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。本実施の形態では、湯の熱量は、例えば、水源から供給される水に等しい水温の水が持つ熱量に対する差として計算される。また、本実施の形態では、湯の熱量を記述する場合、原則として、所定の基準給湯温度の湯が持っている熱量に換算したときの湯量［Ｌ］を単位として湯の熱量を記述する。基準給湯温度の値は、例えば４２℃でもよい。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機を示す全体構成図である。図１に示すように、本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１００と、貯湯タンク１１を有する貯湯ユニット２００とを備えた貯湯式のヒートポンプ給湯機である。ヒートポンプユニット１００は、電力により駆動されて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１００及び貯湯ユニット２００との間は、水が通る配管１６ａ及び配管１６ｋと、電気配線（図示省略）とを介して接続されている。本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、例えば家庭用のものでもよいし、施設等で用いられるものでもよい。

ヒートポンプユニット１００は、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３及び空気熱交換器４等の機器を有する。これらの機器は、配管等により環状に接続され、圧縮機１により冷媒を循環させる冷媒回路１０１を構成している。冷媒回路１０１は、水を加熱するヒートポンプサイクルに相当する。水冷媒熱交換器２は、水と冷媒との間で熱を交換するもので、水の流入口及び流出口を有している。以下の説明では、ヒートポンプユニット１００により加熱された湯を「加熱水」と呼ぶ場合がある。水冷媒熱交換器２は、流入口から流入した水を冷媒により加熱し、流出口から加熱水を流出させる。また、空気熱交換器４は、空気と冷媒との間で熱を交換する。ヒートポンプユニット１００は、外気を空気熱交換器４へ送風するファン５をさらに備えている。なお、本開示において、単に「水」または「湯」と記載した場合には、低温の水から、高温の湯まで、あらゆる温度の液体の水が含まれうる。

貯湯ユニット２００内には、貯湯タンク１１のほか、循環ポンプ６ａ、追焚用ポンプ６ｂ、切替弁７、切替弁８、切替弁９、及び混合弁１０などが備えられている。循環ポンプ６ａは、後述の貯湯回路２０１及び追焚回路２０２に水（加熱水を含む）を循環させ、水冷媒熱交換器２の流入口に向けて水を送る。循環ポンプ６ａは、貯湯回路２０１及び追焚回路２０２の一部を構成している。追焚用ポンプ６ｂは、追焚熱交換器１２に向けて、浴槽（図示省略）の水を送る。切替弁７は、例えば、Ａポート、Ｂポート、Ｃポート、及びＤポートの４つのポートを有する電磁駆動式の四方弁等により構成されている。切替弁７は、水冷媒熱交換器２の流出口から流出する加熱水の流路を、切替弁８と、貯湯タンク１１の下部にある低温水戻し口１１ｅとに切り替える切替機構を構成している。また、切替弁７は、貯湯タンク１１の上部にある高温水取出口１１ａから流出した湯を低温水戻し口１１ｅに戻す切替機構を構成している。

切替弁８は、例えば、Ｅポート、Ｆポート、Ｇポート、及びＨポートの４つのポートを有する電磁駆動式の四方弁等により構成されている。切替弁８は、Ｅポートから流入する水の流路を、貯湯タンク１１の中間高さ部分にある追焚戻し口１１ｃと、貯湯タンク１１の上部にある高温水流出入口１１ｂと、追焚熱交換器１２とに切り替える切替機構を構成している。切替弁９は、例えば、Ｉポート、Ｊポート、及びＫポートの３つのポートを有する電磁駆動式の三方弁等により構成されている。切替弁９は、貯湯タンク１１の下部にある取水口１１ｆから流出した水が循環ポンプ６ａを通過して水冷媒熱交換器２へ流入する流路状態と、追焚熱交換器１２から流出した水が循環ポンプ６ａを通過して水冷媒熱交換器２へ流入する流路状態とを切り替える切替機構を構成している。

混合弁１０は、Ｌポート、Ｍポート、及びＮポートの３つのポートを有している。混合弁１０は、貯湯タンク１１の中間高さ部分にある中温水取出口１１ｄから取り出される中温水と、水源に接続された給水端からの低温水とを混合または択一し、給湯混合部１５へ流出させる。貯湯タンク１１は、加熱水を貯留する。貯湯タンク１１は、前述した高温水取出口１１ａ、高温水流出入口１１ｂ、追焚戻し口１１ｃ、中温水取出口１１ｄ、低温水戻し口１１ｅ、及び取水口１１ｆのほか、貯湯タンク１１の下部に位置する給水口１１ｇを備えている。給水口１１ｇは、配管１６ｐを介して給水端に接続されている。給水端から供給される低温水が配管１６ｐを通って、貯湯タンク１１内に流入する。

水冷媒熱交換器２の流出口は、配管１６ａを介して切替弁７のＡポートに接続されている。切替弁７のＢポートは、配管１６ｂを介して切替弁８のＥポートに接続されている。切替弁８のＦポートは、配管１６ｃ及び配管１６ｄを介して高温水取出口１１ａに接続されている。また、Ｆポートは、配管１６ｃ及び配管１６ｅを介して追焚熱交換器１２の一次側流入口に接続されている。追焚熱交換器１２の１次側の流出口は、配管１６ｆを介して切替弁９のＪポートに接続されている。また、追焚熱交換器１２の１次側の流出口は、配管１６ｇを介して、中温水取出口１１ｄと混合弁１０のＬポートとの間をつなぐ流路に接続されている。切替弁９のＩポートは、配管１６ｈを介して取水口１１ｆに接続されている。切替弁９のＫポートは、配管１６ｊを介して循環ポンプ６ａの吸込口に接続されている。循環ポンプ６ａの吐出口は、配管１６ｋを介して水冷媒熱交換器２の流入口に接続されている。また、循環ポンプ６ａの吐出口は、配管１６ｌを介して切替弁７のＣポートに接続されている。切替弁７のＤポートは、配管１６ｍを介して低温水戻し口１１ｅに接続されている。切替弁８のＨポートは、配管１６ｎ及び配管１６ｑを介して高温水流出入口１１ｂに接続されている。切替弁８のＧポートは、配管１６ｏを介して追焚戻し口１１ｃに接続されている。

循環ポンプ６ａ、貯湯タンク１１、配管１６ａ，１６ｂ，１６ｈ，１６ｊ，１６ｋ，１６ｎ，１６ｑ、及び切替弁７，８，９は、水冷媒熱交換器２から流出する加熱水を貯湯タンク１１内に貯湯する貯湯回路２０１を構成している。

循環ポンプ６ａ、追焚熱交換器１２、配管１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｊ，１６ｌ，１６ｏ、及び切替弁７，８，９は、追焚熱交換器１２により負荷側の加熱対象水を加熱する追焚回路２０２を構成している。

追焚熱交換器１２により加熱される加熱対象水は、前述した浴槽水に限定されるものではなく、例えば、床暖房用の循環水であってもよい。循環ポンプ６ａは、必ずしも貯湯ユニット２００に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１００側に搭載してもよい。また、高温水流出入口１１ｂ、中温水取出口１１ｄ、配管１６ｑ、混合弁１０、及び給湯混合部１５は、貯湯タンク１１から温水を取出して、浴槽あるいは給湯端に給湯する給湯回路２０３を構成している。

本実施の形態では、ヒートポンプユニット１００の冷媒回路１０１による加熱能力の値を変更可能である。以下の説明では、ヒートポンプユニット１００の冷媒回路１０１による加熱能力を単に「加熱能力」と呼ぶ場合がある。加熱能力は、ヒートポンプユニット１００が時間当たりに水に与える熱量に相当する。加熱能力の単位は、例えばｋＷ（キロワット）である。圧縮機１は、例えばインバータ制御式のＤＣブラシレスモータ等を備えた駆動装置（図示せず）により駆動される。この場合には、当該駆動装置により圧縮機１の回転数を調整することで、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力及び温度を変化させたり、加熱能力の値を変更したりすることができる。ただし、本開示のヒートポンプ給湯機においては、そのような駆動装置を用いなくてもよく、例えば、ヒートポンプユニット１００に複数台の圧縮機を搭載し、そのうちで稼動する圧縮機の台数を切り替えることで、吐出する冷媒の圧力及び温度、あるいは加熱能力の値を変更する構成としてもよい。

また、圧縮機１には、他の構造物を付加してもよい。そのような他の構造物としては、例えば、その吸込側に配置されて冷媒音を低減させるサクションマフラーのような容器と、圧縮機１の吐出側に流出した潤滑油を分離回収する油分離装置とが挙げられる。ヒートポンプユニット１００の冷媒としては、例えば二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパン、プロピレンなどのように、高温出湯が可能な冷媒を用いるのが好ましいが、本開示のヒートポンプ給湯機においては、これらの冷媒に限定されるものではない。

次に、ヒートポンプ給湯機の制御系統について説明する。以下の説明では、水冷媒熱交換器２から流出する加熱水の温度を「沸き上げ温度」と呼ぶ。ヒートポンプユニット１００は、水冷媒熱交換器２に流入する水の温度を検出する入水温度センサ１３ａと、沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサ１３ｂと、ヒートポンプユニット１００の周囲の外気温度を検出する外気温度センサ１３ｃとを備えている。沸き上げ温度センサ１３ｂは、水冷媒熱交換器２の流出口の近傍に配置されている。また、冷媒回路１０１は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度を検出する吐出温度センサ１３ｄと、圧縮機１に吸込まれる冷媒の温度を検出する吸込温度センサ１３ｅと、空気熱交換器４の入口もしくは中間部となる位置で冷媒の温度を検出する蒸発温度センサ１３ｆとを備えている。貯湯ユニット２００には、複数の貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊが設けられている。貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊは、互いに異なる高さの位置において貯湯タンク１１に設置され、それぞれの設置場所で貯湯タンク１１内の水温を検出する。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプユニット１００に搭載された制御装置１４と、貯湯ユニット２００に搭載された制御装置５０を備えている。制御装置１４及び制御装置５０のそれぞれは、メモリ及びプロセッサを有するマイクロコンピュータ等を備えている。制御装置１４と制御装置５０とは、双方向に通信可能に接続されている。本実施の形態では、制御装置１４と制御装置５０とが連携してヒートポンプ給湯機の動作を制御する。制御装置１４及び制御装置５０は、ヒートポンプユニット１００により加熱された湯すなわち加熱水を貯湯タンク１１に流入させる沸き上げ運転を制御する制御手段に相当している。

以下では、説明の便宜上、制御装置１４及び制御装置５０を総称して単に「制御装置５０」と呼ぶ。すなわち、以下の説明では、制御装置５０が処理を実行するものとして記載するが、いずれの処理についても、制御装置１４が単独で実行してもよいし、制御装置５０が単独で実行してもよいし、制御装置１４と制御装置５０とが連携して実行してもよい。また、制御装置１４及び制御装置５０に代えて例えばリモコン５１が処理を実行してもよい。その場合にはリモコン５１が制御手段に相当する。また、本開示におけるヒートポンプ給湯機の制御手段は、本実施の形態のように複数の制御装置が連携する構成に限らず、単一の制御装置によって構成されるものでもよい。

制御装置５０と、リモコン５１との間は、有線通信または無線通信により、双方向に通信可能である。制御装置５０とリモコン５１とがネットワークを介して通信可能でもよい。リモコン５１は、ユーザーインターフェースの例である。リモコン５１は、情報を表示する表示部５１ａと、使用者が操作する操作部５１ｂとを有する。リモコン５１は、表示部５１ａ及び操作部５１ｂの両方の機能を有するタッチスクリーンを備えてもよい。使用者等の人間は、リモコン５１を操作することで、ヒートポンプ給湯機を遠隔操作したり、各種の設定などを行ったりすることが可能である。表示部５１ａは、使用者等の人間に情報を報知する報知手段としての機能を有する。本実施の形態におけるリモコン５１は、表示部５１ａを報知手段として備えるが、変形例として、例えば音声案内装置のような他の報知手段を備えてもよい。リモコン５１は、例えば台所、リビング、浴室などの壁に設置されたものでもよい。または、例えばスマートフォンのような携帯情報端末がリモコン５１のようなユーザーインターフェースとしての機能を有するように構成してもよい。複数のリモコン５１が制御装置５０に対して通信可能でもよい。

制御装置５０には、ヒートポンプ給湯機が備える各種のセンサの出力と、リモコン５１に対する使用者の操作内容の情報などが入力される。制御装置５０は、これらの入力情報に基づいてヒートポンプユニット１００及び貯湯ユニット２００の動作をそれぞれ制御する。例えば、制御装置５０は、圧縮機１、循環ポンプ６ａ、及び追焚用ポンプ６ｂの運転状態と、膨張弁３の開度と、切替弁７、切替弁８、切替弁９、及び混合弁１０の流路方向あるいは切替位置等を制御する。また、制御装置５０は、後述のように、沸き上げ運転、追焚運転等を実行する。制御装置５０は、沸き上げ運転中に、沸き上げ温度の制御と、冷媒回路１０１の加熱能力の制御とを実行する。

制御装置５０は、外部機器（図示省略）とさらに通信可能に接続されていてもよい。当該外部機器は、例えばＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネジメントシステム）コントローラでもよい。

本実施の形態において、「深夜時間帯」は、一日のうちの他の時間帯に比べて電気料金単価が割安になる時間帯である。以下の説明では、一日のうちの深夜時間帯以外の時間帯を「非深夜時間帯」と称する。非深夜時間帯は、深夜時間帯に比べて、電気料金単価が割高になる。例えば、２３時から翌朝７時までの時間帯が深夜時間帯に相当する場合、７時から２３時までの時間帯が非深夜時間帯に相当する。深夜時間帯及び非深夜時間帯の開始時刻及び終了時刻は、この例に限定されるものではなく、電力供給事業者との契約などに応じて変化し得るものである。なお、本開示において「一日」は、深夜時間帯と、その前の非深夜時間帯とからなるものとする。制御装置５０は、深夜時間帯及び非深夜時間帯の開始時刻及び終了時刻の情報を記憶している。制御装置５０は、タイマー機能を有しており、現在の時刻が深夜時間帯にあるか非深夜時間帯にあるかを判別できる。また、制御装置５０は、リモコン５１または外部機器から、深夜時間帯及び非深夜時間帯の開始時刻及び終了時刻の情報を取得してもよい。

本実施の形態における制御装置５０は、給湯に使用された熱量（以下、「給湯使用熱量」と称する）を算出する給湯熱量算出手段５２を備える。給湯熱量算出手段５２は、給水温度センサ１３ｋが検出する給水温度と、給湯温度センサ１３ｌが検出する給湯温度と、風呂給湯温度センサ１３ｍが検出する給湯温度と、給湯流量センサ１７ａが検出する給湯流量と、風呂給湯流量センサ１７ｂが検出する給湯流量とに基づいて、給湯使用熱量を算出する。給水温度センサ１３ｋが検出する給水温度とは、水源から給水端へ供給された低温水の温度である。給湯温度センサ１３ｌが検出する給湯温度とは、給湯混合部１５から浴槽以外の給湯端へ供給された湯の温度である。風呂給湯温度センサ１３ｍが検出する給湯温度とは、給湯混合部１５から浴槽へ供給された湯の温度である。給湯流量センサ１７ａが検出する給湯流量とは、給湯混合部１５から上記給湯端へ供給された湯の流量である。風呂給湯流量センサ１７ｂが検出する給湯流量とは、給湯混合部１５から浴槽へ供給された湯の流量である。

制御装置５０は、過去所定期間（例えば過去２週間）に給湯熱量算出手段５２により算出された給湯使用熱量に関するデータを記憶することにより、給湯使用熱量を学習する機能を有している。例えば、制御装置５０は、過去所定期間の給湯使用熱量を統計的に処理することにより、給湯使用熱量を学習する。また、制御装置５０は、一日のうちの時間ごとに給湯使用熱量を学習してもよい。過去所定期間の給湯使用熱量は、過去の給湯負荷に相当する。

次に、図２を参照しつつ、ヒートポンプ給湯機の沸き上げ運転の動作について説明する。図２は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における沸き上げ運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。図２に示すように、沸き上げ運転では、冷媒回路１０１及び貯湯回路２０１を作動させることにより、貯湯タンク１１の取水口１１ｆから流出させた低温水を冷媒回路１０１により加熱し、水冷媒熱交換器２の流出口から流出する高温の加熱水を高温水流出入口１１ｂから貯湯タンク１１内に流入させる。

沸き上げ運転について、さらに以下に説明する。冷媒回路１０１では、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒が水冷媒熱交換器２を流通する水に放熱しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。また、水冷媒熱交換器２から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁３を通過することにより低圧気液二相の状態に減圧される。そして、この冷媒は、空気熱交換器４内を流通しつつ外気から吸熱することにより、蒸発してガス化される。空気熱交換器４から流出した低圧冷媒は、圧縮機１に吸込まれて循環するので、この循環により冷凍サイクルすなわちヒートポンプサイクルが形成される。

また、切替弁７により配管１６ａと配管１６ｂとが相互に接続され、切替弁８により配管１６ｂと配管１６ｎとが相互に接続され、切替弁９により配管１６ｈと配管１６ｊとが相互に接続される。これにより、貯湯回路２０１が形成される。そして、循環ポンプ６ａが作動すると、貯湯タンク１１内の水は、取水口１１ｆから配管１６ｈ，１６ｊ，１６ｋを通って水冷媒熱交換器２に導入される。そして、この水は、水冷媒熱交換器２内でガス冷媒により加熱され、加熱水となって水冷媒熱交換器２から流出する。この加熱水は、配管１６ａ，１６ｂ，１６ｎ，１６ｑを通過して高温水流出入口１１ｂから貯湯タンク１１内に流入する。このように、沸き上げ運転が実行されると、貯湯タンク１１の上部が高温水となり下部が低温水となる温度分布状態を維持しつつ、高温水が蓄積されていく。

貯湯タンク１１は、断熱材（図示省略）により覆われている。本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク１１の上側の部分を覆う上部断熱材と、上部断熱材よりも下側の位置で貯湯タンク１１を覆う下部断熱材とを備えてもよい。その場合、上部断熱材の熱通過率が下部断熱材の熱通過率よりも小さくなるように構成することが望ましい。上述したように、貯湯タンク１１は上部が高温で下部が低温となる積層式に貯湯される方式であり、貯湯タンク１１の上側の部分の貯湯温度は、貯湯タンク１１の下側の部分の貯湯温度よりも高い。上部断熱材の熱通過率が下部断熱材の熱通過率よりも小さくすることで、貯湯タンク１１の上側の部分の断熱性能を特に高くすることができる。その結果、貯湯タンク１１からの放熱量を低く抑える上でより有利になる。また、下部断熱材の構成を比較的簡単にできるので、コスト低減に有利になる。なお、上部断熱材を下部断熱材よりも厚くすることで上部断熱材の熱通過率が下部断熱材の熱通過率よりも小さくなるようにしてもよいし、下部断熱材の材料（例えば発泡プラスチック）よりも熱伝導率の低い材料（例えば真空断熱材）を上部断熱材に用いることによって上部断熱材の熱通過率が下部断熱材の熱通過率よりも小さくなるようにしてもよい。

次に、沸き上げ運転時に制御装置５０が実行する加熱水の温度制御及び冷媒回路１０１の加熱能力制御について説明する。まず、温度制御とは、沸き上げ温度センサ１３ｂにより検出される沸き上げ温度が所定の目標沸き上げ温度に等しくなるように、循環ポンプ６ａの回転数をフィードバック制御するものである。このフィードバック制御は、例えば、一定の時間間隔で周期的に実行される。沸き上げ運転では、目標沸き上げ温度を所定の貯湯目標温度に設定した状態で貯湯を実行する。すなわち、目標沸き上げ温度は、貯湯目標温度に等しい。例えば、制御装置５０は、貯湯タンク１１の容量との関係において、目標蓄熱量を貯湯タンク１１に貯えることができるように貯湯目標温度すなわち目標沸き上げ温度を設定する。目標蓄熱量は、例えば、リモコン５１の操作内容等に基づいて設定されるか、または過去の給湯使用熱量などに基づいて算出される。また、制御装置５０は、貯湯目標温度すなわち目標沸き上げ温度が、予め定められた範囲内（例えば、６５〜９０℃）に収まるように設定する。

上記温度制御では、水冷媒熱交換器２に出入りする加熱水の流量を制御するだけなので、温度制御により実現される沸き上げ温度の最高値は、冷媒回路１０１の加熱能力に依存している。従って、冷媒回路１０１には、目標沸き上げ温度が設定範囲内の最大値（上記例では、９０℃）に設定された場合でも、これを実現できるだけの加熱能力が要求される。このため、加熱能力制御では、例えば、貯湯タンク１１内の残湯量あるいは残熱量、外気温度、給水温度等に基づいて上記要求を満たす加熱能力の目標値（目標加熱能力）を設定し、冷媒回路１０１の実際の加熱能力が目標加熱能力に等しくなるように、圧縮機１の回転数等を制御する。このように加熱能力を制御すれば、目標沸き上げ温度の設定及び外部条件がどのように変化した場合でも、要求される沸き上げ温度を安定的に確保することができる。加熱能力制御は、例えば、一定の時間間隔で周期的に実行される。また、圧縮機１の回転数には、耐久性の観点から上限回転数及び下限回転数が設けられている。

また、本開示では、ヒートポンプユニット１００として、例えば冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプユニットだけでなく、臨界圧力以下で作動するヒートポンプユニットを用いてもよい。この場合、冷媒としてはフロンガス、アンモニア等を用いてもよい。

制御装置５０は、沸き上げ運転の制御モードとして、加熱能力の値が異なる複数の運転モードを有している。加熱能力が小さいほど、ヒートポンプユニット１００の消費電力は低くなる。本実施の形態であれば、必要に応じて、加熱能力の小さい運転モードを選択することにより、ヒートポンプ給湯機の消費電力を低減することができる。これにより、ヒートポンプ給湯機が設置された世帯における他の電気機器を含めた消費電力（以下、「世帯消費電力」と称する）が上限値を超えないように抑制する上で有利になる。

ヒートポンプユニット１００のエネルギー消費効率は、ヒートポンプユニット１００の消費電力に対する加熱能力の比として表される。本実施の形態では、エネルギー消費効率として、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を用いる。図３は、ヒートポンプユニット１００の加熱能力とＣＯＰとの関係を示す図である。ヒートポンプユニット１００が同一の仕様であることを前提とすると、図３に示すように、ＣＯＰは加熱能力に応じて変化する。

本実施の形態における制御装置５０は、沸き上げ運転の制御モードとして、加熱能力をｑ１とする運転モードと、加熱能力をｑ３とする運転モードとを備えている。ただし、ｑ１＜ｑ３である。本実施の形態において、加熱能力ｑ１は、加熱能力の最小値に相当するので、以下「最小加熱能力ｑ１」と呼ぶ。加熱能力を最小加熱能力ｑ１とする運転モードを「最小加熱能力モード」と称する。本実施の形態において、加熱能力ｑ３は、加熱能力の最大値に相当するので、以下「最大加熱能力ｑ３」と呼ぶ。

最大加熱能力ｑ３は、定格加熱能力に相当する値でもよい。定格加熱能力は、例えば日本産業規格（ＪＩＳ）による性能評価条件で運転する加熱能力に相当する。以下、加熱能力を定格加熱能力とする運転モードを「定格加熱能力モード」と称する。

以下では、等しい熱量をヒートポンプユニット１００で生成する場合の総消費電力量を単に「総消費電力量」と称する。エネルギー消費効率が高いほど、総消費電力量は少なくなる。本実施の形態において、最小加熱能力モードのときのエネルギー消費効率をＣＯＰ１とし、定格加熱能力モードのときのエネルギー消費効率をＣＯＰ３とすると、ＣＯＰ１はＣＯＰ３以上である。したがって、最小加熱能力モードによる総消費電力量は、定格加熱能力モードによる総消費電力量以下となる。このように、本実施の形態であれば、加熱能力を定格加熱能力よりも低くして、最小加熱能力モードが選択された場合に、総消費電力量が、定格加熱能力モードに比べて増加することを確実に防止できる。したがって、最小加熱能力モードが選択された場合の電力料金が、定格加熱能力モードのときの電力料金よりも高くなることを確実に抑制できる。それゆえ、電力料金を確実に抑制することができる。

また、本実施の形態では、最小加熱能力モードのときのエネルギー消費効率ＣＯＰ１は、定格加熱能力モードのときのエネルギー消費効率ＣＯＰ３よりも高い。したがって、最小加熱能力モードによる総消費電力量は、定格加熱能力モードによる総消費電力量よりも少ない。このため、最小加熱能力モードが選択されたときの総消費電力量をより確実に抑制できるので、電力料金を抑制する上でより有利になる。

本実施の形態における制御装置５０は、沸き上げ運転の制御モードとして、加熱能力をｑ２とする運転モードをさらに備えている。ただし、ｑ１＜ｑ２＜ｑ３である。加熱能力をｑ２とする運転モードは、加熱能力が最小加熱能力モードよりも大きく定格加熱能力モードよりも小さい中間能力モードに相当する。中間能力モードのときのエネルギー消費効率ＣＯＰ２は、最小加熱能力モードのときのエネルギー消費効率ＣＯＰ１よりも高い。本実施の形態であれば、このような中間能力モードを備えたことで、最小加熱能力モード及び定格加熱能力モードに比べて、総消費電力量をさらに抑制することが可能となるので、電力料金を抑制する上でさらに有利になる。エネルギー消費効率が最高となる加熱能力を中間能力モードの加熱能力ｑ２として設定してもよい。

なお、上述した複数の運転モードのそれぞれにおいて、制御装置５０は、沸き上げ運転が定常状態になったときの加熱能力が上記の値になるように制御すればよい。制御装置５０は、例えば、沸き上げ温度が目標値に等しくなった状態を「定常状態」とみなしてもよい。上述した複数の運転モードのそれぞれにおいて、沸き上げ運転が定常状態になる前の加熱能力は、上記の値とは異なる値でもよい。また、制御装置５０は、沸き上げ運転の制御モードとして、加熱能力を定格加熱能力よりも大きくする運転モードをさらに備えていてもよい。

以下の説明では、深夜時間帯に行う沸き上げ運転を「深夜沸き上げ運転」と称し、非深夜時間帯に行う沸き上げ運転を「非深夜沸き上げ運転」と称する。また、深夜沸き上げ運転で生成すべき目標熱量を「深夜沸き上げ熱量」と称する。

制御装置５０は、深夜沸き上げ運転を開始する前に、過去所定期間の給湯使用熱量に基づいて、深夜沸き上げ熱量を算出する。次いで、制御装置５０は、深夜沸き上げ熱量に応じて、第一加熱能力の値を決定する。第一加熱能力の値は、深夜時間帯のうちに深夜沸き上げ熱量を生成できる加熱能力となるように、決定される。以下の説明では、深夜沸き上げ運転と同じ日に実施された非深夜沸き上げ運転のときの加熱能力の値を「第二加熱能力」と称する。第一加熱能力が第二加熱能力以上である場合には、制御装置５０は、第一加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施する。これに対し、第一加熱能力が第二加熱能力よりも小さい場合には、制御装置５０は、第二加熱能力と同等かそれ以上の加熱能力で深夜沸き上げ運転を実施する。以上のようにすることで、深夜沸き上げ運転のときのヒートポンプ給湯機の消費電力は、同じ日に実施された非深夜沸き上げ運転のときのヒートポンプ給湯機の消費電力と比べて、同等かそれ以上の値になることが確実となる。それゆえ、本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、現行の電力料金体系において、主として夜間時間帯に通電して蓄熱する機器に該当するので、電力料金の割引を確実に受けることができる。それゆえ、電力料金を確実に抑制することが可能となる。

図４は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における深夜沸き上げ運転の制御フローチャートである。以下の説明では、貯湯タンク１１内に残っている湯の熱量を「残湯熱量」と称する。制御装置５０は、貯湯温度センサ１３ｇ〜１３ｊで検出する温度の少なくとも１つ以上を用いて残湯熱量を算出する。貯湯温度センサ１３ｇ〜１３ｊは、残湯熱量検出手段に相当する。本実施の形態において、深夜沸き上げ熱量及び残湯熱量は、基準給湯温度の湯の熱量に換算したときの湯量［Ｌ］を単位として計算される。

制御装置５０は、例えば、深夜時間帯の開始時刻またはその直前に、図４のフローチャートの処理の実行を開始する。図４のステップＳ１で、制御装置５０は、深夜沸き上げ熱量を次のようにして算出する。まず、制御装置５０は、過去所定期間内に学習した湯の使用実績と、使用者が設定した条件とに応じて、深夜時間帯の終了時までに貯湯タンク１１に貯めるべき目標蓄熱量を算出する。この際、制御装置５０は、過去の給湯負荷が大きいほど、目標蓄熱量が大きくなるように算出する。次いで、制御装置５０は、上記目標蓄熱量から現在の残湯熱量を差し引くことにより深夜沸き上げ熱量を算出する。

続いて、ステップＳ２として、制御装置５０は、深夜沸き上げ熱量［Ｌ］と、貯湯タンク容量［Ｌ］と、残湯体積［Ｌ］とを用いて、次の式（１）にしたがい、目標沸き上げ温度Ｔｏを算出する。
Ｔｏ＝深夜沸き上げ熱量［Ｌ］×（基準給湯温度［℃］−給水温度［℃］）／（貯湯タンク容量［Ｌ］−残湯体積［Ｌ］）＋給水温度［℃］ ・・・式（１）

ここで、貯湯タンク容量［Ｌ］は、貯湯タンク１１の容量である。残湯体積［Ｌ］は、貯湯タンク１１内に残っている湯の体積である。貯湯タンク容量［Ｌ］から残湯体積［Ｌ］を差し引いた値は、深夜沸き上げ運転の開始から終了までに加熱される水の総体積に相当する。本実施の形態では、過去の給湯負荷が大きいほど、深夜沸き上げ熱量が大きくなるので、目標沸き上げ温度Ｔｏが高くなる。

次いで、ステップＳ３として、制御装置５０は、目標沸き上げ温度Ｔｏと残湯熱量Ｌｒとに基づいて、第一加熱能力Ｑ１の値を決定する。図５は、目標沸き上げ温度Ｔｏと残湯熱量Ｌｒと第一加熱能力Ｑ１との関係を示すテーブルである。本実施の形態では、制御装置５０は、図５のテーブルにしたがって、第一加熱能力Ｑ１の値を、ｑ１，ｑ２，ｑ３のいずれかに決定する。なお、図５中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、残湯熱量Ｌｒが多いか少ないかを判定するための基準値であり、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄを満足する値である。また、目標沸き上げ温度Ｔｏの数値が図５中の数値以外の数値である場合には、次のようにする。例えば、目標沸き上げ温度Ｔｏが、７０℃＜Ｔｏ≦７５℃を満足する場合には、図５中の「７５」の欄の加熱能力を選択する。

本実施の形態では、図５のテーブルにしたがうことで、例えば以下のようになる。残湯熱量ＬｒがＡ＜Ｌｒ≦Ｂを満足し、かつ目標沸き上げ温度Ｔｏが８０℃である場合には、制御装置５０は、第一加熱能力Ｑ１＝ｑ２と決定する。本実施の形態であれば、図５のテーブルを用いることで、深夜時間帯のうちに深夜沸き上げ熱量を生成できるような第一加熱能力Ｑ１を決定することができる。

また、残湯熱量ＬｒがＡ＜Ｌｒ≦Ｃを満足する場合において、目標沸き上げ温度Ｔｏが７０℃以下である場合には最小加熱能力モードが選択されて第一加熱能力Ｑ１＝ｑ１と決定され、目標沸き上げ温度Ｔｏが７０℃を超えて８０℃以下である場合には中間能力モードが選択されて第一加熱能力Ｑ１＝ｑ２と決定され、目標沸き上げ温度Ｔｏが８０℃を超える場合には定格能力モードが選択されて第一加熱能力Ｑ１＝ｑ３と決定される。このように、制御装置５０は、残湯熱量Ｌｒが等しい場合において、目標沸き上げ温度Ｔｏが高いときすなわち深夜沸き上げ熱量が多いときには、目標沸き上げ温度Ｔｏが低いときすなわち深夜沸き上げ熱量が少ないときに比べて、第一加熱能力Ｑ１の値が大きくなるようにする。これにより、深夜沸き上げ熱量が多いときでも、深夜時間帯の終了時刻までに深夜沸き上げ熱量をより確実に生成することが可能となるので、非深夜沸き上げ運転を回避または最小限とする上でより有利になる。

前述したように、過去所定期間の給湯使用熱量に基づいて算出される目標蓄熱量と、深夜沸き上げ運転の開始前の残湯熱量Ｌｒとの差が、深夜沸き上げ熱量に相当する。このため、目標蓄熱量が多いほど、深夜沸き上げ熱量が多くなり、目標沸き上げ温度Ｔｏが高くなる。したがって、残湯熱量ＬｒがＡ＜Ｌｒ≦Ｃを満足する場合において、制御装置５０は、目標蓄熱量が多いときには目標蓄熱量が少ないときに比べて第一加熱能力Ｑ１の値が大きくなるようにすると言える。これにより、目標蓄熱量が多いときでも、深夜時間帯の終了時刻までに沸き上げ運転をより確実に完了させることが可能となるので、非深夜沸き上げ運転を回避または最小限とする上でより有利になる。

また、深夜沸き上げ運転の開始前の残湯熱量Ｌｒが基準値Ａ以下である場合には、制御装置５０は、目標沸き上げ温度Ｔｏにかかわらず、最大加熱能力ｑ３を第一加熱能力Ｑ１の値として決定する。すなわち、制御装置５０は、残湯熱量Ｌｒが基準値Ａに対して少ないときには、深夜沸き上げ熱量にかかわらず、最大加熱能力モードで沸き上げ運転を実行する。これにより、残湯熱量Ｌｒが少ないときに、熱量を短時間で貯湯タンク１１に追加することができるので、貯湯タンク１１の湯切れが発生することをより確実に防止できる。また、深夜時間帯の終了時刻までに深夜沸き上げ熱量をより確実に生成することが可能となるので、非深夜沸き上げ運転を回避または最小限とする上でより有利になる。

以上のように、本実施の形態における制御装置５０は、残湯熱量Ｌｒが少なく、過去の給湯負荷が大きいほど、加熱能力の大きい運転モードを選択する。これにより、深夜時間帯の中で目標蓄熱量をより確実に貯湯タンク１１内に蓄えることができる。

ステップＳ４に進み、制御装置５０は、ステップＳ３で決定された第一加熱能力Ｑ１の値と、同じ日に実施された非深夜沸き上げ運転のときの第二加熱能力Ｑ２の値との大小関係を比較する。第一加熱能力Ｑ１が第二加熱能力Ｑ２以上の場合には、ステップＳ５に進み、制御装置５０は、第一加熱能力Ｑ１を、深夜沸き上げ運転の加熱能力Ｑとして決定する。これに対し、第一加熱能力Ｑ１が第二加熱能力Ｑ２よりも小さい場合には、ステップＳ６に進み、制御装置５０は、第二加熱能力Ｑ２を、深夜沸き上げ運転の加熱能力Ｑとして決定する。

次いで、ステップＳ７に進み、制御装置５０は、沸き上げ開始時刻になると、ステップＳ５またはステップＳ６で決定された加熱能力Ｑにて、深夜沸き上げ運転を開始する。その後、ステップＳ８に進み、制御装置５０は、深夜沸き上げ熱量の生成が完了した場合、あるいは深夜時間帯の終了時刻になった場合には、深夜沸き上げ運転を終了する。以上説明したように、図４のフローチャートによれば、制御装置５０は、深夜沸き上げ運転のときの加熱能力Ｑが、同じ日の非深夜沸き上げ運転のときの第二加熱能力Ｑ２と同等以上の加熱能力となるように制御できる。

制御装置５０は、非深夜沸き上げ運転のときの加熱能力が、最大加熱能力ｑ３よりも常に小さくなるように制限してもよい。例えば、制御装置５０は、非深夜時間帯においては最大加熱能力ｑ３の使用を禁止し、ｑ２またはｑ１の加熱能力で非深夜沸き上げ運転を常に実施するように制御してもよい。これにより、非深夜沸き上げ運転において、ＣＯＰ３よりも高いＣＯＰ２またはＣＯＰ１のエネルギー消費効率を確実に達成できるので、世帯消費電力を抑制する上でより有利になる。

最小加熱能力ｑ１の値は、貯湯タンク１１内の全量が第一所定温度の低温水の状態から、深夜時間帯のうちに、貯湯タンク１１内の全量が第二所定温度の高温水の状態になるまで貯湯タンク１１の水を加熱できる加熱能力に相当する値でもよい。これにより、深夜沸き上げ運転において最小加熱能力ｑ１を用いて貯湯タンク１１内の全量を沸き上げる場合でも深夜時間帯内で確実に深夜沸き上げ運転を完了できるため、電力料金を抑制する上でより有利になる。なお、第一所定温度を例えば１０℃、第二所定温度を例えば６５℃としてもよい。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、加熱能力の変更を有効にするか無効にするかを、使用者その他の人間が事前に選択可能とする選択手段を備えていてもよい。そのような選択手段として、例えば、リモコン５１に対するボタン操作などによって加熱能力の変更を有効にするか無効にするかを選択できるように構成し、制御装置５０は、加熱能力の変更が有効にされたときにのみ、加熱能力を可変とする構成としてもよい。機器の動作及び性能を確認するための機器検定時などにおいて、加熱能力が変動しないようにすることが求められる場合がある。そのような場合には、加熱能力の変更を無効にすることで、加熱能力の変動を防止する操作を容易に行うことができる。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、沸き上げ運転の実行中に、複数の運転モードのうちのいずれが実行されているかの情報と、現在の加熱能力に関する情報との少なくとも一方の情報を報知する報知手段を備えていてもよい。そのような報知手段として、例えば、リモコン５１の表示部５１ａに上記の情報を表示してもよい。これにより、優れた利便性が得られる。

１ 圧縮機、 ２ 水冷媒熱交換器、 ３ 膨張弁、 ４ 空気熱交換器、 ５ ファン、 ６ａ 循環ポンプ、 ６ｂ 追焚用ポンプ、 ７，８，９ 切替弁、 １０ 混合弁、 １１ 貯湯タンク、 １１ａ 高温水取出口、 １１ｂ 高温水流出入口、 １１ｃ 追焚戻し口、 １１ｄ 中温水取出口、 １１ｅ 低温水戻し口、 １１ｆ 取水口、 １１ｇ 給水口、 １２ 追焚熱交換器、 １３ａ 入水温度センサ、 １３ｂ 沸き上げ温度センサ、 １３ｃ 外気温度センサ、 １３ｄ 吐出温度センサ、 １３ｅ 吸込温度センサ、 １３ｆ 蒸発温度センサ、 １３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊ 貯湯温度センサ、 １３ｋ 給水温度センサ、 １３ｌ 給湯温度センサ、 １３ｍ 風呂給湯温度センサ、 １４ 制御装置、 １５ 給湯混合部、 １７ａ 給湯流量センサ、 １７ｂ 風呂給湯流量センサ、 ５０ 制御装置、 ５１ リモコン、 ５１ａ 表示部、 ５１ｂ 操作部、 ５２ 給湯熱量算出手段、 １００ ヒートポンプユニット、 １０１ 冷媒回路、 ２００ 貯湯ユニット、 ２０１ 貯湯回路、 ２０２ 追焚回路、 ２０３ 給湯回路

Claims (7)

1. 電力により駆動され、水を加熱するヒートポンプサイクルを有し、加熱能力を変更可能な加熱手段と、
   貯湯タンクと、
   前記加熱手段により加熱された湯を前記貯湯タンクに蓄積する沸き上げ運転として、深夜時間帯に行う深夜沸き上げ運転と、前記深夜時間帯以外の時間帯に行う非深夜沸き上げ運転とを実施する制御手段と、
   給湯に使用された熱量である給湯使用熱量を算出する給湯熱量算出手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記深夜沸き上げ運転の開始前に、過去所定期間の前記給湯使用熱量に基づいて、前記深夜沸き上げ運転で生成する目標熱量である深夜沸き上げ熱量を算出し、前記深夜時間帯のうちに前記深夜沸き上げ熱量を生成できる前記加熱能力である第一加熱能力を決定し、前記第一加熱能力が、同じ日に実施された前記非深夜沸き上げ運転のときの前記加熱能力である第二加熱能力以上である場合には前記第一加熱能力で前記深夜沸き上げ運転を実施し、前記第一加熱能力が前記第二加熱能力よりも小さい場合には前記第二加熱能力と同等かそれ以上の加熱能力で前記深夜沸き上げ運転を実施するヒートポンプ給湯機。
2. 前記制御手段は、前記深夜沸き上げ熱量が大きいほど前記第一加熱能力を大きくする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記制御手段は、前記非深夜沸き上げ運転のときの前記加熱能力が、前記加熱能力の最大値よりも小さくなるように制限する請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記貯湯タンクに残っている熱量である残湯熱量を検出する残湯熱量検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記深夜沸き上げ運転の開始前の前記残湯熱量が基準以下である場合には、前記加熱能力の最大値を前記第一加熱能力として決定する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記加熱能力の最小値は、前記貯湯タンク内の全量が第一所定温度の低温水の状態から、前記深夜時間帯のうちに、前記貯湯タンク内の全量が第二所定温度の高温水の状態になるまで前記貯湯タンクの水を加熱できる前記加熱能力である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記加熱能力の変更を有効にするか無効にするかを事前に選択可能とする選択手段を備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記沸き上げ運転の実行中に、現在の前記加熱能力に関する情報を報知する報知手段を備える請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯機。

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