JP4603482B2

JP4603482B2 - 給湯システム

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Publication number: JP4603482B2
Application number: JP2005371950A
Authority: JP
Inventors: 正敏片山; 明夫森田
Original assignee: 株式会社日本サーモエナー
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: JP2007170770A

Description

本発明は、温水が貯湯される貯湯タンクから給湯負荷に対して給湯可能に構成された給湯システムであって、温水供給のための加熱手段として、ヒートポンプ回路の凝縮器からの凝縮熱と熱交換して水を加熱するヒートポンプ給湯手段と、ガス焚または油焚き等によって水を加熱する補助給湯手段とを備える給湯システムに関するものである。

ヒートポンプ式の給湯システムは、夜間の安価な電力を使用して、夜間の給湯使用量の少ない低給湯負荷状態となる時間帯に貯湯タンクに温水を貯めて、翌日の昼間の給湯負荷、例えば風呂やシャワー等の給湯に対して使用するシステムが一般的である。

図９に従来構成のヒートポンプ式給湯システムの概略を示す。図９に示すように、従来構成のヒートポンプ式給湯システム１ｈは、ヒートポンプ回路の凝縮器からの凝縮熱と熱交換して水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段４と、加熱された温水を貯湯する貯湯タンク３を備える。

この貯湯タンク３は、上水道（不図示）から供給される上水が蓄えられる給水タンク２より低温水が給水されると、当該低温水をヒートポンプ給湯手段４に与え、ヒートポンプ給湯手段４によって加熱された温水が再び供給されて蓄えられる。このようにして貯湯タンク３内に蓄えられた温水は、給湯負荷４を構成するシャワーやカランが開けられることで、給水タンク２からの水圧により流れ出し、当該負荷において給湯として利用される。また、当該給湯負荷５で利用されなかった温水は再び貯湯タンク３に与えられ、当該タンク内で貯湯される。

また、貯湯タンク３から温水を供給する配管には循環ポンプ６が設けられており、給湯負荷５が循環負荷である場合には当該ポンプ６によって貯湯タンク３から送出された温水が給湯負荷５を介して再び貯湯タンク３に入力される構成である。また、給湯負荷５と貯湯タンク３の間（戻り配管）に循環ポンプ６を設ける場合もある。

ところで、ヒートポンプ式の給湯システムは、上述したように夜間の安価な電力を使用して夜間の給湯使用量の少ない低給湯負荷状態となる時間帯に貯湯タンクに温水を貯めて、翌日の昼間の給湯負荷、例えば風呂やシャワー等の給湯に対して使用するシステムである。すなわち、ヒートポンプ給湯手段２の加熱能力は、夜間の低給湯負荷状態を想定して決定されているため、専ら貯湯目的に所定の温度に加熱するだけでよく、短時間での加熱能力は非常に低くなっており、高給湯負荷時に貯湯タンクの温水を消費した場合に温水の給湯能力が不足する場合が生じる。また、夜間に蓄熱し、温水を利用するのは翌日の昼間や夕方となり、使用時間が大幅にずれるため、貯湯タンクからの放熱が多くなり、せっかく高効率で蓄熱した熱を放熱させてしまうという問題が生じる。

さらに、ヒートポンプ給湯手段３の加熱能力は、外気温度や水温の影響を受けるため、給湯システムとしては安全率を高く設定しておく必要があり、能力的に過剰なシステムとなることもある。

このようなヒートポンプ給湯手段の加熱能力不足を補い、またヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を確保するために、貯湯タンクと給湯負荷の間に、貯湯タンクを備える電気温水機を設けた給湯システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１０６６５２号公報

例えば、特許文献１に開示されているように、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を確保するために電気温水機を追加した場合、昼間の高給湯負荷時に電気温水機を作動させる必要があり、昼間の高い電気料金による運転コストの上昇を招く。また、電気温水機は１次エネルギーの観点から見るとエネルギー効率が悪いため、システム全体としての総合的なエネルギー効率が低下するという問題がある。

また、従来の燃料燃焼型の温水機（例えばガス焚温水機）によって給湯負荷に対して給湯する給湯システム（図１０参照）は、ヒートポンプ給湯手段と比較すると出湯能力は向上するものの、熱効率の点からはヒートポンプ給湯手段と比較して低下するという問題がある。図１０に示す給湯システム１ｉは、ガス焚温水機７を備え、給水タンクから供給される低温水が貯湯タンク３に蓄えられるとともに、当該貯湯タンク３より供給される水をガス焚温水機７によって加熱した後、貯湯タンク３に対して温水を供給する構成である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、ヒートポンプ式の給湯システムに必要な給湯能力を高いエネルギー効率を維持して確保可能な給湯システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る給湯システムは、ヒートポンプ回路の凝縮器からの凝縮熱と熱交換して水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段と、温水を貯湯し、貯湯された温水を給湯負荷に対して供給する貯湯タンクと、前記貯湯タンクより供給される温水を加熱した後、再び前記貯湯タンクに供給する補助給湯手段と、を備え、前記補助給湯手段に前記ヒートポンプ給湯手段によって加熱された温水が直接供給されるか、あるいは前記ヒートポンプ給湯手段によって加熱された温水が前記貯湯タンクに貯湯された後、前記補助給湯手段に前記貯湯タンクから温水が供給される構成であることを第１の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第１の特徴に加えて、給水源から供給される低温水を、前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクに供給可能な構成であり、前記ヒートポンプ給湯手段が、供給される前記低温水を加熱した後、前記貯湯タンクに温水を供給することを第２の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第１または第２の特徴に加えて、給水源から供給される低温水を、前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクに供給可能な構成であり、前記ヒートポンプ給湯手段が、供給される前記低温水を加熱した後、前記補助給湯手段に温水を供給することを第３の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第２の特徴に加えて、前記補助給湯手段および前記ヒートポンプ給湯手段が、それぞれ前記貯湯タンクに貯湯された温水の温度に応じて発停制御が行われる構成であり、前記補助給湯手段よりも前記ヒートポンプ給湯手段が優先的に稼動される制御が行われることを第４の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第４の特徴に加えて、前記補助給湯手段が、前記貯湯タンクに貯湯された温水の温度に応じて燃焼出力を複数段制御されることを第５の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第４または第５の特徴に加えて、前記貯湯タンクが、前記低温水が入水する入水口および前記補助給湯手段に対して出水する出水口を下部領域に有するとともに、前記補助給湯手段から供給される温水が入水する入水口、前記ヒートポンプ給湯手段から供給される温水が入水する入水口、および前記給湯負荷に対して温水を出水する出水口を上部領域に有する構成であり、前記補助給湯手段が、前記貯湯タンク内の第１の検温位置の温水の温度に応じて発停制御され、前記ヒートポンプ給湯手段が、前記貯湯タンク内の前記第１の検温位置より下方の第２の検温位置の温水の温度に応じて発停制御される構成であることを第６の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第１〜第６のいずれか一つの特徴に加えて、前記給水源から供給される前記低温水を貯水するバッファタンクを前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクの前段に有し、当該バッファタンクから出力される前記低温水が前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクに供給される構成であることを第７の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第１〜第７のいずれか一つの特徴に加えて、前記ヒートポンプ給湯手段が、外気の熱エネルギーを吸収して水の加熱に利用する構成であり、前記補助給湯手段と近接設置されることで、当該補助給湯手段からの放熱を吸収可能に構成されることを第８の特徴とする。

また、本発明に係る給湯システムは、上記第１〜第８のいずれか一つの特徴に加えて、前記ヒートポンプ給湯手段と前記補助給湯手段とが同一筐体内に設置されることを第９の特徴とする。

上記第１の特徴の給湯システムによれば、貯湯タンクには補助給湯手段によって加熱された温水が供給される構成であるとともに、その前段で補助給湯手段に供給される水が予めヒートポンプ給湯手段によって加熱される構成であるため、補助給湯手段に供給される加熱前の水は前もって一定の加熱が施されており、これによってシステム全体の効率が向上する。

また、ヒートポンプ給湯手段単独で構成される給湯システムの場合、ヒートポンプ給湯手段によって加熱可能な水量が限られているため、給湯負荷が高負荷状態になったときには貯湯タンク内に温水が不足する、あるいは低温の温水しか供給できないという問題があるが、本発明システムによれば、ヒートポンプ給湯手段の加熱能力を補助給湯手段によって補うことができるため、高負荷にも対応することが可能となる。

一方で、燃料燃焼型の温水機のみで構成されるシステムと比較すると、高効率のヒートポンプ給湯手段を併用しているため、システム全体としての効率は向上する。特に、ヒートポンプ給湯手段で加熱後、補助給湯手段で加熱を行う構成であるため、ヒートポンプ給湯手段によって高温の温水を生成する必要がなく、一方補助給湯手段は、加熱後の温水が供給されるため多くの熱交換を行う必要がないため、単純に両給湯手段を組み合わせた場合と比較しても効率はさらに向上する。

また、従来から利用されている燃焼型の温水機を補助給湯手段として利用することができるため、汎用性の高いシステムが実現できる。

上記第２の特徴の給湯システムによれば、上記第１の特徴にかかる効果に加えて、給水源からの低温水がヒートポンプ給湯手段に供給される構成であるため、ヒートポンプ給湯手段の運転効率が向上し、これによってシステム全体の効率がさらに向上する。

上記第３の特徴の給湯システムによれば、上記第１の特徴にかかる効果に加えて、給水源からの低温水がヒートポンプ給湯手段に供給される構成であるため、ヒートポンプ給湯手段の運転効率が向上し、これによってシステム全体の効率がさらに向上する。また、ヒートポンプ給湯手段と貯湯タンクとの間で温水の循環が可能となるため、無負荷時においてもヒートポンプ給湯手段を運転させることができ、これによってヒートポンプ給湯手段の稼働率を向上させることができる。

一般的に、ヒートポンプ給湯手段は、ガス焚温水機などの燃焼型温水機と比較して原理上高い効率を示す給湯手段であるため、ヒートポンプ給湯手段を高い稼働率で運転させることで高効率の給湯システムが実現できる。

また、上記第４の特徴の給湯システムによれば、ガス焚温水機などの燃焼型温水機と比較して原理上高い効率を示すヒートポンプ給湯手段を高い稼働率で運転させることができるため、高効率の給湯システムが実現できる。さらに、貯湯タンク内に貯湯された湯温の情報に基づいてヒートポンプ給湯手段あるいは補助給湯手段の発停制御を行う構成であるため、その制御内容は単純であり、複雑な制御回路を別途設ける必要がない。

また、上記第５の特徴の給湯システムによれば、補助給湯手段の運転中に、当該補助給湯手段の燃焼状態を低下させることができるため、稼働率を低下させることができ、システム全体としての効率をさらに向上させることができる。

また、上記第６の特徴の給湯システムによれば、貯湯タンク内に貯湯された湯温の情報に基づいてヒートポンプ給湯手段あるいは補助給湯手段の制御が行われるため、その制御内容は単純であり、複雑な制御回路を別途設ける必要がない。

また、上記第７の特徴の給湯システムによれば、給湯負荷が少ない時、ヒートポンプ給湯手段に流入される水の水温を確実に給水源から供給される水の水温に近づけることができるため、流入水温を低下させることができる。これによってヒートポンプ給湯手段の効率が向上するため、システム全体の効率がさらに向上する。

また、上記第８の特徴の給湯システムによれば、ヒートポンプ給湯手段の外気温度が補助給湯手段の放熱によって上昇し、これによってヒートポンプ給湯手段の効率が向上するため、システム全体の効率がさらに向上する。

また、上記第９の特徴の給湯システムによれば、ヒートポンプ給湯手段が補助給湯手段の放熱を効率的に吸収することが可能となり、ヒートポンプ給湯手段の効率をさらに向上させることができる。

以下、本発明に係る給湯システム（以下、適宜「本発明システム」と略称する）の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明システムの第１の実施形態（以下、適宜「本実施形態」と略称する）の構成を示す概略構成図である。なお、図中の二重線は水路の配管を示しており、破線は制御用の信号線を示している。

また、以下の各実施形態において、水がタンク等に流入する箇所を入水口、タンク等より流出する箇所を出水口と記載しているが、実施形態においては、同一の入水口から水が流出する場合や、出水口から水が流入する場合がある。このため、同一の符号を付された入水口あるいは出水口から流入と流出が行われる可能性がある場合には、適宜入出水口と記載するものとする。

図１に示される本発明システム１ａは、給水タンク２、貯湯タンク３、ヒートポンプ給湯手段４、給湯負荷５、および補助給湯手段であるガス焚温水機７を備えて構成される。なお、以下では補助給湯手段として燃料がガスであるガス焚温水機として説明を行うが、石油を燃料とした油焚温水機であっても構わないし、他の燃料やエネルギーを利用するものであってもよい。

また、貯湯タンク３には、貯湯される温水の温度を検出する温度検出器９が備えられ、当該検出器９によって検出された温度情報はガス焚温水機７、およびガス焚温水機７から貯湯タンク３に温水を導くために配管に介装されている循環ポンプ１１に与えられる。さらに、温水を給湯負荷５と貯湯タンク３との間で循環させるための循環ポンプ６が備えられている。

以下において具体的な管路構成について説明を行う。

上水道（不図示）から給水される上水が給水タンク２によって蓄えられており、この蓄えられた水は管路２１および管路２２を介してヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に供給されるとともに、管路２１および管路２４を介して貯湯タンク３の入水口３３に供給される。なお、管路２１に供給される給水源はタンク形態に限られず、低温の水が供給される形態であればいかなる形態でも構わない。

ヒートポンプ給湯手段４は、ヒートポンプ回路の冷媒として例えばＣＯ_２を採用したＣＯ_２ヒートポンプで構成され、入水口３１から給水された水をヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、出水口３２から配管４１を介してガス焚温水機７の入水口３５に供給する。例えば、ヒートポンプ回路の圧縮機は３相誘導電動機で構成され、商用電力（３相２００Ｖ）を電源として作動するものとする。また、配管４１には循環ポンプ４２が介装されている。

また、貯湯タンク３の出水口３４から出力される温水は、管路２５を介してガス焚温水機７の入水口３５に供給される。入水口３５から供給された温水は、ガス焚温水機７によって加熱され、出水口３６より温水が出力される。当該温水は、管路２６を介して貯湯タンク３の入水口３７に供給される。なお、管路２５には逆止弁１２が介装されており、管路４１を介してヒートポンプ給湯手段４から出湯した温水が貯湯タンク３の出水口３４へ逆流入しないように構成される。

ガス焚温水機７は、例えばガス焚真空式温水機で構成される。ガス焚真空式温水機は、缶体内の下部にガスバーナの火炎で熱媒水を加熱する火炉を設けるとともに、缶体内の上部の減圧空気中にＵ字状の伝熱管を設けてなり、缶体内の下部に封入された熱媒水をガスバーナの火炎で加熱し、また、その上部の減圧空気中の伝熱管を加熱することによって、伝熱管中を流れる水を加熱する構成とすることができる。

なお、入水口３３と入水口３７とは、貯湯タンク３内において離れた位置に存在しており、入水口３３が貯湯タンク３の下部領域に設置され、入水口３７が貯湯タンク３の上部領域に設置される。

水は、温度が高くなるにつれ上方に移動する性質、いわゆる対流性を有する。貯湯タンク３３は、下方領域に設置される入水口３３から低温の水が供給され、上方領域に設置される入水口３７からは高温（少なくとも入水口３３から供給される水よりは高温）の温水が供給されるため、当該タンク３３に貯湯される温水は、上部領域に行くほど高温になるような温度分布を示すこととなる。

また、管路２６には循環ポンプ１１が設置されており、当該ポンプ１１は後述する温度検出器９の温度情報に基づいて発停制御される。

また、貯湯タンク３は、当該タンクに貯湯した温水を上部領域に設置された出水口３８より配管２７を介して給湯負荷５に供給する。上述のように、貯湯タンク３の上部領域には温度の高い温水が貯湯されているため、給湯負荷５には高温の温水を供給することが可能となる。給湯負荷５は、例えばカランやシャワー、浴槽などで構成される。

また、給湯負荷５が循環負荷の場合に管路２７および管路２８を介して温水を循環させるべく、循環ポンプ６を作動させる。循環負荷は、管路２７での放熱による温水温度の低下を防止する目的で温水を循環させるためのものである。このように循環された温水は、管路２８より貯湯タンク３の入水口３９より入湯される。この入水口３９は、入水口３３より上方に設置される。

カランやシャワーが開栓されると、給水タンク２からの水圧により、給水タンク２からの水が管路２４を介して貯湯タンク３に流入するとともに、管路２２を介してヒートポンプ給湯手段４に流入する。ヒートポンプ給湯手段４に流入された水は、当該ヒートポンプ給湯手段４で加熱された後、加熱後の温水が管路４１、管路２５を介してガス焚温水機７に供給され、さらに配管２６を介して当該温水が貯湯タンク３に流入する。これによって貯湯タンク３内に貯湯された温水が出水口３８から押し出され、管路２７を介してカランやシャワーの出力に供給される。一方で、給湯負荷非使用時においても、循環ポンプ６動作時には、温水が管路２７、管路２８を介して貯湯タンク３に再入力される。

また、貯湯タンク３の上部領域には温度検出器９が設置されており、当該領域に貯湯された温水の温度を測定する。温度検出器９によって測定された温水の温度情報は、循環ポンプ１１およびガス焚温水機７に送られる。

循環ポンプ１１およびガス焚温水機７は、温度検出器９から与えられる温度の情報に基づいて発停制御される構成である。例えば、温度検出器９から与えられる温度情報が６０℃を上回っていればガス焚温水機７の燃焼を停止させるとともに循環ポンプ１１の運転を停止させる。一方、温度検出器９から与えられる温度情報が５０℃を下回っていればガス焚温水機７の燃焼および循環ポンプ１１の運転を開始する。なお、この設定温度値はあくまで一例であり、設定値はこの値に限られるものではない。

このように構成されるとき、ヒートポンプ給湯手段４によって加熱された温水が、ガス焚温水機７に供給されるとともに、当該ガス焚温水機７が稼動状態であれば、当該ガス焚温水機７によってさらに加熱されて貯湯タンク３の上部領域に供給されることで貯湯タンク３内に温水が貯湯される。そして、貯湯タンク３の上部領域に設置された出水口３８より給湯負荷５に供給される。

すなわち、本発明システム１ａは、水がヒートポンプ給湯手段４で加熱された後、さらにガス焚温水機７によって加熱される構成であって、この加熱後の温水が蓄えられる貯湯タンク３から給湯負荷５に供給される構成であるため、ヒートポンプ給湯手段４としてはそれほど高温まで加熱する必要がなく、例えば４２℃程度まで加熱する設定として構わない。このため、ヒートポンプ給湯手段４は、出湯温度をそれほど高温にする必要がなく、高効率運転を行うことができる。

また、ガス焚温水機７には、ヒートポンプ給湯手段４で加熱された温水が直接入力される構成であるため、貯湯タンク３からの温水のみがガス焚温水機７に供給される構成と比較して入湯される温水の温度が上昇する。これによってガス焚温水機７の熱交換量を減らすことができ、システムの効率が向上する。

なお、上述では、ガス焚温水機７および循環ポンプ１１が温度検出器９の温度情報に基づいて発停制御される構成としたが、ヒートポンプ給湯手段４および循環ポンプ４２についても、温度検出器９の温度情報に基づいて発停制御される構成としても構わない（図２参照）。このとき、ヒートポンプ給湯手段４および循環ポンプ４２が、ガス焚温水機７および循環ポンプ１１よりも優先的に稼動するように発停制御される構成としてもよい。すなわち、上述の例のように、ガス焚温水機７および循環ポンプ１１が温度検出器９から与えられる温度情報が６２℃を上回っていればガス焚温水機７の燃焼を停止させるとともに循環ポンプ１１の運転を停止させる一方、温度検出器９から与えられる温度情報が５５℃を下回っていればガス焚温水機７の燃焼および循環ポンプ１１の運転を開始する設定としてもよい。このように設定することで、高効率なヒートポンプ給湯手段４をガス焚温水機７と比較して優先的に稼動させることができ、システム全体の効率を向上させることができる。

なお、このとき、ヒートポンプ給湯手段４のみが稼動して、ガス焚温水機７が非稼動状態であっても、循環ポンプ４２が稼動しているため、ヒートポンプ給湯手段４から出湯した温水は、循環ポンプ４２のポンプ圧によって配管４１、配管４５、配管２６を介して入水口３７から貯湯タンク３に温水が供給される構成である。

また、逆止弁１２の他、各管路２１〜２８には、それぞれ開閉弁（２方弁）、逆止弁、減圧弁、定流量弁、安全弁、自動空気抜き弁等のうち、適宜必要なものが介装されるものとして構わない。また、ヒートポンプ給湯手段４の入水口３１の内側にも、開閉弁や循環ポンプが設けられるものとして構わない。

また、上記ヒートポンプ給湯手段４がガス焚温水機７と近接して設置される構成としてもよい。例えばＣＯ_２ヒートポンプ給湯手段は、外気の熱エネルギーを吸収して水の加熱に利用する構成であるため、当該給湯手段の周囲の外気温が高温であるほど、高効率が実現できる。この場合、ヒートポンプ給湯手段４をガス焚温水機７に近接して設置することで、当該ガス焚温水機７からの放熱によってヒートポンプ給湯手段４の周囲温度が上昇し、これによってヒートポンプ給湯手段４の熱効率が上昇するため、このように配置されることでシステム全体としての効率が更に向上する。特に、冬季などの外気温度が低下する時季においても、ヒートポンプ給湯手段４の効率の低下を抑制することができる。

なお、このとき、ヒートポンプ給湯手段４をガス焚温水機７と同一の筐体内に設置する構成とすることでガス焚温水機７からの放熱の回収効率がさらに向上する。

＜第２の実施形態＞
以下に本発明システムの第２の実施形態（以下、適宜「本実施形態」と呼称する）について図面を参照して説明を行う。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図３は、本実施形態における本発明システム１ｂの構成を示す概略構成図である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、ヒートポンプ給湯手段４から出湯された温水が貯湯タンク３の上部領域に供給される点が異なる。すなわち、ヒートポンプ給湯手段４の出水口３２に接続される配管４１が、ガス焚温水機７の出水口３６と貯湯タンクの入水口３７とを接続する配管２６に接続される構成である。なお、ヒートポンプ給湯手段４の出湯温度は、第１の実施形態の設定温度よりも高温（例えば６０℃）に設定されるものとする。

また、ヒートポンプ給湯手段４から出湯する温水が通過する配管４１が、貯湯タンク３とガス焚温水機７とを接続する配管２５と接続されない構成であるため、第１の実施形態の構成のようにヒートポンプ給湯手段４から出湯した温水が配管２５に流入することがなく、このため図１に示されるように配管２５に介装されていた逆止弁１２は必ずしも必要ではない。

また、貯湯タンク３は、温度検出器９の下方領域に湯温を測定するための別の温度検出器４３を有し、当該温度検出器４３の情報に基づいてヒートポンプ給湯手段４および循環ポンプ４２の発停制御が行われる。図３では、混同を避ける目的で、温度検出器９からの温度情報の流れを示す破線と、温度検出器４３からの温度情報の流れを示す破線の種類を異なる種類のものとしている。以下の図面においても、混同を生じない範囲内において当該図示方法によるものとする。

本実施形態のシステム１ｂは、温度検出器９の温度情報に基づいてガス焚温水機７および循環ポンプ１１が制御されるとともに、温度検出器４３の温度情報に基づいてヒートポンプ給湯手段４および循環ポンプ４２が制御される。すなわち、第１の実施形態と同様に、温度検出器９から与えられる温度情報が６０℃を上回っていればガス焚温水機７の燃焼を停止させるとともに循環ポンプ１１の運転を停止させる一方、５０℃を下回っていればガス焚温水機７の燃焼および循環ポンプ１１の運転を開始する。さらに、例えば温度検出器４３から与えられる温度情報が６０℃を上回っていればヒートポンプ給湯手段４の燃焼を停止させるとともに循環ポンプ４２の運転を停止させる一方、５０℃を下回っていればヒートポンプ給湯手段４の燃焼および循環ポンプ４２の運転を開始するものとする。

なお、循環ポンプ１１はガス焚温水機７とともに制御が行われ、循環ポンプ４２はヒートポンプ給湯手段４とともに制御が行われる構成であるため、以下において、制御内容の説明を行う際には、ガス焚温水機７およびヒートポンプ給湯手段４に対する制御についてのみ説明を行い、循環ポンプ１１および循環ポンプ４２についての言及を省略する。

このように構成されるとき、貯湯タンク３の下方領域には低温水が入水口３３より供給される一方、上方領域には高温水が入水口３７より供給されるため、貯湯タンク３に貯湯される温水の湯温は、上方に行くほど高温となる。すなわち、上方に位置する温度検出器９によって検出される湯温は、下方に位置する温度検出器４３によって検出される湯温よりも高温である。

例えば、ある時点において、給湯負荷が無負荷時で、貯湯タンク３内に貯湯される温水の温度がタンク全体に渡って６０℃以上であったとする。この場合、ガス焚温水機７およびヒートポンプ給湯手段４は停止状態に制御されている。このような状況下において、給湯負荷５が負荷状態となり、貯湯タンク３８から温水が給湯負荷５に対して供給された場合を想定する。

貯湯タンク３から温水が管路２７を介して給湯負荷５に供給されると、給水タンク２からの水圧により管路２１、管路２４を介して、貯湯タンク３の下方領域に設置された入水口３３より低温水が貯湯タンク３に流入する。これによって貯湯タンク３内の下方領域の湯温は低下を開始する。

上述したように、一般的に水は対流性を有するため、入水口３３より流入される低温水は貯湯タンク３の下方領域内に留まり、これによって貯湯タンク３内の湯温は下方領域から低下を始める。

このため、温度検出器４３は、当該温度検出器４３より上方に位置する温度検出器９よりも先に運転開始指示を行う下限温度である５０℃を示す。温度検出器４３が示す温度情報が５０℃を下回ったことを確認すると、ヒートポンプ給湯手段４は運転を開始する。このとき、循環ポンプ４２も同時に運転が開始されるため、給水タンク２から供給される低温水が配管２２を介してヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に送られる。ヒートポンプ給湯手段４は、供給される低温水を加熱した後、出水口３２より温水を配管４１を介して貯湯タンク３の入水口３７へと導く。

さらに給湯負荷５によってヒートポンプ給湯手段４の出湯能力よりも多くの温水が利用され続けると、貯湯タンク３３の入水口（入出水口）３３から低温水が供給され続けるため、貯湯タンク３内の湯温はさらに低下し、温度検出器９が示す温度も次第に低下する。そして、温度検出器９が示す湯温が５０℃を下回ると、ガス焚温水機７は運転を開始する。このとき、循環ポンプ１１も同時に運転が開始されるため、貯湯タンク３の下方領域に位置する出水口３４から供給される低温水がガス焚温水機７の入水口３５に送られる。ガス焚温水機７は、供給される低温水を加熱した後、出水口３６より温水を配管２６を介して貯湯タンク３の入水口３７へと導く。

これによって、貯湯タンク３の上方領域に位置する温水の温度は上昇速度を速める。このような状況の下で、給湯負荷５が低負荷状態に移行すると、貯湯タンク３内の上方領域に位置する温水の温度はさらに上昇する。そして温度検出器９によって６０℃を上回る温度が検知されると、ガス焚温水機７は運転を停止する。一方で、ヒートポンプ給湯手段４は運転を継続する。

その後、無負荷状態に移行すると、ヒートポンプ給湯手段４から供給される高温の温水が貯湯タンク３の上方に位置する入水口３７より供給されるとともに、出水口（入出水口）３３より貯湯タンク３内の温水が配管２４、配管２２を介してヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に供給される。すなわち、ヒートポンプ給湯手段４と貯湯タンク３との間で温水の循環が行われる。これによって徐々に下方領域の温水の温度も上昇し、温度検出器４３によって６０℃を超えたことが検知されると、ヒートポンプ給湯手段４は運転を停止する。

すなわち、このように構成されることで、ガス焚温水機７よりもヒートポンプ給湯手段４を優先的に稼動させる制御が行われることとなる。上述のように、ヒートポンプ給湯手段４は、ガス焚温水機７よりも単体で高効率を実現する構成であるため、当該高効率給湯手段の稼働率を向上させることで、システム全体としての高い効率が実現できる。

さらに上記の説明において、例えばガス焚温水機７およびヒートポンプ給湯手段４の両給湯手段が停止された状態から、まずヒートポンプ給湯手段４が運転を開始した場合、当該ヒートポンプ給湯手段４から出湯される温水は貯湯タンク３の上方領域に流入するため、給湯負荷５が低負荷である場合などにおいては、温度検出器４３が示す温水の温度が６０℃を上回るまでの間、温度検出器９が示す温水の温度が一度も５０℃を下回ることがないことも予想される。すなわち、このような場合には、低効率のガス焚温水機７を運転させることなく、高効率のヒートポンプ給湯手段４のみの運転で給湯負荷５に対応できることとなる。

なお、本実施形態は、貯湯タンク３内に貯湯された温水の温度に基づき、ヒートポンプ給湯手段４が、ガス焚温水機７よりも優先的に運転される制御が行われる構成である。上記の例のように、ガス焚温水機７に運転開始指示を与える閾値となる下限温度と、ヒートポンプ給湯手段４の運転開始指示を与える閾値となる下限温度とが同一の値であっても、ガス焚温水機７の制御を行うための判断基準となる湯温の測定場所は、ヒートポンプ給湯手段４の制御を行うための判断基準となる湯温の測定場所よりも高温領域であるため、ヒートポンプ給湯手段４が先に運転を開始することとなる。

従って、例えば温度検出器９が示す温度が４５℃を下回った時点でガス焚温水機７が運転を開始するとともに、５８℃を上回った時点で運転を停止する一方、温度検出器４３が示す温度が５３℃を下回った時点でヒートポンプ給湯手段４が運転を開始するとともに、６０℃を上回るまで運転を持続させるような制御を行うものとして構わない。すなわち、発停制御を与える閾値となる温度の値は上記の値に限られるものではない。

また、上述では、ヒートポンプ給湯手段４およびガス焚温水機７それぞれの制御のために個別の温度検出器を備える構成としたが、動作開始指示を与える下限温度および動作停止を与える上限温度をそれぞれ異なる値に設定することによって、単独の温度検出器を備える構成でも実現可能である。このとき、当該温度検出器によって検出された温度情報は、ガス焚温水機７、循環ポンプ１１、ヒートポンプ給湯手段４、および循環ポンプ４２のそれぞれに与えられる構成である。

このとき、例えば、当該温度検出器が示す温度が４５℃を下回った時点でガス焚温水機が運転を開始するとともに、５８℃を上回った時点で運転を停止する一方、５３℃を下回った時点でヒートポンプ給湯手段４が運転を開始するとともに、６０℃を上回るまで運転を持続させるような制御を行う設定とすることができる。

なお、本実施形態において、貯湯タンク３が温度検出器９のさらに上方の位置に他の温度検出器４４を備えるとともに、ガス焚温水機７が当該温度検出器４４の示す湯温の情報に基づいて出力調整を行なう構成としてもよい。

図４は、本発明システムにかかる本実施形態の別の構成例を示す概略構成図である。図４に示す本発明システム１ｃは、図３に図示された本発明システム１ｂと比較して、さらに貯湯タンク３に温度検出器４４を備え、当該温度検出器４４の示す温度情報がガス焚温水機７に与えられる構成である。

ガス焚温水機７は、温度検出器９が示す温度情報に基づいて、発停制御が行われるとともに、さらに温度検出器４４が示す温度情報に基づいて燃焼出力の制御が行われる構成である。例えば、温度検出器９が６０℃以下を示すとともに、温度検出器４４が示す温度が５５℃以下であればガス焚温水機７は高燃焼状態で運転され、５５℃以上であれば低燃焼状態で運転される制御が行われるものとする。

このように構成されることで、ガス焚温水機７に運転指示が与えられる条件下であっても、貯湯タンク３に貯湯される温水の湯温に応じて、当該温水機７の燃焼状態を低く設定でき、ガス焚温水機７の稼働率を低下させることができる。

さらに、給水タンク２から供給される低温水をヒートポンプ給湯手段４の前段で蓄えるバッファタンクを備える構成としてもよい。

図５は、本発明システムにかかる本実施形態の別の構成例を示す概略構成図である。図５に示す本発明システム１ｄは、図３に図示された本発明システム１ｂと比較して、ヒートポンプ給湯手段３１と給水タンク２との間に貯水用のバッファタンク５１を備え、当該バッファタンク５１に蓄えられた水がヒートポンプ給湯手段４および貯湯タンク３に供給される構成である。

バッファタンク５１は、入水口５４、出水口５５、および出水口５６を備える。入水口５４は配管２１と接続されており、給水タンク２からの低温水が当該入水口に流入する。出水口５５は、ヒートポンプ給湯手段４の入水口３１と配管５２で接続されており、当該出水口５５から出水した水が入水口３１よりヒートポンプ給湯手段４に供給される。また、出水口５６は貯湯タンク３の入水口３３と配管５３で接続されており、当該出水口５６から出水した水が入水口３３より貯湯タンク３に供給される。なお、入水口５４および出水口５５はバッファタンク５１の下部領域に設置され、出水口５６はバッファタンク５１の上部領域に設置されるものとする。

このように構成されるとき、給水タンク２から供給される低温水は、配管２１を介して入水口５４よりバッファタンク５１に供給され、当該タンク内に貯水される。この貯水された低温水は、出水口５５より配管５２を介してヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に供給されるとともに、入水口５６より配管５３を介して貯湯タンク３の入水口３３の供給される。すなわち、バッファタンク５１を設置することによって、特に給湯負荷が少ない場合にはヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に流入する水の水温を、給水タンク２に貯水された水の水温に確実に等しい低温状態にすることができる。上述したように、ヒートポンプ給湯手段４は、入力される水の温度が低いほど効率が向上するため、図５に示される本発明システム１ｄの構成とすることで、さらに高効率なシステムを実現することができる。

また、本システム１ｄの構成において、無負荷時には循環ポンプ４２を稼動させることで、貯湯タンク３の下部領域に蓄えられた水を出水口（入出水口）３３より配管５３を介してバッファタンク５１の入水口（入出水口）５６に供給する。一方、バッファタンク５１の下部領域に貯水された水は出水口５５より配管５２を介してヒートポンプ給湯手段４に与えられ、加熱後の温水が配管４１を介して貯湯タンク３の上部領域に設置された入水口３７より供給される。このようにして無負荷時においても水（温水）が循環してヒートポンプ給湯手段が運転を維持し、貯湯タンク３内に貯湯される温水を一定温度以上に維持する。

貯湯タンク３の下部領域は低温水で構成されており、またバッファタンク５１に流入する入水口５６はバッファタンク５１の上部領域に設置されている一方、ヒートポンプ給湯手段４には、バッファタンク５１の下部領域に設置された入水口５５より水が供給される構成であるため、ヒートポンプ給湯手段４に供給される水の水温はほぼ給水タンク２に貯水された水の水温を維持することができる。

なお、バッファタンクを複数段有することで、ヒートポンプ給湯手段４の入水口３１に供給される水の水温をさらに給水タンク２に貯水された水の水温に近づけることができる。

図６に示すシステム１ｅは、バッファタンクを複数段備える構成である。システム１ｅは、図５に示されるシステム１ｄに備えられるバッファタンク５１に加えて、さらにバッファタンク６１、６２を備えており、これらがシリアルに接続される。

すなわち、バッファタンク５１の出水口６６とバッファタンク６１の入水口６８とが配管６３で接続され、バッファタンク６１の出水口６７とバッファタンク６２の入水口６９とが配管６４で接続され、バッファタンク６２の出水口７０と貯湯タンク３の入水口３３とが配管６５で接続される。

給水タンク２から供給される低温水はバッファタンク５１に貯水され、当該貯水された低温水が当該バッファタンク５１よりヒートポンプ給湯手段４に供給される。また、給水タンク２から供給される水の水量がバッファタンク５１の貯水量を上回ると、順次、バッファタンク６１、６２にも貯水され、バッファタンク６２の出水口７０より貯湯タンク３に当該貯水された水が供給される。

一方、無負荷時の循環状態においては、貯湯タンク３内に貯湯された温水が配管６５を介してバッファタンク６２に流入し、バッファタンク６２の出水口（入出水口）６９より押し出された水が配管６４を介してバッファタンク６１に流入し、バッファタンク６１の出水口（入出水口）６８より押し出された水が配管６３を介してバッファタンク５１に流入し、バッファタンク５１の出水口（入出水口）５５より押し出された水が配管５２を介してヒートポンプ給湯手段４に供給される。

このように構成されることで、貯湯タンク３から供給される温水と給水タンク２から供給される低温水が直接混合されることがないため、バッファタンク５１に蓄えられる水の低温状態をさらに維持することができ、これによってヒートポンプ給湯手段４の効率をさらに向上させることができる。また、バッファタンクを複数段備えることで、実質的に貯湯タンク３の容量を増加させることができるという効果もある。この場合、バッファタンク６１および６２は、見方を変えれば貯湯タンクと捉えることができ、すなわち貯湯タンクを複数段シリアルに接続するとともに、最も低温水が貯水される貯湯タンクに接続されるタンクをバッファタンクとして構成されるシステムとしても構わない。

また、上述では、ガス焚温水機７、循環ポンプ１１、ヒートポンプ給湯手段４、および循環ポンプ４２は、温度検出器からの温度情報に基づいて個々において発停制御が行われる構成としたが、温度検出器からの温度情報を受け取る制御手段を外部に有するとともに、当該制御手段によって、ガス焚温水機７、循環ポンプ１１、ヒートポンプ給湯手段４、および循環ポンプ４２の発停制御を行うものとしても構わない。

図７は、本発明システムの第２の実施形態にかかる別の概略構成図である。図７に示されるシステム１ｆは、制御手段８を有し、当該制御手段８によってガス焚温水機７、循環ポンプ１１、ヒートポンプ給湯手段４、および循環ポンプ４２が発停制御される構成である。

制御手段８は、温度検出器９からの温度情報に基づいてガス焚温水機７および循環ポンプ１１の発停制御を行う一方、温度検出器４３からの温度情報に基づいてヒートポンプ給湯手段４および循環ポンプ４２の発停制御を行う構成である。なお、図３に示されるシステム１ｂとの相違点は制御手段８を外部に有する点のみであり、その制御内容は同一であるため説明を省略する。

また、このように制御手段８を外部に備えることで、ガス焚温水機８に対して運転／停止の２値制御を指示するのみならず、出力の調整指示といった複雑な制御を行うことも可能である。例えば、制御手段８が温度検出器９の温度情報に基づいてガス焚温水機７に対して複数段制御を行う構成としてもよい。このように構成されることで、上述したシステム１ｃ（図４参照）と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施形態＞
以下に本発明の第３の実施形態（以下、適宜「本実施形態」と呼称する）について図面を参照して説明を行う。なお、本実施形態において、第１及び第２の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８は、本実施形態における本発明システム１ｇの構成を示す概略図である。本実施形態は、第１の実施形態の配管構成と同一の構成の下で、第２の実施形態と同様、ヒートポンプ給湯手段４及び循環ポンプ４２が温度検出器４３の温度情報に基づいて発停制御される構成である。

すなわち、図８に示される本発明システム１ｇは、図１に示される本発明システム１ａに温度検出器４３を加えた構成である。

このように構成される場合、第１の実施形態と同様、ガス焚温水機７には予めヒートポンプ給湯手段４によって加熱された温水が供給されるため、ガス焚温水機７の入水口３５に供給される温水の温度は第２の実施形態と比較して上昇し、これによってガス焚温水機７の熱交換量を減らすことができるため、システム全体の効率が向上する。

一方で、第２の実施形態と同様、ガス焚温水機７とヒートポンプ給湯手段４とをいずれも貯湯タンク３に貯湯された温水の湯温によって発停制御がされる構成とし、且つ、ガス焚温水機７と比較してヒートポンプ給湯手段４が優先的に稼動されるように制御を行うことで、第１の実施形態と比較して、高効率なヒートポンプ給湯手段４を優先的に稼動させることができるため、システム全体の効率が向上する。

なお、本実施形態の構成では、ヒートポンプ給湯手段４の出湯温度を第１の実施形態の設定温度よりも高温（例えば６０℃）に設定されるものとして構わない。このようにすることで、ガス焚温水機７が非稼動状態で、ヒートポンプ給湯手段４のみが稼動している場合にも、貯湯タンク３の入水口３７には高温の温水が供給される。

なお、本実施形態においても、第２の実施形態で上述したシステム１ｃ〜１ｆに相当する実施例と同様の構成とすることができる。

また、上述の各実施形態において、給湯負荷５が循環負荷であった場合に、再度貯湯タンクに流入する際の入水口３９は、加熱後の温水が流入する入水口３７より下方位置に設置するものとして構わない。貯湯タンク３から出力される温水は高温であるが、配管２７および配管２８を通過することで温度が低下するため、入水口３７より流入する温水と比較して低温である。このように構成されることで貯湯タンク３の出水口３８から出水する温水の温度を高温に維持することができる。

本発明に係る給湯システムは、ヒートポンプ式の給湯システムに利用でき、ヒートポンプ式の給湯システムの高いエネルギー効率を維持して、瞬間的な高給湯負荷への給湯に自動的に対応可能で、システム内の給湯圧力を高めることのできる給湯システムを提供することができる。

本発明に係る給湯システムの第１の実施形態における概略構成図本発明に係る給湯システムの第１の実施形態における別の概略構成図本発明に係る給湯システムの第２の実施形態における概略構成図本発明に係る給湯システムの第２の実施形態における別の概略構成図本発明に係る給湯システムの第２の実施形態におけるさらに別の概略構成図本発明に係る給湯システムの第２の実施形態におけるさらに別の概略構成図本発明に係る給湯システムの第２の実施形態におけるさらに別の概略構成図本発明に係る給湯システムの第３の実施形態における概略構成図従来構成の給湯システムの概略構成図従来構成の給湯システムの別の概略構成図

符号の説明

１ａ、１ａ’、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ：本発明の給湯システム
１ｈ、１ｉ：従来の給湯システム
２：給水タンク
３：貯湯タンク
４：ヒートポンプ給湯手段
５：給湯負荷
６：循環ポンプ
７：ガス焚温水機
８：制御手段
９：温度検出器
１１：循環ポンプ
１２：逆止弁
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８：配管
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９：入出水口
４１：配管
４２：循環ポンプ
４３、４４：温度検出器
５１：バッファタンク
５２、５３：配管
５４、５５、５６：入出水口
６１、６２：バッファタンク
６３、６４、６５：配管
６６、６７、６８、６９入出水口

Claims

ヒートポンプ回路の凝縮器からの凝縮熱と熱交換して水を加熱して給湯するヒートポンプ給湯手段と、
温水を貯湯し、貯湯された温水を給湯負荷に対して供給する貯湯タンクと、
燃料の燃焼熱と熱交換して水を加熱して給湯する補助給湯手段と、を備え、
前記貯湯タンクは、給水源から供給される低温水が入水する入水口及び前記補助給湯手段に対して出水する出水口を下部領域に有すると共に、前記補助給湯手段から供給される温水が入水する入水口、前記ヒートポンプ給湯手段から供給される温水が入水する入水口、及び前記給湯負荷に対して温水を出水する出水口を上部領域に有する構成であり、
前記補助給湯手段は、前記貯湯タンク内の第１の検温位置の温水の温度に応じて発停制御され、
前記ヒートポンプ給湯手段は、前記貯湯タンク内の前記第１の検温位置より下方の第２の検温位置の温水の温度に応じて、両給湯手段の停止時には前記補助給湯手段よりも先に運転を開始し、両給湯手段の運転時には前記補助給湯手段よりも後に運転を停止するように発停制御されることで、前記補助給湯手段よりも優先的に稼働する制御が行われる構成であり、
前記ヒートポンプ給湯手段及び前記補助給湯手段の双方が運転時に、前記給湯負荷の大きさが前記ヒートポンプ給湯手段と前記補助給湯手段の給湯能力の合計以上になると、前記ヒートポンプ給湯手段が前記給水源から供給される低温水を加熱して前記貯湯タンクに給湯し、前記補助給湯手段が前記給水源から供給される低温水を加熱して前記貯湯タンクに給湯することを特徴とする給湯システム。
前記第２の検温位置は、前記貯湯タンクの中央よりも下部領域側であることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
前記給水源から供給される前記低温水を貯水するバッファタンクを前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクの前段に有し、当該バッファタンクから出水される前記低温水が前記ヒートポンプ給湯手段および前記貯湯タンクに供給される構成であることを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯システム。
前記ヒートポンプ給湯手段が、外気の熱エネルギーを吸収して水の加熱に利用する構成であり、前記補助給湯手段と近接設置されることで、当該補助給湯手段からの放熱を吸収可能に構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯システム。
前記ヒートポンプ給湯手段と前記補助給湯手段とが同一筐体内に設置されることを特徴とする請求項４に記載の給湯システム