JP2004263910A

JP2004263910A - 貯湯装置及びその加熱運転制御方法

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Publication number: JP2004263910A
Application number: JP2003053262A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Nakajima; 良秀中嶋; Yoshio Fujimoto; 藤本　　善夫; Shin Iwata; 伸岩田; Keiji Takimoto; 桂嗣滝本; Takeshi Tomio; 剛至富尾
Original assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Noritz Corp; Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Saibu Gas Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd; Noritz Corp; Toho Gas Co Ltd
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】加熱運転の開始後に短時間で停止せざるを得ず加熱運転継続が不能になる事態の発生を回避して、ガスエンジンの運転効率を向上させる。
【解決手段】加熱運転停止中の貯湯タンク３内の温度成層状態の湯水温度を温度センサ３１〜３５により検出する。ガスエンジン１の冷却水が熱源として供給される排熱熱交換器２２において熱交換加熱により冷却水を冷却し得る湯水の上限温度（５５℃）を基準温度として用い、検出湯水温度情報とＡ１〜Ａ５の各層の容量情報とに基づき基準温度まで蓄熱し得る有効予測熱量を演算する。有効予測熱量演算値が、ガスエンジンの運転効率上から要求される下限運転継続時間（１時間）だけ運転させて加熱運転した場合に蓄熱し得る熱量値を設定した判定熱量値よりも大であることを加熱運転の運転開始条件とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部熱源装置である内燃機関の排熱により貯湯タンク内の湯水を循環加熱することにより上記貯湯タンク内に温度成層をなして貯湯する貯湯装置、及び、この貯湯装置の加熱運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、貯湯タンク内に温度成層をなして貯湯する貯湯装置として例えば特許文献１又は特許文献２に開示されたものが知られている。このものでは発電機駆動用のガスエンジンを外部熱源装置として利用しそのガスエンジンの排熱を加熱用の熱源として加熱して貯湯するようにしている。すなわち、ガスエンジンの冷却水を排熱媒体として利用し、貯湯タンクの下部から取り出した湯水を上記排熱媒体と液−液熱交換させて加熱し加熱後の湯水を上記貯湯タンクの上部に戻すという循環加熱運転により貯湯タンク内に温度成層を形成しつつ貯湯するようにしている。そして、貯湯タンク内の貯湯は給湯カラン又は浴槽への給湯や、浴槽内湯水の追い焚き又は温水暖房用の加熱用熱媒体として利用され、上記貯湯装置はコジェネレーションシステムの一部として用いられる。
【０００３】
また、上記のガスエンジンの他にも燃料電池等を外部熱源装置として利用したり、あるいは、ヒートポンプを外部熱源装置として利用したりして、これらの排熱を加熱用熱源として加熱して貯湯するようにした貯湯装置も知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７１１０２号公報
【特許文献２】
特開２００１−２９６０５５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の貯湯タンク内の湯水の循環加熱運転は、図４に例示するように外部熱源装置（例えばガスエンジン１００）を起動させ、その排熱媒体を熱交換器２２０に循環させる一方、貯湯タンク３００の下部にある低温の湯水を上記熱交換器２２０に通過させて貯湯タンク３００の上部に戻すように循環させることにより行われる。これにより、貯湯タンク３００の上部には上記外部熱源装置に応じて定められる目標温度（例えば７０℃）まで加熱された湯水が順に戻されて温度成層が形成される。一方、循環加熱運転の継続により温度成層の形成が進んで貯湯タンク３００の下部の湯水温度がある温度まで上昇すると、それが上記目標温度よりも低温であっても上記外部熱源装置の運転を停止して循環加熱運転を強制的に停止せざるを得なくなる。
【０００６】
すなわち、ガスエンジン１００の側から見ると、上記排熱媒体である冷却水は貯湯タンク３００内の湯水との熱交換により冷却され、冷却後の冷却水がガスエンジン１００の冷却のためにガスエンジン１００に再び戻されて循環されることになる。従って、上記熱交換器２２０に供給される貯湯タンク３００下部からの湯水は上記排熱媒体からの吸熱によりその排熱媒体を冷却し得る温度である必要がある。つまり、上記貯湯タンク３００の下部の湯水温度がある上限温度（例えば５５℃）に至れば排熱媒体をもはや冷却し得ず、このためガスエンジン１００の冷却性能を確保する上でガスエンジン１００の運転を停止して貯湯タンク３００の加熱運転を停止せざるを得なくなるという制限がある。
【０００７】
このため、貯湯タンク３００内の上下方向の各層の湯水温度を検出・監視し、最も下部の湯水の検出温度Ａ５が上記上限温度に到達すれば、加熱運転は停止される。そして、ガスエンジ１００を停止して加熱運転を停止した状態で時間が経過すると、貯湯タンク３００内の温度が放熱により低下するため、再び上記の加熱運転が再開されることになる。
【０００８】
ところが、ガスエンジン１００を起動させて加熱運転を再開させたとしても、極めて短時間（例えば１時間未満）の内に上記の制限により加熱運転を停止せざるを得ない事態が生じる場合がある。このような短時間のガスエンジン運転では、その大半が排熱媒体の生成（ガスエンジンの暖機運転）に費やされてしまい、その間は貯湯の加熱は行い得ないため、貯湯を加熱するというガスエンジン運転の主目的から見るとガスエンジン１００の運転効率が極めて低下することになってしまうという不都合が生じる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加熱運転を開始させた場合に短時間でその加熱運転を停止せざるを得ず加熱運転の継続が不能になるという事態の発生を回避して、外部熱源装置であるガスエンジンの運転効率を向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の貯湯装置に係る発明では、貯湯タンクと、内燃機関を有しこの内燃機関を冷却する冷却媒体の排熱を熱交換加熱用の熱源として用いる加熱手段と、上記貯湯タンク内の湯水を下部から取り出し上記加熱手段において熱交換加熱した後に上記貯湯タンクの上部に戻すことにより上記貯湯タンク内に上下方向に温度成層をなして貯湯する循環加熱回路と、上記内燃機関及び循環加熱回路の運転を制御して貯湯タンク内の湯水の加熱運転を制御する加熱制御手段とを備えた貯湯装置を対象として次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記加熱制御手段として、上記加熱手段での熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度として予め設定した基準温度と、上記貯湯タンク内の湯水温度についての検出情報との対比に基づき演算される上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量が、上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ運転させた場合の加熱運転により上記貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値として予め設定した判定熱量値よりも大であることを加熱運転の運転開始条件とする構成とする（請求項１）。
【００１１】
この請求項１に係る発明の場合、加熱運転が開始されると、確実に上記下限運転継続時間以上の時間にわたり内燃機関の運転が継続されることになる。すなわち、貯湯タンクが蓄熱し得るであろう予測熱量が上記の基準温度つまり内燃機関の冷却媒体を冷却し得る上限温度との対比に基づいて演算されるため、その予測熱量は見掛けのものではなくて熱交換加熱の熱源である排熱媒体を冷却し得なくなるまでの有効に蓄熱し得る熱量となる。例えば貯湯タンク内の加熱の目標温度を基準温度として用い上記と同様に演算した場合の予測熱量（空き熱量）の如き見掛けの熱量に基づいて加熱運転を開始した場合には温度成層状態の上層の湯水が下層に降りてきて上記排熱媒体の冷却の要請から短時間の内に内燃機関を停止せざるを得なくなってしまう。これに対し、上記の上限温度を基準温度として用いて演算した有効な予測熱量に基づいて加熱運転を開始した場合には判定熱量値に相当する下限運転継続時間の内燃機関の運転継続を確実に確保して貯湯タンク内の湯水の加熱運転を継続させ得ることになる。以上より、貯湯タンク内の湯水の加熱を主目的として内燃機関を運転させ、熱交換加熱においては貯湯タンク内の湯水を加熱すると同時に、内燃機関を冷却するために排熱媒体として用いる冷却媒体を冷却するという機能を有する貯湯装置において、加熱運転を開始する場合には確実に所定時間以上の内燃機関の運転継続を保証してその運転効率の向上が図られる。なお、「冷却媒体」としては内燃機関が水冷の場合には冷却水を用いればよく、空冷の場合でもその冷却用エアーを用いるようにすればよい。
【００１２】
また、上記の請求項１に係る発明を実現するためにより具体化した発明として、次の特定事項を備えるようにしてもよい。すなわち、上記貯湯タンクの上下方向に互いに離れた複数の検出位置において内部の湯水温度を検出する複数の温度センサを備える一方、上記加熱制御手段として、上記貯湯タンク内を上記各温度センサの検出位置に応じて仮想的に分割した複数の層毎に各検出湯水温度に基づく湯水温度と予め設定された基準温度との差に上記各層の湯水容量を乗じて合計することにより上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量の演算を行う熱量演算部と、この熱量演算部による予測熱量演算値が予め定めた判定熱量値を超えていることを条件に上記内燃機関及び循環加熱回路の運転を開始して加熱運転を開始する運転開始制御部とを備えたものとする。そして、上記基準温度として、上記貯湯タンクの下部から取り出される湯水への熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度を設定し、上記判定熱量値として、上記貯湯タンク内の湯水の加熱に対する上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ駆動させた場合の加熱運転により貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値を設定することとする（請求項２）。
【００１３】
この請求項２に係る発明の場合には、上記請求項１に係る発明による作用を確実に得られることになる。すなわち、貯湯タンク内の温度成層状態下において上下方向の複数検出位置での湯水温度がそれぞれ温度センサにより検出され、熱量演算部において各層毎の検出湯水温度に基づく湯水温度と上記の基準温度との差に各層の湯水容量を乗じることにより貯湯タンク全体の有効な予測熱量演算値が得られる。そして、運転開始制御部において、この予測熱量演算値が判定熱量値を超えているか否かが判定され、判定熱量値を超えていることを条件に加熱運転が開始される。つまり、内燃機関が運転開始されて冷却水が昇温し加熱手段において昇温状態の冷却媒体を排熱媒体として貯湯タンクの下部から取り出された湯水の加熱が行われ、加熱された湯水が貯湯タンクの上部に戻される。
【００１４】
さらに、貯湯装置の加熱運転制御方法に係る発明では、内燃機関を運転させてその冷却媒体を排熱媒体として熱交換器に循環させる一方、この熱交換器に対し貯湯タンク内の下部から取り出した湯水を供給して上記排熱媒体により熱交換加熱した後に上記貯湯タンクの上部に戻すように循環させる加熱運転を行うことにより、上記貯湯タンク内に温度成層を形成しつつ貯湯するようにする貯湯装置の加熱運転制御方法を対象として次の特定事項を備えることとする。すなわち、上記加熱運転の停止中のときに、上記貯湯タンクの上下方向に互いに離れた複数の検出位置において貯湯されている湯水温度を検出し、上記貯湯タンク内を上記各検出位置に応じて仮想的に分割した複数の層毎に各検出湯水温度に基づく湯水温度と所定の基準温度との差に上記各層の湯水容量を乗じて合計することによりその時点での上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量の演算を行い、この予測熱量演算値が所定の判定熱量値を超えていれば上記内燃機関を駆動させて加熱運転を開始することとする。この際の上記基準温度として、上記貯湯タンクの下部から取り出される湯水への熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度として設定した設定上限温度を用い、また、上記判定熱量値として、貯湯タンク内の湯水の加熱に対する上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ駆動させた場合に熱交換加熱により貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値を用いるようにする（請求項３）。
【００１５】
この請求項３に係る発明の場合、上述の如き有効な予測熱量値に基づき、その予測熱量値が上記判定熱量値を超えていれば内燃機関の運転を開始させて加熱運転を開始させるようにしているため、判定熱量値に対応する下限運転継続時間以上の内燃機関の運転継続を確実に実現し得る。これにより、請求項１に係る発明において説明した如く、貯湯タンク内の湯水の加熱を主目的として内燃機関を運転させ、熱交換加熱においては貯湯タンク内の湯水を加熱すると同時に、内燃機関を冷却するために排熱媒体として用いる冷却媒体を冷却するという機能を有する貯湯装置の加熱運転制御方法において、加熱運転を開始する場合には確実に所定時間以上の内燃機関の運転継続を保証してその運転効率の向上が図られることになる。
【００１６】
この請求項３に係る発明の場合には、上記熱量演算値が上記判定熱量値を超えていなければ、内燃機関は運転停止を継続させて加熱運転は行わないようにすることにより（請求項４）、上記の内燃機関の所定時間以上の運転継続を保証してその運転効率の向上を図ることをより確実に実現し得ることになる。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１又は請求項２に係る貯湯装置によれば、貯湯タンク内に蓄熱し得る見掛け上の熱量値ではなくて排熱媒体である内燃機関の冷却媒体自身の冷却機能を加味した上限温度に基づいて有効な予測熱量演算値を得ることができる。そして、この予測熱量演算値が判定熱量値を超えているか否かに基づいて加熱運転を開始するか否かを決めるようにしているため、加熱運転を開始した場合には、確実に内燃機関をその運転効率上から要請される下限運転継続時間以上の時間にわたり運転継続させることができる。これにより、加熱運転開始したとしても短時間内にその加熱運転を停止させざるを得ないという事態の発生を回避して、貯湯タンク内の湯水の加熱を主目的として運転させる内燃機関の運転効率を向上させることができる。特に請求項２によれば、以上の効果を確実に実現し得る具体的一例を特定することができる。
【００１８】
また、請求項３又は請求項４に係る貯湯装置の加熱運転制御方法によれば、請求項１又は請求項２に係る貯湯装置での加熱運転制御方法を確実に実現して、上述の如き効果を得ることができる。特に請求項４によれば、上記の内燃機関の所定時間以上の運転継続を保証してその運転効率の向上をより確実に実現し得ることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る貯湯装置を適用したコジェネレーションシステムを示す。このコジェネレーションシステムは、図示省略の発電機を駆動するための内燃機関としてのガスエンジン１の排熱を加熱手段２の熱源として利用し、貯湯タンク３内の湯水を循環加熱回路４を通して上記加熱手段２により加熱して貯湯タンク３内に貯湯するものである。つまり、上記ガスエンジン１の排熱を貯湯として蓄熱するものである。そして、上記貯湯タンク２に貯湯した湯水を給湯カラン５への給湯や、図示省略の注湯回路を通して浴槽６への湯張り用の注湯として利用されたり、あるいは、上記加熱手段２等により加熱された湯水を温水暖房回路７及び追焚回路８の加熱用熱源として利用するものである。以下に詳細を説明する。
【００２１】
上記加熱手段２はガスエンジン１の冷却水を排熱媒体として利用し、この排熱媒体である冷却水をヒータ２１、排熱熱交換器２２及び冷却水循環ポンプ２３を介装した排熱循環回路２４を通してガスエンジン１と上記排熱熱交換器２２との間を循環させるようになっている。上記ヒータ２１はガスエンジン１の運転により発電される電力を利用して排熱熱交換器２２に供給される冷却水をさらに昇温させるものであり、上記排熱熱交換器２２は液−液熱交換器により構成されたものである。この加熱手段２においては、ガスエンジン１を運転させると、同時に冷却水循環ポンプ２３も作動され、ガスエンジン１から吸熱して昇温した冷却水がヒータ２１を通して排熱熱交換器２２に供給され、この排熱熱交換器２２において上記循環加熱回路４の湯水を熱交換加熱することにより冷却された冷却水が再びガスエンジン１に戻されてガスエンジン１の冷却を行うようになっている。
【００２２】
上記貯湯タンク３はその下部に接続された給水路９を通して水道水が水道圧等に基づき供給されて満水状態に維持されるようになっている。つまり、給湯カラン５が開かれて給湯路１０を通して給湯されたり、上記の注湯回路を通して浴槽８に湯張りされたりなどして貯湯タンク２内の湯水が減ったときに、その減った分だけ給水路９から給水されるようになっている。
【００２３】
上記貯湯タンク３には上下方向に互いに離れた複数の検出位置で内部の湯水温度を検出するための複数の温度センサ３１〜３５（図１には５つの温度センサを例示）が配設されている。なお、この温度センサ３１〜３５による湯水温度の検出は湯水温度を直接に検出しても、タンク外壁温度の検出により間接的に検出しても、いずれでもよい。図１の例示の場合、第１温度センサ３１が最上部位置、第２温度センサ３２がその下方位置である上部位置、第３温度センサ３３が中部位置、第４温度センサ３４が下部位置、第５温度センサ３５が最下部位置での各位置における湯水温度を検出するようになっている。
【００２４】
上記循環加熱回路４は上流端４１が貯湯タンク３の下部に接続され、下流端４２が貯湯タンク３の上部に接続されたものである。上記循環加熱回路４は、途中に介装されたタンク水循環ポンプ４３の作動により、貯湯タンク３の下部から取り出した湯水を上記排熱熱交換器２２、補助熱源装置１１及びタンク水比例弁４４を通して貯湯タンク３の上部に戻すようになっている。この循環加熱回路４の運転（タンク水循環ポンプ４３の作動）が開始されると、加熱手段２が運転されていれば上記排熱熱交換器２２における熱交換加熱により、補助熱源装置１１が運転されていればその燃焼バーナ１１１の燃焼熱を受けた熱交換器１１２における熱交換加熱により、貯湯タンク３の下部の湯水が加熱され、所定の目標設定温度まで加熱された湯水が貯湯タンク３の上部に順に戻されて貯湯タンク３内に上下方向に温度成層を形成しつつ貯湯されることになる。
【００２５】
なお、上記補助熱源装置１１は例えば通常のガス給湯器と同様構成のものが用いられ、加熱手段２による加熱が不能もしくは不足時に後述のコントローラ１４により作動されて循環加熱回路４内の湯水に対する加熱を補助するものである。つまり、上記補助熱源装置１１は加熱手段２に対し副加熱手段又は補助加熱手段を構成するものである。
【００２６】
上記循環加熱回路４のタンク水比例弁４４と下流端４２との間から上記給湯路１０が分岐し、給湯カラン５を開けば貯湯タンク３の上部から高温の湯水が給湯されるようになっている。また、上記循環加熱回路４の補助熱源装置１１とタンク水比例弁４４との間から二次循環回路１２の上流端１２１が分岐し、この二次循環回路１２は加熱手段２又は補助熱源装置１１により加熱された湯水を二次加熱手段１３に加熱用熱源として供給した後、その下流端１２２が上記循環加熱回路４の上流端４１とタンク水循環ポンプ４３との間に合流するように接続されている。
【００２７】
上記二次加熱手段１３は温水暖房回路７が通過する暖房熱交換器１３１と、追焚回路８が通過する追焚熱交換器１３２とを備えており、上記二次循環回路１２に上流端１２１から流入した湯水は途中で分岐して一方が上記暖房熱交換器１３１に、他方が上記追焚熱交換器１３２に加熱用熱源として供給された後、暖房出口電磁弁１２３又は追焚出口電磁弁１２４を介して合流されて下流端１２２に至るようになっている。
【００２８】
一方、上記温水暖房回路７は暖房循環ポンプ７１の作動により閉回路内の温水を上記暖房熱交換器１３１と暖房端末（例えば床暖房器等）７２との間に循環させ、上記追焚回路８は追焚循環ポンプ８１の作動により浴槽６内の湯水を追焚熱交換器１３２との間に循環させるようになっている。
【００２９】
以上の構成のコジェネレーションシステムは、リモコン１５のスイッチ操作により入力されるユーザーからの要求指令や、予め搭載された所定のプログラム及び回路基板等による自動制御指令を受けて、コントローラ１４により加熱運転、給湯運転、暖房運転及び追焚運転等の種々の運転制御が行われるようになっている。
【００３０】
加熱運転制御は、上記暖房出口電磁弁１２３及び追焚出口電磁弁１２４を共に閉じた状態で、ガスエンジン１を起動させ、冷却水循環ポンプ２３及びタンク水循環ポンプ４３を作動させることにより行われる。すると、ガスエンジン１の運転に伴い高温に昇温された冷却水がヒータ２１によりさらに昇温された状態で排熱熱交換器２２に供給され、一方、この排熱熱交換器２２には貯湯タンク３の下部から取り出された湯水が供給され、この湯水が液−液熱交換により加熱されて貯湯タンク３の上部に戻される。この際、タンク水比例弁４４の開度調整による流量調整によって、貯湯タンク３の上部に戻される湯水温度が目標温度（例えば７０℃）まで加熱されるようにしている。そして、貯湯タンク３の上部から順に目標温度の湯水で満たされ、最下層の第５温度センサ３５が後述の「基準温度」で説明する上限温度（例えば５５℃）以上の湯水温度を検出すると、加熱運転を強制的に停止するようになっている。後述の如く、ガスエンジン１の冷却機能を確保し得なくなるためである。なお、加熱運転の開始時の制御については後述する。
【００３１】
給湯運転制御は、ユーザーがリモコン１５に給湯温度を入力設定すれば、この給湯温度の湯水が給湯カラン５から出湯されるように図示省略の混水手段による混水制御を行い、これにより、貯湯タンク３の上部から水道圧に基づき取り出される湯水に対し所定の混合比で混水して温度調整した上で給湯カラン５に給湯するようになっている。
【００３２】
暖房運転制御は、ユーザーによるリモコン１５の操作によって暖房要求指令が出力されると、タンク水比例弁４４を閉じ、暖房出口電磁弁１２３を開けた状態で温水暖房回路７の暖房循環ポンプ７１を作動させ、上記の加熱運転制御と同様にガスエンジン１を起動させ、冷却水循環ポンプ２３及びタンク水循環ポンプ４３を作動させることにより行われる。すると、循環加熱回路４で加熱された湯水が二次循環回路１２にその上流端１２１から流入し、その湯水が暖房熱交換器１３１及び暖房出口電磁弁１２３を通過した後、その下流端１２２から再び循環加熱回路４に戻されて加熱手段２により再び加熱される一方、温水暖房回路７内の温水が暖房熱交換器１３１において加熱されつつ暖房端末７２に循環供給されることになる。
【００３３】
追焚運転制御は、ユーザーによるリモコン１５の操作によって追焚要求指令が出力されると、タンク水比例弁４４を閉じ、追焚出口電磁弁１２４を開けた状態で追焚回路８の追焚循環ポンプ８１を作動させ、上記の加熱運転制御と同様にガスエンジン１を起動させ、冷却水循環ポンプ２３及びタンク水循環ポンプ４３を作動させることにより行われる。すると、循環加熱回路４で加熱された湯水が二次循環回路１２にその上流端１２１から流入し、その湯水が追焚熱交換器１３２及び追焚出口電磁弁１２４を通過した後、その下流端１２２から再び循環加熱回路４に戻されて加熱手段２により再び加熱される一方、追焚回路８内の浴槽６内の湯水が追焚熱交換器１３２により加熱されつつ浴槽６に戻されて追い焚きされことになる。
【００３４】
次に、加熱運転の開始時の運転制御について詳細に説明すると、上記コントローラ１４は図２に示すように熱量演算部１４１及び運転開始制御部１４２を備えている。
【００３５】
上記熱量演算部１４１は、加熱運転の停止中において、貯湯タンク３内の湯水温度を温度センサ３１〜３５からの検出温度と、予め設定された基準温度と、各温度センサ３１〜３５の検出位置レベルを仮想境界とするＡ１層〜Ａ５層の各容量情報とに基づいて、加熱運転を開始した場合に貯湯タンク３内に有効に蓄熱・貯湯し得る予測熱量を演算により求めるようになっている。すなわち、次の式（１）の如く基準温度Ｔｂと各層Ａ１〜Ａ５毎に各検出温度Ｔ１〜Ｔ５に基づく湯水温度との差に各検出温度の湯水が属する容量Ｖ１〜Ｖ５を乗じて蓄熱可能な予測熱量値Ｑｙを演算する。
【００３６】

なお、式（１）では上下で隣接する２つの検出湯水温度を平均化して各層（Ａ１〜Ａ５）の容量をそのまま乗じているが、これに代えて上下で隣接する２つの層の容量を平均化して境界位置の検出湯水温度をそのまま乗じることにより予測熱量値Ｑｙを演算するようにしてもよい。特許請求の範囲の「各層毎に各検出湯水温度に基づく湯水温度」とは、前者の式（１）では上記の２つの検出湯水温度を平均化した湯水温度が対応し、後者では「各層」自体が上下２つの層を平均化したもので「各検出湯水温度に基づく湯水温度」が検出湯水温度それ自体となる。
【００３７】
上記の基準温度としては、上記貯湯タンク３の下部から取り出される循環加熱回路４側の湯水と、排熱循環回路２４側の冷却水との排熱熱交換器２２における熱交換により、排熱循環回路２４側の冷却水を冷却し得る貯湯タンク３の下部の湯水温度の上限温度が設定されている。つまり、加熱手段２は貯湯タンク３内の湯水を加熱する一方、ガスエンジン１の運転により昇温された冷却水を冷却するという両側面の機能を有しており、排熱媒体である冷却水は排熱熱交換器２２での熱交換により放熱した後にガスエンジン１に戻されてそのガスエンジン１を冷却する必要がある。このガスエンジン１の冷却機能（排熱媒体である冷却水の熱交換による冷却機能）を確保する上で、排熱熱交換器２２に供給される貯湯タンク３内の下部の湯水の上限温度（例えば５５℃）が上記基準温度として設定されている。つまり、図１の例では貯湯タンク３の最下部の第５温度センサ３５による検出位置における湯水に対し、上記ガスエンジン１の排熱媒体である冷却水から吸熱して冷却し得る上で要求される上限温度である。
【００３８】
上記運転開始制御部１４２は、上記熱量演算部１４１による予測熱量演算値が予め定めた判定熱量値を超えているか否かを判定し、予測熱量演算値が判定熱量値を超えていることを条件に上記の加熱運転制御を開始するようになっている。つまり、予測熱量演算値が判定熱量値よりも小さい間は加熱運転の開始は実行されないようになっている。
【００３９】
上記判定熱量値として、上記貯湯タンク３内の湯水の加熱に対する上記ガスエンジン１の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ運転させた場合の加熱運転により貯湯タンク３内に蓄熱し得る熱量値が設定されている。運転継続時間としては、それ以上短いと貯湯タンク３内の湯水を熱交換加熱するよりもガスエンジン１や排熱循環回路２４の暖気運転に費やされてしまい、熱交換加熱に対するガスエンジン１の運転効率が低下してしまうことになる時間の最大値以上の時間値を設定すればよい。また、上記の熱量値（判定熱量値）としては、上記で設定された下限運転継続時間だけガスエンジン１を運転させた場合に、その間に貯湯タンク３内の湯水が熱交換加熱を受けて蓄熱・貯湯されることになる熱量値を設定すればよい。上記の下限運転継続時間は、ガスエンジン１の規模等や、排熱循環回路２４及び循環加熱回路４での放熱による損失等に応じて異なるため、理論上又は実験的に求めればよく、例えば運転継続時間として「１時間」を設定し、この場合の判定熱量値として「１８００ｋｃａｌ」を設定すればよい。なお、この判定熱量値は上記の放熱損失等の変動要素があるため、「１８００ｋｃａｌ」よりも小値側の例えば「１５００ｋｃａｌ」を設定するようにしてもよい。
【００４０】
次に、具体例を図３を参照しつつ説明する。前提として、図３の貯湯タンク３の第１温度センサ３１の検出位置レベルから上のＡ１層の容量Ｖ１が１０Ｌ（リットル）、同様に第２温度センサ３２から上のＡ２層が２５Ｌ、第３温度センサ３３から上のＡ３層が３０Ｌ、第４温度センサ３４から上のＡ４層が４０Ｌ、第５温度センサ３５から上のＡ５層が４０Ｌであると仮定する。
【００４１】
そして、図３の左側に図示した貯湯タンク３は、前回の加熱運転の終了後、加熱運転の停止中に、給湯カラン５からの給湯等による貯湯タンク３内の湯水使用がないままに放置され、貯湯タンク３内の湯水温度が低下した状態を示している。このとき、第１温度センサ３１の検出温度Ｔ１が７０℃、第２温度センサ３２の検出温度Ｔ２が７０℃、第３温度センサ３３の検出温度Ｔ３が５５℃、第４温度センサ３４の検出温度Ｔ４が５５℃、第５温度センサ３５の検出温度Ｔ５が３５℃であったとする。
【００４２】
この場合、基準温度Ｔｂとして上記で説明した上限温度（５５℃）ではなくて加熱運転での目標温度（７０℃）を設定して現時点での見掛けの空き熱量（見掛けの予測熱量）Ｑｙｍを式（１）と同様に演算すると、次のようになる。
【００４３】

このような見掛けの予測熱量演算値Ｑｙｍが判定熱量値（１８００ｋｃａｌ）を超えているからといって加熱運転を開始すると、次のように短時間の内に加熱運転を停止せざるを得なくなる。
【００４４】
すなわち、貯湯タンク３の下部から３５℃の湯水が取り出されて加熱手段２により加熱され、貯湯タンク３の上部に目標温度（７０℃）の湯水が戻される結果、図３の左側に図示した貯湯タンク３のＡ１〜Ａ５の温度成層状態から一段下がって同図の右側に図示した貯湯タンク３のように最下層のＡ５層に５５℃の湯水が降りてくる。すると、第５温度センサ３５が５５℃を検出するため、前述の如く加熱運転を停止せざるを得なくなる。つまり、図３の左側に図示した貯湯タンク３の状態から右側に図示した貯湯タンク３の状態に至るまで、最上部に目標温度に加熱された湯水が一段階積み上げられただけの段階で加熱運転が停止されてしまい、上記の見掛けの空き熱量よりもはるかに少ない熱量の蓄熱しか行われないことになる。
【００４５】
これに対し、基準温度Ｔｂとして上限温度（５５℃）を設定して現時点での有効な予測熱量Ｑｙを式（１）により演算すると、次のようになる。
【００４６】

なお、各層毎の熱量値が負の値になる場合には「０」として扱う。蓄熱可能な熱量を合計するものだからである。
【００４７】
この本実施形態の場合には、予測熱量演算値Ｑｙが判定熱量値（１８００ｋｃａｌ）よりも小さいため加熱運転は開始されず、図３の左側に図示した貯湯タンク３の状態からさらに放熱により湯水温度が低下して運転開始条件が成立するまで待つことになる。
【００４８】
以上により、加熱の目標温度を基準温度とする見掛けの予測熱量演算値Ｑｙｍが判定熱量値を超えているとしても、上限温度を基準温度とする有効な予測熱量演算値Ｑｙが判定熱量値を超えていなければ加熱運転は開始せず、予測熱量演算値Ｑｙが判定熱量値を超えれば加熱運転を開始するようにすることにより、ガスエンジン１を短時間運転させただけで停止せざるを得なくなる事態の発生を未然に防止することができる。これにより、ガスエンジン１の運転効率の向上を図ることができると同時に、貯湯タンク３に対する蓄熱（貯湯）も継続して行うことができるようになる。
【００４９】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、内燃機関として発電機駆動用のガスエンジン１を示したが、これに限らず、ガスエンジンを単独で排熱回収に用いたり、ガスエンジン１以外の内燃機関を用いるようにしてもよい。
【００５０】
上記実施形態では、貯湯タンク３の上下方向に５つの温度センサ３１〜３５を配置した場合を示したが、少なくとも上部と下部との２つ以上配置されていればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す模式図である。
【図２】加熱運転の開始時の制御に係る部分のブロック構成図である。
【図３】貯湯タンク内の温度成層状態の加熱運転開始前後での変化を示す模式図である。
【図４】本発明の課題を説明するための貯湯装置の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ガスエンジン（内燃機関）
２加熱手段
３貯湯タンク
４循環加熱回路
１４コントローラ（加熱制御手段）
３１〜３５温度センサ
１４１熱量演算部
１４２運転開始制御部

Claims

貯湯タンクと、内燃機関を有しこの内燃機関を冷却する冷却媒体の排熱を熱交換加熱用の熱源として用いる加熱手段と、上記貯湯タンク内の湯水を下部から取り出し上記加熱手段において熱交換加熱した後に上記貯湯タンクの上部に戻すことにより上記貯湯タンク内に上下方向に温度成層をなして貯湯する循環加熱回路と、上記内燃機関及び循環加熱回路の運転を制御して貯湯タンク内の湯水の加熱運転を制御する加熱制御手段とを備えた貯湯装置であって、
上記加熱制御手段は、上記加熱手段での熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度として予め設定した基準温度と、上記貯湯タンク内の湯水温度についての検出情報との対比に基づき演算される上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量が、上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ運転させた場合の加熱運転により上記貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値として予め設定した判定熱量値よりも大であることを加熱運転の運転開始条件とするように構成されている
ことを特徴とする貯湯装置。
貯湯タンクと、内燃機関を有しこの内燃機関を冷却する冷却媒体の排熱を熱交換加熱用の熱源として用いる加熱手段と、上記貯湯タンク内の湯水を下部から取り出し上記加熱手段において熱交換加熱した後に上記貯湯タンクの上部に戻すことにより上記貯湯タンク内に上下方向に温度成層をなして貯湯する循環加熱回路と、上記内燃機関及び循環加熱回路の運転を制御して貯湯タンク内の湯水の加熱運転を制御する加熱制御手段とを備えた貯湯装置であって、
上記貯湯タンクの上下方向に互いに離れた複数の検出位置において内部の湯水温度を検出する複数の温度センサを備え、
上記加熱制御手段は、上記貯湯タンク内を上記各温度センサの検出位置に応じて仮想的に分割した複数の層毎に各検出湯水温度に基づく湯水温度と予め設定された基準温度との差に上記各層の湯水容量を乗じて合計することにより上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量の演算を行う熱量演算部と、この熱量演算部による予測熱量演算値が予め定めた判定熱量値を超えていることを条件に上記内燃機関及び循環加熱回路の運転を開始して加熱運転を開始する運転開始制御部とを備え、
上記基準温度として、上記貯湯タンクの下部から取り出される湯水への熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度が設定され、
上記判定熱量値として、上記貯湯タンク内の湯水の加熱に対する上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ駆動させた場合の加熱運転により貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値が設定されている
ことを特徴とする貯湯装置。
内燃機関を運転させてその冷却媒体の排熱を熱源として熱交換器に循環させる一方、この熱交換器に対し貯湯タンク内の下部から取り出した湯水を供給して上記排熱媒体により熱交換加熱した後に上記貯湯タンクの上部に戻すように循環させる加熱運転を行うことにより、上記貯湯タンク内に温度成層を形成しつつ貯湯するようにする貯湯装置の加熱運転制御方法であって、
上記加熱運転の停止中のときに、上記貯湯タンクの上下方向に互いに離れた複数の検出位置において貯湯されている湯水温度を検出し、上記貯湯タンク内を上記各検出位置に応じて仮想的に分割した複数の層毎に各検出湯水温度に基づく湯水温度と所定の基準温度との差に上記各層の湯水容量を乗じて合計することによりその時点での上記貯湯タンクが蓄熱可能である予測熱量の演算を行い、この予測熱量演算値が所定の判定熱量値を超えていれば上記内燃機関を駆動させて加熱運転を開始するようにし、
上記基準温度として、上記貯湯タンクの下部から取り出される湯水への熱交換加熱により上記冷却媒体を冷却し得る上限温度として設定した設定上限温度を用い、上記判定熱量値として、貯湯タンク内の湯水の加熱に対する上記内燃機関の運転効率上から要求される下限運転継続時間だけ駆動させた場合に熱交換加熱により貯湯タンク内に蓄熱し得る熱量値を用いるようにする
ことを特徴とする貯湯装置の加熱運転制御方法。
請求項３記載の貯湯装置の加熱運転制御方法であって、
上記熱量演算値が上記判定熱量値を超えていなければ、内燃機関は運転停止を継続させて加熱運転は行わないようにする、貯湯装置の加熱運転制御方法。