JP5296007B2 - ヒートポンプ式給湯制御システム - Google Patents

Description

本発明は、主に寒冷地で使用する大容量開放タンクにおけるヒートポンプ式給湯制御システムに係り、大容量の開放タンクでも極めて効率良く貯湯することが可能なヒートポンプ式給湯制御システムに関する。

給湯器で利用されるヒートポンプの原理は、外気から吸熱した熱を熱交換器で冷媒に与え、この冷媒を更にコンプレッサーで圧縮して高温にした熱を湯温に利用するものである。そのため、寒冷地のように、外気温が低く、外気から吸熱する熱量が少なくなる状況では、ヒートポンプ給湯器の給湯能力が低下する。そこで、従来では、このヒートポンプとヒーターユニットとを組み合わせた温度制御システムを有する給湯器が種々提案されている。

特許文献１の給湯器は、電気料金の割安な深夜電力時間帯において、最初ヒートポンプユニットの給湯で貯湯タンク内を満水にし、その後電気ヒーターに通電し深夜電力時間帯終了時点で貯湯タンク内の湯温を均一の高温になるように再沸かし上げを行う温度制御システムが記載されている。

特許文献２の給湯器は、設定された沸かし上げ温度と、外気温に対応した複数の電気ヒーター通電条件曲線とを利用する貯湯式ヒートポンプ給湯器が記載されている。この給湯器では、深夜電力通電開始からヒートポンプで昇温可能な最高水温の湯を給湯し、これと平行して電気ヒーターを使用するもので、この電気ヒーターは、時間の経過と共に貯湯槽内の湯温を計測し、湯槽内の湯温が電気ヒーター通電条件曲線よりも低い場合は電気ヒーターをONとし、湯温が曲線より高い場合は電気ヒーターをOFFにするものである。

特許２００６‐４６７７３号公報 特公平４‐５４１４９号公報

このように、従来の給湯器における温度制御システムは、貯湯タンク内の湯温を効率よく沸かし上げるため、外気温を用いるヒートポンプと夜間電力を用いる電気ヒーターとを組み合わせたものである。

ところが、特許文献１の制御システムは、貯湯タンク内を満水にするまでヒートポンプを使用するので、外気温度が低い場合は、貯湯タンク内に給湯される量が少なくなってしまう。そのため、特許文献１のように貯湯タンクが密閉式で比較的容量が少ない貯湯タンクを用いる場合に、ヒートポンプの給湯量が減少しても時間内に満水にすることが可能になるとしても、大容量の開放型タンクを用いる給湯器では、ヒートポンプのみで貯湯タンク内を満水にすることが困難な場合がある。そのため、開放型タンクを用いる給湯器を、特に寒冷地で使用する場合には、特許文献１に記載の温度制御システムを使用することは極めて困難である。

また、特許文献２の制御システムによると、外気温に対応した複数の電気ヒーター通電条件曲線を利用するものであるが、この電気ヒーター通電条件曲線は、ヒーターの加熱能力の係数と、ヒーターとヒートポンプを同時運転したときの加熱能力の係数とから導き出すものである。ところが、これらの係数は、いずれもヒートポンプの性能を考慮しながら実験により決定する必要があった。

したがって、この制御システムでは、貯湯タンクの容量とヒートポンプの能力や電気ヒーターの能力が変わるごとに、実験によって電気ヒーター通電条件曲線を算出する必要がある。しかも、寒冷地での使用のように、外気温がヒートポンプの能力を著しく低下させる環境では、この環境の変化も実験に加える必要があるので、このような制御システムを実用化するには、多くの課題が残されている。

更に、これら従来の制御システムは、いずれも貯湯タンクの容量が比較的少ない密閉型の給湯器における温度制御システムとして提案されているもので、大容量の貯湯タンクを備えた開放型の給湯器における温度制御システムとして考慮されているものはなかった。

すなわち、開放型の貯湯タンクは密閉型の貯湯タンクに比べて容量が格段に増加する上、寒冷地運転のヒートポンプは、貯湯タンク内への補給量が低下することになる。この結果、従来の給湯器で提案されている温度制御システムでは、翌日の運転開始時間までに十分な貯湯量を確保できず、貯湯量不足が生じるおそれがある。

しかも、この開放型の貯湯タンクは、例えばホテルなどの施設において、夜間の給湯も考慮する必要があり、深夜電力を使用して貯湯タンク内を満水にしてから使用する前述の制御システムでは、深夜の需要に的確に応えることはできない。

そこで、本発明は上述の課題を解消すべく創出されたもので、主に寒冷地で使用する開放型の大容量給湯器において、貯湯タンク内の湯を極めて効率良く沸かし上げることが可能で、しかも、使用状況に応じながら省エネ運転を行うことが可能なヒートポンプ式給湯制御装置の提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、貯湯タンク１内の水位を計測する水位計２と、貯湯タンク１内の湯温を計測する温度計３と、貯湯タンク１内の湯水を加熱する電気ヒーター４とを備え、夜間電力を利用する電気ヒーター４とヒートポンプ式給湯器１０とを併用して貯湯タンク１内の湯温を調整するヒートポンプ式給湯制御装置において、ヒートポンプ式給湯器１０と、貯湯タンク１内に給水するステップ給水弁５と、貯湯タンク１内の電気ヒーター４とを制御する制御装置２０を設け、ヒートポンプ式給湯器１０は、貯湯タンク１の水位が特定時間ごとの基準水位に達しているときに稼動し、特定時間ごとの基準水位を下回るときに停止するように制御され、ステップ給水弁５は、ヒートポンプ式給湯器１０が停止しているときに下限基準温度に至るまで給水し、電気ヒーター４は給水された水を設定温度まで加熱するように制御することにある。

第２の手段において、前記貯湯タンク１の基準水位は、前記ヒートポンプ式給湯器１０の正常稼動時に、夜間電力開始時間から終了時間までの時間帯で給湯される量の一定時間毎の給湯量を基準水位としたものである。

第３の手段の前記制御装置２０は、貯湯タンク１内の湯温が設定温度以下に低下したことを前記温度計３が感知したときに、前記ステップ給水弁５を閉じて前記電気ヒーター４が設定温度まで加熱し、その後再びステップ給水弁５を開いて電気ヒーター４で加熱しながら給水するように制御することを課題解消のための手段とする。

本発明の請求項１の如く、ヒートポンプ式給湯器１０は、貯湯タンク１の水位が特定時間ごとの基準水位に達しているときに稼動し、特定時間ごとの基準水位を下回るときに停止するように制御され、ヒートポンプ式給湯器１０が停止しているときに下限基準温度に至るまで給水し、電気ヒーター４は給水された水を設定温度まで加熱するように制御することにより、寒冷地の運転など、ヒートポンプ式給湯器１０の給湯能力が低下した場合でも、大容量の開放式貯湯タンク１内の湯温を極めて効率良く調整することができる。

また、請求項２のように、貯湯タンク１の基準水位は、前記ヒートポンプ式給湯器１０の正常稼動時に、夜間電力開始時間から終了時間までの時間帯で給湯される量の一定時間毎の給湯量を基準水位としたことで、開放型の大容量給湯器を寒冷地で使用する場合でも、夜間電力を利用した効率的な貯湯運転が可能になる。

更に、請求項３の如く、貯湯タンク１内の湯温が設定温度以下に低下したことを前記温度計３が感知したときに、前記ステップ給水弁５を閉じて前記電気ヒーター４が設定温度まで加熱し、その後再びステップ給水弁５を開いて電気ヒーター４で加熱しながら給水するように制御することで、たとえ夜間電力時間内に貯湯タンク１の湯が使用されても、安定した設定温度で使用することができる。したがって、夜間でも給湯利用の多い施設などで安定した温度の供給が可能になる。

本発明システムにおいて、ヒートポンプ式給湯器を使用する例を示す概略図である。 本発明システムにおいて、電気ヒーターを使用する例を示す概略図である。 本発明システムにおいて、ヒートポンプ式給湯器と電気ヒーターとを切り替える状態を示すフロー図である。 本発明システムにおいて、電気ヒーターとステップ給水弁とを切り替える状態を示すフロー図である。

本発明によると、寒冷地で使用する開放型の大容量給湯器において、貯湯タンク内の湯を極めて効率良く沸かし上げることが可能で、しかも、使用状況に応じながら省エネ運転を行うことが可能になるなどといった当初の目的を実現した。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。本発明制御システムは、夜間電力を使用し、ヒートポンプ式給湯器１０と貯湯タンク１内の電気ヒーター４とを併用することで、貯湯タンク１内の湯温を設定温度に調整するものである。

貯湯タンク１には、貯湯タンク１内の水位を計測する水位計２と、貯湯タンク１内の湯温を計測する温度計３と、貯湯タンク１内の湯水を加熱する電気ヒーター４とが備えられている。そして、これらの水位や湯温に基づいて、制御装置２０がヒートポンプ式給湯器１０の稼動又は電気ヒーター４の稼動を選択する。

制御装置２０は、ヒートポンプ式給湯器１０や電気ヒーター４を制御すると共に、ヒートポンプ式給湯器１０から貯湯タンク１内に給湯するヒートポンプ電動弁１１や、貯湯タンク１内に給水するステップ給水弁５も制御する。制御装置２０による貯湯タンク１への貯湯制御は、特定時間ごとの基準水位を基にして行われる。

この基準水位は、予め、貯湯タンク１の容量に対して選択されたヒートポンプ式給湯器１０の正常稼動時に、夜間電力開始時間から終了時間までの時間帯で給湯される総給湯量に対し、一定時間毎の給湯量を基準水位として設定している。したがって、この基準水位は、ヒートポンプ式給湯器１０の給湯能力と貯湯タンク１の容量とから簡単に設定できるものである。

図示例では、貯湯タンク１の下限水位から、ヒートポンプ式給湯器１０の給湯能力で、深夜電力（PM１０時〜AM８時まで）の間に給湯される総給湯量を上限水位として決定する。次に、PM１０時からAM８時までの１時間毎の給水量を特定時間ごとの基準水位Ｑ１〜Ｑ９として設定する（図１、図２参照）。そして、貯湯タンク１内の特定時間ごとの給湯量が、基準水位に達している場合と下回る場合とで、貯湯タンク１内部への給湯系統を変更する。

例えば、AM１時において、貯湯タンク１内の湯がAM１時の基準水位Ｑ３に達しているときは、ヒートポンプ式給湯器１０が稼動してヒートポンプ電動弁１１から設定温度の湯が貯湯タンク１に給湯される（図１参照）。この給湯運転は、その後、特定時間ごとに計測される給湯量が、基準水位Ｑ４〜Ｑ９に達している間は満水になるまで続けられる。

このようなヒートポンプ式給湯器１０の稼動工程を、図３のフロー図に示す。同図において、貯湯タンク１におけるある時間Ｔごとの貯湯量が、ある時間Ｔごとの基準水位ＱＴに達しているか下回っているかを判定し、ＹＥＳの場合は貯湯タンク１が満水になるまでヒートポンプ式給湯器１０が給湯するものである（同図の制御２）。

一方、貯湯タンク１内の湯が特定時間ごとの基準水位を下回る場合は、ヒートポンプ式給湯器１０を停止してヒートポンプ電動弁１１を閉じる。例えば、AM２時において、貯湯タンク１内の湯がAM２時の基準水位Ｑ４を下回っているときは、ヒートポンプ電動弁１１の代わりにステップ給水弁５が開き、ヒートポンプ式給湯器１０が停止しているときに下限基準温度に至るまで給水し、電気ヒーター４は給水された水を設定温度まで加熱するように制御する（図２参照）。このステップ給水弁５は、外気が冷えてヒートポンプ式給湯器１０の給水能力が落ちたときに、ヒートポンプ電動弁１１に代わって開き、貯湯タンク１に給水するものである。

このようなヒートポンプ式給湯器１０の稼動工程を、図３のフロー図に示す。同図において、貯湯タンク１におけるある時間Ｔごとの貯湯量が、ある時間Ｔごとの基準水位ＱＴに達しているか下回っているかを判定し、ＮＯの場合はヒートポンプ式給湯器１０の運転を停止し、電気ヒーター４による加熱とステップ給水弁５による給水（電気ヒーターによるステップ貯湯）が始まる（同図の制御１）。

電気ヒーター４は、ステップ給水弁５から給水されているときに貯湯タンク１内の湯を設定温度に加熱する（図２参照）。電気ヒーター４が加熱しても湯温が設定温度以下に低下したときは、ステップ給水弁５を閉じて加熱する。そして、湯温が設定温度まで上昇した後、電気ヒーター４で加熱しながら再びステップ給水弁５を開いて貯湯タンク１が満水になるまで徐々に給水する。

このような電気ヒーター４とステップ給水弁５との作動を、図４のフロー図に示す。同図において、ステップ給水弁５が開き貯湯タンク１に給水が開始されたときに、貯湯タンク１内の湯温が設定温度より３度以上低くなると電気ヒーター４による加熱が開始される。そして、加熱しながら満水に至るまで貯湯される。一方、給水の過程で、湯温が設定温度より１０度低くなった場合は、一旦給水を停止し、湯温が設定温度と同温又は設定温度のマイナス１度になるまで加熱する。その後、電気ヒーター４で加熱しながら再び給水を開始するものである（同図の制御３）。

尚、本発明温度制御装置は図示例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での設計変更は自由である。

本発明によると、主に寒冷地で使用する開放型の貯湯タンク１を対象に説明したが、寒冷地以外で使用する貯湯タンク１にも利用することが可能である。

Ｑ 基準水位
１ 貯湯タンク
２ 水位計
３ 温度計
４ 電気ヒーター
５ ステップ給水弁
１０ ヒートポンプ式給湯器
１１ ヒートポンプ電動弁
２０ 制御装置

Claims (3)

1. 貯湯タンク内の水位を計測する水位計と、貯湯タンク内の湯温を計測する温度計と、貯湯タンク内の湯水を加熱する電気ヒーターとを備え、夜間電力を利用する電気ヒーターとヒートポンプ式給湯器とを併用して貯湯タンク内の湯温を調整するヒートポンプ式給湯制御装置において、ヒートポンプ式給湯器と、貯湯タンク内に給水するステップ給水弁と、貯湯タンク内の電気ヒーターとを制御する制御装置を設け、ヒートポンプ式給湯器は、貯湯タンクの水位が特定時間ごとの基準水位に達しているときに稼動し、特定時間ごとの基準水位を下回るときに停止するように制御され、ステップ給水弁は、ヒートポンプ式給湯器が停止しているときに下限基準温度に至るまで給水し、電気ヒーターは、給水された水を設定温度まで加熱するように制御することを特徴とするヒートポンプ式給湯制御システム。
2. 前記貯湯タンクの基準水位は、前記ヒートポンプ式給湯器の正常稼動時に、夜間電力開始時間から終了時間までの時間帯で給湯される量の一定時間毎の給湯量を基準水位とした請求項１記載のヒートポンプ式給湯制御システム。
3. 前記制御装置は、貯湯タンク内の湯温が設定温度以下に低下したことを前記温度計が感知したときに、前記ステップ給水弁を閉じて前記電気ヒーターが設定温度まで加熱し、その後再びステップ給水弁を開いて電気ヒーターで加熱しながら給水するように制御する請求項１記載のヒートポンプ式給湯制御システム。

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