JP4052200B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンクを有する貯湯式給湯システムに関するものであり、さらに詳しくは該貯湯タンク内の湯水を熱源として外部負荷と熱交換を行なう機能を備えた貯湯式給湯システムに関するものである。

従来の貯湯式給湯システムにおいては、貯湯タンク内の高温水または中温水を該貯湯タンクの上部または中ほどから取り出し、市水と混合して給湯に利用する構成である（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００３−１１４０５３号公報（第２頁、図１） 特開２００２−３６４９２８号公報（第２頁、図１）

しかしながら、上記のような従来の構成では、生成された中温水を出湯する際、所望温度により貯湯タンクからの出湯位置を選択する機能を有しているものの、一般的に給湯（つまり蛇口やシャワー等での湯の使用）は、前記中温水の貯湯加減により決まるものではなく、使用者のニーズによって使用量やタイミングが決定されるものである。
したがって、前記従来例の構成では、中温水を利用している最中に貯湯タンク内の中温水がなくなり、その結果、出湯中にもかかわらず貯湯タンク上部の高温水への供給に回路を切り替える必要が生じることになった場合、供給側では急激な湯の供給温度の変動によりその後の市水との混合において、給湯される湯温の急激な変動が発生し、使用者に不快であるだけでなく、高温湯の混合比率が一時的に増大することで、意図しない高温出湯の危険がある。
また、前記中温水と高温水をあらかじめ混合弁で混合してから、市水と混合する手段も開示されているが、この場合、給湯側に一般的に圧力損失の大きい混合弁を２段で構成することになり、特に給湯圧力の限定された貯湯式の給湯機を使用するものにおいては、出湯の圧力が低下し、使い勝手が悪いという問題があった。

また、加熱手段としてヒートポンプサイクルを用いた室外機を利用して、貯湯タンクの下部より水を取り出し、室外機にて湯を作り、貯湯タンクの上部に沸き上げた湯を順次貯めていくように沸き上げを行なうヒートポンプ式の給湯システムにおいては、貯湯タンクから室外機ヘ供給される水の温度が高いと、沸き上げ時の加熱効率（成績係数）が低下してしまうという問題がある。なお、ここでいう加熱効率とは、沸き上げ能力を消費電力で割ったものをさす。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、意図しない高温出湯を防止し、かつ、ヒートポンプサイクルを用いた加熱方式においては、沸き上げ時の加熱効率（成績係数）の低下を防止できる貯湯式給湯システムを提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯システムは、貯湯タンクを有する貯湯式給湯システムにおいて、
貯湯タンクの上部から出湯する第１の給湯配管と、貯湯タンクの中ほどから出湯する１つあるいは複数の第２の給湯配管と、第１の給湯配管から出湯する第１配管水と第２の給湯配管から出湯する第２配管水とのいずれかの出湯に切り替える切替弁と、この切替弁の切り替え後の出湯と市水を混合して所望温度の温水を生成する混合弁と、この混合弁の下流に設けられて生成された温水の供給と停止を行う開閉弁と、前記切替弁、混合弁、開閉弁等給湯システム全体の動作を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記切替弁の切り替え動作前に、前記開閉弁を一時的に閉動作させて生成された温水の供給を停止させ、出湯切り替え後に前記開閉弁を開動作させて出湯を再開させるものである。

本発明による貯湯式給湯システムは、意図しない高温出湯を防止し、かつ、ヒートポンプサイクルを用いた加熱方式においては、沸き上げ時の加熱効率（成績係数）の低下を防止することが可能となる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るヒートポンプ給湯システムの構成図である。
図１において、貯湯タンク１の下部には給水配管２が接続されていて、この給水配管２には第１、第２の給水バイパス管３、４が設けられ、また、貯湯タンク１の上部には第１の給湯配管５が接続されていて、この第１の給湯配管５には給湯バイパス管６が設けられている。
貯湯タンク１の上下部には放熱用循環回路７が接続されており、この放熱用循環回路７は、貯湯タンク１内に貯湯された湯と外部熱負荷である床暖房器８内のブラインとを熱交換する暖房用熱交換器９と、貯湯タンク１内の湯を放熱用循環回路７に循環させる循環ポンプ１０とによって構成されている。
床暖房器８には暖房用熱交換器９の二次側である暖房循環回路１２が接続され、暖房循環回路１２には前記暖房用熱交換器９から床暖房器８へブラインを循環させる循環ポンプ１３が設けられている。
ヒートポンプ本体１４には加熱循環回路１５が接続され、この加熱循環回路１５は貯湯タンク１の上下部と接続されており、加熱循環回路１５には前記ヒートポンプ本体１４内に循環ポンプ（図示せず）が設けられ、貯湯タンク１の下部から水を導き、ヒートポンプにより外気との熱交換を行い、水を高温の湯に沸き上げ、貯湯タンク１の上部に戻している。加熱循環回路１５の貯湯タンク１下部側には温度センサ１５ａが設けられている。

給湯側混合弁１６は、第１の給水バイパス管３と第１の給湯配管５の間に接続され、第１の給水バイパス管３からの市水と第１の給湯配管５から供給される高温水を混合して、一般給湯管１７を経由し、蛇口１８等の出湯口から出湯する。
三方弁等からなる切替弁１９は、貯湯タンク１の中ほどと接続された第２の給湯配管２０と第１の給湯配管５から分岐した給湯バイパス管６の間に接続され、ふろ側混合弁２２に供給する湯を、貯湯タンク１の上部に接続された第１の給湯配管５側あるいは貯湯タンク１の中ほどと接続された第２の給湯配管２０側に流路を切り替える。温度センサ２１は貯湯タンク１の側面中ほどに設置されて、前記第２の給湯配管２０の温水取出口付近の湯温を検出するものである。
また、ふろ側混合弁２２は、前記切替弁１９から供給される温水と第２の給水配管４から供給される市水を混合してふろ配管２５に供給する。開閉弁２４は浴槽２６へ所望の温度に混合された温水を供給、遮断する弁である。また、流量センサ２７は、ふろ配管２５を通して浴槽２６へ供給した湯量を計測するものである。
なお、前記第２の給湯配管２０は、貯湯タンク１の下方部からタンク内に挿入されてはいるが、その温水取出口は前記貯湯タンク１内で図示のように温度センサ２１の設置位置よりやや上方まで（貯湯タンク１の中ほどまで）延設されている。操作部３１では使用者が出湯の所望温度や所望量を設定する。
制御装置３０は、操作部３１で設定された所望温度や所望量及び温度センサ１５ａ，２１，２３、流量センサ２７の検出値に基づいて循環ポンプ１０，１３，ヒートポンプ本体１４，給湯側混合弁１６，切替弁１９，ふろ側混合弁２２，開閉弁２４等のシステム全体の動作を制御する。使用者が浴槽２６に給湯する場合、操作部３１により設定する所望温度はおおむね３５〜４５℃程度である。

次に、本実施の形態における貯湯式給湯システムの動作について説明する。
まず、給水配管２から給水された市水は減圧弁（図示せず）で所定圧に減圧され、貯湯タンク１に給水される。ここで、貯湯タンク１は常に満水状態となっている。貯湯タンク１内の水はヒートポンプ本体１４に内蔵の循環ポンプ（図示せず）の運転により、貯湯タンク１の下部から加熱循環回路１５に取り出されてヒートポンプ本体１４で熱交換し、設定された温度（例えば９０℃）になるように加熱昇温され、貯湯タンク１の上部に戻される。（図１中、矢印ａ）これにより、貯湯タンク１の上部より９０℃の湯が少量づつ貯湯されていく。

ヒートポンプ方式による沸き上げは、温度センサ１５ａの温度が一定温度（例えば６０℃）以上になったら、貯湯タンク１が全量沸き上がったと判断して、終了する（図２の状態）。
このとき、ヒートポンプ方式による沸き上げ加熱性能は、ヒートポンプ本体１４に入る水の温度が低いときは、沸き上げの加熱効率が高いが、入る水の温度が高いときは沸き上げの加熱効率は低下する特性を持っている。

まず、蛇口１８からの一般給湯を行う場合について説明する。
この場合は、蛇口１８を開くことによって、第１の給水分岐管３を経由し供給される市水（図中矢印ｆ）と貯湯タンク１を経由して第１の給湯配管５を通して供給される高温水（図中矢印ｅ）を給湯側混合弁１６により使用者が設定した所望温度に混合して、一般給湯配管１７を経由して給湯が行われる。（図中矢印ｈ）

次に、浴槽２６へ給湯を行う湯はり動作の場合について説明する。
この場合は、操作部３１により制御装置３０が湯はり開始の指示を受けると、湯はり動作が開始される。湯はり動作が開始されると、まず、温度センサ２１により第２の給湯配管２０からの中温水取り出しが可能かどうかを検出し、その温度を制御装置３０が判断して、湯はりの所望温度よりも一定温度以上高い場合は、制御装置３０が切替弁１９を第２の給湯配管２０側に切り替えて（図中矢印ｄ）、第２の給湯配管２０から中温水を取り出せるように流路を構成する。続いて、制御装置３０は、開閉弁２４を開き、ふろ側混合弁２２で市水と混合した湯が所望温度となるように温度センサ２３で温度を検出しながら、ふろ側混合弁２２を調整し、ふろ配管２５を経由して浴槽２６に湯はりを行う。湯はりの完了は、制御装置３０が、流量センサ２７の積算流量をカウントし、所望量となった時点で、開閉弁２４を閉じるように制御することで完了となる。

また、温度センサ２１により検出した中温水の温度が先の条件を満足しない場合は、制御装置３０が切替弁１９を貯湯タンク２の上部から貯湯水を取り出す第１の給湯配管５側に切り替えて（図中矢印ｅ）、第１の給湯配管５から高温水を取り出せるように流路を構成する。続いて、制御装置３０は、開閉弁２４を開き、以下、前述と同様の動作で湯はりを行う。

次に、床暖房を行う場合の動作について説明する。
この場合は、操作部３１により制御装置３０が床暖房開始の指示を受けると、床暖房動作が開始される。床暖房動作が開始されると、まず循環ポンプ１３が動作して床暖房器８内のブラインが暖房循環回路１２を循環し、暖房用熱交換器９を通って床暖房器８内に戻される（図中矢印ｃ）。一方、循環ポンプ１０も動作して、貯湯タンク１の上部より高温の貯湯水が放熱用循環回路７に導かれ、暖房用熱交換器９を通って貯湯タンク１の下部に戻される（図中矢印ｂ）。このとき、暖房用熱交換器９は、貯湯タンク１内に貯湯された高温の貯湯水から低温のブラインに熱交換（伝熱）することで、ブラインを床暖房に適した温度に加熱昇温させる。また、一方で高温の貯湯水は熱を奪われ、中温水（概ね５０℃程度）となって貯湯タンク１に戻る。

次に、床暖房によって生成される中温水の処理によるヒートポンプサイクルを用いた加熱方法での加熱効率（成績係数）の向上を実現する動作について説明する。
図２〜図５は、床暖房を実施した後、浴槽２６への湯張りを実施した場合の貯湯タンク１内の貯湯水の変化を示した図で、図２は、ヒートポンプ本体１４により貯湯タンク１内の沸き上げ完了時の貯湯水の状態を示し、貯湯タンク１内の右斜線部が高温の貯湯水を示している。
この状態で、前記のように床暖房を行うと、放熱用循環回路７により貯湯タンク１上方から高温の貯湯水を暖房用熱交換器９で熱交換し、中温水となって貯湯タンク１に戻る。このような床暖房運転を継続すると、貯湯タンク１内の高温の貯湯水が減少し、中温水（左斜線で示す）が増加してゆき、やがて図３のような状態となる。この状態で、例えばヒートポンプ本体１４により貯湯タンク１内の沸き上げを行おうとすると、床暖房で生成された中温水をヒートポンプサイクルで熱交換を行うことになり、前述のように沸き上げ時の加熱効率（成績係数）が低下することになる。

また、図３のような状態のとき、使用者が浴槽２６への湯はり動作を実施すると、前述のように、温度センサ２１が検出する中温水の温度は一般に５０℃程度であり、湯はりの所望温度範囲（３５〜４５℃程度）よりも十分高温であるので、制御装置３０は、切替弁１９を第２の給湯配管２０から図中矢印ｄのように中温水を取り出して湯はりに利用するように制御する。これにより、給水配管３から図中矢印ｆのように新たな市水が貯湯タンク１内の下部に注入されることになり、結果として、図４のような状態となる。

なお、中温水を湯はりに利用してゆき、例えば、貯湯タンク１内にたまった中温水だけで浴槽２６への所望湯はり湯量が確保できる場合はよいが、確保ができない場合、貯湯タンク１内の中温水を使いきってしまう状態が生じることになる。例えば、図５に示すような状態になる。この場合、前述のように、温度センサ２１の検出値が湯はりに適さない例えば３５℃から４５℃以下を検出すると、制御装置３０は切替弁１９を第１の給湯配管５に流路を切り替えて貯湯タンク１の上部から高温の貯湯水を取り出す（図中矢印ｅ）。この流路の切り替えの際、制御装置３０は切り替え動作前に開閉弁２４を一時的に閉じるように制御することが安全面からみて望ましい。

すなわち、浴槽２６への湯はり中において、切替弁１９によってふろ側混合弁２２に供給される湯の温度が、第２の給湯配管２０側から供給されていた中温水（５０℃程度）から、第１の給湯配管５側の高温の貯湯水（９０℃程度）に短時間で切り替わることにより、それまで中温水と市水を混合していた前記ふろ側混合弁２２は、その混合比のままで一時的に高温の貯湯水と市水を混ぜることによって一時的な高温出湯が発生する。これを解消するための手段として、前記切替弁１９の切り替え動作前に一時的に開閉弁２４を閉じ、混合後の温度が高くならないように、あらかじめ混合弁２２の混合比を制御装置３０で調整した後、開閉弁２４を開く動作を行うことが有効である。

また、前述の手段は、あらかじめ所望温度と所望量が給湯システム側で把握することが可能なふろ側の給湯であるがゆえに可能な手段であり、一般の蛇口１８などの給湯では、使用中に給湯を一時的に遮断してしまうため、困難である。さらに、中温水の絶対的な処理量の観点からみても、ふろ湯はりへの利用が家庭の湯の利用では他の給湯に比べて格段に大量であり、また浴槽２６への供給であるので、万が一、前述の中温水利用の流路から高温の貯湯水の流路への切り替えの際に、若干の高温湯の出湯があっても浴槽容量（通常２００リットル程度）からみて十分に少ないため、温度変化により使用者に不快感を与えることは極めて少ない。

このように、中温水をふろ湯はりに利用したあとの図４や図５のような状態で、ヒートポンプ本体１４による沸き上げを行えば、貯湯タンク１の下部に注入された市水からの沸き上げとなるので、沸き上げ時の加熱効率（成績係数）の低下を最小限に抑えることが可能となる。

このように、本実施の形態によれば、床暖房により生成される中温水をふろの湯はりに利用することによって、ヒートポンプ方式による沸き上げ時の加熱効率の低下を軽減することができる。

本発明の実施の形態１を示す貯湯式給湯システムの構成図である。 図１の貯湯式給湯システムにおける沸き上げ完了時の貯湯水の状態を示した図である。 図１の貯湯式給湯システムにおける床暖房時の貯湯水の変化を示した図である。 図１の貯湯式給湯システムにおける浴槽湯張り時の貯湯水の変化を示した図である。 図１の貯湯式給湯システムにおける浴槽湯張り時の貯湯水の変化を示した図である。

符号の説明

１ 貯湯タンク、２ 給水配管、３ 第１の給水バイパス管、４ 第２の給水バイパス管、５ 第１の給湯配管、６ 給湯バイパス管、１４ ヒートポンプ本体、１６ 一般給湯側混合弁、１９ 切替弁、２０ 第２の給湯配管、２１ 温度センサ、２２ ふろ側混合弁、２３ 温度センサ、２４ 開閉弁、２５ ふろ配管、２６ 浴槽、３０ 制御装置、３１ 操作部。

Claims (4)

1. 貯湯タンクを有する貯湯式給湯システムにおいて、
   貯湯タンクの上部から出湯する第１の給湯配管と、貯湯タンクの中ほどから出湯する１つあるいは複数の第２の給湯配管と、第１の給湯配管から出湯する第１配管水と第２の給湯配管から出湯する第２配管水とのいずれかの出湯に切り替える切替弁と、この切替弁の切り替え後の出湯と市水を混合して所望温度の温水を生成する混合弁と、この混合弁の下流に設けられて生成された温水の供給と停止を行う開閉弁と、前記切替弁、混合弁、開閉弁等給湯システム全体の動作を制御する制御装置とを有し、
   前記制御装置は、前記切替弁の切り替え動作前に、前記開閉弁を一時的に閉動作させて生成された温水の供給を停止させ、出湯切り替え後に前記開閉弁を開動作させて出湯を再開させることを特徴とする貯湯式給湯システム。
2. 前記制御装置は、第２の給湯配管からの出湯温度を検出する温度センサの検出値に応じて前記第１の給湯配管と第２の給湯配管の出湯切り替えを行うことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯システム。
3. 生成された所望温度の温水をふろ給湯専用に利用するように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯式給湯システム。
4. 前記第２の給湯配管は、貯湯タンクの任意の位置から貯湯タンク内に挿入し、貯湯タンク内で所望の湯水取り出し位置までその湯水取出口を延設するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の貯湯式給湯システム。

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