JP4712608B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents
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Description
例えば特許文献1の給湯システムでは、燃焼給湯運転時に、ミキシングユニットで給湯設定温度より低温の所定の目標混合温度に調温される。調温された温水は熱源機に送り出され、熱源機で給湯設定温度まで加熱され、給湯される。熱源機の点火や消火のタイミングは、ミキシングユニットと熱源機を接続する配管の容量に応じて決定される。この制御によれば、非燃焼給湯運転と燃焼給湯運転との切換時の給湯温度の変動を抑制することができるとしている。
上記の貯湯式給湯システムでは、給湯設定温度が給湯上限温度である場合、非燃焼給湯運転から燃焼給湯運転への切換えを以下の手順によって行う。すなわち、非燃焼給湯運転を行っている際に、貯湯槽内の温水の温度が低下していって、給湯設定温度に基づく基準温度を下回ると、コントローラは非燃焼給湯運転から燃焼給湯運転に切換える。この場合に、先ず給湯設定温度よりも低い第1目標混合温度でミキシングユニットに調温させ、その後に熱源機に着火させる。これによって、ミキシングユニットで給湯設定温度よりも低い温度に調温された温水が熱源機で着火されることになり、熱源機から送り出される温水の温度が給湯上限温度を超える事態が防止される。さらにその後、熱源機の着火を検知すると、第1目標混合温度よりもさらに低い第2目標混合温度でミキシングユニットに調温させる。この結果、ミキシングユニットから熱源機へは低めの温度に調温された温水が流入するため、熱源機の着火が検知された後は、熱源機は着火時の燃焼量に比べて大きな燃焼量で温水を加熱し、給湯設定温度の温水を送り出す。このような燃焼給湯運転を行っている間に、給湯される流量が急激に減少した場合でも、もともとミキシングユニットから熱源機へ送られる温水の温度は低めに調温されているから、熱源機の燃焼量を下げることによって、熱源機から送り出される温水の温度が給湯上限温度を超える事態を防ぐことができる。
なお熱源機の着火の際の燃焼量は、熱源機の最小燃焼量としてもよいし、熱源機を緩点火する際の燃焼量としてもよい。
上記のように第2目標混合温度を設定することによって、給湯上限温度を超える温水が給湯される事態を確実に防ぐことができる。
(形態1)熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の温度を検出する給湯温度検出手段を備えており、熱源機の燃焼量は給湯温度検出手段で検出される温度と給湯設定温度が一致するように調整される。
(形態2)熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の温度が給湯上限温度を超える場合に、熱源機は消火される。
(形態3)給湯設定温度が給湯上限温度よりも低温であるときには、熱源機の着火を検出してもミキシングユニットでの目標混合温度は低下させない。
本実施例のコージェネレーションシステムは、図1に示すように、発電ユニット110と給湯システム10等を備えている。
発電ユニット110は、改質器112、燃料電池114、熱交換器116、118、熱媒放熱器120、熱媒三方弁122、それらを接続する経路等を備えている。
改質器112には、バーナ131が設けられている。バーナ131が作動して熱を発生すると、改質器112は炭化水素系のガスから水素ガスを生成する。バーナ131で燃焼した高温の燃焼ガスは燃焼ガス経路126に導かれる。燃焼ガス経路126は、改質器112から熱交換器116を通過して外部に開放されている。熱交換器116には、循環経路128も通過している。燃焼ガス経路126は、バーナ131で発生した高温の燃焼ガスを熱交換器116に導き、循環経路128を流れる水を加熱し、熱交換によって温度が低下した燃焼ガスを外部に排出する。
循環経路128は、循環復路128aと、循環往路128bから構成されており、給湯システム10と接続されている。循環経路128が給湯システム10にどのように接続されているのかについては、後で詳細に説明する。循環経路128は温水を流通させる。循環経路128を流れる温水は、熱交換器116を通過することによって燃焼ガス経路126を流れる燃焼ガスによって加熱され、温度が上昇する。
熱媒循環経路124は、燃料電池114、熱交換器118、リザーブタンク125、熱媒ポンプ127、熱媒三方弁122を通って燃料電池114に戻る循環経路を形成している。熱媒循環経路124の燃料電池114の下流側には、熱媒温度センサ117と凍結防止用ヒータ123が装着されている。熱媒温度センサ117は、熱媒循環経路124を流れる熱媒の温度を検出する。熱媒温度センサ117の検出信号は、給湯システム10に装着されているコントローラ21に出力される。凍結防止用ヒータ123は熱媒循環経路124を加熱する電気ヒータである。
熱媒三方弁122は、1つの入口122aと、2つの出口122b,122cを備えている。熱媒三方弁122は、入口122aと出口122bを連通させるか、入口122aと出口122cを連通させるかを切換える。
熱媒三方弁122の出口122bと、熱媒循環経路124の熱媒三方弁122の出口122cの下流側とを接続する冷却経路129が設けられている。熱媒循環経路124と冷却経路129は熱媒としての純水を流通させる。冷却経路129の途中には熱媒放熱器120が装着されている。熱媒放熱器120に隣接して熱媒冷却ファン119が設けられている。熱媒冷却ファン119を運転すると、空気が熱媒放熱器120に吹付けられ、冷却経路129を流れる熱媒が冷却される。
改質器112、燃料電池114、バーナ131、熱媒ポンプ127、凍結防止用ヒータ123、熱媒三方弁122、熱媒冷却ファン119は、コントローラ21によって制御される。
熱媒温度センサ117が検出した熱媒温度が高くなりすぎると、発電熱の回収が不十分となってしまうため、発電熱の放熱を行う。熱媒三方弁122の入口122aと出口122bが連通され、同時に熱媒冷却ファン119が運転される。熱媒三方弁122の入口122aと出口122bが連通されると、熱媒は冷却経路129に流入し、熱媒放熱器120を通過する。熱媒は、熱媒放熱器120を通過することによって冷却される。熱媒放熱器120は、熱媒冷却ファン119から空気が吹付けられることにより、高い効率で熱を放熱する。熱媒の温度が低下すると、熱媒三方弁122の入口122aと出口122cが再び連通される。このような熱媒三方弁122の切換えが繰返されることにより、熱媒の温度は、所定範囲内に維持される。
貯湯槽20の底部には、貯湯槽20に水道水を給水する給水経路26が接続されている。給水経路26の入口26aの近傍には、減圧弁28が装着されている。給水経路26の減圧弁28の下流側とミキシングユニット24の給水入口24aは、ミキシングユニット給水経路30によって接続されている。減圧弁28は、貯湯槽20とミキシングユニット24への給水圧力を調整する。貯湯槽20内の温水が減少したり、ミキシングユニット24の給水入口24aが開いたりすると、減圧弁28の下流側圧力が低下する。減圧弁28は、下流側圧力が低下すると開き、その圧力を所定の調圧値に維持しようとする。このため、貯湯槽20内の温水が減少したり、ミキシングユニット24の給水入口24aが開いたりすると、それらに水道水が給水される。
貯湯槽20には、調圧値に調圧された水が貯められる。貯湯槽20は、調圧値に耐えられる耐圧容器で形成されている。貯湯槽20の上部には出口部20aが設けられており、さらにその上にリリーフ弁31が装着されている。リリーフ弁31の開弁圧力は、減圧弁28の調圧値よりも僅かに大きく設定されている。減圧弁28の調圧が不能になった場合には、リリーフ弁31が開き、貯湯槽20内の圧力が耐圧圧力を超えるのを防止する。リリーフ弁31には、圧力開放経路32の一端32aが接続されている。圧力開放経路32の他端32bは貯湯槽20の外部に開放されている。
貯湯槽20の底部と、圧力開放経路32の他端32b近傍を接続する排水経路33が設けられている。排水経路33の途中には排水弁34が装着されている。排水弁34は手動で開閉することができる。排水弁34を開くと、貯湯槽20内の水が排水経路33と開放経路32を通って外部に排水される。
貯湯槽20内の温水温度が低い状態であるときに、発電ユニット110からの高温の温水が貯湯槽20の上部に戻されると、低温水層の上部に高温水層が積層されることとなる。以下では、この状態を温度成層と言う。発電運転中に、貯湯槽20の底部から低温の温水が吸出され、上部に高温の温水が戻され続けると、低温水層の厚さ(深さ)は次第に小さくなり、高温水層の厚さ(深さ)は次第に大きくなる。この間、高温水層と低温水層は交じり合わない。貯湯槽20の全体に高温の温水が貯められると、貯湯槽20にフルに蓄熱されたこととなる。
貯湯槽20内に温度成層が形成されることにより、貯湯槽20にフルに蓄熱が行われていなくても、貯湯槽20の最上部に設けられている出口部20aからは、高温の温水が送り出される。しかし、さらに貯湯槽20内の温水が利用され、上層の高温水が出湯し尽くす(湯切れする)と、すぐ下層の冷水が出水する。このため、湯切れ時の貯湯槽20からの出湯(出水)温度は急激に低下する。
リモコン23には、発電ユニット110と給湯システム10を操作するためのスイッチやボタン、発電ユニット110と給湯システム10の動作状態を表示するとともに後記する運用方法を表示する液晶表示器等が設けられている。給湯システム10の利用者は、リモコン23のスイッチを操作することによって、給湯栓64における給湯設定温度を設定することができる。給湯設定温度として、37℃から48℃までの温度を1℃刻みで設定することができるほか、50℃あるいは60℃のいずれかの温度を設定することもできる。給湯設定温度は60℃が上限値であり、それ以上の温度を設定することはできない。
コントローラ21は、ハイカットサーミスタ55によって温水が前記所定値を大きくオーバーしたことが検出された場合(すなわち、混合水サーミスタ54、あるいはミキシングユニット24が故障した可能性が高い場合)に、温水入口24cを閉じる。温水入口24cが閉じると、前記所定値を大きくオーバーした温度の温水が、給湯器22に供給されてしまう事態が防止される。
ミキシングユニット24の混合水出口24bと給湯器22のバーナ熱交換器52(後述する)は、混合水経路51によって接続されている。混合水経路51には、第2流量センサ47が装着されている。第2流量センサ47の検出信号は、コントローラ21に出力される。
バーナ熱交換器52の下流側と給湯栓64は給湯栓経路63によって接続されている。給湯栓64は、浴室、洗面所、台所等に配置されている(図1では、これら複数の給湯栓64を1つで代表している)。給湯栓経路63には給湯サーミスタ65が装着されている。給湯サーミスタ65はバーナ熱交換器52から流出する温水の温度を検出する。給湯サーミスタ65の検出信号はコントローラ21に出力される。
出水温度[℃]+最小燃焼量[kJ/min]/(流量[リットル/min]×温水の比熱[kJ/リットル・℃])>60[℃]
シスターン61内には水位電極66が装着されている。水位電極66は、棒状のハイレベルスイッチ66aとローレベルスイッチ66bを有している。ハイレベルスイッチ66aの下端はシスターン61のハイレベル水位に位置している。ローレベルスイッチ66bの下端はシスターン61のローレベル水位に位置している。ハイレベルスイッチ66aとローレベルスイッチ66bは、水に触れていると検出信号をコントローラ21に出力する。コントローラ21は、水位電極66からの検出信号によって、シスターン61の水位がハイレベル水位を超えているか、ハイレベル水位とローレベル水位の間にあるか、ローレベル水位よりも低いかを判別する。シスターン61として適正なのは、水位がハイレベルとローレベルの間に位置している状態である。コントローラ21は、水位電極66からの水位検出信号に基づいて補給水弁59を開閉制御し、シスターン61の水位を適正範囲に維持する。
ガス燃焼式のバーナ57はバーナ熱交換器60を加熱する。バーナ熱交換器60の下流とシスターン61は高温水経路73によって接続されている。高温水経路73には、上流側から順に、暖房高温サーミスタ74、暖房端末熱動弁75、暖房端末機76が装着されている。
暖房高温サーミスタ74は、高温水経路73を流れる温水の温度を検出する。暖房高温サーミスタ74の検出信号はコントローラ21に出力される。
暖房端末熱動弁75は、膨張エレメントと、膨張エレメントと機械的に連結された開閉弁を内蔵している。暖房端末機76の操作スイッチ76aがオンにされると、暖房端末熱動弁75の膨張エレメントに通電が行われる。通電された膨張エレメントは高温になって膨張する。膨張した膨張エレメントは開閉弁を駆動し、これによって暖房端末熱動弁75が開かれる。また、操作スイッチ76aがオンにされると、コントローラ21は、暖房ポンプ69を作動させる。このように、操作スイッチ76aがオンにされたことによって、暖房端末熱動弁75が開かれるとともに、暖房ポンプ69が作動すると、シスターン61から温水が吸出される。コントローラ21は、暖房低温サーミスタ72と暖房高温サーミスタ74が検出した温水温度に基づいて、バーナ57を制御し、バーナ熱交換器60から流出する温水の温度を所定範囲に維持する。暖房端末機76の電動ファンは、操作スイッチ76aがオンにされると回転し、熱交換器76bに空気を吹付ける。熱交換器76bに吹付けられた空気は、熱交換器76bを介して温水と熱交換を行って暖められる。暖められた空気は暖房端末機76から吹出し、部屋を暖房する。熱交換器76bで空気と熱交換を行うことによって、温水の温度は低下する。温度が低下した温水は高温水経路73を流れてシスターン61に戻る。
浴槽79には吸出口79aと供給口79bが設けられている。吸出口79aと供給口79bは風呂循環経路80によって接続されている。風呂循環経路80は追焚き熱交換器58を通過している。上述したように、追焚き経路77も追焚き熱交換器58を通過している。このため、追焚き熱交換器58では、風呂循環経路80と追焚き経路77との間で熱交換が行われる。風呂循環経路80の追焚き熱交換器58の上流側には、風呂水位センサ81、風呂循環ポンプ82、風呂水流スイッチ84が装着されている。風呂循環ポンプ82はコントローラ21によって制御される。風呂水位センサ81、風呂水流スイッチ84は、コントローラ21に検出信号を出力する。風呂水位センサ81は水圧を検出する。コントローラ21は、風呂水位センサ81が検出した水圧から、浴槽79に張られている湯の水位を推定する。風呂水流スイッチ84は風呂循環経路80を水が流れるとオンになる。
風呂循環経路80の風呂水位センサ81の上流側には、浴槽79から吸出された温水の温度を検出する風呂サーミスタ85が装着されている。風呂サーミスタ85の検出信号はコントローラ21に出力される。
浴槽79に湯を張るときには、注湯弁27が開かれる。注湯弁27が開かれると、温水が給湯栓経路63から湯張り経路25を経て風呂循環経路80に流入する。風呂循環経路80に流入した温水は、吸出口79aと供給口79bから浴槽79に供給され、浴槽79に湯張りされる。このときには、風呂循環ポンプ82は駆動されず、湯張り経路25に加わっている水圧によって浴槽79への湯張り運転が行われる。
高温水経路73の暖房端末熱動弁75の上流側と、低温水経路70の床暖房機91の下流側とは、バイパス経路92によって接続されている。暖房端末熱動弁75と床暖房熱動弁90が閉じた状態で、暖房ポンプ69が作動すると、シスターン61内の温水が順に、バーナ上流経路71、バーナ熱交換器60、高温水経路73、バイパス経路92、低温水経路70、高温水経路73と流れ、シスターン61へ戻る経路が形成される。
図2に示すように、ステップS202で第2流量センサ47の検出流量が2.7リットル/min以上であることが判別されると(YESとなると)、処理はステップS204に進む。ステップS204では、給湯設定温度が60℃であるか否かが判別される。
給湯システム10では、60℃を超える温度の温水が給湯されないように、バーナ熱交換器52の下流に取付けられている給湯サーミスタ65の検出温度が60℃より高温であると判別すると、バーナ56を消火するように作動する。またバーナ56を点火して燃焼を開始させるとバーナ56から60℃を超える温水が出湯される可能性があると、バーナ56の点火を禁止する。このように利用者の安全性を確保した給湯システム10においては、給湯上限温度で給湯する際の湯温を安定化させるために、給湯設定温度が60℃であるときと、それ以外のときとでは、湯温制御の処理が異なっている。
温度上昇幅[℃]=最小燃焼量[kJ/min]/(流量[リットル/min]×温水の比熱[kJ/リットル・℃])
目標混合温度[℃]=給湯設定温度[℃]−最小燃焼量[kJ/min]/(流量[リットル/min]×温水の比熱[kJ/リットル・℃])
貯湯槽20の上部に高温の温水が貯められており、貯湯槽20からの温水の温度が58℃以上である間は、上述した図5の非燃焼給湯運転を行う。この場合、ミキシングユニット24では、混合水サーミスタ54の検出温度が57℃から60℃の範囲内となるように湯温制御される。これによって、給湯設定温度である60℃の近傍である57℃から60℃の温度範囲の温水が給湯される。
貯湯槽20の上部の高温の温水が減少していき、貯湯槽20からの温水の温度が58℃を下回る時刻t1からは、上述した図6の燃焼給湯運転を行う。ミキシングユニット24では、まず、混合水サーミスタ54の検出温度が第1目標混合温度T1(最小燃焼量3号相当)となるように湯温制御される。ミキシングユニット24によって第1目標混合温度T1に調温された温水がバーナ56に到達すると、バーナ56の点火動作を開始する。点火の際のバーナ56の燃焼量は最小燃焼量である3号とされる。バーナ56が点火した時点では、ミキシングユニット24からバーナ56へ第1目標混合温度(最小燃焼量3号相当)の温水が供給されているため、バーナ56が点火した直後であっても、60℃を越える温度の温水が給湯されることはない。
バーナ56の着火が検出される時刻t2以降は、ミキシングユニット24で、混合水サーミスタ54の検出温度が第2目標混合温度T2(燃焼量6号相当)となるように湯温制御される。バーナ56の燃焼量は、給湯サーミスタ65の検出温度が給湯設定温度である60℃となるように制御される。これによって、給湯設定温度である60℃の温水が給湯される。
このように、本実施例では、給湯設定温度が60℃であるとき、バーナ56の着火後は、ミキシングユニット24において、バーナ56の最小燃焼量より大きい燃焼量から算出される第2目標混合温度に調温する。ミキシングユニット24での湯温制御を低めに行うことで、急激な流量の変化があっても給湯温度を60℃以下に抑えることができる。万が一、流量の変化に対してミキシングユニット24の湯温制御が遅れたとしても、バーナ56の消火や再点火を防ぎ、安定した湯温で給湯を続けることができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20:貯湯槽
21:コントローラ
23:リモコン
24:ミキシングユニット
35a:貯湯槽サーミスタ
47:第2流量センサ
52:バーナ熱交換器
54:混合水サーミスタ
56:バーナ
56a:着火検知センサ
64:給湯栓
65:給湯サーミスタ
Claims (3)
- 温水を貯える貯湯槽と、
貯湯槽からの温水を水道水と混合して目標混合温度に調温するミキシングユニットと、
ミキシングユニットからの温水を必要に応じて加熱して温水利用箇所へ送る熱源機と、
温水利用箇所での給湯設定温度を取得する給湯温度設定手段と、
貯湯槽内の温水の温度を検出する貯湯温度検出手段と、
熱源機が着火したか否かを検出する着火検出手段と、
熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の温度を検出する給湯温度検出手段と、
ミキシングユニットと熱源機の動作を制御するコントローラを備え、
その熱源機は、燃焼運転中に、熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の温度が給湯上限温度を超える場合に、消火するように構成されており、
そのコントローラは、給湯設定温度が給湯上限温度である場合に、貯湯槽内の温水の温度が給湯設定温度に基づく基準温度を下回ると、先ず給湯設定温度よりも低い第1目標混合温度でミキシングユニットに調温させ、その後に熱源機に着火させ、熱源機の着火が検出された後に、第1目標混合温度よりも低い第2目標混合温度でミキシングユニットに調温させることを特徴とする貯湯式給湯システム。 - 熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の流量を検出する流量検出手段をさらに備え、
前記第1目標混合温度は、給湯設定温度と、熱源機が着火する際の燃焼量と、熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の流量から算出されることを特徴とする、請求項1の貯湯式給湯システム。 - 前記第2目標混合温度は、給湯設定温度と、熱源機が着火する際の燃焼量より大きな燃焼量と、熱源機から温水利用箇所へ送られる温水の流量から算出されることを特徴とする、請求項2の貯湯式給湯システム。
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