JP2005076934A - Heat-recovery-combined heat pump water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池などの排熱を回収して利用する熱回収併用ヒートポンプ給湯機に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat recovery combined use heat pump water heater that recovers and uses exhaust heat from a fuel cell or the like.
燃料電池は発電効率が高く小型化を図り易いため、家庭用の発電装置として利用されている。一般に、燃料電池は、都市ガスなどを改質して得られる水素と空気中の酸素とを電解質を挟んで配置した両電極側に各々供給して起電力を発生させるようになっている。しかし、このような燃料電池は、発電と同時に排熱が発生する。この排熱源は、主として電池本体であるが、それ以外に、例えば水素に改質する改質部や、電池本体から排出される排ガスなどがある。そのため、電池本体がこれらの熱による影響を受けないように、例えば、冷却水循環路などを設けて熱回収し、その回収された熱を有効利用する方法が検討されている。 A fuel cell has high power generation efficiency and can be easily miniaturized, and is therefore used as a power generation device for home use. In general, a fuel cell is configured to generate an electromotive force by supplying hydrogen obtained by reforming city gas or the like and oxygen in the air to both electrodes arranged with an electrolyte interposed therebetween. However, such fuel cells generate exhaust heat simultaneously with power generation. The exhaust heat source is mainly a battery main body, but there are, for example, a reforming section for reforming to hydrogen, exhaust gas discharged from the battery main body, and the like. For this reason, in order to prevent the battery body from being affected by these heats, for example, a method of recovering heat by providing a cooling water circulation path and effectively utilizing the recovered heat has been studied.
例えば、燃料電池の排熱を給湯機の熱源に利用する技術として、排熱を熱交換器を介して回収し、これにより加熱された供給水を貯湯タンクに貯蔵する方法が提案されている(特許文献1参照。)。 For example, as a technique for using exhaust heat of a fuel cell as a heat source of a hot water heater, a method of recovering exhaust heat through a heat exchanger and storing supply water heated thereby in a hot water storage tank has been proposed ( (See Patent Document 1).
しかしながら、家庭用燃料電池の場合、発電出力および発電時における排熱量が小さく不安定である。特に、給湯負荷が大きい冬場においては、燃料電池の排熱だけでは給湯負荷を十分に賄うことができず、実用上、他の給湯装置を併用させて、給湯負荷に対応する必要がある。 However, in the case of a household fuel cell, the power generation output and the amount of exhaust heat during power generation are small and unstable. In particular, in winter when the hot water supply load is large, it is not possible to sufficiently cover the hot water supply load only with the exhaust heat of the fuel cell, and it is practically necessary to use other hot water supply devices together to cope with the hot water supply load.
そこで、エネルギ効率が高く環境負荷が小さい燃料電池の特徴を考慮すると、他の給湯装置としてヒートポンプ給湯機を併用し、両装置で貯湯タンクを共有する方法が考えられる。 In view of the characteristics of a fuel cell with high energy efficiency and low environmental load, a method of using a heat pump water heater as another hot water supply apparatus and sharing a hot water storage tank between the two apparatuses can be considered.
このような給湯装置においては、できるだけヒートポンプを稼動させることなく、燃料電池の利用効率を向上させることが、装置全体のエネルギ効率を向上させる上で好ましいが、この点については、なんら検討がされていない。 In such a hot water supply apparatus, it is preferable to improve the utilization efficiency of the fuel cell without operating the heat pump as much as possible in terms of improving the energy efficiency of the entire apparatus, but this point has been studied at all. Absent.
本発明は、燃料電池などの排熱利用効率を向上させることを課題とする。 An object of the present invention is to improve exhaust heat utilization efficiency of a fuel cell or the like.
上記課題を解決するために、本発明の熱回収併用ヒートポンプ給湯機は、燃料電池等の排熱を回収する熱交換器を備えた燃料電池ユニットと、給水を加熱するヒートポンプユニットと、底部が給水源に連通された貯湯槽と、貯湯槽の底部の貯湯水を熱交換器を介して貯湯槽の頂部に循環するポンプを有する熱回収系ラインと、貯湯槽の底部の貯湯水をヒートポンプユニットを介して貯湯槽の頂部に循環するポンプを有するヒートポンプ系ラインと、貯湯槽の頂部と給湯口とを連通する給湯ラインと、貯湯槽の貯湯量を制御する制御装置とを備え、制御装置は、熱交換器の出口湯温を設定値に保持するように熱回収系ラインの循環量を制御する熱回収系制御手段と、貯湯槽内の設定温度以上の貯湯量を設定範囲に保持するようにヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を制御するヒートポンプ系制御手段とを備えるようにする。 In order to solve the above problems, a heat pump combined use heat pump water heater of the present invention is provided with a fuel cell unit including a heat exchanger for recovering exhaust heat from a fuel cell, a heat pump unit for heating feed water, and a bottom portion. A hot water tank connected to the water source, a heat recovery system line having a pump for circulating hot water stored at the bottom of the hot water tank to the top of the hot water tank via a heat exchanger, and a heat pump unit for storing the hot water stored at the bottom of the hot water tank A heat pump system line having a pump that circulates to the top of the hot water tank, a hot water supply line that communicates the top of the hot water tank and the hot water outlet, and a control device that controls the amount of hot water stored in the hot water tank, Heat recovery system control means for controlling the circulation rate of the heat recovery system line so that the outlet hot water temperature of the heat exchanger is kept at the set value, and the hot water storage amount above the set temperature in the hot water tank is held in the set range Heat pump So as to include a heat pump system control means for controlling the operation of Tsu bets and the heat pump system line.
このような構成によれば、基本的に貯湯槽内の底部に設定温度未満の貯湯水が常に貯えられるため、その貯湯水を燃料電池系の排熱で加熱することにより、有効に熱回収できる。また、給湯により貯湯量が設定範囲を割って減少しても、ヒートポンプが起動して貯湯を行うため、燃料電池系の熱容量不足分が補充され、湯切れを防ぐことができる。 According to such a configuration, since hot water having a temperature lower than the set temperature is always stored at the bottom of the hot water tank, heat can be effectively recovered by heating the hot water with the exhaust heat of the fuel cell system. . Even if the amount of hot water stored falls below the set range due to hot water supply, the heat pump is activated to store hot water, so that the shortage of the heat capacity of the fuel cell system is supplemented and hot water shortage can be prevented.
この場合において、ヒートポンプ系制御手段は、外気温に応じて貯湯量の設定範囲を可変設定することが好ましい。これによれば、例えば、外気温が低下すると、ヒートポンプの熱容量が低下する一方、給湯負荷が増加するので、外気温の低下に応じて貯湯量を増やすことにより安定した給湯を行うことができる。 In this case, it is preferable that the heat pump system control means variably sets the hot water storage amount setting range according to the outside air temperature. According to this, for example, when the outside air temperature decreases, the heat capacity of the heat pump decreases while the hot water supply load increases. Therefore, stable hot water supply can be performed by increasing the amount of stored hot water according to the decrease in the outside air temperature.
また、ヒートポンプ系制御手段は、燃料電池ユニットが運転中であるときは、貯湯槽内の貯湯量が設定範囲の下限未満に低下しても、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始しないようにすることもできる。すなわち、貯湯量が設定範囲の下限未満に減少しても、ヒートポンプを稼動させることなく、燃料電池の発電を利用して設定範囲まで貯湯することにより、燃料電池の排熱利用効率を向上させることができる。ただし、燃料電池が運転中に、貯湯槽内の貯湯量が設定範囲の下限未満に低下する場合において、給水口からの給水量を検出することにより、給湯量が設定量以上のときはヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始することが好ましい。すなわち、給湯が行われると、一般に、時間当たりの給湯量は燃料電池の時間当たりの貯湯量より多いため、設定温度以上の貯湯量が減少する。そこで、給湯量が設定量以上の場合、熱容量の大きいヒートポンプで給湯するようにする。 Further, the heat pump system control means does not start the operation of the heat pump unit and the heat pump system line even when the amount of hot water stored in the hot water storage tank falls below the lower limit of the set range when the fuel cell unit is in operation. You can also That is, even if the amount of hot water stored falls below the lower limit of the setting range, the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell can be improved by storing hot water up to the setting range using the power generation of the fuel cell without operating the heat pump. Can do. However, when the amount of hot water stored in the hot water storage tank falls below the lower limit of the setting range while the fuel cell is in operation, the heat pump unit detects the amount of hot water supplied from the water supply port and the hot water supply amount exceeds the set amount. It is preferable to start operation of the heat pump system line. That is, when hot water is supplied, generally, the amount of hot water supplied per hour is larger than the amount of hot water stored per hour of the fuel cell, so the amount of hot water stored above the set temperature decreases. Therefore, when the amount of hot water supply is greater than or equal to the set amount, hot water is supplied with a heat pump having a large heat capacity.
また、ヒートポンプ系制御手段は、貯湯槽の貯湯量が設定範囲の上限を超えている状態から設定範囲の上限未満に低下したとき、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの運転を開始し、給湯口からの給湯使用が終了するまで運転を継続するようにする。すなわち、設定温度以上の貯湯量が設定範囲を超えて貯湯されている場合、給湯が行われると、まず、貯湯槽の湯を消費するために貯湯槽から給湯が行われる。その後、給湯が継続され貯湯量が設定範囲の上限未満まで減少すると、残湯量が少なくなったと判断し、下限まで待つことなく、ヒートポンプで給湯するようにする。これによれば、貯湯水の減少が抑制されるから、燃料電池の運転を継続することができる。また、給湯量が多い場合、ある程度の残湯量、つまり設定量の上限程度の貯湯量があるうちにヒートポンプ運転が開始されるため、湯切れを防ぐことができる。 Also, the heat pump system control means starts the operation of the heat pump unit and the heat pump system line when the amount of hot water stored in the hot water storage tank falls below the upper limit of the setting range from the state where the hot water storage capacity exceeds the upper limit of the setting range. Continue operation until hot water usage is completed. That is, when the amount of hot water stored above the set temperature exceeds the set range, when hot water is supplied, hot water is first supplied from the hot water tank to consume hot water in the hot water tank. After that, when hot water supply is continued and the amount of stored hot water decreases below the upper limit of the set range, it is determined that the amount of remaining hot water has decreased, and hot water is supplied by a heat pump without waiting for the lower limit. According to this, since the decrease in hot water storage is suppressed, the operation of the fuel cell can be continued. Further, when the amount of hot water supply is large, the heat pump operation is started while there is a certain amount of remaining hot water, that is, the amount of hot water stored at the upper limit of the set amount, so that hot water shortage can be prevented.
また、ヒートポンプ系制御手段は、ヒートポンプユニットとヒートポンプ系ラインの貯湯運転を開始する際、設定された時間帯のときは、ヒートポンプユニットの加熱容量を設定値に低減することが好ましい。すなわち、湯の使用量が比較的少ない深夜などの時間帯に、例えば、圧縮機の回転数を下げてゆっくりと設定量の貯湯を行うようにする。これにより、ヒートポンプの運転効率が向上し、しかも燃料電池による発電電力をヒートポンプ運転に利用することができる。また、ヒートポンプの加熱容量は、外気温の検出値に基づいて可変に設定することにより、ヒートポンプの給湯負荷を小さく維持することができる。 Further, when the heat pump system control means starts the hot water storage operation of the heat pump unit and the heat pump system line, it is preferable to reduce the heating capacity of the heat pump unit to a set value during a set time zone. That is, in a time zone such as midnight when the amount of hot water used is relatively small, for example, the set number of hot water is slowly stored by lowering the rotational speed of the compressor. Thereby, the operating efficiency of the heat pump is improved, and the power generated by the fuel cell can be used for the heat pump operation. Moreover, the heating capacity of the heat pump can be kept small by setting the heating capacity variably based on the detected value of the outside air temperature.
また、ヒートポンプ系ライン及び給湯ラインを貯湯槽の頂部に連通する部位に3方向切替弁を設け、この3方向切替弁を、給湯ラインをヒートポンプ系ラインにのみを連通させる流路と、給湯ラインをヒートポンプ系ライン及び貯湯槽に連通させる流路と、ヒートポンプ系ラインを貯湯槽にのみを連通させる流路とに切り替えるようにすることで、ヒートポンプと貯湯槽による給湯・貯湯制御を簡単化することができる。 In addition, a three-way switching valve is provided in a portion where the heat pump system line and the hot water supply line communicate with the top of the hot water storage tank, and the three-way switching valve is provided with a flow path for communicating only the hot water supply line with the heat pump system line and the hot water supply line. It is possible to simplify the hot water and hot water storage control by the heat pump and hot water tank by switching between the flow path communicating with the heat pump system line and the hot water tank and the flow path connecting the heat pump system line only with the hot water tank. it can.
本発明によれば、燃料電池などの排熱利用効率を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, exhaust heat utilization efficiency, such as a fuel cell, can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明を適用してなる熱回収併用ヒートポンプ給湯機の構成図である。図に示すように、本発明の熱回収併用ヒートポンプ給湯機は、燃料電池ユニット1、ヒートポンプユニット9、貯湯槽ユニット23を備えて構成される。燃料電池ユニット1は、発電スタック3と、発電スタック3から排熱を回収する排熱回収熱交換器5とを備え、ポンプ7により冷却水を循環させて、発電スタック3などを冷却し、排熱回収熱交換器5で排熱を回収するようになっている。ヒートポンプユニット9は、圧縮機11、凝縮器13、減圧器16、蒸発器17を配管接続してなる閉回路の冷凍サイクルで構成され、凝縮器13は水冷媒熱交換器19で水と熱交換され、蒸発器17はファン21により空気が送風されるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a heat recovery combined use heat pump water heater to which the present invention is applied. As shown in the figure, the heat recovery combined use heat pump water heater of the present invention includes a
貯湯槽ユニット23は、貯湯槽25、排熱回収熱交換器5に供給水を送るポンプ14、水冷媒熱交換器19に水を供給するポンプ15、3方向切替弁27、逆止弁29、31を備えて構成される。貯湯槽25は、縦長の筒状容器からなり、側壁内側には高さ方向に所定の間隔で複数の温度検知器(サーミスタ)が上からT1〜T5の順に配設されている。貯湯槽25の底部は、ポンプ14,排熱回収熱交換器5,逆止弁31が、配管33,34,54を順に介して貯湯槽25の頂部に接続されている。また、配管33は、ポンプ14の手前で配管35に分岐され、ポンプ15,水冷媒熱交換器19,逆止弁29,3方向切替弁27が、配管35,36,28を順に介して、貯湯槽25の頂部に接続されている。すなわち、貯湯槽25の頂部には、二つの流入口55,57が形成され、燃料電池ユニット1から貯湯される湯は、配管54,流入口55を介して貯湯槽25内に導かれる一方、ヒートポンプユニット9から貯湯される湯は、配管28,流入口57を介して貯湯槽25内に導かれるようになっている。
The hot water
燃料電池ユニット1の排熱による貯湯流量は、ヒートポンプユニット9による貯湯流量、または、蛇口等から給湯される給湯流量に比べて一桁程度小さいため、流入口55を57と別体に設けることにより、燃料電池ユニット1の排熱による貯湯中にヒートポンプユニット9による貯湯、または、蛇口等から給湯されても、燃料電池ユニット1の排熱による貯湯流量はヒートポンプユニット9による貯湯流量、または、蛇口等から給湯される給湯流量に干渉されず、貯湯制御の簡単化および貯湯の安定化を図ることができる。
The hot water storage flow rate due to the exhaust heat of the
給湯系は、給水流量計60、給水比例弁39、逆止弁41、温度検出器40,給湯弁37を備えている。図では、給湯弁37を一つだけ示しているが、実際には、台所給湯、風呂給湯、洗面所給湯など複数存在する。また、浴槽43の追い焚き系は、水冷媒熱交換器19に水を循環させるポンプ45を備えている。
The hot water supply system includes a water
また、制御系は、燃料電池制御装置47と、ヒートポンプ制御装置49とからなり、これらの制御装置は通信装置51を介して電気的に接続され、信号の相互通信が可能になっている。そして、各検出器が検出した温度などの情報に基づいて、貯湯運転および給湯運転を制御するようになっている。
The control system includes a fuel
次に、燃料電池の動作について説明する。発電スタック3に水素と酸素が供給されると、電気化学反応により発電が開始され、同時に、発電スタック3は発熱し、温度が上昇する。発電スタック3が所定の温度に達すると、ポンプ7が起動し、冷却水が循環することにより、発電スタック3が所定の温度に保持される。発電スタック3を冷却することにより、昇温(例えば、70℃)された冷却水は、排熱回収熱交換器5の温度を上昇させる。排熱回収熱交換器5が所定以上の温度に上昇し、温度検知器53がそれを検知すると、ポンプ14が起動する。これにより、貯湯槽25の底部から抜き出された貯湯水(以下、適宜、水という。)は、循環水として排熱回収熱交換器3に導かれて加熱され、次いで貯湯槽25の頂部に供給される。なお、ポンプ14は、温度検出器53で検知される排熱回収熱交換器5の出口側の水温が、所定温度(例えば、60℃)になるように、流量制御するようになっている。
Next, the operation of the fuel cell will be described. When hydrogen and oxygen are supplied to the
貯湯槽25内には、上層に湯が貯湯される一方、下層には常温の水が貯えられる。すなわち、湯と水は、その密度差により、互いに混合することなく、二層分離した状態で、貯湯槽25内に満杯に貯えられている。したがって、貯湯槽25の底部まで貯湯されない限り、貯湯槽25の底部から水が排熱回収熱交換器5に供給され、排熱回収が行われる。
In the hot
次に、ヒートポンプユニット9の動作について説明する。ヒートポンプユニット9が運転を開始する場合は、以下の三つが考えられる。すなわち、(1)貯湯量が予め設定した設定量未満の状態で貯湯する場合、(2)貯湯量が設定量未満の状態でヒートポンプを運転し給湯を行う場合、(3)貯湯量が設定量以上あるが、給湯量が多いため、貯湯槽25とヒートポンプユニット9の両方から給湯する場合である。いずれの場合も、ヒートポンプユニット9は、周知の通り、圧縮機11が稼動すると、高温高圧の冷媒が水冷媒熱交換器19の凝縮器13に流入し、水冷媒熱交換器19の水に放熱する。
Next, the operation of the heat pump unit 9 will be described. When the heat pump unit 9 starts operation, the following three are conceivable. That is, (1) When hot water is stored in a state where the hot water storage amount is less than a preset amount, (2) When the heat pump is operated and hot water is supplied in a state where the hot water storage amount is less than the preset amount, (3) The hot water storage amount is a set amount As described above, since the amount of hot water supply is large, hot water is supplied from both the hot
高温高圧の冷媒が凝縮器13で水に放熱すると、水冷媒熱交換器19の出口温度の上昇を温度検出器59が検知し、その検出温度が所定温度(例えば、60℃)になると、水冷媒熱交換器19に水を循環させるポンプ15が始動する。ポンプ15は、温度検出器59で検知される水温が所定温度(例えば、60℃)になるように流量制御され、上記(1)の場合、60℃の湯が3方向切替弁27および配管28を介して、流入口57から貯湯槽25内に流入する。
When the high-temperature and high-pressure refrigerant dissipates heat to water in the
一方、上記(2)の場合、60℃の湯が、給水比例弁39で水と混合されて所定の温度になり、給湯弁37を介して給湯される。また、上記(3)の場合は、貯湯槽25とヒートポンプユニット9から出てくる60℃の温水が、給水比例弁39で水と混合されて所定の温度になり、給湯弁37を介して給湯される。
On the other hand, in the case of the above (2), hot water at 60 ° C. is mixed with water at the water supply
ここで、ヒートポンプユニット9から流出される湯の流路を調整する3方向切替弁27について説明する。3方向切替弁27は、ヒートポンプユニット9を貯湯槽25にのみ連通させる流路と、配管60および給湯弁37からなる給湯ラインをヒートポンプユニット9のみに連通させる流路と、給湯ラインをヒートポンプユニット9および貯湯槽25の両方に連通させる流路とを切替える構成になっている。この流路の切り替えは、図2に示すように、3種類のモードA,B,Cからなり、上記の(1)がモードC、(2)がモードA、(3)がモードBとなる。
Here, the three-
次に、貯湯槽25における貯湯量の制御について説明する。まず、燃料電池ユニット1とヒートポンプユニット9を併用し、貯湯槽25を共有して使用する場合、貯湯槽25内の水は、全量沸き上げないで上部に必要最小限の設定量の湯量を貯湯しておき、燃料電池運転時(発電時)に、その水を燃料電池に送り、排熱を回収可能な状態にしておくことが必要である。貯湯量の設定量は以下の二つの観点から決められる。
Next, control of the amount of hot water stored in the hot
(1)一般に、ヒートポンプ給湯機は、始動してから所定温度、例えば60℃の湯を安定供給できるまで数分を要する。したがって、短時間で少量の給湯を行う場合は、ヒートポンプユニット9による給湯が間に合わないため、貯湯槽25に貯湯される湯を用いて給湯することになる。そのため、貯湯槽25内には、ある程度の湯をバックアップとして貯湯しておく必要がある。例えば、5L/minの給湯量で2分間の給湯を行う場合、10Lの貯湯量が必要となり、このような給湯が数回繰り返されることを想定する必要がある。
(1) Generally, a heat pump water heater requires several minutes after starting to stably supply hot water at a predetermined temperature, for example, 60 ° C. Therefore, when a small amount of hot water is supplied in a short time, the hot water supplied by the heat pump unit 9 is not in time, so the hot water stored in the
(2)外気温度が低下(例えば、−10℃)すると、給水温度も低下するため、その給水温度から所定の温度(例えば、60℃)まで水を加熱するには多くの湯量が必要となり、燃料電池から得られる熱量は少なくなる。そのため、家庭の電力需要に応じて燃料電池で発電しても、大きな給湯負荷には対応できない。そこで、例えば、風呂に給湯後、さらに多人数が入浴し、各々がシャワーを使用するような場合、ヒートポンプユニット9と貯湯槽25とを併用して給湯する必要がある。また、ヒートポンプ給湯機は、外気から熱を吸収し給湯する機器であるため、外気温度が低い時には給湯能力が低下する特性がある。その一例として、図3に、能力が3種類(A,B,C)のヒートポンプ給湯機における外気温度に対する給湯能力の変化の様子を示す。図に示すように、いずれの給湯機も外気温度が低下するほど、給湯能力、つまり加熱容量は小さくなり、反対に、必要な給湯能力は増加する傾向にある。そのため、外気温度が低いと、供給能力が不足するが、最低外気温度に合わせてヒートポンプ能力を設定すると、外気温度が高い場合に能力が余り、過剰設備となる。したがって、貯湯槽25には、予め所定量の湯を貯湯しておき、外気温が低いときに、貯湯槽25とヒートポンプユニット9とを併用して給湯することにより、ヒートポンプ容量を適正化することができる。
(2) When the outside air temperature decreases (for example, −10 ° C.), the water supply temperature also decreases. Therefore, a large amount of hot water is required to heat water from the water supply temperature to a predetermined temperature (for example, 60 ° C.). The amount of heat obtained from the fuel cell is reduced. For this reason, even if power is generated by a fuel cell in accordance with household electric power demand, it cannot cope with a large hot water supply load. Therefore, for example, when a large number of people take a bath after supplying hot water and each uses a shower, it is necessary to use the heat pump unit 9 and the hot
ここで、例えば、風呂に200L給湯し、さらに5人が入浴して各々シャワーを使用するような、大量のお湯を1時間程度で使用する場合において、必要なバックアップ貯湯容量の一例を図4に示す。図に示した例は、図3の給湯機Bを使用した一例であり、外気温度が0℃以上のときは、ヒートポンプ給湯機で上記の大容量給湯に対応できるが、外気温度がそれ以下のときは、貯湯槽に貯湯した湯と、ヒートポンプ給湯機で沸き上げるお湯とを合わせて大容量給湯に対応することを示している。以上述べたように、上記(1)と(2)は、それぞれ独立して考える必要があり、両者を合計した貯湯量を設定量として貯湯するようにする。 Here, for example, in the case where a large amount of hot water is used in about an hour, such as when 200 L of hot water is supplied to a bath and five people take a bath and each uses a shower, an example of the necessary backup hot water storage capacity is shown in FIG. Show. The example shown in the figure is an example using the water heater B of FIG. 3, and when the outside air temperature is 0 ° C. or higher, the heat pump water heater can cope with the above-mentioned large-capacity hot water supply, but the outside air temperature is lower than that. When the hot water stored in the hot water storage tank and the hot water heated by the heat pump water heater are combined, it shows that it corresponds to the large capacity hot water supply. As described above, the above (1) and (2) need to be considered independently, and the hot water storage amount that is the sum of both is stored as the set amount.
次に、図5のフローチャートに基づいて、設定量の湯を貯湯する場合の制御方法について説明する。ここで、貯湯槽25の側壁に配設される温度検出器T1(例えば、貯湯槽の頂部から50Lの位置)で検知される温度を第1湯温、その位置を第1湯量位置とする。同様に、温度検出器T2(例えば、貯湯槽の頂部から100Lの位置)で検知される温度を第2湯温、その位置を第2湯量位置とする。また、初期状態として、第2湯温が、例えば60℃になるまでヒートポンプを運転し貯湯しておく。なお、以下のフローチャートにおいて示す設定温度は、いずれも60℃であるものとする。
Next, a control method for storing a set amount of hot water will be described based on the flowchart of FIG. Here, a temperature detected by a temperature detector T1 (for example, a position 50 L from the top of the hot water tank) disposed on the side wall of the
まず、ステップ1で、貯湯量の制御が開始されると、ステップ2において第1湯温が検知され、その温度が設定温度未満であるか否かが判定される。ここで、第1湯温が設定温度未満であれば、ステップS3に進み、ヒートポンプ貯湯運転が開始される。そして、貯湯量が次第に増加すると、ステップS4において、第2湯温が検知され、第2湯量位置の水温が設定温度以上であるか否かが判定される。ここで、設定温度以上であれば、ステップS5に進み、第2湯量位置まで貯湯されたと判断し、ヒートポンプ貯湯運転を終了する。すなわち、貯湯量の設定量が、第1湯量位置〜第2湯量位置の範囲に維持されるように制御され、下限値の第1湯量位置未満になれば、ヒートポンプ貯湯運転が開始され、上限値の第2湯量位置まで貯湯されると、運転が停止するようになっている。
First, when control of the amount of stored hot water is started in
次に、外気温度に応じて設定量を可変設定する場合について、図6のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップS11で、制御が開始されると、ステップS12において、図示しない外気温度検出器により外気温度が検知される。ここにおいて、外気温度が設定外気温度以上であれば、ステップS13に進み、設定外気温度未満であれば、ステップS17に進む。そして、ステップS13〜S16では、図5のS2〜S5と同様、第1湯温、第2湯温が順次検知され、貯湯量を第1湯量位置から第2湯量位置の範囲に維持するように制御される。これに対し、ステップS17〜S20においては、外気温度が低いことによりヒートポンプの給湯能力が低下する場合があるため、予め設定量を第2湯量位置から第3湯量位置の範囲に増加させるようにする。すなわち、ステップS17〜S20では、図5のS2〜S5と同様、第2湯温、第3湯温が順次検出され、貯湯量を第2湯量位置から第3湯量位置(例えば、貯湯槽の頂部から150Lの位置)の範囲に維持するように制御される。これにより、ヒートポンプの給湯負荷が低減され、燃料電池の排熱利用効率、発電運転稼働率を向上させることができる。なお、図6のフローチャートでは任意の設定外気温度を境に2段階制御する例を示しているが、例えば、外気温度範囲を複数に区分し、各温度範囲においてバックアップ湯量を段階的に設定するようにしてもよい。 Next, the case where the set amount is variably set according to the outside air temperature will be described based on the flowchart of FIG. First, when control is started in step S11, an outside air temperature is detected by an outside air temperature detector (not shown) in step S12. Here, if the outside temperature is equal to or higher than the set outside temperature, the process proceeds to step S13, and if it is less than the set outside temperature, the process proceeds to step S17. In steps S13 to S16, the first hot water temperature and the second hot water temperature are sequentially detected as in S2 to S5 in FIG. 5, and the hot water storage amount is maintained in the range from the first hot water amount position to the second hot water amount position. Be controlled. On the other hand, in steps S17 to S20, since the hot water supply capability of the heat pump may be reduced due to the low outside air temperature, the set amount is increased in advance from the second hot water amount position to the third hot water amount position. . That is, in steps S17 to S20, the second hot water temperature and the third hot water temperature are sequentially detected as in S2 to S5 in FIG. 5, and the hot water storage amount is changed from the second hot water amount position to the third hot water amount position (for example, the top of the hot water tank). To a position of 150 L). Thereby, the hot water supply load of the heat pump is reduced, and the exhaust heat utilization efficiency and the power generation operation operating rate of the fuel cell can be improved. In the flowchart of FIG. 6, an example is shown in which the two-step control is performed with an arbitrary set outside air temperature as a boundary. It may be.
以上が基本的な貯湯制御方法であるが、燃料電池の利用効率を一層向上させるため、以下の制御を行うことが有効である。図7は、燃料電池の発電状態を考慮した制御方法のフローチャートを示す。図に示すように、まず、ステップS21で、制御が開始されると、ステップ22において、第1湯温が検知され、その温度が設定温度未満であるか否かが判定される。ここで、第1湯温が設定温度未満となり、ヒートポンプ貯湯運転開始の条件が成立すると、ステップ23に進み、燃料電池が発電運転を行っているか否かが判定される。ここで、燃料電池が発電運転を行っていれば、ヒートポンプユニット9による貯湯運転開始を行わず、燃料電池からの排熱回収により、第2湯量位置まで貯湯が行われるのを待つように指令する貯湯運転開始禁止信号が出され、燃料電池による排熱回収が行われる。特に、夏期は湯の使用量が少なく、湯余りになる傾向があるため、この制御により、極力ヒートポンプ運転による貯湯運転を抑え、燃料電池発電運転が行われるようにする。なお、燃料電池の発電が行われていない場合は、他の制御と同様、ステップS26に進み、ヒートポンプ給湯運転が行われる。
The above is the basic hot water storage control method. In order to further improve the utilization efficiency of the fuel cell, it is effective to perform the following control. FIG. 7 shows a flowchart of a control method in consideration of the power generation state of the fuel cell. As shown in the figure, first, when control is started in step S21, in
次に、燃料電池により発電が行われ、貯湯運転開始禁止信号が出されている間に給湯が行われる場合について想定すると、一般に給湯量は燃料電池からの排熱回収による貯湯量より多いため(給湯量は、数L/minから10L/min程度であるのに対し、排熱回収による貯湯量は1L/min以下)、第2湯量位置まで貯湯を行うことができず、逆に第1湯量位置に近づく傾向となる。したがって、ステップS24において、給水流量計60により給湯(給水量=給湯量)が行われているか否かを検知し、給湯されていると判定されると、ステップS25において、給湯が開始されてからの積算給湯量が算出される。その結果、積算給湯量が予め設定された設定積算給湯量以上になった場合、ステップS26に進み、ヒートポンプ運転の貯湯運転開始禁止信号が解除され、ヒートポンプ貯湯運転が開始される。そして、ステップS27で第2湯温が検知され、設定温度以上の場合、ステップS28に進み、ヒートポンプ貯湯運転が停止される。
Next, assuming that power is generated by the fuel cell and hot water is supplied while the hot water storage start prohibition signal is issued, the amount of hot water is generally larger than the amount of hot water stored by the recovery of exhaust heat from the fuel cell ( The amount of hot water supply is from several L / min to about 10 L / min, while the amount of hot water stored by exhaust heat recovery is 1 L / min or less), and hot water cannot be stored up to the second hot water amount position. It tends to approach the position. Therefore, in step S24, whether or not hot water supply (water supply amount = hot water supply amount) is detected by the water
次に、貯湯量が設定量以上あるが、給湯量が多いため貯湯槽25とヒートポンプの両方で給湯運転を行う場合について、図8のフローチャートに基づいて説明する。ステップS31で制御が開始されると、ステップS32で、温度検出器T3〜T5により、第3湯温〜第5湯温が検知される(温度検出器T3〜T5で検知される温度をそれぞれ第3湯温〜第5湯温とする)。そして、第3湯温〜第5湯温のいずれかが設定温度以上、言い換えれば、貯湯量が貯湯槽底部近傍まで十分にある場合、給湯が始まると、まず、貯湯槽25からのみ給湯が開始される。続いて、ステップS33で第2湯温が検知され、設定温度未満となれば、残湯量が少ないと判断し、ヒートポンプによる給湯運転が開始される。これにより、貯湯槽25とヒートポンプとの両方から給湯された湯が混合され給湯される。そして、ステップS35で給水流量計60の出力が検知され、給湯完了の判定がされると、ステップS36に進み、第2湯温が設定温度未満であれば、図5のフローチャートに従い、貯湯運転が行われる。これによれば、例えば、貯湯槽25の底部近傍まで湯が十分に貯湯されている場合、給湯時において、まず、貯湯槽のみで給湯することにより、大量の湯が水に置き換わるため、燃料電池の運転を継続する点で有効となる。そして、給湯量が多く、第2湯量位置より貯湯量が減少すると、第1湯量位置まで待つことなく、早めにヒートポンプ給湯運転を開始することで、湯切れを防ぐことができる。
Next, a case where the hot water storage operation is performed by both the hot
次に、湯の使用量が少ない時間帯において、第2湯量位置まで貯湯した湯が給湯により第1湯量位置を割って減少し、ヒートポンプ貯湯運転の条件が成立した場合の貯湯運転制御について、図9のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップS40で制御が開始されると、ステップS41で第1湯温が検知され、設定温度未満の場合、ステップS42に進み、現在時間が設定時間帯(例えば、深夜時間帯)であるか否かが判定される。ここで、設定時間帯であれば、ステップ43でヒートポンプユニット9の加熱容量が設定値まで低減される。具体的には、圧縮機11の最高回転数の上限値を設定回転数まで下げるようにする。そして、ステップS44において、貯湯運転が開始されると、時間をかけてゆっくりと貯湯が行われる。続いて、ステップS45で第2湯温が検知され、設定温度の場合、ステップS46に進み、ヒートポンプ運転が停止される。
Next, in the time zone when the amount of hot water used is small, the hot water stored up to the second hot water amount position is reduced by dividing the first hot water amount position by the hot water supply, and the hot water storage operation control when the condition of the heat pump hot water storage operation is satisfied is shown in FIG. This will be described based on the flowchart of FIG. First, when the control is started in step S40, the first hot water temperature is detected in step S41. If the temperature is lower than the set temperature, the process proceeds to step S42, and whether the current time is a set time zone (for example, midnight time zone). It is determined whether or not. Here, if it is the set time zone, the heating capacity of the heat pump unit 9 is reduced to the set value in
このような制御によれば、冷凍サイクルの状態が、圧縮機容量に対し、相対的に熱交換器容量が大きくなったことに相当するため、貯湯運転の効率が向上し、かつ深夜時間帯の騒音を低減することができる。また、燃料電池による発電電力をヒートポンプ運転に利用する(不足分は系統電力も使用)場合、時間をかけてゆっくりとヒートポンプ貯湯運転を行うことにより、燃料電池の排熱利用効率を上げる事が出来る。 According to such control, since the state of the refrigeration cycle corresponds to the fact that the heat exchanger capacity is relatively large with respect to the compressor capacity, the efficiency of hot water storage operation is improved and the midnight time zone is increased. Noise can be reduced. In addition, when the power generated by the fuel cell is used for heat pump operation (system power is also used for the shortage), the exhaust heat utilization efficiency of the fuel cell can be increased by slowly performing heat pump hot water storage operation over time. .
なお、湯の使用量が少ない時間帯は各家庭の生活パターンにより異なるため、ヒートポンプの加熱容量を下げる時間帯をユーザが指定できるセーブ運転時間帯設定機能などをシステムに設けると、運転機能を一層発揮することができる。この場合において、設定時間帯は、夜間に限らず、ユーザが各家庭の生活パターンに合わせて設定できるようにすることが好ましい。 In addition, since the time period when the amount of hot water used is small varies depending on the lifestyle pattern of each household, providing the system with a save operation time period setting function that allows the user to specify a time period during which the heating capacity of the heat pump is reduced is further enhanced. It can be demonstrated. In this case, it is preferable that the set time zone is not limited to nighttime but can be set by the user according to the lifestyle pattern of each home.
また、ヒートポンプの加熱容量は外気温度により変化するため、圧縮機の最高回転数を下げる場合、外気温度が高い時は低速回転数でも設定温度に加熱することができるが、外気温度が低い場合は圧縮機回転数を下げすぎると設定温度に加熱できない場合がある。そこで、検出された外気温度に応じて有効にセーブ運転を行う方法として、外気温度の関数を演算処理して圧縮機最高回転数を設定することにより、最適なセーブ運転制御を行うことができる。 Also, since the heating capacity of the heat pump varies depending on the outside air temperature, when the maximum rotation speed of the compressor is lowered, when the outside air temperature is high, it can be heated to the set temperature even at a low speed rotation speed, but when the outside air temperature is low If the compressor rotation speed is too low, heating to the set temperature may not be possible. Therefore, as a method of effectively performing the save operation according to the detected outside air temperature, the optimum save operation control can be performed by calculating the function of the outside air temperature and setting the maximum compressor rotation speed.
1 燃料電池ユニット
3 燃料電池スタック
5 排熱回収熱交換器
7,14,15 ポンプ
9 ヒートポンプユニット
19 水冷媒熱交換器
25 貯湯槽
47 燃料電池制御装置
49 ヒートポンプ制御装置
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記制御装置は、前記熱交換器の出口湯温を設定値に保持するように前記熱回収系ラインの循環量を制御する熱回収系制御手段と、前記貯湯槽内の設定温度以上の貯湯量を設定範囲に保持するように前記ヒートポンプユニットと前記ヒートポンプ系ラインの運転を制御するヒートポンプ系制御手段とを備えてなる熱回収併用ヒートポンプ給湯機。 A fuel cell unit provided with a heat exchanger for recovering exhaust heat such as a fuel cell, a heat pump unit for heating feed water, a hot water tank whose bottom communicates with a water supply source, and hot water stored at the bottom of the hot water tank A heat recovery system line having a pump that circulates to the top of the hot water tank via a heat exchanger, and a heat pump having a pump that circulates hot water at the bottom of the hot water tank to the top of the hot water tank via the heat pump unit A system line, a hot water supply line that communicates the top of the hot water tank and the hot water outlet, and a control device that controls the amount of hot water stored in the hot water tank,
The control device includes heat recovery system control means for controlling the circulation rate of the heat recovery system line so as to maintain the outlet hot water temperature of the heat exchanger at a set value; A heat recovery combined use heat pump water heater comprising a heat pump system control means for controlling the operation of the heat pump system line and the heat pump system line so as to keep the temperature within a set range.
A three-way switching valve is provided in a portion that connects the heat pump system line and the hot water supply line to the top of the hot water storage tank, and the three-way switching valve has a flow path that allows the hot water supply line to communicate only with the heat pump system line; 8. A valve that switches between a flow path that connects the hot water supply line to the heat pump system line and the hot water storage tank and a flow path that connects the heat pump system line only to the hot water storage tank. The heat recovery combined use heat pump water heater according to any one of the above.
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