JP6109776B2 - 電気瞬間温水器システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の手洗い器に温水を供給する電気瞬間温水器の電気容量をコントロールして消費電力を省エネ化することができる電気瞬間温水器システムに関する。

従来、手洗い器に給湯する小型の電気温水器は、一般に、特許文献１に記載のような貯湯式の温水器が使用されている。この貯湯式の温水器は、タンク内に水をため、タンク内に配置した消費電力が小さなヒーターで時間をかけて温めるものである。

貯湯式温水器のヒーターは、使用する１時間当たりの消費電力が小さいものの、電気を長時間消費し続けることから、タイマー等で沸かし上げをコントロールしないと消費電力が増大する虞があった。しかも、一定の温度まで沸かし上げるまでに時間がかかるので、一度に大量のお湯を使用するとタンク内の湯が切れてしまい、次に適温のお湯が使えるようになるまでにしばらく時間がかかる不都合がある。そのため、タンクの容量はできるだけ大きくする必要があり、手洗い器の周辺に装着する機器としては、大きなスペースを要するものであった。

一方、瞬間式温水器にて給湯する手洗い器が特許文献２に記載されている。この手洗い器によると、瞬間式温水器に供給された水を瞬間的に温水に生成し、この温水を供給する第１吐水形態と、給水源から直接水が供給される第２吐水形態とを備え、第１吐水形態から供給する少量の温水に水を加えながら手洗いを可能にするという装置である。

このように温水を瞬時に生成する瞬間式温水器では、一般に、通水路にヒーターを設置した瞬間湯沸かし器のような構成を採用している。この瞬間式温水器で使用するヒーターは、貯湯式のヒーターと比べて大容量の電気容量が必要になるが、加熱する時間が極めて短いことから、実質の消費電力は貯湯式の給湯器よりも少なくて済むことが知られている。

ところが、例えばビル内に多数のトイレと共に手洗い器を設置する場合、全台の手洗い器を同時使用した場合の温水器の総電気消費量が設計段階で検討される。例えば１０階建てのビルで、各フロア４台ずつの手洗い器を設置して合計４０台の手洗い器に温水器を設置する場合、これらの温水器に使用する４０台分のヒーターの電気消費量を検討することになる。仮に、貯湯式給湯器１台で必要な電気容量を８００ｗとし、瞬間式給湯器１台の電気容量を５ｋｗとして比較すると、同時使用の場合の必要電気容量は、貯湯式給湯器４０台で合計３２ｋｗ、一方、瞬間式給湯器４０台で合計２００ｋｗが必要になる。

このように、同時使用の場合の必要電気容量を検討すると、瞬間式温水器を使用した場合の必要電気容量が、貯湯式給湯器使用の場合より大きく上回り、ビル全体で使用可能な電気容量が超過して停電する虞もあることから、これまでビル等に多数設置される手洗い器用の給湯器には貯湯式温水器が選択されている。

特許第２８２７３０８号公報 特開２０１２‐１７２４５２号公報

ところが、同時使用の場合の必要電気容量は、あくまで設計上の必要電気容量であり、実際に使用した場合の電力消費量は、貯湯式温水器に比べて瞬間式温水器の方が少なくて済むものである。すなわち、実際の同時使用は、設置されている総数の１０〜２０％程度であり、設置されている全ての手洗い器が同時に使用されることは現実的ではない。

しかも、１日１台の手洗いの使用状況として、手洗いの回数を２０回とし、１回あたりの湯の使用時間を５秒と仮定し、貯湯式温水器と瞬間式温水器との消費電力を比較した実験結果は次のようになった。

貯湯式温水器では、手洗いで使用した分の通電時間が１７分となり、８００ｗのヒーターで使用した電力量は２２７ｗ、電力量料金に換算すると約２．９円になる。

一方、瞬間式温水器によると、実質の通電時間は１．６分で、５ｋｗのヒーターで使用した電力量は１３９ｗ、電力量料金に換算すると約１．８円になり、１日の使用で１円以上の差が生じることが判明した。このように、瞬間式温水器によると、実際に手洗いの時間しか通電しないので、１日１台の比較でも省エネの差は歴然としている。

しかしながら、ビル内に設置した多数の手洗い器に想定外の人数が集中し、瞬間式温水器の総消費電力量がビル全体で使用可能な電力量を超えるような場合には、瞬間式温水器の使用をコントロールする必要がある。

そこで、本発明は上述の課題を解消すべく創出されたもので、複数の瞬間式給湯器の電力量を安全に制御することができ、省エネ効果に優れた電気瞬間温水器システムの提供を目的とするものである。

上述の課題を解決すべく本発明の第１の手段は、手洗い器Ｐの周辺に装着され該手洗い器Ｐに給湯する瞬間温水器１０の電力量をコントロール装置２０で複数台制御する電気瞬間温水器システムであって、各瞬間温水器１０は、各瞬間温水器１０への給水温度を感知する温度センサ１１と、給水量を感知する流量センサ１２と、各センサのデータを収集してコントロール装置２０に送信する制御装置１３とを備え、コントロール装置２０は、各センサのデータから各瞬間温水器１０が稼働したときの１台分の消費電力量を予測する電力量予測手段と、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量を算出する電力量算出手段と、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する監視手段とを備え、予め設定された上限電力量から現在同時使用可能な瞬間温水器１０の台数を算定し、同時使用可能な台数を超過する場合に、選択された一部の瞬間温水器１０又は稼働中の全ての瞬間温水器１０の消費電力量を規制し、又は緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、優先順位ごとに各瞬間温水器１０の通電を遮断するように構成したことにある。

第２の手段の前記各瞬間温水器１０は、使用頻度の低い順に通電が遮断される優先順位が設定され、該使用頻度は、前記コントロール装置２０が集積した各瞬間温水器１０の稼働率によって決定されるように構成したものである。

第３の手段の前記コントロール装置２０は、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する監視手段を備え、該緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量を規制する手段を備えている。

第４の手段の前記コントロール装置２０は、前記緊急監視体制設定時に新たな１台の瞬間温水器１０が稼働したときに、各瞬間温水器１０の稼働電力を、現在予測される総消費電力量を稼働台数＋１台の台数で除した値の電力量に規制するように構成したことにある。

本発明の請求項１のごとく、予め設定された上限電力量から現在同時使用可能な瞬間温水器１０の台数を設定し、同時使用可能な台数を超過する場合に瞬間温水器１０の消費電力量を規制するように構成したことにより、複数の瞬間式給湯器の総消費電力量を安全に制御することができるものである。しかも、各瞬間温水器１０の総消費電力は、実際に使用した時間分の電力量のみになるので、従来の貯湯式温水器と比べて高い省エネ効果が得られる。

更に、各瞬間温水器１０は、通電が遮断される優先順位が設定され、監視状況設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、優先順位ごとに各瞬間温水器１０の通電を遮断するように構成したことで、一部の瞬間温水器１０の給湯ができなくなるだけの規制になり、総消費電力量を合理的に規制することができる。

請求項２のごとく、使用頻度の低い順に通電が遮断される優先順位が設定され、該使用頻度は、前記コントロール装置２０が集積した各瞬間温水器１０の稼働率によって決定されるように構成したことで、通電が遮断されるのは使用頻度の低い手洗い器Ｐの瞬間温水器１０に限られるので、実際の使用に与える影響が極めて少ない状態で総消費電力量を規制することが可能である。

請求項３のように、緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量を規制する手段を備えることで、上限電力量を超える電力量は、総消費電力量から合理的に制御することができる。

請求項４のごとく、コントロール装置２０は、前記緊急監視体制設定時に新たな１台の瞬間温水器１０が稼働したときに、各瞬間温水器１０の稼働電力を、現在予測される１台分の消費電力量を稼働台数＋１台の台数で除した値の電力量に規制するように構成したことにより、上限電力量を超える電力量は、各瞬間温水器１０の電力量から等分量だけ規制されるので、総消費電力量を合理的に規制することが可能である。

このように、本発明によると、複数の瞬間式給湯器の電力量を安全に制御することができ、省エネ効果に優れるものである。

本発明の使用例を示す概略図である。 本発明の瞬間温水器とコントロール装置との連携を示す概略図である。 本発明の一実施例を示すフロー図である。 本発明の他の実施例を示すフロー図である。 本発明の他の実施例を示すパワー分割の説明図である。 本発明の他の実施例を示す時分割の説明図である。 本発明の瞬間温水器の一実施例を示す模式図である。 本発明の瞬間温水器の他の実施例を示す模式図である。 本発明の瞬間温水器の他の実施例を示す模式図である。 本発明の瞬間温水器を直列接続した動作フロー図である。 本発明の瞬間温水器の他の実施例を示す模式図である。 本発明の瞬間温水器の凍結防止運転を示すフロー図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明システムは、複数台の手洗い器Ｐに給湯する瞬間温水器１０の総電力量をコントロール装置２０で制御するシステムである。

瞬間温水器１０は各手洗い器Ｐの周辺に装着されるもので（図１参照）、瞬間温水器１０への給水温度を感知する温度センサ１１と、給水量を感知する流量センサ１２と、各センサのデータを収集してコントロール装置２０に送信する制御装置１３とを備えている（図７参照）。制御装置１３からコントロール装置２０への送信方式は、双方向通信可能な通信線、或いは無線方式とする。この通信方式には、通常のＬＡＮの他、「ＬｏｎＷｏｒｋｓ」や「Ｍｏｄｂｕｓ」、「ＺｉｇＢｅｅ」、「ＢＡＣｎｅｔ」、「ＲＳ‐４８５」等でも接続可能である。

コントロール装置２０は、瞬間温水器１０の総消費電力量を規制する装置である（図２参照）。このコントロール装置２０には、各センサのデータから各瞬間温水器１０が稼働したときの１台分の消費電力量を予測する電力量予測手段と、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量を算出する電力量算出手段とを備えている。また、コントロール装置２０は、ＨＥＭＳ（home energy management system）やＢＥＭＳ（Building Energy Management Systems）といった住宅やビルのエネルギー監視システムとも接続が可能で、瞬間温水器１０群とのハブ機能を果たすこともできる。

そして、予め設定された上限電力量から現在同時使用可能な瞬間温水器１０の台数を算定し、同時使用可能な台数を超過する場合に瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するように構成している。瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するには、次のような構成から選択することができる。

第１の構成として、各瞬間温水器１０に通電が遮断される優先順位を予め設けておく。一方、コントロール装置２０は、稼働中の瞬間温水器１０の総電力量が予め設定された上限電力量に近接した場合に緊急監視体制を設定する監視手段を備えるものである。この監視手段は、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する。

そして、緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、優先順位ごとに各瞬間温水器１０の通電を遮断するように構成する。各瞬間温水器１０の優先順位は、使用頻度の低い順に通電が遮断されるように設定する。この使用頻度は、コントロール装置２０が集積した各瞬間温水器１０の稼働率によって逐次設定されるものである。

図３は、優先順位を予め設けた瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するフロー図を示している。同図中、符号Ｎは瞬間温水器１０の接続台数を示す。符号ＬＫＷは、上限電力を示し、現在稼働している台数ｎの全ての瞬間温水器１０でＬＫＷを設定する。図示例ではグループがあるので、グループごとに上限電力ＬＫＷを設定する。符号ｋｗは、１台当たりの使用電力を示す。符号ＧＮＫＷは、グループＮで現在使用されている総使用電力量を示している。

第２の構成は、各瞬間温水器１０に優先順位を設けない構成である。すなわち、コントロール装置２０は、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する監視手段を備える構成は第１の構成と同じ構成である。そして、この緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器１０が稼働したときに、稼働中の全ての瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するように構成している。

図４は、優先順位を設けない場合の瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するフロー図である。同図において、符号ｎは瞬間温水器１０の接続台数を示している。符号ＬＫＷは、上限電力を示し、現在稼働している台数ｎの全ての瞬間温水器１０でＬＫＷを設定する。図示例ではグループがあるので、グループごとに上限電力ＬＫＷを設定する。符号ｋｗは、１台当たりの使用電力を示す。符号ＧＮＫＷは、グループＮで現在使用されている総使用電力量を示している。

瞬間温水器１０の総消費電力量を規制するには、コントロール装置２０が各制御装置１３から送信された各種データに基づく計算によって行われる。例えば、緊急監視体制設定時に新たな１台の瞬間温水器１０が稼働したときに、各瞬間温水器１０の稼働電力を、現在予測される総消費電力量を稼働台数＋１台の台数で割った値の電力量を算定する。そして、稼働中の各瞬間温水器１０の供給電力量をこの算定された値の電力量に均等に規制するように構成するものである。このようなパワー分割の状態を図５に示している。

コントロール装置２０の計算に基づいて行われる総消費電力量の規制は、各瞬間温水器１０への供給電力量を変えずに、稼働している各瞬間温水器１０の通電時間をずらして遮断することも可能である（図６参照）。すなわち、稼働中の各瞬間温水器１０への通電時間を１/（ｎ＋１）時間の時間差で通電するものである（ｎ＝稼働台数）。

本発明システムでは、各瞬間温水器１０をコントロール装置２０で制御するシステムであることから、瞬間温水器１０の構成を任意に変更することが可能になる。次に、本発明システムで使用する瞬間温水器１０の各種構成について説明する。

図７は、基準的な瞬間温水器１０を示している。この瞬間温水器１０は、給水が瞬間温水器１０のＴ字型接続管に繋がり、何らかの不具合で瞬間温水器１０への通電が制御できなくなったときに、内部の圧力を逃す安全弁１４を接続している。

ヒーター１５にて温められた温水は、給湯栓１７に直接給湯するのが一般的である。また、給湯栓１７の配管に温度調節機能のある温調機能付混合弁１６を接続し、この温調機能付混合弁１６に直接給水する配管を接続することで、給湯栓１７からの給湯温度を更に安定させることも可能である。

通常の給水経路は、嵌合凹部１１及び係止突起１２からヒーター１５を経て温調機能付混合弁１６を介し給湯栓１７から給湯されるものである。また、給湯栓１７自体に温度調節機能を備えたものもある。この場合、給湯栓１７と温調機能付混合弁１６とが一体になる。尚、温度センサ１１を給湯口１８に設置したり、又は給湯口１８の両方に温度センサ１１を設置したりするなど、温度センサ１１の設置位置は任意である。

図８は、複数の瞬間温水器１０を並列に接続した例を示す模式図である。このように２台の瞬間温水器１０を並列接続することで、ヒーター１５や配管が２倍になり、同じ設定温度のお湯が２倍の流量で利用することができる。図示例では、Ａの瞬間温水器１０とＢの瞬間温水器１０とを四方弁と温調機能付混合弁１６とで並列に接続している。このとき、四方弁はヘッダーに変更したり、あるいは予め二つに分岐した給水から繋いだりすることも可能である。

並列接続時の給水経路は、１台の瞬間温水器１０と同様に、流量センサ１２からヒーター１５へ流れて加熱され、温調機能付混合弁１６を介して給湯栓１７から給湯される。２台を並列に接続する場合、従来では、２倍の電気容量と２倍の流量が得られる瞬間温水器１０を別途設計する必要があるが、本発明システムでは、各瞬間温水器１０に制御装置１３と共に流量センサ１２や温度センサ１１を備え、これらのデータを基づいてコントロール装置２０がコントロールするので、単純に２台を並列に接続することが可能になる。また、瞬間温水器１０を３台、４台と並列に接続することも可能である。

図９は、複数の瞬間温水器１０を直列に接続した例を示す模式図である。このように２台の瞬間温水器１０を直列接続することで、ヒーター１５が２倍になり、同じ流量であれば、より高い温度の給湯が可能になる。Ａの瞬間温水器１０とＢの瞬間温水器１０とを直列接続した場合の給水経路は次の通りである。まず、Ａの間温水器１０の流量センサ１２及び温度センサ１１からヒーター１５に流れて加熱される。次に、Ｂの瞬間温水器１０の流量センサ１２及び温度センサ１１からヒーター１５に流れて再び加熱された後、給湯栓１７から給湯される。

図１０は、複数の瞬間温水器１０を直列に接続した場合の給湯動作をフロー図である。同図中、符号ＦＬＡはＡの瞬間温水器１０の流量センサ１２を示し、符号ＦＬＢはＢの瞬間温水器１０の流量センサ１２を示す。符号ＭＫＷＡはＡの瞬間温水器１０の必要供給電力を示し、符号ｎｋｗＢはＢの瞬間温水器１０の必要供給電力を示す。この状態で、給湯栓１７が開かれると、各瞬間温水器１０の流量センサ１２が水量を検知する。次に、各温度センサ１１のデータを基に、各瞬間温水器１０の必要供給電力を計算し、通電する。例えば、Ａ及びＢの瞬間温水器１０の設定温度が同じ温度に設定されていたとしても、給水側のＡの瞬間温水器１０側では、常にＭＫＷＡが通電されても設定温度に達しない。一方、Ｂの瞬間温水器１０は、給湯栓１７側に接続されているので、Ａの瞬間温水器１０側である程度温められた温水が流れ込んでくるので、ｎｋｗＢを通電することで、温水は設定温度に達する。

このような直列状態では、常に給水側のＡの瞬間温水器１０に最大の負荷がかかるので、例えばＡの設定温度を４０度とし、Ｂの設定温度を６０とするなど、Ａ及びＢの瞬間温水器１０の設定温度を予め変えることで、同程度の負荷で稼働させることができる。更に、別の手段として、各瞬間温水器１０の設定温度を変えずに、Ａの瞬間温水器１０に予めリミッタを設定し、例えば、必要供給電力が５ｋｗの場合に５ｋｗまでに制限することでバランスをとることができる。

２台を直列に接続する場合、従来では、２倍の電気容量と２倍の流量が得られる瞬間温水器１０を別途設計する必要があるが、本発明システムでは、各瞬間温水器１０に制御装置１３と共に流量センサ１２や温度センサ１１を備え、これらのデータを基づいてコントロール装置２０がコントロールするので、単純に２台を直列に接続することが可能になる。また、瞬間温水器１０を３台、４台と直列に接続することも可能である。

図１１は、凍結運転が可能な瞬間温水器１０を示す模式図である。寒冷地仕様の場合、環境温度によって配管内に残った少量の水が凍結することが想定される。このような場合に、瞬間温水器１０に電磁弁付循環ポンプ１９Ａ及び三方弁１９Ｂを接続し、温度センサ１１からヒーター１５で加熱した温水を、電磁弁付循環ポンプ１９Ａから三方弁１９Ｂに循環させることで凍結を防止することができる。

図１２は、瞬間温水器１０の凍結防止運転を示すフロー図である。図中、符号ＴＨは温度センサ１１が感知する水温を示す。符号ＰＶは電磁弁付循環ポンプ１９Ａ、Ｔは三方弁１９Ｂ、Ｈはヒーター１５である。このように、瞬間温水器１０をコントロール装置２０が制御することで、寒冷地での凍結防止運転も可能になるものである。

Ｐ 手洗い器
１０ 瞬間温水器
１１ 温度センサ
１２ 流量センサ
１３ 制御装置
１４ 安全弁
１５ ヒーター
１６ 温調機能付混合弁
１７ 給湯栓
１８ 給湯口
１９Ａ 電磁弁付循環ポンプ
１９Ｂ 三方弁
２０ コントロール装置

Claims (4)

1. 手洗い器の周辺に装着され該手洗い器に給湯する瞬間温水器の電力量をコントロール装置で複数台制御する電気瞬間温水器システムであって、
   各瞬間温水器は、各瞬間温水器への給水温度を感知する温度センサと、給水量を感知する流量センサと、各センサのデータを収集してコントロール装置に送信する制御装置とを備え、
   コントロール装置は、各センサのデータから各瞬間温水器が稼働したときの１台分の消費電力量を予測する電力量予測手段と、稼働中の全ての瞬間温水器の総消費電力量を算出する電力量算出手段と、稼働中の全ての瞬間温水器の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する監視手段とを備え、
   予め設定された上限電力量から現在同時使用可能な瞬間温水器の台数を算定し、同時使用可能な台数を超過する場合に、選択された一部の瞬間温水器又は稼働中の全ての瞬間温水器の消費電力量を規制し、又は緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器が稼働したときに、優先順位ごとに各瞬間温水器の通電を遮断するように構成したことを特徴とする電気瞬間温水器システム。
2. 前記各瞬間温水器は、使用頻度の低い順に通電が遮断される優先順位が設定され、該使用頻度は、前記コントロール装置が集積した各瞬間温水器の稼働率によって決定されるように構成した請求項１記載の電気瞬間温水器システム。
3. 前記コントロール装置は、稼働中の全ての瞬間温水器の総消費電力量と予め設定された上限電力量との差が、現在予測される１台分の消費電力量より小さくなったときに緊急監視体制を設定する監視手段を備え、該緊急監視体制設定時に新たな瞬間温水器が稼働したときに、稼働中の全ての瞬間温水器の総消費電力量を規制する手段を備えた請求項１記載の電気瞬間温水器システム。
4. 前記コントロール装置は、前記緊急監視体制設定時に新たな１台の瞬間温水器が稼働したときに、各瞬間温水器の稼働電力を、現在予測される総消費電力量を稼働台数＋１台の台数で除した値の電力量に規制するように構成した請求項３記載の電気瞬間温水器システム。

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