JPS6030945A - 貯湯式給湯機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、深夜電力利用給湯器とヒートポンプを組み
合わせた貯湯式給湯機に関するものである。

深夜電力利用温水器は、深夜電力料金制度の適用をうけ
ており、その電気料金は一般の家庭用の電気料金よりも
割安になっている。こプした維持費の安さや、さらに安
全・衛生的であるなどの特長から安定した市場をｉ保し
てきた。しかしながら、この電気料金の割引率が圧縮さ
れる傾向にあり、灯油・ガスなどの他熱源給湯機との維
持費比較においては割高なものとなってきている。

一方、ヒートポンプは空調機として広く使用されている
が、こｔｔを給湯機の熱源として深夜電力で使用した場
合、維持費の面から見ればかなり有利なことは明らかで
ある。

しかし、給湯機の熱源としてヒートポンプを単独で使用
した場合の問題点としては、 （１）能力が外気温忙左右されるため、安定した湯温・
湯量の確保ができない。

（２）凝縮器側の温度は冷媒の種類により異なるものの
大差はなく、熱交換して得られる湯温の上限は５０〜５
５℃程度である。このため約８５℃で貯湯する深夜電力
利用温水器に比し貯湯効率が悪い。

等の性能面で問題があった。

この発明は、上記の点にかんがみてなされたもので、深
夜電力利用給湯器とと一トポンプを組合せ、このヒート
ポンプの運転を深夜時間帯または、それ以外の時間帯に
おいても二不ルギーコストがより重重いときのみ運転す
ることにより、深夜電力利用給湯器の優れた特長を活か
しながら、維持費の改善をした貯湯式給湯機の提供を目
的としたものである。以下、この発明を図面にもとづい
て詳細に説明する。

第１図はこの発明の貯湯式給湯機の一実施例を示す概略
図で、１は貯湯タンク、２は前記貯湯タンク１の下部忙
設けた発熱体、３はヒートポンプ装置であり、４は圧縮
機、５は水冷式凝縮器、６は膨張弁、１は蒸発器である
。８は吸込管、９は吐出管で、水冷式凝縮器５に循環ポ
ンプ１［１を介して接続し、吸込管８、吐出管９は貯湯
タンク１の下部側面にそれぞれ接続されている。１１は
前記貯湯タンク１の下部側面に接続された給水管、１２
は前記貯湯タンク１の上部に接続された給湯管、１３は
前記給湯管１２の先端に設けられた出湯栓である。

次に作用を説明する。ヒートポンプ装置３による沸上げ
では、循環ポンプ１０の作動で貯湯タンク１の下部から
吸入管８を経由して水冷式凝縮器５Ｖｃ送られた水はヒ
ートポンプ装置３の働きで昇温し、吐出管９髪経て貯湯
り／りＩＫ戻る。このサイクルを繰り返しなから貯湯タ
ンク１内の全体の水を沸き上げる。発熱体２による沸上
げにおいても、発熱体２が貯湯タンク１の底部に設げら
れており、貯湯タンク１内の全体の水を沸き上げるもの
である。こうして沸き上げられた湯は、出湯栓１３を開
くことによって水源水が給水管１１から貯湯タンク１の
底部に入り同量の湯が押し上げられて給湯管１２．出湯
栓１３を経て使用に供されるものである。

第２図は制御の一例を示す制御ブロック図で、１４は前
記貯湯タンク１の下部温度を検出するための下部温度セ
ンサ、１５は前記貯湯タンク１に貯える翌日の使用湯量
を予ｊめ設定するための湯量設定装置、１６は前記下部
温度センサ１４で検出した貯湯タンク１内の下部温度と
湯量設定装置１５で設定された設定値とから貯湯タンク
１内に貯えておくべき熱量を算出する所要熱量演算器で
ある。

１１は前記貯湯タンク１内の残湯量を検出するための残
湯量センサ、１８は前記貯湯タンク１内の上部温度を検
出するための上部温度センサ、１９は前記各々のセンサ
１４，１７．１８によってそれぞれ検出した下部温度、
残湯量、上部温度から貯湯タンク１内の残湯熱量を算出
するための残湯熱量演算器である。

２０は前記各演算器１６．１９によってそれぞれ算出し
た所要熱量と残湯熱量及び下部温度センサ１４で検出し
た下部温度から沸き上げるべき湯温を算出する湯温演算
器、２１は外気温度を検出するための外気温度センサ、
２２は外気温度と湯温と運転効率に関するヒートポンプ
装置３の特性データを入力しである記憶装置、２３は前
記各温度センサ１４，１７，２１で検出した温度と湯温
演算器２θでめに算出値と記憶装置２２のデータをもと
に発熱体２とヒートポンプ装置３の運転時間を設定する
運転時間設定装置であり、２４は前記運転時間設定装置
２３による時間設定にもとづいて発熱体２とヒートポン
プ装置３を運転するための制御装置である。

次に作用について算式を用いて具体的に説明する。貯湯
タンクＩＫ貯える翌日の使用湯量なＶ。

（１）（湯温Ｔ、ＣＯ）とし、これを湯量設定装置１５
にインプットし、深夜電力通電時間帯突入直後の下部温
度センサ１４の検出値をＴ２（’Ｃ）、ｆｉ湯量センサ
１Ｔの検出値をＶ２＜ｔ）、上部温度センサ１Ｂの検出
値をＴ３ＣＣ）　とすると、まず、所妥熱量演算器１６
は深夜電力の通電時間終了時刻までに貯湯タンク１内に
貯えてお（べき熱量に１に１＝　（Ｔ、　−Ｔ２）ＸＶ
、（ｋｃａｌ　）を算出てる。

ここで、下部温度センサ１４による検出値Ｔ２ＣＣ）は
貯湯タンク１内の下部温度を測定しているが、出湯栓１
３を開けて湯を使用した分だけ、貯湯タンク１の下部に
は給水管１１から水が流入してきているので、給水水温
とほぼ等しい値を示す。従って、給水管１１の途中等で
給水水温を直接検出してもよい。なお、給水水温は季節
的忙は変動はあるが、−日単位ではほぼ同じ温度を示す
。

また、残湯熱量演算器１９は貯湯タンク１内に残湯とし
て使い残されている熱量に４　を、Ｋ２＝　（Ｔ３−Ｔ
２）　ｘｖ、（ｋｃａｌ）として算出する。ここで、上
部温度センサ１８Ｖｃよる検出値Ｔ３Ｃ”Ｃ）　は貯湯
タンク１内の上部温度を測定しているが、残湯がある場
合には残湯温度となり、残湯がなければ給水水温とほぼ
等しい値となる。

そして湯温演算器２０は前記各演算器１．６　、１９で
めたに１．に２と下部温度Ｔ２を基に沸上げ温度Ｔ４を
、 として算出するものである。ここでＶ（１）は貯湯タン
ク１の内容積である。

次に記憶装置２２と運転時間設定装置２３と制御装置２
４の働きを第３図の運転時間設定装置の詳細ブロック図
と、第４図の加熱領域置換図と、第５図の加熱特性図に
より具体的に説明する。

まず、第４図により加熱領域置換について述べる。第４
図は縦＠には貯湯タンク１の高さ方向を意図した容量、
横軸には同じく貯湯タンク１の高さ方向に対応する温度
を示す加熱領域置換図である。前述の如く貯湯タンク１
の全容量をＶ（１）とし、下部温度Ｔ２を１０（′ｃ）
、上部温度Ｔ３ヲ６０（’Ｃ）、湯温演算器２０で算出
した沸上げ温度Ｔ４を７０ｃｃ）とし、ヒートポンプ装
置３による沸上げ上限温度Ｔ、を５０ＣＣ）と仮定する
と、図中Ａ部は残湯熱量を表わし、Ｂ部はヒートポンプ
装置３による沸上げ分、０部、Ｄ部は発熱体２Ｖｃよる
沸上げ分としてモデル化できる。

第４図のモデルに対し、記憶装置２２と運転時間設定装
置２３がどのように作動するかを第３図により説明する
。ここでは、ヒートポンプ装置３の圧縮機、送風機、循
環ポンプの全ての電気入力に対して、貯湯タンク１に得
られる熱量の比、すなわち総合効率ηが１より大きい時
のみヒートポンプ装置３の運転を行うことを原則とする
。

まず、深夜電力通電時間帯突入直後の外気温度センサ２
１と下部温度センサ１４で検出した外気温度と下部温度
Ｔ２をヒートポンプ装置３の特性データを記憶している
記憶装置２２に入力して、総合効率ηがη〉１で沸き上
げることのできるヒートポンプ装置３の沸上げ上限温度
Ｔ２℃を演算器２５でめ（第４図ではＴ５＝ｓｏｃｃ）
と仮定）、さらに下部温度Ｔ、（’Ｃ）　を上限温度Ｔ
　、　（Ｃ，）　Ｋ沸き上げる時のヒートポンプ平均能
力Ｑ　ｋｃａ、ｌ　／ｈｒを演算器２６でめる。次柁演
算器２１は貯湯タンク１の下部層（Ｖ−Ｖ２）Ｃｌ）を
上限温度Ｔ、に沸き上げる（第４図中Ｂ部分）ためのヒ
ートポンプ排上げ時間Ｈ□なめるもので、 でまる。

演算器２８は下部層が上部温度Ｔ３と同一になる（第４
図中Ｃ部分ンまでの下部層を発熱体２で沸か丁郷土げ時
間Ｈ２をめるものであり、発熱体２の容量をＷ（ＫＷＨ
）とすると、 でまる（ｌにＷｔ−１＝　８６’０ｋｃａｌ）。

また、演算器２９は貯湯タンク１の全容量Ｖ＜ｔ）を対
象に湯温演算器２０でめた沸上げ温度Ｔ４（℃）　Ｋま
で沸き上げる（第４図中り部分）ために装する上下層発
熱体排上げ時間Ｈ３をめるもので、 でまる。

それぞ４の所要通電時間がまると次に時間配分装Ｒ３０
により運転時間の配分を行う。それぞれめたＨ、ｌ　Ｈ
２１Ｈ，の合計時間が一夜電力通電時間の８時間以内に
入る時には時間配分は行わず、深夜電力通電開始と同時
にヒートポンプ装置３を運転し、下部温度センサ１４の
検出値が上限温度（Ｔ、＝５０℃）Ｋ達した時にヒート
ポンプ装置３の運転を停止し、発熱体２に深夜電力の通
１！を開始する。上部温度センサ１Ｂの検出値が湯温演
算器２０でめた沸上り温度（Ｔ、＝７０℃）に達した時
、発熱体２への通電を遮断するよう制御装置２４が作動
する。

第５図は縦軸に貯湯タンク１の温度、横軸に時間をとっ
た加熱特性図であり、ａ−ｂ−ｃ−ｄの曲線は（Ｈ，十
Ｈ２＋Ｈ，ン＝８（時間）の時のグラフであり、ａ−ｂ
間は第４図のＢ部分を対象としにヒートポンプ装置３に
よる加熱を示す。また、ｂ−ｃ間は第４図のＣ部分を対
象とした発熱体２による加熱を示す。さらにｃ−ｄ間は
第４図の０部分を対象とした同じく発熱体２による加熱
を示している。ここで、ｂ−ｃ間＋Ｃｄ間の勾配が違う
のは沸上げ対象となる湯量が異なるためである。

一方、外気温度が低（ヒートポンプ平均能力Ｑ（ｋｃａ
ｌ　／ｈｒ　）が低い場合には（Ｈ，＋Ｈ２＋Ｈ，、）
＞８となる。この場合にはヒートポンプ装置３でヒート
ポンプ上限温度（Ｔ、＝５０℃）まで沸き上げると第５
図ａ−ｆ間に示す通り、８時間の深夜通電時間内に沸上
り温度（Ｔ４＝７０℃）Ｋ達することは不可能となる。

このためヒートポンプ運転中に発熱体２にも深夜電力の
通電を行うことが必要となる。この時間設定を行うのが
時間配分装置３０で、ヒートポンプ装置３と発熱体２を
同時に運転すべき同時運転時間Ｈ４を次の通りめる。

第４図中Ｃ，，Ｄ部分を発熱体２ＶＣよって沸き上げる
ための時間（Ｈ２＋Ｈ，）　は固定値であり、上限温度
（Ｔ、−５０℃）ＶＣ沸き上げるために用意できる時間
は（，８−Ｈ２−Ｈ３置時間となるのでＱ　Ｘ　（８−
Ｈ２−Ｈ，ン＋ＷＸ８６０ＸＨ。

＝　（Ｔ、−Ｔ２　）Ｘ（Ｖ−Ｖ、） から同時運転時間Ｈ４はまる。この場合の運転は第５図
のａ−ｅ−ｂ−ｃ−ｄの曲線に示す通りで、ａ−ｂ間は
ヒートポンプ装置３の運転、ｅ　−ｂ間はヒートポンプ
装置３と発熱体２の同時運転、ｂ−ｃ−ｄ間は発熱体２
を運転するよう制御装置２４が作動するものである。

なお、以上の説明ではヒートポンプ装置３によッテ郷土
げが開始されているが、前提条件として総合効率（η）
が１以上の時のみ運転するよう構成しており、外気温度
が低く着霜などで総合効率が１以下の場合には最初から
発熱体２に通電するよう構成されている。

上記は深夜電力を用いてヒートポンプ装置３を運転する
場合であるが、この発明では昼間の一般電力でもヒート
ポンプ装置３を運転するものである。すなわち、上記の
ように深夜電力のみを利用してヒートポンプ装置３を運
転する場合は、外気温度の高い昼間ではヒートポンプ装
Ｒ３の成績係数が夜間より大きいのに運転できない。

そこで、この発明では、ヒートポンプ装Ｒ３を昼間電力
を利用しても深夜電力を使用するよりはエネルギーコス
トが安いのであれば、昼間の一般電力を用いて運転させ
るようにしだもの−である。

この判断は制御装置２４において行われる。こねによっ
て、深夜電力より高い料金の一般電力を使用しても全体
としては安い料金で運転が可能となる。

第、６図はこの発明の一実施例の動作説明のためのフロ
ーチャートである。図中、（１）〜（５）は各ステップ
を示す。

まず、深夜電力供給時間かどうかｙ判断され（ｌｌ、深
夜電力供給時間であれば深夜電力によるヒート・ポンプ
装置３および発熱体２の運転となる（２）。

一方、ステップ（１）で深夜電力供給時間でなげれば運
転状態かどうか〜判断される（３）。そして、運転状態
には湯を使用したときになる。運転状態になっていると
、昼夜エネルギーコストη、と、夜間エネルギーコスト
η、とが比較され、ηｄ〉η。

であれば（４）、昼間の一般電源によりヒートポンプ装
置３の運転となる。そうでなげればステップ（１）に戻
る。

こＮで、昼間エネルギーコストηｄ　はｄ ηｄ　”’　ｙ。

で示される。Ｑ、は昼間の発熱量ｋｃａｌ　／ｈｒ、　
ｙｄはＩＫＷＨの一般電気単価な示す。

また、夜間エネルギーコストηユは Ｑ。

７・　−１丁 で示され、Ｑｎは夜間の発熱量ｋｃａｌ’／ｈｒ、Ｙ４
　はＩＫＷＨの深夜電気単価を示す。

以上詳細に説明したように、この発明の貯湯式給湯機は
、湯量設定装置匠より使用湯量の入力を行う一方、残湯
熱量を算出して必要熱量のみ沸かし上げるよう構成する
とともに、外気温度、湯温を検出し昼間エネルギーコス
トと夜間エネルギーコストを比較し、安い方の電力を利
用してヒートポンプ装置の運転を行うようにし、しかも
深夜電力を利用して発熱体との並行運転も必要に応じて
行えるよう構成したので、毎日の残湯量が少な（なり、
そのため放熱ｐ−スか減少し、しかも維持費が安いヒー
トポンプの運転率が増え、また、発熱体の消費電力を減
少させることができ、より多くの経費削減を計れる利点
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の貯湯式給湯機の一実施例を示す概略
図、第２図はこの発明の制御の一例を示すブロック図、
第３図は同じく運転時間設定装置の詳細ブロック図、第
４図は同じく加熱領域置換図、第５図は同じく加熱特性
図、第６図はこの発明の一実施例の動作説明のための７
μｍチャートである。 図中、１は貯湯タンク、２は発熱体、３はヒートポンプ
装置、１４は下部温度センサ、１５は湯量設定装置、１
６は所要熱量演算器、１７は残湯量センサ、１Ｂは上部
温度センサ、１９は残湯熱量演算器、２０は湯温演算器
、２１は外気温度センサ、２２は明憶装置、２３は運転
時間設定装置、°″″５”′ｇ″ａｍｔ″′″″″・′
”３”ｏ　ｆｑ　−４ｑ−＠°１１同一−１：１こは相
当部分を示す。 第４図 第５図 度 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 熱源としてヒートポンプと深夜電力を利用する発熱体と
   を備えた貯湯式給湯機において、貯湯タンクの下部温度
   を検出するための下部温度検出手段と、貯湯タンク内の
   残湯量を検出するための残湯量検出手段と、前記貯湯タ
   ンクの上部温度を検出するための上部温度検出手段と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、翌日の使用湯
   量を予め設定する湯量設定装置と、外気温度と湯温およ
   び運転効率に関するヒートポンプの運転特性を入力した
   記憶装置と、前記各検出手段で検出した検出値、前記湯
   量設定装置および前記記憶装置に格納された前記運転特
   性とをもとに前記ヒートポンプと発熱体の運転時間を設
   定する深夜電力用の運転時間設定手段と、深夜電力供給
   時間忙は前記運転時間設定手段による時間設定に基づい
   て運転を行い、かつ、深夜電力供給時間ではない時間帯
   には一般電力によって運転した場合の昼間エネルギーコ
   ストと深夜電力で運転した場合の夜間エネルギーコスト
   を比較し、コストの安い方で運転させる制御装置とを備
   えたことを特徴とする貯湯式給湯機。