JP3963018B2

JP3963018B2 - 大容量給湯システム及びその運転方法

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Publication number: JP3963018B2
Application number: JP2004263767A
Authority: JP
Inventors: 葉子田村; 文広吉川
Original assignee: Nihon Itomic Co Ltd
Current assignee: Nihon Itomic Co Ltd
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: JP2006078111A

Description

本発明は貯湯式電気温水器を用いた大容量の連続給湯が可能で、しかも電気給湯器の負荷を均一にすることができる大容量給湯システム及びその運転方法に関するものである。

貯湯式電気温水器を複数組み合わせて使用するシステムとして、例えば特許文献１乃至特許文献３のシステムがある。

特許文献１に記載された給湯装置は、コストアップを抑制しながらも居住性を向上し得るようにしたもので、加熱手段によって加熱された湯を、略平行に一列に並べて配置された複数の貯湯タンクに貯溜するものである。このことで、例えば従来の一個の貯湯タンクと同等の貯湯容量とする場合に、各貯湯タンクの径を従来よりも小さくすることが可能となり、例えば路地に設置する場合の通行スペースや、ベランダ等における行動可能空間が広くなり、居住性を従来よりも向上することができ、各貯湯タンクに対して加熱手段、給水配管、給湯配管を共用する構造であるので、コストアップを抑制できるとするものである。

特許文献２に記載された給湯装置は、設定温度に達した湯の供給をより迅速になし得るように工夫された給湯装置である。この給湯装置の第３実施例には、貯湯タンクを複数並列に設けると共に、各貯湯タンクの給水口にはそれぞれ開閉弁を設け、これらの開閉弁の開閉状態を切換えていくことにより、給水・給湯の作動をなすタンクを択一的に選択するようにした構成が記載されている。そして、複数の貯湯タンクを個別に使用することで、各貯湯タンク内における各貯湯水間の熱伝導も殆ど生じなくなり、１本のタンク内で上部側と下部側とにそれぞれ湯と水とを分離状態として維持する場合に比べて、各貯湯タンク間でより確実な分離状態が得られ、また、１本のタンクで構成した場合と同一の内容量とすることによって、各貯湯タンクの径を小さくすることができ、例えばマンションのベランダ等に設置する場合に壁面に密着させて据付けることができるとしている。

特許文献３は、貯湯槽を有するヒートポンプ式給湯設備に関するもので、設備費を大きく増やすことなく、貯湯量不足又は湯温上昇不足を回避する目的で構成されている。この給湯設備によると、外気から吸収した熱により水を加熱する給湯用ヒートポンプと、貯湯槽内の水温を検出する第１の温度センサと、外気温を検出する第２の温度センサと水源からの水の温度を検出する第３の温度センサとのいずれか一方又は両方と、夜間電力時間帯及び上記夜間電力時間帯開始前の第１の所定時間帯が設定される２４時間タイマと、を備えたものである。そして、夜間電力時間帯開始前の第１の所定時間帯に、第２の温度センサにより検出される外気温又は第３の温度センサにより検出される水源からの水温が各々の所定値以下である場合には、第１の制御手段が貯湯モードの運転を行なうようにすることで、夜間電力時間帯開始と同時に貯湯モードの運転を開始する場合よりも、貯湯モードの運転が早く開始されることになり、貯輸槽内の水温及び水位の上昇も早くなるというものである。
特公平７−１１７２９０号公報特公平７−４５９６２号公報特許第３３７１６２２号公報

これら従来のシステムでは、いずれも複数本の貯湯タンクを使用していても、これらの貯湯タンクを大容量の給湯システムに用いることは困難であった。例えば特許文献１及び特許文献２では、従来と同量の貯湯容量を使用する場合に複数の貯湯タンクを使用し、各貯湯タンクのサイズを小さくすることで、ベランダ等に設置可能にするもので、大容量の給湯システムにおける連続給湯を実現するものではなかった。

すなわち引用文献１では、複数の貯湯タンクを並列に接続しているので、貯湯タンクを交換するたびに、各貯湯タンクに装着している開閉弁を切り換える必要があり、貯湯タンクすべての湯を給湯するには、貯湯タンクの数に比例した多くの操作が必要になる。しかも、すべての貯湯タンクの湯がなくなった時点で連続給湯ができなくなる不都合もある。また、引用文献１の別の実施例では、給湯していない貯湯タンクの追い焚きを可能にした構成も見られるが、各貯湯タンクと熱交換器との間に極めて多くの配管と開閉弁を備えたものであることから、極めて複雑な装置になっている。この結果、給湯と追い焚きを同時に行う際に、各開閉弁の操作が極めて複雑になると共に、各開閉弁の操作如何によっては、一本の給湯管に複数の配管からの湯水が集中する可能性もあり、配管や電気給湯器に過大な負荷が生じて大きな危険性を伴うおそれがあった。

また、引用文献２によると、熱交換器で沸かした湯を一旦補助タンクに貯湯し、この補助タンクの湯を隣接した複数の貯湯タンク内に移して使用するものである。ところが、補助タンクから貯湯タンクに給湯する場合は、この貯湯タンクの上層部から内部に移され、給湯する際にこの貯湯タンクの上層部から給湯することになる。このため、補助タンクから貯湯タンクに移される湯は、常に各貯湯タンクの上層部で出し入れされるので、貯湯タンクの下層部には、いつまでも古い湯水が残留することになる。また、ヒートポンプでは、摂氏５０度以下でなければヒートポンプで加熱できない特性があるので、貯湯タンクの湯水を再加熱する場合は、温度が高いと再加熱できず、循環できない湯が死に水となって残る不都合もあった。

一方、引用文献３では、貯湯量不足又は湯温上昇不足を回避するために、温度センサと24時間タイマとを備えているが、使用する湯は夜間電力時間帯とその前後の時間帯を利用してすべて沸かし上げるものなので、このシステムを利用して大容量の給湯システムを構築するには、極めて多くの貯湯槽が必要になる。しかも、使用可能な湯量は、予め沸かし上げた湯量に制限されるので、貯湯量以上の給湯が必要になった場合には、全く対応できなくなる不都合もある。

そこで本発明は上述の課題を解消すべく創出されたもので、大容量の給湯を行う際に、電気給湯器の負荷を均一にすることができ、しかも給湯及び追い焚きのコントロール操作が容易になり、給湯量が貯湯タンクの貯湯量を上回る場合でも柔軟に対応して大容量の連続給湯を可能にする大容量給湯システム及びその運転方法の提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、湯水を加熱する加熱手段Ｈと、湯水を循環せしめる給湯路Ｐと、給湯路Ｐにより供給される給水圧ですべての湯が連動するように直列接続管Ｑにて直列に接続された複数の貯湯タンクＴとを有する貯湯式電気温水器を設け、該貯湯式電気温水器を二台組み合わせ、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路Ｐによる給水を前記貯湯タンクＴと前記加熱手段Ｈとに分流せしめ、該加熱手段Ｈで追い焚きした湯を前記貯湯タンクＴ内の湯と共に給湯することで、前記貯湯タンクＴからの給湯時間を延長する給湯システムにおいて、各貯湯式電気温水器は、湯水を加熱する加熱手段Ｈと、複数の貯湯タンクＴと、湯水を循環せしめる給湯路Ｐとを夫々有し、各給湯路Ｐに装着した電動弁Ｍを介して複数台の貯湯式電気温水器への給湯路Ｐを交互に開閉すると共に、開放された給湯路Ｐから供給される給水圧により、一方の貯湯式電気温水器におけるすべての貯湯タンクＴが直列状態になって給湯するように、各貯湯タンクＴに直列接続管Ｑを配設したことにある。

第２の手段は、前記加熱手段Ｈとして、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用いることにある。

第３の手段は、湯水を加熱する加熱手段Ｈと、湯水を循環せしめる給湯路Ｐと、給湯路Ｐにより供給される給水圧ですべての湯が連動するように直列接続管Ｑにて直列に接続された複数の貯湯タンクＴとを有する貯湯式電気温水器を設け、該貯湯式電気温水器を二台組み合わせて交互運転する大容量給湯システムの運転方法において、各加熱手段Ｈで沸かした湯を各貯湯式電気温水器の各貯湯タンクＴ内に貯湯し、各給湯路Ｐに装着した電動弁Ｍと直列接続管Ｑとを介して第１の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯を順次給湯し、該貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少した時点で各給湯路Ｐに装着した電動弁Ｍを切り替えて該給湯路Ｐを閉鎖すると共に、第２の貯湯式電気温水器の給湯路Ｐを開放してこの各貯湯タンクＴ内から順次給湯し、同時に、給湯路Ｐを閉鎖した第１の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の水を加熱手段Ｈで追い焚きし、第２の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する間に沸かし上げるもので、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路Ｐによる給水を前記貯湯タンクＴと前記加熱手段Ｈとに分流せしめ、該加熱手段Ｈで追い焚きした湯を前記貯湯タンクＴ内の湯と共に給湯することで、前記貯湯タンクＴからの給湯時間を延長することで連続給湯自在に運転することにある。

第４の手段において、前記貯湯式電気温水器を三台以上使用してローテーション運転し、先行する貯湯式電気温水器において限界量まで給湯した後に沸し上げる運転は、後続の複数台の貯湯式電気温水器における湯量が限界量まで減少する間に沸かし上げて連続給湯自在に運転することにある。

本発明の請求項１によると、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路Ｐによる給水を前記貯湯タンクＴと前記加熱手段Ｈとに分流せしめ、該加熱手段Ｈで追い焚きした湯を前記貯湯タンクＴ内の湯と共に給湯することで、前記貯湯タンクＴからの給湯時間を延長する給湯システムにおいて、各給湯路Ｐに装着した電動弁Ｍを介して複数台の貯湯式電気温水器への給湯路Ｐを交互に開閉すると共に、各貯湯タンクＴに直列接続管Ｑを配設したことで、開放された給湯路Ｐから供給される給水圧により、複数の貯湯タンクＴが直列状態になって給湯されるので、簡単な操作による給湯が可能になる。しかも、電気給湯器の各給湯路Ｐの負荷を均一にすることができる。更に、各貯湯式電気温水器の容量を少なめに設定できるので、大容量の給湯システムでありながら、コンパクトな設置が可能になる。

請求項２により、加熱手段Ｈとして二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用いることで、性能係数（ＣＯＰ）が高いヒートポンプを利用した強力な給湯システムを構築することが可能になった。また、ヒートポンプの特性により、貯湯タンクの下層部に古い湯水が残留する不都合等も解消した。

請求項３により、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路Ｐによる給水を前記貯湯タンクＴと前記加熱手段Ｈとに分流せしめ、該加熱手段Ｈで追い焚きした湯を前記貯湯タンクＴ内の湯と共に給湯し、前記貯湯タンクＴからの給湯時間を延長するので、予定量を上回る給湯量になっても、この給湯と同時に行う追い焚きによって、柔軟に対応することができる。この結果、他方の貯湯式電気温水器における沸かし上げ時間を確保することができ、大容量の連続給湯を可能にしている。また、電気給湯器の加熱手段Ｈの負荷を均一にすることができる。

しかも、追い焚きを開始する設定量を任意に変更することで、一組の貯湯タンクＴによる給湯量や給湯時間を自由に延長することができる。

請求項４により、三台以上の貯湯式電気温水器を組み合わせることで、より高い給湯需要に対応することができ、大容量給湯の適用範囲を広げることが可能になる。

このように本発明によると、大容量の連続給湯を行う際に、電気給湯器の負荷を均一にすることができ、しかも給湯及び追い焚きのコントロール操作が容易になり、給湯量が貯湯タンクの貯湯量を上回る場合でも柔軟に対応して連続給湯を可能にするなどといった種々の効果を奏するものである。

本発明システムの最良の形態は、二台の貯湯式電気温水器を使用する給湯システムである。各貯湯式電気温水器は、湯水を加熱するために二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用いた加熱手段Ｈを備える。更に複数の貯湯タンクＴと、湯水を循環せしめる給湯路Ｐとを夫々備える。そして、各給湯路Ｐに装着した電動弁Ｍを介して二台の貯湯式電気温水器への給湯路Ｐを交互に開閉すると共に、開放された給湯路Ｐから供給される給水圧により、複数の貯湯タンクＴが直列状態になって給湯するように各貯湯タンクＴに直列接続管Ｑを配設するシステムを構成することにより当初の目的を達成するものである。

以下、本発明の一実施例を説明する。本発明システムの主要構成は、複数台の貯湯式電気温水器を組み合わせて使用するものである（図１参照）。各貯湯式電気温水器には、それぞれ加熱手段Ｈ、貯湯タンクＴ、給湯路Ｐ、電動弁Ｍが備えられている。図示例では２台の貯湯式電気温水器を組み合わせているが、３台以上の貯湯式電気温水器を任意に組み合わせることも可能である。

加熱手段Ｈは、湯水を加熱する手段で、ヒートポンプや電気ヒータなどが使用される。特に、大容量の給湯に適した加熱手段Ｈとしては、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用いることで、性能係数（ＣＯＰ）が高い強力な給湯システムを構築することが可能になる。

貯湯タンクＴは、加熱手段Ｈで沸かした湯を貯湯するタンクであり、各貯湯式電気温水器にそれぞれ複数本ずつ配置している。図示の貯湯タンクＴは、６本一組の貯湯タンクＴを用いている。この一組の貯湯タンクＴに3000リットルの貯湯を可能にし、二組の貯湯タンクＴで合計6000リットルの大容量の貯湯量を有するシステムになっている。もっとも、各貯湯タンクＴの容量や貯湯式電気温水器全体の貯湯量は任意に設定することができる。

給湯路Ｐは、給水弁から供給される給水を貯湯タンクＴと加熱手段Ｈとに循環させて給湯栓に至るすべての配管で構成されている。この給湯路Ｐに、後述する直列接続管Ｑと電動弁Ｍとを備える。また、図示の給湯路Ｐには、水道など水源からの給水を開閉する給水栓１、給水栓１から各貯湯タンクＴまでの間に設置される給水口２、各貯湯タンクＴから各電動弁Ｍの間に設置される給湯口３、各電動弁Ｍから給湯栓Ｒまでの間に設置され電動弁Ｍを介して給湯される湯に水を混合して湯の温度を調整する混合弁４、などが装着されている。更に、加熱手段Ｈの給水側に水比例弁５を装着し、この水比例弁５で加熱手段Ｈへの給水または遮断をコントロールするものである。尚、図中符号６は排水路であり、給湯路Ｐ内の膨張水を逃がしたり、メンテナンス時に貯湯タンクＴ内の湯水を排水したりする。

直列接続管Ｑは、複数の貯湯タンクＴを直列状態に接続して一組の貯湯タンクＴを構成するもので、この直列接続管Ｑを介し、給水時の圧力で各貯湯タンクＴに貯湯された湯が連動して排出されるものである。図示例では、右端の貯湯タンクＴの下端部からこの貯湯タンクＴに給水すると、このタンクの上端部から直列接続管Ｑを介して左となりの貯湯タンクＴの下端部から内部に湯が移動する。このような湯の移動を残る貯湯タンクＴすべてで連続し、最終的に左端の貯湯タンクＴ上端部から給湯路Ｐ、電動弁Ｍを介して給湯栓Ｒに供給されるものである。

電動弁Ｍは、複数台の貯湯式電気温水器の一台を選択して給水するように開閉するものである。図示の電動弁Ｍは、二台の貯湯式電気温水器における給湯栓Ｒがわの給湯路Ｐにそれぞれ配置している。このとき、各貯湯式電気温水器における給水がわの給湯路Ｐは、１本の給水路から分岐して各貯湯タンクＴに給水するように接続している。この結果、電動弁Ｍの一方が閉じていると、この閉じた電動弁Ｍがわの貯湯タンクＴに給水できなくなるので開放している電動弁Ｍがわの貯湯タンクＴに給水され、この開放した電動弁Ｍを介して給湯栓Ｒから給湯するものである。

次に、本システムの運転方法について説明する。運転方法の主な手順として、夜間湯沸し運転、初期給湯運転、交換給湯運転、補助追い焚き運転の４段階で運転する。また、交互運転する貯湯式電気温水器の台数は、二台以上任意に設定できるが、図示例では二台の貯湯式電気温水器を運転する方法で説明する。

夜間湯沸し運転では、初期給湯運転の前や長期休止後にも必要な運転で、二台の貯湯式電気温水器（以下、図示上段を１号機、下段を２号機と称する）の各貯湯タンクＴ内全ての水を夜間（22：00〜8：00）に沸かし上げる運転である（図１参照）。このとき、二つの電動弁Ｍはいずれも閉じると共に、各加熱手段Ｈの水比例弁５をそれぞれ開放する。そして、各貯湯タンクＴから加熱手段Ｈを循環させて加熱し、一号機と二号機の貯湯タンクＴすべての水を沸かし上げるものである。この状態から次の初期給湯運転が行われる。

初期給湯運転は、一号機の貯湯タンクＴから順次給湯する運転である（図２参照）。この運転では１号器の電動弁Ｍを開放し、２号機の電動弁Ｍは閉塞する。そして、１号機の貯湯タンクＴ内の湯量を限界量まで使い切ると、次の交換給湯運転に移行する。

交換給湯運転では、１号機の貯湯タンクＴから２号機の貯湯タンクＴに切り替えて給湯する運転となる（図４参照）。この場合、１号機の電動弁Ｍを閉じて、２号機の電動弁Ｍを開放する。同時に、給湯を終えた１号機では、貯湯タンクＴ内に水が貯水されており、この水を加熱手段Ｈで沸かし上げるために、交換給湯運転と平行して追い焚き運転が行われる。また、２号機の貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少した場合は、再び交換給湯運転が繰り返され、１号機から給湯し、２号機を追い焚きする（図６参照）。このような交換給湯運転は、給湯の需要がある限り何度も繰り返されるものである。

補助追い焚き運転は、交換給湯運転において一方の貯湯式電気温水器からの給湯量及び給湯時間を自由に増加せしめる運転である。例えば、１号機の貯湯タンクＴ内の湯量が限界量まで減少する以前に、任意の設定量を予め設定し、この設定量に至った時間が予定よりも早い場合に、１号機の加熱手段Ｈにて追い焚き運転を実施するものである（図３参照）。この補助追い焚き運転では、１号機の貯湯タンクＴへ給水する一部を加熱手段Ｈに分流させて追い焚きし、この湯を貯湯タンクＴ内の湯と共に給湯することで、貯湯タンクＴ内の湯量が限界量に至る時間を延長し、２号機の沸かし上げに必要な時間を稼いでいる。この設定量を任意に変更することで、貯湯タンクＴからの給湯時間を自在に調整することができる。また、この追い焚き運転を、非常時の運転に限らず、通常時の運転に用いることで、コンパクトな貯湯タンクＴでも大容量の連続給湯を可能にすることができる。図５は、２号機の貯湯タンクＴ内の貯湯量が設定量まで減少した時点で２号機の加熱手段Ｈで補助追い焚き運転を行う状態を示している。

また、三台以上の貯湯式電気温水器をローテーション運転する場合は、夜間湯沸し運転、初期給湯運転、補助追い焚き運転については前述の運転方法と同じになるが、交換給湯運転のタイミングについては、貯湯式電気温水器の組み合わせ台数によって任意に変更することができる。すなわち、交換給湯運転において、先行する貯湯式電気温水器が限界量まで給湯した後に沸かし上げる追い焚き運転は、後続の複数台の貯湯式電気温水器における湯量が限界量まで減少する間に沸かし上げればよいことになる。

尚、本発明は、図示例に限定されるものではなく、各構成の設計変更や温度設定は任意に変更可能なものであり、本発明の要旨を変更しない範囲における用途の変更などは自由に行えるものである。

本発明給湯システムにおける夜間湯沸し運転を示す概略図である。本発明給湯システムにおける１号機の初期給湯運転を示す概略図である。本発明給湯システムにおける１号機の追い焚き運転を示す概略図である。本発明給湯システムにおける２号機への交換給湯運転を示す概略図である。本発明給湯システムにおける２号機の追い焚き運転を示す概略図である。本発明給湯システムにおける１号機への交換給湯運転を示す概略図である。

符号の説明

Ｈ加熱手段
Ｍ電動弁
Ｐ給湯路
Ｑ直列接続管
Ｒ給湯栓
Ｔ貯湯タンク

１給水栓
２給水口
３給湯口
４混合弁
５水比例弁
６排水路

Claims

湯水を加熱する加熱手段と、湯水を循環せしめる給湯路と、給湯路により供給される給水圧ですべての湯が連動するように直列接続管にて直列に接続された複数の貯湯タンクと、を有する貯湯式電気温水器を設け、該貯湯式電気温水器を二台組み合わせ、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンク内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路による給水を前記貯湯タンクと前記加熱手段とに分流せしめ、該加熱手段で追い焚きした湯を前記貯湯タンク内の湯と共に給湯することで、前記貯湯タンクからの給湯時間を延長する給湯システムにおいて、各貯湯式電気温水器は、湯水を加熱する加熱手段と、複数の貯湯タンクと、湯水を循環せしめる給湯路とを夫々有し、各給湯路に装着した電動弁を介して複数台の貯湯式電気温水器への給湯路を交互に開閉すると共に、開放された給湯路から供給される給水圧により、一方の貯湯式電気温水器におけるすべての貯湯タンクが直列状態になって給湯するように、各貯湯タンクに直列接続管を配設したことを特徴とする大容量給湯システム。
前記加熱手段として、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプを用いた請求項１記載の大容量給湯システム。
湯水を加熱する加熱手段と、湯水を循環せしめる給湯路と、給湯路により供給される給水圧ですべての湯が連動するように直列接続管にて直列に接続された複数の貯湯タンクと、を有する貯湯式電気温水器を設け、該貯湯式電気温水器を二台組み合わせて交互に運転する大容量給湯システムの運転方法において、各加熱手段で沸かした湯を各貯湯式電気温水器の各貯湯タンク内に貯湯し、各給湯路に装着した電動弁と直列接続管とを介して第１の貯湯式電気温水器における各貯湯タンク内の湯を順次給湯し、該貯湯タンク内の湯量が限界量まで減少した時点で各給湯路に装着した電動弁を切り替えて該給湯路を閉鎖すると共に、第２の貯湯式電気温水器の給湯路を開放してこの各貯湯タンク内から順次給湯し、同時に、給湯路Ｐを閉鎖した第１の貯湯式電気温水器における各貯湯タンク内の水を加熱手段で追い焚きし、第２の貯湯式電気温水器における各貯湯タンク内の湯量が限界量まで減少する間に沸かし上げるもので、一方の貯湯式電気温水器における各貯湯タンク内の湯量が限界量まで減少する以前の設定量に至った時点で、該貯湯式電気温水器の前記給湯路による給水を前記貯湯タンクと前記加熱手段とに分流せしめ、該加熱手段で追い焚きした湯を前記貯湯タンク内の湯と共に給湯することで、前記貯湯タンクからの給湯時間を延長することを特徴とする大容量給湯システムの運転方法。
前記大容量給湯システムの運転方法において、前記貯湯式電気温水器を三台以上使用してローテーション運転し、先行する貯湯式電気温水器において限界量まで給湯した後に沸し上げる運転は、後続の複数台の貯湯式電気温水器における湯量が限界量まで減少する間に沸かし上げて連続給湯自在に運転する請求項３記載の大容量給湯システムの運転方法。