JP2006343058A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中温水が発生した場合においても効率よくヒートポンプの運転を行うこと。
【解決手段】貯湯槽２と、圧縮機１を備えるヒートポンプ回路と、貯湯槽２の上部から出湯して放熱手段用熱交換器１１を介して貯湯槽２に戻す１次側循環回路１０と、放熱手段用熱交換器１１を介して放熱手段１３に接続する２次側循環回路１４と、１次側循環回路１０に設けられた循環ポンプ１２と、貯湯槽２の下部に設けられた貯湯槽下部温度検知手段とを備え、循環ポンプ１２の動作中に、貯湯槽下部温度検知手段９による検知温度から算出した温度変化率に応じて圧縮機を制御することにより、効率の良いヒートポンプの運転をすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯装置に関するものである。

従来この種の給湯装置では、貯湯槽の比較的上部に設けられた温度検知手段によりタンク上部の湯温を検出し、検出された温度が所定温度以下になるとヒートポンプ回路により沸き増しを行うことで、湯量を確保していた。

図７は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。図７に示すように、圧縮機１を備えたヒートポンプ回路と、貯湯槽２、循環ポンプ３からなる給湯回路と、貯湯槽上部に備えられ湯温を検知する貯湯槽上部温度検知手段４と、水−冷媒熱交換器５により加熱され、貯湯槽上部に流入する湯温を検知する上部流入温度検知手段６により構成されている。貯湯槽上部温度検知手段４により検出された湯温が所定の温度を下回ると、圧縮機１の回転数を最大にして沸き増し運転を開始する。このとき、貯湯槽上部温度検知手段４により検知された貯湯層２の上部温度と、水−冷媒熱交換器５を流れる流体の出口温度が等しくなるように、上部流入温度検知手段６が検知して、循環ポンプ３の回転数を制御する。よって、残湯温度と同じ湯温かつ最大の加熱能力で追焚きを行うことができるため、出湯時の湯温変化がなく湯の利便性が向上させることができる。
特開平８−２９６８９５号公報

しかしながら、上記従来の構成ではヒートポンプ給湯器に床暖房や浴室乾燥機などの放熱手段が接続された場合には、放熱手段に放熱することにより中温水が大量に生成され、貯湯槽に混合層が形成され、さらにはその混合層の温度に合わせて沸き上げを行う可能性もあるため沸き上げ温度自体が下がってしまい、必要湯量を十分に確保できないということが考えられた。

また、放熱手段における負荷が大きい場合やふろへの湯張り等で大量に給湯される場合等、貯湯槽上部に設けられた温度検出手段により沸き増し運転の開始を制御しているため、特に外気温が低くヒートポンプによる加熱能力が比較的小さい条件において、十分に使用熱量を賄うことができず、貯湯槽内の湯量が徐々に減少し、放熱手段の運転を停止せざるを得ない可能性もあった。

さらにはヒートポンプへの入水温度（水−冷媒熱交の水入口温度）が中温水となり、ヒートポンプ効率の比較的低い条件での運転を継続しなければならない状況も考えられた。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、貯湯槽と、圧縮機を備えるヒートポンプ回路と、前記貯湯槽の上部から出湯して熱交換器を介して前記貯湯槽に戻す１次側循環回路と、前記熱交換器を介して放熱手段に接続する２次側循環回路と、１次側循環回路に設けられた循環ポンプと、貯湯槽の下部に設けられた貯湯槽下部温度検知手段とを備え、前記循環ポンプの動作中に、前記貯湯槽下部温度検知手段による温度から算出した温度変化率に応じて圧縮機を制御するものである。

これにより、放熱手段との熱交換により生成された中温水による貯湯槽の温度変化を推定することができ、かつ今後の使用湯量を推定することで、適切なタイミング、つまり後
に湯切れにならないように前もって、かつヒートポンプ効率のよい入水温度（水−冷媒熱交の水入口側温度）で必要湯量を沸き増しすることができるため、湯切れや放熱手段の運転の停止といった使用者の不便を防ぐことができる。

本発明の給湯装置は、放熱手段が接続される等、放熱負荷が大きい場合でも、あらかじめ湯切れのないように沸き増しすることができ、かつ効率よい条件でヒートポンプを運転することができる。

第１の発明は、貯湯槽と、圧縮機を備えるヒートポンプ回路と、前記貯湯槽の上部から出湯して熱交換器を介して前記貯湯槽に戻す１次側循環回路と、前記熱交換器を介して放熱手段に接続する２次側循環回路と、１次側循環回路に設けられた循環ポンプと、貯湯槽の下部に設けられた貯湯槽下部温度検知手段とを備え、前記循環ポンプの動作中に、前記貯湯槽下部温度検知手段による温度から算出した温度変化率に応じて圧縮機を制御する給湯装置である。

これによって、放熱手段との熱交換により生成された中温水による貯湯槽の温度変化を推定することができ、かつ今後の使用湯量を推定することで、適切なタイミング、つまり後に湯切れにならないように前もって、かつヒートポンプ効率のよい入水温度（水−冷媒熱交の水入口側温度）で必要湯量を沸き増しすることができるため、湯切れや放熱手段の運転の停止といった使用者の不便を防ぐことができる。

第２の発明は、熱交換器から貯湯槽へ流入する温水温度を検知する流入温度検知手段を備え、循環ポンプの動作中に、温度検知手段により検知される温度変化率と、かつ前記流入温度検知手段による検知温度に応じて圧縮機を制御する請求項１記載の給湯装置である。

これによって、放熱手段との熱交換により生成された中温水による貯湯槽の温度変化を推定することができ、かつ今後の使用湯量を推定することで、適切なタイミング、つまり後に湯切れにならないように前もって、かつヒートポンプ効率のよい入水温度（水−冷媒熱交の水入口側温度）で必要湯量を沸き増しすることができるため、湯切れや放熱手段の運転の停止といった使用者の不便を防ぐことができる。

さらに、１次側循環回路の熱交換器出口側に設けられた温度検出手段により圧縮機を制御することができるので、給湯により下部から比較的低温の新鮮水が流入した場合等においても以降の貯湯槽の温度をより正確に推定することができ、同様に適切なタイミングで効率よくヒートポンプを運転することができる。

第３の発明は、流入温度検知手段による検知温度が限界所定温度に達したときに圧縮機を停止する請求項２記載の給湯装置である。

これによって、流入温度検知手段による検知温度は、水−冷媒熱交換器へ流入する水温に大きく影響を及ぼす温度であるため、あらかじめ早い段階で圧縮機を停止することにより、ヒートポンプ効率の比較的低い条件での沸き上げを予防することができる。

第４の発明は、貯湯槽に貯えられる温水の熱量を測定する熱量測定手段を備え、循環ポンプの動作中に、温度検知手段により検出される温度変化率と、前記熱量測定手段により測定される貯湯槽の蓄熱量に応じて圧縮機を制御する請求項１記載の給湯装置である。

これによって、放熱手段の連続運転や給湯等によりタンク上部にまで中温水が達する可能性がある状況においても、貯湯槽における総熱容量を算出することで、今後の使用湯量を推定したうえで適切なタイミングで効率よく必要湯量を沸き増しすることができるので、湯切れや放熱手段の運転の停止といった使用者の不便を防ぐことができる。

第５の発明は、熱量測定手段により測定される熱量が所定値に達したとき圧縮機を停止する請求項４記載の給湯装置である。

これによって、必要な湯量だけを確実に沸き上げし、さらにヒートポンプ効率の比較的低い条件で不必要な沸き増しを行うことがなくなるので効率よくヒートポンプを運転することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、実施の形態で具体的に示す温度もこれを指定するものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における給湯装置の図を示すものである。

図１において、２は水または加熱された湯を蓄えるための貯湯槽である。貯湯槽２には複数の配管が接続されており、循環ポンプ３により水−冷媒熱交換器５へ送られた水は圧縮機１を備えるヒートポンプ回路により加熱される。貯湯槽２に蓄えられた湯は、ふろ１６への給湯や、放熱手段１３（例えば、床暖房や浴室乾燥機など）により利用される。貯湯槽２の上部からは放熱手段１３へ放熱するための１次側循環回路１０が備えられており、１次側循環ポンプ１２により貯湯槽２に蓄えた湯が放熱手段用熱交換器１１へ送られる。熱交換器１１には２次側循環回路１４が接続されており、２次側循環ポンプ１５により放熱手段用熱交換器１１で受け取った熱を放熱手段１３へと放熱することができる構成となっている。また、貯湯槽下部に配置された貯湯槽下部温度検知手段９による検知温度から算出した温度変化率をもとに制御手段８により圧縮機１を制御することができる。

以上のように構成された給湯装置の動作・作用について、以下図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、1次側循環ポンプが動作しているかどうかを確認する（ステップＳ１）。ただしこれは連続運転に限定せず、例えば床暖房では温度制御により安定時にはＯＮとＯＦＦの繰り返しになることもあるため、そのような間欠運転の場合にも1次側循環ポンプを動作中と判断する場合も含むものとする。１次側循環ポンプが動作中でない場合は、他制御に基づいた通常運転へと移行、またはその運転を継続する（ステップＳ２）。

次に、1次側循環ポンプが動作中の場合、当日に湯の沸き増しが必要かどうかということを、前日までの実績や学習機能等から判断する（ステップＳ３）。当日の沸き増しが不必要の場合、他制御に基づいた通常運転へと移行、またはこれまでの運転を継続する（ステップＳ２）。沸き増し運転が必要と判断すると、貯湯槽下部温度検知手段９により貯湯槽下部温度Ｔ１を検知し（ステップＳ４）、Ｔ１が所定温度に達しているかどうかを判断する（ステップＳ４）。Ｔ１が所定温度以上（例えばＴ１≧７０℃）のときは、他制御に基づいた通常運転へと移行、またはこれまでの運転を継続する。これは、貯湯槽２には十分な湯量があると判断することができ、さらには、この条件においてヒートポンプにより加熱運転を行おうとしても効率が低くなってしまうためである。また、Ｔ１が所定温度未満（例えばＴ１＜７０℃）のとき、貯湯槽下部温度検知手段９による検知温度から温度変化率αを算出する。ここで温度変化率αとは、ある一定時間ｔ（例えばｔ＝３０秒）の間
の、貯湯槽下部温度検知手段９により検知される貯湯槽下部の温度変化量ΔＴ１と定義する。つまり、温度変化率α＝ΔＴ１／ｔと表すことができ、例えば過去３０秒間に貯湯槽下部温度検知手段９による検知温度Ｔ１が４０℃から５５℃に変化したとすると、このときの温度変化率αは、α＝（５５−４０）／３０＝０．５と算出される。そこでさらに、貯湯槽下部温度Ｔ１と温度変化率αの条件を判断し（ステップＳ７〜ステップＳ１０）、圧縮機の周波数の制御、または運転の停止を行う（ステップＳ１１〜ステップＳ１４）。

以下そのステップについて具体例を示す。

まず貯湯槽下部温度Ｔ１の温度が比較的低く（例えばＴ１＜３０℃）、かつその温度が上昇している場合（α≧０）、圧縮機の周波数をＵＰ、または最大加熱能力での運転を行う。これは、今後ヒートポンプにより沸き増しを行う場合、条件から入水温度の上昇が予想される。つまり、ヒートポンプとしては効率が下がっていく方向であるため、少しでも効率のよい条件でより多くの沸き増しを済ませてしまおうというものである。

次に、貯湯槽下部温度Ｔ１の温度が比較的低く（例えばＴ１＜３０℃）、かつその温度が下降している場合（α＜０）、今後もある程度効率のよい沸きまし運転が期待できる。よって、その環境条件においてＣＯＰ（成績係数＝加熱能力／消費電力）が最適になる圧縮機周波数にて運転を行う。

また、貯湯槽下部温度Ｔ１の温度が中温域にあり（例えば３０℃≦Ｔ１＜７０℃）、かつその温度が上昇している場合（α≧０）、圧縮機の周波数をＤＯＷＮ、あるいは圧縮機の運転を一時的に停止する。これは、入水温度は中温域でヒートポンプの効率は比較的それほど高くはないものの、湯量が不十分になることが予想される場合は圧縮機の周波数をＤＯＷＮさせることで効率低下を防いだり、一定時間圧縮機の運転を停止することで温度変化率αが給湯などにより反転（α＜０）してから運転できるようにする。

最後に、貯湯槽下部温度Ｔ１が中温域にあり（例えば３０℃≦Ｔ１＜７０℃）、かつその温度が下降している場合は（α＜０）、時間をおくことで効率のよい温度域での運転ができる期待がある。そのため、とりあえずは圧縮機の周波数をＤＯＷＮさせて比較的効率の高い条件で沸き増しをしたり、またはＴ１が十分に下がることが期待できる場合には、Ｔ１が所定の温度未満（たとえばＴ１＜３０℃）になるまで圧縮機を停止する。

以上のように圧縮機の制御を行いながら、定期的に、または連続的にＴ１の温度を検知し、さらには温度変化率αを計算することでより効率のよい条件での沸き増し運転を行うことができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における給湯装置の図を示すものである。

図２において、１次側循環回路１０上の、貯湯槽２の下部に流入する箇所に貯湯槽下部流入温度検知手段１７が取り付けられ、放熱手段用熱交換器１１により放熱されてできた中温水の温度（貯湯槽に流入する温度Ｔ２）を検知することができる構成となっている。他の箇所については図１と同様の構成である。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

ステップＳ５までの動作に関しては実施の形態１と同様であるため省略する。ステップＳ５においてＴ１が高温水でない場合（たとえばＴ１＜７０℃）、貯湯槽下部流入温度Ｔ２を検知する（ステップＳ５−２）。Ｔ１は貯湯槽下部の温度に影響を及ぼす温度であり
、つまり同時にヒートポンプの運転効率に対して影響をもつため、Ｔ２の温度を含め圧縮機の制御を行うことは有効である。またＴ２は中温域（たとえば４０℃〜６０℃）で安定している場合が多く、Ｔ１のように給湯による新鮮水の流入で急激に温度変化することもあまりないのが特徴である。そこで、Ｔ２が比較的高温で安定した場合（例えばＴ２＞５０℃で６０秒間安定）、タンクには今後も比較的高温の湯が流入していくことが推定される。この条件は、例えば放熱手段が床暖房であり、連続運転により温度的に安定した場合などに考えられる。そしてその場合、圧縮機を停止するか、またはこれまでの運転を継続し、効率が低い条件でのヒートポンプの運転をあらかじめ制限してしまう。また、Ｔ２が比較的低い場合（例えばＴ２≦５０℃）には、実施の形態１同様に温度変化率αの算出（ステップ６）へと移行し、移行同様の動作を行う。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における給湯装置の図を示すものである。

図３において、貯湯槽２には貯湯槽下部温度検知手段９を含む熱量測定手段１８が備えられ、それらにより検知された温度から貯湯槽２の蓄熱容量を算出できる構成としている。熱量測定手段１８については、その検知方法は特に限定せず、例えばここではサーミスタ（温度検知手段）であるものとする。また他の箇所については、図１と同様の構成である。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

ステップＳ１において１次側循環ポンプがＯＮであると判断した場合、熱量検知手段１８により貯湯槽２の蓄熱容量を測定する（ステップＳ１−２）。例えば、貯湯槽２の側面に設置されたサーミスタ（温度検知手段）で貯湯槽２内の湯の温度を検知し、貯湯槽２内の総蓄熱量を算出する。その総蓄熱量と前日までの実績や学習機能によるデータとを比較することで、今後沸き増しが必要かどうかをより正確に判断することができる。これにより、無駄な沸き増しをする必要がなくなる。

そして、ステップＳ４以降は実施の形態１と同様に動作するものとする。これらの動作により、必要な湯量だけを確実に沸き上げし、さらにヒートポンプ効率の比較的低い条件で不必要な沸き増しを行うことがなくなるので効率よくヒートポンプを運転することができる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、必要な湯量だけを確実に沸き上げし、さらにヒートポンプ効率の比較的低い条件で不必要な沸き増しを行うことがなくなるので、床暖房等の放熱手段を備えたものだけでなく、ふろの追い炊き機能を備えたもの等、貯湯槽内に中温水が生成される可能性がある給湯装置に利用することができる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態１における動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態２における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態２における動作を示したフローチャート 本発明の実施の形態３における給湯装置の構成図 本発明の実施の形態３における動作を示したフローチャート 従来の給湯装置の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 貯湯槽
３ 循環ポンプ
４ 貯湯槽上部温度検知手段
５ 水−冷媒熱交換器
６ 貯湯槽上部流入温度温度検知手段
７ 運転制御器
８ 制御手段
９ 貯湯槽下部温度検知手段
１０ １次側循環回路
１１ 放熱手段用熱交換器
１２ １次側循環ポンプ
１３ 放熱手段
１４ ２次側循環回路
１５ ２次側循環ポンプ
１６ ふろ
１７ 貯湯槽下部流入温度検知手段
１８ 熱量測定手段

Claims (5)

1. 貯湯槽と、圧縮機を備えるヒートポンプ回路と、前記貯湯槽の上部から出湯して放熱手段用熱交換器を介して前記貯湯槽に戻す１次側循環回路と、前記放熱手段用熱交換器を介して放熱手段に接続する２次側循環回路と、１次側循環回路に設けられた１次側循環ポンプと、貯湯槽の下部に設けられた貯湯槽下部温度検知手段とを備え、前記１次側循環ポンプの動作中に、前記貯湯槽下部温度検知手段による温度から算出した温度変化率に応じて圧縮機を制御する給湯装置。
2. 放熱手段用熱交換器から貯湯槽へ流入する温水温度を検知する貯湯槽下部流入温度検知手段を備え、１次側循環ポンプの動作中に、温度検知手段により検知される温度変化率と、かつ前記流入温度検知手段による検知温度に応じて圧縮機を制御する請求項１記載の給湯装置。
3. 貯湯槽下部流入温度検知手段による検知温度が限界所定温度に達したときに圧縮機を停止する請求項２記載の給湯装置。
4. 貯湯槽に貯えられる温水の熱量を測定する熱量測定手段を備え、１次側循環ポンプの動作中に、温度検知手段により検出される温度変化率と、前記熱量測定手段により測定される貯湯槽の蓄熱量に応じて圧縮機を制御する請求項１記載の給湯装置。
5. 熱量測定手段により測定される熱量が所定値に達したとき圧縮機を停止する請求項４記載の給湯装置。

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