特許 6453603 給湯システム、及び、その運転制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6453603

(24)【登録日】2018年12月21日

(45)【発行日】2019年1月16日

(54)【発明の名称】給湯システム、及び、その運転制御方法

(51)【国際特許分類】

   F24H 4/02 20060101AFI20190107BHJP

【ＦＩ】

   F24H4/02 P

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-205837(P2014-205837)

(22)【出願日】2014年10月6日

(65)【公開番号】特開2016-75425(P2016-75425A)

(43)【公開日】2016年5月12日

【審査請求日】2017年8月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】505229472

【氏名又は名称】株式会社日本サーモエナー

(74)【代理人】

【識別番号】100114476

【弁理士】

【氏名又は名称】政木 良文

(72)【発明者】

【氏名】位田 耕司

(72)【発明者】

【氏名】宮村 洋

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０６５８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３７３７３５７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００５−１８８８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４７１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３７１７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１２１２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４７６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０５９４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２４Ｈ １／００

Ｆ２４Ｈ １／１８−１／２０

Ｆ２４Ｈ ４／００−４／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒートポンプ給湯機、
熱交換器、
貯湯タンク、
前記ヒートポンプ給湯機の入口と前記熱交換器の一次側出口の間に設けられた第１管路、
前記ヒートポンプ給湯機の出口と前記熱交換器の一次側入口の間に設けられた第２管路、
前記熱交換器の二次側出口と前記貯湯タンクの上部入水口の間に設けられた第３管路、
前記熱交換器の二次側入口と前記貯湯タンクの下部出水口の間に設けられた第４管路、
前記熱交換器の一次側入口の水温として第１温度、及び、前記熱交換器の前記二次側出口の水温として第２温度を検出する温度センサの夫々、
前記第３管路又は前記第４管路上に介装された循環ポンプ、及び、
前記第１温度及び前記第２温度の検出値に基づき、前記貯湯タンクの前記下部出水口から、前記第４管路、前記熱交換器の二次側流路、及び前記第３管路を介して前記貯湯タンクの前記上部入水口に至る循環路の循環流量を調整する制御部を備え、
前記制御部は、
前記ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が完了した後の所定期間において、
前記第１温度の検出値が前記第２温度の検出値に対して前記第１設定温度差よりも小さな第２設定温度差以上高温のとき、前記第２温度が前記第１温度の変化に追随せず一定の第１調整温度を維持するように前記循環流量を制御する第１制御を実行し、
前記第１温度の検出値と前記第２温度の検出値の差が前記第１設定温度差よりも小さな第２設定温度差未満のとき、前記第２温度が前記第１温度よりも前記第２設定温度差だけ低温の第２調整温度以上を維持するように前記循環流量を制御する第３制御を実行することを特徴とする給湯システム。

【請求項2】

ヒートポンプ給湯機、
熱交換器、
貯湯タンク、
前記ヒートポンプ給湯機の入口と前記熱交換器の一次側出口の間に設けられた第１管路、
前記ヒートポンプ給湯機の出口と前記熱交換器の一次側入口の間に設けられた第２管路、
前記熱交換器の二次側出口と前記貯湯タンクの上部入水口の間に設けられた第３管路、
前記熱交換器の二次側入口と前記貯湯タンクの下部出水口の間に設けられた第４管路、
前記熱交換器の一次側入口の水温として第１温度、及び、前記熱交換器の前記二次側出口の水温として第２温度を検出する温度センサの夫々、
前記第３管路又は前記第４管路上に介装された循環ポンプ、
前記第１温度及び前記第２温度の検出値に基づき、前記貯湯タンクの前記下部出水口から、前記第４管路、前記熱交換器の二次側流路、及び前記第３管路を介して前記貯湯タンクの前記上部入水口に至る循環路の循環流量を調整する制御部、及び、
前記熱交換器の前記一次側出口の水温として第３温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、
前記ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が完了した後の所定期間において、
、前記第２温度が前記第１温度の変化に追随せず一定の第１調整温度を維持するように前記循環流量を制御する第１制御を実行し、更に、
前記第３温度の検出値に基づき、前記第３温度の上昇速度が所定速度を超えないように前記循環流量を制御する第４制御を前記第１制御よりも優先させることを特徴とする給湯システム。

【請求項3】

前記熱交換器の前記一次側出口の水温として第３温度を検出する温度センサを更に備え、
前記所定期間において、前記制御部は、
前記第３温度の検出値に基づき、前記第３温度の上昇速度が所定速度を超えないように前記循環流量を制御する第４制御を前記第１及び第３制御よりも優先させることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。

【請求項4】

前記所定期間の経過後、前記制御部は、
前記第１温度と前記第２温度の差が一定の第１設定温度差を維持するように前記循環流量を制御する第２制御を実行することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の給湯システム。

【請求項5】

１つの前記ヒートポンプ給湯機と１つの前記熱交換器からなる組を複数備え、
前記組の夫々の前記熱交換器の前記二次側出口が、共通の前記貯湯タンクの前記上部入水口に接続されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の給湯システム。

【請求項6】

ヒートポンプ給湯機、
熱交換器、
貯湯タンク、
前記ヒートポンプ給湯機の入口と前記熱交換器の一次側出口の間に設けられた第１管路、
前記ヒートポンプ給湯機の出口と前記熱交換器の一次側入口の間に設けられた第２管路、
前記熱交換器の二次側出口と前記貯湯タンクの上部入水口の間に設けられた第３管路、
前記熱交換器の二次側入口と前記貯湯タンクの下部出水口の間に設けられた第４管路、
前記熱交換器の一次側入口の水温として第１温度、及び、前記熱交換器の前記二次側出口の水温として第２温度を検出する温度センサの夫々、及び、
前記第３管路又は前記第４管路上に介装された循環ポンプ、を備えてなる給湯システムの運転制御方法であって、
前記ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が完了した後の所定期間において、
前記第２温度が前記第１温度の変化に追随せず一定の第１調整温度を維持するように、前記貯湯タンクの前記下部出水口から、前記第４管路、前記熱交換器の二次側流路、及び前記第３管路を介して前記貯湯タンクの前記上部入水口に至る循環路の循環流量を調整する第１制御を実行し、更に、
前記熱交換器の前記一次側出口の水温として第３温度を検出する温度センサを用い、前記第３温度の上昇速度が所定速度を超えないように前記循環流量を調整する制御を前記第１制御より優先させることを特徴とする給湯システムの運転制御方法。

【請求項7】

前記所定期間の経過後は、
前記第１温度と前記第２温度の差が一定の所定の第１設定温度差を維持するように、前記循環流量を調整する第２制御を実行することを特徴とする請求項６に記載の給湯システムの運転制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温水を貯湯して給湯負荷に供給する貯湯タンクにヒートポンプ給湯機を接続し、その間に熱交換器を配置した給湯システム、及びその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ヒートポンプ給湯機（以降において、適宜「ＨＰ」と称する）は夜間に貯湯タンクに湯を貯めておき、翌朝使用するのに利用されることが多い。また、ヒートポンプ給湯機を直接貯湯タンクと接続するのではなく、ヒートポンプ給湯機と貯湯タンクの間に熱交換器を介したシステムがある。蓄熱温度を高くした方が貯湯タンクの容量を小さくできるため、熱交換器を使用したシステムであっても、できるだけ高い湯温を維持できる設備と制御が求められる。

【0003】

例えば、ヒートポンプ給湯機と熱交換器を設置したシステムとして、下記の特許文献１に示すものが挙げられる。

【0004】

小規模施設向けの給湯システムの概略構成を模式的に図５に示す。ヒートポンプ給湯機１１、熱交換器１２、及び貯湯タンク１５を１：１：１に設置し、ＨＰ出口温度（熱交換器の一次側流路１３の入口温度）Ｔ３と熱交換器の二次側流路１４の出口温度Ｔ４の差（Ｔ３−Ｔ４）が一定温度を維持するように二次側の循環流量を制御する。これにより、ＨＰ入口温度（熱交換器の一次側流路１３の出口温度）を常に低く保つことができ、高いＣＯＰ（Coefficient of Performance：成績係数）を維持できる。

【0005】

この給湯システムにおいて、ヒートポンプ給湯機１１は、一般的に冬期（着霜期）の場合６０分に１回程度デフロスト運転が行われる。デフロスト運転中は加熱能力が０になり、デフロスト運転完了後定常運転になるまでの約５〜２０分の間は、加熱能力及び出口温度Ｔ３ともに低下する。もっとも、デフロスト運転中にＨＰ内蔵の循環ポンプ１８が停止せずに低速運転するものがあるが、二次側の循環ポンプ１７を停止すれば貯湯タンク内の蓄熱温度（Ｔ１、Ｔ２）は低下しない。しかし、デフロスト運転完了後約５〜２０分の間はＨＰ出口温度Ｔ３の低下に追随して二次側出口温度Ｔ４も低下し、貯湯タンクの蓄熱温度の低下を引き起こす。このため、貯湯タンクの容量は当該蓄熱温度の低下を考慮の上で決定される。

【0006】

これに対し、中・大規模施設向けの給湯システムの概略構成を模式的に図６に示す。図６は、図５のヒートポンプ給湯機１１（１１ａ、１１ｂ）と熱交換器１２（１２ａ、１２ｂ）の組を複数組（ここでは、２組）、夫々、共通の貯湯タンク１５に接続したもので、夫々がＨＰ出口温度Ｔ３と二次側出口温度Ｔ４の差（Ｔ３−Ｔ４）が一定温度を維持するように制御される。デフロスト運転はＨＰの運転状況に応じて個別に行われ、対象となる熱交換器の二次側循環ポンプを停止すれば、タンク蓄熱温度（Ｔ１、Ｔ２）は低下しない。しかし、図５と同様、デフロスト運転完了後の所定期間は二次側出口温度Ｔ４が低下し、貯湯タンクの蓄熱温度の低下を引き起こす。ここで、デフロスト運転の回数はヒートポンプ給湯機の設置台数に関係なく、各ヒートポンプ給湯機に対して同じであるので、蓄熱温度低下の影響はヒートポンプ給湯機の設置台数に比例して増大する。このため、ヒートポンプ給湯機の設置台数増加に伴い、貯湯タンクに低温の湯量が増えることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１０-６５８５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

上述の通り、デフロスト運転完了後の所定期間はＨＰ出口温度Ｔ３が低下しているため、熱交換器の二次側出口温度Ｔ４が低下し、貯湯タンクに低温の湯量が増えることになる。ＨＰ出口温度Ｔ３と二次側出口温度Ｔ４の差が一定温度を維持するように二次側の循環流量を制御する方法では、ＨＰ出口温度Ｔ３の低下に伴って二次側出口温度Ｔ４の低下は避けらない。

【0009】

本発明は、上記問題点を鑑み、ヒートポンプ給湯機と熱交換器を備えた給湯システムにおいて、冬期のデフロスト運転が必要な場合においても、二次側出口温度Ｔ４の低下を最小限に制御することが可能な給湯システム及びその運転制御方法を提供することをその目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するため、本発明に係る給湯システムは、
ヒートポンプ給湯機、
熱交換器、
貯湯タンク、
前記ヒートポンプ給湯機の入口と前記熱交換器の一次側出口の間に設けられた第１管路、
前記ヒートポンプ給湯機の出口と前記熱交換器の一次側入口の間に設けられた第２管路、
前記熱交換器の二次側出口と前記貯湯タンクの上部入水口の間に設けられた第３管路、
前記熱交換器の二次側入口と前記貯湯タンクの下部出水口の間に設けられた第４管路、
前記熱交換器の一次側入口の水温として第１温度、及び、前記熱交換器の前記二次側出口の水温として第２温度を検出する温度センサの夫々、
前記第３管路又は前記第４管路上に介装された循環ポンプ、及び、
前記第１温度及び前記第２温度の検出値に基づき、前記貯湯タンクの前記下部出水口から、前記第４管路、前記熱交換器の二次側流路、及び前記第３管路を介して前記貯湯タンクの前記上部入水口に至る循環路の循環流量を調整する制御部を備え、
前記制御部は、
前記ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が完了した後の所定期間、前記第２温度が前記第１温度の変化に追随せず一定の第１調整温度を維持するように前記循環流量を制御する第１制御を実行することを特徴とする。

【0011】

上記特徴の本発明に係る給湯システムは、更に、
前記所定期間の経過後、前記制御部は、
前記第１温度と前記第２温度の差が一定の第１設定温度差を維持するように前記循環流量を制御する第２制御を実行することが好ましい。

【0012】

上記特徴の本発明に係る給湯システムは、更に、
前記所定期間において、前記制御部は、
前記第１温度の検出値が前記第２温度の検出値に対して前記第１設定温度差よりも小さな第２設定温度差以上高温のとき、前記第１制御を実行し、
前記第１温度の検出値と前記第２温度の検出値の差が前記第１設定温度差よりも小さな第２設定温度差未満のとき、前記第２温度が前記第１温度よりも前記第２設定温度差だけ低温の第２調整温度以上を維持するように前記循環流量を制御する第３制御を実行することが好ましい。

【0013】

上記特徴の本発明に係る給湯システムは、更に、
前記熱交換器の前記一次側出口の水温として第３温度を検出する温度センサを更に備え、
前記所定期間において、前記制御部は、
前記第３温度の検出値に基づき、前記第３温度の上昇速度が所定速度を超えないように前記循環流量を制御する第４制御を前記第１及び第３制御よりも優先させることが好ましい。

【0014】

上記特徴の本発明に係る給湯システムは、更に、
１つの前記ヒートポンプ給湯機と１つの前記熱交換器からなる組を複数備え、
前記組の夫々の前記熱交換器の前記二次側出口が、共通の前記貯湯タンクの前記上部入水口に接続される構成とすることが好ましい。

【0015】

上記目的を達成するため、本発明に係る給湯システムの運転制御方法は、
ヒートポンプ給湯機、
熱交換器、
貯湯タンク、
前記ヒートポンプ給湯機の入口と前記熱交換器の一次側出口の間に設けられた第１管路、
前記ヒートポンプ給湯機の出口と前記熱交換器の一次側入口の間に設けられた第２管路、
前記熱交換器の二次側出口と前記貯湯タンクの上部入水口の間に設けられた第３管路、
前記熱交換器の二次側入口と前記貯湯タンクの下部出水口の間に設けられた第４管路、
前記熱交換器の一次側入口の水温として第１温度、及び、前記熱交換器の前記二次側出口の水温として第２温度を検出する温度センサの夫々、及び、
前記第３管路又は前記第４管路上に介装された循環ポンプ、を備えてなる給湯システムの運転制御方法であって、
前記ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が完了した後の所定期間において、
前記第２温度が前記第１温度の変化に追随せず一定の第１調整温度を維持するように、前記貯湯タンクの前記下部出水口から、前記第４管路、前記熱交換器の二次側流路、及び前記第３管路を介して前記貯湯タンクの前記上部入水口に至る循環路の循環流量を調整する第１制御を実行することを特徴とする。

【0016】

上記特徴の本発明に係る給湯システムの運転制御方法は、更に、
前記所定期間の経過後は、
前記第１温度と前記第２温度の差が一定の所定の第１設定温度差を維持するように、前記循環流量を調整する第２制御を実行することが好ましい。

【0017】

上記特徴の本発明に係る給湯システムの運転制御方法は、更に、
前記熱交換器の前記一次側出口の水温として第３温度を検出する温度センサを用い、
前記所定期間において、前記第３温度の上昇速度が所定速度を超えないように前記循環流量を調整する制御を前記第１制御より優先させることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

上記特徴の給湯システム又はその運転制御方法によれば、ヒートポンプ給湯機がデフロスト運転完了後から定常運転に移行する所定期間の間は、熱交換器の二次側出口の水温（第２温度：Ｔ４）が、熱交換器の一次側入口の水温（第１温度：Ｔ３）の変化に追随せず一定の温度を維持するように、二次側流路の循環流量を制御する。これによって、冬期のデフロスト運転が必要な場合においても、デフロスト運転後の一次側入口温度Ｔ３の低下に伴う二次側出口温度Ｔ４の低下を最小限に制御し、貯湯タンクの蓄熱温度の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る給湯システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図

【図2】本発明に係る給湯システムの一実施形態における運転制御方法を示すフローチャート

【図3】本発明に係る給湯システムの一実施形態における運転制御方法を示すフローチャート

【図4】本発明に係る給湯システムの一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図

【図5】従来の給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図

【図6】従来の給湯システムの概略構成の一例を簡略的に示すシステム構成図

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、本発明に係る給湯システム、及び、その運転制御方法（以下、適宜「本発明方法」と称す）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。本実施形態では、図５に示す従来構成の給湯システムと同じ構成要素及び同じ部位には、本発明の理解の容易のために同じ符号を付して説明する。

【0021】

図１は、本発明に係る給湯システム１の一実施形態における概略構成を模式的に示すシステム構成図である。図中において、湯水の流れる配管を簡単のため実線で示し、給湯システムの制御のための制御信号線を点線で示している。図１に示すように、給湯システム１は、ヒートポンプ給湯機１１、熱交換器１２、貯湯タンク１５、及び、制御部２０を備える。

【0022】

ヒートポンプ給湯機１１は、ヒートポンプ回路の冷媒として例えばＣＯ_２を採用したＣＯ_２ヒートポンプで構成され、熱交換器１２の一次側出口から管路（第１管路）３１を介してヒートポンプ給湯機１１の入水口に供給される低温水をヒートポンプ回路の凝縮器からの放熱と熱交換して加熱し、ヒートポンプ給湯機１１の出水口において温水を供給する。この温水は、管路（第２管路）３２を通って熱交換器１２の一次側入口に提供される。

【0023】

熱交換器１２は、一次側流路１３と二次側流路１４を備え、前述の通り、ヒートポンプ給湯機１１で加熱された温水が、管路３２を通って一次側流路１３の入口（一次側入口）に供給される。一方、二次側流路１４の出口（二次側出口）は、電動弁１６を介し、管路（第３管路）３３を通って貯湯タンクの上部入水口２１と接続され、貯湯タンクの下部出水口２４が、管路（第４管路）３４を通り、管路３４上に介装された循環ポンプ１７を介して二次側流路１４の入口（二次側入口）と接続される。これにより、二次側流路１４に供給される冷水は、一次側流路１３に供給される温水との熱交換によって加熱され、熱交換により加熱された温水が貯湯タンク１５の上部入水口２１に供給される。

【0024】

貯湯タンク１５は、熱交換器１２の二次側出口より供給された温水を貯え、給湯負荷が生じた場合に、その上部に設けられた出水口２２から温水を提供する。貯湯タンク１５の壁部には、貯湯タンク１５内に水が流入する入水口、及び、貯湯タンク１５内から水が流出する出水口が、夫々設けられている。具体的には、入水口２１と出水口２２が上部に、入水口２３と出水口２４が下部に、夫々設けられている。ヒートポンプ給湯機１１が稼働中であるとき、下部出水口２４からの冷水は、循環ポンプ１７によって熱交換器１２の二次側入口に供給され、一次側流路１３との熱交換により加熱されて上部入水口２１に供給される。

【0025】

これにより、給湯システム１内に、ヒートポンプ給湯機１１、管路３２、熱交換器１２の一次側流路１３、及び、管路３１からなる一次側循環路と、貯湯タンク１５、管路３４、熱交換器１２の二次側流路１４、及び、管路３３からなる二次側循環路が形成され、これら２つの循環路中の水は混合されることがない構成である。

【0026】

さらに、貯湯タンク１５には、貯湯タンク１５内の上下方向の所定の位置における水温を検知する温度センサ３５、３６が設けられている。

【0027】

水は、温度が高くなるにつれ上方に移動する性質、所謂対流性を有する。貯湯タンク１５は、下部に設けられた入水口２３から低温水が供給され、上部に設けられた入水口２１からは高温水が供給されるため、貯湯タンク１５に貯湯される温水は、上方ほど高温となる水温分布を示すこととなる。

【0028】

また、管路３２上の熱交換器１２の一次側入口側に、一次側流路１３に流入する水の水温を検知する温度センサ３７、管路３３上の熱交換器１２の二次側出口側に、二次側流路１４から流出する水の水温を検知する温度センサ３８、管路３１上の熱交換器１２の一次側出口側に、一次側流路１３から流出する水の水温を検知する温度センサ３９が、夫々、設けられている。

【0029】

制御部２０は、温度センサ３５〜３９の検出温度に基づいて、給湯システム１の運転を制御する。特に、制御部２０は、温度センサ３７〜３９の検出温度に基づいて、電動弁１６又は循環ポンプ１７を制御し、デフロスト運転時及びデフロスト運転後の所定期間において、貯湯タンク１１の上部入水口２１に低温水が供給されるのを抑制する。なお、このときの電動弁１６又は循環ポンプ１７の制御方法については、後述する。

【0030】

また、制御部２０は、ヒートポンプ給湯機１１の稼働及び停止を制御する。一方で、本実施形態では、ヒートポンプ給湯機１１は、一旦ヒートポンプ給湯機が稼働すると、制御部２０からの制御から独立して、基本的に設定された出水温（ここでは、７０℃）となるように自動的に出水温度制御がされるように構成されている。ここで、ヒートポンプ給湯機１１の出水温度制御は、内蔵の循環ポンプ１８による流量制御及び圧縮機の出力調整により行われる。

【0031】

なお、上記管路３１〜３４上には、夫々、開閉弁（２方弁）、逆止弁、減圧弁、定流量弁、安全弁、自動空気抜き弁等、適宜必要なものが介装されるものとし、図示を省略する。

【0032】

以下に、給湯システム１の運転制御について、詳細に説明する。

【0033】

先ず、通常運転時の動作を説明する。本実施形態において、給湯システム１の運転制御は、温度センサ３５〜３９の検出温度に基づいて行われる。ここで、温度センサ３５〜３９の検出温度を夫々Ｔ１〜Ｔ５とする。温度センサ３５〜３９の検出温度に基づきほぼリアルタイムで運転制御が実行される。

【0034】

〈通常運転時の動作〉
給湯負荷が発生すると、下部入水口２３を介して冷水が貯湯タンク１５に補給される。この結果、貯湯タンク内の湯の温度は低下し、温度センサ３５、３６の検出温度が低下する。このうち、貯湯タンク１５の上側に設けられた温度センサ３５の検出温度Ｔ１が所定温度（例えば、３５℃）未満に低下すると、ヒートポンプ給湯機１１を稼働させ、循環ポンプ１７を稼働させて、熱交換器１２を介して熱交換された加熱されたお湯（ここでは、６０℃）を上部入水口２１から補給する。これにより、貯湯タンク内の湯温が上昇し、貯湯タンク１５の下側に設けられた温度センサ３６の検出温度Ｔ２が所定温度（例えば、５０℃）以上になるまで、ヒートポンプ給湯機１１及び循環ポンプを稼働させる。これにより、貯湯タンクは上部から温度センサ３６の位置まで、ほぼ設定温度（ここでは、６０℃）の湯で満たされる。このときの貯湯タンクに補給される湯の温度である、熱交換器１２の二次側出口の水温を、第１調整温度と呼ぶことにする。

【0035】

このとき、制御部２０は、温度センサ３７が検出する熱交換器１２の一次側入口の検出温度Ｔ３と、温度センサ３８が検出する熱交換器１２の二次側出口の検出温度Ｔ４との差Ｔ３−Ｔ４が一定の所定の第１設定温度差ΔＴ１（例えば、１０℃程度）を維持するように、電動弁１６の開度を制御し、熱交換器の二次側流路に流れ込む流量を制御する。

【0036】

ここで、一次側流路１３に流れる温水の単位時間当たりの流量をｆ１、二次側流路１４に流れる温水の単位時間当たりの流量をｆ２とする。また、図１に示されていないが、熱交換器１２の二次側入口側の管路３４上における水温をＴ６とする。熱交換器１２の一次側流路１３にて放出される単位時間当たりの熱量と、二次側流路１４にて吸収される単位時間当たりの熱量Ｑが等しいことから、下記の数１が近似的に成立する。ここで、Ｃは流体の比熱とする。

【0037】

［数１］
Ｑ＝Ｃ（Ｔ３−Ｔ５）ｆ１＝Ｃ（Ｔ４−Ｔ６）ｆ２

【0038】

数１より、Ｔ３、Ｔ５、及びｆ１が変化しないとすれば、ｆ２を減らすことで、Ｔ４が上昇し、ｆ２を増やすことで、Ｔ４が低下する。したがって、例えば、検出温度Ｔ４がＴ３−ΔＴ１よりも低いときは電動弁１６を絞り、Ｔ３−Ｔ４がΔＴ１に一致するまで段階的に流量ｆ２を減らす制御を行い、検出温度Ｔ４がＴ３−ΔＴ１よりも高いときは電動弁１６を開き、Ｔ３−Ｔ４がΔＴ１に一致するまで段階的にｆ２を増やす制御を行うことで、Ｔ３−Ｔ４を一定の温度差ΔＴ１に維持制御できる。

【0039】

一方、熱交換器において交換される熱量Ｑは、一般に、総括伝熱係数をＫ、伝熱面積をＡとして、下記の数２で表すことができる。ここで、ΔＴ_ＬＭＴＤは対数平均温度差と呼ばれる。

【0040】

［数２］
Ｑ＝Ｋ・Ａ・ΔＴ_ＬＭＴＤ
ΔＴ_ＬＭＴＤ＝（ΔＴ_Ａ−ΔＴ_Ｂ）／ｌｎ（ΔＴ_Ａ／ΔＴ_Ｂ）
ΔＴ_Ａ＝Ｔ３−Ｔ４、 ΔＴ_Ｂ＝Ｔ５−Ｔ６

【0041】

総括伝熱係数Ｋは、熱交換器の形状、流体物性及び流量により決定される比例係数であるが、本発明の場合は、流量が大きく変化しない限り一定であると考えてよい。Ｔ３、Ｔ６は既知として、上記数１、数２からＴ４、Ｔ５を算出できる。

【0042】

〈デフロスト運転時の動作〉
冬期（着霜期）では、約６０分に一度、５分間程度デフロスト運転が行われる。なお、デフロスト運転の頻度、時間は外気温や湿度により異なる。この期間中ヒートポンプ給湯機１１の加熱能力は０になる。このとき、ヒートポンプ給湯機１１内蔵の循環ポンプ１８は停止又は低流量で運転している。制御部２０は、循環ポンプ１７を停止させる。これにより熱交換器の二次側出口の流量は０になり、貯湯タンクの蓄熱温度は低下しない。

【0043】

〈デフロスト運転後の動作〉
デフロスト運転完了後は、熱交換器１２の一次側入口の温度Ｔ３が低下（例えば、７０℃→５５℃まで）している。このため、制御部２０は、定常運転になるまでの所定期間（例えば、２０分）は、二次側出口との温度差Ｔ３−Ｔ４に拘らず、二次側出口温度Ｔ４の維持を優先させる制御を行う。

【0044】

数１より、検出温度Ｔ４が目標温度ＴＡ（ここでは、６０℃）より低いときは電動弁１６を絞って、段階的に流量ｆ２を減らす制御を行い、検出温度Ｔ４が当該目標温度ＴＡよりも高いときは電動弁１６を開いて、高いときは段階的にｆ２を増やす制御を行うことで、Ｔ４を所定の目標温度に向かって制御できる。或いは、管路３１又は３２上に別途設けられた流量計又はヒートポンプ給湯機１１から流量ｆ１を取得し、管路３６上にＴ６を検出する温度センサを別に設けることで、数１から直接、Ｔ４を目標温度に設定するために最適な流量ｆ２を設定できる。
なお、検出温度Ｔ３が目標温度ＴＡよりも低下している場合は、後述するように、目標温度ＴＡをＴ３より所定の温度差ΔＴ２だけ低い温度に設定し、流量ｆ２の制御を行うことができる。

【0045】

しかしながら、一次側入口温度Ｔ３が低下しているにも拘らず二次側出口温度Ｔ４を一定に維持することで、温度差Ｔ３−Ｔ４（＝ΔＴ_Ａ）は減少することになる。交換熱量Ｑは変化しないとした場合、対数平均温度差ΔＴ_ＬＭＴＤが同じとなるように、温度差Ｔ５−Ｔ６（＝ΔＴ_Ｂ）が増加する。したがって、Ｔ６は変化しないとして、Ｔ５が上昇する。

【0046】

この結果、温度差Ｔ３−Ｔ４に追随せずＴ４を一定に制御する本発明の運転制御方法では、温度差Ｔ３−Ｔ４を一定に制御する方法よりも一次側出口温度Ｔ５が上昇し、Ｔ３−Ｔ５の温度差が小さくなる。この結果、ヒートポンプ給湯機１１の成績係数（ＣＯＰ）は、通常運転時と比べて低下する。

【0047】

また、上述の通り、ヒートポンプ給湯機１１はＨＰ出口温度（熱交換器１２の一次側入口温度Ｔ３に略等しい）が一定になるように制御しようとし、ＨＰ入口温度（熱交換器１２の一次側出口温度Ｔ５に略等しい）の変化に伴い、自動で流量ｆ１の調整及び圧縮機の出力調整が行われる。しかし、Ｔ５の上昇速度が速いと、圧縮機の出力はそれに合わせて急激に変化することになり、圧縮機の負担が大きく寿命に影響する。従って、一次側出口温度Ｔ５の上昇速度は、ヒートポンプ給湯機の能力に応じて一定速度以下（例えば、１℃／分以内）に抑えることが好ましい。

【0048】

そこで、ヒートポンプ給湯機１１を保護するため、Ｔ４の維持よりもＴ５の上昇速度を抑えることを優先させることとし、Ｔ５の上昇速度が基準値を超えるとｆ２を増加させるようにして、上昇速度を一定以下に抑えるように制御するのが好ましい。

【0049】

さらに、Ｔ４を一定温度に維持する場合における温度差Ｔ３−Ｔ４は、通常運転時の温度差ΔＴ１より小さな第２設定温度差ΔＴ２以上が維持されるように、一定温度に維持すべき温度ＴＡを設定するとよい。好ましくは、ΔＴ２はΔＴ１の５０％程度以上であり、例えばΔＴ１＝１０℃であれば、Ｔ３−Ｔ４が５℃以上の温度差を維持するようにＴＡを設定するとよい。したがって、Ｔ３が通常運転時の二次側出口温度（第１調整温度）よりもΔＴ２以上高い場合、ＴＡは当該第１調整温度に設定されるが、Ｔ３と第１調整温度との温度差がΔＴ２未満になるまでＴ３が低下した場合、当該第１調整温度より低温のＴ３−ΔＴ２（第２調整温度）にＴＡは再設定される。換言すると、第１調整温度と第２調整温度のうち低い方にＴ４を一定温度に維持すべき目標温度ＴＡを設定するとよい。

【0050】

この結果、デフロスト運転後にヒートポンプ給湯機１１の出口温度Ｔ３が通常運転時よりΔＴ１−ΔＴ２以上低下した場合や、Ｔ５の上昇速度が速い場合には、Ｔ４が第１調整温度より低下し、貯湯タンクに通常運転時より低温の湯が流入することがある。しかしながら、Ｔ３−Ｔ４に基づく制御ではなく、二次側出口温度Ｔ４に基づく制御を行うことにより、湯温の低下は最低限に抑制される。これにより、ヒートポンプ給湯機１１を安定運転させながら、二次側出口温度Ｔ４の低下を抑えることが可能になる。

【0051】

図２及び図３に、給湯システム１の運転制御方法を示すフローチャートを示す。

【0052】

図２のステップＳ１０１において、制御部２０は、温度センサ３５の検出温度を参照し、Ｔ１が所定温度（ここでば、３５℃）未満に低下しているか否かを判定する。Ｔ１が所定温度未満の場合（ステップＳ１０１でＹＥＳ分岐）、ステップＳ１０２に進む。

【0053】

ステップＳ１０２において、ヒートポンプ給湯機１１を稼働させ、ステップＳ１０３において、二次側の循環ポンプ１７の運転を開始する。

【0054】

ステップＳ１０４では、ヒートポンプ給湯機１１が、デフロスト運転完了から所定期間（ここでは、２０分）経過しているか否かを判定する。デフロスト運転完了後の経過時間が所定期間以内の場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ分枝）、図３のステップＳ１０９に進む。一方、デフロスト運転完了から既に所定期間が経過している場合（ステップＳ１０４でＮＯ分岐）は、ステップＳ１０５に進む。

【0055】

ステップＳ１０５では、通常運転時の制御動作として、制御部２０が、温度センサ３７の検出温度Ｔ３と温度センサ３８の検出温度Ｔ４との差Ｔ３−Ｔ４が一定の所定の温度差ΔＴ１（例えば、１０℃）を維持するように、二次側流路１４に流れ込む流量ｆ２を調整する制御を行う。

【0056】

ステップＳ１０５の後、ステップＳ１０６において、制御部２０は、温度センサ３６の検出温度を参照し、Ｔ２が所定温度（ここでば、５０℃）を超えたか否かを判定する。Ｔ２が所定温度を超えた場合（ステップＳ１０６でＹＥＳ分岐）、ステップＳ１０７に進む。一方、Ｔ２が所定温度以下の場合（ステップＳ１０６でＮＯ分岐）、ステップＳ１０４に戻る。

【0057】

ステップＳ１０７において、ヒートポンプ給湯機１１の運転を停止し、ステップＳ１０８において、二次側の循環ポンプ１７を停止し、ステップＳ１０１に戻る。

【0058】

一方、デフロスト運転完了後の経過時間が所定期間以内の場合（ステップＳ１０４でＹＥＳ分枝）には、図３のステップＳ１０９において、制御部２０が、温度センサ３８の検出温度Ｔ４が一定の設定温度ＴＡを維持するように、二次側流路１４に流れ込む流量を調整する制御を行う。ここでの設定温度ＴＡは、基本的に、通常運転時（ステップＳ１０５）における二次出口温度（第１調整温度。ここでは、６０℃）と同じとするが、前述の通り、Ｔ３−Ｔ４の温度差が前述の第２設定温度差ΔＴ２以上を維持するよう、Ｔ３と第１調整温度との温度差がΔＴ２未満の場合は第１調整温度よりも低い第２調整温度に設定されることがある。

【0059】

ステップＳ１０９の後、ステップＳ１１０において、制御部２０は、ヒートポンプ給湯機１１の入口側温度Ｔ５の変化速度を検出し、Ｔ５の上昇速度が基準値を超えていないかを判定する。Ｔ５の上昇速度が基準値を超えている場合（ステップＳ１１０でＹＥＳ分枝）、ステップＳ１１１に進み、二次側流路１４に流れ込む流量ｆ２を増大させる制御を行い、その後、図２のステップＳ１０６に進む。一方、Ｔ５が上昇していない場合、或いはＴ５の上昇速度が基準値以下である場合（ステップＳ１１０でＮＯ分枝）は、ステップＳ１１１を実行することなく、図２のステップＳ１０６へ進む。

【0060】

図４に本発明の給湯システムの他の構成例を示す。図４に示す給湯システム２では、ヒートポンプ給湯機１１ａと熱交換器１２ａの組、及びヒートポンプ給湯機１１ｂと熱交換器１２ｂの組を複数組（ここでは、２組）備え、各組の二次側流路１４ａ、１４ｂが、夫々、管路４０、４１によって共通の貯湯タンク１５に接続されている。制御部２０は、温度センサ３７ａ〜３９ａの検出温度に基づいて管路３３ａ上に介装された電磁弁１６ａの開度を制御し、二次側流路１４ａの流量を調整し、温度センサ３７ｂ〜３９ｂの検出温度に基づいて管路３３ｂ上に介装された電磁弁１６ｂの開度を制御し、二次側流路１４ｂの流量を調整する。図２及び図３に示すフローに従って運転が制御される場合、夫々のヒートポンプ給湯機は、温度センサ３１の検出温度Ｔ１が所定温度より低下することで（デフロスト運転中の場合は、当該デフロスト運転の完了を待って）運転を開始し、温度センサ３２の検出温度Ｔ２がより高温の別の設定温度より上昇すると、全てのヒートポンプ給湯機の運転を停止する。しかしながら、夫々のヒートポンプ給湯機でデフロスト運転が行われる期間が一致しなくてもよいように、流量調整の制御は、Ｔ３−Ｔ４を維持する制御と、Ｔ４を一定に維持する制御の何れかが、夫々のヒートポンプ給湯機のデフロスト運転完了のタイミングに応じて、夫々の組で独立して行われることになる。

【0061】

図４のようなヒートポンプ給湯機を複数備える構成の場合、夫々のデフロスト運転のタイミングがずれ、少なくとも何れかの組において二次側出口温度Ｔ４が低下する虞のある期間が増加するが、上述した給湯システムの運転制御を行うことで、貯湯タンクに低温の湯が供給されるのを抑制し、貯湯タンクの蓄熱温度の低下を抑制することができる。

【0062】

以上、本発明の給湯システム１及び２では、ヒートポンプ給湯機１１がデフロスト運転完了後から定常運転に移行する所定期間の間、熱交換器１２の二次側出口温度Ｔ４が、一次側入口温度Ｔ３の変化に追随せず一定の温度を維持するように、二次側流路１４の循環流量を制御することによって、デフロスト運転後の一次側入口温度Ｔ３の低下に伴う二次側出口温度Ｔ４の低下を最小限に制御し、貯湯タンクの蓄熱温度の低下を抑制できる。また、一次側入口温度Ｔ３が低下しても短時間で設定温度に戻すことができるので、蓄熱温度を高くでき、小さな貯湯タンク容量に対して蓄熱量の大きなシステムを実現可能となる。

【0063】

また、一次側出口温度（ＨＰ入口温度）Ｔ５の上昇速度を基準値以下に制御できるので、ヒートポンプ給湯機の冷媒圧力の急変や出湯温度の急変がない安定した運転が可能となる。

【0064】

〈別実施形態〉
以下に、別実施形態について説明する。

【0065】

〈１〉本発明の給湯システムの運転制御は、貯湯タンクより二次側に燃焼式温水器が設けられたハイブリッド給湯システムの運転制御にも適用可能である。当該ハイブリッド給湯システムの場合、貯湯タンクの蓄熱温度よりもヒートポンプ給湯機のＣＯＰを優先した制御を求められることがあるが、本制御方法はヒートポンプ給湯機の入口温度Ｔ５及びその上昇速度の基準値を自由に調整可能なため、ＣＯＰを優先した制御に切り替えも可能である。

【0066】

つまり、図３のステップＳ１１０において、一次側出口温度（ＨＰ入口温度）Ｔ５の上昇速度の基準値を低く設定することで、Ｔ５の上昇を抑制し、Ｔ３−Ｔ５の低下を抑制して、ヒートポンプ給湯機を効率優先で稼働させることができる。一方、入口温度Ｔ５の上昇速度の基準値を低く設定することで、Ｔ４を設定温度に維持できず、貯湯タンクの蓄熱温度が低下する可能性が高くなるが、燃焼式温水器を介して温水を再加熱することにより、低温の温水が給湯負荷に供給されることは防止される。本発明の給湯システムの運転制御を適用することで、ハイブリッド給湯システムは、ヒートポンプ給湯機のデフロスト運転が必要な冬期においてもヒートポンプ給湯機を高効率で稼働させつつ、且つ、燃焼式温水器による湯の再加熱に必要な燃料消費を最適化して、システム全体としてより省エネルギーが可能である。

【0067】

〈２〉上記実施形態では、熱交換器１２（１２ａ、１２ｂ）の二次側流路１４（１４ａ、１４ｂ）の流量制御を電動弁１６（１６ａ、１６ｂ）の開度の比例制御により行うとしたが、循環ポンプ１７（１７ａ、１７ｂ）に供給される交流電力のインバータ制御により吐出量を調整するものとしてもよい。また、電動弁１６と循環ポンプ１７の両方の制御により行ってもよい。

【0068】

〈３〉上記実施形態において、循環ポンプ１７は熱交換器１２の二次側流路１４より上流の管路３４上に、電動弁１６は二次側流路１４より下流の管路３３上に介装されているが、夫々、循環ポンプ１７を管路３３上に、電動弁１６を管路３４上に介装することもできる。

【0069】

〈４〉また、熱交換器１２については、図１に示す対向流型のもののほか、並行流型のものを使用してもよい。

【0070】

〈５〉また、上記実施形態において、ヒートポンプ給湯機１１の稼働、停止制御については、温度センサ３５の検出温度Ｔ１に基づいてヒートポンプ給湯機が稼働し、温度センサ３６の検出温度Ｔ２に基づいてヒートポンプ給湯機が停止する制御を行う構成となっているが、本発明はこれに限られるものではなく、稼働、停止夫々において、他の制御条件を設定してもよい。

【0071】

一方、上記実施形態の運転制御方法を用いる場合、温度センサ３５、３６については、夫々、貯湯タンク１５内の湯温Ｔ１が所定温度（例えば、３５℃）未満か否か、或いはＴ２が所定温度（例えば、５０℃）を超えているか否かを判断するために用いられるものであるので、実際の温度を検出する必要はなく、例えばサーモスタットのような、所定温度を境にオンオフが切り替わるスイッチで代用することができる。

【0072】

〈６〉更に、上記実施形態では、貯湯タンク１１として一槽式のものを想定したが、複数の貯湯タンクを直列に接続した多槽式であっても良い。この場合、貯湯タンクの水温分布は、各タンク内で上下方向に形成されるだけでなく、各タンクの配列順にも形成されるため、温度センサ３５は、配列順で中間に存在するタンクに設け、温度センサ３６は、最も管路３４に近いタンクに設けることができる。

【0073】

〈７〉また、上記実施形態において、給湯システムの運転制御で説明した温度設定は一例であり、本発明はこれに限られるものではない。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明に係る給湯システム及びその運転制御方法は、ヒートポンプ給湯機で加熱した温水を給湯負荷に供給する給湯システムであって、ヒートポンプ給湯機と温水を貯湯する貯湯タンクの間に熱交換器を配した給湯システムの運転制御に利用可能である。

【符号の説明】

【0075】

１、２： 本発明に係る給湯システム
１１（１１ａ、１１ｂ）： ヒートポンプ給湯機
１２（１２ａ、１２ｂ）： 熱交換器
１３（１３ａ、１３ｂ）： 一次側流路
１４（１４ａ、１４ｂ）： 二次側流路
１５： 貯湯タンク
２１： 上部入水口
２２： 上部出水口
２３： 下部入水口
２４： 下部出水口
１６（１６ａ、１６ｂ）： 電動弁
１７（１７ａ、１７ｂ）： 循環ポンプ
１８： ヒートポンプ給湯機内蔵の循環ポンプ
２０： 制御部
３１〜３４、３１ａ、１３ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、４０、４１： 管路
３５〜３９、３７ａ、３７ｂ、３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３９ｂ： 温度センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】