JP6570874B2

JP6570874B2 - 蓄熱システム

Info

Publication number: JP6570874B2
Application number: JP2015103013A
Authority: JP
Inventors: 藤本　卓也; 卓也藤本
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2015-05-20
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-05-20
Also published as: JP2016217627A

Description

本発明は、熱を蓄える蓄熱システムの技術に関する。

従来、太陽熱及びヒートポンプを用いて発生させた熱を蓄える蓄熱システムの技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１に記載の蓄熱システム（給湯システム）は、太陽熱集熱器と、ヒートポンプと、太陽熱集熱器及びヒートポンプからの熱を蓄える貯湯タンクと、を備えている。このような蓄熱システムにおいて、ヒートポンプは電気料金が安い深夜に稼動され、昼間の晴天時には太陽熱集熱器が稼動される。これによって、深夜には比較的低コストで熱を得ることができ、昼間（晴天時）には自然エネルギーを利用して熱を得ることができる。

特開２００２−１６２１０９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、昼間であっても、曇天時などの太陽光が太陽熱集熱器に照射され難い場合には、太陽熱集熱器の温度が上がり難い。太陽熱集熱器から貯湯タンクへと供給される熱媒体の温度が、当該貯湯タンクに貯溜された熱媒体の温度より十分に高くないと、当該貯湯タンクに熱を蓄えることができず、太陽熱集熱器で集められた熱が無駄になってしまう。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、蓄熱槽に効率的に熱を集めることが可能な蓄熱システムを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、内部に貯溜された熱媒体を介して熱を蓄える蓄熱槽と、太陽熱を用いて熱媒体を温める太陽熱集熱装置と、発生させた熱を用いて熱媒体を温めるヒートポンプユニットと、前記太陽熱集熱装置と前記蓄熱槽との間で熱媒体を循環させることで前記太陽熱集熱装置で得られた熱を前記蓄熱槽へと集める第一集熱運転と、前記ヒートポンプユニットと前記蓄熱槽との間で熱媒体を循環させることで前記ヒートポンプユニットで得られた熱を前記蓄熱槽へと集める第二集熱運転と、を並行して行うことが可能な循環機構と、を具備し、前記循環機構は、前記太陽熱集熱装置からの熱媒体と前記ヒートポンプユニットからの熱媒体とを合流させる合流配管と、前記合流配管からの熱媒体を前記蓄熱槽における上部へと案内する上部配管と、前記合流配管からの熱媒体を前記蓄熱槽における上下中央部へと案内する中央部配管と、前記合流配管からの熱媒体が前記上部配管へと流通可能かつ前記中央部配管へと流通不能な第一状態と、前記合流配管からの熱媒体が前記上部配管へと流通不能かつ前記中央部配管へと流通可能な第二状態と、を切り替え可能な流通方向制御弁と、を具備し、前記循環機構の運転を制御する制御装置と、前記蓄熱槽における上部に貯溜された熱媒体の温度を検出する上部温度検出部と、前記合流配管を流通する熱媒体の温度を検出する合流温度検出部と、をさらに具備し、前記制御装置は、前記合流温度検出部により検出された温度が前記上部温度検出部により検出された温度より大きい場合、前記流通方向制御弁を前記第一状態に切り替え、前記合流温度検出部により検出された温度が前記上部温度検出部により検出された温度以下である場合、前記流通方向制御弁を前記第二状態に切り替えるものである。

また、前記太陽熱集熱装置で温められた熱媒体の温度を検出する太陽熱温度検出部をさらに具備し、前記制御装置は、前記太陽熱温度検出部により検出された温度が第一閾値より大きい場合、前記循環機構に前記第一集熱運転のみを実行させ、前記太陽熱温度検出部により検出された温度が前記第一閾値以下の場合、前記循環機構に前記第一集熱運転及び前記第二集熱運転を並行して実行させることとしてもよい。
このような構成により、第一集熱運転及び第二集熱運転を適切に実行することができる。

また、前記制御装置は、前記上部温度検出部により検出された温度に基づいて前記第一閾値を決定することとしてもよい。
このような構成により、太陽熱集熱装置からの熱を蓄熱槽に集めることができるか否かを適切に判定することができる。

また、前記蓄熱槽における上下中央部に貯溜された熱媒体の温度を検出する中央部温度検出部をさらに具備し、前記制御装置は、前記太陽熱温度検出部により検出された温度、前記上部温度検出部により検出された温度及び前記中央部温度検出部により検出された温度に基づいて、前記ヒートポンプユニットにより温められる熱媒体の温度を調節することとしてもよい。
このような構成により、ヒートポンプユニットを適切に運転させることができ、ひいては効率的に蓄熱槽に熱を蓄えることができる。

蓄熱槽に効率的に熱を集めることができる。

一実施形態に係る給湯システムの全体的な構成を示した模式図。給湯システムの制御に関する構成を示したブロック図。制御装置による制御の流れを示したフローチャート。

以下では、図１及び図２を用いて、一実施形態に係る給湯システム１の構成について説明する。

給湯システム１は、太陽熱及びヒートポンプを用いて発生させた熱を蓄えると共に、当該熱を用いて沸かされた湯を供給するものである。給湯システム１は、主として太陽熱集熱装置１０、ヒートポンプユニット２０、貯湯槽３０、循環機構４０、給湯機構６０及び制御装置８０を具備する。

図１に示す太陽熱集熱装置１０は、太陽光を受けて熱（太陽熱）を集めるものである。太陽熱集熱装置１０は、主として太陽熱パネル１１、熱交換器１２、配管１３及びポンプ１４を具備する。

太陽熱パネル１１は、太陽光を受けて太陽熱を集める（集熱する）ものである。太陽熱パネル１１は、広い面で太陽光を受けることができるように、平板状に形成される。太陽熱パネル１１は、日当たりの良い場所（例えば、住宅の屋根の上等）に設置される。

熱交換器１２は、温度差のある流体間で熱（熱エネルギー）を交換するものである。

配管１３は、太陽熱パネル１１と熱交換器１２との間で熱媒体が循環するための流路を形成するものである。配管１３は、太陽熱パネル１１の内部及び熱交換器１２の内部を通る環状に形成される。配管１３内には、熱媒体として不凍液が満たされる。

ポンプ１４は、配管１３内の不凍液を循環させるものである。ポンプ１４は、配管１３の中途部に配置される。

このように構成された太陽熱集熱装置１０において、太陽熱パネル１１に太陽光が照射されると、太陽熱によって当該太陽熱パネル１１の温度が上昇する。ポンプ１４が駆動すると、配管１３内を不凍液が循環する。配管１３内を循環する不凍液は、太陽熱パネル１１を流通する際に太陽熱によって温められる。太陽熱パネル１１を流通した不凍液は、熱交換器１２へと供給される。熱交換器１２を流通する不凍液の熱は、後述する第二循環配管４２を流通する熱媒体（水）に移動する。これによって、熱交換器１２を流通する不凍液の温度は低下する。熱交換器１２を流通した不凍液は、再び太陽熱パネル１１へと供給される。太陽熱パネル１１に多くの太陽光が照射されるほど、当該太陽熱パネル１１の温度が高くなり、ひいては当該太陽熱パネル１１を流通する不凍液の温度が高くなる。

ヒートポンプユニット２０は、電力を消費して熱を発生させるものである。ヒートポンプユニット２０は、主として配管２１、圧縮機２２、熱交換器２３、膨張弁２４、蒸発器２５及びファン２６を具備する。

配管２１は、熱媒体（冷媒）が循環するための流路を形成するものである。配管２１は環状に形成される。配管２１内には、熱媒体（冷媒）が満たされる。

圧縮機２２は、電力を消費して、配管２１を流通する熱媒体を圧縮するものである。圧縮機２２は、配管２１の中途部に配置される。

熱交換器２３は、温度差のある流体間で熱（熱エネルギー）を交換するものである。熱交換器２３は、配管２１の中途部に配置される。より具体的には、熱交換器２３は、配管２１を流通する熱媒体の流通方向において、圧縮機２２の下流側に配置される。

膨張弁２４は、配管２１を流通する熱媒体を膨張させるものである。膨張弁２４は、配管２１の中途部に配置される。より具体的には、膨張弁２４は、配管２１を流通する熱媒体の流通方向において、熱交換器２３の下流側に配置される。

蒸発器２５は、熱媒体を蒸発させるための熱交換器である。蒸発器２５は、配管２１の中途部に配置される。より具体的には、蒸発器２５は、配管２１を流通する熱媒体の流通方向において、膨張弁２４の下流側に配置される。

ファン２６は、蒸発器２５へと風（外気）を送るためのものである。

このように構成されたヒートポンプユニット２０において、圧縮機２２によって圧縮された熱媒体は、高温の気体となる。当該高温の熱媒体は、熱交換器２３を流通する。熱交換器２３を流通する熱媒体の熱は、後述する第三循環配管４３を流通する熱媒体（水）に移動する。これによって、熱交換器２３を流通する熱媒体の温度は低下し、当該熱媒体は液体になる。熱交換器２３を流通した熱媒体は、膨張弁２４において膨張することで、低温の液体（又は気体）になる。膨張弁２４を流通した低温の熱媒体は、蒸発器２５において外気から熱を受け取って蒸発し、再び気体になる。外気から熱を受け取った熱媒体は、再び圧縮機２２へと供給される。

ヒートポンプユニット２０は、箱状に形成された筐体Ｃ１に収容される。

貯湯槽３０は、内部に貯溜された熱媒体を介して熱を蓄えるものである。具体的には、貯湯槽３０内には、熱媒体として水（湯）が満たされる。貯湯槽３０は、上下に亘って断面形状が略一定（略円形）である略円柱状に形成される。

貯湯槽３０に貯溜された水は、温度の違いによって層を形成する。具体的には、温度の高い水が上に、温度の低い水が下に溜まることで、層（温度成層）を形成する。本実施形態においては、便宜上、貯湯槽３０を上下方向に略均等に３等分し、上から上部３１、中央部３２及び下部３３と称する。また、貯湯槽３０内の水も、上部３１、中央部３２及び下部３３に応じて３つの層に分類する。以下では、上部３１に貯溜されている水を高温水、中央部３２に貯溜されている水を中温水、下部３３に貯溜されている水を低温水とそれぞれ称する。

貯湯槽３０及び太陽熱集熱装置の熱交換器１２は、箱状に形成された筐体Ｃ２に収容される。

循環機構４０は、太陽熱集熱装置１０、ヒートポンプユニット２０及び貯湯槽３０の間で熱媒体を循環させることで、当該太陽熱集熱装置１０及びヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０へと集めるものである。循環機構４０は、主として第一循環配管４１、第二循環配管４２、第三循環配管４３、第四循環配管４４、第五循環配管４５、第六循環配管４６、第一三方弁４７、第二三方弁４８、第三三方弁４９及び循環ポンプ５０を具備する。

第一循環配管４１は、貯湯槽３０における下部３３に貯溜された水（低温水）を取り出す配管である。第一循環配管４１の一端は、貯湯槽３０における下部３３に接続される。

第二循環配管４２は、太陽熱集熱装置１０の熱交換器１２内を通過するように配置される配管である。第二循環配管４２の一端は、第一循環配管４１の他端に接続される。第二循環配管４２の中途部は、太陽熱集熱装置１０の熱交換器１２内を通過するように配置される。

第三循環配管４３は、ヒートポンプユニット２０の熱交換器２３内を通過するように配置される配管である。第三循環配管４３の一端は、第一循環配管４１の他端に接続される。第三循環配管４３の中途部は、ヒートポンプユニット２０の熱交換器２３内を通過するように配置される。

第四循環配管４４は、第二循環配管４２から供給される水と第三循環配管４３から供給される水を合流させる配管である。第四循環配管４４の一端は、第二循環配管４２の他端及び第三循環配管４３の他端に接続される。

第五循環配管４５は、第四循環配管４４から供給される水を貯湯槽３０における上部３１へと案内する配管である。第五循環配管４５の一端は、第四循環配管４４の他端に接続される。第五循環配管４５の他端は、貯湯槽３０における上部３１（より具体的には、貯湯槽３０の上面）に接続される。

第六循環配管４６は、第四循環配管４４から供給される水を貯湯槽３０における中央部３２へと案内する配管である。第六循環配管４６の一端は、第四循環配管４４の他端に接続される。第六循環配管４６の他端は、貯湯槽３０における中央部３２と接続される。

第一三方弁４７は、配管同士を接続すると共に、水の流通の可否を切り替えるものである。第一三方弁４７は、第一循環配管４１と、第二循環配管４２及び第三循環配管４３と、の接続部に配置される。第一三方弁４７は、第一循環配管４１から第二循環配管４２及び第三循環配管４３への水の流通の可否を適宜切り替えることができる。具体的には、第一三方弁４７は、第一循環配管４１から供給される水を第二循環配管４２又は第三循環配管４３のいずれか一方にのみ案内する状態と、第一循環配管４１から供給される水を第二循環配管４２及び第三循環配管４３にそれぞれ案内する状態と、を切り替えることができる。

第二三方弁４８は、配管同士を接続すると共に、水の流通の可否を切り替えるものである。第二三方弁４８は、第二循環配管４２及び第三循環配管４３から第四循環配管４４への水の流通の可否を適宜切り替えることができる。具体的には、第二三方弁４８は、第二循環配管４２又は第三循環配管４３のいずれか一方から供給される水のみを第四循環配管４４に案内する状態と、第二循環配管４２及び第三循環配管４３から供給される水を第四循環配管４４に案内する状態と、を切り替えることができる。

第三三方弁４９は、配管同士を接続すると共に、水の流通の可否を切り替えるものである。第一三方弁４７は、第四循環配管４４と、第五循環配管４５及び第六循環配管４６と、の接続部に配置される。第三三方弁４９は、第四循環配管４４から第五循環配管４５及び第六循環配管４６への水の流通の可否を適宜切り替えることができる。具体的には、第三三方弁４９は、第四循環配管４４から供給される水を第五循環配管４５にのみ案内する状態と、第四循環配管４４から供給される水を第六循環配管４６にのみ案内する状態と、を切り替えることができる。

循環ポンプ５０は、循環機構４０の配管（第一循環配管４１等）内の水を循環させるものである。循環ポンプ５０は、第一循環配管４１の中途部に配置される。

このように構成された循環機構４０において、循環ポンプ５０が駆動すると、貯湯槽３０における下部３３に貯溜された水（低温水）は、第一循環配管４１等を流通し、貯湯槽３０における上部３１又は中央部３２に戻される。

この際、第二循環配管４２を流通する水は、太陽熱集熱装置１０の熱交換器１２を通過することで、太陽熱パネル１１で集められた熱を受け取り、温度が上昇する。このように温度が上昇した水を貯湯槽３０に戻すことで、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集めることができる。以下では、このように第二循環配管４２に水を流通させることで、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集める循環機構４０の運転を、「第一集熱運転」と称する。

また第三循環配管４３を流通する水は、ヒートポンプユニット２０の熱交換器２３を通過することで、当該ヒートポンプユニット２０で発生した熱を受け取り、温度が上昇する。このように温度が上昇した水を貯湯槽３０に戻すことで、ヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０に集めることができる。以下では、このように第三循環配管４３に水を流通させることで、ヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０に集める循環機構４０の運転を、「第二集熱運転」と称する。

なお、本実施形態においては、第二循環配管４２を流通する水の流量と、第三循環配管４３を流通する水の流量は、同一であるものとする。すなわち、第一集熱運転と第二集熱運転を並行して行う場合には、第二循環配管４２を流通する水と第三循環配管４３を流通する水が１：１の割合で混合され、第四循環配管４４へと供給されることになる。

給湯機構６０は、貯湯槽３０に貯溜された水（高温水又は中温水）を適宜の設備（給湯需要）へと供給するものである。給湯機構６０は、主として第一給湯配管６１、第二給湯配管６２、第三給湯配管６３、第四給湯配管６４、第五給湯配管６５、第六給湯配管６６及び第七給湯配管６７を具備する。

第一給湯配管６１は、上水を案内する配管である。

第二給湯配管６２は、第一給湯配管６１から供給される上水を貯湯槽３０へと案内する配管である。第二給湯配管６２の一端は、三方弁を介して第一給湯配管６１の一端に接続される。第二給湯配管６２の他端は、貯湯槽３０における下部３３に接続される。

第三給湯配管６３は、第一給湯配管６１から供給される上水を、後述する第七給湯配管６７へと案内する配管である。第三給湯配管６３の一端は、三方弁を介して第一給湯配管６１の一端に接続される。

第四給湯配管６４は、貯湯槽３０における上部３１に貯溜された水（高温水）を取り出す配管である。第四給湯配管６４の一端は、貯湯槽３０における上部３１（より具体的には、貯湯槽３０の上面）に接続される。

第五給湯配管６５は、貯湯槽３０における中央部３２に貯溜された水（中温水）を取り出す配管である。第五給湯配管６５の一端は、貯湯槽３０における中央部３２に接続される。

第六給湯配管６６は、第四給湯配管６４から供給される水（高温水）と第五給湯配管６５から供給される水（中温水）を合流させる配管である。第六給湯配管６６の一端は、三方弁を介して第四給湯配管６４の他端及び第五給湯配管６５の他端に接続される。

第七給湯配管６７は、第六給湯配管６６から供給される水と第二給湯配管６２から供給される上水を合流させ、適宜の設備へと供給する配管である。第七給湯配管６７の一端は、三方弁を介して第六給湯配管６６の他端及び第二給湯配管６２の他端に接続される。第七給湯配管６７の他端は、湯が用いられる適宜の設備（例えば、浴室や洗面台等）に接続される（不図示）。

このように構成された給湯機構６０において、浴室等の設備から湯が要求されると、第四給湯配管６４を介して供給される高温水と、第五給湯配管６５を介して供給される中温水とが、第六給湯配管６６において混合される。さらに、当該第六給湯配管６６を介して供給される水（湯）と、第三給湯配管６３を介して供給される上水とが、第七給湯配管６７において混合される。このように、高温水、中温水及び上水を適宜混合することで、要求に応じた温度の水（湯）を得ることができる。このように混合された水（湯）は、第七給湯配管６７を介して浴室等の設備へと供給される。

上述の如く、浴室等の設備で水（湯）が用いられる場合、第四給湯配管６４及び第五給湯配管６５を介して貯湯槽３０に貯溜された水が取り出されるとともに、第一給湯配管６１及び第二給湯配管６２を介して上水が貯湯槽３０に供給される。このようにして、貯湯槽３０内は常に水で満たされる。

図２に示す制御装置８０は、給湯システム１の動作を制御するものである。制御装置８０は、主としてＣＰＵ等の演算処理装置、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置、Ｉ／Ｏ等の入出力装置、並びにモニター等の表示装置等により構成される。制御装置８０には、給湯システム１の動作を制御するための種々の情報やプログラム等が予め記憶される。制御装置８０は、太陽熱温度センサ８１、ヒートポンプ温度センサ８２、合流温度センサ８３、上部温度センサ８４、中央部温度センサ８５及び下部温度センサ８６に接続される。

太陽熱温度センサ８１は、太陽熱パネル１１によって温められた不凍液の温度を検出するものである。太陽熱温度センサ１８は、配管１３の中途部（太陽熱パネル１１の下流側）に配置される。太陽熱温度センサ１８は、配管１３を流通する不凍液の温度を検出する。以下では、太陽熱温度センサ８１によって検出される不凍液の温度を、「太陽熱パネル戻り温度Ｔ１」と称する。

ヒートポンプ温度センサ８２は、ヒートポンプユニット２０によって温められた水の温度を検出するものである。ヒートポンプ温度センサ８２は、第三循環配管４３の中途部（熱交換器２３の下流側）に配置される。ヒートポンプ温度センサ８２は、第三循環配管４３を流通する水の温度を検出する。以下では、ヒートポンプ温度センサ８２によって検出される水の温度を、「ヒートポンプ集熱温度Ｔ２」と称する。

合流温度センサ８３は、第四循環配管４４において合流した水の温度を検出するものである。合流温度センサ８３は、第四循環配管４４の中途部に配置される。合流温度センサ８３は、第四循環配管４４を流通する水の温度を検出する。以下では、合流温度センサ８３によって検出される水の温度を、「合流温度Ｔ３」と称する。

上部温度センサ８４は、貯湯槽３０における上部に貯溜された水（高温水）の温度を検出するものである。上部温度センサ８４は、貯湯槽３０における上部３１に配置される。以下では、上部温度センサ８４によって検出される水の温度を、「高温水温度Ｔ４」と称する。

中央部温度センサ８５は、貯湯槽３０における中央部３２に貯溜された水（中温水）の温度を検出するものである。中央部温度センサ８５は、貯湯槽３０における中央部３２に配置される。以下では、中央部温度センサ８５によって検出される水の温度を、「中温水温度Ｔ５」と称する。

下部温度センサ８６は、貯湯槽３０における下部３３に貯溜された水（低温水）の温度を検出するものである。下部温度センサ８６は、貯湯槽３０における下部３３に配置される。以下では、下部温度センサ８６によって検出される水の温度を、「低温水温度Ｔ６」と称する。

また、制御装置８０は、太陽熱集熱装置１０のポンプ１４に接続され、当該ポンプ１４の動作を制御することができる。

また、制御装置８０は、ヒートポンプユニット２０（圧縮機２２等）に接続され、当該ヒートポンプユニット２０の動作を制御することができる。具体的には、制御装置８０は、ヒートポンプユニット２０を運転又は停止させることができる。また制御装置８０は、ヒートポンプユニット２０を運転させることで得られる水（具体的には、第三循環配管４３を流通することによって、熱交換器２３で温められる水）の温度の目標値（設定温度）を制御することができる。

また、制御装置８０は、循環機構４０の第一三方弁４７、第二三方弁４８及び第三三方弁４９に接続され、当該第一三方弁４７等の状態を切り替えることができる。
また、制御装置８０は、循環機構４０の循環ポンプ５０に接続され、当該循環ポンプ５０の動作を制御することができる。

以下では、図１から図３までを用いて、制御装置８０による給湯システム１の動作の制御の具体例について説明する。

図３に示すステップＳ１０１において、制御装置８０は、太陽熱集熱装置１０のポンプ１４を駆動させる。これによって、不凍液は配管１３内を循環する。太陽熱パネル１１を通過した不凍液は、太陽熱によって温められる。
制御装置８０は、当該ステップＳ１０１の処理を行った後、ステップＳ１０２に移行する。

ステップＳ１０２において、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１と低温水温度Ｔ６とを比較して、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１（例えば、１０（℃））以上高いか否かを判定する。このように、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高い場合には、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を、貯湯槽３０へと集熱することが可能であると判定することができる。

具体的には、制御装置８０は、ステップＳ１０２において「Ｔ１＜Ｔ６＋ａ１」（数１）であるか否か（前記数１を満たしているか否か）を判定する。制御装置８０は、前記数１が満たされている場合、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高くないと判定することができる。また制御装置８０は、前記数１が満たされていない場合、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高いと判定することができる。

制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高くないと判定した場合、すなわち前記数１が満たされている場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）、ステップＳ１０３に移行する。
制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高いと判定した場合、すなわち前記数１が満たされていない場合（ステップＳ１０２でＮｏ）、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０３において、制御装置８０は、太陽熱集熱装置１０のポンプ１４の駆動を停止させる。

このように、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低温水温度Ｔ６より基準値ａ１以上高くない場合（ステップＳ１０２でＹｅｓ）には、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０へと集熱することができないと判定し、太陽熱集熱装置１０（ポンプ１４）の駆動を停止させる（ステップＳ１０３）。

一方、ステップＳ１０２から移行したステップＳ１０４において、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１と高温水温度Ｔ４とを比較して、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が高温水温度Ｔ４に基準値ａ２（例えば、２（℃））を加えた値よりも高いか否かを判定する。ここで、基準値ａ２は、熱交換器１２において、配管１３を流通する不凍液から第二循環配管４２を流通する水へと熱が移動する際の損失を考慮するための値である。このように、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が高温水温度Ｔ４に基準値ａ２を加えた値よりも高い場合には、ヒートポンプユニット２０を運転させなくても、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０へと蓄えることが可能であると判定することができる。

具体的には、制御装置８０は、ステップＳ１０４において「Ｔ１＞Ｔ４＋ａ２」（数２）であるか否か（前記数２を満たしているか否か）を判定する。

制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が高温水温度Ｔ４に基準値ａ２を加えた値よりも高いと判定した場合、すなわち数２が満たされている場合（ステップＳ１０４でＹｅｓ）、ステップＳ１０５に移行する。
制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が高温水温度Ｔ４に基準値ａ２を加えた値以下であると判定した場合、すなわち数２が満たされていない場合（ステップＳ１０４でＮｏ）、ステップＳ１０６に移行する。

ステップＳ１０５において、制御装置８０は、貯湯槽３０からの水が太陽熱集熱装置１０（熱交換器１２）のみを通過し、ヒートポンプユニット２０（熱交換器２３）を通過しないように、第一三方弁４７及び第二三方弁４８の状態を切り替える。具体的には、制御装置８０は、第一三方弁４７を、第一循環配管４１から供給される水を第二循環配管４２にのみ案内する状態に切り替える。また制御装置８０は、第二三方弁４８を、第二循環配管４２から供給される水のみを第四循環配管４４に案内する状態に切り替える。この状態で循環機構４０の循環ポンプ５０を駆動させることで（後述するステップＳ１１１参照）、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第一集熱運転を行うことができる。
制御装置８０は、当該ステップＳ１０５の処理を行った後、ステップＳ１１１に移行する。

一方、ステップＳ１０４から移行したステップＳ１０６において、制御装置８０は、貯湯槽３０からの水が太陽熱集熱装置１０（熱交換器１２）だけでなく、ヒートポンプユニット２０（熱交換器２３）を通過するように、第一三方弁４７及び第二三方弁４８の状態を切り替える。具体的には、制御装置８０は、第一三方弁４７を、第一循環配管４１から供給される水を第二循環配管４２及び第三循環配管４３にそれぞれ案内する状態に切り替える。また制御装置８０は、第二三方弁４８を、第二循環配管４２及び第三循環配管４３から供給される水を第四循環配管４４に案内する状態に切り替える。この状態で循環機構４０の循環ポンプ５０を駆動させることで（後述するステップＳ１１１参照）、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第一集熱運転と、ヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第二集熱運転と、を並行して行うことができる。
制御装置８０は、当該ステップＳ１０６の処理を行った後、ステップＳ１０７に移行する。

ステップＳ１０７において、制御装置８０は、「２×Ｔ４−Ｔ１＜ＴｍａｘＨＰ」（数３）であるか否か（前記数３を満たしているか否か）を判定する。ここで、ＴｍａｘＨＰは、ヒートポンプユニット２０の設定温度の最大値（最大設定温度）（例えば、８５（℃））である。前記数３は、「（Ｔ１＋ＴｍａｘＨＰ）／２＞Ｔ４」（数４）を変形したものである。前記数４は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１と最大設定温度ＴｍａｘＨＰの平均が、高温水温度Ｔ４よりも大きいことを示す数式である。

すなわち、前記数３（数４）を満たす場合には、太陽熱集熱装置１０によって温められた水と、ヒートポンプユニット２０によって温められた水を１：１の割合で合流させた時の温度（第四循環配管４４を流通する水の温度、すなわち合流温度Ｔ３）が高温水温度Ｔ４よりも大きくなるように、ヒートポンプユニット２０の設定温度を調節することができると推定される。このような場合、第四循環配管４４を介して供給される水を貯湯槽３０における上部３１に案内することで、当該貯湯槽３０に熱を蓄えることができると考えられる。

一方、前記数３（数４）を満たさない場合には、ヒートポンプユニット２０の設定温度を最大設定温度ＴｍａｘＨＰに設定したとしても、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４以下になることが推定される。このような場合、第四循環配管４４を介して供給される水を貯湯槽３０における上部３１に案内したとしても、当該水の温度は高温水温度Ｔ４以下であるため、貯湯槽３０に熱を蓄えることができないと考えられる。

制御装置８０は、数３を満たしていると判定した場合（ステップＳ１０７でＹｅｓ）、ステップＳ１０８に移行する。
制御装置８０は、数３を満たしていないと判定した場合（ステップＳ１０７でＮｏ）、ステップＳ１０９に移行する。

ステップＳ１０８において、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１及び高温水温度Ｔ４に基づいて、ヒートポンプユニット２０の設定温度（ひいては、ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）を決定する。具体的には、制御装置８０は、「Ｔ２＝２×Ｔ４−Ｔ１」（数５）を用いて、ヒートポンプユニット２０の設定温度（ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）を決定する。

前記数５は、「（Ｔ１＋Ｔ２）／２＝Ｔ４」（数６）を変形したものである。すなわち、ヒートポンプユニット２０の設定温度を、数５を用いて決定された設定温度（ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）に調節することで、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４と略同一の値になると推定される。当該設定温度は、第四循環配管４４からの水を貯湯槽３０における上部３１に案内することを想定したものである。
制御装置８０は、当該ステップＳ１０８の処理を行った後、ステップＳ１１０に移行する。

一方、ステップＳ１０７から移行したステップＳ１０９において、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１及び中温水温度Ｔ５に基づいて、ヒートポンプユニット２０の設定温度（ひいては、ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）を決定する。具体的には、制御装置８０は、「Ｔ２＝２×Ｔ５−Ｔ１」（数７）を用いて、ヒートポンプユニット２０の設定温度（ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）を決定する。

前記数７は、「（Ｔ１＋Ｔ２）／２＝Ｔ５」（数８）を変形したものである。すなわち、ヒートポンプユニット２０の設定温度を、数７を用いて決定された設定温度（ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）に調節することで、合流温度Ｔ３が中温水温度Ｔ５と略同一の値になると推定される。当該設定温度は、第四循環配管４４からの水を貯湯槽３０における中央部３２に案内することを想定したものである。
制御装置８０は、当該ステップＳ１０９の処理を行った後、ステップＳ１１０に移行する。

ステップＳ１１０において、制御装置８０は、ステップＳ１０８又はステップＳ１０９において決定された設定温度で、ヒートポンプユニット２０を運転させる。
制御装置８０は、当該ステップＳ１１０の処理を行った後、ステップＳ１１１に移行する。

ステップＳ１１１において、制御装置８０は、循環機構４０の循環ポンプ５０を駆動させる。
制御装置８０は、当該ステップＳ１１１の処理を行った後、ステップＳ１１２に移行する。

ステップＳ１１２において、制御装置８０は、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４より高いか否かを判定する。
制御装置８０は、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４より高い（ステップＳ１１２においてＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ１１３に移行する。
制御装置８０は、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４以下である（ステップＳ１１２においてＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１１４に移行する。

ステップＳ１１３において、制御装置８０は、第三三方弁４９を、第四循環配管４４から供給される水を第五循環配管４５にのみ案内する状態に切り替える。これによって、第四循環配管４４から供給される水は、第五循環配管４５を介して貯湯槽３０における上部３１へと案内される。

一方、ステップＳ１１２から移行したステップＳ１１４において、制御装置８０は、第三三方弁４９を、第四循環配管４４から供給される水を第六循環配管４６にのみ案内する状態に切り替える。これによって、第四循環配管４４から供給される水は、第六循環配管４６を介して貯湯槽３０における中央部３２へと案内される。

以上のように、制御装置８０は、ヒートポンプユニット２０を運転させなくても太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０へと蓄えることが可能である場合（ステップＳ１０４でＹｅｓ）には、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第一集熱運転だけを行う（ステップＳ１０５及びステップＳ１１１）。

一方、制御装置８０は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が低く、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０へと蓄えることができない場合（ステップＳ１０４でＮｏ）には、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第一集熱運転と並行して、ヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０に集める第二集熱運転を行う（ステップＳ１０６、ステップＳ１１１）。これによって、貯湯槽３０へと供給される水の温度（合流温度Ｔ３）を上昇させることができ、ひいては太陽熱集熱装置１０及びヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０に蓄えることができる。このように、第一集熱運転と並行して第二集熱運転を行うことで、太陽熱集熱装置１０で得られた熱を無駄にすることなく貯湯槽３０に蓄え、当該熱を最大限活用することができる。

またこの際、制御装置８０は、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４以上となるように、ヒートポンプユニット２０の設定温度を調節する（ステップＳ１０７でＹｅｓ、ステップＳ１０８）。また制御装置８０は、ヒートポンプユニット２０を最大設定温度ＴｍａｘＨＰで運転したとしても、合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４を下回ると推定される場合には、合流温度Ｔ３が中温水温度Ｔ５以上となるように、ヒートポンプユニット２０の設定温度を調節する（ステップＳ１０７でＮｏ、ステップＳ１０９）。

さらに、制御装置８０は、実際の合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４よりも高い場合（ステップＳ１１２でＹｅｓ）には、第四循環配管４４から供給される水を、貯湯槽３０における上部３１へと案内する（ステップＳ１１３）。一方、制御装置８０は、実際の合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４以下である場合（ステップＳ１１２でＮｏ）には、第四循環配管４４から供給される水を、貯湯槽３０における中央部３２へと案内する（ステップＳ１１４）。このように、合流温度Ｔ３に応じて、貯湯槽３０における上部３１又は中央部３２のいずれか一方へと水を供給することで、貯湯槽３０内に形成された温度成層を維持したまま、当該貯湯槽３０に熱を蓄えることができる。

また、特に本実施形態では、給湯機構６０が浴室等の設備へと水（湯）を供給する場合、貯湯槽３０における上部３１又は中央部３２に貯溜された水（高温水又は中温水）を用いるように構成されている。これによって、給湯機構６０の下部３３に貯溜された低温水を維持し、当該低温水を太陽熱集熱装置１０及びヒートポンプユニット２０へと循環させることで、熱を効率良く貯湯槽３０に集めることができる。

以上の如く、本実施形態に係る給湯システム１（蓄熱システム）は、
内部に貯溜された熱媒体を介して熱を蓄える貯湯槽３０（蓄熱槽）と、
太陽熱を用いて熱媒体を温める太陽熱集熱装置１０と、
発生させた熱を用いて熱媒体を温めるヒートポンプユニット２０と、
太陽熱集熱装置１０と貯湯槽３０との間で熱媒体を循環させることで太陽熱集熱装置１０で得られた熱を貯湯槽３０へと集める第一集熱運転と、ヒートポンプユニット２０と貯湯槽３０との間で熱媒体を循環させることでヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０へと集める第二集熱運転と、を並行して行うことが可能な循環機構４０と、
を具備するものである。
このように構成することにより、貯湯槽３０に効率的に熱を集めることができる。すなわち、第一集熱運転と第二集熱運転を並行して行うことで、太陽熱集熱装置１０で得られた熱に加えてヒートポンプユニット２０で得られた熱を貯湯槽３０へと供給することができる。これによって、貯湯槽３０へと供給される熱媒体の温度を上昇させることができ、太陽熱集熱装置１０からの熱媒体の温度が低い場合でも効率良く貯湯槽３０に熱を蓄えることができる。

また、給湯システム１は、
太陽熱集熱装置１０で温められた熱媒体の温度を検出する太陽熱温度センサ８１（太陽熱温度検出部）と、
循環機構４０の運転を制御する制御装置８０と、
をさらに具備し、
制御装置８０は、
太陽熱温度センサ８１により検出された温度（太陽熱パネル戻り温度Ｔ１）が第一閾値（Ｔ４＋ａ２）より大きい場合、循環機構４０に前記第一集熱運転のみを実行させ、
太陽熱温度センサ８１により検出された温度が前記第一閾値以下の場合、循環機構４０に前記第一蓄熱運転及び前記第二蓄熱運転を並行して実行させるものである。
このように構成することにより、第一集熱運転及び第二集熱運転を適切に実行することができる。すなわち、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が第一閾値（Ｔ４＋ａ２）より大きい場合には、太陽熱集熱装置１０からの熱を貯湯槽３０に集めることができるため、第一集熱運転のみを実行する。一方、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１が第一閾値（Ｔ４＋ａ２）以下である場合には、太陽熱集熱装置１０からの熱を貯湯槽３０に集め難いため、第一集熱運転に加えて第二集熱運転を実行させる。このように、第一集熱運転及び第二集熱運転を適切に実行することで、ひいては給湯システム１を効率的に運転させることができる。

また、給湯システム１は、
貯湯槽３０における上部３１に貯溜された熱媒体の温度を検出する上部温度センサ８４（上部温度検出部）をさらに具備し、
制御装置８０は、
上部温度センサ８４により検出された温度（高温水温度Ｔ４）に基づいて前記第一閾値を決定するものである。
このように構成することにより、太陽熱集熱装置１０からの熱を貯湯槽３０に集めることができるか否かを適切に判定することができる。すなわち、貯湯槽３０における上部３１には、温度の高い熱媒体（高温水）が貯溜されているため、当該高温水の温度に基づいて前記第一閾値を決定することで、太陽熱集熱装置１０からの熱を貯湯槽３０に集めることができるか否かを精度良く判定することができる。

また、循環機構４０は、
太陽熱集熱装置１０からの熱媒体とヒートポンプユニット２０からの熱媒体とを合流させる第四循環配管４４（合流配管）と、
第四循環配管４４からの熱媒体を貯湯槽３０における上部３１へと案内する第五循環配管４５（上部配管）と、
第四循環配管４４からの熱媒体を貯湯槽３０における中央部３２（上下中央部）へと案内する第六循環配管４６（中央部配管）と、
第四循環配管４４からの熱媒体が第五循環配管４５へと流通可能かつ第六循環配管４６へと流通不能な第一状態と、第四循環配管４４からの熱媒体が第五循環配管４５へと流通不能かつ第六循環配管４６へと流通可能な第二状態と、を切り替え可能な第三三方弁４９（流通方向制御弁）と、
を具備するものである。
このように構成することにより、熱媒体を、貯湯槽３０における上部３１又は中央部３２へと適宜案内することで、当該貯湯槽３０内に形成された温度成層を維持したまま熱を蓄えることができる。

また、給湯システム１は、
第四循環配管４４を流通する熱媒体の温度を検出する合流温度センサ８３（合流温度検出部）をさらに具備し、
制御装置８０は、
合流温度センサ８３により検出された温度（合流温度Ｔ３）が上部温度センサ８４により検出された温度（高温水温度Ｔ４）より大きい場合、第三三方弁４９を前記第一状態に切り替え、
合流温度Ｔ３が高温水温度Ｔ４以下である場合、第三三方弁４９を前記第二状態に切り替えるものである。
このように構成することにより、貯湯槽３０へと供給される熱媒体の温度に応じて、当該熱媒体を貯湯槽３０における上部３１又は中央部３２のいずれか一方へと供給することができ、当該貯湯槽３０内に形成された温度成層を維持したまま熱を蓄えることができる。

また、給湯システム１は、
貯湯槽３０における中央部３２に貯溜された熱媒体の温度を検出する中央部温度センサ８５（中央部温度検出部）をさらに具備し、
制御装置８０は、
太陽熱温度センサ８１により検出された温度（太陽熱パネル戻り温度Ｔ１）、上部温度センサ８４により検出された温度（高温水温度Ｔ４）及び中央部温度センサ８５により検出された温度（中温水温度Ｔ５）に基づいて、ヒートポンプユニット２０により温められる熱媒体の温度（ヒートポンプ集熱温度Ｔ２）を調節するものである。
このように構成することにより、ヒートポンプユニット２０を適切に運転させることができ、ひいては効率的に貯湯槽３０に熱を蓄えることができる。

なお、本実施形態に係る給湯システム１は、蓄熱システムの実施の一形態である。
また、本実施形態に係る貯湯槽３０は、蓄熱槽の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る太陽熱温度センサ８１は、太陽熱温度検出部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る上部温度センサ８４は、上部温度検出部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る第四循環配管４４は、合流配管の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る第五循環配管４５は、上部配管の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る第六循環配管４６は、中央部配管の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る第三三方弁４９は、流通方向制御弁の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る合流温度センサ８３は、合流温度検出部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る中央部温度センサ８５は、中央部温度検出部の実施の一形態である。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態においては、熱媒体として不凍液及び水を用いるものとしたが、熱媒体は任意に選択することが可能である。

また、本実施形態においては、太陽熱集熱装置１０の配管１３と循環機構４０の第二循環配管４２との間で、熱交換器１２を介して熱を移動させる構成としたが、当該配管１３と第二循環配管４２とを直接接続し、共通の熱媒体（水）を循環させる構成とすることも可能である。この場合、熱交換器１２は不要となる。

また、本実施形態においては、ヒートポンプユニット２０は、電力を消費して運転されるものとしたが、例えばガスや石油等を消費して運転する構成とすることも可能である。

また、本実施形態においては、第二循環配管４２を流通する水と第三循環配管４３を流通する水が１：１の割合で混合され、第四循環配管４４へと供給されるものとしたが、当該割合は限定するものではない。すなわち、第二循環配管４２を流通する水と第三循環配管４３を流通する水を混合する際の割合は任意に選択することが可能である。

また、本実施形態においては、太陽熱温度センサ８１は、太陽熱集熱装置１０の配管１３に配置されるものとしたが、例えば、太陽熱パネル１１自体の温度を検出する構成とすることや、循環機構４０の第二循環配管４２（熱交換器１２よりも下流側）に配置して当該第二循環配管４２を流通する熱媒体の温度を検出する構成とすることも可能である。

また、本実施形態において示した複数の温度センサは、適宜削減することも可能である。例えば、ヒートポンプ集熱温度Ｔ２は、ヒートポンプユニット２０の設定温度から推定できるため、ヒートポンプ温度センサ８２を削減することも可能である。また、合流温度Ｔ３は、太陽熱パネル戻り温度Ｔ１及びヒートポンプ集熱温度Ｔ２から推定できるため、合流温度センサ８３を削減することも可能である。また、中温水温度Ｔ５は、高温水温度Ｔ４及び低温水温度Ｔ６から推定できるため、中央部温度センサ８５を削減することも可能である。

１給湯システム
１０太陽熱集熱装置
２０ヒートポンプユニット
３０貯湯槽
３１上部
３２中央部
３３下部
４０循環機構
４４第四循環配管
４５第五循環配管
４６第六循環配管
４９第三三方弁
８０制御装置
８１太陽熱温度センサ
８３合流温度センサ
８４上部温度センサ
８５中央部温度センサ

Claims

内部に貯溜された熱媒体を介して熱を蓄える蓄熱槽と、
太陽熱を用いて熱媒体を温める太陽熱集熱装置と、
発生させた熱を用いて熱媒体を温めるヒートポンプユニットと、
前記太陽熱集熱装置と前記蓄熱槽との間で熱媒体を循環させることで前記太陽熱集熱装置で得られた熱を前記蓄熱槽へと集める第一集熱運転と、前記ヒートポンプユニットと前記蓄熱槽との間で熱媒体を循環させることで前記ヒートポンプユニットで得られた熱を前記蓄熱槽へと集める第二集熱運転と、を並行して行うことが可能な循環機構と、
を具備し、
前記循環機構は、
前記太陽熱集熱装置からの熱媒体と前記ヒートポンプユニットからの熱媒体とを合流させる合流配管と、
前記合流配管からの熱媒体を前記蓄熱槽における上部へと案内する上部配管と、
前記合流配管からの熱媒体を前記蓄熱槽における上下中央部へと案内する中央部配管と、
前記合流配管からの熱媒体が前記上部配管へと流通可能かつ前記中央部配管へと流通不能な第一状態と、前記合流配管からの熱媒体が前記上部配管へと流通不能かつ前記中央部配管へと流通可能な第二状態と、を切り替え可能な流通方向制御弁と、
を具備し、
前記循環機構の運転を制御する制御装置と、
前記蓄熱槽における上部に貯溜された熱媒体の温度を検出する上部温度検出部と、
前記合流配管を流通する熱媒体の温度を検出する合流温度検出部と、
をさらに具備し、
前記制御装置は、
前記合流温度検出部により検出された温度が前記上部温度検出部により検出された温度より大きい場合、前記流通方向制御弁を前記第一状態に切り替え、
前記合流温度検出部により検出された温度が前記上部温度検出部により検出された温度以下である場合、前記流通方向制御弁を前記第二状態に切り替える、
蓄熱システム。
前記太陽熱集熱装置で温められた熱媒体の温度を検出する太陽熱温度検出部をさらに具備し、
前記制御装置は、
前記太陽熱温度検出部により検出された温度が第一閾値より大きい場合、前記循環機構に前記第一集熱運転のみを実行させ、
前記太陽熱温度検出部により検出された温度が前記第一閾値以下の場合、前記循環機構に前記第一集熱運転及び前記第二集熱運転を並行して実行させる、
請求項１に記載の蓄熱システム。
前記制御装置は、
前記上部温度検出部により検出された温度に基づいて前記第一閾値を決定する、
請求項２に記載の蓄熱システム。
前記蓄熱槽における上下中央部に貯溜された熱媒体の温度を検出する中央部温度検出部をさらに具備し、
前記制御装置は、
前記太陽熱温度検出部により検出された温度、前記上部温度検出部により検出された温度及び前記中央部温度検出部により検出された温度に基づいて、前記ヒートポンプユニットにより温められる熱媒体の温度を調節する、
請求項２または請求項３に記載の蓄熱システム。