JP4176696B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットによって貯湯タンクの湯水を特定時間帯に沸き上げる給湯装置に関する。

従来、例えば深夜電力時間帯などの特定時間帯に貯湯タンク内の湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯タンクに貯湯した湯を給湯する給湯装置では、特定時間帯の開始時点に電力使用が集中するのを防止するとともに、貯湯タンクの湯を沸き上げた後の放熱による温度低下を防止するため、特定時間帯の終了直前に沸き上げが完了するように、特定時間帯の開始時点よりも沸上開始を遅らせるいわゆるピークシフト制御が行なわれている（例えば、特許文献１参照。）。

一般に、ピークシフト制御では、特定時間帯の開始時点での貯湯タンクの残湯量、給水温度、沸上温度などから必要熱量を求め、この必要熱量とヒートポンプユニットの沸上出力とから所要通電時間を求め、この所要通電時間と特定時間帯の時間とから沸上開始移動時間つまりピークシフト時間を求めるプログラムが使用されており、特定時間帯の開始時点からピークシフト時間経過した時点で沸き上げを開始している。

また、貯湯タンク内の湯水の沸き上げに、外気中の熱を集熱して貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプユニットを用いた給湯装置がある（例えば、特許文献２参照。）。

このヒートポンプユニットでは、外気温度に応じて運転効率が変化し、ある外気温度の範囲で運転効率が最も高く、その運転効率の高い外気温度の範囲より外気温度が低くなるほど運転効率が低下してしまうヒートポンプ特有の特性を有している。
特開昭６１−２５０５８号公報（第２頁、第２図） 特開２００２−８９９５８号公報（第３−４頁、図１）

上述したように、一般に、ピークシフト制御では、残湯量、給水温度、沸上温度などに基づいてピークシフト時間を求めるプログラムを使用しており、このプログラムではヒートポンプユニットの能力に影響を与える外気温度については考慮されていなかった。

そのため、外気温度と貯湯タンク内の水温とのバランスが合っていない場合、求めたピークシフト時間と実際に必要とするピークシフト時間とに大きく差が出てしまい、例えば、水温が高くても外気温度が低い場合には特定時間帯の終了時点で沸き上がっていなかったり、水温が低くても外気温度が高い場合には特定時間帯の終了時点よりも早く沸き上がり過ぎてしまう問題がある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、外気温度と貯湯タンク内の水温とのバランスを考慮して沸上開始移動時間を適切に設定できる給湯装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の給湯装置は、貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプユニットと、前記貯湯タンク内の水温を検知する水温検知手段と、前記ヒートポンプユニットの設置場所の外気温度を検知する外気温度検知手段と、前記貯湯タンク内の湯水を前記ヒートポンプユニットで沸き上げる特定時間帯を検知する特定時間帯検知手段と、前記外気温度検知手段で検知する外気温度および前記水温検知手段で検知する検知水温に応じて予め設定された設定水温を記憶した設定水温記憶手段と、前記外気温度検知手段で検知した外気温度に応じた設定水温と前記水温検知手段で検知した検知水温に応じた設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定する給水温度設定手段と、この給水温度設定手段で設定された給水温度に基づいて、前記特定時間帯の終了時に前記ヒートポンプユニットによる沸上を完了させるのに対応してヒートポンプユニットによる沸上開始を特定時間帯の開始時点から移動させる沸上開始移動時間を求める演算手段と、この演算手段で求められた沸上開始移動時間が特定時間帯の開始時点から経過したら前記ヒートポンプユニットによる沸上を開始させる沸上制御手段とを具備しているものである。

そして、検知した外気温度に応じて予め設定されている設定水温と検知した検知水温に応じて予め設定されている設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定し、この給水温度に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、外気温度と貯湯タンク内の水温とのバランスが考慮され、沸上開始移動時間が適切に設定される。例えば、検知水温に応じた設定水温が高くても外気温度に応じた設定水温が低い場合には、外気温度に応じた設定水温に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、特定時間帯の終了時点で沸き上がっていないようなことがなく、また、検知水温に応じた設定水温が低くても外気温度に応じた設定水温が高い場合には、検知水温に応じた検知水温に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、特定時間帯の終了時点よりも早く沸き上がり過ぎてしまうのが防止される。

請求項２記載の給湯装置は、請求項１記載の給湯装置において、給水温度設定手段で設定された給水温度に基づいて、ヒートポンプユニットの沸上出力を設定する沸上出力設定手段を具備し、演算手段は、前記給水温度設定手段で設定された給水温度および前記沸上出力設定手段で設定された沸上出力に基づいて沸上開始移動時間を求めるものである。

そして、設定された給水温度に基づいてヒートポンプユニットの沸上出力を設定し、設定された給水温度および沸上出力に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、沸上開始移動時間が適切に設定される。

請求項１記載の給湯装置によれば、検知した外気温度に応じて予め設定されている設定水温と検知した検知水温に応じて予め設定されている設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定し、この給水温度に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、外気温度と貯湯タンク内の水温とのバランスを考慮し、沸上開始移動時間を適切に設定できる。

請求項２記載の給湯装置によれば、請求項１記載の給湯装置の効果に加えて、設定された給水温度に基づいてヒートポンプユニットの沸上出力を設定し、設定された給水温度および沸上出力に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、沸上開始移動時間を適切に設定できる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。

図２に示すように、給湯装置11は、本体ユニット12およびヒートポンプユニット13を備えている。

本体ユニット12は湯を貯湯する貯湯タンク21を有し、この貯湯タンク21には、下部に給水口22が、上部に上部接続口23が、中間部に中間接続口24が、下部で給水口22より上側に下部接続口25が、それぞれ設けられている。そして、沸上貯湯時においては、給水口22は取出口として、上部接続口23は上部取入口として、中間接続口24は中間取入口として、下部接続口25は下部取入口として、それぞれ機能する。一方、給湯時においては、上部接続口23は上部取出口として、中間接続口24は中間取出口として、それぞれ機能する。

貯湯タンク21の側面には、貯湯タンク21の上から例えば６０Ｌ、１２０Ｌ、１８０Ｌ、３５０Ｌ、４６０Ｌの各水位に、貯湯タンク21内の湯温、水温を検知するサーミスタ26a〜26eが配設されている。これらサーミスタ26a〜26bは、貯湯タンク21内の残湯量を検知する残湯量検知手段27（図１参照）として機能し、例えば５８℃以上を湯として残湯有りと検知する。３５０Ｌ、４６０Ｌのサーミスタ26d，26eは、貯湯タンク21内に給水された水の水温を検知する水温検知手段28（図１参照）として機能する。

貯湯タンク21の給水口22には水道管などの給水源に配管される給水管29が減圧弁30を介して接続され、上部接続口23には上部配管31が接続され、中間接続口24には中間配管32が接続され、下部接続口25には下部配管33が接続されている。

また、貯湯タンク21とヒートポンプユニット13との間には、貯湯タンク21内の下部の水をヒートポンプユニット13に対して循環させる循環手段34の沸上循環路35が形成されている。この沸上循環路35は、貯湯タンク21の給水口22に接続されて貯湯タンク21内の下部の水がヒートポンプユニット13に入る往き配管36、ヒートポンプユニット13で沸き上げられた湯が出湯されて貯湯タンク21に戻る戻り配管37、これら往き配管36および戻り配管37で湯水を循環させる循環ポンプ38を備えている。

戻り配管37と各配管31，32，33との間には、ヒートポンプユニット13で沸き上げられて戻り配管37から貯湯タンク21に戻る湯を貯湯タンク21の各接続口23，24，25のいずれか１つに切り換えて取り入れさせる取入口切換手段としての取入口切換用三方弁39が配設されている。この取入口切換用三方弁39は、戻り配管37が接続される流入口39a、上部配管31が接続される上部流出口39b、中間配管32が接続される中間流出口39c、下部配管33が接続される下部流出口39dを有し、流入口39aに対して各流出口39b〜39dのいずれか１つを開放させて残りを閉止するように構成されている。

また、ヒートポンプユニット13は、冷媒が充填された冷媒回路42を有し、この冷媒回路42には圧縮機43、凝縮器として機能する熱交換器44、膨張弁45、蒸発器46などが含まれ、圧縮機43の運転時に熱交換器44を通じて沸上循環路35を循環する水を沸き上げる。圧縮機43、膨張弁45および蒸発器46などは本体ユニット12とは別の室外機47に配置され、また、熱交換器44などは本体ユニット12に配置される。室外機47には、この室外機47が設置される設置場所の外気温度を検知するセンサで構成される外気温度検知手段48が配設されている。

また、上部配管31および中間配管32は、貯湯タンク21の上部接続口23および中間接続口24からの湯の取り出しを切り換えて給湯する給湯切換用三方弁53に接続されている。この給湯切換用三方弁53は、上部配管31が接続される上部流入口53a、中間配管32が接続される中間流入口53b、給湯配管54が接続される流出口53cを有し、流出口53cに対して各流入口53a，53bのいずれか一方を開放させて他方を閉止するように構成されている。

また、図１に、給湯装置11を制御する制御部61を示し、この制御部61は、残湯量検知手段27、水温検知手段28、外気温度検知手段48、貯湯タンク21内の湯水をヒートポンプユニット13で沸き上げる例えば深夜電力時間帯などの特定時間帯を検知する特定時間帯検知手段62などからの検知情報を入力し、ヒートポンプユニット13などを制御する。

制御部61は、外気温度検知手段48で検知する外気温度および水温検知手段28で検知する検知水温に応じて予め設定された設定水温を記憶した設定水温記憶手段63を有する記憶部64、外気温度検知手段48で検知した外気温度に応じた設定水温と水温検知手段28で検知した検知水温に応じた設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定する給水温度設定手段65の機能、給水温度設定手段65で設定された給水温度（低い方の給水温度）に基づいてヒートポンプユニット13の沸上出力を設定する沸上出力設定手段66の機能、貯湯タンク21の容量、残湯量、給水温度、ヒートポンプユニット13の沸上出力などに基づいて、特定時間帯の終了時にヒートポンプユニット13による沸上を完了させるのに対応してヒートポンプユニット13による沸上開始を特定時間帯の開始時点から移動させる沸上開始移動時間つまりピークシフト時間を求める演算手段67の機能、演算手段67で求められたピークシフト時間が特定時間帯の開始時点から経過したらヒートポンプユニット13による沸上を開始させる沸上制御手段68の機能、時計機能であるタイマ69などを有している。

記憶部64は、図３に示すように、ピークシフト時間の演算に使用するために予め設定されている設定テーブルを有し、この設定テーブルに設定水温記憶手段63も含まれているとともに、給水温度設定手段65で設定された給水温度に応じて予め設定されたヒートポンプユニット13の沸上出力を記憶する沸上出力記憶手段なども含まれている。

次に、本実施の形態の作用を説明する。

まず、貯湯タンク21への湯の貯湯動作について説明する。

ヒートポンプユニット13の圧縮機43の運転中において、循環ポンプ38を駆動し、貯湯タンク21の給水口22から取り出した貯湯タンク21の下部の水をヒートポンプユニット13の熱交換器44を通じて沸き上げ、取入口切換用三方弁39で切り換えられる上部接続口23、中間接続口24および下部接続口25のいずれか１つから貯湯タンク21に取り入れて貯湯する。

通常は、取入口切換用三方弁39で上部接続口23に切り換え、ヒートポンプユニット13で沸き上げられた湯を上部接続口23から貯湯タンク21の上部に取り入れ、貯湯タンク21の上部から下方に向かって湯を順次貯湯する。

次に、特定時間帯での沸上制御について図４のフローチャートを参照して説明する。

この場合、例えば、貯湯タンク21の容量４５０Ｌ、残湯量１２０Ｌ、外気温度７℃、検知水温９℃、沸上温度設定は最高の８８℃を条件として説明する。

例えば深夜電力時間帯などの特定時間帯を特定時間帯検知手段62で検知すれば（ステップ１）、必要熱量＝（貯湯タンク21の容量−残湯量）×（沸上温度−給水温度）を算出する（ステップ２）。

給水温度は、外気温度に応じた設定水温と検知水温に応じた設定水温とを比較し、低い方の設定水温を設定する。すなわち、図３から、外気温度Ａが７℃であるので設定水温は１０℃であり、検知水温Ｂが９℃であるので設定水温は１０℃であり、この場合、それら設定温度が同じであるので、１０℃を給水温度に設定する。

したがって、
必要熱量＝（４５０−１２０）×（８８−１０）
＝２６．５２０ｋｃａｌ
となる。

なお、仮に、検知水温Ｂが１６℃であれば、図３から、検知水温Ｂに応じた設定水温は２０℃であり、外気温度Ａの７℃に応じた設定水温１０℃と比較すると、外気温度Ａの７℃に応じた設定水温１０℃の方が低いので、１０℃を給水温度に設定する。

また、仮に、検知水温Ｂが６℃であれば、図３から、検知水温Ｂに応じた設定水温は５℃であり、外気温度Ａの７℃に応じた設定水温１０℃と比較すると、検知水温Ｂに応じた設定水温５℃の方が低いので、５℃を給水温度に設定する。

続いて、所要通電時間＝必要熱量／（ヒートポンプユニット13の沸上出力×８６０×効率）を計算する（ステップ３）。８６０は固定値であり、効率は０．９とする。

図３から、給水温度（設定水温）が１０℃、沸上温度設定が最高、残湯量が所定量以上（例えば残湯量１２０Ｌ以上を所定量以上とする）であるので、沸上出力を６．０に設定する。

したがって、
所要通電時間＝２６．５２０／（６．０×８６０×０．９）
＝５．７時間
となる。

なお、ヒートポンプユニット13の蒸発器46に着霜が発生しやすくなる外気温度が５℃以下の場合には、上記所要通電時間に除霜ロス係数として１．２を乗じた値を所要通電時間とする。

続いて、ピークシフト時間＝特定時間帯−所要通電時間を計算する（ステップ４）。特定時間帯は、開始時刻が２３：００、終了時刻が７：００とした場合、８時間となる。

したがって、
ピークシフト時間＝８−５．７
＝２．３時間
＝１３８分
となる。

そして、タイマ69による計時を開始し（ステップ５）、特定時間帯に入ってからの経過時間とピークシフト時間とが一致するまで（ステップ６）、残湯量の変化を監視する（ステップ７）。湯の使用により、残湯量が減少した場合には、ピークシフト時間を再算出する（ステップ８）。

特定時間帯に入ってからの経過時間とピークシフト時間とが一致すれば、ヒートポンプユニット13の運転を開始し（ステップ９）、貯湯タンク21内の湯水をヒートポンプユニット13で沸き上げる。

貯湯タンク21内の湯水の沸き上げが完了したら（ステップ10）、ヒートポンプユニット13の運転を停止し（ステップ11）、特定時間帯が終了するまでは（ステップ12）、湯の使用に伴う貯湯タンク21内への給水を監視する（ステップ13）。湯の使用に伴う貯湯タンク21内への給水を検知すれば、ヒートポンプユニット13を再運転する。

特定時間帯が終了すれば、沸上動作を終了する。

このように、給湯装置11では、検知した外気温度に応じて予め設定されている設定水温と検知した検知水温に応じて予め設定されている設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定し、この給水温度に基づいて沸上開始移動時間を求めることにより、外気温度と貯湯タンク21内の水温とのバランスを考慮し、沸上開始移動時間を適切に設定できる。

すなわち、検知水温に応じた設定水温が高くても外気温度に応じた設定水温が低い場合には、外気温度に応じた設定水温に基づいてピークシフト時間を求めることにより、特定時間帯の終了時点で沸き上がっていないようなことがなく、また、検知水温に応じた設定水温が低くても外気温度に応じた設定水温が高い場合には、検知水温に応じた検知水温に基づいてピークシフト時間を求めることにより、特定時間帯の終了時点よりも早く沸き上がり過ぎてしまうのを防止できる。

本発明の一実施の形態を示す給湯装置のブロック図である。 同上給湯装置の構成図である。 同上給湯装置の記憶部に設定された設定テーブルの説明図である。 同上給湯装置における特定時間帯での沸上動作のフローチャートである。

符号の説明

11 給湯装置
13 ヒートポンプユニット
21 貯湯タンク
28 水温検知手段
48 外気温度検知手段
62 特定時間帯検知手段
63 設定水温記憶手段
65 給水温度設定手段
66 沸上出力設定手段
67 演算手段
68 沸上制御手段

Claims (2)

1. 貯湯タンクと、
   この貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプユニットと、
   前記貯湯タンク内の水温を検知する水温検知手段と、
   前記ヒートポンプユニットの設置場所の外気温度を検知する外気温度検知手段と、
   前記貯湯タンク内の湯水を前記ヒートポンプユニットで沸き上げる特定時間帯を検知する特定時間帯検知手段と、
   前記外気温度検知手段で検知する外気温度および前記水温検知手段で検知する検知水温に応じて予め設定された設定水温を記憶した設定水温記憶手段と、
   前記外気温度検知手段で検知した外気温度に応じた設定水温と前記水温検知手段で検知した検知水温に応じた設定水温とを比較し、いずれか低い方を給水温度に設定する給水温度設定手段と、
   この給水温度設定手段で設定された給水温度に基づいて、前記特定時間帯の終了時に前記ヒートポンプユニットによる沸上を完了させるのに対応してヒートポンプユニットによる沸上開始を特定時間帯の開始時点から移動させる沸上開始移動時間を求める演算手段と、
   この演算手段で求められた沸上開始移動時間が特定時間帯の開始時点から経過したら前記ヒートポンプユニットによる沸上を開始させる沸上制御手段と
   を具備していることを特徴とする給湯装置。
2. 給水温度設定手段で設定された給水温度に基づいて、ヒートポンプユニットの沸上出力を設定する沸上出力設定手段を具備し、
   演算手段は、前記給水温度設定手段で設定された給水温度および前記沸上出力設定手段で設定された沸上出力に基づいて沸上開始移動時間を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の給湯装置。

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