JP6036560B2 - 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ピーク時間帯に単純に沸き上げ運転を禁止すれば、その時間帯に湯切れが発生する可能性がある。また、電力がピークとなる時間帯であっても、電力の使用状況は当日の環境条件により大きく変化する。例えば、多くの電力を消費する冷暖房は当日の気温によってその稼働率が大きく変化するため、昼間のピーク時間帯はいつでも電力使用量が多いとは限らない。ピーク時間帯であっても電力使用量が少ないのであれば、沸き上げ運転を禁止せずに湯切れ防止を優先する選択肢も考え得る。

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、電力のピーク時間帯での電力使用量を抑制しつつ、当日の環境条件に柔軟に対応して湯切れ抑制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、水を加熱して湯を生成する加熱手段と、湯水を貯える貯湯タンクと、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行う場合に、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節約モードと、ピークカットを設定しない通常モードとの間で運転モードを切り替え可能な制御手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、制御手段は、外気温度と予め設定された冷暖房不使用温度域とを比較し、外気温度が冷暖房不使用温度域内にある場合には、通常モードで沸き上げ運転を行い、外気温度が冷暖房不使用温度域外にある場合には、節約モードで沸き上げ運転を行うものである。

本発明によれば、電力のピーク時間帯での電力使用量を抑制しつつ、当日の環境条件に柔軟に対応して湯切れ抑制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。 実施の形態１に係る貯湯式給湯機における外気温度と運転モードとの関係を示す図である。 実施の形態２に係る貯湯式給湯機における外気温度と運転モードとの関係を示す図である。

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る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、後述する一日の給湯使用量の学習に用いられる。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。また、ＨＰユニット７には、外気温度を検出する外気温度検出手段としての外気温度センサ２が設けられている。

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、ピーク時間帯での沸き上げ運転を禁止するピークカットを設定する節約モードと、ピークカットの設定をしない通常モードとの２つの運転モードを備え、当日の環境条件に応じてこれらの運転モードを切り替える機能を備えるものである。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。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、上述した通常モードと同様に、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、節約モードでは、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。但し、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ピークカットが行われる。

制御部３６は、外気温度センサ２によって検出された外気温度に応じて上記２つの運転モードを切り替える。以下、具体例を挙げて更に詳細に説明する。

図３は、実施の形態１に係る貯湯式給湯機における外気温度と運転モードとの関係を示す図である。個人や周辺環境による差異はあるが、一般的に外気温度が約１８℃未満となると暖房運転が実施されるといわれている。すなわち、外気温度が約１８℃未満となると各家庭ではエアコンにより暖房運転を行なうことが想定される。ここでは、各家庭で暖房機器が使用されるであろう温度を「暖房機器使用温度」と称し、これが例えば１８℃に設定されているものとする。また、同様に、外気温度が約２８℃以上となると冷房運転が実施されるといわれている。すなわち、外気温度が約２８℃以上となると各家庭でエアコンが冷房運転を行なうことが想定される。ここでは、各家庭で冷房機器が使用されるであろう温度を「冷房機器使用温度」と称し、これが例えば２８℃に設定されているものとする。なお、冷房機器使用温度及び暖房機器使用温度は、使用者がリモコン４４から任意の温度を設定することとしてもよいし、また、制御部３６にこれらの温度が予め設定されていてもよい。以上の想定によれば、外気温度が暖房機器使用温度（１８℃）を超え且つ冷房機器使用温度（２８℃）未満の温度領域（以下、「冷暖房機器不使用温度域」と称する）となるとエアコンは非運転となり、外気温度が暖房機器使用温度（１８℃）以下、または冷房機器使用温度（２８℃）以上の温度領域、つまり冷暖房機器不使用温度域外の温度領域となるとエアコンが運転されることとなる。

電力使用量はエアコンの稼働状態によって大きく左右される。そこで、制御部３６は、外気温度センサ２によって定期的に（例えば１０秒間隔）外気温度を検出し、検出された外気温度が冷暖房機器不使用温度域に属する場合には通常モードで沸き上げ運転を行い、外気温度が冷暖房機器不使用温度域に属さない場合には節約モードで沸き上げ運転を行う。このような運転モードの切り替え動作によれば、エアコンが稼働している場合には節約モードが選択される。これにより、エアコンが稼働されている状況でのピーク時間帯の追加沸き上げ運転が禁止されるので、ピーク時間帯における電力使用量を有効に抑制することができる。また、上述した運転モードの切り替え動作によれば、エアコンが稼働していない場合には通常モードが選択される。これにより、エアコンが稼働されていないピーク時間帯には追加沸き上げ運転が許可されるので、ピーク時間帯における電力使用量を抑制しつつ湯切れを抑制することが可能となる。

なお、ピーク時間帯に運転モードが通常モードから節約モードへと切り替えられた場合、追加沸き上げ運転の実施中であれば動作中の追加沸き上げ運転が中断されることとなる。また、逆に運転モードが節約モードから通常モードへと切り替えられた場合、貯湯タンク８内の貯湯量が所定の基準貯湯量以下であれば追加沸き上げ運転が開始されることとなる。このような追加沸き上げ運転の開始／停止が行われた場合において、その後早い時間（例えば０〜３０分程度）で再び運転モードの切り替え条件が成立することも想定される。この場合、運転モードを切り替えて再度追加沸き上げ運転の開始／停止を行うこととすると、ＨＰユニット７の圧縮機１にかかる負荷が大きくなってしまう。

そこで、本実施の形態に係る貯湯式給湯機では、ピーク時間帯に運転モードの切り替えが行われた場合に、その後所定時間（例えば３０分）の運転モードの切り替えを禁止するように制御することが好ましい。これにより、ＨＰユニット７の圧縮機１の負荷を有効に軽減することが可能となる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、外気温度センサ２の検出値が暖房機器使用温度（１８℃）を超え且つ冷房機器使用温度（２８℃）未満となったら、エアコンが非運転と判断し通常モードで沸上げ運転を実施することとしたが、本実施の形態２では、暖房機器使用温度は考慮せずに外気温度センサ２の検出値が冷房機器使用温度（２８℃）未満となったら、エアコンが非運転と判断し、通常モードで沸上げ運転を実施する点に特徴を有している。以下、具体例を挙げて更に詳細に説明する。

図４は、実施の形態２に係る貯湯式給湯機における外気温度と運転モードとの関係を示す図である。例えば、暖房運転をあまり実施しない地域（例えば温暖な地域）の場合は暖房運転での電力ピークが発生し難い。このような場合には、暖房運転を想定した外気温度での制御は不要であり、かえって貯湯タンク８の残湯量が不足する湯切れに対応して貯湯タンク８への沸き上げ運転を優先すべきと考えられる。また、暖房を電力の利用ではなく石油ストーブや石油でのセントラルヒーティング等の他のエネルギー源を利用することが多い厳寒地域では、同様に暖房運転での電力消費量のピークを懸念する必要よりも貯湯タンク８の残湯不足に対応すべきと考えられる。そこで、本実施の形態では、制御部３６は外気温度センサ２によって検出された外気温度が冷房機器使用温度（２８℃）未満である場合には通常モードで沸き上げ運転を行い、外気温度が冷房機器使用温度（２８℃）以上である場合には節約モードで沸き上げ運転を行う。このような運転モードの切り替え動作によれば、エアコンが冷房運転を実施している場合には節約モードが選択される。これにより、エアコンが稼働されている状況でのピーク時間帯の追加沸き上げ運転が禁止されるので、ピーク時間帯における電力使用量を有効に抑制することができる。また、上述した運転モードの切り替え動作によれば、エアコンにより冷房運転が実施されていない場合には通常モードが選択される。これにより、エアコンが稼働されていないピーク時間帯には追加沸き上げ運転が許可されるので、ピーク時間帯における電力使用量を抑制しつつ湯切れを抑制することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る貯湯式給湯機は、現在の運転モードが通常モードに設定されているか節約モードに設定されているかをリモコン４４の表示部に表示する報知機能（報知手段）を備えている。これによれば、使用者は現在の運転モードを容易に把握することができるので、例えば、節約モードにより電力消費を抑制していることを把握することができる。また、上述した報知機能によれば、ピーク時間帯の沸き上げ運転を禁止していることも把握することができるので、万一貯湯タンク８の湯が不足してもその理由を把握することができるようになる。

２ 外気温度センサ（外気温度検出手段）、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 (4)

1. 水を加熱して湯を生成する加熱手段と、
   湯水を貯える貯湯タンクと、
   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行う場合に、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節約モードと、前記ピークカットを設定しない通常モードとの間で運転モードを切り替え可能な制御手段と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記外気温度と予め設定された冷暖房不使用温度域とを比較し、前記外気温度が前記冷暖房不使用温度域内にある場合には、前記通常モードで前記沸き上げ運転を行い、前記外気温度が前記冷暖房不使用温度域外にある場合には、前記節約モードで前記沸き上げ運転を行う貯湯式給湯機。
2. 水を加熱して湯を生成する加熱手段と、
   湯水を貯える貯湯タンクと、
   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行う場合に、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節約モードと、前記ピークカットを設定しない通常モードとの間で運転モードを切り替え可能な制御手段と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記外気温度と予め設定された冷房使用温度とを比較し、前記外気温度が前記冷房使用温度未満である場合には、前記通常モードで前記沸き上げ運転を行い、前記外気温度が前記冷房使用温度以上の場合には、前記節約モードで前記沸き上げ運転を行う貯湯式給湯機。
3. 前記制御手段は、前記ピーク時間帯に前記運転モードの切り替えが行われた場合に、切り替えの後予め設定された基準時間を経過するまでの間、前記運転モードの切り替えを禁止する手段を含む請求項１または２に記載の貯湯式給湯機。
4. 前記通常モードと前記節約モードとの何れで運転されているかを使用者に報知する報知手段を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯機。

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