JP3918786B2 - 貯湯式ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ヒートポンプユニットにより加熱した給湯用の湯を貯湯槽に貯える貯湯式ヒートポンプ給湯装置に関するものであり、特に、貯湯槽内の水を沸き上げる時の制御に関するものである。
従来、この種の貯湯式ヒートポンプ給湯装置として、給湯用の湯を内部に貯える貯湯槽と、この貯湯槽内下部の水を貯湯槽内上部に送る循環水路と、この循環水路に設けられて循環水路を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニットと、貯湯槽内の湯が外部で所望されるときに貯湯槽内上部に貯えられた高温の湯を外部へ供給するために貯湯槽の上部から導出された高温給湯路と、貯湯槽内の湯が外部で所望されるときに貯湯槽内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ供給するために貯湯槽の中程から導出された中温給湯路と、貯湯槽内の湯がいずれかの給湯路を通って外部へ供給されたときに貯湯槽内下部へ水を補給する給水路と、貯湯槽の高さ方向に複数個設けられて貯湯槽内の貯湯量および貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段と、これらの作動を制御する制御手段とを備える貯湯式ヒートポンプ給湯装置がある。
上記従来の貯湯式ヒートポンプ給湯装置の沸き上げ制御は、深夜時間帯に前日の残り湯も含めて貯湯タンク内の全量を、目標とする貯湯温度になるまで沸き上げを実施している。よって最後は、水よりも温度の高い残り湯をヒートポンプユニットに給水して加熱することとなる。しかしながら、このようなヒートポンプ給湯装置において冷凍サイクル（ヒートポンプサイクル）で水を加熱する凝縮器に供給する給湯用の水は、温度が低いほど運転効率（ＣＯＰ）が向上するため、中温の残り湯に多く占められて凝縮器に供給する水温が高くなるとヒートポンプサイクルの運転効率が悪くなるという問題点がある。
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、貯湯タンク内に残り湯がある状態で沸き上げを実施する際に、運転効率の低下を防止することのできる貯湯式ヒートポンプ給湯装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項９に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、給湯用の湯を内部に貯える貯湯槽（１）と、貯湯槽（１）内下部の水を貯湯槽（１）内上部に送る循環水路（１６）と、循環水路（１６）に設けられて循環水路（１６）を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニット（２）と、貯湯槽（１）内の湯が外部で所望されるときに貯湯槽（１）内上部に貯えられた高温の湯を外部へ供給するために貯湯槽（１）の上部から導出された高温給湯路（１２）と、貯湯槽（１）内の湯が高温給湯路（１２）から外部へ供給されたときに、貯湯槽（１）内下部へ水を補給する給水路（１１）と、貯湯槽（１）の高さ方向に複数個設けられて貯湯槽（１）内の貯湯量および貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）と、これらの作動を制御する制御手段（２２）とを備える貯湯式ヒートポンプ給湯装置において、
制御手段（２２）は、ヒートポンプユニット（２）にて貯湯槽（１）内下部の水を沸き上げる際、貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）にて検出される貯湯槽（１）内の残湯分（Ｗ１）に相当する湯量を残した状態で沸き上げを停止するために、制御手段（２２）は、ヒートポンプユニット（２）での沸き上げ目標温度（Ｔ０）を基準にして決めた沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を、所定の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知したことによって沸き上げを停止させることを特徴としている。
この請求項１に記載の発明によれば、貯湯槽（１）内の沸き上げを行う際、まず貯湯槽（１）内の残湯分（Ｗ１）を検出し、その後は検出した残湯分（Ｗ１）に相当する湯量が残る状態までで沸き上げを停止させることとなる。このときの貯湯状態は、前日の残り湯の上方に、ヒートポンプユニット（２）によって新たに沸き上げた湯を積層した状態となる。これにより、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、沸き上げ水量（Ｗ２）に相当する位置で所定温度になったことを検出して沸き上げを停止させることで、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、請求項２に記載の発明では、制御手段（２２）は、貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）間の温度状態を貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の各検出温度から推定し、その結果から残湯分（Ｗ１）を算出することを特徴としている。
これは、各貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の位置と検出温度だけで残湯分（Ｗ１）を大まかに決定するのではなく、例えば貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）間の温度勾配を貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の各検出温度から直線補完によって算出するなどして、貯湯槽（１）内の残湯分（Ｗ１）をより正確に検出しようとするものである。これによって、より正確な量での沸き上げが可能となるうえ、残り湯を凝縮器に供給しないよう正確に沸き上げを停止することが可能となる。
また、請求項３に記載の発明では、制御手段（２２）は、ヒートポンプユニット（２）の加熱能力から算出した沸き上げ必要時間（ｔｎ）の経過をもって沸き上げを停止させることを特徴としている。これは、残湯分（Ｗ１）を正確に検出して貯湯槽（１）の全容量（Ｗ０）から差し引くことで正確な沸き上げ水量（Ｗ２）が出る。そのため、この水量（Ｗ２）を所定の加熱能力で目標熱量まで沸き上げるための所要時間も容易に算出できるため、この請求項３に記載の発明のように時間で制御して沸き上げを停止させても、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、請求項４に記載の発明では、制御手段（２２）は、沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）での検出値を基準にした沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を、所定の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知したことによって沸き上げを停止させることを特徴としている。
この請求項４に記載の発明によれば、貯湯槽（１）下方の所定の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）（つまり、沸き上げ水量（Ｗ２）＋残湯分（Ｗ１）に相当する位置）で沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）での検出値を基準にした判定温度（Ｔｄｂ）（つまり、残湯分（Ｗ１）の下端に相当する温度）を検出して沸き上げを停止させることでも、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、請求項５に記載の発明では、制御手段（２２）は、過去の給湯実績から貯湯槽（１）内への目標蓄熱量（Ｑ０）を決定すると共に、その目標蓄熱量（Ｑ０）に応じて沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を検知する、いわゆる沸き上げ終了判定をする貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）を選定することを特徴としている。この請求項５に記載の発明によれば、目標蓄熱量（Ｑ０）に応じて上記したように沸き上げ水量（Ｗ２）に相当する位置、もしくは沸き上げ水量（Ｗ２）＋残湯分（Ｗ１）に相当する位置近傍の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）を選定することとなる。
また、請求項６に記載の発明では、目標蓄熱量（Ｑ０）が多い場合、貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の各検出温度から残湯分（Ｗ１）を判定する残湯判定温度（Ｔｄｒ）を高く変更することを特徴としている。この請求項６に記載の発明によれば、目標蓄熱量（Ｑ０）が多く、沸き上げ水量（Ｗ２）を最高の沸き上げ温度にて沸き上げた場合にも目標に達しない場合、そのままでは昼間の沸き上げ運転時間が増加する。そこで、給水温度の上昇による沸き上げ時の運転効率低下と、昼間と深夜との電気料金の差を勘案し、残湯判定温度（Ｔｄｒ）を高く変更し、残湯分（Ｗ１）を少なく見積るようにしても良い。
また、請求項７に記載の発明では、目標蓄熱量（Ｑ０）が多い場合、所定の貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知する沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を高く変更することを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、目標蓄熱量（Ｑ０）が多く、沸き上げ水量（Ｗ２）を最高の沸き上げ温度にて沸き上げた場合にも目標に達しない場合、そのままでは昼間の沸き上げ運転時間が増加する。そこで、給水温度の上昇による沸き上げ時の運転効率低下と、昼間と深夜との電気料金の差を勘案し、沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を高く変更して目標温度に達し易いようにしても良い。
また、請求項８に記載の発明では、貯湯槽（１）内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ供給するために貯湯槽（１）の中程から導出された中温給湯路（１３）を備えると共に、貯湯槽（１）内の湯が外部で所望されるときには、貯湯槽（１）内上部に貯えられた高温の湯に先駆けてまず中温の湯から出湯することを特徴としている。
これは、前日の残り湯を優先して使用するために、貯湯槽（１）中間部位より下方まで湯がある場合には貯湯槽（１）上方の高温給湯路（１２）に優先して中間部位の中温給湯路（１３）から出湯を行うものである。この請求項８に記載の発明によれば、放熱によって温度の低下した残り湯を優先して消費するため、当日の残湯温度を上げることが可能となり、翌日の貯湯槽（１）の蓄熱量が向上する。すなわち、深夜電力時間帯に貯められる熱量が増加するため、昼間の電気料金が高い時間帯における追加沸き増しを極力防止できる。これにより、維持費を安くすることができる。
また、請求項９に記載の発明では、制御手段（２２）は、目標蓄熱量（Ｑ０）が少ない場合は貯湯槽（１）内で必要量のみ沸き上げると共に、中温給湯路（１３）から得られる湯水が出湯温度に達しない場合、中温給湯路（１３）からの湯水と高温給湯路（１２）からの湯を混合して出湯することを特徴としている。この請求項９に記載の発明によれば、目標蓄熱量（Ｑ０）が少ない場合は、貯湯槽（１）の全量を沸き上げない可能性も有るので、出湯のたびに貯湯槽（１）内を水が通過するよう中温給湯路（１３）を常に通水する。こうすることで貯湯槽（１）下部に同じ湯水が長期に滞留しないようにできる。
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成概要を示す模式図である。図に示すように、大別すると給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンク（貯湯槽）１と、この貯湯タンク１内下部の水を貯湯タンク１内上部に送る循環水路１６と、この循環水路１６に設けられて循環水路１６を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニット２とからなる。
また、貯湯タンク１には、貯湯タンク１内の湯が外部で所望されるときに貯湯タンク１内上部に貯えられた高温の湯を外部へ供給するために貯湯タンク１の上部から導出された高温給湯路１２と、貯湯タンク１内の湯が外部で所望されるときに貯湯タンク１内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ供給するために貯湯槽の中程から導出された中温給湯路１３と、貯湯タンク１内の湯がいずれかの給湯路１２・１３を通って外部へ供給されたときに貯湯タンク１内下部へ水を補給する給水路１１とが接続されている。
また、貯湯タンク１には、高さ方向に複数個設けられて貯湯タンク１内の貯湯量および貯湯温度を検出する水位センサ（貯湯温度検出手段）２１ａ〜２１ｅと、これらの機器の作動を制御する制御装置（制御手段）２２とを備えている。
貯湯タンク１は、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）であり、外周部に図示しない断熱材が配置されており高温の給湯用の湯を長時間にわたって保温することができるようになっている。貯湯タンク１は縦長形状であり、その底面には給水導入口１１ａが設けられ、この給水導入口１１ａには貯湯タンク１内の最下部に水道水を導入する給水路１１が接続されている。
給水路１１には温度検出手段である給水サーミスタ１７が設けられており、給水路１１内の温度情報を後述する制御装置２２に出力するようになっている。また、給水路１１には導入される水道水の水圧が所定圧となるように調節する図示しない減圧弁が設けられている。そして、給水路１１の給水サーミスタ１７および減圧弁が設けられた位置より下流側と後述する混合弁１４とはバイパス流路１１ｂにより繋がれている。
一方、貯湯タンク１の最上部には高温導出口１２ａが設けられ、高温導出口１２ａには貯湯タンク１内上部に貯えられた高温の湯を導出するための高温給湯路１２が接続されている。また、貯湯タンク１の側面部中程には給湯経路の上流側端部である中温導出口１３ａが設けられ、この中温導出口１３ａには貯湯タンク１内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ導出するための中温給湯路１３が接続されている。
また、中温給湯路１３には、先程のバイパス流路１１ｂより供給される水道水と、中温導出口１３ａから導出される中温の湯とを混合して所定の温度とする第１混合弁１４が配設され、出口側が後述する第２混合弁１５の一方の入口側と連通するように接続され、後述する制御装置２２により制御される。尚、この第１混合弁１４と中温導出口１３ａとの間には温度検出手段である中温サーミスタ１８が設けられており、中温導出口１３ａから導出される中温の湯の温度情報を後述する制御装置２２に出力するようになっている。
次に、第２混合弁１５は、図示しない給湯水栓に供給する湯温を調節する温度調節弁であって、バイパス流路１１ｂ・第１混合弁１４・中温給湯路１３と高温給湯路１２との合流点に配置されており、開口面積比を調節することにより、高温給湯路１２からの湯と中温給湯路１３からの湯、もしくはバイパス流路１１ｂからの水道水との混合比を調節できるようになっている。
尚、この第２混合弁１５と高温導出口１２ａとの間には温度検出手段である高温サーミスタ１９が設けられており、高温導出口１２ａから導出される高温の湯の温度情報を後述する制御装置２２に出力するようになっている。また、第２混合弁１５の後流には温度検出手段である給湯サーミスタ２０が設けられており、第２混合弁１５から供給される湯の温度情報を後述する制御装置２２に出力するようになっている。
そして、この高温水混合弁１５の出口側は、台所・洗面所・浴室などの図示しない給湯水栓、シャワー、浴槽水栓などに通じている。尚、第１・第２混合弁１４・１５は共にサーボモータ等の駆動源により弁体を駆動して各経路の開度を調節する電動弁であり、後述する制御装置２２からの制御信号により作動すると共に、作動状態を制御装置２２に出力するようになっている。
次に、貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の最下部の水を吸入するための吸入口１６ａが設けられ、貯湯タンク１の上方には、貯湯タンク１内の最上部に湯を吐出する吐出口１６ｂが設けられている。吸入口１６ａと吐出口１６ｂとは循環水路１６で接続されており、循環水路１６の一部はヒートポンプユニット２内に配置されている。
このヒートポンプユニット２は、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素（ＣＯ２）を使用するヒートポンプサイクル、および貯湯タンク１の下部から水を循環し、ヒートポンプサイクルによって加熱後に貯湯タンク１の上部に戻す循環水路１６と、循環水路１６中に設置された給水ポンプ９とから構成されている。ちなみに、超臨界ヒートポンプによれば、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温（例えば、８５℃〜９０℃程度）の湯を貯湯タンク１内に貯えることができる。尚、ヒートポンプユニット２は後述する制御装置２２からの制御信号により作動すると共に、作動状態を制御装置２２に出力するようになっている。
ヒートポンプサイクルは、電動式のコンプレッサ３・水−冷媒熱交換器４・電気式膨張弁５および空気熱交換器６を順次冷媒配管によって接続して構成されている。コンプレッサ３は、内蔵する図示しない電動モータによって回転駆動され、空気熱交換器６より吸引した冷媒を臨界圧力以上の高圧に圧縮して吐出する電動式の冷媒圧縮機である。
動力源として交流電力を用い、主に、料金設定の最も安い深夜時間帯の深夜電力を用いて、貯湯タンク１内の湯を沸き上げる蓄熱運転を行っているが、昼間時間帯においても貯湯タンク１内最上部の湯温が低下してくると沸き上げ運転を行うよう制御される。このコンプレッサ３は、色々な運転条件下において規定の能力が出るよう制御装置２２により回転数が制御される。また、電気式膨張弁５は、水−冷媒熱交換器４から流出する高圧の冷媒を減圧する装置で、制御装置２２によって弁開度が電気的に制御される。
そして、空気熱交換器６は、電気式膨張弁５で減圧された冷媒を空気熱交換器用の図示しない送風ファンによって送風される室外空気との熱交換によって蒸発気化させ、コンプレッサ３にガス冷媒を供給する。その送風ファンは、空気熱交換器６の熱交換性能を確保するよう、制御装置２２によって回転数が制御される。
水−冷媒熱交換器４は、コンプレッサ３の吐出口より吐出された高圧・高温の冷媒によって水を湯に昇温させる熱交換器である。水−冷媒熱交換器４中の冷媒側熱交換器４ａは、コンプレッサ３の吐出口より吐出された高圧のガス冷媒と温水とを熱交換する冷媒流路管により構成されている。そして、水−冷媒熱交換器４は、冷媒側熱交換器４ａの一端面に水側熱交換器４ｂの他端面が熱交換可能に密着するように配置された二層構造となっている。
その給湯用熱交換器４ｂは、冷媒側熱交換器４ａの冷媒入口部から冷媒出口部に至る冷媒流路の全長で冷媒と温水との熱交換を行なうように構成されており、水側熱交換器４ｂの出口部から給湯温度（６５℃〜９０℃程度）相当の温水を取り出した時に、規定の熱交換性能を出せるように構成されている。循環水路１６は、水−冷媒熱交換器４中の水側熱交換器（熱源器）４ｂ・貯湯タンク１および給水ポンプ９を順次貯湯用配管により接続して構成された循環回路である。
給水ポンプ９は循環水路１６の途中に設置されており、内蔵する図示しない電動モータによって回転駆動されて、沸き上げ運転時に、水側熱交換器４ｂ内で加熱された温水を貯湯タンク１に還流させるように作動するウォータポンプである。この給水ポンプ９は、水側熱交換器４ｂの出口側水温が、色々な運転条件下において決定される、所定の沸き上げ目標温度となるように、制御装置２２によって回転数が制御される。
ちなみに７ａはコンプレッサ３から吐出される冷媒の温度を検出する吐出冷媒温度サーミスタであり、７ｂは水−冷媒熱交換器４（冷媒側熱交換器４ａ）出口での冷媒温度を検出する出口冷媒温度サーミスタである。また、８ａは水−冷媒熱交換器４（水側熱交換器４ｂ）に供給される水の温度を検出する入水温度サーミスタであり、８ｂは水−冷媒熱交換器４（水側熱交換器４ｂ）出口での沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度サーミスタである。そして、いずれのサーミスタも温度状態を制御装置２２に出力するようになっている。
また、貯湯タンク１の外壁面には、貯湯量および貯湯温度を検出するための貯湯温度検出手段である複数（本例では５つ）の水位サーミスタ２１ａ〜２１ｅが縦方向（貯湯タンク１の高さ方向）にほぼ等間隔に配置され、貯湯タンク１内に満たされた湯もしくは水の各水位レベルでの温度情報を後述する制御装置２２に出力するようになっている。従って、制御装置２２は、水位サーミスタ２１ａ〜２１ｅからの温度情報に基づいて、貯湯タンク１内上方の沸き上げられた湯と貯湯タンク１内下方の沸き上げられる前の水との境界位置を検出できると共に、これにより貯湯量が検出できるようになっている。
尚、これらのうち水位サーミスタ２１ａは、貯湯タンク１の最上部外壁面に設けられており、高温導出口１２ａに吸入される高温の湯の温度である貯湯タンク１内最上部の湯温を検出する出湯サーミスタの機能も有している。また、水位サーミスタ２１ｃは前述の中温導出口１３ａとほぼ同一の高さに配置されている。これにより、中温導出口１３ａから導出される湯温を検出する出湯サーミスタの機能も有している。
次に、２２は制御手段である制御装置であり、各サーミスタ１７〜２０・２１ａ〜２１ｅからの温度情報および図示しない操作盤に設けられた操作スイッチからの信号等に基づいて、後述するようにヒートポンプユニット２や第１・第２混合弁１４・１５などを制御するように構成されている。尚、図示しない操作盤は、浴室内や台所等の湯を使用する場所の近傍に設置され、操作盤以外は、屋外等の適所に設置されている。
次に、上記構成による貯湯式ヒートポンプ給湯装置の作動を説明する。給湯装置の図示しない電源スイッチがオンされている場合には、制御装置２２は、貯湯タンク１に設けられた各サーミスタからの温度情報等や、図示しない操作盤により設定された時刻情報等に基づいて、適宜ヒートポンプユニット２を作動させ貯湯タンク１内の水を加熱して高温の湯（例えば８５℃の湯）とする。
図２は、本発明の第１実施形態における制御装置２２の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。本貯湯式ヒートポンプ給湯装置は、深夜電力時間帯に入るなどにより沸き上げ可能な状態になった際、まずステップＳ１で、過去の給湯実績などから目標蓄熱量Ｑ０を決定する。同時にそのときの貯湯タンク１内の残湯分（残湯量Ｗ１および残湯温度）を水位センサ２１ａ〜２１ｅで検出し、その検出値から残り湯の熱量Ｑ１を算出する。
そして、先に決定した目標蓄熱量Ｑ０から残り湯の熱量Ｑ１を差し引いた熱量を沸き上げ目標熱量Ｑ２とする。また、貯湯タンク１の全容量Ｗ０から残湯量Ｗ０を差し引いた水量を沸き上げ水量Ｗ２とし、これで先に算出した目標熱量Ｑ２を除して給水温度を加えることで沸き上げ目標温度Ｔ０を算出する。そして、現給水温度の沸き上げ水量Ｗ２を、ヒートポンプユニット２の加熱能力で沸き上げ目標温度Ｔ０まで沸き上げための沸き上げ必要時間ｔｎを算出する。実際の沸き上げ開始時刻は、電力料金の安い深夜電力時間帯の終了時刻に沸き上げが完了するように沸き上げ必要時間ｔｎを逆算した時刻として決定する。
次に、ステップＳ２で沸き上げ開始時刻になったか否かを判定する。その結果がＮＯで沸き上げ開始時刻前であれば、ステップＳ１・Ｓ２を繰り返して沸き上げ運転条件を再算出しながら沸き上げ開始時刻を待ち、ステップＳ２の判定結果がＹＥＳで沸き上げ開始時刻となったらステップＳ３へ進んで沸き上げ運転を開始する。次のステップＳ４では、沸き上げ終了条件となるまで沸き上げ運転を続行する。本実施形態ではステップＳ１で算出した沸き上げ必要時間ｔｎの経過をもってステップＳ５へ進み、沸き上げ運転を停止させるものである。
次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、制御装置２２は、ヒートポンプユニット２にて貯湯タンク１内下部の水を沸き上げる際、水位センサ２１ａ〜２１ｅにて検出される貯湯タンク１内の残湯分Ｗ１に相当する湯量を残した状態で沸き上げを停止する。これによれば、貯湯タンク１内の沸き上げを行う際、まず貯湯タンク１内の残湯分Ｗ１を検出し、その後は検出した残湯分Ｗ１に相当する湯量が残る状態までで沸き上げを停止させることとなる。このときの貯湯状態は、前日の残り湯の上方に、ヒートポンプユニット２によって新たに沸き上げた湯を積層した状態となる。これにより、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、制御装置２２は、水位センサ２１ａ〜２１ｅ間の温度状態を水位センサ２１ａ〜２１ｅの各検出温度から推定し、その結果から残湯分Ｗ１を算出している。これは、各水位センサ２１ａ〜２１ｅの位置と検出温度だけで残湯分Ｗ１を大まかに決定するのではなく、例えば水位センサ２１ａ〜２１ｅ間の温度勾配を水位センサ２１ａ〜２１ｅの各検出温度から直線補完によって算出するなどして、貯湯タンク１内の残湯分Ｗ１をより正確に検出しようとするものである。これによって、より正確な量での沸き上げが可能となるうえ、残り湯を凝縮器に供給しないよう正確に沸き上げを停止することが可能となる。
また、制御装置２２は、ヒートポンプユニット２の加熱能力から算出した沸き上げ必要時間ｔｎの経過をもって沸き上げを停止させている。これは、残湯分Ｗ１を正確に検出して貯湯タンク１の全容量Ｗ０から差し引くことで正確な沸き上げ水量Ｗ２が出る。そのため、この水量Ｗ２を所定の加熱能力で目標熱量まで沸き上げるための所要時間も容易に算出できるため、このように時間で制御して沸き上げを停止させても、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。尚、ヒートポンプユニット２の加熱能力を確保するために、コンプレッサ３の回転数は外気温度および空気熱交換器６の冷媒蒸発温度によって決められている。
また、貯湯タンク１内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ供給するために貯湯タンク１の中程から導出された中温給湯路１３を備えると共に、貯湯タンク１内の湯が外部で所望されるときには、貯湯タンク１内上部に貯えられた高温の湯に先駆けてまず中温の湯から出湯することとしている。
これは、前日の残り湯を優先して使用するために、貯湯タンク１中間部位より下方まで湯がある場合には貯湯タンク１上方の高温給湯路１２に優先して中間部位の中温給湯路１３から出湯を行うものである。これによれば、放熱によって温度の低下した残り湯を優先して消費するため、当日の残湯温度を上げることが可能となり、翌日の貯湯タンク１の蓄熱量が向上する。すなわち、深夜電力時間帯に貯められる熱量が増加するため、昼間の電気料金が高い時間帯における追加沸き増しを極力防止できる。これにより、維持費を安くすることができる。
また、制御装置２２は、目標蓄熱量Ｑ０が少ない場合は貯湯タンク１内で必要量のみ沸き上げると共に、中温給湯路１３から得られる湯水が出湯温度に達しない場合、中温給湯路１３からの湯水と高温給湯路１２からの湯を混合して出湯するようにしている。これによれば、目標蓄熱量Ｑ０が少ない場合は、貯湯タンク１の全量を沸き上げない可能性も有るので、出湯のたびに貯湯タンク１内を水が通過するよう中温給湯路１３を常に通水する。こうすることで貯湯タンク１下部に同じ湯水が長期に滞留しないようにできる。
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２・第３実施形態における制御装置２２の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。尚、上述の第１実施形態とは、ステップＳ１の内容がステップＳ１１の内容に変わるのみで、他のステップは第１実施形態（図２）と同等である。ステップＳ１１ではまず、過去の給湯実績などから目標蓄熱量Ｑ０を決定する。同時にそのときの貯湯タンク１内の残湯分（残湯量Ｗ１および残湯温度）を水位センサ２１ａ〜２１ｅで検出し、その検出値から残り湯の熱量Ｑ１を算出する。そして、先に決定した目標蓄熱量Ｑ０から残り湯の熱量Ｑ１を差し引いた熱量を沸き上げ目標熱量Ｑ２とする。
また、貯湯タンク１の全容量Ｗ０から残湯量Ｗ０を差し引いた水量を沸き上げ水量Ｗ２とし、これで先に算出した目標熱量Ｑ２を除して給水温度を加えることで沸き上げ目標温度Ｔ０を算出する。次に、上記で算出した沸き上げ水量Ｗ２に相当する位置近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅを選定すると共に、その水位センサで検出するヒートポンプユニット２での沸き上げ目標温度Ｔ０を基準にした沸き上げ判定温度Ｔｄｂを決める。そして、実際の沸き上げ開始時刻は、第１実施形態と同様に沸き上げ必要時間ｔｎを算出し、電力料金の安い深夜電力時間帯の終了時刻に沸き上げが完了するように沸き上げ必要時間ｔｎを逆算した時刻として決定する。
次に、ステップＳ２で沸き上げ開始時刻になったか否かを判定する。その結果がＮＯで沸き上げ開始時刻前であれば、ステップＳ１・Ｓ２を繰り返して沸き上げ運転条件を再算出しながら沸き上げ開始時刻を待ち、ステップＳ２の判定結果がＹＥＳで沸き上げ開始時刻となったらステップＳ３へ進んで沸き上げ運転を開始する。次のステップＳ４では、沸き上げ終了条件となるまで沸き上げ運転を続行する。本実施形態ではステップＳ１で選定した水位センサで、同じくステップＳ１で決めた沸き上げ判定温度Ｔｄｂが検知されたらステップＳ５へ進み、沸き上げ運転を停止させるものである。
次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、制御装置２２は、ヒートポンプユニット２での沸き上げ目標温度Ｔ０を基準にして決めた沸き上げ判定温度Ｔｄｂを、所定の水位センサ２１ａ〜２１ｅで検知したことによって沸き上げを停止させている。これによれば、沸き上げ水量Ｗ２に相当する位置で所定温度になったことを検出して沸き上げを停止させることでも、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、制御装置２２は、過去の給湯実績から貯湯タンク１内への目標蓄熱量Ｑ０を決定すると共に、その目標蓄熱量Ｑ０に応じて沸き上げ判定温度Ｔｄｂを検知する、いわゆる沸き上げ終了判定をする水位センサ２１ａ〜２１ｅを選定している。これによれば、目標蓄熱量Ｑ０に応じて上記したように沸き上げ水量Ｗ２に相当する位置近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅを選定することとなる。
また、目標蓄熱量Ｑ０が多い場合、水位センサ２１ａ〜２１ｅの各検出温度から残湯分Ｗ１を判定する残湯判定温度Ｔｄｒを高く変更している。これによれば、目標蓄熱量Ｑ０が多く、沸き上げ水量Ｗ２を最高の沸き上げ温度にて沸き上げた場合にも目標に達しない場合、そのままでは昼間の沸き上げ運転時間が増加する。そこで、給水温度の上昇による沸き上げ時の運転効率低下と、昼間と深夜との電気料金の差を勘案し、残湯判定温度Ｔｄｒを高く変更し、残湯分Ｗ１を少なく見積るようにしても良い。
または、目標蓄熱量Ｑ０が多い場合、所定の水位センサ２１ａ〜２１ｅで検知する沸き上げ判定温度Ｔｄｂを低く変更している。これによれば、目標蓄熱量Ｑ０が多く、沸き上げ水量Ｗ２を最高の沸き上げ温度にて沸き上げた場合にも目標に達しない場合、そのままでは昼間の沸き上げ運転時間が増加する。そこで、給水温度の上昇による沸き上げ時の運転効率低下と、昼間と深夜との電気料金の差を勘案し、沸き上げ判定温度Ｔｄｂを高く変更して目標温度に達し易いようにしても良い。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。図３は、本発明の第２・第３実施形態における制御装置２２の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。尚、上述の第２実施形態とは、沸き上げ判定温度Ｔｄｂの検知方法のみ異なる。
具体的に、上述の第２実施形態では沸き上げ水量Ｗ２に相当する位置で、ヒートポンプユニット２での沸き上げ目標温度Ｔ０を基準にして決めた沸き上げ判定温度Ｔｄｂ（つまり、新たに沸き上げた湯の下端に相当する温度）になったことを検出して沸き上げを停止させているのに対し、本実施形態では沸き上げ水量Ｗ２＋残湯分Ｗ１に相当する位置で、沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅでの検出値を基準にした判定温度Ｔｄｂ（つまり、残湯分Ｗ１の下端に相当する温度）を検出して沸き上げを停止させている点のみが異なる。
次に、本実施形態での特徴について述べる。まず、制御装置２２は、沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅでの検出値を基準にした沸き上げ判定温度Ｔｄｂを、所定の水位センサ２１ａ〜２１ｅで検知したことによって沸き上げを停止させている。これによれば、貯湯タンク１下方の所定の水位センサ２１ａ〜２１ｅ（つまり、沸き上げ水量Ｗ２＋残湯分Ｗ１に相当する位置）で沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅでの検出値を基準にした判定温度Ｔｄｂ（つまり、残湯分Ｗ１の下端に相当する温度）を検出して沸き上げを停止させることでも、中温の残り湯を凝縮器に供給することがなく、ヒートポンプサイクルの運転効率の低下を防止することができる。
また、制御装置２２は、過去の給湯実績から貯湯タンク１内への目標蓄熱量Ｑ０を決定すると共に、その目標蓄熱量Ｑ０に応じて沸き上げ判定温度Ｔｄｂを検知する、いわゆる沸き上げ終了判定をする水位センサ２１ａ〜２１ｅを選定している。これによれば、目標蓄熱量Ｑ０に応じて上記したように沸き上げ水量Ｗ２＋残湯分Ｗ１に相当する位置近傍の水位センサ２１ａ〜２１ｅを選定することとなる。
（他の実施形態）
以述の実施形態では、ヒートポンプユニット２の電源に深夜電力を用いたが、これに限らず、昼間時間帯の交流電力を用いても良い。
本発明の実施形態に係る貯湯式ヒートポンプ給湯装置の構成概要を示す模式図である。 本発明の第１実施形態における制御装置２２の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第２・第３実施形態における制御装置２２の沸き上げ運転の制御処理を示すフローチャートである。
符号の説明
１…貯湯タンク（貯湯槽）
２…ヒートポンプユニット
１１…給水路
１２…高温給湯路
１３…中温給湯路
１６…循環水路
２１ａ〜２１ｅ…水位サーミスタ（貯湯温度検出手段）
２２…制御装置（制御手段）
Ｔ０…沸き上げ目標温度
Ｔｄｂ…沸き上げ判定温度
Ｔｄｒ…残湯判定温度
ｔｎ…沸き上げ必要時間
Ｑ０…目標蓄熱量
Ｗ１…残湯量（残湯分）

Claims (9)

  1. 給湯用の湯を内部に貯える貯湯槽（１）と、
    前記貯湯槽（１）内下部の水を前記貯湯槽（１）内上部に送る循環水路（１６）と、
    前記循環水路（１６）に設けられて前記循環水路（１６）を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニット（２）と、
    前記貯湯槽（１）内の湯が外部で所望されるときに前記貯湯槽（１）内上部に貯えられた高温の湯を外部へ供給するために前記貯湯槽（１）の上部から導出された高温給湯路（１２）と、
    前記貯湯槽（１）内の湯が前記高温給湯路（１２）から外部へ供給されたときに、前記貯湯槽（１）内下部へ水を補給する給水路（１１）と、
    前記貯湯槽（１）の高さ方向に複数個設けられて前記貯湯槽（１）内の貯湯量および貯湯温度を検出する貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）と、
    これらの作動を制御する制御手段（２２）とを備える貯湯式ヒートポンプ給湯装置において、
    前記制御手段（２２）は、前記ヒートポンプユニット（２）にて前記貯湯槽（１）内下部の水を沸き上げる際、前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）にて検出される前記貯湯槽（１）内の残湯分（Ｗ１）に相当する湯量を残した状態で前記沸き上げを停止するために、前記制御手段（２２）は、前記ヒートポンプユニット（２）での沸き上げ目標温度（Ｔ０）を基準にして決めた沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を、所定の前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知したことによって前記沸き上げを停止させることを特徴とする貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  2. 前記制御手段（２２）は、前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）間の温度状態を前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の各検出温度から推定し、その結果から前記残湯分（Ｗ１）を算出することを特徴とする請求項１に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  3. 前記制御手段（２２）は、前記ヒートポンプユニット（２）の加熱能力から算出した沸き上げ必要時間（ｔｎ）の経過をもって前記沸き上げを停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  4. 前記制御手段（２２）は、前記沸き上げを開始する際の湯水境界層近傍の前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）での検出値を基準にした沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を、所定の前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知したことによって前記沸き上げを停止させることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  5. 前記制御手段（２２）は、過去の給湯実績から前記貯湯槽（１）内への目標蓄熱量（Ｑ０）を決定すると共に、その目標蓄熱量（Ｑ０）に応じて前記沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を検知する前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）を選定することを特徴とする請求項１または請求項４に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  6. 前記目標蓄熱量（Ｑ０）が多い場合、前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）の各検出温度から前記残湯分（Ｗ１）を判定する残湯判定温度（Ｔｄｒ）を高く変更することを特徴とする請求項１または請求項４に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  7. 前記目標蓄熱量（Ｑ０）が多い場合、所定の前記貯湯温度検出手段（２１ａ〜２１ｅ）で検知する前記沸き上げ判定温度（Ｔｄｂ）を高く変更することを特徴とする請求項１または請求項４に記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  8. 前記貯湯槽（１）内上部の高温の湯と下部の水との間に貯えられた中温の湯を外部へ供給するために前記貯湯槽（１）の中程から導出された中温給湯路（１３）を備えると共に、前記貯湯槽（１）内の湯が外部で所望されるときには、前記貯湯槽（１）内上部に貯えられた高温の湯に先駆けてまず前記中温の湯から出湯することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
  9. 前記制御手段（２２）は、前記目標蓄熱量（Ｑ０）が少ない場合は前記貯湯槽（１）内で必要量のみ沸き上げると共に、前記中温給湯路（１３）から得られる湯水が出湯温度に達しない場合、前記中温給湯路（１３）からの湯水と前記高温給湯路（１２）からの湯を混合して出湯することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の貯湯式ヒートポンプ給湯装置。
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