JP6597473B2 - ヒートポンプ式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯システムに関する。

下記特許文献１に開示されたヒートポンプ式給湯機は、以下のように構成されている。ヒートポンプユニットの加熱能力を制御するヒートポンプユニット制御手段を備える。ヒートポンプユニット制御手段は、夜間時間帯におけるヒートポンプユニットの加熱能力を、ヒートポンプユニットの定格出力での運転モードにおける加熱能力である定格加熱能力より低く、かつ、少なくとも貯湯ユニットの満容量分の被加熱液体を夜間時間帯中に所定の出湯温度まで沸き上げ可能な加熱能力とする。

特開２０１３−１６７４０９号公報

蓄熱運転の初期に、ヒートポンプ装置から流出する湯の温度が目標値をオーバーシュートし、成績係数（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が低くなる可能性がある。特許文献１の技術では、そのようなＣＯＰの低下を防止できない。

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、蓄熱運転のＣＯＰを向上できるヒートポンプ式給湯システムを提供することを目的とする。

本発明に係るヒートポンプ式給湯システムは、水を加熱するヒートポンプ装置と、貯湯タンクと、ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、ヒートポンプ装置により加熱された湯を貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、ヒートポンプ装置を起動してから出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、蓄熱運転を継続する時間、貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、第一モードか第二モードかが選択され、蓄熱運転を継続する時間が基準に比べて長い場合には第二モードが選択されるものである。
また、本発明に係るヒートポンプ式給湯システムは、水を加熱するヒートポンプ装置と、貯湯タンクと、ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、ヒートポンプ装置により加熱された湯を貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、ヒートポンプ装置を起動してから出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、蓄熱運転を継続する時間、貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、第一モードか第二モードかが選択され、貯湯タンク内の湯の温度が基準に比べて高い場合には第二モードが選択されるものである。
また、本発明に係るヒートポンプ式給湯システムは、水を加熱するヒートポンプ装置と、貯湯タンクと、ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、ヒートポンプ装置により加熱された湯を貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、ヒートポンプ装置を起動してから出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、蓄熱運転を継続する時間、貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、第一モードか第二モードかが選択され、制御手段は、第二モードが選択される場合に、蓄熱運転後の貯湯タンク内の湯の温度が給湯設定温度以上の温度となるように蓄熱運転を制御するものである。

本発明のヒートポンプ式給湯システムによれば、蓄熱運転のＣＯＰを向上することが可能となる。

実施の形態１のヒートポンプ式給湯システムを示す図である。 実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。 実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときのＣＯＰの時間的な変化の例を示す図である。 実施の形態１における第一モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。 実施の形態１における第一モードでの蓄熱運転のときのＣＯＰの時間的な変化の例を示す図である。 実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。本開示は、以下の各実施の形態で説明する構成のうち、組合わせ可能な構成のあらゆる組合わせを含み得る。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１のヒートポンプ式給湯システム１を示す図である。図１に示すように、実施の形態１のヒートポンプ式給湯システム１は、水を加熱するヒートポンプ装置２と、貯湯タンク８を内蔵した貯湯ユニット２４とを備える。本実施の形態では、ヒートポンプ装置２と貯湯ユニット２４とが別体である。このような構成に限らず、ヒートポンプ装置２と貯湯ユニット２４とが一体的に構成されてもよい。

ヒートポンプ装置２は、圧縮機３、熱交換器４、膨張弁５、及び蒸発器６を含む機器が冷媒配管７により環状に接続された冷媒回路を備える。圧縮機３で圧縮された高温高圧の冷媒と、水とが熱交換器４にて熱を交換することで、水が加熱される。膨張弁５は、熱交換後の高圧冷媒を膨張させて低圧冷媒にする。蒸発器６は、低圧冷媒を蒸発させる。蒸発器６は、例えば外気、地下水、排水、太陽熱温水のいずれかの熱で低圧冷媒を蒸発させてもよい。ヒートポンプ装置２は、自然冷媒である二酸化炭素を冷媒として用いてもよい。

貯湯ユニット２４には、貯湯タンク８のほか、制御装置９、循環ポンプ１０、混合弁１４、流路切替弁１７、逃がし弁１６、及び減圧弁１８等の機器が内蔵されている。貯湯タンク８の内部では、温度の違いによる水の密度の差により、上側が高温で下側が低温になる温度成層が形成される。貯湯タンク８内には、ヒートポンプ装置２により加熱された湯が上側に貯留され、加熱される前の水が下側に貯留される。

貯湯タンク８の下部に設けられた水導入口８３には、給水管１９が接続されている。給水管１９の上流側は、例えば水道のような水源に接続される。給水管１９の途中に接続された減圧弁１８は、水源の水圧を所定圧力に減圧する。給水管１９から貯湯タンク８内に水が流入することで、貯湯タンク８は満水状態に維持される。給水管１９には給水温度センサ２８が取り付けられている。給水温度センサ２８は、水源から供給される水の温度（以下、「給水温度」と称する）を検知する。

貯湯タンク８には、鉛直方向の湯水の温度分布を検知するための複数のタンク温度センサ２３が取り付けられている。例えば、貯湯タンク８の容量が３７０Ｌだとすると、貯湯タンク８の上部からの容積が、５０Ｌ、１００Ｌ、１５０Ｌ、２００Ｌ、２５０Ｌ、３００Ｌとなる位置に、それぞれタンク温度センサ２３を配置してもよい。これらのタンク温度センサ２３により鉛直方向の湯水の温度分布を検知することで、貯湯タンク８内の湯の温度及び量を検知できる。貯湯タンク８内の湯の温度及び量から、貯湯タンク８内の蓄熱量を計算できる。

混合弁１４は、ａポート、ｂポート、及びｃポートを備える。給湯管１３の一端は、貯湯タンク８の上部に設けられた上部口８１に連通する。給湯管１３の他端は、混合弁１４のａポートに接続されている。減圧弁１８の下流の給水管１９から、給水管２６が分岐する。給水管２６は、混合弁１４のｂポートに接続されている。混合弁１４のｃポートには、給湯管２７が接続されている。給湯管２７の下流側は、貯湯ユニット２４の外部にある給湯端末１５に接続される。給湯端末１５は、例えば、シャワー、キッチンシンクの蛇口、洗面台の蛇口、浴槽のうちの少なくとも一つを含んでもよい。給湯管２７には、給湯温度センサ２９が取り付けられている。給湯温度センサ２９は、給湯端末１５へ流れる湯の温度（以下、「給湯温度」と称する）を検知する。混合弁１４で湯と水を混合することで、給湯温度を調節できる。

貯湯タンク８の下部に設けられた水導出口８４は、導管１１を介して、ヒートポンプ装置２の熱交換器４の水入口につながる。導管１１の途中に、循環ポンプ１０が接続されている。導管１１は、部分的に、ヒートポンプ装置２及び貯湯ユニット２４の外部の空間を通る。

流路切替弁１７は、ａポート、ｂポート、及びｃポートを備える。流路切替弁１７は、ａポートをｂポートに連通させてｃポートを遮断する第一状態と、ａポートをｃポートに連通させてｂポートを遮断する第二状態とに切り替え可能である。流路切替弁１７は、流路切替手段の例である。

ヒートポンプ装置２の熱交換器４の水出口は、導管１２を介して、流路切替弁１７のａポートにつながる。導管１２は、部分的に、ヒートポンプ装置２及び貯湯ユニット２４の外部の空間を通る。導管１２には、出湯温度センサ２１が取り付けられている。出湯温度センサ２１は、ヒートポンプ装置２の熱交換器４から流出する湯の温度（以下、「出湯温度」と称する）を検知する。循環ポンプ１０は、図示の位置に代えて、導管１２の途中に接続されてもよい。

流路切替弁１７のｂポートは、上部導管２５を介して、貯湯タンク８の上部口８１に連通する。流路切替弁１７のｃポートは、バイパス導管２０を介して、貯湯タンク８の下部に設けられた水戻り口８２につながる。図示の構成では、上部導管２５と給湯管１３とが共通の上部口８１に連通しているが、このような構成に代えて、上部導管２５と給湯管１３とが別々に貯湯タンク８の上部に接続されてもよい。

制御装置９は、ヒートポンプ式給湯システム１の動作を制御する制御手段の例である。ヒートポンプ式給湯システム１が備える各アクチュエータ及び各センサは、制御装置９に対して電気的に接続される。すなわち、ヒートポンプ装置２、循環ポンプ１０、混合弁１４、流路切替弁１７、出湯温度センサ２１、タンク温度センサ２３、給水温度センサ２８、給湯温度センサ２９等は、制御装置９に対して電気的に接続される。

操作端末２２は、制御装置９に対して、無線または有線により、双方向にデータ通信可能に接続されている。操作端末２２は、ユーザーインターフェースの例である。操作端末２２は、例えば、台所あるいは浴室に設置されてもよい。操作端末２２は、ユーザーが操作する操作部と、ヒートポンプ式給湯システム１に関する情報を表示する表示部とを備えてもよい。ユーザーは、ヒートポンプ式給湯システム１の運転に関する指令及び設定値の変更などを、操作端末２２に対して入力できる。操作端末２２は、その入力された情報を制御装置９へ送信する。制御装置９は、操作端末２２から受信した情報に応じて、ヒートポンプ式給湯システム１の動作を制御してもよい。

図示を省略するが、貯湯ユニット２４の内部には、風呂の湯張りに用いる機器、風呂追い焚き加熱用の配管、熱交換器、弁、センサ等がさらに備えられてもよい。

ヒートポンプ式給湯システム１は、蓄熱運転を実行できる。蓄熱運転は、ヒートポンプ装置２により加熱された湯を貯湯タンク８内に蓄積する運転である。蓄熱運転のときには、以下のようになる。ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０が運転される。流路切替弁１７は、第一状態にされる。貯湯タンク８の下部の水導出口８４から流出した水が、導管１１、循環ポンプ１０、及び導管１１を通って、ヒートポンプ装置２の熱交換器４に導かれる。熱交換器４にて加熱された湯が、導管１２、流路切替弁１７、及び上部導管２５を通って、上部口８１から貯湯タンク８内へ流入する。貯湯タンク８内で、上から下へ向かって湯が蓄積していく。

蓄熱運転のとき、制御装置９は、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御することで、出湯温度センサ２１により検知される出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように制御できる。その場合、以下のようにしてもよい。制御装置９は、循環ポンプ１０の回転速度を調整することで、水の流量を制御してもよい。制御装置９は、膨張弁５の開度及び圧縮機３の駆動速度のうちの少なくとも一方を調整することで、圧縮機３からの冷媒の吐出温度を制御してもよい。制御装置９は、目標出湯温度と、出湯温度センサ２１により検知される出湯温度との偏差に基づいて、循環ポンプ１０の回転速度、圧縮機３の駆動速度、及び膨張弁５の開度のうちの少なくとも一つを、比例制御、積分制御、微分制御、またはこれらのうちの二以上を組み合わせた制御をしてもよい。

蓄熱運転により貯湯タンク８内の水が加熱されることで膨張水及びガス化した溶存空気が生成すると、貯湯タンク８の内圧が上昇する。貯湯タンク８の内圧が上昇すると、貯湯タンク８の上部に接続された逃がし弁１６が開いて、膨張水及びガス化した溶存空気を系外に逃がすことで、貯湯タンク８の内圧の過上昇が防止される。

ヒートポンプ式給湯システム１は、バイパス運転を実行できる。バイパス運転のときには、以下のようになる。循環ポンプ１０が運転される。流路切替弁１７は、第二状態にされる。貯湯タンク８の下部の水導出口８４から流出した水が、導管１１、循環ポンプ１０、及び導管１１を通って、ヒートポンプ装置２の熱交換器４に導かれる。熱交換器４を通過した水が、導管１２、流路切替弁１７、及びバイパス導管２０を通って、水戻り口８２から貯湯タンク８内へ流入する。

制御装置９は、蓄熱運転の初期、すなわちヒートポンプ装置２が起動して間もないときに、バイパス運転を実行してもよい。ヒートポンプ装置２が起動した直後は、水を十分に加熱することができないため、出湯温度が目標出湯温度に満たない状態になる。制御装置９は、バイパス運転を実行しながら、出湯温度が上昇するのを待って、蓄熱運転へ移行してもよい。例えば、ヒートポンプ装置２の起動後、出湯温度センサ２１により検知される出湯温度が所定の閾値に達するのを待って、バイパス運転から蓄熱運転へ移行してもよい。制御装置９は、流路切替弁１７を第二状態から第一状態へ切り替えることで、バイパス運転から蓄熱運転へ移行できる。上記のようにすることで、低温水が貯湯タンク８の上部に流入することを防止できる。制御装置９は、その他の目的、例えば導管１１，１２の凍結を防止する目的で、バイパス運転を実行してもよい。

次に、ヒートポンプ式給湯システム１による給湯動作について説明する。給湯端末１５が開かれると、給湯動作が開始する。給湯動作のときには、以下のようになる。貯湯タンク８の上部から流出した湯が給湯管１３を通って混合弁１４のａポートに流入する。水が給水管２６を通って混合弁１４のｂポートに流入する。その湯と水が混合弁１４で混合される。混合弁１４は、湯と水の混合比を変えることができる。混合された湯は、給湯管２７を通って給湯端末１５へ供給される。給湯動作のとき、制御装置９は、給湯温度センサ２９により検知される給湯温度が目標値に等しくなるように、混合弁１４の動作を制御してもよい。給湯温度の目標値は、ユーザーが操作端末２２にて設定した温度でもよい。以下の説明では、給湯温度の目標値を「給湯設定温度」と称する。

蓄熱運転を開始するにあたって、制御装置９は、必要な蓄熱運転時間を計算する。蓄熱運転時間は、蓄熱運転を継続する時間である。制御装置９は、過去の複数の日（例えば過去２週間）の使用湯量または使用熱量の実績値と、タンク温度センサ２３で検知される現在の貯湯量または蓄熱量とに基づいて、必要な蓄熱運転時間を計算してもよい。

前述したように、ヒートポンプ装置２が起動した直後は、水を十分に加熱することができないため、出湯温度が目標出湯温度に満たない状態になる。以下の説明では、ヒートポンプ装置２を起動してから出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間を「到達時間」と称する。制御装置９は、蓄熱運転を行う場合に、第一モードと第二モードとのいずれかを選択する。第二モードは、到達時間が第一モードに比べて長いモードである。

第一モードを選択した場合には、第二モードに比べて、到達時間が短いという利点がある。また、第一モードを選択した場合には、第二モードに比べて、目標出湯温度に満たない温度の湯が貯湯タンク８に流入する量が少ないという利点がある。

一方、第二モードには、以下のような利点がある。ヒートポンプ装置２の起動後に出湯温度を短時間で目標出湯温度へ上昇させると、出湯温度が目標出湯温度をオーバーシュートしやすい。出湯温度が目標出湯温度をオーバーシュートすると、ＣＯＰが低下する。第二モードは、第一モードに比べて、長い時間をかけて出湯温度を目標出湯温度へ上昇させる。このため、第二モードは、第一モードに比べて、出湯温度が目標出湯温度をオーバーシュートしにくい。よって、第二モードは、第一モードに比べて、ＣＯＰが低下しにくい。それゆえ、第二モードを選択した場合には、第一モードに比べて、蓄熱運転のＣＯＰを向上できるという利点がある。

本実施の形態では、第一モードのとき、以下のようになる。制御装置９は、ヒートポンプ装置２の起動当初から、出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御する。その結果、ヒートポンプ装置２の起動後、出湯温度は、目標出湯温度まで、連続的に上昇する。

本実施の形態では、第二モードのとき、以下のようになる。ヒートポンプ装置２の起動後、制御装置９は、まず、出湯温度が中間目標温度に等しくなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御する。中間目標温度は、目標出湯温度よりも低い温度である。制御装置９は、出湯温度を中間目標温度に等しくする運転を所定時間継続する。その後、制御装置９は、出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御する。このような第二モードでは、出湯温度は、目標出湯温度まで、段階的に上昇する。本実施の形態であれば、第二モードのときに、出湯温度を段階的に上昇させることで、出湯温度のオーバーシュートの発生をより確実に防止でき、ＣＯＰをさらに向上できる。

本実施の形態では、第二モードのときに、出湯温度が二段階に上昇する例を説明する。すなわち、本実施の形態では、以下のようになる。第二モードのとき、制御装置９は、蓄熱運転を第一段階及び第二段階に分ける。第一段階では、制御装置９は、出湯温度が中間目標温度に等しくなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御する。第二段階では、制御装置９は、出湯温度が目標出湯温度に等しくなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御する。

本例に限らず、第二モードのときに、出湯温度が三段階またはそれ以上の複数段階に上昇するように制御してもよい。その場合には、異なる複数の中間目標温度を設定し、中間目標温度を段階的に高くすればよい。また、本発明では、第二モードのときに、出湯温度が連続的に上昇するように制御してもよい。その場合には、第二モードのときの出湯温度の上昇速度が、第一モードのときの出湯温度の上昇速度に比べて遅くなるように、ヒートポンプ装置２及び循環ポンプ１０のいずれか一方または両方を制御すればよい。

本実施の形態であれば、第二モードを選択可能であることで、蓄熱運転のＣＯＰを向上できる。以下に説明するように、本実施の形態では、制御装置９は、蓄熱運転時間、貯湯タンク８内にある湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、第一モードか第二モードかを選択する。これにより、第一モードか第二モードかを適切に選択できる。

制御装置９は、蓄熱運転時間に応じて、第一モードと第二モードとのいずれかを選択してもよい。蓄熱運転時間が長い場合には、到達時間が長くなっても問題はないと考えられる。これに対し、蓄熱運転時間が短い場合には、到達時間が長いと、蓄熱運転の終了までに出湯温度が目標出湯温度に到達しなかったり、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が蓄熱運転前に比べて大きく低下したりする可能性がある。このような理由から、制御装置９は、蓄熱運転の開始前に計算した必要な蓄熱運転時間が基準に比べて長い場合には第二モードを選択し、そうでない場合には第一モードを選択してもよい。

ヒートポンプ装置２の加熱能力と、水の流量と、水温との間には、次の式（Ｉ）の関係が成り立つ。
Ｑ＝ρ・Ｃｐ・（ｘ／６０）・（Ｔｐ−Ｔ０） …（Ｉ）
Ｑ［ｋＷ］ ：加熱能力
ρ［ｋｇ／Ｌ］ ：水の密度（定数）
Ｃｐ［ｋＪ／ｋｇ・℃］：水の定圧比熱（定数）
ｘ［Ｌ／分］ ：水の流量
Ｔ０［℃］ ：給水温度
Ｔｐ［℃］ ：出湯温度

例として、容量３７０Ｌの貯湯タンク８全体に９℃の水があり、ヒートポンプ装置２の加熱能力が４．５ｋＷ、第一段階の中間目標温度が５０℃、第一段階の運転時間が２０分間、第二段階の目標出湯温度が７０℃、第二段階の運転時間がｔｉ２［分］とすると、上記（Ｉ）式より、第一段階、第二段階の水の流量は、それぞれ１．５７Ｌ／分、１．０６Ｌ／分と求められる。以下の説明では、ヒートポンプ装置２から流出する湯の体積、すなわち貯湯タンク８に蓄積される湯の体積を「蓄積湯量」と称する。蓄積湯量は、水の流量に運転時間を乗算することで得られる。上記例では、第一段階の蓄積湯量は３１Ｌ、第二段階の蓄積湯量は（１．０６・ｔｉ２）Ｌとして求められる。

貯湯タンク８の蓄熱量は、次の関係式（ＩＩ）で示される。
貯湯タンク８の蓄熱量＝ρ・Ｃｐ・Ｖ・（Ｔ−Ｔ０） …（ＩＩ）
Ｖ［Ｌ］：貯湯タンク８内の湯の体積
Ｔ［℃］：貯湯タンク８内の湯の温度

（ＩＩ）式において、蓄熱運転前の蓄熱量に、第一段階の蓄熱運転により増加した蓄熱量及び第二段階の蓄熱運転により増加した蓄熱量を加えたものが、蓄熱運転後の蓄熱量と等しくなる。すなわち、次の式（ＩＩＩ）の関係が成り立つ。
ρ・Ｃｐ・Ｖ０・（Ｔｂ−Ｔ０）＋ρ・Ｃｐ・Ｖ１・（Ｔｐ１−Ｔ０）＋ρ・Ｃｐ・Ｖ２・（Ｔｐ２−Ｔ０）＝ρ・Ｃｐ・（Ｖ０＋Ｖ１＋Ｖ２）・（Ｔａ−Ｔ０） …（ＩＩＩ）
Ｖ０［Ｌ］ ：蓄熱運転前の貯湯タンク８内の湯の体積
Ｖ１［Ｌ］ ：第一段階での蓄積湯量
Ｖ２［Ｌ］ ：第二段階での蓄積湯量
Ｔｂ［℃］ ：蓄熱運転前の貯湯タンク８内の湯の温度
Ｔａ［℃］ ：蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度
Ｔｐ１［℃］：第一段階の中間目標温度
Ｔｐ２［℃］：第二段階の目標出湯温度

制御装置９は、貯湯タンク８内の湯の温度に応じて、第一モードと第二モードとのいずれかを選択してもよい。第二モードが選択されると、第一モードが選択された場合に比べて、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が低くなる。また、第二モードで蓄熱運転を行うと、蓄熱運転前の貯湯タンク８内の湯の温度に比べて、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が低くなる可能性がある。貯湯タンク８内の湯の温度が低い場合には、上記の理由から、第一モードを選択した方が良い場合がある。これに対し、貯湯タンク８内の湯の温度が高い場合には、第二モードを選択しても、問題ないと考えられる。このような理由から、制御装置９は、貯湯タンク８内にある湯の温度が基準に比べて高い場合には第二モードを選択し、そうでない場合には第一モードを選択してもよい。

制御装置９は、第一モードか第二モードかを選択する基準を、以下のようにして決めてもよい。制御装置９は、第二モードを選択したと仮定したときに蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が給湯設定温度の最高値以上になると予測される場合には第二モードを選択し、そうでない場合には第一モードを選択してもよい。例として、給湯設定温度の最高値を６０℃とする。前述した各数値と（ＩＩＩ）式とから、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が６０℃になるような第二段階の運転時間ｔｉ２は、２９．２分間と求められる。これに第一段階の運転時間である２０分間を加えた４９．２分間以上運転すれば、第二モードを選択したときの蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が６０℃以上になる。よって、制御装置９は、蓄熱運転時間が４９．２分間以上である場合には、第二モードを選択し、そうでない場合には第一モードを選択すればよい。

また、必要な蓄熱運転時間が例えば６０分間である場合には、以下のようにしてもよい。例として、容量３７０Ｌの貯湯タンク８内に８０℃の湯が１００Ｌあり、ヒートポンプ装置２の加熱能力が４．５ｋＷ、給水温度が９℃、第一段階の中間目標温度が５０℃、第一段階の運転時間が２０分間、第二段階の目標出湯温度が７０℃、第二段階の運転時間が４０分間とすると、上記（Ｉ）式より、第一段階、第二段階の水の流量は、それぞれ１．５７Ｌ／分、１．０６Ｌ／分と求められる。また、第一段階の蓄積湯量は３１Ｌ、第二段階の蓄積湯量は４２Ｌとして求められる。蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度は、前述した各数値と（ＩＩＩ）式とから７２℃と求められる。この例では、給湯設定温度の最高値である６０℃以上の湯が貯湯できることになるので、制御装置９は、第二モードで蓄熱運転を行う。

図２は、実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。本例では、以下のようになる。出湯温度は、ヒートポンプ装置２の起動後、時間ｔｐで第一段階の中間目標温度Ｔｐ１に到達する。その後、所定の時間ｔｃまで、出湯温度が中間目標温度Ｔｐ１に等しい状態を維持する。時間ｔｃから第二段階に移行する。第二時間ｔ２で出湯温度が目標出湯温度Ｔｐに到達する。

図３は、実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときのＣＯＰの時間的な変化の例を示す図である。本例では、以下のようになる。ＣＯＰは、ヒートポンプ装置２の起動後、時間ｔｐでピーク値Ｃｔに到達する。その後、所定の時間ｔｃまで、ＣＯＰは、ピーク値Ｃｔに等しい状態を維持する。時間ｔｃからの第二段階の初期に、ＣＯＰは低下する。第二時間ｔ２でＣＯＰはＣｓｔｄに等しくなる。その後、ＣＯＰはＣｓｔｄに等しい状態を維持する。Ｃｓｔｄは、定常ＣＯＰに相当する。一般に、出湯温度が低いほど、ＣＯＰが高くなる。このため、図３に示すように、第一段階のＣＯＰは、第二段階のＣＯＰに比べて高くなる。

図４は、実施の形態１における第一モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。本例では、以下のようになる。出湯温度は、ヒートポンプ装置２の起動後、目標出湯温度Ｔｐへと連続的に上昇する。目標出湯温度Ｔｐが高いと、冷媒吐出温度が上昇したときに水の流量制御の追従が遅れることにより、時間ｔｂに見られるような出湯温度のオーバーシュートが発生しやすくなる。その後、出湯温度は、第一時間ｔ１で目標出湯温度Ｔｐに到達し安定する。

図５は、実施の形態１における第一モードでの蓄熱運転のときのＣＯＰの時間的な変化の例を示す図である。本例では、以下のようになる。ＣＯＰは、ヒートポンプ装置２の起動後、第一時間ｔ１で定常ＣＯＰのＣｓｔｄに到達するが、図４の時間ｔｂに見られるようなオーバーシュートが発生することにより、ＣＯＰが低くなる。また、蓄熱運転の初期において、目標出湯温度と実際の出湯温度との偏差が大きくなると、水流量を大きく低下させる制御が行われることで、ＣＯＰが低くなる。

本実施の形態のヒートポンプ式給湯システム１は、省エネルギーを優先する運転モードをユーザーが設定可能にする手段を備えてもよい。省エネルギーを優先する運転モードの名称は、いかなる名称でもよく、例えば、省エネモード、節電モードなどでもよい。ユーザーが操作端末２２を操作することで、省エネルギーを優先する運転モードを設定可能でもよい。制御装置９は、省エネルギーを優先する運転モードが設定されている場合には、第二モードを選択してもよい。制御装置９は、省エネルギーを優先する運転モードが設定されている場合には、第二モードが選択される基準を緩和することで、第二モードが選択される機会を増やしてもよい。あるいは、制御装置９は、省エネルギーを優先する運転モードが設定されている場合には、蓄熱運転時間及び貯湯タンク８内にある湯の温度にかかわらず、常に第二モードを選択してもよい。上記のようにすることで、省エネルギーを優先する運転モードを設定したユーザーの意向に合わせて、ＣＯＰの高い第二モードが選択される機会をより確実に増やすことが可能となる。

図６は、実施の形態１における第二モードでの蓄熱運転のときの出湯温度の時間的な変化の例を示す図である。図６中の実線で示す出湯温度は、目標出湯温度Ｔｐの場合の例である。図６中の破線で示す出湯温度は、目標出湯温度Ｔｐより高い目標出湯温度Ｔｐ’の場合の例である。本実施の形態では、第二段階の出湯温度は、目標出湯温度に到達するまで、ほぼ一定の割合で高くなっていく。このため、目標出湯温度Ｔｐ’の場合の到達時間ｔ２’は、目標出湯温度Ｔｐの場合の到達時間ｔ２に比べて、長くなる。このように、本実施の形態では、目標出湯温度が高いほど、第二モードにおける到達時間が長くされる。このようにすることで、出湯温度のオーバーシュートの発生をより確実に防止でき、ＣＯＰをさらに向上できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分については説明を簡略化または省略する。実施の形態２のヒートポンプ式給湯システム１のハードウェア構成は、実施の形態１と同様であるので、図面及び説明を省略する。

実施の形態１では、第二モードの第一段階の運転時間を一定の時間とした。制御装置９は、そのような制御方法に代えて、本実施の形態２のように、必要となる熱量などから、第二モードの第一段階の運転時間を計算してもよい。以下、具体的な数値例に基づいて、実施の形態２において制御装置９が行う処理を説明する。

制御装置９が計算した必要な蓄熱運転時間が１８０分間であるとする。この場合に、第二モードの蓄熱運転によって、目標出湯温度より低温の湯が貯湯タンク８に流入しても、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が給湯設定温度以上になるように、第一段階の運転時間を決定する。

蓄熱運転による蓄熱量の増加分は、次の式（ＩＶ）で示される。
蓄熱量の増加分＝Ｑ・（６０・ｔｉ） …（ＩＶ）
ｔｉ［分］：蓄熱運転時間

蓄熱運転前の蓄熱量に、蓄熱運転により増加した蓄熱量を加えたものが蓄熱運転後の蓄熱量と等しくなるので、（ＩＩ）式及び（ＩＶ）式より、次の式（Ｖ）の関係が成り立つ。
ρ・Ｃｐ・Ｖ０・（Ｔｂ−Ｔ０）＋Ｑ・（６０・ｔｉ）＝ρ・Ｃｐ・Ｖｐ・（Ｔｐ−Ｔ０） …（Ｖ）
Ｖｐ［Ｌ］：蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の体積

蓄熱運転前に容量３７０Ｌの貯湯タンク８内に６８℃の湯が５０Ｌあり、ヒートポンプ装置２の加熱能力が４．５ｋＷ、蓄熱運転時間が１８０分間、目標出湯温度を６０℃とすると、前述した各数値と（Ｖ）式とから、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の体積は２８６Ｌと求められる。この場合、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の体積２８６Ｌは、貯湯タンク８の容量３７０Ｌ以内であるため、第二モードの蓄熱運転を実行可能であることが確認できる。

次に、第一段階の運転時間ｔｉ１［分］及び第二段階の運転時間ｔｉ２［分］を求める。蓄熱運転により増加する蓄熱量は、（ＩＩ）式及び（ＩＶ）式より、次の式（ＶＩ）で表わされる。
ρ・Ｃｐ・Ｖ１・（Ｔｐ１−Ｔ０）＋ρ・Ｃｐ・Ｖ２・（Ｔｐ２−Ｔ０）＝Ｑ・（６０・ｔｉ） …（ＶＩ）

第一段階での蓄積湯量Ｖ１及び第二段階での蓄積湯量Ｖ２は、次の式（ＶＩＩ）及び（ＶＩＩＩ）で表わされる。
Ｖ１＝ｘ１・ｔｉ１ …（ＶＩＩ）
Ｖ２＝ｘ２・ｔｉ２ …（ＶＩＩＩ）
ｘ１［Ｌ／分］：第一段階の水の流量
ｘ２［Ｌ／分］：第二段階の水の流量

第一段階の運転時間ｔｉ１及び第二段階の運転時間ｔｉ２の合計は、蓄熱運転時間ｔｉに等しい。すなわち、次の式（ＩＸ）が成り立つ。
ｔｉ＝ｔｉ１＋ｔｉ２ …（ＩＸ）

給水温度が９℃、第一段階の中間目標温度が５０℃、第二段階の目標出湯温度が７０℃とすると、（Ｉ）式より、第一段階、第二段階の水の流量は、それぞれ１．５７Ｌ／分、１．０６Ｌ／分と求められる。また、（ＶＩ）〜（ＩＸ）式より、第一段階の運転時間ｔｉ１は９９分間、第二段階の運転時間ｔｉ２は８１分間と求められる。

本実施の形態であれば、第二モードの蓄熱運転を行う場合に、蓄熱運転後の貯湯タンク８内の湯の温度が、より確実に、給湯設定温度以上の温度になるように制御できる。

ヒートポンプ式給湯システム１の制御装置９及び操作端末２２が備える制御装置、の各々は、以下のように構成されてもよい。制御装置の各機能は、処理回路により実現されてもよい。制御装置の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つのメモリとを備えてもよい。処理回路が少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つのメモリとを備える場合、制御装置の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現されてもよい。ソフトウェア及びファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述されてもよい。ソフトウェア及びファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリに格納されてもよい。少なくとも１つのプロセッサは、少なくとも１つのメモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置の各機能を実現してもよい。少なくとも１つのメモリは、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク等を含んでもよい。

制御装置の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェアを備えてもよい。処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェアを備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものでもよい。制御装置の各部の機能がそれぞれ処理回路で実現されても良い。また、制御装置の各部の機能がまとめて処理回路で実現されても良い。制御装置の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、制御装置の各機能を実現しても良い。

単一の制御装置により動作が制御される構成に限定されるものではなく、複数の制御装置が連携することで動作を制御する構成にしてもよい。

１ ヒートポンプ式給湯システム、 ２ ヒートポンプ装置、 ３ 圧縮機、 ４ 熱交換器、 ５ 膨張弁、 ６ 蒸発器、 ７ 冷媒配管、 ８ 貯湯タンク、 ９ 制御装置、 １０ 循環ポンプ、 １１，１２ 導管、 １３ 給湯管、 １４ 混合弁、 １５ 給湯端末、 １６ 逃がし弁、 １７ 流路切替弁、 １８ 減圧弁、 １９ 給水管、 ２０ バイパス導管、 ２１ 出湯温度センサ、 ２２ 操作端末、 ２３ タンク温度センサ、 ２４ 貯湯ユニット、 ２５ 上部導管、 ２６ 給水管、 ２７ 給湯管、 ２８ 給水温度センサ、 ２９ 給湯温度センサ、 ８１ 上部口、 ８２ 水戻り口、 ８３ 水導入口、 ８４ 水導出口

Claims (6)

1. 水を加熱するヒートポンプ装置と、
   貯湯タンクと、
   前記ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記ヒートポンプ装置により加熱された湯を前記貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、前記ヒートポンプ装置を起動してから前記出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が前記第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、
   前記蓄熱運転を継続する時間、前記貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、前記第一モードか前記第二モードかが選択され、
   前記蓄熱運転を継続する時間が基準に比べて長い場合には前記第二モードが選択されるヒートポンプ式給湯システム。
2. 水を加熱するヒートポンプ装置と、
   貯湯タンクと、
   前記ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記ヒートポンプ装置により加熱された湯を前記貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、前記ヒートポンプ装置を起動してから前記出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が前記第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、
   前記蓄熱運転を継続する時間、前記貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、前記第一モードか前記第二モードかが選択され、
   前記貯湯タンク内の湯の温度が基準に比べて高い場合には前記第二モードが選択されるヒートポンプ式給湯システム。
3. 水を加熱するヒートポンプ装置と、
   貯湯タンクと、
   前記ヒートポンプ装置から流出する湯の温度である出湯温度を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記ヒートポンプ装置により加熱された湯を前記貯湯タンクに蓄積する運転である蓄熱運転を行う場合に、第一モードと、前記ヒートポンプ装置を起動してから前記出湯温度が目標出湯温度に到達するまでの時間である到達時間が前記第一モードに比べて長い第二モードとのいずれかを選択し、
   前記蓄熱運転を継続する時間、前記貯湯タンク内の湯の温度、及び、ユーザーにより設定された運転モード、のうちの少なくとも一つに応じて、前記第一モードか前記第二モードかが選択され、
   前記制御手段は、前記第二モードが選択される場合に、前記蓄熱運転後の前記貯湯タンク内の湯の温度が給湯設定温度以上の温度となるように前記蓄熱運転を制御するヒートポンプ式給湯システム。
4. 前記第一モードは、前記出湯温度が連続的に上昇するモードであり、
   前記第二モードは、前記出湯温度が段階的に上昇するモードである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯システム。
5. 省エネルギーを優先する運転モードをユーザーが設定可能にする手段を備え、
   前記省エネルギーを優先する運転モードが設定されている場合には前記第二モードが選択される請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯システム。
6. 前記目標出湯温度が高いほど、前記第二モードにおける前記到達時間が長くされる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のヒートポンプ式給湯システム。

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