JP7303428B2 - 給湯装置および給湯システム - Google Patents

Description

この発明は、給湯装置および給湯システムに関する。

特開２０１７－９２１５号公報（特許文献１）には、貯湯タンクから供給される湯水を再加熱して設定温度で出湯するように構成された補助熱源機が開示される。特許文献１において、補助熱源機は、加熱部を通過した加熱水（高温水）と、加熱部を迂回するバイパス通路を通過した非加熱水（低温水）との混合比率を制御する、いわゆるバイパスミキシング式の給湯器で構成されている。補助熱源機は、入水側通路に流れる湯水温度を検知する入水温度検知手段と、バイパス通路の合流部より上流側において出湯側通路に流れる湯水温度を検知する出湯温度検知手段とを備え、これらの検知手段で検知された温度を用いて、加熱動作の開始／停止を制御するように構成される。

特開２０１７－９２１５号公報

従来の補助熱源機においては、貯湯タンクに貯留されている湯水の温度が低い場合、または貯湯タンクから補助熱源機までの配管が冷えている場合には、出湯と同時に補助熱源機を燃焼させてバックアップ出湯を実行する。その後、補助熱源機への入水温度を監視し、燃焼禁止条件が成立すると、補助熱源機の燃焼を停止させてバックアップ出湯からタンク出湯に切り替える。

しかしながら、入水温度検知手段により検知された入水温度を用いて補助熱源機の燃焼を制御する構成では、補助熱源機への入水温度が上昇して設定温度との温度差が小さくなるに従って、燃焼を伴う出湯温度の制御が困難となるため、出湯温度が設定温度を超えるオーバーシュートが生じ得る。また、補助熱源機への入水温度と設定温度との温度差が小さくなる場合には、燃焼制御の実行／停止が頻繁に繰り返されることになり、出湯温度が変動することが懸念される。

さらに、従来の補助熱源機においては、タンク出湯の実行中は、補助熱源機の燃焼が不要となるため、補助熱源機は単なる給湯回路における通水抵抗となり得る。その結果、省エネルギの観点で改善の余地がある。

それゆえに、この発明の目的は、省エネルギを実現しつつ、出湯温度を設定温度に保つことが可能な給湯装置および給湯システムを提供することである。

この発明のある局面に係る給湯装置は、熱源部と、熱源部からの熱によって低温水を加熱して高温水を出力する熱交換器と、熱交換器に低温水を通過させるための加熱流路と、熱交換器の上流側で加熱流路から分岐して、熱交換器の下流側の結合点で加熱流路と合流するバイパス流路と、低温水の入水流量に対するバイパス流路の流量比率を制御する流量比率調整部と、熱源部の動作を制御するとともに、流量比率調整部の操作量を設定する制御装置とを備える。制御装置は、出湯温度の設定温度に対する低温水の温度の温度差が第１の閾値よりも小さい場合には、熱源部の作動を禁止するとともに、流量比率調整部の操作量を、予め定められた流量比率の制御可能範囲の最大値に設定する。制御装置は、上記温度差が第１の閾値より大きい第２の閾値よりも大きい場合には、熱源部の作動を許可するとともに、流量比率調整部の操作量を、最大値よりも小さい値に設定する。

この発明によれば、省エネルギを実現しつつ、出湯温度を設定温度に保つことが可能な給湯装置および給湯システムを提供することができる。

実施の形態に係る給湯システムの概略構成図である。 図１に示した補助熱源機の作動原理図である。 分配弁におけるステップ数と流量比率との対応関係を示す図である。 補助熱源機において実行される給湯最適化処理を説明するための図である。 一次熱交換器への入水温度の推定を説明するための概略図である。 推定入水温度の算出例を示す図である。 補助熱源機において実行される給湯最適化処理の手順を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明が原則的に繰返さないものとする。

［給湯システムの構成］
図１は、実施の形態に係る給湯システムの概略構成図である。

図１を参照して、給湯システム１００は、主熱源装置１と、タンクユニット２と、補助熱源機３とを備える。給湯システムは、貯湯および給湯機能を有するとともに、図示しない浴槽への湯張りおよび浴槽の追い焚き、床暖房パネル等の温水暖房端末への暖房水の供給等の機能を有している。

主熱源装置１は、タンクユニット２の貯湯タンク２１内の湯水を加熱するように構成される。主熱源装置１は、例えば燃料電池から発生する排熱を熱源とし、排熱と、タンクユニットの貯湯タンクの底部から蓄熱循環経路を経由して供給される湯水との熱交換を行なう。なお、熱源として、燃料電池以外に、ガスエンジン等の作動に伴い発生する排熱を用いるもの、ヒートポンプを用いるもの、または集熱パネルにより集熱した太陽熱を用いるもの等を採用することができる。

タンクユニット２は、貯湯タンク２１と、蓄熱循環回路２２と、給水回路２３と、給湯回路２４と、高温回避部２５と、タンクコントローラ５と有する。

貯湯タンク２１は、主熱源装置１によって加熱された高温の湯水を貯湯する。貯湯タンク２１は密閉タンクであり、タンクの周囲が断熱材で覆われている。貯湯タンク２１の外周部には、少なくとも頂部位置を含む高さ方向の複数箇所に複数の残湯水量センサ２１１が設けられる。各残湯水量センサ２１１は、各高さ位置における貯湯の湯温を検出可能に構成される。

蓄熱循環回路２２は、貯湯タンク２１と主熱源装置１との間に湯水を循環させて湯水を加熱する閉回路である。蓄熱循環回路２２は、上流端が貯湯タンク２１の底部に接続され、下流端が貯湯タンク２１の頂部に接続されている。蓄熱循環回路２２は、蓄熱用循環ポンプ（図示せず）が作動すると、貯湯タンク２１の底部から貯湯タンク２１内の比較的低温の湯水を取り出し、主熱源装置１内の排熱回収用熱交換器（図示せず）を通過することで加熱された湯水を貯湯タンク２１の頂部に戻すように構成される。これにより、貯湯タンク２１内で温度成層を形成しつつ所定温度（例えば６５℃以上）の湯水として蓄熱されることになる。

給水回路２３は、上水源から水道水等の低温水を貯湯タンク２１等に供給する。給水回路２３は、主給水管２３１と、混合用給水管２３２とに分岐される。主給水管２３１は、下流端が貯湯タンク２１の底部に接続されている。主給水管２３１は、貯湯タンク２１内の湯水が頂部から出力されるのに伴い、貯湯タンク２１の底部に水道水が供給されるように構成される。混合用給水管２３２の下流端は、混合部２７に対して流量調整弁２３３を介して給水可能に接続されている。

給湯回路２４は、貯湯タンク２１から供給される湯水を給湯栓Ｋに供給する。具体的には、給湯回路２４は、給湯管２４１と、流量調整弁２４２と、混合部２７とを有する。給湯管２４１は、上端端が貯湯タンク２１の頂部に接続され、下流端がタンクユニット２の接続口２０１に接続される。混合部２７が、給湯管２４１の途中位置に、流量調整弁２４２を介して設けられる。混合部２７は、給湯管２４１の上流側から供給されて流量調整弁２４２を経由して流量が調整された高温水と、混合用給水管２３２から供給されて流量調整弁２３３を経由して流量が調整された低温水とを所定の割合で混合させる。混合部２７における制御は、タンクコントローラ５によって実行される。なお、図１の例では、混合部２７を挟んで設けた流量調整弁２４２および流量調整弁２３３によって湯水を混合する構成について説明したが、これら２つの流量調整弁に代えて、混合部２７に混合制御弁を設ける構成としてもよい。

高温回避部２５は、給湯回路２４からの高温出湯を回避する。高温回避部２５は、バイパス管２５１と、高温回避弁２５２とを有する。バイパス管２５１は、混合用給水管２３２と、混合部２７の下流側の給湯管２４１とを接続する。高温回避弁２５２は、バイパス管２５１を開閉する。

補助熱源機３は、タンクユニット２のバックアップ熱源として機能し得る。補助熱源機３には、専用の給湯器あるいは、図１に示す給湯システム１００が設置される住宅に既に設置されている給湯器を用いることができる。本実施の形態において、補助熱源機３はバイパスミキシング式の給湯器で構成されている。

タンクユニット２と補助熱源機３とは離隔して（例えば１．５ｍ～１０ｍ程度）設置されている。タンクユニット２の接続口２０１と補助熱源機３の入水接続口３１１とは接続配管４１を介して接続される。

補助熱源機３は、タンクユニット２の貯湯タンク２１に高温の湯水が十分にある場合、燃焼禁止状態に設定される。一方、タンクユニット２から供給される湯水の温度が低い場合には、補助熱源機３は燃焼禁止状態が解除されて作動することにより、設定温度Ｔｒ＊まで補助的に加熱することができる。図２には、図１に示した補助熱源機３の作動原理図が示される。図１および図２を用いて、補助熱源機３の構成について説明する。

［補助熱源機の構成］
補助熱源機３は、入水接続口３１１と、熱交換器３２および燃焼バーナ３３等が格納された燃焼缶体４（以下、単に「缶体」とも称する）と、送風ファン３４０と、入水管３０と、缶体配管３１と、バイパス管３８と、出湯管３４と、分配弁３８１と、給湯器コントローラ６とを有する。

入水接続口３１１には接続配管４１の下流端が接続される。入水管３０には、入水接続口３１１を介してタンクユニット２からの湯水が供給される。入水管３０の湯水は、分配弁３８１を経由して、缶体配管３１およびバイパス管３８へ分配される。

缶体配管３１は、熱交換器３２に接続される。熱交換器３２は、燃焼ガスの主として顕熱を回収するように構成される。入水管３０から缶体配管３１へ導入された低湯水は、燃焼バーナ３３の発生熱量により、熱交換器３２を通過することによって加熱される。図１の構成例では、熱交換器３２は、湯水の流れ方向の下流側に設けられ、燃焼ガスの主として顕熱を回収する一次熱交換器３２ａと、湯水の流れ方向の上流側に設けられ、顕熱回収後の燃焼排気ガスの主として潜熱を回収する二次熱交換器３２ｂとを有する。熱交換器３２には、一次熱交換器３２ａのみを有するものを採用してもよい。

燃焼バーナ３３へのガス供給管３３１には、元ガス電磁弁３３２、ガス比例弁３３３および能力切換弁３３５ａ～３３５ｃが配置される。元ガス電磁弁３３２は、燃焼バーナ３３へ燃焼ガスの供給をオンオフする機能を有する。ガス供給管３３１のガス流量は、ガス比例弁３３３の開度に応じて制御される。

能力切換弁３３５ａ～３３５ｃは、燃焼バーナ３３のうちの、燃料ガスの供給対象となるバーナ本数を切換えるために開閉制御される。燃焼バーナ３３の発生熱量は、燃料が供給されて燃焼対象となるバーナ本数と、ガス流量との組み合わせによって決まる、燃焼バーナ３３全体での燃焼ガス量に比例する。したがって、要求発生熱量に対応させて、能力切換弁３３５ａ～３３５ｃの開閉パターン（燃焼バーナ本数）およびガス比例弁３３３の開度（ガス流量）の組み合わせを決定する設定マップを予め作成することができる。

缶体４において、燃焼バーナ３３から出力された燃料ガスは、送風ファン３４０からの燃焼用空気と混合される。送風ファン３４０による送風量は、燃焼バーナ３３全体からの供給ガス量との空燃比が所定値（例えば、理論空燃比）となるように制御される。送風ファン３４０の回転速度は、供給ガス量の変化に応じて設定される目標回転速度に従って制御される。送風ファン３４０には、回転速度を検出するための回転速度センサ３４５が設けられる。

燃料ガスと燃焼用空気との混合気が図示しない点火装置によって着火されることにより、燃料ガスが燃焼されて火炎が生じる。燃焼バーナ３３からの火炎によって生じる燃焼熱は、缶体４での熱交換器３２へ与えられる。燃焼バーナ３３は「熱源」の一実施例に対応する。

二次熱交換器３２ｂは、燃焼バーナ３３からの燃焼排ガスの潜熱によって、通流された低温水を熱交換によって予熱する。一次熱交換器３２ａは、二次熱交換器３２ｂによって予熱された低温水を、燃焼バーナ３３からの燃焼ガスの顕熱（燃焼熱）による熱交換によってさらに加熱する。これにより、熱交換器３２によって加熱された高温水が、出湯管３４へ出力される。缶体４の燃焼ガスの流れ方向下流側には熱交換後の燃焼排ガスを排出処理するための排気通路４０が設けられる。

バイパス管３８および出湯管３４は、合流点３９において接続される。したがって、補助熱源機３からは、缶体４から出力された高温水と、バイパス管３８からの低温水との混合によって調温された適温の湯水が、給湯配管４２を経由して給湯栓Ｋまたは、図示しない風呂への注湯回路等の所定の給湯箇所に供給される。

分配弁３８１は、給湯器コントローラ６からの制御指令に従って弁開度が制御されることにより、缶体配管３１の流量およびバイパス管３８の流量の比率を制御する。例えば、分配弁３８１による流量比率は、図示しない弁体を開閉駆動するステッピングモータのステップ数Ｘによって制御することができる。すなわち、分配弁３８１は「流量比率調整部」の一実施例に対応し、分配弁３８１のステップ数Ｘは「操作量」に相当する。

以下では、入水管３０から缶体配管３１への缶体流量ｑ１（すなわち、高温水流量）および、入水管３０からバイパス管３８へのバイパス流量ｑ２（すなわち、低温水流量）の比を用いて、分配弁３８１によって制御される流量比率ｋを、次式（１）に従って定義する。

ｋ＝ｑ２／ｑ１ …（１）
図３には、分配弁３８１におけるステップ数Ｘと流量比率ｋとの対応関係が示される。

図３を参照して、分配弁３８１では、ステップ数Ｘに従って弁開度が変化することに応じて、高温水および低温水の流量比率ｋ（ｋ＝ｑ２／ｑ１）が変化する。ステップ数Ｘは、給湯器コントローラ６により、最小値Ｘ０および最大値Ｘ１までの範囲内で制御される。

図３の例では、分配弁３８１は、ステップ数Ｘの増加に応じて、流量比率ｋが低下（すなわち、バイパス流量ｑ２が低下）するように構成される。最小ステップ数Ｘ０において流量比率ｋ＝ｋｍａｘとなり、最大ステップ数Ｘ１において流量比率ｋ＝ｋｍｉｎとなる。

なお、ステップ数Ｘおよび流量比率ｋの対応関係を示す基準特性線４００は、事前の実機試験結果等に基づいて予め定めることができる。基準特性線４００に従って、ステップ数Ｘから流量比率ｋを算出するための関数およびその逆関数を設定することにより、ステップ数Ｘから流量比率ｋへの換算、および流量比率ｋからステップ数Ｘへの換算の両方が可能となる。基準特性線４００、関数および逆関数を規定するデータは、給湯器コントローラ６内のメモリ（図示せず）に予め記憶することができる。

給湯器コントローラ６は、後述するように、タンクユニット２の出湯中は、バイパス流量ｑ２が最大となるように、すなわち流量比率ｋ＝ｋｍａｘとなるように、分配弁３８１のステップ数Ｘが最小ステップ数Ｘ０に設定する。一方、補助熱源機３によるバックアップ出湯中は、給湯器コントローラ６は、熱交換器３２で加熱された高温水とバイパス管３８に流れる低温水とを混合して設定温度Ｔｒ＊の湯水が補助熱源機３から出力されるように、分配弁３８１のステップ数Ｘを設定する。給湯器コントローラ６は「制御装置」の一実施例に対応する。

図２に戻って、缶体配管３１には温度センサ３５および流量センサ３６が配置される。温度センサ３５は、タンクユニット２から入水される湯水の温度Ｔｗ（以下、「入水温度」とも称する）を検出する。温度センサ３５は、図２に示されるように缶体配管３１に設けることが可能であるが、入水管３０またはバイパス管３８に設けられてもよい。流量センサ３６は、分配弁３８１よりも下流側（缶体側）に配置され、入水管３０から缶体配管３１への缶体流量ｑ１を検出する。

出湯管３４の上流端は熱交換器３２に接続され、出湯管３４の下流端は出湯接続口３４１に接続される。出湯管３４のバイパス管３８が接続される合流点３９の上流側（缶体側）には温度センサ３４２が配置される。温度センサ３４２は、高温水の温度Ｔｂ（以下、「缶体温度」とも称する）を検出する。

出湯管３４のバイパス管３８が接続される合流点３９の下流側には温度センサ３７および流量調整弁３４３が配置される。温度センサ３７は、高温水および低温水が混合された後の出湯温度Ｔｈを検出する。流量調整弁３４３は、缶体４での加熱能力の不足により設定温度に従って給湯することが困難な場合に、給湯流量を絞るように制御される。

温度センサ３５によって検出された入水温度Ｔｗ、温度センサ３４２によって検出された缶体温度Ｔｂおよび、温度センサ３７によって検出された出湯温度Ｔｈは、給湯器コントローラ６へ伝送される。

図１および図２の構成例において、熱交換器３２は「熱交換器」の一実施例に対応する。さらに、缶体配管３１と、出湯管３４のうちの合流点３９よりも上流側（缶体側）の部分とによって「加熱流路」の一実施例が構成される。バイパス管３８は「バイパス流路」の一実施例に対応する。

図１に戻って、タンクコントローラ５は、図示しないマイクロコンピュータおよび通信部を有する。マイクロコンピュータは、メモリならびにＣＰＵ（Central Processing Unit）および入出力インターフェイスを内蔵する。通信部は通信機能を有する。マイクロコンピュータは、メモリに記憶されたプログラムを実行することによって、リモコン５１へ入力されたユーザ指令に従って、給湯システム１００の動作を制御する。

給湯器コントローラ６は、マイクロコンピュータおよび通信部を有する。マイクロコンピュータは、タンクコントローラ５のマイクロコンピュータと同様に構成されて、メモリを内蔵する。通信部は通信機能を有する。

主熱源装置１およびリモコン５１の各々は、図示しないマイクロコンピュータおよび通信部を有する。タンクコントローラ５、給湯器コントローラ６、主熱源装置１およびリモコン５１の各々は、通信部を用いて互いに双方向に通信することができる。

図１の構成例において、タンクコントローラ５は、リモコン５１から設定温度等の操作信号ならびに各種温度センサおよび流量センサ等の出力信号（検出値）を受けて、給湯システム１００の全体動作を制御するために、各機器への制御指令を発生する。制御指令には、主熱源装置１への制御指令および補助熱源機３への制御指令が含まれる。

補助熱源機３において、給湯器コントローラ６は、主に缶体４での燃焼動作を制御する。具体的には、給湯器コントローラ６は、タンクユニット２から入水される湯水の温度（入水温度Ｔｗ）に応じて、給湯最適化処理を実行する。本願明細書において、給湯最適化処理とは、タンクユニット２からの入水温度Ｔｗが変化することに応じて、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒ＊に保たれるよう給湯を最適化するための処理である。

［給湯最適化処理］
次に、本実施の形態に係る補助熱源機３において実行される給湯最適化処理について説明する。

図４は、補助熱源機３において実行される給湯最適化処理を説明するための図である。図４には、タンクユニット２からの入水温度Ｔｗが時間の経過に従って変化するときの補助熱源機３の動作例を示す波形図が示される。

図４を参照して、時刻ｔ０において、ユーザにより給湯栓Ｋが開かれることによって流量センサ３６が最低作動流量（ＭＯＱ）以上の流量を検出すると、給湯器コントローラ６は、給湯最適化処理の実行を開始する。

時刻ｔ０において、入水温度Ｔｗが設定温度Ｔｒ＊よりも低いものとする。図４の動作例では、タンクユニット２の貯湯タンク２１には高温水があるが、接続配管４１内に冷えた湯水が滞留している場合、高温水が接続配管４１を通して補助熱源機３に供給される前に、接続配管４１の滞留湯水が先に補助熱源機３に入水される場合を想定している。

給湯器コントローラ６は、タンクユニット２からの入水温度Ｔｗに応じて、補助熱源機３の燃焼制御を実行する。給湯器コントローラ６は、燃焼を許可する場合は燃焼禁止フラグを「０」にリセットし、燃焼禁止の場合は燃焼禁止フラグを「１」とする。

時刻ｔ０では、給湯器コントローラ６は、燃焼を許可するために燃焼禁止フラグを「０」とする。給湯器コントローラ６は、缶体４での燃焼動作を開始し、入水される滞留湯水を設定温度Ｔｒ＊まで加熱して給湯栓Ｋに給湯する。具体的には、給湯器コントローラ６は、燃焼動作が開始されると、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒ＊に制御されるように、缶体４での発生熱量および分配弁３８１の弁開度（すなわち、分配弁３８１による流量比率ｋ）を制御する。

缶体４での発生熱量は、燃焼バーナ３３全体からの供給ガス量によって制御される。したがって、燃焼バーナ３３全体からの供給ガス量を決めるために、缶体４での要求発生熱量Ｐ＊は、缶体温度Ｔｂを缶体目標温度Ｔｂ＊に一致させるように設定される。具体的には、缶体目標温度Ｔｂ＊は、設定温度Ｔｒ＊よりも高く設定される。これにより、バイパス管３８の低温水との混合によって、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に制御できる。また、缶体４での必要昇温量ΔＴｂは、缶体目標温度Ｔｂ＊と、温度センサ３５によって検出された入水温度Ｔｗとの差で示される（ΔＴｂ＝Ｔｂ＊－Ｔｗ）。したがって、缶体４での要求発生熱量Ｐ＊は、缶体流量ｑ１および必要昇温量ΔＴｂの積に従って算出することができる（Ｐ＊＝ｑ１・ΔＴｂ）。

給湯器コントローラ６は、算出された要求発生熱量Ｐ＊に対応させて、燃焼バーナ３３全体からの供給ガス量を設定する。例えば、当該供給ガス量を実現するようなバーナ本数およびガス流量の組合せが実現されるように、給湯器コントローラ６は、ガス比例弁３３３の開度および能力切換弁３３５ａ～３３５ｃの開閉を制御する。

分配弁３８１の弁開度は、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に一致させるように制御される。具体的には、給湯器コントローラ６は、設定温度Ｔｒ＊と、温度センサ３５，３４２，３７による検出温度（Ｔｗ，Ｔｂ，Ｔｈ）とに基づいて、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に制御するための分配弁３８１のステップ数Ｘを設定する。

補助熱源機３では、低温水から出湯温度への温度上昇に係る熱量と、高温水から出湯温度への温度低下に係る熱量とが均衡する。したがって、缶体流量ｑ１、バイパス流量ｑ２、缶体温度Ｔｂ、入水温度Ｔｗおよび出湯温度Ｔｈの間には次式（２）の関係が成立する。

ｑ２・（Ｔｈ－Ｔｗ）＝ｑ１・（Ｔｂ－Ｔｗ） …（２）
式（２）から、式（１）に示した流量比率ｋは、缶体温度Ｔｂ、入水温度Ｔｗおよび出湯温度Ｔｈによって次式（３）で示すことができる。

ｋ＝ｑ２／ｑ１＝（Ｔｂ－Ｔｈ）／（Ｔｈ－Ｔｗ） …（３）
したがって、給湯器コントローラ６は、式（３）から算出される流量比率ｋに従って分配弁３８１のステップ数Ｘを設定することにより、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に従って制御することができる。さらに、式（３）による算出値をフィードフォワード制御項とした上で、出湯温度の温度差ΔＴｈ（＝Ｔｒ＊－Ｔｈ）を補償するためのフィードバック制御項を算出し、両者の和に従って流量比率ｋ、すなわち分配弁３８１のステップ数Ｘを設定することも可能である。

図４の例では、接続配管４１の滞留湯水が通過すると、続いてタンクユニット２の貯湯タンク２１から設定温度Ｔｒ＊に調温された高温水が補助熱源機３に入水される。これにより、時刻ｔ１以降、入水温度Ｔｗが上昇し、設定温度Ｔｒ＊に近づいていく。

バックアップ出湯からタンクユニット２の出湯に遷移するために、給湯器コントローラ６は、設定温度Ｔｒ＊と入水温度Ｔｗとの温度差ΔＴｗ（＝Ｔｒ＊－Ｔｗ）に基づいて燃焼禁止の制御を実行する。具体的には、給湯器コントローラ６は、温度差ΔＴｗと第１の閾値Ａ℃とを比較する。時刻ｔ２にて、温度差ΔＴｗが第１の閾値Ａ℃よりも小さくなると、給湯器コントローラ６は、燃焼禁止フラグを「１」とすることにより燃焼を禁止する。

燃焼が禁止されると、給湯器コントローラ６は、補助熱源機３の燃焼を停止させるとともに、バイパス流量ｑ２が最大となるように、すなわち流量比率ｋ＝ｋｍａｘとなるように、分配弁３８１のステップ数Ｘを最小ステップ数Ｘ０に設定する。このようにすると、燃焼を停止している缶体４内を流れる湯水の流量が制限されるため、給湯回路における補助熱源機３の通水抵抗を低減することができる。その結果、省エネルギ効果を得ることができる。

タンクユニット２の出湯中、貯湯タンク２１内の高温水が減少して湯切れが生じると、タンクユニット２から補助熱源機３に低温水が供給される。これにより、時刻ｔ４以降、入水温度Ｔｗが徐々に低下する。給湯器コントローラ６は、タンクユニット２の出湯からバックアップ出湯に遷移するために、設定温度Ｔｒ＊と入水温度Ｔｗとの温度差ΔＴｗに基づいて燃焼を許可する。具体的には、給湯器コントローラ６は、温度差ΔＴｗと第２の閾値Ｂ℃とを比較する。第２の閾値Ｂ℃は、ハンチングを避けるために、第１の閾値Ａ℃よりも大きい値に設定されている（Ａ℃＜Ｂ℃）。

時刻ｔ５にて、温度差ΔＴｗが第２の閾値Ｂ℃よりも大きくなると、給湯器コントローラ６は、燃焼禁止フラグを「０」にリセットすることにより燃焼禁止を解除する。燃焼禁止が解除されると、給湯器コントローラ６は、缶体４での燃焼動作を再び開始し、入水される低温水を設定温度Ｔｒ＊まで加熱して給湯栓Ｋに給湯する。上述したように、給湯器コントローラ６は、燃焼動作が開始されると、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒ＊に制御されるように、缶体４での発生熱量および分配弁３８１の弁開度（分配弁３８１による流量比率ｋ）を制御する。

このように給湯器コントローラ６は、バックアップ出湯中に入水温度Ｔｗが上昇し、設定温度Ｔｒ＊と入水温度Ｔｗとの温度差ΔＴｗ＜Ａ℃になると、補助熱源機３の燃焼を禁止するとともに、分配弁３８１のステップ数Ｘを最小ステップ数Ｘ０（流量比率ｋ＝ｋｍａｘ）に設定することにより、タンクユニット２の出湯に遷移する。また、給湯器コントローラ６は、タンクユニット２の出湯中に入水温度Ｔｗが低下し、温度差ΔＴｗ＞Ｂ℃になると、補助熱源機３の燃焼を許可するとともに、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に制御するための分配弁３８１のステップ数Ｘを設定することにより、バックアップ出湯に遷移する。

このように入水温度Ｔｗと設定温度Ｔｒ＊との温度差ΔＴｗに基づいて補助熱源機３の燃焼の許可／禁止を制御することにより、入水温度Ｔｗが上昇したときの燃焼制御の困難さが解消されるため、出湯温度Ｔｈのオーバーシュートを抑制することができる。また、入水温度Ｔｗと設定温度Ｔｒ＊との温度差ΔＴｗが小さくなる場合において燃焼制御の実行／停止が頻繁に繰り返されることを防止することができる。その結果、出湯温度Ｔｈの変動を抑制することができる。

さらに、補助熱源機３の燃焼が不要となるタンク出湯中は、燃焼を停止している缶体４内を流れる湯水の流量が制限されるため、給湯回路における補助熱源機３の通水抵抗を低減することができる。その結果、省エネルギ効果を得ることができる。

一方、上記構成では、入水温度Ｔｗの上昇を検出して補助熱源機３の燃焼を停止した時点（図４の時刻ｔ２）において、熱交換器３２の一次熱交換器３２ａに入水される湯水、すなわち、缶体配管３１における一次熱交換器３２ａの上流側（二次熱交換器３２ｂを含む）にある湯水の温度が入水温度Ｔｗよりも低い場合が生じ得る。そのため、この時点で補助熱源機３の燃焼を停止すると、その後に一次熱交換器３２ａに入水された湯水が加熱されず、缶体４から低温水が出力されることになる。その結果、時刻ｔ２直後において、一時的に設定温度Ｔｒ＊に満たない低温水が給湯栓Ｋに供給されることになる。したがって、二次熱交換器３２ｂ内の低温水が加熱されるまでは、補助熱源機３の燃焼を停止させずに、燃焼を継続させることが求められる。

一方、入水温度Ｔｗの低下を検出して補助熱源機３の燃焼を開始する時点（図４の時刻ｔ５）では、燃焼禁止を解除してから燃料ガスおよび燃焼用空気の混合気を点火装置によって着火して燃焼バーナ３３から燃焼熱を発生させるまでに多少の時間を要する場合がある。この場合、その時間内に加熱されない低温水が缶体４から出力されることになる。したがって、入水温度Ｔｗの低下をできるだけ早いタイミングで検出して補助熱源機３の燃焼を開始させることが求められる。

そこで、給湯器コントローラ６は、入水温度Ｔｗの変化に対応して補助熱源機３の燃焼制御の精度が低下しないように、一次熱交換器３２ａに入水される水の温度を推定する。

図５は、一次熱交換器３２ａへの入水温度の推定を説明するための概略図である。
図５を参照して、給湯器コントローラ６は、温度センサ３５によって検出された入水温度Ｔｗに基づいて、一次熱交換器３２ａにおける推定入水温度Ｔｗｄを算出する。今回の制御周期における入水温度Ｔｗの検出値Ｔｗ［ｎ］を用いて、今回の制御周期における推定入水温度Ｔｗｄ［ｎ］は、次式（４）に従って算出される。

Ｔｗｄ［ｎ］＝Ｋ１・Ｔｗ［ｎ］＋Ｋ２・Ｔｗｄ［ｎ－１］ …（４）
式（４）において、Ｔｗｄ［ｎ－１］は、前回の制御周期における推定入水温度Ｔｗｄである。また、係数Ｋ１，Ｋ２は、Ｋ１＝１／（Ｌ＋１）、およびＫ２＝Ｌ／（Ｌ＋１）で示される。Ｋ１，Ｋ２は、調整パラメータＬによって、Ｋ１＋Ｋ２＝１．０を維持した上で適正値にチューニングすることができる。

なお、調整パラメータＬは、缶体配管３１における温度センサ３５の配置位置から一次熱交換器３２ａまでの配管（二次熱交換器３２ｂを含む）の距離および配管形状などによって値が異なってくるため、例えば、実機試験やシミュレーションによって機種毎に予め設定することができる。

また、調整パラメータＬについては、缶体流量ｑ１に応じて可変としてもよい。例えば、缶体流量ｑ１が増えるほど、Ｌを小さく設定してＫ１を大きくすることで、ＴｗがＴｗｄに反映される速度を高めることが好ましい。

式（４）によれば、一次熱交換器３２ａへの推定入水温度Ｔｗｄは、入水温度Ｔｗの履歴に基づいて、入水温度Ｔｗの変化が係数Ｋ１，Ｋ２に従う時間遅れを伴って反映されるように、逐次算出されることになる。

図６には、式（４）に従って推定入水温度Ｔｗｄの算出例が示される。
図６を参照して、温度波形Ｌ１は、温度センサ３５により検出される入水温度Ｔｗの変化を時間軸上にプロットしたものである。温度波形Ｌ２は、入水温度Ｔｗが温度波形Ｌ１に従って変化したときの、一次熱交換器３２ａにおける推定入水温度Ｔｗｄの、式（４）に従った算出結果を時間軸上にプロットしたものである。温度波形Ｌ１，Ｌ２の比較から、推定入水温度Ｔｗｄは、入水温度Ｔｗの変化に時間遅れを持たせるように算出されている。

温度波形Ｌ２は、時刻ｔ１以前では温度波形Ｌ１と一致しており、時刻ｔ１以降では、温度波形Ｌ１に遅れて緩やかに上昇し、温度波形Ｌ１と一致するようになる。また、温度波形Ｌ２は、時刻ｔ４以前では温度波形Ｌ１と一致しており、時刻ｔ４以降では、温度波形Ｌ１に遅れて緩やかに低下し、温度波形Ｌ１と一致するようになる。

図６には、入水温度Ｔｗおよび推定入水温度Ｔｗｄが時間の経過に従って変化するときの補助熱源機３における給湯最適化処理の動作例がさらに示される。

図６において、燃焼禁止フラグの波形Ｌ３および分配弁３８１による流量比率ｋ（分配弁３８１のステップ数Ｘ）の制御の波形Ｌ５は、図４に示したものと同様である。燃焼禁止フラグの波形Ｌ３および分配弁３８１における制御の波形Ｌ５による出湯温度Ｔｈの変化が、温度波形Ｌ７に示される。

一方、図６において、燃焼禁止フラグの波形Ｌ４および分配弁３８１による流量比率ｋ（分配弁３８１のステップ数Ｘ）の制御の波形Ｌ６は、推定入水温度Ｔｗｄの温度波形Ｌ２に基づいて作成したものである。詳細には、時刻ｔ１以降、推定入水温度Ｔｗｄが上昇すると、給湯器コントローラ６は、バックアップ出湯からタンクユニット２の出湯に遷移するために、設定温度Ｔｒ＊と推定入水温度Ｔｗｄとの温度差ΔＴｗｄ（＝Ｔｒ＊－Ｔｗｄ）に基づいて燃焼禁止の制御を実行する。給湯器コントローラ６は、温度差ΔＴｗｄと第１の閾値Ａ℃とを比較する。時刻ｔ３にて、温度差ΔＴｗｄが第１の閾値Ａ℃よりも小さくなると、給湯器コントローラ６は、燃焼禁止フラグを「１」とすることにより燃焼を禁止する。

燃焼が禁止されると、給湯器コントローラ６は、補助熱源機３の燃焼を停止させるとともに、バイパス流量ｑ２が最大となるように、すなわち流量比率ｋ＝ｋｍａｘとなるように、分配弁３８１のステップ数Ｘを最小ステップ数Ｘ０に設定する。

時刻ｔ４以降、推定入水温度Ｔｗｄが徐々に低下すると、給湯器コントローラ６は、タンクユニット２の出湯からバックアップ出湯に遷移するために、設定温度Ｔｒ＊と入水温度Ｔｗｄとの温度差ΔＴｗｄに基づいて燃焼許可の制御を実行する。給湯器コントローラ６は、温度差ΔＴｗｄと第２の閾値Ｂ℃とを比較する。時刻ｔ５にて、温度差ΔＴｗｄが第２の閾値Ｂ℃よりも大きくなると、給湯器コントローラ６は、燃焼禁止フラグを「０」にリセットすることにより燃焼禁止を解除する。燃焼禁止が解除されると、給湯器コントローラ６は、缶体４での燃焼動作を再び開始し、入水される低温水を設定温度Ｔｒ＊まで加熱して給湯栓Ｋに給湯する。上述したように、給湯器コントローラ６は、燃焼動作が開始されると、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒ＊に制御されるように、缶体４での発生熱量および分配弁３８１の弁開度（分配弁３８１による流量比率ｋ）を制御する。燃焼禁止フラグの波形Ｌ４および分配弁３８１における制御の波形Ｌ６による出湯温度Ｔｈの変化が、温度波形Ｌ８に示される。

ここで、出湯温度Ｔｈの温度波形Ｌ７と温度波形Ｌ８とを比較すると、入水温度Ｔｗの上昇時（時刻ｔ１）には、温度波形Ｌ８では出湯温度Ｔｈが安定しているのに対して、温度波形Ｌ７では一時的な温度低下が生じている。一方で、入水温度Ｔｗの低下時（時刻ｔ４）には、温度波形Ｌ７では出湯温度Ｔｈが安定しているのに対して、波形Ｌ８では一時的な温度低下が生じている。これによると、入水温度Ｔｗの上昇時および低下時の各々で好適な温度波形を形成することができれば、入水温度Ｔｗの上昇および低下のいずれにおいても出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に保つことが可能となる。

そこで、給湯器コントローラ６は、温度センサ３５により検出される入水温度Ｔｗおよび推定入水温度Ｔｗｄのうち低い方の温度を用いて、補助熱源機３の燃焼および燃焼禁止を制御するとともに、分配弁３８１の開度制御を実行する。このようにすると、出湯温度Ｔｈは、入水温度の上昇時には温度波形Ｌ８に従って変化するとともに、入水温度の低下時には温度波形Ｌ７に従って変化することになる。給湯器コントローラ６は、燃焼制御および分配弁３８１の開度制御を入水温度の変化に速やかに追従させることができるため、タンクユニット２からの入水温度Ｔｗに変化が生じたときにも、出湯温度Ｔｈを設定温度Ｔｒ＊に保つことができる。

図７は、補助熱源機３において実行される給湯最適化処理の手順を説明するためのフローチャートである。図７に示すフローチャートは、給湯器コントローラ６により一定の制御周期毎に実行することができる。

図７を参照して、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０１により、補助熱源機３での流量が最小作動流量（ＭＯＱ）を超えているか否かを判定する。以下では、補助熱源機３での流量がＭＯＱを超えている状態を「ＭＯＱオン」とも称し、ＭＯＱを超えていない状態を「ＭＯＱオフ」とも称する。

ＭＯＱオフのときには（Ｓ０１にてＮＯ）、給湯器コントローラ６は以降のステップＳ０２～Ｓ１１の処理をスキップする。一方、ＭＯＱオンのときには（Ｓ０１にてＹＥＳ）、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０２～Ｓ１１に処理を進める。具体的には、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０２により、温度センサ３５により検出される入水温度Ｔｗを取得すると、ステップＳ０３により、ステップＳ０２で取得された現時点での入水温度Ｔｗから、式（４）に従って、現時点での一次熱交換器３２ａへの推定入水温度Ｔｗｄを算出する。

次に、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０４により、現時点での入水温度Ｔｗおよび現時点での推定入水温度Ｔｗｄのうちの低い方の温度を算出する。以下の説明では、入水温度Ｔｗおよび推定入水温度Ｔｗｄのうちの低い方の温度を、最小入水温度ｍｉｎ（Ｔｗ，Ｔｗｄ）と表記する。

続いて、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０５により、設定温度Ｔｒ＊と最小入水温度ｍｉｎ（Ｔｗ，Ｔｗｄ）との温度差ΔＴｗ（＝Ｔｒ＊－ｍｉｎ（Ｔｗ，Ｔｗｄ））を算出する。給湯器コントローラ６は、ステップＳ０６により、算出した温度差ΔＴｗと第２の閾値Ｂ℃とを比較する。

温度差ΔＴｗ＞Ｂ℃である場合（Ｓ０６にてＹＥＳ）、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０７に進み、燃焼禁止フラグを「０」にリセットする。すなわち、給湯器コントローラ６は、補助熱源機３の燃焼を許可する。したがって、給湯器コントローラ６は、缶体４での燃焼動作を実行し、入水される低温水を設定温度Ｔｒ＊まで加熱して給湯栓Ｋに給湯する。給湯器コントローラ６は、出湯温度Ｔｈが設定温度Ｔｒ＊に制御されるように、缶体４での発生熱量を制御する。さらに、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０８により、分配弁３８１の弁開度（分配弁３８１による流量比率ｋ）を制御する。

一方、ステップＳ０７にて温度差ΔＴｗ≦Ｂ℃である場合（Ｓ０７にてＮＯ）、給湯器コントローラ６は、ステップＳ０９に進み、温度差ΔＴｗと第１の閾値Ａ℃とを比較する。温度差ΔＴｗ＜Ａ℃である場合（Ｓ０９にてＹＥＳ）、給湯器コントローラ６は、ステップＳ１０に進み、燃焼禁止フラグを「１」にセットする。すなわち、給湯器コントローラ６は、補助熱源機３の燃焼を禁止する。したがって、給湯器コントローラ６は、補助熱源機３の燃焼を停止させるとともに、ステップＳ１１により、バイパス流量ｑ２が最大となるように、すなわち流量比率ｋ＝ｋｍａｘとなるように、分配弁３８１のステップ数Ｘを最小ステップ数Ｘ０に設定する。

以上説明したように、本実施の形態に係る補助熱源機（給湯装置）によれば、入水温度と設定温度との温度差に基づいて燃焼の許可／禁止を制御することにより、入水温度が変化したときの燃焼制御の困難さが解消されるため、入水温度の変化に対して出湯温度を設定温度に保つことができる。

また、補助熱源機の燃焼が不要となるタンク出湯中は、バックアップ給湯時と比較して缶体内を流れる湯水の流量が制限されるため、給湯回路における補助熱源機の通水抵抗を低減することができるため、省エネルギ効果を得ることができる。

さらに、温度センサにより検出される入水温度に基づいて熱交換器への入水温度を推定し、検出入水温度および推定入水温度のうち低い方の温度を用いて、補助熱源機の燃焼制御および分配弁の開度制御を実行することで、燃焼制御および分配弁の開度制御を入水温度の変化に速やかに追従させることができるため、安定的に出湯温度を設定温度に保つことが可能となる。

なお、補助熱源機３（給湯装置）の構成は図１および図２の例示に限定されるものではなく、バイパス管の配置によって、高温水（加熱水）および低温水（非加熱水）を混合するバイパスミキシング式の給湯装置における高温水および低温水の混合比率の制御に対して、本発明を共通に適用することができる。

また、補助熱源機３における熱交換器３２として、燃焼ガスの顕熱を吸熱する一次熱交換器および燃焼排ガスからの潜熱を回収する二次熱交換器を組み合わせた潜熱回収型の構成を例示したが、これに限らず、二次熱交換器を有しないものでも本発明を適用することができ、潜熱回収型であることは必須ではない。

さらに、熱交換器を加熱する熱源として、燃焼熱を発生させる燃焼バーナを例示したが、これに限らず、電気を用いて熱を発生する熱源等、様々なタイプの熱源を適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 主熱源装置、２ タンクユニット、３ 補助熱源機（給湯装置）、４ 燃焼缶体、６ 給湯器コントローラ、３０ 入水管、３１ 缶体配管、３２ 熱交換器、３３ 燃焼バーナ、３４ 出湯管、３５，３７ ３４２ 温度センサ、３８ バイパス管、１００ 給湯システム。

Claims (4)

1. 熱源部と、
   前記熱源部からの熱によって低温水を加熱して高温水を出力する熱交換器と、
   前記熱交換器に前記低温水を通過させるための加熱流路と、
   前記熱交換器の上流側で前記加熱流路から分岐して、前記熱交換器の下流側の結合点で前記加熱流路と合流するバイパス流路と、
   前記低温水の入水流量に対する前記バイパス流路の流量比率を制御する流量比率調整部と、
   前記熱源部の動作を制御するとともに、前記流量比率調整部の操作量を設定する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、出湯温度の設定温度に対する前記低温水の温度の温度差が第１の閾値よりも小さい場合には、前記熱源部の作動を禁止するとともに、前記流量比率調整部の前記操作量を、予め定められた前記流量比率の制御可能範囲の最大値に設定し、
   前記温度差が前記第１の閾値より大きい第２の閾値よりも大きい場合には、前記熱源部の作動を許可するとともに、前記流量比率調整部の前記操作量を、前記最大値よりも小さい値に設定するように構成され、
   前記加熱流路は、上流端が入水管に接続され、下流端が前記熱交換器に接続される缶体配管と、上流端が前記熱交換器に接続され、前記結合点で前記バイパス流路と接続される出湯管とを含み、
   前記熱交換器は、前記熱源部からの顕熱によって前記低温水を加熱する一次熱交換器を含み、
   前記入水管から前記缶体配管に入水される前記低温水の温度を検出する第１の温度検出器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記第１の温度検出器による検出温度の履歴に基づいて、前記缶体配管から前記一次熱交換器に入水される前記低温水の温度を推定するとともに、前記低温水の推定温度および前記検出温度のうちの低い方の温度を用いて、前記温度差を算出する、給湯装置。
2. 前記加熱流路の流量を検出する流量検出器をさらに備え、
   前記制御装置は、前記流量検出器による検出流量が大きいほど前記検出温度に対する前記推定温度の時間遅れが小さくなるように、前記推定温度を算出する、請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記結合点の下流側に配置され、前記高温水および前記低温水の混合後の出湯温度を検出する第２の温度検出器をさらに備え、
   前記流量比率調整部は、前記バイパス流路の流量を制御するための分配弁を含み、
   前記制御装置は、前記温度差が前記第１の閾値よりも小さい場合には、前記分配弁の開度を上限値に設定し、
   前記温度差が前記第２の閾値よりも大きい場合には、前記第２の温度検出器による検出温度が前記設定温度と一致するように、前記分配弁の開度を制御する、請求項１または２に記載の給湯装置。
4. 主熱源によって加熱された湯水を蓄積するための貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの湯水が供給される配管と、
   前記配管から供給される湯水を前記設定温度に加熱して出力する補助熱源機とを備え、
   前記補助熱源機は、請求項１から３のいずれか１項に記載の給湯装置を含む、給湯システム。

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