JP2013257118A - コジェネレーションユニット、コジェネレーションシステム及びコジェネレーションシステムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することを可能とし、より高い省エネルギー効果を得ることができるコジェネレーションユニット、コジェネレーションシステムを簡素な部品構成で提供することと、これらコジェネレーションシステムの運転方法を提供する。
【解決手段】燃料で発電する発電手段１１と、発電された電力を商用電力に系統連系可能に電力変換するインバータ１２と、発電手段にて発生した排熱を回収する排熱回収手段１３と、電気ヒートポンプ式加熱手段２０とを備え、排熱回収手段には冷却水または熱媒である加熱用流体が流入されて加熱された加熱用流体が吐出され、電気ヒートポンプ式加熱手段には、発電手段にて発電された電力の一部またはインバータから出力される電力の一部が供給され、電気ヒートポンプ式加熱手段にて、排熱回収手段に流入する前の加熱用流体を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を用いて発電を行い、発電による電力と熱を得るコジェネレーションユニット、及びコジェネレーションユニットと貯湯ユニットを備えたコジェネレーションシステム、及びコジェネレーションシステムの運転方法に関する。

従来より、燃料を投入して発電を行い、発電の際に発生した排熱を回収して給湯や暖房等を行うコジェネレーションシステムがある。
例えば特許文献１に記載された従来技術には、ガスエンジンにて駆動されるヒートポンプ用圧縮機と、当該ガスエンジンにて駆動される発電機と、前記ヒートポンプ用圧縮機を含む空調システムと、前記発電機からの電力供給システムと、前記ガスエンジンの排熱を回収して利用する排熱回収利用システムと、を備えたガスヒートポンプコジェネレーション装置が開示されている。

特開２００９−７４７４４号公報

一般的に、燃料を投入して電力と熱を得るコジェネレーションシステムでは、要求される発電量に応じて運転出力を変化させているが、全ての運転出力で発電効率及び排熱回収効率が一定となっているのではない。一般的なコジェネレーションシステムでは、運転出力が高く発電出力が大きい領域ではどちらの効率も高いが、運転出力が低く発電出力が小さくなるにしたがってどちらの効率も低下していく傾向にある（図７参照）。
また、排熱回収効率についても同様の傾向となるものがある。
特許文献１に記載された従来技術では、効率を向上させ、省エネルギー効果を高めるために、ガスエンジンの軸出力でヒートポンプの圧縮機を直接駆動する機構を採用しているが、この場合、エンジン軸出力を圧縮機に伝達するための機械部品が必要にあることに加え、需要家の熱需要がガスエンジンの排熱だけで十分まかなえる場合などは、ヒートポンプを稼働させない方が好適な運転になるケースも想定される。しかし、特許文献１の従来技術では発電中にヒートポンプの駆動を停止させようとした場合、軸出力の伝達を切り離すためのクラッチ機構などがさらに必要となり、システムの小型化・軽量化・低コスト化が困難となる。
また、コジェネレーションユニットにおける全てのエネルギー変換効率（発電効率と排熱回収効率とを含む）を総合効率とすると、この総合効率がより高い状態でコジェネレーションユニットを運転することが理想的である。従来のコジェネレーションシステムでは、要求される発電量が小さい場合では、上記に説明したように、総合効率が低くなる。
特許文献１に記載されたコジェネレーションシステムでこの問題を解決しようとした場合、ガスエンジンの軸出力を発電機と圧縮機に分配または切り替えるための機械部品が多数必要となることに加え、発電出力やヒートポンプ出力を変化させようとした場合、ガスエンジンの軸出力を直接可変させるための複雑な制御が必要となったり、出力分配用のギアやベルト等を組み合わせた機械的機構を設ける必要があり、システムを小型・軽量・低コストで実現することが難しいという問題がある。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することを可能とし、より高い省エネルギー効果を得ることができるコジェネレーションユニット、コジェネレーションシステムを簡素な部品構成で提供することと、これらコジェネレーションシステムの運転方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るコジェネレーションユニット、コジェネレーションシステム及びコジェネレーションシステムの運転方法は次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、燃料を用いて発電する発電手段と、前記発電手段にて発電された電力を商用電力に系統連系可能となるように電力変換するインバータと、前記発電手段にて発生した排熱を回収する排熱回収手段と、電気ヒートポンプ式加熱手段と、を備えたコジェネレーションユニットである。
そして、前記排熱回収手段には冷却水または熱媒である加熱用流体が流入されて、当該排熱回収手段にて加熱された前記加熱用流体が吐出され、前記電気ヒートポンプ式加熱手段には、前記発電手段にて発電された電力の一部または前記インバータから出力される電力の一部が供給され、前記電気ヒートポンプ式加熱手段にて、前記排熱回収手段に流入する前の前記加熱用流体を加熱する。

この第１の発明によれば、発電手段またはインバータから出力される電力の一部を電気ヒートポンプ式加熱手段に使用することで、実際の発電量（運転負荷）を大きくする。発電量を大きくすることで、総合効率を、より大きくすることができる。
また、発電量を大きくしたことにより余剰電力が発生するが、この余剰電力を電気ヒートポンプ式加熱手段にて熱エネルギーに変換する。近年における一般的な電気ヒートポンプ式加熱手段はエネルギー変換効率が６００［％］程度と非常に高いので、余剰電力は無駄にならず、非常に高いエネルギー変換効率で熱エネルギーに変換することができる。
これにより、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能であり、より省エネルギー効果を得ることができるコジェネレーションユニットを実現することができる。
また電気ヒートポンプ式加熱手段は、ガスエンジン（発電手段）の軸出力でヒートポンプの圧縮機を駆動する方式と比較して、出力を可変とするためのギア・ベルト・クラッチ等の機械的機構が不要であり、より簡素な部品構成にてコジェネレーションユニットを実現することができる。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るコジェネレーションユニットであって、前記排熱回収手段は、自身の外部に排熱回収熱交換器を有し、前記排熱回収手段と前記排熱回収熱交換器との間で循環熱媒を循環させて前記排熱回収手段の熱を前記排熱回収熱交換器に供給し、前記加熱用流体は、前記排熱回収手段の代わりに前記排熱回収熱交換器に流入されて加熱され、加熱された前記加熱用流体は前記排熱回収熱交換器から吐出され、前記排熱回収手段に流入する前に前記電気ヒートポンプ式加熱手段にて加熱された前記加熱用流体は、前記排熱回収手段の代わりに前記排熱回収熱交換器に流入されている。

この第２の発明によれば、排熱回収手段の外部に排熱回収熱交換器を有するタイプのコジェネレーションユニットであっても、第１の発明と同様に、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能であり、より省エネルギー効果を得ることができるコジェネレーションユニットを実現することができる。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るコジェネレーションユニットであって、前記排熱回収手段または前記排熱回収熱交換器にて加熱されて吐出された前記加熱用流体の一部を、前記加熱用流体が前記電気ヒートポンプ式加熱手段から吐出されて前記排熱回収手段または前記排熱回収熱交換器へ流入する経路中に戻すバイパス手段を有している。

この第３の発明によれば、バイパス手段を設けることで、コジェネレーションユニットの外部へ循環させる加熱用流体の流量を絞り、電気ヒートポンプ式加熱手段に流入される加熱用流体の温度を、より低い温度とすることができる。
これにより、電気ヒートポンプ式加熱手段のエネルギー変換効率が低下することを抑制することができる。

次に、本発明の第４の発明は、上記第１の発明〜第３の発明のいずれか１つに係るコジェネレーションユニットと貯湯ユニットとを備えたコジェネレーションシステムであって、前記電気ヒートポンプ式加熱手段に供給された電力を除いた残りの電力は、前記インバータから前記商用電力に系統連系するように出力され、前記貯湯ユニットは、貯湯用熱交換器にて加熱した温水を蓄える貯湯タンクと、前記加熱用流体の熱を用いて前記貯湯タンクに蓄える温水を加熱する前記貯湯用熱交換器と、給水配管から供給される上水と前記貯湯タンク内の温水とが流入されて温度調節された給湯温水を吐出する湯水混合手段と、を有している。

この第４の発明によれば、コジェネレーションユニットにてより高い発電効率にて発電した電力を商用電力に系統連系させ、コジェネレーションユニットにてより高い排熱回収効率にて得られた熱エネルギー（及び電気ヒートポンプ式加熱手段にて得られた熱エネルギー）を貯湯ユニットに適切に蓄えることができる。
これにより、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能であり、より省エネルギー効果を得ることができるコジェネレーションシステムを実現することができる。

次に、本発明の第５の発明は、上記第４の発明に係るコジェネレーションシステムであって、前記コジェネレーションユニットは第１制御手段を有しており、前記貯湯ユニットは第２制御手段を有しており、前記第１制御手段は、商用電力から購入した電力を計測可能な買電力計測手段からの検出信号に基づいて、前記コジェネレーションユニットの前記発電手段の運転と停止、及び前記電気ヒートポンプ式加熱手段の運転と停止を行い、前記第２制御手段は、前記貯湯用熱交換器を介して前記貯湯タンク内に蓄える温水の温度の調節と、前記湯水混合手段から吐出される給湯温水の温度の調節と、を行うことが可能であり、前記第１制御手段と前記第２制御手段は、少なくとも前記第２制御手段から前記第１制御手段に情報を送信可能な通信線にて接続されている。

この第５の発明によれば、第１制御手段によるコジェネレーションユニットの運転状態の制御と、第２制御手段による貯湯ユニットの運転状態の制御と、を連動させることが可能である。
これにより、より高い省エネルギー効果を得られるように、コジェネレーションユニットと貯湯ユニットと、を連動させて運転することが可能なコジェネレーションシステムを実現することができる。

次に、本発明の第６の発明は、上記第５の発明に係るコジェネレーションシステムの運転方法であって、前記第２制御手段にて、必要な熱量である熱需要量を求めるステップと、前記第２制御手段にて、求めた熱需要量を含む熱需要情報を、前記通信線を介して前記第１制御手段に送信するステップと、前記第１制御手段にて、少なくとも前記商用電力の使用量に基づいて必要な電力である電力需要量を求めるステップと、前記第１制御手段にて、求めた電力需要量と、前記第２制御手段から受信した熱需要情報と、に基づいて前記電気ヒートポンプ式加熱手段の運転をするべきか否かを判断するステップと、前記第１制御手段にて、前記電気ヒートポンプ式加熱手段を運転するべきと判断した場合は、前記電気ヒートポンプ式加熱手段を運転するための電力量であるヒートポンプ用電力量を前記電力需要量に上乗せした新たな電力需要量に応じた発電をするように前記発電手段を制御し、前記ヒートポンプ用電力量に応じた電力にて前記電気ヒートポンプ式加熱手段を制御するステップと、を有する。

たとえ総合効率が高くても、熱需要量が少ない場合等では、電気ヒートポンプ式加熱手段の運転を行わないほうがより高い省エネルギー効果を得られることも考えられる。
この第６の発明では、電気ヒートポンプ式加熱手段の運転が必要な場合に適切に運転することで、より高い省エネルギー効果を得られるコジェネレーションシステムの運転方法を提供することができる。

第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａの構成の例を説明する図である。 第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂの構成の例を説明する図である。 第３の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｃ、１Ｄの構成の例を説明する図である。 第４の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｅの構成の例を説明する図である。 第５の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｆの構成の例を説明する図である。 コジェネレーションシステム１Ｆの処理手順の例を示すフローチャートである。 コジェネレーションユニットにおける、発電出力に対する、発電効率及び排熱回収効率の例を説明するグラフである。 本実施の形態のコジェネレーションユニットの総合効率の例と、従来のコジェネレーションユニットの総合効率の例を説明する図である。 コジェネレーションユニットに供給する電力を、インバータから出力される電力の一部に加えて、商用電力からも供給する例を説明する図である。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
●［第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａの構成（図１）］
図１を用いて、第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａの構成等について説明する。
コジェネレーションユニット１Ａは、発電手段１１と、インバータ１２と、排熱回収手段１３と、電気ヒートポンプ式加熱手段２０と、第１制御手段１０Ａ等を有している。

発電手段１１は、燃料配管Ｎ１から供給される燃料を用いて発電する発電機（例えばガスエンジン式あるいは燃料電池式の発電機）であり、電力線Ｄ１等を介して発電電力をインバータ１２に出力する。なお、発電電力は、例えば直流電力である。
インバータ１２は、電力線Ｄ１等を介して発電手段１１から入力された発電電力を、商用電力（例えば交流１００Ｖ（６０Ｈｚ）や交流１００Ｖ（５０Ｈｚ）等）に系統連系可能となるように、周波数や振幅等を変換し、電力線Ｄ２等を介して変換電力を分電盤等に出力する。
排熱回収手段１３には、流入配管Ｈ１Ａと流出配管Ｈ１Ｂが接続されている。そして排熱回収手段１３は、発電手段１１の発電の際に発生した排熱を回収し、流入配管Ｈ１Ａを介して流入された加熱用流体を加熱し、加熱した加熱用流体を流出配管Ｈ１Ｂを介して吐出する。なお、加熱用流体は、例えば給湯にて利用する上水であってもよいし、熱交換に使用する熱媒であってもよく、流体の種類は特に限定しない。
また、流入配管Ｈ１Ａ、流出配管Ｈ１Ｂの他端は、例えば図４に示すような貯湯ユニット等に接続されるが、接続先は貯湯ユニットに限定されず、暖房装置等であってもよく、接続先については特に限定しない。
なお、排熱回収手段１３にて加熱された加熱用流体の熱は、貯湯タンク等の蓄熱に利用され、給湯や風呂湯張り、暖房用途等に利用することができる。

電気ヒートポンプ式加熱手段２０は、例えば圧縮機２１と熱交換器２２と膨張弁２３とヒートポンプ熱交換器２４等を有している。ヒートポンプ熱交換器２４は、排熱回収手段１３よりも上流側に配置されており、流入配管Ｈ１Ａを介して排熱回収手段１３に流入する前の加熱用流体を加熱する。通常、ヒートポンプ熱交換器２４にて加熱用流体を加熱可能な温度よりも排熱回収手段１３にて加熱用流体を加熱可能な温度のほうが高いので、排熱回収手段１３よりも上流側にヒートポンプ熱交換器２４を配置することが好ましい。
また、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を駆動するための電力は、発電手段１１にて発電された発電電力の一部が電力線Ｄ１Ａを介して供給される、またはインバータ１２にて変換された変換電力の一部が電力線Ｄ２Ａを介して供給される。
インバータ１２から電力線Ｄ２Ａを介して電力を供給する場合は、一般的な商用電力を用いた電気ヒートポンプ式加熱手段を利用することができるので、新たな電気ヒートポンプ式加熱手段を設計・製造する必要がないので便利である。
また発電手段１１から電力線Ｄ１Ａを介して電力を供給する場合は、発電手段１１の発電電力に応じた電気ヒートポンプ式加熱手段を設計・製造する必要があるが、インバータ１２による電力変換効率のロスが無いので、より高いエネルギー変換効率を確保することができる。
また第１制御手段１０Ａは、発電手段１１の制御と電気ヒートポンプ式加熱手段２０の制御を行い、発電手段１１の駆動信号と電気ヒートポンプ式加熱手段２０の駆動信号を出力する。
例えば第１制御手段１０Ａは、記憶手段と処理手段を備えており、記憶手段には各時間帯に対する要求発電量が記憶されている。処理手段は、各時間帯に対応する時刻において、要求発電量に応じた発電量が得られるように発電手段１１を制御する。

ここで、要求発電量が所定発電量よりも小さい場合は、図７に示すように発電効率と排熱回収効率が低下する。図７は一般的なコジェネレーションユニット（定格発電出力＝１．０［ｋＷ］）の発電量に対する、発電効率及び排熱回収効率の特性の変化を示しており、例えば発電電力が１．０［ｋＷ］の場合と０．５［ｋＷ］の場合では、１．０［ｋＷ］のほうが発電効率も排熱回収効率も高いことを示している。
一般的に、コジェネレーションユニットの定格発電出力に対して、実使用上の発電出力が低い場合、発電手段には発電能力に余裕がある。そこで、発電能力の余力分を利用して、あえて余分に発電した電力を電気ヒートポンプ式加熱手段に供給して加熱用流体をさらに加熱することで、総合効率の大幅な向上を図る。

例えば発電手段１１には、ガスエンジン式発電機や燃料電池式発電機を利用することができる。これらの発電機は、定格発電出力を大きくすれば、発電機本体の単位出力当たりの表面積が小さくなり、放熱損を抑制することができる。また定格発電出力を大きくすれば、発電機本体の運転を制御する制御手段等が要する消費電力の割合が低下し、発電効率を向上させることが可能であり、高い省エネルギー性を発揮することができる。
しかし、家庭用など電力需要量・熱需要量の小さい需要家向けのコジェネレーションユニットでは、小出力の発電機が求められ、総合効率の向上は困難である。また図７に示すように、定格発電出力に対して小さい負荷で運転する際は、更に総合効率が低下してしまう。
そこで、要求発電量が定格発電出力よりも小さい場合において、発電手段と電気ヒートポンプ式加熱手段を、連動的または一体的に運転することで、仮想的な電力需要量を引き上げ、発電効率及び排熱回収効率を引き上げる。
電気ヒートポンプ式加熱手段にて生成された熱を加熱用流体の加熱に利用することで、発電時の排熱と一体として取り出し、給湯・風呂湯張り・シャワーや、床暖房・浴室暖房等のセントラルヒーティングに利用することができる。

例えば第１制御手段１０Ａは、要求発電量が０．５［ｋＷ］である場合（定格発電出力よりも小さい場合）、０．５［ｋＷ］の発電量となるように発電手段１１を運転するのでなく、１．０［ｋＷ］の発電量となるように発電手段１１を運転する。そして余剰分の電力（この場合、１．０［ｋＷ］−０．５［ｋＷ］＝０．５［ｋＷ］が余剰電力）を用いて電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転し、余剰電力を熱エネルギーに変換する。現在の一般的な電気ヒートポンプ式加熱手段のエネルギー変換効率（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は６００［％］程度であるので、発電電力を用いて熱エネルギーに変換しても、充分高いエネルギー変換効率を確保することができる。
従って、例えば要求される発電量が小さい場合は、あえて発電量を大きくして、発電手段１１の発電効率におけるより高い発電効率を使用し、排熱回収手段１３の排熱回収効率におけるより高い排熱回収効率を使用し、余剰電力にて電気ヒートポンプ式加熱手段２０におけるより高いエネルギー変換効率を使用する。
これにより、コジェネレーションユニット１Ａは、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能である。
また電気ヒートポンプ式加熱手段は、ガスエンジン（発電手段）の軸出力でヒートポンプの圧縮機を駆動する方式と比較して、出力を可変とするためのギア・ベルト・クラッチ等の機械的機構が不要であり、より簡素な部品構成にてコジェネレーションユニットを実現することができる。

なお、図９に示すように、電気ヒートポンプ式加熱手段２０に供給する電力として、インバータ１２から電力線Ｄ２Ａを介して供給する電力に加えて、電力線Ｄ３Ａを介して商用電力からも供給できるように構成してもよい。
この構成とすることで、電気ヒートポンプ式加熱手段２０への電力供給が発電手段１１の余剰電力のみで賄えない場合は、商用電力で不足分を補うことができる。これにより、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を、より高い効率で運転できる出力にて、運転させることも可能となる。
また、インバータ１２の電力線Ｄ２Ａから電気ヒートポンプ式加熱手段２０への電力供給に加えて、電力線Ｄ３Ａを介して商用電力からも電力供給を行う構成は、図２〜図５に示す第２の実施の形態〜第５の実施の形態の全てに適用することが可能である。

●［第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂの構成（図２）］
次に図２を用いて、第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂの構成等について説明する。
第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂは、第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａに対して、排熱回収熱交換器１４及び配管Ｈ２が追加され、流入配管Ｈ３Ａ及び流出配管Ｈ３Ｂが排熱回収手段の代わりに排熱回収熱交換器１４に接続されている点が異なる。以下、この相違点について主に説明し、第１の実施の形態と同様の点については説明を省略する。
コジェネレーションユニット１Ｂは、発電手段１１と、インバータ１２と、排熱回収手段１３Ａと、排熱回収熱交換器１４と、電気ヒートポンプ式加熱手段２０と、第１制御手段１０Ａ等を有している。

排熱回収手段１３Ａは、発電手段１１の発電の際に発生した排熱を回収し、配管Ｈ２内を循環する循環熱媒を介して、回収した熱を排熱回収熱交換器１４に伝える。
排熱回収熱交換器１４には、流入配管Ｈ３Ａと流出配管Ｈ３Ｂが接続されている。そして排熱回収熱交換器１４は、流入配管Ｈ３Ａを介して流入された加熱用流体を加熱し、加熱した加熱用流体を流出配管Ｈ３Ｂを介して吐出する。
また、第１の実施の形態と同様に、排熱回収熱交換器１４よりも上流側にヒートポンプ熱交換器２４を配置することが好ましい。

一般的に、コジェネレーションユニットや貯湯ユニットでは、加熱用流体としてエチレングリコール等の熱媒を利用するタイプと、加熱用流体として上水を利用するタイプと、がある。
図１に示す第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａは、発電手段（発電機）としてガスエンジン式を想定した場合、加熱用流体としてエチレングリコール等の熱媒を利用するタイプに利用可能であり、図２に示す第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂは、発電手段（発電機）としてガスエンジン式を想定した場合、加熱用流体として上水を利用するタイプにも利用可能となる。
第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂは、配管Ｈ２内にエチレングリコール等の循環熱媒を循環させて、排熱回収熱交換器１４を介して、流入配管Ｈ３Ａから流入する上水を加熱して熱回収を行う。
なお、排熱回収熱交換器１４にて加熱された上水は、貯湯タンク等に蓄熱し、給湯や風呂湯張り、暖房用途等に利用することができる。
また排熱回収熱交換器１４には、プレート型熱交換器等を用いることができる。

このように、排熱回収手段にて回収した熱を加熱用流体に伝える排熱回収熱交換器１４が排熱回収手段の外部に設けられているコジェネレーションユニット１Ｂは、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能である。

●［第３の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｃ、１Ｄの構成（図３）］
次に図３を用いて、第３の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｃ、１Ｄの構成等について説明する。
図３（Ａ）に示す第３の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｃは、図１に示す第１の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ａに対して、流入配管Ｈ１Ａと流出配管Ｈ１Ｂとの間にバイパス配管ＨＢ（バイパス手段に相当）が追加されている点が異なる。
また図３（Ｂ）に示す第３の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｄは、図２に示す第２の実施の形態のコジェネレーションユニット１Ｂに対して、流入配管Ｈ３Ａと流出配管Ｈ３Ｂとの間にバイパス配管ＨＢ（バイパス手段に相当）が追加されている点が異なる。
以下、この相違点について主に説明し、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様の点については説明を省略する。

図３（Ａ）に示すコジェネレーションユニット１Ｃにおいて、バイパス配管ＨＢの一方端は流出配管Ｈ１Ｂの任意の位置に接続され、バイパス配管ＨＢの他方端は流入配管Ｈ１Ａにおいてヒートポンプ熱交換器２４からの吐出部と排熱回収手段１３への流入部との間に接続されている。
バイパス配管ＨＢにより、排熱回収手段１３にて加熱された加熱用流体の一部はバイパス配管ＨＢにより排熱回収手段１３に戻される。そしてバイパス配管ＨＢにて戻されなかった残りの加熱用流体は、コジェネレーションユニット１Ｃの外部に流出し、流出先にて放熱して流入配管Ｈ１Ａから戻される。

一般的に、Ｒ４１０Ａ等の冷媒を用いた電気ヒートポンプ式加熱手段では発電手段の排熱（例えば７０〜７５［℃］）よりも低い温度レベル（例えば４０〜６０［℃］）で運転した方がエネルギー効率が高いので、電気ヒートポンプ式加熱手段は、加熱用流体の加熱経路中において、排熱回収手段の上流側に設けることが好ましい。
しかし、加熱用流体の加熱経路において加熱用流体の循環流量が大きい場合、排熱回収手段に流入する加熱用流体の温度と、排熱回収手段から吐出される加熱用流体の温度と、の温度差が小さくなり、どちらの温度も電気ヒートポンプ式加熱手段で得られる温度レベルよりも高い温度となる可能性がある。この場合、電気ヒートポンプ式加熱手段から加熱用流体に熱供給を行うことができなくなったり、供給熱量が低下したりして、電気ヒートポンプ式加熱手段のＣＯＰが低下する可能性があり、あまり好ましくない。

そこで、バイパス配管ＨＢを用いて、コジェネレーションユニット１Ｃの外部に流出させて流入配管Ｈ１Ａから戻す加熱用流体の流量を絞り（流量を減少させ）、充分に放熱させてより温度が低下した加熱用流体を電気ヒートポンプ式加熱手段２０に流入させる。
これにより、コジェネレーションユニット１Ｃは、電気ヒートポンプ式加熱手段２０のエネルギー変換効率が低下することを抑制し、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能となる。

次に図３（Ｂ）を用いてコジェネレーションユニット１Ｄについて説明する。
コジェネレーションユニット１Ｄにおいて、バイパス配管ＨＢの一方端は流出配管Ｈ３Ｂの任意の位置に接続され、バイパス配管ＨＢの他方端は流入配管Ｈ３Ａにおいてヒートポンプ熱交換器２４からの吐出部と排熱回収熱交換器１４への流入部との間に接続されている。
バイパス配管ＨＢにより、排熱回収熱交換器１４にて加熱された加熱用流体の一部はバイパス配管ＨＢにより排熱回収熱交換器１４に戻される。そしてバイパス配管ＨＢにて戻されなかった残りの加熱用流体は、コジェネレーションユニット１Ｄの外部に流出し、流出先にて放熱して流入配管Ｈ３Ａから戻される。
そしてコジェネレーションユニット１Ｄは、バイパス配管ＨＢによって、コジェネレーションユニット１Ｃと同様に、電気ヒートポンプ式加熱手段２０のエネルギー変換効率が低下することを抑制し、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能となる。

●［第４の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｅの構成（図４）］
次に図４を用いて、第４の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｅの構成等について説明する。
なお図４では、図２に示すコジェネレーションユニット１Ｂを有する構成の例を示しているが、コジェネレーションユニットには、図１に示すコジェネレーションユニット１Ａや、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すコジェネレーションユニット１Ｃ、１Ｄを有する構成としてもよい。
第４の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｅは、コジェネレーションユニット１Ｂ（または１Ａ、または１Ｃ、または１Ｄ）と、貯湯ユニット４０と、にて構成されている。なお、コジェネレーションユニット１Ｂについては既に説明しているので説明は省略する。

貯湯ユニット４０は、貯湯タンク４１と、貯湯用熱交換器４２と、湯水混合手段４３、第２制御手段４０Ａ等を有している。
また、給水配管Ｍ１は貯湯タンク４１の下方に接続され、上水を貯湯タンク４１内に供給する。給水配管Ｍ１には加熱用配管Ｍ２が分岐するように接続されており、加熱用配管Ｍ２は貯湯用熱交換器４２を経由して貯湯タンク４１の上部に接続されている。また給水配管Ｍ１には上水混合配管Ｍ３が分岐するように接続されており、上水混合配管Ｍ３は湯水混合手段４３に接続されている。また貯湯タンク４１の上部には温水混合配管Ｍ４が接続されており、温水混合配管Ｍ４は湯水混合手段４３に接続されている。そして湯水混合手段４３には給湯配管Ｍ５が接続されている。
給水配管Ｍ１からは上水が供給され、供給された上水は、給水配管Ｍ１を介して貯湯タンク４１の下部に供給される、あるいは上水混合配管Ｍ３を介して湯水混合手段４３に供給される、あるいは加熱用配管Ｍ２を介して貯湯用熱交換器４２にて加熱されて貯湯タンク４１の上部に供給される。

貯湯タンク４１は、給水配管Ｍ１を介して下部から供給された上水を溜め、貯湯用熱交換器４２にて加熱された温水が上部から供給され、供給された温水を溜める。
貯湯用熱交換器４２には、給水配管Ｍ１から供給された上水または貯湯タンク４１内の下部から取り出された水が、加熱用配管Ｍ２を介して供給され、加熱した温水を吐出する。そして吐出された温水は、加熱用配管Ｍ２を介して貯湯タンク４１の上部から貯湯タンク４１内へ蓄えられる。また貯湯用熱交換器４２には、コジェネレーションユニット１Ｂの流入配管Ｈ３Ａと流出配管Ｈ３Ｂが接続されており、コジェネレーションユニット１Ｂにて加熱された加熱用流体の熱を用いて、加熱用配管Ｍ２から供給される水を加熱する。
湯水混合手段４３には、貯湯タンク４１の上部から取り出された温水、または貯湯用熱交換器４２にて加熱された温水が、温水混合配管Ｍ４から供給され、給水配管Ｍ１及び上水混合配管Ｍ３から上水が供給される。そして湯水混合手段４３は、供給された温水と供給された上水を混合した給湯温水を給湯配管Ｍ５から吐出する。
第２制御手段４０Ａは、加熱用配管Ｍ２内を流れる水の流量を制御して貯湯タンク４１内の温水の温度を調節するとともに、湯水混合手段４３の混合比を制御して給湯温水の温度を調節する。

例えば第２制御手段４０Ａは、記憶手段と処理手段を備えており、記憶手段には各時間帯に対する要求給湯量が記憶されている。処理手段は、各時間帯に対応する時刻において、要求給湯量に応じた給湯量が得られるように加熱用配管Ｍ２内の水の流量を制御する。
またコジェネレーションユニット１Ｂのインバータ１２から電力線Ｄ２を介して出力された変換電力は、例えば宅内の分電盤８０に供給される（商用電力に系統連系されて供給される）。なお、電力線Ｄ２を介して分電盤８０に供給される変換電力は、発電電力から電気ヒートポンプ式加熱手段２０に供給された電力を除いた残りの電力である。
また貯湯ユニットに、例えばガスを燃料とする瞬間式ボイラーを備えてもよい。瞬間式ボイラーを備えることで、貯湯タンク内の温水が不足した場合や、貯湯タンク内の温水の温度が低く、風呂湯張りや給湯に利用できない場合であっても、適量・適温の給湯を行うことができる。

以上に説明したように、コジェネレーションシステム１Ｅでは、インバータ１２の電力線Ｄ２の接続先を商用電力（分電盤）に特定しており、流入配管Ｈ３Ａ及び流出配管Ｈ３Ｂの接続先を貯湯ユニット４０に特定している。
この構成を有することで、コジェネレーションシステム１Ｅは、第１〜第３の実施の形態にて説明したように、要求される発電量が小さい場合であっても、より高いエネルギー変換効率（総合効率）にて運転することが可能である。

●［第５の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｆの構成（図５）と、コジェネレーションシステム１Ｆの運転方法（図６）］
次に図５を用いて、第５の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｆの構成等について説明する。
図５に示す第５の実施の形態のコジェネレーションシステム１Ｆは、図４に示す第４のコジェネレーションシステム１Ｅに対して、第１制御手段１０Ａと第２制御手段４０Ａとが互いに情報を送受信可能な通信線Ｔ１にて接続されている点と、買電力計測手段Ｓ１にて検出した信号を信号線Ｔ２を介して第１制御手段１０Ａに取り込んでいる点が異なる。
以下、この相違点について主に説明し、第４の実施の形態と同様の点についての説明は省略する。
第１制御手段１０Ａと第２制御手段４０Ａは、互いに情報を送受信可能な通信線Ｔ１にて接続されている。なお、通信線Ｔ１は、少なくとも第２制御手段４０Ａから第１制御手段１０Ａに情報を送信できればよい。
また、買電力計測手段Ｓ１は、分電盤８０における商用電力の供給量（コジェネレーションシステム１Ｆから供給する電力を含まない）を検出し、信号線Ｔ２を介して検出信号を第１制御手段１０Ａに出力する。

第１〜第４の実施の形態にて説明したコジェネレーションユニット１Ａ〜１Ｄ、コジェネレーションシステム１Ｅは、すでに説明したように総合効率が高く、より省エネルギー効果を得ることができる。しかし、設置されている需要家（工場、家庭等）の電気と熱の需要量のバランスによっては、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転しないほうがより高い省エネルギー効果を得られる場合がある。例えば貯湯タンク４１に蓄えようと所望した熱量（熱需要量）が、発電時の排熱回収手段１３から供給される熱量で賄えると予想された場合は、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転しないほうがより高い省エネルギー効果を得られる。
そこで、電気ヒートポンプ式加熱手段２０の運転をすべきか否かを適切に判断するために、需要家における電力需要や熱需要の情報を第１制御手段１０Ａにて取得及び記憶して、電力需要や熱需要に応じて電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転するべきか否かを判断させ、判断結果に基づいて電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転または停止させる。

次に図６を用いて、コジェネレーションシステム１Ｆの運転方法について処理手順の例を説明する。
まず第２制御手段４０Ａの処理手順について説明する。第２制御手段４０Ａの処理は、例えば所定時間毎（例えば数１００ｍｓ毎等）に実行される。
ステップＳ１１０にて、第２制御手段４０Ａは、必要な熱量である熱需要量を求め、ステップＳ１２０に進む。第２制御手段４０Ａは、貯湯タンク４１内の温水の量や温水の温度等を検出可能である。また例えば第２制御手段４０Ａは、過去の一定期間における時刻に応じた給湯量等が記憶されており、現在時刻、過去における時刻に応じた給湯量、現在の貯湯タンク内の温水量及び温水温度等に基づいて、必要な熱量である熱需要量を求める。
ステップＳ１２０にて、第２制御手段４０Ａは、求めた熱需要量を含む熱需要情報を、通信線Ｔ１を介して第１制御手段１０Ａに送信し、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１３０にて、第２制御手段４０Ａは、貯湯タンク４１内に蓄える温水の温度を制御（調節）してステップＳ１４０に進む。例えば第２制御手段４０Ａは循環ポンプ（図示省略）を制御して、貯湯タンク４１の下部から温水を取り出して加熱用配管Ｍ２を介して貯湯用熱交換器４２にて温水を加熱して貯湯タンク４１の上部から貯湯タンク４１内に戻す。
ステップＳ１４０にて、第２制御手段４０Ａは、湯水混合手段４３の混合比を制御して湯水混合手段４３から吐出される給湯温水の温度を制御（調節）し、処理を終了する。

次に第１制御手段１０Ａの処理手順について説明する。第１制御手段１０Ａの処理は、例えば所定時間毎（例えば数１００ｍｓ毎等）に実行される。
ステップＳ１０にて、第１制御手段１０Ａは、必要な電力量である電力需要量を求め、ステップＳ２０に進む。第１制御手段１０Ａは、例えば過去の一定期間における時刻に応じた電力使用量等が記憶されており、現在時刻、過去における時刻に応じた電力使用量、買電力計測手段Ｓ１からの検出信号に基づいた現在の買電力量（商用電力の使用量）、現在の発電手段の運転状態等に基づいて、必要な電力量である電力需要量を求め、少なくとも買電力量（商用電力の使用量）に基づいて電力需要量を求める。
ステップＳ３０にて、第１制御手段１０Ａは、求めた電力需要量、現在の発電手段の運転状態等に基づいて発電が必要であるか否かを判定する。発電が必要であると判定された場合（Ｙｅｓ）はステップＳ４０に進み、発電は不要であると判定された場合（Ｎｏ）はステップＳ３０に進む。
ステップＳ３０に進んだ場合、第１制御手段１０Ａは、発電手段１１を停止し、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を停止し、処理を終了する。
ステップＳ４０に進んだ場合、第１制御手段１０Ａは、第２制御手段４０Ａから熱需要情報を受信したか否かを判定する。熱需要情報を受信した場合（Ｙｅｓ）はステップＳ５０に進み、熱需要情報を受信していない場合（Ｎｏ）はステップＳ４０に戻る（あるいは処理を終了してもよい）。

ステップＳ５０に進んだ場合、第１制御手段１０Ａは、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転するべきか否かを判定する。電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転するべきであると判定した場合（Ｙｅｓ）はステップＳ６０に進み、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転するべきでないと判定した場合（Ｎｏ）はステップＳ８０に進む。例えば第１制御手段１０Ａは、求めた電力需要量に応じた排熱回収手段１３からの熱量と、第２制御手段４０Ａから受信した熱需要情報に含まれている熱需要量等に基づいて、電気ヒートポンプ式加熱手段２０にて賄うべき熱量を求める。そして、電気ヒートポンプ式加熱手段２０にて賄うべき熱量が所定量以上である場合は、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転するべきであると判定する。
ステップＳ６０に進んだ場合、第１制御手段１０Ａは、電気ヒートポンプ式加熱手段２０にて賄うべき熱量を得るために必要なヒートポンプ用電力量を求めて、電力需要量に当該ヒートポンプ用電力量を上乗せした電力を新たな電力需要量としてステップＳ７０に進む。なお、ヒートポンプ用電力量によって排熱回収手段１３にて得られる熱量が増加するので、この熱量も考慮してヒートポンプ用電力量を求めることが好ましい。
ステップＳ７０にて、第１制御手段１０Ａは、新たな電力需要量（ステップＳ６０で求めた電力需要量）に応じた発電電力となるように発電手段１１を運転し、求めたヒートポンプ用電力量で運転されるように電気ヒートポンプ式加熱手段２０を運転し、処理を終了する。
ステップＳ８０に進んだ場合、第１制御手段１０Ａは、ステップＳ１０にて求めた電力需要量に応じた発電電力となるように発電手段１１を運転し、電気ヒートポンプ式加熱手段２０を停止し、処理を終了する。

●［本実施の形態のコジェネレーションユニット（またはコジェネレーションシステム）の総合効率の例と、従来のコジェネレーションユニット（またはコジェネレーションシステム）の総合効率の例］
図８（Ａ）は本実施の形態のコジェネレーションユニット（またはコジェネレーションシステム）を用いて０．５［ｋＷ］の電力と、４．５［ｋＷ］の熱を得る例を示しており、図８（Ｂ）は従来のコジェネレーションユニット（またはコジェネレーションシステム）を用いて０．５［ｋＷ］の電力と、４．５［ｋＷ］の熱を得る例を示している。

図８（Ｂ）に示す従来では、発電手段にて０．５［ｋＷ］の電力を得るためには、２．５の燃料量を必要としている（図７より０．５［ｋＷ］出力時では発電効率は２０［％］であり、２．５＊０．２＝０．５）。このとき、排熱回収手段の排熱回収効率は、図７より４５［％］であるので、排熱回収手段にて得られる熱は１．１２５［ｋＷ］である（２．５＊０．４５＝１．１２５）。
要求される熱は４．５［ｋＷ］であるので、不足している３．３７５［ｋＷ］（４．５−１．１２５＝３．３７５）をボイラ等の補助加熱手段にて得ることが必要である。ここで、補助加熱手段の熱エネルギー変換効率を８０［％］とすると、３．３７５［ｋＷ］の熱を得るためには、４．２１の燃料量が必要となる（３．３７５／０．８＝４．２１８７５）。
以上より、従来では、０．５［ｋＷ］の電力と４．５［ｋＷ］の熱を得るためには、２．５＋４．２１＝６．７１の燃料量が必要である。
これを総合効率に換算すると、（０．５［ｋＷ］＋４．５［ｋＷ］）／６．７１＝０．７４５であり、総合効率は７４．５［％］である。

図８（Ａ）に示す本実施の形態では、発電手段１１にて、１．０［ｋＷ］の電力を得て、０．５［ｋＷ］の電力を電気ヒートポンプ式加熱手段２０の運転に利用する。なお図８（Ａ）の例では、電気ヒートポンプ式加熱手段２０のＣＯＰを５．０としている。ＣＯＰの値は大きいほど総合効率に有利であるが、近年の一般的な電気ヒートポンプ式加熱手段のＣＯＰが６．０程度であることを考慮して、あえてＣＯＰ＝５．０に設定している。
発電出力が１．０［ｋＷ］である場合、図７より発電効率は２５［％］であるので、必要な燃料量は４．０である。また、このとき排熱回収効率は、図７より５０［％］であるので、排熱回収手段にて得られる熱は２．０［ｋＷ］である（４．０＊０．５＝２．０）。そして電気ヒートポンプ式加熱手段２０にて得られる熱は２．５［ｋＷ］である（０．５＊５＝２．５）。
以上より、本実施の形態では、０．５［ｋＷ］の電力と４．５［ｋＷ］の熱を得るためには、４．０の燃料量が必要である。
これを総合効率に換算すると、（０．５［ｋＷ］＋４．５［ｋＷ］）／４．０＝１．２５であり、総合効率は１２５［％］である。
このように、本実施の形態のコジェネレーションユニット（またはコジェネレーションシステム）は、要求される発電量が小さい場合において、従来の総合効率と比較して非常に高い総合効率にて運転することが可能であり、より高い省エネルギー効果を得ることができる。

本発明のコジェネレーションユニット１Ａ〜１Ｄ、コジェネレーションシステム１Ｅ、１Ｆ及びコジェネレーションシステムの運転方法は、本実施の形態で説明した構成、構造、処理等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１Ａ〜１Ｄ コジェネレーションユニット
１Ｅ、１Ｆ コジェネレーションシステム
１０Ａ 第１制御手段
１１ 発電手段
１２ インバータ
１３、１３Ａ 排熱回収手段
１４ 排熱回収熱交換器
２０ 電気ヒートポンプ式加熱手段
２４ ヒートポンプ熱交換器
４０ 貯湯ユニット
４０Ａ 第２制御手段
４１ 貯湯タンク
４２ 貯湯用熱交換器
４３ 湯水混合手段
８０ 分電盤
ＨＢ バイパス配管（バイパス手段）
Ｓ１ 買電力計測手段
Ｔ１ 通信線
Ｔ２ 信号線

Claims (6)

1. 燃料を用いて発電する発電手段と、
   前記発電手段にて発電された電力を商用電力に系統連系可能となるように電力変換するインバータと、
   前記発電手段にて発生した排熱を回収する排熱回収手段と、
   電気ヒートポンプ式加熱手段と、を備え、
   前記排熱回収手段には冷却水または熱媒である加熱用流体が流入されて、当該排熱回収手段にて加熱された前記加熱用流体が吐出され、
   前記電気ヒートポンプ式加熱手段には、前記発電手段にて発電された電力の一部または前記インバータから出力される電力の一部が供給され、
   前記電気ヒートポンプ式加熱手段にて、前記排熱回収手段に流入する前の前記加熱用流体を加熱する、
   コジェネレーションユニット。
2. 請求項１に記載のコジェネレーションユニットであって、
   前記排熱回収手段は、自身の外部に排熱回収熱交換器を有し、前記排熱回収手段と前記排熱回収熱交換器との間で循環熱媒を循環させて前記排熱回収手段の熱を前記排熱回収熱交換器に供給し、
   前記加熱用流体は、前記排熱回収手段の代わりに前記排熱回収熱交換器に流入されて加熱され、加熱された前記加熱用流体は前記排熱回収熱交換器から吐出され、
   前記排熱回収手段に流入する前に前記電気ヒートポンプ式加熱手段にて加熱された前記加熱用流体は、前記排熱回収手段の代わりに前記排熱回収熱交換器に流入されている、
   コジェネレーションユニット。
3. 請求項１または２に記載のコジェネレーションユニットであって、
   前記排熱回収手段または前記排熱回収熱交換器にて加熱されて吐出された前記加熱用流体の一部を、前記加熱用流体が前記電気ヒートポンプ式加熱手段から吐出されて前記排熱回収手段または前記排熱回収熱交換器へ流入する経路中に戻すバイパス手段を有している、
   コジェネレーションユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコジェネレーションユニットと、
   貯湯ユニットと、を有し、
   前記電気ヒートポンプ式加熱手段に供給された電力を除いた残りの電力は、前記インバータから前記商用電力に系統連系するように出力され、
   前記貯湯ユニットは、貯湯用熱交換器にて加熱した温水を蓄える貯湯タンクと、前記加熱用流体の熱を用いて前記貯湯タンクに蓄える温水を加熱する前記貯湯用熱交換器と、給水配管から供給される上水と前記貯湯タンク内の温水とが流入されて温度調節された給湯温水を吐出する湯水混合手段と、を有している、
   コジェネレーションシステム。
5. 請求項４に記載のコジェネレーションシステムであって、
   前記コジェネレーションユニットは第１制御手段を有しており、前記貯湯ユニットは第２制御手段を有しており、
   前記第１制御手段は、商用電力から購入した電力を計測可能な買電力計測手段からの検出信号に基づいて、前記コジェネレーションユニットの前記発電手段の運転と停止、及び前記電気ヒートポンプ式加熱手段の運転と停止を行い、
   前記第２制御手段は、前記貯湯用熱交換器を介して前記貯湯タンク内に蓄える温水の温度の調節と、前記湯水混合手段から吐出される給湯温水の温度の調節と、を行うことが可能であり、
   前記第１制御手段と前記第２制御手段は、少なくとも前記第２制御手段から前記第１制御手段に情報を送信可能な通信線にて接続されている、
   コジェネレーションシステム。
6. 請求項５に記載のコジェネレーションシステムの運転方法であって、
   前記第２制御手段にて、必要な熱量である熱需要量を求めるステップと、
   前記第２制御手段にて、求めた熱需要量を含む熱需要情報を、前記通信線を介して前記第１制御手段に送信するステップと、
   前記第１制御手段にて、少なくとも前記商用電力の使用量に基づいて必要な電力である電力需要量を求めるステップと、
   前記第１制御手段にて、求めた電力需要量と、前記第２制御手段から受信した熱需要情報と、に基づいて前記電気ヒートポンプ式加熱手段の運転をするべきか否かを判断するステップと、
   前記第１制御手段にて、前記電気ヒートポンプ式加熱手段を運転するべきと判断した場合は、前記電気ヒートポンプ式加熱手段を運転するための電力量であるヒートポンプ用電力量を前記電力需要量に上乗せした新たな電力需要量に応じた発電をするように前記発電手段を制御し、前記ヒートポンプ用電力量に応じた電力にて前記電気ヒートポンプ式加熱手段を制御するステップと、を有する、
   コジェネレーションシステムの運転方法。
   
   

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