JP5506558B2 - Cogeneration system operation control method - Google Patents

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Description

本発明はコージェネレーション・システムの運転制御技術に係り、特に、発電ユニットと貯湯タンクが離隔して設置されるケースに好適なコージェネレーション・システムの運転制御技術に関する。   The present invention relates to an operation control technique for a cogeneration system, and more particularly to an operation control technique for a cogeneration system suitable for a case where a power generation unit and a hot water storage tank are installed separately.

コージェネレーション・システムは、発電時に発生する排熱を回収して同時にお湯を作り、貯湯ユニットに貯めて給湯需要に対応するものであり、総合熱効率が高いシステムとして注目されている。
現在実用化されている固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を用いた家庭用コージェネレーション・システムでは、学習機能により予測した需要パターンにおける給湯需要と電力使用量に基づいて、エネルギー効率が最適となるように起動時間の逆算及び運転スケジュールを決定している。また、運転スケジュールに合わせて、最低発電量３００Ｗ〜最大発電量１０００Ｗの範囲で運転されているが、さらなる省エネ性向上を目的として最低発電量をより小さくすることが検討されている。 The cogeneration system is attracting attention as a system with high overall thermal efficiency, which recovers exhaust heat generated during power generation and creates hot water at the same time and stores it in a hot water storage unit to meet the demand for hot water supply.
In a household cogeneration system using a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) that is currently in practical use, energy efficiency is optimized based on hot water supply demand and power consumption in the demand pattern predicted by the learning function Thus, the back calculation of the start time and the operation schedule are determined. Moreover, although it is drive | operating in the range of the minimum electric power generation amount 300W-the maximum electric power generation amount 1000W according to an operation schedule, reducing the minimum electric power generation amount for the purpose of the further energy saving improvement is examined.

一方、現行システムでは発電セルの耐久性確保等の理由から、排熱回収温度６０℃として発電ユニットと貯湯ユニット間の温水循環流量制御を行っている。このため、例えば最低発電量２００Ｗに下げた場合、循環流量７５ml/min程度の小流量になり、特にマンション等の集合住宅のように発電ユニットと貯湯タンクの離隔距離を大きく取らざるを得ないケースでは、冬季の配管放熱ロスにより貯湯タンク入り温度が極端に低下してしまい、需要者の省エネ性に加えて使用快適性を損なうという問題が生じるおそれがある。   On the other hand, in the current system, the hot water circulation flow rate control between the power generation unit and the hot water storage unit is performed at an exhaust heat recovery temperature of 60 ° C. for reasons such as ensuring the durability of the power generation cell. For this reason, for example, when the power generation amount is lowered to 200 W, the circulation flow rate is as small as 75 ml / min. In particular, the separation distance between the power generation unit and the hot water storage tank is inevitably large, such as in apartment buildings. Then, the temperature in the hot water storage tank is extremely lowered due to the heat radiation loss of the piping in winter, and there is a possibility that a problem of impairing the use comfort in addition to the energy saving performance of the consumer may occur.

小循環流量時の温度低下を回避可能な技術として、２つの貯湯タンクを備える技術が提案されている（例えば特許文献１）。図１２を参照して、この技術によるコージェネレーション・システム１００は、発電ユニット１０１と、発電排熱を回収して温水に熱交換する熱交換器１０２と、熱交換器１０２を通過した排熱回収水を蓄える主温水タンク１０３と、発電ユニット１０１と分離して設けられる補助温水タンク１０４と、を備え、通常運転時は主温水タンク１０３に排熱回収水を蓄え、主温水タンク１０３が満蓄熱状態になったときに、切替弁群１０５を適宜操作して、循環配管１０６を介して補助温水タンク１０４に短時間に温水を移送するものである。
このシステムによれば、発電ユニット１０１と補助温水タンク（貯湯タンク）１０４とが離隔距離が大きい設置であっても、一定の循環流量が確保できるため、最低発電量を小さく設定しても放熱ロスによる温度低下の問題は生じない。 As a technique capable of avoiding a temperature drop at a small circulation flow rate, a technique including two hot water storage tanks has been proposed (for example, Patent Document 1). Referring to FIG. 12, a cogeneration system 100 according to this technology includes a power generation unit 101, a heat exchanger 102 that recovers generated heat and exchanges heat with hot water, and recovers exhaust heat that has passed through the heat exchanger 102. A main hot water tank 103 that stores water and an auxiliary hot water tank 104 that is provided separately from the power generation unit 101 are provided. During normal operation, waste heat recovery water is stored in the main hot water tank 103, and the main hot water tank 103 is fully stored. When the state is reached, the switching valve group 105 is appropriately operated to transfer hot water to the auxiliary hot water tank 104 through the circulation pipe 106 in a short time.
According to this system, even if the power generation unit 101 and the auxiliary hot water tank (hot water storage tank) 104 are installed with a large separation distance, a constant circulation flow rate can be secured. There is no problem of temperature drop due to.

特開２００８−１６４１９１号公報JP 2008-164191 A

しかしながら、文献１の技術では貯湯タンクが２つ必要となるため、システム全体の設置容積が大きくなり、機器のコストアップを招くという問題がある。さらに、マンション等の場合には住宅価格のアップに直結するため、普及促進の障害となるという問題もある。   However, since the technique of Document 1 requires two hot water storage tanks, there is a problem that the installation volume of the entire system is increased and the cost of the equipment is increased. Furthermore, in the case of condominiums and the like, there is also a problem that it is an obstacle to the promotion of diffusion because it directly leads to an increase in housing prices.

本発明は上記各課題を解決するためのものであって、省エネ性の向上と給湯快適性を両立可能なコージェネレーション・システムの制御技術を提供するものである。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、
第一の発明は、発電ユニットと、発電排熱をお湯として蓄熱する貯湯タンクと、発電ユニットと貯湯タンクとの間を配管で結び温水又は水を循環させる温水循環系統と、を備え、所定の時間間隔で更新する運転計画に基づいて、予め定めた最低発電量（Ｅ０）以上で発電及び貯湯蓄熱を行うコージェネレーション・システムの運転制御方法において、
（１−１）温水循環系統の発電ユニット出温度（Ｔｏ）を、発電ユニットの特性に対応する所定の設定温度（Ｔ１）に維持し、かつ、
（１−２）貯湯タンク入温度（Ｔｔ）を、需要者の給湯快適性を担保する許容下限温度（Ｔ２）以上に維持する、ことを前提とし、
予め、複数の配管長（Ｌ）について、
（２）前記（１−１）、（１−２）を担保する下限温水循環量（Ｆｍ）を求めるステップと、
（３）該下限温水循環量（Ｆｍ）の条件で、前記（１−１）を担保する下限排熱回収量（Ｑｂ）を、配管長（Ｌ）、発電ユニット入温度（Ｔｉ）及び、発電ユニット入温度Ｔｉの関数
Ｑｂ＝Ｇ（Ｌ、Ｆｍ、Ｔｉ）
として求めるステップと、
（４）前記関数Ｇにより、最低発電量（Ｅ０）に対応する排熱回収量（Ｑ０）のときの下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）を求めるステップと、
運転計画更新時において、該当する配管長（Ｌ０）に対して、
（５）その時点における発電ユニット入温度Ｔｉ(ｔ)と、前記下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）と、を比較するステップと、
（６）Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍの場合には、最低発電量を、下限排熱回収量である、
Ｑｂ（Ｌ０、Ｆｍ、Ｔｉ(ｔ)）を得ることができる下限発電量（Ｅｂ）以上の値に変更するステップと、
を含むことを特徴とする。 The present invention is to solve the above-described problems, and provides a control technology for a cogeneration system capable of achieving both improved energy saving and hot water supply comfort. The gist of the present invention is as follows. That is,
A first invention includes a power generation unit, a hot water storage tank that stores power generation exhaust heat as hot water, a hot water circulation system that connects the power generation unit and the hot water storage tank with a pipe and circulates hot water or water, In an operation control method for a cogeneration system that generates power and stores hot water at a predetermined minimum power generation amount (E0) or more based on an operation plan that is updated at time intervals,
(1-1) Maintaining the power generation unit output temperature (To) of the hot water circulation system at a predetermined set temperature (T1) corresponding to the characteristics of the power generation unit;
(1-2) On the premise that the hot water storage tank entry temperature (Tt) is maintained at or above the allowable lower limit temperature (T2) that ensures the comfort of the hot water supply of the consumer,
For multiple pipe lengths (L) in advance,
(2) A step of obtaining a lower limit hot water circulation amount (Fm) that secures (1-1) and (1-2);
(3) Under the condition of the lower limit hot water circulation rate (Fm), the lower limit exhaust heat recovery amount (Qb) that secures the above (1-1) is set to the pipe length (L), the power generation unit input temperature (Ti), and the power generation. Unit input temperature Ti function Qb = G (L, Fm, Ti)
And asking for steps
(4) obtaining a lower limit power generation unit input temperature (Tm) when the exhaust heat recovery amount (Q0) corresponding to the minimum power generation amount (E0) is obtained by the function G;
At the time of operation plan update, for the corresponding pipe length (L0)
(5) a step of comparing the power generation unit input temperature Ti (t) at that time with the lower limit power generation unit input temperature (Tm);
(6) When Ti (t) <Tm, the minimum power generation amount is the lower limit exhaust heat recovery amount.
Changing Qb (L0, Fm, Ti (t)) to a value equal to or higher than the lower limit power generation amount (Eb) capable of obtaining;
It is characterized by including.

以下、図５乃至９を参照して、本発明による最低発電量の更新方法について参照して説明する。なお、以下の各数値は例示であって、特許請求の範囲を限定するものではない。
（１）循環系統運転条件設定
図５に示すコージェネレーション・システムを想定して、最低発電量及び排熱回収循環系統の各部温度について、備考欄の制約条件を考慮して前提条件を表１のように設定する。

Figure 0005506558
Hereinafter, with reference to FIG. 5 thru | or 9, it demonstrates with reference to the update method of the minimum electric power generation amount by this invention. In addition, each following numerical value is an illustration, Comprising: A claim is not limited.
(1) Circulation system operation condition setting Assuming the cogeneration system shown in Fig. 5, the preconditions for the minimum power generation and the temperature of each part of the exhaust heat recovery circulation system are shown in Table 1 in consideration of the constraints in the remarks column. Set as follows.
Figure 0005506558

（２）下限循環流量Ｆｍ算出
次に、貯湯タンク入温度Ｔｔ≧４０℃を担保する下限循環流量Ｆｍを設定する。この値は、配管長Ｌをパラメータとした、循環流量Ｆと配管熱損失による温度低下の関係グラフを用いることにより求めることができる。なお、以下の説明ではＬ＝５、１０、１５ｍを例示するが、任意の配管長に適用できることはいうまでもない。
図６は、冬季を想定した外気温度（５℃）環境下に置いた配管（Ｌ＝５、１０、１５ｍ）に、流量を変えて入口温度（Ｔｏに該当）６０℃の温水を通過させたときの、出口温度（Ｔｉに該当）降下度を示すグラフである（このグラフは、予め実測により求めておく必要がある。実測データについては実施例欄参照）。このグラフより、各配管長Ｌ（５、１０、１５ｍ）について、出口温度４０℃となる下限循環流量Ｆｍ(５)、Ｆｍ(10)、Ｆｍ(15)を求めることができる。 (2) Calculation of lower limit circulation flow rate Fm Next, a lower limit circulation flow rate Fm that secures the hot water storage tank entry temperature Tt ≧ 40 ° C. is set. This value can be obtained by using a relationship graph between the circulation flow rate F and the temperature decrease due to heat loss of the pipe, using the pipe length L as a parameter. In the following description, L = 5, 10, and 15 m are exemplified, but it goes without saying that the present invention can be applied to any pipe length.
FIG. 6 shows that pipes (L = 5, 10 and 15 m) placed in an outside air temperature (5 ° C.) environment assumed for the winter season were allowed to pass hot water at an inlet temperature (corresponding to To) of 60 ° C. by changing the flow rate. Is a graph showing the degree of decrease in the outlet temperature (corresponding to Ti) at this time (this graph needs to be obtained by actual measurement in advance. Refer to the Example column for the actual measurement data). From this graph, the lower limit circulation flow rates Fm (5), Fm (10), and Fm (15) at which the outlet temperature is 40 ° C. can be obtained for each pipe length L (5, 10, 15 m).

（３）下限循環流量Ｆｍに対する下限排熱回収量（Ｑｂ）算出
循環流量Ｆと排熱回収量Ｑの関係は、発電ユニット入温度（Ｔｉ）として、次式により表される。
Ｑ＝ｋ・Ｆ（Ｔｏ−Ｔｉ）・・・・・・（１）
但し、ｋ＝ｊ・ｃ（ｊ：換算係数（４．２J/cal）、ｃ：水の比熱（Ｊ／（ｇ・Ｋ））
従って、下限循環流量Ｆｍのときの排熱回収量（Ｑｂ）は、
Ｑｂ＝ｋ・Ｆｍ（Ｔｏ−Ｔｉ）・・・・・・（１）’
（１）’式を用いて、各配管長（Ｌ）についてＴｉ−Ｑｂの関係は、図７の下限排熱回収量直線Ｌ１乃至Ｌ３として表される。すなわち、Ｑｂは配管長Ｌをパラメータとして、Ｆｍ、Ｔｉの関数として表される。 (3) Calculation of lower limit exhaust heat recovery amount (Qb) with respect to lower limit circulation flow rate Fm The relationship between the circulation flow rate F and the exhaust heat recovery amount Q is expressed by the following equation as the power generation unit input temperature (Ti).
Q = k · F (To-Ti) (1)
Where k = j · c (j: conversion factor (4.2 J / cal), c: specific heat of water (J / (g · K))
Therefore, the exhaust heat recovery amount (Qb) at the lower limit circulation flow rate Fm is
Qb = k · Fm (To-Ti) (1) ′
Using the formula (1) ′, the relationship of Ti-Qb for each pipe length (L) is expressed as the lower limit exhaust heat recovery amount straight lines L1 to L3 in FIG. That is, Qb is expressed as a function of Fm and Ti using the pipe length L as a parameter.

（４）最低発電量Ｅ０のときの発電ユニット入温度下限値Ｔｍ算出
さらに、上記直線を用いて、最低発電量Ｅ０のときの、上記前提条件を満たす発電ユニット入温度下限値（以下、下限入水温度（Ｔｍ）という）を求める。Ｌ２（Ｌ＝１０ｍ）を例にとると（図８）、この値は直線Ｌ２と最低発電量Ｅ０に対応する排熱回収量Ｑ０との交点のＴｉ値ということになる。なお、発電量Ｅと排熱回収量Ｑの間には、
Ｑ＝ｒ・Ｅ（ｒ：発電排熱比）・・・・・・（２）
の関係があるものとする。
なお、発電排熱比は発電ユニット等の特性によって定まる値であり、実測により求めることができる。 (4) Calculation of power generation unit input temperature lower limit value Tm at the minimum power generation amount E0 Further, using the above straight line, the power generation unit input temperature lower limit value (hereinafter referred to as the lower limit water input) that satisfies the above preconditions at the minimum power generation amount E0. Temperature (Tm). Taking L2 (L = 10 m) as an example (FIG. 8), this value is the Ti value at the intersection of the straight line L2 and the exhaust heat recovery amount Q0 corresponding to the minimum power generation amount E0. In addition, between the power generation amount E and the exhaust heat recovery amount Q,
Q = r · E (r: power generation exhaust heat ratio) · · · (2)
It shall be related.
The power generation exhaust heat ratio is a value determined by the characteristics of the power generation unit or the like, and can be obtained by actual measurement.

（５）、（６）下限排熱回収量Ｑｂの判定
以上のことから、表１の前提条件を満たす範囲は図８の網掛部のＰ（Ｔｉ，Ｑ）となる。従って、最低発電量Ｅ０で運転した場合、Ｔｉ＜Ｔｍの条件（同図Ｐ’）では前提条件から外れることになる。なお、運転可能領域の下限値（下限運転ライン）は、同図太線部Ｑｂとなる。 (5), (6) Determination of lower limit exhaust heat recovery amount Qb From the above, the range that satisfies the prerequisites in Table 1 is P (Ti, Q) of the shaded portion in FIG. Therefore, when the operation is performed with the minimum power generation amount E0, the condition of Ti <Tm (P ′ in the figure) deviates from the precondition. The lower limit value (lower limit operation line) of the operable region is the bold line portion Qb in the figure.

（７）最低発電量判定テーブル
上記下限排熱回収量Ｑｂに基づいて、（２）式を用いて最低発電量の判定テーブルを作成することができる。さらに、任意の配管長Ｌについて同様の判定テーブル作成が可能であり、図９（ａ）は、このようにして作成した判定テーブルを概念的に示したものである。かかる判定テーブルを予め備えることにより、Ｔｉ（ｔ）の値から直ちに（５）、（６）の判定が可能となる（後述の第三の発明に該当）。 (7) Minimum power generation amount determination table Based on the above lower limit exhaust heat recovery amount Qb, a determination table of the minimum power generation amount can be created using equation (2). Furthermore, a similar determination table can be created for an arbitrary pipe length L, and FIG. 9A conceptually shows the determination table created in this way. By providing such a determination table in advance, it becomes possible to determine (5) and (6) immediately from the value of Ti (t) (corresponding to a third invention described later).

第二の発明は、第一の発明において、前記（６）に替えて、
「（７）Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍ、かつ、更新後の発電計画に基づく予定発電量（Ｅａ）による排熱回収量（Ｑａ）が、前記下限排熱回収量（Ｑｂ）以下の場合には、予定発電量を前記下限発電量（Ｅｂ）以上の値に変更して発電を実施するステップと、」とすることを特徴とする。
本発明によれば、発電計画の予定発電量（Ｅａ）通りに運転した場合、貯湯タンク入温度Ｔｉが許容下限温度４０℃以下になってしまうことを回避することができる。 A second invention is the first invention, in place of (6),
“(7) When Ti (t) <Tm and the exhaust heat recovery amount (Qa) based on the planned power generation amount (Ea) based on the updated power generation plan is equal to or less than the lower limit exhaust heat recovery amount (Qb) And a step of changing the planned power generation amount to a value equal to or greater than the lower limit power generation amount (Eb) and performing power generation.
According to the present invention, when operating according to the planned power generation amount (Ea) of the power generation plan, it is possible to avoid the hot water storage tank entry temperature Ti from becoming the allowable lower limit temperature of 40 ° C. or less.

第三の発明は、上記各発明において、配管長（Ｌ）をパラメータとした、前記下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）及び下限発電量（Ｅｂ）の判定テーブルに基づき、前記（６）又は（７）の判定を行うことを特徴とする。   According to a third invention, in each of the above inventions, based on the determination table of the lower limit power generation unit input temperature (Tm) and the lower limit power generation amount (Eb) using the pipe length (L) as a parameter, the above (6) or (7 ) Is performed.

第四の発明は、第三の発明において、前記最低発電量（Ｅ０）の条件で、前記（１−１）、（１−２）を担保する前記下限温水循環量（Ｆｍ）で運転した場合、Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍが予想される季節については、前記判定テーブルにおける下限発電量（Ｅｂ）に替えて、Ｔｉ(ｔ)≧Ｔｍとなる蓋然性の高い最低発電量（Ｅｂ’）を用いることを特徴とする。
本発明によれば、上記判定テーブル作成に際して必要な発電ユニット入温度下限値Ｔｍ算出、下限排熱回収量（Ｑｂ）算出等を要することなく、過去の運転実績等を参照して簡易的に判定テーブル作成ができる。また、運転制御も容易となる。図９（ｂ）は、本発明に基づく簡易型判定テーブルの一例を概念的に示したものである。これによれば、発電ユニット入温度Ｔｉ(ｔ)の計測を要することなく、季節（月）により最低発電量（Ｅｂ’）が決定される。 When the fourth invention is operated in the third invention with the minimum hot water circulation amount (Fm) that secures (1-1) and (1-2) under the condition of the minimum power generation amount (E0) , For seasons where Ti (t) <Tm is expected, instead of the lower limit power generation amount (Eb) in the determination table, use the most likely minimum power generation amount (Eb ′) such that Ti (t) ≧ Tm. It is characterized by.
According to the present invention, simple determination is made with reference to past operation results without requiring calculation of the power generation unit input temperature lower limit value Tm, lower limit exhaust heat recovery amount (Qb), etc., necessary for creating the determination table. You can create a table. Also, operation control is facilitated. FIG. 9B conceptually shows an example of a simple type determination table based on the present invention. According to this, the minimum power generation amount (Eb ′) is determined by the season (month) without requiring measurement of the power generation unit input temperature Ti (t).

第五の発明は、上記各発明において、前記下限排熱回収量の演算に際して、発電排熱に加えて、余剰電力ヒータ回収による熱回収量を含むことを特徴とする。
第六の発明は、上記各発明において、発電ユニット出温度の前記設定温度（Ｔ１）が６０℃であり、前記許容下限温度（Ｔ２）が４０℃であることを特徴とする。
貯湯タンク入温度（Ｔｔ）が４０℃以上であれば、需要者のシャワー等の使用に支障を来たすことがないという効果がある。 The fifth invention is characterized in that, in each of the above inventions, in calculating the lower limit exhaust heat recovery amount, in addition to the generated exhaust heat, the heat recovery amount due to the recovery of the surplus electric power heater is included.
A sixth invention is characterized in that, in each of the above inventions, the set temperature (T1) of the power generation unit output temperature is 60 ° C., and the allowable lower limit temperature (T2) is 40 ° C.
If the hot water storage tank entry temperature (Tt) is 40 ° C. or higher, there is an effect that the use of showers and the like by consumers is not hindered.

本発明によれば、最低発電量の設定を適宜、低下させることにより、省エネ性向上を図ることができ、かつ、給湯使用快適性低下を回避することが可能となる。   According to the present invention, by appropriately reducing the setting of the minimum power generation amount, it is possible to improve energy savings and to avoid a decrease in the comfort of using hot water.

本発明の第一の実施形態に係るコージェネレーション・システム１の構成を示す図である。It is a figure showing composition of cogeneration system 1 concerning a first embodiment of the present invention. 学習機能に基づく発電計画の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the electric power generation plan based on a learning function. 第一の実施形態における最低発電量更新フローを示す図である。It is a figure which shows the minimum electric power generation update flow in 1st embodiment. 第二の実施形態における最低発電量更新フローを示す図である。It is a figure which shows the minimum electric power generation update flow in 2nd embodiment. 発電量予測値Ｅａに基づく運転実行可否判定方法を示す図である。It is a figure which shows the driving | running | working execution availability determination method based on electric power generation predicted value Ea. 本発明の循環系統各部条件を示す図である。It is a figure which shows each part of the circulation system | strain conditions of this invention. 循環流量と出口温度降下度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a circulating flow rate and an exit temperature fall degree. 発電ユニット入温度と下限排熱回収量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between electric power generation unit entrance temperature and a lower limit waste heat recovery amount. 前提条件を満たす運転可能領域を示す図である。It is a figure which shows the driving | operation possible area | region which satisfy | fills a prerequisite. 判定テーブルを概念的に示す図である。It is a figure which shows a judgment table notionally. 簡易型判定テーブルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a simple type determination table. 温水循環量と配管放熱による出口温度降下の測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the exit temperature drop by warm water circulation amount and piping heat radiation. 最低発電量と省エネ性の関係を示す運転シミュレーション結果である。It is a driving | running simulation result which shows the relationship between minimum electric power generation amount and energy saving property. 従来のコージェネレーション・システム１００の構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of a conventional cogeneration system 100. FIG.

以下、本発明の実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. Needless to say, the scope of the present invention is described in the claims and is not limited to the following embodiments.

＜第一の実施形態＞
図１を参照して、本実施形態に係るコージェネレーション・システム１は、固体高分子形燃料電池発電ユニット（以下、発電ユニットと略称）２と、発電ユニット２の発電排熱をお湯として蓄熱する貯湯タンク３と、発電ユニット２と貯湯タンク３とを結び、発電排熱を貯湯タンク３にお湯として回収する温水循環系統５と、発電ユニット２の学習機能に基づく運転制御を指令する制御部４と、を主要構成として備えている。 <First embodiment>
Referring to FIG. 1, a cogeneration system 1 according to the present embodiment stores solid polymer fuel cell power generation unit (hereinafter abbreviated as power generation unit) 2 and power generation exhaust heat of power generation unit 2 as hot water. The hot water storage tank 3, the power generation unit 2, and the hot water storage tank 3, a hot water circulation system 5 that collects the generated exhaust heat as hot water in the hot water storage tank 3, and a control unit 4 that commands operation control based on the learning function of the power generation unit 2. And as a main component.

発電ユニット２は、燃料である都市ガス中の天然ガスを水素に改質する燃料処理装置２ａと、水素と酸素を反応させて発電するセルスタック２ｂと、セルスタック２ｂにおいて得られた直流電力を交流電力に変換するインバータ２ｃと、発電排熱及び余剰電力によるヒータ熱を回収する排熱回収装置２ｄと、を主要構成として備えている。温水循環系統５は、往き側配管５ａと、戻り側配管５ｂと、循環ポンプ５ｃと、を備えている。往き側配管５ａ、戻り側配管５ｂにはそれぞれ温度センサＳ１、Ｓ２が介装されており、往き側温度（請求項の発電ユニット出温度に該当）Ｔｏ、及び、戻り側温度（請求項の発電ユニット入温度に該当）Ｔｉを計測可能に構成されている。なお、配管５ａ、５ｂの配管長はＬ＝１０ｍとする。
制御部４にはデータベース４ａが付設されており,後述する学習機能による発電スケジュールを行うための運転実績データ及び最低発電量演算のためのテーブルが格納されている。なお、制御部４は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装できる。 The power generation unit 2 includes a fuel processing device 2a that reforms natural gas in city gas as fuel into hydrogen, a cell stack 2b that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, and direct-current power obtained in the cell stack 2b. An inverter 2c that converts to AC power and a waste heat recovery device 2d that recovers heater heat generated by generated heat and surplus power are provided as main components. The hot water circulation system 5 includes a forward side pipe 5a, a return side pipe 5b, and a circulation pump 5c. Temperature sensors S1 and S2 are interposed in the forward side pipe 5a and the return side pipe 5b, respectively, and the forward side temperature (corresponding to the power generation unit output temperature in the claims) To and the return side temperature (the power generation in the claims) Corresponds to unit entry temperature) Ti can be measured. The pipe length of the pipes 5a and 5b is L = 10 m.
The control unit 4 is provided with a database 4a, and stores operation result data for performing a power generation schedule by a learning function, which will be described later, and a table for calculating the minimum power generation amount. The control unit 4 can be implemented by a microcomputer equipped with a CPU, clock, RAM, ROM, bus, I / O interface, and the like.

次に図２をも参照して、制御部４の指令により行われる学習機能に基づく発電計画の更新工程について、ある日の発電ユニット起動時を例に説明する。まず、その時点の電力使用実績を、データベース４ａに格納されている過去３ヶ月の同じ曜日、同じ時刻の需要データと比較して最も類似する日を選びだし、２４時間の需要パターンを予測する。この予測需要パターンの場合の給湯需要Ｈと電力需要Ｄに基づいて、エネルギー効率を最適にするように、発電ユニット２の発電開始時間（ｔ０）の逆算と運転スケジュールＳを決定する。この工程を、所定の時間間隔（例えば1時間）で繰り返し更新していくことにより、常に需要に即応した発電、貯湯が可能となる。   Next, with reference to FIG. 2 as well, the power generation plan update process based on the learning function performed by the command of the control unit 4 will be described by taking a power generation unit startup on one day as an example. First, the most similar day is selected by comparing the actual power usage at that time with the demand data at the same day of the week and the same time stored in the database 4a, and the demand pattern for 24 hours is predicted. Based on the hot water supply demand H and the power demand D in the case of this predicted demand pattern, the reverse calculation of the power generation start time (t0) of the power generation unit 2 and the operation schedule S are determined so as to optimize the energy efficiency. By repeatedly updating this process at predetermined time intervals (for example, 1 hour), it is possible to always generate power and store hot water in response to demand.

次に図３をも参照して、制御部４の指令により行われる本システム１における最低発電量更新フローについて説明する。更新は、上述の最低発電量判定テーブル（図９）を用いて行われる。
上記学習機能に基づく運転スケジュールに従い、発電ユニット２の運転が行われている状態を想定する。なお、最低発電量＝２００Ｗに初期設定されているものとする（Ｓ１０１）。運転中、発電排熱は排熱回収装置２ｄに回収され、温水循環系統５を介して貯湯タンク３側に移送される。温水循環系統５の循環流量Fは、Ｔｏ＝６０℃を維持するように流量制御されている（Ｓ１０２）。
この状態で運転計画更新タイミング（例えば１時間ごと）に至った場合には（Ｓ１０３においてＹＥＳ）、まずその時点における排熱回収装置２ｄへの入水温度Ｔｉ(ｔ)が計測される（Ｓ１０４）。さらに、判定テーブルに基づいて入水温度Ｔｉ(ｔ)が下限入水温度Ｔｍ以下か否かが判定される（Ｓ１０５）。Ｔｉ(ｔ)＞Ｔｍの場合には（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、貯湯タンク入り温度（Ｔｔ）≧４０℃を確保できると判定され、発電計画に際して最低発電量２００Ｗが維持される（Ｓ１０６）。 Next, the minimum power generation amount update flow in the present system 1 performed according to a command from the control unit 4 will be described with reference to FIG. The update is performed using the above-described minimum power generation amount determination table (FIG. 9).
A state is assumed in which the power generation unit 2 is operated according to the operation schedule based on the learning function. It is assumed that the minimum power generation amount is initially set to 200 W (S101). During operation, the generated heat is recovered by the exhaust heat recovery device 2d and transferred to the hot water storage tank 3 side through the hot water circulation system 5. The circulation flow rate F of the hot water circulation system 5 is controlled to maintain To = 60 ° C. (S102).
When the operation plan update timing (for example, every hour) is reached in this state (YES in S103), first, the incoming water temperature Ti (t) to the exhaust heat recovery device 2d is measured (S104). Further, it is determined based on the determination table whether the incoming water temperature Ti (t) is equal to or lower than the lower incoming water temperature Tm (S105). If Ti (t)> Tm (YES in S105), it is determined that the temperature in the hot water storage tank (Tt) ≧ 40 ° C. can be secured, and the minimum power generation amount 200W is maintained in the power generation plan (S106).

Ｔｉ(ｔ)≦Ｔｍの場合には（Ｓ１０５においてＮＯ）、判定テーブルに基づいて入水温度Ｔｉ(ｔ)に対応する最低発電量Ｅ（Ｔｉ）に変更される（Ｓ１０７）。その後の運転に際しては、Ｅ（Ｔｉ）を最低発電量として発電が行われる。
以上の工程を更新タイミングごとに行うことにより、常に貯湯タンク入り温度（Ｔｔ）≧４０℃を維持することができる。 If Ti (t) ≦ Tm (NO in S105), the power generation amount is changed to the minimum power generation amount E (Ti) corresponding to the incoming water temperature Ti (t) based on the determination table (S107). In the subsequent operation, power generation is performed using E (Ti) as the minimum power generation amount.
By performing the above steps at each update timing, the temperature in the hot water storage tank (Tt) ≧ 40 ° C. can always be maintained.

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態の構成は、第一の実施形態に係るコージェネレーション・システム１と同様であるので重複説明を省略する。
本実施形態が上述の実施形態と異なる点は、上述の実施形態では運転計画による発電量予測値とは無関係に最低発電量が決定されるのに対して、本実施形態では発電量予測値を考慮して最低発電量を決定することである。
図４（ａ）を参照して、Ｓ２０１〜Ｓ２０５については上述の実施形態のＳ１０１〜Ｓ１０５と同一フローである。次に、Ｓ２０５においてＴｉ(ｔ)＞Ｔｍの場合には、貯湯タンク入り温度（Ｔｔ）≧４０℃が確保できると判定され、上述の実施形態と同様に最低発電量２００Ｗが維持される（Ｓ２０６）。この場合、発電計画による発電量予測値Ｅａに関わらず、最低発電量２００Ｗにより発電が行われる。 <Second Embodiment>
Next, another embodiment of the present invention will be described. Since the configuration of the present embodiment is the same as that of the cogeneration system 1 according to the first embodiment, duplicate description is omitted.
This embodiment is different from the above-described embodiment in that, in the above-described embodiment, the minimum power generation amount is determined regardless of the power generation amount prediction value based on the operation plan, whereas in this embodiment, the power generation amount prediction value is set. It is to determine the minimum power generation amount in consideration.
With reference to Fig.4 (a), it is the same flow as S101-S105 of the above-mentioned embodiment about S201-S205. Next, when Ti (t)> Tm in S205, it is determined that the temperature in the hot water storage tank (Tt) ≧ 40 ° C. can be secured, and the minimum power generation amount 200 W is maintained as in the above-described embodiment (S206). ). In this case, power generation is performed with a minimum power generation amount of 200 W regardless of the power generation amount prediction value Ea according to the power generation plan.

一方、Ｔｉ(ｔ)≦Ｔｍの場合には（Ｓ２０５においてＮＯ）、運転計画による発電量予測値Ｅａが演算され（Ｓ２０７）、さらに判定テーブルに基づいて、発電量予測値Ｅａのときの排熱回収量予測値Ｑａが、Ｔｉ(ｔ)における下限排熱回収量Ｑｂを下回るか否かが判定される（Ｓ２０８）。
Ｑａ≧Ｑｂの場合には（図４（ｂ）においてＰ１に該当）、貯湯タンク入り温度（Ｔｔ）≧４０℃が確保できるため、運転計画による発電量予測値Ｅａにより発電が行われる（Ｓ２０９）。
Ｑａ＜Ｑｂの場合には（同図Ｐ２に該当）、貯湯タンク入り温度（Ｔｔ）≧４０℃が確保できないことになるため、判定テーブルに基づいて入水温度Ｔｉ(ｔ)に対応する最低発電量Ｅｂに変更され、発電計画に際してこの値が使用される（Ｓ２１０）。
なお、排熱回収量予測値Ｑａには、発電排熱に加えて余剰電力ヒータ回収による熱回収量を含むこともある。 On the other hand, if Ti (t) ≦ Tm (NO in S205), the power generation amount predicted value Ea based on the operation plan is calculated (S207), and the exhaust heat at the power generation amount predicted value Ea is further calculated based on the determination table. It is determined whether or not the recovery amount predicted value Qa is below the lower limit exhaust heat recovery amount Qb in Ti (t) (S208).
In the case of Qa ≧ Qb (corresponding to P1 in FIG. 4B), the temperature in the hot water storage tank (Tt) ≧ 40 ° C. can be secured, and power generation is performed with the predicted power generation amount Ea based on the operation plan (S209). .
In the case of Qa <Qb (corresponding to P2 in the figure), the temperature (Tt) ≧ 40 ° C. in the hot water storage tank cannot be secured, so the minimum power generation amount corresponding to the incoming water temperature Ti (t) based on the determination table The value is changed to Eb, and this value is used in the power generation plan (S210).
The exhaust heat recovery amount predicted value Qa may include the heat recovery amount due to the recovery of the surplus power heater in addition to the power generation exhaust heat.

＜実施例１＞温水循環量と配管放熱による出口温度降下の関係
図１０は、冬季条件（水温１０℃、外気温５℃）において、通常の断熱を施した配管（配管長Ｌ＝５、１０、１５、２０ｍ、内径１０ｍｍ）に、入口温度６０℃の温水を流量を変化させて流し、出口温度を測定した結果を示すグラフである。
予め、必要な配管長についてこのような測定を行うことにより、所定の下限貯湯タンク入温度（Ｔｉ）に対する最低循環流量Ｆｍを求めることができる。 <Example 1> Relationship between the circulation rate of hot water and the drop in outlet temperature due to heat radiation from pipes FIG. 10 shows pipes (pipe length L = 5, 10) subjected to normal heat insulation in winter conditions (water temperature 10 ° C., outside air temperature 5 ° C.). , 15, 20 m, inner diameter of 10 mm), hot water having an inlet temperature of 60 ° C. was allowed to flow while changing the flow rate, and the outlet temperature was measured.
By performing such measurement for a necessary pipe length in advance, the minimum circulating flow rate Fm with respect to a predetermined lower limit hot water storage tank inlet temperature (Ti) can be obtained.

＜実施例２＞最低発電量と省エネ性の関係
図１１は、一般需要家の給湯需要、電力需要実測データを用いて、冬季条件で最低発電量３００Ｗ又は２００Ｗに設定して運転シミュレーションを行い、給湯需要と一次エネルギー削減量（従来の省エネ型給湯器＋商用電力と比較したときの削減量）の関係を求めたグラフである。
同図より、給湯需要が少ない（１５ｋＷ／ｄａｙ）需要家については、最低発電量２００Ｗの方が一次エネルギー削減量が大きい需要家も見られるが、約半数ではその差はほとんど確認されない。また、給湯需要が多い需要家については、ほとんど差がない。
従来システムであれば、最低発電量を下げることにより循環流量が小さくなるため、貯湯タンク入温度が低下し給湯快適性も低下するが、本発明のシステムによれば給湯快適性が担保される。このことから、省エネ性と給湯快適性のトレードオフを解決する現実的手段として、冬季のみ最低発電量を高くすることが有効であることがわかる。 <Example 2> Relationship between minimum power generation amount and energy saving FIG. 11 shows an operation simulation by setting the minimum power generation amount to 300 W or 200 W under winter conditions using the hot water supply demand and power demand measurement data of general consumers. It is the graph which calculated | required the relationship between the hot water supply demand and the primary energy reduction amount (reduction amount when compared with the conventional energy saving type hot water heater + commercial power).
As shown in the figure, with regard to consumers with low demand for hot water supply (15 kW / day), there are some customers whose primary energy reduction amount is larger with the minimum power generation amount of 200 W, but in about half the difference is hardly confirmed. In addition, there is almost no difference for customers with high demand for hot water supply.
In the case of the conventional system, the circulating flow rate is reduced by lowering the minimum power generation amount, so that the temperature in the hot water storage tank is lowered and the hot water supply comfort is reduced. However, the hot water supply comfort is ensured according to the system of the present invention. From this, it can be seen that, as a practical means for solving the trade-off between energy saving and hot water supply comfort, it is effective to increase the minimum power generation amount only in winter.

本発明は、ＰＥＦＣを用いたコージェネレーション・システムのみならず、他の熱源による熱電併給システムに広く適用可能である。   The present invention is widely applicable not only to a cogeneration system using PEFC but also to a combined heat and power system using other heat sources.

１・・・・コージェネレーション・システム
２・・・・発電ユニット
２ａ・・・燃料処理装置
２ａ・・・セルスタック
２ａ・・・インバータ
２ａ・・・排熱回収装置
３・・・・貯湯タンク
４・・・・制御部
４ａ・・・データベース
５・・・・温水循環系統
Ｅ０・・・最低発電量
Ｅａ・・・発電量予測値
Ｆｍ・・・下限循環流量
Ｑａ・・・排熱回収量予測値
Ｑｂ・・・下限排熱回収量
Ｔｉ・・・発電ユニット入温度
Ｔｍ・・・下限入水温度
Ｔｏ・・・発電ユニット出温度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cogeneration system 2 ... Power generation unit 2a ... Fuel processing device 2a ... Cell stack 2a ... Inverter 2a ... Waste heat recovery device 3 ... Hot water storage tank 4 ··· Control unit 4a ··· Database 5 ··· Hot water circulation system E0 ··· Minimum power generation amount Ea · Power generation amount prediction value Fm · Lower limit circulation flow rate Qa · Exhaust heat recovery amount prediction Value Qb ... Lower limit exhaust heat recovery amount Ti ... Power generation unit input temperature Tm ... Lower limit water input temperature To ... Power generation unit output temperature

Claims (6)

発電ユニットと、発電排熱をお湯として蓄熱する貯湯タンクと、発電ユニットと貯湯タンクとの間を配管で結び温水又は水を循環させる温水循環系統と、を備え、所定の時間間隔で更新する運転計画に基づいて、予め定めた最低発電量（Ｅ０）以上で発電及び貯湯蓄熱を行うコージェネレーション・システムの運転制御方法において、
（１−１）温水循環系統の発電ユニット出温度（Ｔｏ）を、発電ユニットの特性に対応する所定の設定温度（Ｔ１）に維持し、かつ、
（１−２）貯湯タンク入温度（Ｔｔ）を、需要者の給湯快適性を担保する許容下限温度（Ｔ２）以上に維持する、ことを前提とし、
予め、複数の配管長（Ｌ）について、
（２）前記（１−１）、（１−２）を担保する下限温水循環量（Ｆｍ）を求めるステップと、
（３）該下限温水循環量（Ｆｍ）の条件で、前記（１−１）を担保する下限排熱回収量（Ｑｂ）を、発電ユニットと貯湯タンク間の配管長（Ｌ）、及び、発電ユニット入温度Ｔｉの関数
Ｑｂ＝Ｇ（Ｌ、Ｆｍ、Ｔｉ）
として求めるステップと、
（４）前記関数Ｇにより、最低発電量（Ｅ０）に対応する排熱回収量（Ｑ０）のときの下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）を求めるステップと、
運転計画更新時において、当該システムの配管長（Ｌ０）に対して、
（５）その時点における発電ユニット入温度Ｔｉ(ｔ)と、前記下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）と、を比較するステップと、
（６）Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍの場合には、最低発電量を、下限排熱回収量である、
Ｑｂ（Ｌ０、Ｆｍ、Ｔｉ(ｔ)）を得ることができる下限発電量（Ｅｂ）以上の値に変更するステップと、を含み、
発電ユニット入温度Ｔｉ(ｔ)に対応して、随時、最低発電量を更新可能とすることを特徴とするコージェネレーション・システムの運転制御方法。 An operation that includes a power generation unit, a hot water storage tank that stores the generated heat as hot water, and a hot water circulation system that connects the power generation unit and the hot water storage tank with piping to circulate hot water or water, and is updated at predetermined time intervals. In the operation control method of the cogeneration system that generates power and stores hot water at a predetermined minimum power generation amount (E0) or more based on the plan,
(1-1) Maintaining the power generation unit output temperature (To) of the hot water circulation system at a predetermined set temperature (T1) corresponding to the characteristics of the power generation unit;
(1-2) On the premise that the hot water storage tank entry temperature (Tt) is maintained at or above the allowable lower limit temperature (T2) that ensures the comfort of the hot water supply of the consumer,
For multiple pipe lengths (L) in advance,
(2) A step of obtaining a lower limit hot water circulation amount (Fm) that secures (1-1) and (1-2);
(3) Under the condition of the lower limit hot water circulation rate (Fm), the lower limit exhaust heat recovery amount (Qb) that secures the above (1-1) is calculated from the pipe length (L) between the power generation unit and the hot water storage tank , and power generation. Unit input temperature Ti function Qb = G (L, Fm, Ti)
And asking for steps
(4) obtaining a lower limit power generation unit input temperature (Tm) when the exhaust heat recovery amount (Q0) corresponding to the minimum power generation amount (E0) is obtained by the function G;
When the operation plan is updated, the piping length (L0) of the system
(5) a step of comparing the power generation unit input temperature Ti (t) at that time with the lower limit power generation unit input temperature (Tm);
(6) When Ti (t) <Tm, the minimum power generation amount is the lower limit exhaust heat recovery amount.
Qb and changing to the lower limit power generation amount can be obtained (L0, Fm, Ti (t )) (Eb) or more values, only including,
An operation control method for a cogeneration system , wherein the minimum power generation amount can be updated at any time corresponding to the power generation unit input temperature Ti (t) . 請求項１において、前記（６）に替えて、
「（７）Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍ、かつ、更新後の発電計画に基づく予定発電量による排熱回収量予定（Ｑａ）が、前記下限排熱回収量（Ｑｂ）以下の場合には、予定発電量を前記下限発電量（Ｅｂ）以上の値に変更して発電を実施するステップと、」
とすることを特徴とするコージェネレーション・システムにおける運転制御方法。 In claim 1, in place of (6),
“(7) If Ti (t) <Tm and the planned amount of exhaust heat recovery (Qa) based on the planned amount of power generation based on the updated power generation plan is less than or equal to the lower limit exhaust heat recovery amount (Qb) A step of changing the power generation amount to a value equal to or greater than the lower limit power generation amount (Eb) and performing power generation;
An operation control method in a cogeneration system. 配管長（Ｌ）をパラメータとした、前記下限発電ユニット入温度（Ｔｍ）及び下限発電量（Ｅｂ）の判定テーブルに基づき、前記（６）の判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のコージェネレーション・システムにおける運転制御方法。   The determination of (6) is performed based on a determination table of the lower limit power generation unit input temperature (Tm) and the lower limit power generation amount (Eb) using the pipe length (L) as a parameter. The operation control method in the cogeneration system described in 1. 請求項３において、前記最低発電量（Ｅ０）の条件で、前記（１−１）、（１−２）を担保する前記下限温水循環量（Ｆｍ）で運転した場合、Ｔｉ(ｔ)＜Ｔｍが予想される季節については、前記判定テーブルにおける下限発電量（Ｅｂ）に替えて、Ｔｉ(ｔ)≧Ｔｍとなる蓋然性の高い最低発電量（Ｅｂ’）を用いることを特徴とするコージェネレーション・システムにおける運転制御方法。   In claim 3, when operating at the lower limit hot water circulation rate (Fm) that secures (1-1) and (1-2) under the condition of the minimum power generation amount (E0), Ti (t) <Tm For the season in which cogeneration is expected, instead of the lower limit power generation amount (Eb) in the determination table, the most probable minimum power generation amount (Eb ′) satisfying Ti (t) ≧ Tm is used. Operation control method in the system. 前記下限排熱回収量の演算に際して、発電排熱に加えて、余剰電力ヒータ回収による熱回収量を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のコージェネレーション・システムにおける運転制御方法。   5. The operation control in the cogeneration system according to claim 1, wherein, in calculating the lower limit exhaust heat recovery amount, in addition to power generation exhaust heat, a heat recovery amount by surplus power heater recovery is included. Method. 発電ユニット出温度の前記設定温度（Ｔ１）が６０℃であり、
前記許容下限温度（Ｔ２）が４０℃であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかコージェネレーション・システムにおける運転制御方法。 The set temperature (T1) of the power generation unit output temperature is 60 ° C.,
The operation control method in a cogeneration system according to any one of claims 1 to 5, wherein the allowable lower limit temperature (T2) is 40 ° C.
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