JP3849518B2

JP3849518B2 - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP3849518B2
Application number: JP2001381815A
Authority: JP
Inventors: 久介榊原; ▲静▼男土屋
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: DE10257431A1; JP2003185253A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ熱源機にて水を加熱し、この加熱後の温水を貯湯タンク内に上部から積層蓄熱していくヒートポンプ式給湯装置に関するもので、特にヒートポンプ熱源機がＣＯ₂等の冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルにて構成される場合に有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のヒートポンプ式給湯装置においては、温水を貯湯タンク内に上部から積層蓄熱していくので、貯湯タンク内底部側へ行くにつれて温水温度が低下することになる。温水中でのレジオナラ菌の繁殖を防止するために、通常、貯湯タンク内底部側の温水が約５５℃程度の温度に上昇するまで、ヒートポンプ熱源機の沸き上げ運転を継続させる必要があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ヒートポンプ熱源機では、温水を加熱する高圧側熱交換器への給水温度が高くなると、高圧側熱交換器での冷媒と温水との温度差が減少して、加熱性能が低下する。
【０００４】
特に、ＣＯ₂等の冷媒を用いる超臨界冷凍サイクルの場合には通常のフロン系冷媒を用いる冷凍サイクルの場合よりヒートポンプの高圧側圧力が元々、７倍程度に高く、圧縮機動力が大きいので、給水温度が上昇するとヒートポンプの運転効率（ＣＯＰ）の低下度合いが顕著となる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、ヒートポンプ式給湯装置において高圧側熱交換器への給水温度の上昇による加熱性能の低下を抑制することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、貯湯タンク（１６）と、貯湯タンク（１６）内に蓄えられる水を加熱するための高圧側熱交換器（１３）を有するヒートポンプ熱源機（１０）と、貯湯タンク（１６）内底部の水を高圧側熱交換器（１３）を通過した後に、貯湯タンク（１６）内上部へ循環する循環ポンプ（２１）とを備え、ヒートポンプ熱源機（１０）および循環ポンプ（２１）を作動させて、貯湯タンク（１６）内の水を沸き上げる沸き上げ運転を行う際に、貯湯タンク（１６）内の水の全量を沸き上げる前に、ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止し、ヒートポンプ熱源機（１０）の作動停止後に、貯湯タンク（１６）内底部の水を循環ポンプ（２１）の作動により貯湯タンク（１６）内上部へ移動させることを特徴とする。
【０００７】
このように、貯湯タンク（１６）内の水の全量を沸き上げる前に、ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止するから、貯湯タンク（１６）内下部の未加熱の低温水を高圧側熱交換器（１３）に給水して沸き上げ運転を行うことができる。これにより、高圧側熱交換器への給水温度の上昇による加熱性能の低下を抑制でき、ヒートポンプの運転効率を向上できる。特に、請求項１３のようにヒートポンプ熱源機（１０）が超臨界冷凍サイクルにて構成される場合は高圧側圧力が非常に高いので、ヒートポンプの運転効率改善の効果が顕著である。
【０００８】
しかも、ヒートポンプ熱源機（１０）の沸き上げ運転終了後に、貯湯タンク（１６）内底部の水を循環ポンプ（２１）の作動により貯湯タンク（１６）内上部へ移動させるから、貯湯タンク（１６）内上下の温水の温度差を減少できる。そのため、貯湯タンク（１６）内の全量の沸き上げ前に沸き上げ運転を終了しても、貯湯タンク内底部側に低温水が溜まることがない。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１において、沸き上げ運転の開始時点における貯湯タンク（１６）内の残湯量を判定し、残湯量と貯湯タンク（１６）の容量とに基づいて沸き上げ運転による目標沸き上げ量を決定し、また、残湯量の残湯熱量と次回沸き上げ運転の目標蓄熱量との差の蓄熱量および目標沸き上げ量に基づいて目標沸き上げ温度を決定し、ヒートポンプ熱源機（１０）の沸き上げ温度が目標沸き上げ温度となるように沸き上げ運転を制御することを特徴とする。
【００１０】
これにより、貯湯タンク（１６）内の実際の残湯量とその残湯熱量を考慮して適切な目標沸き上げ温度を決定でき、沸き上げ運転の制御を適切に行うことができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、請求項２において、貯湯タンク（１６）のうち、目標沸き上げ量近傍に位置する高さ部位の水の温度が目標沸き上げ温度近傍の温度に上昇するとヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止することを特徴とする。
【００１２】
これにより、目標沸き上げ量の沸き上げ終了を適切に判定してヒートポンプの沸き上げ運転を停止できる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、請求項２または３において、貯湯タンク（１６）の高さ方向に水の温度を検出する温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）を複数配置し、複数の温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の検出温度のうち、所定の残湯判定温度以上の検出温度を示す温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の高さ部位から残湯量を判定することを特徴とする。
【００１４】
これにより、タンク高さ方向に配置した複数の温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）を用いて、残湯量を具体的に判定することができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明のように、請求項４において、残湯量と所定の残湯判定温度以上の検出温度とに基づいて残湯量の残湯熱量を算出することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明のように、請求項３において、貯湯タンク（１６）の高さ方向に水の温度を検出する温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）を複数配置し、目標沸き上げ量近傍に位置する温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の検出温度が目標沸き上げ温度近傍の所定温度に上昇するとヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止するようにしてよい。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、請求項１において、沸き上げ運転の開始時点における貯湯タンク（１６）内の残湯量を判定し、残湯量の残湯熱量と次回沸き上げ運転の目標蓄熱量との差の蓄熱量と、ヒートポンプ熱源機（１０）の加熱能力とに基づいて沸き上げ運転時間を算出し、この沸き上げ運転時間の経過によりヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止するするようにしてよい。
【００１８】
これによると、沸き上げ運転時間により貯湯タンク（１６）内の水温判定をせずに、沸き上げ運転停止の判定を行うことができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明のように、請求項２または７において、前回までの出湯実績に基づく使用蓄熱量を算出記憶しておき、この記憶された使用蓄熱量に基づいて次回沸き上げ運転の目標蓄熱量を決定するようにしてよい。
【００２０】
請求項９に記載の発明のように、請求項１ないし８のいずれか１つにおいて、循環ポンプ（２１）の作動後、予め設定した設定時間が経過すると、循環ポンプ（２１）の作動を停止するようにしてよい。
【００２１】
請求項１０に記載の発明のように、請求項２ないし８のいずれか１つにおいて、循環ポンプ（２１）の作動後、残湯量と循環ポンプ（２１）の循環流量とにより算出される時間が経過すると、循環ポンプ（２１）の作動を停止するようにしてよい。
【００２２】
これによると、循環ポンプ（２１）により貯湯タンク（１６）上部へ移動すべき実際の残湯量に対応した適切な時期にて循環ポンプ（２１）を作動停止できる。
【００２３】
請求項１１に記載の発明のように、請求項１ないし８のいずれか１つにおいて、貯湯タンク（１６）内下部と高圧側熱交換器（１３）との間の水の温度が所定温度以上に上昇すると、循環ポンプ（２１）の作動を停止するようにしてよい。
【００２４】
これによると、貯湯タンク（１６）底部から流出する水の温度上昇を判定して、適切な時期に循環ポンプ（２１）を作動停止できる。
【００２５】
請求項１２に記載の発明のように、請求項１ないし８のいずれか１つにおいて、貯湯タンク（１６）内上下の水の温度差が所定温度以下になると、循環ポンプ（２１）の作動を停止するようにしてよい。
【００２６】
これによると、貯湯タンク（１６）内上下の水の温度差が減少したことを判定して、適切な時期に循環ポンプ（２１）を作動停止できる。
【００２７】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明によるヒートポンプ式給湯装置を一般家庭用の給湯装置に適用したものであって、図１は給湯装置の全体構成図であり、給湯装置の構成は、ヒートポンプ熱源機１０と貯湯タンクユニット１１とに大別される。
【００２９】
ヒートポンプ熱源機１０（以下ヒートポンプ１０と略称）は冷媒としてＣＯ₂を用い、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルにて構成されている。ヒートポンプ１０は回転数を制御可能な電動圧縮機１２を有し、この電動圧縮機１２にて圧縮された高圧冷媒を加熱用高圧側熱交換器１３に流入させる。この高圧側熱交換器１３にて高圧冷媒と水とを熱交換して水を加熱し、高圧側熱交換器１３を通過した放熱後の高圧冷媒はその後、減圧装置１４で低圧状態に減圧される。
【００３０】
この低圧冷媒は蒸発器１５に流入し、この蒸発器１５で大気から吸熱して蒸発し、その後、電動圧縮機１２に冷媒が吸入され再度圧縮される。ヒートポンプ１０は料金の安い夜間電力を利用して主に夜間に稼働される電気式温水器を構成する。
【００３１】
貯湯タンクユニット１１は縦長の貯湯タンク１６を有し、ヒートポンプ１０の高圧側熱交換器（放熱器）１３で加熱された高温の温水が温水配管１７により貯湯タンク１６の最上部の入口１８から貯湯タンク１６内上部に流入する。そして、貯湯タンク１６の底部の出口１９から低温水が水配管２０によりヒートポンプ１０の高圧側熱交換器１３に流入する。
【００３２】
ヒートポンプ１０の高圧側熱交換器１３と貯湯タンク１６との間で温水を循環するために、この温水循環回路、本例では、水配管２０の途中に回転数を制御可能な電動式の循環ポンプ２１を設置している。また、貯湯タンク１６の底部には、水道水等を給水するための給水配管２２が接続される給水入口２３が設けてある。この給水配管２２には水道圧を減圧する減圧弁２２ａが設置してある。
【００３３】
また、貯湯タンク１６の最上部には図示しない台所、洗面所、風呂等の給湯対象機器に給湯するための給湯配管２４が接続してあり、この給湯配管２４を通して給湯対象機器に給湯するようになっている。この給湯配管２４の途中には給湯配管２４内の圧力が設定圧力以上に上昇すると開弁して空気や水を外部へ逃がす逃がし弁２５が設置されている。
【００３４】
給湯装置の作動を自動制御すためのセンサとして、縦長形状の貯湯タンク１６には、その内部の温水温度を検出する温度センサ（サーミスタ）２６ａ〜２６ｆをタンク上下方向の異なる高さに複数個（図示の例では６個）所定間隔で設けてある。なお、本例では貯湯タンク１６の容量が３７０Ｌ（リットル）に設定してあり、温度センサ２６の配置高さを示す符号５０Ｌ、１００Ｌ、１５０Ｌ、２００Ｌ、２５０Ｌ、３２０Ｌはそれぞれタンク最上部から５０Ｌ、１００Ｌ、１５０Ｌ、２００Ｌ、２５０Ｌ、３２０Ｌ分の容量だけ下がった高さ部位であることを示している。
【００３５】
また、高圧側熱交換器１３の出口側高圧配管部に冷媒温度センサ２７が配置され、高圧側熱交換器１３へ給水する水配管２０にヒートポンプ給水温度センサ２８が配置されている。また、貯湯タンク１６底部への給水配管２２にはタンク給水温度センサ２９が配置され、給湯配管２４には給湯対象機器に供給される出湯量を計測するための流量センサ３０が配置されている。
【００３６】
次に、図２は本実施形態の電気制御のブロック図であり、上記タンク温度センサ２６ａ〜２６ｆ、冷媒温度センサ２７、ヒートポンプ給水温度センサ２８、タンク給水温度センサ２９、流量センサ３０等を含むセンサ群の検出信号、および給湯装置操作パネル３１の操作信号が電子制御装置３２に入力される。この電子制御装置３２はマイクロコンピュータとその周辺回路とにより構成されるものであって、予め設定されたプログラムに基づく所定の演算処理を行って、電動圧縮機１２、循環ポンプ２１等の機器の作動を制御するようになっている。
【００３７】
図３は電子制御装置３２により実行される第１実施形態の作動制御例であり、先ず、ステップＳ１００にて深夜時間帯であるか判定する。ここで、深夜時間帯は電力会社の安価な深夜電力料金が適用される２３時から翌朝７時までの時間帯である。従って、時刻が２３時になると、ステップＳ１１０に進み、目標沸き上げ温度Ｔａを算出する。
【００３８】
この目標沸き上げ温度Ｔａを本実施形態では具体的に次の考え方で算出する。すなわち、２３時の時点においては１日の出湯により貯湯タンク１６内の湯がほとんど使用され、貯湯タンク１６内に残っている所定温度（例えば５０℃）以上の残湯量Ｌｔが少量の一定量であると想定する。例えば、本実施形態の貯湯タンク１６の容量（３７０Ｌ）に対して、２３時の時点における残湯量は５０Ｌの一定値であると想定する。従って、この場合は、ヒートポンプの目標沸き上げ量Ｌａは３７０Ｌ−５０Ｌ＝３２０Ｌの一定値となる。
【００３９】
一方、沸き上げの目標蓄熱量Ｑｔは過去１週間における１日当たりの最大出湯時の熱量により決定する。この１日当たりの最大出湯時の熱量は、流量センサ３０により検出される１日当たりの最大出湯量に基づいて電子制御装置３２のマイクロコンピュータにて算出され、その記憶手段に記憶されている。
【００４０】
従って、目標沸き上げ温度Ｔａは、目標蓄熱量Ｑｔ、残湯量Ｌｔの熱量ＱＬｔ、およびヒートポンプ１０の目標沸き上げ量Ｌａに基づいて次の数式１により算出できる。
【００４１】
【数１】
Ｔａ＝（Ｑｔ−ＱＬｔ）／（Ｌａ・Ｃ）＋Ｔｉｎ１
上記数１において、Ｌａは本例では３７０Ｌ−５０Ｌ＝３２０Ｌである。Ｃは水の比熱、Ｔｉｎ１は貯湯タンク１６の底部の給水入口２３に供給される水道水の平均給水温度であって、具体的には、タンク給水温度センサ２９により検出された前日の水道水平均温度を用いる。
【００４２】
次のステップＳ１２０にて循環ポンプ２１を作動させ、次のステップＳ１３０にて圧縮機１２を作動させる。これにより、ヒートポンプ１０による沸き上げ運転が開始され、ヒートポンプ１０では実際の沸き上げ温度（高圧側熱交換器１３の出口温水温度）が目標沸き上げ温度Ｔａとなるように圧縮機１２の回転数等が制御される。
【００４３】
そして、ステップＳ１４０にて貯湯タンク１６の温度センサ２６ａ〜２６ｆのうち、最下部の高さ、すなわち、貯湯タンク１６の上部から目標沸き上げ量Ｌａ（本例では３２０Ｌ）相当の高さ（３２０Ｌ）に位置する温度センサ２６ｆの検出温度Ｔ３２０が目標沸き上げ温度Ｔａに基づいて決定される所定温度Ｔａｏ以上であるか判定する。ここで、所定温度ＴａｏはＴａより僅少値αだけ低い温度、すなわち、Ｔａｏ＝Ｔａ−αである。この僅少値αは貯湯タンク１６の上下方向において生じる温水温度差（温度勾配）に相当する温度で、１０℃程度の値である。
【００４４】
温度センサ２６の検出温度Ｔ３２０が所定温度Ｔａｏ以上になると、貯湯タンク１６内の目標沸き上げ量Ｌａの温水蓄熱量が目標とする蓄熱量（Ｑｔ−ＱＬｔ）に到達したことになるので、次のステップＳ１５０に進み、温度センサ２８により検出されるヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２が所定温度、例えば４０℃以上になったか判定する。ここで、ステップＳ１５０の判定温度はヒートポンプ１０の効率が悪化するのを抑制するための給水上限温度であり、本例では上記の４０℃に設定している。
【００４５】
ヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２が４０℃未満であると、ヒートポンプ１０の効率が良い状態であると判定して、ステップＳ１４０の判定がＹＥＳになった後も、圧縮機１２および循環ポンプ２１の作動を継続し、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を継続する。
【００４６】
そして、ヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２が４０℃以上に上昇すると、ステップＳ１６０に進み、圧縮機１２を停止してヒートポンプ１０の沸き上げ運転を終了する。従って、貯湯タンク１６の底部付近に４０℃以下の低温水を残した状態にてヒートポンプ１０の沸き上げ運転を終了することになり、ヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２の上昇によるヒートポンプ沸き上げ運転の効率低下を防止できる。
【００４７】
次に、ステップＳ１７０にて循環ポンプ２１の作動回転数を最大回転数として、循環ポンプ２１を最大流量状態で作動させる。これにより、ヒートポンプ沸き上げ運転の終了後に、貯湯タンク１６内底部寄りの低温水、より具体的には、貯湯タンク１６の温度センサ２６ａ〜２６ｆのうち最下部の温度センサ２６ｆより下方部に溜まっている未加熱の低温水（本例では５０Ｌの水）を循環ポンプ２１により吸入して貯湯タンク１６内の上部に移動させることができる。
【００４８】
次のステップＳ１８０にてタイマーを始動させ、次のステップＳ１９０にて給湯対象機器への出湯量の算出を開始する。この出湯量は流量センサ３０の検出信号に基づいて算出できる。
【００４９】
次のステップＳ２００にてタイマーのカウント時間ｔが所定時間ｔｏ以上になったか判定し、タイマーのカウント時間ｔが所定時間ｔｏ以上になるまではステップＳ２１０にて出湯量が所定量（例えば１０Ｌ）以上であるか判定し、出湯量が所定量未満である場合はステップＳ２００に戻り、循環ポンプ２１の最大流量状態での作動を継続する。
【００５０】
そして、タイマーのカウント時間ｔが所定時間ｔｏ以上になると、ステップＳ２２０に進み、循環ポンプ２１の作動を停止する。ここで、所定時間ｔｏは予め想定した一定値の残湯量Ｌｔの移動に必要な時間を循環ポンプ２１の最大流量により算出した時間である。
【００５１】
これに対し、循環ポンプ２１の最大流量状態での作動中にもし、出湯量が所定量（例えば１０Ｌ）以上になった場合は、ステップＳ２１０からステップＳ２２０に進み、循環ポンプ２１の作動を直ちに停止する。
【００５２】
ここで、給湯対象機器へ出湯されると、給水配管２２から低温の水道水が貯湯タンク１６内底部へ流入する。従って、給湯対象機器への出湯があっても、循環ポンプ２１の作動をそのまま継続すると、低温の水道水が貯湯タンク１６内上部に移動して貯湯タンク１６内上部の高温の温水温度を下げるという不具合が生じる。しかし、本実施形態では出湯量が所定量を超えると、循環ポンプ２１の作動を直ちに停止するから、低温の水道水が貯湯タンク１６内上部へ移動して、高温の温水温度を下げるという不具合を未然に防止できる。
【００５３】
以上の作動説明から理解されるように、本実施形態によると、貯湯タンク１６の容量全部の温水を沸き上げる前に、具体的には、目標沸き上げ量Ｌａに対応する高さ部位（３２０Ｌ部）の温水温度Ｔ₃₂₀が所定温度Ｔａｏに上昇すると、圧縮機１２を停止し、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を終了するから、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転をしている間は貯湯タンク１６内底部の低温水をヒートポンプ１０の加熱用高圧側熱交換器１３に供給できる。
【００５４】
従って、加熱用高圧側熱交換器１３における高圧冷媒温度とヒートポンプ吸水温度Ｔｉｎ２との温度差を沸き上げ運転の間大きい状態に維持して、ヒートポンプ１０の加熱性能および運転効率（ＣＯＰ）を高い状態に維持できる。
【００５５】
そして、沸き上げ運転の終了後に、所定時間ｔｏの間循環ポンプ２１を作動させることにより、貯湯タンク１６内底部の低温水を貯湯タンク１６内上部に移動して高温の温水と混合することにより、貯湯タンク１６内温水の高さ方向の温度勾配を小さくして、貯湯タンク１６内底部の温水温度をレジオナラ菌の繁殖しない５５℃以上の温度にすることができ、レジオナラ菌の繁殖を防止できる。
【００５６】
また、このとき、循環ポンプ２１を最大流量状態で作動させることにより、循環ポンプ２１の作動時間を短くして、循環ポンプ２１の温水循環作用による無駄な温水放熱を最小限に抑制できる。
【００５７】
なお、第１実施形態においては、ステップＳ１４０とステップＳ１５０の判定がともにＹＥＳとなって、両判定のＡＮＤ条件の成立により、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を終了させているが、ステップＳ１５０の判定を廃止して、ヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２の如何にかかわらず、ステップＳ１４０の判定のみで、直ちにヒートポンプ１０の沸き上げ運転を終了させてもよい。
【００５８】
（第２実施形態）
上記の第１実施形態では、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を開始する２３時の時点においては１日の出湯により貯湯タンク１６内の湯がほとんど使用され、貯湯タンク１６内に残っている所定温度（例えば５０℃）以上の残湯量Ｌｔが少量の一定量（具体的には５０Ｌ）であると想定して、目標蓄熱量Ｑｔと残湯熱量ＱＬｔとの差の蓄熱量に基づいて目標沸き上げ温度Ｔａを算出しているが、実際には、給湯装置の使用形態が使用日毎に大きく変動し、それに伴って１日当たりの出湯量も大きく変動するのが実状である。このことは、残湯量Ｌｔも使用日毎に大きく変動することを意味する。
【００５９】
そして、実際の出湯量が予め想定した目標出湯量を大きく下回る場合が発生し、この場合は残湯量Ｌｔが上記一定量を大きく上回ることになる。ところが、沸き上げ運転の終了直後の温水初期温度が高くても、次の沸き上げ運転開始時刻（２３時）までの放置時間が長いので、この長時間の放置により残湯の温度は初期温度（例えば８０〜９０℃程度）から大きく低下している。
【００６０】
従って、この状態から第１実施形態による沸き上げ運転の制御を行うと、貯湯タンク１６の底部寄りの３２０Ｌ部の温水温度Ｔ₃₂₀が所定温度Ｔａｏ（＝Ｔａ−α）に上昇するまで、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を継続することになる。このことは、貯湯タンク１６内の残湯、すなわち、温度低下していると言えども低温水道水よりもかなり高温の水がヒートポンプ１０の加熱用高圧側熱交換器１３に供給される状態を長く続けないと、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転による畜熱量が目標畜熱量に到達しないことになる。
【００６１】
この結果、加熱用高圧側熱交換器１３における高圧冷媒温度とヒートポンプ吸水温度Ｔｉｎ２との温度差が小さい状態の運転時間が長く続く場合が生じ、ヒートポンプ１０の加熱性能および運転効率の低下を招く。
【００６２】
第２実施形態では、以上の点に鑑みて、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転の開始時刻における実際の残湯量Ｌｔを判定し、この実際の残湯量Ｌｔを考慮して目標沸き上げ温度Ｔａを算出し、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を制御することにより、第１実施形態に比してヒートポンプ１０の運転効率を向上させるものである。
【００６３】
図４は第２実施形態の制御ルーチンであり、図４の制御ルーチンは深夜電力料金の適用開始時刻の２３時になるとスタートし、先ず、ステップＳ３００にて貯湯タンク１６内の残湯量Ｌｔを判定する。この判定は具体的には図５に示すように行う。図５は深夜電力料金の適用開始時刻における貯湯タンク１６の高さ方向の各部位ごとの水温の具体例を示すものであり、横軸の５０Ｌ〜３２０Ｌの符号は図１の符号に対応する。
【００６４】
図５の例では残湯判定温度を５０℃に設定し、５０℃より温度の高いタンク上部の温水を残湯として判定している。従って、図５では、残湯量Ｌｔ＝１５０Ｌである。そして、この残湯量Ｌｔを除く残りの温水量が目標沸き上げ量Ｌａであり、図５では目標沸き上げ量Ｌａ＝３７０Ｌ−１５０Ｌ＝２２０Ｌである。
【００６５】
次のステップＳ３１０では、上記目標沸き上げ量Ｌａにて目標とする蓄熱量が得られるように目標沸き上げ温度Ｔａを算出する。
【００６６】
具体的には、目標沸き上げ温度Ｔａを下記数式２により算出する。
【００６７】
【数２】
Ｔａ＝（Ｑｔ−ＱＬｔ）／（２２０Ｌ・Ｃ）＋Ｔｉｎ１
数式２において、沸き上げの目標蓄熱量Ｑｔは数式１と同様に過去１週間における１日当たりの最大出湯時の熱量により決定されるものであり、Ｃ、Ｔｉｎ１も数式１と同様に、水の比熱、タンク給水温度である。ＱＬｔは残湯量Ｌｔ＝１５０Ｌの熱量であり、この残湯熱量ＱＬｔは具体的には下記数式３により算出する。
【００６８】
【数３】

なお、数式３において、Ｔ５０、Ｔ１００、Ｔ１５０はそれぞれ図５の横軸の−に示すタンク高さ方向の各部位５０Ｌ、１００Ｌ、１５０Ｌの水温である。
【００６９】
次に、ステップＳ３２０にて循環ポンプ２１および圧縮機１２を作動させ、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転を開始する。次に、ステップＳ３３０にて沸き上げ運転を終了してよいと判定するまで、沸き上げ運転を継続する。ステップＳ３３０の判定は具体的には、タンク高さ方向の２５０Ｌ部位の水温Ｔ２５０が目標沸き上げ温度Ｔａにより決まる所定温度Ｔａｏ（＝Ｔａ−α）以上に上昇したかを判定する。すなわち、目標沸き上げ量Ｌａはタンク容量−残湯量Ｌｔであり、本例では前述の２２０Ｌであるから、この２２０Ｌを上回る２５０Ｌ部位の水温Ｔ２５０が所定温度Ｔａｏ以上に上昇したことを判定すれば、この目標沸き上げ量Ｌａの水に目標の蓄熱量（Ｑｔ−ＱＬｔ）を蓄熱したと判定できる。
【００７０】
そして、ステップＳ３３０の判定がＹＥＳになると、ステップＳ３４０に進み、圧縮機１２を停止して沸き上げ運転を終了する。一方、循環ポンプ２１は最大流量状態にして運転を継続させる。
【００７１】
これにより、第１実施形態と同様に貯湯タンク１６内底部の低温水を貯湯タンク１６内上部に移動して高温の温水と混合することにより、貯湯タンク１６内温水の高さ方向の温度勾配を小さくして、貯湯タンク１６内底部の温水温度をレジオナラ菌の繁殖しない５５℃以上の温度にすることができる。
【００７２】
次のステップＳ３５０にて循環ポンプ２１の停止が判定されるまで循環ポンプ２１の運転を継続し、循環ポンプ２１の停止条件が判定されると、ステップＳ３６０に進み、循環ポンプ２１の運転を停止する。
【００７３】
ここで、循環ポンプ２１の停止条件は次のように判定する。すなわち、貯湯タンク１６の２５０Ｌ部位以下の温水量、換言すると、上記残湯量Ｌｔに相当する温水量を貯湯タンク１６内上部に移動させるに必要な時間を、この温水量（残湯量）と循環ポンプ２１の循環流量とにより算出し、沸き上げ運転の終了後、この算出時間が経過すると循環ポンプ２１を停止する。
【００７４】
また、循環ポンプ２１の停止条件の別の判定方法としては、貯湯タンク１６の底部付近の温水温度、具体的には最下部（３２０Ｌ）の温度センサ２６ｆの検出温度、あるいは温度センサ２８により検出されるヒートポンプ給水温度Ｔｉｎ２が５５℃以上の所定温度以上に上昇したことを判定して、循環ポンプ２１を停止してもよい。すなわち、貯湯タンク１６の底部から流出する温水温度が所定温度以上に上昇したことを判定して循環ポンプ２１を停止するようにしてもよい。
【００７５】
また、貯湯タンク１６内上下の水の温度差が所定温度以下になると、循環ポンプ２１の作動を停止するようにしてもよい。例えば、温度センサ２６のうち、最上部の温度センサ２６ａと最下部の温度センサ２６ｆの検出温度の差が所定温度以下になると、循環ポンプ２１の作動を停止するようにしてもよい。
【００７６】
第２実施形態によると、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転開始時における実際の残湯量Ｌｔを判定し、この残湯量Ｌｔを除く残りの温水量である目標沸き上げ量Ｌａに目標の蓄熱量を蓄熱するための目標沸き上げ温度Ｔａを算出し、この目標沸き上げ量Ｌａに相当する高さ部位の温水温度（前述の例では２５０Ｌ部位の水温Ｔ２５０）が目標沸き上げ温度Ｔａに上昇すると、沸き上げ運転を終了するため、実際の残湯量Ｌｔが多い場合は、沸き上げ運転の終了時期が第１実施形態よりも早くなる。その結果、残湯による比較的高温の水がヒートポンプ１０の加熱用高圧側熱交換器１３に供給される状態を第１実施形態よりも減少して、より効率的な沸き上げ運転を実施できる。
【００７７】
（第３実施形態）
上記の第２実施形態では、ヒートポンプ１０の沸き上げ運転の開始時刻における実際の残湯量Ｌｔを判定し、この実際の残湯量Ｌｔを考慮して目標沸き上げ温度Ｔａを算出しているが、第３実施形態はヒートポンプ１０の実際の運転条件、具体的には外気温、タンク給水温度Ｔｉｎ１等に基づいて、ヒートポンプ１０の運転効率確保のための沸き上げ可能温度（沸き上げ上限温度）Ｔａｈを別途算出しておき、目標沸き上げ温度Ｔａを沸き上げ可能温度Ｔａｈに制限することにより、実際の運転条件が大きく変動してもヒートポンプ１０の運転効率を常に高いレベルに維持しようとするものである。
【００７８】
図６は第３実施形態の制御ルーチンを示しており、ステップＳ３１０〜Ｓ３６０は図４と同じである。ステップＳ３０５による残湯量Ｌｔの判定、ステップＳ３１０による目標沸き上げ温度Ｔａの算出を図４と同様に行った後に、ステップＳ３７０にて目標沸き上げ温度Ｔａが上記した沸き上げ可能温度Ｔａｈ以下であるか判定する。
【００７９】
この判定で、目標沸き上げ温度Ｔａが沸き上げ可能温度Ｔａｈを上回る時はステップＳ３０５に戻って残湯量Ｌｔの再判定を行う。この再判定を行う毎に、図５に示す残湯判定温度を所定値高くしていく。これにより、残湯量Ｌｔの再判定値が減少するので、前述の数式２における分母の目標沸き上げ量Ｌａの数値（２２０Ｌ）が増加して目標沸き上げ温度Ｔａが下がっていく。
【００８０】
そして、ステップＳ３７０の判定がＹＥＳになると、ステップＳ３２０に進み、沸き上げ運転を開始し、沸き上げ可能温度Ｔａｈ以下となった目標沸き上げ温度Ｔａとなるようにヒートポンプ１０の沸き上げ温度が制御される。
【００８１】
以上により、第３実施形態によると、外気温、タンク給水温度Ｔｉｎ１等の運転条件から決定される沸き上げ可能温度Ｔａｈ以下となるように目標沸き上げ温度Ｔａを決定することにより、運転条件の変動にかかわらず、ヒートポンプ１０の運転効率を常に高いレベルに維持できる。
【００８２】
（第４実施形態）
図７は上記第３実施形態と同様に外気温、タンク給水温度Ｔｉｎ１等の実際の運転条件に基づいて、ヒートポンプ１０の運転効率確保のための沸き上げ可能温度（沸き上げ上限温度）Ｔａｈを別途算出し、目標沸き上げ温度Ｔａを沸き上げ可能温度Ｔａｈ以内に制限する場合に、給湯による湯使用後に、ヒートポンプ１０を再度沸き上げ運転することにより、目標沸き上げ温度Ｔａの制限による蓄熱量の不足を補うようにしたものである。
【００８３】
図７において、図４、６と同等部分には同一符号を付している。但し、ステップＳ３１５では、目標沸き上げ温度Ｔａを前述の数式２のように実際の残湯量Ｌｔを考慮して算出し、そして、この目標沸き上げ温度Ｔａと外気温、タンク給水温度Ｔｉｎ１等の実際の運転条件に基づいて別途算出した沸き上げ可能温度（沸き上げ上限温度）Ｔａｈとを比較して、Ｔａ≦Ｔａｈであるときは前述の数式２により算出した目標沸き上げ温度Ｔａをそのまま用いる。一方、Ｔａ＞Ｔａｈであるときは、沸き上げ可能温度Ｔａｈを目標沸き上げ温度Ｔａとして用いる。
【００８４】
このように沸き上げ可能温度Ｔａｈ以下に制限した目標沸き上げ温度Ｔａを用いて、ステップＳ３２０にてヒートポンプ１０の沸き上げ運転を行う。ステップＳ３３０〜Ｓ３６０は図４と同じ制御処理を行う。そして、ステップＳ３８０において、追加沸き上げ量Ｌｕを次のようにして算出する。
【００８５】
すなわち、ＴａをＴａｈに制限した場合における蓄熱可能量を、実際の残湯量Ｌｔとその温度、目標沸き上げ量Ｌａ（＝タンク容量−残湯量Ｌｔ）とＴａｈとに基づいて算出し、そして、ＴａをＴａｈに制限しない場合（Ｔａ＞Ｔａｈ）における蓄熱可能量を同様に算出し、この両者の蓄熱可能量の差を不足熱量として求め、この不足熱量と沸き上げ温度Ｔａｈとにより追加目標沸き上げ量Ｌｕを算出する。
【００８６】
次に、ステップＳ３９０にて給湯機器への出湯量が所定量以上になったか判定する。ここで、出湯量は流量センサ３０により検出されるものであり、出湯量が所定量例えば１００Ｌ以下であると、ステップＳ３９０の判定が繰り返されるだけであるが、出湯量が１００Ｌを超えると、ステップＳ４００に進み、ヒートポンプ１０の圧縮機１２を作動させるとともに循環ポンプ２１を作動させて、ヒートポンプ１０の追加の沸き上げ運転を開始する。
【００８７】
そして、ステップＳ４１０にてヒートポンプ１０の追加沸き上げ量Ｌを例えば、ヒートポンプ１０の追加沸き上げ運転時間に基づいて算出する。この沸き上げ量Ｌは、循環ポンプ２１の循環流量に基づいて算出してもよい。
【００８８】
次のステップＳ４２０にて、追加沸き上げ運転による実際の追加沸き上げ量Ｌが上記追加目標沸き上げ量Ｌｕ以上に到達したかを判定し、実際の追加沸き上げ量Ｌが追加目標沸き上げ量Ｌｕに到達すると、ステップＳ４３０に進み、ヒートポンプ１０の圧縮機１２および循環ポンプ２１を停止して、追加の沸き上げ運転を停止する。
【００８９】
（他の実施形態）
なお、上記の各実施形態では、沸き上げ運転の開始時点における貯湯タンク１６内の残湯量Ｌｔを判定し、この残湯量Ｌｔに基づいて沸き上げ運転による目標沸き上げ量Ｌａ（タンク容量−残湯量Ｌｔ）を決定し、この残湯量Ｌｔの残湯熱量ＱＬｔと次回沸き上げ運転の目標蓄熱量Ｑｔとの差の蓄熱量および目標沸き上げ量Ｌａに基づいて目標沸き上げ温度Ｔａを決定し、貯湯タンク１６のうち、目標沸き上げ量Ｌａ近傍に位置する高さ部位の水の温度が目標沸き上げ温度Ｔａ近傍の所定温度Ｔａｏ（＝Ｔａ−α）に上昇すると、ヒートポンプ１０の作動（沸き上げ運転）を停止するようにしているが、本発明はこのように目標沸き上げ量Ｌａ近傍に位置する高さ部位の水の温度が目標沸き上げ温度Ｔａ近傍の所定温度Ｔａｏに上昇したどうかを判定せずに、ヒートポンプ１０の作動（沸き上げ運転）を停止するようにしてもよい。
【００９０】
すなわち、沸き上げ運転の開始時点における貯湯タンク１６内の残湯量Ｌｔを判定し、この残湯量Ｌｔの残湯熱量ＱＬｔと次回沸き上げ運転の目標蓄熱量Ｑｔとの差の蓄熱量（Ｑｔ−ＱＬｔ）を算出し、そして、この蓄熱量を得るに必要な沸き上げ運転時間を、この蓄熱量と、ヒートポンプ１０の加熱能力とにより算出し、この沸き上げ運転時間の経過によりヒートポンプ１０の作動を停止するようにしてもよい。つまり、前述の各実施形態における、「目標沸き上げ量Ｌａ近傍に位置する高さ部位の水の温度が目標沸き上げ温度Ｔａ近傍の所定温度Ｔａｏに上昇した状態」を、上記蓄熱量（Ｑｔ−ＱＬｔ）とヒートポンプ加熱能力とにより算出される沸き上げ運転時間の経過により推定するようにしてもよい。
【００９１】
また、前述の各実施形態では、ヒートポンプ沸き上げにより蓄熱すべき目標沸き上げ量Ｌａを単純にタンク容量と残湯量Ｌｔとの差で求めるようにしているが、給湯装置の実際の沸き上げ制御に際しては、貯湯タンク１６内に常に確保され実用に供しない最低貯湯量を通常設定する。この最低貯湯量は、タンク容量が前述のように３７０Ｌの場合に例えば５０〜１００Ｌ程度の量である。この最低貯湯量は使用せず、常に貯湯タンク１６内に確保されている量であるから、貯湯タンク１６の実容量から最低貯湯量を減算し、更に残湯量Ｌｔを減算して、目標沸き上げ量Ｌａを算出するようにしてよい。
【００９２】
すなわち、目標沸き上げ量Ｌａ＝貯湯タンク１６の実容量−最低貯湯量−残湯量Ｌｔにて算出するようにしてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のヒートポンプ式給湯装置の概略システム図である。
【図２】第１実施形態の電気制御ブロック図である。
【図３】第１実施形態の制御を示すフローチャ−トである。
【図４】第２実施形態の制御を示すフローチャ−トである。
【図５】第２実施形態の残湯量判定の説明図である。
【図６】第３実施形態の制御を示すフローチャ−トである。
【図７】第４実施形態の制御を示すフローチャ−トである。
【符号の説明】
１０…ヒートポンプ熱源機、１１…貯湯タンク、１２…貯湯タンク、
１３…高圧側熱交換器、２１…循環ポンプ。

Claims

貯湯タンク（１６）と、
前記貯湯タンク（１６）内に蓄えられる水を加熱するための高圧側熱交換器（１３）を有するヒートポンプ熱源機（１０）と、
前記貯湯タンク（１６）内底部の水を前記高圧側熱交換器（１３）を通過した後に、前記貯湯タンク（１６）内上部へ循環する循環ポンプ（２１）とを備え、前記ヒートポンプ熱源機（１０）および前記循環ポンプ（２１）を作動させて、前記貯湯タンク（１６）内の水を沸き上げる沸き上げ運転を行う際に、前記貯湯タンク（１６）内の水の全量を沸き上げる前に、前記ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止し、
前記ヒートポンプ熱源機（１０）の作動停止後に、前記貯湯タンク（１６）内底部の水を前記循環ポンプ（２１）の作動により前記貯湯タンク（１６）内上部へ移動させることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
前記沸き上げ運転の開始時点における前記貯湯タンク（１６）内の残湯量を判定し、前記残湯量と前記貯湯タンク（１６）の容量とに基づいて前記沸き上げ運転による目標沸き上げ量を決定し、
また、前記残湯量の残湯熱量と次回沸き上げ運転の目標蓄熱量との差の蓄熱量と前記目標沸き上げ量とに基づいて目標沸き上げ温度を決定し、
前記ヒートポンプ熱源機（１０）の沸き上げ温度が前記目標沸き上げ温度となるように前記沸き上げ運転を制御することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク（１６）のうち、前記目標沸き上げ量近傍に位置する高さ部位の水の温度が前記目標沸き上げ温度近傍の所定温度に上昇すると前記ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク（１６）の高さ方向に水の温度を検出する温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）を複数配置し、前記複数の温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の検出温度のうち、所定の残湯判定温度以上の検出温度を示す温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の高さ部位から前記残湯量を判定することを特徴とする請求項２または３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記残湯量と前記所定の残湯判定温度以上の検出温度とに基づいて前記残湯量の残湯熱量を算出することを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク（１６）の高さ方向に水の温度を検出する温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）を複数配置し、前記目標沸き上げ量近傍に位置する前記温度センサ（２６ａ〜２６ｆ）の検出温度が前記目標沸き上げ温度近傍の所定温度に上昇すると前記ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止することを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記沸き上げ運転の開始時点における前記貯湯タンク（１６）内の残湯量を判定し、
前記残湯量の残湯熱量と次回沸き上げ運転の目標蓄熱量との差の蓄熱量と、前記ヒートポンプ熱源機（１０）の加熱能力とに基づいて沸き上げ運転時間を算出し、
前記沸き上げ運転時間の経過により前記ヒートポンプ熱源機（１０）の作動を停止することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前回までの出湯実績に基づく使用蓄熱量を算出記憶しておき、この記憶された使用蓄熱量に基づいて前記次回沸き上げ運転の目標蓄熱量を決定することを特徴とする請求項２または７に記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記循環ポンプ（２１）の作動後、予め設定した設定時間が経過すると、前記循環ポンプ（２１）の作動を停止することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記循環ポンプ（２１）の作動後、前記残湯量と前記循環ポンプ（２１）の循環流量とにより算出される時間が経過すると、前記循環ポンプ（２１）の作動を停止することを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク（１６）内下部と前記高圧側熱交換器（１３）との間の水の温度が所定温度以上に上昇すると、前記循環ポンプ（２１）の作動を停止することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記貯湯タンク（１６）内上下の水の温度差が所定温度以内になると、前記循環ポンプ（２１）の作動を停止することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。
前記ヒートポンプ熱源機（１０）は、高圧側圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルにて構成されていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載のヒートポンプ式給湯装置。