(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式加熱器による湯の生成を効率的に行うことのできる給湯システム、を提供する。【解決手段】給湯システム１０は、湯を生成するヒートポンプ式加熱器２００と、湯を貯える貯湯タンク３００と、ヒートポンプ式加熱器２００の動作計画を作成する計画作成部１２０と、動作計画に従って、ヒートポンプ式加熱器２００の動作を制御する動作制御部１１０と、を備える。計画作成部１２０は、貯湯タンク３００から外部への放熱量を算出する放熱量算出部１２１と、周囲環境により変化するヒートポンプ式加熱器２００の動作効率、を算出する効率算出部と１２２、を有している。計画作成部１２０は、放熱量及び動作効率の両方に基づいて、制御期間における電力エネルギーの消費効率が高くなるように動作計画を作成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
建物（ＨＭ）に湯を供給する給湯システム（１０）であって、
水を加熱して湯を生成するヒートポンプ式加熱器（２００）と、
前記ヒートポンプ式加熱器で生成された湯を貯える貯湯タンク（３００）と、
所定の制御期間における前記ヒートポンプ式加熱器の動作計画を作成する計画作成部（１２０）と、
前記動作計画に従って、前記ヒートポンプ式加熱器の動作を制御する動作制御部（１１０）と、を備え、
前記計画作成部は、
前記制御期間における、前記貯湯タンクから外部への放熱量を算出する放熱量算出部（１２１）と、
前記制御期間における、外気温度を含む周囲環境により変化する前記ヒートポンプ式加熱器の動作効率、を算出する効率算出部（１２２）と、を有しており、
算出された前記放熱量及び前記動作効率の両方に基づいて、前記制御期間における電力エネルギーの消費効率が高くなるように前記動作計画を作成する給湯システム。
【請求項２】
前記動作計画には、前記ヒートポンプ式加熱器による水の加熱が開始される時刻が含まれる、請求項１に記載の給湯システム。
【請求項３】
前記動作計画には、前記ヒートポンプ式加熱器における加熱能力の設定が含まれる、請求項１に記載の給湯システム。
【請求項４】
前記動作計画には、前記ヒートポンプ式加熱器で生成される湯の温度が含まれる、請求項１に記載の給湯システム。
【請求項５】
前記制御期間における前記周囲環境の変化を示す情報を、外部から通信によって取得する情報取得部（１２３）を更に備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の給湯システム。
【請求項６】
前記制御期間における、前記建物での湯の使用量の変化を予測する使用量予測部（１２４）を更に備え、
前記計画作成部は、
前記制御期間におけるいずれの時刻においても、前記貯湯タンクに貯えられている湯の量が所定の下限貯湯量を下回ることのないように前記動作計画を作成する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の給湯システム。
【請求項７】
前記計画作成部は、前記制御期間における電力エネルギーの消費効率が最も高くなるように前記動作計画を作成する、請求項６に記載の給湯システム。
【請求項８】
前記計画作成部は、
ヒューリスティックな最適化アルゴリズムを用いて前記動作計画を作成する、請求項７に記載の給湯システム。
【請求項９】
前記最適化アルゴリズムは遺伝的アルゴリズムである、請求項８に記載の給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、建物に湯を供給する給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプ式加熱器によって生成した湯を貯湯タンクに貯えておき、当該湯を建物の浴室等に供給する給湯システムの普及が進んでいる。また、近年の給湯システムでは、建物において大量の湯が必要となる時間帯を予測し、当該時間帯において十分な湯が貯湯タンクに貯えられている状態となるように、貯湯タンク内の水の加熱を予め行っておくことも可能となっている。
【０００３】
下記特許文献に記載されているのは、給湯システムではなくヒートポンプ式暖房装置であるが、上記と同様の制御を行うことが可能となっている。具体的には、予め設定された時刻において建物の室内温度が快適な温度となるように、当該時刻よりも前の時点から、ヒートポンプの動作を開始させる制御を行うことが可能となっている。ヒートポンプの動作を開始させる時刻は、外気温度等に基づいて予め調整される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２５０７８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ヒートポンプ式加熱器の動作効率は、周囲の気温等に応じて変化することが知られている。例えば、貯湯タンク内の水の加熱（沸き上げ）は、気温の低い夜間よりも、気温の高い昼間に行った方が、空気中の熱を効率的に回収することができるので、ヒートポンプ式加熱器の動作効率は高くなる。この点だけに鑑みれば、上記の沸き上げは、１日のうち気温が最も高い昼間の時間帯において行われることが好ましい。
【０００６】
しかしながら、建物における湯の使用量が最も大きくなる時間帯は、昼間ではなく、入浴が行われる夜間の時間帯であることが多い。このため、沸き上げが昼間の時間帯に行われた場合には、湯が多く使用される時間帯までの経過時間が長くなってしまうことにより、貯湯タンクからの放熱量が大きくなってしまう。すなわち、沸き上げについては効率的に行われたとしても、放熱によるエネルギーロスが大きくなることにより、一日の全体でみれば、電力エネルギーの消費効率が低下してしまうことも生じ得る。尚、ここでいう「電力エネルギーの消費効率」とは、所謂ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）とも称されるものである。
【０００７】
本開示は、ヒートポンプ式加熱器による湯の生成を効率的に行うことのできる給湯システム、を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示に係る給湯システムは、建物（ＨＭ）に湯を供給する給湯システム（１０）であって、水を加熱して湯を生成するヒートポンプ式加熱器（２００）と、ヒートポンプ式加熱器で生成された湯を貯える貯湯タンク（３００）と、所定の制御期間におけるヒートポンプ式加熱器の動作計画を作成する計画作成部（１２０）と、動作計画に従って、ヒートポンプ式加熱器の動作を制御する動作制御部（１１０）と、を備える。計画作成部は、制御期間における、貯湯タンクから外部への放熱量を算出する放熱量算出部（１２１）と、制御期間における、外気温度を含む周囲環境により変化するヒートポンプ式加熱器の動作効率、を算出する効率算出部（１２２）と、を有している。計画作成部は、算出された放熱量及び動作効率の両方に基づいて、制御期間における電力エネルギーの消費効率が高くなるように動作計画を作成する。
【０００９】
このような給湯システムでは、貯湯タンクから外部への放熱量と、ヒートポンプ式加熱器の動作効率と、の両方に基づいて動作計画が作成され、当該動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器の動作が制御される。これにより、放熱量の抑制と動作効率の向上とを両立させた最適な動作計画を作成することが可能となるので、ヒートポンプ式加熱器による湯の生成を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、ヒートポンプ式加熱器による湯の生成を効率的に行うことのできる給湯システム、が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態に係る給湯システムの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】図３は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、第２実施形態に係る制御装置によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】図８は、沸き上げが行われる時間帯と、ヒートポンプ式加熱器の動作効率の変化と、の関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１を参照しながら、第１実施形態に係る給湯システム１０の構成について説明する。給湯システム１０は、水を加熱して湯を生成し、当該湯を建物ＨＭの浴室等に供給するためのシステムとして構成されている。給湯システム１０は、ヒートポンプ式加熱器２００と、貯湯タンク３００と、制御装置１００とを備えている。
【００１４】
ヒートポンプ式加熱器２００は、水を加熱して湯を生成する装置である。ヒートポンプ式加熱器２００によって生成された湯は、後述の配管４１０を通って、貯湯タンク３００に供給され貯えられる。尚、加熱対象である低温の水は、貯湯タンク３００の下方側部分に貯えられていたものであり、貯湯タンク３００から後述の配管４２０を通ってヒートポンプ式加熱器２００へと供給される。
【００１５】
ヒートポンプ式加熱器２００は建物ＨＭの屋外に設置されている。ヒートポンプ式加熱器２００は、不図示の冷凍サイクルを備えており、周辺の空気から回収した熱によって水の加熱を行う。冷凍サイクルの冷媒としては二酸化炭素が用いられる。尚、このようなヒートポンプ式加熱器２００の構成としては従来と同様のものを採用することができるので、その具体的な図示や説明については省略する。ヒートポンプ式加熱器２００の動作は、後述の制御装置１００によって制御される。
【００１６】
ヒートポンプ式加熱器２００は、生成される湯の温度を、制御装置１００から送信される設定温度に一致させることができる。また、ヒートポンプ式加熱器２００は、単位時間当たりに水に加え得る熱量、すなわち加熱能力を、制御装置１００から送信される制御信号に基づいて変化させることもできる。
【００１７】
ヒートポンプ式加熱器２００の近傍には、サーミスタ２０１が設けられている。サーミスタ２０１は、ヒートポンプ式加熱器２００の周囲における外気温度を測定するためのものである。サーミスタ２０１によって測定された外気温度は制御装置１００へと送信される。
【００１８】
貯湯タンク３００は、ヒートポンプ式加熱器２００で生成された湯を貯えるための大型の容器である。貯湯タンク３００は、その長手方向を上下方向に沿わせた状態で、建物ＨＭの屋外に設置されている。貯湯タンク３００の周囲は不図示の断熱材で覆われており、周囲への放熱に伴う湯の温度低下が抑制されている。
【００１９】
貯湯タンク３００には、その内部に貯えられた湯（又は水）の温度を測定するためのサーミスタ３０１が複数設けられている。複数のサーミスタ３０１は、上下方向に沿って並ぶように配置されている。これにより、貯湯タンク３００の内部における湯の温度分布を測定することが可能となっている。それぞれのサーミスタ３０１で測定された温度は、制御装置１００へと送信される。尚、図１の例ではサーミスタ３０１が３つ設けられているのであるが、サーミスタ３０１の個数はこれとは異なっていてもよい。
【００２０】
貯湯タンク３００には、複数の配管４１０、４２０、４３０、４４０が接続されている。配管４１０は、ヒートポンプ式加熱器２００によって生成された湯を、貯湯タンク３００に供給するための配管である。配管４１０は、その一端がヒートポンプ式加熱器２００に接続されており、その他端が貯湯タンク３００の上端部に接続されている。
【００２１】
配管４２０は、貯湯タンクの下方側部分に貯えられている低温の湯を、加熱対象の水としてヒートポンプ式加熱器２００に供給するための配管である。配管４２０は、その一端が貯湯タンク３００の下端部に接続されており、その他端がヒートポンプ式加熱器２００に接続されている。
【００２２】
ヒートポンプ式加熱器２００による水の加熱、すなわち貯湯タンク３００における湯の沸き上げは、本実施形態では一日一回だけ所定の時間帯において行われる。その他の時間帯においては、ヒートポンプ式加熱器２００は停止した状態となっており、配管４１０及び配管４２０における湯の循環は停止している。
【００２３】
湯の沸き上げが行われる際には、ヒートポンプ式加熱器２００が備える不図示のポンプが動作することにより、配管４１０及び配管４２０では図１の矢印で示される方向に湯が循環する。それと共に、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の生成が行われ、生成された湯が貯湯タンク３００へと供給される。このため、貯湯タンク３００に貯えられている湯の温度が上昇して行く。
【００２４】
配管４３０は、貯湯タンク３００に貯えられている湯を建物ＨＭに供給するための配管である。配管４３０は、その一端が貯湯タンク３００の上端部に接続されており、その他端が、建物ＨＭの内部（例えば浴室）に設けられた水栓５４０に接続されている。
【００２５】
配管４４０は、上水道５１０から貯湯タンク３００に水を供給するための配管である。配管４４０の下流側の端部は、貯湯タンク３００の下端部に接続されている。このため、貯湯タンク３００の内部には、上水道５１０からの水圧が加えられている。尚、配管４４０の途中に減圧弁が設けられており、上記の水圧が調整される態様であってもよい。
【００２６】
水栓５４０が開かれると、貯湯タンク３００の上方側部分に貯えられていた高温の湯が、配管４３０を通って建物ＨＭへと供給される。このとき、排出された湯を補うように、配管４４０からの水が貯湯タンク３００の下方側部分へと供給される。このため、貯湯タンク３００の内部は、その全体が常に湯や水で満たされた状態となっている。
【００２７】
配管４３０の途中には、混合弁５２０と、流量カウンタ５３０と、サーミスタ４３１とが設けられている。
【００２８】
混合弁５２０には、配管４４０から分岐した配管４６０の一端が接続されている。混合弁５２０は、貯湯タンク３００から供給される高温の湯と、配管４６０から供給される低温の水とを混合することにより、建物ＨＭに供給される湯の温度を適温とするための弁である。混合弁５２０は、不図示のアクチュエータによってその開度を調整することにより、湯と水との混合比率を変化させることができる。混合弁５２０の動作は制御装置１００によって制御される。
【００２９】
流量カウンタ５３０は、配管４３０を通る湯の流量やその積算値を測定するためのセンサである。流量カウンタ５３０によって測定された流量は制御装置１００に送信される。
【００３０】
サーミスタ４３１は、配管４３０を通る湯の温度を測定するためのものである。サーミスタ４３１によって測定された温度は制御装置１００に送信される。
【００３１】
制御装置１００は、サーミスタ４３１によって測定される湯の温度が、予め設定された温度に一致するように、混合弁５２０の開度を調整する。また、制御装置１００は、流量カウンタ５３０によって測定された流量と、サーミスタ４３１によって測定された温度との両方に基づいて、貯湯タンク３００から排出される熱量を算出する。
【００３２】
制御装置１００は、給湯システム１０の全体の動作を制御するものであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータシステムとして構成されている。尚、制御装置１００は、単一のコンピュータシステムとして構成されていてもよいが、互いに通信可能となるように接続された複数のコンピュータシステムとして構成されていてもよい。本実施形態では、制御装置１００は建物ＨＭに設置されている。ただし、制御装置１００の一部又は全部が建物ＨＭとは異なる位置に設置されているような態様であってもよい。
【００３３】
制御装置１００は、機能的な制御ブロックとして、動作制御部１１０と計画作成部１２０とを有している。
【００３４】
動作制御部１１０は、ヒートポンプ式加熱器２００の動作を制御する部分である。動作制御部１１０は、動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の動作を制御する。「動作計画」とは、ヒートポンプ式加熱器２００を、いつどのように動作させるかを示す計画であって、後述の計画作成部１２０において予め作成されるものである。動作計画には、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の沸き上げを開始及び停止させる時刻や、ヒートポンプ式加熱器２００の加熱能力、ヒートポンプ式加熱器２００で生成される湯の設定温度等が含まれる。
【００３５】
計画作成部１２０は、上記の動作計画を作成する部分である。動作計画は、所定の制御期間におけるヒートポンプ式加熱器２００の動作を示すものとして作成される。本実施形態では、制御期間の長さが２４時間となっており、制御時間の開始時刻（及び終了時刻）が午前０時となっている。本実施形態では、計画作成部１２０による動作計画の作成が１日１回行われる。
【００３６】
計画作成部１２０は、動作計画の作成のために必要な処理を行う部分として、放熱量算出部１２１と、効率算出部１２２と、情報取得部１２３と、使用量予測部１２４と、を有している。
【００３７】
情報取得部１２３は、制御期間における周囲環境の変化を示す情報を、外部から通信によって取得する部分である。「周囲環境の変化を示す情報」とは、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率に影響を及ぼし得る周囲の環境を示すパラメータ、のことである。このような周囲環境には、サーミスタ２０１で測定される外気温度が少なくとも含まれる。周囲環境には、外気温度の他、外気湿度、気圧、ヒートポンプ式加熱器２００の近傍における風量、配管４２０からヒートポンプ式加熱器２００へと供給される水の温度、日射量等が含まれることとしてもよい。
【００３８】
情報取得部１２３は、制御期間における周囲環境の変化を示す情報、すなわち予測される周囲環境の変化を示す情報を、外部サーバ２０から通信によって取得する。外部サーバ２０は、例えば、気象予報サービスを提供する業者によって運営されるサーバである。
【００３９】
このような態様に替えて、情報取得部１２３が、自らが行う演算処理によって周囲環境の変化を算出（予測）するような態様であってもよい。
【００４０】
外部サーバ２０と制御装置１００との間の通信は、有線通信であってもよく、無線通信であってもよい。また、外部サーバ２０と制御装置１００との間の通信は、直接行われてもよく、他の装置を介して行われてもよい。このような「他の装置」としては、例えば、給湯システム１０の一部であるリモコン装置や、使用者が所持している携帯通信端末等が挙げられる。
【００４１】
放熱量算出部１２１は、上記制御期間における、貯湯タンク３００から外部への放熱量を算出する部分である。放熱量算出部１２１は、貯湯タンク３００に貯えられている湯の温度の予測値と、上記の周囲環境に含まれる外気温度の予測値と、の差に基づいて、制御期間における放熱量を算出する。温度差と放熱量との対応関係は、予めマップとして制御装置１００に記憶されている。放熱量算出部１２１は、当該マップを参照することによって放熱量を算出する。
【００４２】
効率算出部１２２は、制御期間におけるヒートポンプ式加熱器２００の動作効率、を算出する部分である。上記のように、制御期間におけるヒートポンプ式加熱器２００の動作効率は、同期間における周囲環境によって変化する。例えば、本実施形態のように周囲環境として外気温度が用いられる場合には、外気温度が高くなるほど、そのときのヒートポンプ式加熱器２００の動作効率は高くなる。
【００４３】
効率算出部１２２は、情報取得部１２３で取得された周囲環境の変化を示す情報に基づいて、制御期間におけるヒートポンプ式加熱器２００の動作効率を算出する。周囲環境と動作効率との対応関係は、予めマップとして制御装置１００に記憶されている。効率算出部１２２は、当該マップを参照することによって動作効率を算出する。
【００４４】
使用量予測部１２４は、制御期間における建物ＨＭでの湯の使用量の変化と、使用される湯の温度の変化とを予測する部分である。使用量予測部１２４は、過去における湯の使用実績に基づいて、制御期間における湯の使用量や温度の変化を予測する。「過去における湯の使用実績」とは、過去において流量カウンタ５３０で測定された湯の流量の履歴と、サーミスタ４３１で測定された当該湯の温度の履歴と、のことである。
【００４５】
尚、制御期間における湯の使用量の変化を、使用量予測部１２４が他の情報に基づいて予測するような態様であってもよい。例えば、給湯システム１０が自動湯張りの機能を有しており、特定の時刻に自動湯張りが行われるように使用者が設定操作を行った場合には、使用量予測部１２４は、当該設定に基づいて湯の使用量等の変化を予測することができる。
【００４６】
尚、使用量予測部１２４によって予測される「使用量」には、建物ＨＭの浴室における使用量のみならず、例えば暖房用に使用される湯の使用量や、台所における湯の使用量等も含まれる。使用量予測部１２４は、各用途における湯の使用量の変化を個別に算出した後に、これらを合算する。
【００４７】
制御装置１００によって実行される処理の内容について、図２を参照しながら説明する。図２に示される一連の処理は、制御装置１００によって、一日のうち特定の時刻に開始される。
【００４８】
最初のステップＳ０１では、現在の時刻が設定時刻であるか否かが判定される。ここでいう「設定時刻」とは、動作計画の作成を開始するための時刻として予め設定された時刻である。このような設定時刻としては、制御期間の開始時刻よりも前の時刻が設定される。
【００４９】
ステップＳ０１において、現在の時刻が未だ設定時刻とはなっていない場合には、ステップＳ０１の処理が繰り返し実行される。現在の時刻が設定時刻になると、ステップＳ０２に移行する。
【００５０】
ステップＳ０２では、動作計画を作成する処理が行われる。その具体的な処理の内容については後に説明する。動作計画の作成が完了すると、その後の制御期間においては、動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われる。図２のステップＳ０３及びステップＳ０４に示される処理は、このようなヒートポンプ式加熱器２００の制御を示している。
【００５１】
ステップＳ０３では、現在の時刻が、動作計画に示される「沸き上げ開始時刻」であるか否かが判定される。沸き上げ開始時刻とは、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の沸き上げを開始する時刻のことである。現在の時刻が未だ沸き上げ開始時刻とはなっていない場合には、ステップＳ０３の処理が繰り返し実行される。その間、ヒートポンプ式加熱器２００は停止したままの状態となっている。現在の時刻が沸き上げ開始時刻になると、ステップＳ０４に移行する。
【００５２】
ステップＳ０４では、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の沸き上げが開始される。既に述べたように、図１の配管４１０、４２０を湯が循環するようになり、ヒートポンプ式加熱器２００によって生成された湯が貯湯タンク３００へと供給され始める。これにより、貯湯タンク３００に貯えられている湯の熱量が増加して行く。ステップＳ０４の処理は、ヒートポンプ式加熱器２００から貯湯タンク３００内の湯へと加えられる熱量が、目標値である沸き上げ熱量に到達するまで継続して行われる。貯湯タンク３００内の湯へと加えられる熱量が沸き上げ熱量に到達すると、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の沸き上げが停止される。
【００５３】
ステップＳ０２で実行される処理の具体的な内容について、図３を参照しながら説明する。動作計画を作成するための最初のステップＳ１１では、第１動作計画を作成する処理が行われる。「第１動作計画」とは、動作計画の候補の１つとして作成されるものであって、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率が高くなることを優先して作成される動作計画のことである。第１動作計画を作成するための具体的な処理の流れについては、後に図４を参照しながら説明する。ステップＳ１１では、第１動作計画が作成されるとともに消費電力Ｗ１が算出される。「消費電力Ｗ１」とは、第１動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われたとした場合に、制御期間においてヒートポンプ式加熱器２００で消費されると予測される電力のことである。
【００５４】
ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、第２動作計画を作成する処理が行われる。「第２動作計画」とは、動作計画の候補の１つとして作成されるものであって、貯湯タンク３００からの放熱量が小さくなることを優先して作成される動作計画のことである。第２動作計画を作成するための具体的な処理の流れについては、後に図５を参照しながら説明する。ステップＳ１２では、第２動作計画が作成されるとともに消費電力Ｗ２が算出される。「消費電力Ｗ２」とは、第２動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われたとした場合に、制御期間においてヒートポンプ式加熱器２００で消費されると予測される電力のことである。
【００５５】
ステップＳ１２に続くステップＳ１３では、消費電力Ｗ１が消費電力Ｗ２よりも小さいか否かが判定される。消費電力Ｗ１が消費電力Ｗ２よりも小さい場合には、ステップＳ１４に移行する。ステップＳ１４では、ステップＳ１１で作成された第１動作計画が、最終的な動作計画として採用される。
【００５６】
ステップＳ１３において、消費電力Ｗ１が消費電力Ｗ２以上であった場合には、ステップＳ１５に移行する。ステップＳ１５では、ステップＳ１２で作成された第２動作計画が、最終的な動作計画として採用される。
【００５７】
以上のように、本実施形態では、予め作成された第１動作計画及び第２動作計画のうち、ヒートポンプ式加熱器２００における消費電力が小さい方の動作計画が、最終的な動作計画として採用される。これにより、ヒートポンプ式加熱器２００による湯の沸き上げが、少ない消費電力によって行われる。その結果、制御期間における電力エネルギーの消費効率（ＣＯＰ）が高くなり、湯の生成が効率的に行われることとなる。
【００５８】
第１動作計画を作成するために実行される処理について、図４を参照しながら説明する。当該処理の最初のステップＳ２１では、情報取得部１２３によって周囲環境のデータを取得する処理が行われる。ここで取得されるデータは、制御期間の複数の時刻における、外気温度の変化を示すデータとなっている。既に述べたように、ステップＳ２１で取得されるデータには、外気温度以外(例えば湿度や風量等）の変化予測を示すデータが含まれていてもよい。
【００５９】
ステップＳ２１に続くステップＳ２２では、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率が最も高くなる時刻が、ステップＳ２１で取得された周囲環境の予測に基づいて算出される。当該処理は、効率算出部１２２で算出される動作効率の変化の予測に基づいて行われる。本実施形態では、制御期間のうち外気温度が最も高くなると予測される時刻が、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率が最も高くなる時刻として算出される。
【００６０】
ステップＳ２２に続くステップＳ２３では、使用熱量ｕＱが算出される。「使用熱量ｕＱ」とは、制御期間において、建物ＨＭで使用されると予測される湯の熱量のことである。換言すれば、制御期間において、貯湯タンク３００から建物ＨＭに供給すべき湯全体の熱量のことである。使用熱量ｕＱは、使用量予測部１２４で予測される湯の使用量の変化に基づいて算出される。
【００６１】
ステップＳ２３に続くステップＳ２４では、追加熱量ｗＱ１が算出される。「追加熱量ｗＱ１」とは、制御期間において貯湯タンク３００から外部へと放出される放熱量の全体に、所定のマージンを加えた熱量である。追加熱量ｗＱ１は、ステップＳ２２で算出された時刻を含む時間帯において湯の沸き上げが実行される、という前提の下で、放熱量算出部１２１によって算出される。追加熱量ｗＱ１を算出するに当たっては、ステップＳ２１で取得された周囲環境のデータを用いながら放熱量が算出される。
【００６２】
ステップＳ２４に続くステップＳ２５では、沸き上げ熱量が算出される。「沸き上げ熱量」とは、第１動作計画に従った沸き上げにより、貯湯タンク３００内の湯に加えられる熱量のことである。ここでは、制御期間の開始時刻において貯湯タンク３００内に貯えられていた湯の熱量から、（使用熱量ｕＱ＋追加熱量ｗＱ１）を差し引いて得られる熱量ｒＱ１が先ず算出される。熱量ｒＱ１は、沸き上げが仮に行われなかった場合において、制御期間の終了時刻において貯湯タンク３００内に貯えられている湯の熱量のことである。
【００６３】
ここで、貯湯タンク３００内の湯に貯えられる熱量の最大値を「最大熱量」とすると、沸き上げ熱量は、（沸き上げ熱量）＝(最大熱量）−（熱量ｒＱ１）の式によって算出される。
【００６４】
ステップＳ２５に続くステップＳ２６では、沸き上げに必要な時間である沸き上げ時間が算出される。沸き上げ時間は、（沸き上げ時間）＝（沸き上げ熱量）／（ヒートポンプ式加熱器２００の加熱能力）の式によって算出される。
【００６５】
ステップＳ２６に続くステップＳ２７では、沸き上げが開始される時刻である沸き上げ開始時刻が算出される。沸き上げ開始時刻は、（沸き上げ開始時刻）＝（ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率が最も高くなる時刻）−（沸き上げ時間）／２の式によって算出される。
【００６６】
図８に示されるのは、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率の時間変化を示すグラフの例である。図８の例では、制御期間において最も外気温度の高くなる時刻ｔｐにおいて、ヒートポンプ式加熱器２００の動作効率が最も高くなっている。図８の例では、時刻ｔ１から時刻ｔ１までの期間ＴＭ１において沸き上げが行われる。
【００６７】
ステップＳ２６の処理が行われることにより、沸き上げが開始される時刻ｔ１と、沸き上げが終了する時刻ｔ２との中間における時刻が、制御期間において最も動作効率の高くなる時刻ｔｐとなっている。つまり、第１動作計画を作成するに当たっては、上記の時刻ｔｐを含む時間帯において沸き上げが行われるように、沸き上げ開始時刻が算出される。
【００６８】
図４に戻って説明を続ける。ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、消費電力Ｗ１が算出される。既に述べたように、消費電力Ｗ１とは、第１動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われたとした場合に、制御期間においてヒートポンプ式加熱器２００で消費されると予測される電力のことである。ここでは、ステップＳ２７で算出された時刻から、ステップＳ２６で算出された時間だけヒートポンプ式加熱器２００の運転が行われた場合に、ヒートポンプ式加熱器２００で消費される電力が、消費電力Ｗ１として算出される。
【００６９】
次に、第２動作計画を作成するために実行される処理について、図５を参照しながら説明する。当該処理の最初のステップＳ３１では、情報取得部１２３によって周囲環境のデータを取得する処理が行われる。当該処理は、図４のステップＳ２１で行われる処理と同じである。
【００７０】
ステップＳ３１に続くステップＳ３２では、建物ＨＭにおける湯の使用量が最大となると予測される時刻が算出される。当該時刻は、使用量予測部１２４で予測される湯の使用量の時間変化に基づいて算出される。
【００７１】
ステップＳ３２に続くステップＳ３３では、使用熱量ｕＱが算出される。当該処理は、図４のステップＳ２３で行われる処理と同じである。
【００７２】
ステップＳ３３に続くステップＳ３４では、追加熱量ｗＱ２が算出される。「追加熱量ｗＱ２」とは、制御期間において貯湯タンク３００から外部へと放出される放熱量の全体に、所定のマージンを加えた熱量である。追加熱量ｗＱ２は、ステップＳ３２で算出された時刻において沸き上げが完了する、という前提の下で、放熱量算出部１２１によって算出される。追加熱量ｗＱ２を算出するに当たっては、ステップＳ３１で取得された周囲環境のデータを用いながら放熱量が算出される。
【００７３】
ステップＳ３４に続くステップＳ３５では、沸き上げ量が算出される。「沸き上げ熱量」とは、第２動作計画に従った沸き上げにより、貯湯タンク３００内の湯に加えられる熱量のことである。ここでは、制御期間の開始時刻において貯湯タンク３００内に貯えられていた湯の熱量から、（使用熱量ｕＱ＋追加熱量ｗＱ２）を差し引いて得られる熱量ｒＱ２が先ず算出される。熱量ｒＱ２は、沸き上げが仮に行われなかった場合において、制御期間の終了時刻において貯湯タンク３００内に貯えられている湯の熱量のことである。
【００７４】
ここで、貯湯タンク３００内の湯に貯えられる熱量の最大値を「最大熱量」とすると、沸き上げ熱量は、（沸き上げ熱量）＝(最大熱量）−（熱量ｒＱ２）の式によって算出される。
【００７５】
ステップＳ３５に続くステップＳ３６では、沸き上げに必要な時間である沸き上げ時間が算出される。図４のステップＳ２６と同様に、沸き上げ時間は、（沸き上げ時間）＝（沸き上げ熱量）／（ヒートポンプ式加熱器２００の加熱能力）の式によって算出される。
【００７６】
ステップＳ３６に続くステップＳ３７では、沸き上げが開始される時刻である沸き上げ開始時刻が算出される。沸き上げ開始時刻は、（沸き上げ開始時刻）＝（建物ＨＭにおける湯の使用量が最大となる時刻）−（沸き上げ時間）の式によって算出される。
【００７７】
図８では、ステップＳ３２で算出される時刻、すなわち、建物ＨＭにおける湯の使用量が最大となる時刻が、時刻ｔｍとして示されている。ステップＳ３６の処理が行われることにより、沸き上げが開始される時刻ｔ３から、上記の時刻ｔｍまでの期間ＴＭ２において沸き上げが実行される。つまり、第２動作計画を作成するに当たっては、上記の時刻ｔｍの直前において沸き上げが完了するように、沸き上げ開始時刻が算出される。このため、第２動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われた場合には、沸き上げ後の放熱によるエネルギーのロスが抑制されることとなる。
【００７８】
図５に戻って説明を続ける。ステップＳ３７に続くステップＳ３８では、消費電力Ｗ２が算出される。既に述べたように、消費電力Ｗ２とは、第２動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の制御が行われたとした場合に、制御期間においてヒートポンプ式加熱器２００で消費されると予測される電力のことである。ここでは、ステップＳ３７で算出された時刻から、ステップＳ３６で算出された時間だけヒートポンプ式加熱器２００の運転が行われた場合に、ヒートポンプ式加熱器２００で消費される電力が、消費電力Ｗ２として算出される。
【００７９】
以上に説明したように、本実施形態に係る給湯システム１０では、効率算出部１２２で算出される動作効率が最も高くなるような第１動作計画と、放熱量算出部１２１で算出される放熱量が最も小さくなるような第２動作計画と、の両方が予め作成された後、消費電力が小さくなる方（制御期間における電力エネルギーの消費効率が高くなる方ともいえる）の計画が最終的な動作計画として採用される。
【００８０】
つまり、給湯システム１０では、放熱量算出部１２１算出された放熱量、及び効率算出部１２２で算出された動作効率の両方に基づいて、制御期間における電力エネルギーの消費効率が高くなるように動作計画が作成される。これにより、放熱量及び動作効率のうちの一方のみを考慮した場合に比べて、電力エネルギーの消費効率を高めることが可能となっている。
【００８１】
本実施形態では、ヒートポンプ式加熱器２００による水の加熱が開始される時刻（つまり沸き上げ開始時刻）が、動作計画に含まれている。制御装置１００は、上記の時刻が互いに異なる複数の動作計画を作成し、消費電力が小さくなる方の動作計画を最終的な動作計画として採用している。その結果、消費電力が小さくなるように、沸き上げ開始時刻が最適化されることとなる。
【００８２】
動作計画には、ヒートポンプ式加熱器２００における加熱能力の設定が含まれることとしてもよい。この場合、制御装置１００は、加熱能力の設定が互いに異なる複数の動作計画を予め作成し、消費電力が小さくなる方の動作計画を最終的な動作計画として採用することとしてもよい。これにより、消費電力が小さくなるように、加熱能力の設定を最適化することができる。
【００８３】
同様に、動作計画には、ヒートポンプ式加熱器２００生成される湯の温度が含まれることとしてもよい。この場合、制御装置１００は、生成される湯の温度が互いに異なる複数の動作計画を予め作成し、消費電力が小さくなる方の動作計画を最終的な動作計画として採用することとしてもよい。これにより、消費電力が小さくなるように、生成される湯の温度を最適化することができる。
【００８４】
第２実施形態について説明する。本実施形態では、制御装置１００によって実行される処理の内容において第１実施形態と異なっている。以下では、第１実施形態と異なる点について主に説明し、第１実施形態と共通する点についてはてきぎ説明を省略する。
【００８５】
本実施形態では、制御期間の長さが１日ではなく７日となっている。また、動作計画の更新は、１日毎に行われるのではなく、１０分間毎に行われる。つまり、本実施形態では、制御期間の長さは７日間であるが、その開始時刻は、制御期間の終了を待つことなく、１０分間毎に更新されて行くこととなる。
【００８６】
制御装置１００によって実行される処理の内容について、図６を参照しながら説明する。図６に示される一連の処理は、図２に示される一連の処理に換えて実行されるものである。当該処理は、１０分間が経過する毎に繰り返し実行される。
【００８７】
最初のステップＳ４１では、動作計画を更新する処理が行われる。当該処理の具体的な内容については後に説明する。ステップＳ４１に続くステップＳ４２では、動作計画に従ってヒートポンプ式加熱器２００の動作を制御する処理が、動作制御部１１０によって実行される。
【００８８】
尚、これまでの履歴とは異なるタイミングで大量の湯が使用されたり、通信異常等によって周囲環境の変化を示す情報が正確に取得できなかったりした場合には、貯湯タンク３００に貯えられている湯の熱量が減少し過ぎてしまう可能性がある。このため、貯湯タンク３００に貯えられている湯の熱量が所定の下限値を下回った場合には、動作計画とは無関係に沸き上げが実行されることとしてもよい。
【００８９】
動作計画を更新するために実行される処理について、図７を参照しながら説明する。当該処理の最初のステップＳ５１では、貯湯タンク３００内の湯の温度分布が取得される。ステップＳ５１に続くステップＳ５２では、情報取得部１２３によって周囲環境のデータを取得する処理が行われる。当該処理は、図４のステップＳ２１で行われる処理と同じである。
【００９０】
ステップＳ５２に続くステップＳ５３では、制御期間における湯の使用量の時間変化を使用量予測部１２４によって予測し、今後の出湯計画として作成する処理が行われる。出湯計画は、建物ＨＭにおける過去の湯の使用量の履歴に基づいて作成される。
【００９１】
ステップＳ５３に続くステップＳ５４では、上記の出湯計画に従って建物ＨＭに湯を供給し得るような、ヒートポンプ式加熱器２００の動作計画が、計画作成部１２０によって作成される。当該処理は、ヒューリスティックな最適化アルゴリズムとして知られている遺伝的アルゴリズムを用いて行われる。
【００９２】
本実施形態では、各日における沸き上げ開始時刻、沸き上げ時間、ヒートポンプ式加熱器２００の加熱能力、ヒートポンプ式加熱器２００で生成される湯の温度、からなる複数のパラメータセットを、遺伝的アルゴリズムを用いて最適化することによって動作計画が作成される。遺伝的アルゴリズムによる最適化は、当該アルゴリズムを実装したプログラムによって行われてもよいが、例えば量子コンピュータのような専用のハードウェアを用いて行われてもよい。
【００９３】
ステップＳ５３では、上記パラメータセットの各設定値を少しずつ変化させながら、制御装置１００において沸き上げのシミュレーションを都度行うことにより、各設定値に対応する消費電力を算出して行く。これにより、消費電力が最も小さくなるようなパラメータセットの設定値が求められる。当該設定値に対応する動作計画が、最終的な動作計画として採用される。その結果、計画作成部１２０は、制御期間における電力エネルギーの消費効率（ＣＯＰ）が最も高くなるように動作計画を作成する。
【００９４】
上記のシミュレーションを行うに当たっては、パラメータセットの各設定値を変化させる毎に、効率算出部１２２による動作効率の算出や、放熱量算出部１２１による放熱量の算出が行われ、これらに基づいて消費電力が算出される。つまり、本実施形態における放熱量算出部１２１及び効率算出部１２２は、シミュレータの一部として機能する。
【００９５】
遺伝的アルゴリズムを用いた各設定値の最適化は、制御期間におけるいずれの時刻においても、貯湯タンク３００に貯えられている湯の量（ただし、所定温度以上の湯の量である）が、所定の下限貯湯量を下回らないという条件の下で行われる。つまり、本実施形態における計画作成部１２０は、制御期間におけるいずれの時刻においても、貯湯タンク３００に貯えられている湯の量が下限貯湯量を下回ることのないように動作計画を作成する。
【００９６】
遺伝的アルゴリズムを用いて最適化されるパラメータの数は、制御装置１００の処理能力に応じて増減させることができる。ただし、最適化されるパラメータには、少なくとも沸き上げ開始時刻が含まれることが好ましい。
【００９７】
また、シミュレーションにおける時間の粒度についても、制御装置１００の処理能力に応じて適宜調整されることが好ましい。
【００９８】
尚、遺伝的アルゴリズムとしては公知のものを採用し得るので、その具体的な算出手法については説明を省略する。ステップＳ５４の処理を行うためのアルゴリズムとしては、ヒューリスティックな最適化アルゴリズムであればよく、遺伝的アルゴリズムとは異なるアルゴリズムであってもよい。
【００９９】
本発明者らが行った実験によれば、夜間の特定の時間に沸き上げが行われる従来の方法に比べて、給湯システム１０のＣＯＰを３．００から３．７３まで向上させ得ることが確認された。
【０１００】
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
【符号の説明】
【０１０１】
ＨＭ：建物
１０：給湯システム
１１０：動作制御部
１２０：計画作成部
１２１：放熱量算出部
１２２：効率算出部
２００：ヒートポンプ式加熱器
３００：貯湯タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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