JP2024508646A - ユーティリティ消費を管理するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

本開示は、建物内に設置された水供給システムによるエネルギー消費を調節するコンピュータ実装方法に関し、水供給システムは、水を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子と、熱エネルギーを建物の外部から建物内の熱エネルギー蓄積媒体に移送するように構成されたヒートポンプと、水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールとを備え、水供給システムは、１以上の電気加熱素子及び／又は熱エネルギー蓄積媒体によって温水を１以上の水出口に供給するように構成され、本方法は、制御モジュールによって実行され、以下を含む：建物を構成する地理的地域のエネルギー需要のレベルを決定するステップと、エネルギー需要のレベルが高いことを決定すると、温水を供給するために、１以上の電気加熱要素を使用することから熱エネルギー蓄積媒体に切り替えるように水供給システムを制御するステップと、を含む。

Description

本発明は、ユーティリティ（すなわち水道光熱等）消費を管理するための方法及びシステムに関する。特に、本発明は、家庭環境、水及び／又はエネルギーの供給を伴う商業、公共並びにその他の環境において、水及び／又はエネルギーの消費を積極的に調節するための方法及びシステムに関する。

業務用であれ家庭用であれ、温水は一年中一日中必要とされる。温水の供給には、きれいな水と熱源の両方が必要なことは言うまでもない。温水を供給するために、多くの場合、集中給水システムには、例えば利用者が設定した所定の温度まで水を温めるための加温システムが設けられており、使用される熱源は、従来、１以上の電気加熱要素又は天然ガスの燃焼である。一般に、エネルギー（例えばガスや電気）需要の多い時期には、公益事業者は、顧客に供給するためにより多くのエネルギーを購入しなければならない追加コストを賄うためと、不必要なエネルギー使用を抑制するために、エネルギーの単価を上げるピーク料金制度を実施する。そして、エネルギー需要の少ない時間帯には、エネルギー単価を下げるオフピーク料金を導入し、ピーク時間帯ではなくオフピーク時間帯にエネルギーを使用するように顧客を誘導することで、全体的によりバランスのとれたエネルギー消費を実現するようにしている。しかし、このような戦略は、顧客が常に料金プランの変更を認識し、更にエネルギー消費習慣を修正しようと意識的に努力する場合にのみ有効である。

現在、ユーティリティとして清潔な水が注目を集めている。きれいな水が希少になるにつれて、きれいな水を節約するための啓蒙活動が盛んに行われるようになり、水流を抑えるエアレーション・シャワーや蛇口、動きが検知されないと水の流れを止める人感センサ付きのシャワーや蛇口など、水の消費を抑えるシステムや機器の開発も進んでいる。しかし、こうしたシステムや機器は特定の用途に限定されており、問題となる水の消費習慣に与える影響は限定的である。

エネルギー消費による環境への影響に対する懸念が高まる中、家庭用温水を供給する方法として、ヒートポンプ技術の利用に対する関心が最近高まっている。ヒートポンプは、熱源から蓄熱槽に熱エネルギーを移動させる装置である。ヒートポンプは、熱源から蓄熱槽に熱エネルギーを移送する動作を遂行するために電気を必要とするが、一般的に少なくとも３又は４の性能係数を有するため、電気抵抗ヒーター（電気発熱体）よりも効率的である。つまり、同じ電力使用量であれば、電気抵抗ヒーターに比べて３～４倍の熱量をヒートポンプでユーザに供給できることになる。

熱エネルギーを運ぶ熱媒体は冷媒として知られている。空気（例えば、外気、又は家の中の暑い部屋からの空気）又は地中熱（例えば、接地ループ又は水で満たされた掘削孔）からの熱エネルギーは、受信熱交換器によって抽出され、含有冷媒に転送される。より高いエネルギーの冷媒は圧縮され、温度を大幅に上昇させ、この高温の冷媒は熱交換器を介して熱エネルギーを温水ループに交換する。温水の供給という観点では、ヒートポンプによって取り出された熱は、熱エネルギーストレージとして機能する断熱タンク内の水に移動させることができ、その温水は後で必要なときに使用することができる。温水は、必要に応じて１以上の水出口、例えば蛇口、シャワー、ラジエータなどに転用することができる。しかし、ヒートポンプは一般に、水を所望の温度まで上げるのに電気抵抗ヒーターに比べてより多くの時間を必要とする。

家庭、職場、商業スペースによって、温水の使用に対する要求や嗜好は異なるため、ヒートポンプを電気ヒーターの実用的な代替品とするためには、温水の新しい供給方法が望まれる。更に、エネルギーと水を節約するためには、エネルギーと清浄水の消費量を調節することが望ましいかもしれないが、ユーティリティの消費を調節することは、そう単純には使用におけるブランケットキャップにはならない。
したがって、エネルギー消費を調節するための改善された方法とシステムを提供することが望まれる。

上記に鑑みて、本技術の一態様は、建物内に設置された水供給システムによるエネルギー消費を調節するコンピュータ実装方法を提供し、水供給システムは、水を温めるように動作可能な１以上の電気加熱要素を備える、建物外部から建物内部の熱エネルギー蓄積媒体に熱エネルギーを移送するように構成されたヒートポンプと、水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールとを備え、水供給システムは、１以上の電気加熱要素及び／又は熱エネルギー蓄積媒体によって温水を１以上の水出口に供給するように構成され、本方法は、制御モジュールによって実行され、以下を含む：建物からなる地理的地域のエネルギー需要のレベルを決定するステップと、エネルギー需要のレベルが高いと決定したときに、温水を供給するために、１以上の電気加熱要素を使用することから熱エネルギー蓄積媒体に切り替えるように水供給システムを制御するステップと、を含む。

本技術の実施形態は、エネルギー需要の高い期間中、温水を供給するために、よりエネルギー効率の高い熱源に積極的に切り替える。そうすることで、エネルギー需要の高い時間帯のエネルギー需要を削減することができる。

熱エネルギー蓄積媒体は、例えば、需要の多い期間中及び／又は寒い日に、温水を供給するために十分な蓄積されたエネルギーを有していない場合があり得る。いくつかの実施形態において、本方法は、予想される温水需要に基づいて熱エネルギーを熱エネルギー蓄積媒体に移送するためにヒートポンプを動作させることを更に含み得る。そうすることで、ヒートポンプは、予想される温水需要を見込んで運転され、予想される需要を満たすのに十分な量の熱が熱エネルギー蓄積媒体に貯蔵されるようにする。

温水の使用は、予測可能なパターンに従うことが多い。例えば、家庭環境では、温水の需要は、朝と夕方に高く、日中は低いことが多い。いくつかの実施形態において、本方法は、水供給システムの過去の使用から確立された水使用パターンに基づいて、予想される温水需要を決定することを更に含むことができる。そうすることで、ヒートポンプは、予想される需要の上昇に先駆けて熱エネルギー蓄積媒体に熱を蓄積するように動作させることができる。

いくつかの実施形態において、本方法は、エネルギー要求のレベルが高いと判定したときに、少なくとも１つのユーティリティ（すなわち水道光熱）消費削減戦略を実施することを更に含み得る。１以上のユーティリティ消費削減戦略を実施することによって、制御モジュールは、エネルギー需要が高い期間中のエネルギー支出及び／又は水消費を削減するように、温水の使用量を制御及び調節することができる。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、１以上の水出口のうちの第１の水出口が使用中であると判定することと、第１の水出口に供給される温水の流量を第１の流量から第１の流量よりも低い第２の流量に減少させることとを含み得る。温水の流量を減少させることにより、所与の期間にわたって使用される水の量が減少し、その結果、水を温めるために必要とされるエネルギーが減少する。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、１以上の水出口のうちの第２の水出口が使用中であると判定することと、第２の水出口に供給される温水の温度を第１の温度から第１の温度よりも低い第２の温度まで低下させることとを含み得る。温水の温度を下げることにより、所定量の水を温めるのに必要なエネルギーが少なくなる。

いくつかの実施形態において、水供給システムは、建物の室内温度を上昇させるように構成されたセントラルヒーティングシステムに温水を供給するように構成されてもよく、少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、セントラルヒーティングシステムの加熱出力が少なくとも１つの加温目標を満たすように、セントラルヒーティングシステムに温水を供給するための水供給システムを制御することを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、温水をセントラルヒーティングシステムに供給するように水供給システムを制御することは、セントラルヒーティングシステムに供給される温水の流量及び／又は温度及び／又は時間を調整することを含み得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの加温目標は、セントラルヒーティングシステムに供給される水を温めるために使用されるエネルギーの最大量を構成することができる。

いくつかの実施形態において、エネルギーの最大量は、熱エネルギー蓄積媒体に蓄積されたエネルギーの量に基づいて決定され得る。

いくつかの実施形態では、本方法は、エネルギー需要のレベルが低いと判定したときに、熱エネルギー蓄積媒体に熱エネルギーを蓄積するようにヒートポンプを動作させることを更に含み得る。そうすることで、エネルギー需要の高い期間中に、温水を供給するために１以上の電気加熱要素を使用することから熱エネルギー蓄積媒体に切り替えるように水供給システムが制御されるときに、熱エネルギー蓄積媒体が温水を供給する準備ができていることを保証することが可能になる。

いくつかの実施形態では、エネルギー需要のレベルは、エネルギー供給業者から入手した料金データに基づいて決定される場合がある。

いくつかの実施形態では、エネルギー需要のレベルは、料金データがピーク料金を示している場合に高いと判断されることがある。

本技術の別の態様は、建物に設置された水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールを提供し、水供給システムは、熱エネルギーを熱エネルギー蓄積媒体に移送するように構成されたヒートポンプと、水を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子とを備え、水供給システムは、水及び／又は熱エネルギー蓄積媒体を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子によって温水を１以上の水出口に供給するように構成され、制御モジュールは、以下のように構成された制御回路を備える、すなわち、建物をからなる地理的地域のエネルギー需要のレベルを決定し、エネルギー需要のレベルが高いことを決定すると、水供給システムを制御して、温水を供給するために、１以上の電気加熱要素から熱エネルギー蓄積媒体への使用に切り替える。

本技術のさらなる態様は、建物内に配置された１以上の水出口に水を供給するための水供給システムであって、以下を含む水供給システムを提供する、すなわち、水提供システムにより提供するために水を温めるように構成された１以上の電気加熱要素と、熱エネルギーを蓄積するように構成された、建物内に配置された熱エネルギーストレージと、熱エネルギーストレージに蓄積された熱エネルギーを使用して、水提供システムによる提供のために水を温めるように構成された、熱エネルギーストレージの近位に配置された熱交換器と、熱エネルギーを建物外から熱エネルギーストレージに移送するように構成されたヒートポンプと、水提供システムの動作を制御するように構成された制御モジュールであって、以下のように構成された制御回路を含む、すなわち、制御モジュールが、建物からなる地理的地域のエネルギー需要のレベルを決定し、エネルギー需要のレベルが高いと決定した場合、水供給システムを制御して、温水を供給するために、１以上の電気加熱要素から熱エネルギー蓄積媒体の使用に切り替える。

本技術は更に、コンピュータ・システム上で実行されたときに、上述の方法を実行するようにコンピュータ・システムに指示するための、コンピュータの読み取り可能な記憶媒体に記憶されたコンピュータ・プログラムを提供する。

本技術の実施態様は、それぞれ上述の目的及び／又は態様の少なくとも１つを有するが、必ずしもその全てを有するわけではない。上述した目的を達成しようとした結果生じた本技術のいくつかの態様は、この目的を満足しない場合があり、及び／又は、本明細書に具体的に記載されていない他の目的を満足する場合があることを理解されたい。

本技術の実施態様の追加的及び／又は代替的な特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付図面及び添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

例示的な水供給システムの概略システム概要図である。 料金表に基づいてユーティリティの使用量を調節する例示的な方法を示している。 水流と温度を調節する例示的な方法を示している。 加熱出力を調節する例示的な方法を示している。

以上のことから、本開示は、ヒートポンプを使用する、又はヒートポンプによって補助される温水の提供のための様々なアプローチを提供し、場合によっては、水とエネルギーの浪費を削減するために、水とエネルギーを含むユーティリティの使用を調節するための様々なアプローチを提供する。

＜水供給システム＞
本技術の実施形態において、冷水及び温水は、集中型水供給システムによって、家庭内又は商業的環境における建物のための、蛇口、シャワー、ラジエータなどを含む複数の水出口に供給される。例示的な水供給システム１００を図１に示す。

本実施形態では、水供給システム１００は、制御モジュール１１０を備える。制御モジュール１１０は、例えば、システムの内部及び外部の水の流れを制御するように配置された１以上のバルブの形態の流量制御１３０、周囲から熱を抽出し、抽出された熱を熱エネルギーストレージ１５０に蓄積して水を温めるために使用されるよう構成された（地熱源又は空気源の）ヒートポンプ１４０、及び電気加熱素子１６０に供給されるエネルギー量を制御することによって冷水を所望の温度に直接温めるように構成された１以上の電気加熱素子１６０を含む、水供給システムの様々な要素に通信可能に連結され、制御するように構成される。温水は、熱エネルギーストレージ１５０によって温められたものであれ、電気加熱素子１６０によって温められたものであれ、その後、必要なときに、１以上の水出口及び又はセントラルヒーティングシステムに導かれる。実施形態では、ヒートポンプ１４０は、熱エネルギー蓄積媒体が動作温度に達するまで、周囲から熱エネルギーストレージ１５０内の熱エネルギー蓄積媒体に熱を抽出し、その後、熱エネルギー蓄積媒体によって、例えば本管からの冷水を所望の温度まで温めることができる。温水は、システム内の様々な水出口に供給される。

本実施形態において、制御モジュール１１０は、複数のセンサ１７０－１、１７０－２、１７０－３、・・・、１７０－ｎからの入力を受信するように構成されている。複数のセンサ１７０－１、１７０－２、１７０－３、・・・、１７０－ｎは、例えば、屋内及び／又は屋外に配置された１以上の空気温度センサ、１以上の水温センサ、１以上の水圧センサ、１以上のタイマ、１以上の動きセンサを含み、ＧＰＳ信号受信機、カレンダー、居住者が携帯し、通信チャネルを介して制御モジュールと通信する、例えばスマートフォン上の天気予報アプリなど、水提供システム１００と直接リンクしていない他のセンサを含み得る。制御モジュール１１０は、本実施形態では、受信した入力を使用して、例えば、水を温めるために流量制御装置１３０を介して熱エネルギーストレージ１５０又は電気加熱要素１６０への水の流量を制御するなど、様々な制御機能を実行するように構成されている。

選択的に、１以上の機械学習アルゴリズム（ＭＬＡ）１２０は、例えば、制御モジュール１１０のプロセッサ（図示せず）上又は制御モジュール１１０から遠隔のサーバ上などの、制御モジュール１１０上で実行されてよく、通信チャネルを介して制御モジュール１１０のプロセッサと通信する。例えば、ＭＬＡ１２０は、制御モジュール１１０によって受信された入力センサデータを使用して学習し、例えば、一日の時間、曜日、日付（例えば、季節の変化、祝日）、占有率等に基づく水及びエネルギー使用パターンのベースラインを確立することができる。次いで、学習した使用パターンは、制御モジュール１１０によって実行される様々な制御機能を決定し、場合によっては改善するために使用され、及び／又は、ユーザがユーティリティ使用量を分析し、及び／又は、より効率的なユーティリティ使用量のための提案を提供することを可能にするために、例えばレポートを生成するために使用され得る。

ヒートポンプは、一般に、電気抵抗加温器と比較して、水を温めるためのエネルギー効率が高いが、ヒートポンプは、熱エネルギー蓄積媒体からの熱が水を温めるのに使用可能となる前に、熱エネルギー蓄積媒体が所望の動作温度に到達するために十分な量の熱エネルギーを、熱エネルギー蓄積媒体に移送するのに時間を要する。したがって、ヒートポンプは、一般に、電気抵抗加温器と比較して、同じ量の水を同じ温度に温めるのに時間がかかる。一部の実施形態では、ヒートポンプ１４０は、例えば、熱エネルギー蓄積媒体として、加温時に固体から液体に変化する相変化材料（ＰＣＭ）を使用することができる。この場合、ヒートポンプによって抽出された熱エネルギーが熱貯蔵媒体の温度を上昇させるために使用され得る前に、ＰＣＭが固化させられている場合には、ＰＣＭを固体から液体に変化させるために更なる時間が必要とされ得る。この方法による湯沸かしはより時間がかかるかもしれないが、電気ヒーターによる湯沸かしに比べて、湯沸かしに消費されるエネルギー量が全体として少ないため、全体としてエネルギーが節約され、湯沸かしにかかるコストが削減される。

＜相変化材料＞
本実施形態では、相変化材料をヒートポンプの蓄熱媒体として使用することができる。相変化材料の１つの適切な種類は、家庭用温水供給及びヒートポンプとの併用を対象とする温度で固体－液体相変化を有するパラフィンワックスである。特に興味深いのは、摂氏４０度から６０度の範囲の温度で溶融するパラフィンワックスであり、この範囲内で特定の用途に適した異なる温度で溶融するワックスを見つけることができる。典型的な潜熱容量は約１８０ｋＪ／ｋｇから２３０ｋＪ／ｋｇの間であり、比熱容量は液相ではおそらく２．２７Ｊｇ^－１Ｋ^－１、固相では２．１Ｊｇ^－１Ｋ^－１である。融解潜熱を利用することで、非常に大量のエネルギーを貯蔵できることがわかる。相変化液体を融点以上に温めることで、より多くのエネルギーを蓄積することもできる。例えば、電力料金が比較的安いオフピーク時には、ヒートポンプを作動させて熱エネルギーストレージを通常より高い温度に「充電」し、熱エネルギーストレージを「過熱」することができる。

n-トリコサンＣ_２３やパラフィンＣ_２０－Ｃ_３３のように融点が４８℃程度のものがワックスに適しており、ヒートポンプを約５１℃の温度で作動させる必要があり、一般的な家庭用温水として満足できる約４５℃の温度まで水を温めることができ、キッチン／浴室の蛇口やシャワーなどに十分な温度である。必要であれば、水流に冷水を加えて水温を下げることもできる。ヒートポンプの温度性能が考慮される。一般に、ヒートポンプによって温められる流体の入力温度と出力温度の最大差は、５℃から７℃の範囲に保たれるのが好ましいが、１０℃まで高くすることもできる。

パラフィンワックスは、熱エネルギー蓄積媒体として使用するのに好ましい材料であるが、他の適切な材料を使用することもできる。例えば、塩水和物も本発明のような潜熱エネルギーストレージシステムに適している。ここでいう塩水和物とは、無機塩と水との混合物であり、その相変化には水の全部又は多くの喪失を伴う。相転移の際、水和物の結晶は無水（又は水分の少ない）塩と水に分かれる。塩水和物の利点は、パラフィンワックスよりも熱伝導率がはるかに高く（２倍から５倍高い）、相転移に伴う体積変化がはるかに小さいことである。今回の用途に適した塩水和物はＮａ_２Ｓ_２Ｏ_３・５Ｈ_２Ｏで、融点は４８℃～４９℃前後、潜熱は２００～２２０ｋＪ／ｋｇである。

＜ユーティリティ調整＞
エネルギーと清潔な水は必要不可欠な商品であるため、その使用量を調節することが望ましい。本アプローチは、家庭用、商業用、公共用に適した温水供給システムに組み込まれ、エネルギー使用を積極的に調節する方法とシステムを提供する。本アプローチは、ヒートポンプが温水の供給に使用される場合に特に関連する。現在のエネルギー需要に基づいてエネルギー消費を積極的に調節することにより、ナショナル・グリッド社のエネルギー需要が低いとき（例えば、オフピーク時間帯）に、ヒートポンプを作動させて熱エネルギーストレージに熱を貯蔵し、エネルギー需要が高いとき（例えば、ピーク時間帯）に、蓄積されたエネルギーを後で取り出して温水及び／又はセントラルヒーティングを供給することができる。これにより、ピーク時のエネルギー需要が減少し、ピーク時とオフピーク時の間でエネルギー需要のバランスが改善され、温水供給やセントラルヒーティングの形態としてのヒートポンプの使い勝手が向上する。

図２は、実施形態による現在のエネルギー料金表に基づいてエネルギー消費を調整する方法を示す。例えば、エネルギー供給業者から取得されるエネルギー料金表は、所与の期間における国又は地域のエネルギー需要を反映する。したがって、本実施形態では、エネルギー料金表は、エネルギー調整を実施するための指標として使用される。本方法は、例えば家庭内環境において家庭用に温水を提供する水提供システム（例えば、水提供システム１００）の制御モジュール（例えば、制御モジュール１１０）を介して実施することができる。

本方法は、Ｓ２０１において、制御モジュールが、例えば、エネルギー供給業者から直接受領したデータを使用して、及び／又はパブリックドメイン（例えば、エネルギー供給業者のウェブサイト）から取得したデータに基づいて、現在のエネルギー料金を決定するときに開始する。

Ｓ２０２において、制御モジュールは、現在のエネルギー料金が、高いエネルギー需要を示すピーク料金（エネルギーの単価が高い）であか、又は低いエネルギー需要を示すオフピーク料金（エネルギーの単価が低い）であるかを決定する。Ｓ２０２において、制御モジュールが、現在のエネルギー料金がオフピーク料金であると決定した場合、Ｓ２０３において、制御モジュールは、１以上のオフピーク戦略を実行する。例えば、Ｓ２０４において、ヒートポンプ（例えば、ヒートポンプ１４０）は、例えばピーク期間中等の後の時間に、蓄積されたエネルギーが水を温めるために取り出され得るように、熱エネルギーストレージ（例えば、熱エネルギーストレージ１５０）にエネルギーを蓄積するように動作され得る。例えば、Ｓ２０５において、制御モジュールは、セントラルヒーティングシステムの加熱出力を増加させるために、水供給システムによってセントラルヒーティングシステムに供給される温水の量及び／又は温度を増加させ、水供給システムが設置される建物構造を熱貯蔵媒体として使用することができる。これらの例は、以下で更に詳細に説明され、非網羅的なものであり、追加的又は代替的に他の戦略を実施することができる。

Ｓ２０２で、制御モジュールが、現在のエネルギー料金がピーク料金であると決定した場合、制御モジュールは、水を温めるための低コストのエネルギー源に積極的に切り替えるように、例えば、熱エネルギーストレージに既に貯蔵されている熱エネルギーを使用する、及び／又は電気加熱要素を動作させることを選択して熱エネルギーストレージに熱を移送し続けるようにヒートポンプを動作させる、といった指示を水供給システムにすることができる。

加えて、又は代替的に、制御モジュールは、Ｓ２０８において、ユーティリティ消費を調節するために、１又は複数のユーティリティ消費削減戦略を実施することができる。制御モジュールは、１又は複数の異なる削減戦略でプログラムされ、ピーク期間中に実施する１以上のそのような戦略を選択してもよい。ここでは、例示的な戦略の非網羅的なリストが与えられている。Ｓ２０９において、制御モジュールは、温水予算に基づいて、水提供システムによって水出口に提供される温水の流量（又は圧力）及び／又は温度を調整することができる。例えば、水出口への温水の流量は、温水予算内に留まるために、ユーザによって設定されたレベルよりも低減されることがあり、及び／又は、水出口に供給される温水の温度は、温水予算内に留まるために、ユーザによって設定された温度よりも低減されてもよい。Ｓ２１０において、制御モジュールは、例えば１以上の加温目標に従って、セントラルヒーティングシステムに供給される温水の量（流量、圧力）及び／又は温度を調整することができる。例えば、制御モジュールは、エネルギー出力目標を満たすために、セントラルヒーティングシステムに供給される温水の量及び／又は温度を減らすように、水供給システムに指示することができる。これらの戦略については、以下で更に詳細に説明する。

＜オフピーク戦略＞
オフピーク期間中、制御モジュールは、エネルギー需要の低い期間を最適化するために、１以上のオフピーク戦略Ｓ２０３を実施することができる。

一実施形態では、制御モジュールは、エネルギー需要が低いオフピーク期間（Ｓ２０４）中に、ヒートポンプ１４０を動作させて熱エネルギーストレージ１５０にエネルギーを蓄積するように構成される。蓄積されたエネルギーは、後になって、例えばピーク期間中に、１以上の水出口及び／又はセントラルヒーティングシステムに供給するための水を温めるために水供給システムによって取り出すことができる。ヒートポンプ１４０は、周囲から熱エネルギーストレージ１５０に熱を移動させて、熱エネルギーストレージ１５０の温度を所定の動作温度（例えば、４８℃）に上昇させるか、又は充電するように動作させることができる。あるいは、ヒートポンプ１４０を作動させて、熱エネルギーストレージ１５０を所定の作動温度よりも高い温度に充電し、ピーク時に使用できるエネルギーが熱エネルギーストレージ１５０により多く貯蔵されるように、熱エネルギーストレージ１５０を「過熱」してもよい。この場合、水は、熱エネルギーストレージ１５０がより低い所定の動作温度に充電される場合よりも高い温度まで熱エネルギーストレージ１５０によって温められるが、冷水を加え、冷水と温水の割合を調整することによって、水温を所望の温度に容易に調整することができる。

一実施形態では、オフピーク期間中、制御モジュールは、セントラルヒーティングシステムの加熱出力を増加させるために、水供給システムによってセントラルヒーティングシステムに供給される温水の量及び／又は温度を増加させるように構成される（Ｓ２０５）。より具体的には、エネルギー需要が低くエネルギーコストが低いオフピーク期間に、制御モジュールは、ヒートポンプ１４０を動作させて、熱エネルギーストレージ１５０を所定の動作温度に予熱し、水供給システムを制御して、熱エネルギーストレージ１５０に蓄積されたエネルギーを使用して水を加温し、水供給システムが設置された建物構造を温めるように、温水をセントラルヒーティングシステムに流用することができる。加えて、又は代替的に、制御モジュールは、電気加熱要素１６０を作動させて、水供給システムによってセントラルヒーティングシステムに転用される水を温めることができる。加えて、又は代替的に、制御モジュールは、建物構造を温めるために、それに接続された１以上の電気空間加温装置（例えば、電気ラジエータ、赤外線ヒーター、ファンヒーター等）を動作させることができる。このように、本アプローチでは、熱エネルギーストレージ１５０に加えて若しくは代替として、建物構造物自体を熱エネルギーバッファとして使用する。建築構造物に貯蔵できる熱エネルギーの量、及び建築構造物が周囲に熱を失う速度は、建築構造物の熱容量、外気温、及び建築物の断熱性能などによる。そして、制御モジュールは、ピーク時にセントラルヒーティングシステムへの温水の供給を停止し、建物構造体がパッシブ暖房の一形態として蓄積された熱エネルギーをゆっくりと放出するように、水供給システムを制御することができる。加えて又は代替的に、室内ヒートポンプを水供給システムに設け、制御モジュール１１０によって制御して、建物内から熱を抽出し、その熱を例えば熱エネルギーストレージ１５０に移してもよい。そして、制御モジュールは、屋内ヒートポンプを作動させて、建物構造内に蓄積された余剰熱エネルギーを抽出し、抽出されたエネルギーを熱エネルギーストレージ１５０に移して、水を温めるために使用してもよい。このように、室内ヒートポンプは、暖房された建物を熱貯蔵として用いるよう、使用される。

＜ピークタイム戦略＞
図２に示すように、ピーク期間中、制御モジュールは、１以上のピーク時間戦略Ｓ２０６を実施して、ナショナル・グリッド社に置かれたエネルギー需要を低減し、ユーザのエネルギーコストを減らすことができる。そのような戦略の１つには、低コストの、すなわちエネルギー需要の低い、エネルギー源への切り替えＳ２０７が含まれる。電気加熱要素１６０及びヒートポンプ１４０（熱エネルギーストレージ１５０）から構成される水供給システム１００を含む実施形態では、制御モジュール１１０は、水を温めるために電気加熱要素１６０の代わりにヒートポンプ１４０を使用するように切り替えることによって、この戦略を実施するように構成される。

選択的に、制御モジュール１１０は、オフピーク期間（又は低エネルギー需要期間）にヒートポンプ１４０を作動させて、熱エネルギーストレージ１５０を所定の作動温度以上に充電してもよい。そして、蓄えられたエネルギーは、ピーク時（又はエネルギー需要の高い時期）に水を温めるために使用してもよい。

選択的に、制御モジュール１１０は、例えば、ＭＬＡ１２０によって、水供給システムのユーザの水使用パターンを学習するように構成されてもよく、これにより、制御モジュールは、温水がいつ必要とされ得るかを予測することが可能になる。この場合、熱エネルギーストレージ１５０がオフピーク期間に事前充電されるかどうかにかかわらず、制御モジュールは、水の使用パターンによって可能になる予測を使用して、予測された温水の要求の前にヒートポンプ１４０を動作させることによって、現在のピーク時戦略を実施することができ、温水を供給するために、よりコストの高い電気ヒーターに頼らず、熱エネルギーストレージ１５０を準備する。

低コストのエネルギー源に切り替えることに加えて、制御モジュールは、選択的に、ピーク料金Ｓ２０８の間、１以上のユーティリティ消費削減戦略を実施するようにプログラムされ得る。ユーティリティ消費削減戦略は、例えば、水供給システムＳ２０９によって供給される温水の流量及び／又は温度の調整、及び／又は（例えば、温度又は持続時間（時間）に基づく）１以上の加温目標Ｓ２１０に基づいて水供給システムによってセントラルヒーティングに供給される温水の調整を含み得る。

図３は、一実施形態による、温水予算に基づいて温水の流量及び／又は温度を調節する方法を示す。Ｓ２０９において、本方法は、制御モジュールが水流量制御戦略を実施することから始まる。

Ｓ３０１では、水供給システムに接続されかつ供給される水出口が開かれる。水出口は、例えば、蛇口やシャワーである。水栓は、例えば温度制御装置で水温を設定し、例えば水圧制御装置で流量を設定することで、ユーザによってオンにされる。

水出口がオンされたことを検出すると、制御モジュールは、Ｓ３０２において、経過時間Ｔの監視を開始する。例えば、制御モジュールは、水出口がオンされたときからの経過時間Ｔを記録するためのタイマを備えるか、又はタイマに接続されてもよい。制御モジュールは、複数の水出口が同時にオンされた場合に複数の経過時間を決定できるように、複数のタイマを備えるか又は複数のタイマに接続されてもよい。経過時間Ｔは、水温と圧力（流量）とともに、使用エネルギー量の指標となる。

本実施形態によれば、経過時間閾値Ｔ１は、ユーティリティ消費削減戦略が実施される場合（例えば、ピーク時間帯）に使用される温水の量又は温水のために使用されるエネルギー量の制限を設定する所定の温水予算に基づいて設定され得る。したがって、Ｓ３０３において、制御モジュールは、経過時間Ｔが閾値Ｔｌを超えるか否かを判定する。経過時間Ｔが閾値Ｔｌを超えないと制御モジュールが判定した場合、制御モジュールは、Ｓ３０４において、水の水出口の監視を継続する。水出口がまだ開いている場合、制御モジュールは経過時間Ｔの監視を継続する。水出口がもはや開いていない場合、制御モジュールは水出口の監視を停止し、プロセスは終了する。

Ｓ３０３において、経過時間Ｔが閾値Ｔｌを超えると制御モジュールが判定した場合、Ｓ３０５において、制御モジュールは、水出口に供給される温水の流量を減らすように水供給システムを制御する。そうすることで、使用される温水の全体的な量を減らすことが可能であり、それにより、消費される清浄な水の量と、水を温めるために必要とされるエネルギーの量との両方を減らすことが可能でとなる。制御モジュールは、代替的に又は追加的に、Ｓ３０５において、水出口に供給される温水の温度を下げるように水供給システムを制御してもよい。そうすることで、水を温めるために消費されるエネルギーの総量を削減することができる。

選択的に、制御モジュールは、水出口がオンになってからの経過時間Ｔを監視し続け、例えば経過時間Ｔが再び閾値Ｔｌを超えた場合などに、流量を更に減少させてもよい。

図４は、実施形態による、加温目標のセットの所定の加温目標に基づいて、セントラルヒーティングのために供給される温水を調節する方法を示す。Ｓ２１０において、本方法は、制御モジュールが加温目標を実施することから始まる。

Ｓ４０１において、制御モジュールは、セントラルヒーティングシステムがオンにされたか否かを決定する。例えば、セントラルヒーティングシステムは、１日の指定された時間に、及び／又は室内温度が指定された温度以下になったときに、及び／又はユーザによって手動で、オンになるように、設定され得る。セントラルヒーティングシステムがオンになっていないと判断された場合、プロセスは終了する。

Ｓ４０１において、セントラルヒーティングシステムがオンになっていると判断された場合、制御モジュールは、例えば、セントラルヒーティングシステムに転用された温水の温度及び量を監視することによって、及び／又は室内温度の変化を監視することによって、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力Ｅｏｕｔの監視に進む。

Ｓ４０２において、制御モジュールは、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力Ｅｏｕｔを決定し、次にＳ４０３において、制御モジュールは、エネルギー出力Ｅｏｕｔが所定の加温目標を満たすか否かを決定する。加温目標は、例として、消費されるエネルギー量の観点及び／又はセントラルヒーティングシステムに供給される水を温めるために費やされるエネルギーの最大コストの観点などの、セントラルヒーティングシステムの所定の最大エネルギー出力を設定する。

Ｓ４０３において、制御モジュールが、Ｅｏｕｔが所定の最大エネルギー出力以下であるなどのように、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力Ｅｏｕｔが加温目標を満たすと判定した場合、制御モジュールは、Ｓ４０４において、セントラルヒーティングシステムがまだオンになっているかどうかを監視し続け、セントラルヒーティングシステムがまだオンになっている場合、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力Ｅｏｕｔを監視し続け、そうでない場合、プロセスは終了する。

Ｓ４０３において、制御モジュールが、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力Ｅｏｕｔが加温目標を満たさないと判定した場合、例えば、Ｅｏｕｔが所定の最大エネルギー出力を上回ると判定した場合、制御モジュールは、Ｓ４０５において、例えば、水供給システムによってセントラルヒーティングシステムに供給される温水の温度及び／又は温水の量（例えば、流量を減らすことによって、及び／又は温水を断続的に供給することによって）を減らすことによって、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力を減らす。そして、制御モジュールは、セントラルヒーティングシステムのエネルギー出力を監視し続け、加温目標が満たされない場合、選択的にさらなる調整を実行することができる。

１以上のユーティリティ消費削減戦略を実施することにより、制御モジュールは、エネルギー消費（任意で水消費）を予算に収めるために、温水の使用を制御し、調節することができる。当業者にとって、上述の戦略を独立して、あるいは所望の組み合わせで実施できることは明らかであろう。

本アプローチによれば、エネルギー需要の低い期間に１以上の熱エネルギーストレージ（建物自体を含む）に熱エネルギーを貯蔵し、エネルギー需要の高い期間に蓄積された熱エネルギーを使用して水を温める戦略を実施することにより、温水を供給する実用的な低コスト方法としてのヒートポンプの効率と使い勝手を向上させることが可能である。更に、水を温めるためのエネルギー需要の少なくとも一部をピーク時間帯からオフピーク時間帯にシフトさせることにより、異なる時間帯におけるエネルギー需要のバランスを改善することも可能である。

当業者には理解されるように、本技術は、システム、方法、又はコンピュータプログラム製品として具体化することができる。したがって、本技術は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態、又はソフトウェアとハードウェアを組み合わせた実施形態の形態をとることができる。

更に、本技術は、その上に具現化されたコンピュータの読み取り可能なプログラムコードを有するコンピュータの読み取り可能な媒体に具現化されたコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。コンピュータの読み取り可能な媒体は、コンピュータの読み取り可能な信号媒体であってもよいし、コンピュータの読み取り可能な記憶媒体であってもよい。コンピュータの読み取り可能な媒体は、例えば、電子式、磁気式、光学式、電磁式、赤外線式、又は半導体式のシステム、装置、もしくはデバイス、又はこれらの任意の適切な組み合わせであってよいが、これらに限定されない。

本技術の動作を実行するためのコンピュータプログラムコードは、オブジェクト指向プログラミング言語及び従来の手続き型プログラミング言語を含む、１以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで記載することができる。

例えば、本技術の動作を実行するためのプログラムコードは、Ｃ言語などの従来のプログラミング言語（インタープリタ型又はコンパイル型）のソースコード、オブジェクトコード、又は実行可能コード、アセンブリコード、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）又はＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）を設定又は制御するためのコード、又はＶｅｒｉｌｏｇＴＭ又はＶＨＤＬ（超高速集積回路ハードウェア記述言語）などのハードウェア記述言語のコードなどで構成することができる。

プログラムコードは、完全にユーザのコンピュータ上で実行されてもよいし、一部はユーザのコンピュータ上で実行され、一部はリモートコンピュータ上で実行されてもよいし、完全にリモートコンピュータ又はサーバ上で実行されてもよい。後者のシナリオでは、リモートコンピュータは、あらゆるタイプのネットワークを介してユーザのコンピュータに接続され得る。コードコンポーネントは、手順、方法などとして具現化することができ、ネイティブ命令セットの直接的な機械命令から高レベルのコンパイル済み又は解釈された言語コンストラクトまで、抽象化レベルのいずれかの命令又は命令シーケンスの形をとるサブコンポーネントから構成することもある。

また、本技術の好ましい実施形態による論理的方法の全部または一部は、好適には、前記方法のステップを実行するための論理素子を含む論理装置において具現化されてもよく、そのような論理素子は、例えば、プログラマブル論理アレイ又は特定用途向け集積回路における論理ゲートなどの構成要素から構成されてもよいことは、当業者には明らかであろう。このような論理配置は、更に、例えば、仮想ハードウェア記述子言語を使用して、このようなアレイまたは回路内の論理構造を一時的又は恒久的に確立するための有効化要素（enabling elements）に具現化されてもよく、この有効化要素は、固定または移送可能なキャリア媒体を使用して記憶および送信されてもよい。

本明細書に記載した実施例及び条件の文言は、読者が本技術の原理を理解するのを助けるためのものであり、本技術の範囲をそのような具体的に記載した実施例及び条件に限定するものではない。当業者であれば、本明細書において明示的に記載又は図示されていなくとも、本技術の原理を具現化し、添付の特許請求の範囲によって定義されるその範囲内に含まれる様々な配置を考案し得ることが理解されよう。

更に、理解の一助として、上記の説明は、本技術の比較的単純化された実施態様を説明し得るものである。当業者であれば理解できるように、本技術の様々な実施態様は、より複雑なものであってもよい。

いくつかの点では、本技術の改変例として有用と思われるものも記載する。これは単に理解の一助として行ったものであり、やはり、本技術の範囲を限定したり、境界を定めたりするものではない。これらの改変は、網羅的なリストではなく、当業者であれば、本技術の範囲内にありながら、他の改変を行い得る。更に、改変例が示されていない場合、改変が不可能であると解釈されるべきではなく、及び／又は、記載されているものが、本技術のその要素を実施する唯一の方法であると解釈されるべきではない。

更に、本明細書において、本技術の原理、態様、及び実装、ならびにその具体例を説明するすべての記述は、現在公知であるか将来開発されるかにかかわらず、その構造的及び機能的等価物の両方を包含することを意図している。したがって、例えば、本明細書におけるブロック図は、本技術の原理を具現化する例示的な回路の概念図を表すことが当業者には理解されよう。同様に、任意のフローチャート、フロー図、状態遷移図、擬似コードなどは、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されているか否かにかかわらず、実質的にコンピュータの読み取り可能な媒体で表され、コンピュータ又はプロセッサによって実行され得る様々なプロセスを表すことが理解されよう。

「プロセッサ」と表示された機能ブロックを含め、図に示した様々な要素の機能は、専用ハードウェアの使用だけでなく、適切なソフトウェアと関連してソフトウェアを実行できるハードウェアの使用によっても提供され得る。プロセッサによって提供される場合、その機能は、単一の専用プロセッサによって提供されてもよいし、単一の共有プロセッサによって提供されてもよいし、いくつかは共有され得る複数の個別プロセッサによって提供されてもよい。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアのみを指すと解釈されるべきではなく、限定されないが、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアを格納するための読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び不揮発性ストレージを暗黙的に含む場合がある。その他のハードウェア（従来型及び／又はカスタム）も含めることができる。

ソフトウェアモジュール、又は単にソフトウェアであることが暗示されるモジュールは、本明細書では、フローチャート要素、又はプロセスステップの実行を示す他の要素、及び／又はテキスト記述の任意の組み合わせとして表すことができる。このようなモジュールは、明示的又は暗示的に示されるハードウェアによって実行される場合がある。

本技術の範囲から逸脱することなく、前述の例示的な実施形態に多くの改良及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。

Claims (16)

1. 建物内に設置された水供給システムによるエネルギー消費を調節するコンピュータ実装方法であって、水供給システムは、水を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子と、熱エネルギーを建物外部から建物内部の熱エネルギー蓄積媒体に移送するように構成されたヒートポンプと、水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールとを備え、水供給システムは、１以上の電気加熱素子及び／又は熱エネルギー蓄積媒体によって温水を１以上の水出口に供給するように構成され、本方法は、制御モジュールによって実行され、
   建物を構成する地理的地域のエネルギー需要のレベルを決定する工程と、
   エネルギー需要のレベルが高いと判断した場合に、水供給システムを制御して、温水を供給するために、１以上の電気加熱要素を使用することから熱エネルギー蓄積媒体に切り替える工程と、
   を備える、コンピュータ実装方法。
2. 予想される温水の需要に基づいて、ヒートポンプを作動させて熱エネルギーを熱エネルギー蓄積媒体に移送する工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 水供給システムの過去の使用状況から確立された水使用パターンに基づいて、予想される温水の需要を決定する工程を更に含む請求項２記載の方法。
4. エネルギー需要のレベルが高いと判断したときに、少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略を実施する工程を更に含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、前記１以上の水出口のうちの第１の水出口が使用中であると判定する工程と、前記第１の水出口に供給される温水の流量を第１の流量から前記第１の流量よりも低い第２の流量に減少させる工程とを含む請求項４記載の方法。
6. 少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、１以上の水出口のうちの第２の水出口が使用中であると判定する工程と、第２の水出口に供給される温水の温度を第１の温度から第１の温度よりも低い第２の温度まで低下させることとを含む、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記水供給システムは、前記建物の室内温度を上げるように構成されたセントラルヒーティングシステムに温水を供給するように構成され、前記少なくとも１つのユーティリティ消費削減戦略は、前記セントラルヒーティングシステムの加熱出力が少なくとも１つの加温目標を満たすように、前記セントラルヒーティングシステムに温水を供給するよう前記水供給システムを制御する工程を含む、請求項４、５又は６のいずれか一項に記載の方法。
8. 温水をセントラルヒーティングシステムに供給するよう水供給システムを制御することは、セントラルヒーティングシステムに供給される温水の流量及び／又は温度及び／又は時間を調整する工程を含む請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも１つの加温目標が、セントラルヒーティングシステムに供給される水を温めるために使用される最大エネルギー量を含む請求項７又は８に記載の方法。
10. 前記最大エネルギー量は、前記熱エネルギー蓄積媒体に蓄積されたエネルギー量に基づいて決定される請求項９に記載の方法。
11. エネルギー需要のレベルが低いと判断したときに、熱エネルギー蓄積媒体に熱エネルギーを蓄積するようにヒートポンプを動作させることを更に含む請求項請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. エネルギー需要のレベルは、エネルギー供給業者から得られた料金データに基づいて決定される請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. エネルギー需要のレベルは、料金データがピーク料金を示す場合に高いと判定される請求項１２に記載の方法。
14. 建物内に設置された水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールであって、水供給システムは、熱エネルギーを熱エネルギー蓄積媒体に移送するように構成されたヒートポンプと、水を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子とを備え、水供給システムは、水熱エネルギー蓄積媒体を温めるように動作可能な１以上の電気加熱素子及び／又は熱エネルギー蓄積媒体によって温められた温水を１以上の水出口に供給するように構成され、制御モジュールは、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の工程を実行するように構成された制御回路を備える制御モジュール。
15. 建物内に配置された１以上の水出口に水を供給するための水供給システムであって、
    水供給システムによって供給される水を温めるように構成された１以上の電気加熱要素と、
    建物内に配置され、熱エネルギーを蓄積するように構成された熱エネルギーストレージと、
    前記熱エネルギーストレージに近接して配置され、前記熱エネルギーストレージに蓄積された熱エネルギーを使用して、前記水供給システムによって供給される水を温めるように構成された熱交換器と、
    熱エネルギーを建物の外から熱エネルギーストレージに移送するように構成されたヒートポンプと、
    前記水供給システムの動作を制御するように構成された制御モジュールであって、請求項１〜１３のいずれかの工程を実行するように構成された制御回路を含む制御モジュール。
16. コンピュータシステム上で実行されたときに、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を実行するようにコンピュータシステムに指示するための、コンピュータの読み取り可能な記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラム。
    

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