JP5772883B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、貯湯式給湯システムに関する。

加熱手段により沸き上げた高温の湯を貯湯タンクに貯めておき、給湯負荷の発生に応じて、貯湯タンク内から湯を取り出して給湯する貯湯式給湯システムが広く用いられている。一般に、貯湯式給湯システムは、瞬間式給湯システム等と比べて、加熱手段の加熱能力が比較的小さい、加熱手段の起動時における能力の立ち上りが遅い、等の特徴がある。このため、貯湯式給湯システムでは、給湯負荷の発生に対して湯切れが生じることのないように、事前に貯湯タンクに湯を貯めておく必要がある。一方、エネルギー効率の観点からは、貯湯タンクに蓄えた熱量をできるだけ有効に活用することが求められる。

また、湯栓からの湯の放出による給湯だけでなく、貯湯タンク内から取り出した高温の湯と浴槽から循環する浴槽水とを熱交換することによって浴槽の追焚きを行う機能を有する貯湯式給湯システムも知られている。このような貯湯式給湯システムでは、追焚きに要する熱負荷に対する湯切れ（以下、「追焚き湯切れ」と称する）の発生を防止する必要もある。

従来の貯湯式給湯システムとして、特許文献１には、追焚き熱交換器から戻る中温の追焚き戻り湯を貯湯タンクの２／３程度の高さ位置に戻すことにより、追焚き戻り湯（中温水）を給湯に再利用する発明が開示されている。

また、特許文献２には、追焚き戻り湯を貯湯タンクに流入させる接続部を、貯湯タンクの中間部と下部とにそれぞれ設け、貯湯タンク中間部の温度が所定値以下の時に追焚き戻り湯を貯湯タンク中間部に戻すことにより、貯湯タンク上部の高温部分の温度低下を避けるとともに、追焚き戻り湯（中温水）を給湯に再利用する発明が開示されている。

特公平８−３０６０５号公報 特許第３９４５５１１号公報

追焚き戻り湯の温度や、貯湯タンク内の高温領域と低温領域との間の温度境界層の位置は、使用状況に応じて変化する。特許文献１の発明では、追焚き戻り湯の温度が低かった場合、貯湯タンク内の上部の温度が大きく低下するので、追焚きに利用できる蓄熱量が大きく低下し、追焚き湯切れが発生し易いという問題がある。また、貯湯タンクの２／３程度の高さ位置に貯湯タンク内の高温領域と低温領域との温度境界層があった場合、追焚き戻り湯の噴流によって温度境界層が乱され、高温領域と低温領域とが混合し、蓄熱量が低下するという問題もある。

また、特許文献２の発明では、追焚き戻り湯を貯湯タンク中間部に戻したとしても、追焚き戻り湯が結局利用されないまま残る場合も多く、追焚き戻り湯が持つ熱量を必ずしも有効に再利用できない。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構成で、追焚き戻り湯が持つ熱量を有効に再利用して省エネルギーを図ることのできる貯湯式給湯システムを提供することを目的とする。

本発明に係る貯湯式給湯システムは、水を加熱して湯にする加熱手段と、加熱手段により生成された湯を上側から貯留し、下側から水を貯留する貯湯タンクと、浴槽から循環する浴槽水と該浴槽水を加温するための湯との熱交換を行う追焚き熱交換器と、貯湯タンクの上部から取り出された湯を追焚き熱交換器に導く追焚き用ポンプと、追焚き熱交換器から貯湯タンクに戻る追焚き戻り湯を貯湯タンクの上部に戻す上部戻し流路と、追焚き戻り湯を貯湯タンクの下部に戻す下部戻し流路と、使用者の指示に基づいて、運転モードを設定する運転モード設定手段と、加熱手段を使用しない追焚き運転において追焚き戻り湯を貯湯タンクに戻す場合に上部戻し流路と下部戻し流路との何れを優先して用いるかを、運転モード設定手段により設定されている運転モードに基づいて決定する追焚き戻り湯制御手段と、を備え、運転モード設定手段は、浴槽温度を自動で維持する自動保温モードを設定可能であり、追焚き戻り湯制御手段は、自動保温モードが設定されている場合には、上部戻し流路を優先するものである。

本発明によれば、追焚き熱交換器から貯湯タンクに戻る追焚き戻り湯を、なるべく貯湯タンクの上部に戻すことができる。貯湯タンクの上部に追焚き戻り湯を戻すことにより、追焚き戻り湯が持つ熱量を確実に再利用することができ、追焚き残り湯が再利用されないまま貯湯タンク内に残ることを防止することができる。このため、追焚き戻り湯が持つ熱量の有効な再利用を促進することができ、省エネルギーが図れる。また、追焚き戻り湯を貯湯タンクの上部に戻すことが不都合となる場合には、追焚き戻り湯を貯湯タンクの下部に戻すことにより、そのような不都合を回避することができる。更に、追焚き戻り湯の戻し口を貯湯タンクの上部と下部との２箇所に設けるだけでよく、３箇所以上の戻し口を設ける必要がないので、貯湯タンクの構造の複雑化や、追焚き戻り湯の流路を切り替える機構の複雑化を回避することができ、簡単な構成で上記効果を達成することができる。

本発明の実施の形態１の貯湯式給湯システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態１の貯湯式給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る２つの追焚き戻し回路を表す概要図である。 本発明の実施の形態１に係る追焚き時の熱量挙動を表す概要図である。 本発明の実施の形態１に係る制御動作を表すフローチャートである。 本発明の実施の形態２に係る追焚き有効蓄熱量を表す概要図である。 本発明の実施の形態２に係る制御動作を表すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る温度境界層の挙動を表す概要図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

実施の形態１．
≪機器構成≫
図１は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯システムを示す構成図である。図１に示すように、本実施形態の貯湯式給湯システムは、貯湯タンク１、加熱手段２、加熱用ポンプ３１、追焚き用ポンプ３２、浴槽用ポンプ３３、混合手段４、追焚き熱交換器５、浴槽６、流路切替弁７（流路切替弁）、加熱用配管３０１、給水用配管３０２、導出用配管３０３、混合用配管３０４、給湯用配管３０５、浴槽往き配管３０６ａ、浴槽戻り配管３０６ｂ、追焚き往き配管３０７ａ、追焚き上部戻り配管３０７ｂ、追焚き下部戻り配管３０７ｃ、追焚き戻り配管３０７ｄ、および制御手段１００等を備えている。

加熱用配管３０１は、貯湯タンク１の下部と加熱手段２とを接続するとともに、加熱手段２と貯湯タンク１の上部とを接続している。加熱用配管３０１の途中には、加熱用ポンプ３１が設けられている。加熱手段２は、水を沸き上げて高温の湯とするものであり、例えばヒートポンプサイクルを用いて構成される。給水用配管３０２は、市水等の水源から水を供給するものであり、貯湯タンク１の下部に接続されている。貯湯タンク１内には、給水用配管３０２から供給される低温の水を下側から貯留し、加熱手段２で沸き上げられた高温の湯を上側から貯留することができる。貯湯タンク１内の下側の水と上側の湯とは、比重差があるため、温度境界層を介して、混じり合うことなく維持される。

導出用配管３０３は、貯湯タンク１の上部と、混合手段４とを接続している。混合手段４には、給水用配管３０２から分岐した混合用配管３０４と、給湯用配管３０５とが更に接続されている。貯湯タンク１から導出用配管３０３を通って供給される湯と、混合用配管３０４から供給される水とを混合手段４にて混合することにより、温度調節された湯が生成され、この温度調節された湯が給湯用配管３０５を通って、入浴用の浴槽６、蛇口、シャワー等の給湯端末に供給される。

追焚き熱交換器５は、貯湯タンク１から供給される湯と、浴槽６から循環する浴槽水とを熱交換することによって、浴槽水を加熱するものである。浴槽往き配管３０６ａは、追焚き熱交換器５と浴槽６とを接続している。浴槽戻り配管３０６ｂは、浴槽６から浴槽用ポンプ３３を経由して追焚き熱交換器５に接続されている。これらの浴槽側回路により、浴槽６から浴槽水が追焚き熱交換器５に循環する。

追焚き往き配管３０７ａは、貯湯タンク１の上部と追焚き熱交換器５とを接続している。貯湯タンク１から追焚き往き配管３０７ａを通って追焚き熱交換器５に送られた湯は、熱交換により温度低下し、貯湯タンク１に戻される。本明細書では、追焚き熱交換器５から貯湯タンク１に戻る湯（中温水）を「追焚き戻り湯」と称する。追焚き戻り湯は、まず、追焚き戻り配管３０７ｄに流入する。追焚き戻り配管３０７ｄは、追焚き熱交換器５から追焚き用ポンプ３２を経由して流路切替弁７に接続されている。追焚き上部戻り配管３０７ｂ（上部戻し流路）は、流路切替弁７と、貯湯タンク１の上部とを接続している。追焚き下部戻り配管３０７ｃ（下部戻し流路）は、流路切替弁７と、貯湯タンク１の下部とを接続している。流路切替弁７は、追焚き戻り配管３０７ｄから流入する追焚き戻り湯を追焚き上部戻り配管３０７ｂと追焚き下部戻り配管３０７ｃとに分配する三方弁で構成されており、追焚き上部戻り配管３０７ｂの流量と追焚き下部戻り配管３０７ｃの流量との割合を制御可能とされている。

なお、図示の構成では、追焚き上部戻り配管３０７ｂは、貯湯タンク１の最上部に接続されているが、貯湯タンク１に対する追焚き上部戻り配管３０７ｂの接続位置は必ずしも貯湯タンク１の最上部でなくてもよく、追焚き上部戻り配管３０７ｂから貯湯タンク１内に流入する追焚き戻り湯が貯湯タンク１の上部に貯留されている高温の湯に混合するような位置であればよい。また、貯湯タンク１に対する追焚き下部戻り配管３０７ｃの接続位置は、貯湯タンク１の最下部でなくてもよく、追焚き下部戻り配管３０７ｃから貯湯タンク１内に流入する追焚き戻り湯が貯湯タンク１の上部に貯留されている高温の湯に混合せず、貯湯タンク１の上部に貯留されている高温の湯の温度を低下させることがないような位置であればよい。

制御手段１００は、加熱手段２、加熱用ポンプ３１、追焚き用ポンプ３２、浴槽用ポンプ３３、および混合手段４、流路切替弁７の動作を制御する。また、制御手段１００には、例えば浴室や台所に設置されるリモコン等のユーザーインターフェース装置（図示せず）が、有線または無線により通信可能に接続されている。

また、貯湯タンク１には、高さ方向に間隔をおいて、６個の貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆが設けられている。これらの貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆによれば、貯湯タンク１の内の貯湯温度を高さ方向の分布とともに検出することができる。なお、貯湯温度センサの個数は、これに限定されるものではなく、貯湯タンク１内の高さ方向の温度分布を検出可能な個数であればよい。

加熱用配管３０１には、加熱手段２の下流側にて加熱後の湯温を検出する沸上温度センサ５０２が設けられている。給水用配管３０２には、給水温度を検出する給水温度センサ５０４が設けられている。貯湯タンク１の最上部には、貯湯タンク１から導出される湯の温度を検出するための導出温度センサ５０３が設けられている。給湯用配管３０５には、混合手段４から流出して給湯端末に供給される湯の温度を検出する給湯温度センサ５０５が設けられている。浴槽戻り配管３０６ｂには、浴槽６から追焚き熱交換器５に流れ込む浴槽水の温度を検出する浴槽戻り温度センサ５０６が設けられている。なお、この浴槽戻り温度センサ５０６は、定期的に浴槽用ポンプ３３を運転させることにより、浴槽６内の浴槽水の温度（以下、「浴槽温度」と称する）を検出する手段として利用してもよい。給湯用配管３０５には、給湯端末に供給される湯量を検出する給湯流量センサ６０１が設けられている。追焚き戻り配管３０７ｄには、追焚き熱交換器５から貯湯タンク１に戻る追焚き戻り湯の温度を検出する追焚き戻り湯温度センサ５０７（追焚き戻り湯温度取得手段）が設けられている。なお、本発明における追焚き戻り湯温度取得手段としては、追焚き戻り湯温度センサ５０７で追焚き戻り湯温度を直接検出することに代えて、追焚き用ポンプ３２の回転数、浴槽用ポンプ３３の回転数、導出温度センサ５０３および浴槽戻り温度センサ５０６の検出温度等からの推定によって追焚き戻り湯温度の値を取得するものであってもよい。

図２は、本発明の実施の形態１の貯湯式給湯システムにおける信号の流れを表すブロック図である。図２に示すように、制御手段１００は、追焚き有効蓄熱量算出手段１０１、追焚き必要熱量予測手段１０４、加熱制御手段１０５、流路切替弁制御手段１０６、浴槽目標温度設定手段１０７、ポンプ制御手段１０８、運転モード設定手段としてのシステムモード設定手段１０９および追焚きモード設定手段１１０等を有している。

制御手段１００には、時刻検出手段であるタイマー、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆ、沸上温度センサ５０２、導出温度センサ５０３、給水温度センサ５０４、給湯温度センサ５０５、浴槽戻り温度センサ５０６、追焚き戻り湯温度センサ５０７および給湯流量センサ６０１からの情報が入力される。この制御手段１００は、入力されたこれらの情報に基づいて、加熱手段２、加熱用ポンプ３１、追焚き用ポンプ３２、浴槽用ポンプ３３、混合手段４、流路切替弁７を制御する。

浴槽目標温度設定手段１０７は、ユーザーインターフェース装置に入力される使用者の指示に基づいて、追焚き運転によって浴槽６を昇温する際の目標温度（以下、「浴槽目標温度」と称する）を設定する。

追焚き有効蓄熱量算出手段１０１は、浴槽目標温度設定手段１０７で設定された浴槽目標温度と、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆにより検出された情報とに基づいて、貯湯タンク１内の湯の有する蓄熱量のうちで浴槽６の追焚きに利用可能な蓄熱量（以下、「追焚き有効蓄熱量」と称する）を算出する。

追焚き必要熱量予測手段１０４は、使用者の過去の追焚き使用実績、または現在の浴槽６の温度や湯量の状況あるいはその両方の情報に基づいて、浴槽６の追焚きに必要な熱量（以下、「追焚き必要熱量」と称する）を予測する。

加熱制御手段１０５は、追焚き有効蓄熱量算出手段１０１により算出された追焚き有効蓄熱量と、追焚き必要熱量予測手段１０４により予測された追焚き必要熱量とに基づいて、加熱手段２および加熱用ポンプ３１の起動の必要性を判定する。

流路切替弁制御手段１０６（追焚き戻り湯制御手段）は、流路切替弁７を動作させるパルスモータのパルス数を調節することにより、追焚き上部戻り配管３０７ｂと追焚き下部戻り配管３０７ｃとの流量分配を制御する。例えば、図３（Ａ）に示すように、流路切替弁７の開度を追焚き上部戻り配管３０７ｂの側に全開にした場合、追焚き戻り湯はその全量が貯湯タンク１の上部から貯湯タンク１内に流入する。逆に、図３（Ｂ）に示すように、流路切替弁７の開度を追焚き下部戻り配管３０７ｃの側に全開にした場合、追焚き戻り湯はその全量が貯湯タンク１の下部から貯湯タンク１内に流入する。流路切替弁７の制御は、図３に示す制御に限るものではなく、追焚き戻り湯の一部を貯湯タンク１の上部に戻し、残りを貯湯タンク１の下部に戻すように制御してもよい。

ポンプ制御手段１０８は、加熱用ポンプ３１、追焚き用ポンプ３２および浴槽用ポンプ３３の各々の回転数を制御し、ポンプ循環量を調節する。

システムモード設定手段１０９は、ユーザーインターフェース装置に入力される使用者の指示に基づいて、システムの省エネルギーを優先する運転モード（以下、「省エネモード」と称する）や、この省エネモードと比べて湯切れの回避を優先する運転モード（以下、「湯切れ回避モード」と称する）を設定する。

追焚きモード設定手段１１０は、ユーザーインターフェース装置に入力される使用者の指示に基づいて、浴槽６の追焚き運転に関する運転モードを設定する。本実施形態では、追焚きモード設定手段１１０は、浴槽温度を所定の範囲内に自動で維持する自動保温モード、中低温まで冷めた浴槽温度を一括して浴槽目標温度まで昇温する一括追焚きモード、短時間で追焚きを完了するために追焚き能力（単位時間当たりの浴槽加熱量）を最優先して追焚きを行う急速追焚きモードなどから選択する形で設定する。

≪基本的な動作≫
次に、本実施形態の貯湯式給湯システムの基本的な動作について説明する。貯湯タンク１の下部には、給水用配管３０２を通じて低温の水が流入し、貯留される。加熱手段２によって貯湯タンク１の沸き上げを行う際には、貯湯タンク１の下部に貯留された低温の水が、加熱用ポンプ３１によって加熱用配管３０１に引き込まれ、加熱手段２に導かれる。加熱手段２は、導かれた低温の水を加熱して、高温の湯に沸き上げる。沸き上げられた高温の湯は、加熱用配管３０１を通じて貯湯タンク１に上部から流入し、貯留される。

給湯端末に湯を供給する際には、貯湯タンク１の上部に貯留された湯が、導出用配管３０３から流出し、混合手段４に導かれる。このとき、取り出された湯と同量の水が給水用配管３０２から貯湯タンク１の下部に流入する。混合手段４は、混合用配管３０４から供給される水と、貯湯タンク１から供給される湯とを混合させ、給湯用配管３０５を通じて、蛇口、シャワー、浴槽６などの給湯端末へ供給する。

また、浴槽６の追焚き運転を行う際には、追焚き用ポンプ３２および浴槽用ポンプ３３が駆動される。これにより、貯湯タンク１の上部に貯留された湯は、追焚き往き配管３０７ａを通って、追焚き熱交換器５に導かれる。同時に、浴槽６内の浴槽水は、浴槽戻り配管３０６ｂを通って、追焚き熱交換器５に導かれる。追焚き熱交換器５で浴槽水へ熱を与えて温度の低下した追焚き戻り湯は、追焚き上部戻り配管３０７ｂまたは追焚き下部戻り配管３０７ｃを通って貯湯タンク１内に戻る。追焚き熱交換器５で熱を受け取って温度の上昇した浴槽水は、浴槽往き配管３０６ａを通って浴槽６に戻る。このような追焚き運転は、ユーザーインターフェース装置に入力される使用者の指示により強制的に開始されるか、あるいは、浴槽戻り温度センサ５０６によって定期的に検出される浴槽温度が浴槽目標温度設定手段１０７により設定された浴槽目標温度よりも所定量以上低くなったときに自動的に開始される。その後、ユーザーインターフェース装置に入力される使用者の指示により強制的に追焚き運転が終了されるか、あるいは、浴槽戻り温度センサ５０６によって検出される浴槽温度が上記浴槽目標温度よりも所定量以上高くなったときに自動的に追焚き運転が終了する。

≪特徴的な動作≫
次に、本実施形態の貯湯式給湯システムの特徴的な動作について説明する。まず、図４を参照して、特徴的な動作に関連する現象について説明する。

本実施形態の貯湯式給湯システムでは、流路切替弁７を制御することにより、追焚き戻り湯を貯湯タンク１の上部に戻すか貯湯タンク１の下部に戻すかを選択することができる。すなわち、追焚き上部戻り配管３０７ｂを優先して用いるように流路切替弁７を制御することにより、追焚き戻り湯を貯湯タンク１の上部に優先的に戻すことができる。逆に、追焚き下部戻り配管３０７ｃを優先して用いるように流路切替弁７を制御することにより、追焚き戻り湯を貯湯タンク１の下部に優先的に戻すことができる。本明細書において、「追焚き上部戻り配管３０７ｂを優先して用いる」とは、追焚き戻り湯の全量を追焚き上部戻り配管３０７ｂに流入させること、あるいは、追焚き上部戻り配管３０７ｂの流量を追焚き下部戻り配管３０７ｃの流量より大きくすることを意味する。これに対し、「追焚き下部戻り配管３０７ｃを優先して用いる」とは、追焚き戻り湯の全量を追焚き下部戻り配管３０７ｃに流入させること、あるいは、追焚き下部戻り配管３０７ｃの流量を追焚き上部戻り配管３０７ｂの流量より大きくすることを意味する。

また、以下の説明では、追焚き戻り湯を貯湯タンク１に戻す際に、追焚き上部戻り配管３０７ｂを優先して用いることを「タンク上部に戻す」と略称し、追焚き下部戻り配管３０７ｃを優先して用いることを「タンク下部に戻す」と略称する。

本実施形態では、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すかタンク下部に戻すかを決定する基準として、省エネルギー、追焚き湯切れへの耐力、追焚き能力という３つの観点を考慮する。

追焚き戻り湯の温度は、使用状況によって異なるが、給水温度よりは高いことが普通であるので、追焚き戻り湯は熱量を有している。追焚き戻り湯をタンク上部に戻した場合には、追焚き戻り湯の熱量が貯湯タンク１内の上部の高温領域に戻るので、追焚き戻り湯の熱量を給湯に再利用できる。これに対し、追焚き戻り湯をタンク下部に戻した場合には、給湯に利用されない貯湯タンク１内の下部の低温領域に追焚き戻り湯が混合するので、追焚き戻り湯の熱量を再利用できない。このため、省エネルギーの観点からは、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すよりタンク上部に戻す方が省エネルギーとなる。ただし、タンク上部の高温領域の温度が給湯に有効な温度を下回らないという条件は必要である。

追焚き湯切れへの耐力に関しては、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度と比べて高いか低いかにより、追焚き戻り湯をタンク上部に戻した方が良いかタンク下部に戻した方が良いかが異なる。図４中の左側の欄に示すように、貯湯タンク１から追焚き熱交換器５に循環する流量（以下、「タンク側流量」と称する）が低い場合や、浴槽温度が低い場合、追焚き熱交換器５の性能が高い場合などには、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低くなり易い。一方、図４中の右側の欄に示すように、タンク側流量が高い場合や、浴槽温度が高い場合、追焚き熱交換器５の性能が低い場合などには、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より高くなり易い。なお、図４中の数値は、すべて一例である。

追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より高い場合には、追焚き戻り湯は、浴槽水を加熱可能な熱量を有しているので、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すことにより、タンク上部の高温領域が有する追焚きに有効な熱量が増え、追焚き湯切れへの耐力が高くなる。これに対し、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合には、追焚き戻り湯は浴槽水に対して負の熱量を有しているので、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すと、タンク上部の高温領域が有する追焚きに有効な熱量が減少する。このため、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻した方が追焚き湯切れへの耐力が高くなる。

追焚き能力の観点からは、次のようになる。追焚き戻り湯の温度は、タンク上部の高温領域の温度よりは確実に低いので、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すと、タンク上部の高温領域の温度は必ず低下する。タンク上部の高温領域の温度、すなわち貯湯タンク１から追焚き熱交換器５に送られる湯の温度が高いほど、追焚き能力は高くなる。このため、追焚き能力に関しては、追焚き戻り湯の温度にかかわらず、追焚き戻り湯をタンク下部に戻した方が、追焚き能力を高く維持することができる。なお、追焚き用ポンプ３２の回転数を上げることで追焚き能力をある程度は維持することも可能であるが、一般的にポンプ回転数には上限があるので、タンク上部の高温領域の温度が低下すると追焚き能力の上限が低下することは避けられない。

以上の事項をまとめると、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すかタンク下部に戻すかについての利害得失は、図４中の表に示すようになる。すなわち、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合において、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すと、省エネルギーの点で有利であるが、追焚き湯切れへの耐力および追焚き能力の２点で不利となる。これに対し、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すと、省エネルギーの点で不利であるが、追焚き湯切れへの耐力および追焚き能力の２点で有利となり、メリットが大きい。そこで、本実施形態では、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すように流路切替弁７を制御する。

追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より高い場合においては、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すと、追焚き能力の点で有利であるが、省エネルギーおよび追焚き湯切れへの耐力の２点で不利となる。これに対し、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すと、追焚き能力の点で不利であるが、省エネルギーおよび追焚き湯切れへの耐力の２点で有利となり、メリットが大きい。そこで、本実施形態では、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より高い場合には、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すように流路切替弁７を制御する。

図５は、上記の機能を実現するために本発明の実施の形態１において制御手段１００が実行する制御動作を表すルーチンのフローチャートである。図５に示すルーチンによれば、まず、追焚き運転が実行中であるかどうかが判断され（ステップＳ１）、追焚き運転が実行されていない場合には、流路切替弁７がデフォルトの状態（例えば、追焚き下部戻り配管３０７ｃの側に全開の状態）に制御される（ステップＳ２）。一方、追焚き運転が実行中であった場合には、次に、追焚き戻り湯温度センサ５０７により検出される浴槽戻り湯温度と、浴槽目標温度設定手段１０７により設定された浴槽目標温度とが比較される（ステップＳ３）。

ステップＳ３の比較の結果、浴槽戻り湯温度が浴槽目標温度より高い場合には、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すように流路切替弁７が制御される（ステップＳ４）。このステップＳ４では、追焚き戻り湯の全量を追焚き上部戻り配管３０７ｂに流入させるように流路切替弁７を制御してもよいし、あるいは、追焚き上部戻り配管３０７ｂに流入する追焚き戻り湯の量が追焚き下部戻り配管３０７ｃに流入する追焚き戻り湯の量より多くなるように流路切替弁７を制御してもよい。

一方、ステップＳ３の比較の結果、浴槽戻り湯温度が浴槽目標温度以下である場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すように流路切替弁７が制御される（ステップＳ５）。このステップＳ５では、追焚き戻り湯の全量を追焚き下部戻り配管３０７ｃに流入させるように流路切替弁７を制御してもよいし、あるいは、追焚き下部戻り配管３０７ｃに流入する追焚き戻り湯の量が追焚き上部戻り配管３０７ｂに流入する追焚き戻り湯の量より多くなるように流路切替弁７を制御してもよい。

本発明の貯湯式給湯システムでは、追焚き戻り湯をタンク上部に戻した場合、追焚き戻り湯が貯湯タンク１内の上部の高温領域に混合するので、追焚き戻り湯が持つ熱量を確実に再利用することができる。本発明と異なり、追焚き戻り湯を貯湯タンク１の中間部に戻す構成の場合、貯湯タンク１中間部に戻された追焚き戻り湯が結局使用されないまま残る場合がある。これに対し、本発明では、追焚き戻り湯をタンク上部に戻した場合、追焚き戻り湯が持つ熱量が確実に再利用されるので、省エネルギーが図れる。また、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すことがシステムの状態や使用者の意向との兼ね合いで不都合となる場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すことができるので、そのような不都合を回避することができる。更に、本発明では、追焚き戻り湯の戻し口を貯湯タンク１の上部と下部との２箇所に設けるだけでよく、３箇所以上の戻し口を設ける必要がないので、貯湯タンク１の構造の複雑化や、追焚き戻り湯の流路を切り替える機構の複雑化を回避することができ、簡単な構成で上記効果を達成することができる。

また、本実施の形態１では、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すかタンク下部に戻すかを図５のフローチャートに示す手順で決定することにより、省エネルギー、追焚き湯切れへの耐力、追焚き能力確保の３点の特性をバランス良く向上することができる。特に、タンク上部の高温領域が有する追焚きに有効な熱量を最大化できるので、追焚き湯切れへの耐力を最大化させることができる。

なお、上記ステップＳ３では、浴槽戻り湯温度と浴槽目標温度とを直接に比較しているが、浴槽目標温度に所定値を加算した温度と浴槽戻り湯温度とを比較し、浴槽戻り湯温度が浴槽目標温度に当該所定値を加算した温度より高い場合に追焚き戻り湯をタンク上部に戻し、浴槽戻り湯温度が浴槽目標温度に当該所定値を加算した温度以下である場合に追焚き戻り湯をタンク下部に戻すようにしてもよい。この場合には、追焚き能力の低下を更に抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、システムモード設定手段１０９で省エネモードが設定されている場合には、図５に示す制御を実行せず、追焚き戻り湯をその温度にかかわらずタンク上部に戻すように流路切替弁７を制御してもよい。これにより、追焚き戻り湯の熱量をより確実に回収して再利用できるので、使用者の意向に従い、省エネルギーを最優先することができる。

また、本実施形態では、追焚きモード設定手段１１０で急速追焚きモードが設定されている場合には、図５に示す制御を実行せず、追焚き戻り湯をその温度にかかわらずタンク下部に戻すように流路切替弁７を制御してもよい。これにより、タンク上部の温度を最大化することができるので、使用者の意向に従い、追焚き能力の保持を最優先とし、急速に追焚きを行うことができる。

実施の形態２．
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明するが、上述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

本実施の形態２においては、特に、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すことによって得られる省エネルギー効果を追焚き湯切れの回避と両立して実現させる上で有利な動作について説明する。

≪本実施形態に特徴的な動作≫
［追焚き有効蓄熱量の算出］
まず、追焚き有効蓄熱量算出手段１０１により追焚き有効蓄熱量を算出する方法について説明する。図６中の右図は、追焚き戻り湯をタンク上部に戻す場合の、追焚き中の貯湯温度の変化を表している。追焚き戻り湯をタンク上部に戻す場合には、中温の追焚き戻り湯が高温領域に流入することになるので、高温の湯と比べて密度の大きい中温の追焚き戻り湯は、高温領域と熱交換を行いながら、同じ温度となる領域の高さまで下降していく。従って、追焚き中の貯湯温度は、温度境界層の位置はほとんど変わらないまま、温度境界層より高い領域の温度が全体的に低下する。また、貯湯タンク１の湯は、浴槽目標温度より高い温度でないと、追焚きに利用できない。

以上の考察から、追焚き戻り湯をタンク上部に戻す場合に、追焚き有効蓄熱量は、浴槽目標温度を熱量換算のゼロ点である基準温度とし、貯湯温度が基準温度以上の領域にわたって積分した熱量として定義できる（図６中の左図参照）。したがって、追焚き有効蓄熱量算出手段１０１は、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆにより検出される温度分布に基づいて、貯湯温度が浴槽目標温度以上となる領域の熱量を積分し、その積分値を追焚き有効蓄熱量として算出する。

［追焚き必要熱量の予測］
次に、追焚き必要熱量予測手段１０４により追焚き必要熱量を予測する動作について説明する。追焚き必要熱量は、浴槽６の温度を現時点の温度から浴槽目標温度まで上昇させるのに必要な熱量である。したがって、浴槽６の湯量（例えば２００Ｌ）と、浴槽目標温度（例えば４０℃）と現時点の浴槽温度（例えば３０℃）との温度差と、水の密度（例えば１ｋｇ／Ｌ）と、水の比熱（例えば１ｋｃａｌ／ｇ℃）とを乗算して算出することができる。この計算において、浴槽６の湯量は、予め定めた所定値（例えば２００Ｌ）を使用してもよいし、あるいは使用者がユーザーインターフェース装置にて設定した値を使用してもよい。また、給湯流量センサ６０１により検出した流量を積算することによって求めた浴槽６への総注入量を浴槽６の湯量としてもよい。また、例えば浴槽戻り配管３０６ｂ内に圧力センサなどによる水位検出手段を設け、給湯流量センサ６０１の積算流量と浴槽水位との相間を初期学習しておき、以後は、浴槽水位から浴槽６の湯量を求めるようにしてもよい。

また、過去の追焚き必要熱量を学習して記憶するようなシステムの場合は、当該学習結果の過去所定期間内の最大値や平均値といった形で当日予測される値を追焚き必要熱量の予測値としてもよい。この場合、追焚き必要熱量の学習は、浴槽６の湯量と、追焚き運転の開始時と終了時の浴槽温度の差とから算出される値を学習してもよいし、浴槽戻り配管３０６ｂあるいは浴槽往き配管３０６ａを循環する流量を流量センサ（図示せず）または浴槽用ポンプ３３の回転数に基づいて検出するとともに追焚き熱交換器５の浴槽水の出入り口の温度差を温度センサで検出することによって学習してもよい。

前述した実施の形態１では、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合には、追焚き湯切れへの耐力を高めるため、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すようにしている。しかしながら、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合であっても、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量より大きい場合には、追焚き湯切れが発生するおそれはないと予測できる。そこで、本実施形態では、追焚き戻り湯の温度が浴槽目標温度より低い場合であっても、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量より大きい場合には、追焚き戻り湯をタンク上部に戻し、追焚き戻り湯の熱量を回収することとした。

図７は、上記の機能を実現するために本発明の実施の形態２において制御手段１００が実行する制御動作を表すルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンによれば、ステップＳ１〜Ｓ４は前述した図５のルーチンと同様の処理が行われる。ステップＳ３で浴槽戻り湯温度が浴槽目標温度以下である場合には、次に、追焚き有効蓄熱量算出手段１０１により算出される追焚き有効蓄熱量と、追焚き必要熱量予測手段１０４により予測される追焚き必要熱量とを比較する（ステップＳ６）。このステップＳ６の比較の結果、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量より大きい場合には、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すように流路切替弁７が制御される（ステップＳ７）。これに対し、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量以下である場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すように流路切替弁７が制御される（ステップＳ８）。

上述した本実施形態の制御によれば、追焚き湯切れを確実に回避しつつ、追焚き戻り湯の熱量を回収する機会を増やすことができるので、更なる省エネルギーが図れる。特に、本実施形態では、追焚き有効蓄熱量を算出する際に、浴槽目標温度を熱量換算のゼロ点である基準温度とし、貯湯温度がこの基準温度以上の領域に基づいて追焚き有効蓄熱量を算出する。これにより、追焚き有効蓄熱量をより正確に算出することができるので、追焚き湯切れの回避をより高精度に実現することができる。

なお、上記ステップＳ６では、追焚き有効蓄熱量と追焚き必要熱量とを直接に比較しているが、追焚き必要熱量に余裕度としての所定値を加算した値と追焚き有効蓄熱量とを比較し、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量に当該所定値を加算した値より大きい場合に追焚き戻り湯をタンク上部に戻し、追焚き有効蓄熱量が追焚き必要熱量に当該所定値を加算した値以下である場合に追焚き戻り湯をタンク下部に戻すようにしてもよい。また、追焚き運転中に加熱手段２を運転して沸き上げを行う場合には、追焚き運転中に加熱手段２が増加させることができる熱量を追焚き有効蓄熱量に含めてもよい。また、追焚き必要熱量は、現在の追焚き運転一回分の必要熱量として予測してもよいし、当日にまだ発生する可能性のある追焚き必要熱量を含めた合計として予測してもよい。

また、追焚き有効蓄熱量を算出する際には、貯湯タンク１内の蓄熱量のうち、蛇口やシャワー等への給湯に必要になると予測される熱量を除いた領域から追焚き有効蓄熱量を算出するようにしてもよい。この場合、給湯に必要になると予測される熱量は、過去の使用者の給湯使用実績、または所定の設計値に基づいて、予測してもよい。過去の使用者の給湯使用実績に基づいて予測する場合には、例えば、タイマー、給湯温度センサ５０５、および給湯流量センサ６０１からの情報に基づいて、時間帯ごとの給湯負荷実績を日々記憶し、当該記憶した給湯負荷実績に基づいて、当日の給湯負荷を予測し、予測される給湯負荷に対して湯切れが発生しないように給湯用必要蓄熱量を予測する方法を用いることができる。また、所定の設計値に基づいて予測する場合には、例えば、一般的に多量の給湯が予測される時間帯（例えば午後６時〜午後１１時）では給湯用必要蓄熱量を大きく設定（例えば４２℃換算３００Ｌ）し、それ以外の時間帯では給湯用必要蓄熱量を小さく設定（例えば４２℃換算８０Ｌ）する方法を用いることができる。

なお、追焚きモード設定手段１１０で自動保温モードが設定されている場合には、追焚き有効蓄熱量と追焚き必要熱量との比較を行うことなく、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すように流路切替弁７を制御してもよい。自動保温モードが設定されている場合には、追焚き運転一回当りに必要な熱量が小さいため、追焚き湯切れが発生する可能性は小さいからである。このような制御によれば、簡易な方法にて、省エネルギーと同時に追焚き湯切れの回避を実現させることができる。

実施の形態３．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態３について説明するが、上述した実施の形態との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。

本実施の形態３においては、特に、大流速の追焚き戻り湯をタンク上部に戻した場合に、追焚き有効蓄熱量が著しく減少するという問題を回避する方法について説明する。

≪本実施形態に特徴的な動作≫
まず、本実施形態に係る現象を図８にて説明する。追焚き戻り湯をタンク上部に戻す場合において、追焚き戻り湯が貯湯タンク１内に噴出する流速が小さく、その運動量が温度境界層に届かない場合には、追焚き運転中の温度分布は、温度境界層の位置がほとんど変わらず、温度境界層より高い位置の温度が全体的に均一に低下する（図８の上段参照）。

これに対し、追焚き戻り湯が貯湯タンク１内に噴出する流速が大きく、その運動量が温度境界層に届くような場合には、追焚き運転によって温度境界層の上側の高温領域と下側の低温領域とが混合され、温度境界層の位置が低下するとともに、温度境界層の上側の温度が大きく低下し、追焚き有効蓄熱量が著しく減少する（図８の下段参照）。この事態を回避するため、本実施形態では、追焚き戻り湯の運動量が温度境界層に届くか否かに応じて、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すかタンク下部に戻すかを切り替える。

具体的には、まず、追焚き上部戻り配管３０７ｂから貯湯タンク１内に噴出する追焚き戻り湯の運動量が届く範囲（以下、「影響範囲」と称する）を実験や計算によって予め把握しておく。この影響範囲の下限の位置を以下「所定位置」と称する。追焚き運転時には、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆで検出される温度分布に基づいて、温度境界層の位置を決定する。この場合、例えば、温度勾配が最も急峻な位置を温度境界層の位置と決定すればよい。そして、温度境界層の位置が上記所定位置より低い場合には、追焚き戻り湯をタンク上部に戻すように流路切替弁７を制御し、温度境界層の位置が上記所定位置より高い場合には、追焚き戻り湯をタンク下部に戻すように流路切替弁７を制御する。本実施形態では、このような制御を行うことにより、温度境界層の上側の高温領域と下側の低温領域とが追焚き戻り湯により混合されて追焚き有効蓄熱量が著しく減少することを確実に回避することができる。

また、本実施形態では、追焚き上部戻り配管３０７ｂから貯湯タンク１内に噴出する追焚き戻り湯の噴出流速と影響範囲との関係を実験や計算によって予め把握しておき、追焚き運転時に、追焚き用ポンプ３２の回転数と、追焚き上部戻り配管３０７ｂが接続された追焚き戻し口の口径とから、追焚き戻り湯が貯湯タンク１内に噴出する流速を算出し、その算出された噴出流速に基づいて影響範囲を算出し、その算出された影響範囲の下限を所定位置として上記の制御を行うようにしてもよい。この場合には、追焚き用ポンプ３２の回転数により変化する追焚き戻り湯の噴出流速に応じて影響範囲を設定することができるので、温度境界層の上側の高温領域と下側の低温領域とが追焚き戻り湯により混合されることをより確実に防止することができる。

また、本実施形態では、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆの出力に基づいて検出された温度境界層の位置が上記所定位置より高い場合には、追焚き用ポンプ３２の回転数を低下方向に補正するようにしてもよい。これにより、追焚き戻り湯の噴出流速が低下し、上記影響範囲が小さくなるので、温度境界層の上側の高温領域と下側の低温領域とを混合させることなく追焚き戻り湯をタンク上部に戻すことが可能となる。このため、追焚き戻り湯の熱量を回収する機会が増え、省エネルギーが図れる。

更に、本実施形態では、貯湯温度センサ５０１ａ〜５０１ｆの出力に基づいて検出された温度境界層の位置が上記所定位置より高い場合に、追焚き用ポンプ３２の回転数を低下方向に補正することに代えて、追焚き上部戻り配管３０７ｂの流量を低下させ追焚き下部戻り配管３０７ｃの流量を増加させる方向に流路切替弁７の開度を補正するようにしてもよい。これにより、追焚き上部戻り配管３０７ｂからの追焚き戻り湯の噴出流速が低下し、上記影響範囲が小さくなるので、温度境界層の上側の高温領域と下側の低温領域とが混合することを回避しつつ追焚き戻り湯の熱量を回収することが可能となり、省エネルギーが図れる。

１ 貯湯タンク、２ 加熱手段、４ 混合手段、５ 追焚き熱交換器、７ 流路切替弁、３１ 加熱用ポンプ、３２ 追焚き用ポンプ、３３ 浴槽用ポンプ、１００ 制御手段、３０１ 加熱用配管、３０２ 給水用配管、３０３ 導出用配管、３０４ 混合用配管、３０５ 給湯用配管、３０６ａ 浴槽往き配管、３０６ｂ 浴槽戻り配管、３０７ａ 追焚き往き配管、３０７ｂ 追焚き上部戻り配管、３０７ｃ 追焚き下部戻り配管、３０７ｄ 追焚き戻り配管、５０１ａ〜５０１ｆ 貯湯温度センサ、５０２ 沸上温度センサ、５０３ 導出温度センサ、５０４ 給水温度センサ、５０５ 給湯温度センサ、５０６ 浴槽戻り温度センサ、５０７ 追焚き戻り湯温度センサ、６０１ 給湯流量センサ

Claims (5)

1. 水を加熱して湯にする加熱手段と、
   前記加熱手段により生成された湯を上側から貯留し、下側から水を貯留する貯湯タンクと、
   浴槽から循環する浴槽水と該浴槽水を加温するための湯との熱交換を行う追焚き熱交換器と、
   前記貯湯タンクの上部から取り出された湯を前記追焚き熱交換器に導く追焚き用ポンプと、
   前記追焚き熱交換器から前記貯湯タンクに戻る追焚き戻り湯を前記貯湯タンクの上部に戻す上部戻し流路と、
   前記追焚き戻り湯を前記貯湯タンクの下部に戻す下部戻し流路と、
   使用者の指示に基づいて、運転モードを設定する運転モード設定手段と、
   前記加熱手段を使用しない追焚き運転において前記追焚き戻り湯を前記貯湯タンクに戻す場合に前記上部戻し流路と前記下部戻し流路との何れを優先して用いるかを、前記運転モード設定手段により設定されている運転モードに基づいて決定する追焚き戻り湯制御手段と、
   を備え、
   前記運転モード設定手段は、浴槽温度を自動で維持する自動保温モードを設定可能であり、
   前記追焚き戻り湯制御手段は、前記自動保温モードが設定されている場合には、前記上部戻し流路を優先する貯湯式給湯システム。
2. 前記貯湯タンクには、前記追焚き戻り湯の戻し口が、前記上部戻し流路の戻し口と、前記下部戻し流路の戻し口との２箇所のみ設けられており、
   前記上部戻し流路の戻し口は、前記追焚き戻り湯が前記貯湯タンクの上部に貯留されている高温の湯に混合する位置にあり、
   前記下部戻し流路の戻し口は、前記追焚き戻り湯が前記貯湯タンクの上部に貯留されている高温の湯に混合しない位置にある請求項１記載の貯湯式給湯システム。
3. 前記上部戻し流路の戻し口は、前記貯湯タンクの最上部にある請求項２記載の貯湯式給湯システム。
4. 前記運転モード設定手段は、追焚き能力を優先する運転モードを設定可能であり、
   前記追焚き戻り湯制御手段は、前記追焚き能力を優先する運転モードが設定されている場合には、前記下部戻し流路を優先する請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯システム。
5. 前記運転モード設定手段は、省エネルギーを優先する運転モードを設定可能であり、
   前記追焚き戻り湯制御手段は、前記省エネルギーを優先する運転モードが設定されている場合には、前記上部戻し流路を優先する請求項１乃至３の何れか１項記載の貯湯式給湯システム。

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