JP2015140954A - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】最大使用電力の増加を防止可能なヒートポンプ給湯システムを提供すること。【解決手段】ヒートポンプ給湯システム１は、１又は複数のヒートポンプ式熱源機３ａからなるヒートポンプユニット３と、このヒートポンプユニット３を制御する制御装置６とを備え、制御装置６は、建物で使用する全使用電力を測定する電力測定装置１０から現在の使用電力を設定期間毎に取得する取得手段７と、現在の使用電力と過去所定期間における最大使用電力とを記憶する記憶手段８と、現在の使用電力を用いてヒートポンプユニット３の使用電力を除いた次の設定期間の使用電力を予測し、この予測使用電力と最大使用電力とに基づいてヒートポンプユニット３が次の設定期間に使用可能な使用可能電力を演算する演算手段９とを備え、最大使用電力を超えないように使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニット３の給湯運転を行う。【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ給湯システムに関し、特にヒートポンプ式熱源機と燃焼式熱源機とを備えたハイブリッド型のものに関する。

従来から、商業施設、ホテルや総合病院等の大・中規模の各種建物に使用される大能力のヒートポンプ給湯システムが実用に供されている。この種の大能力のヒートポンプ給湯システムは、多数の給湯箇所から同時にお湯が使用された場合であっても、この給湯負荷に余裕を持って対応する為に、大容量の貯湯タンク、複数のヒートポンプ式熱源機からなるヒートポンプユニット、複数の燃焼式熱源機からなる補助熱源ユニット、これらを制御する制御ユニット等を備えている。

ところで、上記のような各種建物に適用される法人向け電力料金体系では、過去所定期間（例えば１年間）における最大使用電力（ピーク電力）に応じて電力基本料金が変動する。この電力基本料金は、電気料金が高額となる原因になってしまう場合が多いので、最大使用電力の低減を図ることで、電気料金を引き下げることが望ましい。また、昨今では、省エネルギー化に対する要求が高いため、最大使用電力は極力低減することが望ましい。

このため、大・中規模の各種建物においては、建物のエネルギー管理をしてエネルギー消費量の削減を図るビルエネルギー管理装置（電力測定装置、所謂ＢＥＭＳ）が設けられている。例えば、特許文献１のビルエネルギー管理装置においては、省エネルギーに関する年間の目標値を設定し、ある時点において年間目標を達成する為に、今後消費可能なエネルギー使用量に基づいて現在使用可能なエネルギー量を算出し、現在の消費量をその値と比較し、多い場合にはその差分だけの負荷を自動的に遮断する。

特許４８５５９８２号公報

上記のような大・中規模の各種建物にヒートポンプ給湯システムを設置している場合、工作機械、空調や照明等の使用電力が高くなるピーク時間帯と、ヒートポンプユニットによる給湯運転の時間帯が重なると、建物の現在の使用電力が増大し、ビルエネルギー管理装置を設置していても過去所定期間の最大使用電力を超えてしまい、電力基本料金が大幅に増加するという問題がある。このため、使用電力のピーク時間帯になると、従来では、タイマー等を利用してヒートポンプユニットによる給湯運転を禁止し、ピーク時間帯に給湯運転が必要になった場合、補助熱源ユニットを稼動させて給湯運転を行う。

しかし、ヒートポンプユニットは、運転コストが低いという利点があるのに対して、補助熱源ユニットは、運転コストが高いので、ヒートポンプユニットの稼動を停止した状態で補助熱源ユニットの稼動時間が長くなると、ヒートポンプユニットによる運転コストの低減効果が望めなくなり、ヒートポンプ給湯システムを採用するメリットがなくなってしまう。また、特許文献１のビルエネルギー管理装置の技術を利用すると、使用電力を低減する場合、ヒートポンプユニットによる給湯運転を完全に遮断するので、上記と同様にヒートポンプユニットによる運転コストの低減効果が望めない。

本発明の目的は、最大使用電力の増加を防止可能なヒートポンプ給湯システムを提供すること、使用電力が高くなるピーク時間帯でもヒートポンプユニットによる給湯運転を有効利用可能なヒートポンプ給湯システムを提供すること、等である。

請求項１のヒートポンプ給湯システムは、１又は複数のヒートポンプ式熱源機からなるヒートポンプユニットと、このヒートポンプユニットを制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、前記制御手段は、建物で使用する全使用電力を測定する電力測定装置から現在の使用電力を設定期間毎に取得する取得手段と、前記現在の使用電力と過去所定期間における最大使用電力とを記憶する記憶手段と、前記現在の使用電力を用いて前記ヒートポンプユニットの使用電力を除いた次の設定期間の使用電力を予測し、この予測使用電力と前記最大使用電力とに基づいて前記ヒートポンプユニットが次の設定期間に使用可能な使用可能電力を演算する演算手段とを備え、前記制御手段は、前記最大使用電力を超えないように前記使用可能電力の範囲内で前記ヒートポンプユニットの給湯運転を行うことを特徴としている。

請求項２のヒートポンプ給湯システムは、請求項１の発明において、１又は複数の燃焼式熱源機からなる補助熱源ユニットを備え、前記制御手段は、前記使用可能電力の範囲内における前記ヒートポンプユニットの給湯運転では給湯量が不足する際には、前記補助熱源ユニットを稼動させて給湯運転を行うことを特徴としている。

請求項３のヒートポンプ給湯システムは、請求項１又は２の発明において、前記使用可能電力は、前記最大使用電力から前記予測使用電力を除いた余裕電力を算出し、この余裕電力に所定の係数を乗算する、又は、前記余裕電力から所定の電力値を減算することで演算されることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、制御手段は、最大使用電力を超えないようにヒートポンプユニットが次の設定期間に使用可能な使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニットの給湯運転を行うので、ピーク時間帯であっても使用電力の余裕の範囲内で、ヒートポンプユニットによる給湯運転を行うことができる。

従って、使用電力が高くなるピーク時間帯でもヒートポンプユニットを有効利用することができるので、ヒートポンプユニットによる運転コストの低減効果を最大限に発揮することができると共に、ヒートポンプユニットを過去所定期間の最大使用電力を超えないように稼動するので、最大使用電力の増加を防止することができる。

請求項２の発明によれば、制御手段は、使用可能電力の範囲内におけるヒートポンプユニットの給湯運転では給湯量が不足する際には、補助熱源ユニットを稼動させて給湯運転を行うので、ヒートポンプユニットを極力稼動しながら同時に補助熱源ユニットを稼動することで、要求給湯量を確実に供給することができる。

請求項３の発明によれば、使用可能電力は、最大使用電力から予測使用電力を除いた余裕電力を算出し、この余裕電力に所定の係数を乗算する、又は、前記余裕電力から所定の電力値を減算することで演算されるので、最大使用電力に達するまでに使用可能電力に余裕を持たせることで、瞬間的な変動によって使用電力が最大使用電力を超えるのを防止することができる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯システムの概略構成図である。 時刻と使用電力の関係を示す線図である。 給湯運転制御のフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明のヒートポンプ給湯システム１の全体構成について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯システム１は、大容量の貯湯タンク２と、１又は複数のヒートポンプ式熱源機３ａからなるヒートポンプユニット３と、１又は複数の燃焼式熱源機４ａからなる補助熱源ユニット４と、貯湯タンク２と各ユニット３，４間を接続する湯水循環回路５、各ユニット３，４を制御する為の制御装置６等を備え、電力測定装置１０と通信接続して建物の使用電力データ等を受信することが可能に構成されている。

ここで、電力測定装置１０について説明する。
図１に示すように、電力測定装置１０は、商業施設、ホテルや総合病院等の大・中規模の各種建物に設置され、信号線を介してヒートポンプ給湯システム１の制御装置６に通信可能に接続されている。電力測定装置１０は、建物が使用する全使用電力を測定し、省エネルギー化の為に建物の運転管理を効率的に行う、所謂ＢＥＭＳを構成するものである。

次に、貯湯タンク２について説明する。
図１に示すように、貯湯タンク２は、大容量の高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成されている。貯湯タンク２は、貯留された湯水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯タンク２と、ヒートポンプユニット３及び補助熱源ユニット４との間には、貯湯タンク２の湯水を循環させる為の湯水循環回路５が設置されている。

次に、ヒートポンプユニット３について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプユニット３は、複数（例えば３台）のヒートポンプ式熱源機３ａが並列的に連結されて構成されている。各ヒートポンプ式熱源機３ａは、圧縮機、湯水加熱用の凝縮熱交換器、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁、外気熱吸収用の蒸発熱交換器等を有し、これら機器が冷媒配管を介して接続されてヒートポンプ回路を構成し、冷媒配管に封入された冷媒を利用して貯湯運転を行う公知のヒートポンプ式熱源機で構成されている。

次に、補助熱源ユニット４について説明する。
図１に示すように、補助熱源ユニット４は、複数（例えば２台）の燃焼式熱源機４ａが並列的に連結されて構成されている。各燃焼式熱源機４ａは、燃焼用空気を供給する為の送風ファン、燃料ガスを燃焼させるバーナーユニット、燃焼ガスの主として顕熱を回収する顕熱回収用熱交換器、顕熱回収後の燃焼排気ガスの主として潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器等を備え、燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う公知のガス給湯器で構成されている。

次に、制御装置６について説明する。
図１に示すように、制御装置６は、ヒートポンプ給湯システム１の各部の運転を制御する為の制御手段を構成するものであって、給湯運転等の各種運転を実行する為のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを主要部として構成されている。尚、本実施例では、制御装置６をその機能に基づいて説明すると、図１に示すように、取得手段７、記憶手段８、演算手段９等を備えている。

この制御装置６は、過去所定期間における最大使用電力を超えないようにヒートポンプユニット３が使用可能な使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニット３の給湯運転を行い、使用可能電力の範囲内におけるヒートポンプユニット３の給湯運転では給湯量が不足する際には、補助熱源ユニット４を同時に稼動させて給湯運転を行うように構成されている。

取得手段７は、建物で使用する全使用電力を測定する電力測定装置１０から現在の使用電力を設定期間毎に取得するように構成されている。また、取得手段７は、電気料金の算出の際に用いられる電力基本料金となる過去所定期間における最大使用電力を、記憶手段８が記憶していない場合に電力測定装置１０から取得する。尚、最大使用電力は、例えば、過去１年間の３０分毎のピーク電力の最大値である。

記憶手段８は、各種の使用電力データを一時的に格納するＲＡＭ等で構成され、現在の使用電力と過去所定期間における最大使用電力とを主に記憶する。また、現在の使用電力を蓄積することで、過去の年毎、季節毎、月毎、曜日毎、時間毎の使用電力データ等も作成して記憶手段８に記憶可能である。この記憶手段８に格納された各種の使用電力データは、必要に応じて演算手段９に取り出される。

演算手段９は、ＲＯＭ等に格納された演算プログラムであり、現在の使用電力と各種の使用電力データとを用いてヒートポンプユニット３の使用電力を除いた次の設定期間（例えば１時間）の使用電力を予測し、この予測使用電力と最大使用電力とに基づいてヒートポンプユニット３が次の設定期間に使用可能な使用可能電力を演算する。

ここで、上記の使用可能電力の演算について図２に基づいて具体的に説明する。
図２は、１日におけるヒートポンプユニット３の使用電力分を除いた予測使用電力の変動を示している。即ち、縦軸に電力、横軸に時刻を表している。演算手段９は、設定期間毎（１時間毎）にヒートポンプユニット３の使用電力分を除いた予測使用電力（ｂ）を算出し、過去所定期間（１年間）における最大使用電力（ａ）から予測使用電力（ｂ）を除いた余裕電力（ａ−ｂ）を算出し、この余裕電力（ａ−ｂ）をヒートポンプユニット３の使用可能電力（ａ−ｂ）として利用する。

次に、制御装置６が実行するヒートポンプ給湯システム１の給湯運転制御について図３のフローチャートに基づいて詳しく説明する。尚、この給湯運転制御を実行する為の制御プログラムはＲＯＭ等に予め格納されている。

図３のフローチャートにおいて、この制御が開始されると、最初にＳ１にて、制御装置６は、所定のデータ（現在の使用電力）取り込みタイミングになったか否かを判定する。つまり、制御装置６による先のデータ取り込み時から設定期間（例えば１時間）経過している場合、Ｓ１の判定がＹｅｓとなり、Ｓ２に移行する。Ｓ１の判定がＮｏの場合は、Ｓ１の判定を繰り返す。

次に、Ｓ２において、取得手段７によって、電力測定装置１０から現在の使用電力や過去所定期間（例えば１年間）における最大使用電力等の各種の使用電力データを取り込み、この取り込まれた使用電力データを記憶手段８に格納して、Ｓ３に移行する。尚、最大使用電力は、所定期間毎に電力測定装置１０から取り込んでも良いし、記憶手段８に記憶された各種の使用電力データを用いて所定期間毎に更新しても良い。

次に、Ｓ３において、演算手段９は、記憶手段８から現在の使用電力と各種の使用電力データを取り出し、この現在の使用電力と各種の使用電力データとを用いて次の設定期間（例えば１時間）のヒートポンプユニット３の使用電力を除いた使用電力を予測し、Ｓ４に移行する。尚、この予測使用電力は、制御装置６が過去の季節毎、曜日毎、時間毎等の使用電力データを学習し、これに基づいて現在の使用電力が次の設定期間でどのように変動するかを予測した電力値である。

次に、Ｓ４において、過去所定期間における最大使用電力が予測使用電力を超えているか否かを判定し、最大使用電力が予測使用電力を超えている場合、Ｓ４の判定がＹｅｓとなり、Ｓ５に移行し、最大使用電力が予測使用電力を超えていない場合、Ｓ６に移行する。

次に、Ｓ５において、演算手段９は、予測使用電力（図２の予測使用電力（ｂ））と最大使用電力（図２の最大使用電力（ａ））とに基づいて、ヒートポンプユニット３が次の設定期間に使用可能な使用可能電力（図２の使用可能電力（ａ−ｂ））を演算し、Ｓ７に移行する。

尚、Ｓ６において、制御装置６は、ヒートポンプユニット３の稼動に伴って使用電力が最大使用電力を超えないように、ヒートポンプユニット３を稼動停止状態に設定し、補助熱源ユニット４を稼働許可状態に設定する。つまり、給湯運転が必要な場合は、補助熱源ユニット４のみで給湯運転を行う。

次に、Ｓ７において、給湯運転を実行する場合、使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニット３を稼動し、Ｓ８に移行する。具体的に、貯湯タンク２側からの要求給湯量に対して、使用可能電力の範囲内でヒートポンプ式熱源機３ａの稼動台数や出力能力を決定して給湯運転を行う。例えば、要求給湯量に応じて、３台のヒートポンプ式熱源機３ａの出力能力が均等になるように給湯運転を行う、または、各ヒートポンプ式熱源機３ａの出力能力を夫々調整（例えば２台をフル稼働させ、３台目の出力能力は抑制して稼動させる等）して給湯運転を行う。

次に、Ｓ８において、要求給湯量に対して給湯量が不足しているか否かを判定し、使用可能電力の範囲内でのヒートポンプユニット３の給湯運転では、給湯量が不足している場合、Ｓ８の判定がＹｅｓとなり、Ｓ９に移行して、補助熱源ユニット４を稼動し、Ｓ１に移行する。つまり、ヒートポンプユニット３と補助熱源ユニット４とを同時に稼動して給湯運転を行うことで、要求給湯量に対する不足分の給湯量を補う。尚、給湯量が足りている場合は、Ｓ８の判定がＮｏとなり、Ｓ１に移行、設定期間毎にこの一連の制御が実行される。

次に、本発明のヒートポンプ給湯システム１の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ給湯システム１において、３０分毎や１時間毎等の設定期間毎に電力測定装置１０から現在の使用電力を取り込んで記憶して、現在の使用電力と各種の使用電力データとを用いてヒートポンプユニット３の使用電力を除いた次の設定期間の使用電力を予測し、この予測使用電力と最大使用電力とに基づいて、ヒートポンプユニット３が次の設定期間に使用可能な使用可能電力を演算し、この使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニット３の給湯運転を行う。

従来では、制御装置６は電力測定装置１０に接続されておらず、建物の使用電力が高くなるピーク時間帯（例えば図２の１０時から１６時の間）では、運転スイッチのＯＮ／ＯＦＦやタイマー等でヒートポンプユニット３による給湯運転を停止する必要があったが、本発明では、制御装置６を電力測定装置１０に接続し、電力測定装置１０から現在の使用電力や過去所定期間における最大使用電力を取り込み、これらのデータを利用することで、使用電力のピーク時間帯であっても最大使用電力を超えないようにヒートポンプユニット３の給湯運転を行うことができる。

以上説明したように、制御装置６は、最大使用電力を超えないようにヒートポンプユニット３が次の設定期間に使用可能な使用可能電力の範囲内でヒートポンプユニット３の給湯運転を行うので、ピーク時間帯であっても使用電力の余裕の範囲内で、ヒートポンプユニット３による給湯運転を行うことができる。

従って、使用電力が高くなるピーク時間帯でもヒートポンプユニット３を有効利用することができるので、ヒートポンプユニット３による運転コストの低減効果を最大限に発揮することができると共に、ヒートポンプユニット３を過去所定期間における最大使用電力を超えないように稼動するので、最大使用電力の増加を防止することができる。

また、制御装置６は、使用可能電力の範囲内におけるヒートポンプユニット３の給湯運転では給湯量が不足する際には、補助熱源ユニット４を稼動させて給湯運転を行うので、ヒートポンプユニット３を極力稼動しながら同時に補助熱源ユニット４を稼動することで、要求給湯量を確実に供給することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
［１］前記演算手段９において、使用可能電力は、最大使用電力（ａ）から予測使用電力（ｂ）を除いた余裕電力（ａ−ｂ）を算出し、この余裕電力（ａ−ｂ）に所定の係数αを乗算することで演算しても良い。即ち、上記の余裕電力（ａ−ｂ）に係数α（例えば０．８）を乗算した余裕電力α（ａ−ｂ）を、ヒートポンプユニット３の使用可能電力α（ａ−ｂ）として利用しても良い。

また、前記演算手段９において、使用可能電力は、最大使用電力（ａ）から予測使用電力（ｂ）を除いた余裕電力（ａ−ｂ）を算出し、この余裕電力（ａ−ｂ）から所定の電力値βを減算することで演算しても良い。即ち、上記の余裕電力（ａ−ｂ）から所定の電力値βを減算した余裕電力（ａ−ｂ−β）を、ヒートポンプユニット３の使用可能電力（ａ−ｂ−β）として利用しても良い。

この演算手段９によれば、使用可能電力は、最大使用電力から予測使用電力を除いた余裕電力を算出し、この余裕電力に所定の係数を乗算すること等で演算されるので、最大使用電力に達するまでに使用可能電力に余裕（例えば１０ｋＷ程度）を持たせることで、瞬間的な変動によって使用電力が最大使用電力を超えるのを防止することができる。

［２］前記実施例において、貯湯タンク２、ヒートポンプ式熱源機３ａ、燃焼式熱源機４ａの能力や台数は、適宜変更可能である。

［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ ヒートポンプ給湯システム
３ ヒートポンプユニット
３ａ ヒートポンプ式熱源機
４ 補助熱源ユニット
４ａ 燃焼式熱源機
６ 制御装置（制御手段）
７ 取得手段
８ 記憶手段
９ 演算手段
１０ 電力測定装置（ＢＥＭＳ）

Claims (3)

1. １又は複数のヒートポンプ式熱源機からなるヒートポンプユニットと、このヒートポンプユニットを制御する制御手段とを備えたヒートポンプ給湯システムにおいて、
   前記制御手段は、
   建物で使用する全使用電力を測定する電力測定装置から現在の使用電力を設定期間毎に取得する取得手段と、
   前記現在の使用電力と過去所定期間における最大使用電力とを記憶する記憶手段と、
   前記現在の使用電力を用いて前記ヒートポンプユニットの使用電力を除いた次の設定期間の使用電力を予測し、この予測使用電力と前記最大使用電力とに基づいて前記ヒートポンプユニットが次の設定期間に使用可能な使用可能電力を演算する演算手段とを備え、
   前記制御手段は、前記最大使用電力を超えないように前記使用可能電力の範囲内で前記ヒートポンプユニットの給湯運転を行うことを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
2. １又は複数の燃焼式熱源機からなる補助熱源ユニットを備え、
   前記制御手段は、前記使用可能電力の範囲内における前記ヒートポンプユニットの給湯運転では給湯量が不足する際には、前記補助熱源ユニットを稼動させて給湯運転を行うことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。
3. 前記使用可能電力は、前記最大使用電力から前記予測使用電力を除いた余裕電力を算出し、この余裕電力に所定の係数を乗算する、又は、前記余裕電力から所定の電力値を減算することで演算されることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ給湯システム。