JP2022083255A - 流体加熱システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】暖房システム203は、電力によって運転を行うヒートポンプユニット220と、流れ回路203aと、バーナ211を有し水を加熱するボイラユニット210と、暖房制御部と、を備える。ヒートポンプユニット220は、冷媒が循環するヒートポンプ回路221を有する。流れ回路203aは、冷媒によって加熱される水が流れる。暖房制御部は、ヒートポンプユニット220の消費電力の上限値を取得する上限値取得部と、運転制御部と、を有している。運転制御部は、上限値を守る必要がある第1の時間帯において、消費電力が上限値を超えないように、ヒートポンプユニット220の運転を制御する。運転制御部は、第1の時間帯において、ヒートポンプユニット220による水の加熱だけでは加熱量が足りない場合に、ボイラユニット210の運転を行わせる。
【選択図】図5
Description
図1は、電力消費管理システムを説明するための模式図である。電力消費管理システムは、電力会社1aからの制御要請に応じて設備機器20の電力消費量の調整を所定の期間(以下、調整期間という)行った場合、設備機器20のユーザーに対してインセンティブを付与する仕組みのことである。この電力消費管理システムは、複数の設備機器20のユーザーに個別にインセンティブを付与する。電力会社1aおよびユーザーは、予め電力の使用に関する取り決めを定めた契約を締結しており、インセンティブの態様も、契約に基づいて予め決定される。このような電力消費管理システムは、電力供給者の電力会社1aと、需要者の各建物A,Bに設置された各装置とにより実現される。
(2-1)電力管理装置10
図2は、電力管理装置10の構成を示す模式図である。電力管理装置10は、通信部11、入力部12、出力部13、記憶部14、および、演算部15を備える。
設備機器20は、制御装置30により設定される制御条件で動作する機器である。設備機器20が、電力管理装置10からの制御要請を満たす制御条件で動作することで、電力消費管理システムにおいて電力消費量が調整されることになる。
図4は、制御装置30の構成を示す模式図である。制御装置30は、電力消費管理システムで用いられ、設備機器20を制御するものである。制御装置30は、通信部31、入力部32、出力部33、記憶部34、設定部35、演算部36、および、制御部37を備える。
流体加熱システムとしての暖房システム203は、図5および図6に示すように、ボイラユニット210と、ヒートポンプユニット220と、熱放出部230と、暖房制御部280とを備える。
熱放出部230は、例えば暖房システム203が住宅の暖房に使用されるのであれば、暖房(加熱)される空間としての複数の部屋に配置された熱放出器を含む。複数の熱放出器は、ラジエータ、床暖房、対流ヒータのような、熱交換器である。図5において、熱放出器は、参照符号231により概略的に示されている。さらに、加熱される空間内には、室温センサ233を有するサーモスタット232が1つ以上設けられる。室温センサ233は、室温センサ233が配置される部屋の温度を計測する。熱放出部230が、加熱される空間を構成する複数の部屋を加熱する場合には、各部屋もしくは多くの部屋に、サーモスタット232が配置される。各サーモスタット232は、室温センサ233を有する。暖房システム203の利用者は、サーモスタット232を介して要求室温を設定する。要求室温は、各部屋で異なっていてもよい。加熱される空間の要求室温は、集中的に設定されてもよい。室温センサ233は、対応する部屋の現在の室温を測定する。
暖房制御部280は、上述のサーモスタット232からの指示、要求に従って、ヒートポンプユニット220の圧縮機や膨張機構、ポンプ235、三方弁227、ボイラユニット210のバーナ211、三方弁216、などを制御する。暖房制御部280は、コンピュータにより実現されるものである。暖房制御部280は、制御演算装置と記憶部294とを備える。制御演算装置には、CPU又はGPUといったプロセッサを使用できる。制御演算装置は、記憶部294に記憶されているプログラムを読み出し、このプログラムに従って所定の画像処理や演算処理を行う。さらに、制御演算装置は、プログラムに従って、演算結果を記憶装置に書き込んだり、記憶部294に記憶されている情報を読み出したりすることができる。図6の暖房制御部280の各部281,282,291,293は、制御演算装置により実現される各種の機能ブロックを示している。記憶部294は、データベースとして用いることができる。
上限値取得部281は、電力管理装置10が決定した、暖房システム203に課せられた時間帯別の消費電力の上限値、を取得する。具体的には、電力管理装置10の制御要請送出部15dから、例えば13時から14時までの間、各建物の暖房システム203の消費電力を所定の上限値より小さくするように、「制御要請」が制御装置30に送られてくる。すると、制御装置30が、暖房システム203に対して設定された消費電力の上限値を、上限値取得部281に送る。これを、上限値取得部281が取得する。
第1算出部291は、単位供給電力当たりの電力生成時の二酸化炭素排出量の情報、に基づいて、トータル二酸化炭素排出量を算出する。本願では、図面において、二酸化炭素を「CO2」と、二酸化炭素排出量を「CO2排出量」と記載している。トータル二酸化炭素排出量は、ヒートポンプユニット220の運転による電力消費に関連する二酸化炭素排出量と、ボイラユニット210の運転における燃料の燃焼によって生じる二酸化炭素排出量と、の合計値である。単位供給電力当たりの電力生成時の二酸化炭素排出量の情報は、暖房制御部280が、制御装置30を介して、定期的に電力管理装置10から入手する。
第3算出部293は、ヒートポンプユニット220の運転に要する第1のランニングコストと、ボイラユニット210の運転に要する第2のランニングコストと、を算出する。具体的には、第1のランニングコストは、ヒートポンプユニット220の運転に要する電力の料金である。第2のランニングコストは、ボイラユニット210の運転に要する燃料(ガス等)の料金である。第3算出部293は、例えば、国際公開番号WO2012/077333(公開日:2012年6月14日)に示されているように、第1のランニングコストおよび第2のランニングコストを算出する。
運転制御部282は、暖房システム203が消費電力の上限値を守る必要がある第1の時間帯において、ヒートポンプユニット220の消費電力が上限値を超えないように、ヒートポンプユニット220の運転を制御する。例えば、運転制御部282は、ヒートポンプユニット220の圧縮機の容量を下げることで、ヒートポンプユニット220の消費電力を抑制する。
第2の時間帯に運転制御部282によって行われる制御と、第3の時間帯に運転制御部282によって行われる制御との比較を、外気温度に対するHP運転割合の形で、図7に示す。HP運転割合は、ヒートポンプユニット220の加熱量およびボイラユニット210の加熱量の合計に対して占める、ヒートポンプユニット220の加熱量の割合である。図7に示すように、外気温度が低いときには、ヒートポンプユニット220のCOPが小さいため、HP運転割合は0%となり、ボイラユニット210のみで作動流体の加熱が行われる。逆に、外気温度が高いときには、ヒートポンプユニット220のCOPが大きいため、HP運転割合を100%として、ヒートポンプユニット220のみで作動流体の加熱が行われる。
図8は、図7の下に、外気温度と消費電力との関係の一例を追加した図である。ある外気温度までは、HP運転割合が大きくなれば消費電力も大きくなる。但し、ある温度よりも外気温度が高くなると、暖房に必要な加熱量が小さくなってくるので、消費電力が右肩下がりとなる。
図11は、運転制御部282による各制御とCO2排出量との関係を示す図である。ボイラユニット210のみによって暖房の加熱を行う制御、ヒートポンプユニット220のみによって暖房の加熱を行う制御、第3の時間帯の「ランニングコスト優先」の制御、第3の時間帯の「ランニングコスト優先」の制御をベースとした第1の時間帯の「電力制限」の制御、第2の時間帯の「CO2排出量優先」の制御、および、第2の時間帯の「CO2排出量優先」の制御をベースとした第1の時間帯の「電力制限」の制御、の6つの制御におけるCO2排出量、が図11に示されている。図11に示されているように、ボイラユニット210のみによって暖房の加熱を行う制御時のCO2排出量を100としたとき、残る5つの制御時のCO2排出量は、それぞれ、95、89、89.5、85、86となる。なお、図11のグラフは、幾つかの典型的な外気温度のときの数値を平均化したものを示している。
(4-1)
暖房システム203では、消費電力の上限値(図8に示す消費電力上限など)を守る必要がある第1の時間帯において、その上限値を超えないようにヒートポンプユニット220の運転が制御される。これにより、暖房システム203が設置される地域の電力会社1aによる供給電力のピーク時に、ヒートポンプユニット220の消費電力が抑制され、地域の電力供給と電力需要とのバランスが保たれる。
暖房システム203では、ヒートポンプユニット220に電力供給を行う電力会社1aの電力管理装置10から提供される消費電力の上限値に関する情報を、上限値取得部281が取得している。これにより、暖房システム203のユーザーあるいは管理者は、電力供給者である電力会社1aに対して、地域の電力供給と電力需要とのバランスをとることに関する協力を行うことができるようになる。
一般に、ヒートポンプユニット220の運転による二酸化炭素排出量は、ボイラユニット210の運転による二酸化炭素排出量よりも少ない。これに鑑み、暖房システム203では、第2の時間帯の「CO2排出量優先」の制御においてヒートポンプユニット220を優先的に運転させつつ、消費電力の上限値を守る第1の時間帯において、ヒートポンプユニット220の消費電力を上限値以下に抑制することによって不足する加熱量だけ、ボイラユニット210の運転を行わせている。これにより、暖房システム203は、地球規模での二酸化炭素排出量の削減に、効果的に寄与することができている。
暖房システム203では、消費電力の上限値を守る必要がない第2の時間帯に、上記のトータル二酸化炭素排出量が小さくなるようなヒートポンプユニット220およびボイラユニット210の運転の制御を行っている。これにより、第2の時間帯においても、暖房システム203は、地球規模での二酸化炭素排出量の削減に、効果的に寄与する。
暖房システム203では、基本的には、第1の時間帯以外の時間帯を、第2の時間帯としている。しかし、ユーザーは、第2の時間帯の一部または全部を、第3の時間帯に変えることが可能である。この第3の時間帯では、ヒートポンプユニット220の電力料金である第1のランニングコストと、ボイラユニット210の燃料料金である第2のランニングコストとの合計が小さくなるように、ヒートポンプユニット220およびボイラユニット210の運転が行われる。このように、暖房システム203では、ユーザーが望む場合には、「CO2排出量優先」の制御が行われる第2の時間帯の一部または全部を第3の時間帯に変えて、「ランニングコスト優先」の運転を行わせることができる。これにより、ユーザーは、コスト低減のメリットを享受することができる。なお、第1の時間帯においては、上述のとおり、地域の電力供給と電力需要とのバランスをとることができる。
(5-1)変形例A
上記実施形態では、流れ回路203aに水のような作動流体を流し、循環する作動流体を介して部屋の暖房を行う暖房システム203を採用している。これに代えて、図12に示すように、ヒートポンプ302および燃焼装置303によって空気を加熱することで暖房を行う空調システム301を採用してもよい。
上記実施形態では、各建物A,Bに電力メーター7を設置し、制御装置30は、電力管理装置10の制御要請送出部15dから送られてきた「制御要請」に応じて、設備機器20を制御している。これにより、地域の電力供給と電力需要とのバランスが保たれる。そして、暖房システム203は、独自には電力計測機器を保持しておらず、暖房システム203の消費電力を所定の上限値より小さくする制御を行うときに、ヒートポンプユニット220の消費電力を圧縮機の容量などから推定している。
上記実施形態では、電力会社1aの電力管理装置10が、各建物A,Bの制御装置30に、電力使用量の調整を促す「制御要請」を送っている。しかし、電力供給と電力需要とのバランスをとるためのサービスの主体は、電力会社1aだけに限られるものではない。例えば、いわゆるアグリゲータが、エネルギーマネージメントのサービスの主体になってもよい。アグリゲータは、電力会社から節電や出力制御などの指令を受けて、各建物A,Bなどの電力需要家に対して電力使用量の調整を促す「制御要請」を送るサービス業者である。この場合、暖房システム203の上限値取得部281は、電力使用量の調整を促す「制御要請」を、アグリゲータから間接的に取得することになる。
上記実施形態では、上限値取得部281が、電力会社1aの電力管理装置10から、間接的に、暖房システム203の消費電力の上限値を取得している。
上記実施形態では、加熱する流体として水を採用しているが、水の代わりに不凍液を採用してもよい。
以上、流体加熱システムの実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された流体加熱システムの趣旨および範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。
203 暖房システム(流体加熱システム)
203a 流れ回路(流路)
210 ボイラユニット(燃焼装置)
211 バーナ(燃焼部)
220 ヒートポンプユニット(ヒートポンプ装置)
221 ヒートポンプ回路(冷媒回路)
280 暖房制御部(制御部)
281 上限値取得部
282 運転制御部
291 第1算出部
292 第2算出部
293 第3算出部
301 空調システム
302 ヒートポンプ
303 燃焼装置
Claims (8)
- 冷媒が循環する冷媒回路(221)を有し、電力によって運転を行う、ヒートポンプ装置(220)と、
前記冷媒によって加熱される流体が流れる、流路(203a)と、
燃焼部(211)を有し、前記ヒートポンプ装置とは別に前記流体を加熱する運転を行う、燃焼装置(210)と、
制御部(280)と、
を備える、流体加熱システムであって、
前記制御部は、
消費電力の上限値を取得する、上限値取得部(281)と、
前記上限値を守る必要がある第1の時間帯において、前記ヒートポンプ装置の消費電力が前記上限値を超えないように前記ヒートポンプ装置の運転を制御し、前記ヒートポンプ装置による前記流体の加熱だけでは前記流体の加熱量が足りない場合に、前記燃焼装置の運転を行わせる、運転制御部(282)と、
を有している、
流体加熱システム(203)。 - 前記上限値取得部(281)は、外部の発電設備の状況に応じて決定された前記上限値に関する情報を、外部の装置(10)から受け取る、
請求項1に記載の流体加熱システム。 - 単位供給電力当たりの電力生成時の二酸化炭素排出量の情報、に基づいて、前記ヒートポンプ装置および前記燃焼装置の運転による二酸化炭素排出量であるトータル二酸化炭素排出量を算出する、第1算出部と、
前記トータル二酸化炭素排出量が小さくなるように、前記上限値を算出する、第2算出部と、
をさらに備え、
前記上限値取得部は、前記第2算出部から前記上限値を取得する、
請求項1に記載の流体加熱システム。 - 前記運転制御部(282)は、前記第1の時間帯において、前記ヒートポンプ装置による前記流体の加熱だけでは前記流体の加熱量が足りない場合に、前記ヒートポンプ装置の消費電力を前記上限値以下に抑制することによって不足する加熱量だけ、前記燃焼装置の運転を行わせて前記流体を加熱させる、
請求項1から3のいずれかに記載の流体加熱システム。 - 前記ヒートポンプ装置および前記燃焼装置の運転による二酸化炭素排出量であるトータル二酸化炭素排出量を算出する、第1算出部(291)、
をさらに備え、
前記運転制御部(282)は、前記上限値を守る必要がない第2の時間帯において、前記トータル二酸化炭素排出量が小さくなるように、前記ヒートポンプ装置による前記流体の加熱と前記燃焼装置による前記流体の加熱との割合を決めて、前記ヒートポンプ装置および前記燃焼装置の運転を制御する、
請求項2に記載の流体加熱システム。 - 前記ヒートポンプ装置の運転に要する第1のランニングコストと、前記燃焼装置の運転に要する第2のランニングコストと、を算出する、第3算出部(293)、
をさらに備え、
前記運転制御部(282)は、前記上限値を守る必要がない第3の時間帯において、前記第1のランニングコストと前記第2のランニングコストとの合計が小さくなるように、前記ヒートポンプ装置による前記流体の加熱と前記燃焼装置による前記流体の加熱との割合を決めて、前記ヒートポンプ装置および前記燃焼装置の運転を制御する、
請求項2又は5に記載の流体加熱システム。 - 前記流体は、水であり、
前記流路において加熱された前記水を、暖房および/又は給湯に使用する、
請求項1から6のいずれかに記載の流体加熱システム。 - 前記流体は、空気であり、
前記流路において加熱された前記空気を、暖房に使用する、
請求項1から6のいずれかに記載の流体加熱システム。
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