JP4477566B2 - 温水システム - Google Patents
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Description
本発明は、第１熱交換器で加熱された熱媒体によって、第２熱交換器に流れる通水を加熱して温水にする形式の温水システムに関するもので、加熱生成された温水の温度が目標温度に迅速に近づくようにして、良好な応答性が確保できるようにしたものである。
図３は給湯機等の温水システムの概略構成図であり、閉ループ状の循環加熱回路(31)には、ガスバーナ(10)で加熱される第１熱交換器(11)と、第２熱交換器(21)が配設されている。
第２熱交換器(21)の二次側には、蛇口(42)を具備する給湯回路(41)が接続されていると共に、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側と下流側には入水温センサ(43)と出湯温センサ(45)が、各別に設けられている。
第２熱交換器(21)の二次側には、蛇口(42)を具備する給湯回路(41)が接続されていると共に、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側と下流側には入水温センサ(43)と出湯温センサ(45)が、各別に設けられている。
又、給湯回路(41)に於ける入水温センサ(43)の上流には流量計(40)が設けられていると共に、台所等の給湯場所には湯温設定器(44)が配設されている。
このものでは、湯温設定器(44)で温度設定して蛇口(42)を開放すると、流量計(40)の水流検知により、循環ポンプ(34)が作動すると共にガスバーナ(10)が燃焼し、これにより、循環加熱回路(31)を循環する熱媒体と給湯回路(41)の水が第２熱交換器(21)で熱交換し、蛇口(42)から設定温度の温水が流出する。
このものでは、湯温設定器(44)で温度設定して蛇口(42)を開放すると、流量計(40)の水流検知により、循環ポンプ(34)が作動すると共にガスバーナ(10)が燃焼し、これにより、循環加熱回路(31)を循環する熱媒体と給湯回路(41)の水が第２熱交換器(21)で熱交換し、蛇口(42)から設定温度の温水が流出する。
ここで、従来の温水システムでは、上記給湯時のガスバーナ(10)の燃焼量が次のように決定されていた。
即ち、入水温センサ(43)が検知する給水温度Ｔinと湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温度差たる上昇温度ΔＴを演算し、この上昇温度ΔＴと流量計(40)が検知する給湯流量Ｗを掛け算して加熱制御に必要なフィードフォワード量ＱＦＦを求める。
即ち、入水温センサ(43)が検知する給水温度Ｔinと湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温度差たる上昇温度ΔＴを演算し、この上昇温度ΔＴと流量計(40)が検知する給湯流量Ｗを掛け算して加熱制御に必要なフィードフォワード量ＱＦＦを求める。
そして、出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度Ｔoutと給湯設定温度Ｔsのズレを、フィードバック量ＦＢとして前記フィードフォワード量ＱＦＦに加算してガスバーナ(10)の燃焼量Ｑを求め、該燃焼量Ｑとなるようにガスバーナ(10)を制御する。
これにより、湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温水が第２熱交換器(21)で加熱生成されて蛇口(42)に供給される。
特開２００３−１３０４４８号公報
これにより、湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温水が第２熱交換器(21)で加熱生成されて蛇口(42)に供給される。
しかしながら、上記従来のものでは、蛇口(42)を開放した給湯開始時から、出湯温センサ(45)の検知する実給湯温度Ｔoutが給湯設定温度Ｔsに昇温するまでの立ち上がり時間が長く、応答性が悪いという問題があった。
これは次の理由による。
即ち、上記従来のものでは、ガスバーナ(10)の燃焼量制御の為のフィードフォワード量ＱＦＦは、 給水温度Ｔinと給湯設定温度Ｔsの温度差たる上昇温度ΔＴに給湯流量Ｗを掛け算して求められており、フィードフォワード量ＱＦＦの演算には、循環加熱回路(31)の熱媒体の温度が全く考慮されていない。
これは次の理由による。
即ち、上記従来のものでは、ガスバーナ(10)の燃焼量制御の為のフィードフォワード量ＱＦＦは、 給水温度Ｔinと給湯設定温度Ｔsの温度差たる上昇温度ΔＴに給湯流量Ｗを掛け算して求められており、フィードフォワード量ＱＦＦの演算には、循環加熱回路(31)の熱媒体の温度が全く考慮されていない。
ところが、ガスバーナ(10)の燃焼開始時から熱媒体の温度が最終的に安定するまでの立ち上がり時には、ガスバーナ(10)の燃焼熱の一部が前記熱媒体を昇温させる為に消費されてしまい、この消費された熱量分だけ、給湯回路(41)の水加熱量が不足する。
その結果、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体が最終的な安定温度に昇温するまでは、出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度Ｔoutが給湯設定温度Ｔsに昇温しない。
このことから、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体の温度を考慮することなくフィードフォワード量ＱＦＦを決定する従来のものでは、給湯開始初期の立ち上がり時間が長くなり、動作の応答性が悪くなるのである。
このことから、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体の温度を考慮することなくフィードフォワード量ＱＦＦを決定する従来のものでは、給湯開始初期の立ち上がり時間が長くなり、動作の応答性が悪くなるのである。
一方、前記立ち上がり時間の短縮を図るために、前記フィードフォワード量ＱＦＦを嵩上げする為のバイアス量を加算することも考えられるが、ガスバーナ(10)の燃焼量が実給湯温度Ｔoutに反映されるまでのタイムラグが存在するため、前記バイアス量を大きくすると出湯温センサ(45)の検知する実給湯温度Ｔoutが給湯設定温度Ｔsを超えて大きくオーバーシュートする。
このことから、前記バイアス量を大きくすることができず、前記立ち上がり時間の短縮化を図ることができない。
尚、上記に於いては、給湯開始初期の湯温の立ち上がり時の問題点を記載したが、給湯中に湯温設定器(44)で給湯設定温度Ｔsが変更された場合も、出湯温センサ(45)の検知する実給湯温度Ｔoutが変更後の給湯設定温度Ｔsに安定するまでの所要時間が長くなり、上記給湯温の立ち上がり時と同様、応答性が悪い。
このことから、前記バイアス量を大きくすることができず、前記立ち上がり時間の短縮化を図ることができない。
尚、上記に於いては、給湯開始初期の湯温の立ち上がり時の問題点を記載したが、給湯中に湯温設定器(44)で給湯設定温度Ｔsが変更された場合も、出湯温センサ(45)の検知する実給湯温度Ｔoutが変更後の給湯設定温度Ｔsに安定するまでの所要時間が長くなり、上記給湯温の立ち上がり時と同様、応答性が悪い。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、
『第１熱交換器(11)を加熱するガスバーナ(10)と、
前記第１熱交換器(11)と第２熱交換器(21)を循環し、且つ循環ポンプ(34)を備えた循環加熱回路(31)と、
前記第２熱交換器(21)を介して前記循環加熱回路(31)と熱交換する給湯回路(41)と、
前記給湯回路(41)に於いて第２熱交換器(21)へ流入する給水の給水温度Ｔinを検知する入水温センサ(43)と、
前記給湯回路(41)の給湯流量Ｗを検知する流量計(40)と、
更に、給湯設定温度Ｔsを設定する為の湯温設定器(44)を具備する、温水システム』に於いて、給湯設定温度Ｔsの温水が迅速に取り出せる、応答性の良い温水システムを提供することを課題とする。
『第１熱交換器(11)を加熱するガスバーナ(10)と、
前記第１熱交換器(11)と第２熱交換器(21)を循環し、且つ循環ポンプ(34)を備えた循環加熱回路(31)と、
前記第２熱交換器(21)を介して前記循環加熱回路(31)と熱交換する給湯回路(41)と、
前記給湯回路(41)に於いて第２熱交換器(21)へ流入する給水の給水温度Ｔinを検知する入水温センサ(43)と、
前記給湯回路(41)の給湯流量Ｗを検知する流量計(40)と、
更に、給湯設定温度Ｔsを設定する為の湯温設定器(44)を具備する、温水システム』に於いて、給湯設定温度Ｔsの温水が迅速に取り出せる、応答性の良い温水システムを提供することを課題とする。
１．上記課題を解決する為の請求項１に係る発明の解決手段は、
『前記給湯流量Ｗで流れる前記給水温度Ｔinの給水を前記給湯設定温度Ｔsに昇温させる為に前記循環加熱回路(31)から前記給水に与える必要がある熱量Ｍｑと、前記循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’に基づき、前記第２熱交換器(21)へ流入させる必要のある熱媒体の目標温度Θout’を演算し、
前記目標温度Θout’の熱媒体を前記第１熱交換器(11)で加熱生成するのに必要なガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦを演算し、該フィードフォワード量ＱＦＦを用いてガスバーナ(10)の燃焼量を制御する』ことである。
このものでは、ガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦは、循環加熱回路(31)の第２熱交換器(21)に流入させる熱媒体の温度（目標温度Θout’）に基づいて演算する。
『前記給湯流量Ｗで流れる前記給水温度Ｔinの給水を前記給湯設定温度Ｔsに昇温させる為に前記循環加熱回路(31)から前記給水に与える必要がある熱量Ｍｑと、前記循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’に基づき、前記第２熱交換器(21)へ流入させる必要のある熱媒体の目標温度Θout’を演算し、
前記目標温度Θout’の熱媒体を前記第１熱交換器(11)で加熱生成するのに必要なガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦを演算し、該フィードフォワード量ＱＦＦを用いてガスバーナ(10)の燃焼量を制御する』ことである。
このものでは、ガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦは、循環加熱回路(31)の第２熱交換器(21)に流入させる熱媒体の温度（目標温度Θout’）に基づいて演算する。
即ち、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体の温度（目標温度Θout’）を考慮して前記フィードフォワード量ＱＦＦを演算する。
従って、前記熱媒体の温度を考慮することなく前記フィードフォワード量ＱＦＦを求めていた既述従来のものに比べ、給湯設定温度Ｔsの温水を第２熱交換器(21)から迅速に取り出すことができ、応答性が良好な温水システムが提供できる。
従って、前記熱媒体の温度を考慮することなく前記フィードフォワード量ＱＦＦを求めていた既述従来のものに比べ、給湯設定温度Ｔsの温水を第２熱交換器(21)から迅速に取り出すことができ、応答性が良好な温水システムが提供できる。
２．請求項２に係る発明は、
『請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)へ流入する熱媒体の温度Θ１を検知する第１温度センサ(32)と、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する熱媒体の温度Θ２を検知する第２温度センサ(35)と、
前記給湯回路(41)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する温水の温度Ｔoutを検知する出湯温センサ(45)とを設け、
循環流量Ｗ’は、
Ｗ’＝｛（Tout−Tin）/(Θ１-Θ２)｝×給湯流量Ｗ
により演算される』ものであり、このものでは、循環加熱回路(31)の熱媒体の循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計を設ける必要がなく、必要部品数を少なくすることができる。
『請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)へ流入する熱媒体の温度Θ１を検知する第１温度センサ(32)と、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する熱媒体の温度Θ２を検知する第２温度センサ(35)と、
前記給湯回路(41)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する温水の温度Ｔoutを検知する出湯温センサ(45)とを設け、
循環流量Ｗ’は、
Ｗ’＝｛（Tout−Tin）/(Θ１-Θ２)｝×給湯流量Ｗ
により演算される』ものであり、このものでは、循環加熱回路(31)の熱媒体の循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計を設ける必要がなく、必要部品数を少なくすることができる。
３．請求項３に係る発明は、
『請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環流量Ｗ’は、前記循環ポンプ(34)の回転数により設定する』構成にしても、上記請求項２の発明と同様、循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計を設ける必要がなく、必要部品数を少なくすることができる。
『請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環流量Ｗ’は、前記循環ポンプ(34)の回転数により設定する』構成にしても、上記請求項２の発明と同様、循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計を設ける必要がなく、必要部品数を少なくすることができる。
本発明は次の特有の効果を有する。
既述したように請求項１の発明では、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体の温度（目標温度Θout’）を考慮して燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦを演算するから、前記熱媒体の温度を考慮することなく前記フィードフォワード量ＱＦＦを求めていた既述従来のものに比べ、給湯設定温度Ｔsの温水を第２熱交換器(21)から迅速に取り出すことができ、応答性の良い温水システムが提供できる効果がある。
請求項２，３の発明では、上記効果に加え、更に、循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計が不要になり、必要部品数が少なくなる効果がある。
既述したように請求項１の発明では、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体の温度（目標温度Θout’）を考慮して燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦを演算するから、前記熱媒体の温度を考慮することなく前記フィードフォワード量ＱＦＦを求めていた既述従来のものに比べ、給湯設定温度Ｔsの温水を第２熱交換器(21)から迅速に取り出すことができ、応答性の良い温水システムが提供できる効果がある。
請求項２，３の発明では、上記効果に加え、更に、循環流量Ｗ’を検知する為の独立した流量計が不要になり、必要部品数が少なくなる効果がある。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る温水システムの概略構成を示す図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る温水システムの概略構成を示す図である。
［全体構成］
このものでは、循環加熱回路(31)と、ガスバーナ(10)の燃焼排気との熱交換により循環加熱回路(31)の水を昇温させて温水とする第１熱交換器(11)と、給湯回路(41)と、循環加熱回路(31)との熱交換により給湯回路(41)の水を昇温させて温水とする第２熱交換器(21)と、ガスバーナ(10)の燃焼量を制御して循環加熱回路(31)を流れる水（熱媒体）の温度を制御することで給湯回路(41)の水温をコントロールする制御装置(50)が設けられている。
尚、第１熱交換器(11)は、循環加熱回路(31)を構成する通水管が多数の吸熱フィンを貫通する形式の銅製の熱交換器であり、一方、第２熱交換器(21)は、複数並列された伝熱プレート間に循環加熱回路(31)と給湯回路(41)の水が交互に流れるように構成された、所謂、液々熱交換器である。
このものでは、循環加熱回路(31)と、ガスバーナ(10)の燃焼排気との熱交換により循環加熱回路(31)の水を昇温させて温水とする第１熱交換器(11)と、給湯回路(41)と、循環加熱回路(31)との熱交換により給湯回路(41)の水を昇温させて温水とする第２熱交換器(21)と、ガスバーナ(10)の燃焼量を制御して循環加熱回路(31)を流れる水（熱媒体）の温度を制御することで給湯回路(41)の水温をコントロールする制御装置(50)が設けられている。
尚、第１熱交換器(11)は、循環加熱回路(31)を構成する通水管が多数の吸熱フィンを貫通する形式の銅製の熱交換器であり、一方、第２熱交換器(21)は、複数並列された伝熱プレート間に循環加熱回路(31)と給湯回路(41)の水が交互に流れるように構成された、所謂、液々熱交換器である。
以下、各部の詳細を説明する。
［ガス燃焼部］
ガスバーナ(10)はガス回路(12)よりガス供給され、このガスがイグナイタ(13)で作動する点火プラグ(14)によって点火されると共に、ガスバーナ(10)は燃焼ファン(16)から燃焼空気が供給されることにより燃焼し、この燃焼状態はフレームロッド(15)で検知されるようになっている。
又、ガス回路(12)には、ガスバーナ(10)の燃焼量を制御する為のガス比例弁(17)が設けられている。
［ガス燃焼部］
ガスバーナ(10)はガス回路(12)よりガス供給され、このガスがイグナイタ(13)で作動する点火プラグ(14)によって点火されると共に、ガスバーナ(10)は燃焼ファン(16)から燃焼空気が供給されることにより燃焼し、この燃焼状態はフレームロッド(15)で検知されるようになっている。
又、ガス回路(12)には、ガスバーナ(10)の燃焼量を制御する為のガス比例弁(17)が設けられている。
［循環加熱回路(31)及び暖房回路］
循環加熱回路(31)は、第１熱交換器(11)→第１温度センサ(32)→三方弁(33)→第２熱交換器(21)→循環ポンプ(34)→第２温度センサ(35)→第１熱交換器(11)の順序で循環するように構成されている。
循環加熱回路(31)の三方弁(33)には、暖房用放熱器（図示せず）に繋がる暖房往き管(61)が分岐接続されており、三方弁(33)の切り替え動作により、暖房往き管(61)又は第２熱交換器(21)が択一的に第１熱交換器(11)の出口に繋がるようになっている。
又、前記暖房用放熱器（図示せず）から帰還する暖房戻り管(62)は、循環加熱回路(31)に於ける第２熱交換器(21)の下流側で且つ循環ポンプ(34)の上流側に接続されており、これら暖房往き管(61)と暖房戻り管(62)によって暖房回路が構成されている。
循環加熱回路(31)は、第１熱交換器(11)→第１温度センサ(32)→三方弁(33)→第２熱交換器(21)→循環ポンプ(34)→第２温度センサ(35)→第１熱交換器(11)の順序で循環するように構成されている。
循環加熱回路(31)の三方弁(33)には、暖房用放熱器（図示せず）に繋がる暖房往き管(61)が分岐接続されており、三方弁(33)の切り替え動作により、暖房往き管(61)又は第２熱交換器(21)が択一的に第１熱交換器(11)の出口に繋がるようになっている。
又、前記暖房用放熱器（図示せず）から帰還する暖房戻り管(62)は、循環加熱回路(31)に於ける第２熱交換器(21)の下流側で且つ循環ポンプ(34)の上流側に接続されており、これら暖房往き管(61)と暖房戻り管(62)によって暖房回路が構成されている。
［給湯回路(41)］
給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側には、入水温センサ(43)と流量計(40)と流量調整弁(46)がこの順序で上流側から配設されている。
一方、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の下流側には、出湯温センサ(45)と蛇口(42)がこの順序で上流側から配設されている。
給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側には、入水温センサ(43)と流量計(40)と流量調整弁(46)がこの順序で上流側から配設されている。
一方、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の下流側には、出湯温センサ(45)と蛇口(42)がこの順序で上流側から配設されている。
［リモコン装置(47)］
蛇口(42)の近傍に設置されるリモコン装置(47)には、表示画面(49)と給湯運転スイッチ(48)と、暖房運転スイッチ(39)と、湯温設定器(44)とが設けられており、該リモコン装置(47)は通信線(B)で制御装置(50)に接続されている。
又、制御装置(50)には、第１温度センサ(32)，第２温度センサ(35)，入水温センサ(43)，出湯温センサ(45)，フレームロッド(15)の信号が入力されていると共に、該制御装置(50)によって、燃焼ファン(16)，ガス比例弁(17)，イグナイタ(13)，循環加熱回路(31)の循環ポンプ(34)や三方弁(33)，更には、給湯回路(41)の流量調整弁(46)等が制御される。
蛇口(42)の近傍に設置されるリモコン装置(47)には、表示画面(49)と給湯運転スイッチ(48)と、暖房運転スイッチ(39)と、湯温設定器(44)とが設けられており、該リモコン装置(47)は通信線(B)で制御装置(50)に接続されている。
又、制御装置(50)には、第１温度センサ(32)，第２温度センサ(35)，入水温センサ(43)，出湯温センサ(45)，フレームロッド(15)の信号が入力されていると共に、該制御装置(50)によって、燃焼ファン(16)，ガス比例弁(17)，イグナイタ(13)，循環加熱回路(31)の循環ポンプ(34)や三方弁(33)，更には、給湯回路(41)の流量調整弁(46)等が制御される。
［動作説明］
次に、上記温水システムによる給湯動作及び暖房動作を説明する。
《暖房動作》
先ず、暖房動作について説明する。
リモコン装置(47)に設けられた暖房運転スイッチ(39)が操作されると、燃焼ファン(16)が作動し、イグナイタ(13)の出力で点火プラグ(14)からガスバーナ(10)へスパークが連射されると共に、図示しないガス元弁が開弁してガスバーナ(10)にガス供給され、これにより、ガスバーナ(10)が燃焼する。
又、暖房に適した温度の温水が第１熱交換器(11)で加熱生成されるように、ガス比例弁(17)の開度制御がされてガスバーナ(10)の燃焼量が制御される。
次に、上記温水システムによる給湯動作及び暖房動作を説明する。
《暖房動作》
先ず、暖房動作について説明する。
リモコン装置(47)に設けられた暖房運転スイッチ(39)が操作されると、燃焼ファン(16)が作動し、イグナイタ(13)の出力で点火プラグ(14)からガスバーナ(10)へスパークが連射されると共に、図示しないガス元弁が開弁してガスバーナ(10)にガス供給され、これにより、ガスバーナ(10)が燃焼する。
又、暖房に適した温度の温水が第１熱交換器(11)で加熱生成されるように、ガス比例弁(17)の開度制御がされてガスバーナ(10)の燃焼量が制御される。
一方、三方弁(33)が切り替えられ、循環加熱回路(31)と暖房往き管(61)→暖房用放熱器（図示せず）→暖房戻り管(62)と繋がる回路が成立し、これにより、前記暖房用放熱装器（図示せず）による室内暖房が行われる。
《給湯動作》
次に、給湯動作について説明する。
リモコン装置(47)の給湯運転スイッチ(48)が投入された状態で蛇口(42)が開放されて流量計(40)が所定の流量を検知すると、上記暖房動作時と同様にガスバーナ(10)が燃焼する。
次に、給湯動作について説明する。
リモコン装置(47)の給湯運転スイッチ(48)が投入された状態で蛇口(42)が開放されて流量計(40)が所定の流量を検知すると、上記暖房動作時と同様にガスバーナ(10)が燃焼する。
一方、三方弁(33)が切り替わり、これにより、第１熱交換器(11)→第１温度センサ(32)→三方弁(33)→第２熱交換器(21)→循環ポンプ(34)→第２温度センサ(35)→第１熱交換器(11)と繋がる循環加熱回路(31)が成立し、この状態で循環ポンプ(34)が作動を開始する。
すると、ガスバーナ(10)の燃焼排気からの熱で加熱生成された温水は上記循環加熱回路(31)を循環し、これが第２熱交換器(21)を通過する際に給湯回路(41)の水と熱交換し、これによって生成された温水が蛇口(42)から流出する。
この場合、制御装置(50)がガスバーナ(10)の燃焼量を制御することにより、蛇口(42)へ供給される温水が湯温設定器(44)の給湯設定温度Ｔsに維持される。
すると、ガスバーナ(10)の燃焼排気からの熱で加熱生成された温水は上記循環加熱回路(31)を循環し、これが第２熱交換器(21)を通過する際に給湯回路(41)の水と熱交換し、これによって生成された温水が蛇口(42)から流出する。
この場合、制御装置(50)がガスバーナ(10)の燃焼量を制御することにより、蛇口(42)へ供給される温水が湯温設定器(44)の給湯設定温度Ｔsに維持される。
次に、蛇口(42)に供給される温水の温度を給湯設定温度Ｔsに迅速に立ち上げる為のガスバーナ(10)の燃焼制御を説明する。
循環加熱回路(31)に於ける第１熱交換器(11)の上流側、下流側の水温をΘin，Θout，循環流量をＷ’とする。
又、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側の水温（以下、「給水温度」という。）をＴin，下流側の水温（以下、「実給湯温度」という。）をＴout，給湯回路(41)の給湯流量をＷとする。
循環加熱回路(31)に於ける第１熱交換器(11)の上流側、下流側の水温をΘin，Θout，循環流量をＷ’とする。
又、給湯回路(41)に於ける第２熱交換器(21)の上流側の水温（以下、「給水温度」という。）をＴin，下流側の水温（以下、「実給湯温度」という。）をＴout，給湯回路(41)の給湯流量をＷとする。
先ず、第２熱交換器(21)の熱交換特性を表す係数をＨ（［ｋｃａｌ／ｓ・℃］）とする。
この係数Ｈは後述のように実験的に決定される。
又、循環加熱回路(31)の温水から給湯回路(41)の水への熱移動量は、この係数Ｈと、循環加熱回路(31)の平均水温（Θout＋Θin）／２及び給湯回路(41)の平均水温（Ｔout＋Ｔin）／２の差との積で表されると仮定する。すると、給湯回路(41)の水が第２熱交換器(21)で吸収する熱量は前記移動熱量に等しいから、次の関係式（Ｉ）が得られる。
Ｗ（Ｔout−Ｔin）＝（Ｈ／２）｛（Θout＋Θin）−（Ｔout＋Ｔin）｝・・・（Ｉ）
この係数Ｈは後述のように実験的に決定される。
又、循環加熱回路(31)の温水から給湯回路(41)の水への熱移動量は、この係数Ｈと、循環加熱回路(31)の平均水温（Θout＋Θin）／２及び給湯回路(41)の平均水温（Ｔout＋Ｔin）／２の差との積で表されると仮定する。すると、給湯回路(41)の水が第２熱交換器(21)で吸収する熱量は前記移動熱量に等しいから、次の関係式（Ｉ）が得られる。
Ｗ（Ｔout−Ｔin）＝（Ｈ／２）｛（Θout＋Θin）−（Ｔout＋Ｔin）｝・・・（Ｉ）
又、第２熱交換器(21)に於いて、循環加熱回路(31)の温水の損失熱量が、給湯回路(41)の水の吸収熱量に等しいと仮定する。
循環加熱回路(31)の温水の損失熱量は、水の熱容量（＝ｋｃａｌ／ｌ・℃）、循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’、及び第１熱交換器(11)の上流側、下流側に於ける水温差（Θout−Θin）の積で近似的に表される。又、給湯回路(41)の水の吸収熱量は、水の熱容量、給湯回路(41)の給湯流量Ｗ、及び給湯温度と給水温度の差（Ｔout−Ｔin）の積で近似的に表される。
循環加熱回路(31)の温水の損失熱量は、水の熱容量（＝ｋｃａｌ／ｌ・℃）、循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’、及び第１熱交換器(11)の上流側、下流側に於ける水温差（Θout−Θin）の積で近似的に表される。又、給湯回路(41)の水の吸収熱量は、水の熱容量、給湯回路(41)の給湯流量Ｗ、及び給湯温度と給水温度の差（Ｔout−Ｔin）の積で近似的に表される。
従って、次の関係式（ＩＩ）が得られる。
Ｗ（Ｔout−Ｔin）＝Ｗ’（Θout−Θin） ・・・（ＩＩ）
関係式（Ｉ）及び（ＩＩ）からΘinを消去して、Θoutを求めると、次の、関係式（ＩＩＩ）が得られる。
Θout＝［［｛（Ｈ／２）＋Ｗ’｝×（Ｔout−Ｔin）］／｛（Ｗ’／Ｗ）×Ｈ｝］
＋（Ｔout＋Ｔin）／２ ・・・（ＩＩＩ）
関係式（ＩＩＩ）のＴoutに代えて、湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔs を代入すると共に、ΘoutをΘout’と書き替えると、
Θout’＝［［｛（Ｈ／２）＋Ｗ’｝×（Ｔs−Ｔin）］／｛（Ｗ’／Ｗ）×Ｈ｝］
＋（Ｔs＋Ｔin）／２ ・・・（ＩＶ）
となり、関係式（ＩＶ）の左辺のΘout’は、 湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔｓの温水を得る為に循環加熱回路(31)の第２熱交換器(21)に供給する必要がある温水の目標温度になる。
従って、関係式（ＩＶ）で求められる目標温度Θout’の温水を第１熱交換器(11)から流出させる必要があるので、目標温度Θout’の温水を加熱生成できる燃焼量Ｑでガスバーナ(10)を燃焼させることが必要となる。
Ｗ（Ｔout−Ｔin）＝Ｗ’（Θout−Θin） ・・・（ＩＩ）
関係式（Ｉ）及び（ＩＩ）からΘinを消去して、Θoutを求めると、次の、関係式（ＩＩＩ）が得られる。
Θout＝［［｛（Ｈ／２）＋Ｗ’｝×（Ｔout−Ｔin）］／｛（Ｗ’／Ｗ）×Ｈ｝］
＋（Ｔout＋Ｔin）／２ ・・・（ＩＩＩ）
関係式（ＩＩＩ）のＴoutに代えて、湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔs を代入すると共に、ΘoutをΘout’と書き替えると、
Θout’＝［［｛（Ｈ／２）＋Ｗ’｝×（Ｔs−Ｔin）］／｛（Ｗ’／Ｗ）×Ｈ｝］
＋（Ｔs＋Ｔin）／２ ・・・（ＩＶ）
となり、関係式（ＩＶ）の左辺のΘout’は、 湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔｓの温水を得る為に循環加熱回路(31)の第２熱交換器(21)に供給する必要がある温水の目標温度になる。
従って、関係式（ＩＶ）で求められる目標温度Θout’の温水を第１熱交換器(11)から流出させる必要があるので、目標温度Θout’の温水を加熱生成できる燃焼量Ｑでガスバーナ(10)を燃焼させることが必要となる。
一方、循環加熱回路(31)の第１熱交換器(11)から流出させる温水の温度を前記目標温度Θout’にする為に予め演算で求めるガスバーナ(10)の燃焼量（理論燃焼量）をフィードフォワード量ＱＦＦとし、給湯回路(41)に設けられた出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度Ｔoutに基づくガスバーナ(10)の補正燃焼量をフィードバック量ＱＦＢとすると、ガスバーナ(10)の燃焼量Ｑは、
Ｑ＝ＱＦＦ＋ＱＦＢ ・・・（Ｖ）
となる。
ここで、フィードフォワード量ＱＦＦは、関係式（ＩＶ）の左辺の目標温度Θout’の温水を得る為に予め演算で求めるガスバーナ(10)の理論上の燃焼量であるから、
ＱＦＦ＝（Θout’−Θin）Ｗ’ ・・・（ＶＩ）
となる。
ここで、関係式（ＶＩ）の右辺を分解した「Θout’×Ｗ’」は、請求項１の発明特定事項たる熱量Ｍｑに対応する。
Ｑ＝ＱＦＦ＋ＱＦＢ ・・・（Ｖ）
となる。
ここで、フィードフォワード量ＱＦＦは、関係式（ＩＶ）の左辺の目標温度Θout’の温水を得る為に予め演算で求めるガスバーナ(10)の理論上の燃焼量であるから、
ＱＦＦ＝（Θout’−Θin）Ｗ’ ・・・（ＶＩ）
となる。
ここで、関係式（ＶＩ）の右辺を分解した「Θout’×Ｗ’」は、請求項１の発明特定事項たる熱量Ｍｑに対応する。
一方、ＱＦＢ＝（Ｔs―Ｔout）Ｗ ・・・（ＶＩＩ）
であるから、
関係式（ＶＩ），（ＶＩＩ）を関係式（Ｖ）に代入すると、
Ｑ＝（Θout’−Θin）Ｗ’＋（Ｔs―Ｔout）Ｗ ・・・（ＶＩＩＩ）
となる。
関係式（ＶＩＩＩ）のΘinは第２温度センサ(35)の検知温度で、Ｗ’（循環加熱回路(31)の循環流量）は循環ポンプ(34)の能力に基づいて求められる定数であり、Ｔsは湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度で、Ｔoutは出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度で、更に、Ｗは流量計(40)が検知する給湯流量であり、夫々、測定可能である。
であるから、
関係式（ＶＩ），（ＶＩＩ）を関係式（Ｖ）に代入すると、
Ｑ＝（Θout’−Θin）Ｗ’＋（Ｔs―Ｔout）Ｗ ・・・（ＶＩＩＩ）
となる。
関係式（ＶＩＩＩ）のΘinは第２温度センサ(35)の検知温度で、Ｗ’（循環加熱回路(31)の循環流量）は循環ポンプ(34)の能力に基づいて求められる定数であり、Ｔsは湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度で、Ｔoutは出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度で、更に、Ｗは流量計(40)が検知する給湯流量であり、夫々、測定可能である。
一方、Θout’は関係式（ＩＶ）のように、Ｗ’，Ｔs，Ｗの関数であるが、これらは前記のように定数又は測定可能であり、Ｔinは入水温センサ(43)が検知する給水温度であるから、残りの係数Ｈが分れば、関係式（ＩＶ）のΘout’が計算でき、（ＶＩＩＩ）は演算可能になる。
そこで、係数Ｈについて検討すると、関係式（Ｉ）及び（ＩＩ）からΘinを消去して、係数Ｈについて解けば、次の、関係式（ＩＸ）が得られる。
Ｈ＝２ＷＷ’ （Ｔout−Ｔin）／｛２Ｗ’ Θout―（Ｗ＋Ｗ’）Ｔout＋（Ｗ−Ｗ’）Ｔin｝
・・・（ＩＸ）
Ｈ＝２ＷＷ’ （Ｔout−Ｔin）／｛２Ｗ’ Θout―（Ｗ＋Ｗ’）Ｔout＋（Ｗ−Ｗ’）Ｔin｝
・・・（ＩＸ）
すると、関係式（ＩＸ）に基づいて係数Ｈが実験的に求められる。
即ち、Ｗ，Ｗ’，Ｔin，Ｔoutは、既述のように定数又は測定可能であり、Θoutは循環加熱回路(31)に於ける第１熱交換器(11)の下流側に設けられた第１温度センサ(32)で測定可能な水温であるから、これらの値を関係式（ＩＸ）に代入することにより、係数Ｈが実験的に決定される。
これにより、関係式（ＶＩＩＩ）が計算可能になり、関係式（ＶＩＩＩ）の燃焼量Ｑでガスバーナ(10)が燃焼するように、ガス比例弁(17)の開度制御を行う。
即ち、Ｗ，Ｗ’，Ｔin，Ｔoutは、既述のように定数又は測定可能であり、Θoutは循環加熱回路(31)に於ける第１熱交換器(11)の下流側に設けられた第１温度センサ(32)で測定可能な水温であるから、これらの値を関係式（ＩＸ）に代入することにより、係数Ｈが実験的に決定される。
これにより、関係式（ＶＩＩＩ）が計算可能になり、関係式（ＶＩＩＩ）の燃焼量Ｑでガスバーナ(10)が燃焼するように、ガス比例弁(17)の開度制御を行う。
以上説明したように、本実施の形態に係る温水システムでは、ガスバーナ(10)の燃焼制御に利用されるフィードフォワード量ＱＦＦは、関係式（ＶＩ）（ＩＶ）から明らかなように、循環加熱回路(31)を流れる熱媒体たる水の温度を考慮して決定されている。
従って、循環加熱回路(31)を流れる水の温度を全く考慮することなくフィードフォワード量ＱＦＦを決定していた既述従来のものに比べて、出湯温センサ(45)の検知する実給湯温度Ｔoutが給湯設定温度Ｔsに昇温するまでの立ち上がり速度が速くなり、応答性が良好な温水システムが提供できる。
図２は、本実施の形態に係る温水システムと従来の温水システムの給湯開始時に於ける、給湯温度の立ち上がり速度（応答性）を比較したグラフである。
比較例たる従来の温水システムは、給湯回路(41)に設けられた入水温センサ(43)が検知する給水温度Ｔinと湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温度差に給湯流量Ｗを掛け算した値、即ち、（Ｔs−Ｔin）×Ｗを、ガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦとしたもので、このフィードフォワード量ＱＦＦを、関係式（Ｖ）の右辺のＱＦＦとした点を除いて、本発明の実施の形態の温水システムと同様に構成されている。
比較例たる従来の温水システムは、給湯回路(41)に設けられた入水温センサ(43)が検知する給水温度Ｔinと湯温設定器(44)でセットされた給湯設定温度Ｔsの温度差に給湯流量Ｗを掛け算した値、即ち、（Ｔs−Ｔin）×Ｗを、ガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦとしたもので、このフィードフォワード量ＱＦＦを、関係式（Ｖ）の右辺のＱＦＦとした点を除いて、本発明の実施の形態の温水システムと同様に構成されている。
尚、図２は、湯温設定器(44)による給湯設定温度Ｔsを４０℃に、給水温度Ｔinを１８℃に、更に、給湯流量Ｗを１０Ｌ／minに設定した場合の応答性比較のグラフである。
同図（イ）に示す従来のものでは、実給湯温度Ｔoutが、給湯設定温度Ｔsの約９３％にあたる３７℃に昇温するまでの立ち上がり時間は１６秒であることが分る。
同図（イ）に示す従来のものでは、実給湯温度Ｔoutが、給湯設定温度Ｔsの約９３％にあたる３７℃に昇温するまでの立ち上がり時間は１６秒であることが分る。
一方、（ロ）に示す本実施の形態に係る温水システムでは、同一条件で、上記立ち上がり時間が１０秒であり、応答性が改善されることが確認できた。
尚、給湯開始初期には、給湯回路(41)に設けられた出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度Ｔoutと給湯設定温度Ｔsとの温度差が大きく、関係式（Ｖ）のフィードバック量ＱＦＢが大きくなるので、給湯開始初期には、フィードフォワード量ＱＦＦのみに基づいてガスバーナ(10)の燃焼量を制御し、その後、所定時にフィードバック量ＱＦＢを加えた関係式（Ｖ）を用いてガスバーナ(10)の燃焼量を制御するのが望ましい。
尚、給湯開始初期には、給湯回路(41)に設けられた出湯温センサ(45)が検知する実給湯温度Ｔoutと給湯設定温度Ｔsとの温度差が大きく、関係式（Ｖ）のフィードバック量ＱＦＢが大きくなるので、給湯開始初期には、フィードフォワード量ＱＦＦのみに基づいてガスバーナ(10)の燃焼量を制御し、その後、所定時にフィードバック量ＱＦＢを加えた関係式（Ｖ）を用いてガスバーナ(10)の燃焼量を制御するのが望ましい。
これにより、蛇口(42)から流出する温水の温度のハンチングを抑制することができる。
尚、上記実施の形態では、循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’を循環ポンプ(34)の能力に基づいて決定したが、循環加熱回路(31)に流量計を配設し、この流量計で循環流量Ｗ’を判定してもよい。
尚、上記実施の形態では、循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’を循環ポンプ(34)の能力に基づいて決定したが、循環加熱回路(31)に流量計を配設し、この流量計で循環流量Ｗ’を判定してもよい。
又、循環加熱回路(31)に設けられた第１温度センサ(32)と第２温度センサ(35)の検知温度Θout，Θin，及び、給湯回路(41)に設けられた入水温センサ(43)と出湯温センサ(45)が検知する給水温度Ｔin及び実給湯温度Ｔout、並びに、給湯回路(41)の流量計(40)が検知する給湯流量Ｗに基づいて、循環加熱回路(31)の循環流量W’を計算してもよい。
即ち、Ｗ’＝（Ｔout−Ｔin）Ｗ/(Θout-Θin)の式により、循環加熱回路(31)の循環流量W’を演算してもよい。
この場合、ΘoutとΘinは、夫々、請求項２の発明特定手段たる温度Θ１，Θ２に対応する。
この場合、ΘoutとΘinは、夫々、請求項２の発明特定手段たる温度Θ１，Θ２に対応する。
(10)・・・ガスバーナ
(11)・・・第１熱交換器
(21)・・・第２熱交換器
(31)・・・循環加熱回路
(34)・・・循環ポンプ
(35)・・・第２温度センサ
(40)・・・流量計
(41)・・・給湯回路
(43)・・・入水温センサ
(44)・・・湯温設定器
(45)・・・出湯温センサ
(11)・・・第１熱交換器
(21)・・・第２熱交換器
(31)・・・循環加熱回路
(34)・・・循環ポンプ
(35)・・・第２温度センサ
(40)・・・流量計
(41)・・・給湯回路
(43)・・・入水温センサ
(44)・・・湯温設定器
(45)・・・出湯温センサ
Claims (3)
- 第１熱交換器(11)を加熱するガスバーナ(10)と、
前記第１熱交換器(11)と第２熱交換器(21)を循環し、且つ循環ポンプ(34)を備えた循環加熱回路(31)と、
前記第２熱交換器(21)を介して前記循環加熱回路(31)と熱交換する給湯回路(41)と、
前記給湯回路(41)に於いて第２熱交換器(21)へ流入する給水の給水温度Ｔinを検知する入水温センサ(43)と、
前記給湯回路(41)の給湯流量Ｗを検知する流量計(40)と、
更に、給湯設定温度Ｔsを設定する為の湯温設定器(44)を具備する、温水システムに於いて、
前記給湯流量Ｗで流れる前記給水温度Ｔinの給水を前記給湯設定温度Ｔsに昇温させる為に前記循環加熱回路(31)から前記給水に与える必要がある熱量Ｍｑと、前記循環加熱回路(31)の循環流量Ｗ’に基づき、前記第２熱交換器(21)へ流入させる必要のある熱媒体の目標温度Θout’を演算し、
前記目標温度Θout’の熱媒体を前記第１熱交換器(11)で加熱生成するのに必要なガスバーナ(10)の燃焼量制御用のフィードフォワード量ＱＦＦを演算し、該フィードフォワード量ＱＦＦを用いてガスバーナ(10)の燃焼量を制御する、温水システム。 - 請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)へ流入する熱媒体の温度Θ１を検知する第１温度センサ(32)と、
前記循環加熱回路(31)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する熱媒体の温度Θ２を検知する第２温度センサ(35)と、
前記給湯回路(41)に於いて前記第２熱交換器(21)から流出する温水の温度Ｔoutを検知する出湯温センサ(45)とを設け、
循環流量Ｗ’は、
Ｗ’＝｛（Tout−Tin）/(Θ１-Θ２)｝×給湯流量Ｗ
により演算される、温水システム。 - 請求項１に記載の温水システムに於いて、
前記循環流量Ｗ’は、前記循環ポンプ(34)の回転数により設定する、温水システム。
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