JP3738637B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、水の加熱手段としてヒートポンプ加熱手段を用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
従来より、冷媒循環式のヒートポンプを加熱源として用いたヒートポンプ給湯装置としては、種々構造のものが提案されている（例えば、特開昭６０−２２１６６１号公報（第１公知例）、特開昭６１−１５３４２９号公報（第２公知例）、特開平９−６８３６９号公報（第３公知例）参照）。
【０００４】
ヒートポンプ給湯装置においては、貯湯タンクとして、湯又は湯と水とが常時満タン状態に維持される常時満タン式のタンクが採用されるのが通例である。また、給水に対する加熱方式としては、給水を直接ヒートポンプの熱交換器に導入し、ここでの熱交換により得られた湯を貯湯タンクに貯湯し必要に応じて出湯する方式とか、貯湯タンク内に給水するとともに該貯湯タンクとヒートポンプの熱交換器との間で水を循環させて湯を得る方式とか、ヒートポンプ側の熱交換器との間で冷媒循環系を構成する加熱用熱交換器を貯湯タンク内に配置し該加熱用熱交換器によって貯湯タンクに給水された水を間接的に加熱する方式等、種々の方式が提案されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ヒートポンプ給湯装置においては、貯湯タンクの残湯量が所定以下に低下したとき（即ち、貯湯タンク内における湯の比率が所定以下に低下したとき）には、湯切れ（即ち、湯の比率が零近くとなり貯湯タンク内を低温の水がほとんど占める状態）を防止すべく、「追炊き」を行うことが必要である。尚、ここでいう「追炊き」には、上記各加熱方式に対応して、新たに得た湯を貯湯タンクに追加的に導入して貯湯量を回復させる（即ち、貯湯タンク内における湯の比率を高める）形態と、貯湯タンク内にある湯又は水を追加的に加熱して湯温を高めることで貯湯量を回復させる形態の両者を含む概念である。
【０００６】
ところで、給水の加熱源として用いられるヒートポンプには、その能力が外気温に左右されるという特性があり、且つこの特性は給湯負荷（即ち、使用湯量）に対応しないものである。即ち、図５には、ヒートポンプの圧縮機を一定回転で１時間連続運転した場合における「炊上能力」の外気温に対する変化状態と、給湯負荷の外気温に対する変化状態とを示している。ここで、ヒートポンプの「炊上能力」は外気温が低いほど低下する傾向となるのに対して、給湯負荷は外気温が低いほど増加する傾向となる。従って、外気温の低い冬季においては給湯負荷が大きいにも拘わらずヒートポンプの「炊上能力」が低く、このため「追炊き」による湯量回復が間に合わず、湯切れが生じる事が懸念されるものである。これに対して、外気温の高い夏季においては給湯負荷が小さいにも拘わらずヒートポンプの「炊上能力」が高く、このため「追炊き」に対して十分な余裕をもつことになる。尚、図６には、ヒートポンプによる「炊上湯量」の外気温に対する変化状態を示したもので、図５の「炊上能力」に対応した特性となる。
【０００７】
一方、給湯負荷は、一日の中でもその時間帯によって大きく変化するものである。即ち、図７には冬季の如き外気温の低い状態における給湯負荷の時間帯による変化状態を、また図１０には夏季の如き外気温の高い状態における給湯負荷の時間帯による変化状態を、それぞれ示している。図７及び図１０からは、１日の時間帯における給湯負荷の変化状態は外気温の高低にはほとんど左右されず冬季でも夏季でも略同様であること、及び、１日の中では、朝食時間帯である６時〜８時の時間帯と、昼食時間帯である１０時〜１３時の時間帯と、夕食及び入浴時間帯である１８時〜２４時の時間帯に給湯負荷が集中し、特に１９時〜２０時の入浴時間帯において給湯負荷がピークに達すること、が判る。
【０００８】
ここで、上述のようにヒートポンプの「炊上能力」は、外気温に左右され、外気温が低いほど低下することから、外気温の低い冬季においては、図８に示すように、給湯負荷がピークに達する近傍の１８時〜２１時の時間帯にヒートポンプを最大加熱量で３時間運転しても、図９に示すように貯湯タンクの残湯量は湯切れを起こさない程度の少量のまま推移しほとんど増加しない状態となる。また、２３時〜３時の間にヒートポンプを最大加熱量で運転しておくと、朝食時間帯及び昼食時間帯における使用湯量の増加にも拘わらず、残湯量は満タンに近い量のまま推移することになる。
【０００９】
これに対して、外気温の高い夏季においては、図１１に示すように、給湯負荷がピークに達する近傍の１８時〜２１時の時間帯にヒートポンプを最大加熱量で１時間しか運転しなくても、図１２に示すように貯湯タンクの残湯量は湯切れを起こさない程度の少量のまま推移し、また、２３時〜２４時の間にヒートポンプを最大加熱量で運転しておくと、朝食時間帯及び昼食時間帯における使用湯量の増加にも拘わらず、残湯量は満タンに近い量のまま推移することになる。
【００１０】
以上のことから、ヒートポンプ給湯装置の運転制御に際しては、外気温とともに一日の時間帯をも考慮することが必要であると言える。
【００１１】
さらに、ヒートポンプ給湯装置の運転制御に際しては、ヒートポンプの運転効率を考慮することも必要である。即ち、ヒートポンプには、図４に示すように、圧縮機の運転周波数に対応して運転効率が変化することが知られている。そして、運転効率は特定の運転周波数「ａ」においてピーク値を示し、該運転周波数「ａ」から外れるに従って運転効率が低下するものである。その一方、ヒートポンプの能力（炊上能力）は、圧縮機の運転周波数が高くなるほど、その力率の上昇に伴って増大する傾向にあることが知られている。
【００１２】
従って、ヒートポンプ給湯装置を湯切れを生じさせることなく、且つ、より高効率で運転して省エネ性を達成するためには、圧縮機の運転周波数の変更による能力調整を、炊上能力に影響を与える外気温と１日の時間帯の双方を考慮して行うことが必要であるといえる。
【００１３】
しかるに、上掲各公知例のヒートポンプ給湯装置においては、共に、圧縮機の能力を可変とするものの、その能力変更を外気温のみに基づいて行うもの（第１公知例）、貯湯タンク内の湯温に基づいて行うもの（第２公知例）、貯湯タンク内の湯温と１日の時間帯の双方に基づいて行うもの（第３公知例）、であって、外気温と１日の時間帯の双方に基づいて行うものではなく、従って、これら何れにおいても、湯切れの防止と省エネ性の両立という点において不満の残るものであった。
【００１４】
そこで本願発明は、湯切れ防止と省エネ性の両立をより確実ならしめたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。
【００１６】
本願の第１の発明では、運転周波数に基づいて能力可変とされた圧縮機１１を備えたヒートポンプ加熱手段１と貯湯タンク２１とを配管により接続して構成されるヒートポンプ給湯装置において、上記ヒートポンプ給湯装置が、一日の時間帯を判断するステップと、給湯負荷が急激に増大した後であるか否かを判断するステップと、貯湯量が最少限貯湯量以下であるか否かを判断するステップと、外気温を判断するステップを備え、昼間時間帯であって、給湯負荷が急激に増大した後であり、且つ貯湯量が最少限貯湯量以下であるときに、外気温に基づいて上記圧縮機１１を、外気温が高いときには高効率が得られる第１の周波数で、外気温が低いときには該第１の周波数よりも高周波数側の第２の周波数で運転するようにした制御手段５により制御されることを特徴としている。
【００１７】
本願の第２の発明では、上記第１の発明にかかるヒートポンプ給湯装置において、上記ヒートポンプ加熱手段１を循環する冷媒がＣＯ２冷媒であることを特徴としている。
【００１８】
本願の第３の発明では、上記第１の発明にかかるヒートポンプ給湯装置において、上記圧縮機（１１）がスイング式圧縮機であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本願発明ではかかる構成とすることにより次のような効果が得られる。
（ａ）本願の第１の発明にかかるヒートポンプ給湯装置によれば、上記ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力は外気温に大きく影響され、また給湯負荷は１日の時間帯において変化するものであり、特に昼間時間帯においては風呂給湯等によって給湯負荷が急激に増大することがあるが、しかも給湯負荷が急激に増大した後であっても貯湯量が最少限貯湯量以下であるか否かによって給湯の必要性が異なり、さらに上記ヒートポンプ加熱手段１の運転効率は上記圧縮機の運転周波数に応じて変化するものであることから、昼間時間帯であって、給湯負荷が急激に増大した後であり、且つ貯湯量が最少限貯湯量以下であるときに、外気温に基づいて上記圧縮機１１を、外気温が高いときには高効率が得られる第１の周波数で、外気温が低いときには該第１の周波数よりも高周波数側の第２の周波数で運転することで、外気温が高いとき、即ち、上記ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力そのものが高いときには、上記圧縮機１１を第１の周波数で高効率運転しても給湯能力には余裕があり湯切れが生じるおそれがなく、また外気温が低いとき、即ち、上記ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力そのものが低いときには上記圧縮機１１を第１の周波数よりも高周波数側の第２の周波数で運転してその能力増大を図ることで湯切れの発生を確実に防止することができる。
（ｂ）本願の第２の発明にかかるヒートポンプ給湯装置によれば、上記第１の発明にかかるヒートポンプ給湯装置において、上記ヒートポンプ加熱手段１を循環する冷媒をＣＯ２冷媒としているので、該ＣＯ２冷媒は高圧冷媒であって凝縮温度が高いことから、より高温の湯を取り出すことができ、高温給湯が容易に実現できるものである。
（ｃ）本願の第３の発明にかかるヒートポンプ給湯装置によれば、上記第１の発明にかかるヒートポンプ給湯装置において、上記圧縮機１１をスイング式圧縮機としているので、該スイング式圧縮機には、例えばローリングピストン式圧縮機のような潤滑性の点から高速回転に限界があるとか、スクロール式圧縮機のような漏れ損失が大きく低速回転に限界がある、等の問題がなく、運転周波数の変更幅をより大きく取ることができ、その結果として、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力のより一層の増大によって、湯切れ防止効果がさらに促進されることになる。
【発明の実施の形態】
【００２０】
以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
図１には、本願発明の実施形態にかかるヒートポンプ給湯装置Ｚのシステム図を示している。このヒートポンプ給湯装置Ｚは、次述するヒートポンプ加熱手段１と貯湯・給湯手段２とで構成される。
【００２２】
上記ヒートポンプ加熱手段１は、圧縮式冷凍回路で構成されるものであって、運転周波数の選択によってその能力を変更可能とされた電動式の圧縮機１１と、凝縮器として機能し給水との間での熱交換によって給水の加熱を行う水熱交換器１２と、例えば膨張弁で構成される減圧手段１３と、蒸発器として機能する空気熱交換器１４とを、冷媒配管３１によって順次環状に接続して構成される。
【００２３】
尚、この実施形態においては、上記圧縮機１１としてスイング式圧縮機を採用し、また冷媒としてＣＯ２冷媒を採用している。
【００２４】
上記貯湯・給湯手段２は、所定容量をもつ貯湯タンク２１を備えるとともに、該貯湯タンク２１の底面側には分岐配管３５を介して水用配管３４が接続されている。この水用配管３４は、その一端が水道等の給水源に、他端が上記水熱交換器１２に、それぞれ接続されるとともに、上記分岐配管３５と上記水熱交換器１２との中間位置には水ポンプ２２が備えられている。
【００２５】
さらに、上記水熱交換器１２と上記貯湯タンク２１の天面側との間は貯湯用の第１湯用配管３２によって、また該貯湯タンク２１の天面と給湯栓（図示省略）との間は給湯用の第２湯用配管３３によって、それぞれ接続されている。また、上記貯湯タンク２１の側壁部の下部寄り位置には第１温度検出手段ＴＨ１が、上部寄り位置には第２温度検出手段ＴＨ２が、それぞれ設けられている。尚、この第１温度検出手段ＴＨ１は、所定温度以上の高温湯が満タンに近い状態にあることを検知するためのものであり、また第２温度検出手段ＴＨ２は湯切れを生じない必要最少限の湯量の有無を検知するためのものであって、これら各温度検出手段ＴＨ１，ＴＨ２の検出信号はそれぞれ運転制御要素として次述の制御器５に入力される。
【００２６】
上記制御器５は、特許請求の範囲の「制御手段」に該当し、ヒートポンプ給湯装置Ｚの運転制御を行うものであって、該制御器５には上記各温度検出手段ＴＨ１，ＴＨ２の検出信号の外に、外気温検出手段３により検知される外気温信号と計時手段４により検知される現在時刻とがそれぞれ入力され、これら各入力信号に基づいて上記圧縮機１１に制御信号を出力しその運転周波数を適宜変更設定するものである。
【００２７】
以下、上記制御器５によるヒートポンプ給湯装置Ｚの運転制御を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００２８】
先ず、説明の都合上、図３に示すマップに基づいて、上記制御器５による運転制御の基本思想を説明する。この実施形態においては、先ず、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、ヒートポンプ給湯装置Ｚの使用環境を、炊上能力が低くなる冬季等の外気温の低い環境と、炊上能力が高くなる夏季等の外気温の高い環境とに区分している。さらに、ヒートポンプ給湯装置Ｚに対する給湯負荷が一日の時間帯よって変化することを考慮して、一日２４時間を給湯負荷の高い昼間時間帯（７時〜２３時）と給湯負荷の低い夜間時間帯（２３時〜７時）とに区分している。
【００２９】
そして、かかる区分によれば、
（イー１）外気温が低い時の昼間時間帯では、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力が低いにも拘わらず給湯負荷が高く、従って、特に湯切れ防止の観点から、運転効率よりも炊上能力の増大を図る必要がある場合であり、
（ロー１）外気温が高い時の昼間時間帯では、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力が高いにも拘わらず給湯負荷が低いことから、炊上能力に余裕があり、従って、高効率運転による省エネ性を重視すべき場合であり、
（ハー１）夜間は、外気温が高いときも低いときもその給湯負荷は共に低く、且つ炊き上げについての時間的余裕が十分にあり、従って、高効率運転による省エネ性を重視すべき場合である。
【００３０】
このような観点から、この実施形態においては、上記圧縮機１１の運転周波数を、
（イー２）外気温が低い時の昼間時間帯では、図４におけるＢ点、即ち、運転効率は多少落ちるもののヒートポンプ加熱手段１の能力増加が望める運転周波数「ｂ」に設定し、
（ロー２）外気温が高い時の昼間時間帯では、図４におけるＡ点、即ち、運転効率が最も高い運転周波数「ａ」に設定し、
（ハー２）夜間では、外気温の高低に拘わらず一律に、図４におけるＡ点、即ち、運転効率が最も高い運転周波数「ａ」に設定している。
【００３１】
かかる運転周波数の設定制御によって、ヒートポンプ給湯装置Ｚの湯切れの防止と省エネ運転との両立を実現するものである。
【００３２】
ここで、図２のフローチャートに基づいて、上記制御器５による運転制御を具体的に説明する。
【００３３】
制御開始後、先ず、ステップＳ１において、現在は昼間時間帯であるのかどうかを判定する。ここで、昼間時間帯ではない、即ち、夜間時間帯であると判定された場合には、ステップＳ２において第１温度検出手段ＴＨ１の検出値が６０℃以上であるかどうか（即ち、現在、高温湯が満タン状態であるかどうか）を判定し、６０℃以上である場合（即ち、満タン状態である場合）には、これ以上の貯湯は必要でないため、ヒートポンプ給湯装置Ｚの運転を停止させる（ステップＳ１１）。これに対して、６０℃以下である場合には、貯湯量の増大を図るべくヒートポンプ給湯装置Ｚの運転を開始させる（ステップＳ３）が、その際、現在は夜間時間帯であるので上記圧縮機１１の運転周波数を高効率点（即ち、図４のＡ点）に設定し、高効率運転させる。
【００３４】
一方、ステップＳ１において、現在は昼間時間帯であると判定された場合には、さらにステップＳ４において、風呂給湯前であるかどうか、即ち、給湯負荷の急増が生じ得る状態かどうかを判定する。ここで、風呂給湯前（即ち、急激な給湯負荷の増大は生じない状態）と判定された場合には、さらにステップＳ８において、第１温度検出手段ＴＨ１の検出値が６０℃以上であるかどうか（即ち、現在、高温湯が満タン状態であるかどうか）を判定し、６０℃以上である場合（即ち、満タン状態である場合）には、これ以上の貯湯は必要でないため、ヒートポンプ給湯装置Ｚの運転を停止させる（ステップＳ１１）。これに対して、第１温度検出手段ＴＨ１の検出値が６０℃以下である場合には、貯湯量の増大を図るべくヒートポンプ給湯装置Ｚの運転を開始させる（ステップＳ９）が、その際、給湯負荷が小さいので、上記圧縮機１１の運転周波数を高効率点（即ち、図４のＡ点）に設定し、高効率運転させる。
【００３５】
また、ステップＳ４において、風呂給湯後であると判定された場合（即ち、風呂給湯によって残湯量が低下したと思われる場合）には、先ずステップＳ５において第２温度検出手段ＴＨ２の検出値が６０℃以上であるかどうか（即ち、現在、高温湯が湯切れを生じない最少限貯湯量以上であるかどうか）を判定する。そして、第２温度検出手段ＴＨ２の検出値が６０℃以上である場合（即ち、最少限貯湯量以上の貯湯量があり、且つ風呂給湯後であってこれ以上に大きな給湯負荷は発生しないと思われる場合）には、まだ追炊きをする必要はないものと判断し、ヒートポンプ給湯装置Ｚの運転を停止させる（ステップＳ１１）。
【００３６】
これに対して、第２温度検出手段ＴＨ２の検出値が６０℃以下である場合には、貯湯量が最少限湯量以下に低下し、従って湯切れ防止の観点から追炊きが必要と判断される場合には、先ずステップＳ６において現在の外気温が２０℃以下がどうか（即ち、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力が高い環境下であるのか低い環境下であるのか）を判定する。ここで、外気温が２０℃以上であると判定された場合には、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力が高い環境下であって、それ以上に高い炊上能力での追炊きを必要としないため、この場合にはヒートポンプ給湯装置Ｚを高効率点で追炊き運転させて貯湯量の回復を図る（ステップＳ７）。一方、外気温が２０℃以下である場合には、ヒートポンプ加熱手段１の炊上能力が低い環境下であって、湯切れ防止を最重要視すべき場合であるので、この場合には上記圧縮機１１の運転周波数を高めてヒートポンプ給湯装置Ｚを高能力点で追炊き運転させて貯湯量の早期の回復を図る（ステップＳ１０）。
【００３７】
以上のように、ヒートポンプ給湯装置Ｚの運転制御が外気温と１日の時間帯の双方に基づいて行われることで、ヒートポンプ給湯装置Ｚの湯切れの防止と省エネ運転との両立が実現されるものである。
【００３８】
尚、上記実施形態においては、給水を直接ヒートポンプ加熱手段１の水熱交換器１２に導入し、ここでの熱交換により得られた湯を貯湯タンク２１に貯湯する方式のものを例にとって説明しているが、本願発明はかかる方式のものに限定されるものではなく、例えば、貯湯タンク２１とヒートポンプ加熱手段１の水熱交換器１２との間で水を循環させて湯を得る方式とか、ヒートポンプ加熱手段１側に設けた加熱用熱交換器を貯湯タンク２１内に配置し該貯湯タンク２１内の水を加熱する方式等、種々の方式のものを採用し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明にかかるヒートポンプ給湯装置のシステム図である。
【図２】 図１に示したヒートポンプ給湯装置の運転制御フローチャートである。
【図３】 ヒートポンプ給湯装置の運転制御における制御領域マップである。
【図４】 ヒートポンプ給湯装置における「運転周波数−運転効率」線図である。
【図５】 ヒートポンプ給湯装置における外気温に対する給湯負荷及び炊上能力の変化状態説明図である。
【図６】 ヒートポンプ給湯装置における外気温に対する炊上湯量の変化状態説明図である。
【図７】 冬場における一日の給湯負荷の変化状態説明図である。
【図８】 冬場における一日のヒートポンプ加熱量の変化状態説明図である。
【図９】 冬場における一日の残湯量の変化状態説明図である。
【図１０】 夏場における一日の給湯負荷の変化状態説明図である。
【図１１】 夏場における一日のヒートポンプ加熱量の変化状態説明図である。
【図１２】 夏場における一日の残湯量の変化状態説明図である。
【符号の説明】
１はヒートポンプ加熱手段、２は貯湯・給湯手段、３は外気温検出手段、４は計時手段、５は制御器、１１は圧縮機、１２は水熱交換器、１３は減圧手段、１４は空気熱交換器、２１は貯湯タンク、２２は水ポンプ、３１〜３５は配管、ＴＨ１は第１温度検出手段、ＴＨ２は、Ｚはヒートポンプ給湯装置である。

Claims (3)

1. 運転周波数に基づいて能力可変とされた圧縮機（１１）を備えたヒートポンプ加熱手段（１）と貯湯タンク（２１）とを配管により接続して構成されるヒートポンプ給湯装置であって、
   上記ヒートポンプ給湯装置が、一日の時間帯を判断するステップと、給湯負荷が急激に増大した後であるか否かを判断するステップと、貯湯量が最少限貯湯量以下であるか否かを判断するステップと、外気温を判断するステップを備え、昼間時間帯であって、給湯負荷が急激に増大した後であり、且つ貯湯量が最少限貯湯量以下であるときに、外気温に基づいて上記圧縮機（１１）を、外気温が高いときには高効率が得られる第１の周波数で、外気温が低いときには該第１の周波数よりも高周波数側の第２の周波数で運転するようにした制御手段（５）により制御されることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 請求項１において、
   上記ヒートポンプ加熱手段（１）を循環する冷媒がＣＯ２冷媒であることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
3. 請求項１において、
   上記圧縮機（１１）がスイング式圧縮機であることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

Images