JP2017036913A - 給湯システムおよびコージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排熱源の排熱を給湯に利用し、温水を加熱する補助熱源を備える給湯制御にあって、設定温度での安定給湯を実現する。
【解決手段】排熱源（燃料電池２６）の排熱で加熱される温水を給湯に利用する給湯システムであって、補助熱源（バーナ１４０）で加熱した熱媒の熱を前記温水に熱交換する熱交換部（熱交換器１６−１）と、前記温水の温度が設定温度以上であれば、前記温水を選択して給湯し、前記温水の温度が前記設定温度未満であれば、前記熱交換部で熱交換した前記温水を選択して給湯しまたは該温水に前記熱交換部を通過しない前記温水を混合して給湯する温水切替え部（混合弁１２−２）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はたとえば、排熱源からの熱を貯湯によって蓄熱し、給湯加熱などに用いる給湯技術に関する。

エンジン発電機や燃料電池の発電時の排熱エネルギ、太陽熱エネルギを熱交換して貯湯タンクに貯湯し、貯湯タンクから給湯する給湯システムが普及している。

このような給湯システムでは、貯湯タンクの湯温が給湯温度未満であれば、補助熱源により補助加熱を行って設定温度での給湯を実現することが知られている（たとえば、特許文献１）。補助熱源に燃焼加熱を使用する場合、補助熱源に供給する水量により補助熱源の下限能力を保証する制御が知られている（たとえば、特許文献２）。

特開２００３−１４８８０４号公報 特開２００７−３１１０３６号公報

ところで、補助熱源が休止中から動作を開始すると、急激な熱エネルギが供給されることになる。この場合、補助熱源の動作状態について、その下限能力を保証するため、冷水を供給する制御では、温水に対する冷水のミキシング量が増大する。つまり、冷水のミキシング量が増大することは貯湯タンクからの給湯量が抑えられる。このため、貯湯タンク内の湯の利用量が低下する状態に陥いるという課題がある。また、このような給湯制御では、下限能力の保証のために繊細な温度制御となるため、給湯温度がアンダーシュートやオーバーシュートといった急激に変化するという課題がある。

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、排熱源の排熱を給湯に利用し、温水を加熱する補助熱源を備える給湯制御にあって、設定温度での安定給湯を実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明の給湯システムの一側面によれば、排熱源の排熱で加熱される温水を給湯に利用する給湯システムであって、補助熱源で加熱した熱媒の熱を前記温水に熱交換する熱交換部と、前記温水の温度が設定温度以上であれば、前記温水を選択して給湯し、前記温水の温度が前記設定温度未満であれば、前記熱交換部で熱交換した前記温水を選択して給湯しまたは該温水に前記熱交換部を通過しない前記温水を混合して給湯する温水切替え部とを備える。

上記給湯システムにおいて、前記熱交換部に入る前記温水の温度を検出する温度センサと、前記温水切替え部を制御する制御部とを備え、前記制御部が前記温度センサの検出温度により前記温水切替え部を制御してもよい。

上記給湯システムにおいて、さらに、前記排熱源の排熱で加熱される温水が前記設定温度以上であれば、前記温水に給水を混合し、前記排熱源の排熱で加熱される温水が前記設定温度未満であれば、該温水を前記熱交換部に供給する混合手段とを備えてもよい。

上記給湯システムにおいて、さらに、前記熱交換部とともに循環ポンプを含む熱媒循環路とを備え、前記給水を契機に前記補助熱源または前記循環ポンプのいずれか一方または双方を動作させ、前記熱媒循環路に前記熱媒を循環させてもよい。

上記給湯システムにおいて、さらに、前記給水の温度を検出する温度センサと、前記混合手段を制御する制御部とを備え、前記制御部が前記温度センサの検出温度に応じて前記混合手段を制御してもよい。

上記給湯システムにおいて、前記補助熱源は、発熱量が下限値から上限値に制御可能であって、出湯中、所定温度より低下した時点の先行加熱時の発熱量を前記下限値に設定してもよい。

上記目的を達成するため、本発明のコージェネレーションシステムの一側面によれば、少なくともエンジン、燃料電池、太陽熱熱交換器のいずれかを排熱源に備えるコージェネレーションシステムであって、上記給湯システムを備える。

本開示の給湯システムまたはコージェネレーションシステムによれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) 温水が設定温度以上であれば、温水および必要な給水を用いて設定温度に出湯温を制御でき、温水が設定温度未満であれば、補助熱源による補助加熱を用いて設定温度に出湯を制御するので、出湯温のアンダーシュートなどの急変を防止でき、設定温度に制御された安定給湯を実現できる。

(2) 排熱で加熱された温水を全面的に使用でき、温水が設定温度未満に低下していても、温水側の蓄熱量を全面的に利用できる。

(3) 出湯時、排熱で加熱された温水を先行使用し、温水の滞留時間を短縮して水質低下を防止できる。

第１の実施の形態に係る給湯システムの一例を示す図である。 給湯制御の処理手順の一例を示すフローチャートである。 給湯システムの制御動作を説明するための図である。 給湯システムの制御動作を説明するための図である。 給湯システムの制御動作を説明するための図である。 給湯システムの制御動作を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る給湯システムの一例であるコージェネレーションシステムを示す図である。 貯湯タンクの貯湯温度の検出および温水供給を説明するための図である。 制御部の一例を示す図である。 制御動作の処理手順を示すフローチャートである。 給湯制御の処理手順を示すフローチャートである。 コージェネレーションシステムに用いられる給湯装置の一例を示す図である。

〔第１の実施の形態〕

図１は、第１の実施の形態に係る給湯システムを示している。この給湯システム２は本発明の給湯システムの一例であり、図１に記載これた構成に本発明が限定されるものではない。

この給湯システム２には蓄熱手段として貯湯タンク４が備えられている。この貯湯タンク４には温水ＨＷが貯められ、上層を高温層、下層を低温層とする階層状態で貯湯する。つまり、貯湯タンク４にはたとえば、出湯水の設定温度Ｔより高い温水から設定温度Ｔより低い温水まで貯湯される。そこで、本願では貯湯タンク４に貯湯されている水を温度に関係なく温水ＨＷとして扱っている。

この貯湯タンク４の温水ＨＷは、その下層側から貯湯循環路５−１に引き出され、エンジン発電機や燃料電池の発電時の排熱エネルギ、太陽熱エネルギと熱交換され、高温化される。高温化された温水ＨＷは貯湯循環路５−１により貯湯タンク４の上層側に戻される。したがって、貯湯タンク４には、上層を高温層、下層を低温層とする階層状態の貯湯温度分布で貯湯される。

貯湯タンク４の上層側には第１の温度センサ６−１が設置されている。この温度センサ６−１の検出温度をＴ１とし、この検出温度Ｔ１が制御部８に提供される。温度センサ６−１にはたとえば、サミスタ温度計を用いればよい。以下、他の温度センサにおいても同じである。

給湯時、給水路５−２により給水Ｗが貯湯タンク４の下層側に供給される。この給水Ｗで押し上げられるように、貯湯タンク４の上層側から温水ＨＷが出湯路５−３に流れる。この給湯システム２には制御部８で制御される第１および第２の温度調整部１０−１、１０−２が備えられている。混合弁１２−１の出側には出湯温を検出する第２の温度センサの一例である温度センサ６−２が備えられ、この温度センサ６−２の検出温度をＴ２とする。この検出温度Ｔ２が、温度調整部１０−１、１０−２の切替えに用いられる。つまり、Ｔ２≧Ｔでは温度調整部１０−１による温度調整、Ｔ２＜Ｔでは温度調整部１０−２による温度調整により、設定温度Ｔの出湯が行われる。温度調整部１０−２には熱媒ＨＣの熱によって温水ＨＷを加熱する補助熱源１４が備えられる。この補助熱源１４は、発熱量が下限値から上限値に制御可能であり、出湯中、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１が設定温度Ｔより低下した時点の先行加熱時の発熱量をたとえば、燃焼などの動作が維持される程度の下限値に設定すればよい。この発熱量は一例であり、この条件に本発明が限定されるものではない。

（Ｔ２≧Ｔの場合）

設定温度Ｔの出湯に貯湯タンク４の蓄熱量が十分な場合である。

Ｔ２≧Ｔであれば、検出温度Ｔ２に応じて温水ＨＷ側および給水Ｗ側の開度比率が制御部８によって制御される。貯湯タンク４から温水ＨＷが出湯路５−３に流れると、バイパス路５−４からの給水Ｗが温水ＨＷに混合され、設定温度Ｔの混合水ＭＷ１（＝ＨＷ＋Ｗ）が生成される。この混合水ＭＷ１は、停止中の温度調整部１０−２を通過し、混合水ＭＷ１が出湯水となる。この場合、温度センサ６−２と同様に第２の温度センサである温度センサ６−３の検出温度Ｔ３は、混合水ＭＷ１の検出温度Ｔ２となる。つまり、Ｔ３＝Ｔ２となる。

この場合、温度調整部１０−１の制御のみで設定温度Ｔでの出湯が可能であるから、補助熱源１４は停止状態とし、混合弁１２−２は制御しない。混合弁１２−２は温水ＨＷ側が全開状態とすればよい。混合弁１２−２は温水切替え部の一例である。

（Ｔ２＜Ｔの場合）

設定温度Ｔの出湯には貯湯タンク４の蓄熱量が不足している場合である。この場合、補助熱源１４を用いた間接加熱で不足熱量を補完する。補助熱源１４における熱源にはたとえば、燃焼ガスを燃焼して燃焼熱を生じるバーナ１４０を用いればよい。

給湯時、貯湯タンク４からの温水ＨＷを全面的に使用し、バイパス路５−４の給水Ｗの混合を行わない。つまり、混合弁１２−１は、温水ＨＷ側を全開状態とする。この場合、温度センサ６−２の検出温度Ｔ２は温水ＨＷの温度を表す。

貯湯タンク４の温水ＨＷが出湯路５−３より温度調整部１０−２に導かれると、温度調整部１０−２では、給湯時、先行的に補助熱源１４を動作させ、つまり、バーナ１４０を燃焼させ、この燃焼熱を熱媒循環路５−６に循環する熱媒ＨＣに熱交換する。熱媒循環路５−６には、熱交換器１６−１、１６−２および循環ポンプ１８ー１が備えられている。熱交換器１６−１は第１の熱交換部、熱交換器１６−２は第２の熱交換部の一例である。バーナ燃焼に連動して循環ポンプ１８−１が動作し、熱媒ＨＣが熱交換器１６−１、１６−２に循環する。バーナ１４０の燃焼熱が熱交換器１６−１により熱媒ＨＣに熱交換され、熱媒ＨＣの熱が熱交換器１６−２により温水ＨＷに熱交換される。この熱交換により、加熱された温水ＨＷを加熱温水ｈＨＷとする。

出湯路５−３にある温度センサ６−３が、この場合の出湯温度を検出する。この検出温度Ｔ３が制御部８に提供され、混合弁１２−２の加熱温水ｈＨＷ側と、加熱前の温水ＨＷ側の開度比率が制御される。これにより、加熱温水ｈＨＷ側と加熱前の温水ＨＷとの混合水ＭＷ２が得られ、設定温度Ｔに調整された混合水ＭＷ２（＝ｈＨＷ＋ＨＷ）が出湯水となる。

給湯中、Ｔ１≧ＴからＴ１＜Ｔに遷移すれば、その時点で先行的に補助熱源１４および循環ポンプ１８−１を動作させる。この場合、バーナ１４０の燃焼熱で加熱された熱媒ＨＣの熱が温水ＨＷに熱交換される。

図２は、給湯制御の処理手順の一例を示している。

この処理手順では、動作開始により給湯であるか否かを判断し（Ｓ１１）、給湯使用であれば（Ｓ１１のＹＥＳ）、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１が設定温度Ｔ未満であるか（Ｔ１＜Ｔ）を判定する（Ｓ１２）。

Ｔ１＜Ｔでなければ（Ｓ１２のＮＯ）、つまり、Ｔ１≧Ｔであれば、補助熱源１４を停止する（Ｓ１３）。これに対し、Ｔ１＜Ｔであれば（Ｓ１２のＹＥＳ）、補助熱源１４を稼働させる（Ｓ１４）。いずれの場合も、温度センサ６−２の検出温度Ｔ２に基づく温度調整部１０−１による温度制御を行い（Ｓ１５）、温水ＨＷと給水Ｗとの混合水ＭＷ１の出湯温を設定温度Ｔに制御する。

Ｔ２＜Ｔであるかを判断する（Ｓ１６）。Ｔ２＜Ｔであれば（Ｓ１６のＹＥＳ）、温度センサ６−３の検出温度Ｔ３に基づく温度調整部１０−２による温度制御を行い（Ｓ１７）、加熱温水ｈＨＷと加熱前の温水ＨＷとの混合により設定温度Ｔに調整された混合水ＭＷ２（＝ｈＨＷ＋ＨＷ）での出湯が行われる。

Ｔ２＜Ｔでなければ（Ｓ１６のＮＯ）、温度調整部１０−２の制御により混合弁１２−２のバイパス路５−５側を全開にし、バイパス路５−５側のみに混合水ＭＷ１を通過させる（Ｓ１８）。

また、Ｓ１１において、給湯使用でなければ（Ｓ１１のＮＯ）、補助熱源の停止とする（Ｓ１９）。

図３、図４および図５は、給湯システム２の動作パターンを示している。

Ｔ２≧Ｔの場合、設定温度Ｔの出湯に貯湯タンク４の蓄熱量が十分であるから、図３に示すように、温水ＨＷに給水Ｗを混合し、この混合水ＭＷ１をバイパス路５−５から混合弁１２−２を通して出湯する。

Ｔ２≧Ｔで出湯を開始し、その出湯中にＴ１＜Ｔに遷移した場合には、図４に示すように、混合水ＭＷ１の出湯中にバーナ１４０の燃焼を開始し、熱媒ＨＣを熱媒循環路５−６に循環させる。

Ｔ２＜Ｔの場合、設定温度Ｔの出湯には、貯湯タンク４の蓄熱量が不十分であるから、補助熱源１４で加熱された熱媒ＨＣの熱で温水ＨＷの補助加熱を行う。図５に示すように、混合水ＭＷ１の出湯中（図４）にＴ１＜Ｔに遷移した場合、Ｔ２＜Ｔに遷移すると、混合弁１２−１のバイパス路５−４を閉状態とし、温水ＨＷ側を開状態とする。これにより、貯湯タンク４から温水ＨＷのみが混合弁１２−１を通過する。このとき、温度センサ６−２の検出温度Ｔ２は温水ＨＷの温度を検出する。

温水ＨＷに熱媒ＨＣの熱が熱交換され、熱交換器１６−２から加熱温水ｈＨＷが得られる。混合弁１２−２ではバイパス路５−５を通過する温水ＨＷと、熱交換器１６−２からの加熱温水ｈＨＷとを混合し、混合水ＭＷ２が得られる。この混合水ＭＷ２の出湯温度が温度センサ６−３で検出され、混合弁１２−２のバイパス路５−５側の開度と加熱温水ｈＷ側の開度の開度比率が制御され、設定温度Ｔに制御された混合水ＭＷ２の出湯が得られる。

図６は、給湯制御の動作タイミングの一例を示している。

図６のＡは、貯湯タンク４の温水温度が出湯により低下する場合を示している。図６のＡにおいて、Ｔは出湯の設定温度、Ｔ１は温度センサ６−１の検出温度（＝貯湯温度）の推移の一例、Ｔ２は温度センサ６−２の検出温度（＝出湯温度）、Ｔ３は温度センサ６−３検出温度、Ｔｘは混合弁１２−１に入る温水ＨＷの温度の推移の一例を示している。このように、貯湯温度（Ｔ１）が変化しても、出湯温度（Ｔ２）が設定温度Ｔに制御されることを示している。温度Ｔｘが検出温度Ｔ１より高くなっているのは、貯湯タンク４の上層側から高い温度の温水ＨＷが混合弁１２−１に流れることによる。この温度は第２の実施の形態の温度センサ６−８（図７）で検出される。

Ｔ１≧ＴからＴ１＜Ｔに遷移した時点ｔ１で、バーナ１４０の燃焼を開始する。つまり、温度センサ６−２の検出温度Ｔ２が低下する前に、補助熱源１４を先行的に動作させる。これにより、図６のＢに示すように、熱媒温度Ｔｈｃがバーナ１４０の燃焼開始時点ｔ１から補助熱源１４の保有熱量により上昇し、一定温度に維持される。

検出温度Ｔ２が設定温度Ｔより低下した時点ｔ２で図６のＣに示すように、温度調整部１０−１の制御域Ｃ１から温度調整部１０−２の制御域Ｃ２に切り換えられている。時点ｔ１から時点ｔ２の間には、時間Δｔが存在する。つまり、バーナ１４０の燃焼が時点ｔ２より時間Δｔだけ先行し、温度調整部１０−２の制御域Ｃ２に切り換える前にバーナ１４０の燃焼を開始し、熱媒温度Ｔｈｃが一定温度に維持される。

図６のＤは、混合水ＭＷ２での出湯中に、貯湯タンク４の貯湯温度が上昇する場合を示している。図６のＤにおいて、Ｔは出湯の設定温度、Ｔ１は温度センサ６−１の検出温度（＝貯湯温度）、Ｔ２は温度センサ６−２の検出温度（＝出湯温度）、Ｔ３は温度センサ６−３検出温度、Ｔｘは混合弁１２−１に入る温水ＨＷの温度の推移の一例を示している。時点ｔ３は設定温度Ｔより検出温度Ｔ２が上昇する時点であり、時点ｔ４は検出温度Ｔ１が設定温度Ｔを超える時点であり、バーナ１４０の燃焼停止時点である。

図６のＥは、熱媒温度Ｔｈｃは補助熱源１４の保有熱量によって一定温度を維持し、時点ｔ４でバーナ１４０の燃焼停止により緩やかな下降状態となる。

そして、図６のＦに示すように、Ｔ２＜ＴからＴ２≧Ｔに遷移した時点ｔ３で温度調整部１０−２の制御域Ｃ２から温度調整部１０−１の制御域Ｃ１に切り換えられる。これにより温度調整部１０−１により、温水ＨＷおよび給水Ｗの混合または温水ＨＷのみで設定温度Ｔの出湯が得られる。

＜第１の実施の形態の効果＞

第１の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。

(1) Ｔ２≧Ｔの場合には貯湯タンク４の温水ＨＷおよび給水Ｗを用いて設定温度Ｔでの出湯を行う。補助熱源１４を動作させることなく、設定温度Ｔでの給湯を実現するので、経済的である。

(2) Ｔ２＜Ｔの場合には貯湯タンク４の温水ＨＷとともに、補助熱源１４で加熱した熱媒ＨＣの熱を温水ＨＷに熱交換するので、この場合にも貯湯タンク４の温水ＨＷの全面的使用が可能となり、貯湯タンク４の温水ＨＷの利用率が高く、温水ＨＷの残留を抑制できる。

(3) 給湯中、Ｔ１≧ＴからＴ１＜Ｔに遷移した場合、その遷移時点で、先行的に補助熱源１４を動作させ、熱媒ＨＣの熱を温水ＨＷに迅速に熱交換することができる。したがって、貯湯タンク４の温水ＨＷによるいわゆる湯切れ状態によるアンダーシュートを抑制でき、安定した設定温度Ｔの給湯が行える。

〔第２の実施の形態〕

図７は、第２の実施の形態に係るコージェネレーションシステムを示している。図７に示す構成は本発明の一側面を示したものであり、斯かる構成に本発明が限定されるものではない。

このコージェネレーションシステム２０には一例として燃料電池ユニット２２、貯湯・給湯ユニット２４が備えられる。燃料電池ユニット２２は排熱源の熱を温水ＨＷに熱交換する。貯湯・給湯ユニット２４は、既述の給湯システム２の一例であり、貯湯による蓄熱、温水ＨＷによる給湯を行う。

燃料電池ユニット２２には燃料電池２６および第３の熱交換器１６−３が備えられる。燃料電池２６は熱源の一例であり、熱源には同様に排気熱を利用可能なガスエンジンの他、排熱源、太陽熱などを用いてもよい。燃料電池２６の発電によって生じた排気は排気路５−７を通して熱交換器１６−３に導かれる。燃料電池２６の動作時、循環ポンプ１８−２を駆動し、貯湯タンク４の下層側から取り出された温水ＨＷが熱交換器１６−３に循環する。熱交換器１６−３により排熱との熱交換で高温化された温水ＨＷが貯湯タンク４の上層側に戻される。

貯湯タンク４には、階層状態にある貯湯温度を検出する複数の温度センサが備えられる。この実施の形態では上層側に温度センサ６−１、下層側に温度センサ６−４、６−５、６−６が上方から下方に向かって所定間隔で設置されている。温度センサ６−１の検出温度Ｔ１、温度センサ６−４、６−５、６−６の検出温度Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６が制御部８（図９）に提供される。

貯湯タンク４の給水路５−２には、流量センサ７および温度センサ６−７が設置されている。流量センサ７は給水流量を検出し、温度センサ６−７は給水温度を検出する。これら検出流量および検出温度Ｔ７は制御部８（図９）に提供される。

出湯路５−３には温度センサ６−８、６−９および温度センサ６−２、６−３が設置されている。温度センサ６−８は、混合弁１２−１の入側の温水ＨＷの温度を検出する。温度センサ６−９は、混合弁１２−２の入側の加熱温水ｈＨＷの温度を検出する。温度センサ６−３は、混合弁１２−２の出側の混合水ＭＷ２（＝ＨＷ＋ｈＨＷ）の温度を検出する。これら温度センサ６−２、６−３、６−８、６−９の検出温度Ｔ２、Ｔ３、Ｔ８、Ｔ９が制御部８に提供される。

熱媒循環路５−６には、アキュムレータ２８、熱交換器１６−１、１６−２、循環ポンプ１８−１および温度センサ６−１０、６−１１が備えられている。アキュムレータ２８はたとえば、膨張タンクであり、熱媒ＨＣを貯留して大気に開放する。温度センサ６−１０は、熱交換器１６−１の入側の熱媒ＨＣの温度を検出し、この検出温度をＴ１０とする。温度センサ６−１１は、熱交換器１６−１の出側つまり熱交換器１６−２の入側の熱媒ＨＣの温度を検出し、この検出温度をＴ１１とする。

＜温度センサ６−１の位置＞

図８は図７のVIII部を拡大して示している。温度センサ６−１は、図８に示すように、貯湯タンク４の上層部に設置されている。この温度センサ６−１の設置位置または温度検出位置は、補助熱源１４の加熱速度能力より求めればよい。つまり、温度センサ６−１は少なくとも、該温度センサ６−１で検出される温水ＨＷが給湯に使用される前に補助熱源１４の立ち上げを完了する時間を確保可能な容積レベル位置の温水ＨＷの温度を検出すればよい。一例として、規制流量２４〔リットル／ｍｉｎ〕で１０〔秒〕で加熱可能である場合は、温水量Ｗｍが４〔リットル〕以上に相当する容積レベル位置に設定され、その位置の貯湯温度を検出する。温度センサ６−１は、貯湯温度センサの一例である。図中、破線は上層側の温水ＨＷと、下層側の低温水ＬＨＷの分水嶺の仮想線を示している。

制御部８は、温度センサ６−１の検出温度が設定温度Ｔより低下した時点で補助熱源１４の駆動を開始すればよい。つまり、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１と設定温度Ｔとを比較し、Ｔ１≧Ｔで出湯を開始し、Ｔ１＜Ｔに遷移した時点ｔ１から、この温度変化が温度センサ６−２に到達する時点ｔ２までの時間Δｔ（＝ｔ１〜ｔ２、図６）が決定される。したがって、温水量Ｗｍに相当する容積レベル位置で温度センサ６−１で貯湯温度の変化を検出し、バーナ１４０を先行的に燃焼させれば、Ｔ１＜Ｔを検出した温水ＨＷが混合弁１２−２に到達する前に熱媒ＨＣの加熱および加熱温水ｈＨＷの先行加熱が可能となるので、混合水ＭＷ１から混合水ＭＷ２に切り替えられても、出湯温のアンダーシュートを防止できる。

＜制御系統＞

図９は、コージェネレーションシステム２０の制御系統の一例を示している。この制御系統３０はコンピュータによって構成される。この制御系統３０には既述の制御部８、燃料電池ユニット制御部３２およびリモコン制御部３４が含まれる。制御部８は、貯湯・給湯ユニット２４の給湯制御を行う。燃料電池ユニット制御部３２は、制御部８と連係し、燃料電池ユニット２２の発電制御などを行う。リモコン制御部３４は、制御部８や燃料電池ユニット制御部３２と連係し、図示しないリモコン装置からの入力情報や出力情報を制御する。

制御部８には、プロセッサ３６、メモリ部３８、システム通信部４０、入出力（Ｉ／Ｏ）部４２が備えられる。プロセッサ３６は、メモリ部３８にあるＯＳ（Operating System）や給湯制御プログラムを実行し、システム通信部４０を介して燃料電池ユニット制御部３２やリモコン制御部３４から提供される制御情報を参照し、給湯制御に必要な情報処理を実行する。

メモリ部３８は、ＯＳや制御プログラムの他、給湯制御に必要なデータを格納する。このメモリ部３８にはＲＯＭ（Read-Only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）が含まれる。このメモリ部３８にはデータを格納するハードディスク装置や不揮発性メモリなどの記憶素子が用いられる。ＲＡＭは情報処理のワークエリアを構成する。

システム通信部４０は、燃料電池ユニット制御部３２やリモコン制御部３４にあるシステム通信部と有線または無線で通信を行い、制御に必要な情報の送受を行う。

Ｉ／Ｏ部４２には、温度センサ６−１、６−２・・・・６−１１や、流量センサ７から検出情報が入力される。このＩ／Ｏ部４２から出力される制御情報は、混合弁１２−１、１２−２、循環ポンプ１８−１に提供されるとともに、バーナ燃焼制御部１４２に提供される。バーナ燃焼制御部１４２では、既述の先行加熱制御がプロセッサ３６によって実行される。

＜給湯制御などの処理手順＞

図１０は、給湯制御を含む制御のメインフローを示している。この処理手順では、起動時、イニシャライズを実行し（Ｓ２１）、貯湯・給湯ユニット２４などの各機能部の初期化を行う。

この初期化の後、熱回収処理（Ｓ２２）、給湯処理（Ｓ２３）、その他の管理処理（Ｓ２４）を実行する。熱回収処理（Ｓ２２）では、燃料電池ユニット２２による熱回収を行い、貯湯タンク４に温水ＨＷを貯湯する。給湯処理（Ｓ２３）では、貯湯タンク４の温水ＨＷを用いて給湯を行う。その他の管理処理（Ｓ２４）では、他の装置との連係動作や、凍結予防動作、メンテナンスなどの処理を行う。

図１１は、給湯制御の処理手順の一例を示している。この処理手順では、給湯か否かを監視し（Ｓ３１）、蛇口やシャワー等が開放され、給湯需要が生じたことを流量センサ７の検出流量により判断する。

給湯であれば（Ｓ３１のＹＥＳ）、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１が設定温度Ｔ未満（Ｔ１＜Ｔ）であるかを判断する（Ｓ３２）。貯湯タンク４の上層側の貯湯温度を温度センサ６−１で検出する。この検出温度Ｔ１が設定温度Ｔ未満かを判断する。設定温度Ｔはユーザの給湯目標温度であり、ユーザが図示しないリモコン装置のリモコン制御部３４に入力し、この設定温度Ｔが制御部８に通知される。制御部８では、検出温度Ｔ１が設定温度Ｔ未満かを判断する。検出温度Ｔ１は貯湯タンク４内の上層側貯湯温度であり、出湯路５−３に出た温水ＨＷの温度を検出する温度センサ６−８や温度センサ６−２の検出に先駆けて温度センサ６−１で貯湯温度を検出している。これは、温度調整の効果を高めるための先行的検知である。

Ｔ１＜Ｔであれば（Ｓ３２のＹＥＳ）、貯湯タンク４の温水ＨＷの熱量では設定温度Ｔでの出湯ができない場合である。この場合、循環ポンプ１８−１を駆動し（Ｓ３３）、熱媒ＨＣの補助加熱のための準備をする。温度センサ６−１１の検出温度Ｔ１１に基づき、熱媒ＨＣの温度が一定温度としてたとえば、８０〔℃〕になるように、バーナ１４０の燃焼量を制御する（Ｓ３４）。

また、Ｔ１＜Ｔでなければ（Ｓ３２のＮＯ）、動作中の循環ポンプ１８−１の駆動を停止し（Ｓ３５）、バーナ１４０の燃焼を停止する（Ｓ３６）。

温度センサ６−２の検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ未満（Ｔ２＜Ｔ）であるかを判断する（Ｓ３７）。なお、この判断には温度センサ６−２の検出温度Ｔ２に代えて温度センサ６−８の検出温度Ｔ８を用いてもよい。Ｔ２＜Ｔであれば（Ｓ３７のＹＥＳ）、混合弁１２−１を貯湯タンク４側すなわち、温水ＨＷ側を全開状態に制御し（Ｓ３８）、貯湯タンク４から温水ＨＷを混合弁１２−１に流し込む。

温度センサ６−３の検出温度Ｔ３に基づき、混合水ＭＷ２が設定温度Ｔになるように、混合弁１２−２を制御する（Ｓ３９）。このとき、混合弁１２−２では温水ＨＷに対し、熱媒ＨＣの熱を熱交換した加熱温水ｈＨＷが混合され、混合水ＭＷ２が生成される。この処理の後、Ｓ２３（図１０）にリターンする。

また、Ｔ２＜Ｔでなければ（Ｓ３７のＮＯ）、温度センサ６−２の検出温度Ｔ２に基づき、混合水ＭＷ１が設定温度Ｔになるように、混合弁１２−１を制御する（Ｓ４０）。このとき、混合弁１２−１では、設定温度Ｔを充足するに必要な給水Ｗを温水ＨＷに混合する。この場合、混合弁１２−２には設定温度Ｔに制御された混合水ＭＷ１が供給されるので、バイパス路５−５を全開状態とする（Ｓ４１）。この処理の後、Ｓ２３（図１０）にリターンする。

そして、Ｓ３１において、給湯停止中（Ｓ３１のＮＯ）であれば、循環ポンプ１８−１の駆動を停止し（Ｓ４２）、バーナ１４０の燃焼を停止し（Ｓ４３）、混合弁１２−２はバイパス路５−５側を全閉状態にし（Ｓ４４）、Ｓ２３（図１０）にリターンする。なお、Ｓ４４において、混合弁１２−２がバイパス路５−５側に全閉状態にされ、たとえば温度センサ６−９の検出温度Ｔ９が設定温度Ｔ未満（Ｔ９＜Ｔ）の状態で行う。これにより、給湯時のオーバーシュートを防止するとともに、貯湯タンク４内の蓄熱が十分な状態（Ｔ１≧Ｔ）が連続した場合、補助熱源１４と熱交換を行う回路に温水などが滞留するのを防ぐことができる。

＜第２の実施の形態の効果＞

第２の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。

(1) 貯湯タンク４に貯湯された温水ＨＷの有効利用を図ることができ、給湯能力を向上させることができる。

(2) ガスエンジンや燃料電池から得られた排熱を貯湯タンク４の温水ＨＷに熱交換して貯湯し、その温水ＨＷを給湯に利用できる。

(3) 補助熱源１４にはバーナ１４０の燃焼熱を利用し、この燃焼熱を熱媒ＨＣに熱交換し、熱媒ＨＣの熱を温水ＨＷの加熱に用いており、温水ＨＷは間接加熱によって昇温される。

(4) 貯湯・給湯ユニット２４にある第１の温度調整部１０−１では混合弁１２−１が備えられ、貯湯タンク４内の温水温度が設定温度Ｔ以上であれば、その温水ＨＷと給水Ｗとを混合し、混合水ＭＷ１の出湯温を設定温度Ｔに調整する。この場合、貯湯・給湯ユニット２４が設定温度Ｔでの出湯可能な場合には混合弁１２−２はバイパス路５−５側を全開状態とし、補助熱源１４による熱媒ＨＣの加熱は行わない。

(5) 貯湯タンク４の上層側の貯湯温度が設定温度Ｔ未満になれば、補助熱源１４の駆動を開始する。補助熱源１４では、熱媒循環路５−６および熱交換器１６−２が備えられ、熱媒ＨＣの熱を出湯路５−３の温水ＨＷに熱交換する。つまり、温水ＨＷが補助熱源１４により間接加熱され、加熱温水ｈＨＷが得られる。

(6) 給湯中、貯湯温度が設定温度Ｔ未満に降下した場合には、補助熱源１４を先行的に駆動して熱媒ＨＣを加熱し、貯湯・給湯ユニット２４の湯切れに備える。

(7) 貯湯・給湯ユニット２４の湯切れにより検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ未満となると、補助熱源１４の混合弁１２−２により、出湯温を設定温度Ｔに調整する。

(8) 貯湯・給湯ユニット２４の混合弁１２−１から得られた混合水ＭＷ１の温度が急激に降下しても、補助熱源１４側の熱媒ＨＣが先行加熱されているので、混合弁１２−２による温水ＨＷと加熱温水ｈＨＷとの混合比率の制御により、混合水ＭＷ１から混合水ＭＷ２にシフトする際の出湯温を安定化できる。

(9) 残湯無しの時、混合弁１２−１は温水ＨＷ側を全開とし、混合水ＭＷ２を出湯する際、温水ＨＷおよび加熱温水ｈＨＷは貯湯タンク４から供給される温水ＨＷで賄われ、貯湯タンク４の温水ＨＷが全面的に利用される。このため、貯湯タンク４内の温水残留が回避でき、タンク内水質の低下を防止でき、貯湯タンク４内の温水ＨＷの有効利用を図ることができる。

(10)温度調整部１０−２は貯湯・給湯ユニット２４と一体、または別体のいずれでもよい。このような温度調整部１０−２の形態を貯湯・給湯ユニット２４と分離可能とすれば、設置の自由度やメンテナンスの容易化を図ることができる。

(11)出湯しない場合には、温度センサ６−９の検出温度Ｔ９が設定温度Ｔ未満（Ｔ９＜Ｔ）の条件下、混合弁１２−２を熱交換器１６−２側に全開とし、つまり、バイパス路５−５側を全閉にするので、出湯開始時、バイパス路５−５側を全開にする場合でも切替えには相応の時間を必要としており、混合弁１２−２には熱交換器１６−２側の加熱温水ｈＨＷが流れ出るので、滞留を防止できる。

(12)給水流量としてたとえば、最大流量２４〔リットル／ｍｉｎ〕を通水させた場合、温度センサ６−１の温水ＨＷが流れ出るまで１０〔秒〕程度の猶予時間があり、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１が設定温度Ｔ未満（Ｔ１＜Ｔ）になっても、このような猶予時間の間に補助熱源１４内の熱媒ＨＣを十分に加熱できるので、湯切れしても出湯温は安定する。

図１２は、貯湯・給湯ユニット２４の第２の温度調整部１０−２の実施例を示している。図１２において、図１、図７と同一部分には同一符号を付してある。

この給湯装置４４は、第２の実施の形態に係る貯湯・給湯ユニット２４から貯湯タンク４、流量センサ７および混合弁１２−１を除いた構成を備えている。つまり、給湯装置４４は貯湯・給湯ユニット２４における第２の温度調整部１０−２を給湯機能として備え、暖房機能や浴槽水追焚き機能を具備している。

この給湯装置４４には出湯路５−３に貯湯タンク４側から温水ＨＷが供給され、混合水ＭＷ２を出湯する。この実施の形態では、バーナ１４０の燃焼熱を熱交換する熱交換器１６−１１、１６−１２、１６−１３が備えられる。熱交換器１６−１１は、燃焼熱の主として顕熱を熱媒ＨＣに熱交換し、熱交換器１６−１２は燃焼熱の主として潜熱を熱媒ＨＣに熱交換し、熱交換器１６−１３は燃焼熱の主として潜熱を出湯路５−３の温水ＨＷに熱交換する。したがって、この実施の形態では、温水ＨＷには、熱交換器１６−２により熱媒ＨＣの熱が熱交換されるとともに、熱交換器１６−１３により燃焼熱の主として潜熱が熱交換される。給湯装置４４における第２の温度調整部１０−２は第２の実施の形態で説明したので、その詳細は割愛する。

バーナ１４０にはバーナ燃焼制御部１４２が備えられ、このバーナ燃焼制御部１４２の制御にはファンによる給気制御、燃料ガスＧの給湯要求に対する比例弁制御、バーナ１４０の燃焼切替制御が含まれる。

制御部８には通信線５０を介してリモコン装置５２が接続され、このリモコン装置５２には既述のリモコン制御部３４が備えられている。

また、貯湯・給湯ユニット２４の制御部８とは別に給湯装置４４の制御部を設けてもよい。この場合には、通信線５０は給湯装置４４に接続し、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１情報の取得や、給湯設定温度Ｔの通知などを行えばよい。

熱媒ＨＣは、暖房時、熱媒循環路５−６から分岐した暖房回路５−８により、暖房パネル４６−１やコンベクタ４６−２などの放熱機器に循環させている。

熱媒循環路５−６には浴槽水ＢＷに熱媒ＨＣの熱を熱交換する熱交換器１６−３が設置されている。この熱交換器１６−３には追焚循環路５−９を介して浴槽４８が接続されている。したがって、浴槽水ＢＷの追焚時、循環ポンプ１８−３の駆動により、浴槽水ＢＷが追焚循環路５−９により熱交換器１６−３に循環し、浴槽水ＢＷに熱媒ＨＣの熱が熱交換される。

この給湯装置４４には既述の制御系統３０（図８）を用いればよい。この実施の形態では、制御部８で残湯無し判断に基づき、混合弁１２−２の制御やバーナ１４０の制御が行われる。残湯無し判断は、温度センサ６−１の検出温度Ｔ１と設定温度Ｔとの対比で行えばよく、たとえば、Ｔ１＜Ｔに移行した時点で、温水ＨＷのみつまり、補助加熱を用いないで設定温度Ｔでの給湯不能の際に残湯無しとすればよい。

このような給湯装置４４によれば、熱媒ＨＣによる温水ＨＷの加熱およびその制御を行う既述の温度調整部１０−２の機能を実現できる。

＜実施例の効果＞

この実施例によれば、次のような効果が得られる。

(1) 斯かる構成によれば、給湯装置４４の給湯機能を貯湯・給湯ユニット２４の第２の温度調整部１０−２に活用することができる。したがって、貯湯・給湯ユニット２４を設置する際に既存の給湯装置を利用し、貯湯タンク４を設置すればよい。

(2) 既設の貯湯タンク４があり、給湯装置４４が存在すれば、既述のコージェネレーションシステム２０の貯湯・給湯ユニット２４を構成できる。

(3) このようなシステムを用いれば、既述したように、貯湯タンク４の温水ＨＷを先行的に使用し、貯湯タンク４内の温水ＨＷの利用効率が高められ、しかも、設定温度Ｔに制御された安定出湯を行うことができる。

(4) 熱媒ＨＣは上記実施例では事前に燃焼動作を行ない、７５〔℃〕以上に加熱されるので、熱交換器１６−１を通過した温水ＨＷは７５〔℃〕以上に加熱され、加熱温水ｈＨＷが得られ、極めて衛生的である。

〔他の実施の形態〕

ａ) 上記実施の形態では、給湯装置４４は貯湯タンク４を備えていないが、貯湯タンク４を備える構成としてもよい。

ｂ) 貯湯・給湯ユニット２４では温度調整部１０−２を内蔵しているが、貯湯・給湯ユニット２４から温度調整部１０−２を外付け構成としてもよい。

ｃ）第１の実施の形態では熱媒循環路５−６にアキュームレータ２８（図３）を省略しているが、熱媒ＨＣを溜め、循環する熱媒ＨＣを外気に開放する膨張タンクを備えてもよい。

以上説明したように、本発明の技術の最も好ましい実施の形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明の給湯システム、コージェネレーションシステムでは、燃料電池などの排熱源の排熱を温水加熱に利用することにより、排熱の温水加熱へ効率的な利用とともに、給湯時の出湯温度の安定化を高めることができる。

２ 給湯システム
４ 貯湯タンク
５−１ 貯湯循環路
５−２ 給水路
５−３ 出湯路
５−４ バイパス路
５−５ バイパス路
５−６ 熱媒循環路
５−７ 排気路
５−８ 追焚循環路
６−１、６−２、６−３、６−４、６−５、６−６、６−７、６−８、６−９、６−１０、６−１１ 温度センサ
７ 流量センサ
８ 制御部
１０−１ 第１の温度調整部
１０−２ 第２の温度調整部
１２−１ 第１の混合弁
１２−２ 第２の混合弁
１４ 補助熱源
１６−１、１６−２、１６−３ 熱交換器
１８−１、１８−２、１８−３ 循環ポンプ
２０ コージェネレーションシステム
２２ 燃料電池ユニット
２４ 貯湯・給湯ユニット
２６ 燃料電池
２８ アキュムレータ
３０ 制御系統
３２ 燃料電池ユニット制御部
３４ リモコン制御部
３６ プロセッサ
３８ メモリ部
４０ システム通信部
４２ 入出力（Ｉ／Ｏ）部
４４ 給湯装置
４６−１ 暖房パネル
４６−２ コンベクタ
４８ 浴槽
５０ 通信線
５２ リモコン装置
１４０ バーナ
１４２ バーナ燃焼制御部

Claims (7)

1. 排熱源の排熱で加熱される温水を給湯に利用する給湯システムであって、
   補助熱源で加熱した熱媒の熱を前記温水に熱交換する熱交換部と、
   前記温水の温度が設定温度以上であれば、前記温水を選択して給湯し、前記温水の温度が前記設定温度未満であれば、前記熱交換部で熱交換した前記温水を選択して給湯しまたは該温水に前記熱交換部を通過しない前記温水を混合して給湯する温水切替え部と、
   を備えることを特徴とする給湯システム。
   
2. 前記熱交換部に入る前記温水の温度を検出する温度センサと、
   前記温水切替え部を制御する制御部と、
   を備え、前記制御部が前記温度センサの検出温度により前記温水切替え部を制御することを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
   
3. さらに、前記排熱源の排熱で加熱される温水が前記設定温度以上であれば、前記温水に給水を混合し、前記排熱源の排熱で加熱される温水が前記設定温度未満であれば、該温水を前記熱交換部に供給する混合手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給湯システム。
   
4. さらに、前記熱交換部とともに循環ポンプを含む熱媒循環路と、
   を備え、前記給水を契機に前記補助熱源または前記循環ポンプのいずれか一方または双方を動作させ、前記熱媒循環路に前記熱媒を循環させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の給湯システム。
   
5. さらに、前記給水の温度を検出する温度センサと、
   前記混合手段を制御する制御部と、
   を備え、前記制御部が前記温度センサの検出温度に応じて前記混合手段を制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の給湯システム。
   
6. 前記補助熱源は、発熱量が下限値から上限値に制御可能であって、出湯中、所定温度より低下した時点の先行加熱時の発熱量を前記下限値に設定することを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の給湯システム。
   
7. 少なくともエンジン、燃料電池、太陽熱熱交換器のいずれかを排熱源に備えるコージェネレーションシステムであって、
   請求項１ないし請求項６のいずれかの請求項に記載の給湯システムを備えることを特徴とするコージェネレーションシステム。
   
   

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