JP4302686B2 - 温水システム - Google Patents

Description

本発明は、供給された水を加熱して生成した温水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクに設けられたヒータとを備える温水システムに関する。

従来より、給湯システムとして、深夜電力を利用して湯水を加熱する電気温水器を用いたものがある。かかる給湯システムでは、深夜電力により生成した温水を貯えるために大容量の貯湯タンクが必要となる。このため、貯湯タンクの設置スペースの問題を有する個人住宅などへの設置が難しいという問題があった。また、集合住宅向けに、大容量の貯湯タンクに深夜電力で加熱した温水を貯え、この温水を集合住宅の各住戸に供給するようにした給湯システムも存在する。しかし、このような給湯システムでは、貯湯タンクから各住戸までの配管が長くなるため、給湯口を開けてから温水が出てくるまでの時間が長くなってしまうという問題があった。これらの問題のため、深夜電力を利用した給湯システムは設置スペースに問題のある個人住宅や集合住宅向けには余り普及していないのが実状である。

これに対して、特許文献１には、太陽電池パネルの電力で蓄電池を充電し、この蓄電池の電力により電気温水器で温水タンクの温水を加熱するようにした温水装置が知られている。
特開２０００−５５４７９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された温水装置では、蓄電池の電力をＤＣ／ＡＣインバータを介して電気温水器に供給している。このため、ＤＣ／ＡＣインバータでの損失発生が不可避であり、効率よく温水を生成することができない上、設置スペースや配管の長尺化の問題には対処できていない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、貯湯タンクの小型化を図りつつ、高いエネルギー効率で温水を生成することが可能な、蓄電池をヒータの電源として用いた温水システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、供給された水を加熱して生成した温水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクに設けられたヒータとを備える温水システムであって、
前記ヒータの電源となる蓄電池と、前記蓄電池から出力された電力を直流電力のまま前記ヒータに供給することにより、前記ヒータによって前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる加熱制御部と、前記貯湯タンク内の水温を検出する水温検出部と、前記蓄電池の残存容量を検出する残存容量検出部と、を備え、前記加熱制御部は、前記検出された残存容量が所定量以下であり、かつ、前記検出された水温が所定温度以下の場合に、商用電力を電源として前記ヒータにより前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、貯湯タンク内の湯水を、蓄電池を電源とするヒータで加熱できるので、貯湯タンクに多量の温水を貯えておく必要がなくなり、貯湯タンクの小容量化を実現できる。また、蓄電池の電力を直流電力のままヒータに供給するので、インバータの使用に伴う損失がなく、効率的に湯水の加熱を行うことができる。ただし、経済性等を考慮の上、必要があれば、蓄電池にインバータを接続し、このインバータの出力を商用電源の停電時などの非常用屋内電源として使用することも可能である。

また、本発明において、深夜商用電力を用いて前記蓄電池を充電する充電部を備えることとしてもよい。深夜商用電力は低コストであるため、このようにすれば、蓄電池の充電に必要な電気代を低減することができる。

また、本発明において、前記蓄電池が放出した熱を、前記貯湯タンクへ供給される水に回収する熱回収部を備えることとしてもよい。このようにすれば、蓄電池の熱が回収された水を貯湯タンク内で加熱することになるので、より効率的に温水を生成することができる。

また、本発明において、前記加熱制御部は、深夜商用電力を電源として前記ヒータにより前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる機能を有することとしてもよい。

また、本発明において、前記蓄電池は、ラミネート型リチウム・イオン蓄電池であることとしてもよい。

本発明によれば、貯湯タンクの小型化を図りつつ、高いエネルギー効率で温水を生成することが可能な、蓄電池をヒータの電源として用いた温水システムを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態である温水システム１０の全体構成図である。同図に示すように、本実施形態の温水システム１０は、貯湯タンク２０と、その内部に設置されたヒータ２２とを備えている。貯湯タンク２０は、給水管２４から供給された水をヒータ２２で加熱することにより生成した温水を貯える。貯湯タンク２０に貯えられた温水は、給湯管２６を通して、混合栓３１で温度調整の上、シャワー２８やカラン３０などの給湯口に導かれる。

給水管２４には、熱回収部３２が設けられている。熱回収部３２には、ヒータ２２の主電源となる蓄電池３４が収容されている。蓄電池３４は、水密性のケースに収容され、このケースに接触するように、例えば蛇腹状あるいはプレート状の導水管が配置されている。これにより、蓄電池３４の充放電時に発生する熱が、貯湯タンク２０に供給される水に回収される。なお、蓄電池としては、鉛蓄電池、銀・亜鉛蓄電池、リチウム・イオン蓄電池、ニッケル・金属水酸化物蓄電池、ＮａＳ電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、リチウム金属蓄電池、キャパシタなどの二次電池を用いることができるが、特に、リチウム・イオン蓄電池は大容量・高出力でかつ効率が高いので、ヒータ２２の電源として好ましい。更に、ラミネートタイプのリチウム・イオン蓄電池は、耐水性のよいケースに収容されているが、外部損傷など万一の場合に備えた必要な保護対策を行った上で、水中に直接・間接的に、浴させることで、熱の回収をより効率的に行うことが可能であり、また、小型であるため設置スペースが小さくて済む。

温水システム１０は、また、制御部３６を備えている。制御部３６には、貯湯タンク２０に貯えられた温水の水温を検出する水温センサ３８が接続されている。以下に説明するように、制御部３６は、水温センサ３８により検出された水温及び蓄電池３４の残存容量に基づいて、ヒータ２２への通電や蓄電池３４への充電を制御する機能を有する。

なお、蓄電池３４にインバータを接続し、このインバータの出力を商用電源の停電時などの非常用屋内電源として使用できるようにしてもよい。

図２は、制御部３６の詳細構成を示す回路の概念図である。同図に示すように、制御部３６は、タイマー５０、整流器５２、充放電制御回路５４、加熱制御部５６、スイッチＳ１〜Ｓ４等を含んで構成されている。蓄電池３４には残存容量検出部５８が設けられている。また、ヒータ２２は、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒにより構成されている。後述するように、第１ヒータＲは、蓄電池３４を主電源として貯湯タンク２０内の湯水を追い炊きするためのヒータであり、第２ヒータｒは、深夜商用電力を主電源として、夜間に貯湯タンク内の湯水を加熱して必要量の温水を貯えるためのヒータである。

タイマー５０、整流器５２、及び充放電制御回路５４は、商用電源４２と蓄電池３４の正極との間に直列に接続されている。また、整流器５２と充放電制御回路５４との接続部と、蓄電池３４の負極との間には、第１ヒータＲ及びスイッチＳ３が直列に接続されている。また、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒは、商用電源４２に対して並列に接続され、商用電源４２と第２ヒータｒとの間にはスイッチＳ２が、また、第２ヒータｒと第１ヒータＲとの間にはスイッチＳ４が、夫々設けられている。さらに、タイマー５０と整流器５２との接続部と、第２ヒータｒとの間にはスイッチＳ１が設けられている。

タイマー５０は、深夜電気料金が適用される深夜時間帯（例えば夜１１時〜朝８時）のみオンとなるように設定されている。したがって、深夜時間帯は、商用電源４２の電力がタイマー５０、整流器５２及び充放電制御回路５４を介して蓄電池３４に充電される。すなわち、蓄電池３４の充電は、安価な深夜商用電力により行われることになる。

また、以下に示すように、スイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフ状態に応じた各運転モードにて第１ヒータＲ及び第２ヒータｒへの通電が行われ、貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。

（１）運転モード１ （Ｓ１：オン； Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：オフ）
この運転モード１では、第２ヒータｒがタイマー５０を介して商用電源４２に接続される。したがって、タイマー５０がオンとなる深夜時間帯に第２ヒータｒに通電され、深夜商用電力を電源として第２ヒータｒにより貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。すなわち、運転モード１は、夜間に安価な深夜商用電力により湯を沸かして、昼間に必要な温水を確保しておくための運転モードである。

（２）運転モード２ （Ｓ２：オン； Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４：オフ）
この運転モード２では、第２ヒータｒが直接商用電源４２に接続される。したがって、昼夜にかかわらず、商用電力を電源として第２ヒータｒにより貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。本実施形態では、加熱制御部５６は、貯湯タンク２０の水温が所定温度以下に低下し、かつ、蓄電池３４の残存容量が所定量以下となった場合に、スイッチＳ２をオンして運転モード２とする。すなわち、運転モード２は、貯湯タンク２０の温水が通常よりも大量に消費され、蓄電池３４の電力だけでは電力容量が不足する場合に、昼夜を問わず商用電力を電源として貯湯タンク２０内の湯水を追い炊きする運転モードである。

（３）運転モード３ （Ｓ３：オン； Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４：オフ）
この運転モード３では、第１ヒータＲが蓄電池３４に接続され、蓄電池３４の電力を用いて第１ヒータＲにより貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。本実施形態では、加熱制御部５６は、貯湯タンク２０の水温が所定温度を下回ると、スイッチＳ３をオンして運転モード３とする。すなわち、運転モード３は、通常の温水使用時に、温水が消費されるのに伴って水温が低下した場合に追い炊きを行う運転モードである。

（４）運転モード４ ＜Ｓ３，Ｓ４：オン； Ｓ１，Ｓ２：オフ＞
この運転モード４では、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒが蓄電池３４に並列に接続されることで、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒの両方により、貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。このように、運転モード４は、蓄電池３４を電源として２つのヒータｒ，Ｒにより貯湯タンク２０内の湯水を急速に加熱することが可能な運転モードである。

（５）運転モード５ ＜Ｓ２，Ｓ３：オン； Ｓ１，Ｓ４：オフ＞
この運転モード５では、第１ヒータＲが蓄電池３４に接続され、第２ヒータｒが商用電源４２に接続されることで、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒの両方により、貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。このように、運転モード４は、蓄電池３４及び商用電源４２の電力を併用し、２つのヒータｒ，Ｒにより貯湯タンク２０内の湯水を急速に加熱することが可能な運転モードである。

（６）運転モード６ ＜Ｓ２，Ｓ４：オン； Ｓ１，Ｓ３：オフ＞
この運転モード６では、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒが商用電源４２に並列に接続されることで、第１ヒータＲ及び第２ヒータｒの両方により、貯湯タンク２０内の湯水が加熱される。このように、運転モード４は、商用電力を電源として２つのヒータｒ，Ｒにより貯湯タンク２０内の湯水を急速に加熱することが可能な運転モードである。

以上のように、図２に示す制御部３６の構成によれば、安価な深夜電力により蓄電池３４を充電できる。また、運転モード１では、安価な深夜電力を電源として夜間に貯湯タンク２０に温水を貯めることができ、通常の温水使用時には、運転モード３にて蓄電池３４を電源として追い炊きを行うことができる。さらに、例えば、多人数の来客時などに温水使用量が通常よりも大幅に増加した場合には、運転モード２により商用電力を電源として必要量の温水を加熱することができ、また、運転モード４〜６ではより急速に温水を加熱することができる。

なお、上述したように、運転モード２及び３は、加熱制御部５６が水温センサ３８及び残存容量検出部５８の検出結果に基づいてスイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフ状態を設定することにより実現される。また、運転モード１と運転モード４〜６については、例えば、夜間貯湯運転と急速加熱運転とを選択するための操作スイッチを設けておき、この操作スイッチによる選択に応じて、加熱制御部５６がスイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフ状態を設定することにより実現することができる。なお、急速加熱運転が選択された場合に、蓄電池３４の残存容量が十分大きければ蓄電池３４のみを電源として加熱する運転モード４とし、蓄電池３４の残存容量が中程度であれば蓄電池３４と商用電源を併用する運転モード５とし、蓄電池３４の残存容量が小さければ、商用電源のみを用いる運転モード６で運転するなど、残存容量に応じて運転モード４〜６を選択する構成としてもよい。

図３は、本実施形態において熱回収部３２を建物室内の床下等の空間部１０２に設置し、貯湯タンク２０を室内壁部１００に取り付けた構成例を示す。同図に示す例では、熱回収部３２を構成する冷却ボックス３２Ａを床１０２の下部の床下空間内に設置し、冷却ボックス３２Ａにラミネート型のリチウム・イオン電池である蓄電池３４を収容して熱回収部３２としている。また、貯湯タンク２０は、例えば壁掛け式として壁部１００の壁面に取り付けている。そして、給水管２４から冷却ボックス３２Ａに水を供給し、冷却ボックス３２Ａ内で蓄電池３４の熱により暖められた湯水が貯湯タンク２０に供給されるようにしている。なお、床部１００には取り外しの容易な蓋１０１を設け、この蓋１０１を開けて熱回収部３２や蓄電池３４のメンテナンスを行えるようにしている。なお、図４に示すように、熱回収部３２を壁部１００の内部に設けてもよい。

本実施形態では、通常時には蓄電池３４を主電源として貯湯タンク２０内の湯水を追い炊きするが、蓄電池３４として例えばリチウム・イオン蓄電池など大容量・高出力のものが使用できるため、多量の湯水を速やかに加熱することができる。このため、貯湯タンク２０に多量の温水を貯えておく必要がなくなり、貯湯タンク２０の小容量化を図ることができる。これにより、例えば上記図３に示すように、貯湯タンク２０を壁面に取り付けたり、あるいはベランダの片隅や直上階のベランダ下に容易に取り付けできるなど設置場所の自由度が大きくなり、個人住宅等のように設置スペースの制約が多い場合にも、貯湯式温水システムを広く普及させることが可能となる。また、集合住宅等においても各住戸に貯湯タンク２０を設置することにより、貯湯タンク２０から給湯口への配管を短くすることができるので、給湯口を開けてから湯が出てくるまでに時間がかかるという問題も解消することができる。また、ラミネートタイプのリチウム・イオン蓄電池は省スペース化が可能であり、これを蓄電池３４として用いることで、例えば上記図３に示すように、床下や壁の内部に収容できるなど、蓄電池３４の設置スペースの自由度も大きくなる。

また、蓄電池３４が充放電の際に放出した熱を、貯湯タンク２０へ供給される水に回収することにより、貯湯タンク２０に供給される水の温度が高くなる。このため、貯湯タンク２０内の湯水を所定の温度まで加熱するのに要する時間を短縮でき、また、発熱ロスを回収することで加熱に必要な電気エネルギー量を抑えることができるなど、より効率的に湯水を加熱することができる。

また、蓄電池３４の充電を安価な深夜商用電力を用いて行えるので、ランニングコストを安く抑えることもできる。

さらに、追い炊き用の主電源として商用電力を用いた場合には、湯水を急速に加熱するためにヒータの消費電力が大きくなるので、電力会社との契約電力を大きくしなければならず、電気代の基本契約料金が高くついてしまうが、本実施形態では、上記のとおり追い炊き用の主電源として蓄電池３４を用いるので、電力会社との契約電力を大きくすることは不要であり、基本契約料金が高くなるのを防止できる。また、貯湯容量と蓄電容量を湯水の利用形態に合う最適パターンに選択することにより、常時必要以上の貯湯量を確保しておく必要がなくなるため、自然冷却される湯量が小さくなり，エネルギー損失の少ないシステムを構築できる。

なお、上記実施形態では、ヒータ２２を、蓄電池３４を主電源とする第１のヒータＲと、商用電源４２を主電源とする第２のヒータｒとにより構成したが、本発明はこれに限らず、１つのヒータ２２により蓄電池３４を電源とする加熱と商用電源４２を電源とする加熱の両方を行うようにしてもよい。ただし、上記実施形態のように、ヒータ２２を第１のヒータＲと第２のヒータｒとに分け、第１のヒータＲを、冬季でも蓄電池３４を電源として十分な追い炊きができる程度の容量が確保できるように設計しておき、一方、第２のヒータｒは商用電力を電源として夜間に温水を効率的に加熱できるように設計しておくことが好ましい。

本発明の一実施形態である温水システムの全体構成図である。 本実施形態の温水システムが備える制御部の詳細構成を示す回路図である。 本実施形態において熱回収部を建物室内の床下に設け、貯湯タンクを壁面に取り付けた構成例を示す図である。 本実施形態において熱回収部を建物室内の間仕切壁等の壁内部に設け、貯湯タンクを壁面に取り付けた構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 温水システム ２０ 貯湯タンク
２２ ヒータ ２４ 給水管
２６ 給湯管 ３２ 熱回収部
３４ 蓄電池 ３６ 制御部
３８ 水温センサ ５０ タイマー
５２ 整流器 ５４ 充放電制御回路
５６ 加熱制御部 ５８ 残存容量検出部
Ｒ 第１ヒータ ｒ 第２ヒータ

Claims (7)

1. 供給された水を加熱して生成した温水を貯える貯湯タンクと、この貯湯タンクに設けられたヒータとを備える温水システムであって、
   前記ヒータの電源となる蓄電池と、
   前記蓄電池から出力された電力を直流電力のまま前記ヒータに供給することにより、前記ヒータによって前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる加熱制御部と、
   前記貯湯タンク内の水温を検出する水温検出部と、
   前記蓄電池の残存容量を検出する残存容量検出部と、を備え、
   前記加熱制御部は、前記検出された残存容量が所定量以下であり、かつ、前記検出された水温が所定温度以下の場合に、商用電力を電源として前記ヒータにより前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる機能を有することを特徴とする温水システム。
2. 請求項１記載の温水システムにおいて、深夜商用電力を用いて前記蓄電池を充電する充電部を備えることを特徴とする温水システム。
3. 請求項１又は２記載の温水システムにおいて、前記蓄電池が放出した熱を、前記貯湯タンクへ供給される水に回収する熱回収部を備えることを特徴とする温水システム。
4. 請求項１〜３のうち何れか１項記載の温水システムにおいて、
   前記加熱制御部は、深夜商用電力を電源として前記ヒータにより前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる機能を有することを特徴とする温水システム。
5. 請求項１〜４のうち何れか１項記載の温水システムにおいて、
   前記貯湯タンク内の水温を検出する水温検出部を備え、
   前記加熱制御部は、前記検出された水温が所定温度以下の場合に、前記蓄電池を電源として前記ヒータにより前記貯湯タンク内の湯水を加熱させる機能を有することを特徴とする温水システム。
6. 請求項１〜５のうち何れか１項記載の温水システムにおいて、
   前記蓄電池は、ラミネート型リチウム・イオン蓄電池であることを特徴とする温水システム。
7. 請求項１〜６のうち何れか１項記載の温水システムにおいて、前記蓄電池に接続されるインバータを設け、このインバータの出力を、商用電源の停電時などの非常用屋内電源として利用可能としたことを特徴とする温水システム。

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