JP2017116194A - コージェネレーションシステム、制御装置、制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯槽の温度成層を崩すことで停電時における発電を長く継続することを可能とする、コージェネレーションシステム等を提供する。【解決手段】本発明に係るコージェネレーションシステム１は、電気と熱を発生する発電装置１００と、湯水を貯える貯湯槽２０と、貯湯槽２０と発電装置１００との間で熱交換器６を介して湯水を循環させる熱回収循環回路７と、停電時において、熱回収循環回路７中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御する制御装置１０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置を用いて発電を行い、その際に発生する熱を冷暖房、給湯等に利用するコージェネレーションシステムに関し、特に、停電が発生した場合に自立運転によって発電を継続する技術に関する。

発電を継続するためには、一般的に貯湯槽から発電装置に戻る湯水が一定の温度以下でなければならない。このため、貯湯槽から発電装置へ戻る配管にラジエータを設けて湯水の温度上昇を防ぐ方法がとられる場合がある。しかしながら、ラジエータは大掛かりな冷却装置であるため、機器レイアウトの自由度が制限されるとともに、設備導入コストの負担も大きくなる。また、冬季にはラジエータ自体が凍結する虞があり、この凍結を防ぐためのヒータを別途設けなければならない場合もある。

これに対し、特許文献１では、ラジエータ等の大掛かりな冷却装置を設けずに、貯湯槽に貯まった湯を排水して新たな水を給水することで、発電装置に冷却水を供給し発電を長く継続させる手段が開示されている。

特開２００９−１０３４１８号公報 特開２０１０−１８１０４９号公報

しかしながら、給水による冷却は、停電時において給水が止まった場合には対応できない。例えば、多くの集合住宅では屋上等に給水塔が設けられているが、停電が発生すると、この給水塔に水を汲み上げる給水ポンプが作動しなくなり、各住戸に水が供給できなくなる。このような場合、貯湯槽に貯まっている湯水だけを用いて発電装置の冷却を続け、発電装置の発電を継続させる必要がある。

ところで、通常運転時には、発電装置から貯湯槽へ熱回収する湯水は、貯湯槽内の湯を給湯等に利用しやすい温度に保つ（温度成層を維持する）ように制御される(特許文献２参照)。例えば、排熱の発生量に応じて循環流量を調整して一定の温度以上となるように制御したり、循環量だけでは一定の温度以上に制御できない場合は貯湯槽への回路を切り替えて貯湯槽を経由せずに発電装置に戻す等の制御を行っている。しかしながら、停電時においても、通常運転時と同様に温度成層を維持する制御を行ったのでは、貯湯槽内の湯水（特に高温層）が高温のままとなり、貯湯槽内全体の湯水を発電装置の発電を継続するための冷却水として使用できなくなる。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、貯湯槽の温度成層を崩すことで停電時の、特に給水停止時における発電を好適に継続することを可能とする、コージェネレーションシステム等を提供することである。

前述した目的を達成するための第１の発明は、電気と熱を発生する発電装置と、湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御する制御装置と、を備え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。

第１の発明によれば、低い温度の湯水が貯湯槽に供給され続け、貯湯槽の温度成層が次第に崩れ、貯湯槽内全体の湯水の温度が下がる。これにより、貯湯槽内全体の湯水を、発電装置を冷却するために使用できるようになる。このため、長時間に亘り、相対的に低い温度の湯水を発電装置へ供給し続けることができ、発電を好適に継続させることが可能となる。

また第１の発明において、蓄電池を更に備え、前記制御装置は、前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水の温度が所定の閾値を超えると前記発電装置の発電を停止させる手段と、発電を停止させたあと、引き続き、前記蓄電池の電力を用いて前記循環制御を継続させる手段と、前記循環制御を継続させたあと、前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水の温度が所定の閾値を下回ると前記発電装置の発電を再開させる手段と、を備えるように構成してもよい。これにより、貯湯槽から発電装置へ供給される湯水が閾値を超えて上昇すると発電を一旦停止する。そして、蓄電地の電力を用いて湯水の循環を継続させることで、貯湯槽内の湯水の温度を下げ、貯湯槽から発電装置へ供給される湯水が発電を行えるまでに冷却されると、発電を再開させるように制御する。

また第１の発明において、熱回収循環回路中の前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水を冷却する冷却手段、を更に備えるように構成してもよい。例えば、前記冷却手段は、ラジエータまたはペルチェ素子である。これにより、湯水の温度上昇を確実に防止抑制することができるため、発電を確実に長く継続させることが可能となる。またこのとき、前記冷却手段の冷却能力は、前記発電装置の発電による排熱の発生熱量よりも小さいことが望ましい。これにより、大掛かりな冷却手段を設ける必要がない。

前述した目的を達成するための第２の発明は、電気と熱を発生する発電装置と、湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、を備えるコージェネレーションシステムの制御装置であって、停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御することを特徴とする制御装置である。

前述した目的を達成するための第３の発明は、電気と熱を発生する発電装置と、湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、制御装置と、を備えるコージェネレーションシステムの制御方法であって、前記制御装置が、停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御することを特徴とする制御方法である。

本発明によれば、貯湯槽の温度成層を崩すことで停電時における発電を好適に継続することを可能とする、コージェネレーションシステム等が提供される。

第１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 コージェネレーションシステム１の基本制御動作を示すフローチャート 貯湯槽２０の温度成層が崩れていく様子を示す概念図 第２実施形態に係るコージェネレーションシステム１Ａの全体構成を示す図 コージェネレーションシステム１Ａの制御動作の流れを示すフローチャート 第３実施形態に係るコージェネレーションシステム１Ｂの全体構成を示す図 第３実施形態に係るコージェネレーションシステム１Ｃの全体構成を示す図 コージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃの制御動作の流れを示すフローチャート

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、略同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付すことにより重複説明を省略することにする。

［第１実施形態］
まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。

＜コージェネレーションシステム１の構成＞
図１は、第１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。図に示すように、コージェネレーションシステム１は、電気と熱を発生する発電装置１００と、湯水を貯える貯湯装置２００（貯湯槽２０）と、貯湯装置２００（貯湯槽２０）と発電装置１００との間で熱交換器６を介して湯水を循環させて発電装置１００の排熱を回収する熱回収循環回路７等を備える。熱回収循環回路７中の湯水は制御装置１０によって循環制御される。なお、図１に示すように、発電装置１００と貯湯装置２００とは別体に構成してもよいし、図の例に依らず、両装置を一つの筐体内に構成してもよい。

（１．発電装置）
発電装置１００は、主に、燃料電池１１、水素生成装置２、空気供給装置３、冷却水循環回路４、冷却水ポンプ５、熱交換器６、熱回収循環回路７、熱回収循環ポンプ８、電力変換装置９、制御装置１０、冷却温度センサ１３、及び余剰電力消費ヒータ１４等を備えている。なお、発電装置１００の構成は、特開２０１５−１８７２９号公報に開示されている構成と略同様である。

燃料電池１１は、水素を含有する還元剤ガスと、空気などの酸素を含有する酸化剤ガスとを、電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを同時に発生させる。燃料電池１１は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわち燃料極（アノード）と空気極（カソード）を複数積層し構成される。アノード及びカソードは、例えば、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜の両面に形成される触媒層、および前記触媒層の外面に形成される、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層から構成される。燃料電池１１としては、例えば、固体高分子形やリン酸形、固体酸化物形などが用いられる。

燃料電池１１のアノードには、還元剤ガス供給経路１５の下流端が接続されている。還元剤ガス供給経路１５の上流端は、水素生成装置２に接続されている。これにより、水素生成装置２で生成された水素を多く含む還元剤ガスがアノードに供給される。

燃料電池１１のカソードには、酸化剤ガス供給経路１６の下流端が接続されている。酸化剤ガス供給経路１６の上流端は、空気供給装置３に接続されている。これにより、空気供給装置３からカソードに酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスとしては、主に空気が用いられる。空気供給装置３としては、例えば、遠心ポンプや往復ポンプ、スクロールポンプなどが用いられる。

水素生成装置２は、燃料電池１１の発電に必要な水素を多く含む還元剤ガスを、都市ガスなどの炭化水素系原料に水蒸気を添加し、改質反応させて生成する。水素生成装置２は、メタンを主成分とする天然ガスや都市ガス、ブタン、プロパンなどを主成分とするＬＰＧ、灯油、アルコール（メタノール）、ジメチルエーテルといった原料を改質することにより水素を生成してもよい。

冷却水循環回路４には、冷却水ポンプ５、冷却温度センサ１３、燃料電池１１、余剰電力消費ヒータ１４、および熱交換器６が接続されている。燃料電池１１には、冷却水ポンプ５を駆動させることで、冷却水循環回路４を通じて冷却水を供給する。これにより、燃料電池１１の発電により発生する熱が除去される。冷却水は、燃料電池１１で加熱されたあと、熱交換器６により湯水に熱を伝達して冷却され、再び燃料電池１１へと供給される。冷却水循環回路４の接続は前述の順番に限るものではなく、燃料電池１１からの熱を熱回収循環回路７に伝達できる位置であればよい。冷却水ポンプ５には、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられ、熱交換器６には、主にプレート式熱交換器や二重管式熱交換器、フィンチューブ式熱交換器などが用いられる。余剰電力消費ヒータ１４は、発電により余った電力を熱にして消費するものであり、配管内に挿入され直接的に冷却媒体を加熱してもよく、配管外に設置され間接的に冷却媒体を加熱してもよい。さらに、冷却水循環回路４に設置されてもよく、熱回収循環回路７に設置されてもよい。

熱回収循環回路７は、貯湯槽２０の下部から貯湯槽２０の上部へと接続されている。また熱回収循環回路７の途中には、熱回収循環ポンプ８、および熱交換器６が接続されている。具体的には、熱回収循環回路７は、熱交換器６から貯湯槽２０までの熱回収往き管路７ａと貯湯槽２０から熱交換器６までの熱回収戻り管路７ｂとで形成される。熱回収戻り管路７ｂにより、貯湯槽２０の下部の低温の湯水が熱交換器６に供給され、燃料電池１１が発生した熱により加熱され、熱回収往き管路７ａを通じて貯湯槽２０の上部に回収される。熱回収循環回路７を循環する湯水の循環量は、制御装置１０が熱回収循環ポンプ８を制御することによって調整される。熱回収循環ポンプ８には、主に遠心ポンプや斜流ポンプ、往復ポンプなどが用いられる。熱回収循環ポンプ８は、図１の例に限らず、貯湯装置２００側に設置されてもよい。

電力変換装置９は、燃料電池１１で発電された直流電力を交流電力に変換して電力負荷に供給する。電力変換装置９の一方側は、直流電力経路１７を介して、燃料電池１１と接続されている。また、電力変換装置９の他方側は、交流電力経路１８を介して、家庭の電化製品などの電力負荷（不図示）、商用電源（不図示）に接続されている。また交流電力経路１８には、自動電源切替器（不図示）が接続されている。この自動電源切替器は、停電が発生すると、電力の供給先を商用電源から停電時専用の停電時専用コンセント（不図示）に自動で切り替える。

（２．貯湯装置）
貯湯装置２００は、貯湯槽２０を備えており、この貯湯槽２０は、熱交換後の湯水を貯える。すなわち、貯湯槽２０内の湯水は、貯湯槽２０の下部から熱回収戻り管路７ｂへ流出して、熱交換器６によって加熱され、さらに熱回収往き管路７ａを流れて貯湯槽２０の上部から貯湯槽２０へ回収され貯えられる。貯湯槽２０内の湯水は、最初、温度が低い状態から、貯湯槽２０の上部に熱交換器６により加熱された高温の温水が逐次戻されることから、冷水層の上部に高温層が積層した状態（「温度成層」）となる。したがって、貯湯槽２０の内部下方には相対的に低温の湯水が貯えられ、貯湯槽２０の内部上方には相対的に高温の湯水が貯えられる状態となる。また貯湯槽２０は、貯められた湯水の放熱を防ぐため、通常、断熱材で覆われている。

熱回収循環回路７（熱回収往き管路７ａ）に設けられている熱回収温度センサ１９ａによって、発電装置１００で排熱を回収して貯湯槽２０へ貯えられる湯水の温度が検出される。また、熱回収循環回路７（熱回収戻り管路７ｂ）に設けられている熱回収温度センサ１９ｂによって、貯湯槽から流出して発電装置１００に供給される湯水の温度が検出される。熱回収温度センサ１９ａ、１９ｂの検出データは、制御装置１０に伝達され、記憶部に記憶される。

貯湯装置２００は、蓄熱された貯湯槽２０内の湯水を給湯、風呂に利用する。また図示しない貯湯槽２０内の湯水を水―水交換器を通して熱を取り出し、暖房等に利用する。貯湯装置２００は、給湯機能と風呂の追い焚き機能と暖房機能とを備えており、暖房端末５０（５０ａ〜５０ｃ）と浴槽２７とを熱的に接続して形成されている。暖房端末５０（５０ａ〜５０ｃ）に液体（例えば温水）を循環させる暖房回路２１は、貯湯装置２００の筐体内に設けられた管路８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９と、貯湯装置２００の外部に設けられた管路４０，４１，４４，４５，５９とを有している。

管路４０は管路９７に接続され、管路４１，４４は液体合流手段３５と管路５９と介して管路９５に接続され、管路４５は液体分岐手段３７を介して管路９０に接続されている。管路４０，４１には、暖房端末５０ａの内部通路５１が接続され、管路４４，４５には、暖房端末５０ｂ，５０ｃの内部通路５２がそれぞれ接続されている。暖房端末５０ｂ，５０ｃは例えば温水マット等の低温暖房端末である。暖房端末５０ａは予め定められる高温暖房設定温度（例えば８０℃）の液体が供給される浴室暖房機等の高温暖房端末である。暖房端末５０ａには熱動弁５３が設けられている。なお、液体分岐手段３７と液体合流手段３５には、必要に応じ、同図に示している以外の暖房端末を接続することができる。

暖房回路２１には、この暖房回路２１に液体を循環させる暖房循環ポンプ２６と、この暖房循環ポンプ２６の駆動により循環する液体を加熱する暖房用熱交換器２８（暖房潜熱熱交換器２８ａ，暖房顕熱熱交換器２８ｂ）が設けられている。暖房潜熱熱交換器２８ａの液体導入側には管路９５が、液体導出側には管路９４がそれぞれ接続されており、暖房顕熱熱交換器２８ｂの液体導入側には管路９１が、液体導出側には管路９２がそれぞれ接続されている。管路９２には、暖房高温温度センサ３３が設けられており、暖房顕熱熱交換器２８ｂから出る液体の温度を検出する。

また、管路９１は、暖房循環ポンプ２６の吐出側に、管路９０と共に接続されており、管路９１には、暖房顕熱熱交換器２８ｂに導入される液体の温度を検出する暖房低温温度センサ３６が設けられている。また、暖房循環ポンプ２６の吸入口側には管路９３が接続されており、管路９３と管路９４との間にはシスターン装置６０が介設されている。シスターン装置６０のタンク容量は、例えば約１〜１．８リットルである。シスターン装置６０の上部には、補給水電磁弁６１が設けられ、この補給水電磁弁６１には、給水通路１０１ａから分岐された補給水通路５７が接続されている。補給水電磁弁６１が開弁状態に切替わると、補給水通路５７を介してシスターン装置６０に補給水が供給される。

暖房用熱交換器２８（暖房潜熱熱交換器２８ａ，暖房顕熱熱交換器２８ｂ）は、それぞれ、燃焼室２４内に設けられており、燃焼室２４には、暖房用熱交換器２８と共に、暖房用熱交換器２８を加熱するバーナ４６と、このバーナ４６の燃焼の給排気を行なう燃焼ファン４８とが設けられている。また、燃焼室２４と連通して燃焼室２５が設けられ、燃焼室２５内には、バーナ４７と、このバーナ４７により加熱される給湯用熱交換器２９（２９ａ，２９ｂ）とが設けられている。

バーナ４６，４７には、それぞれのバーナ４６，４７に燃料を供給するガス管３１，３２が接続されている。これらのガス管３１，３２は、ガス管３０から分岐形成されており、ガス管３０には、ガス開閉弁８０が介設されている。また、ガス管３１には、ガス比例弁８６とガス開閉弁８１，８２，８３，８４，８５がそれぞれ介設されている。これらの弁８０〜８６はいずれも電磁弁により形成されており、ガス開閉弁８０〜８５は、対応するバーナ４６，４７への燃料供給・停止を制御し、ガス比例弁８６は、バーナ４６，４７への供給燃料量を弁開度でもって制御する。なお、バーナ４６，４７の燃焼制御は、制御装置１０によって、適宜の制御方法により制御される。

給水系通路１０１は、上水源から低温の上水を貯湯槽２０に供給するものであり、給水通路１０１ａ、給水通路１０１ｂを有する。給水通路１０１ａは上水源と接続され、給水通路１０１ｂは給水通路１０１ａから分岐して貯湯槽２０の下部と接続されている。給水通路１０１ａには、流量センサ１０２、給水温度センサ１０３、減圧弁１０４、混合弁１０５が設けられ、給水通路１０１ｂには、逆止弁１０７が設けられている。

給湯系通路２０１は、貯湯槽２０に貯えられた湯水を給湯栓等の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる給湯通路２０１ａと、低温の上水と高温の湯水が混合した混合湯水が流れる給湯通路２０１ｂと、給湯栓等の給湯先に接続されている給湯通路２０１ｃと、からなる。給湯通路２０１ａには、給湯温度センサ２０２、混合弁２０３が設けられている。この混合弁２０３と、低温の上水が流れる給水通路１０１ａに設けられた混合弁１０５と、により低温の上水と高温の湯水の混合量が調整され、混合湯水として給湯通路２０１ｂを流れ、給湯用熱交換器２９ａに導入される。給湯通路２０１ｂには、給湯通路２０１ｂを流れる湯水の流れを検出する流量センサ７３と、湯水の温度を検出する混合湯水温度センサ７４が設けられている。また、給湯用熱交換器２９ｂの出口側には給湯通路２０１ｃが設けられており、湯水が給湯通路２０１ｃを流れて給湯栓等の給湯先に導かれる。給湯通路２０１ｃは、分岐通路７０と湯水経路切替弁５８を介して給湯通路２０１ｂと接続されている。また給湯通路２０１ｃには、分岐通路７０の分岐部よりも下流側に出湯温度センサ１１３が設けられ、給湯用熱交換器２９側に缶体温度センサ１１４が設けられている。

浴槽２７には、風呂往き管６３ａと風呂戻り管６３ｂを有する追い焚き循環回路６３が接続されており、この追い焚き循環回路６３は、熱交換手段（液―液熱交換器）としての風呂熱交換器６７を介して、暖房回路２１と熱的に接続されている。なお、暖房回路２１の風呂熱交換器６７を形成する管路８９には、風呂熱交換器６７の入口に追い焚き流量制御弁３８が設けられている。追い焚き循環回路６３には、浴槽湯水を循環させる風呂循環ポンプ６８が設けられ、風呂熱交換器６７は、この風呂循環ポンプ６８を駆動することによって追い焚き循環回路６３を循環する浴槽湯水を加熱する熱交換器と成る。

また、追い焚き循環回路６３には、風呂往き管６３ａへ流れる湯水の温度を検出する風呂往き温度センサ６４ａと、風呂戻り管６３ｂから流れてくる湯水の温度を検出する風呂戻り温度センサ６４ｂと、浴槽湯水の水位を検出する水位センサ６５と、追い焚き循環回路６３の水流を検知する風呂水流スイッチ６６とが介設されている。風呂循環ポンプ６８の吸入口側に、風呂戻り管６３ｂの一端側が接続され、風呂戻り管６３ｂの他端側が循環金具５６を介して浴槽２７に連通接続されている。風呂循環ポンプ６８の吐出口側には、風呂往き管６３ａの一端側が接続され、風呂往き管６３ａの他端側は循環金具５６を介して浴槽２７に連通接続されている。

また給湯通路２０１ｃには、分岐通路７０の形成部および出湯温度センサ１１３の配設部よりも下流側に、管路５４を介して出湯水ユニット５５が接続されている。出湯水ユニット５５には出湯通路２３の一端側が接続され、出湯通路２３の他端側は、風呂循環ポンプ６８に接続されている。出湯水ユニット５５には、湯張り電磁弁４２、逆止弁４３ａ，４３ｂ、湯張り水量センサ４９が設けられている。なお、給湯用熱交換器２９から給湯通路２０１ｃと管路５４、出湯水ユニット５５、出湯通路２３、風呂循環ポンプ６８、風呂熱交換器６７、風呂往き管６３ａを順に通って浴槽２７に至るまでの通路によって、湯張りや注水を行うための湯張り注水通路が構成される。

暖房端末５０の暖房運転を行うときには、バーナ４６によって暖房用熱交換器２８を加熱し、暖房循環ポンプ２６を駆動させる。これにより、暖房回路２１の液体が図１の矢印Ａ〜Ｇに示すように循環する。つまり、管路９５から暖房潜熱熱交換器２８ａに導入されて暖房潜熱熱交換器２８ａで加熱された液体は、シスターン装置６０を通り、管路９３を通って暖房循環ポンプ２６に導入される。

そして、液体分岐手段３７の熱動弁３９が開いている状態においては、液体は暖房循環ポンプ２６の吐出側から管路９０側と管路９１側とにそれぞれ流れ、管路９０側に流れた液体は、管路９０，４５を順に通って暖房端末５０ｂ，５０ｃに導入される。また、暖房循環ポンプ２６の吐出側から管路９１側に導入された液体は、管路９１を通って暖房顕熱熱交換器２８ｂに導入され、暖房顕熱熱交換器２８ｂよりさらに加熱されて高温（例えば８０℃程度）とされた後、管路９２に導入される。

この管路９２を通った液体は、暖房端末５０ａの熱動弁５３が開いている状態においては、管路９７側と管路８９側とにそれぞれ流れ、管路８９側（風呂熱交換器６７側）に流れた液体は、管路９６を通り、管路９５に戻る。また、管路９７側に流れた液体は、管路４０を通って暖房端末５０ａに導入される。そして、各暖房端末５０ａ〜５０ｃに導入された液体は、対応する管路４１，４４と液体合流手段３５を通り、管路９５に戻る。なお、熱動弁５３，３９が閉じている場合には、その熱動弁５３，３９に接続されている暖房端末５０側への液体の流れ（管路９０，４５を通しての暖房端末５０ｂ，５０ｃへの流れや管路９７，４０を通しての暖房端末５０ａへの流れ）は停止される。

また、例えばリモコン装置（不図示）からの浴槽湯水の追い焚き指令を受けると、風呂循環ポンプ６８を駆動させる。これにより、暖房回路２１内の液体が風呂熱交換器６７を介して循環するとともに、追い焚き循環回路６３内の浴槽湯水が図１の矢印Ｈに示すように循環する。この浴槽湯水と暖房回路２１を通る液体とを風呂熱交換器６７を介して熱交換することにより浴槽２７内の湯水の追い焚き動作が行われる。この追い焚き動作中には、暖房高温温度センサ３３の温度が設定温度（例えば８０℃）となるようにバーナ４６の燃焼を行いながら、図示しない風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となるまで、暖房回路２１内の液体と追い焚き循環回路６３内の浴槽湯水とをそれぞれ循環させる。なお、風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となったら、バーナ４６の燃焼を停止し、暖房循環ポンプ２６と風呂循環ポンプ６８は、予め定められたポストポンプ時間経過後に停止する。

さらに、浴槽２７への湯張り（自動湯張り動作）を行うときには、バーナ４７の燃焼によって給湯用熱交換器２９を通る水を加熱し、湯張り注水通路を通して湯を浴槽２７に注ぐ。そして、この自動湯張り後、例えば４時間といった保温動作時間中には、風呂温度センサの検出温度を監視し、この検出温度が予め設定される風呂設定温度より予め定められている許容範囲を超えて低下したときには、前記の追い焚き動作を例えば３分間行い、風呂温度センサの検出温度が風呂設定温度となるようにする保温モードの機能の動作が行われる。

（３．制御装置）
制御装置１０は、上述したコージェネレーションシステム１を構成する各機器を制御する。制御装置１０は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される制御部、各制御動作を実行するためのプログラムや制御パラメータを格納した、メモリ等から構成される記憶部、タイマ等を備えている。そして、制御装置１０は、制御部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、コージェネレーションシステム１の各種動作を制御する。

なお、制御装置１０は、単独の制御装置で構成されてもよいし、複数の制御装置が協働してコージェネレーションシステム１の制御を実行するように構成されてもよい。また、制御装置１０は、ＭＰＵ、ＰＬＣ(ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されてもよい。また制御装置１０は、図１の例に限らず、貯湯装置２００に設置されてもよい。また制御装置１０は、発電装置１００と貯湯装置２００に分散して配置され、協働してコージェネレーションシステム１の各機器を制御するように構成してもよい。

＜コージェネレーションシステム１の制御動作＞
次にコージェネレーションシステム１の制御動作について説明する。本発明では、通常時においては常法に従い一般的な制御方法によってコージェネレーションシステム１の運転が制御される。通常時とは、コージェネレーションシステム１を設置した家庭等への電力供給が平常に行われており（送電状態）、かつ、水道局等からの送水が平常に行われている（通水状態）場合をいう。一方、非常時においては、非常時に特化した制御方法によってコージェネレーションシステム１の運転が制御される。非常時とは、コージェネレーションシステム１を設置した家庭等への電力供給が何らかの原因（災害や計画停電等）により停止しており（停電状態）、かつ、停電によって水の供給がされない（断水状態）場合をいう。この点について詳述すると、水道局には停電に備えて自家発電装置があり、停電しても水道局からマンション貯水槽までは送水される。しかし、マンションに自家発電装置を設置していない場合が多く、停電すれば、機械式駐車場から自家用車を取り出すこともできず、エレベーターも止まり、冷蔵庫内の食品が腐り始め、マンション貯水槽から各戸に送るポンプも動かない。

図２は、コージェネレーションシステム１の基本制御動作を示すフローチャートである。コージェネレーションシステム１は、通常時においては、一般的な制御方法によって運転が制御（通常時制御）される（ステップＳ１）。例えば、制御装置１０は、電力負荷計測器（不図示）で計測された電力負荷需要量が、コージェネレーションシステム１の定格出力以上の場合には、コージェネレーションシステム１を定格出力以上で発電運転し、定格出力分（例えば７００Ｗ）を電力負荷に電力を供給するとともに、電力負荷需要量の残りの不足分は、商用電源により賄う。定格出力以上で発電運転し、供給する定格出力分を差し引いた電力は、コージェネレーションシステム１内の、例えば、空気供給装置３、冷却水ポンプ５、熱回収循環ポンプ８、電力変換装置９、制御装置１０等、の発電運転に必要な各機器の駆動電力として割与えるとともに、余剰電力消費ヒータ１４に供給され、電力を熱に変換し、例えば熱回収循環回路７（熱回収往き管路７ａ）を通流する湯水に伝熱することで貯湯槽２０へ通流する湯水を加熱する。一方、電力負荷需要量がコージェネレーションシステム１の定格出力未満の場合には、コージェネレーションシステム１を電力負荷需要量相当で発電運転し、電力負荷へ電力を供給する。さらに、電力負荷需要量がコージェネレーションシステム１の最低発電量未満の場合には、コージェネレーションシステム１を最低発電量で発電運転し、電力負荷へ電力を供給するとともに、余剰電力消費ヒータ１４により残りの電力（余剰電力）を熱に変換し、熱回収循環回路７（熱回収往き管路７ａ）を通流する湯水に伝熱する。

また、制御装置１０は、熱回収循環回路７内の湯水が、回収可能な一定の温度以上（例えば６０℃以上）となるように、熱回収循環ポンプ８の循環流量を制御する。例えば、熱回収温度センサ１９ａで検出される温度が目標温度より低下すると、熱回収循環ポンプ８の流量を減少させ、熱回収温度センサ１９ａで検出される温度が高温を維持するように制御する。また、循環量だけでは一定の温度以上に制御できない場合には、熱回収循環回路７の回路を切り替えて貯湯槽２０へ経由せずに発電装置１００に戻すように制御する。

ここで、通常、発電装置１００がオーバーヒートせずに発電を継続するためには、発電装置１００へ戻る湯水の温度が一定の温度以下でなければならない。このため、熱回収温度センサ１９ｂ（または冷却温度センサ１３）で検出される温度が所定以上に上昇すると、発電装置１００の運転を停止する。通常は、お湯を使用すると、貯湯槽２０の上部に蓄えられた湯が出て行き、それに見合った新たな水が貯湯槽２０の下部に送り込まれる（貯湯槽２０の下部に送り込まれる水で貯湯槽２０の上部に蓄えられた湯が押し出される）ので、適宜湯を使用すると貯湯槽２０の下部には常時水で満たされ、発電装置１００へ戻る湯水の温度は一定の温度以下に維持される。発電装置１００の発電継続（給湯使用により、貯湯槽２０の下部に送り込まれた水を発電装置１００の冷却水として使用）と給湯（発電装置１００の発電によって出た排熱によって水を湯にしたものの）使用とが好循環し、オーバーヒートせずに発電を継続することができる。

一方、コージェネレーションシステム１は、災害や計画停電等により停電状態（非常時）になると（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、自立運転モードとなり、商用電力系統を切り離し、発電の継続に必要な各種機器に必要な電力を供給しつつ、停電時専用コンセントに電力を供給し（例えば５００Ｗ）、非常時に特化した制御方法によって運転が制御（非常時制御）される（ステップＳ３）。

このとき、電力負荷需要量が、コージェネレーションシステム１の非常時定格出力未満（例えば５００Ｗ未満）の場合であっても、コージェネレーションシステム１は非常時定格出力以上（例えば５００Ｗ以上）での発電運転を継続し、電力負荷需要量がコージェネレーションシステム１の最低発電量未満の場合であっても、コージェネレーションシステム１は非常時定格出力以上（例えば５００Ｗ以上）での発電運転を継続して、電力負荷へ電力を供給する。

非常時定格出力以上（例えば５００Ｗ以上）で発電運転し、供給する定格出力分を差し引いた電力は、余剰電力となる。また、停電時専用コンセントに供給を行ったが家庭内において電力が使用されない場合にも余剰電力が発生する。例えば、停電時専用コンセントに供給する定格出力を５００Ｗとした場合、この停電時専用コンセントに例えば冷蔵庫を接続すると、１．コンプレッサー起動（起動時４８０Ｗ）、２．定格運転（３８０Ｗ）、３．庫内一定温度到達でコンプレッサー停止（３０Ｗ）のように負荷が変動し、これに伴って、１．余剰電力２０Ｗ、２．余剰電力１２０Ｗ、３．余剰電力４７０Ｗが発生する。

上記した余剰電力は、発電装置１００内の、例えば、空気供給装置３、冷却水ポンプ５、熱回収循環ポンプ８、電力変換装置９、制御装置１０等、の駆動電力として割与えられる。

ここで、非常時においては、前述したように停電によって水の供給がされない（断水状態）。すなわち、通常時のように発電装置１００の発電を継続するために新たな水を供給して冷却水の温度を下げるようなことができない。よって、貯湯槽２０に貯えられている湯水だけを用いて冷却水を発電装置１００へ供給し発電を継続させる必要がある。しかしながら、貯湯槽２０の湯水は前述したように蓄熱時には温度成層を形成しており、特に高温層の湯水は冷却水としてそのまま使用できない。

このため、本発明では、貯湯槽２０の温度成層を崩すように湯水を循環制御することで貯湯槽２０全体の湯水の温度を下げ、貯湯槽２０全体の湯水を発電装置１００を冷却するために使用できるようにする。具体的には、熱回収循環回路７を循環する湯水の循環量が最大流量となるように熱回収循環ポンプ８を制御する（熱回収循環ポンプ８をフルパワーで運転する）。

このように最大流量で循環させることで、低い温度の湯水を貯湯槽２０の上部に供給することができる。低い温度の湯水が貯湯槽２０上部に供給されると温度成層が次第に崩れ、貯湯槽２０内全体の湯水の温度が下がり始める。図３は、非常時制御により貯湯槽２０の湯水の温度成層が崩れていく様子を示す概念図である。図３（ａ）に示すように、貯湯槽２０内は、蓄熱時には温度層が形成された状態である。つまり、貯湯槽２０の上部から下部に向かって、高温層Ｌ１、中温層Ｌ２、低温層Ｌ３のように温度層が形成されている。ここで、非常時制御により、高温層Ｌ１の温度より低い温度の湯水が貯湯槽２０上部から供給される。これにより、図３（ｂ）〜図３（ｄ）に示すように、温度層の境界が次第に崩れ、また、貯湯槽２０内全体の湯水の温度が下がり始める。貯湯槽２０全体の湯水の温度が下がるため、貯湯槽２０全体の湯水を冷却水として使用できるようになる。このため、貯湯槽２０から発電装置１００へ、長時間に亘り相対的に低い温度の湯水を供給し続けることができ、発電装置１００の発電を長く継続させることが可能となる。

また最大流量で湯水を循環させる（熱回収循環ポンプ８をフルパワーで運転させる）ことで、余剰電力消費ヒータ１４により湯水が無駄に加熱されることが防止される。通常、自立運転時（停電時）には、停電時専用コンセントがいつ使用されても構わないように、燃料電池１１をフルパワーで運転させ電力を出力し続けている。しかしながら、停電時専用コンセントは使用されない場合も多く、このような場合、多くの余剰電力が余剰電力消費ヒータ１４によって熱に変換され、熱回収循環回路７を循環する湯水を加熱することとなる。通常時においては、熱が有効利用されるため問題とならないが、非常時には貯湯槽２０の湯水の温度が上昇すると、発電装置１００へ供給される冷却水の温度も上昇し、発電が直ぐに停止してしまう虞がある。本実施形態では、熱回収循環ポンプ８をフルパワーで運転することで、余剰電力消費ヒータ１４に電力が供給されることを抑制し、湯水の不要な加熱が回避される。

以上のように、本発明では、非常時において、熱回収循環回路７を循環する湯水の循環量が最大流量となるように熱回収循環ポンプ８を制御する。これにより、貯湯槽２０内の温度成層が崩れ、貯湯槽２０内全体の湯水の温度が降下するため、貯湯槽２０内全体の湯水を冷却水として使用できるようになる。このため、貯湯槽２０から発電装置１００へ、相対的に低い温度の湯水を長時間供給し続けることができ、発電を好適に継続させることが可能となる。

また、本実施形態では、発電装置１００へ戻る配管にラジエータ等の別途の冷却手段を設けずに、冷却水の温度を下げ、発電を継続する。このため、通常時には使用されない装置に対して大きなスペースを用意する必要がなく、機器レイアウト上の自由度を確保でき、また、装置を低コストに構成することが可能となる。

［第２実施形態］
次に、図４、５を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。

＜コージェネレーションシステム１Ａの構成＞
図４は、第２実施形態に係るコージェネレーションシステム１Ａの全体構成を示す概念図である。コージェネレーションシステム１Ａは、第１実施形態の余剰電力消費ヒータ１４の代わりに蓄電池１１０の構成を備える。蓄電池１１０は電力変換装置９と接続されており、燃料電池１１で発生した電力の余剰電力を蓄電する。

第２実施形態では、貯湯槽２０から発電装置１００（燃料電池１１）へ供給される湯水の温度が所定の閾値を超えると、発電を一旦停止させる。そして、蓄電池１１０の電力を用いて、最大流量での湯水の循環を継続して行い、貯湯槽２０内の温度を下げていく。そして、貯湯槽２０から発電装置１００へ供給される湯水の温度が発電可能な温度にまで下がると、発電を再開させるように制御する。

＜コージェネレーションシステム１Ａの制御動作＞
図５は、コージェネレーションシステム１Ａの制御動作の流れを示すフローチャートである。制御装置１０は、所定時間おきに熱回収温度センサ１９ｂにより熱回収戻り管路７ｂを流れる湯水の温度Ｔを取得し、この温度Ｔが所定の閾値Ｔａを超えているか否かを判定する（ステップＳ１１）。温度Ｔが閾値Ｔａを超えると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、制御装置１０は、発電装置１００（燃料電池１１）の発電を一旦停止させる（ステップＳ１２）。閾値Ｔａは、これ以上の温度上昇があると発電が正常に行えない虞がある温度として（発電の停止条件として）予め定められた値である。発電装置１００の発電が停止すると、制御装置１０は、蓄電池１１０の電力によって熱回収循環ポンプ８を稼働制御し、熱回収循環回路７中の湯水を第１実施形態と同様に最大流量で循環させる（ステップＳ１３）。これにより、貯湯槽２０内の湯水の温度が降下していく。制御装置１０は、引き続き、熱回収温度センサ１９ｂにより熱回収戻り管路７ｂを流れる湯水の温度Ｔを監視し、この温度Ｔが所定の閾値Ｔｂ以下になると（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、発電装置１００（燃料電池１１）の発電を再開させるとともに、蓄電池１１０の電力による稼働制御を終了する。閾値Ｔｂは、発電が正常に行える温度として（発電の再開条件として）予め定められた値である。通常、前述のＴａに対し、閾値Ｔａ≦Ｔｂの関係を満たすように設定されている。

以上のように、第２実施形態によれば、貯湯槽２０から発電装置１００へ供給される湯水が所定値を超えて上昇すると発電を一旦停止させた上で、蓄電池１１０の電力を用いて湯水の循環を継続させ、貯湯槽２０内の湯水の温度を下げる。そして、貯湯槽２０から発電装置１００へ供給される湯水が発電を行えるまでに冷却されると、発電を再開させるように制御する。

なお、余剰電力消費ヒータ１４の代わりに蓄電池１１０を設ける構成としているが、余剰電力消費ヒータ１４と蓄電池１１０の双方を備えるように構成してもよい。また、蓄電池１１０は燃料電池１１の余剰電力を蓄電するように構成しているが、これに限らず、商用電源から供給される電力を蓄電するものでもよい。また、冷却温度センサ１３により燃料電池１１へ供給される冷却水の温度に基づいて、発電停止および発電再開の制御を行ってもよい。

［第３実施形態］
次に、図６〜図８を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態のコージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃは、第１実施形態のコージェネレーションシステムの構成に冷却手段１２０（冷却装置）を加えたものである。これにより、冷却手段１２０を用いて湯水の温度上昇を確実に防止抑制でき、発電を確実に長く継続することが可能となる。

＜コージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃの構成＞
図６、７は、第２実施形態に係るコージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃの全体構成を示す図である。図６のコージェネレーションシステム１Ｂは、冷却手段１２０としてラジエータ１２０Ｂを備える。図に示すように、ラジエータ１２０Ｂは、熱回収戻り管路７ｂの途中に設けられ、貯湯槽２０から発電装置１００へ流れる湯水を冷却する。

また図７のコージェネレーションシステム１Ｃは、冷却手段としてペルチェ素子１２０Ｃを備える。ペルチェ素子１２０Ｃとは、２種類の金属の接合部に電流を流すと、片方の金属からもう片方へ熱が移動するペルチェ効果を利用した板状の半導体素子である。直流電流を流すと、一方の面が吸熱し、反対面は放熱する。電流の極性を逆転させると、この関係が逆転し、一方の面が放熱し、反対面は吸熱する。ペルチェ素子は、小規模なデバイスであるため、大きな設置スペースを必要としない。図７において、ペルチェ素子１２０Ｃの一方の面（面部１２１Ｃ）は、熱回収循環回路７中の熱回収戻り管路７ｂと接触するように設けられている。このようにペルチェ素子１２０Ｃを設けることで、熱回収戻り管路７ｂを冷却することができる。また、ペルチェ素子１２０Ｃの反対面（面部１２２Ｃ）は、コージェネレーションシステム１Ｃの機器筐体と接触するように設けられる。例えば、貯湯装置２００の機器筐体内部の側面、底面、上面のいずれかに接触するように設けられる。このようにすれば、熱回収戻り管路７ｂから吸熱した熱を、機器筐体を介して逃がすことができる。

また冷却手段１２０（ラジエータ１２０Ｂ、ペルチェ素子１２０Ｃ）の冷却能力は、発電装置１００の停電時（断水時）の発電による排熱の発生熱量よりも小さいものとする。このように冷却能力を小さくできる理由は、本発明では、前述した非常時制御により、貯湯槽２０内の温度成層が崩され、貯湯槽２０全体の湯水の温度が降下しているためである。通常運転時には、発電をするとその発電に応じた発生熱量が熱交換器６を介して貯湯槽２０に蓄熱されるため、貯湯槽２０の湯を冷却するためには、発生熱量と同等以上の冷却能力を持つ大きなラジエータ等が必要となる。しかしながら、本発明では、貯湯槽２０全体の湯水の温度が既に十分下がっているため、発電装置１００の発生熱量と同等以上の冷却能力を必要としない。これにより、上述したように冷却手段１２０の冷却能力を、発電装置１００の停電時（断水時）の発生熱量よりも小さくすることができる。

＜コージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃの制御動作＞
図８は、コージェネレーションシステム１Ｂ、１Ｃの制御動作の流れを示すフローチャートである。非常制御時において、制御装置１０は、所定時間おきに熱回収温度センサ１９ｂにより熱回収戻り管路７ｂを流れる湯水の温度Ｔを取得し、この温度Ｔが所定の閾値Ｔαを超えているか否かを判定する（ステップＳ３１）。閾値Ｔαは、これ以上の温度上昇があると発電が正常に行えない虞がある温度として（冷却制御の開始条件として）予め定められた値である。温度Ｔが閾値Ｔαを超えると（ステップＳ３１；Ｙｅｓ）、制御装置１０は、冷却手段１２０（１２０Ｂ、１２０Ｃ）の稼働を開始させて（ステップＳ３２）、熱回収戻り管路７ｂを流れる湯水を冷却する。冷却手段１２０（１２０Ｂ、１２０Ｃ）を稼働させたあと、制御装置１０は、引き続き、熱回収温度センサ１９ｂにより熱回収戻り管路７ｂを流れる湯水の温度Ｔを監視し、この温度Ｔが所定の閾値Ｔβ以下になると（ステップＳ３３；Ｙｅｓ）、冷却手段１２０（１２０Ｂ、１２０Ｃ）の稼働を停止し（ステップＳ３４）、冷却制御を終了する。閾値Ｔβは、これ以下の温度下降があれば発電が正常に行える温度として（冷却制御の停止条件として）予め定められた値である。通常、前述の閾値Ｔαに対し、閾値Ｔα≦閾値Ｔβの関係を満たすように設定される。

以上のように、第３実施形態によれば、冷却手段１２０（１２０Ｂ、１２０Ｃ）を更に備えることで、発電を確実に長く継続させることが可能となる。また本発明では、非常時の循環制御によって貯湯槽２０の温度成層が崩れ湯水の温度が降下した状態となっているため、冷却手段１２０の冷却能力を、発電装置１００の停電時（断水時）における発電による排熱の発生熱量より小さいものとすることができる。すなわち、大掛かりな冷却手段を設ける必要がない。

なお、冷却温度センサ１３により燃料電池１１へ供給される冷却水の温度に基づいて、冷却手段の稼働制御を行ってもよい。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１Ａ〜１Ｃ：コージェネレーションシステム
４ ：冷却水循環回路
５ ：冷却水ポンプ
６ ：熱交換器
７ ：熱回収循環回路
７ａ ：熱回収往き管路
７ｂ ：熱回収戻り管路
８ ：熱回収循環ポンプ
９ ：電力変換装置
１０ ：制御装置
１１ ：燃料電池
１３ ：冷却温度センサ
１４ ：余剰電力消費ヒータ
１９ａ ：熱回収温度センサ
１９ｂ ：熱回収温度センサ
２０ ：貯湯槽
１００ ：発電装置
１１０ ：蓄電池
１２０ ：冷却手段
１２０Ｂ ：ラジエータ
１２０Ｃ ：ペルチェ素子
２００ ：貯湯装置

Claims (7)

1. 電気と熱を発生する発電装置と、
   湯水を貯える貯湯槽と、
   前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、
   停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とするコージェネレーションシステム。
2. 蓄電池を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水の温度が所定の閾値を超えると前記発電装置の発電を停止させる手段と、
   発電を停止させたあと、引き続き、前記蓄電池の電力を用いて前記循環制御を継続させる手段と、
   前記循環制御を継続させたあと、前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水の温度が所定の閾値を下回ると前記発電装置の発電を再開させる手段と、
   を備え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。
3. 熱回収循環回路中の前記貯湯槽から前記発電装置へ通流する湯水を冷却する冷却手段、を更に備え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。
4. 前記冷却手段は、ラジエータまたはペルチェ素子であることを特徴とする請求項３に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記冷却手段の冷却能力は、前記発電装置の発電による排熱の発生熱量よりも小さいことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のコージェネレーションシステム。
6. 電気と熱を発生する発電装置と、湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、を備えるコージェネレーションシステムの制御装置であって、
   停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御する
   ことを特徴とする制御装置。
7. 電気と熱を発生する発電装置と、湯水を貯える貯湯槽と、前記貯湯槽と前記発電装置との間で熱交換器を介して湯水を循環させる熱回収循環回路と、制御装置と、を備えるコージェネレーションシステムの制御方法であって、
   前記制御装置が、停電時において、前記熱回収循環回路中を循環する湯水が最大流量となるように湯水を循環制御する
   ことを特徴とする制御方法。
   
   
   
   
   
   

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