JP6493010B2 - ヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法に関するものである。

住宅等における熱源の１つとしてヒートポンプ式貯湯装置がある。ヒートポンプ式貯湯装置では、深夜時間帯（例えば２３時〜７時）の電力を利用して湯水を生成し、生成した湯水を貯湯タンク（貯湯槽）に貯湯しておく。そして、貯湯された湯水を、日中、必要に応じて貯湯槽から給湯設備等に供給して使用する。

また近年、マンション等の集合住宅において一括受電方式の採用が進んでいる。一括受電方式では、デベロッパーや管理会社が、集合住宅全体で電力会社との高圧電力契約を行い、各戸の居住者は、デベロッパーや管理会社と低圧電力契約を行う。このような一括受電方式を採用することにより、電気料金を削減できるという利点がある。

一括受電方式では、電力会社との（高圧電力契約の）受電契約容量によって電気料金が変動する。このため、消費電力のピークを抑制する、換言すれば消費電力を平滑化することが、電気料金の更なる削減に重要な課題となる。消費電力のピークを抑制する手段としては、例えば特許文献１に開示されている貯湯式給湯装置がある。

特許文献１の貯湯式給湯装置では、深夜時間帯における沸き上げ運転の開始時間や停止時間が異なる第１運転モードおよび第２運転モードが設定されている。そして、決定手段によって、第１運転モードまたは第２運転モードのいずれにおいて沸き上げ運転を行うかが決定される。

特開２０１４−１３７２００号公報

特許文献１の構成によれば、貯湯式給湯装置の運転時間が２パターンに分かれることにより、深夜時間帯における消費電力のピークは緩和されると考えられる。しかしながら、特許文献１の構成であると、やはり他の時間帯に比して深夜時間帯の消費電力が大きくなることには変わりがない。またマンション等の集合住宅では、深夜時間帯に沸き上げておいた湯水を日中に消費するため、湯水が不足すると夜間に追加で湯水を沸き上げることがある。このため、消費電力のピークは深夜時間帯に加えて夜間時間帯にも生じる。故に、より効果的に消費電力のピークを抑制する手段の開発が要請されていた。

本発明は、このような課題に鑑み、一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置において、深夜時間帯や夜間時間帯の消費電力のピークを抑制することができ、受電契約容量の低下、ひいては需要家の電気料金の削減を図ることが可能なヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法の代表的な構成は、一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法であって、建物内の各戸の負荷の典型的な単位時間ごとの消費電力を予測し、各戸のヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を予測し、建物の電力契約の契約容量に基づいて所定のピーク値を設定し、所定のピーク値から負荷の典型的な単位時間ごとの消費電力を減算した単位時間ごとの余裕電力を算出し、余裕電力の領域を時間帯で分割することにより複数の時間枠を設定し、ピーク値を超えないように各戸のヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を複数の時間枠に割り振りするシミュレーション計算を行い、シミュレーション計算によって算出された運転時間を各戸のヒートポンプ式貯湯装置に設定することを特徴とする。

上記構成によれば、建物の各戸のヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を余裕電力の領域に設定された時間枠に割り振ることにより、消費電力のピークを低減することができる。したがって、深夜時間帯や夜間時間帯の消費電力のピークを抑制し、一括受電方式の受電契約容量の低下、ひいては需要家の電気料金の削減を図ることが可能となる。

特に上記構成では、シミュレーション計算を行い、それによって算出された運転時間をヒートポンプ式貯湯装置に設定している。これにより、ヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を余裕電力の時間枠に効率的に割り振ることができる。したがって、上述した効果を更に高めることが可能となる。

上記複数の時間枠について、時間枠の先頭を沸き上げ開始時とする設定と、時間枠の末尾を沸き上げ完了時とする設定を用いてシミュレーション計算を行うとよい。かかる構成によれば、各戸のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間の沸き上げ開始時や沸き上げ完了時の時刻をそろえることができる。したがって、運転時間のパターン数を減らし、設定の簡略化を図ることが可能となる。

上記各戸のヒートポンプ式貯湯装置の１日の動作時間を２分割し、分割比率を変えながらシミュレーション計算を行うとよい。ただし、ヒートポンプ式貯湯装置の省エネ効果の観点から分割した際の運転時間を１時間以上確保することがよい。これにより、各戸のヒートポンプ式貯湯装置の消費電力量をより細分化して余裕電力の時間枠に割り振ることができる。なお、１日の動作時間を、特に従来の深夜時間帯（２３時〜７時）における動作時間とし、夜間時間帯（１７時〜２３時）の動作時間帯（追加沸き上げ分）を除外してもよい。

上記余裕電力のうち、一定の電力を所定時間継続して得ることができる領域を時間枠とするとよい。これにより、ヒートポンプ式給湯装置を動作させるための消費電力量を余裕電力の範囲内で確保することができる。

本発明によれば、一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置において、深夜時間帯や夜間時間帯の消費電力のピークを抑制することができ、受電契約容量の低下、ひいては需要家の電気料金の削減を図ることが可能なヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法を提供することが可能である。

本実施形態にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法について説明する概略図である。 本実施形態にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法について説明するフローチャートである。 建物における消費電力のシミュレーション結果を例示した図である。 ステップＳ２１２のシミュレーション計算を説明する図である。

以下に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詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法について説明する概略図である。以下、図１（ｂ）に示す管理装置１４０を用いて本実施形態にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法を実行する場合を例示して説明する。また以下の説明では、ヒートポンプ式貯湯装置を貯湯装置１２０、その運転時間設定方法を単に運転時間設定方法と称する。

図１（ａ）は全体構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は管理装置１４０の構成を示すブロック図である。図１（ａ）に示す集合住宅（以下、建物１０２と称する）では、電力会社（以下、電気事業者１００と称する）から一括受電を行っている（高圧電力契約）。建物１０２には、９戸の住宅１０２ａが入っていて、各住宅１０２ａでは、建物１０２のデベロッパーや管理会社と低圧電力契約を行っている。

図１（ａ）に示すように、各住宅１０２ａには運転制御装置１３０が設置されている。また各住宅１０２ａ（各戸）には、負荷１１０および貯湯装置１２０（ヒートポンプ（ＨＰ）式貯湯装置）が設置されている。負荷１１０としては、住宅１０２ａの室内に配置されている空調機やテレビ、冷蔵庫等の電気機器を例示することができる。貯湯装置１２０は、ヒートポンプによって生成した湯水を貯湯タンクに貯湯し、かかる湯水を給湯設備に供給する（不図示）。これらの負荷１１０および貯湯装置１２０は、ＬＡＮ（Local Area Network）によって運転制御装置１３０に接続されている。すなわち、住宅１０２ａでは、運転制御装置１３０によってＨＥＭＳ（Home Energy Management System）が構築されている。

電気事業者１００には、建物１０２の各住宅１０２ａに設置された貯湯装置１２０を管理する管理装置１４０が設置されている。図１（ｂ）に示すように、管理装置１４０は、貯湯装置の運転時間の設定およびその際の演算を行う演算手段１４２、ならびに各種データを記憶するデータ記憶手段１５０を含んで構成される。なお、本実施形態では、演算手段１４２およびデータ記憶手段１５０は管理装置１４０に含まれる構成を例示するが、これに限定するものではなく、演算手段１４２およびデータ記憶手段１５０を別々の装置としてもよい。

データ記憶手段１５０は、負荷データ１５２、貯湯装置規格データ１５４および電力契約データ１５６を記憶する。負荷データ１５２は、各住宅１０２ａの負荷１１０に関するデータである。具体的には、負荷１１０の種類やその消費電力量、その負荷１１０を使用する住人に関するデータ（人数や在宅時間等）などを例示することができる。貯湯装置規格データ１５４は、各住宅１０２ａに設置されている貯湯装置１２０の規格に関するデータである。電力契約データ１５６は、建物１０２と電気事業者１００との高圧電力契約の内容（契約容量等）に関するデータである。地域の標準気象データ１５８は、その地域の標準的な月ごとの外気温度、給水温度である。

図２は、本実施形態にかかるヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法について説明するフローチャートである。以下、管理装置１４０の動作について詳述しながら、本実施形態にかかる運転時間設定方法、すなわち一括受電を行っている建物１０２に設置された貯湯装置１２０の運転時間設定方法についても併せて説明する。

本実施形態の運転時間設定方法では、管理装置１４０の演算手段１４２は、まずデータ記憶手段１５０に記憶されている負荷データ１５２を参照し、建物１０２内の各住宅１０２ａ（各戸）の負荷１１０の典型的な単位時間ごとの消費電力を予測する（ステップＳ２０２）。続いて演算手段１４２は、データ記憶手段１５０に記憶されている貯湯装置規格データ１５４および負荷データ１５２を参照し、各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の典型的な消費電力量（動作時間×消費電力）を予測する（ステップＳ２０４）。消費電力は地域の標準気象データ１５８から予測する。

図３は、建物１０２における消費電力のシミュレーション結果を例示した図である。上述したステップＳ２０２において各住宅１０２ａの負荷１１０の典型的な消費電力を予測することにより、図３（ａ）に示すような負荷１１０の消費電力カーブ２２０（ベースカーブ）が算出される。そして、ステップＳ２０４において各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の典型的な消費電力量を予測することにより、貯湯装置１２０が動作することによって発生する深夜ピーク２２２ａ（早朝の４時から６時までの時間帯のピーク負荷）および夜間ピーク２２２ｂ（夜間の２１時から２２時までの時間帯のピーク負荷）が予測される。

なお、深夜ピーク２２２ａが発生する要因としては、各住宅１０２ａに設置されている貯湯装置１２０が、住人が日中に使用する湯水を貯湯しておくために沸き上げ運転を行うことを想定している。また夜間ピーク２２２ｂが発生する要因としては、深夜に沸き上げた湯水を住人が日中に使用することにより湯水が不足したために追加で沸き上げ運転を行うことを想定している。

図２に戻り、負荷１１０の消費電力および貯湯装置１２０の典型的な消費電力量を予測したら、演算手段１４２は、データ記憶手段１５０に記憶されている電力契約データ１５６を参照し、建物１０２の電力契約の契約容量に基づいて所定のピーク値を設定する（ステップＳ２０６）。図３（ａ）に示す例では、消費電力が最も高くなっている夜間ピーク２２２ｂの最大値を所定のピーク値２２４としている。

続いて演算手段１４２は、所定のピーク値２２４から負荷１１０の典型的な単位時間ごとの消費電力を減算することにより、単位時間ごとの余裕電力を算出する（ステップＳ２０８）。図３（ａ）に示す例では、単位時間ごとの余裕電力を積算することにより、消費電力カーブ２２０からピーク値２２４までの間の領域が余裕電力の領域となる。

余裕電力を算出したら、演算手段１４２は、かかる余裕電力の領域を時間帯で分割することにより複数の時間枠を設定する（ステップＳ２１０）。図３（ａ）に示す例では、午前７時〜１０時の時間帯に第１時間枠２２６ａを、午前１０時３０分〜夕方１７時３０分の時間帯に第２時間枠２２６ｂを設定している。

ステップＳ２１０において時間枠を設定する際には、余裕電力のうち、一定の電力を所定時間継続して得ることができる領域を時間枠とするとよい。すなわち、時間枠は、図３（ａ）に示す第１時間枠２２６ａおよび第２時間枠２２６ｂのように矩形になるように設定するとよい。これにより、貯湯装置１２０を動作させるための消費電力量を余裕電力の範囲内で確保することができる。

本実施形態の特徴として、上述した時間枠を設定したら、演算手段１４２は、各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の典型的な消費電力量を、ピーク値を超えないように複数の時間枠に割り振りするシミュレーション計算（板取計算）を実行する（ステップＳ２１２）。そして、貯湯装置１２０を設置または整備する作業員が、ステップＳ２１２のシミュレーション計算によって算出された運転時間のパターンを各住宅１０２ａの貯湯装置１２０に設定する（ステップＳ２１４）。設定は個々の貯湯装置１２０に取り付けられているコントローラに対して行われる。具体例として、コントローラの液晶とボタンを使用して設定値を入力してもよい。他の例として、コントローラに設けられたディップスイッチを操作して、時刻と、沸き上げ開始または沸き上げ完了の区別を設定してもよい。

図４は、ステップＳ２１２のシミュレーション計算を説明する図である。なお、図４では、深夜ピーク２２２ａの貯湯装置１２０の典型的な消費電力量を第２時間枠２２６ｂに割り振る場合を例示して説明するが、夜間ピーク２２２ｂの貯湯装置１２０の典型的な消費電力量を第１時間枠２２６ａや第２時間枠２２６ｂに割り振る際にも同様の処理を行う。

図３（ａ）では、深夜ピーク２２２ａの貯湯装置１２０の消費電力量は台形の領域で表現されているが、実際には、図４（ａ）に例示するように、複数の住宅１０２ａの貯湯装置１２０の消費電力量（横長のバーで表示）を積算したものである。ステップＳ２１２のシミュレーション計算では、横長のバーで表現したような各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の消費電力量を、ピーク値を超えないように第１時間枠２２６ａや第２時間枠２２６ｂに割り振る。

なお、図４（ａ）において横長のバー（長方形）で例示している貯湯装置１２０の消費電力量は、縦軸方向（高さ）は貯湯装置１２０の消費電力であり、横軸は時間（動作時間）である。そして、消費電力と時間の積、すなわち面積が貯湯装置１２０の消費電力量となる。ここで、貯湯装置１２０の消費電力（縦軸）は気温によって変動するが、本発明において貯湯装置１２０の設定値は年間もしくは期間ごとのピーク抑制をねらうため詳細な気温補正を行うのではなく、年間を通じた平均の消費電力、もしくは各期ごと（夏期・冬期・中間期）時の消費電力を用いてシミュレーションを行うとよい。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の１日の動作時間を２分割し（破線にて図示）、分割比率を変えながらシミュレーション計算を行う。これにより、各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の消費電力量が細分化される。したがって、貯湯装置１２０の消費電力量を割り振った際の時間枠における隙間を減らすことができ、貯湯装置１２０の消費電力量をより多く余裕電力の時間枠に割り振ることが可能となる。

貯湯装置１２０の消費電力量を余裕電力の時間枠に割り振る際には、図４（ｂ）に例示するように、２分割した深夜ピーク２２２ａの貯湯装置１２０の消費電力量（バー）を、第２時間枠２２６ｂに埋めていく（板取計算）。これにより、深夜ピーク２２２ａの貯湯装置１２０の消費電力量が第２時間枠２２６ｂに収容される（割り振られる）。このような貯湯装置１２０の消費電力量を時間枠に割り振るシミュレーション計算を、分割比率を変えながら繰り返す。そして、シミュレーション計算によって各住宅１０２ａの貯湯装置１２０の運転時間が算出されたら、その運転時間を貯湯装置１２０に設定する。

上記説明したように、本実施形態のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法では、ピーク時間帯の貯湯装置１２０の消費電力量をシミュレーション計算によって余裕電力の時間枠に割り振る。これにより、例えば図３（ａ）の深夜ピーク２２２ａおよび夜間ピーク２２２ｂにおける貯湯装置１２０の消費電力量は、図３（ｂ）に示すように日中の第１時間枠２２６ａおよび第２時間枠２２６ｂに効率的に割り振られ、消費電力のピーク値２２４が抑制される。したがって、一括受電方式の受電契約容量を下げることができ、需要家の電気料金の削減を図ることが可能となる。

なお上記の一連の処理（シミュレーション計算および貯湯装置１２０の設定変更など）を実行するタイミングとしては、入居時はもちろんのこと、貯湯装置１２０のメンテナンスを行うとき、および年次更新のように定期的に全戸一斉に再実行することが考えられる。

また更に好ましくは、ステップＳ２１２では、複数の時間枠それぞれについて、時間枠の先頭を沸き上げ開始時とする設定と、時間枠の末尾を沸き上げ完了時とする設定を用いてシミュレーション計算を行うとよい。本実施形態の図４（ｂ）においても、図４（ａ）に示す貯湯装置１２０の消費電力量（バー）を、沸き上げ開始時（消費電力の先端）を深夜ピーク２２２ａの先端に一致させるパターンと、貯湯装置１２０の沸き上げ完了時（消費電力の後端）を深夜ピーク２２２ａの後端に一致させるパターンに分けて割り振っている。

例えば、板取計算においては、時間枠に対して消費電力量のバーを任意の時間に運転開始または運転完了させることが考えられる。しかしこのような処理を行うと、各戸の貯湯装置１２０の運転開始時間および運転完了時間がまちまちとなり、運転時間のパターンが最大で貯湯装置１２０の台数とおなじになる。これに対し、消費電力量の先端が時間枠の先頭に揃うように、または消費電力の後端が時間枠の末尾に揃うように板取計算を行えば、運転パターンは、時間枠の数×時間枠の先頭または末尾（２パターン）×先端揃えまたは後端揃え（２パターン）となる。すなわち、任意の時間に運転開始または運転完了させる場合と比べると、運転時間のパターン数を減らすことができるため、設定の簡略化を図ることが可能となる。特にディップスイッチを用いて設定を行う場合には、運転時間のパターンは少ない方が好ましい。

なお、本実施形態では、データ記憶手段１５０に記憶されている負荷データ１５２、貯湯装置規格データ１５４および電力契約データ１５６を参照して、負荷１１０および貯湯装置１２０の典型的な消費電力ならびに消費電力量を予測する構成を例示したが、これに限定するものではない。例えば、各住宅１０２ａに設置されている運転制御装置１３０によって負荷１１０や貯湯装置１２０の消費電力の履歴データを取得し、それを用いることも可能である。これにより、典型的な消費電力のカーブを用いるよりもさらに精度の高い制御を行うことができる。さらには、転居する際に履歴データを記憶媒体に保存しておき、転居先でも当初から精度の高い制御を行うことが可能となる。

以上、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したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例また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。

本発明は、一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法、かかるヒートポンプ式貯湯装置の運転計画システムに利用することができる。

１００…電気事業者、１０２…建物、１０２ａ…住宅、１１０…負荷、１２０…貯湯装置、１３０…運転制御装置、１４０…管理装置、１４２…演算手段、１５０…データ記憶手段、１５２…負荷データ、１５４…貯湯装置規格データ、１５６…電力契約データ、２２０…消費電力カーブ、２２２ａ…深夜ピーク、２２２ｂ…夜間ピーク、２２４…ピーク値、２２６ａ…第１時間枠、２２６ｂ…第２時間枠

Claims (4)

1. 一括受電を行っている建物に設置された複数のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法であって、
   前記建物内の各戸の負荷の典型的な単位時間ごとの消費電力を予測し、
   前記各戸のヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を予測し、
   前記建物の電力契約の契約容量に基づいて所定のピーク値を設定し、
   前記所定のピーク値から前記負荷の典型的な単位時間ごとの消費電力を減算した単位時間ごとの余裕電力を算出し、
   前記余裕電力の領域を時間帯で分割することにより複数の時間枠を設定し、
   前記ピーク値を超えないように前記各戸のヒートポンプ式貯湯装置の典型的な消費電力量を前記複数の時間枠に割り振りするシミュレーション計算を行い、
   前記シミュレーション計算によって算出された運転時間を各戸のヒートポンプ式貯湯装置に設定することを特徴とするヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法。
2. 前記複数の時間枠について、該時間枠の先頭を沸き上げ開始時とする設定と、時間枠の末尾を沸き上げ完了時とする設定を用いて前記シミュレーション計算を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法。
3. 前記各戸のヒートポンプ式貯湯装置の１日の動作時間を２分割し、分割比率を変えながら前記シミュレーション計算を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法。
4. 前記余裕電力のうち、一定の電力を所定時間継続して得ることができる領域を前記時間枠とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式貯湯装置の運転時間設定方法。

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