(57)【要約】【課題】  空気と太陽熱を熱源とした貯湯式給湯装置において、高効率かつ、給湯タンクサイズを小型化するコンパクトな装置を提供する。【解決手段】  空気または太陽熱を伝達するブラインと熱交換するヒートポンプサイクルを有する貯湯式給湯装置であって、深夜に空気熱源で沸き上げる第１の貯湯運転を実施し、昼間に太陽熱を熱源に沸き上げる第２の貯湯運転を実施して、第２の貯湯運転の沸上げ温度は第１の貯湯運転の沸上げ温度よりも高く設定する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、膨張弁、放熱器として作用し冷水を温水に加熱する水冷媒熱交換器、空気を熱源として前記冷媒を蒸発させる第１の蒸発器、太陽光または太陽熱により加熱される熱媒体を熱源として前記冷媒を加熱する第２の蒸発器、を有する冷凍サイクルと、
前記水冷媒熱交換器で加熱される前記温水を貯湯する給湯タンクと、
夜間に前記第１の蒸発器と前記水冷媒熱交換器を動作させて前記温水を第１の沸上げ温度で貯湯する第１の貯湯運転モードと、
昼間に前記第２の蒸発器と前記水冷媒熱交換器を動作させて前記第１の沸上げ温度よりも高い第２の沸上げ温度で貯湯する第２の貯湯運転モードを前記冷凍サイクルを制御して行う制御装置と、
を備えたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
夏期には第１の沸上げ温度を水冷媒熱交換器で沸き上げる冷水の温度と第２の沸上げ温度の中間値より低く設定し、冬期には前記第１の沸上げ温度を水冷媒熱交換器で沸き上げる冷水の温度と第２の沸上げ温度の中間値より高く設定することを特徴とする請求項１または請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項３】
第１の沸上げ温度は略６０度以下であり、第２の沸上げ温度は略６０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項４】
第１の貯湯運転モードを深夜電力料金となる夜間の所定時間帯に実施し、第２の貯湯運転モードを翌日の昼間の所定時間帯に実施することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
【請求項５】
太陽光発電パネルを熱源とする集熱器で熱媒体を加熱し、
第２の貯湯運転モードを前記熱媒体が所定温度以上になった場合に実施することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
【請求項６】
第２の貯湯運転モードでは、太陽光発電パネルにより発電された電力により圧縮機を駆動することを特徴とする請求項５に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項７】
冷媒は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の貯湯式給湯装置。
【請求項８】
水冷媒熱交換器を出て膨張弁に入る前の冷媒と第２の蒸発器を出て圧縮機に入る前の冷媒と熱交換を行う内部熱交換器と、
を備えたことを特徴とする請求項７に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項９】
膨張弁を出て第２の蒸発器に入る前の冷媒が超臨界状態であることを特徴とする請求項８に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項１０】
圧縮機、膨張弁、放熱器として作用し冷水を温水に加熱する水冷媒熱交換器、空気を熱源として前記冷媒を蒸発させる第１の蒸発器、太陽光または太陽熱により加熱された熱媒体を熱源として前記冷媒を加熱する第２の蒸発器、を有する冷凍サイクルと、
前記水冷媒熱交換器で加熱される前記温水を貯湯する給湯タンクと、
前記冷凍サイクルを制御する制御装置とを備えた貯湯式給湯装置の制御方法であって、
前記制御装置が前記冷凍サイクルを制御して夜間に前記温水を第１の沸上げ温度で貯湯する第１工程と、
前記熱媒体の温度を検出する第２工程と、
前記第２工程で検出した温度が所定値以上の場合に前記制御装置が昼間に前記温水を前記第１の沸上げ温度よりも高い第２の沸上げ温度で貯湯する第３工程と、
を有することを特徴とする貯湯式給湯装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式給湯装置とその制御方法に関するものであり、特に太陽熱を熱源にヒートポンプを駆動し給湯を実施する場合の沸上げに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の貯湯式給湯装置として、給湯タンクの水が循環する給湯タンク循環回路と、圧縮機と膨張弁からなるヒートポンプ回路と、太陽熱を集熱して冷媒が循環する太陽熱循環回路と、太陽熱を集熱した冷媒が熱交換してタンク循環水を加熱する第１熱交換器と、ヒートポンプ回路の冷媒が熱交換してタンク循環水を加熱する第２熱交換器と、ヒートポンプ回路の冷媒と太陽熱循環回路の冷媒が熱交換する第３熱交換器とを備えた貯湯式給湯器であって、夜間時間帯にヒートポンプ回路にて必要な湯量の４０％から７０％を加温し、昼間に残りの湯量分を太陽熱循環回路とヒートポンプ回路で加温する貯湯式給湯装置が記載されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、太陽電池パネルと、ヒートポンプサイクルと、ヒートポンプサイクルの放熱器により水を加熱する温水回路と、この加熱された水を貯める給湯タンクと、ヒートポンプサイクルの蒸発器と熱交換する蓄熱手段とを備えた太陽光発電システムであって、深夜時間帯にヒートポンプサイクルを使用して沸き上げた湯を給湯タンクに貯湯すると共に蓄熱手段を冷却し、昼間の太陽電池パネル発電時にはヒートポンプサイクルを停止して夜間に冷却した蓄熱材を用いて太陽電池パネルを冷却する貯湯式給湯装置が記載されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７０６９０号公報（００５６欄）。
【特許文献２】特開２００６−１８３９３３号公報（００３６欄〜００４７欄、図１、図６）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の貯湯式給湯装置では、夜間に沸き上げる湯を湯量で調整しているので、運転効率が低いという課題があった。
【０００６】
また、特許文献２の貯湯式給湯装置では、夜間にのみヒートポンプサイクルを使用して湯を沸き上げており、ヒートポンプサイクルの運転効率が低いという課題があった。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、外気を熱源に温水を加熱する第１の給湯運転モードで温水を加熱した後で、太陽光または太陽熱を熱源にする第２の給湯運転モードにて温水を第１の給湯運転モードで沸き上げた湯の温度よりも高温に加熱することで、運転効率の高い貯湯式給湯装置及びその制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る貯湯式給湯装置は、
圧縮機、膨張弁、放熱器として作用し冷水を温水に加熱する水冷媒熱交換器、空気を熱源として前記冷媒を蒸発させる第１の蒸発器、太陽光または太陽熱により加熱された熱媒体を熱源として前記冷媒を加熱する第２の蒸発器、を有する冷凍サイクルと、
前記水冷媒熱交換器で加熱される前記温水を貯湯する給湯タンクと、
夜間に前記第１の蒸発器と前記水冷媒熱交換器を動作させて前記温水を第１の沸上げ温度で貯湯する第１の貯湯運転モードと、
昼間に前記第２の蒸発器と前記水冷媒熱交換器を動作させて前記第１の沸上げ温度よりも高い第２の沸上げ温度で貯湯する第２の貯湯運転モードを前記冷凍サイクルを制御して行う制御装置と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る貯湯式給湯装置の制御方法は、
圧縮機、膨張弁、放熱器として作用し冷水を温水に加熱する水冷媒熱交換器、空気を熱源として前記冷媒を蒸発させる第１の蒸発器、太陽光または太陽熱により加熱された熱媒体を熱源として前記冷媒を加熱する第２の蒸発器、を有する冷凍サイクルと、
前記水冷媒熱交換器で加熱される前記温水を貯湯する給湯タンクと、
前記冷凍サイクルを制御する制御装置とを備えた貯湯式給湯装置の制御方法であって、
前記制御装置が前記冷凍サイクルを制御して夜間に前記温水を第１の沸上げ温度で貯湯する第１工程と、
前記熱媒体の温度を検出する第２工程と、
前記第２工程で検出した温度が所定値以上の場合に前記制御装置が昼間に前記温水を前記第１の沸上げ温度よりも高い第２の沸上げ温度で貯湯する第３工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、夜間に沸き上げた湯を昼間に外気より高温の太陽熱を熱源としてさらに沸き上げて湯の沸上げ温度を段階的に高めることで、運転効率を上げることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の構成図。
【図２】本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の制御動作を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の制御動作のＳ１を示したフローチャート。
【図４】本発明の実施の形態１に係る貯湯式給湯装置の制御動作のＳ１を示した別のフローチャート。
【図５】本発明の実施の形態２に係る貯湯式給湯装置の構成図。
【図６】本発明の実施の形態２に係る貯湯式給湯装置の冷媒の圧力とエンタルピの関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の貯湯式給湯装置の冷媒回路、給湯回路、太陽光発電パネル冷却回路の構成を示したものである。図１において、給湯機１内には沸上げ回路２０ａ、冷凍サイクルを構成する冷媒回路２０ｂ、パネル冷却器３を介して太陽光発電パネル２を冷却するパネル冷却回路２０ｃが搭載される。沸上げ回路２０ａは、給湯タンク４、ポンプ９ａ、水冷媒熱交換器６、給湯タンク４を環状に接続して構成され、給湯タンク４内に保持される水が流れる。冷媒回路２０ｂは、圧縮機５、放熱器である水冷媒熱交換器６、膨張弁７ａ、７ｂ、蒸発器である空気熱交換器８ａ、ブライン熱交換器８ｂを環状に接続し冷凍サイクルを構成し、冷媒として二酸化炭素が用いられる。パネル冷却回路２０ｃは太陽光発電パネル２の背面に取り付けられたパネル冷却器３、ポンプ９ｂ、ブライン熱交換器８ｂを環状に接続して構成され、熱搬送媒体としてブラインが用いられる。なお、本実施の形態では冷却パネル３を熱源としてパネル冷却器３が集熱してブラインに伝熱しているが、他の構成でもよく太陽熱を集熱できる太陽熱集熱器でもよい。
【００１３】
また給湯機１内には給湯機１の計測、制御を実施する制御装置１３が搭載される。圧縮機５はインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプである。水冷媒熱交換器６は、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、流入する冷媒と沸上げ回路２０ａを流れる水が熱交換を行う。膨張弁７ａ、７ｂは開度が可変である電子膨張弁であり、空気熱交換器８ａは膨張弁７ａを介して、ブライン熱交換器８ｂは膨張弁７ｂを介して水冷媒熱交換器６と接続されている。空気熱交換器８ａはファンで送風される外気と冷媒との間で熱交換を行う。ブライン熱交換器８ｂはプレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、流入する冷媒とパネル冷却回路２０ｃを流れるブラインが熱交換を行う。
【００１４】
給湯タンク４は温度成層を形成しながら貯湯を行い、上部に高温水、下部に低温水が貯湯される。ポンプ９ａ、９ｂはインバータにより回転数が制御され容量制御されるタイプであり、ポンプ９ａが沸上げ回路２０ａの水を循環させ、ポンプ９ｂがパネル冷却回路２０ｃに流れるブラインを循環させる。また給湯タンク４には出湯端２１ａ、給水端２１ｂが接続される。負荷側の要求に基づき、出湯端２１ａより出湯される場合は、給湯タンク４からの給湯と給水端２１ｂから供給される市水が三方弁１０で混合され、負荷側要求の温度となって出湯される。出湯時の給湯タンク４の湯量減少分は給水端２１ｂから低温の市水が給湯タンク４に供給され、給湯タンク４下部に滞留する。
【００１５】
給湯機１内には、温度センサ１１が設けられ、それぞれ設置場所の冷媒温度、水温、ブライン温度を計測する。温度センサ１１ａは圧縮機５の吸入側、温度センサ１１ｂは圧縮機５の吐出側に配置され、それぞれ配置場所の冷媒温度を計測する。温度センサ１１ｃは沸上げ回路２０ａの給湯タンク４の流入側、温度センサ１１ｊは沸上げ回路２０ａのポンプ９ａ下流側に設置され、沸上げ回路２０ａを流れる水温を計測する。温度センサ１１ｄ〜１１ｉは給湯タンク４の内部表面に設置され、給湯タンク４内の設置位置高さの水温を計測する。温度センサ１１ｋは出湯端２１ａの湯温を計測し、温度センサ１１ｌはパネル冷却回路２０ｃを流れるブラインのブライン熱交換器８ｂ流入温度が計測される。また給湯機１には圧力センサ１２が設けられ、圧力センサ１２ａは圧縮機５の吐出側、圧力センサ１２ｂは圧縮機５の吸入側に配置され、それぞれ配置場所の冷媒圧力を計測する。
【００１６】
給湯機１内の制御装置１３は各温度センサ１１、圧力センサ１２の計測情報や、装置使用者から指示される運転内容に基づいて、圧縮機５の運転方法、膨張弁７ａ、７ｂの開度、空気熱交換器８ａのファン送風量、ポンプ９ａ、９ｂの運転方法、三方弁１０の開度などを制御する。また、制御装置１３は時刻や時間を測定するタイマー機能を備えている。
【００１７】
次にこの貯湯式給湯装置の運転動作について説明する。本装置では、夜間に空気を熱源に給湯タンク４内に高温の湯を貯湯する第１の貯湯運転と、昼間にパネル冷却回路２０ｃを流れるブラインを熱源に給湯タンク４内に高温の湯を貯湯する第２の貯湯運転が実施される。
【００１８】
貯湯運転における給湯タンク４の貯湯状況について説明する。貯湯運転での沸上げ温度の目標値は、第１の貯湯運転では５５℃、第２の貯湯運転では９０℃に設定される。一般に貯湯式給湯装置が適用される家庭では、湯張り、シャワーなどに給湯が用いられる夕刻から夜間にかけての給湯消費量が１日のなかで最も多くなる。そのため深夜の時間では、給湯タンク４に保持される高温湯の量は少なく、多くは市水から供給された低温水となっている。第１の貯湯運転では、この低温水を給湯タンク４内の湯がほぼ沸上げ温度の湯と置き換わるように運転される。
【００１９】
第２の貯湯運転では、第１の貯湯運転に引き続き、昼間に実施される。家庭での朝から昼間にかけての給湯消費量は一般に少なく、給湯タンク４内には、第１の貯湯運転で貯湯された５５℃の湯が多く残っている。第２の貯湯運転では、この湯を９０℃まで沸上げ、給湯タンク４内に保持する運転がなされる。第２の貯湯運転は太陽光発電パネル２にて発電がなされる昼間の時間帯に実施される。第２の貯湯運転後は夕刻となり、給湯タンク４内に貯湯された９０℃の湯を用いて、夕刻から夜間にかけての給湯負荷に対応することになる。
【００２０】
本装置では、当初市水の温度、一般的には１５℃程度である給湯タンク４の水を最終的に９０℃まで沸き上げる運転がなされる。第１の貯湯運転と第２の貯湯運転とで２段階に沸き上げるので、片方の貯湯運転に要求される加熱能力が過大とならないように、第１の貯湯運転の沸上げ温度は、沸上げ開始時の初期（市水）の温度と最終的に沸き上げる温度の中間程度に設定することが望ましく、例えば１５℃から９０℃に沸きあげる場合は、中間の５５℃程度とすることが望ましい。これにより、一方の貯湯運転に要求される加熱能力が過大となり、効率低下する状況を回避できるので、装置の運転効率を高くすることができる。尚、初期の温度は温度センサ１１ｉや温度センサ１１ｊの検出値を用いても良いし、給水端２１ｂに別の温度センサを設けて検出してもよい。
【００２１】
なお、第１の貯湯運転の沸上げ温度は、運転条件に応じて随時変更してもよい。夏期（例えば４月〜９月）のように日射量が多く、太陽光発電パネル２の発熱量が増加し、ブライン温度が外気温度に対してより高くなる場合は、第２の貯湯運転の運転効率が上昇し、第１の貯湯運転との運転効率の偏差が拡大する。このような場合には、第１の貯湯運転の沸上げ温度を、給湯タンク４の初期の温度と最終的に沸き上げる温度の中間値より低く設定する。これにより、一方の貯湯運転の効率が低くなる状況を回避できるので、装置の運転効率を平均的に高くすることができる。
【００２２】
逆に、冬期（例えば１０月〜３月）、もしくは曇天、雨天時など日射量が少なく、太陽光発電パネル２の発熱量が低下し、ブライン温度と外気温度との差が小さくなる場合は、第２の貯湯運転の運転効率が低下する。このような場合には、第１の貯湯運転の沸上げ温度を、給湯タンク４の初期の温度と最終的に沸き上げる温度の中間値より高く設定し、第２の貯湯運転での必要給湯能力を少なく設定する。これにより、一方の貯湯運転の効率が低くなる状況を回避できるので、装置の運転効率を平均的に高くすることができる。
【００２３】
また、第１の貯湯運転の終了時から第２の貯湯運転の開始時のまでの給湯タンク４に貯められた湯の放熱による温度低下を考慮して、第１の貯湯運転の沸上げ温度を第１の貯湯運転の沸き上げ開始時の初期（市水）の温度と最終的に沸き上げる温度の中間値や予め定めた値よりも所定値分だけ高い値としてもよい。尚、この所定値分は外気温の異なる夏季と冬季で変更してもよく、夏季は小さい値にして冬季は大きい値としてもよい。
【００２４】
なお、第２の貯湯運転におけるブライン温度は、太陽光発電パネル２における発熱量によって左右される。日射量が多い場合は、太陽光発電パネル２の発電量が増加し、それに伴い太陽光発電パネル２での発熱量も増加する。そのため太陽光発電パネル２の温度も上昇し、パネル冷却器３により加熱されるブラインの温度も上昇する。太陽光発電パネル２の温度上昇幅が大きくなると、発電効率が低下するため、温度上昇を適度な値に抑える必要があり、そのためブライン温度を低下させる運転を行わせる。ブライン温度が低下する場合、パネル冷却器３でのブラインと太陽光発電パネル２との温度差が拡大し、熱交換量も増加する。このパネル冷却器３での熱交換量増加に伴い、沸上げ回路２０ａ側の熱交換量も増加させて、ブライン温度低下を実現する。
【００２５】
そこで、太陽光発電パネル２の温度が上昇し、上昇抑制が必要となる場合には、冷凍サイクルでの熱交換量が増加するように、圧縮機５の容量制御目標である冷凍サイクルの高圧目標値を高く変更するとともに、膨張弁７ｂの開度制御目標である冷凍サイクルの吐出温度も高く変更する。これにより、水冷媒熱交換器６での冷媒温度が高くなり、水との温度差が拡大するので水冷媒熱交換器６での熱交換量が増加する。水冷媒熱交換器６での熱交換量の増加とともに、ブライン熱交換器８ｂでの熱交換量も増加するため、ブライン熱交換器８ｂでブラインがより冷却されることになる。これにより、パネル冷却器３に流入するブライン温度が低下し、太陽光発電パネル２の冷却が促進され、温度上昇も抑制される。この制御により、太陽光発電パネル２の発電効率の低下を回避し、より多くの発電量を得ることができる。
【００２６】
また日射量が少ない場合は、太陽光発電パネル２の発電量が低下し、それに伴い太陽光発電パネル２での発熱量も減少する。そのため太陽光発電パネル２の温度も低下し、パネル冷却器３により加熱されるブラインの温度も低下する。ブライン温度の低下幅が大きくなると、冷凍サイクルの動作低圧も低下し、冷凍サイクルの効率が低下するため、ブライン温度の低下を適度な値に抑える必要がある。
【００２７】
そこで、ブライン温度の低下抑制が必要となる場合には、冷凍サイクルでの熱交換量が低下するように、圧縮機５の容量制御目標である冷凍サイクルの高圧目標値を低く変更するとともに、膨張弁７ｂの開度制御目標である冷凍サイクルの吐出温度も低く変更する。これにより、水冷媒熱交換器６での冷媒温度が低くなり、水との温度差が縮小するので水冷媒熱交換器６での熱交換量が減少する。水冷媒熱交換器６での熱交換量の減少とともに、ブライン熱交換器８ｂでの熱交換量も減少するため、ブライン熱交換器８ｂでのブライン冷却も抑制される。これにより、過度なブライン温度低下が回避でき、冷凍サイクルの動作低圧も高くなるため、冷凍サイクルの運転効率を高く維持することができる。
【００２８】
次に各貯湯運転での制御方法について、図２に基づいて説明する。図２は実施の形態１の制御方法を示すフローチャート図である。運転がスタートすると、まず制御装置１３が第１の貯湯運転と第２の貯湯運転のどちらを行うか判別を行う（Ｓ１）。Ｓ１での判別は図３、図４に示すフローチャート図を用いて説明する。各貯湯運転の運転時間に関して、図３ではＳ１１で深夜料金時間帯か否かを判別する。深夜料金時間帯の場合はＳ２へ移行し、深夜料金時間帯でない場合はＳ１２ａに移行する。第１の貯湯運転は前述したように深夜時間帯に実施され、一般には深夜電力料金が設定され、電気料金が安価となる時間帯、例えば２３時から翌朝の７時の間に実施される。次にＳ１２ａで昼間の所定時間帯であるか否かを判別する。昼間の所定時間帯である場合はＳ６へ移行する。２の貯湯運転については日射量が多い正午前後の時間、例えば９時から１５時の間と予め規定しておく。
第２の貯湯運転は昼間に実施されるが、太陽光発電パネル２の冷却も兼ねて実施されるので、太陽光発電パネル２の冷却要否に基づいて運転実施する場合について図４を用いて説明する。図３と同様にＳ１１で深夜料金時間帯か否かを判別する。次にＳ１２ｂで昼の所定時間帯である場合はＳ１３に移行する。Ｓ１３ではＳ１２ｂの所定時間、例えば朝の時間の７時となった時点で、給湯機１内のブラインポンプ９ｂのみ駆動してＳ１４に移行する。Ｓ１４では温度センサ１１ｌでブライン温度を検知し、ブライン温度が所定温度以上、例えば３０℃以上となった段階でＳ６へ移行して第２の貯湯運転を開始する。一般的にブライン温度の上昇に伴って太陽光発電パネル２の発電効率が下がるが、圧縮機５に吸入される冷媒の吸入温度が上がるので圧縮機５の運転効率が上がる。そこで、Ｓ１４では所定温度は維持すべき太陽発電パネル２の発電効率に基づいて予め定めて制御装置１３に記憶しておいてもよいし、太陽発電パネル２の発電効率と圧縮機５の運転効率の最適値に基づいて予め定めて制御装置１３に記憶しておいてもよい。また、所定温度を二酸化炭素の臨界温度以上に設定しておくと、圧縮機５に吸入される冷媒が高圧の超臨界状態となるので、低圧の気相状態から高圧の超臨界状態に昇圧させる分の圧縮機５にかかる負荷をなくすことができる。Ｓ１４でブライン温度が所定温度以上でない場合はＳ１３に戻り、ポンプ９ｂを制御しブラインの流量をさげる。このように第１の貯湯運転を行う場合はＳ２に移行し、第２の貯湯運転を行う場合はＳ６に移行する。
【００２９】
次にＳ２からＳ５での第１の貯湯運転について説明する。Ｓ１からＳ２に移行すると第１の貯湯運転での沸上げ温度の目標値を設定する（Ｓ２）。本実施の形態では沸上げ温度の目標値は前述したとおり、５５℃に設定される。
【００３０】
次に、沸上げ温度の目標値に基づいて各アクチュエータを駆動して（Ｓ３）、水冷媒熱交換器６で給湯タンク４から循環してくる水を高温にし、また空気熱交換器８ａで熱交換を行う（Ｓ４）。
【００３１】
Ｓ３とＳ４を詳細に説明すると、第１の貯湯運転では、圧縮機５、及びポンプ９ａを駆動し、ポンプ９ａにより搬送される給湯タンク４内の低温水を冷媒回路２０ｂの水冷媒熱交換器６にて加熱する。また空気熱交換器８ａのファンが駆動され、外気と熱交換可能とする。ポンプ９ｂは停止されるとともに、膨張弁７ｂも閉止され、冷媒とパネル冷却回路２０ｃのブラインは熱交換されない運転となる。
【００３２】
冷媒回路２０ｂでは圧縮機５により昇圧された高温高圧のガス冷媒が水冷媒熱交換器６に流入し、水冷媒熱交換器６に流入する低温水を加熱しながら、放熱冷却され、高圧低温の冷媒となる。その後、冷媒は膨張弁７ａで減圧され低圧の二相冷媒となり、空気熱交換器８ａにて外気より吸熱して蒸発し、低圧低温のガスとなった後で圧縮機５に吸入される。
【００３３】
給湯タンク４内の下部にある低温水は、ポンプ９ａで搬送され、水冷媒熱交換器６で加熱され高温の湯となった後で、給湯タンク４の上部に戻される。給湯タンク４内では上部に高温の湯、下部に低温水が滞留して温度成層が形成され、湯と低温水との間に温度境界層が生成されるが、沸上げ運転が進むにつれて、低温水の割合が減少し、高温の湯の割合
が増加し温度境界層は、給湯タンク４の下部に移動する。
【００３４】
沸上げ温度は、温度センサ１１ｃで検知され、この温度が目標温度となるようにポンプ９ａの運転容量が制御される。例えば、沸上げ温度が目標値より高ければ、ポンプ９ａの運転容量を増加し、目標値より低ければポンプ９ｂの運転容量を減少する制御がなされる。
【００３５】
冷媒回路２０ｂでは、沸上げ温度設定値に応じて圧縮機５の容量、及び膨張弁７の開度制御がなされる。圧縮機５の容量制御では、冷凍サイクルの高圧が沸上げ温度設定値に応じて設定される目標値となるように制御され、例えば沸上げ温度の目標値が５５℃である場合には、９．５ＭＰａに設定される。そして圧力センサ１２ｂで計測される冷凍サイクルの高圧が目標値よりも低い場合は圧縮機５の運転容量を高く制御し、圧力センサ１２ｂで計測される冷凍サイクルの高圧が目標値よりも高い場合は圧縮機５の運転容量を低く制御する。膨張弁７ａの開度制御は、冷凍サイクルの吐出温度が沸上げ温度設定値に応じて設定される目標値となるように制御され、例えば沸上げ温度の目標値が５５℃である場合には７０℃に設定される。そして温度センサ１１ｂで計測される冷凍サイクルの吐出温度が目標値よりも低い場合は膨張弁７ａの開度を小さく制御し、温度センサ１１ｂで計測される冷凍サイクルの吐出温度が目標値よりも高い場合は膨張弁７ａの開度を大きく制御する。
【００３６】
次に、沸上げ温度目標値の湯が給湯タンク４内に滞留したか否かを制御装置１３が判定する（Ｓ５）。沸上げ温度目標値に到達していなければＳ３に戻り、沸上げ温度目標値に到達したと判断されるとＳ１に戻った後にＳ６で第２の貯湯運転に移行する。Ｓ５の判定では、給湯タンク４に設置される温度センサ１１ｄ〜１１ｉに基づいて、湯の滞留状況を把握し、給湯タンク４の最下部に設けられている温度センサ１１ｉでの検知温度と沸上げ温度目標値との温度差が所定値以内、例えば１０℃以内となった時点で、沸上げ温度目標値の湯が給湯タンク４内に滞留したと判断する。この場合、圧縮機５、ポンプ９ａなどの運転を停止し、第１の貯湯運転を終了する。
【００３７】
次にＳ６からＳ９での第２の貯湯運転について説明する。Ｓ１からＳ６に移行すると第２の貯湯運転での沸上げ温度の目標値を設定する（Ｓ６）。本実施の形態では沸上げ温度の目標値は前述したとおり、９０℃に設定される。
【００３８】
次に、沸上げ温度の目標値に基づいて各アクチュエータを駆動して（Ｓ７）、水冷媒熱交換器６で給湯タンク４から循環してくる水を高温にし、またブライン熱交換器８ｂで熱交換を行う（Ｓ８）。
【００３９】
Ｓ７とＳ８を詳細に説明すると、第２の貯湯運転では、圧縮機５、及びポンプ９ａを駆動し、ポンプ９ａにより搬送される給湯タンク４内の低温水を冷媒回路２０ｂの水冷媒熱交換器６にて加熱する。またポンプ９ｂは運転され、パネル冷却回路２０ｃを流れるブラインと冷媒が熱交換される状態となる。一方空気熱交換器８ａのファンは停止されるとともに、膨張弁７ａも閉止され、冷媒と外気は熱交換されない運転となる。
【００４０】
冷媒回路２０ｂでは圧縮機５により昇圧された高温高圧のガス冷媒が水冷媒熱交換器６に流入し、水冷媒熱交換器６に流入する低温水を加熱しながら、放熱冷却され、高圧低温の冷媒となる。その後、冷媒は膨張弁７ｂで減圧され低圧の冷媒となり、ブライン熱交換器８ｂにてパネル冷却回路２０ｃを流れるブラインより吸熱して加熱され昇温した後で圧縮機５に吸入される。ブライン温度は一般的に外気温度より高く、４０〜６０℃であるため二酸化炭素冷媒の臨界温度の３０℃より高くなるため、冷凍サイクルの低圧側も一般的に超臨界状態で駆動される。従って第１の貯湯運転のように、低圧側に二相域が生成され冷媒が蒸発する変化ではなく、加熱されるに従って順次昇温する変化となる。
【００４１】
給湯タンク４内の下部にある低温水は、ポンプ９ａで搬送され、水冷媒熱交換器６で加熱され高温の湯となった後で、給湯タンク４の上部に戻される。またパネル冷却回路２０ｃを流れるブラインはポンプ９ｂにより搬送され、昼間に運転され受光発電する太陽光発電パネル２の温度上昇を抑制するため、パネル冷却器３に流入し、パネル冷却器３内部で、太陽光発電パネル２を冷却しながら自身は昇温する。高温となったブラインはパネル冷却器３を流出後、給湯機１内に流入し、ポンプ９ｂを通過後ブライン熱交換器８ｂに流入する。ここでブラインは冷媒に熱を与えながら自身は冷却され低温となって給湯機１を流出する。太陽光発電パネル２は外気雰囲気の中で、太陽光を受けて加熱されるので、一般に外気より高温となる。パネル冷却器３でのブライン温度も、太陽光発電パネル２により加熱されるので、外気より高温となり、４０〜６０℃程度の高温となる。
【００４２】
第２の貯湯運転では、熱が、太陽光、太陽熱を熱源に太陽光発電パネル２からパネル冷却器３、ブライン熱交換器８ｂ、水冷媒熱交換器６を介して、給湯タンク４から流れる温水に伝えられる運転となる。各熱交換前後での放熱が小さい場合、冷凍サイクルでの熱バランスが維持されるので、パネル冷却器３での熱交換量と、圧縮機５での冷媒圧縮に要した動力分の熱量を加えた熱量が、給湯タンク４から流れる温水に伝えられる。
【００４３】
沸上げ温度は、温度センサ１１ｃで検知され、この温度が目標温度となるようにポンプ９ａの運転容量が制御される。ポンプ９ａの制御方法は第１の貯湯運転と同様になる。
【００４４】
冷媒回路２０ｂでの冷凍サイクルの高圧の目標値は、沸上げ温度上昇に伴い引き上げられ１４ＭＰａに設定される。また冷凍サイクルの吐出温度の目標値も、同様に沸上げ温度上昇に伴い引き上げられ１００℃に設定される。そして、この目標値を実現するように圧縮機５の運転容量、及び膨張弁７ｂの開度が制御され、その制御方法は第１の貯湯運転と同様に行われる。
【００４５】
パネル冷却回路２０ｃの運転制御はポンプ９ｂによってなされ、温度センサ１１ｌで検知されるパネル冷却器３出口のブライン温度が所定値となるように制御され、例えば、ブライン温度の制御目標値は６０℃に設定される。そして、温度センサ１１ｌで計測されるブライン温度が目標値よりも高い場合はポンプ９ｂの運転容量を増加し、温度センサ１１ｌで計測されるブライン温度が目標値よりも低い場合はポンプ９ｂの運転容量を減少する。
【００４６】
また第２の貯湯運転でも、第１の貯湯運転と同様に、沸上げ温度目標値の湯が給湯タンク４内に滞留したか否かを制御装置１３が判定する（Ｓ９）。沸上げ温度目標値に到達していなければＳ７に戻り、沸上げ温度目標値に到達したと判断されると貯湯運転を終了する。Ｓ９の判定では給湯タンク４の最下部に設けられている温度センサ１１ｉでの検知温度と沸上げ温度目標値との温度差が所定値以内、例えば１０℃以内となった時点で、沸上げ温度目標値の湯が給湯タンク４内に滞留したと判断し、圧縮機５、ポンプ９ａ、９ｂなどの運転を停止し、第２の貯湯運転を終了する。
【００４７】
以上の制御により、第１の貯湯運転、第２の貯湯運転を通じて給湯タンク４に貯留する湯温を高く設定できる。出湯時には、前述したように、給湯タンク４から出湯される高温の湯と市水が三方弁１０で混合され、負荷側要求の温度となって出湯される。このとき、給湯タンク４内の湯温が高いと、負荷側要求温度を実現するときに混合される市水の量が多くなるので、より多くの出湯量を供給できる。従って負荷側要求温度で供給する湯量が一定である場合、給湯タンク４内の湯温が高い場合、給湯タンク４内に保持しなければいけない湯量は給湯タンク４内の湯温が低い場合に比べて少なくできる。そのため所定の給湯負荷に対して、給湯タンク４の容積を小さくでき、給湯機１そのものもコンパクトに構成できる。
【００４８】
また第１の貯湯運転では冷凍サイクルの熱源を外気とし、第２の貯湯運転では熱源をブラインとしている。一般に冷凍サイクルでは高圧側、低圧側の温度差が拡大するほど効率が低下する。第１の貯湯運転においても、第２の貯湯運転と同レベルの高温を沸上げ温度と設定して冷凍サイクルを駆動することはできるが、この場合、冷凍サイクルの高低圧間の温度差が拡大し、運転効率が低下する。そのため、第２の貯湯運転では外気より高温であるブライン温度を熱源に用いる。これにより、冷凍サイクルの高低圧間の温度差を縮小でき、給湯タンク４に貯留する湯温を高く運転する場合でも、冷凍サイクルの効率を高くでき、装置の運転効率を高くすることができる。
【００４９】
なお、従来の貯湯式給湯装置でも、夜間、昼間にそれぞれ貯湯運転を行う場合があったが、一般に各貯湯運転の沸上げ温度は同一であり、夜間の貯湯運転時には給湯タンク４内の所定量の低温水を沸上げ、昼間の貯湯運転時には、給湯タンク４内の残りの低温水を沸上げる運転がなされる。このような運転で、本実施の形態と同様の給湯タンク４をコンパクトにする効果を得ようとした場合、沸上げ温度を９０℃程度に高く設定する必要があるが、このとき夜間の外気を熱源に用いる運転では冷凍サイクルでの高圧側、低圧側の温度差が拡大し、運転効率が著しく低下し、例えば夜間の運転での沸上げ温度を５５℃とした場合と比べると、４０％程度効率が低下する。仮に昼間に太陽熱を熱源に冷凍サイクルを駆動し、高効率を得ても夜間の運転の効率低下が大きく、装置としての効率が低下する。本実施の形態では、上述したように、沸上げ温度を２段階に設定し、第１、第２の各貯湯運転における冷凍サイクルの高低圧間の温度差を縮小するため、従来の装置のような効率低下を回避し、高効率な装置とすることができる。
【００５０】
また、従来の貯湯式給湯装置では、一般に第１の貯湯運転のみ実施され、その際給湯タンク４に貯湯される湯の温度は、レジオネラ菌を殺菌できる略６０℃以上となるように運転されていた。本装置では、第２の貯湯運転の沸上げ温度をレジオネラ菌を殺菌できる略６０℃以上の温度に給湯タンク４内を沸き上げるため、第１の貯湯運転での沸上げ温度については、６０℃以下で運転することができる。そのため第１の貯湯運転においても、従来の貯湯式給湯装置より高効率の運転を実施することができる。
【００５１】
なお、第２の貯湯運転において、圧縮機５、ポンプ９ａ、９ｂを駆動する電力として太陽光発電パネル２で発電された電力を用いてもよい。この場合、給湯に必要な消費電力は第１の貯湯運転時に要する電力のみとなるので、さらなる高効率運転を実現できる。
【００５２】
実施の形態２．
実施の形態２では第２の貯湯運転において動作する冷凍サイクルに対し、冷媒回路内に内部熱交換器１４を設けた構成について説明する。実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明は省略する。図５に示すように、内部熱交換器１４は膨張弁７ｂ入口の高圧の冷媒と、ブライン熱交換器８ｂ出口の低圧の冷媒が熱交換を行う。内部熱交換器１４を搭載することにより、ブライン熱交換器８ｂでの冷媒エンタルピは搭載しない場合に比べて低い領域で動作する。第２の貯湯運転では冷凍サイクルの低圧は超臨界で駆動するため、冷媒エンタルピが低下するほど、温度が低下する。従ってより低いブライン温度に対しても熱交換可能となる。
【００５３】
運転条件によっては太陽の日射量が少なく、ブライン温度が上昇しない条件も発生するが、この条件で内部熱交換器１４が設置されない場合は、ブラインと冷媒が熱交換可能となるように冷凍サイクルの低圧を低下させた運転がなされる。そのため冷凍サイクルの高低圧差が拡大し、圧縮機５の所要動力が増大し冷凍サイクルの運転効率を低下させる運転となる。図５のように内部熱交換器１４を設けると、同じ低圧であっても冷媒温度をより低い温度とできるため、ブライン温度が低下しても冷凍サイクルの低圧を下げる必要がなく、圧縮機５の所要動力増大も回避できるので、冷凍サイクルの運転効率を高く維持することができ、装置の運転効率を高くすることができる。
【００５４】
なお、第１の貯湯運転にて動作する冷凍サイクルに対しても、同様に、膨張弁７ａ入口の高圧の冷媒と、空気熱交換器８ａ出口の低圧の冷媒が熱交換を行う内部熱交換器１４を設けることができるが、第１の貯湯運転にて動作する冷凍サイクルに対しては、内部熱交換器１４を設けない方がよい。第１の貯湯運転にて動作する冷凍サイクルでは、一般に外気温度は二酸化炭素冷媒の臨界温度以下となるため、冷凍サイクルの低圧は臨界圧以下となり、二相部で蒸発する動作が行われる。この場合、内部熱交換器１４によって冷媒の動作エンタルピを低下させても冷媒温度は変化しないため、前述の熱源（空気）温度が低下した場合の低圧の低下を回避し、運転効率を維持するという効果を得ることができない。
【００５５】
内部熱交換器１４を用いた場合の第１の貯湯運転と第２の貯湯運転における冷媒の圧力とエンタルピの関係を示した図６を用いて説明する。図６（ａ）は第１の貯湯運転の場合であり、図６（ｂ）は第２の貯湯運転の場合である。図６（ａ）と図６（ｂ）のＡ１点とＡ２点は圧縮機５の入口での、Ｂ１点とＢ２点は圧縮機５の出口での冷媒の状態を示しており、Ｃ１点は水冷媒熱交換器６の出口での、Ｄ１点は空気熱交換器８ａの入口での冷媒の状態を示しており、Ｃ２点は水冷媒熱交換器６の出口での、Ｄ２点はブライン熱交換器８ｂの入口での冷媒の状態を示している。尚、図中の矢印は冷媒の流れを示している。
【００５６】
内部熱交換器１４を用いると、第１の貯湯運転では図６（ａ）のＡ１点とＣ１点の冷媒が、第２の貯湯運転では図６（ｂ）のＡ２点とＣ２点の冷媒が熱交換することになり、Ａ１点とＣ１点、Ａ２点とＣ２点の冷媒の温度をそれぞれ比較すると、Ｃ１点、Ｃ２点の冷媒の方が温度が高いので、Ａ１点、Ｃ１点、Ａ２点、Ｃ２点の冷媒の状態はそれぞれａ１点、ｃ１点、ａ２点、ｃ２点に移動する。そして、冷媒が内部熱交換器１４を通過した後、放熱器である水冷媒熱交換器６や蒸発器である空気熱交換器８ａやブライン熱交換器８ｂで熱交換されると、図６（ａ）と（ｂ）に示すａ１ｂ１ｃ１ｄ１、ａ２ｂ２ｃ２ｄ２サイクルで運転を行うようになる。つまり、Ｂ１点がｂ１点に、Ｄ１点がｄ１点に、Ｂ２点がｂ２点に、Ｄ２点がｄ２点にそれぞれ移動する。
【００５７】
ここで、第１の貯湯運転と第２の貯湯運転での膨張弁の出口での冷媒の状態変化を比較すると、図６（ａ）に示すｄ１点は冷媒の２相領域にあり、Ｄ１点の冷媒と等温である。対して、図６（ｂ）に示すｄ２点の冷媒は超臨界状態にあり、Ｄ２点の冷媒と比較して温度が低くなっている。従って、ブライン温度が低下しても冷凍サイクルの低圧を下げる必要がなく、圧縮機５の所要動力増大も回避できる。
【００５８】
また、内部熱交換器１４では、圧縮機５吸入側の冷媒経路の増加による圧力損失が発生し効率低下するというデメリットもある。また圧縮機５吸入側での熱交換により吸入温度が上昇し、圧縮機５の吐出温度も上昇する。第１の貯湯運転では沸上げ温度は従来の給湯装置よりも低く設定されるため、吐出温度が上昇すると、沸上げに必要な温度よりも過度な温度上昇がなされることになる。必要以上の温度上昇がなされると、その分圧縮機５に必要な動力が増加することになり、運転効率が低下する。そのため、本装置のように、沸上げ運転を２段階とし、各沸上げ運転の低圧側熱源温度（空気とブライン）が一方は冷媒の臨界温度以上、一方が冷媒の臨界温度以下となる場合には、熱源温度が冷媒の臨界温度以上となる冷凍サイクルに対してのみ内部熱交換器１４を設ける構成とする方が、もっとも運転効率を高める構成となり望ましい。
【００５９】
なお、本実施の形態では、第２の貯湯運転の熱源として、太陽光発電パネル２を冷却するブラインを用いているが、太陽光、太陽熱を熱源として用いられるものであれば他の構成であっても同様の効果を得ることができる。例えば、太陽熱集熱器を設け、その集熱器により加熱された温水、もしくはブラインを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、太陽熱を熱源にヒートポンプを駆動し給湯を実施する貯湯式給湯装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１  給湯機、
２  太陽光発電パネル、
３  パネル冷却器、
４  給湯タンク、
５  圧縮機、
６  水冷媒熱交換器、
７ａ、７ｂ  膨張弁、
８ａ  空気熱交換器、
８ｂ  ブライン熱交換器、
９ａ、９ｂ  ポンプ、
１０  三方弁、
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ、１１ｋ、１１ｌ  温度センサ、
１２ａ、１２ｂ  圧力センサ、
１３  制御装置、
１４  内部熱交換器、
２１ａ  出湯端、
２１ｂ  給水端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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