JP4064940B2 - 給湯システム - Google Patents
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Description
通常の給湯器は貯湯槽と組合わせて用いることがなく、水道水を給湯設定温度に加熱して給湯する。加熱運転の開始直後には、使用者の方でも冷水が供給されることを承知しており、給湯設定温度に設定された温水が給湯利用箇所に供給され始めるのを待って温水を利用し始める。給湯器の加熱開始時から湯温を給湯設定温度に安定させることはもともと無理であり、そのことが利用者に承知されている。
混合器で給湯設定温度に調温して給湯する状態から、給湯器で給湯設定温度に加熱して給湯する状態へ切換える際には、利用者が温水を連続して利用しており、給湯温度の変動を抑制する技術が必要とされる。
特許文献1の技術では、給湯設定温度に維持できなきなくなった水が給湯器の加熱部の入口に到達する時に加熱を開始することから、混合器で給湯設定温度に調温して給湯する状態から、給湯器で給湯設定温度に加熱して給湯する状態へ切換える際の給湯温度変化が抑制されるはずであるとしている。
例えば、加熱開始時に加熱部内の下流位置にあった水が送出される場合(加熱開始直後に相当する)には、ほとんど加熱されないままに加熱部を通過するために湯温上昇幅が小さい。加熱開始時に加熱部内の中流位置にあった水が送出される場合(加熱開始時から加熱部の長さの半分だけ流動した時間に相当する)には、加熱部の半長を通過する間に加熱されるために、湯温上昇幅が増大する。加熱開始時に加熱部内の上流位置にあった水が送出される場合(加熱開始時から加熱部の長さ分だけ流動した時間に相当する)には、加熱部の全長を通過する間に加熱されるために、湯温上昇幅がさらに増大する。加熱開始時に加熱部よりも上流位置にあった水が送出されるようになると、加熱部の全長を通過する間に加熱された温水が送出されるようになり、以後はその湯温上昇幅が維持される。
この明細書では、加熱部で加熱されたことによって上昇する温度のことを温度上昇幅という。加熱開始時に加熱部内の下流位置にあった水が送出されるタイミングでは温度上昇幅が小さく、その後に経過時間とともに増大し、加熱開始時に加熱部よりも上流位置にあった水が送出されるようになると、温度上昇幅が最大となり、以後はその温度上昇幅に維持される。給湯器から送出される水の温度上昇幅は、加熱開始直後には小さく、その後時間とともに増大する。ここでは、加熱開始後の経過時間と温度上昇幅の関係を変化速度という。加熱開始直後の温度上昇幅はゼロであるために、例えば加熱開始後に30秒経過して時点の温度上昇幅が30℃であれば、変化速度は1℃/1分ということになる。また、加熱開始時に加熱部よりも上流位置にあった水が送出されるようになったときの温度上昇幅を定常温度上昇幅という。加熱開始後に30秒経過して温度上昇幅が30℃となり、以後は30℃の温度上昇幅が維持されれば、定常温度上昇幅は30℃ということになる。例えば、15℃の温度の水が給湯器に送込まれ、加熱開始直後の出湯温度が15℃であり、30秒後に45℃の温水が出湯するようになり、以後は45℃の温水を出湯し続ける場合には、変化速度は1℃/1分であり、定常温度上昇幅は30℃ということになる。
給湯器の温度上昇幅の変化速度に比して、貯湯槽に貯湯されていた温水が使いきられたときに貯湯槽から送出される水の温度が変化する変化速度の方が大きいことが多い。前者よりも後者が大きいと、貯湯槽から送出される水の温度が急激に低下することを給湯器で加熱しても補償することができず、最適のタイミングで給湯器の加熱運転を開始しても、給湯温度を維持することができない。
特許文献1の給湯システムでは、給湯設定温度に維持できなきなくなった混合水が給湯器の加熱部の入口に到達する時に加熱を開始することから、実際には過剰に加熱されてしまう。
それを避けるためには、給湯設定温度に維持できなきなくなった混合水が給湯器の加熱部の出口に到達する時に加熱を開始することが考えられる。このようにすると、加熱開始直後に過剰に加熱されてしまうことを防止することはできよう。しかしながら、給湯器の温度上昇幅の変化速度よりも給湯器に送込まれる水の温度の方が急速に低下するために、給湯器で加熱しても水温の急激な低下を補償することができず、給湯温度が一時的に低下することが避けられない。
本発明では、貯湯槽に貯湯されていた温水を利用して給湯する状態から給湯器で加熱して給湯する状態に切り換える際の給湯温度の変化を抑制する技術を提供するものである。
その他に、給湯器の加熱運転開始後の湯温上昇幅の時間に対する変化速度を記憶している手段と、混合器で水道水を混合している期間内のタイミング(第1タイミング)で、混合器に指令する混合水の温度を前記変化速度で低下させ始める混合水温度指令手段と、指令に応じて温度を低下させ始めた混合水が給湯器の加熱部の出口近傍に達するタイミング(第2タイミング)で、給湯器の加熱運転を開始する手段を備えている。
このシステムでは、貯湯槽から送出される温水の温度が給湯設定温度以下に低下したのをきっかけに給湯器の加熱運転に切換えるのではなく、貯湯槽から送出される温水の温度が給湯設定温度以上であって混合器で水道水と混合して冷却している状態で、給湯器の加熱運転に切換える準備を始める。この際に、給湯器の加熱運転開始後の湯温上昇幅の時間に対する変化速度を予め記憶しておき、その変化速度に合わせて混合水温度が低下するように混合比を調整する。貯湯槽から給湯設定温度以上の温水が送出される段階で混合水温度を低下させるために、給湯器の温度上昇幅の変化速度に対応するように緩やかに混合水の温度を低下させることができる。貯湯槽に貯湯されていた温水を使いきった時に生じる水温の急激な変化を避けることができる。例えば給湯設定温度が45℃であるとすれば、給湯器による温度上昇幅の変化速度に合わせて混合水温度は、44℃、43℃と低下していく。このときに、給湯設定温度に維持されなくなった混合水が給湯器の加熱部の出口近傍に達した時に加熱を始めると、給湯器に入水する混合水温度が低下する分を、加熱運転を始めた給湯器による温度上昇幅で相殺することができ、給湯器から送出される給湯温度を給湯設定温度に維持することができる。
例えば、給湯設定温度が45℃であり、給湯器の定常温度上昇幅が30℃であるとすると、混合水温度を給湯器の温度上昇幅の変化速度に合わせて45℃から15℃まで低下させている間は、混合器で水道水を混合することによって冷却している状態が維持されることが好ましい。
即ち、給湯器の温度上昇幅の変化速度で温度を低下させている混合水温度が、給湯設定温度から給湯器の定常温度上昇幅を減じた温度に低下するまでの間、混合水温度以上の温水が混合器に入水するだけの湯量が残存するタイミングで、混合水温度を給湯設定温度以下に低下させ始めることが好ましい。
貯湯槽の上部に貯湯されている温水温度が低下しても、貯湯槽と混合器の間の配管には高温の温水が残存しており、その後も混合器には温水が入水し続ける。貯湯槽の上部に貯湯されている温水温度が低下したことをきっかけにして混合水温度を低下させ始めても、その後も入水し続ける温水を利用して混合水温度の低下速度を調整することができる。一方、貯湯槽内の温水をほぼ使い切ってしまった時に給湯器を活用し始めることから、貯湯槽に蓄えられていた熱を有効に利用することができる。
なお、所定温度を計測したタイミングと混合水温度を低下させ始めるタイミングは一致する必要がなく、前者から後者を決定するものであればよい。前者から遅れたタイミングで混合水温度を低下させ始めても、給湯設定温度から給湯器の定常温度上昇幅を減じた温度にまで低下するまでの間、混合水温度以上の温水が混合器に入水するだけの湯量が残存していれば、前者から遅れたタイミングを混合水温度を低下させ始めるタイミングとすることができる。
混合器で温度を低下させ始めた時から、混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量の等しい流量が流れた時に、温度を低下させ始めた混合水が給湯器の加熱部の出口近傍に到達する。このタイミングで加熱を開始することが好ましい。
給湯器は、加熱運転の開始指令を入力しても、直ちには加熱運転を開始することができない。所定の準備期間を必要とする。
混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量から前記準備期間のうちに流れる流量を減じた流量が流れたタイミングで、給湯器に加熱運転を指令すると、温度を低下させ始めた混合水が給湯器の加熱部の出口近傍に到達するタイミングで実際に加熱しはじめることができる。
混合器で温度を低下させ始めた混合水は、所定時間後に給湯器の加熱部の出口近傍に到達する。その経過時間は、混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量を時間当たりの流量で除した時間に等しい。実際の加熱がそのタイミングが開始されるようにするためには、前記した準備期間だけ先立って運転開始を指令する必要がある。
混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量を時間当たりの流量で除した時間から、運転開始指令から実際に加熱運転を開始するまでの時間を減じただけの時間が経過した時に給湯器に運転開始指令を指令することで、混合器で温度を低下させ始めた混合水が加熱部の出口近傍に到達した時点で実際の加熱を開始させることができる。
(形態1)
ミキシングユニットと給湯器の熱交換器の出口近傍の間の配管の容量は、貯湯されている温水を利用して給湯を開始した直後であって給湯温度検出手段が検出する温度が上昇中である間に算出される。
(形態2)
貯湯槽の上部に設置されている上部サーミスタが所定温度を計測した時点から、ミキシングユニットの出口温度を低下させ始める。
(形態3)
貯湯槽の上部に設置されている上部サーミスタが所定温度を計測した時点から、給湯器の給湯用熱交換機に供給される水の流量を積算し始める。積算流量が切換準備水量に達した時に給湯器に運転開始指令を指令する。
本実施例のコージェネレーションシステムは、図1に示すように、発電ユニット110と給湯システム10等を備えている。
発電ユニット110は、改質器112、燃料電池114、熱交換器116、118、熱媒放熱器120、熱媒三方弁122、それらを接続する経路等を備えている。
改質器112には、バーナ131が設けられている。バーナ131が作動して熱を発生すると、改質器112は炭化水素系のガスから水素ガスを生成する。熱交換器116を燃焼ガス経路126が通過している。燃焼ガス経路126の一端は改質器112に接続され、他端は外部に開放されている。燃焼ガス経路126は、熱交換器116にバーナ131が発生する燃焼ガスを導き、熱交換によって温度が低下した燃焼ガスを外部に排出する。熱交換器116には、循環経路128も通過している。循環経路128は、循環復路128aと、循環往路128bから構成されており、給湯システム10と接続される。循環経路128が給湯システム10にどのように接続されているのかについては、後述にて詳細に説明する。循環経路128は、温水を流通させる。循環経路128を流れる温水は、熱交換器116を通過することによって燃焼ガス経路126を流れる燃焼ガスによって加熱され、温度が上昇する。
熱媒循環経路124は、燃料電池114、熱交換器118、リザーブタンク125、熱媒ポンプ127、熱媒三方弁122を通って燃料電池114に戻る循環経路を形成している。熱媒循環経路124の燃料電池114の下流側には、熱媒温度センサ117が装着されている。熱媒温度センサ117は、熱媒循環経路124を流れる熱媒の温度を検出する。熱媒温度センサ117の検出信号は、給湯システム10に装着されているコントローラ21に出力される。
熱媒三方弁122は、1つの入口122aと、2つの出口122b、122cを備えている。熱媒三方弁122は、入口122aと出口122bを連通させるか、入口122aと出口122cを連通させるかを切換える。
熱媒三方弁122の出口122bと、熱媒循環経路124の熱媒三方弁122の出口122cの下流側とを接続する冷却経路129が設けられている。熱媒循環経路124と冷却経路129は、熱媒としての純水を流通させる。冷却経路129の途中には、熱媒放熱器120が装着されている。熱媒放熱器120に隣接して、熱媒冷却ファン119が設けられている。熱媒冷却ファン119を運転すると、空気が熱媒放熱器120に吹付けられ、冷却経路129を流れる熱媒が冷却される。
改質器112、燃料電池114、バーナ131、熱媒三方弁122、熱媒ポンプ127、熱媒冷却ファン119は、コントローラ21によって制御される。
熱媒温度センサ117が検出した熱媒温度が高くなりすぎると、熱媒三方弁122の入口122aと出口122bが連通される。また、同時に熱媒冷却ファン119が運転される。熱媒三方弁122の入口122aと出口122bが連通されると、熱媒は冷却経路129に流入し、熱媒放熱器120を通過する。熱媒は、熱媒放熱器120を通過することによって冷却される。熱媒放熱器120は、熱媒冷却ファン119から空気が吹付けられることにより、高い効率で熱を放熱する。熱媒の温度が低下すると、熱媒三方弁122の入口122aと出口122cが再び連通される。このような熱媒三方弁122の切換えが繰返されることにより、熱媒の温度は、所定範囲内に維持される。
貯湯槽20の底部には、貯湯槽20に水道水を給水する給水経路26が接続されている。給水経路26の入口26aの近傍には、減圧弁28が装着されている。給水経路26の減圧弁28の下流側とミキシングユニット24の給水入口24aは、ミキシングユニット給水経路30によって接続されている。減圧弁28は、貯湯槽20とミキシングユニット24への給水圧力を調整する。貯湯槽20内の温水が減少したり、ミキシングユニット24の給水入口24aが開いたりすると、減圧弁28の下流側圧力が低下する。減圧弁28は、下流側圧力が低下すると開き、その圧力を所定の調圧値に維持しようとする。このため、貯湯槽20内の温水が減少したり、ミキシングユニット24の給水入口24aが開いたりすると、それらに水道水が給水される。
貯湯槽20の上部には出口部20aが設けられており、さらにその上にリリーフ弁31が装着されている。リリーフ弁31の開弁圧力は、減圧弁28の調圧値よりも僅かに大きく設定されている。減圧弁28の調圧が不能になった場合には、リリーフ弁31が開き、貯湯槽20内の圧力が耐圧々力を超えるのを防止する。リリーフ弁31には、圧力開放経路32の一端32aが接続されている。圧力開放経路32の他端32bは、貯湯槽20の外部に開放されている。
貯湯槽20の底部と、圧力開放経路32の他端32b近傍を接続する排水経路33が設けられている。排水経路33の途中には、排水弁34が装着されている。排水弁34は手動で開閉することができる。排水弁34を開くと、貯湯槽20内の水が排水経路33と開放経路32を通って外部に排水される。
循環ポンプ40が作動すると、貯湯槽20の底部から温水が吸出される。貯湯槽20から吸出された温水は、循環往路128bを流れてから発電ユニット110の熱交換器118、116を通過することによって加熱されて温度が上昇する。温度が上昇した温水は、循環復路128を流れて貯湯槽20の上部に戻される。このように、貯湯槽20の底部から吸出された温水が、発電ユニット110の熱交換器118、116によって加熱されてさらに高温になり、貯湯槽20の上部に戻される循環が行われることにより、貯湯槽20に高温の温水が貯えられる。貯湯槽20内の温度が低い状態から、貯湯槽20に発電ユニット110からの高温の温水が戻されると、貯湯槽20の上部に高温の温水が戻されることから、冷水層の上部に高温層が積層した状態(以下、「温度成層」と言う)が形成される。高温層よりも深い部分の水の温度は急激に低下する。貯湯槽20に高温の温水が戻され続けると、高温層の厚さ(深さ)は次第に大きくなり、貯湯槽20にフルに蓄熱された状態では、貯湯槽20の全体に高温の温水が貯まった状態になる。温度成層が形成されることにより、貯湯槽20にフルに蓄熱が行われていなくても、貯湯槽20の最上部に設けられている出口部20aからは、高温の温水が送り出される。
ミキシングユニット24は、温水入口24c、混合水出口24b、第1水量センサ67、温水サーミスタ50、給水サーミスタ48、混合水サーミスタ54、ハイカットサーミスタ55、および既に説明した給水入口24aを有している。貯湯槽20の出口部20aとミキシングユニット24の温水入口24cは、温水経路42によって接続されている。第1水量センサ67は、混合水出口24bから流出する混合水の流量を検出する。温水サーミスタ50は、温水入口24cに流入する温水の温度を検出する。給水サーミスタ48は、給水入口24aに流入する水道水の温度を検出する。混合水サーミスタ54とハイカットサーミスタ55は、混合水出口24bから流出する混合水の温度を検出する。第1水量センサ67、温水サーミスタ50、給水サーミスタ48、混合水サーミスタ54、ハイカットサーミスタ55の検出信号は、コントローラ21に出力される。
コントローラ21と、ミキシングユニット24を組み合わせて用いることによって、混合水サーミスタ54で計測される混合水の温度は、コントローラ21が指令する温度に調整される。
コントローラ21は、ハイカットサーミスタ55によって温水が前記所定値を大きくオーバーしたことが検出された場合(すなわち、混合水サーミスタ54、あるいはミキシングユニット24が故障した可能性が高い場合)に、混合水出口24bを閉じる。混合水出口24bが閉じると、前記所定値を大きくオーバーした温度の温水が、給湯器22に供給されてしまうのが防止される。
ミキシングユニット24の混合水出口24bと給湯器22のバーナ熱交換器52(後述する)は、温水経路51によって接続されている。温水経路51には、第2水量センサ47が装着されている。第2水量センサ47の検出信号は、コントローラ21に出力される。
バーナ熱交換器52の下流側と、給湯栓64は、給湯栓経路63によって接続されている。給湯栓64は、浴室、洗面所、台所等に配置されている(図1では、これら複数の給湯栓64を1つで代表している)。給湯栓経路63には、給湯サーミスタ65が装着されている。給湯サーミスタ65は、バーナ熱交換器52から流出する温水の温度を検出する。給湯サーミスタ65の検出信号は、コントローラ21に出力される。
シスターン61内には、水位電極66が装着されている。水位電極66は、棒状のハイレベルスイッチ66aとローレベルスイッチ66bを有している。ハイレベルスイッチ66aの下端は、シスターン61のハイレベル水位に位置している。ローレベルスイッチ66bの下端は、シスターン61のローレベル水位に位置している。ハイレベルスイッチ66aとローレベルスイッチ66bは、水に触れていると検出信号をコントローラ21に出力する。コントローラ21は、水位電極66からの検出信号によって、シスターン61の水位がハイレベル水位を超えているか、ハイレベル水位とローレベル水位の間にあるか、ローレベル水位よりも低いかを判別する。シスターン61として適正なのは、水位がハイレベルとローレベルの間に位置している状態である。コントローラ21は、水位電極66からの水位検出信号に基づいて補給水弁59を開閉制御し、シスターン61の水位を適正範囲に維持する。
ガス燃焼式のバーナ57は、バーナ熱交換器60を加熱する。バーナ熱交換器60の下流とシスターン61は、高温水経路73によって接続されている。高温水経路73には、上流側から順に、暖房高温サーミスタ74、暖房端末熱動弁75、暖房端末機76が装着されている。
暖房高温サーミスタ74は、高温水経路73を流れる温水の温度を検出する。暖房高温サーミスタ74の検出信号は、コントローラ21に出力される。
暖房端末熱動弁75は、膨張エレメントと、膨張エレメントと機械的に連結された開閉弁を内蔵している。暖房端末機76の操作スイッチ76aがオンにされると、暖房端末熱動弁75の膨張エレメントに通電が行われる。通電された膨張エレメントは高温になって膨張する。膨張した膨張エレメントは開閉弁を駆動し、これによって暖房端末熱動弁75が開かれる。また、操作スイッチ76aがオンにされると、コントローラ21は、暖房ポンプ69を作動させる。このように、操作スイッチ76aがオンにされたことによって、暖房端末熱動弁75が開かれるとともに、暖房ポンプ69が作動すると、シスターン61から温水が吸出される。コントローラ21は、暖房低温サーミスタ72と暖房高温サーミスタ74が検出した温水温度に基づいて、バーナ57を制御し、バーナ熱交換器60から流出する温水の温度を所定範囲に維持する。暖房端末機76の電動ファンは、操作スイッチ76aがオンにされると回転し、熱交換器76bに空気を吹付ける。熱交換器76bに吹付けられた空気は、熱交換器76bを介して温水と熱交換を行って暖められる。暖められた空気は暖房端末機76から吹出し、部屋を暖房する。熱交換器76bで空気と熱交換を行うことによって、温水の温度は低下する。温度が低下した温水は、高温水経路73を流れてシスターン61に戻る。
浴槽79には、吸出口79aと供給口79bが設けられている。吸出口79aと供給口79bは、風呂循環経路80によって接続されている。風呂循環経路80は、追焚き熱交換器58を通過している。上述したように、追焚き経路77も追焚き熱交換器58を通過している。このため、追焚き熱交換器58では、風呂循環経路80と追焚き経路77との間で熱交換が行われる。風呂循環経路80の追焚き熱交換器58の上流側には、風呂水位センサ81、風呂循環ポンプ82、風呂水流スイッチ84が装着されている。風呂循環ポンプ82は、コントローラ21によって制御される。風呂水位センサ81、湯張り量センサ83、風呂水流スイッチ84は、コントローラ21に検出信号を出力する。風呂水位センサ81は、水圧を検出する。コントローラ21は、風呂水位センサ81が検出した水圧から、浴槽79に張られている湯の水位を推定する。風呂水流スイッチ84は、風呂循環経路80を水が流れるとオンになる。
風呂循環経路80の風呂水位センサ81の上流側には、浴槽79から吸出された温水の温度を検出する風呂サーミスタ85が装着されている。風呂サーミスタ85の検出信号は、コントローラ21に出力される。
浴槽79に湯を張るときには、注湯弁27が開かれ、補給水弁59が閉じられる。注湯弁27が開かれ、補給水弁59が閉じられると、温水が給湯栓経路63から湯張り経路25を経て風呂循環経路80に流入する。風呂循環経路80に流入した温水は、吸出口79aと供給口79bから浴槽79に供給され、浴槽79を湯張りする。このときには、風呂循環ポンプ82は駆動されず、湯張り経路25に加わっている水圧によって浴槽79への湯張りが行われる。
シスターン出水経路68と三方弁86のCポート86cは、低温水経路70によって接続されている。低温水経路70の途中には、低温サーミスタ94、床暖房熱動弁90、床暖房機91が設けられている。低温サーミスタ94は、低温水経路70を流れる温水の温度を検出する。低温サーミスタ94の検出信号は、コントローラ21に出力される。床暖房熱動弁90は、コントローラ21によって制御される。床暖房機91は、低温水経路70を流れる温水によって床を暖める。
高温水経路73の暖房端末熱動弁75の上流側と、低温水経路70の床暖房機91の下流側とは、バイパス経路92によって接続されている。バイパス経路92の途中には、バイパス熱動弁93が装着されている。バイパス熱動弁93は、コントローラ21によって開閉制御される。
床暖房を行う場合には、床暖房熱動弁90が開かれ、温水が床暖房機91に導かれる。導かれた温水は、床暖房機91を暖める。床暖房を行わない場合には、床暖房熱動弁90が閉じられる。
低温水戻り経路87が設けられており、三方弁86のBポート86bと、高温水経路73の暖房端末機76の下流側とを接続している。低温水戻り経路87には、低温戻りサーミスタ89が装着されている。低温戻りサーミスタ89は、低温水戻り経路87を流れる温水の温度を検出する。低温戻りサーミスタ89の検出信号は、コントローラ21に出力される。
三方弁86のAポート86aと、低温水戻り経路87の途中とを接続する貯湯槽経路88が設けられている。貯湯槽経路88には、貯湯槽20の上部を通過する熱交換部88aが形成されている。
ステップS16では、第2水量センサ47で検出される流量x(リットル/min)の積算を開始する。積算した流量は、積算流量y(リットル)として記憶される。
ステップS18では、バーナ56が燃焼したときの、バーナ熱交換器52を通過する温水の昇温e(℃)を推定する。昇温e(℃)は、〔e(℃)=最小給湯能力(kJ/h)/(x(リットル/min)×温水の比熱(kJ/リットル・℃))〕の式で求めることができる。本実施例の給湯器22の最小給湯能力は約18855(kJ/h)であり、温水の比熱は4.19(kj/リットル・℃)である。例えば流量が10(リットル/min)であれば、〔10(リットル/min)=600(リットル/h)〕であるから、昇温e(℃)は、〔18855/(600×4.19)=7.5(℃)〕となる。この場合、給湯器22のバーナ56を燃焼したとき、温水は加熱されて7.5(℃)以上温度上昇すると推定される。昇温e(℃)を算出した後、ステップS20に進む。
ステップS20では、切換準備水量V(リットル)を算出する。切換準備水量V(リットル)は、ミキシングユニット24の混合水サーミスタ54取付位置から給湯器22の給湯サーミスタ65取付位置までの配管容量s(リットル)から、プリパージ相当容量(リットル)を減じることで算出される。配管容量s(リットル)については、図3を用いて後述する。プリパージ相当容量(リットル)は、バーナ56のプリパージ動作中にバーナ熱交換器52を通過する温水の量であり、バーナ熱交換器52を通過する温水の流量にプリパージ時間を乗じることで算出する。例えば流量が10(リットル/min)であり、プリパージ時間が1.5(sec)であれば、プリパージ相当容量は、〔10×1.5/60=0.25(リットル)〕である。
ステップS22では、混合水サーミスタ54で検出される温度が、図4(B)に示す目標温度となるように、温水を調温する。前記目標温度は、給湯設定温度c(℃)からバーナ56の燃焼直後における温水の温度上昇幅を減じた温度であり、積算流量y(リットル)が熱交換器容量W(リットル)未満のときは〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)×積算流量y(リットル)/熱交換器容量W(リットル)〕で算出され(ステップ22a)、積算流量y(リットル)が熱交換器容量W(リットル)以上のときは、〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕で算出される(ステップ22b)。熱交換器容量W(リットル)はバーナ熱交換器52の配管長さおよび配管断面積に依存する量であり、運転を開始する以前に予めコントローラ21にプログラミングされている。前記目標温度は、給湯設定温度c(℃)から徐々に低下していき、積算流量y(リットル)が熱交換器容量W(リットル)に達した時点で〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕まで低下し、それ以降は積算流量y(リットル)の増加によらず〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕の値をとる。
ステップS24では、積算流量y(リットル)が、切換準備水量V(リットル)を上回るか否かを判別する。積算流量y(リットル)が切換準備水量V(リットル)以下であれば(ステップS24でNOであれば)、給湯器利用運転への切換のための準備動作が終了していないと判断し、ステップS22からステップS24を繰り返す。積算流量y(リットル)が切換準備水量V(リットル)を超えていれば(ステップS24でYESであれば)、給湯器利用運転への切換のための準備動作が終了したと判断し、ステップS26へ進む。
ステップS26では、バーナ56を着火する。バーナ56はプリパージ動作をした後、燃焼を開始する。
ステップS28にまで進むと、それ以後は、給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が給湯設定温度c(℃)に補正値g(℃)を加えた温度となるように調温する。なお、補正値g(℃)については、図3を用いて後述する。
ステップS30で水量x(リットル/min)が2.7(リットル/min)以下となったら(YESとなったら)、給湯栓64が閉じられたとみなされ、ステップS32に進んで給湯器22の燃焼を停止させ、処理を終了する。
従って、給湯器22を点火させる前に、給湯器22の上流側のミキシングユニット24で、図4(B)に示す温度履歴で調温しておく(ステップS22)。切換準備水量Vの温水が流れ、プリパージ時間が経過したとき、即ちミキシングバルブ24の出口から給湯器22の出口までの配管容量に相当する温水が流れた時、ミキシングバルブ24が温度を下げ始めたときに送出された温水はバーナ熱交換器52の出口まで到達し、ミキシングバルブ24が温度を下げ終わったときに送出された温水はバーナ熱交換器52の入口まで到達している。このときバーナ56は燃焼を開始し、給湯器22内を通過する温水を加熱する。加熱された温水はバーナ56の加熱によって図4(A)に示す履歴で昇温する。温水はミキシングユニット24で、設定温度からこの昇温履歴を差し引いた温度(図4(B)に示す)に調温されており、またこのように調温された温水が給湯器22に丁度到達するタイミングで給湯器22が点火される関係に設定されていることにより、蓄熱利用状態から給湯器利用状態に切換わる時も、図4(C)に示すように給湯温度は不安定になることなく、設定温度で給湯される。設定温度より高温の温水が給湯されたり、設定温度より低温の温水が給湯されたりすることを抑制し、給湯温度を安定化させることができる。
図3に示すように、ステップS40で蓄熱利用運転を行っている最中に、ステップS42で給湯サーミスタ65が検出する温度f(℃)が給湯設定温度のc(℃)近傍で安定しているか否かを判別する。給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が低温であるか、温度上昇中であって不安定であるとき(ステップS42でNOであるとき)、ステップS44に進み、混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)が給湯設定温度c(℃)の近似値である温度i(℃)に達したか否かを判別する。〔h=i(≒c)〕となったら(ステップS44でYESとなったら)、ステップS46に進み、給湯運転を開始してから、混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)が給湯設定温度c(℃)の近似値に近づくのに要した時間r(min)を計時する。次に、ステップS48では、給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が給湯設定温度c(℃)の近似値である温度i(℃)に達したか否かを判別する。〔f=i(≒c)〕となったら(ステップS48でYESとなったら)、ステップS50に進み、混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)が給湯設定温度c(℃)の近似値に達してから、給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が給湯設定温度c(℃)の近似値に達するのに要した時間q(min)を計時する。
計時された時間r(min)は、貯湯槽22から送り出された温水がミキシングユニット24を通過するのに要した時間であり、計時された時間q(min)は、ミキシングユニット24を通過した温水が給湯器22を通過するのに要した時間である。
給湯開始時の温水経路42の流量は、第2水量センサ47で測定される温水経路51の流量に等しい。そこで、ステップS52では、貯湯槽22とミキシングユニット24間の配管容量t(リットル)と、ミキシングユニット24と給湯器22間の配管容量s(リットル)をそれぞれ算出する。貯湯槽22とミキシングユニット24間の配管容量t(リットル)は、〔t(リットル)=x(リットル/min)×r(min)〕の式で求めることができる。また、ミキシングユニット24と給湯器22間の配管容量s(リットル)は、〔s(リットル)=x(リットル/min)×q(min)〕の式で求めることができる。例えば水量が10(リットル/min)、計時された時間が0.5(min)であれば、配管容量s(リットル)は、〔10×0.5=5(リットル)〕となる。配管容量s(リットル)の算出後は、処理Bから図2のステップS12に戻る。
従来であれば、この配管容量は施工状態によって異なってくるため、制御に利用することができなかった。しかし、本実施例では給湯システム10に既存のサーミスタやセンサを利用して、給湯システム10の運転中に配管容量を算出することができる。これによって、図2の処理の説明で述べたように、ミキシングユニット24で、給湯器22に加熱されて温度上昇する分を差し引いた温度に調温しておいた温水が給湯器22に到達するタイミングを捕えることができる。
もしこのタイミングより早く給湯器22を点火させてしまうと、設定温度以上の温度の温水が給湯器22で加熱されてしまい、設定温度よりさらに加熱された高温の温水が給湯されてしまう恐れがある。あるいは、もしこのタイミングより給湯器22を点火させるのが遅れてしまうと、設定温度より低温に調温された温水が給湯器22で加熱されることなく給湯されてしまい、給湯温度が大きく低下して快適な使用感を損なう。
このことから、ミキシングユニット24と給湯器22の間の配管容量を調温制御に利用することによって、給湯温度をさらに安定化させることができる。
本実施例の給湯システム10では、蓄熱利用状態のときは、ミキシングユニット24の下流側にある混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)が給湯設定温度c(℃)となるように調温制御される。また、給湯器利用状態のときは、給湯器22の下流側にある給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が給湯設定温度c(℃)となるように調温制御される。即ち、蓄熱利用状態のときと給湯器利用状態のときとでは、制御に利用されるサーミスタが異なっている。
混合水サーミスタ54と給湯サーミスタ65は同一経路上にあるため、本来であれば同一値を検出するはずであるが、混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)と給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)とに誤差が生じてしまうことがある。誤差が生じると、蓄熱利用状態のときと給湯器利用状態のときとで、調温される湯温に差が生じてしまう。
例えば、設定温度が40.0(℃)であり、ミキシングユニット24で調温される温水の温度が安定しており、混合水サーミスタ54の検出温度h(℃)が40.0(℃)であり、給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が40.8(℃)であるとする。このときの誤差h(℃)は〔40.8(℃)−40.0(℃)=0.8(℃)〕である。蓄熱利用状態のときには混合水サーミスタ54が調温に利用されるため、温水の温度は混合水サーミスタ54による40.0(℃)に調温される。ところが、給湯器利用状態に切換わると給湯サーミスタ65が調温に利用されるため、混合水サーミスタ54であれば40.0(℃)と検出する温度であっても給湯サーミスタ65によって40.8(℃)と検出されてしまう。このため、このままでは、設定温度である40(℃)に調温しようとして、0.8(℃)温度を低下させてしまう。混合水サーミスタ54が検出する温度であれば〔40.0(℃)−0.8(℃)=39.2(℃)〕に相当する。
しかし、本実施例の給湯システム10では、給湯器利用状態のときは、給湯設定温度c(℃)に補正値g(℃)を加味し、給湯設定温度c(℃)を補正する。即ち、蓄熱利用状態から給湯器利用状態に切換わると、設定温度40.0(℃)に補正値0.8(℃)を加え、給湯設定温度c(℃)を40.0(℃)から40.8(℃)に補正する。給湯サーミスタ65の検出温度f(℃)が、補正後の設定温度40.8(℃)となるように調温するため、給湯器利用状態の温水の温度は、混合水サーミスタ54が検出する温度の40.0(℃)に相当する温度に調温されることとなる。これによって、蓄熱利用状態から給湯器利用状態に切換わっても、調温される温水の温度は変化することなく、安定化する。
この場合、ステップS16で流量の積算を開始する代わりに、時間T(min)の計時を開始する。また、このときの瞬時流量x0(リットル/min)を記憶しておく。
ステップS20で切換準備水量V(リットル)を算出する代わりに、切換準備時間T2(min)を算出する。切換準備時間T2(min)は、温水がミキシングユニット24の混合水サーミスタ54取付位置から給湯器22の給湯サーミスタ65取付位置まで移動するために要する推定時間(min)から、プリパージ時間(min)を減じることで算出される。前記推定時間は、ミキシングユニット24の混合水サーミスタ54取付位置から給湯器22の給湯サーミスタ65取付位置までの配管容量s(リットル)を、記憶された瞬時流量x0(リットル/min)で除することで算出される。
ステップS22では、混合水サーミスタ54で検出される温度が、目標温度となるように、温水を調温する。前記目標温度は、バーナ56の燃焼直後における温水の温度上昇履歴を加味した温度であり、時間T(min)が熱交換器通過時間T3(min)未満のときは〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)×時間T(min)/熱交換器通過時間T3(min)〕で算出され、時間T(min)が熱交換器通過時間T3(min)以上のときは、〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕で算出される。熱交換器通過時間T3(min)は、温水がバーナ熱交換器52を通過するために要する時間であり、熱交換器容量W(リットル)を、記憶された瞬時流量x0(リットル/min)で除することで算出される。前記目標温度は、給湯設定温度c(℃)から徐々に低下していき、時間T(min)が熱交換器通過時間T3(min)に達した時点で〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕まで低下し、それ以降は時間T(min)の増加によらず〔給湯設定温度c(℃)−昇温e(℃)〕の値をとる。
ステップS24では、時間T(min)が、切換準備時間T2(min)を上回るか否かを判別する。時間T(min)が切換準備時間T2(min)以下であれば、給湯器利用運転への切換のための準備動作が終了していないと判断し、ステップS22からステップS24を繰り返す。時間T(min)が切換準備時間T2(min)を超えていれば、給湯器利用運転への切換のための準備動作が終了したと判断し、ステップS26へ進む。
以上のような動作をすることで、蓄熱利用状態から給湯器利用状態に切換わっても、調温される温水の温度は変化することなく、安定化する。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20:貯湯槽、20a:出口部
21:コントローラ
22:給湯器
23:リモコン
24:ミキシングユニット、24a:給水入口、24b:混合水出口24c:温水入口
25:湯張り経路
26:給水経路、26a:入口
27:注湯弁
28:減圧弁
30:ミキシングユニット給水経路
31:リリーフ弁
32:圧力開放経路、32a:一端、32b:他端
33:排水経路
34:排水弁
35:上部サーミスタ
36:下部サーミスタ
40:循環ポンプ
42:温水経路
44:往路サーミスタ
45:復路サーミスタ
47:第2水量センサ
48:給水サーミスタ
50:温水サーミスタ
51:温水経路
52:バーナ熱交換器
54:混合水サーミスタ
55:ハイカットサーミスタ
56、57:バーナ
58:追焚き熱交換器
59:補給水弁
60:バーナ熱交換器
61:シスターン
62:シスターン入水経路
63:給湯栓経路
64:給湯栓
65:給湯サーミスタ
66:水位電極、66a:ハイレベルスイッチ、66b:ローレベルスイッチ
67:第1水量センサ
68:シスターン出水経路
69:暖房ポンプ
70:低温水経路
71:バーナ上流経路
72:暖房低温サーミスタ
73:高温水経路
74:暖房高温サーミスタ
75:暖房端末熱動弁
76:暖房端末機、76a:操作スイッチ、76b:熱交換器
77:追焚き経路
78:追焚き熱動弁
79:浴槽、79a:吸出口、79b:供給口
80:風呂循環経路
81:風呂水位センサ
82:風呂循環ポンプ
83:湯張り量センサ
84:風呂水流スイッチ
85:風呂サーミスタ
86:三方弁、86a:Aポート、86b:Bポート、86c:Cポート
87:低温水戻り経路
88:貯湯槽経路、88a:熱交換部
89:低温戻りサーミスタ
90:床暖房熱動弁
91:床暖房機
92:バイパス経路
93:バイパス熱動弁
94:低温サーミスタ
110:発電ユニット
112:改質器
114:燃料電池
116:熱交換器
117:熱媒温度センサ
118:熱交換器
119:熱媒冷却ファン
120:熱媒放熱器
121:水素ガス供給経路
122:熱媒三方弁、122a:入口、122b:出口、122c:出口
124:熱媒循環経路
125:リザーブタンク
126:燃焼ガス経路
127:熱媒ポンプ
128:循環経路、128a:循環復路、128b:循環往路
129:冷却経路
131:バーナ
Claims (5)
- 貯湯槽と、
貯湯槽からの水と水道水を混合するとともに混合水の温度を指令された温度に調整可能な混合器と、
混合器を通過した水を必要に応じて加熱して温水利用箇所に給湯する給湯器と、
給湯器の加熱運転開始後の湯温上昇幅の時間に対する変化速度を記憶している手段と、
混合器で水道水を混合している期間内の第1タイミングで、混合器に指令する混合水の温度を前記変化速度で低下させ始める混合水温度指令手段と、
指令に応じて温度を低下させ始めた混合水が給湯器の加熱部の出口近傍に達する第2タイミングで、給湯器の加熱運転を開始する手段
を備えていることを特徴とする給湯システム。 - 前記第1タイミングは、前記変化速度で温度を低下させた混合水温度が、給湯設定温度から給湯器による定常温度上昇幅を減じた温度に低下するまでの間、混合水温度以上の温水が混合器に入水するだけの湯量が残存する関係に設定されていることを特徴とする請求項1の給湯システム。
- 貯湯槽の上部に設置されている温水温度計測手段が所定温度を計測することによって、前記第1タイミングを検出することを特徴とする請求項2の給湯システム。
- 前記第2タイミングは、前記第1タイミング以降に給湯器の加熱部に供給された積算流量が、混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量から、給湯器に運転開始指令を指令してから実際に加熱運転を開始するまでに流れる流量を減じた値に一致したタイミングであることを特徴とする請求項3の給湯システム。
- 前記第2タイミングは、前記第1タイミングから、混合器から給湯器の加熱部の出口近傍までの配管容量を時間当たりの流量で除した時間から給湯器に運転開始指令を指令してから実際に加熱運転を開始するまでに要する時間を減じた時間だけ経過した時であることを特徴とする請求項3の給湯システム。
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