JP5405205B2

JP5405205B2 - 地中熱利用ヒートポンプ式給湯機

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Publication number: JP5405205B2
Application number: JP2009148248A
Authority: JP
Inventors: 真典上田; 基阿部
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: JP2011007343A

Description

この発明は、年間を通じて温度が比較的安定している地中熱をヒートポンプの熱源として利用して給湯等に使用する湯水を加熱する地中熱利用ヒートポンプ式給湯機に関するものである。

従来この種の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機においては、図７に示すように、湯水を貯湯する貯湯タンク１０１と、ヒートポンプユニット１０２と、貯湯タンク１０１とヒートポンプユニット１０２とを循環可能に接続する加熱循環回路１０３と、地中熱交換部１０４とを備え、地中熱交換部１０４は、地盤Ｇ中に埋設され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器１０５とヒートポンプユニット１０２と地中熱交換器１０５との間を循環可能に接続する地中熱循環回路１０６と、地中熱循環回路１０６に熱媒である循環液を循環させる地中熱循環ポンプ１０７とを備えているものであった。（例えば、特許文献１参照。）

このような地中熱利用ヒートポンプ式給湯機では、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、深夜時間帯の終了時刻に翌日必要とされるであろう必要沸き上げ熱量が沸き上がるように沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を行い、沸き上げ開始時刻になったらヒートポンプユニット１０２を定格の加熱能力、例えば、４．５ｋＷで動作させて沸き上げ運転を開始し、地中熱交換器１０５から地盤Ｇ中の地中熱を採熱してヒートポンプユニット１０２により、必要沸き上げ熱量を沸き上げて貯湯タンク１０１に貯湯し、沸き上げた貯湯タンク１０１内の温水を暖房や風呂の熱源として使用したり、給湯に使用したりするものであった。また、深夜時間帯の沸き上げだけでは湯量または熱量が不足する場合には、その不足する湯量または熱量を補うため昼間時間帯もヒートポンプユニット１０２で沸き上げ運転を行うものであった。

特開２００７−６４５４０号公報

ところで、この従来の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機は、沸き上げ運転を行う際には地中熱を利用するものであり、地盤Ｇ中からの採熱を続けると、地盤Ｇ中の温度が低下する場合がある。

図８は沸き上げ運転と地盤Ｇ中の温度の関係の一例を示したものであり、これについて説明すると、前回の深夜時間帯終了時刻である７時に沸き上げ運転を完了し、その時の地盤Ｇ中の温度が３℃であった場合、１２時間後の１９時には地盤Ｇ中の温度は５℃に回復したとする。そして、１９時〜２１時の間、不足熱量分を補う沸き上げ運転が生じ、今回の深夜時間帯開始時である２３時に前記ピークシフト演算を行い、今回の深夜時間帯での沸き上げ運転の開始時刻である２時に、地盤Ｇ中の温度が４℃であったとすると、今回の深夜時間帯終了後の地盤Ｇ中の温度が１．５℃となる。ここで、前回の深夜時間帯終了時刻である７時と今回の深夜時間帯終了時刻である７時を比較すると、今回の深夜時間帯終了時刻である７時の方が地盤Ｇ中の温度が低下しているのが分かる。

以上より、昼間時間帯の給湯や暖房等の使用が多く、昼間時間帯に沸き上げ運転が生じると、深夜時間帯に地中熱利用ヒートポンプ式給湯機を動作させる時には、地盤Ｇ中の温度が低い状態である場合があり、この時に深夜時間帯でヒートポンプユニット１０２を定格の加熱能力で動作させ沸き上げ運転を行うと、ヒートポンプユニット１０２が地中熱交換器１０５を介して地盤Ｇ中から汲み上げる採熱出力と地中が有する温度回復能力との差が大きく、地盤Ｇ中の温度の回復が追いつかず、深夜時間帯終了時にはさらに地盤Ｇ中の温度を低下させてしまうことになる。また、深夜時間帯の沸き上げ運転の時間は昼間時間帯の沸き上げ運転の時間に比べて長いので、地盤Ｇ中の温度低下が顕著に現れる。

このように、図８で説明した状態が繰り返し行われると、地盤Ｇ中の温度が回復しない、または地盤Ｇ中の温度が回復するまでに時間がかかり、地盤Ｇ中から十分な採熱が行えなくなってしまい、その結果、ヒートポンプユニット１０２の効率を低下させてしまうという問題を生じるおそれがあった。

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、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように、前記必要沸き上げ熱量と前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力とに基づいて、沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を、前記深夜時間帯の開始時刻に行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯に入る前に前記地中熱循環ポンプを所定時間駆動させ、その時の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低い場合、前記深夜時間帯の開始時刻に前記ピークシフト演算を行わず、前記深夜時間帯の沸き上げ運転時の前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を、前記深夜時間帯の時間長で前記必要沸き上げ熱量を沸き上げることができる加熱能力で動作させて、前記深夜時間帯開始から前記沸き上げ運転を行わせるものとした。

また、請求項２では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯開始時に前記ピークシフト演算すると共に前記地中熱循環ポンプを駆動開始させ、前記地中熱循環ポンプを所定時間駆動させた後の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低い場合、前記ピークシフト演算で求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、前記沸き上げ運転時の前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を、前記所定時間経過後から前記深夜時間帯終了時刻までの時間を使用して前記必要沸き上げ熱量を沸き上げることができる加熱能力で動作させて、前記所定時間経過後から前記沸き上げ運転を行わせるものとした。

また、請求項３では、湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯開始時に、前記地中熱循環ポンプを駆動させ、その時の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度以上と判断したら、前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行い、前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低いと判断したら、前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力より低い予め設定された加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行うものとした。

この発明の請求項１によれば、貯湯制御部は、深夜時間帯に入る前に地中熱循環ポンプを所定時間駆動させ、地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段で熱媒の温度を検出することで、地中の温度状態を地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段の検出温度から正確に把握でき、その検出温度が所定温度より低い場合は、前記深夜時間帯の開始時刻にピークシフト演算を行わず、必要沸き上げ熱量を沸き上げるのに、必要最低限の加熱能力で、深夜時間帯を目一杯使って沸き上げ運転を行うことで、ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力が、ピークシフト演算をして必要沸き上げ熱量を沸き上げる沸き上げ運転を行うときの加熱能力よりも小さくなり、それにより地中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地中温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させることができるものである。

また、請求項２によれば、貯湯制御部は、深夜時間帯に入ると、地中熱循環ポンプを所定時間駆動させ、地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段で熱媒の温度を検出することで、地中の温度状態を地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段の検出温度から正確に把握でき、その検出温度が所定温度より低い場合は、ピークシフト演算で求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、必要沸き上げ熱量を沸き上げるのに必要最低限の加熱能力で、地中熱循環ポンプの駆動時間を除く深夜時間帯を目一杯使って沸き上げ運転を行うことで、ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力が、ピークシフト演算をして必要沸き上げ熱量を沸き上げる沸き上げ運転を行うときの加熱能力よりも小さくなり、それにより地中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地中温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させることができるものである。また、電力安価な深夜時間帯に入ってから全ての処理を行うので、電気代を安くすることができるものである。

また、請求項３によれば、貯湯制御部は、深夜時間帯に入ると、地中熱循環ポンプを駆動させ、地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段で熱媒の温度を検出することで、地中の温度状態を地中往き温度検出手段または地中戻り温度検出手段の検出温度から正確に把握でき、その検出温度が所定温度以上と判断したら、前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行い、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させ、短時間で効率良く湯水の沸き上げを行うことができ、その検出温度が所定温度より低いと判断したら、ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力より低い予め設定された加熱能力を用いてピークシフト演算を行うことで、沸き上げ運転時には、ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を、定格加熱能力よりも低い加熱能力で動作させて、通常使用する定格の加熱能力より加熱能力を低くした分、地中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地中温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させることができるものである。また、電力安価な深夜時間帯に入ってから全ての処理を行うので、電気代を安くすることができるものである。

この発明の第１実施形態の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機の概略構成図。同第１実施形態の深夜時間帯における沸き上げ制御を示すフローチャート。同第１実施形態の沸き上げ運転と地中温度との関係を示すタイムチャート。この発明の他の実施形態の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機の概略構成図。この発明のさらに他の実施形態の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機の概略構成図。この発明の第２実施形態の深夜時間帯における沸き上げ制御を示すフローチャート。従来の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機の概略構成図。従来の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機の沸き上げ運転と地中温度との関係を示すタイムチャート。

次に、この発明の第１実施形態の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機を図１に基づき説明する。
図示のように、本実施形態の地中熱利用ヒートポンプ式給湯機は、大きく分けて貯湯タンクユニット１と、ヒートポンプ式加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、地中熱交換部３とから構成されるものである。

前記貯湯タンクユニット１に内蔵され湯水を貯湯する貯湯タンク４には、上端に出湯管５と、下端に給水管６とが接続され、さらに、ヒートポンプユニット２と循環可能に接続する往き管７が下部に、戻り管８が上部に接続されている。また、往き管７の途中には、貯湯タンク４内の湯水をヒートポンプユニット２へ循環させる回転数可変の循環ポンプ９が設けられ、往き管７、循環ポンプ９、ヒートポンプユニット２、戻り管８で、加熱循環回路１０を構成している。また、ヒートポンプユニット２の前後の往き管７および戻り管８には、それぞれ熱交入口温度センサ１１と熱交出口温度センサ１２とが設けられている。

１３は貯湯タンク４側面の上下方向に複数個配置された貯湯温度検出手段としての貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサ１３が配置され、貯湯タンク４内の上下方向の温度分布を検知するものであり、この貯湯温度センサ１３が検出する温度情報によって、貯湯タンク４にどれだけの熱量が残っているかを検知するものである。

１４は、給湯や暖房等に使用する日々の使用熱量や貯湯タンク４の残熱量から、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に沸き上げるべき必要沸き上げ熱量を演算し、深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように、ヒートポンプユニット２により貯湯タンク４内の湯水を沸き上げる沸き上げ運転の開始時刻を求めるピークシフト時刻を演算して、ヒートポンプユニット２へ沸き上げ開始と停止を指示する沸き上げ制御を行うと共に、昼間時間帯に貯湯温度センサ１３で検出する貯湯タンク４の残熱量が所定量を下回ると、所定の沸き上げ運転を開始させる機能を有する貯湯制御部である。

前記貯湯制御部１４は、深夜時間帯に入る前に検出した地盤Ｇ中の温度が、予め設定した所定温度より低かった場合、前記ピークシフト時刻の演算を行わず、沸き上げ運転時のヒートポンプユニット２の加熱能力を、深夜時間帯の時間長（例えば、２３：００〜翌日７：００までの時間）で前記必要沸き上げ熱量を沸き上げることができる最低限の加熱能力を演算し、演算した加熱能力で動作させて、深夜時間帯の開始時刻から沸き上げ運転を開始させるものである。

前記ヒートポンプユニット２は、冷媒を圧縮する能力可変の圧縮機１５と、圧縮機１５から吐出された高圧冷媒を流通させこの高圧冷媒と貯湯タンク４からの湯水の熱交換を行う凝縮器としての負荷側熱交換器１６と、負荷側熱交換器１６から流出する冷媒を減圧する減圧手段としての膨張弁１７と、膨張弁１７からの低圧冷媒を流通させこの低圧冷媒と地中熱交換部３の熱源側の熱媒との熱交換を行う蒸発器としての熱源側熱交換器１８とを備え、これらを冷媒配管で環状に接続しヒートポンプ回路１９を形成しているものである。なお、ヒートポンプユニット２の冷媒としては、二酸化炭素冷媒やＨＦＣ冷媒等の任意の冷媒を用いることができる。

前記地中熱交換部３は、地盤Ｇ中に埋設され互いに並列に接続された複数の地中熱交換器２０と、ヒートポンプユニット２の熱源側熱交換器１８と地中熱交換器２０との間を循環可能に接続する地中熱循環回路２１と、地中熱循環回路２１に熱媒である不凍液を循環させる回転数可変の地中熱循環ポンプ２２と、地中熱循環回路２１に設けられ地中熱循環ポンプ２２から吐出されて地中熱交換器２０に流入する不凍液の温度を検出する地中往き温度検出手段としての地中往き温度センサ２３と、地中熱循環回路２１に設けられ地中熱交換器２０から流出した不凍液の温度を検出する地中戻り温度検出手段としての地中戻り温度センサ２４とを備えているものである。

ここで、前記地中熱交換部３では、前記地中熱交換器２０によって地盤Ｇ中から地中熱が採熱され、その熱を帯びた不凍液が地中熱循環ポンプ２２により熱源側熱交換器１８に供給される。そして、熱源側熱交換器１８にて冷媒と不凍液とが対向して流れて熱交換が行われ、地中熱交換器２０にて採熱された地中熱がヒートポンプユニット２の冷媒側に汲み上げられ、熱源側熱交換器１８は蒸発器として機能するものとなる。

２５は熱交入口温度センサ１１、熱交出口温度センサ１２、地中往き温度センサ２３、地中戻り温度センサ２４の入力や前記貯湯制御部１４からの信号を受けて、循環ポンプ９、圧縮機１５、膨張弁１７、地中熱循環ポンプ２２の各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有したヒーポン制御部である。

次に、図１に示す第１実施形態の深夜時間帯の沸き上げ制御について図２に示すフローチャートに基づき説明する。
前記貯湯制御部１４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、２３：００〜翌日７：００）に入る一定時間前、例えば１０分前の２２：５０になると、任意の回転数で地中熱循環ポンプ２２のみの駆動を開始させ（ステップＳ１）、地中熱循環回路２１内の不凍液を循環させ、所定時間ｔ、ここでは１０分が経過したか否かを判断する（ステップＳ２）。

前記貯湯制御部１４は、前記ステップＳ２で、所定時間ｔが経過したと判断すると、地中戻り温度センサ２４で、地盤Ｇ中の温度に相当する温度となった地中熱循環回路２１の不凍液の温度を検出して、その時の不凍液の温度Ａを記憶し（ステップＳ３）、この温度Ａと予め設定された所定温度、例えば４℃とを比較し、温度Ａが所定温度より低いか否か判断する（ステップＳ４）。

そして、貯湯制御部１４は、前記ステップＳ４で温度Ａが所定温度より低いと判断すると、深夜時間帯の開始時刻２３：００に、給湯や暖房等に使用する日々の使用熱量や貯湯温度センサ１３の検出温度を用いて算出した貯湯タンク４の残熱量から、深夜時間帯に沸き上げるべき必要沸き上げ熱量Ｑを演算し、ピークシフト演算は行わず、沸き上げ運転時のヒートポンプユニット２の加熱能力Ｗを、必要沸き上げ熱量Ｑと沸き上げ時間である深夜時間帯の開始時刻から終了時刻までの時間Ｔ、ここでは８時間とに基づいて演算し（ステップＳ５）、深夜時間帯の開始時刻から沸き上げ運転を開始させ、沸き上げ運転時は深夜時間帯の時間長をフルに使用して必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げることができる加熱能力Ｗでヒートポンプユニット２を動作させるものである（ステップＳ６）。なお、前記ステップＳ３から前記ステップＳ５は深夜時間帯開始時刻である２３：００に瞬間的に処理され、前記ステップＳ６の処理も２３：００に開始されるものとする。

前記沸き上げ運転の開始が指示されると、循環ポンプ９、圧縮機１５の駆動を開始させると共に、地中熱循環ポンプ２２を所定の回転数で回転させ、負荷側熱交換器１６では循環ポンプ９により循環され貯湯タンク４から流出する湯水と圧縮機１５から吐出された高温高圧の冷媒とが熱交換され、加熱された湯水が貯湯タンク４上部より貯湯されると共に、熱源側熱交換器１８では、地中熱循環ポンプ２２により循環され地中熱交換器２０を介して地中熱を採熱した不凍液と膨張弁１７から吐出された低温低圧の冷媒とが熱交換され、地中熱により冷媒を加熱し蒸発させるものであり、地中熱交換器２０から採熱した地中熱を利用してヒートポンプユニット２より貯湯タンク４内の湯水を沸き上げていくものである。

前記沸き上げ運転を行い、貯湯温度センサ１３の検出する検出温度により必要沸き上げ熱量Ｑの沸き上げが完了したか否かを判断し（ステップＳ７）、沸き上げが完了したと判断すると、深夜時間帯の沸き上げ制御を終了するものである。

一方、前記ステップＳ４で、貯湯制御部１４は、前記温度Ａが所定温度以上であると判断すると、深夜時間帯の開始時刻２３：００に、給湯や暖房等に使用する日々の使用熱量や貯湯温度センサ１３の検出温度を用いて算出した貯湯タンク４の残熱量から、深夜時間帯に沸き上げるべき必要沸き上げ熱量Ｑを演算すると共に、深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量Ｑが沸き上がるように、必要沸き上げ熱量Ｑとヒートポンプユニット２の定格加熱能力とに基づいて、沸き上げ運転の開始時刻を求めるピークシフト時刻を演算するものであり（ステップＳ８）、一旦、地中熱循環ポンプ２２を停止させる。

そして、貯湯制御部１４は、前記ステップＳ８で求めた沸き上げ運転開始時刻に達したか否かを判断し（ステップＳ９）、沸き上げ運転開始時刻に達したと判断すると、沸き上げ運転を開始させて、ヒートポンプユニット２を定格加熱能力、例えば４．５ｋＷで動作させ（ステップＳ１０）、前記ステップＳ７の処理に進むものである。

次に、図２のフローチャートで示した深夜時間帯の沸き上げ制御のうち特徴的なステップＳ１からステップＳ７の処理を図３のタイムチャートを用いて詳細に説明する。但し、比較のために、図３に示した今回の深夜時間帯に入る前の地盤温度やヒートポンプユニット２の加熱能力といった条件は上述した図８と同条件し、上述した図８より算出される必要沸き上げ熱量Ｑを、必要沸き上げ熱量Ｑ＝定格加熱能力×沸き上げ時間＝４．５×５＝２２．５ｋＷとする。

まず、前記貯湯制御部１４は、今回の深夜時間帯に入る一定時間前、例えば１０分前の２２：５０になると、地中熱循環ポンプ２２の駆動を開始させて（前記ステップＳ１）、地中熱循環回路２１内の不凍液を循環させ、所定時間ｔ、ここでは１０分が経過したと判断すると（前記ステップＳ２）、地中戻り温度センサ２４で不凍液の温度を検出、ここでは３．５℃を温度Ａとして記憶し（前記ステップＳ３）、この温度Ａと予め設定された所定温度、例えば４℃とを比較し、温度Ａが所定温度より低いと判断し、（前記ステップＳ４）、前記ステップＳ５の処理に進むものである。

そして、前記ステップＳ５で、貯湯制御部１４は、必要沸き上げ熱量Ｑを演算し、沸き上げ運転時のヒートポンプユニット２の加熱能力Ｗを、必要沸き上げ熱量Ｑ、ここでは２２．５ｋＷと、沸き上げ時間である深夜時間帯の開始時刻から終了時刻までの時間Ｔ、ここでは８時間とに基づいて、加熱能力Ｗ＝必要沸き上げ熱量Ｑ／沸き上げ時間Ｔにより演算して求め、今回の深夜時間帯の開始時刻２３：００から沸き上げ運転を開始させ、前記ステップＳ５で演算した加熱能力Ｗ＝２．８１２５ｋＷでヒートポンプユニット２を動作させるものである（前記ステップＳ６）。

そうすると、必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げるのに、必要最低限の加熱能力Ｗで、深夜時間帯を目一杯使って沸き上げ運転を行うので、ヒートポンプユニット２の加熱能力Ｗは、ピークシフト演算をして必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げる沸き上げ運転を行うときの定格加熱能力よりも小さくなる。加熱能力が小さいことにより、熱源側熱交換器１８の冷媒側と不凍液側とで、温度差を大きく取って熱交換する必要がなく、熱源側熱交換器１８の冷媒側の蒸発温度は上がるので、ヒートポンプユニット２の熱源側熱交換器１８が地中熱交換器２０を介して地盤Ｇ中から汲み上げる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地盤Ｇ中の温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプユニット２を高効率で動作させることができるものである。

前記沸き上げ運転を行い、貯湯温度センサ１３の検出する検出温度により必要沸き上げ熱量Ｑの沸き上げが完了したと判断すると（前記ステップＳ７）、今回の深夜時間帯の沸き上げ制御を終了するものであり、今回の深夜時間帯終了時刻７：００の時点で地盤Ｇ中の温度が３℃であり、必要以上に地盤Ｇ中の温度を低下させることがなく、次回ヒートポンプユニット２動作時までの地盤Ｇ中の温度回復を促進させることができるものである。

以上説明した深夜時間帯の沸き上げ制御において、前記ステップ１から前記ステップＳ６の処理により、深夜時間帯に入る前に地中熱循環ポンプ２２を所定時間駆動させて、所定時間駆動後に、地中戻り温度センサ２４で不凍液の温度を検出することで、地盤Ｇ中の温度状態に相当する温度を地中戻り温度センサ２４の検出温度から正確に把握でき、その検出温度が所定温度より低い場合は、必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げるのに、必要最低限の加熱能力Ｗで、深夜時間帯を目一杯使って沸き上げ運転を行うので、ヒートポンプユニット２の加熱能力が、ピークシフト演算をして必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げる沸き上げ運転を行うときの定格加熱能力よりも小さくなり、それにより地中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地中温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプユニット２を高効率で動作させることができるものである。また、前記ステップＳ４において、前記温度Ａが前記所定温度以上であると判断したら、前記ステップＳ８から前記ステップＳ１０の処理により、ヒートポンプユニット２を高効率で動作させ、短時間で効率良く湯水の沸き上げを行うことができるものである。

なお、上記の第１実施形態では、前記ステップＳ４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、ピークシフト演算を行わず、前記ステップＳ５で、ヒートポンプユニット２の前記加熱能力Ｗを演算し、ヒートポンプユニット２を加熱能力Ｗで動作させて、沸き上げ運転を行わせるようにしたが、前記ステップＳ４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、ヒートポンプユニット２の加熱能力を、定格の加熱能力、例えば４．５ｋＷよりも低い予め設定した加熱能力、例えば３．０ｋＷとし、定格の加熱能力よりも低い予め設定した加熱能力を用いてピークシフト演算を行うと共に、一旦、地中熱循環ポンプ２２の駆動を停止させ、ピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻になったら、ヒートポンプユニット２の加熱能力を、定格の加熱能力よりも低い予め設定した加熱能力で動作させて、沸き上げ運転を行わせるようにしてもよく、そうすることで、通常使用する定格の加熱能力より加熱能力を低くした分、地盤Ｇ中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地盤Ｇ中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地盤Ｇの温度低下を抑制することができると共に、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させることができるものである。

また、上記の第１実施形態では、前記ステップＳ３において、地中戻り温度センサ２４で検出した温度を前記温度Ａとしたが、地中戻り温度センサ２４で検出した温度の代わりに、地中往き温度センサ２３で検出した温度を前記温度Ａとしてもよいものである。

また、第１実施形態では、地中に埋設された地中熱交換器２０は、複数設けられており、互いに並列に接続されているが、互いに直列に接続されているものであってもよく、また、地中熱交換器２０は、複数設けられている必要もなく、１本であってもよいものである。

また、第１実施形態では、貯湯タンク４内の湯水を給湯や暖房等に使用するものにおいて、深夜時間帯の沸き上げ運転に本発明の制御を適用したが、図４に示すように、二次側の放熱部（図示せず）に循環する熱媒を加熱するための暖房用熱交換器２６と、暖房用熱交換器２６とヒートポンプユニット２とを湯水が循環可能に接続する熱交循環回路２７と、この熱交循環回路２７はその回路の少なくとも一部を加熱循環回路１０と共有し、何れか一方の循環回路を循環可能にする電動三方弁２８とを設け、前記二次側の放熱部の暖房運転時に、地中熱交換器２０から採熱した地中熱を利用してヒートポンプユニット２で加熱した湯水を暖房用熱交換器２６に直接供給し、二次側と熱交換して温度低下した温水を再度ヒートポンプユニット２に直接循環させて再度加熱して暖房をできる構成のものにおいて、深夜時間帯の沸き上げ運転に本発明の制御を適用してもよいものであり、また、図５に示すように、空調用の室内機２９と、空調用地中熱交換器３０から採熱した地中熱を熱源とする空調用のヒートポンプユニットとしての室外機３１とを設け、給湯機用の地中熱交換器２０の近傍に空調用地中熱交換器３０を埋設した構成のものにおいても、深夜時間帯の沸き上げ運転に本発明の制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

次に、図６に示す第２実施形態について説明するが、この第２実施形態は先に説明した第１実施形態と同じ構成部品で構成され、深夜時間帯の沸き上げ制御が相違するものである。第２実施形態の深夜時間帯の沸き上げ制御について図６に示すフローチャートに基づき説明する。

まず、前記貯湯制御部１４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、２３：００〜翌日７：００）の開始時刻に達すると、給湯や暖房等に使用する日々の使用熱量や貯湯温度センサ１３の検出温度を用いて算出した貯湯タンク４の残熱量から、深夜時間帯に沸き上げるべき必要沸き上げ熱量Ｑを演算すると共に、深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量Ｑが沸き上がるように、必要沸き上げ熱量Ｑとヒートポンプユニット２の定格加熱能力、例えば４．５ｋＷとに基づいて、沸き上げ運転の開始時刻を求めるピークシフト時刻を演算し、それと同時に、任意の回転数で地中熱循環ポンプ２２のみの駆動を開始させ（ステップＳ１１）、地中熱循環回路２１内の不凍液を循環させ、所定時間ｔ、ここでは１０分が経過したか否かを判断する（ステップＳ１２）。

前記貯湯制御部１４は、前記ステップＳ１２で、所定時間ｔが経過したと判断すると、地中戻り温度センサ２４で、地盤Ｇ中の温度状態に相当する温度となった地中熱循環回路２１の不凍液の温度を検出して、その時の不凍液の温度Ａを記憶し（ステップＳ１３）、この温度Ａと予め設定された所定温度、例えば４℃とを比較し、温度Ａが所定温度より低いか否か判断する（ステップＳ１４）。

そして、貯湯制御部１４は、前記ステップＳ１４で温度Ａが所定温度より低いと判断すると、前記ステップＳ１１でピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし（ステップＳ１５）、沸き上げ運転時のヒートポンプユニット２の加熱能力Ｗを、必要沸き上げ熱量Ｑと、前記所定時間ｔ経過後である２３：１０から深夜時間帯終了時刻までの沸き上げ時間Ｔ、ここでは７時間５０分とに基づいて演算し（ステップＳ１６）、深前記所定時間ｔ経過後である２３：１０から沸き上げ運転を開始させ、沸き上げ運転時は前記沸き上げ時間Ｔを使用して必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げることができる演算した加熱能力Ｗでヒートポンプユニット２を動作させるものである（ステップＳ１７）。なお、前記ステップＳ１３から前記ステップＳ１６は深夜時間帯の２３：１０に瞬間的に処理され、前記ステップＳ１７の処理も２３：１０に開始されるものとする。

前記沸き上げ運転を行い、貯湯温度センサ１３の検出する検出温度により必要沸き上げ熱量Ｑの沸き上げが完了したか否かを判断し（ステップＳ１８）、沸き上げが完了したと判断すると、深夜時間帯の沸き上げ制御を終了するものである。

一方、前記ステップＳ１４で、貯湯制御部１４は、前記温度Ａが所定温度以上であると判断すると、一旦、地中熱循環ポンプ２２を停止させ、前記ステップＳ１１でピークシフト演算により求めた沸き上げ運転開始時刻に達したか否かを判断し（ステップＳ１９）、沸き上げ運転開始時刻に達したと判断すると、沸き上げ運転を開始させて、ヒートポンプユニット２を定格加熱能力、例えば４．５ｋＷで動作させ（ステップＳ２０）、前記ステップＳ１８の処理に進むものである。

なお、図６のフローチャートで示した深夜時間帯の沸き上げ制御のうち特徴的なステップＳ１１からステップＳ１８の処理を行った場合、先に説明した第１実施形態で示した図３のタイムチャートとほぼ同様の結果となり、必要以上に地盤Ｇ中の温度を低下させることがなく、次回ヒートポンプユニット２動作時までの地盤Ｇ中の温度回復を促進させることができるものである。

以上説明した深夜時間帯の沸き上げ制御において、前記ステップ１１から前記ステップＳ１７の処理により、深夜時間帯に入ると、地中熱循環ポンプ２２を所定時間駆動させて、所定時間駆動後に、地中戻り温度センサ２４で不凍液の温度を検出することで、地盤Ｇ中の温度状態に相当する温度を地中戻り温度センサ２４の検出温度から正確に把握でき、その検出温度が所定温度より低い場合は、ピークシフト演算で求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、地中熱循環ポンプ２２の駆動時間である前記所定時間を除く深夜時間帯を目一杯使って、必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げるのに必要最低限の加熱能力Ｗで、沸き上げ運転を行うので、ヒートポンプユニット２の加熱能力が、ピークシフト演算をして必要沸き上げ熱量Ｑを沸き上げる沸き上げ運転を行うときの定格加熱能力よりも小さくなり、それにより地中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地中温度の低下を抑制することができると共に、ヒートポンプユニット２を高効率で動作させることができるものであり、さらに、電力安価な深夜時間帯に入ってから全ての処理を行うので、電気代を安くすることができるものである。また、前記ステップＳ１４において、前記温度Ａが前記所定温度以上であると判断したら、前記ステップＳ１９から前記ステップＳ２０の処理により、ヒートポンプユニット２を高効率で動作させ、短時間で効率良く湯水の沸き上げを行うことができるものである。

なお、上記の第２実施形態では、前記ステップＳ１４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、前記ステップＳ１５で、定格の加熱能力４．５ｋＷを用いたピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、前記ステップＳ１６で、ヒートポンプユニット２の前記加熱能力Ｗを演算し、ヒートポンプユニット２を加熱能力Ｗで動作させて、沸き上げ運転を行わせるようにしたが、前記ステップＳ１４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、前記ステップＳ１５で、定格の加熱能力４．５ｋＷを用いたピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、定格の加熱能力よりも低い予め設定した加熱能力、例えば３．０ｋＷを用いて、再度ピークシフト演算を行うと共に、一旦、地中熱循環ポンプ２２の駆動を停止させ、再度演算したピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻になったら、ヒートポンプユニット２の加熱能力を、定格の加熱能力よりも低い予め設定した加熱能力３．０ｋＷで動作させて、沸き上げ運転を行わせるようにしてもよく、そうすることで、通常使用する定格の加熱能力より加熱能力を低くした分、地盤Ｇ中から汲み上げられる採熱出力も小さくなり、地盤Ｇ中が有する温度回復能力との差が少なくなるため、地盤Ｇの温度低下を抑制することができると共に、ヒートポンプ式加熱手段を高効率で動作させることができるものである。また、電力安価な深夜時間帯に入ってから全ての処理を行うので、電気代を安くすることができるものである。

また、上記の第２実施形態では、前記ステップＳ１１でヒートポンプユニット２の定格の加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行い、前記ステップＳ１４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、前記ステップＳ１５で、定格の加熱能力４．５ｋＷを用いたピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、前記ステップＳ１６で、ヒートポンプユニット２の前記加熱能力Ｗを演算し、ヒートポンプユニット２を加熱能力Ｗで動作させて、沸き上げ運転を行わせるようにしたが、前記ステップＳ１１ではヒートポンプユニット２の定格の加熱能力を用いた前記ピークシフト演算を行わず、前記ステップＳ１４において、前記温度Ａが前記所定温度より低いと判断したら、ヒートポンプユニット２の定格の加熱能力よりも低い予め設定した加熱能力、例えば３．０ｋＷを用いて、ピークシフト演算を行い、あるいは、前記温度Ａが前記所定温度以上と判断したら、ヒートポンプユニット２の定格の加熱能力４．５ｋＷを用いてピークシフト演算を行い、ピークシフト演算により求めた沸き上げ開始時刻になったら、沸き上げ運転を行わせるようにしてもよいものである。

また、上記の第２実施形態では、前記ステップＳ１３において、地中戻り温度センサ２４で検出した温度を前記温度Ａとしたが、地中戻り温度センサ２４で検出した温度の代わりに、地中往き温度センサ２３で検出した温度を前記温度Ａとしてもよいものである。

また、第２実施形態では、地中に埋設された地中熱交換器２０は、複数設けられており、互いに並列に接続されているが、互いに直列に接続されているものであってもよく、また、地中熱交換器２０は、複数設けられている必要もなく、１本であってもよいものである。

また、本発明は上記の第２実施形態に限定されるものではなく、上述の図４や図５のような構成のものにおいて、深夜時間帯の沸き上げ運転に本発明の制御を適用してもよいものであり、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な変形が可能であり、これを妨げるものではない。

２ヒートポンプ式加熱手段（ヒートポンプユニット）
４貯湯タンク
１０加熱循環回路
１４貯湯制御部
２０地中熱交換器
２１地中熱循環回路
２２地中熱循環ポンプ
２３地中往き温度検出手段（地中往き温度センサ）
２４地中戻り温度検出手段（地中戻り温度センサ）

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように、前記必要沸き上げ熱量と前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力とに基づいて、沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を、前記深夜時間帯の開始時刻に行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯に入る前に前記地中熱循環ポンプを所定時間駆動させ、その時の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低い場合、前記深夜時間帯の開始時刻に前記ピークシフト演算を行わず、前記深夜時間帯の沸き上げ運転時の前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を、前記深夜時間帯の時間長で前記必要沸き上げ熱量を沸き上げることができる加熱能力で動作させて、前記深夜時間帯開始から前記沸き上げ運転を行わせるようにしたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ式給湯機。
湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯開始時に前記ピークシフト演算すると共に前記地中熱循環ポンプを駆動開始させ、前記地中熱循環ポンプを所定時間駆動させた後の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低い場合、前記ピークシフト演算で求めた沸き上げ開始時刻をキャンセルし、前記沸き上げ運転時の前記ヒートポンプ式加熱手段の加熱能力を、前記所定時間経過後から前記深夜時間帯終了時刻までの時間を使用して前記必要沸き上げ熱量を沸き上げることができる加熱能力で動作させて、前記所定時間経過後から前記沸き上げ運転を行わせるようにしたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ式給湯機。
湯水を貯湯する貯湯タンクと、該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、前記貯湯タンクと前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する加熱循環回路と、地中に埋設された地中熱交換器と、該地中熱交換器と前記ヒートポンプ式加熱手段とを循環可能に接続する地中熱循環回路と、該地中熱循環回路に熱媒を循環させる地中熱循環ポンプと、前記地中熱交換器に流入する熱媒の温度を検出する地中往き温度検出手段と、前記地中熱交換器から流出した熱媒の温度を検出する地中戻り温度検出手段とを備えると共に、前記地中熱交換器から採熱した地中熱を利用して前記ヒートポンプ式加熱手段により前記貯湯タンク内の湯水を沸き上げる深夜時間帯の沸き上げ運転に際し、前記深夜時間帯の終了時刻に必要沸き上げ熱量が沸き上がるように沸き上げ開始時刻を求めるピークシフト演算を行う貯湯制御部を備えた地中熱利用ヒートポンプ式給湯機であって、前記貯湯制御部は、前記深夜時間帯開始時に、前記地中熱循環ポンプを駆動させ、その時の前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度以上と判断したら、前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行い、前記地中往き温度検出手段または前記地中戻り温度検出手段で検出される温度が所定温度より低いと判断したら、前記ヒートポンプ式加熱手段の定格加熱能力より低い予め設定された加熱能力を用いて前記ピークシフト演算を行うようにしたことを特徴とする地中熱利用ヒートポンプ式給湯機。