JP5277714B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯タンク内に給湯用の熱量を貯えるためのヒートポンプ式の熱源器と、給湯用の熱量を補うためのヒートポンプ式以外の熱源器とを備える給湯装置に関する。

従来、ヒートポンプ装置で加熱した湯を貯湯タンク内に貯える給湯装置において、出湯経路中に燃焼式の補助熱源器を備えたもの（例えば、特許文献１参照）や、ヒートポンプ装置による沸き上げ循環回路中に燃焼式の補助熱源器を備えたもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

前者の給湯装置では、貯湯タンク内の湯温が所定温度以下となった場合にヒートポンプ装置により貯湯タンク内に湯を沸き上げ、出湯時に貯湯タンク内の湯温が低下してしまっている場合や高温度の出湯が必要な場合に、補助熱源器により出湯する湯を昇温するようになっている。

また、後者の給湯装置では、貯湯タンク内の残湯量が少なくなった場合には、ヒートポンプ装置による沸き上げ運転に加えて、ヒートポンプ装置運転開始直後は補助熱源器でも湯を加熱し、沸き上げ能力を向上するようになっている。
特開２０００−３２９４０１号公報 特開２００６−５７８６５号公報

しかしながら、上記従来技術の給湯装置では、貯湯タンク内の給湯用の熱量が所定量以下となるとヒートポンプ装置を運転し、補助熱源器は不足する熱量を補うために適宜運転するものであり、ヒートポンプ装置と補助熱源器の２つの加熱手段のそれぞれが消費する一次エネルギー量については考慮されていない。

本発明者は、上記点に着目して鋭意検討を行い、ヒートポンプ式の熱源器とヒートポンプ式以外の熱源器の２つの熱源器の消費エネルギー量を一次エネルギー量にまで遡って考慮し運転制御すれば、地球環境にまで配慮した省エネルギーが可能であること見出した。

本発明は、上記点に鑑みてなされたものであり、ヒートポンプ式の熱源器とヒートポンプ式以外の熱源器とを有するものにおいて一次エネルギー消費量を低減することが可能な給湯装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
給湯用の熱量を内部に貯えるための貯湯タンク（２）と、
貯湯タンク（２）内に給湯用の熱量を供給するためのヒートポンプ式の第１熱源器（１）と、
前記貯湯タンク（２）の下部から流出した熱媒体を前記第１熱源器（１）で加熱して前記貯湯タンク（２）の上部に戻す蓄熱用循環回路（６）と、
給湯用の熱量を生成するためのヒートポンプ式以外の第２熱源器（４）と、
第１熱源器（１）と第２熱源器（４）とを運転制御する制御手段（１００）とを備え、
蓄熱用循環回路（６）は、第１熱源器（１）の蓄熱用熱交換器に供給される熱媒体の温度を検出する入口温度サーミスタを有しており、
制御手段（１００）は、
第１熱源器（１）が消費する一次エネルギー量に対する第１熱源器（１）により生成されて給湯に用いることのできる熱量の比を第１一次エネルギー比と定義し、第２熱源器（４）が消費する一次エネルギー量に対する第２熱源器（４）により生成されて給湯に用いることのできる熱量の比を第２一次エネルギー比と定義したときに、
第１熱源器（１）が消費する最終エネルギー量、第１熱源器（１）までのエネルギー供給効率、および第１熱源器（１）の運転効率に基づいて、第１一次エネルギー比を算出し、
第２熱源器（４）が消費する最終エネルギー量、第２熱源器（４）までのエネルギー供給効率、および第２熱源器（４）の運転効率に基づいて、第２一次エネルギー比を算出し、
第１一次エネルギー比と第２一次エネルギー比とを比較して、
第１一次エネルギー比が第２一次エネルギー比以上である場合には、貯湯タンク（２）内の熱量が所定量以下となった場合には第１熱源器（１）を運転し、
第１一次エネルギー比が第２一次エネルギー比未満である場合には、貯湯タンク（２）内の熱量が所定量以下となった場合であっても第１熱源器（１）の運転を禁止するものであり、
さらに、制御手段（１００）は、少なくとも第１熱源器（１）により沸き上げられる前の熱媒体の温度の関連情報、及び、第１熱源器（１）により沸き上げられ貯湯タンク（２）内に供給される熱媒体の温度の関連情報に基づいて、第１熱源器（１）の運転効率を算出するものであり、
貯湯タンク（２）には、それぞれの水位レベルにおける貯湯温度を検出する複数の温度センサ（１７）が設けられており、第１熱源器（１）により沸き上げられる前の熱媒体の温度の関連情報には、入口温度サーミスタの検出温度情報と、複数の温度センサのうち下部に設けられた温度センサが検出する温度情報との中から、下部に設けられた温度センサが検出する温度情報を用い、
第１熱源器（１）により沸き上げられ貯湯タンク（２）内に供給される熱媒体の温度の関連情報には、第１熱源器に運転指示する際の沸き上げ温度指示値を用いることを特徴としている。

これによると、第１一次エネルギー比が第２一次エネルギー比よりも小さくなる場合、すなわち、給湯用の同一熱量を得るために必要とする一次エネルギー消費量が第２熱源器（４）を運転したときよりも第１熱源器（１）を運転したときの方が大きくなる場合には、貯湯タンク（２）内の熱量が少なくなっても一次エネルギー消費量が比較的多い第１熱源器（１）を運転しないので、一次エネルギー消費量を低減することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、制御手段（１００）は、第１熱源器（１）により沸き上げられる前の熱媒体の温度の関連情報、及び、第１熱源器（１）により沸き上げられ貯湯タンク（２）内に供給される熱媒体の温度の関連情報に加え、外気温度もしくはその関連情報に基づいて、第１熱源器（１）の運転効率を算出することができる。

また、請求項３に記載の発明では、第２熱源器（４）は、使用側端末に出湯する給湯用水の流通経路（１３、１５）に設けられており、制御手段（１００）は、この流通経路（１３、１５）を流れる湯の温度が所定給湯温度より低い場合には、第２熱源器（４）を運転することを特徴としている。

これによると、第１一次エネルギー比と第２一次エネルギー比との大小関係に係わらず、使用側端末に出湯する給湯用水を必要に応じて加熱することができる。

また、請求項４に記載の発明では、第２熱源器（４Ａ）は、第１熱源器（１）から流出し貯湯タンク（２）に流入する前の熱媒体の流通経路（６）に設けられており、制御手段（１００）は、第１一次エネルギー比が第２一次エネルギー比未満であるときに、貯湯タンク（２）内の熱量が所定量以下となった場合には、第２熱源器（４Ａ）を運転することを特徴としている。

これによると、第１熱源器（１）よりも一次エネルギー比が大きい第２熱源器（４）を運転して、すなわち第１熱源器（１）よりも一次エネルギー消費量が少ない第２熱源器（４）を運転して、貯湯タンク（２）内に給湯用の熱量を供給することができる。

また、請求項５に記載の発明では、貯湯タンク（２）内の熱量を、熱交換により給湯以外に用いる熱交換手段（３１）を備えることを特徴としている。

熱交換手段（３１）において貯湯タンク（２）内の熱媒体が熱交換した場合には、熱交換前よりも若干温度が低い程度の中間温度の熱媒体が貯湯タンク（２）内に貯えられることが多い。この中間温度の熱媒体を第１熱源器（１）で再度沸き上げようとすると、第１熱源器（１）の運転効率は大きく低下しやすい。したがって、貯湯タンク（２）内の熱量を熱交換により給湯以外に用いる熱交換手段（３１）を備える給湯装置に本発明を適用すれば、一次エネルギー消費量の低減効果は極めて大きい。

また、請求項６に記載の発明のように、制御手段（１００）は、第１熱源器（１）および第２熱源器（２）の少なくともいずれかが消費するエネルギーが電気エネルギーである場合には、予め登録されている複数の電気エネルギーの供給元もしくは供給地域の中から抽出された供給元もしくは供給地域に基づいて、第１熱源器（１）および第２熱源器（２）のうち消費するエネルギーが電気エネルギーである熱源器（１）までのエネルギーの供給効率を容易に特定することができる。

なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１の実施形態）
本発明を適用した第１の実施形態について図１〜図４にしたがって説明する。図１は、第１の実施形態の給湯装置の概略構成を示した模式図である。図２は、給湯装置に係る制御構成を示したブロック図である。

本実施形態の給湯装置は、貯湯式のヒートポンプ式給湯装置であり、主に一般家庭用として使用されるものであり、貯湯タンク２内に蓄えられた蓄熱用の温水と給湯用水とを給湯用熱交換器３によって熱交換し、加熱された給湯用水を台所、洗面所、浴室などへの給湯端末（手洗い栓、カラン、シャワー、風呂等）に供給するとともに、所定の条件を満たすときには補助熱源器４により給湯用水をさらに加熱して温度調節する機能を有している。

図１に示すように、給湯装置は、高温高圧の冷媒と熱交換させて温水を沸き上げる加熱手段であるヒートポンプユニット１（第１熱源器に相当）と、このヒートポンプユニット１によって加熱された温水を貯える貯湯タンク２と、この貯湯タンク２内下部の低温水が流出してヒートポンプユニット１で加熱されて貯湯タンク２内の上部に戻るように設けられた蓄熱用循環回路６と、蓄熱用の温水と給湯用水とを熱交換する給湯用熱交換器３と、給湯用熱交換器３で加熱された給湯用水をさらに加熱することができる補助熱源器４（第２熱源器に相当）と、本給湯装置の作動を制御する制御装置１００（図２参照）と、を備えている。

ヒートポンプユニット１は、少なくとも圧縮機、蓄熱用熱交換器、膨張弁、蒸発器およびアキュムレータ等の冷凍サイクル機能部品が環状に接続されて構成されている。ヒートポンプユニット１は、例えば、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素を使用することにより、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上になる超臨界ヒートポンプサイクルを構成する。

ヒートポンプサイクルを超臨界ヒートポンプで構成した場合、一般的なヒートポンプサイクルよりも高温、例えば、８５℃〜９０℃程度の湯を貯湯タンク２内に蓄えることができる。ヒートポンプサイクルは、主に、料金設定の安価な深夜時間帯の深夜電力を利用して貯湯タンク２内の湯を沸き上げる沸き上げ運転を行う。

ヒートポンプサイクル１の圧縮機は、本例では、電気エネルギーで駆動されるものであるが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスや灯油等で駆動されるものであってもよい。

蓄熱用循環回路６には、ヒートポンプユニット１内の蓄熱用熱交換器である水−冷媒熱交換器に供給される水の温度を検出する入水温度サーミスタと、水−冷媒熱交換器出口での沸き上げ温度を検出する沸上げ温度サーミスタと、電動ポンプと、が設けられている。また、ヒートポンプユニット１には、蒸発器の外部を通過する前の外気の温度を検出するための外気温度サーミスタ２３が設けられている。そして、各サーミスタの検出温度信号は制御装置１００に出力される。

貯湯タンク２は、給湯用水を加熱する蓄熱用流体（熱媒体に相当）である温水を蓄える縦長形状の容器であり、耐食性に優れた金属製、例えば、ステンレス製からなり、その外周部に断熱材が設けられ、高温水を長時間に渡って保温することができる。また、蓄熱用流体は、主成分が水であり、防腐剤、凍結防止剤、ＬＬＣ等を含んでいてもよい。また、蓄熱用流体は、交比熱を有する蓄熱材料をマイクロカプセル等の方法により封入し、これを水に分散させて混合してもよいし、スリラー状にして混合させてもよい。

蓄熱用循環回路６の電動ポンプが作動することにより、貯湯タンク２内の温水が循環する。これにより、蓄熱用熱交換器で加熱された貯湯タンク２内の温水は、蓄熱用循環回路６を通って貯湯タンク２内の上部に送り込まれるので、貯湯タンク２内の上部側から下部側へ向かって複数の温度層を形成するように順次蓄熱されていく。

給湯用熱交換器３は、互いの内部を流れる流体同士が熱交換するように設けられた１次側通路３ａおよび２次側通路３ｂを備えている。１次側通路３ａは貯湯タンク２内部に連通し、貯湯タンク２内の温水が流れる流路である。２次側通路３ｂは上流側端部が給水用配管１０に接続され、下流側端部が給湯用配管１３に接続される流路であり、給湯端末に供給される給湯用水が流れる流路である。１次側通路３ａおよび２次側通路３ｂは、各通路を流れる流体間で熱交換が行われる形態であればよい。例えば、一方の通路が内側管内に形成され、他方の通路が内側管の外側を覆う外側管内に形成される二重管構造で構成してもよい。また、給湯用熱交換器３は、は、１次側通路３ａおよび２次側通路３ｂのそれぞれを流れる流体の流れ方向が対向する対向式熱交換器であることが好ましい。

貯湯タンク２は、給湯用熱交換器３の１次側通路３ａとの間で循環流路である１次側循環回路８を形成するように１次側通路３ａに接続されている。この１次側循環回路８は、貯湯タンク２の最上部に設けられた導出口に接続されており、この導出口と１次側通路３ａとをつなぐ流路に熱交換器入口温度を検出する１次側熱交換器入口温度サーミスタ１８を備えている。

さらに１次側循環回路８は、貯湯タンク２の最下部に設けられた導入口に接続されており、この導入口と１次側通路３ａとをつなぐ流路に、１次側通路３ａから貯湯タンク２内の下部に向けて流出する蓄熱用流体の１次側熱交換器出口温度を検出する１次側循環戻り温度サーミスタ１９と、蓄熱用流体を１次側循環回路８に強制的に循環させる蓄熱用流体駆動手段である循環ポンプ９と、を備えている。１次側熱交換器入口温度サーミスタ１８および１次側循環戻り温度サーミスタ１９により検出される温度信号は、制御装置１００の入力回路に入力されるようになっている。

給水用配管１０の上流は、水道配管に接続されており、市水（水道水）が給湯用熱交換器３の２次側通路３ｂに導入されるようになっている。給水用配管１０には、流量検出器１６と給水温度サーミスタ２０とが設けられている。流量検出器１６は２次側通路３ｂ方向に向かう流量（２次側流量）を検出する検出手段であり、また給水温度サーミスタ２０は市水の温度を検出し、検出された流量信号および温度信号は、制御装置１００の入力回路に入力されるようになっている。

給湯用配管１３は、給湯用熱交換器３の２次側通路３ｂ出口と台所、洗面所、浴室などへの給湯端末（手洗い栓、カラン、シャワー、風呂等）とを接続する配管である。そして、給湯用配管１３の下流側には、給湯温度を検出する給湯サーミスタ２２と、流量カウンタ（図示せず）とが設けられている。給湯サーミスタ２２および流量カウンタによって検出された給湯温度信号および流量信号は、制御装置１００の入力回路に入力されるようになっている。

給湯用配管１３には、給湯用熱交換器３の２次側通路３ｂ出口における給湯水の温度（熱交換器２次出口温度）を検出する２次側出口温度サーミスタ２１（２次出口温度検出器）が設けられている。検出された熱交換器２次出口温度は制御装置１００の入力回路に入力されるようになっている。また、給湯用配管１３は、２次側出口温度サーミスタ２１よりも下流側で給湯用配管１３が補助熱源用通路１５に分岐する分岐部を備えており、この分岐部には熱源切替弁１１が設けられている。この熱源切替弁１１は、２次側通路３ｂを流出した給湯用水を給湯用配管１３側か、補助熱源側通路１５側かのいずれかを流れるように切り替えることができる。

補助熱源用通路１５の途中には、補助熱源側通路１５を流れてきた給湯用水を再加熱する補助熱源器４が設けられ、補助熱源用通路１５の下流端部は給湯用配管１３に合流している。補助熱源器４は、本例では都市ガスにより給湯用水を加熱するものであるが、通過する給湯用水を加熱可能な機器であれば特に限定するものではなく、例えば、ガス等の燃料による燃焼炎を用いて内部を通過する給湯用水を加熱する小型ガス湯沸かし器、灯油等の液体燃料による燃焼炎を用いて内部を通過する給湯用水を加熱する小型石油湯沸かし器、電気式ヒータ等を採用することができる。

給湯用配管１３および補助熱源側通路１５が使用側端末に出湯する給湯用水の流通経路に相当し、この給湯用水の流通経路に第２熱源器である補助熱源器４が設けられていることになる。

給水配管１０は、給湯用熱交換器３の２次側通路３ｂの手前で分岐し、この分岐した配管は給湯用配管１３に合流している。この給水配管１０の分岐部から給湯用配管１３の合流部に至るまでの配管は給湯用熱交換器３をバイパスする２次側バイパス通路１４である。２次側バイパス通路１４と給湯用配管１３との合流部には給湯用混合弁１２が設けられている。

この給湯用混合弁１２は、給湯端末側に出湯する湯温を調節する温度調節弁であり、給湯用配管１３側と２次側バイパス通路１４側との開口面積比を調節することにより、給湯用熱交換器３で加熱された給湯用水と市水との混合比を調節して設定温度に調節するように制御される。制御装置１００は、リモートコントローラ１１０等により設定される温度と、給水温度サーミスタ２０、２次側出口温度サーミスタ２１および給湯温度サーミスタ２２によって検出される温度情報とに基づいて給湯用混合弁１２を制御する。

貯湯タンク２の外壁面には、蓄熱用温水の貯湯量、貯湯温度を検出するための水温センサである複数個の貯湯サーミスタ１７が設けられており、本実施形態では縦方向にほぼ等間隔で最上部から順にＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４、ＴＨ５という５個のサーミスタが配設されている。これら５個のサーミスタの検出温度信号は、それぞれ制御装置１００の入力回路に入力されるようになっており、各水位レベルでの蓄熱用流体の温度や湯量を検出可能である。また、複数個の貯湯サーミスタ１７のうち、最上部に位置するＴＨ１は、高温の蓄熱用流体を出湯する出湯温度を検出することができる。

貯湯タンク２の天面には、貯湯タンク５内に市水を給水するための間接タンク５が載置されている。間接タンク５の上部には市水が流れてくる給水用配管と、逃し用配管とが接続されており、その下部には貯湯タンク２内下部とつながっている循環用配管７が接続されている。また間接タンク５内には水位センサが設けられており、制御装置１００に送信される水位センサの検出信号によって間接タンク５内に自動的に給水が行われる。給水用配管を通って流れてきた水が間接タンク５内に貯まると、間接タンク５内の水が循環用配管７を通って貯湯タンク２内下部に流入し、余分な水は逃がし用配管を通って外部に排出される。

図２に示すように、制御手段である制御装置１００は、リモートコントローラ１１０上の各種スイッチからの信号、流量検出器１６、各種サーミスタ１７〜２３からの通信信号が入力される入力回路と、入力回路からの信号を用いて各種演算を実行するマイクロコンピュータと、マイクロコンピュータによる演算に基づいてヒートポンプユニット１、補助熱源器４、循環ポンプ９、熱源切替弁１１、給湯用混合弁１２等を制御する通信信号を出力する出力回路と、を備えている。マイクロコンピュータは、記憶手段としてＲＯＭまたはＲＡＭを内蔵し、あらかじめ設定された制御プログラムや更新可能な制御プログラムを有している。

次に、上記構成における給湯装置の作動について説明する。まず、給湯装置の沸き上げ制御を説明する。ユーザによってリモートコントローラ１１０の給湯スイッチがＯＮされている場合には、制御装置１００は主に電力料金の安価な深夜時間帯（例えば、当日の２３時から翌日の７時までの時間帯）にヒートポンプユニット１を運転し、貯湯タンク２内の蓄熱用流体を加熱し、必要な熱量を蓄える。

つまり、制御装置１００は、深夜電力時間帯になって貯湯サーミスタが貯湯タンク２内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、ヒートポンプユニット１に対して沸き上げ開始を指令する。指令を受けたヒートポンプユニット１は圧縮機を起動した後に蓄熱用循環回路６の循環ポンプを駆動開始し、貯湯タンク２下部から取り出した低温水を水−冷媒熱交換器で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、蓄熱用循環回路６を介して貯湯タンク２の上部から貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯サーミスタ１７が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、制御装置１００はヒートポンプユニット１に対して沸き上げ停止を指令し、ヒートポンプユニット１は圧縮機を停止するとともに、循環ポンプも停止して沸き上げ動作を終了する。

次に、給湯端末（使用側端末）で湯を使用する場合の制御について、図３および図４にしたがって説明する。図３は給湯装置の昼間時間帯（深夜時間帯以外）の貯湯制御処理を示したフローチャートであり、図４は、補助熱源加熱制御処理を示したフローチャートである。

図３に示すように、制御装置１００は、貯湯タンク２内の貯湯量すなわち貯えている熱量が所定量以下であるか否か監視しており（ステップＳ１３０）、貯湯量が所定量以下でない場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の停止（停止中の場合は停止状態の継続）を指示し（ステップＳ１６０）、ステップＳ１３０にリターンする。ここで、貯湯量の所定量とは、予め定められた最低限必要な所定熱量、もしくは、過去の熱量消費を学習した結果により決まる所定熱量である。

ステップＳ１３０において、貯湯量が所定量以下であると判断した場合には、ヒートポンプユニット１を運転する際の一次エネルギー比（第１一次エネルギー比に相当）と、補助熱源器４を運転する際の一次エネルギー比（第２一次エネルギー比に相当）とを比較し（ステップＳ１４０）、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４の一次エネルギー比より大きい場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の指示を行い（ステップＳ１５０）、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４の一次エネルギー比より小さい場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の停止を指示し（ステップＳ１６０）、ステップＳ１３０へリターンする。

ここで、一次エネルギー比とは、下記の数式１に示すように、熱源器が消費する一次エネルギー量に対し熱源器により生成されて給湯に用いることのできる熱量の比と定義できるものである。
（数式１）
生成される給湯使用可能熱量／一次エネルギー消費量＝一次エネルギー比
ステップＳ１４０では、ヒートポンプユニット１が消費する最終エネルギー量、ヒートポンプユニット１までのエネルギー供給効率、およびヒートポンプユニット１の運転効率（成績係数ＣＯＰ）に基づいて、ヒートポンプユニット１を運転した際の一次エネルギー比を算出するとともに、補助熱源器４が消費する最終エネルギー量、補助熱源器４までのエネルギー供給効率、および補助熱源器４の運転効率（ガス燃焼効率）に基づいて、補助熱源器４を運転した際の一次エネルギー比を算出して、両一次エネルギー比を比較する。

具体的には、制御装置１００は、外気温度サーミスタ２３から入力した外気温度情報、ヒートポンプユニット１に運転指示する際の沸き上げ温度指示値、および、貯湯サーミスタ１７のうち最下部のサーミスタＴＨ５からの温度情報から、ヒートポンプユニット１の沸き上げ効率であるＣＯＰを推定算出し、放熱等の熱量ロスも考慮して機器効率を算出する。そして、下記数式２に示すように、算出した機器効率に一次エネルギーを消費する時点からヒートポンプユニット１までの電力エネルギー供給効率（ここでは発電・送電効率）と最終エネルギー消費量とを乗じて、ヒートポンプユニット１を運転した際の一次エネルギー比を算出するようになっている。
（数式２）
機器効率×発電・送電効率×最終電力エネルギー消費量＝Ｈ／Ｐ一次エネルギー比
ここで、機器効率＝Ｈ／ＰＣＯＰ×有効熱量比率（例えば９０％）
ヒートポンプユニット１の沸き上げ効率（Ｈ／ＰＣＯＰ）は、外気温度および沸き上げ前後の湯温により変動するため、外気温度情報、沸き上げられた湯の温度の関連情報である沸き上げ温度指示値、および、沸き上げる前の水温の関連情報であるサーミスタＴＨ５が検出する貯湯タンク２内の最下部の水温情報から、ヒートポンプユニット１の沸き上げ効率であるＣＯＰを推定算出している。

一方、制御装置１００は、下記数式３に示すように、予め設定入力された機器効率であるガス燃焼効率（例えば８０％）にガスの供給効率（ここでは１００％）と最終エネルギー消費量とを乗じて、補助熱源器４を運転した際の一次エネルギー比を算出するようになっている。
（数式３）
機器効率×供給効率×最終ガスエネルギー消費量＝補助熱源器一次エネルギー比
次に、制御装置１００が行う補助熱源加熱制御処理について説明する。

図４に示すように、制御装置１００は、流量検出器１６からの入力信号に基づいて端末からの出湯流量があるか否か判断する（ステップＳ１７０）。出湯流量がないと判断した場合、すなわち出湯を検知しない場合には、補助熱源器４に燃焼加熱運転の停止（停止中の場合は停止状態の継続）を指示し（ステップＳ２００）、ステップＳ１７０にリターンする。

ステップＳ１７０において、出湯流量があると判断した場合、すなわち出湯検知をした場合には、熱源切替弁１１の切替指示が補助熱源側通路１５側であるか否か判断する（ステップＳ１８０）。熱源切替弁１１は、２次側出口温度サーミスタ２１が検出する熱交換後の給湯用水の温度が、端末における出湯設定温度に所定値を加えた温度より高い場合には給湯用配管側１３を流路とし、出湯設定温度に所定値を加えた温度より低い場合には補助熱源側通路１５を流路とするように切替制御されるようになっている。

ステップＳ１８０において、熱源切替弁１１が補助熱源側通路１５を流路としていると判断した場合には、補助熱源器４に加熱運転の指示を行い（ステップＳ１９０）、熱源切替弁１１が補助熱源側通路１５を流路としていない場合には、補助熱源器４に加熱運転の停止を指示し（ステップＳ２００）、ステップＳ１７０へリターンする。

ステップＳ１８０では、熱源切替弁１１の切替指示状態に応じて、ステップＳ１９０、Ｓ２００のいずれかを実行するようになっていたが、２次側出口温度サーミスタ２１が検出する熱交換後の給湯用水の温度に基づいて制御切り替えを行うものであってもよい。また、熱源切替弁１１の切替指示の基準とする温度値もしくは直接判定基準とする温度値も、端末における出湯設定温度に所定値を加えた温度に限らず、一定温度値としてもかまわない。

上述の構成および作動によれば、制御装置１００は、昼間時間帯には、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比と補助熱源器４の一次エネルギー比とを比較して、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比の方が小さい場合、すなわち、給湯用の同一熱量を得るために必要とする一次エネルギー消費量が補助熱源器４を運転したときよりもヒートポンプユニット１を運転したときの方が大きくなる場合には、貯湯タンク２内の熱量が所定量以下となった場合であってもヒートポンプユニット１の運転を禁止し、給湯用の熱量の不足分は一次エネルギー消費量が比較的少ない補助熱源器４の運転で補うことができる。

したがって、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４の一次エネルギー比より小さい場合には、貯湯タンク２内の熱量が少なくなっても一次エネルギー消費量が比較的多いヒートポンプユニット１を運転しないので、一次エネルギー消費量を低減することができる。

ヒートポンプユニット１の運転効率であるＣＯＰは環境条件等により変動するが、制御装置１００は、外気温度、ヒートポンプユニット１に運転指示する際の沸き上げ温度指示値、および、貯湯サーミスタ１７のうち最下部のサーミスタＴＨ５からの温度情報から、ヒートポンプユニット１の沸き上げ効率であるＣＯＰを推定算出し、この算出したＣＯＰに基づいてヒートポンプユニット１の第１エネルギー比を算出するようになっている。

ヒートポンプユニット１の運転効率（ＣＯＰ）は、外気温度および沸き上げ前後の湯温により変化するが、各要因の値もしくはその関連情報に基づいて運転効率を精度よく算出することができる。したがって、算出した運転効率に基づいてヒートポンプユニット１の第１エネルギー比を精度よく算出することが可能である。

また、外気温度は外気温度サーミスタ２３で直接検出した値を採用している。したがって、運転効率に大きく影響するヒートポンプサイクルにおける熱源側の外部流体温度である外気の温度を精度よく検出することができる。さらに、沸き上げ前の熱媒体温度として貯湯タンク２のサーミスタＴＨ５での検出温度を用い、沸き上げ後の熱媒体温度として沸き上げ温度指示値を用いている。したがって、沸き上げ前後の熱媒体の検出温度を直接採用する場合よりも温度変動の影響を受け難く、制御を安定させることができる。具体的には、例えばヒートポンプユニット１が起動と停止を繰り返すような運転を抑制することができる。

また、上記実施形態では説明を省略していたが、制御装置１００には、電力エネルギーの供給元である複数の電力会社が予め登録されており、それらの中からユーザ等がリモートコントローラ１１０を介して選択することで、ヒートポンプユニット１への送電・発電効率を容易に特定することができる。制御装置１００に複数の電力会社が登録されているものに限らず、複数の電力供給地域（例えば自治体名）が予め登録されており、給湯装置を設置する地域を選択することでヒートポンプユニット１への送電・発電効率を特定するものであってもよい。

また、上述した複数の選択肢からの選択は、リモートコントローラ１１０を介さずに制御装置１００において直接行うものであってもよい。

また、制御装置１００に予め登録されている選択肢の中から選択するものに限定されず、制御手段１００に電気会社、電力供給地域、送電・発電効率のいずれかをリモートコントローラ１１０を介してあるいは直接入力するものであってもよい。リモートコントローラ１１０を介して入力する場合には、リモートコントローラ１１０が入力手段に相当することになり、制御装置１００に直接入力する場合には、制御装置１００の入力操作部が入力手段に相当することになる。

すなわち、制御手段は、第１熱源器および第２熱源器の少なくともいずれかが消費するエネルギーが電気エネルギーである場合に、電気エネルギーの供給元、供給地域、電気エネルギーの供給効率のいずれかを入力する入力手段を有し、入力手段により電気エネルギーの供給元もしくは供給地域が入力された場合には、入力された電気エネルギーの供給元もしくは供給地域に基づいて、第１熱源器および第２熱源器のうち消費するエネルギーが電気エネルギーである熱源器までのエネルギーの供給効率を容易に特定することができると言える。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図５および図６に基づいて説明する。

本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、補助熱源器を沸き上げ回路に設けた点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、第１の実施形態では設けていた補助熱源器４、補助熱源側通路１５、熱源切替弁１１を設けておらず、熱媒体の流通経路である蓄熱用循環回路６のうちヒートポンプユニット１の下流側に第２熱源器に相当する補助熱源器４Ａを設け、ヒートポンプユニット１から流出し貯湯タンク２に流入する前の熱媒体を加熱することが可能となっている。

補助熱源器４Ａは、本例では都市ガスにより熱媒体である水を加熱するものであるが、通過する熱媒体を加熱可能な機器であれば特に限定するものではなく、例えば、ガス等の燃料による燃焼炎を用いて内部を通過する給湯用水を加熱する小型ガス湯沸かし器、灯油等の液体燃料による燃焼炎を用いて内部を通過する給湯用水を加熱する小型石油湯沸かし器、電気式ヒータ等を採用することができる。

次に、上記構成における給湯装置の作動について説明する。

ユーザによってリモートコントローラ１１０の給湯スイッチがＯＮされている場合には、制御装置１００は主に電力料金の安価な深夜時間帯にヒートポンプユニット１を運転し、貯湯タンク２内の蓄熱用流体を加熱し、必要な熱量を蓄える。そして、昼間時間帯（深夜時間帯以外）には、図６に示すフローチャートに従って貯湯制御を行う。

図６に示すように、制御装置１００は、貯湯タンク２内の貯湯量すなわち貯えている熱量が所定量以下であるか否か監視しており（ステップＳ１３０）、貯湯量が所定量以下でない場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の停止および補助熱源器４Ａの燃焼加熱運転の停止（停止中の場合は停止状態の継続）を指示し（ステップＳ２７０）、ステップＳ１３０にリターンする。本実施形態においても、貯湯量の所定量とは、予め定められた最低限必要な所定熱量、もしくは、過去の熱量消費を学習した結果により決まる所定熱量である。

ステップＳ１３０において、貯湯量が所定量以下であると判断した場合には、第１の実施形態と同様に、ヒートポンプユニット１を運転する際の一次エネルギー比を算出するとともに、補助熱源器４Ａを運転する際の一次エネルギー比を算出して、両一次エネルギー比を比較し（ステップＳ１４０）、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４Ａの一次エネルギー比より大きい場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の指示を行うとともに補助熱源器４Ａの燃焼加熱運転の停止を指示し（ステップＳ２５０）、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４Ａの一次エネルギー比より小さい場合には、ヒートポンプユニット１に沸き上げ運転の停止の指示を行うとともに補助熱源器４Ａに燃焼加熱運転を指示し（ステップＳ２６０）、ステップＳ１３０へリターンする。

なお、ステップＳ２５０、ステップＳ２６０を実行する際に、給湯端末における出湯量が多い等、いずれかの熱源器のみでは貯湯が追いつかない場合には、両熱源器を同時に運転するものであってもよい。

上述の構成および作動によれば、制御装置１００は、昼間時間帯には、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比と補助熱源器４Ａの一次エネルギー比とを比較して、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比の方が小さい場合、すなわち、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー消費量の方が多い場合には、貯湯タンク２内の熱量が所定量以下となった場合であってもヒートポンプユニット１の運転を禁止し、貯湯用の熱量は一次エネルギー消費量が比較的少ない補助熱源器４Ａの運転で行なうことができる。

したがって、ヒートポンプユニット１の一次エネルギー比が補助熱源器４Ａの一次エネルギー比より小さい場合には、貯湯タンク２内の熱量が少なくなっても一次エネルギー消費量が比較的多いヒートポンプユニット１を運転せずに一次エネルギー消費量が比較的少ない補助熱源器４Ａを運転するので、一次エネルギー消費量を低減することができる。

本実施形態では、昼間時間帯だけヒートポンプユニット１の一次エネルギー比と補助熱源器４Ａの一次エネルギー比とを比較して貯湯制御を行っていたが、深夜時間帯の貯湯運転時にも一次エネルギー比に基づく上述の制御を行うものであってもよい。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図７に基づいて説明する。

本第３の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、貯湯タンク２内の熱量を熱交換により給湯以外に用いる床暖房回路を有する所謂多機能型の給湯装置である点が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の給湯装置は、第１実施形態に係る給湯装置に対してさらに、上流端部が貯湯タンク２内の上部に接続され、下流端部が貯湯タンク２内の下部または中央部に接続されている床暖房回路３０を備えている。この床暖房回路３０の途中には放熱端末器の一例である床暖房パネル３１と、回路内に貯湯タンク２内の温水を循環させるための暖房用循環ポンプ３２と、回路内の温水を補助的に加熱できる補助熱源器３３と、暖房用循環ポンプ３２の上流側通路および下流側通路に接続され、途中に補助熱源器３３が配されている補助熱源用回路３４と、が設けられている。

さらに床暖房回路３０は、床暖房パネル３１内の温水が貯湯タンク２内に流れないで床暖房パネル３１内を循環可能なように床暖房パネル３１に並列に配されたバイパス通路３６と、このバイパス通路３６と床暖房回路３０との合流部に設けられる混合弁３５と、を備えている。

床暖房パネル３１は、本実施形態における貯湯タンク２内の熱量を熱交換により給湯以外に用いる熱交換手段に相当する。なお、放熱端末器である床暖房パネル３１は、温水式温風暖房器や温水式パネルコンベクタ、温水式パネルラジエータ等に置き換えることもできる。また、混合弁３５は、下流側の二つの通路の開度をそれぞれ０〜１００％の範囲で制御可能に構成されている。

上記構成において床暖房を実施する場合には、制御装置１００は、まず、暖房用循環ポンプ３２を作動させ、下流の床暖房回路３０側の開度が１００％になるように混合弁３５を制御する。そして、貯湯タンク２内上部の高温の蓄熱用流体が床暖房回路３０に取り出され、床暖房パネル３１内を通過して放熱することにより床面を暖房し、さらに床暖房回路３０を貯湯タンク２に向かって流れ、中温流体として貯湯タンク２内下部に流入する。

また、貯湯タンク２内の貯湯熱量が十分でない場合には、制御装置１００は補助熱源器３３を作動させて、温水加熱量を補充することができる。また、貯湯タンク２内の貯湯熱量を使用せずに床暖房を行いたい場合には、制御装置１００は、補助熱源器３３を作動させるとともに、混合弁３５を下流の床暖房回路３０側の開度が０％で、バイパス通路３６側の開度が１００％になるように制御する。

上記床暖房運転を行った場合には、貯湯タンク２内の中温水（熱交換前よりも若干温度が低い例えば３５〜５０℃程度の温水）の増加が起こり易く、この中温水をヒートポンプユニット１で再度沸き上げようとすると、ヒートポンプユニット１のＣＯＰは大きく低下してしまう。したがって、貯湯タンク２内の熱量を熱交換により給湯以外に用いる床暖房機能を備える給湯装置において、第１の実施形態で説明した貯湯制御および補助熱源加熱制御を行えば、一次エネルギー消費量を低減する効果は極めて大きい。

また、本実施形態の構成によれば、通常床暖房回路に必要とされる膨張タンクや水−水熱交換器を設けなくとも床暖房回路を構成することができるので、製品コストの低減や放熱ロスの低減を実現できる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、外気温度、沸き上げられた熱媒体の関連情報である沸き上げ温度指示値、および、沸き上げる前の熱媒体の温度の関連情報である貯湯タンク２内の最下部の水温情報から、ヒートポンプユニット１の沸き上げ効率である運転効率（ＣＯＰ）を算出していたが、外気温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられ貯湯タンク２内に供給される熱媒体の温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられる前の熱媒体の温度もしくはその関連情報に基づいて、ヒートポンプユニット１の運転効率を算出するものであればよい。

外気温度およびその関連情報としては、外気温度サーミスタ２３の検出温度のほかに、例えば、給湯装置に供給される水道水の温度、暖房使用実績の有無（実績ありの場合は低外気温と判断）、説明を省略した凍結防止運転やヒータ動作の実績の有無（実績ありの場合は低外気温と判断）等を採用することができる。

ヒートポンプユニット１により沸き上げられ貯湯タンク２内に供給される熱媒体の温度もしくはその関連情報としては、ヒートポンプ沸き上げ指示温度のほかに、例えば、ヒートポンプ沸き上げ温度サーミスタの検出温度、暖房使用実績の有無（実績ありの場合は沸き上げ温度を上昇させるため）、外気温度（低外気温時は沸き上げ温度を上昇させるため）等を採用することができる。

ヒートポンプユニット１により沸き上げられる前の熱媒体の温度もしくはその関連情報としては、貯湯タンク２下部のサーミスタの検出温度のほかに、例えば、ヒートポンプ給水温度サーミスタ（入水温度サーミスタ）の検出温度、暖房使用実績の有無（実績ありの場合には貯湯タンク内に中温水が生成されるため）、１日の暖房使用熱量や暖房使用時間（暖房使用が多いほど貯湯タンク内に中温水が生成されやすいため）等を採用することができる。

また、ヒートポンプユニット１のＣＯＰの算出は、外気温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられ貯湯タンク２内に供給される熱媒体の温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられる前の熱媒体の温度もしくはその関連情報に基づいて行なえば高い精度を得ることが可能であるが、これに限定されず、外気温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられ貯湯タンク２内に供給される熱媒体の温度もしくはその関連情報、ヒートポンプユニット１により沸き上げられる前の熱媒体の温度もしくはその関連情報の少なくともいずれかに基づいて算出するものであってもよい。

また、上記各実施形態の給湯装置は、給湯用熱交換器３を備えており、貯湯タンク２内に貯留された熱量を熱交換して給湯用水を加熱する所謂間接式の給湯装置であったが、貯湯タンク内に貯留した湯を直接端末から出湯する給湯装置にも本発明を適用して有効である。

本発明を適用した第１の実施形態における給湯装置の概略構成を示した模式図である。 給湯装置に係る制御構成を示したブロック図である。 給湯装置の貯湯制御処理を示したフローチャートである。 給湯装置の補助熱源加熱制御処理を示したフローチャートである。 本発明を適用した第２の実施形態における給湯装置の概略構成を示した模式図である。 給湯装置の貯湯制御処理を示したフローチャートである。 本発明を適用した第３の実施形態における給湯装置の概略構成を示した模式図である。

符号の説明

１ ヒートポンプユニット（第１熱源器）
２ 貯湯タンク
４、４Ａ 補助熱源器（第２熱源器）
６ 蓄熱用循環回路
１３ 給湯用配管
１５ 補助熱源側通路
３１ 床暖房パネル（熱交換手段）
１００ 制御装置（制御手段）
１１０ リモートコントローラ（入力手段）

Claims (6)

1. 給湯用の熱量を内部に貯えるための貯湯タンク（２）と、
   前記貯湯タンク（２）内に前記熱量を供給するためのヒートポンプ式の第１熱源器（１）と、
   前記貯湯タンク（２）の下部から流出した熱媒体を前記第１熱源器（１）で加熱して前記貯湯タンク（２）の上部に戻す蓄熱用循環回路（６）と、
   前記熱量を生成するためのヒートポンプ式以外の第２熱源器（４）と、
   前記第１熱源器（１）と前記第２熱源器（４）とを運転制御する制御手段（１００）とを備え、
   前記蓄熱用循環回路（６）は、前記第１熱源器（１）の蓄熱用熱交換器に供給される前記熱媒体の温度を検出する入口温度サーミスタを有しており、
   前記制御手段（１００）は、
   前記第１熱源器（１）が消費する一次エネルギー量に対する前記第１熱源器（１）により生成されて給湯に用いることのできる熱量の比を第１一次エネルギー比と定義し、前記第２熱源器（４）が消費する一次エネルギー量に対する前記第２熱源器（４）により生成されて給湯に用いることのできる熱量の比を第２一次エネルギー比と定義したときに、
   前記第１熱源器（１）が消費する最終エネルギー量、前記第１熱源器（１）までのエネルギー供給効率、および前記第１熱源器（１）の運転効率に基づいて、前記第１一次エネルギー比を算出し、
   前記第２熱源器（４）が消費する最終エネルギー量、前記第２熱源器（４）までのエネルギー供給効率、および前記第２熱源器（４）の運転効率に基づいて、前記第２一次エネルギー比を算出し、
   前記第１一次エネルギー比と前記第２一次エネルギー比とを比較して、
   前記第１一次エネルギー比が前記第２一次エネルギー比以上である場合には、前記貯湯タンク（２）内の前記熱量が所定量以下となった場合には前記第１熱源器（１）を運転し、
   前記第１一次エネルギー比が前記第２一次エネルギー比未満である場合には、前記貯湯タンク（２）内の前記熱量が前記所定量以下となった場合であっても前記第１熱源器（１）の運転を禁止するものであり、
   さらに、前記制御手段（１００）は、少なくとも前記第１熱源器（１）により沸き上げられる前の前記熱媒体の温度の関連情報、及び、前記第１熱源器（１）により沸き上げられ前記貯湯タンク（２）内に供給される前記熱媒体の温度の関連情報に基づいて、前記第１熱源器（１）の運転効率を算出するものであり、
   前記貯湯タンク（２）には、それぞれの水位レベルにおける貯湯温度を検出する複数の温度センサ（１７）が設けられており、
   前記第１熱源器（１）により沸き上げられる前の前記熱媒体の温度の関連情報には、前記入口温度サーミスタの検出温度情報と、前記複数の温度センサのうち下部に設けられた温度センサが検出する温度情報との中から、前記下部に設けられた温度センサが検出する温度情報を用い、
   前記第１熱源器（１）により沸き上げられ前記貯湯タンク（２）内に供給される前記熱媒体の温度の関連情報には、前記第１熱源器に運転指示する際の沸き上げ温度指示値を用いることを特徴とする給湯装置。
2. 前記制御手段（１００）は、前記第１熱源器（１）により沸き上げられる前の前記熱媒体の温度の関連情報、及び、前記第１熱源器（１）により沸き上げられ前記貯湯タンク（２）内に供給される前記熱媒体の温度の関連情報に加え、外気温度もしくはその関連情報に基づいて、前記第１熱源器（１）の運転効率を算出することを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記第２熱源器（４）は、使用側端末に出湯する給湯用水の流通経路（１３、１５）に設けられており、
   前記制御手段（１００）は、前記流通経路（１３、１５）を流れる湯の温度が所定給湯温度より低い場合には、前記第２熱源器（４）を運転することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯装置。
4. 前記第２熱源器（４Ａ）は、前記第１熱源器（１）から流出し前記貯湯タンク（２）に流入する前の熱媒体の流通経路（６）に設けられており、
   前記制御手段（１００）は、前記第１一次エネルギー比が前記第２一次エネルギー比未満であるときに、前記貯湯タンク（２）内の前記熱量が前記所定量以下となった場合には、前記第２熱源器（４Ａ）を運転することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯装置。
5. 前記貯湯タンク（２）内の前記熱量を、熱交換により給湯以外に用いる熱交換手段（３１）を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の給湯装置。
6. 前記制御手段（１００）は、前記第１熱源器（１）および前記第２熱源器（２）の少なくともいずれかが消費するエネルギーが電気エネルギーである場合には、予め登録されている複数の電気エネルギーの供給元もしくは供給地域の中から抽出された供給元もしくは供給地域に基づいて、前記第１熱源器（１）および前記第２熱源器（２）のうち消費するエネルギーが電気エネルギーである熱源器（１）までのエネルギーの供給効率を特定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の給湯装置。

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