JP5168344B2 - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、より詳しくは、浴槽内の浴槽水を追焚き可能なヒートポンプ式給湯機に関する。

ヒートポンプ式給湯機では、浴槽内の浴槽水の温度が低下し、浴槽水の加熱（追焚き）を実施するときに、浴槽水加熱用熱交換器（以下、追焚き熱交換器）に浴槽水と加熱用温水とを循環させて、加熱用温水から浴槽水に対して放熱して、浴槽水を加熱する。

特許文献１に開示された従来のヒートポンプ式給湯機では、上記加熱用温水として、ヒートポンプにより加熱された温水か、電気ヒータにより加熱された温水かを用いている。加熱用温水を選択する判断基準は加熱効率とし、加熱効率の高い追焚きを、外気温度や浴槽水温度にかかわらず、選択できるとされている。このとき、加熱効率とは、消費されたエネルギーに対する、追焚きに使用されたエネルギーの比である。

特許第４２２２７１４号公報

特許文献１に開示された従来のヒートポンプ式給湯機は、ヒートポンプにより加熱された温水を用いた場合の追焚きと、電気ヒータなどの補助加熱源により加熱された温水を用いた場合の追焚きとの加熱効率を比較して、追焚き時の加熱効率を向上させることができるとしている。しかしながら、ヒートポンプ式給湯機は、浴槽水の追焚きが実施される前に、ヒートポンプにより加熱された温水をタンクに貯湯しており、この温水を追焚きの加熱用温水として利用することが可能である。一般に、ヒートポンプは、加熱前の水温が低いほど、温水生成時の加熱効率が高い。このタンクに貯湯された温水は、水道などの給水源から得られた低温の水を加熱するため、追焚き時にヒートポンプを運転する場合に比べて、加熱効率が高い状態でタンクに貯湯される。そのため、追焚きの加熱用温水として、タンクに貯湯された温水を利用できないと、エネルギー効率が最大となる方法を選択できない場合がある。

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、追焚き運転が可能なヒートポンプ式給湯機において、一日の消費電力量を、外気温度にかかわらず、最小とすることを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、および空気熱交換器を有する冷媒回路と、水冷媒熱交換器により加熱された高温水をタンク内に貯留する給湯回路と、浴槽内の浴槽水を追焚き熱交換器に送る負荷側回路と、水冷媒熱交換器から流出する加熱水を追焚き熱交換器に送るヒートポンプ温水加熱側回路と、タンク内に貯留された高温水を追焚き熱交換器に送るタンク温水加熱側回路と、追焚き運転時に、ヒートポンプ温水加熱側回路とタンク温水加熱側回路との何れか一方を運転することを決定する追焚き運転制御手段とを備え、追焚き運転制御手段は、外気温度と、予め定めた設定値とを比較し、外気温度が設定値より低い場合にはヒートポンプ温水加熱側回路と負荷側回路とを運転することによって浴槽水を加熱し、外気温度が設定値より高い場合にはタンク温水加熱側回路と負荷側回路とを運転することによって浴槽水を加熱するものである。

本発明によれば、追焚き運転が可能なヒートポンプ式給湯機において、一日の消費電力量を、外気温度にかかわらず、最小とすることが可能となる。

本発明のヒートポンプ式給湯機の実施の形態１を示すシステム回路図である。 本発明の実施の形態１における追焚き運転の制御動作を示すフローチャートである。 ヒートポンプ追焚き運転時における冷凍サイクルのＣＯＰ、および、夜間に貯湯運転するときの冷凍サイクルのＣＯＰと、外気温度との関係を示す図である。 夜間に貯湯運転をする場合に、タンク温水追焚き運転による追焚きに必要な分の熱量をタンクに追加して蓄える場合のＣＯＰを図３に追記した図である。 ヒートポンプ追焚き運転により追焚きを実施する場合の一日の消費電力量Ｅｈに対する、タンク温水追焚きにより追焚きを実施する場合の一日の消費電力量Ｅｔの比（Ｅｔ／Ｅｈ）と、外気温度との関係を示す図である。 給湯量、浴槽水量、給湯温度、および追焚き目標温度を一定とした場合の給湯熱量および追焚き熱量と、外気温度との関係を示す図である。 給湯熱量に対する追焚き熱量の比率と、外気温度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明のヒートポンプ式給湯機の実施の形態１を示すシステム回路図である。図１に示すように、本実施形態のシステムは、ヒートポンプユニット１００と、タンクユニット２００と、浴槽ユニット３００とを備えている。ヒートポンプユニット１００内には、圧縮機１、水冷媒熱交換器２、膨張弁３および空気熱交換器４を順次環状に接続し、冷媒が循環する冷凍サイクル（冷媒回路）１０１と、空気熱交換器４に外気を送風するファン５とが搭載されている。

タンクユニット２００内には、負荷側媒体である水を水冷媒熱交換器２に送水する沸き上げ用ポンプ６ａと、沸き上げ用ポンプ６ａにより送水されて水冷媒熱交換器２で加熱された水の流路を切り替える切替弁７と、水冷媒熱交換器２で加熱された水（高温水）を貯留するタンク（貯湯タンク）８とが搭載されている。そして、水冷媒熱交換器２と、切替弁７と、タンク８と、沸き上げ用ポンプ６ａとを、接続配管９ａ，９ｂ，９ｇ，９ｅ，９ｆによって接続することにより、給湯水回路（給湯回路）２０１が構成されている。なお、沸き上げ用ポンプ６ａは、必ずしもタンクユニット２００に設置する必要はなく、ヒートポンプユニット１００側に搭載してもよい。

また、本実施形態のシステムでは、水冷媒熱交換器２と、切替弁７と、浴槽水を加熱するための追焚き熱交換器１２と、沸き上げ用ポンプ６ａとを、接続配管９ａ，９ｂ，９ｄ，９ｇ，９ｅ，９ｆによって接続することにより、ヒートポンプ温水加熱側回路２０２が構成されている。更に、タンク８の貯湯口８ａと、切替弁７と、追焚き熱交換器１２と、追焚き用ポンプ６ｂと、タンク８の戻し口８ｃとを、接続配管９ｇ，９ｃ，９ｈによって接続することにより、タンク温水加熱側回路２０３が構成されている。また、浴槽１０と、浴槽水を循環させる浴槽水循環ポンプ１１と、追焚き熱交換器１２とを、接続配管９ｉ，９ｊ，９ｋによって接続することにより、追焚き負荷側回路３０１が構成されている。

なお、図１では、給湯水回路２０１のタンク８に貯留したお湯（高温水）を、例えば風呂などに供給する給湯装置は省略してある。また、給湯水回路２０１から水を供給する回路なども省略してある。また、本実施形態では、圧縮機１から吐出する冷媒の圧力や温度を変化させることができるように、圧縮機駆動装置（図示せず）をインバータ制御のＤＣブラシレスモータを使用して回転数を可変としたものとするが、本発明では、複数台の圧縮機１を組合せて、この組合せを切換えて全体の能力を可変としても良い。また、圧縮機１の吸入側に冷媒音を低減させるサクションマフラーのような容器や、圧縮機１の吐出側に流出した潤滑油を回収する装置など、他の目的の構造を付加しても良い。このヒートポンプ式給湯機の冷媒としては、高温出湯ができる冷媒、例えば、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ、プロパン、プロピレンなどの冷媒が適しているが、特にこれらに限定されるものではない。

ヒートポンプユニット１００内には、給湯水回路２０１において、入水温度センサ１３ａが水冷媒熱交換器２の水入口側に設けられ、出湯温度センサ１３ｂが水冷媒熱交換器２の水出口側に設けられており、それぞれ設置場所の水温度を計測する。また、ヒートポンプユニット１００の外郭またはその近傍には、外気温度検出手段としての外気温度センサ１３ｃが設けられている。この外気温度センサ１３ｃは、ヒートポンプユニット１００の周囲の外気温度を計測する。冷凍サイクル１０１において、吐出温度センサ１３ｄが圧縮機１の出口側に、吸入温度センサ１３ｅが圧縮機１の入口側に設けられており、蒸発温度センサ１３ｆが空気熱交換器４の入口から中間部に設けられており、それぞれ配置場所の冷媒温度を計測する。また、タンクユニット２００内のタンク８表面には、貯湯温度センサ１３ｇ〜１３ｊが設けられており、タンク８内の水温度を計測する。

浴槽ユニット３００内の浴槽１０には、浴槽水温センサ１３ｋが設けられ、浴槽１０内の浴槽水の温度を計測する。追焚き負荷側回路３０１において、追焚き熱交換器入水温度センサ１３ｌが追焚き熱交換器１２の入口側に設けられ、追焚き熱交換器出湯温度センサ１３ｍが追焚き熱交換器１２の出口側に設けられ、それぞれ設置場所にて、浴槽水循環ポンプ１１により循環する浴槽水の温度を計測する。

ヒートポンプユニット１００内には、制御手段としての制御装置１４が設けられている。この制御装置１４は、各温度センサ１３ａ〜１３ｍなどによる計測情報や、ヒートポンプ式給湯機の使用者からリモコン装置（図示せず）などにより指示される運転指令情報の内容に基づいて、圧縮機１の運転方法、膨張弁３の開度、沸き上げ用ポンプ６ａ、追焚き用ポンプ６ｂの運転方法、切替弁７の流路方向、浴槽水循環ポンプ１１の運転方法、後述の貯湯運転（沸き上げ運転）、追焚き運転などを制御する。

次に、このヒートポンプ式給湯機における運転動作について説明する。まず、貯湯運転について説明する。貯湯運転とは、冷凍サイクル１０１と給湯水回路２０１とを動作させ、タンク８の底部の取水口８ｂから沸き上げ用ポンプ６ａで低温水を流出させて水冷媒熱交換器２に送水し、水冷媒熱交換器２で冷媒と熱交換することにより沸き上げ、沸き上げられた高温水をタンク８の上部の貯湯口８ａからタンク８内に戻す動作である。

ヒートポンプユニット１００の冷凍サイクル１０１において、圧縮機１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水冷媒熱交換器２で給湯水回路２０１側へ放熱（水を加熱）しながら温度低下する。このとき、高圧側冷媒圧力が臨界圧以上であれば、冷媒は超臨界状態のまま気液相転移しないで温度低下して放熱する。また、高圧側冷媒圧力が臨界圧以下であれば、冷媒は液化しながら放熱する。つまり、冷媒から放熱された熱を負荷側媒体（ここでは、給湯水回路２０１を流れる水）に与えることで給湯加熱（沸き上げ）を行う。給湯加熱をして水冷媒熱交換器２から流出した高圧低温の冷媒は、膨張弁３を通過する。

膨張弁３を通過した冷媒は、ここで低圧気液二相の状態に減圧される。膨張弁３を通過した冷媒は、空気熱交換器４に流入し、そこで外気の空気から吸熱し、蒸発ガス化される。空気熱交換器４を出た低圧冷媒は、圧縮機１に吸入されて循環し、冷凍サイクル１０１を形成する。

また、給湯水回路２０１側では、タンク８内の水が、沸き上げ用ポンプ６ａによりタンク８の底部の取水口８ｂから導かれ、接続配管９ｅ、９ｆを通過して水冷媒熱交換器２内に搬送される。そして、ここで冷媒と熱交換して加熱（沸き上げ）され、接続配管９ａ，９ｂ、切替弁７、接続配管９ｇを通過して、タンク８上部の貯湯口８ａからタンク８内に流入する。これにより、タンク８内は、上部が高温水で下部が低温水の状態となる。

次に、このヒートポンプ式給湯機での貯湯運転制御動作について説明する。まず、回転数等で制御される圧縮機１の運転容量および沸き上げ用ポンプ６ａの回転数は、後述の制御装置１４で算出される加熱能力に基づいて調整される。つまり、加熱能力および出湯温度センサ１３ｂで検出される水冷媒熱交換器２の水出口における水の温度（出湯温度）が、予め定められた目標値となるように調整制御される。その目標出湯温度は、使用者からリモコンにて指示される運転指令情報から設定されるか、あるいはリモコン内もしくは制御装置１４に設けられたマイコンにて過去の給湯使用量から算出される蓄熱エネルギー（貯湯量）を確保できるように設定される。また、目標出湯温度は、予め範囲が決められており、例えば６５℃から９０℃の範囲に設定されている。

そして、目標出湯温度範囲の最大値で所定の加熱能力を確保できれば、目標出湯温度の範囲内で所定の加熱能力を確保できる。したがって、水冷媒熱交換器２の加熱能力である圧縮機１の回転数は、上述したように例えば外気温度と給水温度とに基づき調整することで、どのような目標出湯温度においても所定の加熱能力を確保することができる。言いかえれば、圧縮機１の出力は、どのような外部条件に対しても給湯機として要求されるお湯の温度を何時でも確保できる加熱能力を準備しており、この結果、常に所望の温度のお湯が給湯装置として得ることができる。また、圧縮機１の回転数は、圧縮機耐久性の観点から上限回転数および下限回転数が設けられている。

膨張弁３の開度は、吐出温度を所定値（目標吐出温度）になるように制御される。目標吐出温度は、目標出湯温度を確保できる温度とするため、目標出湯温度より高い温度、すなわち目標出湯温度＋ａ［℃］に設定されている。ａの値は、例えば外気温度や目標出湯温度の関数とする。このように目標出湯温度に応じた目標吐出温度とすることで、要求された出湯温度を確保することができる。また、圧縮機耐久性や冷凍機油劣化などの観点から、通常、吐出温度には上限温度が設けられている。

沸き上げ用ポンプ６ａの回転数は、出湯温度が目標出湯温度となるように制御される。膨張弁３で吐出温度が目標出湯温度＋ａ［℃］に制御されるため、すなわち冷凍サイクル１０１側の加熱能力が一定に維持されているため、確実に出湯温度を確保することができる。

次に、本実施形態のヒートポンプ式給湯機の運転動作の特徴部分である追焚き運転について説明する。本実施形態のヒートポンプ式給湯機では、冷凍サイクル１０１の水冷媒熱交換器２から流出する加熱水を用いた追焚き運転（以下、「ヒートポンプ追焚き運転」と称する）と、タンク８に貯留された高温水を用いた追焚き運転（以下、「タンク温水追焚き運転」と称する）との、２種類の追焚き運転を選択的に実行可能となっている。ヒートポンプ追焚き運転では、冷凍サイクル１０１およびヒートポンプ温水加熱側回路２０２と、追焚き負荷側回路３０１とを同時に動作させる。タンク温水追焚き運転では、タンク温水加熱側回路２０３と、追焚き負荷側回路３０１とを同時に動作させる。

ヒートポンプ追焚き運転の場合、冷凍サイクル１０１では、循環する冷媒を水冷媒熱交換器２に流入させて、ヒートポンプ温水加熱側回路２０２を循環する循環水と熱交換させて、循環水を加熱する。同時に、追焚き負荷側回路３０１では、浴槽水循環ポンプ１１で浴槽１０の浴槽水を追焚き熱交換器１２に流入させて、追焚き熱交換器１２でヒートポンプ温水加熱側回路２０２の加熱された循環水と熱交換させて、浴槽水を加熱し、浴槽１０に戻す動作となる。

これに対し、タンク温水追焚き運転の場合、タンク温水加熱側回路２０３では、タンク８の貯湯口８ａから流出した高温水を追焚き熱交換器１２へ送り、追焚き負荷側回路３０１を循環する浴槽水と熱交換させて浴槽水を加熱する。熱交換器１２で浴槽水へ熱を与えた後の温水は、タンク８の戻し口８ｃへ戻される。

ヒートポンプ追焚き運転における冷凍サイクル１０１の動作については、貯湯運転と同様であるため、説明を省略する。以下では、ヒートポンプ追焚き運転の特徴部分について説明する。ヒートポンプ追焚き運転では、ヒートポンプ温水加熱側回路２０２において、水冷媒熱交換器２、追焚き熱交換器１２、および接続配管９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ内に滞留する水が、沸き上げ用ポンプ６ａにより循環する。このとき、切替弁７は、接続配管９ｂと９ｃとが接続するように切り替えられる。ヒートポンプ温水加熱側回路２０２を循環する循環水は、水冷媒熱交換器２で冷凍サイクル１０１を循環する冷媒により加熱され、切替弁７を通過して、追焚き熱交換器１２で追焚き負荷側回路３０１を循環する浴槽水に放熱し、沸き上げ用ポンプ６ａに吸入され、水冷媒熱交換器２に再度流入し、循環する。

これに対し、タンク温水追焚き運転では、タンク温水加熱側回路２０３において、タンク８に貯湯された温水が、タンク温水加熱側回路２０３を循環する。このとき、切替弁７は、接続配管９ｇと９ｃとが接続するように切り替えられる。つまり、タンク８に貯湯された温水は、タンク８の貯湯口８ａから流出して、接続配管９ｇ、切替弁７、接続配管９ｃを通過して、追焚き熱交換器１２に流入し、追焚き負荷側回路３０１を循環する浴槽水に放熱し、追焚き用ポンプ６ｂに吸入され、接続配管９ｈを通過し、戻し口８ｃよりタンク８に流入する。

追焚き負荷側回路３０１では、浴槽１０内の浴槽水が、浴槽水循環ポンプ１１により、接続配管９ｉ，９ｊを通過して、追焚き熱交換器１２に搬送される。浴槽水は、追焚き熱交換器１２にて、ヒートポンプ温水加熱側回路２０２またはタンク温水加熱側回路２０３を循環する温水と熱交換して加熱され、接続配管９ｋを通過して、浴槽１０に流入する。これにより、浴槽１０内の浴槽水の温度を上昇させることができる。

次に、本実施形態のヒートポンプ式給湯機における追焚き運転制御動作について説明する。ヒートポンプ追焚き運転を実施する場合、回転数などで制御される圧縮機１の運転容量は、水冷媒熱交換器２の加熱能力が、予め定めておいた追焚き加熱能力を満たすように調整制御される。また、沸き上げ用ポンプ６ａの回転数は、出湯温度センサ１３ｂで検出される水冷媒熱交換器２の水出口における出湯温度が、予め定められた追焚き時出湯温度目標値となるように調整制御される。その追焚き時出湯温度目標値は、使用者からリモコンにて指示される運転指令情報から設定されるか、外気温度センサ１３ｃで検出される外気温度にしたがって、予め制御装置１４に記憶させたマップを参照して設定される。また、追焚き時目標出湯温度は、予め範囲が決められており、例えば４０℃から９０℃の範囲に設定される。

タンク温水追焚き運転を実施する場合、追焚き用ポンプ６ｂの回転数は、回転数一定で制御される。このときの回転数目標値は、使用者からリモコンにて指示される運転指令情報にしたがい、予め制御装置１４に記憶させたマップを参照して設定される。

追焚き負荷側回路３０１においては、浴槽水循環ポンプ１１の回転数は、回転数一定で制御されるか、または、追焚き熱交換器入水温度センサ１３ｌで検出される追焚き熱交換器１２の入口における浴槽水の温度と、追焚き熱交換器出湯温度センサ１３ｍで検出される追焚き熱交換器１２の出口における浴槽水の温度との温度差が予め定めた目標温度差内に収まるように制御される。また、目標温度差は予め範囲が決められており、３℃から１０℃の範囲で設定されている。目標温度差を設けることで、浴槽１０に戻る水温が高温となることを防ぐことが可能となり、利用者がやけどを負うという危険を防ぐことが可能となる。

図２は、本実施形態における追焚き運転の制御動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１で、制御装置１４は、外気温度センサ１３ｃで、外気温度Ｔａを計測し、記録する。続いて、ステップＳ２で、制御装置１４は、予め定めておいた設定温度Ｔｌと、ステップＳ１で記録した外気温度Ｔａとを比較する。ステップＳ３では、外気温度Ｔａが設定温度Ｔｌ以下である場合は、ヒートポンプ追焚き運転を選択する。これに対し、外気温度Ｔａが設定温度Ｔｌより高い場合には、タンク温水追焚き運転を選択する。

ステップＳ４では、ステップＳ３で選択された方法により、追焚き運転を開始する。追焚き運転を開始して、一定時間経過後、ステップＳ５で、制御装置１４は、浴槽水温センサ１３ｋで浴槽水温Ｔｂを検出する。ステップＳ６で、制御装置１４は、検出された浴槽水温Ｔｂと、使用者によりリモコンで指示された追焚き目標温度Ｔｂｔとの温度差を算出する。算出された温度差（Ｔｂｔ−Ｔｂ）が予め定めていた範囲内であれば、ステップＳ７で追焚き運転を終了する。算出された温度差（Ｔｂｔ−Ｔｂ）が予め定めていた範囲内にない場合は、追焚き運転を継続し、一定時間経過後、ステップＳ５に戻る。

図３は、ヒートポンプ追焚き運転時における冷凍サイクル１０１のＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）、および、夜間に貯湯運転（沸き上げ運転）するときの冷凍サイクル１０１のＣＯＰと、外気温度との関係を示す図である。図３に示すように、外気温度にかかわらず、ヒートポンプ追焚き運転時におけるＣＯＰの方が、夜間に貯湯運転をする場合のＣＯＰよりも小さい。これは、次のような理由によるものである。一般的に、外気温度が等しく、出湯温度と加熱能力が同等の場合、水冷媒熱交換器２への給水温度が低いほど、冷凍サイクル１０１を運転するときのＣＯＰは高くなる傾向にある。夜間に貯湯運転をする場合は、タンク８の下部に貯留された、給水源より得られた低温水が水冷媒熱交換器２に送られるため、水冷媒熱交換器２への給水温度は低い。これに対し、ヒートポンプ追焚き運転を実施する際は、水冷媒熱交換器２で加熱された温水が、追焚き熱交換器１２で浴槽水と熱交換した後、再び水冷媒熱交換器２に流入する。ヒートポンプ温水加熱側回路２０２の追焚き熱交換器１２の出口側の水温は、最大に低下したとしても、浴槽水の温度までしか低下しない。したがって、ヒートポンプ追焚き運転時の水冷媒熱交換器２への給水温度は、最低でも浴槽水の温度以上となるため、夜間の貯湯運転時における水冷媒熱交換器２への給水温度より高くなる。以上のような理由から、ヒートポンプ追焚き運転において冷凍サイクル１０１を運転するときのＣＯＰは、夜間の貯湯運転時のＣＯＰより小さくなる。

図４は、夜間に貯湯運転をする場合に、タンク温水追焚き運転による追焚きに必要な分の熱量をタンク８に追加して蓄える場合のＣＯＰを図３に追記した図である。タンク８は一定の容量であるため、一日の給湯熱量のほかに、追焚きに必要な熱量を追加して蓄えるためには、追焚き熱量を追加しない場合に比べて、タンク８に貯える湯の温度（貯湯温度）を高くする必要がある。すなわち、貯湯運転で水冷媒熱交換器２の出湯温度を高くする必要がある。ヒートポンプ式給湯機は、一般に、外気温度が等しく、給水温度と加熱能力が同等の場合、水冷媒熱交換器２の出湯温度が高いほど、冷凍サイクル１０１を運転するときのＣＯＰが小さくなる傾向にある。タンク温水追焚き運転により追焚きを行う場合には、追焚きを実施する前日の夜間に、追焚きに必要な分の熱量をタンク８に余分に確保する必要があるので、水冷媒熱交換器２の出湯温度を高くする必要がある。そのため、図４に示すように、追焚きに必要な分の熱量を追加して夜間に貯湯運転を行う場合（すなわち、タンク温水追焚き運転によって追焚きを行う場合）の冷凍サイクル１０１のＣＯＰ（白い三角のマーク）は、追焚きに必要な熱量を確保しない場合（すなわち、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを行う場合）のＣＯＰ（黒い三角のマーク）に比べ、小さくなる。

図５は、ヒートポンプ追焚き運転により追焚きを実施する場合の一日の消費電力量Ｅｈに対する、タンク温水追焚きにより追焚きを実施する場合の一日の消費電力量Ｅｔの比（Ｅｔ／Ｅｈ）と、外気温度との関係を示す図である。図５に示すように、外気温度が所定温度α（本実施形態では、３０℃程度）より低い範囲では、消費電力量比Ｅｔ／Ｅｈは１００％を超えている。すなわち、外気温度が所定温度αより低い範囲では、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する場合の方が、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合と比べ、一日の消費電力量が大きい。これに対し、外気温度が所定温度αより高い範囲になると、消費電力量比Ｅｔ／Ｅｈは１００％未満となる。すなわち、外気温度が所定温度αより高い範囲では、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する場合の方が、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合と比べて、一日の消費電力量が小さくなる。図２のステップＳ２における設定温度Ｔｌは、上記の所定温度αに基づいた温度に設定される。図５に示すような傾向が現れる理由については、後述する。

図６は、給湯量、浴槽水量、給湯温度、および追焚き目標温度を一定とした場合の給湯熱量および追焚き熱量と、外気温度との関係を示す図である。外気温度が低いほど、給水源から供給される水の温度が低くなる。ヒートポンプ式給湯機は、給水源から供給される水とタンク８に貯留された温水とを混合して給湯する。このため、図６に示すように、給湯量と給湯温度が一定であれば、給水源から供給される水の水温が低いほど、給湯熱量は増加する傾向となる。また、外気温度が低いほど、放熱量が多くなるため、浴槽水量と追焚き目標温度を一定とした場合、追焚き熱量は増加する。

図７は、給湯熱量に対する追焚き熱量の比率と、外気温度との関係を示す図である。図７に示すように、給湯熱量に対する追焚き熱量の比率は、外気温度が低いほど大きいが、およそ６〜８％程度である。

図５に示すような傾向が現れる理由は、次のようなものである。前述したように、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合の貯湯運転のＣＯＰ（図４中の黒い三角のマーク）は、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する場合における貯湯運転のＣＯＰ（図４中の白い三角のマーク）と比べて、高くなる。外気温度が低い場合には、給湯熱量や追焚き熱量が大きく、貯湯運転で蓄えるべき熱量が大きいため、貯湯運転の時間が長くかかる。このため、外気温度が低い場合には、貯湯運転のＣＯＰの差が大きく影響する。その一方で、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合には、追焚き運転自体は最も低いＣＯＰ（図４中の黒丸のマーク）で運転することになる。しかしながら、給湯熱量に対する追焚き熱量の比率は図７に示すように小さいため、ヒートポンプ追焚き運転のＣＯＰが最も低いことの影響は通常は小さい。したがって、外気温度が低い場合には、貯湯運転のＣＯＰの差が支配的となる。このようなことから、外気温度が所定温度αより低い場合には、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合の方が、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する場合と比べ、一日の消費電力量を小さくすることができる。

これに対し、外気温度が高い場合には、給湯熱量や追焚き熱量が小さく、貯湯運転で蓄えるべき熱量が小さいため、貯湯運転にかかる時間が短い。このため、外気温度が高い場合には、貯湯運転のＣＯＰの差の影響は小さくなる。その結果、ヒートポンプ追焚き運転のＣＯＰが最も低いことの影響が相対的に大きくなり、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施することが不利となる。このため、外気温度が高い場合には、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する方が有利となる。このようなことから、外気温度が所定温度αより高い場合には、タンク温水追焚き運転によって追焚きを実施する場合の方が、ヒートポンプ追焚き運転によって追焚きを実施する場合と比べ、一日の消費電力量を小さくすることができる。

前述したように、図２に示す本実施形態の制御動作によれば、計測された外気温度Ｔａが設定温度Ｔｌ以下である場合はヒートポンプ追焚き運転を選択し、外気温度Ｔａが設定温度Ｔｌより高い場合にはタンク温水追焚き運転を選択する。これにより、外気温度に応じて、一日の消費電力量を小さくすることができる方の追焚き運転方法を自動的に選択することができる。このため、ヒートポンプ式給湯機の一日の消費電力量を、外気温度にかかわらず、最小とすることができる。

１ 圧縮機
２ 水冷媒熱交換器
３ 膨張弁
４ 空気熱交換器
５ ファン
６ａ 沸き上げ用ポンプ
６ｂ 追焚き用ポンプ
７ 切替弁
８ タンク
８ａ 貯湯口
８ｂ 取水口
８ｃ 戻し口
９ａ〜９ｆ 接続配管
１０ 浴槽
１１ 浴槽水循環ポンプ
１２ 追焚き熱交換器
１３ａ 入水温度センサ
１３ｂ 出湯温度センサ
１３ｃ 外気温度センサ
１３ｄ 吐出温度センサ
１３ｅ 吸入温度センサ
１３ｆ 蒸発温度センサ
１３ｋ 浴槽水温センサ
１３ｌ 追焚き熱交換器入水温度センサ
１３ｍ 追焚き熱交換器出湯温度センサ
１４ 制御装置
１００ ヒートポンプユニット
１０１ 冷凍サイクル
２００ タンクユニット
２０１ 給湯水回路
２０２ ヒートポンプ温水加熱側回路
２０３ タンク温水加熱側回路
３００ 浴槽ユニット
３０１ 追焚き負荷側回路

Claims (5)

1. 圧縮機、水冷媒熱交換器、膨張弁、および空気熱交換器を有する冷媒回路と、
   前記水冷媒熱交換器により加熱された高温水をタンク内に貯留する給湯回路と、
   浴槽内の浴槽水を追焚き熱交換器に送る負荷側回路と、
   前記水冷媒熱交換器から流出する加熱水を前記追焚き熱交換器に送るヒートポンプ温水加熱側回路と、
   前記タンク内に貯留された高温水を前記追焚き熱交換器に送るタンク温水加熱側回路と、
   追焚き運転時に、前記ヒートポンプ温水加熱側回路と前記タンク温水加熱側回路との何れか一方を運転することを決定する追焚き運転制御手段とを備え、
   前記追焚き運転制御手段は、外気温度と、予め定めた設定値とを比較し、外気温度が前記設定値より低い場合には前記ヒートポンプ温水加熱側回路と前記負荷側回路とを運転することによって前記浴槽水を加熱し、外気温度が前記設定値より高い場合には前記タンク温水加熱側回路と前記負荷側回路とを運転することによって前記浴槽水を加熱することを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記追焚き運転制御手段は、前記ヒートポンプ温水加熱側回路を運転する場合に、前記水冷媒熱交換器から流出する加熱水の温度が一定となるように前記ヒートポンプ温水加熱側回路の循環ポンプの回転数を制御するとともに、前記冷媒回路の加熱能力を前記圧縮機の回転数により制御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。
3. 前記追焚き運転制御手段は、前記タンク温水加熱側回路を運転する場合に、前記追焚き熱交換器における、前記タンク温水加熱側回路の加熱能力を、前記タンク温水加熱側回路の循環ポンプの回転数により制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 前記追焚き運転制御手段は、前記負荷側回路の循環ポンプの回転数を一定で制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 前記追焚き運転制御手段は、前記負荷側回路を循環する浴槽水の、前記追焚き熱交換器の出口温度と入口温度との差が所定範囲内となるように制御することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載のヒートポンプ式給湯機。

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