JPH0240439Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は深夜余剰電力を利用する電気温水器の
通電を制御するための装置に関する。

電気温水器は電力会社の深夜における余剰電力
を有効に活用する目的をもつて開発され、各家庭
で使用されているが、最近この電気温水器の普及
に伴い深夜電力の時間帯が始まる午後11時の直後
に各家庭の電気温水器のタイムスイツチが一斉に
「入」となるため、その直後から暫らくの間電力
の需要ピークが続く傾向にある。また各家庭の電
気温水器では各家庭毎に又は季節に応じて使用量
が異なるため、電源の「入」は同一時刻であつて
も温水器の温度が所定値に沸き上る時刻は残湯熱
量によりまちまちであるため、温水器への通電時
間も各々異なり、電力会社での実測によれば夏期
は２〜３時間、冬期は４〜５時間位である。この
ような状況から深夜電力通電時間帯は23時から翌
朝７時までとなつているが、23時から翌朝３時頃
までが電力需要のピークとなり、反対に翌朝４時
から７時までの間は電力需要が低下することにな
り、この点で発電効率及び送電効率の低下が問題
となつている。

この問題の解決策として、電気温水器の通電時
間をリモートコントローラの設定と温水タンクに
供給される給水の温度から沸き上り温度を決定
し、この沸き上り温度に必要な通電時間を深夜電
力時間帯の後半に遅延させて深夜電力のピーク負
荷の制御を図る方式がある。しかしながらこの方
式ではリモートコントローラの設定を夏季には使
用湯量を少なく、冬期には多くするようにスイツ
チを変更しないと使用実態に合わない場合が考え
られる不便さがある。

本考案は先ず上記のような不便さを解決するた
めにリモートコントローラの設定を季節に応じて
手動で変更するのでなく、これを自動化しようと
するものであり、残湯熱量を基に翌日必要とされ
る湯量を予測して自動的に適量の所定温度の使用
湯量が得られるように温水タンクを沸き上げるも
のである。次に本考案は更に進んで、冬期外気温
度が急に低下した場合及び夏冬を問わず使用湯量
が急に増大した場合特別に温水タンクの沸上げ温
度を臨時上昇させる設備を付加するものである。

本考案の１実施例を示す第１図において、１は
深夜電力用の電電源配線であり、これはタイムス
イツチ２、積算電力計３及び保安用の安全ブレー
カ４を直列に介して電気温水器５に内蔵された深
夜電源用端子６に接続される。１６は制御用の電
源配線であり、これが積算電力計１７と保安用の
安全ブレーカ１８を介して電気温水器５に内蔵さ
れた制御電源用端子９に接続される。電気温水器
５は温水タンク１４を有し、その中にヒーター１
３が収納され、また下部及び上部壁面に密着して
夫々温度センサ１１及び上下複数の温度センサ１
２が取付けられる。ヒーター１３は端子６から漏
電遮断器７とリレー８の接点を経て給電され、リ
レー８は制御部１０からの信号により付勢されて
接点を閉じる。センサ１１はタンク１４に供給さ
れる給水温度及びタンク１４内の沸き上り温度を
兼ね検出し、センサ１２はタンク１４内の残湯熱
量を検出する。リモートコントローラ１５は台所
などに設置され、手動と自動に切替えられるスイ
ツチである。

更に電気温水器５の本体外側に温度センサ１９
を取付ける。これは温度センサ１１の検出する給
水温度と必ずしも一致しない外気温度を検出する
ものである。

リモートコントローラ１５が手動側にあると
き、これを使用湯量を設定するとその信号は制御
部１０へ送られる。制御部１０はこれにマイコン
が内蔵されており、端子９からの制御電源及び端
子６からの深夜電力信号を受入れるほか、上記使
用湯量の信号及びセンサ１１からの給水温度信号
を受信し、上記深夜電力信号により深夜電力が供
給されたことを感知するとき上記両受信信号から
この日の沸き上り温度と通電時間を算出し、この
通電時間の時間帯を深夜電力時間帯の後半に遅延
させる機能を有する。そのためマイコンに内蔵さ
れたタイマーが深夜電力供給と同時にカウントを
開始し、通電開始時刻までヒーター１３への通電
を遅延させるようになつている。センサー１１で
検出した温水タンク１４内の温度がマイコンで算
出した沸き上り温度に達すると、制御部１０から
リレー８へ信号を送り、その接点が「切」とな
り、ヒーター１３への通電を停止する。制御部１
０はまた複数のセンサー１２からの温度信号を受
信し、この信号から残湯熱量を算出してこれをリ
モートコントローラ１５の表示部へ送る。

リモートコントローラ１５を自動側に切替える
と、その信号は制御部１０へ送られる。それに応
じて制御部１０内のマイコンはセンサ１１で検出
した給水温度とセンサ１２で検出したタンク内上
部200の残湯温度からその日の混合湯量がタン
ク容量の何倍必要かを算出し、続いて温水タンク
１４内の所要沸き上り温度及び通電時間、通電開
始を算出する。

その作動について詳述するに、先ず第１図にお
いてT₅₀，T₁₀₀，T₁₅₀，T₂₀₀は夫々温水タンク１
４の上部50、100、150、200の個所の残
湯温度である。そこで各区分の残湯熱量はその各
残湯温度に各体積を掛けた値であるので、タンク
上部から200までの残湯熱量は各区分の残湯熱
量の総和即ちT₅₀〜T₂₀₀の和に50を掛けた値に略
等しい。この残湯熱量はタイムスイツチ２が
「入」となり、深夜電源が「入」となつた時点で
計算するものとする。そして通常過去５日間のデ
ータの平均を取つて記憶保存するが、場合に応じ
て５日未満の平均値を取ることもあり、極端な場
合前日だけのこともあり得る。この残湯熱量の平
均値又は前日値をＱとする。

本考案においてはこの残湯熱量Ｑに対する適当
温度T_uに混合された湯量のタンク容量に対する
比ｄを第２図に示すような形に定める。即ちＱが
4000Kcal以下のときｄは200％の一定値とし、Ｑ
が8000Kcal以上のときｄは150％の一定値とし、
Ｑがその中間のときｄは200％から150％へ向けて
漸次減少するようにする。なおT_uは普通45℃で
ある。ｄ対Ｑの関係を図示のように定めた理由に
ついては次に述べる。

先ず電気温水器のタンク容量V_t（）及びヒー
ター容量Ｗ（KW）は通常、冬期の給水温度５℃
のタンク内水の全量を深夜電力通電時間帯の８時
間で約85℃にまで沸き上るように決定される。今
沸き上り温度をT_h、給水温度をT_c、通電時間を
ｔ、エネルギー効率をｙとすれば次の関係式が成
立つ。

V_t（T_h−T_c）＝Ｗ×ｔ×ｙ×860 ここで860はKcal／KWHの換算率である。こ
の式に上記T_haT_c、ｔの値及びｙ＝0.95を当ては
めると、V_t＝370とすれば、Ｗは4.53KWとな
る。しかし温水タンク内に若干の残湯があるか又
は給水温度が５℃より僅かに高い場合にはＷ＝
4.4KWでT_hは85℃となる。

自動制御する場合の沸き上り温度の最高も上記
と同様に85℃にする必要があり、この温度を一定
としてT_u＝45℃の混合湯量V_uを夏期と冬期で算
出すると、夏期の給水温度は平均で25℃程度であ
るからV_u＝1110となり、冬期の給水温度は平
均で５℃程度であるからV_u＝740となる。即ち
上記混合湯量は夏期の湯使用量が少ないときに多
く、冬期の湯使用量が多いときに少ないという不
合理な結果となる。また現在の電気温水器を使用
している家庭用のものでは冬期の使用量に合わせ
てタンク容量を選定しているので、冬期の湯量不
足の問題はなく、逆に夏期には必要以上の湯があ
りエネルギーの無駄となつているのが現状であ
る。以上のことから自動制御する場合の最高混合
湯量比ｄは冬期を基準としてｄ＝200％とした。

次に残湯熱量Ｑが4000Kcal以下のときｄ＝200
％とした理由について、冬期の給水温度５℃で残
湯がない場合で計算すると残湯熱量Ｑは
1000Kcalとなるので、Ｑが1000Kcalに等しいか
それ以下のときｄ＝200％とすることが一応考え
られるが、冬期は給水温度も低く多量に湯を必要
とすることから、湯量不足をなくするために、も
う少し余裕を持たせ、年間を通じての平均的は給
水温度の中間期の給水温度20℃を基準にして残湯
熱量Ｑを算出するとＱは4000Kcalとなるので、
これをｄ＝200％の上限とした。

自動制御する場合も夏期の給水温度が高い条件
で温水タンクを最低約55℃に沸き上げる必要があ
る。その理由について、人が風呂、洗面などに使
用する湯温は約42℃程度であり、温水タンクの沸
き上げ時間は８時間であり、使用するのは夕方７
時頃となつているため、沸き上つてから13時間程
度放置した状態となるが、温水タンクの温度降下
は0.5℃／H_r以下であり、13H_r放置しても全体の
温度降下は６℃となる。従つて55℃に沸き上つた
場合はそれから６℃引いて49℃の湯が使用でき
る。また配管途中での放熱ロスを考えても沸き上
り温度は55℃あれば使用する湯量の42℃が得られ
ることから、最低の沸き上り温度を55℃とした。

そこで夏期の給水温度が25℃の条牛で温水タン
クを約55℃に沸き上げると、混合湯量T_uが45℃
の混合湯量V_uは、温水タンク容量V_tを370とし
て、555となり、従つて混合湯量比ｄは150％と
なる。

残湯熱量Ｑが8000Kcal又はこれ以上のときｄ
＝150％とした理由について、タンク上部200に
40℃の残湯があると仮定すると、残湯熱量Ｑは
8000Kcalとなる。即ち残湯量が多い場合は使用
量も少なく温水タンクを高温に沸かす必要がない
ため、夏期の給水温度を高い時を基準にしてｄ＝
150％とし、温水タンクの沸き上げ温度を低くし
ている。

以上のように混合湯量比ｄの最高値200％と最
低値150％を先ず決定し、それに伴う残湯熱量Ｑ
をｄ＝200％のとき4000Kcal、ｄ＝150％のとき
8000Kcalとした場合の関係を第２図に示すよう
に定めたものである。但しこれらの数字は１実施
例である。

かくして本考案は需要家の使用湯量の変化を残
湯熱量Ｑの変化として感知し、使用湯量が少ない
ときは残湯熱量Ｑが多くなるため湯量比ｄを小さ
くして沸き上り温度を低くし、反対に使用湯量が
多いときは残湯熱量Ｑが少なくなるため湯量比ｄ
を大きくして沸き上り温度を高くするように、需
要家の使用実態に応じて自動的に沸き上り温度を
変化させるものである。

この日の必要熱量はV_t×ｄ×45であるから、
混合湯量比ｄが決定すれば容易に算出される。ま
た沸き上り温度T_hは次の式から求められる。

T_h（45−T_c）×ｄ＋T_c 但しこの求められたT_hの値が55℃より低いと
きは55℃とし、85℃より高いときは85℃とする。
沸き上り温度が決まると、タンク内をこの温度に
沸き上げるに必要な熱量が残湯熱量を考慮に入れ
て求められる。即ちタンク内上部の各区分につい
て上記T_hから残湯熱量T₅₀〜T₂₀₀を差引いてそれ
にこの区分の体積を掛けたものの総和に、上記タ
ンク内上部から下の部分の必要熱量即ち温度差
（T_h−T_c）と体積（V_t−200）との積を加えると
それが求められる。次にこの所要熱量を換算率
860で割り次に温水器のエネルギー効率（約0.9）
で割るとKWH値が出るので、これを更にヒータ
ー容量KW値で割ると所要通電時間が求められ
る。但しこの値が７時間55分を超える場合はその
超過分を割る。最後に通電開始までのシフト時間
は７時間55分から上記所要通電時間を差引くこと
によつて求められる。

以上は外気温度の変化が緩慢であり、また使用
湯量の変化も少ない平常の状態において好ましい
結果が得られる装置であるが、実際には上記の条
件から外ずれた異常事態に対する対策を講じてお
く必要がある。先じ冬期に寒波の影響により外気
温度が急に低下した場合使用湯量が平常より増加
して湯量不足の恐れがあるので、これに対応する
ため外気温度検出用の温度センサ１６の出力温度
が５℃以下になる場合には、その日に限り混合湯
量比ｄを第２図に示す関係に関わりなく最高の
200％として温水タンク１４内の沸き上げ温度を
算出するように改める。即ち外気温度は５℃以下
に急変しても給水温度はそれに追従せず、未だ５
℃より或る程度高い値を示し、且つ使用湯量もそ
のときまで或る程度の残湯量がある状態であつた
ため第２図に示す関係の計算によれば混合湯量比
ｄが200％より小さい値であるにしてもそれに関
わりなくその比ｄを200％として計算すように改
める。

また夏期の季節に関わりなく一般に温水タンク
１４内の最上部分即ち第２図で線T₅₀より上の部
分の残湯温度が50℃以下になつた場合にも上記と
同様に混合湯量比ｄを200％として計算を進める。
上記50℃以下の場合というのは上記線T₅₀より上
の部分まで冷水が上つたこと即ち使用湯量が極端
に増大したことを意味するので、翌日にはこのよ
うな事態を回避するため第２図による計算結果と
は無関係に混合湯量比ｄを200％にするように改
める。

本考案によれば、電気温水器の通電時間を平常
状態において所望の通り好適に制御するばかりで
なく、外気温度の急変その他の理由により使用湯
量が急に増大する異常事態に対しても適切に対応
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施した電気温水器のブロツ
ク図、第２図は本考案における基本的特性曲線図
である。 １：深夜電源用配線、５：電気温水器、８：リ
レー、１０：制御部、１１，１２，１９：温度セ
ンサ、１４：温水タンク、１５：リモートコント
ローラ、１６：制御用電源配線。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 電気温水器の温水タンク壁面上部に複数の温度
   検出用センサを取付け、これらセンサの出力から
   温水タンク内上部の残湯熱量を算出し、この残湯
   熱量の前日値又は前数日間の平均値から翌日必要
   と推定される所定温度の混合湯量を季節の変化に
   拘らず一定の相互関係、即ち上記残湯熱量が最小
   値から最大値へ増大するにつれて上記混合湯量が
   最初一定の上限値を保ち、次にこの上限値から一
   定の下限値へ向けて減小し、最後にこの下限値を
   保つような相互関係に従つて算出し、且つ電気温
   水器の本体外側に温度センサを取付けてその出力
   温度が異常に低下する場合及び温水タンク壁面最
   上部の温度センサの出力温度が上記混合湯の所定
   温度より僅かに高い所定の温度以下の場合上記一
   定の相互関係に関わりなく上記混合湯量を上記一
   定上限値に保持するように定め、その結果求めら
   れた混合湯量から所要の温水タンク内沸き上り温
   度を算出し、その算出値に応じて温水タンク加熱
   用ヒーターの通電を制御することを特徴とする通
   電制御型電気温水器。