(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱発生源と、貯湯タンクと、
給湯栓近傍に設置され、水道供給ラインから供給される水道水を貯水する一又は複数の即湯タンクと、
排熱発生源と貯湯タンクとを結び、排熱発生源の排熱を貯湯タンク内温水として回収する排熱回収手段と、
貯湯タンクと各即湯タンクとを結び、貯湯タンク内温水と即湯タンク内貯水とを熱交換するための一又は複数の第一の温水循環回路と、
を備えて成ることを特徴とする排熱利用温水システム。
【請求項２】
前記即湯タンク内部に貯湯温度計測手段と、
前記水道供給ライン途中に瞬間式給湯器と、
前記即湯タンクを迂回して瞬間式給湯器と前記給湯栓とを結ぶバイパス配管と、
かつ、貯湯温度が所定の温度以下のときに、瞬間式給湯器からバイパス配管を経由して給湯供給する手段と、
をさらに備えて成ることを特徴とする請求項１に記載の排熱利用温水システム。
【請求項３】
前記第一の温水循環回路は、往き側及び戻り側経路途中にそれぞれ分岐ヘッダを備え、かつ、前記即湯タンクを各分岐ヘッダの端末側に配設して成る、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の排熱利用温水システム。
【請求項４】
前記各分岐ヘッダの端末側に一又は複数の温水利用端末器と、前記瞬間式給湯器に替えて給湯暖房機と、給湯暖房機と各温水利用端末器とを結ぶ一又は複数の第二の温水循環回路と、をさらに備え、
かつ、各温水利用端末器への温水供給について、前記第一の温水循環回路を用いるか、第二の温水循環回路を用いるかを、選択可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載の排熱利用温水システム。
【請求項５】
前記排熱発生源が、固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排熱利用温水システム。
【請求項６】
前記即湯タンクは、前記燃料電池の発電電力供給を受けるヒータ回路を、さらに備えて成ることを特徴とする請求項５に記載の排熱利用温水システム。
【請求項７】
請求項６に記載の排熱利用温水システムにおいて、前記燃料電池待機運転時の発電電力を利用して、前記ヒータ回路を介して前記即湯タンク内の貯水を加熱・保温するとともに、発電排熱を前記第一の温水循環回路を介して前記貯湯タンクに蓄熱することを特徴とする排熱利用温水システムの運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱利用温水システム及びその運転制御方法に係り、特に、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の排熱利用に適した排熱利用温水システム及びその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池発電等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発電・給湯併給（コジェネレーション）システムが公知である（例えば特許文献１）。このような従来の排熱利用温水システム１００は、図７に示すように、燃料電池ユニット１０１、熱交換器１０２、水道水と直結する貯湯タンク１０３を主要構成として備えており、熱交換器１０２により発電排熱と貯湯タンク１０３内の貯水とを熱交換して湯として蓄える。貯湯タンク１０３内の湯は、給湯配管Ｗ５２を介して給湯栓１０４から供給される。給湯使用により不足したタンク内の水は、水道配管Ｗ５１から補給される。
【０００３】
また、暖房システムを構築する場合には、液液熱交換器１０５を設けることにより、暖房配管Ｈ５１を介して暖房端末器１０６に温水を供給することができる。
【特許文献１】特開２００１−３２５９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の排熱利用給湯システムでは、貯湯タンク１０３は屋外に置かれることが一般的であり、室内に設けられている給湯栓１０４までの配管が長くなる。このため、給湯開始時に湯待ち時間が発生し、特に冬季には配管内の滞留水が冷却して捨て水となってしまうという問題がある。
【０００５】
また、発電時の排熱を全て貯湯タンクに蓄える形態であるため、貯湯タンクの容量が大きくなり、設置の自由度が制約されるという問題がある。さらに、貯湯タンクが水道供給ラインと直結しているため、耐圧上の要請によりタンク形状が制約されてしまうという問題がある。
【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、排熱利用システムにおいて給湯開始時の湯待ち時間を短縮し、さらに貯湯タンクの設置の自由度が大きな排熱利用温水システム及びその運転制御方法に関する技術を提供するものである。
【０００７】
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、
請求項１の発明は、排熱発生源と、貯湯タンクと、給湯栓近傍に設置され、水道供給ラインから供給される水道水を貯水する一又は複数の即湯タンクと、排熱発生源と貯湯タンクとを結び、排熱発生源の排熱を貯湯タンク内温水として回収する排熱回収手段と、貯湯タンクと各即湯タンクとを結び、貯湯タンク内温水と即湯タンク内貯水とを熱交換するための一又は複数の第一の温水循環回路と、を備えて成ることを特徴とする排熱利用温水システムである。
【０００８】
本発明において、「即湯タンク」とは、各給湯栓近傍に設置され、加熱・保温手段を備えた貯湯用タンクをいう。また、即湯タンクは給水ラインに直結していることが必要である。また、本発明において「温水」とは、必ずしも水に限らず、他の熱媒を含む概念である。
【０００９】
上記において、即湯タンク内部に貯湯温度計測手段と、水道供給ライン途中に瞬間式給湯器と、即湯タンクを迂回して瞬間式給湯器と給湯栓とを結ぶバイパス配管と、かつ、貯湯温度が所定の温度以下のときに、瞬間式給湯器からバイパス配管を経由して給湯供給する手段と、をさらに備えて成ることを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
第一の温水循環回路は、往き側及び戻り側経路途中にそれぞれ分岐ヘッダを備え、かつ、即湯タンクを各分岐ヘッダの端末側に配設して成る、ことを特徴とする（請求項３）。
各分岐ヘッダの端末側に一又は複数の温水利用端末器と、瞬間式給湯器に替えて給湯暖房機と、給湯暖房機と各温水利用端末器とを結ぶ一又は複数の第二の温水循環回路と、をさらに備え、かつ、各温水利用端末器への温水供給について、前記第一の温水循環回路を用いるか、第二の温水循環回路を用いるかを、選択可能に構成したことを特徴とする（請求項４）。
【００１１】
温水循環回路をこのような構成とすることにより、貯湯タンク内の温水温度が暖房に適した温度条件に達していないときなどに、給湯暖房機による補助暖房に切り替えることができる。
【００１２】
上記において、排熱発生源が固体酸化物型燃料電池であることを特徴とする（請求項５）。
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、運転温度が７００℃〜１０００℃と高温のため排熱温度も高意匠。このため、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等と比較して、より高温の湯を得ることができるという効果がある。
上記において、即湯タンクは、燃料電池の発電電力供給を受けるヒータ回路を、さらに備えて成ることを特徴とする（請求項６）。
請求項７の発明は、上記において燃料電池待機運転時の発電電力を利用して、ヒータ回路を介して即湯タンク内の貯水を加熱・保温するとともに、発電排熱を温水循環回路を介して貯湯タンクに蓄熱することを特徴とする排熱利用温水システムの運転制御方法である。
本発明において「待機運転」とは、最小発電出力により高温状態を維持する運転状態を言う。上述のようにＳＯＦＣは運転温度が高温のため、起動・停止に長時間を要する。このため、夜間などは最小発電出力により高温状態を維持する必要がある。この点、本発明によれば、夜間等の「待機運転」に伴い発生する電力・排熱を有効に利用できるという効果がある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、給湯開始時に直ちに設定温度のお湯が供給されるため、湯待ち時間がなく、使い勝手が向上するという効果がある。また、捨て水がなくなるため、省エネ性、省資源性に優れるという効果がある。
【００１４】
また、発電システムの排熱を分散して蓄えることができるため、貯湯タンクをコンパクト化することができ、設置スペースの制約が緩和されるという効果がある。
また、貯湯タンクが水道供給ラインと縁切りされているため、耐圧上の制約がなく、形状の自由度が増し、設置の自由度が増大するという効果がある。
また、貯湯タンクの湯を直接給湯に用いる構造ではないため、他の熱媒（例えば不凍液など）を利用することが可能となるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る排熱利用温水システムの実施形態について、図１乃至６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。なお、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。
【００１６】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態に係る排熱利用温水システム１の全体構成を示すものである。同図において、排熱利用温水システム１は発電系統、排熱回収系統及び給湯系統により構成されている。発電系統はＳＯＦＣ型燃料電池ユニット２により構成されている。燃料電池ユニット２は、改質装置２ａ、発電ユニット（スタック）２ｂ、インバータ２ｃを主要構成として備えている。
【００１７】
排熱回収系統は、燃料電池ユニット２の発電排熱を湯として蓄熱する貯湯タンク４と、発生排熱回収用の熱交換器３と、給湯栓の直近に配設される２台の即湯タンク５ａ、５ｂと、を主要構成とする。貯湯タンク４内部には温度センサが配設されており、温水温度Ｔ１を計測可能に構成されている。即湯タンク５ａ、５ｂは、その内部に貯湯水温度Ｔ２を計測するための温度センサ１２ａ、１２ｂが配設されている。貯湯タンク４及び即湯タンク５ａ、５ｂの表面は断熱材で保温されている。
【００１８】
燃料電池ユニット２は、都市ガスまたはＬＰＧを燃料として、発電に伴い発生する排ガスを配管１０で熱交換器３に導き、ここで貯湯タンク４内の温水と熱交換して、排気ガスと凝縮水として排出するように構成されている。貯湯タンク４と即湯タンク５ａ、５ｂ間は、往き側分岐ヘッダ７及び戻り側分岐ヘッダ８を介在させて、温水配管Ｌ３乃至Ｌ８により結ばれている。即湯タンク５ａの循環系統についてみると、貯湯タンク４内の温水は、ポンプＰ２により集合配管Ｌ３→分岐ヘッダ７→配管Ｌ５を経由して即湯タンク５ａに導かれる。ここで、タンク内部の貯湯水と熱交換した後に配管Ｌ６を経由して分岐ヘッダ８に導かれ、集合配管Ｌ４を経由して貯湯タンク４に戻される。即湯タンク５ｂについても、同様の循環系統が構成されている。
【００１９】
また、給湯系統は、即湯タンク５ａ、５ｂ、給湯器６、これらを結ぶ給水（湯）配管Ｗ１乃至６、混合弁Ｖ１、Ｖ２により構成されている。即湯タンク５ａの系統については、配管Ｗ１により供給される水道水は、給湯器６→配管Ｗ２→配管Ｗ３を経由して、即湯タンク５ａに導かれる。配管Ｗ３経路中にはバイパス配管Ｗ５が設けられており、混合弁Ｖ１に接続されている。即湯タンク５ｂについても、同様の構成を備えている。
【００２０】
排熱利用温水システム１は以上のように構成されており、次に、図６（ａ）〜（ｃ）をも参照して、本システムにおける発電排熱回収制御、即湯タンク５ａの加熱・保温制御及び給湯需要制御の方法について説明する。なお、実際には（ａ）〜（ｃ）の制御は独立ではなく、互いの制御の影響を受けることになる。
【００２１】
最初に、図６（ａ）を参照して、排熱回収制御フローについて説明する。発電に伴い排熱が発生すると（ステップＳ１０１）、貯湯タンク４の温水温度Ｔ１が計測される。Ｔ１が７５℃以上のときは、排熱は貯湯タンク４に回収されることなく放散される（ステップＳ１０２においてＮＯ）。７５℃未満のときは、循環ポンプＰ１の駆動により熱交換器３を介して貯湯タンク４の温水に排熱が回収される（ステップＳ１０３）。排熱回収はＴ１が８５℃になるまで継続される（ステップＳ１０４においてＮＯ）。そして、Ｔ１が８５℃を超えた時点で（ステップＳ１０４においてＹＥＳ）、排熱回収は終了し、排熱は大気放散される（ステップＳ１０７）。
【００２２】
次に図６（ｂ）を参照して、即湯タンク５ａの加熱・保温制御フローについて説明する。まず即湯タンク内の貯湯温度Ｔ２が５５℃未満か否かが判定される（ステップＳ２０１）。５５℃以上のときはそのままの状態が継続される。５５℃未満のときは、次に貯湯タンク４の温水温度Ｔ１が６０℃以上か否かが判定される（ステップＳ２０２）。６０℃以下のときは（ステップＳ２０２においてＮＯ）、図６（ａ）のフローにおいて発電排熱発生があるまで、加熱が行われることなく待機状態となる。６０℃以上のときは、循環ポンプＰ２の駆動により熱交換器１１ａを介して即湯タンク５ａの加熱が開始される（ステップＳ２０３）。加熱によりタンク内の温度が６５℃を超えたときに加熱が終了する（ステップＳ２０４・Ｓ２０５）。
【００２３】
さらに図６（ｃ）を参照して、給湯栓１５で給湯需要が発生したときの制御フローについて説明する。給湯需要が発生すると（ステップＳ３０１）、まず即湯タンク内の貯湯温度Ｔ２が４０℃以上か否かが判定される（ステップＳ３０２）。４０℃以上のときはタンク内の貯湯水が給湯栓１５から供給される（ステップＳ３０３）。給湯に伴い、タンク内の湯が減少するため、水道配管Ｗ１から水道水がタンク内に補給される。この場合、給湯器６は運転されることなく、給水経路としてのみ用いられる。なお、水道水補給によりタンク湯温が低下したときは、図６（ｂ）のフローのステップＳ２０１に移行し（※２）、即湯タンク５ａの加温・保温が行われることになる。ステップＳ３０２において、Ｔ２が４０℃未満のときは給湯器６が運転開始され、設定温度の給湯供給が行われるように、混合弁Ｖ２においてミキシングされて、給湯栓１５に供給される。この場合も、図６（ｂ）のフローのステップＳ２０１に移行することになる（※２）。
【００２４】
（第二の実施形態）
次に、図２〜４を参照して本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は暖房運転機能を備えたシステムに係り、主として請求項４に関する。本実施形態に係る排熱利用温水システム２０の構成が、第一の実施形態に係る排熱利用温水システム１と異なる点は、以下の通りである。
【００２５】
排熱利用温水システム２０では、即湯タンク加熱・保温系統に加えて、暖房端末器２２を備えた暖房循環系統が追加されている。また、給湯器６に替えて給湯暖房機２１を備えている。具体的な配管構成は以下の通りである。給湯暖房機２１と往き側分岐ヘッダ７とは、暖房配管Ｈ１及びＨ４により結ばれている。給湯暖房機２１と暖房端末器２２とは、暖房配管Ｈ２で結ばれている。暖房端末器２２と戻り側分岐ヘッダ８とは、暖房配管Ｈ３で結ばれている。暖房配管Ｈ３と暖房配管Ｈ４とは、熱動弁Ｖ５を介在させて暖房配管Ｈ５で結ばれている。また、暖房配管Ｈ１と暖房配管Ｈ２とは、熱動弁Ｖ６を介在させて暖房配管Ｈ５で結ばれている。また、配管Ｌ５、Ｈ４、Ｌ７の分岐ヘッダ７近傍には熱動弁Ｖ７〜Ｖ９が設けられており、温水供給を選択的に切り替え可能に構成されている。その他の構成は温水システム１の構成と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２６】
このような配管構成により、以下に説明するように貯湯タンク４内温水をメイン熱源とし、給湯暖房機２１を補助熱源とする暖房循環系統が構成される。図３は、貯湯タンク４内温水を利用するメイン暖房制御時の温水循環回路を示す。この場合、熱動弁Ｖ５閉、熱動弁Ｖ６開、熱動弁Ｖ７閉、熱動弁Ｖ８開、熱動弁Ｖ９閉とする。これにより、暖房端末器２２からの運転要求に応じて、循環ポンプ２が駆動し、貯湯タンク４内の温水は同図太線で示すように、暖房配管Ｈ４→暖房配管Ｈ６→暖房端末器２→暖房配管Ｈ３→戻り側分岐ヘッダ８の経路で循環する。
【００２７】
次に図４は、給湯暖房機２１を利用する補助暖房制御時の温水循環回路を示す。補助暖房時においては熱動弁Ｖ５開、熱動弁Ｖ６閉、熱動弁Ｖ７〜Ｖ９閉とする。これにより、暖房端末器２２からの運転要求に応じて、給湯暖房機２１内の循環ポンプ（図示せず）が駆動し、暖房端末器２２内の温水は暖房配管Ｈ２→暖房端末器２２→暖房配管Ｈ５→暖房配管Ｈ１→給湯暖房機２１の経路で循環する。
なお、本実施形態では貯湯タンク４内温水をメイン熱源とし、給湯暖房機２１を補助熱源として暖房循環系統を切り替える形態としたが、例えば複数の温水利用端末器を接続したシステムにおいて、一部の温水利用端末器については貯湯タンク４側から、残りの温水利用端末器については給湯暖房機２１側から温水供給する形態とすることもできる。
【００２８】
（第三の実施形態）
さらに、図５を参照して本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池の待機運転（最小発電出力により高温状態を維持する運転をいう。以下、同じ。）に伴い発生する電力を即湯タンクの加熱・保温に用いるものである。本実施形態に係る排熱利用温水システム３０の構成が、第一の実施形態に係る排熱利用温水システム１と異なる点は、即湯タンク５ａ、５ｂ内にヒータ３１ａ及びヒータ３１ｂを備えていることである。さらに、インバータ２ｃと配電盤３３とを結ぶ配線３４と、配電盤３３とヒータ３１ａ及びヒータ３１ｂを結ぶ配線３２ａ、３２ｂを備えている。その他の構成は温水システム１の構成と同一であるので、重複説明を省略する。
【００２９】
排熱利用温水システム３０はこのような構成を備えたことにより、例えば夜間待機運転時にヒータ３１ａ及びヒータ３１ｂに通電して即湯タンク５ａ、５ｂを加熱・保温し、同時に待機運転時に発生する排熱を回収して、貯湯タンク４内温水の昇温に利用することができる。
【００３０】
次に、温水システム３０において、夜間待機運転を想定した熱収支シミュレーションの結果について説明する。なお、以下の計算では即湯タンクを３台備えたシステムとしている。また、計算に際して加熱中の放熱ロスは考慮していない。貯湯タンク及び即湯タンクの諸元及び環境条件等は、表１に示すとおりである。
【００３１】
【表１】
0004777824.tif 000002
【００３２】
即湯タンク３台の加熱及び保温に必要な熱量Ｑ１は、
Ｑ１＝（６０−１５）×１０×4.19／1000×３
＋（６０−１５）×1.045×0.19×３．６×８／1000×３＝６．４ＭＪ
Ｑ１に対応する燃料電池出力Ｐ１は、
Ｐ１＝６．４×１０６／（３６００×８）＝２２４Ｗ
さらに、家庭内設置電気機器類の待機電力を加味すると、夜間待機運転時の燃料電池出力Ｐは２５０ｗとする。このときの燃料電池排熱出力は、発電効率４５％としてＰ２＝２３４ｗとなる。従って、排熱量Ｑ２は、
Ｑ２＝２３４×３６００×８＝６．８ＭＪ
一方、貯湯タンクの昇温に必要な加熱量Ｑ３は、
Ｑ３＝（８０−１５）×７０×４．１９／１０００＝１９．１ＭＪ
以上の試算により、夜間待機運転により即湯タンク加熱・保温を満足し、貯湯タンクに４０％程度（Ｑ２／Ｑ３×１００）のエネルギーを供給することができることになる。実際には、翌朝運転時から排熱を利用することを考えると、貯湯タンクの充填量としては十分といえる。
なお、本実施形態ではヒータ電源をインバータ、配電盤の下流側から出力する形態としたが、インバータ上流側の直流から出力する形態とすることもできる。このように結線することにより、交流変換に伴うインバータロスをなくすことができ、より高効率化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、熱源を問わず排熱を利用する温水システムに広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第一の実施形態に係る排熱利用温水システム１を示す図である。
【図２】第二の実施形態に係る排熱利用温水システム２０を示す図である。
【図３】温水システム２０において、貯湯タンク４内温水を利用するメイン暖房制御時の温水循環回路を示す図である。
【図４】温水システム２０において、給湯暖房機２１を利用する補助暖房制御時の温水循環回路を示す図である。
【図５】第三の実施形態に係る排熱利用温水システム３０を示す図である。
【図６（ａ）】第一の実施形態における排熱回収制御フローを示す図である。
【図６（ｂ）】第一の実施形態における即湯タンク５ａの加熱・保温制御フローを示す図である。
【図６（ｃ）】第一の実施形態における給湯需要発生時の制御フローを示す図である。
【図７】従来の排熱利用温水システム１００を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，２０，３０      排熱利用温水システム
２        固体酸化物型燃料電池ユニット
２ａ      改質装置
２ｃ      インバータ
３、１１ａ    熱交換器
４        貯湯タンク
５ａ、５ｂ    即湯タンク
６        補助給湯器
７、８    分岐ヘッダ
１５      給湯栓
２１      給湯暖房機
２２      暖房端末器
３１ａ、３１ｂ      ヒータ
Ｈ１〜Ｈ６      暖房配管
Ｌ２〜Ｌ３      集合配管
Ｌ３〜Ｌ８      温水配管
Ｖ１、Ｖ２      混合弁
Ｖ５、Ｖ６      熱動弁
Ｗ１〜Ｗ３      水道配管
Ｗ５、Ｗ６      バイパス配管
【図１】
0004777824.tif 000003
【図２】
0004777824.tif 000004
【図３】
0004777824.tif 000005
【図４】
0004777824.tif 000006
【図５】
0004777824.tif 000007
【図６（ａ）】
0004777824.tif 000008
【図６（ｂ）】
0004777824.tif 000009
【図６（ｃ）】
0004777824.tif 000010
【図７】
0004777824.tif 000011