JP4837453B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンク及びヒートポンプを備える貯湯式給湯システムに関するものである。

従来の貯湯式給湯システムとして、圧縮機、放熱器、減圧装置、蒸発器を接続して冷媒回路を構成するヒートポンプと、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部と上部とを連通する水循環回路に設けた循環手段と、前記放熱器と熱交換をおこなう水熱交換器を接続した水循環回路と、前記水熱交換器の出口に設けた温度検知器と、沸き上げ湯温を設定する湯温設定手段と、前記湯温設定手段の信号に基づき前記圧縮機に沸き上げ設定温度に対して最高効率の得られるよう予め設定された回転数を設定する回転数設定手段を有するものがある。

前記回転数設定手段は、圧縮機の回転数を沸き上げ設定温度が高くなるほど大きくしたり、外気温度検知手段の信号と、湯温設定手段の信号とに基づき前記圧縮機に外気温度と沸き上げ設定温度に対して最高効率の得られるよう予め設定された回転数を設定したり、圧縮機の回転数を外気温度が高くなるほど小さくしたり、沸き上げ設定温度に対して最高効率となる回転数を設定したりする（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の貯湯式給湯システムとして、ヒートポンプを用いて給湯用の液体を加熱し、その加熱された液体を貯湯タンクに貯えるヒートポンプ給湯システムにおいて、前記ヒートポンプの制御手段として加熱能力を目標とする場合と運転効率を目標とする場合とを切り替える優先順位制御手段を備えるものがある。

前記優先順位制御手段は、貯湯タンク内の残湯量により、貯湯タンクの残湯量が少なければ加熱能力を優先し効率を犠牲にし、残湯量が多ければ効率優先の運転を行うように、目標の優先順位を切り替えたり、１日の時間帯により目標の優先順位を切り替えたり、夜間には運転効率を優先したり、カレンダ機能と外気温度と入水温度のうち少なくとも１つの情報により目標の優先順位を切り替えたり、夏季の場合は運転効率優先、冬季の場合は加熱能力優先としたり、過去の同一時間帯と外気温度と入水温度のうち少なくとも１つの同一条件での実績に基づいて目標の優先順位を切り替えたり、利用者が目標の優先順位を切り替えたりする（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２４７７５９号公報 特開２００５−１２７５８８号公報

一般的に、貯湯式給湯システムは、貯湯タンクの容量を最大限利用して蓄熱することを前提としており、下記の関係式により、目標蓄熱量Ｑ０に対応する目標沸き上げ温度Ｔｈｐが設定される。
目標蓄熱量Ｑ０＝タンク容量Ｗ０×（目標沸き上げ温度Ｔｈｐ−給水水温Ｔ０）

しかしながら、上記従来の技術では、ヒートポンプによる貯湯の沸き上げは、貯湯タンクに蓄えられた給水源からの給水を、貯湯タンクの下部からヒートポンプに吸込み、ヒートポンプで湯に沸き上げ、貯湯タンク上部に戻すようになっている。そのため、特に、目標蓄熱量Ｑ０に達しようとする沸き上げの終盤では、貯湯タンク下部の貯水の温度は、給水源からの給水水温Ｔ０に対し上昇している。

自然冷媒を用いたヒートポンプによる沸き上げでは、ヒートポンプの吸込水温が上昇すると、沸き上げ効率が著しく低下するので、貯湯タンクの実容量を最大限利用しようとする従来の考え方で沸き上げを行うと、沸き上げの終盤では、貯湯タンク下部の貯水の温度が、給水源の水温に対し上昇しているので、沸き上げ効率が低下するという問題があった。

そのため、従来の技術では、沸き上げ効率が低下するヒートポンプの吸込水温の閾値を予め設定し、ヒートポンプによる貯水の沸き上げを途中停止するなどの処置が行なわれ、目標蓄熱量Ｑ０を得る前に沸き上げが停止されてしまうという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ヒートポンプの沸き上げ効率の低下を抑えた貯湯式給湯システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の水を吸込み、湯に沸き上げて前記貯湯タンクに戻すことにより、前記貯湯タンク内の水を沸き上げるヒートポンプと、前記ヒートポンプでの沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサと、前記ヒートポンプの沸き上げ動作を制御する制御装置と、前記貯湯タンクに貯えられた湯の温度を検出する貯湯温度センサと、を備え、ヒートポンプサイクルによる沸き上げを行なう貯湯式給湯システムにおいて、前記制御装置は、前記貯湯タンクに目標蓄熱量を貯えるための目標沸き上げ温度または沸き上げ湯量を、前記目標蓄熱量が、予め設定された最低沸き上げ温度で前記貯湯タンクの実容量の全量を沸き上げることにより得られる蓄熱量よりも少ない蓄熱量である場合にのみ、前記貯湯タンクの実容量より少なく見込んだ貯湯タンク容量に基づいて演算し設定することを特徴とする。

この発明によれば、貯湯タンクに目標蓄熱量を貯えるための目標沸き上げ温度または沸き上げ湯量を、貯湯タンクの実容量より少なく見込んだ貯湯タンク容量に基づいて演算し設定するので、沸き上げ終盤から完了時点にかけてヒートポンプに吸込まれる貯湯タンク下部の貯水の温度が上昇せず、ヒートポンプサイクルによる沸き上げの効率低下を抑えた貯湯式給湯システムが得られる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態の構成を示す図であり、図２〜図６は、貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。

図１に示すように、貯湯式給湯システム１００は、円筒状の胴部２ｈと半球状の下部２ｉ及び上部２ｊとから成る縦長の貯湯タンク２と、貯湯タンク２の下部２ｉに給水源から所定圧力の水を供給する給水管３と、貯湯タンク２内の湯水を循環させながら加熱して沸き上げるヒートポンプ７と、貯湯タンク２の上部２ｊから湯を給湯する給湯管４と、ヒートポンプ７を制御する制御装置３０と、を備えている。

貯湯タンク２の下部２ｉには、脚６が取付けられ、貯湯タンク２及び制御装置３０は、タンクユニット１内に設置されている。貯湯タンク２には、上下方向に一定の間隔で、貯湯タンク２内のそれぞれの高さ位置における貯湯温度を検出する貯湯温度センサ２ａ〜２ｆが設置されている。

貯湯タンク２の下部２ｉとヒートポンプ７の吸込口７ａの間は、吸込管５ｉで接続され、貯湯タンク２内の湯水がヒートポンプ７内へ吸込まれる。貯湯タンク２の上部２ｊとヒートポンプ７の吐出口７ｂの間は、吐出管５ｊで接続され、ヒートポンプ７で加熱された高温湯が貯湯タンク２の上部２ｊへ戻される。ヒートポンプ７、吸込管５ｉ及び吐出管５ｊは、加熱循環回路５を構成している。吸込管５ｉの貯湯タンク２寄りには吸込温度センサ５ａが設置され、吐出管５ｊのヒートポンプ７寄りには、沸き上げ温度センサ５ｂが設置されている。

ヒートポンプ７は、制御装置３０の指令により、ヒートポンプサイクルによる貯湯タンク２内の湯水の沸き上げを行なう。ヒートポンプ７内の加熱循環回路５には、図示しない循環ポンプが設けられ、沸き上げ運転時には、図１の矢印Ａで示すように、貯湯タンク２の下部２ｉから湯水を吸込み、ヒートポンプ７により外気との熱交換を行い、湯水を予め設定された目標沸き上げ温度Ｔｈｐになるように沸き上げ、矢印Ｂで示すように、貯湯タンク２の上部２ｊに戻す。

このとき、貯湯タンク２の下部２ｉから吸込管５ｉを通してヒートポンプ７に吸込まれる貯湯水の吸込温度は、吸込温度センサ５ａで、ヒートポンプ７から吐出管５ｊを通して貯湯タンク２へ戻される沸き上げ温度は、沸き上げ温度センサ５ｂで、貯湯タンク２内の貯湯の温度は貯湯温度センサ２ａ〜２ｆによって検出される。

貯湯タンク２内の貯湯は、給湯管４から図示しない住宅給湯管に供給され、蛇口等から給湯される。給湯管４には、給湯使用量と給湯温度を検出する図示しないセンサが設置され、このセンサの検出信号が制御装置３０に出力され、１日単位の給湯使用熱量が制御装置３０の判断部３０ａで演算され、記憶部３０ｂに記憶される。演算され記憶された給湯使用熱量に基づいて、翌日の目標蓄熱量Ｑ０を制御装置３０の判断部３０ａが設定する（この制御ロジックは、本発明には直接関係がないので、詳細な説明は省略する。）。

次に、実施の形態の制御装置３０について説明する。制御装置３０の記憶部３０ｂには、貯湯タンク２の実際の容量（実容量）Ｗ０（リットル）、沸き上げ湯量Ｗを貯湯タンク実容量Ｗ０より少なく設定するための容量係数Ｐ（本実施の形態では、０．９）等が記憶されている。また、制御装置３０には、操作部３１が接続されており、操作部３１を操作して沸き上げ条件等を設定する。

制御装置３０は、操作部３１で設定された沸き上げ条件と、貯湯温度センサ２ａ〜２ｆからの温度信号と、吸込温度センサ５ａ及び沸き上げ温度センサ５ｂからの温度信号と、に基づいてヒートポンプ７等のシステム全体の動作を制御する。

次に、実施の形態の貯湯式給湯システム１００の作用について説明する。まず、給水管３から給水された市水の水温は、図示しない温度センサにより、給水水温Ｔ０として検出され、制御装置３０に出力されて記憶部３０ｂに記憶される。給水管３からの給水は、図示しない減圧弁によって所定の圧力に減圧され、貯湯タンク２内に貯水される。貯湯タンク２は、常に所定の圧力の満水状態となっている。

貯湯タンク２の湯水の沸き上げは、主に、深夜電力時間帯（一般に、２３時から翌朝７時）に行われ、貯湯タンク２内の湯水は、制御装置３０から沸き上げ動作の指令を受けたヒートポンプ７により、吸込管５ｉを通して吸込まれ、ヒートポンプ７内で熱交換により加熱される。

所定の目標蓄熱量Ｑ０から演算される目標沸き上げ温度Ｔｈｐと、沸き上げ温度センサ５ｂの検出温度（吐出温度）が等しくなるように、制御装置３０によりヒートポンプ７が制御され、沸き上げが行われる。目標蓄熱量Ｑ０から演算される目標沸き上げ温度Ｔｈｐは、次式にて、制御装置３０により演算され、設定される。
Ｔｈｐ＝[Ｑ０／（Ｗ０×Ｐ）]＋Ｔ０
Ｔｈｐ：目標沸き上げ温度
Ｑ０ ：目標蓄熱量
Ｗ０ ：貯湯タンクの実容量
Ｐ ：容量係数
Ｔ０ ：給水水温

沸き上げ温度センサ５ｂで検出される沸き上げ温度が、演算された目標沸き上げ温度Ｔｈｐ（例えば、６５℃）になるように、貯湯が加熱昇温され、貯湯タンク２の上部２ｊに戻される。貯湯タンク２の上部２ｊから加熱昇温された湯が少量づつ貯湯され、約８時間（２３時〜７時）かけて貯湯タンク２に貯湯されていく。

なお、このとき、実際には、加熱湯をヒートポンプ７から貯湯タンク２に戻す吐出管５ｊで、外気との温度差により、加熱湯が放熱して温度低下するが、このことは、本発明の内容や効果に直接関係しないので、説明を簡単にするために、温度低下を無視して説明する。

ヒートポンプ７による沸き上げは、貯湯温度センサ２ａ〜２ｆの各容量毎の貯湯温度と給水温度Ｔ０との差から演算される貯湯蓄熱量と目標蓄熱量Ｑ０とが等しくなるまで続けられ、貯湯蓄熱量が目標蓄熱量Ｑ０になったら沸き上げ動作を終了する。

沸き上げ中及び沸き上げが終了したあとに貯湯タンク２に蓄えられた湯は、給湯管４を介して蛇口等からの給湯に利用される一方、時間経過とともに徐々に放熱（一般に、１時間あたり約０．５℃程度）し、温度低下していく。また、日毎の使用湯量は、ある程度変動するので、その変動を考慮し、通常、貯湯タンク２に、昼間にある程度の残湯が残るように追加沸き上げを行ない、貯湯しておく。

そのため、従来の貯湯式給湯システムでは、必要に応じ、昼間の時間帯に貯湯タンク容量の１０％程度を追加で沸き上げ、貯湯熱量を確保する。この昼間の運転を避けるために、深夜時間帯に予め余分に蓄熱する方法もあるが、沸き上げ温度を高くする必要があり、本来の効率改善目的に逆行してしまう。

次に、従来の沸き上げ動作の問題点と、実施の形態の沸き上げ動作について、図１〜図３を用いて詳細に説明する。

図２は、一般的な、３７０Ｌの貯湯実容量をもつ貯湯式給湯システムにおいて、給水水温Ｔ０＝９℃、目標蓄熱量Ｑ０＝２０，７２０ｋｃａｌのときの、従来の沸き上げ動作による沸き上げ終了後の貯湯タンク２の貯湯状態を示す概念図である。

目標沸き上げ温度Ｔｈｐは、目標蓄熱量Ｑ０から次式により演算される。
Ｔｈｐ＝[Ｑ０／Ｗ０]＋Ｔ０
６５℃＝２０，７２０ｋｃａｌ／３７０Ｌ＋９℃

図２に示す、約６５℃、３７０Ｌの貯湯タンク２の湯を、１日の給湯で消費しつつ、タンク容量の１０％程度を追加沸き上げする場合、追加沸き上げ分の湯は、時間経過による放熱で１６時間後（１日２４時間−沸き上げ時間８時間＝１６時間、放熱による温度低下は、０．５℃×１６時間＝８℃）の次回沸き上げ直前には、貯湯タンク２内は、図３に示すように、貯湯タンク２上部に、約５７℃（６５℃−８℃）の湯が、３７Ｌ程度（３７０Ｌの１０％）残った状態となる。

図３において、従来の沸き上げ制御で沸き上げを行なう場合は、再度、貯湯タンク２内の３７０Ｌを全量６５℃になるまで沸き上げを行うので、沸き上げ前に残っていた５７℃、３７Ｌの湯が、ヒートポンプ７により再度加熱されることになり、沸き上げの効率が低下する。

通常、ヒートポンプ７の吸込温度が１℃上昇するごとに効率が２％低下するので、概略の効率低下度合いは、吸込温度が給水水温Ｔ０と同じ９℃である場合に対し、（５７℃−９℃）×２％×３７Ｌ＝３，５５２（温度差×低下効率×沸き上げ量、で仮に設定する効率悪化度合い）程度と考えられる。

一方、本発明の実施の形態の沸き上げ制御によれば、上述のような効率低下が抑制される。本発明の実施の形態による沸き上げ制御とその効果について、図４〜図６を参照して説明する。

図４は、貯湯タンク実容量３７０Ｌの一般的な貯湯式給湯システムにおいて、給水水温と＝９℃、目標蓄熱量Ｑ０＝２０，７２０ｋｃａｌの場合に、実施の形態の沸き上げ動作による沸き上げ終了後の貯湯タンク２の貯湯状態を示す概念図である。

目標蓄熱量Ｑ０から、目標沸き上げ温度Ｔｈｐは次式により設定される（沸き上げ湯量Ｗ＝タンク実容量Ｗ０×容量係数Ｐ＝実容量Ｗ０より少なく見込んだ貯湯タンク容量、容量係数Ｐ＝０．９）。
Ｔｈｐ＝[Ｑ０／（Ｗ０×Ｐ）]＋Ｔ０
＝[Ｑ０／Ｗ]＋Ｔ０
＝[２０，７２０／（３７０×０．９）]＋９
＝[２０，７２０／３３３]＋９
＝７１℃

図４に示す状態の貯湯を、１日の給湯で消費しつつ、時間経過による放熱で１６時間後（１日２４時間−沸き上げ時間８時間＝１６時間、放熱による温度低下は、０．５℃×１６＝８℃）の次回沸き上げ直前には、貯湯タンク２内は図５に示すように、貯湯タンク２上部に約６３℃（７１℃−８℃）の湯が３３Ｌ（３３３Ｌの１０％）程度残った状態となる（図５参照）。

図５に示す状態において、貯湯タンク２内の湯を再度沸き上げる場合、７１℃、３３３Ｌ分の沸き上げしか行わず、全容量３７０Ｌに対し３７０Ｌ−３３３Ｌ＝３７Ｌの余裕があり、前日の残湯３３Ｌをヒートポンプ７に吸込んで沸き上げを行なわないので、高温水の吸込みによるヒートポンプ７の効率低下を生じない。具体的には、図６に示すような状態となり、ヒートポンプ７に残湯が吸込まれることはない。

なお、目標沸き上げ温度Ｔｈｐの上昇（６５℃→７１℃）による効率低下度合いは、一般的には、沸き上げ温度が１℃上昇するごとに効率が１％低下するので、概略の効率低下度合いは、（７１℃−６５℃）×１％×３３３Ｌ＝１，９９８（温度差×低下効率×沸き上げ量、で仮に設定する効率悪化度合い）程度であると考えられ、前述の（５７℃−９℃）×２％×３７Ｌ＝３，５５２に対し、効率低下が抑制されている。

なお、タンク全量を沸き上げないことによる別の効果として、貯湯タンク２の下部２ｉ全体に亘って高温の貯湯が充満されないので、外部への放熱量の低減による効率改善がある。すなわち、図１に示すように、貯湯タンク２の下部２ｉには、貯湯タンク２を支えるために、金属製の脚６が取付けられており、脚６から外部への熱伝導による放熱を抑える効果が期待できる。

また、上述の実施の形態では、沸き上げ湯量Ｗを少なく設定するために、容量係数Ｐを設定したが、他の形態として、予め設定した一定容量（例えば、２０Ｌ等）を、実際のタンク容量Ｗ０から差し引いてもよい。また、沸き上げ湯量Ｗとして、実際のタンク容量Ｗ０よりも小さな値（例えば、３５０Ｌ等）を用いてもよい。このようにしても、上述と同様の効果を奏する。

また、設定された目標蓄熱量Ｑ０が、予め設定された最低沸き上げ温度で貯湯タンク２の容量Ｗ０の全量を沸き上げることにより得られる蓄熱量よりも少ない蓄熱量である場合にのみ、沸き上げ湯量Ｗを、貯湯タンク２の容量Ｗ０よりも少なく設定し、目標蓄熱量Ｑ０が得られるように目標沸き上げ温度Ｔｈｐを変化させ、変化させた温度Ｔｈｐに基づいて、前記ヒートポンプを運転制御するようにすれば、前日の貯湯が万一多量に残った状態で翌日の沸き上げを行なう場合等においても、低効率の沸き上げを極力少なくすることができる。

上述のように、沸き上げ湯量Ｗを、貯湯タンク２の実容量Ｗ０よりも少なく見込んだ貯湯タンク容量に設定し、目標蓄熱量Ｑ０が略等しくなるように目標沸き上げ温度Ｔｈｐを高く設定し、ヒートポンプ７を運転制御して目標蓄熱量Ｑ０の湯を貯湯するようにすれば、沸き上げ終盤から完了時点まで、ヒートポンプ７に送られるタンク下部２ｉからの貯水の温度が上昇せず、ヒートポンプサイクルによる沸き上げの効率低下を抑えることができる。特に、自然冷媒を用いたヒートポンプによる沸き上げでの効率低下抑制に有効である。

以上のように、本発明にかかる貯湯式給湯システムは、省エネルギーの給湯システムとして有用である。

本発明にかかる貯湯式給湯システムの実施の形態の構成を示す図である。 従来の貯湯式給湯システムの貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。 従来の貯湯式給湯システムの貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。 本発明の貯湯式給湯システムの貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。 本発明の貯湯式給湯システムの貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。 本発明の貯湯式給湯システムの貯湯タンクの貯湯状態を示す図である。

符号の説明

１ タンクユニット
２ 貯湯タンク
２ｈ 胴部
２ｉ 下部
２ｊ 上部
２ａ〜２ｆ 貯湯温度センサ
３ 給水管
４ 給湯管
５ 加熱循環回路
５ｉ 吸込管
５ｊ 吐出管
５ａ 吸込温度センサ
５ｂ 沸き上げ温度センサ
６ 脚
７ ヒートポンプ
３０ 制御装置
３０a 判断部
３０b 記憶部
３１ 操作部
１００ 貯湯式給湯システム
Ｔｈｐ 目標沸き上げ温度
Ｑ０ 目標蓄熱量
Ｗ０ 貯湯タンクの実容量
Ｐ 容量係数
Ｔ０ 給水温度

Claims (4)

1. 貯湯タンクと、
   前記貯湯タンク内の水を吸込み、湯に沸き上げて前記貯湯タンクに戻すことにより、前記貯湯タンク内の水を沸き上げるヒートポンプと、
   前記ヒートポンプでの沸き上げ温度を検出する沸き上げ温度センサと、
   前記ヒートポンプの沸き上げ動作を制御する制御装置と、
   前記貯湯タンクに貯えられた湯の温度を検出する貯湯温度センサと、
   を備え、ヒートポンプサイクルによる沸き上げを行なう貯湯式給湯システムにおいて、
   前記制御装置は、前記貯湯タンクに目標蓄熱量を貯えるための目標沸き上げ温度または沸き上げ湯量を、前記目標蓄熱量が、予め設定された最低沸き上げ温度で前記貯湯タンクの実容量の全量を沸き上げることにより得られる蓄熱量よりも少ない蓄熱量である場合にのみ、前記貯湯タンクの実容量より少なく見込んだ貯湯タンク容量に基づいて演算し設定することを特徴とする貯湯式給湯システム。
2. 前記少なく見込んだ貯湯タンク容量は、前記貯湯タンクの実容量に、予め設定された１よりも小さい容量係数を乗算することにより設定されることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯システム。
3. 前記少なく見込んだ貯湯タンク容量は、前記貯湯タンクの実容量から、予め設定された一定容量を差し引くことにより設定されることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯システム。
4. 前記ヒートポンプは、自然冷媒を用いたヒートポンプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の貯湯式給湯システム。

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