JP5361412B2 - 排熱利用制御装置及び排熱利用制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、住宅や事務所、その他の施設の構内に設置されている空調機や給湯機など熱の発生に関する機器を協調させて効率良く運転する排熱利用制御装置及び排熱利用制御方法に関する。

給湯機能付き熱回収型マルチエアコンは、冷房と給湯を同時に行うことで冷房の排熱を給湯機の沸上げに有効利用することができる。排熱利用の可能な給湯機は貯湯式のため、効率を考えて冷房の使用を待っているとお湯が足りなくなり、利便性を考えて沸上げを多くすると冷房時にタンクが満水であるなどの不都合がある。例えば、特許文献１では、空調と給湯の使用履歴を用いて沸上げ時間を計画しておくことで、この問題を解決している。

特開２００４−２０５１３９号公報

ところが、上記手法では、沸上げ時間の計画に使用履歴のみを用いているため、生活者や環境に変化があった場合、普段の使い方とのずれが発生してしまう可能性があった。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、生活者や環境に変化がある場合にも排熱の効率的な利用を可能とする排熱利用制御装置及び排熱利用制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様は、排熱発生源からの排熱を回収して排熱利用対象に利用させるための制御装置であって、前記排熱発生源の使用状況を含む第１履歴情報、及び前記排熱利用対象の使用状況を含む第２履歴情報を収集する予測要素収集部と、前記第１履歴情報をもとに前記排熱発生源から回収可能な排熱量を予測する予測要素計算部と、前記第２履歴情報に基づいて前記排熱量の不足分を補うための調整量を計画する排熱利用計画部と、前記排熱利用計画部による計画後に、前記予測要素収集部により収集される前記第１履歴情報を用いて前記予測要素計算部により予測された排熱量を修正する排熱利用修正部とを具備する排熱利用制御装置を提供する。

また、この発明の他の態様は、排熱発生源からの排熱を回収して排熱利用対象に利用させるための制御装置に用いられる方法であって、前記排熱発生源の使用状況を含む第１履歴情報、及び前記排熱利用対象の使用状況を含む第２履歴情報を収集するステップと、前記第１履歴情報をもとに前記排熱発生源から回収可能な排熱量を予測するステップと、前記第２履歴情報に基づいて前記排熱量の不足分を補うための調整量を計画するステップと、前記計画後に収集される前記第１履歴情報を用いて前記排熱量を修正するステップとを具備する排熱利用制御方法を提供する。

したがってこの発明によれば、生活者や環境に変化がある場合にも排熱の効率的な利用を可能とする排熱利用制御装置及び排熱利用制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態における排熱利用制御装置を備えた排熱利用システムの構成例を示す図。 本実施形態に係る排熱利用制御装置の機能ブロックを示す図。 予測要素の一例を示す図。 排熱利用計画の一例を示す図。 修正後の予測要素の一例を示す図。 修正後の排熱利用計画の一例を示す図。 本実施形態に係る排熱利用制御装置の構成例を示す図。 予測要素収集部の処理手順を示すフローチャート。 本実施形態に係る排熱利用制御装置の主な動作を示すフローチャート。 排熱利用計画部の処理手順を示すフローチャート。 排熱利用修正部の処理手順を示すフローチャート。 排熱量計算部の処理手順を示すフローチャート。 予測要素計算部の処理手順を示すフローチャート。 予測要素結果作成部の処理手順を示すフローチャート。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態における排熱利用制御装置を備えた排熱利用システム全体の構成例を示したものである。本図に示すように、このシステムは、排熱利用制御装置１０１、複数の室内機・室外機コントローラ１０２〜１０５、浴槽コントローラ１０６、給湯機コントローラ１０７、冷媒配管コントローラ１０８、温度センサ１０９、及び気象情報提供サーバ１１０を含む。

本実施形態に係る排熱利用制御装置１０１は、各種の熱制御機器用コントローラ１０２〜１０８、温度センサ１０９、及び気象情報提供サーバ１１０と接続されており、熱制御機器を協調させて効率的な運転を行うための装置である。各種機器の使用履歴から計算した排熱量の予測値を使用して熱制御機器を協調させるよう排熱利用計画を計画し、予測から外れた場合に上記計画を修正する。本実施形態では、冷房、水はり、風呂給湯などの使用状況の履歴情報を使用して、冷房（排熱発生源）と浴槽（排熱利用対象）の同時運転を実現する装置について記載する。

複数の室内機・室外機コントローラ１０２〜１０５は、空調機を制御する機器であり、動作モードや設定温度などに応じて空調機を制御する。また、空調機の使用状態を排熱利用制御装置１０１に送信する。

浴槽コントローラ１０６は、風呂場の浴槽を制御する機器であり、浴槽に水を張る、浴槽にお湯を張るなどの制御を行う。また、水張り、風呂給湯などのユーザからの指示情報を排熱利用制御装置１０１に送信する。

給湯機コントローラ１０７は、給湯機を制御する機器であり、沸上げ量に応じた沸上げ動作などを行う。また、貯湯タンクの残湯量などを検知して排熱利用制御装置１０１に送信する。

冷媒配管コントローラ１０８は、室内熱交換器や室外熱交換器、浴槽用熱交換器、給湯機用熱交換器など熱交換器間の冷媒配管の接続関係を制御する。例えば、通常は室外熱交換器と室内熱交換器、室外熱交換器と給湯機用熱交換器が接続されているが、冷房時に給湯機の沸上げを同時に行う際には室内熱交換器と給湯機熱交換器を接続する。

温度センサ１０９は、外気温を検知するための温度センサであり、検知した温度を排熱利用制御装置１０１に送信する。温度センサ１０９は排熱利用制御装置１０１と直接接続されているが、室外機コントローラ１０５を介して接続されても構わない。

気象情報提供サーバ１１０は、少なくとも翌日の外気温の予測情報を提供するサーバであり、この予測情報を通信環境を介して排熱利用制御装置１０１に送信する。提供された翌日の外気温の予測情報は、排熱利用制御装置１０１において翌日の冷房使用量を予測するために使用される。

図２は、排熱利用制御装置１０１の機能ブロックを示す図である。予測要素収集部２０１、予測要素計算部２０２、予測要素結果作成部２０３、排熱量計算部２０４、排熱利用計画部２０５、排熱利用修正部２０６、及び予測要素履歴データベース（予測要素履歴ＤＢ）２１０を含んでいる。また、室内機・室外機コントローラ１０２〜１０５、浴槽コントローラ１０６、温度センサ１０９、気象情報提供サーバ１１０、及び給湯機コントローラ１０７と接続されている。

予測要素収集部２０１は、室内機・室外機コントローラ１０２〜１０５、浴槽コントローラ１０６、温度センサ１０９、気象情報提供サーバ１１０、給湯機コントローラ１０７から収集した情報を予測要素履歴ＤＢ２１０に蓄積する。また、予測要素計算部２０２や予測要素結果作成部２０３の要求に応じて予測要素履歴ＤＢ２１０に蓄積した情報の一部または全部を送信する。

予測要素計算部２０２は、冷房浴槽同時運転など排熱利用で回収可能な翌日の排熱量を予測するための予測要素を計算する。予測要素は、例えば、翌日の冷房使用状況、外気温、水はり時刻、風呂給湯時刻などがある。図３に予測要素の例を示す。これらの予測要素は計画時までの履歴情報をもとに計算され、例えば、翌日の外気温は前年同日と最近３日間の平均値、翌日の水はり時刻や風呂給湯時刻は曜日ごとの平均値、翌日の冷房の使用状況については曜日および外気温ごとの平均使用状況と冷房設定温度から平均熱回収量を計算する。計算に必要な使用状況等の履歴情報は必要な範囲の情報を上記予測要素収集部２０１に要求する。また、外部の情報を予測要素に使用することも考えられる。例えば、翌日の外気温については気象情報提供サーバ１１０から得られる情報を使用する。

排熱量計算部２０４は、上記計算された予測要素を使用して回収可能な排熱量を計算する。冷房浴槽同時運転に関する排熱量の計算の例としては、水はり時刻と風呂給湯時刻の間に使用した冷房から回収される熱量がある。予測要素に含まれる冷房使用状況については冷房設定温度から計算した熱回収量に変換されているため、水はり時刻と風呂給湯時刻の間の熱回収量の累積値が排熱量となる。また、予測要素に基づいて、どの時間にどれくらいの量の排熱が利用可能かを表したものを排熱利用計画と呼ぶ。排熱利用計画はユーザに排熱回収量の説明を求められた時などに利用する。図４に排熱利用計画の例を示す。

排熱利用計画部２０５は、回収可能な排熱量を１日１回など定期的に計算し、この排熱量を元に予め確保しておく熱量の調整を行う。冷房浴槽同時運転の例では、排熱量から翌日に沸き上げ可能な熱量を計算し、深夜沸き上げ時の調整量を給湯機コントローラ１０７に指示する。また、排熱量は、予測要素計算部２０２で計算された予測要素を排熱量計算部２０４に対して与えることで計算される。

予測要素結果作成部２０３は、上記計画後から現在までに収集された情報をもとに、予測要素結果情報を作成する。現在までに収集された情報は、予測要素収集部２０１に要求して取得する。予測要素結果情報としては、外気温、水はり時刻、風呂給湯時刻は検知した値をそのまま使用するが、冷房使用状況については冷房設定温度から計算される平均熱回収量を使用する。

排熱利用修正部２０６は、排熱利用計画部２０５で計算された排熱量と、上記計画後から現在までの情報を用いて修正された修正後の予測要素から計算した排熱量の差を１０分に１回などの頻度で計算し、ある閾値以上不足する場合は、不足した熱量の確保を行う。冷房浴槽同時運転の例では、排熱量の差から不足している貯湯量を計算し、追加沸き上げを給湯機コントローラ１０７に指示する。修正後の予測要素は、予測要素計算部２０２で計算される予測要素に、予測要素結果作成部２０３で作成される予測要素結果情報を反映することで求められる。図５に修正後の予測要素の例を示す。修正後の予測要素を排熱量計算部２０４に与えることで修正後の排熱量が計算される。また、修正後の予測要素に基づいた排熱利用計画を修正後の排熱利用計画と呼ぶ。図６にこの例を示す。

なお、図２に示した排熱利用制御装置１０１の構成は、例えば、図７に示すように、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることで実現可能である。

汎用コンピュータ装置は、ＣＰＵ３０２、入力部３０３、表示部３０４、通信部３０５、主記憶部３０６、外部記憶部３０７により構成され、各部はバス３０１により相互に接続される。

入力部３０３は、キーボード、マウス等の入力デバイスを備え、入力デバイスの操作による操作信号をＣＰＵ３０２に出力する。

表示部３０４は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）等の表示ディスプレイからなる。

通信部３０５は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）、無線ＬＡＮ（Local Area Network）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の通信手段を有し、気象情報提供サーバ１１０、温度センサ１０９、室内機・室外機コントローラ１０２〜１０５、給湯機コントローラ１０７、浴槽コントローラ１０６との間で通信を行う。

外部記憶部３０７は、例えば、ハードディスクもしくはＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体などから構成され、上記した予測要素収集部２０１、予測要素計算部２０２、予測要素結果作成部２０３、排熱量計算部２０４、排熱利用計画部２０５、及び排熱利用修正部２０６による処理をＣＰＵ３０２に実行させるための制御プログラムが記憶されている。

主記憶部３０６は、メモリ等により構成され、ＣＰＵ３０２による制御の下で、外部記憶部３０７に記憶された制御プログラムを展開し、当該プログラムの実行時に必要なデータ、当該プログラムの実行により生じたデータ等を記憶する。

なお、排熱利用制御装置１０１は、上記制御プログラムをコンピュータ装置にあらかじめインストールすることで実現してもよいし、ＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記憶して、あるいはネットワークを介して上記のプログラムを配布して、このプログラムをコンピュータ装置に適宜インストールすることで実現してもよい。また、図２の予測要素履歴ＤＢ２１０は、上記のコンピュータ装置に内蔵あるいは外付けされた主記憶部３０６、外部記憶部３０７といった、メモリ、ハードディスクもしくはＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒなどの記憶媒体などを適宜利用して実現することができる。

なお、上述の構成要素の他に、予測要素履歴ＤＢ２１０に記憶されている情報や、異常通知等を印刷するためのプリンタを備えるようにしてもよい。また、使用状況を収集する対象の機器に応じて、図７に示す排熱利用制御装置１０１の構成を変更してもよい。

次に、このように構成された排熱利用制御装置１０１の動作について詳細に説明する。

図８は、予測要素収集部２０１の処理手順を示すフローチャートである。図９は、排熱利用制御装置１０１の主な動作を示すフローチャートである。図９の動作に並行して、予測要素収集部２０１によって図８に示す処理が行われている。

図８において、予測要素収集部２０１は、ステップＳ２０１において各機器から現在の情報を読み込み、ステップＳ２０２において、上記読み込まれた情報を予測要素履歴ＤＢ２１０に格納する。上記ステップＳ２０１からステップＳ２０２までの処理はステップＳ２０３で本装置が終了されるまで繰り返し行われる。

図９において、電源投入時など予測要素が計算されておらず排熱量および排熱利用計画が存在しない場合や、定期的に予測要素と排熱量および排熱利用計画を更新する場合に、ステップＳ３０１が開始される。ステップＳ３０１では、予測要素計算部２０２において計画時までの履歴情報から排熱量を計算し、排熱利用計画部２０５により熱量の補正量（深夜沸き上げ調整量）を指示する。ステップＳ３０２では、予測要素結果作成部２０３において計画後から現在までの使用状況等から排熱量を再計算し、排熱利用修正部２０６では上記Ｓ３０１で計算した排熱量からの差を不足熱量とみなして、その差が一定以上の場合は、熱量の確保（追加沸き上げ）を指示する。

排熱利用計画を定期的に更新するため、例えば１日に１回、ステップＳ３０１に戻って繰り返し実行される。また、ステップＳ３０１で計画された排熱量と実際に回収可能な排熱量との差を監視するため、例えば１０分に１回、ステップＳ３０２に戻って繰り返し実行される。その他、異常の場合などで終了することもある（ステップＳ３０３）。

排熱利用計画部２０５の動作について、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。

上記図９のステップＳ３０１の実行時にステップ４０１が開始される。ステップＳ４０１において、予測要素計算部２０２は、計画時までの履歴情報から予測要素を計算する。この予測要素は、例えば翌日の機器利用予想を表している（図３）。ステップＳ４０２において、排熱量計算部２０４は、ステップＳ４０１で計算された予測要素を使用して排熱量を計算する。この排熱量は、例えば翌日に回収可能な排熱量の予測値を表している（図４）。ステップ４０３において、排熱利用計画部２０５は、ステップＳ４０２で計算した排熱量から、予め確保しておく熱量の補正値を指示する。冷房浴槽同時運転の例では、排熱量から深夜沸き上げ時の調整量を計算し、給湯機コントローラ１０７に指示する。給湯機はその指示に従って沸き上げ量を設定する。

次に、排熱利用修正部２０６の動作について、図１１に示すフローチャートを参照して説明する。

上記図９のステップＳ３０２の実行時にステップＳ５０１が開始される。ステップＳ５０１において、予測要素計算部２０２は、計画時までの履歴情報に加えて計画後から現在までに収集された情報を使用して予測要素を再計算する。ステップＳ５０２において、予測要素結果作成部２０３は、上記ステップＳ４０１で計算された計画時の予測要素と、ステップＳ５０１で計算された予測要素との差を予測要素結果情報として求める。ステップＳ５０３において、排熱量計算部２０４は、この予測要素結果情報を用いてステップＳ５０１で再計算された予測要素を修正し、修正後の予測要素を求める（図５）。ステップＳ５０４では、排熱量計算部２０４は、上記ステップＳ５０３で求められた修正後の予測要素を用いて修正後の排熱量を計算する。この修正後の排熱量は、現在の状況をふまえて、今後排熱回収が可能な量の予測値を表している（図６）。ステップＳ５０５では、排熱利用修正部２０６は、上記ステップＳ４０２で計画時に計算された排熱量と、ステップＳ５０４で計算された修正後の排熱量との差（図５の破線部分）を計算し、ある一定以上の差がある場合には、排熱量の差を不足熱量とみなして熱量の確保を行う。冷房浴槽同時運転の例では、排熱量の差から不足している貯湯量を計算し、追加沸き上げを給湯機コントローラ２１２に指示する。

排熱量計算部２０４の動作について、図１２に示すフローチャートを参照して説明する。

図１０のステップＳ４０２または図１１のステップＳ５０４の実行時にステップＳ６０１が開始される。ステップＳ６０１は、呼び出し元のステップによって動作が変化する。排熱量計算部２０４は、ステップＳ４０２から呼び出された場合はステップＳ４０１で計算された計画時の予測要素を読み込み、ステップＳ５０４で呼び出された場合はステップＳ５０３で計算された修正後の予測要素を読み込む。ステップＳ６０２において、排熱量計算部２０４は、上記読み込んだ計画時の予測要素または修正後の予測要素から排熱量を計算する。冷房浴槽同時運転の場合は、冷房の排熱を回収して浴槽への給湯に利用するため、水はり時刻と風呂給湯時刻との間に使用した冷房から回収される熱量を排熱量としている。予測要素に含まれる冷房使用状況については冷房設定温度から計算した熱回収量に変換されているため、水はり時刻と風呂給湯時刻の間の累積値が排熱量となる。

予測要素計算部２０２の動作について、図１３に示すフローチャートを参照して説明する。

図１０のステップＳ４０１または図１１のステップＳ５０１の実行時にステップＳ７０１が開始される。ステップＳ７０１において、予測要素計算部２０２は、計算に必要な範囲の履歴情報を予測要素収集部２０１に要求する。予測要素計算部２０２は、ステップＳ４０１から呼び出された場合は、計画時までの履歴情報を読み込み、ステップＳ５０１から呼び出された場合にはステップＳ４０１での履歴情報に加えて計画後から現在までの状態の情報を読み込む。ステップＳ７０２において、予測要素計算部２０２は、予測要素に外部の情報を使用する場合に、外部のサーバなどから情報を読み込む。例えば、翌日の外気温の情報が必要な場合には、気象情報提供サーバ１１０から翌日の外気温を読み込む。通信環境がない場合は外部からの読み込みを省略することができる。ステップＳ７０３では、予測要素計算部２０２は、上記ステップＳ７０１で読み込んだ計算に必要な範囲の履歴情報を使用して、予測要素の計算を行う。冷房浴槽同時運転の場合には、翌日の外気温を前年同日と最近３日間の平均値で計算し、翌日の水はり時刻や風呂給湯時刻を曜日ごとの平均値で計算する。また、翌日の冷房使用状況については曜日および外気温ごとに１日の平均熱回収量の系列データを計算する。平均熱回収量は、各履歴における冷房設定温度から計算した熱回収量で重み付けした冷房使用量（１０分ごとの系列であればその使用分数など）の平均値である。冷房使用状況は、外出のパターンを表す可能性のある曜日と、冷房の使用パターンを表す可能性のある外気温で複数作成し、翌日の使用状況の修正を少なくする。

予測要素結果作成部２０３の動作について、図１４に示すフローチャートを参照して説明する。

図１２のステップＳ５０２の実行時にステップＳ８０１が開始される。ステップＳ８０１において、予測要素結果作成部２０３は、前回の計画後から現在までに収集された情報を予測要素収集部２０１に要求する。このステップでは、前回の計画時までの履歴情報は必要なく、前回の排熱利用計画後の計測情報等があればよい。ステップＳ８０２では、予測要素結果作成部２０３は、上記ステップＳ８０１で読み込んだ情報を使用して予測要素結果情報を計算する。外気温、水はり時刻、風呂給湯時刻は計測した値をそのまま使用するが、冷房使用状況については冷房設定温度から計算した熱回収量に変換する。

以上述べたように、上記実施形態によれば、生活者や環境の変化によって排熱利用計画にずれが生じた場合でも、計画後に収集された情報をもとに修正し、ずれを少なくすることができるため、排熱の効率的な利用が可能となる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０１…排熱利用制御装置、１０２〜１０５…室内機・室外機コントローラ、１０６…浴槽コントローラ、１０７…給湯機コントローラ、１０８…冷媒配管コントローラ、１０９…温度センサ、１１０…気象情報提供サーバ、２０１…予測要素収集部、２０２…予測要素計算部、２０３…予測要素結果作成部、２０４…排熱量計算部、２０５…排熱利用計画部、２０６…排熱利用修正部、２１０…予測要素履歴データベース。

Claims (7)

1. 排熱発生源からの排熱を回収して排熱利用対象に利用させるための制御装置であって、
   前記排熱発生源の使用状況を含む第１履歴情報、及び前記排熱利用対象の使用状況を含む第２履歴情報を収集する予測要素収集部と、
   前記第１履歴情報をもとに前記排熱発生源から回収可能な排熱量を予測する予測要素計算部と、
   前記第２履歴情報に基づいて前記排熱量の不足分を補うための調整量を計画する排熱利用計画部と、
   前記排熱利用計画部による計画後に、前記予測要素収集部により収集される前記第１履歴情報を用いて前記予測要素計算部により予測された排熱量を修正する排熱利用修正部とを具備し、
   前記排熱利用修正部は、さらに前記計画時の排熱量と前記修正後の排熱量との差分を用いて前記調整量を修正することを特徴とする排熱利用制御装置。
2. 前記第１履歴情報は、前記排熱発生源の使用時間を表す情報を含むことを特徴とする請求項１記載の排熱利用制御装置。
3. 前記予測要素計算部は、前記排熱発生源の使用時間の曜日毎の平均値をもとに前記排熱量を予測することを特徴とする請求項２記載の排熱利用制御装置。
4. 前記第１履歴情報は、前記排熱発生源の使用時間及び環境温度を表す情報を含むことを特徴とする請求項１記載の排熱利用制御装置。
5. 前記予測要素計算部は、前記排熱発生源の使用時間の環境温度毎の平均値をもとに前記排熱量を予測することを特徴とする請求項４記載の排熱利用制御装置。
6. 前記調整量は、深夜における沸き上げ量であることを特徴とする請求項１記載の排熱利用制御装置。
7. 排熱発生源からの排熱を回収して排熱利用対象に利用させるための制御装置に用いられる方法であって、
   前記排熱発生源の使用状況を含む第１履歴情報、及び前記排熱利用対象の使用状況を含む第２履歴情報を収集するステップと、
   前記第１履歴情報をもとに前記排熱発生源から回収可能な排熱量を予測するステップと、
   前記第２履歴情報に基づいて前記排熱量の不足分を補うための調整量を計画するステップと、
   前記計画後に収集される前記第１履歴情報を用いて前記排熱量を修正するステップとを有し、
   前記排熱量を修正するステップは、さらに前記計画時の排熱量と前記修正後の排熱量との差分を用いて前記調整量を修正することを特徴とする排熱利用制御方法。

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