KR101482846B1 - 저탕식 급탕 시스템 - Google Patents

Abstract

(과제) 급탕운전시의 히트펌프와 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율을 높인 저탕식 급탕 시스템을 제공한다.
(해결수단) 저탕식 급탕 시스템은, 저탕탱크(11) 내의 급수온도(Tw)의 물을 외기온도(Tout)의 하에서 히트펌프(51)에 의해 목표 급탕온도 이하의 온도까지 가열한 후에, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 탕수를 급탕기(87)에 의해 설정온도(Tcm)까지 가열하여 급탕관(86)에 출탕하는 급탕운전을 상정하고, 이 상정한 급탕운전에 있어서의 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율이, 가장 높아지는 비등온도인 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 결정하는 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)를 구비한다.

Description

저탕식 급탕 시스템{STORAGE TYPE HOT WATER SUPPLY SYSTEM}

본 발명은 저탕탱크 내의 탕수(湯水)를 히트펌프에 의해 가열하는 저탕장치와 보조 열원기를 구비한 급탕 시스템에 관한 것이다.

종래부터, 저탕탱크 내의 탕수를 히트펌프에 의해 가열하는 저탕장치의 저탕탱크의 하류측에 순간 가열식의 급탕기(보조 열원기)를 접속하여, 출탕시에 저탕탱크 내의 탕온이 저하했을 때에, 순간 가열식의 급탕기를 작동시켜 저탕탱크로부터의 탕수를 승온하는 저탕식 급탕 시스템이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1에 기재된 저탕식 급탕 시스템에 있어서, 급탕용의 동일 열량을 얻기 위해서 필요한 일차에너지의 양이 급탕기를 작동시킬 때보다 히트펌프를 작동시킬 때가 커지는 경우에는 저탕탱크 내의 열량이 적게 되어도 히트펌프를 작동시키지 않게 하여 일차에너지 소비량을 저감하고 있다.

특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2009-275958호 공보

상기 특허문헌 1에 기재된 저탕식 급탕 시스템에서는 급탕용의 동일 열량을 얻기 위해서 필요한 보조 열원기와 히트펌프의 단독 운전시의 일차에너지의 양을 비교하고 있다. 이 때문에, 히트펌프와 보조 열원기의 조합에 의한 특성을 살린 전체의 일차에너지 효율을 높이는 것에 대한 검토는 이루어지지 않았다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로서, 급탕운전시의 히트펌프와 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율을 높인 저탕식 급탕 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서 이루어진 것으로서,

하부에 급수관이 접속됨과 동시에 상부에 급탕관이 접속되어 이 급수관으로부터 공급되는 물이 저장되는 저탕탱크와;

상기 저탕탱크의 하부와 상부를 접속한 탱크 순환로와, 상기 저탕탱크의 하부에 저장된 물을 이 탱크 순환로를 통하여 상기 저탕탱크의 상부에 순환시키는 탱크 순환펌프와, 이 탱크 순환펌프의 작동에 의해 이 탱크 순환로 내를 유통하는 물을 가열하는 히트펌프를 가지는 히트펌프 유닛과;

상기 급탕관의 도중에 설치되어 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 가열하는 보조 열원기를 구비한 저탕식 급탕 시스템에 있어서,

상기 급수관으로부터 상기 저탕탱크로의 급수온도를 검출하는 급수 온도센서와;

상기 히트펌프의 주위 온도를 검출하는 주위 온도센서와;

상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 상기 주위 온도의 하에서 상기 히트펌프 유닛에 의해 상기 저탕식 급탕 시스템의 설정온도보다 소정온도 높게 설정된 목표 급탕온도 이하의 비등온도까지 가열한 후에, 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 상기 보조 열원기에 의해 이 설정온도까지 가열하여 상기 급탕관에 출탕하는 급탕운전을 상정(想定)하고, 이 상정한 급탕운전에 있어서의 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율이, 가장 높아지는 비등온도인 최고 일차에너지 효율온도를 결정하는 최고 일차에너지 효율온도 결정부와;

상기 저탕탱크로부터 공급되는 탕수의 온도가 설정 급탕 온도보다도 낮을때에, 상기 저탕탱크 내의 탕수를 상기 히트펌프 유닛에 의해 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 가열한 후에, 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 상기 보조 열원기에 의해 상기 설정온도까지 가열하여 상기 급탕관에 공급하는 급탕운전을 실행하는 급탕 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다(제1 발명).

또한, 제1 발명에 있어서,

상기 최고 일차에너지 효율온도 결정부는, 상기 저탕탱크 내의 탕수의 비등 상정온도를 상기 목표 급탕온도 이하의 온도 범위 내에서 변경하여, 변경한 온도를 선택했을 경우의, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 이 상정온도까지 승온하기 위해서 필요한, 상기 주위 온도하에서의 상기 히트펌프의 일차에너지 소비량의 상정치(想定値)인 제1 일차에너지 소비량과, 상기 저탕탱크로부터 상기 보조 열원기에 공급되는 이 상정온도의 탕수를 상기 설정온도까지 승온하기 위해서 필요한 상기 보조 열원기의 일차에너지 소비량의 상정치인 제2 일차에너지 소비량을 각각 산출하고, 상기 제1 일차에너지 소비량과 상기 제2 일차에너지 소비량의 합계 소비량에 근거하는 일차에너지 효율이 가장 높아지는 상기 상정온도를 상기 최고 일차에너지 효율온도로 결정하는 것을 특징으로 한다(제2 발명).

또한, 제1 발명 또는 제2 발명에 있어서,

상기 급탕 제어부는, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 상기 히트펌프 유닛에 의해 가열할 때에, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 단계적으로 상승시켜 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 상기 히트펌프 유닛에 의해 가열하는 것을 특징으로 한다(제3 발명).

또한, 제3 발명에 있어서,

과거의 급탕운전의 이력을 나타내는 급탕 이력 데이터를 보유하는 급탕 이력 보유부를 구비하고,

상기 급탕 제어부는, 상기 급탕 이력 데이터로부터 급탕운전이 실행되지 않는 것으로 상정되는 시간대에 상기 저탕탱크 내의 물의 상기 최고 일차에너지 효율온도까지의 가열을 행하는 것을 특징으로 한다(제4 발명).

제1 발명에 의하면, 상기 최고 일차에너지 효율온도 결정부는 상기 급수 온도센서에 의해 검출되는 상기 급수관으로부터 상기 저탕탱크에의 급수온도와, 상기 주위 온도센서에 의해 검출되는 상기 히트펌프의 주위 온도에 근거하여, 상기 설정온도에서의 급탕을 행할 때에, 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율이 최고가 되는 상기 저탕탱크 내의 물의 비등 상정온도인 상기 최고 일차에너지 효율온도를 결정한다.

그리고, 상기 급탕 제어부는 상기 저탕탱크 내의 탕수를 상기 히트펌프에 의해 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 가열한 후에, 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 상기 보조 열원기에 의해 상기 설정온도까지 가열하여 상기 급탕관에 공급하는 상기 급탕운전을 실행한다. 이에 의해 전체의 일차에너지 효율이 최고로 되면 상정되는 작동조건에 의해 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기를 작동시켜 일차에너지 효율을 높인 급탕운전을 행할 수 있다.

또한, 일차에너지란, 석유·석탄·천연가스 등의 화석연료, 원자력의 연료인 우라늄, 수력·태양·지열 등의 자연에너지 등 자연으로부터 직접 얻을 수 있는 에너지를 말한다. 또한, 일차에너지 효율이란, 필요한 에너지를 얻기 위해서 소비되는 일차에너지의 비율(=필요 에너지/일차에너지의 소비량)을 말하며, 일차에너지 소비량이 적을 수록 일차에너지 효율이 높아진다.

또한, 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 상기 최고 일차에너지 효율온도란 절대적인 의미로 일차에너지 효율이 가장 높아지는 온도 외에, 어떠한 검토 범위 내에서 상대적으로 일차에너지 효율이 가장 높은 온도도 포함하는 것이다.

여기에서, 상기 저탕탱크 내의 물의 비등온도는 저탕식 급탕 시스템의 설정온도와 같은 온도로 설정되어도 된다. 또한, 비등온도가 오차 등에 의해 설정온도보다 높아져도 된다. 이 경우는, 저탕탱크로부터 공급되는 탕수에 급수관으로부터 공급되는 물을 혼합시켜 설정온도의 탕수를 얻게 되므로, 일차에너지 효율은 비등온도가 설정온도와 동일한 경우와 같게 된다.

제2 발명에 의하면, 상기 저탕탱크 내의 물의 비등 상정온도를 상기 온도 범위내에서 변경하여, 각 상정온도에 대한 상기 제1 일차에너지 소비량과 상기 제2 일차에너지 소비량을 산출함으로써 상기 최고 일차에너지 효율온도를 용이하게 결정할 수 있다.

제3 발명에 의하면, 자세한 것은 후술하지만, 상기 히트펌프에 의한 비등온도 폭이 작을 수록, 일차에너지 효율이 높아지기 때문에, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 복수 단계로 상기 최고 일차에너지 온도까지 가열함으로써, 상기 히트펌프의 효율을 높일 수 있다.

제4 발명에 의하면, 상기 급탕 제어부에 의한 상기 저탕탱크 내의 물의 단계적인 가열을 행하고 있는 도중에 급탕이 개시되어, 상기 보조 열원기에서의 가열량이 많아짐으로써 상기 보조 열원기의 일차에너지 소비량이 증가하여 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율이 저하하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 저탕식 급탕 시스템의 구성도이다.
도 2는 최저 런닝 코스트 온도의 결정 처리의 플로차트이다.
도 3은 최고 일차에너지 효율온도의 결정 처리의 플로차트이다.
도 4는 히트펌프의 효율과 급탕기의 열효율의 관계의 설명도이다.
도 5는 히트펌프의 효율과 저탕탱크 내의 물의 비등온도와의 관계의 설명도이다.

본 발명의 실시 형태에 대하여, 도 1 내지 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 1을 참조하면, 본 실시 형태의 저탕식 급탕 시스템은, 저탕 유닛(10), 히트펌프 유닛(50), 가스열원 유닛(80) 및 저탕식 급탕 시스템의 전체적인 작동을 제어하는 컨트롤러(120)를 구비하여 구성되어 있다.

또한, 도 1에서는, 저탕식 급탕 시스템의 컨트롤러로서 하나의 컨트롤러(120)를 나타냈지만, 저탕 유닛(10)의 컨트롤러와, 히트펌프 유닛(50)의 컨트롤러와, 가스열원 유닛(80)의 컨트롤러를 개별적으로 구비하고, 각 컨트롤러 사이의 통신에 의해 저탕식 급탕 시스템의 전체적인 작동을 제어하는 구성으로 해도 된다.

저탕 유닛(10)은 저탕탱크(11), 급수관(12), 급탕관(13) 등을 구비하고 있다. 저탕탱크(11)는 내부에 탕수를 보온하여 저장하고, 높이 방향으로 대략 등간격으로 탱크 온도센서(14~17)가 설치되어 있다. 저탕탱크(11)의 저부에는 작업자의 수동 조작에 의해 개방되는 배수밸브(18)가 설치되어 있다.

급수관(12)은 일단이 급수구(30)를 통하여 도시하지 않은 수도에 접속되고 타단이 저탕탱크(11)의 하부에 접속되어 저탕탱크(11) 내의 하부에 물을 공급한다. 급수관(12)에는 저탕탱크(11)의 내압이 과대하게 되는 것을 방지하기 위한 감압밸브(19)와, 저탕탱크(11)로부터 급수관(12)으로의 탕수의 유출을 저지하기 위한 역지밸브(20)가 설치되어 있다.

급수관(12)은 탱크 혼합밸브(21)를 통하여 급탕관(13)에 연통하고 있어, 탱크 혼합밸브(21)에 의해 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 탕수와 급수관(12)으로부터 급탕관에 공급되는 물과의 혼합비가 변경된다. 급수관(12)에는 급수관(12)에 공급되는 물의 온도를 검출하는 급수 온도센서(22)와, 급수관(12)을 유통하는 물의 유량을 검출하는 수 유량센서(23)와, 급탕관(13)으로부터 급수관(12)으로의 탕수의 유출을 저지하기 위한 역지밸브(24)가 설치되어 있다.

급탕관(13)은 일단이 급탕구(31)에 접속되고 타단이 저탕탱크(11)의 상부에 접속되어 있다. 저탕탱크(11)의 상부에 저장된 탕수는 급탕구(31)를 통하여 도시하지 않은 급탕전(부엌, 화장실, 욕실의 수도전이나 샤워기 등)으로 공급된다. 급탕관(13)에는 급탕관(13)으로부터 저탕탱크(11)로의 탕수의 유입을 저지하는 역지밸브(25)와, 급탕관(13) 내의 탕수의 온도를 검출하는 탕수 온도센서(26)와, 급탕관(13)을 유통하는 탕수의 유량을 검출하는 탕수 유량센서(27)가 설치되어 있다.

급탕관(13)은 급수관(12)의 분기관과의 접속부보다 하류측에서 가스열원 유닛(80)과 접속되는 바이패스관(33){바이패스 왕관(往管,33a), 바이패스 복관(復管,33b}에 분기된다. 급탕관(13)의 바이패스 왕관(33a)과의 접속부와 탱크 혼합밸브(21)의 사이에는 탕 온도센서(28)가 설치되고, 급탕관(13)의 바이패스 복관(33b)과의 접속부와 급탕구(31)의 사이에 혼합탕 온도센서(32)가 설치되어 있다.

또한, 급탕관(13)의 바이패스 왕관(33a)과의 접속부와 바이패스 복관(33b)과의 접속부의 사이에 바이패스 왕관(33a)에 공급되는 탕수의 유량을 조정하기 위한 바이패스 제어 밸브(29)가 설치되어 있다.

저탕 유닛(10)에 구비된 각 센서의 검출 신호는 컨트롤러(120)에 입력된다. 또한, 컨트롤러(120)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 탱크 혼합밸브(21)와 바이패스 제어 밸브(29)의 작동이 제어된다.

다음으로, 히트펌프 유닛(50)은 저탕탱크(11) 내의 탕수를 탱크 순환로(41)를 통하여 순환시켜 가열하는 것으로서 옥외에 설치되어 있다. 히트펌프 유닛(50)은 히트펌프 순환로(52)에 의해 접속된 증발기(53), 압축기(54), 히트펌프 열교환기(55, 응축기) 및 팽창밸브(56)에 의해 구성된 히트펌프(51)를 가지고 있다.

증발기(53)는 팬(60)의 회전에 의해 공급되는 공기(외기)와 히트펌프 순환로(52) 내를 유통하는 열매체(하이드로 플루오로 카본(HFC) 등의 대체 플론, 이산화탄소 등)와의 사이에서 열교환을 행한다. 압축기(54)는 증발기(53)로부터 토출 된 열매체를 압축하여 고압·고온으로 해서 히트펌프 열교환기(55)에 송출한다. 팽창밸브(56)는 압축기(54)에서 가압된 열매체의 압력을 개방한다.

제상(除霜)밸브(61)는 팽창밸브(56)를 바이패스하여 설치되어 있어 압축기(54)로부터 송출되는 열매체에 의해 증발기(53)를 제상한다. 히트펌프 순환로(52)의 팽창밸브(56)의 상류측 및 하류측과 압축기(54)의 상류측 및 하류측에는 히트펌프 순환로(52) 내를 유통하는 열매체의 온도를 검출하는 열매체 온도센서(62, 63, 64, 65)가 각각 설치되어 있다. 또한, 증발기(53)에는 증발기(53)에 흡입되는 공기의 온도(외기온도, 본 발명의 주위 온도에 상당함)를 검출하는 주위 온도센서(67)가 설치되어 있다.

히트펌프 열교환기(55)는 탱크 순환로(41)와 접속되어 압축기(54)에 의해 고압·고온으로 된 열매체와 탱크 순환로(41) 내를 유통하는 탕수와의 열교환에 의해 탱크 순환로(41) 내를 유통하는 탕수를 가열한다. 탱크 순환로(41)에는 저탕탱크(11) 내의 탕수를 탱크 순환로(41)를 통하여 순환시키기 위한 탱크 순환펌프(66)가 설치되어 있다.

저탕탱크(11) 내의 하부에 저장된 탕수는 탱크 순환펌프(66)에 의해 탱크 순환로(41)에 도입되어 히트펌프 열교환기(55)에서 비등온도까지 가열되어 저탕탱크(11)의 상부에 복귀된다. 이에 의해 비등온도의 탕수가 저탕탱크(11)의 상부로부터 순차적으로 적층하여 저장된다.

또한, 탱크 순환로(41)의 히트펌프 열교환기(55)의 상류측 및 하류측에는 탱크 순환로(41) 내를 유통하는 탕수의 온도를 검출하는 탕수 온도센서(68, 69)가 설치되어 있다. 또한, 히트펌프 열교환기(55)에는 그 내부의 분위기 온도를 검출하는 분위기 온도센서(57)가 설치되어 있다.

히트펌프 유닛(50)에 구비된 각 센서의 검출 신호는 컨트롤러(120)에 입력된다. 또한, 컨트롤러(120)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 압축기(54), 탱크 순환펌프(66), 팬(60)의 작동이 제어된다.

다음으로, 가스열원 유닛(80)은 바이패스관(33)에 공급되는 탕수와 욕조(101)에 접속된 목욕탕 순환로(102) 내를 유통하는 온수를 가열하는 것으로서, 급탕 버너(81), 급탕 열교환기(82), 추가가열 버너(83), 추가가열 열교환기(84), 급수관(85), 급탕관(86) 등을 구비하고 있다. 또한, 급수관(85) 및 급탕관(86)은 저탕탱크(11)에 접속된 본 발명의 급탕관에 상당한다.

급탕 버너(81) 및 추가가열 버너(83)에는 도시하지 않은 가스 공급관으로부터 연료가스가 공급됨과 동시에, 도시하지 않은 연소 팬에 의해 연소용 공기가 공급된다. 컨트롤러(120)는 급탕 버너(81) 및 추가가열 버너(83)에 공급하는 연료가스와 연소용 공기의 유량을 조절하여, 급탕 버너(81) 및 추가가열 버너(83)의 연소량을 제어한다.

급탕 열교환기(82)는 급수관(85) 및 급탕관(86)에 연통하고 있어, 급탕 버너(81)의 연소열에 의해 급수관(85)으로부터 공급되는 물을 가열하여 급탕관(86)에 출탕한다. 급수관(85)은 일단이 저탕 유닛(10)의 바이패스 왕관(33a)에 접속되어 바이패스 왕관(33a)을 통하여 탕수가 공급된다. 급탕관(86)은 일단이 저탕 유닛(10)의 바이패스 복관(33b)에 접속되고 있어 바이패스 복관(33b)을 통하여 급탕구(31)로부터 탕수를 공급한다.

급수관(85)에는 상류측으로부터 순서대로 지수(止水)밸브(93)와 수량 센서(88)가 설치되어 있다. 급수관(85)과 급탕관(86)은 바이패스관(89)에 의해 연통하고 있고, 바이패스관(89)에는 바이패스관(89)의 개방도를 조절하기 위한 수량 조절밸브(90)가 설치되어 있다. 급탕관(86)의 급탕 열교환기(82)의 하류측 및 바이패스관(89)과의 접속 부분의 하류측에는 급탕관(86) 내를 유통하는 탕수의 온도를 검출하는 급탕온도센서(91, 92)가 각각 설치되어 있다.

이 구성에 의해 저탕탱크(11) 내에 탕수가 없을 때(탕수소진 상태)에, 바이패스 왕관(33a)을 통하여 급수관(85)에 공급되는 물이 급탕 열교환기(82)에 의해 가열되어 탕수가 되고, 바이패스관(89)으로부터의 물과 혼합되어 급탕관(86) 및 바이패스 복관(33b)을 통하여 급탕구(31)로부터 공급되게 되어 있다.

또한, 급수관(85) 및 급탕관(86)에 접속된 급탕 열교환기(82)와, 급탕 열교환기(82)를 가열하는 급탕 버너(81)를 구비하고 급수관(85)으로부터 급탕 열교환기(82)를 통하여 급탕관(86)에 유통하는 탕수를 가열하는 구성이 본 발명의 보조 열원기에 상당하고, 도 1에서는 급탕기(87)로서 나타내고 있다.

또한, 급탕관(86)은 온수채움관(100)에 의해 욕조(101)에 접속된 목욕탕 순환로(102)에 연통하고 있다. 온수채움관(100)에는 온수채움관(100)을 개폐하는 탕장 밸브(103)와, 급탕관(86)을 유통하는 탕수의 유량을 검출하는 온수채움 유량센서(104)가 설치되어 있다.

컨트롤러(120)는 온수채움 밸브(103)를 개방함으로써 급탕관(86)으로부터 온수채움관(100) 및 목욕탕 순환로(102)를 통하여 욕조(101)에 탕수를 공급하되, 온수채움 유량센서(104)의 검출 유량에 의해 욕조(101)로의 급탕량을 적산하여 욕조(101)에 목표 온수채움양의 탕수를 공급하는 「온수채움 운전」을 실행한다.

목욕탕 순환로(102)는 욕조(101)와 추가가열 열교환기(84)를 접속한 목욕탕 왕관(102a) 및 목욕탕 복관(102b)을 포함한다. 목욕탕 복관(102b)에는 욕조(101) 내의 탕수를 목욕탕 순환로(102)를 통하여 순환시키는 목욕탕 순환펌프(105)와, 목욕탕 순환로(102) 내의 수류(水流)를 검출하는 수류 스위치(108)와, 목욕탕 복관(102b) 내를 유통하는 탕수의 온도를 검출하는 목욕탕 복귀 온도센서(107)가 설치되어 있다. 또한, 목욕탕 왕관(102a)에는 목욕탕 왕관(102a) 내를 유통하는 탕수의 온도를 검출하는 목욕탕 공급 온도센서(106)가 설치되어 있다.

컨트롤러(120)는 목욕탕 순환펌프(105)를 작동시켜 욕조(101) 내의 탕수를 목욕탕 순환로(102)를 통하여 순환시킨 상태에서 추가가열 버너(83)를 연소시킴으로써 욕조(101) 내의 탕수를 가열하는 「추가가열 운전」을 실행한다.

가스열원 유닛(80)에 구비된 각 센서 및 수류 스위치(108)의 검출 신호는 컨트롤러(120)에 입력된다. 또한, 컨트롤러(120)로부터 출력되는 제어 신호에 의해 급탕 버너(81), 추가가열 버너(83), 수량 조절밸브(90), 지수밸브(93), 온수채움 밸브(103), 목욕탕 순환펌프(105)의 작동이 제어된다.

컨트롤러(120)는 도시하지 않은 CPU, 메모리 등에 의해 구성된 전자 회로 유닛이며, 메모리에 보유된 저탕식 급탕 시스템의 제어용 프로그램을 CPU로 실행함으로써, 기준지표 선택부(121), 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122), 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123), 급탕 제어부(124), 추가가열 제어부(125), 온수채움 제어부(126) 및 급탕 이력 보유부(127)로서 기능한다.

컨트롤러(120)는 통신케이블(130)에 의해 리모콘(140)과 접속되어 있다. 리모콘(140)은 저탕식 급탕 시스템의 운전 상황이나 운전 조건의 설정 등을 표시하기 위한 표시기(141)와, 각종 스위치가 설치된 스위치부(142)를 구비하고 있다.

저탕식 급탕 시스템의 사용자는, 리모콘(140)을 조작함으로써 저탕탱크(11) 내의 탕수의 비등 지시, 급탕구(31)로부터의 급탕온도(설정 급탕온도, 본 발명의 설정온도에 상당함)의 설정, 욕조(101)로의 급탕온도(설정 온수채움 온도, 본 발명의 설정온도에 상당함)의 설정, 「온수채움 운전」의 실행 지시, 「추가가열 운전」의 실행 지시, 전기요금·가스요금의 설정, 후술하는 기준지표(런닝 코스트 일차에너지 효율)의 선택 등을 행할 수 있다.

기준지표 선택부(121)는 사용자에 의한 리모콘(140)의 스위치부(142)의 조작에 따라, 사용자가 관심을 갖는 기준지표로서, 런닝 코스트 또는 일차에너지 효율을 선택한다.

최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 「급탕운전」또는 「온수채움 운전」을 행할 때에, 히트펌프(51)의 런닝 코스트와 급탕기(87)의 런닝 코스트의 합계 코스트가 가장 낮아지는 저탕탱크(11) 내의 물의 비등온도인 최저 런닝 코스트 온도를 결정한다.

최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 「급탕운전」또는 「온수채움 운전」을 행할 때에, 히트펌프(51)의 일차에너지 소비량과 급탕기(87)의 일차에너지 소비량의 합계량이 최소가 되어, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 저탕탱크(11) 내의 물의 비등온도인 최고 일차에너지 효율온도를 결정한다.

급탕 제어부(124)는 급탕구(31)를 통하여 접속된 급탕전(도시하지 않음)이 개방되어, 급수관(85) 내에 소정의 최저 유량 이상의 탕수가 흐르고 있는 것이 수량 센서(88)에 의해 검출될 때에, 급탕구(31)로부터 설정온도{리모콘(140)에 의해 설정된 설정 급탕온도 또는 설정 온수채움 온도}의 탕수를 공급하는 「급탕운전」을 실행한다.

「급탕운전」에 있어서, 급탕 제어부(124)는 저탕탱크(11) 내의 탕수를 히트펌프(51)에 의해 비등온도까지 가열함과 동시에 급탕구(31)로부터의 급탕온도가 설정온도가 되도록 급탕 버너(81)의 연소량, 탱크 혼합밸브(21)의 혼합비, 바이패스 제어 밸브(29)의 개방도, 수량 조절밸브(90)의 개방도 등을 제어한다.

추가가열 제어부(125)는 리모콘(140)에 있어서 「추가가열 운전」의 개시가 지시되었을 때에, 상술한 「추가가열 운전」을 실행하여 욕조(101) 내의 탕수를 가열한다.

온수채움 제어부(126)는 리모콘(140)에 있어서 「온수채움 운전」의 개시가 지시되었을 때에, 상술한 「온수채움 운전」을 행하여 욕조(101)에 설정 온수채움 온도의 탕수를 설정 온수채움양만 공급한다. 「온수채움 운전」에 있어서, 급탕 제어부(124)는 설정 온수채움 온도를 설정온도로 하여 「급탕운전」을 행한다.

급탕 이력 보유부(127)는 「급탕운전」(「온수채움 운전」에 있어서의 「급탕운전」도 포함함)이 실행된 시각의 정보를 포함한 급탕 이력 데이터를 메모리에 보유한다. 급탕 제어부(124)는 급탕 이력 데이터를 참조하여 「급탕운전」이 실행되지 않는 것으로 상정되는 시간대를 인식한다.

다음으로, 도 2 ~ 도 3에 나타낸 플로차트에 따라, 컨트롤러(120)에 의한 최저 런닝 코스트 온도와 최고 일차에너지 효율온도의 결정 처리에 대하여 설명한다.

컨트롤러(120)는 저탕탱크(11) 내에 설정온도(설정 급탕온도 또는 설정 온수채움 온도)의 탕수가 없는 탕수소진을 검지했을 때에, 도 2의 STEP 1 이하의 처리를 실행한다. 또한, 탕수소진의 검지는 (1) 가스열원 유닛(80)의 급탕기(87)가 작동한 것, (2) 저탕탱크(11)의 탱크 온도센서(14~17)의 검출 온도가 설정온도보다 낮아진 것, (3) 탕수 온도센서(26)에 의한 저탕탱크(11)로부터의 탕수의 검출 온도가 설정온도보다 낮아진 것, 등을 판단함으로써 행한다.

컨트롤러(120)는 STEP 1에서 주위 온도센서(67)의 온도 검출 신호로부터 히트펌프 유닛(50)이 설치된 옥외의 온도인 외기온도(Tout)의 데이터를 취득하고, STEP 2에서 급수 온도센서(22)의 온도 검출 신호로부터 급수관(12)으로의 급수온도(Tw)의 데이터를 취득한다. 또한, 이어지는 STEP 3에서, 리모콘(140)의 스위치부(142)의 조작에 의해 설정되어, 메모리에 보유된 설정온도(Tcm)의 데이터를 취득한다.

다음의 STEP 4에서, 컨트롤러(120)는 기준지표 선택부(121)에 의해 런닝 코스트가 선택되어 있는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 런닝 코스트가 선택되어 있을 때에는 STEP 5로 진행하고, 런닝 코스트가 선택되어 있지 않을 때(일차에너지 효율이 선택되어 있을 때)에는 도 3의 STEP 20으로 분기한다.

STEP 5 내지 STEP 10은 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)에 의한 처리이다. 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 STEP 5 내지 STEP 9의 루프에 의해 급수관(12)으로부터 저탕탱크(11) 내에 공급된 물을 미리 설정된 4개의 온도 25℃, 35℃, 45℃, 55℃ 중 설정온도(Tcm, 본 실시 형태에서는 45℃)에 따라 정해진 비등온도인 목표 급탕온도{설정온도(Tcm)보다도 소정온도 높게 설정됨} 이하의 온도 범위 내에서 선택한 3개의 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)에 대하여, STEP 6에서, 외기온도(Tout) 하에서 저탕탱크(11) 내의 Tw의 온도의 물을 상정온도(Th_e)까지 끓일 때에 필요한, 히트펌프(51)의 런닝 코스트를 산출한다.

또한, STEP 7에서, 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 저탕탱크(11) 내의 탕수의 온도가 3개의 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)일 때에, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 탕수를 급탕기(87)에 의해 설정온도(Tcm)까지 가열할 때에 필요한, 급탕기(87)의 런닝 코스트를 산출한다.

최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 STEP 8에서, 각 비등 상정온도에 대하여, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트를 산출하여 메모리에 보유한다. 그리고, STEP 10에서, 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트가 가장 낮아지는 비등 상정온도를 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)로서 결정한다.

여기에서, 도 4(a)는 세로축을 히트펌프(51)의 효율로 설정하고, 가로축을 외기온도(Tout)로 설정하여, 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 히트펌프(51)에 의해 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃, 55℃)까지 끓일 때의, 히트펌프(51)의 효율과 외기온도와의 관계를, a1(Th_e=25℃), a2(Th_e=35℃), a3(Th_e=45℃), a4(Th_e=55℃)에 의해 나타낸 「외기온도-히트펌프 효율 맵」이다.

또한, 컨트롤러(120)의 메모리에는 5℃ 이외의 급수온도(Tw)에 대한 「외기온도-히트펌프 효율 맵」의 데이터도 보유되어 있다. 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 급수온도(Tw)에 따라, 사용하는 「외기온도-히트펌프 효율 맵」을 선택한다.

또한, 도 4(b)는 세로축을 급탕기(87)의 열효율로 설정하고, 가로축을 저탕탱크(11)로부터 급탕 열교환기(82)에 공급되는 탕수의 온도(급탕기 입구 온도)로 설정하고, 비등온도와 급탕기(87)의 열효율과의 관계 b를 나타낸 「급탕기 입구 온도-급탕기 열효율 맵」을 나타내고 있다. 급탕기 입구 온도는 저탕탱크(11) 내의 탕수의 비등온도(Th)가 된다.

이하, 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)에 의한 STEP 6의 히트펌프(51)의 런닝 코스트의 산출과, STEP 7의 급탕기(87)의 런닝 코스트의 산출과, STEP 8의 전체의 런닝 코스트의 산출과, STEP 10의 최저 런닝 코스트 온도의 결정의 처리에 있어서, 급수온도 Tw=5℃, 외기온도 Tout=-5℃, 설정온도 Tcm=45℃인 경우를 예로서 설명한다.

최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 도 4(a)의 급수온도 Tw=5℃용의 「외기온도-히트펌프 효율 맵」을 선택한다. 도 4(a)의 「외기온도-히트펌프 효율 맵」에서는, 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 각 비등 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)까지 끓일 때의 히트펌프(51)의 효율(Eh)는 이하의 표 1과 같이 되어, 비등온도가 낮을 수록 히트펌프(51)의 효율이 높아지게 된다.

상정온도(Th_e)	25℃	35℃	45℃
히트펌프 효율(Eh)	500%	350%	200%

또한, 각 비등 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃)의 물을 설정온도 Tcm=45℃까지 가열할 때의 급탕기(87)의 열효율(Eb)은 이하의 표 2와 같이 된다. 또한, 목표 급탕온도가 설정온도(Tcm) 이상으로 설정되어 있으면, 급탕기(87)에 의한 가열은 행해지지 않는다.

상정온도(Th_e)	25℃	35℃
급탕기 열효율(Eb)	86%	84%

히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 25℃까지 끓인 후에, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 25℃의 물을 급탕기(87)에 의해 설정온도 Tcm=45℃까지 가열하는 것을 상정한 급탕운전에 있어서의, 히트펌프(51)의 런닝 코스트와 급탕기(87)의 런닝 코스트는 이하의 식(1)~식(9)에 의해 구해진다. 또한, 저탕탱크(11)의 용량은 100리터이다.

[비등 상정온도 Th_e=25℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(25℃-5℃)×100리터×d×Cv=2000(kcal)……(1)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율(Eh)을 고려한 열량

2000÷5(Eh)=400(kcal)……(2)

·히트펌프의 소비전력(1 kWh=860 kcal)

400÷860=O.465(kWh)……(3)

·히트펌프의 런닝 코스트(전기요금을 22엔/kWh로 설정)

0.465×22(엔)=10.23(엔)……(4)

·급탕기에 의한 승온(25℃→45℃)에 필요한 열량

(45℃-25℃)×100×d×Cv=2000(kcal)……(5)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·급탕기의 열효율(Eb)을 고려한 열량

2000÷0.86(Eb)=2326(kcal)……(6)

·급탕기의 연료가스의 소비량(발열량 : 1100O kcal/㎥로 계산)

2326(kcal)÷11000=0.211(㎥)……(7)

·급탕기의 런닝 코스트(연료가스요금을 110엔/㎥로 설정)

0.211×110(엔)=23.21(엔)……(8)

·전체의 런닝 코스트

10.23(엔)+23.21(엔)=33.44(엔)……(9)

다음으로, 히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 35℃까지 끓인 후에, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 35℃의 물을 급탕기(87)에 의해 설정온도 Tcm=45℃까지 가열하는 것을 상정한 급탕운전에 있어서의, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트는 이하의 식(10)~식(18)에 의해 구해진다.

[비등 상정온도 Th_e=35℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(35℃-5℃)×100리터×d×Cv=3000(kcal)……(10)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율(Eh)을 고려한 열량

3000÷3.5(Eh)=857(kcal)……(11)

·히트펌프의 소비전력(1 kWh=860 kcal)

857÷860=0.997(kWh)……(12)

·히트펌프의 런닝 코스트(전기요금을 22엔/kWh로 설정)

HP_c=0.997×22(엔)=21.93(엔)……(13)

·급탕기에 의한 승온(35℃→45℃)에 필요한 열량

(45℃-35℃)×100리터×d×Cv=1000(kcal)……(14)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·급탕기의 열효율(Eb_을 고려한 열량

1000÷O.84(Eb)=1190(kcal)……(15)

·급탕기의 연료가스의 소비량(발열량 : 11000 kcal/㎥로 계산)

1190(kcal)÷11000=0.108(㎥)……(16)

·급탕기의 런닝 코스트(연료가스요금을 110엔/㎥로 설정)

0.108×110(엔)=11. 88 (엔)……(17)

·전체의 런닝 코스트

21.93(엔)+11.88(엔)=33.81(엔)……(18)

다음으로, 히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 45℃까지 끓이고, 급탕기(87)에 의한 가열을 행하지 않는 경우를 상정한 급탕운전에 있어서의 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트는 이하의 식(19)~식(23)에 의해 구해진다.

[비등 상정온도 Th_e=45℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(45℃-5℃)×100리터×d×Cv=4000(kcal)……(19)

단, d : 수의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율(Eh)을 고려한 열량

4000÷2(Eh)=2000(kcal)……(20)

·히트펌프의 소비전력(1 kWh=860 kcal)

2000÷860=2.33(kWh)……(21)

·히트펌프의 런닝 코스트(전기요금을 22엔/kWh로 설정)

HP_c=2.33×22(엔)=51.26(엔)……(22)

·전체의 런닝 코스트

51.26(엔)+0(엔, 급탕기의 가열 없음)=51.26(엔)……(23)

다음으로, 히트펌프(51)에 의한 저탕탱크(11) 내의 물의 비등을 행하지 않고, 급탕기(87)에 의해 급수온도 Tw=5℃의 물을 설정온도 Tcm=45℃까지 가열하는 경우를 상정한 급탕운전에 있어서의 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트는 이하의 식(24)~식(27)에 의해 구해진다.

{비등 없음[저탕탱크(11) 내의 물의 온도=급수온도 5℃]}

·급탕기에 의한 승온(5℃→45℃)에 필요한 열량

(45℃-5℃)×100리터×d×Cv=4000(kcal)……(24)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·급탕기의 열효율(Eb)을 고려한 열량

4000÷0.92(Eb)=4348(kcal)……(25)

·급탕기의 연료가스의 소비량(발열량 : 11000 kcal/㎥로 계산)

4348(kcal)÷11000=0.395(㎥)……(26)

·급탕기의 런닝 코스트(연료가스요금을 110엔/㎥로 설정)

0.395×110(엔)=43.45(엔)……(27)

이상의 산출 결과로부터, 비등의 각 상정온도(Th_e)에서의 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트는 이하의 표 3과 같이 된다.

비등온도	5℃	25℃	35℃	45℃
히트펌프 런닝 코스트	-	10.23(엔)	21.93(엔)	51.26(엔)
급탕기 런닝 코스트	43.45(엔)	23.21(엔)	11.88(엔)	-
전체의 런닝 코스트	43.45(엔)	33.44(엔)	33.81(엔)	51.26(엔)

상기 표 3으로부터, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 런닝 코스트가 가장 낮아지는 것은, 비등온도가 25℃인 때로 상정된다. 이 때문에, 최저 런닝 코스트 온도 결정부(122)는 STEP 10에서, 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)를 25℃로 결정한다.

이어지는 STEP 11은 급탕 제어부(124)에 의한 처리이며, 급탕 제어부(124)는 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)를 히트펌프(51)에 의한 저탕탱크(11) 내의 물의 비등온도(Th)로 한다. 그리고, STEP 12로 진행하고 컨트롤러(120)는 처리를 종료한다.

다음으로, 도 3의 STEP 20 내지 STEP 25는 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)에 의한 처리이다. 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 STEP 20 내지 STEP 24의 루프에 의해 급수관(12)으로부터 저탕탱크(11) 내에 공급된 물을 미리 설정된 4개의 온도 25℃, 35℃, 45℃, 55℃ 중, 설정온도 Tcm(45℃)에 따라 정해진 비등온도인 목표 급탕온도(설정온도보다도 소정온도 높게 설정됨) 이하의 온도 범위 내에서 선택한 3개의 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)에 대하여, STEP 21에서, 외기온도(Tout)의 하에서, 저탕탱크 내의 Tw의 온도의 물을 상정온도(Th_e)까지 끓일 때에 필요한 히트펌프(51)의 일차에너지 소비량(본 발명의 제1 일차에너지 소비량에 상당함)을 산출한다.

또한, STEP 22에서, 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 저탕탱크 내의 탕수의 온도가 3개의 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)일 때, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 탕수를 급탕기(87)에 의해 설정온도(Tcm)까지 가열할 경우에 필요한, 급탕기(87)의 일차에너지 소비량(본 발명의 제2 일차에너지 소비량에 상당함)을 산출한다.

최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 STEP 23에서, 각 비등 상정온도에 대하여, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율을 산출하여 메모리에 보유한다. 그리고, STEP 25에서, 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 비등 상정온도를 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)로서 결정한다.

이하, 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)에 의한 STEP 21의 히트펌프(51)의 일차에너지 소비량의 산출과, STEP 22의 급탕기(87)의 일차에너지 소비량의 산출과, STEP 23의 전체의 일차에너지 효율의 산출과, STEP 25의 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)의 결정의 처리에 있어서, 상기 최저 런닝 코스트 온도를 결정하는 경우와 같이, 급수온도 Tw=5℃, 외기온도 Tout=-5℃, 설정온도 Tcm=45℃인 경우를 예로서 설명한다.

최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 도 4(a)의 급수온도 Tw=5℃용의 「외기온도-히트펌프 효율 맵」을 선택한다. 이 경우의 히트펌프(51)의 효율(Eh)은 상기 표 1과 같이 된다. 또한, 각 비등 상정온도(Th_e)(Th_e=25℃, 35℃, 45℃)의 물을 설정온도(Tcm)까지 가열할 때의 급탕기(87)의 열효율(Eb)은 상기 표 2와 같이 된다.

이 때문에, 히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 25℃까지 끓이고, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 25℃의 물을 급탕기(87)에 의해 설정온도 Tcm=45℃까지 가열할 때의 히트펌프(51)의 일차에너지 효율과, 급탕기(87)의 일차에너지 효율은 이하의 식(28)~식(34)에 의해 구해진다.

[비등 상정온도 Th_e=25℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(25℃-5℃)×100리터×d×Cv=2000(kcal)……(28)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율(Eh)을 고려한 열량

2000÷5(Eh)=400(kcal)……(29)

·히트펌프의 일차에너지 소비량(히트펌프의 발전 효율을 O.37로 설정)

400÷0.37=1081(kcal)……(30)

·급탕기에 의한 승온(25℃→45℃)에 필요한 열량

(45℃-25℃)×100리터×d×Cv=2000(kcal)……(31)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·급탕기의 열효율(Eb)을 고려한 열량(=일차에너지 소비량)

2000÷0.86(Eb)=2326(kcal)……(32)

·전체의 일차에너지 소비량

1081+2326=3407(kcal)……(33)

·전체의 일차에너지 효율

4000÷3407=1.17……(34)

단, 4000 : 100리터의 15℃의 물을 45℃까지 끓이는 데 필요한 열량{=(45℃-5℃)×100리터×d×Cv}.

다음으로, 히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 35℃까지 끓인 후에, 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 35℃의 물을 급탕기(87)에 의해 설정온도 Tcm=45℃까지 가열하는 것을 상정한 급탕운전에 있어서의, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율은 이하의 식(35)~식(41)에 의해 구해진다.

[비등 상정온도 Th_e=25℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(35℃-5℃)×100리터×d×Cv=3000(kcal)……(35)

단, d : 물의 밀도(kg/리터), Cv : 물의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율을 고려한 열량

3000÷3.5(Eh)=857(kcal)……(36)

·히트펌프의 일차에너지 소비량(발전 효율을 0.37로 설정)

857÷0.37=2316(kcal)……(37)

·급탕기에 의한 승온(35℃→45℃)에 필요한 열량

(45℃-35℃)×100리터×d×Cv=1000(kcal)……(38)

단, d : 수의 밀도(kg/리터), Cv : 수의 비열(kcal/kg·℃).

·급탕기의 효율을 고려한 열량

1000÷0.84(Eb)=1190(kcal)……(39)

·전체의 일차에너지 소비량

2316+1190=3506(kcal)……(40)

·전체의 일차에너지 효율

4000÷3506=1.14……(41)

다음으로, 히트펌프(51)에 의해 저탕탱크(11) 내의 급수온도 Tw=5℃의 물을 45℃까지 끓여 급탕기(87)에 의한 가열을 행하지 않는 경우를 상정한 급탕운전에 있어서의, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율은 이하의 식(42)~식(45)에 의해 구해진다.

[비등 상정온도 Th_e=45℃의 경우]

·저탕탱크의 비등에 필요한 열량

(45℃-5℃)×100리터×d×Cv=4000(kcal)……(42)

단, d : 수의 밀도(kg/리터), Cv : 수의 비열(kcal/kg·℃).

·히트펌프의 효율을 고려한 열량

4000÷2(Eh)=2000(kcal)……(43)

·히트펌프의 일차에너지 소비량(발전 효율을 0.37로 설정)

2000÷0.37=5405(kcal)……(44)

·전체의 일차에너지 효율(급탕기는 미사용)

4000÷5405=0.74……(45)

또한, 히트펌프에 의한 가열을 행하지 않는 경우를 상정한 급탕운전에 있어서의, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율은 이하의 식(46)에 의해 구해진다.

[비등 없음(저탕탱크 내의 물의 온도=급수온도 5℃)]

·전체의 일차에너지 효율

일차에너지 효율=급탕기의 열효율=0.92……(46)

이상에 의해 저탕탱크(11) 내의 물의 비등 상정온도 Th_e=25℃, 35℃, 45℃ 및 비등 없음의 경우의 전체의 일차에너지 효율은 이하의 표 4와 같이 된다.

비등온도	5℃	25℃	35℃	45℃
히트펌프 일차에너지 소비량	-	1081(kcal)	2316(kcal)	5405(kcal)
급탕기 일차에너지 소비량	4348(kcal)	2326(kca1)	1190(kcal)	-
전체의 일차에너지 소비량	4348(kcal)	3407(kcal)	3506(kcal)	5405(kcal)
전체의 일차에너지 효율	0.92	1.17	1.14	0.74

상기 표 4로부터, 히트펌프(51)와 급탕기(87)의 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 것은 저탕탱크(11) 내의 물의 비등 상정온도가 25℃일 때이다. 이 때문에, 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)는 STEP 25에서, 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 비등 상정온도, 즉 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 25℃로 결정한다.

이어지는 STEP 26은 급탕 제어부(124)에 의한 처리이며, 급탕 제어부(124)는 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 히트펌프(51)에 의한 저탕탱크(11) 내의 물의 비등온도(Th)로 한다. 그리고, 도 2의 STEP 12로 진행하고 컨트롤러(120)는 처리를 종료한다.

급탕 제어부(124)는 히트펌프(51)와 탱크 순환펌프(656)를 작동시켜, STEP 10 또는 STEP 25에서 설정한 비등온도(Th)(최저 런닝 코스트 온도(Trc_min) 또는 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)까지 저탕탱크(11) 내의 물을 가열한다(저탕탱크(11) 내의 물의 비등 동작).

그리고, 급탕 제어부(124)는 저탕탱크(11)로부터 급탕관(13)에 공급되는 탕수의 온도가 설정온도(Tcm)보다도 낮을 때에는 급탕기(87)에 의한 가열을 행하고, 급탕구(31)로부터의 출탕온도가 설정온도가 되도록 제어하여 「급탕운전」을 실행한다.

또한, 급탕 제어부(124)는 저탕탱크(11) 내의 물을 끓일 때에, 최종적인 비등온도까지 단번에 가열하는 것이 아니라 단계적으로 가열한다. 예를 들면, 급수온도(Tw)가 5℃이고, 저탕탱크(11) 내의 물을 최종적으로 45℃까지 가열하는 경우, 5℃로부터 45℃까지 연속적으로 히트펌프(51)에 의해 가열하는 것보다도, 5℃→25℃(본 발명의 중간 온도에 상당함)→45℃와 같이 단계적으로 가열하는 편이 히트펌프의 효율이 높아진다.

여기에서, 도 5는, 세로축을 히트펌프(51)의 효율로 설정하고 가로축을 저탕탱크(11) 내의 탕수의 비등온도(Th)로 설정하여, 급수온도 Tw=5℃일 때의 히트펌프(51)의 효율과 비등온도와의 관계(도면 중 c1)와, 급수온도 Tw=25℃일 때의 히트펌프(51)의 효율과 비등온도와의 관계(도면 중 c2)를 나타낸 것이다.

저탕탱크(11) 내의 물의 온도가 5℃일 때에, 제1 단계로서 25℃까지 가열하고, 다음의 제2 단계로서 최종적인 비등온도인 45℃까지 가열할 때의 효율은 제1 단계의 효율이 700%(도면 중 P1)이고 제2 단계의 효율이 300%(도면 중 P3)이므로 평균 500%가 된다.

한편, 저탕탱크(11) 내의 물의 온도가 5℃일 때에, 히트펌프(51)를 연속 작동시켜 최종적인 비등온도인 45℃까지 단번에 끓일 때의 효율은 420%(도면 중P2)가 된다. 이 때문에, 저탕탱크(11) 내의 물을 5℃→25℃→45℃로 단계적으로 가열한 편이, 5℃→45℃로 연속하여 가열하는 경우보다도, 히트펌프(51)의 효율을 높일 수 있다. 또한, 저탕탱크(11) 내의 물을 3단계 이상으로 단계적으로 최종적인 비등온도까지 가열해도 된다.

또한, 제1 단계의 5℃→25℃의 가열을 행하고 있을 때에, 급탕의 사용이 이루어지면, 저탕탱크(11) 내로부터 급탕관(13)에 공급되는 25℃보다도 낮은 온도의 물을 급탕기(87)에 의해 가열하여 설정온도(Tcm(45℃))의 탕수를 생성할 필요가 있지만, 급탕기(87)의 작동에 의해 일차에너지 효율이 저하한다.

그래서, 급탕 제어부(124)는 급탕 이력 보유부(127)에 의해 메모리에 보유된 급탕 이력 데이터를 참조하여, 급탕의 사용이 이루어지지 않는 것으로 상정되는 시간대를 인식하고, 이 시간대 내에서 상기 단계적인 저탕탱크(11) 내의 물의 비등을 행한다. 이에 의해 상기 단계적인 저탕탱크(11) 내의 물의 비등을 행하고 있는 도중에, 급탕의 사용이 이루어지는 것의 회피를 도모하고 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 기준지표 선택부(121)와 최저 런닝 코스트 온도결정부(122)를 구비하고, 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)를 결정함으로써, 런닝 코스트가 가장 낮아지는 급탕운전의 실행을 가능하게 했지만, 적어도 최고 일차에너지 효율온도 결정부(123)에 의해 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 결정하여, 급탕운전을 행하는 구성을 구비함으로써, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 상기 식(1)~식(46)에 의해 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)와 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 결정했지만, 설정온도(Tcm), 급수온도(Tw) 및 외기온도(Tout)의 입력에 대해서, 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)를 결정하는 맵 및 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 결정하는 맵의 데이터를 메모리에 보유하고, 이 맵을 이용해서 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)와 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)를 결정하도록 해도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 리모콘(140)에 의해 전기요금과 가스요금의 단가를 입력하도록 했지만, 컨트롤러(120) 내의 기판에 구비된 스위치에 의해 이러한 단가를 입력해도 되고, 컨트롤러(120)의 메모리에 이러한 단가의 데이터를 기록해도 된다. 또는, 컨트롤러(120)에 휴대 단말을 접속하여, 휴대 단말에 의해 이러한 단가를 입력하도록 해도 된다.

또한, 전기요금의 설정이 시간대나 사용량에 따라 변화하는 경우에는 이 변화에 대응하는 전기요금의 설정을 리모콘 등에 의해 입력할 수 있도록 해도 된다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 급탕 제어부(124)는 상술한 바와 같이 저탕탱크(11) 내의 탕수의 비등을 단계적으로 행하였지만, 이 단계적인 비등을 행하지 않는 경우에도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 급탕 이력 보유부(127)를 구비하며 급탕 제어부(124)는 과거의 급탕 이력으로부터 급탕의 사용이 이루어지지 않는 것으로 상정되는 시간대를 판단했지만, 이 판단을 행하지 않는 경우에도 본 발명의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 본 발명의 보조 열원기로서 가스를 연료로 하는 급탕기(87)를 나타냈지만, 석유 등의 다른 연료를 이용하는 급탕기나 전기 히터 등의 다른 종류의 보조 열원기를 이용해도 된다.

또한, 리모콘(140)의 스위치부(142)의 조작에 의해 리모콘(140)의 표시기(141)에 최저 런닝 코스트 온도(Trc_min)와 최고 일차에너지 효율온도(Tre_max)가 비교 표시되도록 해도 된다.

10 : 저탕 유닛 11 : 저탕탱크
12 : 급수관 13 : 급탕관
22 : 급수 온도센서 67 : 주위 온도센서
50 : 히트펌프 유닛 51 : 히트펌프
80 : 가스 열원기 유닛 87 : 급탕기
120 : 컨트롤러 121 : 기준지표 선택부
122 : 최저 런닝 코스트 온도 결정부
123 : 최고 일차에너지 효율온도 결정부
124 : 급탕 제어부 127 : 급탕 이력 보유부

Claims (4)

1. 하부에 급수관이 접속됨과 동시에 상부에 급탕관이 접속되어 이 급수관으로부터 공급되는 물이 저장되는 저탕탱크와;
   상기 저탕탱크의 하부와 상부를 접속한 탱크 순환로와, 상기 저탕탱크의 하부에 저장된 물을 이 탱크 순환로를 통하여 상기 저탕탱크의 상부에 순환시키는 탱크 순환펌프와,
   이 탱크 순환펌프의 작동에 의해 이 탱크 순환로 내를 유통하는 물을 가열하는 히트펌프를 가지는 히트펌프 유닛과;
   상기 급탕관의 도중에 설치되어 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 가열하는 보조 열원기를 구비한 저탕식 급탕 시스템에 있어서,
   상기 급수관으로부터 상기 저탕탱크로의 급수온도를 검출하는 급수 온도센서와;
   상기 히트펌프의 주위 온도를 검출하는 주위 온도센서와;
   상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 상기 주위 온도의 하에서 상기 히트펌프 유닛에 의해 상기 저탕식 급탕 시스템의 설정온도보다 소정온도 높게 설정된 목표 급탕온도 이하의 비등온도까지 가열한 후에, 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 상기 보조 열원기에 의해 이 설정온도까지 가열하여 상기 급탕관에 출탕하는 급탕운전을 상정하고, 이 상정한 급탕운전에 있어서의 상기 히트펌프와 상기 보조 열원기의 전체의 일차에너지 효율이 가장 높아지는 비등온도인 최고 일차에너지 효율온도를 결정하는 최고 일차에너지 효율온도 결정부와;
   상기 저탕탱크로부터 공급되는 탕수의 온도가 설정 급탕 온도보다도 낮을때에, 상기 저탕탱크 내의 탕수를 상기 히트펌프 유닛에 의해 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 가열한 후에, 상기 저탕탱크로부터 상기 급탕관에 공급되는 탕수를 상기 보조 열원기에 의해 상기 설정온도까지 가열하여 상기 급탕관에 공급하는 급탕운전을 실행하는 급탕 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 저탕식 급탕 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 최고 일차에너지 효율온도 결정부는 상기 저탕탱크 내의 탕수의 비등 상정온도를 상기 목표 급탕온도 이하의 온도 범위 내에서 변경하여, 변경한 온도를 선택했을 경우의, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 이 상정온도까지 승온하기 위해서 필요한, 상기 주위 온도하에서의 상기 히트펌프의 일차에너지 소비량의 상정치인 제1 일차에너지 소비량과, 상기 저탕탱크로부터 상기 보조 열원기에 공급되는 이 상정온도의 탕수를 상기 설정온도까지 승온하기 위해서 필요한 상기 보조 열원기의 일차에너지 소비량의 상정치인 제2 일차에너지 소비량을 각각 산출하고, 상기 제1 일차에너지 소비량과 상기 제2 일차에너지 소비량과의 합계 소비량에 근거하는 일차에너지 효율이 가장 높아지는 상기 상정온도를 상기 최고 일차에너지 효율온도로 결정하는 것을 특징으로 하는 저탕식 급탕 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 급탕 제어부는, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 상기 히트펌프 유닛에 의해 가열할 때에, 상기 저탕탱크 내의 상기 급수온도의 물을 단계적으로 상승시켜 상기 최고 일차에너지 효율온도까지 상기 히트펌프 유닛에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 저탕식 급탕 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   과거의 급탕운전의 이력을 나타내는 급탕 이력 데이터를 보유하는 급탕 이력 보유부를 구비하고,
   상기 급탕 제어부는, 상기 급탕 이력 데이터로부터 급탕운전이 실행되지 않는 것으로 상정되는 시간대에 상기 저탕탱크 내의 물의 상기 최고 일차에너지 효율온도까지의 가열을 행하는 것을 특징으로 하는 저탕식 급탕 시스템.

Images