JP4052206B2 - 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、上記特許文献１，２に示された従来の構成では、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、上記特許文献１，２に示された従来の構成では、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、使用者に不快感を与えるだけでなく、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おそれがある。

また、特許文献１，２に示された従来の構成には、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を有しているが、この場合も、初期状態で中温水を利用しているような比較的中低温の湯を生成している状態から、中温水がなくなって高温水を供給する側に混合弁を制御してしまうと、上述と同様に、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おそれがあり、給湯される湯の温度の変動が発生し、使用者に不快感を与えるおそれがある。さらに、高温水と中温水の混合比率を徐々に変更する手段を採用しても、蛇口等からの給湯は使用者が任意に操作するため、必ず停止することがある。この停止中は、混合弁が高温水と中温水を混ぜる位置にあるので、高温水と中温水の比重の違いにより、高温水が混合弁の高温水給湯側から中温水給湯側に廻りこむ現象が発生して、一時的に高温水同士が混合弁内に充満する状態が発生し、上述のような高温出湯のおそれがある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。

本発明に係わ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配管水との出湯を混合する第１の混合弁と、この第１の混合弁からの出湯と市水を混合して所望温度の温水を生成する第２の混合弁と、この第２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、前記各混合弁、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有し、
前記制御装置は、前記第１の配管水と第２の配管水とを混合する第１の混合弁の混合比率が一定以上の割合で変化するときに、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、混合比率変更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を示す貯湯式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が接続されている。
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には貯湯タンク１の上下部と接続された加熱循環回路１５が接続されており、前記ヒートポンプ本体１４内に配置された循環ポンプ（図示せず）により貯湯タンク１の下部から水を導き、ヒートポンプ本体１４内で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。
第１の混合弁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、貯湯タンク１の上部に接続された第１の給湯配管５から供給される高温水と貯湯タンク１の中ほどと接続された第２の給湯配管２０から供給される中温水とを混合して第２の混合弁２２に供給する。
温度センサ１１は、第１の混合弁１９と第２の混合弁２２の間に設置されて、第１の混合弁１９の出湯湯温を検出する。また、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いて、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。

また、第２の混合弁２２は、前記第１の混合弁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。このふろ配管２５には浴槽２６へ所望の温度に混合された温水を供給、遮断する開閉弁２４と、該ふろ配管２５を通して浴槽２６へ供給した湯量を計測する流量センサ２７が設けられている。
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１内に挿入されているが、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。また、前記第２の給湯配管２０には第１の混合弁１９の手前に位置して逆止弁２０ａを配している。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は前記操作部３１で設定された所望温度や所望量及び温度センサ１１、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，第１の混合弁１９，第２の混合弁２２，開閉弁２４等の動作を制御してシステム全体の運転を制御する。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概ね３５〜４５℃程度である。

次に、本実施の形態１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、沸き上げを行う場合の動作について図１を用いて説明する。
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。これにより、貯湯タンク１内は常に満水状態となっている。
この状態で、操作部３１により制御装置３０が沸き上げ開始の指示を受けると、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、制御装置３０は貯湯タンク１が全量沸き上がったと判断して、沸き上げを終了する（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（成績係数）は低下する特性を持っている。

次に、蛇口１８からの一般給湯を行う場合の動作について説明する。
この場合は、蛇口１８を開くことによって、第１の給水バイパス管３を経由し供給される市水（図１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１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１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、中温水がある場合はそれを制御装置３０が判断して、制御装置３０が第１の混合弁１９により第２の給湯配管２０側に切り替えて（図１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、第２の混合弁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、第２の混合弁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。

なお、湯張り中に中温水が少なくなったり、あるいは所望湯はり湯温よりも低い温度の中温水しか取り出すことができないことを温度センサ２１により制御装置３０が検出した場合は、第１の混合弁１９により第１の給湯配管５を通して供給される高温水と前記中温水を混合し、温度センサ１１により湯はり湯温以上となるように制御装置３０により制御しながら第２の混合弁２２へ湯の供給を行う。
また、温度センサ２１により検出した中温水の温度が市水と同レベルまで低くなった場合は、制御装置３０が第１の混合弁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１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１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１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、前述したように、沸き上げ時の加熱効率（成績係数）が低下することになる。

ここで、図３のような状態のとき、本実施の形態１では、使用者が浴槽２６への湯はり動作を実施すると、前述したように、温度センサ２１が検出する中温水の温度は一般に５０℃程度であるから、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、第１の混合弁１９を第２の給湯配管２０から図１中、矢印ｄで示すように、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１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、あるいは生成された中温水が時間経過とともに温度低下してゆき、そのままでは湯はりに使用できないような状態になることも想定される。ここでは、貯湯タンク１内の中温水が湯はりに直接使用できない温度まで低下してしまったような状態、例えば、図５に示すような状態について説明する。

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℃以下を検出すると、制御装置３０は、温度センサ１１の検出値が所望湯はり温度以上となるように第１の混合弁１９を第１の給湯配管５からの高温水と第２の給湯配管２０からの温度低下した中温水とを混合するように制御することにより供給する。（図５中、矢印ｄ、ｅ）。この第１の混合弁１９での混合制御の際に、前記の温度低下した中温水を使いきってしまい、第２の給湯配管からの供給が市水に切り替わってしまうような場合、制御装置３０は、第１の混合弁１９を高温水のみを供給する側に制御するが、このとき、開閉弁２４を一時的に閉じるように制御する。

すなわち、浴槽２６への湯はり中において、第１の混合弁１９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〜温度低下した場合でも３０度程度）がなくなると、制御装置３０は、第１の混合弁１９を高温水のみを供給する側に制御するので、それまで高温水と中温水を混合していた前記第１の混合弁１９は、短い時間で高温水のみを給湯する側に切り替えられるため、一時的に混合比率が増大することで、一時的な高温出湯が発生するが、本実施の形態１では、前記第１の混合弁１９の混合比率が一定以上の割合で変化するときには、制御装置３０により一時的に開閉弁２４を閉じて、あらかじめ第１の混合弁１９の混合比を調整した後、開閉弁２４を開くように制御するので、給湯される湯温の急激な変動を防止して、意図しない高温出湯を防止するようにしている。

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、所望温度と所望量が給湯システム側で把握することは困難である。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、若干の高温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。

また、上記実施の形態１によれば、第２の給湯配管２０側に逆止弁２１ａを備えているので、第１の混合弁１９が中途半端な混合状態で停止した状態においても、高温水側から中温水側への比重の違いによる高温水の廻りこみが起こらないため、第１の混合弁１９では常に高温水と中温水の供給を適切に受けることができ、高温出湯を生じさせるような一時的な高温水同士の混合という状態を起こさない。

また、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。

また、本実施の形態１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。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２を示す貯湯式給湯システムの構成図である。
図６では、第１の混合弁１９の手前に逆止弁２０ａを配するとともに、第２の混合弁２２の手前の第２の給水バイパス管４にも逆止弁４ａを配し、また一般給湯側混合弁１６の手前の第１給水バイパス管３にも逆止弁３ａを配したものである。この図６の実施の形態２によれば、図１に示したものと同様の効果を得ることができる。また、浴槽への湯はり（給湯）に限られず、蛇口等からの一般給湯でも同様の効果を得ることができる。

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は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はり時の貯湯水の変化を示した図である。 本発明の実施の形態２を示す貯湯式給湯システムの構成図である。

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 第１の混合弁、２０ 第２の給湯配管、２１ 温度センサ、２２ 第２の混合弁、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配管水との出湯を混合する第１の混合弁と、この第１の混合弁からの出湯と市水を混合して所望温度の温水を生成する第２の混合弁と、この第２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、前記各混合弁、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、前記第１の配管水と第２の配管水とを混合する第１の混合弁の混合比率が一定以上の割合で変化するときに、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、混合比率変更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. 前記第２の給湯配管に逆止弁を配した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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