JP4611577B2 - 加熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱対象流体通流路を通流する加熱対象流体を加熱する加熱手段と、その加熱手段の作動を制御する運転制御手段とが設けられ、前記加熱手段が、他熱源装置の熱媒を供給させて、前記加熱対象流体を加熱する熱交換式加熱部を備えて構成されている加熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
上記のような加熱装置は、加熱手段が、他熱源装置としてのガスエンジンの冷却水を供給させて、加熱対象流体としての貯湯タンクなどの湯水を加熱する熱交換式加熱部を備え、ガスエンジンの冷却水を熱交換式加熱部に供給する加熱許容状態と供給しない加熱阻止状態とに切換可能な切換機構が設けられ、この切換機構を加熱許容状態に切り換えて、貯湯タンクなどの湯水を目標加熱温度に加熱するようにしているものである(例えば、特開2000−121160号公報)。
そして、この種の加熱装置では、加熱許容条件が設定されており、この加熱許容条件が満たされると、切換機構を加熱状態に切り換えるようにしており、従来、切換機構として、サーモスタットなどが用いられ、冷却水温度が許容設定温度以上になると、加熱許容条件が満たされたとして、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容するようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の加熱装置では、単純に、冷却水温度が許容設定温度以上になると、加熱許容条件が満たされたとして、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容しているので、加熱対象流体の加熱前温度および加熱後温度や、熱交換式加熱部からの戻り熱媒温度などが加味されておらず、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱できないときや、熱交換式加熱部からの戻り熱媒温度が低い温度まで冷却されるときにも、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容する虞がある。
【0004】
したがって、熱媒の熱が無駄に奪われたり、他熱源装置に戻る熱媒を過冷却してしまって、他熱源装置に戻る熱媒の温度が低くなり、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱できるまでに時間がかかったり、切換機構による切り換えが頻繁に行われて、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱できない虞がある。
ちなみに、上記従来の加熱装置の如く、熱媒として、ガスエンジンなどの冷却水を適応させた場合には、通常、エンジンに悪影響を与えないために、冷却水の温度は設定温度範囲(例えば、60〜80℃)に維持されているが、冷却水が過冷却されると、その設定温度範囲よりも低い温度となり、エンジンに悪影響を与える虞がある。
【0005】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱可能で、かつ、熱交換式加熱部からの戻り熱媒が過冷却されるのを防止することが可能となる加熱装置を提供する点にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に記載の発明によれば、加熱対象流体通流路を通流する加熱対象流体を加熱する加熱手段と、その加熱手段の作動を制御する運転制御手段とが設けられ、前記加熱手段が、他熱源装置の熱媒を供給させて、前記加熱対象流体を加熱する熱交換式加熱部を備えて構成されている加熱装置において、
前記熱交換式加熱部への往き熱媒温度を検出する往き熱媒温度検出手段が設けられ、
前記運転制御手段が、前記加熱対象流体の目標加熱温度に設定温度を加えた温度を第1設定温度として求め、かつ、
前記熱交換式加熱部における最小流量で前記加熱対象流体を流動させた状態で、前記加熱対象流体の加熱前温度および前記目標加熱温度の関係から、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱可能でかつ前記熱交換式加熱部からの戻り熱媒温度を過冷却設定温度以上に維持可能な温度を第2設定温度として求め、かつ、
前記加熱対象流体の加熱前温度および前記目標加熱温度との関係に応じて異なる熱交換特性を加味した状態で、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱可能な温度を第3設定温度として求めて、
前記往き熱媒温度検出手段による検出温度が、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のすべての設定温度以上であると、加熱許容条件が満たされたと判別して、前記熱交換式加熱部への前記熱媒の供給を許容し、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱するように構成され、かつ、
前記往き熱媒温度検出手段による検出温度が前記第1設定温度および前記第2設定温度の両設定温度以上のときに、前記第3設定温度を求めるように構成されている。
【0007】
すなわち、運転制御手段が、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱可能でかつ熱交換式加熱部からの戻り熱媒温度を過冷却設定温度以上に維持可能な加熱許容条件として、目標加熱温度を加味した第1設定温度、加熱対象流体の加熱前温度および目標加熱温度を加味した第2設定温度、熱交換特性までも加味した第3設定温度の夫々を求めて、往き熱媒温度検出手段による検出温度が、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のすべての設定温度以上であると、加熱許容条件が満たされたと判別して、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容することが可能となるので、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱可能で、かつ、熱交換式加熱部からの戻り熱媒の過冷却を防止可能なときに、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容することが可能となる。
【0008】
しかも、運転制御手段が、第3設定温度を常時求めるのではなく、往き熱媒温度検出手段による検出温度が第1設定温度および第2設定温度の両設定温度以上のときに、第3設定温度を求めることが可能となるので、演算が複雑で演算負荷の大きい第3設定温度を求めることを極力回避して、演算負荷の低減化を図りながら、第1設定温度、第2設定温度、第3設定温度の夫々を求めることが可能となる。
【0009】
第3設定温度の演算負荷が大きいことについて説明を加えると、第3設定温度を求めるには、まず、総括熱伝達係数、伝熱面積、および、対数平均温度(加熱対象流体の加熱前温度および加熱後温度や熱媒の往き熱媒温度および戻り熱媒温度から求められる)から、熱交換式加熱部の伝熱量を求める。
そして、求められた熱交換式加熱部の伝熱量が、加熱対象流体の加熱前温度および加熱後温度、熱交換式加熱部に供給される加熱対象流体の流量などから求められる熱交換式加熱部の伝熱量、および、熱媒の往き熱媒温度および戻り熱媒温度、熱交換式加熱部に供給される熱媒の流量などから求められる熱交換式加熱部の伝熱量と同じになるような戻り熱媒温度および湯水の加熱後温度を見出すために、収束計算が必要となるので、演算が複雑化して演算負荷が大きくなる。
【0010】
以上のことをまとめると、請求項1に記載の発明によれば、加熱許容条件を求めるための演算負荷の低減化を図りながら、加熱対象流体を目標加熱温度に加熱可能で、かつ、熱交換式加熱部からの戻り熱媒が過冷却されるのを防止することが可能となる加熱装置を提供できるに到った。
【0011】
請求項2に記載の発明によれば、上部に給湯路が接続されかつ下部に給水路が接続されている貯湯タンクと、その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を前記貯湯タンクの上部に供給する形態で湯水を循環させる貯湯循環状態と、その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を貯湯タンクの底部に戻す形態で湯水を循環させる非貯湯循環状態とに切換可能な湯水循環手段と、
前記運転制御手段が、前記目標加熱温度を前記貯湯設定温度として、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度を求めて、
前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のいずれかが前記往き熱媒温度として許容されている上限許容温度よりも高いときには、前記湯水循環手段を前記非貯湯循環状態に切り換え、かつ、
前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のいずれもが前記上限許容温度以下のときに、前記湯水循環手段を前記貯湯循環状態に切り換えて、前記湯水循環手段にて循環される湯水を前記加熱手段にて貯湯設定温度の湯に加熱して、温度成層を形成する状態で前記貯湯タンク内に貯湯するように構成されている。
【0012】
すなわち、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のいずれかが上限許容温度よりも高いときにも、熱交換式加熱部にて加熱対象流体を貯湯設定温度に加熱すると、他熱源装置において熱媒を上限許容温度よりも高い温度にまで加熱する必要が生じるので、他熱源装置の機器や熱媒に上限許容温度よりも高温に対する耐久性が要求されることになる。
それに対して、運転制御手段が、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のいずれかが上限許容温度よりも高いときには、湯水循環手段を非貯湯循環状態に切り換えて、熱交換式加熱部に熱媒の一部を供給させて、湯タンクの底部の湯水を加熱手段にて加熱したのち、その湯水を貯湯タンクの底部に戻す形態で湯水を循環させることが可能となるので、熱交換式加熱部にて加熱対象流体を貯湯設定温度に加熱せずに、他熱源装置において熱媒を上限許容温度よりも高い温度にまで加熱することを回避することが可能となって、上述のような耐久性を要求されるのを防止することが可能となる。
【0013】
また、求められる第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度は、湯水の加熱前温度が低いほど高くなるが、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のいずれかが上限許容温度よりも高いときには、熱交換式加熱部に供給される貯湯タンクの底部の湯水の温度を上昇させて、湯水の加熱前温度を上昇させることが可能となるので、求められる第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度が上限許容温度以下になるようにすることが可能となる。
そして、運転制御手段が、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のいずれもが上限許容温度以下になり、加熱許容条件が満たされると、熱交換式加熱部への熱媒を供給させるとともに、湯水循環手段を貯湯循環状態に切り換えて、湯水循環手段にて循環される湯水を加熱手段にて貯湯設定温度の湯に加熱して、温度成層を形成する状態で貯湯タンク内に貯湯することが可能となる。
【0014】
請求項3に記載の発明によれば、上部に給湯路が接続されかつ下部に給水路が接続されている貯湯タンクと、その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を前記貯湯タンクに供給する形態で湯水を循環させる湯水循環手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、前記目標加熱温度を、加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できる期待温度として、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度を求めるように構成されている。
【0015】
すなわち、運転制御手段が、湯水循環手段などを作動させて、加熱手段にて加熱させる加熱運転を実行したときに、その加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できる期待温度を目標加熱温度として、加熱運転効率から考えて、有効であるときに、熱交換式加熱部への熱媒の供給を許容することが可能となって、装置全体の効率の向上を図ることが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる加熱装置をエンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムに適応した例を図面に基づいて説明する。
このエンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムは、図1および2に示すように、貯湯タンク1内に温度成層を形成しながら貯湯したり、貯湯タンク1内に貯湯された湯水を給湯する貯湯ユニットAと、空調対象空間の空調運転を実行するエンジンヒートポンプ式冷暖房装置Bとから構成されている。
【0017】
前記貯湯ユニットAは、この貯湯ユニットAの運転を制御する貯湯ユニット制御部C、貯湯タンク1、貯湯タンク1内の湯水を循環するための循環路3、循環路3を通流する湯水を加熱する加熱手段としての加熱部4などから構成され、循環ポンプP1を作動させて貯湯タンク1内の湯水を循環路3にて循環しながら、加熱部4にて加熱するようにしている。
【0018】
前記貯湯タンク1内には、その貯湯量が最低確保量以上であるかを、その湯温を検出することにより検出する最上部サーミスタS1、その貯湯量が満以上であるかを、その湯温を検出することにより検出する底部サーミスタS2が設けられている。
前記貯湯タンク1には、その底部から貯湯タンク1に水道水圧を用いて給水する給水路5が接続され、その上部から風呂場や台所などに給湯するための給湯路6が接続され、風呂場や台所などで使用された量だけの水を給水路5から貯湯タンク1に給水するように構成されている。
【0019】
前記給湯路6には、給水路5から分岐された混合用給水路7が接続され、その接続箇所に給湯路6からの湯水と混合用給水路7からの水との混合比を調整自在なミキシングバルブ8が設けられている。
前記給水路5と混合用給水路7との分岐箇所には、給水温度を検出する給水サーミスタ9が設けられている。
【0020】
また、給湯路6におけるミキシングバルブ8よりも上流側には、貯湯タンク1の上部から給湯路6に給湯された湯水の温度を検出する貯湯出口サーミスタ10が設けられ、給湯路6におけるミキシングバルブ8よりも下流側には、給湯路6の湯水の流量を検出する給湯流量センサ11、ミキシングバルブ8にて混合された湯水の温度を検出するミキシングサーミスタ12が設けられている。
【0021】
前記ミキシングサーミスタ12よりも下流側の給湯路6が、台所や洗面所などの図外の給湯栓に給湯する一般給湯路と、図外の浴槽に湯水を供給するための湯張り路とに分岐されている。
そして、一般給湯路に給湯するときには、給湯設定温度、貯湯出口サーミスタ10および給水サーミスタ9の検出情報などに基づいて、給湯する湯水の温度が給湯設定温度になるようにミキシングバルブ8の開度を調整して、給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
また、浴槽に湯張りするときにも、ミキシングバルブ8の開度を調整するなどして、湯張り設定温度の湯水を浴槽に供給し、湯張り設定量の湯水を供給すると湯張りを終了するように構成されている。
給湯操作手段Gが、貯湯出口サーミスタ10、給水サーミスタ9、ミキシングバルブ8、および、ミキシングサーミスタ12などにより構成されている。
【0022】
前記循環路3と貯湯タンク1とが、循環路3を通流する湯水を貯湯タンク1内に戻す、または、貯湯タンク1内の湯水を循環路3に取り出すために、貯湯タンク1の上部と底部の合計3箇所で連通接続されている。
具体的に説明すると、貯湯タンク1の上部には、循環路3の湯水を貯湯タンク1内に供給するための貯湯路13が連通接続され、その貯湯路13には、貯湯開閉弁47が設けられている。
また、貯湯タンク1の底部には、循環路3の両端部が各別に連通接続され、貯湯タンク1内の湯水は、循環路3の一端部から取り出されて、他端部に向けて流動するように構成されている。
【0023】
そして、加熱対象流体通流路としての循環路3には、湯水の循環方向に順に、循環路3の湯水の循環量を検出する循環流量センサ15、循環ポンプP1、循環路3の湯水の循環量を調整する循環流量調整バルブ16、加熱部4、加熱部4にて加熱された湯水の温度を検出する加熱温サーミスタ17、貯湯タンク1の底部に湯水を戻すための戻し開閉弁18が設けられている。
【0024】
湯水循環手段Eが、循環路3、循環ポンプP1、循環流量センサ15、循環流量調整バルブ16、加熱温サーミスタ17、貯湯開閉弁47、および、戻し開閉弁18などから構成されている。
そして、湯水循環手段Eは、循環ポンプP1を作動させた状態で、貯湯開閉弁47を開弁し、戻し開閉弁18を閉弁させて、貯湯タンク1の底部から取り出した湯水を貯湯タンク1の上部に供給する形態で湯水を循環させる貯湯循環状態と、循環ポンプP1を作動させた状態で、貯湯開閉弁47を閉弁し、戻し開閉弁18を開弁させて、貯湯タンク1の底部から取り出した湯水を貯湯タンク1の底部に戻す形態で湯水を循環させる非貯湯循環状態とに切り換え可能に構成されている。
【0025】
前記加熱部4は、エンジンヒートポンプ式冷暖房装置Bのエンジン排熱を回収した冷却水を供給して湯水を加熱する熱交換式加熱部19を備えて構成され、加熱供給路45からの冷却水を熱交換式加熱部19に供給して熱交換式加熱部19にて加熱する加熱許容状態と、加熱供給路45からの冷却水を冷却水用バイパス路20に供給して熱交換式加熱部19を迂回させる加熱阻止状態とに切り換える加熱状態切換機構21が設けられている。
また、加熱供給路45には、冷却水の循環方向において、熱交換式加熱部19よりも上流側に、冷却水の温度を検出する往き熱媒温度検出手段としての冷却水温サーミスタ22が設けられている。
【0026】
前記エンジンヒートポンプ式冷暖房装置Bは、複数の室内機31、室外機32、室内機31および室外機32の運転を制御するヒートポンプ運転制御部Dとから構成され、複数の空調対象空間(例えば、各部屋)を暖房または冷房などの空調を行うように構成されている。
【0027】
前記複数の室内機31の夫々には、電子膨張弁33、室内熱交換器34、その室内熱交換器34で温調した空気を空調対象空間へ送出する室内空調用送風機35が備えられ、室内熱交換器34にて凝縮された冷媒の温度を検出する冷媒サーミスタ48の検出情報に基づいて、電子膨張弁33の開度を調整するようにしている。
【0028】
前記室外機32には、ガスエンジン36、圧縮機37、アキュムレータ38、四方弁39、室外熱交換器40、その室外熱交換器40に対し外気を通風する室外空調用送風機41が備えられ、ガスエンジン36の排熱を外部に放熱するためのラジエーター42、および、ラジエーター用送風機43も備えられている。
また、ガスエンジン36の冷却用の冷却水をラジエーター42との間で循環させる冷却水路44が設けられ、この冷却水路44にラジエーター用ポンプP3が設けられている。
そして、ガスエンジン排熱を回収した冷却水を、加熱供給路45に供給する加熱状態とラジエーター42に供給して排熱する排熱状態とに切り換え自在な排熱切換機構46が設けられている。
【0029】
ヒートポンプ運転手段Kが、電子膨張弁33、室内空調用送風機35、ガスエンジン36、圧縮機37、四方弁39、室外空調用送風機41などにより構成されている。
また、冷却水循環手段Lが、ラジエーター用ポンプP3、排熱切換機構46、ラジエーター用送風機43、および、エジエーター42などにより構成されている。
【0030】
前記エンジンヒートポンプ式冷暖房装置Bは、空調リモコンR1の指令に基づいてヒートポンプ運転制御部Dにて運転が制御され、ガスエンジン36により圧縮機37を作動させて、四方弁39の切換え操作により冷房運転と暖房運転とを選択切換え自在に構成され、室内機31の電子膨張弁33の開閉制御により、空調要求のある部屋の空調を行うように構成されている。
【0031】
前記貯湯ユニット制御部Cとヒートポンプ運転制御部Dとは、エンジンヒートポンプ式冷暖房装置Bが空調運転中であることや、熱交換式加熱部19による加熱要求などの制御信号を送受信可能に構成にされている。
そして、運転制御手段としての貯湯ユニット制御部Cとヒートポンプ運転制御部Dは、空調対象空間としての各部屋に設置されている空調リモコンR1や貯湯リモコンR2の指令に基づいて、空調対象空間への冷房運転や暖房運転などの空調運転、貯湯タンク1内に湯水を貯湯する貯湯運転、図外の給湯栓などに所望の湯水を供給する給湯運転などの夫々の運転を実行するように構成されている。
【0032】
以下、各運転について説明を加える。
前記冷房運転は、図2の実線矢印に示すように、圧縮機37、四方弁39、室外熱交換器41、室内熱交換器34、四方弁39、アキュムレータ38の順に冷媒を循環させて、冷房対象となる部屋を冷房するように構成されている。
前記暖房運転は、図2の点線矢印に示すように、圧縮機37、四方弁39、室内熱交換器34、室外熱交換器41、四方弁39、アキュムレータ38の順に冷媒を循環させて、暖房対象となる部屋を暖房するように構成されている。
【0033】
また、ヒートポンプ運転制御部Dは、冷房運転および暖房運転において、ラジエーター用ポンプP3を作動させ、ラジエーター用送風機43を作動させラジエーター42にて放熱させるようにし、熱交換式加熱部19の加熱要求の制御信号を貯湯ユニット制御部Cから受信している状態では、排熱切換機構46を加熱状態に切り換えて、冷却水を加熱供給路45に供給するようにしている。
【0034】
前記貯湯運転は、貯湯リモコンR2から貯湯要求があると、貯湯開閉弁47を開弁させ、循環ポンプP1を作動させて、貯湯タンク1の底部から水を循環路3に取出し、加熱部4にて加熱したのち、貯湯路13を通して貯湯タンク1の上部に供給するように構成されている。
前記貯湯運転における加熱部4の動作について説明を加えると、排熱切換機構46が加熱状態に切り換えられ、冷却水が加熱供給路45に供給されているので、熱交換式加熱部19での加熱が可能であるが、加熱許容条件が満たされたか否かを判別する判別処理を実行して、加熱許容条件が満たされたと判別すると、加熱状態切換機構21を加熱許容状態に切り換えて、加熱供給路45からの冷却水を熱交換式加熱部19に供給して熱交換式加熱部19にて加熱するように構成されている。
そして、加熱温サーミスタ17による検出温度が加熱対象流体の目標加熱温度としての貯湯設定温度(例えば、60℃)になるように、貯湯タンク1の底部から取り出した湯水を熱交換式加熱部19にて加熱するように構成されている。
【0035】
ちなみに、貯湯ユニット制御部Cが、判別処理や加熱状態切換機構21の切換などを制御し、ヒートポンプ運転制御部Dは、貯湯ユニット制御部Cからの加熱要求信号に伴って、排熱切換機構46を加熱状態に切り換えるように構成されている。
【0036】
前記判別処理について説明すると、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度を求めて、冷却水温サーミスタ22による検出温度が、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度のすべての設定温度以上であると、加熱許容条件が満たされたと判別し、冷却水温サーミスタ22による検出温度が第1設定温度および第2設定温度の両設定温度以上のときに、第3設定温度を求めるように構成されている。
【0037】
また、前記判別処理において、目標加熱温度を貯湯設定温度として、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度を求めて、第1設定温度、第2設定温度、第3設定温度のいずれかが往き熱媒温度としての往き冷却水温度として許容されている上限許容温度(例えば、80℃)よりも高いときには、湯水循環手段Eを非貯湯状態に切り換えるとともに、加熱供給路45からの冷却水の一部を熱交換式加熱部19に供給するように加熱状態切換機構21を調整して、貯湯タンク1の底部の湯水を熱交換式加熱部19にて加熱したのち、その湯水を貯湯タンク1の底部に戻して、湯水の加熱前温度を上昇させるように構成されている。
【0038】
そして、第1設定温度、第2設定温度、第3設定温度のいずれもが上限許容温度(例えば、80℃)以下のときには、加熱許容条件が満たされると、加熱状態切換機構21を加熱許容状態に切り換えて、加熱供給路45からの冷却水を熱交換式加熱部19に供給して熱交換式加熱部19にて加熱するとともに、湯水循環手段Eを貯湯状態に切り換えて、加熱部4にて貯湯設定温度の湯に加熱して、温度成層を形成する状態で貯湯タンク1に貯湯するように構成されている。
【0039】
以下、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度の求め方について説明する。
湯水の目標加熱温度としての貯湯設定温度に設定温度(例えば、5℃)を加えた温度を第1設定温度として求める。
そして、熱交換式加熱部19における最小流量で湯水を流動させた状態で、その湯水の加熱前温度および目標加熱温度としての貯湯設定温度の関係から、湯水を貯湯設定温度に加熱可能でかつ熱交換式加熱部19からの戻り冷却水温度を過冷却設定温度(例えば、60℃)以上に維持可能な温度を第2設定温度として求める。
ちなみに、湯水の加熱前温度は、底部サーミスタS2にて検出したり、熱交換式加熱部19にて加熱しない状態で、湯水循環手段Eを非貯湯状態で作動させたときの加熱温サーミスタ17にて検出される。
【0040】
第2設定温度の求め方について図4および図5に基づいて説明を加えると、熱交換式加熱部19に供給される冷却水側では、その冷却水の温度が往き冷却水温度T1から戻り冷却水温度T2に低下し、熱交換式加熱部19に供給される湯水側では、その湯水の温度が加熱前温度T3から加熱後温度T4に上昇することになる。
そして、湯水を貯湯設定温度に加熱可能でかつ熱交換式加熱部19からの戻り冷却水温度を過冷却設定温度(例えば、60℃)以上に維持可能するためには、冷却水側の移動熱量Q1が、湯水側の最小移動熱量Q2min以上となる必要があることから、第2設定温度を求める。
【0041】
前記熱交換式加熱部19に供給される冷却水の往き冷却水温度をT1、熱交換式加熱部19からの戻り冷却水温度で過冷却設定温度をT2min、熱交換式加熱部19に供給される冷却水量G1、湯水の加熱前温度をT3、湯水の加熱後温度(貯湯設定温度)をT4、熱交換式加熱部19に供給される湯水の最小流量をG2minとすると、冷却水側の移動熱量Q1と、湯水側の最小移動熱量Q2minが下記〔数1〕から求められる。
【0042】
【数1】
Q1=(T1−T2min)×G1
Q2min=(T4−T3)×G2min
【0043】
そして、湯水を貯湯設定温度に加熱可能でかつ熱交換式加熱部19からの戻り冷却水温度を過冷却設定温度(例えば、60℃)以上に維持可能するためには、Q1≧Q2minであり、この条件と上記〔数1〕とから、下記〔数2〕が得られ、下記〔数2〕における往き冷却水温度T1を第2設定温度として求める。
【0044】
【数2】
T1≧(T4−T3)×G2min/G1+T2min
【0045】
また、湯水の加熱前温度および貯湯設定温度との関係に応じて異なる熱交換特性を加味した状態で、湯水を貯湯設定温度に加熱可能な温度を第3設定温度として求める。
説明を加えると、熱交換式加熱部19の伝熱量Qは下記〔数3〕にて求められる。なお、前記熱交換式加熱部19に供給される冷却水の往き冷却水温度をT1、熱交換式加熱部19からの戻り冷却水温度をT2、熱交換式加熱部19に供給される冷却水量G1、湯水の加熱前温度をT3、湯水の加熱後温度をT4、熱交換式加熱部19に供給される湯水の湯水供給量をG2とする。
【0046】
【数3】
Q=U×A×ΔTm
U:総括熱伝達係数
A:伝熱面積(熱交換式加熱部19の特性と与えられる)
ΔTm:対数平均温度差
ここで、ΔTa=T1−T4,ΔTb=T2−T3
【0047】
そして、総括伝達係数U=F(G1,G2,T1,T3)で表され、往き冷却水温度T1、冷却水量G1、湯水の加熱前温度T3、湯水供給量G2などによる関数として求められる。
【0048】
また、熱交換式加熱部19の伝熱量Qは、下記〔数4〕により演算にて求められる。
【0049】
【数4】
Q=C×(T1−T2)×G1
Q=C×(T3−T4)×G2
ただし、Cは定数
【0050】
このようにして、上記〔数3〕から熱交換式加熱部19の伝熱量Qが求められ、この伝熱量Qと、上記〔数4〕から求められる熱交換式加熱部19の伝熱量Qが等しくなるような戻り冷却水温度T2と加熱後温度T4を見出すように、収束計算する。
そして、加熱後温度T4を貯湯設定温度とし、戻り冷却水温度T2を過冷却設定温度としたときの往き冷却水温度T1を第3設定温度として求める。
【0051】
前記貯湯運転における判別処理などの制御動作について、図6のフローチャートに基づいて説明する。
まず、貯湯要求があれば、排熱切換機構46が加熱状態に切り換えられ、冷却水が加熱供給路45に供給して、第1設定温度Ts1および第2設定温度Ts2を求めて(ステップ1,2)、冷却水温サーミスタ22による検出温度Tkが第1設定温度Ts1および第2設定温度Ts2の両設定温度以上であると、第3設定温度Ts3を求める(ステップ3,4)。
【0052】
そして、第1設定温度Ts1、第2設定温度Ts2、および、第3設定温度Ts3のいずれかが上限許容温度Tsmaxよりも高いときには、湯水循環手段Eを非貯湯状態に切り換えるとともに、冷却水の一部を熱交換式加熱部19に供給するように加熱状態切換機構21を調整して、貯湯タンク1の底部の湯水を熱交換式加熱部19にて加熱したのち、その湯水を貯湯タンク1の底部に戻すようにしている(ステップ5,6)。
【0053】
また、第1設定温度Ts1、第2設定温度Ts2、および、第3設定温度Ts3のいずれもが上限許容温度Tsmax以下であれば、冷却水温サーミスタ22による検出温度Tkが第1設定温度Ts1、第2設定温度Ts2、および、第3設定温度Ts3のすべての設定温度以上であると、加熱許容条件が満たされたと判別する(ステップ7)。
そして、加熱状態切換機構21を加熱許容状態に切り換えて、加熱供給路45からの冷却水を熱交換式加熱部19に供給して熱交換式加熱部19にて加熱するとともに、湯水循環手段Eを貯湯状態に切り換えて、加熱部4にて貯湯設定温度の湯に加熱して、温度成層を形成する状態で貯湯タンク1に貯湯する(ステップ8,9)。
【0054】
前記給湯運転は、貯湯リモコンR2などにて設定された給湯設定温度、貯湯出口サーミスタ10および給水サーミスタ9の検出情報に基づいて、給湯する湯水の温度が給湯設定温度になるようにミキシングバルブ8の開度を調整するとともに、ミキシングサーミスタ12の検出情報に基づいて、その検出温度と給湯設定温度との偏差に基づいてミキシングバルブ8の開度を微調整することにより、給湯設定温度の湯水を給湯するように構成されている。
【0055】
なお、この給湯運転において、最上部サーミスタS1による検出温度が貯湯設定温度以下になると、上述の貯湯運転を行って、貯湯タンク1に貯湯し、その貯湯された湯を給湯するように構成されている。
【0056】
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態では、加熱対象流体の目標加熱温度を貯湯設定温度として、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度を求めるようにしているが、加熱対象流体の目標加熱温度を、加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できる期待温度として、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度を求めるように構成して実施することも可能である。
すなわち、湯水循環手段Eなどを作動させて、加熱部4にて湯水を加熱させる加熱運転を実行したときの加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できるような期待温度を目標加熱温度として、第1設定温度、第2設定温度、および、第3設定温度を求めることによって、加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できるときに、加熱運転を実行させるようにして実施することも可能である。
【0057】
以下、加熱目標温度の求めかたについて説明するが、加熱部4に供給する熱媒がエンジンの排熱を搬送する場合、加熱部4に供給する熱媒が新たに発生された熱を搬送する場合、加熱運転を実行する実行時間によって加熱運転効率が変化する場合の3つの場合があるので、夫々の場合について説明する。
【0058】
まず、加熱部4に供給する熱媒がエンジンの排熱を搬送する場合には、上記〔数1〕における湯水の最小移動熱量Q2minが加熱運転時に必要なエネルギーQe1よりも大きいことが期待温度の条件となるので、下記〔数5〕を満たす湯水の加熱後温度T4を加熱目標温度として設定する。
【0059】
【数5】
T4≧T3+Qe1/G2min
【0060】
ちなみに、湯水の加熱前温度をT3、湯水の加熱後温度をT4、熱交換式加熱部19に供給される湯水の最小流量をG2min、加熱運転時に必要なエネルギーをQe1としている。
【0061】
次に、加熱部4に供給する熱媒が新たに発生された熱を搬送する場合には、新たに熱を発生させるために必要なエネルギーQe2と加熱運転時に必要なエネルギーQe1の和Qeと、湯水の最小移動熱量Q2minの比が、設定効率[COP]以上であることが期待温度の条件となるので、下記〔数6〕を満たす湯水の加熱後温度T4を加熱目標温度として設定する。
【0062】
【数6】
T4≧T3+(Qe×[COP])/G2min
【0063】
ちなみに、湯水の加熱前温度をT3、湯水の加熱後温度をT4、熱交換式加熱部19に供給される湯水の最小流量をG2min、新たに熱を発生させるために必要なエネルギーQe2と加熱運転時に必要なエネルギーQe1の和をQe、設定効率を[COP]としている。
【0064】
次に、加熱運転を実行する実行時間によって加熱運転効率が変化する場合について説明するが、この場合には、加熱運転効率が設定効率を越える状態となるための条件の対象が実行時間の長さとなるので、実行時間の長さが条件を満たせば、加熱目標温度はどんな温度でもよいことになる。
例えば、加熱手段が、運転の開始当初には、あまり運転効率がよくないが、定常状態になると、運転効率が良くなるものであると、その加熱手段を作動させた実行時間が設定時間以上であると、加熱運転効率が設定効率を越える状態となるので、期待温度はどんな温度でもよいことになり、加熱目標温度を加熱対象流体の加熱前の温度と同じ温度と設定する。
【0065】
(2)上記実施形態では、排熱切換機構46を加熱状態に切り換えている状態で、加熱状態切換機構21を加熱許容状態に切り換えることによって、熱交換式加熱部19への冷却水の供給を許容するようにしているが、加熱状態切換機構21を設けずに、排熱切換機構46を加熱状態に切り換えることによって、熱交換式加熱部19への冷却水の供給を許容するように構成することも可能である。
この場合には、貯湯ユニット制御部Cとヒートポンプ運転制御部Dとを、湯水の加熱前温度および貯湯設定温度など、第1設定温度、第2設定温度、第3設定温度を求めるための情報を送受信可能に構成して、貯湯ユニット制御部Cまたはヒートポンプ運転制御部Dが判別処理を行って、ヒートポンプ運転制御部Dが、加熱許容条件が満たされると、排熱切換機構46を加熱状態に切り換えて、熱交換式加熱部19への冷却水の供給を許容するように構成する。
【0066】
(3)上記実施形態では、加熱部4として、熱交換式加熱部19のみを備える構成を示したが、この熱交換式加熱部19に加えて、バーナの燃焼により加熱する補助加熱部やヒートポンプの冷媒にて加熱するヒートポンプ式加熱部を備えて構成することも可能である。
【0067】
(4)上記実施形態では、他熱源装置としてガスエンジンを適応して、熱交換式加熱部19にガスエンジン36の冷却水を供給するように構成したが、例えば、他熱源装置として燃料電池などの熱源装置を適応することも可能であり、他熱源装置としては各種の熱源装置が適応可能である。
【0068】
(5)上記実施形態では、本発明にかかる加熱装置を加熱対象流体が貯湯タンク1の湯水であるエンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムに適応した例を示したが、貯湯タンクを備えていないものなど、各種の加熱装置に適応可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】貯湯ユニットの概略構成図
【図2】エンジンヒートポンプ式冷暖房装置の概略構成図
【図3】エンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムの制御ブロック図
【図4】熱交換式加熱部における温度変化を示す説明図
【図5】熱交換式加熱部を示す図
【図6】貯湯運転における制御動作を示すフローチャート
【符号の説明】
1 貯湯タンク
3 加熱対象流体通流路
4 加熱手段
5 給水路
6 給湯路
19 熱交換式加熱部
22 往き熱媒温度検出手段
C 運転制御手段
E 湯水循環手段
Claims (3)
- 加熱対象流体通流路を通流する加熱対象流体を加熱する加熱手段と、その加熱手段の作動を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記加熱手段が、他熱源装置の熱媒を供給させて、前記加熱対象流体を加熱する熱交換式加熱部を備えて構成されている加熱装置であって、
前記熱交換式加熱部への往き熱媒温度を検出する往き熱媒温度検出手段が設けられ、
前記運転制御手段が、前記加熱対象流体の目標加熱温度に設定温度を加えた温度を第1設定温度として求め、かつ、
前記熱交換式加熱部における最小流量で前記加熱対象流体を流動させた状態で、前記加熱対象流体の加熱前温度および前記目標加熱温度の関係から、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱可能でかつ前記熱交換式加熱部からの戻り熱媒温度を過冷却設定温度以上に維持可能な温度を第2設定温度として求め、かつ、
前記加熱対象流体の加熱前温度および前記目標加熱温度との関係に応じて異なる熱交換特性を加味した状態で、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱可能な温度を第3設定温度として求めて、
前記往き熱媒温度検出手段による検出温度が、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のすべての設定温度以上であると、加熱許容条件が満たされたと判別して、前記熱交換式加熱部への前記熱媒の供給を許容し、前記加熱対象流体を前記目標加熱温度に加熱するように構成され、かつ、
前記往き熱媒温度検出手段による検出温度が前記第1設定温度および前記第2設定温度の両設定温度以上のときに、前記第3設定温度を求めるように構成されている加熱装置。 - 上部に給湯路が接続されかつ下部に給水路が接続されている貯湯タンクと、
その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を前記貯湯タンクの上部に供給する形態で湯水を循環させる貯湯循環状態と、その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を貯湯タンクの底部に戻す形態で湯水を循環させる非貯湯循環状態とに切換可能な湯水循環手段と、
前記運転制御手段が、前記目標加熱温度を前記貯湯設定温度として、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度を求めて、
前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のいずれかが前記往き熱媒温度として許容されている上限許容温度よりも高いときには、前記湯水循環手段を前記非貯湯循環状態に切り換え、かつ、
前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度のいずれもが前記上限許容温度以下のときに、前記湯水循環手段を前記貯湯循環状態に切り換えて、前記湯水循環手段にて循環される湯水を前記加熱手段にて貯湯設定温度の湯に加熱して、温度成層を形成する状態で前記貯湯タンク内に貯湯するように構成されている請求項1に記載の加熱装置。 - 上部に給湯路が接続されかつ下部に給水路が接続されている貯湯タンクと、
その貯湯タンクの底部から取り出した湯水を前記加熱手段にて加熱したのち、その湯水を前記貯湯タンクに供給する形態で湯水を循環させる湯水循環手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、前記目標加熱温度を、加熱運転効率が設定効率を越える状態となることが期待できる期待温度として、前記第1設定温度、前記第2設定温度、および、前記第3設定温度を求めるように構成されている請求項1に記載の加熱装置。
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