貯湯式給湯装置
【課題】貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、目標温度の給湯水を安定して供給できる貯湯式給湯装置を提供する。
【解決手段】水を加熱するためのヒートポンプユニット１と、そのヒートポンプユニット１により加熱された温水を貯える貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器２２と、給湯用熱交換器２２からの温水と外部から供給された水を混合する給湯用混合弁３１とを備える。制御部１０は、給湯出水温度センサＳ２１により検出された給湯出水温度と給湯入水温度および給湯温度センサＳ２２により検出された給湯温度に基づいて、給湯用混合弁３１により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて給湯用混合弁３１の開度を制御する。
【解決手段】水を加熱するためのヒートポンプユニット１と、そのヒートポンプユニット１により加熱された温水を貯える貯湯タンク２１と、貯湯タンク２１内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器２２と、給湯用熱交換器２２からの温水と外部から供給された水を混合する給湯用混合弁３１とを備える。制御部１０は、給湯出水温度センサＳ２１により検出された給湯出水温度と給湯入水温度および給湯温度センサＳ２２により検出された給湯温度に基づいて、給湯用混合弁３１により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて給湯用混合弁３１の開度を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、貯湯式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、貯湯式給湯装置としては、水を加熱するヒートポンプユニットと、ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える貯湯タンクとを備え、貯湯タンク内の温水を利用して暖房や給湯を行うものがある(例えば、特開２００６−３２９５８１号公報(特許文献１)参照)。
【０００３】
上記ヒートポンプ式給湯機では、タンク内の温水を直接用いて、給湯する場合には、タンク上部温度から、高温側の水温は容易に推定できる。このようなタンク上部温度は、タンク内の熱容量が大きいため、大きな変動がない。
【０００４】
しかしながら、上記貯湯式給湯装置では、貯湯タンク内に貯えられた温水がそのまま出湯されるのに対して、衛生面などを考慮して貯湯タンク内に給湯用熱交換器を配置し、給水口から給湯用熱交換器を介して出湯する貯湯式給湯装置が別に提案されている。このような給湯用熱交換器を用いたヒートポンプ式給湯機では、貯湯タンク内で熱交換しているため、流速などの外部要因で給湯用熱交換器からの出湯温度が変化するため、目標温度の給湯水を安定して供給することができないという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−３２９５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の課題は、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、目標温度の給湯水を安定して供給できる貯湯式給湯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、この発明の貯湯式給湯装置は、
水を加熱するためのヒートポンプユニットと、
上記ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える貯湯タンクと、
上記貯湯タンク内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器と、
上記給湯用熱交換器からの温水と上記外部から供給された水を混合する混合弁と、
上記給湯用熱交換器からの温水の温度である給湯出水温度を検知する第１温度検知手段と、
上記給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度である給湯入水温度を検知する第２温度検知手段と、
上記混合弁により混合された温水の温度である給湯温度を検知する第３温度検知手段と、
上記第１温度検知手段により検知された上記給湯出水温度と上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度および上記第３温度検知手段により検知された上記給湯温度に基づいて、上記混合弁により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて上記混合弁の開度を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記構成の貯湯式給湯装置によれば、制御部によって、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と第２温度検知手段により検知された給湯入水温度に基づくフィードフォワード制御と、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて混合弁の開度を制御することにより、混合弁により混合された温水の温度が給湯目標温度になるようにする。これにより、給湯出水温度の急な変化に対しては、フィードフォワード制御により応答を早くできる一方、給湯出水温度の緩やかな変化に対しては、フィードバック制御により滑らかな制御特性が得られる。このように、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、給湯温度の制御性を向上でき、目標温度の給湯水を安定して供給することができる。
【０００８】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
上記制御部は、
上記第１温度検知手段により検知された上記給湯出水温度と、上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度と、上記給湯目標温度と、上記混合弁の最大開度とに基づいて、上記フィードフォワード制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部を有する。
【０００９】
上記実施形態によれば、上記第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と、第２温度検知手段により検知された給湯入水温度と、給湯目標温度と、混合弁の最大開度とに基づいて、制御部の混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００１０】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
上記制御部は、
上記混合弁開度演算部により求められた上記混合弁の開度に基づく指令値を、上記混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部を有し、
上記指令値補正部により補正された上記指令値を上記混合弁に出力する。
【００１１】
上記実施形態によれば、上記混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度に基づく指令値を、上記制御部の指令値補正部により混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を上記混合弁に出力することによって、上記開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の混合弁に対して、所望の流量比が得られる指令値を混合弁に出力することができる。
【００１２】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
外気温度を検知する外気温度検知手段を備え、
上記第２温度検知手段は、上記外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、上記給湯入水温度を推定する。
【００１３】
上記実施形態によれば、上記第２温度検知手段は、外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度を推定することによって、給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度を直接検知する検知手段を用いることなく、通常備えられている外気温度検知手段を用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度が得られる。
【００１４】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、上記給湯目標温度と上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度との差分を求め、その差分に基づくＰＩＤ(比例・積分・微分)制御により上記フィードバック制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部を有する。
【００１５】
上記実施形態によれば、給湯目標温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度との差分に基づくＰＩＤ制御により、混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードバック制御を行うことによって、給湯出水温度の緩やかな変化に対して、滑らかな制御特性が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
以上より明らかなように、この発明の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、目標温度の給湯水を安定して供給できる貯湯式給湯装置を実現することができる。
【００１７】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と、第２温度検知手段により検知された給湯入水温度と、給湯目標温度と、混合弁の最大開度とに基づいて、制御部の混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００１８】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、上記混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度に基づく指令値を、上記制御部の指令値補正部により混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を上記混合弁に出力することによって、上記開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の混合弁に対して、所望の流量比が得られる指令値を混合弁に出力することができ、混合弁による流量比制御が正確に行える。
【００１９】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度を推定する第２温度検知手段を用いることによって、給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度を直接検知する検知手段を用いることなく、通常備えられている外気温度検知手段を用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度が得られる。
【００２０】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、給湯目標温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度との差分に基づくＰＩＤ制御により、混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードバック制御を行うことによって、給湯出水温度の緩やかな変化に対して、滑らかな制御特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の貯湯式給湯装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの発明の実施の一形態の貯湯式給湯機の一例としての貯湯式暖房給湯機の構成を示す回路図である。
【００２３】
この貯湯式暖房給湯機は、図１に示すように、ヒートポンプユニット１と、貯湯部２と、図示しない暖房器や給湯器に温水を供給する暖房給湯部を備えている。上記ヒートポンプユニット１には、地球温暖化係数が小さくオゾンを破壊しないＣＯ２冷媒を用いている。これにより、ヒートポンプユニット１による出湯温度を高くできる(例えば９０℃)。
【００２４】
上記ヒートポンプユニット１は、圧縮機１１と、上記圧縮機１１の吐出側に一端(一次側)が接続された凝縮器(水冷媒熱交換器)１２と、上記凝縮器１２の他端(一次側)に一端が接続された膨張弁１３と、上記膨張弁１３の他端に一端が接続され、他端が圧縮機１１の吸込側に接続された蒸発器１４と、上記蒸発器１４に外気を供給する送風ファン１５とを有している。上記圧縮機１１と凝縮器１２と膨張弁１３および蒸発器１４で冷媒回路を構成している。
【００２５】
また、上記圧縮機１１の吐出側に、吐出温度を検知する吐出温度センサＳ１を配置すると共に、吐出圧力を検知する圧力センサ(HPS)１６を配置している。また、上記蒸発器１４に蒸発器温度を検知する蒸発器温度センサＳ２を配置し、蒸発器１４近傍に、外気温度を検知する外気温度センサＳ３を配置している。
【００２６】
また、上記貯湯タンク２１の下部に配管Ｌ１１の一端を接続し、その配管Ｌ１１の他端を凝縮器１２の一端(二次側)に接続している。上記配管Ｌ１１に、貯湯タンク２１下部から凝縮器１２側に向かって水を送出する沸き上げ用循環ポンプ２４を配設している。上記ヒートポンプユニット１の凝縮器１２の他端(二次側)に配管Ｌ１２の一端を接続し、その配管Ｌ１２の他端を沸き上げ用三方弁２５の入力側に接続している。上記沸き上げ用三方弁２５の一方の出力側に配管Ｌ２４の一端を接続し、その配管Ｌ２４の他端を暖房用三方弁３２の一方の入力側に接続している。さらに、上記暖房用三方弁３２の一方の入力側を配管Ｌ３５を介して貯湯タンク２１の上部に接続している。一方、沸き上げ用三方弁２５の他方の出力側に配管Ｌ２３の一端を接続し、その配管Ｌ２３の他端を貯湯タンク２１の下側に接続している。
【００２７】
上記凝縮器１２の二次側上流の配管Ｌ１１に、入水温度を検知する入水温度センサＳ４を配置し、凝縮器１２の二次側下流の配管Ｌ１２に、出湯温度を検知する出湯温度センサＳ５を配置している。
【００２８】
また、上記貯湯タンク２１は、断熱材(図示せず)で囲まれた略円筒形状をしている。上記貯湯タンク２１内に、コイル状のパイプからなる給湯用熱交換器２２を配置している。この給湯用熱交換器２２は、所定の間隔をあけて接続された下側コイル部２２aと上側コイル部２２bとを有している。上記貯湯タンク２１に接続された給水配管Ｌ２１の一端を、下側コイル部２２aの下端に連なる給水口２１aに接続し、貯湯タンク２１に接続された給湯配管Ｌ２２の一端を、上側コイル部２２bの上端と接続している。上記貯湯タンク２１の外側の給湯配管Ｌ２２に給湯用混合弁３１を配設している。上記給湯用混合弁３１の一方の入力側と給水配管Ｌ２１とを配管Ｌ２５を介して接続している。また、上記給湯配管Ｌ２２の給湯用混合弁３１よりも上流側に、貯湯タンク２１から出湯される温水の給湯出水温度Ｔ1を検知する第１温度センサの一例としての給湯出水温度センサＳ２１を配置している。また、上記給湯配管Ｌ２２の給湯用混合弁３１よりも下流側に、給湯温度を検知する第３温度センサの一例としての給湯温度センサＳ２２を配置している。
【００２９】
上記給水配管Ｌ２１を介して外部から供給された水は、下側コイル部２２aの下端側から上側コイル２２bの上端側に向かって流れて、給湯配管Ｌ２２を介して給湯器(図示せず)に供給される。
【００３０】
また、上記貯湯タンク２１は、側面に５つの温度センサＳ６〜Ｓ１０を上側から下側に向かって順に互いに離間し配置している。上記温度センサＳ６により貯湯タンク２１内の上側部分の水温を検知し、温度センサＳ８により貯湯タンク２１内の中間部分の水温を検知する。また、上記温度センサＳ６と温度センサＳ８の中間で温度センサＳ７により貯湯タンク２１内の水温を検知する。また、上記温度センサＳ１０により貯湯タンク２１内の下側部分の水温を検知し、温度センサＳ８と温度センサＳ１０の中間で温度センサＳ９により貯湯タンク２１内の水温を検知する。本実施形態では、貯湯タンク２１内の水温を検知する５つの温度センサＳ６〜Ｓ１０を設けたが、貯湯タンク内の水温を検知する温度センサは４以上複数あればよい。複数の温度センサにより、給湯水が貯湯タンクの上からどの高さまで貯湯されているか判断することができる。
【００３１】
また、上記貯湯タンク２１内かつ下側コイル部２２aと上側コイル部２２bとの間に電熱ヒータ２３を配置している。
【００３２】
上記貯湯タンク２１と給湯用熱交換器２２と電熱ヒータ２３と沸き上げ用循環ポンプ２４と沸き上げ用三方弁２５および温度センサＳ６〜Ｓ１０で貯湯部２を構成している。
【００３３】
次に、上記暖房用三方弁３２の他方の入力側に配管Ｌ３１の一端を接続し、その配管Ｌ３１の他端を貯湯タンク２１の側方(貯湯タンク２１の上側コイル部２２bと電熱ヒータ２３との間)に接続している。
【００３４】
そして、上記暖房用三方弁３２の出力側を暖房用混合弁３３の一方の入力側に接続し、その暖房用混合弁３３の出力側に配管Ｌ３２の一端を接続している。上記配管Ｌ３２に、暖房用混合弁３３側から順に暖房往き温度センサＳ１１と暖房用循環ポンプ３４を配設している。上記配管Ｌ３２の暖房用循環ポンプ３４よりも下流側に、暖房端末の一例としてのラジエータ４１,４２,…の一端を夫々接続している。また、上記貯湯タンク２１の下部に配管Ｌ３３の一端を接続し、その配管Ｌ３３の他端側にラジエータ４１,４２,…の他端を夫々接続している。上記配管Ｌ３３に暖房戻り温度センサＳ１２を配置している。また、上記配管Ｌ３３の暖房戻り温度センサＳ１２よりも貯湯タンク２１側と、暖房用混合弁３３の他方の入力側とを配管Ｌ３４により接続している。
【００３５】
上記制御部１０は、マイクロコンピュータおよび入出力回路などからなり、フィードフォワード制御するときの給湯用混合弁３１の開度を演算する混合弁開度演算部１０aと、混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１の開度に基づく指令値を、給湯用混合弁３１の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部１０bを有する。
【００３６】
また、上記制御部１０は、吐出温度センサＳ１と蒸発器温度センサＳ２と外気温度センサＳ３および圧力センサ(HPS)１６の検知信号に基づいて、圧縮機１１,膨張弁１３,送風ファン１５などを制御すると共に、温度センサＳ６〜Ｓ１０と暖房往き温度センサＳ１１および暖房戻り温度センサＳ１２からの検知信号に基づいて、沸き上げ用三方弁２５と暖房用三方弁３２と沸き上げ用循環ポンプ２４と暖房用循環ポンプ３４を制御する。
【００３７】
上記構成の貯湯式暖房給湯機において、貯湯部２の沸き上げ用三方弁２５の出力側を配管Ｌ２４側に切り換え、ヒートポンプユニット１の圧縮機１１を駆動すると共に送風ファン１５の運転を開始する。さらに、貯湯部２の沸き上げ用循環ポンプ２４を駆動する。そうすると、圧縮機１１から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器１２で放熱して凝縮することにより液冷媒となった後、膨張弁１３で減圧された低圧冷媒は、蒸発器１４で外気から熱を吸収して蒸発する。そうして、蒸発器１４で蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機１１の吸込側に戻る。このとき、沸き上げ用循環ポンプ２４により貯湯タンク２１の下部から配管Ｌ１１を介して凝縮器１２の二次側に流入した水は、凝縮器１２で加熱されて９０℃近い温水となり、配管Ｌ１２,沸き上げ用三方弁２５,配管Ｌ２４,配管Ｌ３５を介して貯湯タンク２１内に戻る。こうして、貯湯タンク２１内の水を沸き上げ用循環ポンプ２４と凝縮器１２を介して循環させることにより、貯湯タンク２１内の水を沸き上げる。貯湯タンク２内の温水は、上側に高温の温水、下側に比較的低温の温水が位置するように湯層(温度分布)が形成されている。
【００３８】
なお、ヒートポンプユニット１の起動時などの際、まだヒートポンプユニット１の凝縮器１２から出る温水が十分に高温となっていない場合、該温水は配管Ｌ２４等を介して貯湯タンク２１の上部に戻るのではなく、配管Ｌ２３を介して貯湯タンク２１の下部の第２の沸き上げ戻り口に戻るように、沸き上げ用三方弁２５が制御される。このように、温水の温度により戻り口を切り替えるのは、十分に高温になっていない温水を貯湯タンク２１の上部に戻すと貯湯タンク２１内の温度分布が乱れる可能性があり、これを防止するためである。この沸き上げ用三方弁２５の切り替えは、凝縮器１２と沸き上げ用三方弁２５との間に設けられた出湯温度センサＳ５の出力に基づいて行われる。
【００３９】
次に、暖房運転を行う場合、暖房給湯部３の暖房用三方弁３２を、配管Ｌ３１側と暖房用混合弁３３側が接続されるように切り換えて、暖房用循環ポンプ３４を駆動する。そうすると、貯湯タンク２１の中間部の温水が配管Ｌ３１,暖房用三方弁３２,暖房用混合弁３３,暖房用循環ポンプ３４を介してラジエータ４１,４２,…に夫々流入する。そして、上記ラジエータ４１,４２,…から出た戻り温水は、配管Ｌ３３を介して貯湯タンク２１の下部から貯湯タンク２１内に戻る。
【００４０】
ここで、上記温度センサＳ６〜Ｓ１０からの検知信号と暖房往き温度センサＳ１１により検知された暖房往き温度および暖房戻り温度センサＳ１２により検知された暖房戻り温度に基づいて、制御部１０により暖房用混合弁３３および暖房用循環ポンプ３４を制御する。また、ヒートポンプユニット１による沸き上げと暖房運転を同時に行ってもよい。
【００４１】
次に、給湯運転を行う場合、給湯器(図示せず)の給湯用蛇口を開くと、外部からの給水圧力により供給された水は、給水配管Ｌ２１,給湯用熱交換器２２,給湯配管Ｌ２２を介して給湯器に流れて、給湯用熱交換器２２で加熱された温水が給湯器に供給される。なお、上記暖房運転またはヒートポンプユニット１による沸き上げの少なくとも一方と給湯運転を同時に行ってもよく、各々の運転に制約はない。
【００４２】
上記給湯運転時、制御部１０は、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯入水温度Ｔ2に基づくフィードフォワード制御と、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯温度センサＳ２２により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて、給湯用混合弁３１の開度を制御して、給湯器に供給される温水の温度を所望の温度に調節する。
【００４３】
給湯用混合弁３１の開度は、
給湯用混合弁３１の開度＝フィードフォワード開度×Ｘ＋フィードバック開度×(１−Ｘ)
ただし、制御比率Ｘは０＜Ｘ＜１００
により決定される。
【００４４】
上記構成の貯湯式給湯装置によれば、制御部１０によって、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯入水温度Ｔ2に基づくフィードフォワード制御と、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯温度センサＳ２２により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて、給湯用混合弁３１の開度を制御することにより、給湯用混合弁３１により混合された温水の温度が給湯目標温度になるようにする。ここで、制御部１０は、第２温度センサとして、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて給湯入水温度Ｔ2を推定する。
【００４５】
これにより、給湯出水温度Ｔ1の急な変化に対しては、フィードフォワード制御により応答を早くできる一方、給湯出水温度Ｔ1の緩やかな変化に対しては、フィードバック制御により滑らかな制御特性が得られる。このように、貯湯タンク２１内に配置された給湯用熱交換器２２を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、給湯温度の制御性を向上でき、目標温度の給湯水を安定して供給することができる。
【００４６】
図２は上記貯湯式暖房給湯機のフィードフォワード制御の説明をするための模式図を示している。図２に示すように、貯湯タンク２１から出湯される温水の給湯出水温度Ｔ1とし、給湯入水温度Ｔ2とし、給湯目標温度をＴ3とするとき、フィードフォワード制御に用いる給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度は、上記制御部１０の混合弁開度演算部１０aにより、
フィードフォワード開度＝(Ｔ3−Ｔ2)／(Ｔ1−Ｔ2)×Ｄmax
(ただし、Ｄmaxは給湯用混合弁３１の最大開度)により求める。例えば、給湯出水温度Ｔ1を７０℃、給湯入水温度Ｔ2を３０℃、給湯目標温度Ｔ3を５０℃としたときは、給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度を５０％とすればよい。なお、フィードフォワード開度は、上記式に限らず、貯湯式暖房給湯機の構成などに応じて適宜設定された式を用いて求めてもよい。
【００４７】
このように、上記制御部１０の混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度Ｔ1の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００４８】
図３は上記貯湯式暖房給湯機のフィードバック制御の説明をするための模式図を示している。図３に示すように、加算シンボル５１において、給湯目標温度から実際の給湯温度を減算して差分を求め、その差分に基づいてＰＩＤ制御ブロック５２によりＰＩＤ制御することにより、フィードバック制御に用いる給湯用混合弁３１のフィードバック開度を求める。なお、フィードバック開度は、図３に示す制御ブロックに限らず、貯湯式暖房給湯機の構成などに応じて適宜設定された制御ブロックを用いて求めてもよい。
【００４９】
上記混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度に基づく指令値を、上記制御部１０の指令値補正部１０bにより給湯用混合弁３１の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を給湯用混合弁３１に出力することによって、上記フィードフォワード開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の給湯用混合弁３１に対して、所望の流量比が得られる指令値を給湯用混合弁３１に出力することができ、給湯用混合弁３１による流量比制御が正確に行える。
【００５０】
上記制御部１０において、必要な流量比に対して、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法としては、図４に示すように給湯用混合弁３１の開度率と流量比とが比例しているものと近似して、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法と、図５,図６に示すように、給湯用混合弁３１の開度率と流量比との特性に近似した特性に基づいて、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法とがある。
【００５１】
図５は上記混合弁の開度率と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフを示す図を示しており、図６は混合弁パルス数と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフから数値データをサンプルした例を示す図を示している。この実施の形態の給湯用混合弁３１には、ステッピングモータ(図示せず)により駆動されるパルス駆動方式の混合弁が用いられている。
【００５２】
図６に示す特性グラフから読み取った数値データに基づく流量比に対する混合弁パルス数の関係を図７に示している。ここで、流量比は、図６において読み取った湯側流量と水側流量の数値データに基づいて、
流量比＝湯側流量／(湯側流量＋水側流量)×１００
により求める。これにより、流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフの近似式(多項式)を導き出す。図８には、図７に示す流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフと求めた近似式(多項式)に基づくグラフを示している。
【００５３】
また、上記制御部１０は、第２温度センサの一例として、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度Ｔ2を推定することによって、給湯用熱交換器２２に外部から供給される水の温度を直接検知するセンサを用いることなく、通常備えられている外気温度センサを用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度Ｔ2が得られる。
【００５４】
例えば、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、
給水温度＝６０％×外気温度＋５℃
により給水温度を推定する(但し、１０℃≦給水温度≦３５℃)。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度Ｔ2を推定したが、第２温度センサとして給湯入水温度センサを配管Ｌ３４などに設けて、給湯入水温度Ｔ2を直接検知してもよい。
【００５６】
上記実施の形態では、貯湯式給湯機として貯湯式暖房給湯機について説明したが、暖房機能を有しないに貯湯式給湯機に適用してよいのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の貯湯式給湯機の一例としての貯湯式暖房給湯機の構成を示す回路図である。
【図２】図２は上記貯湯式暖房給湯機のフィードフォワード制御の説明をするための模式図である。
【図３】図３は上記貯湯式暖房給湯機のフィードバック制御の説明をするための模式図である。
【図４】図４は混合弁の開度率と流量比が比例しているものと近似したときの図である。
【図５】図５は上記混合弁の開度率と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフを示す図である。
【図６】図６は上記混合弁のパルス数と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフから数値データをサンプルした例を示す図である。
【図７】図７は図６に示す特性グラフから読み取った数値データに基づく流量比に対する混合弁パルス数の関係を示す図である。
【図８】図８は図７に示す流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフとそのグラフの近似式に基づくグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…ヒートポンプユニット
２…貯湯部
１０…制御部
１０a…混合弁開度演算部
１０b…指令値補正部
１１…圧縮機
１２…凝縮器
１３…膨張弁
１４…蒸発器
１５…送風ファン
１６…圧力センサ
２１…貯湯タンク
２２,１２２…給湯用熱交換器
２２a,１２２a…下側コイル部
２２b,１２２b…上側コイル部
２３…電熱ヒータ
２４…沸き上げ用循環ポンプ
２５…沸き上げ用三方弁
２６…犠牲陽極
２７…パイプ
３１…給湯用混合弁
３２…暖房用三方弁
３３…暖房用混合弁
３４…暖房用循環ポンプ
４１,４２…ラジエータ
Ｓ１…吐出温度センサ
Ｓ２…蒸発器温度センサ
Ｓ３…外気温度センサ
Ｓ４…入水温度センサ
Ｓ５…出湯温度センサ
Ｓ６〜Ｓ１０…温度センサ
Ｓ１１…暖房往き温度センサ
Ｓ１２…暖房戻り温度センサ
Ｓ２１…給湯出水温度センサ
Ｓ２２…給湯温度センサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、貯湯式給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、貯湯式給湯装置としては、水を加熱するヒートポンプユニットと、ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える貯湯タンクとを備え、貯湯タンク内の温水を利用して暖房や給湯を行うものがある(例えば、特開２００６−３２９５８１号公報(特許文献１)参照)。
【０００３】
上記ヒートポンプ式給湯機では、タンク内の温水を直接用いて、給湯する場合には、タンク上部温度から、高温側の水温は容易に推定できる。このようなタンク上部温度は、タンク内の熱容量が大きいため、大きな変動がない。
【０００４】
しかしながら、上記貯湯式給湯装置では、貯湯タンク内に貯えられた温水がそのまま出湯されるのに対して、衛生面などを考慮して貯湯タンク内に給湯用熱交換器を配置し、給水口から給湯用熱交換器を介して出湯する貯湯式給湯装置が別に提案されている。このような給湯用熱交換器を用いたヒートポンプ式給湯機では、貯湯タンク内で熱交換しているため、流速などの外部要因で給湯用熱交換器からの出湯温度が変化するため、目標温度の給湯水を安定して供給することができないという問題がある。
【特許文献１】特開２００６−３２９５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明の課題は、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、目標温度の給湯水を安定して供給できる貯湯式給湯装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、この発明の貯湯式給湯装置は、
水を加熱するためのヒートポンプユニットと、
上記ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える貯湯タンクと、
上記貯湯タンク内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器と、
上記給湯用熱交換器からの温水と上記外部から供給された水を混合する混合弁と、
上記給湯用熱交換器からの温水の温度である給湯出水温度を検知する第１温度検知手段と、
上記給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度である給湯入水温度を検知する第２温度検知手段と、
上記混合弁により混合された温水の温度である給湯温度を検知する第３温度検知手段と、
上記第１温度検知手段により検知された上記給湯出水温度と上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度および上記第３温度検知手段により検知された上記給湯温度に基づいて、上記混合弁により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて上記混合弁の開度を制御する制御部と
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記構成の貯湯式給湯装置によれば、制御部によって、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と第２温度検知手段により検知された給湯入水温度に基づくフィードフォワード制御と、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて混合弁の開度を制御することにより、混合弁により混合された温水の温度が給湯目標温度になるようにする。これにより、給湯出水温度の急な変化に対しては、フィードフォワード制御により応答を早くできる一方、給湯出水温度の緩やかな変化に対しては、フィードバック制御により滑らかな制御特性が得られる。このように、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、給湯温度の制御性を向上でき、目標温度の給湯水を安定して供給することができる。
【０００８】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
上記制御部は、
上記第１温度検知手段により検知された上記給湯出水温度と、上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度と、上記給湯目標温度と、上記混合弁の最大開度とに基づいて、上記フィードフォワード制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部を有する。
【０００９】
上記実施形態によれば、上記第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と、第２温度検知手段により検知された給湯入水温度と、給湯目標温度と、混合弁の最大開度とに基づいて、制御部の混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００１０】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
上記制御部は、
上記混合弁開度演算部により求められた上記混合弁の開度に基づく指令値を、上記混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部を有し、
上記指令値補正部により補正された上記指令値を上記混合弁に出力する。
【００１１】
上記実施形態によれば、上記混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度に基づく指令値を、上記制御部の指令値補正部により混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を上記混合弁に出力することによって、上記開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の混合弁に対して、所望の流量比が得られる指令値を混合弁に出力することができる。
【００１２】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置では、
外気温度を検知する外気温度検知手段を備え、
上記第２温度検知手段は、上記外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、上記給湯入水温度を推定する。
【００１３】
上記実施形態によれば、上記第２温度検知手段は、外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度を推定することによって、給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度を直接検知する検知手段を用いることなく、通常備えられている外気温度検知手段を用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度が得られる。
【００１４】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、上記給湯目標温度と上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度との差分を求め、その差分に基づくＰＩＤ(比例・積分・微分)制御により上記フィードバック制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部を有する。
【００１５】
上記実施形態によれば、給湯目標温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度との差分に基づくＰＩＤ制御により、混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードバック制御を行うことによって、給湯出水温度の緩やかな変化に対して、滑らかな制御特性が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
以上より明らかなように、この発明の貯湯式給湯装置によれば、貯湯タンク内に配置された給湯用熱交換器を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、目標温度の給湯水を安定して供給できる貯湯式給湯装置を実現することができる。
【００１７】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、第１温度検知手段により検知された給湯出水温度と、第２温度検知手段により検知された給湯入水温度と、給湯目標温度と、混合弁の最大開度とに基づいて、制御部の混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００１８】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、上記混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度に基づく指令値を、上記制御部の指令値補正部により混合弁の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を上記混合弁に出力することによって、上記開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の混合弁に対して、所望の流量比が得られる指令値を混合弁に出力することができ、混合弁による流量比制御が正確に行える。
【００１９】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、外気温度検知手段により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度を推定する第２温度検知手段を用いることによって、給湯用熱交換器に外部から供給される水の温度を直接検知する検知手段を用いることなく、通常備えられている外気温度検知手段を用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度が得られる。
【００２０】
また、一実施形態の貯湯式給湯装置によれば、給湯目標温度と第３温度検知手段により検知された給湯温度との差分に基づくＰＩＤ制御により、混合弁開度演算部により求められた混合弁の開度を用いて、フィードバック制御を行うことによって、給湯出水温度の緩やかな変化に対して、滑らかな制御特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の貯湯式給湯装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２２】
図１はこの発明の実施の一形態の貯湯式給湯機の一例としての貯湯式暖房給湯機の構成を示す回路図である。
【００２３】
この貯湯式暖房給湯機は、図１に示すように、ヒートポンプユニット１と、貯湯部２と、図示しない暖房器や給湯器に温水を供給する暖房給湯部を備えている。上記ヒートポンプユニット１には、地球温暖化係数が小さくオゾンを破壊しないＣＯ２冷媒を用いている。これにより、ヒートポンプユニット１による出湯温度を高くできる(例えば９０℃)。
【００２４】
上記ヒートポンプユニット１は、圧縮機１１と、上記圧縮機１１の吐出側に一端(一次側)が接続された凝縮器(水冷媒熱交換器)１２と、上記凝縮器１２の他端(一次側)に一端が接続された膨張弁１３と、上記膨張弁１３の他端に一端が接続され、他端が圧縮機１１の吸込側に接続された蒸発器１４と、上記蒸発器１４に外気を供給する送風ファン１５とを有している。上記圧縮機１１と凝縮器１２と膨張弁１３および蒸発器１４で冷媒回路を構成している。
【００２５】
また、上記圧縮機１１の吐出側に、吐出温度を検知する吐出温度センサＳ１を配置すると共に、吐出圧力を検知する圧力センサ(HPS)１６を配置している。また、上記蒸発器１４に蒸発器温度を検知する蒸発器温度センサＳ２を配置し、蒸発器１４近傍に、外気温度を検知する外気温度センサＳ３を配置している。
【００２６】
また、上記貯湯タンク２１の下部に配管Ｌ１１の一端を接続し、その配管Ｌ１１の他端を凝縮器１２の一端(二次側)に接続している。上記配管Ｌ１１に、貯湯タンク２１下部から凝縮器１２側に向かって水を送出する沸き上げ用循環ポンプ２４を配設している。上記ヒートポンプユニット１の凝縮器１２の他端(二次側)に配管Ｌ１２の一端を接続し、その配管Ｌ１２の他端を沸き上げ用三方弁２５の入力側に接続している。上記沸き上げ用三方弁２５の一方の出力側に配管Ｌ２４の一端を接続し、その配管Ｌ２４の他端を暖房用三方弁３２の一方の入力側に接続している。さらに、上記暖房用三方弁３２の一方の入力側を配管Ｌ３５を介して貯湯タンク２１の上部に接続している。一方、沸き上げ用三方弁２５の他方の出力側に配管Ｌ２３の一端を接続し、その配管Ｌ２３の他端を貯湯タンク２１の下側に接続している。
【００２７】
上記凝縮器１２の二次側上流の配管Ｌ１１に、入水温度を検知する入水温度センサＳ４を配置し、凝縮器１２の二次側下流の配管Ｌ１２に、出湯温度を検知する出湯温度センサＳ５を配置している。
【００２８】
また、上記貯湯タンク２１は、断熱材(図示せず)で囲まれた略円筒形状をしている。上記貯湯タンク２１内に、コイル状のパイプからなる給湯用熱交換器２２を配置している。この給湯用熱交換器２２は、所定の間隔をあけて接続された下側コイル部２２aと上側コイル部２２bとを有している。上記貯湯タンク２１に接続された給水配管Ｌ２１の一端を、下側コイル部２２aの下端に連なる給水口２１aに接続し、貯湯タンク２１に接続された給湯配管Ｌ２２の一端を、上側コイル部２２bの上端と接続している。上記貯湯タンク２１の外側の給湯配管Ｌ２２に給湯用混合弁３１を配設している。上記給湯用混合弁３１の一方の入力側と給水配管Ｌ２１とを配管Ｌ２５を介して接続している。また、上記給湯配管Ｌ２２の給湯用混合弁３１よりも上流側に、貯湯タンク２１から出湯される温水の給湯出水温度Ｔ1を検知する第１温度センサの一例としての給湯出水温度センサＳ２１を配置している。また、上記給湯配管Ｌ２２の給湯用混合弁３１よりも下流側に、給湯温度を検知する第３温度センサの一例としての給湯温度センサＳ２２を配置している。
【００２９】
上記給水配管Ｌ２１を介して外部から供給された水は、下側コイル部２２aの下端側から上側コイル２２bの上端側に向かって流れて、給湯配管Ｌ２２を介して給湯器(図示せず)に供給される。
【００３０】
また、上記貯湯タンク２１は、側面に５つの温度センサＳ６〜Ｓ１０を上側から下側に向かって順に互いに離間し配置している。上記温度センサＳ６により貯湯タンク２１内の上側部分の水温を検知し、温度センサＳ８により貯湯タンク２１内の中間部分の水温を検知する。また、上記温度センサＳ６と温度センサＳ８の中間で温度センサＳ７により貯湯タンク２１内の水温を検知する。また、上記温度センサＳ１０により貯湯タンク２１内の下側部分の水温を検知し、温度センサＳ８と温度センサＳ１０の中間で温度センサＳ９により貯湯タンク２１内の水温を検知する。本実施形態では、貯湯タンク２１内の水温を検知する５つの温度センサＳ６〜Ｓ１０を設けたが、貯湯タンク内の水温を検知する温度センサは４以上複数あればよい。複数の温度センサにより、給湯水が貯湯タンクの上からどの高さまで貯湯されているか判断することができる。
【００３１】
また、上記貯湯タンク２１内かつ下側コイル部２２aと上側コイル部２２bとの間に電熱ヒータ２３を配置している。
【００３２】
上記貯湯タンク２１と給湯用熱交換器２２と電熱ヒータ２３と沸き上げ用循環ポンプ２４と沸き上げ用三方弁２５および温度センサＳ６〜Ｓ１０で貯湯部２を構成している。
【００３３】
次に、上記暖房用三方弁３２の他方の入力側に配管Ｌ３１の一端を接続し、その配管Ｌ３１の他端を貯湯タンク２１の側方(貯湯タンク２１の上側コイル部２２bと電熱ヒータ２３との間)に接続している。
【００３４】
そして、上記暖房用三方弁３２の出力側を暖房用混合弁３３の一方の入力側に接続し、その暖房用混合弁３３の出力側に配管Ｌ３２の一端を接続している。上記配管Ｌ３２に、暖房用混合弁３３側から順に暖房往き温度センサＳ１１と暖房用循環ポンプ３４を配設している。上記配管Ｌ３２の暖房用循環ポンプ３４よりも下流側に、暖房端末の一例としてのラジエータ４１,４２,…の一端を夫々接続している。また、上記貯湯タンク２１の下部に配管Ｌ３３の一端を接続し、その配管Ｌ３３の他端側にラジエータ４１,４２,…の他端を夫々接続している。上記配管Ｌ３３に暖房戻り温度センサＳ１２を配置している。また、上記配管Ｌ３３の暖房戻り温度センサＳ１２よりも貯湯タンク２１側と、暖房用混合弁３３の他方の入力側とを配管Ｌ３４により接続している。
【００３５】
上記制御部１０は、マイクロコンピュータおよび入出力回路などからなり、フィードフォワード制御するときの給湯用混合弁３１の開度を演算する混合弁開度演算部１０aと、混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１の開度に基づく指令値を、給湯用混合弁３１の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部１０bを有する。
【００３６】
また、上記制御部１０は、吐出温度センサＳ１と蒸発器温度センサＳ２と外気温度センサＳ３および圧力センサ(HPS)１６の検知信号に基づいて、圧縮機１１,膨張弁１３,送風ファン１５などを制御すると共に、温度センサＳ６〜Ｓ１０と暖房往き温度センサＳ１１および暖房戻り温度センサＳ１２からの検知信号に基づいて、沸き上げ用三方弁２５と暖房用三方弁３２と沸き上げ用循環ポンプ２４と暖房用循環ポンプ３４を制御する。
【００３７】
上記構成の貯湯式暖房給湯機において、貯湯部２の沸き上げ用三方弁２５の出力側を配管Ｌ２４側に切り換え、ヒートポンプユニット１の圧縮機１１を駆動すると共に送風ファン１５の運転を開始する。さらに、貯湯部２の沸き上げ用循環ポンプ２４を駆動する。そうすると、圧縮機１１から吐出された高圧ガス冷媒は、凝縮器１２で放熱して凝縮することにより液冷媒となった後、膨張弁１３で減圧された低圧冷媒は、蒸発器１４で外気から熱を吸収して蒸発する。そうして、蒸発器１４で蒸発した低圧ガス冷媒は、圧縮機１１の吸込側に戻る。このとき、沸き上げ用循環ポンプ２４により貯湯タンク２１の下部から配管Ｌ１１を介して凝縮器１２の二次側に流入した水は、凝縮器１２で加熱されて９０℃近い温水となり、配管Ｌ１２,沸き上げ用三方弁２５,配管Ｌ２４,配管Ｌ３５を介して貯湯タンク２１内に戻る。こうして、貯湯タンク２１内の水を沸き上げ用循環ポンプ２４と凝縮器１２を介して循環させることにより、貯湯タンク２１内の水を沸き上げる。貯湯タンク２内の温水は、上側に高温の温水、下側に比較的低温の温水が位置するように湯層(温度分布)が形成されている。
【００３８】
なお、ヒートポンプユニット１の起動時などの際、まだヒートポンプユニット１の凝縮器１２から出る温水が十分に高温となっていない場合、該温水は配管Ｌ２４等を介して貯湯タンク２１の上部に戻るのではなく、配管Ｌ２３を介して貯湯タンク２１の下部の第２の沸き上げ戻り口に戻るように、沸き上げ用三方弁２５が制御される。このように、温水の温度により戻り口を切り替えるのは、十分に高温になっていない温水を貯湯タンク２１の上部に戻すと貯湯タンク２１内の温度分布が乱れる可能性があり、これを防止するためである。この沸き上げ用三方弁２５の切り替えは、凝縮器１２と沸き上げ用三方弁２５との間に設けられた出湯温度センサＳ５の出力に基づいて行われる。
【００３９】
次に、暖房運転を行う場合、暖房給湯部３の暖房用三方弁３２を、配管Ｌ３１側と暖房用混合弁３３側が接続されるように切り換えて、暖房用循環ポンプ３４を駆動する。そうすると、貯湯タンク２１の中間部の温水が配管Ｌ３１,暖房用三方弁３２,暖房用混合弁３３,暖房用循環ポンプ３４を介してラジエータ４１,４２,…に夫々流入する。そして、上記ラジエータ４１,４２,…から出た戻り温水は、配管Ｌ３３を介して貯湯タンク２１の下部から貯湯タンク２１内に戻る。
【００４０】
ここで、上記温度センサＳ６〜Ｓ１０からの検知信号と暖房往き温度センサＳ１１により検知された暖房往き温度および暖房戻り温度センサＳ１２により検知された暖房戻り温度に基づいて、制御部１０により暖房用混合弁３３および暖房用循環ポンプ３４を制御する。また、ヒートポンプユニット１による沸き上げと暖房運転を同時に行ってもよい。
【００４１】
次に、給湯運転を行う場合、給湯器(図示せず)の給湯用蛇口を開くと、外部からの給水圧力により供給された水は、給水配管Ｌ２１,給湯用熱交換器２２,給湯配管Ｌ２２を介して給湯器に流れて、給湯用熱交換器２２で加熱された温水が給湯器に供給される。なお、上記暖房運転またはヒートポンプユニット１による沸き上げの少なくとも一方と給湯運転を同時に行ってもよく、各々の運転に制約はない。
【００４２】
上記給湯運転時、制御部１０は、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯入水温度Ｔ2に基づくフィードフォワード制御と、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯温度センサＳ２２により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて、給湯用混合弁３１の開度を制御して、給湯器に供給される温水の温度を所望の温度に調節する。
【００４３】
給湯用混合弁３１の開度は、
給湯用混合弁３１の開度＝フィードフォワード開度×Ｘ＋フィードバック開度×(１−Ｘ)
ただし、制御比率Ｘは０＜Ｘ＜１００
により決定される。
【００４４】
上記構成の貯湯式給湯装置によれば、制御部１０によって、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯入水温度Ｔ2に基づくフィードフォワード制御と、給湯出水温度センサＳ２１により検知された給湯出水温度Ｔ1と給湯温度センサＳ２２により検知された給湯温度に基づくフィードバック制御とを用いて、給湯用混合弁３１の開度を制御することにより、給湯用混合弁３１により混合された温水の温度が給湯目標温度になるようにする。ここで、制御部１０は、第２温度センサとして、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて給湯入水温度Ｔ2を推定する。
【００４５】
これにより、給湯出水温度Ｔ1の急な変化に対しては、フィードフォワード制御により応答を早くできる一方、給湯出水温度Ｔ1の緩やかな変化に対しては、フィードバック制御により滑らかな制御特性が得られる。このように、貯湯タンク２１内に配置された給湯用熱交換器２２を介して出湯する構成の貯湯式給湯装置において、給湯温度の制御性を向上でき、目標温度の給湯水を安定して供給することができる。
【００４６】
図２は上記貯湯式暖房給湯機のフィードフォワード制御の説明をするための模式図を示している。図２に示すように、貯湯タンク２１から出湯される温水の給湯出水温度Ｔ1とし、給湯入水温度Ｔ2とし、給湯目標温度をＴ3とするとき、フィードフォワード制御に用いる給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度は、上記制御部１０の混合弁開度演算部１０aにより、
フィードフォワード開度＝(Ｔ3−Ｔ2)／(Ｔ1−Ｔ2)×Ｄmax
(ただし、Ｄmaxは給湯用混合弁３１の最大開度)により求める。例えば、給湯出水温度Ｔ1を７０℃、給湯入水温度Ｔ2を３０℃、給湯目標温度Ｔ3を５０℃としたときは、給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度を５０％とすればよい。なお、フィードフォワード開度は、上記式に限らず、貯湯式暖房給湯機の構成などに応じて適宜設定された式を用いて求めてもよい。
【００４７】
このように、上記制御部１０の混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度を用いて、フィードフォワード制御を行うことによって、給湯出水温度Ｔ1の急な変化に対して、速やかに応答できるから、給湯温度の制御性を向上できる。
【００４８】
図３は上記貯湯式暖房給湯機のフィードバック制御の説明をするための模式図を示している。図３に示すように、加算シンボル５１において、給湯目標温度から実際の給湯温度を減算して差分を求め、その差分に基づいてＰＩＤ制御ブロック５２によりＰＩＤ制御することにより、フィードバック制御に用いる給湯用混合弁３１のフィードバック開度を求める。なお、フィードバック開度は、図３に示す制御ブロックに限らず、貯湯式暖房給湯機の構成などに応じて適宜設定された制御ブロックを用いて求めてもよい。
【００４９】
上記混合弁開度演算部１０aにより求められた給湯用混合弁３１のフィードフォワード開度に基づく指令値を、上記制御部１０の指令値補正部１０bにより給湯用混合弁３１の指令値に対する開度特性に応じて補正し、補正された上記指令値を給湯用混合弁３１に出力することによって、上記フィードフォワード開度の指令値に対して流量比が比例しない開度特性の給湯用混合弁３１に対して、所望の流量比が得られる指令値を給湯用混合弁３１に出力することができ、給湯用混合弁３１による流量比制御が正確に行える。
【００５０】
上記制御部１０において、必要な流量比に対して、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法としては、図４に示すように給湯用混合弁３１の開度率と流量比とが比例しているものと近似して、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法と、図５,図６に示すように、給湯用混合弁３１の開度率と流量比との特性に近似した特性に基づいて、給湯用混合弁３１の開度を決定する方法とがある。
【００５１】
図５は上記混合弁の開度率と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフを示す図を示しており、図６は混合弁パルス数と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフから数値データをサンプルした例を示す図を示している。この実施の形態の給湯用混合弁３１には、ステッピングモータ(図示せず)により駆動されるパルス駆動方式の混合弁が用いられている。
【００５２】
図６に示す特性グラフから読み取った数値データに基づく流量比に対する混合弁パルス数の関係を図７に示している。ここで、流量比は、図６において読み取った湯側流量と水側流量の数値データに基づいて、
流量比＝湯側流量／(湯側流量＋水側流量)×１００
により求める。これにより、流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフの近似式(多項式)を導き出す。図８には、図７に示す流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフと求めた近似式(多項式)に基づくグラフを示している。
【００５３】
また、上記制御部１０は、第２温度センサの一例として、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度Ｔ2を推定することによって、給湯用熱交換器２２に外部から供給される水の温度を直接検知するセンサを用いることなく、通常備えられている外気温度センサを用いて、フィードフォワード制御に必要な給湯入水温度Ｔ2が得られる。
【００５４】
例えば、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、
給水温度＝６０％×外気温度＋５℃
により給水温度を推定する(但し、１０℃≦給水温度≦３５℃)。
【００５５】
なお、上記実施の形態では、外気温度センサＳ３により検知された外気温度に基づいて、給湯入水温度Ｔ2を推定したが、第２温度センサとして給湯入水温度センサを配管Ｌ３４などに設けて、給湯入水温度Ｔ2を直接検知してもよい。
【００５６】
上記実施の形態では、貯湯式給湯機として貯湯式暖房給湯機について説明したが、暖房機能を有しないに貯湯式給湯機に適用してよいのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の貯湯式給湯機の一例としての貯湯式暖房給湯機の構成を示す回路図である。
【図２】図２は上記貯湯式暖房給湯機のフィードフォワード制御の説明をするための模式図である。
【図３】図３は上記貯湯式暖房給湯機のフィードバック制御の説明をするための模式図である。
【図４】図４は混合弁の開度率と流量比が比例しているものと近似したときの図である。
【図５】図５は上記混合弁の開度率と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフを示す図である。
【図６】図６は上記混合弁のパルス数と流量(水側流量と湯側流量)の特性グラフから数値データをサンプルした例を示す図である。
【図７】図７は図６に示す特性グラフから読み取った数値データに基づく流量比に対する混合弁パルス数の関係を示す図である。
【図８】図８は図７に示す流量比に対する混合弁パルス数の関係を示すグラフとそのグラフの近似式に基づくグラフを示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…ヒートポンプユニット
２…貯湯部
１０…制御部
１０a…混合弁開度演算部
１０b…指令値補正部
１１…圧縮機
１２…凝縮器
１３…膨張弁
１４…蒸発器
１５…送風ファン
１６…圧力センサ
２１…貯湯タンク
２２,１２２…給湯用熱交換器
２２a,１２２a…下側コイル部
２２b,１２２b…上側コイル部
２３…電熱ヒータ
２４…沸き上げ用循環ポンプ
２５…沸き上げ用三方弁
２６…犠牲陽極
２７…パイプ
３１…給湯用混合弁
３２…暖房用三方弁
３３…暖房用混合弁
３４…暖房用循環ポンプ
４１,４２…ラジエータ
Ｓ１…吐出温度センサ
Ｓ２…蒸発器温度センサ
Ｓ３…外気温度センサ
Ｓ４…入水温度センサ
Ｓ５…出湯温度センサ
Ｓ６〜Ｓ１０…温度センサ
Ｓ１１…暖房往き温度センサ
Ｓ１２…暖房戻り温度センサ
Ｓ２１…給湯出水温度センサ
Ｓ２２…給湯温度センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を加熱するためのヒートポンプユニット(１)と、
上記ヒートポンプユニット(１)により加熱された温水を貯える貯湯タンク(２１)と、
上記貯湯タンク(２１)内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器(２２)と、
上記給湯用熱交換器(２２)からの温水と上記外部から供給された水を混合する混合弁(３１)と、
上記給湯用熱交換器(２２)からの温水の温度である給湯出水温度を検知する第１温度検知手段(Ｓ２１)と、
上記給湯用熱交換器(２２)に外部から供給される水の温度である給湯入水温度を検知する第２温度検知手段と、
上記混合弁(３１)により混合された温水の温度である給湯温度を検知する第３温度検知手段(Ｓ２２)と、
上記第１温度検知手段(Ｓ２１)により検知された上記給湯出水温度と上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度および上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度に基づいて、上記混合弁(３１)により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて上記混合弁(３１)の開度を制御する制御部(１０)と
を備えたことを特徴とする貯湯式給湯機。
【請求項２】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、
上記制御部(１０)は、
上記第１温度検知手段(Ｓ２１)により検知された上記給湯出水温度と、上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度と、上記給湯目標温度と、上記混合弁(３１)の最大開度とに基づいて、上記フィードフォワード制御するときの上記混合弁(３１)の開度を求める混合弁開度演算部(１０a)を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項３】
請求項２に記載の貯湯式給湯装置において、
上記制御部(１０)は、
上記混合弁開度演算部(１０a)により求められた上記混合弁(３１)の開度に基づく指令値を、上記混合弁(３１)の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部(１０b)を有し、
上記指令値補正部(１０b)により補正された上記指令値を上記混合弁(３１)に出力することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の貯湯式給湯装置において、
外気温度を検知する外気温度検知手段(Ｓ３)を備え、
上記第２温度検知手段は、上記外気温度検知手段(Ｓ３)により検知された外気温度に基づいて、上記給湯入水温度を推定することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項５】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、
上記給湯目標温度と上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度との差分を求め、その差分に基づくＰＩＤ制御により上記フィードバック制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部(１０a)を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項１】
水を加熱するためのヒートポンプユニット(１)と、
上記ヒートポンプユニット(１)により加熱された温水を貯える貯湯タンク(２１)と、
上記貯湯タンク(２１)内に配置され、外部から供給された水を加熱して出湯する給湯用熱交換器(２２)と、
上記給湯用熱交換器(２２)からの温水と上記外部から供給された水を混合する混合弁(３１)と、
上記給湯用熱交換器(２２)からの温水の温度である給湯出水温度を検知する第１温度検知手段(Ｓ２１)と、
上記給湯用熱交換器(２２)に外部から供給される水の温度である給湯入水温度を検知する第２温度検知手段と、
上記混合弁(３１)により混合された温水の温度である給湯温度を検知する第３温度検知手段(Ｓ２２)と、
上記第１温度検知手段(Ｓ２１)により検知された上記給湯出水温度と上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度および上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度に基づいて、上記混合弁(３１)により混合された温水の温度が給湯目標温度になるように、フィードフォワード制御とフィードバック制御を用いて上記混合弁(３１)の開度を制御する制御部(１０)と
を備えたことを特徴とする貯湯式給湯機。
【請求項２】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、
上記制御部(１０)は、
上記第１温度検知手段(Ｓ２１)により検知された上記給湯出水温度と、上記第２温度検知手段により検知された上記給湯入水温度と、上記給湯目標温度と、上記混合弁(３１)の最大開度とに基づいて、上記フィードフォワード制御するときの上記混合弁(３１)の開度を求める混合弁開度演算部(１０a)を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項３】
請求項２に記載の貯湯式給湯装置において、
上記制御部(１０)は、
上記混合弁開度演算部(１０a)により求められた上記混合弁(３１)の開度に基づく指令値を、上記混合弁(３１)の指令値に対する開度特性に応じて補正する指令値補正部(１０b)を有し、
上記指令値補正部(１０b)により補正された上記指令値を上記混合弁(３１)に出力することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１つに記載の貯湯式給湯装置において、
外気温度を検知する外気温度検知手段(Ｓ３)を備え、
上記第２温度検知手段は、上記外気温度検知手段(Ｓ３)により検知された外気温度に基づいて、上記給湯入水温度を推定することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項５】
請求項１に記載の貯湯式給湯装置において、
上記給湯目標温度と上記第３温度検知手段(Ｓ２２)により検知された上記給湯温度との差分を求め、その差分に基づくＰＩＤ制御により上記フィードバック制御するときの上記混合弁の開度を求める混合弁開度演算部(１０a)を有することを特徴とする貯湯式給湯装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２８７８１６（Ｐ２００９−２８７８１６Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３９４３７（Ｐ２００８−１３９４３７）
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１０日（２００９．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２８日（２００８．５．２８）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
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