(57)【要約】【課題】給湯使用パターンが日によって変化する需要家に対しても、湯切れの心配がなく、かつ効率的な運転実現を可能とするコージェネレーション・システムを提供する。【解決手段】発電開始貯湯レベル（Ｌ１）及び停止貯湯レベル（Ｌ４）を設定することにより、第一ステップとして最上層の湯層Ｖ１の温度Ｔ１が６５℃以下か否かが判定される。Ｔ１＞６５℃のときは発電開始されず、現状維持となる。Ｔ１≦６５℃のときは、次に現在発電運転が行われているか否かが判定される。発電停止状態のときは、発電運転が開始される。発電に伴う排熱は、排熱回収配管Ｗ１乃至Ｗ３により熱交換器４と熱交換器５で回収され、貯湯タンク３ａに貯湯蓄熱される。この場合、湯層Ｖ１から順に湯層Ｖ４に蓄えられる。その後、最下層の湯層Ｖ４の温度Ｔ４が７５℃以上となったか否かが判定される。Ｔ１≧７５℃に至ったときは発電運転が停止される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と、発電装置の発電排熱を回収する貯湯タンクと、を備えたコージェネレーション・システムであって、
貯湯タンクを層状に分割する複数の仮想的湯層について、発電開始貯湯レベルである第一の湯層と、発電停止貯湯レベルである第二の湯層と、を設定するための貯湯レベル設定手段と、
第一の湯層の代表温度が第一の設定温度以下のときに発電開始し、第二の湯層の代表温度が第二の設定温度以上のときに発電停止する発電制御手段と、
を備えて成ることを特徴とするコージェネレーション・システム。
【請求項２】
各湯層の代表温度が第一の設定温度以下のときは貯湯可能状態表示し、第二の設定温度以上のときは貯湯完了状態表示する貯湯状態表示手段を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーション・システム。
【請求項３】
前記発電装置が燃料電池であり、前記第一の設定温度が燃料電池の冷却水入口上限温度であることを特徴とする請求項１に記載のコージェネレーション・システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のコージェネレーション・システムにおいて、少なくとも最上層の湯層については、常に前記第一の設定貯湯温度以上となるように制御することを特徴とするコージェネレーション・システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コージェネレーション・システムに係り、特に、燃料電池やガスエンジンを利用した家庭用コージェネに好適な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。
【背景技術】
【０００２】
近年、消費者の省エネ、環境問題に対する意識の高まりに伴って、家庭用分野におけるコージェネレーション・システムの開発が進んでいる。コージェネレーション・システム（発電・給湯併給システム）は、発電装置である燃料電池やガスエンジンの発電に伴い発生する排熱を、給湯システムの水加熱に利用するシステムである。この場合、発電・給湯を併せた総合効率は排熱の回収率により大きく依存するため、一日の発電装置起動、停止時間の設定方法が問題となる。設定方法としては、予め起動、停止時間をプログラムタイマーにより設定し、毎日定められた時間に発電・貯湯する方法がある。
【０００３】
しかしながら、水温や需要家の電力・給湯需要は季節や気候条件等により変動するものであり、毎日、同一時間帯に発電する設定では貯湯タンクの湯量を正確に制御することは困難である。特に、貯湯タンクの湯切れが生じてしまうと、需要家の給湯利用に大きな支障を来たすという問題がある。
【０００４】
このような問題を解消するため、需要家の一定期間における給湯使用パターンを学習機能により予測し、これに基づいて発電起動、停止時間を設定する技術が提案されている（例えば特許文献１）。この方法によれば、季節の変化や曜日による使用パターン変化にも対応でき、効率的な運転が可能となる。
【特許文献１】特開２００６−１８３９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、給湯使用パターンが必ずしも一定ではなく、日によって大きく変わる需要家も多い。このような需要家に対しては上記技術を以ってしても、湯切れがなく、かつ効率的運転を実現させることは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、給湯使用パターンが日によって変化する需要家に対しても、湯切れの心配がなく、かつ効率的な運転実現を可能とするコージェネレーション・システム及びその運転制御方法を提供するものである。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、
【０００７】
請求項１の発明は、発電装置と、発電装置の発電排熱を回収する貯湯タンクと、を備えたコージェネレーション・システムであって、貯湯タンクを層状に分割する複数の仮想的湯層について、発電開始貯湯レベルである第一の湯層と、発電停止貯湯レベルである第二の湯層と、を設定するための貯湯レベル設定手段と、第一の湯層の代表温度が第一の設定温度以下のときに発電開始し、第二の湯層の代表温度が第二の設定温度以上のときに発電停止する発電制御手段と、を備えて成ることを特徴とするコージェネレーション・システムである。
ここに「貯湯レベル」とは、貯蔵タンク内の水のうち、最上層からどの位置まで貯湯状態になっているかを示す指標である。
また、第一の設定温度と第二の設定温度とは必ずしも同一温度に限られず、異なる温度であってもよい。
【０００８】
この場合、各湯層の代表温度が第一の設定温度以下のときは貯湯可能状態表示し、第二の設定温度以上のときは貯湯完了状態表示する貯湯状態表示手段を、さらに備えることができる。
【０００９】
請求項３の発明は、発電装置が燃料電池であり、第一の設定温度が燃料電池の冷却水入口上限温度であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、上記各コージェネレーション・システムにおいて、少なくとも最上層の湯層については、常に前記第一の設定温度以上となるように制御することを特徴とするコージェネレーション・システムの運転方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、発電排熱により必要給湯量を確実に貯湯しておくことができるため、湯切れ等の問題がなく、かつ、需要家の省エネ要請に応えることができるという効果がある。
また、貯湯タンクの貯湯量を視覚的に把握できるため、ユーザーフレンドリーな発電設定が可能となるという効果がある。
また、本発明によれば一定時間継続して発電運転が行われることとなるため、機器の性質上、頻繁な運転ＯＮ−ＯＦＦが困難で、かつ立ち上がりに時間を要する燃料電池に対して特に有効である。
また、請求項３の発明にあっては、第一の設定温度＝燃料電池冷却水入口上限温度であるため、冷却水入口温度が上限温度以上のときに、発電開始指示にもかかわらず運転が開始されないという不都合を回避することができる。
また、少なくとも最上層の湯層について常に一定温度以上となる制御を行うことにより、給湯使用可能なお湯が常に貯湯された状態とすることができ、給湯開始時に湯待ちをすることなく、快適性が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係るコージェネレーション・システムの実施形態について、図１乃至７を参照してさらに詳細に説明する。なお、重複を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。また、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００１３】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態に係るコージェネレーション・システム１の全体構成を示すものである。図２は、コントローラ９の詳細構成を示す図である。図３は、貯湯量表示部９ｄにおける貯湯レベルＬ１乃至Ｌ４と貯湯タンク３ａにおける湯層Ｖ１乃至Ｖ４との対応を示す図である。図４は、コントローラ９における発電開始及び停止貯湯レベル設定状態を示す図である。図５は、本実施形態における発電制御フローを示す図である。
【００１４】
図1を参照して、コージェネレーション・システム１はガスエンジン駆動の発電ユニット２、貯湯ユニット３、熱交換器群及びこれらを結ぶ配管群、制御ライン群を主要構成として備え、これらにより発電系統、排熱回収系統、給湯系統及び制御系統が構成されている。
本システムの発電系統は、発電ユニット２内のガスエンジン２ａ、発電機２ｂ、直流→交流変換用インバータ（図示せず）を主要構成として備えている。
本システムの排熱回収系統は、発電ユニット２の発電排熱を蓄熱する貯湯ユニット３内の貯湯タンク３ａと、エンジン・ジャケット冷却水と熱交換する第一の熱交換器４と、エンジン排気と熱交換する第二の熱交換器５と、これらを結ぶ排熱回収配管Ｗ１乃至Ｗ３と、循環用ポンプ１０と、により構成されている。貯湯タンク３ａの内壁面には温度センサＳ１乃至Ｓ４が配設されており、貯湯タンク３ａ内を４分割する仮想的な湯層Ｖ１乃至Ｖ４の代表温度Ｔ１乃至Ｔ４を計測可能に構成されている。
【００１５】
本システムの給湯系統は、貯湯タンク３ａ内の貯湯をタンク上部から給湯栓８に導く給湯配管Ｗ４と、貯湯タンク３ａ下部から市水を導入する市水配管Ｗ５により構成されている。市水配管Ｗ５と貯湯タンク３ａとは直結しており、給湯使用により貯湯タンク３ａ内の水位が低下すると、自動的に市水配管Ｗ５を介して市水が補給されるように構成されている。
本システムの制御系統は、貯湯ユニット３内に設けられ発電制御を司る制御部３ｂと、住戸７内に設けられ、利用者が操作して貯湯タンク３ａの貯湯量制御を行うコントローラ９と、エンジン駆動制御を行うエンジン制御部２ｃと、温度センサＳ１乃至Ｓ４と、これらを結ぶ制御ラインＣ１乃至Ｃ３により構成されている。制御部２ｃ、３ｂは図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備え、後述する発電、貯湯量制御を行うように構成されている。
【００１６】
図２を参照して、コントローラ９は表示部９ａと操作部９ｂにより構成されている。表示部９ａは液晶パネルにより構成され、貯湯量表示部９ｄと、詳細図示は省略するが給湯・追焚状態等表示部９ｅを備えている。操作部９ｂは、発電スイッチ９ｃ、発電開始・停止時間又は発電開始・停止貯湯レベル等の設定を行うための設定スイッチ９ｇ、発電モード選択のための発電モードスイッチ９ｆ、設定項目選択のための機能スイッチ９ｉを備えている。発電モードには、自動、予約、貯湯量（設定）、手動の各モードがあり、発電モードスイッチ９ｆを押すごとに該当モードに対応するＬＥＤランプ９ｈが順次点灯し、目的のモードを選択できるように構成されている。なお、コントローラ９はこの他にも給湯、全自動風呂制御等に関する操作部を備えているが、ここでは発電制御に関する操作部のみ示してある。
【００１７】
図３を参照して、貯湯量表示部９ｄにおける貯湯レベルＬ１乃至Ｌ４は、湯層Ｖ１乃至Ｖ４と上下対称に表示される。例えば、貯湯タンク３ａの湯層Ｖ１、Ｖ２が設定湯温状態のときは、同図に示すように貯湯量表示部９ｄの貯湯レベルＬ１、Ｌ２が点灯状態となるように設定されている。このように上下逆の表示としたのは、利用者の貯湯状況把握を容易にするためである。
【００１８】
再度、図２を参照して、コントローラ９における発電開始及び停止貯湯レベル設定は、以下のように行う。最初に、発電モードスイッチ９ｆを操作して「貯湯量設定」モードを選択する。次に、表示部９ｅの表示に従い、機能スイッチ９ｉを操作して設定スイッチ９ｇを貯湯量設定モードとする。さらに、貯湯量表示部９ｄの貯湯レベル表示を確認しながら設定スイッチ９ｇを操作して、発電開始貯湯レベルを選択する。ここでは貯湯レベルＬ１が選択されたものとする。貯湯量表示部９ｄには図４（ａ）のように表示される。同様にして発電停止貯湯レベルＬ４を選択する。貯湯量表示部９ｄには図４（ｂ）のように表示される。以上の設定により、貯湯タンク３ａの湯層Ｖ１が６５℃を下回ると発電が開始され、湯層Ｖ４が７５℃になるまで発電が継続されることになる。設定後は機能スイッチ９ｉを適当回押すことにより、現在貯湯量表示に戻すことができる。
【００１９】
コージェネレーション・システム１は以上のように構成されており、次に、図５をも参照して、本システムにおける貯湯量制御方法について説明する。
利用者が、予め発電モードとして「貯湯量設定」モードを選択し（ステップＳ１０１）、発電開始貯湯レベル（Ｌ１）及び停止貯湯レベル（Ｌ４）を設定することにより（ステップＳ１０２）、第一ステップとして最上層の湯層Ｖ１の温度Ｔ１（請求項１の第一の設定温度に対応）が６５℃以下か否かが判定される（ステップＳ１０３）。Ｔ１＞６５℃のときは発電開始されず、現状維持となる。Ｔ１≦６５℃のときは、次に現在発電運転が行われているか否かが判定される（ステップＳ１０４）。既に発電中のときはそのまま運転が継続される。発電停止状態のときは、発電運転が開始される（ステップＳ１０５）。発電に伴う排熱は、排熱回収配管Ｗ１乃至Ｗ３により熱交換器４と熱交換器５で回収され、貯湯タンク３ａに貯湯蓄熱される。この場合、タンク上部から貯湯されていくため、対流作用によりタンク内が均一温度となることなく、湯層Ｖ１から順に湯層Ｖ４に蓄えられる。
【００２０】
その後、最下層の湯層Ｖ４の温度Ｔ４（第二の設定温度に対応）が７５℃以上となったか否かが判定される（ステップＳ１０６）。Ｔ４＜７５℃のときは発電運転が継続され（ステップＳ１０６においてＮＯ）、Ｔ４≧７５℃に至ったときは発電運転が停止される（ステップＳ１０７）。「貯湯量設定」モードが選択されている間は、上記ステップが繰り返される。
なお、本実施形態においては、発電制御を司る制御部３ｂを貯湯ユニット３内に設ける形態としたが、これに限らず他の位置に設けることも可能である。
【００２１】
（第二の実施形態）
次に、図６、７を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係るコージェネレーション・システム２０の全体構成を示す図である。図７は、本実施形態における貯湯量制御フローを示す図である。
コージェネレーション・システム２０の構成が、第一の実施形態に係るコージェネレーション・システム１と異なる点は、発電装置としてガスエンジンに替えてＰＥＦＣ型燃料電池ユニット２１を用いている点である。ここに燃料電池ユニット２１は、改質器、ＣＯ変成器（いずれも不図示）により構成される燃料処理装置２１ａ、アノード電極、カソード電極、電解質膜等（いずれも不図示）により構成される発電ユニット（スタック）２１ｂ、直流電源を交流電源に変換するインバータ（不図示）等を主要構成として備えている。
【００２２】
コージェネレーション・システム２０の排熱回収系統は、燃料電池ユニット２１の発電に伴う排熱を貯湯蓄熱する貯湯タンク３ａと、スタック２１ｂからの排気排熱を回収する熱交換器２３と、燃料処理装置２１ａから排気配管Ｅ２を介して排出される排気排熱を回収する熱交換器２２と、これらを結ぶ排熱回収配管Ｗ６乃至Ｗ８を主要構成として備えている。
【００２３】
また、第一の実施形態では貯湯温度として７５℃を用いていたが、本実施形態においては６０℃である点が異なる。これは、スタック２１ｂの排気温度条件に対応したものである。さらに、燃料電池の安定運転を確保するため、熱交換器２２冷却水入口温度、すなわち貯湯タンク３ａ下部から排熱回収配管Ｗ６を介して導かれる循環水温度、について上限温度Ｔｈ＝４５℃を設定し、温水温度がこの値を超えるときは発電運転を中止する点である。このため、排熱回収配管Ｗ８の熱交換器２２近傍に温度センサＳ５が介装され、入口温水温度Ｔｉを測定可能に構成してある。
さらに、発電開始貯湯レベル（Ｌ１）は同一であるが、停止貯湯レベル（Ｌ３）である点が異なる。
さらに、第一の実施形態では第一の設定温度と第二の設定温度とを異なる温度に設定したが、本実施形態では同一温度（Ｔ１＝Ｔ３）に設定している点が異なる。
さらに、本システムの発電制御は燃料電池ユニット２１内に設けられた制御部２１ｃにより行われる点が異なる。
その他の構成は第一の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００２４】
次に、図７をも参照して、本実施形態における貯湯量制御方法について説明する。利用者が、予め発電モードとして「貯湯量設定」モードを選択し（ステップＳ２０１）、発電開始貯湯レベル（Ｌ１）及び停止貯湯レベル（Ｌ３）を設定することにより（ステップＳ２０２）、第一ステップとして最上層の湯層Ｖ１の温度Ｔ１が４５℃以下か否かが判定される（ステップＳ２０３）。Ｔ１＞４５℃以上のときは発電開始されず、現状維持となる。Ｔ１≦４５℃のときは、次に現在発電運転が行われているか否かが判定される（ステップＳ２０４）。既に発電中のときはそのまま運転が継続される。発電停止状態のときは、発電運転が開始される（ステップＳ２０５）。発電運転中は常時、Ｔｉが４５℃以下であるかがチェックされ、Ｔｉ＞４５℃となったときは直ちに発電が停止される（ステップＳ２０６においてＮＯ）。Ｔｉ≦４５℃のときは発電運転が継続され（ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、その後、湯層Ｖ３の温度Ｔ３が４５℃を超えるに至ったか否かが判定される（ステップＳ２０７）。４５℃以下のときは発電運転が継続され（ステップＳ２０７においてＮＯ）、Ｔ３＞４５℃に至ったときは発電運転が停止される（ステップＳ２０８）。「貯湯量設定」モードが選択されている間は上記ステップが繰り返されることになる。
【００２５】
なお、上述の各実施形態における設定温度、貯湯量レベルは例示であって、システムの諸条件により適切な値を選択可能である。
【実施例】
【００２６】
以下、従来の発電運転制御と本発明による発電運転制御を比較するため、実際の家庭におけるロードサーベイデータを用いてシミュレーションを行った結果について説明する。
図８は、当該家庭における１日の電力需要パターンと給湯需要パターン、及びタイマーモード運転した場合の燃料電池発電出力と貯湯タンク蓄熱率（貯湯率）の時間的推移を示す図である。タイマー設定は発電開始８：００、発電停止２３：００とした。同図（※）に示すように、タイマー運転モードでは６：００ＡＭ前後の給湯需要に対応できないことが分かる。
【００２７】
図９は、図８と同一条件下で「貯湯量設定」モード運転した場合の推移を示す図である。本実施例では１：００ＡＭに発電が開始され、タイマー運転では賄うことができなかった６：００ＡＭ前後の給湯需要にも対応できていることが分かる。
次に、表１は同上家庭における１カ月分のロードサーベイデータを用いて、学習モード、タイマーモード、貯湯量設定モードによりシミュレーションした結果を比較したものである。なお、「学習モード」、「タイマーモード」は、それぞれ図２における「自動」、「予約」に対応するモードである。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
同表において、各項目の算出式等は以下の通りである。
（ａ）＝Σ{ＦＣ消費ガス量(発電時)＋同左(停止時)＋同左(起動＋停止操作時)}
（ｂ）＝ΣＦＣ送電電力量 (送電端)
（ｃ）＝Σ{ＦＣ受電電力量(待機)＋同左(起動停止)}
（ｄ）＝ＦＣ送電電力量＞0である時間
（ｅ）＝Σ排熱回収量
（ｆ）＝＞給湯・風呂給湯熱量となるので、給湯風呂給湯熱量で代替
（ｇ）＝Σ家庭受電電力量（＋）
（ｈ）＝Σ家庭受電電力量（−）
（ｉ）＝Σ給湯・風呂給湯熱量
（ｊ）＝Σ追焚・暖房熱量
（ｌ）＝ＦＣなし一次エネルギー消費量 −ＦＣあり一次消費エネルギー量
（ｍ）＝ＦＣなしCO2排出量−ＦＣありCO2排出量
（ｎ）＝ＦＣなしNOx排出量−ＦＣありNOx排出量
（ｏ）＝ＦＣ発電量 / (受電電力量＋ＦＣ発電量−逆潮電力量)
（ｐ）＝タンクから出た熱量 / 給湯・風呂給湯熱量
【００３０】
一次エネルギー削減量について、学習モードは170.4（ｋＷｈ）、タイマーモードは162.9（ｋＷｈ）であるのに対して、「貯湯量設定」モードでは192.0（ｋＷｈ）であり、削減効果が最も大きいことが立証された。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、熱源、発電装置の種類を問わず、発電・給湯併給システムに広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第一の実施形態に係るコージェネレーション・システム１の全体構成を示す図である。
【図２】コントローラ９の詳細構成を示す図である。
【図３】貯湯量表示部９ｄにおける貯湯レベルと貯湯タンク３ａにおける湯層の対応を示す図である。
【図４】コントローラ９における発電開始及び停止貯湯レベル設定状態を示す図である。
【図５】第一の実施形態における発電制御フローを示す図である。
【図６】第二の実施形態に係るコージェネレーション・システム２０を示す図である。
【図７】第二の実施形態における発電制御フローを示す図である。
【図８】タイマーモード運転の場合の燃料電池発電出力と貯湯タンク蓄熱率（貯湯率）等の１日の推移を示す図である。
【図９】「貯湯量設定」モード運転の場合の燃料電池発電出力と貯湯タンク蓄熱率（貯湯率）等の１日の推移を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１，２０      コージェネレーション・システム
２        発電ユニット
２ａ      ガスエンジン
３        貯湯ユニット
３ａ      貯湯タンク
４、５、２２，２３      熱交換器
９        コントローラ
９ａ      表示部
９ｂ      操作部
９ｃ      発電スイッチ
９ｄ      貯湯量表示部
９ｆ      発電モードスイッチ
９ｇ      設定スイッチ
１０      循環用ポンプ
２１      燃料電池ユニット
Ｃ１〜Ｃ３      制御ライン
Ｌ１〜Ｌ４      貯湯レベル
Ｓ１〜Ｓ５      温度センサ
Ｔ１〜Ｔ４      代表温度
Ｔｈ      上限温度
Ｔｉ      入口温水温度
Ｖ１〜Ｖ４      仮想的湯層
Ｗ１〜Ｗ３、Ｗ６〜Ｗ８      排熱回収配管
Ｗ４      給湯配管
Ｗ５      市水供給配管
【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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【図９】
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