JP6743519B2 - 給湯システム - Google Patents
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Description
給湯システム1は、図1〜図3に示すように、ヒートポンプ2、貯湯ユニット3、これらの管理や制御を行うコントローラ50、ユーザーへの情報表示やユーザーの操作受付を担うリモコン90、などを備えている。
(2−1)ヒートポンプ
ヒートポンプ2は、水を加熱するための熱源装置として機能するユニットであり、冷媒が循環する冷媒回路20、送風ファン24F、各種センサ、などを備えている。冷媒は、種々のものを使用できるが、ここでは二酸化炭素を使用している。
貯湯ユニット3は、市水(水道水)などの外部から供給される水を、ヒートポンプ2に送って加熱させ、ヒートポンプ2から戻ってきた水(湯)を蓄えるユニットである。また、貯湯ユニット3は、ユーザーが設定する温度の湯が供給されるように、燃焼加熱装置4や混合弁77によって温度調整された湯を給湯部82に送る機能を持つ。
取水部81は、接続口を有し、市水(水道水)の供給管89aが接続される。
貯湯タンク35は、ヒートポンプ2によって加熱された水(湯)を、ユーザーが蛇口99を回して利用する前から予め蓄えておくタンクである。貯湯タンク35は、水が常に満たされている。そして、貯湯タンク35には、所定温度以上、ここでは70℃以上の高温の水(以下、高温水という。)の量をコントローラ50に把握させるための、タンク温度分布検知センサが設けられている。タンク温度分布検知センサは、貯湯タンク35の下部から上部に向かって、順に、第1センサT1、第2センサT2、第3センサT3、第4センサT4、第5センサT5、第6センサT6の6つにより構成される。コントローラ50は、これらのタンク温度分布検知センサT1〜T6が検知する貯湯タンク35内の各高さ位置での水温およびリモコン90による設定に基づき、ヒートポンプ2を駆動させて沸き上げ運転を行う。沸き上げ運転とは、貯湯タンク35の中の水の温度が目的の温度に到達するまで水の熱量を上げていく運転である。沸き上げ運転における目的の温度、すなわち、貯湯タンク35の中の水の目標貯湯温度は、例えば予め給湯システム1の製造工場において設定されている。本実施形態では、目標貯湯温度は75℃である。
循環水配管30は、貯湯タンク35の中の水にヒートポンプ2で得られる熱を伝えるための回路であり、往き管31、水熱交換器22内の水管32w、戻り管33、および、循環用ポンプ34を有している。往き管31は、貯湯タンク35の下端近傍と水熱交換器22内の水管32wの上流側端部とを接続している。戻り管33は、水熱交換器22内の水管32wの下流側端部と貯湯タンク35の上端近傍とを接続している。循環用ポンプ34は、往き管31の途中に設けられている。循環用ポンプ34は、出力を調整することができる電動ポンプであり、貯湯タンク35と水熱交換器22との間で水を循環させる役割を果たす。具体的には、循環水配管30では、循環用ポンプ34がコントローラ50からの指令を受けて駆動することにより、貯湯タンク35内の水のうち下部に存在している温度の低い水が、往き管31に流出し、水熱交換器22内の水管32wを通過することで温度上昇し、戻り管33を介して貯湯タンク35の上端近傍に戻ってくる。これにより、貯湯タンク35内の高温水とそれより温度が低い水との境界が上から下に向けて移動していくことになり、貯湯タンク35内の高温水の量が増えていく。
取水給湯配管70は、外部の市水等から水の供給を受けつつ、貯湯タンク35に蓄えられている高温水を利用するための回路であって、取水管71、給湯管73、バイパス管74、および、混合弁77を有している。
コントローラ50は、図3に示すように貯湯ユニット3の内部に設置されており、圧縮機21、電動膨張弁23、送風ファン24F、混合弁77、燃焼バーナー41、循環用ポンプ34などのアクチュエータと接続され、これらのアクチュエータに動作指示を送る。また、コントローラ50は、熱交換器入口水温センサ31T、熱交換器出口水温センサ32T、タンク温度分布検知センサT1〜T6、取水温度センサ71T、混合前湯温センサ4T、などのセンサ類と接続されており、これらのセンサ類から検知結果を取得する。さらに、コントローラ50には、ユーザーの設定入力を受け付けたりユーザーへの情報提供を行ったりするためのリモコン90が接続されている。
次に、貯湯タンク35に蓄えられている水を沸き上げる運転について説明する。
しかし、本発明の一実施形態に係る給湯システム1のコントローラ50は、残湯量が0の状態からの沸き上げ運転として、一過沸上モード制御51ではなく、まずは循環沸上モード制御52を選択する。これは、早期に高温水を貯湯タンク35の上部に溜めて早く残湯量を1にするという考え方ではなく、ヒートポンプ2が消費する電力を小さく抑えながら貯湯タンク35の水を沸き上げるという考え方に基づく選択である。一過沸上モード制御51を採る場合は、初期からヒートポンプ2の熱交換器22を通過した後の水の温度を高温にする必要があり、ヒートポンプ2においては、熱交換器22を流れる冷媒の凝縮温度を高める必要が出る。凝縮温度を上げるために圧縮機の回転数を上げて冷媒の圧力を高めると、ヒートポンプ2の成績係数(COP)は低下する。これに対し、沸き上げ運転を始めるときに循環沸上モード制御52を実行すれば、水の循環量が多くなって、ヒートポンプ2において凝縮温度を上げる必要がなくなり、ヒートポンプ2の成績係数(COP)が高くなる。
本発明の一実施形態に係る給湯システム1のコントローラ50は、残湯量が2〜5の状態からの沸き上げ運転として、循環沸上モード制御52ではなく、一過沸上モード制御51を選択する。これは、既に貯湯タンク35の上部には高温水が存在しており、多量の水を循環水配管30で循環させてしまうと、貯湯タンク35の上部の高温水が下部に移動して、比較的高い温度の水が往き管31を経て水熱交換器22に入ってきてしまうからである。このように水熱交換器22への入水温度が上がってしまうと、ヒートポンプ2の水熱交換器22において冷媒の過冷却が取れなくなり、ヒートポンプ2の成績係数(COP)が低下する。
(4−1)
上記の給湯システム1では、貯湯タンク35の水を沸き上げる制御として、一過沸上モード制御51と、循環沸上モード制御52とが存在する。そして、貯湯タンク35に貯められている高温水の量が無い或いは少ないとき、すなわち、残湯量が0か1のときに、まずは循環沸上モード制御52を実行する。すると、一過沸上モード制御51に較べて循環水配管30を循環する水の量が多いため、ヒートポンプ2から貯湯タンク35に戻ってくる加熱後の水の温度が低くなってしまうが、ヒートポンプ2を効率のよい領域で運転させることができ、ヒートポンプ2の運転によって消費される電力が一過沸上モード制御51を実行する場合に較べて小さくなる。
給湯システム1では、一過沸上モード制御51において、貯湯タンク35に戻ってくる加熱後の水の温度を重視して貯湯タンク35の水を沸き上げ、循環沸上モード制御52において、循環する水の量を確実に確保するために循環用ポンプ34の出力を最大出力又は最大出力に近い出力で固定している。これにより、貯湯タンク35の水を沸き上げるために必要なヒートポンプ2の消費電力が確実に抑制されている。
循環沸上モード制御52を実行して、貯湯タンク35の水を沸き上げ始めると、循環量が多いため、貯湯タンク35の上部のみならず貯湯タンク35の下部にある水の温度もだんだん上昇してくる(図5B参照)。すると、ヒートポンプ2の水熱交換器22に入る前の水の温度が上昇し、ヒートポンプ2の成績係数(COP)が低下してくる。
給湯システム1では、残湯量が0又は1の状態のときには、まず循環沸上モード制御52で沸き上げ運転を始め、残湯量が2〜5の状態のときには、一過沸上モード制御51を実行している。もしも、残湯量が2〜5の状態のときに循環沸上モード制御52を実行すると、貯湯タンク35に既に貯められている高温水が貯湯タンク35内で混ざって上部から下部に移動してしまうが、ここでは一過沸上モード制御51を選択しているため、貯湯タンク35の上部の高温水が貯湯タンク35の下部に移動することが抑えられている。
給湯システム1では、一過沸上モード制御51において、コントローラ50が、圧縮機21の出力を、最小出力から最大出力の範囲で調整する。一方、循環沸上モード制御52においては、コントローラ50が、圧縮機21の出力を、ヒートポンプ2の成績係数(COP)が良好な所定範囲、すなわち、圧縮機21の最大周波数M(Hz)の30%〜50%の範囲に限定して調整している。これにより、循環沸上モード制御52を行う残湯量が0又は1の状態からの沸き上げ運転において、ヒートポンプ2の消費電力が抑えられ、水の沸き上げに係るランニングコストが下がっている。
(5−1)変形例A
上記の給湯システム1では、循環沸上モード制御52において、循環する水の量を確実に確保するために、循環用ポンプ34の出力を最大出力又は最大出力に近い出力で固定し、一過沸上モード制御51において、水熱交換器22を通過した後の水の温度が目標熱交換器出口水温になるように、循環用ポンプ34の出力を制御している。
上記の給湯システム1では、循環沸上モード制御52において、循環する水の量を確実に確保するために、循環用ポンプ34の出力を最大出力又は最大出力に近い出力で固定し、一過沸上モード制御51において、水熱交換器22を通過した後の水の温度が目標熱交換器出口水温になるように、循環用ポンプ34の出力を制御している。
上記の給湯システム1では、水熱交換器22に入る水の温度が閾値を超えたと判断されたときに、循環沸上モード制御52から一過沸上モード制御51への切り換えが行われる(図6のステップS13参照)。
上記の給湯システム1では、ユーザー設定などに基づき、残湯量が2〜5の状態から一過沸上モード制御51を用いた沸き上げ運転を実行させている。
上記の給湯システム1では、水熱交換器22に入る水の温度が閾値を超えたと判断され たときに、循環沸上モード制御52から一過沸上モード制御51への切り換えが行われる(図6のステップS13参照)。
上記の給湯システム1では、残湯量が0又は1の状態からの沸き上げ運転において、まず循環沸上モード制御52を選択し、途中で一過沸上モード制御51に切り換えている。
上記の給湯システム1では、燃焼加熱装置4を、貯湯タンク35と混合弁77との間に配置しているが、図9に示すように、燃焼加熱装置104を循環水配管30の戻り管33に設けてもよい。
上記の給湯システム1では、燃焼加熱装置4を、貯湯タンク35と混合弁77との間に配置しているが、図10に示すように、燃焼加熱装置204を貯湯タンク35と並列に配置してもよい。
2 ヒートポンプ
4 燃焼加熱装置(燃焼加熱部)
21 圧縮機
22 水熱交換器(熱交換器)
30 循環水配管(循環流路)
31T 熱交換器入口水温センサ(第1温度センサ)
32T 熱交換器出口水温センサ(第1温度センサ)
34 循環用ポンプ
35 貯湯タンク(タンク)
41 燃焼バーナー(燃焼機器)
50 コントローラ(制御部)
51 一過沸上モード制御
52 循環沸上モード制御
82 給湯部
99 蛇口(供給先)
104 燃焼加熱装置(燃焼加熱部)
141 燃焼バーナー(燃焼機器)
204 燃焼加熱装置(燃焼加熱部)
241 燃焼バーナー(燃焼機器)
T1〜T6 タンク温度分布検知センサ(第2温度センサ)
Claims (3)
- 供給先(99)に、加熱された水を供給するための、給湯システム(1)であって、
前記供給先に接続される給湯部(82)と、
冷媒と水とを熱交換させる熱交換器(22)と、冷媒を圧縮する圧縮機(21)と、を有するヒートポンプ(2)と、
前記熱交換器で加熱された水を貯めるタンク(35)と、
出力可変の循環用ポンプ(34)を有し、前記タンクと前記熱交換器との間で水を循環させる循環流路(30)と、
燃料を燃焼させて水を加熱する燃焼機器(41)を有する、燃焼加熱部(4)と、
前記循環流路を流れる水の温度を検知する、1又は複数の第1温度センサ(31T,32T)と、
前記ヒートポンプ、前記循環用ポンプおよび前記燃焼機器を制御する制御部(50)と、
を備え、
前記制御部は、
第1流量の水が前記循環流路に流れるように前記循環用ポンプを制御して、前記熱交換器で水を加熱して目標貯湯温度で出湯するように制御することで、前記タンクの水を沸き上げる、一過沸上モード制御(51)と、
前記第1流量よりも多い第2流量の水が前記循環流路に流れるように前記循環用ポンプを制御して、前記熱交換器で水を加熱して前記目標貯湯温度よりも低い温度で出湯し、前記目標貯湯温度に向けて次第に出湯温度が上がるように制御することで、前記タンクの水を沸き上げる、循環沸上モード制御(52)と、
を有し、
前記一過沸上モード制御では、前記タンクの上部のみに高温水が溜まっていき、
前記循環沸上モード制御では、前記タンクの中の水が混ざり、前記タンクの上部と下部とで大きな温度差が生じることなく、全体的に前記タンクの水が沸き上がっていき、
前記制御部は、
前記タンクに貯められている所定温度以上の水の量が少ない或いは無い第1状態のときに、前記循環沸上モード制御を実行し、前記循環沸上モード制御において前記給湯部から前記供給先に供給される水の温度が目標値よりも小さくなるときに前記燃焼機器を作動させ、
前記循環沸上モード制御の後に、前記循環流路を流れる水の温度の変化に基づいて、前記循環沸上モード制御から前記一過沸上モード制御に切り換える、
給湯システム(1)。 - 前記制御部は、前記第1状態のときに、前記循環沸上モード制御を実行し、前記熱交換器を通過する前の水の温度の変化に基づいて、前記循環沸上モード制御から前記一過沸上モード制御に切り換える、
請求項1に記載の給湯システム。 - 前記タンクの中の水の温度分布を検知するための、複数の第2温度センサ(T1〜T6)、
をさらに備え、
前記制御部は、前記第1状態のときに、前記循環沸上モード制御を実行し、前記タンクの中の水の温度分布に基づいて、前記循環沸上モード制御から前記一過沸上制御に切り換える、
請求項1に記載の給湯システム。
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