(57)【要約】【課題】貯湯タンクに無駄な湯温センサを設けることなく、湯温制御に用いるタンク蓄熱量を求めることが可能な貯湯式給湯装置を提供する。【解決手段】貯湯式給湯装置を統括的に制御する制御装置１にタンク蓄熱量演算手段３ｂを設け、外気温に応じた単位時間当りのタンク放熱量が一意に定まる関係式や対応表からなる放熱特性データベースをデータベース記憶手段３ｃに記憶させ、放熱特性データベースを用いた経過時間に伴う自然放熱量の演算と、給湯により貯湯タンク１から使用した使用熱量の演算と、ヒートポンプユニット２の動作により貯湯タンク１へ加えた加算熱量の演算と、「加算熱量−使用熱量−自然放熱量」による貯湯タンク１のタンク蓄熱量の演算をタンク蓄熱量演算手段３ｂが行い、その演算結果に応じて、設定温度での給湯ができるように、ヒートポンプ制御手段３ａがヒートポンプユニット２の動作を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、
上記貯湯タンク内の最下部の水を、上記貯湯タンク内の最上部に送る循環回路と、
上記循環回路に設けられ、循環回路を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニットと、
上記ヒートポンプユニットの動作を制御して貯湯タンクに高温の湯を貯めると共に、貯湯タンクから供給する湯量を調節して設定温度の湯を出させる制御装置と、
を備える貯湯式給湯装置において、
上記制御装置は、
環境温度に応じた単位時間当りのタンク放熱量が一意に定まる関係式や対応表からなる放熱特性データベースを記憶し、
上記放熱特性データベースを用いた経過時間に伴う自然放熱量の演算と、給湯により貯湯タンクから使用した使用熱量の演算と、ヒートポンプユニットの動作による加算熱量の演算と、「加算熱量−使用熱量−自然放熱量」による貯湯タンクの蓄熱量の演算を行うタンク蓄熱量演算手段と、
上記タンク蓄熱量演算手段により演算されたタンク蓄熱量に応じてヒートポンプユニットを作動制御するヒートポンプ制御手段と、
を備えることを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
上記制御装置には、
環境温度に応じて、貯湯タンクの最上部から最下部まで一定間隔での位置別における湯温が蓄熱量から一意に定まる関係式や対応表からなる温度分布特性データベースを記憶させておき、
上記ヒートポンプ制御手段は、タンク蓄熱量演算手段により求められたタンク蓄熱量と上記温度分布特性データベースとから想定される貯湯タンク内の温度分布を加味してヒートポンプユニットの作動制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、該貯湯タンク内の最下部の水を、上記貯湯タンク内の最上部に送る循環回路と、該循環回路に設けられ、循環回路を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニットと、該ヒートポンプユニットの動作を制御して貯湯タンクに高温の湯を貯めると共に、貯湯タンクから供給する湯量を調節して設定温度の湯を出させる制御装置と、を備える貯湯式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプユニットで加熱した高温の湯を貯湯タンクに貯える貯湯式給湯装置がある。このタイプの給湯装置としては、貯湯タンク内の最下部の水をヒートポンプユニットにより加熱し、高温の湯として貯湯タンク内の最上部に送ることで、温度の異なる水の比重差を利用して、貯湯タンク内の上部側に高温の湯を貯え、貯湯タンク内の下部側の水と混合しないようにしているものが知られている。
【０００３】
そして、貯湯タンク内の湯を給湯する（例えば、蛇口等を開き貯湯タンク外で湯を消費する）場合には、貯湯タンクの最上部に接続した給湯配管から給湯し、貯湯タンクの最下部に接続した給水配管から貯湯タンク内に水を供給するようになっている。
【０００４】
このような貯湯式給湯装置として、貯湯タンク内に湯温センサとして複数のサーミスタを取り付け、タンク最上部から最下部までの湯温を等間隔で複数のポイントにて測定し、タンク内の蓄熱量を算出し、これをヒートポンプユニットの動作制御に用いる貯湯式給湯装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１１８６６０号公報
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の貯湯式給湯装置では、一定期間に給湯で消費された消費熱量を算出するために、貯湯タンク内の湯温分布を細かく検出するべく複数の湯温センサを設けたものであり、貯湯タンクを給湯等の限られた範囲でのみ使用する場合には、タンク最上部の導出口と最下部の導入口付近の温度が分かれば良く、わざわざ貯湯タンクの中部に多くの湯温センサを設けて消費熱量を求めるのは無駄である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、貯湯タンクに無駄な湯温センサを設けることなく、湯温制御に用いるタンク蓄熱量を求めることが可能な貯湯式給湯装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、給湯用の湯を内部に貯える貯湯タンクと、上記貯湯タンク内の最下部の水を、上記貯湯タンク内の最上部に送る循環回路と、上記循環回路に設けられ、循環回路を流れる水を加熱して高温の湯とするヒートポンプユニットと、上記ヒートポンプユニットの動作を制御して貯湯タンクに高温の湯を貯めると共に、貯湯タンクから供給する湯量を調節して設定温度の湯を出させる制御装置と、を備える貯湯式給湯装置において、上記制御装置は、環境温度に応じた単位時間当りのタンク放熱量が一意に定まる関係式や対応表からなる放熱特性データベースを記憶し、上記放熱特性データベースを用いた経過時間に伴う自然放熱量の演算と、給湯により貯湯タンクから使用した使用熱量の演算と、ヒートポンプユニットの動作による加算熱量の演算と、「加算熱量−使用熱量−自然放熱量」による貯湯タンクの蓄熱量の演算を行うタンク蓄熱量演算手段と、上記タンク蓄熱量演算手段により演算されたタンク蓄熱量に応じてヒートポンプユニットを作動制御するヒートポンプ制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、上記制御装置には、環境温度に応じて、貯湯タンクの最上部から最下部まで一定間隔での位置別における湯温が蓄熱量から一意に定まる関係式や対応表からなる温度分布特性データベースを記憶させておき、上記ヒートポンプ制御手段は、タンク蓄熱量演算手段により求められたタンク蓄熱量と上記温度分布特性データベースとから想定される貯湯タンク内の温度分布を加味してヒートポンプユニットの作動制御を行うようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンク内に複数のサーミスタ等の湯温検出手段を設けて温度分布を実測することなく、タンク蓄熱量演算手段が演算により求めた「ヒートポンプユニットによる加算熱量」と「給湯による使用熱量」と「放熱測定データベースを用いて求めた自然放熱量」とからタンク蓄熱量を求めることができ、この演算により求まったタンク蓄熱量によりヒートポンプ制御手段がヒートポンプユニットの動作制御を行うので、無駄な湯温検出手段を設ける必要がない。
【００１１】
また、請求項２に係る貯湯式給湯装置によれば、温度分布特性データベースを用いることにより、タンク蓄熱量演算手段により求められたタンク蓄熱量と温度分布特性データベースとから想定される貯湯タンク内の温度分布を加味して、ヒートポンプ制御手段がヒートポンプユニットの作動制御を行うので、一層好適な制御を期せる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の望ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る貯湯式給湯装置の一実施形態の概略構成を示す図である。
【００１３】
図中、１は耐食性に優れた金属製（例えば、ステンレス製）の貯湯タンクであり、外周部に図示しない断熱材が配置されており、高温の給湯用水を長時間に亘って保温できるようになっている。
【００１４】
上記貯湯タンク１は、例えば縦長の円筒形状であり、その底面には導入口１１が設けられており、この導入口１１には貯湯タンク１内の最下部に水道水を導入する給水配管である導入管１５が接続されている。
【００１５】
上記導入管１５には、温度検出手段である給水サーミスタ２１が設けられており、導入管１５内の温度情報を制御装置３（後に詳述）に出力するようになっている。そして、導入管１５の給水サーミスタ２１が設けられた位置より下流側と混合弁１６（後に詳述）とは、バイパス経路である配管により繋がれている。
【００１６】
一方、貯湯タンク１の最上部には導出口１３が設けられ、この導出口１３には貯湯タンク１内の湯を導出するための給湯経路である導出管１４が接続されている。
【００１７】
上記混合弁１６は、開口面積比を調節することにより、導出管１４から供給される湯と、配管１５から供給される水道水との混合比を調節できるようになっている。なお、この混合弁１６は、サーボモータ等の駆動源により弁体を駆動して各経路の開度を調節する電動弁であり、制御装置３からの制御信号により作動すると共に、作動状態を制御装置３に出力するようになっている。
【００１８】
上記混合弁１６の出口側には蛇口、シャワー、風呂等への混合湯経路である配管１７が接続されている。この配管１７には、温度検出手段である給湯サーミスタ７１と給湯量検出手段である流量カウンタ７２が設けられており、給湯サーミスタ７１は配管１７内の温度情報を、流量カウンタ７２は配管１７内の流量情報を、夫々制御装置３へ出力するようになっている。
【００１９】
貯湯タンク１の下部には、貯湯タンク１内の最下部の水を吸入するための吸入口１８が設けられ、貯湯タンク１の上部には、貯湯タンク１内の最上部に湯を吐出する吐出口１９が設けられている。これら、吸入口１８と吐出口１９とは循環回路２０で接続されており、三方弁２３で分岐させ、吐出口１９に接続される分岐配管２０′に接続させたり、循環回路２０の往路と復路を還流させるように切り替えたりできる。また、循環回路２０の一部はヒートポンプユニット２内に配置されている。
【００２０】
上記循環回路２０のヒートポンプユニット２内に配置された部分には、図示しない熱交換器が設けられており、吸入口１８から吸入した貯湯タンク１内の水を高温の二酸化炭素冷媒との熱交換により加熱し、吐出口１９から貯湯タンク１内に戻すことにより、貯湯タンク１内の水を沸き上げることができるようになっている。なお、上述したように、ヒートポンプユニット２の熱交換器に自然冷媒である二酸化炭素を採用した場合、超臨界域を用いることで圧縮機からの冷媒吐出温度を高くすることができ、フロン冷媒等を採用した場合よりも高温の湯（例えば、９０゜程度）を効率よく沸き上げることが可能となる。
【００２１】
上記ヒートポンプユニット２は、制御装置３からの制御信号により作動すると共に、その作動状態を制御装置３に出力するようになっている。
【００２２】
また、貯湯タンク１の外壁面には、タンク上面の導入口１３付近にタンク上部サーミスタ３１を、タンク底面の導入口１１付近にタンク下部サーミスタ３２を各々配置し、貯湯タンク１内に満たされた水の温度情報を制御装置３へ出力するようにしてある。
【００２３】
また、制御装置３は、各サーミスタ２１，３１，３２，７１からの温度情報、流量カウンタ７２からの流量情報、および操作パネル４に設けられた操作スイッチからの信号等に基づいて、ヒートポンプユニット２のＯＮ／ＯＦＦや混合弁１６の開口制御を行う。
【００２４】
なお、操作パネル４は、浴室内や台所等の屋内に設置され、貯湯タンク１およびヒートポンプユニット２は屋外等の適所に設置される。なお、制御装置３は、操作パネル４の近傍に設けても良いし、貯湯タンク１やヒートポンプユニット２の近傍に設けても良い。
【００２５】
次に、制御装置３の詳細な構成と、その制御による貯湯式給湯装置の動作を説明する。
【００２６】
貯湯式給湯装置の図示しない電源スイッチがＯＮされている場合、制御装置３は貯湯タンク１に設けられた各サーミスタ３１，３２からの温度情報や操作パネル４により設定された時刻情報等に基づいて、ヒートポンプユニット２を作動させ、貯湯タンク１内の水を加熱して高温の湯（例えば、９０゜の湯）とする。この加熱制御を行うのが、ヒートポンプ制御手段３ａである。
また、ヒートポンプユニット２は、熱交換器を通過する水量を計測する流量カウンタを備えており、この流量カウンタの計測情報は制御装置３へ送信される。そして、ヒートポンプユニット２における熱交換器によって加熱される単位水量当たりの加熱量が既知であれば、「単位加熱量×熱交換器の流量」から、ヒートポンプユニット２による加算熱量を求めることができる。なお、この演算処理は、タンク蓄熱量演算手段３ｂが行う。
【００２７】
更に、ヒートポンプユニット２には、外気の温度を検出する外気温サーミスタ２２を設けてあり、気温低下による循環回路２０の凍結を防止するために、外気温サーミスタ２２の温度情報が規定値以下になった場合、制御装置３が、バイパス三方弁２３を分岐は移管２０′側から吸入口１８側に切り替えると共にヒートポンプユニット２を動作させる凍結防止運転を行う。
【００２８】
また、作製した貯湯式給湯装置に固有の放熱特性情報として、外気温サーミスタ２２の検出温度で単位時間当りのタンク放熱量が一意に定まる関係式や対応表のデータベースを予め作成し、この放熱特性データベースを制御装置３のデータベース記憶手段３ｃに記憶させておけば、「外気温に対応した単位時間当りのタンク放熱量×外気温の継続時間」として、貯湯タンク１からの自然放熱量を求めることができる。なお、この演算処理も、タンク蓄熱量演算手段３ｂが行う。
【００２９】
上述した放熱特性データベースは、貯湯式給湯装置の試作・実験段階で、貯湯タンク１やヒートポンプユニット２を一定温度環境下におき、時間経過に伴うタンク放熱量の実測データを取得することにより、作成できる。
【００３０】
なお、貯湯式給湯装置の設置環境によっては、貯湯タンク１とヒートポンプユニット２の設置場所が離れてしまい、ヒートポンプユニット２に設けた外気温サーミスタ２２の検出温度を貯湯タンク１の設置場所の温度とみなして処理すると、実際のタンク放熱量と演算によるタンク放熱量とに大きな誤差が生ずるケースも考えられる。そのような場合には、ヒートポンプユニット２に設けた外気温サーミスタ２２とは別に、貯湯タンク１に直接もしくは近傍に外気温サーミスタを別途設け、この外気温サーミスタの検出情報を貯湯タンク１の放熱量の演算に用いるようにすれば良い。
【００３１】
また、流量カウンタ７２が配管１７内の水の流れを検出した時には、蛇口、シャワー、風呂等で湯が使用されようとしている時である。このとき、制御装置３は、給水サーミスタ２１、タンク上部サーミスタ３１および給湯サーミスタ７１からの温度情報に基づいて、操作パネル４からの設定温度に応じた適切な開口率となるように混合弁１６の弁の位置を調節する。
【００３２】
このように給湯を使用する際には、流量カウンタ７２により計測された流量と、給水サーミスタ２１および給湯サーミスタ７１からの温度情報により、「（給湯温度−給水温度）×使用流量」から、給湯による使用熱量を求めることができる。そして、給湯を使用する毎に、使用熱量を逐次求め、求めた使用熱量を積算して行くことで、貯湯タンク１からの消費熱量を求めることができる。なお、この使用熱量の演算処理および消費熱量の積算処理も、タンク蓄熱量演算手段３ｂが行う。
【００３３】
上述したように、制御装置３のタンク蓄熱量演算手段３ｂにより求めた３つのパラメータ（ヒートポンプユニット２による加算熱量，貯湯タンク１からの自然放熱量，貯湯タンク１からの消費熱量）を用いることで、貯湯タンク１におけるタンク蓄熱量を下式のように求めることができる。
【００３４】
タンク蓄熱量＝加算熱量−消費熱量−自然放熱量
【００３５】
なお、計測開始の基準時におけるタンク蓄熱量は、その時のタンク上部サーミスタ３１およびタンク下部サーミスタ３２の温度と貯湯タンク１の全容量から概算できる。そこで、計測開始の基準となる時のタンク蓄熱量を初期値とし、これ以後に給湯で消費された熱量や自然放熱により失った熱量を減算すると共にヒートポンプユニット２による加算熱量を随時加えて行けば、その時のタンク蓄熱量を求めることができる。
【００３６】
すなわち、本実施形態に係る貯湯式給湯装置においては、タンク上部サーミスタ３１とタンク下部サーミスタ３２の検出温度を用いて貯湯タンク１の蓄熱量を求めるのは、計測開始の基準となる初回時のみで良く、それ以後は、制御装置３のタンク蓄熱量演算手段３ｂによりタンク蓄熱量を随時求めることができ、操作パネル４で設定された温度での給湯制御を円滑に行うことが可能となる。
【００３７】
例えば、給湯時における給湯設定温度が、その時のタンク熱量から想定される給湯温度以下である場合、制御装置３は、まず混合弁１６を給水配管１５と給湯配管１７とを連通状態とすると共に導出管１４方向を遮断状態とし、次に給水サーミスタ２１の検出温度とタンク上部サーミスタ３１の検出温度とから混合弁１６の開口面積比を概略調節し、その後、給湯サーミスタ７１からの温度情報に基づいて給湯温度が設定温度となるように混合弁１６の開口面積比を微調整し、設定温度で出湯が行えるようにする。
【００３８】
一方、給湯時における給湯設定温度が、その時のタンク熱量から想定される給湯温度よりも高かった場合、制御装置３は、ヒートポンプユニット２を作動させて貯湯タンク１上部の吐出口１９から高温の湯を供給させて、導出口１３から導出管１４へ高温の湯が導出されるようにする。このように、貯湯タンク１から混合弁１６へ供給される湯が設定温度以上の湯となっていれば、給湯時における給湯設定温度がタンク熱量から想定される給湯温度以下の場合と同様の制御を制御装置３が行うことにより、設定温度での出湯が可能となる。
【００３９】
なお、本実施形態に係る貯湯式給湯装置の制御装置が制御に用いるタンク蓄熱量から給湯温度を想定する手法は特に限定されるものではなく、例えば、単純に貯湯タンク１の貯水容積から概算できるタンク内の平均湯温を用いても良い。
【００４０】
しかしながら、実際には貯湯タンク１の上部と下部とで湯温差が生じているため、貯湯タンク１の上部に実際に貯まっている湯の温度が、ヒートポンプユニット２を動作させることなく設定温度の給湯が可能なぐらい十分に高温の場合でも、貯湯タンク１内の平均湯温が給湯温度に満たなければ、制御装置３は設定温度での給湯ができないと判断してヒートポンプユニット２を作動させることとなる。そして、貯湯タンク１内の湯温が高い時ほど自然放熱量が多くなるので、過剰にヒートポンプユニット２を作動させると、経済効率が悪くなる可能性がある。
【００４１】
かといって、貯湯タンク１の上部の実際の湯温を検出できるタンク上部センサ３１の検出情報から制御装置３がヒートポンプユニット２の動作制御を行うようにしても、問題が生ずる。例えば、タンク蓄熱量から想定される給湯温度が設定温度以下でも、タンク上部センサ３１の検出温度が給湯の設定温度以上であるため、制御装置３がヒートポンプユニット２を作動させずに給湯制御を行った場合、給湯中に設定温度を維持できなくなって、一時的に湯温が低下してしまう可能性もあり、給湯装置としての信頼性を損なうことになり兼ねない。
【００４２】
そこで、作製した貯湯式給湯装置における貯湯タンク１内の湯全体における温度分布が時間経過とともに放熱される推移を温度分布特性情報として、外気温サーミスタ２２の検出温度に応じて、貯湯タンク１の最上部から最下部まで一定間隔での位置別における湯温が蓄熱量から一意に定まる関係式や対応表のデータベースを予め作成し、この温度分布特性データベースを制御装置３のデータベース記憶手段３ｃに記憶させておけば、貯湯タンク１の蓄熱量から時間経過に伴う自然放熱による湯温低下に際しての温度分布を制御装置３で予測することが可能となるので、給湯中に設定温度を維持できなくなる事態が生ずることを未然に判断し、ヒートポンプユニット２を作動させるような制御に供することができる。
【００４３】
上述した温度分布特性データベースは、貯湯式給湯装置の試作・実験段階で、貯湯タンク１の最上部から最下部まで一定間隔で温度サーミスタを設けて一定温度環境下におき、貯湯タンク１に貯めた湯の蓄熱量を様々に変えて、夫々の蓄熱量毎に時間経過に伴う温度分布推移の実測データを取得することにより、作成できる。
【００４４】
上述したように、出湯に際しての統括的な制御を行う制御装置３による蓄熱の運用動作は特に限定されるものではないが、例えば、電気料金が安価な深夜時間帯において、現在の蓄熱量から深夜時間帯終了までに加熱させる目標加熱量（例えば、装置性能から想定される当該貯湯タンク１の最高蓄熱量を予め記憶しておき、この最高蓄熱量から現在の蓄熱量を減じた値、すなわち、再構築熱量とするのに必要な加熱量）を算出し、この目標加熱量が実現できるようにヒートポンプユニット２を作動させ、貯湯タンク１内の水を沸き上げ、深夜時間帯のうちに十分な蓄熱量を確保するようにしても良い。
【００４５】
また、制御装置３のタンク蓄熱量演算手段３ｂで演算により求めた蓄熱量にはどうしても誤差が混入するため、装置の運用時間が長くなるにつれて実際の値と演算値との開きが大きくなる可能性があることから、適宜なタイミングでリセットをかけるようにしても良い。例えば、毎日、深夜時間帯の終了時にタンク上部サーミスタ３１とタンク下部サーミスタ３２の計測温度から貯湯タンク１の蓄熱量を求めて初期値とし、その後、昼間を経て次の深夜時間帯が終了するまで演算による蓄熱量を用いた制御を行うようにしても良い。無論、週毎や月毎にリセットするようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る貯湯式給湯装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    貯湯タンク
２    ヒートポンプユニット
３    制御装置
３ａ  ヒートポンプ制御手段
３ｂ  タンク蓄熱量演算手段
３ｃ  データベース記憶手段
４    操作パネル
１１    導入口
１３    導出口
１４    導出管
１５    給水配管
１６    混合弁
１７    給湯配管
１８    吸入口
１９    吐出口
２０    循環回路
２０′  分岐配管
２１    給水サーミスタ
２２    外気温サーミスタ
２３    バイパス三方弁
３１    タンク上部サーミスタ
３２    タンク下部サーミスタ
７１    給湯サーミスタ
７２    流量カウンタ
【図１】
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