JP7274964B2 - 貯湯式給湯システム - Google Patents
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Description
図1は、実施の形態に係る貯湯式給湯システムの構成図である。
本実施の形態における貯湯式給湯システムは、縦長のタンク1、沸上げ手段2、沸上げポンプ31、追焚きポンプ32、浴槽ポンプ33、湯栓温調弁41、中高温混合弁42、熱交換回路切替弁43及び追焚き熱交換器5を備えている。貯湯式給湯システムは更に、沸上げ往き配管301aと、沸上げ戻り配管301bと、給水配管302と、高温導出配管303と、中間導出配管303bと、温調配管304及び湯栓配管305を備えている。貯湯式給湯システムは更に、浴槽往き配管306a、浴槽戻り配管306b、追焚き往き配管307a、追焚き戻り配管307b、排熱回収用配管307c及び制御手段100等を備えている。
図2に示すように、制御手段100は、目標温度設定手段101、ポンプ制御手段102、弁制御手段103、沸上げ制御手段104、蓄熱量算出手段105、及び、必要熱量予測手段106等を有する。
蓄熱量算出手段105は、貯湯温度センサ501a~貯湯温度センサ501fの情報に基づいてタンク1内の湯の有する蓄熱量の内で、給湯に有効な蓄熱量を算出する。給湯においては、タンク1内の湯の有する熱エネルギーを、混合によって市水に与える。このため、給湯に有効な熱エネルギーのゼロ点は、市水の給水温度である。ここで、ゼロ点とは、給湯エネルギー基準温度である。したがって、給水温度を熱エネルギーのゼロ点としてタンク容積に関して積分することにより、給湯に有効な蓄熱量が算出される。また、給湯に有効な所定の温度である例えば45℃以上の湯の領域に関してのみ積分して、給湯に有効な蓄熱量を算出してもよい。また、給湯に用いる湯を、給湯用中間導出部より下の領域から主に導出する場合、給湯用中間導出部より下の領域にて給湯に有効な蓄熱量を算出してもよい。
蓄熱量算出手段105は、貯湯温度センサ501a~貯湯温度センサ501fの情報、及び、目標温度設定手段101で設定された目標温度に基づいて、タンク1内の湯の有する蓄熱量の内で、追焚きに有効な蓄熱量を算出する。
必要熱量予測手段106は、(a)ユーザーの過去の給湯負荷の実績に基づいて湯切れ回避用必要熱量を予測するか、又は、(b)所定の設計値に湯切れ回避用必要熱量を設定する。
必要熱量予測手段106は、タイマー、湯栓温度センサ505、及び、湯栓流量センサ601からの情報に基づいて、所定の時間幅ごとの給湯負荷実績を日々学習する。所定の時間幅とは例えば6分であり、6分ごとの負荷を、1日分である240区間分、学習する。そして、必要熱量予測手段106は、学習した給湯負荷実績を用いて、本システムの沸上げ能力による同時運転を考慮して、湯切れ回避用必要熱量を予測する。ここで、同時運転とは、沸上げ手段2による「沸上げ」を行っている最中に、給湯又は追焚き等のユーザーによる「熱負荷」が発生する状況を指す。
必要熱量予測手段106は、多量の給湯負荷が予測される例えば17時~23時の時間帯は、湯切れ回避用必要熱量を大きく設計し、それ以外の時間帯は小さく設計する。大きく設計する場合の湯切れ回避用必要熱量は、例えば、300Lを42℃にするための熱量とし、小さく設計する場合の湯切れ回避用必要熱量は、例えば50Lを42℃にするための熱量等とする。
必要熱量予測手段106は、(a)現在の浴槽6の温度及び湯量のうちの一方又は両方、又は、(b)ユーザーの過去の追焚き実績、に基づいて追焚き用必要熱量を予測する。
必要熱量予測手段106は、現在の浴槽6の温度及び湯量のうちの一方又は両方の情報に基づいて追焚き負荷を算出し、追焚き負荷そのものを追焚き用必要熱量とする。追焚き負荷は、浴槽6の温度を現時点の温度から目標浴槽温度まで上昇させるのに必要な熱量である。よって、追焚き負荷は、浴槽6の湯量に、目標浴槽温度(例えば40℃)と現時点の浴槽温度(例えば30℃)との差と、密度(例えば1kg/L)と、比熱(例えば1kcal/g℃)とを積算することで算出される。
必要熱量予測手段106は、追焚き負荷実績を日々学習する。必要熱量予測手段106は、当該学習結果の過去所定期間内の追焚き負荷の最大値又は平均値を用いて、当日予測される追焚き負荷を予測し、予測した追焚き負荷そのものを追焚き用必要熱量とする。追焚き負荷の学習では、具体的には浴槽6の湯量と、追焚きの開始時と終了時との温度差とを学習する。また、浴槽戻り配管306b或いは浴槽往き配管306aを循環する流量と、追焚き熱交換器5の浴槽6側の系統の出入り口の温度差と、を学習してもよい。浴槽戻り配管306b或いは浴槽往き配管306aを循環する流量は、流量計で直接的に算出してもよいし、追焚きポンプ32への制御信号から間接的に算出してもよい。
以下、本実施の形態における貯湯式給湯システムの動作について説明する。
まず、貯湯式給湯システムの基本的な運転動作を図1を参照して説明する。
タンク1にはタンク下部から給水配管302を通じて冷水を注入して溜められる。タンク下部の水が沸上げポンプ31によって沸上げ往き配管301aを通して沸上げ手段2に送られる。沸上げ手段2は水を沸上げて湯を生成する。湯は沸上げ戻り配管301bを通じてタンク上部に戻される。
タンク1に溜められた湯水は、湯が使用される負荷側の要求に応じて、高温導出配管303及び中間導出配管303bの一方又は両方から流出し、湯栓温調弁41の高温側ポートに送られる。湯栓温調弁41は、給水配管302から分岐させた温調配管304を通じて水を導き、タンク1から導いた湯と混合させて適温とし、湯栓配管305を通じて蛇口、シャワー、或いは浴槽6等の負荷側へ供給する。ここで、本実施の形態では、給湯時に、タンク中間部からの給湯を優先的に行うため、湯栓温調弁41の高温側ポートには、中間導出配管303bから導出されたタンク中間部の湯が優先して送られる。これは、タンク上部領域に、追焚き用の高温水を優先的に残すためである。ここで、タンク上部領域とは、タンク1の中間導出配管303bから上方の領域を指す。
浴槽6に湯を張る湯張り動作は、基本的には湯栓出湯動作と同様である。湯張り指示があると、タンク1内に溜められた湯水が、高温導出配管303及び中間導出配管303bから流出し、湯栓温調弁41の高温側ポートに送られる。湯栓温調弁41は、浴槽往き温度センサ506aで検出される温度が、ユーザーが設定した目標浴槽温度となるように、温調配管304から導いた水とタンク1から導いた湯とを混合させる。湯栓温調弁41で温度調整された湯は、湯栓配管305を通じて浴槽6に供給される。そして、浴槽6に溜まった湯量が、ユーザーが設定した湯張り量に達した場合、ふろ給湯用電磁弁(図示せず)が閉じられて湯張り動作が終了する。
追焚きでは、浴槽6に残る浴槽水を目標浴槽温度まで上昇させる。追焚きは、ユーザーの操作により強制的に或いは自動的に開始される。自動的に追焚きを開始する場合とは、例えば、浴槽戻り温度センサ506bによって定期的に検出される浴槽温度が、目標浴槽温度よりも所定量以上、低くなったときが該当する。
本実施の形態に係る貯湯式給湯システムは、殺菌目的の高温沸上げ運転(以下、殺菌運転という)の頻度を減らすことで、消費電力量の低減を図っている。
まず、本実施の形態において、沸上げ運転は、中温沸上げ運転と、高温沸上げ運転と、殺菌運転とを有する。中温沸上げ運転は、水を中温に沸上げ、中温の湯をタンク1内へ貯留する運転である。中温沸上げ運転により、タンク1内に中温層が形成される。高温沸上げ運転は、水を殺菌温度以上の高温に沸上げ、高温の湯をタンク1内へ貯留する運転である。高温沸上げ運転により、タンク1内に高温層が形成される。殺菌温度は、中温よりも高くレジオネラ菌の殺菌が可能な温度である。殺菌運転は、中温沸上げ運転で沸上げられた中温の湯がタンク1内に残存する期間(以下、残存期間という)が、予め設定された設定期間(例えば、4日間)を超えた場合に行われる。殺菌運転は、例えばタンク1内の全量が殺菌温度以上の高温となるまで沸上げてタンク1内を殺菌する運転である。
図3は、実施の形態に係る貯湯式給湯システムの使用状況のタイムチャートの一例である。
本実施の形態に係る貯湯式給湯システムは、ユーザーの起床後、湯張りまでの負荷発生に対応するため、夜間に沸上げ動作を行う。夜間とは、本例では昼間よりも電気代の安い時間帯を指し、具体的にはPM11時~AM7時の間の所謂深夜時間帯を指す。このように夜間に行う沸上げ動作を、以下では夜間沸上げという。この例では、夜間沸上げが毎日AM3時に行われる例である。なお、図3の左端のAM3時が現在、すなわち夜間沸上げを行うタイミングであり、それ以降の追加沸上げ、湯張り及び追焚き等の時間はあくまでも予測であり、説明を分かりやすくするために示したものである。
制御手段100は、AM3時の夜間沸上げタイミングとなると(ステップS1)、残存期間の判定フラグFLGが0であるか否かを判定する(ステップS2)。このFLGは0か1のどちらかの値を取り得るように設定され、初期設定では0に設定されている。制御手段は、FLGが0の場合、中温層の残存期間のカウントを開始して(ステップS3)、中温沸上げ運転を開始する(ステップS4)。水は、中温に加熱されることで塩素による殺菌能力の働きが失われることから、中温沸上げ運転の開始時に残存期間のカウントを開始するようにしている。
以上に示した本実施の形態の貯湯式給湯システムは、タンク1内に貯めた湯を負荷側へ給湯する貯湯式給湯システムであって、水を沸上げて湯にする沸上げ手段2と、沸上げ手段2で沸上げられた湯を上側から貯留し、殺菌済の水を下側から貯留するタンク1と、沸上げ手段2の沸上げ運転を制御する制御手段100とを備える。沸上げ運転は、水を中温に沸上げ、中温の湯をタンク1内へ貯留する中温沸上げ運転と、水を中温よりも高い殺菌温度以上の高温で沸上げ、高温の湯をタンク1内へ貯留する高温沸上げ運転と、中温沸上げ運転で沸上げられた中温の湯のタンク1内の残存期間が、予め設定された設定期間を超えた場合、タンク1内の湯を高温以上に沸上げてタンク1内を殺菌する殺菌運転とを有する。制御手段100は、中温沸上げ運転の後、高温沸上げ運転を行うようにしている。制御手段100は、高温沸上げ運転後の時間帯で、タンク1内が、高温の湯による高温層と殺菌済の水による低温層との2層状態となるようにし、タンク1内が2層状態となったことを検知すると、残存期間をリセットする。
Claims (8)
- タンク内に貯めた湯を負荷側へ給湯する貯湯式給湯システムであって、
水を沸上げて湯にする沸上げ手段と、
前記沸上げ手段で沸上げられた湯を上側から貯留し、殺菌済の水を下側から貯留する前記タンクと、
前記沸上げ手段の沸上げ運転を制御する制御手段とを備え、
前記沸上げ運転は、
水を中温に沸上げ、中温の湯を前記タンク内へ貯留する中温沸上げ運転と、
水を前記中温よりも高い殺菌温度以上の高温で沸上げ、高温の湯を前記タンク内へ貯留する高温沸上げ運転と、
前記中温沸上げ運転で沸上げられた前記中温の湯の前記タンク内の残存期間が、予め設定された設定期間を超えた場合、前記タンク内の湯を前記高温以上に沸上げて前記タンク内を殺菌する殺菌運転とを有し、
前記制御手段は、
前記中温沸上げ運転の後、前記高温沸上げ運転を行うようにしており、前記高温沸上げ運転後の時間帯で、前記タンク内が、前記高温の湯による高温層と前記殺菌済の水による低温層との2層状態となったことを検知すると、前記残存期間をリセットする貯湯式給湯システム。 - 前記中温沸上げ運転では、給湯負荷実績に基づいて設定した沸上げ熱量を沸上げるように運転することで、前記高温沸上げ運転後の時間帯で、前記タンク内を前記2層状態となるようにする請求項1記載の貯湯式給湯システム。
- 前記タンクの高さ方向の中間部から湯を導出する中間導出配管と、
前記タンクにおいて前記中間導出配管の下方に配置された貯湯温度センサとを備え、
前記制御手段は、前記高温沸上げ運転後に前記貯湯温度センサによって前記中温より低い低温を検知した場合、前記タンク内が前記2層状態となったと検知する請求項1又は請求項2記載の貯湯式給湯システム。 - 前記制御手段は、前記時間帯において前記タンク内が前記2層状態となるように、前記時間帯における前記負荷側への給湯では、前記中間導出配管から優先して前記中温の湯を導出する請求項3記載の貯湯式給湯システム。
- 前記制御手段は、前記高温層が前記中間導出配管より下方の設定位置に達するように前記高温沸上げ運転を制御する請求項3又は請求項4記載の貯湯式給湯システム。
- 前記制御手段は、前記高温層が前記中間導出配管より上方の設定位置に達するように前記高温沸上げ運転を制御し、前記時間帯における前記負荷側への給湯時には、前記給湯と並行して、前記高温層が前記中間導出配管より下方の設定位置に達するように再度前記高温沸上げ運転を行う請求項3~請求項5の何れか一項に記載の貯湯式給湯システム。
- 前記時間帯の前記負荷側への給湯は、前記タンク内の湯を浴槽へ供給する湯張りである請求項1~請求項6の何れか一項に記載の貯湯式給湯システム。
- 前記タンクの湯水を循環させる循環回路を有し、前記循環回路の前記タンクへの戻り配管が前記タンクから前記浴槽へ繋がる配管の何れかの位置に接続され、
前記制御手段は、前記湯張りの際に、前記循環回路の湯水を循環させることにより、前記循環回路に残存している湯水を前記浴槽へ排出する請求項7記載の貯湯式給湯システム。
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