JP7065661B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ及び貯湯タンクを用いた給湯運転が実行可能な給湯システムに関するものである。

近年、エネルギー消費の低減を目的として住宅用給湯に冷凍サイクルと、貯湯タンクを用いた給湯システムの普及が進んでいる。また、給湯システムにおいては、貯湯タンクを用いて、深夜に沸き上げ運転を行うことで、深夜電気料金の利用によるランニングコスト低減が可能となっている。このとき、深夜沸き上げ時の目標温度をユーザの使用状況に応じて変更することで、さらにエネルギー消費の低減を可能とするシステムが提案されている。例えば、特許文献１では、ユーザの使用湯量及び温度を計測し、沸き上げ温度を変更することで、沸き上げ時のヒートポンプ効率を上昇させてエネルギー消費の低減を実現している。

特許第３９７７２４１号公報

特許文献１においては、深夜沸き上げの温度を変更することによって、エネルギー消費の低減を実現している。ただし、深夜沸き上げ温度の低下は、貯湯タンクからの放熱に対して、湯水に必要な温度、いわゆる有効温度を維持することが必要となっている。そのため、夜間の沸き上げ温度を高く維持するか、もしくは、昼間に沸き上げをして高温水を維持しておく必要がある。しかしながら、前者は、放熱量が増加するために、夜間の沸き上げ熱量及び温度を増加する必要がありエネルギーロスが発生する。一方、後者は、深夜と比較して電力料金が高くなる場合があり、コストの点でデメリットが発生する可能性がある。

また、現在では湯張りなどの昼間の給湯時において、ヒートポンプにて低温の湯を高効率で発生させて、高温の湯と混合して出湯するなど、昼間のヒートポンプ沸き上げを高効率化する制御方法も提案されている。ただし、上記のような状況の中においては、昼間沸き上げ温度の最適値について、電気料金体系、外気温度による放熱量、タンク自体の断熱性能、及び、ユーザの使用状況の影響が大きい。そのため、機器性能及び仕様だけでコスト及び効率の面で最適化することは不可能に近いという課題があった。

本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたもので、ユーザの実使用に基づいて、電力コストを最小化できる給湯システムを提供することを目的としたものである。

本発明に係る給湯システムは、貯湯タンクと、前記貯湯タンクに貯留された湯水が供給される給湯端末と、前記貯湯タンクに貯留する湯水を沸き上げる熱交換器を備えたヒートポンプと、前記ヒートポンプを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、昼間に行う沸き上げ運転での第一の目標温度が、前記給湯端末での第二の目標温度よりも低い第一の沸き上げ制御と、昼間に行う沸き上げ運転での第一の目標温度が、前記給湯端末での第二の目標温度よりも高い第二の沸き上げ制御と、を有し、前記第一の沸き上げ制御の実行で得られた運転履歴及び前記第二の沸き上げ制御の実行で得られた運転履歴から前記ヒートポンプのエネルギー効率及びコスト効率を計算し、前記ヒートポンプのエネルギー効率の比較もしくは前記コスト効率の比較から前記第一の沸き上げ制御または前記第二の沸き上げ制御を選択するものである。

本発明に係る給湯システムによれば、ユーザの使用状況、外気環境、及び、電気料金体系を加味したユーザの実使用に基づく運転制御を実現することができ、電力コストの最小化が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る給湯システムの構成例を概略的に示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１に係る給湯システムのヒートポンプユニットにおける冷凍サイクルの動作を示すモリエル線図である。 図２のモリエル線図に、出湯目標温度を追加したモリエル線図である。 給湯負荷スケジュールの一例を示すグラフである。 制御１及び制御２の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係る給湯システムが実行する制御１と制御２を判定する際の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る給湯システムが実行する制御判定の際の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る給湯システムの制御装置の機能構成を示す機能ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施の形態で使用する各図においては、共通する要素に同一の符号付けをするものとする。また、本発明は、以下に説明する実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、本実施の形態において、「湯水」とは、温水及び冷水を総称している。また、浴槽５０の湯水とは、浴槽５０に貯められている湯水を意味し、貯湯タンク１２０の湯水とは、貯湯タンク１２０に貯留されている湯水を意味しているものとする。

実施の形態１．
＜システム構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る給湯システム１０００の構成例を概略的に示す概略構成図である。図１に基づいて、給湯システム１０００のシステム構成について説明する。給湯システム１０００は、給湯装置１００、湯張り給湯端末３０、及び、一般給湯端末４０を有し、給湯装置１００を用いて給湯運転を実行し、ユーザが所望する温度の湯水を湯張り給湯端末３０及び一般給湯端末４０に供給するものである。

給湯システム１０００は、湯張り給湯端末３０及び一般給湯端末４０を備えている。湯張り給湯端末３０は、湯張り給湯配管Ｃに接続され、貯湯タンク１０に貯湯されている湯水が供給されるものである。湯張り給湯端末３０は、例えば浴槽５０に設置されている。
一般給湯端末４０は、一般給湯配管Ｄに接続され、貯湯タンク１０に貯湯されている湯水が供給されるものである。一般給湯端末４０は、例えばシャワーヘッドなどとして利用される。なお、一般給湯端末４０は、他に、調理場又は風呂場等に設定される蛇口等としても利用される。また、湯張り給湯端末３０及び一般給湯端末４０を図示している個数に限定するものではない。

湯張り給湯配管Ｃ及び一般給湯配管Ｄは、三方弁１２を介して給湯配管Ａに接続されている。つまり、三方弁１２の一方に湯張り給湯配管Ｃが接続され、三方弁１２のもう一方に一般給湯配管Ｄが接続され、三方弁１２の更にもう一方に給湯配管Ａに繋がる接続配管Ａ１が接続されている。給湯配管Ａは、貯湯タンク１０の上部、中部、及び、下部の湯水取り出し口に接続されている。図１では、貯湯タンク１０の上部の湯水取り出し口を上部取り出し口１０ｃとして図示し、貯湯タンク１０の中部の湯水取り出し口を中部取り出し口１０ｂとして図示し、貯湯タンク１０の下部の湯水取り出し口を下部取り出し口１０ａとして図示している。

上部取り出し口１０ｃ、中部取り出し口１０ｂ、及び、下部取り出し口１０ａからそれぞれ取りだされる湯水を混合弁１１によってユーザの所望する湯水温度に調整し、ユーザが所望する温度及び湯張り量の湯水を給湯配管Ａを介して給湯するようになっている。混合弁１１は４つのポートを有している。混合弁１１の上部取り出し口１０ｃに接続された給湯配管Ａと連通するポートを第１ポート１１ａとして図示する。混合弁１１の中部取り出し口１０ｂに接続された給湯配管Ａと連通するポートを第２ポート１１ｂとして図示する。混合弁１１の下部取り出し口１０ａに接続された給湯配管Ａと連通するポートを第３ポート１１ｃとして図示する。混合弁１１の三方弁１２に接続された接続配管Ａ１と連通するポートを第４ポート１１ｄとして図示する。

なお、貯湯タンク１０の上部には高温の湯水が貯留され、貯湯タンク１０の中部には中温の湯水が貯留され、貯湯タンク１０の下部には低温の湯水が貯留されている。また、以下の説明において、高温の湯水を高温水と称する場合があり、中温の湯水を中温水と称する場合があり、低温の湯水を低温水と称する場合がある。さらに、貯湯タンク１０の下部には、給水端８０が接続されている。

また、給湯装置１００は、ヒートポンプユニット２０及び貯湯タンク１０を備えている。ヒートポンプユニット２０は、圧縮機、第１熱交換器、膨張弁、及び、第２熱交換器が配管接続されたヒートポンプを有し、凝縮器を介して沸き上げ配管Ｂを流れる湯水を沸き上げる。ヒートポンプユニット２０で沸き上げられた湯水は貯湯タンク１０の上部に貯留される。つまり、沸き上げ配管Ｂは、貯湯タンク１０の下部、沸き上げ用ポンプ２１、ヒートポンプユニット２０、及び、貯湯タンク１０の上部を接続している。沸き上げ配管Ｂによって、貯湯タンク１０の下部に貯留されている低温水がヒートポンプユニット２０に供給され、ヒートポンプユニット２０で沸き上げられた高温水が貯湯タンク１０の上部に供給される。

以上のように、給湯システム１０００では、給湯装置１００のヒートポンプユニット２０によって湯水を沸き上げ、沸き挙げた湯水を貯湯タンク１０に貯留するようになっている。給湯システム１０００では、ユーザからの要求に応じて、給水端８０又は下部取り出し口１０ａから供給される低温水、上部取り出し口１０ｃから供給される高温水、及び、中部取り出し口１０ｂから供給される中温水を混合する。そして、目標湯温に調整した湯水を一般給湯端末４０又は湯張り給湯端末３２０に給湯する。

さらに、給湯装置１００は、給湯装置１００の全体の動作を統括制御する制御装置６０と、ユーザの指示を受け付けて制御装置６０に伝えるリモートコントローラ７０と、を有している。制御装置６０とリモートコントローラ７０とは、無線もしくは有線通信を介して接続されている。

貯湯タンク１０は、ステンレスなどの金属又は樹脂などで形成されている。貯湯タンク１０の外側には図示省略の断熱材が配置されている。これにより、貯湯タンク１０内で、高温水を長時間に渡って保温することができる。
また、貯湯タンク１０は、下部において給水端８０への配管が接続され、給水端８０を介して下部から低温水が供給される。また、貯湯タンク１０は、下部においてヒートポンプユニット２０に沸き上げ配管Ｂで接続され、上部においてヒートポンプユニット２０に沸き上げ配管Ｂで接続される。

これにより、沸き上げ配管Ｂを介して貯湯タンク１０の下部から流出した低温水が、ヒートポンプユニット２０内の第１熱交換器、つまり凝縮器を経て高温水となり、沸き上げ配管Ｂを介して貯湯タンク１０の上部へ戻される。このような循環によって沸き上げ回路が構成される。なお、沸き上げ回路における湯水の循環は、沸き上げ用ポンプ２１を駆動させることにより実行する。

ヒートポンプユニット２０のヒートポンプには、冷媒として例えばＣＯ_２又はＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）などが循環する。ヒートポンプユニット２０は、圧縮機、冷媒と水との間の熱交換を行う第１の熱交換器、膨張弁、及び、外気と冷媒との間の熱交換を行う第２の熱交換器を配管接続したヒートポンプを有している。また、ヒートポンプユニット２０は、第２の熱交換器に空気を供給する送風機、各種温度センサー、及び、アクチュエータの駆動制御を実行する制御基板等を備えている。

また、給湯装置１００は、下部温度センサー１ａ、中部温度センサー１ｂ、上部温度センサー１ｃ、給湯温度センサー１ｄ、及び、流量センサー２ａを有している。
なお、以下の説明において、下部温度センサー１ａ、中部温度センサー１ｂ、上部温度センサー１ｃ、及び、給湯温度センサー１ｄを単に温度センサーと称する場合がある。

下部温度センサー１ａは、貯湯タンク１０の下部に設置され、貯湯タンク１０の下部に貯留されている湯水の温度を測定するものである。中部温度センサー１ｂは、貯湯タンク１０の中部に設置され、貯湯タンク１０の中部に貯留されている湯水の温度を測定するものである。上部温度センサー１ｃは、貯湯タンク１０の上部に設置され、貯湯タンク１０の上部に貯留されている湯水の温度を測定するものである。給湯温度センサー１ｄは、接続配管Ａ１に設置され、接続配管Ａ１を流れる湯水の温度を測定するものである。流量センサー２ａは、接続配管Ａ１に設置され、接続配管Ａ１を流れる湯水の流量を測定するものである。

図８は、給湯システム１０００の制御装置６０の機能構成を示す機能ブロック図である。図８に基づいて、制御装置６０の機能について更に説明する。

温度センサー、及び、流量センサー２ａでの測定情報は、制御装置６０に送られる。また、制御装置６０には、リモートコントローラ７０を介してのユーザからの運転指示、湯張り給湯端末３０からの要求、及び、一般給湯端末４０からの要求が入力される。そして、制御装置６０は、それらの情報に基づき、ヒートポンプユニット２０、混合弁１１、三方弁１２、及び、沸き上げ用ポンプ２１の動作を制御する。

制御装置６０は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することができる。また、制御装置６０は、マイクロコンピュータのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成することもできる。
また、リモートコントローラ７０は、給湯システム１０００の運転モード、給湯設定温度、及び、給湯設定湯量などの運転情報の指示を受け付けるものである。リモートコントローラ７０は、給湯システム１０００に付属の装置であってもよく、スマートフォン、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、パソコン、又は、タブレット等であってもよい。

図８に示すように、制御装置６０は、機能的には、測定部６０ａと、演算部６０ｂと、制御部６０ｃと、記憶部６０ｄと、を備える。測定部６０ａは、温度センサー、及び、流量センサー２ａでの情報に基づいて湯水の温度及び湯水の流量を測定する。演算部６０ｂは、測定部６０ａでの測定結果を用いて、制御部６０ｃへの指示内容を演算する。制御部６０ｃは、演算部６０ｂでの演算結果に基づいて、ヒートポンプユニット２０、混合弁１１、三方弁１２、及び、沸き上げ用ポンプ２１の動作を制御する。記憶部６０ｄは、演算部６０ｂでの演算結果、給湯設定温度、及び、給湯設定湯量等を記憶する。

＜給湯制御＞
（沸き上げ時の冷凍サイクル効率について）
図２及び図３を用いて、給湯システム１０００の給湯制御を説明する。図２は、給湯システム１０００のヒートポンプユニット２０における冷凍サイクルの動作を示すモリエル線図である。図３は、図２のモリエル線図に、出湯目標温度を追加したモリエル線図である。まず、給湯システム１０００の沸き上げ時の冷凍サイクル効率について説明する。
なお、図２及び図３では、状態（１）が「冷媒の吸入状態」を示し、状態（２）が「冷媒の吐出状態」を示し、状態（３）が「冷媒の凝縮状態」を示し、状態（４）が「冷媒の膨張状態」を示している。

「状態（１）」は、第２の熱交換器で蒸発した冷媒が圧縮機に吸入される際の冷媒の状態を表している。
「状態（２）」は、圧縮機によって冷媒が圧縮された冷媒が圧縮機から吐出した際の冷媒の状態を表している。
「状態（３）」は、第１の熱交換器によって冷媒が凝縮した際の冷媒の状態を表している。
「状態（４）」は、膨張弁を通過して膨張した冷媒が第２の熱交換器に流入する際の冷媒の状態を表している。

沸き上げ時の熱交換は、図２での状態（２）から状態（３）への変化にあたる。ここで、圧縮機の仕事、つまり入力は、状態（２）と状態（１）とのエンタルピー差で表現される。したがって、圧縮機の仕事により第１の熱交換器の加熱能力を上昇、つまり効率を上昇させるためには、状態（２）と状態（３）とのエンタルピー差を大きくすればよいということが理解できる。

状態（２）の吐出温度は、沸き上げ時の目標温度が高いほど高くする必要がある。つまり、図３の状態（２‘）で示すような目標温度とする必要がある。沸き上げ時の目標温度を高くするほど、圧縮機での仕事も大きくなるので、圧縮機入力が増加し、冷凍サイクルの効率は低下する。一方、沸き上げ時の目標温度が低い場合は、逆に圧縮機の仕事が低くなるため、冷凍サイクルの効率が上昇する。

次に、給湯システム１０００の一般的な給湯使用状況について説明する。図４は、給湯負荷スケジュールの一例を示すグラフである。図４では、横軸が時間を示し、縦軸が使用熱量を示している。

貯湯タンク１０内の蓄熱量は、ユーザの使用状況、沸き上げ運転制御、及び、貯湯タンク１０からの放熱量によって異なる。特にユーザの使用状況は、ユーザの生活環境によって大きく異なるため、実際の制御ではユーザの使用パターンを学習して最適な沸き上げ量を計算するようになっている。ただし、今回は特に指定がない場合は一般的なユーザの使用状況を模擬することにした。そのため、ＪＩＳ試験規格のように日中の使用湯量は少なく、図４に示すように、夕方にふろ湯張り、及び、追い焚きなどが発生して使用湯量が増加するような生活パターンとして説明するものとする。

ここで、深夜沸き上げ及び昼間沸き上げについての定義を説明する。実施の形態１では、電気料金が深夜料金となる時間帯（一般には２３：００－７：００）を深夜の時間帯として、この時間帯に発生する沸き上げ運転を「深夜沸き上げ」と定義する。また、実施の形態１では、深夜の時間帯以外の時間帯に発生する沸き上げ運転を「昼間沸き上げ」と定義する。

（深夜沸き上げの温度設定について）
深夜沸き上げでは、昼間に使用する湯水を貯湯タンク１０に貯湯しておく。その際、深夜沸き上げ運転にて沸き上げられた湯水は昼間の未使用時間に放熱されるため、ユーザの使用設定温度よりも高温に沸き上げる必要がある。例えば、湯水の設定温度は４０℃前後であることが多く、また浴槽５０内の湯水を加熱する際には、第１の熱交換器にてふろ戻り温度は５０度程度まで加熱されるため、深夜沸き上げ温度は少なくとも５０℃以上は必要となる。

（昼間沸き上げの温度設定について）
一方、昼間に沸き上げる場合は温度の制約は少なくなる。まず、放熱によるエネルギーロスを考える必要がないため、深夜沸き上げ温度よりも沸き上げ温度目標は低く設定することが可能である。また、深夜沸き上げの状態、及び、ユーザ使用状況によってさらに低温化が可能となる。例えば、ユーザが追い焚きを使用しないことが分かっていれば、沸き上げ温度は４０℃前後まで低下することが可能である。さらに、深夜沸き上げによる高温水が貯湯タンク１０の上部に貯湯されている場合には効率を優先して、ヒートポンプの効率が最高となる、例えば最低周波数状態で運転し、高温水と混合して出湯することができる。こうすることで、ヒートポンプを最大限高効率化することも可能となる。

（深夜沸き上げ温度の制約について）
深夜沸き上げ温度の制約の一つに衛生面の課題が挙げられる。貯湯式タンクを用いて給湯システムの課題の一つとして、貯湯タンク内で繁殖したレジオネラ菌などの対策が挙げられる。つまり、貯湯タンク内においてレジオネラ菌などの繁殖を抑制する必要があり、一般的には沸き上げ温度を６０℃以上とすることで対策している。沸き上げ温度を６０℃以上とすることで、レジオネラ菌などの繁殖を抑制できるとされているからである。

以上のことから、昼間沸き上げは目標温度の自由度が高いが、深夜沸き上げは制約が多いため、目標温度の自由度が低い。したがって、給湯制御には昼間沸き上げ温度から見て、大きく２種類に分類することができる。今回は昼間沸き上げ温度を低くする場合が発生する第一の沸き上げ制御と、昼間沸き上げ温度を高くする場合が発生する第二の沸き上げ制御と、の２つの制御動作をそれぞれ説明する。なお、第一の沸き挙げ制御を「制御１」、第二の沸き上げ制御を「制御２」と称するものとする。

図５は、制御１及び制御２の蓄熱量の時間変化を示すグラフである。図５では、横軸が時間を示す、縦軸が蓄熱量を示している。図５では、実線が制御１の蓄熱量の時間変化を示し、点線が制御２の蓄熱量の時間変化を示している。また、説明に際しては、「制御１」及び「制御２」の沸き上げ熱量の総量に対する昼間の沸き上げ熱量と、夜間の沸き上げ熱量の比率は同等とする前提条件としている。さらに、沸き上げ熱量の比率の例としては、たとえばＪＩＳの試験規格から昼間沸き上げ熱量を全体の２０％とするなどを想定している。

（昼間沸き上げ温度の定義）
ここで、「昼間沸き上げ温度が低い場合」の定義は、「第一の目標温度となる昼間沸き上げ温度」が、第二の目標である給湯温度、つまり４０℃以下の場合であるとする。「昼間沸き上げ温度が高い場合」の定義は、「第一の目標温度となる昼間沸き上げ温度」が、第二の目標温度である追い焚きに使用可能な給湯温度、つまり５５℃以上の場合であるとする。なお、いずれの場合であっても基準となる給湯温度は、厳密にその温度値である必要はなく、多少の幅があってもよい。また、給湯温度とは、湯張り給湯端末３０に供給される湯水の温度のことを意味している。

（制御１：昼間沸き上げ温度が低い場合）
昼間沸き上げ温度が低い場合は、昼間沸き上げ時のヒートポンプ効率が改善される一方で、追い焚き用の高温熱源が昼間に確保できない。そのため、夜間の沸き上げで追い焚き熱源を確保する必要がある。結果、放熱によるエネルギーロスを見込んだ沸き上げ温度設定及び熱量確保が必要となり、図５の実線で示すように沸き上げ熱量が増加する傾向にある。

（制御２：昼間沸き上げ温度が高い場合）
昼間沸き上げ温度が高い場合は、昼間沸き上げ時のヒートポンプ効率は制御１と比較して低くなるため、昼間沸き上げでの消費電力は多くなる。一方で、追い焚き用の高温熱源が昼間に確保できる。そのため、制御１と比較すると放熱によるエネルギーロスが低減され、深夜の沸き上げ熱量を低下させることが可能となり、図５の点線で示すように制御１と比較すると沸き上げ熱量の総量は少なくできる。また、追い焚き熱源を昼間に確保することで、深夜の沸き上げ目標温度を低く設定が可能であり、効率が高くなる。

次に、制御１及び制御２で影響を受ける外部因子について説明する。実施の形態１では、消費電力又はコストのどちらかを比較することを目的としており、影響を受ける外部因子は外気温度、外気温度変化、タンク断熱性能、生活パターン、及び、電気料金体系として説明する。各因子の影響については以下に詳細を説明する。なお、電気料金体系とは、コストのみであり、コスト以外の料金を含めていない。

（外気温度）
沸き上げ時に外気温度が与える給湯装置１００のヒートポンプ効率の影響を説明する。給湯装置１００では常に温水を生成するため、室外機は放熱器あるいは蒸発器として機能し、外気を冷却して再び外気に放出する。したがって、外気温度が高いほど、交換熱量に必要な蒸発温度が高くできる。そのため、冷凍サイクルから見ると、圧縮機の仕事率が低下し、効率が上昇する結果、消費電力は低下する。

外気温度が与える放熱量の影響を説明する。外気温度が高い場合、外気温度と貯湯タンク１０内の貯湯温度との差が小さい。放熱量は貯湯タンク１０の熱通過率と、外気温度とタンク内温度との差温と、にて決まるため、外気温度が高いほど、放熱量が低下し、放熱によるエネルギーロス低減による沸き上げ熱量が低下する結果、消費電力は低下する。このことから、深夜沸き上げは、外気温度が高いほど、放熱によるエネルギーロスが低減するため、深夜沸き上げ温度が高温になりやすい制御１の優位性が高くなる傾向にある。

（外気温度変化）
外気温度が変化することによる給湯装置１００への影響を説明する。一般に、外気温度は昼間上昇し、夜間低下する。冷凍サイクルの特性から、同じ沸き上げ温度目標であっても、外気温度の高い昼間沸き上げの方が冷凍サイクルの高効率化となる。そのため、消費電力は昼間沸き上げの方が低減する。

（電気料金体系）
一般には、深夜時間帯、例えば午後１１：００～午前７：００までの時間帯の使用電力を増加し、電力供給の負荷平準化を目的として、深夜電力料金は昼間よりも安価な場合が多くなることが多い。したがって、深夜沸き上げでは、効率が昼間沸き上げよりも低い場合でも、コストは深夜沸き上げの方が安価となる可能性がある。このことから、深夜電気料金が安価な場合は、深夜の沸き上げ熱量、及び、目標温度が高くなる制御１に優位性がある。

（タンク断熱性能）
タンク断熱性能が高いと貯湯タンク１０からの放熱量が低減するため、放熱によるエネルギーロスが低減する。特に深夜沸き上げの場合は、貯湯タンク１０内で貯湯する時間が長く、断熱性能によって大きく放熱量が変化する。貯湯タンク１０の断熱性能が高いほど、深夜沸き上げによって放熱によるエネルギーロスが低減されるため、深夜沸き上げ温度が高くなる制御１の優位性が高くなる。

（生活パターン）
生活パターンの給湯装置１００への影響をＪＩＳ試験規格のように夜に湯張り運転をする場合と、朝に湯張り運転をする場合とで比較して説明する。夜間に湯張り運転する場合には、貯湯タンク１０内に深夜に沸き上げた熱量を蓄熱する時間が長くなるため、放熱によるエネルギーロスが発生する時間が長くなる。つまり、制御２に優位性が発生する。一方で、朝に湯張り運転をする場合には、蓄熱時間が短く、放熱によるエネルギーロスの発生時間が短くなる。つまり、制御１に優位性が発生する。

上記の結果から、給湯装置１００のランニングコスト及び消費電力量は、様々な因子の影響を受けるため、一意に最適化をすることが困難である。そこで、給湯システム１０００では、このような状況下の中で、昼間沸き上げ温度最適化制御１を行い、消費エネルギーの低減、もしくはコストの低減となる運転状態を提示する。以下に、制御１と制御２の判定フローを説明する。

図６は、給湯システム１０００が実行する制御１と制御２を判定する際の処理の流れを示すフローチャートである。なお、図６に示す各ステップは、制御装置６０により実行される。

（ステップＳ１）
ステップＳ１では、制御１での運転を一定期間行い、１日ごとの沸き上げ熱量、消費電力量、及び、電力コストを取得する。一定期間とは、制御１での運転を少なくとも１日以上継続した期間であるものとする。また、制御１での運転で得られた１日ごとの沸き上げ熱量、消費電力量、及び、電力コストのデータは、運転履歴データとして書き換え可能に制御装置６０に記憶される。

（ステップＳ２）
ステップＳ２では、制御１でのエネルギー効率及びコスト効率を計算する。具体的には、ステップＳ１で取得した値を用いてエネルギー効率Ｅ１及びコスト効率Ｃ１を算出する。エネルギー効率Ｅ１は沸き上げ熱量を消費電力量で割った値とし、コスト効率Ｃ１は沸き上げ熱量を電力コストで割った値とする。

（ステップＳ３）
ステップＳ３では、制御２での運転を一定期間行い、１日ごとの沸き上げ熱量、消費電力量、及び、電力コストを取得する。この時、初期の沸き上げ量などは、ステップＳ１における制御１での運転履歴データを参照する。一定期間とは、制御２での運転を少なくとも１日以上継続した期間であるものとする。また、制御２での運転で得られた１日ごとの沸き上げ熱量、消費電力量、及び、電力コストのデータは、運転履歴データとして書き換え可能に制御装置６０に記憶される。さらに、制御２は、制御１の後に実行される。

（ステップＳ４）
ステップＳ４では、制御２でのエネルギー効率及びコスト効率を計算する。具体的には、ステップＳ３で取得した値を用いてエネルギー効率Ｅ２及びコスト効率Ｃ２を算出する。エネルギー効率Ｅ２は沸き上げ熱量を消費電力量で割った値とし、コスト効率Ｃ２は沸き上げ熱量を電力コストで割った値とする。

（ステップＳ５）
ステップＳ５は、制御判定ステップであり、エネルギー効率Ｅ１とエネルギー効率Ｅ２とを比較、もしくは、コスト効率Ｃ１とコスト効率Ｃ２とを比較して、制御１のステップＳ６へ進むか、制御２のステップＳ７に進むかを判断する。
具体的には、エネルギー効率Ｅ１がエネルギー効率Ｅ２よりも大きいもしくはコスト効率Ｃ１がコスト効率Ｃ２よりも大きい場合はステップＳ６に進み、逆の場合はステップＳ７へ進む。また、コスト効率Ｃ１とコスト効率Ｃ２もしくはエネルギー効率Ｅ１とエネルギー効率Ｅ２が、同等の値をとった場合は、制御１を優先し、ステップＳ６に進むようにする。こうすると、時間当たりの蓄熱量及びタンク内の高温水の量が多く確保できるため、湯切れ体力を向上させることができる。

（ステップＳ６）
ステップＳ６では、制御１での運転に切り換えて、昼間沸き上げ温度が低い運転を継続する。

（ステップＳ７）
ステップＳ７では、制御２での運転に切り換えて、昼間沸き上げ温度が高い運転を継続する。

（給湯システム１０００が奏する効果）
外気環境、ユーザ使用状況、及び、電力料金体系によって、昼間沸き上げ温度の最適値が変わるが、給湯システム１０００によれば、実際の運転から制御を判断するため、適宜、最適化が可能となり、エネルギー消費の低減及びコストの低減が達成可能となる。

また、給湯システム１０００によれば、制御１を制御２よりも先に運転することで、深夜の沸き上げ熱量が多く、昼間のユーザの使用状況の変化に対して、湯切れ耐力が高い運転にて運転することを可能としている。そのため、給湯システム１０００では、湯切れリスクを回避することが可能となる。

さらに、給湯システム１０００によれば、制御１と制御２のエネルギー効率もしくはコスト効率が同等、つまり差が予め定めた基準値以下であった場合に、制御１を優先することで、沸き上げ熱量及び高温水の保持量の多い制御を選択することが可能となる。そのため、給湯システム１０００では、様々な給湯負荷パターンに対して湯切れ発生を抑制することが可能となり、信頼性の向上が可能となる。

実施の形態２．
実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明する。また、実施の形態２に係る給湯システムの基本構成は、実施の形態１に係る給湯システム１０００と同じであるため、システムの基本的な構成について説明は省略するものとする。
実施の形態２に係る給湯システムは、殺菌デバイス及び昼間沸き上げ温度最適化制御２を備えている点で、実施の形態１に係る給湯システム１０００と相違している。

（殺菌デバイス）
実施の形態２に係る給湯システムでは、紫外線などの殺菌作用のあるデバイスを出湯配管に組み込むことによって、出湯配管内を通過する湯水に含まれているレジオネラ菌などの雑菌を殺菌することを可能としている。こうすることで、実施の形態２に係る給湯システムでは、一度加熱後に繁殖した雑菌を殺菌することが可能となる。

（昼間沸き上げ温度最適化制御２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る給湯システムが実行する制御判定の際の処理の流れを示すフローチャートである。図７に基づいて、実施の形態２に係る給湯システムが実行する昼間沸き上げ温度最適化制御２について説明する。なお、図７に示す各ステップは、制御装置６０により実行される。

図７に示すステップＳ１Ａ、ステップＳ２Ａ、ステップＳ１１Ａ、ステップＳ１２Ａ、ステップＳ１３Ａ、及び、ステップＳ１４Ａは、実施の形態１で説明した昼間沸き上げ温度最適化制御１と同様の判定であるため、説明を省略する。図７のステップＳ１Ａは図６のステップＳ１に相当する。図７のステップＳ２Ａは図６のステップＳ２に相当する。図７のステップＳ１１Ａは図６のステップＳ４に相当する。図７のステップＳ１２Ａは図６のステップＳ５に相当する。図７のステップＳ１３Ａは図６のステップＳ６に相当する。図７のステップＳ１４Ａは図６のステップＳ７に相当する。

（ステップＳ３Ａ）
ステップＳ３Ａでは、沸き上げ必要熱量及び追い焚き必要熱量を計算する。具体的には、ステップＳ２Ａで得た情報を元に、沸き上げ運転及び追い焚き運転に必要な熱量を計算する。計算結果は、ステップＳ４Ａにて使用する。

（ステップＳ４Ａ）
ステップＳ４Ａでは、制御２における深夜沸き上げ必要温度Ｔｎを計算する。具体的には、ステップＳ３Ａで得られた沸き上げ必要熱量及び追い焚き必要熱量を元に、深夜沸き上げ必要温度Ｔｎを計算する。深夜沸き上げ必要温度Ｔｎは、貯湯タンク１０の容量、必要熱量、出湯温度、及び、追い焚き時の熱源温度から算出する。

（ステップＳ５Ａ）
ステップＳ５Ａでは、殺菌デバイスの有無を判定して確認する。殺菌デバイスが配置されている場合にはステップＳ６Ａに進み、殺菌デバイスが配置されていない場合にはステップＳ７Ａへ進む。

（ステップＳ６Ａ）
ステップＳ６Ａでは、深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ１を設定する。つまり、殺菌デバイスが配置されているため、湯水をレジオネラ菌などの繁殖を抑制する温度、例えば６０℃程度まで加熱する必要がなく、下限温度を予め定めた基準値よりも低くすることが可能となる。ここでは、追い焚きが可能である温度を深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ１、例えば５５℃程度と設定することで、制御２の深夜沸き上げをさらに高効率化している。

（ステップＳ７Ａ）
ステップＳ７Ａでは、深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ２を設定する。つまり、殺菌デバイスが配置されていないため、下限温度を予め定めた基準値よりも低くすることができず、湯水をレジオネラ菌などの繁殖を抑制する温度、例えば、６０℃程度まで加熱する必要がある。したがって、深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ２は、６０℃程度に設定される。なお、深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ２は、厳密に６０℃である必要はなく、レジオネラ菌を殺菌できる温度であればよい。

（ステップＳ８Ａ）
ステップＳ８Ａでは、深夜沸き上げ温度の判定を行う。具体的には、ステップＳ４Ａで計算された深夜沸き上げ必要温度Ｔｎと、ステップＳ６Ａで設定された深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ１もしくはステップＳ７Ａで設定された深夜沸き上げ温度下限値Ｔｍｉｎ２と、を比較する。ＴｎがＴｍｉｎ１もしくはＴｍｉｎ２以下の場合はステップＳ９Ａへ進み、ｎがＴｍｉｎ１もしくはＴｍｉｎ２よりも高い場合はステップＳ１０Ａへ進む。

（ステップＳ９Ａ）
ステップＳ９Ａでは、沸き上げ温度を修正して設定する。ＴｎがＴｍｉｎ１又はＴｍｉｎ２よりも低い場合に、Ｔｎ＝Ｔｍｉｎ１もしくはＴｍｉｎ２に修正する。これにより、追い焚きに必要な温度を担保しながら深夜沸き上げ温度の低温化、つまり予め定めた基準値よりも温度を低くすることが可能となる。

（ステップＳ１０Ａ）
ステップＳ１０Ａでは、深夜沸き上げ温度設定をＴｎとして制御２の状態を一定期間運転する。

（実施の形態２に係る給湯システムが奏する効果）
実施の形態２に係る給湯システムによれば、制御２での深夜沸き上げ温度を低下させることが可能であり、制御２の深夜沸き上げ制御を高効率化し、追い焚き熱源を確保することが可能となる。そのため、実施の形態２に係る給湯システムでは、エネルギー消費の低減もしくはコストの低減が可能となる。また、実施の形態２に係る給湯システムによれば、殺菌デバイスの配置によって、さらに沸き上げ温度下限値を低下させることができ、さらにエネルギー消費の低減もしくはコストの低減が可能となる。

本発明の実施の形態を２つに分けて説明したが、本発明は２つの実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び応用が可能である。

１ａ 下部温度センサー、１ｂ 中部温度センサー、１ｃ 上部温度センサー、１ｄ 給湯温度センサー、２ａ 流量センサー、１０ 貯湯タンク、１０ａ 下部取り出し口、１０ｂ 中部取り出し口、１０ｃ 上部取り出し口、１１ 混合弁、１１ａ 第１ポート、１１ｂ 第２ポート、１１ｃ 第３ポート、１１ｄ 第４ポート、１２ 三方弁、２０ ヒートポンプユニット、２１ 沸き上げ用ポンプ、３０ 湯張り給湯端末、４０ 一般給湯端末、５０ 浴槽、６０ 制御装置、６０ａ 測定部、６０ｂ 演算部、６０ｃ 制御部、６０ｄ 記憶部、７０ リモートコントローラ、８０ 給水端、１００ 給湯装置、１２０ 貯湯タンク、３２０ 湯張り給湯端末、１０００ 給湯システム、Ａ 給湯配管、Ａ１ 接続配管、Ｂ 沸き上げ配管、Ｃ 湯張り給湯配管、Ｄ 一般給湯配管。

Claims (8)

1. 貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクに貯留された湯水が供給される給湯端末と、
   前記貯湯タンクに貯留する湯水を沸き上げる熱交換器を備えたヒートポンプと、
   前記ヒートポンプを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   昼間に行う沸き上げ運転での第一の目標温度が、前記給湯端末での第二の目標温度よりも低い第一の沸き上げ制御と、
   昼間に行う沸き上げ運転での第一の目標温度が、前記給湯端末での第二の目標温度よりも高い第二の沸き上げ制御と、を有し、
   前記第一の沸き上げ制御の実行で得られた運転履歴及び前記第二の沸き上げ制御の実行で得られた運転履歴から前記ヒートポンプのエネルギー効率及びコスト効率を計算し、
   前記ヒートポンプのエネルギー効率の比較もしくは前記コスト効率の比較から前記第一の沸き上げ制御または前記第二の沸き上げ制御を選択する
   給湯システム。
2. 前記制御装置は、
   前記第一の沸き上げ制御及び前記第二の沸き上げ制御を一日以上実行させて、それぞれの前記運転履歴を得る
   請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記制御装置は、
   前記運転履歴を得る際に、
   前記第一の沸き上げ制御を実行した後に、前記第二の沸き上げ制御を実行する
   請求項１又は２に記載の給湯システム。
4. 前記制御装置は、
   前記ヒートポンプのエネルギー効率の比較もしくは前記コスト効率の比較から、前記ヒートポンプのエネルギー効率の差もしくは前記コスト効率の差が予め定めた基準値以下であった場合には、前記第一の沸き上げ制御を選択する
   請求項１～３のいずれか一項に記載の給湯システム。
5. 前記制御装置は、
   前記第一の沸き上げ制御で得られた沸き上げ熱量に基づき、前記第二の沸き上げ制御での深夜における沸き上げ温度を予め定めた基準値よりも低く設定する
   請求項１～４のいずれか一項に記載の給湯システム。
6. 前記制御装置は、
   前記貯湯タンクと前記給湯端末とを接続している給湯配管に殺菌デバイスが設置されているか否かによって、前記第二の沸き上げ制御での深夜における沸き上げ温度の下限値を変化させる
   請求項１～５のいずれか一項に記載の給湯システム。
7. 前記制御装置は、
   前記殺菌デバイスが設置されている場合には、前記下限値を予め定めた基準値よりも低く設定する
   請求項６に記載の給湯システム。
8. 前記制御装置は、
   前記殺菌デバイスが設置されていない場合には、前記下限値を６０℃に設定する
   請求項６に記載の給湯システム。

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