(57)【要約】  温水エネルギー貯蔵システム（１００）は、貯蔵槽（１０２）と、ポンプ（１５１）と、貯蔵槽（１０２）から水を受け取り、貯蔵槽（１０２）へ水を出力するように構成される熱交換器（１５２）と、熱交換器（１５２）から出力された水のある割合が貯蔵槽（１０２）を迂回し、熱交換器（１５２）の入口に戻るように、水のある割合を流れから分流する分流弁（１５８）と、システム（１００）内の水の温度を測定する温度センサ（１２０ａ〜１２０ｃ）と、制御システム（１３０）とを備える。制御システム（１３０）は、水の温度測定値と前記熱交換器（１５２）によって伝達される所望の熱量とに基づいて、ポンプ（１５１）及び分流弁（１５８）を制御することにより、所望の熱量を伝達しながら、貯蔵槽（１０２）に入る水の戻り温度を特定の範囲内に維持する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水エネルギー貯蔵システムであって、
貯蔵槽と、
使用時に前記貯蔵槽へ及び前記貯蔵槽から水を送出するように構成されるポンプと、
入口及び出口を有する熱交換器であって、使用時に、前記貯蔵槽からの水を前記入口で受け、前記出口を介して前記貯蔵槽に水を出力するように構成される熱交換器と、
使用時に、前記熱交換器から出力された水のある割合を、前記貯蔵槽を迂回して前記熱交換器の入口に戻るよう流れから分流するように構成される分流弁と、
使用時に前記システム内の水の温度を測定するように構成される１つ以上の温度センサと、
制御システムと、
を備え、
前記制御システムが、前記システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、前記熱交換器によって前記水へ又は前記水から伝達される所望の熱量とに基づいて、
（ｉ）水の流量を調整するように前記ポンプを制御し、かつ、
（ｉｉ）流れから分流される前記水の割合を調整するように前記分流弁を制御する
ように構成され、それにより前記所望の熱量を伝達する一方で、前記貯蔵槽に供給される水の戻り温度を特定の範囲内に維持する、温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記システムが加熱に使用されるように構成されており、前記特定の範囲とは、前記戻り温度が確実に、前記システムが空間、室内、環境、水、又は他の加熱対象をその温度まで加熱するように構成される最高温度と同じ又はそれより高くなるような、最も低い温度を意味する、請求項１に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記システムは、冷却に使用されるように構成されており、前記特定の範囲とは、前記戻り温度が確実に、前記システムが空間、室内、環境、水、又は他の冷却対象をその温度まで冷却するように構成される最低温度と同じ又はそれより低くなるような、最も高い温度を意味する、請求項１に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記システムが加熱に使用されるように構成されており、水が給水管を介して前記貯蔵槽に戻され、前記給水管が前記貯蔵槽の底部又はその近傍に位置する、請求項１又は２に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記システムが冷却に使用されるように構成されており、水が給水管を介して前記貯蔵槽に戻され、前記給水管が前記貯蔵槽の上部又はその近傍に位置する、請求項１又は３に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記システムが、加熱システム又は冷却システムとして作動できるように可逆式である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
水をポンプで送り出す方向を逆にすると、前記システムが逆になることを可能にする、請求項６に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記分流弁は、分流された水が、前記ポンプに入る前に、前記貯蔵槽から新たに取得された水と組み合わされるように構成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
使用時に、前記ポンプの出口からの水のある割合を、熱交換器を通過したり前記貯蔵槽に再び入ることなく、前記ポンプの入口に戻すよう方向づけるように構成される第２分流弁を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の温水エネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
貯蔵層と、入口及び出口を有する熱交換器と、ポンプと、使用時に温水エネルギー貯蔵システム内の水の温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサと、使用時に前記熱交換器から出力された水のある割合が前記貯蔵槽を迂回して前記熱交換器の入口に戻るように前記水のある割合を流れから分流するように構成される分流弁と、を備える温水エネルギー貯蔵システム用の制御システムであって、
前記制御システムは、
前記システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、前記熱交換器によって前記水へ又は前記水から伝達される所望の熱量とに基づいて、
（ｉ）水の流量を調整するように前記ポンプを制御し、かつ、
（ｉｉ）分流される前記水の割合を調整するように前記分流弁を制御する
ように構成され、それにより、前記所望の熱量を伝達する一方で、前記貯蔵槽に供給される水の戻り温度を特定の範囲内に維持する、制御システム。
【請求項１１】
前記制御システムは、前記ポンプの出口からの水のある割合が前記ポンプの入り口にまっすぐ戻るよう方向づけられるように、第２分流弁を制御するように構成される、請求項１０に記載の制御システム。
【請求項１２】
貯蔵層と、入口及び出口を有する熱交換器と、ポンプと、使用時に温水エネルギー貯蔵システム内の水の温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサと、分流弁と、を有する温水エネルギー貯蔵システムの制御方法であって、
前記制御方法は、
前記貯蔵層から前記熱交換器の入口へ水を送出することと、
前記分流弁を用いて、前記熱交換器の出口からの水のある割合が前記貯蔵槽を迂回して前記熱交換器の入口に戻るように前記水のある割合を流れから分流することと、
前記熱交換器の出口から分流されない水を前記貯蔵層に戻すことと、
を含み、
前記制御方法は更に、前記システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、前記熱交換器によって前記水へ又は前記水から伝達される所望の熱量とに基づいて、
（ｉ）前記熱交換器に入る水の流量を調整するように前記ポンプを制御することと、
（ｉｉ）前記熱交換器の入口に戻るように分流される前記水のある割合を調整するように前記分流弁を制御することと、
を含み、それにより、前記所望の熱量を伝達する一方で、前記貯蔵槽の前記給水管に供給される水の戻り温度を特定の範囲内に維持する、温水エネルギー貯蔵システムの制御方法。
【請求項１３】
プロセッサによって読み込まれると前記プロセッサが請求項１２に記載の方法を実施する命令を含む、コンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、水貯蔵槽を有する温水エネルギー貯蔵システムに関する。より詳細には、本発明は、ヒートポンプシステムの一部である水貯蔵槽を有する温水エネルギー貯蔵システムに関する。
【０００２】
温水貯蔵槽は、該貯蔵槽に水を供給するように構成される給水管と、該貯蔵槽から水が流出する際に水が通る第２管と、を有する。温水エネルギー貯蔵システムは、貯蔵槽へ及び貯蔵槽から水を送出するように構成されるポンプと、該水の少なくとも一部が通過する熱交換器と、を有する。熱交換器は、システムの目的又は用途に応じて水を加熱又は冷却することができる。
【０００３】
本発明は、家庭用水、都市活動用水、若しくは工業用水の加熱若しくは冷却、及び／又は、空間の加熱若しくは冷却、に用いられてもよい。本発明は、また、要求に応じて加熱又は冷却のいずれかを実施し得る可逆的なシステムに適用されてもよい。
【０００４】
よって、本発明の温水エネルギー貯蔵システムは、電気的及び／又は機械的手段を介して、ある供給源から熱を得てそれを別の場所に移動させるために使用され得る。本発明の温水エネルギー貯蔵システムは、加熱又は冷却のいずれかに使用されてもよく、可逆的であってもよい。
【０００５】
エネルギー価格及びエネルギー利用に関する懸念が広く高まっている中、加熱及び／又は冷却の要求を満たしつつ、エネルギーと費用の両方を節約できるように、あらゆる熱伝達システムの効率改善が求められている。
【０００６】
家庭用の加熱状況においては、第１温度の温水貯蔵槽からの温水が、ラジエータ、床下コイル、換気ユニット等に送り込まれて、熱を供給する。戻り水は、より低い第２温度で貯蔵槽に再循環して戻される。この温度差は、冷却システムにおいては逆になる。この家庭用の加熱状況において、ユーザは、例えばサーモスタットを使用して、加熱対象である室内や他の環境の設定温度又は所望温度を選択する。加熱される環境の空気温度が測定され、加熱システムは、設定温度に到達するまで熱を供給し、その後、空気温度を設定温度付近に保つように構成される。
【０００７】
世間一般の通念では、温水貯蔵槽の水は可能な限り温かく保たれるべきであるとされている。
対照的に、本発明の発明者は、ヒートポンプの効率を最適化し、かつ、貯蔵槽のエネルギー貯蔵を最大化するには、貯蔵槽の上部の温度と底部の温度との差をできるだけ大きくするべきであると考えた。貯蔵槽の下部の水は、適度に可能な限り低温（所与のシステム要件及び制限において）に維持されるべきである。
【０００８】
更に、たいていの従来のシステムでは、一定の凝縮温度が水を加熱する間ずっと使用される。例えば、水を６０℃まで加熱する場合、６５℃の凝縮温度が加熱工程の間ずっと使用され得る。しかしながら、国際公開第ＷＯ２０１５／１５５５４３号として公開されたＰＣＴ出願に記載されるように、本願発明者は、加熱工程の間に凝縮温度を変えることでより高い効率が実現されると考えた。より詳細には、凝縮温度を可能な限り低く保ち、かつ、加熱される水の温度が上がるにつれて凝縮温度を上げることで、より高い効率が実現されると考えた。国際公開第ＷＯ２０１５／１５５５４３号において、凝縮温度は、加熱される水の温度より高く、決められた間隔（システムの熱損失などを考慮した間隔）で維持されるように制御される。このように、凝縮温度は、水の温度と共に少なくとも略直線的に上がる。
【０００９】
本願発明者は、自身の先の出願である国際公開第ＷＯ２０１５／１５５５４３号に開示された方法を使用して、使用する平均凝縮温度を下げることができるため、より多量の温水を加熱するよりも、より少量の冷水を加熱する方がより効率的である、と考えた。平均凝縮温度を数度だけ下げることにより、カルノーの原理によって著しい省エネを実現できる。更に、本願発明者は、貯蔵槽の下部の水を適度に可能な限り低い温度（所与のシステム要件及び制限において）で維持することにより、つまり、貯蔵槽の下部の水を加熱するために要求される凝縮温度を下げることにより、この種の効率の節約が可能であろうと考えた。
【００１０】
よって、本願発明者の先の出願の方法を使用すると、温度差を最大限にすることで効率を高めるという利点がもたらされ得る。
しかしながら、加熱要求を満たす一方で、貯蔵槽の下部の温度を可能な限り低く保つことは、容易ではない。従来の制御では、加熱システム内の戻り水の温度は、最適値よりもかなり高い（加熱目的では、水戻し管は一般的に貯蔵槽の底部近くにある）。これに対応して、従来の制御では、冷却システム内の戻り水の温度は、最適値よりもかなり低い（冷却目的では、水戻し管は一般的に貯蔵槽の上部近くにある）。
【００１１】
これは、熱交換器を通る水の流れを制御する従来の方法では、熱損失を相殺しかつ設定温度を維持できるように空気温度を十分に上げる／下げるのに、十分に熱い／冷たい水が熱交換器に入ることのみを許容する分流弁を使用しているからである。熱交換器を通った水は、貯蔵槽に再び入る前に分流弁によって熱交換器周りで分流された水と再び組み合わされる。この分流弁の動作は、貯蔵槽への戻り水の温度が、通常は、貯蔵槽を出る水の温度より約５℃しか低くないことを意味し、つまり、家庭用の加熱状況においては４０℃と４５℃との間であることが多い。これは、循環水の多くの割合が熱交換器を迂回し、よって、貯蔵槽に戻る前に熱をあまり失わないため、戻り水がその温度のレベルで貯蔵槽に着実に戻ることを意味する。
【００１２】
要するに、夜間に再加熱が開始されると、エネルギー貯蔵槽の下部の平均温度は、最大システム効率を得られる所望レベルが約２８℃であるのに、一般的には約４２℃である。このことにより、システムの成績係数（ＣＯＰ）が３０％以上低下し、よって効率が下がる。
【００１３】
本発明の第１の態様によれば、貯蔵槽と、使用時に貯蔵槽へ及び貯蔵槽から水を送出するように構成されるポンプと、入口及び出口を有する熱交換器であって、使用時に、前記貯蔵槽からの水を入口で受け取り、出口を介して貯蔵槽に水を出力するように構成される熱交換器と、使用時に、熱交換器から出力された水のある割合が貯蔵槽を迂回して熱交換器の入口に戻るように水のある割合を流れから分流するように構成される分流弁と、使用時にシステム内の水の温度を測定するように構成される１つ以上の温度センサと、制御システムと、を有する温水エネルギー貯蔵システムが提供され、該制御システムは、システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、熱交換器によって水へ又は水から伝達される所望の熱量とに基づいて、（ｉ）水の流量を調整するようにポンプを制御し、かつ、（ｉｉ）分流される水の割合を調整するように分流弁を制御するように構成され、それにより、所望の熱量を伝達する一方で、貯蔵槽に供給される水の戻り温度を特定の範囲内に維持する。
【００１４】
特定の範囲とは、許容誤差を有する特定の値であってもよい。
本明細書において使用される場合、用語「分流」とは、概して、本来なら通ったであろう経路から離れるように水を方向づけることを意味して使用される。本分野において、ヒートポンプシステムの水の「分流」は、熱交換器から離れるように水を方向づけることのみを説明するために使用されることが多く、熱交換器へ水を方向づけることを再循環と記述する。本明細書においては、「分流」と「再循環」の両方を包含するより広い定義が用いられる。
【００１５】
貯蔵槽は、バッファ槽として考えてもよい。好適には、加熱工程のより効率的な稼働を許容することにより、かつ／あるいは、低コスト（例えば、オフピーク／夜間料金）でエネルギーが利用可能な時に加熱を実施できるようにし、そのエネルギーを必要になるまで蓄えておくことにより、エネルギー効率を改善してもよい。
【００１６】
好適には、熱交換器は空間の加熱を実現するように構成されてもよい。
本発明のシステムが加熱に使用される場合、水は、第１温度で貯蔵槽から排出され、第１温度より低い第２温度で貯蔵槽に戻される。この場合、「特定の範囲」とは、システム制御プロセス及び／又はシステム環境における変動を考慮に入れた上で、第２温度が確実に、システムが空間、室内、環境、水、又は他の加熱対象をある温度まで加熱するように構成されるその温度以上となるような、最も低い温度近傍を意味する。
【００１７】
本発明のシステムが冷却に使用される場合、水が第１温度で貯蔵槽から排出され、第１温度より高い第２温度で貯蔵槽に戻されるように、構成が逆転する。この場合、「特定の範囲」とは、システム制御プロセス及び／又はシステム環境における変動を考慮に入れた上で、第２温度が確実に、システムが空間、室内、環境、水、又は他の冷却対象をある温度まで冷却するように構成されるその温度以下となるような、最も高い温度近傍を意味する。
【００１８】
当業者であれば、（システム内の水への又は水からの）熱伝達方向は、システムが加熱又は冷却のいずれに使用されるかに依存すること、また、「所望の熱量」が、数ある要因の中でも、システムが空間、室内、環境、水、又は他の加熱又は冷却対象をある温度まで加熱又は冷却するように構成されるその温度と、それら加熱・冷却対象の大きさと熱容量とに依存すること、が理解されよう。
【００１９】
すなわち、これは、適宜、所望の温度を維持し、該温度に到達し、若しくは近づくことを可能にする一方で、貯蔵槽に供給される水の戻り温度を特定の範囲内に維持するように、少なくとも１つの温度測定値と、システムによって加熱／冷却される環境、室内、又は他の加熱／冷却対象が到達すべき所望温度とに基づいて、ポンプ及び分流弁を制御することであるともいえる。
【００２０】
ポンプ及び分流弁の両方を制御することにより、変動し得る加熱負荷や冷却負荷を満たしながらも戻り温度を特定の範囲内に維持することが可能になる。例えば加熱負荷が非常に小さい場合、従来技術で行われるように、設定した流量の水を取得し、その大半を熱交換器の周囲に逸らす代わりに、ほんの少量の水の流れが貯蔵槽から取得されてもよい。
【００２１】
戻り温度を制御できることにより、貯蔵槽内の成層破壊を減少させることが可能になる。貯蔵槽の底部又はその近傍に配置され、貯蔵槽に水が戻される給水管を有する加熱システムの例として、特定の範囲は、２８℃程度（より一般的には、貯蔵槽の底部における水に所望される温度程度）であろう。公知のシステムと比べて成層破壊が低減されること、つまり、貯蔵槽の上部と底部の水の温度の差をより大きく保つことにより、システムのＣＯＰを高めることができる。
【００２２】
有利なことに、本システムは、水の成層破壊を低減し得る。これにより、貯蔵槽内の水が所与の平均温度である場合に、貯蔵槽の上部の温度がより高くなり得る。これは、所望される高い温度で水が利用できることを確実にするのに役立ち得る。更に、これは、より低い温度が貯蔵槽の底部で維持されることを意味し得るため、変動する凝縮温度が加熱プロセスで使用される際の効率が改善される。
【００２３】
有利なことに、本システムでは、従来のシステムと比較して、所与のエネルギー要求について必要とされる貯蔵槽の体積が低減され得る。
好適には、本システムが加熱に使用される実施形態において、給水管は、貯蔵槽の底部又はその近傍に配置される。このように、より冷たい水が槽のより下の方に戻されるため、槽内の水の自然な温度成層と揃い、成層破壊が低減される。
【００２４】
好適には、本システムが冷却に使用される実施形態において、給水管は、貯蔵槽の上部又はその近傍に配置される。このように、より温かい水が槽のより上の方に戻されるため、槽内の水の自然な温度成層と揃い、成層破壊が低減される。
【００２５】
システムが可逆的である実施形態においては、上部又はその近傍に１つの管と、下部又はその近傍に１つの管とを有する貯蔵槽について、どちらの管が供給管であるかをシステムの用途に基づいて選択できるように、ポンプ方向は可逆的である。代替的に又は付加的に、ポンプを２つ設けてもよい−一方のポンプはシステムを中心に時計方向に流体を送出するように構成され、他方のポンプはシステムを中心に反時計方向に流体を送出するように構成される。加熱時には、一方のポンプが作動し、他方のポンプは、水が自由に通って流れることができるように開状態となるようにしてもよい。冷却時には、この構成を逆にすることができ、先に開状態であったポンプが作動し、先に作動したポンプが開状態とされる。
【００２６】
好適には、分流弁は、分流された水が、ポンプに入る前に、貯蔵槽から新たに取得された水と組み合わせられるように構成されてもよい。このように、加熱要求を満たすためには貯蔵槽から新たに取得される水の量がほんのわずかしか必要でない場合であっても、ポンプはかなりのスループットを保つ。このことは、多くのポンプが最低流量設定を有しており、ポンプをオンオフするとエネルギーを浪費し得るため、有利である。
【００２７】
幾つかの実施形態では、ポンプの最小スループットがゼロではない場合に、第２分流弁が有効である。このようなシステムは、最小ポンプスループットが最小スループット、又はそれ以下、又はその近傍である場合に、使用時に、ポンプの出口からの水のある割合を、熱交換器を通過せず、あるいは貯蔵槽に再び入ることなく、ポンプの入口にまっすぐ戻るように方向づけるように構成される第２分流弁を有していてもよい。
【００２８】
有利なことに、これにより、システム効率を下げる可能性が高いポンプのオンオフ切り替えが不要になる。
第２分流弁を有する場合、制御システムは、使用時に、熱交換器に入る水の温度と、ポンプの水の流量と、伝達される所望熱量とのうち、少なくとも１つに基づいて第２分流弁を制御するように構成され得る。
【００２９】
有利なことに、これにより、従来のシステムと比較して、貯蔵槽内の成層破壊を最小化又は低減する一方で、ポンプのオンオフを切り替えることなく設定温度に到達する又は設定温度に維持することが容易になり得る。
【００３０】
本発明の第２の態様によれば、貯蔵層と、入口及び出口を有する熱交換器と、ポンプと、使用時に温水エネルギー貯蔵システム内の水の温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサと、使用時に熱交換器から出力された水のある割合が熱交換器の入口に戻るように水のある割合を流れから分流するように構成される分流弁と、を有する温水エネルギー貯蔵システム用の制御システムが提供され、該制御システムは、システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、熱交換器によって水へ又は水から伝達される所望の熱量とに基づいて、（ｉ）水の流量を調整するようにポンプを制御し、かつ、（ｉｉ）分流される水の割合を調整すべく分流弁を制御するように構成され、それにより所望の熱量を伝達する一方で、貯蔵槽に供給された水の戻り温度を特定の範囲内に維持する。
【００３１】
制御システムは、温度センサ、ポンプ、及び分流弁と、有線及び／又は無線で通信可能であってもよい。また、１つ以上の流量センサがシステム内に組み込まれてもよい。
本発明の第３の態様によれば、貯蔵槽と、入口及び出口を有する熱交換器と、ポンプと、使用時に温水エネルギー貯蔵システム内の水の温度を測定するように構成される少なくとも１つの温度センサと、分流弁と、を有する温水エネルギー貯蔵システムの制御方法が提供され、該制御方法は、貯蔵槽から熱交換器の入口へ水を送出することと、分流弁を用いて、熱交換器の出口からの水のある割合が熱交換器の入口に戻るように水のある割合を流れから分流することと、熱交換器の出口から分流されない水を貯蔵槽に戻すことと、を含み、該制御方法は更に、システム内の水の少なくとも１つの温度測定値と、熱交換器によって水へ又は水から伝達される所望の熱量とに基づいて、（ｉ）熱交換器に入る水の流量を調整するようにポンプを制御すること、及び、（ｉｉ）熱交換器の入口に戻るように分流される水の割合を調整するように分流弁を制御すること、を含み、これにより、所望の熱量を伝達する一方で、貯蔵槽の給水管に供給された水の戻り温度を特定の範囲内に維持する。
【００３２】
本発明の第４の態様によれば、プロセッサによって読み込まれるとプロセッサに本発明の第３の態様の方法を実施させる命令を含むコンピュータ可読媒体が提供される。
本発明の上記態様の１つに関連して説明される特徴は、必要な変更を加えて、本発明の別の態様にも適用され得る。更に、説明されている特徴は、任意の組み合わせにて、特定の態様又は各態様に適用され得る。
【００３３】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態の詳細な説明を例示的に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態の加熱又は冷却システムの概略図を示す。
【図２】本発明の実施形態での使用に適した４つの代替的な有孔管設計を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１に関して説明される実施例においては、分流弁は、水が貯蔵槽を迂回して熱交換器を再循環することを可能にするように構成される。
図１は、温水エネルギー貯蔵システム１００を示す。システム１００は貯蔵槽１０２を有し、貯蔵槽１０２はバッファとして記載される場合もある。
【００３６】
加熱に使用される場合には、貯蔵槽１０２は、温水を直接導入する形態、投入電熱器等の温水器、又は熱交換器によって、エネルギーが供給される。当業者であれば、貯蔵槽１０２の水が、非一定の凝縮温度、特に、本願発明者の先の出願である国際公開第ＷＯ２０１５／１５５５４３号に記載されるように、可能な限り低い凝縮温度が加熱工程を通して使用されるように水温と共に上昇する凝縮温度、を用いて加熱されるという、特定の有用性が本発明には含まれ得ることを理解するであろう。
【００３７】
冷却に使用される場合には、貯蔵槽１０２は、冷水を直接導入する形態でエネルギーを除去する手段又は熱交換器を備える。当業者であれば、貯蔵槽１０２の水が、非一定の蒸発温度、特に本願発明者の先の出願である国際公開第ＷＯ２０１５／１５５５４３号に記載されるように、可能な限り高い蒸発温度が冷却工程を通して使用されるように、水温と共に降下する蒸発温度、を用いて冷却されるという、特定の有用性が本発明には含まれ得ることを理解するであろう。
【００３８】
よって、貯蔵槽１０２内の水を加熱（又は冷却）する効率が、本発明を具現化する加熱（又は冷却）システムにおいて著しく向上する。
貯蔵槽１０２は、給水管１０４及び出口管１１０を有しており、水は、給水管１０４を介して貯蔵槽に入り、出口管１１０を介して貯蔵槽から出る。
【００３９】
図示される実施形態においては、システム１００は、熱を供給するように構成される。つまり、給水管１０４が貯蔵槽１０２の底部近くに位置する管であり、出口管１１０が貯蔵槽１０２の上部近くに位置する管であり、より温かい水が排出される。
【００４０】
給水管１０４は、貯蔵槽１０２の下部領域に配置され、貯蔵槽１０２内に比較的冷たい水（多くの場合、約２８度）を流入させるように意図される。出口管１１０は、貯蔵槽の上部領域に配置され、貯蔵槽１０２から比較的温かい水（多くの場合、約５０〜６０℃）を流出させるように意図される。より冷たい水を底部で導入することは、成層破壊の低減に役立つ。より温かい水は、貯蔵槽１０２の上部に自然と集まるため、出口管１１０は、温水を上部から取り出すように構成される。
【００４１】
システム１００が冷却用に構成されるならば、又はそのように構成される場合、入口１０４と出口１１０それぞれの位置が逆となり、より冷たい水が排出され、より温かい水が戻される。便宜上、本システム１００は、熱を供給するものとして以下に説明される。当業者であれば、本システム１００が冷却に使用される場合も、流体と熱の流れの方向（図１に矢印にて表示）が単に逆になるだけで、同じ原理が当てはまることが理解されよう。
【００４２】
同様に、図１のシステムは、空間又は室内の加熱に関して説明されている。しかしながら、当業者であれば、同じシステムを用いて他の加熱形態も実現できることが理解されよう。例えば、加熱（若しくは冷却）水や冷媒流体である。更に、例えば、冷媒、防食剤、及び／又は抗菌剤など、代替の又は追加の液体も、水の代わりに、又は水と混合して、システム１００内で使用されてもよい。
【００４３】
図示される実施形態において、熱交換器１５２は、空気処理ユニットヒータであり、室内を加熱するように構成される。代替的又は付加的な実施形態において、熱交換器１５２は、異なる種類のものであってもよく、かつ／あるいは、異なる対象を加熱するように構成されてもよい。例えば、熱交換器１５２は、別の空気処理ユニット、ラジエータ加熱システム、又は他の空間加熱システムの一部であってもよい。
【００４４】
システム１００は、ポンプ１５１と、熱交換器１５２と、制御システムとを有する。
ポンプ１５１は、出口管１１０を介して貯蔵槽１０２から水を取得し、熱交換器１５２の入口へとその水を送り込む。図示される実施形態においては、ポンプ１５１は、貯蔵槽１０２からの出口管１１０と熱交換器１５２の入口との間に位置する。代替的な実施形態において、ポンプ１５１は熱交換回路のどこに配置されてもよく、かつ／あるいは、複数のポンプが設けられてもよい。ポンプ１５１は、様々な流量で水を送出することが可能であり、流量を調整するように制御され得る。ポンプ１５１は、図示される例では、可変速駆動装置（インバータ）を用いて制御される。
【００４５】
熱交換器１５２は、周辺空気を加熱するために貯蔵槽１０２からの温水を使用し、より冷たい水が貯蔵槽１０２に戻される。熱交換器１５２は、本実施例において、単に１つ以上のラジエータ（つまり、対流加熱器）であってもよい。代替の実施例では、熱交換器１５２は、貯蔵槽１０２からの温水を用いて、例えば水や冷媒等の第２の媒体を加熱してもよい。
【００４６】
本システムは、分流弁１５８を更に有する。分流弁１５８は、熱交換器１５２から出る水の一部を熱交換器の入口に戻すように構成される。このように、貯蔵槽１０２からの水の一部は、貯蔵槽に戻される前に１回以上熱交換器１５２を再循環する。
【００４７】
極端な場合、分流される水の割合は、総水量の０％程度に低くてもよく、あるいは１００％程度に高くてもよい。
システムの構成要素は管によって接続される。管は、貯蔵槽１０２の出口管１１０を熱交換器１５２の入口に接続し、熱交換器の出口を貯蔵槽の給水管１０４に接続する。付加的な管が、熱交換器の出口及び貯蔵槽の給水管１０４の間の管に設けられる分流弁１５８と、貯蔵槽１０２の出口管１１０及び熱交換器１５２の入口の間の管との間に設けられる。
【００４８】
分流弁１５８は電動式である。分流弁１５８は、熱交換器１５２を出る水のうち、どのくらいの割合が熱交換器の入口に戻るか、及び、どのくらいの割合が貯蔵槽１０２に直接戻るか、を制御する。熱交換器１５２の入口に戻るように方向づけられる水は、熱交換器１５２に再進入する前に、貯蔵槽１０２から新たに取得された水と組み合わされる。分流弁１５８の動力化により、これら水の割合は、制御システムにより自動調整可能である。
【００４９】
制御システムは、１つ以上の温度センサ１２０ａ〜１２０ｃ、電動分流弁１５８、及び可変速ポンプ１５１と、１つ以上のプロセッサとの間に接続部１３０を有する。１つ以上のプロセッサは、加熱／冷却出力と戻り温度とを調節すべく、ポンプ１５１及び分流弁１５８を制御するように構成される。このため、プロセッサは、１つ以上のフィードバックループを制御し、温度データと、所望の加熱／冷却負荷と、戻り水の温度とに応じて、分流弁１５８及び／又はポンプ１５１の動作を変更する。
【００５０】
一部の実施形態では、１つ以上の流量センサも使用されてもよく、その読取値がプロセッサに入力される。
曲線１３０はデジタル制御器（図示せず）への接続部を表しており、管を表す直線とは区別されている。接続部は、有線であってもよく、又は、例えばＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などワイヤレスであってもよい。接続部及びデジタル制御器は、図示されるエネルギー貯蔵システムと共に使用する制御システムの一例である。
【００５１】
好適には、再循環水は、ポンプ１５１に入る前に、貯蔵槽１０２から新たに取得された水と組み合わされる。このように、加熱要求を満たすために、貯蔵槽１０２から新たに取得される水がごく少量しか必要とされないとしても、ポンプ１５１は、著しいスルーアップを維持する。このことは、多くのポンプが最低流量設定を有しており、ポンプのオンオフでエネルギーを浪費し得るため、有利である。極端な場合、熱交換器１５２を出る水の１００％が熱交換器に入口に戻され、貯蔵槽１０２に水が戻されなくてもよい。
【００５２】
本システム１００は、少なくとも１つの温度センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃを有する。温度センサ又は各温度センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃは、システム１００内の水温を指定された地点で測定するように配置される。図示される実施形態においては、３つの温度センサが設けられている。
【００５３】
第１温度センサ１２０ａは、貯蔵槽１０２からの出口と再循環水が貯蔵槽から新たに取得される水と組み合わされる地点との間に配置される。第１温度センサ１２０ａは、貯蔵槽１０２から排出された水の温度の測定値を提供する（管の途中で熱交換損失があり得る）。
【００５４】
第２温度センサ１２０ｂは、再循環水が貯蔵槽１０２から新たに取得される水と組み合わされる地点と熱交換器１５２との間に配置される。第２温度センサ１２０ｂは、熱交換器に入る水の温度の測定値を提供する（管の途中で熱交換損失があり得る）。
【００５５】
第３温度センサ１２０ｃは、熱交換器１５２からの出口と水を貯蔵槽１０２に戻す給水管１０４との間に配置される。第３温度センサ１２０ｃは、貯蔵槽１０２に戻る水の温度の測定値を提供する（管の途中で熱交換損失があり得る）。
【００５６】
他の実施例では、より多数の又はより少数の温度センサが設けられてもよく、かつ／あるいは、各温度センサの位置は変更されてもよい。
全ての場合において、管の寸法、材料、及び断熱性などの情報ならびに外気温の測定値が提供される場合、管の途中での熱交換損失を算出することができる。同様に、所与の熱交換器について、加熱される媒体又は空間の温度、熱交換器を通る流量、熱交換器への入口における水温、熱交換器から出力された水の温度を算出することができる。
【００５７】
よって、上述した実施形態により示されるように、システム１００のある地点で得られた温度測定値が、別の位置での温度を算出するために用いられてもよい。
当業者であれば、システム１００の十分に詳細な知識（構成要素の特性、流量、熱損失／熱利得を含む）及び外気温についての十分に詳細な知識があれば、システム１００の任意の地点における水温を別の地点における水温から算出することができることが理解されよう（現時点で入手できるデータと演算力で少しは解決できるとしても、対流効果と乱流効果によってこのような演算を妥当な時間枠内で処理できなくなるため、出口もしくは入口又はその付近ではない貯蔵槽１０２内の地点は除く）。よって、代替的に、単一の温度センサ１２０がシステム１００の周りの任意の地点に配置されてもよい。
【００５８】
制御システムは、温度測定値に応じて、ポンプ１５１を通る流量と熱交換器１５２を通って再循環される水の割合とを制御するように構成される。
温度センサ１２０ａ〜１２０ｃは、システム１００の中の水の温度を感知する。制御システムは、測定された温度に応じて、ポンプ１５１の流量及び／又は分流弁１５８によって分流される水の割合を調整する。
【００５９】
戻り水の温度が所望の／最適な温度をはるかに超えて逸脱する場合、
（ｉ）流量を減少させるためにポンプ１５１の速度が下げられる。減少した流量では、熱交換器内での水の滞留時間がより長くなるため、より多くの熱が熱交換器１５２を通る水の各単位から失われ（熱交換器の２つの側の温度が平衡する最小流量まで下げられるが、実際、たいていの家庭用又は商用加熱システムではこの事態は起きにくい）、かつ／あるいは、
（ｉｉ）より多くの熱が水から失われるように、分流弁１５８は、熱交換器１５２を通って再循環される水の量を増やすように調整される。
【００６０】
再循環される水の割合を変えずにポンプ速度が下げられる場合、より少ない量の温水が貯蔵槽１０２から取得される。
戻り水の温度が所望の／最適な温度よりはるかに低く逸脱する場合、
（ｉ）流量を増やすようにポンプ１５１の速度が上げられる。増加した流量では、熱交換器内での水の滞留時間がより短いため、より少ない熱が熱交換器１５２を通る水の各単位から失われ、かつ／あるいは、
（ｉｉ）より少ない熱が水から失われるように、分流弁１５８は、熱交換器１５２を通って再循環される水の量を減少させるように調整される。
【００６１】
再循環される水の割合を変えずにポンプ速度が速められる場合、より多量の温水が貯蔵槽１０２から取得される。
いずれの場合においても、選択肢（ｉ）と（ｉｉ）との間のバランスは、加熱対象について所望される／最適な温度への到達又は該温度の維持が可能になるように選択される。この２つの可変制御により、戻り温度と伝達される熱の量の両方が制御できる。対照的に、単一の分流弁を有する従来のシステムは、伝達される熱に同じ効果が認められたならば、戻り温度の制御のみに使用されたであろう。
【００６２】
システム内の温度を測定する温度センサ１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃに加えて、環境又は他の加熱対象の温度の測定も、分流弁１５８及び／又はポンプ１５１を制御するために使用される。環境内のセンサからの温度読取値がシステム１００に供給される。あるいは、環境又は他の加熱対象の温度を測定する別の温度センサがシステム１００の一部として設けられてもよい（図１に図示せず）。よって、当業者であれば、追加の温度センサ自体がシステム１００の一部であってもよく、又は、追加の温度センサが別個に設けられるがシステム１００と通信するものであってもよいことが理解されよう。
【００６３】
追加の温度センサ（図示せず）は、加熱する環境内の温度を感知し、例えば空間温度センサである。この測定された温度をユーザが要求した設定温度と比較することにより、更に加熱が必要であるか又は加熱を少なくするかが決定される（よって、本実施例では、システム１００内の水から加熱する環境内の空気に伝達される熱の所望量が算出され得る）。
【００６４】
この制御システムにより、分流弁１５８とポンプ１５１の速度とを適切に調整することが可能になる。分流弁１５８は、加熱負荷が大きいときには、熱交換器１５２を通る水のうちより少ない割合を再循環させる。なぜならば、この場合、貯蔵槽１０２からより温かい水をより多く新たに抽出することが有利であるからである。測定温度が設定値である又は設定値より高い場合には、全ての又は実質的に全ての水が熱交換器１５２を通って再循環されてもよく、また、貯蔵槽１０２から新たに取得される水の量は、たとえあるとしても、より少なくてよい。
【００６５】
加熱用に使用される本発明の実施形態は、所与のシステム制約及び環境温度において、戻り水の温度をできるだけ低く維持することを目的とし、貯蔵槽１０２内の水の成層破壊を回避し、かつ／あるいは、加熱用のヒートポンプの動作を向上させる。幾つかの場合では、凍結を回避し、かつ／あるいは、システムの構成要素に有害となり得る温度を回避するように、下限値を設定してもよい。
【００６６】
冷却用に使用される本発明の実施形態は、所与のシステム制約及び環境温度において、戻り水の温度をできるだけ高く維持することを目的とし、貯蔵槽１０２内の水の成層破壊を回避する。幾つかの場合では、管の中での水の沸騰を回避し、かつ／あるいは、漏れた場合に危険となり得る、及び／若しくは、システムの構成要素に有害となり得る温度を回避するように、上限値を設定してもよい。
【００６７】
戻り温度をできるだけ低く（加熱システム）又はできるだけ高く（冷却システム）維持することは、特定の範囲内に水温を維持することとも言い換えられる。この特定の範囲は、以下の非限定的な要因のうち１つ以上に依存して変化する：
（ｉ）システムの用途（例えば、加熱又は冷却）、
（ｉｉ）外気温／周辺環境の温度、
（ｉｉｉ）加熱／冷却対象において到達すべき所望の温度、
（ｉｖ）システム構成、
（ｖ）設定誤差、及び／又は
（ｖｉ）システムの断熱性。
【００６８】
この特定の範囲は、所望される設定温度及び測定された空間温度に基づいて、ユーザにより設定されてもよく、制御システムにより自動的に設定されてもよい。
図１に示す温度は、例示目的で示されているにすぎない。この実施例では、槽１０２の底部近くの水が約２８℃に保たれ、槽の上部近くの水が約５０℃に保たれている。温度センサ１２０ａは、槽１０２の上部から出る水の温度を測定する。よって、管からの熱損失を極微であると仮定して、５０℃又はその近傍の温度を測定する。温度センサ１２０ｂは、熱交換器１５２に入る水の温度を測定する。本実施例では、槽１０２からのより温かい水が、熱交換器１５２の出口からのより冷たい水のいくらかと混ざるため、センサ１２０ｂが測定した温度は、約４０℃である。第３温度センサ１２０ｃは、熱交換器を出る水の温度を測定する。本実施例においては、この温度は、貯蔵槽１０２の下部領域の水温を維持するように、約２８℃に制御される。
【００６９】
少なくともいくつかの実施形態において、給水管１０４及び／又は出口管１１０は、貯蔵槽１０２の内部に延在する管部を有する。槽内の管部は、複数の孔を有していてもよく、ゆえに、有孔管と記載される場合もある。
【００７０】
有孔部に複数の比較的小さな穴（孔）を有していることにより、貯蔵槽に入る水は、単一の噴射を形成する代わりに、分配される。給水管に対する穴の角度は、温水が貯蔵槽の上部に向かうように、かつ、冷水が貯蔵槽の底部に向かうように、水貯蔵槽１０２内の対流に沿っている。これらの特徴により、貯蔵槽内の水の成層破壊が低減されるため、貯蔵槽の下部の水温を上部の温度に対して低く保つことができる。
【００７１】
貯蔵槽１０２内の給水管１０４の端部は、開放されていてもよく、あるいは閉鎖されていてもよい。管の端部が閉鎖されている実施形態では、好ましくは、複数の穴の総面積が管の断面積よりも大きい。管の端部が開放されている実施形態では、穴は水が管から出る別の経路を提供し、複数の穴の総面積は、管の断面積よりも大きくてもよく、大きくなくてもよい。
【００７２】
好適には、いずれの場合も、戻り水が貯蔵槽１０２に入る速度が従来の給水管に比べて遅いため、貯蔵槽内での水の乱れがより少なくなり、成層破壊も更に少なくなる。
温水エネルギー貯蔵槽は、使用時には、貯蔵槽から水を流出させるように構成される出口管を更に有してもよい。この出口管は、貯蔵槽内に延在する有孔部を有し、この有孔部の複数の穴の面積は管の断面積の１／４よりも小さい。
【００７３】
好適には、有孔部により、水は、水全部が単一の管入口を通る代わりに、様々な位置で流出可能であるため、貯蔵槽内の対流への妨害が減る。
給水管１０４に関して、貯蔵槽内の出口管１１０の端部は、開放されていてもよく、あるいは閉鎖されていてもよい。管の端部が閉鎖されている実施形態では、好ましくは、複数の穴の総面積が管の断面積よりも大きい。管の端部が開放されている実施形態では、穴は水が管に入る別の経路を提供し、かつ、複数の穴の総面積は、管の断面積よりも大きくてもよく、大きくなくてもよい。
【００７４】
好適には、いずれの場合も、水が貯蔵槽から出口管に入る速度は、従来の出口管に比べて遅いため、貯蔵槽内での水の乱れがより少なくなり、成層破壊も更に少なくなる。
本発明の実施形態の貯蔵槽１０２と共に使用するのに適した有孔管３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ（３０４と総称する）の非限定的な例が図２Ａ〜２Ｄに示されている。
【００７５】
各有孔管３０４は、管を熱交換回路に接続する開口端（図示せず）を貯蔵槽１０２の外側に有し、第２端３０６を貯蔵槽１０２の内部に有する。有孔管３０４は、貯蔵槽１０２の外側では孔を持たず（つまり、管壁に穴がない）、有孔部を有する管３０４として考えられてもよい。当業者であれば理解されるであろうが、無孔部の長さと形状はシステム構成に応じて変わる。
【００７６】
「穴」及び「孔」という用語は、本明細書において同じ意味で使用される。穴（孔）は、管壁を穿孔して作られなくてもよいことが理解されよう。例えば、管は、製造後に穴あけされる代わりに、決まった場所に穴を有するように作られてもよい（例えば、成形又は鋳造）。したがって、「有孔管」という用語は、元々は穿孔されていなかった管壁を穿孔することでこれらの穴が作られたかどうかにかかわらず、壁に複数の穴を有する任意の管を含むことが意図される。
【００７７】
説明される実施形態において、有孔管３０４は、単一の構成要素である。代替の又は付加的な実施形態において、有孔管３０４は、２つ以上の接続された管部を含む。
説明される実施形態において、有孔管３０４は、少なくとも略円筒状である。当業者であれば、例えば直方体の管部分等、他の管形状も使用可能であることが理解されよう。
【００７８】
図２Ａ及び２Ｂに示すような実施形態においては、有孔管３０４ａ、３０４ｂの第２端３０６ａ、３０６ｂは閉鎖されているが、管３０４ａ、３０４ｂの断面領域の一部が貯蔵槽１０２に開口するように穴３０８を有する。
【００７９】
図２Ｃに示すような実施形態においては、有孔管３０４ｃの第２端３０６ｃは開放されている。よって、管３０４ｃの全断面領域が貯蔵槽１０２に開口している。
図２Ｄに示すような実施形態においては、有孔管３０４ｄの第２端３０６ｄは閉鎖されており、穴を有していない。結果、管３０４ｄの全断面領域が閉鎖されており、水がそこを通り抜けることができない。
【００８０】
図示される実施形態において、孔３０８はすべて少なくとも略円形である。有利なことに、円形孔は、亀裂生成の原因となる脆弱点になり得る角を有さない。当業者であれば、例えば、楕円形、四角形、三角形、又は他の規則的な若しくは不規則な形状など、代替の孔形状も使用可能であることが理解されよう。追加的に又は代替的に、形状は、同じ管の孔の間で異なっていてもよい。
【００８１】
図示する実施形態において、孔３０８はすべて少なくとも略同一の大きさである。追加の又は代替の実施形態において、大きさは、同じ管の孔３０８の間で異なっていてもよい。
【００８２】
図示する実施形態において、孔３０８は、管３０４に沿って略直線状に配置される。代替の実施形態において、孔３０８は、例えば、１本の直線、１本の曲線、若しくはブロック単位、あるいは、有孔部にランダムに配置される等、任意の他の構成であってもよい。
【００８３】
管３０４への流れは、図２Ａ〜図２Ｄにおいて太い黒矢印によって示されている。管３０４からから出る流れの例は、図２Ａ〜図２Ｄにおいて細い黒矢印によって示されている。たいていの実施形態において、水は、穴３０８の大部分又は全てから流れ出ることが理解されよう。
【００８４】
図２Ａ及び図２Ｃに示す実施形態において、孔３０８は、管３０４ａ、３０４ｃに対して水平又は上向きのいずれかの方向に角度が付けられる。好適には、このように角度が付けられた孔３０８を有する給水管３０４は、貯蔵槽１０２に入る水が貯蔵槽１０２内の水の平均温度より温かい本発明の実施形態で使用される。温水を上向きに方向づけることは、流れを貯蔵槽１０２内の対流に合わせるのに役立ち得る。代替のこのような実施形態では、水平方向の孔は無く、孔３０８すべてが上向きに角度が付けられていてもよい。
【００８５】
図２Ｂ及び図２Ｄに示す実施形態において、孔３０８は、管３０４ｂ、３０４ｄに対して水平又は下向きのいずれかの方向に角度がつけられる。好適には、このように角度がつけられた孔３０８を有する管３０４が、貯蔵槽１０２に入る水が貯蔵槽１０２内の水の平均温度より冷たい本発明の実施形態で使用される。冷水を下向きに方向づけることは、流れを貯蔵槽１０２内の対流に合わせるのに役立ち得る。代替のこのような実施形態では、水平に角度がつけられた孔３０８は無く、孔３０８のすべてが下向きに角度がつけられてもよい。
【００８６】
説明される実施形態において、孔３０８は、管３０４の断面積と比較して小さい。好適には、（従来技術の管の開放端を介した）単一の噴射とは異なり、複数のより小さな分散した噴射（孔１つにつき噴射が１つ）にて貯蔵槽に水を導入することで、貯蔵槽１０２内の対流の乱れが更に低減される。ここで、「小さい」とは、管３０４の断面積の１／４以下の面積を有することを意味する。好ましくは、孔３０８は、管の直径（非円形断面を有する管の場合、断面寸法が最も長いところ）の１／５以下の直径（非円形孔の場合、最も寸法が長いところ）、又は、より好ましくは１／１０以下の直径（非円形孔の場合、最も寸法が長いところ）を有する。
【００８７】
説明される実施形態のうち少なくともいくつかでは、穴の総面積（孔３０８の総面積と、該当する場合は管３０６ｃの開口断面積とを合わせたもの）は、管の全断面積よりも大きい。有利なことに、この増大した面積は、管３０４を出て貯蔵槽１０２に入る水の速度が、熱交換システム１００の残りの部分から管３０４に入る水の速度よりも遅いことを意味する。
【００８８】
当業者であれば、ほとんどの実施形態において、出口管１１０の孔の向きは、給水管１０４の孔の向きよりも対流への影響が小さくなりそうであることが理解されよう。これは、流体が穴から排出されるときに、乱流化した流体の薄い層により周囲の流体とは区別された噴射が形成されるからである。これに対し、同じ流体が同じ速度で同じ大きさの穴に吸い込まれる場合、流体はすべての方向から穴に入り、沈むような流れが形成される。例えると、息が方向づけられた噴射を形成するため、ろうそくを吹き消すことは容易であるが、ろうそくを吸い出すことは容易ではない、ということである。
【００８９】
図示した実施形態のように、別の例では、孔３０８は、給水管３０４と出口管３１０の両方で上側に向いていてもよい。したがって、対流によって自然に沈んでいくより冷たい水は、沈むにつれて出口管３１０に入ってもよい。給水管３０４を介して貯蔵槽１０２に入るより温かい水は、上向きに方向づけられてもよい。
【図１】
2019536970.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2019536970.tif 000007
【国際調査報告】
2019536970.tif 000008
2019536970.tif 000009