JP2020165549A - エネルギー管理制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力消費機器による電力需要と、熱消費機器による熱需要とを含むエネルギー需要を監視して、エネルギー需要バランスを最適化する【解決手段】大規模記憶装置５２に逐次格納されるエネルギー需要履歴情報から、予測される電力需要を計算し、エアコン２４Ａの出力と、床暖房装置６４の出力を設定する。床暖房需要は、３００Ｗ（一例）なので、エアコン需要と床暖房需要とに割り振る。電力需要において、最大発電効率とするのが省エネ性につながるため、最大発電効率となる電力（一例として、５００Ｗ）から予測される電力（矢印Ａ→１００Ｗ、矢印Ｂ→３００Ｗ、矢印Ｃ→６００Ｗ）を差し引き、その差分をエアコン出力とする。矢印Ａから矢印Ｃのプロットをつなげると、太実線のような特性が得られる。結果として、最大発電効率を維持できる電力の範囲を拡げることができる（太点線）。【選択図】図６

Description

本発明は、エアコンディショナーを主体とする電力需要と、床暖房及び給湯を主体とする熱需要と、を含むエネルギー需要を管理するエネルギー管理制御装置に関するものである。

コージェネレーション装置、例えば、家庭用燃料電池コージェネレーション装置（エネファームという場合がある）は、貯湯ユニットと燃料電池ユニットとが併設されたシステムである。

燃料電池ユニットでは、発電を目的として都市ガスを消費し続けており、発電に伴う発熱で、貯湯ユニット内の水を加熱して温水を生成する。

燃料電池ユニットでは、都市ガス中のメタンを改質し、水素を精製して大気中の酸素と反応させることで電気を生成する。発電した電力は、電力消費機器（例えば、エアコンディショナー等）に供給される（電力需要）。

燃料電池ユニットにおいて、電気を生成する場合、発熱を伴う。この発電によって発生した熱は、熱交換器によって回収し、貯湯ユニットの貯湯タンクに貯留された水を温めるために有効に利用され、家庭用燃料電池コージェネレーション装置が構築される。

また、貯湯ユニットはバックアップ熱源機を搭載しており、発熱により貯湯タンク内の水を温めるための熱が十分でない場合には、バックアップ熱源機によって必要な熱を補い、給湯を行うようになっている（熱需要）。なお、熱需要としては、温水を消費する給湯の他、貯湯タンク内の温水を床暖房として循環させる場合を含む。

ところで、家庭用燃料電池コージェネレーション装置において、貯湯タンク内の水が所定温度以上になると、それ以上は発電による熱を回収することできず、発電ユニットによる発電を停止させる場合がある。

特許文献１には、エアコンディショナーと床暖併用の空調を行う場合、それぞれの機器が独立して制御を行うため、床暖の設定温度や設定室温が高くなりすぎ、省エネ性や快適性を損なうことを課題として、機器コントロール装置によって、試運転で行われる床温センサを用いた床温度上昇確認の際に、部屋の熱的特性を把握することによって、床の表面温度を予想し、ネットワークに接続した床暖とエアコンディショナーを併用した場合に、快適性を損なわない範囲で、省エネルギーまたは、低コスト、または低ＣＯ２排出量になる制御を行うことが記載されている。

すなわち、特許文献１では、機器の運転制御情報と、室内の床面積と天井高さの情報とから室内の熱損失係数を算出し、算出した熱損失係数に基づき室内の床表面温度を算出することで、機器をコントロールする構成となっている。

参考として、特許文献２には、ＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）において、電気、ガス、水道等を使用する家庭内の設備機器をモニタリングし、これらを目的に沿って制御し、日々変動する気象条件や改定される電力料金を加味した運転計画を生成し、運転計画に基づき、家庭内の設備機器を制御することが記載されている。なお、特許文献２は、機器の運転計画が更新されない状態に陥った場合の対応が特徴となっている。

特開２００５−５５１０２号公報 特開２０１８−０４２３４８号公報

しかしながら、例えば、部屋の暖房において、エアコンディショナーで行うか、又は床暖房で行うかの選択は、需要家に委ねられているのが実情であり、省エネ性又は快適性を考慮するエネルギー需要管理は確立されていない。

特許文献１では、暖房対象機器を総括的に制御することで、部屋の省エネ性や快適性は考慮されるものの、エネルギー需要全体のバランスは考慮されていない。

特許文献２は、ＨＥＭＳによる日々の運転計画を生成しているが、主として、発電した電気の利用形態（電力消費、売電等）を計画するものであり、給湯需要とのバランスを考慮するものではない。

すなわち、省エネ性又は快適性は、エアコンディショナーによる電力需要と、床暖房や給湯による熱需要を含むエネルギー需要のバランスによって、大きく左右されることになる。ここで、省エネ性とは、主として、エネルギー消費に依存するコストダウンの大きさを言い、快適性とは、エネルギー源の消費軽減に伴う空調性能の低下の度合いを言う。

なお、エネルギー需要のバランスによる省エネ性又は快適性の変動は、発電能力を持つ上記家庭用燃料電池コージェネレーション装置（システムＡ）では特に顕著に現われるが、システムＡに限らず、ガスエンジンを搭載した家庭用ガスコージェネレーション装置（システムＢ）、発電能力は持たず排熱を利用した潜熱回収型ガス給湯器（システムＣ）、及び、発電能力は持たず比較的易い夜間電力を使って夜間の内に貯湯タンク内の水を温めるヒートポンプ式給湯器（システムＤ）に代表されるその他の給湯システムでも同様のことが言える。

参考として、エネルギー需要のバランスを考慮するべき給湯システムの種類を示す。

本発明は、電力消費機器による電力需要と、熱消費機器による熱需要とを含むエネルギー需要を監視して、エネルギー需要バランスを最適化することができるエネルギー管理制御装置を得ることが目的である。

本発明のエネルギー管理制御装置は、電力消費機器による電力需要と熱消費機器による熱需要とを含むエネルギー需要を管理するエネルギー管理制御装置であって、前記電力消費機器の一部であるエアコンディショナー、及び前記熱消費機器としての床暖房装置の少なくとも一方を選択して運転することで、室内空間の温度を制御する空調制御部と、過去の前記電力消費機器の電力需要状況、及び前記熱消費機器の熱需要状況に関する履歴情報を蓄積するデータベースと、前記データベースに蓄積された過去の一定期間の履歴情報に基づいて、前記空調制御部による空調制御を床暖房装置で行った場合の電力消費機器の消費電力を予測する予測部と、予め目標とされた目標消費電力と前記予測部で予測した予測消費電力との差に基づいて、前記空調制御部における全エネルギー需要に対する前記エアコンディショナーと前記床暖房装置とのエネルギー需要の割合を設定する設定部と、を有している。

本発明によれば、電力消費機器と熱消費機器とが併用され、総合的にエネルギー需要が管理される。例えば、省エネ性又は快適性のどちらを優先するかによって、エネルギー需要のバランスを管理する必要がある。

ところで、空調制御部では、目的が同じ、すなわち、室内空間の温度を制御する機器として、エアコンディショナー（電力消費機器）及び床暖房装置（熱消費機器）が併用されている場合がある。

本発明では、室内空間の温度の制御として、エアコンディショナーを用いるか、床暖房装置を用いるかを、データベースに蓄積された過去の電力消費機器の電力需要状況、及び熱消費機器の熱需要状況に関する履歴情報に基づいて管理するようにした。

すなわち、予測部では、データベースに蓄積された過去の一定期間の履歴情報に基づいて、前記空調制御を床暖房装置で行った場合の電力消費機器の消費電力を予測する（予測消費電力）。

設定部では、予め目標とされた目標消費電力と予測部で予測した予測消費電力との差に基づいて、空調制御部における全エネルギー需要に対するエアコンディショナーと床暖房装置とのエネルギー需要の割合を設定する。

これにより、省エネ性又は快適性に基づく、エネルギー需要バランスを維持することができる。

本発明において、原料ガスを改質し水素を精製して大気中の酸素と反応させることで発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットでの発電に伴い発生する熱を利用して、前記熱消費機器へ供給する給湯のための温水を生成し、かつ貯留する貯湯ユニットと、を備えたコージェネレーション装置をさらに有し、前記目標消費電力が、前記燃料電池ユニットによる発電において最大発電効率で出力される電力であることを特徴としている。

目標消費電力が、燃料電池ユニットによる発電において最大発電効率で出力される電力であるので、エアコンディショナーの運転状態を制御することで、燃料電池ユニットにおける発電を、最大発電効率での発電に近づけることができる。例えば、最大発電効率の状態で発電することで、原料ガスの消費量を軽減でき、快適性（原料ガス消費軽減による空調性能低下等）を損なわず省エネ性を高めることができる。

本発明において、前記燃料電池ユニットは、前記貯湯ユニットにおける貯湯タンク内の温水の温度が所定以上となった場合に、発電を停止する発電停止制御部をさらに有し、前記設定部で設定した、前記エアコンディショナーの消費電力を、貯湯タンク内の温水の温度に基づいて補正することを特徴としている。

貯湯タンク内の温水の温度を監視して、エアコンディショナーの消費電力を少なくなるように制御することで、燃料電池システムにおける、貯湯タンクの温水の所定以上の温度情報に伴う発電停止を回避することができる（床暖房装置への温水利用促進）。なお、エアコンディショナーの消費電力を多く補正することが可能であれば、貯湯タンク内の温水の湯量や温度を適正に維持することもできる（床暖房装置への温水利用抑制）。

以上説明したように本発明は、電力需要と熱需要とを含むエネルギー需要バランスを最適化することができ、例えば、燃料電池を搭載する場合に、発電効率を最大に維持することができる。

本発明において、エアコンディショナー（以下、エアコンという）は、水以外の熱媒体を循環させて室内空間の温度を制御する空調制御部の代表である。一方、床暖房装置は、水を熱媒体として循環させて室内空間の温度を制御する空調制御部の代表である。両者共に、室内空間を暖房する目的で設置される。

本発明によれば、電力消費機器による電力需要と、熱消費機器による熱需要とを含むエネルギー需要を監視して、エネルギー需要バランスを最適化することができるという効果を奏する。

本実施の形態に係るコージェネレーション装置（エネファーム）の概略図である。 本実施の形態に係るコントローラの構成を示すブロック図である。 実施の形態に係るコントローラで実行されるエネルギー管理制御のための処理を示す機能ブロック図である。 コントローラにおいて、ＨＥＭＳコントローラからエネルギー需要状況を取得し、蓄積するためのエネルギー需要状況蓄積ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係る予測制御ルーチンを示すフローチャートである。 本実施の形態に係るコントローラにおいて、暖房モードのエアコンと床暖房装置への電力振り分けを行った実施例１であり、予測電力需要と、燃料電池出力との関係を示す特性図である。 本実施の形態の実施例２に係り、暖房モードのエアコンと床暖房装置への電力振り分けを、一般的な家庭の生活パターンに取り入れたときの湯使用量、貯湯タンクの貯湯量、及び発電の推移を示すタイミングチャートである。

図１には、本発明のコージェネレーション装置の一例としての、本実施の形態に係る家庭用燃料電池コージェネレーション装置、（以下、本実施の形態において、「エネファーム１０」という）の概略図が示されている。

エネファーム１０は、貯湯ユニット１２と燃料電池ユニット１４とが併設されたシステムである。なお、併設とは、物理的に隣接していることに限定するものではなく、相互に連携しあうことを意味する。すなわち、貯湯ユニット１２と燃料電池ユニット１４とが離れた状態で設置され、配管や電気配線等で連結するようにしてもよい。

エネファーム１０において、貯湯ユニット１２は、貯湯タンク３２に貯留された温水を供給する機能を有し、燃料電池ユニット１４は、都市ガスを原料として製造した水素をもとに発電する機能を有し（詳細後述）、それぞれ、コントローラ１６によって制御される。

（コントローラ１６の構成）

図２に示される如く、コントローラ１６は、ＣＰＵ３４、ＲＡＭ３６、ＲＯＭ３８、Ｉ／Ｏ４０、及びこれらを接続するデータバスやコントロールバス等のバス４２で構成されたマイクロコンピュータ４４を備える。

Ｉ／Ｏ４０には、貯湯ユニット１２の制御対象機器１２Ｄと、燃料電池ユニット１４の制御対象機器１４Ｄとが接続され、コントローラ１６の制御によるそれぞれの動作が制御される。

また、Ｉ／Ｏ４０には、リモコンパネル４６及び大規模記憶装置５２が接続されている。大規模記憶装置５２は、各種データを記憶する本来の機能に加え、後述するエネルギー需要の履歴データベースとして機能する。

さらに、Ｉ／Ｏ４０には、貯湯タンク３２に貯留された温水の温度を検出する複数のサーミスタ５１（図１では図示省略）が接続されている。

貯湯タンク３２（図１参照）内の水温は、複数の温度層に分類される。水は、上層ほど温度が高くなる。このため、貯湯タンク３２内の水温は、最上層の温度が高く（高温）、下層に行くに従い温度が低くなり、最下層の温度が低い（低温）。

サーミスタ５１は、貯湯タンク３２内の各層（例えば、４層に分類した場合は、４層各々）の温度を検出する。コントローラ１６では、サーミスタ５１で検出した温度に基づいて、水道管３３（図１参照）からの給水時期や給水量等を制御する。

Ｉ／Ｏには、Ｉ／Ｆ５４を介して、ＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）を管理するＨＥＭＳコントローラ５６が接続されている。

ＨＥＭＳは、家電や電気設備とつないで、電気やガスなどの使用量をモニタ画面などで「見える化」し、負荷設備（家電機器等）の自動制御を実行するシステムであり、ＨＥＭＳコントローラ５６がこの自動制御を一括管理する。

すなわち、ＨＥＭＳコントローラ５６には、電力消費機器２４（本発明の電力消費機器として機能する、暖房モードのエアコン２４Ａを含むスマート家電）、マイコンガスメータ５０、及びスマートメータ６３が接続されている。

言い換えれば、コントローラ１６は、ＨＥＭＳコントローラ５６と通信することで、エネルギー需要情報の履歴データを取得することができる。

図１に示される如く、貯湯ユニット１２は、貯湯タンク３２を備えている。また、燃料電池ユニット１４は、ガス供給管１８からガス（例えば、都市ガス１３Ａ）を取り込んで水素を精製する燃料処理器２０と、水素と酸素とによる改質を中心とした処理で発電しかつ蓄電するスタック２２と、スタック２２に蓄電された電力（直流）を交流に変換し、家屋４８内の家電（家庭電化製品）や照明等の電力消費機器２４に供給するインバータ２８とを備えている。

なお、電力消費機器２４の代表例としては、エアコン、照明器具、テレビ、洗濯機、乾燥機、冷蔵庫、食器洗浄機、及び炊飯器等に代表される家庭電化製品が挙げられるが、その他、エネファーム１０に関わる制御対象機器１２Ｄ、１４Ｄ、並びに、エネファーム１０に関わる制御対象機器１２Ｄ、１４Ｄ（図２参照）、及びリモコンパネル４６等を言う。なお、家庭電化製品の一部又は全部は、ＨＥＭＳコントローラ５６によって管理されることで、所謂スマート家電と言う場合がある。

ここで、エネファーム１０において、燃料電池ユニット１４では、スタック２２で発電する際に発熱するため、冷却する必要がある。

一方、エネファーム１０において、貯湯ユニット１２では、水道管３３から貯湯タンク３２内に水道水等を取り入れ（給水）、給湯設備４９（シャワー、風呂、シンク等）への給湯用として利用するため、加熱（加温）する必要がある。

このため、燃料電池ユニット１４は、熱交換器３０を備えており、熱交換器３０では、スタック２２での発電で発生した高熱と、水道管３３を介して貯湯ユニット１２に設けられた貯湯タンク３２内に供給する水の低熱とが熱交換される。

燃料電池ユニット１４の一部を構成するインバータ２８は、商用電源６０との切り替えを制御する切替部６２に接続されている。切替部６２は、コントローラ１６の指示に基づき、電力供給源（燃料電池ユニット１４で発電した電力又は商用電源６０からの電力）を切り替える。

切替部６２の下流側には、電力の消費状態を監視するメータとして、スマートメータ６３が取り付けられている。

スマートメータ６３には、切替部６２による切り替えに依存して、燃料電池ユニット１４で発電した電力、或いは、商用電源６０からの電力が入力され、電力消費機器２４へ供給されるようになっている。言い換えれば、利用者が電力消費機器２４を利用する場合、何れかの電力が供給されるため、問題無く電力消費機器２４が利用できる。

なお、スマートメータ６３は、コントローラ１６に接続されており、コントローラ１６で制御されるリモコンパネル４６に、電力源が表示されるようになっている。

一方、ガス供給管１８には、マイコンガスメータ５０が取り付けられている。マイコンガスメータ５０の下流側には、分岐部１８Ａが設けられ、その一方の枝管１８Ｂが前記燃料処理器２０及びバックアップ熱源機５８へガスを供給する管路となる。

また、他方の枝管１８Ｃは、家屋４８内のガス消費機器６６（コンロ、ガスファンヒータ等）へガスを供給する管路とされる。

バックアップ熱源機５８は、貯湯タンク３２内の温水の温度（サーミスタ５１により検出した各層の温度）が予め定めた基準温度に達していない場合に、給湯設備４９等へ供給する温水を加熱するバックアップ機能を備えている。

また、バックアップ熱源機５８は、床暖房装置６４を循環する熱媒体（水）を加熱する機能を有している。

床暖房装置６４は、室内空間を形成する床面に敷設された床暖房パネル６４Ａを備えている。床暖房パネル６４Ａには、放熱配管（図示省略）が埋設されている。

放熱配管には、循環配管６５を介して、バックアップ熱源機５８から温水が供給され、かつ回収されることが繰り返され（循環構造）、放熱配管からの放熱により、室内空間内の空気が温められ、暖房される。

（熱消費機器と電力消費機器について）

ここで、床暖房装置６４と同等の機能を発揮する暖房モードのエアコン２４Ａを併用する場合がある。

床暖房装置６４の主たる構成機器であるバックアップ熱源機５８は、都市ガスを燃焼させて循環水を加熱する熱消費機器であり、床暖房装置６４は、居室空間の温度を制御する（加温制御する）空調機器の内、熱消費機器ということができる。厳密に言えば、循環のためのポンプの電力を消費するが、消費電力量はわずかなため、ここでは考慮しないこととする。

一方、暖房モードのエアコン２４Ａは、床暖房装置６４と同様に居室空間を加温制御するものであり、電力を消費して熱媒体（水以外）を循環させて熱交換する。暖房モードのエアコン２４Ａは、熱消費機器である床暖房装置６４に対して、居室空間の温度を制御する（加温制御する）空調機器の内、電力消費機器ということができる。

（燃料電池ユニット１４による発電）

燃料電池ユニット１４は、その定格に基づき、発電効率が最大となる出力（最大発電効率出力）が定められている。例えば、定格出力が７００Ｗの場合、最大発電効率出力は５００Ｗである。

燃料電池ユニット１４の運転（発電）において、最大発電効率出力を目標に発電を行うことが望ましい（電力消費制御）。

ところが、熱消費が少なく、貯湯タンク３２内の水の温度が上限値になると、熱交換器３０において、発電による熱を回収することできず、発電ユニットによる発電を停止せざるを得なくなる。

一方、熱消費が多く、貯湯タンク３２内の水の温度が上限値に至らないと、発電（燃料電池出力）が継続される。

すなわち、電力消費状況及び熱消費状況（エネルギー需要）のバランスが悪いと、省エネ性及び快適性の双方に悪影響を与えることになる。一例として、エアコン２４Ａの使用頻度が高いと、貯湯タンク３２内の温度が高くなって発電が停止し易くなり、発電効率が低下して省エネ性が損なわれる。一方、床暖房装置６４の使用頻度が高いと、発電による温水の加熱が間に合わず、空調性能が低下して、快適性が損なわれる。

例えば、ＡＩ等の学習によって、将来に向けたエネルギー需要を予測することはできるが、従来は、予測した結果を反映させ、エネルギー需要バランスを最適化する手段が確立されていなかった。

そこで、本実施の形態では、同一の目的（居室内空間の温度制御（加温制御））で適用する空調制御部として、電力消費機器の代表される暖房モードのエアコン２４Ａと、熱消費機器の代表される床暖房装置６４とが存在することに着目し、エアコン２４Ａと床暖房装置６４との運転振り分け（出力制御）によって、エネルギー需要バランスを最適化する制御を確立した。

（コントローラ１６によるエネルギー管理制御）

図３は、本実施の形態に係るコントローラ１６で実行されるエネルギー管理制御のための処理を示す機能ブロック図である。なお、一部又は全部のブロックは機能別に分類したものであり、ハード構成を限定するものではない。

エネルギー需要情報取込部１００は、ＨＥＭＳコントローラ５６に接続されており、当該ＨＥＭＳコントローラ５６からエネルギー需要情報を取り込む。なお、エネルギー需要情報の取り込みインタバルは、特に限定されないが、例えば、１０分おき程度に取り込むことが好ましい。

エネルギー需要情報取込部１００で取り込んだエネルギー需要情報は、大規模記憶装置５２（履歴データベース）に格納される。なお、大規模記憶装置５２の別の記憶領域には、予め最大発電効率出力Ｗｍａｘの値が記憶されている。最大発電効率出力Ｗｍａｘは、燃料電池ユニット１４の仕様に依存する。例えば、定格出力７００Ｗの場合、発電効率が最大となる出力は５００Ｗ程度である。

コントローラ１６は、計時部１０２を備えている。計時部１０２は、エネルギー管理制御を実行するトリガとしての役目を有する。計時部１０２は、履歴読出部１０４及び床暖房熱需要設定部１０６に接続されており、所定時間毎（例えば、１時間毎）に、履歴読出部１０４及び床暖房熱需要設定部１０６に対して起動を指示する。

履歴読出部１０４では、計時部１０２から起動が指示されると、大規模記憶装置５２にアクセスして、過去の一定期間（例えば、１週間）のエネルギー需要情報を読み出して、電力需要予測部１０８へ送出する。

電力需要予測部１０８では、過去のエネルギー需要情報に基づいて、将来に向けての電力需要Ｗｃａｌを予測すると共に、最大発電効率出力読出部１１０へ起動信号を出力する。

電力需要予測部１０８及び最大発電効率出力読出部１１０は、それぞれ第１比較部１１２に接続されている。

電力需要予測部１０８は、過去１週間分のエネルギー需要情報に基づいて、将来に向けたエネルギー需要を予測し、予測した電力需要Ｗｃａｌを第１比較部１１２へ送出する。

また、最大発電効率出力読出部１１０は、最大発電効率出力読出部１１０からの起動信号により、大規模記憶装置５２へアクセスして、最大発電効率出力Ｗｍａｘを読み出し、第１比較部１１２へ送出する。

一方、床暖房熱需要設定部１０６では、計時部１０２から起動が指示されると、室温情報及び室温設定値情報を取り込み、その温度差等に基づいて、床暖房装置６４における、必要な熱量（熱需要、単位「ｊｏｕｌｅ」）を設定する。

床暖房熱需要設定部１０６で設定された熱量（ｊｏｕｌｅ）は、床暖房出力換算部１１４へ送出され、電力値（床暖房出力Ｗｊｏｕｌｅ）に換算される。

床暖房出力換算部１１４は、換算した床暖房出力Ｗｊｏｕｌｅを、後述する出力振分部１１８及び第２比較部１２０へ送出する。

第１比較部１１２では、最大発電効率出力Ｗｍａｘと予測電力需要Ｗｃａｌとが比較される（Ｗｍａｘ：Ｗｃａｌ）。

第１比較部１１２は、出力余裕分計算部１１６及び出力振分部１１８に接続されており、比較結果に基づいて、信号出力先を異ならせている。

第１比較部１１２の比較の結果が、Ｗｍａｘ＞Ｗｃａｌの場合は出力余裕分計算部１１６に指示信号が出力され、Ｗｍａｘ≦Ｗｃａｌの場合は出力振分部１１８に振分指示信号１が出力される。

出力余裕分計算部１１６では、出力余分分Ｗｍ（＝Ｗｍａｘ−Ｗｃａｌ）が計算され、第２比較部１２０へ送出される。

第２比較部１２０では、出力余分分Ｗｍと床暖房出力Ｗｊｏｕｌｅとが比較される（Ｗｍ：Ｗｊｏｕｌｅ）。

第２比較部１２０は、差分計算部１２２及び出力振分部１１８に接続されており、比較結果に基づいて、信号出力先を異ならせている。

第２比較部１２０の比較の結果が、Ｗｍ＞Ｗｊｏｕｌｅの場合は出力振分部１１８に振分指示信号２が出力され、Ｗｍ≦Ｗｊｏｕｌｅの場合は差分計算部１２２に指示信号が出力される。

差分計算部１２２では、差分ΔＷ（＝Ｗｊｏｕｌｅ−Ｗｍ）を計算し、当該差分ΔＷと共に振分指示信号３を出力振分部１１８へ送出する。

ここで、出力振分部１１８では、第１比較部１１２からの振分指示信号１、第２比較部１２０からの振分指示信号２、差分計算部１２２からの振分指示信号３の何れかを受信することになる。

出力振分部１１８では、表２に示される如く、受信した振分指示信号の種類に基づいて、床暖房制御系へ出力値を設定すると共に、ＨＥＭＳコントローラ５６へ暖房モードのエアコン２４Ａの出力値を指示する。

以下に、本実施の形態の作用を、図４及び図５のフローチャートに従い説明する。

図４は、コントローラ１６において、ＨＥＭＳコントローラ５６からエネルギー需要状況を取得し、蓄積するためのエネルギー需要状況蓄積ルーチンを示すフローチャートである。この図４のフローチャートは、例えば、コントローラ１６における、主制御（貯湯ユニット１２及び燃料電池ユニット１４の動作制御）の実行中に、１０分毎に割り込まれて実行される。

ステップ１５０では、ＨＥＭＳコントローラ５６へアクセスし、次いで、ステップ１５２へ移行してＨＥＭＳコントローラ５６からエネルギー需要情報を取り込み、ステップ１５４へ移行して大規模記憶装置５２（履歴データベース）へ格納し、このルーチンは終了する。

なお、この図４のフローチャートは、１０分毎に実行するようにしたが、割込時間のインタバルが短ければ短いほど、リアルタイムな情報を得ることができるが容量が増大する。また、割込時間のインタバルが長ければ長いほど、リアルタイム性が喪失するが容量が減少できる。

従って、一定のインタバルではなく、変化が多いと予測される時間帯（朝の外出準備の時間帯、夕方帰宅後の数時間等）はインタバルを比較的短くし、変化が少ないと予測される時間帯（昼間留守の時間帯、深夜等）はインタバルを比較的長くしてもよい。

図５は、本実施の形態に係る予測制御ルーチンを示すフローチャートである。この図５のフローチャートは、例えば、コントローラ１６における主制御（貯湯ユニット１２及び燃料電池ユニット１４の動作制御）の実行中に、１時間毎に割り込まれて実行される。

ステップ１６０では、大規模記憶装置５２の履歴データベースから、例えば、過去１週間程度のエネルギー需要情報を読み出し、ステップ１６２へ移行する。

ステップ１６２では、読み出した過去のエネルギー需要情報（例、１週間分）に基づいて、単位時間毎の電力需要、給湯需要、暖房需要を予測し、それぞれの平均値を計算することで、電力需要予測値Ｗｃａｌを得る。

次のステップ１６４では、大規模記憶装置５２から、燃料電池ユニット１４において、発電効率が最大となる出力Ｗｍａｘを読み出す。この発電効率最大出力Ｗｍａｘは、燃料電池ユニット１４の仕様に依存した固定値である。例えば、定格出力が７００Ｗの場合、規格上の発電効率最大出力Ｗｍａｘは５００Ｗである。

なお、大規模記憶装置５２には、経時的に発電効率最大出力Ｗｍａｘが変動（規格から逸脱）することを予想して、燃料電池ユニット１４の定格出力のみを記憶しておき、定格出力に所定の経時劣化に依存する補正係数を加味してＷｍａｘを計算によって得るようにしてもよい。

次のステップ１６６では、床暖房装置６４を利用して床暖房するときに必要な熱需要出力Ｗｊｏｕｌｅを、熱需要（ジュール熱）から換算する。具体的には、床暖房対象の室内空間の現在の温度（室温）と設定温度差に基づいて、熱需要を設定し、設定した熱需要を電力需要に換算する（例えば、Ｗｊｏｕｌｅ＝３００Ｗ）。

次のステップ１６８では、最大発電効率出力Ｗｍａｘと、電力需要予測値Ｗｃａｌとを比較する。

このステップ１６８において、Ｗｍａｘ≦Ｗｃａｌと判定された場合は、電力需要が多く、燃料電池ユニット１４の発電出力分を暖房モードのエアコン２４Ａに回す余裕が無いと判断し、ステップ１７０へ移行して、ＨＥＭＳコントローラ５６へ、エアコン出力として、「０」Ｗ（すなわちエアコンオフ）を指示し、次いで、ステップ１７２へ移行して、床暖房装置６４による床暖房出力を、熱需要出力Ｗｊｏｕｌｅに設定し、このルーチンは終了する。

また、ステップ１６８において、Ｗｍａｘ＞Ｗｃａｌと判定された場合は、電力需要が少なく、燃料電池ユニット１４の発電出力分を暖房モードのエアコン２４Ａに回す余裕が有ると判断し、ステップ１７４へ移行する。

ステップ１７４では、出力余裕分Ｗｍを計算し（Ｗｍ＝Ｗｍａｘ−Ｗｃａｌ）、ステップ１７６へ移行する。

ステップ１７６では、出力余裕分Ｗｍと、床暖房に必要な熱需要出力Ｗｊｏｕｌｅとを比較する。

ステップ１７６において、Ｗｍ＞Ｗｊｏｕｌｅと判定された場合は、出力余裕分Ｗｍの全ての電力を消費することができると判断し、ステップ１７８へ移行して、ＨＥＭＳコントローラ５６へ、エアコン出力として、熱需要出力Ｗｊｏｕｌｅを指示し、次いで、ステップ１８０へ移行して、床暖房装置６４による床暖房出力を「０」Ｗ（すなわち床暖房装置６４のオフ）に設定し、このルーチンは終了する。

また、ステップ１７６において、Ｗｍ≦Ｗｊｏｕｌｅと判定された場合は、消費電力が制限されると判断し、ステップ１８２へ移行して、熱需要出力Ｗｊｏｕｌｅと出力余裕分Ｗｍとの差分ΔＷを計算し、ステップ１８４へ移行する。この差分ΔＷが消費可能な電力となる。

ステップ１８４では、ＨＥＭＳコントローラ５６へ、エアコン出力として、差分Ｗｍを指示し、次いで、ステップ１８６へ移行して、床暖房装置６４による床暖房出力を差分ΔＷに設定し、このルーチンは終了する。

なお、本実施の形態では、燃料電池ユニット１４の最大発電効率出力Ｗｍａｘと予測電力需要Ｗｃａｌとの比較（図３に示す第１の比較部１１２）、並びに、出力余裕分Ｗｍと床暖房出力Ｗｊｏｕｌｅとの比較（図３に示す第２の比較部１２０）を行い、エアコン２４Ａと床暖房装置６４へのエネルギー需要（出力）を振り分けたが、貯湯タンク３２内の温水の温度によって、当該出力を補正するようにしてもよい。

これにより、貯湯タンク３２内の温水の温度が、発電停止温となることを抑制することができる。また、逆に、給湯量が急増して、貯湯タンク３２内の温水の温度が極端に低い場合、エアコン２４Ａの出力を多くすることで、発電期間が増加して、貯湯タンク３２内の湯量と温度を適正に維持することができる。

（実施例１）

図６は、本実施の形態に係るコントローラ１６において、暖房モードのエアコン２４Ａと床暖房装置６４への電力振り分け（熱需要は電力に換算）を行った実施例１であり、予測電力需要と、燃料電池出力（すなわち、発電出力）との関係を示す特性図である。

前提として、暖房に必要な電力需要を、暖房モードのエアコン２４Ａと床暖房装置６４とに振り分けて、一定（以下では、３００Ｗ）の電力需要を確保することとする。

ここで、暖房モードのエアコン２４Ａによる電力需要（エアコン出力）を多くすると、発電効率は高くなるが、貯湯タンク内の温水の温度が高くなる。本実施の形態のエネファーム１０は、貯湯タンク３２の下部温度が６０℃を上回ると発電を停止する仕様となっている。

一方、床暖房装置６４による熱需要を多くすると、発電は停止し難くなるが、発電効率は低くなる。

そこで、電力需要と熱需要とのバランスを最適化し、快適性を維持しつつ省エネ性を向上する（図５のフローチャート参照）。

図６に示される如く、本実施例では、具体的数値として、燃料電池定格出力が７００Ｗ、発電効率が最大となる出力が５００Ｗ、床暖房に必要な出力が３００Ｗ（熱需要（ジュール熱）を電力換算）の場合、発電効率が５００Ｗに近くなるように、電力需要を制御する。

図６の矢印Ａは、図３及び図５に示す「振分２」に相当する一例である。図６の矢印Ａに示される如く、暖房を床暖房装置６４のみで行った場合において、予測される電力需要が１００Ｗのときは、エアコン２４Ａの出力を３００Ｗとする。この結果、床暖房装置６４の出力は「０」Ｗとなる。

この場合、エアコンフルモードということができ、最大発電効率の５００Ｗにはならないが、予測電力需要（１００Ｗ）を加味すると、４００Ｗまでは到達させることができる。

図６の矢印Ｂは、図３及び図５に示す「振分３」に相当する一例である。図６の矢印Ｂに示される如く、暖房を床暖房装置６４のみで行った場合において、予測される電力需要が３００Ｗのときは、エアコン２４Ａの出力を２００Ｗ出力とする。この結果、床暖房装置６４の出力は１００Ｗとなる。

この場合、エアコン出力（２００Ｗ）と、予測電力需要（３００Ｗ）とを足して、ちょうど５００Ｗとすることができる。

図６の矢印Ｃは、図３及び図５に示す「振分１」に相当する一例である。図６の矢印Ｃに示される如く、暖房を床暖房装置６４のみで行った場合において、予測される電力需要が６００ＷのときＨＡ，エアコン２４Ａの出力を「０」Ｗとする、この結果、床暖房装置６４の出力は３００Ｗとなる。

この場合、すでに、予測電力需要が最大発電効率を１００Ｗオーバーしているので、エアコン２４Ａを適用しないで暖房を行う。

なお、本実施の形態では、大規模記憶装置５２の履歴データベースとして大量の予測データが格納されていることを前提としたが、予測データがない場合は、床暖房スイッチオン時は床暖房装置６４の出力を３００Ｗとし、床暖房スイッチオフ時はエアコン２４Ａの出力を３００Ｗ出力とすればよい。床暖房装置６４を優先する方が、電力需要のばらつきが抑制されるからである。

本実施の形態では、表１に示すシステムの内、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムを例にとり説明したが、本発明は、表１に記載されたシステムに代表される、他のシステムにも適用可能である。

（実施例２）

図７は、本実施の形態の実施例２に係り、暖房モードのエアコン２４Ａと床暖房装置６４への電力振り分けを、一般的な家庭の生活パターンに取り入れたときの湯使用量、貯湯タンク３２の貯湯量、及び発電の推移を示すタイミングチャートである。

図７に示す生活パターンでは、午前６時頃に起床して午前８時頃に外出しており、この起床時刻から外出時刻までの期間に、洗面や朝食の支度等のために、お湯が使用される。

また、午前８時頃に外出し、例えば、夕飯の支度、入浴等で、お湯が使用され、午後９時頃（例えば、就寝時刻）には、お湯の使用が減少している。

湯使用量に合わせて、貯湯タンク３２内の貯湯量は変化するが、その分、水道水が補充され、燃料電池ユニット１４の発電によって加熱されるため、貯湯タンク３２内の貯湯量は、必ずしもお湯の使用量に比例しない。

上記生活パターンにおいて、起床時刻から外出時刻までと、帰宅時刻から就寝時刻までを、空調を行う期間、すなわち、エアコン２４Ａ及び床暖房装置６４の少なくとも一方による空調（暖房）を行っている期間とする。

仮に、空調（暖房）を床暖房装置６４のみによって行っており、予測した電力需要と実測した電力需要とがほぼ一致（予測電力≒実測電力）した場合、図７の実線Ｄに示される如く推移する。

この電力推移に対して、本実施の形態の振り分け制御を行うと、図７の点線Ｅに示される如く、空調制御期間中は、実測電力を最大発電効率出力５００Ｗに近づけることができる。

なお、実施例２は、外出中も空調を継続しない生活パターンとしが、外出中も空調を継続する生活パターンであれば、不在中の燃料電池ユニット１４の発電効率も最大発電効率に近づけることができる。

１０ 家庭用燃料電池コージェネレーション装置（エネファーム）
１２ 貯湯ユニット
１２Ｄ 制御対象機器
１４ 燃料電池ユニット
１４Ｄ 制御対象機器
１６ コントローラ（エネルギー管理制御装置）
１８ ガス供給管
１８Ａ 分岐部
１８Ｂ 枝管
１８Ｃ 枝管
２０ 燃料処理器
２２ スタック
２４ 電力消費機器
２４Ａ エアコン（エアコンディショナー）
２８ インバータ
３０ 熱交換器
３２ 貯湯タンク
３３ 水道管
３４ ＣＰＵ
３６ ＲＡＭ
３８ ＲＯＭ
４０ Ｉ／Ｏ
４２ バス
４４ マイクロコンピュータ
４６ リモコンパネル
４８ 家屋
４９ 給湯設備
５０ マイコンガスメータ
５１ サーミスタ
５２ 大規模記憶装置（データベース）
５６ ＨＥＭＳコントローラ
５８ バックアップ熱源機
６０ 商用電源
６２ 切替部
６３ スマートメータ
６６ ガス消費機器
１００ エネルギー需要情報取込部
１０２ 計時部
１０４ 履歴読出部
１０６ 床暖房熱需要設定部
１０８ 電力需要予測部（予測部）
１１０ 最大発電効率出力読出部
１１２ 第１比較部（設定部）
１１４ 床暖房出力換算部
１１６ 出力余裕分計算部（設定部）
１１８ 出力振分部（空調制御部）
１２０ 第２比較部（設定部）
１２２ 差分計算部（設定部）

Claims (3)

1. 電力消費機器による電力需要と熱消費機器による熱需要とを含むエネルギー需要を管理するエネルギー管理制御装置であって、
   前記電力消費機器の一部であるエアコンディショナー、及び前記熱消費機器としての床暖房装置の少なくとも一方を選択して運転することで、室内空間の温度を制御する空調制御部と、
   過去の前記電力消費機器の電力需要状況、及び前記熱消費機器の熱需要状況に関する履歴情報を蓄積するデータベースと、
   前記データベースに蓄積された過去の一定期間の履歴情報に基づいて、前記空調制御部による空調制御を床暖房装置で行った場合の電力消費機器の消費電力を予測する予測部と、
   予め目標とされた目標消費電力と前記予測部で予測した予測消費電力との差に基づいて、前記空調制御部における全エネルギー需要に対する前記エアコンディショナーと前記床暖房装置とのエネルギー需要の割合を設定する設定部と、
   を有するエネルギー管理制御装置。
2. 原料ガスを改質し水素を精製して大気中の酸素と反応させることで発電する燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットでの発電に伴い発生する熱を利用して、前記熱消費機器へ供給する給湯のための温水を生成し、かつ貯留する貯湯ユニットと、を備えたコージェネレーション装置をさらに有し、
   前記目標消費電力が、前記燃料電池ユニットによる発電において最大発電効率で出力される電力であることを特徴とする請求項１記載のエネルギー管理制御装置。
3. 前記燃料電池ユニットは、前記貯湯ユニットにおける貯湯タンク内の温水の温度が所定以上となった場合に、発電を停止する発電停止制御部をさらに有し、
   前記設定部で設定した、前記エアコンディショナーの消費電力を、貯湯タンク内の温水の温度に基づいて補正することを特徴とする請求項２記載のエネルギー管理制御装置。