JP5203980B2 - 貯湯式給湯暖房装置 - Google Patents

Description

この発明は、給湯用の貯湯温水を暖房用の熱源としても利用する貯湯式給湯暖房装置に関するものである。

従来より、この種の貯湯式給湯暖房装置に於いては、貯湯タンク内の沸き上げ運転をしながら暖房運転をしたり、貯湯タンク内の湯水を利用しての蓄熱暖房運転等を行い暖房運転を継続するものであった。

特開２００７−３３３３３５号公報

ところでこの従来のものでは、寒冷地等で２４時間暖房を行うと蓄熱暖房だけでは、熱量が不足する為に昼間の高い電力を使用してヒートポンプ手段を運転して、不足する熱量の補充をしなければならず、どうしても電気料が嵩むと言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為に、特にその構成を、給湯用の湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を循環して加熱するヒートポンプ手段と、前記貯湯タンクの湯水を一次側の熱源として二次側の暖房循環水を加熱するための暖房用熱交換器と、前記貯湯タンク上部の湯水を前記暖房用熱交換器へ循環させたのち該貯湯タンク下部に戻す一次側循環ポンプと、前記暖房用熱交換器で加熱された暖房循環水を放熱器へ循環させて放熱後に再び暖房用熱交換器に循環させる二次側循環ポンプとを備え、前記ヒートポンプ手段による湯水の加熱では、加熱した湯水をそのまま貯湯タンク上部へ全部戻す沸き上げ運転と、その半分を前記暖房用熱交換器へ循環させて暖房運転も行う沸き上げ暖房併用運転とが行え、更に暖房運転には貯湯タンク内に貯湯した温水を暖房用熱交換器に循環させて行う蓄熱暖房運転とを行うものに於いて、前記貯湯タンク内の湯水を深夜時間帯の２３時から翌朝７時迄の間で、丁度７時に沸き上がるように沸き上げ暖房併用運転の開始時間を算出するピークシフト演算手段を備え、このピークシフト演算手段は、前日の暖房実績、前日のヒートポンプ手段の平均能力から、深夜時間帯中に沸き上げ暖房併用運転及び蓄熱暖房運転を行うようにしたものである。

以上のようにこの発明によれば、深夜時間帯中での暖房運転も考慮してピークシフト演算されるので、割安な深夜の時間帯別契約電力等を使用してヒートポンプ手段を、フルに運転して暖房と貯湯を行い、しかも深夜時間帯終了である翌朝７時には貯湯タンク満タンに高温水を沸き上げておくことにより、昼間はこの貯湯温水を利用しての給湯と暖房を行い、極力昼間はヒートポンプ手段を運転しないようにすることで、冬期に嵩む電気料を安価に抑えるようにしたものである。
更に前日の暖房実績や前日のヒートポンプ手段の平均能力も係数としてピークシフト演算されるので、貯湯される熱量に大きな過不足は発生せず、効率の良い貯湯が出来ると共に、実使用をベースに必要暖房熱量が確保され熱量が不足する心配がなく、常に安心して使用されるものである。

この発明の一実施形態を示す貯湯式給湯暖房装置のシステム図。 同沸き上げ暖房運転状態の説明図。 同蓄熱暖房運転状態の説明図。 同電気回路の要部ブロック図。 同ピークシフト運転による貯湯タンク内熱量の特性図。

次にこの発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク２等を収納する貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク２内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ手段で、内部には圧縮機４と凝縮器としての水熱交換器５と電子膨張弁６と強制空冷式の蒸発器７とで構成され、このヒートポンプ手段３には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。又前記圧縮機４や電子膨張弁６等によりヒートポンプサイクルを駆動制御するヒーポン制御部８を設けている。

９は前記貯湯タンク２の下部と水熱交換器５を接続するヒーポン往き管で、前記貯湯タンクユニット１内のヒーポン往き管９に第１三方弁１０と兼用循環ポンプ１１が備えられている。

１２は前記貯湯タンク２の上部と暖房用熱交換器１３を接続する上部配管（暖房往き管）で、暖房用熱交換器１３側と貯湯タンク２の間に第２三方弁１４を備えている。１５は前記上部配管１２の中間に備えた第２三方弁１４と水熱交換器５とを第３三方弁１６を介して接続したヒーポン戻り管。

１７は前記暖房用熱交換器１３で熱交換後の湯水を貯湯タンク２の下部に戻す暖房戻り管で、途中で２経路に分岐し一方は第４三方弁１８を介して貯湯タンク２の下部に連通しており、他方はヒーポン往き管９の第１三方弁１０と兼用循環ポンプ１１を通り、第４三方弁１８を介して貯湯タンク２下部に連通するものであり、前者が沸き上げ暖房併用運転時の暖房の戻り回路であり、後者は蓄熱暖房運転の暖房の戻り回路である。

１９は前記貯湯タンク２の下部に接続され貯湯タンク２に逆止弁２０を介して水を給水する入水管。２１は前記貯湯タンク２の上部に接続され貯湯されている高温水を出湯する出湯管。２２は前記貯湯タンク２の中間位置に接続され暖房用熱交換器１３で放熱後した後の中温水を取り出す中間出湯管。２３は前記出湯管２１からの湯水と前記中間出湯管２２からの中温水とを任意の温度になるよう混合する中間混合弁。２４は前記入水管１９から分岐された給水管。２５は前記中間混合弁２３からの湯水と前記給水管２４からの給水とを混合する給湯混合弁で、給湯サーミスタ２６が検知する混合水温度が給湯設定温度になるように混合するものである。

２７は中間混合弁２３からの湯水と給水管２４から分岐した分岐給水管２８からの給水とを混合する風呂混合弁で、湯張りサーミスタ２８が検知する混合水温度が風呂設定温度になるように混合するものであり、２９は前記風呂混合弁２７で混合した湯水を浴槽３０に湯張りする電磁開閉弁であり、下流側には湯張り量をカウントして所定量で湯張りを停止させる流量センサ３１が設けられている。３２は浴槽３０内の浴槽水を貯湯タンク２内の上部に設けられた風呂用熱交換器３３へ循環させて風呂の追い焚きを行う風呂循環回路で、浴槽水を循環させる風呂循環ポンプ３４と該浴槽３０内の水位を検知する水位センサ３５が備えられている。３６は風呂用熱交換器３３をバイパスさせるバイパス三方弁である。

３７は前記暖房用熱交換器１３の二次側に暖房往き管３８と暖房戻り管３９で接続された放熱器で、前記暖房戻り管３９の途中には、回路内の膨張分を吸収する膨張タンク４０と二次側循環ポンプ４１を接続し、前記暖房用熱交換器１３と暖房往き管３８と放熱器３７と暖房戻り管３９を連通して二次側暖房回路４２を形成している。

４３は前記各三方弁や兼用循環ポンプ１１等の駆動制御を行うと共に、前記ヒーポン制御部８に指令を発し、予めプログラミングされたマイクロコンピュータを主体として構成されている主制御部であり、一次側暖房回路で暖房用熱交換器１３に流入される熱量温度を検知する暖房入口温度センサ４４や、この熱交換後の温度を暖房出口温度センサ４５で検知し、又この一次側暖房回路の循環量を暖房流量センサ４６で検知し、主制御部４３内に備えられたピークシフト演算手段４７に入力させて前日の暖房実績を演算し、更にヒートポンプ手段３の水熱交換器５への入水温度及び加熱後の温度を、それぞれヒーポン入口サーミスタ４８及びヒーポン出口サーミスタ４９で検知し、ヒーポン流量センサ５０によるヒーポン循環流量検知により、これもピークシフト演算手段４７に入力して前日のヒートポンプ手段３の平均能力を演算するものである。

前記ピークシフト演算手段４７は、現在時刻をカウントする時計機能を有し、貯湯タンク２の外周壁に上から下に縦に一列備えられた７つの貯湯温度センサ５１ａ〜５１ｇによる残湯量検知により、貯湯タンク２内の湯水を電気料が安い深夜時間帯の２３時から翌朝７時迄の間で、丁度７時に沸き上がるように開始時間を調整して沸き上げ完了させるもので、更にピークシフト演算手段４７は前記した前日の暖房実績と前日のヒートポンプ手段３の平均能力から、貯湯タンク２内の湯水を沸き上げながら暖房もする沸き上げ暖房運転中に蓄熱暖房運転を行える時間も算出し、この運転を行わせるものである。

次にこの一実施形態による作動で、沸き上げ暖房運転について説明すれば、今ヒートポンプ手段３を駆動させると共に兼用循環ポンプ１１も駆動させ、ヒーポン往き管９により貯湯タンク２の下部から低温水を取り出し、第１三方弁１０から兼用循環ポンプ１１を通りヒートポンプ手段３の水熱交換器５に送られ、ここで加熱されて高温水となりヒーポン戻り管１５の第３三方弁１６から第２三方弁１４で２方向に分岐され、一方は上部配管１２から貯湯タンク２上部に流通して沸き上げ運転を行うものであり、他方も上部配管１２の他方から暖房用熱交換器１３に流入し、二次側循環ポンプ４１の駆動で二次側暖房回路４２の熱媒体と熱交換して放熱器３７での暖房を行わせるものであり、そして熱交換後の温度低下した温水を暖房戻り管１７で第４三方弁１８を介して貯湯タンク２の下部に戻され、順次この循環を繰り返して沸き上げながら暖房も行うものである。

次に貯湯タンク２内の貯湯水を利用して暖房を行う蓄熱暖房運転について説明すれば、兼用循環ポンプ１１の駆動により貯湯タンク２の上部の高温水が、上部配管１２から第２三方弁１４を介して暖房用熱交換器１３に流入し、二次側循環ポンプ４１の駆動で二次側暖房回路４２の熱媒体と熱交換して放熱器３７での暖房を行わせるものであり、そして熱交換後の温度低下した温水を暖房戻り管１７で第１三方弁１０から兼用循環ポンプ１１に圧送され第４三方弁１８から貯湯タンク２の下部へ低温水が戻され、順次この循環を繰り返してヒートポンプ手段３を運転することなく、貯湯タンク２の蓄熱のみを利用して暖房が行われるものである。

次にピークシフト演算手段４７で行われる沸き上げ暖房運転のピークシフトの演算について説明すると、先ず前日の暖房実績は、一次側暖房回路で暖房入口温度センサ４４による暖房用熱交換器１３に流入の熱媒温度Ｔ１と、暖房出口温度センサ４５による熱交換後の熱媒温度Ｔ２と、暖房流量センサ４６による一次側暖房流量Ｇ１から、
一次側暖房能力Ｑ１＝６０Ｇ１（Ｔ１−Ｔ２）／８６０
で算出し、そしてこの暖房能力を例えば１５秒間隔で積算して行き、最終的には暖房時間で割ることで、前日の暖房実績Ｑを演算するものである。

更に前日のヒートポンプ手段３の平均能力は、ヒーポン入口サーミスタ４８による水熱交換器５で加熱される前の給水温度Ｔ３と、ヒーポン出口サーミスタ４９による加熱後の高温水温度Ｔ４と、ヒーポン流量センサ５０によるヒーポン循環回路の循環流量Ｇ２から、
ヒーポン能力Ｈ１＝６０Ｇ２（Ｔ４−Ｔ３）／８６０
で算出し、そしてこのヒーポン能力を例えば１５秒間隔で積算して行き、最終的にはヒーポン運転時間で割ることで、前日のヒートポンプ手段３の平均能力Ｈを演算するものである。

次に暖房出力：０．５ＫＷ、ヒーポン平均能力４．５ＫＷ、２３時タンク内１．９ＫＷｈ、満タンまでの湯量３５ＫＷｈとした時、
直暖時の貯湯能力：４．５−０．５＝４ＫＷ
満タンまでの熱量：３５−１９＝１６ＫＷｈ
満タンになるまでの時間：１６／４＝４時間≧７時間
蓄暖ヒークシフトあり
蓄暖ピークシフト判定時間：１時（４時間の半分の時間で判定２３時から２時間後の１時で判定）
１時時点での貯湯タンク熱量：１９＋４×２＝２７ＫＷｈ
１時から満タンまでの残り熱量：３５−２７＝８ＫＷｈ
８ＫＷｈ＝（６（ｈ）−Ｘ（ｈ））×４（ＫＷ）−Ｘ（ｈ）×０．５（ＫＷ）
Ｘ（ｈ）＝３．５５（ｈ）→約３時間３０分

これにより、図５に示すように、２３時〜１時まで沸き上げながらの暖房運転である沸き上げ暖房運転を行い、１時〜４時３０分まで蓄熱暖房運転を行い、４時３０分〜７時まで再度沸き上げ暖房運転することで、蓄熱暖房運転をしながら翌朝７時には貯湯タンク２内を全量沸き上げて、電気料金が安い深夜時間帯にヒーポンプ手段３を目一杯駆動させて暖房と蓄熱を行い、電気料金が高い昼間はヒートポンプ手段３を運転させない効率の良い運転制御を行いランニングコストの削減が出来、経済的な運転を得ることが出来るものである。

２ 貯湯タンク
３ ヒートポンプ手段
１１ 兼用循環ポンプ
１３ 暖房用熱交換器
３７ 放熱器
４７ ピークシフト演算手段

Claims (1)

1. 給湯用の湯水を貯湯する貯湯タンクと、この貯湯タンク内の湯水を循環して加熱するヒートポンプ手段と、前記貯湯タンクの湯水を一次側の熱源として二次側の暖房循環水を加熱するための暖房用熱交換器と、前記貯湯タンク上部の湯水を前記暖房用熱交換器へ循環させたのち該貯湯タンク下部に戻す一次側循環ポンプと、前記暖房用熱交換器で加熱された暖房循環水を放熱器へ循環させて放熱後に再び暖房用熱交換器に循環させる二次側循環ポンプとを備え、前記ヒートポンプ手段による湯水の加熱では、加熱した湯水をそのまま貯湯タンク上部へ全部戻す沸き上げ運転と、その半分を前記暖房用熱交換器へ循環させて暖房運転も行う沸き上げ暖房併用運転とが行え、更に暖房運転には貯湯タンク内に貯湯した温水を暖房用熱交換器に循環させて行う蓄熱暖房運転とを行うものに於いて、前記貯湯タンク内の湯水を深夜時間帯の２３時から翌朝７時迄の間で、丁度７時に沸き上がるように沸き上げ暖房併用運転の開始時間を算出するピークシフト演算手段を備え、このピークシフト演算手段は、前日の暖房実績、前日のヒートポンプ手段の平均能力から、深夜時間帯中に沸き上げ暖房併用運転及び蓄熱暖房運転を行うようにした事を特徴とする貯湯式給湯暖房装置。

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