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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-133948(P2020-133948A)
(43)【公開日】2020年8月31日
(54)【発明の名称】温水製造システム
(51)【国際特許分類】
   F24H 4/02 20060101AFI20200803BHJP
【FI】
   F24H4/02 B
   F24H4/02 S
   F24H4/02 R
   F24H4/02 Q
   F24H4/02 P
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【全頁数】33
(21)【出願番号】特願2019-24929(P2019-24929)
(22)【出願日】2019年2月14日
(71)【出願人】
【識別番号】000175272
【氏名又は名称】三浦工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126000
【弁理士】
【氏名又は名称】岩池 満
(74)【代理人】
【識別番号】100145713
【弁理士】
【氏名又は名称】加藤 竜太
(72)【発明者】
【氏名】大下 悟
(72)【発明者】
【氏名】大沢 智也
【テーマコード(参考)】
3L122
【Fターム(参考)】
3L122AA04
3L122AA13
3L122AA14
3L122AA23
3L122AA54
3L122AB12
3L122AC14
3L122BA36
3L122BA44
3L122BB02
3L122BB06
3L122BB14
3L122BB15
3L122BC14
3L122BC17
3L122DA02
3L122DA12
3L122DA14
3L122DA15
3L122DA22
3L122EA02
3L122EA03
3L122EA06
3L122GA06
(57)【要約】
【課題】出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量の削減効果が高く、ランニングコストも削減できる温水製造システムを提供すること。
【解決手段】温水製造システム1であって、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10のヒートポンプ式給湯器の凝縮器92に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sと直接熱交換させて第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段3と、を備える。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
用水をヒートポンプ式給湯器の凝縮器に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温手段と、
前記第1加温手段で加温された用水を蒸気ボイラで発生させた蒸気と直接熱交換させて前記第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段と、を備える温水製造システム。
【請求項2】
前記給湯器は、電気駆動の冷媒圧縮機を有し、
前記蒸気ボイラは、ガス燃焼または油燃焼のバーナを有し、
前記第1温度は50〜70℃であり、前記第2温度は75〜95℃である、請求項1に記載の温水製造システム。
【請求項3】
前記第2加温手段は、
前記給湯器で加温された温水を貯留する温水タンクと、
前記温水タンクに前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する昇温用給蒸ラインと、
前記昇温用給蒸ラインに設けられた昇温用給蒸弁と、を備える請求項1または請求項2に記載の温水製造システム。
【請求項4】
前記第2加温手段は、前記温水タンク内の温水の温度を検出する貯湯温度センサを備え、
前記貯湯温度センサの検出温度が目標貯湯温度になるように前記昇温用給蒸弁の開度を制御する、請求項3に記載の温水製造システム。
【請求項5】
前記温水タンクから送出される温水と蒸気とを間接熱交換させる温調用熱交換器と、
前記温調用熱交換器に前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する温調用給蒸ラインと、
前記温調用給蒸ラインに設けられた温調用給蒸弁と、を備える、請求項3または4に記載の温水製造システム。
【請求項6】
前記温調用熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度センサを備え、
前記出湯温度センサの検出温度が目標出湯温度になるように前記温調用給蒸弁の開度を制御する、請求項5に記載の温水製造システム。
【請求項7】
前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサと、
前記温水タンクに前記給湯器を介さずに用水を供給するバイパス給水ラインと、
前記バイパス給水ラインに設けられたバイパス給水弁と、を備え、
前記第1水位センサの検出水位が設定水位を下回ると、前記バイパス給水弁を開放する、請求項3〜6のいずれかに記載の温水製造システム。
【請求項8】
前記バイパス給水ラインを流通する用水と蒸気とを間接熱交換させる予熱用熱交換器と、
前記予熱用熱交換器に前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する予熱用給蒸ラインと、
前記予熱用給蒸ラインに設けられた予熱用給蒸弁と、を備え、
前記バイパス給水弁を開放する際に、前記予熱用給蒸弁を開放する、請求項7に記載の温水製造システム。
【請求項9】
前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサを備え、
前記第1加温手段は、複数の前記給湯器を含み、
前記温水タンクには、前記給湯器の運転台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、
前記温水タンク内の水位下降時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回るたびに前記給湯器の運転台数を1台ずつ増加させる台数制御を実行し、
前記温水タンク内の水位上昇時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回るたびに前記給湯器の運転台数を1台ずつ減少させる台数制御を実行する、請求項3〜8のいずれかに記載の温水製造システム。
【請求項10】
前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサを備え、
前記第1加温手段は、複数の前記給湯器を含み、
前記温水タンクには、前記給湯器の運転台数および/または目標給湯温度を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、
前記給湯器は、前記第1温度よりも高く前記第2温度よりも低い温度範囲で複数段階の目標給湯温度を切り替え可能とされ、
前記給湯器の目標給湯温度を前記第1温度に設定した状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、前記給湯器の運転台数を維持したまま前記給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、前記給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、前記目標給湯温度を前記第1温度に戻す制御、または前記給湯器の運転台数を維持したまま、前記給湯器の目標給湯温度をさらに1段階上昇させる制御を実行し、
前記給湯器の目標給湯温度を前記第1温度に設定した状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回ると、前記給湯器の運転台数を1台増加させると同時に、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させる制御を実行し、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回ると、前記給湯器の運転台数を維持したまま前記給湯器の目標給湯温度を1段階下降させる制御を実行する、請求項3〜8のいずれかに記載の温水製造システム。
【請求項11】
前記給湯器に供給する用水および/または前記蒸気ボイラに供給する給水を貯留する給水タンクと、
前記給湯器から供給される温水の供給先を前記温水タンクまたは前記給水タンクに切り替える切替手段と、を備える請求項3〜8のいずれかに記載の温水製造システム。
【請求項12】
前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサを備え、
前記第1加温手段は、複数の前記給湯器を含み、
前記温水タンクには、前記給湯器の給湯台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、
前記温水タンク内の水位下降時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回るたびに前記温水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ増加させると同時に、前記給水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ減少させるように前記切替手段を制御し、
前記温水タンク内の水位上昇時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回るたびに前記温水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ減少させると同時に、前記給水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ増加させるように前記切替手段を制御する、請求項11に記載の温水製造システム。
【請求項13】
前記給水タンクの水位を検出する第2水位センサを備え、
前記第2水位センサの検出水位が給水停止水位になると前記給水タンクに給湯中の前記給湯器を停止させ、検出水位が給水開始水位になると停止中の前記給湯器を運転する、請求項11または請求項12に記載の温水製造システム。
【請求項14】
前記給湯器は、
前記凝縮器に用水を流通させる用水ラインと、
前記用水ラインに設けられた流量調節弁または給水ポンプと、
前記給湯器の給湯温度を検出する給湯温度センサと、を備え、
前記給湯温度センサの検出温度が目標給湯温度になるように前記流量調節弁の開度、または前記給水ポンプの回転数を制御する、請求項1〜13のいずれかに記載の温水製造システム。
【請求項15】
用水をヒートポンプ式給湯器の凝縮器に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温工程と、
前記第1加温工程で加温された用水を蒸気ボイラで発生させた蒸気と直接熱交換させて前記第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温工程と、を含む温水製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、温水製造システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来、温水製造システムが知られている。例えば特許文献1には、食品等のワークを温水洗浄または温水殺菌するために、ヒートポンプを用いて温水を製造するシステムが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2009−133522号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
現在、工場・事業場の多くでは、代表的な温室効果ガスであるCOの排出量削減を目的として、化石燃料から脱却する「脱炭素」への取り組みが進められている。そこで、特許文献1に示されるように、温水を製造するシステムとして、ヒートポンプを用いたシステムを採用することが増えてきている。しかしながら、ヒートポンプは、出湯温度が低ければCOP(エネルギー消費効率)は高く、CO排出量の削減効果も高いが、出湯温度を高めて使用する場合は、COPは低くなり、CO排出量の削減効果も低下するという特性がある。また、出湯温度を高めて使用する場合は、COPが低いため、ランニングコストも高くなる。
【0005】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量の削減効果が高く、ランニングコストも削減できる温水製造システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、用水をヒートポンプ式給湯器(例えば、ヒートポンプ式給湯システム10の給湯器)の凝縮器(例えば、凝縮器92)に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温手段(例えば、第1加温手段2)と、前記第1加温手段で加温された用水を蒸気ボイラ(例えば、蒸気ボイラ装置30)で発生させた蒸気と直接熱交換させて前記第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段(例えば、第2加温手段3)と、を備える温水製造システムに関する。
【0007】
また、前記給湯器は、電気駆動の冷媒圧縮機(例えば、冷媒圧縮機91)を有し、前記蒸気ボイラは、ガス燃焼または油燃焼のバーナを有し、前記第1温度は50〜70℃であり、前記第2温度は75〜95℃であることが好ましい。
【0008】
また、前記第2加温手段は、前記給湯器で加温された温水を貯留する温水タンク(例えば、温水タンク40)と、前記温水タンクに前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する昇温用給蒸ライン(例えば、昇温用給蒸ラインL2)と、前記昇温用給蒸ラインに設けられた昇温用給蒸弁(例えば、昇温用給蒸弁54)と、を備えることが好ましい。
【0009】
また、前記第2加温手段は、前記温水タンク内の温水の温度を検出する貯湯温度センサ(例えば、貯湯温度センサ41)を備え、前記貯湯温度センサの検出温度が目標貯湯温度になるように前記昇温用給蒸弁の開度を制御することが好ましい。
【0010】
また、前記温水タンクから送出される温水と蒸気とを間接熱交換させる温調用熱交換器(例えば、温調用熱交換器70)と、前記温調用熱交換器に前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する温調用給蒸ライン(例えば、温調用給蒸ラインL9)と、前記温調用給蒸ラインに設けられた温調用給蒸弁(例えば、温調用給蒸弁72)と、を備えることが好ましい。
【0011】
また、前記温調用熱交換器の出湯温度を検出する出湯温度センサ(例えば、出湯温度センサ71)を備え、前記出湯温度センサの検出温度が目標出湯温度になるように前記温調用給蒸弁の開度を制御することが好ましい。
【0012】
また、前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサ(例えば、第1水位センサ42)と、前記温水タンクに前記給湯器を介さずに用水を供給するバイパス給水ライン(例えば、バイパス給水ラインL5)と、前記バイパス給水ラインに設けられたバイパス給水弁(例えば、バイパス給水弁62)と、を備え、前記第1水位センサの検出水位が設定水位(例えば、水位LL)を下回ると、前記バイパス給水弁を開放することが好ましい。
【0013】
また、前記バイパス給水ラインを流通する用水と蒸気とを間接熱交換させる予熱用熱交換器(例えば、予熱用熱交換器75)と、前記予熱用熱交換器に前記蒸気ボイラで発生させた蒸気を供給する予熱用給蒸ライン(例えば、予熱用給蒸ラインL10)と、前記予熱用給蒸ラインに設けられた予熱用給蒸弁(例えば、予熱用給蒸弁76)と、を備え、前記バイパス給水弁を開放する際に、前記予熱用給蒸弁を開放することが好ましい。
【0014】
また、前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサ(例えば、第1水位センサ42)を備え、前記第1加温手段は、複数の前記給湯器(例えば、給湯器11、12、13)を含み、前記温水タンクには、前記給湯器の運転台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、前記温水タンク内の水位下降時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回るたびに前記給湯器の運転台数を1台ずつ増加させる台数制御を実行し、前記温水タンク内の水位上昇時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回るたびに前記給湯器の運転台数を1台ずつ減少させる台数制御を実行することが好ましい。
【0015】
また、前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサ(例えば、第1水位センサ42)を備え、前記第1加温手段は、複数の前記給湯器(例えば、給湯器11、12、13)を含み、前記温水タンクには、前記給湯器の運転台数および/または目標給湯温度を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、前記給湯器は、前記第1温度よりも高く前記第2温度よりも低い温度範囲で複数段階の目標給湯温度を切り替え可能とされ、前記給湯器の目標給湯温度を前記第1温度に設定した状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、前記給湯器の運転台数を維持したまま前記給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、前記給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、前記目標給湯温度を前記第1温度に戻す制御、または前記給湯器の運転台数を維持したまま、前記給湯器の目標給湯温度をさらに1段階上昇させる制御を実行し、前記給湯器の目標給湯温度を前記第1温度に設定した状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回ると、前記給湯器の運転台数を1台増加させると同時に、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させる制御を実行し、前記給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回ると、前記給湯器の運転台数を維持したまま前記給湯器の目標給湯温度を1段階下降させる制御を実行することが好ましい。
【0016】
また、前記給湯器に供給する用水および/または前記蒸気ボイラに供給する給水を貯留する給水タンク(例えば、給水タンク60)と、前記給湯器から供給される温水の供給先を前記温水タンクまたは前記給水タンクに切り替える切替手段(例えば、切替手段80)と、を備えることが好ましい。
【0017】
また、前記温水タンク内の水位を検出する第1水位センサ(例えば、第1水位センサ42)を備え、前記第1加温手段は、複数の前記給湯器(例えば、給湯器11、12、13)を含み、前記温水タンクには、前記給湯器の給湯台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、前記温水タンク内の水位下降時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階下回るたびに前記温水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ増加させると同時に、前記給水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ減少させるように前記切替手段を制御し、前記温水タンク内の水位上昇時は、前記第1水位センサの検出水位が前記水位閾値を1段階上回るたびに前記温水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ減少させると同時に、前記給水タンクに対する前記給湯器の給湯台数を1台ずつ増加させるように前記切替手段を制御することが好ましい。
【0018】
また、前記給水タンクの水位を検出する第2水位センサを備え、前記第2水位センサの検出水位が給水停止水位になると前記給水タンクに給湯中の前記給湯器を停止させ、検出水位が給水開始水位になると停止中の前記給湯器を運転することが好ましい。
【0019】
また、前記給湯器(例えば、給湯器11、12、13)は、前記凝縮器に用水を流通させる用水ラインと、前記用水ラインに設けられた流量調節弁または給水ポンプ(例えば、給水ポンプ17、18、19)と、前記給湯器の給湯温度を検出する給湯温度センサ(例えば、給湯温度センサ14、15、16)と、を備え、前記給湯温度センサの検出温度が目標給湯温度になるように前記流量調節弁の開度、または前記給水ポンプの回転数を制御することが好ましい。
【0020】
また、本発明は、用水をヒートポンプ式給湯器(例えば、ヒートポンプ式給湯システム10の給湯器)の凝縮器(例えば、凝縮器92)に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温工程と、前記第1加温工程で加温された用水を蒸気ボイラ(例えば、蒸気ボイラ装置30)で発生させた蒸気と直接熱交換させて前記第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温工程と、を含む温水製造方法に関する。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量の削減効果が高く、ランニングコストも削減することが可能な温水製造システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】本発明の第1実施形態の温水製造システムを示す概略図である。
図2】上記実施形態の給湯器のヒートポンプ回路を示す図である。
図3】上記実施形態の制御部の構成を示す機能ブロック図である。
図4】上記実施形態の貯湯制御の内容を説明するための概略図である。
図5】上記実施形態の貯湯制御における、給湯器の運転台数および補給水総量を模式的に示した図である。
図6図5示される貯湯制御の変形例を示す図である。
図7】加温手段として蒸気ボイラ装置からの蒸気のみを用いて温水製造システムを構築した第1の比較例を示す模式的な図である。
図8】加温手段としてヒートポンプ式給湯システムのみを用いて温水製造システムを構築した第2の比較例を示す模式的な図である。
図9】上記実施形態の温水製造システムを示す模式的な図である。
図10】上記実施形態の効果を示すグラフである。
図11】本発明の第2実施形態の温水製造システムを示す概略図である。
図12】本発明の第3実施形態の温水製造システムを示す概略図である。
図13】本発明の第4実施形態の温水製造システムを示す概略図である。
図14】上記実施形態の貯湯温度制御の内容を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態に係る温水製造システム1について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。
【0024】
図1は、本実施形態の温水製造システム1を示す概略図である。
本実施形態の温水製造システム1は、用水W1をヒートポンプ式給湯器の凝縮器に貫流(一過流通)させながら第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラで発生させた蒸気Sと直接熱交換させて第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段3と、を備える。
【0025】
第1加温手段2は、ヒートポンプ式給湯システム10により構成されており、複数のヒートポンプ式給湯器、本実施形態においては、第1ヒートポンプ式給湯器11、第2ヒートポンプ式給湯器12、第3ヒートポンプ式給湯器13(以下、第1給湯器11、第2給湯器12、第3給湯器13ともいう)を備えている。ヒートポンプ式給湯器11、12、13(以下、給湯器11、12、13ともいう)はそれぞれ、好適には電気駆動の冷媒圧縮機を有し、後述の給水タンク60から供給された用水W1をヒートポンプ式給湯システム10の凝縮器に流通させて第1温度、例えば50〜70℃に加温する。
【0026】
ここで、複数の給湯器11、12、13はいずれも同じ構成であり、いずれの給湯器もヒートポンプ回路90を有する。そこで、これらを代表して、第1給湯器11のヒートポンプ回路90について説明する。
図2に示されるように、第1給湯器11のヒートポンプ回路90は、冷媒圧縮機91と、凝縮器92と、膨張弁93と、蒸発器94を備える。これらの冷媒圧縮機91と、凝縮器92と、膨張弁93と、蒸発器94は、冷媒循環ラインL7によって順次環状に接続されており、これによりヒートポンプ回路90が形成されている。
【0027】
電気駆動の冷媒圧縮機91は、駆動源としてのモータ95を有しており、フロンガス等のガス状の冷媒Rを圧縮して高温高圧の冷媒にする。凝縮器92は、冷媒圧縮機91からの冷媒Rを凝縮液化する。膨張弁93は、凝縮器92から送られた冷媒Rを通過させることで、冷媒Rの圧力と温度とを低下させる。蒸発器94は、熱源水供給ラインL8を通じて送られてくる熱源水W8を熱源として、膨張弁93から送られる冷媒Rを蒸発させる。なお、図1においては、熱源水供給ラインL8は図示を省略している。
【0028】
ヒートポンプ回路90の熱源としては、廃温水等の熱源水に限らず、工場設備からの排気ガス(燃焼ガスや排蒸気等)、廃熱を含んだ冷却用空気、廃熱を含まない外気等の各種熱源ガスを用いることが可能である。
なお、蒸発器の構造として、伝熱面が外部に露出されている場合、熱源ガスはファンにより伝熱面に供給(例えば、大気の通風)される。また、蒸発器の構造として、伝熱面が閉鎖空間(例えば、シェル)内に存在している場合、熱源ガスはブロワにより伝熱面に供給される。
【0029】
このように、第1給湯器11のヒートポンプ回路90は、蒸発器94において、冷媒Rが外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器92において、冷媒Rが外部へ放熱して凝縮している。このような原理を利用して、第1給湯器11のヒートポンプ回路90は、蒸発器94において、熱源水W8から熱をくみ上げ、凝縮器92において、ヒートポンプ給水ラインL3からの用水W1を加温する。そして、凝縮器92を通過することにより加温されて温水となった用水W1は、給湯ラインL1を通じて、後述の温水タンク40に供給される。
【0030】
なお、この第1給湯器11のヒートポンプ回路90は、冷媒Rの過熱度(冷媒圧縮機91の入口冷媒温度)が一定になるように、あるいは冷媒Rの過冷却度(膨張弁93の入口冷媒温度)が一定になるように、膨張弁93の開度が調整される。
【0031】
また、この第1給湯器11のヒートポンプ回路90は、その出力が変更可能となっていてもよい。例えば、インバータ制御により、冷媒圧縮機91のモータ95の回転数を変更できるように構成してもよい。
【0032】
図1に示されるように、各給湯器11、12、13には、各給湯器11、12、13からの給湯温度を検出する給湯温度センサ14、15、16が設けられている。なお、給湯温度センサ14、15、16は、実質的に給湯器11、12、13に設けられていればよく、給湯器11、12、13内に設けてもよいし、給湯器11、12、13の下流側における、合流前の給湯ラインL1に設けてもよい。
【0033】
複数の給湯器11、12、13により加温されて温水となった用水W1(以下、温水W1ともいう)は、給湯ラインL1によって合流した後、後述の温水タンク40に供給される。
【0034】
次に、第2加温手段3について説明する。第2加温手段3は、蒸気ボイラ装置30と、温水タンク40と、蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを温水タンク40に供給する昇温用給蒸ラインL2と、を備える。
蒸気ボイラ装置30は、好適にはガス燃焼または油燃焼のバーナを有する蒸気ボイラであり、例えば、蒸気Sを発生させる複数台の貫流ボイラ31により構成される。
第2加温手段3は、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを利用して第1温度よりも高い第2温度まで昇温する。
【0035】
昇温用給蒸ラインL2は、複数の貫流ボイラ31で発生した蒸気Sが集合する蒸気ヘッダ51と、複数の貫流ボイラ31と蒸気ヘッダ51とを連結する連結ライン52と、蒸気ヘッダ51に集合した蒸気Sを温水タンク40に供給する蒸気供給ライン53と、を備える。そして、蒸気供給ライン53には、昇温用給蒸弁54が設けられている。また、蒸気ヘッダ51には、ヘッダ圧を検出するための圧力計55が設けられている。
【0036】
温水タンク40は、第1加温手段2から供給される温水W1を貯留する。また、この温水タンク40内には、昇温用給蒸ラインL2を介して、蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sが供給される。これにより、温水タンク40内に貯留されている温水TW(以下、貯留水TWともいう)は、第1温度よりも高い第2温度、例えば75〜95℃に昇温される。すなわち、温水タンク40内に蒸気Sが吹き込まれることにより、温水タンク40内に貯留されている温水TWと、蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sとの間で直接熱交換が行われ、その結果、温水タンク40内に貯留されている温水TWが昇温する。このとき、直接熱交換によって蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sの全熱、すなわち顕熱および潜熱が利用されて、温水タンク40内に貯留されている温水TWは迅速に昇温する。
この温水タンク40は、貯留されている温水TWの温度を検知する貯湯温度センサ41と、貯留されている温水TWの水位WLを検知する第1水位センサ42を備える。
【0037】
本実施形態の温水製造システム1は、用水を貯留する給水タンク60を備える。給水タンク60に貯留されている用水は、ヒートポンプ給水ラインL3を介して、給湯器11、12、13に供給される。
【0038】
各給湯器11、12、13には、各給湯器11、12、13に用水W1を供給するための給水ポンプ17、18、19が設けられている。なお、給水ポンプ17、18、19は、実質的に給湯器11、12、13に設けられていればよく、給湯器11、12、13内の用水ラインに設けてもよいし、各給湯器11、12、13に対応して分岐した後のヒートポンプ給水ラインL3に設けてもよい。
【0039】
給水ポンプ17、18、19はそれぞれ、例えばインバータ制御により回転数が調整されて駆動し、これにより、給湯器11、12、13への給水量が調整される。なお、各給湯器11、12、13に対応させて流量調整弁を設けて、流量調整弁の開度を制御することにより、給湯器11、12、13への給水量を調整する構成を採用してもよい。流量調整弁を設ける場合、給水ポンプ17、18、19は所定の回転数(駆動周波数一定)で駆動される。
【0040】
給水タンク60に貯留されている用水は、ボイラ給水ラインL4を介して、ボイラ給水として蒸気ボイラ装置30に供給される。ボイラ給水ラインL4には、ボイラ給水ポンプ32が設けられている。ボイラ給水ポンプ32は、例えばインバータ制御により、蒸気ボイラ装置30への用水の給水量が調整されるように駆動する。なお、ボイラ給水ポンプ32は、複数台の貫流ボイラ31ごとに設けられていてもよく、蒸気ボイラ装置30内に設けられていてもよい。また、給水量の調整は、流量調整弁によるものとしてもよい。
【0041】
さらに、本実施形態の温水製造システム1は、給水タンク60に貯留されている用水を直接温水タンク40に供給するためのバイパス給水ラインL5を備える。バイパス給水ラインL5には、バイパス給水ポンプ61と、バイパス給水弁62が設けられている。このバイパス給水弁62を開くと、温水タンク40に給水タンク60に貯留されている用水が補給水として補給される。このとき、バイパス給水ラインL5を通じて、冷水のままの用水W5(以下、冷水W5ともいう)が温水タンク40内に供給される。
【0042】
本実施形態の温水製造システム1は、各種の制御を行うための制御部100を備える。図3は、制御部100の構成を示す機能ブロック図である。図3に示すように、制御部100は、給湯制御部110と、ボイラ制御部120と、給蒸制御部130と、貯湯制御部140と、を備える。
【0043】
なお、制御部100は、上述のように複数の機能ブロックにより構成されているが、各ブロックは必ずしも物理的に分かれている必要は無く、複数のブロックの機能を1つのCPUで実現できるように構成してもよい。また、制御部100は、制御対象機器の配置や配線を考慮するなどして、2つ以上に分かれていてもよい。例えば、給湯器やボイラの自立制御の観点からは、給湯制御部110の機能は、各給湯器のローカル制御部に組み込むのが好ましく、ボイラ制御部120の機能は、ボイラ群を制御対象とする台数制御盤に組み込むのが好ましい。
【0044】
給湯制御部110は、ヒートポンプ式給湯システム10の制御を行う。より詳細には、給湯器11、12、13それぞれの運転の実行および停止等の動作に関する制御を行う。また、給湯制御部110は、給湯温度センサ14、15、16によって検出された検出温度に基づき、給水ポンプ17、18、19を制御して、給湯器11、12、13からの温水W1の給湯量を調整する。この給湯量の調整には、PIDアルゴリズムによるフィードバック制御を用いるのが好適である。
例えば、第1給湯器11について着目すると、給湯制御部110は、給湯温度センサ14によって検出された検出温度が、予め定められた目標給湯温度となるように、給水ポンプ17の回転数を制御して給湯量を調整する。第2給湯器12、第3給湯器13の制御についても同様である。
なお、各給湯器11、12、13に対応させて流量調整弁を設けて、流量調整弁の開度を制御することにより、給湯量の調整を行ってもよい。
これにより、給湯器11、12、13から供給される温水W1は、常に目標給湯温度となるように、目標給湯温度に対応する第1温度まで加温される。
なお、ヒートポンプ回路に投入される熱源の量が少ない場合は、給湯量を絞ることにより、給湯温度が目標給湯温度に維持されるように制御される。
【0045】
ここで、目標給湯温度は、例えば50〜85℃に設定される。より好ましくは、50〜70℃である。この好ましい目標給湯温度については、図7〜10を用いて後述する。
【0046】
ボイラ制御部120は、蒸気ヘッダ51に設けられた圧力計55によって検出されたヘッダ圧力値に基づいて、蒸気ボイラ装置30の台数増減制御を行う。より具体的には、ヘッダ圧力値が目標蒸気圧力値となるように、ヘッダ圧力値と目標蒸気圧力値との偏差量を算出し、増減制御するボイラの台数を算出する。この台数増減制御としては、例えば特開2015−140975号公報にも開示されているように公知であるため、ここでは説明を省略する。
【0047】
給蒸制御部130は、貯湯温度センサ41によって検出された検出温度に基づき、昇温用給蒸弁54の開度を制御する。より詳細には、給蒸制御部130は、貯湯温度センサ41によって検出された検出温度が、予め定められた目標貯湯温度となるように、昇温用給蒸弁54の開度を制御して蒸気Sの供給量を調整する。この供給量の調整にはフィードバック制御を用いるのが好適である。例えば、貯湯温度センサ41の検出温度が目標貯湯温度に収束するように、PIDアルゴリズムにより昇温用給蒸弁54に対する操作量が演算され、給蒸制御部130から昇温用給蒸弁54のアクチュエータ回路へ開度指定信号が出力される。
このような給蒸制御を行うことにより、温水タンク40内の温水TWの温度は、常に目標貯湯温度となるように、目標貯湯温度に対応する第2温度まで加温される。
【0048】
ここで、目標貯湯温度は、目標給湯温度(第1温度)よりも高い温度であって、75〜95℃に設定されることが好ましい。この好ましい目標貯湯温度については、図7〜10を用いて後述する。
【0049】
貯湯制御部140は、第1水位センサ42の検出結果に基づき、バイパス給水弁62、昇温用給蒸弁54、給湯器11、12、13の制御を行う。
図4に示されるように、第1水位センサ42は、複数の電極棒を備える電極式水位検出器により構成されており、第1電極棒421と、第2電極棒422と、第3電極棒423と、第4電極棒424と、第5電極棒425と、を備えている。また、図示はしていないが、共通電極を構成する電極棒や、異常水位を検知するための電極棒をさらに備えていてもよい。
各電極棒421〜425は、その下端部が水に浸るか否かにより、温水タンク40内の貯留水TWの水位WLが各電極棒の下端部まで来ているか否かを検出する。
【0050】
ここで、第1電極棒421が検出する水位を水位LL、第2電極棒422が検出する水位を水位L、第3電極棒423が検出する水位を水位M、第4電極棒424が検出する水位を水位H、第5電極棒425が検出する水位を水位HHとする。そして、図4に示されるように、各電極棒は、下端部の高さ位置が低い方から順に、第1電極棒421、第2電極棒422、第3電極棒423、第4電極棒424、第5電極棒425となるように、温水タンク40内に挿入されている。これらの電極棒が検出する水位は、給湯器11、12、13の運転台数等の変更制御を行うための複数段階の水位閾値となる。
【0051】
本実施形態においては、第1水位センサ42の検出結果に基づき、貯湯制御部140が、バイパス給水弁62、昇温用給蒸弁54、給湯器11、12、13の制御を行う。より詳細には、貯湯制御部140は、第1水位センサ42が水位LLを下回ったことを検出したときは、バイパス給水弁62を開放する。また、貯湯制御部140は、温水タンク40内の水位下降時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回るたびに給湯器の運転台数を1台ずつ増加させる台数制御を実行し、温水タンク40内の水位上昇時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回るたびに給湯器の運転台数を1台ずつ減少させる台数制御を実行する。この台数制御は、水位下降時においては、例えば水位H、水位M、水位Lにおいて、水位上昇時においては、例えば水位M、水位H、水位HHにおいて行われる。
なお、貯湯制御部140は、給蒸制御部130を介して昇温用給蒸弁54を制御してもよい。また、貯湯制御部140は、給湯制御部110を介して給湯器11、12、13を制御してもよい。
【0052】
ここで、温水タンク40内の水位WLが、例えば図4に示される水位LL〜水位Lの範囲内に位置している状況から変動する場合について具体的に説明する。
温水タンク40に貯留されている貯留水TWは、温水出湯ラインL6を通じて、不図示の温水需要箇所に供給される。そして、温水タンク40から温水需要箇所に供給される温水W6の量が、第1加温手段2としての複数の給湯器11、12、13から温水タンク40に供給される温水W1および蒸気ボイラ装置30から温水タンク40に供給される蒸気Sの水分の量を上回ると、温水タンク40内の水位WLは下降していく(図4の矢印Aを参照。)。そしてあるタイミングにおいて、第1電極棒421の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位LLを下回ったことを検出する。
【0053】
貯湯制御部140は、水位WLが水位LLを下回ったことを検出すると、温水タンク40が渇水直前の状態になったと判断し、給湯器11、12、13を3台全て運転状態として温水タンク40に可能な限りの温水W1を供給すると共に、バイパス給水弁62を開放し、給水タンク60に貯留されている冷水W5を直接温水タンク40に補給する。さらに、冷水W5が供給されることにより温水タンク40内の貯留水TWの温度が低下することを考慮し、昇温用給蒸弁54を全開にして、温水タンク40に可能な限りの蒸気Sを供給する。なお、給蒸制御部130は、このときにおいては、貯湯温度センサ41が検出した温度によらずに、昇温用給蒸弁54の開度を全開とする制御を行う。
【0054】
このように、水位WLが水位LLを下回ったとき、すなわち、温水タンク40が渇水直前の状態になった場合は、第1加温手段2により加温された温水W1を供給すると共に、第1加温手段2を介していない冷水W5も供給することにより、迅速に水位WLの回復を図る。また、昇温用給蒸弁54を全開として蒸気Sを供給することにより、冷水W5の供給により温度の低下した温水タンク40内の貯留水TWを、極力早期に昇温する。
【0055】
このような制御を行うことにより、水位WLは回復していく(図4の矢印Bを参照。)。そして、水面が第2電極棒422と接触し、第2電極棒422の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Lを上回ったことを検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Lを上回ったこと(水位L〜水位Mの範囲内に入ったこと)を検出すると、温水タンク40が渇水直前の状態からは脱したと判断し、バイパス給水弁62を閉じる。また、昇温用給蒸弁54の制御を、貯湯温度センサ41の検出温度に基づく通常の温度制御に戻す。なお、この時点では、依然として水位WLは高いとはいえない状況であるため、給湯器11、12、13については、3台全ての運転を継続する。
【0056】
次に、さらに水位WLが上昇し、第3電極棒423の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Mを上回ったこと(水位M〜水位Hの範囲内に入ったこと)を検出する。
このとき、貯水量に少し余裕がでてきたと判断し、3台中1台の給湯器の運転を停止し、2台の給湯器のみ、運転を継続する。例えば、給湯器11、12、13のうち、第3給湯器13の運転を停止し、第1、第2給湯器11、12のみ運転を継続する。なお、バイパス給水弁62は閉じたままの状態を維持する。また、昇温用給蒸弁54の制御も、給蒸制御部130による通常の温度制御状態を維持する。
【0057】
次に、さらに水位WLが上昇し、第4電極棒424の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Hを上回ったこと(水位H〜水位HHの範囲内に入ったこと)を検出する。
このとき、貯水量にさらに余裕がでてきたと判断し、3台中2台の給湯器の運転を停止し、1台の給湯器のみ、運転を継続する。例えば、給湯器11、12、13のうち、第2、第3給湯器12、13の運転を停止し、第1給湯器11のみ運転を継続する。なお、バイパス給水弁62は閉じたままの状態を維持する。また、昇温用給蒸弁54の制御は給蒸制御部130による通常の温度制御状態を維持する。
【0058】
次に、さらに水位WLが上昇し、第5電極棒425の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位HHを上回ったことを検出する。
このとき、貯水量は十分な量になったと判断し、さらにもう1台の給湯器の運転を停止する。すなわち、給湯器11、12、13全ての運転を停止する。なお、バイパス給水弁62は閉じたままの状態を維持する。また、昇温用給蒸弁54の制御は、給蒸制御部130による通常の温度制御状態を維持する。
【0059】
次に、この状態から、水位WLが下降していく場合について説明する。
水位WLが下降し(図4の矢印Cを参照。)、第4電極棒424の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Hを下回ったこと(水位M〜水位Hの範囲内に入ったこと)を検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Hを下回ったことを検出すると、3台の給湯器のうち、1台の給湯器のみ運転を再開する。例えば、給湯器11、12、13のうち、第1給湯器11の運転を再開する。
【0060】
ここで、水位WLが水位Hを下回った後、仮に水位WLが上昇し、第5電極棒425の先端が水面の中に浸ると、すなわち水位WLが水位HHを上回ったことを検出すると、貯水量は再び十分な量になったと判断し、前述と同様、給湯器11、12、13全ての運転を停止する。
【0061】
一方、水位WLが水位Hを下回った後、水位WLがさらに下降し(図4の矢印Dを参照。)、第3電極棒423の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Mを下回ったこと(水位L〜水位Mの範囲内に入ったこと)を検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Mを下回ったことを検出すると、3台の給湯器のうち、2台の給湯器のみ運転を実行する。例えば、給湯器11、12、13のうち、第1、第2給湯器11、12の運転を実行する。
【0062】
この状態から、水位WLがさらに下降し、第2電極棒422の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Lを下回ったこと(水位LL〜水位Lの範囲内に入ったこと)を検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Lを下回ったことを検出すると、3台全ての給湯器11、12、13の運転を実行する。
【0063】
この状態から、水位WLがさらに下降し、第1電極棒421の下端部が水面から露出した場合、すなわち水位WLが水位LLを下回ったことを検出した場合は、貯湯制御部140は、温水タンク40が渇水直前の状態になったと判断し、前述と同様、給湯器11、12、13を3台全て運転状態とすると共に、バイパス給水弁62を開放する。さらに、昇温用給蒸弁54を全開にする。
【0064】
このように、温水タンク40内の水位WLに応じて給湯器の運転台数を増減させるため、適切に温水タンク40内の水位WLの管理を行うことができる。また、消費電力を抑えることができる。
【0065】
なお、貯湯制御部140は、図4に示されるように、所定の水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とでずらしている。例えば、水位L〜水位Mの間の水位帯においては、水位上昇時の運転台数が3台である一方、水位下降時の運転台数が2台となっている。これは、水位WLが水位閾値付近で変動する場合において、給湯器の運転開始と運転停止が頻繁に実行されてしまう状況を防ぐためである。これにより、給湯器および温水供給の給水制御機器(給水ポンプや給水弁等)の故障リスクが低減する。
【0066】
なお、所定の水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とでずらすことに換えて、状態確認時間を設けてもよい。すなわち、水位WLが所定の水位閾値を下回っている状態が第1所定時間継続したと判定された場合に、給湯器の運転台数を切り替える等の制御を実行する構成としてもよい。
例えば、図4の矢印Cに示されるような水位WLの下降過程において、水位WLが水位HHを下回っている状態が所定時間継続したと判定された場合に、給湯器の運転台数を0台から1台に切り替える。このように状態確認時間を設けることにより、例えば所定の水位帯としての水位H〜水位HHの水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とで同じにしても、給湯器の運転開始と運転停止が頻繁に実行されてしまう状況を防ぐことができる。なお、他の水位閾値においても同様に状態確認時間を設ける。
【0067】
なお、水位WLが所定の水位閾値を上回っている状態が第2所定時間継続したと判定された場合に、給湯器の運転台数の切り替える等の制御を実行する構成を採用してもよい。例えば、図4の矢印Bに示されるような水位WLの上昇過程において、水位WLが水位LLを上回っている状態が所定時間継続したと判定された場合に、バイパス給水弁62を閉じ、昇温用給蒸弁54の制御を温度制御に戻してもよい。さらに水位WLが上昇し、水位Lを上回っている状態が所定時間継続したと判定された場合に、給湯器の運転台数を3台から2台に切り替えてもよい。なお、他の水位閾値においても同様に状態確認時間を設ける。
【0068】
このような制御により、水位WLの下降継続の状態確認時間、または上昇継続の状態確認時間に基づいて、給湯器の運転台数の変更等の制御を行うことができる。
そして、状態確認時間の設定値は、調整可能となっていることが好ましい。状態確認時間の設定値を調整可能とすることにより、水位閾値を下回ったときに、温水タンク40の断面積による水位の下降速度の違いを考慮して、水位の下降継続の確認に必要な水位幅に対応する遅延時間としての第1所定時間を設定することができる。または、水位閾値を上回ったときに、温水タンク40の断面積による水位の上昇速度の違いを考慮して、水位の上昇継続の確認に必要な水位幅に対応する遅延時間としての第2所定時間を設定することができる。
状態確認時間の設定値は、手動または自動で調整可能であり、0よりも大きい値を設定することができる。なお、状態確認時間の計測は、制御部100の内部タイマ等を用いて実施する。
【0069】
なお、第1水位センサ42は、電極式水位検出器に限らず、各種の水位検出器を採用することが可能である。例えばフロート式の水位検出器を5つ設けて、各水位閾値を検出できるようにしてもよい。また、電極式水位検出器とフロート式の水位検出器を組み合わせて使用してもよい。さらに、連続的な水位を測定可能な圧力式水位センサ等の水位検出部を用いて、複数の水位閾値を検出してもよい。なお、検出する水位閾値の数は、5つに限らない。
【0070】
図5は、水位上昇時における、給湯器11、12、13の運転台数および補給水総量を模式的に示した図である。横軸が温水タンク40内の水位WL、縦軸が補給水総量となっている。図5においては、第1ヒートポンプ式給湯器11から供給される温水量を「HP1」、第2ヒートポンプ式給湯器12から供給される温水量を「HP2」、第3ヒートポンプ式給湯器13から供給される温水量を「HP3」と表記している。
【0071】
水位LLを下回った後、水位WLが上昇している場合においては、図5に示されるように、水位WLが水位Lを上回るまでは、3台の給湯器11、12、13から温水W1が供給され、かつ給水タンク60から冷水W5が直接供給され、さらに昇温用給蒸弁54が全開の状態で、蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sが供給される。このときの補給水総量は、図5の縦軸に示されるとおりである。
【0072】
その後、水位WLが水位Lを上回ると、バイパス給水弁62を閉じ、昇温用給蒸弁54の制御を温度制御に戻す。よって、補給水総量は、図5に示されるように減少する。
さらにその後、水位WLが水位Mを上回ると、第3給湯器13の運転を停止し、第1、第2給湯器11、12の運転のみを継続する。よって、補給水総量は、図5に示されるようにさらに減少する。また、給水タンク60から直接供給された冷水W5の影響も減ってくるため、温水タンク内の貯湯温度に基づいて調整される蒸気Sの供給量も徐々に減少する。
さらにその後、水位WLが水位Hを上回ると、さらに第2給湯器12の運転を停止し、第1給湯器11の運転のみを継続する。よって、補給水総量は、図5に示されるようにさらに減少する。
そして、水位WLが水位HHを上回ると、第1給湯器11の運転も停止し、3台全ての給湯器の運転を停止する。ただし、このときも昇温用給蒸弁54の温度制御は継続しているため、蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sの供給は継続している。
【0073】
なお、本実施形態においては、給湯器11、12、13からの給湯温度は一定となるように制御されている。例えば、目標給湯温度が70℃に設定されている。給湯器11、12、13は、この目標給湯温度に対応する第1温度の温水W1を給湯する。
【0074】
なお、上述の給湯器の運転の停止には、給水ポンプ17、18、19の駆動を停止することや、各給湯器11、12、13に対応する流量調整弁を閉じることなど、給湯器からの給湯を停止する動作も含まれる。また、冷媒圧縮機91の駆動を停止して、ヒートポンプ回路の冷媒循環を停止することも含まれる。
【0075】
なお、給湯器11、12、13のうち、どの給湯器の運転停止/再開を優先して実行するかについては、各給湯器の状態や動作履歴等を踏まえて、適宜決定する構成を採用してもよい。また、予め定めておいても良い。
【0076】
このように、温水タンク40内の水位WLに応じて給湯器の運転台数を増減する等の制御を行うため、適切に温水タンク40内の水位WLの管理を行うことができる。また、消費電力を抑えることができる。
【0077】
図6は、図5に示される貯湯制御の変形例である。この変形例においては、図6に示されるように、より細かく水位閾値を検出する構成が採用されていてもよい。ここでは、低い水位から順に、水位LL、水位L、水位M1、水位M2、水位M3、水位M4、水位H、水位HHが水位閾値として検出可能に設定されている。
そして、この変形例においては、給湯器の運転台数の変更に加えて、給湯器の目標給湯温度を変更する制御を行う。具体的には、給湯器は、第1温度よりも高く第2温度よりも低い温度範囲で複数段階の目標給湯温度を切り替え可能とされている。
【0078】
より詳細には、この変形例においては、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、目標給湯温度を第1温度に戻す制御を実行する。また、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を1台増加させると同時に、給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階下降させる制御を実行する。
【0079】
図6は、水位上昇時における、給湯器11、12、13の運転台数、給湯温度および補給水総量を模式的に示した図である。
例えば、水位WLが水位LLを下回った後、水位WLが上昇し、水位Lから水位M1の間に位置している場合について検討する。このとき、3台の給湯器11、12、13の目標給湯温度は70℃(第1温度)に設定されている。
この状態から水位WLがさらに上昇し、水位M1を上回ると、給湯器11、12、13の運転台数を維持したまま給湯器11、12、13の目標給湯温度を1段階上昇させて80℃とする制御を実行する。ここで、1段階上昇させたときの温度は、温水タンク40の目標貯湯温度(第2温度)よりも低い温度とする。
【0080】
次に、給湯器11、12、13の目標給湯温度を1段階上昇させて80℃とした状態で運転中、水位WLがさらに上昇し、水位M2を上回ると、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、目標給湯温度を70℃(第1温度)に戻す制御を実行する。
さらに水位WLが上昇していく場合においても、同様に、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御と、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に目標給湯温度を戻す制御を、交互に実行する。
【0081】
次に、水位WLが水位HHを上回った後、水位WLが下降し、例えば水位WLが水位M4から水位Hの間に位置する状況において、給湯器の目標給湯温度は70℃(第1温度)に設定されている場合について検討する。
なお、ここでは、前述の状態確認時間の手法を利用し、所定の水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とで同じにした場合について説明する。よって、水位下降時についても図6を用いて説明する。
水位WLが水位M4から水位Hの間に位置する状況からさらに水位WLが下降し、水位M4を下回ると、給湯器の運転台数を1台増加させて2台運転すると同時に、給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させて80℃とする制御を実行する。
【0082】
次に、給湯器の目標給湯温度を80℃とした状態で運転中、水位WLが水位M3を下回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階下降させて70℃に戻す制御を実行する。
さらに水位WLが下降していく場合においても、同様に、給湯器の運転台数を1台増加させて、給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御と、給湯器の運転台数を維持したまま目標給湯温度を戻す制御を、交互に実行する。
【0083】
なお、本変形例では、状態確認時間の手法を用いているが、これに限らず、図4において説明した場合と同様に、所定の水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とでずらす手法を用いてもよい。
【0084】
また、水位上昇時において、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御をした後、さらに水位が上昇した場合において、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度をさらに1段階上昇させる制御を行ってもよい。
例えば、水位M1を上回ると、給湯器11、12、13の運転台数を維持したまま給湯器11、12、13の目標給湯温度を1段階上昇させて75℃とする制御を実行する。そしてこの状態で運転中、水位WLがさらに上昇し、水位M2を上回ると、給湯器11、12、13の運転台数を維持したまま給湯器11、12、13の目標給湯温度をさらに1段階上昇させて80℃とする制御を実行する。さらにこの状態で運転中、水位WLがさらに上昇し、水位M3を上回ると、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、目標給湯温度を70℃(第1温度)に戻す制御を実行する。
そして、水位下降時においては、この逆の動作を行うように制御を実行する。
【0085】
すなわち、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が前記水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、目標給湯温度を第1温度に戻す制御、または前記給湯器の運転台数を維持したまま、前記給湯器の目標給湯温度をさらに1段階上昇させる制御を実行する。また、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を1台増加させると同時に、給湯器の目標給湯温度を1段階以上(例えば2段階)上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階以上(例えば2段階)上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階下降させる制御を実行してもよい。
【0086】
一般に、給湯器の目標給湯温度を上げると給湯可能な量が減り、給湯器の目標温度を下げると給湯可能な量が増える。このことも考慮し、本変形例に示されるような制御を採用することにより、ヒートポンプの運転台数を極力同じ台数に維持した上で、細かく補給水総量を調整することが可能となる。よって、適切に温水タンク内の水位の管理を行うことができる。また、ヒートポンプの運転を極力継続することが可能であることから、ヒートポンプの運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
【0087】
以上のように、本実施形態の温水製造システム1は、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10の凝縮器に流通させながら、第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを利用して第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段3と、を備える。
図7〜10を用いて、この構成を採用する効果を詳細に説明する。
【0088】
図7は、加温手段として蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sのみを用いて温水製造システムを構築した第1の比較例である。
温水需要箇所側が求める温水の温度は、その用途によって異なるが、例えば食品や薬品用のびんの洗浄、パストライザー殺菌(瓶詰の殺菌)等を行う場合は、75℃〜95℃程度の高温域の温水が求められることがある。そこで、温水製造システムが、高温域の温水、例えば90℃の温水を温水需要箇所側に供給するケースについて説明する。
【0089】
図7の温水製造システム5は、加温手段として蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sのみを利用している。ここで、蒸気ボイラは、ガス燃焼または油燃焼のバーナを有し、化石燃料を使用して蒸気を発生するものである。そのため、この温水製造システム5のCO排出量およびランニングコストは比較的高い値となっており、大幅な削減が求められている。
【0090】
そこで加温手段として、化石燃料を使用せず、COP(エネルギー消費効率)が高い電気駆動のヒートポンプ式給湯システム10を用いた温水製造システムを採用することが考えられる。
図8は、加温手段として、ヒートポンプ式給湯システム10のみを用いて温水製造システム6を構築した第2の比較例である。電力のCO排出係数(0.51kgCO/kWh)は、都市ガス13AのCO排出係数(0.18kgCO/kWh)よりも大きいが、出力当たりのCO排出量で比較すると、COPの高いヒートポンプの方が蒸気ボイラよりも少なくなる。また、電力単価(15円/kWh程度)は、都市ガス13Aの燃料単価(6.2円/kWh程度)よりも高いが、出力当たりのランニングコストで比較すると、COPの高いヒートポンプの方が蒸気ボイラよりも安くなる。そのため、温水製造システム6は、図7の温水製造システム5よりは、CO排出量およびランニングコストが低下する。
【0091】
ただし、ヒートポンプは、給湯温度が低ければCOPは相対的に高く、CO排出量の削減効果が高いものの、給湯温度を高めて使用する場合は、COPは相対的に低くなり、CO排出量の削減効果が低下する。
例えば、90℃の温水を給湯する場合におけるヒートポンプのCOPは、一例として2.8相当である。よって、加温手段として蒸気ボイラからの蒸気のみを利用する温水製造システム5と比較したときのCO排出量の削減効果(CO排出削減比)は10%程度に留まる。また、ランニングコストの削減効果(ランニングコスト削減比)も20%程度に留まる。
【0092】
次に、本実施形態の温水製造システム1、すなわち、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10の凝縮器に流通させながら第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを利用して第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段3と、を備えるハイブリッド温水製造システムについて検討する。
【0093】
このような温水製造システム1であれば、第1加温手段2としてのヒートポンプ式給湯システム10が、高効率で運転できる温度帯まで、例えば70℃まで用水W1を加温し、この加温された温水W1を、蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sを利用して高温域まで、例えば90℃まで昇温することが可能であり、高温域の温水を高効率で製造することができる。
【0094】
ここで、給湯温度が70℃の場合におけるヒートポンプのCOPは、一例として4.2相当であり、非常に高い。本実施形態の温水製造システム1においては、ヒートポンプは、このような高いCOPを維持できる温度帯までの加温を受け持つ。
例えば、温水製造システム1として90℃の温水を製造したい場合において、ヒートポンプは70℃までの加温を受け持つ。このとき、ヒートポンプは、90℃の温水を製造するのに必要な総熱出力の60%〜80%(負荷率60%〜80%)程度を受け持つこととなる。
そして、70℃から90℃までの昇温は、蒸気ボイラが受け持つ。このとき、蒸気ボイラは、90℃の温水を製造するのに必要な総熱出力の20%〜40%(負荷率20%〜40%)程度を受け持つこととなる。
【0095】
そして、ヒートポンプと蒸気ボイラをこのような組合せで用いたときの温水製造システム1は、加温手段として蒸気ボイラからの蒸気のみを利用する温水製造システム5と比較して、CO排出量の削減効果が30%程度となり、その削減効果は非常に高い。また、ランニングコストの削減効果についても35%程度となり、その削減効果は非常に高い。
【0096】
このように、本実施形態の温水製造システム1を使用することにより、出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量、ランニングコストを極めて効果的に削減することができる。
また、本実施形態の温水製造システム1であれば、目標とする出湯温度に応じて、ヒートポンプと蒸気ボイラの負荷率、すなわちそれぞれの熱出力の受け持ち分(出力分担)を適切に調整することにより、極めて効果的にCO排出量の削減、ランニングコストの削減を実現することができる。
温水製造システム1の目標出湯温度に応じたヒートポンプと蒸気ボイラの出力割合の関係は、テーブルや計算式により記憶されていることが好ましい。例えば、目標出湯温度を設定可能な構成とし、設定された目標出湯温度に応じて、適切なヒートポンプと蒸気ボイラの出力割合が設定される。
【0097】
図10は、本実施形態の温水製造システム1を用いて、例えば90℃の温水を製造して出湯する場合における、CO排出削減比およびランニングコスト削減比を示すグラフである。
【0098】
図10のグラフの横軸は、ヒートポンプの給湯温度である。そして、図10の折れ線グラフの縦軸は、CO排出削減比およびランニングコスト削減比である。
ここで、CO排出削減比は、加温手段として蒸気ボイラからの蒸気のみを利用する温水製造システム5のCO排出量を100%とした場合に、本実施形態の温水製造システム1で削減できたCO排出量の割合を示している。すなわち、CO排出削減比が25%であれば、温水製造システム1への転換を図ることで、100%のCO排出量を75%まで削減できることを意味している。
一方、ランニングコスト削減比は、加温手段として蒸気ボイラからの蒸気のみを利用する温水製造システム5のランニングコストを100%とした場合に、本実施形態の温水製造システム1で削減できたランニングコストの割合を示している。すなわち、ランニングコスト削減比が30%であれば、温水製造システム1への転換を図ることで、100%のランニングコストを70%まで削減できることを意味している。
そして、図10の棒グラフの縦軸は、ヒートポンプと蒸気ボイラの出力割合、すなわち、それぞれの熱出力の受け持ち分(出力分担)を示す。
ヒートポンプの出力割合を示す棒グラフには、そのヒートポンプの給湯温度におけるCOPが付記されている。給湯温度が高くなるほど、COPは低下する。
【0099】
図10の折れ線グラフにおいて、ヒートポンプ給湯温度=90℃のデータと、ヒートポンプ給湯温度=50℃〜80℃のデータを比較すると、ヒートポンプのみを用いて90℃の温水を製造する場合(ヒートポンプ給湯温度=90℃のデータ)に比べて、ヒートポンプで50〜80℃まで加温し、その後蒸気を利用して90℃まで昇温した方が、明らかにCO削減効果が高く、またランニングコスト削減効果が高いことが理解できる。例えば、ヒートポンプで50〜70℃まで加温し、その後蒸気を利用して90℃まで昇温すれば、CO削減効果、ランニングコスト削減効果は高い。
さらに、折れ線グラフの傾向からして、例えばヒートポンプで85℃まで加温し、その後蒸気を利用して90℃まで加温した場合であっても、本発明の効果が得られることを理解することができる。
【0100】
このように、本実施形態の温水製造システム1、すなわち、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10の凝縮器に流通させながら、第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを利用して第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段と、を備えたハイブリッド温水製造システムを使用することにより、システムとしての出湯温度を高める場合であっても、CO排出量、ランニングコストを極めて効果的に削減することができる。
【0101】
そして、本実施形態の温水製造システム1の第1加温手段2は、用水W1をヒートポンプ式給湯器の凝縮器に貫流させながら、第1温度まで加温している。
第2加温手段3で加温された温水が凝縮器に再び戻ることなく、貫流させる構成、すなわち一過流通させる構成を採用することにより、第1加温手段2により加温された第1温度の温水W1が常に追加的に供給され、これを第2加温手段3で昇温する構成となる。よって、温水需要箇所が要求する出湯量が多い場合においても、常に安定した温度の温水を出湯することが容易となる。
また、温水タンク40を備える場合においては、温水タンク40内の水位WLが低下してきても、その低下のレベルに応じて、第1加温手段2により加温された第1温度の温水W1が常に追加的に温水タンク40内に供給される。よって、この構成であれば、温水タンク40内に冷水W5を供給せざるを得ない状況が発生する頻度が少なくなる。したがって、冷水W5の供給により、温水タンク40内の貯留水TWの温度が極端に低下することも少ない。
【0102】
そして、本実施形態の温水製造システム1の第2加温手段3は、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sと直接熱交換させて第1温度よりも高い第2温度まで昇温している。
このように、第1加温手段2で加温された用水W1を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sと直接熱交換させることにより、第1加温手段2で加温された用水W1は迅速に昇温する。すなわち、蒸気Sの全熱(顕熱および潜熱)が利用されることにより、第1加温手段2で加温された用水W1は迅速に昇温する。よって、出湯温度の制御応答性も向上する。
【0103】
なお、このような効果を得る上で、給湯器として、電気駆動の冷媒圧縮機を有するヒートポンプ式給湯器を用い、蒸気ボイラとして、ガス燃焼または油燃焼のバーナを有する蒸気ボイラを用いることが特に好ましい。
そして、第1の温度を50〜85℃とし、第2の温度を、第1の温度よりも高い温度であって、75℃〜95℃とすることで、本発明の効果を適切に得ることができる。好ましくは、第1温度を50〜80℃とし、前記第2温度を、第1の温度よりも高い温度であって、75〜95℃とする。さらに好ましくは、第1温度を50〜70℃とし、前記第2温度を75〜95℃とする。
このように、電気駆動の冷媒圧縮機を有するヒートポンプ式給湯器と、化石燃料を燃焼させるバーナを有する蒸気ボイラを組み合わせ、それぞれで加温する温度範囲を適切に設定することで、ヒートポンプ式給湯器単独で、あるいは蒸気ボイラ単独で高温水を製造する場合に比べて、高いCO排出量の削減効果と高いランニングコストの削減効果を得ることができる。
【0104】
なお、本実施形態の温水製造システム1は、第2加温手段3として、温水タンク40を備えていることが好ましいが、温水タンク40を設けず、給湯ラインL1を流れる温水W1に直接給蒸を行う構成を採用してもよい。
【0105】
なお、適切な貯湯制御を行う上で、ヒートポンプ式給湯システム10を構成する給湯器は、複数台有することが好ましいが、1台であってもよい。1台の場合は、本実施形態において説明した複数台の給湯器による制御は行わず、温水タンク40の水位WLに基づく給湯量の制御や、給湯のオンオフ制御等が行われる。
なお、給湯器を複数台とする場合は、2台以上の任意の台数とすることができる。
【0106】
なお、蒸気ボイラ装置30を構成するボイラは、複数台有することが好ましいが、1台であってもよい。1台の場合は、測定された蒸気圧力値と、目標蒸気圧力値に基づき、燃焼率の制御等が行われてもよい。
なお、複数台のボイラを用いる場合は、2台以上の任意の台数とすることができる。
また、蒸気ボイラ装置30を構成するボイラは、貫流ボイラ以外のボイラであってもよい。
【0107】
なお、製造した温水は、食品や薬品用のびんの洗浄用、パストライザー殺菌用に限らず、各種の用途に使用することができる。
例えば、食品・飲料分野における温水利用であれば、原材料・加工品の加温、洗びん、製造機器の定置洗浄(CIP)などの用途に利用することができる。
また、食品・飲料分野における蒸気利用であれば、蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを高温調理(揚げ物、蒸し物、炒め物)、レトルト釜殺菌(パウチや缶詰の殺菌)、製造設備の定置殺菌(SIP)、温水製造のバックアップなどに利用することができる。
そして、機械分野における温水利用であれば、湯洗・脱脂などの用途に利用することができる。
これらの用途においても、75℃〜95℃程度の高温域の温水が求められることがあり、このような高温域の温水を必要とする場合において、本実施形態の温水製造システム1は特に好適に利用可能である。
【0108】
以上説明した本実施形態の温水製造システム1によれば、以下のような効果が奏される。
【0109】
(1)本実施形態の温水製造システム1は、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10のヒートポンプ式給湯器11、12、13の凝縮器92に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温手段2と、第1加温手段2で加温された用水を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sと直接熱交換させて第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温手段3と、を備える。
このように、用水を加温する上で、ヒートポンプ式給湯器11、12、13により高効率に加温できる温度までは第1加温手段2で加温し、さらなる昇温は、蒸気Sと直接熱交換させることによって行うため、出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量の削減効果、ランニングコストの削減効果が高い温水製造システムを提供することができる。また、昇温に蒸気Sを用いており、かつ直接熱交換を行うため、温度制御応答性が極めて良好となる。
【0110】
(2)本実施形態の温水製造システム1の給湯器11、12、13は、電気駆動の冷媒圧縮機91を有し、蒸気ボイラ装置30は、ガス燃焼または油燃焼のバーナを有し、第1温度は50〜70℃であり、第2温度は75〜95℃である。
このように、電気駆動の冷媒圧縮機を有するヒートポンプ式給湯器と、化石燃料を燃焼させるバーナを有する蒸気ボイラを組み合わせ、それぞれで加温する温度範囲を適切に設定することで、ヒートポンプ式給湯器単独で、あるいは蒸気ボイラ単独で高温水を製造する場合に比べて、高いCO排出量の削減効果と高いランニングコストの削減効果を得ることができる。
【0111】
(3)本実施形態の温水製造システム1の第2加温手段3は、給湯器11、12、13で加温された温水W1を貯留する温水タンク40と、温水タンク40に蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを供給する昇温用給蒸ラインL2と、昇温用給蒸ラインL2に設けられた昇温用給蒸弁54と、を備える。
このように、温水タンク40内に蒸気Sを供給することにより、温水タンク40内の温水と蒸気Sとを効果的に直接熱交換することができる。
【0112】
(4)本実施形態の温水製造システム1の第2加温手段3は、温水タンク40内の温水の温度を検出する貯湯温度センサ41を備え、貯湯温度センサ41の検出温度が目標貯湯温度になるように昇温用給蒸弁54の開度を制御する。
これにより、温水タンク40内の温水の温度を適切に制御することができる。
【0113】
(5)本実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40内の水位を検出する第1水位センサ42と、温水タンク40に給湯器を介さずに用水を供給するバイパス給水ラインL5と、バイパス給水ラインL5に設けられたバイパス給水弁62と、を備え、第1水位センサ42の検出水位が設定水位を下回ると、バイパス給水弁62を開放する。
これにより、温水タンク40内の温水が少なくなったときに、適切なタイミングでバイパス給水ラインL5から用水の補給を行うことができる。
【0114】
(6)本実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40内の水位を検出する第1水位センサ42を備え、第1加温手段2は、複数の給湯器11、12、13を含み、温水タンク40には、給湯器11、12、13の運転台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、温水タンク40内の水位下降時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回るたびに給湯器11、12、13の運転台数を1台ずつ増加させる台数制御を実行し、温水タンク40内の水位上昇時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回るたびに給湯器11、12、13の運転台数を1台ずつ減少させる台数制御を実行する。
このように、温水タンク40内の水位に応じて給湯器11、12、13の運転台数を増減させるため、適切に温水タンク40内の水位の管理を行うことができる。また、消費電力を抑えることができる。
【0115】
(7)本実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40内の水位を検出する第1水位センサ42を備え、第1加温手段2は、複数の給湯器11、12、13を含み、温水タンク40には、給湯器11、12、13の運転台数および/または目標給湯温度を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、給湯器11、12、13は、第1温度よりも高く第2温度よりも低い温度範囲で複数段階の目標給湯温度を切り替え可能とされ、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回ると、給湯器の運転台数を1台減少させると同時に、目標給湯温度を第1温度に戻す制御、または給湯器の運転台数を維持したまま、給湯器の目標給湯温度をさらに1段階上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を第1温度に設定した状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を1台増加させると同時に、給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させる制御を実行し、給湯器の目標給湯温度を1段階以上上昇させた状態で運転中、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回ると、給湯器の運転台数を維持したまま給湯器の目標給湯温度を1段階下降させる制御を実行する。
これにより、適切に温水タンク40内の水位の管理を行うことができる。また、ヒートポンプの運転を極力継続することが可能となり、ヒートポンプの運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
【0116】
(8)本実施形態の温水製造システム1の給湯器11、12、13は、凝縮器92に用水を流通させる用水ラインと、用水ラインに設けられた流量調節弁または給水ポンプ17、18、19と、給湯器11、12、13の給湯温度を検出する給湯温度センサ14、15、16と、を備え、給湯温度センサ14、15、16の検出温度が目標給湯温度になるように流量調節弁の開度、または給水ポンプ17、18、19の回転数を制御する。
これにより、給湯器11、12、13の給湯温度を適切に制御することができる。
【0117】
(9)本実施形態の温水製造方法は、用水W1をヒートポンプ式給湯システム10のヒートポンプ式給湯器11、12、13の凝縮器92に貫流させながら第1温度まで加温する第1加温工程と、第1加温工程で加温された用水を蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sと直接熱交換させて第1温度よりも高い第2温度まで昇温する第2加温工程と、を含む。
このように、用水を加温する上で、ヒートポンプ式給湯器11、12、13により高効率に加温できる温度までは第1加温工程で加温し、さらなる昇温は、蒸気Sと直接熱交換させることによって行うため、出湯温度を高めた場合であっても、CO排出量の削減効果、ランニングコストの削減効果が高い温水製造システムを提供することができる。また、昇温に蒸気Sを用いており、かつ直接熱交換を行うため、温度制御応答性が極めて良好となる。
【0118】
<第2実施形態>
次に、第2実施形態について、図11を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
第2実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40から送出される温水W6と蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sとを間接熱交換させる温調用熱交換器70をさらに備える。
図11は、本発明の第2実施形態に係る温水製造システム1を示す図である。
【0119】
図11に示されるように、本実施形態においては、温水タンク40から温水需要箇所に温水W6を供給する温水出湯ラインL6に、温調用熱交換器70が設けられている。温調用熱交換器70は、間接熱交換器であり、温水タンク40から送出される温水W6と蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sとの間で間接熱交換を行う。これにより、温水タンク40から送出される温水W6は加温される。温調用熱交換器70により加温された温水W6は、温水出湯ラインL6を通じて、温水需要箇所に供給される。そして、温調用熱交換器70の下流には、温調用熱交換器70からの出湯温度を検出する出湯温度センサ71が設けられている。
【0120】
本実施形態の蒸気供給ライン53(昇温用給蒸ラインL2)は途中で分岐しており、一方が温水タンク40に接続され、他方が温調用熱交換器70に接続されている。温水タンク40に接続されている側のラインには、第1実施形態と同様の昇温用給蒸弁54が設けられている。一方、温調用熱交換器70に接続されている側のラインは温調用給蒸ラインL9を構成し、この温調用給蒸ラインL9には温調用給蒸弁72が設けられている。
【0121】
これらの温調用熱交換器70、温調用給蒸ラインL9、温調用給蒸弁72、出湯温度センサ71は追加の加温手段を構成し、蒸気ボイラ装置30からの蒸気により、最終末端出湯温度を調整する機能を有する。
【0122】
本実施形態において、給蒸制御部130は、第1実施形態において説明した給蒸制御に加えて、温調用給蒸弁72の制御を行う。具体的には、出湯温度センサ71の検出温度が目標出湯温度となるように、温調用給蒸弁72の開度を制御する。
例えば、目標出湯温度が90℃の場合において、出湯温度センサ71の検出温度が目標出湯温度の90℃に収束するように、PIDアルゴリズムにより温調用給蒸弁72に対する操作量が演算され、給蒸制御部130から温調用給蒸弁72のアクチュエータ回路へ開度指定信号が出力される。
【0123】
なお、本実施形態は、温水需要箇所に対する温熱供給を安定化させことを目的としている。そのため、出湯温度センサ71による温度検出と、温調用給蒸弁72の開度調整は、温水出湯ラインL6に温水W6が流通しているときに実行される。
【0124】
一般に、温水タンク40内の貯留水TWの温度分布を一定にすることは難しく、ある程度の温度ムラが生じる。特に、温水タンク40のサイズが大きいと温度ムラが発生しやすい。よって、貯湯温度センサ41の検出温度に基づいて昇温用給蒸弁54を制御しても、温水タンク40内の貯留水TWの温度ムラの影響により、温水タンク40から出湯する温水W6の温度が安定しない状況が起こり得る。
しかしながら、本実施形態のように、温水出湯ラインL6に温調用熱交換器70を設けることで、温水タンク40内の貯留水TWに温度ムラが生じている場合であっても、温水製造システム1から出湯する最終的な出湯温度を適切に制御することができる。
【0125】
以上説明した本実施形態の温水製造システム1によれば、(1)〜(9)に加えて、以下のような効果が奏される。
【0126】
(10)本実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40から送出される温水W6と蒸気Sとを間接熱交換させる温調用熱交換器70と、温調用熱交換器70に蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを供給する温調用給蒸ラインL9と、温調用給蒸ラインL9に設けられた温調用給蒸弁72と、を備える。
これにより、温水タンク40内の温水に温度ムラが生じている場合であっても、温調用熱交換器70を用いて最終的な出湯温度を高めることができる。
【0127】
(11)本実施形態の温水製造システム1は、温調用熱交換器70の出湯温度を検出する出湯温度センサ71を備え、出湯温度センサ71の検出温度が目標出湯温度になるように温調用給蒸弁72の開度を制御する。
これにより、最終的な出湯温度を適切に制御することができる。
【0128】
<第3実施形態>
次に、第3実施形態について、図12を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
第3実施形態の温水製造システム1は、バイパス給水ラインL5を流通する用水W5と蒸気ボイラ装置30からの蒸気Sとを間接熱交換させる予熱用熱交換器75をさらに備える。
図12は、本発明の第3実施形態に係る温水製造システム1を示す図である。
【0129】
図12に示されるように、本実施形態においては、バイパス給水ラインL5に、予熱用熱交換器75が設けられている。予熱用熱交換器75は間接熱交換器であり、バイパス給水ラインL5を通じて供給される給水タンク60からの用水(冷水)W5と蒸気ボイラ装置30からの蒸気との間で間接熱交換を行う。予熱用熱交換器75は、バイパス給水弁62の下流側に設けられている。
【0130】
本実施形態の蒸気供給ライン53(昇温用給蒸ラインL2)は途中で分岐しており、一方が温水タンク40に接続され、他方が予熱用熱交換器75に接続されている。温水タンク40に接続されている側のラインには、第1実施形態と同様の昇温用給蒸弁54が設けられている。一方、予熱用熱交換器75に接続されている側のラインは予熱用給蒸ラインL10を構成し、この予熱用給蒸ラインL10には、予熱用給蒸弁76が設けられている。
【0131】
これらの予熱用熱交換器75、予熱用給蒸ラインL10、予熱用給蒸弁76は追加の加温手段を構成し、バイパス給水ラインL5を通じて供給される用水W5を加温する機能を有する。
【0132】
本実施形態において、貯湯制御部140は、第1実施形態において説明した貯湯制御に加えて、予熱用給蒸弁76の制御を行う。具体的には、バイパス給水弁62を開放する際に、予熱用給蒸弁76も一緒に開放する制御を行う。これにより、バイパス給水ラインL5を通じて供給される用水W5による、温水タンク40内の貯留水TWの水温の急激な低下を防ぐことができる。
【0133】
バイパス給水弁62は、第1実施形態と同様に、温水タンク40内の水位WLが水位LLを下回ったことを検出したとき、すなわち温水タンク40が渇水直前の状態になったときに開放される。これにより、給水タンク60に貯留されている冷水である用水W5が、直接温水タンク40に供給されることとなり、温水タンク40の渇水を防ぐことができるが、温水タンク40内の貯留水TWの水温は、当然に低下してしまう。
【0134】
本実施形態における予熱用熱交換器75は、このようなバイパス給水による用水W5の補給による温水タンク40内の貯留水TWの水温の低下を極力防ぐために設けられている。すなわち、バイパス給水弁62を開放する際に、予熱用給蒸弁76も一緒に開放することにより、バイパス給水ラインL5を通じて温水タンク40内に供給される用水W5が加温される。これにより、バイパス給水ラインL5から温水タンク40に用水W5を補給するときにおいて、用水W5の温度を高めることができる。
【0135】
以上説明した本実施形態の温水製造システム1によれば、(1)〜(9)に加えて、以下のような効果が奏される。
【0136】
(12)本実施形態の温水製造システム1は、バイパス給水ラインL5を流通する用水W5と蒸気とを間接熱交換させる予熱用熱交換器75と、予熱用熱交換器75に蒸気ボイラ装置30で発生させた蒸気Sを供給する予熱用給蒸ラインL10と、予熱用給蒸ラインL10に設けられた予熱用給蒸弁76と、を備え、バイパス給水弁62を開放する際に、予熱用給蒸弁76を開放する。
これにより、バイパス給水ラインL5から温水タンク40に用水を補給するときに、補給水の温度を高めることができる。
【0137】
<第4実施形態>
次に、第4実施形態について、図13〜14を参照しながら説明する。なお、第1実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。
第4実施形態の温水製造システム1は、給湯器11、12、13から供給される温水W1の供給先を温水タンク40または給水タンク60に切り替える切替手段80をさらに備える。
図13は、本発明の第4実施形態に係る温水製造システム1を示す図である。
【0138】
図13に示されるように、本実施形態においては、給湯ラインL1が途中で分岐しており、一方が温水タンク40に接続され、他方が給水タンク60に接続されている。この給水タンク60に接続されている給湯ラインは、給水タンク給湯ラインL11を構成する。
【0139】
各給湯器11、12、13に接続されている給湯ラインL1の分岐部には、切替手段80としての、切替弁81、82、83が設けられている。この切替弁81、82、83は、各給湯器11、12、13から供給される温水の供給先を、温水タンク40側または給水タンク60側に切り替える切替手段としての機能を有する。
このような切替手段を設けることにより、必要性に応じて、各給湯器11、12、13からの温水の供給方向を、温水タンク40側と、給水タンク60側とに切り替えることができる。また、これにより給湯器11、12、13の運転を極力継続することが可能となり、ヒートポンプ式給湯器11、12、13の運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
【0140】
本実施形態においては、ヒートポンプ式給湯器11、12、13に用水を供給する第2給水タンク65が、給水タンク60とは別に設けられている。この第2給水タンク65からの用水W1は、ヒートポンプ給水ラインL3を介して、給湯器11、12、13に供給される。
【0141】
次に、切替弁81の具体的な制御内容について説明する。
貯湯制御部140は、第1水位センサ42の検出結果に基づき、バイパス給水弁62、昇温用給蒸弁54、切替弁81、82、83の制御を行う。
温水タンク40は、第1実施形態と同様、図4に示される第1水位センサ42を備える。
【0142】
本実施形態においては、貯湯制御部140は、第1水位センサ42が水位LLを下回ったことを検出したときは、バイパス給水弁62を開放する。
また、貯湯制御部140は、温水タンク40内の水位下降時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回るたびに温水タンク40に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ増加させると同時に、給水タンク60に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ減少させるように切替弁81、82、83を制御し、温水タンク40内の水位上昇時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回るたびに温水タンク40に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ減少させると同時に、給水タンク60に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ増加させるように切替弁81、82、83を制御する。
この制御は、水位下降時においては、例えば水位H、水位M、水位Lにおいて、水位上昇時においては、水位M、水位H、水位HHにおいて行われる。
なお、貯湯制御部140は、給蒸制御部130を介して昇温用給蒸弁54を制御してもよい。また、貯湯制御部140は、給湯制御部110を介して給湯器11、12、13や、切替弁81、82、83を制御してもよい。
【0143】
ここで、図14を用いて、例えば温水タンク40内の水位WLが変動する場合について説明する。なお、第1実施形態の図4と同様の制御については、説明を省略する。
【0144】
まず、水位WLが回復していく方向(図4の矢印Bを参照。)の場合の制御について説明する。水位WLが上昇し、第3電極棒423の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Mを上回ったことを検出する。
このとき、温水タンク40の貯水量に少し余裕がでてきたと判断し、3つの切替弁のうち、1つの切替弁のみ給水タンク60側に切り替える。例えば、切替弁81、82、83のうち、切替弁83のみ給水タンク60側に切り替える。すなわち、温水タンク40に対する給湯台数を1台減少させると同時に、給水タンク60に対する給湯台数を1台増加させるように切替手段80を制御する。
【0145】
次に、さらに水位WLが上昇し、第4電極棒424の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Hを上回ったことを検出する。
このとき、温水タンク40の貯水量にさらに余裕がでてきたと判断し、3つの切替弁のうち、2つの切替弁を給水タンク60側に切り替える。例えば、切替弁81、82、83のうち、切替弁82、83を給水タンク60側に切り替える。
【0146】
次に、さらに水位WLが上昇し、第5電極棒425の先端が水面の中に浸ると、第1水位センサ42は、水位WLが水位HHを上回ったことを検出する。
このとき、温水タンク40の貯水量は十分な量になったと判断し、3つ全ての切替弁81、82、83を給水タンク60側に切り替える。
【0147】
次に、この状態から、水位WLが下降していく場合について説明する。
水位WLが下降し(図4の矢印Aを参照。)、第4電極棒424の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Hを下回ったことを検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Hを下回ったことを検出すると、3つの切替弁のうち、1つの切替弁を温水タンク40側に切り替える。例えば、切替弁81、82、83のうち、切替弁81を温水タンク40側に切り替える。
【0148】
ここで、水位WLが水位Hを下回った後、仮に水位WLが上昇し、第5電極棒425の先端が水面の中に浸ると、温水タンク40の貯水量は再び十分な量になったと判断し、前述と同様、全ての切替弁81、82、83を給水タンク60側に切り替える。
【0149】
一方、水位WLが水位Hを下回った後、水位WLがさらに下降し(図4の矢印Aを参照。)、第3電極棒423の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Mを下回ったことを検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Hを下回ったことを検出すると、3つの切替弁のうち、2つの切替弁を温水タンク40側に切り替える。例えば、切替弁81、82、83のうち、切替弁81、82を温水タンク40側に切り替える。
【0150】
この状態から、水位WLがさらに下降し、第2電極棒422の下端部が水面から露出すると、第1水位センサ42は、水位WLが水位Lを下回ったことを検出する。
貯湯制御部140は、水位WLが水位Lを下回ったことを検出すると、3つ全ての切替弁81、82、83を温水タンク40側に切り替える。
【0151】
これにより、第1加温手段2により加温された温水W1を、必要性に応じて温水タンク40または給水タンク60に切り替えて給湯することができる。すなわち、第1加温手段2により加温された温水W1のうち、温水タンク40内への給湯が不必要な分については、ボイラ給水やバイパス給水のための用水を貯留する給水タンク60に供給することができる。よって、第1加温手段2により加温された温水W1を、有効に利用することができる。また、切替手段80を制御することによりヒートポンプ式給湯器11、12、13の運転を極力継続することが可能となり、ヒートポンプの運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
【0152】
なお、ボイラ給水およびバイパス給水のための用水を効果的に加温する上では、給水タンクを、ボイラ給水およびバイパス給水のための用水を貯留する給水タンク60と、ヒートポンプ式給湯システム10に供給するための用水を貯留する第2給水タンク65とに分けて、第1加温手段2によって加温された温水W1を、給水タンク60に対して供給可能な態様とすることが好ましいが、第1実施形態に示されるように、第2給水タンク65を、給水タンク60と共通化してもよい。この場合は、ヒートポンプ式給湯システム10に供給される用水も加温された状態となる。
なお、切替手段80は、給湯器11、12、13からの温水W1の供給先を、温水タンク40または第2給水タンク65に切り替えが可能なものとして構成されていてもよい。
【0153】
なお、貯湯制御部140は、図10に示されるように、所定の水位帯(例えば、水位L〜水位Mの間の水位帯)における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とでずらしているが、第1実施形態と同様に、所定の水位帯における給湯器の運転台数を、水位上昇時と水位下降時とでずらすことに換えて、状態確認時間を設けてもよい。すなわち、水位WLが所定の水位閾値を上回っている/下回っている状態が所定時間継続したと判定された場合に、切替弁81、82、83を切り替える等の制御を実行する構成としてもよい。
【0154】
さらに本実施形態において、給水タンク60に、給水タンク60の水位を検出する不図示の第2水位センサを設け、第2水位センサの検出水位が給水停止水位になると、給湯器11、12、13のうち、給水タンク60に給湯中の給湯器を停止させ、検出水位が給水開始水位になると停止中の給湯器を運転する構成を採用してもよい。
例えば、水位WLが上昇中において、水位WLが水位Mを上回り、3台中1台の給湯器、例えば給湯器13が給水タンク60側に給湯中の場合において、給水タンク60の第2水位センサの検出水位が給水停止水位になったときには、給湯器13の運転を停止する。そして、第2水位センサの検出水位が給水開始水位になると、運転を停止していた給湯器13の運転を再開する。
これにより、給水タンク60内の水位の管理を適切に行うことができる。
【0155】
以上説明した本実施形態の温水製造システム1によれば、(1)〜(9)に加えて、以下のような効果が奏される。
【0156】
(13)本実施形態の温水製造システム1は、給湯器11、12、13に供給する用水および/または蒸気ボイラ装置30に供給する給水を貯留する給水タンク60と、給湯器11、12、13から供給される温水W1の供給先を温水タンク40または給水タンク60に切り替える切替手段と、を備える。
これにより、給湯器11、12、13から供給される温水W1を、必要性に応じて温水タンク40または給水タンク60に切り替えて給湯することができる。また、切り替え可能とすることによりヒートポンプの運転を極力継続することが可能となり、ヒートポンプの運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
(14)本実施形態の温水製造システム1は、温水タンク40内の水位を検出する第1水位センサ42を備え、第1加温手段2は、複数の給湯器11、12、13を含み、温水タンク40には、給湯器11、12、13の給湯台数を変更するための複数段階の水位閾値が設定され、温水タンク40内の水位下降時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階下回るたびに温水タンク40に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ増加させると同時に、給水タンク60に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ減少させるように切替手段80を制御し、温水タンク40内の水位上昇時は、第1水位センサ42の検出水位が水位閾値を1段階上回るたびに温水タンク40に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ減少させると同時に、給水タンク60に対する給湯器11、12、13の給湯台数を1台ずつ増加させるように切替手段80を制御する。
これにより、必要性に応じて温水タンク40または給水タンク60に切り替えて給水を行うことができる。また、切替手段80を制御することによりヒートポンプの運転を極力継続することが可能となり、ヒートポンプの運転再開初期の低温水供給の問題を解消することができる。
(15)本実施形態の温水製造システム1は、給水タンク60の水位を検出する第2水位センサを備え、第2水位センサの検出水位が給水停止水位になると給水タンク60に給湯中の給湯器を停止させ、検出水位が給水開始水位になると停止中の給湯器を運転する。
これにより、給水タンク60内の水位の管理を適切に行うことができる。
【0157】
以上、本発明の温水製造システムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。また、複数の実施形態を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0158】
1…温水製造システム
2…第1加温手段
3…第2加温手段
10…ヒートポンプ式給湯システム
11…第1ヒートポンプ式給湯器
12…第2ヒートポンプ式給湯器
13…第3ヒートポンプ式給湯器
14、15、16…給湯温度センサ
17、18、19…給水ポンプ
30…蒸気ボイラ装置
31…貫流ボイラ
40…温水タンク
41…貯湯温度センサ
42…第1水位センサ
421…第1電極棒
422…第2電極棒
423…第3電極棒
424…第4電極棒
425…第5電極棒
51…蒸気ヘッダ
52…連結ライン
53…蒸気供給ライン
54…昇温用給蒸弁
55…圧力計
60…給水タンク
62…バイパス給水弁
70…温調用熱交換器
71…出湯温度センサ
72…温調用給蒸弁
75…予熱用熱交換器
76…予熱用給蒸弁
80…切替手段
81、82、83…切替弁
90…ヒートポンプ回路
91…冷媒圧縮機
92…凝縮器
93…膨張弁
94…蒸発器
100…制御部
110…給湯制御部
120…ボイラ制御部
130…給蒸制御部
140…貯湯制御部
L1…給湯ライン
L2…昇温用給蒸ライン
L3…ヒートポンプ給水ライン
L4…ボイラ給水ライン
L5…バイパス給水ライン
L6…温水出湯ライン
L7…冷媒循環ライン
L8…熱源水供給ライン
L9…温調用給蒸ライン
L10…予熱用給蒸ライン
W1…用水(温水)
W5…用水(冷水)
W6…温水
S…蒸気
R…冷媒
TW…温水、貯留水
WL…水位
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14