本発明は、自然エネルギーを利用した暖房装置に関するものである。

従来、戸建て住宅や集合住宅などの比較的小規模な建物において、輻射式暖房が用いられている。欧州における暖房は、温水循環による床暖房、ラジエータなど輻射暖房方式が一般的である。近年、このような一般住宅における暖房には、例えば太陽光発電等の自然エネルギーによる発電を利用した装置が広く普及している。太陽光発電を利用した暖房装置は、暖房回路内に温水蓄熱タンクを備えており、この温水蓄熱タンクに温水が貯湯され、熱が一時的に蓄熱される。

特許文献1には、商用電力によりヒートポンプユニットを稼働させヒートポンプユニットで加熱した高温の湯を貯湯タンク内に貯える貯湯式給湯装置を、暖房熱源として機能させる構成が記載されている。この装置では、急激な気温変化に起因する貯湯タンクの蓄熱量不足若しくは蓄熱量過多による使い勝手の悪さ、電力料金の無駄を防止するため、給湯に使用すると予測される給湯予測熱量と暖房に使用されると予測される暖房予測熱量とを求めて蓄熱する目標蓄熱量として算出し、貯湯タンク内の湯の沸かし上げを行っている。

特開2005−257213号公報

しかしながら、特許文献1に記載の暖房装置を単純に太陽光発電装置を利用して動作させても、貯湯タンクへの蓄熱温度は、現在の目標出湯温度に数℃程度、または予め定めた放熱器の許容上限温度までしか温度を上げることができない。蓄熱タンクの蓄熱温度が過剰である場合、室内温度の上昇により使用者に不快感を与えることがあり、また床暖房などの利用側熱交換器の許容上限温度を超えた温水が流入することにより利用側熱交換器の故障を招く恐れがあるからである。特許文献1の暖房装置では、これらの不具合を回避するために、太陽光発電により得られるエネルギーを十分に活用することができないという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、使用者の快適性をそこなうことなく、自然エネルギーによる発電を最大限活用することを目的とする。

本発明に係る暖房装置は、循環する水を加熱する熱源器と、熱源器に接続され、熱源器で加熱される熱源器加熱温水が貯留される温水蓄熱タンクと、温水蓄熱タンクに接続され、入力される温水と周囲空間との間で熱交換を行う利用側熱交換器と、温水蓄熱タンクと利用側熱交換器との間に設けられ、温水蓄熱タンクから出力されるタンク出湯温水と利用側熱交換器から出力される戻り水とを混合し、混合した温水を利用側熱交換器に出力する温水混合弁とを有する熱源回路と、温水混合弁から出力され利用側熱交換器に入力される混合弁出湯温水と戻り水との温度差と、温水混合弁における、タンク出湯温水と戻り水との混合比と、設定される目標出湯温度とに基づいて、温水蓄熱タンクに蓄熱可能な最大温度を決定する最大温度決定手段と、温水蓄熱タンクの蓄熱温度が最大温度となるよう熱源器を制御する運転制御手段とを有する制御部とを含むものである。

本発明に係る暖房装置によると、温水混合弁から出力される温水の温度、利用側熱交換器の放熱の温度差、温水混合弁における混合比、および設定される目標出湯温度から、温水蓄熱タンクに蓄熱可能な最大温度が決定され、温水蓄熱タンクの蓄熱温度が決定された最大温度となるよう、熱源器が制御される。従って、使用者の快適性を維持するとともに利用側熱交換器の機能に影響を与えることなく、温水蓄熱タンクにおける蓄熱可能な温度を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る暖房装置を示すブロック図である。

本発明の実施の形態に係る暖房装置の制御コントローラと、該制御コントローラとの間で入出力が行われる構成要素とを示すブロック図である。

本発明の実施の形態に係る暖房装置における、温水混合弁の開度、温水蓄熱タンクの蓄熱可能な最大温度、利用側熱交換器の放熱の温度差の関連を示す図である。

以下に、本発明における暖房装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面においては各構成部材の大きさは実際の装置とは異なる場合がある。

実施の形態. 図1は、本発明の実施の形態に係る暖房装置を示すブロック図である。熱源回路1は、熱源機100と、第1の循環ポンプ101と、第2の循環ポンプ102と、温水混合弁103と、温水蓄熱タンク104と、浸水ヒータ105と、利用側熱交換器106と、冷媒/水熱交換器107と、ブースタヒータ108を備えている。本実施の形態では、熱源機100と、浸水ヒータ105と、ブースタヒータ108とで、熱源回路1を循環する水を加熱する熱源器を構成している。

熱源機100は、冷媒/水熱交換器107を含む冷媒回路で構成されており、空気と冷媒との冷凍サイクルにより高温または低温の冷媒を生成する。冷媒/水熱交換器107において、暖房の場合は生成された冷媒と温水との熱交換が行われ、冷房の場合は冷媒と冷水との熱交換が行われる。

本実施の形態において、熱源回路1は暖房に用いられる。冷媒/水熱交換器107は、例えばプレート式熱交換器であり、生成された冷媒と温水との熱交換が行われる。冷媒/水熱交換器107において熱交換された温水は、温水蓄熱タンク104を経由して利用側熱交換器106へ送られる。利用側熱交換器106は、放熱器であり、例えば床暖房若しくはラジエータなどに用いられ、対象物を暖めるものである。

このような熱源回路1を暖房として用いる場合において、温水蓄熱タンク104は、冷媒/水熱交換器107における熱交換で高温となった温水を貯留しておくタンクであり、熱源回路1全体の保有水量の確保、例えばボイラ等の他熱源との接続用などを目的として配設される。本実施の形態では、温水蓄熱タンク104は、太陽光発電における蓄熱タンクとして使用することを目的としている。温水蓄熱タンク104には、浸水ヒータ105が設けられている。浸水ヒータ105は、熱源機100の加熱能力が不足している場合等に、温水蓄熱タンク104の内部に貯留している温水をさらに加熱するためのものである。

第1の循環ポンプ101は、熱源機100の冷媒/水熱交換器107と温水蓄熱タンク104との間を循環させ、第2の循環ポンプ102は、利用側熱交換器106と温水蓄熱タンク104との間を循環させる。

熱源機100と温水蓄熱タンク104との間にはブースタヒータ108が設けられている。ブースタヒータ108は、冷媒/水熱交換器107で加熱された後の温水をさらに補助的に加熱するためのものである。

温水混合弁103は、温水蓄熱タンク104と利用側熱交換器106との間に設けられており、ここでは三方弁を用いて、温水蓄熱タンク104から出るタンク出湯温水と、利用側熱交換器106から戻る戻り水の混合を制御する。温水混合弁103の開度が小さい場合、利用側熱交換器106からの戻り水に対する温水蓄熱タンク104からのタンク出湯温水の量は少ない。温水混合弁103の開度が大きい場合、利用側熱交換器106からの戻り水に対する温水蓄熱タンク104からのタンク出湯の量は多い。温水混合弁103の開度は%で表される。例えば、温水混合弁103の開度が10%の場合、タンク出湯温水と戻り水の混合比は1:9となる。

制御コントローラ200には太陽光発電システムの発電コントローラ300が接続されている。発電コントローラ300から制御コントローラ200へ蓄熱指令が出されると、制御コントローラ200は熱源機100を駆動して温水蓄熱タンク104への蓄熱を実施する。熱源機100の加熱能力が不足している場合は、上述の浸水ヒータ105またはブースタヒータ108が駆動され、温水蓄熱タンク104への蓄熱が行われる。

熱源回路1には、第1の出湯温度センサ201、第1の戻り温度センサ202、第2の出湯温度センサ206、第2の戻り温度センサ207、および蓄熱温度センサ208が設けられている。第1の出湯温度センサ201は、熱源機100から出力され、場合によってブースタヒータ108によりさらに加熱され、温水蓄熱タンク104へ入力される熱源機出湯温水の温度を検知するためのものである。第2の出湯温度センサ206は、温水混合弁103から出力され、利用側熱交換器106へ入力される混合弁出湯温水の温度を検知するためのものである。第2の戻り温度センサ207は、利用側熱交換器106で周囲空間の空気と熱交換して利用側熱交換器106から戻ってきた戻り水の温度を検知するためのものである。第1の戻り温度センサ202は、利用側熱交換器106から温水蓄熱タンク104を経由して熱源機100へ戻ってきた水の温度を検知するためのものである。蓄熱温度センサ208は、温水蓄熱タンク104の蓄熱温度を検知するためのものである。

制御コントローラ200には、第1の出湯温度センサ201、第1の戻り温度センサ202、第2の出湯温度センサ206、第2の戻り温度センサ207、および蓄熱温度センサ208からそれぞれ出力される温度情報が入力される。また、制御コントローラ200には、温水混合弁103の弁開度情報が入力される。さらに、制御コントローラ200には、使用者により操作されるメインリモコン209の出力情報が入力される。使用者は、メインリモコン209を介して、目標出湯温度、目標出湯温度上限値、目標出湯温度下限値等を設定することができる。制御コントローラ200は、これらの入力情報に基づいて、熱源機100の制御、第1の循環ポンプ101および第2の循環ポンプ102のON/OFF制御、温水混合弁103の弁開度の調節、浸水ヒータ105およびブースタヒータ108の制御を行う。

図2は、本発明の実施の形態に係る暖房装置の制御コントローラと、該制御コントローラとの間で入出力が行われる構成要素とを示すブロック図である。制御コントローラ200は、温度情報取得手段211と、最大温度計算手段212と、最大温度決定手段213と、運転制御手段214とを備えている。

制御コントローラ200の温度情報取得手段211に、第1の出湯温度センサ201、第1の戻り温度センサ202、第2の出湯温度センサ206、および第2の戻り温度センサ207からそれぞれ出力された情報が入力される。すなわち、温度情報取得手段211は、熱源機出湯温水の温度情報を第1の出湯温度センサ201から受け取り、タンク出湯温水の温度情報を第2の出湯温度センサ206から受け取り、利用側熱交換器106からの戻り水の温度情報を第2の戻り温度センサ207から受け取り、熱源機100へ戻ってきた水の温度情報を第1の戻り温度センサ202から受け取る。

また、温度情報取得手段211には、メインリモコン209から出力された情報が入力される。すなわち、温度情報取得手段211は、使用者により設定された目標出湯温度、目標出湯温度上限値、目標出湯温度下限値を受け取る。

温度情報取得手段211が受け取った上述の情報は、最大温度計算手段212に出力される。最大温度計算手段212は、温度情報取得手段211から入力された上述の情報に基づいて、温水蓄熱タンク104に貯湯される温水の可能最大温度、すなわち温水蓄熱タンク104に蓄熱可能な最大温度(以下、蓄熱可能最大温度)の計算値を算出する。

以下に、最大温度計算手段212で実行される蓄熱可能最大温度の計算値の算出の手順を説明する。蓄熱可能最大温度の算出には、以下の式(1)で示す熱量の算出式が用いられる。

式(1)において、比熱Cpを「1」、温水質量を温水混合弁103の開度に置き換えることにより、式(2)に示すように熱量比率Qrateの算出式が得られる。

式(2)中、温水混合弁103の開度rの単位は%(パーセント)である。

ここで、熱源機100から出力され、場合によって浸水ヒータ105若しくはブースタヒータ108で加熱され、温水混合弁103に入力される熱源器加熱温水(温水A)の温度、利用側熱交換器106から戻ってきて温水混合弁103に入力される戻り水(以下温水B)、および温水混合弁103から出力される混合弁出湯温水(温水C)の温度の関係について考察する。温水Aの温度を出湯温度THW1とし、温水Bの温度を戻り温度THW7、温水Cの温度をTempCとする。温水混合弁103により混合されることにより温水Aが失った熱量Q(A)および温水Bが得た熱量Q(B)は、上述の式(1)より以下の通りとなる。

さらに、上述の式(2)より、温水Aが失った熱量比率Qrate(A)および温水Bが得た熱量比率Qrate(B)は以下の通りとなる。

熱量保存の法則により、高温の温水Aが失った熱量は低温の温水Bが得た熱量と等しく、高温の温水Aが失った熱量の比率は低温の温水Bが得た熱量の比率と等しい。従って以下の式(5)が得られる。

式(5)に基づいて、TempC、すなわち温水混合弁103から出力される温水Cの温度を算出することができる。

一方、第2の出湯温度センサ206から出力され、制御コントローラ200に入力される情報は、温水Cの実測値である。すなわち、温水蓄熱タンク104から出力されたタンク出湯温水と温水Bとが温水混合弁103で混合されて出力される温水Cの実際の温度が、第2の出湯温度センサ206から得られる。第2の出湯温度センサ206から得られる温水Cの実測値をTHW6とすると、式(6)に示すように、温水Cの実測値と計算値の比率αが得られる。

次に、温水蓄熱タンク104の蓄熱可能最大温度の算出について説明する。熱源機100から出力される熱源機出湯温水の熱量と利用側熱交換器106からの戻り水の熱量との間に成立する比率関係を示した上述の式(4)および式(5)を、温水混合弁103から出力される混合弁出湯温水の熱量と利用側熱交換器106の戻り水の熱量の比率について適用することにより、温水蓄熱タンク104における蓄熱可能最大温度を算出する。本実施の形態では、温水蓄熱タンク104における蓄熱可能最大温度の算出において、以下の3つの条件に基づいて式(5)を適用する。

第1の条件として、式(5)中の温水混合弁103の開度rには最小開度Rminを用いる。最小開度とは、温水混合弁103が有する機械的構成で規定される開度範囲のうち、利用側熱交換器106からの戻り水に対する温水蓄熱タンク104からのタンク出湯温水の比率が最小となる開度である。温水混合弁103により高温の温水を少量だけ混合させるという目的で、第1の条件が設定される。

第2の条件として、温水混合弁103により混合されることにより利用側熱交換器106からの戻り水である温水Bが得る熱量の比率の算出において、温度差には現行の温度差が使用される。現行の温度差とは、後述する運転制御手段214により熱源機100が運転制御され、熱源回路1において温水が循環しているときに、第2の出湯温度センサ206から得られる温水Cの実測値であるTHW6と、第2の戻り温度センサ207から得られる温水Bの温度である戻り温度THW7との差分であり、利用側熱交換器106の放熱の温度差である。この現行の温度差を用いるのは、欧州で使用されている利用側熱交換器の温度範囲(例えば30℃〜60℃)での温度差は大きく変化しないためである。

第3の条件として、式(5)中において、温水混合弁103から出力される混合弁出湯温水である温水Cの値に代えて目標出湯温度下限値を用いる。目標出湯温度の値は室内温度および外気温度の高低に従って可変する値である。使用者の快適性を実現するためにはメインリモコン209で使用者により設定される目標出湯温度の範囲(目標出湯温度下限値〜目標出湯温度上限値)をカバーする必要がある。そこで、目標出湯温度の範囲をカバーするために、目標出湯温度下限値を用いる。

第1〜第3の条件に基づいて上述の式(5)を展開すると、以下の式(7)が得られる。

式(7)より、温水蓄熱タンク104の蓄熱可能最大温度の計算値(Max_bufferT_CAL)が求められる。最大温度計算手段212で算出された蓄熱可能最大温度の計算値(Max_bufferT_CAL)は最大温度決定手段213に出力される。

熱量比率から算出される温水の温度値と実際に計測される温水の温度値は、上述の式(6)で示す比率αを成している。従って、以下に示す式(8)に示すように、蓄熱可能な最大温度の計算値を比率αで割ることにより、蓄熱可能な最大温度として実現できる値である実際値(Max_bufferT)が得られる。換言すると、蓄熱可能最大温度の実際値は、式(7)から求めた蓄熱可能最大温度の計算値を比率αで補正することにより得られる。最大温度決定手段213では、式(8)に基づいて蓄熱可能最大温度の計算値を補正し、蓄熱可能な最大温度を決定する。

図3に、蓄熱可能最大温度の実際値(Max_bufferT)、目標出湯温度下限値(The_min)、温水混合弁103の開度(Rmin)、利用側熱交換器106で放熱される温度差(ΔT)の関連を示す。

最大温度決定手段213で決定された蓄熱可能最大温度は、運転制御手段214に出力される。運転制御手段214は、温水蓄熱タンク104に貯湯される温水の温度が、最大温度決定手段213で決定された蓄熱可能最大温度となるよう、冷媒/水熱交換器107、ブースタヒータ108、浸水ヒータ105、第1の循環ポンプ101、および第2の循環ポンプ102の制御を行う。運転制御手段214において、冷媒/水熱交換器107、ブースタヒータ108、浸水ヒータ105、第1の循環ポンプ101、および第2の循環ポンプ102の制御は、温水蓄熱タンク104に設置された蓄熱温度センサ208からの出力をモニタしながら実行される。運転制御手段214は、蓄熱温度センサ208から検知される温度が蓄熱可能最大温度に到達した時点で、蓄熱完了と判断する。なお、第1の戻り温度センサ202により検知される熱源機100へ戻ってきた温水の温度が蓄熱可能最大温度に到達した時点で蓄熱完了と判断してもよい。

ここで、具体的な数値を用いて本実施の形態の作用について説明する。各計測値について、温水Aの出湯温度THW1を50℃、第2の出湯温度センサ206から得られる温水Cの温度THW6を40℃、第2の戻り温度センサ207から得られる温水Bの戻り温度THW7を35℃とする。また、温水混合弁103の開度を30%とする。さらに、使用者によりメインリモコン209で、目標出湯温度の上限値が60℃、下限値が30℃に設定されたとする。これらの各値を上述の式(5)に代入すると、以下の通り温水Cの温度の計算値であるTempCが得られる。

TempCおよびTHW6を上述の式(6)に代入すると、以下の通り、比率αが得られる。

一方、上述の式(7)に、温水混合弁103の最小開度を10%とし、使用者によりメインリモコン209で設定される目標出湯温度下限値の30℃、温水Cの温度THW6(40℃)と温水Bの戻り温度THW7(35℃)の温度差5℃を代入すると、以下の通り、蓄熱可能最大温度の計算値が算出される。

さらに、先に求めた蓄熱可能最大温度の計算値(75℃)を比率α(0.9875)で補正することにより、蓄熱可能最大温度の実際値(Max_buffer)として約79.95℃が決定される。

従来、温度上昇が利用側熱交換器106に与えるダメージおよび使用者が感じるであろう不快感を考慮し、温水蓄熱タンク104において、使用者により設定された目標出湯温度上限値より2、3℃高い温度までしか蓄熱できない。すなわち、上述のように目標出湯温度上限値が60℃に設定された場合、従来では62、63℃程度までしか、温水蓄熱タンク104において蓄熱することができない。これに対し、本実施の形態によれば、目標出湯温度の上限値60℃に対して、約75.95℃まで蓄熱することができる。

温水蓄熱タンク104の蓄熱可能最大温度の算出において、使用者により設定される目標出湯温度の下限値と利用側熱交換器106の放熱の温度差を用いている。目標出湯温度の下限値を用いることにより、算出された最大温度まで温水蓄熱タンク104で蓄熱しても、使用者の快適性を損なうことがない。また、利用側熱交換器106の放熱の温度差を用いることにより、温度上昇に起因する利用側熱交換器106の動作不良を防止することができる。

従って、本実施の形態のように太陽光発電システムに接続されている場合、使用者の快適性を維持しながら太陽光発電により得られるエネルギーを十分に活用することができ、省エネルギー、省コストが図られる。

なお、本実施の形態においては、温水Bが得る熱量Q(B)の算出に用いる温度差として現行の温度差を使用しているが、これに限るものではない。過去に計測した温水混合弁103から出力される温水Cの実測値の温度THW6と、利用側熱交換器106から戻ってくる温水Bの戻り温度THW7に基づいて学習した温度差を用いてもよい。

1 熱源回路、100 熱源機、101 第1の循環ポンプ、102 第2の循環ポンプ、103 温水混合弁、104 温水蓄熱タンク、105 浸水ヒータ、106 利用側熱交換器、107 冷媒間交換器、108 ブースタヒータ、200 制御コントローラ、201 第1の出湯温度センサ、202 第1の戻り温度センサ、206 第2の出湯温度センサ、207 第2の戻り温度センサ、208 蓄熱温度センサ、209 メインリモコン、211 温度情報取得手段、212 最大温度計算手段、213 最大温度決定手段、214 運転制御手段、300 外部コントローラ。