特許 7620826 ヒートポンプ給湯システム

(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】

(24)【登録日】2025-01-16

(45)【発行日】2025-01-24

(54)【発明の名称】ヒートポンプ給湯システム

(51)【国際特許分類】

   F24H 15/375 20220101AFI20250117BHJP

   F24H 4/02 20220101ALI20250117BHJP

   F24H 15/156 20220101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

F24H15/375

F24H4/02 C

F24H15/156

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020193303

(22)【出願日】2020-11-20

(65)【公開番号】P2022082016

(43)【公開日】2022-06-01

【審査請求日】2023-10-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000004709

【氏名又は名称】株式会社ノーリツ

(74)【代理人】

【識別番号】100089004

【弁理士】

【氏名又は名称】岡村 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】丸山 和久

(72)【発明者】

【氏名】岩橋 由典

【審査官】小川 悟史

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２１９８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１８９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１６１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００３８１２２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０９９２１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７２９１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２４Ｈ １５／３７５

Ｆ２４Ｈ ４／０２

Ｆ２４Ｈ １５／１５６

Ｆ２４Ｈ １／１８

Ｈ０２Ｊ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒートポンプ式熱源機と、貯湯槽と、太陽光発電装置及び商用電源から供給される電力を使用して前記ヒートポンプ式熱源機で加熱した湯水を前記貯湯槽に貯湯する貯湯運転を制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、
前記貯湯運転の消費電力を節約する節約モードを有し、
前記太陽光発電装置による余剰電力の発生が予測される余剰電力時間帯が予め設定され、
前記制御手段は、必要熱量を前記節約モードで貯湯する場合に、前記余剰電力時間帯に基づいて、前記余剰電力時間帯内に前記貯湯運転が完了するように最大貯湯運転時間を設定し、
前記最大貯湯運転時間内に必要熱量の貯湯が完了するように設定可能な前記ヒートポンプ式熱源機の出力のうち、消費電力が最も小さくなる最低出力を前記ヒートポンプ式熱源機の出力として設定して前記貯湯運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯システム。

【請求項2】

前記余剰電力時間帯内に前記貯湯運転が完了する貯湯温度のうち、前記消費電力が最も小さい貯湯温度を設定して前記貯湯運転を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートポンプ式熱源機と貯湯槽を備えたヒートポンプ給湯システムに関し、特に太陽光発電装置と商用電源から供給される電力を使用してヒートポンプ式熱源機で加熱した湯水を貯湯槽に貯湯する貯湯運転を行うヒートポンプ給湯システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ヒートポンプ式熱源機を使用して加熱した湯水を貯湯槽に貯湯する貯湯運転を行い、貯湯槽に貯湯された湯水を給湯に使用するヒートポンプ給湯システムが広く利用されている。ヒートポンプ給湯システムは、過去の給湯使用履歴に基づいて、例えば将来の給湯使用時刻と給湯使用量を予測して給湯使用量に相当する必要熱量を算出し、予測した給湯使用時刻までに必要熱量を貯湯する。

【0003】

ヒートポンプ式熱源機は、外気の熱を利用して湯水を加熱する際に電力を消費する。電力は一般的に商用電源から供給されるが、太陽光発電装置が設置されている場合には、この太陽光発電装置によって発電した電力を自家消費し、不足分が商用電源から供給される。一方、自家消費されない余剰電力は、売電される、又は蓄電装置に蓄電される。例えば特許文献１には、太陽光発電の余剰電力を予測して、十分な余剰電力がある場合に貯湯運転を行う技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第６６３０６３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のように、太陽光発電装置の余剰電力を貯湯運転に使用して商用電源からの電力供給を低減することができれば、ヒートポンプ給湯システムのエネルギーコストを低減することができる。

【0006】

しかし、余剰電力を検知する手段を備えていないヒートポンプ給湯システムは、余剰電力に応じて貯湯運転を制御することができないので、貯湯運転の消費電力が余剰電力を超過する場合があった。また、余剰電力を検知する手段を装備した場合には、ヒートポンプ給湯システムの製造コストが上昇するので好ましくない。

【0007】

本発明の目的は、余剰電力を検知する手段がなくても商用電源の電力使用を低減して貯湯運転を行うことができるヒートポンプ給湯システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

請求項１の発明のヒートポンプ給湯システムは、ヒートポンプ式熱源機と、貯湯槽と、太陽光発電装置及び商用電源から供給される電力を使用して前記ヒートポンプ式熱源機で加熱した湯水を前記貯湯槽に貯湯する貯湯運転を制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、前記貯湯運転の消費電力を節約する節約モードを有し、前記太陽光発電装置による余剰電力の発生が予測される余剰電力時間帯が予め設定され、前記制御手段は、必要熱量を前記節約モードで貯湯する場合に、前記余剰電力時間帯に基づいて、前記余剰電力時間帯内に前記貯湯運転が完了するように最大貯湯運転時間を設定し、前記最大貯湯運転時間内に必要熱量の貯湯が完了するように設定可能な前記ヒートポンプ式熱源機の出力のうち、消費電力が最も小さくなる最低出力を前記ヒートポンプ式熱源機の出力として設定して前記貯湯運転を行うことを特徴としている。

【0009】

上記構成によれば、節約モードの貯湯運転では、余剰電力の発生が予測される余剰電力時間帯内に貯湯運転を完了できるように最大貯湯運転時間を設定し、最大貯湯運転時間内で必要熱量の貯湯を完了できるように設定可能なヒートポンプ式熱源機の出力のうち、消費電力が最も小さくなる最低出力を設定して貯湯する。従って、余剰電力を使用して貯湯運転を行って、余剰電力時間帯内で必要熱量の貯湯を完了することができる。そして、貯湯運転の消費電力を小さくしているので余剰電力を超過する場合が少なくなり、商用電源からの電力供給を低減することができるので、エネルギーコストを低減することができる。また、余剰電力を検知する手段が不要なので、ヒートポンプ給湯システムの製造コストの上昇を抑制することができる。

【0010】

請求項２の発明のヒートポンプ給湯システムは、請求項１の発明において、前記余剰電力時間帯内に前記貯湯運転が完了する貯湯温度のうち、前記消費電力が最も小さい貯湯温度を設定して前記貯湯運転を行うことを特徴としている。
上記構成によれば、必要熱量の貯湯を完了することができると共に、貯湯運転の消費電力を一層低減して商用電源からの電力供給を低減することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明のヒートポンプ給湯システムによれば、余剰電力を検知する手段がなくても商用電源の電力使用を低減して貯湯運転を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯システムの周辺構成の説明図である。

【図2】実施例に係るヒートポンプ給湯システムの説明図である。

【図3】実施例に係る主熱源機の説明図である。

【図4】実施例に係る節約モードにおける貯湯運転制御のフローチャートである。

【図5】実施例に係る節約モードにおける貯湯運転の消費電力テーブルである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

【実施例】

【0014】

最初に、ヒートポンプ給湯システム１の周辺構成について、図１に基づいて説明する。
ヒートポンプ給湯システム１は、主熱源機１０としてヒートポンプ式熱源機と、貯湯ユニット２０と、補助熱源機４０を有する。このヒートポンプ給湯システム１は、電力線１ａを介して分電盤２に接続されている。分電盤２は、商用電源に接続された商用電源線３から供給される電力と、太陽光発電装置４から供給される発電電力を、ヒートポンプ給湯システム１と図示外の電力を使用する機器に分配する。

【0015】

太陽光発電装置４は、ソーラーパネル５が太陽光を受けて発電した直流電力をまとめるための接続箱６と、接続箱６でまとめられた直流電力を交流電力（発電電力）に変換するために接続されたパワーコンディショナ７を有する。太陽光発電装置４から供給される発電電力は自家消費されると共に、自家消費されない余剰電力が分電盤２から商用電源に接続された商用電源線３を介して売電される。余剰電力は図示外の蓄電装置に蓄電されてもよい。

【0016】

ヒートポンプ給湯システム１は、分電盤２から供給される発電電力及び商用電力を夫々単独で使用して、又はこれらを併用して駆動される。ヒートポンプ給湯システム１に供給される電力は、電力線１ａを介して貯湯ユニット２０に供給され、貯湯ユニット２０から電源線１０ａ，４０ａを介して主熱源機１０、補助熱源機４０に供給される。尚、補助熱源機４０は分電盤２から電力が直接供給される場合もある。

【0017】

ヒートポンプ給湯システム１について、図２に基づいて説明する。
ヒートポンプ給湯システム１は、主熱源機１０で加熱した湯水を貯湯ユニット２０の貯湯槽２１に貯湯する貯湯運転を行うように構成されている。貯湯槽２１に貯湯された湯水は、補助熱源機４０を介して例えば給湯栓８に供給される。補助熱源機４０は、例えば燃焼式熱源機であり、貯湯ユニット２０から供給される湯水を再加熱して、又は再加熱せずに給湯栓８に供給する。

【0018】

貯湯槽２１の下部には、主熱源機１０に貯湯槽２１の湯水を供給するために、ポンプ２２を備えた主熱源機往き通路２３が接続されている。貯湯槽２１の上部には、主熱源機１０で加熱された湯水を貯湯槽２１に供給するための主熱源機戻り通路２４が接続されている。主熱源機戻り通路２４の途中には、湯水の流路を切り替える切替弁２５が配設され、切替弁２５で主熱源機戻り通路２４から分岐された戻り分岐通路２４ａが、主熱源機往き通路２３のポンプ２２よりも上流側部分に接続されている。

【0019】

主熱源機戻り通路２４の切替弁２５よりも上流側部分には、主熱源機１０で加熱された湯水の温度を検知する戻り温度センサ２４ｂが配設されている。例えば主熱源機１０の起動直後における戻り温度センサ２４ｂの検知温度が低い場合に、切替弁２５を貯湯槽２１側から戻り分岐通路２４ａ側に切り替えて、十分に加熱できるようになるまで貯湯槽２１に湯水を戻さずに循環させる。

【0020】

貯湯槽２１の底部には、矢印ＣＷで示す上水を供給する給水通路２６が接続されている。貯湯槽２１の頂部には、貯湯槽２１の湯水を貯湯ユニット２０外に出湯するための出湯通路２７が接続されている。給水通路２６の途中から分岐された給水分岐通路２６ａは、出湯通路２７の途中に配設された混合弁２８に接続されている。貯湯槽２１には、複数の貯湯温度センサ２１ａ～２１ｄが配設され、貯湯槽２１に貯湯された湯水の温度と貯湯量を検知することができる。

【0021】

給水通路２６には、給水通路２６から供給される上水の温度（給水温度）を検知する給水温度センサ２６ｂが配設されている。出湯通路２７には、貯湯ユニット２０からの出湯流量を検知する出湯流量センサ２７ａと、貯湯槽２１から出湯される湯水の温度（貯湯槽出湯温度）を検知する貯湯槽出湯温度センサ２７ｂと、貯湯ユニット２０からの出湯温度を検知する出湯温度センサ２７ｃが配設されている。

【0022】

貯湯ユニット２０の出湯通路２７と補助熱源機４０の給水口４０ａが湯水通路３１によって接続されている。補助熱源機４０の給湯口４０ｂには、給湯栓８に接続された給湯通路３２が接続されている。貯湯ユニット２０から出湯された湯水は、補助熱源機４０を介して給湯栓８に供給され、給湯栓８から矢印ＨＷで示すように給湯される。

【0023】

貯湯ユニット２０は、貯湯運転を制御する制御部２９（制御手段）を有する。制御部２９は、ポンプ２２を駆動して貯湯槽２１と主熱源機１０の間で湯水を循環させ、主熱源機１０で加熱した湯水を貯湯槽２１の上部から貯湯する。また、制御部２９は、貯湯槽出湯温度と給水温度と出湯流量に基づいて、出湯温度センサ２７ｃで検知される温度が例えば予め設定された給湯設定温度又は所定温度になるように、混合弁２８における混合比を調整して出湯する。所定温度は、貯湯ユニット２０から供給される湯水を補助熱源機４０が給湯設定温度に加熱して給湯できるように設定されている。

【0024】

制御部２９には、例えば給湯設定温度をユーザが設定するための操作端末３０が接続されている。この操作端末３０は補助熱源機４０にも接続され、操作端末３０で設定された給湯設定温度の湯水を給湯栓８に供給することができるように構成されている。

【0025】

図３に示すように、主熱源機１０は、圧縮機１１と凝縮熱交換器１２と膨張弁１３と蒸発熱交換器１４を冷媒通路１５により接続したヒートポンプ回路と、蒸発熱交換器１４に送風するための送風機１６と外気温度センサ１７を有する。貯湯運転では、主熱源機１０のヒートポンプ回路内に充填された冷媒を循環させ、圧縮機１１によって圧縮されて温度が上昇した冷媒が、凝縮熱交換器１２における熱交換によって、貯湯槽２１から供給される湯水を加熱する。

【0026】

熱交換によって温度が低下した冷媒は、膨張弁１３で断熱膨張して外気よりも低温になる。この低温の冷媒は、蒸発熱交換器１４において、送風機１６から送風される外気との熱交換によって加熱される。加熱された冷媒は、再び圧縮機１１に導入される。

【0027】

制御部２９は、例えば記憶している過去の給湯使用履歴に基づいて、将来の給湯使用時刻と給湯使用量を予測して給湯使用量に相当する必要熱量を算出する。そして、制御部２９は、予測した給湯使用時刻までに必要熱量の貯湯が完了するように貯湯運転を制御する。

【0028】

制御部２９は、貯湯運転を行うモードとして通常モードと節約モードを有する。通常モードは、給湯設定温度と給水温度と外気温度に基づいて、運転効率が高くなるように主熱源機１０の加熱能力（出力）と貯湯温度を設定して貯湯するモードである。節約モードは、貯湯運転の消費電力を節約するように主熱源機１０の出力と貯湯温度を設定して貯湯するモードである。どちらのモードでも、貯湯温度は給湯設定温度よりも高く設定され、貯湯温度が低い程、貯湯運転の運転効率が高くなると共に消費電力が小さくなる。また、主熱源機１０の出力が小さい程、貯湯運転の消費電力が小さくなる。

【0029】

太陽光発電装置４の発電電力を使用することができるヒートポンプ給湯システム１のユーザは、貯湯運転のエネルギーコストを低減したい場合に、操作端末３０の操作によって通常モードから節約モードに切り替えることができる。節約モードでは、予測した給湯使用時刻までに、且つ太陽光発電装置４による余剰電力の発生が予測される余剰電力時間帯内に貯湯運転が完了するように設定可能な主熱源機１０の出力のうち、最低出力が主熱源機１０の出力として設定される。太陽光発電装置４の設置環境やユーザの生活態様に応じて余剰電力の発生状況が異なるので、余剰電力時間帯はユーザによる操作端末３０の操作によって予め設定されている。

【0030】

次に、制御部２９による節約モードでの貯湯運転の制御について、図４のフローチャートに基づいて、図５の貯湯運転の消費電力テーブルを参照しながら説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。

【0031】

最初にＳ１において、予測した給湯使用時刻と余剰電力時間帯に基づいて、節約モードでの最大貯湯運転時間を設定してＳ２に進む。例えば現在時刻が１３時、予測した給湯使用時刻が１７時、余剰電力時間帯が９時～１６時に設定されている場合に、予測した給湯使用時刻までに且つ余剰電力時間帯内に貯湯を完了させるために、早い方の時刻の１６時に貯湯が完了するように最大貯湯運転時間を１８０分に設定する。

【0032】

Ｓ２において、必要熱量が貯湯槽２１に貯湯可能な最大貯湯熱量以下か否か判定する。最大貯湯熱量は、貯湯温度と貯湯槽２１の容量で決まり、ここでは貯湯温度が６５［℃］のときの６５００［kcal］を最大貯湯熱量とする。貯湯運転では最大貯湯熱量を超える熱量を貯湯することができないので、不足分は給湯時に補助熱源機４０で補う。Ｓ２の判定がＹｅｓ（必要熱量が最大貯湯熱量以下）の場合にはＳ３に進み、Ｓ２の判定がＮｏ（必要熱量が最大貯湯熱量を超過）の場合にはＳ６に進む。

【0033】

Ｓ３において、必要熱量とＳ１で設定した最大貯湯運転時間に基づいて主熱源機１０の出力を設定してＳ４に進む。例えば、必要熱量が５２００［kcal］の場合には、最大貯湯運転時間内（１８０分以内）に貯湯を完了するために必要な出力が２８．９［kcal/min］以上であると算出される。そして、算出された必要な出力以上の設定可能な出力として、例えば３０，４０，５０［kcal/min］の出力のうち、消費電力が最も小さくなる最低出力の３０［kcal/min］を主熱源機１０の出力として設定する（図５参照）。

【0034】

Ｓ４において、必要熱量に基づいて貯湯温度を設定してＳ５に進む。例えば、給湯設定温度が４２［℃］に設定され、設定可能な貯湯温度が４５，５０，５５，６０，６５［℃］になっている。そして、設定可能な貯湯温度の湯水で貯湯槽２１を満たしたときの熱量が必要熱量の５２００［kcal］以上であり、必要熱量を貯湯可能な５５，６０，６５［℃］の貯湯温度うち、貯湯運転の消費電力が最も小さくなる最低温度の５５［℃］を貯湯温度に設定する（図５参照）。

【0035】

上記Ｓ３，Ｓ４の消費電力は、給水温度と外気温度に基づいて、主熱源機１０の出力と貯湯温度に応じて制御部２９によって算出される。尚、予め給水温度、外気温度を夫々変えて出力と貯湯温度に応じて消費電力が算出された複数の消費電力テーブルが、制御部２９に記憶されていてもよい。

【0036】

Ｓ５において、Ｓ３で設定した主熱源機１０の出力で、Ｓ４で設定した貯湯温度の貯湯運転を実行し、必要熱量の貯湯が完了したら貯湯運転の制御を終了する。

【0037】

一方、Ｓ２の判定がＮｏの場合にＳ６において、最大貯湯熱量と最大貯湯運転時間に基づいて主熱源機１０の出力を設定してＳ７に進む。例えば必要熱量が７０００［kcal］の場合に、最大貯湯熱量の６５００［kcal］の貯湯を最大貯湯運転時間内に完了するために必要な出力が、３６．１［kcal/min］以上であると算出される。この必要な出力以上の設定可能な出力として例えば４０，５０［kcal/min］の出力のうち、消費電力が最も小さくなる最低出力の４０［kcal/min］を主熱源機１０の出力として設定する（図５参照）。このＳ６の消費電力も上記と同様に、給水温度と外気温度に基づいて、主熱源機１０の出力と貯湯温度に応じて制御部２９によって算出されてもよく、予め算出された複数の消費電力テーブルが制御部２９に記憶されていてもよい。

【0038】

次にＳ７において、貯湯温度を最高温度に設定してＳ５に進む。例えば、設定可能な貯湯温度が４５，５０，５５，６０，６５［℃］の場合に、最大貯湯熱量の貯湯が可能な最高温度の６５［℃］を貯湯温度に設定する。そしてＳ５において、Ｓ６で設定した主熱源機１０の出力で、Ｓ７で設定した貯湯温度の貯湯運転を実行し、最大貯湯熱量の貯湯が完了したら貯湯運転の制御を終了する。

【0039】

上記ヒートポンプ給湯システム１の作用、効果について説明する。
節約モードの貯湯運転では、余剰電力の発生が予測される余剰電力時間帯内に必要熱量を貯湯することができる主熱源機１０の出力のうち、最低出力を設定して貯湯する。従って、余剰電力を使用して貯湯運転を行って、必要熱量の貯湯を完了することができる。そして、貯湯運転の消費電力を小さくしているので余剰電力を超過する場合が少なくなり、商用電源からの電力供給を低減することができるので、エネルギーコストを低減することができる。また、余剰電力を検知する手段が不要なので、ヒートポンプ給湯システム１の製造コストの上昇を抑制することができる。

【0040】

また、余剰電力時間帯内に貯湯運転が完了する貯湯温度のうち、消費電力が最も小さい貯湯温度を設定して貯湯運転を行う。これにより、余剰電力時間帯内に必要熱量の貯湯を完了することができると共に、貯湯運転の消費電力を一層低減して商用電源からの電力供給を低減することができる。

【0041】

ヒートポンプ給湯システム１は、貯湯ユニット２０に補助熱源機４０が内蔵され、貯湯ユニット２０から貯湯槽２１の湯水を温度調整して、又は補助熱源機４０で加熱された湯水を温度調整して、給湯栓８に給湯するように構成されていてもよい。また、上記の主熱源機１０の設定可能な出力、設定可能な貯湯温度は、説明するための例示に過ぎず、上記に限定されるものではない。

【0042】

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

【符号の説明】

【0043】

１ ：ヒートポンプ給湯システム
２ ：分電盤
３ ：商用電源線
４ ：太陽光発電装置
５ ：ソーラーパネル
６ ：接続箱
７ ：パワーコンディショナ
８ ：給湯栓
１０ ：主熱源機（ヒートポンプ式熱源機）
１１ ：圧縮機
１２ ：凝縮熱交換器
１３ ：膨張弁
１４ ：蒸発熱交換器
１５ ：冷媒通路
１６ ：送風機
１７ ：外気温度センサ
２０ ：貯湯ユニット
２１ ：貯湯槽
２１ａ～２１ｄ：貯湯温度センサ
２２ ：ポンプ
２３ ：熱源機往き通路
２４ ：熱源機戻り通路
２４ａ ：戻り分岐通路
２４ｂ ：戻り温度センサ
２５ ：切替弁
２６ ：給水通路
２６ａ ：給水分岐通路
２６ｂ ：給水温度センサ
２７ ：出湯通路
２７ａ ：出湯流量センサ
２７ｂ ：貯湯槽出湯温度センサ
２７ｃ ：出湯温度センサ
２８ ：混合弁
２９ ：制御部（制御手段）
３０ ：操作端末
３１ ：湯水通路
３２ ：給湯通路
４０ ：補助熱源機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】