JP4350698B2 - 連結型給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、バーナで加熱される熱交換器を備える給湯器の複数台が共通の給水路と給湯路との間に並列に接続された連結型給湯装置に関する。

この種の連結型給湯装置は、ホテル等の給湯負荷が大きく変動する施設に設置されており、バーナを燃焼させつつ熱交換器に通水して設定温度に加熱された温水を給湯路に出湯する給湯運転を行う給湯器の台数を給湯負荷に応じて増減するように構成されている。

従来、このような連結型給湯装置として特許文献１に記載のものが知られている。このものでは、給湯運転休止中の給湯器のうち給湯負荷の増加で次に給湯運転を行うように予定されている運転予定給湯器に給湯運転指令が出されたとき、運転予定給湯器の入水路に設けられた入水温度センサの検出温度が所定の燃焼許可温度を超えていても、運転予定給湯器のバーナに燃焼用空気を供給する燃焼ファンを強制的に起動させてプリパージを開始するようにしている。これによれば、運転予定給湯器のプリパージの開始遅れに起因するバーナの着火遅れにより給湯路の湯温が一時的に変動することを防止できる。

ところで、給湯運転休止中の給湯器の熱交換器には水が残留しており、この残留水の温度は経時的に低下する。また、給湯運転の開始時には、先ず熱交換器に通水され、通水量が最低作動水量以上になったところでバーナに着火され、その後、出湯温度が設定温度に維持されるようにバーナの燃焼量が給湯負荷に応じて比例制御される。そのため、給湯負荷の増加で運転予定給湯器に運転指令が出されて、運転予定給湯器の熱交換器に通水されると、低温の残留水が加熱されないまま給湯路に押し出され、所謂冷水サンドイッチ現象を生じて、給湯路の下流端の給湯栓から出湯する湯温が運転予定給湯器の給湯運転開始当初に一時的に低下する。このような冷水サンドイッチ現象は上記特許文献１に記載の従来技術では防止できない。
特開２００４−２７１０６９号公報

本発明は、以上の点に鑑み、冷水サンドイッチ現象の発生を抑制し、且つ、燃料消費量の増加も抑制できるようにした連結型給湯装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、バーナで加熱される熱交換器を備える給湯器の複数台が共通の給水路と給湯路との間に並列に接続され、バーナを燃焼させつつ熱交換器に通水して設定温度に加熱された温水を給湯路に出湯する給湯運転を行う給湯器の台数を給湯負荷に応じて増減するようにした連結型給湯装置において、給湯運転休止中の給湯器のうち給湯負荷の増加で次に給湯運転を行うように予定されている運転予定給湯器においてのみ、熱交換器の残留水が設定温度に加熱されるように熱交換器への通水を停止した状態でバーナを燃焼させる予熱運転を行わせる制御手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、運転予定給湯器の給湯運転開始時に熱交換器への通水で残留水が加熱されないまま給湯路に押し出されても、残留水は予熱運転により設定温度にほぼ等しい温度に加熱されているため、冷水サンドイッチ現象の発生が抑制される。

尚、給湯運転休止中の給湯器の全てで予熱運転を行うことも考えられるが、これでは燃料消費量が増大する。これに対し、本発明では、給湯運転休止中の給湯器うち予熱運転を行う給湯器が次に給湯運転を行う運転予定給湯器に限定されるため、燃料消費量の増加が抑制される。

また、制御手段は、給湯負荷を検出する負荷検出手段の検出負荷が運転予定給湯器の給湯運転を開始させる運転台数切替え値より低く設定される所定の切替え準備値以上になったときに運転予定給湯器で予熱運転を行わせるように構成されていることが望ましい。給湯負荷が切替え準備値以上になるのは、その後給湯負荷が運転台数切替え値に増加して運転予定給湯器の給湯運転が行われる蓋然性が高い状態である。従って、制御手段が上記の如く構成されていれば、運転予定給湯器の給湯運転が行われる蓋然性が高い状態でのみ予熱運転が行われることになり、給湯運転が行われる蓋然性が低い状態で無駄に予熱運転が行われることを防止して、燃料消費量の増加を可及的に抑制することができる。

尚、給湯負荷が急増したときは、運転予定給湯器の予熱運転が不十分で残留水の温度が設定温度に上昇する前に、給湯負荷が運転台数切替え値に増加して運転予定給湯器の給湯運転が開始され、冷水サンドイッチ現象を生ずる可能性がある。そのため、制御手段は、給湯負荷を検出する負荷検出手段の検出負荷が運転台数切替え値に増加したとき、運転予定給湯器の熱交換器の残留水の温度を検出する残留水温度検出手段の検出温度が設定温度に応じて設定される所定の判定温度より低い場合は、予熱運転により残留水温度検出手段の検出温度が判定温度以上になるまで給湯運転の開始を遅らせる遅延手段を備えることが望ましい。これによれば、給湯負荷が急増したときでも冷水サンドイッチ現象の発生を抑制できる。

ところで、給湯器は、一般的に、熱交換器の出口近傍に設けられる熱交換器温度センサを備えており、この熱交換器温度センサを残留水温度検出手段に兼用すれば、コスト的に有利である。そして、運転予定給湯器での予熱運転に際し、熱交換器温度センサの検出温度が設定温度になるようにバーナを燃焼させることが考えられる。然し、予熱運転は熱交換器に通水せずに行うため、熱交換器温度センサの検出温度は残留水の温度よりかなり遅れて上昇するようになり、検出温度が設定温度に上昇したときには残留水が過度に加熱されてしまう。そのため、運転予定給湯器での予熱運転は、運転予定給湯器の熱交換器温度センサの検出温度が設定温度より低いときに、熱交換器の残留水の温度を設定温度と検出温度との差分だけ上昇させるのに必要な熱量を算出し、この必要熱量に等しい熱量が発生されるようにバーナを燃焼させて行われることが望ましい。これによれば、熱交換器温度センサの検出温度の上昇応答遅れで残留水が過度に加熱されることを防止できる。

尚、後述する実施形態において、上記制御手段に相当するのは給湯器１のコントローラ１９、より正確にはコントローラ１９が実行する図４に示す子機制御であり、上記遅延手段に相当するのは図４のＳ１０９のステップからＳ１０３〜Ｓ１０６のステップを経由してＳ１１０のステップに至る処理である。

図１を参照して、１は給湯器であり、共通の給水路２と給湯路３との間に複数台の給湯器１，１…が並列に接続されている。給湯路３の下流部には多数の給湯栓４が接続されている。

各給湯器１は、図２に示す如く、バーナ５を内蔵する缶体６を備えており、缶体６の上部に熱交換器７が設けられている。缶体６内には燃焼ファン８から燃焼用空気が供給される。そして、バーナ５の燃焼排気が熱交換器７の配置部を経由して排気口９に流れ、熱交換器７が燃焼排気で加熱されるようにしている。熱交換器７は、上流側の入水路１０を介して給水路２に接続され、下流側の出湯路１１を介して給湯路３に接続される。また、入水路１０と出湯路１１とを熱交換器７と並列に接続するバイパス路１２が設けられている。

入水路１０には、バイパス路１２の分岐部上流側に位置させて、水量センサ１３と止水機構付きの水量調節弁１４とが介設され、バイパス路１２の分岐部下流側に位置させて入水温度センサ１５が設けられている。出湯路１１には、熱交換器７の出口近傍に位置する熱交換器温度センサ１６と、バイパス路１２の合流部下流側に位置する出湯温度センサ１７とが設けられている。また、バイパス路１２には、バイパス路１２に流れる水量(バイパス水量)を調節するバイパス弁１８が介設されている。水量センサ１３、入水温度センサ１５、熱交換器温度センサ１６及び出湯温度センサ１７の検出信号は給湯器１に備えるコントローラ１９に入力され、このコントローラ１９によりバーナ５の燃焼量を調節する図示省略した燃料比例弁と燃焼ファン８と水量調節弁１４とバイパス弁１８とが制御される。

給湯器１は、コントローラ１９による制御で、バーナ５を燃焼させつつ熱交換器７に通水して設定温度に加熱された温水を給湯路３に出湯する給湯運転を行う。ここで、多くの給湯栓４の開栓による給湯路３からの出湯量の増加で給湯負荷が増加し、給湯負荷が給湯運転中の給湯器１の給湯能力を超えると、設定温度の温水を給湯路３に出湯できなくなる。そこで、給湯運転を行う給湯器１の台数を給湯負荷に応じて増減するようにしている。以下、この点について説明する。

複数台の給湯器１，１…のコントローラ１９，１９…は図１に示す如く直列に接続されている。即ち、各給湯器１のコントローラ１９は、配列順位で該各給湯器１の前位と後位の各給湯器１のコントローラ１９に通信可能に接続され、最後位の給湯器１のコントローラ１９と最前位の給湯器１のコントローラ１９も通信可能に接続されている。そして、給湯負荷を検出する負荷検出手段として給湯運転中の給湯器１の水量センサ１３を用い、後記詳述するように、水量センサ１３の検出水量Ｌが所定の運転台数切替え値ＹＬ１以上になったときに、給湯運転中の給湯器１のコントローラ１９からその後位の給湯器１のコントローラ１９に給湯運転指令を送信して、後位の給湯器１の給湯運転を行わせるようにしている。尚、出湯温度センサ１７の検出温度を設定温度に維持するのに必要な燃焼量がバーナ５の最大燃焼量に等しくなる通水量を最大通水量として、運転台数切替え値ＹＬ１は最大通水量より若干低い値、例えば、最大通水量の９０％に設定される。

また、給湯負荷が減少したときには、給湯運転中の給湯器１のうち最前位のものから順に給湯運転を停止し、次に給湯負荷が増加したときは、給湯運転中の給湯器１のうち最後位のものの後位の給湯器１の給湯運転を行わせる。これにより、各給湯器１の給湯運転頻度が均等化され、耐久性が向上する。また、以上の制御によれば、給湯運転休止中の給湯器１のうち給湯負荷の増加で次に給湯運転を行うように予定されている運転予定給湯器は、給湯運転中の給湯器１のうち最後位のものの後位の給湯器１になる。尚、給湯運転中の給湯器１のうち最後位のものが全ての給湯器の最後位の給湯器であれば、運転予定給湯器は最前位の給湯器１になる。

ところで、給湯運転休止中の給湯器１の熱交換器７には水が残留しており、この残留水の温度は経時的に低下する。そのため、給湯負荷の増加で運転予定給湯器に給湯運転指令が送信されて、運転予定給湯器の熱交換器７に通水されると、低温の残留水が加熱されないまま給湯路３に押し出され、所謂冷水サンドイッチ現象を生じて、給湯栓４から出湯する湯温が運転予定給湯器の給湯運転開始当初に一時的に低下する。そこで、本実施形態では、運転予定給湯器において、その熱交換器７の残留水が設定温度に加熱されるように熱交換器７への通水を停止した状態でバーナ５を燃焼させる予熱運転を行うようにしている。以下、コントローラ１９による制御について詳述する。

各給湯器１のコントローラ１９は、親機制御と子機制御とを選択的に実行するように構成されている。親機制御は給湯運転を行う際に実行されるものであり、図３に示ように、先ず、Ｓ１のステップで水量センサ１３の検出水量Ｌが所定の最低作動水量(例えば、２．７リットル／分)以上になったか否かを判別する。そして、Ｌ≧最低作動水量になったとき、Ｓ２のステップに進み、水量センサ１３の検出水量Ｌが最低作動水量に近い値に維持されるように水量調節弁１４を制御した状態で燃焼ファン８を作動させてプリパージした後バーナ５に点火する点火処理を行い、次に、Ｓ３のステップで温調処理を行う。温調処理では、水量調節弁１４を全開にすると共に、設定温度と入水温度センサ１５の検出温度との差及び水量センサ１３の検出水量とから出湯温度を設定温度に維持するのに必要な燃焼量を算出し、この燃焼量に応じて燃料比例弁の開度と燃焼ファン８の回転数とを比例制御し、更に、出湯温度センサ１７の検出温度と設定温度との偏差に基づく燃焼量のフィードバック補正を行う。また、設定温度が比較的低いときは、熱交換器７でのドレンの発生を防止するため、熱交換器温度センサ１６の検出温度が設定温度より高く設定される所定の高温設定温度になり、且つ、出湯温度センサ１７の検出温度が設定温度になるように、バイパス弁１８によりバイパス水量を制御する。

次に、Ｓ４のステップで水量センサ１３の検出水量Ｌが切替え準備値ＹＬ２以上であるか否かを判別する。切替え準備値ＹＬ２は運転台数切替え値ＹＬ１より若干低い値、例えば、最大通水量の８０％に設定される。Ｌ≧ＹＬ２になるのは、その後運転予定給湯器の給湯運転が行われる蓋然性が高い状態である。そして、Ｌ≧ＹＬ２であれば、Ｓ５のステップでフラグＦが「１」にセットされているか否かを判別し、Ｆ≠１であれば、Ｓ６のステップで運転予定給湯器に予熱運転指令を送信すると共にフラグＦを「１」にセットしてＳ７のステップに進む。次回からはＳ５のステップからＳ７のステップに直接進む。Ｓ７のステップでは、水量センサ１３の検出流量Ｌが運転台数切替え値ＹＬ１以上であるか否かを判別する。Ｌ≧ＹＬ１であれば、Ｓ８のステップで運転予定給湯器に給湯運転指令を送信した後、Ｓ３のステップに戻り、Ｌ＜ＹＬ１であればＳ７のステップから直接Ｓ３のステップに戻る。

Ｓ４のステップでＬ＜ＹＬ２と判別されたときは、Ｓ９のステップに進み、水量センサ１３の検出水量Ｌが切替え準備解除値ＹＬ３以下であるか否かを判別する。切替え準備解除値ＹＬ３は切替え準備値ＹＬ２より若干低い値、例えば、最大通水量の７０％に設定される。Ｌ＞ＹＬ３であればＳ３のステップに戻り、Ｌ≦ＹＬ３であれば、Ｓ１０のステップでフラグＦが「１」にセットされているか否かを判別する。そして、Ｆ＝１であれば、Ｓ１１のステップで運転予定給湯器に予熱停止指令を送信すると共にフラグＦを「０」にリセットしてＳ１２のステップに進む。次回からはＳ１０のステップからＳ１２のステップに直接進む。Ｓ１２のステップでは、水量センサ１３の検出水量Ｌが最低作動水量を下回っているか否かを判別し、Ｌ≧最低作動水量であればＳ３のステップに戻り、Ｌ＜最低作動水量であれば、Ｓ１３のステップで消火処理を行う。消火処理では、バーナ５を消火すると共に水量調節弁１４を閉弁して熱交換器７への通水を停止し、更に、所定時間のアフターパージ後に燃焼ファン８を停止する。消火処理後はＳ１４のステップで子機制御に移行する。

子機制御は給湯運転休止中に実行されるものであり、図４に示すように、先ず、Ｓ１０１のステップで前位の給湯器１のコントローラ１９からの給湯運転指令を受信したか否かを判別する。給湯運転指令を受信していなければ、Ｓ１０２のステップで前位の給湯器１のコントローラ１９からの予熱運転指令を受信したか否かを判別する。予熱運転指令を受信していなければＳ１０１のステップに戻るが、予熱運転指令を受信したときはＳ１０３のステップで燃焼ファン８を作動させてプリパージした後バーナ５に点火する点火処理を行った後、Ｓ１０４のステップで予熱運転処理を実行する。

予熱運転処理では、常時はバーナ５を最小燃焼量で燃焼させ、熱交換器７の残留水の温度を検出する残留水温度検出手段たる熱交換器温度センサ１６の検出温度Ｔが設定温度より一定温度(例えば、３℃)以上低くなったときに、バーナ５を比較的小さな設定燃焼量で所定時間燃焼させる。この燃焼時間は、残留水を設定温度にまで加熱するのに必要な熱量Ｑを上記設定燃焼量での単位時間当たりの発生熱量で除した時間に設定される。尚、残留水を設定温度にまで加熱するのに必要な熱量Ｑは、設定温度をＴｓｅｔ、熱交換器７の容量をＵ０，熱交換器７の熱交換効率をμとして、次式、Ｑ＝(Ｔｓｅｔ−Ｔ)×Ｕ０×μにより求められる。このような予熱運転を行うことにより、熱交換器７の残留水は設定温度に近い温度に加熱される。尚、熱交換器温度センサ１６の検出温度Ｔが設定温度になるようにバーナ５を燃焼させることも考えられる。然し、予熱運転は熱交換器７に通水せずに行うため、熱交換器温度センサ１６の検出温度Ｔは残留水の温度よりかなり遅れて上昇するようになり、検出温度Ｔが設定温度に上昇したときには残留水が過度に加熱されてしまう。従って、必要熱量Ｑから決定される時間だけバーナ５を燃焼させる方式の方が残留水の温度を設定温度に維持しやすくなる。

予熱運転後は、Ｓ１０５のステップで熱交換器温度センサ１６の検出温度Ｔが所定の判定温度ＹＴ以上であるか否かを判別する。判定温度ＹＴは、熱交換器温度センサ１６の検出温度Ｔの上昇応答遅れを考慮して、設定温度より若干低い温度に設定される。尚、熱交換器７の残留水の温度を応答性良く検出できる検出手段を備える場合は、判定温度ＹＴを設定温度と同一温度に設定しても良い。Ｓ１０５のステップでの判別結果がＴ＜ＹＴであればＳ１０４のステップに戻り、Ｔ≧ＹＴであれば、Ｓ１０６のステップで前位の給湯器１のコントローラ１９からの給湯運転指令を受信したか否かを判別する。給湯運転指令を受信していなければ、Ｓ１０７のステップで前位の給湯器１のコントローラ１９からの予熱停止指令を受信したか否かを判別する。そして、予熱停止指令を受信するまではＳ１０４のステップに戻り、予熱停止指令を受信したときには、Ｓ１０８のステップで消火処理を行った後、Ｓ１０１のステップに戻る。消火処理では、バーナ５を消火すると共に所定時間のアフターパージ後に燃焼ファン８を停止する
Ｓ１０１のステップで給湯運転指令を受信したと判別されたときは、Ｓ１０９のステップで熱交換器温度センサＴが判定温度ＹＴ以上であるか否かを判別する。そして、Ｔ≧ＹＴであれば直接Ｓ１１０のステップに進むが、Ｔ＜ＹＴであれば、Ｓ１０３のステップで点火処理を実行した後、Ｓ１０４のステップに進んで予熱運転処理を実行し、Ｓ１０５のステップでＴ≧ＹＴと判別されたとき、Ｓ１０６のステップからＳ１１０のステップに進む。そして、Ｓ１１０のステップで水量調節弁１４を開弁した後、Ｓ１１１のステップで親機制御に移行して給湯運転を開始する。

以上の制御によれば、運転予定給湯器の熱交換器７の残留水の温度が予熱運転により設定温度に近い温度に維持される。従って、運転予定給湯器の給湯運転開始時に熱交換器７への通水で残留水が加熱されないまま給湯路３に押し出されても、冷水サンドイッチ現象の発生が抑制される。また、給湯運転中の給湯器１からの給湯運転指令や予熱運転指令を受信するのはこの給湯器１の後位の給湯器１(運転予定給湯器)だけであり、給湯運転休止中の給湯器のうち運転予定給湯器以外の給湯器では、Ｓ１０１，Ｓ１０２のステップでの処理が繰り返されるだけで、予熱運転は行われない。結局、予熱運転が行われるのは運転予定給湯器のみになり、予熱運転による燃料消費量の増加が抑制される。

更に、給湯運転中の給湯器１の水量センサ１３の検出流量Ｌが切替え準備値ＹＬ２以上になって、運転予定給湯器のコントローラ１９に予熱運転指令が送信されたときにのみ、運転予定給湯器での予熱運転が行われる。ここで、給湯運転中の給湯器１の水量センサ１３の検出流量Ｌが切替え準備値ＹＬ２以上になるのは、その後運転予定給湯器の給湯運転が行われる蓋然性が高い状態である。従って、運転予定給湯器の給湯運転が行われる蓋然性が高い状態でのみ予熱運転が行われることになり、給湯運転が行われる蓋然性が低い状態で無駄に予熱運転が行われることを防止して、燃料消費量の増加を可及的に抑制することができる。

また、給湯負荷が急増したときは、運転予定給湯器の予熱運転が不十分で残留水の温度が設定温度に上昇する前に、給湯運転指令が出される可能性がある。この場合、給湯運転指令の受信で直ちに運転予定給湯器の給湯運転が開始されると、冷水サンドイッチ現象を生ずる。然し、本実施形態の制御によれば、給湯運転指令を受信しても、運転予定給湯器の熱交換器温度センサＴの検出温度Ｔが判定温度ＹＴより低いときは、Ｓ１０９のステップからＳ１０３〜Ｓ１０６のステップを経てＳ１１０のステップに至る処理が行われ、予熱運転によりＴ≧ＹＴになるまで給湯運転の開始が遅れる。そのため、給湯負荷が急増したときでも冷水サンドイッチ現象の発生を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態では、複数台の給湯器１，１…のコントローラ１９，１９…を直列に接続し、運転予定給湯器のコントローラ１９にその前位の給湯運転中の給湯器のコントローラ１９から送信される予熱運転指令や給湯運転指令により運転予定給湯器での予熱運転や給湯運転を行うようにしているが、複数台の給湯器１，１…のコントローラ１９，１９…を並列に接続するメインコントローラを設け、メインコントローラから送信される予熱運転指令や給湯運転指令により運転予定給湯器での予熱運転や給湯運転を行うようにすることも可能である。

本発明の実施形態の連結型給湯装置の全体構成を示す説明図。 実施形態の連結型給湯装置を構成する給湯器の構造を示すブロック図。 実施形態の連結型給湯装置を構成する給湯器のコントローラが実行する親機制御の内容を示すフロー図。 実施形態の連結型給湯装置を構成する給湯器のコントローラが実行する子機制御の内容を示すフロー図。

符号の説明

１…給湯器、２…給水路、３…給湯路、５…バーナ、７…熱交換器、１３…水量センサ(負荷検出手段)、１６…熱交換器温度センサ(残留水温度検出手段)、１９…コントローラ(制御手段)。

Claims (4)

1. バーナで加熱される熱交換器を備える給湯器の複数台が共通の給水路と給湯路との間に並列に接続され、バーナを燃焼させつつ熱交換器に通水して設定温度に加熱された温水を給湯路に出湯する給湯運転を行う給湯器の台数を給湯負荷に応じて増減するようにした連結型給湯装置において、
   給湯運転休止中の給湯器のうち給湯負荷の増加で次に給湯運転を行うように予定されている運転予定給湯器においてのみ、熱交換器の残留水が設定温度に加熱されるように熱交換器への通水を停止した状態でバーナを燃焼させる予熱運転を行わせる制御手段を備えることを特徴とする連結型給湯装置。
2. 前記制御手段は、給湯負荷を検出する負荷検出手段の検出負荷が前記運転予定給湯器の給湯運転を開始させる運転台数切替え値より低く設定される所定の切替え準備値以上になったときに運転予定給湯器で前記予熱運転を行わせるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の連結型給湯装置。
3. 前記制御手段は、給湯負荷を検出する負荷検出手段の検出負荷が前記運転予定給湯器の給湯運転を開始させる運転台数切替え値に増加したとき、運転予定給湯器の熱交換器の残留水の温度を検出する残留水温度検出手段の検出温度が前記設定温度に応じて設定される所定の判定温度より低い場合は、前記予熱運転により残留水温度検出手段の検出温度が判定温度以上になるまで給湯運転の開始を遅らせる遅延手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の連結型給湯装置。
4. 前記各給湯器は、前記熱交換器の出口近傍に設けられた熱交換器温度センサを備え、前記運転予定給湯器での予熱運転は、運転予定給湯器の熱交換器温度センサの検出温度が前記設定温度より低いときに、熱交換器の残留水の温度を設定温度と検出温度との差分だけ上昇させるのに必要な熱量を算出し、この必要熱量に等しい熱量が発生されるようにバーナを燃焼させて行われることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の連結型給湯装置。

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