JP7145381B2 - 貯湯給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源機と補助熱源機と貯湯タンクを備えた貯湯給湯装置に関し、特に給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用の予測を行うと共に、給湯使用予測に基づいて貯湯タンクに貯湯する貯湯給湯装置に関する。

従来から、過去の給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用の予測を行い、予測した給湯時刻よりも前にヒートポンプ熱源機を運転して予測した給湯使用量に相当する熱量の湯水を貯湯タンクに貯湯する貯湯給湯装置が広く利用されている。このような貯湯給湯装置は、運転効率が高いヒートポンプ熱源機を定格出力（仕様上の上限出力）で運転して給湯使用履歴に基づいて予測した熱量の貯湯を給湯使用の直前に完了する。それ故、貯湯されても使用されずに無駄になる湯水や放熱ロスが少なく、省エネルギー性に優れているが、更なる省エネルギー性の向上も要求されている。

貯湯時のヒートポンプ熱源機の成績係数（Coefficient Of Performance：ＣＯＰ）は省エネルギー性に及ぼす影響が大きい。また、ヒートポンプ熱源機は、出力を調整して低くする程ＣＯＰが向上する。そのため、省エネルギー性向上を図るためにＣＯＰが高くなるようにヒートポンプ熱源機の出力を調整して低出力で貯湯することが検討されている。

低出力の運転は単位時間当たりの貯湯熱量が低下するので、予測した給湯使用時刻までに貯湯を完了できない。それ故、給湯使用中に貯湯タンクから出湯できる湯水がなくなる湯切れが生じる。湯水の不足分を補助熱源機で補うようにすると却って省エネルギー性を低下させてしまうので、ヒートポンプ熱源機の低出力の運転に合わせて貯湯開始時刻を早めて予測した給湯使用時刻までに貯湯を完了させる。

ヒートポンプ熱源機の出力を調整して貯湯する貯湯給湯装置として、例えば特許文献１のように、複数段階に出力を調整可能なヒートポンプ熱源機を備えた貯湯給湯装置が知られている。この貯湯給湯装置は、貯湯に必要となるヒートポンプ熱源機の出力を算定し、算定出力よりも低出力及び算定出力よりも高出力の２段階の出力を交互に切替えて貯湯する際に、低出力の時間と高出力の時間の比率を調整してその平均出力を算定出力に一致させる。

特開２０１６－６１５５３号公報

しかし、特許文献１の貯湯給湯装置は、貯湯中にヒートポンプ熱源機の出力を切替える度に出力が安定するまである程度の時間を要し、この間、ヒートポンプ熱源機はＣＯＰが低い状態で運転することになり、ＣＯＰが向上せず省エネルギー性の向上を図れない。また、出力切替えの度に貯湯温度に変動が生じて、貯湯タンクに貯湯した湯水の温度が均一にならない虞がある。

本発明の目的は、ヒートポンプ熱源機を低出力で運転して省エネルギー性を向上させることができる貯湯給湯装置を提供することである。

請求項１の発明は、貯湯タンクと、ヒートポンプ熱源機と、補助熱源機と、給湯使用の履歴に基づいて将来の給湯使用を予測すると共に前記ヒートポンプ熱源機を運転して給湯予測時刻の前に給湯予測使用量に相当する予測熱量を前記貯湯タンクに貯湯するように制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、前記ヒートポンプ熱源機の出力は、所定の上限出力と下限出力の間の出力範囲内に調整可能であり、前記制御手段は、現在時刻から前記給湯予測時刻までを貯湯期間とするとともに、この貯湯期間からヒートポンプ熱源機の起動から定格出力で安定するまでの所要時間を減算した時間で前記予測熱量の貯湯を行う際の前記ヒートポンプ熱源機の出力を算定し、算定した出力が前記下限出力よりも小さい場合は待機し、算定した出力が前記出力範囲内の場合はその算定した出力で前記ヒートポンプ熱源機の運転を開始し、算定した出力が前記上限出力よりも大きい場合は前記上限出力で前記ヒートポンプ熱源機の運転を開始することを特徴としている。

上記構成によれば、算定した出力が下限出力よりも小さい場合は待機し、算定した出力が出力範囲内の場合はその算定した出力でヒートポンプ熱源機の運転を開始し、算定した出力が上限出力よりも大きい場合は上限出力でヒートポンプ熱源機の運転を開始するので、
出力が低い程向上するヒートポンプ熱源機のＣＯＰを高くして貯湯給湯装置の省エネルギー性を向上できる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記制御手段は、前記現在時刻から前記給湯予測時刻までの時間における放熱損失を前記予測熱量に加算することを特徴としている。

上記構成によれば、ヒートポンプ熱源機の低出力の運転によって貯湯に要する時間が長くなるために増加する放熱損失を考慮して貯湯することができ、給湯使用時刻までに予測熱量を確実に貯湯して給湯使用中の湯切れを回避できる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の何れか１項において、前記制御手段は、前記ヒートポンプ熱源機の出力の算定を所定期間毎に行うことを特徴としている。

上記構成によれば、所定期間毎にヒートポンプ熱源機の出力を算定して運転を開始できるので、ヒートポンプ熱源機の低出力の運転機会が多くなり、貯湯給湯装置の省エネルギー性を向上できる。

本発明の貯湯給湯装置によれば、ヒートポンプ熱源機を低出力で運転して省エネルギー性を向上させることができる。

本発明の実施例に係る貯湯給湯装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施例に係るヒートポンプ熱源機の出力算定のフローチャートである。 算定出力の説明図である。

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、本発明の貯湯給湯装置１の全体構成について、図１に基づいて説明する。
貯湯給湯装置１は、ヒートポンプ熱源機２と、貯湯給湯ユニット３を備えている。貯湯給湯ユニット３は、例えば燃焼式の補助熱源機４と、ヒートポンプ熱源機２により加熱された湯水を貯湯する貯湯タンク５と、給湯使用履歴に基づいて給湯使用予測を行うと共に予測した給湯使用量（給湯予測使用量）に相当する熱量（予測熱量）を給湯使用の前に貯湯タンク５に貯湯するように制御する制御部７（制御手段）等を備えている。

ヒートポンプ熱源機２は、外気から吸熱した熱により湯水を目標貯湯温度に加熱して貯湯タンク５に貯湯する。このヒートポンプ熱源機２の運転により貯湯タンク５に貯湯された湯水が給湯や浴槽１９の湯張りに使用される。貯湯タンク５の湯水を給湯設定温度で給湯できない場合には、補助熱源機４において燃料を燃焼させて加熱した湯水を給湯する。尚、給湯設定温度は図示外の操作端末からユーザが所望の温度に設定可能であり、目標貯湯温度は制御部７によって給湯設定温度よりも高温に設定される。

貯湯タンク５の上部には、貯湯タンク５に貯湯した湯水を出湯するための出湯通路１１が接続されている。出湯通路１１には、出湯通路１１を流通して湯水混合弁１２に供給される湯水の出湯温度を検知するための出湯温度センサ１１ａが配設されている。また、貯湯タンク５の下部には、貯湯タンク５に上水源から上水を供給するための給水通路１３が接続されている。給水通路１３には給水温度を検知するための給水温度センサ１３ａが配設されている。

給水バイパス通路１４は、給水通路１３から分岐して湯水混合弁１２に接続されている。湯水混合弁１２は、給湯設定温度の給湯のために出湯通路１１の湯水と給水バイパス通路１４の上水との混合比率を調整して混合する。湯水混合弁１２には給湯通路１６が接続され、湯水混合弁１２で混合されて給湯設定温度に調整された湯水は、給湯通路１６を流通して図示外の給湯栓等に給湯可能である。

また、湯水混合弁１２で混合された湯水は、給湯通路１６から分岐して追焚回路１７に接続する湯張り通路１８を介して浴槽１９に湯張り可能である。給湯通路１６には、給湯温度を検知するための給湯温度センサ１６ａと給湯流量を検知する給湯流量センサ１６ｂが配設され、湯張り通路１８は湯張りのときに開弁する開閉弁１８ａを備えている。

貯湯タンク５の下部にはヒートポンプ熱源機２に湯水を供給する上流加熱通路２１ａが接続され、ヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯タンク５に供給する下流加熱通路２１ｂが貯湯タンク５の上部に接続されて、貯湯タンク５とヒートポンプ熱源機２の間で循環ポンプ２２により湯水が循環可能な循環加熱回路２１が形成されている。貯湯時には、下流加熱通路２１ｂに配設された温度センサ２１ｃの検知温度が、制御部７が設定した目標貯湯温度となるように制御される。

貯湯タンク５の外周には、貯湯された湯水の温度を検知する複数の貯湯温度センサ５ａ～５ｅが上下方向に所定の間隔を空けて配設されている。貯湯温度センサ５ａ～５ｅによって貯湯されている湯水の温度及びその温度の湯水量を検知可能である。貯湯温度センサ５ａ～５ｅ及び貯湯タンク５は、貯湯された湯水の放熱を低減する図示外の保温材により覆われている。

貯湯タンク５の湯水を補助熱源機４で加熱するための補助加熱通路２３が、出湯通路１１から分岐されて補助熱源機４に接続されている。補助熱源機４で加熱した湯水を出湯するための補助出湯通路２４は、補助加熱通路２３の分岐部より下流側の出湯通路１１に接続されている。補助出湯通路２４に配設された調整弁２５は、補助出湯通路２４から出湯通路１１に供給される湯水量を調整する。補助加熱通路２３には、三方弁２６と補助熱源機４に湯水を送るためのポンプ２７が配設されている。

補助出湯通路２４から分岐した熱交換器通路２８は、三方弁２６に接続されている。三方弁２６は、補助熱源機４に貯湯タンク５の湯水又は熱交換器通路２８の湯水を供給可能となるように切換えられる。熱交換器通路２８には熱交換器２８ａと開閉弁２８ｂが配設されている。この熱交換器２８ａは、追焚ポンプ２９の作動により追焚回路１７を流れる浴槽１９の湯水を補助熱源機４で加熱した湯水との熱交換により加熱する追焚運転に使用される。また、熱交換器通路２８には、給水通路１３から分岐した分岐通路部１３ｂが熱交換器通路２８に上水を供給可能なように接続されている。

ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、凝縮熱交換器３３、膨張弁３４、蒸発熱交換器３５を冷媒回路３６により接続して構成されている。このヒートポンプ熱源機２は、冷媒回路３６に封入された冷媒を圧縮機３２で圧縮して高温にし、循環ポンプ２２によって循環加熱回路２１を流通する湯水を凝縮熱交換器３３において高温の冷媒との熱交換により加熱する。熱交換後の冷媒は、膨張弁３４で膨張して外気より低温になり、蒸発熱交換器３５で外気から吸熱した後、再び圧縮機３２に導入される。このヒートポンプ熱源機２の出力は、圧縮機３２の回転数等の駆動条件の変更によって調整可能である。

蒸発熱交換器３５は外気温度を検知する外気温度センサ３５ａと送風機３５ｂを備えている。また、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３２、膨張弁３４、送風機３５ｂ等を制御するヒートポンプ制御部３７を備えている。ヒートポンプ制御部３７は、貯湯給湯装置１の主たる制御手段である制御部７に通信可能に接続され、制御部７の指令に従ってヒートポンプ熱源機２の出力を調整して運転するように制御する。ヒートポンプ熱源機２の調整可能な出力範囲の上限出力と下限出力は、圧縮機３２の安定駆動可能な範囲と外気温度によって定まり、外気温度が低い程、上限出力と下限出力は低くなる。所定条件における上限出力が定格出力である。尚、ヒートポンプ熱源機２は起動後や運転条件変更後にヒートポンプサイクルが安定するまで、最大で１０分程度の時間を要する。

制御部７は、各種センサの検知信号等に基づいて給湯等の制御を行うと共に、給湯使用量や給湯使用時刻、そのときの各種温度等の給湯使用状況を学習記憶している。この学習記憶した給湯使用状況の履歴（給湯使用履歴）に基づいて、制御部７は所定期間毎（例えば５分毎）に周期的に将来の給湯使用を予測する。給湯使用予測において、予測される次回の給湯使用時刻（給湯予測時刻）、予測される給湯使用量に相当する熱量（予測熱量）等が設定される。そして、制御部７は、給湯使用予測に基づいて給湯予測時刻の前に予測熱量の貯湯が完了するようにヒートポンプ熱源機２の出力を算定する。この出力算定を図２のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。

最初にＳ１において、現在時刻ｔ０における貯湯タンク５に貯湯されている湯水の温度及びその湯水量から現在の貯湯熱量Ａ［Ｊ］を算出してＳ２に進む。現在の貯湯熱量Ａは、給湯使用履歴と放熱損失から演算することもできる。

次にＳ２において、給湯使用履歴に基づいて将来の給湯使用予測を行ってＳ３に進む。この給湯使用予測で給湯予測時刻ｔ１と予測熱量Ｂ［Ｊ］を設定する。

次にＳ３において、現在時刻ｔ０から給湯予測時刻ｔ１までの貯湯期間Ｔ［ｓ］を算出してＳ４に進む。このとき、貯湯期間Ｔにおける放熱損失量Ｈ［Ｊ］も算出する。放熱損失量Ｈは、例えば貯湯期間Ｔと損失係数と貯湯量に基づいて算出される。

次にＳ４において、ヒートポンプ熱源機２の起動から定格出力で安定するまでの所要時間α［ｓ］を設定してＳ５に進む。この所要時間αは、予め設定した一定値でもよく、給湯使用履歴に基づく実績値を使用してもよい。

次にＳ５において、現在の貯湯熱量Ａと、予測熱量Ｂと、貯湯期間Ｔと、所要時間αに基づく演算によってヒートポンプ熱源機２の出力（算定出力Ｐ［Ｗ］）を算定してＳ６に進む。算定出力Ｐは、これから貯湯する熱量の貯湯を給湯予測時刻ｔ１に完了するときの出力であり、具体的には、Ｐ＝（Ｂ－Ａ）／（Ｔ－α）である。予測熱量Ｂに貯湯期間Ｔにおける放熱損失量Ｈを加算して、即ちＰ＝（Ｂ＋Ｈ－Ａ）／（Ｔ－α）として放熱損失を考慮した算定出力Ｐを演算してもよく、この場合、貯湯期間Ｔが長くても湯切れの発生が抑えられる。

次にＳ６において、算定出力Ｐがヒートポンプ熱源機２の下限出力よりも小さいか否か判定する。下限出力は仕様上の下限出力を使用するが、外気温度センサ３５ａの検知温度（外気温度）に基づいて算出してもよい。判定がＹｅｓの場合はＳ７に進んでヒートポンプ熱源機２の運転を開始せずに次回の出力算定まで待機してＳ１に戻る。判定がＮｏの場合はＳ８に進む。

次にＳ８において、算定出力Ｐがヒートポンプ熱源機２の所定の上限出力よりも大きいか否か判定する。上限出力も仕様上の上限出力を使用するが、外気温度に基づき算出してもよい。判定がＹｅｓの場合はＳ９に進んで、ヒートポンプ熱源機２の運転を上限出力で開始してリターンする。判定がＮｏの場合、即ち算定出力Ｐが下限出力以上且つ上限出力以下の場合はＳ１０に進んで、ヒートポンプ熱源機２の運転を算定出力Ｐで開始してリターンする。

ヒートポンプ熱源機２の運転を開始する際には、これから貯湯する熱量（Ｂ－Ａ）の貯湯における目標貯湯温度、循環ポンプ２２の回転数等の他の運転条件も設定する。目標貯湯温度が低い程ヒートポンプ熱源機２のＣＯＰが向上するが、現在貯湯されている貯湯タンク５の湯水温度よりも低くすると貯湯タンク５内に形成されている温度成層が乱されるため、貯湯タンク５の貯湯された湯水温度より低温には設定しない。

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。
図３に示すように、現在時刻ｔ０において、現在の貯湯熱量Ａを算出し、給湯使用予測を行って給湯予測時刻ｔ１と予測熱量Ｂを設定する。また、現在時刻ｔ０から給湯予測時刻ｔ１までの貯湯期間Ｔを算出し、ヒートポンプ熱源機２の安定運転までの所要時間αを設定する。そして、貯湯熱量Ａと予測熱量Ｂと貯湯期間Ｔと所要時間αに基づく演算によって算定出力Ｐを算定する。ヒートポンプ熱源機２の安定した運転によって貯湯される熱量が直線Ｌ１で表され、直線Ｌ１の傾きが算定出力Ｐに相当する。

算定出力Ｐが下限出力よりも小さい場合には、ヒートポンプ熱源機２を運転せずに次回の出力算定まで待機する。算定出力Ｐが上限出力よりも大きい場合には、上限出力でヒートポンプ熱源機２の運転を開始する。算定出力Ｐが下限出力以上且つ上限出力未満の場合には、算定出力Ｐでヒートポンプ熱源機２の運転を開始する。従って、貯湯時にヒートポンプ熱源機２を上限出力よりも低出力で運転してＣＯＰを向上させ、貯湯給湯装置１の省エネルギー性を向上できる。

また、ヒートポンプ熱源機２の低出力の運転によって貯湯期間Ｔが長くなるため、放熱損失が増加する。この放熱損失を考慮して、貯湯期間Ｔにおける放熱損失量Ｈを予測熱量Ｂに加算して直線Ｌ２の傾きに相当する算定出力Ｐを算定して貯湯を行う。このとき実際に貯湯される熱量が直線Ｌ１で表され、予測熱量Ｂを給湯予測時刻ｔ１までに確実に貯湯して給湯使用中の湯切れを回避できる。その上、所定期間毎にヒートポンプ熱源機２の出力を算定して運転を開始するため、貯湯は下限出力に近い低出力で行われる機会が多くなるので、貯湯給湯装置１の省エネルギー性を向上できる。出力算定は、給湯使用予測と独立に、所定期間として例えば１分毎に出力算定を行って、できるだけ低出力の運転の機会を逃さないようにすることもできる。

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上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 ：貯湯給湯装置
２ ：ヒートポンプ熱源機
５ ：貯湯タンク
５ａ～５ｅ ：貯湯温度センサ
７ ：制御部
１６ ：給湯通路
２１ ：循環加熱回路
２１ｃ ：温度センサ
２２ ：循環ポンプ
３２ ：圧縮機
３３ ：凝縮熱交換器
３４ ：膨張弁
３５ ：蒸発熱交換器
３５ａ ：外気温度センサ
３５ｂ ：送風機
３６ ：冷媒回路
３７ ：ヒートポンプ制御部

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、ヒートポンプ熱源機と、補助熱源機と、給湯使用の履歴に基づいて将来の給湯使用を予測すると共に前記ヒートポンプ熱源機を運転して給湯予測時刻の前に給湯予測使用量に相当する予測熱量を前記貯湯タンクに貯湯するように制御する制御手段を備えた貯湯給湯装置において、
   前記ヒートポンプ熱源機の出力は、所定の上限出力と下限出力の間の出力範囲内に調整可能であり、
   前記制御手段は、現在時刻から前記給湯予測時刻までを貯湯期間とするとともに、この貯湯期間からヒートポンプ熱源機の起動から定格出力で安定するまでの所要時間を減算した時間で前記予測熱量の貯湯を行う際の前記ヒートポンプ熱源機の出力を算定し、算定した出力が前記下限出力よりも小さい場合は待機し、算定した出力が前記出力範囲内の場合はその算定した出力で前記ヒートポンプ熱源機の運転を開始し、算定した出力が前記上限出力よりも大きい場合は前記上限出力で前記ヒートポンプ熱源機の運転を開始することを特徴とする貯湯給湯装置。
2. 前記制御手段は、前記現在時刻から前記給湯予測時刻までの時間における放熱損失を前記予測熱量に加算することを特徴とする請求項１に記載の貯湯給湯装置。
3. 前記制御手段は、前記ヒートポンプ熱源機の出力の算定を所定期間毎に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の貯湯給湯装置。

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