JP6780367B2 - 貯湯給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ加熱装置と燃焼式の補助熱源機を備えた貯湯給湯装置に関し、特にヒートポンプ加熱装置による加熱温度を変更可能な貯湯給湯装置に関する。

従来から、ヒートポンプ加熱装置で加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯し、この貯湯した湯水を給湯する貯湯給湯装置が広く利用されている。ヒートポンプ加熱装置は、加熱運転で消費する電気エネルギーの数倍に相当する熱量を湯水に蓄えることができるため、エネルギー消費効率が良好である。そのため、必要な熱量に相当する湯水を貯湯して給湯に使用することにより、エネルギー消費効率が高い給湯装置とすることができる。

一般にヒートポンプ加熱装置のエネルギー消費効率はＣＯＰ（成績係数）で表される。ヒートポンプ加熱装置は外気の熱を加熱対象である湯水に移動させるので、外気温度と湯水の加熱温度が近いほどＣＯＰは高い値になる。従って、ヒートポンプ加熱装置による湯水の加熱温度が外気温度より高いほどＣＯＰは低下し、また、外気温度や入水温度が加熱温度より低いほどＣＯＰは低下する。

そのため、ＣＯＰを向上させるために、例えば特許文献１のヒートポンプ式給湯装置のように、貯湯タンクに貯留する湯水の加熱温度を給湯負荷に応じて変更し、給湯負荷が小さい場合には加熱温度を低く設定可能なものがある。

特許第３３９３６０１号公報

しかし、特許文献１のヒートポンプ式給湯装置は、給湯負荷が大きい場合には高温で貯湯を行うためＣＯＰが低下する。また、冬季の外気温度や入水温度が低い期間が続く場合には、その期間は低ＣＯＰの状態で貯湯する虞がある。

本発明の目的は、給湯負荷が小さい場合に予測される必要熱量をＣＯＰが高くなるようにヒートポンプ加熱装置により蓄えると共に、ＣＯＰが低下する場合には、予測される必要熱量の一部を補助熱源機により供給することにより貯湯給湯装置全体のエネルギー消費効率の低下を抑えることが可能な貯湯給湯装置を提供することである。

第１の発明は、ヒートポンプ（ＨＰ）加熱装置と、貯湯タンクと、循環加熱回路と、循環手段と、燃焼式の補助熱源機とを有し且つ給湯使用状況を学習記憶して将来の給湯使用量を予測すると共にＨＰ加熱装置により給湯使用の直前に予測必要熱量を貯湯する貯湯給湯装置において、予測必要熱量と貯湯タンク容量と給水温度から最適貯湯温度を演算する最適貯湯温度決定手段と、外気温度とＨＰ入水温度と加熱温度からＨＰのＣＯＰを演算すると共に、演算したＣＯＰと補助熱源機の燃焼効率に基づいて加熱上限温度を決定する上限温度決定手段と、前記最適貯湯温度が前記加熱上限温度を超える場合には、前記加熱上限温度を貯湯温度として貯湯する貯湯制御手段とを備えたことを特徴としている。

上記構成によれば、予測必要熱量をＨＰ加熱装置により最適貯湯温度で貯湯する場合には、ＣＯＰが高くなるように最適貯湯温度を決定可能である。また、ＨＰ加熱装置による加熱温度を加熱上限温度より高い温度に設定しないので、低ＣＯＰになる温度での貯湯を回避して貯湯給湯装置全体のエネルギー消費効率が低くならないように加熱温度を制御可能である。

第２の発明は、第１の発明において、給湯において前記補助熱源機が使用された場合には、その後に行う貯湯運転の最適貯湯温度を上昇させることを特徴としている。

上記構成によれば、直近の給湯の使用熱量がその予測必要熱量を上回った場合に、次の給湯に必要な熱量の増加を予測して最適貯湯温度を上昇させるので、予測必要熱量をＨＰ加熱装置による貯湯運転により蓄えることができ、補助熱源機の使用を回避してエネルギー消費効率の低下を抑えることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記最適貯湯温度決定手段による演算対象として、給水温度に代えて外気温度を用いることを特徴としている。

上記構成によれば、給水温度よりも時間と共に変動し易い外気温度を用いるので、ＨＰのＣＯＰが高くなる最適貯湯温度を外気温度に合わせて決定することができる。

本発明によれば、給湯負荷が小さい場合に予測必要熱量をＣＯＰが高くなるようにＨＰ加熱装置により蓄えると共に、給湯負荷が大きいためＨＰ加熱装置のＣＯＰが低下する場合には、予測必要熱量の一部を補助熱源機が供給することにより貯湯給湯装置全体のエネルギー消費効率の低下を抑えることが可能な貯湯給湯装置を提供することができる。

本発明の給湯装置の概略図である。 加熱温度制御を示すフローチャートである。 ＨＰのＣＯＰテーブルの１例を示す図である。 時系列の予測必要熱量と対応するＨＰ加熱熱量を示す図である。

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、貯湯給湯装置１の全体構成について、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、貯湯給湯装置１は、補助熱源機４を有する貯湯ユニット２と、ＨＰ加熱装置３を有する。貯湯ユニット２とＨＰ加熱装置３の間には通信手段５０が設けられ、両ユニット間で相互に通信が可能である。補助熱源機４は燃焼式の熱源機である。

貯湯ユニット２は、補助熱源機４と、湯水を貯留する貯湯タンク５と、貯湯タンク５の上端部に接続された出湯通路６と、出湯通路６に接続されて湯水を給湯先へ供給する給湯通路７と、給湯通路７から分岐して浴槽１３Ａに湯張りを行う注湯通路８と、貯湯タンク５の湯水をＨＰ加熱装置３で加熱して貯湯タンク５に貯留するように循環させる循環加熱回路９と、貯湯タンク５に上水を供給する給水通路１０と、湯水と上水を混合する混合弁１６と、浴槽１３Ａの湯水を加熱するための風呂追焚用の熱交換器１２と、補助出湯通路１４ｃから分岐し熱交換器１２に湯水を供給する追焚湯水通路３１と、追焚回路１３と、各種制御を行う貯湯制御部１１と、操作リモコン６０等を備えている。

貯湯タンク５の側部には、複数の貯湯温度センサ５ａ〜５ｄが適当な間隔で設けられ、貯留された湯水の温度を検知する。図示を省略するが、貯湯タンク５の周囲は、貯留された湯水の降温を防ぐ断熱材で覆われている。

給水通路１０は、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、上水源から低温の上水を貯湯タンク５等に供給する。給水通路１０から給水バイパス通路１８が分岐されて混合弁１６に接続されている。給水通路１０には、分岐部より上流側に給水温度センサ１９が設けられ、分岐部より下流側に逆止弁２０が設けられている。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から高温出湯回避通路２２が分岐されて給湯通路７に接続され、高温出湯を回避可能に設けられている。

出湯通路６は、上流端が貯湯タンク５の上端部に接続され下流端が混合弁１６に接続されている。混合弁１６には給湯通路７の上流端が接続されている。出湯通路６には貯湯タンク５から出湯された湯水の温度を検知するタンク出湯温度センサ５ｆが設けられている。

混合弁１６は、給水バイパス通路１８から供給される低温の上水と出湯通路６から供給される高温の湯水との混合比を調節して、使用者が操作リモコン６０を介して設定した温度の湯水を給湯通路７に供給する。給湯通路７には、給湯温度センサ２３が設けられて給湯温度を検知可能である。

給湯通路７から分岐され浴槽１３Ａに湯張りを行う注湯通路８には開閉弁８ａが設けられ、注湯通路８の下流端は後述する風呂往き通路部１３ａに接続されている。

追焚湯水通路３１の下流端は給水通路１０の下流部から分岐した下部補助通路３３に接続されている。

補助熱源機４に湯水を供給するための上部補助通路１４ａが出湯通路６から分岐して三方弁１７に接続され、補助熱源機４に低温の湯水や上水を供給するための下部補助通路３３が三方弁１７に接続され、三方弁１７から延びる補助導入通路１４ｂが補助熱源機４に接続されている。

補助導入通路１４ｂには循環ポンプ４０が介装されている。補助熱源機４で加熱された高温湯水が出湯される補助出湯通路１４ｃは混合弁１６よりも上流側で出湯通路６に接続されている。三方弁１７は、貯湯タンク５側と下部補助通路３３側を択一的に切換え可能である。

循環加熱回路９は、往き通路部９ａと戻り通路部９ｂとこれらを接続するバイパス通路部９ｃを備えている。往き通路部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ＨＰ加熱装置３の凝縮熱交換器３６に接続される。戻り通路部９ｂは、その上流端が凝縮熱交換器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。

往き通路部９ａに循環手段である循環ポンプ２５が介装され、戻り通路部９ｂには循環温度センサ９ｄが設けられている。往き通路部９ａとバイパス通路部９ｃの接続箇所に切換三方弁１５が介装されている。切換三方弁１５は、ＨＰ加熱装置３に送る湯水の供給通路を貯湯タンク５側とバイパス通路部９ｃ側とに切換え可能である。

風呂追焚用の熱交換器１２は、補助出湯通路１４ｃから分岐した追焚湯水通路３１を流れる湯水との熱交換により追焚回路１３を流れる浴槽１３Ａの湯水を加熱する。追焚湯水通路３１には開閉弁３１ａが設けられ、風呂追焚運転時以外は熱交換器１２に湯水が流れないように閉止されている。

追焚回路１３は、浴槽１３Ａの湯水を熱交換器１２において加熱するように循環させるものであり、熱交換器１２で加熱された湯水を浴槽１３Ａに送る風呂往き通路部１３ａと、浴槽１３Ａの湯水を熱交換器１２に送る循環ポンプ３０が介装された風呂戻り通路部１３ｂを有する。

ＨＰ加熱装置３は、ＨＰ制御部３４を介して貯湯制御部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により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。

貯湯制御部１１は、温度検知手段である貯湯温度センサ５ａ〜５ｄ、タンク出湯温度センサ５ｆ、循環温度センサ９ｄ、給水温度センサ１９、給湯温度センサ２３、混合弁入水温度センサ４３、ＨＰ入水温度センサ４１、ＨＰ出湯温度センサ４２等により各部の温度を取得し、切換三方弁１５、混合弁１６、三方弁１７、流量調整弁２６、その他の弁類、循環ポンプ２５，３０，４０等を作動させ、ＨＰ加熱装置３を加熱運転して給湯設定温度の給湯等が可能なように貯湯運転を制御する貯湯制御手段であると共に、湯張り運転等を制御する貯湯給湯装置１の制御手段である。

次に、貯湯運転について説明する。
貯湯制御部１１は、ＨＰ加熱装置３を作動させると共に、循環ポンプ２５を駆動し、貯湯タンク５の下部から低温の湯水をＨＰ加熱装置３に供給して貯湯運転を行う。ＨＰ加熱装置３に供給された湯水は、加熱された後貯湯タンク５の上部に送られて貯湯される。

貯湯運転は、基本的に加熱温度の湯水が貯湯タンク５の全容量を満たすまで行われる。予測給湯使用量が少ない場合には加熱温度の湯水が貯湯タンク５の上側に貯湯された状態、即ち加熱温度の湯水が貯湯タンク５の全容量を満たしていない状態で貯湯運転を停止することもある。

次に、貯湯制御部１１による加熱温度制御について、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、学習記憶した過去の給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用量を予測する。次にＳ２において、予測した給湯使用量に相当する予測必要熱量を演算する。

貯湯制御部１１は最適貯湯温度決定手段を備えており、この最適貯湯温度決定手段がＳ３において、予測必要熱量と貯湯タンク５の容量と給水温度センサ１９で検知された給水温度に基づいて、最適貯湯温度を演算する。最適貯湯温度は次の（Ａ）式に基づいて演算される。
最適貯湯温度[℃]＝給水温度[℃]＋(予測必要熱量[kcal]／貯湯タンク容量[Ｌ])…（Ａ）

次にＳ４において、前回の給湯使用時に、補助熱源機４が使用されたか否か判定する。補助熱源機４が使用されていない場合（Ｙｅｓの場合）には、Ｓ５において演算された温度を最適貯湯温度に決定する。補助熱源機４が使用された場合（Ｎｏの場合）には、Ｓ６において最適貯湯温度決定手段はその後に行う貯湯運転の最適貯湯温度を上昇させる。例えば、上記（Ａ）式に基づいて演算された温度より＋１℃高い温度を最適貯湯温度に決定する。尚、最適貯湯温度の下限温度は、貯湯による降温等を考慮して、例えば予め設定されている給湯設定温度より＋２℃高い温度に設定され、給湯設定温度の湯水を給湯可能なように貯湯される。

また、貯湯制御部１１は上限温度決定手段を備えている。この上限温度決定手段は、Ｓ７において予め有している複数のＣＯＰテーブルに基づいてＣＯＰを演算する。例えば、上記のように決定された最適貯湯温度で貯湯運転する場合のＣＯＰと、予測必要熱量の一部を最適貯湯温度より所定温度（例えば５℃）低い温度で貯湯運転すると共に補助熱源機４を併用して熱量の不足分を補う場合のＣＯＰ相当値を夫々演算する。ＣＯＰ相当値は、ＨＰ加熱装置３による貯湯熱量と補助熱源機４による供給熱量の割合を加味して、ＨＰ加熱装置３のＣＯＰと補助熱源機４の燃焼効率に基づいて演算される。

ＣＯＰテーブルは、図３に示すように、ある加熱温度に対して入水温度と外気温度に基づいてＨＰ加熱装置３のＣＯＰを予め算出したテーブルである。上限温度決定手段は、複数の加熱温度に夫々対応する複数のＣＯＰテーブルを予め有している。尚、図３では算出したＣＯＰを省略している。

次にＳ８において、上限温度決定手段は、Ｓ７で演算した最適貯湯温度でのＣＯＰと補助熱源機を併用する場合のＣＯＰ相当値を比較して、ＣＯＰが高い方の加熱温度を加熱上限温度に決定する。１次エネルギー消費効率等に夫々換算して比較してもよい。

次にＳ９において、貯湯制御部１１は、最適貯湯温度が加熱上限温度を超えるか否か判定する。最適貯湯温度が加熱上限温度を超えない場合（Ｙｅｓの場合）には、Ｓ１０において加熱温度を最適貯湯温度にする。一方、最適貯湯温度が加熱上限温度を超える場合（Ｎｏの場合）には、Ｓ１１において加熱温度を加熱上限温度にする。

次にＳ１２において、貯湯運転が給湯使用の直前に終了するように、上記のように決められた加熱温度で貯湯運転を開始する。

次に、本発明の貯湯給湯装置１の作用、効果について説明する。
予測必要熱量を図４に示すようにＨＰ加熱装置３により最適貯湯温度で貯湯する場合には、上記（Ａ）式に基づいてＣＯＰが高くなるように最適貯湯温度を決定可能である。

また、最適貯湯温度が加熱上限温度を超える場合には、図４に示すように予測必要熱量の一部をＨＰ加熱装置３により加熱上限温度で貯湯し、予測必要熱量に対して不足する熱量を給湯時に補助熱源機４により供給する。従って、加熱温度を加熱上限温度より高い温度に設定しないので、低ＣＯＰになる加熱温度での貯湯を回避して貯湯給湯装置１のエネルギー消費効率が低くならないように加熱温度を制御可能である。

また、前回の給湯使用時に補助熱源機４を使用した場合には、次の給湯に必要な熱量の増加を予測して最適貯湯温度を上昇させるので、予測必要熱量をＨＰ加熱装置３による貯湯運転により蓄えて補助熱源機４の使用を抑え、貯湯給湯装置１のエネルギー消費効率の低下を抑えることができる。

最適貯湯温度決定手段による演算対象として、給水温度に代えて外気温度を用いることも可能である。給水温度と比べて外気温度は時間と共に変動し易い。そのため、外気温度に応じてＣＯＰを向上可能な最適貯湯温度を決定して貯湯可能なので、貯湯給湯装置１のエネルギー消費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、前記実施形態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 貯湯給湯装置
３ ＨＰ加熱装置
４ 補助熱源機
５ 貯湯タンク
９ 循環加熱回路
１０ 給水通路
１１ 貯湯制御部（最適貯湯温度決定手段、上限温度決定手段、貯湯制御手段）
１９ 給水温度センサ
２５ 循環ポンプ（循環手段）
４１ ＨＰ入水温度センサ
４４ 外気温度センサ

Claims (3)

1. ヒートポンプ（ＨＰ）加熱装置と、貯湯タンクと、循環加熱回路と、循環手段と、燃焼式の補助熱源機とを有し且つ給湯使用状況を学習記憶して将来の給湯使用量を予測すると共にＨＰ加熱装置により給湯使用の直前に予測必要熱量を貯湯する貯湯給湯装置において、
   予測必要熱量と貯湯タンク容量と給水温度から最適貯湯温度を演算する最適貯湯温度決定手段と、
   外気温度とＨＰ入水温度と加熱温度からＨＰのＣＯＰを演算すると共に、演算したＣＯＰと補助熱源機の燃焼効率に基づいて加熱上限温度を決定する上限温度決定手段と、
   前記最適貯湯温度が前記加熱上限温度を超える場合には、前記加熱上限温度を貯湯温度として貯湯する貯湯制御手段と、
   を備えたことを特徴とする貯湯給湯装置。
2. 給湯において前記補助熱源機が使用された場合には、その後に行う貯湯運転の最適貯湯温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯装置。
3. 前記最適貯湯温度決定手段による演算対象として、給水温度に代えて外気温度を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯給湯装置。