JP5038729B2

JP5038729B2 - ヒートポンプ式給湯機

Info

Publication number: JP5038729B2
Application number: JP2007007684A
Authority: JP
Inventors: 俊哉宮村; 猛彦西山
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-01-17
Also published as: JP2008175426A

Description

この発明は、ヒートポンプ式加熱手段により貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式給湯機で、特に、ヒートポンプ式加熱手段の沸き上げ運転の制御に関するものである。

従来よりこの種のものでは、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯、例えば当日２３時〜翌日７時の間にヒートポンプ式加熱手段の運転により貯湯タンク内の湯水のほとんどを沸き上げ、沸き上げた温水を暖房や風呂の熱源として使用したり、給湯に使用したりしている。また、このような深夜電力を利用したものにおいては、深夜電力時間帯終了時（翌日７時）の少し前に沸き上げが完了するように予め必要沸き上げ時間Ｈを沸き上げ量Ｑ、ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力Ｗ、加熱補正係数αから次式にて算出している。
Ｈ＝Ｑ／（８６０×Ｗ×α）
そして、沸き上げ開始時刻を制御するいわゆるピークシフトを行うようにしている。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００４−２１８８７３号公報

ところでこの従来のヒートポンプ式給湯機では、貯湯タンク内に貯湯された高温水を取り出して暖房や風呂の追焚きの熱源として用い、熱交換によって温度低下した中温水が貯湯タンク内に戻されること等によって、貯湯タンク内には温度低下した４０℃〜６０℃程度の中温水が貯まる。この中温水が貯湯タンク内に多量に貯まった状態で、沸き上げ運転に入ると、中温水に対するヒートポンプ式加熱手段の加熱能力の低下が大きいため、予め計算された必要沸き上げ時間よりも沸き上げ時間が長くなり深夜時間帯での沸き上げを終了しないという問題点を有するものであった。

この発明は上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、内部に湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク側面上下に複数個設けられ貯湯タンク内の湯水の温度を検出する貯湯温度検出手段と、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、沸き上げ量および前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力とに基づき必要沸き上げ時間を算出する制御手段とを備えるヒートポンプ式給湯機において、前記制御手段は、前記貯湯温度検出手段により第１所定温度以上かつ第２所定温度以下が検出された湯温から前記貯湯タンク内の中温水量を判断すると共にこの中温水量に応じた加熱補正係数を選択し、選択された加熱補正係数により前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を補正して、前記必要沸き上げ時間を算出するようにしたものである。

又請求項２では、前記制御手段は、前記中温水量が多くなる程、より小さい前記加熱補正係数を選択するようにしたものである。

又請求項３では、前記制御手段は、前記貯湯温度検出手段のうち第１所定温度以上かつ第２所定温度以下を検出した個数から中温水量を算出するようにしたものである。

この発明の請求項１によれば、貯湯温度検出手段により第１所定温度以上かつ第２所定温度以下が検出された湯温から貯湯タンク内の中温水量を判断すると共にこの中温水量に応じた加熱補正係数を選択することで、前記中温水に対するヒートポンプ式加熱手段の加熱能力の低下を考慮した必要沸き上げ時間が計算でき、確実に電力単価が安価な深夜時間帯で沸き上げを完了させることができるものである。

又請求項２によれば、中温水量が多くなる程、より小さい加熱補正係数を選択することで、中温水量が多い時には、より必要沸き上げ時間を長く取り、沸き上げ開始時刻を早め、確実に電力単価が安価な深夜時間帯で沸き上げを完了させることができるものである。

又請求項３によれば、制御手段は所定温度域を検出した貯湯温度検出手段の個数から簡単に中温水量を判断することができるものである。

次にこの発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機を図１に基づき説明する。
１は湯水を貯湯するタンク容量３７０Ｌの貯湯タンク、２は貯湯タンク１内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段、３は給湯栓、４は浴室温水暖房乾燥器や床暖房端末などの温水暖房端末器である。

５は貯湯タンク１とヒートポンプ式加熱手段２を循環可能に接続するヒーポン循環回路で、６はヒーポン循環回路５に設けられて貯湯タンク１内の湯水を循環するヒーポン循環ポンプである。ヒーポン循環回路５は貯湯タンク１下部に接続されたヒーポン往き管５ａおよび貯湯タンク１上部に接続されたヒーポン戻り管５ｂより構成され、貯湯タンク１下部の低温の水をヒーポン往き管５ａを介してヒートポンプ式加熱手段２で加熱し、加熱された高温の湯をヒーポン戻り管５ｂから貯湯タンク１上部に戻して、高温の湯を上部から順次積層して貯湯するものである。

また、貯湯タンク１の側面の上下方向には上部から測って貯湯量が２０Ｌ、５０Ｌ、１００Ｌ、１５０Ｌ、２００Ｌ、２５０Ｌ、３００Ｌ、３５０Ｌの位置に、その位置の湯の温度を検出する貯湯温度検出手段としての貯湯温度センサ７ａ〜７ｈが配設されている。なお、貯湯温度センサ７ｈで検出される温度情報は、沸き上げ運転を行う時の加熱停止温度を検出するものであり、この貯湯温度センサ７ｈが加熱停止温度に達すると沸き上げ運転を終了するものである。

８は貯湯タンク１下端に接続され貯湯タンク１内に水を供給する給水管、９は貯湯タンク１上端に接続され貯湯されている高温の湯を出湯する出湯管、１０は給水管８から分岐した給水バイパス管、１１は給水バイパス管１０からの水と出湯管９からの高温の湯を設定温度に混合する混合弁、１２は混合された設定温度の温水を給湯する給湯管である。１３は混合弁１１の下流に設けた給湯温度センサ、１４は給湯量をカウントする給湯流量センサ、１５は水道圧を所定の圧力に減圧する減圧弁、１６は給水管８途中に設けられ給水の温度を検出する給水温度センサ、１７は加熱されることによる過圧を逃す圧力逃し弁、１８はヒートポンプ式加熱手段２の運転開始・停止制御や貯湯温度センサなどの各種センサの入力を受けて各アクチュエータの駆動を制御するマイクロコンピュータを有する制御手段である。

次に、１９は温水暖房端末器４の熱媒を加熱するための暖房熱交換器で、その一次側には貯湯タンク1上部に接続された熱交往き管２０と貯湯タンク１下部に接続された熱交戻り管２１とが接続されて一次側暖房循環回路２２を構成し、熱交戻り管２１途中に設けられた一次側循環ポンプ２３の作動により、貯湯タンク１から取り出した高温の湯を暖房熱交換器１９に循環させ、熱交換により温度低下した中温水を再び貯湯タンク１内に戻すものである。

前記暖房熱交換器１９の二次側には、温水暖房端末器４の循環熱媒を循環可能に暖房往き管２４と暖房戻り管２５より構成される二次側暖房循環回路２６が接続され、暖房戻り管２５途中に設けられた膨張タンク２７によって循環熱媒の体積膨張による圧力上昇を吸収し、同じく暖房戻り管２５途中に設けられた二次側循環ポンプ２８の作動により温水暖房端末器４の循環熱媒が暖房熱交換器１９に循環されて、一次側の高温の湯により加熱されて暖房あるいは乾燥が行われるものであり、２９は二次側暖房循環回路２６の運転開始・停止を指示する暖房運転指示手段である。

そして、暖房運転指示手段２９にて暖房運転の開始が指示されると、一次側循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２８の駆動を開始し、貯湯タンク１内の高温の湯を暖房熱交換器１９へ循環させて二次側暖房循環回路２６内の循環熱媒を加熱し、加熱された循環熱媒が温水暖房端末器４にて放熱して暖房が行われる。この時、二次側暖房循環回路２６内に設けられた温度センサ（図示しない）の検知温度が所定温度になるように一次側循環ポンプ２３および／または二次側循環ポンプ２８の回転数が適宜調節される。また、二次側との熱交換により温度低下した中温水は貯湯タンク１の下部へ戻されるものである。そして、暖房停止の指示があると、一次側循環ポンプ２３および二次側循環ポンプ２８の駆動を停止して暖房運転を終了するものである。

次に、図１に示す一実施形態の作動を図２の貯湯タンク１内の貯湯温度の温度形態を示す図と図３及び図４に示すフローチャートを用いて説明する。
なお、図２は貯湯タンク１内に貯湯された高温の湯を暖房運転や給湯で使用した後の沸き上げ運転開始前の貯湯タンク１内の貯湯温度の温度形態を示す一例であり、ここでは貯湯量Ａの層は温度Ｔ_Ｈが６０℃以上、貯湯量Ｂの層は温度Ｔ_Ｍが４０℃以上かつ６０℃未満、貯湯量Ｃの層は温度Ｔ_Ｌが４０℃未満であるものとする。

まず、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯（例えば２３：００）に達すると、制御手段１８は沸き上げ制御を開始し、ステップ１（以下、Ｓ１と略す）で過去数日分の消費熱量の最大値から翌日に使用されるであろうと推測される消費熱量と、給水温度センサ１６で検出される給水温度とから所定温度範囲（例えば、６５℃〜９０℃の範囲）内の任意の沸き上げ目標温度Ｔ_Ｏ、例えば９０℃を設定し、Ｓ２で給水温度センサ１６から給水温度Ｔ_Ｗ、例えば７℃を読み込む。続いて、Ｓ３で貯湯温度センサ７ａ〜７ｈの検出温度から貯湯タンク１内の残湯量Ｌ_ｔを読み込むが、本実施形態での残湯量は残湯ありと判断される図２の温度Ｔ_Ｈ（℃）の貯湯量Ａで、この貯湯量Ａのうち貯湯温度センサ７ｃが配設された位置までの貯湯量、すなわち１００Ｌを残湯量Ｌ_ｔとして読み込む。そして、Ｓ４で貯湯温度センサ７ａ〜７ｈのうち中温水と判断される４０℃以上かつ６０℃以下を検出した個数ｚ、ここでは図２の温度Ｔ_Ｍ（℃）を検出する貯湯温度センサ７ｄ〜７ｆの３個を読み込む。

続いて、Ｓ５に進み、Ｓ４で読み込んだ中温水と判断される４０℃以上かつ６０℃以下を検出した貯湯温度センサの個数ｚから中温水量が多いか少ないかの判断を行う。具体的には個数ｚが３個以上の場合は中温水量が多いと判断しＹＥＳでＳ６に進み、加熱補正係数αを０．８とし、個数ｚが３個未満の場合は中温水量が少ないと判断しＮＯでＳ７に進み、加熱補正係数αを０．９とする。本実施形態では４０℃以上かつ６０℃以下を検出した貯湯温度センサは、図２の温度Ｔ_Ｍ（℃）を検出する貯湯温度センサ７ｄ〜７ｆの３個であるため、加熱補正係数αは０．８となる。このように、中温水量に応じた加熱補正係数αを選択することで、中温水に対するヒートポンプ式加熱手段２の加熱能力の低下を考慮した必要沸き上げ時間Ｈが計算でき、確実に電力単価が安価な深夜時間帯で沸き上げを完了させることがものであり、貯湯温度センサの個数から簡単に中温水量が多いか少ないかの判断ができるものである。なお、ここでは中温水と判断される４０℃以上かつ６０℃以下を検出した貯湯温度センサの個数ｚから中温水量が多いか少ないかの判断を行ったが、貯湯温度センサ７ａ〜７ｈの検出温度から中温水量を推測し、中温水量が多いか少ないかの判断を行うものとしてもよい。

次に、Ｓ８で必要沸き上げ時間Ｈを次式により算出する。ここで、ヒートポンプ式加熱手段２の加熱能力Ｗは定格で４．５ＫＷとする。
必要沸き上げ時間Ｈ＝沸き上げ量Ｑ／（８６０×加熱能力Ｗ×加熱補正係数α）
沸き上げ量Ｑ＝（タンク容量Ｌ−残湯量Ｌ_ｔ）
×（沸き上げ目標温度Ｔ_Ｏ−給水温度Ｔ_Ｗ）
つまり、
必要沸き上げ時間Ｈ＝
（タンク容量Ｌ−残湯量Ｌ_ｔ）×（沸き上げ目標温度Ｔ_Ｏ−給水温度Ｔ_Ｗ）
／（８６０×加熱能力Ｗ×加熱補正係数α）
＝（３７０−１００）×（９０−７）／（８６０×４．５×０．８）
＝７．４時間＝７時間２４分
となる。

次に、Ｓ９で沸き上げ開始時刻Ｈ_Ｓを次式により算出する。
沸き上げ開始時刻Ｈ_Ｓ＝深夜時間帯終了時刻−必要沸き上げ時間Ｈ
＝（７時００分）−（７時間２４分）
＝２３時３６分
となる。そして、Ｓ１０で現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｈ_Ｓになったかどうかを判断し、現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｈ_Ｓに達するとＹＥＳでＳ１１に進み、ヒートポンプ式加熱手段２に通電を開始して沸き上げを開始し、Ｓ１２で貯湯温度センサ７ｈの検出する温度が予め設定された加熱停止温度以上になったかどうかを判断し、加熱停止温度以上になったらＹＥＳでＳ１３に進み、ヒートポンプ式加熱手段２の通電を停止して沸き上げを停止し、沸き上げ制御を終了するものである。

なお、本発明は上記の一実施形態だけに限定されるものではなく、中温水と判断される４０℃以上かつ６０℃以下を検出した貯湯温度センサの個数ｚに応じた加熱補正係数αの値を、例えば個数ｚが１個の場合は加熱補正係数を０．９、個数ｚが２個の場合は加熱補正係数を０．８５、個数ｚが３個の場合は加熱補正係数を０．８のようにもっと細かく設定しても良く、このように、中温水量が多くなる程、より小さい加熱補正係数を選択することで、より中温水量に適した必要沸き上げ時間を算出することができるものである。

また、上記の一実施形態では前記暖房熱交換器１９の二次側には暖房回路を接続しているが、代わりに風呂回路を接続しても良いものであり、また、貯湯タンク１内に蛇管よりなる風呂熱交換器を有し浴槽水を加熱する風呂回路を接続しても良いものである。さらに、暖房回路と風呂回路を共に付したヒートポンプ式給湯機にも本発明を適用できるものである。

この発明の一実施形態の概略構成図。同一実施形態の貯湯タンク１内の貯湯温度の温度形態を示す図。同要部フローチャート。同要部フローチャート。

符号の説明

１貯湯タンク
２ヒートポンプ式加熱手段
７ａ〜７ｈ貯湯温度検出手段（貯湯温度センサ）
１８制御手段

Claims

内部に湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク側面上下に複数個設けられ貯湯タンク内の湯水の温度を検出する貯湯温度検出手段と、前記貯湯タンク内の湯水を加熱するヒートポンプ式加熱手段と、沸き上げ量および前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力とに基づき必要沸き上げ時間を算出する制御手段とを備えるヒートポンプ式給湯機において、前記制御手段は、前記貯湯温度検出手段により第１所定温度以上かつ第２所定温度以下が検出された湯温から前記貯湯タンク内の中温水量を判断すると共にこの中温水量に応じた加熱補正係数を選択し、選択された加熱補正係数により前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を補正して、前記必要沸き上げ時間を算出することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
前記制御手段は、前記中温水量が多くなる程、より小さい前記加熱補正係数を選択することを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
前記制御手段は、前記貯湯温度検出手段のうち第１所定温度以上かつ第２所定温度以下を検出した個数から中温水量を判断することを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯機。