JP4354389B2

JP4354389B2 - 貯湯式給湯装置

Info

Publication number: JP4354389B2
Application number: JP2004345075A
Authority: JP
Inventors: 成樹村山; 誠本間
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006153356A

Description

この発明は貯湯タンクの中間部から取り出した湯水を用いて給湯する貯湯式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種のものでは、暖房等の熱源で使用され温度低下した中温水を、貯湯タンクの中間部に戻し、この中温水を給湯で優先的に使用して少なくすることによって、湯水の沸き上げ時のＣＯＰを向上させるものであった。（例えば、特許文献１参照。）
特願２００３−８８６３８号

ところでこの従来のものでは、中間出湯管から取り出した中温水を中間混合弁で高温水と混合して給湯設定温度より少し高い温水とした後、給湯混合弁で低温水と混合して設定温度の給湯として供給するので、中間混合弁での混合水温度を検知する中間混合温度センサと、給湯混合弁の混合水温度を検知する給湯温度センサの２つの温度センサが必要であり、又常に中温水を給湯設定温度より高い温水にする為に貯湯されている高温水が使用され、もったいがなく不経済であり、更に高温水が使用される分、中温水の使用量が減り効率が悪くなると言う問題点を有するものであった。

この発明はこの点に着目し上記欠点を解決する為、特にその構成を、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、この給水管から分岐された給水バイパス管と、前記貯湯タンク中間部に接続された中間出湯管と、前記出湯管に設けられた出湯管を流れる湯水と前記中間出湯管からの湯水とを混合する中間混合弁と、この中間混合弁からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する給湯混合弁と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段とを備えたものに於いて、前記中間出湯管から取り出される湯水温度が、給湯設定温度より高い場合には、中間混合弁を中間出湯管側全開状態とし、給湯管に備えた給湯温度センサの検知温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁のみを駆動制御して給湯を行うようにし、更に前記中間出湯管から取り出される湯水温度が、給湯設定温度以下の場合には、給湯混合弁を中間混合弁側全開状態とし、給湯管に備えた給湯温度センサの検知温度が給湯設定温度になるように中間混合弁のみを駆動制御して給湯を行うようにしたものである。

この発明によれば、温度センサは給湯温度センサのみの一つで良く安価で済むものであり、又中温水が給湯設定温度より高い時では中間混合弁は中間出湯管側全開となって作動せず、給湯混合弁で給湯設定温度に調整して給湯し、中温水が給湯設定温度以下では中間混合弁で高温水を加えて給湯設定温度に調整し、給湯混合弁を素通りして給湯されるので、常にどちらか一方の混合弁が使用されることとなり、高温水と低温水とが同時に供給されることがなく、高温水の使用が極力抑えられると共に、中温水の使用量が増えて使え切ることが出来て、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）の向上を図ることが出来るものである。

次に、この発明の一実施形態を図１〜６に基づいて説明する。なお、図中の貯湯タンク内にハッチングした斜線は低温水、二重斜線は中温水、三重斜線は高温水を示し、太線は湯水の流れを示すものである。

この貯湯式給湯装置は、時間帯別契約電力の電力単価が安価な深夜時間帯に湯水を沸き上げて貯湯し、この貯湯した湯水を給湯に用いるもので、１は湯水を貯湯する貯湯タンク２を備えた貯湯タンクユニット、３は貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット、４は台所や洗面所等に設けられた給湯栓、５はこの給湯栓４の近傍に設けられた給湯リモコン、６は貯湯タンク１内の高温水を熱源とする床暖房パネル等の暖房端末である。

前記貯湯タンクユニット１の貯湯タンク２は、上端に出湯管７と、下端に給水管８とが接続され、さらに、下部にヒーポン循環回路を構成するヒーポン往き管９と、上部にヒーポン循環回路を構成するヒーポン戻り管１０とが接続され、前記ヒートポンプユニット３によってヒーポン往き管９から取り出した貯湯タンク２内の湯水を沸き上げてヒーポン戻り管１０から貯湯タンク２内に戻して貯湯され、給水管８からの給水により貯湯タンク２内の湯水が押し上げられて貯湯タンク２内上部の高温水が出湯管７から押し出されて給湯されるものである。

前記ヒートポンプユニット３は、圧縮機１１と凝縮器としての冷媒−水熱交換器１２と電子膨張弁１３と強制空冷式の蒸発器１４で構成されたヒートポンプ回路１５と、貯湯タンク２内の湯水を前記ヒーポン往き管９およびヒーポン戻り管１０を介して冷媒−水熱交換器１２に循環させるヒーポン循環ポンプ１６と、それらの駆動を制御するヒーポン制御部１７とを備えており、ヒートポンプ回路１５内には冷媒として二酸化炭素が用いられて超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。なお、冷媒に二酸化炭素を用いているので、低温水を電熱ヒータなしで約９０℃の高温まで沸き上げることが可能なものである。

ここで、前記冷媒−水熱交換器１２は冷媒と被加熱水たる貯湯タンク２内の湯水とが対向して流れる対向流方式を採用しており、超臨界ヒートポンプサイクルでは熱交換時において冷媒は超臨界状態のまま凝縮されるため効率良く高温まで被加熱水を加熱することができ、被加熱水の冷媒−水熱交換器１２入口温度と冷媒の出口温度との温度差が一定になるように前記電子膨張弁１３または圧縮機１１を制御することで、被加熱水の冷媒−水熱交換器１２の入口温度が５〜２０℃程度の低い温度であるとＣＯＰ（エネルギー消費効率）がとても良い状態で被加熱水を加熱することが可能なものである。

１８は前記暖房端末６の湯水を加熱するための熱交換器で、その一次側には貯湯タンク２上部に接続された高温水往き管１９と貯湯タンク２下部に接続された中温水戻り管２０とが接続されて熱交循環回路２１を構成し、中温水戻り管２０途中に設けられた熱交循環ポンプ２２の作動により貯湯タンク２から取り出した高温水を熱交換器１８に循環させ、熱交換により温度低下した中温水を再び貯湯タンク２内に戻すものである。

前記熱交換器１８の二次側には、暖房端末６の循環水を循環可能に暖房往き管２３と暖房戻り管２４より構成される暖房循環回路２５が接続され、暖房戻り管２４途中に設けられた暖房循環ポンプ２６の作動により暖房端末６の循環水が熱交換器１８に循環されて、一次側の高温水により加熱されて暖房が行われるものである。

次に、２７は貯湯タンク２の前記中温水戻り管２０より高く前記出湯管７より低い中間位置に接続された中間出湯管で、前記熱交換器１８で二次側と熱交換して温度低下した中温水などの貯湯タンク２の中間位置に貯められている湯水を貯湯タンク２から出湯するものである。

２８は前記出湯管７途中で前記中間出湯管２７の下流に設けられた電動ミキシング弁より構成された中間混合弁、２９は前記中間混合弁２８からの湯水と給水管８から分岐された給水バイパス管３０からの低温水を混合する電動ミキシング弁より構成された給湯混合弁であり、中間混合弁２８及び給湯混合弁２９共に、この下流の給湯管３１に設けたサーミスタから成る給湯温度センサ３２で検出した湯温が給湯リモコン５でユーザーが設定した給湯設定温度になるように、中間混合弁２８では中温水と高温水の混合比率を制御するものであり、給湯混合弁２９では中温水と低温水の混合比率を制御するものである。

３３は貯湯タンク２の上下方向に複数個配置された貯湯温度センサで、この実施形態では５つの貯湯温度センサが配置され上から３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅと呼び、この貯湯温度センサ３３が検出する温度情報によって、貯湯タンク２内にどれだけの熱量が残っているかを検知し、そして貯湯タンク２内の上下方向の温度分布を検知するものである。

前記給湯リモコン５には、給湯設定温度を設定する給湯温度設定スイッチ３４が設けられ、給湯温度設定手段を構成しているものである。

３５は貯湯タンクユニット１内の各センサの入力を受け各アクチュエータの駆動を制御するマイコンを有した給湯制御部である。この給湯制御部３５に前記給湯リモコン５が無線または有線により接続されユーザーが任意の給湯設定温度およびふろ設定温度を設定できるようにしているものである。

前記給湯制御部３５は、中間出湯管２７の直ぐ下方の高さに設けられている貯湯温度センサ３３ｄの検出する温度を取り出される湯水温度とし、この湯水温度と給湯設定温度とを比較して、湯水温度が給湯設定温度より高い場合には、中間混合弁２８による高温水との混合は行わず、該中間混合弁２８を中間出湯管２７側全開状態で給湯混合弁２９に連通し、この低温水を混合する給湯混合弁２９の開度を湯水温度と給水管８途中に設けられた給水温度センサ３６の検出する給水温度とに基づいて給湯設定温度に混合するようフィードフォワード制御すると同時に、給湯温度センサ３２の検出する温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁２９の開度をフィードバック制御し、又湯水温度が給湯設定温度以下の場合には、給湯混合弁２９による低温水との混合は行わず、該給湯混合弁２９を中間混合弁２８側全開として給湯管３１に連通状態にし、高温水を混合する中間混合弁２８の開度を湯水温度と貯湯温度センサ３３ａの検出する高温水温度とに基づいて給湯設定温度に混合するようフィードフォワード制御すると同時に、給湯温度センサ３２の検出する温度が給湯設定温度になるように中間混合弁２８の開度をフィードバック制御するものである。

次に、この一実施形態の作動を説明する。
先ず図２に示す沸き上げ運転について説明すると、深夜電力時間帯になって貯湯温度センサ３３が貯湯タンク２内に翌日に必要な熱量が残っていないことを検出すると、給湯制御部３５はヒーポン制御部１７に対して沸き上げ開始指令を発する。指令を受けたヒーポン制御部１７は圧縮機１１を起動した後にヒーポン循環ポンプ１６を駆動開始し、貯湯タンク２下部に接続されたヒーポン往き管９から取り出した５〜２０℃程度の低温水を冷媒−水熱交換器１２で７０〜９０℃程度の高温に加熱し、貯湯タンク２上部に接続されたヒーポン戻り管１０から貯湯タンク２内に戻し、貯湯タンク２の上部から順次積層して高温水を貯湯していく。貯湯温度センサ３３が必要な熱量が貯湯されたことを検出すると、給湯制御部３５はヒーポン制御部１７に対して沸き上げ停止指令を発し、ヒーポン制御部１７は圧縮機１１を停止すると共にヒーポン循環ポンプ１６も停止して沸き上げ動作を終了するものである。

次に図３に示す給湯運転について説明すると、給湯栓４を開くと、給水管８からの給水が貯湯タンク２内に流れ込む。そして中間出湯管２７を介して中間混合弁２８へ高温水が押し出される。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、下部に低温水が貯められているが、その温度差により比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、比重の重い低温水が下部に位置するので、互いに混じり合うことはないものである。

ここで、給湯制御部３５は中間出湯管２７からの湯水と出湯管７からの湯水を混合して中間混合弁２８にて給湯リモコン５で設定された給湯設定温度より所定温度高い温度となるように中間混合弁２８を適当な比率に調整する。なお、ここでは、中間出湯管２７から流入する湯が高温で給湯設定温度より高いため、中間混合弁２８の出湯管７側が閉じられることとなる。

そして、中間混合弁２８から流出した湯は給湯混合弁２９へ流入し、給水バイパス管３０からの低温水と混合され、給湯制御部３５が給湯混合弁２９の混合比率を調整し給湯設定温度の湯が給湯栓４から給湯される。そして、給湯栓４の閉止によって給湯が終了するものである。

次に図４に示す暖房運転について説明すると、暖房運転指示が入力されると給湯制御部３５は熱交循環ポンプ２２および暖房循環ポンプ２６を駆動し、高温水往き管１９から取り出した高温水を熱交換器１８に流入させ、二次側の循環水と熱交換させ暖房運転を行う。そして、熱交換により温度低下した中温水が中温水戻り管２０を介して貯湯タンク２下部に戻り、高温水と入れ替わる形で高温水と中温水の境界面を押し上げるようにして中温水が貯湯されるものである。なお、貯湯タンク２内には上部に高温水、中間部に中温水、下部に低温水が貯められているが、その温度差が２０℃程度あれば比重差が発生し、温度境界層を形成して比重の軽い高温水が上部に、中間の中間水が中間部に、比重の重い低温水が下部に位置するので、互いに混じり合うことはないものである。

そして、二次側では、熱交換器１８にて加熱された循環水が暖房端末６へ戻って暖房を行う。そして、暖房停止の指示が入力されると給湯制御部３５は熱交循環ポンプ２２および暖房循環ポンプ２６の駆動を停止し、暖房運転を終了するものである。

このように、暖房運転を行うと熱交換によって温度低下した中温水が多量に貯湯タンク２内に貯められることとなる。この中温水は暖房の熱源として用いることができないと共に、ヒートポンプ回路１５で沸き上げるにも効率が悪い。そこで、この中温水を優先的に給湯に用いることが求められる。

そこで、貯湯タンク２内に中温水が貯められた後の給湯運転について説明する。図５に示すように、給湯栓４の開栓により、給水管８からの給水が貯湯タンク２内に流れ込むと同時に、中間出湯管２７から中温水が押し出されるが、この中温水温度を貯湯温度センサ３３ｄで検知し、この温度が給湯設定温度より高い場合には、中間混合弁２８による高温水との混合は行わないように、該中間混合弁２８を中間出湯管２７側全開状態で給湯混合弁２９と連通させ、そして低温水を混合する給湯混合弁２９の開度を中温水温度と給水温度センサ３６の検出する給水温度とに基づいて決定し、次に給湯温度センサ３２の検出する温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁２９による低温水と中温水とを混合して、給湯設定温度の給湯を行うものである。

一方中間出湯管２７から押し出される中温水温度が給湯設定温度以下の場合には、給湯混合弁２９による低温水との混合は行わないように、該給湯混合弁２９を中間混合弁２８側全開として給湯管３１に連通させ、そして高温水を混合する中間混合弁２８の開度を中温水温度と貯湯温度センサ３３ａの検出する高温水温度とに基づいて決定し、次に給湯温度センサ３２の検出する温度が給湯設定温度になるように中間混合弁２８による高温水と中温水とを混合して、給湯設定温度の給湯を行うものである。

温度センサは給湯温度センサのみの一つで良く安価で済むものであり、又中温水が給湯設定温度より高い時では中間混合弁は中間出湯管側全開となって作動せず、給湯混合弁で給湯設定温度に調整して給湯し、中温水が給湯設定温度以下では中間混合弁で高温水を加えて給湯設定温度に調整し、給湯混合弁を素通りして給湯されるので、常にどちらか一方の混合弁が使用されることとなり、高温水と低温水とが同時に供給されることがなく、高温水の使用が極力抑えられると共に、中温水の使用量が増えて使え切ることが出来て、ＣＯＰ（エネルギー消費効率）の向上を図ることが出来るものである。

この発明の貯湯式給湯装置を示す一実施形態の概略構成図。同一実施形態の沸き上げ運転の作動を説明する概略構成図。同一実施形態の給湯運転の作動を説明する概略構成図。同一実施形態の暖房運転の作動を説明する概略構成図。同一実施形態の貯湯タンク内に給湯設定温度より高い中温水が存在する場合の給湯運転の作動を説明する図。同一実施形態の貯湯タンク内に給湯設定温度以下の中温水が存在する場合の給湯運転の作動を説明する図。

符号の説明

２貯湯タンク
３ヒートポンプユニット（加熱手段）
７出湯管
８給水管
２７中間出湯管
２８中間混合弁
３０給湯混合弁
３１給水バイパス管
３４貯湯温度センサ
３５給湯温度設定スイッチ（給湯温度設定手段）
３６給湯制御部（制御手段）

Claims

湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク内の湯水を加熱する加熱手段と、前記貯湯タンク上部に接続された出湯管と、前記貯湯タンク下部に接続された給水管と、この給水管から分岐された給水バイパス管と、前記貯湯タンク中間部に接続された中間出湯管と、前記出湯管に設けられた出湯管を流れる湯水と前記中間出湯管からの湯水とを混合する中間混合弁と、この中間混合弁からの湯水と前記給水バイパス管からの湯水とを混合する給湯混合弁と、給湯設定温度を設定する給湯温度設定手段とを備えたものに於いて、前記中間出湯管から取り出される湯水温度が、給湯設定温度より高い場合には、中間混合弁を中間出湯管側全開状態とし、給湯管に備えた給湯温度センサの検知温度が給湯設定温度になるように給湯混合弁のみを駆動制御して給湯を行うようにし、更に前記中間出湯管から取り出される湯水温度が、給湯設定温度以下の場合には、給湯混合弁を中間混合弁側全開状態とし、給湯管に備えた給湯温度センサの検知温度が給湯設定温度になるように中間混合弁のみを駆動制御して給湯を行うようにした事を特徴とする貯湯式給湯装置。