JP5869910B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機と、ヒートポンプ給湯機で加熱された温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクを備えて構成される給湯システムに関する。

図３に、ヒートポンプ給湯機１と貯湯タンク２を備えた一般的なヒートポンプ式給湯システムの概略のシステム構成を模式的に示す。ホテル等で使用される業務用の給湯システムでは、温水が必要な場合に蛇口から即時に供給できることが望ましい。しかし、給湯配管距離が長いため、給湯負荷が少ない時間帯は、配管からの放熱による温水温度の低下が大きい。

従って、図３に示されるように、貯湯タンク２から給湯負荷３までの給湯配管Ｌ１に対して、小容量の循環ポンプ４を設け、給湯負荷３から循環ポンプ４の１次側に戻る戻り配管Ｌ２を設けて循環路を形成し、循環ポンプ４により温度低下した給湯配管Ｌ１内の温水を循環させ、更に、循環路に設けた電気ヒータ等の補助加熱機５により、温度低下した循環水を加熱して、即時給湯可能な状態を維持することが行われている。

貯湯タンク２の貯湯温度は、貯湯タンク２の貯湯容量を小さく抑えるために、通常、給湯温度より高温の９０℃に設定されている。給湯負荷３には、貯湯タンク２からの高温水と、常温の水をミキシングバルブＭＶで混合して、６０〜６５℃程度の給湯温度で供給する。戻り配管Ｌ２に循環した戻り水は放熱により５℃程度温度低下するため、通常は、上述のように補助加熱機５により加熱する。しかしながら、設備規模の大きい業務用の給湯システムでは、補助加熱機５に必要な熱量が大きく不経済であり、電気ヒータの場合には消費電力が増加して省電力運転に適さない。

特開２００８-１５７４７１号公報 特開２００５-３０６４２号公報

昭和鉄工株式会社、"ＳＨＯＷＡ業務用エコキュート最適システムの選び方"、［online］、［平成２４年１月１０日検索］、インターネット＜URL：http://www.showa.co.jp/air/ecocute/03_erabikata.html＞

掛かる問題を解決するために、図４に示されるように、循環水を補助加熱機５で加熱せず、温度低下した循環水の一部を貯湯タンク２の上部に戻し、その減少分を貯湯タンク２からの高温水で補い、給湯負荷３への給湯温度を維持する給湯システムが提案されている（例えば、下記特許文献１の図１等参照）。しかし、図４に示される従来システムでは、貯湯タンク２に温度低下した循環水が戻ることで、貯湯タンク２内の中間温度層が拡大するという問題が生じる。

更に、上述の補助加熱機５による加熱の問題と、貯湯タンク２内の中間温度層が拡大する問題を解決するために、図５に示されるように、高温水を貯湯する貯湯タンク２に加えて、補助タンク６を備え、温度低下した循環水を補助タンク６に一時的に貯湯し、その減少分を貯湯タンク２からの高温水で補い、給湯負荷３への給湯温度を維持する給湯システムが提案されている（例えば、下記非特許文献１、下記特許文献１の図５等参照）。図５に示される従来システムでは、貯湯タンク２内の中間温度層の拡大は回避されるものの、貯湯タンクを２槽設けることにより、設備コストが高騰するとともに、システムの制御が複雑化するという問題が生じる。

更に、上述の補助加熱機５による加熱の問題を解決するために、補助加熱機５に代えて、貯湯タンク２内に熱交換器を設け、貯湯タンク２内の高温水との熱交換により、温度低下した循環水を加熱することも考えられるが（例えば、下記特許文献２等参照）、貯湯タンク２内の貯湯温度の低下が避けられないため、図４に示される従来システムと同様に、貯湯タンク２内の中間温度層が拡大するという問題が生じる。

ところで、ヒートポンプ給湯機１のエネルギ消費効率（成績係数：ＣＯＰ）は、入水温が低いほど高くなる特性があり、貯湯タンク２の下部から供給される低温水の温度は低い方が、ＣＯＰが高くなり好ましい。このため、貯湯タンク２内の中間温度層が拡大することで、入水温が高くなると、ヒートポンプ給湯機１のエネルギ消費効率が低下し、非効率になる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易なシステム構成により低コストで高効率に給湯負荷への即時給湯が可能な給湯システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ヒートポンプ給湯機と、前記ヒートポンプ給湯機で加熱された温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクを備えて構成される給湯システムであって、
前記貯湯タンクの上部の上部出水口から取り出した高温水を、一方の入水口から受け入れて、前記高温水より低温の第１温度に調整して、給湯配管を経由して前記給湯負荷に供給する第１温度調整機と、
前記貯湯タンクの中央部分の中央出水口から取り出した中間温度層の温水を、一方の入水口から受け入れて、前記中間温度層の温水温度が、前記第１温度より低温の第２温度より高温の場合に、前記第２温度に調整して、前記第１温度調整機の他方の入水口に供給する第２温度調整機と、
前記給湯配管の前記給湯負荷側の端部と、前記貯湯タンクの中央部分の前記中央出水口より下側に設けられた中央入水口との間を接続するとともに、途中で分岐して、前記第１温度調整機の他方の入水口及び前記第２温度調整機の出水口と接続する戻り配管と、
前記貯湯タンクの下部の下部入水口及び前記第２温度調整機の他方の入水口と接続し、前記第２温度より低温の低温水を供給する給水配管と、
前記給湯配管または前記戻り配管に設けられた循環ポンプと、
を備えてなることを特徴とする給湯システムを提供する。

更に、上記特徴の給湯システムは、前記貯湯タンクの中央部分の上下２箇所に、前記貯湯タンク内の水温を測る温度センサを設け、上側の第１温度センサの検出温度が所定の第１基準温度以下になると前記ヒートポンプ給湯機の運転を開始し、下側の第２温度センサの検出温度が所定の第２基準温度以上になると前記ヒートポンプ給湯機の運転を停止するように構成されているのが好ましい。

ここで、前記第１温度センサが、前記貯湯タンク内の前記中央出水口と同じ上下位置付近または前記中央出水口より高位置の水温を測定可能に設けられ、前記第２温度センサが、前記貯湯タンク内の前記中央入水口と同じ上下位置付近の水温を測定可能に設けられていることが好ましい。

更に、上記特徴の給湯システムは、前記第１基準温度が、前記第２温度より高温、更には、前記第１温度以上に設定されていることが好ましい。

更に、上記特徴の給湯システムは、前記第２温度が、前記戻り配管内の前記第１温度調整機の他方の入水口に循環する水の温度変動範囲内に設定されていることが好ましい。

更に、上記特徴の給湯システムは、前記第１温度調整機と前記第２温度調整機の夫々が、２つの入水口から流入する温度差のある２系統の水の流入量を、動力源が不要なサーモエレメントによって調整することにより、出水温度を自動的に調整し、温度調整された水を出水口から出水するサーモスタット式の自動ミキシングバルブであることが好ましい。

更に、上記特徴の給湯システムは、前記貯湯タンク内に、前記中央入水口に接続する２重管構造を備え、前記２重管構造の内管と外管の各管壁に貫通孔が設けられ、前記戻り配管から前記中央入水口を介して、前記２重管構造の前記内管内に流入した水が、前記内管の管壁に設けられた前記貫通孔を介して、前記２重管構造の前記外管と前記内管の間の中間領域に流入し、前記中間領域に流入した水が、前記外管の管壁に設けられた前記貫通孔を介して、前記貯湯タンク内に流入するように構成されていることが好ましい。

上記給湯システムによれば、給湯負荷が無い状態（例えば、給湯栓（蛇口）やシャワー等の給湯端末での温水消費が無い状態）においては、給湯配管から給湯端末に供給された第１温度の温水は、当該給湯端末で消費されずに、戻り配管を経由して、その殆ど（第１の戻り水）が、前記第１温度調整機の他方の入水口に循環し、残りの一部（第２の戻り水）が、中央入水口から貯湯タンクの中央部分の中間温度層に戻る。第１温度調整機では、給湯配管での放熱により、温度低下した当該第１の戻り水が、貯湯タンクの上部から供給される高温水と混合して、第１温度に調整され、つまり、元の温度に回復して給湯配管に再度供給されるため、給湯負荷が急に発生しても、瞬時に第１温度に調整された温水を給湯端末に供給することができる。ここで、貯湯タンクの上部から供給される高温水の減少分を補充するため、中央入水口から貯湯タンクの中央部分の中間温度層に、第１温度より低下した第２の戻り水が流入するため、貯湯タンクの上部の高温度層に流入する従来の構成と比較して、中間温度層の拡大が抑制される。また、外部の補助熱源や補助タンク等を必要としないため、経済的である。

また、給湯負荷が発生している状態では、給湯配管から供給される温水は、給湯端末に供給され、戻り配管から第１温度調整機の他方の入水口に循環する第１の戻り水は殆ど無く、また、中央入水口から貯湯タンクの中央部分の中間温度層に戻る第２の戻り水も無いので、第１温度調整機の他方の入水口には、第２温度調整機で第２温度に調整された温水が入水し、貯湯タンクの上部から供給される高温水と混合して、第１温度に調整され、給湯負荷に供給される。ここで、第１温度調整機の他方の入水口には、低温の給水ではなく、貯湯タンクの中央部分の中間温度層の温水が使用されるため、中間温度層が縮小される。このため、中間温度層が拡大することによるヒートポンプ給湯機のエネルギ消費効率及び稼働率が低下するのを抑制することができる。

本発明に係る給湯システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図 図１に示す給湯システムにおける貯湯タンク内に挿入される戻り配管の２重管構造の一例を模式的に示す断面図 従来の補助加熱機を備えたヒートポンプ式給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図 従来の補助加熱機を備えないヒートポンプ式給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図 従来の補助タンクを備えた給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図

本発明に係る給湯システム（以下、適宜「本発明システム」と称す）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。本実施形態では、図３に示す従来の給湯システムと同じ構成要素及び同じ部位には、本発明の理解の容易のために同じ符号を付して説明する。

図１は、本発明システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図である。尚、図中の実線は水路の配管（管路）を示しており、点線は制御用の信号線を夫々示している。図１に示すように、本発明システムは、ヒートポンプ給湯機１、貯湯タンク２、循環ポンプ４、逆止弁Ｖ１、第１の温度調整機ＭＶ１、及び、第２の温度調整機ＭＶ２を備えて構成される。更に、上述の各機器を相互に接続する配管として、給湯配管Ｌ１、戻り配管Ｌ２、中間配管Ｌ３、給水配管Ｌ４、加熱用往路配管Ｌ５、及び、加熱用復路配管Ｌ６を備えて構成される。

ヒートポンプ給湯機１は、ヒートポンプ回路の冷媒として例えばＣＯ_２を採用したＣＯ_２ヒートポンプで構成され、貯湯タンク２の下部出水口２５から加熱用往路配管Ｌ５を経由して入水口１１に入水した低温水をヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱して、出水口１２から加熱用復路配管Ｌ６を介して貯湯タンク２の上部入水口２２に供給する。ヒートポンプ給湯機１内には図示しない循環ポンプが設けられ、加熱用往路配管Ｌ５と加熱用復路配管Ｌ６を介して、ヒートポンプ給湯機１と貯湯タンク２間で水が循環するように構成されている。尚、当該図示しない循環ポンプは、加熱用往路配管Ｌ５または加熱用復路配管Ｌ６に設けても良い。ヒートポンプ回路の圧縮機は、例えば、３相誘導電動機で構成され、商用電力（３相２００Ｖ）を電源として作動するものとする。

本実施形態では、ヒートポンプ給湯機１は、外部からの制御に依らずに、設定された出水温となるように自動的に出水温度制御されるように構成されている。尚、本実施形態では、一例として９０℃に設定されている。

貯湯タンク２は、本実施形態では、一槽式のものを想定し、貯湯タンク２の壁部には、貯湯タンク２内に水が流入する入水口、及び、貯湯タンク２内から水が流出する出水口が、夫々設けられている。具体的には、上部出水口２１と上部入水口２２がタンク上部に、中央出水口２３と中央入水口２４がタンク中央部分に、下部出水口２５と下部入水口２６がタンク下部に、夫々設けられている。中央出水口２３は、中央入水口２４より上側に位置している。尚、本実施形態では、特に断らない限り、タンク内の各部の位置関係は、上下方向の位置関係を示す。従って、タンク中央部分は、タンク内の上下方向における中間部分を意味する。

更に、貯湯タンク２には、貯湯タンク２内の中央部分の上下２箇所の水温を検出する第１温度センサＴ１と第２温度センサＴ２が設けられ、夫々の検出温度に基づいて、ヒートポンプ給湯機１の運転の開始及び停止が制御される。ヒートポンプ給湯機１は、第１温度センサＴ１の検出温度が所定の第１基準温度以下になると運転を開始し、第２温度センサＴ２の検出温度が所定の第２基準温度以上になると運転を停止する。尚、当該温度制御機能は、図１に示す例では、ヒートポンプ給湯機１に内蔵されているものとするが、外部制御盤によるものとして良い。尚、第１及び第２温度センサＴ１，Ｔ２は、夫々の検出温度をヒートポンプ給湯機１に直接出力する構成、或いは、対応する第１または第２基準温度との比較結果をヒートポンプ給湯機１に出力する構成の何れであっても良い。

本実施形態では、第１温度センサＴ１は、第２温度センサＴ２の取り付け位置ＰＴ２より上側の取り付け位置ＰＴ１に、中央出水口２３と略同じ位置（高さ）Ｐ２３に設けられている。また、第２温度センサＴ２は、中央入水口２４と略同じ位置（高さ）Ｐ２４に設けられている。そして、第１基準温度が６０℃に、第２基準温度が６０℃〜７０℃（好ましくは６０℃）に夫々設定されている。

貯湯タンク２の上部出水口２１と給湯負荷３の間に給湯配管Ｌ１が設けられ、給湯配管Ｌ１の途中には、上流（貯湯タンク２）側に第１の温度調整機ＭＶ１が、下流（給湯負荷３）側に、循環ポンプ４と逆止弁Ｖ１が並列に設けられている。具体的には、給湯配管Ｌ１の上流部分が上部出水口２１と第１の温度調整機ＭＶ１の一方に入水口の間に接続し、給湯配管Ｌ１の中間部分が温度調整機ＭＶ１の出水口と循環ポンプ４の１次側と逆止弁Ｖ１の入水口の間に接続し、給湯配管Ｌ１の下流部分が循環ポンプ４の２次側と逆止弁Ｖ１の出水口と給湯負荷３の間に接続している。

給湯配管Ｌ１の下流側の端部から、給湯負荷３で使用されなかった温水を第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口或いは貯湯タンク２内に戻して循環させる戻り配管Ｌ２が設けられている。戻り配管Ｌ２は、給湯配管Ｌ１の下流側の端部と貯湯タンク２の中央入水口２４との間を接続するとともに、途中で分岐して、第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口及び第２の温度調整機ＭＶ２の出水口と接続する。第２の温度調整機ＭＶ２の一方の入水口は、中間配管Ｌ３を介して、貯湯タンク２の中央出水口２３と接続し、第２の温度調整機ＭＶ２の他方の入水口は給水配管Ｌ４と接続する。

給水配管Ｌ４は、上水道、或いは、上水道の上水を貯留した給水タンク等の給水源（図示せず）と貯湯タンク２の下部入水口２６及び第２の温度調整機ＭＶ２の他方の入水口の間を接続し、当該給水源からの給水を、貯湯タンク２及び第２の温度調整機ＭＶ２に供給する。給水配管Ｌ４からの給水温度は、タンク下部の水温と略同じで、例えば、中間期（冬期、夏期以外）においては、１５℃程度が想定される。

第１の温度調整機ＭＶ１は、貯湯タンク２のタンク上部の高温水（９０℃）と、第２の温度調整機ＭＶ２または戻り配管Ｌ２から供給される温水を混合して、第１温度に調整して出水する。第２の温度調整機ＭＶ２は、貯湯タンク２のタンク中央部分の後述する中間温度層の温水と、給水配管Ｌ４からの低温水を混合して、第２温度に調整して出水する。本実施形態では、第１及び第２の温度調整機ＭＶ１，ＭＶ２として、サーモスタット式の自動ミキシングバルブを使用する。自動ミキシングバルブは、２つの入水口から流入する温度差のある２系統の水の流入量を、動力源が不要なサーモエレメントによって調整することにより、出水温度を設定温度（第１温度、第２温度）に自動的に調整し、温度調整された水を出水口から出水する。従って、自動ミキシングバルブは、温度調整のために電動弁の開度を調整する等の動力源が不要である。

第１温度は、給湯負荷３で使用される温水温度に設定されており、本実施形態では、一例として、６０℃に設定されている。第２温度は、第１温度より低温に、一例として、後述するように５５℃に設定されている。つまり、第２温度は、第１の温度調整機ＭＶ１から第１温度（６０℃）に調整されて給湯配管Ｌ１の中間部分以降に供給された温水の温度が、給湯配管Ｌ１及び戻り配管Ｌ２等での放熱により５℃程度低下することを想定して、設定されている。

本実施形態では、給湯負荷３として、例えば、カラン（蛇口）やシャワー、浴槽等での温水の使用を想定しており、給湯負荷３が発生すると、貯湯タンク２内の高温水が、熱的及び量的にも消費される。また、給湯負荷３となるカラン（蛇口）やシャワー、浴槽等は、必ずしも、給湯配管Ｌ１の１箇所に設けられている必要はなく、給湯配管Ｌ１が途中で分岐して複数の給湯負荷３に並列的に温水を供給する形態でも良い。但し、分岐した給湯配管Ｌ１は、再度一箇所に合流して、戻り配管Ｌ２に接続するものとする。

尚、上記各配管Ｌ１〜Ｌ６には、夫々、図示したもの以外に、開閉弁（２方弁）、逆止弁、減圧弁、定流量弁、安全弁、自動空気抜き弁等の内、適宜必要なものが介装されるものとし、図示を省略する。

次に、図１に示す本発明システムの動作について説明する。

先ず、貯湯タンク２内への貯湯動作について説明する。給水配管Ｌ４から下部入水口２６を介して貯湯タンク２内に低温水（例えば、１５℃程度）の給水が貯まると、第１温度センサＴ１は、タンク内の水温が第１基準温度（６０℃）以下であることを検知して、ヒートポンプ給湯機１の運転が開始される。これにより、貯湯タンク２の上部入水口２２から９０℃の高温水が供給されるため、９０℃の高温水の高温層が下方に向けて拡大し、当初の低温水の低温層は、徐々に下側に押し下げられる。当該高温層の底部が、第２温度センサＴ２の取り付け位置ＰＴ２まで低下すると、第２温度センサＴ２が当該取り付け位置ＰＴ２付近の温水温度が第２基準温度（６０℃〜７０℃）以上であることを検知して、ヒートポンプ給湯機１の運転が停止される。この結果、取り付け位置ＰＴ２から上部までは、９０℃の高温水で満たされる。当該貯湯状態を便宜的に「満貯湯状態」と称する。

上記満貯湯状態において、給湯負荷３の発生していない待機状態が続くと、給湯配管Ｌ１に設けられた循環ポンプ４によって、給湯配管Ｌ１内の温水の大半（第１の戻り水）が、第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口に戻り、残りの一部（第２の戻り水）が、貯湯タンク２のタンク中央部分に戻る。第２の戻り水と同量の高温水が、貯湯タンク２の上部出水口２１から第１の温度調整機ＭＶ１の一方の入水口に供給され、第１の温度調整機ＭＶ１の出水口から第１温度（６０℃）に調整された温水が、給湯配管Ｌ１の給湯負荷３側に供給される。これにより、給湯負荷３が瞬時に発生しても、所望の第１温度（６０℃）に調整された温水を、給湯負荷３に供給可能な状態が維持される。

当該待機状態では、第１温度より低温の第２の戻り水（５５℃程度）が貯湯タンク２のタンク中央部分の位置Ｐ２４付近に流入するため、また、第２の戻り水と同量の高温水が、貯湯タンク２の上部出水口２１から第１の温度調整機ＭＶ１の一方の入水口に供給されるため、上記高温層の底部の位置が徐々に押し上げられ、当該高温層と取り付け位置ＰＴ２より下側の低温層との間に温度範囲が５５℃程度から９０℃未満の中間温度層が形成される。当該待機状態では、第２の戻り水は、タンク中央部分の位置Ｐ２４に流入し、同量の高温水が貯湯タンク２の上部出水口２１から流出するため、位置Ｐ２４より下方の低温層には変化がない。つまり、中間温度層と低温層の境界領域は、位置Ｐ２４（取り付け位置ＰＴ２）付近に維持される。

当該待機状態が継続すると、高温層と中間温度層の境界領域が徐々に上昇して、取り付け位置ＰＴ１を超え、第１温度センサＴ１が、取り付け位置ＰＴ１付近の温水温度が第１基準温度（６０℃）以下であることを検知すると、再びヒートポンプ給湯機１の運転が開始される。これにより、タンク下部の低温水が、ヒートポンプ給湯機１内に通流し、加熱された高温水（９０℃）が、タンク上部に循環するため、一旦上昇した高温層と中間温度層の境界領域が、第２温度センサＴ２が取り付け位置ＰＴ２付近の温水温度が第２基準温度（６０℃〜７０℃）以上であることを検知するまで下降し、当該境界領域は、取り付け位置ＰＴ１とＰＴ２の間に維持されることになる。

ところで、上記待機状態では、ヒートポンプ給湯機１の運転中も中間温度層は緩やかに拡大し、高温層と中間温度層の境界領域の下降とともに、中間温度層と低温層の境界領域も位置Ｐ２４（取り付け位置ＰＴ２）より下降する。ヒートポンプ給湯機１の運転が停止すると、中間温度層と低温層の境界領域は、その時点で下降が停止し、中間温度層は上方に向けて緩やかに拡大する。

上記待機状態では、第１の戻り水の流量（Ｆ１）と第２の戻り水の流量（Ｆ２，但し、Ｆ２＜Ｆ１）の合計（Ｆ１＋Ｆ２）は、第１の温度調整機ＭＶ１の出水口から出水する温水の流量Ｆ０、つまり、循環ポンプ４の吐出流量に等しい（Ｆ０＝Ｆ１＋Ｆ２）。循環ポンプ４の吐出流量は、第１及び第２戻り水の温度が、給湯配管Ｌ１及び戻り配管Ｌ２等での放熱により、第１温度（６０℃）より５℃程度低下して、大体第２温度（５５℃）になるように調整される。或いは、循環ポンプ４の吐出流量を一定の低速値に設定した上で、第２温度が、給湯配管Ｌ１及び戻り配管Ｌ２等での放熱による温度低下を考慮して、第１及び第２戻り水の温度変動範囲内に設定されても良い。本実施形態では、循環ポンプ４は、給湯配管Ｌ１及び戻り配管Ｌ２等での放熱分を補うためだけに使用されるので、小容量のもので十分である。

上記満貯湯状態において、或いは、上記待機状態が続いてタンク中央部分に中間温度層が形成された状態において、給湯負荷３が発生して給湯状態になると、つまり、カラン（蛇口）やシャワー、浴槽等への温水の供給が開始すると、貯湯タンク２の中央出水口２３から出水した中間温度層の温水（５５℃〜９０℃）が、第２の温度調整機ＭＶ２において第２温度（５５℃）に調整され、更に、第１の温度調整機ＭＶ１において、貯湯タンク２の上部出水口２１から出水した高温水（９０℃）と合流し、第１温度（６０℃）に調整されて、給湯負荷３に供給される。尚、給湯負荷３に供給される温水の流量は、通常循環ポンプ４の吐出流量を上回るため、当該温水は、殆どが逆止弁Ｖ１を通過する。尚、本実施形態では、循環ポンプ４は、本発明システムの稼働中は、給湯負荷３の有無に関係なく常時稼働していることを想定している。

本実施形態では、循環ポンプ４が、給湯負荷３より上流側の給湯配管Ｌ１に設けられているため、第１の温度調整機ＭＶ１から給湯負荷３に供給された温水の殆ど全部が、給湯負荷３に供給され、戻り配管Ｌ２に循環する戻り水は、待機状態より大幅に減少するか、或いは、無くなる。従って、第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口には、第２の温度調整機ＭＶ２において、貯湯タンク２のタンク中央部分の中間温度層の温水（５５℃〜９０℃）と給水配管Ｌ４から供給される低温水（例えば、１５℃程度）が混合され、第２温度（５５℃）に調整された温水が供給される。尚、中間温度層の温水温度が、仮に第２温度（５５℃）より低い場合は、第２の温度調整機ＭＶ２の他方の入水口には給水配管Ｌ４から低温水は供給されず、第２温度（５５℃）より低温の中間温度層の温水がそのまま第１の温度調整機ＭＶ１の他方に入水口に流入することになるが、その場合は、第１の温度調整機ＭＶ１の一方の入水口に供給されるタンク上部の高温水の出水流量が増加して、第１の温度調整機ＭＶ１からの出水温度は、正常に第１温度（６０℃）に維持される。

当該給湯状態では、貯湯タンク２の上部出水口２１から出水した高温水（９０℃）とタンク中央部分の中央出水口２３が出水した中間温度層の温水（５５℃〜９０℃）を補充するために、給水配管Ｌ４から下部入水口２６を介して貯湯タンク２内に低温水（例えば、１５℃程度）が供給される。また、第２の温度調整機ＭＶ２で、中間温度層の温水温度が５５℃より高温である場合には、給水配管Ｌ４から上記低温水が、第２の温度調整機ＭＶ２に供給され、その分、中間温度層の温水の出水量が低下するため、給水配管Ｌ４から貯湯タンク２への上記低温水の供給量が低下する。

以上のように、給湯負荷３に供給する第１温度（６０℃）の温水の第１の供給流量に応じて、上部出水口２１からの高温水（９０℃）の第１の出水流量と、第２の温度調整機ＭＶ２から第１の温度調整機ＭＶ１の他方に入水口への第２の出水流量が自動的に決まり、第２の出水流量と中間温度層の温水温度に応じて、中央出水口２３からの中間温度層の温水の第３の出水流量と、給水配管Ｌ４から第２の温度調整機ＭＶ２の他方に入水口への低温水の第２の供給流量が自動的に決まり、上記第１の出水流量と上記第３の出水流量の合計が、給水配管Ｌ４から貯湯タンク２への上記低温水の第３の供給流量となる。尚、当然の結果として、上記低温水の第２及び第３の供給流量の合計は、給湯負荷３に供給する第１温度（６０℃）の温水の第１の供給流量と等しい。

ここで、注目すべき点は、給湯状態では、給湯負荷３に供給する温水温度である第１温度（６０℃）が、タンク上部の温度（９０℃）より、中間温度層の温水温度（５５℃〜９０℃）により近いため、自動的に、タンク上部の高温水より、中間温度層の温水が多く使用される点である。つまり、待機状態が長時間継続して中間温度層が緩やかではあるが拡大しても、一旦、給湯状態になると、給湯負荷３に対してタンク中央部分の中間温度層から優先的に温水が供給されるため、中間温度層が急速に縮小する。給湯状態では、タンク上部の高温水も使用されるので、高温層も縮小するが、中間温度層の温水が優先的に使用される結果、例えば、図３に示すような従来システムと比較して、高温層を広く確保することが可能となる。

給湯状態が継続すると、高温層が徐々に縮小し、更に、中間温度層がより速く縮小するため、高温層と中間温度層の境界領域及び中間温度層と低温層の境界領域が夫々上昇する。つまり、中間温度層が縮小しながらその位置が上昇するに従い、第１温度センサＴ１が取り付け位置ＰＴ１付近の温水温度が第１基準温度（６０℃）以下であることを検知すると、ヒートポンプ給湯機１の運転が開始される。これにより、タンク下部の低温水が、ヒートポンプ給湯機１に通流し、加熱された高温水（９０℃）が、タンク上部に循環するため、高温層と中間温度層の境界領域及び中間温度層と低温層の境界領域が、第２温度センサＴ２が取り付け位置ＰＴ２付近の温水温度が第２基準温度（６０℃〜７０℃）以上であることを検知するまで夫々下降する。

本実施形態では、給湯状態において、給湯負荷３に対してタンク中央部分の中間温度層からの温水が優先的に使用される結果、中間温度層の拡大によるヒートポンプ給湯機１のエネルギ消費効率の低下の問題は生じない。

次に、本発明装置の別実施形態について説明する。

〈１〉上記実施形態では、循環ポンプ４を、第１の温度調整機ＭＶ１と給湯負荷３の間の給湯配管Ｌ１に設ける構成について説明したが、循環ポンプ４は、第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口側と貯湯タンク２の中央入水口２４側への分岐点より給湯負荷３側の戻り配管Ｌ２に設ける構成としても良い。この場合、給湯状態においても循環ポンプ４が稼働していると、給湯配管Ｌ１からの温水は、殆どが給湯負荷３へ供給されるが、一部が戻り配管Ｌ２へも供給される。しかし、戻り配管Ｌ２に供給された温水は、第１の戻り水として第１の温度調整機ＭＶ１の他方の入水口に循環するため、貯湯タンク２での動作は、循環ポンプ４を給湯配管Ｌ１に設けた場合と略同じ動作となる。

〈２〉更に、上記実施形態では、戻り配管Ｌ２は、貯湯タンク２の中央入水口２４に単に接続する場合を想定して説明したが、例えば、貯湯タンク２内に戻り配管Ｌ２の先端部を挿入し、タンク内部の先端部を２重管構造とし、第２の戻り水のタンク中央部分への流入を分散させるとともに、流入速度を抑制するのも好ましい。図２に、当該２重管構造の一実施例の断面を模式的に示す。図２（Ａ）に、戻り配管Ｌ２の長手方向に垂直な断面を示し、図２（Ｂ）に、戻り配管Ｌ２の長手方向と平行な垂直断面を示す。尚、２重管構造は、一例として、図２に示すように、内管３１の先端部と外管３２の両端部を閉塞し、夫々の管の側壁面に、貯湯タンク２外の戻り配管Ｌ２の管断面積より広い開口部（貫通孔）３３，３４を、内管３１の開口部３３と外管３２の開口部３４が互いに対向しないように設ける。一例として、内管３１の開口部３３は、側壁面の上下方向に設け、外管３２の開口部３４は、側壁面の左右方向に設けるのが好ましい。当該２重管構造によって、戻り配管Ｌ２から中央入水口２４を介して、２重管構造の内管３１内に流入した水が、内管３１の開口部３３を介して、内管３１と外管３２の間の中間領域に流入し、当該中間領域に流入した水が、外管３２の開口部３４を介して、貯湯タンク２内のタンク中央部分（位置Ｐ２４）に流入する。これにより、流入箇所が分散され、流入速度も抑制されるため、貯湯タンク２内で温水の攪拌及び対流の発生が抑制され、中間温度層等の各温度層の維持が良好になされる。

〈３〉更に、上記実施形態では、第１温度センサＴ１の取り付け位置ＰＴ１は、中央出水口２３と略同じ位置Ｐ２３に設定され、第２温度センサＴ２の取り付け位置ＰＴ２は、中央入水口２４と略同じ位置Ｐ２４に設定されている場合を説明した。以下、当該位置設定が好ましい理由、及び、当該位置設定からの可能な変形例について説明する。

［中央出水口２３の位置Ｐ２３と取り付け位置ＰＴ１の関係］
待機状態では、中央出水口２３から中間温度層の温水が出水しないため、中央出水口２３の位置Ｐ２３が、取り付け位置ＰＴ１より上であっても下であっても、位置Ｐ２３が取り付け位置ＰＴ１と略同じ位置である場合と同じ動作をする。

給湯状態では、中央出水口２３の位置Ｐ２３が、取り付け位置ＰＴ１より上の場合は、上述のように、中央出水口２３からの中間温度層の温水の出水が生じるが、取り付け位置ＰＴ１より上側には、給湯状態が開始した直後では、高温層が存在するので、給湯状態が或る程度継続して、高温層と中間温度層の境界領域が上方へ移動してからでないと、中間温度層の温水の使用が開始しないので、上記実施形態における中間温度層の温水を優先的に使用するタイミングが遅れる。従って、中央出水口２３の位置Ｐ２３は、取り付け位置ＰＴ１と略同じ位置が好ましいが、取り付け位置ＰＴ１より僅かに上であっても、上記タイミングが若干遅れるだけで、上記実施形態の作用効果は或る程度奏し得る。

一方、中央出水口２３の位置Ｐ２３が、取り付け位置ＰＴ１より下の場合は、給湯状態においても、中央出水口２３の位置Ｐ２３と取り付け位置ＰＴ１間の温水温度の状況に関係なく、上記実施形態における中間温度層の温水が優先的に使用されるので、中央出水口２３の位置Ｐ２３は、中央入水口２４の位置Ｐ２４及び第１温度センサＴ１の取り付け位置ＰＴ１より上であれば、実際の運用上問題にはならない。

［中央入水口２４の位置Ｐ２４と取り付け位置ＰＴ２の関係］
給湯状態では、中央入水口２４から貯湯タンク２内への第２の戻り水の流入は生じないので、中央入水口２４の位置Ｐ２４が、取り付け位置ＰＴ２より上であっても下であっても、位置Ｐ２４が取り付け位置ＰＴ２と略同じ位置である場合と同じ動作をする。

給湯状態において、ヒートポンプ給湯機１の運転が行われ、当該運転が停止した直後に、給湯状態から待機状態に移行した場合等において、取り付け位置ＰＴ２に、中間温度層と低温層の境界領域が存在し、中間温度層の温度が９０℃で、低温層の温度が１５℃となる状況が起り得る。当該状況下では、中央入水口２４の位置Ｐ２４が、取り付け位置ＰＴ２より上の場合には、待機状態が継続することで、５５℃の第２の戻り水が、９０℃の中間温度層に流入するケースが発生する。更に、中央入水口２４の位置Ｐ２４が、取り付け位置ＰＴ２より下の場合には、待機状態が継続することで、５５℃の第２の戻り水が、１５℃の低温層に流入するケースが発生する。

つまり、上記の特殊な状況下では、中央入水口２４の位置Ｐ２４が、取り付け位置ＰＴ２と略同じ位置でないと、貯湯タンク２内の９０℃の中間温度層または１５℃の低温層に、５５℃の第２の戻り水が注入されることで、５５℃の第２の戻り水の層の下に、より高温の中間温度層の一部が存在する、或いは、５５℃の第２の戻り水の層の上により低温の低温層の一部が存在するという不規則な温度分布が形成されるため、当該不規則な温度分布において対流が生じて、当該中間温度層と低温層の維持が困難になるという問題が生じる。しかし、中央入水口２４の位置Ｐ２４が、取り付け位置ＰＴ２より上の場合には、９０℃の中間温度層に５５℃の第２の戻り水が流入することで、９０℃の中間温度層の低温化が通常より速く進行するだけで、元々５５℃の中間温度層が形成されている場合と比較すると大きな問題ではない。

このため、中央入水口２４の位置Ｐ２４は、取り付け位置ＰＴ２と略同じ位置であることがより望ましいが、取り付け位置ＰＴ２より上の場合も許容され得る。但し、中央入水口２４の位置Ｐ２４が取り付け位置ＰＴ２に対して僅かに上下に変化しただけでは、待機状態における貯湯タンク２内への第２の戻り水の流入量は、同量の高温水によって、給湯配管Ｌ１及び戻り配管Ｌ２等での放熱分を補うのに必要な流量で少量であるため、上記の特殊な状況下において上述の不規則な温度分布が生じても、狭い領域に制限されるため、つまり、中間温度層と低温層の境界領域が上下に広がる程度の影響で済むため、位置Ｐ２４と取り付け位置ＰＴ２の上下の位置関係の或る程度の変動は許容される。

〈４〉更に、上記実施形態では、第１及び第２の温度調整機ＭＶ１，ＭＶ２として、サーモスタット式の自動ミキシングバルブを使用する場合を説明したが、第１及び第２の温度調整機ＭＶ１，ＭＶ２の少なくとも何れか一方を、電磁式に流量調整可能な三方弁を使用して構成し、２つの入水口に流入する水温、または、出水口から出水する水温を測定して、入水流量を制御することで、実現するようにしても良い。

〈５〉更に、上記実施形態では、タンク上部の高温水の温度、第１温度、第２温度、第１基準温度、第２基準温度として、夫々、９０℃、６０℃、５５℃、６０℃、６０℃〜７０℃の場合を想定したが、上記各温度は、上記実施形態で例示した温度に限定されるものではない。但し、高温水の温度＞第１温度＞第２温度の関係は維持される。また、第１基準温度は、第２温度より高温または第１温度以上であることが好ましく、第２基準温度は第１基準温度以上であることが好ましい。また、当然ながら、第１基準温度と第２基準温度は、高温水の温度より低く設定される。

本発明に係る給湯システムは、ヒートポンプ給湯機と、ヒートポンプ給湯機で加熱された温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクを備えて構成され、給湯負荷への即時給湯が可能な給湯システムに利用可能である。

１： ヒートポンプ給湯機
２： 貯湯タンク
３： 給湯負荷
４： 循環ポンプ
５： 補助加熱機
６： 補助タンク
１１： ヒートポンプ給湯機の入水口
１２： ヒートポンプ給湯機の出水口
２１： 貯湯タンクの上部出水口
２２： 貯湯タンクの上部入水口
２３： 貯湯タンクの中央出水口
２４： 貯湯タンクの中央入水口
２５： 貯湯タンクの下部出水口
２６： 貯湯タンクの下部入水口
３１： 内管
３２： 外管
３３： 内管の開口部
３４： 外管の開口部
Ｌ１： 給湯配管
Ｌ２： 戻り配管
Ｌ３： 中間配管
Ｌ４： 給水配管
Ｌ５： 加熱用往路配管
Ｌ６： 加熱用復路配管
ＭＶ： ミキシングバルブ
ＭＶ１： 第１の温度調整機（自動ミキシングバルブ）
ＭＶ２： 第２の温度調整機自動ミキシングバルブ
Ｔ１： 第１温度センサ
Ｔ２： 第２温度センサ
Ｖ１： 逆止弁
Ｖ２： 三方弁
Ｖ３： 四方弁

Claims (8)

1. ヒートポンプ給湯機と、前記ヒートポンプ給湯機で加熱された温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクを備えて構成される給湯システムであって、
   前記貯湯タンクの上部の上部出水口から取り出した高温水を、一方の入水口から受け入れて、前記高温水より低温の第１温度に調整して、給湯配管を経由して前記給湯負荷に供給する第１温度調整機と、
   前記貯湯タンクの中央部分の中央出水口から取り出した中間温度層の温水を、一方の入水口から受け入れて、前記中間温度層の温水温度が、前記第１温度より低温の第２温度より高温の場合に、前記第２温度に調整して、前記第１温度調整機の他方の入水口に供給する第２温度調整機と、
   前記給湯配管の前記給湯負荷側の端部と、前記貯湯タンクの中央部分の前記中央出水口より下側に設けられた中央入水口との間を接続するとともに、途中で分岐して、前記第２温度調整機の前記一方の入水口を経由せずに、前記第１温度調整機の他方の入水口及び前記第２温度調整機の出水口と接続する戻り配管と、
   前記貯湯タンクの下部の下部入水口及び前記第２温度調整機の他方の入水口と接続し、前記第２温度より低温の低温水を供給する給水配管と、
   前記給湯配管または前記戻り配管に設けられた循環ポンプと、
   を備えてなることを特徴とする給湯システム。
   
2. 前記貯湯タンクの中央部分の上下２箇所に、前記貯湯タンク内の水温を測る温度センサを設け、上側の第１温度センサの検出温度が所定の第１基準温度以下になると前記ヒートポンプ給湯機の運転を開始し、下側の第２温度センサの検出温度が所定の第２基準温度以上になると前記ヒートポンプ給湯機の運転を停止することを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記第１温度センサが、前記貯湯タンク内の前記中央出水口と同じ上下位置付近または前記中央出水口より高位置の水温を測定可能に設けられ、前記第２温度センサが、前記貯湯タンク内の前記中央入水口と同じ上下位置付近の水温を測定可能に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の給湯システム。
4. 前記第１基準温度が、前記第２温度より高温に設定されていることを特徴とする請求項２または３に記載の給湯システム。
5. 前記第１基準温度が、前記第１温度以上に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の給湯システム。
6. 前記第２温度が、前記戻り配管内の前記第１温度調整機の他方の入水口に循環する水の温度変動範囲内に設定されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の給湯システム。
7. 前記第１温度調整機と前記第２温度調整機の夫々が、２つの入水口から流入する温度差のある２系統の水の流入量を、動力源が不要なサーモエレメントによって調整することにより、出水温度を自動的に調整し、温度調整された水を出水口から出水するサーモスタット式の自動ミキシングバルブであることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の給湯システム。
8. 前記貯湯タンク内に、前記中央入水口に接続する２重管構造を備え、前記２重管構造の内管と外管の各管壁に貫通孔が設けられ、
   前記戻り配管から前記中央入水口を介して、前記２重管構造の前記内管内に流入した水が、前記内管の管壁に設けられた前記貫通孔を介して、前記２重管構造の前記外管と前記内管の間の中間領域に流入し、
   前記中間領域に流入した水が、前記外管の管壁に設けられた前記貫通孔を介して、前記貯湯タンク内に流入することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の給湯システム。
   

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