JP6343459B2 - 給水装置 - Google Patents

Description

この発明は、給水装置に関する。

従来より、商業建造物や高層集合住宅等の水の需要先に充分な給水をすべく、例えば上水道配水管等と需要先との間に、給水装置が設けられることがある。

このような従来の給水装置として、通常、ポンプを運転させて加圧しながら給水するが、省エネルギーの観点から、需要先での水使用量がある所定量以下にまで少なくなると、ある少流量検知時間にわたって少流量状態が継続したことを確認してから、ポンプを停止するものが、知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１では、少流量検知時間が、前回ポンプ停止時間と、直前ポンプ運転時間と、フロースイッチの開閉回数とに基づいて、データテーブルを参照したファジィ推論により、自動的に設定される。

特許第３４１１１３７号公報

ここで、少流量状態の監視が行われる少流量検知時間は、短いほど、ポンプの運転時間が減ることから、省エネ効果が上がるものの、その分、ポンプの起動頻度が高くなり得る結果、ポンプの寿命が短くなったり、圧力変動に起因して周辺機器に負荷がかかるおそれがある。一方、少流量検知時間が必要以上に長いと、ポンプの無駄な運転時間が長くなる結果、省エネ効果が下がることとなる。

特許文献１の技術では、ポンプの停止時間及び運転時間が水使用量に応じていつでも大きく変動し得るにもかかわらず、これらの長期的な傾向を考慮せずに少流量検知時間が設定されるので、上述のように、ポンプの無駄な運転時間が長くなるおそれがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためにされたものであり、ポンプの起動頻度が異常に高くなるのを抑制しつつ、ポンプの無駄な運転時間を低減できる、給水装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の要旨構成は、次の通りである。

本発明による給水装置は、
ポンプと、
前記ポンプを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記ポンプの運転中に少流量状態が停止確認時間Tcにわたって継続した後に、前記ポンプを停止させ、
前記停止確認時間Tcは、直近複数回分の前記ポンプの停止時間の平均Tt_aveと、直近複数回分の前記停止確認時間を除く前記ポンプの運転時間の平均Tr_aveとに基づいて決定される。

この発明の配管装置において、
前記ポンプが一旦停止されてから、起動され、その後再び停止されるまでの所定の理想給水間隔をTq_idealとしたとき、前記停止確認時間Tcは、
Tc = Tq_ideal − (Tt_ave + Tr_ave)
の式を用いて算出されるのが好ましい。

この発明の配管装置において、
前記停止確認時間Tcは、前記式を用いて算出された値が所定下限値を下回る場合、該所定下限値に設定されるのが好ましい。

この発明の配管装置において、
配管内圧力を検出する圧力検出部と、
配管内の流量が所定流量値以下になると少流量検出信号を出力する少流量検出部と、
をさらに備え、
前記ポンプは複数台設けられており、
前記制御部は、前記圧力検出部により検出される配管内圧力が所定圧力値を上回り、かつ、前記少流量検出部から前記少流量検出信号が出力された場合に、前記少流量状態になったと判断することが好ましい。

本発明によれば、ポンプの起動頻度が異常に高くなるのを抑制しつつ、ポンプの無駄な運転時間を低減できる、給水装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る給水装置の概略構成図である。 図１のポンプの動作の一例を示すタイムチャートである。 図１の制御部の処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して詳細に例示説明する。

本発明の一実施形態に係る給水装置を、図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態における給水装置２０は、例えば、吸込口１が上水道配水管又は受水槽等への接続口と配管を介して接続され、吐出口７が需要先等への接続口と配管を介して接続された状態で、使用されるものである。給水装置２０は、吸込口１から吐出口７までの配管流路内に、複数台の（図の例では、２台の）ポンプ２と、各ポンプ２の下流側に配置されたフロースイッチ３（少流量検出部）と、逆止弁４と、圧力タンク５と、圧力発信器６（圧力検出部）とを、備えている。さらに、給水装置２０は、ポンプ２と有線又は無線により電気的に接続されたインバータ９と、フロースイッチ３、圧力発信器６、及びインバータ９と有線又は無線により電気的に接続された制御部８とを、備えている。

ポンプ２は、電動機（図示せず）による羽根車（図示せず）の回転によって、ポンプ２内の水を昇圧し、排出する。図の例において、２台のポンプ２は、並列に配置されており、それぞれの下流側には、フロースイッチ３が接続されている。本実施形態では、ポンプ２が複数台設けられているが、ポンプ２は１台のみ設けられてもよい。

各フロースイッチ３は、それぞれ対応するポンプ２の下流側に配置されており、水がある程度使用されている間は開状態にあるが、水がほとんど使用されなくなって流量が所定流量値以下になった（すなわち少流量状態になった）ことを検出すると、閉状態になり、少流量検出信号を制御部８に出力する。各逆止弁４は、それぞれ対応するフロースイッチ３の下流側に配置されており、各逆止弁４の下流側は、合流されて、圧力タンク５の上流側に接続されている。各逆止弁４は、水が上流側へ逆流するのを防止する。

圧力タンク５は、逆止弁４の下流側に配置されており、内部に予め封入された空気が、圧力タンク５に流入する水によって圧縮される。この圧縮空気の作用により、ポンプ２の停止中でも、逆止弁４より下流側の配管内水圧が維持される。圧力発信器６は、逆止弁４の下流側に配置されており、逆止弁４より下流側の配管内圧力を検出して、制御部８に通知する。

インバータ９は、制御部８からの指令に従って、ポンプ２の回転数を制御する。制御部８は、ＣＰＵ基板等で構成されており、フロースイッチ３から得られる水使用量の情報と圧力発信器６から得られる配管内圧力の情報とに基づいて、ポンプ２の運転台数やポンプ２の回転数を変化させるべく、インバータ９を制御する。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の給水装置２０の動作を説明する。図２は、ポンプ２が一旦停止された後に起動されて、その後に再び停止されるまでの、ポンプ２の動作を示すタイムチャートである。図２において、横軸は時間を示しており、縦方向ではポンプ２が運転中又は停止中のいずれの状態にあるかを示している。なお、図２では、２台のポンプ２を包括的に観ており、すなわち、２台のポンプ２のうち少なくとも１台が運転中であれば、図２において運転中であるものとしている。

本実施形態では、ポンプ２を一旦停止してから、ポンプ２を起動し、その後再びポンプ２を停止するまでの時間を、給水間隔Tqと定義する。すなわち、１回の給水間隔Tqは、１回のポンプ２の停止時間Ttと、１回のポンプ２の運転時間との合計である。そして、ポンプ２の運転時間は、通常運転時間Tr₁と、ポンプ２を停止すべきか否かの確認（停止確認処理）が行われる停止確認時間Tcと、圧力タンク５の昇圧（昇圧運転）が行われる昇圧運転時間Tr₂との合計である。

ポンプ２の運転時間のうち、通常運転時間Tr₁と昇圧運転時間Tr₂との合計を、「停止確認時間を除く運転時間Tr」とする（Tr=Tr₁+Tr₂）。
したがって、給水間隔Tqは、次の〔式１〕で求められる。
Tq = Tt + Tr₁+ Tc + Tr₂
= Tt + Tr + Tc 〔式１〕
なお、本例において、停止時間Tt、通常運転時間Tr₁、及び停止確認時間Tcは制御部８によって随時変更され得る値であり、昇圧運転時間Tr₂はユーザ等によって設定される固定値である。

図３は、１回の給水間隔Tqで制御部８が行う処理を示している。制御部８は、メモリ（図示せず）に記憶されたプログラムを処理することにより、図３の処理を行う。まず、制御部８は、ポンプ２を停止すると、停止時間Ttの測定を開始する（ステップＳ１）。ポンプ２が停止されている間は、圧力タンク５によって配管内の圧力を保持する。

そして、制御部８は、ポンプ２を起動させるための起動条件が成立したか否かの判断を、起動条件が成立するまで繰り返す（ステップＳ２、ＮＯ）。本例において、起動条件は、水が使用されるにつれて圧力タンク５内の水が少なくなることにより、圧力発信器６から出力される、逆止弁４より下流側の配管内圧力が、所定圧力値を下回った場合に、成立とする。起動条件が成立すると（ステップＳ２、ＹＥＳ）、制御部８は、ポンプ２を起動し（ステップＳ３）、それまで測定した停止時間Tt（ポンプ２の停止から起動までの時間）を内部に記憶するとともに、通常運転時間Tr₁の測定を開始する（ステップＳ４）。この間、制御部８は、ポンプ２を再び停止すべきかの停止確認条件が成立したか否かの判断を、停止確認条件が成立するまで繰り返す（ステップＳ５、ＮＯ）。本例において、停止確認条件は、水がほとんど使用されなくなることにより、圧力発信器６から出力される、逆止弁４より下流側の配管内圧力が、所定圧力値を上回り、かつ、フロースイッチ３からの少流量検出信号に応じてフロースイッチ３が閉状態となったことを確認できた場合に、成立とする。

制御部８は、停止確認条件が所定時間（例えば１秒間）にわたって成立したと判断すると（ステップＳ５、ＹＥＳ）、それまで測定した通常運転時間Tr₁（ポンプ２の起動から停止確認条件の成立までの時間）を内部に記憶する（ステップＳ６）。

そして、制御部８は、予め設定された昇圧運転時間Tr₂、上記ステップで算出した停止時間Tt及び通常運転時間Tr₁を含む、各パラメータを用いて、停止確認時間Tcを算出する（ステップＳ７）。停止確認時間Tcの算出方法については後述する。制御部８は、算出した停止確認時間Tcをタイマーにセットして、タイマーを開始する（ステップＳ８）。そして、制御部８は、タイマーがカウントアップするまでの間、依然として停止確認条件が成立しているか否かの判断を繰り返す（ステップＳ９、Ｙｅｓ；ステップＳ１１、ＮＯ）。制御部８は、タイマーがカウントアップする前に、停止確認条件が所定時間（例えば１秒間）にわたって非成立となったと判断した場合（ステップＳ９、ＮＯ）、タイマーをリセットして（ステップＳ１０）、ステップＳ５に戻る。このように、停止確認処理では、少流量状態が停止確認時間Tcにわたって継続したことが確認された場合に、ポンプ２を停止すべきと判断される。
なお、制御部８は、ステップＳ５に戻った後に再びステップＳ６で通常運転時間Tr₁を算出する際には、前回の通常運転時間Tr₁の記憶（ステップＳ６）後から、停止確認条件の成立までの時間と、前回算出した通常運転時間Tr₁とを、足し合わせる。

一方、停止確認条件が所定時間にわたって非成立になることなくタイマーがカウントアップした場合（ステップＳ１１、ＹＥＳ）、制御部８は、所定の昇圧運転時間Tr₂にわたって、ポンプ２の運転速度を上げる等して圧力タンク５に加圧（蓄圧）することで、昇圧運転を行う。昇圧運転時間Tr₂が経過した後、制御部８は、配管内圧力が所定圧力値以上であることを確認できた場合に（ステップＳ１３、ＹＥＳ）、ポンプ２を停止して（ステップＳ１４）、再びステップＳ１に戻り、次の給水間隔Tqでも同様の処理を行う。昇圧運転時間Tr₂が経過した後も配管内圧力が所定圧力値に達しなかった場合は（ステップＳ１３、ＮＯ）、ステップＳ５に戻る。

なお、停止確認条件は、上述したもの以外の内容のものを用いてもよい。例えば、停止確認条件として、上述した２つの条件（配管内圧力が所定圧力値を上回っていること、フロースイッチ３が閉状態にあること）のうち、フロースイッチ３が閉状態にあることのみでも良い。

次に、図３のステップＳ７で算出される停止確認時間Tcについて説明する。
少流量状態の監視が行われる停止確認時間Tcは、短いほど、ポンプ２の無駄な運転時間が減ることから、省エネ効果が上がるものの、その分、ポンプ２の起動頻度が高くなり得る結果、ポンプ２の寿命が短くなったり、圧力変動に起因して周辺機器に負荷がかかるおそれがある。一方、停止確認時間Tcが必要以上に長いと、ポンプ２の無駄な運転時間が長くなる結果、省エネ効果が下がることとなる。このような点を踏まえ、本実施形態では、ポンプ２の起動頻度が異常に高くなるのを抑制することで、ポンプ２の寿命向上や周辺機器への負荷軽減を達成しつつ、ポンプ２の無駄な運転時間を低減することで、省エネ効果を向上させるべく、停止確認時間Tcの最適化を行う。

停止確認時間Tcの最適化のために、本実施形態では、図３のステップＳ７において、直近の複数回（今回及び直前の少なくとも１回）分の給水間隔Tqの平均が、所定の理想給水間隔Tq_idealに近づくように、停止確認時間Tcを調整する。理想給水間隔Tq_idealとは、ポンプ２の起動頻度が異常に高くはなく、かつ、最も省エネ効果が期待できる給水間隔を意味している。理想給水間隔は、使用環境、設置環境によって任意に設定することが可能である。

例えば、理想給水間隔Tq_idealが70秒に、昇圧運転時間Tr₂が10秒に、それぞれ予め設定されているものとする。
このとき、給水間隔Tqが常に理想給水間隔Tq_idealに等しいと仮定すると、上記〔式１〕より、
70秒 = Tt + Tr₁ + Tc + 10秒
となる。
また、１日当たりのポンプ２の起動回数は、
１日の時間 / Tq_ideal = 86400秒 / 70秒＝1234回
となる。
したがって、この例では、１日当たりのポンプ２の起動回数が1234回を超えないことが望ましいことになる。直近複数回分の給水間隔Tqの平均が理想給水間隔Tq_idealに近づくように、停止確認時間Tcを調整することで、１日当たりのポンプ２の起動回数が1234回を超えないようにすることができる。

ここで、直近複数回分の給水間隔Tqの平均Tq_aveは、直近複数回分の停止時間Tt、停止確認時間を除く運転時間Tr、及び停止確認時間Tcのそれぞれの平均を、Tt_ave、Tr_ave、Tc_aveとすると、〔式１〕から導き出される次の〔式２〕によって、求めることができる：
Tq_ave = Tt_ave + Tr_ave + Tc_ave 〔式２〕

そして、給水間隔の平均Tq_aveが理想給水間隔Tq_idealよりも小さい場合（Tq_ave < Tq_ideal）、次の〔式３〕のように、停止確認時間Tcをこれらの差分だけ長く設定することで、その分、給水間隔Tqを長くして、１日当たりのポンプ２の起動回数（起動頻度）の低下に寄与できる。
Tc = Tc_ave + (Tq_ideal − Tq _ave)
= Tc_ave + {Tq_ideal − (Tt_ave + Tr_ave + Tc_ave)} 〔式３〕

一方、給水間隔の平均Tq_aveが理想給水間隔Tq_ideal以上である場合（Tq_ave ≧ Tq_ideal）、次の〔式４〕のように、停止確認時間Tcをこれらの差分だけ短く設定することで、その分、省エネに寄与できる。
Tc = Tc_ave − (Tq _ave − Tq_ideal)
= Tc_ave − {(Tt_ave + Tr_ave + Tc_ave) − Tq_ideal} 〔式４〕

このように、給水間隔の平均Tq_aveと理想給水間隔Tq_idealとの大小関係によって、停止確認時間Tcの導出方法が異なるものの、〔式３〕及び〔式４〕をそれぞれ分解すると、ともに、次の〔式５〕になる：
Tc = Tq_ideal − (Tt_ave + Tr_ave) 〔式５〕

以上のような考えから、図３のステップＳ７では、〔式５〕に従い、理想給水間隔Tq_idealから、直近複数回分の停止時間の平均Tt_aveと直近複数回分の停止確認時間を除く運転時間の平均Tr_aveとの和を差し引くことによって、停止確認時間Tcを算出する。
停止確認時間Tcを算出するにあたって、１回分の停止時間Tt及び停止確認時間を除く運転時間Trではなく、直近複数回分の停止時間の平均Tt_ave及び直近複数回分の停止確認時間を除く運転時間の平均Tr_aveを用いることによって、長期的なポンプ２の運転傾向を考慮した停止確認時間Tcの最適化ができる。

ただし、本実施形態では、〔式５〕によって算出された停止確認時間Tcを所定の調整範囲（本例では、10秒以上）内に収めるべく、停止確認時間Tcは、〔式５〕を用いて算出された値が所定下限値（本例では、10秒）を下回る場合、該所定下限値に設定される。
すなわち、本例では、
算出値がTc<10秒の場合には、Tc=10秒 〔式６〕
に設定する。
これにより、少流量状態の監視のために十分な時間を常に確保できる。

つぎに、上述した本実施形態の効果を確認するために、ポンプ運転例１について検証する。
以下の表１は、ポンプ運転例１において、給水間隔毎に算出される停止時間Tt及び停止確認時間を除く運転時間Trの値と、これらの値を用いて算出される停止時間の平均Tt_ave、停止確認時間を除く運転時間の平均Tr_ave、及び停止確認時間Tcの値を示している。表１の各行には、平均Tt_ave、Tr_aveの算出に用いられる、直近５回分の給水間隔TqにおけるTt、Trの値を示している。１回の給水間隔Tqが終わるごとに、表１の行が１つ下の行へ進む。Tt_ave、Tr_aveは、それぞれ直近５回分（今回及び直前４回分）のTt、Trの平均値とした。Tcは、〔式５〕、〔式６〕を用いて求めた。Tr₂は10秒とし、Tq_idealは70秒とした。

（ポンプ運転例１）
ポンプ運転例１では、連続する複数回の給水間隔のうち、途中、一時的にポンプの停止時間Ttが長くなる。具体的には、最初の５回の給水間隔では、Tt=15秒、Tr=15秒で一定であるが（表１の１行目、Tt及びTrの「今回」から「４回前」までの列）、その次の給水間隔では、一旦Tt=180秒、Tr=15秒となり（表１の２行目、Tt及びTrの「今回」の列）、さらにそれ以降の給水間隔では、再びTt=15秒、Tr=15秒で一定となる（表１の３〜７行目、Tt及びTrの「今回」の列）。

表１から判るように、停止時間Ttが途中で一時的に長くなると（表１の２行目、Ttの「今回」の列）、それ以降の５回の給水間隔において、停止確認時間Tcは、他の給水間隔での値（40秒）と比べて低い値（10秒）を有することとなる（表１の２〜６行目、Tcの列）。
仮に、停止確認時間Tcを、〔式５〕における平均値Tt_ave、Tr_aveを直近１回分の値Tt、Trに置き換えた式で算出する場合、停止確認時間Tcは、表１の２行目で一旦10秒に下がるものの、３行目から40秒に戻ることとなる。したがって、本ポンプ運転例では、停止確認時間Tcを算出する際に、平均値Tt_ave、Tr_aveを用いることにより、例えば直近１回分の値Tt、Trを用いる場合に比べて、複数回の給水間隔における停止確認時間Tcの合計が低くなるので、その分、ポンプの無駄な運転時間を削減でき、省エネ効果を向上できる。

なお、ポンプ運転例１に限らず、停止時間Tt及び停止確認時間を除く運転時間Trの合計（Tt+Tr）が一時的に長くなって、その後、Tt+Trが短くなった場合は、停止確認時間Tcを算出する際に、〔式５〕で平均値Tt_ave、Tr_aveを用いることにより、例えば直近１回分の値Tt、Trを用いる場合に比べて、ポンプの無駄な運転時間を削減できることとなる。

本発明に係る給水装置は、商業建造物や集合住宅等の需要先に給水するための、あらゆる種類の給水装置に適用することができる。

１：吸込口、 ２：ポンプ、 ３：フロースイッチ（少流量検出部）、 ４：逆止弁、 ５：圧力タンク、 ６：圧力発信器（圧力検出部）、 ７：吐出口、 ８：制御部、 ９：インバータ、 ２０：給水装置、 Tc：停止確認時間、 Tc_ave：直近複数回分の停止確認時間の平均、 Tt：停止時間、 Tt_ave：直近複数回分の停止時間の平均、 Tr：停止確認時間を除く運転時間、 Tr₁：通常運転時間、 Tr₂：昇圧運転時間、 Tr_ave：直近複数回分の停止確認時間を除く運転時間の平均、 Tq：給水間隔、 Tq_ave：直近複数回分の給水間隔の平均、 Tq_ideal：理想給水間隔

Claims (3)

1. ポンプと、
   前記ポンプを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記ポンプの運転中に少流量状態が停止確認時間Tcにわたって継続した後に、前記ポンプを停止させ、
   前記停止確認時間Tcは、直近複数回分の前記ポンプの停止時間の平均Tt_aveと、直近複数回分の前記停止確認時間を除く前記ポンプの運転時間の平均Tr_aveとに基づいて決定され、
   前記ポンプが一旦停止されてから、起動され、その後再び停止されるまでの所定の理想給水間隔をTq_idealとしたとき、前記停止確認時間Tcは、
   Tc = Tq_ideal − (Tt_ave + Tr_ave)
   の式を用いて算出される、給水装置。
2. 前記停止確認時間Tcは、前記式を用いて算出された値が所定下限値を下回る場合、該所定下限値に設定される、請求項１に記載の給水装置。
3. 配管内圧力を検出する圧力検出部と、
   配管内の流量が所定流量値以下になると少流量検出信号を出力する少流量検出部と、
   をさらに備え、
   前記ポンプは複数台設けられており、
   前記制御部は、前記圧力検出部により検出される配管内圧力が所定圧力値を上回り、かつ、前記少流量検出部から前記少流量検出信号が出力された場合に、前記少流量状態になったと判断する、請求項１又は２に記載の給水装置。

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