JP5903654B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱回収機能を有する給湯装置に関するものである。

従来、この種の給湯装置には、浴槽の湯を加温する追い焚き運転と浴槽の湯から熱を回収する熱回収運転を機能として備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、熱回収運転を機能として有する給湯装置であり、１は貯湯槽、２はヒートポンプユニット、３は浴槽、４は熱交換器、５ａは貯湯槽水搬送ポンプ、５ｂは浴槽水搬送ポンプ、６は熱回収分岐管、７は三方弁、８は高温水供給管、９は低温水供給管、１０は給湯管、１１は混合弁、１２は浴槽水循環配管、１３は開閉弁、１４は給水管、１５は給湯分岐管、１６は熱交戻り管である。

浴槽水循環配管１２は、浴槽３の往き管と戻り管とを環状に接続して構成され、回路上に熱交換器４および浴槽水搬送ポンプ５ｂを備える。

また、混合弁１１は、高温水供給管８と低温水供給管９とを入口側に接続し、給湯管１０を出口側に接続するように構成され、開閉弁１３を介して浴槽水循環配管１２と接続される。さらに浴槽内の水温を検知する浴槽水温検知手段１７が、浴槽水循環配管１２の途中に設けられている。

この給湯装置が風呂自動運転を行う場合は、まず、貯湯槽１に貯えられた湯と給水管１４から供給される水とを混合弁１１で所望温度の湯に混合して浴槽３へ給湯する。浴槽３へ給湯した後は、一定時間だけ湯の温度を一定に保つために保温動作を行う。

保温動作は、浴槽湯温が一定温度以下に降下した場合におこない、貯湯槽水搬送ポンプ５ａと浴槽水搬送ポンプ５ｂとを運転して、熱交換器４において、貯湯槽１内の湯（例えば約８０℃）により浴槽３内の湯（例えば約３５℃）を加温する。

また、浴槽３の水温が一定温度以下に降下しているかどうかを判断するために、浴槽水搬送ポンプ５ｂのみを運転させる浴槽水温検知動作を間欠的に行う。

浴槽水温検知手段１７により浴槽３の水温が一定温度以下に降下していることが検知された場合には保温動作を行い、降下していない場合にはそのまま待機する。一定時間が経過した後には風呂自動運転を自動で終了する。

次に、追い焚き運転を行う場合は、貯湯槽水搬送ポンプ５ａと浴槽水搬送ポンプ５ｂとが運転をおこなって、熱交換器４において、貯湯槽１内の湯（例えば約８０℃）が浴槽３内の湯（例えば約３５℃）を加温する。その結果、浴槽３内の水温は上昇し、貯湯槽１内に湯として貯えられている熱量（蓄熱量）は減少する。

最後に、熱回収運転を行う場合は、同様に貯湯槽水搬送ポンプ５ａと浴槽水搬送ポンプ５ｂとが運転を行うが、熱交換器４において、貯湯槽１内の水（例えば約１０℃）が浴槽３内の水（例えば約３５℃）を冷却して熱を回収する。

特開２００９−１９８１１５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、低外気温時の水の凍結と熱回収運転との関連に関しては、開示されていない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低外気温時、貯湯槽下部やその近傍の配管内の水を凍結させることなく熱回収運転を実施することができる給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、貯湯槽と、浴槽と、前記貯湯槽内の湯水と前記浴槽内の湯水とが熱交換する熱交換器と、前記貯湯槽内の略上部の湯が前記熱交換器に流れるように切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱交往き管と、前記熱交換器で前記浴槽の湯水と熱交換された湯水が再び前記貯湯槽内へ戻るように前記貯湯槽に接続された熱交戻り管と、前記貯湯槽の略下部の湯水が前記熱交換器に流れるように、前記切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱回収往き管と、前記熱回収往き管の途中から三方弁を介して前記貯湯槽の略下部に接続された貯湯槽下方戻り管と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、制御手段とを備え、前記熱交換器により前記浴槽の湯の有する熱を前記貯湯槽の湯水に回収する熱回収運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記切換手段、前記熱交換器、前記熱交戻り管の順に前記貯湯槽からの湯水が流れるように、また、前記外気温度検出手段が所定温度以下を検出した場合に、凍結予防運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記貯湯槽下方戻り管の順に前記貯湯槽からの水が流れるように構成したことを特徴とするものである。

これにより、低外気温時、貯湯槽下部やその近傍の配管内の水を凍結させることなく熱回収運転を実施することができる。

本発明によれば、低外気温時、貯湯槽下部やその近傍の配管内の水を凍結させることなく熱回収運転を実施することができる給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図（沸き上げ運転時の水および湯の流れ方向を示す図） 同熱回収運転制御手段のブロック図 同風呂自動運転と熱回収運転の制御方法概念図 同追い焚き運転と熱回収運転の制御方法概念図 同風呂自動運転中の浴槽への給湯時の水および湯の流れ方向を示した回路構成図 同風呂自動運転中の保温動作時および追い焚き運転時の水および湯の流れ方向を示した回路構成図 同風呂自動運転中の浴槽水温検知運転時の水および湯の流れ方向を示した回路構成図 同熱回収運転時の水および湯の流れ方向を示した回路構成図 同熱回収運転による貯湯槽内の温度分布の変化を示した図 同ヒートポンプユニットの効率を示した図 同熱回収量とヒートポンプユニットの入力の関係を示した図 同熱回収運転制御動作のフローチャート 従来の給湯装置の構成図

第１の発明は、貯湯槽と、浴槽と、前記貯湯槽内の湯水と前記浴槽内の湯水とが熱交換する熱交換器と、前記貯湯槽内の略上部の湯が前記熱交換器に流れるように切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱交往き管と、前記熱交換器で前記浴槽の湯水と熱交換された湯水が再び前記貯湯槽内へ戻るように前記貯湯槽に接続された熱交戻り管と、前記貯湯槽の略下部の湯水が前記熱交換器に流れるように、前記切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱回収往き管と、前記熱回収往き管の途中から三方弁を介して前記貯湯槽の略下部に接続された貯湯槽下方戻り管と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、制御手段とを備え、前記熱交換器により前記浴槽の湯の有する熱を前記貯湯槽の湯水に回収する熱回収運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記切換手段、前記熱交換器、前記熱交戻り管の順に前記貯湯槽からの湯水が流れるように、また、前記外気温度検出手段が所定温度以下を検出した場合に、凍結予防運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記貯湯槽下方戻り管の順に前記貯湯槽からの水が流れるように構成したことを特徴とする給湯装置である。

これにより、低外気温時、貯湯槽下部やその近傍の配管内の水を凍結させることなく熱回収運転を実施することができる。

第２の発明は、前記外気温度検出手段が前記所定温度以下を検出した場合には、前記熱回収運転を通常の運転時間より短縮して行うことを特徴とするものである。

これにより、低外気温時、熱回収運転中に、貯湯槽下方戻り管の凍結を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における給湯装置の構成を示す図である。

図１において、給湯装置は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット２と、熱回収を行う対象の浴槽３と、浴槽３の水と貯湯槽１の水とを熱交換するように構成された熱交換器４と、貯湯槽１に接続された給水管１４と、貯湯槽１の略上部に接続された第１の出湯管２２と、第１の出湯管２２と給水管１４とが接続された位置の間、すなわち、高さ方向において貯湯槽１の胴部略中央部に接続された第２の出湯管２３とから構成されている。

また、給湯装置は、第１の出湯管２２と第２の出湯管２３とが入口側に接続された高温水混合弁２４と、この高温水混合弁２４の出口側に接続され、貯湯槽１内の高温水を供給する高温水供給管８と、給水管１４から分岐され、貯湯槽１内または給水管１４からの低温水を供給する低温水供給管９と、これら高温水供給管８と低温水供給管９とを入口側に接続された混合弁１１と、この混合弁１１の出口側に接続された給湯管１０と、給湯管１０の途中に接続された開閉弁１３から構成されている。

また、貯湯槽１内の略上部の湯が前記熱交換器４に流れるように切換手段３２を介して前記熱交換器４に接続された熱交往き管３３と、前記熱交換器４で浴槽３の湯と熱交換した貯湯槽１の湯水を再び貯湯槽１へ戻すように、貯湯槽１の高さ方向において第１の出湯管２２と第２の出湯管２３との間の位置で、貯湯槽１の略中央部とに接続された熱交戻り
管１６とから構成されている。

また、貯湯槽１内の湯水を加熱して、再び貯湯槽１内に貯湯する沸き上げ運転時には、図１に示すように、前記加熱手段であるヒートポンプユニット２にて所定温度に加熱された湯が、前記貯湯槽１の略上部に戻るように、前記貯湯槽１の略下部に接続された熱回収往き管３５が、前記ヒートポンプユニット２、前記三方弁３７を順に介して、前記切換手段３２に接続され、前記切換手段３２は、前記貯湯槽１の略上部に接続された沸き上げ戻り管３６に接続され、沸き上げポンプ５ｃにて貯湯槽１内の湯水を搬送する。

また、ヒートポンプユニット２には外気温度検出手段３８が配設されており、沸き上げ運転停止時に、外気温度検出手段３８が所定温度以下を検出した時には、貯湯槽１の下部の湯水が再度貯湯槽１の下部に戻るように、三方弁３７を切り換えて、熱回収往き管３５、ヒートポンプユニット２、三方弁３７、貯湯槽下方戻り管３９を貯湯槽１の下部に貯留された水を沸き上げポンプ５ｃにて、再び貯湯槽１の下部に戻すことで循環させる凍結予防運転を行う。

また、熱回収運転時には、図８に示すように、前記貯湯槽１の略下部の湯水が前記熱交換器４に流れるように、前記貯湯槽１の略下部に接続された熱回収往き管３５が、前記加熱手段であるヒートポンプユニット２、三方弁３７を順に介して、前記沸き上げ運転時に対して流路を切り換えた前記切換手段３２に接続され、前記切換手段３２は、前記熱交戻り管１６に接続される。

さらに、給湯装置は、貯湯槽１と熱交換器４の第１の流路内の水を循環させる第１の搬送ポンプとしての貯湯槽水搬送ポンプ５ａと、熱交換器４の第２の流路内へ浴槽３の水が循環するように接続された浴槽水循環配管１２と、浴槽３と熱交換器４の第２の流路内の水を循環させる第２の搬送ポンプとしての浴槽水搬送ポンプ５ｂとから構成されている。

ここで熱交戻り管１６は、貯湯槽１の上下方向において第１の出湯管２２と第２の出湯管２３の間の位置で貯湯槽１に接続される。浴槽３への給湯の際は浴槽水循環配管１２を利用する。

また、浴室内もしくは洗面、台所に設置されたリモコン２５には、使用者が任意に熱回収運転を起動するための熱回収運転起動スイッチ２６を設け、浴槽水循環配管１２には、浴槽湯量検知手段として水圧を測定することにより浴槽３の湯の水位を検知する水位センサ２７と、浴槽３の水温を検知するための浴槽水温検知手段１７とを設けており、貯湯槽１には、貯湯槽１内の水温を検知するための複数の貯湯温検知手段２８ａ〜２８ｅを設けている。

また、浴槽水循環配管１２には浴槽水検出手段３１が設けてあり、浴槽水を循環した場合に浴槽水の有無を検出することができる。浴槽水検出手段３１はフロースイッチもしくは流量センサでも用いることが可能である。

さらに、これら複数の貯湯温検知手段２８ａ〜２８ｅと水位センサ２７と浴槽水温検知手段１７の出力および熱回収運転起動スイッチ２６の操作に基づいて、浴槽３への給湯およびそれ以降予め設定された時間だけ浴槽水の保温と水量維持を行う風呂自動運転を制御する給湯制御手段としての風呂自動運転制御手段２９と、浴槽３内の水を加熱する追い焚き運転を制御する追い焚き運転制御手段３０と、貯湯槽１に浴槽３の水の熱を回収する熱回収運転を制御する熱回収運転制御手段２１とからなる運転制御手段１８を設けている。

図２は熱回収運転制御手段２１のブロック図を示し、水位センサ２７の出力および風呂
自動運転制御手段２９の動作状態あるいは熱回収運転起動スイッチ２６などから熱回収運転制御手段２１が起動した場合、熱回収運転の開始を判断する熱回収運転開始判断部５０と、熱回収を効率的に行う熱回収時間最大タイマー（図示せず）と、ヒートポンプユニット２による沸上運転を制御する沸上運転制御手段（図示せず）から貯湯後の給湯利用に必要な貯湯熱量を取得する所要貯湯熱量取得部５１と、貯湯温検知手段２８ａ〜２８ｅにより貯湯温度分布を測定する貯湯温度分布測定部５２と、これら所要貯湯熱量取得部５１と貯湯温度分布測定部５２で得られた結果に基づいて必要な沸上熱量を算出する必要沸上熱量算出部５３と、貯湯温度分布測定部５２による現在の温度分布と必要沸上熱量算出部５３から沸上完了時の温度分布を推定する沸上完了時貯湯温度分布推定部５５とからなる。

さらに、貯湯温度分布測定部５２による現在の温度分布から沸上完了時貯湯温度分布推定部５４での沸き上げ完了時の推定温度分布に至る間のヒートポンプユニット２への入力を推定する沸上所要入力推定部５５と、この沸上所要入力推定部５５による入力推定値の時間変化に基づいて貯湯槽水搬送ポンプ５ａ、浴槽水搬送ポンプ５ｂとを制御するポンプ制御部５６とからなる。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

一般的な家庭での湯の利用における基本的な動作として、朝には貯湯槽１にその日使う分の湯が貯えられており、活動している時間帯に順次給湯に利用される。給湯利用中に貯湯量が不足する場合には必要に応じてヒートポンプユニット２を運転し、追加で貯湯運転を行うこともある。

近年では、浴槽３への給湯から保温までを自動で行う風呂自動運転の機能を備えている給湯装置が多くなっている。風呂自動運転制御手段２９により浴槽３への給湯および保温運転を行う場合は、貯湯槽１内に貯えられている湯を用いて浴槽３へ給湯し、浴槽水温が低下した場合には、貯湯槽１内に貯えられている湯の熱を利用して保温運転をおこない、浴槽水温を予め設定された温度に保つ。また、追い焚き運転制御手段３０により追い焚き運転をおこなって浴槽３内の湯を加温する場合も、貯湯槽１内に貯えられている湯の熱を利用して行う。

これら一日の給湯などの熱利用が終わる時点で貯湯槽１内の湯は大部分が給水と置換され、その後の深夜に再び次の利用のための貯湯するための加熱運転がおこなわれる。このとき、入浴のために浴槽３に供給された湯は、給湯利用終了時には貯湯槽１内の水温に対して比較的高温で残されていることが多いので、熱回収運転制御手段２１が、ヒートポンプユニット２による深夜の沸上運転の前、あるいは運転中に熱回収運転をおこなって貯湯槽１内に熱を回収する。

次に、風呂自動運転、追い焚き運転、および熱回収運転の制御方法について説明する。風呂自動運転制御手段２９は、浴槽３へ所定量の湯を所定温度で自動で給湯し、その後、浴槽水温を予め設定された時間だけ予め設定された温度に保つように間欠的に保温動作を行う（風呂自動運転）。

風呂自動運転をおこなっている間は、保温動作を行う必要があるかないかを判断するために、定期的に浴槽湯温を検出するための浴槽湯温検知動作を行う。浴槽水温の検知は浴槽水温検知手段１７でおこない、その結果、浴槽水温が予め設定された温度より所定温度以上（例えば１Ｋ以上）低い場合には、保温運転をおこなって浴槽水温を保ち、所定温度未満の場合には、保温運転をおこなわない。

この際、風呂自動運転と熱回収運転の関係は、どちらも同等であり、使用者による熱回
収運転起動スイッチ２６の操作で、熱回収運転制御手段２１が起動した場合は、熱回収運転開始の指示を受けて熱回収運転は行う。

ただし、風呂自動運転を優先とし、使用者による熱回収運転起動スイッチ２６の操作で熱回収運転開始の指示を受けても熱回収運転制御手段２１は熱回収運転を行わず、一旦待機を行い、ふろ自動運転が終了した後に、熱回収運転を行うように制御することも可能である。

逆に、熱回収運転中に風呂自動運転制御手段２９が風呂自動運転開始の指示を受けた場合にも、使用者による、風呂自動運転操作を優先として、熱回収運転制御手段２１は熱回収運転を停止し、風呂自動運転制御手段２９が風呂自動運転を開始する（図３に概念図を示す）。

追い焚き運転制御手段３０は、浴槽３内の湯を循環加温し、浴槽水温検知手段１７が検知する浴槽水温が所定の温度になる、または動作開始から所定の時間経過すると終了する（追い焚き運転）。

追い焚き運転制御手段３０が追い焚き運転を行っている間も、追い焚き運転と熱回収運転との関係は、使用者による操作を優先とし、使用者による熱回収運転起動スイッチ２６の操作で熱回収運転制御手段２１が起動した場合は、追い焚き中でも熱回収運転開始の指示を受けて、熱回収運転は行うように制御する。

ただし、追い焚き運転を行っている間は、追い焚き運転を優先とし、熱回収運転制御手段２１は熱回収運転を行わず、追い焚き運転が終了した後に、熱回収運転を行うように制御することも可能である。

逆に、熱回収運転中に追い焚き運転制御手段３０が追い焚き運転の指示を受けた場合にも、追い焚き運転を優先として、熱回収運転制御手段２１は熱回収運転を停止し、追い焚き運転制御手段３０が追い焚き運転を開始する（図４に概念図を示す）。

各々の運転を行う場合の弁およびポンプの動作と、それに伴う水および湯の流れについて図５〜図８を用いて説明する。図中、流れのある経路は太線で示してある。

まず、風呂自動運転制御手段２９が風呂自動運転を行うときの動作について説明する。最初に浴槽３へ給湯を行う場合における回路中の水および湯の流れを図５に示す。貯湯槽１からは、第１の出湯管２２と第２の出湯管２３からの湯を高温水混合弁２４で混合して高温水供給管８へ供給する。

この高温水供給管８に供給された湯と給水管１４から低温水供給管９へと供給される給水とが混合弁１１にて給湯所望温度の湯に混合され、給湯管１０へと供給される。ここで、高温水混合弁２４から高温水供給管８に供給される湯の温度は、上記の給湯所望温度よりも所定温度以上高い温度（たとえば給湯所望温度が４０℃の場合に４５℃以上）に調節されている。

開閉弁１３は開かれ、給湯管１０へと供給された所望温度の湯は、浴槽水循環配管１２より浴槽３へと給湯される。なお、高温水混合弁２４と混合弁１１の開度は、それぞれ出口側に接続された高温水供給管８と給湯管１０に供給される湯の温度に基づいてフィードバック制御されるのが一般的であり、高温水混合弁２４については第１の出湯管２２と第２の出湯管からの湯、混合弁１１については高温水供給管８からの湯と低温水供給管９からの給水の温度により変化する。

浴槽３内の湯を保温する場合における回路中の水および湯の流れを図６に示す。貯湯槽水搬送ポンプ５ａと浴槽水搬送ポンプ５ｂとが運転を開始し、貯湯槽水搬送ポンプ５ａの運転により、貯湯槽１の略上部より高温のお湯が第１の出湯管２２から熱交往き管３３を経て切換手段３２へと湯が供給され、熱交換器４へと供給される。

このとき、熱交換器４にて浴槽水循環配管１２を循環する浴槽３の湯を加熱して、浴槽水温を上昇させる。一方、熱交換器４を出て比較的低温となった湯は熱交戻り管１６を経て貯湯槽１の略中央部へと還流する。

浴槽３内の水温を検知するための浴槽水温検知動作を行う場合における回路中の水および湯の流れを図７に示す。浴槽水搬送ポンプ５ｂが運転を開始し、浴槽水循環配管１２内を浴槽３内の湯が循環する。このとき、貯湯槽水搬送ポンプ５ａは運転をおこなわない。浴槽水温検知手段１７が浴槽水温を検知し、保温動作をするかしないかを判断する。

次に、追い焚き運転制御手段３０が追い焚き運転を行う場合の動作であるが、追い焚き運転を行う場合における回路中の水および湯の流れは風呂自動運転制御手段２９が保温動作を行う場合と同じで図６に示す通りであるので省略する。

最後に、熱回収運転制御手段２１が、浴槽３に残された湯の熱回収運転を行う場合における回路中の水および湯の流れを図８に示す。浴槽水搬送ポンプ５ｂを運転させ、その後、貯湯槽水搬送ポンプ５ａの運転させ、熱回収運転を開始すると、貯湯槽１の略下部からの湯水が前記熱交換器４に流れるように、熱回収往き管３５、前記加熱手段であるヒートポンプユニット２、三方弁３７を順に介して前記熱交換器４に接続された熱回収往き管３５から供給される。

このとき、貯湯槽１の略下部から供給された湯水は上記記載の経路への供給により、熱交換器４へと供給される。供給された湯水は、熱交換器４にて浴槽水循環配管１２を循環する浴槽３の湯と熱交換をおこなって熱を回収する。一方、熱交換器４を出て比較的高温となった湯は熱交戻り管１６を経て貯湯槽１へと還流する。

なお、浴槽水搬送ポンプ５ｂによる湯の搬送量を貯湯槽水搬送ポンプ５ａによる湯水の搬送量より大きくすることで、浴槽水搬送ポンプ５ｂによる必要流量が確保されて、浴槽３内の温度分布が均一化され、浴槽３から安定的に熱回収を行うことができるとともに、貯湯槽水搬送ポンプ５ａによる搬送流量が過大になって、貯湯槽１内の湯水が攪拌されることなく、温度成層を保持できるため、後述する貯湯槽１内の湯水の沸き上げ運転を効率的に行うことが可能となる。

また、貯湯槽下方戻り管３９の凍結予防運転中に熱回収運転をするときは、熱回収時間の最大運転時間を、通常時より短く（例えば、通常６０分を３０分に短縮）して、その間に貯湯槽下方戻り管３９が凍結しないようにしている。

熱回収運転をおこなった場合の貯湯槽１内の温度分布は図９に示す４０、４１、４２の順に変化する。つまり、浴槽３と熱交換されて熱交戻り管１６から貯湯槽１に流入する水４３の温度は貯湯槽１の貯湯温よりも低い場合が多く、貯湯槽水搬送ポンプ５ａの作用によって貯湯槽１の湯と混合しつつ貯湯槽１の下方に向けて移動する。

第２の出湯管２３の接続位置は熱交戻り管１６の接続位置よりも下部にあるので、給湯が発生すると、下がってきた中温の水４４を第２の出湯管２３から出湯し、第１の出湯管からの高温水４６と混合して利用することができる。図９に示す４５は、熱回収後に給湯
が発生した場合の温度分布を示している。このように第２の出湯管２３が熱交戻り管１６の貯湯槽への接続位置よりも下にあることで、回収した熱を効果的に利用することができる。

給湯の発生が比較的少なく、使い切れないで残った中温の水は、ヒートポンプユニット２で再加熱して利用することになるが、ヒートポンプユニット２の運転効率は、図１０に示すように加熱前の水温が高いほど低下する。

図９に示した貯湯槽１の温度分布からわかるように、熱回収運転後のヒートポンプユニット２による必要加熱量は、浴槽３からの回収熱量が増加するほど少なくなるものの、それと同時にヒートポンプユニット２で加熱する前の水温は高くなって、再加熱時の運転効率は低下するので、できるだけ多くの熱回収を行うことが必ずしも省エネルギーにつながらない。

すなわち、ヒートポンプユニット２への入力（消費熱量あるいは消費電力）は、所要貯湯熱量を得るための熱回収前の必要加熱量から熱回収運転によって得られた回収熱量を減じたものを、ヒートポンプユニット２による貯湯運転中の平均効率で除したものとなり、この値は図１１に示すように、回収熱量に対して最小値を有する場合がある。

したがって、浴槽３からの熱回収運転を、熱回収運転停止後に行われる再加熱運転において、ヒートポンプユニット２への入力が略最小となる時点で停止することが、より高い省エネルギー効果を得るために必要である。

最小値となる時点を見つける具体的な方法としては、所定の時間間隔で測定される貯湯槽１の温度分布に基づいて予想されるヒートポンプユニット２への入力値の刻々の変化の推移を求めて、その値の減少度合いが小さいか減少しなくなる、あるいは増加に転じることで判断する。

図１０に示したように、貯湯槽１内の湯水をヒートポンプユニット２にて加熱する場合、貯湯槽１からヒートポンプユニット２に水を搬送させる部位の温度（本実施の形態においては、貯湯槽１の下部の温度）が低くなるにつれて、ヒートポンプユニット２の運転効率は高くなるが、浴槽３からの熱回収運転時、浴槽３から熱回収した水が貯湯槽１内に流入してくることで、貯湯槽１からヒートポンプユニット２に水を搬送させる部位の温度が上昇し始める状態が存在する。

したがって、浴槽３からの熱回収運転時に、貯湯槽１のヒートポンプユニット２に水を搬送させる部位の温度を測定し、その温度の上昇度合いが増加に転じる付近で、浴槽３からの熱回収運転動作を停止させることで、熱回収運転後の加熱運転時におけるヒートポンプユニット２の運転効率の略最大を実現できるのである。

上記を勘案して高い省エネルギー効果を得るための熱回収運転制御手段２１の制御方法について説明する。

図１２は熱回収運転制御手段２１の動作のフローチャートである。使用者による熱回収運転起動スイッチ２６の操作を行った場合、あるいは風呂自動運転制御手段２９による風呂自動運転終了後の所定時間経過後などで自動で熱回収する設定を行うことも可能である。熱回収運転の開始を熱回収運転開始判断部５０が判断すると、浴槽３内に水（お湯）があるかどうかを行うために、浴槽水搬送ポンプ５ｂを駆動させる。

このとき浴槽水検出手段３１により、浴槽３内の水（お湯）の有無を検出し（ステップ
１）、浴槽３内に水（お湯）があると判断した場合はステップ３へ、浴槽３内に水（お湯）がないと判断した場合は、熱回収運転を開始しないで終了する（ステップ２）。

ここで、浴槽内に水（お湯）があるかどうかを行うために、最初に水位センサ２７によって浴槽の湯量に比例する水位を検知し（ステップ１）、ここで予め設定された水位以下であれば、熱回収運転を開始しないで終了する（ステップ２）ことも可能である。

ステップ１で浴槽水検出手段３１により、浴槽３内の水（お湯）があると判断した場合、もしくはステップ１で水位が予め設定された水位を超えており、浴槽３内に十分に水（お湯）があると判断した場合、所要貯湯熱量取得部５１で取得された所要貯湯熱量と貯湯温検知手段２８ａ〜２８ｅにより測定された現在の貯湯槽１の温度分布、およびヒートポンプユニット２の沸き上げ温度等の運転条件から貯湯運転完了時の貯湯槽１内の温度分布を予測し、それを現在の温度分布と比較して、その時点からヒートポンプユニット２で加熱する場合の残りの加熱量Ｑｒを求める（ステップ３）。

次に、測定された現在の温度分布から、予測された貯湯運転完了時の温度分布に達するまでの間にヒートポンプユニット２で沸き上げる前の平均水温を推定する（ステップ４）。

さらにステップ４で求めた平均水温と図１０で示したヒートポンプユニット２の特性とから貯湯運転時の平均効率を求め、ステップ３で求めた残りの加熱量Ｑｒをこの平均効率で除して、貯湯運転時の入力Ｑｉｎを推定する（ステップ５）。

Ｑｉｎは前回の評価時刻において求めた値であるＱｉｎ−ｆとの差を求め、それが予め定めた偏差ｑより小さい場合、すなわち推定入力の変化が次第に小さくなって最小値と判断されたら（ステップ６）、ステップ２で貯湯槽水搬送ポンプ５ａと浴槽水搬送ポンプ５ｂとを停止して熱回収運転を終了する。ＱｉｎとＱｉｎ−ｆとの差がｑ以上の場合は熱回収運転を継続し、次の評価時刻になれば（ステップ８）、以上の動作を繰り返す。

なお、補足として熱回収運転開始後一回目の動作時は、ステップ６での比較はおこなわずにステップ７を実行する。

ここで、浴槽水検出手段３１により、浴槽３内の水（お湯）の有無を検出する動作を説明したが、浴槽水検出手段３１により、ステップ１では熱回収運転が開始された後で浴槽３内の水（お湯）がないと判断した場合にも、熱回収運転は停止されることになる（ステップ２）。

また、熱回収運転の開始時の浴槽３内の水の検出に水位による動作を説明したが、同様に熱回収運転が開始された後で水位が予め設定された水位以下となった場合にも、熱回収運転は停止されることになる（ステップ２）。これにより、浴槽３内の水（お湯）が途中でなくなった場合に熱回収運転を停止させることができる。

以上が動作の説明であるが、浴槽３の湯量によらない熱回収運転の停止は、ヒートポンプユニット２の入力の最小値の判断を減少度合いが小さくなったことでおこなっている。この方法以外に、評価時刻間の入力の差ｑが０となる場合、またはｑの符号が前回の評価時刻と逆になる場合、すなわち推定入力が増加に転じるときを最小値として、熱回収運転を停止してもよい。

また、測定される貯湯槽１の温度の値の測定誤差等により、推定入力は最小値に至る間に増減のあることも多い。したがって、最近の数回の評価時刻における推定入力を記憶し
ておき、その移動平均値を用いて最小値に達したかどうかを判断することによって、最小値に達したかどうかの判定精度をより高められる場合もある。

さらには、以上説明したような、その都度温度分布を評価して入力を求める方法は精度が高いものの計算が煩雑となり、熱回収運転制御手段２１の負荷が大きい。

その場合は、入力に対して最も影響を与える位置の貯湯温の変化を予め把握しておき、その位置に対応する貯湯温検知手段２８ａ〜２８ｅのうち、いずれかの温度が上昇し始めたときや所定の温度上昇がみられたとき、あるいは、たとえば貯湯温検知手段２８ｄの検知温度が上昇し、かつ貯湯温検知手段２８ｅの検知温度は上昇しない間は熱回収運転を継続するというように、二つ以上の温度の組み合わせに応じて停止の判断をしてもよい。

具体的には、比較的貯湯槽１の下部に近い温度が上昇してくることを検出して熱回収運転を停止させることによってもヒートポンプユニット２の効率を損なうことが少なくなって所望の効果を得ることができる。さらに、貯湯槽１のより上部の温度の変化を考慮すれば、熱回収運転による回収熱量の確保を同時に評価でき、精度は向上する。

このように、本発明の実施の形態によれば、浴槽３に湯がないか、または少ない状態では熱回収運転をせず、熱回収運転自体ができないか、しても効果が得られない条件での運転を防止できる。

このとき、熱回収運転を開始するタイミングで湯がないか少ない場合には熱回収運転を開始せず、また熱回収運転中に湯が減少してそのような状態になった場合にも即座に熱回収運転を停止する。さらに、湯量が回復すれば熱回収運転を改めて開始、あるいは再開することにより、省エネルギー性を損なわない運転ができる。

熱回収運転の再開は、湯量が回復してから所定の時間が経過することなどで自動でもおこなわれるが、使用者が浴槽３の湯量を確認して熱回収運転起動スイッチ２６を操作することによって即座に再開することができるので、時間経過による浴槽３からの無駄な放熱が抑えられ、省エネルギー性が高まる。

また、風呂自動運転と追い焚き運転と熱回収運転を実現するための配管系の構成において、前記熱交換器４により前記浴槽３の湯の有する熱を前記貯湯槽１の湯水に回収する熱回収運転を行うときには、前記熱回収往き管３５、前記加熱手段であるヒートポンプユニット２、前記切換手段３２、前記熱交換器４、前記熱交戻り管１６の順に前記貯湯槽１からの湯水が流れるように構成することで、熱回収時に使用する配管の一部を、上述した貯湯槽内の湯水の沸き上げ運転時にも使用する構成とすることができ、低コスト化を実現した給湯装置を提供できる。

また、筐体内に新たな部材の設置スペースを確保する必要がなく、重量や材料の増加、さらには待機電力の増大もなく、省資源、省エネルギーにも寄与する。また、併せて熱交換器４は熱交換効率の高いプレート式とするとともに、貯湯槽１の熱交戻り管１６の接続位置近傍に設置することで、熱交換器４自体をコンパクトにした上で最小限の配管長として、同様に省資源となる。

そして、熱回収運転を行う際には、所要貯湯熱量を沸き上げるためのヒートポンプユニット２への入力が最小となる時点で熱回収運転を停止することによって、本来の目的であるシステム全体としての効率向上を実現し、省エネルギー性を高めることができる。

構成としては、貯湯槽１下部の水を取り出して熱交換器４で加熱し、貯湯槽１の比較的
上部へ戻しているが、熱回収運転による貯湯槽１内の温度分布はこの取り出し位置や戻し位置の違いによって変わる。

さらに、貯湯槽水搬送ポンプ５ａの能力制御によって熱回収の速度なども制御でき、これら構成や制御の違いに応じて運転効率も変化する。

したがって、この実施の形態では、使われ方や貯湯槽１の容量などを考慮して適切な取り出し位置や戻り位置を設定したり、貯湯槽水搬送ポンプ５ａの能力制御をおこなえるといった最適化設計の自由度が高いために複数の異なる機種に適用しやすく、その結果、多くの使用者に提供することによって大きな省エネルギー効果を得ることができる。

さらに、貯湯槽１からの給湯において、第１の出湯管２２と第２の出湯管２３とからの湯を高温水混合弁２４で適切に混合して貯湯槽１内の中温水を有効に利用するとともに、熱交戻り管１６の貯湯槽１への接続位置を第２の出湯管２３よりも上にすることによって、温度成層型の貯湯槽において不可避な貯湯槽上部の高温水と下部の低温水との間にできる中温水を有効に利用できる結果、同じ蓄熱量でも貯湯槽下方に低温の水が多く確保できることから浴槽水からの回収熱量を大きくできる。

また、熱回収により発生した中温水を貯湯槽１の比較的上部に流入させることは、増加しながら貯湯槽１下方に移動する中温水を、熱回収した湯の流入位置よりも下にある第２の出湯管２３を通じて給湯に利用できるので、貯湯された湯の熱量を最大限有効に使うことができる。

同時にヒートポンプユニット２の沸き上げ効率の低下を招く貯湯槽１内の中温水が減少することでシステム全体の効率低下を防ぐことができ、熱量の有効利用による良好な使い勝手と高い省エネルギー性とを実現する。

さらに、浴槽水がないかまたは少ない場合に熱回収運転を始めると、第２の出湯管２３と熱交戻り管１６を適切な位置に設置することによって中温水をうまく利用して貯湯槽１下部に多くの低温の水を確保する構成にもかかわらず、貯湯槽水搬送ポンプ５ａを作動させることによって貯湯槽内に中温水を増大させることになる。

この場合は熱回収の効果が得られない上に、ヒートポンプユニット２での沸き上げの際に効率を低下させてしまうが、予め浴槽湯量を検知して熱回収運転の実行を判断するので、第２の出湯管２３と熱交戻り管１６の接続位置の最適化によって得られる高い省エネルギー性を損なわない。

すなわち、熱回収運転を適切に制御し、高い省エネルギー性能を実現した給湯装置を提供することができるものである。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、低外気温時、貯湯槽下部やその近傍の配管内の水を凍結させることなく熱回収運転を実施することができるので、家庭用の給湯装置や業務用などの規模の大きい用途にも適用できる。

１ 貯湯槽
２ ヒートポンプユニット
３ 浴槽
４ 熱交換器
５ａ 貯湯槽水搬送ポンプ
５ｂ 浴槽水搬送ポンプ
５ｃ 沸き上げポンプ
８ 高温水供給管
９ 低温水供給管
１０ 給湯管
１１ 混合弁
１２ 浴槽水循環配管
１３ 開閉弁
１４ 給水管
１６ 熱交戻り管
１７ 浴槽水温検知手段
１８ 運転制御手段
２１ 熱回収運転制御手段
２２ 第１の出湯管
２３ 第２の出湯管
２４ 高温水混合弁
２５ リモコン
２６ 熱回収運転起動スイッチ
２７ 水位センサ
２８ 貯湯温検知手段
２９ 風呂自動運転制御手段
３０ 追い焚き運転制御手段
３１ 浴槽水検出手段
３２ 切換手段
３３ 熱交往き管
３５ 熱回収往き管
３６ 沸き上げ戻り管
３７ 三方弁
３８ 外気温度検出手段
３９ 貯湯槽下方戻り管

Claims (2)

1. 貯湯槽と、浴槽と、前記貯湯槽内の湯水と前記浴槽内の湯水とが熱交換する熱交換器と、前記貯湯槽内の略上部の湯が前記熱交換器に流れるように切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱交往き管と、前記熱交換器で前記浴槽の湯水と熱交換された湯水が再び前記貯湯槽内へ戻るように前記貯湯槽に接続された熱交戻り管と、前記貯湯槽の略下部の湯水が前記熱交換器に流れるように、前記切換手段を介して前記熱交換器に接続された熱回収往き管と、前記熱回収往き管の途中から三方弁を介して前記貯湯槽の略下部に接続された貯湯槽下方戻り管と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、制御手段とを備え、前記熱交換器により前記浴槽の湯の有する熱を前記貯湯槽の湯水に回収する熱回収運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記切換手段、前記熱交換器、前記熱交戻り管の順に前記貯湯槽からの湯水が流れるように、また、前記外気温度検出手段が所定温度以下を検出した場合に、凍結予防運転を行うときには、前記熱回収往き管、前記三方弁、前記貯湯槽下方戻り管の順に前記貯湯槽からの水が流れるように構成したことを特徴とする給湯装置。
2. 前記外気温度検出手段が前記所定温度以下を検出した場合には、前記熱回収運転を通常の運転時間より短縮して行うことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。