JP2009092349A - コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】熱利用効率を向上させ、利用を促進させることのできるコジェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】電力及び熱を発生する給電装置１１と、給電装置１１の熱によって温められた温水を貯留する貯湯槽２１と、給電装置１１の熱を利用可能な暖房回路４１と、暖房回路１１の運転が許可されているか否かを判定する運転許可状態判定部８１と、運転許可状態判定部８１により暖房回路１１の運転が許可されていると判定された場合に、貯湯槽２１の蓄熱量に応じて、給電装置１１の熱を自動的に暖房回路４１へ供給させる熱供給制御部８４と、を備え、暖房回路１１の運転が許可されている状態にある場合は、貯湯槽２１の蓄熱量に応じて、給電装置１１の発生した熱を自動的に暖房回路４１へ供給して、給湯需要が無い場合であっても、貯湯槽２１内の温水が時間経過と共に冷めてしまう前に、又は無駄に冷却されてしまう前に暖房回路４１で有効利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コジェネレーションシステムに関するものである。

従来のコジェネレーションシステムとして、給電装置で発生した熱を用いて水を温水に変えて貯湯槽に貯留し、給湯需要に応じて温水を利用するものが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００５−３８６７６号公報

しかしながら、上記コジェネレーションシステムにあっては、給湯需要がないときは温水が利用されることなく貯留部に貯留されたままとなり、時間経過と共に冷めてしまう場合や、例えば、貯留部の温水が過熱されたときにラジエータなどにより無駄に冷却されてしまう場合があった。これによって、熱利用効率が低下してしまい、結果として、コジェネレーションシステムの利用が抑制されてしてしまうという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、給電装置で発生した熱の熱利用効率を向上させ、利用を促進させることのできるコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明に係るコジェネレーションシステムは、電力及び熱を発生する給電装置と、給電装置が発生した熱によって温められた温水を貯留する貯湯槽と、給電装置が発生した熱を利用可能な熱利用手段と、熱利用手段の運転が許可されている状態にあるか否かを判定する運転許可状態判定手段と、運転許可状態判定手段により熱利用手段の運転が許可されている状態にあると判定された場合に、貯湯槽の蓄熱量に応じて、給電装置が発生した熱を自動的に熱利用手段へ供給させる熱供給制御手段と、を備えることを特徴とする。

このコジェネレーションシステムでは、熱利用手段の運転が許可されている状態にある場合は、貯湯槽の蓄熱量に応じて、給電装置の発生した熱が自動的に熱利用手段へ供給されるため、給湯需要が無い場合であっても、貯湯槽内の温水が時間経過と共に冷めてしまう前に、又は無駄に冷却されてしまう前に熱利用手段で有効利用することができる。これによって、給電装置で発生した熱の熱利用効率を向上させ、コジェネレーションシステムの利用を促進させることができる。

本発明に係るコジェネレーションシステムにおいて、熱利用手段は、温水を熱源として利用するものであり、熱供給制御手段は、貯湯槽の温水を熱利用手段へ供給させることが好ましい。このようにすれば、貯湯槽に貯留された温水をそのまま熱利用手段の熱源として利用することができるので、貯湯槽内の蓄熱量を直接調節することができる。

本発明に係るコジェネレーションシステムにおいて、熱利用手段は、温水を熱源として利用するものであり、熱供給制御手段は、給電装置からの回収熱による温水を、貯湯槽を介さずに熱利用手段へ供給させることが好ましい。このようにすれば、貯湯槽を介さず給電装置から直接熱を回収して利用することができるので、熱の利用効率を高めることができる。

本発明に係るコジェネレーションシステムによれば、給電装置で発生した熱の熱利用効率を向上させ、利用を促進させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は実施形態に係るコジェネレーションシステム１の構成を示すブロック図であり、図２は図１の制御装置８０の構成を示すブロック図である。図１に示すコジェネレーションシステム１は、給電装置１１が発生する熱を用いて水を温水に変え、その温水を貯湯槽２１に貯留して利用するコジェネレーションシステムであり、例えば家庭用として用いられるものである。

図１に示すようにコジェネレーションシステム１は、コジェネレーションユニット１０と、貯湯ユニット２０と、給湯器３０と、暖房ユニット４０とを備えている。また、コジェネレーションシステム１は、商用電力系統５０、給水系統６０及び燃料系統７０に接続されている。

コジェネレーションシステム１は、コジェネレーションユニット１０で発電した電力を電気機器ＥＩに供給するとともに、発電に伴って発生した熱で温めた温水を貯湯槽２１に貯留して熱機器ＨＩ及び暖房ユニット４０の暖房回路（熱利用手段）４１に供給する。

コジェネレーションユニット１０は、給電装置１１と、熱交換器１２と、制御部１３とを有する。給電装置１１は、電力及び熱の双方を発生する装置であって、例えば燃料電池、又は内燃機関（例えばガスエンジン）とこの内燃機関により駆動される発電装置との組合せ、又は外燃機関と発電装置との組合せなどである。また、給電装置１１は、第１燃料管７１を介して燃料系統７０に接続されており、燃料系統７０から供給される燃料によって発生させた電力を、電力線１４を介して電気機器ＥＩに出力すると共に、発電に伴って発生する熱を熱交換器１２に伝達する。

なお、電力線１４は商用電力系統５０から供給される電力を送電する電力線５１にも接続されており、これによって、給電装置１１で発生させた電力だけでなく、商用電力系統５０からの電力も電気機器ＥＩに供給される。

電力線５１上には電流計４８が設置されており、商用電力系統５０から電気機器ＥＩに供給される電力を電流値として計測する。また、給電装置１１には、給電装置１１が発電した電力を計測することのできる電流計（不図示）が備わっている。

熱交換器１２は、給電装置１１で発生する熱を回収し、熱交換器１２と貯湯槽２１との間で水を循環させる熱回収用配管２Ａ、２Ｂ内の水に熱を伝達するものである。より具体的には、熱交換器１２は、給電装置１１が発生した熱によって、熱回収用配管２Ｂを介して貯湯槽２１から流出した水を温め、熱回収用配管２Ａを介して貯湯槽２１に温水を供給する。制御部１３は、給電装置１１の運転を制御する機能を有し、後述する制御装置８０の信号に基づいて給電装置１１の運転を制御する。

貯湯ユニット２０は、貯湯槽２１と三方弁２５とを有し、貯湯槽２１及び三方弁２５は、第１出湯用配管２２、配管２３、上水用配管２４、及び第２出湯用配管２６を介して給湯器３０に接続されている。貯湯槽２１は、熱交換器１２で熱伝導された温水を貯留するタンクである。貯湯槽２１の下部側からは温度の低い水が熱回収用配管２Ｂを介して熱交換器１２へ供給され、貯湯槽２１の上部側へは温水が熱回収用配管２Ａを介して熱交換器１２から供給される。貯湯槽２１内には、複数（本実施形態では５つ）の温度計ＴＭが当該貯湯槽２１の上下方向に向かって等間隔に配置されるように設けられている。各温度計ＴＭは、貯湯槽２１を上下方向に等分して得られる各領域に対し、当該各領域の上下方向での中間位置に設置される。温度計ＴＭは、貯湯槽２１内に貯留された水の温度を計測して、貯湯槽２１内の温度情報を制御装置８０へ出力する。なお、温度計ＴＭとしては、熱電対やサーミスタ等が用いられるが、これに限定されない。

貯湯槽２１は、上部側で第１出湯用配管２２と接続され、貯湯槽２１の上部側から第１出湯用配管２２を介して温水を出湯することができる。また、貯湯槽２１は、下部側で配管２３と接続され、貯湯槽２１の下部側へ給水系統６０からの上水が配管２３を介して供給される。配管２３には流量計４６が接続されており、貯湯槽２１に供給される上水の流量が計測される。

三方弁２５は、貯湯槽２１及び給水系統６０の双方、又は一方から流入した水を第２出湯用配管２６を介して給湯器３０へ流出させることができる。

給湯器３０は、貯湯槽２１からの温水、給水系統からの水を加熱した温水、又は貯湯槽２１からの温水と給水系統６０からの水とが混合された温水を暖房ユニット４０の暖房回路４１に供給すると共に、供給需要に応じて熱機器ＨＩに供給する。出湯用配管３上には流量計４７が接続されており、熱機器ＨＩに流入する温水の流量を計測する。なお、給湯器３０は、第１燃料管７１及び第２燃料管７２を介して燃料系統７０に接続され、必要に応じて第２出湯用配管２６によって流入された水を加熱することができる。給湯器３０は、給湯する温水の温度を計測可能な温度計（不図示）が備わっている。この温度計として、熱電対やサーミスタ等が用いられているが、これに限定されない。

暖房ユニット４０は、暖房回路４１と、温度センサ４２と、運転許可状態設定部４３とを有する。暖房回路４１は、給電装置１１が発生した熱を利用可能とされており、給湯器３０から供給された温水を熱源として、例えば、風呂場の暖房などとして機能するものである。温度センサ４２は、風呂場の室内温度を検出する機能を有し、熱電対やサーミスタ等が用いられる。温度センサ４２は、検出した温度情報を制御装置８０へ出力する。また、運転許可状態設定部４３は、ユーザからのリモコン操作やボタン操作などによって、貯湯槽２１内の蓄熱量が所定の閾値以上となったときに暖房回路４１の運転を許可する（運転許可状態）旨の設定を行うと共に、運転許可状態を解除する旨の設定を行う機能を有する。運転許可状態設定部４３は、ユーザからの設定操作を受けたら設定情報を制御装置８０へ出力する。

制御装置８０は、例えば、電子制御するデバイスであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、および入出力インターフェイスなどを備えて構成されている。また、コジェネレーションユニット１０や貯湯ユニット２０にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備わる場合は、そのハードウェア資源を利用して動作するものであっても良い。

制御装置８０の入出力インターフェイスには、コジェネレーションユニット１０及びそれに備わる電流計、貯湯ユニット２０及びそれに備わる温度計、給湯器３０及びそれに備わる温度計、温度センサ４２、運転許可状態設定部４３、流量計４６、４７、電流計４８に、直接あるいはネットワークを介して論理的に接続されており、信号の送受信が可能となっている。

この制御装置８０は、図２に示すように、運転許可状態判定部（運転許可状態判定手段）８１、蓄熱量取得部８２、蓄熱量判定部８３、熱供給制御部（熱供給制御手段）８４、を備えて構成されている。

運転許可状態判定部８１は、温度センサ４２からの温度情報及び運転許可状態設定部４３からの設定情報に基づいて暖房回路４１が運転許可状態にあるか否かを判定する機能を有する。運転許可状態判定部８１は、温度センサ４２からの温度情報によって、風呂場の室温が予め定めた所定の閾値を下回っていると判断した場合は、暖房回路４１が運転許可状態にあると判定する。また、運転許可状態設定部４３からの設定情報を参酌することによって、暖房回路４１が運転許可状態にあるか否かを判定する。

蓄熱量取得部８２は、貯湯槽２１内の各温度計ＴＭからの温度情報に基づいて貯湯槽２１に貯留されている蓄熱量を取得する機能を有する。蓄熱量取得部８２は、貯湯槽２１内の蓄熱量を、例えば、貯湯槽２１内における全体の水量に対する６０℃以上の水量の割合として算出する。すなわち、貯湯槽２１内の水が全て６０℃以上であるときを１００％とし、貯湯槽２１内の水の半分が６０℃以上であるときを５０％とする。蓄熱量取得部８２は、蓄熱量を取得したら蓄熱量判定部８３へ出力する。なお、６０℃以上の水量の割合で蓄熱量を算出しているが、６０℃以外であってもよい。

蓄熱量判定部８３は、蓄熱量取得部８２からの蓄熱量が予め設定した閾値以上であるか否か、又は閾値以下であるか否かを判定する機能を有する。具体的には、第１閾値を５０％、第２閾値を２０％と設定した場合、貯湯槽２１の蓄熱量が５０％以上であるときは第１閾値以上であると判定し、蓄熱量が２０％以下であるときは第２閾値以下であると判定する。蓄熱量判定部８３は、判定結果を熱供給制御部８４へ出力する。なお、第１閾値及び第２閾値は何％に設定してもよい。

熱供給制御部８４は、運転許可状態判定部８１により暖房回路４１が運転許可状態であると判定された場合に、貯湯槽２１の蓄熱量に応じて自動的に貯湯槽２１から暖房回路４１へ熱を供給させる機能を有する。すなわち、暖房回路４１が運転許可状態であるときは、蓄熱量判定部８３の判定結果によって貯湯槽２１から暖房回路４１へ温水を供給する旨の信号を給湯器３０へ出力し、あるいは、温水の供給を停止する旨の信号を給湯器３０へ出力する。

次に、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１の制御装置８０の動作について、図３を参照して説明する。図３は制御装置８０の動作を示すフローチャートである。

まず、図３を用いて、給電装置１１が発生した熱を暖房回路４１へ供給する熱供給処理を説明する。制御装置８０は、図３に示す制御処理を所定のタイミングで繰り返し実行する。最初に、制御装置８０は、熱供給状態判定処理から開始する（Ｓ１０）。Ｓ１０の処理は、熱供給制御部８４で実行され、貯湯槽２１から暖房回路４１への熱供給がＯＮかＯＦＦかを判定する処理である。Ｓ１０において、暖房回路４１への熱供給がＯＦＦであると判定されると、運転許可状態判定処理へ移行する（Ｓ１２）。

Ｓ１２の処理は、運転許可状態判定部８１で実行され、暖房回路４１が運転許可状態であるか否かを判定する処理である。具体的には、ユーザの設定操作により運転許可状態に設定された場合に、暖房回路４１が運転許可状態にあると判定する。また、ユーザが設定していなくても、風呂場の室温が予め定めた所定の閾値を下回っていた場合は、暖房回路４１が運転許可状態にあると判定する。なお、運転許可状態判定部８１は、風呂場の室温が所定の温度を下回り、且つ、ユーザの設定操作で設定されている場合にのみ運転許可状態にあると判定してもよい。Ｓ１２の処理において運転許可状態ではないと判定されると、図３に示す熱供給処理が終了する。

Ｓ１２において運転許可状態であると判定されると、蓄熱量判定処理へ移行する（Ｓ１４）。Ｓ１４の処理は、蓄熱量判定部８３で実行され、貯湯槽２１内の蓄熱量が第１閾値以上であるか否かを判定する処理である。具体的には、貯湯槽２１内の蓄熱量が５０％以上である場合は第１閾値以上であると判定する。Ｓ１４において第１閾値以上でないと判定されると、図３に示す熱供給処理が終了する。

Ｓ１４において蓄熱量が第１閾値以上であると判定されると、熱供給設定処理へ移行する（Ｓ１６）。Ｓ１６の処理は、熱供給制御部８４で実行され、熱供給をＯＮとして給湯器３０を制御することによって、貯湯槽２１から暖房回路４１へ温水を供給する処理である。Ｓ１６の処理が終了すると、図３に示す熱供給処理が終了する。

一方、Ｓ１０において、暖房回路４１への熱供給がＯＮであると判定されると、運転許可状態解除判定処理へ移行する（Ｓ１８）。Ｓ１８の処理は、運転許可状態判定部８１で実行され、暖房回路４１の運転許可状態が解除されたか否かを判定する処理である。具体的には、ユーザの設定操作により運転許可状態が解除された場合は、暖房回路４１の運転許可状態が解除されたと判定する。また、ユーザが解除していなくても、風呂場の室温が予め定めた所定の閾値以上の場合は、暖房回路４１の運転許可状態が解除されたと判定する。なお、運転許可状態判定部８１は、風呂場の室温が所定の閾値以上であり、且つ、ユーザの設定操作で解除された場合にのみ運転許可状態が解除されたと判定してもよい。Ｓ１８の処理において運転許可状態が解除されたと判定されると、熱供給解除処理へ移行する（Ｓ２２）。

Ｓ１８の処理において運転許可状態が解除されていないと判定されると、蓄熱量判定処理へ移行する（Ｓ２０）。Ｓ２０の処理は、蓄熱量判定部８３で実行され、貯湯槽２１内の蓄熱量が第２閾値以下であるか否かを判定する処理である。具体的には、貯湯槽２１内の蓄熱量が２０％以下である場合は第２閾値以下であると判定する。Ｓ２０において第２閾値以下でないと判定されると、引き続き貯湯槽２１から暖房回路４１へ熱が供給され、図３に示す熱供給処理が終了する。

Ｓ２０の処理において蓄熱量が第２閾値以下であると判定されると、熱供給解除処理へ移行する（Ｓ２２）。Ｓ２２の処理は、熱供給制御部８４で実行され、熱供給がＯＦＦとなるように給湯器３０を制御することによって、貯湯槽２１から暖房回路４１への温水の供給を停止する処理である。Ｓ２０の処理が終了すると、図３に示す熱供給処理が終了する。

以上によって、暖房回路４１の運転が許可されている状態にある場合は、貯湯槽２１の蓄熱量に応じて、給電装置１１の発生した熱が自動的に暖房回路４１へ供給されるため、給湯需要が無い場合であっても、貯湯槽２１内の温水が時間経過と共に冷めてしまう前に、又は無駄に冷却されてしまう前に暖房回路４１で有効利用することができる。これによって、給電装置１１で発生した熱の熱利用効率を向上させ、コジェネレーションシステムの利用を促進させることができる。

また、貯湯槽２１に貯留された温水をそのまま暖房回路４１の熱源として利用することができるので、貯湯槽２１内の蓄熱量を直接調節することができる。

本発明は上述した実施形態に限られるものではない。

本実施形態においては、給電装置が発生した熱を利用可能な熱利用手段として、風呂場の暖房回路が適用されているが、例えば、ロードヒーティング、リビングの床暖房、浴室乾燥機、２４時間風呂沸器などに適用してもよい。

また、暖房回路４１は、貯湯槽２１から供給された温水を介して給電装置１１で発生した熱を利用しているが、図４に示すように、暖房回路４１は、給電装置１１からの回収熱による温水を、貯湯槽２１を介さずに利用してもよい。すなわち、熱供給制御部８４は、暖房回路４１が運転許可状態であるときに、蓄熱量判定部８３の判定結果によってコジェネレーションユニット１０の制御部１３へ制御信号を出力し、給水系統６０から供給された水に熱交換器１２で熱を伝達させると共に、出湯配管２７を介して暖房回路４１へ温水を供給させてもよい。これによって、貯湯槽２１を介さず給電装置１１から直接熱を回収して利用することができるので、熱の利用効率を高めることができる。

実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。 図１の制御装置の構成を示すブロック図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 他の実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…コジェネレーションシステム、１１…給電装置、２１…貯湯槽、４１…暖房回路（熱利用手段）、８１…運転許可状態判定部（運転許可状態判定手段）、８４…熱供給制御部（熱供給制御手段）。

Claims (3)

1. 電力及び熱を発生する給電装置と、
   前記給電装置が発生した熱によって温められた温水を貯留する貯湯槽と、
   前記給電装置が発生した熱を利用可能な熱利用手段と、
   前記熱利用手段の運転が許可されている状態にあるか否かを判定する運転許可状態判定手段と、
   前記運転許可状態判定手段により前記熱利用手段の運転が許可されている状態にあると判定された場合に、前記貯湯槽の蓄熱量に応じて、前記給電装置が発生した熱を自動的に前記熱利用手段へ供給させる熱供給制御手段と、
   を備えることを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 前記熱利用手段は、温水を熱源として利用するものであり、
   前記熱供給制御手段は、前記貯湯槽の温水を前記熱利用手段へ供給させることを特徴とする請求項１記載のコジェネレーションシステム。
3. 前記熱利用手段は、温水を熱源として利用するものであり、
   前記熱供給制御手段は、前記給電装置からの回収熱による温水を、前記貯湯槽を介さずに前記熱利用手段へ供給させることを特徴とする請求項１記載のコジェネレーションシステム。

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