JP6020362B2 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関する。

ヒートポンプなどの加熱手段により加熱された湯を貯湯タンクに貯え、貯湯タンクから取り出した湯を用いて、浴槽やシャワー、台所や洗面所の蛇口などの給湯先に給湯する貯湯式給湯機が広く用いられている。

特許文献１には、電力がピークとなる時間帯に沸き上げを禁止する給湯機が開示されている。

特開２００２−２７７０５８号公報

しかしながら、電力がピークとなる時間帯に単純に沸き上げを禁止すれば、その時間帯に湯切れが発生する可能性がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、電力負荷の平準化を図りつつ湯切れを防止することが可能な貯湯式給湯機を提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯機は、湯水を貯える貯湯タンクと、水を加熱して湯を生成する加熱手段と、加熱手段を稼働して湯を貯湯タンクに貯える沸き上げ運転を制御する制御手段と、電力需要のピークを含むピーク時間帯において沸き上げ運転を禁止するピークカットを設定するピークカット設定手段と、ピーク時間帯に貯湯タンクから出湯された熱量の履歴を使用熱量履歴として記憶する使用熱量履歴記憶手段と、使用熱量履歴に基づいて、ピーク時間帯に必要とされる熱量を必要熱量として算出する必要熱量算出手段と、を備え、制御手段は、ピークカットが設定されている場合には必要熱量の湯をピーク時間帯の開始に先立って沸き上げるものである。

本発明によれば、電力負荷の平準化を図りつつ湯切れを防止することが可能な貯湯式給湯機を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の沸き上げ運転時の回路構成図である。 通常モードが設定されている場合の１日の時間経過と貯湯タンクの貯湯量と給湯使用量を示す図である。 節約モードが設定されている場合の１日の時間経過と貯湯タンクの貯湯量と給湯使用量を示す図である。 通常モードが設定されている場合の１日の時間経過と沸き上げ量を示す図である。 節約モードが設定されている場合の１日の時間経過と沸き上げ量を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機を示す構成図である。図１に示す貯湯式給湯機３５は、タンクユニット３３と、ヒートポンプサイクルを利用して湯水を加熱するヒートポンプユニット（以下、ＨＰユニット）７と、運転動作の指令および設定値の変更操作を行うリモコン４４とを備えている。ＨＰユニット７とタンクユニット３３とは、ＨＰ往き配管１４とＨＰ戻り配管１５と図示しない電気配線とを介して接続されている。タンクユニット３３には、制御部３６が内蔵されている。タンクユニット３３およびＨＰユニット７が備える各種弁類、ポンプ類等の作動は、これらと電気的に接続された制御部３６により制御される。また、制御部３６はタンクユニット３３における種々の情報を時間に対応付けて記憶する記憶機能を有している。記憶される情報には、例えば、貯湯タンク８内に貯湯されている湯の熱量、貯湯タンク８から出湯される湯の熱量、後述する沸き上げ運転によって沸き上げられた湯の熱量が含まれる。なお、これらの熱量情報は、所定温度（例えば４０℃）の湯の湯量に換算して記憶することとしてもよい。制御部３６は本発明の制御手段に相当する。制御部３６とリモコン４４とは、相互通信可能に接続されている。リモコン４４には、図示を省略するが、貯湯式給湯機３５の状態等の情報を表示する表示部、使用者が操作するスイッチ等の操作部、スピーカ、マイク等が搭載されている。

ＨＰユニット７は、タンクユニット３３が備える貯湯タンク８から導かれた低温水を加熱するための加熱手段として機能するものである。ＨＰユニット７は、圧縮機１、水冷媒熱交換器３、膨張弁４、空気熱交換器６を冷媒配管５にて環状に接続し、ヒートポンプサイクルを構成している。水冷媒熱交換器３は、冷媒配管５を流れる冷媒とタンクユニット３３から導かれた低温水との間で熱交換を行うためのものである。

一方、タンクユニット３３には、以下の各種部品や配管などが内蔵されている。貯湯タンク８は、湯水を貯留するためのものである。貯湯タンク８の下部に設けられた水導入口８ａには、第３給水配管９ｃが接続されている。水道等の水源から供給される水は、減圧弁３１で所定圧力に調圧された上で、第３給水配管９ｃを通って貯湯タンク８内に流入する。貯湯タンク８の上部に設けられた温水導入出口８ｄには、貯湯タンク８内に貯留された湯を貯湯式給湯機３５の外部へ供給するための給湯配管２１と、送湯配管１３とが接続されている。なお、貯湯タンク８には、ＨＰユニット７を用いて加熱された高温湯が温水導入出口８ｄから流入するとともに、第３給水配管９ｃからの低温水が水導入口８ａから流入することにより、上部と下部とで温度差が生じるように湯水が貯留される。また、貯湯タンク８の表面には、複数の貯湯温度センサ４２，４３が取付高さを変えて取り付けられている。これら貯湯温度センサ４２，４３を用いて貯湯タンク８内の湯水の温度分布を検出することにより、貯湯タンク８内の貯湯量（残湯量）が把握され、ＨＰユニット７によって加熱した湯を貯湯タンク８に貯える沸き上げ運転の開始および停止などが制御される。

また、タンクユニット３３内には、熱源ポンプ１２およびふろ用熱交換器２０が内蔵されている。熱源ポンプ１２は、タンクユニット３３内の後述する各種配管に湯水を循環させるためのポンプであり、ＨＰ往き配管１４上に設けられている。ふろ用熱交換器２０は、貯湯タンク８やＨＰユニット７から供給される高温湯を利用して、２次側の加熱対象水（浴槽循環水や暖房用循環水など）を加熱するための熱交換器である。なお、本実施の形態では、ふろ用熱交換器２０の２次側の構成として、浴槽３０内の湯水を循環させるふろ往き配管２７とふろ戻り配管２８を例に挙げて説明する。ふろ用熱交換器２０は、ふろ往き配管２７とふろ戻り配管２８の途中に設置されている。また、ふろ往き配管２７とふろ戻り配管２８の途中には、浴槽水を循環させるためのふろ循環ポンプ２９と、浴槽３０から出た浴槽水の温度を検出するためのふろ戻り温度センサ３８と、ふろ用熱交換器２０から出た熱交換後の湯の温度を検出するためのふろ往き温度センサ３７とが設置されている。

三方弁１１は、湯水が流入するａ，ｂポートと、湯水が流出するｃポートとを有する流路切り替え手段であり、２つの経路、すなわちａ−ｃ，ｂ−ｃの間で流路形態を切り替え可能に構成されている。四方弁１８は、湯水が流入するｂ，ｃポートと、湯水が流出するａ，ｄポートとを有する流路切り替え手段であり、４つの経路、すなわちａ−ｂ，ａ−ｃ，ｂ−ｄ，ｃ−ｄの間で流路形態を切り替え可能に構成されている。

また、タンクユニット３３は、水導出口配管１０、温水導入配管２０ａ、第１バイパス配管１６、温水導出配管２０ｂ、および第２バイパス配管１７を有している。水導出口配管１０は、貯湯タンク８の下部に設けられた水導出口８ｂと三方弁１１のａポートとを接続する流路である。ＨＰ往き配管１４は、三方弁１１のｃポートとＨＰユニット７の入口側とを接続する流路である。ＨＰ戻り配管１５は、ＨＰユニット７の出口側と四方弁１８のｃポートとを接続する流路である。送湯配管１３は、四方弁１８のｄポートと、貯湯タンク８上部の温水導入出口８ｄとを接続する流路である。第１バイパス配管１６は、四方弁１８のａポートと、貯湯タンク８の中央部から下部の間に設けられた温水導入口８ｃとを接続する流路である。温水導入配管２０ａは、送湯配管１３の途中から分岐し、ふろ用熱交換器２０の１次側入口に接続される流路である。温水導出配管２０ｂは、ふろ用熱交換器２０の１次側出口と三方弁１１のｂポートとを接続する流路である。第２バイパス配管１７は、ＨＰ往き配管１４における熱源ポンプ１２とＨＰユニット７の入口側との間から分岐し、四方弁１８のｂポートに接続される流路である。

更に、タンクユニット３３は、第１給水配管９ａ、第２給水配管９ｂ、給湯用混合弁２２、ふろ用混合弁２３、第１給湯配管２４、および第２給湯配管２５を有している。第１給水配管９ａの一端は水道等の水源に接続され、第１給水配管９ａの他端には減圧弁３１を介して第２給水配管９ｂおよび第３給水配管９ｃが接続され、これらによって給水管路９が構成されている。第２給水配管９ｂは、途中から分岐してそれぞれ給湯用混合弁２２とふろ用混合弁２３とに接続されている。また、給湯配管２１は、途中から分岐してそれぞれ給湯用混合弁２２およびふろ用混合弁２３に接続されている。第２給湯配管２５の途中には、第２給湯配管２５を開閉するふろ用電磁弁２６と、第２給湯配管２５を通る湯の流量を検出するふろ用流量センサ４５とが設けられている。

給湯用混合弁２２およびふろ用混合弁２３は、給湯配管２１から供給される高温湯と、第２給水配管９ｂから供給される低温水との流量比を調整することにより、使用者がリモコン４４にて設定した設定温度の湯を生成し、第１給湯配管２４および第２給湯配管２５にそれぞれ流入させる。給湯用混合弁２２で温度調整された湯は、第１給湯配管２４から給湯栓３４を経由して、使用者が使用するシャワーやカラン等の蛇口（図示しない）に供給される。一方、ふろ用混合弁２３で設定温度に調整された湯は、第２給湯配管２５からふろ用電磁弁２６、ふろ用流量センサ４５、ふろ往き配管２７、ふろ戻り配管２８を経て浴槽３０に供給される。

三方弁１１は、水導出口配管１０とＨＰ往き配管１４とが連通する流路形態と、温水導出配管２０ｂとＨＰ往き配管１４とが連通する流路形態との間で、タンクユニット３３内の湯水の流路を切り替えて使用する。四方弁１８は、ＨＰ戻り配管１５と送湯配管１３とが連通する流路形態と、ＨＰ戻り配管１５と第１バイパス配管１６とが連通する流路形態と、第１バイパス配管１６と第２バイパス配管１７とが連通する流路形態と、送湯配管１３と第２バイパス配管１７とが連通する流路形態との間で、タンクユニット３３内の湯水の流路を切り替えて使用する。

次に本実施の形態に係る貯湯式給湯機の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯機の沸き上げ運転時の回路構成図である。尚、ここでいう沸き上げ運転とは、ＨＰユニット７を利用して沸き上げた湯を貯湯タンク８内に貯える運転のことである。この沸き上げ運転時には、三方弁１１は、ａポートとｃポートとが連通しｂポートが閉状態となるように制御される。これにより、水導出口配管１０とＨＰ往き配管１４とが連通するとともに、温水導出配管２０ｂ側を閉としてふろ用熱交換器２０からの流路が遮断される。また、沸き上げ運転時には、四方弁１８は、ｃポートとｄポートとが連通しａポートとｂポートとが閉状態となるように制御される。これにより、ＨＰ戻り配管１５と送湯配管１３とが連通するとともに、第１バイパス配管１６側を閉として貯湯タンク８の温水導入口８ｃへの流路が遮断される。

沸き上げ運転は、上記のように三方弁１１および四方弁１８が制御された状態で、熱源ポンプ１２とＨＰユニット７の運転を開始することにより実行される。その結果、貯湯タンク８の水導出口８ｂから流出する低温水は、水導出口配管１０、三方弁１１、ＨＰ往き配管１４および熱源ポンプ１２を経由してＨＰユニット７に導かれ、水冷媒熱交換器３において加熱されて高温水となった後、ＨＰ戻り配管１５、四方弁１８および送湯配管１３を経由して、貯湯タンク８の温水導入出口８ｄから当該貯湯タンク８内に流入し貯えられる。このような沸き上げ運転が実行されることで、貯湯タンク８の内部では、上層部から高温水が貯えられていき、この高温水層が徐々に厚くなる。

本発明の実施の形態に係る貯湯式給湯機は、通常の沸き上げ動作を行う通常モードと、ピーク時間帯での沸き上げ運転を避けて必要な貯湯量を確保した沸き上げ運転を行う節約モードの２つの動作モードを備えている。なお、ここでいうピーク時間帯とは、電力消費量（電力需要）が社会全体としてピークとなる時間帯であり、電力使用量を抑制することが社会的に求められている時間帯である。したがって、ピーク時間帯は他の時間帯に比して電力料金単価が割高に設定されている時間帯でもある。ピーク時間帯を設定する方法としては、例えば、電力会社等から発せられるピーク時間帯に関する情報をインターネットやスマートグリットを経由して取得し、取得した情報を用いて制御部３６がピーク時間帯を自動的に設定する。また、使用者がリモコン４４に直接入力するなどしてピーク時間帯の設定を行うこととしてもよい。使用者はリモコン４４を操作して通常モードと節約モードの切り替えを任意に行うことができる。以下、通常モードと節約モードについて詳細に説明する。

通常モードでは、制御部３６は記憶されている履歴情報から１日の給湯使用量を学習し、電気料金の安い深夜電力時間帯（例えば２３時から翌朝７時）に、学習により予測した翌日分の給湯使用負荷を賄えるだけの量を貯湯タンク８に貯える沸き上げ運転を行う。また、通常モードでは、深夜電力時間帯以外の時間帯（昼間時間帯）に、貯湯タンク８内の貯湯量が所定の基準貯湯量以下となったら、制御部３６は所定量または所定時間だけ追加沸き上げ運転を行う。ここで、基準貯湯量は、沸き上げ運転を行ったとしても給湯使用負荷に追いつかずに湯切れを起こす量であり、例えば過去の給湯使用量の履歴に基づいてその値が設定される。

一方、節約モードでは、制御部３６はピーク時間帯において上述した追加沸き上げ運転を禁止するピークカットを行う。また、節約モードでは、制御部３６はピーク時間帯の間に予測される消費湯量（熱量）分を、ピーク時間帯に至る前の時間帯に貯湯タンク８に追加で沸き上げる。以下、具体例を挙げて更に詳細に説明する。

図３は、通常モードが設定されている場合の１日の時間経過と貯湯タンクの貯湯量と給湯使用量を示す図である。なお、この図において、折れ線グラフは貯湯タンクの貯湯量を示し、棒グラフは給湯使用量を示している。また、貯湯タンクの貯湯量および給湯使用量は、貯湯タンク内の熱量および給湯に使用した熱量をそれぞれ４０℃の湯量に換算したものである。この図に示す例では、朝（６時〜８時）、昼（１１時〜１３時）、および夜（１７時〜２１時）に湯の使用が集中し、使用量が増加する傾向にある。通常モードが設定されている場合には、時間帯によらず貯湯量が基準貯湯量以下となった時点で追加沸き上げ運転が行われる。このため、図に示す例では、ピーク時間帯（例えば１３時〜１６時）において沸き上げ運転が実施されてしまい、電気料金が高くなり、また電力負荷も高くなる。

これに対して、図４は、節約モードが設定されている場合の１日の時間経過と貯湯タンクの貯湯量と給湯使用量を示す図である。なお、この図においても、折れ線グラフは貯湯タンクの貯湯量を示し、棒グラフは給湯使用量を示している。節約モードに設定された場合には、先ず、制御部３６に記憶されている過去の所定期間（例えば２週間）における、貯湯タンク８から出湯された湯の熱量（使用熱量）の履歴（以下、使用熱量履歴）が参照される。次に、使用熱量履歴に基づいて、ピーク時間帯の間に使用された使用熱量が日毎に算出され、その最大値が次のピーク時間帯において必要な熱量（以下、必要熱量）として算出される。そして、必要熱量の沸き上げがピーク時間帯の開始前に完了するように沸き上げ運転が制御される。図４に示す図では、ピーク時間帯となる１３時の前に沸き上げ運転が行われることによりピーク時間帯の沸き上げ運転を不要としている。これにより、電気代の高い時間帯での沸き上げがなくなり、使用者の電気料金が低減される。また、ピーク時間帯での電力使用量が低減される為、電力負荷を軽減するという社会的要請に応えることができる。

なお、上述した例では、過去のピーク時間帯の間の使用熱量を算出しその最大値を必要熱量として用いることとしているが、必要熱量の算出はこれに限られない。すなわち、その日のピーク時間帯の間の使用熱量を予測するものであれば、例えば、所定期間中のピーク時間帯の間の使用熱量をそれぞれ算出しその平均値を必要熱量として用いることとしてもよい。

実施の形態２．
上述した実施の形態１に係る貯湯式給湯機では、ピーク時間帯の間に使用された使用熱量の履歴に基づいて、その日のピーク時間帯に必要とする必要熱量を算出することとしている。本実施の形態２に係る貯湯式給湯機では、ピーク時間帯の間に沸き上げられた熱量の履歴に基づいて、その日のピーク時間帯に必要とする必要熱量を算出することとしている。以下、具体例を挙げて更に詳細に説明する。

図５は、通常モードが設定されている場合の１日の時間経過と沸き上げ量を示す図である。この図に示す例では、朝（６時〜８時）、昼（１１時〜１３時）、および夜（１７時〜２１時）に湯の使用が集中し、使用量が増加する傾向がある。通常モードが設定されている場合には、時間帯によらず貯湯量が基準貯湯量以下となった時点で追加沸き上げ運転が行われる。このため、図に示す例では、ピーク時間帯（例えば１３〜１６時）において沸き上げ運転が実施されてしまい、電気料金が高くなり、また電力負荷も高くなる。

これに対して、図６は、節約モードが設定されている場合の１日の時間経過と沸き上げ量を示す図である。なお、沸き上げ量は、沸き上げ運転によって貯湯タンク内に供給された熱量（以下、沸き上げ熱量）を４０℃の湯量に換算したものである。節約モードに設定された場合には、先ず、制御部３６に記憶されている過去の所定期間(例えば２週間)における、沸き上げ熱量の履歴（以下、沸き上げ熱量履歴）が参照される。次に、沸き上げ熱量履歴に基づいて、ピーク時間帯の間に沸き上げられた熱量が日毎に算出され、その最大値が次のピーク時間帯における必要熱量として算出される。なお、節約モードが設定されている場合には、ピークカットによりピーク時間帯の沸き上げ運転が禁止されているので、ここでは通常モードが設定されていた日の履歴のみが用いられる。そして、必要熱量の沸き上げがピーク時間帯の開始前に完了するように沸き上げ運転が制御される。図６に示す図では、ピーク時間帯となる１３時の前に沸き上げ運転が行われることによりピーク時間帯の沸き上げ運転を不要としている。これにより、電気代の高い時間帯での沸き上げがなくなり、使用者の電気料金が低減される。また、ピーク時間帯での電力使用量が低減される為、電力負荷を軽減するという社会的要請に応えることができる。

なお、上述した例では、過去のピーク時間帯の間の沸き上げ量を算出しその最大値を必要沸き上げ量として用いることとしているが、必要沸き上げ量の算出はこれに限られない。すなわち、その日のピーク時間帯の間の沸き上げ量を予測するものであれば、例えば、所定期間中のピーク時間帯の間の沸き上げ量をそれぞれ算出しその平均値を必要熱量として用いることとしてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３に係る貯湯式給湯機は、湯切れが起きると判断された場合に使用者への報知を行う報知機能（報知手段）を備えている。より詳しくは、制御部３６はピーク時間帯において貯湯タンク内の熱量（残湯量）を検出し、検出された熱量（残湯量）が所定の基準貯湯量以下であると判断された場合にリモコン４４の表示部に熱量が不足している旨を表示する。また、表示部への表示に加えて警告音を鳴らすことにより使用者に対して更なる注意喚起を行うように構成してもよい。これにより、使用者はピークカットを継続するか湯切れを回避するかを任意に選択することが可能となるので、使い勝手が向上する。

７ ＨＰユニット（加熱手段）、８ 貯湯タンク、３５ 貯湯式給湯機、３６ 制御部（制御手段）

Claims (6)

1. 湯水を貯える貯湯タンクと、
   水を加熱して湯を生成する加熱手段と、
   前記加熱手段を稼働して湯を前記貯湯タンクに貯える沸き上げ運転を制御する制御手段と、
   電力需要のピークを含むピーク時間帯において前記沸き上げ運転を禁止するピークカットを設定するピークカット設定手段と、
   前記ピーク時間帯に前記貯湯タンクから出湯された熱量の履歴を使用熱量履歴として記憶する使用熱量履歴記憶手段と、
   前記使用熱量履歴に基づいて、前記ピーク時間帯に必要とされる熱量を必要熱量として算出する必要熱量算出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ピークカットが設定されている場合には前記必要熱量の湯を前記ピーク時間帯の開始に先立って沸き上げる貯湯式給湯機。
2. 前記必要熱量算出手段は、前記使用熱量履歴に基づいて、前記ピーク時間帯に前記貯湯タンクから出湯された熱量の判定期間中の最大値を前記必要熱量として算出する請求項１記載の貯湯式給湯機。
3. 前記必要熱量算出手段は、前記使用熱量履歴に基づいて、前記ピーク時間帯に前記貯湯タンクから出湯された熱量の判定期間中の平均値を前記必要熱量として算出する請求項１記載の貯湯式給湯機。
4. 湯水を貯える貯湯タンクと、
   水を加熱して湯を生成する加熱手段と、
   前記加熱手段を稼働して湯を前記貯湯タンクに貯える沸き上げ運転を制御する制御手段と、
   電力需要のピークを含むピーク時間帯において前記沸き上げ運転を禁止するピークカットを設定するピークカット設定手段と、
   前記ピーク時間帯に前記沸き上げ運転によって沸き上げられた熱量の履歴を沸き上げ熱量履歴として記憶する沸き上げ熱量履歴記憶手段と、
   前記沸き上げ熱量履歴に基づいて、前記ピーク時間帯に必要とされる熱量を必要熱量として算出する必要熱量算出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記ピークカットが設定されている場合には前記必要熱量の湯を前記ピーク時間帯の開始に先立って沸き上げる貯湯式給湯機。
5. 前記必要熱量算出手段は、前記沸き上げ熱量履歴に基づいて、前記ピーク時間帯に沸き上げられた熱量の判定期間中の最大値を前記必要熱量として算出する請求項４に記載の貯湯式給湯機。
6. 前記貯湯タンク内の残湯熱量を検出する残湯熱量検出手段と、
   前記貯湯式給湯機の動作状況を表示する表示部と、
   異常の発生に応答して警告音を発する警告音発生部と、
   前記ピークカットの設定中であって、前記ピーク時間帯において前記残湯熱量が基準値以下である場合に、前記表示部に熱量が不足している旨を表示すると共に前記警告音発生部から警告音を発する報知手段と、
   を更に備える請求項１乃至５の何れか１項に記載の貯湯式給湯機。

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