JP6285342B2

JP6285342B2 - 貯湯式給湯機

Info

Publication number: JP6285342B2
Application number: JP2014241272A
Authority: JP
Inventors: 和也佐山; 本間　誠; 誠本間
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-11-28
Also published as: JP2016102612A

Description

本発明は、深夜時間帯に湯を沸き上げる貯湯式給湯機に関するものである。

従来よりの種の貯湯式給湯機では、貯湯タンクと、貯湯タンク上部から出湯する出湯管と、貯湯タンク下部に給水する給水管と、給水管から分岐された給水バイパス管と、出湯管からの湯と給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるように混合して下流の給湯管を介して給湯させる給湯混合弁と、給湯管に設けられて給湯量を検出する給湯流量センサと、貯湯タンク下部から取り出した湯を沸き上げ目標温度まで加熱して貯湯タンク上部に戻すヒートポンプ式の加熱手段と、給湯流量センサの検出値に基づいて算出される所定期間における給湯熱量に応じた給湯必要量を算出する給湯必要量算出手段と、給湯必要量を電気料金単価の安価な深夜時間帯に沸き上げるのに必要な沸き上げ必要時間と、所定時刻に沸き上げ完了させることができる沸き上げ開始時刻とを算出するピークシフト演算手段とを備えている。

そして、この沸き上げ必要時間を算出するにあたり、長時間の貯湯状態を考慮して、給湯必要量を貯湯タンク等から自然放熱する分を考慮した放熱係数（１未満の値）で除して、給湯必要量より余分に沸き上げるようにし、さらに深夜時間帯に沸き上げ切れなかった分（沸き増し必要量）を、昼間時間帯に沸き増すようにしているものであった。

特開２０１３−１４８３２３号公報

しかしながら、この従来のものでは、深夜時間帯の終了時刻から主たる給湯使用時間帯である夕方以降の時刻までの間に自然放熱しても貯湯量不足が生じないように一日を通して自然放熱する分を考慮して放熱係数が定められているため、給湯使用時間帯あるいはその少し前の時間帯での沸き増し時において、放熱係数が内在している沸き増し必要量を沸き増すこととなり、必要以上に沸き増しを行って湯余りを生じる可能性があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、貯湯タンクと、前記貯湯タンク上部から出湯する出湯管と、前記貯湯タンク下部に給水する給水管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯と前記給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるように混合して下流の給湯管を介して給湯させる給湯混合弁と、前記給湯管からの給湯量を検出する流量センサと、前記貯湯タンク下部から取り出した湯を所定の沸き上げ目標温度まで加熱して前記貯湯タンク上部に戻す加熱手段と、前記流量センサの検出値に基づいて算出される所定期間における単位期間の給湯量に応じた単位期間の貯湯必要量を算出する貯湯必要量算出手段と、前記貯湯必要量のうち深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ必要量を決定する沸き上げ必要量決定手段と、前記深夜時間帯に前記加熱手段を作動させて前記沸き上げ必要量を沸き上げる沸き上げ動作を行わせる沸き上げ制御手段と、前記貯湯必要量のうち前記深夜時間帯外に沸き増す沸き増し必要量を決定する沸き増し必要量決定手段と、前記深夜時間帯外の時間帯に前記加熱手段を作動させて前記沸き増し必要量を沸き増す沸き増し動作を行わせる沸き増し制御手段と、を備え、前記沸き上げ必要量決定手段は、前記沸き上げ必要量を決定する際に所定の第１放熱係数を用い、前記沸き増し必要量算出手段は、前記沸き増し必要量を決定する際に前記第１放熱係数と異なる所定の第２放熱係数を用いるようにした。

また、前記第２放熱係数は、前記第１放熱係数よりも貯湯する量を少なくするように作用する値とした。

また、前記第２放熱係数は、時間帯に応じてその値が変更されるようにした。

本発明によれば、沸き上げ動作と沸き増し動作とで放熱係数を変えることで、深夜時間帯のみで貯湯必要量の全量を沸き上げるような場合でも適切な放熱係数を用いて湯切れを生じさせる恐れがないと共に、深夜時間帯外での運転比率が高いような場合でも必要以上に沸き増しを行って湯余りを生じさせる恐れがなく、貯湯式給湯装置の総合的な運転効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態の概略構成図同一実施形態のブロック図第１実施形態の作動を説明するためのフローチャート図第１実施形態の作動を説明するためのフローチャート図第２実施形態のブロック図

次に、本発明の第１実施形態の貯湯式給湯装置を図面に基づいて説明する。
１は湯水を貯湯する貯湯タンク、２は貯湯タンク１下部へ給水する給水管、３は貯湯タンク１上部から出湯する出湯管、４は給水管２から分岐された給水バイパス管、５は出湯管３からの湯と給水バイパス管４からの水とを給湯設定温度Ｔｓに混合する給湯混合弁、６は給湯混合弁５で混合された湯水を給湯栓（図示せず）に供給する給湯管、７は給湯管６から流出する給湯の流量をカウントする流量センサ、８は給湯管６から給湯される湯水の温度を検出する給湯温度センサである。

９は貯湯タンク１内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプ式加熱手段で、冷媒を圧縮する圧縮機１０と、圧縮された高温冷媒と貯湯タンク１からの湯水とを熱交換する冷媒水熱交換器１１と、冷媒水熱交換器１１で放熱された冷媒を減圧する膨張弁１２と、低温低圧の冷媒を蒸発する蒸発器１３とを環状に接続して構成され、一定の加熱能力で作動するように制御されるもので、貯湯タンク１下部から取り出した湯を加熱して貯湯タンク１上部に戻すようにしているため沸き上げる湯量を自在にコントロールできるものである。

１４は貯湯タンク１下部の湯水を冷媒水熱交換器１１へ循環させて貯湯タンク１上部に戻す加熱循環回路、１５は加熱循環回路１４途中に設けられた加熱循環ポンプ、１６は冷媒水熱交換器１１へ入水する湯水の温度を検出する入水温度センサ、１７は冷媒水熱交換器１１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である。

１８は貯湯タンク１の外周側面上下に複数設けられ、貯湯タンク１内の湯水の温度を検出し、貯湯量を検出するための貯湯温度センサで、ここでは、頂部貯湯温度センサ１８ａ、上部貯湯温度センサ１８ｂ、中間貯湯温度センサ１８ｃ、下部貯湯温度センサ１８ｄの４個の貯湯温度センサ１８が設けられており、下部貯湯温度センサ１８ｄは給湯があった際の最低温度を検出することで給水管２からの給水温度Ｔｗを検出する給水温度検出手段を兼ねているものである。

１９はリモコンで、給湯装置に関する各種の情報（給湯設定温度、残湯量、給湯装置の作動状態、沸き上げモード等）を表示する表示部２０と、給湯設定温度を設定操作するための増減設定スイッチ２１と、複数の沸き上げモードからいずれか一つの沸き上げモードを選択設定する沸き上げモード設定スイッチ２２を備えている。

２３は給湯流量センサ７、給湯温度センサ８、入水温度センサ１６、沸き上げ温度センサ１７、貯湯温度センサ１８の検出値が入力され、給湯混合弁５、圧縮機１０、膨張弁１２、加熱循環ポンプ１５の作動を制御すると共に、リモコン１９と通信可能に接続された制御手段である。この制御手段２３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。

次に、制御手段２３の本発明に関係する要部について、図２のブロック図に基づいて説明する。
２４は所定期間である過去複数日分（例えば７日間分）の単位期間である一日毎の給湯使用量を記憶する給湯量記憶手段で、ここでは、流量センサ７で検出した給湯量と、記憶されていた給水温度と、リモコン１９で設定された給湯設定温度とから１日の給湯に供された給湯使用量を一定温度（ここでは４３℃）での給湯量に換算し、過去複数日分記憶するものである。

２５は給湯量記憶手段２４で記憶している過去複数日分の給湯量（学習給湯量Ｑｓ）から翌日１日に必要となる給湯量（貯湯必要量Ｑｗ）を算出する貯湯必要量算出手段で、ここでは、４３℃換算の学習給湯量Ｑｓの平均値を熱量に変換して算出している。なお、ここでは単なる平均値を用いているが、学習給湯量Ｑｓの標準偏差等を算出して統計的処理を行って貯湯必要量Ｑｗを算出する構成としてもよい。

２６は貯湯必要量算出手段２５で算出した貯湯必要量Ｑｗのうち深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ必要量Ｑａを決定する沸き上げ必要量決定手段で、沸き上げ必要量Ｑａを決定する際に、長時間の貯湯状態を考慮して、貯湯タンク１や出湯管３等から自然放熱する分を考慮した所定の第１放熱係数Ａ（Ａ＜１）を用いて、余分に沸き上げるように沸き上げ必要量Ｑａを決定しているもので、ここでは貯湯必要量Ｑｗの全量を深夜時間帯に沸き上げるものとして貯湯必要量Ｑｗを第１放熱係数Ａ（ここでは０．８）で除して沸き上げ必要量Ｑａとしている。

２７は深夜時間帯に後述する沸き上げ開始時刻Ｔｓが到来すると加熱手段９を作動させて沸き上げ必要量Ｑａを沸き上げる沸き上げ動作を行わせる沸き上げ制御手段である。

２８は貯湯必要量算出手段２５で算出した貯湯必要量Ｑｗのうち深夜時間帯外に沸き増す沸き増し必要量Ｑｂを決定する沸き増し必要量決定手段で、沸き増し必要量Ｑｂを決定する際に、第１放熱係数Ａよりも大きい所定の第２放熱係数Ｂ（Ａ＜Ｂ＜１）を用いて、余分に沸き増すように沸き増し必要量Ｑｂを決定するもので、ここでは貯湯必要量Ｑｗのうち深夜時間帯に沸き上げた量を除いた量を深夜時間帯外に沸き増すものとして、貯湯必要量Ｑｗから深夜時間帯に沸き上げた量を減算した量を第２放熱係数Ｂ（ここでは０．９）で除して沸き増し必要量Ｑｂとしている。

２９は深夜時間帯外に後述する沸き増し開始条件が成立すると加熱手段９を作動させて沸き増し必要量Ｑｂを沸き増す沸き増し動作を行わせる沸き増し制御手段である。

次に、本発明の第１実施形態の作動を図３、図４に示すフローチャート図に基づいて説明する。
まず、深夜時間帯の開始時刻になると、制御手段２３は給湯量記憶手段２４で記憶している学習給湯量Ｑｓや外気温度あるいは給水温度Ｔｗ等に基づいて予め定められているデータテーブル等のルールに従って沸き上げ目標温度Ｔｓを決定し（ステップＳ１）、貯湯必要量算出手段２５は学習給湯量Ｑｓの平均値Ｑｖと換算温度である４３℃と給水温度Ｔｗとから４３℃換算の貯湯必要量Ｑｗを算出する（ステップＳ２）。

そして、沸き上げ必要量決定手段２６は、ここでは下記の数式１のように貯湯必要量Ｑｗの全量を第１放熱係数Ａ（ここでは０．８）で除した量を沸き上げ必要量Ｑａとして決定する（ステップＳ３）。
（数式１）
Ｑａ＝Ｑｗ／０．８

次に、制御手段２３は沸き上げ必要量Ｑａを沸き上げ目標温度Ｔｓと給水温度Ｔｗの差温で除して必要貯湯容量Ｑｌを算出し（ステップＳ４）、各貯湯温度センサ１８の検出値とそれぞれの位置情報とから貯湯タンク１に現在残っている貯湯量を確認する（ステップＳ５）。ここでは５０℃以上の湯の貯湯容量Ｑｒを算出している。

そして、制御手段２３は、下記の数式２に基づいて沸き上げに要する時間（沸き上げ所要時間Ｈａ）を算出する。ここで、Ｗは加熱手段９の定格加熱能力（ｋＷ）である。
（数式２）
Ｈａ＝（Ｑｌ−Ｑｒ）×（Ｔｓ−Ｔｗ）／（８６０×Ｗ）

さらに、制御手段２３は、深夜時間帯の終了時刻から沸き上げ所要時間Ｈａと所定の余裕時間だけ遡った時刻を沸き上げ開始時刻Ｈｓとして算出するピークシフト演算を行う（ステップＳ６）。

そして、現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｈｓに到達すると（ステップＳ７でＹｅｓ）、沸き上げ制御手段２７は加熱手段９と加熱循環ポンプ１５を駆動して沸き上げ動作を開始し、貯湯タンク１下部から取り出した水を定格加熱能力Ｗで作動する加熱手段９で沸き上げ目標温度Ｔｓまで加熱し、貯湯タンク１の上部から積層するように沸き上げる（ステップＳ８）。

貯湯タンク１最下部に位置する下部貯湯温度センサ１８ｄが所定の沸き上げ完了温度以上を検出するか（ステップＳ９）、または現在時刻が深夜時間帯の終了時刻に到達すると（ステップＳ１０）、沸き上げ制御手段２７は加熱手段９と加熱循環ポンプ１５の駆動を停止して沸き上げ動作を停止する（ステップＳ１１）。

そして、深夜時間帯の終了時刻となると（ステップＳ１２でＹｅｓ）、制御手段２３は各貯湯温度センサ１８の検出値とそれぞれの位置情報とから貯湯タンク１に現在残っている貯湯量を確認する（ステップＳ１３）。ここでは給水温度Ｔｗ以上の湯の貯湯熱量Ｑｅを算出している。

次に、沸き増し必要量決定手段２８は、下記の数式３のように貯湯必要量ＱｗからステップＳ１３で確認した貯湯熱量Ｑｅに第１放熱係数Ａを掛けた値を引いた量を第２放熱係数Ｂ（ここでは０．９）で除して沸き増し必要量Ｑｂを決定している（ステップＳ１４）。
（数式３）
Ｑｂ＝（Ｑｗ−Ｑｅ×０．８）／０．９

そして、ステップＳ１４で決定した沸き増し必要量Ｑｂが０以上である場合は（ステップＳ１５でＹｅｓ）、沸き増し必要量決定手段２８は、下記の数式４に基づいて沸き増し必要量Ｑｂを沸き増すのに要する時間（沸き増し所要時間Ｈｂ）を算出する（ステップＳ１６）。
（数式４）
Ｈｂ＝Ｑｂ／（８６０×Ｗ）

このように、第２放熱係数Ｂは第１放熱係数Ａよりも貯湯する量を少なくなるように作用する値とされており、貯湯熱量Ｑｅを第１放熱係数Ａで割り戻した熱量を貯湯必要量Ｑｗから減算することで、沸き増しが必要な正味の熱量が算出でき、これを第２放熱係数Ｂで除して沸き増し必要量Ｑｂを算出することで、自然放熱する時間が短い深夜時間帯外での過剰な沸き増しを抑制することができる。

そして、一定量以上の給湯がされる等して貯湯タンク１下部の下部貯湯温度センサ１８ｄが所定温度（ここでは給水温度Ｔｗ＋α）以下を検出すると、沸き増し開始条件が成立したとして（ステップＳ１７でＹｅｓ）、沸き増し制御手段２９は加熱手段９と加熱循環ポンプ１５を駆動して沸き増し動作を開始し、貯湯タンク１下部から取り出した水を定格加熱能力Ｗで作動する加熱手段９で沸き上げ目標温度Ｔｓまで加熱し、貯湯タンク１の上部から積層するように沸き増す（ステップＳ１８）と同時に、沸き増しを行っている時間をカウントして沸き増し所要時間Ｈｂからカウントダウンする（ステップＳ１９）。

そして、貯湯タンク１下部の下部貯湯温度センサ１８ｄが所定の沸き増し完了温度以上を検出するか（ステップＳ２０）、沸き増し所要時間Ｈｂが０までカウントダウンされると（ステップＳ２１）、沸き増し制御手段２９は加熱手段９と加熱循環ポンプ１５の駆動を停止して沸き増し動作を停止する（ステップＳ２２）。

一方、前記ステップＳ１７で沸き増し開始条件が成立していない場合は、ステップＳ２３へ進み、沸き増し所要時間Ｈｂが０であるかを確認し、沸き増し所要時間Ｈｂが０であると（ステップＳ２３でＹｅｓ）、沸き増し必要量Ｑｂを沸き増し終えたとして制御終了するようにしている（ステップＳ２４）。

なお、第２放熱係数Ｂは、深夜時間帯外の時間帯に応じてその値が変更されるようにして、主たる給湯使用時間に近いほど余分な沸き増しをしない方向にその値を変更することが好ましい。

以上のように、深夜時間帯での沸き上げ動作と深夜時間帯外での沸き増し動作とで放熱係数を変えることで、深夜時間帯のみで貯湯必要量Ｑｗの全量を沸き上げるような場合でも適切な放熱係数を用いて湯切れを生じさせる恐れがないと共に、深夜時間帯外での運転比率が高いような場合でも必要以上に沸き増しを行って湯余りを生じさせる恐れがなく、過不足のない効率的な沸き上げ、沸き増しが行え、貯湯式給湯装置の総合的な運転効率を向上させることができる。

次に、第２実施形態の貯湯式給湯装置について、図５に基づいて説明する。
この第２実施形態は、太陽光発電装置３０と連携して、太陽が照っている間の発電電力を用いて沸き増し動作を行うようにしたもので、第１実施形態と同一のものは同一の符号を付してその説明を省略する。

３０は太陽光発電パネルやインバータ等から構成される太陽光発電装置、３１は外部のインターネットなどから太陽光発電装置３０が設置されている地域の天気予報情報を取得して天気予測情報を太陽光発電装置３０の制御手段に出力する天気予測手段である。

そして、太陽光発電装置３０は天気予測手段３１から入力された天気予測情報に基づいて翌日の貯湯式給湯装置での貯湯必要量Ｑｗに対する日中の沸き増しと深夜の沸き上げの比率である沸き増し比率Ｒを決定する。ここでは例えば、天気予測情報が翌日の日中は快晴であると沸き増し比率Ｒを０．５とし、翌日の日中は雨天であると沸き増し比率を０とするようにしている。

太陽光発電装置３０は決定した沸き増し比率情報を貯湯式給湯装置に出力し、貯湯式給湯装置では沸き増し比率情報が沸き上げ必要量決定手段２６と沸き増し必要量決定手段２８のそれぞれに入力されるようにしている。

そして、沸き上げ必要量決定手段２６では、沸き増し比率情報に基づいて下記の数式５のように沸き上げ必要量Ｑａが決定される。
（数式５）
Ｑａ＝Ｑｗ×Ｒ／Ａ

沸き増し必要量決定手段２８では、沸き増し比率情報に基づいて下記の数式６のように沸き増し必要量Ｑｂが決定される。
（数式６）
Ｑｂ＝Ｑｗ×（１−Ｒ）／Ｂ

ここで、沸き増し比率Ｒが０であった場合は、沸き増し必要量Ｑｂは第１実施形態と同様に決定され、また、沸き増し比率Ｒが０超の値であっても、当初の沸き上げ必要量Ｑａを深夜時間帯に沸き上げ切れなかった場合は、沸き上げ切れなかった分が第１実施形態と同様に沸き増し必要量Ｑｂに回されるようにしている。

このようにして、太陽光発電装置３０の発電電力で積極的に昼間の沸き増しを行うようにしたものにおいても、必要以上に沸き増しを行って湯余りを生じさせる恐れがなく、過不足のない効率的な沸き上げ、沸き増しが行え、貯湯式給湯装置の総合的な運転効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記第１、第２の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可能なものであり、例えば、加熱手段９としてはヒートポンプ式のものとしたが、これに限られず、コージェネレーションシステムの排熱回収熱源機としてもよいものである。

１貯湯タンク
２給水管
３出湯管
４給水バイパス管
５給湯混合弁
６給湯管
７流量センサ
９加熱手段
２５貯湯必要量算出手段
２６沸き上げ必要量決定手段
２７沸き上げ制御手段
２８沸き増し必要量決定手段
２９沸き増し制御手段

Claims

貯湯タンクと、前記貯湯タンク上部から出湯する出湯管と、前記貯湯タンク下部に給水する給水管と、前記給水管から分岐された給水バイパス管と、前記出湯管からの湯と前記給水バイパス管からの水とを給湯設定温度になるように混合して下流の給湯管を介して給湯させる給湯混合弁と、前記給湯管からの給湯量を検出する流量センサと、前記貯湯タンク下部から取り出した湯を所定の沸き上げ目標温度まで加熱して前記貯湯タンク上部に戻す加熱手段と、前記流量センサの検出値に基づいて算出される所定期間における単位期間の給湯量に応じた単位期間の貯湯必要量を算出する貯湯必要量算出手段と、前記貯湯必要量のうち深夜時間帯に沸き上げる沸き上げ必要量を決定する沸き上げ必要量決定手段と、前記深夜時間帯に前記加熱手段を作動させて前記沸き上げ必要量を沸き上げる沸き上げ動作を行わせる沸き上げ制御手段と、前記貯湯必要量のうち前記深夜時間帯外に沸き増す沸き増し必要量を決定する沸き増し必要量決定手段と、前記深夜時間帯外の時間帯に前記加熱手段を作動させて前記沸き増し必要量を沸き増す沸き増し動作を行わせる沸き増し制御手段と、を備え、前記沸き上げ必要量決定手段は、前記沸き上げ必要量を決定する際に所定の第１放熱係数を用い、前記沸き増し必要量算出手段は、前記沸き増し必要量を決定する際に前記第１放熱係数と異なる所定の第２放熱係数を用いるようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
前記第２放熱係数は、前記第１放熱係数よりも貯湯する量を少なくするように作用する値としたことを特徴とする請求項１記載の貯湯式給湯装置。
前記第２放熱係数は、時間帯に応じてその値が変更されるようにしたことを特徴とする請求項２記載の貯湯式給湯装置。