JP4430030B2 - 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、深夜電力時間帯に貯湯タンクの湯を沸き上げる貯湯式給湯システムに関するものである。

従来の貯湯式給湯システムとして、給湯用の水を加熱する加熱器（ヒートポンプ）と、前記加熱器にて加熱された水を保温貯蔵する貯湯タンクと、前記加熱器と前記貯湯タンクとを繋ぐ水配管内に水が流れるときに、この水から放熱される熱量を検出する放熱量検出手段と、少なくとも前記放熱量検出手段が検出した放熱量に基づいて、前記加熱器にて加熱されて前記貯湯タンクに流入する水の温度を制御する制御手段とを備え、配管での熱損失量をパラメータとして把握し、沸き上げ目標温度を決定して水を加熱し、給湯能力の不足、又は消費エネルギーの増大を未然に防止しながら所定温度の温水を得るようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２７９１３７号公報（第２頁、図１、図２）

一般的に、貯湯式給湯システムは、深夜電力時間帯（通常、２３時〜翌朝７時）に沸き上げと貯湯を行ない、給湯利用は、深夜電力時間帯終了後（昼間など）が主となるので、貯湯タンクで貯湯中における放熱損失、温度低下を無視することができない。

しかしながら、上記従来の技術によれば、加熱器（ヒートポンプ）と貯湯タンク間の配管で発生する放熱損失については、加熱器での沸き上げ温度に反映させることができるが、貯湯タンクで貯湯中における放熱損失については反映させることができない。

それ故、上記従来の技術によれば、深夜電力時間帯に徐々に沸き上げたお湯は、実際に使用する時刻（通常、朝７時〜）になると、沸き上げを始めた時点から段階的に８時間〜０時間経過しており、貯湯温度が沸き上げ温度よりも低くなっていて使い勝手が悪いという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、貯湯中の損失熱量を加味した沸き上げを行なうことができる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、前記貯湯タンク下部の湯水を吸込んで沸き上げ、沸き上げた湯を貯湯タンク上部に戻すヒートポンプと、前記貯湯タンクの目標沸き上げ温度Ｔｍを設定する操作部と、前記ヒートポンプの吸込み温度を検出する吸込み温度センサと、前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´を検出する沸き上げ温度センサと、前記貯湯タンク内の貯湯の温度Ｔｓを検出する貯湯温度センサと、前記操作部、吸込み湯温センサ、沸き上げ温度センサ及び貯湯温度センサからの温度信号に基づいて前記ヒートポンプを運転制御する制御装置と、を備え、前記貯湯タンク内の湯を所定の貯湯温度に沸き上げる貯湯式給湯システムにおいて、前記制御装置は、前記ヒートポンプによる深夜電力時間帯での前記貯湯タンク内の貯湯の沸き上げ終了後に、前記貯湯温度センサにより前記貯湯タンク内の貯湯温度Ｔｓを検出し、前記沸き上げ温度センサにより検出した前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´と前記貯湯温度Ｔｓとの温度差ΔＴを記憶し、次回深夜電力時間帯での前記貯湯タンク内の貯湯の沸き上げ時には、前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´を、Ｔｍ´＝Ｔｍ＋ΔＴに設定することを特徴とする。

この発明によれば、貯湯中の損失熱量を加味した沸き上げを行なうことができる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１．
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１を示す図であり、図２〜図４は、貯湯タンク内の湯温を示す図であり、図５は、制御装置による実施の形態１の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、実施の形態１の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内の湯を循環させながら沸き上げるヒートポンプ１２と、ヒートポンプ１２を運転制御する制御装置１４と、を備えている。貯湯タンク１０及び制御装置１４は、タンクユニット１８内に収容されている。ヒートポンプ１２の冷媒には、二酸化炭素が用いられている。

給水管２０が貯湯タンク１０の下部１０ｂに接続され、所定圧力の水道水を貯湯タンク１０内に供給する。貯湯タンク１０の上部１０ｃには、給湯管２２が接続され、貯湯タンク１０内の湯が給湯管２２から住宅配管に給湯される。

貯湯タンク１０の下部１０ｂとヒートポンプ１０の吸込口１２ａとの間は、低温管２４で接続され、貯湯タンク１０下部の湯がヒートポンプ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１２の吐出口１２ｂとの間は、高温管２６で接続され、ヒートポンプ１２で沸き上げられた高温湯が貯湯タンク１０の上部１０ｃへ戻される。

低温管２４には、ヒートポンプ１２の吸込み温度を検出する吸込み温度センサ３０が設置され、高温管２６の吐出口１２ｂ近傍には、ヒートポンプ１２での湯の沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサ３２が設置され、吸込み温度センサ３０及び沸き上げ温度センサ３２の検出信号は、制御装置１４に入力される。

また、貯湯タンク１０には、貯湯タンク１０内の各高さ位置の貯湯温度を検出する５つの貯湯温度センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅが、貯湯タンク１０の高さ方向に互いに離間して設置され、貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出信号は、制御装置１４に入力される。

ヒートポンプ１２は、制御装置１４の指令により運転制御され、図示しない循環ポンプにより、貯湯タンク１０内の湯を、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、ヒートポンプサイクルによって外気との熱交換による湯の沸き上げを行い、制御装置１４に接続された操作部１６でユーザーにより予め設定された目標沸き上げ温度になるように加熱する。

制御装置１４は、判断部１４ａ及び記憶部１４ｂを備え、操作部１６で設定された目標沸き上げ温度信号、並びに、貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅ、吸込み温度センサ３０及び沸き上げ温度センサ３２の検出温度信号に基づいて、ヒートポンプ１２などシステム全体を運転制御する。また、制御部１４は時計を内蔵し、時刻に応じてシステム全体を運転制御する。

次に、実施の形態１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、給水管２０からの水は、図示しない減圧弁により所定圧力に減圧され、貯湯タンク１０に給水される。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内の水及び湯の沸き上げは、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内の水及び湯は、制御装置１４からの沸き上げ指令を受けたヒートポンプ１２の循環ポンプにより、矢印ａで示すように、貯湯タンク１０の下部１０ｂから低温管２４を通ってヒートポンプ１２内に吸込まれて熱交換され、設定された沸き上げ温度（例えば、８０℃：沸き上げ温度センサ３２で検出）になるように加熱され、高温管２６を通って貯湯タンク１０の上部１０ｃに戻される。この沸き上げ動作（運転）により、貯湯タンク１０の上部１０ｃから高温湯が少量ずつ貯湯され、約８時間（２３時〜７時）かけて貯湯タンク１０に貯湯されていく。

なお、このときヒートポンプ１２からタンクユニット１８までの間の高温管２６では、循環される高温湯は、外気との温度差による放熱により温度が低下する。高温管２６の長さや断熱状態によるが、通常、高温管２６の長さ５ｍ、断熱材厚さ１０ｍｍで、外気温度７℃のとき、約２℃温度低下する。

ヒートポンプ１２による沸き上げ動作は、吸込み温度センサ３０の検出する温度が所定温度（例えば、７０℃）以上になったら、貯湯タンク１０内が全量沸き上がったと判断して終了される。沸き上げ中及び沸き上げが終了した後、貯湯タンク１０内に蓄えられた高温度の湯は、給湯管２２から給湯されて利用される一方、時間経過とともに徐々に放熱（一般に、１時間当たり約１℃）し、温度低下してゆく。

次に、操作部１６で設定された目標沸き上げ温度Ｔｍを基準とし、主に、深夜電力時間帯に沸き上げた湯を貯湯して所望量の給湯を賄うための実施の形態１の貯湯式給湯システム１００の沸き上げ動作（運転）について、図１〜図５を参照して説明する。

図２は、深夜電力による沸き上げ動作終了後の貯湯タンク１０内の貯湯を、沸き上げ動作１時間毎の貯湯層に分け、各々の貯湯層の放熱による温度低下を模式的に示す図である。

図２に示すように、沸き上げ動作中は、高温管２６内で約２℃、貯湯タンク１０内で１時間当たり約１℃、温度低下する。目標沸き上げ温度Ｔｍを８０℃に設定しているとき、沸き上げ温度センサ３２の検出温度を８０℃とするように制御装置１４がヒートポンプ１２を運転制御しても、貯湯タンク１０への送湯に伴なう放熱で２℃温度低下するので、貯湯タンク１０の上部１０ｃには７８℃の湯が供給される。

さらに、１時間当たり貯湯タンク１０の全容量の１／８ずつが貯湯されつつ１時間に１℃ずつ温度低下すると、最初の１時間で７８℃→７７℃、以降７６℃、７５℃と温度低下し、８時間後には、７０℃〜７８℃の湯が貯湯タンク１０内で混ざり合うことになる。その結果、貯湯タンク１０内の平均湯温は、沸き上げ終了直後でも７４℃（＝７８℃〜７０℃の平均温度）となり、図３に示すような状態となる。

上述の従来技術の沸き上げ制御により沸き上げを行なうと、貯湯タンク上部に設置した貯湯温度センサなどにより、沸き上げ中に貯湯温度（高温管放熱により、７８℃）を検出し、制御装置の制御により沸き上げ温度を高温管放熱による温度低下分だけ上昇させ、約８２℃（８０℃＋２℃）に調整する。そのため、貯湯タンク内の湯温は、平均２度上昇し、約７６℃となる。

この場合、操作部１６で設定した目標沸き上げ温度が８０℃であるのに対し、実際に沸き上げ終了直後の貯湯タンク内の湯温は７６℃であるから、目標沸き上げ温度８０℃に対して低温であり、貯湯熱量が目標値よりも低くなってしまい、湯切れになる可能性が高い。また、ユーザーは、設定した湯温になっていないというシステム不具合の疑念を持つことになる。

図４及び図５を参照して、実施の形態１の貯湯式給湯システム１００の沸き上げ運転制御について説明する。この沸き上げ運転制御は、図３に示す沸き上げ終了直後の貯湯タンク１０内の貯湯温度を、操作部１６で設定した目標沸き上げ温度Ｔｍに一致させるため、沸き上げ終了後の貯湯タンク１０内の貯湯の温度Ｔｓ＝７４℃と目標沸き上げ温度Ｔｍ＝８０℃との温度差ΔＴ＝６℃を、予めヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´に反映させるようにして行なう。

この沸き上げ運転制御を、図５の制御フローチャートを参照して説明する。ステップＳ０で沸き上げ動作が開始され、ステップＳ１に進む。ステップＳ１では、制御装置１４の記憶部１４ｂに、前回の深夜電力時間帯でのヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´（沸き上げ温度センサ３２で検出）と、貯湯タンク１０の貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅで検出した貯湯温度Ｔｓと、の温度差ΔＴ（＝Ｔｍ´−Ｔｓ）が記憶部１４ｂに記憶されているかどうかを判断部１４ａで判断し、記憶されている場合はステップＳ２に進み、記憶されていない場合はステップＳ３に進む。

ステップＳ２では、制御装置１４の記憶部１４ｂから、前記の前回の温度差ΔＴ（＝Ｔｍ´−Ｔｓ）を読み出し、その温度差ΔＴを、操作部１６で設定された貯湯タンク１０の目標沸き上げ温度Ｔｍに加え、このＴｍ＋ΔＴ＝Ｔｍ´を、ヒートポンプ１２の今回の深夜電力時間帯の沸き上げ温度に設定し、制御装置１４により、沸き上げ温度センサ３２の検出温度がＴｍ´となるように沸き上げ動作を行い、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、温度差ΔＴの記憶がなく、放熱による温度低下が不明なので、ユーザーにより操作部１６で設定された貯湯タンク１０の目標沸き上げ温度Ｔｍを、ヒートポンプ１２の沸き上げ温度に設定し、制御装置１４により、沸き上げ温度センサ３２の検出温度がＴｍとなるように沸き上げ動作を行い、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、沸き上げ終了条件（例えば、吸込み湯温センサ３０が検出する湯温がＴｍ＋ΔＴ−１０℃以上）となったか否かを制御装置１４の判断部１４ａで判断し、否のときはステップＳ４を繰り返し、終了条件となったときは、ステップＳ５に進んで沸き上げ動作を停止し、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、ヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´と、沸き上げ終了後の貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度に基づいて計算した貯湯温度Ｔｓと、の温度差ΔＴ（＝Ｔｍ´−Ｔｓ）を、制御装置１４の記憶部１４ｂに記憶する。通常、貯湯温度Ｔｓは、貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度の平均値とするが、いずれかの貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度が目標沸き上げ温度Ｔｍよりも一定温度以上低いときには、該当の貯湯温度センサの検出温度を平均値の集計から除外したり（沸き上げ動作が中断したり、何らかの原因により沸き上げ動作を停止した場合において、適切な判定を行うため）、貯湯タンク１０の中段の貯湯温度センサ３４ｃを代表とみなし、その検出温度をＴｓに設定してもよい。ステップＳ６の後、運転制御を終了する。

以上説明した制御装置１４による運転制御により、毎回の深夜電力時間帯での沸き上げ動作毎に、ヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´と沸き上げ動作終了後の貯湯温度Ｔｓとの温度差ΔＴが補正され、温度差ΔＴをパラメータとしてヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´を調整し、季節や周囲環境に応じた放熱量を加味した最適な沸き上げ動作を行なうことができる。

実施の形態１では、図４に示すように、ヒートポンプ１２による沸き上げ動作で、沸き上げ温度センサ３２の検出温度がＴｍ´＝Ｔｍ（８０℃）＋ΔＴ（６℃）＝８６℃となるようにし、高温管２６での温度低下が２℃で、貯湯タンク１０の上部１０ｃへの供給湯温が８４℃となり、８時間後の貯湯温度は、８４℃〜７６℃（８時間で８４℃から最大８℃温度低下し、８４℃−８℃＝７６℃）の平均で８０℃となり、操作部１６で設定した目標沸き上げ温度での貯湯を行なうことができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、沸き上げ動作終了直後に貯湯温度Ｔｓ（温度差ΔＴ）を記憶したが、これを深夜電力時間帯終了直後に記憶したり、深夜電力時間帯と関係のない沸き上げ動作の終了後に記憶したり、また、沸き上げ動作終了直後ではなく、一定時間経過し放熱が行われた後に記憶するようにしてもよい。

このような沸き上げ制御の形態について、図６を参照して説明する。図６は、制御装置１４による実施の形態２の沸き上げ制御のフローチャートである。図６において、ステップＳ２０〜ステップＳ２５までは、図５に示す実施の形態１のステップＳ０〜Ｓ５と同一であるので、その説明を省略する。

ステップＳ２６に進み、深夜電力時間帯が終了したか否かを制御装置１４の判断部１４ａで判断し、否のときはステップＳ２６を繰返す。深夜電力時間帯が終了したときは、ステップＳ２７に進む。

ステップＳ２７では、深夜電力時間帯終了後の貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度に基づいて計算した貯湯温度Ｔｓ（温度差ΔＴ）を、制御装置１４の記憶部１４ｂに記憶する。通常、貯湯温度Ｔｓは、貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度の平均値とするが、いずれかの貯湯温度センサ３４ａ〜３４ｅの検出温度が目標沸き上げ温度Ｔｍよりも一定温度以上低いときは、該当の貯湯温度センサの検出温度を平均値の集計から除外したり（沸き上げ動作が中断したり、何らかの原因により沸き上げ動作を停止した場合において、適切な判定を行うため）、貯湯タンク１０の中段の貯湯温度センサ３４ｃを代表とみなし、その検出温度をＴｓとしてもよい。ステップＳ２７の後、運転制御を終了する。

実施の形態２の制御によれば、実施の形態１の制御と同等の効果を奏するとともに、沸き上げ動作を停止してから深夜電力時間帯が終了するまでに、時間が空いたときにも、空いた時間での放熱ロス分を加味した制御を行うことができる。

このように、毎回の深夜電力時間帯での沸き上げ動作毎に、ヒートポンプ１２の沸き上げ温度Ｔｍ´と沸き上げ動作終了後の貯湯温度Ｔｓとの温度差ΔＴが補正され、季節や周囲環境に応じた放熱量を加味した最適な沸き上げ動作を行なうことができ、ユーザーが設定した目標貯湯温度が達成され、使い勝手の良い給湯システムが得られる。

以上のように、本発明にかかる貯湯式給湯システム１００は、貯湯タンクの貯湯をユーザーが設定した沸き上げ温度に沸き上げることができ、湯切れを起こし難い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１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を示す図である。 貯湯タンク内の湯温を示す図である。 制御装置による実施の形態１の沸き上げ制御のフローチャートである。 制御装置による実施の形態２の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
１０ａ 胴部
１０ｂ 下部
１０ｃ 上部
１８ タンクユニット
１２ ヒートポンプ
１２ａ 吸込口
１２ｂ 吐出口
１４ 制御装置
１４ａ 判断部
１４ｂ 記憶部
１６ 操作部
２０ 給水管
２２ 給湯管
２４ 低温管
２６ 高温管
３０ 吸込み温度センサ
３２ 沸き上げ温度センサ
３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，３４ｅ 貯湯温度センサ
１００ 貯湯式給湯システム

Claims (5)

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、
   前記貯湯タンク下部の湯水を吸込んで沸き上げ、沸き上げた湯を貯湯タンク上部に戻すヒートポンプと、
   前記貯湯タンクの目標沸き上げ温度Ｔｍを設定する操作部と、
   前記ヒートポンプの吸込み温度を検出する吸込み温度センサと、
   前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´を検出する沸き上げ温度センサと、
   前記貯湯タンク内の貯湯温度Ｔｓを検出する貯湯温度センサと、
   前記操作部、吸込み温度センサ、沸き上げ温度センサ及び貯湯温度センサからの温度信号に基づいて前記ヒートポンプを運転制御する制御装置と、
   を備え、前記貯湯タンク内の湯を所定の貯湯温度に沸き上げる貯湯式給湯システムにおいて、
   前記制御装置は、前記ヒートポンプによる深夜電力時間帯での前記貯湯タンク内の貯湯の沸き上げ終了後に、前記貯湯温度センサにより前記貯湯タンク内の貯湯温度Ｔｓを検出し、前記沸き上げ温度センサにより検出した前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´と前記貯湯温度Ｔｓとの温度差ΔＴを記憶し、次回深夜電力時間帯での前記貯湯タンク内の貯湯の沸き上げ時には、前記ヒートポンプの湯の沸き上げ温度Ｔｍ´を、Ｔｍ´＝Ｔｍ＋ΔＴに設定することを特徴とする貯湯式給湯システム。
2. 前記貯湯タンク内の貯湯温度Ｔｓの検出は、前記深夜電力時間帯終了後に行なう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。
3. 前記貯湯温度センサを、前記貯湯タンクの高さ方向に互いに離間させて複数備え、前記貯湯温度Ｔｓを、複数の貯湯温度センサの温度検出値の平均値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯式給湯システム。
4. 前記貯湯温度センサを、前記貯湯タンクの高さ方向に互いに離間させて複数備え、前記貯湯温度Ｔｓを、予め設定された所定温度以上の貯湯温度を検出した複数の貯湯温度センサの温度検出値の平均値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯式給湯システム。
5. 前記貯湯温度センサを、前記貯湯タンクの高さ方向に互いに離間させて複数備え、前記貯湯温度Ｔｓを、複数の貯湯温度センサのいずれか一つの貯湯温度センサの温度検出値とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯式給湯システム。

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