給湯システム
【課題】 混合ユニットをフィードバック制御する際に、給湯温度を速やかに所望の温度に安定させることが可能な技術を提供する。
【解決手段】 本発明は給湯システムとして具現化される。その給湯システムは、貯湯槽と、貯湯槽に給水する給水経路と、貯湯槽から給湯する給湯経路と、給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられた混合弁を備える混合ユニットと、混合弁の開度を調整するコントローラを備えている。その給湯システムでは、そのコントローラが、混合ユニットにおける目標混合比率と現状混合比率だけでなく、給湯流量にも基づいて、混合弁の開度の増減量を決定する。
【解決手段】 本発明は給湯システムとして具現化される。その給湯システムは、貯湯槽と、貯湯槽に給水する給水経路と、貯湯槽から給湯する給湯経路と、給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられた混合弁を備える混合ユニットと、混合弁の開度を調整するコントローラを備えている。その給湯システムでは、そのコントローラが、混合ユニットにおける目標混合比率と現状混合比率だけでなく、給湯流量にも基づいて、混合弁の開度の増減量を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式の給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
貯湯式の給湯システムは、加熱された湯を貯湯槽に貯湯しておき、貯湯槽に貯湯しておいた湯を必要に応じて給湯する。このような給湯システムは、例えば発電によって生じる発電熱を給湯の熱源として利用するコージェネレーションシステム等において採用されている。貯湯式の給湯システムでは、貯湯されている湯の温度が給湯したい湯の温度よりも高い場合に、混合ユニットを用いて湯と水を混合して、所望の温度にまで調温してから給湯する。
【０００３】
貯湯式の給湯システムにおいて、混合ユニットは、貯湯槽の下部へ水道水を供給する給水経路から分岐して、貯湯槽の上部から湯を供給する給湯経路に合流するバイパス経路と、給水経路とバイパス経路の分岐部、または給湯経路とバイパス経路の合流部に設けられた混合弁を備えている。以下では給水経路から貯湯槽を経て給湯経路に至る経路を湯側経路とよび、給水経路からバイパス経路を経て給湯経路に至る経路を水側経路とよぶ。混合弁はその開度が調整可能であって、開度を変化させることにより、湯と水の混合比率を調節する。このような給湯システムでは、給水経路や給湯経路の各所に設けられたサーミスタの検出値に基づいて、給湯温度が所望の温度となるように、混合弁の開度を調整する。
【０００４】
安定した温度での給湯を速やかに行うためには、混合弁の開度の調整における制御遅れを少なくして、混合ユニットにおける調温を速やかに行う必要がある。特許文献１には、フィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせて、混合ユニットにおける調温を速やかに行って、安定した温度での給湯を速やかに行う技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９０４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
混合ユニットにおける湯と水の混合比率は、混合弁が所定の開度に維持されていても、湯と水を混合した後の給湯流量の大きさに応じて変動する。これは、水側経路がバイパス経路を経由するのに対して、湯側経路が貯湯槽を経由しているために、水側経路と湯側経路で圧力損失特性が大きく異なることに起因する。混合弁が所定の開度に維持されていても、給湯流量が減少すると、水側経路の水は流れるものの、湯側経路の湯があまり流れなくなり、湯に対する水の混合比率は増加する。逆に給湯流量が増加すると、水側経路の水だけでなく、湯側経路の湯も流れるようになり、結果として湯に対する水の混合比率は減少する。混合ユニットでは、湯に対する水の混合比率を直接的に制御することはできず、混合弁の開度を調整することで湯に対する水の混合比率を間接的に制御している。従って、湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を考慮に入れないと、所望の温度で給湯を行うことができない。
【０００７】
湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響は、混合弁の開度を給湯温度に基づいてフィードバック制御する際の安定性にも影響を及ぼす。給湯流量が小さい場合には、混合弁の開度をわずかに変化させることで、湯に対する水の混合比率は大きく変化する。逆に、給湯流量が大きい場合には、混合弁の開度を多少変化させても、湯に対する水の混合比率はそれほど変化しない。混合弁の開度を現実に検出される給湯温度に基づいてフィードバック制御する場合、混合弁の開度の増減量を適切に設定しておかないと、ハンチングを起こして給湯温度が不安定になったり、所望の温度に安定するまでに長時間を必要とすることになってしまう。
【０００８】
湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を排除する方式として、水側経路に付加的な管路抵抗を設けて、水側経路と湯側経路で圧力損失特性を一致させる方式が考えられる。この方式によれば、給湯流量が変動しても、湯側経路からの湯の流量と水側経路からの水の流量が同じように増減するから、湯に対する水の混合比率は一定に保たれる。湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を排除することができる。
しかしながら、この方式を採用すると、給湯システム全体としての圧力損失が増大してしまうという難点がある。給湯システム全体としての圧力損失が大きいと、水道の給水圧力が低い地域では、給湯流量が極端に少なくなってしまい、利用者の利便性を損ねてしまう。給湯システム全体としての圧力損失を増大することなく、混合ユニットにおける水と湯の混合比率を適切に調整して、所望の温度で安定して速やかに給湯可能な技術が待望されている。
【０００９】
本発明は上記課題を解決する。本発明では、混合ユニットをフィードバック制御する際に、給湯温度を速やかに所望の温度に安定させることが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は給湯システムとして具現化される。その給湯システムは、貯湯槽と、貯湯槽に給水する給水経路と、貯湯槽から給湯する給湯経路と、給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられており、開度を変化させることにより湯と水の混合比率を調節する混合弁を備える混合ユニットと、給湯設定温度を取得する設定温度取得手段と、バイパス経路を流れる水の温度を低温水温度として検出する低温水温度検出手段と、バイパス経路が合流するより上流側の給湯経路を流れる湯の温度を高温水温度として検出する高温水温度検出手段と、バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の温度を給湯温度として検出する給湯温度検出手段と、バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の流量を給湯流量として検出する給湯流量検出手段と、混合弁の開度を調整するコントローラを備えている。その給湯システムでは、そのコントローラが、給湯設定温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける目標混合比率を計算し、給湯温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける現状混合比率を計算し、目標混合比率と現状混合比率と給湯流量に基づいて、混合弁の開度の増減量を決定する。
【００１１】
上記の給湯システムでは、混合ユニットが給湯経路の湯に給水経路の水を混合することで、給湯設定温度に調温された湯を給湯する。コントローラは、給湯設定温度から計算される目標混合比率と、現実の給湯温度から計算される現状混合比率を用いて、フィードバック制御によって混合弁の開度を増減調整する。
【００１２】
混合弁の開度を増減させた場合の混合比率の変動は、給湯流量の大きさによって異なる。給湯流量が小さい場合には、混合弁の開度をわずかに増減させるだけで、混合比率は大きく変動する。逆に、給湯流量が大きい場合には、混合弁の開度を多少増減させたとしても、混合比率はそれほど変動しない。フィードバック制御を行う際に、混合弁の開度の増減量が大き過ぎると、ハンチングを起こして、給湯温度が安定しなくなってしまう。逆に、混合弁の開度の増減量が小さ過ぎると、給湯温度を給湯設定温度に安定させるまでに長期間を必要としてしまう。
上記の給湯システムでは、給湯設定温度から計算される目標混合比率と、現実の給湯温度から計算される現状混合比率だけでなく、給湯流量も考慮に入れて、混合弁の開度の増減量が決定される。このような構成を採用することによって、給湯温度を給湯設定温度に速やかに安定させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の給湯システムによれば、混合ユニットをフィードバック制御する際に、給湯温度を速やかに所望の温度に安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 貯湯槽には、発電ユニットが発電することによって生じる発電熱で加熱された湯が貯湯される。
【実施例】
【００１５】
本発明の給湯システムを具現化した一実施例を図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施例の給湯システム１００は、発電ユニット１０２、暖房端末機１６０、風呂の浴槽１７０および給湯栓１２４に接続されている。給湯システム１００は、貯湯槽１１０、熱源機１４０、混合ユニット１３４、リモコン１８２およびコントローラ１８０等を備えている。
【００１６】
発電ユニット１０２は、固体高分子型の燃料電池を用いた発電装置である。発電ユニット１０２は電力需要に応じて発電を行う。発電を行う際に、発電ユニット１０２は排熱回収ポンプ１０４を駆動する。排熱回収ポンプ１０４が駆動されると、貯湯槽１１０の底部から水が吸い出される。吸い出された水は、排熱回収熱交換器１０６で発電熱によって加熱されて、貯湯槽１１０の頂部に戻される。発電ユニット１０２から貯湯槽１１０の頂部に戻される湯の温度は、排熱回収サーミスタ１０８によって測定されて、コントローラ１８０へ出力される。
【００１７】
貯湯槽１１０は、発電ユニット１０２の発電熱によって加熱された湯を貯える。貯湯槽１１０に貯えられた湯は、給湯や暖房、風呂の追い焚き等に利用される。貯湯槽１１０の内部には温度成層が形成されており、貯湯槽１１０の上部には下部に比べて高温の湯が貯えられる。従って、貯湯槽１１０の蓄熱量が少ないときでも、貯湯槽１１０の上部から出湯することによって、高温の湯を利用することができる。貯湯槽１１０の上部には、湯温を検出する貯湯槽サーミスタ１１２が設けられており、検出された温度はコントローラ１８０へ出力される。
【００１８】
貯湯槽１１０の底部は、貯湯槽給水経路１３６、混合ユニット１３４および給水経路１３２を経由して、図示されない水道管に接続されている。給水経路１３２には減圧弁１２６が設けられており、水道管からの給水圧力が調整されている。貯湯槽１１０の頂部は、貯湯槽給湯経路１１４、混合ユニット１３４、給湯経路１２２を経由して、給湯栓１２４に接続されている。給湯栓１２４が開かれると、給水圧力によって貯湯槽１１０の内部の湯水が底部から頂部に向けて押し上げられ、貯湯槽１１０の上部から貯湯槽給湯経路１１４へ出湯する。貯湯槽１１０から出湯した湯は、混合ユニット１３４で水道水と混合されて、所望の温度に調温された後に給湯栓１２４へ供給される。
【００１９】
混合ユニット１３４は、貯湯槽１１０の上部から出湯される高温の湯に水道水を混合して、所望の温度に調温する。混合ユニット１３４は、給水経路１３２から貯湯槽給水経路１３６へ流れる水道水の一部を混合バイパス経路１３３に分岐させて、貯湯槽給湯経路１１４から給湯経路１２２へ流れる湯に混合する。給水経路１３２、貯湯槽給水経路１３６および混合バイパス経路１３３の接続部分には混合サーボ弁１３５が設けられている。混合サーボ弁１３５はステッピングモータを内蔵しており、これが駆動されることによって、貯湯槽給水経路１３６の開度と混合バイパス経路１３３の開度が調整されて、貯湯槽給水経路１３６へ流れる水道水の流量と混合バイパス経路１３３へ流れる水道水の流量の比率が調整される。混合サーボ弁１３５はコントローラ１８０によって制御されており、コントローラ１８０から指示されるステップ数に応じてステッピングモータを駆動する。混合ユニット１３４から貯湯槽１１０の底部へ給水される水道水の流量と、貯湯槽１１０の上部から混合ユニット１３４へ出湯される湯の流量は等しい。従って、混合サーボ弁１３５によって貯湯槽給水経路１３６へ分岐する水道水の流量と混合バイパス経路１３３へ分岐する水道水の流量の比率を調節することによって、貯湯槽給湯経路１１４からの湯と混合バイパス経路１３３からの水道水の混合比率を調節することができる。
【００２０】
貯湯槽給湯経路１１４には、貯湯槽給湯電磁弁１１６と貯湯槽給湯サーミスタ１１８が設けられている。貯湯槽給湯電磁弁１１６はコントローラ１８０によって制御されており、内蔵しているソレノイドが駆動されることによって開閉する。貯湯槽給湯電磁弁１１６が閉じられている状態では、給湯栓１２４を開いても貯湯槽１１０からは出湯せず、給湯栓１２４には給水経路１３２および混合バイパス経路１３３を経由して水道水が供給される。貯湯槽給湯サーミスタ１１８は貯湯槽給湯経路１１４を流れる湯の温度（高温水温度）を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２１】
給水経路１３２には、給水サーミスタ１２８と給水流量センサ１３０が設けられている。給水サーミスタ１２８は給水経路１３２を流れる水道水の温度を検出して、コントローラ１８０へ出力する。給水経路１３２を流れる水道水の温度は、混合バイパス経路を流れる水の温度に等しいから、給水サーミスタ１２８で検出される温度は、混合バイパス経路を流れる水の温度（低温水温度）に等しい。給水流量センサ１３０は給水経路１３２を流れる水道水の流量を検出して、コントローラ１８０へ出力する。給水経路１３２から混合ユニット１３４へ流れる水道水の流量と、混合ユニット１３４から給湯経路１２２へ流れる湯の流量は等しいから、給水流量センサ１３０で検出される流量は、混合ユニット１３４から給湯される湯の流量（給湯流量）に等しい。
【００２２】
給湯経路１２２には給湯サーミスタ１２０が設けられている。給湯サーミスタ１２０は給湯経路１２２を流れる湯の温度（給湯温度）を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２３】
熱源機１４０は、必要に応じて貯湯槽１１０の湯水を加熱する。コントローラ１８０によって循環ポンプ１３８が駆動されると、貯湯槽１１０の中間部から湯水が吸いだされ、熱源機１４０で加熱された後、貯湯槽１１０の頂部に戻される。熱源機１４０の出口近傍には熱源機出口サーミスタ１４１が設けられている。熱源機出口サーミスタ１４１は、熱源機１４０で加熱された湯の温度を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２４】
本実施例の給湯システム１００では、熱源機１４０で加熱された湯を直接的に混合ユニット１３４や給湯栓１２４に送ることなく、一旦貯湯槽１１０の頂部に戻し、貯湯槽１１０の頂部から給湯を行う構成としている。このような構成とすることによって、熱源機１４０の出口における湯温が急変した場合であっても、貯湯槽１１０の上部がバッファタンクとしての役割を果たし、給湯温度の急変が抑制される。給湯栓１２４に安定した湯温で給湯することができる。
【００２５】
熱源機１４０から貯湯槽１１０へ戻る経路は、暖房熱交換経路１４２と、暖房バイパス経路１５０に分岐している。暖房熱交換経路１４２には第１制御弁１４８が設けられており、暖房バイパス経路１５０には第２制御弁１５２が設けられている。第１制御弁１４８と第２制御弁１５２は、いずれもソレノイドを内蔵した電磁弁であって、何れか一方が開かれ、他方が閉じられるように、コントローラ１８０によって制御される。暖房端末機１６０における暖房あるいは風呂の浴槽１７０の追い焚きが行われる場合には、第１制御弁１４８が開かれ、行われていない場合には、第２制御弁１５２が開かれる。
【００２６】
暖房熱交換経路１４２には、暖房熱交換器１４４が設けられている。暖房熱交換器１４４では、熱源機１４０で加熱されて貯湯槽１１０へ戻る湯と、暖房端末機１６０の熱源として利用される熱媒（本実施例では水）との間で熱交換が行われる。暖房熱交換経路１４２の暖房熱交換器１４４の下流側には、暖房戻りサーミスタ１４６が設けられている。暖房戻りサーミスタ１４６は検出された温度をコントローラ１８０へ出力する。
【００２７】
暖房端末機１６０は、エアコンや床暖房機といった、高温の湯を熱源として利用する暖房器具である。暖房端末機１６０の熱媒として利用される水は、シスターン１５４に貯えられており、暖房ポンプ１５６の駆動によって暖房循環経路１５８を流れて、暖房熱交換器１４４、暖房端末機１６０、シスターン１５４の順に循環する。
【００２８】
暖房循環経路１５８の暖房熱交換器１４４と暖房端末機１６０の間から、追い焚き経路１６２が分岐している。追い焚き経路１６２は、暖房熱交換器１４４で加熱された熱媒としての湯が、追い焚き熱交換器１６４を経由してシスターン１５４へ戻る流路を形成する。追い焚き経路１６２には追い焚き熱動弁１６６が設けられている。追い焚き熱動弁１６６の開閉は、コントローラ１８０によって制御される。
【００２９】
風呂の浴槽１７０には風呂循環経路１６８が接続されている。風呂循環経路１６８には風呂循環ポンプ１７２が設けられている。コントローラ１８０によって風呂循環ポンプ１７２が駆動されると、浴槽１７０から風呂循環経路１６８に湯が吸い出される。浴槽１７０から吸い出された湯は、追い焚き熱交換器１６４で加熱されて、浴槽１７０に戻される。
【００３０】
風呂循環経路１６８は、注湯電磁弁１７４を介して給湯経路１２２に連通しており、注湯電磁弁１７４を開くことで、浴槽１７０への湯張りが行われる。注湯電磁弁１７４はコントローラ１８０によって制御される。
【００３１】
リモコン１８２は、表示板と操作スイッチを備えている。利用者はリモコン１８２を操作して、給湯システム１００の運転のＯＮ／ＯＦＦや、各種の運転モードの開始／終了や、給湯設定温度、暖房設定温度および風呂設定温度等を入力することができる。リモコン１８２はコントローラ１８０と通信可能であって、利用者の操作内容をコントローラ１８０へ送信する。
【００３２】
コントローラ１８０は、制御プログラムを記憶している。コントローラ１８０には、リモコン１８２の操作信号と、給水流量センサ１３０の検出信号と各種サーミスタの検出信号等が入力される。コントローラ１８０は、入力された信号を制御プログラムで処理し、各種ポンプ、各種弁、バーナ等を制御する。
【００３３】
以下では給湯システム１００が給湯運転を行う際にコントローラ１８０が行う処理について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３４】
ステップＳ２０２では、給湯が開始されるまで待機する。本実施例では、給水流量センサ１３０で検出される給湯流量が２．７リットル／分以上となった時点で、給湯が開始されたと判断する。給湯が開始されると（ステップＳ２０２でＹＥＳとなると）、ステップＳ２０４に進む。
【００３５】
ステップＳ２０４では、貯湯槽給湯電磁弁１１６を開く。これによって、貯湯槽１１０内の上部に貯められていた温水が貯湯槽給湯経路１１４に送り出される。
【００３６】
ステップＳ２０６では、熱源機１４０による湯の加熱が必要か否かを判断するために、貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度をしきい値と比較する。本実施例では、貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度が６０℃以上であれば（ステップＳ２０６でＹＥＳであれば）、貯湯槽１１０内の温水を加熱することなく給湯に利用することが可能とみなされる。このような場合、ステップＳ２１０に進み、非燃焼給湯運転が行われる。非燃焼給湯運転では、熱源機１４０のバーナを燃焼させず、循環ポンプ１３８も駆動されない。なお、給湯運転と並行して暖房運転や風呂の追い焚き運転が行われている場合には、熱源機１４０と循環ポンプ１３８はすでに駆動されている。このような場合には、非燃焼給湯運転であっても、熱源機１４０と循環ポンプ１３８をあえて停止させることはなく、そのまま駆動させる。
【００３７】
貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度が６０℃未満であれば（ステップＳ２０６でＮＯであれば）、貯湯槽１１０内の温水を加熱することなく給湯に利用することが不可能とみなされる。このような場合、ステップＳ２０８に進み、燃焼給湯運転が行われる。燃焼給湯運転では、循環ポンプ１３８を駆動し、熱源機１４０のバーナを点火する。第１制御弁１４８と第２制御弁１５２の両者が閉じられていたら、第２制御弁１５２を開く。これによって、貯湯槽１１０の中間部から湯水が吸い出されて、熱源機１４０で加熱される。熱源機１４０のバーナの燃焼量は、熱源機出口サーミスタ１４１の検出温度が６５℃となるように制御される。熱源機１４０で加熱された湯は、貯湯槽１１０の頂部に戻される。
【００３８】
ステップＳ２１０では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、リモコン１８２に入力された給湯設定温度に基づいて、混合ユニット１３４における目標混合比率を計算する。目標混合比率は次式で計算される。
目標混合比率＝（高温水温度−給湯設定温度）／（給湯設定温度−低温水温度）
【００３９】
ステップＳ２１２では、ステップＳ２１０で計算された目標混合比率と、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量に基づいて、混合サーボ弁１３５に指示するステップ数を計算する。
【００４０】
図３は混合ユニット１３４における混合サーボ弁１３５の開度と混合比率との関係を示している。混合サーボ弁１３５の開度はコントローラ１８０から混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数によって定まるため、図３では混合サーボ弁１３５の開度を混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数で表現している。図３に示すように、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数が同じ場合であっても、給湯流量の大小に応じて混合比率は変化する。給湯流量が大きい場合、同じ混合比率を実現しようとしても、混合サーボ弁１３５の開度を大きくしなければならない。逆に、給湯流量が小さい場合、同じ混合比率を実現しようとしても、混合サーボ弁１３５の開度を小さくしなければならない。これは、混合ユニット１３４の水側経路が混合バイパス経路１３３を経由しているのに対し、混合ユニット１３４の湯側経路が貯湯槽給水経路１３６、貯湯槽１１０および貯湯槽給湯経路１１４を経由しているため、水側経路と湯側経路で圧力損失特性が異なることに起因している。
【００４１】
コントローラ１８０は、製品出荷の段階から、代表的な給湯流量の水準として、３リットル／分、６リットル／分、９リットル／分、１２リットル／分のそれぞれの場合について、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数と混合ユニット１３４で実現される混合比率の対応関係を記憶している。コントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２１０で計算された目標混合比率に基づいて、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数を計算する。
【００４２】
例えば、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量が４リットル／分の場合には、給湯流量が３リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係と、給湯流量が６リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係を用いて、内挿法によって給湯流量が４リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係を取得する。そして、給湯流量が４リットル／分の場合の対応関係を用いて、目標混合比率に対応するステップ数を計算する。
なお本実施例では、検出された給湯流量が３リットル／分よりも小さい場合には、３リットル／分の場合の対応関係をそのまま用いる。検出された給湯流量が１２リットル／分より大きい場合には、１２リットル／分の場合の対応関係をそのまま用いる。
【００４３】
ステップＳ２１４では、ステップＳ２１２で計算された目標混合比率に対応するステップ数を混合サーボ弁１３５へ指示し、実際に混合サーボ弁１３５を駆動する。これによって、混合サーボ弁１３５の開度が調整される。
【００４４】
ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理によって、給湯設定温度での給湯が行われる目標混合比率を実現するように、混合サーボ弁１３５の開度が調整される。ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理は、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に関わらず、フィードフォワード制御によって行われる。フィードバック制御によって混合サーボ弁１３５の開度を調整する場合に比べて、速やかに目標混合比率を実現するような開度への調整が行われる。
【００４５】
ステップＳ２１６では、給湯が終了したか否かを判断する。本実施例では、給水流量センサ１３０の検出流量が２．０リットル／分以下となった時点で、給湯が終了したと判断する。給湯が終了していない場合（ステップＳ２１６でＮＯの場合）、ステップＳ２１８へ進む。給湯が終了したと判断されると（ステップＳ２１６でＹＥＳとなると）、ステップＳ２２６へ進む。
【００４６】
ステップＳ２１８の処理を行う時点では、ステップＳ２１０からステップＳ２１４までのフィードフォワード制御によって、混合サーボ弁１３５の開度はすでに調整されている。しかしながら、個々のセンサの検出誤差や、混合サーボ弁１３５の特性のばらつきに起因して、給湯サーミスタ１２０で検出される実際の給湯温度が給湯設定温度と一致していない場合がある。そこで、ステップＳ２１８以降の処理では、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づくフィードバック制御によって、混合サーボ弁１３５の開度を調整する。
【００４７】
ステップＳ２１８では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、リモコン１８２に入力された給湯設定温度に基づいて、混合ユニット１３４における目標混合比率を計算する。目標混合比率は次式で計算される。
目標混合比率＝（高温水温度−給湯設定温度）／（給湯設定温度−低温水温度）
【００４８】
ステップＳ２２０では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいて、混合ユニット１３４における現状の混合比率を計算する。現状混合比率は次式で計算される。
現状混合比率＝（高温水温度−給湯温度）／（給湯温度−低温水温度）
【００４９】
ステップＳ２２２では、ステップＳ２１８で計算された目標混合比率と、ステップＳ２２０で計算された現状混合比率と、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量に基づいて、混合サーボ弁１３５へのステップ数指示値に付与するフィードバック量を計算する。
【００５０】
ステップＳ２１２に関して詳述したように、コントローラ１８０は、代表的な給湯流量の水準として、３リットル／分の場合、６リットル／分の場合、９リットル／分の場合、１２リットル／分の場合のそれぞれの場合について、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数と混合ユニット１３４で実現される混合比率の対応関係を記憶している。
【００５１】
ステップＳ２２２では、まずコントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２１８で計算された目標混合比率に基づいて、目標混合比率に対応するステップ数を計算する。次いでコントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２２０で計算された現状混合比率に基づいて、現状混合比率に対応するステップ数を計算する。そしてコントローラ１８０は、目標混合比率に対応するステップ数と、現状混合比率に対応するステップ数の差を算出して、その差に応じたステップ数増減量を設定する。
【００５２】
ステップＳ２２４では、ステップＳ２２２で設定されたステップ数増減量に基づいて、混合サーボ弁１３５へステップ数の増減を指示して、混合サーボ弁１３５の開度を調整する。混合サーボ弁１３５の開度が調整された後、処理はステップＳ２１６へ戻る。
【００５３】
ステップＳ２１６で給湯が終了したと判断されるまでの間、ステップＳ２１６からステップＳ２２４までの処理が繰り返される。給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいたフィードバック制御が行われ、給湯温度が給湯設定温度に安定していく。
【００５４】
ステップＳ２１６で給湯が終了したと判断されると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ２２６へ進み、給湯を終了するための処理を行う。ステップＳ２２６では、燃焼給湯運転を行っていたか否かが判断される。燃焼給湯運転を行っていた場合（ステップＳ２２６でＹＥＳの場合）には、ステップＳ２２８へ進む。燃焼給湯運転を行っていなかった場合（ステップＳ２２６でＮＯの場合）には、ステップＳ２３０へ進む。
【００５５】
ステップＳ２２８では、熱源機１４０のバーナを消火し、循環ポンプ１３８を停止して、ステップＳ２３０へ進む。なお、給湯運転と並行して暖房運転や風呂の追い焚き運転が行われている場合には、熱源機１４０のバーナを消火せず、循環ポンプ１３８も停止せずに、ステップＳ２３０へ進む。
【００５６】
ステップＳ２３０では、給湯終了後の再給湯を待機し、所定時間経過しても再給湯が行われなければ、ステップＳ２３２で貯湯槽給湯電磁弁１１６を閉じて、ステップＳ２０２へ戻る。
【００５７】
本実施例の給湯システム１００では、ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理において、混合ユニット１３４における目標混合比率だけでなく、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量も考慮して、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数を計算して、フィードフォワード制御によって混合サーボ弁１３５の開度を制御する。これによって、給湯流量の大小に関わりなく、速やかに給湯設定温度で給湯を行うことが可能となる。
【００５８】
本実施例の給湯システム１００では、ステップＳ２１６からステップＳ２２４までの繰り返し処理において、混合ユニット１３４における目標混合比率と現状混合比率だけでなく、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量も考慮して、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数増減量を計算して、フィードバック制御によって混合サーボ弁１３５の開度を制御する。これによって、給湯流量の大小に関わりなく、ハンチングを起こさずに、給湯温度を給湯設定温度まで短時間で安定させることができる。
【００５９】
なお本実施例の給湯システム１００では、コントローラ１８０が代表的な給湯流量の水準ごとの混合比率とステップ数の関係を、製品出荷の段階から記憶している例について説明したが、これらのデータは実際の給湯運転を行っている間に収集してもよい。すなわち、実際に家庭に設置されて給湯運転を行っている間に、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいて、混合ユニット１３４の現状混合比率を計算する。そして、計算された現状混合比率を、給湯水量センサ１３０で検出される給湯水量と、混合サーボ弁１３５に指示しているステップ数と関連付けて記憶する。このような構成とすることによって、実際に家庭に設置された状態での混合ユニット１３４での混合比率と混合サーボ弁１３５へ指令するステップ数との対応関係を取得することができる。より適切な制御を行うことが可能となる。
【００６０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は実施例の給湯システム１００の系統図である。
【図２】図２は給湯システム１００における給湯処理を説明するフローチャートである。
【図３】図３は混合ユニット１３４における混合比率と混合サーボ弁１３５に指示するステップ数の対応関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００：給湯システム
１０２：発電ユニット
１０４：排熱回収ポンプ
１０６：排熱回収熱交換器
１０８：排熱回収サーミスタ
１１０：貯湯槽
１１２：貯湯槽サーミスタ
１１４：貯湯槽給湯経路
１１６：貯湯槽給湯電磁弁
１１８：貯湯槽給湯サーミスタ
１２０：給湯サーミスタ
１２２：給湯経路
１２４：給湯栓
１２６：減圧弁
１２８：給水サーミスタ
１３０：給水流量センサ
１３２：給水経路
１３３：混合バイパス経路
１３４：混合ユニット
１３５：混合サーボ弁
１３６：貯湯槽給水経路
１３８：循環ポンプ
１４０：熱源機
１４１：熱源機出口サーミスタ
１４２：暖房熱交換経路
１４４：暖房熱交換器
１４６：暖房戻りサーミスタ
１４８：第１制御弁
１５０：暖房バイパス経路
１５２：第２制御弁
１５４：シスターン
１５６：暖房ポンプ
１５８：暖房循環経路
１６０：暖房端末機
１６２：追い焚き経路
１６４：追い焚き熱交換器
１６６：追い焚き熱動弁
１６８：風呂循環経路
１７０：浴槽
１７２：風呂循環ポンプ
１７４：注湯電磁弁
１８０：コントローラ
１８２：リモコン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貯湯式の給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
貯湯式の給湯システムは、加熱された湯を貯湯槽に貯湯しておき、貯湯槽に貯湯しておいた湯を必要に応じて給湯する。このような給湯システムは、例えば発電によって生じる発電熱を給湯の熱源として利用するコージェネレーションシステム等において採用されている。貯湯式の給湯システムでは、貯湯されている湯の温度が給湯したい湯の温度よりも高い場合に、混合ユニットを用いて湯と水を混合して、所望の温度にまで調温してから給湯する。
【０００３】
貯湯式の給湯システムにおいて、混合ユニットは、貯湯槽の下部へ水道水を供給する給水経路から分岐して、貯湯槽の上部から湯を供給する給湯経路に合流するバイパス経路と、給水経路とバイパス経路の分岐部、または給湯経路とバイパス経路の合流部に設けられた混合弁を備えている。以下では給水経路から貯湯槽を経て給湯経路に至る経路を湯側経路とよび、給水経路からバイパス経路を経て給湯経路に至る経路を水側経路とよぶ。混合弁はその開度が調整可能であって、開度を変化させることにより、湯と水の混合比率を調節する。このような給湯システムでは、給水経路や給湯経路の各所に設けられたサーミスタの検出値に基づいて、給湯温度が所望の温度となるように、混合弁の開度を調整する。
【０００４】
安定した温度での給湯を速やかに行うためには、混合弁の開度の調整における制御遅れを少なくして、混合ユニットにおける調温を速やかに行う必要がある。特許文献１には、フィードフォワード制御とフィードバック制御を組み合わせて、混合ユニットにおける調温を速やかに行って、安定した温度での給湯を速やかに行う技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１９０４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
混合ユニットにおける湯と水の混合比率は、混合弁が所定の開度に維持されていても、湯と水を混合した後の給湯流量の大きさに応じて変動する。これは、水側経路がバイパス経路を経由するのに対して、湯側経路が貯湯槽を経由しているために、水側経路と湯側経路で圧力損失特性が大きく異なることに起因する。混合弁が所定の開度に維持されていても、給湯流量が減少すると、水側経路の水は流れるものの、湯側経路の湯があまり流れなくなり、湯に対する水の混合比率は増加する。逆に給湯流量が増加すると、水側経路の水だけでなく、湯側経路の湯も流れるようになり、結果として湯に対する水の混合比率は減少する。混合ユニットでは、湯に対する水の混合比率を直接的に制御することはできず、混合弁の開度を調整することで湯に対する水の混合比率を間接的に制御している。従って、湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を考慮に入れないと、所望の温度で給湯を行うことができない。
【０００７】
湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響は、混合弁の開度を給湯温度に基づいてフィードバック制御する際の安定性にも影響を及ぼす。給湯流量が小さい場合には、混合弁の開度をわずかに変化させることで、湯に対する水の混合比率は大きく変化する。逆に、給湯流量が大きい場合には、混合弁の開度を多少変化させても、湯に対する水の混合比率はそれほど変化しない。混合弁の開度を現実に検出される給湯温度に基づいてフィードバック制御する場合、混合弁の開度の増減量を適切に設定しておかないと、ハンチングを起こして給湯温度が不安定になったり、所望の温度に安定するまでに長時間を必要とすることになってしまう。
【０００８】
湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を排除する方式として、水側経路に付加的な管路抵抗を設けて、水側経路と湯側経路で圧力損失特性を一致させる方式が考えられる。この方式によれば、給湯流量が変動しても、湯側経路からの湯の流量と水側経路からの水の流量が同じように増減するから、湯に対する水の混合比率は一定に保たれる。湯に対する水の混合比率に対して給湯流量が及ぼす影響を排除することができる。
しかしながら、この方式を採用すると、給湯システム全体としての圧力損失が増大してしまうという難点がある。給湯システム全体としての圧力損失が大きいと、水道の給水圧力が低い地域では、給湯流量が極端に少なくなってしまい、利用者の利便性を損ねてしまう。給湯システム全体としての圧力損失を増大することなく、混合ユニットにおける水と湯の混合比率を適切に調整して、所望の温度で安定して速やかに給湯可能な技術が待望されている。
【０００９】
本発明は上記課題を解決する。本発明では、混合ユニットをフィードバック制御する際に、給湯温度を速やかに所望の温度に安定させることが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は給湯システムとして具現化される。その給湯システムは、貯湯槽と、貯湯槽に給水する給水経路と、貯湯槽から給湯する給湯経路と、給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられており、開度を変化させることにより湯と水の混合比率を調節する混合弁を備える混合ユニットと、給湯設定温度を取得する設定温度取得手段と、バイパス経路を流れる水の温度を低温水温度として検出する低温水温度検出手段と、バイパス経路が合流するより上流側の給湯経路を流れる湯の温度を高温水温度として検出する高温水温度検出手段と、バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の温度を給湯温度として検出する給湯温度検出手段と、バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の流量を給湯流量として検出する給湯流量検出手段と、混合弁の開度を調整するコントローラを備えている。その給湯システムでは、そのコントローラが、給湯設定温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける目標混合比率を計算し、給湯温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける現状混合比率を計算し、目標混合比率と現状混合比率と給湯流量に基づいて、混合弁の開度の増減量を決定する。
【００１１】
上記の給湯システムでは、混合ユニットが給湯経路の湯に給水経路の水を混合することで、給湯設定温度に調温された湯を給湯する。コントローラは、給湯設定温度から計算される目標混合比率と、現実の給湯温度から計算される現状混合比率を用いて、フィードバック制御によって混合弁の開度を増減調整する。
【００１２】
混合弁の開度を増減させた場合の混合比率の変動は、給湯流量の大きさによって異なる。給湯流量が小さい場合には、混合弁の開度をわずかに増減させるだけで、混合比率は大きく変動する。逆に、給湯流量が大きい場合には、混合弁の開度を多少増減させたとしても、混合比率はそれほど変動しない。フィードバック制御を行う際に、混合弁の開度の増減量が大き過ぎると、ハンチングを起こして、給湯温度が安定しなくなってしまう。逆に、混合弁の開度の増減量が小さ過ぎると、給湯温度を給湯設定温度に安定させるまでに長期間を必要としてしまう。
上記の給湯システムでは、給湯設定温度から計算される目標混合比率と、現実の給湯温度から計算される現状混合比率だけでなく、給湯流量も考慮に入れて、混合弁の開度の増減量が決定される。このような構成を採用することによって、給湯温度を給湯設定温度に速やかに安定させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の給湯システムによれば、混合ユニットをフィードバック制御する際に、給湯温度を速やかに所望の温度に安定させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１） 貯湯槽には、発電ユニットが発電することによって生じる発電熱で加熱された湯が貯湯される。
【実施例】
【００１５】
本発明の給湯システムを具現化した一実施例を図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施例の給湯システム１００は、発電ユニット１０２、暖房端末機１６０、風呂の浴槽１７０および給湯栓１２４に接続されている。給湯システム１００は、貯湯槽１１０、熱源機１４０、混合ユニット１３４、リモコン１８２およびコントローラ１８０等を備えている。
【００１６】
発電ユニット１０２は、固体高分子型の燃料電池を用いた発電装置である。発電ユニット１０２は電力需要に応じて発電を行う。発電を行う際に、発電ユニット１０２は排熱回収ポンプ１０４を駆動する。排熱回収ポンプ１０４が駆動されると、貯湯槽１１０の底部から水が吸い出される。吸い出された水は、排熱回収熱交換器１０６で発電熱によって加熱されて、貯湯槽１１０の頂部に戻される。発電ユニット１０２から貯湯槽１１０の頂部に戻される湯の温度は、排熱回収サーミスタ１０８によって測定されて、コントローラ１８０へ出力される。
【００１７】
貯湯槽１１０は、発電ユニット１０２の発電熱によって加熱された湯を貯える。貯湯槽１１０に貯えられた湯は、給湯や暖房、風呂の追い焚き等に利用される。貯湯槽１１０の内部には温度成層が形成されており、貯湯槽１１０の上部には下部に比べて高温の湯が貯えられる。従って、貯湯槽１１０の蓄熱量が少ないときでも、貯湯槽１１０の上部から出湯することによって、高温の湯を利用することができる。貯湯槽１１０の上部には、湯温を検出する貯湯槽サーミスタ１１２が設けられており、検出された温度はコントローラ１８０へ出力される。
【００１８】
貯湯槽１１０の底部は、貯湯槽給水経路１３６、混合ユニット１３４および給水経路１３２を経由して、図示されない水道管に接続されている。給水経路１３２には減圧弁１２６が設けられており、水道管からの給水圧力が調整されている。貯湯槽１１０の頂部は、貯湯槽給湯経路１１４、混合ユニット１３４、給湯経路１２２を経由して、給湯栓１２４に接続されている。給湯栓１２４が開かれると、給水圧力によって貯湯槽１１０の内部の湯水が底部から頂部に向けて押し上げられ、貯湯槽１１０の上部から貯湯槽給湯経路１１４へ出湯する。貯湯槽１１０から出湯した湯は、混合ユニット１３４で水道水と混合されて、所望の温度に調温された後に給湯栓１２４へ供給される。
【００１９】
混合ユニット１３４は、貯湯槽１１０の上部から出湯される高温の湯に水道水を混合して、所望の温度に調温する。混合ユニット１３４は、給水経路１３２から貯湯槽給水経路１３６へ流れる水道水の一部を混合バイパス経路１３３に分岐させて、貯湯槽給湯経路１１４から給湯経路１２２へ流れる湯に混合する。給水経路１３２、貯湯槽給水経路１３６および混合バイパス経路１３３の接続部分には混合サーボ弁１３５が設けられている。混合サーボ弁１３５はステッピングモータを内蔵しており、これが駆動されることによって、貯湯槽給水経路１３６の開度と混合バイパス経路１３３の開度が調整されて、貯湯槽給水経路１３６へ流れる水道水の流量と混合バイパス経路１３３へ流れる水道水の流量の比率が調整される。混合サーボ弁１３５はコントローラ１８０によって制御されており、コントローラ１８０から指示されるステップ数に応じてステッピングモータを駆動する。混合ユニット１３４から貯湯槽１１０の底部へ給水される水道水の流量と、貯湯槽１１０の上部から混合ユニット１３４へ出湯される湯の流量は等しい。従って、混合サーボ弁１３５によって貯湯槽給水経路１３６へ分岐する水道水の流量と混合バイパス経路１３３へ分岐する水道水の流量の比率を調節することによって、貯湯槽給湯経路１１４からの湯と混合バイパス経路１３３からの水道水の混合比率を調節することができる。
【００２０】
貯湯槽給湯経路１１４には、貯湯槽給湯電磁弁１１６と貯湯槽給湯サーミスタ１１８が設けられている。貯湯槽給湯電磁弁１１６はコントローラ１８０によって制御されており、内蔵しているソレノイドが駆動されることによって開閉する。貯湯槽給湯電磁弁１１６が閉じられている状態では、給湯栓１２４を開いても貯湯槽１１０からは出湯せず、給湯栓１２４には給水経路１３２および混合バイパス経路１３３を経由して水道水が供給される。貯湯槽給湯サーミスタ１１８は貯湯槽給湯経路１１４を流れる湯の温度（高温水温度）を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２１】
給水経路１３２には、給水サーミスタ１２８と給水流量センサ１３０が設けられている。給水サーミスタ１２８は給水経路１３２を流れる水道水の温度を検出して、コントローラ１８０へ出力する。給水経路１３２を流れる水道水の温度は、混合バイパス経路を流れる水の温度に等しいから、給水サーミスタ１２８で検出される温度は、混合バイパス経路を流れる水の温度（低温水温度）に等しい。給水流量センサ１３０は給水経路１３２を流れる水道水の流量を検出して、コントローラ１８０へ出力する。給水経路１３２から混合ユニット１３４へ流れる水道水の流量と、混合ユニット１３４から給湯経路１２２へ流れる湯の流量は等しいから、給水流量センサ１３０で検出される流量は、混合ユニット１３４から給湯される湯の流量（給湯流量）に等しい。
【００２２】
給湯経路１２２には給湯サーミスタ１２０が設けられている。給湯サーミスタ１２０は給湯経路１２２を流れる湯の温度（給湯温度）を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２３】
熱源機１４０は、必要に応じて貯湯槽１１０の湯水を加熱する。コントローラ１８０によって循環ポンプ１３８が駆動されると、貯湯槽１１０の中間部から湯水が吸いだされ、熱源機１４０で加熱された後、貯湯槽１１０の頂部に戻される。熱源機１４０の出口近傍には熱源機出口サーミスタ１４１が設けられている。熱源機出口サーミスタ１４１は、熱源機１４０で加熱された湯の温度を検出して、コントローラ１８０へ出力する。
【００２４】
本実施例の給湯システム１００では、熱源機１４０で加熱された湯を直接的に混合ユニット１３４や給湯栓１２４に送ることなく、一旦貯湯槽１１０の頂部に戻し、貯湯槽１１０の頂部から給湯を行う構成としている。このような構成とすることによって、熱源機１４０の出口における湯温が急変した場合であっても、貯湯槽１１０の上部がバッファタンクとしての役割を果たし、給湯温度の急変が抑制される。給湯栓１２４に安定した湯温で給湯することができる。
【００２５】
熱源機１４０から貯湯槽１１０へ戻る経路は、暖房熱交換経路１４２と、暖房バイパス経路１５０に分岐している。暖房熱交換経路１４２には第１制御弁１４８が設けられており、暖房バイパス経路１５０には第２制御弁１５２が設けられている。第１制御弁１４８と第２制御弁１５２は、いずれもソレノイドを内蔵した電磁弁であって、何れか一方が開かれ、他方が閉じられるように、コントローラ１８０によって制御される。暖房端末機１６０における暖房あるいは風呂の浴槽１７０の追い焚きが行われる場合には、第１制御弁１４８が開かれ、行われていない場合には、第２制御弁１５２が開かれる。
【００２６】
暖房熱交換経路１４２には、暖房熱交換器１４４が設けられている。暖房熱交換器１４４では、熱源機１４０で加熱されて貯湯槽１１０へ戻る湯と、暖房端末機１６０の熱源として利用される熱媒（本実施例では水）との間で熱交換が行われる。暖房熱交換経路１４２の暖房熱交換器１４４の下流側には、暖房戻りサーミスタ１４６が設けられている。暖房戻りサーミスタ１４６は検出された温度をコントローラ１８０へ出力する。
【００２７】
暖房端末機１６０は、エアコンや床暖房機といった、高温の湯を熱源として利用する暖房器具である。暖房端末機１６０の熱媒として利用される水は、シスターン１５４に貯えられており、暖房ポンプ１５６の駆動によって暖房循環経路１５８を流れて、暖房熱交換器１４４、暖房端末機１６０、シスターン１５４の順に循環する。
【００２８】
暖房循環経路１５８の暖房熱交換器１４４と暖房端末機１６０の間から、追い焚き経路１６２が分岐している。追い焚き経路１６２は、暖房熱交換器１４４で加熱された熱媒としての湯が、追い焚き熱交換器１６４を経由してシスターン１５４へ戻る流路を形成する。追い焚き経路１６２には追い焚き熱動弁１６６が設けられている。追い焚き熱動弁１６６の開閉は、コントローラ１８０によって制御される。
【００２９】
風呂の浴槽１７０には風呂循環経路１６８が接続されている。風呂循環経路１６８には風呂循環ポンプ１７２が設けられている。コントローラ１８０によって風呂循環ポンプ１７２が駆動されると、浴槽１７０から風呂循環経路１６８に湯が吸い出される。浴槽１７０から吸い出された湯は、追い焚き熱交換器１６４で加熱されて、浴槽１７０に戻される。
【００３０】
風呂循環経路１６８は、注湯電磁弁１７４を介して給湯経路１２２に連通しており、注湯電磁弁１７４を開くことで、浴槽１７０への湯張りが行われる。注湯電磁弁１７４はコントローラ１８０によって制御される。
【００３１】
リモコン１８２は、表示板と操作スイッチを備えている。利用者はリモコン１８２を操作して、給湯システム１００の運転のＯＮ／ＯＦＦや、各種の運転モードの開始／終了や、給湯設定温度、暖房設定温度および風呂設定温度等を入力することができる。リモコン１８２はコントローラ１８０と通信可能であって、利用者の操作内容をコントローラ１８０へ送信する。
【００３２】
コントローラ１８０は、制御プログラムを記憶している。コントローラ１８０には、リモコン１８２の操作信号と、給水流量センサ１３０の検出信号と各種サーミスタの検出信号等が入力される。コントローラ１８０は、入力された信号を制御プログラムで処理し、各種ポンプ、各種弁、バーナ等を制御する。
【００３３】
以下では給湯システム１００が給湯運転を行う際にコントローラ１８０が行う処理について、図２のフローチャートを参照しながら説明する。
【００３４】
ステップＳ２０２では、給湯が開始されるまで待機する。本実施例では、給水流量センサ１３０で検出される給湯流量が２．７リットル／分以上となった時点で、給湯が開始されたと判断する。給湯が開始されると（ステップＳ２０２でＹＥＳとなると）、ステップＳ２０４に進む。
【００３５】
ステップＳ２０４では、貯湯槽給湯電磁弁１１６を開く。これによって、貯湯槽１１０内の上部に貯められていた温水が貯湯槽給湯経路１１４に送り出される。
【００３６】
ステップＳ２０６では、熱源機１４０による湯の加熱が必要か否かを判断するために、貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度をしきい値と比較する。本実施例では、貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度が６０℃以上であれば（ステップＳ２０６でＹＥＳであれば）、貯湯槽１１０内の温水を加熱することなく給湯に利用することが可能とみなされる。このような場合、ステップＳ２１０に進み、非燃焼給湯運転が行われる。非燃焼給湯運転では、熱源機１４０のバーナを燃焼させず、循環ポンプ１３８も駆動されない。なお、給湯運転と並行して暖房運転や風呂の追い焚き運転が行われている場合には、熱源機１４０と循環ポンプ１３８はすでに駆動されている。このような場合には、非燃焼給湯運転であっても、熱源機１４０と循環ポンプ１３８をあえて停止させることはなく、そのまま駆動させる。
【００３７】
貯湯槽サーミスタ１１２の検出温度が６０℃未満であれば（ステップＳ２０６でＮＯであれば）、貯湯槽１１０内の温水を加熱することなく給湯に利用することが不可能とみなされる。このような場合、ステップＳ２０８に進み、燃焼給湯運転が行われる。燃焼給湯運転では、循環ポンプ１３８を駆動し、熱源機１４０のバーナを点火する。第１制御弁１４８と第２制御弁１５２の両者が閉じられていたら、第２制御弁１５２を開く。これによって、貯湯槽１１０の中間部から湯水が吸い出されて、熱源機１４０で加熱される。熱源機１４０のバーナの燃焼量は、熱源機出口サーミスタ１４１の検出温度が６５℃となるように制御される。熱源機１４０で加熱された湯は、貯湯槽１１０の頂部に戻される。
【００３８】
ステップＳ２１０では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、リモコン１８２に入力された給湯設定温度に基づいて、混合ユニット１３４における目標混合比率を計算する。目標混合比率は次式で計算される。
目標混合比率＝（高温水温度−給湯設定温度）／（給湯設定温度−低温水温度）
【００３９】
ステップＳ２１２では、ステップＳ２１０で計算された目標混合比率と、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量に基づいて、混合サーボ弁１３５に指示するステップ数を計算する。
【００４０】
図３は混合ユニット１３４における混合サーボ弁１３５の開度と混合比率との関係を示している。混合サーボ弁１３５の開度はコントローラ１８０から混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数によって定まるため、図３では混合サーボ弁１３５の開度を混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数で表現している。図３に示すように、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数が同じ場合であっても、給湯流量の大小に応じて混合比率は変化する。給湯流量が大きい場合、同じ混合比率を実現しようとしても、混合サーボ弁１３５の開度を大きくしなければならない。逆に、給湯流量が小さい場合、同じ混合比率を実現しようとしても、混合サーボ弁１３５の開度を小さくしなければならない。これは、混合ユニット１３４の水側経路が混合バイパス経路１３３を経由しているのに対し、混合ユニット１３４の湯側経路が貯湯槽給水経路１３６、貯湯槽１１０および貯湯槽給湯経路１１４を経由しているため、水側経路と湯側経路で圧力損失特性が異なることに起因している。
【００４１】
コントローラ１８０は、製品出荷の段階から、代表的な給湯流量の水準として、３リットル／分、６リットル／分、９リットル／分、１２リットル／分のそれぞれの場合について、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数と混合ユニット１３４で実現される混合比率の対応関係を記憶している。コントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２１０で計算された目標混合比率に基づいて、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数を計算する。
【００４２】
例えば、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量が４リットル／分の場合には、給湯流量が３リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係と、給湯流量が６リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係を用いて、内挿法によって給湯流量が４リットル／分の場合のステップ数と混合比率の対応関係を取得する。そして、給湯流量が４リットル／分の場合の対応関係を用いて、目標混合比率に対応するステップ数を計算する。
なお本実施例では、検出された給湯流量が３リットル／分よりも小さい場合には、３リットル／分の場合の対応関係をそのまま用いる。検出された給湯流量が１２リットル／分より大きい場合には、１２リットル／分の場合の対応関係をそのまま用いる。
【００４３】
ステップＳ２１４では、ステップＳ２１２で計算された目標混合比率に対応するステップ数を混合サーボ弁１３５へ指示し、実際に混合サーボ弁１３５を駆動する。これによって、混合サーボ弁１３５の開度が調整される。
【００４４】
ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理によって、給湯設定温度での給湯が行われる目標混合比率を実現するように、混合サーボ弁１３５の開度が調整される。ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理は、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に関わらず、フィードフォワード制御によって行われる。フィードバック制御によって混合サーボ弁１３５の開度を調整する場合に比べて、速やかに目標混合比率を実現するような開度への調整が行われる。
【００４５】
ステップＳ２１６では、給湯が終了したか否かを判断する。本実施例では、給水流量センサ１３０の検出流量が２．０リットル／分以下となった時点で、給湯が終了したと判断する。給湯が終了していない場合（ステップＳ２１６でＮＯの場合）、ステップＳ２１８へ進む。給湯が終了したと判断されると（ステップＳ２１６でＹＥＳとなると）、ステップＳ２２６へ進む。
【００４６】
ステップＳ２１８の処理を行う時点では、ステップＳ２１０からステップＳ２１４までのフィードフォワード制御によって、混合サーボ弁１３５の開度はすでに調整されている。しかしながら、個々のセンサの検出誤差や、混合サーボ弁１３５の特性のばらつきに起因して、給湯サーミスタ１２０で検出される実際の給湯温度が給湯設定温度と一致していない場合がある。そこで、ステップＳ２１８以降の処理では、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づくフィードバック制御によって、混合サーボ弁１３５の開度を調整する。
【００４７】
ステップＳ２１８では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、リモコン１８２に入力された給湯設定温度に基づいて、混合ユニット１３４における目標混合比率を計算する。目標混合比率は次式で計算される。
目標混合比率＝（高温水温度−給湯設定温度）／（給湯設定温度−低温水温度）
【００４８】
ステップＳ２２０では、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいて、混合ユニット１３４における現状の混合比率を計算する。現状混合比率は次式で計算される。
現状混合比率＝（高温水温度−給湯温度）／（給湯温度−低温水温度）
【００４９】
ステップＳ２２２では、ステップＳ２１８で計算された目標混合比率と、ステップＳ２２０で計算された現状混合比率と、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量に基づいて、混合サーボ弁１３５へのステップ数指示値に付与するフィードバック量を計算する。
【００５０】
ステップＳ２１２に関して詳述したように、コントローラ１８０は、代表的な給湯流量の水準として、３リットル／分の場合、６リットル／分の場合、９リットル／分の場合、１２リットル／分の場合のそれぞれの場合について、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数と混合ユニット１３４で実現される混合比率の対応関係を記憶している。
【００５１】
ステップＳ２２２では、まずコントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２１８で計算された目標混合比率に基づいて、目標混合比率に対応するステップ数を計算する。次いでコントローラ１８０は、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量と、ステップＳ２２０で計算された現状混合比率に基づいて、現状混合比率に対応するステップ数を計算する。そしてコントローラ１８０は、目標混合比率に対応するステップ数と、現状混合比率に対応するステップ数の差を算出して、その差に応じたステップ数増減量を設定する。
【００５２】
ステップＳ２２４では、ステップＳ２２２で設定されたステップ数増減量に基づいて、混合サーボ弁１３５へステップ数の増減を指示して、混合サーボ弁１３５の開度を調整する。混合サーボ弁１３５の開度が調整された後、処理はステップＳ２１６へ戻る。
【００５３】
ステップＳ２１６で給湯が終了したと判断されるまでの間、ステップＳ２１６からステップＳ２２４までの処理が繰り返される。給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいたフィードバック制御が行われ、給湯温度が給湯設定温度に安定していく。
【００５４】
ステップＳ２１６で給湯が終了したと判断されると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ２２６へ進み、給湯を終了するための処理を行う。ステップＳ２２６では、燃焼給湯運転を行っていたか否かが判断される。燃焼給湯運転を行っていた場合（ステップＳ２２６でＹＥＳの場合）には、ステップＳ２２８へ進む。燃焼給湯運転を行っていなかった場合（ステップＳ２２６でＮＯの場合）には、ステップＳ２３０へ進む。
【００５５】
ステップＳ２２８では、熱源機１４０のバーナを消火し、循環ポンプ１３８を停止して、ステップＳ２３０へ進む。なお、給湯運転と並行して暖房運転や風呂の追い焚き運転が行われている場合には、熱源機１４０のバーナを消火せず、循環ポンプ１３８も停止せずに、ステップＳ２３０へ進む。
【００５６】
ステップＳ２３０では、給湯終了後の再給湯を待機し、所定時間経過しても再給湯が行われなければ、ステップＳ２３２で貯湯槽給湯電磁弁１１６を閉じて、ステップＳ２０２へ戻る。
【００５７】
本実施例の給湯システム１００では、ステップＳ２１０からステップＳ２１４までの処理において、混合ユニット１３４における目標混合比率だけでなく、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量も考慮して、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数を計算して、フィードフォワード制御によって混合サーボ弁１３５の開度を制御する。これによって、給湯流量の大小に関わりなく、速やかに給湯設定温度で給湯を行うことが可能となる。
【００５８】
本実施例の給湯システム１００では、ステップＳ２１６からステップＳ２２４までの繰り返し処理において、混合ユニット１３４における目標混合比率と現状混合比率だけでなく、給湯水量センサ１３０で検出される給湯流量も考慮して、混合サーボ弁１３５へ指示するステップ数増減量を計算して、フィードバック制御によって混合サーボ弁１３５の開度を制御する。これによって、給湯流量の大小に関わりなく、ハンチングを起こさずに、給湯温度を給湯設定温度まで短時間で安定させることができる。
【００５９】
なお本実施例の給湯システム１００では、コントローラ１８０が代表的な給湯流量の水準ごとの混合比率とステップ数の関係を、製品出荷の段階から記憶している例について説明したが、これらのデータは実際の給湯運転を行っている間に収集してもよい。すなわち、実際に家庭に設置されて給湯運転を行っている間に、貯湯槽給湯サーミスタ１１８で検出される高温水温度と、給水サーミスタ１２８で検出される低温水温度と、給湯サーミスタ１２０で検出される給湯温度に基づいて、混合ユニット１３４の現状混合比率を計算する。そして、計算された現状混合比率を、給湯水量センサ１３０で検出される給湯水量と、混合サーボ弁１３５に指示しているステップ数と関連付けて記憶する。このような構成とすることによって、実際に家庭に設置された状態での混合ユニット１３４での混合比率と混合サーボ弁１３５へ指令するステップ数との対応関係を取得することができる。より適切な制御を行うことが可能となる。
【００６０】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は実施例の給湯システム１００の系統図である。
【図２】図２は給湯システム１００における給湯処理を説明するフローチャートである。
【図３】図３は混合ユニット１３４における混合比率と混合サーボ弁１３５に指示するステップ数の対応関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１００：給湯システム
１０２：発電ユニット
１０４：排熱回収ポンプ
１０６：排熱回収熱交換器
１０８：排熱回収サーミスタ
１１０：貯湯槽
１１２：貯湯槽サーミスタ
１１４：貯湯槽給湯経路
１１６：貯湯槽給湯電磁弁
１１８：貯湯槽給湯サーミスタ
１２０：給湯サーミスタ
１２２：給湯経路
１２４：給湯栓
１２６：減圧弁
１２８：給水サーミスタ
１３０：給水流量センサ
１３２：給水経路
１３３：混合バイパス経路
１３４：混合ユニット
１３５：混合サーボ弁
１３６：貯湯槽給水経路
１３８：循環ポンプ
１４０：熱源機
１４１：熱源機出口サーミスタ
１４２：暖房熱交換経路
１４４：暖房熱交換器
１４６：暖房戻りサーミスタ
１４８：第１制御弁
１５０：暖房バイパス経路
１５２：第２制御弁
１５４：シスターン
１５６：暖房ポンプ
１５８：暖房循環経路
１６０：暖房端末機
１６２：追い焚き経路
１６４：追い焚き熱交換器
１６６：追い焚き熱動弁
１６８：風呂循環経路
１７０：浴槽
１７２：風呂循環ポンプ
１７４：注湯電磁弁
１８０：コントローラ
１８２：リモコン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給湯システムであって、
貯湯槽と、
貯湯槽に給水する給水経路と、
貯湯槽から給湯する給湯経路と、
給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられており、開度を変化させることにより湯と水の混合比率を調節する混合弁を備える混合ユニットと、
給湯設定温度を取得する設定温度取得手段と、
バイパス経路を流れる水の温度を低温水温度として検出する低温水温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより上流側の給湯経路を流れる湯の温度を高温水温度として検出する高温水温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の温度を給湯温度として検出する給湯温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の流量を給湯流量として検出する給湯流量検出手段と、
混合弁の開度を調整するコントローラを備えており、
そのコントローラが、
給湯設定温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける目標混合比率を計算し、
給湯温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける現状混合比率を計算し、
目標混合比率と現状混合比率と給湯流量に基づいて、混合弁の開度の増減量を決定することを特徴とする給湯システム。
【請求項１】
給湯システムであって、
貯湯槽と、
貯湯槽に給水する給水経路と、
貯湯槽から給湯する給湯経路と、
給湯経路の湯に給水経路の水を混合して調温する混合ユニットであって、給水経路から分岐して貯湯槽をバイパスして給湯経路に合流するバイパス経路と、バイパス経路に設けられており、開度を変化させることにより湯と水の混合比率を調節する混合弁を備える混合ユニットと、
給湯設定温度を取得する設定温度取得手段と、
バイパス経路を流れる水の温度を低温水温度として検出する低温水温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより上流側の給湯経路を流れる湯の温度を高温水温度として検出する高温水温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の温度を給湯温度として検出する給湯温度検出手段と、
バイパス経路が合流するより下流側の給湯経路を流れる湯の流量を給湯流量として検出する給湯流量検出手段と、
混合弁の開度を調整するコントローラを備えており、
そのコントローラが、
給湯設定温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける目標混合比率を計算し、
給湯温度と低温水温度と高温水温度に基づいて、混合ユニットにおける現状混合比率を計算し、
目標混合比率と現状混合比率と給湯流量に基づいて、混合弁の開度の増減量を決定することを特徴とする給湯システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−１７４７８７（Ｐ２００９−１７４７８７Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４５３０（Ｐ２００８−１４５３０）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００１１５８５４）リンナイ株式会社 (1,534)
【出願人】（０００１２９２３１）株式会社ガスター (277)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（０００１１５８５４）リンナイ株式会社 (1,534)
【出願人】（０００１２９２３１）株式会社ガスター (277)
【Ｆターム（参考）】
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