JP5694911B2 - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の貯湯タンクを直列に接続したヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種の複数の貯湯タンクを直列に接続したヒートポンプ式給湯装置においては、貯湯タンクの容量から貯湯タンク内の残湯量を差し引いた沸き上げ必要量を算出し、深夜時間帯の終了時刻にこの沸き上げ必要量を沸き上げ終了するように沸き上げ開始時刻を演算するピークシフト演算を行っている。

そして、複数の貯湯タンクの上下方向に複数設けらている貯湯温度センサに基づいて残湯量を算出するにあたって、特許文献１の段落００３５や図６に記載されているように、給湯側のタンクの上部から給水側のタンクの下部に向かって順に判定温度以上の残湯の有無を検知し、判定温度を挟む上下の貯湯温度センサの検出温度を用いて判定温度以上の残湯量を算出するようにしている。

特開２００２−１６８５２４号公報

この従来のものでは、給湯側タンク内の熱を浴槽水加熱の熱源として用いた場合や、給湯側タンクの下部と給水側タンクの上部とを連結する連結管の放熱に伴って給湯側タンク下部の温度が低下した場合など、貯湯タンク内の温度分布が図２のように、給湯側タンクの下部よりも給水側タンクの上部の貯湯温度が高い状態となることがある。

従来の残湯容量の算出の仕方では、給水側タンク最上部の貯湯温度センサとその一つ下の貯湯温度センサの検出温度を直線補間し、直線補間した線と判定温度との交点以上の容量を残湯容量として算出している。

ところが、給水側タンク下部から取り出した湯水を加熱して給湯側タンク上部に戻すようにして沸き上げを開始すると、給湯側タンク下部の温度の低い湯水が給水側タンク上部に流入して給水側タンク上部の温度の高い湯水と混合されて給水側タンク上部にあった湯水の温度が低下してしまうがために、残湯容量が当初算出した残湯容量よりも減少してしまい、その分だけ深夜時間帯の終了時刻に沸き上げ切れないという問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するために、給水管が下部に接続された給水側タンクと出湯管が上部に接続された給湯側タンクとにより成る貯湯タンクと、前記給水側タンク上部と前記給湯側タンク下部とを連結する連結管と、前記給水側タンク下部から取り出した湯水を加熱して前記給湯側タンク上部に戻すヒートポンプ式加熱手段と、前記給水側タンクおよび前記給湯側タンクのそれぞれ上下方向に複数設けられた貯湯温度センサと、前記複数の貯湯温度センサの検出温度に基づいて前記貯湯タンク内の残湯容量を算出する残湯容量算出手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記残湯容量算出手段は、前記給水側タンクの前記貯湯温度センサの検出温度が前記給湯側タンク最下部の前記貯湯温度センサの検出温度より高い場合は、当該前記給水側タンクの温度を前記給湯側タンク最下部の温度で代用して残湯容量を算出するようにした。

このように本発明によれば、沸き上げ開始に伴う給水側タンクの貯湯温度の低下を見越した残湯容量を算出することができるため、従来より正確な残湯容量を算出できるものである。

本発明の一実施形態の概略構成図 同一実施形態の貯湯タンク内の温度分布状態を示す図

次に、本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯装置について、図面に基づいて説明する。
１は貯湯タンクユニット、２はヒートポンプ式加熱手段、３はリモートコントローラ、４は給湯栓、５は浴槽である。

６は給水側タンク７と給湯側タンク８とから成り、総容量３００Ｌの貯湯タンク、９は給水側タンク７下部に接続され市水を供給する給水管、１０は給水側タンク７上部と給湯側タンク８下部とを連結する連結管、１１は給湯側タンク８上部に接続された出湯管、１２は給水管９から分岐された給水バイパス管、１３は出湯管１０からの湯と給水バイパス管１２からの水とを給湯設定温度になるように混合する給湯混合弁、１４は給湯混合弁１３で混合された湯が流通する給湯管、１５は給湯管１４途中に設けられ給湯量を検出する給湯流量センサ、１６は給湯管１４途中に設けられ給湯温度を検出する給湯温度センサ、１７は給水管９に設けられ市水の給水圧を一定の圧力に減圧する減圧弁、１８は出湯管１１から分岐して設けられ貯湯タンク６内の過圧を逃がす過圧逃がし弁である。

１９は給水側タンク７と給湯側タンク８のそれぞれに上下方向に複数設けられ貯湯温度を検出する貯湯温度センサで、給湯側タンク８の上から下にかけてＴＨ１、ＴＨ２、ＴＨ３、ＴＨ４と呼び、給水側タンク７の上から下にかけてＴＨ５、ＴＨ６、ＴＨ７と呼び、それぞれ、貯湯タンク６の給湯側上部から給水側下部にかけて４０Ｌ、８０Ｌ、１３０Ｌ、１８０Ｌ、２１０Ｌ、２４０Ｌ、２７０Ｌの位置に設けられている。

２０は給湯側タンク８内の上部に設けられ浴槽水を加熱するための風呂熱交換器、２１は風呂熱交換器２０と浴槽５とを浴槽水が循環可能に接続する風呂循環回路、２２は風呂循環回路２１途中に設けられ浴槽水を強制循環させる風呂循環ポンプ、２３は風呂熱交換器２０で加熱する前の浴槽水温度を検出する風呂温度センサである。ここで、風呂熱交換器２０はステンレス管を螺旋状に巻回した構成としている。

２４は入水管２５と沸き上げ管２６とから成り貯湯タンク６とヒートポンプ式加熱手段２を湯水が循環可能に接続する加熱循環回路、２７は入水管２５途中に設けられた加熱循環ポンプで、入水管２５はその一端が給水側タンク７の下部に接続され、沸き上げ管２６はその一端が給湯側タンク８の上部に接続されている。

前記ヒートポンプ式加熱手段２は、冷媒を圧縮する圧縮機２８と、冷媒と水とを熱交換する冷媒水熱交換器２９と、冷媒の圧力を減圧膨張する膨張弁３０と、液冷媒を蒸発させる蒸発器３１と、蒸発器３１へ熱源となる外気を送風する送風機３２と、入水管２５に設けられて冷媒水熱交換器２９へ流入する湯水の温度を検出する入水温度センサ３３と、沸き上げ管２６に設けられて冷媒水熱交換器２９で加熱された湯水の温度を検出する沸き上げ温度センサ３４とを備え、蒸発器３１で吸熱した冷媒を圧縮機２８で圧縮して冷媒水熱交換器２９を介して水を加熱するようにしているものである。

前記リモートコントローラ３は、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、風呂設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態等）を表示する表示部３５と、給湯設定温度および風呂設定温度を設定操作するための温度設定スイッチ３６と、浴槽水の追い焚きを指示する追い焚きスイッチ３７とを備えている。

３８は給湯流量センサ１５、給湯温度センサ１６、貯湯温度センサ１９（ＴＨ１〜ＴＨ７）風呂温度センサ２３、入水温度センサ３３、沸き上げ温度センサ３４の検出値が入力され、給湯混合弁１３、風呂循環ポンプ２２、加熱循環ポンプ２７、圧縮機２８、膨張弁３０、送風機３２の作動を制御すると共に、リモートコントローラ３と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段３８は、予め給湯装置の作動を制御するためのプログラムが記憶されていると共に、演算、比較、記憶機能、時計機能を有しているものである。

３９は制御手段３８内に一機能としてプログラムされ、貯湯温度センサ１９（ＴＨ１〜ＴＨ７）の検出温度に基づいて貯湯タンク６内の残湯容量を算出する残湯容量算出手段である。

次に、給湯動作について説明すると、給湯栓４が開かれると、給水側タンク７の底部に給水管９から市水が流入すると、給水側タンク７の上部から湯水が連結管１０を介して給湯側タンク８の底部に押し出され、さらに給湯側タンク８の頂部から出湯管３を介して高温の湯が出湯され、制御手段３８は給湯温度センサ１６で検出する給湯温度がリモートコントローラ３の温度設定スイッチ３６で設定された給湯設定温度になるよう給湯混合弁１３の開度を調整し、給湯栓４から給湯設定温度の湯が給湯され、給湯栓４が閉じられることで給湯動作が終了する。

なお、制御手段３８は、給湯時に給湯設定温度と給湯流量センサ１５で検出した給湯流量と給水側タンク７最下部の貯湯温度センサＴＨ７で検出した給水温度とに基づいて貯湯タンク６から流出した給湯量を算出し、一日毎に積算して過去７日間分を記憶するようにしている。

次に、深夜時間帯の沸き上げ動作について説明すると、深夜時間帯になったことを制御手段３８が認識すると、残湯容量算出手段３９は、貯湯温度センサ１９（ＴＨ１〜ＴＨ７）で検出する貯湯タンク６内の残熱容量を算出する。

このとき、残湯容量算出手段３９は、給水側タンク７の下部の貯湯温度センサＴＨ７から給湯側タンク８の上部の貯湯温度センサＴＨ１へ向けて順に残湯と見なせる判定温度（ｔ１）以上であるかを判定し、給水側タンク７の最上部にある貯湯温度センサＴＨ５で検出する貯湯温度と給湯側タンク８の最下部にある貯湯温度センサＴＨ４の検出温度を比較し、ＴＨ５≦ＴＨ４であれば、判定温度以上を初めて検出した貯湯温度センサＴＨ（ｎ）の検出した貯湯温度とその一つ前の貯湯温度センサＴＨ（ｎ−１）の検出した貯湯温度とを以下の式のように直線補間して、判定温度以上の残湯容量を算出する。

Ｌｔ１＝Ｌｎ（（ＴＨｎ−ｔ１）＊（（Ｌｎ−１）−Ｌｎ））／（（ＴＨｎ−１）−ＴＨｎ））
ここで、
Ｌｔ１：判定温度ｔ１以上の残湯容量
Ｌｎ：判定温度ｔ１以上を検出している貯湯温度センサの中で最下部位置の容量
Ｌｎ−１：判定温度ｔ１未満を検出している貯湯温度センサの中で最上部位置の容量
ＴＨｎ：判定温度ｔ１以上を検出している貯湯温度センサの中で最下部位置の検出温度
ＴＨｎ−１：判定温度ｔ１未満を検出している貯湯温度センサの中で最上部位置の検出温度
ｔ１：残湯と見なせる判定温度

一方、給水側タンク７の最上部にある貯湯温度センサＴＨ５で検出する貯湯温度と給湯側タンク８の最下部にある貯湯温度センサＴＨ４の検出温度を比較し、ＴＨ５＞ＴＨ４であれば、図２に示すように給湯側タンク８の最下部の貯湯温度と給水側タンク７の最上部の貯湯温度が逆転している状況であるため、残湯容量算出手段３９は、給水側タンク７の最上部の貯湯温度センサＴＨ５で検出している貯湯温度を破棄し、給湯側タンク８の最下部の貯湯温度センサＴＨ４で検出している貯湯温度を給水側タンク７の最上部の貯湯温度センサＴＨ５で検出する貯湯温度として代用し、図２の白抜きの丸をＴＨ５の貯湯温度としてＴＨ６の貯湯温度との間で直線補間して、上記の式のように判定温度以上の残湯容量を算出する。

また、ＴＨ５＞ＴＨ４の場合において、ＴＨ６＞ＴＨ４であれば、給水側タンク７の貯湯温度センサＴＨ６で検出している貯湯温度を破棄し、給湯側タンク８の最下部の貯湯温度センサＴＨ４で検出している貯湯温度を給水側タンク７の貯湯温度センサＴＨ６で検出する貯湯温度として代用し、ＴＨ７＞ＴＨ４であれば、給水側タンク７の貯湯温度センサＴＨ７で検出している貯湯温度を破棄し、給湯側タンク８の最下部の貯湯温度センサＴＨ４で検出している貯湯温度を給水側タンク７の貯湯温度センサＴＨ７で検出する貯湯温度として代用するようにしている。

そして、制御手段３８は、貯湯タンク６の容量から残湯容量を減じた沸き上げ必要容量と、ヒートポンプ式加熱手段２の定格加熱能力と、別途定められる目標沸き上げ温度と、給水温度とから以下の式によって沸き上げ必要時間を算出し、深夜時間帯の終了時刻前に翌日に必要な熱量が沸き上がるような加熱開始時刻をピークシフト演算によって算出する。

沸き上げ必要時間＝（沸き上げ必要容量＊（目標沸き上げ温度−給水温度）／定格加熱能力

そして、現在時刻が加熱開始時刻に到達すると、制御手段３８は加熱循環ポンプ２７と圧縮機２８と膨張弁３０と送風機３２を駆動制御し、給水側タンク７の下部から取り出した水を目標の沸き上げ温度に加熱して給湯側タンク８の上部へ戻すようにして給湯側タンク８の上部から連結管１０を介して給水側タンク７の下部まで積層して貯湯する通常沸き上げ動作を行い、翌日に必要な熱量が沸き上がるとする通常沸き上げ動作を終了する。

このようにして、給湯側タンク８の最下部の貯湯温度が給水側タンク７の最上部の貯湯温度より低い場合は、図２の点線で示したように沸き上げ開始に伴う給水側タンク７上部の貯湯温度の低下を見越した残湯容量を算出することができるため、従来より正確な残湯容量を算出できるものである。正確な残湯容量を算出できた結果、ピークシフト演算の精度が向上して深夜時間帯の終了時刻までに予定量の沸き上げが完了でき、湯切れを生じさせないと共に、昼間時間帯の無用な沸き増し運転を行うことがなくなる。

なお、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で改変することを妨げるものではない。例えば、給湯側タンク８内に設けられた風呂熱交換器２０の代わりに、貯湯タンク６外に一次側流体と二次側流体との間で熱交換するタイプの熱交換器を設け、この熱交換器の一次側に給湯側タンク８の上部から取り出した湯水を流通させ、放熱した湯水を給湯側タンク８の下部に戻し、熱交換器の二次側に風呂循環回路２１を接続するようにしてもよい。

また、ピークシフト演算の計算式は一例であって、他の公知のピークシフト演算の計算式を用いてもよい。

２ ヒートポンプ式加熱手段
６ 貯湯タンク
７ 給水側タンク
８ 給湯側タンク
９ 給水管
１０ 連結管
１１ 出湯管
１９ 貯湯温度センサ
２０ 風呂熱交換器
３９ 残湯容量算出手段

Claims (2)

1. 給水管が下部に接続された給水側タンクと出湯管が上部に接続された給湯側タンクとにより成る貯湯タンクと、前記給水側タンク上部と前記給湯側タンク下部とを連結する連結管と、前記給水側タンク下部から取り出した湯水を加熱して前記給湯側タンク上部に戻すヒートポンプ式加熱手段と、前記給水側タンクおよび前記給湯側タンクのそれぞれ上下方向に複数設けられた貯湯温度センサと、前記複数の貯湯温度センサの検出温度に基づいて前記貯湯タンク内の残湯容量を算出する残湯容量算出手段とを備えたヒートポンプ式給湯装置において、前記残湯容量算出手段は、前記給水側タンクの前記貯湯温度センサの検出温度が前記給湯側タンク最下部の前記貯湯温度センサの検出温度より高い場合は、当該前記給水側タンクの温度を前記給湯側タンク最下部の温度で代用して残湯容量を算出するようにしたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記給湯側タンク内の湯水を熱源として浴槽水を加熱する風呂熱交換器が設けられてい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装置。

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