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JPWO2018066036A1 - 貯湯式給湯機 - Google Patents

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Abstract

ヒートポンプユニット(100)は、水を加熱して第1の湯を生成する。貯湯タンク(201)は、ヒートポンプユニット(100)により生成された第1の湯を貯湯する。水−水熱交換器(202)は、貯湯タンク(201)から取水した第1の湯と市水との熱交換により当該市水を予熱する。補助熱源ユニット(300)は、水−水熱交換器(202)により予熱された市水を加熱して第2の湯を生成する。貯湯ユニットコントローラ(600)は、給湯切換弁(209)を制御して、貯湯タンク(201)から取水した第1の湯、又は、補助熱源ユニット(300)により生成された第2の湯を給湯する。

Description

本発明は、貯湯式給湯機に関する。
従来より、ヒートポンプユニットと貯湯ユニットとを備えた貯湯式給湯機が、家庭や施設に導入されている。最近では、補助熱源ユニットを更に備えた貯湯式給湯機も開発されている。
このような補助熱源ユニットを更に備えた貯湯式給湯機の発明が、例えば、特許文献1や特許文献2に開示されている。特許文献1の発明では、湯切れしていないときに、貯湯タンクからの温水と水を混合させて給湯し、一方、湯切れしたときに、出湯管からの湯を補助熱源で加熱して給湯する。また、特許文献2の発明では、熱媒の熱を給水に熱交換する第1熱交換器と、補助熱源の熱を給水に熱交換する第2熱交換器とを備えており、第1熱交換器で給湯目標温度が得られる場合に第1熱交換器のみで熱交換し、一方、第1熱交換器で給湯目標温度が得られない場合に、第1熱交換器と第2熱交換器の双方、または第2熱交換器のみで熱交換して給湯する。
特開2010−210180号公報 特開2011−214793号公報
しかしながら、特許文献1の発明では、貯湯タンクに流入する減圧弁、水量可変弁の後に直列で補助熱源が接続されており、減圧弁設定圧力が高くなる。この影響で、貯湯タンクの耐圧を高くする必要があるため、貯湯タンクの肉厚が厚くなり、高コストとなることが懸念される。なお、特許文献2の発明では、貯湯タンク側と給湯側で、水流路が分かれているため、貯湯タンクの耐圧を考慮することなく、給湯側の水圧を高くすることができる。それでも、貯湯タンクの熱を給湯に利用する場合、第1熱交換器で熱交換が必要となっている。
つまり、特許文献2の発明では、貯湯タンク側の熱媒と給湯側の水との間である程度温度差が必要なため、貯湯タンクの湯を直接給湯利用する場合と比べて、給湯設定温度に対して貯湯する温度を高くしておく必要があった。このため、例えば、ヒートポンプユニットで貯湯タンクに蓄熱する場合に、COP(Coefficient Of Performance)が低下してしまうという問題があった。また、第1熱交換器で熱交換した後に貯湯タンクに戻る熱媒は、熱交換による温度差により給水温度より高くなるため、貯湯タンクの熱媒をヒートポンプで加熱する場合は、市水を直接沸き上げる場合よりもCOPが低下してしまう。
そのため、より効率を高めることができる貯湯式給湯機が求められていた。
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あり、より効率を高めることができる貯湯式給湯機を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る貯湯式給湯機は、
水を加熱して第1の湯を生成する第1加熱手段と、
前記第1加熱手段により生成された前記第1の湯を貯湯する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯と市水との熱交換により当該市水を予熱する熱交換器と、
前記熱交換器により予熱された前記市水を加熱して第2の湯を生成する第2加熱手段と、
前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯、又は、前記第2加熱手段により生成された前記第2の湯を給湯する制御手段と、
を備える。
本発明に係る貯湯式給湯機では、より効率を高めることができる。
本発明の実施形態に係る貯湯式給湯機の構成を示す構成図 貯湯式給湯機の接続構成を説明するためのブロック図 沸き上げ運転時における湯水の動作経路を説明するための模式図 給湯切換弁制御を説明するためのフローチャート 直接給湯運転時における湯水の動作経路を説明するための模式図 直接給湯処理を説明するためのフローチャート 間接給湯運転時における湯水の動作経路を説明するための模式図 間接給湯処理を説明するためのフローチャート 一次側水温変化と二次側水温変化との関係を説明するための模式図 循環ポンプの回転数と二次側流量との関係を説明するための模式図 補助加熱処理を説明するためのフローチャート 湯張り運転時における湯水の動作経路を説明するための模式図 湯張り処理を説明するためのフローチャート 各要素と制御目標との関係を説明するための模式図 貯湯タンク側流量とヒートポンプ側流量との関係を説明するための模式図 一日の給湯負荷を説明するためのグラフ 貯湯タンクにおける一日の蓄熱量の変化を説明するためのグラフ ヒートポンプユニットにおける一日の加熱能力の変化を説明するためのグラフ 補助熱源ユニットにおける一日の加熱能力の変化を説明するためのグラフ 他の実施形態に係る貯湯ユニットの構成を示す構成図 他の間接給湯処理を説明するためのフローチャート 予熱戻り水を下側に戻す具体例を示す模式図 予熱戻り水を下側に戻す他の具体例を示す模式図 予熱戻り水を中間に戻す具体例を示す模式図
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書で使用する各図においては、共通する要素に同一の符号付けるものとする。また、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
<貯湯式給湯機の構成>
図1は、本発明の実施形態に係る貯湯式給湯機1の構成を示す構成図である。この貯湯式給湯機1は、大きく分けて、第1加熱手段であるヒートポンプユニット100と、湯を貯湯すると共に給湯する貯湯ユニット200と、第2加熱手段である補助熱源ユニット300とから構成されている。また、貯湯式給湯機1には、浴槽400と、ヒートポンプユニット100を制御するヒートポンプコントローラ500と、貯湯ユニット200を制御する貯湯ユニットコントローラ600と、補助熱源ユニット300を制御する補助熱源コントローラ700と、ユーザに操作されるリモコン800とが含まれている。
ヒートポンプユニット100は、圧縮機101と、冷媒−水熱交換器102と、膨張弁103と、蒸発器104とを備える。これらは、環状に接続され、冷媒を循環させるための冷凍サイクル回路(冷媒回路)が形成されている。なお、ヒートポンプユニット100と、貯湯ユニット200とは、ヒートポンプ入水配管121、及び、ヒートポンプ出湯配管122を介して接続されている。
圧縮機101は、冷媒を圧縮して温度及び圧力を上昇させる。なお、冷媒には、例えば、CO2、HFC、HC、及び、HFO等を適用可能であるが、特にこれらに限定されるものではない。圧縮機101は、回転数に応じて容量(単位当たりの送り出し量)を変化させることができるインバータ回路を備える。圧縮機101は、ヒートポンプコントローラ500からの制御に従って、目標の加熱能力となるように回転数を調整する。
冷媒−水熱交換器102は、ヒートポンプ入水配管121を通じて送られる水(低温水)を目標の沸き上げ温度まで昇温加熱するための加熱源である。冷媒−水熱交換器102は、例えば、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、冷媒と水との間の熱交換を行う。冷媒−水熱交換器102における熱交換により、冷媒は放熱して温度が下降し、水は吸熱して温度が上昇する。冷媒−水熱交換器102は、沸き上げた湯(第1の湯)を、ヒートポンプ出湯配管122を通じて貯湯ユニット200(後述する貯湯タンク201)に供給する。
膨張弁103は、冷媒を膨張させて温度及び圧力を下降させる。膨張弁103は、ヒートポンプコントローラ500からの制御に従って弁の開度を調整する。例えば、膨張弁103は、冷媒の圧縮機吸入過熱度、もしくは圧縮機吐出温度が目標の温度となるように開度を調整する。
蒸発器104は、図示せぬ送風機により送られてきた外気と冷媒との間の熱交換を行う。蒸発器104における熱交換により冷媒は吸熱し、外気は放熱して温度が下降する。
貯湯ユニット200は、主に、貯湯タンク201と、水−水熱交換器202と、循環ポンプ203と、吸入切換弁204と、吐出切換弁205と、タンク減圧弁206と、タンク混合弁207と、給湯減圧弁208と、給湯切換弁209とを備える。なお、貯湯ユニット200と、補助熱源ユニット300とは、補助熱源入水配管221、及び、補助熱源出湯配管222を介して接続されている。
貯湯タンク201は、例えば、金属(一例としてステンレス)や樹脂で形成されており、ヒートポンプ出湯配管122を通じて送られた湯を上部から流入させる。これにより、貯湯タンク201内には、上部から下部に向かって高温域の湯と低温域の水との温度成層が形成される。貯湯タンク201の表面には、貯湯されている湯水の温度を検出するための貯湯温度センサ211が高さ方向に複数設置されている。
水−水熱交換器202は、予熱取り出し流路223を通じて貯湯タンク201の上部から取水した湯(高温水)と、市水(低温水)との間の熱交換を行う。具体的に水−水熱交換器202は、予熱取り出し流路223を通じて送られる湯を流すための一次側流路と、給水端231から送られる市水を流すための二次側流路とを備えている。水−水熱交換器202における熱交換により、一次側流路を流れる湯は放熱して温度が下降し、二次側流路を流れる市水は吸熱して温度が上昇する。予熱された市水は、補助熱源入水配管221を通じて、補助熱源ユニット300に供給される。
なお、一次側流路の出口側(吸入切換弁204側)には、タンク戻り温度センサ212が設置されており、このタンク戻り温度センサ212によって、低温水(放熱した湯)の温度が検出されるようになっている。また、二次側流路の入口側には、予熱流量センサ213が設置されており、この予熱流量センサ213によって、市水の流量が計測されるようになっている。更に、二次側流路の出口側には、予熱温度センサ214が設置されており、この予熱温度センサ214によって、予熱された市水の温度が検出されるようになっている。
循環ポンプ203は、ポンプ吸入配管224を通じて供給された水を、ポンプ吐出配管225を通じて送り出す。例えば、循環ポンプ203は、後述する沸き上げ運転(貯湯運転)時に、貯湯タンク201の下部(底部)から取り出した低温水をヒートポンプ入水配管121を通じてヒートポンプユニット100に供給し、ヒートポンプユニット100で沸き上げられた湯をヒートポンプ出湯配管122を通じて貯湯タンク201の上部(頂部)に戻す。その際、循環ポンプ203は、冷媒−水熱交換器102の出湯温度が目標貯湯温度となるように回転数を調整する。また、後述する間接給湯運転時に、循環ポンプ203は、水−水熱交換器202(上述した一次側流路)を通すことで温度が下がった低温水を、予熱戻し流路226を通じて貯湯タンク201の下部に戻す。
吸入切換弁204は、例えば、3方弁であり、入水口a,bと出水口cとを備えている。入水口aは、配管を経由して貯湯タンク201(下部)と接続されている。入水口bは、配管を経由して水−水熱交換器202(一次側流路の出口)と接続されている。出水口cは、ポンプ吸入配管224を経由して循環ポンプ203と接続されている。吸入切換弁204は、沸き上げ運転時に、入水側を入水口aに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口b−出水口cを閉塞)、ポンプ吸入配管224と貯湯タンク201の下部とを接続させる。また、吸入切換弁204は、間接給湯運転時に、入水側を入水口bに切り換え(入水口b−出水口cを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、ポンプ吸入配管224と水−水熱交換器202の一次側流路出口とを接続させる。
吐出切換弁205は、例えば、3方弁であり、入水口aと出水口b,cとを備えている。入水口aは、ポンプ吐出配管225を経由して循環ポンプ203と接続されている。出水口bは、予熱戻し流路226を経由して貯湯タンク201(下部)と接続されている。出水口cは、ヒートポンプ入水配管121を経由してヒートポンプユニット100と接続されている。吐出切換弁205は、沸き上げ運転時に、出水側を出水口cに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口a−出水口bを閉塞)、ポンプ吐出配管225とヒートポンプ入水配管121とを接続させる。また、吐出切換弁205は、間接給湯運転時に、出水側を出水口bに切り換え(入水口a−出水口bを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、ポンプ吐出配管225と予熱戻し流路226とを接続させる。
タンク減圧弁206は、給水端231から送られる市水を貯湯タンク201へ流入させる際に、予め定められたタンク圧と同等になる給湯圧力まで減圧する。なお、タンク減圧弁206の給水端231側には、給水温度センサ215が設置されており、この給水温度センサ215によって、給水される市水の温度が検出されるようになっている。
タンク混合弁207は、貯湯タンク201の上部から流出した湯(高温水)と、給水端231から送られる市水とを混合する。つまり、貯湯タンク201から取水した湯を給湯端232を通じて給湯する直接給湯運転(直接給湯モード)を行う際に、タンク混合弁207は、貯湯タンク201からの湯と市水とを混合させて、設定温度に調整しつつ、給湯端232を通じて給湯する。なお、タンク混合弁207の貯湯タンク201側には、タンク出湯温度センサ216が設置されており、このタンク出湯温度センサ216によって、混合前の湯の温度が検出されるようになっている。
給湯減圧弁208は、補助熱源出湯配管222を通じて補助熱源ユニット300から送られた湯の圧力を、予め定められた給湯圧力まで減圧する。つまり、貯湯タンク201から取水した湯を用いて市水を予熱する間接給湯運転(間接給湯モード)を行う際に、この予熱した市水を元に生成された湯を減圧する。
給湯切換弁209は、例えば、3方弁であり、入水口a,bと出水口cとを備えている。入水口aは、配管を経由してタンク混合弁207と接続されている。入水口bは、配管を経由して給湯減圧弁208と接続されている。出水口cは、配管を経由して給湯端232と接続されている。給湯切換弁209は、直接給湯運転時に、入水側を入水口aに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口b−出水口cを閉塞)、給湯端232とタンク混合弁207とを接続させる。また、給湯切換弁209は、間接給湯運転時に、入水側を入水口bに切り換え(入水口b−出水口cを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、給湯端232と給湯減圧弁208とを接続させる。なお、給湯切換弁209の給湯端232側には、給湯温度センサ217が設置されており、この給湯温度センサ217によって、給湯される湯の温度が検出されるようになっている。同じく給湯端232側には、給湯流量センサ218が設置されており、この給湯流量センサ218によって、給湯される湯の流量が計測されるようになっている。
補助熱源ユニット300は、主に、給湯熱交換器301と、追い焚き熱交換器302と、バーナ303(303a,303b)と、水量調節弁304と、バイパス弁305と、湯張り弁306と、追い焚きポンプ307とを備える。なお、補助熱源ユニット300と、浴槽400とは、浴槽戻り配管321、及び、浴槽往き配管322を介して接続されている。
給湯熱交換器301は、バーナ303aの熱と、市水(貯湯ユニット200で予熱された市水)とを熱交換させる。つまり、給湯熱交換器301は、補助熱源入水配管221から水量調節弁304を経由して送られる予熱された市水を、バーナ303aの熱で加熱して湯(第2の湯)を生成する。
追い焚き熱交換器302は、バーナ303bの熱と、浴槽400から送られた湯とを熱交換させる。つまり、追い焚き熱交換器302は、追い焚きポンプ307により浴槽戻り配管321を通じて供給された浴槽400の湯を、バーナ303bの熱で加熱する。加熱した湯は、浴槽往き配管322を通じて浴槽400に戻される。
水量調節弁304は、補助熱源入水配管221を通じて貯湯ユニット200から送られる予熱された市水の流量を調節する。なお、水量調節弁304の補助熱源入水配管221側には、補助熱源流量センサ311が設置されており、この補助熱源流量センサ311によって、予熱された市水の流量が計測されるようになっている。
バイパス弁305は、水量調節弁304を経由して送られる予熱された市水の一部を、補助熱源出湯配管222側へバイパスさせる。なお、バイパス弁305の補助熱源出湯配管222側には、補助熱源出湯温度センサ312が設置されており、この補助熱源出湯温度センサ312によって、補助熱源ユニット300から出湯される湯の温度が検出されるようになっている。
湯張り弁306は、浴槽400に湯を張る際に弁を開放し、給湯熱交換器301で生成された湯を、浴槽戻り配管321及び浴槽往き配管322を通じて、浴槽400に送る。
ヒートポンプコントローラ500は、ヒートポンプユニット100を制御する。また、貯湯ユニットコントローラ600は、貯湯ユニット200を制御する。なお、貯湯ユニットコントローラ600とヒートポンプコントローラ500とは、電気的に接続されており、必要な情報を送受信する。また、補助熱源コントローラ700は、補助熱源ユニット300を制御する。
リモコン800は、貯湯ユニットコントローラ600及び補助熱源コントローラ700と電気的に接続されており、必要な情報を送受信する。リモコン800には、操作ボタンや表示部が配置されており、例えば、ユーザからの操作に応じて、貯湯ユニットコントローラ600や補助熱源コントローラ700に指示を与えたり、貯湯ユニットコントローラ600や補助熱源コントローラ700から得た情報に応じて、貯湯ユニット200や補助熱源ユニット300の運転状況を表示する。
次に、貯湯ユニットコントローラ600を中心として、貯湯式給湯機1を説明する。図2は、貯湯式給湯機1の接続構成(一部)を説明するためのブロック図である。図2に示すように、貯湯ユニットコントローラ600は、測定部601、演算部602、制御部603、及び、記憶部604を含んで構成されている。
このような構成の貯湯ユニットコントローラ600には、入力として、貯湯温度センサ211、タンク戻り温度センサ212、予熱流量センサ213、予熱温度センサ214、給水温度センサ215、タンク出湯温度センサ216、給湯温度センサ217、及び、給湯流量センサ218が接続されている。また、貯湯ユニットコントローラ600には、入出力として、リモコン800が接続されている。更に、貯湯ユニットコントローラ600には、出力として、ヒートポンプコントローラ500、循環ポンプ203、吸入切換弁204、吐出切換弁205、タンク混合弁207、及び、給湯切換弁209のアクチュエータが接続されている。
測定部601は、貯湯温度センサ211〜給湯流量センサ218が検出した情報に従って、各諸量(温度及び流量)を測定する。
演算部602は、測定部601が計測した各諸量に基づいて、制御動作を演算する。例えば、演算部602は、沸き上げ運転時に、貯湯タンク201内の蓄熱量からヒートポンプユニット100の動作を演算する。また、演算部602は、一般給湯を行う際に、貯湯タンク201内の蓄熱量に従って、直接給湯又は間接給湯を行うために、貯湯ユニット200や補助熱源ユニット300の動作を演算する。
制御部603は、演算部602が演算した制御動作に基づいて、ヒートポンプユニット100、及び、循環ポンプ203〜給湯切換弁209のアクチュエータを制御する。
記憶部604は、予め定められた定数やリモコン800から送信される設定値といった種々の情報を記憶する。例えば、記憶部604は、一回の給湯時に見込まれる最大熱量を示す規定値(タンク直接給湯閾値)や、再沸き上げを行うための基準値(ヒートポンプ沸き上げ閾値)を記憶する。そして、演算部602や制御部603は、必要に応じて、記憶部604に記憶された情報を参照し、あるいは、書き換えを行うことが可能である。
なお、このような測定部601、演算部602、及び、制御部603は、例えば、マイコンにより構成される。また、記憶部604は、例えば、半導体メモリによって構成される。
<沸き上げ運転(貯湯運転)>
本発明の実施形態における貯湯式給湯機1の沸き上げ運転(貯湯運転)について説明を行う。沸き上げ運転時には、貯湯ユニットコントローラ600によって、吸入切換弁204、及び,吐出切換弁205は、以下のように制御される。
貯湯ユニットコントローラ600は、吸入切換弁204の入水側を入水口aに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口b−出水口cを閉塞)、ポンプ吸入配管224と貯湯タンク201の下部とを接続させる。また、貯湯ユニットコントローラ600は、吐出切換弁205の出水側を出水口cに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口a−出水口bを閉塞)、ポンプ吐出配管225とヒートポンプ入水配管121とを接続させる。
吸入切換弁204、及び,吐出切換弁205をこのように制御した状態で、貯湯ユニットコントローラ600は、循環ポンプ203を動作させる。これにより、図3に示すように、貯湯タンク201の下部から取水された水(低温水)は、吸入切換弁204、循環ポンプ203、吐出切換弁205、ヒートポンプ入水配管121の順に流れ、冷媒−水熱交換器102に送られる。そして、冷媒−水熱交換器102にて冷媒との熱交換によって加熱されて沸き上げられた湯は、ヒートポンプ出湯配管122を通り、貯湯タンク201の上部へと導かれる。貯湯ユニットコントローラ600は、このようにして、貯湯タンク201の下部から取り出した水を第1加熱手段であるヒートポンプユニット100にて加熱し、沸き上げた湯を貯湯タンク201の上部へと送ることが可能となる。このような沸き上げ運転により、貯湯タンク201内には、上部から高温の湯が徐々に積層された状態で貯湯されていく。
このような沸き上げ運転では、例えば、リモコン800の給湯設定温度に応じて、貯湯タンク201の貯湯温度が決められる。なお、ヒートポンプユニット100で湯が沸き上げられてから実際に給湯されるまでの間に、貯湯タンク201の表面から放熱があること、また、タンク混合弁207において、市水(給水)の混合割合を0にできないことなどの理由から、給湯設定温度に対して予め定められた温度を加算して貯湯温度を決める。例えば、給湯設定温度が40℃であれば、貯湯温度は40+α℃となる。リモコン800は、貯湯ユニットコントローラ600に対して、このように決めた貯湯温度を指令する。
通常、このような沸き上げ運転は、電気料金が安い深夜料金時間帯に行われる。それでも、沸き上げ運転後に、貯湯タンク201の蓄熱量が、予め定められた閾値(ヒートポンプ沸き上げ閾値)を下回ると、沸き上げ運転(再沸き上げ運転)が開始されるようになっている。
沸き上げ運転において、貯湯ユニットコントローラ600は、ヒートポンプコントローラ500に対して、貯湯温度である目標沸き上げ温度を指令する。そして、貯湯タンク201の蓄熱量が目標貯湯量になると、ヒートポンプユニット100は、沸き上げ運転を停止する。なお、目標貯湯量は、例えば、現在からある決まった時間までに予測される給湯負荷と、現在の貯湯タンクの蓄熱量との差から算出される。予測される給湯負荷は、過去数日間の給湯負荷を学習して定めるようにするとよい。
<給湯切換弁の制御>
続いて、給湯端232から湯が供給される一般給湯時における給湯切換弁209の制御について、図4を参照して説明する。図4は、給湯切換弁制御を説明するためのフローチャートである。なお、一般給湯時には、貯湯タンク201からの湯が直接出湯される直接給湯モード(直接給湯運転)と、水−水熱交換器202で予熱された市水が補助熱源ユニット300でさらに加熱されて出湯する間接給湯モード(間接給湯運転/給水予熱給湯運転)との何れかが実施される。給湯切換弁209は、直接給湯モードによる給湯と、間接給湯モードによる給湯とを切り換えるために制御される。
給湯切換弁制御が開始されると、貯湯ユニットコントローラ600は、貯湯タンク201の蓄熱量を算出する(ステップS101)。つまり、演算部602は、貯湯タンク201の高さ方向に配置されている貯湯温度センサ211が検出した温度に基づいて、貯湯タンク201に貯湯された湯の蓄熱量を算出する。その際、演算部602は、貯湯タンク201内の湯が有する蓄熱量のうちで給湯負荷に有効な蓄熱量を算出する。例えば、一般の給湯負荷においては、貯湯タンク201内の湯が有する熱エネルギを混合によって市水に与えて使用するため、演算部602は、熱エネルギの基準温度を給水温度として貯湯タンク201の容積に関して積分することにより、蓄熱量を算出する。また、ここでは、予め定められた温度(一例として、45℃)以上の湯の領域に関してのみ積分して、蓄熱量を算出してもよい。
貯湯ユニットコントローラ600は、算出した蓄熱量が規定値以上か否かを判別する(ステップS102)。例えば、演算部602は、記憶部604から、1回の給湯時に見込まれる最大熱量を示す規定値(タンク直接給湯閾値)を読み出し、蓄熱量がこの規定値以上かどうかを判別する。なお、記憶部604は、このタンク直接給湯閾値として、例えば1回に発生する給湯負荷(一般給湯時の給湯負荷)のうち、過去数日の最大負荷(最大熱量)を記憶している。ここで、給湯負荷は、例えば、給湯流量センサ218が積算する給湯流量と、給湯温度センサ217が検出する湯の温度と給水温度センサ215が検出する市水の温度との温度差との積から算出する。
貯湯ユニットコントローラ600は、蓄熱量が規定値以上であると判別すると(ステップS102;Yes)、直接給湯モードを実施する(ステップS103)。この直接給湯モードにおいて、貯湯ユニットコントローラ600は、給湯切換弁209の入水側を入水口aに切り換え(入水口a−出水口cを開放、入水口b−出水口cを閉塞)、給湯端232とタンク混合弁207とを接続させる。
一方、蓄熱量が規定値以上でないと判別した場合(ステップS102;No)に、貯湯ユニットコントローラ600は、間接給湯モードを実施する(ステップS104)。この間接給湯モードにおいて、貯湯ユニットコントローラ600は、給湯切換弁209の入水側を入水口bに切り換え(入水口b−出水口cを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、給湯端232と給湯減圧弁208とを接続させる。
なお、上記の給湯切換弁制御では、貯湯タンク201の蓄熱量が、規定値(タンク直接給湯閾値)を下回った場合に、間接給湯モードに切り換える場合について説明したが、他の情報を基に、切り換えるようにしてもよい。例えば、貯湯温度センサ211の何れか、給湯設定温度+β℃よりも低い温度を検出したときに、間接給湯モードに切り換えるようにしてもよい。また、蓄熱量と比較する規定値(タンク直接給湯閾値)を、一般的な給湯負荷のうちで大きめの固定値(一例として、1回のシャワー負荷の固定値(40℃換算で50L))に置き換えてもよい。更に、リモコン800から、ユーザが任意の値を選んで規定値を設定できるようにしてもよい。
<直接給湯運転>
続いて、直接給湯モードにおける給湯運転(直接給湯運転)について説明を行う。直接給湯モードでは、上述したように、給湯切換弁209が、入水側を入水口aに切り換えており、給湯端232とタンク混合弁207とが接続されている。この状態で、例えば、給湯端232に接続された給湯水栓(図示せず)が開かれると(給湯負荷が生じると)、図5に示すように、貯湯タンク201の上部から取水された湯は、タンク混合弁207、給湯切換弁209の順に流れ、給湯端232から給湯される。
以下、このような直接給湯モードにおける直接給湯処理について、図6を参照して説明する。図6は、直接給湯処理を説明するためのフローチャートである。この直接給湯処理は、例えば、給湯端232に接続された給湯水栓が開かれた場合に開始する。
貯湯ユニットコントローラ600は、給湯流量が基準値以上となるまで待機する(ステップS201;No)。なお、基準値には、例えば、給湯流量センサ218が安定的に給湯流量を検出できる下限値が予め設定されている。この待機状態から、給湯水栓が開かれ、給湯流量が増加して、基準値以上となると(ステップS201;Yes)、貯湯ユニットコントローラ600は、タンク混合弁207を温調制御する(ステップS202)。このとき、高温湯が貯湯タンク201の上部からタンク混合弁207に供給されるとともに、市水(低温水)がタンク減圧弁206を通って貯湯タンク201の下部に流入する。タンク混合弁207は、給湯端232に給湯する湯の温度を調節するための弁であり、貯湯タンク201の上部から供給される高温の湯と、タンク減圧弁206を介して供給される市水とを混合し、混合比を可変して給湯温度センサ217の検出する湯温が給湯設定温度となるように調節して出湯する。
貯湯ユニットコントローラ600は、給湯流量が基準値を下回ったか否かを判別する(ステップS203)。貯湯ユニットコントローラ600は、給湯流量が基準値を下回っていないと判別すると(ステップS203;No)、ステップS202の温調制御を継続する。
一方、給湯流量が基準値を下回ったと判別した場合(ステップS203;Yes)に、貯湯ユニットコントローラ600は、直接給湯処理を終え、再び待機状態となる。
このような直接給湯運転において、給湯切換弁209は、タンク混合弁207と給湯端232とを接続しているため、補助熱源ユニット300側に水が流れず、補助熱源ユニット300において加熱は実施されない。
<間接給湯運転(給水予熱給湯運転)>
続いて、間接給湯モードにおける給湯運転(間接給湯運転)について説明を行う。間接給湯モードでは、上述したように、給湯切換弁209が、入水側を入水口bに切り換えており、給湯端232と給湯減圧弁208とが接続されている。この状態で、給湯負荷が生じると、図7に示すように、貯湯タンク201の上部から取水された湯は、予熱取り出し流路223、水−水熱交換器202(一次側流路)の順に送られる。そして、水−水熱交換器202にて市水(低温水)との熱交換によって放熱して温度が下降した水(低温水)となる。このように温度が下降した水は、吸入切換弁204、循環ポンプ203、吐出切換弁205、予熱戻し流路226の順に送られ、貯湯タンク201の下部に戻される。
一方、給水端231から供給された市水は、水−水熱交換器202(二次側流路)に送られる。この水−水熱交換器202にて湯(高温水)との熱交換によって予熱された市水は、補助熱源入水配管221、水量調節弁304、給湯熱交換器301の順に送られる。そして、給湯熱交換器301にて沸き上げられた湯は、補助熱源出湯配管222、給湯減圧弁208、給湯切換弁209の順に流れ、給湯端232から給湯される。
以下、このような間接給湯モードにおける間接給湯処理について、図8を参照して説明する。図8は、間接給湯処理を説明するためのフローチャートである。この間接給湯処理は、例えば、給湯端232に接続された給湯水栓が開かれた場合に開始する。なお、この間接給湯処理が実行される際に、補助熱源コントローラ700では、後述する図11の補助加熱処理が実行される。
貯湯ユニットコントローラ600は、吸入切換弁204の入水口を、水−水熱交換器202側へ切り換える(ステップS301)。つまり、貯湯ユニットコントローラ600は、吸入切換弁204の入水側を入水口bに切り換え(入水口b−出水口cを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、ポンプ吸入配管224と水−水熱交換器202とを接続させる。
貯湯ユニットコントローラ600は、吐出切換弁205の出水口を、予熱戻し流路226側へ切り換える(ステップS302)。つまり、貯湯ユニットコントローラ600は、吐出切換弁205の出水側を出水口bに切り換え(入水口a−出水口bを開放、入水口a−出水口cを閉塞)、ポンプ吐出配管225と予熱戻し流路226とを接続させる。
貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値以上となるまで待機する(ステップS303;No)。なお、基準値には、例えば、予熱流量センサ213が安定的に予熱流量を検出できる下限値が予め設定されている。この待機状態から、給湯水栓が開かれ、予熱流量が増加して、基準値以上となると(ステップS303;Yes)、貯湯ユニットコントローラ600は、循環ポンプ203を温調制御する(ステップS304)。このとき、循環ポンプ203が作動し、貯湯タンク201の上部から取水した湯が予熱取り出し流路223を通じて水−水熱交換器202(一次側流路)に流入し、更に、吸入切換弁204、循環ポンプ203、吐出切換弁205の順に流れて予熱戻し流路226から再び貯湯タンク201の下部に戻る。一方で、給水端231から水−水熱交換器202(二次側流路)に流入した市水(低温水)は、補助熱源入水配管221を通って補助熱源ユニット300に流入する。このとき、水−水熱交換器202では、一次側流路の湯で、二次側流路の市水を加熱するため、一次側流路の湯は温度が低下して貯湯タンク201の下部へ戻り、一方、二次側流路の市水は温度が上昇して(予熱されて)補助熱源ユニット300に流入する。貯湯ユニットコントローラ600は、循環ポンプ203を温調制御して、回転数を制御し流量を調節する。以下、詳細に説明する。
図9に、水−水熱交換器202における一次側流路と二次側流路の水の温度変化を示す。水−水熱交換器202では、この図9に示すように、対向流で熱交換する。循環ポンプ203の温調制御は、例えば、タンク戻り温度センサ212が検出する一次側流路出口水温Tw1oと、給水温度センサ215が検出する二次側流路入口水温Tw2iとの温度差ΔTwLが予め定められた値で一定になるように回転数を制御する。
具体的に、給水側の二次側流量が小さい場合では、例えば、循環ポンプ203の回転数が大きく一次側流量が過大であると、Tw1oが高くなり、貯湯タンク201の下部に流入する温度が高くなる。そのため、温調制御により、ΔTwLが予め定められた値になるように、循環ポンプ203の回転数を小さくする。一方で、二次側流量が大きい場合では、例えば、循環ポンプ203の回転数が小さく一次側流量が過小であると、Tw1oが低くなるが、必要な給水予熱の加熱量を得るために、温調制御により、ΔTwLが予め定められた値になるよう循環ポンプ203の回転数を大きくする。すなわち、ΔTwLに応じて循環ポンプ203の回転数を制御すると、二次側流量に対して加熱量と熱交換効率を考慮した適切な一次側流量を水−水熱交換器202に流すことができる。そのため、ΔTwLを適正に制御すると、貯湯タンク201の下部の温度を低く保つことができ、また、再沸き上げ時にヒートポンプ入水配管121から供給する水の温度(ヒートポンプ入水温度)を低くできるため、特に冷媒がCO2の時に有効である。また、二次側流量に合わせて必要な熱交換量を確保できるため、補助熱源ユニット300に供給する市水の予熱効果を十分に得ることができる。
また、図10に示すように、予熱流量センサ213が検出する二次側流量に対して、循環ポンプ203の回転数を制御してもよい。循環ポンプ203の回転数と一次側流量とは、ほぼ比例関係にあるので、加熱される二次側流量に対して適切な一次側流量を制御できる。
図8に戻って、貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値を下回ったか否かを判別する(ステップS305)。貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値を下回っていないと判別すると(ステップS305;No)、ステップS304の温調制御を継続する。
一方、予熱流量が基準値を下回ったと判別した場合(ステップS305;Yes)に、貯湯ユニットコントローラ600は、間接給湯処理を終え、再び待機状態となる。
続いて、補助熱源コントローラ700にて実施される補助加熱処理について、図11を参照して説明する。図11は、補助加熱処理を説明するためのフローチャートである。この補助加熱処理は、上述した間接給湯処理と並行して開始される。
補助熱源コントローラ700は、補助熱源流量が基準値以上となるまで待機する(ステップS401;No)。なお、基準値には、例えば、補助熱源流量センサ311が安定的に補助熱源流量を検出できる下限値が予め設定されている。この待機状態から、給湯水栓が開かれ、補助熱源流量が増加して、基準値以上となると(ステップS401;Yes)、補助熱源コントローラ700は、バーナ303aを点火する(ステップS402)。バーナ303aが燃料を燃焼させることで、給湯熱交換器301では市水(予熱された市水)が加熱される。
補助熱源コントローラ700は、バーナ303a、水量調整弁304、及び、バイパス弁305を温調制御する(ステップS403)。例えば、補助熱源コントローラ700は、補助熱源出湯温度センサ312の検出温度が目標給湯温度となるように、バーナ303aの燃焼量を制御する。同時に、補助熱源コントローラ700は、水量調節弁304を制御して、補助熱源ユニット300に流入する市水(予熱された市水)の水流量を調節する。更に同時に、補助熱源コントローラ700は、バイパス弁305を制御し、給湯熱交換器301をバイパスする水流量を調節することで、給湯温度が目標給湯温度になるように制御する。このようにして、補助熱源ユニット300で目標給湯温度となった湯は、補助熱源出湯配管222を通って再び貯湯ユニット200に流入し、給湯減圧弁208で減圧された後、給湯切換弁209を通って給湯される。
補助熱源コントローラ700は、補助熱源流量が基準値を下回ったか否かを判別する(ステップS404)。補助熱源コントローラ700は、補助熱源流量が基準値を下回っていないと判別すると(ステップS404;No)、ステップS403の温調制御を継続する。
一方、補助熱源流量が基準値を下回ったと判別した場合(ステップS404;Yes)に、補助熱源コントローラ700は、バーナ303aを消火し(ステップS405)、補助加熱処理を終え、再び待機状態となる。
このような補助加熱処理において、上述したように、補助熱源ユニット300で目標給湯温度となった湯は、補助熱源出湯配管222を通って再び貯湯ユニット200に流入し、給湯減圧弁208で減圧された後、給湯切換弁209を通って給湯される。このとき、給湯切換弁209は、給湯減圧弁208と給湯端232とを接続しているため、貯湯タンク201からの直接出湯は実施されない。
なお、予熱流量センサ213は、水−水熱交換器202の二次側流路の出口側に設けてもよい。
また、貯湯ユニットコントローラ600は、予熱温度センサ214が検出する予熱された市水の温度(予熱温度)を目標に、循環ポンプ203の回転数を制御してもよい。具体的に、循環ポンプ203の回転数が高くなると、水−水熱交換器202の熱交換量が増加し予熱温度が高くなる。そして、予熱温度を高くするほど、同一給湯設定温度に対して補助熱源ユニット300による加熱量が減少して、バーナ303aの燃焼量を減少できる。一方で予熱温度が高くなりすぎると、補助熱源ユニット300の入水温度が高くなり、補助熱源ユニット300側で給湯温度が制御できなくなったり、バーナ303a燃焼が停止したりする虞がある。よって、貯湯ユニットコントローラ600は、例えば、予熱温度の目標値を、補助熱源ユニット300の入水温度上限値(一例として、30℃)になるように、循環ポンプ203の回転数を調節すればよい。
このように、予熱温度を目標に一次側流量を制御すると、ΔTwLを目標に一次側流量を制御する場合と比べて、一次側のタンク戻り温度が高くなり、再沸き上げ運転時にヒートポンプユニット100の入水温度が高くなる。また、CO2のように高圧側で凝縮せず超臨界状態となる冷媒に比べて、HFC、HC、HFO等のように高圧側で凝縮する冷媒を使用する場合は、入水温度の上昇に対してCOPの低下が小さい。このため、予熱温度を目標に一次側流量を制御する方法は、特に高圧側で凝縮する冷媒を用いる場合に有効である。
<湯張り運転>
続いて、浴槽400に湯を張る湯張り運転について説明を行う。湯張り運転では、貯湯タンク201における蓄熱量の大小に拘わらず、上述した間接給湯モードが実施される。湯張り運転が開始されると、図12に示すように、貯湯タンク201の上部から取水された湯は、予熱取り出し流路223、水−水熱交換器202(一次側流路)の順に送られる。そして、水−水熱交換器202にて市水(低温水)との熱交換によって放熱して温度が下降した水(低温水)となる。このように温度が下降した水は、吸入切換弁204、循環ポンプ203、吐出切換弁205、予熱戻し流路226の順に送られ、貯湯タンク201の下部に戻される。
一方、給水端231から供給された市水は、水−水熱交換器202(二次側流路)に送られる。この水−水熱交換器202にて湯(高温水)との熱交換によって予熱された市水は、補助熱源入水配管221、水量調節弁304、給湯熱交換器301の順に送られる。そして、給湯熱交換器301にて沸き上げられた湯は、湯張り弁306、浴槽戻り配管321の順に流れ、浴槽400に給湯される。なお、図12では、省略しているが、浴槽往き配管322からも、浴槽400に給湯される。
以下、このような湯張り運転を行う湯張り処理について、図13を参照して説明する。図13は、湯張り処理を説明するためのフローチャートである。なお、この湯張り処理は、上述した図8の間接給湯処理と並行して実行される。
補助熱源コントローラ700は、リモコン800から湯張り指令がなされるまで待機する(ステップS501;No)。この待機状態から、リモコン800より湯張り指令がなされると(ステップS501;Yes)、補助熱源コントローラ700は、湯張り弁306を開放し(ステップS502)、バーナ303aを点火する(ステップS503)。バーナ303aが燃料を燃焼させることで、給湯熱交換器301では市水(予熱された市水)が加熱される。
補助熱源コントローラ700は、バーナ303a、水量調整弁304、及び、バイパス弁305を温調制御する(ステップS504)。湯張り弁306が開かれると、補助熱源ユニット300に予熱された市水が流入して、補助熱源流量センサ311、水量調節弁304を通った後、一方は給湯熱交換器301で加熱され、他方はバイパス弁305でバイパスした後合流し、湯張り弁306を通って浴槽往き配管322、浴槽戻り配管321の両方から浴槽400へ湯が供給される。このとき、補助熱源コントローラ700は、例えば、補助熱源出湯温度センサ312の検出温度が目標湯張り温度となるように、バーナ303aの燃焼量を制御する。同時に、補助熱源コントローラ700は、水量調節弁304を制御して、補助熱源ユニット300に流入する市水(予熱された市水)の水流量を調節する。更に同時に、補助熱源コントローラ700は、バイパス弁305を制御し、給湯熱交換器301をバイパスする水流量を調節することで、給湯温度が目標湯張り温度になるように制御する。
補助熱源コントローラ700は、湯張り積算流量が湯張り量以上となったか否かを判別する(ステップS505)。つまり、湯張り運転中では、補助熱源流量センサ311が流量を積算しているため、補助熱源コントローラ700は、この積算流量がリモコン800で設定された湯張り湯量以上となったかどうかを判別する。補助熱源コントローラ700は、湯張り積算流量が湯張り量以上でないと判別すると(ステップS505;No)、ステップS504の温調制御を継続する。
一方、湯張り積算流量が湯張り量以上となったと判別した場合(ステップS505;Yes)に、補助熱源コントローラ700は、バーナ303aを消火し(ステップS506)、湯張り弁306を閉鎖し(ステップS507)、湯張り処理を終え、再び待機状態となる。
このような湯張り処理では、ステップS505にて、補助熱源流量センサ311が積算した流量を用いて、湯張りの終了を判別する場合について説明したが、他に、浴槽400の水位を検出する水位センサ(図示せず)を用いて、湯張りの終了を判別するようにしてもよい。
湯張り運転の場合、貯湯タンク201における蓄熱量の大小に拘わらず、間接給湯モードが実施される。なお、一般給湯運転と湯張り運転とが同時に実施される場合には、貯湯タンク201における蓄熱量が予め定められた値よりも大きければ、一般給湯運転について直接給湯モードを実施する。一方、貯湯タンク201における蓄熱量が予め定められた値以下であれば、一般給湯運転についても間接給湯モードを実施する。
<追い焚き・保温運転>
続いて、追い焚き・保温運転について説明を行う。リモコン800の設定において、浴槽400の湯を一定の温度に保つ保温モードとなっているとき、又は、リモコン800にて浴槽400の湯を再加熱する追い焚きボタンが押されると、追い焚き・保温運転を実施する。追い焚き・保温運転時には、湯張り弁306が閉じられている。
補助熱源コントローラ700は、追い焚きポンプ307を回転させて、浴槽400、浴槽戻り配管321、追い焚きポンプ307、追い焚き熱交換器302、浴槽往き配管322の順に湯を循環させる。このとき、補助熱源コントローラ700は、バーナ303bを点火して、循環する湯を加熱する。なお、追い炊き・保温運転では、間接給湯処理は実施されない。
<沸き上げ運転と間接給湯運転の同時運転>
沸き上げ運転(貯湯運転)と、間接給湯運転(給水予熱給湯運転)とを同時実施する場合について説明する。なお、沸き上げ運転中に間接給湯運転を開始してもよいし、逆に、間接給湯運転中に沸き上げ運転を開始してもよい。
このとき、貯湯ユニットコントローラ600は、図14に示すように、各要素のアクチュエータを制御する。一般的に、水−水熱交換器202の二次側流路を流れる給湯流量は、最大で約15〜20L/min程度の流量が流れる。このため、これに合わせて一次側流量も大きくなる。一方で沸き上げ運転時にヒートポンプユニット100に流れる沸き上げ流量は、例えば、冬期の給水温度9℃、貯湯温度65℃の場合に、加熱能力が4.5kWとすると、約1.15L/minである。よって、循環ポンプ203を沸き上げ運転と間接給湯運転に共通して利用する場合に、ヒートポンプユニット100に流れる沸き上げ流量と水−水熱交換器202の一次側流路を流れる流量とを独立して制御する必要があり、また、水−水熱交換器202の一次側の水の一部をヒートポンプユニット100に流して、残りを貯湯タンク201の下部に戻す必要がある。
具体的に貯湯ユニットコントローラ600は、水−水熱交換器202における一次側流路出口水温Tw1oと、二次側流路入口水温Tw2iとの温度差ΔTwLが一定になるように(一定の値を維持するように)、循環ポンプ203の回転数を制御する。また、貯湯ユニットコントローラ600は、吐出切換弁205の開度を制御し、ヒートポンプ沸き上げ流量を調整することで、ヒートポンプユニット100からの出湯温度を制御する。更に、貯湯ユニットコントローラ600は、吸入切換弁204をポンプ吸入配管224と水−水熱交換器202(一次側流路)とが接続するように切り換える。
図15に、吐出切換弁205の開度と流量の関係を示す。吐出切換弁205は、開度ステップが0から最大まで変化すると、貯湯タンク側流量とヒートポンプ側流量の合計が100%となり、かつ、両者の流量比が変化する。よって、図14のように制御する際に、貯湯ユニットコントローラ600は、循環ポンプ203の回転数を制御して間接給湯運転のために水−水熱交換器202の一次側流路に必要な流量を調整し、また、吐出切換弁205の開度ステップを制御して沸き上げ運転に必要なヒートポンプユニット100への流量と貯湯タンク201の下部に戻る残りの流量との比を調整する。
<一日の運転動作例>
図16A〜16Dを参照して、一日の運転動作例を説明する。図16Aは、一日の給湯負荷を示している。図16Bは、貯湯タンク201における一日の蓄熱量の変化を示している。図16Cは、ヒートポンプユニット100における一日の加熱能力の変化を示している。そして、図16Dは、補助熱源ユニット300における一日の加熱能力の変化を示している。
図16Cに示すように、一般的に、7:00より前に設定されている深夜時間帯に、ヒートポンプユニット100を動作させ(沸き上げ運転を実施し)、図16Bに示すように、貯湯タンク201の蓄熱量を増やす。貯湯タンク201に蓄熱させる蓄熱量は、貯湯タンク201に定められた最大蓄熱量でもよく、また、予想される給湯負荷に合わせて求めた蓄熱量であってもよい。
図16Aに示すように、7:00から18:00付近まで、給湯水栓(一例として、洗面所や台所の蛇口)からの一般給湯負荷が発生する。これらの一般給湯負荷は、入浴などに比べて小さいため、貯湯ユニットコントローラ600は、直接給湯運転を実施する。なお、一般給湯が発生していない時間では、貯湯タンク201からの放熱により、徐々に蓄熱量が減少する。
図16Aに示すように、19:00付近に湯張り負荷が生じると、図16Dに示すように、補助熱源ユニット300では湯張り運転が実施される。このとき、貯湯ユニット200では、間接給湯運転(給水予熱運転)が実施されるため、図16B及び図16Dに示すように、貯湯タンク201の蓄熱量減少と、補助熱源ユニット300による加熱が同時に発生する。湯張り運転が実施されると、図16Bに示すように、貯湯タンク201の蓄熱量が大幅に減少するため、タンク直接給湯閾値よりも蓄熱量が下回る。この後、シャワーなどの一般給湯負荷が発生するが、貯湯ユニットコントローラ600は、貯湯タンク201の蓄熱量がヒートポンプ沸き上げ閾値よりも下回るまで、沸き上げ運転は行わず、間接給湯運転を実施する。
一般給湯負荷が連続して発生し、貯湯タンク201の蓄熱量が、ヒートポンプ沸き上げ閾値よりも下回ると、貯湯ユニットコントローラ600は、沸き上げ運転を開始する。その後、貯湯タンク201の蓄熱量がタンク直接給湯閾値よりも大きくなるまで、貯湯ユニットコントローラ600は、一般給湯負荷が発生した場合に、間接給湯運転を実施する。このようにして、沸き上げ運転中に間接給湯運転が開始されると、貯湯ユニットコントローラ600は、上述した同時運転を実施する。貯湯タンク201の蓄熱量目標値は、その日に発生する残りの負荷を予測、積算して求め、深夜時間帯の沸き上げ運転よりも小さくなる。
沸き上げ運転が終了した後に一般給湯が発生すると、貯湯タンク201の蓄熱量がタンク直接給湯閾値よりも大きければ、貯湯ユニットコントローラ600は、直接給湯運転を実施し、一方、蓄熱量がタンク直接給湯閾値よりも小さければ、間接給湯運転を実施する。なお、一日の終わりである24:00に蓄熱量が最低となるように制御するが、24:00以降に一般給湯負荷が発生すると予想される場合は、蓄熱量を残してもよい。
<効果>
以上、説明したように、貯湯タンク201の蓄熱量が一般給湯負荷を賄うのに十分な場合に、貯湯タンク201から直接給湯して貯湯タンク201の下部に温度の低い市水が流入するため、ヒートポンプユニット100の沸き上げ運転時のCOPを高くできる。特に、冷媒にCO2を用いる場合では、高圧側が超臨界サイクルとなり、ヒートポンプユニット100の入水温度が低いほどCOPを高くできるため、本実施の形態が有効である。
また、貯湯ユニット200には、予熱流量センサ213を設け、また、補助熱源ユニット300には補助熱源流量センサ311を設けているため、例えば、一般給湯運転で補助熱源ユニットに流入する市水を貯湯ユニット200で予熱する場合も、貯湯ユニットコントローラ600と補助熱源コントローラ700とで通信することなく、それぞれ独立してアクチュエータを制御できる。
また、補助熱源ユニット300に流入する市水を、タンク減圧弁206を通過する前に分岐して、水−水熱交換器202で予熱した後、補助熱源ユニット300に流入するようにしているため、例えば、水−水熱交換器202にプレート式熱交換器といった圧力損失の低い熱交換器を用いることで、補助熱源ユニット300に流入する給水圧力を高くすることができる。また、水量調節弁304、給湯熱交換器301、バイパス弁305など、給湯流量が大きくなると圧力損失が大きくなる要素を通過した後、貯湯タンク201の設定圧力と同じ二次側圧力となるように給湯減圧弁208で減圧しているため、圧力損失による給湯流量の減少を抑制できる。また、給湯減圧弁208の代わりにタンク混合弁207と給湯切換弁209との間に逆止弁を設けて、タンク混合弁207から給湯切換弁209の方向のみに湯の流れを制限することで、補助熱源ユニット300側の水圧が貯湯ユニット200にかからないようにしてもよい。
また、補助熱源ユニット300に流入する市水を、タンク減圧弁206に流入する前で分岐させているため、貯湯タンク201に流入する圧力と、補助熱源ユニット300に流入する圧力を別々に設定できる。これによって、補助熱源ユニット300に流入する水圧を高く、貯湯タンク201に流入する水圧を低く設定できるため、貯湯タンク201を低コストに製造できる。また、貯湯タンク201の大型化が容易であり、ヒートポンプユニット100で沸き上げる比率を大きくできるため、より省エネとなる。
また、一般給湯運転において、蓄熱量が大きい間では、貯湯タンク201からの直接給湯運転を実施し、蓄熱量が小さくなると、間接給湯運転を実施するため、貯湯タンク201の蓄熱を有効利用できる。
また、タンク戻り水温と給水温度との温度差に応じて、循環ポンプ203の回転数を制御しているため、タンク戻り水温を低くして、ヒートポンプユニット100で再沸き上げする際にCOPの低下を抑制できる。
また、沸き上げ運転と間接給湯運転とが同時に発生しても、循環ポンプ203の回転数と吐出切換弁205の開度とで、沸き上げ流量と予熱流量を個別に調節できるため、ポンプ1台で低コストに水回路を構成できる。
また、直接給湯運転を一般給湯で実施し、湯張り運転の場合に、間接給湯運転のみとしているため、例えば、湯張り運転を直接給湯運転で実施する場合と比較して、貯湯タンク201の大きさを小さくすることができる。また、本実施形態のように補助熱源ユニット300側に浴槽400との接続配管(浴槽戻り配管321、浴槽往き配管322)が接続されている場合、貯湯タンク201の湯で直接給湯運転によって湯張りしようとすると、貯湯ユニット200から補助熱源ユニット300への湯張りのための接続配管がさらに追加されて水回路が複雑となる。このため、湯張り運転時における貯湯タンク201の熱利用を市水の予熱(給水予熱)とすることにより、水回路を簡素化できる。
また、一般的に高い給水圧力が必要なガス給湯器に対して、給水圧力を下げずに予熱が可能であるため、既設のガス給湯器に貯湯式給湯機を追加設置する場合に有効である。
また、貯湯タンク201内の湯の温度が45℃未満で数日間放置されると、レジオネラ菌などの雑菌が繁殖する恐れがあるため、給湯利用する前にヒートポンプユニット100で高温に(例えば65℃以上)再沸き上げする必要がある。その際、例えば、再沸き上げするときの湯の温度が40℃以上ある場合に、これを直接ヒートポンプユニット100で再沸き上げすると入水温度が高くCOPが低下してしまう。これに対して、間接給湯運転で貯湯温度を低下させた後、再沸き上げすることで、再沸き上げのCOPを向上させて、かつ、給水予熱で熱を有効利用できる。また、ヒートポンプユニット100の入水温度が低いと沸き上げ運転の高圧側圧力をより低くできるため、冷媒回路の設計圧力を低くできる。
また、直接給湯運転から間接給湯運転への切り換えに、過去の給湯負荷(1回の給湯)の最大値(タンク直接給湯閾値)を用いているため、一般給湯を利用中に貯湯タンク201の湯切れが発生する可能性が低くなる。また、残った蓄熱量を間接給湯運転に利用できるため、閾値をある程度大きくしても蓄熱量が無駄にならない。
<他の実施形態1>
図17に他の実施形態に係る貯湯ユニット900の構成を示す。貯湯ユニット900は、上述した貯湯ユニット200と比べて、間接給湯運転で市水への加熱に利用した後の水を、貯湯タンク201に戻す戻し位置を、貯湯タンク201の中間と下側(下部)とで切り換えることが可能となっている。すなわち、貯湯ユニット900は、予熱戻し流路226の途中に、戻し位置切換弁901が設けられている。
戻し位置切換弁901は、例えば、3方弁であり、入水口aと出水口b,cとを備えている。入水口aは、予熱戻し流路226を経由して吐出切換弁205と接続されている。出水口bは、配管を経由して貯湯タンク201の下部と接続されている。出水口cは、配管を経由して貯湯タンク201の中間と接続されている。
以下、このような貯湯ユニット900における間接給湯処理について、図18を参照して説明する。図18は、他の実施形態に係る間接給湯処理を説明するためのフローチャートである。この間接給湯処理は、例えば、給湯端232に接続された給湯水栓が開かれた場合に開始する。なお、図8の間接給湯処理と同じ処理には、同じ、参照符号が付されている。また、この間接給湯処理が実行される際に、補助熱源コントローラ700では、上述した図11の補助加熱処理が実行される。
貯湯ユニットコントローラ600は、吸入切換弁204の入水口を、水−水熱交換器202側へ切り換え(ステップS301)、また、吐出切換弁205の出水口を、予熱戻し流路226側へ切り換える(ステップS302)。
貯湯ユニットコントローラ600は、貯湯タンク201における中間の温度が、一次側流路出口の制御目標温度であるTw2i+ΔTwLよりも高いか否かを判別する(ステップS601)。貯湯ユニットコントローラ600は、貯湯タンク201における中間の温度を、貯湯温度センサ211が検出した温度分布から算出する。
貯湯ユニットコントローラ600は、中間の温度がTw2i+ΔTwLよりも高いと判別すると(ステップS601;Yes)、戻し位置切換弁901の出力口を貯湯タンク201の下部側に切り換える(ステップS602)。
例えば、図19Aに示すように、貯湯タンク201の温度分布が、一般的な給湯設定温度(約40℃)よりも高い45℃以上の高温部と、市水の温度よりも低い20℃未満の低温部とで分かれており、貯湯タンク201における中間の温度が高温部であったとする。この場合、中間の温度がTw2i+ΔTwLよりも高くなるため、戻し位置切換弁901の出力口が貯湯タンク201の下部側に接続され、予熱後の一次側の水(予熱戻り水)は、貯湯タンク201の下側に戻される。
また、図19Bに示すように、貯湯タンク201の温度分布が、20〜45℃の中温部と、低温部とで分かれており、貯湯タンク201における中間の温度が中温部であったとする。この場合、予熱後の一次側の水を貯湯タンク201の中間に戻すと、中温水と戻りの水が混合してロスが発生するため、戻し位置切換弁901の出力口が貯湯タンク201の下部側に接続され、予熱後の一次側の水は、貯湯タンク201の下側に戻される。
一方、中間の温度がTw2i+ΔTwLよりも高くないと判別した場合(ステップS601;No)に、貯湯ユニットコントローラ600は、戻し位置切換弁901の出力口を貯湯タンク201の中間側に切り換える(ステップS603)。
例えば、図19Cに示すように、貯湯タンク201の温度分布が、中温部と、低温部とで分かれており、貯湯タンク201における中間の温度が低温部であったとする。この場合、予熱後の一次側の水を貯湯タンク201の下側に戻すと、中温水と戻りの水が混合して低温部の温度が上昇するため、戻し位置切換弁901の出力口が貯湯タンク201の中間側に接続され、予熱後の一次側の水は、貯湯タンク201の中間に戻される。
貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値以上となるまで待機する(ステップS303;No)。この待機状態から、給湯水栓が開かれ、予熱流量が増加して、基準値以上となると(ステップS303;Yes)、貯湯ユニットコントローラ600は、循環ポンプ203を温調制御する(ステップS304)。
貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値を下回ったか否かを判別する(ステップS305)。貯湯ユニットコントローラ600は、予熱流量が基準値を下回っていないと判別すると(ステップS305;No)、ステップS304の温調制御を継続する。
一方、予熱流量が基準値を下回ったと判別した場合(ステップS305;Yes)に、貯湯ユニットコントローラ600は、補助加熱処理を終え、再び待機状態となる。
このように、貯湯ユニット900では、給水予熱に利用した後の一次側の戻し位置を、貯湯タンク中間と下側で切り換えるようにしているので、中温水を有効利用しつつヒートポンプユニット100の入水温度を低く維持できる。
<他の実施形態2>
上記の実施形態では、貯湯ユニットコントローラ600が、貯湯タンク201の蓄熱量が少なくなると、間接給湯運転を実施する場合について説明したが、貯湯タンク201の蓄熱量に拘わらず、ユーザがリモコン800で間接給湯運転を選択できるようにしてもよい。例えば、昼間に給湯を多量に使用する場合、貯湯タンク201が湯切れを起こしてヒートポンプユニット100の再沸き上げが発生する場合がある。この場合、電気料金が高いとランニングコストが高くなる。このとき、リモコン800を使用して間接給湯運転を選択すると、貯湯タンク201の蓄熱量がタンク直接給湯閾値よりも大きくても、間接給湯運転を実施する。これによって、給湯に補助熱源ユニット300を利用するので、貯湯タンク201の蓄熱利用比率を下げることができるため、湯切れによって高い電気料金で沸き上げすることを抑制できる。このとき、間接給湯運転の選択から一定時刻が経過した後に、再び直接給湯運転に戻るようにすることで、ユーザが直接給湯運転に戻し忘れても影響がでないようにすることができる。
また、予め電気料金が高い時間帯をリモコン800で設定しておき、設定された時間帯で間接給湯運転を実施するようにしてもよい。
また、リモコン800で間接給湯運転を選択した場合に、給水予熱の熱交換量を小さくするようにしてもよい。このとき、上述したように貯湯タンク201の蓄熱量が規定値よりも減少した場合の間接給湯運転に比べて、ΔTwLの目標値を大きくすると、一次側流量が小さくなり、給水予熱の熱交換量を小さくできる。これによって、貯湯タンク201の蓄熱利用比率をより下げることができる。あるいは、リモコン800で間接給湯運転を停止できるようにして、循環ポンプ203を回転させないようにすると、水−水熱交換器202で給水予熱されないため、補助熱源ユニット300の利用比率を100%にすることができる。
また、上記の実施形態において、貯湯ユニットコントローラ600によって実行されるプログラムは、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD(Digital Versatile Disc)、MO(Magneto-Optical Disk)、USBメモリ、メモリカード等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布することも可能である。そして、かかるプログラムを特定の又は汎用のコンピュータにインストールすることによって、当該コンピュータを上記の実施形態における貯湯ユニットコントローラ600として機能させることも可能である。
また、上記のプログラムをインターネットといった通信ネットワーク上のサーバ装置が有するディスク装置に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロードするようにしてもよい。また、通信ネットワークを介してプログラムを転送しながら起動実行することによっても、上述の処理を達成することができる。さらに、プログラムの全部又は一部をサーバ装置上で実行させ、その処理に関する情報をコンピュータが通信ネットワークを介して送受信しながらプログラムを実行することによっても、上述の処理を達成することができる。
なお、上述の機能を、OS(Operating System)が分担して実現する場合又はOSとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、OS以外の部分のみを上記の記録媒体に格納して配布してもよく、また、コンピュータにダウンロードしてもよい。
本発明は、広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能である。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。
本発明は、家庭内や施設で使用される貯湯式給湯機に好適に採用され得る。
1 貯湯式給湯機、100 ヒートポンプユニット、101 圧縮機、102 冷媒−水熱交換器、103 膨張弁、104 蒸発器、121 ヒートポンプ入水配管、122 ヒートポンプ出湯配管、200,900 貯湯ユニット、201 貯湯タンク、202 水−水熱交換器、203 循環ポンプ、204 吸入切換弁、205 吐出切換弁、206 タンク減圧弁、207 タンク混合弁、208 給湯減圧弁、209 給湯切換弁、901 戻し位置切換弁、211 貯湯温度センサ、212 タンク戻り温度センサ、213 予熱流量センサ、214 予熱温度センサ、215 給水温度センサ、216 タンク出湯温度センサ、217 給湯温度センサ、218 給湯流量センサ、221 補助熱源入水配管、222 補助熱源出湯配管、223 予熱取り出し流路、224 ポンプ吸入配管、225 ポンプ吐出配管、226 予熱戻し流路、231 給水端、232 給湯端、300 補助熱源ユニット、301 給湯熱交換器、302 追い焚き熱交換器、303a,303b バーナ、304 水量調節弁、305 バイパス弁、306 湯張り弁、307 追い焚きポンプ、311 補助熱源流量センサ、312補助熱源出湯温度センサ、321 浴槽戻り配管、322 浴槽往き配管、400 浴槽、500 ヒートポンプコントローラ、600 貯湯ユニットコントローラ、601 測定部、602 演算部、603 制御部、604 記憶部、700 補助熱源コントローラ、800 リモコン、901 戻し位置切換弁
上記目的を達成するため、本発明に係る貯湯式給湯機は、
水を加熱して第1の湯を生成する第1加熱手段と、
前記第1加熱手段により生成された前記第1の湯を貯湯する貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯と市水との熱交換により当該市水を予熱する熱交換器と、
前記熱交換器により予熱された前記市水を加熱して第2の湯を生成する第2加熱手段と、
前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯、又は、前記第2加熱手段により生成された前記第2の湯を給湯する制御手段と、を備え、
前記市水の供給元となる給水端と前記第1の湯及び前記第2の湯の供給先となる給湯端とに対して、前記貯湯タンクと前記第2加熱手段とが並列に接続されており、
前記給水端と前記貯湯タンクの入水流路との間に、減圧弁が設けられており、
前記第2加熱手段の入水流路は、前記給水端と前記減圧弁との間から分岐されている。

Claims (18)

  1. 水を加熱して第1の湯を生成する第1加熱手段と、
    前記第1加熱手段により生成された前記第1の湯を貯湯する貯湯タンクと、
    前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯と市水との熱交換により当該市水を予熱する熱交換器と、
    前記熱交換器により予熱された前記市水を加熱して第2の湯を生成する第2加熱手段と、
    前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯、又は、前記第2加熱手段により生成された前記第2の湯を給湯する制御手段と、
    を備える貯湯式給湯機。
  2. 前記制御手段は、前記貯湯タンクに貯湯されている前記第1の湯の蓄熱量が1回の給湯時に定められた規定値以上であれば、前記第1の湯を前記貯湯タンクから取水して給湯し、前記蓄熱量が前記規定値未満であれば、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  3. 前記制御手段は、浴槽に湯を給湯する際に、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  4. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、前記一次側流路の出口温度と前記二次側流路の入力温度との温度差が、予め定められた値を維持するように、前記一次側流路に流す前記第1の湯を循環させるポンプの回転数を制御する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  5. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、前記一次側流路の流量と前記二次側流路の流量との比率が、予め定められた値を維持するように、前記一次側流路に流す前記第1の湯を循環させるポンプの回転数を制御する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  6. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、前記二次側流路の出口温度が、予め定められた値を維持するように、前記一次側流路に流す前記第1の湯を循環させるポンプの回転数を制御する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  7. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、前記二次側流路の出口温度が、前記第2加熱手段に定められた上限値を維持するように、前記一次側流路に流す前記第1の湯を循環させるポンプの回転数を制御する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  8. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、前記二次側流路の流量が予め定められた値以上となると、前記一次側流路に流す前記第1の湯を循環させるためのポンプを稼働させる、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  9. 前記熱交換器により熱交換された前記第1の湯は、前記貯湯タンクの下部に戻され、
    前記制御手段は、前記貯湯タンクに貯湯されている前記第1の湯の蓄熱量が第1の下限値を下回ると、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯し、前記第1の湯の蓄熱量が当該第1の下限値よりも少ない第2の下限値を下回ると、前記貯湯タンクの下部から取水した水を前記第1加熱手段に供給して再加熱させる、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  10. 前記市水の供給元となる給水端と前記第1の湯及び前記第2の湯の供給先となる給湯端とに対して、前記貯湯タンクと前記第2加熱手段とが並列に接続されており、
    前記給水端と前記貯湯タンクの入水流路との間に、減圧弁が設けられており、
    前記第2加熱手段の入水流路は、前記給水端と前記減圧弁との間から分岐されている、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  11. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクの上部から取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    ポンプの吸入流路には、前記一次側流路と、前記貯湯タンクの下部から取水した水が流れる流路とを切り換える吸入切換弁が設けられており、
    前記ポンプの吐出流路には、前記第1加熱手段の入水流路と、前記貯湯タンクの下部に水を流入させる流路とを切り換える吐出切換弁が設けられている、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  12. 前記制御手段は、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯する間接給湯運転と、前記貯湯タンクの下部から取水した水を前記第1加熱手段に供給して前記第1の湯を生成させる沸き上げ運転とを同時に行う場合に、前記吐出切換弁を制御して、前記第1加熱手段に流入させる水と、前記貯湯タンクの下部に流入させる水との流量比を調整する、
    請求項11に記載の貯湯式給湯機。
  13. 前記制御手段は、リモコンを介してユーザから間接給湯運転が指示されると、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  14. 前記リモコンは、前記間接給湯運転から予め定められた時間が経過すると、前記貯湯タンクから取水した前記第1の湯を給湯する直接給湯運転への復帰を前記制御手段に指示する、
    請求項13に記載の貯湯式給湯機。
  15. 前記リモコンは、前記間接給湯運転を実施する時間帯をユーザが設定可能である、
    請求項13に記載の貯湯式給湯機。
  16. 前記制御手段は、前記熱交換器における前記第1の湯と前記市水との熱交換量を小さくする、
    請求項13に記載の貯湯式給湯機。
  17. 前記熱交換器には、前記貯湯タンクの上部から取水した前記第1の湯が流れる一次側流路と、前記市水が流れる二次側流路とが設けられており、
    前記制御手段は、リモコンを介してユーザから間接給湯運転の停止が指示されると、前記一次側流路への前記第1の湯の流入を停止させた状態で、前記第2の湯を前記第2加熱手段に生成させて給湯する、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
  18. 前記熱交換器により熱交換された前記第1の湯は、前記貯湯タンクの下部よりも上方に設けられた戻し口に戻される、
    請求項1に記載の貯湯式給湯機。
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