JP2021196094A - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用者の希望する時間帯の電力ピークを確実に抑制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、電力を消費して水を加熱する加熱手段と、加熱手段により貯湯タンクの水を加熱する加熱運転を制御する制御手段と、一日のうちの主たる加熱運転である第一加熱運転が実行される時間帯を含む第一時間帯を使用者が設定可能であるように構成された時間帯設定手段とを備える。制御手段は、一日のうちで第一時間帯以外の少なくとも一部の時間帯である第二時間帯において、貯湯タンクの湯切れを防止するための加熱運転である第二加熱運転を実行するように構成されている。第二時間帯において、制御手段は、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量を超える前に、第二加熱運転の実行を禁止する。【選択図】図２

Description

本開示は、貯湯式給湯装置に関する。

下記特許文献１には、太陽光発電装置を備えた貯湯式給湯装置において、貯湯タンクの貯湯の使用時間帯の前の深夜電力を用いて貯湯タンクに必要貯湯量を溜めるとともに、使用時間帯の前に余剰電力が生じた場合は、この余剰電力を用いて貯湯タンクに必要貯湯量を越えて貯湯を行う第１貯湯運転モードと、気象情報に基づいて使用時間帯前の余剰電力を予測するとともに、予測余剰電力により貯湯可能な予測貯湯量をさらに求め、必要貯湯量に対して予測貯湯量では不足する湯量を、深夜電力を用いて貯湯タンクに貯湯した後、使用時間帯前に実際に生じた余剰電力を用いて給湯装置を作動させて必要貯湯量まで貯湯を行う第２貯湯運転モードとを切り替える技術が開示されている。

特開２０１６−１５１３９６号公報

上述した従来の技術では、使用者の希望する時間帯の電力ピークを必ずしも抑制できないので、使用者ごとの電力使用実態に応じた電力デマンドの調整が困難である。その結果、最大デマンド値が上昇して、電力の基本料金が高くなる可能性がある。

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、使用者の希望する時間帯の電力ピークを確実に抑制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。

本開示に係る貯湯式給湯装置は、貯湯タンクと、電力を消費して水を加熱する加熱手段と、加熱手段により貯湯タンクの水を加熱する加熱運転を制御する制御手段と、一日のうちの主たる加熱運転である第一加熱運転が実行される時間帯を含む第一時間帯を使用者が設定可能であるように構成された時間帯設定手段と、を備え、制御手段は、一日のうちで第一時間帯以外の少なくとも一部の時間帯である第二時間帯において、貯湯タンクの湯切れを防止するための加熱運転である第二加熱運転を実行するように構成され、第二時間帯において、制御手段は、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量を超える前に、第二加熱運転の実行を禁止するものである。

本開示によれば、使用者の希望する時間帯の電力ピークを確実に抑制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の貯湯式給湯装置における処理の例を示すフローチャートである。

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、共通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が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、貯湯タンクを内蔵したタンクユニット２と、ヒートポンプユニット３とを備える。ヒートポンプユニット３は、電力を消費し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３は、圧縮機を用いて冷媒回路に冷媒を循環させてヒートポンプサイクルの運転をすることにより水を加熱する。ヒートポンプユニット３の加熱能力は、単位時間にヒートポンプユニット３が生成して水に与える熱量に相当する値であり、その単位はワットである。ヒートポンプユニット３は、その加熱能力を変更可能に構成されていてもよい。例えば、圧縮機の回転速度を変えることにより、ヒートポンプユニット３の加熱能力を変えることが可能である。

タンクユニット２が備える筐体の内部に制御装置５が設置されている。制御装置５は、ヒートポンプユニット３により貯湯タンクの水を加熱する加熱運転を制御する制御手段に相当する。制御装置５は、年月日と、時刻とを管理するタイマー機能を有している。制御装置５は、例えば、少なくとも一つのメモリと、少なくとも一つのプロセッサとを備えていてもよい。図示の例に代えて、ヒートポンプユニット３内に制御装置５を設置してもよい。また、単一の制御装置５に限らず、異なる場所に配置された複数の制御装置が通信により連携することで貯湯式給湯装置１の動作を制御してもよい。

タンクユニット２とヒートポンプユニット３とは、往き配管６と、戻り配管７と、電気配線８とを介して接続されている。加熱運転においては、貯湯タンクの下部から取り出された低温水が、往き配管６を通ってヒートポンプユニット３に送られ、加熱される。ヒートポンプユニット３により加熱されて生成した湯すなわち高温水は、戻り配管７を通ってタンクユニット２に戻り、貯湯タンクの上部に流入する。このような加熱運転の動作により、貯湯タンク内には、上から下に向かって高温水が徐々に貯えられていき、上側の高温水と下側の低温水とによる温度成層が形成される。

貯湯タンクには、貯湯量及び蓄熱量を検出するための複数の貯湯温度センサが設置されている。また、給湯に使用された熱量を検出するための給湯温度センサ、給湯流量センサ等がタンクユニット２内の配管に設置されている。制御装置５は、圧縮機、ポンプ、バルブなどのアクチュエータ類と、各種の温度センサ及び流量センサなどのセンサ類とに対して、電気的に接続されている。制御装置５は、センサ類で検出される情報に応じて、加熱運転により貯湯タンクに蓄える熱量を制御する。

リモコン４と制御装置５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。リモコン４と制御装置５とがネットワークを介して通信可能でもよい。リモコン４は、ユーザインターフェースの例である。リモコン４は、情報を表示する表示部と、使用者が操作する操作部とを有する。リモコン４は、表示部及び操作部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４を操作することで、貯湯式給湯装置１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。リモコン４の表示部は、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。リモコン４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。異なる場所に複数のリモコン４が設置されてもよい。リモコン４のほかに、例えばスマートフォンのような携帯端末、あるいはスマートスピーカなどがユーザーインターフェースとして利用できるように構成してもよい。

貯湯式給湯装置１は、電力会社などが保有する電力系統から供給される電力（以下、「商用電力」と称する）を用いて加熱運転を実行可能である。商用電力を買電するときの単価を「電力料金単価」と称する。

本実施の形態において、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、太陽光発電装置で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、太陽光発電電力から自家消費電力を差し引いた電力を「余剰電力」と称する。自家消費電力は、貯湯式給湯装置１以外の他の電気機器が消費する電力である。貯湯式給湯装置１は、余剰電力を用いて加熱運転を実施してもよい。ただし、本開示において、貯湯式給湯装置１は、太陽光発電装置を備えない住宅で使用されるものでもよい。

一日のうちの主たる加熱運転を「第一加熱運転」と称する。制御装置５は、一日のうち、予め設定された第一時間帯の中で第一加熱運転を実行する。制御装置５は、一日のうち、第一時間帯以外の時間帯には第一加熱運転の実行を禁止する。貯湯式給湯装置１は、第一時間帯を使用者が設定可能であるように構成された時間帯設定手段を備える。本実施の形態では、リモコン４が時間帯設定手段に相当する。例えば、使用者がリモコン４を用いて、第一時間帯の開始時刻及び終了時刻を、それぞれ希望する時刻に設定できるように構成してもよい。

第一加熱運転は、一日の中で給湯に必要な総熱量のうちの大半の熱量を貯湯タンクに蓄積する運転に相当する。例えば、制御装置５は、過去所定期間（例えば過去２週間）における給湯使用熱量を統計的に処理した学習結果に応じて、第一加熱運転により貯湯タンクに蓄える熱量を制御してもよい。

以下の説明では、一日のうち、第一時間帯以外の全部または一部の時間帯を「第二時間帯」と称する。制御装置５は、第二時間帯において、貯湯タンクの湯切れを未然に防止するための加熱運転である第二加熱運転を実行するように構成されている。

第二時間帯において、制御装置５は、貯湯タンクの蓄熱量が下限蓄熱量以下になるまでは第二加熱運転を実行しない。制御装置５は、貯湯タンクの蓄熱量が下限蓄熱量を下回ると、貯湯タンクの蓄熱量が下限蓄熱量まで回復するように、第二加熱運転を実行する。これにより、第二加熱運転の実行頻度をなるべく低くできるので、省エネルギーが図れる。なお、下限蓄熱量は、例えば、一人の使用者がシャワーを浴びるのに必要な平均的な湯量を供給可能な熱量に相当する値でもよい。

第二時間帯において、制御装置５は、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量を超える前に、第二加熱運転の実行を禁止する。これにより、第二時間帯における貯湯式給湯装置１の消費電力量が、第一時間帯における貯湯式給湯装置１の消費電力量よりも多くなることを確実に抑制できる。

住宅の電気料金を低減するためには、商用電力から買電する電力のピークを抑制することが重要になる。例えば、商用電力の料金契約において、直近１２ヶ月間での最大デマンド値に応じて基本料金が変動する場合がある。そのような場合、電気料金を抑制するためには、一日のうちで電力のピークがなるべく低くなるように電力デマンドを調整することが重要になる。本実施の形態において、一日のうちの貯湯式給湯装置１の総消費電力量の半分以上は、第一時間帯の中で消費される。使用者は、住宅における電力の使用実態に応じて、他の電気機器による電力ピークが発生しやすい時間帯を避けて、第一時間帯を設定することができる。本実施の形態であれば、そのようにすることで、電力デマンドを容易に調整することが可能となり、電力ピークを低く抑えることが可能となる。それゆえ、電気料金を確実に低減することが可能となる。

図２は、実施の形態１の貯湯式給湯装置１における処理の例を示すフローチャートである。この例においては、一日のうち、第一時間帯以外の全部の時間帯が第二時間帯に相当するものとする。

図２のステップＳ１では、使用者がリモコン４を操作することにより、第一時間帯が設定される。例として、８：００〜１６：００が第一時間帯として設定されてもよい。

次いで、ステップＳ２として、制御装置５は、現在の時刻が、ステップＳ１で設定された第一時間帯の開始時刻になったかどうかを判定する。現在の時刻が第一時間帯の開始時刻になった場合には処理はステップＳ３へ進み、現在の時刻がまだ第一時間帯の開始時刻になっていない場合には処理はステップＳ５へ進む。

ステップＳ３では、制御装置５は、第一加熱運転を実行する。例えば、制御装置５は、貯湯タンクの蓄熱量の目標値と、ヒートポンプユニット３の加熱能力とに基づいて、第一加熱運転の必要運転時間を計算し、第一時間帯の終了時刻までに貯湯タンクの蓄熱量が目標値に到達するように、第一加熱運転を実行する。その際、制御装置５は、今日一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値を記憶する。

制御装置５は、ステップＳ３からステップＳ４に進み、現在の時刻が第一時間帯の終了時刻になったかどうかを判定する。現在の時刻が第一時間帯の終了時刻になった場合、すなわち第二時間帯が開始した場合には、処理はステップＳ５へ進む。これに対し、現在の時刻がまた第一時間帯の終了時刻になっていない場合には処理はステップＳ３に戻る。

第二時間帯において、制御装置５は、必要に応じて、第二加熱運転を実行する。第二加熱運転の実行に際して、制御装置５は、その第二加熱運転の運転時間または生成熱量の値を記憶する。第二時間帯の中で複数回の第二加熱運転が実行された場合には、制御装置５は、その複数回の第二加熱運転の運転時間または生成熱量の合計を、今日一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値として記憶する。

ステップＳ５において、制御装置５は、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値よりも少ないかどうかを判断する。一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値よりも小さい場合には、ステップＳ６に進み、制御装置５は、第二加熱運転の実行を許可する。ステップＳ６の後、制御装置５は、ステップＳ５の処理を再び行う。

これに対し、ステップＳ５で、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値に達すると制御装置５が判断した場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７で、制御装置５は、第二加熱運転の実行を禁止するとともに、第二加熱運転が実行中である場合には第二加熱運転を停止する。ステップＳ７の後、本フローチャートの処理が終了する。なお、ステップＳ５で、第二加熱運転が実行中の場合には、制御装置５は、一日のうちの第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値が、一日のうちの第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量の値に達するよりも前に、ステップＳ７に進み、第二加熱運転を停止する。

本実施の形態において、使用者は、第一時間帯における住宅の電力ピークを確実に抑制することができ、第一時間帯以外の時間帯へと電力ピークをシフトすることが可能となる。例えば、太陽光発電装置を備えたシステムにおいて、天気予報情報に基づいて翌日の余剰電力量を予測し、その予測結果に応じて加熱運転を制御することが考えられる。そのようなシステムでは、日々の天候状態によって余剰電力量が変動したり、天気予報が外れたりすることが原因となって、電力デマンドの調整が困難になる可能性がある。これに対し、本実施の形態であれば、太陽光発電装置の有無にかかわらず、使用者が希望する第一時間帯における電力ピークを確実に抑制することが可能となる。

以下の説明では、一日のうちで電力料金単価が他の時間帯に比べて割安になる時間帯を「深夜時間帯」と称する。また、一日のうちで深夜時間帯以外の時間帯を「非深夜時間帯」と称する。制御装置５は、深夜時間帯と、非深夜時間帯とを判別可能であるように構成されていてもよい。例として、深夜時間帯が２３：００〜７：００である場合には、７：００〜２３：００が非深夜時間帯に相当する。深夜時間帯が２２：００〜６：００である場合には、６：００〜２２：００が非深夜時間帯に相当する。深夜時間帯が２１：００〜９：００である場合には、９：００〜２１：００が非深夜時間帯に相当する。

第一時間帯の少なくとも一部が非深夜時間帯に該当する場合において、制御装置５は、一日のうちで、深夜時間帯における第一加熱運転の運転時間または生成熱量が、非深夜時間帯における第一加熱運転の運転時間または生成熱量よりも少なくなるように制御することが好ましい。そのようにすることで、深夜時間帯における第一加熱運転の電力消費を抑制し、第一加熱運転の電力消費をなるべく非深夜時間帯へシフトすることが可能となる。日照時間帯は非深夜時間帯に含まれるので、太陽光発電装置を備えたシステムにおいては非深夜時間帯に余剰電力が発生しやすい。このため、第一加熱運転による電力消費をなるべく非深夜時間帯へシフトすることで、余剰電力を活用する機会を増やすことができるので、電気料金を抑制できる。例として、第一時間帯が２３：００〜１６：００であり、深夜時間帯が２３：００〜７：００であり、非深夜時間帯が７：００〜２３：００である場合において、制御装置５は、第一時間帯かつ深夜時間帯となる２３：００〜７：００の中での第一加熱運転の運転時間または生成熱量が、第一時間帯かつ非深夜時間帯となる７：００〜１６：００の中での第一加熱運転の運転時間または生成熱量よりも少なくなるように制御することが好ましい。他の例として、第一時間帯が８：００〜１６：００であり、深夜時間帯が２３：００〜７：００であり、非深夜時間帯が７：００〜２３：００である場合においては、第一時間帯かつ深夜時間帯となる時間帯が存在しないので、制御装置５は、第一時間帯かつ非深夜時間帯となる８：００〜１６：００の中で第一加熱運転のすべてを実行する。この場合、深夜時間帯における第一加熱運転の運転時間及び生成熱量は、ゼロとなる。

制御装置５は、非深夜時間帯のときのヒートポンプユニット３の加熱能力が、深夜時間帯のときのヒートポンプユニット３の加熱能力よりも大きくなるように制御することが好ましい。太陽光発電装置を備えたシステムにおいて、非深夜時間帯には、余剰電力が発生しやすいので、ヒートポンプユニット３の消費電力が高くなっても、電力ピークを低減しやすい。それゆえ、非深夜時間帯においてはヒートポンプユニット３の加熱能力を大きくすることが望ましい。その一方で、余剰電力の発生しない深夜時間帯においては、加熱能力を小さくして、ヒートポンプユニット３の消費電力を低くすることで、電力ピークを確実に低減できる。また、深夜時間帯におけるヒートポンプユニット３の圧縮機の回転速度が低減することで、騒音を低減できる。

本実施の形態の貯湯式給湯装置１は、貯湯タンク内に高温水と低温水とを積層する積層式貯湯運転を加熱運転として実行できる。本実施の形態であれば、積層式貯湯運転を実行可能であることで、以下の効果が得られる。図２のステップＳ６において実行される第二加熱運転が短時間の運転であっても、貯湯タンク内の上部に、給湯に利用可能な温度を有する高温水を貯湯することができる。これに対し、積層式貯湯運転ができない場合には、貯湯タンク内の全体を多量のエネルギーで加熱する必要が生じる。積層式貯湯運転であれば、消費電力量及び時間当たりの電力消費を抑制できるので、より確実に電力ピーク抑制に寄与することができる。

貯湯式給湯装置１は、深夜時間帯の中に第一時間帯を設定するか非深夜時間帯の中に第一時間帯を設定するかを使用者が切り替え可能にする切替手段を時間帯設定手段として備えていてもよい。例えば、この切替手段として選択スイッチをリモコン４に設け、使用者が選択スイッチを操作することにより、深夜時間帯の中に第一時間帯を設定するか非深夜時間帯の中に第一時間帯を設定するかを簡単に切り替えられるようにしてもよい。これにより、利便性がさらに向上する。また、貯湯式給湯装置１の制御仕様変更に際して、深夜電力を主に利用する制御とするか、太陽光発電による電力を主に利用する制御とするかを、より簡単に切り換えることが可能となる。

貯湯式給湯装置１が備える時間帯設定手段は、一日のうちで第一時間帯及び第二時間帯のいずれにも属さない第三時間帯を使用者が設定可能であるように構成されていてもよい。第三時間帯において、制御装置５は、ヒートポンプユニット３の運転を禁止する。すなわち、第三時間帯においては、加熱運転の実行が禁止される。使用者は、住宅における電力の使用実態に応じて、他の電気機器による電力ピークが最も発生しやすい時間帯を、第三時間帯として設定することができる。これにより、他の電気機器による電力ピークが最も発生しやすい時間帯に貯湯式給湯装置１が電力を消費することを確実に回避できる。それゆえ、電力ピークをより確実に低減できる。

１ 貯湯式給湯装置、 ２ タンクユニット、 ３ ヒートポンプユニット、 ４ リモコン、 ５ 制御装置、 ６ 往き配管、 ７ 戻り配管、 ８ 電気配線

Claims (7)

1. 貯湯タンクと、
   電力を消費して水を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段により前記貯湯タンクの水を加熱する加熱運転を制御する制御手段と、
   一日のうちの主たる前記加熱運転である第一加熱運転が実行される時間帯を含む第一時間帯を使用者が設定可能であるように構成された時間帯設定手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、一日のうちで前記第一時間帯以外の少なくとも一部の時間帯である第二時間帯において、前記貯湯タンクの湯切れを防止するための前記加熱運転である第二加熱運転を実行するように構成され、
   前記第二時間帯において、前記制御手段は、一日のうちの前記第二加熱運転の総運転時間または総生成熱量が、一日のうちの前記第一加熱運転の総運転時間または総生成熱量を超える前に、前記第二加熱運転の実行を禁止する貯湯式給湯装置。
2. 前記制御手段は、深夜時間帯と、一日のうちで前記深夜時間帯よりも電力料金単価が割高になる非深夜時間帯とを判別可能であり、
   前記第一時間帯の少なくとも一部が前記非深夜時間帯に該当する場合において、前記制御手段は、前記深夜時間帯における前記第一加熱運転の運転時間または生成熱量が、前記非深夜時間帯における前記第一加熱運転の運転時間または生成熱量よりも少なくなるように制御する請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
3. 前記加熱手段は、水を加熱する加熱能力を変更可能に構成され、
   前記制御手段は、深夜時間帯と、一日のうちで前記深夜時間帯よりも電力料金単価が割高になる非深夜時間帯とを判別可能であり、
   前記制御手段は、前記非深夜時間帯のときの前記加熱能力が前記深夜時間帯のときの前記加熱能力よりも大きくなるように制御する請求項１または請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
4. 前記第二時間帯において、前記制御手段は、前記貯湯タンクの蓄熱量が下限蓄熱量以下になるまでは、前記第二加熱運転を実行しない請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
5. 前記加熱運転において、前記貯湯タンクの下部から取り出された水が前記加熱手段により加熱され、加熱後の湯が前記貯湯タンクの上部に流入することにより、前記貯湯タンク内に温度成層が形成される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
6. 前記制御手段は、深夜時間帯と、一日のうちで前記深夜時間帯よりも電力料金単価が割高になる非深夜時間帯とを判別可能であり、
   前記深夜時間帯の中に前記第一時間帯を設定するか前記非深夜時間帯の中に前記第一時間帯を設定するかを使用者が切り替え可能にする切替手段を前記時間帯設定手段として備える請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の貯湯式給湯装置。
7. 前記時間帯設定手段は、一日のうちで前記第一時間帯及び前記第二時間帯のいずれにも属さない第三時間帯を使用者が設定可能であるように構成され、
   前記第三時間帯において、前記制御手段は、前記加熱手段の運転を禁止する請求項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。

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