JP2022175244A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光発電の余剰電力を活用した沸上運転のときに買電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、加熱手段及び貯湯回路により貯湯タンクに湯を貯める沸上運転を制御する制御手段を備える。ヒートポンプ給湯機は、太陽光発電装置の発電量のうちの余剰電力量を利用した沸上運転である余剰電力沸上運転を実行可能である。余剰電力沸上運転のときに、加熱手段から流出する湯の温度である出湯温度を第一出湯温度とする第一沸上運転を実施する。余剰電力沸上運転の実施中に、加熱手段に流入する水の温度である入水温度の上昇により加熱手段の消費電力量が増加し、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、出湯温度を、第一出湯温度よりも低い第二出湯温度とする第二沸上運転を実施する。【選択図】図６

Description

本開示は、ヒートポンプ給湯機に関する。

ヒートポンプユニットによって加熱された湯を貯湯タンクに貯留し、貯湯タンクから必要時に湯を取り出して給湯端末に供給するように構成されたヒートポンプ給湯機が広く用いられている。

下記特許文献１に開示された従来のヒートポンプ給湯機は、冷媒回路の冷媒循環量を、ヒートポンプユニットの水熱交換器への入水温度が高いときには低いときよりも増加させるとともに、温水が循環する循環回路の水循環用ポンプの回転速度を、入水温度が高いときには低いときよりも増加させる。

特開２００３－１０６６９１号公報

ヒートポンプ給湯機を含めた家庭内での省エネルギー化のために、太陽光発電の余剰電力を活用してヒートポンプ給湯機の沸上運転をする場合がある。特許文献１の技術では、余剰電力を活用した沸上運転のときに、入水温度が高くなると、冷媒回路の冷媒循環量を増加させることで消費電力が増加するため、商用電源からの買電が多く発生する可能性がある。

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、太陽光発電の余剰電力を活用した沸上運転のときに買電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、ヒートポンプサイクルを有し、水を加熱する加熱手段と、貯湯タンクと、水を循環させる循環ポンプを有し、貯湯タンクから取り出した水を加熱手段に流入させ、加熱手段により加熱された湯を貯湯タンクに流入させる貯湯回路と、加熱手段及び貯湯回路により貯湯タンクに湯を貯める沸上運転を制御する制御手段と、を備えるヒートポンプ給湯機であって、太陽光発電装置の発電量のうちの余剰電力量を利用した沸上運転である余剰電力沸上運転を実行可能であり、余剰電力沸上運転のときに、加熱手段から流出する湯の温度である出湯温度を第一出湯温度とする第一沸上運転を実施し、余剰電力沸上運転の実施中に、加熱手段に流入する水の温度である入水温度の上昇により加熱手段の消費電力量が増加し、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、出湯温度を、第一出湯温度よりも低い第二出湯温度とする第二沸上運転を実施するものである。

本開示によれば、太陽光発電の余剰電力を活用した沸上運転のときに買電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図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯機が備える給湯機制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における沸上運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。 実施の形態１によるヒートポンプ給湯機が設置された建物の模式的な断面図である。 実施の形態１のヒートポンプ給湯機による余剰電力沸上運転のときの、ヒートポンプ給湯機の消費電力量と、出湯温度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の制御動作プログラムの例を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２のヒートポンプ給湯機による余剰電力沸上運転のときの、ヒートポンプ給湯機の消費電力量と、出湯温度との関係を示す図である。 実施の形態３によるヒートポンプ給湯機の制御動作プログラムの例を説明するための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、説明を簡略化または省略する。以下の説明において、「水」、「湯」、または「湯水」との記載は、原則として、液体の水を意味し、冷水から熱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によるヒートポンプ給湯機を示す図である。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、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、店舗あるいは施設等で用いられる業務用のものでもよい。

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等の機器を有しており、電力により作動する。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。

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、中温水混合弁１０、給湯用混合弁１５ａ、風呂用混合弁１５ｂ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、風呂用熱交換器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中温水戻し口１１ｃと、貯湯タンク１１の上部にある高温水流出入口１１ｂと、風呂用熱交換器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、風呂用熱交換器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。

中温水混合弁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。中温水混合弁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２０からの低温水とを混合または択一し、給湯用混合弁１５ａ及び風呂用混合弁１５ｂ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、中温水戻し口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２０に接続されている。給水端２０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を介して風呂用熱交換器１２の一次側流入口に接続されている。風呂用熱交換器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、風呂用熱交換器１２の１次側の流出口は、配管１６ｇを介して、中温水取出口１１ｄと中温水混合弁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を介して中温水戻し口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、風呂用熱交換器１２、配管１６ｂ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｊ，１６ｌ，１６ｏ、及び切替弁７，８，９は、風呂用熱交換器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。

風呂用熱交換器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、中温水混合弁１０、給湯用混合弁１５ａ、及び風呂用混合弁１５ｂ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の回転速度を調整することで、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。

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、ヒートポンプユニット１００の水冷媒熱交換器２から流出する加熱水の温度を「出湯温度」と呼び、水冷媒熱交換器２に流入する水の温度を「入水温度」と呼ぶ。ヒートポンプユニット１００は、入水温度を検出する入水温度センサ１３ａと、出湯温度を検出する出湯温度センサ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。出湯温度センサ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である圧縮機吐出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。貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊのそれぞれが計測する温度は、当該センサが設置された範囲の、例えば、数１０Ｌ分の部分水量の温度を代表する。貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊで貯湯タンク１１内の湯水の温度分布を検出することにより、貯湯タンク１１内の残湯量及び蓄熱量が把握され、沸上運転の開始及び停止などの動作条件判定に用いられる。

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に搭載されたヒートポンプ制御装置１４と、貯湯ユニット２００に搭載された給湯機制御装置１８を備えている。ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８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てもよい。ヒートポンプ制御装置１４と給湯機制御装置１８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、ヒートポンプ制御装置１４と給湯機制御装置１８とが連携してヒートポンプ給湯機の動作を制御する。ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８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に流入させる沸上運転を制御する制御手段に相当している。

ヒートポンプ制御装置１４は、例えば、マイクロプロセッサによりプログラムを実行する演算手段と、各温度センサ１３ａ～１３ｆの検出データを収集する計測手段と、計測データ及び運転状態のデータを記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びプログラムを記憶するＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）などの記憶手段と、電気的に接続された給湯機制御装置１８と通信するための通信手段と、圧縮機１の回転速度、膨張弁３の開度、ファン５の回転速度などを制御する制御手段（何れも図示せず）などを含んで構成される。ヒートポンプ制御装置１４は、各温度センサ１３ａ～１３ｆの検出値と、給湯機制御装置１８からの入力情報などに基づいて、加熱能力を制御する。

図２は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機が備える給湯機制御装置１８の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、本実施の形態における給湯機制御装置１８は、上述した各種の温度センサ及び流量センサの検出値を計測する計測手段１８１と、計測手段１８１が計測したデータ、制御プログラム及び制御の判定条件とするデータなどを記憶する記憶手段１８２と、記憶手段１８２のデータを利用して制御の判定条件などを演算する演算手段１８３と、演算手段１８３の演算結果に基づき、上述した各種の弁類及びポンプ類等の作動を制御する制御手段１８４と、ヒートポンプ制御装置１４と通信して状態監視データを収集したり起動及び停止の制御指令を送信したりする通信手段１８５とを備えている。また、通信手段１８５は、リモコン５１の操作指令値を収集するとともに、記憶手段１８２に記憶されたデータをリモコン５１に送信する。

本開示では、ヒートポンプ制御装置１４と、給湯機制御装置１８と、リモコン５１と、後述する配電制御装置６２のうちの二以上が連携して、ヒートポンプ給湯機の動作を制御してもよい。

以下では、説明の便宜上、ヒートポンプ制御装置１４、給湯機制御装置１８、リモコン５１、配電制御装置６２のいずれかが処理を実行するものとして記載するが、実際には、本実施の形態において記載されたいずれの制御処理についても、ヒートポンプ制御装置１４が単独で実行してもよいし、給湯機制御装置１８が単独で実行してもよいし、リモコン５１が単独で実行してもよいし、配電制御装置６２が単独で実行してもよいし、ヒートポンプ制御装置１４、給湯機制御装置１８、リモコン５１及び配電制御装置６２のうちの二以上が連携して実行してもよい。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。

給湯機制御装置１８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。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。給湯機制御装置１８は、リモコン５１の操作情報に応じて、各種の弁類及びポンプ類等の作動を制御し、運転状態を表す情報をリモコン５１に送る。リモコン５１は、給湯機制御装置１８から受信した情報に応じて、表示部５１ａによる表示あるいは通報を行う。

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。複数のリモコン５１が給湯機制御装置１８に対して通信可能でもよい。リモコン５１に加えて、またはリモコン５１に代えて、例えばスマートフォンのような携帯端末、スマートスピーカ、テレビなどの機器を、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。給湯機制御装置１８と、リモコン５１その他のユーザーインターフェースとが、インターネットあるいはローカルエリアネットワークを介して通信可能でもよい。本実施の形態において記載された、リモコン５１を用いた動作は、リモコン５１以外のユーザーインターフェースを用いた動作に代替可能である。

本実施の形態における給湯機制御装置１８は、給湯に使用された熱量（以下、「給湯使用熱量」と称する）を算出可能である。例えば、給湯機制御装置１８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２０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、給湯用混合弁１５ａ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、風呂用混合弁１５ｂ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、給湯用混合弁１５ａ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、風呂用混合弁１５ｂから浴槽へ供給された湯の流量である。

給湯機制御装置１８は、過去複数日間（例えば過去１４日間）の、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、給湯機制御装置１８は、過去複数日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、給湯機制御装置１８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。給湯機制御装置１８は、学習された給湯使用熱量に応じて、貯湯タンク１１に蓄える目標蓄熱量を決めてもよい。

次に、図３を参照しつつ、ヒートポンプ給湯機の沸上運転の動作について説明する。図３は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機における沸上運転のときの水及び冷媒の流れを示す図である。図３に示すように、沸上運転では、冷媒回路１０１及び貯湯回路２０１を作動させる。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、沸上運転が実行されると、貯湯タンク１１の上部が高温で下部が低温となる温度分布状態を維持しつつ、貯湯される。

次に、沸上運転時に実行される加熱水の温度制御について説明する。この温度制御において、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度センサ１３ｂにより検出される出湯温度が、目標出湯温度に等しくなるように、循環ポンプ６ａの回転速度をフィードバック制御する。循環ポンプ６ａの回転速度を上げると、貯湯回路２０１の水流量が増加し、出湯温度が下がる。循環ポンプ６ａの回転速度を下げると、貯湯回路２０１の水流量が低下し、出湯温度が上がる。

例えば、給湯機制御装置１８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、目標出湯温度を設定してもよい。目標蓄熱量は、貯湯タンク１１に貯える熱量の目標値に相当する。給湯機制御装置１８は、例えばリモコン５１の操作内容等に基づいて目標蓄熱量を設定してもよいし、過去の給湯使用熱量を学習した情報に基づいて目標蓄熱量を算出してもよい。給湯機制御装置１８は、貯湯温度センサ１３ｇ～１３ｊで検出された温度分布を用いて、貯湯タンク１１の実際の蓄熱量を計算できる。

給湯機制御装置１８は、例えば、複数の貯湯温度センサ１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３ｊのうち、最も低い位置にある貯湯温度センサ１３ｊが、予め設定された沸上停止温度以上の温度を検出したときに、沸上運転が完了したと判断してもよい。以下の説明では、貯湯温度センサ１３ｊが検出する温度を「タンク下部温度」と称する。

また、給湯機制御装置１８は、入水温度センサ１３ａが、予め設定された沸上停止温度以上の温度を検出したときに、沸上運転が完了したと判断してもよい。また、給湯機制御装置１８は、貯湯タンク１１の蓄熱量が目標蓄熱量に達したときに、沸上運転が完了したと判断してもよい。

沸上運転が完了したと判断すると、給湯機制御装置１８は、ヒートポンプ制御装置１４に対して、沸上運転停止指令を発する。この指令を受けたヒートポンプ制御装置１４は、ヒートポンプユニット１００及び循環ポンプ６ａを停止し、沸上運転を終了する。

図４は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機が設置された建物３００の模式的な断面図である。図４に示すように、建物３００に対して、ヒートポンプユニット１００、貯湯ユニット２００、太陽光発電装置６０、分電盤６１、配電制御装置６２などが備えられている。建物３００の用途は、例えば、住居でもよいし、店舗、施設、オフィスなどでもよい。

太陽光発電装置６０は、太陽光を受けて発電する太陽電池等を備えており、太陽光発電を行う。太陽光発電装置６０は、配線６４を介して分電盤６１の入力側に接続され、発電した電力を分電盤６１に送電する。分電盤６１は、電力の入出力及び分配を行う電源回路として構成され、電力線６３を介して電力会社の電力系統と接続されている。分電盤６１は、電力線６３を介して電力会社から電力を買電したり、電力線６３を介して電力会社に電力を売電したりする。分電盤６１の出力側に、配線６５を介して貯湯ユニット２００が接続されている。分電盤６１から配線６５により供給される電力を受けてヒートポンプ給湯機が作動する。以下の説明では、ヒートポンプ給湯機以外に、分電盤６１から電力供給を受ける電気機器（図示省略）を「他電気機器」と称する。他電気機器は、例えば、空調機、照明器具、冷蔵庫、洗濯機、電気自動車のうちの少なくとも一つを含んでいてもよい。他電気機器は、配線（図示省略）を介して分電盤６１の出力側に接続される。以下の説明では、ヒートポンプ給湯機の消費電力と、他電気機器の消費電力との合計を「全消費電力」と称する。

配電制御装置６２は、配線６６を介して、分電盤６１に接続されている。配電制御装置６２は、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る。配電制御装置６２は、例えば、ＥＭＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）コントローラ等により構成されていてもよい。配電制御装置６２は、太陽光発電装置６０の情報及びヒートポンプ給湯機の情報を分電盤６１または通信装置７０を介して取得する機能と、分電盤６１の作動状態を制御する機能と、通信装置７０を介して給湯機制御装置１８に指令を送信する機能とを備えている。

本開示において、「電力量」とは、原則として、単位時間ごとの電力量を意味する。本開示における各種の電力量は、例えば、１０分間ごとの電力量でもよいし、３０分間ごとの電力量でもよいし、１時間ごとの電力量でもよい。

配電制御装置６２が取得する情報には、太陽光発電装置６０の発電量の情報と、貯湯タンク１１の蓄熱量の情報とが含まれている。太陽光発電装置６０の発電量とは、太陽光発電装置６０が発電する、単位時間ごとの電力量である。

配電制御装置６２には、各種の操作に用いられる選択スイッチ６２ａが設けられている。配電制御装置６２は、通信装置７０を介してインターネット等の外部ネットワークと通信し、外部ネットワークから、天気予報を始めとする各種の情報を取得する機能を有している。通信装置７０は、給湯機制御装置１８及び配電制御装置６２と無線通信を行うように構成されていてもよい。

次に、本実施の形態による太陽光発電装置６０の動作を説明する。昼間の太陽光を受け、太陽光発電装置６０は発電する。太陽光で発電された電力は、配線６４を介して分電盤６１に送電される。このとき、分電盤６１は、太陽光発電装置６０の発電電力から全消費電力を減じた電力を、電力線６３により逆潮流させ、電力会社に売電する。

太陽光発電装置６０の非発電時に、分電盤６１は、電力会社から電力線６３を介して供給される電力をヒートポンプ給湯機に供給する。なお、分電盤６１の動作は、分電盤６１に搭載された制御回路等の指令に基づいて実行してもよいし、配電制御装置６２の指令に基づいて実行してもよい。

配電制御装置６２は、余剰電力演算部を備える。余剰電力演算部は、太陽光発電装置６０の発電量と、ヒートポンプ給湯機以外の他電気機器の消費電力量とから、太陽光発電による余剰電力量を算出する。余剰電力量は、太陽光発電装置６０の発電量から、ヒートポンプ給湯機以外の他電気機器の消費電力量を差し引いた値でもよい。

ここで、ヒートポンプユニット１００の加熱能力に関して、さらに説明する。加熱能力は、水冷媒熱交換器２での冷媒から水への熱交換量に相当する。加熱能力について、次の関係が成り立つ。
水側の関係：加熱能力は、(出湯温度－入水温度)×水流量、に比例する。
冷媒側の関係：加熱能力は、水冷媒熱交換器２の入口と出口のエンタルピ差×冷媒循環流量、に比例する。

沸上運転のときに、ヒートポンプユニット１００の消費電力量は、循環ポンプ６ａの消費電力量よりもずっと大きい。このため、沸上運転のときのヒートポンプ給湯機の全体の消費電力量に対しては、ヒートポンプユニット１００の影響が支配的となる。

給湯機制御装置１８は、ヒートポンプ給湯機の消費電力量の情報を配電制御装置６２から受信してもよい。給湯機制御装置１８は、ヒートポンプ給湯機の消費電力量を計測する電力計を備えていてもよい。

沸上運転が完了に近づくと、貯湯タンク１１内の温度境界層が貯湯タンク１１内の下部に達することで、入水温度が上昇する。沸上運転のとき、ヒートポンプ制御装置１４は、実際の出湯温度を、目標出湯温度に維持するように動作する。入水温度が上昇すると、上記「水側の関係」により、加熱能力が低下傾向となる。これに対し、ヒートポンプ制御装置１４は、加熱能力の低下を抑制するために、循環ポンプ６ａの回転速度を上昇させて、水流量を上げる。水流量を上げると、出湯温度が低下傾向となる。これに対し、ヒートポンプ制御装置１４は、出湯温度を維持するために、圧縮機吐出温度を高くするように圧縮機１及び膨張弁３を制御する。その結果、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が増加する。このように、入水温度が上昇すると、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が増加する。

以下では、太陽光発電装置６０の発電量のうちの余剰電力量を利用した沸上運転を「余剰電力沸上運転」と称する。図５は、実施の形態１のヒートポンプ給湯機による余剰電力沸上運転のときの、ヒートポンプ給湯機の消費電力量と、出湯温度との関係を示す図である。本実施の形態において、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、余剰電力沸上運転のときに、まず、出湯温度を第一出湯温度とする第一沸上運転を実施する。余剰電力沸上運転の実施中に、入水温度が上昇すると、上述したようにして、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が増加するので、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が増加する。その後、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度を、第一出湯温度よりも低い第二出湯温度とする第二沸上運転を実施する。

ヒートポンプ制御装置１４は、出湯温度を第一出湯温度から第二出湯温度へ低下させると、それに応じて、圧縮機吐出温度が低下するように、圧縮機１及び膨張弁３を制御する。その結果、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が低下する。このように、出湯温度を低下させると、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が低下するので、ヒートポンプ給湯機の消費電力量も低下する。

ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が余剰電力量を上回る可能性があるため、買電が発生する可能性が生じる。本実施の形態であれば、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えた場合に、第一出湯温度から第二出湯温度へ低下させることで、ヒートポンプ給湯機の消費電力量を抑制することができる。それゆえ、買電を確実に抑制することができる。買電が抑制されることで、電気料金を低く抑えることができる。

また、出湯温度を第一出湯温度から第二出湯温度へ低下させると、貯湯回路２０１の水流量が増加するので、貯湯タンク１１内の温度境界層が下へ移動する速度が速くなる。それゆえ、タンク下部温度または入水温度が、沸上停止温度に到達するまでの時間が短縮される。このため、余剰電力沸上運転が終了するタイミングを早めることができる。本実施の形態であれば、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えた場合に、第一出湯温度から第二出湯温度へ低下させることで、余剰電力沸上運転が終了するタイミングを早めることができる。それゆえ、買電をより確実に抑制することができる。

第一閾値は、第一沸上運転でのヒートポンプ給湯機の消費電力量が余剰電力量に等しくなる値に相当するものでもよい。すなわち、ヒートポンプ制御装置１４または給湯機制御装置１８は、現在の余剰電力量と同等の値を、第一閾値として設定してもよい。そのようにすることで、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が余剰電力量に等しくなるまで、第一出湯温度で沸上運転を継続できるので、第一出湯温度の湯を貯湯タンク１１により多く貯えることができる。また、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が余剰電力量に等しくなった場合には、出湯温度を第一出湯温度から第二出湯温度へ低下させることで、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が低下するとともに余剰電力沸上運転が終了するタイミングが早まるので、買電をより確実に抑制することができる。

図６は、実施の形態１によるヒートポンプ給湯機の制御動作プログラムの例を説明するためのフローチャートである。ヒートポンプ給湯機が利用可能な余剰電力量の値を以下「利用可能余剰電力量」と称する。図６のステップＳ１において、給湯機制御装置１８は、利用可能余剰電力量の値を設定する。ステップＳ１で設定される利用可能余剰電力量の値は、例えば、給湯機制御装置１８が記憶している値でもよいし、配電制御装置６２が指示した値でもよい。配電制御装置６２は、例えば、過去複数日間における余剰電力量の記憶値に基づいて、利用可能余剰電力量の値を給湯機制御装置１８に指示してもよい。

ステップＳ１からステップＳ２に進み、給湯機制御装置１８は、現在の余剰電力量が、ステップＳ１で設定された利用可能余剰電力量よりも大きいか否かを判定する。現在の余剰電力量が利用可能余剰電力量よりも大きい場合には、ステップＳ３に進む。現在の余剰電力が利用可能余剰電力量以下の場合には、ステップＳ２の処理を再び行う。

ステップＳ３において、給湯機制御装置１８は、沸上指令信号をヒートポンプユニット１００へ出力し、ステップＳ４に進む。ステップＳ４において、ヒートポンプ給湯機は、第一出湯温度を目標出湯温度とする第一沸上運転を開始し、ステップＳ５に進む。第一沸上運転のとき、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度センサ１３ｂにより検出される出湯温度が、第一出湯温度に等しくなるように、循環ポンプ６ａの回転速度をフィードバック制御する。

ステップＳ５において、給湯機制御装置１８は、ヒートポンプ給湯機の現在の消費電力量が第一閾値よりも大きいか否かを判定する。ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値以下である場合には、ステップＳ５の処理を再び行う。ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ６に進み、ヒートポンプ給湯機は、第二出湯温度を目標出湯温度とする第二沸上運転を行う。第二沸上運転のとき、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度センサ１３ｂにより検出される出湯温度が、第二出湯温度に等しくなるように、循環ポンプ６ａの回転速度をフィードバック制御する。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第一閾値を使用者が設定可能な第一閾値設定手段を備えていてもよい。例えば、使用者がリモコン５１を用いて第一閾値を設定できるように構成してもよい。第一閾値を使用者が設定可能とすることで、使用者の給湯需要に合わせて、余剰電力沸上運転をより適切なタイミングで終了できる。

実施の形態２．
次に、図７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、共通する説明を簡略化または省略する。また、前述した要素と共通または対応する要素には、同一の符号を付す。

図７は、実施の形態２のヒートポンプ給湯機による余剰電力沸上運転のときの、ヒートポンプ給湯機の消費電力量と、出湯温度との関係を示す図である。本実施の形態において、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、余剰電力沸上運転のときに、まず、出湯温度を第一出湯温度とする第一沸上運転を実施する。第一沸上運転の実施中に、入水温度が上昇すると、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が増加する。その後、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が、第一閾値よりも小さい第二閾値を超えると、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度を、第一出湯温度よりも低く第二出湯温度よりも高い第三出湯温度とする第三沸上運転を実施する。

ヒートポンプ制御装置１４は、出湯温度を第一出湯温度から第三出湯温度へ低下させると、それに応じて、圧縮機吐出温度が低下するように、圧縮機１及び膨張弁３を制御する。その結果、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が低下する。これにより、買電の発生を抑制できる。

第三沸上運転の実施中に、入水温度がさらに上昇すると、ヒートポンプユニット１００の消費電力量が再び増加する。その後、ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、出湯温度を、第一出湯温度よりも低い第二出湯温度とする第二沸上運転を実施する。

本実施の形態であれば、第一沸上運転から第二沸上運転に移行する前に第三沸上運転を実施できるので、余剰電力沸上運転の終了時間を調整しやすい。このため、買電をより確実に抑制できる。

実施の形態３．
次に、図８を参照して、実施の形態３について説明するが、前述した実施の形態との相違点を中心に説明し、共通する説明を簡略化または省略する。また、前述した要素と共通または対応する要素には、同一の符号を付す。

本実施の形態では、余剰電力沸上運転のとき、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、入水温度センサ１３ａが検出する入水温度が、第一入水温度閾値に達すると、沸上運転を停止する。第一入水温度閾値は、沸上停止温度に相当する。

本実施の形態において、給湯機制御装置１８は、余剰電力沸上運転のとき、電力量裕度を計算する。電力量裕度は、現在の余剰電力量から、ヒートポンプ給湯機の現在の消費電力量を差し引いた値である。電力量裕度が第一基準以上である場合には、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、入水温度センサ１３ａが検出する入水温度が、第一入水温度閾値に達すると、余剰電力沸上運転を停止する。これに対し、電力量裕度が第一基準に比べて小さい場合には、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、入水温度センサ１３ａが検出する入水温度が、第一入水温度閾値よりも低い第二入水温度閾値に達すると、余剰電力沸上運転を停止する。第二入水温度閾値は、沸上停止温度に相当する。

電力量裕度が第一基準に比べて小さい場合には、電力量裕度が第一基準以上である場合に比べて、買電が発生する可能性が高いと言える。この点を考慮して、電力量裕度が第一基準に比べて小さい場合には、沸上停止温度を、第一入水温度閾値から、第二入水温度閾値へ下げることで、余剰電力沸上運転が終了するタイミングを早めることができる。これにより、電力量裕度が小さい場合であっても、買電をより確実に抑制することができる。

図８は、実施の形態３によるヒートポンプ給湯機の制御動作プログラムの例を説明するためのフローチャートである。図８のステップＳ７において、ヒートポンプ給湯機が余剰電力沸上運転を開始し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８において、給湯機制御装置１８は、現在の電力量裕度が第一基準よりも小さいか否かを判定する。電力量裕度が第一基準よりも小さい場合はステップＳ９に進み、電力量裕度が第一基準以上である場合はステップＳ１１に進む。

ステップＳ９において、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、入水温度センサ１３ａが検出する入水温度が、第二入水温度閾値よりも高いか否かを判定する。入水温度が第二入水温度閾値よりも高い場合には、ステップＳ１０に進み、余剰電力沸上運転を停止する。入水温度が第二入水温度閾値以下である場合は、再びステップＳ９の処理を行う。

ステップＳ１１において、入水温度センサ１３ａが検出する入水温度が、第一入水温度閾値よりも高いか否かを判定する。入水温度が第一入水温度閾値よりも高い場合には、ステップＳ１０に進み、余剰電力沸上運転を停止する。入水温度が第一入水温度閾値以下である場合は、再びステップＳ１１の処理を行う。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、第二入水温度閾値を使用者が設定可能な第二入水温度閾値設定手段を備えていてもよい。例えば、使用者がリモコン５１を用いて第二入水温度閾値を設定できるように構成してもよい。第二入水温度閾値を使用者が設定可能とすることで、使用者の給湯需要に合わせて、余剰電力沸上運転をより適切なタイミングで終了できる。

余剰電力沸上運転のとき、電力量裕度が、第一基準よりも値が大きい第二基準に比べて大きい場合には、ヒートポンプ制御装置１４及び給湯機制御装置１８は、目標出湯温度を、第一出湯温度よりも高い第四出湯温度とする第四沸上運転を実施してもよい。第四沸上運転のとき、ヒートポンプ制御装置１４は、例えば圧縮機１の回転速度を第一沸上運転のときもよりも高くすることで、加熱能力を第一沸上運転のときもよりも高くしてもよい。

電力量裕度が第二基準に比べて大きい場合には、第一沸上運転のときもよりも加熱能力が高い第四沸上運転を実施しても、買電が発生する可能性は小さい。第一出湯温度よりも高い第四出湯温度の第四沸上運転を実施することで、貯湯タンク１１内に、より高温の湯を貯えることができるので、貯湯タンク１１の蓄熱量をより多くできる。それゆえ、余剰電力をより有効に活用できる。また、第四沸上運転のときの加熱能力を高くした場合には、目標蓄熱量に達するまでの時間を短縮することができる。これにより、余剰電力が十分に発生している時間帯の中で、沸上運転をより確実に完了させることができるので、買電をより確実に抑制することができる。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、電力量裕度の大きさに関する情報を表示する表示手段を備えていてもよい。例えば、給湯機制御装置１８は、現在の電力量裕度の大きさに関する情報を、リモコン５１の表示部５１ａに表示させてもよいし、配電制御装置６２の表示部６２ｂに表示させてもよい。これにより、現在の余剰電力の余裕がどの程度あるのかを使用者が容易に確認することが可能となる。

なお、上述した複数の実施の形態のうち、組み合わせることが可能な二つ以上を組み合わせて実施してもよい。

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 中温水混合弁、 １１ 貯湯タンク、 １１ａ 高温水取出口、 １１ｂ 高温水流出入口、 １１ｃ 中温水戻し口、 １１ｄ 中温水取出口、 １１ｅ 低温水戻し口、 １１ｆ 取水口、 １１ｇ 給水口、 １２ 風呂用熱交換器、 １３ａ 入水温度センサ、 １３ｂ 出湯温度センサ、 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 ヒートポンプ制御装置、 １５ａ 給湯用混合弁、 １５ｂ 風呂用混合弁、 １７ａ 給湯流量センサ、 １７ｂ 風呂給湯流量センサ、 １８ 給湯機制御装置、 ２０ 給水端、 ５１ リモコン、 ５１ａ 表示部、 ５１ｂ 操作部、 ６０ 太陽光発電装置、 ６１ 分電盤、 ６２ 配電制御装置、 ６２ａ 選択スイッチ、 ６２ｂ 表示部、 ６３ 電力線、 ６４ 配線、 ６５ 配線、 ６６ 配線、 ７０ 通信装置、 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、 ３００ 建物

Claims (9)

1. ヒートポンプサイクルを有し、水を加熱する加熱手段と、
   貯湯タンクと、
   水を循環させる循環ポンプを有し、前記貯湯タンクから取り出した水を前記加熱手段に流入させ、前記加熱手段により加熱された湯を前記貯湯タンクに流入させる貯湯回路と、
   前記加熱手段及び前記貯湯回路により前記貯湯タンクに湯を貯める沸上運転を制御する制御手段と、
   を備えるヒートポンプ給湯機であって、
   太陽光発電装置の発電量のうちの余剰電力量を利用した前記沸上運転である余剰電力沸上運転を実行可能であり、
   前記余剰電力沸上運転のときに、前記加熱手段から流出する湯の温度である出湯温度を第一出湯温度とする第一沸上運転を実施し、
   前記余剰電力沸上運転の実施中に、前記加熱手段に流入する水の温度である入水温度の上昇により前記加熱手段の消費電力量が増加し、前記ヒートポンプ給湯機の消費電力量が第一閾値を超えると、前記出湯温度を、前記第一出湯温度よりも低い第二出湯温度とする第二沸上運転を実施するヒートポンプ給湯機。
2. 前記第一閾値は、前記第一沸上運転での前記ヒートポンプ給湯機の消費電力量が前記余剰電力量に等しくなる値に相当する請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記第一閾値を設定可能な第一閾値設定手段を備える請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記第一沸上運転の実施中に、前記加熱手段の消費電力量が、前記第一閾値よりも小さい第二閾値を超えると、前記出湯温度を、前記第一出湯温度よりも低く前記第二出湯温度よりも高い第三出湯温度とする第三沸上運転を実施する請求項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. 前記入水温度を検出する入水温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記入水温度が第一入水温度閾値に達すると、前記沸上運転を停止する請求項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. 前記余剰電力量から前記ヒートポンプ給湯機の消費電力量を差し引いた値である電力量裕度が第一基準に比べて小さい場合には、前記制御手段は、前記入水温度が、前記第一入水温度閾値よりも低い第二入水温度閾値に達すると、前記沸上運転を停止する請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記第二入水温度閾値を設定可能な第二入水温度閾値設定手段を備える請求項６に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 前記電力量裕度が、前記第一基準よりも値が大きい第二基準に比べて大きい場合には、前記出湯温度を、前記第一出湯温度よりも高い第四出湯温度とする第四沸上運転を実施する請求項６または請求項７に記載のヒートポンプ給湯機。
9. 前記電力量裕度の大きさに関する情報を表示する表示手段を備える請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のヒートポンプ給湯機。

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