JP2011247513A - 沸上げ制御システム、沸上げ制御方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より過不足の少ない沸上げ運転の運転計画を作成することができる沸上げ制御システム、沸上げ制御方法及びプログラムを提供する。
【解決手段】沸上げ制御システムは、ヒートポンプユニットにより沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機１００を制御する。貯湯式給湯機１００のコントローラ４は、予報取得部５６と、計画作成部５７とを備える。予報取得部５６は、気象予報情報を取得する。計画作成部５７は、予報取得部５６によって取得された気象予報情報に基づいて、貯湯式給湯機１００の沸上げ運転の運転計画を作成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御する沸上げ制御システム、沸上げ制御方法及び沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御するコンピュータに実行させるプログラムに関する。

貯湯式給湯機は、消費電力の低い給湯機として広く用いられている。貯湯式給湯機では、事前に湯を沸かして貯めておき、後から貯められた湯が使用される。

貯湯式給湯機では、予め沸上げられた湯量が実際に使用される湯量より多いと、使用されなかったお湯の沸上げに用いられた消費電力が無駄となる。さらに、貯湯式給湯機では、予め沸上げられた湯量が実際に使用される湯量より少ないと、居住者がお湯を直ぐに使うことができなくなる。

そこで、予め沸上げられる湯量を、実際に使用される湯量に可能な限り近づけることを目的として、過去の実績に基づいて合計使用湯量を予測して沸上げ制御を行う貯湯式給湯機等が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００８−８２６０７号公報 特開２００８−２５６２７０号公報

しかしながら、１日の合計使用湯量等は、気象の変動によって大きく変わるのが通常である。過去の実績に基づいて合計使用湯量を予測する上記特許文献１、２に開示された貯湯式給湯機等では、外気温度等が急激に変動すると、見積もられた湯量と実際に使用される湯量との誤差が大きくなるおそれがある。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より過不足の少ない沸上げ運転の運転計画を作成することができる沸上げ制御システム、沸上げ制御方法及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る沸上げ制御システムは、沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御する。この沸上げ制御システムにおいて、予報取得部は、気象予報情報を取得する。計画作成部は、予報取得部によって取得された気象予報情報に基づいて、貯湯式給湯機の沸上げ運転の運転計画を作成する。

本発明によれば、気象予報情報に基づいて、実際の気象変動を考慮して貯湯式給湯機の沸上げ運転の運転計画を作成する。これにより、気象変動による見積もり誤差を低減することができるので、より過不足の少ない沸上げ運転の運転計画を作成することができる。

この発明の実施の形態に係る沸上げ制御システムの構成を示す模式図である。 コントローラの詳細な機能構成を示すブロック図である。 １日の給湯負荷の変動パターンの一例を示すグラフである。 １日の合計給湯負荷の外気温度特性の一例を示すグラフである。 気象予報情報に基づく外気温度の変動の一例を示すグラフである。 ヒートポンプの沸上げ運転効率の外気温度特性の一例を示すグラフである。 沸上げ運転の運転計画を作成する処理のフローチャートである。 給湯負荷の推移の比較表示の一例を示すグラフである。

この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

この実施の形態に係る沸上げ制御システムは、沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御する。

まず、図１を参照して、本実施形態に係る沸上げ制御システム２００の構成について説明する。図１に示すように、沸上げ制御システム２００は、貯湯式給湯機１００を中心にして構成されている。

《貯湯式給湯機》
貯湯式給湯機１００は、ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とを備える。ヒートポンプユニット１とタンクユニット２とは、湯水が流れる配管７で接続されている。

ヒートポンプユニット１は、例えばＣＯ₂やＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）などを冷媒に用いたヒートポンプである。ヒートポンプユニット１には、市水温度の水（以下、水若しくは低温水と略す）を目標の貯湯温度まで昇温加熱する加熱器（図示せず）が内蔵されている。このような加熱器には、例えば、圧縮機、水と冷媒熱交換する水熱交換器（凝縮器）がある。

ヒートポンプユニット１は、外気と熱交換する空気熱交換器（蒸発器）、膨張弁（いずれも図示せず）などをさらに備えている。ヒートポンプユニット１では、外気を取り入れる部分に、外気温度を計測する外気温度センサ９が設けられている。

なお、貯湯式給湯機１００の加熱源として、ヒートポンプユニット１に代えて、電気ヒータやその他の熱源を用いてもよいし、ヒートポンプユニット１の補助としてそれらを用いてもよい。また、加熱源を、タンクユニット２の貯湯タンク３に内蔵するようにしてもよい。

タンクユニット２は、貯湯タンク３、コントローラ４、流量センサ５、混合弁６、温度センサ８ａ、８ｂなどを備える。これらの構成部品は、金属製の外装ケース３０内に収められている。

貯湯タンク３は、ステンレスなどの金属又は樹脂などで形成されている。貯湯タンク３の外側には断熱材（図示せず）が配置されている。これにより、貯湯タンク３内で、高温の湯（以下、高温水と略す）を長時間に渡って保温することができる。図１では、貯湯タンク３を１つだけ示しているが、さらに多くの数の貯湯タンク３を設置するようにしてもよい。

コントローラ４は、貯湯式給湯機１００を統括制御する。コントローラ４は、ＣＰＵ及びメモリ（いずれも不図示）を有している。ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することにより、コントローラ４の各種機能が実現される。

コントローラ４は、インターネット２０と接続している。これにより、コントローラ４は、インターネット２０に接続された外部機器との間で情報通信が可能である。コントローラ４は、このインターネット２０を介して、気象予報センターにアクセスし、気象予報センターから気象予報情報を取得する。

また、コントローラ４は、住宅１０のホームネットワーク（図示せず）とも接続している。コントローラ４のさらなる詳細な構成については後述する。

流量センサ５は、貯湯式給湯機１００から供給される湯の流量を検出する。混合弁６は、供給される湯が所望の温度となるように、貯湯タンク３上部の高温水と市水とを、混合するために設けられている。温度センサ８ａは、供給される湯の温度を検出する。温度センサ８ｂは、貯湯タンク３内の高温水の温度を検出する。流量センサ５、温度センサ８ａ、８ｂは、ホームネットワークを介して、コントローラ４と接続されている。コントローラ４は、流量センサ５、温度センサ８ａの検出結果を入力し、その検出結果に基づいて、貯湯式給湯機１００から供給される給湯負荷を算出する。

《住宅》
住宅１０には部屋１１ａ〜１１ｄが設けられている。部屋１１ａ、１１ｂは、居間や寝室であり、給湯端末は設置されていない。部屋１１ｃは浴室であり、部屋１１ｄは台所である。住宅１０には、この他にも、幾つかの部屋がある。

浴室としての部屋１１ｃには、給湯端末としての浴槽１２、シャワー１３が配設されている。また、台所である部屋１１ｄには、給湯端末としての台所の蛇口１４が設けられている。浴槽１２、シャワー１３、蛇口１４には、貯湯式給湯機１００から湯水が供給される。

また、浴室である部屋１１ｃには、入出力端末としてのリモートコントローラ（リモコン）１９が設置されている。居住者は、このリモコン１９を操作して、貯湯式給湯機１００を動作させることが可能である。リモコン１９の表示画面には、貯湯式給湯機１００の運転状態や貯湯状態などが表示される。リモコン１９は、部屋１１ｄなど、他の場所や複数の場所に設置することも可能である。

図２には、コントローラ４の機能構成が示されている。図２に示すように、コントローラ４は、計時部５０と、湯量検出部５１と、算出部５２と、記憶部５３と、学習部５５と、予報取得部５６と、計画作成部５７と、制御部５８とを備える。

計時部５０は、計時を行う。計時部５０の計時により、月日や現在時刻などの計時情報が取得される。計時部５０は、これらの計時情報を、記憶部５３、学習部５５及び計画作成部５７に出力する。

湯量検出部５１は、流量センサ５の出力と温度センサ８ａの出力を入力して、貯湯式給湯機１００から供給される湯の流量及び温度を常時検出する。

算出部５２は、湯量検出部５１によって検出された湯の流量及び温度に基づいて、貯湯式給湯機１００の給湯負荷を算出する。給湯負荷、すなわち給湯熱量は、以下の式で算出される。
給湯熱量（給湯負荷）＝水の比熱×流量×（出湯温度―市水温度）…（１）
ここで、流量は、流量センサ５の出力値から求められる。また、出湯温度は、温度センサ８ａの出力値から求められる。

より具体的には、算出部５２は、給湯負荷を検出（流量センサ５にて出湯流量を検知）する度に、上記式（１）を用いて給湯熱量を算出し、算出された給湯熱量を時間積分（例えば１時間）する。これにより、算出部５２は、単位時間あたりの給湯負荷を算出する。算出部５２は、この演算を単位時間毎に１日に渡って繰り返すことにより、図３に示すような１日の給湯負荷の変動パターンを作成する。

図３のグラフにおいて、横軸は時刻であり、縦軸は給湯負荷である。図３では、１時間の積算給湯負荷が、棒グラフで表されている。給湯負荷は、例えば、熱量［ＭＪ］や、所定の温度（例えば４０℃）の湯温換算熱量で表される。

なお、積算給湯負荷のサンプリング間隔は、１時間よりも、さらに短く（細かく）してもよいし、あるいは長く（粗く）してもよい。

記憶部５３は、計時部５０で計時された計時情報と、外気温度センサ９によって検出された外気温度と、算出部５２によって算出された給湯負荷の変動パターンとを対応付けて記憶する。すなわち、記憶部５３では、計時部５０で計時された時刻を検索キーとして、そのときに検出された外気温度と、そのときの給湯負荷とが、後から検索出来るような状態で、それらの各種データが記憶される。

学習部５５は、記憶部５３によって記憶された外気温度と給湯負荷とに基づいて、外気温度と１日の合計給湯負荷との相関関係について学習する。

給湯負荷は外気温度との相関性が高い。例えば、外気温度が低い冬季では、浴槽１２への入浴の回数が多くなるうえ、シャワー１３を使う回数や、手洗いなどの回数も多くなるため、湯の使用量が全体的に増加する。また、外気温度が高い夏期では、浴槽１２への入浴の機会が少なくなって、シャワー１３のみの入浴の頻度が高まることから、湯の使用量が全体的に減少する。

また、市水温度は夏季よりも冬期の方が低いため、冬期の方が市水を加熱するために多くの熱量が必要となり、給湯負荷が増加する傾向にある。

図４には、１日の合計給湯負荷の外気温度特性の一例を示すグラフが示されている。図４のグラフにおいて、横軸は外気温度であり、縦軸は１日当りの給湯負荷の平均値にその標準偏差を加えた値である。図４に示すように、外気温度が高くなればなるほど、１日当たりの給湯負荷（その平均値＋標準偏差）は、小さくなっている。

学習部５５は、記憶部５３に記憶された１日の給湯負荷パターンに含まれる給湯負荷を合計して、１日の合計給湯負荷を算出するとともに、同じ日の外気温度の推移に基づいて、その日の外気温度の平均値を算出する。

ここで、外気温度としては、その日の最高温度などを用いるようにしてもよい。また、外気温度として、給湯負荷の予測に対応性の高い特定の時間帯の外気温度を用いるようにしてもよい。以下では、このようにして求められた外気温度の算出値を、特に外気温度の代表値とする。

続いて、学習部５５は、外気温度の代表値が一致する日の１日の合計給湯負荷の平均値と標準偏差とを求める。そして、学習部５５は、求められた平均値と標準偏差との和を算出する。学習部５５は、この演算を、外気温度ごとに行うことにより、外気温度と１日の合計給湯負荷との相関関係を学習する。図４は、学習部５５の学習により得られた相関関係の一例を表したものである。

ところで、記憶部５３は、計時情報、外気温度及び給湯負荷を１年間以上、望ましくは複数年の間記憶している。このようにすれば、学習部５５において、１年の季節の移り変わりに対応した給湯負荷の学習が可能となる。

同じ外気温度であっても徐々に暑くなる季節（春）と寒くなる季節（秋）とでは、図３に示すような給湯負荷の変動パターンが異なる傾向にある。このため、この実施の形態では、記憶部５３に、給湯負荷とともに月日情報を含む計時情報が、対応づけて記憶される。

学習部５５は、記憶部５３に記憶された外気温度及び給湯負荷のうち、翌日に係る月日を基準とする所定の期間（例えば前後１ヶ月など）の外気温度及び給湯負荷を用いて外気温度と給湯負荷との相関関係を学習する。このようにすれば、１年のうちの特定の時期や特定の季節に適した外気温度と給湯負荷との相関関係の学習が可能となる。

また、学習部５５は、昨年分だけの給湯負荷や、直近の数年分の給湯負荷の平均などを用いて学習を行うようにしてもよい。また、近年になればなるほど給湯負荷の重みを重くするようにしてもよい。

予報取得部５６は、インターネット２０経由で、気象予報センター等にアクセスして、気象予報情報を取得する。予報取得部５６は、地域ごと、時刻ごとの気象予測情報を取得する。

なお、地域ごとの気象予報情報を取得するには、貯湯式給湯機１００の設置位置を把握する必要があるが、この設置位置については、貯湯式給湯機１００にＧＰＳ（Global Positioning System）機能を設けてもよいし、リモコン１９などの端末から設置位置を設定できるようになっていてもよい。

図５には、このようにして取得された気象予報情報に含まれる１日の外気温度の変化の一例が示されている。図５に示すように、外気温度は、一般的には、日射のない夜間に低下し、日の出前の早朝に最低となり、日の出と供に上昇し、昼ごろに最高となる。この傾向は晴れ、曇り、雨などの天候にも大きく左右され、日射が少ない曇りや雨では昼間の温度上昇が少なくなる。また、南、北などの風向の影響により気温が上昇、下降する場合もある。

予報取得部５６が取得する気象予報情報には、例えば、図５に示すような外気温度の変動の予測情報が含まれている。

計画作成部５７は、予報取得部５６によって取得された気象予報情報に基づいて、貯湯式給湯機１００の沸上げ運転の運転計画を作成する。より具体的には、計画作成部５７は、予報取得部５６によって取得された気象予報情報に含まれる翌日の外気温度と、学習部５５によって学習された外気温度と１日の合計給湯負荷との相関関係とに基づいて、翌日に用いられるお湯の必要沸上げ湯量を決定する。

計画作成部５７は、翌日の外気温度に対応する１日の合計給湯負荷に基づいて、貯湯タンク３にて賄うための必要沸き上げ量（目標蓄熱量）を算出する。計画作成部５７は、上述の１日の合計給湯負荷の平均値と標準偏差との和に余剰給湯量を加えた値を、目標蓄熱量として決定するようにしてもよい。

また、記憶部５３は、外気温度に対するヒートポンプユニット１の沸上げ効率の特性をさらに記憶している。計画作成部５７は、予報取得部５６によって取得された気象予報情報に含まれる翌日の外気温度の時間変化と、記憶部５３に記憶されたヒートポンプユニット１の沸上げ効率の特性とに基づいて、沸上げ運転を行う時間帯を決定する。

図６には、ヒートポンプユニット１による沸上げ運転のＣＯＰ（coefficient of performance）、すなわちヒートポンプ沸上げ運転ＣＯＰの外気温度特性のグラフが示されている。図６に示すように、ヒートポンプ沸上げ運転ＣＯＰ（以下、「ＣＯＰ」と略述する）は、外気温度が高いほど高効率となる。この外気温度特性は、記憶部５３にテーブルや関数式として記憶される。計画作成部５７は、記憶部５３に記憶されたテーブルや関数式に基づいて、運転時の外気温度に対応するＣＯＰを予測する。

計画作成部５７は、可能な限り、１日の中で外気温度が高いと予測される時間帯で沸上げ運転を行うように運転計画を作成する。このようにすれば、ＣＯＰが高い状態で、沸上げ運転を行うことができるので、消費電力を低減することができる。

また、計画作成部５７は、夜間と昼間とで沸上げ運転を行う運転計画を作成するようにしてもよい。この場合、計画作成部５７は、昼間の沸上げ運転を行う時間帯と夜間の沸上げ運転を行う時間帯との両方を決定する必要がある。計画作成部５７は、記憶部５３に記憶されたヒートポンプユニット１の沸上げ効率の特性に基づいて、例えば、沸上げ運転の消費電力量が最小となるように、昼間の沸上げ運転を行う時間帯と夜間の沸上げ運転を行う時間帯とを決定する。

制御部５８は、計画作成部５７によって作成された運転計画に基づく沸上げ運転（貯湯動作）、給湯動作、湯張り後の保温・追焚動作等の各種動作を行う。

次に、沸上げ制御システム２００の各種動作について説明する。

《貯湯動作》
まず、貯湯式給湯機１００の貯湯動作について説明する。

加熱源であるヒートポンプユニット１で沸き上げられた高温水は、配管７を経て、上部から貯湯タンク３に流入する。貯湯タンク３の下部からは、流入した高温水の体積分の低温水（市水）が排出されて、配管７で接続されるヒートポンプユニット１へと戻る。

このように、ヒートポンプユニット１と貯湯タンク３との間では湯水の循環回路が形成されている。この循環回路により、計画作成部５７によって作成された運転計画の下で、コントローラ４の制御部５８の制御により、貯湯タンク３内の低温水が、順次高温に沸き上げられて貯湯タンク３に戻って貯湯される。この貯湯動作は、通常は、電力料金が安価な夜間に行われるが、昼間の貯湯熱量が不足する場合には、昼間にも貯湯動作（追加沸き上げ）を行うことができる。これにより、湯切れを防ぐことが可能になる。

《給湯動作》
次に、貯湯式給湯機１００の給湯動作について説明する。

貯湯タンク３から供給される湯の温度は、リモコン１９などから予め設定することが可能である。ユーザが給湯端末である蛇口１４を開いたり、リモコン１９を操作して浴槽１２への湯張りを行ったりすると、コントローラ４の制御部５８の制御の下、貯湯式給湯機１００内の混合弁６で、貯湯タンク３上部の高温水と市水が、所望の温度に混合され、各給湯端末へ供給される。このとき貯湯タンク３では、タンク上部から流出した高温水の体積分、水道圧により、タンク下部から市水が供給される。貯湯タンク３内では、高温水と低温水が密度差により分離した状態（温度境界層が形成される）で貯湯状態が維持される。

この給湯動作により、湯の使用パターンが決定される。このときの給湯量は、流量センサ５によって検出される流量と、温度センサ８ａによって検出される給湯温度とに基づいて求めることができる。算出部５２は、これらのセンサの出力に基づいて、給湯負荷を算出する。記憶部５３には、求められた給湯負荷が、外気温度センサ９によって検出された外気温度と、計時部５０で計時された計時情報とに対応づけられて順次記憶される。

《保温・追焚動作》
次に、貯湯式給湯機１００の保温・追焚動作について説明する。

浴槽１２への湯張りが行われた後、貯湯式給湯機１００は、浴槽１２の湯温を自動的に一定温度に保つ保温動作や、浴槽１２の湯温を目標温度まで昇温する追焚動作が可能である。両動作とも貯湯タンク３の高温湯を熱源として、タンクユニット２に内蔵された水−水熱交換器（図示せず）を介して浴槽水と熱交換を行うことにより浴槽水の昇温が行われる。

水−水熱交換器の１次側には、ポンプにより貯湯タンク３上部の高温水が、水−水熱交換器を経て貯湯タンク３の下部へ戻る循環回路が形成されている。一方、水−水熱交換機の２次側には、タンクユニット２に内蔵されたポンプ（図示せず）により、浴槽水が、水−水熱交換器を経て再び浴槽へ戻る循環回路が形成されている。

保温動作は、コントローラ４の制御部５８の制御の下、自動で行われる。例えば、浴槽１２の水温が、目標温度を１℃下回った場合に保温動作が開始され、目標＋０．５℃まで浴槽１２の水温を上昇させる。

また、追焚動作は、例えば、ユーザがリモコン１９を操作することにより開始される。追焚動作は、コントローラ４の制御部５８の制御の下、浴槽１２の水温が目標温度になるまで行われる。居住者が入浴しない場合には、保温運転をオフにしておけば貯湯タンク３のお湯を使わずに済むようになる。また、追焚動作についても、入浴の直前に行うようにすれば、無駄な加熱を行わなくて済むようになる。このような動作により、省エネルギー化が実現される。

《運転計画作成》
図７には、沸上げ運転計画を作成する際にコントローラ４によって実行される処理のフローチャートが示されている。

図７に示すように、まず、コントローラ４は、現在時刻が夜間時間帯開始時刻となるまで待つ（ステップＳ１；Ｎｏ）。ここで、夜間時間帯としては、例えば２３時から７時までとすることができる。この場合、夜間時間帯開始時刻は２３時となる。夜間時間帯で沸上げ運転を行えば、電力料金が安くなり、低いランニングコストで貯湯動作を行うことができるというメリットがある。なお、夜間時間帯が、２３時から７時までの場合、昼間時間帯は、７時から２３時までとなる。

現在時刻が夜間時間帯開始時刻（例えば２３時）になると（ステップＳ１；Ｙｅｓ）、予報取得部５６は、インターネット２０を経由して翌日の気象予報情報を取得する（ステップＳ２）。気象予報情報には、例えば、翌日における外気温度の予測値の推移が含まれる。取得された気象予報情報は、計画作成部５７に出力される。

続いて、学習部５５は、外気温度と１日あたりの給湯負荷との相関関係について学習する（ステップＳ３）。これにより、例えば図５に示すような外気温度と１日あたりの給湯負荷との相関関係が作成される。

続いて、計画作成部５７は、１日の必要沸上げ熱量Ｌｈｐ［ｋＷｈ］を算出する（ステップＳ４）。より具体的には、計画作成部５７は、学習部５５の学習により求められた相関関係に基づいて、気象予報情報に含まれる翌日の外気温度の平均値に対応する１日あたりの給湯負荷を、１日の必要沸上げ熱量Ｌｈｐ［ｋＷｈ］として算出する。

続いて、計画作成部５７は、ヒートポンプの沸上げ能力Ｑｈｐ［ｋＷ］に基づいて、ヒートポンプ必要運転時間Ｈｗ［ｈ］を、次式を用いて求める（ステップＳ５）。ここで、Ｑｈｐ［ｋＷ］は、ヒートポンプに固有の数値であり、既知であるものとする。
Ｈｗ＝Ｌｈｐ÷Ｑｈｐ …（２）

続いて、計画作成部５７は、インデックスｉを１に初期化する（ステップＳ６）。

続いて、計画作成部５７は、気象予報情報に含まれる外気温度の変動パターン（例えば図５参照）を参照して、ｉ番目に高い外気温度Ｔａｏ（ｔ（ｉ））を求める（ステップＳ７）。ここで、図５のグラフは、所定のサンプリング間隔（例えば、１時間）で離散化されているものとする。

続いて、計画作成部５７は、例えば図６に示すＣＯＰの特性に基づいて、取得されたＴａｏ（ｔ（ｉ））に対応するＣＯＰ（Ｔａｏ（ｔ（ｉ）））を取得する（ステップＳ８）。

続いて、計画作成部５７は、次式を用いて、貯湯タンク３の沸上げに必要なヒートポンプの消費電力量Ｗｈｐ（ｉ）［ｋＷｈ］を算出する（ステップＳ９）。
Ｗｈｐ（ｉ）［ｋＷｈ］＝Ｑｈｐ［ｋＷ］÷ＣＯＰ（Ｔａｏ（ｔ（ｉ）））×Ｈｗ［ｈ］…（３）

続いて、計画作成部５７は、インデックスｉを１インクリメントし（ステップＳ１０）、インデックスｉがＮ（例えば５）を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１）。この判定が否定されると（ステップＳ１１；Ｎｏ）、計画作成部５７は、ステップＳ６に戻る。

このようにして、この判定が肯定されるまで（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、ステップＳ６→Ｓ７→Ｓ８→Ｓ９→Ｓ１０→Ｓ１１が繰り返され、１番目からＮ番目までのＷｈｐ（１）乃至Ｗｈｐ（Ｎ）が算出される。

インデックスｉがＮを超えたと判定されると（ステップＳ１１；Ｙｅｓ）、計画作成部５７は、Ｗｈｐ（１）乃至Ｗｈｐ（Ｎ）の大小関係を比較し、最小となるｉの時刻ｔ（ｉ）を求める（ステップＳ１２）。沸上げ運転を、このｔ（ｉ）から開始すれば、１日の必要沸上げ熱量Ｗｈｐ［ｋＷｈ］を最も少なくすることができる。

ステップＳ１１終了後は、コントローラ４は、ステップＳ１に戻る。

なお、夜間と昼間とで沸上げ運転を行う場合、計画作成部５７は、夜間と昼間とで沸上げ運転を行う運転計画を作成するようにしてもよい。この場合、１日の必要沸上げ熱量Ｗｈｐ［ｋＷｈ］は、夜間時間帯の沸上げに要する消費電力量Ｗｎ（ｉ）［ｋＷｈ］と、昼間時間帯の沸上げに要する消費電力量Ｗｄ（ｉ）［ｋＷｈ］に分けることができる。

ここで、全体に沸き上げ運転時間に対する昼間時間帯の沸上げ運転の時間の比率を昼間運転率Ｒとする。この場合、ヒートポンプ必要運転時間Ｈｗに、昼間運転率Ｒを掛けた値、すなわちＨｗ×Ｒが、昼間の沸上げ運転に必要な時間となる。また、Ｈｗ×（１−Ｒ）が夜間の沸上げ運転に必要な時間となる。

上記式（３）と同様に、沸上げ能力Ｑｈｐ［ｋＷ］を、そのときのヒートポンプユニット１の運転効率であるＣＯＰで除算すれば、夜間時間帯沸上げに要する消費電力量Ｗｎ（ｉ）［ｋＷｈ］と、昼間時間帯沸上げに要する消費電力量Ｗｄ（ｉ）を次式のように求めることができる。
Ｗｎ（ｉ）［ｋＷｈ］＝Ｑｈｐ［ｋＷ］÷ＣＯＰ（Ｔａｏ（ｔ（ｉ）））×Ｈｗ×（１−Ｒ）［ｈ］…（４）
Ｗｄ（ｉ）［ｋＷｈ］＝Ｑｈｐ［ｋＷ］÷ＣＯＰ（Ｔａｏ（ｔ（ｉ）））×Ｈｗ×Ｒ［ｈ］…（５）

計画作成部５７は、ステップＳ９にて、上記式（３）に代えて、上記式（４）及び式（５）を演算することにより、昼間時間帯と夜間時間帯の各々について、１番目からＮ番目までのＷｎ（１）乃至Ｗｎ（Ｎ）と、Ｗｄ（１）乃至Ｗｄ（Ｎ）を求め、その中で最小となるものに対応する時刻ｔ（ｉ）を、昼間と夜間のそれぞれの運転開始時刻とすれば、最も消費電力を低減することができる。

なお、昼間時間帯と夜間時間帯との少なくとも一方について、運転開始時刻を決定するだけでもよい。例えば、夜間時間帯については、朝方へのピークシフトを重視して、朝７時に沸上げが完了するように運転開始時刻を逆算して決定するようにしてもよい。

≪給湯負荷毎の予測≫
また、給湯負荷を、給湯端末毎、例えば、浴槽１２、シャワー１３、蛇口１４などに分離して湯量を計測できるようにすれば、給湯端末ごとに給湯負荷の変動を予測して、沸上げ運転の運転計画を作成することができる。各給湯負荷の分離は、給湯端末ごとに流量センサと給湯温度を検知する温度センサを設けることにより実現することができる。

湯量検出部５１は、貯湯式給湯機１００から供給される湯の流量及び温度を、給湯端末毎に検出する。算出部５２は、湯量検出部５１によって検出された湯の流量及び温度に基づいて、貯湯式給湯機１００の給湯負荷を、給湯端末毎に算出する。記憶部５３は、計時情報、外気温度及び給湯負荷を、給湯端末毎に対応づけて記憶する。学習部５５は、外気温度と給湯負荷との相関関係について給湯端末毎に学習する。

このようにすれば、例えば給湯負荷の大きな割合を占める給湯端末に特化した予測が可能となる。例えば、浴槽１２の湯張りによる給湯負荷のみを独立して扱うことができる。

冬期には浴槽１２に湯張りを行うが、夏期にはシャワー１３のみである世帯では、季節の変わり目で、給湯負荷が大きく変化する。この場合、浴槽１２に着目した湯量の検出、記憶、学習、予測を行えば、浴槽１２に湯張りとシャワー１３のみの入浴との切り替わり時期を正確に予測し、その予測結果に基づく運転計画を作成することが可能となる。これにより、余剰な沸上げを行わなくてすむようになるうえ、湯切れも防止することができる。

≪放熱ロスを考慮した運転計画≫
この他、沸上げ運転を行う時間帯を決定する上で考慮すべき事項として、貯湯タンク３の放熱ロスが挙げられる。放熱ロスは、放熱時間と蓄熱量と放熱のし易さ（断熱効率）と「外気温度と蓄熱温度との差」の積の関数となる。放熱量は放熱時間が長いほど大きくなるため、一般に、外気温度が最高温度となる前に沸上げ運転を開始した方が、放熱時間を少なくすることができるので消費電力を低減できる。

計画作成部５７は、貯湯式給湯機１００の運転停止中の放熱損失を考慮して、沸上げ運転を行う時間帯を決定することができる。具体的には、計画作成部５７は、沸上げが完了してからその湯を使用するまでの時間が極力短くなるように、沸上げ運転を行う時間帯を設定すればよい。

より具体的には、計画作成部５７は、ヒートポンプユニット１が運転を停止している時間、例えば夜間の沸上げ運転を終了してから昼間の追加沸上げが開始されるまでの時間を放熱時間として放熱量を算出する。さらに、計画作成部５７は、算出された放熱量を沸上げ熱量に加算して、その加算分だけ運転時間Ｈｗ×Ｒが増加すると仮定して昼間時間帯の沸上げ運転に要する消費電力量Ｗｄを算出する。これにより、貯湯タンク２の放熱ロスも加味した昼間運転開始時刻を求めることが可能になる。

≪沸上げ運転の回数≫
また、外気温度の推移状態によっては、夜間や昼間の沸上げ運転をさらに複数回に分けた方が消費電力を低減できる場合もある。例えば、外気温度の変動が激しく、１日において、外気温度のピークが複数存在する場合などである。

しかしながら、ヒートポンプユニット１には、発停ロスが存在する。発停ロスとは、ヒートポンプユニット１がそのサイクルを安定させるまでに発生する立ち上がりロスのことである。ヒートポンプユニット１は、起動からその動作が安定するまでに時間を要する。このため、起動初期にお湯が出ず貯湯タンク３に低温水を流入させてしまうなどの原因により発停ロスが発生する。したがって、沸上げ運転を複数回に分割した場合には、この発停ロスを考慮する必要がある。

発停ロスは、例えば、起動後数十分は、ヒートポンプユニット１の能力を少なくすることで見積もることができる。また、発停ロスに基づく消費電力量は、ヒートポンプユニット１の能力に応じた固定値とすることができる。

計画作成部５７は、沸上げ運転の回数を１回から複数回まで変化させたときのＷｈｐ［ｋＷｈ］を算出し、各回で求められたＷｈｐ［ｋＷｈ］を比較して、消費電力が最も低い回数を沸上げ運転の回数として決定することができる。

≪昼間運転率Ｒ≫
また、夕方以降に、浴槽１２への湯張りやシャワー１３の使用などで大きな給湯負荷が発生する場合では、朝方満蓄にすると、朝から夕方までの間に貯湯タンク３から放熱するためロスが大きくなる。このような場合には、昼間運転率Ｒを大きくすればするほど、貯湯タンク３からの放熱時間が少なくなって消費電力を低減できる場合が多い。

また、昼間では、電力料金が割高となるためランニングコストが悪化する一方、外気温度は高いためＣＯＰは向上する。そのため、適度な昼間運転であれば全体的に沸上げ効率が向上して、最終的にランニングコストの上昇を抑えることができる場合もある。そこで、計画作成部５７では、昼間運転率Ｒを調整可能としてもよい。

より具体的には、計画作成部５７は、上記式（４）、式（５）における昼間運転率Ｒを、例えば０、５、１０、１５、２０、２５、３０％・・・と変化させたときのそれぞれのＷｈｐ［ｋＷｈ］と、そのときのランニングコストとを算出する。ランニングコストは、時間帯ごとの消費電力量に各時間の電気料金の単価を掛けることにより、容易に算出することができる。

続いて、計画作成部５７は、ランニングコストがＲ＝０（夜間運転１００％）のときの消費電力量Ｗｈｐ［ｋＷｈ］とほぼ同等となるＲの値を選択し、そのＲの値を上記式（４）、式（５）に入力して用いる。

このように、昼間運転率Ｒを調整することで、消費電力の低減と低ランニングコスト（夜間１００％運転に近いレベルの沸上げ運転）の両立が可能となる。

≪運転モードの切り替え≫
もっとも、ランニングコストよりも省エネルギー化を重視して、沸上げ運転を行うことも可能である。例えば、昼間運転率Ｒの許容範囲内で、消費電力が最小となる昼間運転率Ｒを求めることにより、省エネルギー化重視の運転計画を作成することができる。

省エネルギー化重視で運転計画を作成するか、ランニングコスト重視で運転計画を作成するかは、リモコン１９などから切り替え可能になっているのが望ましい。このようにすれば、ユーザの意思や社会情勢（地球温暖化への対応など）に応じた運転計画を作成することが可能となる。

例えば、リモコン１９に、環境への影響に配慮した沸上げ運転を承認するボタン（例えば「エコボタン」と称する）を設け、エコボタンが押下され、ユーザからの承認が得られた場合には、省エネルギー化を重視した沸上げ運転を行うようにしてもよい。

なお、貯湯後は、すぐにお湯を消費してしまう方が、貯湯タンク３からの放熱量が少なくなるので、消費電力を低減することができる。したがって、上述のようにして求められた昼間の運転開始時刻（昼間の追加沸上げの開始時刻）ではなく、給湯負荷のピーク（浴槽１２への湯張りによるものであることが多い）が発生すると予測される時刻の直前の時間帯に昼間の沸上げ運転を行うようにしてもよい。この場合、学習部５５は、記憶部５３に記憶された計時情報及び給湯負荷に基づいて、給湯負荷が増大する時間帯を学習する。そして、計画作成部５７は、給湯負荷が増大する時間帯の直前に昼間の沸上げ運転を行う。

より具体的には、貯湯式給湯機１００の運転モードとして、消費電力の低減を優先する運転モード（第１の運転モード）と、ランニングコストを優先する運転モード（第２の運転モード）とを用意し、その運転モードを切り替える切り替え部をリモコン１９等に設ける。計画作成部５７は、リモコン１９により、第１の運転モードに切り替えられた場合には、上述のようにして、消費電力が低減されるように、沸上げ運転を行う時間帯及び回数の少なくとも一方を決定する。また、計画作成部５７は、リモコン１９により、第２の運転モードに切り替えられた場合には、上述のようにして、ランニングコストが低減されるように、沸上げ運転を行う時間帯及び回数の少なくとも一方を決定する。

≪比較表示≫
また、リモコン１９の表示画面に、本日の給湯負荷の変動パターンを、過去の同じ月日の給湯負荷の変動パターンや、若しくは外気温度の変動が近似する過去の給湯負荷の変動パターンと比較表示するようにしてもよい。

例えば、リモコン１９の表示画面に、記憶部に記憶された給湯負荷のうち、当日と同じ月日を基準とする所定の期間（例えば前後１ヶ月）における給湯負荷の推移と、当日の給湯負荷の推移とを比較表示するようにしてもよい。

また、リモコン１９の表示画面に、記憶部５４に記憶された給湯負荷のうち、対応付けられた外気温度の変動の差異が所定の範囲内である月日の給湯負荷の推移と、当日の給湯負荷の推移とを比較表示するようにしてもよい。

図８には、このようにしてリモコン１９に比較表示された給湯負荷の推移の一例が示されている。図８では、黒丸の折れ線が当日の給湯負荷の推移を示しており、白丸の折れ線が、過去の給湯負荷の推移を示している。図８に示す例では、当日の給湯負荷の方が、過去の給湯負荷よりも全体的に多めになっている。この比較表示を見たユーザは、ことによって例えばお湯の使用を控えるなど、省エネルギー化につながる具体的な行動を起こすことができる。

以上詳細に説明したように、この実施の形態によれば、気象予報情報に基づいて、実際の気象変動を考慮して貯湯式給湯機１００の沸上げ運転の運転計画を作成する。これにより、気象変動による見積もり誤差を低減することができるので、より過不足の少ない沸上げ運転の運転計画を作成することができる。

また、この実施の形態によれば、学習部５５の学習に用いられるデータを、月日がほぼ同じ、すなわち同時期のデータに絞りこむ。これにより、必要沸上げ量の見積もりをより正確なものとすることができる。このような見積もりを実現するため、記憶部５３では、１年間以上、このましくは数年間のデータを記憶している。

また、外気温度と給湯負荷との相関関係の学習や、必要沸上げ量の予測は、給湯端末毎に行うことが可能である。このようにすれば、例えば、浴槽１２への入浴とシャワー１３を用いたシャワー浴との間の切り替え時期や、浴槽１２の追焚有りと無しとの切り替え時期を正確に予測することができるので、過剰沸上げや湯切れの発生をより確実に防止することができる。

また、この実施の形態によれば、気象予報情報に基づいて、ヒートポンプの効率が高い条件で、貯湯式給湯機１００で沸上げ運転を行う時間帯を決定する。このようにすれば、高い効率で湯を沸上げることができるので、消費電力をさらに低減することができる。

また、この実施の形態によれば、夜間と昼間とで沸上げ運転を行う運転計画を作成する場合であっても、各々の沸上げ運転を行う時間帯を、気象予報情報に基づいて決定する。このようにすれば、貯湯式給湯機の沸上げ効率が上がるので、消費電力をさらに低減することができる。

また、この実施の形態によれば、現在の給湯負荷の変動と、過去の同時期（同月、同日）の給湯負荷の変動や、外気温度の変動がほぼ同じ日の給湯負荷の変動とを比較表示するので、省エネルギー化に対する意識をユーザに喚起させることができる。

また、外気温度だけでなく湿度などの各種環境情報に基づいて、貯湯式給湯機１００の沸上げ運転の運転計画を作成するようにしてもよい。ここでいう環境情報には、貯湯式給湯機１００の周囲の環境に関する情報であって、貯湯式給湯機１００によって沸上げられた湯の状態に影響を与えるものすべてが含まれ得る。

なお、上記実施の形態において、実行されるプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disk Read-Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶して配布し、そのプログラムをインストールすることにより、上述の処理を実行するシステムを構成することとしてもよい。

また、プログラムをインターネット等の通信ネットワーク上の所定のサーバ装置が有するディスク装置等に記憶しておき、例えば、搬送波に重畳させて、ダウンロード等するようにしてもよい。

また、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを媒体に記憶して配布してもよく、また、ダウンロード等してもよい。

１ ヒートポンプユニット
２ タンクユニット
３ 貯湯タンク
４ コントローラ
５ 流量センサ
６ 混合弁
７ 配管
８ａ、８ｂ 温度センサ
９ 外気温度センサ
１０ 住宅
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ 部屋
１２ 浴槽
１３ シャワー
１４ 蛇口
１９ リモートコントローラ（リモコン）
２０ インターネット
３０ 外装ケース
５０ 計時部
５１ 湯量検出部
５２ 算出部
５３ 記憶部
５５ 学習部
５６ 予報取得部
５７ 計画作成部
５８ 制御部
１００ 貯湯式給湯機
２００ 沸上げ制御システム

Claims (16)

1. 沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御する沸上げ制御システムであって、
   気象予報情報を取得する予報取得部と、
   前記予報取得部によって取得された気象予報情報に基づいて、前記貯湯式給湯機の沸上げ運転の運転計画を作成する計画作成部と、
   を備える沸上げ制御システム。
2. 計時を行う計時部と、
   前記貯湯式給湯機から供給される湯の流量及び温度を検出する湯量検出部と、
   前記湯量検出部によって検出された湯の流量及び温度に基づいて、前記貯湯式給湯機の給湯負荷を算出する算出部と、
   周囲の環境情報を検出する環境情報検出部と、
   前記計時部で計時された計時情報と、前記環境情報検出部によって検出された環境情報と、前記算出部によって算出された給湯負荷と、を対応付けて記憶する記憶部と、
   前記記憶部によって記憶された、前記環境情報と、前記給湯負荷に基づく１日の合計給湯負荷との相関関係について学習する学習部と、
   を備え、
   前記計画作成部は、
   前記予報取得部によって取得された気象予報情報に含まれる翌日の環境情報と、前記学習部によって学習された前記相関関係とに基づいて、翌日に用いられるお湯の必要沸上げ湯量を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の沸上げ制御システム。
3. 前記学習部は、
   前記記憶部に記憶された前記環境情報及び前記給湯負荷のうち、翌日に係る月日を基準とする所定の期間における前記環境情報及び前記給湯負荷を用いて、前記環境情報と前記合計給湯負荷との相関関係を学習する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の沸上げ制御システム。
4. 前記記憶部は、
   前記計時情報、前記環境情報及び前記給湯負荷を、少なくとも１年間記憶する、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の沸上げ制御システム。
5. 前記湯量検出部は、
   前記貯湯式給湯機から供給される湯の流量及び温度を、前記給湯端末毎に検出し、
   前記算出部は、
   前記湯量検出部によって検出された湯の流量及び温度に基づいて、前記貯湯式給湯機の給湯負荷を、前記給湯端末毎に算出し、
   前記記憶部は、
   前記計時情報、前記環境情報及び前記給湯負荷を、前記給湯端末毎に対応づけて記憶し、
   前記学習部は、
   前記環境情報と前記給湯負荷との相関関係について前記給湯端末毎に学習する、
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
6. 前記記憶部は、
   前記環境情報に対する前記貯湯式給湯機の沸上げ効率の特性をさらに記憶し、
   前記計画作成部は、
   前記予報取得部によって取得された気象予報情報に含まれる翌日の前記環境情報の時間変化と、前記記憶部に記憶された前記貯湯式給湯機の沸上げ効率の特性とに基づいて、前記沸上げ運転を行う時間帯を決定する、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
7. 前記計画作成部は、
   夜間と昼間とで沸上げ運転を行う運転計画を作成し、
   前記記憶部に記憶された、前記貯湯式給湯機の沸上げ効率の外気温度特性に基づいて、前記沸上げ運転の消費電力量が低減されるように、昼間の沸上げ運転を行う時間帯と夜間の沸上げ運転を行う時間帯との少なくとも一方を決定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の沸上げ制御システム。
8. 前記計画作成部は、
   夜間と昼間とで沸上げ運転を行う運転計画を作成し、
   前記記憶部に記憶された前記貯湯式給湯機の沸上げ効率の特性に基づいて、前記沸上げ運転を行った場合のランニングコストが、夜間だけで沸上げ運転を行った場合のランニングコストに最も近くなるように、全体の沸上げ運転に対する昼間の沸上げ運転の運転率を決定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の沸上げ制御システム。
9. 前記計画作成部は、
   前記貯湯式給湯機の運転停止中の放熱損失を考慮して、前記沸上げ運転を行う時間帯を決定する、
   ことを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
10. 前記学習部は、
    前記記憶部に記憶された前記計時情報及び前記給湯負荷に基づいて、給湯負荷が増大する時間帯を学習し、
    前記計画作成部は、
    前記給湯負荷が増大する時間帯の直前に昼間の沸上げ運転を行う、
    ことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
11. 前記計画作成部は、
    前記貯湯式給湯機の運転開始時に発生する損失を考慮して、前記沸上げ運転を行う回数を決定する、
    ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
12. 消費電力を優先的に低減する第１の運転モードと、ランニングコストを優先的に低減する第２の運転モードと、を切り替える切り替え部をさらに備え、
    前記計画作成部は、
    前記切り替え部により、前記第１の運転モードに切り替えられた場合には、消費電力が低減されるように、前記沸上げ運転を行う時間帯及び回数の少なくとも一方を決定し、
    前記切り替え部により、前記第２の運転モードに切り替えられた場合には、ランニングコストが低減されるように、前記沸上げ運転を行う時間帯及び回数の少なくとも一方を決定する、
    ことを特徴とする請求項６乃至１１に記載の沸上げ制御システム。
13. 前記記憶部に記憶された前記給湯負荷のうち、当日と同じ月日を基準とする所定の期間における前記給湯負荷の推移と、当日の前記給湯負荷の推移とを比較表示する表示部をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
14. 前記記憶部に記憶された前記給湯負荷のうち、対応付けられた前記環境情報の変動の差異が所定の範囲内である月日の前記給湯負荷の推移と、当日の前記給湯負荷の推移とを比較表示する表示部をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の沸上げ制御システム。
15. 沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御する沸上げ制御方法であって、
    気象予報情報を取得する予報取得工程と、
    前記予報取得工程において取得された気象予報情報に基づいて、前記貯湯式給湯機の沸上げ運転の運転計画を作成する計画作成工程と、
    を含む沸上げ制御方法。
16. 沸上げられた湯を給湯端末へ供給する貯湯式給湯機を制御するコンピュータに実行させるプログラムであって、
    気象予報情報を取得する予報取得手順と、
    前記予報取得手順によって取得された気象予報情報に基づいて、前記貯湯式給湯機の沸上げ運転の運転計画を作成する計画作成手順と、
    をコンピュータに実行させるプログラム。

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