JP4525744B2 - 貯湯式給湯機の運転制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、貯湯式給湯機の運転制御装置に関するものである。

貯湯式給湯機は、この発明の実施形態を示す図でもある図６に示すように、ヒートポンプユニットＨと、ヒートポンプユニットＨによって加熱された温湯を貯湯するタンクユニットＴとを有している。タンクユニットＴは、貯湯タンク３と、この貯湯タンク３に連結される循環路１２と、この循環路１２に介設される熱交換路１４とを備え、この熱交換路１４をヒートポンプ加熱源にて加熱して、上記貯湯タンク３から循環路１２に流出した低温水を沸き上げてこの貯湯タンク３に返流する運転が可能である。そして、この貯湯タンク３に貯湯された温湯が図示省略の浴槽等に供給される。

この場合、貯湯タンク３には、その底壁に給水口５が設けられると共に、その上壁に給湯口６が設けられている。そして、給水口５から貯湯タンク３に水道水が供給され、給湯口６から給湯用流路７を介して高温湯が出湯される。また、貯湯タンク３には、その底壁に取水口１０が開設されると共に、側壁（周壁）の上部に湯入口１１が開設され、取水口１０と湯入口１１とが上記循環路１２にて連結されている。そして、この循環路１２に水循環用ポンプ１３と熱交換路１４とが介設されている。なお、給水口５には給水用流路８が接続されている。

ところで、貯湯タンク３には、上下方向に所定ピッチで配列された４個の残湯量検出サーミスタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄから成る残湯量検出手段１８と、給水温度検出手段（給水サーミスタ）１９とが設けられている。また、上記循環路１２には、熱交換路１４の上流側に入水温度検出手段（入水サーミスタ）２０が設けられると共に、熱交換路１４の下流側に出湯温度検出手段（出湯サーミスタ）２１が設けられている。さらに、上記給湯用流路７には、給湯温度検出手段（給湯サーミスタ）２２と給湯量測定手段（流量センサ）２３とが設けられている。

そして、ヒートポンプユニット（加熱源）Ｈは冷媒回路を備え、この冷媒回路は、圧縮機２５と、熱交換路１４を構成する水熱交換器２６と、電動膨張弁（減圧機構）２７と、空気熱交換器（蒸発器）２８とを順に接続して構成される。すなわち、圧縮機２５の吐出管２９を水熱交換器２６に接続し、水熱交換器２６と電動膨張弁２７とを冷媒通路３０にて接続し、電動膨張弁２７と蒸発器２８とを冷媒通路３１にて接続し、蒸発器２８と圧縮機２５とをアキュームレータ３２が介設された冷媒通路３３にて接続している。これにより、圧縮機２５を駆動すると、水熱交換器２６において熱交換路１４を流れる水が加熱されることになる。また、蒸発器２８にはこの蒸発器２８の能力を調整するファン３４が付設されている。

上記のように構成された給湯機によれば、圧縮機２５を駆動すると共に、水循環用ポンプ１３を駆動（作動）させると、貯湯タンク３の底部に設けた取水口１０から貯溜水（低温水）が流出し、これが循環路１２の熱交換路１４を流通する。そのときこの温湯は水熱交換器２６によって加熱され（沸き上げられ）、湯入口１１から貯湯タンク３の上部に返流される。このような動作を継続して行うことによって、貯湯タンク３に高温の温湯を貯湯することができる。この場合、現状の電力料金制度は夜間の電力料金単価が昼間に比べて安価に設定されているので、この運転は主として、低額である夜間時間帯（例えば、２３時から翌７時までの時間帯）に行うものである。

上記のような貯湯式給湯機においては、貯湯中の放熱ロスを少なくしてエネルギ効率を向上しようとする観点から、上記夜間時間における沸き上げ湯量はできるだけ少なくするのが好ましい。このため、１日の予測負荷を把握し、予測負荷に見合った湯量の夜間沸き上げを行おうとする提案がなされている（例えば、特許文献１、２参照）。そしてその反面、沸き上げ湯量を少なくして余裕熱量が少なくなると、昼間の温湯使用時において湯切れの発生という問題が生じることになるため、これを防止する対策も提案されている（特許文献３参照）。この提案では、過去の各時間帯の消費実績に基づき、予測負荷を算出しておき、特定の時点において、それ以降の予測負荷が、その時点での貯湯タンクでの保有熱量以上となった場合に追い焚き運転を行うという制御を行っている。
特開２００７−０３２８７９号公報 特開２００７−１２０８１７号公報 特開２００７−０３２８８０号公報

ところで、上記従来の貯湯式給湯機において、一時的に最も大量に貯湯熱を消費するのは、風呂の湯張り時である。もし仮に、この風呂の湯張りが、日常的には１９時〜２０時に行われていたような状況下において、ある日突然に、１７時ごろに行われたような場合には、上記特許文献３の追い焚き運転制御方式においては、全く対処することができない。それは、湯張りを終了した時点では貯湯タンクでの保有熱量は大幅に減少しており、それ以降の予測負荷以下になっているものと考えられるためである。この理由は、それ以降の予測負荷の中には、風呂の湯張りに見合う負荷が依然として含まれているためである。このように、引用文献３の追い焚き制御では、非日常的で突発な負荷の増大には対処可能であるものの、いわゆる日常的な負荷の増大が早期に行われてしまったような場合（前倒し使用）には対処不可能であるという欠点がある。その結果、特許文献３のものでは、必要のない余分な温湯を追い焚きしてしまい、エネルギロスを招いてしまうことになる。

この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、日常的な負荷の増大が早期に行われてしまったような場合にでも対処可能であり、不必要な追い焚き運転を行うのを抑制することが可能な貯湯式給湯機の運転制御装置を提供することにある。

請求項１の貯湯式給湯機の運転制御装置は、貯湯タンクと、この貯湯タンクに加熱した温水を供給する追い焚き運転手段とを有し、所定時刻ごとにその時刻までの累積負荷を、過去数日間の実績負荷に基づいて予測する累積負荷予測手段と、所定時刻ごとにその時刻までの実績負荷を検出する負荷検出手段とを有し、実績負荷と、それよりも所定時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が所定時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転手段に追い焚き運転指令信号を出力する貯湯式給湯装置の運転制御装置であって、上記累積負荷予測手段は、所定時刻ごとに前時刻からその時刻までの時間帯の実績負荷を求めると共に、それを過去数日間にわたって記憶しておき、過去数日間に消費された１運転日当りの最大の実績負荷Ｑ _max を求めると共に、所定時刻ごとに上記各時間帯の実績負荷の平均値Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ を求め、所定時刻ごとの各時間帯の平均値Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ の合計Ｑ _p が上記平均値Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ に従って消費されていく推移と同様な推移で、１運転日当りの最大の実績負荷Ｑ _max が消費されるものとして所定時刻ごとの予測累積負荷を設定することを特徴としている。また、請求項２の貯湯式給湯機の運転制御装置は、貯湯タンクと、この貯湯タンクに加熱した温水を供給する追い焚き運転手段とを有し、所定時刻ごとにその時刻までの累積負荷を、過去数日間の実績負荷に基づいて予測する累積負荷予測手段と、所定時刻ごとにその時刻までの実績負荷を検出する負荷検出手段とを有し、実績負荷と、それよりも所定時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が所定時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転手段に追い焚き運転指令信号を出力する貯湯式給湯装置の運転制御装置であって、上記累積負荷予測手段は、所定時刻ごとにその時刻までの累積の実績負荷を求めると共に、それを過去数日間にわたって記憶しておき、過去数日間に消費された１運転日当りの最大の実績負荷Ｑ _max を求めると共に、所定時刻ごとにその時刻までの累積の実績負荷の平均値を求め、１運転日当りの実績負荷の平均値Ｑ _p が上記所定時刻ごとの平均値に従って消費されていく推移と同様な推移で、１運転日当りの最大の実績負荷Ｑ _max が消費されるものとして所定時刻ごとの予測累積負荷を設定することを特徴としている。

請求項３の貯湯式給湯機の運転制御装置は、上記追い焚き運転による貯湯タンクへの供給熱量は、追い焚き運転指令信号の出力時において、それよりも所定時間先の予測累積負荷から追い焚き運転指令信号の出力時の予測累積負荷を減算した値に応じた供給熱量とすることを特徴としている。

請求項４の貯湯式給湯機の運転制御装置は、貯湯タンクの残湯熱量検出手段を備え、上記追い焚き運転手段は、追い焚き運転指令信号の出力時において、貯湯タンクの残湯熱量が上記所定時間よりも短い特定時間内に消費されてしまうと判断した場合に、追い焚き運転を開始することを特徴としている。

請求項５の貯湯式給湯機の運転制御装置は、上記所定時間先の予測累積負荷とは、３〜６時間先の予測累積負荷であることを特徴としている。

請求項６の貯湯式給湯機の運転制御装置は、上記過去数日の各運転日における実績負荷のバラツキに応じて、湯切れ防止のための余裕分としてのマージン熱量を設定しておき、上記追い焚き運転時にマージン熱を併せて供給することを特徴としている。

請求項１〜請求項６の貯湯式給湯機では、実績負荷と、それよりも所定時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が所定時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転を行うようにしているので、いわゆる日常的な負荷の増大が早期に行われてしまったような場合（前倒し使用）には、追い焚き運転は回避できる。すなわち、実績負荷との比較対象を、所定時間先の予測累積負荷としているが、この予測累積負荷には、前倒し使用分が含まれているはずであるためである。この結果、日常的な負荷の増大が早期に行われてしまったような場合にでも対処可能であり、不必要な追い焚き運転を行うのを抑制することが可能となり、エネルギロス効率を向上することができる。

次に、この発明の貯湯式給湯機の運転制御装置について、その具体的な実施の形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。貯湯式給湯機は、図６について説明したものと同様であるので、ここでは詳しい説明は省略する。この貯湯式給湯機においては、Ａ：必要熱量を貯湯タンク３内に確保するための沸き上げ運転と、Ｂ：昼間の時間帯において不足熱量を補うための追い焚き運転とを行う。沸き上げ運転は、夜間時間帯（午後２３時〜翌午前７時）における夜間沸き上げ運転と、それ以外の時間帯での昼間沸き上げ運転との両者によって行う。なお、ここでは、特定日の午前５時から翌日の午前５時までを１日（１給湯日）と称し、この１日を単位として給湯制御が行われる。

まず、Ａ：必要熱量を貯湯タンク３内に確保するための沸き上げ運転について説明する。この沸き上げ運転は、午前５時に当日に必要な「必要負荷総量」を決定し、必要な熱量が得られるようにヒートポンプＨを駆動することによって行う。この沸き上げ運転は、主として夜間時間帯に行う。「必要負荷総量」とは、「予測負荷」と「マージン熱量」との合計である。「マージン熱量」は、実際に消費する負荷にバラツキがあること、及び所定熱量を消費したときに貯湯タンク３の残湯量がゼロ付近となって、リモコンの残湯量表示がゼロとなってしまうことに対するユーザへの不安を低減することを目的として設定されたものである。

上記「予測負荷」は、過去７日間における１日当りの実績負荷の中で、最大の実績負荷に加重を掛けたものである。なお、実績負荷は、給湯温度検出手段（給湯サーミスタ）２２と給湯量測定手段（流量センサ）２３とによって構成される実績負荷検出手段によって測定される。そしてここで、上記加重は、７日間の負荷分布により決定する。負荷分布としては、図１に示すように、分布Ａ（負荷の分布が７日間にわたって平均的である場合）、分布Ｂ（負荷の分布が７日間にわたってバラバラである場合）、分布Ｃ（負荷大の日が１日で、残り６日間の負荷が平均的であって、最大負荷の日が前日である場合）、分布Ｄ（負荷大の日が１日で、残り６日間の負荷が平均的であって、最大負荷の日が前日以前である場合）の４種類に分類している。図１には、フローチャートを示しているが、７日間の負荷が平均的であるか否か（ステップＳ１）、負荷が大の日が１日で残り６日は平均的であるか否か（ステップＳ２）、負荷最大の日が前日であるか否か（ステップＳ３）を順に判定することで、上記分布Ａ〜Ｄを決定し、それに応じて加重を適宜決定している。

次に、上記「マージン熱量」について説明する。この「マージン熱量」は、上記分布Ａ〜Ｄに応じて設定されるものであって、具体的にいうと、分布Ａ〜Ｃである場合には、所定の「マージン熱量」を付加し、分布Ｄの場合には、「マージン熱量」を付加する必要はないとしている。これは、分布Ｄの場合、すなわち負荷大の日が１日で、残り６日間の負荷が平均的であって、最大負荷の日が前日以前である場合には、既に、予測負荷が最大負荷となおり、この最大負荷は突発的に生じたものと考えられるため、充分に余裕のある予測負荷となっているはずであり、それ以上に余裕を与える必要はないためである。

そして、上記「予測負荷」と「マージン熱量」との和が、「必要負荷総量」として決定され、これに相当する熱量が得られるように沸き上げ運転が行われる。ここで留意する点は、「必要負荷総量（予測負荷とマージン熱量との合計）」が決定されるのが、当日の午前５時であるということである。すなわち、夜間沸き上げ運転が行われている最中に「必要負荷総量」が決定されるということである。夜間沸き上げ運転は、前日の「必要負荷総量」に基づいて行われているため、午前５時における「必要負荷総量」に対して当然のことながら過不足が生じることになる。「予測負荷」に不足が生じた場合には、昼間沸き上げで適宜対処し、「マージン熱量」に不足が生じた場合には、後述する昼間の時間帯において不足熱量を補うための追い焚き運転中に補う。なお、夜間沸き上げ運転は、前日に決定された「必要負荷総量」が、ピークシフトによって、午前７時に得られるように開始されている。

次に、追い焚き運転について説明する。この運転は、午前５時を開示時刻とし、午前６時から１時間ごとにその時刻までの累積負荷を、過去７日間の実績負荷に基づいて予測する累積負荷予測手段を有している。累積負荷予測手段は、所定時刻ごとにその時刻までの実績負荷を求めると共に、それを過去７日間にわたって記憶しておき、所定時刻ごとの実績負荷の平均値を求め、この平均値の比率に従って過去７日間の最大負荷が消費されるものとして、所定時刻ごとの午前５時からの予測累積負荷を設定する。そのため、午前５時を開始時刻として、午前６時から1時間ごとにその時までの実績負荷を検出する負荷検出手段を有している。この負荷検出手段は、給湯温度検出手段（給湯サーミスタ）２２と給湯量測定手段（流量センサ）２３とによって構成される。そして、検出した所定時刻ごとの実績負荷と、それよりも４時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が４時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転手段に追い焚き運転指令信号を出力する。この追い焚き運転による貯湯タンク３への供給熱量は、追い焚き運転指令信号の出力時において、それよりも４時間先の予測累積負荷と、追い焚き運転指令信号の出力時の予測累積負荷との差に応じた供給熱量とする。

まず、この運転の前提となる累積負荷予測手段を、さらに具体的に説明する。図２に示すように、午前５時から１時間ごとに負荷実績Ａ _１ 〜Ａ _２４ を測定する。この測定は、７日間（Ａ〜Ｇ）にわたって行う。そして、各時間帯の負荷実績を時間帯ごとに平均し、その平均値Ｐ _１ 〜Ｐ _２４ を求める。次いで、上記平均値Ｐ _１ 〜Ｐ _２４ の合計Ｑ _Ｐ と各日ごとに１日当りの負荷実績Ｑ _Ａ 〜Ｑ _Ｇ を求める。そして、各日の負荷実績Ｑ _Ａ 〜Ｑ _Ｇ における最大の負荷実績Ｑ _ｍａｘ を求めて、上記平均値Ｐ _１ 〜Ｐ _２４ にＱ _ｍａｘ ／Ｑ _Ｐ を乗じて各時間帯ごとの予測負荷を求める。そしてこれら予測負荷を午前６時から１時間ことに累積していくことで、予測累積負荷を演算する。これを模式的に示したものが、図３の破線である。なお、上記最大の負荷実績Ｑ _ｍａｘ が、上記沸き上げ運転時の「予測負荷」となるのである。

上記説明では、初めに各時刻ごとに１時間の実績負荷を求め、これに基づいて、各時刻において１時間ごとの予測負荷を演算し、後で予測負荷を各時刻ごとに累積することで予測累積負荷を求めているが、最初に各時刻ごとにそれまでの累積実績負荷を求めておき、後でこれに基づいて予測累積負荷を求めるようにしてもよい。

また、上記負荷検出手段によって、当日の午前５時を開始時刻として午前６時から１時間ごとにその時までの実績負荷を検出して行くが、これを模式的に示しているのが、図３の実線である。

そして、各時刻ごとに、その時刻までの実績負荷と予測累積負荷とを比較するが、ここで留意する点は、図３及び図４に示しているように、実績負荷はその時点での検出値を用いるが、予測累積負荷は４時間先の予測累積負荷を用いるということである。そして、図４に示すように、実績負荷が４時間先の予測累積負荷をこえたとき（ステップＳ１１）に、追い炊き運転手段としてのヒートポンプＨに対して、追い焚き運転指令信号を出力する。そして、この指令信号が出力され、しかも現在の貯湯タンク３の残湯熱量が、その後、２時間以内に消費されそうな場合（ステップＳ１２）には、追い焚き運転を開始する（ステップＳ１３）。また、ステップＳ１２において、貯湯タンク３の残湯熱量に余裕がある場合には、ステップＳ１４からステップＳ１２へと移行して、貯湯タンク３の残湯熱量が２時間以内に消費されそうになるまで待機する。

そして、追い焚き運転を実施する場合には、貯湯タンク３への供給熱量は、図４に示すように、追い焚き運転指令信号の出力時において、それよりも４時間先の予測累積負荷と、追い焚き運転指令信号出力時の予測累積負荷との差に応じた供給熱量とする。なお、貯湯タンク３の残湯熱量は、貯湯タンク３に上下方向に所定ピッチで配列された４個の残湯量検出サーミスタ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄから成る残湯量検出手段１８で行う。

また、この追い焚き運転時には、午前５時に決定された分布変更（特に、分布Ｄから分布Ｃへの変更）に起因する「マージン熱量」の不足分も併せて追い焚きする。なお、夜間沸き上げ運転において、ピークシフトを採用していない場合には、午前７時までは時間的な余裕がありため、この時間内において、「マージン熱量」の不足分の全部、または一部を沸き上げるようにする。この場合に、さらに不足分がある場合には、上記同様に追い焚き運転時に併せて追い焚きする。

この発明の貯湯式給湯機の運転制御装置の実施形態における負荷分布の決定方式を説明するためのフローチャート図である。 上記実施形態における予測累積負荷を演算方法を示す説明図である。 上記実施形態において、実績負荷と予測累積負荷との関係を経時的に示すグラフである。 上記実施形態において追い焚き運転を行うか否かの判断手順を説明するためのフローチャート図である。 上記実施形態の制御構成を示す機能ブロック図である。 上記実施形態及び従来例の全体回路図である。

符号の説明

３・・貯湯タンク、１８・・残湯量検出手段、２２・・給湯温度検出手段（給湯サーミスタ）、２３・・給湯量測定手段（流量センサ）

Claims (6)

1. 貯湯タンクと、この貯湯タンクに加熱した温水を供給する追い焚き運転手段とを有し、
   所定時刻ごとにその時刻までの累積負荷を、過去数日間の実績負荷に基づいて予測する累積負荷予測手段と、
   所定時刻ごとにその時刻までの実績負荷を検出する負荷検出手段と
   を有し、
   実績負荷と、それよりも所定時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が所定時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転手段に追い焚き運転指令信号を出力する貯湯式給湯装置の運転制御装置であって、
   上記累積負荷予測手段は、所定時刻ごとに前時刻からその時刻までの時間帯の実績負荷を求めると共に、それを過去数日間にわたって記憶しておき、過去数日間に消費された１運転日当りの最大の実績負荷（Ｑ _max ）を求めると共に、所定時刻ごとに上記各時間帯の実績負荷の平均値（Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ ）を求め、所定時刻ごとの各時間帯の平均値（Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ ）の合計（Ｑ _p ）が上記平均値（Ｐ ₁ 〜Ｐ ₂₄ ）に従って消費されていく推移と同様な推移で、１運転日当りの最大の実績負荷（Ｑ _max ）が消費されるものとして所定時刻ごとの予測累積負荷を設定することを特徴とする
   貯湯式給湯装置の運転制御装置。
2. 貯湯タンクと、この貯湯タンクに加熱した温水を供給する追い焚き運転手段とを有し、
   所定時刻ごとにその時刻までの累積負荷を、過去数日間の実績負荷に基づいて予測する累積負荷予測手段と、
   所定時刻ごとにその時刻までの実績負荷を検出する負荷検出手段と
   を有し、
   実績負荷と、それよりも所定時間先の予測累積負荷とを比較し、実績負荷が所定時間先の予測累積負荷を越えたときに追い焚き運転手段に追い焚き運転指令信号を出力する貯湯式給湯装置の運転制御装置であって、
   上記累積負荷予測手段は、所定時刻ごとにその時刻までの累積の実績負荷を求めると共に、それを過去数日間にわたって記憶しておき、過去数日間に消費された１運転日当りの最大の実績負荷（Ｑ _max ）を求めると共に、所定時刻ごとにその時刻までの累積の実績負荷の平均値を求め、１運転日当りの実績負荷の平均値（Ｑ _p ）が上記所定時刻ごとの平均値に従って消費されていく推移と同様な推移で、１運転日当りの最大の実績負荷（Ｑ _max ）が消費されるものとして所定時刻ごとの予測累積負荷を設定することを特徴とする
   貯湯式給湯装置の運転制御装置。
3. 上記追い焚き運転による貯湯タンクへの供給熱量は、追い焚き運転指令信号の出力時において、所定時間先の予測累積負荷から追い焚き運転指令信号の出力時の予測累積負荷を減算した値に応じた供給熱量とすることを特徴とする
   請求項１又は２の貯湯式給湯装置の運転制御装置。
4. 貯湯タンクの残湯熱量検出手段を備え、
   上記追い焚き運転手段は、追い焚き運転指令信号の出力時において、貯湯タンクの残湯熱量が上記所定時間よりも短い特定時間内に消費されてしまうと判断した場合に、追い焚き運転を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの貯湯式給湯装置の運転制御装置。
5. 上記所定時間先の予測累積負荷とは、３〜６時間先の予測累積負荷であることを特徴とする
   請求項１〜４のいずれかの貯湯式給湯装置の運転制御装置。
6. 上記過去数日の各運転日における実績負荷のバラツキに応じて、湯切れ防止のための余裕分としてのマージン熱量を設定しておき、上記追い焚き運転時にマージン熱量を併せて供給することを特徴とする
   請求項３〜５のいずれかの貯湯式給湯装置の運転制御装置。