JP2011021829A - コージェネシステム - Google Patents

Abstract

【課題】貯湯タンクからの放熱を抑制しつつ、暖房機器等の温水利用機器を利用する効率を高めることができるコージェネシステムを提供することを課題とする。
【解決手段】コージェネシステムシステムは、作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器１１と、コージェネ機器１１の熱に基づいて加熱された温水を溜めるための貯湯室３１をもつ貯湯タンク３０と、貯湯室３１に溜められる温水を昇温させるための昇温要素５と、貯湯室３１に溜められている温水の熱エネルギを利用するための温水利用機器３２と、少なくとも昇温要素５を制御するための制御部２とを備えている。制御部２は、温水利用機器３２において温水が利用されるとき、または、温水利用機器３２において温水の利用が予測されるとき、温水利用機器３２の不使用時に比較して、貯湯室３１に溜められる温水を昇温要素５により昇温させる昇温制御を実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるコージェネシステムに関する。

コージェネシステムは、作動に伴い電気エネルギを生成させるためのコージェネ機器と、コージェネ機器の排熱に基づいて加熱された温水を溜めるための貯湯室をもつ貯湯タンクと、貯湯室に溜められる温水を昇温させるための昇温要素とを備えている（特許文献１〜５）。特許文献１には、貯湯室に溜められている温水の熱エネルギを利用するための暖房機器が設けられている（特許文献１）。ここで、コージェネ機器は、作動に伴い電気エネルギを生成させるとき、熱エネルギとして排熱を放出させる。コージェネ機器の排熱で加熱された温水は、貯湯タンクに溜められる。暖房機器は、貯湯室に溜められている温水がもつ熱エネルギを有効に利用し、暖房を行う。

特開２００２−３６４９１７号公報 特開２００５−２７６７５７号公報 特開２００６−２７５４７８号公報 特開２００６−２８４１００号公報 国際公開ＷＯ２００６／０９５５５５号公報

上記した技術によれば、暖房機器は、貯湯室に溜められている温水がもつ熱エネルギを利用するものの、暖房機器の暖房機能を向上させるには限界があった。この場合、暖房機能の暖房機能を向上させるためには、貯湯室に溜められている温水の目標温度を上昇させれば良いが、暖房機器の不使用時においても、貯湯室に溜められている温水が高温側に維持されることになり、貯湯タンクからの放熱量が増加し、経済性が低下するおそれがある。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、暖房機器等の温水利用機器の使用時において温水利用機器の性能を高めることができ、且つ、暖房機器等の温水利用機器の不使用時において貯湯タンクからの放熱量を抑制させることができるコージェネシステムを提供することを課題とする。

本発明のコージェネシステムシステムは、作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器と、コージェネ機器の熱に基づいて加熱された温水を溜めるための貯湯室をもつ貯湯タンクと、貯湯室に溜められる温水を昇温させるための昇温要素と、貯湯室に溜められている温水の熱エネルギを利用するための温水利用機器と、少なくとも昇温要素を制御するための制御部とを具備しており、制御部は、温水利用機器において所定温度以上の温水が利用されるとき、または、温水利用機器において所定温度以上の温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時に比較して、貯湯室に溜められる温水を昇温要素により昇温させる昇温制御を実行する。

温水利用機器において所定温度以上の温水が利用されるとき、または、温水利用機器において所定温度以上の温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時に比較して、貯湯室に溜められる温水は、昇温要素により昇温される。このため貯湯タンクの温水と温水利用機器との熱交換により、温水利用機器が利用されるとき、温水利用機器の使用温度領域を昇温させることができ、温水利用機器の性能を良好に向上させることができる。所定温度とはシステムに応じて適宜設定される。 なお、温水利用機器の性能を高めるためには、貯湯室に溜められる温水の目標温度を常時において高温側に移行させることも考えられる。しかしこの場合には、温水利用機器の不使用時においても、貯湯室の温水の温度が高温側となっている。このため、温水利用機器の不使用時においても貯湯タンクからの放熱量が増加し、経済的ではない。この点について本発明によれば、温水利用機器の使用時、および／または、温水利用機器の使用が予測されるとき、貯湯室に溜められる温水の温度を上昇させるものである。従って、温水利用機器の不使用時には、貯湯室に溜められている温水の温度を抑えることができ、貯湯タンクからの放熱量を低減させることができ、経済性を向上させることができる。

本発明によれば、暖房機器等の温水利用機器において温水が利用されるとき、または、温水利用機器において温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時に比較して、貯湯室に溜められる温水は、昇温要素により昇温される。このため暖房機器等の温水利用機器の使用時において温水利用機器の性能を高めることができる。更に、暖房機器等の温水利用機器の不使用時において、貯湯室に溜められている温水の温度を抑えることができ、貯湯タンクからの放熱量を抑制させることができ、経済性を高めることができる。

燃料電池システムを示すシステム図である。 別の実施形態に係り、燃料電池システムを示すシステム図である。 制御部が実行するフローチャートである。 制御部が実行するフローチャートである。 記憶部のエリアの内容を示す図である。 他の実施形態に係るコージェネシステムを示すシステム図である。

コージェネ機器は、作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのものである。コージェネ機器は、作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるものであれば何でもよく、燃料電池装置が例示され、更に、エンジンで発電機を作動させる発電装置が例示される。燃料電池装置は固体高分子形燃料電池でも良いし、固体酸化物形燃料電池でも良いし、溶融炭酸塩形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良い。

温水利用機器は、一般的には、所定温度以上（高温）の温水が必要な利用機器であることが好ましく、貯湯タンクに溜められている通常の温水温度よりも高い温度が必要とされる機器であることが好ましい。温水利用機器としては、高温の温水が必要とされ場合と、そうでない場合とがある。例えば風呂装置では、高温温水を好むユーザと、そうでないユーザとがいる。高温温水を好むユーザは、所定温度以上の温水を所望することが多い。

貯湯タンクは、コージェネ機器の熱に基づいて直接的にまたは間接的に加熱された温水を溜めるための貯湯室をもつ。昇温要素は、貯湯室に溜められる温水を昇温させる機能をもつものであれば、何でも良い。

好ましくは、昇温要素は、コージェネ機器から受熱した熱媒体が流れる熱媒体通路と、貯湯タンクの貯湯室の出口から貯湯室の外部に延設され貯湯室の入口に戻る循環通路と、熱媒体通路の熱媒体の熱を循環通路の水に伝達させて循環通路の水を加熱させる第１熱交換器と、循環通路の水を貯湯室を介して循環させる水搬送源とを有する。水搬送源は循環通路の水を搬送できるものであれば良く、ポンプ、コンプレッサを例示できる。

コージェネ機器からの排熱量がほぼ一定であり、大きく変動していない場合には、制御部は、温水利用機器の温水が利用されるとき、または、温水利用機器の温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時に比較して、単位時間あたりにおける水搬送源の水搬送の流量を低下させることにより昇温制御を実行することができる。この場合、水搬送源の水搬送の流量を低下させるため、水搬送源の消費電力も節約できる利点が得られる。

好ましくは、制御部は、温水利用機器において温水が利用されるとき、または、温水利用機器において温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時（昇温制御の非実行時）に比較して、循環通路のうち第１熱交換器の下流の通路部分を流れる水の温度を上昇させることにより昇温制御を実行することができる。

また、制御部は、温水利用機器の温水が利用されるとき、または、温水利用機器の温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時（昇温制御の非実行時）に比較して、単位時間あたりにおける水搬送源の水搬送の流量を低下させることにより昇温制御を実行することができる。この場合、水搬送源の水搬送の流量を低下させるため、水搬送源の消費電力も節約できる利点が得られる。

また昇温要素は、熱媒体通路の熱媒体を直接的にまたは間接的に加熱させる電気ヒータ、貯湯室の水を直接的にまたは間接的に加熱させる電気ヒータ、熱媒体通路の熱媒体を直接的にまたは間接的に加熱させる燃焼バーナ、または、貯湯室の水を直接的にまたは間接的に加熱させる燃焼バーナを例示できる。

温水利用機器は、貯湯室に溜められている温水がもつ熱エネルギを利用するためのものである。温水利用機器としては、床暖房装置等の暖房装置、風呂装置、熱エネルギを電気エネルギに変換させる熱変換装置等を例示できる。

制御部は少なくとも昇温要素を制御して昇温制御を実行する。制御部は、温水利用機器において温水が利用されるとき、または、温水利用機器において温水の利用が予測されるとき、温水利用機器の不使用時（昇温制御の非実行時）に比較して、貯湯室に溜められる温水を昇温要素により昇温させる昇温制御を実行する。

好ましい形態によれば、温水利用機器（例えば暖房装置，風呂追い炊き装置）と貯湯タンクとの間には、貯湯室に溜められている温水を導出させ且つ貯湯室に再び帰還させる温水帰還通路と、温水帰還通路と温水利用機器とを熱交換させて温水帰還通路の温水の熱を温水利用機器に伝達させる第２熱交換器とが設けられている。

好ましい形態によれば、制御部は、温水機器の利用頻度が高い高利用時間帯を記憶する記憶部を有する。この場合、好ましくは、制御部は、現在時刻が記憶部に記憶されている高利用時間帯に到達または近づいたら、温水利用機器の不使用時（昇温制御の非実行時）に比較して、貯湯室に溜められる温水を昇温要素により昇温させることにより昇温制御を実行する。高利用時間帯は、設定された所定時間（例えば２４時間）内において、温水利用機器の利用頻度が高い、または、温水利用機器が利用された時間帯を意味する。

具体的には、昇温制御は次の場合に実行されることが好ましい。
（ｉ）暖房装置が現在使用されている場合
（ｉｉ）暖房装置の使用が予測される場合
（ｉｉｉ）風呂追い炊き装置が現在使用されている場合
（ｉｖ）風呂追い炊き置の使用が予測される場合
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１について図１を参照して説明する。このコージェネシステムは燃料電池システムである。燃料電池システムは、発電ユニット１０と、貯湯ユニット２０とに大別される。発電ユニット１０は、作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器として機能する燃料電池装置１１と、燃料電池装置１１の発電した直流電力を交流電力に変換させる変換器であるインバータ１２と、第１熱交換器１３と、第１制御部２１とをもつ。燃料電池装置１１は、固体酸化物形の燃料電池とされている。貯湯ユニット２０は、燃料電池装置１１が発生する排熱に基づいて加熱された温水を溜めるための貯湯室３１をもつ貯湯タンク３０と、温水利用機器として機能する暖房装置３２とを備えている。暖房装置３２は、貯湯室３１に溜められている温水がもつ熱エネルギを利用するための装置であり、床暖房装置、室内暖房装置、壁暖房装置、温水パネルなどを例示できる。第１制御部２１はＣＰＵ２２と記憶部２３とを有する。

発電ユニット１０において、ポンプ等の搬送源４１ｃによりカソード流体通路４１を介してカソード流体（例えば空気などのカソードガス）が燃料電池装置１１のカソードに供給されると共に、アノード流体源４２ｃからガスアノード流体通路４２を介してアノード流体（例えば水素を含むアノードガス）が燃料電池装置１１のアノードに供給される。これにより燃料電池装置１１は発電して電気エネルギを発生させる。発電された電気エネルギは、インバータ１２を介して家庭用または業務用等の電力負荷１５に給電される。アノード流体源４２ｃは、燃料原料を改質させる改質装置、または、アノード流体貯蔵部が挙げられる。

図１に示されるように、発電ユニット１０から貯湯ユニット２０にかけて昇温要素５が設けられている。昇温要素５は、燃料電池装置１１から受熱した熱媒体が流れる熱媒体通路５０と、貯湯タンク３０の貯湯室３１の下部に形成されている第１出口３７ｐから貯湯室３１の外部に延設され貯湯室３１の上部の第１入口３７ｉに戻る循環通路５１と、熱媒体通路５０の熱媒体の熱を循環通路５１の水に伝達させて循環通路５１の水を加熱させる第１熱交換器１３と、循環通路５１の水を貯湯室３１を介して循環させる第１水搬送源として機能する第１ポンプ５３と、循環通路５１のうち第１熱交換器１３よりも下流の通路部分５１ｄの水温を検知する第１温度センサ５４とを有する。第１温度センサ５４の温度信号、貯湯室３１に溜められる温水の温度を設定するスイッチ２１０の設定信号は、第１制御部２１に入力される。第１制御部２１は、第１ポンプ５３およびインバータ１２などの発電ユニット１０内の機器を制御する制御信号を出力する。ここで、第１制御部２１は、スイッチ２１０で設定された温水温度に応じて、循環通路５１の通路部分５１ｄの水温の目標温度を設定する。そして、第１温度センサ５４で検知された循環通路５１の通路部分５１ｄの水温がこれの目標温度となるように、第１制御部２１は、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数（第１ポンプ５３の駆動量）をフィードバック制御させる。

熱媒体通路５０を流れる熱媒体としては、燃料電池装置１１から排出される高温の燃焼排ガスが挙げられる。熱媒体が燃焼排ガスであれば、その燃焼排ガスを先端の排気口５０ｘから外気に放出させることが好ましい。貯湯タンク３０の貯湯室３１の内部において、貯湯室３１の高さ方向に沿って複数個の第２温度センサ６１が設けられている。貯湯ユニット２０において、暖房装置３２と貯湯タンク３０との間には温水帰還通路６２が設けられている。温水帰還通路６２は、貯湯タンク３０の貯湯室３１の上部に形成されている第２出口３８ｐから貯湯室３１の外部に導出され、更に、貯湯室３１の下部に形成されている第２入口３８ｉに向けて延設されている。温水帰還通路６２には、第２水搬送源として機能する第２ポンプ６３、燃焼原料を燃焼させることにより追い炊き機能を発揮する第１燃焼器６４、第２熱交換器６５、切替弁６６が設けられている。温水帰還通路６２には、第１燃焼器６４および第２熱交換器６５を迂回させる迂回通路６７が形成されている。切替弁６６は、第２熱交換器６５を介して貯湯室３１の第２出口３８ｐに繋がるポート６６ａと、第１燃焼器６４および第２熱交換器６５を迂回するように迂回通路６７に繋がるポート６６ｂと、貯湯室３１の下部に形成されている第２入口３８ｉに繋がるポート６６ｃとをもつ。なお、温水帰還通路６２において、第２ポンプ６３、第１燃焼器６４、第２熱交換器６５、切替弁６６の順に直列に配置されているが、これに限定されるものではない。

温水帰還通路６２において、第２ポンプ６３はバイパス通路６７の合流部６７ｋよりも下流に設けられており、合流部６７ｋと燃焼器６４との間に設けられている。仮に、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められている水の温度が低いときには、切替弁６６のポート６６ｃが閉鎖され、且つ、ポート６６ａ，６６ｂが開放した状態で、第２ポンプ６３が駆動すれば、第２ポンプ６３、燃焼器６４，第２熱交換器６５、ポート６６ａ，６６ｂ、バイパス通路６７、ポンプ６３、燃焼器６４といった循環通路が形成される。この場合、暖房用循環通路３４の水温を維持し、暖房装置３２の温度を確保できる。燃焼器６４が燃焼する場合には、暖房用循環通路３４の水温の維持になおさら有効である。

切替弁６６の第１ポート６６ａおよび第３ポート６６ｃが開放しているとき、第２ポンプ６３が駆動すると、貯湯室３１の上部に溜められている温水は第２出口３８ｐから温水帰還通路６２に吐出され、第１燃焼器６４、第２熱交換器６５、切替弁６６を介して、貯湯室３１の下部に形成されている第２入口３８ｉに帰還される。第１燃焼器６４は燃焼バーナであり、温水帰還通路６２の水温が低いとき、温水帰還通路６２の水を追い炊きにより加熱させることができるものの、追い炊き用の燃料を消費する。

暖房装置３２は、温水帰還通路６２の温水と第２熱交換器６５により熱交換されて加熱される暖房用循環通路３４と、暖房用循環通路３４に設けられた室暖房または床暖房用の放熱部３５と、暖房用循環通路３４に設けられた第３水搬送源として機能する第３ポンプ３６とを備えている。第３ポンプ３６が駆動すると、暖房用循環通路３４の水は第２熱交換器６５を介して循環される。温水帰還通路６２の温水の熱は第２熱交換器６５を介して暖房用循環通路３４の水に伝熱され、放熱部３５から放熱され、暖房に使用される。貯湯室３１の上部に形成されている第３出口３９ｐから温水消費部７０ｘに向けて給湯通路７０が延設されている。給湯通路７０には、追い炊き機能を有する第２燃焼器７２が設けられている。給湯通路７０の水温が低いときには、第２燃焼器７２が作動して給湯通路７０の温水を適温域に加熱させる。

第２燃焼器７２は燃焼バーナであり、温水帰還通路６２の水を加熱させることができるものの、燃料を消費する。貯湯室３１の下部に給水する給水通路７３が設けられている。貯湯タンクの温水が使用されると水道水の圧力により給水通路７３から自動的に水が貯湯室３１の下部に補給される。給水通路７３は合流部７０ｙを介して給湯通路７０に合流される。貯湯ユニット２０には第２制御部２５が設けられている。第２制御部２５は、図示しないセンサや操作盤からの信号に基づいて、給湯使用情報、暖房装置３２の暖房使用情報等の使用情報を取得できる。貯湯室３１に設けられている第２温度センサ６１の温度信号、暖房装置３２の暖房機能を操作する操作スイッチ２５１、風呂追い炊き装置８の追い炊き機能を操作する操作スイッチ２５２の信号は、第２制御部２５に入力される。第２制御部２５は、第２ポンプ６３、切替バルブ６６、第３ポンプ３６、第１燃焼器６４、第２燃焼器７２などのように貯湯ユニット２０に搭載されている機器を制御する。第１制御部２１および第２制御部２５により制御部２が形成されている。

システムの運転時について説明を加える。アノード流体およびカソード流体が燃料電池装置１１に供給されて燃料電池装置１１が発電運転すると、燃料電池装置１１は電気エネルギを発生させる。燃料電池装置１１から排出される高温の燃焼排ガス（例えば２００〜９００℃の範囲内）は、熱媒体通路５０から外部に排出される。熱媒体通路５０を流れる燃焼排ガスの排熱は、第１熱交換器１３を介して循環通路５１の水に伝達される。このときシステムの運転時には第１ポンプ５３が駆動しているため、第１熱交換器１３における熱交換により、燃焼排ガスの熱は循環通路５１の水に伝達され、循環通路５１の水は加熱される。このようにして温水が貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる。システムの運転時には、一般的には、貯湯３１室における対流現象により、重力方向の上部の水温は相対的に高温となり、重力方向の下部の水温は相対的に低温となる。

暖房装置３２が使用されていないときには、第２ポンプ６３および第３ポンプ３６が回転しないため、温水帰還通路６２の水は循環せず、ひいては暖房用循環通路３４の水も循環されず、放熱部３５からの放熱も制限される。これに対して、寒冷地または冬季などにおいて、暖房装置３２が使用されているときには、第２ポンプ６３および第３ポンプ３６が回転するため、温水帰還通路６２の水は循環し、すなわち、貯湯室３１の上部の温水は第２出口３８ｐから温水帰還通路６２に吐出され、温水帰還通路６２に沿って第２ポンプ６３、第２熱交換器６５、切替弁６６の第１ポート６６ａ、第３ポート６６ｃの順に流れ、第２入口３８ｉから貯湯室３１に帰還する。このとき、暖房時（温水利用機器の使用時）第３ポンプ３６の駆動により暖房用循環通路３４の水が循環しているため、温水帰還通路６２を流れる温水の熱は、第２熱交換器６５を介して暖房用循環通路３４の水に伝達され、建築物内の放熱部３５が放熱する。これにより室内暖房または床暖房などの暖房が行われる。

さて本実施形態によれば、暖房装置３２により暖房を行うときには、または、暖房装置３２において暖房の使用が予測されるときについて説明する。この場合には、制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水をΔＴｔぶん昇温させる昇温制御を実行する。すなわち、循環通路５１のうち第１熱交換器１３の下流の通路部分５１ｄを流れる水の目標温度をΔＴｐぶん上昇させることにより昇温制御を実行する。

ここで、循環通路５１のうち第１温度センサ５４で検知された通路部分５１ｄの水温が目標温度となるように、第１制御部２１は、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数（第１ポンプ５３の駆動量）をフィードバック制御させる。なお、ΔＴｔとしては適宜選択できるが、３〜３０℃の範囲、４〜２０℃の範囲を例示できる。但しこれに限定されるものではない。ΔＴｐはΔＴｔに対応する。

更に具体的には、燃料電池装置１１が定常運転しており、燃料電池装置１１の発電出力が大きく変動していない場合には、昇温制御においては、制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、単位時間あたりの第１ポンプ５３の駆動量を低減させ、つまり、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数を低減させる。これにより制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、単位時間あたり循環通路５１を循環する循環水の流量を低減させる。

なお、昇温制御が実行される前における第１温度センサ５４が検知する水温をＴ１とし、昇温制御が実行される前における貯湯室３１の上部の温水の温度をＴ２とする。昇温制御が実行されている間の第１温度センサ５４が検知する水温をＴ１０とし、昇温制御が実行されている貯湯室３１の上部の温水の温度をＴ２０とする。この場合、Ｔ１は６５〜７０℃にでき、Ｔ２は６０〜６５℃にでき、Ｔ１０は７０〜８０℃にでき、Ｔ２０は６５〜７５℃が例示される。但しこれらに限定されるものではない。なお温水の温度が低い場合には、雑菌の繁殖のおそれがあるが、温水の温度が６０℃を超えると、雑菌の繁殖も抑制されると考えられている。

この場合、燃料電池装置１１が発電運転しているとき、第１ポンプ５３の回転数が少なくなると、第１熱交換器１３を流れる水の流速が低下し、第１熱交換器１３における熱交換時間（受熱時間）が長くなり、循環通路５１のうち第１熱交換器１３の下流（循環通路５１のうち第１熱交換器１３と貯湯室３１の第１入口３７ｉとの間）における通路部分５１ｄの水温が上昇する。ひいては、第１入口３７ｉから貯湯タンク３０の貯湯室３１に流入される温水の水温が上昇する。ひいては、貯湯室３１の上部に溜められる温水の水温が、暖房装置３２の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して上昇する。このため、暖房装置３２により暖房を行うときには、第１ポンプ５３の回転数を低下させなかった場合に比較して、貯湯室３１の第２出口３８ｐから温水帰還通路６２に吐出される温水の水温を上昇させることができる。ひいては、第２熱交換器６５を介して加熱される暖房用循環通路３４（温水利用機器用循環通路）の水温を上昇させることができ、結果として、単位時間あたり放熱部３５の放熱量を増加させることができ、暖房装置３２の暖房能力を高めることができる。

また、暖房装置３２において暖房の使用が予測されるときにおいても、暖房装置３２の実際の使用に先立って、制御部２は、昇温制御前よりも、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数を予め低減させれば、前述同様に、貯湯室３１の上部に溜められる温水の水温を予め上昇させることができる。このため、暖房装置３２により暖房を実際に行うとき、暖房装置３２の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、温水帰還通路６２を流れる温水の水温を高温に維持でき、ひいては、第２熱交換器６５を介して加熱される暖房用循環通路３４の水温を高温に維持でき、単位時間あたり放熱部３５の放熱量を増加させることができ、暖房装置３２の暖房能力を高めることができる。なお、暖房が終了すれば、制御部２は昇温制御を終了し、第１ポンプ５３の回転数も元に戻すことが好ましい。

以上説明したように本実施形態によれば、制御部２は、暖房装置３２により暖房を行うとき、制御部２は、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水を昇温させる昇温制御を実行することができる。または暖房装置３２において暖房の使用が予測されるとき、制御部２は、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水を昇温させる昇温制御を実行することができる。このように暖房装置３２の使用時のみ、および／または、暖房装置３２の使用が予測されるときのみ、制御部２は昇温制御を実行できる。

ところで、貯湯室３１に溜められる温水の温度を高温側にするには、燃料電池装置１１の発電出力を増加させることも考えられる。この場合、燃料電池装置１１から熱媒体通路５０に向けて排出される燃焼排ガスの流量および温度が上昇するため、高温の燃焼排ガスから伝達される熱伝達量が増加し、貯湯室３１に溜められる温水の温度を高温側にできる。しかしこの場合には、燃料電池装置１１からの電力に基づいて作動される電力負荷１５が要請する必要電力以上に燃料電池装置１１が出力することにもなりがちであり、コスト的に好ましくない。この点本実施形態によれば、貯湯室３１の温水の温度を第１ポンプ５３の回転数に基づいて調整するため、電力負荷１５が要請する電力に応じて燃料電池装置１１の発電電力を出力すれば良い。

なお、暖房装置３２の暖房機能を高めるため（すなわち、温水利用機器の性能を高めるため）には、第１燃焼器６４に燃料を供給して第１燃焼器６４において燃焼させることにより温水帰還通路６２の水温を上昇させることも考えられる。しかしこの場合には、第１燃焼器６４に燃料を供給する必要があるため、燃料コストが高騰する。この点について本実施形態によれば、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数を低下させる昇温制御を実行すれば、貯湯室３１の温水の温度を上昇させることができるため、第１ポンプ５３を駆動させる電力も節約される。ひいては第１燃焼器６４を使用することなく、あるいは、第１燃焼器６４を使用するとしても、僅かで済む。

また暖房装置３２の暖房機能を高めるため（すなわち、温水利用機器の性能を高めるため）には、貯湯室３１に溜められる温水の温度を常時において高温側に移行させることも考えられる。しかしこの場合には、暖房装置３２の不使用時（温水利用機器の不使用時）においても、貯湯室３１の温水の温度が高温側となっているため、システムの運転時の全体にわたり、貯湯タンク３０からの放熱量が増加し、経済的ではない。この点について本実施形態によれば、暖房装置３２により暖房を行うとき、および／または、暖房装置３２の暖房の使用が予測されるとき、貯湯室３１に溜められる温水の温度を上昇させるものである。従って、暖房装置３２の不使用時（温水利用機器の不使用時，例えば夏季等）には、貯湯室３１の温水の温度を抑えることができるため、貯湯タンク３０からの放熱量を低減させることができる。

なお本実施形態によれば、昇温制御にあたり、燃料電池装置１１の発電出力を増加させても良い。この場合には、熱媒体通路５０を流れる燃焼排ガスの温度が昇温したり、燃焼排ガスの流量が増加するため、循環通路５１の通路部分５０ｄの水温が昇温され、ひいては貯湯タンク３０に溜められる温水も昇温される。本実施形態によれば、燃料電池装置１１は固体酸化物形の燃料電池とされているが、これに限らず、固体高分子形燃料電池でも良いし、溶融炭酸塩形燃料電池でも良いし、リン酸形燃料電池でも良い。

（実施形態２）
本実施形態は実施形態１と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏するため、図１を準用する。制御部２の記憶部２３は、温水利用機器として機能する暖房装置３２の利用頻度が高い高利用時間帯の使用情報を格納して記憶するエリアをもつ。そして制御部２は、現在時刻が、記憶部２３のエリアに記憶されている高利用時間帯に到達または近づいたら、暖房装置３２の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、貯湯室３１に溜められる温水を昇温させることにより昇温制御を実行する。前述したように、昇温制御では、制御部２は、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数を予め低減させる。

このため、暖房装置３２により暖房を実際に行うときにおいて、あるいは、暖房を実際に使用するときに先だって、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められている温水の温度を、暖房装置３２の不使用時に比較して、予め上昇できる。結果として、温水帰還通路６２を流れる温水の水温を高温に維持でき、ひいては、第２熱交換器６５を介して加熱される暖房用循環通路３４の水温を高温に維持でき、単位時間あたり放熱部３５の放熱量を増加させることができ、暖房装置３２の暖房性能を向上させることができる。万一、高利用時間帯に到達してから所定時間（例えば０．５時間）以内に暖房装置３２の暖房が実際に使用されないときには、制御部２は昇温制御をキャンセルし、第１ポンプ５３の回転数を元の回転数（昇温制御前の第１ポンプ５３の回転数）に戻すことができる。

（実施形態３）
図２は実施形態３を示す。本実施形態は実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。図２に示すように、温水帰還通路６２には、温水利用機器として機能する風呂追い炊き装置８と暖房装置３２とが直列に設けられている。風呂追い炊き装置８は、温水帰還通路６２の温水と第３熱交換器８５により熱交換されて加熱される風呂追い炊き用循環通路８１と、風呂追い炊き用循環通路８１に設けられた風呂追い炊き用放熱部８２と、風呂追い炊き用循環通路８１に設けられた第４水搬送源として機能する第４ポンプ８３とを備えている。追い炊き用の放熱部８２からの放熱により浴槽３００内の湯を昇温させることを、風呂追い炊きという。

風呂追い炊き時に第４ポンプ８３が駆動すると、風呂追い炊き用循環通路５１の水は循環される。温水帰還通路６２の温水の熱は、第３熱交換器８５を介して風呂追い炊き用循環通路８１の水に伝熱され、風呂追い炊き用放熱部８２から放熱され、浴槽３００に溜められている湯の加熱に使用される。図２に示すように、温水帰還通路６２において風呂追い炊き装置８の下流に暖房装置３２が設けられているが、逆でも良い。第２制御部２５は、給湯使用情報、暖房装置３２の暖房使用情報、風呂追い炊き装置８の使用情報を取得できる。これらの使用情報は第１制御部２１に送信される。第１制御部２１の記憶部２３は、特定の年月日における給湯使用情報、暖房装置３２（温水利用機器）、および、風呂追い炊き装置８の使用情報等の情報と使用時刻と使用量とをそれぞれ格納して記憶するエリアをもつ（図５参照）。記憶部２３は、かかる情報を所定期間（例えば３週間）ぶん格納することができる。

図３及び図４は制御部２のＣＰＵ２２が実行するフローチャートを示す。図３に示すように、制御部２は、給湯通路７０に関する給湯使用情報、暖房装置３２に関する暖房使用情報、風呂の追い炊き使用情報を取得する（ステップＳ１０２）。次に、給湯通路７０に関する給湯使用情報、暖房装置３２に関する暖房使用情報、追い炊き使用情報を記憶する（ステップＳ１０４）。従って、図５に示すように、第１制御部２１に搭載されている記憶部２３は、給湯通路７０に関する給湯使用情報を格納するエリア、暖房装置３２に関する暖房使用情報を格納するエリア、風呂の追い炊き使用情報を格納するエリアをもつ。

次に、制御部２は、循環通路５１における熱回収温度Ｔｃ（循環通路５１のうち第１熱交換器１３よりも下流の通路部分５１ｄの水温）を高温側に切り替える必要があるか否かについて、すなわち、貯湯室３１に溜められる温水の水温を高温側に切り替える必要があるか否かについて判定する（ステップＳ１０６）。ここで、貯湯室３１に溜められる温水の水温を高温側に切り替える必要がある場合には（ステップＳ１０６のＹｅｓ）、循環通路５１における熱回収温度Ｔｃを高温側（第１温度センサ５４の検知温度が温度Ｔ１０になるように制御）に設定する（ステップＳ１０８）。この場合、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水の温度は高温側に移行する。

これに対して、貯湯室３１に溜められる温水の水温を高温側に切り替える必要がない場合には（ステップＳ１０６のＮｏ）、循環通路５１における熱回収温度Ｔｃを低温側（第１温度センサ５４の検知温度が温度Ｔ１になるように制御）に設定する（ステップＳ１１０）。この場合、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水の温度は高温側に移行せず、通常温度領域つまり低温側に維持される。

図４はステップＳ１０６の内容を示す。まず、暖房装置３２を現在使用しているか否かについて判定し（ステップＳ２０２）、暖房装置３２を使用していれば、貯湯室３１の温水の温度を上昇させることが好ましいため、ｙフラグを立てる（ステップＳ２１２）。ｙフラグは、貯湯室３１の温水の温度を上昇させる昇温制御を実行し、貯湯室３１に溜められている温水の温度を上昇させることを意味する。次に、風呂追い炊き装置８を現在使用しているか否かについて判定し（ステップＳ２０４）、風呂追い炊き装置８を使用していれば、貯湯室３１の温水の温度を上昇させることが好ましいため、ｙフラグを立てる（ステップＳ２１２）。更に、現在時刻から過去に向けて所定時間（例えば１週間）内に暖房装置３２が実際に使用されたか否か判定し（ステップＳ２０６）、暖房装置３２が実際に使用されていれば（ステップＳ２０６のＹｅｓ）、ステップＳ２０８に進む。ステップＳ２０８において、暖房装置３２により暖房を開始した開始時刻に現在時刻が近づいているか否かについて判定する。すなわち、現在時刻が、暖房装置３２により暖房を開始した開始時刻よりも規定時間（例えば０．５時間）以内であるか否かについて判定する（ステップＳ２０８）。暖房装置３２により暖房を開始した開始時刻に現在時刻が近づいていれば（ステップＳ２０８のＹｅｓ）、貯湯室３１の温水の温度を上昇させることが好ましいため、ｙフラグを立てる（ステップＳ２１２）。暖房装置３２により暖房を開始した開始時刻に現在時刻が近づいていなければ（ステップＳ２０８のＮｏ）、ステップＳ２１０に進み、この後、風呂追い炊き装置８の使用が予測されるか否かについて判定する（ステップＳ２１０）。風呂追い炊き装置８の使用が予測されるときには（ステップＳ２１０のＹｅｓ）には、貯湯室３１の温水の温度を上昇させることが好ましいため、ｙフラグを立てる（ステップＳ２１２）。風呂追い炊き装置８の使用が予測されないとき（ステップＳ２１０のＮｏ）には、貯湯室３１の温水の温度を上昇させるまでもないため、ｎフラグを立てる（ステップＳ２１４）。この場合、貯湯室３１の温水の温度を必要以上に高温にすることが抑制されるため、貯湯タンク３０からの放熱を抑えることができる。なお、ｎフラグは、貯湯室３１の温水の温度を特に上昇させることなく、すなわち、昇温制御を実行することなく、通常どおりの温度域に維持することを意味する。

本実施形態においても、貯湯室３１の温水の温度を第１ポンプ５３の回転数に基づいて上昇させるため、燃料電池装置１１の発電電力を特に過剰にせずとも良く、発電コストの高騰が抑えられる。なお、暖房や風呂追い炊きが終了すれば、制御部２は通路部分５１ｄの目標温度である熱回収温度Ｔｃを元に戻す。

（実施形態４）
本実施形態は前記した各実施形態１，２と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏するため、図１および図２を準用する。但し、昇温制御では、制御部２は、第１ポンプ５３の回転数を低下させることなく、第１燃焼器６４に燃料を供給して第１燃焼器６４における燃焼により温水帰還通路６２の水温を上昇させることにより実行する。

（実施形態５）
本実施形態は前記した各実施形態と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。但し、昇温制御では、制御部２は、第１ポンプ５３の回転数を低下させる操作と、第１燃焼器６４に燃料を供給して第１燃焼器６４における燃焼により温水帰還通路６２の水温を上昇させる操作との双方を実行する。

（実施形態６）
図６は実施形態６を示す。本実施形態は前記した実施形態１〜５と基本的には同様の構成および同様の作用効果を奏する。作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器として機能するエンジン式発電機８Ｅがシステムに搭載されている。エンジン式発電機８Ｅは、エンジン８０Ｅと、エンジン８０Ｅの駆動軸８０ｔにより回転される発電機８２Ｅとを備えている。エンジン８０Ｅに燃料および空気が供給され、エンジン８０Ｅが回転駆動すると、駆動軸８０ｔを介して発電機８２Ｅが回転駆動して交流電力を発生させる。エンジン８０Ｅの内部に形成されている冷却通路８３Ｅに連通する熱媒体通路５０Ｅ（エンジン冷却通路）がエンドレス状に設けられている。熱媒体通路５０Ｅは、エンジン冷却液を溜めるリザーバ５０ｒと、エンジン冷却液の熱を放出させるラジエータ５０ｍとを有する。熱媒体通路５０Ｅに設けられている第４ポンプ８７Ｅが駆動すると、エンジン冷却液は、冷却通路８３Ｅおよび熱媒体通路５０Ｅを循環してエンジン８０Ｅを冷却させつつ加熱される。熱媒体通路５０Ｅを流れるエンジン冷却液は、第１熱交換器１３を介して循環通路５１の水を加熱させる。ここで、制御部２は、第１温度センサ５４で検知された循環通路５１の水温の目標温度となるように、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数（第１ポンプ５３の駆動量）をフィードバック制御させる。

このときコージェネシステムの運転時には第１ポンプ５３が駆動して循環通路５１の水が循環しているため、第１熱交換器１３における熱交換により、熱媒体通路５０Ｅのエンジン冷却液の熱は循環通路５１の水に伝達され、結果として循環通路５１の水は加熱される。このようにして温水が貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる。システムの運転時には、一般的には、貯湯室３１における対流現象により、重力方向の上部の水温は相対的に高温となり、重力方向の下部の水温は相対的に低温となる。

本実施形態においても、暖房装置３２により暖房を行うときには、または、暖房装置３２において暖房の使用が予測されるときには、制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、貯湯タンク３０の貯湯室３１に溜められる温水を、昇温制御前よりも昇温させる昇温制御を実行する。

具体的には、昇温制御においては、制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、すなわち、昇温制御を実行する前に比較して、循環通路５１のうち第１熱交換器１３の下流の通路部分５１ｄを流れる水の目標温度をΔＴｐぶん上昇させる。そして第１温度センサ５４で検知された通路部分５１ｄの水温が目標温度になるように、第１制御部２１は、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数（第１ポンプ５３の駆動量）をフィードバック制御させる。

この場合には、エンジン８０Ｅが定常運転しており、エンジン出力が大きく変動していない場合には、単位時間あたりの第１ポンプ５３の駆動量を低減させ、つまり、単位時間あたりの第１ポンプ５３の回転数を低減させる。これにより制御部２は、暖房装置３２の暖房機能の不使用時（温水利用機器の不使用時）に比較して、すなわち、昇温制御を実行する前に比較して、単位時間あたり循環通路５１を循環する循環水の流量を低減させる。

本実施形態によれば、熱媒体通路５０Ｅにエンジン冷却液が流れ、エンジン冷却液の熱を第１熱交換器１３を介して循環通路５１の水に伝達させるが、これに限らず、エンジンから排出される排気ガスの熱を第１熱交換器１３を介して循環通路５１の水に伝達させることにしても良い。なお昇温制御にあたり、エンジン８０Ｅのエンジン出力を増加させても良い。この場合には、熱媒体通路５０Ｅを流れるエンジン冷却液が昇温されるため、循環通路５１の通路部分５０ｄの水温が昇温され、ひいては貯湯タンク３０に溜められる温水も昇温される。

（その他）本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。温水利用機器としては、暖房装置、風呂装置に限定されず、温水の熱エネルギを利用する乾燥装置等の他の機器にも適用できる。場合によっては、バイパス通路６７を廃止することもでき、燃焼器６４を廃止することもできる。本明細書から次の技術的思想も把握できる。

［付記項１］作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器と、前記コージェネ機器の熱に基づいて加熱された温水を溜めるための貯湯室をもつ貯湯タンクと、前記貯湯室に溜められる温水を昇温させるための昇温要素と、前記貯湯室に溜められている温水の熱エネルギを利用するための温水利用機器と、少なくとも前記昇温要素を制御するための制御部とを具備しているコージェネシステム。温水利用機器は、貯湯室に溜められている温水の熱エネルギを利用する。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器用、可搬用の燃料電池システム、エンジン式発電システムに適用できる。

図中、１１は燃料電池装置（コージェネ装置）、１３は第１熱交換器、２は制御部、２１は第１制御部、２３は記憶部、２５は第２制御部、３０は貯湯タンク、３１は貯湯室、３２は暖房装置（温水利用機器）、３４は暖房用循環通路、３５は放熱部、３６は第３ポンプ、５は昇温要素、５０は熱媒体通路、５１は循環通路、５１ｄは通路部分、５３は第１ポンプ、５４は第１温度センサ、６１は第２温度センサ、６２は温水帰還通路、６３は第２ポンプ、６６は切替弁、８は風呂追い炊き装置、８１は風呂追い炊き用循環通路を示す。

Claims (5)

1. 作動に伴い電気エネルギおよび熱エネルギを生成させるためのコージェネ機器と、前記コージェネ機器の熱に基づいて直接的または間接的に加熱された温水を溜めるための貯湯室をもつ貯湯タンクと、前記貯湯室に溜められる温水を昇温させるための昇温要素と、前記貯湯室に溜められている温水の熱エネルギを利用するための温水利用機器と、少なくとも前記昇温要素を制御するための制御部とを具備しており、
   前記制御部は、前記温水利用機器において所定温度以上の温水が利用されるとき、または、前記温水利用機器において所定温度以上の温水の利用が予測されるとき、前記温水利用機器の不使用時に比較して、前記貯湯室に溜められる温水を前記昇温要素により昇温させる昇温制御を実行するコージェネシステム。
2. 請求項１において、前記昇温要素は、前記コージェネ機器から受熱した熱媒体が流れる熱媒体通路と、前記貯湯タンクの前記貯湯室の出口から前記貯湯室の外部に延設され前記貯湯室の入口に戻る循環通路と、前記熱媒体通路の熱媒体の熱を前記循環通路の水に伝達させて前記循環通路の水を加熱させる第１熱交換器と、前記循環通路の水を前記貯湯室を介して循環させる水搬送源とを有しており、
   前記制御部は、前記温水利用機器の温水が利用されるとき、または、前記温水利用機器の温水の利用が予測されるとき、前記温水利用機器の不使用時に比較して、前記循環通路のうち前記第１熱交換器の下流の通路部分を流れる水の温度を上昇させることにより前記昇温制御を実行するコージェネシステム。
3. 請求項１において、前記昇温要素は、前記コージェネ機器から受熱した熱媒体が流れる熱媒体通路と、前記貯湯タンクの前記貯湯室の出口から前記貯湯室の外部に延設され前記貯湯室の入口に戻る循環通路と、前記熱媒体通路の熱媒体の熱を前記循環通路の水に伝達させて前記循環通路の水を加熱させる第１熱交換器と、前記循環通路の水を前記貯湯室を介して循環させる水搬送源とを有しており、
   前記制御部は、前記温水利用機器の温水が利用されるとき、または、前記温水利用機器の温水の利用が予測されるとき、前記温水利用機器の不使用時に比較して、単位時間あたりにおける前記水搬送源の水搬送の流量を低下させることにより前記昇温制御を実行するコージェネシステム。
4. 請求項１〜請求項３のうちの一項において、前記温水利用機器と前記貯湯タンクとの間には、前記貯湯室に溜められている温水を導出させ且つ前記貯湯室に再び帰還させる温水帰還通路と、前記温水帰還通路と前記温水利用機器とを熱交換させて前記温水帰還通路の温水の熱を前記温水利用機器に伝達させる第２熱交換器とを有するコージェネシステム。
5. 請求項１〜請求項４のうちの一項において、前記制御部は、前記温水機器の利用頻度が高い高利用時間帯を記憶する記憶部を有しており、
   前記制御部は、現在時刻が前記記憶部に記憶されている高利用時間帯に到達または近づいたら、前記温水利用機器の不使用時に比較して、前記貯湯室に溜められる温水を前記昇温要素により昇温させることにより前記昇温制御を実行するコージェネシステム。

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