JP6604510B2 - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、湯張り運転指令から一定の指令確定時間経過後に貯湯タンク内の熱量の空き容量に係わらず、ヒートポンプ熱源機による加熱運転を許可制御するヒートポンプ給湯装置に関する。

従来から、ヒートポンプ給湯装置が一般に広く普及している。このようなヒートポンプ給湯装置は、冷媒により湯水を加熱するヒートポンプ熱源機、加熱された湯水を貯留する貯湯タンク、ヒートポンプ熱源機と貯湯タンクとの間に湯水を循環させる湯水循環回路等を備え、貯湯タンク内の湯水を湯水循環回路に循環させてヒートポンプ熱源機で加熱し、加熱された湯水を貯湯タンクに戻して貯留し、給湯栓や浴槽等の所望の給湯先に給湯するものである。

上記のヒートポンプ給湯装置では、貯湯タンクが満蓄状態のときはヒートポンプ熱源機の運転要求を受け付けず、給湯及び注湯により湯水が消費されて貯湯タンクが満蓄状態でなくなったとき、即ち貯湯タンク内の高温の湯水が消費されて満蓄状態でなくなったことを条件としてヒートポンプ熱源機の加熱運転要求を許可するよう制御されている。

特許文献１のヒートポンプ給湯装置では、風呂湯張り信号を受信したとき、貯湯タンクに設けられたサーミスタからの温度情報に基づいて貯湯タンク内の蓄熱量Ｑを算出し、その後所定時間経過後、同様にサーミスタからの温度情報に基づいて貯湯タンク内の蓄熱量Ｑ１を算出し、減少した蓄熱量Ｑ−Ｑ１が所定熱量より大きい場合に、風呂の湯張りに多量の熱量が必要であると判断してヒートポンプ装置の運転を開始して湯張り完了までヒートポンプ装置の運転を継続するよう制御される。

特許第４５０１８１５号公報

しかし、ヒートポンプ給湯装置において、貯湯タンク内が満蓄状態でなくなったことを条件としてヒートポンプ熱源機の運転要求を許可しても、貯湯タンクの熱量的空き容量（蓄熱可能な水容量）が少ない場合、ヒートポンプ熱源機での加熱運転開始から数分で貯湯タンクが満蓄状態となり、ヒートポンプ熱源機の加熱運転がすぐに停止してしまうため、ヒートポンプ給湯装置のシステム効率が低下する。

そこで、通常、貯湯タンクの熱量の空き容量が設定値以上になったことを条件としてヒートポンプ熱源機の加熱運転を許可するような加熱運転制御が採用されている。
しかし、上記の加熱運転制御を採用した場合、浴槽への湯張りが行われると、貯湯タンクの熱量的空き容量が設定値以上になってからヒートポンプ熱源機の加熱運転を行うことになるが、湯張りによる注湯後すぐにシャワー利用のために多量の給湯が要求されると、貯湯タンク内の高温の湯水が不足して湯切れが生じるという問題があった。

本発明の目的は、湯張り運転指令から一定の指令確定時間経過後に貯湯タンク内の熱量の空き容量に係わらず、ヒートポンプ熱源機の加熱運転を許可して、システム効率を向上させたヒートポンプ給湯装置を提供することである。

請求項１のヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ熱源機と、湯水を貯留する貯湯タンクと、補助熱源機と、これらを制御するための制御手段と、使用者の操作に応じて前記制御手段に運転指令を送信するための操作装置と、前記貯湯タンク内の熱量を検知するための熱量検知手段と、湯水を給湯先に供給する給湯通路と、貯湯タンクの上端部と前記給湯通路を接続するタンク出湯通路と、前記給湯通路から分岐して浴槽に湯張りを行う注湯通路とを備えたヒートポンプ給湯装置において、前記制御手段は、前記熱量検知手段によって検知された前記貯湯タンク内の熱量が、予め設定された設定熱量以上である場合に、前記ヒートポンプ熱源機による加熱運転を禁止する加熱運転禁止手段と、前記操作手段によって浴槽への湯張り運転が指令された場合に指令から一定の指令確定時間経過後に前記貯湯タンク内の熱量に係わらず前記ヒートポンプ熱源機による加熱運転を許可する加熱運転許可手段とを備えたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、制御手段は、熱量検知手段によって検知された貯湯タンク内の熱量が、予め設定された設定熱量以上である場合に、ヒートポンプ熱源機による加熱運転を禁止する加熱運転禁止手段を備えたので、貯湯タンク内の熱量が設定熱量以上で実質的に蓄熱可能な状態でないと判断した場合は、加熱運転禁止手段によってヒートポンプ熱源機による加熱運転を禁止し、ヒートポンプ熱源機が運転を開始してすぐに停止することによるシステム効率の低下を改善することができる。

また、制御手段は、操作装置によって浴槽への湯張り運転が指令された場合に指令から一定の指令確定時間経過後に貯湯タンク内の熱量に係わらずヒートポンプ熱源機による加熱運転を許可する加熱運転許可手段を備えたので、湯張り運転が指令された場合に指令から一定の指令確定時間経過すれば、湯張り運転がキャンセルされることが無いと判断して、加熱運転許可手段によって貯湯タンク内の熱量の空き容量に係わらずヒートポンプ熱源機による加熱運転を許可する。このため、浴槽への湯張り後にシャワー利用等のために多量の給湯が要求されても、貯湯タンク内の湯切れが生じることを回避して、システム効率を向上させることができる。

本発明のヒートポンプ給湯装置の概略図である。 湯張り運転指令から一定の指令確定時間経過後にヒートポンプ熱源機の運転許可する制御を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に本発明のヒートポンプ給湯装置１の概略構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、補助熱源機４等を有する貯湯給湯ユニット２と、ヒートポンプ熱源機３を有する。貯湯給湯ユニット２は湯水を貯留する貯湯タンク５と、湯水を給湯先へ供給する給湯通路６と、貯湯タンク５の上端部と給湯通路６を接続するタンク出湯通路７と、給湯通路６から分岐して浴槽に湯張りを行う注湯通路８と、貯湯タンク５の湯水をヒートポンプ熱源機３で加熱して貯湯タンク５に貯留するように接続する加熱循環回路９と、貯湯タンク５に上水を供給する給水通路１０と、各種制御を行う制御ユニット（制御手段に相当）１１と、浴槽２９の湯水を加熱するための風呂追焚熱交換器１２と、風呂追焚回路１３等を備えている。

加熱循環回路９は、加熱循環通路部９ａと加熱循環通路部９ｂとこれらを接続するバイパス通路部９ｃを備えている。加熱循環通路部９ａは、その上流端が貯湯タンク５の下端部に接続され、その下流端はヒートポンプ熱源機３内の凝縮熱交換器３６に接続される。加熱循環通路部９ｂは、その上流端がヒートポンプ熱源機３内の凝縮熱交換器３６に接続され、その下流端は貯湯タンク５の上端部に接続されている。

加熱循環通路部９ａの途中部に循環ポンプ２５を有し、加熱循環通路部９ｂの途中部には循環温度センサ９ｄが設けられている。加熱循環通路部９ａとバイパス通路部９ｃの接続箇所に循環切換弁１５を有し、循環切換弁１５を切換えることで、バイパス通路側と貯湯タンク側とを切換え可能に構成されている。循環切換弁１５をバイパス通路側に切換えるとヒートポンプ熱源機３で加熱された湯水をヒートポンプ熱源機３に送って再加熱可能に構成されている。

貯湯タンク５の外周には、複数の温度センサ５ａ〜５ｄ（熱量検知手段に相当）が下から順に所定の位置に設けられ、貯留された湯水の温度を検知する。貯湯タンク５に設けられる温度センサの数は、ヒートポンプ給湯装置１の仕様等に応じて適宜変更可能である。また、貯留された湯水の降温を防ぐために、貯湯タンク５の周囲は断熱材（図示略）で覆われている。

タンク出湯通路７は、貯湯タンク５に貯留された湯水を給湯通路６に供給するものであり、上流端が貯湯タンク５の上端部分に接続され下流端が混合弁１６を介して給湯通路６に接続されている。タンク出湯通路７の途中から分岐された上流補助加熱通路部１４ａは三方弁１７に接続され、補助熱源機４を経由して給湯通路６に接続する補助熱源機通路１４を備えている。

給湯通路６から分岐され浴槽２９に湯張りを行う注湯通路８には、風呂往き通路部１３ａに接続される開閉弁３１が設けられ、注湯通路８の下流端は風呂往き通路部１３ａに接続されている。操作装置４０で設定された温度の湯水を浴槽２９に供給するには、貯湯タンク５の上部から流出した湯水が、タンク出湯通路７と給湯通路６を通り、混合弁１６において上水と混合されて上記設定された温度の湯水となって注湯通路８に流れ、開閉弁３１と風呂往き通路部１３ａを経由して浴槽２９に供給される。

給水通路１０は、上水源から低温の上水を貯湯タンク５等に供給するものであり、上流端が上水源に接続され、下流端が貯湯タンク５の下端部に接続されている。給水通路１０から給水バイパス通路１８が分岐され混合弁１６に接続されている。給水通路１０には給水温度センサ１９、逆止弁２０が設けられ、給水バイパス通路１８には逆止弁２１が設けられている。給水バイパス通路１８から分岐され給湯通路６に接続された高温出湯回避通路２２が、高温出湯を回避可能に設けられている。

混合弁１６は、使用者が操作装置４０を介して設定した温度（給湯設定温度）の湯水を給湯通路６から供給し、又は給湯設定温度の湯水を浴槽２９に供給するために、給水バイパス通路１８から供給される低温の上水とタンク出湯通路７から供給される高温の湯水との混合比を調節する。上水と混合されて給湯設定温度に調節された湯水は給湯通路６から給湯栓に供給され、又は注湯通路８から浴槽２９に供給される。給湯通路６には、給湯温度センサ２３及び給湯流量センサ２４が設けられ、給湯温度及び給湯流量を検知する。

風呂追焚熱交換器１２は、下流補助加熱通路部１４ｃから分岐した熱交換器往き通路部３２ａを流れる湯水との熱交換により風呂追焚回路１３を流れる浴槽２９の湯水を加熱する。風呂追焚熱交換器１２の出口側の熱交換器戻り通路部３２ｂの下流端は三方弁１７に接続され、給水通路１０から分岐された分岐通路部１０ａが熱交換器戻り通路部３２ｂへ給水可能に接続されている。熱交換器戻り通路部３２ｂには開閉弁３３が設けられ、風呂追焚運転時以外は風呂追焚熱交換器１２に湯水が流れないように閉止されている。

風呂追焚回路１３は、浴槽２９の湯水を循環させて風呂追焚熱交換器１２において加熱するものであり、風呂追焚熱交換器１２から加熱された湯水を浴槽２９に送る風呂往き通路部１３ａと、浴槽２９の湯水を風呂追焚熱交換器１２に送る追焚用ポンプ３０を備えた風呂戻り通路部１３ｂを有する。

次に、ヒートポンプ熱源機３について説明する。
ヒートポンプ熱源機３は、補助制御ユニット３４を介して制御ユニット１１により制御され、圧縮機３５、凝縮熱交換器３６、膨張弁３７、蒸発熱交換器３８を冷媒配管３９により接続することでヒートポンプ回路を構成し、冷媒配管３９に封入された冷媒と外気の熱を利用して湯水を加熱するヒートポンプ給湯装置である。

次に、制御ユニット１１について説明する。
制御ユニット１１は、貯湯温度センサ５ａ〜５ｄ、循環温度センサ９ｄ、給水温度センサ１９、給湯温度センサ２３、給湯流量センサ２４等により各部の温度や流量等を取得し、加熱循環回路９や給湯通路６等に設けられた循環切換弁１５、混合弁１６、循環ポンプ２５等を作動させ、ヒートポンプ熱源機３を加熱運転して給湯設定温度での湯張りや給湯が可能なように貯湯運転、給湯運転等を制御している。

次に、貯湯運転について説明する。
制御ユニット１１はヒートポンプ熱源機３を作動させると共に、循環切換弁１５を貯湯タンク側に切換え、循環ポンプ２５を駆動させ、貯湯タンク５の下部から低温の湯水をヒートポンプ熱源機３に供給し、ヒートポンプ熱源機３で加熱された貯湯設定温度の湯水を貯湯タンク５の上部に貯留する。貯湯運転の継続により、貯湯タンク５の上部に貯留された貯湯設定温度の湯水の層が下方に拡大し、低温の湯水の層が縮小する。貯湯タンク５に設けられた複数の温度センサ５ａ〜５ｄが検知する温度により、制御ユニット１１は貯湯タンク５に貯留された高温の湯水の量や貯湯タンク５内の熱量を検知可能である。

次に、湯張り運転について説明する。
使用者が操作装置４０から給湯温度を設定して風呂自動スイッチをＯＮにすると、この給湯設定温度及び風呂湯張り指示が制御ユニット１１に送信される。貯湯タンク５の下端部に給水通路１０を通って低温の上水が流入し、この給水圧によって貯湯タンク５の上端部から貯留された高温の湯水がタンク出湯通路７通って混合弁１６に流入する。制御ユニット１１は混合弁１６を調節して給湯設定温度の湯水を給湯通路６を経由して注湯通路８から浴槽２９へ供給する。

湯張りが継続されると、貯湯タンク５の下部の低温の湯水の層が上方へ拡大し、高温の湯水の層が縮小する。このとき、貯湯タンク５に設けられた複数の温度センサ５ａ〜５ｄが検知する温度により、制御ユニット１１は貯湯タンク５内の熱量を検知可能である。

風呂自動スイッチがオンされてから５秒経過すると、湯張りが継続された状態のまま制御ユニット１１はヒートポンプ熱源機３の加熱運転を許可するために、循環ポンプ２５を作動して、貯湯タンク５の下部の低温の湯水を加熱循環通路部９ａからヒートポンプ熱源機３に送り、凝縮熱交換器３６において冷媒配管３９に封入された冷媒との熱交換により低温の湯水を高温の湯水として、加熱循環通路部９ｂを経由してヒートポンプ熱源機３から貯湯タンク５の上端部へ供給する。

このとき制御ユニット１１でヒートポンプ熱源機３による運転を許可する制御について、図２のフローチャートに基づいて説明する。尚、フローチャート中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）は各ステップを表す。

Ｓ１において、操作装置４０、貯湯温度センサ５ａ〜５ｄ、循環温度センサ９ｄ、給水温度センサ１９、給湯温度センサ２３、給湯流量センサ２４等により各部の温度や流量等の各種検出信号が読み込まれる。上記貯湯温度センサ５ａ〜５ｄからの検出信号に基づいて、貯湯タンク５内の熱量が演算される。

次にＳ２において、ヒートポンプ熱源機３での加熱運転が要求されているか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ３に進み、Ｎｏの場合はリターンする。

次にＳ３において、風呂自動スイッチがＯＮされて５秒以上経過したか否か判定する。その判定がＹｅｓの場合はＳ５に進みヒートポンプ熱源機３の運転が許可され、Ｎｏの場合はＳ４に進む。尚、前記の「５秒」は、風呂自動スイッチＯＮの指令が確定する「一定の指令確定時間」に相当する。

風呂自動スイッチがＯＮされて５秒以上経過したということは、風呂自動スイッチがキャンセルされず、その後浴槽２９への湯張りに多量の湯水が消費されるため、ヒートポンプ熱源機３の加熱運転が避けられないものと予測される。しかも、浴槽２９への湯張り完了後すぐにシャワー利用等がされると貯湯タンク５内の高温の湯水が不足することが予測される。

ここで、湯張り開始後、貯湯タンク５の熱量の空き容量が所定量（例えば、５００ｋｃａｌ）になるまで待ってからヒートポンプ熱源機３の加熱運転を開始する場合には、シャワー利用等の給湯要求に対して湯切れが発生する虞がある。
そこで、Ｓ３の判定がＹｅｓの場合には、Ｓ５においてヒートポンプ熱源機３の運転が許可され（加熱運転許可手段に相当）、ヒートポンプ熱源機３の加熱運転が開始される。

Ｓ３の判定がＮｏの場合はＳ４に進み、Ｓ４において貯湯タンク５内の熱量の空き容量が所定量（例えば、５００ｋｃａｌ）以上であるか否か（つまり、貯湯タンク５内の熱量が予め設定された設定熱量以下か否か）判定する。その判定がＹｅｓの場合はＳ５に進んでＳ５においてヒートポンプ熱源機３の運転が許可され、ヒートポンプ熱源機３の加熱運転が開始される。Ｓ４の判定がＮｏの場合はＳ６に進んでヒートポンプ熱源機３の加熱運転が禁止されてＳ３に戻る（加熱運転禁止手段に相当）。

即ち、貯湯タンク５内に設定熱量以上の高温の湯水が貯留されていない場合（Ｓ４；Ｙｅｓ）、制御ユニット１１からヒートポンプ熱源機３側の補助制御ユニット３４へ加熱運転が要求される。貯湯タンク５内に設定熱量以上の高温の湯水が貯留されている場合（Ｓ４；Ｎｏ）は、ヒートポンプ熱源機３で給湯運転を開始しても、すぐに貯湯タンク５内が満蓄状態となりヒートポンプ熱源機３が停止してしまうので、ヒートポンプ熱源機３での給湯運転が禁止される（Ｓ６）。

ここで、貯湯タンク５内の熱量の空き容量の算出について簡単に説明する。
貯湯タンク５内の容量をＶｏとし、満蓄状態のときの湯温がＴｏ℃であるとすると、
満蓄状態のときの熱量ＱｍはＶｏ、Ｔｏをパラメータとして算出することができる。
一方、貯湯温度センサ５ａ〜５ｄに対応する容量をＶａ〜Ｖｄとし、温度センサ５ａ〜５ｄの検出温度をＴａ〜Ｔｄとすると、貯湯タンク５内の合計熱量Ｑｔは、Ｖａ〜Ｖｄと
Ｔａ〜Ｔｄを用いて算出することができ、熱量の空き容量ΔＱは、ΔＱ＝（Ｑｍ−Ｑｔ）
として算出することができる。尚、温度センサ５ａ〜５ｄと、制御ユニット１１とが熱量検知手段に相当する。

ここで、本実施例のヒートポンプ熱源機３の加熱能力は２．２ｋＷであり、１時間で１８９２ｋｃａｌの熱量の給湯運転が可能である。このため、貯湯タンク５内の熱量の空き容量ΔＱが５００ｋｃａｌ以上であれば、ヒートポンプ熱源機３を最低１５分は連続して給湯運転させることが可能であり、ヒートポンプ熱源機３を稼働してすぐに停止させるという効率の悪い運転を回避することができる。

次に、本発明のヒートポンプ給湯装置１の作用、効果について説明する。
制御ユニット１１は、複数の温度センサ５ａ〜５ｄによって検知された貯湯タンク５内の熱量が、予め設定された設定熱量以上である場合に、ヒートポンプ熱源機３による加熱運転を禁止する加熱運転禁止手段を備えたので、貯湯タンク５内の熱量が設定熱量以上で実質的に蓄熱可能な状態でないと判断した場合は、加熱運転禁止手段によってヒートポンプ熱源機３による加熱運転を禁止し、ヒートポンプ熱源機３が運転を開始してすぐに停止することによるシステム効率の低下を改善することができる。

また、制御ユニット１１は、操作装置４０によって浴槽２９への湯張り運転が指令された場合に、指令から一定の指令確定時間（例えば、５秒）経過後に貯湯タンク内の熱量に係わらずヒートポンプ熱源機３による加熱運転を許可する加熱運転許可手段を備えたので、湯張り運転が指令された場合に指令から一定の指令確定時間である５秒以上経過すれば、湯張り運転がキャンセルされることが無いと判断して、加熱運転許可手段によって貯湯タンク５内の熱量の空き容量に係わらずヒートポンプ熱源機３による加熱運転を許可する。このため、浴槽２９への湯張り後にシャワー利用のために多量の給湯が要求されても、貯湯タンク５内の湯切れや補助熱源機４による運転を回避して、システム効率を向上させることができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ ヒートポンプ給湯装置
２ 貯湯給湯ユニット
３ ヒートポンプ熱源機
４ 補助熱源機
５ 貯湯タンク
５ａ〜ｄ 温度センサ（熱量検知手段）
６ 給湯通路
７ タンク出湯通路
８ 注湯通路
１１ 制御ユニット（制御手段，熱量検知手段）

Claims (1)

1. ヒートポンプ熱源機と、湯水を貯留する貯湯タンクと、補助熱源機と、これらを制御するための制御手段と、使用者の操作に応じて前記制御手段に運転指令を送信するための操作装置と、前記貯湯タンク内の熱量を検知するための熱量検知手段と、湯水を給湯先に供給する給湯通路と、貯湯タンクの上端部と前記給湯通路を接続するタンク出湯通路と、前記給湯通路から分岐して浴槽に湯張りを行う注湯通路とを備えたヒートポンプ給湯装置において、
   前記制御手段は、前記熱量検知手段によって検知された前記貯湯タンク内の熱量が、予め設定された設定熱量以上である場合に、前記ヒートポンプ熱源機による加熱運転を禁止する加熱運転禁止手段と、前記操作手段によって浴槽への湯張り運転が指令された場合に指令から一定の指令確定時間経過後に前記貯湯タンク内の熱量に係わらず前記ヒートポンプ熱源機による加熱運転を許可する加熱運転許可手段とを備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。