JP4731589B2

JP4731589B2 - 貯湯式給湯装置

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Publication number: JP4731589B2
Application number: JP2008220225A
Authority: JP
Inventors: 正樹豊島; 宗平岡; 明広西田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2028-08-28
Also published as: JP2010054131A

Description

本発明は、貯湯式給湯装置に関し、特に、貯湯タンクの温度分布演算手段を備える貯湯式給湯装置に関するものである。

従来、ヒートポンプ式給湯装置のような貯湯式給湯装置では、貯湯タンクとヒートポンプ式加熱手段との間でタンク内の水を循環させることにより、高温の湯をタンク上部へ戻して沸き上げており、その際、貯湯タンクに多数の温度センサを設けてタンク内の温度分布を把握し、蓄熱量を推測していた。しかし、貯湯タンク内に高温水と低温水が存在するとその中間に温度境界層が発生するため、温度境界層の位置と温度分布状態を把握しなければ正確な蓄熱量が推測できないという問題があった。

この課題に対する解決策として、貯湯タンク内の湯水の沸上げにおいて、タンク内の湯水が移動して、貯湯タンクに設けられた温度センサの位置を時間の経過と共に通過することを利用して、温度センサの温度履歴と貯湯タンク内の湯水の移動速度とに基づいて、混合層（温度境界層）の温度分布を推定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２１４６２２号公報（第３−４頁、図１）

しかし、特許文献１に開示された発明では、湯水が温度センサの位置を通過しなければ貯湯タンク内の湯水の温度分布がわからないため、温度センサの位置と湯水の移動速度によっては、つまり貯湯量によっては温度分布が計算できず、蓄熱量を把握できない時間が長く続いてしまうという課題があった。前記課題を解決するためには温度センサを多く設置すれば解決するが、コストが高くなるという課題が残る。

また、貯湯タンクと風呂（浴槽水）追焚き熱交換器、床暖房熱交換器などを接続する多機能型の貯湯式給湯装置においては、貯湯タンクの中間部に中温水（３０〜５０℃程度の中温の湯）が戻るために、貯湯タンク内の温度分布が複雑に変動するが、特許文献１に開示された発明では貯湯タンクの湯水が移動して再び温度センサを通過するまで正確な温度分布が把握できないという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、貯湯タンクの湯水の温度分布を熱エネルギー収支式を直接解くことにより、正確に推定することができる貯湯式給湯装置を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯装置は、
貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの湯水を加熱する加熱手段と、
前記貯湯タンクの湯水を負荷側に供給する負荷側回路と、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の温度を測定する温度センサと、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の流量を測定する流量センサと、
外気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度測定値と前記流量センサの流量測定値とに基づいて、前記貯湯タンク内を上下方向に複数の層に分割した各層の温度を、各層へ接続する配管からの流入熱量と、各層の温度と外気温度との差に基づく放熱量と、各層に対し上下に隣接する層との伝熱量との総和から算出する温度分布演算手段と、
前記貯湯タンクの温度を測定するタンク温度センサと、
を備え、
前記タンク温度センサは、貯湯タンク最上部と、前記貯湯タンク内の湯水が上下移動して通過する頻度が高いタンク中間部に設け、
前記温度分布演算手段は、
各層の温度分布演算結果と、前記タンク温度センサの温度測定値とを比較し、逐次温度分布演算結果を修正する構成となっているものである。

本発明に係る貯湯式給湯装置は、貯湯タンク内を上下方向に複数の層に分割した各層の温度を、各層へ接続される配管からの流入熱量と、各層の温度と外気温度との差に基づく放熱量と、各層に対し上下に隣接する層との伝熱量との総和から算出する、すなわち熱エネルギー収支式を直接解くための温度分布演算手段を備えたものであるので、貯湯タンクの湯水の温度分布を正確に推定することができる。また、この温度分布演算手段により、中温水流入による温度混合をも考慮した正確な温度分布を求めることができる。

以下、本発明に係る貯湯式給湯装置の実施の形態について図面を参照して説明する。

実施の形態１．
《全体構成》
図１は本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の全体構成を示す構成図で、図２はこの貯湯式給湯装置の制御系の概要を示す概略構成図である。
本実施の形態に係る貯湯式給湯装置は、貯湯ユニットＡと、熱源ユニットＢと、負荷側回路Ｃとから構成されている。
貯湯ユニットＡは、貯湯タンク１、一般給湯側混合弁２ａ、風呂側混合弁２ｂ、減圧弁３、電磁弁４、制御部１０、水ポンプ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、風呂追焚熱交換器１５、断熱材２０を有しており（センサ類及び配管については後述する）、これらの構成品を金属製の外装ケース３０内に収めている。貯湯タンク１はステンレスなどの金属製もしくは樹脂性などであり、貯湯タンク１の外側には断熱材２０が配置されており、高温の湯（以下、高温水と記す）を長時間保温することができる。風呂追焚熱交換器１５の１次側には貯湯タンク１上部からの往き配管２５と貯湯タンク１中間部への戻り配管２６が接続されており、２次側には浴槽５との往復配管２７が接続されている。風呂追焚熱交換器１５の１次側、２次側流路にはそれぞれポンプ１４ｂ、１４ｃが接続されている。なお、図１ではタンクを１つの構成例としているが、２つもしくはこれ以上の貯湯タンクを直列もしくは並列に接続し、貯湯ユニットＡ内に設置してもよい。

熱源ユニットＢは、内部に市水温度の水（以下、水もしくは低温水と記す）を目標の貯湯温度まで昇温加熱する熱交換器などの加熱器（図示せず）が内蔵されている。熱源ユニットＢは、例えばＨＦＣやＣＯ₂などを冷媒とするヒートポンプであり、圧縮機（図示せず）、水と冷媒間で熱交換を行う水熱交換器（凝縮器、図示せず）、外気と冷媒間で熱交換を行う空気熱交換器（蒸発器、図示せず）、膨張弁（図示せず）などから構成されている。また、ヒートポンプに換えて、加熱源を電気ヒーターやガスなどに置き換えても良いし、加熱源を貯湯タンク１に内蔵する構成としてもよい。

負荷側回路Ｃには、例えば、風呂側混合弁２ｂから給湯される給湯水を貯留する浴槽５や、一般給湯側混合弁２ａから給湯される温水と水源から供給される市水とを混合して給湯する混合栓６、あるいは床暖房装置（図示せず）などが接続される。混合栓６にはシャワー（図示せず）が接続される場合などもある。７は貯湯ユニットＡと熱源ユニットＢから構成される貯湯システムとの情報入出力（給湯温度の設定や浴槽への給湯の開始又は停止操作など）が可能なリモコンである。リモコン７は、風呂側と台所用など複数個設置してもよい。

続いて、貯湯システムの配管構成について説明する。
水源から供給される市水温度の水は、貯湯タンク１と、混合弁２ａ、２ｂ側と、混合栓６に３分岐される。貯湯タンク１の下部には、市水の導入管２１と、熱源ユニットＢへ貯湯タンク１下部の水を送水するための配管２３とが接続されている。貯湯タンク１下部から送水された水は、熱源ユニットＢで目標温度まで加熱昇温されて、熱源ユニットＢから貯湯タンク１の上部へと繋がる配管２４を経て貯湯タンク１の上部に戻される。貯湯タンク１と熱源ユニットＢ間の水の循環はポンプ１４ａにて行われる。なお、ポンプ１４ａは熱源ユニットＢ内に内蔵する構成としてもよい。

貯湯タンク１の上部には、上記の風呂追焚熱交換器１５の１次側往き配管２５のほかに、出湯用の配管２２が設けられており、貯湯タンク１から出た高温水は配管２２から２分岐して一般給湯側混合弁２ａと風呂側混合弁２ｂへと分配される。一方、混合弁２ａ、２ｂの水側入口には水源からの水配管２８が減圧弁３を経て２分岐して接続されており、混合弁２ａ、２ｂにて湯と水が混合されて所定の温度の温水となってそれぞれ給湯される。風呂側は、風呂側混合弁２ｂと浴槽５とが配管２９で電磁弁４を経由して接続されており、浴槽５に風呂側混合弁２ｂから給湯される温水が溜まる構成となっている。また、一般給湯側は、一般給湯側混合弁２ａから配管３０を経て給湯される温水が、水源から水配管３１を経て供給される水と混合されて、混合栓６から給湯されるようになっている。

なお、図１の例は混合栓６がひとつの構成を例に挙げたが、混合栓は、例えば台所や洗面所の蛇口、浴室のカラン兼シャワーなどに接続されるものであり、２つ以上の複数でもよく、混合弁の数を増やしてそれぞれの混合栓に対応する構成としてもよい。また、混合弁２ａ、２ｂは、例えばサーボモータ等の駆動源により弁体を駆動する電動弁であり、弁体が動くことにより高温水と水の混合比率を調整して給湯温度を制御できる構造のものである。

次に、貯湯ユニットＡに設けられるセンサ類と制御部について説明する。
混合弁２ａ、２ｂの出口側には給湯流量を計測する流量センサが設けられており、一般給湯側混合弁２ａの出口側には流量センサ１１ａが、風呂側混合弁２ｂの出口側には流量センサ１１ｂがそれぞれ設けられており、また貯湯タンク１内の水を沸上げる際に熱源ユニットＢと貯湯タンク１の間を循環する水の流量測定用に流量センサ１１ｃが、風呂追焚熱交換器１５と貯湯タンク１の間を流れる１次側流路の水流量測定用に流量センサ１１ｄが設けられている。そして、各配管内を流れる湯水の温度を計測する温度センサが設けられている。すなわち、混合弁２ａ、２ｂの水側入口の水温測定用に温度センサ１２ｃが、混合弁２ａ、２ｂの高温水側入口の高温水温度測定とタンク最上部の温度測定用に温度センサ１３ａ（図１では温度センサ１３ａをタンク上部の缶体表面に設けているが、タンク上部缶体内部の湯温を直接測定する構成としてもよい）が、一般給湯側混合弁２ａ出口側の給湯温度測定用に温度センサ１２ａが、風呂側混合弁２ｂ出口側の給湯温度測定用に温度センサ１２ｂが、熱源ユニットＢにて加熱昇温された湯の沸上温度測定用に温度センサ１２ｄが設けられており、さらに、風呂追焚熱交換器１５に接続される１次側には貯湯タンク１への戻り水温度測定用に温度センサ１２ｆが、２次側には浴槽５からの戻り水温度測定用に温度センサ１２ｅが設けられている。貯湯タンク１には前記温度センサ１３ａに加えて貯湯タンク中間部における貯湯水温度測定用の温度センサ１３ｂが設けられている。また、外気温度を測定する温度センサ１６が外装ケース３０内に設けられている。なお、上記の各温度センサ１２ａ〜１２ｆ、１３ａ、１３ｂは、配管やタンクの表面にロー付け、溶接、ねじ固定、フォルダ固定するなどの方法や、水温を直接測るように配管やタンクの内部にセンサを内没させる設置方法などでもよい。

制御部１０へ接続されるセンサ類、および、リモコン７、熱源ユニットＢ、弁類（混合弁、電磁弁）の接続構成を図２に示す。制御部１０と前記センサ類などは通信ケーブルにより有線接続されており、信号の授受が可能である。なお、制御部１０と前記センサ類などの通信は、無線経由としてもよい。
制御部１０は貯湯ユニットＡに内蔵されており、温度、流量などのセンサ類の計測を行う測定部（図示せず）、測定結果に基づき演算、比較、判定などの処理を行う演算部（図示せず）、演算結果に基づき、弁類などを駆動するための駆動部（図示せず）、熱源ユニットＢへの運転情報などを送受信する送受信部（図示せず）により構成されている。また、演算部によって得られた結果や予め定められた関数などを計算する近似式やテーブルなどを記憶する記憶部（図示せず）も内蔵しており、必要に応じてこれらの記憶内容を参照、書き換えることが可能である。上記測定、演算、駆動などの処理はマイコンにより処理され、記憶部は半導体メモリーなどによって構成される。また、制御部１０には、マイコンによる処理結果をＬＥＤやモニターなどにより表示したり、警告音などを出力したり、電話回線、ＬＡＮ回線、無線などの通信手段（図示せず）により遠隔地へ情報を出力する出力部（図示せず）、リモコンや基板上のスイッチ類からの操作入力、もしくは電話回線、ＬＡＮ回線、無線などの通信手段（図示せず）からの通信データ情報を入力する入力部（図示せず）が設けられている。なお、上記構成例では制御部１０を貯湯ユニットＡに内蔵する構成としているが、貯湯ユニットＡにメイン制御部を、熱源ユニットＢ側に制御部の機能の一部を持つサブ制御部を設けて、メイン制御部とサブ制御部間ではデータ通信を行うことにより連携処理を行う構成や、リモコンにそれらの機能を持たせる構成、あるいは貯湯ユニットＡの外部に制御部を別置する形態などとしてもよい。

《貯湯動作説明》
加熱源である熱源ユニットＢにて沸き上げられた高温水は、熱源ユニットＢと貯湯ユニットＡとを接続する配管２４を経て、貯湯タンク１へ上部から流入する。貯湯タンク１に流入した体積分の水（高温水もしくは低温水）が貯湯タンク１の上部から下部へ移動する。そして、貯湯タンク１の下部からは流入体積分の低温水が水ポンプ１４ａにより排出されて、配管接続される配管２３を経て熱源ユニットＢへと戻る。このように、熱源ユニットＢと貯湯タンク１間では循環回路が形成されて、貯湯タンク１内の低温水は順次高温に沸き上げられて貯湯タンク１に貯湯される。この貯湯運転は、基本的には電力料金が安価な夜間に行われるが、昼間に貯湯熱量が不足する場合には昼間にも運転を行うことで（追加沸き上げ）、湯切れを防ぐことが可能となる。

《給湯動作説明》
貯湯タンク１の沸き上げ湯温はリモコン７で予め設定することが可能であり、深夜時間帯に、熱源ユニットＢのヒートポンプ熱源により貯湯タンク１の水温を目標沸き上げ湯温まで沸き上げる。また、一般給湯側の給湯温度と、浴槽の設定温度は、予めリモコン７にて設定することが可能である。また、昼間時間帯に貯湯量が不足する場合には、熱源ユニットＢを運転して貯湯タンク１に追加貯湯することで貯湯量の不足を補うことも可能である。

（一般給湯側への給湯動作）
混合栓６を開くと、制御部１０は、一般給湯側の温度センサ１２ａでの検出温度が、設定されている給湯温度となるように一般給湯側混合弁２ａを制御し、貯湯タンク１上部から給湯される高温水と水源からの水を適温（例えば４２℃）に混合する。

（風呂給湯側への給湯動作）
浴槽５への給湯温度は、予めリモコン７で設定することが可能であり、浴槽５への給湯動作を行う。湯張りを行うためには、まずリモコン７で、湯張りスイッチを押す。これにより湯張りの指令が出力され、制御部１０が、風呂側の温度センサ１２ｂでの検出温度が設定されている浴槽湯温となるように風呂給湯側混合弁２ｂを制御するとともに、配管２９に設けられている電磁弁４を開いて浴槽５への湯張りを開始する。浴槽５への湯張り開始後、浴槽側の配管２９に設けられている流量センサ１１ｂにより、積算流量をカウントし、リモコン７であらかじめ設定された浴槽湯量に到達するまで、湯張りを継続する。積算流量が、設定された浴槽湯量に到達すると、電磁弁４を閉じて湯張りを完了する。

（浴槽水の追焚動作）
リモコン７からの指令により、浴槽水が冷めたときの追焚運転が実行される。追焚運転が開始されると、風呂追焚熱交換器１５の１次側、２次側流路に接続されているポンプ１４ｂ、１４ｃが駆動する。これにより、貯湯タンク１の高温水と浴槽５の湯水を熱交換することが可能となり、浴槽水の加熱追焚が可能となる。このとき、貯湯タンク１側には浴槽水と熱交換した後の中温水（４０〜６０℃程度）が貯湯タンク１の上下方向中間部もしくは下部の配管２６接続部より戻される。貯湯タンク１内では、配管２６接続部の貯湯タンク１内の湯水と風呂追焚熱交換器１５からの戻り湯水との混合が行われ、両者の温度差異により貯湯タンク１内の温度分布が複雑に変化する。

（貯湯タンクの湯水温度分布推定方法）
貯湯タンク１内の湯水の温度分布を正確に推定するためには、水の流れの影響および温度差により生じる浮力を考慮してタンク内の流れと温度拡散を解く必要がある。このような浮力の影響を考慮して貯湯タンク内の温度分布を解く解析手法は、例えば下記の文献２に記載されている。

（文献２）豊島・岡島・渡邊・風間：多機能型ヒートポンプ給湯装置の貯湯タンク内温度分布シミュレーション、空気調和・衛生工学会学術講演論文集、２００４．９，ｐｐ．６９−７２

以下にその概要を記す。
図３に貯湯タンク内温度分布の計算モデルを示す。モデルではタンク内の湯水を上部から順に１〜ｎ層の小区間に分割している。分割した各層内は完全混合層と仮定しており、層ごとに熱エネルギー収支式である式（１）を一定時間間隔ごとに逐次解いて各層の温度を求める。
ｊ層における熱エネルギー収支式は次式で表される。

ここで、
ρ［ｋｇ／ｍ³］：水密度、Ｃｐ［Ｊ／ｋｇＫ］：水比熱、Ｖ［ｍ³］：タンク容積、Ｔ［Ｋ］：温度、ｔ［ｓ］：時間、Ｇｈ［ｍ³／ｓ］：加熱ポンプ流量、Ｇｂ［ｍ³／ｓ］：追焚きポンプ流量、Ｇｆ［ｍ³／ｓ］：床暖ポンプ流量、Ｇtop［ｍ³／ｓ］：上部出湯流量、Ｇmid［ｍ³／ｓ］：中温水出湯流量、Ｋ［Ｗ／ｍ²Ｋ］：タンク熱通過率、λ［Ｗ／ｍＫ］：熱伝導率、Ａｔ［ｍ³］：タンク断面伝熱面積、Ａｊ［ｍ³］：ｊ層タンク側面伝熱面積、Ｔａ［Ｋ］：外気温度、ｄ［ｍ］：タンク分割高さ
である。

式（１）の右辺の各項について説明する。
右辺第１項：第ｊ層への流入項であり、各面からの流量×温度差の合計で表される。
右辺第２項：タンク側壁からの放熱項である。ここで、熱通過率Ｋは実験結果から決定する。
右辺第３項、第４項：第ｊ層に隣接する上下層間の熱伝導に関する項である。

ここで、式（１）をそのまま解くと、図４（ｂ）のようにタンク側面からの流入がある局所の水温のみが変化して、実際の現象（図４（ａ）参照）とは異なる結果となる。この原因は、右辺第３項と第４項の上下層間熱伝導項の解き方に起因するものであり、式（１）を解く上で、水温の違いによる密度差によって生じる浮力の影響を考慮し温度拡散を解く必要がある。そこで、右辺第３項、第４項において、ｊ層に対する隣り合う層の密度を比較して、浮力が発生する場合にはその層の熱伝導率が向上したものと仮定して、熱伝導率λの値を通常の水（常温の水をいう）の熱伝導率λｗよりも大きい値λｚに設定し、密度に逆転がない場合（浮力の影響なしの場合）には通常の水の熱伝導率λｗで計算する。なお、ここで浮力が発生した場合の熱伝導率λｚは実験結果から決定する。

具体的には、以下のような計算となる。ｊ層の密度ρ_jと、ひとつ上のｊ−１層の密度ρ_j-1、ひとつ下のｊ＋１層の密度ρ_j+1とを比較して、
ρ_j-1＞ρ_jのとき λ_j-1＝λｚ［Ｗ／ｍＫ］
ρ_j-1≦ρ_jのとき λ_j-1＝λｗ［Ｗ／ｍＫ］
ρ_j＞ρ_j+1のとき λ_j+1＝λｚ［Ｗ／ｍＫ］
ρ_j≦ρ_j+1のとき λ_j+1＝λｗ［Ｗ／ｍＫ］
上記仮定により、タンク内の流れを直接解かずに浮力を模擬して温度拡散を簡易的に解くことができる。

本実施の形態は、前記式（１）の演算を制御部１０にて行い、貯湯タンク１内の湯水の温度分布を時々刻々推定するものである。そして、式（１）を実際の装置（実機）に適用するにあたり、本実施の形態では以下に説明する内容を適用している。

実際の装置では、流量センサの誤差、温度センサの誤差、日照・風雨の影響などによるタンク熱通過率の変化などの誤差要因が存在する。したがって、実際の装置にて式（１）を直接解いても誤差が生じ、補正をしなければ誤差が累積して大きな誤差となる可能性がある。この対応として、本実施の形態では、貯湯タンクに、湯水の温度を測定し、参照する温度センサ（タンク温度センサともいう）１３ａ、１３ｂを設けた。タンク温度センサ１３ａ、１３ｂの位置においては、式（１）に基づく温度推定値を使用せず、タンク温度センサ１３ａ、１３ｂの温度測定値に置き換える置換処理を逐次行う。

図５に逐次温度補正の概念図、すなわち貯湯タンク内温度分布の修正による推移を表した図を示す。図５では、貯湯タンクの沸上げ動作を表しており、左から右に時間が経過する様子を表している。左の図では温度分布推定値（破線）と実際の値（実線）に差異が生じているが、タンク内の湯水が移動し、タンク中間部の温度センサ（タンク温度センサ１３ｂ）の位置を通過することにより、予測誤差が修正されて、誤差部分が通過し終わる右の図では、誤差が修正されて推定値と実際の値が完全に一致している様子がわかる。このため、温度分布予測値に誤差が生じていても、温度センサ（タンク温度センサ１３ｂ）位置を誤差部分が通過することにより修正が可能となる。また、本修正方法によれば、タンク内を流れる流量が流量センサにより正確に測定できずに誤差を含んでいても、誤差を最小限に抑えて温度分布を予測することが可能となる。温度センサ（タンク温度センサ１３ｂ）の位置は、タンク内の湯水が通過する頻度が高い中間部に設けることが理想的である。また、検知精度を重視する位置、例えば残湯量が少量のときの検出精度を向上させたいのであれば、タンクの下部に設けることで任意の領域の検知精度を向上させることが可能となる。また、タンク温度センサを複数設けることにより、さらに精度を向上させることが可能となる。

図５では、タンク最上部にも温度センサ（タンク温度センサ１３ａ）を設けている。貯湯タンク１の温度分布は、通常、タンク最上部が最も高温であり、タンク最上部から温度境界層位置までほぼ同一の高温部が形成される。タンク温度分布から貯湯タンク内の蓄熱量を推定する場合にはこの高温部の影響が大きくなるため、高温部の予測精度向上が課題となる。

本実施の形態では、この課題を解決するためにタンク最上部にタンク温度センサ１３ａを設け、タンク上部から温度境界層位置までの高温部（図５参照）の温度はタンク最上部の温度に連動して変化するものとして扱っている。これにより、蓄熱量予測に対し影響の大きい高温部の空気への放熱予測値にずれが生じるなどの誤差が生じても逐次温度が修正されるため、温度分布および蓄熱量予測値の予測精度を高めることが可能となる。

高温部の具体的な温度補正方法を以下に説明する。式（１）の演算方法では、分割区間のタンク温度推定値の演算・更新をタンク上方から下方に向かって行う。この演算において、タンク温度推定値がタンク最上部に設けたタンク温度センサ１３ａの水温（温度測定値）よりも高い場合（温度逆転が発生している場合）には、タンク温度推定値がタンク温度センサ１３ａの温度測定値よりも低い温度となる位置まで、タンク温度推定値をタンク温度センサ１３ａの温度測定値に置き換える。つまり、高温部の温度は全て同一温度で変化すると仮定する。

上記方法の利点として、貯湯タンク上部に低温水が流入した場合の温度分布変化にも対応が可能という点が挙げられる。以下にその内容を説明する。

図６は加熱装置であるヒートポンプの起動からの沸上げ温度（熱交換器出口水温）の立上り変化を表したものである。ヒートポンプは熱交換器、圧縮機などの熱容量が大きいために瞬間的に高温の沸上げ温度で立ち上げることができず、起動時は図６に示すように沸上げ温度が徐々に立ち上がる傾向となり、図６のＡに至るまで、沸上げ設定温度すなわち貯湯タンク最上部の温度より低い温度の水が流入することになる。このように低温水が貯湯タンク１の上部に流入すると、高温部の高温水を冷却することになり、高温部の水温が全体的に低下することになる。この現象は、ヒートポンプ式のように沸上げ温度の瞬時立ち上げが困難な加熱装置を沸上げに用いる場合には避けられない現象であり、ヒートポンプを起動するたびにこの現象が起きる。このため、貯湯タンク温度分布予測精度を高めるためには、この現象に対応する必要がある。前記説明の本実施の形態の高温部温度補正方法によれば、低温水が流入した場合に高温部の水温をタンク上部のタンク温度センサ１３ａの温度測定値に基づいて逐次更新するために、ヒートポンプの特性に対応した適切な温度分布の補正が可能となり、予測精度を高めることができる。

続いて、本実施の形態において、タンク中間部に中温水が流入した場合の演算方法について説明する。中温水の流入は、例えば図１の浴槽追焚回路の運転を行う追焚運転や、床暖房などその他負荷側熱交換器（図示せず）を貯湯式給湯装置に付加した場合の戻り配管付近で発生する。前記説明の従来の式（１）による演算方法では、タンクのある隣り合う分割層において上下で密度逆転が生じた場合（上の層の密度の方が下の層の密度より大きい場合）には、発生する浮力を模擬して水の熱伝導率を大きな値で計算していた。本実施の形態では実際の装置の適用化を図るに当り、実際の装置での演算負荷を減らすために水の密度演算を無くし、上下層の温度比較のみで対応可能とする。すなわち、水の密度は温度上昇に対しほぼ単調に低下する傾向がある。このため、「密度が大きい＝温度が低い」の関係が成り立つ。したがって、上下層の温度を比較し、上の層の温度が下の層の温度よりも低い場合には密度逆転が発生していると判断して、この場合に上下層間の水の熱伝導率を大きな値として計算することで、従来の演算方法と同様に中温水流入時においてもタンク温度分布を正確に推定することが可能となる。

式（１）の右辺第２項に用いられている熱通過率Ｋは、試験により値を決定するが、実際の装置では個体差などにより差異が生じる可能性がある。これに対する対処方法として本実施の形態では、ある時間帯の始点から終点までの温度センサ１２ａ〜１２ｆ、１３ａ、１３ｂの各測定温度平均値と、外気平均温度との差から実測に基づき熱通過率Ｋを算出し、逐次修正する。これにより、実際の装置の個体差や機種差、外界条件差により生じる熱通過率Ｋの誤差を適切に修正することが可能となる。

図１に示す貯湯タンク１と風呂追焚熱交換器１５との間で形成される浴槽追焚回路では、水ポンプ、管路損失が常に同じであるため、流量を固定値として扱っても大きな支障がない。このため、事前に試験で追焚回路運転時の水流量を求めておき、温度分布予測においてはこの値を用い、流量センサ１１ｄを省いてもよい。これにより部品が減り、低コスト化が可能となる。

また、実際の装置にて最初の浴槽追焚運転を行った際などに、追焚運転開始から停止までの所要時間と、この間の貯湯タンクの温度分布から計算される蓄熱量変化量と、風呂追焚熱交換器１５の貯湯タンク側の出入口温度差の平均値から追焚流量を推定し、以降この流量を用いる方法としてもよい。ここで追焚流量は次式により求められる。
追焚流量［ｋｇ／ｓ］＝追焚によるタンク蓄熱量変化量［ｋＪ］÷追焚所要時間［ｓ］
÷追焚熱交換器出入口温度差の平均値［Ｋ］
÷水の比熱［ｋＪ／ｋｇ／Ｋ］・・・・（２）
このように追焚熱量を実際の装置の実測データから求めることにより、実際の装置の個体差を吸収し、正確な流量の推定が可能となる。したがって、タンク温度分布計算の精度を高めることが可能となる。

図１に示す熱源ユニットＢがヒートポンプである場合、ヒートポンプの加熱能力特性を関数化して制御部１０に記憶することにより、貯湯タンク１へ流入するヒートポンプ水加熱回路の水流量を推定することが可能となる。ヒートポンプの加熱能力は、ヒートポンプの運転特性に影響を及ぼす外気温度と、流入水温度と、沸上げ温度の関数として表すことが可能である（特許文献１）。これにより、流量センサ１１ｃを削除することが可能となり、給湯システムの低コスト化が実現可能となる。

また、熱源ユニットＢの水流量制御に用いられているポンプが直流電源ポンプである場合には、印加される電圧と水流量の相関関係から水流量を推定することが可能となる。印加電圧は制御部１０からの出力値であるため制御部１０で認識しており、これに前記相関関係式を記憶して適用することで水流量の推定が可能となる。これにより、流量センサ１１ｃを削除することが可能となり、給湯システムの低コスト化が実現可能となる。

以上のようにして演算された貯湯タンク温度分布を用いて貯湯タンク１が蓄える蓄熱量を演算する方法について説明する。
蓄熱量は次式により求められる。

ここで、
ρ［ｋｇ／ｍ³］：水密度、Ｃｐ［Ｊ／ｋｇＫ］：水比熱、Ｖ［ｍ³］：タンク分割区間の容積、Ｔｉ［℃］：タンク分割区間の温度、Ｔｃ［℃］：市水温度、ｉ：タンク分割区間番号、ｎ：タンク分割数
である。

このように本実施の形態で得られた貯湯タンク温度分布を用いることで、正確な蓄熱量を演算することが可能となり、正確な貯湯タンク蓄熱量を随時知ることができる。これにより、貯湯タンクの深夜沸き上げ時に必要とする蓄熱量に合せて正確に沸き上げることが可能となり、余計な沸上げを行わないため省エネに貢献することができる。また、昼間時間帯においても正確な蓄熱量を常に把握できるため、蓄熱量が不足する場合に追加沸き上げを開始すべき時間を正確に判断することが可能となる。これにより、沸き上げ運転開始遅れによる湯切れなどの不都合を防ぐことが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の構成図である。同貯湯式給湯装置の制御系の概略構成図である。貯湯タンク内温度分布の計算モデル図である。タンク側面からの流入がある場合の貯湯タンク内温度分布の変化を実際と計算結果とを比較して表した図である。貯湯タンク内温度分布の修正による推移を表した図である。加熱源の沸上げ温度の立上り変化を表した図である。

符号の説明

１貯湯タンク、２ａ一般給湯側混合弁、２ｂ風呂給湯側混合弁、３減圧弁、４電磁弁、５浴槽、６混合栓、７リモコン、１０制御部、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ流量センサ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ温度センサ、１３ａ、１３ｂ温度センサ（タンク温度センサ）、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ水ポンプ、１５風呂追焚熱交換器、１６温度センサ、２０断熱材、３０外装ケース、Ａ貯湯ユニット、Ｂ熱源ユニット、Ｃ負荷側回路。

Claims

貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの湯水を加熱する加熱手段と、
前記貯湯タンクの湯水を負荷側に供給する負荷側回路と、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の温度を測定する温度センサと、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の流量を測定する流量センサと、
外気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度測定値と前記流量センサの流量測定値とに基づいて、前記貯湯タンク内を上下方向に複数の層に分割した各層の温度を、各層へ接続する配管からの流入熱量と、各層の温度と外気温度との差に基づく放熱量と、各層に対し上下に隣接する層との伝熱量との総和から算出する温度分布演算手段と、
前記貯湯タンクの温度を測定するタンク温度センサと、
を備え、
前記タンク温度センサは、貯湯タンク最上部と、前記貯湯タンク内の湯水が上下移動して通過する頻度が高いタンク中間部に設け、
前記温度分布演算手段は、
各層の温度分布演算結果と、前記タンク温度センサの温度測定値とを比較し、逐次温度分布演算結果を修正する構成となっていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの湯水を加熱する加熱手段と、
前記貯湯タンクの湯水を負荷側に供給する負荷側回路と、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の温度を測定する温度センサと、
前記貯湯タンクへ流入する湯水の流量を測定する流量センサと、
外気温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度測定値と前記流量センサの流量測定値とに基づいて、前記貯湯タンク内を上下方向に複数の層に分割した各層の温度を、各層へ接続する配管からの流入熱量と、各層の温度と外気温度との差に基づく放熱量と、各層に対し上下に隣接する層との伝熱量との総和から算出する温度分布演算手段と、
前記貯湯タンクの温度を測定するタンク温度センサと、
を備え、
前記タンク温度センサは、少なくとも貯湯タンク最上部に設け、
前記温度分布演算手段は、
各層の温度分布演算結果と、前記タンク温度センサの温度測定値とを比較し、逐次温度分布演算結果を修正する構成となっており、
さらに、貯湯タンク最上部に低温水が流入した場合には、タンク温度推定値が貯湯タンク最上部の温度センサの温度測定値よりも低い温度となる位置まで、各層のタンク温度推定値を貯湯タンク最上部の温度センサの温度測定値に置き換えることを特徴とする貯湯式給湯装置。
前記温度分布演算手段は、
分割区間におけるタンク温度推定値の更新を前記貯湯タンクの上方から下方へ向かって行うものとし、タンク温度推定値が、貯湯タンク最上部に設けたタンク温度センサの温度測定値よりも高い場合には、タンク温度推定値が前記タンク温度センサの温度測定値よりも低い温度となる位置まで、タンク温度推定値を前記タンク温度センサの温度測定値に置き換えることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
前記各層に対し上下に隣接する層との伝熱量の計算に掛かる係数である水の熱伝導率を、上層の温度が下層の温度よりも低くなる場合に、常温の水の熱伝導率よりも大きな値とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
前記各層の温度と外気温度との差に基づく放熱量の算出に用いる係数を、前記温度センサの所定時間の温度平均値と外気温度平均値との差から補正することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
浴槽水の追焚を行う追焚熱交換器と、前記貯湯タンクと前記追焚熱交換器とを接続する往き配管と戻り配管とを設け、
前記温度分布演算手段は、追焚流量を固定値として演算することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
貯湯タンクの温度を測定するタンク温度センサは、少なくとも前記戻り配管の接続位置よりも上部に設けることを特徴とする請求項６に記載の貯湯式給湯装置。
追焚に要した熱量及び時間と、前記追焚熱交換器への往きと戻りの温度差の平均値とから追焚流量を推定する追焚流量推定手段を備えることを特徴とする請求項６又は７に記載の貯湯式給湯装置。
前記加熱手段はヒートポンプであり、
ヒートポンプ加熱回路の水流量を前記加熱手段の性能特性から見積もる演算手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
前記加熱手段は水ポンプを有し、
加熱回路の水流量を水ポンプ制御値から見積もる演算手段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
前記貯湯タンク内の温度分布から、貯湯タンク内の蓄熱量を算出する蓄熱量演算手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。