(57)【要約】【課題】暖房と発電とを効率よく両立させて高い省エネルギー性を得ることができる家庭用温水暖房装置を提供する。【解決手段】暖房用水が内部を流動する熱交換器５を燃焼排気により加熱する第１バーナ７と、熱発電素子１６の高温側を加熱する第２バーナ１８と、第２バーナ１８により生成した燃焼排気を第１バーナ７と熱交換器５との間に供給する排気路２３と、暖房運転を制御する暖房運転制御手段１３と、発電運転を制御する発電運転制御手段２２とを備える。発電運転制御手段２２は、暖房運転が行われているとき、家庭において消費される最小の電力に相当する電力を家庭用電源の一部として熱発電素子１６から供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱した暖房用水により家庭内における暖房を行う家庭用温水暖房装置において、
暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を燃焼排気により加熱する第１バーナと、前記熱交換器を介して暖房用水が循環する暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、高温側と低温側との温度差により発電する熱発電素子と、該熱発電素子の高温側を加熱する第２バーナと、該第２バーナにより生成した燃焼排気を前記熱交換器に向かって案内する排気路と、冷却水が内部を流動して前記熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路と、暖房運転を制御する暖房運転制御手段と、発電運転を制御する発電運転制御手段とを備え、
該発電運転制御手段は、暖房運転が行われているとき、家庭において消費される最小の電力に相当する電力を家庭用電源の一部として前記熱発電素子から供給することを特徴とする家庭用温水暖房装置。
【請求項２】
請求項１記載の家庭用温水暖房装置において、
暖房運転が行われているとき、前記暖房運転制御手段は、要求される暖房能力に応じて前記第１バーナの燃焼量を増減させることを特徴とする家庭用温水暖房装置。
【請求項３】
請求項２記載の家庭用温水暖房装置において、
前記暖房運転制御手段は、前記第１バーナの燃焼量を最小としても要求される暖房能力を上まわるとき、該第１バーナの燃焼を停止させることを特徴とする家庭用温水暖房装置。
【請求項４】
請求項３記載の家庭用温水暖房装置において、
前記暖房運転制御手段は、前記第１バーナの燃焼を停止しても要求される暖房能力を上まわるとき、前記第２バーナの燃焼を停止させることを特徴とする家庭用温水暖房装置。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項記載の家庭用温水暖房装置において、
前記冷却水路は、前記温水暖房回路の前記暖房負荷より下流側に接続され、前記熱発電素子の低温側は暖房負荷から前記熱交換器へ向かう暖房用水により冷却されることを特徴とする家庭用温水暖房装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱した暖房用水により家庭内における暖房を行う家庭用温水暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に見られるように、給湯器に設けた熱発電素子を給湯運転時にバーナの火炎により加熱して発電を行う装置が知られている。熱発電素子は、周知のようにＮ型半導体とＰ型半導体との間に閉回路が形成され、高温側と低温側とに温度差を付与することにより起電力が得られる。熱発電素子から得られた電力は他の電気部品に供給したり、バッテリ等に蓄電することができ、更には、家庭用電源として供給することも考えられる。
【０００３】
この種の装置においては、バーナにより熱発電素子と熱交換器とを加熱し、該熱交換器において湯を生成すると同時に熱発電素子により発電を行う。これによれば、熱発電素子と熱交換器とでバーナの熱を効率よく利用できるため、省エネルギー性が向上する。しかし、１つのバーナにより熱発電素子と熱交換器とを加熱する構成では、湯温の調節等に伴ってバーナの燃焼量が低下する場合があり、この場合には熱発電素子に対する加熱が不十分となって必要な温度差が得られず発電効率が悪化する。このため、熱発電素子における発電状態が不安定となり、例えば、熱発電素子から得られた電力を家庭用電源として供給する場合に、安定した電力供給を維持することが困難である。
【０００４】
また、特許文献１には、熱交換器を加熱するバーナとは別に熱発電素子を加熱する発電用のバーナを設けた構成のものも記載されている。これによれば、発電用のバーナにおいて一定の燃焼量が維持できるので、熱交換器用のバーナの燃焼量の影響を受けることなく、熱発電素子から安定した電力供給を行うことができる。しかし、発電用のバーナによって熱発電素子を加熱した場合には、発電時に熱発電素子に吸熱されたもの以外の熱が排気と共に放出されてしまい、この排気熱が無駄になって不経済である。更に、例えば、上記の熱交換器に暖房負荷を接続して温水暖房を行う場合には、比較的長時間の運転となるため、発電用のバーナからは熱発電素子を加熱した後の排気熱が長時間に亘り発生し、省エネルギー性が低い。このように、従来の構成では暖房と発電とを効率よく両立させることができず、省エネルギー性が十分に得られない不都合があった。
【特許文献１】特開平１１−５５９７５号公報（図２、図６、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑み、暖房と発電とを効率よく両立させて高い省エネルギー性を得ることができる家庭用温水暖房装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、加熱した暖房用水により家庭内における暖房を行う家庭用温水暖房装置において、暖房用水が内部を流動する熱交換器と、該熱交換器を燃焼排気により加熱する第１バーナと、前記熱交換器を介して暖房用水が循環する暖房用水回路と、該暖房用水回路に接続された暖房負荷と、高温側と低温側との温度差により発電する熱発電素子と、該熱発電素子の高温側を加熱する第２バーナと、該第２バーナにより生成した燃焼排気を前記熱交換器に向かって案内する排気路と、冷却水が内部を流動して前記熱発電素子の低温側を冷却する冷却水路と、前記第１バーナ及び第２バーナによる暖房運転を制御する暖房運転制御手段と、前記熱発電素子による発電を制御する発電運転制御手段とを備え、該発電運転制御手段は、暖房運転が行われているとき、家庭において消費される最小の電力に相当する電力を家庭用電源の一部として前記熱発電素子から供給することを特徴とする。ここで、家庭において消費される最小の電力とは、冷蔵庫等の待機電力を中心とした、家庭において必ず消費されると予想される電力である。
【０００７】
本発明は、第１バーナにより熱交換器を加熱し、第２バーナにより熱発電素子を加熱するので、第１バーナの燃焼量に影響されることなく熱発電素子において安定した発電を行うことができる。そして、熱発電素子を加熱した後の第２バーナの燃焼排気は、前記排気路により熱交換器に向かって案内されるので、第２バーナの排気熱も暖房用水の加熱に用いることができる。これによって、比較的長時間に亘る暖房運転に際して熱発電素子からの電力供給を効率よく行うことができ、同時に、第１バーナの燃焼量を抑えて十分な暖房性能を得ることができるので高い省エネルギー性を得ることができる。また、発電と暖房とが連動しているので、発電効率を上げると共に暖房効率も上げることができる。
【０００８】
更に、上記構成によれば、熱発電素子から得られた電力を家庭用電源の一部として供給し、このときの電力を、家庭において消費される最小の電力に相当する電力とするので、家庭において１日のうちに電力負荷が変動してもその最小電力を常に安定して供給することができ、しかも、第２バーナの燃焼量を比較的小さく抑えて、省エネルギー性を一層向上させることができる。しかも、上記構成によれば、熱発電素子から得られた電力が家庭用電源の一部として直接的に供給できるのでその電力を無駄なく用いることができ、例えば、深夜長時間の暖房運転で暖房能力を低く抑えていても確実に電力を供給することができる。
【０００９】
また、本発明において、暖房運転が行われているとき、前記暖房運転制御手段は、要求される暖房能力に応じて前記第１バーナの燃焼量を増減させることが好ましく、前記暖房運転制御手段は、前記第１バーナの燃焼量を最小としても要求される暖房能力を上まわるとき、該第１バーナの燃焼を停止させることが好ましい。これによれば、第２バーナの燃焼による安定した熱発電素子の加熱を維持しつつ第１バーナの燃焼量増減や燃焼停止による暖房用水の加熱調節を行うことができ、熱発電素子において暖房温度の増減に影響されずに安定した発電を行うことができる。
【００１０】
更に、前記第１バーナの燃焼を停止しても要求される暖房能力を上まわるときには、前記暖房運転制御手段により前記第２バーナの燃焼を停止させ、燃焼が停止された両バーナの残熱を利用することで、暖房能力を小さく抑えながら残熱による発電も行えて経済的である。
【００１１】
また、本発明において、前記冷却水路は、前記温水暖房回路の前記暖房負荷より下流側に接続され、前記熱発電素子の低温側は暖房負荷から前記熱交換器へ向かう暖房用水により冷却されることが好ましい。これによれば、暖房負荷を通過した暖房用水により熱発電素子の低温側を冷却することができるので、暖房用水を暖房用水回路に沿って循環させておくだけで熱発電素子の低温側を確実に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の家庭用温水暖房装置を示す概略構成図、図２は本実施形態の家庭用温水暖房装置における運転制御を示すフローチャート、図３は家庭における１日の電力負荷変動と熱発電素子からの供給電力を示す線図である。以下、各部の詳細を説明する。
【００１３】
本実施形態の家庭用温水暖房装置１は、図１に示すように、暖房燃焼部２と発電燃焼部３とを備えている。暖房燃焼部２は、暖房用水回路４に接続された熱交換器５と、ガス供給管６から供給される燃料ガスの燃焼排気によって熱交換器５を加熱する第１バーナ７と、第１バーナ７へ燃焼用の空気を送り込むファン８とを備えている。暖房用水回路４には家屋内の床暖房や温風暖房等の暖房負荷９が接続されており、循環ポンプ１０により暖房用水が循環される。熱交換器５は、第１バーナ７から放出される燃焼排気中の顕熱を回収する一次熱交換部５ａと、燃焼排気中の潜熱を回収する二次熱交換部５ｂとによって構成されている。二次熱交換部５ｂの下方には二次熱交換部５ｂから生じるドレンを受けて図外の中和器へ導くドレン受け１１が設けられている。
【００１４】
第１バーナ７へ繋がるガス供給管６には、元弁やガス量調整弁等により構成される弁装置１２が介設されている。そして、第１バーナ７の点火・消火、ファン８の動作、及び弁装置１２の動作等は暖房運転制御部１３（暖房運転制御手段）により制御される。
【００１５】
暖房用水回路４は、一次熱交換部５ａから暖房負荷９に至る部分が暖房用水の往路とされ、暖房負荷９から二次熱交換部５ｂへ至る部分が復路とされる。
【００１６】
後述する暖房運転が開始されると、第１バーナ７の燃焼排気により熱交換器５内の暖房用水が加熱され、循環ポンプ１０の作動により熱交換器５において加熱された暖房用水が一次熱交換部５ａから往路に沿って暖房負荷９へ送り出され、更に、暖房負荷９を通過して温度が低下した暖房用水が復路に沿って流動して二次熱交換部５ｂへ戻る。第１バーナ７から発生した燃焼排気は、一次熱交換部５ａ、二次熱交換部５ｂの順に通過して装置外へ排出される。このとき、二次熱交換部５ｂでは、復路から流れて来る暖房用水へ燃焼排気中の潜熱を回収させ、一次熱交換部５ａでは、二次熱交換部５ｂから流れて来る潜熱回収済みの暖房用水へ燃焼排気中の顕熱を回収させる。
【００１７】
また、暖房用水回路４には往路を流れる暖房用水の温度を検出する第１温度センサ１４と、復路を流れる暖房用水の温度を検出する第２温度センサ１５とが設けられ、前記暖房運転制御部１３は、第１温度センサ１４と第２温度センサ１５との温度に基づいて第１バーナ７の燃焼量等を制御する。
【００１８】
発電燃焼部３は、熱発電素子１６と、ガス供給管１７から供給される燃料ガスの燃焼排気や輻射熱によって熱発電素子１６の高温側を加熱する第２バーナ１８と、第２バーナ１８へ燃焼用の空気を送り込むファン１９とを備えている。熱発電素子１６の低温側には冷却水路２０が密着して設けられている。冷却水路２０は、温水暖房回路４の復路である暖房負荷９より下流側に接続されている。これにより、暖房負荷９を経て温度が低下した暖房用水が冷却水として冷却水路２０に送られ、この暖房用水により熱発電素子１６の低温側が冷却される。熱発電素子１６は、高温側と低温側とに生じる温度差により発電する。
【００１９】
第２バーナ１８へ繋がるガス供給管１７には、元弁やガス量調整弁等により構成される弁装置２１が介設されている。そして、第２バーナ１８の点火・消火、ファン１９の動作、及び弁装置２１の動作等は発電運転制御部２２（発電運転制御手段）により制御される。発電運転制御部２２は暖房運転制御部１３に接続され、暖房運転制御部１３の制御に連動して第２バーナ１８の燃焼制御が行えるようになっている。
【００２０】
また、第２バーナ１８の上方には、熱発電素子１６の高温側の加熱を経た燃焼排気を暖房燃焼部２へ案内する排気路２３が設けられている。排気路２３は、一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入する。これにより、二次熱交換部５ｂにおいては第２バーナ１８により生成されて熱発電素子１６の高温側を加熱した後の燃焼排気の熱を暖房用水へ回収させることができる。
【００２１】
熱発電素子１６には、この熱発電素子１６から発電出力を取り出す発電電力線２４を介して分電装置２５が接続されている。分電装置２５には商用電力線２６を介して商用電力が供給され、発電出力と商用電力とを連係して家庭用電源とし、照明器具や家庭電器等の電力機器２７に電力を供給する。分電装置２５は、発電運転制御部２２によって家庭用電源とする発電出力と商用電力との配分を行う。
【００２２】
なお、分電装置２５には、熱発電素子１６の発電出力を蓄電するバッテリ２８を接続しておくことも可能である。この場合には、熱発電素子１６からの電力に余剰電力が生じた場合等に分電装置２５を介して余剰出力をバッテリ２８に蓄電したり、或いは、熱発電素子１６からの電力とバッテリ２８からの電力とを分電装置２５により切換えて供給することもできる。
【００２３】
次に、以上の構成による家庭用温水暖房装置１の作動を説明する。図２を参照して、使用者により家庭用温水暖房装置１の運転開始操作がされると、先ず、ＳＴＥＰ１において暖房運転制御部１３が循環ポンプ１０の駆動を開始させる。これにより、暖房用水回路４に沿って暖房用水が循環し熱発電素子１６の低温側に密着する冷却水路２０に水流が生じる。
【００２４】
次いで、ＳＴＥＰ２において発電運転制御部２２が第２バーナ１８の燃焼を開始させ、ＳＴＥＰ３において暖房運転制御部１３が第１バーナ７の燃焼を開始させる。これにより、熱発電素子１６の高温側が加熱され、熱発電素子１６の高温側と低温側との温度差が大となって熱発電素子１６が発電を開始する。更に、第１バーナ７により加熱された暖房用水が暖房負荷９に供給されて暖房が行われる。
【００２５】
ここで、発電運転制御部２２は、分電装置２５を制御することによって、家庭において消費される最小の電力に相当する電力を家庭用電源の一部として熱発電素子１６から供給する。即ち、図３に示すように、家庭における１日の電力負荷変動を予め計測採取することで、一部の時間帯の電力負荷（電力消費）が１日のうちで最も小さいことが確認できる。そこで、このときの電力（本実施形態においては約３００Ｗの電力）を１日に亘って熱発電素子１６から供給することで、家庭において消費される最小の電力を１日に亘って供給することができ、その分、商用電力の消費を削減することができる。特に、寒冷地等においては冬場に比較的長期間に亘って暖房運転が連続して行われるので、熱発電素子１６からの電力を家庭用電源の一部として長期間に亘って供給することができる。
【００２６】
次いで、図２に示すように、ＳＴＥＰ４で暖房運転制御部１３が暖房用水回路４の復路に設けられている第２温度センサ１５によって検出される暖房用水の温度（以下、戻り温）と設定温度とを比較し、戻り温が設定温度を超えたときＳＴＥＰ５へ進む。設定温度は、使用者の操作により設定された温度であり、暖房運転で要求される暖房能力に相当するものである。
【００２７】
ＳＴＥＰ５においては、暖房運転制御部１３によって温調制御を行い、第１バーナ７の燃焼量を減少させる。このとき、第２バーナ１８の燃焼排気が一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に導入されていることにより、第１バーナ７の燃焼量を比較的小さくすることができ、省エネルギー性が向上する。
【００２８】
続いて、ＳＴＥＰ６へ進んで戻り温と設定温度とを比較する。ＳＴＥＰ６において戻り温が設定温度を超えたときには、第１バーナ７の燃焼量を最小としても要求される暖房能力を上まわる状態であるため、ＳＴＥＰ７へ進んで暖房運転制御部１３が第１バーナ７の燃焼を停止させる。
【００２９】
次いで、ＳＴＥＰ８で戻り温と設定温度とを比較する。そして、ＳＴＥＰ８において戻り温が設定温度を超えないときには、ＳＴＥＰ９へ進んで第１バーナ７の燃焼を開始し、ＳＴＥＰ５へ戻る。そして、通常は、ＳＴＥＰ５からＳＴＥＰ９の処理が繰り返されて暖房運転が継続される。これにより、暖房用水の加熱が第１バーナ７の燃焼排気熱と第２バーナ１８の燃焼排気熱とによって行われるので、効率の良い暖房運転が続けられ、しかも、第２バーナ１８の燃焼により第１バーナ７の燃焼量に影響されることなく熱発電素子１６からは安定した電力供給が維持される。従って、本実施形態によれば、暖房と発電とを効率よく両立させることができ、極めて高い省エネルギー性を長時間に亘って得ることができる。しかも、発電運転制御部２２においては、例えば、熱発電素子１６から供給している電力のうち、不要な余剰電力が発生したときにはバッテリ２８に蓄電を行うことができる。
【００３０】
ここで、ＳＴＥＰ８において、戻り温が設定温度を超えているときには、第１バーナ７の燃焼を停止しても要求される暖房能力を上まわる状態であるとみなし、ＳＴＥＰ１０へ進んで発電運転制御部２２により第２バーナ１８の燃焼を停止させる。これにより、第２バーナ１８から一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間への燃焼排気の供給が停止し暖房用水の温度上昇が抑えられる。そして、ＳＴＥＰ１１において、戻り温が設定温度を下回ったとき、ＳＴＥＰ１２で発電運転制御部２２により第２バーナ１８の燃焼を開始させてＳＴＥＰ８へ戻る。このように、第２バーナ１８の燃焼制御も暖房運転に連動させることで、設定温度の比較的低い範囲できめの細かい温調制御が行え、使い勝手が良い。
【００３１】
なお、第２バーナ１８の燃焼が停止しているときにも、循環ポンプ１０の作動により暖房用水が循環され、熱発電素子１６の低温側の冷却が続けられる。この間、熱発電素子１６は第２バーナ１８の余熱を受けている間は発電を続け、また、熱発電素子１６から供給する電力が減少した場合には、発電運転制御部２２により分電装置２５を介してバッテリ２８からの電力供給に切り替え、家庭用電源の一部として電力を供給することができる。
【００３２】
また、本実施形態においては、熱交換器５の一次熱交換部５ａと二次熱交換部５ｂとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入するものを示したが、第１バーナ７と一次熱交換部５ａとの間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入することも可能であり、熱交換器５が単一の熱交換部のみを備える場合でも、第１バーナ７と熱交換器５との間に第２バーナ１８の燃焼排気を導入するようにすれば、第２バーナ１８の燃焼排気熱を暖房に用いることができる。
【００３３】
また、本実施形態においては、熱発電素子１６の低温側を冷却する冷却水路２０を、暖房用水回路４における暖房負荷９と熱交換器５との間の復路に直列に接続したものを示したが、これ以外に、暖房負荷９と熱交換器５との間から分岐する流路を設けてこの流路に冷却水路２０を接続し、冷却水路２０を暖房負荷９と熱交換器５との間の復路に並列に接続して暖房用水の一部を熱発電素子１６の冷却水としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態の家庭用温水暖房装置を示す概略構成図。
【図２】本実施形態の家庭用温水暖房装置における運転制御を示すフローチャート。
【図３】家庭における１日の電力負荷変動と熱発電素子からの供給電力を示す線図。
【符号の説明】
【００３５】
１…家庭用温水暖房装置、５…熱交換器、４…暖房用水回路、７…第１バーナ、９…暖房負荷、１３…暖房運転制御部（暖房運転制御手段）、１６…熱発電素子、１８…第２バーナ、２０…冷却水路、２２…発電運転制御部（発電運転制御手段）、２３…排気路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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