(57)【要約】【課題】  ヒートポンプ給湯装置において、深夜時間帯の貯湯タンク沸き上げ時のエネルギ効率を高くすると共に、電力需要の平準化を図る。【解決手段】  ヒートポンプと、該ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯装置において、外気温度を用いて加熱能力を設定する設定手段と、深夜時間帯に前記設定手段で設定した加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させるだけでは前記深夜時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記加熱能力の最小値より高い加熱能力で前記ヒートポンプを運転させるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。【選択図】図２
2009162458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプと、
該ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクと
を備えたヒートポンプ給湯装置において、
外気温度を用いて加熱能力を設定する設定手段と、
深夜時間帯に前記ヒートポンプのエネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力で前記ヒートポンプを優先的に運転させる制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記ヒートポンプのエネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力で前記ヒートポンプを優先的に運転させるだけでは前記深夜時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記エネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力より高い加熱能力で前記ヒートポンプを運転させるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項２】
ヒートポンプと、
該ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクと
を備えたヒートポンプ給湯装置において、
外気温度を用いて加熱能力を設定する設定手段と、
深夜時間帯に前記設定手段で設定した加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させる制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させるだけでは前記深夜時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記加熱能力の最小値より高い加熱能力で前記ヒートポンプを運転させるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項３】
請求項２において、前記制御手段は、前記加熱能力の最小値を前記エネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力に設定する設定手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項４】
請求項２において、前記制御手段は、前記加熱能力の最小値を前記エネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力より大きい加熱能力に設定する設定手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項５】
請求項２において、前記加熱能力の最小値は前記加熱能力の最大値の５０〜８０％に設定されていることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項６】
請求項２において、前記制御装置は、深夜時間帯の前半部で、深夜時間帯の全沸き上げ熱量の半分以上を沸き上げるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
ヒートポンプと、
該ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクと
を備えたヒートポンプ給湯装置において、
外気温度を用いて加熱能力を設定する設定手段と、
深夜時間帯のうちの所定時間帯に前記ヒートポンプのエネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力で前記ヒートポンプを優先的に運転させる制御手段と、
前記ヒートポンプのエネルギ効率が実質的に最高となる運転だけでは前記所定時間帯に沸き上げを完了できない場合に、エネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力よりも高い加熱能力で前記ヒートポンプを運転させる制御手段と、
前記設定手段で設定した加熱能力の最大値で運転しても前記所定時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記深夜時間帯にも前記ヒートポンプを運転させる制御手段と
を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項８】
請求項７において、前記所定時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記深夜時間帯に、エネルギ効率が実質的に最高となる前記加熱能力よりも大きな加熱能力で前記ヒートポンプを運転させる制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項９】
請求項７において、前記所定時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記深夜時間帯に、最大加熱能力で前記ヒートポンプを運転させる制御手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れかにおいて、前記ヒートポンプの加熱能力を深夜時間帯内の一定時間毎に設定する設定手段を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項１１】
請求項１乃至９の何れかにおいて、貯湯タンク制御部と、該貯湯タンク制御部から加熱能力の指令が送信されるヒートポンプ制御部とを備えることを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【請求項１２】
請求項１乃至９の何れかにおいて、前記ヒートポンプの冷媒に二酸化炭素を使用したことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いて貯湯タンクの水を加熱するようにしたヒートポンプ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気料金が安い深夜時間帯に沸き上げる貯湯式のヒートポンプ給湯装置の例として特許文献１に記載のものがある。深夜時間帯に沸き上げ、かつ、放熱ロスの低減を図るため、必要沸き上げ熱量とヒートポンプの一定の加熱能力に基づいて、必要沸き上げ時間を算出し、深夜時間帯終了時刻からこの必要沸き上げ時間を引いた時刻を沸き上げ開始時刻に設定し、深夜時間帯の後半に沸き上げ運転をシフトしている。
【０００３】
他の沸き上げ制御手段を備えるヒートポンプ給湯装置の例としては特許文献２に記載のものがある。これは、（必要な熱量／貯湯時間）でインバータヒートポンプの加熱能力を算出し、加熱能力と周波数の関係を示すグラフから、対応する周波数を求める。インバータヒートポンプは低い周波数で運転する方が高い周波数で運転するよりも効率が高い特性がある。したがって、一定の出力で貯湯する場合に比較して、貯湯を高効率に行うことができる。
【０００４】
また、特許文献３には小容量の貯湯槽をもつヒートポンプ給湯装置の例が記載されている。これは、主に夜間にヒートポンプサイクルを駆動して貯湯槽に湯を貯め、昼間も適宜ヒートポンプサイクルを駆動して貯湯槽に湯を貯めるもので、湯切れの心配がある場合は、ヒートポンプサイクルの加熱能力を高める運転を優先して湯切れを防止し、湯切れの心配がない場合には、ヒートポンプサイクルの運転効率を優先した運転を行い、湯切れを防止すると共に運転効率を高めている。そして、時間帯タイマにより、１日を通じて最も湯を必要とする時間帯（１６〜２２時）には、湯切れを防止するため加熱能力を優先し、その他の時間帯においては運転効率を優先している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４７１７１号公報
【特許文献２】特開平９−６８３６９号公報
【特許文献３】特開２００５−１２７５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載のヒートポンプ給湯装置では、深夜時間帯の外気温度の変化に対するヒートポンプのエネルギ効率の影響は考慮されていない。ヒートポンプは外気温度が高いほど、ヒートポンプの消費電力に対する水加熱能力の比率であるＣＯＰ、いわゆるエネルギ効率が高くなる特性がある。深夜時間帯を、例えば午後１１時〜午前７時とすると、深夜時間帯開始時刻である午後１１時から深夜時間帯終了時刻である午前７時にかけて、外気温が略下降する変化を示す。したがって、深夜時間帯の後半に沸き上げ運転をシフトすることにより、外気温度が低くなる深夜時間帯でヒートポンプを運転するため、エネルギ効率（ＣＯＰ）が低くなるという課題があった。
【０００７】
また、特許文献２に記載のヒートポンプ給湯装置においては、運転するヒートポンプの周波数は、（必要な熱量／貯湯時間）で算出される加熱能力と周波数との関係を示すグラフから決定されている。ヒートポンプのＣＯＰは、圧縮機効率が一定、又は周波数の低下に伴う圧縮機効率の低下が小さければ、特許文献２に記載のヒートポンプ給湯装置のように低い周波数で運転する方が高い周波数で運転するよりもエネルギ効率は高くなる。
【０００８】
ところで、近年商品化されているヒートポンプ給湯装置の冷媒として、二酸化炭素が使用されている。二酸化炭素はフルオロカーボンに対して、高低圧の差圧が３倍、シリンダ容積が１／３、吐出圧が３倍程度になる（ヒートポンプ・蓄熱センター編「ノンフロン技術」ｐ．５０、オーム社、平成１６年２月１日発行）。このように、冷媒として二酸化炭素を使用する圧縮機は、フルオロカーボンに対して高低圧の差圧が３倍と高いことから、圧縮機の周波数の低下に伴い、圧縮室の漏れの影響が大きくなり、圧縮機効率の低下が大きくなる。したがって、二酸化炭素を冷媒として使用したヒートポンプ給湯装置は、周波数が低いほどエネルギ効率が高くならず、エネルギ効率が最高となる周波数が存在する。即ち、特許文献のものには、エネルギ効率が最高となる周波数が存在する場合の沸き上げ制御手段について考慮されていない。
【０００９】
また、特許文献３に記載のヒートポンプ給湯装置では、加熱能力を優先した運転と運転効率を優先した運転を切り替えるようにしているが、深夜時間帯における運転の切り替えの制御手段については考慮されていない。
【００１０】
本発明の目的は、高いエネルギ効率を維持することができ、且つ電力需要の平準化にも寄与することが可能なヒートポンプ給湯装置を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、ヒートポンプと、該ヒートポンプで加熱された水を貯湯する貯湯タンクとを備えたヒートポンプ給湯装置において、外気温度を用いて加熱能力を設定する設定手段と、深夜時間帯に前記設定手段で設定した加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させる制御手段とを備え、前記制御手段は、前記加熱能力の最小値で前記ヒートポンプを優先的に運転させるだけでは前記深夜時間帯に沸き上げを完了できない場合に、前記加熱能力の最小値より高い加熱能力で前記ヒートポンプを運転させるように制御することを特徴とするヒートポンプ給湯装置とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電気料金の安い深夜時間帯のうち、電力需要量の少ない所定時間帯にエネルギ効率が実質的に最高となる加熱能力でヒートポンプを運転する制御を優先しているので、タンク沸き上げ時のエネルギ効率を高くできると共に、電力需要の平準化に寄与できるヒートポンプ給湯装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るヒートポンプ給湯装置の実施例１を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、ヒートポンプ給湯装置１００の系統図である。
【００１５】
ヒートポンプ給湯装置１００は貯湯タンクユニット１とヒートポンプユニット２とを備えている。貯湯タンクユニット１は、貯湯タンク１１と、この貯湯タンク１１上部に接続された出湯管１２と、貯湯タンク１１下部に接続された給水管１３と、この給水管１３の他方に接続され、装置外部の上水道と接続される給水金具１４と、この給水金具１４から取り込んだ上水を適正な水圧に調整する減圧弁１５と、出湯管１２からの高温水と給水管１３から分岐された給水分岐管１６からの低温水とを混合する給湯混合弁１７と、一方が前記給湯混合弁１７の下流に接続され、他方を装置外部の給湯端末と接続される給湯金具２０と、その間に給湯流量センサ１９を含む給湯管１８とを備える。
【００１６】
また、貯湯タンク１１は、貯湯タンク１１下部に接続され、他方をヒートポンプユニット２と接続されるヒートポンプ往き管２１と、貯湯タンク１１上部に接続され、他方をヒートポンプユニット２と接続されるヒートポンプ戻り管２２とを備え、貯湯タンク１１内の湯水をヒートポンプユニット２を介して循環可能に構成している。
【００１７】
貯湯タンク１１側面に設けられた複数のタンク温度センサ３０，給水管１３に設けられた給水温度センサ３１，給湯管１８に設けられた給湯温度センサ３２は各部の温度を検知し、貯湯タンク制御部２３は後述のヒートポンプ制御部５８，リモコン（図示せず）との通信を行うと共に貯湯タンクユニット１の制御を行う。
【００１８】
ヒートポンプユニット２のヒートポンプ回路３は、冷媒を圧縮して高温の冷媒とする圧縮機５１、この圧縮機５１で圧縮され高温となった冷媒と貯湯タンクユニット１から供給された水とを熱交換する水冷媒熱交換器５２、この水冷媒熱交換器５２を出た冷媒を減圧する膨張弁５３、膨張弁５３を出た低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器５４を冷媒管路で接続して構成されている。冷媒を二酸化炭素として、高温の湯を沸き上げ可能としている。
【００１９】
圧縮機５１は、インバータ制御により容量制御が可能で、低速から高速まで回転速度が可変である。蒸発器５４は空気冷媒熱交換器であり、室外ファン５５により室外の大量の空気と減圧された冷媒とを熱交換させる。
【００２０】
水冷媒熱交換器５２は、冷媒側伝熱管５２ａと水側伝熱管５２ｂとを有しており、冷媒側伝熱管５２ａの冷媒の流れと水側伝熱管５２ｂの水の流れとは対向流になっている。そして、高温高圧の冷媒と低温の水とが熱交換する。即ち、水冷媒熱交換器５２の入口（図中では水冷媒熱交換器５２の下側）で低温であった水が水側伝熱管５２ｂを通過する際に徐々に加熱され、水冷媒熱交換器５２の出口（図中では水冷媒熱交換器５２の上側）で、後述するヒートポンプ制御部５８により設定された所定の温度に昇温される。
【００２１】
水冷媒熱交換器５２の水側伝熱管５２ｂの入口側と前述のヒートポンプ往き管２１とが接続され、管路途中に容量制御が可能なタンク循環ポンプ５６，水冷媒熱交換器水流量センサ５７が配置されている。また、水側伝熱管５２ｂの出口側と前述のヒートポンプ戻り管２２とが接続されている。
【００２２】
圧縮機５１出口側の冷媒管に設けられた圧縮機吐出温度センサ３５，蒸発器５４の空気入口側に設けられた外気温度センサ３６，ヒートポンプ往き管２１に設けられた水冷媒熱交換器水入口温度センサ３７、及びヒートポンプ戻り管２２に設けられた水冷媒熱交換器水出口温度センサ３８は各部の温度を検知し、ヒートポンプ制御部５８は前述の貯湯タンク制御部２３との通信を行うと共にヒートポンプユニット２の制御を行う。
【００２３】
給湯時の動作について、以下に説明する。給湯金具２０に接続された図示しない給湯端末が開くと、給水金具１４に接続された水道の水圧により、貯湯タンク１１上部の高温水が出湯管１２内に流入し、かつ、低温の給水が給水分岐管１６内に流入し、高温水および低温水は給湯混合弁１７，給湯流量センサ１９，給湯金具２０を経て給湯端末から流出する。その際、流量センサ１９が水流を検知し、貯湯タンク制御部２３は、給湯温度センサ３２の検知する温度がリモコン（図示せず）により設定された給湯温度になるように、出湯管１２からの高温水と給水分岐管１６からの低温水との比率を制御する。貯湯タンク１１上部の高温湯が使用された分、貯湯タンク１１下部には低温の給水が供給される。
【００２４】
貯湯時の動作について、以下に説明する。貯湯タンク１１内の湯水を沸き上げる時、ヒートポンプ制御部５８は、ヒートポンプ回路３を運転制御すると共に、タンク循環ポンプ５６を運転制御する。この時、後述するように、圧縮機５１の回転速度制御、膨張弁５３の開度制御、そして、タンク循環ポンプ５６の回転速度制御を行う。タンク循環ポンプ５６の運転により貯湯タンク１１下部から流出した湯水は、ヒートポンプ往き管２１を介して水冷媒熱交換器５２に流入し、ヒートポンプ回路３の高温の冷媒に加熱され、ヒートポンプ戻り管２２を介して貯湯タンク１１上部に戻されることにより高温の湯が貯湯される。
【００２５】
次に、深夜沸き上げ制御の動作について、図２〜図４を用いて説明する。深夜時間帯は電気料金が安くなる時間帯で、例えば午後１１時から午前７時までとする。図２の深夜沸き上げ制御のフローチャートにおいて、貯湯タンク制御部２３は、深夜時間帯の開始時刻である午後１１時に、深夜沸き上げ制御を開始する（Ｓ１）。まず、沸き上げ熱量Ｑａの設定を行う（Ｓ２）。沸き上げ熱量Ｑａは、過去７日間の使用熱量の平均値と標準偏差と予備熱量の和として算出する。
【００２６】
１日（前日の午後１１時から当日の午後１１時まで）の使用熱量Ｑｃを以下の式で算出する。
【００２７】
Ｑｃ＝Ｑｚ１＋Ｑｄ−Ｑｚ    ………（数１）
ここで、Ｑｚ１は前日の午後１１時での貯湯タンク１１の残熱量、Ｑｄはヒートポンプユニット２の加熱量、Ｑｚは当日の午後１１時での残熱量である。残熱量Ｑｚ１，Ｑｚは貯湯タンク１１の各タンク温度センサ３０で検知した温度と給水温度センサ３１で検知した温度との温度差と、各タンク温度センサ３０を含む貯湯タンク１１を上下方向に区分した容積と水の密度と比熱との積の和で算出される。また、加熱量Ｑｄは後述するヒートポンプユニット２の加熱能力の設定値（必要加熱能力）の運転時間の積分値で算出される。
【００２８】
貯湯タンク制御部２３は、過去７日間の使用熱量を記憶し、平均値および標準偏差を求め、沸き上げ熱量Ｑａを使用熱量のばらつきを考慮して、平均値と標準偏差と予備熱量の和として設定する。予備熱量は、例えば、給湯温度４２℃，給湯量１００Ｌの給湯が可能な熱量とする。
【００２９】
次に、沸き上げ温度目標値ｔｐの設定を行う（Ｓ３）。沸き上げ温度ｔｐを以下の式で算出する。
【００３０】
ｔｐ＝Ｑａ／（ρ・ｃ・Ｖ・α）＋ｔｗｉ    ………（数２）
但し、レジオネラ菌発生防止のため、算出した沸き上げ温度目標値ｔｐが６５℃未満の場合は６５℃に設定する。ここで、Ｑａは前述の沸き上げ熱量、ρは水密度、ｃは水比熱、Ｖは貯湯タンク１１の容積、αは容積効率、ｔｗｉは図１の給水温度センサ３１の検知する給水温度である。容積効率αは、ヒートポンプ回路３保護のため、水冷媒熱交換器５２の水入口温度が沸き上げ温度ｔｐより低い温度、例えば５５℃で沸き上げを停止するため、貯湯タンク１１下部の温度が沸き上げ温度ｔｐとならないことを考慮したものである。
【００３１】
次に、沸き上げ時間Ｔｎの設定を行う（Ｓ４）。前述の通り深夜時間帯を午後１１時から午前７時までの８時間としている。沸き上げ時間Ｔｎを例えば５時間に設定する。この５時間は深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの時間とする。この沸き上げ時間Ｔｎは例えば、季節毎の電力需要量を考慮して、季節（カレンダー）により変更するようにしてもよい。
【００３２】
次に、ヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘの設定を行う（Ｓ５）。図３は沸き上げ温度目標値ｔｐが７０℃以上と７０℃未満とでそれぞれ、外気温度と加熱能力の最小値Ｗｍｉｎおよび最大値Ｗｍａｘとの関係を示したものである。すなわち、沸き上げ温度目標値ｔｐと外気温度（外気温度センサ３６の検出値）から、加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘを決定できる。図３で沸き上げ温度が７０℃未満で外気温度がｔａの時、ヒートポンプユニット２の加熱能力とＣＯＰ（消費電力に対する加熱能力の比率）との関係を図４に示す。主に圧縮機５１の回転速度（周波数）を変更することにより、加熱能力を変更している。ヒートポンプユニット２はＣＯＰが加熱能力に対して最高値をもつ特性を示す。そして、図３に示すヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値を図４に示すＣＯＰが略最高となる加熱能力としている。また、図３の加熱能力の最大値は、各外気温で、深夜時間帯に給湯がない場合、最大でも深夜時間帯の８時間で沸き上げが完了する加熱能力としている。したがって、図３においては、小さい加熱能力で運転する方が大きい加熱能力で運転するよりもＣＯＰが高くなる。
【００３３】
次に、ヒートポンプユニット２の必要加熱能力Ｗの計算を行う（Ｓ６）。必要加熱能力Ｗを以下の式で算出する。
【００３４】
Ｗ＝（Ｑａ−Ｑｚ）／（Ｔｎ・β）    ………（数３）
ここで、Ｑａは前述の沸き上げ熱量、Ｑｚは前述の当日午後１１時での残熱量、Ｔｎは前述の沸き上げ時間、βは加熱効率である。加熱効率βは、ヒートポンプユニット２の沸き上げ運転の際、立ち上り時や沸き上げ完了近くにおいて加熱能力が必要加熱能力Ｗに満たない場合や、外気温度が低い時の除霜運転による平均加熱能力の低下を考慮したものであり、外気温度によって値が設定される。
【００３５】
次に、計算された必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定したヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘとの範囲内にあるかを判定し、それぞれの場合に対し必要な処理を行う（Ｓ７〜Ｓ１５）。
【００３６】
必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定した加熱能力の最小値Ｗｍｉｎ未満の場合（Ｓ７Ｙ）、必要加熱能力Ｗを最小値Ｗｍｉｎとし（Ｓ８）、変更された必要加熱能力で逆に沸き上げ時間Ｔｎを算出する（Ｓ９）。この時、沸き上げ時間Ｔｎを以下の式で算出する。
【００３７】
Ｔｎ＝（Ｑａ−Ｑｚ）／（Ｗ・β）    ………（数４）
この計算により、沸き上げ時間ＴｎはステップＳ４で設定した値、５時間より短くなる。したがって、深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの間で沸き上げを完了することが可能である。
【００３８】
次に、終了時刻シフト時間Ｔｆの設定を行う（Ｓ１０）。この時、沸き上げ終了時刻を深夜時間帯の終了時刻午前７時から電力需要量が少ない午前６時にシフトするため、終了時刻シフト時間Ｔｆを１時間と設定する。
【００３９】
必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定した加熱能力の最小値Ｗｍｉｎ以上の場合で（Ｓ７Ｎ）、さらに最大値Ｗｍａｘ以上の場合（Ｓ１１Ｙ）、必要加熱能力Ｗを最大値Ｗｍａｘとし（Ｓ１２）、変更された必要加熱能力で逆に沸き上げ時間Ｔｎを算出する（Ｓ１３）。この時、沸き上げ時間Ｔｎを（数４）と同じ式で算出する。この計算により、沸き上げ時間ＴｎはステップＳ４で設定した値、５時間より長くなる。したがって、深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの間だけでは沸き上げを完了することができず、それ以外の午前６時から午前７時までの間と前日の午後１１時から次の日の午前１時までの間も沸き上げ運転を行う必要がある。
【００４０】
次に、終了時刻シフト時間Ｔｆの設定を行う（Ｓ１４）。この時、沸き上げ終了時刻をシフトせず、深夜時間帯の終了時刻午前７時とするため、終了時刻シフト時間Ｔｆを０時間と設定する。
【００４１】
必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定した加熱能力の範囲内にある場合（Ｓ１１Ｎ）、沸き上げ時間ＴｎはステップＳ４で設定した値、５時間のままであり、深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの間で沸き上げを完了することが可能である。
【００４２】
この時、終了時刻シフト時間Ｔｆの設定を行う（Ｓ１５）。沸き上げ終了時刻を深夜時間帯の終了時刻午前７時から電力需要量が少ない午前６時にシフトするため、終了時刻シフト時間Ｔｆを１時間と設定する。
【００４３】
以上のようにステップＳ７〜Ｓ１５で、沸き上げ時間Ｔｎと必要加熱能力Ｗが決定された後、沸き上げ開始時刻Ｔｓを設定する（Ｓ１６）。沸き上げ開始時刻Ｔｓを以下の式で算出する。
【００４４】
Ｔｓ＝深夜時間帯終了時刻−Ｔｆ−Ｔｎ    ………（数５）
ここで、Ｔｆは前述の終了時刻シフト時間、Ｔｎは沸き上げ時間である。また、深夜時間帯終了時刻は午前７時である。
【００４５】
次に、現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｔｓになったかの判定を行う（Ｓ１７）。現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｔｓになった場合は（Ｓ１７Ｙ）、ヒートポンプの運転を行い（Ｓ１８）、現在時刻が沸き上げ開始時刻Ｔｓになっていない場合は（Ｓ１７Ｎ）、ステップＳ１７の判定を繰り返す。
【００４６】
ヒートポンプ運転（Ｓ１８）は、以下のように行われる。この時、貯湯タンク制御部２３は、ヒートポンプ制御部５８にヒートポンプ運転指令を出すと共に、沸き上げ温度目標値ｔｐ、必要加熱能力Ｗの値を与える。ヒートポンプ制御部５８は水冷媒熱交換器５２の水出口温度センサ３８で検知した水出口温度が沸き上げ温度目標値ｔｐとなるように圧縮機５１の回転速度制御を行う。
【００４７】
また、ヒートポンプ制御部５８は圧縮機吐出温度センサ３５で検知した吐出温度が以下の式で算出される目標値ｔｄ０となるように膨張弁５３の開度制御を行う。
【００４８】
Ｔｄ０＝ｆ（ｔｐ，ｔｈｗｉ，ｔａ，Ｗ）    ………（数６）
ここで、ｔｐは沸き上げ温度目標値、ｔｈｗｉは水冷媒熱交換器５２の水入口温度センサ３７で検知した水入口温度、ｔａは外気温センサ３６で検知した外気温度、Ｗは必要加熱能力で、吐出温度の目標値ｔｄ０はこれらの関数ｆで表される。目標値はヒートポンプユニット２のＣＯＰが略最高となる吐出温度に設定されている。ここでは、目標値を必要加熱能力Ｗの関数としたので、図３に示す加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘの全範囲で、高効率なヒートポンプの運転が可能である。
【００４９】
また、ヒートポンプ制御部５８は水冷媒熱交換器５２の水流量センサ５７で検知した水流量が以下の式で算出される目標値Ｌｗ０となるようにタンク循環ポンプ５６の回転速度制御を行う。
【００５０】
Ｌｗ０＝Ｗ／（（ρ・ｃ）（ｔｐ−ｔｈｗｉ））    ………（数７）
ここで、Ｗは必要加熱能力、ρは水密度、ｃは水比熱、ｔｐは沸き上げ温度目標値、ｔｈｗｉは水冷媒熱交換器５２の水入口温度センサ３７で検知した水入口温度である。
【００５１】
ヒートポンプ制御部５８は、以上の圧縮機５１の回転速度制御およびタンク循環ポンプ５６の回転数速度制御により、沸き上げ温度がｔｐ、加熱能力がＷの沸き上げ運転を行う。
【００５２】
ヒートポンプ運転中、貯湯タンク制御部２３は、所定のタンク温度センサ３０が予め設定された沸き上げ終了温度以上になったかどうかの判定を行う（Ｓ１９）。沸き上げ終了温度以上になっていない場合は（Ｓ１９Ｎ）、ステップＳ１９の判定を繰り返す。沸き上げ終了温度以上になった場合は（Ｓ１９Ｙ）、貯湯タンク制御部２３は、ヒートポンプ制御部５８にヒートポンプ停止指令を出し（Ｓ２０）、深夜沸き上げを完了する（Ｓ２１）。なお、前述の加熱量Ｑｄ算出のため、ヒートポンプ運転中、必要加熱能力Ｗの時間積分の計算を行う。
【００５３】
以上詳述したように、深夜沸き上げ運転は３パターンに区分される（図５参照）。すなわち、１番目（図５（ａ））は、深夜時間帯（午後１１時から午前７時まで）のうち、さらに電力需要量の少ない所定時間帯（午前１時から午前６時まで）にヒートポンプの効率が略最高となる加熱能力でヒートポンプを運転するパターンである。この時、所定時間帯終了時刻（午前６時）から必要沸き上げ時間を引いた時刻を沸き上げ開始時刻に設定し、所定時間帯の後半に沸き上げ運転をシフトしている。
【００５４】
２番目（図５（ｂ））は、略最高効率の加熱能力での運転だけでは所定時間帯に沸き上げを完了できない場合である。これは、所定時間帯に沸き上げが完了するように、ヒートポンプの効率が略最高となる加熱能力より高い加熱能力でヒートポンプを運転するものである。この時、所定時間帯（午前１時から午前６時まで）の略全時間を使って沸き上げが完了する加熱能力でヒートポンプを運転する。
【００５５】
３番目（図５（ｃ））は、最大加熱能力で運転しても所定時間帯に沸き上げを完了できない場合である。深夜時間帯に沸き上げが完了するように、最大加熱能力でヒートポンプを運転する。この時、深夜時間帯終了時刻（午前７時）から必要沸き上げ時間を引いた時刻を沸き上げ開始時刻に設定し、深夜時間帯の後半に沸き上げ運転をシフトしている。
【００５６】
なお、本実施例では、所定時間帯終了時刻または深夜時間帯終了時刻に沸き上げが完了するように説明したが、この時刻より前に余裕をもって沸き上げが完了するように、例えば、ヒートポンプの加熱能力を若干大きめに再設定して、運転時間が若干短くなるようにしても良い。
【００５７】
１番目の運転パターンにより、ヒートポンプの効率が略最高となる加熱能力でヒートポンプを運転するため、ヒートポンプ給湯装置を高い効率で運転することができる。
【００５８】
また、１番目および２番目の運転パターンにより、小さい加熱能力でヒートポンプを長時間運転するため、ヒートポンプの沸き上げ運転開始時刻が早まり、運転深夜時間帯の外気温度が高い時間帯での運転時間が増加し、ヒートポンプがエネルギ効率が高くなる条件で運転できる。
【００５９】
また、１番目および２番目の運転パターンにより、深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの所定時間帯内でヒートポンプ運転を行っているので、電力需要の平準化に寄与できる。
【００６０】
また、３番目の運転パターンにより、沸き上げ熱量が多い場合でも深夜時間帯に確実に沸き上げを完了することができる。
【実施例２】
【００６１】
本発明の実施例２を図６を参照して説明する。本実施例は、図２に示す深夜沸き上げ制御フローチャートのステップＳ１８におけるヒートポンプ運転が実施例１と異なる。本実施例では、ヒートポンプの加熱能力を一定時間毎に設定する。
【００６２】
貯湯タンク制御部２３は、ヒートポンプ運転時、加熱能力の再設定制御を開始する（Ｓ３０）。現在の加熱能力が最大値Ｗｍａｘ未満の場合（Ｓ３１Ｙ）、加熱能力の再設定を行い、最大値Ｗｍａｘの場合（Ｓ３１Ｎ）、加熱能力の再設定を行わず制御を終了する（Ｓ３２）。すなわち、午前１時から午前６時までの所定時間帯内でヒートポンプ運転を行っている場合、加熱能力の再設定を行う。
【００６３】
加熱能力の再設定は、まず、現在熱量Ｑｘの計算を行う（Ｓ３３）。現在熱量Ｑｘは貯湯タンク１１の各タンク温度センサ３０で検知した温度と給水温度センサ３１で検知した温度との温度差と、各タンク温度センサ３０を含む貯湯タンク１１を上下方向に区分した容積と水の密度と比熱との積の和で算出される。
【００６４】
次に、沸き上げ残時間Ｔｒの計算を行う（Ｓ３４）。沸き上げ残時間Ｔｒを以下の式で算出する。
【００６５】
Ｔｒ＝深夜時間帯終了時刻−Ｔｆ−現在時刻    ………（数８）
ここで、深夜時間帯終了時刻は午前７時、Ｔｆは終了時刻シフト時間で、図２のステップＳ１０またはＳ１５で設定した１時間である。
【００６６】
次に、ヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘの設定を行う（Ｓ３５）。設定の方法は、図２のステップＳ５と同じである。
【００６７】
次に、ヒートポンプユニット２の必要加熱能力Ｗの計算を行う（Ｓ３６）。必要加熱能力Ｗを以下の式で算出する。
【００６８】
Ｗ＝（Ｑａ−Ｑｘ）／（Ｔｒ・β）    ………（数９）
ここで、Ｑａは実施例１で述べた沸き上げ熱量、Ｑｘは前述の現在熱量、Ｔｒは前述の沸き上げ残時間、βは実施例１で説明した加熱効率である。
【００６９】
次に、計算された必要加熱能力ＷがステップＳ３５で設定したヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値Ｗｍｉｎと最大値Ｗｍａｘとの範囲内にあるかを判定し、範囲外の場合は必要な処理を行う（Ｓ３７〜Ｓ４０）。必要加熱能力ＷがステップＳ３５で設定した加熱能力の最小値Ｗｍｉｎ未満の場合（Ｓ３７Ｙ）、必要加熱能力Ｗを最小値Ｗｍｉｎとする（Ｓ３８）。また、必要加熱能力Ｗが最大値Ｗｍａｘより大きい場合（Ｓ３９Ｙ）、必要加熱能力Ｗを最大値Ｗｍａｘとする（Ｓ４０）。なお、ステップＳ３９Ｙの場合、必要加熱能力を最大値Ｗｍａｘで抑えられているため、所定時間帯終了時刻の午前６時までに沸き上げが完了しないが、その時間超過分は小さく深夜時間帯終了時刻の午前７時までには沸き上げが完了する。
【００７０】
次に、必要加熱能力Ｗの再設定を行う（Ｓ４１）。この時、貯湯タンク制御部２３は、ヒートポンプ制御部５８に新しい必要加熱能力Ｗの値を与える。ヒートポンプ制御部は、新しい必要加熱能力Ｗの値に基づきヒートポンプユニット２の運転制御を行う。
【００７１】
貯湯タンク制御部２３は、タイマが所定時間経過毎に（Ｓ４２）、以上の加熱能力の再設定制御を行う。
【００７２】
以上、ヒートポンプの加熱能力を一定時間毎にきめ細かく設定することにより、深夜時間帯のうちで電力需要量が少なくなる午前１時から午前６時までの所定時間帯内でヒートポンプ給湯装置を出来るだけ小さい加熱能力で高い効率で運転することができる。また、所定時間帯内で確実に沸き上げを完了することができる。
【実施例３】
【００７３】
本発明の実施例３を図７を参照して説明する。本実施例は、実施例１の深夜沸き上げ制御において、沸き上げ時間Ｔｎを５時間から８時間に変更したものである。図７において、図２と同一ステップは同一符号で示し、説明を省略する。
【００７４】
ステップＳ１〜Ｓ３は実施例１と同じである。ステップＳ４′の沸き上げ時間Ｔｎを深夜時間帯（午後１１時から午前７時まで）の８時間に設定する。ステップＳ６では、沸き上げ時間Ｔｎを８時間として、必要加熱能力Ｗの計算を行う。
【００７５】
ステップＳ７′において、必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定した加熱能力の最小値Ｗｍｉｎ未満の場合（Ｓ７′Ｙ）、必要加熱能力Ｗを最小値Ｗｍｉｎとし（Ｓ８）、変更された必要加熱能力で逆に沸き上げ時間Ｔｎを算出する（Ｓ９）。
【００７６】
その他の場合（Ｓ７′Ｎ）、必要加熱能力ＷがステップＳ５で設定した加熱能力の範囲内にあるとし、そのままの値を使用する。なお、実施例１で述べたように、図３の加熱能力の最大値Ｗｍａｘは、各外気温で、深夜時間帯に給湯がない場合、最大でも深夜時間帯の８時間で沸き上げが完了する加熱能力としているため、必要加熱能力Ｗは最大値Ｗｍａｘ以下の値となる。
【００７７】
その後のステップＳ１６〜Ｓ２１は、実施例１と同じである。
【００７８】
以上、ヒートポンプの沸き上げ時間を５時間より長い８時間に設定したことにより、同一の必要沸き上げ熱量に対し、ヒートポンプ給湯装置をより小さい加熱能力で運転することができ、高い効率を維持することができる。
【実施例４】
【００７９】
本発明の実施例４を説明する。本実施例は、図７に示す深夜沸き上げ制御のフローチャートのステップＳ１８におけるヒートポンプ運転が、前述した実施例３と異なる点である。本実施例では、ヒートポンプの必要加熱能力Ｗに係数ｋを掛けたものをヒートポンプの運転する加熱能力としている。
【００８０】
係数ｋを以下の式で算出する。
【００８１】
ｋ＝１＋ｄ−２ｄ／Ｔｎ＊Ｔ    ………（数１０）
ここで、ｄはシフト値、Ｔｎは沸き上げ時間で８時間、Ｔはヒートポンプ運転時間である。係数ｋは運転時間Ｔの１次関数でＴ＝０の時、ｋ＝１＋ｄ、Ｔ＝Ｔｎの時、ｋ＝１−ｄである。すなわち、係数ｋを必要加熱能力Ｗに掛けることにより、ヒートポンプの加熱能力が深夜時間帯の前半部で必要加熱能力Ｗより大きくなり、後半部で必要加熱能力Ｗより小さくなる。なお、８時間で沸き上げを行う場合（図７のステップＳ７′Ｎの場合）、本制御処理は行われる。また、ヒートポンプの加熱能力は、図３で設定した最小値Ｗｍｉｎから最大値Ｗｍａｘまでの範囲内とする。
【００８２】
以上の本制御により、深夜時間帯の前半部で、深夜沸き上げ熱量の半分以上を沸き上げるので、深夜時間帯のうち外気温度が高い前半部のエネルギ効率が高くなる条件で運転することができ、高い効率を維持することができる。
【実施例５】
【００８３】
本発明の実施例５を説明する。本実施例は、図７の深夜沸き上げ制御におけるフローチャートのステップＳ５での加熱能力最小値Ｗｍｉｎの設定方法が、実施例３と異なる。本実施例では、ヒートポンプの加熱能力最小値Ｗｍｉｎを加熱能力最大値Ｗｍａｘの略３分の２としている。
【００８４】
図８に本実施例における外気温度とヒートポンプユニット２の加熱能力の最小値と最大値との関係を示す。加熱能力の最小値Ｗｍｉｎを、実施例１の図３に示したヒートポンプの効率が略最高となる加熱能力を表す最小値Ｗｍｉｎより大きい、最大値Ｗｍａｘの略３分の２（６６％）とする。この時、ヒートポンプの最大加熱能力の６６％から１００％の範囲で、加熱能力が小さいほどエネルギ効率は高くなる。
【００８５】
本制御処理により、ヒートポンプユニット２は深夜時間帯に最大加熱能力の６６％から１００％で沸き上げ運転することになり、最小でも最大加熱能力の６６％で運転し、実施例３に比較して、図７のフローチャートのステップＳ９で計算される沸き上げ時間Ｔｎが小さくなり、したがって、Ｓ１６で計算される沸き上げ開始時刻Ｔｓが深夜時間帯の後方にシフトされる。
【００８６】
以上の本制御により、高いエネルギ効率を維持するとともに、深夜時間帯のうち電力需要の高い前半部の電力量の増加を抑制できる。
【００８７】
本実施例では、ヒートポンプの加熱能力最小値Ｗｍｉｎを加熱能力最大値Ｗｍａｘの略３分の２としているが、５０％乃至８０％とした場合も同様の効果が得られる。
【００８８】
上記実施例では、深夜時間帯として電気料金が安くなる時間帯としたが、給湯需要または電力需要の小さい時間帯に対しても、本発明は同様に実施できる。
【００８９】
また、上記実施例では、必要加熱能力を得るために、沸き上げ温度が目標値となるように圧縮機の回転速度制御を行い、水量が目標値となるようにタンク循環ポンプの回転速度制御を行っているが、加熱能力と圧縮機回転速度との関係から、回転速度を設定し、沸き上げ温度が目標値となるように、タンク循環ポンプの回転速度を制御するようにしてもよく、概略の必要加熱能力が得られる制御方法ならば良い。
【００９０】
本発明により、所定時間帯にエネルギ効率が略最高となる加熱能力でヒートポンプを運転する制御を優先したので、ヒートポンプ給湯装置のタンク沸き上げ運転時のエネルギ効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の実施例１に係るヒートポンプ給湯装置の系統図。
【図２】本発明の実施例１に係る深夜沸き上げ制御を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施例１における外気温度とヒートポンプユニットの加熱能力の最小値と最大値との関係を示す線図。
【図４】本発明の実施例１におけるヒートポンプユニットの加熱能力とＣＯＰとの関係を示す線図。
【図５】本発明の実施例１におけるヒートポンプ運転の時刻を示す図。
【図６】本発明の実施例２におけるヒートポンプユニットの加熱能力再設定制御を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施例３における深夜沸き上げ制御を示すフローチャート。
【図８】本発明の実施例５における外気温度とヒートポンプユニットの加熱能力の最小値と最大値との関係を示す線図。
【符号の説明】
【００９２】
１  貯湯タンクユニット
２  ヒートポンプユニット
３  ヒートポンプ回路
１１  貯湯タンク
１７  給湯混合弁
２３  貯湯タンク制御部
３０  タンク温度センサ
３１  給水温度センサ
３５  圧縮機吐出温度センサ
３６  外気温度センサ
３７  水冷媒熱交換器水入口温度センサ
３８  水冷媒熱交換器水出口温度センサ
５１  圧縮機
５２  水冷媒熱交換器
５３  膨張弁
５４  蒸発器
５６  タンク循環ポンプ
５７  水冷媒熱交換器水流量センサ
５８  ヒートポンプ制御部
１００  ヒートポンプ給湯装置
【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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【図７】
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【図８】
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