JP2016038114A - 貯湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の排熱を回収して貯湯タンク内の水を昇温する貯湯システムにおいて、ガスが供給停止になって燃料電池が発電不可になった場合にも貯湯タンク内の水を昇温して湯を使えるようにする。
【解決手段】貯湯タンクの蓄熱量が、燃料電池が稼働を停止する所定の上限量未満であり、排熱回収用の循環管路内の水温が自然放熱に相当する温度変化を示した場合に、燃料電池へのガスの供給が停止したと判定する、もしくは、貯湯タンクの蓄熱量が所定の上限量未満であり、出湯時に貯湯タンクから供給される湯を追加加熱するガス燃焼式の熱源機で点火エラーが生じた場合に、燃料電池へのガスの供給が停止したと判定する。そして、ガス供給が停止したら、燃料電池の備える電気式ヒータで貯湯タンク内の湯水を昇温する。
【選択図】図８

Description

本発明は、貯湯タンク内の湯を燃料電池等の発電装置の排熱を回収して加熱して給湯する貯湯システムに関する。

災害により、電気、ガス、水道などのライフラインが停止することがある。たとえば、家庭用の燃料電池は、都市ガスやプロパンガスを燃料として発電するので、災害によりガスの供給が停止すると、発電を継続できなくなる。

また、燃料電池の排熱を回収して貯湯タンク内の水を昇温する貯湯システムでは、燃料電池の稼働が長時間停止すると、貯湯タンク内の水温が低下してレジオネラ菌等が発生するおそれがある。特許文献１には、燃料電池が所定時間以上稼働しない場合に、電気式ヒータを商用電源で駆動して貯湯タンク内の殺菌を行う燃料電池システムが開示されている。

また、貯湯タンク内の水を、燃料電池の排熱を回収するための熱交換器を通る循環回路に循環させて昇温する貯湯システムにおいて、系統電源が停電したとき、燃料電池の発電した電力を、循環回路に設けた電気式ヒータに供給するように制御して、その循環する湯水を昇温する技術がある（特許文献２参照）。

特開２００９−６４７５３号公報 特開２００７−２７２１５８号公報

断水が生じると以下のような問題が生じる。通常、貯湯システムでは、貯湯タンクの取水口に水道を接続しており、蛇口を開くと、取水口から上水が補給される水圧で貯湯タンク内の湯が蛇口へ流出するようになっている。そのため、断水になって上水が補給されなくなると、貯湯タンク内の湯水を蛇口から出すことはできなくなる。

断水時に貯湯タンク内の湯水を利用するために、貯湯タンクの下部に排水弁を設けることが考えられる。しかし、熱い湯は貯湯タンク内の上部に溜まり、下部ほど温度が低いので、貯湯タンク内の全体が湯になっていなければ、最初のうちは排水弁を開いても冷たい水が出るだけで、湯を利用することはできない。

またこの排出した水は、燃料電池の排熱回収に利用できない。そして、貯湯タンク下部の冷たい水をすべて排水弁から排出して使ってしまうと、燃料電池の排熱を回収できなくなり、結果として、燃料電池の発電が停止してしまう。災害などで断水に加えて停電となった場合には、燃料電池は重要な電源になるので、その稼働が停止することは好ましくない。

本発明は、上記の問題を解決しようとするものであり、断水が生じた場合に貯湯タンク内の水を湯にして利用することのできる貯湯システムを提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。

［１］出湯に供される湯を蓄えるための貯湯タンク内の水を所定の発電装置の排熱を回収して昇温する貯湯システムであって、
前記排熱を回収するための熱交換器と、
始端が前記貯湯タンクの下部の取水口に接続され、前記熱交換器を経由し、終端が前記貯湯タンクの上部の戻り口に接続された循環管路と、
前記貯湯タンク内の水を、前記循環管路を通じて循環させる循環ポンプと、
前記熱交換器および前記循環ポンプより下流の前記循環管路に設けられ、手動で開閉される排水口と、
前記排水口の開閉状態を検出するセンサと、
前記センサが前記排水口の開状態を検出しているとき、前記循環ポンプを稼働させる制御部と、
を有する
ことを特徴とする貯湯システム。

上記発明では、断水時等に、排水口が手動で開かれると、燃料電池等の発電装置の排熱を回収するための熱交換器を通る循環管路に貯湯タンク内の湯水を循環させる循環ポンプを強制的に稼働させる。これにより、貯湯タンク内の水は、貯湯タンク下部の取水口から抜き出され、燃料電池等の発電装置の排熱回収用の熱交換器を経由して、排水口から排出される。これにより、断水時に、燃料電池等の発電装置の排熱で昇温された湯を排水口から排出することができる。

［２］前記循環管路を通る水を昇温する電気式ヒータをさらに備え、
前記制御部は、前記センサが前記排水口の開状態を検出しているとき、前記電気式ヒータを稼働させる
ことを特徴とする［１］に記載の貯湯システム。

上記発明では、断水時等に、排水口が手動で開かれると、循環ポンプおよび電気式ヒータを強制的に稼働させる。これにより、電気式ヒータで昇温した湯を排水口から排出することができる。

［３］出湯に供される湯を蓄えるための貯湯タンク内の水を、排熱回収用の熱交換器と循環ポンプとを備えた所定の発電装置の排熱を回収して昇温する貯湯システムであって、
始端が前記貯湯タンクの下部の取水口に接続され、前記熱交換器および前記循環ポンプを経由し、終端が前記貯湯タンクの上部の戻り口に接続された循環管路と、
前記熱交換器および前記循環ポンプの下流の前記循環管路に設けられ、手動で開閉される排水口と、
前記排水口の開閉状態を検出するセンサと、
前記センサが前記排水口の開状態を検出しているときに、前記燃料電池に前記循環ポンプを稼働するように指示する制御部と、
を有する
ことを特徴とする貯湯システム。

上記発明では、断水時等に、排水口が手動で開かれると、燃料電池等の発電装置が有する循環ポンプを強制的に稼働させる。これにより、貯湯タンク内の水は、貯湯タンク下部の取水口から抜き出され、燃料電池等の発電装置の排熱回収用の熱交換器を経由して、排水口から排出される。これにより、断水時に、燃料電池等の発電装置の排熱で昇温された湯を排水口から排出することができる。

［４］前記所定の発電装置は、前記循環ポンプで送られる水を昇温する電気式ヒータをさらに備え、
前記制御部は、前記センサが前記排水口の開状態を検出しているときに、前記燃料電池に前記電気式ヒータを稼働するように指示する
ことを特徴とする［３］に記載の貯湯システム。

上記発明では、断水時等に、排水口が手動で開かれると、燃料電池等の発電装置が有する循環ポンプおよび電気式ヒータを強制的に稼働させる。これにより、電気式ヒータで昇温した湯を排水口から排出することができる。

［５］前記排水口から湯水が流出する際に、貯湯タンクの上部から空気を取り入れる空気取り入れ部を有する
ことを特徴とする［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の貯湯システム。

上記発明では、排水に伴う貯湯タンク内の圧力低下を防止することができ、円滑な排水が維持される。

［６］前記所定の発電装置は、燃料電池である
ことを特徴とする［１］乃至［５］のいずれか１つに記載の貯湯システム。

本発明に係る貯湯システムによれば、断水が生じた場合に貯湯タンク内の水を湯にして利用することができる。

本発明の貯湯システムを適用した風呂給湯システムの概略構成を示す図である。 風呂給湯器の構成例を示す図である。 排熱回収動作における湯水の流れを示す説明図である。 第１モードの給湯動作における湯水の流れを示す説明図である。 第２モードの給湯動作における湯水の流れを示す説明図である。 第３モードの給湯動作における湯水の流れを示す説明図である。 注湯動作における湯水の流れを示す説明図である。 非常用取水弁の開閉に伴う動作を示す流れ図である。 非常用取水弁が開いているときの通水経路を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の貯湯システムを適用した風呂給湯システム１０の構成を示している。風呂給湯システム１０は、貯湯タンクユニット１１と、熱源機としての燃料電池４と、出湯時に貯湯タンクユニットから供給される湯を追加加熱するバックアップ熱源機としての風呂給湯器７０とを備えて構成される。なお、燃料電池４は、当該燃料電池４の排熱を回収するための排熱回収装置５０を内蔵している。図中、装置間の配管や外部配管は２重の矢印で示してある。

貯湯タンクユニット１１は、給水管１２から供給される給水を蓄える貯湯タンク１３を備えている。貯湯タンク１３は中空略円柱状のタンクであり、下部には給水口１４が設けてあり、上部には出湯口１５が設けてある。さらに貯湯タンク１３の下部には取水口１６が、上部には戻り口１７が設けてある。

貯湯タンク１３は、たとえば、容量１００リットル程度を有する。貯湯タンク１３には、底から２０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第１温度センサ１８ａが、底から４０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第２温度センサ１８ｂが、底から６０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する第３温度センサ１８ｃが、底から８０リットルの水位の箇所に、その箇所の水温を検出する湯切れ温度センサ１８ｄが、さらに貯湯タンク１３内のほぼ最上部に、その箇所の水温を検出するタンク上部温度センサ１８ｅがそれぞれ設けてある。

排熱回収装置５０は、燃料電池４の排熱で内部の熱媒体流体が昇温される一次循環回路５６を備えている。一次循環回路５６には、熱媒体流体を一次循環回路５６に循環させるポンプ５７と、一次循環回路５６を循環する熱媒体流体を加熱するための電気式ヒータ５８が設けられている。

さらに排熱回収装置５０は、一次循環回路５６を通る熱媒体流体と、排熱回収循環経路を循環する湯水との間で熱交するための排熱回収熱交換器５１と、排熱回収ポンプ５２を有する。貯湯タンク１３と排熱回収熱交換器５１は、これらの間に貯湯タンク１３の水を循環させる排熱回収循環経路が構成されるように熱回収配管５３（５３ａ、５３ｂ）で接続されている。詳細には、貯湯タンク１３の取水口１６には熱回収配管（低温）５３ａの一端が接続され、排熱回収熱交換器５１の二次通水管５１ａの入り側に熱回収配管（低温）５３ａの他端が接続されている。排熱回収ポンプ５２は、二次通水管５１ａの入り側近傍の熱回収配管（低温）５３ａに介挿されており、排熱回収ポンプ５２は熱回収配管（低温）５３ａ内の水を貯湯タンク１３の取水口１６側から排熱回収熱交換器５１の二次通水管５１ａの入り側に向けて送水する。

排熱回収熱交換器５１の二次通水管５１ａの出側には熱回収配管（高温）５３ｂが接続され、熱回収配管（高温）５３ｂの他端は、貯湯タンクユニット１１内の第１三方弁２１の第１接続口２１ａに接続されている。

第１三方弁２１は、前述の第１接続口２１ａと、第２接続口２１ｂと第３接続口２１ｃとを備え、第１接続口２１ａと第２接続口２１ｂとを接続し第３接続口２１ｃを閉鎖するＡ方向と、第１接続口２１ａと第３接続口２１ｃとを接続し第２接続口２１ｂを閉鎖するＢ方向とに接続状態を切り替え可能に構成されている。なお、第１三方弁２１は第１接続口２１ａから流入する水の温度が所定温度以上ならばＡ方向となり、所定温度未満ならばＢ方向に切り替わるように制御部２０により制御される。

第１三方弁２１の第２接続口２１ｂは貯湯タンク１３の戻り口１７に配管されている。第１三方弁２１の第３接続口２１ｃにはバイパス管５４の一端が接続され、バイパス管５４の他端は貯湯タンクユニット１１内で熱回収配管（低温）５３ａに合流している。

第１三方弁２１の第１接続口２１ａ近傍の熱回収配管（高温）５３ｂには熱回収配管高温側温度センサ２２ａが設けてある。貯湯タンク１３の取水口１６からバイパス管５４との合流箇所までの間の熱回収配管（低温）５３ａに熱回収配管低温側温度センサ２２ｂが設けてある。

第１三方弁２１の第２接続口２１ｂと貯湯タンク１３の戻り口１７とを接続する配管の途中には、非常用取水弁４４が設けてある。非常用取水弁４４は、手動の三方弁である。非常用取水弁４４の第１接続口４４ａは、第１三方弁２１の第１接続口２１ａに通じ、第２接続口４４ｂは戻り口１７に通じ、第３接続口４４ｃは解放された流出口になっている。非常用取水弁４４は、第１接続口４４ａと第２接続口４４ｂが連通して第３接続口４４ｃが閉鎖された閉状態と、第１接続口４４ａと第３接続口４４ｃが連通し第２接続口４４ｂが閉鎖された開状態に手動で切り替えることができる。通常は閉状態にされている。

非常用取水弁４４には、非常用取水弁４４が閉状態にされているか開状態にされているかを検出する開閉センサが設けてある。制御部２０はこの開閉センサの出力から非常用取水弁４４が開状態か閉状態かを認識する。

非常用取水弁４４の第３接続口４４ｃと貯湯タンク１３の戻り口１７とを接続する配管は途中で分岐し、その分岐先にバキュームブレーカ４５が取りつけてある。バキュームブレーカ４５は、戻り口１７側が負圧になった場合に外気を取り入れる空気取り入れ部として機能する。

貯湯タンクユニット１１は、貯湯タンク１３の出湯口１５からの湯と、風呂給湯器７０からの湯と、給水とを混合する混合器２３を備えている。この混合器２３は、実際には、貯湯タンク１３の出湯口１５からの湯の混合量を調整する第１混合器２３ａと、風呂給湯器７０からの湯の混合量を調整する第２混合器２３ｂと、給水管１２からの給水の混合量を調整する第３混合器２３ｃとを有して構成される。

第１混合器２３ａの入り側は貯湯タンク１３の出湯口１５に配管で接続されており、この配管の途中には、過圧逃がし弁２４、吸気弁２５、タンク出口温度センサ２６が設けてある。第２混合器２３ｂの入り側は風呂給湯器７０の給湯接続口に接続配管（高温）６１で接続されている。接続配管（高温）６１のうち貯湯タンクユニット１１内の所定箇所には接続配管（高温）６１内の水温を検出する接続配管高温側温度センサ２８が設けてある。第３混合器２３ｃの入り側には給水管１２が接続されている。

第１混合器２３ａの出側と第２混合器２３ｂの出側は合流し、給湯高温温度センサ２９の設けられた配管を経た後、第３混合器２３ｃの出側からの配管と合流して混合器２３の出口に通じている。混合器２３の出口には給湯配管３１が接続されている。混合器２３の出口近傍の給湯配管３１には出湯温度センサ３２およびハイカット温度センサ３３が設けてある。

貯湯タンクユニット１１内部の給水管１２には流量センサ３４、給水温度センサ３５、減圧弁３６が設けられている。給水管１２は、これらの下流で３つに分岐し、その１つは逆止弁３７ａを介して第３混合器２３ｃの入り側に接続され、他の１つは逆止弁３７ｂを介して貯湯タンク１３の給水口１４に接続され、他の１つは逆止弁３７ｃを介して第２三方弁３８の第２接続口３８ｂに接続されている。

第２三方弁３８は、第１接続口３８ａと第２接続口３８ｂと第３接続口３８ｃとを備え、第１接続口３８ａと第２接続口３８ｂとを接続し第３接続口３８ｃを閉鎖したＣ方向と、第１接続口３８ａと第３接続口３８ｃとを接続し第２接続口３８ｂを閉鎖したＤ方向とに接続状態を切り替え可能になっている。第３接続口３８ｃには、ハイカット温度センサ３３の下流側で給湯配管３１から分岐した配管３１ｂが接続されている。この配管３１ｂの途中には逆止弁３９が設けてある。第２三方弁３８の第１接続口３８ａは風呂給湯器７０の給水接続口に接続配管（低温）６２を通じて接続されている。

さらに貯湯タンクユニット１１の取水口１６には所定の排水箇所に通じる排水管４１が接続されており、排水管４１の途中にはこの管路を開閉する排水栓４２が設けてある。

貯湯タンクユニット１１は、当該貯湯タンクユニット１１の動作を統括制御する制御部２０を備えている。制御部２０はＣＰＵ（Central Processing Unit）と、該ＣＰＵが実行するプログラムや固定データなどが記憶されたフラッシュＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵがプログラムを実行する際に各種情報を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、各種の信号を入出力するＩ／Ｆ（Interface）部などを主要部とする回路で構成されている。制御部２０には、貯湯タンクユニット１１の各種センサからの検出信号が入力されている。また制御部２０からは各弁やその他の制御対象に対して制御信号が出力される。制御部２０はさらに燃料電池４や風呂給湯器７０と各種の情報や指令を授受するようになっている。

次に、バックアップ熱源機としての風呂給湯器７０の構成例を説明する。風呂給湯器７０は接続配管（低温）６２が接続された給水接続口から流入する水を加熱して出湯する機能、風呂（浴槽）２へ注湯（湯張り）する機能、浴槽内の湯水を追い焚きする機能、暖房用放熱器３に加熱した熱媒体流体を流して暖房する機能などを備えたガス燃焼式の風呂給湯器である。なお、図２では暖房機能に係る部分は省略してある。

風呂給湯器７０は、第１熱交換水管７２ａと第２熱交換水管７２ｂとが通る一缶二水路型の熱交換器７２と、この熱交換器７２を加熱するバーナ７３を備える。バーナ７３にはガス供給管７３ａが接続され、このガス供給管７３ａの途中には、ガスの供給／遮断を切り替えるガス弁や供給ガス量を調整する比例弁などが設けてある。

第１熱交換水管７２ａの入り側は入水管７４により給水接続口に接続され、第１熱交換水管７２ａの出側は出湯管７５により給湯接続口に接続されている。また、第２熱交換水管７２ｂの入り側には風呂（浴槽）２へ通じる風呂戻り管７６が、第２熱交換水管７２ｂの出側には同じく風呂（浴槽）２へ通じる風呂往き管７７がそれぞれ接続されている。

出湯管７５と風呂戻り管７６とは、連結管７８によって接続されており、該連結管７８の途中には、連結管７８の閉鎖／開通を切り替える注湯電磁弁７９が設けてある。また、連結管７８の接続箇所より上流側の出湯管７５の途中には、略閉鎖状態から全開状態まで開度を調整可能な水量サーボ８１が出湯水量を調整するために設けてある。水量サーボ８１の下流側には、出湯温度を検出する出湯温度センサ８２が設けてある。

さらに、入水管７４から分岐し、水量サーボ８１より第１熱交換水管７２ａ側の所定箇所で出湯管７５に合流・接続されたバイパス管８３を備え、このバイパス管８３の途中に、略閉鎖から全開まで開度を調整可能なバイパス調整弁８４を備えている。第１熱交換水管７２ａからの湯とバイパス管８３を経由した水とを混合して設定温度の湯になるようにバイパス調整弁８４が調整される。バイパス管８３の分岐箇所より上流側の入水管７４には、入水管７４内の流量を検出する流量センサ８５および入水温度を検知する入水温度センサ８６が設けてある。

風呂戻り管７６の途中には、風呂（浴槽）２内の水を、追い焚き循環経路（風呂戻り管７６、第２熱交換水管７２ｂ、風呂往き管７７）を通じて循環させるための風呂循環ポンプ８７が設けてある。風呂戻り管７６に設けた流水スイッチ８８は、風呂循環ポンプ８７を作動させたとき、追い焚き循環経路に実際に水が循環しているか否かを検出する。

このほか、風呂戻り管７６および風呂往き管７７には、それぞれ管内の温度を検出する風呂往き温度センサ８９ａ、風呂戻り温度センサ８９ｂが設けてある。

制御部９１は、ＣＰＵと、該ＣＰＵが実行するプログラムや固定データなどが記憶されたフラッシュＲＯＭと、ＣＰＵがプログラムを実行する際に各種情報を一時記憶するＲＡＭなどを主要部とする回路で構成されている。制御部９１には、風呂給湯器７０が有する各種センサ、弁、風呂循環ポンプ８７などが接続されている。

通常は、制御部９１に配線を介してリモコン９２が直接接続されるが、ここでは、風呂給湯器７０を貯湯タンクユニット１１側の制御部２０の制御下で動作させるために、制御部９１を配線を介して制御部２０に接続し、制御部２０に配線を介してリモコン(貯湯タンクユニット１１側と風呂給湯器７０の共通のリモコン)９２が接続されている。リモコン９２は、給湯設定温度や風呂設定温度の指定、湯張り動作や追い焚き動作の開始・終了指示、電源のオン／オフなど各種の操作をユーザから受けるスイッチ類、および動作状態や設定温度などを表示する表示部などで構成される。

風呂給湯器７０の制御部９１は、給湯接続口から接続配管（高温）６１へ出湯する給湯動作では、貯湯タンクユニット１１側の制御部２０から指示された温度の湯が接続配管（高温）６１へ出湯されるようにバーナ７３の燃焼量やバイパス調整弁８４の開度などを制御する。

風呂（浴槽）２へ注湯（湯張り）する動作では、注湯電磁弁７９を開けてバーナ７３を燃焼させた状態で水量サーボ８１の開度を調整することにより、給水接続口から流入する湯水が熱交換器７２の第１熱交換水管７２ａを通って加熱され、さらに出湯管７５から連結管７８、風呂戻り管７６および風呂往き管７７の双方（もしくは一方）を通じて風呂（浴槽）２へ流れ込む（この経路を注湯回路とする）。この際、リモコン９２でユーザが設定した風呂設定温度の湯が注湯されるようにバーナ７３の燃焼量やバイパス調整弁８４の開度などを制御する。なお、貯湯タンクユニット１１側から接続配管（低温）６２を通じて供給された湯が既に風呂設定温度に達しており風呂給湯器７０で追加の加熱が不要な場合は、バーナ７３を燃焼させずに注湯動作を行う。風呂給湯器７０は風呂（浴槽）２内の水位をチェックし、設定水位に達すると注湯動作は終了する。

追い焚き動作では、注湯電磁弁７９を閉鎖し、風呂循環ポンプ８７を作動させた状態でバーナ７３を燃焼させる。これにより風呂（浴槽）２内の湯水が風呂戻り管７６を通じて風呂給湯器７０に取り込まれ熱交換器７２の第２熱交換水管７２ｂを通る間に加熱され、加熱後の湯水が風呂往き管７７を通じて風呂（浴槽）２へ戻される。

次に、風呂給湯システム１０の各種動作について説明する。

＜排熱回収動作＞
図３は、排熱回収動作における湯水の流れを表しており、排熱回収動作における湯水の流れる経路を太線で示してある。燃料電池４の排熱を回収して貯湯タンク１３内の湯水を加熱する排熱回収動作では、制御部２０は燃料電池４に指示して、一次循環回路５６のポンプ５７および排熱回収ポンプ５２を作動させる。これにより、一次循環回路５６を熱媒体流体が循環し、貯湯タンク１３内の湯水は、取水口１６から出て、熱回収配管（低温）５３ａ、排熱回収熱交換器５１、熱回収配管（高温）５３ｂ、Ａ方向の第１三方弁２１を経由して戻り口１７から貯湯タンク１３の上部に戻る循環経路で循環する。なお、第１三方弁２１の第１接続口２１ａには、一次循環回路５６を循環する熱媒体流体から排熱回収熱交換器５１での熱交換で吸熱して高温になった湯が到達するので制御部２０は第１三方弁２１をＡ方向にする。

給水は貯湯タンク１３の下部の給水口１４から供給され、排熱回収動作で加熱された湯は貯湯タンク１３の上部に戻されるので、貯湯タンク１３内には下部が低温で上部が高温となるような温度勾配が形成される。そして排熱回収動作を続けることで上部に溜まる高温の湯量が次第に増加する。

＜給湯動作＞
貯湯タンクユニット１１は風呂給湯器７０の近くに設置される場合もあれば、遠く離れて設置される場合もある。たとえば、２階に風呂があるような家屋では、風呂給湯器７０は２階の外壁に設置され貯湯タンクユニット１１および燃料電池４は１階に設置されるといったケースがあり、このような場合には装置間を結ぶ接続配管（高温）６１および接続配管（低温）６２の配管長が長くなって圧損の大きい設置状況になる。本発明の風呂給湯システム１０では、低水圧地域において、配管が長くて圧損が大きい設置状況になっても、出湯量を十分確保できるように、圧損の増加を抑えた給湯を行うようになっている。

給湯は以下の３つの制御モードのいずれかで行われる。

（１）第１モード（タンク出湯）
第１モードは、貯湯タンク１３に十分蓄熱されている場合の給湯動作である。図４は、第１モードの給湯動作における湯水の流れを表している。図中、湯水の流れる経路を太線で示してある。第１モードでは、混合器２３で貯湯タンク１３からの湯と給水とを混合して給湯設定温度の湯を作り、給湯する。風呂給湯器７０には給水は送らず、風呂給湯器７０での加熱はなく燃焼運転しない。

詳細には、混合器２３の第２混合器２３ｂは閉じ、第１混合器２３ａと第３混合器２３ｃの開度を調整して、出湯温度センサ３２によって検出される混合器２３の出側の湯の温度が給湯設定温度になるように制御する。ここでは、たとえば、貯湯タンク１３に設けた湯切れ温度センサ１８ｄの検出温度が、給湯設定温度（実際には、給湯配管などでの温度低下を考慮してたとえば給湯設定温度＋１℃とする）以上の場合は第１モードでの給湯を行う。

（２）第２モード（給湯器出湯モード）
第２モードは、貯湯タンク１３に利用可能な湯がない場合の給湯動作である。図５は、第２モードの給湯動作における湯水の流れを表している。図中、湯水の流れる経路を太線で示してある。第２モードでは、給水を風呂給湯器７０で給湯設定温度より高い温度に加熱した湯と給水とを混合器２３で混合して給湯設定温度の湯を給湯する。

詳細には、第２三方弁３８をＣ方向に設定し、風呂給湯器７０に給水を供給する。また、混合器２３の第１混合器２３ａは閉じ、第２混合器２３ｂと第３混合器２３ｃの開度を調整して、出湯温度センサ３２によって検出される混合器２３の出側の湯の温度が給湯設定温度になるように制御する。

なお、制御部２０は、風呂給湯器７０の出湯温度が給湯設定温度より十分高くなるように風呂給湯器７０に対して出湯温度を指示する。これにより、給水と混ぜて給湯設定温度を得るために必要な風呂給湯器７０からの湯の量が少なくなり、接続配管（低温）６２、風呂給湯器７０および接続配管（高温）６１を経由することにより生じる圧損を小さく抑えることができる。たとえば、給湯設定温度が４０℃ならば風呂給湯器７０から５５℃の湯をもらう。また給湯設定温度が６０℃ならば風呂給湯器７０から７５℃の湯をもらう、というようにする。

（３）第３モード（後混合出湯モード）
第３モードは、貯湯タンク１３内に蓄熱はあるが、温度が低く、貯湯タンク１３内の湯だけでは不十分な場合の給湯動作である。図６は、第３モードの給湯動作における湯水の流れを表している。図中、湯水の流れる経路を太線で示してある。第３モードは、たとえば、貯湯タンク１３の湯切れ温度センサ１８ｄの検出温度が給湯設定温度より低いが給湯設定温度より１０℃以上は低くないような場合に選択される。

第３モードでは、給水を風呂給湯器７０で加熱した湯と貯湯タンク１３からの湯と給水とを混合して給湯設定温度の湯を作る。詳細には、第２三方弁３８をＣ方向とし、給水を風呂給湯器７０で加熱して作った湯と、給水と、貯湯タンク１３からの湯とを混合器２３で混合して給湯設定温度の湯を作り、給湯する。貯湯タンク１３内の湯の温度が低くても、風呂給湯器７０からもらった高温の湯と混ぜて使うことにより、貯湯タンク１３に貯めた蓄熱をより使い切ることができるため、第１、第２モードのみで制御する場合よりも省エネ性が増す。

なお、制御部２０は第１モードを優先選択し、第１モードで設定温度の湯を給湯できない場合であって給湯設定温度より所定温度（たとえば、１０℃）以上低くない湯を貯湯タンク１３から供給可能な場合は第３モードを選択し、第３モードを選択できない場合に第２モードを選択する。

＜注湯動作＞
図７は、注湯動作における湯水の流れを表している。図中、湯水の流れる経路を太線で示してある。注湯動作では、混合器２３の出側の湯を風呂給湯器７０の給水接続口へ供給すると共に、貯湯タンク１３からの湯もしくは貯湯タンク１３からの湯と給水とを混合した湯を混合器２３でつくり、混合器２３の出側から出た湯に風呂給湯器７０による加熱を足してもしくは追加の加熱無しに風呂給湯器７０から風呂（浴槽）２へ風呂設定温度の注湯が行われるように制御する。

具体的には、貯湯タンク１３に蓄熱がある状態で注湯（湯張り）する場合には、第２三方弁３８をＤ方向とし、混合器２３で貯湯タンク１３からの湯と給水とを混合してつくった風呂設定温度の湯を風呂給湯器７０に送り、風呂給湯器７０の注湯回路により湯張りする。貯湯タンクユニット１１の制御部２０は風呂給湯器７０に対してバーナ７３の燃焼オフのまま注湯電磁弁７９を開くように指示する。貯湯タンクユニット１１が有する混合器２３の出側からの湯は、接続配管（低温）６２から風呂給湯器７０の注湯回路、すなわち、風呂給湯器７０内の入水管７４、第１熱交換水管７２ａ、注湯電磁弁７９、連結管７８を経由した後、風呂往き管７７と風呂戻り管７６の双方もしくは一方、を通って風呂（浴槽）２へ流出し注湯される。

貯湯タンク１３に蓄熱がない場合の注湯は、第２三方弁３８をＤ方向とし、貯湯タンク１３内の風呂設定温度よりも低い温度の湯、または給水、またはそれらを混合した風呂設定温度よりも低い温度の湯を風呂給湯器７０に送り、風呂給湯器７０において風呂設定温度まで加熱し、風呂給湯器７０内の注湯回路を通じて注湯する。

なお、水位の検知や追い焚きなど全自動風呂に用いる機能は、全て風呂給湯器７０の有する機能をそのまま使用する。

このように、第２三方弁３８をＤ方向に切り替えて混合器２３の出側からの湯を風呂給湯器７０に供給するので、貯湯タンク内の湯を活用して注湯することができる。

次に、断水時に貯湯タンク１３内の水を湯にして提供する非常時出湯機能について説明する。

断水時に備えて、貯湯タンクユニット１１は、貯湯タンク１３内の水を湯にして非常用取水弁４４の第３接続口４４ｃから流出させる非常時出湯機能を備えている。ユーザはこの機能を利用して湯を使いたい場合、非常用取水弁４４を開状態に切り替える。

図８は、非常時出湯機能に係る動作の流れを示している。制御部２０は、非常用取水弁４４の開閉状態を監視しており（ステップＳ１０１）、非常用取水弁４４が手動で開状態にされたら（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、燃料電池４に対して、電気式ヒータ５８、排熱回収ポンプ５２、ポンプ５７の強制稼働を指示する（ステップＳ１０２）。

通常、燃料電池４から出る排熱を回収するために貯湯タンク１３からの湯水を循環させる排熱回収ポンプ５２は（電気式ヒータ５８はOFF）、取水口１６から取り込まれる水の温度に応じて能力を可変させる制御が行われる。例えば貯湯タンク１３の取水口１６から取り込まれる水の温度が低い場合には（例えば１５℃では）、排熱回収ポンプ５２で循環する流量が少なくても十分に燃料電池４を冷却（一次循環回路を冷却）できるものとして、排熱回収ポンプ５２を低能力（例えば０．２〜０．３リットル毎分）で駆動する。この結果、高温（例えば６０degupの７０〜８０℃）の湯が貯湯タンク１３の戻り口１７に戻る。例えば貯湯タンク１３の上の方は７０〜８０℃の湯があるが、下の方は１５℃の水があるときにこのような運転状態になる。

また例えば、満蓄（貯湯タンク１３内の蓄熱量が所定の上限に達し、これ以上、燃料電池の排熱回収ができなくなる状態）が近くなり取水口１６から取り出される水の温度が高くなってきた場合には（例えば４５℃までは）排熱回収ポンプ５２の駆動能力を高めて循環する流量を多くし（例えば最大能力の１リットル毎分）、排熱回収ポンプ５２の最大能力を超えても冷却が不十分になる位、取水口１６から取り出される水の温度が高いと判断された場合には（例えば４５℃を超えた場合には）、燃料電池４の運転を停止させるようにしている。

ところで、満蓄とならなければ排水栓４２を開ければ冷たい水であればいくらでも取り出せるのであるから、非常用取水弁４４から出る湯の温度は、例えば６０℃のようななるべく高温の方が、ミキシングして好みの湯温とできる選択肢が多くなり好ましい。しかし、取り出す流量が例えば０．２〜０．３リットル毎分であると、湯を取り出すのにあまりに時間を要する。

そこで本実施の形態に係る貯湯システム１０では、貯湯タンク１３の取水口１６から取り出される水の温度の如何にかかわらず排熱回収ポンプ５２を最大能力（例えば最大能力の１リットル毎分）で運転して非常用取水弁４４から取り出す湯量を多くし、これによって湯温が下がるのを少しでも防止するために電気式ヒータ５８を用いて追加加熱するようにしている。

ただし、排熱回収ポンプ５２の最大能力を超えても冷却が不十分になる位、取水口１６から取り出される水の温度が高いと判断された場合には燃料電池４の運転を停止させることを優先させるようにしている。従ってこの場合には、取水口１６から取り出される水（例えば４５℃）に対し電気式ヒータ５８のみの加熱を行い（例えば５５℃＝４５℃＋１０degup）、又は、取水口１６から取り出される水が十分に高温（例えば６０℃）の時には、電気式ヒータ５８の加熱なしの湯を非常用取水弁４４から取り出せるようにしている（この時は排水栓４２を開ければ同じ温度の湯が取り出せる）。

図９は、非常用取水弁４４が開いているときの通水経路を示している。排熱回収ポンプ５２が稼働することで、断水中であっても、貯湯タンク１３内の水が貯湯タンク１３の下部の取水口１６から取り出され、燃料電池４の排熱回収熱交換器５１を経由して非常用取水弁４４の第３接続口４４ｃから流出する。排熱回収熱交換器５１を経由する水は本来ならば燃料電池４の起動時に燃料電池４内にあるセルスタック等を温めて起動を助けるために用いられる電気式ヒータ５８によって加熱される。

断水時は給水が補給されないので、貯湯タンク１３内の水が非常用取水弁４４の第３接続口４４ｃから流出すると貯湯タンク１３内は負圧になる。これにより、バキュームブレーカ４５から外気が貯湯タンク１３内に取り込まれる。

非常用取水弁４４から出る湯の温度は、なりゆきの温度になる。すなわち、ガスが供給されて燃料電池４が稼働しているならば、非常用取水弁４４から出る湯は、排熱回収装置５０を通る間に電気式ヒータ５８からの熱と燃料電池４の排熱で昇温される。この時排熱回収ポンプ５２を 最大運転させて（例えば１リットル毎分）非常用取水弁４４から取り出す水温に対して例えば１５degup位の昇温を燃料電池４の排熱で行うと共に、電気式ヒータ５８でも例えば１０degup位の昇温が行われる（例えば取水口１６から取り出す水温１５℃の時は４５℃＝１５℃＋１５degup＋１０degup）。

排熱回収ポンプ５２の最大能力を超えても冷却が不十分になる位、取水口１６から取り出される水の温度が高いと判断された場合には燃料電池４の運転を停止させる。このように貯湯タンク１３の満蓄によっての燃料電池４の停止を含め、例えば燃料ガスの供給も停止して燃料電池４が稼働していなければ、非常用取水弁４４から出る湯は、排熱回収装置５０を通る間に電気式ヒータ５８からの熱のみで昇温される（例えば取水口１６から取り出す水温４５℃の時は５５℃＝４５℃＋０degup＋１０degup）。

その後、制御部２０は、非常用取水弁４４が手動の切り替えにより閉状態にされたか否かを監視し（ステップＳ１０３）、閉状態になったら（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２での強制稼働を停止するように燃料電池４に指示する（ステップＳ１０４）。

なお、非常用取水弁４４の近くに、電気式ヒータ５８による加熱を行うか否かの選択スイッチを設けておき、ユーザが加熱不要を選択した場合は、ステップＳ１０２の強制稼働において、排熱回収ポンプ５２の最大運転を燃料電池４に指示し、また、ポンプ５７の稼働を指示するも電気式ヒータ５８の稼働は指示しないようにしてもよい（例えば取水口１６から取り込まれる水の温度が４５℃以下のように低い場合）。燃料電池４が停止している場合（例えば取水口１６から取り込まれる水の温度が４５℃以上のように高い場合や、燃料ガスの供給が停止している場合等）では排熱回収ポンプ５２の最大運転のみを指示し、ポンプ５７と電気式ヒータ５８の稼働を指示しないようにしてもよい。

このように、断水時にも、貯湯タンク１３内の水を湯にしてユーザに提供することができる。また、燃料電池４が稼働しているときは、非常用取水弁４４の第３接続口４４ｃから出る湯が燃料電池４の排熱を回収するので、燃料電池４を冷却して発電継続にも貢献する。

なお、断水後も燃料電池４が発電を継続すると、やがて、貯湯タンク１３が満蓄になり、貯湯タンク１３内全体が熱い湯になる。満蓄になると、貯湯タンク１３の下部の第１温度センサ１８ａが所定以上の温度を検出し（例えば４５℃）、燃料電池４の発電が停止する。貯湯タンク１３が満蓄ならば、ステップＳ１０２の強制稼働において、排熱回収ポンプ５２を最大運転させると共に、電気式ヒータ５８およびポンプ５７も稼働させるようにしてもよい。この状態で非常用取水弁４４からの湯の使用を続けると、やがて例えば７０〜８０℃の湯が取水口１６から取り出される。これに合わせて電気式ヒータ５８およびポンプ５７を稼働させないようにしてもよい。

また、湯温コントロール設定部を非常用取水弁４４の近くに設け、この設定温度と、熱回収配管低温側温度センサ２２ｂ又は第１温度センサ１８ａの温度に応じて、排熱回収ポンプ５２と電気式ヒータ５８の能力をコントロールするようにしても良い。さらに、排熱回収ポンプ５２は最大運転でも１リットル毎分の能力しかないものを用いたが、もう少し能力が高いものを用いて、設定温度に応じて能力を可変させるようにしても良い。

以上、本発明の実施の形態を図面によって説明してきたが、具体的な構成は実施の形態に示したものに限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

本発明の貯湯システムは、風呂給湯システムのうちの貯湯タンクユニット１１を備えれば、排熱回収装置５０や風呂給湯器７０、燃料電池４は含まれても含まれなくてもよく、たとえば、排熱回収装置５０は燃料電池４に含まれる構成でもよいし、風呂給湯器７０は既存のものを使用してもよい。燃料電池４が排熱回収装置５０を具備せず、これを貯湯タンクユニット１１が備える構成では、非常時出湯機能において、貯湯タンクユニット１１の制御部２０は、燃料電池４への指示に代えて、自装置の備える排熱回収ポンプ５２や電気式ヒータ５８、ポンプ５７を制御してこれらを強制稼働させる。

実施の形態では、バックアップ熱源機を、バーナ７３を燃焼させるタイプの風呂給湯器７０としたが、これに限定されるものではない。

実施の形態では、給湯の制御モードを第１モード、第２モード、第３モードとした好適例を示したが、少なくとも第１、第２モードがあれば、第３モードのない構成でもかまわない。

貯湯タンクユニット１１の構成は実施の形態に例示したものに限定されない。たとえば、実施の形態では、風呂給湯器７０からの湯を混合器２３に戻して混合可能な構成であったが、混合器２３では、貯湯タンク１３からの湯と給水とを混合して風呂給湯器７０に供給し、風呂給湯器７０からの湯はそのまま給湯栓へ供給するような構成であってもかまわない。

実施の形態では、非常時出湯機能において、燃料電池４の有する電気式ヒータ５８を利用して貯湯タンク１３内の湯水を昇温して排出するようにしたが、昇温用の電気式ヒータはこれに限定されない。たとえば、非常用取水弁４４より上流の熱回収配管５３の途中に電気式ヒータを設け、これを利用してもよい。

また、実施の形態では、発電装置として燃料電池４を使用する例を示したが、たとえば、エンジン式の発電装置など、発電時に排熱するものであれば任意でよい。

２…風呂（浴槽）
３…暖房用放熱器
４…熱源機（燃料電池）
１０…風呂給湯システム
１１…貯湯タンクユニット
１２…給水管
１３…貯湯タンク
１４…給水口
１５…出湯口
１６…取水口
１７…戻り口
１８ａ…第１温度センサ
１８ｂ…第２温度センサ
１８ｃ…第３温度センサ
１８ｄ…湯切れ温度センサ
１８ｅ…タンク上部温度センサ
２０…制御部
２１…第１三方弁
２１ａ…第１接続口
２１ｂ…第２接続口
２１ｃ…第３接続口
２２ａ…熱回収配管高温側温度センサ
２２ｂ…熱回収配管低温側温度センサ
２３…混合器
２３ａ…第１混合器
２３ｂ…第２混合器
２３ｃ…第３混合器
２４…過圧逃がし弁
２５…吸気弁
２６…タンク出口温度センサ
２８…接続配管高温側温度センサ
２９…給湯高温温度センサ
３１…給湯配管
３１ｂ…配管
３２…出湯温度センサ
３３…ハイカット温度センサ
３４…流量センサ
３５…給水温度センサ
３６…減圧弁
３７ａ…逆止弁
３７ｂ…逆止弁
３７ｃ…逆止弁
３８…第２三方弁
３８ａ…第１接続口
３８ｂ…第２接続口
３８ｃ…第３接続口
３９…逆止弁
４１…排水管
４２…排水栓
４４…非常用取水弁
４４ａ…非常用取水弁の第１接続口
４４ｂ…非常用取水弁の第２接続口
４４ｃ…非常用取水弁の第３接続口
４５…バキュームブレーカ
５０…排熱回収装置
５１…排熱回収熱交換器
５１ａ…二次通水管
５２…排熱回収ポンプ
５３…熱回収配管
５３ａ…熱回収配管（低温）
５３ｂ…熱回収配管（高温）
５４…バイパス管
５６…一次循環回路
５７…ポンプ
５８…電気式ヒータ
６１…接続配管（高温）
６２…接続配管（低温）
７０…風呂給湯器
７２…熱交換器
７２ａ…第１熱交換水管
７２ｂ…第２熱交換水管
７３…バーナ
７３ａ…ガス供給管
７４…入水管
７５…出湯管
７６…風呂戻り管
７７…風呂往き管
７８…連結管
７９…注湯電磁弁
８１…水量サーボ
８２…出湯温度センサ
８３…バイパス管
８４…バイパス調整弁
８５…流量センサ
８６…入水温度センサ
８７…風呂循環ポンプ
８８…流水スイッチ
８９ａ…風呂往き温度センサ
８９ｂ…風呂戻り温度センサ
９１…制御部
９２…リモコン（共通リモコン）

Claims (6)

1. 出湯に供される湯を蓄えるための貯湯タンク内の水を所定の発電装置の排熱を回収して昇温する貯湯システムであって、
   前記排熱を回収するための熱交換器と、
   始端が前記貯湯タンクの下部の取水口に接続され、前記熱交換器を経由し、終端が前記貯湯タンクの上部の戻り口に接続された循環管路と、
   前記貯湯タンク内の水を、前記循環管路を通じて循環させる循環ポンプと、
   前記熱交換器および前記循環ポンプより下流の前記循環管路に設けられ、手動で開閉される排水口と、
   前記排水口の開閉状態を検出するセンサと、
   前記センサが前記排水口の開状態を検出しているとき、前記循環ポンプを稼働させる制御部と、
   を有する
   ことを特徴とする貯湯システム。
2. 前記循環管路を通る水を昇温する電気式ヒータをさらに備え、
   前記制御部は、前記センサが前記排水口の開状態を検出しているとき、前記電気式ヒータを稼働させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の貯湯システム。
3. 出湯に供される湯を蓄えるための貯湯タンク内の水を、排熱回収用の熱交換器と循環ポンプとを備えた所定の発電装置の排熱を回収して昇温する貯湯システムであって、
   始端が前記貯湯タンクの下部の取水口に接続され、前記熱交換器および前記循環ポンプを経由し、終端が前記貯湯タンクの上部の戻り口に接続された循環管路と、
   前記熱交換器および前記循環ポンプの下流の前記循環管路に設けられ、手動で開閉される排水口と、
   前記排水口の開閉状態を検出するセンサと、
   前記センサが前記排水口の開状態を検出しているときに、前記燃料電池に前記循環ポンプを稼働するように指示する制御部と、
   を有する
   ことを特徴とする貯湯システム。
4. 前記所定の発電装置は、前記循環ポンプで送られる水を昇温する電気式ヒータをさらに備え、
   前記制御部は、前記センサが前記排水口の開状態を検出しているときに、前記燃料電池に前記電気式ヒータを稼働するように指示する
   ことを特徴とする請求項３に記載の貯湯システム。
5. 前記排水口から湯水が流出する際に、貯湯タンクの上部から空気を取り入れる空気取り入れ部を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の貯湯システム。
6. 前記所定の発電装置は、燃料電池である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の貯湯システム。

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