(57)【要約】【課題】  ヒートポンプユニットにより加熱した湯を貯湯タンクに貯蔵するに加え、燃料電池に熱交換器を結合し、それにより沸き上げた湯も貯湯タンク内に環流する貯湯式給湯装置において、熱交換器出力の湯によるタンク内の湯の不都合な攪拌を防ぐ構成を提供する。【解決手段】  貯湯タンク10内の下部から導出した水を加熱して高温の湯とし、貯湯タンク上部に環流する電力稼働型のヒートポンプユニット12と、燃料電池31の排熱により貯湯タンク下部から導出した水を燃料電池ユニットに結合した熱交換器33にて加熱する貯湯式給湯装置において、当該熱交換器33にて加熱された湯を貯湯タンク10の上部と下部の間の高さ方向中腹部Pcに環流する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯湯タンク内の下部から導出した水を加熱して高温の湯とし、貯湯タンク上部に環流する電力稼働型のヒートポンプユニットと、燃料電池の排熱により貯湯タンク下部から導出した水を燃料電池ユニットに結合した熱交換器にて加熱する貯湯式給湯装置において；
上記熱交換器にて加熱された湯を上記貯湯タンクの上部と下部の間の高さ方向中腹部に環流すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置であって、
昼間に上記燃料電池から発生した排熱による上記貯湯タンクの湯の一日当たりの平均温度上昇値及び温度上昇値標準偏差と、一日当たりの平均給湯使用量及び給湯使用量標準偏差とに基き、上記ヒートポンプユニットに求められる必要最低加熱量の演算を行い、該演算値を満たすように該ヒートポンプユニットの作動を制御する制御装置を有すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力によってヒートポンプを稼動させ、制御装置により指令された目標蓄熱量になるまで給水を加熱して貯湯タンク内に貯め置く貯湯式給湯装置に関し、特に、燃料電池が配設された家屋において当該燃料電池の発する排熱をも効率良く利用するための改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今では既に、発電効率が高く、他の発電装置に比べ小型化を図り易いという理由で、燃料電池が家庭用の発電装置として利用され始めている。一般に燃料電池は都市ガスなどを燃料とし、燃料中の水素と空気中の酸素を化学反応させ発電を行う。こうした燃料電池では発電の際に、また燃料から水素を取り出す際に熱を発生する。そこで、それによる機器の効率低下を避けるべく、燃料電池には何らかの排熱手段を賦与する必要がある。
【０００３】
そこで従来からも、下記特許文献１等に認められるように、この要請を逆に合理的に活用するため、排熱手段として燃料電池に熱交換器を結合し、それにより沸き上げた湯を貯湯式給湯装置の貯湯タンクの頂部から貯湯タンク内に環流し、もってヒートポンプユニットの稼働電力を低減させようとした技術がある。
【特許文献１】特開2005-76934号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この従来例に認められるように、熱交換器の出力する湯を無条件に貯湯タンクの頂部に環流する方式では、実際上、以下に述べる理由により、種々の問題を生ずることが多い。
【０００５】
一般に貯湯タンク内の温度は湯と水の比重差により、タンク内上部部分の湯の温度は高く、下部部分の湯の温度は低くなっている。換言すれば、使用者の所望する温度の湯を出力するにも貯湯タンク内の全体が高温の湯になっている必要は無く、上部のみが十分高くなっていれば良く、その上部から出湯を行えば十分である。そうしたこともあり、また、タンク内の湯の攪拌を極力抑えるべく、ヒートポンプにて加熱された湯はタンク上部からタンク内に注湯される。
【０００６】
しかし、燃料電池の排熱で熱交換器を介し加熱されて貯湯タンクに環流される湯の温度は、貯湯タンク内に蓄えられている湯の温度よりはかなり低いのが一般的である。そのため、ヒートポンプユニットからの湯と同様に、熱交換器の出力する湯もタンク頂部から環流、注湯すると、タンク内の湯が大きく攪拌される問題があり、貯湯タンク内上部の湯温が不満足に低下したり、例え昼間であっても無駄にヒートポンプユニットを稼働させてしまうこともあった。
【０００７】
つまり、ヒートポンプユニットは電気使用料金の低減を行うため、昼間にヒートポンプユニットを作動させることはなるべくないようにし、電力使用料金の安い深夜電力時間帯作動させるように図られているのが普通であるが、にも拘わらず、この目論見が外れることがあった。
【０００８】
また、ヒートポンプユニットの稼働自体に関しても、従前の装置ではその必要加熱量，必要加熱時間に関し、燃料電池の排熱による貯湯タンクの湯の加熱分は考慮しておらず、単に一日当たりの湯の使用量に基づいてのみ加熱していたため、貯湯タンク内の湯を必要以上に加熱してしまうことも往々にしてあった。
【０００９】
本発明は従来例の持つ斯様な欠点の解消を目的としてなされたものであり、まずもって上述した熱交換器出力の湯によるタンク内の湯の不都合な攪拌を防ぐ構成を提供し、その上で、望ましくはさらに、ヒートポンプの無駄な稼働を抑えんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するため、
貯湯タンク内の下部から導出した水を加熱して高温の湯とし、貯湯タンク上部に環流する電力稼働型のヒートポンプユニットと、燃料電池の排熱により貯湯タンク下部から導出した水を燃料電池ユニットに結合した熱交換器にて加熱する貯湯式給湯装置において；
当該熱交換器にて加熱された湯を貯湯タンクの上部と下部の間の高さ方向中腹部に環流すること；
を特徴とする貯湯式給湯装置を提案する。
【００１１】
さらに、本発明の望ましい下位態様としては、上記構成を満足した上で、昼間に燃料電池から発生した排熱による貯湯タンクの湯の一日当たりの平均温度上昇値及び温度上昇値標準偏差と、一日当たりの平均給湯使用量及び給湯使用量標準偏差とに基き、ヒートポンプユニットに求められる必要最低加熱量の演算を行い、当該演算値を満たすようにヒートポンプユニットの作動を制御する制御装置を有する貯湯式給湯装置も提案する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱交換器にて加熱された湯を貯湯タンクの上部と下部の間の高さ方向中腹部に環流するので、環流されてくる湯と貯湯タンク内に蓄えられている湯の温度の差による貯湯タンク内での湯の攪拌を抑えることができ、貯湯タンク上部の湯の温度低下を防ぎ、結局はヒートポンプユニットにおける無駄な電力消費を抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の望ましい下位態様に依れば、昼間に燃料電池から発生した排熱による貯湯タンクの加熱分をも考慮してヒートポンプユニットの作動を制御できるので、主として深夜電力で稼働するように設定されているヒートポンプユニットの当該稼働時間帯においてその加熱量（稼働時間）を最低限にでき、無駄な電力消費を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１には本発明を適用可能な貯湯式給湯装置の一構成例が示されている。貯湯タンク10は通常、耐食性に優れた金属製（例えばステンレス製）で、外周部に図示しない断熱材が配置され、高温の給湯用水を長時間に亘って保温可能となっている。形状は一般に縦長形状であり、その底面に設けられた導入口から給水配管11を介して給水（一般に水道水）Wfを受ける。
【００１５】
貯湯タンク10に蓄えられた水は貯湯タンク下部から抜き出され、送給配管13を介して電力稼働型のヒートポンプユニット12に送られ、そこで既存のメカニズムにより加熱された後、ヒートポンプユニット12からのヒートポンプ出力配管14を介して貯湯タンク10の上部に環流され、貯湯タンク10内に貯蔵される。
【００１６】
貯湯タンク10の内部に蓄えられて上部で高温となっている湯は貯湯タンク10の上部からタンク出力配管16を介して取り出され、給湯混合弁17に送られる。給湯混合弁17にはバイパス配管18を介して給水Wfも供給されており、昨今ではマイクロコンピュータを含んで構成できる制御装置15の指示により、その時々の使用者の要求する設定温度となるように実際の給湯温度を調整すべく給湯混合弁17の混合比が制御され、調温された湯が給湯配管19を介して蛇口、シャワー、風呂等の出湯口20を介して出力され、使用者に供給される。
【００１７】
もちろん、給湯混合弁17の各経路の弁開度を調整するには種々の温度情報や実際の流量情報が必要であるので、本図には示していないが給水配管11にはサーミスタ等で構成された給水温度検出手段が設けられており、その温度情報は制御装置15に出力される。また、給湯配管19にはこれも図示していないがサーミスタ等で構成できる出湯温度検出手段が設けられ、その温度情報は制御装置15に送られる外、いわゆる流量カウンタで構成できる出湯量検出手段21からの流量情報も制御装置15に送られる。
【００１８】
さらに、一般には貯湯タンク11の外壁面には複数の（本実施形態では七つの）水位サーミスタが縦方向（貯湯タンク11の高さ方向）にほぼ等間隔に配置されてタンク内湯温監視装置22を構成しており、貯湯タンク11内に満たされた水（湯）の各水位レベルでの温度情報を制御装置15に出力するようにもなっている。従って制御装置15は、各水位サーミスタからの温度情報に基づき、貯湯タンク11内上方の沸き上げられた湯と貯湯タンク11内下方の沸き上げられる前の水との境界位置も要すれば検出できるし、これらの水位サーミスタの中、最上部に設けられている水位サーミスタ22a は、貯湯タンク10から外部に向けて出力される湯の温度である貯湯タンク11内最上部近傍の水温（湯温）を検出するタンク出力湯温検出センサの機能も有している。なお、一般にはこの他、暖房用の配管系等も接続されるが、本発明には直接の関係はないためにこれらは省略する。
【００１９】
制御装置15は、これまで述べてきた各サーミスタや流量カウンタからの出湯流量情報に加え、場合によってはヒートポンプユニット12等に備えられている外気温検出手段である外気温サーミスタ（図示せず）からの情報も受け、また、台所とか風呂場内に設けられたリモートコントローラユニット（図示せず）等の操作盤（図示せず）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12や給湯混合弁17を制御するように構成されている。
【００２０】
制御装置15の最も基本的な機能は、出湯量検出手段21が給湯配管19内の水(湯)の流れを検出すると、それは出湯口20を介して使用者が湯が使用し始めたと言うことであるので、既に述べたように、この状態が満たされるときにはそのときの使用者が設定した設定温度に応じ、既述した各温度情報に基づき、給湯混合弁17の開口面積比制御を行ない、設定温度になるべく近い温度の湯が出湯口20から出湯されるように図ることにある。
【００２１】
一方で、本貯湯式給湯装置には、例えば燃料としてガスGsの供給される燃料電池ユニット31も連携しており、発生した電力Ewは、模式的にコンセント記号で示すように適当な電力出力端末32を介し、使用者の用に供される。この燃料電池ユニット31には発電に伴って発生する熱を排熱（吸収）するために熱交換器33が組み込まれており、この熱交換器33には貯湯タンク10の下部から導出配管34を介して相対的に低温の水(湯)が供給される。
【００２２】
熱交換器33にて加熱された湯は熱交換器出力配管35を介して貯湯タンク10内に環流されるが、その環流する位置が重要で、本発明では貯湯タンク10の上部と下部の間の高さ方向における中腹部の位置Pcにおいて環流するようにしている。
【００２３】
このようにすることにより、従来のように貯湯タンク10の上部（頂部）に環流していた場合には問題となっていた、環流してくる湯と貯湯タンク10内に蓄えられていた湯の温度差による貯湯タンク10内の湯の攪拌を抑えることができ、給湯配管19に連なる湯の温度低下を抑えることが出来るため、制御が安定する外、結局はヒートポンプの無駄な稼働を抑えることができる。
【００２４】
なお、中腹部位置Pcの設定は、工場出庫前の状態において、経験的に標準的な使用状態を基に最適と思われる部位に決めることができる。
【００２５】
このような本発明の優れた構成に加えて、望ましくは下記のような構成も提案できる。説明すると、燃料電池ユニット31による発電は昼間でも実施されており、従って貯湯タンク10内の湯温は加熱され続けていることになる。従来はこれによる温度上昇分を考慮することがなく、そのために深夜電力におけるヒートポンプユニット12の稼働にも無駄な電力を消費してしまうことがあった。
【００２６】
そこで、こうした問題を解決するためには、昼間に燃料電池ユニット31の排熱での貯湯タンク10内の湯温上昇をタンク内湯温監視装置22にて測定し、これを制御装置15に伝達して一日当たりの平均温度上昇値及び温度上昇値標準偏差を演算させ、記憶させておく。また、出湯量検出手段21を介して一日当たりの給湯量を測定し、これも制御装置15に伝達して一日当たりの平均給湯使用量及び給湯使用量標準偏差を演算させ、記憶させておく。
【００２７】
その上で、燃料電池ユニット31による平均温度上昇値及び温度上昇値標準偏差と、給湯量監視装置９にて監視される平均給湯使用量及び給湯使用量標準偏差とに基づいて演算を行えば、貯湯タンク内の目標蓄熱量を満たすために必要な、ヒートポンプユニット12による沸増しのための必要最低加熱量を無駄なく算出することができるので、これに基づき当該演算値を満たすようにヒートポンプの作動を制御すれば、合理的な結果が得られる。例えば制御装置15がヒートポンプユニット12を必要最低量の沸き増しだけで停止させることができるので、深夜時間帯のヒートポンプ12の作動時間を合理的に低減し、電力消費を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る貯湯式給湯装置の一実施形態の概略構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
10  貯湯タンク
12  ヒートポンプユニット
15  制御装置
17  給湯混合弁
20  出湯口
21  出湯量検出手段
22  タンク内湯温監視装置
31  燃料電池ユニット
33  熱交換器
Pc  貯湯タンク中腹部位置
【図１】
2007132539.tif 000003