JP7167593B2 - 給水加温ユニット - Google Patents

Description

本発明は、給水加温ユニットに関する。

熱源水の熱を用いて給水を加温し、生成された温水をボイラの温水タンクに供給する技術が提案されている。温水タンクの温水がボイラに供給されることにより、ボイラで蒸気を生成するために必要な燃料が削減される。特許文献１には、生成される温水の温度が目標温度に維持されるように給水の流量を調整する出湯温度一定制御に関する技術が開示されている。

特開２０１７－１４６０３３号公報

生成される温水量が不足すると、温水タンクが渇水に近い低水位状態となり、ボイラの運転を継続できなくなる懸念がある。温水タンクの低水位状態を解消するために、温水タンクに冷水を補給すると、温水タンクの水温が低下し、ボイラでの燃料削減効果が小さくなってしまう。

本発明の態様は、温水タンクの低水位状態及び水温低下を防止できる給水加温ユニットを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、水位検出手段を有する温水タンクに温水を供給する給水加温ユニットであって、高温流体と給水との熱交換により給水を加温する熱交換器と、前記熱交換器に対する高温流体の流通状態と非流通状態を切り換える第１流通切換手段と、前記熱交換器に対する給水の流量を調節する流量調節手段と、前記熱交換器で生成された温水の温度を検出する温度検出手段と、前記第１流通切換手段及び前記流量調節手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１流通切換手段を流通状態に制御した運転中、前記温度検出手段の検出温度値が目標温度値になるように、前記流量調節手段を制御する流量制御部と、前記温水タンクの水位と前記目標温度値との相関データを記憶させた記憶部と、前記水位検出手段の検出水位値、及び前記記憶部の相関データに基づいて、前記目標温度値を決定する目標温度決定部と、を有し、前記相関データは、前記温水タンクの水位が高くなるほど、前記目標温度値が高くなる相関関係であり、前記流量制御部は、前記水位検出手段の検出水位値が前記給水加温ユニットを停止させる上限水位値よりも低い第１水位範囲にある第１水位状態では、前記目標温度決定部が決定した前記目標温度値を用いて前記流量調節手段を制御し、前記水位検出手段の検出水位値が前記第１水位範囲よりも低い第２水位範囲にある第２水位状態では、前記検出温度値及び前記目標温度値とは無関係に前記流量調節手段を最大流量で制御する、給水加温ユニットが提供される。

本発明の態様によれば、温水タンクの低水位状態及び水温低下を防止できる給水加温ユニットが提供される。

図１は、第１実施形態に係る温水製造システムの一例を示す模式図である。 図２は、第１実施形態に係る制御装置の一例を示す機能ブロック図である。 図３は、第１実施形態に係る給水加温ユニットの制御方法を説明するための図である。 図４は、第１実施形態に係るコンピュータシステムの一例を示すブロック図である。 図５は、第２実施形態に係る熱交換器の一例を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

［１］第１実施形態
＜温水製造システム＞
図１は、本実施形態に係る温水製造システム１００の一例を模式的に示す図である。温水製造システム１００は、工場のような産業施設に設けられる。

温水製造システム１００は、給水加温ユニット１と、給水ＣＷを貯留する給水タンク２と、熱源水ＳＷを貯留する熱源水タンク３と、給水加温ユニット１で生成された温水ＨＷを貯留する温水タンク５１と、温水タンク５１の水位を検出する水位センサ５０とを備える。

また、温水製造システム１００は、給水タンク２と給水加温ユニット１を接続する給水流路１０と、給水加温ユニット１と温水タンク５１とを接続する温水流路１１と、給水タンク２と温水タンク５１とを接続するバイパス流路１２と、熱源水タンク３と給水加温ユニット１を接続する熱源水流路１３とを有する。

給水タンク２は、給水加温ユニット１及び温水タンク５１の少なくとも一方に供給される給水ＣＷを貯留する。給水タンク２は、給水流路１０を介して給水加温ユニット１に接続される。給水タンク２は、バイパス流路１２を介して温水タンク５１に接続される。給水タンク２に貯留される給水ＣＷの温度は、例えば２０℃である。給水タンク２に貯留される給水ＣＷは、軟水である。硬水軟化装置（不図示）により硬度成分が除去された軟水が給水タンク２に貯留される。

熱源水タンク３は、給水加温ユニット１に供給される熱源水ＳＷを貯留する。熱源水タンク３は、熱源水流路１３を介して給水加温ユニット１に接続される。熱源水ＳＷは、産業施設から排出される廃温水を含む。熱源水ＳＷは、産業施設から供給流路１４を介して熱源水タンク３に供給される。熱源水タンク３は、熱源水ＳＷをオーバーフローさせるオーバーフロー路１５を有する。

温水タンク５１は、給水加温ユニット１で生成された温水ＨＷを貯留する。温水タンク５１は、温水流路１１を介して給水加温ユニット１に接続される。また、温水タンク５１は、温水流路５３を介してボイラ５２と接続される。温水流路５３には、温水ポンプ５４が設けられる。温水ポンプ５４が駆動されることにより、温水タンク５１の温水ＨＷがボイラ５２に供給される。

ボイラ５２は、蒸気ボイラである。ボイラ５２は、温水タンク５１から供給された温水ＨＷを加熱して蒸気を生成する。ボイラ５２で生成された蒸気は、蒸気使用機器（不図示）に供給される。温水タンク５１の温水ＨＷがボイラ５２に供給されることにより、ボイラ５２で蒸気を生成するために必要な燃料が削減される。

バイパス流路１２には、補給ポンプ７が設けられる。補給ポンプ７は、給水タンク２に貯留されている給水ＣＷを温水タンク５１に供給する。補給ポンプ７が駆動されることにより、給水タンク２の給水ＣＷが、給水加温ユニット１を介さずに、バイパス流路１２を介して温水タンク５１に供給される。

補給ポンプ７は、可変容量ポンプでもよいし、固定容量ポンプでもよい。補給ポンプ７は、温水タンク５１に対して給水ＣＷが供給される流通状態と、温水タンク５１に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態とを切り換える。補給ポンプ７が駆動されることにより、給水タンク２から温水タンク５１に対して給水ＣＷが供給される流通状態になる。補給ポンプ７が停止されることにより、給水タンク２から温水タンク５１に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態になる。

水位センサ５０は、温水タンク５１の水位を検出する水位検出手段として機能する。温水タンク５１の水位とは、温水タンク５１に貯留される温水ＨＷの表面の高さをいう。本実施形態において、水位センサ５０は、電極式水位センサを含む。水位センサ５０として、例えば複数の電極棒が温水タンク５１に配置されてもよい。複数の電極棒は、電極棒の下端部の高さが異なるように温水タンク５１に配置される。温水ＨＷに接触した電極棒が特定されることにより、温水タンク５１の水位が検出される。なお、水位センサ５０は、温水タンク５１の水位を検出できればよく、電極式水位センサ以外に静電容量式水位センサや圧力式センサを利用することもできる。

＜給水加温ユニット＞
給水加温ユニット１は、熱源水タンク３から供給された熱源水ＳＷの熱を用いて、給水タンク２から供給された給水ＣＷを加温して、温水ＨＷを生成する。給水加温ユニット１は、給水ＣＷを加温して温水ＨＷを生成するヒートポンプ４と、ヒートポンプ４に対する熱源水ＳＷの流通状態と非流通状態とを切り換える熱源水ポンプ５と、ヒートポンプ４に対する給水ＣＷの流量を調節する給水ポンプ６と、ヒートポンプ４で生成された温水ＨＷの温度を検出する温度センサ８と、制御装置９とを備える。

給水ポンプ６は、給水流路１０に設けられる。給水ポンプ６は、給水タンク２に貯留されている給水ＣＷをヒートポンプ４に供給する。給水ポンプ６が駆動されることにより、給水タンク２の給水ＣＷが給水流路１０を介してヒートポンプ４に供給される。給水ポンプ６は、可変容量ポンプである。給水ポンプ６は、ヒートポンプ４に対する給水ＣＷの流量を調節可能である。

本実施形態において、給水ポンプ６を駆動するモータの駆動周波数がインバータ制御される。給水ポンプ６の回転数は、モータの駆動周波数に連動する。給水ポンプ６の回転数が調整されることにより、給水タンク２からヒートポンプ４に対する給水ＣＷの流量が調節される。

また、給水ポンプ６は、ヒートポンプ４に対して給水ＣＷが供給される流通状態とヒートポンプ４に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態とを切り換える。給水ポンプ６が駆動されることにより、給水タンク２からヒートポンプ４に対して給水ＣＷが供給される流通状態になる。給水ポンプ６が停止されることにより、給水タンク２からヒートポンプ４に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態になる。

熱源水ポンプ５は、熱源水流路１３に設けられる。熱源水ポンプ５は、熱源水タンク３に貯留されている熱源水ＳＷをヒートポンプ４に供給する。熱源水ポンプ５が駆動することにより、熱源水タンク３の熱源水ＳＷが、熱源水流路１３を介して、ヒートポンプ４に供給される。

熱源水ポンプ５は、可変容量ポンプでもよいし、固定容量ポンプでもよい。熱源水ポンプ５は、ヒートポンプ４に対して熱源水ＳＷが供給される流通状態とヒートポンプ４に対する熱源水ＳＷの供給が停止される非流通状態とを切り換える。熱源水ポンプ５が駆動されることにより、熱源水タンク３からヒートポンプ４に対して熱源水ＳＷが供給される流通状態になる。熱源水ポンプ５が停止されることにより、熱源水タンク３からヒートポンプ４に対する熱源水ＳＷの供給が停止される非流通状態になる。

本実施形態において、ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式ヒートポンプである。ヒートポンプ４は、圧縮機４１と、凝縮器４２と、膨張弁４３と、蒸発器４４とを有する。圧縮機４１、凝縮器４２、膨張弁４３、及び蒸発器４４は、順次環状に接続されて循環流路４７を形成する。冷媒ＲＥは、圧縮機４１、凝縮器４２、膨張弁４３、及び蒸発器４４を含む循環流路４７を循環する。循環流路４７を流れる冷媒ＲＥは、気相の冷媒ＲＥであるガス冷媒ＲＥｇと、液相の冷媒ＲＥである液冷媒ＲＥｌとを含む。ヒートポンプ４は、凝縮器４２で温熱を取り出す。

また、ヒートポンプ４は、循環流路４７において凝縮器４２と膨張弁４３との間に配置される過冷却器４５と、廃熱回収熱交換器４６とを有する。

給水流路１０は、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２のそれぞれに配置される。給水タンク２から給水流路１０に送出された給水ＣＷは、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２の順に流れる。

熱源水流路１３は、蒸発器４４、及び廃熱回収熱交換器４６のそれぞれに配置される。熱源水タンク３から熱源水流路１３に送出された熱源水ＳＷは、蒸発器４４、及び廃熱回収熱交換器４６の順に流れる。

冷媒ＲＥは、循環流路４７において、圧縮機４１、凝縮器４２、過冷却器４５、膨張弁４３、及び蒸発器４４の順に流れる。

圧縮機４１は、冷媒ＲＥを圧縮する。圧縮機４１には、ガス冷媒ＲＥｇが供給される。圧縮機４１は、ガス冷媒ＲＥｇを圧縮して高温高圧のガス冷媒ＲＥｇを生成する。圧縮機４１で生成される高温高圧のガス冷媒ＲＥｇは、給水ＣＷとの熱交換に利用される高温流体である。

圧縮機４１は、モータ（不図示）により駆動される。圧縮機４１が駆動されることにより、ガス冷媒ＲＥｇが圧縮され、高温高圧のガス冷媒ＲＥｇが凝縮器４２に供給される。圧縮機４１が停止されることにより、凝縮器４２に対するガス冷媒ＲＥｇの供給が停止される。

凝縮器４２は、圧縮機４１からのガス冷媒ＲＥｇを凝縮する。給水ＣＷは、給水流路１０を介して凝縮器４２に供給される。ガス冷媒ＲＥｇは、凝縮器４２において凝縮されることにより放熱して、給水ＣＷに熱を与える。また、ガス冷媒ＲＥｇは、凝縮器４２において放熱することにより液化して液冷媒ＲＥｌに変換される。凝縮器４２は、高温流体であるガス冷媒ＲＥｇと給水ＣＷとの熱交換により給水ＣＷを加温する。凝縮器４２は、給水ＣＷを加温して温水ＨＷを生成する。

凝縮器４２は、温水流路１１を介して温水タンク５１に接続される。凝縮器４２で生成された温水ＨＷは、温水流路１１を介して温水タンク５１に供給される。

膨張弁４３は、凝縮器４２からの液冷媒ＲＥｌを膨張させる。膨張弁４３は、凝縮器４２からの液冷媒ＲＥｌの圧力及び温度を低下させる。

蒸発器４４は、膨張弁４３からの液冷媒ＲＥｌを蒸発させる。熱源水ＳＷは、熱源水流路１３を介して蒸発器４４に供給される。液冷媒ＲＥｌは、蒸発器４４において蒸発することにより吸熱して、熱源水ＳＷから熱を奪う。また、液冷媒ＲＥｌは、蒸発器４４において吸熱することにより気化してガス冷媒ＲＥｇに変換される。

過冷却器４５は、凝縮器４２に供給される前の給水ＣＷと膨張弁４３に供給される前の液冷媒ＲＥｌとを熱交換する間接熱交換器である。給水ＣＷは、給水流路１０を介して過冷却器４５に供給される。過冷却器４５に供給された給水ＣＷにより、膨張弁４３に供給される前の液冷媒ＲＥｌが過冷却される。過冷却器４５に供給された液冷媒ＲＥｌにより、凝縮器４２に供給される前の給水ＣＷが加温される。冷媒ＲＥは、凝縮器４２において潜熱を放出し、過冷却器４５において顕熱を放出する。

廃熱回収熱交換器４６は、過冷却器４５に供給される前の給水ＣＷと蒸発器４４を通過した後の熱源水ＳＷとを熱交換する間接熱交換器である。給水ＣＷは、給水流路１０を介して廃熱回収熱交換器４６に供給される。熱源水ＳＷは、熱源水流路１３を介して廃熱回収熱交換器４６に供給される。廃熱回収熱交換器４６において、給水ＣＷと熱源水ＳＷとが熱交換することにより、過冷却器４５に供給される前の給水ＣＷが加温される。

圧縮機４１が駆動されることにより、ガス冷媒ＲＥｇが圧縮され、高温流体である高温高圧のガス冷媒ＲＥｇが凝縮器４２に供給される。圧縮機４１が停止されることにより、凝縮器４２に対するガス冷媒ＲＥｇの供給が停止される。圧縮機４１は、凝縮器４２に対する高温流体（ガス冷媒ＲＥｇ）の流通状態と非流通状態を切り換える第１流通切換手段として機能する。圧縮機４１が駆動されることにより、圧縮機４１から凝縮器４２に対してガス冷媒ＲＥｇが供給される流通状態になる。圧縮機４１が停止されることにより、圧縮機４１から凝縮器４２に対するガス冷媒ＲＥｇの供給が停止される非流通状態になる。

凝縮器４２は、高温流体（ガス冷媒ＲＥｇ）と給水ＣＷとの熱交換により給水ＣＷを加温する熱交換器として機能する。

熱源水ポンプ５は、蒸発器４４及び廃熱回収熱交換器４６に対する熱源水ＳＷの流通状態と非流通状態とを切り換える第２流通切換手段として機能する。熱源水ポンプ５が駆動されることにより、熱源水タンク３から蒸発器４４及び廃熱回収熱交換器４６に対して熱源水ＳＷが供給される流通状態になる。熱源水ポンプ５が停止されることにより、熱源水タンク３から蒸発器４４及び廃熱回収熱交換器４６に対する熱源水ＳＷの供給が停止される非流通状態になる。

給水ポンプ６は、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対する給水ＣＷの流通状態と非流通状態とを切り換える第３流通切換手段として機能する。給水ポンプ６が駆動されることにより、給水タンク２から廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対して給水ＣＷが供給される流通状態になる。給水ポンプ６が停止されることにより、給水タンク２から廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態になる。また、給水ポンプ６は、給水流路１０を介して廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に供給される給水ＣＷの流量を調節する。給水ポンプ６は、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対する給水ＣＷの流量を調節する流量調節手段として機能する。

温度センサ８は、凝縮器４２で生成された温水ＣＷの温度を検出する。温度センサ８は、温水流路１１に配置される。温水流路１１は、凝縮器４２の出口に接続される。温度センサ８は、凝縮器４２で生成された温水ＣＷの温度を検出する温度検出手段として機能する。

制御装置９は、圧縮機４１（第１流通切換手段）、熱源水ポンプ５（第２流通切換手段）、及び給水ポンプ６（第３流通切替手段，流量調節手段）を制御する制御手段として機能する。制御装置９は、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６のそれぞれを制御する。制御装置９は、給水加温ユニット１の運転及び停止を切り換えることができる。

給水加温ユニット１を運転させることは、少なくとも圧縮機４１を駆動させることを含む。本実施形態において、給水加温ユニット１を運転させることは、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６のそれぞれを駆動させることを含む。制御装置９は、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６のそれぞれを駆動させて、給水加温ユニット１を運転させる。

給水加温ユニット１を停止させることは、少なくとも圧縮機４１を停止させることを含む。本実施形態において、給水加温ユニット１を停止させることは、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６のそれぞれを停止させることを含む。制御装置９は、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６のそれぞれを停止させて、給水加温ユニット１を停止させる。

制御装置９は、圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６を連動させる。制御装置９は、圧縮機４１を駆動させたとき、熱源水ポンプ５及び給水ポンプ６も駆動させる。制御装置９は、圧縮機４１を停止させたとき、熱源水ポンプ５及び給水ポンプ６も停止させる。

圧縮機４１を駆動させることは、循環流路４７に冷媒ＲＥ（ＲＥｇ，ＲＥｌ）が循環される流通状態にすることを含む。圧縮機４１を停止させることは、循環流路４７の冷媒ＲＥの循環が停止される非流通状態にすることを含む。

熱源水ポンプ５を駆動させることは、蒸発器４４及び廃熱回収熱交換器４６に対して熱源水ＳＷが供給される流通状態にすることを含む。熱源水ポンプ５を停止させることは、蒸発器４４及び廃熱回収熱交換器４６に対する熱源水ＳＷの供給が停止される非流通状態にすることを含む。

給水ポンプ６を駆動させることは、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対して給水ＣＷが供給される流通状態にすることを含む。給水ポンプ６を停止させることは、廃熱回収熱交換器４６、過冷却器４５、及び凝縮器４２に対する給水ＣＷの供給が停止される非流通状態にすることを含む。

本実施形態において、制御装置９は、給水加温ユニット１の運転時に圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６を流通状態に制御する一方、給水加温ユニット１の停止時に圧縮機４１、熱源水ポンプ５、及び給水ポンプ６を非流通状態に制御する。

本実施形態において、制御装置９は、給水加温ユニット１の運転中において、圧縮機４１の出力（回転数）が一定になるように、圧縮機４１を制御する。圧縮機４１のモータの駆動周波数は一定に維持され、圧縮機４１は一定の出力で駆動する。また、制御装置９は、圧縮機４１の吸込冷媒の過熱度が一定になるように、膨張弁４３の開度を調節する制御を行う。

＜制御装置＞
図２は、本実施形態に係る制御装置９の一例を示す機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置９は、第１流通切換制御部９１と、第２流通切換制御部９２と、検出温度取得部９３と、検出水位取得部９４と、記憶部９５と、目標温度決定部９６と、流量制御部９７と、警報制御部９８とを有する。

第１流通切換制御部９１は、圧縮機４１を制御する切換指令を出力する。第１流通切換制御部９１から出力される切換指令は、圧縮機４１を駆動して圧縮機４１を流通状態に制御する流通指令、及び圧縮機４１を停止して圧縮機４１を非流通状態に制御する非流通指令を含む。

第２流通切換制御部９２は、熱源水ポンプ５を制御する切換指令を出力する。第２流通切換制御部９２から出力される切換指令は、熱源水ポンプ５を駆動して熱源水ポンプ５を流通状態に制御する流通指令、及び熱源水ポンプ５を停止して熱源水ポンプ５を非流通状態に制御する非流通指令を含む。

熱源水ポンプ５は、圧縮機４１と連動する。第１流通切換制御部９１から流通指令が出力されて圧縮機４１が流通状態に制御された運転時に、第２流通切換制御部９２は、流通指令を出力して熱源水ポンプ５を流通状態に制御する。第１流通切換制御部９１から非流通指令が出力されて圧縮機４１が非流通状態に制御された停止時に、第２流通切換制御部９２は、非流通指令を出力して熱源水ポンプ５を非流通状態に制御する。

検出温度取得部９３は、温度センサ８の検出温度値を取得する。温度センサ８の検出温度値は、凝縮器４２からの出湯温度、すなわち温水タンク５１への給湯温度である。

検出水位取得部９４は、水位センサ５０の検出水位値を取得する。水位センサ５０の検出水位値は、温水タンク５１の温水ＨＷの貯留量に対応する。

記憶部９５は、温水タンク５１の水位と凝縮器４２で生成される温水ＨＷの目標温度値との相関データを記憶する。相関データは、相関テーブルでもよいし相関式でもよい。相関データは、温水タンク５１の水位が高くなるほど、目標温度値が高くなる相関関係である。

目標温度決定部９６は、検出水位取得部９４により取得された水位センサ５０の検出水位値及び記憶部９５の相関データに基づいて、凝縮器４２から出湯される温水ＨＷの目標温度値を決定する。

流量制御部９７は、圧縮機４１を流通状態に制御した給水加温ユニット１の運転中、検出温度取得部９３により取得された温度センサ８の検出温度値が目標温度決定部９６により決定された目標温度値になるように、給水ポンプ６を制御する流量指令を出力する。

本実施形態において、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が給水加温ユニット１を停止させる上限水位値よりも低い第１水位範囲にある第１水位状態では、目標温度決定部９６が決定した目標温度値を用いて給水ポンプ６を制御する。

また、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第１水位範囲よりも低い第２水位範囲にある第２水位状態では、温度センサ８の検出温度値及び目標温度値とは無関係に給水ポンプ６を最大流量で制御する。給水ポンプ６を最大流量で制御することは、給水ポンプ６のモータを最大駆動周波数で駆動させるインバータ制御を実施することを含む。

また、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第２水位範囲よりも低い第３水位範囲にある第３水位状態では、給水ポンプ６を最大流量で制御したまま、補給ポンプ７を駆動してバイパス流路１２に給水ＣＷを流通させる。

なお、流量制御部９７は、第１水位状態及び第２水位状態では、補給ポンプ７を停止してバイパス流路１２における給水ＣＷの流通を遮断する。

警報制御部９８は、水位センサ５０の検出水位値が上限水位値よりも高い高水位範囲にある高水位状態、及び水位センサ５０の検出水位値が第３水位範囲にある第３水位状態において、警報装置１６を作動させる。警報装置１６は、警報音を出力する警報音出力装置でもよいし、警報表示データを表示する表示装置でもよい。

＜制御方法＞
次に、本実施形態に係る制御装置９の動作について説明する。図３は、本実施形態に係る給水加温ユニット１の制御方法を説明するための図である。

図３は、記憶部９５に記憶されている相関データを模式的に示す。図３に示すように、相関データは、温水タンク５１の水位と凝縮器４２から出湯される温水ＨＷの目標温度値との関係を示す相関テーブルを含む。

相関データにおいて、上限水位値が設定される。上限水位値は、給水加温ユニット１を停止させる停止水位である。制御装置９は、水位センサ５０の検出水位値が上限水位値よりも高い高水位範囲にある高水位状態であると判定した場合、給水加温ユニット１を停止させる。すなわち、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が上限水位値を上回る高水位状態であると判定した場合、給水ポンプ６を停止して温水タンク５１への温水ＨＷの供給を停止させる。また、第１流通切換制御部９１は、圧縮機７１を停止して冷媒ＲＥの流通を停止させ、第２流通切換制御部９２は、熱源水ポンプ５を停止して熱源水ＳＷの供給を停止させる。また、警報制御部９８は、水位センサ５０の検出水位値が上限水位値を上回る高水位状態であると判定した場合、検出水位値が高水位状態であることを示す高水位アラームを警報装置１６に出力させる。

また、相関データにおいて、上限水位値よりも低い第１水位範囲が設定される。また、第１水位範囲において、目標温度値が設定される。図３に示すように、第１水位範囲において、目標温度値として、７５℃，７０℃，６５℃，６０℃，５５℃が設定される。相関データは、温水タンク５１の水位が高くなるほど目標温度値が高くなり、温水タンク５１の水位が低くなるほど目標温度値が低くなる相関関係である。

目標温度決定部９６は、水位センサ５０の検出水位値が第１水位範囲にある第１水位状態において、水位センサ５０の検出水位値と、記憶部９５に記憶されている相関データとに基づいて、目標温度値を決定する。

本実施形態においては、目標温度値を決定するための水位が段階的に設定される。図３に示すように、本実施形態においては、第１水位範囲において、停止水位よりも低い第１水位、第１水位よりも低い第２水位、第２水位よりも低い第３水位、第３水位よりも低い第４水位、及び第４水位よりも低い起動水位が設定される。

例えば、水位センサ５０の検出水位値が停止水位と第１水位との間にあると判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を７５℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が停止水位と第１水位との間にある状態から、第１水位を下回り、第１水位と第２水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を７０℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第１水位と第２水位との間にある状態から、第２水位を下回り、第２水位と第３水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を６５℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第２水位と第３水位との間にある状態から、第３水位を下回り、第３水位と第４水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を６０℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第３水位と第４水位との間にある状態から、第４水位を下回り、第４水位と起動水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を５５℃に決定する。

また、水位センサ５０の検出水位値が起動水位と第４水位との間にある状態から、第４水位を上回り、第４水位と第３水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を６０℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第４水位と第３数位との間にある状態から、第３水位を上回り、第３水位と第２水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を６５℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第３水位と第２水位との間にある状態から、第２水位を上回り、第２水位と第１水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を７０℃に決定する。

水位センサ５０の検出水位値が第２水位と第１水位との間にある状態から、第１水位を上回り、第１水位と停止水位との間にある状態に遷移したと判定した場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を７５℃に決定する。

流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第１水位範囲にある第１水位状態では、目標温度決定部９６が決定した目標温度値を用いて給水ポンプ６を制御する。すなわち、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第１水位範囲にある第１水位状態であると判定した場合、温度センサ８の検出温度値が目標温度決定部９６により決定された目標温度値になるように給水ポンプ６を制御する出湯温度一定制御を実行する。出湯温度一定制御では、温度センサ８の検出温度値が目標温度値に収束するように、速度型ＰＩＤアルゴリズムにより給水ポンプ６の駆動周波数に対する操作量が演算され、インバータ回路からモータ部への出力周波数が調整される。

水位センサ５０の検出水位値が第１水位状態では、補給ポンプ７は停止され、バイパス流路１２における給水ＣＷの流通は遮断される。

第１水位状態において、目標温度値が高いほど温水タンク５に供給される温水ＨＷの流量が少なくなるように給水ポンプ６が制御される。また、目標温度値が低いほど温水タンク５１に供給される温水ＨＷの流量が多くなるように給水ポンプ６が制御される。

温水タンク５１の水位が高くなるほど目標温度値が高くなり、温水タンク５１の水位が低くなるほど目標温度値が低くなる相関データに基づいて、目標温度値が決定されることにより、流量制御部９７は、ボイラ５２での温水ＨＷの消費速度に応じて、温水ＨＷの生成量を増減させる。これにより、温水タンク５１を適正な水位範囲（第１水位状態）に維持することができる。

また、相関データにおいて、第１水位範囲よりも低い第２水位範囲が設定される。第２水位範囲は、起動水位よりも低い水位範囲である。

起動水位とは、停止している状態の給水加温ユニット１を起動させる水位をいう。給水加温ユニット１が停止している状態で、水位センサ５０の検出水位値が起動水位を下回った場合、目標温度決定部９６は、目標温度値を５５℃に決定し、流量制御部９７は、給水加温ユニット１を起動する。流量制御部９７は、温度センサ８の検出温度値が目標温度値５５℃になるように、給水ポンプ６を制御する。

給水加温ユニット１の運転中において、水位センサ５０の検出水位値が起動水位を下回り、第２水位範囲にある第２水位状態であると判定した場合、流量制御部９７は、給水ポンプ６を最大流量で制御する。すなわち、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第２水位範囲にある第２水位状態では、温度センサ８の検出温度値及び目標温度値とは無関係に給水ポンプ６を最大流量で制御する。この制御では、インバータ回路からの出力周波数が最大駆動周波数に調整される。

水位センサ５０の検出水位値が第２水位状態では、補給ポンプ７は停止され、バイパス流路１２における給水ＣＷの流通は遮断される。

給水ポンプ６が最大駆動周波数で駆動されることにより、温水タンク５１には、給水ポンプ６の最大流量で温水ＨＷが供給される。これにより、第２水位範囲にある水位は、第１水位範囲に短時間で復帰する。

また、相関データにおいて、第２水位範囲よりも低い第３水位範囲が設定される。第３水位範囲は、バイパス開放水位よりも低い水位範囲である。

給水加温ユニット１の運転中において、水位センサ５０の検出水位値がバイパス開放水位を下回り、第３水位範囲にある第３水位状態であると判定した場合、流量制御部９７は、給水ポンプ６を最大流量で制御したまま、補給ポンプ７を駆動して、バイパス流路１２に給水ＣＷを流通させる。

また、警報制御部９８は、水位センサ５０の検出水位値がバイパス開放水位を下回る第３水位状態であると判定した場合、検出水位値が第３水位値状態であることを示す低水位アラームを警報装置１６に出力させる。

給水ポンプ６が最大駆動周波数で駆動され、補給ポンプ７が追加で駆動されることにより、温水タンク５１には、温水ＨＷと給水ＣＷ（冷水）が同時に供給される。これにより、第３水位範囲にある水位は、第１水位範囲に短時間で復帰する。

温水タンク５１の検出水位が第３水位範囲にある第３水位状態から第２水位範囲にある第２水位状態に遷移した場合、流量制御部９７は、給水ポンプ６を最大流量で制御したまま、補給ポンプ７を停止して、バイパス流路１２における給水ＣＷの流通を遮断する。

また、温水タンク５１の検出水位が第２水位範囲にある第２水位状態から第１水位範囲にある第１水位状態に遷移した場合、流量制御部９７は、目標温度値５５℃に基づいて、給水ポンプ６を制御する。

＜コンピュータシステム＞
図４は、コンピュータシステム１０００の一例を示すブロック図である。上述の制御装置９は、コンピュータシステム１０００を含む。コンピュータシステム１０００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ１００１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような不揮発性メモリ及びＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性メモリを含むメインメモリ１００２と、ストレージ１００３と、入出力回路を含むインターフェース１００４とを有する。上述の制御装置９の機能は、プログラムとしてストレージ１００３に記憶されている。プロセッサ１００１は、プログラムをストレージ１００３から読み出してメインメモリ１００２に展開し、プログラムに従って上述の処理を実行する。なお、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステム１０００に配信されてもよい。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、温水タンク５１の水位と温水ＨＷの目標温度値との相関データが記憶部９５に記憶され、水位センサ５０の検出水位値及び記憶部９５に記憶されている相関データに基づいて、温水ＨＷの目標温度値が決定される。流量制御部９７は、圧縮機４１及び熱源水ポンプ５を流通状態にした給水加温ユニット１の運転中、温度センサ８の検出温度値が目標温度値になるように給水ポンプ６を制御する。本実施形態においては、相関データは、温水タンク５１の水位が高くなるほど目標温度値が高くなる相関関係である。これにより、温水タンク５１は、ボイラ５２の負荷に追従して適正な水位及び水温に維持され、温水タンク５１の低水位状態及び水温低下が防止される。

また、流量制御部９７は、水位センサ５０の検出水位値が第１水位範囲にある第１水位状態では、目標温度決定部９６が決定した目標温度値に基づいて給水ポンプ６を制御する。これにより、温水タンク５１には、ボイラ５２での燃料削減効果が得られる温度の温水ＨＷが一定量、継続して確保される。

また、例えば熱源水ＳＷの温度が低い場合、目標温度値の温水ＨＷを生成するためには、給水加温ユニット１に供給する給水ＣＷの流量を少なくする必要が生じる。給水ＣＷの流量が少なくなると、給水加温ユニット１で生成される温水ＨＷの量が不足する可能性がある。その結果、ボイラ５２が低負荷で稼動していても、温水タンク５１の水位が低下する可能性がある。また、ボイラ５２が高負荷で稼動し、使用する温水ＨＷの量が急激に増えた場合も、温水タンク５１の水位が低下する可能性がある。

本実施形態においては、水位センサ５０の検出水位値が第２水位範囲にある第２水位状態においては、圧縮機４１及び熱源水ポンプ５を流通状態に制御した給水加温ユニット１の運転中において、給水ポンプ６が最大流量に制御される。これにより、給水加温ユニット１で製造された多量の温水ＨＷが温水タンク５１に供給される。したがって、温水タンク５１の低水位状態が確実に防止される。

温水タンク５１の低水位状態を解消するために、給水タンク２の給水ＣＷをバイパス流路１２から温水タンク５１に直接供給した場合、給水タンク２の給水ＣＷの温度は低いので、温水タンク５１の水温が過度に低下してしまう可能性がある。

本実施形態においては、温水タンク５１の水位が第２水位範囲に下降した場合、給水ポンプ６が最大流量で制御され、給水加温ユニット１に多量の給水ＣＷが供給される。給水加温ユニット１で生成される温水ＨＷの温度は、目標温度値（５５℃）よりも低い可能性があるものの、給水タンク２の給水ＣＷの温度（例えば２０℃）よりも十分に高い。給水加温ユニット１で生成された多量の温水ＨＷが温水タンク５１に供給されることにより、温水タンク５１の低水位状態及び水温低下を防止しつつ、ボイラ５２での燃料削減効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、水位センサ５０の検出水位値が第３水位範囲にある第３水位状態においては、圧縮機４１及び熱源水ポンプ５を流通状態に制御した運転中において、給水ポンプ６が最大流量に制御されたまま、給水タンク２の給水ＣＷがバイパス流路１２を介して温水タンク５１に供給される。すなわち、第３水位状態においては、給水加温ユニット１から温水タンク５１に多量の温水ＨＷが供給されるともに、バイパス流路１２を介して温水タンク５１に給水ＣＷが供給される。これにより、ある程度の水温低下を許容しつつ、低下した水位を短時間で回復させることができる。

［２］第２実施形態
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

図５は、本実施形態に係る熱交換器４００の一例を示す模式図である。上述の実施形態においては、給水加温ユニット１が蒸気圧縮式ヒートポンプ４を備えており、凝縮器４２が熱交換器として設けられ、圧縮機４１が第１流通切換手段として設けられることとした。また、ガス冷媒ＲＥｇと給水ＣＷとの熱交換により給水ＣＷが加温されることとした。

図５に示すように、給水加温ユニット１には、給水ＣＷと熱源水ＳＷとの熱交換により給水ＣＷを加温する熱交換器４００が設けられてもよい。また、熱交換器４００に対する高温流体（熱源水ＳＷ）の流通状態と非流通状態とを切り換える第１流通切換手段として、熱交換器４００に対する熱源水ＳＷの供給と停止とを切り換え可能な熱源水ポンプ５００が設けられてもよい。また、第１流通切換手段として、熱交換器４００に対する熱源水ＳＷの供給と停止とを切り換え可能な開閉弁が設けられてもよい。

［３］他の実施形態
なお、上述の実施形態においては、給水ポンプ６が可変容量ポンプであることとした。給水ポンプ６は、固定容量ポンプでもよい。固定容量ポンプである給水ポンプ６が給水流路１０に配置される場合、流量調節手段として機能する比例制御弁が給水流路１０に配置されてもよい。比例制御弁の開度が制御されることにより、凝縮器４２（熱交換器４００）に対する給水ＣＷの流量が調節される。給水加温ユニット１の運転時において、比例制御弁が開き、凝縮器４２に給水ＣＷを供給する。給水加温ユニット１の停止時において、比例制御弁が閉じ、凝縮器４２に対する給水ＣＷを遮断する。第１水位状態においては、温度センサ８の検出温度値が目標温度値になるように、比例制御弁の開度が制御される。第２水位状態又は第３水位状態においては、最大開度になるように比例制御弁が制御される。これにより、給水ＣＷは最大流量で凝縮器４２に供給される。

なお、例えば熱源水タンク３の熱源水ＳＷが加圧状態であるとき、熱源水ポンプ５が省略されても、熱源水タンク３の熱源水ＳＷは、熱源水流路１３を介して蒸発器４４に供給される。そのため、熱源水タンク３の熱源水ＳＷが加圧状態であるとき、第２流通切換手段として、開閉弁が熱源水流路１３に設けられてもよい。開閉弁の開閉動作により、蒸発器４４（熱交換器４００）に対する熱源水ＳＷの流通状態と非流通状態とを切り換えることができる。給水加温ユニット１の運転時において、開閉弁が開き、蒸発器４４に熱源水ＳＷが供給される。給水加温ユニット１の停止時において、開閉弁が閉じ、蒸発器４４に対する熱源水ＳＷの供給が遮断される。

１…給水加温ユニット、２…給水タンク、３…熱源水タンク、４…ヒートポンプ、５…熱源水ポンプ、６…給水ポンプ、７…補給ポンプ、８…温度センサ、９…制御装置、１０…給水流路、１１…温水流路、１２…バイパス流路、１３…熱源水流路、１４…供給流路、１５…オーバーフロー路、１６…警報装置、４１…圧縮機、４２…凝縮器、４３…膨張弁、４４…蒸発器、４５…過冷却器、４６…廃熱回収熱交換器、４７…循環流路、５０…水位センサ（水位検出手段）、５１…温水タンク、５２…ボイラ、５３…温水流路、５４…温水ポンプ、９１…第１流通切換制御部、９２…第２流通切換制御部、９３…検出温度取得部、９４…検出水位取得部、９５…記憶部、９６…目標温度決定部、９７…流量制御部、９８…警報制御部、１００…温水製造システム、ＣＷ…給水、ＨＷ…温水、ＲＥ…冷媒、ＲＥｇ…ガス冷媒、ＲＥｌ…液冷媒、ＳＷ…熱源水。

Claims (3)

1. 水位検出手段を有する温水タンクに温水を供給する給水加温ユニットであって、
   高温流体と給水との熱交換により給水を加温する熱交換器と、
   前記熱交換器に対する高温流体の流通状態と非流通状態を切り換える第１流通切換手段と、
   前記熱交換器に対する給水の流量を調節する流量調節手段と、
   前記熱交換器で生成された温水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記第１流通切換手段及び前記流量調節手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記第１流通切換手段を流通状態に制御した運転中、前記温度検出手段の検出温度値が目標温度値になるように、前記流量調節手段を制御する流量制御部と、
   前記温水タンクの水位と前記目標温度値との相関データを記憶する記憶部と、
   前記水位検出手段の検出水位値及び前記記憶部の相関データに基づいて、前記目標温度値を決定する目標温度決定部と、を有し、
   前記相関データは、前記温水タンクの水位が高くなるほど、前記目標温度値が高くなる相関関係であり、
   前記流量制御部は、前記水位検出手段の検出水位値が前記給水加温ユニットを停止させる上限水位値よりも低い第１水位範囲にある第１水位状態では、前記目標温度決定部が決定した前記目標温度値を用いて前記流量調節手段を制御し、前記水位検出手段の検出水位値が前記第１水位範囲よりも低い第２水位範囲にある第２水位状態では、前記検出温度値及び前記目標温度値とは無関係に前記流量調節手段を最大流量で制御する、
   給水加温ユニット。
2. 前記温水タンクには、前記熱交換器を介さずに前記温水タンクに給水するバイパス流路が接続され、
   前記流量制御部は、前記水位検出手段の検出水位値が前記第２水位範囲よりも低い第３水位範囲にある第３水位状態では、前記流量調節手段を最大流量で制御したまま、前記バイパス流路に給水を流通させ、前記第１水位状態及び前記第２水位状態では、前記バイパス流路の流通を遮断する、
   請求項１に記載の給水加温ユニット。
3. 圧縮機、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器が順次環状に接続されて冷媒が循環され、前記凝縮器で温熱を取り出す蒸気圧縮式ヒートポンプと、
   前記蒸発器に対する熱源水の流通状態と非流通状態を切り換える第２流通切換手段と、を備え、
   前記凝縮器及び前記圧縮機は、それぞれ前記熱交換器及び前記第１流通切換手段として設けられており、
   前記制御手段は、運転時に前記第１流通切換手段及び前記第２流通切換手段を流通状態に制御する一方、停止時に前記第１流通切換手段及び前記第２流通切換手段を非流通状態に制御する、
   請求項１又は請求項２に記載の給水加温ユニット。

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