JP3908768B2

JP3908768B2 - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP3908768B2
Application number: JP2005134814A
Authority: JP
Inventors: 賢雄冨田; 彰伊藤; 幸治小島; 徳純広野; 圭前田
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2022-02-18
Also published as: JP2005233610A

Description

本発明は、貯湯タンク内の湯水を循環してヒートポンプ回路によって沸き上げて用いるヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のものにおいては、図１０に示すようなものがあった。
ここで、１０１はヒートポンプ回路、１０２は貯湯タンクで、この貯湯タンク１０２下部から取り出した５〜２５℃程度の低温水をヒートポンプ回路１０１で７０〜９０℃程度に加熱して貯湯タンク１０２の上部から積層貯湯していくものである。

前記貯湯タンク１０２には、その下端に給水管１０３が接続され、また上端には出湯管１０４が接続されているものである。１０５は電動ミキシング弁で、出湯管１０４からの高温水と給水管１０３からの低温水をリモコン（図示せず）等で設定された任意の給湯設定温度に混合して給湯栓１０６から出湯するものである。

１０７は暖房あるいは風呂の追焚き／保温の熱源としての熱交換器で、出湯管１０４から分岐した熱交往き管１０８および給水管１０３に合流する熱交戻り管１０９により貯湯タンク１０２と循環可能に接続されており、貯湯タンク１０２内の高温水を熱交換器１０７に流入させて暖房回路あるいは風呂の追焚き／保温回路等の２次側回路（図示せず）の温水を加熱するものである。

そして、貯湯タンク１０２の上部から取り出された高温水は、前記熱交換器１０７で熱交換されて温度低下し、３０〜５０℃程度の中温水となって貯湯タンク１０２の下部から貯湯タンク１０２内に戻るものである。

しかし、この従来のものでは、熱交換器１０７での熱交換により３０〜５０℃程度の中温水が貯湯タンク１０２に貯まっていくが、この中温水は暖房あるいは追焚きの熱源として利用するには温度が低いため適さず、しかも湯切れするまで給湯を行わないと容量当たりの保有熱量が少ない中温水がいつまでも貯湯タンク１０２内に残留し、貯湯タンク１０２の保有熱量を減らしてしまい貯湯タンク容量の有効利用ができず、さらに貯湯タンク１０２内の水の沸き上げを行う場合、中温水をヒートポンプ回路１０１で再加熱するには温度が高いため効率が悪く、ヒートポンプ式給湯装置のＣＯＰ（エネルギー消費効率）を低下させてしまうという課題があった。

そこで、本発明はこれらの課題を解決するために、給水管からの低温水を流入させる給水口を下端部に有すると共に貯湯している高温水を第１出湯管から流出させる第１出湯口を上端部に有する貯湯タンクと、圧縮機と蒸発器と凝縮器を有したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク下部に設けられたヒーポン往き口から取り出した低温水を前記ヒートポンプ回路の凝縮器によって加熱し、加熱された高温水を前記貯湯タンク上部に設けられたヒーポン戻り口から前記貯湯タンク内に戻すヒーポン循環回路と、給湯温度設定スイッチを有し給湯温度を任意の給湯設定温度に設定可能としたリモコンと、前記第１出湯口から流出する高温水と前記給水管からの低温水とを前記リモコンにて設定した前記任意の給湯設定温度に混合する第１混合弁と、その下流に設けた給湯温度センサを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記貯湯タンクの前記第１出湯口よりも低い位置に中温水を流出させるための第２出湯口および第２出湯管を設けると共に、前記第１混合弁と前記第１出湯口の間の前記第１出湯管途中に前記第２出湯管からの中温水を混合する第２混合弁と、その下流に混合温度センサを設け、前記第１出湯口からの高温水と前記第２出湯口からの中温水を前記第２混合弁によって前記混合温度センサの出力に応じて前記任意の給湯設定温度より所定温度高い温度に混合し、さらに前記第１混合弁にて前記第２混合弁で混合された前記任意の給湯設定温度よりも所定温度高い温度の温水と前記給水管からの低温水とを前記給湯温度センサの出力に応じて前記任意の給湯設定温度に混合して給湯するようにしたものである。

本発明によれば、容量当たりの保有熱量が少ない中温水を給湯時に貯湯タンク上部から取り出す高温水と混合して給湯に用いることができるため、中温水を高温水に優先して使用することができ、ヒートポンプ回路で沸き上げを行う際に効率の良い沸き上げを行うことができ、ヒートポンプ式給湯装置としてのＣＯＰ（エネルギー消費効率）を低下させることがないものであると共に、第２混合弁の設定混合温度を第１混合弁での任意の給湯設定温度より所定温度高い温度としているので、リモコンにて設定されるその時々の任意の給湯設定温度に応じて中温水を可能な限り多く使って給湯を行うことができる。

次に、本発明の第１の実施形態を図１〜図７に基づき説明する。
１はヒートポンプユニット、２は貯湯タンクユニット、３は給湯混合水栓、４は床暖房パネル等の暖房負荷端末である。

前記ヒートポンプユニット１は、圧縮機５と凝縮器としての冷媒−水熱交換器６と減圧器７と蒸発器８で構成されたヒートポンプ回路９と、被加熱水を冷媒−水熱交換器６に循環させるヒーポン循環ポンプ１０と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１１とを備えており、ヒートポンプ回路９内には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。なお、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。

ここで、前記冷媒−水熱交換器６は冷媒と被加熱水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することができ、被加熱水の冷媒−水熱交換器６入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記減圧器７または圧縮機５を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器６の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）が３．０以上のとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。

前記貯湯タンクユニット２は、上端に第１出湯管１２と連なる第１出湯口１３を有し、下端に給水管１４と連なる給水口１５を有した貯湯タンク１６を備えている。この貯湯タンク１６の下部にはヒーポン往き口１７が、上部にはヒーポン戻り口１８が設けられ、前記ヒートポンプユニット１の冷媒−水熱交換器６に連通するヒーポン循環回路１９によって貯湯タンク１６内の湯水が循環可能に接続されている。なお、この貯湯タンク１６は約３７０Ｌ程度の容量を保有しているものである。

２０は前記床暖パネル４の加熱源としての熱交換器で、その一次側には貯湯タンク１６上部に連通する高温水取出し口２１と貯湯タンク１６下部の中温水戻り口２２とを熱利用循環ポンプ２３を備えた熱利用循環回路２４で貯湯タンク１６内の湯水が循環可能に接続されており、また、二次側には床暖パネル４と循環可能に接続する二次側回路２５と二次側循環ポンプ２６が備えられているものである。

次に、２７は第１出湯管１２からの湯水と給水管１４からの低温水を混合する電動ミキシング弁より構成された第１混合弁であり、その下流の給湯管２８に設けた給湯温度センサ２９で検出した湯温がリモコン３０でユーザーが設定した給湯設定温度になるように混合比率を制御するものである。このリモコン３０は給湯温度設定スイッチ３１を有しており、給湯温度を３５〜６０℃の範囲で任意に設定可能としていると共に、暖房を開始させる暖房スイッチ３２を有しているものである。

３３は貯湯タンク１６の中間高さ位置に設けた第２出湯口で、第１出湯管１２の第１出湯口１３と第１混合弁２７との間に設けた第２混合弁３４の入力側に第２出湯管３５を介して接続されている。この第２出湯口３３および第２出湯管３５は前記熱交換器２０で二次側と熱交換して温度低下した中温水を貯湯タンク１６から出湯するもので、この中温水を前記第２混合弁３４にて第１出湯管１２を流れる高温水と混合して第１混合弁２７の供給するものである。

前記第２混合弁３４は図５に示すようにサーモワックス混合弁より構成されており、出力ポート側に設けられた感温変形するサーモワックス３４ａの伸縮により入口側ポートの弁体３４ｂの位置が変り、それによって混合比率を調整するもので、給湯設定温度範囲の上限温度である６０℃より高い約６５℃に自動的に混合するものである。なお、この第２混合弁３４の混合温度は調整ノブ３４ｃにより調節可能としているものである。なお、ここではサーモワックス混合弁を用いたが、これの代わりに感温変形する形状記憶合金より構成された感温バネやバイメタルなどの感温変形部材を用いた感温自動混合弁でも良い。また、第２混合弁３４は図示した弁および弁座形状や流路形状のものに限られるものではなく、要は感温変形部材の変形により設定混合温度に自動的に混合されるものであれば弁および弁座や流路の形状は発明の要旨を変更しない範囲で変更可能なものである。

３６は貯湯タンク１６の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この貯湯温度センサ３６がどの高さ位置まで所定温度（例えば５０℃）以上を検出しているかによって、貯湯タンク１６内にどれだけの熱量が残っているかを検知するものである。

３７は貯湯タンクユニット内のセンサの入力を受けアクチュエータの駆動を制御するマイコンを有した給湯制御部である。この給湯制御部３７に前記リモコン３０が無線または有線により接続されユーザーが任意の給湯設定温度を設定できるようにしているものである。

なお、３８は貯湯タンク１６の過圧を防止する過圧防止弁、３９は給水の温度を検出する給水温度センサ、４０は給水の圧力を減圧する減圧弁、４１は給湯する温水の量をカウントする流量カウンタである。

次に、この第１の実施形態の作動を説明する。
まず、図２に示す沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ３６が貯湯タンク１６内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部３７はヒーポン制御部１１に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部１１は圧縮機５を起動した後にヒーポン循環ポンプ１０を駆動開始し、貯湯タンク１６下部のヒーポン往き口１７から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器６で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、ヒーポン循環回路１９を介して貯湯タンク１６上部のヒーポン戻り口１８から貯湯タンク１６内に戻してやり、貯湯タンク１６の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ３６が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部３７はヒーポン制御部１１に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部１１は圧縮機５を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１０も停止して沸き上げ動作を終了するものである。

次に、図３に示す暖房運転について説明すると、リモコン３０の暖房スイッチ３２をＯＮすると、給湯制御部３７は熱利用循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２６を駆動開始し、高温水取出し口２１から取り出した７０〜９０℃程度の高温水を熱交換器２０に流入させ、二次側回路２５の温水と熱交換させ、熱交換により３０〜５０℃程度に温度低下した中温水が中温水戻り口２２から貯湯タンク１６下部に戻り、高温水と入れ替わる形で高温水と中温水の境界面を押し上げるようにして中温水が貯湯されるものである。二次側では、熱交換器２０にて加熱された温水が床暖房パネル４に流入し、被暖房空間を暖房して再度熱交換器２０に循環するものである。そして、リモコン３０の暖房スイッチ３２をＯＦＦすると、給湯制御部３７は熱利用循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２６を駆動停止して暖房運転を停止する。

そして、図４に示す給湯運転について説明すると、給湯混合水栓３を開くと、給水管１４からの給水圧により貯湯タンク１６内の高温水が上端部の第１出湯口１３から押し出されると同時に中温水が第２出湯口３３より押し出される。押し出された７０〜９０℃程度の高温水および３０〜５０℃程度の中温水はそれぞれ第１出湯管１２および第２出湯管３５を介して第２混合弁３４へ流入し、約６５℃の温水に混合される。混合された温水は第１混合弁２７へ流入し、給水管１４からの５〜２０℃程度の低温水と混合されてユーザーがリモコン３０で設定した給湯設定温度に調節され、給湯混合水栓３から給湯される。

このとき、前記中温水戻り口２２は貯湯タンク１６最下端の給水口１５および下部のヒーポン往き口１７よりも高い位置の貯湯タンク１６に設けているため、暖房運転により中温水戻り口２２から中温水が貯湯タンク１６の下部に戻されても、給湯の使用により貯湯タンク１６下端から給水管からの低温水が流入することで貯湯タンク１６の最下端には低温水が確保されることとなり、次回の沸き上げの際には必ず低温水から沸き上げることができるという効果がある。また、前記高温水取出し口２１は第１出湯口１３から連なる第１出湯管１２途中に設けられていて、貯湯タンク１６の開口部を減らすことができるものである。

また、第２出湯口３３が中温水戻り口２２よりも高い位置に設けられているので、中温水戻り口２２と第２出湯口３３との間にある程度の容量を確保でき、熱交換器２０で温度低下した中温水をその容量分だけ一時的に貯めておくことができることとなり、第２出湯口３３より高い位置に貯められてしまう中温水の量を少なくすることができる。詳しくは、第２出湯口３３が貯湯タンク１６の中間高さ位置程度にあるので中温水戻り口２２と第２出湯口３３との間に約９０〜１２０Ｌ程度の容量を確保でき、熱交換器２０で温度低下した中温水をその容量分だけ一時的に貯めておくことができることとなり、第２出湯口３３より高い位置に貯められてしまう中温水の量を少なくすることができる。すなわち第２出湯口３３から取り出すことができない中温水を極力少なくすることができるものである。

ここで、もし中温水戻り口２２と第２出湯口３３とが同じ高さにあった場合には、中温水が中温水戻り口２２より高い位置に貯められてしまう場合があり、これを中温水戻り口２２と同じ高さにある第２出湯口３３から取り出すことができないため、中温水が発生すると同時にこの中温水を給湯に用いる必要があり、さもなければ多量に給湯を行って中温水が貯湯タンク１６上端部の第１出湯口１３にまで押し上げられるまで貯湯タンク１６内に中温水が貯湯されてしまうこととなる。しかし、この第１の実施形態では上記のように中温水戻り口２２よりも高い位置に第２出湯口３３が設けられているため、この高さの差分の容量だけ中温水の発生から利用までの容量的あるいは時間的余裕ができ、中温水をある程度の容量分発生させてから時間的間隔をおいて給湯を行っても中温水を給湯に用いることができる効果がある。

また、図６に示すように、暖房を行わなかったり沸き上げ完了直後の給湯では貯湯タンク１６内に中温水がなく、第２出湯口３３位置に高温水がある場合には、第２混合弁３４のサーモワックス３４ａは設定混合温度以上の温度雰囲気にさらされるために膨張して、第１出湯管１２側の弁体３４ｂを閉じて第２出湯管３５側の弁体３４ｂが開かれることとなる。結果的に設定混合温度以上の温度の温水を第１混合弁２７へ供給するが、第１混合弁で給水管１４からの低温水と混合してユーザーがリモコン３０で設定した給湯設定温度に調節されることとなる。

また、図７に示すように、貯湯タンク１６内の上部には高温水があるが、第２出湯口３３付近に低温水がある場合には、第２混合弁３４のサーモワックス３４ａが第１出湯管１２からの高温水と第２出湯管３５からの低温水とが混合された温水にさらされるため、その温度に応じて伸縮して設定混合温度の約６５℃になるように自動的に調節されるものである。なお、図５〜７においては、説明に必要な構成要素のみを抜き出して開示しており、図示しなかったが図１の構成と同一のものである。

このように、給湯の際に暖房熱源として利用された中温水を高温水よりも優先して貯湯タンク１６の途中から取り出して給湯するので、高温水を給湯しきるまで中温水を給湯できないと行った不具合がなく、給湯を行う度に貯湯タンク１６内の中温水が減って給水管１４からの低温水に入れ替わって、深夜の沸き上げ動作を行う時には沸き上げ効率の悪い中温水ではなく、温度の低い低温水をヒートポンプ回路９で沸き上げることとなり、沸き上げの効率が向上しヒートポンプ式給湯装置としてのＣＯＰ（エネルギー消費効率）が良くなるものである。

また、第２混合弁３４は第１混合弁２７で調整する給湯設定温度範囲の上限温度以上の温度に混合し、その後に第１混合弁２７にて任意の給湯設定温度に混合して給湯するので、ユーザー側で特別な操作をすることなくリモコン３０で設定した任意の給湯設定温度の湯を常に確実に給湯できるものである。

また、第２混合弁３４はサーモワックス混合弁のような感温変形部材を用いた自動混合弁としたので、給湯制御部３７に用いられているマイコンの出力ポートおよび入力ポートを全く利用せずに設定温度に混合でき、ポートの少ない安価なマイコンを用いることができる他、余ったポートを他の機能に割り振ることができ、安価かつ多機能な給湯装置の実現に貢献することができるものである。

次に、第２の実施形態を図８に基づいて説明する。なお、前記第１の実施形態と同一のものには同一の符号を付してその説明を省略する。

この第２の実施形態では、貯湯タンク１６内の高温水を熱利用循環回路２４を介して直接暖房負荷端末４に循環させるものである。暖房スイッチ３２のＯＮ操作により暖房開始が指示されると、熱利用循環ポンプ２３が駆動され、貯湯タンク１６内の高温水を高温水取出し口２１から暖房負荷端末４に循環させ、浴室等の比較的負荷の小さい被暖房室を暖房して３０〜５０℃程度に温度低下した中温水となって貯湯タンク１６内に低温水戻り口２２より戻るものである。

このように第２の実施形態では、貯湯タンク１６から取り出した高温水を熱源として直接用いるか間接的に用いるかが前記第１の実施形態と異なるのみで、他の作用効果は何ら変ることがないものであるので、その説明は第１の実施形態を参照することとして省略することとする。なお、暖房負荷端末としては例示した床暖房パネルに限定されるものではなく、例えば温水式温風暖房器や温水式パネルコンベクタ、温水式パネルラジエータ等でも良いもので、要は暖房を行うものであれば本発明の要旨を変更しない範囲での実施形態の変更をすることを妨げるものではない。

次に、第３の実施形態を図９に基づいて説明する。なお、前記第１または第２の実施形態と同一のものには同一の符号を付してその説明を省略する。

３４’は第１出湯管１２の第１混合弁２７と第１出湯口１３の間に設けた電動ミキシング弁よりなる第２混合弁で、その下流に設けた混合温度センサ４２の検出する温度に応じてリモコン３０で設定した任意の給湯設定温度より所定温度高い温度になるよう混合比率を調節するものである。

また、前記熱交換器２０と熱利用循環ポンプ２３と二次側循環ポンプ２６は貯湯タンクユニット２とは別体の熱交換ユニット４３に収納されており、この熱交換ユニット４３内に設けた熱交換制御部４４によって各ポンプ２３、２６が制御されると共に、この熱交換制御部４４と有線または無線によって第２リモコン４５が接続されているものである。暖房の開始および停止は第２リモコン４５の操作によって入力されるものである。なお、前記リモコン３０は給湯に関する操作だけができるようにし、暖房に関する操作は第２リモコン４５によって行うようにしているものである。

このように第２混合弁３４’を電動ミキシング弁として、リモコン３０で設定した任意の給湯設定温度より所定温度高い温度になるよう混合比率を調節するようにしたので、中温水をその時々の任意の給湯設定温度に応じて多量に用いることができて、中温水の利用を促進できるものである。例えば任意の給湯設定温度が６０℃であれば、電動ミキシング弁の第２混合弁３４’の混合温度を６０℃より５ｄｅｇだけ高い６５℃にし、６５℃に混合した温水を第１混合弁２７で任意の給湯設定温度である６０℃に調整して給湯を行う。また、任意の給湯設定温度が４２℃であれば、電動ミキシング弁の第２混合弁３４’の混合温度を４２℃より５ｄｅｇだけ高い４７℃にし、４７℃に混合した温水を第１混合弁２７で任意の給湯設定温度である４２℃に調整して給湯を行う。このように、その時々の任意の給湯設定温度に応じて中温水を可能な限り多く使って給湯を行うことができるものである。

なお、前記第１の実施形態と第３の実施形態とでは、熱交換器２０と熱利用循環ポンプ２３と二次側循環ポンプ２６の設置の形態が異なるが、第１の実施形態で熱交換ユニット４３を設けても良く、また逆に第２の実施形態で貯湯タンクユニット２内に設けても良く、本発明の要旨を変更しない範囲での実施形態の変更をすることを妨げるものではない。

また、第１の実施形態および第３の実施形態では、床暖房パネルから成る暖房負荷端末４を二次側回路２５の負荷としているが、これに限られることはなく、温水式温風暖房器や温水式パネルコンベクタ、温水式パネルラジエータ等でも良い。また、二次側回路２５の負荷は暖房利用に限らず、例えば浴槽の温水を循環させて風呂の追焚きまたは保温に用いても良く、要は貯湯タンク１６内の高温水の熱を熱交換器２０で熱交換して利用する熱機器であれば何でも良いものである。

本発明の第１の実施形態の概略構成図。同第１の実施形態の沸き上げ運転の作動を説明する図。同第１の実施形態の暖房運転の作動を説明する図。同第１の実施形態の給湯運転の作動を説明する図。同第１の実施形態の貯湯タンク内の第２出湯口付近に中温水が存在する場合の給湯運転時の第２混合弁の作動を説明する図。同第１の実施形態の貯湯タンク内の第２出湯口付近に高温水が存在する場合の給湯運転時の第２混合弁の作動を説明する図。同第１の貯湯タンク内の第２出湯口付近に低温水が存在する場合の給湯運転時の第２混合弁の作動を説明する図。本発明の第２の実施形態の概略構成図。本発明の第３の実施形態の概略構成図。従来例の概略構成図。

符号の説明

５圧縮機
６冷媒−水熱交換器（凝縮器）
８蒸発器
９ヒートポンプ回路
１２第１出湯管
１３第１出湯口
１４給水管
１５給水口
１６貯湯タンク
１７ヒーポン往き口
１８ヒーポン戻り口
１９ヒーポン循環回路
２７第１混合弁（電動ミキシング弁）
２８給湯管
３３第２出湯口
３４第２混合弁（サーモワックス混合弁）
３４’ 第２混合弁（電動ミキシング弁）
３４ａサーモワックス（感温変形部材）
３５第２出湯管
４２混合温度センサ

Claims

給水管からの低温水を流入させる給水口を下端部に有すると共に貯湯している高温水を第１出湯管から流出させる第１出湯口を上端部に有する貯湯タンクと、圧縮機と蒸発器と凝縮器を有したヒートポンプ回路と、前記貯湯タンク下部に設けられたヒーポン往き口から取り出した低温水を前記ヒートポンプ回路の凝縮器によって加熱し、加熱された高温水を前記貯湯タンク上部に設けられたヒーポン戻り口から前記貯湯タンク内に戻すヒーポン循環回路と、給湯温度設定スイッチを有し給湯温度を任意の給湯設定温度に設定可能としたリモコンと、前記第１出湯口から流出する高温水と前記給水管からの低温水とを前記リモコンにて設定した前記任意の給湯設定温度に混合する第１混合弁と、その下流に設けた給湯温度センサを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記貯湯タンクの前記第１出湯口よりも低い位置に中温水を流出させるための第２出湯口および第２出湯管を設けると共に、前記第１混合弁と前記第１出湯口の間の前記第１出湯管途中に前記第２出湯管からの中温水を混合する第２混合弁と、その下流に混合温度センサを設け、前記第１出湯口からの高温水と前記第２出湯口からの中温水を前記第２混合弁によって前記混合温度センサの出力に応じて前記任意の給湯設定温度より所定温度高い温度に混合し、さらに前記第１混合弁にて前記第２混合弁で混合された前記任意の給湯設定温度よりも所定温度高い温度の温水と前記給水管からの低温水とを前記給湯温度センサの出力に応じて前記任意の給湯設定温度に混合して給湯するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。