JP4339297B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンク及びヒートポンプを備える貯湯式給湯システムに関するものである。

従来のヒートポンプ式給湯器（貯湯式給湯システム）として、ヒートポンプサイクルを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を給湯器本体の貯湯タンクの上部より蓄え、貯湯タンクの下部より加熱源であるヒートポンプ本体に戻し、貯湯タンク又はヒートポンプ本体に戻す液体の温度が予め設定された加熱停止温度になると、ヒートポンプ本体の加熱動作を停止するヒートポンプ式給湯器において、前記加熱停止温度を貯湯タンク内の残湯（貯湯）状態と外気温又は水温とにより可変させる制御手段を備え、湯切れ防止を図りつつ、ＣＯＰ（成績係数＝ヒートポンプサイクルでの湯の沸き上げにより得られるエネルギー÷ヒートポンプサイクルでの湯の沸き上げにより消費するエネルギー）をできるだけ悪化させないような沸き上げを行なうものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３１６９９６号公報（第２頁、図１、図２）

しかしながら、上記従来の技術によれば、残湯状態と外気温又は水温とに応じて加熱停止温度を可変させるので、ヒートポンプサイクルでのＣＯＰ低下要因であるヒートポンプ部への入水温度の上昇を抑えることが可能であるが、実際のヒートポンプサイクルにおいて効率を考えるとき、沸き上げ温度もできるだけ低くすることが重要であり、入水温度の低減と同等の効果を奏するが、上記従来の技術においては、この沸き上げ温度に関する配慮がなされていない。このため、入水温度を制限しても、目標沸き上げ温度が高いままであれば、大きな効率改善効果を見込むことができないという問題があった。

なお、この効率改善のために一概に目標沸き上げ温度を低下させると、貯湯タンク内の湯を熱源として機能する本来の給湯性能に支障が生じたり、貯湯タンク内の湯に菌が繁殖する可能性があるため、目標沸き上げ温度の低下だけでは、実使用に適した使い勝手のよい給湯システムが実現できないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒートポンプの沸き上げ効率の低下を回避することができ、使い勝手のよい貯湯式給湯システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、常に満水状態となるように下部から所定圧力の水が供給される貯湯タンクと、該貯湯タンクの下部の水を吸込んで加熱し、加熱した湯を貯湯タンク上部に戻すヒートポンプと、前記貯湯タンク上部のお湯を給湯する給湯手段と、前記貯湯タンク上部の貯湯温度を検出する貯湯温度検出器と、深夜電力時間帯には目標沸き上げ温度を所定の高温度に設定してヒートポンプを運転制御し、深夜電力時間帯に沸き上げたお湯のみでは昼間の給湯を賄えず、お湯の不足が予想されるときに追加の沸き上げを行う深夜電力時間帯以外の時間帯には目標沸き上げ温度を前記貯湯温度検出器で検出した貯湯タンク上部の貯湯温度と略同じ温度に設定してヒートポンプを運転制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ヒートポンプの沸き上げ効率の低下を回避して、使い勝手のよい貯湯式給湯システムが得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態の構成を示す図であり、図２〜図６は、貯湯タンク内の湯温分布を示す図であり、図７は、制御装置による沸き上げ制御のフローチャートである。

図１に示すように、貯湯式給湯システム１００は、円筒状の胴部１０ａと半球状の下部１０ｂ及び上部１０ｃとから成る縦長の貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０内の水及び貯湯を循環させながら加熱するヒートポンプ１２と、貯湯タンク１０からのお湯と水道水（水；市水）を混合し、混合管１５及び給湯口（蛇口）１４を介して給湯する混合弁１６と、ヒートポンプ１２及び混合弁１６を制御する制御装置１８と、を備えている。混合弁１６、混合管１５及び給湯口１４が給湯手段を構成している。

水道管２０が減圧弁２２を介して貯湯タンク１０の下部１０ｂに接続され、減圧弁２２で設定された所定圧力の水道水を貯湯タンク１０内に供給する。水道管２０と混合弁１６の間は、給水バイパス管２４で接続され、水道水が混合弁１６に供給される。貯湯タンク１０の上部１０ｃと混合弁１６の間は、給湯管２６で接続され、貯湯タンク１０内のお湯が、混合弁１６に供給される。

貯湯タンク１０の下部１０ｂとヒートポンプ１０の吸込口１２ａの間は、低温管２８で接続され、貯湯タンク１０内の水及びお湯がヒートポンプ１２内へ吸込まれる。貯湯タンク１０の上部１０ｃとヒートポンプ１０の吐出口１２ｂの間は、高温管３０で接続され、ヒートポンプ１２で加熱された高温湯が貯湯タンク１０の上部１０ｃへ戻される。

低温管２８内と、貯湯タンク１０の上部１０ｃには、それぞれ温度検出器３２及び貯湯温度検出器３４が設置され、温度検出器３２及び貯湯温度検出器３４の検出信号は、制御装置１８に出力される。貯湯温度検出器３４は、貯湯タンク１０の上部１０ｃの貯湯温度を検出する。制御装置１８は、判断部１８ａ及び記憶部１８ｂを備え、操作部３６で設定された給湯温度及び給湯流量、並びに、温度検出器３２、３４の温度検出値に基づいて、ヒートポンプ１２、混合弁１６等のシステム全体を運転制御する。また、制御装置１８は時計を内蔵し、時刻に応じてシステムを運転制御する。

ヒートポンプ１２は、制御装置１８からの指令により運転制御され、貯湯タンク１０内の水及びお湯を、矢印Ａで示すようにヒートポンプ１２と貯湯タンク１０との間で循環させ、制御装置１８で予め設定された沸き上げ温度になるように加熱する。

混合弁１６は、制御装置１８からの指令により制御され、給水バイパス管２４から供給される水道水と、給湯管２６から供給されるお湯とを混合し、内蔵する温度検出器及び流量検出器（いずれも図示せず）の検出信号を制御装置１８にフィードバックして、給湯温度及び給湯流量が、操作部３６で設定された所定の設定値になるように調整し、混合湯を混合管１５を介して給湯口（蛇口）１４から給湯させる。給湯温度は、概ね３５℃〜６０℃程度の範囲に設定される。

給湯手段としての混合弁１６は、給水バイパス管２４から供給される水道水と、給湯管２６から供給されるお湯との混合比を手動で調整するものであってもよい。また、給湯温度を調整する必要がなければ、給湯手段は混合弁を備えないものであってもよい。

次に、本実施の形態の貯湯式給湯システム１００の全体動作について説明する。まず、水道管２０からの水は、減圧弁２２により所定圧力に減圧され、貯湯タンク１０に供給される。貯湯タンク１０は、常に、所定圧力の満水状態となっている。

貯湯タンク１０内の水及びお湯の沸き上げ動作は、主に、深夜電力時間帯（一般に、２３時から翌朝７時までの時間帯）に行われる。貯湯タンク１０内の水及びお湯は、制御装置１８からの沸き上げ指令を受けたヒートポンプ１２により、矢印Ａで示すように、貯湯タンク１０の下部１０ｂから低温管２８を介してヒートポンプ１２内に吸込まれて熱交換され、設定された沸き上げ高温度（例えば、９０℃）になるように加熱され、高温管３０を介して貯湯タンク１０の上部１０ｃに戻される。この沸き上げ動作により、貯湯タンク１０の上部１０ｃから下部１０ｂに向けて、９０℃の高温度湯が少量づつ積層状に貯湯されていく。

ヒートポンプ１２による沸き上げは、温度検出器３２で検出される湯の温度が、一定温度（例えば、６０℃）以上になったら、貯湯タンク１０内の湯が全量沸き上がったと判断して終了する。

沸き上げが終了したあと、貯湯タンク１０内に蓄えられた高温度のお湯は、給湯口１４から給湯して利用される一方、時間経過とともに徐々に放熱（一般に、１時間あたり約１℃程度）し、温度低下してゆく。

深夜電力時間帯で沸き上げた貯湯タンク１０内のお湯のみで、昼間の給湯を賄うことができればよいが、お湯が不足する場合は、昼間の時間帯（深夜電力時間帯以外）に、ヒートポンプ１２による追加の沸き上げを行なう必要が生じる。

実施の形態の貯湯式給湯システム１００の追加の沸き上げ動作について、図１〜図７を参照して説明する。図２は、前述の深夜電力による沸き上げ動作終了直後の貯湯タンク１０の内のお湯の状態を示す図である。沸き上げが終了した後、貯湯タンク１０内に蓄えられた９０℃のお湯は、給湯口１４から給湯して利用され、図３に示すように、貯湯量が貯湯タンク１０の容積の約半分の量になり、かつ、時間経過とともに徐々に放熱して温度低下し、貯湯タンク１０内のお湯は、約１２時間後には約１２℃温度低下し、９０℃−１２℃＝７８℃となる。

図示はしないが、貯湯タンク１０の胴部１０ａには、上下方向に複数個の温度検出器が配置されていて、この複数個の温度検出器により検出された貯湯タンク１０内の水及びお湯の温度分布を検出し、検出信号を制御装置１８に出力し、温度分布から貯湯量がどの程度になっているかを判断する。

図３に示す状態のように、貯湯量が貯湯タンク１０の容積の約半分程度の量になり、深夜電力時間帯に貯湯タンク１０内に沸き上げたお湯のみで昼間の給湯を賄えず、お湯の不足が予想されるときは、昼間の時間帯に、ヒートポンプ１２による追加の沸き上げを行なって貯湯量を増やす。

図３に示すような状態において、従来技術のような沸き上げ制御で沸き上げを行なうとすると、沸き上げ温度が、深夜電力時間帯での設定温度である高温度９０℃になるように沸き上げを行なうので、貯湯タンク１０内の湯は、図５に示すように、もともと貯湯タンク１０内にあった約７８℃の湯の上に、９０℃の高温度湯が積層するように沸き上げが行われる。９０℃の湯と７８℃の湯は、最終的には図６に示すように混ざり合い、９０℃の湯と７８℃の湯が略同量であった場合は、約８４℃（９０℃と７８℃の平均値）のお湯となる。

従来技術では、ヒートポンプ１２は、９０℃を目標沸き上げ温度として沸き上げを行っている。目標沸き上げ温度を高温度９０℃に設定すると、９０℃よりも低い温度に目標沸き上げ温度を設定しても給湯温度として問題がない場合（例えば、最終的には貯湯タンク１０内が約８４℃になるのだから８４℃を目標沸き上げ温度とした場合等）に比べて、ヒートポンプサイクルでのＣＯＰが低い値となる。

図２〜図４及び図７を参照して、本実施の形態の貯湯式給湯システム１００の沸き上げ制御について説明する。図３に示すような状態において、貯湯タンク１０内のお湯のみでは、昼間の給湯を賄えないと予想されるときには、昼間の時間帯に、ヒートポンプ１２による追加の沸き上げを行なう。

深夜電力による沸き上げ動作が終了し、貯湯タンク１０内のお湯が図２に示すような状態となると、沸き上げ動作が停止され、図７のステップＳ０に示す追加の沸き上げ制御がスタートされ、ステップＳ１に進む。

ステップＳ１では、制御装置１８でカウントしている現在時刻が、記憶部１８ｂに記憶されている深夜電力時間帯以外であるか否かを判断部１８ａが判断し、深夜電力時間帯であると判断したときは、ステップＳ２に進み、本実施の形態の追加の沸き上げ制御とは別の深夜電力時間帯における沸き上げ制御を行なう（ここでは、説明を省略する。）。深夜時間帯以外であると判断したときは、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３以降では、現在の時刻が深夜電力時間帯以外であるので、本実施の形態の沸き上げ制御を行なう。ステップＳ３では、貯湯温度検出器３４により、貯湯タンク１０内の上部の貯湯温度Ｔａを検出し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、ステップＳ３で検出した貯湯タンク１０内の上部の貯湯温度Ｔａが、制御装置１８の記憶部１８ｂに予め記憶されている（高温度９０℃より温度が低い）規定値以上か否かを、制御装置１８の判断部１８ａが判断し、Ｔａが規定値未満であるときは、ステップＳ５に進み、ステップＳ５では、規定値を目標沸き上げ温度として設定し、ステップＳ７に進む。

Ｔａが規定値以上であるときは、ステップＳ６に進み、ステップＳ６では、Ｔａ（Ｔａと略同じ温度としてもよい。）を目標沸き上げ温度として設定し、ステップＳ７に進む。

規定値は、例えば、貯湯タンク１０に蓄えられた湯が、腐敗等を起こさない下限温度（例えば、６０℃等）としたり、本実施の形態の貯湯式給湯システム１００の給湯温度設定範囲が、例えば、３５℃〜６５℃である場合、貯湯タンク１０は、最高６５℃の湯を給湯できれば性能を満足するので、６５℃とする等、実使用に応じて予め記憶部１８ｂに記憶させておく。

ステップＳ７では、ステップＳ５又はステップＳ６で設定された目標沸き上げ温度に応じて、ヒートポンプ１２が沸き上げ動作を開始し、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、貯湯タンク１０内が目標貯湯量（深夜電力時間帯以外の時間帯での目標貯湯量を予め設定しておく；本実施の形態では説明を省略する）になるまで、沸き上げ動作を行なう。目標貯湯量となったら、ステップＳ９に進み、ステップＳ９で沸き上げ動作を停止する。

以上説明した貯湯式給湯システム１００の沸き上げ制御について、図３に示す貯湯タンク１０内の貯湯状態からの沸き上げの具体例を説明する。ステップＳ３で、貯湯温度検出器３４により、貯湯タンク１０内の上部の温度Ｔａが７８℃であることが検出され、ステップＳ４で、予め設定された規定値（ここでは、６０℃とする。）とＴａとを比較し、Ｔａが規定値６０℃以上であるので、ステップＳ６に進み、Ｔａ＝７８℃（Ｔａと略同じ温度としてもよい。）を目標沸き上げ温度として設定し、ステップＳ７に進んで沸き上げを開始し、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、沸き上げ動作を継続し、目標貯湯量となったら、ステップＳ９に進み、沸き上げ動作を停止する。沸き上げ動作を停止したときには、図４に示すような、７８℃の湯が追加沸き上げされた状態となる。

図４に示す貯湯の状態では、目標貯湯量を確保し、湯切れを回避するとともに、目標沸き上げ温度が７８℃であり、従来技術の場合の９０℃よりも目標沸き上げ温度を下げており、ヒートポンプ１２での沸き上げによるＣＯＰ低下を抑制している。

以上のように、本発明にかかる貯湯式給湯システム１００は、貯湯タンク１０の貯湯温度に応じて、深夜電力時間帯以外での湯切れ防止を目的としたヒートポンプ１２の沸き上げ制御を効率的に行ない、沸き上げ動作でのＣＯＰ低下を抑制した省エネルギーの貯湯式給湯システムとして有用である。

本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態の構成を示す図である。 貯湯タンク内の湯温分布を示す図である。 貯湯タンク内の湯温分布を示す図である。 貯湯タンク内の湯温分布を示す図である。 貯湯タンク内の湯温分布を示す図である。 貯湯タンク内の湯温分布を示す図である。 制御装置による沸き上げ制御のフローチャートである。

符号の説明

１０ 貯湯タンク
１０ｂ 下部
１０ｃ 上部
１２ ヒートポンプ
１４ 給湯口（蛇口）
１６ 混合弁
１８ 制御装置
３２ 温度検出器
３４ 貯湯温度検出器

Claims (2)

1. 常に満水状態となるように下部から所定圧力の水が供給される貯湯タンクと、
   該貯湯タンクの下部の水を吸込んで加熱し、加熱したお湯を貯湯タンク上部に戻すヒートポンプと、
   前記貯湯タンク上部のお湯を給湯する給湯手段と、
   前記貯湯タンク上部の貯湯温度を検出する貯湯温度検出器と、
   深夜電力時間帯には目標沸き上げ温度を所定の高温度に設定してヒートポンプを運転制御し、深夜電力時間帯に沸き上げたお湯のみでは昼間の給湯を賄えず、お湯の不足が予想されるときに追加の沸き上げを行う深夜電力時間帯以外の時間帯には目標沸き上げ温度を前記貯湯温度検出器で検出した貯湯タンク上部の貯湯温度と略同じ温度に設定してヒートポンプを運転制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする貯湯式給湯システム。
2. 前記深夜電力時間帯以外の時間帯の目標沸き上げ温度が、前記所定の高温度より低い予め設定された規定値未満であれば、該規定値を目標沸き上げ温度に設定する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。
   
   

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