JP5006678B2 - 貯湯式の給湯装置 - Google Patents
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Description
前記運転制御手段が、
前記熱負荷計測手段にて計測される熱量を時系列的な実熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実熱負荷データに基づいて時系列的な予測熱負荷データを求める予測データ演算処理、
前記貯湯槽に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱手段の加熱作動を制御する加熱作動制御処理、及び、
前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱手段の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成された貯湯式の給湯装置に関する。
尚、加熱手段が熱電併給装置から発生する熱を熱源として加熱作用するように構成される場合、運転メリットとしては、熱電併給装置を運転することによるエネルギ削減量等にて示される省エネルギ性、熱電併給装置を運転することによるエネルギコスト削減費等にて示される経済性、又は、熱電併給装置を運転することによる二酸化炭素削減量等にて示される環境性等がある。
このように貯湯槽の実貯湯温度よりも高い温度の実熱負荷が発生すると、熱消費部に供給される湯水の温度を目標給湯温度にするように補助加熱手段の加熱作動が制御されることになるが、このように補助加熱手段の加熱作動が行われる状態においては、貯湯槽の湯にて賄われる熱量は、実熱負荷から補助加熱手段にて賄われた熱量を差し引いた熱量である。
つまり、貯湯槽に貯湯される熱量にて賄うことができる湯水の温度、換言すれば、貯湯槽から出湯可能な出湯温度は、目標貯湯温度よりも少し低い温度であるため、その出湯可能な温度よりも高い温度の実熱負荷が発生したときには、その実熱負荷は、貯湯槽の熱量と補助加熱手段が発生する熱量とで賄われるものであるにも拘わらず、従来では、その実熱負荷に対応する熱量の全てを貯湯槽に蓄熱させるものとなるため、熱余りが発生する虞があった。
前記運転制御手段が、
前記熱負荷計測手段にて計測される熱量を時系列的な実熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実熱負荷データに基づいて時系列的な予測熱負荷データを求める予測データ演算処理、
前記貯湯槽に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱手段の加熱作動を制御する加熱作動制御処理、及び、
前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱手段の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成されたものであって、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記目標給湯温度が前記貯湯槽から出湯可能な設定出湯温度よりも高い状態に対応する高温熱負荷データが存在する場合には、その高温熱負荷データを除いた時系列的な実熱負荷データを前記時系列的な実熱負荷データとして、前記時系列的な予測熱負荷データを求めるように構成されている点を特徴とする。
従って、熱余りを抑制するように貯湯槽に貯湯し得る貯湯式の給湯装置を提供することができるようになった。
前記運転制御手段が、
前記熱負荷計測手段にて計測される熱量を時系列的な実熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実熱負荷データに基づいて時系列的な予測熱負荷データを求める予測データ演算処理、
前記貯湯槽に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱手段の加熱作動を制御する加熱作動制御処理、及び、
前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱手段の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成されたものであって、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記目標給湯温度が前記貯湯槽から出湯可能な設定出湯温度よりも高い状態に対応する高温熱負荷データが存在する場合には、その高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正した時系列的な実熱負荷データを前記時系列的な実熱負荷データとして、前記時系列的な予測熱負荷データを求めるように構成されている点を特徴とする。
ちなみに、高温熱負荷データの発生時間帯に対応して、実熱負荷よりも小さい熱量を貯湯槽に蓄熱することが可能となることにより、上記の第1特徴構成の如く、高温熱負荷データに対応する熱量は貯湯槽に蓄熱しないようにする場合に比べて、貯湯槽に蓄熱される熱量が時系列的な予測熱負荷データに対して小さくなり過ぎるのを抑制することができるので、補助加熱手段の消費エネルギを低減することが可能となり、運転メリットを向上することが可能となる。
従って、熱余りを抑制するように貯湯槽に貯湯し得る貯湯式の給湯装置を提供することができるようになった。
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記高温熱負荷データの発生時間帯における前記補助加熱手段の加熱量である補助加熱量を減じることにより、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている点を特徴とする。
しかも、実熱負荷から補助加熱手段にて賄われた熱量を差し引いた熱量に極力近い熱量を貯湯槽に蓄熱することが可能となることにより、補助加熱手段の消費エネルギをより一層低減することが可能となるので、運転メリットをより一層向上することが可能となる。
従って、運転メリットをより一層向上しながら、熱余りを抑制するよう貯湯槽に貯湯することができるようになった。
前記給湯路における前記補助加熱手段よりも上流側又は下流側の箇所にて通流する湯水に水を混合し、且つ、その水の混合量を調節自在な水混合手段が設けられ、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、前記補助加熱手段の加熱量調節範囲における最小加熱量又はその最小加熱量に近い加熱量を前記補助加熱量として、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている点を特徴とする。
そして、高温熱負荷データの発生時間帯では、補助加熱手段を最小加熱量にて加熱作動させ、且つ、補助加熱手段を最小加熱量にて加熱作動させたときに熱消費部に供給される湯水の温度が目標給湯温度になるように、給湯路における補助加熱手段よりも上流側又は下流側の箇所にて通流する湯水に水混合手段により水を混合することにより、目標給湯温度の湯が熱消費部に供給されるように構成される場合がある。
そこで、そのような構成にて目標給湯温度の湯が熱消費部に供給される場合に、補助加熱手段の最小加熱量又はその最小加熱量に近い加熱量を補助加熱量として、高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データが負荷減少側に補正するように構成するようにすることにより、高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データの負荷減少側への補正を簡単に行うことができる。
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、設定流量の湯水を設定温度上昇させるための前記補助加熱手段の加熱量を前記補助加熱量として、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている点を特徴とする。
ちなみに、このように補助加熱手段を加熱作動させたときに、熱消費部に供給される湯水の温度が目標給湯温度よりも高くなる場合には、消費部に供給される湯水の温度が目標給湯温度になるように、給湯路における補助加熱手段よりも上流側又は下流側の箇所にて、水混合手段により水が混合されることになる。
そこで、高温熱負荷データの発生時間帯においては、設定流量の湯水を設定温度上昇させるための加熱量にて加熱作動させるように補助加熱手段が構成される場合に、設定流量の湯水を設定温度上昇させるための補助加熱手段の加熱量を補助加熱量として、高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成することにより、高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データの負荷減少側への補正を簡単に行うことができる。
前記加熱作動条件が、前記加熱手段を加熱作動させる運転時間帯を定める条件、前記加熱手段にて出力する加熱量を定める条件及び前記貯湯槽の貯湯熱量を定める条件のうちの少なくとも一つを定める条件である点を特徴とする。
従って、運転メリットを向上するように加熱手段の加熱作動を制御することができるようになった。
〔第1実施形態〕
以下、図面に基づいて、本発明にかかる貯湯式の給湯装置をコージェネレーションシステムに適用した場合の第1実施形態を説明する。
コージェネレーションシステムは、図1及び図2に示すように、電力と熱とを発生する熱電併給装置としての燃料電池1と、その燃料電池1が発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯槽2への貯湯及び熱消費端末3への熱媒供給を行う貯湯ユニット4と、燃料電池1及び貯湯ユニット4の運転を制御する運転制御手段としての運転制御部5などから構成されている。
前記燃料ガス生成部は、供給される都市ガス(例えば、天然ガスベースの都市ガス)等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器、その脱硫器から供給される脱硫原燃料ガスと別途供給される水蒸気とを改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器、その改質器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器、その変成器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を別途供給される選択酸化用空気にて選択酸化する一酸化炭素除去器等から構成され、一酸化炭素を変成処理及び選択酸化処理により低減した改質ガスを前記燃料ガスとして前記セルスタックに供給するように構成されている。
前記燃料電池1の電力の出力側には、系統連系用のインバータ6が設けられ、そのインバータ6は、燃料電池1の発電電力を商用電源7から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数にするように構成されている。
前記商用電源7は、例えば、単相3線式100/200Vであり、受電電力供給ライン8を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷9に電気的に接続されている。
また、インバータ6は、発電電力供給ライン10を介して受電電力供給ライン8に電気的に接続され、燃料電池1の発電電力がインバータ6及び発電電力供給ライン10を介して電力負荷9に供給されるように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ6により燃料電池1から受電電力供給ライン8に供給される電力が制御され、発電出力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ12に供給されるように構成されている。
また、作動スイッチ14は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ12の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ12の消費電力を調整するように構成されている。
尚、電気ヒータ12の消費電力を調整する構成については、上記のように複数の電気ヒータ12のON/OFFを切り換える構成以外に、その電気ヒータ12の出力を例えば位相制御等により調整する構成を採用しても構わない。
前記湯水循環路16は、その一部が並列になるように分岐接続され、その接続箇所に三方弁18が設けられており、分岐された一方側の流路には、ラジエータ19が設けられている。そして、三方弁18を切り換えることにより、貯湯槽2の下部から取り出した湯水がラジエータ19を通過するように循環させる状態と、貯湯槽2の下部から取り出した湯水がラジエータ19をバイパスするように循環させる状態とに切り換えるように構成されている。
又、前記給水路29から分岐された混合水路33が、前記給湯路27における前記補助加熱用熱交換器28aよりも上流側、即ち、前記補助加熱器28よりも上流側の箇所に接続され、その接続箇所には、前記貯湯槽2から送出される湯水と混合水路33から供給される水との混合比率を調節自在な水混合弁34が設けられている。
つまり、これら混合水路33及び水混合弁34により、前記給湯路27における前記補助加熱器28よりも上流側の箇所にて通流する湯水に水を混合し、且つ、その水の混合量を調節自在な水混合手段Bが構成される。
そして、分流弁30は、冷却水循環路13の冷却水の全量を貯湯用熱交換器24側に通流させたり、冷却水循環路13の冷却水の全量を熱源用熱交換器25側に通流させることもできるように構成されている。
前記熱媒加熱用熱交換器26においては、熱源用熱交換器25や補助加熱器28にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路22を通流する熱媒を加熱させるように構成されている。前記熱消費端末3は、床暖房装置や浴室暖房装置などの暖房端末にて構成されている。
又、前記食器洗浄機Wの運転を制御する洗浄運転制御部37(湯消費機器の運転制御手段に相当する)と前記運転制御部5とは、制御情報等を通信可能に接続され、この洗浄運転制御部37は、前記食器洗浄機Wの運転スイッチ38により食器洗浄機Wの運転開始が指令されると、食器洗浄機Wへの給湯路27に設けられた食器洗浄用開閉弁(図示省略)を開弁すると共に、前記運転制御部5に、目標給湯温度を食器洗浄用の目標給湯温度(例えば60°C)に設定することを指令するように構成され、前記食器洗浄機Wの運転スイッチ38及び洗浄運転制御部37により、前記目標給湯温度設定手段Cが構成されることになる。
ちなみに、この目標給湯温度設定手段Cにて設定可能な目標給湯温度の最高温度は、前記補助加熱器28の最小燃焼量にて加熱作動させた場合に、貯湯槽2から設定出湯温度で送出される湯を昇温させることが可能な温度以下に設定される。ちなみに、詳細は後述するが、前記設定出湯温度は前記加熱部Hを加熱作動させることにより貯湯槽2に貯湯される湯の温度である。
前記給湯熱負荷計測手段Nについて、説明を加える。
前記運転制御部5は、サンプリング時間毎に、前記熱消費部に供給される湯水の熱量Qs(kcal/サンプリング時間)を、前記熱消費部に供給される湯水の温度である給湯温度Ts(°C)、前記熱消費部に供給される湯水の流量である給湯流量Fs(リットル/サンプリング時間)、及び、前記貯湯槽2への給水温度Ti(°C)に基づいて、下記の式1により求めるように構成されている。ちなみに、前記サンプリング時間は、例えば5秒間に設定される。
尚、この実施形態では、熱量の単位をkcalにて示す場合があるが、1kWh=860kcalの関係に基づいて860に設定される係数αにて各値を除することにより、kWhの単位として求めることができる。
そして、前記運転制御部5は、上記の式1により前記熱消費部に供給される湯水の熱量Qsを求めるときには、前記給湯温度Tsを前記給湯温度センサ41の検出温度とする又は前記目標給湯温度設定手段Cにて設定された目標給湯温度とするように構成され、前記給湯流量Fsを前記給湯流量センサ42の検出流量とする又は特定の熱消費部について予め設定された設定流量とするように構成され、並びに、前記給水温度Tiを前記給水温度センサ43の検出温度とするように構成されている。
つまり、前記給湯熱負荷計測手段Nは、前記運転制御部5、前記給湯温度センサ41、前記給湯流量センサ42及び前記給水温度センサ43により構成されている。
又、前記貯湯槽2には、その貯湯熱量の検出用として、貯湯槽2の上層部の上端位置の湯水の温度を検出する上端温度センサS1、貯湯槽2の上層部と中層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間上位温度センサS2、貯湯槽2の中層部と下層部との境界位置の湯水の温度を検出する中間下位温度センサS3、及び、貯湯槽2の下層部の下端位置の湯水の温度を検出する下端温度センサS4が設けられている。
前記上端温度センサS1、中間上位温度センサS2、中間下位温度センサS3、下端温度センサS4夫々にて検出される貯湯槽2の湯水の温度を、夫々、T1、T2、T3、T4とし、前記給水温度センサ43にて検出される給水温度をTiとし、上層部、中層部、下層部夫々の容量をV(リットル)とする。
又、前記上層部における重み係数をA1とし、前記中層部における重み係数をA2とし、前記下層部における重み係数をA3とすると、貯湯熱量(kcal)は、下記の(式2)にて演算することができる。
+(A2×T2+(1−A2)×T3−Ti)×V
+(A3×T3+(1−A3)×T4−Ti)×V……………(式2)
この運転制御部5は、前記給湯熱負荷計測手段Nにて計測される熱量を時系列的な実給湯熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実給湯熱負荷データに基づいて時系列的な予測給湯熱負荷データを求める予測データ演算処理、前記貯湯槽2に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測給湯熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱部Hの加熱作動を制御する貯湯用の加熱作動制御処理、熱源用循環路20を通して熱源用湯水を循環させるように、前記熱源用断続弁40、前記分流弁30及び前記熱源用循環ポンプ21を作動させ、並びに、前記時系列的な予測給湯熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱部Hの加熱作動を制御する熱媒循環用の加熱作動制御処理、及び、前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱器28の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成されている。
この貯湯用の加熱作動制御処理では、前記貯湯温度センサShの検出情報に基づいて、前記貯湯槽2に供給される湯水の温度が予め設定された目標貯湯温度(例えば60°C)になるように湯水循環量を調節すべく、前記湯水循環ポンプ17の作動を制御することにより、前記貯湯槽2に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように、前記加熱部Hを加熱作動させることになる。
そして、この貯湯運転により、湯水循環路16を通流する間の湯水からの放熱等を考慮して、目標貯湯温度よりも低い温度(例えば59°C)に設定された設定出湯温度の湯が貯湯槽2に貯湯されることになる。
この熱媒循環用の加熱作動制御処理では、熱源用断続弁40を開弁し、熱源用循環ポンプ21を作動させ、前記分流弁30を冷却水の全量を熱源用熱交換器25側に通流させる状態に切り換えることにより、熱源用循環路20を通して熱源用湯水を循環させることになる。
前記運転制御部5は、前記熱媒供給運転の実行中に前記端末用リモコンから運転の停止が指令されると、前記分流弁30を冷却水の全量を貯湯用熱交換器24側に通流させる状態に切り換え、前記熱源用断続弁40を閉弁し、前記熱源用循環ポンプ21を停止させて、前記湯水循環ポンプ17を作動させることにより、前記熱媒供給運転から前記貯湯運転に切り換えるように構成されている。
前記運転制御部5は、補助加熱作動制御処理において、前記送出温度センサSoにて検出される送出温度が前記目標給湯温度設定手段Cにて設定された目標給湯温度よりも低い場合は、前記送出温度センサSoにて検出される湯水の温度及び前記給湯流量センサ42にて検出される湯水の流量に基づいて、前記貯湯槽2から送出される湯水を目標給湯温度に加熱するために要する前記補助加熱器28の必要燃焼量を求めて、その求めた必要燃焼量が前記補助加熱器28の燃焼量調節範囲における最小燃焼量よりも大きいか否かを判別し、必要燃焼量が最小燃焼量よりも大きい場合は、前記給湯温度センサ41の検出温度が目標給湯温度になるように前記補助加熱器28の燃焼量を調節し、且つ、水の混合量を0にすべく、前記混合水路33側を閉じるように前記水混合弁34の作動を制御し、必要燃焼量が最小燃焼量以下の場合は、前記補助加熱器28の燃焼量を最小燃焼量に調節し、且つ、熱消費部に供給される湯水の温度が目標給湯温度になるように前記水混合弁34の作動を制御するように構成されている。
ちなみに、この実施形態では、前記運転周期が1日に、前記設定期間が28日(4週間)に、前記単位時間が1時間にそれぞれ設定されている。
前記時系列的な実給湯熱負荷データ及び前記時系列的な実端末熱負荷データ夫々における単位時間毎の実負荷データは、サンプリング時間毎の実負荷データを積算することにより求められる。又、前記時系列的な実電力負荷データにおける単位時間毎の実負荷データは、サンプリング時間毎の実負荷データを積算した積算値を単位時間で除することにより求められる。
又、前記給湯温度設定部36により、前記設定出湯温度よりも高い目標給湯温度が設定されている状態で、前記給湯流量センサ42により設定最小流量以上の流量が検出されている時間帯が、前記高温熱負荷データの発生時間帯となる。
又、前記運転制御部5は、前記給湯温度設定部36により前記設定出湯温度よりも高い目標給湯温度が設定されている状態での前記高温熱負荷データの発生時間帯においては、上記の式1に基づいて熱量Qsを求めるときは、前記給湯温度Tsを前記給湯温度設定部36により設定された目標給湯温度とし、且つ、前記給湯流量Fsを前記給湯流量センサ42の検出流量とするように構成されている。
又、運転制御部5が、前記予測データ演算処理において、前記高温熱負荷データの発生時間帯における前記補助加熱器28の加熱量である補助加熱量を減じることにより、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている。
更に、運転制御部5が、前記予測データ演算処理において、前記補助加熱器28の加熱量調節範囲における最小加熱量を前記補助加熱量として、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている。
又、前記運転制御部5は、前記時系列的な実電力負荷データにおける単位時間毎の実電力負荷データについては、前記電力負荷計測手段11の計測値及び前記インバータ6の出力値に基づいて計測される電力をサンプリング時間毎の実電力負荷データとして、そのサンプリング時間毎の実電力負荷データを積算し、その積算値を単位時間で除することにより、単位時間毎の実電力負荷データを求めるように構成されている。
前記運転制御部5は、運転周期の開始時点(例えば午前3時)において、前記時系列的な実給湯熱負荷データ、前記時系列的な実端末熱負荷データ及び前記時系列的な実電力負荷データの管理データに基づいて、連続する予測用設定回数の運転周期のうちの最初の運転周期の時系列的な予測給湯熱負荷データ、時系列的な予測端末熱負荷データ及び時系列的な予測電力負荷データ、並びに、予測用設定回数の運転周期のうちの最初の運転周期に後続する運転周期の時系列的な予測給湯熱負荷データ及び時系列的な予測端末熱負荷データを求めるように構成されている。ちなみに、前記予測用設定回数は複数回数(例えば3回)に設定される。
但し、γは定数であり、例えば0.75に設定される。
前記運転制御部5は、前記学習運転制御処理においては、前記時系列的な予測給湯熱負荷データに加えて、前記時系列的な予測端末熱負荷データ及び前記時系列的な予測電力負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱部Hを加熱作動させるように構成されている。
以下、前記時系列的な予測給湯熱負荷データと前記時系列的な予測端末熱負荷データとを加えた時系列的な熱負荷データを時系列的な予測熱負荷データと称して、説明を加えるが、この実施形態においては、熱の負荷状態としては、前記熱消費端末3での端末熱負荷が発生しておらず、給湯熱負荷のみが発生する状態として、時系列的な予測熱負荷データとして予測給湯熱負荷データのみが求められるとして説明する。
ちなみに、予測電力負荷データの単位はkWhであり、予測給湯熱負荷データの単位はkcal/hである。
又、前記運転形態選択条件が、連続運転メリットとしての連続運転形態の予測エネルギ削減量が設定削減量G(例えば580Wh)以上のときは、燃料電池1の運転形態を断続運転形態よりも優先して連続運転形態に定め、且つ、連続運転形態の予測エネルギ削減量が設定削減量Gよりも小さいときは、燃料電池1の運転形態を連続運転形態の予測エネルギ削減量及び断続運転形態の予測エネルギ削減量のうちのエネルギ削減量が大きい方に対応する運転形態に定める条件に設定されている。
そして、前記運転制御部5が、前記連続運転メリットとして前記複数種の連続運転形態夫々についての運転メリットを求め、且つ、前記断続運転メリットとして前記複数種の断続運転形態夫々についての運転メリットを求めて、その求めた前記複数種の連続運転形態夫々についての運転メリット及び前記複数種の断続運転形態夫々についての運転メリット並びに前記運転形態選択条件に基づいて、燃料電池1の運転形態を前記複数種の連続運転形態及び前記複数種の断続運転形態のうちのいずれか1つに定めるように構成されている。
前記抑制断続運転形態として、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づく運転メリットが最も高くなる単位時間に定める単周期対応型の抑制断続運転形態と、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに後続する運転周期における予測熱負荷に基づく運転メリットが最も高くなる単位時間に定める複数周期対応型の抑制断続運転形態とが含まれる。
前記強制断続運転形態として、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づく運転メリットが最も高くなる単位時間に定める単周期対応型の強制断続運転形態と、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに後続する運転周期における予測熱負荷に基づく運転メリットが最も高くなる単位時間に定める複数周期対応型の強制断続運転形態とが含まれる。
尚、予測貯湯熱量、予測不足熱量、予測余り熱量は、夫々、各単位時間の終了時点での熱量を示す。又、この第1実施形態では、予測熱負荷は、各単位時間の開始時点に発生し、予測熱出力は予測熱負荷が発生した後に出力されるものとしている。
又、運転制御部5は、前記断続運転メリットとしての断続運転形態の予測エネルギ削減量として、負荷追従断続運転形態、抑制断続運転形態及び強制断続運転形態夫々について、1日対応型、2日対応型、3日対応型夫々の運転形態の予測エネルギ削減量を求める。
運転周期の複数の単位時間夫々の予測発電出力(kW)は、予測電力負荷が燃料電池1の最小出力(例えば0.3kW)以上且つ最大出力(例えば1.0kW)以下の範囲のときは予測電力負荷に設定され、予測電力負荷が燃料電池1の最小出力よりも小さいときはその最小出力に設定され、予測電力負荷が燃料電池1の最大出力よりも大きいときはその最大出力に設定される。
運転周期の複数の単位時間夫々の予測熱出力(kcal/h)は、下記の式5にて求められる。
例えば、予測電力負荷が燃料電池1の最小出力よりも小さいときは、余剰電力は、燃料電池1の最小出力から予測電力負荷を減じることにより求められる。又、詳細は後述するが、燃料電池1の発電出力を予測電力負荷に追従する電主出力よりも大きい設定増大出力に設定するときは、余剰電力は、その設定増大出力から予測電力負荷を減じることにより求められる。
αは、上述したように860に設定される係数である。
βは、電気ヒータ12にて余剰電力(kWh)を熱(kWh)に変換するときの効率であるヒータ効率であり、例えば、0.9に設定される。
電池発電効率は、燃料電池1における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発電出力(kWh)の比率を示し、電池熱効率は、燃料電池1における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発生熱量(kWh)の比率を示し、これら電池発電効率及び電池熱効率は発電出力に応じて変動するものであり、予め、図6に示すように、発電出力に応じて設定されて前記メモリ31に記憶されている。そして、運転制御部5は、その電池発電効率及び電池熱効率の記憶情報から予測発電出力に応じた電池発電効率及び電池熱効率を求めるように構成されている。
ベース放熱量は、このコージェネレーションシステムにおいて、熱電併給装置1の発生熱量のうち、貯湯槽2への貯湯及び熱消費端末3による暖房に用いられることなく放熱される熱量であり、例えば50kcal/hに設定されて、メモリ31に記憶されている。
但し、各式において、添え字「n」は、運転周期における単位時間の順序を示し、例えば、n=1のときは、運転周期の1番目の単位時間を示す。
ちなみに、予測貯湯熱量n-1は、n=1のときには予測貯湯熱量0となり、この予測貯湯熱量0は、運転周期の開始時点(即ち、初期)の予測貯湯熱量であり、前記上端温度センサS1、前記中間上位温度センサS2、前記中間下位温度センサS3、前記下端温度センサS4及び前記給水温度センサ43夫々の検出温度に基づいて、上記の式2により求められる。
予測不足熱量=予測熱負荷n−予測貯湯熱量n-1……………(式7)
予測余り熱量=(予測貯湯熱量n-1−予測熱負荷n+予測熱出力n)×(1−槽放熱率)−槽満杯貯湯熱量……………(式8)
槽放熱率は、貯湯槽2からの放熱率であり、例えば、0.012に予め設定されて、前記メモリ31に記憶されている。
又、前記式7にて求められた予測不足熱量が負の値のときは、予測不足熱量を0とし、前記式8にて求められた予測余り熱量が負の値のときは、予測余り熱量を0とする。
つまり、どの運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合でも、燃料電池1を運転しない場合のエネルギ消費量E1は、同様に求められる。
但し、予測熱負荷はkWhに変換した値である。
但し、予測不足熱量はkWhに変換した値である。
商用電源発電効率:商用電源7における単位エネルギ消費量(kWh)に対する発電出力(kWh)の比率であり、例えば、0.366に設定される。
補助加熱器熱効率:補助加熱器28における単位エネルギ消費量(kWh又はkcal)に対する発生熱量(kWh又はkcal)の比率であり、例えば0.7に設定される。
ちなみに、前記起動時消費エネルギは、前記燃料ガス生成部を構成する改質器、変成器等を夫々における処理が可能なように設定された温度にウオームアップするのに要するエネルギを含むものであり、又、停止時消費エネルギは、燃料電池1を停止させる際に燃料ガス生成部のガス通流経路にパージガス(原燃料ガス又は不活性ガス)をパージする際に要するエネルギ、具体的には、ファン、ポンプ、バルブ等を駆動するエネルギを含むものである。燃料電池1の起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギは、燃料電池1固有のものである。そして、それら起動時消費エネルギ及び停止時消費エネルギは、予め、実験等により求められてメモリ31に記憶されている。例えば、起動時消費エネルギは1900Whに、停止時消費エネルギは200Whに夫々設定されている。
負荷追従連続運転形態の予測エネルギ削減量は、以下のようにして求める。
各単位時間のエネルギ消費量を前記式12により発電出力を電主出力として求め、求めた各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求める。
そして、そのように求めた燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2と式10により求めた燃料電池1を運転しない場合のエネルギ消費量E1とに基づいて、式9により、予測エネルギ削減量Pを求める。
先ず、熱不足単位時間(熱不足単位時間が複数存在するときは、運転周期の開始時点に最も近いもの)よりも以前の各単位時間について、増大出力設定条件に基づいて、予測電力負荷よりも大きな設定増大出力を設定する。
そして、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力とする単位時間を、運転周期における前記熱不足単位時間よりも以前の単位時間のうちで、最も予測エネルギ削減量が大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を強制連続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
先ず、前記設定増大出力の設定の仕方について、説明を加える。
前記増大出力設定条件は、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも大きくすることによるメリットを評価するための増大時メリット評価用指標がメリットが得られる値として求められる電力に設定増大出力を設定する条件としてある。
具体的には、図3に示すように、熱不足単位時間(17番目の単位時間)よりも以前の各単位時間について、電主出力よりも大きい仮設定増大出力を、段階的に(例えば、0.1kW間隔)で設定して、各仮設定増大出力について、下記の式13にて増大時メリット評価用指標を求める。そして、熱不足単位時間よりも以前の各単位時間について、増大時メリット評価用指標がメリットが得られる値として求められる仮設定増大出力のうちの電力が最大のものを設定増大出力に設定する。
又、電主出力時有効貯湯熱量は、単位時間において燃料電池1の発電出力を電主出力に調節することにより得られる熱量から熱不足単位時間までの貯湯槽2からの放熱量を減じた熱量であり、下記の式14にて、発電出力として電主出力を代入して求める。
但し、tは放熱時間である。
又、前記式13の分子において、「(増大出力時エネルギ消費量−電主出力時エネルギ消費量)」は、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも大きくすることにより増加する燃料電池1におけるエネルギ消費量を示すものであり、ディメリットとなるエネルギ量を示すものである。
つまり、前記式13の分子の「(増大出力時有効貯湯熱量−電主出力時有効貯湯熱量)÷補助加熱器熱効率−(増大出力時エネルギ消費量−電主出力時エネルギ消費量)」は、正の値として求められると、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも大きくすることによりメリットが得られることを意味し、その値が大きくなるほどメリットが大きいことを意味する。
つまり、前記式13にて求められる増大時メリット評価用指標が正の値のときは、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも大きくすることによりメリットが得られることを意味し、その値が大きくなるほどメリットが大きいことを意味する。
例えば、1番目の単位時間については、電主出力が0.3kWであるので、仮設定増大出力として、0.4kW,0.5kW,0.6kW,0.7kW,0.8kW,0.9kW,1.0kWを設定し、夫々の仮設定増大出力について増大時メリット評価用指標を求める。
仮設定増大出力が0.4kW,0.5kW,0.6kW,0.7kW,0.8kWについては、増大時メリット評価用指標が正の値として求められ、仮設定増大出力が0.9kW,1.0kWについては、増大時メリット評価用指標が負の値として求められるので、設定増大出力としては、仮設定増大出力のうち、増大時メリット評価用指標が正の値で且つ電力が最大の仮設定増大出力、即ち、0.8kWに設定する。
つまり、運転周期における複数の単位時間のうちの熱不足単位時間よりも以前の複数の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を強制運転用時間帯とし且つ運転周期の残りの単位時間を発電出力を電主出力に調節する電主運転用時間帯とする形態で、前記強制運転用時間帯として選択する単位時間を異ならせることにより、強制運転用の仮運転パターンを全て形成する。ちなみに、強制運転用時間帯が設定増大出力の設定されていない単位時間のみで形成される仮運転パターンは、強制運転用の仮運転パターンから除外する。
尚、強制運転用時間帯の単位時間のエネルギ消費量を前記式12により発電出力を設定増大出力として求め、電主運転用時間帯の単位時間のエネルギ消費量を前記式12により発電出力を電主出力として求めて、求めた各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求めることになる。
但し、既に発電出力を設定増大出力に調節すると定められている強制運転設定済みの単位時間については予測発電出力を設定増大出力とする状態で、強制運転設定済みの単位時間以外の単位時間について設定増大出力を設定して、上述の処理を実行する。つまり、強制運転用単位時間が強制運転設定済みの単位時間のみで形成される仮運転パターンは、強制運転用の仮運転パターンから除外することになる。
先ず、熱余り単位時間(熱余り単位時間が複数存在するときは、運転周期の開始時点に最も近いもの)よりも以前の各単位時間について、抑制出力設定条件に基づいて、予測電力負荷よりも小さな設定抑制出力を設定する。
そして、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力とする単位時間を、運転周期における前記熱余り単位時間よりも以前の単位時間のうちで、最も予測エネルギ削減量が大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を抑制連続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
先ず、前記設定抑制出力の設定の仕方について、説明を加える。
前記抑制出力設定条件は、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも小さくすることによるメリットを評価するための抑制時メリット評価用指標がメリットが得られる値として求められる電力に設定抑制出力を設定する条件としてある。
具体的には、図4に示すように、熱余り単位時間(17番目の単位時間)よりも以前の各単位時間について、電主出力よりも小さい仮設定抑制出力を、段階的に(例えば、0.1kW間隔)で設定して、各仮設定抑制出力について、下記の式15にて抑制時メリット評価用指標を求める。そして、熱余り単位時間よりも以前の各単位時間について、抑制時メリット評価用指標がメリットが得られる値として求められる仮設定抑制出力のうちの電力が最小のものを設定抑制出力に設定する。
又、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも小さくすることにより、その燃料電池1の発電出力が予測電力負荷に対して不足する不足電力量が増加することになり、前記式15の分子において、「(抑制出力時不足電力量−電主出力時不足電力量)×α÷商用電源発電効率」は、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも小さくすることにより増加する不足電力量を商用電源7にて得るとすると必要となるエネルギ量を示すものであり、ディメリットとなるエネルギ量を示すものである。
つまり、前記式15の「(電主出力時エネルギ消費量−抑制出力時エネルギ消費量)−(抑制出力時不足電力量−電主出力時不足電力量)×α÷商用電源発電効率」は、正の値として求められると、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも小さくすることによりメリットが得られることを意味し、その値が大きくなるほどメリットが大きいことを意味する。
つまり、前記式15にて求められる抑制時メリット評価用指標が負の値のときは、燃料電池1の発電出力を電主出力よりも小さくすることによりメリットが得られることを意味し、その絶対値が大きくなるほどメリットが大きいことを意味する。
例えば、3番目の単位時間については、電主出力が0.6kWであるので、仮設定抑制出力として、0.5kW,0.4kW,0.3kWを設定し、夫々の仮設定抑制出力について抑制時メリット評価用指標を求める。
仮設定抑制出力が0.5kW,0.4kW,0.3kWの全てについて、抑制時メリット評価用指標が負の値として求められるので、設定抑制出力としては、仮設定抑制出力のうち、抑制時メリット評価用指標が負の値で且つ電力が最小の仮抑制出力、即ち、0.3kWを設定する。
つまり、運転周期における複数の単位時間のうちの熱余り単位時間よりも以前の複数の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を抑制運転用時間帯とし且つ運転周期の残りの単位時間を発電出力を電主出力に調節する電主運転用時間帯とする形態で、前記抑制運転用時間帯として選択する単位時間を異ならせることにより、抑制運転用の仮運転パターンを全て形成する。ちなみに、抑制運転用時間帯が設定抑制出力の設定されていない単位時間のみで形成される仮運転パターンは、抑制運転用の仮運転パターンから除外する。
尚、抑制運転用時間帯の単位時間のエネルギ消費量は前記式12により発電出力を設定抑制出力として求め、電主運転用時間帯の単位時間のエネルギ消費量は前記式12により発電出力を電主出力として求めて、求めた各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求めることになる。
但し、既に発電出力を設定抑制出力に調節すると定められている抑制運転設定済みの単位時間については予測発電出力を設定抑制出力とする状態で、抑制運転設定済みの単位時間以外の単位時間について設定抑制出力を設定して、上述の処理を実行する。つまり、抑制運転用単位時間が抑制運転設定済みの単位時間のみで形成される仮運転パターンは、抑制運転用の仮運転パターンから除外することになる。
図8に示すように、1つ又は連続する複数の単位時間からなる運転時間帯を1つ設定する断続運転用の仮運転パターンの全てがメモリ31に記憶されている。
つまり、運転周期の複数の単位時間のうちで、選択した1つ又は連続する複数の単位時間を前記運転時間帯を構成する単位時間とし且つ運転周期の残りの単位時間を燃料電池1を停止する停止時間帯を構成する単位時間とする形態で、前記運転時間帯を構成する単位時間として選択する単位時間を異ならせることにより、全ての断続運転用の仮運転パターンが形成される。
前記増大出力設定条件は、電主出力よりも大きい複数段階の仮設定出力、及び、前記燃料電池1の発電出力を仮設定出力に調節したときに燃料電池1から発生する出力増大時発生熱量に基づいて、出力増大時発生熱量が最大の仮設定出力を設定増大出力に設定する条件としてある。
又、前記抑制出力設定条件は、電主出力よりも小さい複数段階の仮設定出力、及び、仮設定出力を燃料電池1にて得る場合と商用電源7にて得る場合とのエネルギ消費量の差である出力抑制時発電用エネルギ量差に基づいて、出力抑制時発電用エネルギ量差が最小の仮設定出力を設定抑制出力に設定する条件としてある。
図9に示すように、増大出力設定用又は抑制出力設定用の仮設定出力を段階的(例えば、0.05kW間隔)に設定し、各仮設定出力について、前記出力増大時発生熱量(kW)を下記の式17にて求め、前記出力抑制時発電用エネルギ量差(kW)を下記の式18にて求めて、それら出力増大時発生熱量及び出力抑制時発電用エネルギ量差を各仮設定出力に対応付けて、メモリ31に記憶させてある。
出力抑制時発電用エネルギ量差=仮設定出力÷電池発電効率−仮設定出力÷商用電源発電効率……………(式18)
例えば、図3に示すように、1番目の単位時間については、電主出力が0.3kWであるので、その0.3kWよりも大きい仮設定出力のうち、1.0kWの仮設定出力が出力増大時発生熱量が最大であるので、その1.0kWの仮設定出力を設定増大出力として設定することになる。但し、電主出力が燃料電池1の最大出力の単位時間については、設定増大出力を設定しない。
又、例えば図4に示すように、3番目の単位時間については、電主出力が0.6kWであるので、その0.6kWよりも小さい仮設定出力のうち、0.5kWの仮設定出力が出力抑制時発電用エネルギ量差が最小であるので、その0.5kWの仮設定出力を設定抑制出力として設定することになる。但し、電主出力が燃料電池1の最小出力の単位時間については、設定抑制出力を設定しない。
即ち、燃料電池1の発電出力を予測電力負荷に追従させる単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、1日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間のエネルギ消費量は前記式12により発電出力を電主出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間のエネルギ消費量は0として、各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求めることになる。
又、運転時間帯に含まれない単位時間の予測熱出力は、0になり、運転時間帯に含まれない単位時間の予測貯湯熱量は、前記式6により、予測熱出力nを0として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を予測電力負荷に追従させる単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、2日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、2日対応型の仮運転パターンの全てについて、最初の運転周期の最終の単位時間の予測貯湯熱量が2回目の運転周期の予測熱負荷として利用されたとして、図5に示すように、2回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量(kcal)及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量(kcal)とを求める。
又、各単位時間の予測利用熱量は、下記の式19〜式21により求める。
予測利用熱量n=予測熱負荷n……………(式19)
予測貯湯熱量n-1<予測熱負荷nのときは、
予測利用熱量n=予測貯湯熱量n-1……………(式20)
予測貯湯熱量n-1=0のときは、
予測利用熱量n=0……………(式21)
そして、全ての2日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い2日対応型の仮運転パターンを求め、その2日対応型の仮運転パターンを2日対応型の負荷追従断続運転形態の運転パターンに設定し、その2日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を2日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を予測電力負荷に追従させる単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目及び3回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、3日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、3日対応型の仮運転パターンの全てについて、2回目の運転周期の最終の単位時間の予測貯湯熱量が3回目の運転周期の予測熱負荷として利用されたとして、上述した2回目の運転周期におけるのと同様に、3回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量とを求める。
そして、全ての3日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い3日対応型の仮運転パターンを求め、その3日対応型の仮運転パターンを3日対応型の負荷追従断続運転形態の運転パターンに設定し、その3日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を3日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、1日対応型の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間のエネルギ消費量は前記式12により発電出力を設定増大出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間のエネルギ消費量は0として、各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求めることになる。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、2日対応型の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、2日対応型の仮運転パターンの全てについて、上記の2日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合と同様に、2回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量とを求める。
そして、全ての2日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い2日対応型の仮運転パターンを求め、その2日対応型の仮運転パターンを2日対応型の強制断続運転形態の運転パターンに設定し、その2日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を2日対応型の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定増大出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目及び3回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、3日対応型の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、3日対応型の仮運転パターンの全てについて、上記の3日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合と同様に、3回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量とを求める。
そして、全ての3日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い3日対応型の仮運転パターンを求め、その3日対応型の仮運転パターンを3日対応型の強制断続運転形態の運転パターンに設定し、その3日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を3日対応型の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、1日対応型の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
尚、運転時間帯に含まれる単位時間のエネルギ消費量は前記式12により発電出力を設定抑制出力として求め、運転時間帯に含まれない単位時間のエネルギ消費量は0として、各単位時間のエネルギ消費量を積算することにより、運転周期エネルギ消費量を求め、その運転周期エネルギ消費量に基づいて、式11により、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を求めることになる。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、2日対応型の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、2日対応型の仮運転パターンの全てについて、上記の2日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合と同様に、2回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量とを求める。
そして、全ての2日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い2日対応型の仮運転パターンを求め、その2日対応型の仮運転パターンを2日対応型の抑制断続運転形態の運転パターンに設定し、その2日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を2日対応型の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
即ち、燃料電池1の発電出力を前記設定抑制出力に調節する単位時間を、それを定める前記運転周期における予測電力負荷及び予測熱負荷並びに2回目及び3回目の運転周期における予測熱負荷に基づく予測エネルギ削減量が最も大きくなる単位時間に定めたときの予測エネルギ削減量を、3日対応型の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
そして、3日対応型の仮運転パターンの全てについて、上記の3日対応型の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量を求める場合と同様に、3回目の運転周期の複数の単位時間夫々について、予測貯湯熱量及び予測熱負荷として利用された予測利用熱量とを求める。
そして、全ての3日対応型の仮運転パターンのうちで予測エネルギ削減量が最も高い3日対応型の仮運転パターンを求め、その3日対応型の仮運転パターンを3日対応型の抑制断続運転形態の運転パターンに設定し、その3日対応型の仮運転パターンの予測エネルギ削減量を3日対応型の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量として求める。
又、運転制御部5は、上述のように求めた1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の負荷追従断続運転形態の予測エネルギ削減量、1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の強制断続運転形態の予測エネルギ削減量、並びに、1日対応型、2日対応型及び3日対応型夫々の抑制断続運転形態の予測エネルギ削減量の9個の予測エネルギ削減量のうちで、最大のものを断続運転形態の予測エネルギ削減量として設定する。
更に、運転制御部5は、上述のように設定した連続運転形態の予測エネルギ削減量及び断続運転形態の予測エネルギ削減量並びに前記運転形態選択条件に基づいて、燃料電池1の運転形態を定める。
燃料電池1を停止させていても、例えば発電可能な状態に維持しておく等のために、エネルギ(電力)が消費されるものであり、運転周期内の全時間帯において燃料電池1を停止させているときにコージェネレーションシステムにて消費されるエネルギを、予め実験等により求めて、待機時消費エネルギZとして、運転制御部5に記憶させてある。
ちなみに、前記牽制用の設定値Jは、設定削減量Gよりも小さい値に設定してある。
又、熱負荷賄い率U/LのUは、燃料電池1の予測熱出力を0として、最初の運転周期の予測熱負荷のうち、最初の運転周期の開始時点における貯湯熱量にて賄えると予測される予測利用熱量である。
例えば、運転周期の開始時点が、図5にて示す2回目の運転周期の開始時点の状態であると仮定すると、Lは、図5に示す如き、運転周期の各単位時間の予測熱負荷を合計した値となり、Uは、図5に示す如き、運転周期の各単位時間の予測利用熱量を合計した値となる。
尚、前記下位設定値Kは、例えば、0.4に設定する。
前記運転継続時間設定処理では、ステップ#20にて最初の運転周期における最終の単位時間の貯湯熱量が0になると判断した仮運転パターンのうち、予測エネルギ削減量Pが最大となる仮運転パターンの運転時間帯を運転継続時間に設定する。
つまり、ステップ#20にて最初の運転周期における最終の単位時間の貯湯熱量が0になると判断した仮運転パターンの夫々について、燃料電池1を運転した場合のエネルギ消費量E2を前記式11により求めて、その求めたエネルギ消費量E2及び前記式10により求めた燃料電池1を運転しない場合のエネルギ消費量E1を前記式9に代入することにより、予測エネルギ削減量Pを求め、求めた予測エネルギ削減量Pが最大の仮運転パターンの運転時間帯を運転継続時間に設定する。
つまり、燃料電池1の運転形態を負荷追従連続運転形態に定めたときは、運転周期の全時間帯にわたって燃料電池1の発電出力を現在要求されている現電力負荷に追従させる現電力負荷追従運転を実行する。
その現電力負荷追従運転では、1分等の比較的短い所定の出力調整周期毎に現電力負荷を求め、最小出力(例えば300W)から最大出力(例えば1000W)の範囲内で、連続的に現電力負荷に追従する電主出力を決定し、燃料電池1の発電出力をその決定した電主出力に調整する形態で運転する。
尚、前記現電力負荷は、前記電力負荷計測手段11の計測値及び前記インバータ6の出力値に基づいて計測し、更に、その現電力負荷は、前の出力調整周期において前記サンプリング時間でサンプリングしたデータの平均値として求められる。
燃料電池1の運転形態を強制連続運転形態に定めたときは、燃料電池1の発電出力を設定増大出力にすると定められている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定増大出力に調節し、他の単位時間では現電力負荷追従運転を実行する。
燃料電池1の運転形態を1日対応型、2日対応型、3日対応型のいずれの抑制断続運転に定めたときも、運転時間帯に含まれる単位時間のうち設定抑制出力が設定されている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定抑制出力に調節し、停止時間帯に含まれる単位時間においては燃料電池1を停止させる。
燃料電池1の運転形態を1日対応型、2日対応型、3日対応型のいずれの強制断続運転に定めたときも、運転時間帯に含まれる単位時間のうち設定増大出力が設定されている単位時間では燃料電池1の発電出力を設定増大出力に調節し、停止時間帯に含まれる単位時間においては燃料電池1を停止させる。
以下、本発明の第2実施形態を説明するが、この第2実施形態は、運転制御部5の補助加熱作動制御処理及び予測データ演算処理における制御動作の別の実施形態を説明するものであって、コージェネレーションシステムの全体構成は第1実施形態と同様であるので、コージェネレーションシステムの全体構成については説明を省略して、主として、補助加熱作動制御処理及び予測データ演算処理における制御動作について説明する。
前記運転制御部5は、補助加熱作動制御処理において、前記送出温度センサSoにて検出される送出温度が前記目標給湯温度設定手段Cにて設定された目標給湯温度よりも低いときに、その送出温度と目標給湯温度との温度差が水混合用設定温度以内の場合は、水混合後の湯水の温度を目標給湯温度よりも水混合用設定温度低くするための前記水混合弁34による水混合量を求めて、水の混合量が求めた混合量となるように前記水混合弁34の作動を制御し、且つ、前記給湯温度センサ41の検出温度が目標給湯温度になるように前記補助加熱器28の燃焼量を調節し、前記送出温度と目標給湯温度との温度差が水混合用設定温度よりも大きい場合は、水の混合量を0にすべく、前記混合水路33側を閉じるように前記水混合弁34の作動を制御し、且つ、前記給湯温度センサ41の検出温度が目標給湯温度になるように前記補助加熱器28の燃焼量を調節するように構成されている。
ちなみに、前記水混合用設定温度は、例えば5°Cに設定される。
ちなみに、この第2実施形態では、前記補正用設定温度は、前記水混合用設定温度に設定され、前記補正用設定流量は、前記食器洗浄用設定流量に設定される。
又、前記運転制御部5は、前記給湯温度設定部36により前記設定出湯温度よりも高い目標給湯温度が設定されている状態での前記高温熱負荷データの発生時間帯においては、上記の式1に基づいて熱量Qsを求めるときは、上記の第1実施形態と同様に、前記給湯温度Tsを前記給湯温度設定部36により設定された目標給湯温度とし、且つ、前記給湯流量Fsを前記給湯流量センサ42の検出流量とするように構成されている。
以下、本発明の第3実施形態を説明するが、この第3実施形態は、水混合手段Bの構成及び運転制御部5の補助加熱作動制御処理における制御動作の別の実施形態を説明するものであって、混合手段B以外のコージェネレーションシステムの構成、及び、補助加熱作動制御処理以外の各種処理における制御動作は上記の第1実施形態と同様であるので、主として、水混合手段Bの構成及び運転制御部5の補助加熱作動制御処理における制御動作について説明する。
つまり、これら混合水路44及び水混合弁45により、前記給湯路27における前記補助加熱器28よりも下流側の箇所にて通流する湯水に水を混合し、且つ、その水の混合量を調節自在な水混合手段Bが構成される。
以下、本発明の第4実施形態を説明するが、この第4実施形態は、水混合手段Bの構成及び運転制御部5の補助加熱作動制御処理及び予測データ演算処理における制御動作の別の実施形態を説明するものであって、混合手段B以外のコージェネレーションシステムの構成、及び、補助加熱作動制御処理及び予測データ演算処理以外の各種処理における制御動作は上記の第1実施形態と同様であるので、主として、水混合手段Bの構成及び運転制御部5の補助加熱作動制御処理及び予測データ演算処理における制御動作について説明する。
但し、前記水混合手段Bの構成は、上記の第3実施形態と同様であるので、説明を省略する。
ちなみに、前記補助加熱用設定温度は、例えば5°Cに設定される。
但し、前記高温熱負荷データの発生時間帯において、サンプリング時間毎に給湯熱負荷計測手段Nにて計測された熱量Qsから補正用設定流量の湯水を補正用設定温度上昇させるための前記補助加熱器28の燃焼量に相当する熱量を減じた熱量をサンプリング時間毎の実給湯熱負荷データとする処理において、この第4実施形態では、前記補正用設定温度は、前記補助加熱用設定温度に設定され、前記補正用設定流量は、前記食器洗浄用設定流量に設定される。
以下、本発明の第5実施形態を説明するが、この第5実施形態は、予測データ演算処理における制御動作の別の実施形態を説明するものであって、コージェネレーションシステムの全体構成は第1実施形態と同様であるので、コージェネレーションシステムの全体構成については説明を省略して、主として、予測データ演算処理における制御動作について説明する。
そして、特に、前記予測データ演算処理のうち、前記目標給湯温度が前記設定出湯温度よりも高い状態に対応する高温熱負荷データが存在する場合に、時系列的な実熱負荷データを管理するための制御動作についての別の実施形態を説明するものであり、予測データ演算処理におけるその他の制御動作は上記の第1実施形態と同様であるので、主として、前記予測データ演算処理のうち、第1実施形態と異なる制御動作について説明する。
次に別実施形態を説明する。
(イ) 上記の各実施形態においては、目標給湯温度設定手段Cにより前記設定出湯温度よりも高い目標給湯温度が設定されている時間帯を、前記高温熱負荷データの発生時間帯とする場合について例示したが、前記給湯温度センサ41にて検出される温度が前記設定出湯温度よりも高い時間帯を、前記高温熱負荷データの発生時間帯とするように構成しても良い。
即ち、高温熱負荷データの発生時間帯及びそれ以外の時間帯のいずれにおいても、サンプリング時間毎に給湯熱負荷計測手段Nにて計測された熱量をサンプリング時間毎の実給湯熱負荷データとして、サンプリング時間毎の実給湯熱負荷データを積算することにより、単位時間毎の実給湯熱負荷データを求める。
そして、時系列的な予測給湯熱負荷データを求めるときは、高温熱負荷データの発生時間帯を含む単位時間を除いた単位時間毎の実給湯熱負荷データに基づいて、時系列的な予測給湯熱負荷データを求めるように構成する。
又、上記の各実施形態においては、前記給湯温度設定部36により前記設定出湯温度よりも高い目標給湯温度が設定されている状態での前記高温熱負荷データの発生時間帯において、上記の式1に基づいて熱量Qsを求めるときは、前記給湯温度Tsを前記給湯温度設定部36により設定された目標給湯温度とする場合について例示したが、前記給湯温度Tsを給湯温度センサ41の検出温度とするように構成しても良い。
加熱作動条件を、前記燃料電池1を運転する運転時間帯を定める条件とする場合は、例えば、断続運転形態を実行するように構成して、運転メリットが高くなるように運転時間帯を設定するように構成することになる。
又、加熱作動条件を、前記燃料電池1の発電出力を定める条件とする場合は、例えば、負荷追従連続運転形態、抑制連続運転形態及び強制連続運転形態のうち、運転メリットが最も高い運転形態を選択するように構成することになる。
又、上記の第3及び第4の各実施形態においては、前記水混合手段Bを構成する水混合弁45の作動の制御を前記運転制御部5に実行させる場合について例示したが、前記水混合弁45の作動の制御を実行させる専用の制御手段を設けても良い。
ちなみに、予測エネルギコスト削減額は、燃料電池1を運転させない場合のエネルギコストから、燃料電池1を運転したときのエネルギコストを減じて求めることができる。
前記燃料電池1を運転させない場合のエネルギコストは、予測電力負荷の全てを商用電源7から買電するときのコストと、予測熱負荷の全てを補助加熱器28で賄うときのエネルギコスト(燃料コスト)の和として求められる。
一方、燃料電池1を運転したときのエネルギコストは、予測電力負荷及び予測熱負荷を燃料電池1の予測発電電力及び予測発生熱で補う場合の燃料電池1のエネルギコスト(燃料コスト)と、予測電力負荷から予測発電電力を差し引いた分に相当する不足電力負荷を商用電源7から買電するときのコストと、予測熱負荷から予測利用熱量を差し引いた分に相当する不足熱負荷を補助加熱器28の発生熱で補う場合のエネルギコスト(燃料コスト)との和として求められる。
前記燃料電池1を運転させない場合の二酸化炭素発生量は、予測電力負荷の全てを商用電源7から買電するときの二酸化炭素発生量と、予測熱負荷の全てを補助加熱器28で賄うときの二酸化炭素発生量との和として求められる。
一方、燃料電池1を運転したときの二酸化炭素発生量は、予測電力負荷及び予測熱負荷を燃料電池1の予測発電電力及び予測発生熱で補う場合の燃料電池1からの二酸化炭素発生量と、予測電力負荷から予測発電電力を差し引いた分に相当する不足電力負荷を商用電源7から買電するときの二酸化炭素発生量と、予測熱負荷から予測利用熱量を差し引いた分に相当する不足熱負荷を補助加熱器28の発生熱で補う場合の二酸化炭素発生量との和として求められる。
5 運転制御手段
27 給湯路
28 補助加熱手段
B 水混合手段
C 目標給湯温度設定手段
H 加熱手段
N 熱負荷計測手段
Claims (6)
- 貯留される湯水を熱消費部に送出する給湯路が接続された貯湯槽と、その貯湯槽に貯留される湯水を加熱する加熱手段と、前記給湯路を通流する湯水を加熱する補助加熱手段と、前記給湯路を通して前記熱消費部に供給される湯水の熱量を計測する熱負荷計測手段と、前記熱消費部に供給される湯水の目標給湯温度を変更設定自在な目標給湯温度設定手段と、運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、
前記熱負荷計測手段にて計測される熱量を時系列的な実熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実熱負荷データに基づいて時系列的な予測熱負荷データを求める予測データ演算処理、
前記貯湯槽に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱手段の加熱作動を制御する加熱作動制御処理、及び、
前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱手段の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成された貯湯式の給湯装置であって、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記目標給湯温度が前記貯湯槽から出湯可能な設定出湯温度よりも高い状態に対応する高温熱負荷データが存在する場合には、その高温熱負荷データを除いた時系列的な実熱負荷データを前記時系列的な実熱負荷データとして、前記時系列的な予測熱負荷データを求めるように構成されている貯湯式の給湯装置。 - 貯留される湯水を熱消費部に送出する給湯路が接続された貯湯槽と、その貯湯槽に貯留される湯水を加熱する加熱手段と、前記給湯路を通流する湯水を加熱する補助加熱手段と、前記給湯路を通して前記熱消費部に供給される湯水の熱量を計測する熱負荷計測手段と、前記熱消費部に供給される湯水の目標給湯温度を変更設定自在な目標給湯温度設定手段と、運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
前記運転制御手段が、
前記熱負荷計測手段にて計測される熱量を時系列的な実熱負荷データとして管理して、その管理している時系列的な実熱負荷データに基づいて時系列的な予測熱負荷データを求める予測データ演算処理、
前記貯湯槽に貯留される湯水を目標貯湯温度に加熱するように加熱作動させる状態で、且つ、前記時系列的な予測熱負荷データに基づいて運転メリットが高くなるように求めた加熱作動条件にて加熱作動させる状態で、前記加熱手段の加熱作動を制御する加熱作動制御処理、及び、
前記熱消費部に供給される湯水の温度を前記目標給湯温度にするように、前記補助加熱手段の加熱作動を制御する補助加熱作動制御処理を実行するように構成された貯湯式の給湯装置であって、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記目標給湯温度が前記貯湯槽から出湯可能な設定出湯温度よりも高い状態に対応する高温熱負荷データが存在する場合には、その高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正した時系列的な実熱負荷データを前記時系列的な実熱負荷データとして、前記時系列的な予測熱負荷データを求めるように構成されている貯湯式の給湯装置。 - 前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、
前記高温熱負荷データの発生時間帯における前記補助加熱手段の加熱量である補助加熱量を減じることにより、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている請求項2記載の貯湯式の給湯装置。 - 前記給湯路における前記補助加熱手段よりも上流側又は下流側の箇所にて通流する湯水に水を混合し、且つ、その水の混合量を調節自在な水混合手段が設けられ、
前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、前記補助加熱手段の加熱量調節範囲における最小加熱量又はその最小加熱量に近い加熱量を前記補助加熱量として、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている請求項3記載の貯湯式の給湯装置。 - 前記運転制御手段が、前記予測データ演算処理において、設定流量の湯水を設定温度上昇させるための前記補助加熱手段の加熱量を前記補助加熱量として、前記高温熱負荷データの発生時間帯における時系列的な実熱負荷データを負荷減少側に補正するように構成されている請求項3記載の貯湯式の給湯装置。
- 前記加熱作動条件が、前記加熱手段を加熱作動させる運転時間帯を定める条件、前記加熱手段にて出力する加熱量を定める条件及び前記貯湯槽の貯湯熱量を定める条件のうちの少なくとも一つを定める条件である請求項1〜5のいずれか1項に記載の貯湯式の給湯装置。
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