JP4117565B2

JP4117565B2 - ハイブリッド給湯システム

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Publication number: JP4117565B2
Application number: JP2004070505A
Authority: JP
Inventors: 信行高橋; 俊二浅井; 秀年鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp; Yazaki Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Yazaki Corp
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005257195A

Description

太陽熱と燃料電池を熱源として蓄熱、給湯するハイブリッド給湯システムに関する。

従来、太陽熱を利用して温水を作り、貯湯する貯湯槽と瞬間湯沸かし器などの補助熱源を利用した給湯器を併用する給湯装置としては、例えば特許文献１〜６に開示されているものが知られている。また、最近、燃料電池の開発に伴い、燃料電池のオフガスの燃焼熱を利用して温水を作り、貯湯、給湯するシステムが知られている。

しかし、太陽熱を利用して温水を作り、貯湯、給湯するシステムで、温水の量あるいは温度が不足した場合に、補助熱源として燃料電池の熱を集熱しておいて太陽熱の集熱の不足を補うものは考えられていなかった。

特開平５―３２２３０４号公報特開平７−７１８１８号公報特開平９−８９２８１号公報特開平１０−４７７５２号公報特開２００２−１３９２４８号公報特開２００３−２１４７０３号公報

上記従来技術では、太陽熱を集熱して熱源とする給湯装置で集熱量が不足した場合に、燃料電池の熱を利用して不足分を補おうとすると、第１に、前記特許文献１に記載のシステムに、補助熱源として燃料電池を用いることが考えられる。しかし、燃料電池の熱を瞬間湯沸かし器の熱源として用いることは困難である。第２に、太陽熱を集熱、蓄熱する貯湯槽Bと別に燃料電池を熱源として蓄熱、給湯する貯湯槽Aを設け、貯湯槽Bの所定温度以上の温度の貯湯量が不足した場合に貯湯槽Aの貯湯を使用する方法が考えられる。しかし、この方法では、貯湯槽Bの低温の貯湯は使用されることがなく、集熱された太陽熱は無駄に放熱されることになる。また、例えば、太陽熱集熱は曇天の日には集熱量が低下するし夜間には集熱しないから、そのような場合に、予測した給湯量に対して貯湯槽Ｂの給湯可能水量と貯湯槽Ａの給湯可能水量の合計が不足する可能性がある。

本発明の目的は、燃料電池を太陽熱の集熱で不足した熱量を補う熱源として利用し、集熱した太陽熱を効率よく利用するとともに、太陽熱の集熱量に応じて燃料電池の運転を適切に制御することにある。

上記課題を解決する本発明は、燃料電池を熱源として給水を加熱し貯湯する貯湯槽Aと、太陽熱を熱源として給水を加熱し貯湯する貯湯槽Bと、前記貯湯槽Aの貯湯と貯湯槽Bの貯湯を混合して給湯する混合手段と、前記貯湯槽Aの水温と貯湯槽Bの水温に基づいて前記混合手段における貯湯槽Aの貯湯と貯湯槽Bの貯湯の混合割合及び燃料電池の運転を制御する制御手段と、を有してなり、あらかじめ設定された温度範囲の湯を供給するハイブリッド給湯システムであって、制御手段は、太陽熱を熱源とする貯湯槽Ｂから給湯をし、貯湯槽Ｂからの給湯が不足する場合に、燃料電池を熱源とする貯湯槽Ａの貯湯で不足分を満たすよう混合割合を制御するとともに、あらかじめ設定された給湯開始予定時刻及び給湯予定量に対して、給湯開始予定時刻における貯湯槽Ａの貯湯と貯湯槽Ｂの貯湯の合計給湯可能量が給湯予定量を下回ることがないように監視しながら燃料電池の運転を制御し、かつ、常にある一定量の給湯が可能であるように燃料電池の運転を制御することを特徴とする。

この構成によれば、制御手段は貯湯槽Bの水温があらかじめ定められた給湯温度未満の場合でも、貯湯槽Aの水温が前記あらかじめ定められた給湯温度以上であれば、混合手段により貯湯槽Bの貯湯に貯湯槽Aの貯湯を混合して給湯するように、混合手段を制御するから、太陽熱で加熱された貯湯を有効に利用できる。また、給湯開始予定時刻における貯湯槽Ａの貯湯と貯湯槽Ｂの貯湯の合計給湯可能量が給湯予定量を下回ることがないように監視しながら燃料電池の運転を制御し、かつ常にある一定量の給湯が可能であるように燃料電池の運転を制御することで、太陽熱の集熱量に応じた適切な燃料電池の運転制御をすることができる。

前記混合手段は、貯湯槽Aの貯湯と貯湯槽Bの貯湯の混合だけでなく、貯湯槽Bの貯湯と給水の混合をも行うよう構成することが望ましい。このように構成すれば、貯湯槽Bの貯湯が前記あらかじめ定められた給湯温度よりも高温のとき、給水を混合して給湯温度にして給湯することができ、太陽熱で加熱された貯湯を有効に利用できる。

また、前記制御手段は、前記混合手段における貯湯槽Bの貯湯と給水の混合割合を給湯管の水温に基づいて制御するよう構成されていることが望ましい。このように構成すれば、混合された給湯の温度があらかじめ定められた給湯温度よりも低くなりすぎたり、高いままだったりすることが避けられ、太陽熱で加熱された水を有効に利用できる。

本発明によれば、太陽熱を熱源として蓄熱する貯湯槽を備えた給湯システムにおいて、太陽熱を熱源として蓄熱する貯湯槽の湯があらかじめ定めた給湯温度範囲よりも低い場合であっても燃料電池の熱を蓄熱した貯湯槽の温水と混合して前記給湯温度範囲の温水として給湯利用されるので、集熱した太陽熱が有効に利用され、エネルギー効率のよい給湯が可能になる。

本発明の実施例を図１を参照して説明する。図１に示す給湯システム（ハイブリッド給湯システム）は、貯湯ユニット１aと、貯湯ユニット１aに熱媒循環配管である往き配管７ａ，戻り配管７ｂで接続された燃料電池３と、貯湯ユニット1ｂと、貯湯ユニット1ｂに同じく熱媒循環配管である往き配管７ｃ，戻り配管７ｄで接続された太陽熱集熱器４と、戻り配管７ｂに介装された循環ポンプ８ａおよびシスターン９aと、戻り配管７ｄに介装された循環ポンプ８ｂおよびシスターン9ｂと、貯湯ユニット１aにセンサ電線２３ａ，２３ｂ，２３ｃで接続されるとともに貯湯ユニット1ｂにセンサ電線２３d，２３e，２３fで接続され燃料電池３に制御ケーブル２5で接続されて燃料電池３の運転を制御する制御盤２１と、制御盤２１に制御ケーブル２６で接続された屋内リモコン２７と、貯湯ユニット１aに接続された給水管３１aと、貯湯ユニット1ｂに接続された給水管３１bと、第１、第２入り側ポートを貯湯ユニット１aと貯湯ユニット1ｂに温水取出し管３０a,３０bで接続され、第３の入り側ポートを給水管３１aから分岐した給水管３１cに接続され、出側ポートを給湯管３２に接続された混合手段である温調ユニット５と、給湯管３２に装着され給湯管３２の流量を制御盤２１に出力する図示されていない流量計および給湯管３２に装着され給湯管３２の給湯温度を検出して制御盤２１に出力する図示されていない温度センサと、を含んで構成されている。

貯湯ユニット１aは、往き配管７ａ，戻り配管７ｂで燃料電池３に接続された加熱コイル６aを内装した貯湯槽２aと、貯湯槽２aの上下方向３箇所に設置され、水温を検出して出力する温度センサ２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、を含んで構成されている。温度センサ２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、前記センサ電線２３ａ，２３ｂ，２３ｃで制御盤２１に接続されている。

貯湯ユニット1bは、往き配管７ｃ，戻り配管７ｄで太陽熱集熱器４に接続された加熱コイル６bを内装した貯湯槽２ｂと、貯湯槽２ｂの上下方向３箇所に設置され、水温を検出して出力する温度センサ２２ｄ，２２e，２２fと、を含んで構成されている。温度センサ２２ｄ，２２e，２２fは、前記センサ電線２３ｄ，２３e，２３fで制御盤２１に接続されている。

貯湯槽２aの容積は、最下段の温度センサ２２cの位置とその上の温度センサ２２bの位置の間の貯湯槽容積が０．１m^３、温度センサ２２bの位置とその上の温度センサ２２aの位置の間の貯湯槽容積が０．１m^３、温度センサ２２aの位置よりも上の貯湯槽容積が０．０５m^３としてある。貯湯槽２bの容積は、最下段の温度センサ２２fの位置とその上の温度センサ２２eの位置の間の貯湯槽容積が０．１m^３、温度センサ２２eの位置とその上の温度センサ２２dの位置の間の貯湯槽容積が０．１m^３、温度センサ２２dの位置よりも上の貯湯槽容積が０．０５m^３としてある。

制御盤２１と温度センサ２２ａ，２２ｂ，２２ｃと給湯管３２の流量センサおよび温度センサと屋内リモコン２７を含んで制御手段が形成される。

屋内リモコン２７は、給湯温度範囲の設定、給湯予定量及び給湯開始予定時間が入力される押しボタンを備え、利用者が給湯予定量や給湯開始予定時間を制御盤２１に入力して予約できるようになっている。もちろん、給湯開始予定時間や給湯予定量は必ずしも予約する必要はない。また、屋内リモコン２７による各循環ポンプ８a,8b、温調ユニット５、燃料電池３の制御も可能である。

往き配管７ａ，戻り配管７ｂには熱媒が充填され、充填された熱媒は循環ポンプ８aにより、燃料電池３と加熱コイル６aの間を循環して燃料電池３で集熱し貯湯槽２a内の水に放熱する。往き配管７ｃ，戻り配管７ｄにも熱媒が充填され、充填された熱媒は循環ポンプ８bにより、太陽熱集熱器４と加熱コイル６bの間を循環して太陽熱集熱器４で集熱した熱を貯湯槽２b内の水に放熱する。

前記温調ユニット５は制御ケーブル２４で前記制御盤２１に接続され、循環ポンプ８ａおよび循環ポンプ８ｂも図示されていない電線で制御盤２１に接続されている。温調ユニット５は、先に述べたように、第１、第２、第３の３個の入り側ポートと１個の出側ポートを持つ電動四方弁で、第１、第２の入り側ポートと出側ポートを接続する第１の状態、第１、第３の入り側ポートと出側ポートを接続する第２の状態、第２、第３の入り側ポートと出側ポートを接続する第３の状態、第１の入り側ポートと出側ポートを接続する第４の状態、第２の入り側ポートと出側ポートを接続する第５の状態、第３の入り側ポートと出側ポートを接続する第６の状態、の各状態を取り得るように構成されている。

そして、第１〜第３の各状態においては、弁軸の回転角を変えることで二つの入り側ポートの流路の開度が調整され、出側ポートから流出する湯の温度を定められた範囲に設定することができるようになっている。本実施例の場合、例えば第1の状態では、第１の入り側ポートが全開、第２の入り側ポートが全閉の弁軸位置から、弁軸を回転するにつれて第１の入り側ポートの開度が低下するとともに第2の入り側ポートの開度が増加し、第１の入り側ポートの開度が１／２のとき、第2の入り側ポートの開度も１／２、第１の入り側ポートが閉じきったとき、第2の入り側ポートが全開となる。第2、第3の各状態においても、同様にポートの開度が弁軸の回転角により変化するようになっている。但し、出側ポートは、弁軸がどの位置にあっても、常に全開されるようになっている。

制御盤２１は、前記流量センサの出力に基づき日々の時系列的な給湯量の変動、すなわち給湯データ（時刻、給湯量などの給湯パターン）を記録し、格納するとともに、前記温度センサ２２ａ〜２２ｃの出力に基づいてその時点の貯湯槽２a内の給湯可能量（所定温度範囲で給湯可能な水量、以下同じ）及び前記温度センサ２２d〜２２fの出力に基づいてその時点の貯湯槽２b内の給湯可能量を算出し、過去の給湯データに基づいてその時点以降あらかじめ設定した時間後までの各時刻ごとの累計給湯量を予測し、予測した給湯量と算出された前記給湯可能量とを対照して給湯可能量を増加する必要があるかどうかを判断する演算手段と、前記演算手段の出力に基づいて燃料電池３の運転、循環ポンプ８a、8b及び温調ユニット５を制御する運転制御手段と、を備えている。

前記演算手段は、温度センサ２２ａ〜２２ｃ及び温度センサ２２d〜２２fの出力に基づいて貯湯槽２a、貯湯槽２bの給湯可能量及び両者を組み合わせた合計給湯可能量を算出する演算式を格納するとともに、貯湯槽２aの給湯可能量を単位量だけ増加させるために必要な燃料電池の運転時間を示す、給湯可能量―時間チャートを格納している。演算手段はまた、前記温度センサ２２d〜２２fの出力に基づいて所定の時間間隔ごとの貯湯槽２bの給湯可能量を算出し、その時系列変化のデータを１日ごとに格納している。

演算手段の各貯湯槽の給湯可能量算出及び合計給湯可能量算出は、貯湯槽２bの水温が前記所定温度範囲よりも高温であるとき、給水を混合して所定温度範囲にして給湯すること、貯湯槽２bの水温が前記所定温度範囲よりも低温であるとき、貯湯槽２aの所定温度範囲よりも高温の水を混合して所定温度範囲にして給湯すること、貯湯槽２aの所定温度範囲よりも高温の水を貯湯槽２bの水に混合しても、所定温度範囲よりも高温の水が貯湯槽２aに残っている場合、給水を混合して所定温度範囲にして給湯すること、を考慮して行われるようにしてある。

前記運転制御手段は、前記演算手段の出力に基づいて温調ユニット５を制御するとともに、演算手段の出力に基づいて、燃料電池３のバックアップ運転（貯湯槽２aを昇温するための運転）及び循環ポンプ８aの運転を制御する。

次に制御盤２１の制御手順、つまり演算手段の制御について説明する。演算手段の制御手順は、次の三つを基本的な手順として含んでいる。
制御a．燃料電池３のバックアップ運転
制御b．温調ユニットの制御
制御ｃ．常にある量の給湯が可能であるようにする制御
以下、制御手段による上記各制御につき説明する。
（制御a．燃料電池のバックアップ運転）
まず、燃料電池３のバックアップ運転について図２を参照して説明する。例えば、太陽熱集熱器４は曇天の日には集熱量が低下するし夜間には集熱しないから、そのような場合に、予測した給湯量に対して貯湯槽２bの給湯可能水量と貯湯槽2 aの給湯可能水量の合計が不足している可能性がある。制御盤２１は、常に、予測した給湯量に対して貯湯槽2 a、２b内の給湯可能水量が不足していないかどうかを判断し、不足している場合、燃料電池３を運転するとともに循環ポンプ８aを運転し、燃料電池３の熱で加熱された熱媒を加熱コイル６aに循環させるバックアップ運転を行う。

バックアップ運転により貯湯槽2 a内の水温が上昇し、前記演算手段による給湯可能水量が予測した給湯量を満たしたら、燃料電池３のバックアップ運転は停止される。

ここでは、ある時刻における給湯量（給湯予定量）を、あらかじめ使用者が設定する場合について説明する。各手順は、特別に記載しない限り演算手段により実行される。

まず、給湯予定量と給湯開始予定時刻（例えば１８・００時）が、屋内リモコン２７により、制御盤２１の前記演算手段に入力される（手順a）。この場合、演算手段は、入力された給湯開始予定時刻に入力された給湯予定量を超える給湯可能量が貯湯槽２bにあるかどうかを判断する。給湯予定量と給湯開始予定時刻が入力されたら、演算手段はその時点での、貯湯槽２bの給湯可能量を、温度センサ２２d〜２２fの出力に基づいて算出する（手順b）。その時点における貯湯槽２bの給湯可能量が算出されたら、その時点以降給湯開始予定時刻までの給湯可能量の時系列的な変化が把握される（手順c）。つまり、太陽熱の集熱の実際的な効果がある時間帯は、太陽熱集熱器の設置条件にもよるが、９時〜１５時と考えてよい。したがって、１５時以前に給湯開始予定時刻と給湯予定量A_０が入力された場合、その時点で温度センサ２２d〜２２fの出力に基づいて貯湯槽２bの給湯可能量を算出しても、算出された給湯可能量は、その時点以降、太陽熱の集熱、蓄熱が行われて給湯開始時刻までに増加する可能性があるから、その時点以降給湯開始予定時刻までの給湯可能量の時系列的な変化を推定する必要がある。把握した時系列変化のデータに基づいて、入力された前記給湯開始予定時刻で貯湯槽２bの給湯可能量がどのような値になるかを推定する（手順d）。

次いで、推定された貯湯槽２bの給湯可能量が設定された給湯予定量を満たしているかどうかが判断される（手順e）。給湯可能量が設定された給湯予定量を満たしている場合は、FCの運転を行わず（手順f）、以後、所定の時間間隔でその各時点での温度センサ情報に基づき手順b〜手順eの演算を繰り返して貯湯槽２bの給湯可能量が給湯予定量を下回ることがないか、監視する。

貯湯槽２bの給湯可能量が設定された給湯予定量を満たしていない場合（あるいは時間の経過とともに満たさなくなった場合）、演算手段は手順gに進み、貯湯槽２aの現在時点での給湯可能量を把握する。ついで、前記給湯開始予定時刻における前記推定した貯湯槽２bの給湯可能量と貯湯槽２aの現在時点での給湯可能量を合計して合計給湯可能量を算出し（手順h）、合計給湯可能量が設定された給湯予定量を満たしているかどうかを判断する（手順i）。

合計給湯可能水量が設定された給湯予定量を満たしている場合、手順fに進み、FCの運転を行わず、以後、所定の時間間隔でその各時点での温度センサ情報に基づき手順b〜手順iの演算を繰り返して貯湯槽２bと貯湯槽２aの合計給湯可能量が給湯予定量を下回ることがないか、監視する。

合計給湯可能水量が設定された給湯予定量を満たしていない場合、不足量がいくらか、いい換えると合計給湯可能水量を給湯予定量まで増加させるためには貯湯槽2 aの給湯可能量をどれほど増加させればよいかを算出し、算出した増加量に基づいて、必要な燃料電池３の運転時間を前記あらかじめ格納されている給湯可能量―時間チャートから求め、燃料電池３の運転を開始すべき時刻を求める（手順j）。運転制御手段は、前記算出された運転開始時刻に、燃料電池３によるバックアップ運転を開始する（手順ｋ）。演算手段は、バックアップ運転を開始したら貯湯槽2 aの給湯可能量の変化を監視し、水温の時刻変化により目標の増加量になるまでの時間を予測し、設定された給湯時刻までに目標の給湯可能量になるよう、運転制御手段を介して燃料電池３の運転を制御する。

なお、演算手段は、手順jで燃料電池３の運転を開始すべき時刻を求めたら、その時刻になるまで、所定の時間間隔でその各時点での温度センサ情報に基づき手順b〜手順jの演算を繰り返して前記不足量の変化を監視し、不足量の変化に合わせて燃料電池３によるバックアップ運転を開始する時間を確認する。

上記手順では、太陽熱を集熱、蓄熱する貯湯槽２bの給湯可能量が給湯予定量を満たすかどうかをまず判断し、不足のとき、燃料電池を運転して貯湯槽２aの給湯可能量を増加させるように制御するが、太陽熱を集熱、蓄熱する貯湯槽２bと燃料電池の熱を集熱、蓄熱する貯湯槽２aの合計の給湯可能量に基づいて制御するようにしてもよい。

上記手順bにおける給湯可能量の算出について、以下に説明する。給湯の温度（所定給湯温度）が４５℃に設定されているとする。貯湯槽２bの温度センサ２２d、２２e、２２fがそれぞれ６０℃、５０℃、４０℃であったとする。４５℃以上の貯湯は、温度センサ２２eと温度センサ２２fのちょうど真中の位置よりも上の貯湯と考えてよい。温度センサ間のある位置の温度は、上下の温度センサの値の比例配分で内挿あるいは外挿して算定する。この場合、４５℃以上の貯湯は０．２m³、４５℃以上の貯湯の平均温度は５５℃となる。４５℃以上の貯湯に１０℃の給水を混合して４５℃にして給湯するとすると、給水０．０５７m³を混合すればよい。すなわち、０．２５７m³の４５℃の給湯が可能となる。この演算は、所定給湯温度以上の貯湯量をQ_２とし、給水温度をT_Sとすると、下記式で示される。貯湯の平均温度は、貯湯槽２bの所定給湯温度T₀以上の貯湯の平均温度である。

給湯可能量＝（貯湯の平均温度−T_S）×Q_２／（T₀−T_S）
また、貯湯槽２aに４５℃以上の貯湯がある場合には、貯湯槽２aの４５℃以上の貯湯を貯湯槽２bの４５℃未満の温度の貯湯に混合して給湯することで給湯可能量を算出する。例えば、貯湯槽２bの温度センサ２２d、２２e、２２fがそれぞれ４０℃、３０℃、２０℃で、貯湯槽２aの温度センサ２２a、２２b、２２cがそれぞれ６０℃、５０℃、４０℃とする。貯湯槽２bの貯湯が、０．３m³で平均温度が３０℃、貯湯槽２aの４５℃以上の貯湯が、０．２m³で平均温度が５５℃の場合、貯湯槽２bの貯湯０．１３３m³（平均３０℃）と貯湯槽２aの貯湯０．２m³（平均５５℃）を混合することで、給湯可能量約０．３３３m³となる。実際には、貯湯槽２bの貯湯は貯湯槽２bの上部の４０℃を中心とする部分から供給されるから、給湯可能量はこれよりも大きくなり、貯湯槽２bの貯湯０．１７３m³を貯湯槽２aの貯湯０．２m³と混合して給湯可能量約０．３７３m³となる（図４参照）。

この演算は、貯湯槽２aの所定給湯温度T₀以上の貯湯量をQ_１、貯湯槽２aのT₀以上の貯湯の平均温度をＴ_１、貯湯槽２bの貯湯の平均温度をＴ_２、給水温度をT_Sとすると、下記式で示される。貯湯の平均温度は、所定給湯温度以上の貯湯の平均温度である。

給湯可能量＝［1＋（Ｔ_１−T_S）／（T₀−Ｔ_２）］×Q_１
手順cにおける給湯可能量の時系列変化の把握について以下に説明する。演算手段は毎日の貯湯槽２bの温度センサ２２d〜２２fの値に基づいて、あらかじめ設定されている所定給湯温度での給湯可能量の時系列変化のデータを一日ごとに格納している。給湯可能量の時系列変化のデータの例を図５〜図７に示す。演算手段は過去の時系列変化データの中から、その時点（演算を行っている時点）における給湯可能量が類似のデータ（差があらかじめ定めた許容範囲内のデータ）を選択する。次いで、選択したデータのなかで、当日のその時点までの給湯可能量の時系列変化が最も似ているデータを選択し、選択したデータのその時点以降の給湯可能量の時系列変化のデータを、当日のその時点以降の、推定された給湯可能量の時系列変化のデータとする。

なお、毎日の外気温の時系列的変化を記録しておき、その時点における給湯可能量が類似のデータを選択したのち、選択したデータのなかで、当日のその時点までの外気温の時系列変化と外気温の時系列変化が最も似ている日の過去の給湯可能量の時系列変化のデータを選択し、選択したデータのその時点以降の給湯可能量の時系列変化のデータを、当日のその時点以降の、推定された給湯可能量の時系列変化のデータとしてもよい。

さらに具体的な例で説明する。１８時に０．３m^３を給湯するよう設定されたとする。現在時刻が１２時とする。図５の場合、実線が曇天日の給湯可能量の時系列変化を、破線が晴天日の給湯可能量の時系列変化を、それぞれ示している。１２時時点における給湯可能量が約０．１８m^３で晴天日のデータが選択された場合、１８時時点では給湯可能量は約０．３m^３が予測されるため、燃料電池３を運転する必要はない。一方、１２時時点における給湯可能量が約０．０９m^３で曇天日のデータが選択された場合、１８時時点の給湯可能量は０．１５m^３が予測されるため、不足する０．１５m^３を燃料電池３を運転して補うこととなる。

次に、１８時に０．５m^３を給湯予定とする。図６に示すように、晴天日のデータが選択された場合でも曇天日のデータが選択された場合でも、太陽熱だけでは１８時に０．５m^３を給湯することはできない。この場合は、いずれにしろ、不足する量（図の晴天日のデータが選択された場合は０．２m^３、図の曇天日のデータが選択された場合は０．３５m^３）を燃料電池３を運転して補うこととなる。

先に、１８時に０．３m^３を給湯予定のとき、１２時時点における給湯可能量が約０．１８m^３で晴天日のデータが選択された場合、燃料電池による加熱昇温は必要ないと述べた。しかし、図７に示すように、予測では破線のように給湯可能量が増加することになっていたが、気象変化のために、実線のように給湯可能量が推移する場合がある。また、予定外の給湯が行われて貯湯タンク内の水温が低下する場合がある。したがって、演算手段は、一旦手順fに進んだ後も、所定の時間間隔で手順b〜手順eを繰り返し、給湯予定時刻における給湯可能量が給湯予定量を下回ることがないかどうかを監視する。

この場合、手順b〜手順eを繰り返す代わりに、給湯可能量の増加の勾配を算出し、算出された増加の勾配で給湯予定時刻における給湯可能量が給湯予定量に達するか否かを求め、給湯予定時刻における給湯可能量が給湯予定量に達しない場合、手順gに進むようにしておいてもよい。
（制御b．温調ユニットの制御）
次に、温調ユニット５の制御について説明する。給湯開始が検出（給湯指示）されると、演算手段は前記温度センサ２２ａ、２２dの出力に基づいて、貯湯槽２ｂの水温T2ｂ及び貯湯槽２aの水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲にあるか、それよりも高いか、それよりも低いかを判断する。

水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲にあるときは、演算手段は運転制御手段に水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲にある旨の信号を出力する。この信号を受信した運転制御手段は、温調ユニット５を前記第５の状態に操作し、第２の入り側ポートを全開する。これで、貯湯槽２ｂの定められた温度範囲にある湯が、給湯管３２に供給される。

水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲以下で水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い場合、演算手段は運転制御手段に水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲以下で水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い旨の信号を出力する。この信号を受信した運転制御手段は、温調ユニット５を前記第１の状態に操作するとともに、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第１、第２の入り側ポートを例えばそれぞれ１/２開度に開く。これで、貯湯槽２ｂの低い温度の湯と貯湯槽２aの高い温度の湯が混合され、あらかじめ定められた温度範囲の湯となって給湯管３２に供給される。このとき、運転制御手段は、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第１、第２の入り側ポートの開度を調整することで、貯湯槽２ｂの低い温度の湯と貯湯槽２aの高い温度の湯の混合割合を制御し、給湯温度を所定の温度範囲に維持する。

水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い場合、演算手段は運転制御手段に水温T2ｂがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い旨の信号を出力する。この信号を受信した運転制御手段は、温調ユニット５を前記第３の状態に操作するとともに、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第２、第３の入り側ポートを例えばそれぞれ１/２開度に開く。これで、貯湯槽２ｂの高い温度の湯と給水管３１cの低い温度の水が混合され、あらかじめ定められた温度範囲の湯となって給湯管３２に供給される。このとき、運転制御手段は、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第２、第３の入り側ポートの開度を調整することで、貯湯槽２ｂの高い温度の湯と給水の混合割合を制御し、給湯温度を所定の温度範囲に維持する。

図３に上記手順をフローチャートとして示した。図中、T_Uは給湯の前記温度範囲上限、T_Bは同じく下限を示す。図３からも明らかなように、可能な限り貯湯槽２bの貯湯を給湯するので、集熱した太陽熱を有効に利用することができる。

なお、図３には示していないが、貯湯槽２ｂが空で給湯できない場合（温度センサの出力がない場合）は、貯湯槽2 aから給湯される。この場合も、貯湯槽2 aの水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い場合、演算手段は運転制御手段に水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲よりも高い旨の信号を出力する。この信号を受信した運転制御手段は、温調ユニット５を前記第２の状態に操作するとともに、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第１、第３の入り側ポートを例えばそれぞれ１／２開度に開き、貯湯槽2 aの温水に給水を混合しながら給湯する。このとき、運転制御手段は、給湯管３２の温度センサの出力に基づいて、第１、第３の入り側ポートの開度を調整することで、貯湯槽２aの高い温度の湯と給水の混合割合を制御し、給湯温度を所定の温度範囲に維持する。

貯湯槽2 aの水温があらかじめ定められた温度範囲にある場合、演算手段は運転制御手段に水温T2aがあらかじめ定められた温度範囲にある旨の信号を出力する。この信号を受信した運転制御手段は、温調ユニット５を前記第４の状態に操作し、貯湯槽2 aの湯をそのまま給湯管３２に供給する。

また、図３の手順rにおいて、貯湯槽２aの温度センサ２２aの検出温度を参照し、温度センサ２２aの検出温度がT_B未満の場合、貯湯槽２bの貯湯を給水と混合する代わりに貯湯槽２bの貯湯を貯湯槽２aの貯湯と混合するようにしてもよい。

本実施例では給湯管３２の温度センサの出力に基づいて温調ユニット５の各ポートの開度を調整するようにしたが、検出した水温T2a及び水温T2ｂに基づいて各ポートの開度を調整するようにしても、所定の温度範囲の給湯を行うことが可能である。

（制御ｃ．常にある量の給湯が可能であるようにする制御）
太陽熱を集熱して蓄熱するシステムであっても給湯を目的とするシステムである以上、常にある程度の給湯が可能であることが望ましい。例えばキッチン等で湯を使用する場合を考慮し、演算手段は、常にある一定量（例えば０．０５m^３）の給湯が可能であるように、貯湯槽２aまたは２ｂの水温を保持するよう制御する。すなわち演算手段は、定められた時間間隔で最上部の温度センサ２２aの検出温度が定められた温度以上であるかどうかを確認し、温度センサ２２aの検出温度が定められた温度に達していない場合、定められた温度以上に維持されるよう、運転制御手段を介して燃料電池３を運転して貯湯槽２aの水を昇温する。

本実施例によれば、太陽熱集熱器４で集熱された熱を熱源とする貯湯槽２bの水温があらかじめ定められた給湯温度よりも低い場合でも、燃料電池３を熱源として蓄熱した貯湯槽２aの水温が前記あらかじめ定められた給湯温度よりも高ければ、貯湯槽２bの水に貯湯槽２aの水が混合されて給湯されるから、集熱された太陽熱が有効に利用される。また、貯湯槽２bの水温があらかじめ定められた給湯温度よりも高い場合でも、給水が混合されて給湯されるから、高すぎる温度の水がそのまま供給されて無駄に冷やされることがなく、集熱された太陽熱が有効に利用される。さらに、給湯可能量が常に算定されるとともに、給湯量が予測されて給湯可能量と比較され、必要に応じて燃料電池３が運転されて貯湯槽２aの水が加熱されるから、給湯量の不足が生じにくいという効果がある。

なお、上記実施例では、貯湯槽の蓄熱に必要な場合に燃料電池の運転を行うように説明したが、他の理由で燃料電池が運転される場合には、制御盤２１が、運転に伴う燃料電池の発生熱を貯湯槽の蓄熱に利用するよう各機器を制御するのは云うまでもない。

また、上記実施例では、混合手段として四方弁を用いた例を示したが、電動弁を３個用いてもよいし、三方弁を２個組み合わせてもよいことはいうまでもない。

本発明の実施の形態に係るハイブリッド給湯システムの要部構成を示す系統図である。本発明の実施の形態に係る制御手順の例を示す手順図である。本発明の実施の形態に係る制御手順の他の例を示す手順図である。本発明の実施の形態に係る給湯可能量の算出の例を示す概念図である。本発明の実施の形態に係る給湯可能量の時系列変化と燃料電池による昇温の例を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る給湯可能量の時系列変化と燃料電池による昇温の他の例を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る給湯可能量の時系列変化と燃料電池による昇温のさらに他の例を示すグラフである。

符号の説明

１a,１b 貯湯ユニット
２a,２b 貯湯槽
３燃料電池
４太陽熱集熱器
５温調ユニット
６a,６b 加熱コイル
７a,７c 往き配管
７b,７d 戻り配管
８a,８b 循環ポンプ
９a、９b シスターン
２１制御盤
２２a,２２b,２２c,２２d,２２e,２２f 温度センサ
２３a,２３b,２３c,２３d,２３e,２３f センサ電線
２４,２５,２６制御ケーブル
２７屋内リモコン
３０a,３０b 温水取出し管
３１,３１a,３１b,３１c 給水管
３２給湯管

Claims

燃料電池を熱源として給水を加熱し貯湯する貯湯槽Aと、太陽熱を熱源として給水を加熱し貯湯する貯湯槽Bと、前記貯湯槽Aの貯湯と貯湯槽Bの貯湯を混合して給湯管に送出する混合手段と、前記貯湯槽Aの水温と貯湯槽Bの水温に基づいて前記混合手段における貯湯槽Aの貯湯と貯湯槽Bの貯湯の混合割合及び前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、を有してなり、あらかじめ設定された温度範囲の湯を供給するハイブリッド給湯システムにおいて、
前記制御手段は、前記太陽熱を熱源とする貯湯槽Ｂから給湯をし、貯湯槽Ｂからの給湯が不足する場合に、前記燃料電池を熱源とする貯湯槽Ａの貯湯で不足分を満たすよう前記混合割合を制御するとともに、
あらかじめ設定された給湯開始予定時刻及び給湯予定量に対して、前記給湯開始予定時刻における前記貯湯槽Ａの貯湯と前記貯湯槽Ｂの貯湯の合計給湯可能量が前記給湯予定量を下回ることがないように監視しながら前記燃料電池の運転を制御し、かつ、常にある一定量の給湯が可能であるように前記燃料電池の運転を制御することを特徴とするハイブリッド給湯システム。
請求項１記載のハイブリッド給湯システムにおいて、前記混合手段は、貯湯槽Aの水と貯湯槽Bの水の混合に加え、貯湯槽Bの水と給水の混合をも行うよう構成されていることを特徴とするハイブリッド給湯システム。
請求項２記載のハイブリッド給湯システムにおいて、前記制御手段は、前記混合手段における貯湯槽Bの貯湯と給水の混合割合を給湯管の水温に基づいて制御するよう構成されていることを特徴とするハイブリッド給湯システム。
請求項１記載のハイブリッド給湯システムにおいて、前記制御手段は、前記貯湯Ｂの現在の給湯可能量と、前記貯湯Ｂの現在から前記給湯開始予定時刻までの給湯可能量の時系列的な変化とに基づいて、貯湯Ｂの前記給湯開始予定時刻における給湯可能量を推定し、該推定された給湯可能量と前記貯湯Ａの現在の給湯可能量との合計の給湯可能量に基づいて、前記合計給湯可能量が前記給湯予定量を下回ることがないように監視しながら前記燃料電池の運転を制御することを特徴とするハイブリッド給湯システム。