JP6672978B2 - 貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプや燃料電池などの主熱源機により貯湯タンク内に蓄熱して該貯湯タンクから給湯可能にする一方、蓄熱量（貯湯量）が不足する場合にはバックアップ熱源機により給湯を行う貯湯式給湯装置に関する。

この種従来の貯湯式給湯装置としては、比較的安価な深夜電力を利用してヒートポンプにより貯湯タンクに貯湯して、貯湯された温水を給湯に利用する一方、湯切れが生じた場合にはガス瞬間式給湯器によって給湯を行うものが、例えば下記の特許文献１に開示されている。このように深夜時間帯に貯湯するタイプの貯湯式給湯装置では、夜間に翌日１日分の予測使用熱量の貯湯を行えるようにするために、１日分の予測使用熱量分の貯湯を行うに十分な容量の大きな貯湯タンクを付設する必要がある。

一方、本願出願人は、比較的小容量の貯湯タンクを用い、気温の比較的高い日中にヒートポンプを作動させて、給湯の使用が予測される時間帯の直前までに予想使用熱量分の貯湯を行うようにすることで、貯湯タンクからの放熱ロスを低減するとともにヒートポンプの消費電力を低減させるようにしたハイブリッドヒートポンプ給湯システムの開発を行っており、例えば下記の特許文献２に開示している。

この従来のハイブリッドヒートポンプ給湯システムは、電気をエネルギーとする主熱源機（ヒートポンプ）と、ガスをエネルギーとするバックアップ熱源機（瞬間式給湯器）との双方を備えた給湯システムにおいて、ヒートポンプ及び燃焼式熱源機を用いて全ての熱負荷を賄う上で省エネルギー性を最大化し得るヒートポンプ給湯器を提供することを目的として提案したものであって、次のようにしてヒートポンプの種々の作動パターンにおける省エネルギー性を判定して、現時点で実際にヒートポンプを運転作動させるか否かを判定するものである。

すなわち、上記従来のハイブリッドヒートポンプ給湯システムは、電気エネルギーを駆動源として運転作動することにより貯湯タンク内に貯湯として蓄熱するヒートポンプ式貯湯装置と、このヒートポンプ式貯湯装置から給湯を行う給湯路と、ヒートポンプ式貯湯装置に貯湯された熱量が不足する場合に燃料を燃焼させて給湯を行うためのバックアップ熱源機と、ヒートポンプ式貯湯装置及びバックアップ熱源機の作動を制御する制御部とを備えている。

制御部は、（１）貯湯タンク内の貯湯熱量を計測する貯湯熱量計測手段、（２）過去の給湯使用量に係る実績情報に基づいて所定単位時間毎の時間帯別に要求される使用熱量である熱負荷を予測する熱負荷予測手段、（３）この熱負荷予測手段により予測された熱負荷の内、貯湯熱量計測手段により計測された現時点の残湯熱量で賄った残りの予測熱負荷について、現時点又は現時点以降にヒートポンプ式貯湯装置を仮想的に運転作動させて得られる出力熱量で賄うために、その出力熱量を直近の時間帯別の前記残りの予測熱負荷から順に配分するシミュレーションを行い、シミュレーションされた各運転作動パターンについて省エネルギー性を判定するための判定指標を演算する仮想省エネ作動演算手段、並びに、（４）この仮想省エネ作動演算手段により演算された各運転作動パターン別の判定指標に基づいてヒートポンプ式貯湯装置を現時点で実際に運転作動させるか否かを判定する省エネ作動制御手段、として機能するよう構成されている。

そして、仮想省エネ作動演算手段として、前記の判定指標として、ヒートポンプ式貯湯装置を運転作動させた場合に消費するエネルギー量について、このヒートポンプ式貯湯装置の運転作動により得られる出力熱量から放熱ロス分を減じた有効熱量をバックアップ熱源機の燃焼作動により賄うとした場合に消費されるエネルギー量に対する比率である省エネ度に対し、前記残りの予測熱負荷に対する前記出力熱量の配分割合を乗じた省エネ評価点を演算するように構成され、かつ、前記放熱ロス分として、ヒートポンプ式貯湯装置の運転作動に基づく貯湯タンクへの貯湯から前記残りの予測熱負荷への配分までの放置時間に対応して増大されるように設定する構成としている。

このように、過去の実績情報に基づいて所定単位時間毎の時間帯別に予測された熱負荷について、現時点又は現時点以降にヒートポンプを仮想的に運転作動させて得られる出力熱量を、直近の時間帯別の予測熱負荷から順に配分するシミュレーションを行い、シミュレーションの各運転作動パターンについて省エネルギー性判定用の判定指標を演算し、演算された運転作動パターン別の判定指標に基づいてヒートポンプを現時点で実際に運転作動させるか否かを判定することで、貯湯タンクでの放熱ロスを可及的に低減させ得る運転作動パターンによりヒートポンプ式貯湯装置やバックアップ熱源機の作動制御を行うことを可能にしている。

また、貯湯タンクには、上下方向に複数の貯湯温度センサが並設されており、隣接する貯湯温度センサ間の各領域の容量、及び、入水温度検出値に基づいて、貯湯タンクに蓄熱されている貯湯熱量を検出可能に構成されている。最下部の貯湯温度センサが高温水を検出すると、満タン状態（満蓄熱状態）であると判定して、ヒートポンプを満タン停止させるが、ヒートポンプ停止後に循環配管内の高温水を回収可能とするために、最下部の貯湯温度センサは貯湯タンクの底部よりも若干上方の位置に設けられている。

特開２００２−２８６２８６号公報 特開２０１４−２０２４０５号公報

上記従来のハイブリッドヒートポンプ給湯システムにおいては、貯湯タンクが満タン状態であるときにヒートポンプの運転が行われると、ヒートポンプの入水側に高温の湯水が供給され、これによりヒートポンプの寿命を縮めることとなるため、満タン状態である場合にはヒートポンプを運転停止状態とするよう運転制御している。

すなわち、ヒートポンプを現時点で実際に運転作動させたほうが省エネ性が高いと判定される場合であっても、貯湯タンクが満タン状態である場合には、貯湯タンク上部からの出湯に伴う貯湯タンク下部からの低温水の入水により最下部の貯湯温度センサが低温を検出するまでヒートポンプの運転停止状態が維持され、最下部の貯湯温度センサが低温を検出すると満タン解除となってヒートポンプの運転が開始されることとなる。

したがって、ヒートポンプによる貯湯スピードを上回り、かつ、貯湯タンク容量を超える熱利用がある場合は、熱利用の直前で満タン停止し、熱利用開始後も満タン解除までヒートポンプの運転停止が継続し、このヒートポンプの運転停止期間分の蓄熱が行えなくなることから、その後ヒートポンプの運転が開始されても貯湯が間に合わずに貯湯タンク内の貯湯量が不足して、熱効率の悪いバックアップ熱源機で熱負荷を賄うという動作となってしまう。

具体例を示すと、例えば、入水温度５℃、貯湯温度８０℃、ヒートポンプの時間当たり最大出力熱量３０００ｋｃａｌ（上記入水温度および貯湯温度における貯湯速度としては３０００÷（８０−５）÷６０＝４０Ｌ／時≒０．６７Ｌ／分）、貯湯タンクの容量１４０Ｌ（蓄熱熱量換算で（８０−５）×１４０＝１０５００ｋｃａｌ。なお、熱量換算値は、入水温度や貯湯温度により変動。）、貯湯タンク底部から最下部の貯湯温度センサまでの容量３０Ｌ、湯はり温度４０℃、湯はり湯量２００Ｌ、湯はり流速（４０℃の湯が浴槽内に流入する速度）が２０Ｌ／分（貯湯タンクからの８０℃の湯の出湯速度としては９．３Ｌ／分）とすると、貯湯タンクが満タン状態でヒートポンプを満タン停止させて湯はりを開始して最下部の貯湯温度センサが低温を検出するまでの時間は、｛（８０−５）×３０｝／｛（４０−５）×２０｝≒約３分となる。

仮に、１９時の予測熱負荷として、上記の湯はりのために４０℃で２００Ｌ（熱量換算で（４０−５）×２００＝７０００ｋｃａｌ）の熱負荷が予測されており、２０時の予測負荷として２名分の入浴時のシャワー利用のための４０℃で１８０Ｌ（換算６３００ｋｃａｌ）の熱負荷とがあり、１９時の直前までに貯湯タンクに蓄熱されている熱量のうちの７０００ｋｃａｌが湯はりに利用されるとともに３３００ｋｃａｌ（２００ｋｃａｌは１時間分の放熱ロス）が２０時のシャワーに利用されるとすると、１９時から２０時までの１時間の全時間にわたってヒートポンプが運転されれば残りの３０００ｋｃａｌのシャワー利用のための熱負荷をヒートポンプの出力熱量で賄えるにもかかわらず、上述したようにヒートポンプが約３分間停止しているために、この約３分間分のヒートポンプ出力約１６０ｋｃａｌの熱量が不足することとなって、熱効率の悪いバックアップ熱源機で不足分を賄うという動作となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、貯湯式給湯装置のより一層の効率向上を図ることにある。

本発明は、上記目的を達成するために、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明は、主熱源機と、該主熱源機の運転により湯水を加熱して蓄熱する貯湯タンクと、該貯湯タンクから給湯するための給湯路と、運転時に前記給湯路への給湯を行うバックアップ熱源機と、前記主熱源機及び前記バックアップ熱源機の運転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、過去の実績情報に基づいて将来の所定単位時間毎の時間帯別の熱負荷を予測する熱負荷予測機能と、該熱負荷予測機能により予測された時間帯別の熱負荷に基づいて現時点で前記主熱源機を運転させた方が運転させない場合よりも省エネ性が高いか否かを判定する省エネ運転判定機能と、前記貯湯タンクが所定の満蓄熱状態であるときに前記主熱源機を運転停止状態とする満蓄熱時運転停止機能とを有する、貯湯式給湯装置において、前記制御部は、前記省エネ運転判定機能により現時点で前記主熱源機を運転させた方が省エネ性が高いと判定しているとき、前記貯湯タンクからの所定の給湯動作が開始されることを条件として、前記貯湯タンクが前記満蓄熱状態であっても前記主熱源機を運転させるよう構成されていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンクが満蓄熱状態である場合でも、貯湯タンクからの所定の給湯動作が開始されると、現時点で主熱源機を運転させた方が省エネ性が高い場合に即座に主熱源機の運転による貯湯タンクへの貯湯が上記給湯動作と並行して開始され、熱効率の高い主熱源機の運転継続時間を可及的に長くすることにより、一層の効率向上が図られる。なお、貯湯タンクが満蓄熱状態であっても主熱源機を運転させるための構成としては、例えば、（１）省エネ運転判定機能により現時点で主熱源機を運転させた方が省エネ性が高いと判定しているとき、貯湯タンクからの所定の給湯動作が開始されることを条件として満蓄熱時運転停止機能による主熱源機の運転停止状態を解除することによって、制御部の主熱源機の通常の運転制御により主熱源機の運転が開始されるように構成することもできるし、また、（２）省エネ運転判定機能により現時点で主熱源機を運転させた方が省エネ性が高いと判定しているとき、貯湯タンクからの所定の給湯動作が開始されることを条件として、満蓄熱時運転停止機能の動作状態（例えば、フラグの状態）にかかわらず主熱源機を強制的に運転開始させるよう構成することもできる。

なお、本発明において「給湯」とは、給湯栓への給湯のみならず、浴槽への湯はりのための給湯や、暖房回路の熱交換器への給湯や、ふろ追い焚き回路の熱交換器への給湯などをも含むものとする。また、上記特許文献２記載のハイブリッド給湯システムでは、段落番号００３７に記載されているように、満タン以上の蓄熱量となる場合には省エネ評価点の演算を打ち切り、省エネ評価点マップへの演算結果の数値設定は初期設定のゼロのままとしていたが、本発明の給湯装置の場合、省エネ判定において貯湯タンクの最大蓄熱量を超えて主熱源機（ヒートポンプ）で生成される熱量をもその後の熱負荷に割り当てられるものと仮定して省エネ評価点を演算・判定することにより、満蓄熱状態で実際に出湯が開始されたときに主熱源機を運転したほうが省エネとなるか否かにつきより正確に判定を行えるようになる。

また、貯湯タンクが満蓄熱状態であるか否かの判定は、貯湯タンクの所定部位に設けた貯湯温度センサ（上記従来例における最下部の貯湯温度センサなど）が所定温度以上を検出しているか否かによって行ってもよいし、貯湯タンクに上下方向に並設した複数の貯湯温度センサの検出値に基づいて現在貯湯タンク内に蓄熱されている熱量（入水温度を基準とした熱量でもよいし、予め定めた固定の基準温度を基準とした熱量でもよい）を演算により求めて、該蓄熱熱量が所定値以上であるか否かによって行ってもよく、その他適宜の方法によって行うことができる。

上記本発明の貯湯式給湯装置において、前記制御部は、前記省エネ運転判定機能による前記判定を、前記満蓄熱時運転停止機能により前記主熱源機が運転停止状態とされているときに行うよう構成されていてよい（請求項２）。これによれば、従来は満蓄熱時には省エネ運転判定機能による判定を実施していなかったが、上記のように満蓄熱時運転停止機能により前記主熱源機が運転停止状態とされているときにも省エネ運転判定機能による上記判定を行うことによって、満蓄熱時においても所定の給湯動作が開始されるのであれば現時点で主熱源機を運転させた方が省エネ性が高くなるか否かを判定できる。なお、前記主熱源機の運転停止状態の解除のための前記省エネ運転判定機能による前記判定は、前記満蓄熱時運転停止機能により前記主熱源機が運転停止状態とされているときに行われるものに限定することもでき、これによれば貯湯タンクが満蓄熱状態であるときに省エネ運転判定機能によって省エネ判定を行うことで、より的確な判定を行うことができる。

さらに、前記制御部は、前記満蓄熱状態で前記主熱源機を運転させた場合に、所定時間を経過しても前記貯湯タンクが前記満蓄熱状態であるとき、前記主熱源機を運転停止状態とするよう構成されているものとすることが好ましい（請求項３）。これによれば、所定の給湯動作の開始とともに主熱源機の運転が開始されて貯湯タンクへの蓄熱をも開始されたが、所定の給湯動作が短時間で終了したり、給湯流量が少量であることなどによって貯湯タンクの蓄熱熱量が減少していかず、所定時間を経過しても満蓄熱状態が維持されていれば、主熱源機を運転停止状態とすることによって各構成機器を損傷から保護することができる。なお、上記所定時間は、固定の時間（例えば３分）であってもよいし、貯湯タンクからの出湯流量や貯湯温度センサの検出値などに応じて変動するものであってもよい。

また、前記所定の給湯動作は、浴槽への湯はりのための給湯動作であってよい（請求項４）。これによれば、大量の蓄熱熱量を必要とする湯はりのための熱負荷を貯湯タンクに蓄熱されている熱量で賄った後、その後に続く入浴者のシャワー利用のための熱負荷を可能な限り主熱源機の出力熱量によって賄うことができる。

また、前記主熱源機はヒートポンプ装置であってよい（請求項５）。これによれば、ヒートポンプ貯湯式給湯装置の効率を一層向上することができる。

以上説明したように、本発明の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンクが満蓄熱状態であっても所定の給湯動作の開始とともに主熱源機の運転をも開始させることによって、貯湯式給湯装置のより一層の効率向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る貯湯式給湯装置の回路構成を模式的に示す動作原理図である。 本発明の実施形態と従来例との省エネ判定シミュレーションを対比説明するための説明図である。 本発明の実施形態と従来例との省エネ判定シミュレーションを対比説明するための説明図である。 本発明の実施形態と従来例との省エネ判定シミュレーションを対比説明するための説明図である。 本発明の実施形態における満タンフラグ制御のフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッドヒートポンプ方式の貯湯式給湯装置１を示しており、ヒートポンプ作動系２及び貯湯タンク３（貯湯槽）により主構成されるヒートポンプ式貯湯装置と、外部から水道水等を貯湯タンク３等に入水するための入水路４と、貯湯タンク３からの貯湯又は瞬間式ガス給湯器６（バックアップ熱源機）で加熱後の湯を用いて給湯栓や浴槽９２等に給湯するための給湯路５と、給湯路５から供給される高温水を暖房用熱源とする暖房回路８と、同様に給湯路５から供給される高温水を追い焚き用熱源とする風呂追い焚き回路９と、この給湯装置１の作動制御を行う制御部１０とを備えている。

ヒートポンプ作動系２は、主熱源機としてのヒートポンプ２１（ＨＰ）の排熱との熱交換加熱により貯湯タンク３内の湯水を所定温度まで昇温させて貯湯タンク３に貯湯するためのものである。このヒートポンプ作動系２は、前記ヒートポンプ２１と、循環ポンプ２２と、貯湯タンク３を含む循環回路と貯湯タンク３を含まない（貯湯タンク３をバイパスする）循環回路とのいずれかに選択的に切り替える貯湯切換弁２３と、入側温度センサ２４と、出側温度センサ２５とからなる。そして、運転制御の開始により、例えば、ヒートポンプ２１の凝縮用熱交換器（図示せず）において、高温状態の冷媒と、循環ポンプ２２により貯湯タンク３の底部から供給された水との間で熱交換させることで水が加熱され、加熱された高温水が貯湯タンク３の頂部に戻されて貯湯タンク３内で温度成層を形成して蓄熱されることになる。この際、入側温度センサ２４による低温水検出温度と出側温度センサ２５による熱交換加熱後の湯水の温度との差温の情報、ヒートポンプ２１側の冷媒温度などの情報に基づいて、貯湯タンク３の頂部に戻される熱交換加熱後の湯水温度が所定の沸き上げ温度になるよう貯湯切換弁２３が切換制御される。

貯湯タンク３は、密閉式で、比較的小さな容量（例えば９０Ｌ〜１４０Ｌ程度）のもので構成されている。そして、貯湯タンク３の上下方向の所定の各位置には、上下方向各位置での内部の貯湯温度を検出する貯湯温度センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が設けられている。最下部の貯湯温度センサＳ４は、貯湯タンク３の底部に設けられていてもよいが、本実施形態では、当該貯湯温度センサＳ４が高温（貯湯温度）を検出することでヒートポンプ２１の運転停止後、ヒートポンプ作動系２の循環回路内の高温水を貯湯タンク３内に回収するための余裕をもたせた位置に設けられており、例えば、貯湯タンク３が完全に満タンの状態から３０Ｌの高温水が貯湯タンク３頂部から出湯したときに貯湯温度センサＳ４が低温を検出するようになっている。なお、これら貯湯温度センサＳ１〜Ｓ４は、貯湯タンク３内の温水温度を直接検出するものであってもよいし、貯湯タンク３の側壁温度を検出するものであってもよい。後者の場合には、制御部１０が、各貯湯温度センサＳ１〜Ｓ４の検出温度（貯湯タンク３の側壁温度）に基づいて内部の温水温度や蓄熱熱量を推定するよう構成できる。

入水路４は、主入水路４１の上流端が外部の水道管等に接続され、下流端が逆止弁４２を介して貯湯タンク３の底部に接続されている。主入水路４１の上流側から逆止弁４３を介して分岐した混水用入水路４４が給湯路５の後述の混合弁５５に対し入水可能に接続されている。なお、符号４６は入水路４に入水される水の温度を検出する入水温度センサである。

給湯路５は、貯湯タンク３の頂部から出湯される湯水をバックアップ熱源機（ＢＵ）としての瞬間式ガス給湯器６を介して混合弁５５に供給するための補助加熱路５１と、貯湯タンク３の頂部から出湯される湯水をガス給湯器６を介さずに混合弁５５に供給するための貯湯直接給湯路５２との２つに分岐されている。補助加熱路５１には、ガス給湯器６の上流側で循環ポンプ５４が設けられ、該循環ポンプ５４のさらに上流側で三方弁５３が設けられ、該三方弁５３のさらに上流側に逆止弁５６が設けられている。補助加熱路５１は、三方弁５３及び循環ポンプ５４を経てガス給湯器６に湯水を導き、貯湯タンク３の蓄熱量の不足時にはガス給湯器６で補助加熱した上で最終温調用の混合弁５５へ供給するよう構成されている。この際、ガス給湯器６と混合弁５５との間に設けられた閉止機能付きのタンク水比例弁５７を給湯される湯水が通過するとともに、比例弁５７を通過した湯水のうちの少量の一部が貯湯直接給湯路５２を逆流するよう循環ポンプ５４による補助加熱路５１の流量制御を行うことにより、貯湯タンク３の頂部から出湯される湯水の温度が低温である場合にかかる低温の湯水が貯湯直接給湯路５２を介して混合弁５５へ直接流出してしまうことを防止している。貯湯直接給湯路５２は、下流端が上記の比例弁５７の下流側で補助加熱路５１と合流することにより、上記の混合弁５５に貯湯を直接供給可能になっている。すなわち、貯湯タンク３の頂部から高温の湯水を混合弁５５に貯湯直接給湯路５２を介して直接出湯させる場合には、比例弁５７を全閉状態とし、入水路４の入水圧によって貯湯タンク３から出湯させる。なお、符号５８は混合弁５５の下流側位置において最終的に給湯される湯の給湯温度を検出する給湯温度センサであり、符号５９は混合弁５５の固着時に混合弁５５からの高温水が出湯されることを回避するために開作動されて混水用入水路４４から低温水を供給するための高温回避弁である。又、符号６１は給湯水量を調整する水量調整弁、符号６２はガス給湯器６により補助加熱された後の湯の温度を検出する温度センサである。

暖房回路８は、暖房循環路８１内の暖房用の循環熱媒を熱交換器８２で液−液熱交換により加熱し、加熱した循環熱媒を高温暖房端末（例えば浴室乾燥機）８３や、低温暖房端末（例えば床暖房）８４に対し循環供給するようになっている。そして、上記の熱交換器８２での液−液熱交換の加熱源（暖房熱源）として、給湯路５から分岐した暖房用高温水供給路７１を介して、ガス給湯器６から出湯される加熱後の高温水、又は、運転停止状態の瞬間式ガス給湯器６を素通りした貯湯タンク３からの高温水が、熱交換器８２の熱源側に供給されるようになっている。かかる高温水は、液−液熱交換により温度低下した後、開閉電磁弁７２を介して貯湯タンク３への戻り管路７３に導出される。而して、貯湯タンク３、補助加熱路５１、ガス給湯器６、給湯路５、暖房用高温水供給路７１、熱交換器８２、並びに、戻り管路７３によって、貯湯タンク３を含む暖房用循環回路が構成されている。また、貯湯タンク３をバイパスして戻り管路７３を補助加熱路５１の三方弁５３に接続するバイパス管路７４が設けられており、三方弁５３の切換動作によって、貯湯タンク３を含む暖房用循環回路と、貯湯タンク３をバイパスする（貯湯タンク３を含まない）暖房用循環回路とに切換可能に構成されている。また、熱交換器８２での液−液熱交換により加熱された暖房回路８の循環熱媒は、高温暖房端末８３又は低温暖房端末８４に供給されて放熱された後、膨張タンク８７及び暖房ポンプ８８を経て上記熱交換器８２に戻されて再加熱されるようになっている。

風呂追い焚き回路９は、追い焚きポンプ９１を作動させることにより浴槽９２内の湯水を追い焚き循環路９３を通して熱交換器９４との間で循環させ、この熱交換器９４での液−液熱交換により追い焚き加熱するようになっている。熱交換器９４の熱源側には、暖房回路８と同様に、給湯路５から分岐した追い焚き用高温水供給路９５を介して高温水が供給され、かかる高温水は熱交換器９４での液−液熱交換により温度低下した後に開閉電磁弁９６を経て戻り管路７３に導出される。なお、追い焚き時には、貯湯タンク３をバイパスするよう三方弁５３を切換動作させて、ガス給湯器６によって熱交換器９４へ供給する高温水を加熱することが好ましいが、貯湯タンク３内の貯湯温度が十分に高く、貯湯量も十分である場合には、貯湯タンク３から供給される高温水を熱交換器９４に供給することも可能である。

また、給湯路５から分岐して追い焚き循環路９３に注湯するための注湯路９７が設けられており、リモコン１００に設けたふろ自動スイッチをオン操作することによって、貯湯タンク３から出湯される高温水と入水路４に入水する低温水とを混合弁５５で混合することによりふろ設定温度に温調した上で、設定水位若しくは設定湯はり量の湯水を浴槽９２に注湯して湯はり可能に構成されている。すなわち、注湯路９７には、注湯電磁弁９８及び逆止弁９９が設けられており、制御部１０は浴槽９２への湯はり制御を開始すると注湯電磁弁９８を開くとともに、浴槽９８への注湯温度が湯はり設定湯温となるよう混合弁５５を制御して、貯湯タンク３に貯湯された高温湯と入水路４から入水する低温水とを混合して、温調された湯水を注湯路９７を介して設定水位となるまで浴槽９２へ供給するよう構成されている。なお、符号Ｓ５は、浴槽内の水位を検出するための水位センサである。

上記のヒートポンプ２１による貯湯運転、浴槽９２への湯はり運転、暖房回路８による暖房運転、及び、風呂追い焚き回路９による追い焚き運転は、リモコン１００からの入力設定信号や操作信号の出力、上述した種々の温度センサ等からの検出信号の出力を受けて、制御部１０により制御されるようになっている。そして、給湯栓への給湯、浴槽９２への湯はり、及び、暖房に必要な熱量が、ヒートポンプ２１によって賄う熱負荷となる。

制御部１０は、上記特許文献２に開示した給湯装置と同様の基本構成を有し、ＣＰＵや書き換え可能メモリを備えるマイコンによって主構成されており、メモリに記憶されたプログラム及び各種データに基づいて給湯装置１全体の作動制御を行うようになっている。

本実施形態では特に、ヒートポンプ作動系２による蓄熱動作制御に関連して、ヒートポンプ２１によって賄う熱負荷の省エネルギー性（例えば一次エネルギー効率）を追求した省エネ化作動制御を行う構成を備えている。以下、本実施形態の省エネ化作動制御について詳細に説明する。

制御部１０は、貯湯タンク３に蓄熱されている蓄熱熱量を計測する蓄熱熱量計測機能と、給湯・湯はり及び暖房に実際に利用された過去の使用熱量（使用湯量）を計測する実熱負荷計測機能と、給湯・湯はり及び暖房に実際に利用された使用熱量に係る過去の実績情報に基づいて現時刻から所定時間先（例えば９時間先）までの将来の所定単位時間毎（例えば１時間毎）の時間帯別の熱負荷を予測する熱負荷予測機能と、該熱負荷予測機能により予測された時間帯別の熱負荷に基づいて現時点でヒートポンプ２１を蓄熱運転させた方が運転させない場合よりも省エネ性が高いか否かを判定する省エネ運転判定機能と、貯湯タンク３が満蓄熱状態であるときにヒートポンプ２１を運転停止状態とする満蓄熱時運転停止機能とを有し、例えば、毎時０分となったときや、予測外の熱利用があった場合や、貯湯タンク３が満蓄熱状態から空き状態となったときなどの所定のタイミングで、省エネ性の判定結果に基づいて現時点でヒートポンプ２１による蓄熱運転を開始した方が高い省エネルギー性を得られるか否かを判定して、より省エネルギー性が高くなるようヒートポンプ２１の運転を制御するようになっている。

蓄熱熱量計測機能（貯湯熱量計測手段）は、貯湯タンク３に設けられた複数の貯湯温度センサＳ１〜Ｓ４の検出値、上下方向に隣接する貯湯温度センサ間の各領域の容量、及び、入水温度センサ４６の検出値に基づいて、貯湯タンク３に蓄熱されている熱量を計測す機能である。例えば、沸き上げ温度の高温水が貯湯されて各貯湯温度センサＳ１〜Ｓ４がその高温水の温度（例えば８０℃）を検出した場合には、その温度検出値から入水温度（例えば５℃）を減じた値と前記の容量値との乗算を行い、これを上下方向に積算することで蓄熱熱量が得られる。

実熱負荷計測機能（実熱負荷計測手段）は、給湯栓への給湯・浴槽への湯はり及び暖房による過去の使用熱量（使用湯量）の実績値（実熱負荷）を計測して、計測した実熱負荷に係る情報をメモリなどの記憶手段に記憶する機能である。実熱負荷の計測と記憶とは、例えば曜日毎に区分けして行うことができ、各曜日の使用熱量（湯量）の実績である実熱負荷情報として、給湯栓への給湯・浴槽への湯はり・暖房のそれぞれについて、曜日毎でかつ１時間毎（単位時間毎）の時間帯別の過去の使用熱量の実績値を記憶しておくことができ、ガス給湯器６による補助加熱が行われた際にはこの補助加熱分に相当する熱量をも使用熱量の実績値に考慮することができる。各曜日の各時間帯別のそれぞれの実績値は、過去の同じ曜日の同じ時間帯別の実使用熱量に基づいて算出できる。

熱負荷予測機能（熱負荷予測手段）は、実熱負荷計測機能によって記憶手段に記憶された曜日毎かつ時間帯別の過去の実熱負荷に係る情報に基づいて、現時刻から９時間先までの将来の１時間毎の時間帯別に要求される使用熱量（熱負荷）を予測する。この際、特に来客等の日常と異なる熱利用の予定があって、ユーザーが例えばリモコン１００を用いてその熱量使用分の使用予定を予約設定した場合には、その予約設定された熱負荷の熱量分を記憶された熱負荷情報に基づく予測熱負荷に加算したものを予測熱負荷として設定することができる。なお、熱負荷（使用熱量）は、ジュール（Ｊ）やカロリー（ｃａｌ）という熱力学上の熱量の単位を用いたものであるが、本明細書においては、本願出願人が制御プログラム上使用しているカロリー（ｃａｌ）単位を用いて説明する。又、ヒートポンプ給湯装置においては貯湯タンク３への貯湯温度（沸き上げ温度）が８０℃などの所定温度となるように制御され、かかる貯湯温度で貯湯された貯湯量と蓄熱された熱量とはほぼ線形の関係となるから、貯湯タンク３における所定の貯湯温度で貯湯された湯量を蓄熱された熱量とみなすとともに、翌日に貯湯タンク３から出湯されると予測（予定）される使用予定湯量を使用予定熱量とみなして制御することも可能である。この熱負荷予測機能による熱負荷の予測は、運転当日の曜日に対応する曜日における時間毎の情報をそのまま予測熱負荷に係る情報として用いるものであってもよいし、天候や気温や入水温度などに基づいて適宜補正した上で時間毎の予測熱負荷情報として予測するものであってもよい。

省エネ運転判定機能は、上記のようにして求められた９時間先までの予測熱負荷と、現時刻の貯湯タンク３内の貯湯熱量とに基づいて、各時間帯にヒートポンプ２１を仮想的に運転させることで生成される熱量を予測熱負荷に順次割り当てていった場合にどの程度の省エネポイント（省エネ度数）となるかのシミュレーションをすべての運転パターンについて行い、最も省エネ評価点の高い運転パターンを抽出することで、現時点でヒートポンプ２１を蓄熱運転させるか否かを判定する機能である。

上記シミュレーションは、特許文献２で既に開示したように、現時刻＋ｉ時間後（ｎ時間先までの熱負荷の予測を行っている場合、ｉは０〜（ｎ−１）までの整数）からヒートポンプをｊ時間（但し、ｉ＋ｊ≦８を満たす整数）連続運転させた場合に出力される熱量を、各時間帯の熱負荷に順次割り当てていった場合の省エネポイントＳ（ｉ，ｊ）を演算していく。各省エネポイントＳ（ｉ，ｊ）は、次式（１）、（２）、（３）により求めることができる。

Ｓ（ｉ，ｊ）＝Σ（予測熱負荷毎の省エネ評価点） ・・・（１）

予測熱負荷毎の省エネ評価点＝ｔ時間放置した場合の省エネ度×（賄う対象の予測熱負荷／ＨＰ総出力熱量） ・・・（２）

ｔ時間放置した場合の省エネ度＝（貯湯タンクから単位熱量を取り出す時点からｔ時間前に貯湯タンクに蓄熱することが必要となる熱量を出力するために必要なＨＰの消費エネルギー量／単位熱量をＢＵで賄う場合のＢＵの消費エネルギー量）×１００ ・・・（３）

かかる省エネポイント（省エネ度数）の演算シミュレーションの詳細は特許文献２にすでに開示しているのでここに引用して省略し、異なる点について詳述する。

特許文献２に開示した従来例では、貯湯タンクの貯湯熱量の空き熱量の部分や、使用熱量の部分を考慮して、満タン以上の蓄熱量となる場合には、それ以降の予測熱負荷についてはヒートポンプ２１の出力熱量では賄えないものとして当該予測熱負荷の省エネ評価点の演算を打ち切って初期設定のままゼロとしていた。一方、本実施形態においては、ヒートポンプ２１の仮想出力熱量によって貯湯タンク３の容量を超えて蓄熱されるものとして各予測熱負荷の省エネ評価点、並びに、省エネポイントを演算する。

図２〜図４は、現時点からヒートポンプ２１を運転することで出力される熱量によって１時間後の予測熱負荷を賄う場合の省エネ評価点の演算例を従来方法と本実施形態に係る方法とで対比した図である。なお、ここではヒートポンプ２１の１時間あたりの最大出力熱量は２０００ｋｃａｌであるものとし、湯余り補正のために８００ｋｃａｌまで連続運転時間を短縮できる仕様とする。ヒートポンプ２１はある程度の時間連続運転しなければ効率が悪くなることから、運転する場合には最低８００ｋｃａｌの熱量を出力するまで運転を継続する。また、説明の簡単のため、現時点で貯湯タンク３に蓄熱されている熱量は、現時刻の熱負荷によってすべて消費されるものとする。また、１時間放置の場合の省エネ度は５０とし、湯余り熱量分の省エネ度は−３５とする。

図２に示す例では、１時間後に２０００ｋｃａｌの予測熱負荷があるため、本実施形態ではこの予測熱負荷を賄うためにヒートポンプを１時間連続運転することで２０００ｋｃａｌ出力するものと仮定し、この出力分によって上記予測熱負荷が賄われるものとして、この予測熱負荷に対する省エネ評価点は５０×２０００／２０００＝５０ポイントと算出する。なお、２時間後以降の予測熱負荷がある場合には、すべての予測熱負荷について同様に省エネ評価点を算出して、これらを積算することで省エネポイントが算出され、この省エネポイントが大きければ大きいほど省エネ性が高いと判定する。また、省エネポイントが１以上であればバックアップ熱源機ＢＵとしてのガス給湯器によって予測熱負荷を賄うよりも省エネ性が高くなることを意味する。

一方、従来の省エネ評価点の算出方法の場合、貯湯タンクに空きが無い場合には演算を打ち切るため、この予測熱負荷に対する省エネ評価点としては０となる。

図３に示す例では、１時間後に１５００ｋｃａｌの予測熱負荷があり、本実施形態ではこの予測熱負荷を賄うためにヒートポンプを１５００ｋｃａｌ分連続運転させるものと仮定し、この出力分によって上記予測熱負荷が賄われるものとして、この予測熱負荷に対する省エネ評価点は５０×１５００／１５００＝５０ポイントと算出する。一方、従来の算出方法の場合、貯湯タンクの空き容量分しかヒートポンプを連続運転しないため、ヒートポンプの出力熱量は貯湯タンクの空き容量である１２００ｋｃａｌとされ、この出力熱量によって１時間後の予測熱負荷の一部が賄われ、残りはバックアップ熱源機により賄われるものとして、この予測熱負荷に対する省エネ評価点は５０×１２００／１２００＝５０ポイントと算出する。

図４に示す例では、１時間後に５００ｋｃａｌの予測熱負荷があり、本実施形態ではヒートポンプの最低出力熱量である８００ｋｃａｌより小さいため、シミュレーションの簡素化のためにこの場合には２０００ｋｃａｌを出力するものとして計算する。すなわち、２０００ｋｃａｌの出力熱量のうちの１２００ｋｃａｌが貯湯タンクの空き領域に入り、８００ｋｃａｌがタンクオーバー分として仮想的に蓄熱されるものとし、蓄熱された２０００ｋｃａｌのうちの５００ｋｃａｌによって１時間後の予測熱負荷が賄われ、１５００ｋｃａｌが湯余りとなるものとして、この予測熱負荷に対する省エネ評価点は５０×５００／２０００−３５×１５００／２０００≒−１３（小数点以下切り上げ）となる。すなわち、この場合はバックアップ熱源機によって予測熱負荷を賄った方が省エネ性が高いと判定されることとなる。一方、従来の算出方法の場合、ヒートポンプの出力熱量は貯湯タンクの空き容量である１２００ｋｃａｌとされ、そのうち５００ｋｃａｌで１時間後の予測熱負荷が賄われ、７００ｋｃａｌが湯余りとなるため、この場合の省エネ評価点は５０×５００／１２００−３５×７００／１２００≒１（小数点以下切り上げ）となる。

このようにして９時間先までの予測熱負荷を賄うためのヒートポンプのすべての運転パターンについてシミュレーションを行うことによって省エネポイントＳ（ｉ，ｊ）を演算により求めて、このすべての省エネポイントＳ（ｉ，ｊ）の内から、９時間先までのすべての予測熱負荷を賄う場合に最も良い数値（最も大きい数値）となる１の省エネポイント又は２以上の省エネポイントの組み合わせを検索し、最大となる省エネポイントが現時点に運転するもの、すなわちＳ（０，ｊ）のいずれかが最も省エネポイントが高いか否かを判定し、現時点でヒートポンプを運転した方が運転しないよりも省エネ性が高いと判定した場合にはヒートポンプ作動系２による蓄熱運転を開始させる。なお、実際の蓄熱運転継続時間は、上記シミュレーションにおける仮定と一致させる必要はなく、適宜のタイミングで上記シミュレーションを再計算した上で、その時点で再度ヒートポンプ作動系２を運転させるか停止させるかを判定するものであってよい。

次に、上記満蓄熱時運転停止機能について説明する。制御部１０は、現時点でヒートポンプの蓄熱運転を行ったほうが行わない場合よりも省エネ性が高いと判定する場合には上述したようにヒートポンプ作動系２による蓄熱運転を行うが、メモリ内の所定の記憶領域に設定された満タンフラグがオンの場合にはヒートポンプ作動系２による蓄熱運転制御を行わず、ヒートポンプ２１を運転停止状態に維持し、満タンフラグがオフとなった後に蓄熱運転制御を開始するよう構成されている。

満タンフラグは、図５に示す満タンフラグ制御フローにしたがって制御部１０によって常時オン／オフ切換制御される。すなわち、制御部１０はまずステップＳ１において満タンフラグをオフとする。次に、ステップＳ２において後述する満タン確定タイマーが３分を経過しているか否かを判定し、３分経過していなければ待機する。

満タン確定タイマーが３分を経過していれば、次にステップＳ３において、最下部の貯湯温度センサＳ４の検出温度が、貯湯設定温度−１０℃を超えているか否かを判定する。なお、設定温度に対して−１０℃で判定しているのは、貯湯温度センサＳ４として貯湯タンク３の側面に貼り付けるタイプのサーミスタを利用することを想定しており、かかるサーミスタの検知特性を考慮したものである。また、貯湯設定温度−１０℃を超えているか否かは、ある程度の時間継続してかかる条件を満たしたか否かという基準によって判定することがノイズ対策等のために好ましく、例えば２〜３分継続して貯湯温度センサＳ４の検出温度が貯湯設定温度−１０℃である場合にステップＳ４へ移行するよう構成できる。

ステップＳ４では、満タンフラグをオンに切り替える。これにより、ヒートポンプ２１の蓄熱運転中であっても、制御部１０は強制的にヒートポンプ２１による蓄熱運転を停止することとなる。

次に、ステップＳ５において、最下部の貯湯温度センサＳ４の検出温度が貯湯設定温度−１２℃よりも低いか否かを判定する。この判定も所定時間（例えば１〜２分）連続して満たした場合にのみ判定条件が成立したものとし、それ以外の場合には判定条件が不成立とすることができる。判定条件が成立すると、貯湯タンク３が満タン状態（満蓄熱状態）ではなくなったものとして、ステップＳ１に戻る。一方、判定条件不成立の場合には、ステップＳ６に移行する。

ステップＳ６では、リモコン１００に設けられたふろ自動スイッチがオン操作されたか否かを判定する。かかる判定も、ふろ自動スイッチが操作されてふろ自動運転制御が開始されれば条件成立とすることができるが、誤ってふろ自動スイッチが押されてその直後にふろ自動スイッチをオフ操作される場合にはふろ自動スイッチがオン操作されたとは判定しないよう構成することもできる。ふろ自動スイッチがオン操作されなければステップＳ５の判定を繰り返す。一方、ふろ自動スイッチがオン操作されたと判定された場合には、満タン確定タイマーをリセットした上で（ステップＳ７）、ステップＳ１に戻り、満タンフラグを強制的にオフにするよう構成されている。

このとき、貯湯サーミスタＳ４は高温を検出している状態であるので、実際は貯湯タンク３は満タン状態であるが、ふろ自動スイッチがオン操作されたことによって浴槽９２への湯はり動作が開始され、貯湯タンク３の頂部から比較的大きな流量で高温水が出湯している。かかる出湯速度は、ヒートポンプ２１による貯湯速度と比較してかなり大きなものであるため、満タンフラグがオフに切り替わることによってヒートポンプ２１による蓄熱運転が再開されても、貯湯タンク３から徐々に貯湯量（蓄熱量）が減少していく。

上記ステップＳ２における確定時間である３分は、浴槽への湯はりのための出湯と、ヒートポンプ２１の運転による貯湯とが同時に行われた場合に、貯湯タンク３が完全に満タンの状態から最下部の貯湯サーミスタＳ４が貯湯設定温度−１２℃以下を検出する状態まで貯湯タンク３の貯湯量が減少する時間として設定されるものであり、かかる満タン確定タイマーの設置により、強制的に満タンフラグをオフにしたにもかかわらずその後すぐに満タンフラグがオンに復帰してしまうことを回避している。

なお、満タン確定タイマーは、貯湯タンク３が満タンの状態でふろ自動スイッチがオン操作されたときにのみリセットされ、ステップＳ５において貯湯温度センサＳ４の通常の低温検出による満タンフラグオフ時にはリセットされないので、この場合には３分経過せずともステップＳ２において貯湯サーミスタＳ４により満タンを検知させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。例えば、「所定単位時間」として、本実施形態では１時間を採用した場合について説明したが、これに限らず、所定単位時間を例えば３０分（０．５時間）としたり、１５分（０．２５時間）としたり、あるいは２時間とすることもできる。また、バックアップ熱源機としては、ガスを燃料として燃焼作動させるものの他に、液体燃料（例えば石油）を燃料として燃焼作動させるものを用いることもできるし、システムに要求される仕様等によっては瞬間式給湯器のみならず他の貯湯式給湯装置などを用いることも可能である。また、予測熱負荷としては、給湯栓への給湯に必要な熱量のみであってもよいし、給湯栓への給湯＋暖房のみでもよいし、湯はり＋暖房のみでもよいし、その他適宜のもの及び組み合わせを予測熱負荷とすることができる。

また、上記実施形態では制御部１０によって、９時間先までの予測熱負荷を賄うための運転パターンについて省エネポイントＳ（ｉ，ｊ）をシミュレーションにより演算し、現時刻にヒートポンプを運転することが省エネポイントが最大となるか否かによってヒートポンプを運転開始するか否かを判定したが、９時間先までの予測熱負荷のすべてのパターンについて現時点で運転したほうが省エネ性が高くなるか否かを別途のコンピュータを用いてシミュレーションしておき、その結果のみをデータベース化して制御部１０の不揮発性メモリに記憶しておくことで、９時間先までの予測熱負荷が定まれば上記データベースの参照によって現時点でヒートポンプを運転すべきか否かを判定できるようにしておくこともできる。例えば、各時間帯の予測熱負荷の大きさを４ビット（１６段階）で表すのであれば、９時間先までの予測熱負荷のすべてのパターンに対応するデータベースは４^９÷８バイト＝３２キロバイトのメモリ領域に記憶しておくことができる。

１ 貯湯式給湯装置
３ 貯湯タンク
５ 給湯路
６ バックアップ熱源機（ガス給湯器）
１０ 制御部
２１ 主熱源機（ヒートポンプ）
Ｓ４ 満蓄熱状態を判定するための最下部の貯湯温度センサ

Claims (5)

1. 主熱源機と、該主熱源機の運転により湯水を加熱して蓄熱する貯湯タンクと、該貯湯タンクから給湯するための給湯路と、運転時に前記給湯路への給湯を行うバックアップ熱源機と、前記主熱源機及び前記バックアップ熱源機の運転を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、過去の実績情報に基づいて将来の所定単位時間毎の時間帯別の熱負荷を予測する熱負荷予測機能と、該熱負荷予測機能により予測された時間帯別の熱負荷に基づいて現時点で前記主熱源機を運転させた方が運転させない場合よりも省エネ性が高いか否かを判定する省エネ運転判定機能と、前記貯湯タンクが所定の満蓄熱状態であるときに前記主熱源機を運転停止状態とする満蓄熱時運転停止機能とを有する、貯湯式給湯装置において、
   前記制御部は、前記省エネ運転判定機能により現時点で前記主熱源機を運転させた方が省エネ性が高いと判定しているとき、前記貯湯タンクからの所定の給湯動作が開始されることを条件として、前記貯湯タンクが前記満蓄熱状態であっても前記主熱源機を運転させるよう構成されていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
2. 請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、前記制御部は、前記省エネ運転判定機能による前記判定を、前記満蓄熱時運転停止機能により前記主熱源機が運転停止状態とされているときに行うよう構成されていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
3. 請求項１又は２に記載の貯湯式給湯装置において、前記制御部は、前記満蓄熱状態で前記主熱源機を運転させた場合に、所定時間を経過しても前記貯湯タンクが前記満蓄熱状態であるとき、前記主熱源機を運転停止状態とするよう構成されていることを特徴とする貯湯式給湯装置。
4. 請求項１，２又は３に記載の貯湯式給湯装置において、前記所定の給湯動作は、浴槽への湯はりのための給湯動作であることを特徴とする貯湯式給湯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の貯湯式給湯装置において、前記主熱源機はヒートポンプ装置であることを特徴とする貯湯式給湯装置。

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