JP5991128B2 - ヒートポンプ式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯システムに関する。

ヒートポンプ式給湯システムにおいては、ヒートポンプを効率良く運転させることが要望される。そこで、従来においては、過去の給湯運転実績に基づいて、今後の給湯需要を予測し、かつこの予測に対応させてヒートポンプを運転させるようにしたものがある（たとえば、特許文献１）。
このようなシステムでは、給湯需要の発生予測時刻よりも前に、ヒートポンプが運転され、このヒートポンプによって加熱された湯水が貯湯タンクに貯留される。ヒートポンプの運転に際しては、予測される給湯需要量と同一、またはそれに余裕量を加えた量の湯水加熱が行なわれ、貯湯タンクの貯湯量が予測される給湯需要量以上となるように制御されている。貯湯量を多くするほど、いわゆる湯切れを起こし難くすることが可能である。
なお、従来においては、湯切れに対処するための手段として、ヒートポンプとは別個に補助熱源機をさらに具備させたものがある（たとえば、特許文献２を参照）。このような構成によれば、貯湯タンク内の湯量に不足を生じた場合に、補助熱源機を利用して不足分を補うことが可能である。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、従来においては、給湯需要の予測時間が到来する前に貯湯タンクに貯留される湯量は、予測給湯需要量と同一、またはそれよりも多くの湯量とされている。このため、実際の給湯需要量が、予測された給湯需要量よりも少ない場合には、貯湯タンク内の湯量が余り、高温の残湯が多く発生する。このように残湯が多く発生した場合において、その後の比較的長い時間にわたって給湯需要がない場合には、前記残湯の熱の多くが貯湯タンクの外部に放出されることとなり、無駄となる。したがって、このような無駄を無くすことが望まれる。

特許第３８０７９３０号公報 特開２００１−２９６０５６号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、貯湯タンク内に高温の残湯が多く発生し、かつこの残湯がその後に長時間にわたって使用されないことに起因して、多くの熱が貯湯タンクの外部に放出される無駄をなくし、または少なくし、エネルギ効率を高くすることが可能なヒートポンプ式給湯システムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供されるヒートポンプ式給湯システムは、ヒートポンプと、このヒートポンプにより加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクと、この貯湯タンクから所定の出湯口または熱負荷に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、過
去の給湯運転実績に基づいて今後の給湯需要を予測する処理を実行可能なデータ処理手段と、を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、前記データ処理手段によって予測される直近の給湯需要に対応して前記ヒートポンプが運転される場合において、前記直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間以上であると予測される場合には、前記ヒートポンプの運転後における前記貯湯タンクの貯湯量が、前記直近の給湯需要における予測消費量よりも少なくなるように制御されることを特徴としている。
ここで、本発明でいう「貯湯タンクの貯湯量」とは、貯湯タンク内に存在する湯水の単なる総量を意味するものではなく、貯湯タンクに貯留された湯水のうち、補助熱源機を利用して加熱することなく直近の給湯需要に有効に利用し得る温度をもつ湯水（たとえば、直近の給湯需要において４５℃以上の湯水が求められる場合には、４５℃以上の湯水）の量を意味し、体積または熱量で表すことができる。

このような構成によれば、前記直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間以上であると予測される場合には、貯湯タンクの貯湯量が直近の給湯需要における予測消費量よりも少なくされるが、ここで、「直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間以上であると予測される場合」とは、貯湯タンク内に仮に残湯が発生した場合には、この残湯が所定時間以上にわたって有効に使用されないまま貯湯タンクに残存し、多くの放熱ロスが生じる可能性が高い場合である。本発明によれば、そのような場合には、貯湯タンクの貯湯量が少なくされる結果、湯余りを生じないようにすることが可能である。したがって、高温の残湯の熱が貯湯タンク外部へ多く放出されるロスを少なくすることができる。
一方、貯湯タンクに湯切れを生じた場合には、補助熱源機によって適切に対処することが可能である。
従来においては、貯湯タンクに湯切れが生じないように制御していたが、本発明においては、これとは異なり、所定の条件下においては、あえて湯切れ状態を発生し易くすることによって放熱ロスを少なくしたものであり、ヒートポンプ式給湯システムにおけるエネルギ効率を高め、省エネ性を向上させる上で、好ましい。

本発明において、好ましくは、前記直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間未満であると予測される場合であっても、前記次の給湯需要における予測消費量が所定量以下であるときには、前記ヒートポンプの運転後における前記貯湯タンクの貯湯量が、前記直近の給湯需要における予測消費量よりも少なくなるように制御される。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、直近の給湯需要の終了後に貯湯タンクに残湯が生じている状況において、次の給湯需要が早期に到来したとしても、その際の湯水消費量が僅かである場合には、貯湯タンクにはやはり多くの残湯が存在したままとなって、放熱ロスが多く発生する虞が大きい。前記構成によれば、そのような虞を解消することが可能である。

本発明において、好ましくは、前記所定時間は、外気温度に応じて変更され、外気温度が高い場合よりも低い場合の方が短い時間とされている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、外気温度が低い場合には、貯湯タンクから外部への残湯の放熱量が多くなる。これに対し、前記構成では、そのような場合には前記所定時間を短くするために、残湯の放熱ロスを少なくする上で一層好ましいものとなる。一方、外気温度が高く、残湯の放熱ロスを少なくできる条件下においては、前記所定時間が長くされることにより、貯湯タンクの湯切れ状態が過度に発生しないようにすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るヒートポンプ式給湯システムの一例を示す説明図である。 図１に示すヒートポンプ式給湯システムが具備する制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、給湯需要の発生例を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すヒートポンプ式給湯システムＡは、主熱源機としてのヒートポンプ１と、貯湯タンクユニットＵとを組み合わせて構成されている。
ヒートポンプ１は、従来既知のものと同様であり、たとえばＣＯ₂などの冷媒の循環路に、ファン１０ａを利用して取り込まれる空気から熱を吸収する蒸発器１０、圧縮器１１、凝縮器としての湯水加熱用の熱交換器１２、および膨張弁１３が設けられたものである。

貯湯タンクユニットＵは、貯湯タンク２、循環ポンプＰ１、補助熱源機３、および制御部４を具備している。

貯湯タンク２の下部および上部は、ヒートポンプ１の熱交換器に１２に対し、配管部５０ａ，５０ｂを介して接続されている。循環ポンプＰ１が駆動されると、矢印Ｎ１１〜Ｎ１３で示す経路で湯水流通がなされ、貯湯タンク２の下部から流出した湯水は熱交換器１２によって加熱されてから、貯湯タンク２内の上部に戻される。このことにより、貯湯タンク２への貯湯がなされる。

貯湯タンク２の下部および上部には、入水口６１ａを有する入水管６１および出湯口６２ａを有する出湯管６２が接続されている。出湯口６２ａに配管接続された給湯栓９０が開状態にされると、貯湯タンク２内への入水圧によって貯湯タンク２内の湯水は出湯管６２に流出し、流出口６２ａから給湯栓９０に向けて供給される。なお、図面では省略しているが、本実施形態のヒートポンプ式給湯システムＡにおいては、浴槽への湯張りなどを行なうための風呂給湯も可能とされている。

補助熱源機３は、貯湯タンク２に湯量不足が生じた場合などにおいて、湯水加熱を行なうのに利用されるものであり、その構成は、たとえばガス瞬間式湯沸器と同様である。補助熱源機３の入水側配管部７０ａは、ポンプＰ２および三方弁Ｖ１を介して貯湯タンク２の上部に繋がっている。補助熱源機３の出湯側配管部７０ｂは、三方弁Ｖ２を介して出湯管６２に繋がっている。このため、出湯口６２ａから給湯栓９０に向けて出湯が行なわれる場合に、三方弁Ｖ２を切り替えることによって、矢印Ｎ２１，Ｎ２２に示すように、補助熱源機３によって加熱された湯水を出湯口６２ａに供給することが可能である。

補助熱源機３の出湯側配管部７０ｂに分岐接続された配管部７１には、熱交換器９２が設けられている。この熱交換器９２は、熱負荷の１つであり、たとえば床暖房装置などの暖房端末９１用の熱媒を加熱するためのものである。ポンプＰ３の駆動によって熱交換器９２と暖房端末９１との間を熱媒が循環流通可能である。なお、図１に示す三方弁Ｖ１，Ｖ３間は、配管部６３を介して接続されており、熱交換器９２を通過して三方弁Ｖ３に到達した湯水を、貯湯タンク２を介することなく補助熱源機３に再度送り込んで加熱するこ
とが可能となっている。

制御部４は、マイクロコンピュータなどを用いて構成されており、貯湯タンクユニットＵの各部の動作制御やデータ処理を実行する。また、ヒートポンプ１の制御部（図示略）と協働してヒートポンプ式給湯システムＡの全体の動作制御も実行する。制御部４は、本発明でいう「データ処理手段」の一例に相当し、過去の給湯運転実績に基づき、今後の給湯需要を予測する。この予測に際しては、風呂給湯予約や暖房運転予約などの事情も考慮される。このような給湯需要の予測処理自体は、公知であるため、その詳細は省略する。制御部４は、給湯需要の予測内容に応じてヒートポンプ１の運転制御を実行するが、その具体的な内容については後述する。

次に、前記したヒートポンプ式給湯システムＡの作用について説明する。併せて、制御部４の動作処理手順の一例について、図２のフローチャートおよび図３を参照しつつ説明する。

まず、制御部４は、給湯需要を予測する処理を短周期で繰り返し実行している。図３（ａ）は、給湯需要の一例を模式的に示している。同図においては、現時刻ｔ０よりも後の時刻ｔ１〜ｔ２の間に直近の給湯需要Ｄ１が発生し、また時刻ｔ３〜ｔ４の間に、次の給湯需要Ｄ２が発生することが予測されている。現時刻ｔ０から時刻ｔ１までの時間は、ヒートポンプ１を運転させて所定の湯量を得ることが可能な長さである。
制御部４は、このような予測結果が得られたことにより、直近の給湯需要Ｄ１があると判断した場合には、直近の給湯需要Ｄ１の終了時期ｔ２から次の給湯需要Ｄ２の到来時期ｔ３までの時間Ｔｂが、所定時間Ｔａ以上であるか否かを判断する（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。

図３（ａ）は、Ｔｂ≧Ｔａの場合を示している。この場合、制御部４は、ヒートポンプ１の運転後における貯湯タンク２の貯湯量が、直近の給湯需要Ｄ１における予測消費量Ｑ１よりも少なくなるように、ヒートポンプ１の運転を制御する（Ｓ２：ＹＥＳ，Ｓ３）。なお、「貯湯タンクの貯湯量」の意味については、先に述べているとおりである。

貯湯タンク２の上下高さ方向の複数箇所には、湯水温度検出用のセンサＳａが設けられており、制御部４は、このセンサＳａを利用して得られる貯湯タンク２内の湯水温度分布に基づき、貯湯量を把握可能である。貯湯量を、予測消費量Ｑ１よりも少なくする制御は、ヒートポンプ１の運転前の貯湯量をも考慮して行なわれる。ヒートポンプ１の運転後における貯湯量は、たとえば予測消費量Ｑ１に対して所定の割合だけ少ない量、あるいは予め定めた一定量だけ少ない量にすることができる。

前記したＴｂ≧Ｔａの場合には、直近の給湯需要Ｄ１の終了後に、次の給湯需要Ｄ２がなかなか到来しないために、仮に、直近の給湯需要Ｄ１の終了時ｔ２において、貯湯タンク２に残湯が発生すると、この残湯が有効に使用されないまま貯湯タンク２内に長時間にわたって残存し、多くの放熱ロスが生じる。これに対し、前記した動作処理によれば、貯湯タンク２の貯湯量が少なめに設定される結果、残湯が生じないようにし、また仮に残湯が生じたとしてもその量を少なくすることができる。したがって、残湯の熱が貯湯タンク２の外部に多く放出される無駄をなくし、または少なくすることが可能となる。貯湯タンク２内が湯切れ状態となる場合には、補助熱源機３を運転させることにより、不足湯量を補うこととなる。

図３（ｂ）は、直近の給湯需要Ｄ１が終了した後に、次の給湯需要Ｄ２が比較的早期に到来し、Ｔｂ≧Ｔａの関係は成立していない場合を示している。ただし、次の給湯需要Ｄ２における予測消費量Ｑ２は、所定量以下の少量である。制御部４は、このような場合に
おいても、前記したステップＳ３の制御を実行させる（Ｓ４：ＹＥＳ，Ｓ３）。直近の給湯需要Ｄ１の終了時ｔ２に貯湯タンク２に残湯が発生している場合において、次の給湯需要Ｄ２が早期に到来したとしても、その際の湯水消費量Ｑ２が少量である場合には、貯湯タンクＤ２の残湯量は大きく減少することはなく、やはり放熱ロスが多く発生する可能性が大きい。前記した動作制御によれば、そのような不具合を解消することが可能である。なお、予測消費量Ｑ２が少ない給湯需要Ｄ２に対しては、補助熱源機３を利用して対処すればよい。

図３（ｃ）は、Ｔｂ≧Ｔａの関係は成立しておらず、かつ次の給湯需要Ｄ２における予測消費量Ｑ２が、所定量を超えている場合を示している。この場合、制御部４は、貯湯タンク２の貯湯量が直近の給湯需要Ｄ１における予測消費量Ｑ１以上となるように、ヒートポンプ１を運転させる（Ｓ４：ＮＯ，Ｓ５）。このような制御を行なった場合には、貯湯タンク２に残湯を生じる可能性が高くなるものの、直近の給湯需要Ｄ１の終了後に次の給湯需要Ｄ２が早期に到来するために、残湯の熱が貯湯タンク２の外部に多く放出されるロスを、やはり少なくすることが可能である。

所定時間Ｔａは、一定の値としてもよいが、たとえば外気温度に応じて変更させるようにしてもよい。この場合、所定時間Ｔａは、外気温度が高い場合よりも低い場合の方が短い時間とされる。外気温度が低い場合には、貯湯タンク２から外部への放熱量が多くなるが、このような状況下において、所定時間Ｔａを短くすれば、残湯の放熱ロスを少なくする上で一層好ましいものとなる。一方、外気温度が高い場合に所定時間Ｔａを長くすれば、残湯の放熱ロスを少なくできる状況下において貯湯タンク２の湯切れ状態が過度に発生しないようにすることが可能となる。なお、本発明においては、所定時間Ｔａの具体的な値は限定されない。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るヒートポンプ式給湯システムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。
補助熱源機は、ガス燃焼方式のものに限らず、たとえば電熱ヒータ方式などとすることが可能である。

Ａ ヒートポンプ式給湯システム
１ ヒートポンプ
２ 貯湯タンク
３ 補助熱源機
４ 制御部（データ処理手段）

Claims (3)

1. ヒートポンプと、
   このヒートポンプにより加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクと、
   この貯湯タンクから所定の出湯口または熱負荷に送られる湯水をその途中で加熱することが可能な補助熱源機と、
   過去の給湯運転実績に基づいて今後の給湯需要を予測する処理を実行可能なデータ処理手段と、
   を備えている、ヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記データ処理手段によって予測される直近の給湯需要に対応して前記ヒートポンプが運転される場合において、前記直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間以上であると予測される場合には、前記ヒートポンプの運転後における前記貯湯タンクの貯湯量が、前記直近の給湯需要における予測消費量よりも少なくなるように制御されることを特徴とする、ヒートポンプ式給湯システム。
2. 請求項１に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記直近の給湯需要の終了時期から次の給湯需要の到来時期までの時間が所定時間未満であると予測される場合であっても、前記次の給湯需要における予測消費量が所定量以下であるときには、前記ヒートポンプの運転後における前記貯湯タンクの貯湯量が、前記直近の給湯需要における予測消費量よりも少なくなるように制御される、ヒートポンプ式給湯システム。
3. 請求項１または２に記載のヒートポンプ式給湯システムであって、
   前記所定時間は、外気温度に応じて変更され、外気温度が高い場合よりも低い場合の方が短い時間とされている、ヒートポンプ式給湯システム。

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