JP6834665B2 - 貯湯給湯暖房装置 - Google Patents

Description

本発明は、湯水を貯留する貯湯タンクと補助熱源機を備えた貯湯給湯暖房装置に関し、特に補助熱源機を使用して暖房と風呂追い焚きのどちらか一方又は両方を給湯と同時に行う貯湯給湯暖房装置に関する。

従来から給湯、暖房、風呂追い焚きの各機能を備えた貯湯給湯暖房装置が知られている。例えば、特許文献１の貯湯式給湯システムは、貯湯タンクに貯留された高温の湯水を給湯、暖房又は風呂追い焚きに使用可能な場合、即ち蓄熱状態が十分な場合に貯湯タンクの湯水を給湯、暖房又は風呂追い焚きに使用する。一方、蓄熱状態が不十分な場合には、湯水を補助熱源機により加熱して給湯し、補助熱源機又は外部熱源機により加熱した湯水により暖房又は風呂追い焚きを行っている。

このような貯湯給湯装置は、外部熱源機で加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、貯湯タンク上部から補助熱源機を経由して給湯栓等に接続される出湯通路と、この出湯通路の補助熱源機より下流側で分岐して補助熱源機の上流側に接続する湯水循環回路を備え、この出湯通路と湯水循環回路の接続部に三方弁が配設されている。三方弁は、貯湯タンクと補助熱源機が連通する状態（湯水循環回路側閉止状態）と、湯水循環回路と補助熱源機が連通する状態（貯湯タンク側閉止状態）と、貯湯タンクと湯水循環回路と補助熱源機が連通する状態（混合状態）とに切換え可能な切換手段である。湯水循環回路には、暖房用熱交換器と風呂追い焚き用熱交換器が設けられている。

特許第５３１１１２８号公報

特許文献１の貯湯式給湯システムは、給湯中に貯湯タンクの蓄熱状態が十分でなくなると湯水循環回路側閉止状態に三方弁を切換え、暖房中又は風呂追い焚き中に貯湯タンクの蓄熱状態が十分でなくなると貯湯タンク側閉止状態に三方弁を切換えて、補助熱源機を作動させて給湯、暖房又は風呂追い焚きを継続する。これにより、給湯温度、暖房温度、風呂温度の低下を防いでいる。

例えば暖房と給湯を同時に行う場合には、補助熱源機により加熱した湯水を使用することが考えられる。このとき給湯流量は常に一定とは限らないため、最大給湯流量を供給可能なように予め設定された混合状態に三方弁が切換えられる。貯湯タンクの湯水と湯水循環回路の湯水が三方弁において混合されて補助熱源機に供給され、補助熱源機により加熱された湯水が給湯と暖房に使用される。三方弁が予め設定された一定比率の混合状態になって補助熱源機の加熱能力を給湯と暖房に分配することになるので、このときの暖房能力は単独の暖房能力より低下する。

給湯流量が少ない場合には給湯の加熱能力に余裕がある。この加熱能力を暖房能力の低下を補うために利用して湯水循環回路の流量を増やすには、循環ポンプをより高回転で駆動する必要がある。しかし、循環ポンプの回転数には上限が設定され、回転数の上限近傍領域での駆動は循環ポンプの負担が大きいため好ましくない。また、循環ポンプをその上限近傍領域で駆動させても、三方弁が通水抵抗となって湯水循環回路の流量を増やすことが困難である。給湯と風呂追い焚きを同時に行う場合においても同様の問題がある。

本発明の目的は、補助熱源機により加熱された湯水を暖房又は風呂追い焚きと給湯に同時に利用する場合に、補助熱源機の加熱能力を適切に利用可能な貯湯給湯暖房装置を提供することである。

請求項１の発明は、加熱手段により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部に接続された給水通路と、前記貯湯タンクの上部に接続された出湯通路と、前記出湯通路に設けられた補助熱源機と、前記補助熱源機より下流側の前記出湯通路から分岐されて前記補助熱源機より上流側の前記出湯通路に接続された湯水循環回路と、前記湯水循環回路に設けられた熱交換器と、前記出湯通路と前記湯水循環回路の接続部に設けられた三方弁と、前記補助熱源機と前記三方弁の間の前記出湯通路に設けられた循環手段とを備え、前記循環手段を駆動して前記三方弁にて前記貯湯タンクの湯水と前記湯水循環回路の湯水を混合して前記補助熱源機により加熱した湯水を前記出湯通路から出湯する給湯運転と、前記補助熱源機により加熱した湯水を前記熱交換器にて利用する循環運転の同時運転を行う貯湯給湯暖房装置において、前記三方弁の混合比率は、前記給湯運転に必要な給湯必要流量及び前記循環運転に必要な循環必要流量を算出し、これらの比率に応じた混合比率とすることを特徴としている。

上記構成により、同時運転時には、算出された給湯必要流量と循環必要流量に基づいて三方弁の混合比率を調整するので、補助熱源機の加熱能力を適切に利用して湯水を加熱することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記循環手段の駆動状態に応じて前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴としている。

上記構成により、循環手段の駆動状態が駆動能力の上限近傍領域での駆動とならないようにすると共に、補助熱源機の加熱能力を適切に利用して湯水を加熱することができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記循環手段の回転数が設定回転数以上且つ前記循環必要流量が前記給湯必要流量以上の場合には、前記湯水循環回路側の流量を増やすように前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴としている。

上記構成により、より多くの湯水を必要とする湯水循環回路側の流量を増やすように三方弁の混合比率を補正調整するので、三方弁の通水抵抗を低下させて循環手段の駆動状態である回転数を低下させると共に湯水循環回路側の流量を増やすことができ、補助熱源機の加熱能力を適切に利用して湯水を加熱することができる。

請求項４の発明は、請求項１又は２の発明において、前記補助熱源機の出口温度と前記出湯通路の出湯温度に応じて前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴としている。

上記構成により、出湯温度の低下を抑制することができる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記補助熱源機の出口温度と前記出湯通路の出湯温度の差温が設定温度より大きい場合には、前記湯水循環回路側の流量を減らすように前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴としている。

上記構成により、給湯流量が少ない場合に貯湯タンク内の湯水が加熱されずに出湯通路に混入して給湯されることを防いで、出湯温度の低下を抑制することができる。

本発明の貯湯給湯暖房装置によれば、補助熱源機により加熱された湯水を利用した給湯運転と循環運転の同時運転時に、三方弁の混合比率を調整して補助熱源機の加熱能力を適切に利用することができる。

実施例に係る貯湯給湯暖房装置の概略構成図である。 補助熱源機で加熱した湯水を循環させる湯水循環運転の１例を示す図である。 貯湯タンクの湯水を補助熱源機により加熱して給湯する給湯運転を示す図である。 補助熱源機で加熱した湯水を循環させると共に給湯する同時運転の１例を示す図である。 実施例に係る同時運転の三方弁可変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、貯湯給湯暖房装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯暖房装置１は、貯湯タンク２、補助熱源機３等を備え、図示外の加熱手段である外部熱源機（例えばヒートポンプ式熱源機）により加熱して貯湯タンク２に貯留した湯水を給湯したり、補助熱源機３により加熱した湯水を給湯や暖房、風呂追い焚きに使用したりする。補助熱源機３は、燃料ガスの燃焼熱を利用して湯水を加熱する。

貯湯タンク２の湯水を出湯する出湯通路４は、貯湯タンク２の上部から三方弁５に接続された上流出湯通路部４ａと、三方弁５から補助熱源機３に接続された中間出湯通路部４ｂと、補助熱源機３から混合弁６に接続された下流出湯通路部４ｃにより構成されている。上流出湯通路部４ａは逆止弁４ｄを備えている。中間出湯通路部４ｂは、循環手段である循環ポンプ７と循環水量センサ８を備えている。下流出湯通路部４ｃは、補助熱源機出口温度センサ４ｅと、混合弁６に供給される湯水の出湯温度を検知する混合弁入口温度センサ４ｆと、混合弁６に供給される湯水量を調整可能な調整弁４ｇを備えている。

下流出湯通路部４ｃの調整弁４ｇより上流側から湯水循環回路１４が分岐されている。また、下流出湯通路部４ｃの調整弁４ｇより下流側に上流出湯通路部４ａから分岐されたタンク出湯通路部４ｈが接続され、貯湯タンク２内の湯水が給湯可能な場合にタンク出湯通路部４ｈを介して給湯される。

貯湯タンク２に上水を供給する給水通路９は、上流端が上水道に接続され、下流端が貯湯タンク２の下部に接続されている。給水通路９には、上水の温度を検知する給水温度センサ９ａと逆止弁９ｂと減圧弁９ｃと切換弁９ｄが設けられている。切換弁９ｄにおいて給水通路９から分岐された給水分岐通路部９ｅが湯水循環回路１４に接続されている。切換弁９ｄは上水の供給先を貯湯タンク２又は湯水循環回路１４に切換え可能である。

給水通路９から給水バイパス通路１０が分岐されて混合弁６に接続されている。また、給水バイパス通路１０は逆止弁１０ａを備えている。混合弁６は、出湯通路４の湯水と給水バイパス通路１０の上水を給湯設定温度になるように混合して給湯通路１１に流通させる。給湯通路１１は給湯水量センサ１１ａと給湯温度センサ１１ｂと水量調整弁１１ｃを備えている。給湯通路１１を流通する給湯設定温度の湯水は給湯栓等から給湯される。

貯湯タンク２の下部には外部熱源機に湯水を供給する上流加熱通路部１２ａが接続されると共に、この外部熱源機により加熱された湯水が流通する下流加熱通路部１２ｂが貯湯タンク２の上部に接続され、貯湯タンク２の上部から加熱された湯水を貯留する。貯湯タンク２の外周には、貯留された湯水の温度を検知する複数の貯湯温度センサ２ａ〜２ｄが上下方向に所定の間隔を空けて設けられている。

湯水循環回路１４は、上流湯水循環通路部１４ａと熱交換器部１４ｂと下流湯水循環通路部１４ｃを有する。上流湯水循環通路部１４ａは、下流出湯通路部４ｃから分岐して熱交換器部１４ｂを介して下流湯水循環通路部１４ｃに接続されている。下流湯水循環通路部１４ｃの下流端は三方弁５を介して出湯通路４に接続され、下流湯水循環通路部１４ｃの途中部分に給水分岐通路部９ｅが接続されている。三方弁５は、上流出湯通路部４ａを流れる貯湯タンク２の湯水と湯水循環回路１４を流れる湯水の混合比率を調整可能である。

熱交換器部１４ｂには、暖房熱交換器１５と風呂熱交換器１６が並列に配設され、夫々下流側に電磁弁１５ａ，１６ａを備えている。下流湯水循環通路部１４ｃは戻り温度センサ１４ｄを備えている。例えば暖房時には図２に示すように、三方弁５を貯湯タンク側閉止状態に調整すると共に循環ポンプ７を駆動して、補助熱源機３と暖房熱交換器１５の間を補助熱源機３により加熱された湯水が循環する循環運転を行うことができる。

貯湯給湯暖房装置１は、ユーザが操作可能な図示外の操作リモコンからの指令と貯湯給湯暖房装置１に配設された温度センサ等の検知信号等に基づいて、補助熱源機３等を制御する制御部２０を備えている。貯湯タンク２の湯水を補助熱源機３により加熱して給湯する給湯運転は、貯湯タンク２内の湯水が未加熱のままタンク出湯通路部４ｈから下流出湯通路部４ｃに混入し給湯されることを防ぐために、図３に示すように三方弁５を湯水循環回路側閉止状態にすると共に循環ポンプ７を駆動して、貯湯タンク２の湯水を補助熱源機３により加熱する。加熱された湯水は混合弁６において上水と混合され、給湯設定温度になった湯水が給湯通路１１を流通して給湯栓等に供給される。貯湯タンク２には、補助熱源機３に供給された湯水と同量の上水が給水通路９から供給される。

次に、暖房運転について説明する。
暖房運転は、図２に示す循環運転により湯水循環回路１４を流れる湯水の熱を利用して行われる。制御部２０は、暖房運転が開始されると、循環ポンプ７を駆動し湯水循環回路１４の暖房熱交換器１５を湯水が流れるように電磁弁１５ａを開ける。また、暖房回路１７において、暖房ポンプ１７ａを駆動して暖房熱交換器１５と図示外の暖房端末との間に暖房熱媒を循環させる。

制御部２０は、補助熱源機出口温度センサ４ｅ、戻り温度センサ１４ｄや暖房回路１７に設けられた熱媒温度センサ１７ｂにより検知された循環する湯水の温度や暖房熱媒の温度に基づいて、循環ポンプ７や補助熱源機３、暖房ポンプ１７ａを制御し、暖房熱媒の温度が所定の熱媒温度になるように暖房運転をする。

次に、風呂追い焚き運転について説明する。
風呂追い焚き運転は、暖房運転と同様に循環運転により湯水循環回路１４を流れる湯水の熱を利用して行われ、図２の暖房熱交換器１５の代わりに風呂熱交換器１６に湯水を流通させる。制御部２０は、風呂追い焚き運転が開始されると、循環ポンプ７を駆動させ風呂熱交換器１６を湯水が流れるように電磁弁１６ａを開ける。また、追い焚き回路１８において、風呂ポンプ１８ａを駆動して風呂熱交換器１６と図示外の浴槽の間に浴槽水を循環させる。

制御部２０は、補助熱源機出口温度センサ４ｅ、戻り温度センサ１４ｄや追い焚き回路１８に設けられた風呂温度センサ１８ｂに検知された循環する湯水の温度や浴槽水の温度に基づいて、循環ポンプ７や補助熱源機３、風呂ポンプ１８ａを制御し、浴槽水の温度が所定の浴槽温度になるように風呂追い焚き運転をする。

貯湯給湯暖房装置１は、図４に示すように、補助熱源機３を使用して給湯運転と循環運転を同時に行う同時運転を実行可能に構成されている。同時運転において、制御部２０は、循環水量センサ８及び給湯水量センサ１１ａに検知される水量と、混合弁入口温度センサ４ｆ及び給湯温度センサ１１ｂに検知される温度に基づいて、給湯に必要とされる下流出湯通路部４ｃの調整弁４ｇより下流側の給湯必要流量と、暖房又は風呂追い焚きに必要とされる湯水循環回路１４の循環必要流量を算出する。また、制御部２０は算出した給湯必要流量と循環必要流量の比率に応じて三方弁５の混合比率を調整し、その他の条件に応じて混合比率を補正調整する可変制御を行う。

次に、同時運転時の三方弁５の可変制御について図５に基づいて説明する。尚、Ｓｉ（ｉ＝１，２・・・）はステップを表す。
同時運転の開始により三方弁可変制御が開始されると、Ｓ１において三方弁５を初期混合比率に調整する。初期混合比率は、所定の出湯流量を確保可能なように予め設定された混合比率である。

次に、Ｓ２において、算出した給湯必要流量が毎分γＬ（例えば毎分３Ｌ）未満の状態がＴａ秒（例えば１秒）以上継続しているか否か判定する。判定がＹｅｓの場合は、Ｓ３に進み、判定がＮｏの場合はＳ９に進む。Ｓ３において、三方弁５を初期混合比率に調整後の運転時間がＴｂ秒（例えば３秒）を超えたか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ４に進み、判定がＮｏの場合はＳ１に戻る。

次に、Ｓ４において、給湯運転又は循環運転が停止されたか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ１５に進んで三方弁５を現在の運転に対応するように調整し、三方弁可変制御を終了する。判定がＮｏの場合はＳ５に進む。

次に、Ｓ５において、調整弁４ｇの開度が設定開度（例えば弁開度５０％）以下か否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ６に進み、判定がＮｏの場合はＳ１２に進む。

次に、Ｓ６において、補助熱源機出口温度センサ４ｅに検知される補助熱源機３の出口温度と混合弁入口温度センサ４ｆに検知される出湯通路４の出湯温度の差温が、設定温度として第１設定温度α℃（例えば２℃）より大きいか否か判定する。即ち補助熱源機３で加熱された湯水が混合弁６に到達するまでに第１設定温度α℃より大きい温度低下があるか否か判定する。判定がＹｅｓの場合は、貯湯タンク２の湯水がタンク出湯通路部４ｈを介して下流出湯通路部４ｃに流れ込んでいると判断してＳ７に進み、判定がＮｏの場合はＳ１２に進む。

次に、Ｓ７において、下流出湯通路部４ｃの出湯圧を上げて貯湯タンク２の湯水の下流出湯通路部４ｃへの流れ込みを抑えるために、上流出湯通路部４ａを流れる貯湯タンク２側の流量を増やすように（湯水循環回路１４側の流量を減らすように）三方弁５の混合比率を補正調整する。次に、Ｓ８において、補助熱源機出口温度センサ４ｅに検知される出口温度と混合弁入口温度センサ４ｆに検知される出湯温度の差温が、第２設定温度β℃（例えば０．５℃）以下か否か判定する。判定がＹｅｓの場合は、下流出湯通路部４ｃへの貯湯タンク２の湯水の流れ込みが抑えられたと判断してＳ４に戻る。判定がＮｏの場合は、Ｓ７に戻る。

一方、Ｓ２において判定がＮｏの場合は、Ｓ９において、算出した給湯必要流量と循環必要流量に基づいて上流出湯通路部４ａを流れる貯湯タンク２側の流量を増やすように三方弁５の混合比率を調整してＳ１０に進む。Ｓ１０においてＳ９の三方弁５の混合比率調整後の運転時間がＴｃ秒（例えば２秒）を超えたか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ１０に進み、判定がＮｏの場合はＳ９に戻る。

次に、Ｓ１１において、給湯運転又は循環運転が停止されたか否か判定する。判定がＹｅｓの場合はＳ１５に進んで三方弁５を現在の運転に対応するように調整し、三方弁可変制御を終了する。判定がＮｏの場合はＳ１２に進む。

次に、Ｓ１２において、循環ポンプ７の駆動状態について、例えば循環ポンプ７の回転数の上限近傍領域の基準となる設定回転数以上で駆動する状態がＴｄ秒（例えば２秒）以上継続しているか否か判定する。判定がＹｅｓの場合にはＳ１３に進み、判定がＮｏの場合にはＳ４に戻る。

次に、Ｓ１３において、算出した循環必要流量が給湯必要流量以上であるか否か判定する。判定がＹｅｓの場合には、Ｓ１４において湯水循環回路１４側の流量を増やすように三方弁５の混合比率を補正調整してＳ４に戻り、判定がＮｏの場合にはＳ１に戻る。尚、上記時間、温度、弁開度は貯湯給湯暖房装置１の仕様等に応じて適宜設定可能であり、上記の値に限定されるものではない。

次に、本発明の貯湯給湯暖房装置１の作用、効果について説明する。
本発明の貯湯給湯暖房装置１は、補助熱源機３を使用して給湯運転と循環運転の同時運転するときに、算出した給湯必要流量と循環必要流量に基づいて三方弁５の混合比率を調整するので、補助熱源機３の加熱能力を適切に利用して湯水を加熱することができる。また、循環ポンプ７の駆動状態に応じて三方弁５の混合比率を補正調整するので、循環ポンプ７の回転数を下げて同時運転を行うことができる。

その上、循環ポンプ７の回転数が設定回転数以上且つ算出された循環必要流量が給湯必要流量以上の場合には、湯水循環回路１４側の流量を増やすように三方弁５の混合比率を補正調整するので、三方弁５における通水抵抗を低下させて循環ポンプ７の回転数を低下させると共に湯水循環運転の流量を増やすことができ、補助熱源機３の加熱能力を適切に利用して湯水を加熱することができる。

また、補助熱源機３の出口温度と出湯通路４の出湯温度に応じて三方弁５の混合比率を補正調整するので、下流出湯通路部４ｃを流通する出湯温度の低下を抑制することができる。その上、補助熱源機３の出口温度と出湯通路４の出湯温度の差温が設定温度より大きい場合には、貯湯タンク２側の流量を増やすように三方弁５の混合比率を補正調整するので下流出湯通路部４ｃの出湯圧が上昇する。そのため、貯湯タンク２内の湯水が未加熱のままタンク出湯通路部４ｈから下流出湯通路部４ｃに混入し給湯されることを防ぐことができ、出湯温度の低下を抑制することができる。

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 貯湯給湯暖房装置
２ 貯湯タンク
３ 補助熱源機
４ 出湯通路
４ｅ 補助熱源機出口温度センサ
４ｆ 混合弁入口温度センサ
４ｇ 調整弁
５ 三方弁
６ 混合弁
７ 循環ポンプ
８ 循環水量センサ
９ 給水通路
１０ 給水バイパス通路
１１ 給湯通路
１１ａ 給湯水量センサ
１１ｂ 給湯温度センサ
１４ 湯水循環回路
１４ａ 上流湯水循環通路部
１５ 暖房熱交換器
１６ 風呂熱交換器
２０ 制御部

Claims (5)

1. 加熱手段により加熱された湯水を貯留する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部に接続された給水通路と、前記貯湯タンクの上部に接続された出湯通路と、前記出湯通路に設けられた補助熱源機と、前記補助熱源機より下流側の前記出湯通路から分岐されて前記補助熱源機より上流側の前記出湯通路に接続された湯水循環回路と、前記湯水循環回路に設けられた熱交換器と、前記出湯通路と前記湯水循環回路の接続部に設けられた三方弁と、前記補助熱源機と前記三方弁の間の前記出湯通路に設けられた循環手段とを備え、前記循環手段を駆動して前記三方弁にて前記貯湯タンクの湯水と前記湯水循環回路の湯水を混合して前記補助熱源機により加熱した湯水を前記出湯通路から出湯する給湯運転と、前記補助熱源機により加熱した湯水を前記熱交換器にて利用する循環運転の同時運転を行う貯湯給湯暖房装置において、
   前記三方弁の混合比率は、前記給湯運転に必要な給湯必要流量及び前記循環運転に必要な循環必要流量を算出し、これらの比率に応じた混合比率とすることを特徴とする貯湯給湯暖房装置。
2. 前記循環手段の駆動状態に応じて前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯暖房装置。
3. 前記循環手段の回転数が設定回転数以上且つ前記循環必要流量が前記給湯必要流量以上の場合には、前記湯水循環回路側の流量を増やすように前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴とする請求項２に記載の貯湯給湯暖房装置。
4. 前記補助熱源機の出口温度と前記出湯通路の出湯温度に応じて前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯給湯暖房装置。
5. 前記補助熱源機の出口温度と前記出湯通路の出湯温度の差温が設定温度より大きい場合には、前記湯水循環回路側の流量を減らすように前記三方弁の混合比率を補正調整することを特徴とする請求項４に記載の貯湯給湯暖房装置。