JP7116907B2

JP7116907B2 - 貯湯給湯システム

Info

Publication number: JP7116907B2
Application number: JP2018058841A
Authority: JP
Inventors: 和久丸山; 悠介中塚; 兼造大西; 淳岩本; 由典岩橋; 伸幸山本; 壮司剱菱; 将太山根
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2018-03-26
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2022-08-12
Anticipated expiration: 2038-03-26
Also published as: JP2019173977A

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源機と補助熱源機を備えて商用電源及び太陽光等を利用して発電する家庭用の発電装置からの電力によって作動する貯湯給湯システムに関し、特に学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用の予測を行い、その予測に基づいて貯湯運転を行う貯湯給湯システムに関する。

従来から、給湯等に使用する湯水を加熱して貯湯タンクに貯湯するためのヒートポンプ熱源機と、給湯等の使用時に湯水を加熱する燃焼式の補助熱源機を備えた貯湯給湯装置が広く使用されている。通常、補助熱源機の運転効率よりもヒートポンプ熱源機の運転効率が優れているため、このような貯湯給湯装置は、学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用を予測して給湯使用の前に給湯に必要な湯水を貯湯タンクに貯湯するために、ヒートポンプ熱源機を使用した貯湯運転を行うように構成されている。

一方、太陽光や風力を利用する発電装置を備えた家庭では、その発電電力を家庭の電力使用先に供給し、発電電力がその家庭の使用電力を上回っている場合にその余剰分の電力を外部に売電することによって、家庭におけるエネルギーコストを低減している。この売電価格は低下傾向にあって商用電源の電力価格との差が小さくなっているため、売電するよりも家庭での使用を優先させるニーズがある。例えば特許文献１のように、太陽光発電装置と蓄電装置を備えた家庭の貯湯給湯装置において、将来の予測発電量と蓄電装置の残電力量の合計から将来の予測消費電力量を差し引いて残った余剰電力量に応じて貯湯温度を変更し、余剰電力を使用して貯湯する技術が知られている。

特開２０１７－３６８４２号公報

しかし、特許文献１の技術は、貯湯タンクが貯湯温度の湯水で満たされるまで貯湯するので、給湯に使用されずに放熱して無駄になる熱量が増える虞があり好ましくない。また、余剰電力を給湯に使用されない湯水の加熱に使用して売電できないため、エネルギーコストの低減に改善の余地がある。

本発明の目的は、給湯に必要な熱量を給湯使用前に貯湯し、その貯湯に発電装置の余剰電力を使用してエネルギーコストを低減する貯湯給湯システムを提供することである。

請求項１の貯湯給湯システムは、電力により駆動するヒートポンプ熱源機と、前記ヒートポンプ熱源機で加熱した湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を再加熱するための補助熱源機と、発電装置と、学習記憶した給湯使用状況に基づき予測した将来の給湯使用量に相当する必要熱量を給湯使用前に貯湯するように貯湯運転を制御する制御手段を備え、前記制御手段に発電装置の発電電力と家庭の使用電力を測定する電力測定手段が通信可能に接続された貯湯給湯システムにおいて、前記制御手段は、前記発電装置の発電電力から家庭の使用電力を差し引いた余剰電力の情報を学習記憶して将来の余剰電力を予測する余剰電力予測機能を備え、前記予測された余剰電力を用いた前記貯湯運転を許可する許可時間帯を設定するための設定手段を備え、前記許可時間帯に予測された余剰電力がある場合には、ヒートポンプ熱源機を発電装置による電力で運転し、それ以外の場合にはヒートポンプ熱源機を商用電力を併用して運転するように構成し、前記制御手段は、給湯使用開始時刻を予測すると共に、前記予測された余剰電力を越えないように制限した前記ヒートポンプ熱源機の加熱能力で前記必要熱量の貯湯に要する必要時間を算出し、前記給湯使用開始時刻から前記必要時間だけ繰上げた前記貯湯運転の開始時刻を設定することを特徴としている。

上記構成によれば、給湯使用前に必要熱量を貯湯することができ、その必要熱量の貯湯運転に余剰電力を最大限使用することによって、貯湯運転に使用する商用電源の電力を低減してエネルギーコストを低減することができる。

そして、家庭における電力使用が少ない時間帯を許可時間帯に設定することができ、余剰電力が多い許可時間帯に余剰電力を最大限使用する貯湯運転を行うことによって商用電源の電力の使用を低減することができる。

本発明の貯湯給湯システムによれば、給湯に必要な熱量を給湯使用前に貯湯し、その貯湯に発電装置の余剰電力を使用してエネルギーコストを低減することができる。

本発明の実施例に係る貯湯給湯システムの全体構成を示す図である。本発明の実施例に係るヒートポンプ熱源機と貯湯給湯ユニットの構成を示す図である。本発明の実施例に係る必要熱量の貯湯運転のフローチャートである。ヒートポンプ熱源機の最大加熱能力で必要熱量を貯湯する例を示す図である。余剰電力に基づき制限した加熱能力で必要熱量を貯湯する例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に図１、図２に基づいて本発明の貯湯給湯システム１の全体構成について説明する。
貯湯給湯システム１は、ヒートポンプ熱源機２と、貯湯給湯ユニット３と、家庭用の発電装置として太陽光発電装置４を備えている。貯湯給湯ユニット３は、貯湯運転によりヒートポンプ熱源機２で加熱した湯水を貯湯する貯湯タンク１１と、貯湯タンク１１の湯水を再加熱するための燃焼式の補助熱源機１２と、将来の給湯使用を予測して給湯使用前に必要熱量を貯湯タンク１１に貯湯するように貯湯運転を制御する制御部１３（制御手段）等を備えている。ヒートポンプ熱源機２は、制御部１３からの貯湯運転の指令に基づいて、外気から吸熱して貯湯タンク１１の湯水を加熱し、この加熱した湯水を貯湯タンク１１に戻して貯湯する。

太陽光発電装置４は、太陽光で発電するソーラーパネル５が発電した直流電力をまとめるために接続された接続箱６と、接続箱６からの直流電力を交流電力（発電電力）に変換するために接続されたパワーコンディショナ７と、パワーコンディショナ７からの発電電力を家庭内の使用箇所に分配可能なように接続された分電盤８で構成されている。分電盤８は、商用電源線９からの交流電力（商用電力）も家庭内の使用箇所に分配する。この分電盤８は、太陽光発電装置４の発電電力と家庭の使用電力を測定する電力測定手段でもある。パワーコンディショナ７から供給される発電電力を家庭内に分配して余った電力は、分電盤８から商用電源線９を介して外部に送って売電される。

分電盤８から分配される電力の一部は、電源線３ａを介して貯湯給湯ユニット３に供給され、貯湯給湯ユニット３から電源線２ａを介してヒートポンプ熱源機２に供給される。ヒートポンプ熱源機２及び貯湯給湯ユニット３は、分電盤８から分配される発電電力及び商用電力を夫々単独で使用して、又はこれらを併用して駆動される。

貯湯給湯ユニット３は、貯湯運転により貯湯タンク１１に貯湯した湯水を給湯や浴槽２９の湯張りに使用する。また、貯湯タンク１１の湯水を使用できない温度の給湯や浴槽２９の追焚運転等の場合に、補助熱源機１２において燃料を燃焼させて加熱した湯水を給湯や追焚運転等に使用する。

貯湯タンク１１の上部には、貯湯タンク１１に貯湯した湯水を出湯するための出湯通路１４が接続されている。出湯通路１４は湯水混合弁１５に接続され、湯水混合弁１５に供給する湯水の温度を検知するための出湯温度センサ１４ａを備えている。また、貯湯タンク１１の下部には、貯湯タンク１１に上水源から上水を供給するための給水通路１６が接続されている。給水通路１６には、上水の温度を検知するための給水温度センサ１６ａが配設されている。

湯水混合弁１５は、出湯通路１４の湯水と、給水通路１６から分岐して湯水混合弁１５に上水を供給可能に接続されたバイパス通路１７の上水を混合する。この湯水混合弁１５の混合比率を調整することによって給湯温度を調整する。湯水混合弁１５には給湯通路１８が接続され、湯水混合弁１５で混合された湯水は、給湯時には給湯通路１８を流通して図示外の給湯栓等に供給され、湯張り時には給湯通路１８から分岐して追焚回路３２に接続する湯張り通路１９を介して浴槽２９に供給される。給湯通路１８には、給湯温度を検知するための給湯温度センサ１８ａが配設されている。

貯湯タンク１１の下部にはヒートポンプ熱源機２に湯水を供給する上流加熱通路２１ａが接続され、このヒートポンプ熱源機２で加熱された湯水を貯湯タンク１１に戻す下流加熱通路２１ｂが貯湯タンク１１の上部に接続されて、貯湯タンク１１とヒートポンプ熱源機２の間で沸き上げポンプ２２により湯水が循環可能な循環加熱回路２１が形成されている。貯湯運転は、貯湯タンク１１の湯水をヒートポンプ熱源機２で設定された貯湯温度に加熱して貯湯タンク１１の上部から貯湯する。上流加熱通路２１ａには温度センサ２３ａ、下流加熱通路２１ｂには温度センサ２３ｂが配設されている。

貯湯タンク１１の外周部には、貯湯タンク１１内の湯水の温度と量を検知する複数の貯湯温度センサ１１ａ～１１ｄが上下方向に所定の間隔を空けて設けられている。これら貯湯温度センサ１１ａ～１１ｄ及び貯湯タンク１１は、貯湯タンク１１からの放熱を低減する図示外の保温材により覆われている。

貯湯タンク１１の湯水を補助熱源機１２で加熱するための補助加熱通路２４は、出湯通路１４から分岐されて補助熱源機１２に接続されている。補助熱源機１２で加熱した湯水を出湯するための補助出湯通路２５は、補助加熱通路２４の分岐部より下流側の出湯通路１４に水比例弁２６を介して接続されている。補助加熱通路２４には、三方弁２７と補助熱源機１２に湯水を送るためのポンプ２８が配設されている。

補助出湯通路２５から分岐した熱交換器通路３０は、三方弁２７に接続されている。三方弁２７は、貯湯タンク１１の湯水又は熱交換器通路３０の湯水を補助熱源機１２に供給可能となるように切換えられる。熱交換器通路３０には熱交換器３０ａと開閉弁３０ｂが配設されている。また、給水通路１６から分岐した分岐通路部１６ｂが熱交換器通路３０の開閉弁３０ｂと三方弁２７の間に接続されている。熱交換器３０ａは、追焚ポンプ３１の作動により追焚回路３２を流れる浴槽２９の湯水を補助熱源機１２で加熱した湯水との熱交換により加熱する追焚運転に使用される。

ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３３、凝縮熱交換器３４、膨張弁３５、蒸発熱交換器３６を冷媒配管により接続したヒートポンプ回路３７を備えている。このヒートポンプ熱源機２は、冷媒配管に封入された冷媒を圧縮機３３で圧縮して昇温し、凝縮熱交換器３４において高温の冷媒との熱交換により循環加熱回路２１を流通する湯水を加熱して貯湯タンク１１に貯湯する。熱交換後の冷媒は、膨張弁３５で膨張して外気より低温になり、蒸発熱交換器３６で外気から吸熱した後、再び圧縮機３３に導入される。

蒸発熱交換器３６は、外気温度を検知する外気温度センサ３６ａと送風機３６ｂを備えている。また、ヒートポンプ熱源機２は、圧縮機３３、膨張弁３５、送風機３６ｂ等を制御する補助制御部３８を備えている。補助制御部３８は、貯湯給湯システム１の主たる制御手段である制御部１３に通信可能に接続され、制御部１３の指令に基づいてヒートポンプ熱源機２を制御する。

制御部１３には分電盤８が通信可能に接続され、制御部１３が発電電力や家庭の使用電力等の電力情報を受信して売電可能な余剰電力（発電電力から使用電力を差し引いた残りの電力）の情報を得る。また、制御部１３には、ユーザによる給湯設定温度の設定等の各種設定や操作のための操作端末１３ａ（設定手段）が接続されている。

制御部１３は、出湯温度センサ１４ａ等の検知信号に基づいて給湯運転等を制御すると共に、過去の給湯使用における給湯量や各種温度、給湯使用開始時刻等の給湯使用状況、及び過去の電力情報等を学習記憶している。そして、この給湯使用状況に基づき将来の給湯使用を予測する給湯使用予測機能と、この電力情報に基づき将来の余剰電力を予測する余剰電力予測機能を有している。そして、この給湯使用予測と余剰電力予測を所定の時間間隔（例えば５分間隔）で繰り返し行う。

給湯使用の予測において、制御部１３は予測した給湯使用量に相当する必要熱量を算出する。また、余剰電力を最大限使用して商用電力の使用を抑えるために、余剰電力の予測において予測した余剰電力を超えないように、余剰電力を用いた貯湯運転のヒートポンプ熱源機２の加熱能力を制限して設定する。このとき、余剰電力を用いた貯湯運転は、家庭における電力使用が少ない許可時間帯においてのみ実行できるように、操作端末１３ａからその許可時間帯が設定されており、この許可時間帯の余剰電力の予測に基づいて加熱能力を設定する。予測した給湯使用開始時刻までに設定した加熱能力で必要熱量の貯湯が完了できる場合には、予測した給湯使用開始時刻から設定した加熱能力で必要熱量の貯湯に要する必要時間だけ繰上げた時刻を貯湯運転開始時刻に設定する。

一方、設定した加熱能力で予測した給湯使用開始時刻までに必要熱量の貯湯が完了できない場合には、予測した給湯使用開始時刻からヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力で必要熱量の貯湯に要する最短時間だけ繰上げた時刻を貯湯運転開始時刻に設定する。制御部１３は、設定した貯湯運転開始時刻に貯湯運転を開始し、予測した給湯使用開始時刻までに必要熱量の貯湯が完了するように貯湯運転を制御する。この制御部１３による給湯使用予測に基づく貯湯運転の制御について、図３のフローチャートに基づいて説明する。図中のＳｉ（ｉ＝１，２，・・・）はステップを表す。

最初にＳ１において、学習記憶した給湯使用状況に基づいて将来の給湯使用量に相当する必要熱量と給湯使用開始時刻を予測してＳ２に進む。次にＳ２において、設定された許可時間帯を読込んでＳ３に進み、Ｓ３において現在の電力情報を取得してＳ４に進む。このとき、学習記憶した電力情報に基づいて将来の余剰電力を予測する。

次にＳ４において、余剰電力を用いた貯湯運転を行う場合のヒートポンプ熱源機２の加熱能力を設定してＳ５に進む。Ｓ３で取得した電力情報に基づき加熱能力を設定してもよいが、余剰電力の予測に基づいて加熱能力を設定することが好ましい。例えば現在は最大加熱能力に設定できる余剰電力があっても、これ以前は加熱能力が制限される余剰電力の状況が断続的に続いていた場合に、今後も同様の余剰電力の状況が続く予測に基づいて制限した加熱能力を設定することにより商用電力の使用の低減が見込めるためである。

次にＳ５において、設定した加熱能力での貯湯運転により必要熱量を貯湯するために要する必要時間を算出してＳ６に進む。放熱を考慮して必要時間を補正してもよい。次にＳ６において、余剰電力を用いた貯湯運転を実行するか否か判定する。具体的には、Ｓ１で予測した給湯使用開始時刻からＳ５で算出した必要時間だけ繰上げた時刻が許可時間帯内である場合に判定をＹｅｓとしてＳ７に進み、そうでない場合は判定をＮｏとしてＳ１０に進む。尚、算出した時刻が許可時間帯内であっても、余剰電力が少ないためヒートポンプ熱源機２を効率的に駆動できない加熱能力（例えば１ｋＷ未満）となる場合には、余剰電力を用いた貯湯運転を実行しないようにしてもよい。

次にＳ７において、余剰電力を用いた貯湯運転の開始時刻として、Ｓ６で算出した時刻（Ｓ１で予測した給湯使用開始時刻からＳ５で算出した必要時間だけ繰上げた時刻）を設定してＳ８に進む。そしてＳ８において、次の給湯使用予測のタイミングまでにその余剰電力を用いた貯湯運転の開始時刻になったら余剰電力を用いた貯湯運転を実行するためにＳ９に進み、開始時刻にならなければＳ１に戻る。

次にＳ９において、余剰電力を用いた貯湯運転を実行して、必要熱量の貯湯が完了したら貯湯運転を終了する。このときヒートポンプ熱源機２の加熱能力はＳ４で設定した加熱能力であり、貯湯運転中にこの加熱能力を変更すると加熱後の湯水温度がしばらく安定せず貯湯タンク１１内に温度が異なる湯水の層ができて好ましくないため、貯湯運転終了までこの加熱能力を維持する。天候等の影響により余剰電力が一時的に少なくなる場合には、商用電力も併用してヒートポンプ熱源機２の加熱能力を維持する。

一方、Ｓ６の判定がＮｏの場合にＳ１０において、貯湯運転の開始時刻として、Ｓ１で予測した給湯使用開始時刻からヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力で必要熱量の貯湯に要する最短時間だけ繰上げた時刻を設定してＳ１１に進む。そしてＳ１１において、次の給湯使用予測のタイミングまでにその開始時刻になったらＳ１２に進み、その開始時刻にならなければＳ１に戻る。次にＳ１２において、ヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力で貯湯運転を実行して必要熱量を貯湯して終了する。尚、最大加熱能力での貯湯運転においても、商用電力と共に使用できる余剰電力があれば併用する。

上記の給湯使用の予測に基づく貯湯運転を図４、図５に基づいて説明する。図は縦軸が加熱能力、横軸が時刻であり、矩形面積が必要熱量を表している。理解を容易にするためヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力を３ｋＷ、予測された必要熱量を６ｋＷｈ、予測した給湯使用開始時刻を１７時とする。許可時間帯は、図５において１３時～１６時に設定されている。

図４は、ヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力で貯湯運転を実行して予測した給湯使用開始時刻の１７時より前に予測した必要熱量の貯湯が完了するように、貯湯運転開始時刻を１５時に設定している。余剰電力の不足や許可時間帯が給湯使用開始時刻の近くに設定されていない等、余剰電力を用いた貯湯運転を実行しない場合に、予測した必要熱量（矩形部分）をヒートポンプ熱源機２の最大加熱能力の貯湯運転で貯湯する例である。

図５は、余剰電力を用いた貯湯運転によって予測した給湯使用開始時刻の前に必要熱量の貯湯が完了するように、貯湯運転の開始時刻を１４時に設定した例である。余剰電力を最大限使用して商用電力の使用を抑えるためにヒートポンプ熱源機２の加熱能力を例えば２ｋＷに制限する場合に、余剰電力を用いた貯湯運転を１４時に開始して予測した給湯使用開始時刻の１７時までに必要熱量の貯湯を完了する。

以上のように、本発明の貯湯給湯システム１は、給湯使用の予測に基づいて給湯使用前に必要熱量を貯湯することができ、その必要熱量の貯湯運転に余剰電力を最大限使用することができる。それ故、貯湯運転に使用する商用電力を低減して、エネルギーコストを低減することができる。また、家庭における電力使用が少ない時間帯を許可時間帯に設定でき、余剰電力が多い許可時間帯に余剰電力を最大限使用する貯湯運転を行うことによって商用電力の使用を低減することができる。その上、余剰電力を用いた貯湯運転の加熱能力の設定や必要時間の算出に余剰電力の予測を利用して、余剰電力を用いた貯湯運転時に商用電力の併用を少なくすることにより、エネルギーコストの低減効果を向上させることができる。

その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態をも包含するものである。

１：貯湯給湯システム
２：ヒートポンプ熱源機
３：貯湯給湯ユニット
４：太陽光発電装置
８：分電盤（電力測定手段）
９：商用電源線
１１：貯湯タンク
１２：補助熱源機
１３：制御部（制御手段）
１３ａ：操作端末（設定手段）

Claims

電力により駆動するヒートポンプ熱源機と、前記ヒートポンプ熱源機で加熱した湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクの湯水を再加熱するための補助熱源機と、発電装置と、学習記憶した給湯使用状況に基づき予測した将来の給湯使用量に相当する必要熱量を給湯使用前に貯湯するように貯湯運転を制御する制御手段を備え、前記制御手段に発電装置の発電電力と家庭の使用電力を測定する電力測定手段が通信可能に接続された貯湯給湯システムにおいて、
前記制御手段は、前記発電装置の発電電力から家庭の使用電力を差し引いた余剰電力の情報を学習記憶して将来の余剰電力を予測する余剰電力予測機能を備え、
前記予測された余剰電力を用いた前記貯湯運転を許可する許可時間帯を設定するための設定手段を備え、
前記許可時間帯に予測された余剰電力がある場合には、ヒートポンプ熱源機を発電装置による電力で運転し、それ以外の場合にはヒートポンプ熱源機を商用電力を併用して運転するように構成し、
前記制御手段は、給湯使用開始時刻を予測すると共に、前記予測された余剰電力を越えないように制限した前記ヒートポンプ熱源機の加熱能力で前記必要熱量の貯湯に要する必要時間を算出し、前記給湯使用開始時刻から前記必要時間だけ繰上げた前記貯湯運転の開始時刻を設定することを特徴とする貯湯給湯システム。