WO2021002003A1

WO2021002003A1 - 給湯システム

Info

Publication number: WO2021002003A1
Application number: PCT/JP2019/026670
Authority: WO
Inventors: 啓輔 ▲高▼山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-07-04
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2021-01-07
Also published as: EP3995752A1; EP3995752B1; EP3995752A4; JPWO2021002003A1; JP7211512B2

Abstract

給湯システムは、圧縮機により圧縮された冷媒が第一熱交換器に流入する第一冷媒回路と、圧縮機により圧縮された冷媒が空気熱交換器に流入する第二冷媒回路とを切り替える冷媒回路切替弁と、第一熱交換器を第二熱交換器に接続する熱媒体回路内の熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、水回路内の水を流れさせる水ポンプと、第二熱交換器から流出する湯を貯湯タンクに流入させる蓄熱運転と、空気熱交換器に付着した霜を融かす除霜運転とを制御する制御回路とを備える。除霜運転において、制御回路は、水ポンプを停止させた状態で圧縮機及び熱媒体ポンプを作動させるとともに第二冷媒回路により冷媒を循環させる。除霜運転の後に蓄熱運転を再開する前に、制御回路は、水ポンプを停止させた状態で圧縮機及び熱媒体ポンプを作動させるとともに第一冷媒回路により冷媒を循環させる復帰運転を実行する。

Description

給湯システム

　本発明は、給湯システムに関する。

　ヒートポンプ式の給湯システムにおいて、空気熱交換器に付着した霜を融かすための除霜運転を行う技術が知られている。下記特許文献１に開示された給湯システムは、ヒートポンプ給湯機と、熱交換器と、熱交換器の二次側流路の出口から供給される温水を貯える貯湯タンクと、熱交換器の一次側入口の水温と熱交換器の二次側出口の水温を夫々検出する温度センサと、貯湯タンクの下部出水口から冷水を二次側流路に供給する循環ポンプと、制御部とを備える。制御部は、ヒートポンプ給湯機の除霜運転が完了した後の所定期間において、二次側流路出口の温度の低下を軽減することを目的として、二次側流路出口の温度が一次側流路入口の温度に追随せず一定の設定温度を維持するように、二次側流路に供給される循環流量を制御する。

日本特開２０１６－０７５４２５号公報

　上述した従来の給湯システムにおける除霜運転の完了後は、熱交換器の一次側の水温が低下している。このため、二次側流路の循環流量を低くしても、二次側流路出口の温度を十分に高くすることは困難である。それゆえ、低い温度の水が貯湯タンクの上部に流入するので、貯湯タンク内の湯の温度の低下を十分に軽減することは困難である。

　本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、除霜運転から蓄熱運転に復帰したときの貯湯タンク内の湯温の低下を軽減する上で有利になる給湯システムを提供することを目的とする。

　本発明の給湯システムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、冷媒と、空気との間で熱を交換する空気熱交換器と、冷媒と、熱媒体との間で熱を交換する第一熱交換器と、圧縮機により圧縮された冷媒が第一熱交換器に流入する第一冷媒回路と、圧縮機により圧縮された冷媒が空気熱交換器に流入する第二冷媒回路とを切り替える冷媒回路切替弁と、熱媒体と、水との間で熱を交換する第二熱交換器と、第一熱交換器を第二熱交換器に接続する熱媒体回路と、熱媒体回路内の熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、水出口を有する下部と、水出口よりも高い位置にある湯入口を有する上部とを備える貯湯タンクと、水出口を第二熱交換器につなぐ水送り通路と、第二熱交換器を湯入口につなぐ水戻り通路と、水送り通路と、第二熱交換器と、水戻り通路とにより形成される水回路内の水を流れさせる水ポンプと、第二熱交換器から流出する湯を貯湯タンクに流入させる蓄熱運転と、空気熱交換器に付着した霜を融かす除霜運転とを制御する制御回路と、を備え、蓄熱運転において、制御回路は、圧縮機、熱媒体ポンプ、及び水ポンプを作動させるとともに第一冷媒回路により冷媒を循環させ、除霜運転において、制御回路は、水ポンプを停止させた状態で圧縮機及び熱媒体ポンプを作動させるとともに第二冷媒回路により冷媒を循環させ、除霜運転の後に蓄熱運転を再開する前に、制御回路は、復帰運転を実行し、復帰運転において、制御回路は、水ポンプを停止させた状態で圧縮機及び熱媒体ポンプを作動させるとともに第一冷媒回路により冷媒を循環させるものである。

　本発明によれば、除霜運転から蓄熱運転に復帰したときの貯湯タンク内の湯温の低下を軽減する上で有利になる給湯システムを提供することが可能となる。

実施の形態１による給湯システムを示す図である。実施の形態１による給湯システム１の機能ブロック図である。除霜運転を実行するときの処理の例を示すフローチャートである。蓄熱運転を中断して除霜運転及び復帰運転を実行した後に蓄熱運転を再開するまでの間の、ヒートポンプ出口温度センサの検出温度、タンク流入温度センサの検出温度、圧縮機の回転速度、熱媒体ポンプの回転速度、及び水ポンプの回転速度のそれぞれの経時変化の例を示す図である。

　以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１による給湯システムを示す図である。図１に示すように、本実施の形態の給湯システム１は、ヒートポンプユニット２とタンクユニット３とを備える。ヒートポンプユニット２は、室外に配置される。タンクユニット３は、室外または室内に配置される。本実施の形態ではヒートポンプユニット２とタンクユニット３とが別体となっているが、本開示による給湯システムは、ヒートポンプユニット２及びタンクユニット３が一体となった構造を有するものでもよい。

　ヒートポンプユニット２は、冷媒を圧縮する圧縮機４と、第一熱交換器５と、膨張弁６と、空気熱交換器７と、四方弁８と、ヒートポンプコントローラ９とを備える。冷媒として使用される物質は、特に限定されないが、例えばＣＯ_２、ＨＦＣ、ＨＣ、ＨＦＯ等を使用可能である。第一熱交換器５は、一次流路５ａ及び二次流路５ｂを備える。一次流路５ａを通る冷媒と、二次流路５ｂを通る熱媒体との間で熱が交換される。熱媒体として使用される物質は、液体の水でもよいし、水以外のブラインでもよい。圧縮機４、一次流路５ａ、膨張弁６、空気熱交換器７、及び四方弁８が冷媒管を介して接続されることにより、冷媒回路が形成されている。

　膨張弁６は、高圧冷媒を減圧及び膨張させる減圧装置に相当する。空気熱交換器７は、ヒートポンプユニット２の外部から取り込まれる室外の空気と、冷媒との間で熱を交換させる。空気熱交換器７は、外気の熱によって冷媒を蒸発させる蒸発器として機能することができる。ヒートポンプユニット２は、外気が空気熱交換器７を通過して流れるようにするための送風機１０を備えていてもよい。

　四方弁８は、ａポート、ｂポート、ｃポート、及びｄポートを備える。四方弁８のａポートは、冷媒管を介して圧縮機４の吐出口に接続されている。四方弁８のｂポートは、冷媒管を介して圧縮機４の吸入口に接続されている。四方弁８のｃポートは、冷媒管を介して第一熱交換器５の一次流路５ａに接続されている。四方弁８のｄポートは、冷媒管を介して空気熱交換器７に接続されている。

　四方弁８は、例えば弁体を移動させることにより、冷媒流路を切り替える。本実施の形態における四方弁８は、第一冷媒回路と第二冷媒回路とを切り替える冷媒回路切替弁に相当している。第一冷媒回路は、圧縮機４により圧縮された冷媒が第一熱交換器５に流入する回路である。図１は、第一冷媒回路が形成された状態を示している。この状態では、四方弁８は、ａポートをｃポートに連通させ、ｂポートをｄポートに連通させている。この状態から、四方弁８の弁体を移動させると、ａポートをｄポートに連通させ、ｂポートをｃポートに連通させる状態に切り替わる。その切り替わった状態では、圧縮機４により圧縮された冷媒が空気熱交換器７に流入する第二冷媒回路が形成される。

　タンクユニット３は、貯湯タンク１１と、第二熱交換器１２と、熱媒体ポンプ１３と、水ポンプ１４と、流路切替弁１５と、タンクユニットコントローラ１６とを備える。

　貯湯タンク１１は、ヒートポンプユニット２により加熱された湯を貯留する。貯湯タンク１１内では、温度の違いによる水の比重の違いにより、上側が高温で下側が低温になる温度成層が形成される。貯湯タンク１１は、図示しない断熱材により覆われている。水出口１７が貯湯タンク１１の下部に設けられている。湯入口１８が貯湯タンク１１の上部に設けられている。

　第二熱交換器１２は、一次流路１２ａ及び二次流路１２ｂを備える。一次流路１２ａを通る熱媒体と、二次流路１２ｂを通る水との間で熱が交換される。水送り通路１９は、水出口１７を二次流路１２ｂの入口につなぐ。水送り通路１９の途中に水ポンプ１４が設けられている。水戻り通路２０は、二次流路１２ｂの出口を湯入口１８につなぐ。水送り通路１９と、二次流路１２ｂと、水戻り通路２０とにより水回路２１が形成される。水ポンプ１４が作動すると、水回路２１内の水が流れる。

　給水管２２が貯湯タンク１１の下部に接続されている。給水管２２は、タンクユニット３の外部へ延びている。例えば上水道のような水源から供給される水が給水管２２を通って貯湯タンク１１に流入する。給湯管２３が貯湯タンク１１の上部に接続されている。給湯管２３は、タンクユニット３の外部へ延びている。貯湯タンク１１に貯留された湯は、給湯管２３を通って、例えばシャワー、蛇口、浴槽のような給湯端に供給される。貯湯タンク１１から給湯管２３を通って湯が流出すると、同量の水が給水管２２から貯湯タンク１１に流入する。その結果、貯湯タンク１１は、満水状態に維持される。

　本実施の形態の給湯システム１は、暖房装置２４に熱媒体を循環させる暖房運転を行うことができる。暖房装置２４は、部屋に設置されている。暖房装置２４は、例えば、床下に設置される床暖房パネル、室内壁面に設置されるラジエータ、パネルヒーター、及び、ファンコンベクターのうちの少なくとも一つを備えていてもよい。なお、本開示による給湯システムは、暖房運転を行う機能を有しないものでもよい。すなわち、暖房装置２４は、無くてもよい。

　熱媒体ポンプ１３の吸入口よりも上流側の通路に分岐部２５が形成されている。通路２６は、一次流路１２ａの出口を分岐部２５につなぐ。流路切替弁１５は、熱媒体が流れる回路を切り替えるための弁である。流路切替弁１５は、流入口であるａポートと、流出口であるｂポートと、流出口であるｃポートとを有する。

　ヒートポンプユニット２及びタンクユニット３は、通路２７及び通路２８により、互いに接続されている。通路２７は、熱媒体ポンプ１３の吐出口を二次流路５ｂの入口につなぐ。通路２８は、二次流路５ｂの出口を流路切替弁１５のａポートにつなぐ。通路２７及び通路２８は、ヒートポンプユニット２及びタンクユニット３の外部に配置された部分を有している。ヒートポンプユニット２の設置場所とタンクユニット３の設置場所とが離れている場合には、通路２７及び通路２８は、長いものが使用される。通路２９は、流路切替弁１５のｂポートを一次流路１２ａの入口につなぐ。

　タンクユニット３及び暖房装置２４は、通路３０及び通路３１により、互いに接続されている。通路３０は、流路切替弁１５のｃポートを暖房装置２４の熱媒体の入口につなぐ。通路３１は、暖房装置２４の熱媒体の出口を分岐部２５につなぐ。

　冷媒温度センサ３２は、圧縮機４の吐出口と、四方弁８のａポートとの間の冷媒管に配置されている。第一冷媒回路において、冷媒温度センサ３２は、圧縮機４から吐出される冷媒の温度である吐出冷媒温度を検出することができる。冷媒温度センサ３３は、膨張弁６と空気熱交換器７との間の冷媒管に配置されている。第一冷媒回路において、冷媒温度センサ３３は、膨張弁６から空気熱交換器７に流入する冷媒の温度である冷媒入口温度を検出することができる。

　貯湯タンク１１には、互いに異なる高さの位置に配置された複数のタンク温度センサ３４，３５，３６が設けられている。タンク温度センサ３４，３５，３６は、貯湯タンク１１内の水温を検出する。タンク温度センサ３４は、湯入口１８と同じ高さの位置に配置されている。タンク温度センサ３６は、水出口１７と同じ高さの位置に配置されている。タンク温度センサ３５は、水出口１７よりも高く、かつ湯入口１８よりも低い高さの位置に配置されている。以下の説明では、貯湯タンク１１の上部内の水の温度を「上部タンク温度」と称する。本実施の形態におけるタンク温度センサ３４は、上部タンク温度を検出する上部タンク温度センサに相当する。

　以下の説明では、二次流路５ｂに流入する熱媒体の温度を「ヒートポンプ入口温度」と称し、二次流路５ｂから流出する熱媒体の温度を「ヒートポンプ出口温度」と称する。通路２７に設置されたヒートポンプ入口温度センサ３７は、ヒートポンプ入口温度を検出する。通路２８に設置されたヒートポンプ出口温度センサ３８は、ヒートポンプ出口温度を検出する。図示の例では、タンクユニット３内にヒートポンプ入口温度センサ３７及びヒートポンプ出口温度センサ３８が配置されているが、ヒートポンプユニット２内にヒートポンプ入口温度センサ３７及びヒートポンプ出口温度センサ３８が配置されてもよい。

　以下の説明では、貯湯タンク１１から第二熱交換器１２に流入する水の温度を「入水温度」と称する。水送り通路１９に設置された入水温度センサ３９により、入水温度を検出することができる。水戻り通路２０に設置されたタンク流入温度センサ４０は、第二熱交換器１２から貯湯タンク１１に流入する湯の温度を検出することができる。以下の説明では、タンク流入温度センサ４０により検出される温度を「タンク流入温度」と称する。ヒートポンプユニット２に、外気温度を検出する外気温度センサ４１が設置されている。

　本実施の形態において、貯湯タンク１１は、湯入口１８よりも高い位置に湯を貯留する最上部４２を有する。給湯管２３の入口は、最上部４２内に位置する。給湯管２３は、最上部４２内の湯を取り出すように構成されている。最上部４２内の湯が給湯管２３を通って外部へ供給される。

　ヒートポンプコントローラ９とタンクユニットコントローラ１６とは、有線または無線により、双方向にデータ通信可能に接続されている。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、給湯システム１の動作を制御する制御回路に相当する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６の少なくとも一方は、時刻を管理するタイマー機能を有していてもよい。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６の少なくとも一方は、年月日を管理するカレンダー機能を有していてもよい。

　本実施の形態では、ヒートポンプコントローラ９とタンクユニットコントローラ１６とが連携して、給湯システム１の動作を制御する。本開示では、図示の例のように複数のコントローラが連携して給湯システム１の動作を制御する構成に限定されるものではなく、単一のコントローラにより給湯システム１の動作が制御される構成にしてもよい。

　本実施の形態の給湯システム１は、リモコン５０を備える。リモコン５０とタンクユニットコントローラ１６とは、有線または無線により、双方向にデータ通信可能に接続されている。リモコン５０は、部屋に設置されてもよい。リモコン５０は、運転動作指令、設定値の変更、その他に関する使用者の操作を受け付ける機能を有する。リモコン５０は、ユーザーインターフェースに相当する。図示を省略するが、リモコン５０には、給湯システム１の状態に関する情報を表示するディスプレイ、使用者が操作するスイッチ等の操作部、スピーカ、マイク等が搭載されていてもよい。給湯システム１は、異なる場所に設置される複数台のリモコン５０を備えてもよい。また、リモコン５０に代えて、またはリモコン５０に加えて、例えばスマートフォンまたはタブレット端末のような携帯端末を給湯システム１のユーザーインターフェースとして使用可能であってもよい。

　図２は、実施の形態１による給湯システム１の機能ブロック図である。図２に示すように、圧縮機４、膨張弁６、四方弁８、冷媒温度センサ３２、冷媒温度センサ３３、及び外気温度センサ４１のそれぞれは、ヒートポンプコントローラ９に対して電気的に接続されている。熱媒体ポンプ１３、水ポンプ１４、流路切替弁１５、タンク温度センサ３４，３５，３６、ヒートポンプ入口温度センサ３７、ヒートポンプ出口温度センサ３８、入水温度センサ３９、及びタンク流入温度センサ４０のそれぞれは、タンクユニットコントローラ１６に対して電気的に接続されている。

　ヒートポンプコントローラ９の各機能は、処理回路により実現されてもよい。ヒートポンプコントローラ９の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９ａと少なくとも１つのメモリ９ｂとを備えてもよい。少なくとも１つのプロセッサ９ａは、少なくとも１つのメモリ９ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、ヒートポンプコントローラ９のそれぞれの各機能を実現してもよい。ヒートポンプコントローラ９の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェアを備えてもよい。

　タンクユニットコントローラ１６の各機能は、処理回路により実現されてもよい。タンクユニットコントローラ１６の処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ１６ａと少なくとも１つのメモリ１６ｂとを備えてもよい。少なくとも１つのプロセッサ１６ａは、少なくとも１つのメモリ１６ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、タンクユニットコントローラ１６のそれぞれの各機能を実現してもよい。タンクユニットコントローラ１６の処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェアを備えてもよい。

　ヒートポンプコントローラ９は、例えばインバータ制御により、圧縮機４の回転速度が可変となるように制御することができる。タンクユニットコントローラ１６は、例えばインバータ制御により、熱媒体ポンプ１３の回転速度及び水ポンプ１４の回転速度のそれぞれが可変となるように制御することができる。

　給湯システム１は、蓄熱運転を実行できる。蓄熱運転は、第二熱交換器１２から流出する湯を貯湯タンク１１に流入させる運転である。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転を制御する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転のときの動作を以下のように制御する。圧縮機４、熱媒体ポンプ１３、及び水ポンプ１４が駆動される。四方弁８により第一冷媒回路が形成される。流路切替弁１５では、ａポートがｂポートに連通し、ｃポートが閉じる。圧縮機４により圧縮されることで高温高圧となった冷媒は、四方弁８のａポート及びｃポートを通過して、第一熱交換器５の一次流路５ａに流入する。一次流路５ａを流れる冷媒は、二次流路５ｂを流れる熱媒体により冷却される。一次流路５ａを通過した冷媒は、膨張弁６により減圧されることで低温低圧の冷媒となる。この低温低圧冷媒は、空気熱交換器７に流入する。空気熱交換器７では、送風機１０によって導かれた外気と、低温低圧冷媒との間で熱を交換する。空気熱交換器７にて外気により加熱されることで冷媒が蒸発する。蒸発した冷媒は、四方弁８のｄポート及びｂポートを通過して、圧縮機４に吸入される。このようにして第一冷媒回路により冷媒を循環させる冷凍サイクルを以下「正サイクル」と称する。正サイクルにおいては、第一熱交換器５が凝縮器またはガスクーラーとして機能し、空気熱交換器７が蒸発器として機能する。

　第一熱交換器５にて冷媒により加熱された熱媒体は、通路２８、流路切替弁１５、及び通路２９を通って、第二熱交換器１２の一次流路１２ａに流入する。一次流路１２ａを通過した熱媒体は、通路２６、分岐部２５、熱媒体ポンプ１３、及び通路２７を通って、第一熱交換器５に戻る。このようにして熱媒体が第一熱交換器５及び第二熱交換器１２を通って循環する回路を以下「熱媒体回路」と称する。

　貯湯タンク１１の下部にある水は、水出口１７及び水送り通路１９を通って二次流路１２ｂに流入する。第二熱交換器１２では、一次流路１２ａを流れる熱媒体により、二次流路１２ｂを流れる水が加熱される。その加熱された湯は、水戻り通路２０及び湯入口１８を通って、貯湯タンク１１の上部に流入する。このような蓄熱運転により貯湯タンク１１内に湯を貯めることで、貯湯タンク１１内の蓄熱量が増加する。

　蓄熱運転において貯湯タンク１１に流入させる湯の温度の目標値を以下「目標貯湯温度」と称する。タンクユニットコントローラ１６は、使用者がリモコン５０を用いて設定した給湯設定温度に応じて、目標貯湯温度を決定してもよい。例えば、タンクユニットコントローラ１６は、給湯設定温度に等しい温度または給湯設定温度よりも高い温度を目標貯湯温度として設定してもよい。目標貯湯温度は、例えば６５℃でもよい。

　タンクユニットコントローラ１６は、タンク温度センサ３４，３５，３６により検出される貯湯タンク１１内の鉛直方向に沿った温度分布を用いて、貯湯タンク１１内の貯湯量または蓄熱量を計算することができる。タンクユニットコントローラ１６は、一定時間ごとに現在の貯湯量または蓄熱量を算出する。現在の貯湯量または蓄熱量が基準を下回ると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転を開始する。蓄熱運転の実行中の貯湯量または蓄熱量が目標値に達すると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転を終了する。

　タンクユニットコントローラ１６は、給湯管２３を流れる湯の温度及び量をセンサ（図示省略）により検出することで、給湯負荷を検出してもよい。タンクユニットコントローラ１６は、過去複数日間の給湯負荷を統計的に処理して得た学習結果に基づいて、貯湯量または蓄熱量の目標値を定めてもよい。

　ヒートポンプユニット２の加熱能力［Ｗ］は、単位時間当たりにヒートポンプユニット２が熱媒体に与える熱量である。ヒートポンプコントローラ９は、所定の加熱能力が得られるように圧縮機４の回転速度を調整することができる。圧縮機４に吸入される冷媒の過熱度を以下「吸入過熱度」と称する。ヒートポンプコントローラ９は、吸入過熱度、または冷媒温度センサ３２により検出される吐出冷媒温度が、目標値に等しくなるように、膨張弁６の開度を調整してもよい。膨張弁６の開度が大きいほど、冷媒流量が増加し、吐出冷媒温度及び吸入過熱度が低下する。

　給湯システム１は、暖房運転を実行できる。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、暖房運転を制御する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、暖房運転のときの動作を以下のように制御する。圧縮機４及び熱媒体ポンプ１３が駆動される。水ポンプ１４は、停止される。流路切替弁１５では、ａポートがｃポートに連通し、ｂポートが閉じる。ヒートポンプユニット２は、蓄熱運転のときと同じように、正サイクルの運転を行う。第一熱交換器５にて冷媒により加熱された熱媒体は、通路２８、流路切替弁１５、及び通路３０を通って、暖房装置２４に流入する。暖房装置２４は、熱媒体の熱を用いて部屋を加熱する。暖房装置２４を通過する間に熱媒体の温度が低下する。温度低下した熱媒体は、通路３１、分岐部２５、熱媒体ポンプ１３、及び通路２７を通って、第一熱交換器５に戻る。このようにして熱媒体が第一熱交換器５及び暖房装置２４を通って循環する回路を以下「暖房回路」と称する。

　本実施の形態では、流路切替弁１５により暖房回路と熱媒体回路とを切り替えることで、暖房運転と蓄熱運転とを切り替えることができる。よって、流路切替弁１５は、暖房運転と蓄熱運転とを切り替える切替手段に相当する。

　外気温度が低いときにヒートポンプユニット２が正サイクルの運転を行っていると、空気熱交換器７に霜が付着する場合がある。給湯システム１は、空気熱交換器７に付着した霜を融かすための除霜運転を実行できる。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、除霜運転を制御する。ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、除霜運転のときの動作を以下のように制御する。除霜運転において、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、水ポンプ１４及び送風機１０を停止させた状態で圧縮機４及び熱媒体ポンプ１３を作動させるとともに第二冷媒回路により冷媒を循環させる。圧縮機４により圧縮されることで高温高圧となった冷媒は、四方弁８のａポート及びｄポートを通過して、空気熱交換器７に流入する。空気熱交換器７は、冷媒の熱で内部から加熱される。その結果、空気熱交換器７の表面に付着した霜が融ける。冷媒は、空気熱交換器７を通過する間に冷却される。冷却された冷媒は、膨張弁６を通過して、第一熱交換器５に流入する。冷媒は、一次流路５ａを通過する間に、二次流路５ｂを流れる熱媒体の熱を受けて加熱される。加熱された冷媒は、四方弁８のｃポート及びｂポートを通過して、圧縮機４に吸入される。このような除霜運転においては、空気熱交換器７が凝縮器またはガスクーラーとして機能し、第一熱交換器５が蒸発器として機能する。上記の第二冷媒回路により冷媒を循環させる冷凍サイクルを以下「逆サイクル」と称する。

　蓄熱運転の実行中に空気熱交換器７に霜が付着すると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転を一時的に中断して除霜運転を実行する。除霜運転により霜が除去された後、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、蓄熱運転を再開する。

　除霜運転のとき、第一熱交換器５において、冷媒が蒸発することによって熱媒体が冷却される。除霜運転の開始前は、蓄熱運転が実行されているので、熱媒体は高温になっている。除霜運転の実行中、熱媒体は、第一熱交換器５により冷却されながら熱媒体回路を循環するため、徐々にその温度が低下する。本実施の形態であれば、除霜運転のときに、熱媒体回路を循環する熱媒体の熱を第一熱交換器５において冷媒が採取することができる。その結果、空気熱交換器７に流入する冷媒の熱量が大きくなるので、空気熱交換器７の霜を速やかに融かすことができる。それゆえ、除霜運転を短時間で終了することができる。

　除霜運転中は、第一熱交換器５にて熱媒体が冷却されるので、ヒートポンプ出口温度が低下する。このため、除霜運転の終了後に直ちに蓄熱運転を再開すると、タンク流入温度が上昇しにくい。その結果、上部タンク温度よりも低い温度を有する湯が第二熱交換器１２から貯湯タンク１１に大量に流入して、上部タンク温度が大きく低下する可能性がある。上部タンク温度が低下すると、給湯管２３を通って供給される湯の温度が低下するので、好ましくない。

　上記のような上部タンク温度の低下を防止するため、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、除霜運転の終了後に蓄熱運転を再開する前に、復帰運転を実行する。復帰運転において、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、水ポンプ１４を停止させた状態で、圧縮機４、熱媒体ポンプ１３、及び送風機１０を作動させるとともに、第一冷媒回路により冷媒を循環させる。復帰運転によれば、第一熱交換器５により熱媒体を加熱し、ヒートポンプ出口温度を上昇させることができる。復帰運転中は水ポンプ１４が停止しているので、低温水が貯湯タンク１１の上部に流入することはない。このため、上部タンク温度が低下することはない。また、復帰運転中は、二次流路５ｂに水が流れないので、ヒートポンプ出口温度を速やかに上昇させることができる。復帰運転によってヒートポンプ出口温度が上昇した後、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、水ポンプ１４を起動し、蓄熱運転を再開する。以上のようにすることで、蓄熱運転の再開直後から、第二熱交換器１２にて水を十分に加熱することができるので、タンク流入温度を十分に高くすることができる。これにより、本実施の形態であれば、除霜運転から蓄熱運転に復帰したときの貯湯タンク内の湯の温度の低下を確実に軽減することができる。

　タンクユニットコントローラ１６は、復帰運転の実行中に、ヒートポンプ出口温度センサ３８により検出されるヒートポンプ出口温度が第一基準温度に達したことを条件として水ポンプ１４を起動してもよい。すなわち、タンクユニットコントローラ１６は、ヒートポンプ出口温度が第一基準温度に達すると、復帰運転を終了して蓄熱運転を再開してもよい。

　タンクユニットコントローラ１６は、タンク温度センサ３４により検出される上部タンク温度に応じて第一基準温度を決定してもよい。タンクユニットコントローラ１６は、上部タンク温度に等しい温度を第一基準温度として決定してもよい。あるいは、タンクユニットコントローラ１６は、上部タンク温度よりも少し高い温度を第一基準温度として決定してもよい。すなわち、第一基準温度は、上部タンク温度以上の温度である。

　第二熱交換器１２は、タンク流入温度がヒートポンプ出口温度よりも少し低い温度になるまで、水を加熱可能である。復帰運転中のヒートポンプ出口温度が、上部タンク温度以上の第一基準温度に達した後に水ポンプ１４を起動すれば、蓄熱運転の再開直後のタンク流入温度は、上部タンク温度に近い温度になる。それゆえ、上部タンク温度の低下をより確実に防止することができる。

　貯湯タンク１１内に湯が長時間貯留されると、湯の熱が散逸することで、上部タンク温度が給湯設定温度よりも低くなる可能性がある。また、貯湯タンク１１内の湯が僅少になると、上部タンク温度が給湯設定温度よりも低くなる場合がある。第一基準温度は上部タンク温度に応じて決定されるので、上部タンク温度が低い場合には第一基準温度も低くなる。したがって、上部タンク温度が低い場合には、第一基準温度も低いので、上部タンク温度が高い場合よりも早いタイミングで復帰運転から蓄熱運転へ移行する。すなわち、上部タンク温度が低い場合には、復帰運転から蓄熱運転への移行時期が早くなる。その結果、蓄熱運転をより早期に再開できる。すなわち、上部タンク温度が低い場合に、復帰運転から蓄熱運転への移行時期が必要以上に遅くなることを確実に防止できる。

　また、本実施の形態であれば、以下のような利点がある。湯入口１８及びタンク温度センサ３４は、最上部４２よりも低い位置にある。このため、タンク温度センサ３４の検出温度は、最上部４２内の湯の温度よりも低い場合がある。タンクユニットコントローラ１６は、タンク温度センサ３４により検出された上部タンク温度に応じて第一基準温度を決定する。このため、タンク温度センサ３４の検出温度が最上部４２内の湯の温度より低い場合であっても、タンク温度センサ３４の検出温度に応じて第一基準温度が決定される。したがって、タンク温度センサ３４の検出温度が最上部４２内の湯の温度がよりも低い場合には、蓄熱運転の再開直後のタンク流入温度は、最上部４２内の湯の温度よりも低くなる。このとき、貯湯タンク１１に流入した湯は、比重の差により、湯入口１８から水平方向または下方向へ拡散して混合する。それゆえ、貯湯タンク１１に流入した湯は、最上部４２内の湯に混合しにくい。その結果、最上部４２内の湯の温度が低下することを確実に防止できるので、給湯管２３へ供給される湯の温度が低下することを確実に防止できるという利点がある。また、タンク温度センサ３４の検出温度が最上部４２内の湯の温度よりも低い場合に、復帰運転から蓄熱運転への移行時期が必要以上に遅くなることを確実に防止できるという利点がある。

　図３は、除霜運転を実行するときの処理の例を示すフローチャートである。図４は、蓄熱運転を中断して除霜運転及び復帰運転を実行した後に蓄熱運転を再開するまで間の、ヒートポンプ出口温度センサ３８の検出温度、タンク流入温度センサ４０の検出温度、圧縮機４の回転速度、熱媒体ポンプ１３の回転速度、及び水ポンプ１４の回転速度のそれぞれの経時変化の例を示す図である。以下、図３及び図４に示す例に基づいて、本実施の形態をさらに説明する。

　蓄熱運転の実行中、ヒートポンプコントローラ９は、空気熱交換器７に着霜しているかどうかを判定する。例えば、ヒートポンプコントローラ９は、冷媒温度センサ３３により検出される空気熱交換器７の冷媒入口温度Ｔｅが第一基準値以下になり、かつ、外気温度センサ４１により検出される外気温度Ｔａと、冷媒入口温度Ｔｅとの差が第二基準値以上になったときに、空気熱交換器７に着霜していると判定してもよい。空気熱交換器７に着霜していると判定されると、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、図３のフローチャートの処理により、除霜運転を実行する。図４では、時刻ｔ１に除霜運転が開始する。

　図３のステップＳ１０１において、ヒートポンプコントローラ９は、四方弁８を切り替えるための準備として、圧縮機４の回転速度を最低速度に設定する。次いで、ステップＳ１０２として、ヒートポンプコントローラ９は、正サイクルの第一冷媒回路から、逆サイクルの第二冷媒回路へ、四方弁８を切り替える。また、ヒートポンプコントローラ９は、送風機１０を停止する。

　続いて、ステップＳ１０３として、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、除霜運転を実行する。ヒートポンプコントローラ９は、除霜運転のときの圧縮機４の回転速度Ｆｃ－２が蓄熱運転のときの回転速度Ｆｃ－１よりも高くなるように圧縮機４を作動させてもよい。これにより、除霜運転のときの冷媒流量が高くなるので、除霜運転をより速やかに終了させることができる。タンクユニットコントローラ１６は、除霜運転のときの熱媒体ポンプ１３の回転速度Ｆｐ１－２が蓄熱運転のときの回転速度Ｆｐ１－１よりも高くなるように熱媒体ポンプ１３を作動させることが好ましい。これにより、第一の利点として、第一熱交換器５における熱交換量がより大きくなるので、除霜運転をより速やかに終了させることができる。第二の利点として、蒸発器として作用する第一熱交換器５において熱媒体が凍結することをより確実に防止できる。同じ理由から、タンクユニットコントローラ１６は、除霜運転のときに熱媒体ポンプ１３を最高回転速度で作動させることがより好ましい。

　除霜運転中は、水ポンプ１４が停止しており、水回路２１内の水は流れないので、周囲へ自然に熱が散逸することにより、二次流路１２ｂ内の水温及び水戻り通路２０内の水温は、徐々に低下する。

　除霜運転中、ステップＳ１０４として、ヒートポンプコントローラ９は、除霜終了条件が成立したかどうかを判定する。除霜終了条件が成立すると、除霜運転が終了される。除霜終了条件が未成立の場合には、ヒートポンプコントローラ９は、除霜運転を継続し、ステップＳ１０４の処理を繰り返す。ヒートポンプコントローラ９は、例えば、空気熱交換器７から流出する冷媒の温度Ｔｆを冷媒温度センサ３３により検出し、温度Ｔｆが第三基準値以上になったときに、除霜終了条件が成立したと判定してもよい。

　除霜終了条件が成立した場合には、ステップＳ１０５において、ヒートポンプコントローラ９は、四方弁８を切り替えるための準備として、圧縮機４の回転速度を最低速度に設定する。次いで、ステップＳ１０６として、ヒートポンプコントローラ９は、逆サイクルの第二冷媒回路から、正サイクルの第一冷媒回路へ、四方弁８を切り替える。また、ヒートポンプコントローラ９は、送風機１０を起動する。

　続いて、ステップＳ１０７として、ヒートポンプコントローラ９及びタンクユニットコントローラ１６は、復帰運転を実行する。図４では、時刻ｔ２に復帰運転が開始する。ヒートポンプコントローラ９は、復帰運転のときの圧縮機４の回転速度が蓄熱運転のときの回転速度Ｆｃ－１に等しくなるように圧縮機４を作動させてもよい。タンクユニットコントローラ１６は、復帰運転のときの熱媒体ポンプ１３の回転速度Ｆｐ１－２が蓄熱運転のときの回転速度Ｆｐ１－１よりも高くなるように熱媒体ポンプ１３を作動させることが好ましい。これにより、熱媒体回路の熱媒体の温度をより速やかに上昇させることができる。特に、通路２７及び通路２８が長い場合であっても、ヒートポンプ出口温度を速やかに上昇させることができる。同じ理由から、タンクユニットコントローラ１６は、復帰運転のときに熱媒体ポンプ１３を最高回転速度で作動させることがより好ましい。

　タンクユニットコントローラ１６は、タンク温度センサ３４により検出される上部タンク温度に応じて第一基準温度Ｔｗ１を決定する。復帰運転の実行中、ステップＳ１０８として、タンクユニットコントローラ１６は、ヒートポンプ出口温度センサ３８により検出されるヒートポンプ出口温度を第一基準温度Ｔｗ１と比較する。ヒートポンプ出口温度が第一基準温度Ｔｗ１に達していない場合にはステップＳ１０７の復帰運転が継続される。ヒートポンプ出口温度が第一基準温度Ｔｗ１に達すると、タンクユニットコントローラ１６は、水ポンプ１４を起動し、ステップＳ１０９の蓄熱運転を再開する。図４では、時刻ｔ３に蓄熱運転が再開する。

　蓄熱運転が再開すると、タンクユニットコントローラ１６は、除霜運転及び復帰運転のときの回転速度Ｆｐ１－２よりも低い回転速度Ｆｐ１－１で熱媒体ポンプ１３を作動させる。また、タンクユニットコントローラ１６は、復帰運転を終了して蓄熱運転を再開したときに水ポンプ１４を最低回転速度Ｆｐ２－３で作動させることが好ましい。これにより、タンク流入温度をより速やかに上昇させることができるとともに、水ポンプ１４の起動直後に、水戻り通路２０から低温水が貯湯タンク１１に流入する量をより確実に低減できる。その結果、貯湯タンク１１内の湯の温度が低下することをより確実に防止することができる。

　蓄熱運転の再開直後に水ポンプ１４の回転速度を最低回転速度Ｆｐ２－３に固定した場合には、タンクユニットコントローラ１６は、その固定を解除する基準としての第二基準温度Ｔｗ２を設定してもよい。例えば、タンクユニットコントローラ１６は、第一基準温度Ｔｗ１に等しい温度を第二基準温度Ｔｗ２として設定してもよいし、第一基準温度Ｔｗ１よりも高い温度を第二基準温度Ｔｗ２として設定してもよい。第二基準温度Ｔｗ２は、目標貯湯温度に等しい温度でもよい。タンクユニットコントローラ１６は、タンク流入温度センサ４０により検出されるタンク流入温度を第二基準温度Ｔｗ２と比較する。タンク流入温度が第二基準温度Ｔｗ２に達すると、タンクユニットコントローラ１６は、上記の固定を解除して、水ポンプ１４の回転速度を上昇させる。これにより、蓄熱運転は、定常状態に移行する。

　定常状態の蓄熱運転のときに、タンクユニットコントローラ１６は、ヒートポンプ出口温度とヒートポンプ入口温度との差が、一定の目標値に等しくなるように、熱媒体ポンプ１３の回転速度を制御することが望ましい。これにより、熱媒体の流量がより確実に適正になるので、より効率の高い運転が可能となる。また、定常状態の蓄熱運転のときに、タンクユニットコントローラ１６は、タンク流入温度が目標貯湯温度Ｔｗｔに等しくなるように、水ポンプ１４の回転速度を制御する。

　図４の例では、復帰運転の実行中の熱媒体ポンプ１３の回転速度が一定であるが、タンクユニットコントローラ１６は、復帰運転の実行中に、ヒートポンプ出口温度が上昇するにつれて、熱媒体ポンプ１３の回転速度を連続的または段階的に低下させてもよい。

　図３及び図４に示す例では、給湯システム１は、タンクユニットコントローラ１６がヒートポンプ出口温度を第一基準温度Ｔｗ１と比較した結果に応じて、復帰運転から蓄熱運転へ移行している。この例に限らず、給湯システム１は、例えば、復帰運転を継続した時間が基準時間に達すると、当該復帰運転を終了して蓄熱運転を再開するようにしてもよい。これにより、蓄熱運転の再開時期が遅延することをより確実に防止できる。

１　給湯システム、　２　ヒートポンプユニット、　３　タンクユニット、　４　圧縮機、　５　第一熱交換器、　６　膨張弁、　７　空気熱交換器、　８　四方弁、　９　ヒートポンプコントローラ、　１０　送風機、　１１　貯湯タンク、　１２　第二熱交換器、　１３　熱媒体ポンプ、　１４　水ポンプ、　１５　流路切替弁、　１６　タンクユニットコントローラ、　１７　水出口、　１８　湯入口、　２１　水回路、　２２　給水管、　２３　給湯管、　２４　暖房装置、　３２　冷媒温度センサ、　３３　冷媒温度センサ、　３４，３５，３６　タンク温度センサ、　３７　ヒートポンプ入口温度センサ、　３８　ヒートポンプ出口温度センサ、　３９　入水温度センサ、　４０　タンク流入温度センサ、　４１　外気温度センサ、　４２　最上部、　５０　リモコン

Claims

　冷媒を圧縮する圧縮機と、
　前記冷媒と、空気との間で熱を交換する空気熱交換器と、
　前記冷媒と、熱媒体との間で熱を交換する第一熱交換器と、
　前記圧縮機により圧縮された前記冷媒が前記第一熱交換器に流入する第一冷媒回路と、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒が前記空気熱交換器に流入する第二冷媒回路とを切り替える冷媒回路切替弁と、
　前記熱媒体と、水との間で熱を交換する第二熱交換器と、
　前記第一熱交換器を前記第二熱交換器に接続する熱媒体回路と、
　前記熱媒体回路内の前記熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、
　水出口を有する下部と、前記水出口よりも高い位置にある湯入口を有する上部とを備える貯湯タンクと、
　前記水出口を前記第二熱交換器につなぐ水送り通路と、
　前記第二熱交換器を前記湯入口につなぐ水戻り通路と、
　前記水送り通路と、前記第二熱交換器と、前記水戻り通路とにより形成される水回路内の前記水を流れさせる水ポンプと、
　前記第二熱交換器から流出する湯を前記貯湯タンクに流入させる蓄熱運転と、前記空気熱交換器に付着した霜を融かす除霜運転とを制御する制御回路と、
　を備え、
　前記蓄熱運転において、前記制御回路は、前記圧縮機、前記熱媒体ポンプ、及び前記水ポンプを作動させるとともに前記第一冷媒回路により前記冷媒を循環させ、
　前記除霜運転において、前記制御回路は、前記水ポンプを停止させた状態で前記圧縮機及び前記熱媒体ポンプを作動させるとともに前記第二冷媒回路により前記冷媒を循環させ、
　前記除霜運転の後に前記蓄熱運転を再開する前に、前記制御回路は、復帰運転を実行し、
　前記復帰運転において、前記制御回路は、前記水ポンプを停止させた状態で前記圧縮機及び前記熱媒体ポンプを作動させるとともに前記第一冷媒回路により前記冷媒を循環させる給湯システム。
　前記第一熱交換器から流出する前記熱媒体の温度であるヒートポンプ出口温度を検出するヒートポンプ出口温度センサと、
　前記貯湯タンクの前記上部内の水温である上部タンク温度を検出する上部タンク温度センサと、
　を備え、
　前記制御回路は、前記上部タンク温度に応じて第一基準温度を決定し、
　前記第一基準温度は、前記上部タンク温度に等しいか前記上部タンク温度よりも高い温度であり、
　前記制御回路は、前記復帰運転の実行中に前記ヒートポンプ出口温度が前記第一基準温度に達すると、当該復帰運転を終了して前記蓄熱運転を再開する請求項１に記載の給湯システム。
　前記制御回路は、前記復帰運転を継続した時間が基準時間に達すると、当該復帰運転を終了して前記蓄熱運転を再開する請求項１に記載の給湯システム。
　前記貯湯タンクは、前記湯入口よりも高い位置に湯を貯留する最上部を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の給湯システム。
　前記最上部にある湯を取り出す給湯管が前記貯湯タンクに接続されている請求項４に記載の給湯システム。
　前記制御回路は、前記除霜運転のときの前記熱媒体ポンプの回転速度が前記蓄熱運転のときの前記熱媒体ポンプの回転速度よりも高くなるように前記熱媒体ポンプを作動させる請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の給湯システム。
　前記制御回路は、前記復帰運転のときの前記熱媒体ポンプの回転速度が前記蓄熱運転のときの前記熱媒体ポンプの回転速度よりも高くなるように前記熱媒体ポンプを作動させる請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の給湯システム。
　前記制御回路は、前記除霜運転及び前記復帰運転のときに前記熱媒体ポンプを最高回転速度で作動させる請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の給湯システム。
　前記制御回路は、前記復帰運転を終了して前記蓄熱運転を再開したときに前記水ポンプを最低回転速度で作動させる請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の給湯システム。