JP6811445B2 - コージェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、コージェネレーションシステム及びその運転方法に関する。

燃料電池、ガスエンジンなどの発電装置を備えたコージェネレーションシステムはよく知られている。発電装置の排熱は、例えば、温水の生成に使用される。温水は、貯湯タンクに貯められ、必要に応じて浴槽又は蛇口に供給される。貯湯タンクが満蓄状態に達すると、発電装置の運転が停止する。温水が消費されると、貯湯タンクへの蓄熱が可能となり、発電装置の運転も再開される。

例えば、家庭用のコージェネレーションシステムにおいて、燃料電池の排熱によって貯湯タンクを満蓄状態に到達させるためには、４〜１０時間程度の時間が必要である。そのため、給湯需要を正確に予測することが重要である。特許文献１には、給湯需要を予測することによって、コージェネレーションシステムを効率よく運転するための技術が開示されている。

特開２００５−９３１９７号公報

従来のコージェネレーションシステムは、最大の給湯需要に対応するために、バックアップボイラと呼ばれるガス給湯器を備えている。バックアップボイラは燃料ガスを使用して温水を生成するための機器であるため、バックアップボイラを使用すればするほど、コージェネレーションシステムの利点が損なわれる。コージェネレーションシステムを効率的に運転するためには、バックアップボイラの使用を可能な限り避けつつ、ユーザの給湯需要に応えることが重要である。

すなわち、本開示は、
発電装置と、
前記発電装置の排熱によって生成された温水を貯める貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの蓄熱状態を検出する蓄熱検出器と、
前記貯湯タンクから浴槽まで延びる給湯経路と、
前記給湯経路を流れる前記温水を加熱するバックアップボイラと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水の供給を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記貯湯タンクから前記浴槽に前記温水を供給する湯張り運転を開始するべき時間である湯張り開始時間と、前記湯張り運転を完了させるべき時間である湯張り完了時間とを記憶する記憶回路と、
前記湯張り開始時間よりも前の時間に前記蓄熱検出器の検出値が閾値を超えたとき、前記湯張り運転を強制的に実行する強制湯張り制御部と、
前記強制湯張り制御部によって前記湯張り運転が実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間よりも前の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を中断させる一方、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間以後の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を継続させる、ボイラ制御部と、
を有する、コージェネレーションシステムを提供する。

本開示の技術によれば、バックアップボイラの使用を可能な限り避けることができるので、コージェネレーションシステムを効率的に運転できる。併せて、ユーザの給湯需要にも応えることができる。

図１は、本開示の一実施形態に係るコージェネレーションシステムの構成図である。 図２Ａは、制御装置の機能ブロック図である。 図２Ｂは、演算回路の機能ブロック図である。 図３は、強制湯張り運転に関する処理を示すフローチャートである。 図４は、湯張り運転の実行中におけるバックアップボイラの運転に関する処理を示すフローチャートである。

（本開示の基礎となった知見）
家庭における最大の給湯需要は、浴槽に温水を供給する湯張り運転である。湯張り運転を実行して浴槽を温水で満たすためには、大量の温水が必要である。そのため、給湯需要がピークに達する入浴時までに貯湯タンクが満蓄状態に近い状態に達していることが望ましい。しかし、貯湯タンクが満蓄状態に達すると、発電装置を停止させる必要がある。発電装置の始動と停止とを繰り返すことは、効率的な発電の観点において望ましくない。

１つの提案として、貯湯タンクが満蓄状態に達した時点で湯張り運転を強制的に開始することが挙げられる。このようにすれば、発電装置の運転を継続できる。しかし、本発明者らは、この提案にも次の問題があることを突き止めた。すなわち、湯張り運転を強制的に行っているときにも、バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立する可能性がある。発電装置の運転を継続できたとしても、バックアップボイラによって燃料ガスが消費されると、コージェネレーションシステムのトータルのエネルギー効率は低下する。あるいは、バックアップボイラによって消費される燃料ガスの量が増えるので、ユーザにとってコスト面で不利である。

本開示の第１態様に係るコージェネレーションシステムは、
発電装置と、
前記発電装置の排熱によって生成された温水を貯める貯湯タンクと、
前記貯湯タンクの蓄熱状態を検出する蓄熱検出器と、
前記貯湯タンクから浴槽まで延びる給湯経路と、
前記給湯経路を流れる前記温水を加熱するバックアップボイラと、
前記貯湯タンクに貯められた前記温水の供給を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記貯湯タンクから前記浴槽に前記温水を供給する湯張り運転を開始するべき時間である湯張り開始時間と、前記湯張り運転を完了させるべき時間である湯張り完了時間とを記憶する記憶回路と、
前記湯張り開始時間よりも前の時間に前記蓄熱検出器の検出値が閾値を超えたとき、前記湯張り運転を強制的に実行する強制湯張り制御部と、
前記強制湯張り制御部によって前記湯張り運転が実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間よりも前の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を中断させる一方、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間以後の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を継続させる、ボイラ制御部と、
を有するものである。

第１態様によれば、強制的な湯張り運転中にバックアップボイラが運転されることを回避できるので、コージェネレーションシステムのトータルのエネルギー効率が向上する。バックアップボイラによって消費される燃料ガスの量が減るので、ユーザにとってコスト面で有利である。ユーザの意図しない時間帯にバックアップボイラを使用して湯張り運転が行われることがないので、ユーザの使用感が損なわれることも防止できる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様に係るコージェネレーションシステムの前記制御装置は、前記湯張り運転を強制的に開始させることを許可する時間帯をユーザの入力に応じて設定する湯張り時間設定部をさらに有する。第２態様によれば、設定された時間帯以外の時間帯に強制湯張り運転が実行されない。ユーザの意図しない時間帯に湯張り運転が行われないので、ユーザの使用感が損なわれることを防止できる。

本開示の第３態様において、例えば、第２態様に係るコージェネレーションシステムの前記制御装置は、前記湯張り時間設定部によって設定された前記時間帯以外の時間において、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を禁止する湯張り禁止部をさらに有する。第３態様によれば、設定された時間帯以外の時間帯に強制湯張り運転が実行されない。ユーザの意図しない時間帯に湯張り運転が行われないので、ユーザの使用感が損なわれることを防止できる。

本開示の第４態様において、例えば、第１〜第３態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムの前記強制湯張り制御部は、前記ボイラ制御部によって前記湯張り運転が中断されたのち、前記湯張り開始時間から前記湯張り運転を再開させる。第４態様によれば、規定量の温水が湯張り完了時間までに浴槽に確実に供給される。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムの前記ボイラ制御部は、前記強制湯張り制御部によって前記湯張り運転が実行されて前記浴槽に前記温水が貯められた場合、前記湯張り開始時間と前記湯張り完了時間との間の所定期間において、前記バックアップボイラを運転することによって、前記浴槽に貯められた前記温水を設定温度まで加熱する。第５態様によれば、強制湯張り運転が行われたかどうかに依存せず、湯張り完了時間において、浴槽が設定温度の温水で満たされる。ユーザに快適な入浴環境を提供することができる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムは、前記貯湯タンクと前記浴槽との間において前記給湯経路に設けられ、前記貯湯タンクの出口における前記温水の温度を検出する温度センサをさらに備えている。前記ボイラ制御部は、前記温度センサによって検出された前記温水の温度が閾値温度よりも低い場合、前記バックアップボイラの運転を開始して前記温水を加熱する。第６態様によれば、適温の温水が浴槽に貯められる。

本開示の第７態様において、例えば、第１〜第６態様のいずれか１つに係るコージェネレーションシステムの前記発電装置が燃料電池を含む。発電装置が燃料電池を含む場合、本開示の技術は特に高い効果を発揮する。

本開示の第８態様に係るコージェネレーションシステムの運転方法は、
発電装置の排熱によって温水を生成することと、
前記温水を貯湯タンクに貯めることと、
前記貯湯タンクの蓄熱状態を蓄熱検出器によって検出することと、
前記貯湯タンクから浴槽まで延びる給湯経路を流れる前記温水をバックアップボイラで加熱することと、
前記貯湯タンクから前記浴槽に前記温水を供給する湯張り運転を開始するべき時間である湯張り開始時間よりも前の時間に前記蓄熱検出器の検出値が閾値を超えたとき、前記湯張り運転を強制的に実行することと、
前記湯張り運転が強制的に実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間よりも前の時間である場合、前記湯張り運転を中断させることと、
前記湯張り運転が強制的に実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間以後の時間である場合、前記湯張り運転を継続させることと、
を含むものである。

第８態様によれば、強制的な湯張り運転中にバックアップボイラが運転されることを回避できるので、コージェネレーションシステムのトータルのエネルギー効率が向上する。バックアップボイラによって消費される燃料ガスの量が減るので、ユーザにとってコスト面で有利である。ユーザの意図しない時間帯にバックアップボイラを使用して湯張り運転が行われることがないので、ユーザの使用感が損なわれることも防止できる。第８態様の各ステップが上記の順番で行われることは必須ではない。各ステップの順番は、互いに入れ替わってもよい。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステム１００は、発電ユニット１０及び貯湯ユニット２０を備えている。発電ユニット１０は、発電装置１１、熱交換器１２及び冷却水回路１３を有する。貯湯ユニット２０は、貯湯タンク２１、バックアップボイラ２２及び給湯経路２３を有する。発電ユニット１０及び貯湯ユニット２０は、熱回収水路３０によって互いに接続されている。発電装置１１の排熱によって生成された温水が貯湯タンク２１に貯められる。貯湯タンク２１に貯められた温水がユースポイントに供給される。ユースポイントには、例えば、浴槽５０及び蛇口５１が含まれる。

（発電ユニット１０）
発電装置１１は、液体燃料又は気体燃料を用いて電力を生成するための装置である。発電装置１１は、例えば、燃料電池を含む。つまり、コージェネレーションシステム１００は、燃料電池システムでありうる。燃料電池は、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、リン酸型燃料電池又は溶融炭酸塩型燃料電池である。発電装置１１の他の例は、ガスエンジン発電装置である。発電装置１１の排熱によって水が加熱される。

発電装置１１が燃料電池を含む場合、発電装置１１には水素ガス及び酸素ガスが供給される。水素ガスは、例えば、都市ガスなどの燃料ガスを改質器（図示せず）において改質することによって生成される。酸素ガスは空気に含まれている。

熱交換器１２は、発電装置１１の排熱によって貯湯タンク２１の水を加熱するための装置である。熱交換器１２は、発電装置１１の冷却水と貯湯タンク２１の水との間で熱交換を生じさせる。熱交換器１２は、例えば、二重管式熱交換器、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器である。

冷却水回路１３は、発電装置１１と熱交換器１２との間で冷却水を循環させるための流路であり、発電装置１１と熱交換器１２とを接続している。冷却水回路１３によって、発電装置１１を効率的に冷却できるとともに、発電装置１１の排熱を温水の形で発電装置１１の外部に取り出すことができる。冷却水回路１３には、ポンプ１４が設けられている。ポンプ１４は、例えば、ピストンポンプ、プランジャポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプなどの容積式ポンプである。

（貯湯ユニット２０）
貯湯タンク２１は、発電装置１１の排熱によって生成された温水を貯めるための容器である。貯湯タンク２１は、断熱性及び耐圧性を有する容器によって構成されている。貯湯タンク２１には、複数の温度センサ２５ａ〜２５ｅが設けられている。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２１の内部に配置されている。詳細には、貯湯タンク２１の内部において、温度センサ２５ａ〜２５ｅは、鉛直方向に沿って概ね等間隔で配置されている。隣り合う温度センサの間隔は、例えば、２０〜３０リットルの水量に対応する。

温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２１に貯められた温水の温度を検出する。高温の温水が貯湯タンク２１の上部に貯められる。温水が使用されると市水が貯湯タンク２１の下部に補給される。そのため、貯湯タンク２１の内部には温水の温度成層が形成される。温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値によって、貯湯タンク２１の蓄熱状態を把握できる。温度センサ２５ａ〜２５ｅは、貯湯タンク２１の蓄熱状態を検出する蓄熱検出器の一例である。温度センサ２５ａ〜２５ｅのそれぞれは、例えば、サーミスタを用いた温度センサ又は熱電対を用いた温度センサである。

貯湯タンク２１の底部には、市水の給水経路２７が接続されている。貯湯タンク２１の温水が消費されると、給水経路２７を通じて市水Ｗが貯湯タンク２１に補給される。したがって、貯湯タンク２１には市水の給水圧力が加わっている。

給水経路２７は、分岐位置Ｐ１において分岐している分岐経路２７ａを含む。分岐位置Ｐ１は、貯湯ユニット２０の外部と貯湯タンク２１との間に存在する位置である。分岐経路２７ａは、合流位置Ｐ２において給湯経路２３に接続されている。合流位置Ｐ２は、貯湯タンク２１とバックアップボイラ２２との間に存在する位置である。分岐経路２７ａには水混合調節弁２９が設けられている。水混合調節弁２９は、分岐位置Ｐ１と合流位置Ｐ２との間において分岐経路２７ａに配置されている。

バックアップボイラ２２は、給湯経路２３を流れる温水又は浴槽５０に貯められた温水を加熱するための装置である。バックアップボイラ２２は、市水を直接加熱することもできる。バックアップボイラ２２の例は、ガス給湯器である。本実施形態では、温水がバックアップボイラ２２の中を通って浴槽５０又は蛇口５１に供給される。ただし、この構成は必須ではない。浴槽５０又は蛇口５１に供給されるべき温水は、バックアップボイラ２２の筐体の外部に配置された他の熱交換器を介して、バックアップボイラ２２によって間接的に加熱されてもよい。

給湯経路２３は、貯湯タンク２１に貯められた温水を浴槽５０又は蛇口５１に供給するための流路であり、貯湯タンク２１から浴槽５０及び蛇口５１まで延びている。本実施形態では、給湯経路２３は、第１部分２３１、第２部分２３２及び第３部分２３３を有する。第１部分２３１は、貯湯タンク２１の上部とバックアップボイラ２２とを接続している。第２部分２３２は、バックアップボイラ２２と浴槽５０とを接続している。第３部分２３３は、バックアップボイラ２２と蛇口５１とを接続している。第１部分２３１及び第２部分２３２を通じて、温水が貯湯タンク２１から浴槽５０に供給される。第１部分２３１及び第３部分２３３を通じて、温水が貯湯タンク２１から蛇口５１に供給される。

給湯経路２３の第１部分２３１には、第１給湯温度センサ３４、第２給湯温度センサ３５及び水混合調節弁３６が設けられている。第１給湯温度センサ３４は、貯湯タンク２１の温水出口と合流位置Ｐ２との間において、給湯経路２３に配置されている。第１給湯温度センサ３４は、貯湯タンク２１の出口における温水であって、市水に混合される前の温水の温度（出湯温度）を検出する。第２給湯温度センサ３５は、合流位置Ｐ２とバックアップボイラ２２との間において、給湯経路２３の第１部分２３１に配置されている。第２給湯温度センサ３５は、市水に混合された後の温水の温度を検出する。給湯温度センサ３４及び３５によって検出された温度を用いた制御によって水混合調節弁２９及び３６の各開度が調節される。これにより、合流位置Ｐ２において、所望の比率にて温水と市水とが混合され、適温に調節された温水が浴槽５０又は蛇口５１に供給される。制御方式は、フォードバック制御であってもよく、フィードフォワード制御であってもよい。

給湯経路２３の第２部分２３２には、温度センサ４５が設けられている。温度センサ４５は、浴槽５０に貯められた温水の温度を検出する。温度センサ４５よって検出された温度は、例えば、浴槽５０に貯められた温水の温度を保持するための再加熱（追いだき）において、湯張りの設定温度に湯温を調節する目的で使用される。

貯湯ユニット２１は、さらに、浴槽経路４３を備えている。浴槽経路４３は、バックアップボイラ２２と浴槽５０とを接続している。浴槽５０に貯められた温水は、浴槽経路４３を通じてバックアップボイラ２２に供給され、バックアップボイラ２２において再加熱（追いだき）される。再加熱された温水は、給湯経路２３の第２部分２３２を通じて浴槽５０に戻される。

（熱回収水路３０）
熱回収水路３０は、発電装置１１の排熱を回収するための流路である。熱回収水路３０は、送り経路３０ａ及び戻し経路３０ｂを含む。送り経路３０ａは、貯湯タンク２１の底部と熱交換器１２の入口とを接続している。戻し経路３０ｂは、熱交換器１２の出口と貯湯タンク２１の上部とを接続している。送り経路３０ａは、熱回収水路３０の上流部分を構成している。戻し経路３０ｂは、熱回収水路３０の下流部分を構成している。送り経路３０ａは、熱交換器１２において加熱されるべき水を熱交換器１２に導くための流路である。戻し経路３０ｂは、熱交換器１２において加熱された水（温水）を貯湯タンク２１に導くための流路である。熱交換器１２は、熱回収水路３０を流れる水と冷却水回路１３を流れる水とを熱交換させるように構成されている。熱交換器１２は、冷却水回路１３の冷却水の熱によって貯湯タンク２１に貯められるべき温水を生成する。

熱回収水路３０には、ポンプ３２が設けられている。ポンプ３２の働きによって、貯湯タンク２１から熱交換器１２に水が供給され、生成された温水が熱交換器１２から貯湯タンク２１に戻される。本実施形態では、ポンプ３２は、熱回収水路３０の送り経路３０ａに配置されている。ポンプ３２は、戻し経路３０ｂに配置されていてもよい。先に説明した容積式ポンプの１つをポンプ３２として使用できる。

熱回収水路３０には、さらに、温度センサ３３が設けられている。本実施形態では、温度センサ３３は、熱回収水路３０の送り経路３０ａに配置されている。送り経路３０ａに温度センサ３３が配置されていると、発電装置１１の冷却が可能であるかどうかをより正確に判断できる。ただし、温度センサ３３は、戻し経路３０ｂに配置されていてもよい。温度センサ３３は、熱回収水路３０を流れる水の温度を検出する。

温度センサ３３によって検出された水の温度が閾値温度以下であるとき、発電装置１１の冷却が可能である。温度センサ３３によって検出された水の温度が閾値温度よりも高いとき、発電装置１１の冷却が不可能である。発電装置１１の冷却が不可能である場合、発電装置１１の運転を停止する。特に、発電装置１１が燃料電池を含む場合、燃料電池の劣化を防ぐために十分な冷却が必要である。

冷却水回路１３、給湯経路２３、給水経路２７、熱回収水路３０、蛇口経路４１及び浴槽経路４３は、それぞれ、少なくとも１つの配管によって構成されている。配管は、ステンレス管などの金属配管であってもよいし、樹脂配管であってもよい。必要に応じて、フィルタ、逆止弁、流量センサ、開閉弁などの部品が各流路に設けられていてもよい。

（制御装置６０）
コージェネレーションシステム１００は、さらに、制御装置６０及び入出力端末６１を備えている。制御装置６０は、例えば、半導体集積回路によって構成されたマイクロコンピュータである。入出力端末６１は、ディスプレイと操作ボタンを含み、制御装置６０と通信可能に接続されている。入出力端末６１は、例えば、ユーザの家庭内に配置されている。入出力端末６１を通じて制御装置６０に各種の命令を与えることができる。入出力端末６１にはコージェネレーションシステム１００の運転状態が表示される。運転状態には、例えば、発電量、貯湯量、バックアップボイラ２２を使用中かどうか、及び、湯張り運転を実行中かどうかが含まれる。

制御装置６０には、温度センサ２５ａ〜２５ｅ，３３，３４，３５及び４５の検出信号が入力される。制御装置６０は、温度センサ２５ａ〜２５ｅ，３３，３４，３５及び４５の検出結果に基づき、ポンプ１４、ポンプ３２、水混合調節弁２９、水混合調節弁３６などの制御対象を制御する。制御装置６０には、コージェネレーションシステム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

図２Ａに示すように、制御装置６０は、演算回路７１、記憶回路７２及び送受信回路７３を有する。演算回路７１は、例えば、マイクロコンピュータのプロセッサユニットである。演算回路７１は、コージェネレーションシステム１００を運転するためのプログラムを実行する。図２Ｂに示すように、演算回路７１において実行されるプログラムは、発電制御部８０及び貯湯−給湯制御部８１を構成する。発電制御部８０は、主に、発電ユニット１０に関する制御を行う。貯湯−給湯制御部８１は、主に、貯湯ユニット２０に関する制御を行う。貯湯ユニット２０に関する制御には、貯湯タンク２１に温水を貯めること、及び、貯湯タンク２１に貯められた温水をユースポイントに供給することが含まれる。貯湯−給湯制御部８１には、強制湯張り制御部８２、ボイラ制御部８３、湯張り時間設定部８４及び湯張り禁止部８５が含まれる。強制湯張り制御部８２、ボイラ制御部８３、湯張り時間設定部８４及び湯張り禁止部８５の各機能は、演算回路７１において実行されるプログラムによって実現される。

記憶回路７２は、例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ及び大容量ストレージを含む。揮発性メモリの例は、プログラムのワークエリアとして利用されるランダムアクセスメモリである。不揮発性メモリの例は、プログラムが記憶されたリードオンリーメモリである。大容量ストレージの例は、ハードディスクドライブ又はフラッシュメモリである。

送受信回路７３は、信号の送受信に使用される回路である。詳細には、送受信回路７５は、制御装置６０と入出力端末６１との間の信号の送受信に使用される回路であり、ポンプ１４などの機器に制御信号を出力するための回路であり、温度センサ３３などの機器から検出信号を取得するための回路である。

制御装置６０は、発電ユニット１０に含まれていてもよいし、貯湯ユニット２０に含まれていてもよい。制御装置６０は、単一のマイクロコンピュータによって構成されていてもよく、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。複数のマイクロコンピュータのそれぞれが発電ユニット１０及び貯湯ユニット２０に配置されていてもよい。

次に、コージェネレーションシステム１００の運転について説明する。

コージェネレーションシステム１００の運転を開始すべき旨の命令が入出力端末６１を通じて制御装置６０に与えられると、発電装置１１が運転を開始する。発電装置１１の運転が始まると、適切なタイミングにポンプ１４及び３２が始動する。熱交換器１２において、発電装置１１の排熱によって温水が生成される。生成された温水は、貯湯タンク２１に貯められる。蛇口５１を開くと、入出力端末６１によって設定された温度の温水が蛇口５１に供給される。水混合調節弁２９及び３６の開度を調節することによって、温水の温度が調節される。

次に、貯湯タンク２１から浴槽５０に温水を供給する湯張り運転について説明する。

湯張り運転は、入出力端末６１をユーザが操作することによって所望のタイミングで行われる。あるいは、湯張り運転は、ユーザによって予約された時間に行われる。ユーザが入出力端末６１に湯張り完了時間ｔ１を入力すると、制御装置６０の記憶回路７２に湯張り完了時間ｔ１及び湯張り開始時間ｔ２が記憶される。湯張り開始時間ｔ２は、湯張り運転を開始するべき時間である。湯張り完了時間ｔ１は、湯張り運転を完了させるべき時間である。ユーザが入出力端末６１に湯張り完了時間ｔ１を入力すると、湯張り開始時間ｔ２も自動的に設定される。湯張り開始時間ｔ２は、湯張り完了時間ｔ１よりも所定時間前（例えば、３０分前）の時間に設定される。例えば、湯張り完了時間ｔ１が「２０：００」に設定されると、湯張り開始時間ｔ２が「１９：３０」に自動的に設定される。現在の時間が湯張り開始時間ｔ２に達すると、水混合調節弁２９及び３６の開度が調節され、所望の温度の温水が浴槽５０に供給される。浴槽５０が大容量である場合、又は、蛇口５１において温水が使用されることによって浴槽５０への温水の供給が中断された場合を除き、湯張り運転は、湯張り完了時間ｔ１の少し前の時間に完了する。

次に、強制湯張り運転について説明する。

本実施形態のコージェネレーションシステム１００においては、貯湯タンク２１が満蓄状態に達すると、発電装置１１が停止する。これにより、発電装置１１の冷却が不十分になることを回避でき、発電装置１１の劣化を防止できる。このことは、発電装置１１が燃料電池を含む場合に特に有用である。しかし、発電装置１１の始動と停止とを繰り返すことは、効率的な発電の観点において望ましくない。

本実施形態では、貯湯タンク２１が満蓄状態に達した時点で湯張り運転を強制的に開始する。つまり、現在の時間が湯張り開始時間ｔ２に達しておらず、浴槽５０に温水を供給するための操作がユーザによって行われていないにもかかわらず、湯張り運転が実行される。強制湯張り制御部８２（図２Ｂ）は、湯張り開始時間ｔ２よりも前の時間に温度センサ２５ａ〜２５ｅ及び３３の検出値が閾値を超えたとき、湯張り運転を強制的に実行する。このようにすれば、発電装置１１の運転を継続できる。

本明細書において、現在の時間が湯張り開始時間ｔ２に達しておらず、かつ、浴槽５０に温水を供給するための操作がユーザによって行われていないにもかかわらず、強制的に実行される湯張り運転を「強制湯張り運転」と称する。「湯張り運転」の概念には、通常の湯張り運転と強制湯張り運転とが含まれる。

ただし、先に説明したように、強制湯張り運転にも次の問題がある。その問題とは、強制湯張り運転を行っているときにも、バックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立する可能性があることである。発電装置１１の運転を継続できたとしても、バックアップボイラ２２によって燃料ガスが消費されると、コージェネレーションシステム１００のトータルのエネルギー効率は低下する。バックアップボイラ２２によって消費される燃料ガスの量が増えるので、ユーザにとってコスト面で不利である。強制湯張り運転の実行中にバックアップボイラ２２が使用されることは不自然なので、このことに違和感を持つユーザもいるはずである。

そこで、本実施形態では、強制湯張り運転の実行中にバックアップボイラ２２の運転が始まった場合又はバックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立した場合、一定の条件のもとで、強制湯張り運転を中断する。強制湯張り運転の中断に伴って、バックアップボイラ２２も停止させる。あるいは、強制湯張り運転の中断に伴って、バックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が不成立に変化する。強制湯張り運転の中断後、湯張り開始時間ｔ２から湯張り運転を再開する。このようにすれば、強制湯張り運転中にバックアップボイラ２２が運転されることを回避できるので、コージェネレーションシステム１００のトータルのエネルギー効率が向上する。バックアップボイラ２２によって消費される燃料ガスの量が減るので、ユーザにとってコスト面で有利である。ユーザの意図しない時間帯にバックアップボイラ２２を使用して湯張り運転が行われることがないので、ユーザの使用感が損なわれることも防止できる。中断された湯張り運転は、湯張り開始時間ｔ２と湯張り完了時間ｔ１との間の所定時間から再開されてもよい。

本明細書において「満蓄状態」の語句は、貯湯タンク２１の内部が熱的に飽和した状態を意味する。本実施形態では、貯湯タンク２１の内部に配置された全ての温度センサ２５ａ〜２５ｅが例えば４５℃以上の温度を検出し、かつ、熱回収水路３０の送り経路３０ａに配置された温度センサ３３が発電装置１１を冷却可能な温度以上の温度を検出した場合、貯湯タンク２１が「満蓄状態」に達したものとみなす。発電装置１１を冷却可能な温度は、例えば４３℃である。「満蓄状態」の語句は、貯湯タンク２１における蓄熱量が最大の状態を必ずしも意味しない。実際の蓄熱量が理想的な蓄熱状態における最大の蓄熱量を大幅に下回っているにもかかわらず、貯湯タンク２１が満蓄状態に達することがある。

例えば、高温の温水が貯湯タンク２１の大部分に貯められており、貯湯タンク２１の下部の狭い領域に低温の温水が貯められている第１の蓄熱状態を想定する。第１の蓄熱状態において、温度センサ２５ａ〜２５ｄが６０℃の検出値を出力し、温度センサ２５ｅが２０℃の検出値を出力する。熱回収水路３０の温度センサ３３も２０℃の検出値を出力する。貯湯タンク２１の内部において、温度センサ２５ｄと温度センサ２５ｅとの間に急峻な温度勾配が存在する。この場合、温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値及び温度センサ３３の検出値が「満蓄状態」の要件を満たさない。貯湯タンク２１が満蓄状態に達していないので、発電装置１１の運転を継続できる。

次に、高温の温水が貯湯タンク２１の上部の狭い領域に貯められており、貯湯タンク２１の大部分に中温の温水が貯められている第２の蓄熱状態を想定する。第２の蓄熱状態において、温度センサ２５ａが６０℃の検出値を出力し、温度センサ２５ｂ〜２５ｅが４５℃の検出値を出力する。熱回収水路３０の温度センサ３３も４５℃の検出値を出力する。貯湯タンク２１の内部において、温度センサ２５ａと温度センサ２５ｂとの間になだらかな温度勾配が存在する。この場合、温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値及び温度センサ３３の検出値が「満蓄状態」の要件を満たす。貯湯タンク２１が満蓄状態に達しているので、発電装置１１の運転を継続できない。

第１の蓄熱状態と第２の蓄熱状態とを比較すると、第１の蓄熱状態における蓄熱量は、第２の蓄熱状態における蓄熱量を上回っている。このことから理解できるように、蓄熱状態と蓄熱量との間には一対一の対応関係が存在しない。

なお、上記の基準は一例にすぎない。貯湯タンク２１が満蓄状態にあるかどうかを判断するための基準は、発電装置１１の仕様、貯湯タンク２１の容量などの様々な設計条件に応じて、適切に決定されるべきである。基準は、季節ごとに定められてもよい。

意外かもしれないが、バックアップボイラ２２の運転は、強制湯張り運転の実行中にも開始されることがある。あるいは、強制湯張り運転の実行中にバックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立することがある。上記した第２の蓄熱状態のように、貯湯タンク２１が満蓄状態であったとしても、十分な量の高温の温水が貯湯タンク２１に貯められているとは限らない。この場合、貯湯タンク２１の上部の高温の温水を使い果たすと、貯湯タンク２１には中温（例えば４５℃）の温水のみが残り、浴槽５０に高温の温水を供給できない。浴槽５０への湯張り温度が４２℃に設定されている場合、給湯経路２３における温度低下などを考慮すると、バックアップボイラ２２によって加熱された温水を浴槽５０に供給する必要がある。さらに、蛇口５１を通じて大量の温水が消費されて、温水不足に陥る可能性もある。この場合にも、バックアップボイラ２２によって温水を補助的に加熱する必要がある。設定された温度の温水を浴槽５０に貯めることができない場合、バックアップボイラ２２が運転される。

次に、図３のフローチャートを参照しつつ強制湯張り運転について説明する。制御装置６０は、コージェネレーションシステム１００の始動後、図３のフローチャートに示す各処理を実行する。

ステップＳ１において、湯張り開始時間ｔ２を取得する。湯張り開始時間ｔ２は、ユーザによって設定された湯張り完了時間ｔ１とともに制御装置６０の記憶回路７２に記憶されている。

次に、ステップＳ２において、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２よりも前の時間かどうかを判断する。現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２よりも前の時間である場合、ステップＳ３において、温度センサ２５ａ〜２５ｅ及び温度センサ３３のそれぞれから検出値を取得する。

次に、ステップＳ４において、取得した検出値のそれぞれが閾値よりも大きいかどうかを判断する。言い換えれば、先に説明した基準を用いて、貯湯タンク２１が満蓄状態に達しているかどうかを判断する。温度センサ２５ａ〜２５ｅの検出値の全てが４５℃（第１の閾値）以上であり、かつ、温度センサ３３の検出値が４３℃（第２の閾値）以上であるとき、貯湯タンク２１が満蓄状態に達しているものとみなす。

次に、ステップＳ５において、強制湯張り運転が許可されているかどうかを判断する。詳細には、現在の時間ｔが強制湯張り運転を実行可能な時間帯に含まれているかどうかを判断する。強制湯張り運転が許可されている場合、ステップＳ６において、強制湯張り運転を実行する。具体的には、設定された温度の温水が浴槽５０に貯められるように、水混合調節弁２９及び３６を制御する。

制御装置６０の湯張り時間設定部８４は、湯張り運転を強制的に開始させることを許可する時間帯をユーザの入力に応じて設定する。制御装置６０の湯張り禁止部８５は、湯張り時間設定部８４によって設定された時間帯以外の時間において、強制湯張り制御部８２による湯張り運転を禁止する。強制湯張り制御部８２は、湯張り禁止部８５によって無効化される。このような構成によれば、設定された時間帯以外の時間帯に強制湯張り運転が実行されない。強制湯張り運転が許可されていない場合、浴槽５０に温水は供給されない。例えば、蛇口５１で温水を大量に使用することが予め判明している時間帯を避けて強制湯張り運転を許可すれば、その時間帯のために十分な量の温水が確保される。ユーザの意図しない時間帯に湯張り運転が行われないので、ユーザの使用感が損なわれることを防止できる。ユーザは、所望の時間帯（例えば、１２：００〜２０：００）に強制湯張り運転を許可することができる。設定可能な時間帯は、例えば、最大で８時間であり、３０分刻みで変更されうる。

次に、ステップＳ７において、バックアップボイラ２２が運転中かどうかを判断する。バックアップボイラ２２が運転中であるかどうかを判断するための情報は、例えば、制御装置６０の記憶回路７２に記憶されている。記憶回路７２の特定のアドレスにアクセスしてその情報を読むことによって、バックアップボイラ２２が運転中であるかどうかを判断することができる。バックアップボイラ２２が運転中でない場合、ステップＳ１０において、湯張りが完了したかどうかを判断する。つまり、浴槽５０への温水の供給量が規定値（例えば、２５０リットル）に達したかどうかを判断する。湯張りが完了した場合、ステップＳ１１において、水混合調節弁２９及び３６を閉じて湯張り運転を終了する。あるいは、給湯経路２３に開閉弁が設けられている場合、その開閉弁を閉じることによって浴槽５０への温水の供給を止めることができる。給湯経路２３における開閉弁の位置は特に限定されない。例えば、温度センサ４５の近傍において、給湯経路２３（第２部分２３２）に開閉弁が配置される。

図３のフローチャートでは、ステップＳ７において、バックアップボイラ２２が運転中かどうかを判断する。ただし、ステップＳ７の処理は、バックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立したかどうかを判断する処理であってもよい。

他方、ステップＳ７において、バックアップボイラ２２が運転中である場合、ステップＳ８において、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達したかどうかを判断する。現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達していない場合、ステップＳ９において、強制湯張り運転を中断する。つまり、制御装置６０のボイラ制御部８３は、バックアップボイラ２２の運転が始まった時間又はバックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立した時間が湯張り開始時間ｔ２よりも前の時間である場合、強制湯張り制御部８２による湯張り運転を中断させる。

湯張り運転を中断させたのち、湯張り開始時間ｔ２まで待機し、湯張り開始時間ｔ２から湯張り運転を再開させる。湯張り運転の再開後、設定温度の温水が浴槽５０に貯められるように、高温の温水が浴槽５０に供給される。このようにすれば、規定量の温水が湯張り完了時間ｔ１までに浴槽５０に確実に供給される。

浴槽５０に貯められた温水の温度は、時間の経過とともに徐々に低下する。設定温度の温水が湯張り完了時間ｔ１に浴槽５０に貯められていることが必要である。したがって、制御装置６０のボイラ制御部８３は、強制湯張り制御部８２によって湯張り運転が実行されて浴槽５０に温水が貯められた場合、湯張り開始時間ｔ２と湯張り完了時間ｔ１との間の所定期間において、バックアップボイラ２２を運転することによって、浴槽５０に貯められた温水を設定温度まで加熱する。このようにすれば、強制湯張り運転が行われたかどうかに依存せず、湯張り完了時間ｔ１において、浴槽５０が設定温度の温水で満たされる。ユーザに快適な入浴環境を提供することができる。「所定期間」は特に限定されず、例えば、湯張り完了時間ｔ１の１０分前の時間から湯張り完了時間ｔ１までの期間である。

ステップＳ８において、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達している場合、そのまま強制湯張り運転を継続する。つまり、制御装置６０のボイラ制御部８３は、バックアップボイラ２２の運転が始まった時間又はバックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立した時間が湯張り開始時間ｔ２以後の時間である場合、強制湯張り制御部８２による湯張り運転を継続させる。

図３のステップＳ２において、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達している場合、ステップＳ１２において、湯張りが完了したかどうかを判断する。湯張りが完了していない場合、ステップＳ１３において、通常の湯張り運転を実行する。設定された温度の温水が浴槽５０に貯められるように、水混合調節弁２９及び３６を制御する。湯張りが完了した場合、ステップＳ１４において、水混合調節弁２９及び３６を閉じて湯張り運転を終了する。給湯経路２３に開閉弁が設けられている場合、その開閉弁を閉じることによって浴槽５０への温水の供給を止めることができる。

図４を参照して、湯張り運転の実行中におけるバックアップボイラの運転について説明する。制御装置６０は、図４のフローチャートに示す各処理を定期的に実行する。

ステップＳＴ１において、第１給湯温度センサ３４の検出値を取得する。この検出値は、貯湯タンク２１の出湯温度を示す。ステップＳＴ２において、出湯温度が（設定温度＋５℃）の温度よりも低いかどうかを判断する。ステップＳＴ２の処理は、バックアップボイラ２２の運転を開始すべき条件が成立したかどうかを判断するための処理である。

出湯温度が（設定温度＋５℃）の温度よりも低い場合、ステップＳＴ３において、バックアップボイラ２２の運転を開始する。（設定温度＋５℃）の温度は、閾値温度である。制御装置６０のボイラ制御部８３は、第１給湯温度センサ３４によって検出された温水の温度が閾値温度よりも低い場合、バックアップボイラ２２の運転を開始して温水を加熱する。これにより、適温の温水が浴槽５０に貯められる。バックアップボイラ２２の運転は、加熱能力を調節するために、間欠的に行われてもよい。

次に、ステップＳＴ４において、強制湯張り運転の実行中であるかどうかを判断する。強制湯張り運転の実行中である場合、ステップＳＴ５において、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達したかどうかを判断する。現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達していない場合、ステップＳＴ６において、バックアップボイラ２２を停止させる。つまり、制御装置６０のボイラ制御部８３は、バックアップボイラ２２の運転が始まった時間が湯張り開始時間ｔ２よりも前の時間である場合、バックアップボイラ２２を停止させる。

ステップＳＴ３において、実際にバックアップボイラ２２の運転を開始させる前に、ステップＳＴ４及びステップＳＴ５の処理を行ってもよい。強制湯張り運転中であり、かつ、現在の時間ｔが湯張り開始時間ｔ２に達している場合にバックアップボイラ２２の運転を開始させてもよい。

ステップＳＴ２において、出湯温度が（設定温度＋５℃）の温度以上である場合、ステップＳＴ７において、バックアップボイラ２２が運転中であるかどうかを判断する。バックアップボイラ２２が運転中である場合、ステップＳＴ８において、バックアップボイラ２２を停止させる。

本開示の技術は、燃料電池システム、ガス発電システム、太陽光発電システムなどのコージェネレーションシステムに有用である。

１０ 発電ユニット
１１ 発電装置
２０ 貯湯ユニット
２１ 貯湯タンク
２２ バックアップボイラ
２３ 給湯経路
２５ａ〜２５ｅ 温度センサ
３３ 温度センサ
３４ 温度センサ（出湯温度センサ）
５０ 浴槽
６０ 制御装置
７１ 演算回路
７２ 記憶回路
８１ 貯湯−給湯制御部
８２ 強制湯張り制御部
８３ ボイラ制御部
８４ 湯張り時間設定部
８５ 湯張り禁止部
１００ コージェネレーションシステム

Claims (8)

1. 発電装置と、
   前記発電装置の排熱によって生成された温水を貯める貯湯タンクと、
   前記貯湯タンクの蓄熱状態を検出する蓄熱検出器と、
   前記貯湯タンクから浴槽まで延びる給湯経路と、
   前記給湯経路を流れる前記温水を加熱するバックアップボイラと、
   前記貯湯タンクに貯められた前記温水の供給を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記貯湯タンクから前記浴槽に前記温水を供給する湯張り運転を開始するべき時間である湯張り開始時間と、前記湯張り運転を完了させるべき時間である湯張り完了時間とを記憶する記憶回路と、
   前記湯張り開始時間よりも前の時間に前記蓄熱検出器の検出値が閾値を超えたとき、前記湯張り運転を強制的に実行する強制湯張り制御部と、
   前記強制湯張り制御部によって前記湯張り運転が実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間よりも前の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を中断させる一方、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間以後の時間である場合、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を継続させる、ボイラ制御部と、
   を有する、コージェネレーションシステム。
2. 前記制御装置は、前記湯張り運転を強制的に開始させることを許可する時間帯をユーザの入力に応じて設定する湯張り時間設定部をさらに有する、請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記制御装置は、前記湯張り時間設定部によって設定された前記時間帯以外の時間において、前記強制湯張り制御部による前記湯張り運転を禁止する湯張り禁止部をさらに有する、請求項２に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記強制湯張り制御部は、前記ボイラ制御部によって前記湯張り運転が中断されたのち、前記湯張り開始時間から前記湯張り運転を再開させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記ボイラ制御部は、前記強制湯張り制御部によって前記湯張り運転が実行されて前記浴槽に前記温水が貯められた場合、前記湯張り開始時間と前記湯張り完了時間との間の所定期間において、前記バックアップボイラを運転することによって、前記浴槽に貯められた前記温水を設定温度まで加熱する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
6. 前記コージェネレーションシステムは、前記貯湯タンクと前記浴槽との間において前記給湯経路に設けられ、前記貯湯タンクの出口における前記温水の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記ボイラ制御部は、前記温度センサによって検出された前記温水の温度が閾値温度よりも低い場合、前記バックアップボイラの運転を開始して前記温水を加熱する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
7. 前記発電装置が燃料電池を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
8. 発電装置の排熱によって温水を生成することと、
   前記温水を貯湯タンクに貯めることと、
   前記貯湯タンクの蓄熱状態を蓄熱検出器によって検出することと、
   前記貯湯タンクから浴槽まで延びる給湯経路を流れる前記温水をバックアップボイラで加熱することと、
   前記貯湯タンクから前記浴槽に前記温水を供給する湯張り運転を開始するべき時間である湯張り開始時間よりも前の時間に前記蓄熱検出器の検出値が閾値を超えたとき、前記湯張り運転を強制的に実行することと、
   前記湯張り運転が強制的に実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間よりも前の時間である場合、前記湯張り運転を中断させることと、
   前記湯張り運転が強制的に実行されているときに前記バックアップボイラの運転が始まった場合又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した場合であって、前記バックアップボイラの運転が始まった時間又は前記バックアップボイラの運転を開始すべき条件が成立した時間が前記湯張り開始時間以後の時間である場合、前記湯張り運転を継続させることと、
   を含む、コージェネレーションシステムの運転方法。

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