JP4327170B2

JP4327170B2 - 貯湯式給湯システム

Info

Publication number: JP4327170B2
Application number: JP2006104514A
Authority: JP
Inventors: 寿洋佐藤
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2006-04-05
Filing date: 2006-04-05
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: JP2007278579A

Description

本発明は、発電熱や太陽熱等の熱源で加熱された温水を貯湯槽に貯湯しておき、貯湯槽に貯湯しておいた温水を利用して必要時に給湯する貯湯式給湯システムに関する。特に、貯湯式給湯システムにおいて、貯湯槽と熱源の間で水を循環させる循環路の凍結を防止する技術に関する。

発電熱や太陽熱等の熱源で加熱された温水を貯湯しておいて給湯する給湯システムが知られている。発電熱や太陽熱等の熱源で加熱された温水は貯湯槽に貯湯される。給湯運転時には、温水利用箇所で必要とする温水温度（給湯設定温度）よりも高温の温水が貯湯槽に貯湯されていれば、貯湯槽から送り出される温水と水道水（冷水）をミキシングユニットで混合することによって必要温度に冷却して給湯する。温水利用箇所で必要とする温水温度（給湯設定温度）よりも低温の温水が貯湯槽に貯湯されていれば、バーナ等の補助熱源で加熱して給湯する必要があるが、水道水を補助熱源で加熱して給湯するときに比して必要な熱量は少なくてすむ。このような貯湯式給湯システムは、総合的なエネルギー効率が高い。

貯湯式給湯システムには、発電ユニットやソーラユニット等の熱源と貯湯槽の間で水を循環させる循環路が配設されている。この循環路は屋外に配設されることが多いため、外気温が低下すると、循環路内の水が凍結する不具合が生じることがある。この不具合を解消するため、特許文献１のコージェネレーションシステムでは、外気温が低く循環路内の水が凍結するおそれがある場合、この循環路内の水を強制的に循環させる凍結防止運転を行う。これにより、循環路内の水の凍結を防止することができる。

特開２００３−２５４６２１号公報

外気温が低く、循環路内の水温も低い場合には、循環路で水を循環させるだけでは凍結を防げない場合がある。このような場合には、循環路内の水が凍結しないよう、何らかの手法によって循環路内に暖かい水を循環させる必要がある。

循環路内の水を暖めるために、循環路にヒータを敷設して加熱する手法がある。この手法によれば、循環路を循環する水をヒータで加熱することによって、凍結を防止することができる。しかしながら、この手法においては、循環路の凍結を防止するための新たなエネルギーの消費が必要となり、システムのエネルギー効率を低下させてしまう。

また上記とは異なり、貯湯槽に貯えられた温水を循環路に循環させることで、凍結を防止する手法がある。この手法によれば、貯湯槽に蓄えられた熱を利用して凍結を防止するため、循環路の凍結を防止するための新たなエネルギーを消費する必要がない。しかしながら、この手法においては、循環路を経由して低温となった水を再び貯湯槽へ戻すことになり、貯湯槽の内部の水温を低下させてしまうという問題がある。

貯湯式の給湯システムにおいては、貯湯槽に高温の温水が貯えられていれば、給湯の要求があった場合に補助熱源を用いることなく所望の温度の温水を供給することができる。逆に、貯湯槽の内部の水温が低いと、所望の温度の温水を供給するために補助熱源による加熱が必要となる。上記のように循環路を経由して低温となった水を再び貯湯槽に戻して、貯湯槽の内部の水温を低下させてしまうと、給湯設定温度の温水を補助熱源を用いることなく給湯可能な状態から、補助熱源を用いて温水を加熱しなければ給湯設定温度の温水を給湯できない状態へと変えてしまう場合がある。一般に補助熱源を用いて温水を加熱するとエネルギー効率が低下してしまうから、貯湯槽の内部の水温を低下させてしまうと、結局はシステムのエネルギー効率を低下させてしまうことになる。

温度成層型の貯湯槽を用いる場合、上記したような貯湯槽への低温水の流入は特に問題となる。温度成層型の貯湯槽では、貯湯槽の下部から熱源へ温水が送り出され、加熱された温水は貯湯槽の上部に戻される。このため、貯湯槽への蓄熱が進むと、貯湯槽の上部は高温であり、下方へ行くにつれて徐々に低温となる温度分布（温度成層）が形成される。貯湯槽内の蓄熱が完了していない状態で給湯要求があったとしても、給湯に利用する温水を貯湯槽の上部から取出すことによって、貯湯槽からの温水を加熱することなく給湯設定温度の温水を給湯することができる。
このような温度成層型の貯湯槽を用いる場合に、貯湯槽と熱源とを接続する循環路が凍結するおそれがあるときに循環路内の水を循環させると、循環路内の低温の水が貯湯槽の上部へ流入することになる。このとき、貯湯槽に温度成層が形成されていれば、貯湯槽の上部の高温水層の上層に低温水が積層されることとなり、温度成層が崩れてしまう。温度成層が崩れれば、貯湯槽の上部に、給湯設定温度の温水を補助熱源で加熱することなく給湯できるだけの高温水が貯えられていない状態となる。この状態で給湯要求があれば、貯湯槽からの温水を補助熱源によって加熱して給湯しなければならない。即ち、貯湯槽からの温水を加熱することなく給湯設定温度で給湯することができる状態であったとしても、凍結防止運転を行うことによって補助熱源による加熱が必要となってしまう。これではエネルギー効率的にも望ましくない。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、凍結防止に必要とされるエネルギーを節約しつつ、貯湯槽と熱源との間の循環路の凍結を防止することができる貯湯式給湯システムを提供することを目的とする。

本発明の１つの貯湯式給湯システムは、水を加熱する熱源と、熱源で加熱された水を貯える貯湯槽と、貯湯槽に貯えられた水を温水利用箇所へ供給する給湯手段と、貯湯槽と熱源の間で水を循環させる循環路と、循環路に設けられたポンプと、循環路に貯湯槽と並列に設けられ貯湯槽をバイパスするバイパス路と、循環路の状態を貯湯槽を経由して水が循環する状態とバイパス路を経由して水が循環する状態の何れかに切り換える切換え手段と、外気温を計測する外気温センサを備えており、外気温が所定温度より低い場合に、ポンプを駆動して循環路の凍結を防止する凍結防止運転を行う。
その貯湯式給湯システムは、貯湯槽の内部の水温に応じて、凍結防止運転の態様を切換える。すなわち、その貯湯式給湯システムは、給湯設定温度を設定する設定手段と、貯湯槽の内部の水温を計測する貯湯槽温度センサを備えており、凍結防止運転において、貯湯槽の内部の水温が給湯設定温度に基づく基準温度より低い場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、貯湯槽の内部の水温が基準温度より高い場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。

上記の貯湯式給湯システムでは、外気温が所定温度より低い場合に、凍結防止運転を行って、循環路における凍結を防止する。その際に、貯湯槽の内部の水温が高く、補助熱源を用いなくても給湯設定温度の温水を給湯可能な場合には、貯湯槽の水温の低下を防止するために、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。必要であれば、バイパス路を経由する循環路をヒータ等で加熱して、循環路を流れる水を暖める。貯湯槽の内部の水温が低く、補助熱源を用いなければ給湯設定温度の温水を給湯できない場合には、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させる。この場合、給湯を行うためにはそもそも補助熱源による加熱が必要であるため、凍結防止運転によって貯湯槽の内部の水温が多少低下しても、エネルギー効率はそれほど低下することはない。

なお給湯設定温度に基づく基準温度は、例えば給湯設定温度に所定の温度幅を加えた値が用いられる。この所定の温度幅は貯湯槽から温水利用箇所への流路長や外気温などから決定され、貯湯槽から温水利用箇所まで移動する間に自然に冷却される温水が、温水利用箇所において給湯設定温度となるように、貯湯槽における温水の基準温度が設定される。

上記の貯湯式給湯システムでは、貯湯槽の温水の温度が低く、補助熱源による加熱をしなければ給湯設定温度の温水を給湯できないときには、貯湯槽に蓄えられた熱を利用して凍結防止運転を行う。これによって、凍結防止運転に係るエネルギーを節約しながら、循環路の凍結を防止することができる。
上記とは異なり、温水利用箇所への給湯についての需要が少ない状況において、貯湯槽に蓄えられた熱を利用して凍結防止運転を行うようにしても、システムのエネルギー効率を高めることができる。このような状況では、温水利用箇所への給湯がほとんど行われないため、貯湯槽に高温の温水を貯えておく必要がない。したがって、貯湯槽に貯えられた熱を利用して凍結防止運転を行うことによって、凍結防止運転に係るエネルギーを節約することができる。

本発明の他の１つの貯湯式給湯システムは、水を加熱する熱源と、熱源で加熱された水を貯える貯湯槽と、貯湯槽に貯えられた水を温水利用箇所へ供給する給湯手段と、貯湯槽と熱源の間で水を循環させる循環路と、循環路に設けられたポンプと、循環路に貯湯槽と並列に設けられ、貯湯槽をバイパスするバイパス路と、循環路の状態を、貯湯槽を経由して水が循環する状態と、バイパス路を経由して水が循環する状態の何れかに切り換える切換え手段と、外気温を計測する外気温センサを備え、外気温が所定温度より低い場合に、ポンプを駆動して循環路の凍結を防止する凍結防止運転を行う。
その貯湯式給湯システムは、温水利用箇所への給湯を制御するメインスイッチの状態に応じて、凍結防止運転の態様を切換える。すなわち、その貯湯式給湯システムは、オンとオフを切換え可能であって、オンに切換えられた場合に貯湯槽から温水利用箇所への給湯を可能にするメインスイッチを備えており、凍結防止運転において、メインスイッチがオフの場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、メインスイッチがオンの場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。

上記したようなメインスイッチを備える給湯システムでは、メインスイッチがオフに切換えられている間は、貯湯槽から温水利用箇所への給湯を行う必要がない。したがって、メインスイッチがオフに切換えられている間は、給湯に備えて貯湯槽に高温の温水を貯えておく必要がない。そこで、上記の貯湯式給湯システムでは、メインスイッチがオフの場合には、貯湯槽の内部の温水を循環路に循環させて、凍結を防止する。このような構成とすることによって、ヒータ等を用いた加熱を行うことなく、循環路の凍結を防止することができる。またメインスイッチがオンの場合には、貯湯槽の内部の温水を用いることなく、バイパス路を経由させて、凍結を防止する。このような構成とすることによって、凍結防止運転によって貯湯槽の内部の水温が低下することがなく、温水利用箇所への給湯を行う際に補助熱源を用いずに給湯を行うことができる。

上記した本発明の種々の貯湯式給湯システムは、温度成層型の貯湯槽を用いる場合に、特に効果的である。
例えば、温度成層型の貯湯槽においては、貯湯槽内の上部の水温に応じて凍結防止運転の態様を切換える構成とし、凍結防止運転において、貯湯槽内の上部の水温が給湯設定温度に基づく基準温度より低い場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、貯湯槽内の上部の水温が基準温度より高い場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。貯湯槽内の上部の水温が高く、補助熱源を用いなくても給湯設定温度の温水を給湯可能な場合には、貯湯槽上部への低温水の流入によって温度成層が崩れることを防止するために、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。必要であれば、バイパス路を経由する循環路をヒータ等で加熱して、循環路を流れる水を暖める。貯湯槽内の上部の水温が低く、補助熱源を用いなければ給湯設定温度の温水を給湯できない場合には、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させる。この場合、給湯を行うためにはそもそも補助熱源による加熱が必要であるため、凍結防止運転によって貯湯槽内の温度成層が崩れてしまっても、エネルギー効率はそれほど低下することはない。
あるいは、温度成層型の貯湯槽においては、現在の時刻に応じて、凍結防止運転の態様を切換える構成とし、現在の時刻が深夜である場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、現在の時刻が深夜でない場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。もしくは、温度成層型の貯湯槽においては、温水利用箇所への給湯を制御するメインスイッチの状態に応じて、凍結防止運転の態様を切換える構成とし、メインスイッチがオフの場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、メインスイッチがオンの場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させる。深夜の時間帯であったり、メインスイッチがオフにされている場合には、温水利用箇所への給湯に備えて高温の温水を貯湯槽の上部へ貯えておく必要がないから、貯湯槽の内部の温水を循環路で循環させて凍結を防止する。凍結防止のためにヒータ等で循環路の水を加熱する必要がなく、凍結防止運転に係るエネルギーを節約することができる。

本発明の貯湯式給湯システムによれば、凍結防止に必要とされるエネルギーを節約しつつ、貯湯槽と熱源との間の循環路の凍結を防止することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。
（形態１）外気温が第１所定温度（例えば３℃）以下になった時点で凍結防止運転を開始し、外気温が第２所定温度（例えば７℃）以上となった時点で凍結防止運転を終了する。
（形態２）切換え手段は、循環路とバイパス路の接続部分に設けられた三方弁であり、循環路について貯湯槽を経由する状態と、貯湯槽をバイパスする状態の間で循環路を切換える。

本発明の貯湯式給湯システムを具現化した一実施例を図面を参照しながら説明する。本実施例は、本発明の貯湯式給湯システムを組込んだコージェネレーションシステムである。本実施例のコージェネレーションシステムは、図１に示すように、発電ユニット１１０と給湯システム１０等を備えている。

発電ユニット１１０は、改質器１１２、燃料電池１１４、熱交換器１１６、１１８、熱媒放熱器１２０、熱媒三方弁１２２、およびそれらを接続する経路等を備えている。
改質器１１２には、バーナ１３１が設けられている。バーナ１３１が作動して熱を発生すると、改質器１１２は炭化水素系のガスから水素ガスを生成する。バーナ１３１で燃焼した高温の燃焼ガスは燃焼ガス経路１２６に導かれる。燃焼ガス経路１２６は、改質器１１２から熱交換器１１６を通過して外部に開放されている。熱交換器１１６には、循環経路１２８も通過している。燃焼ガス経路１２６は、バーナ１３１で発生した高温の燃焼ガスを熱交換器１１６に導き、循環経路１２８を流れる水を加熱し、熱交換によって温度が低下した燃焼ガスを外部に排出する。
循環経路１２８は、循環復路１２８ａと、循環往路１２８ｂから構成されており、給湯システム１０と接続されている。循環経路１２８が給湯システム１０にどのように接続されているのかについては、後で詳細に説明する。循環経路１２８は温水を流通させる。循環経路１２８を流れる温水は、熱交換器１１６を通過することによって燃焼ガス経路１２６を流れる燃焼ガスによって加熱され、温度が上昇する。

燃料電池１１４は、固体高分子型の燃料電池であり、複数のセルを有している。燃料電池１１４と改質器１１２は水素ガス供給経路１２１によって接続されている。改質器１１２で生成された水素ガスは、水素ガス供給経路１２１を流れて燃料電池１１４に供給される。燃料電池１１４は、改質器１１２から供給された水素ガスと、空気中の酸素とを反応させて発電を行う。燃料電池１１４は発電すると発電熱を発生する。
熱媒循環経路１２４は、燃料電池１１４、熱交換器１１８、リザーブタンク１２５、熱媒ポンプ１２７、熱媒三方弁１２２を通って燃料電池１１４に戻る循環経路を形成している。熱媒循環経路１２４の燃料電池１１４の下流側には、熱媒温度センサ１１７とヒータ１２３が装着されている。熱媒温度センサ１１７は、熱媒循環経路１２４を流れる熱媒の温度を検出する。熱媒温度センサ１１７の検出信号は、給湯システム１０に装着されているコントローラ２１に出力される。ヒータ１２３は熱媒が凍結しないように熱媒循環経路１２４を加熱する電気ヒータである。
熱媒三方弁１２２は、１つの入口１２２ａと、２つの出口１２２ｂ，１２２ｃを備えている。熱媒三方弁１２２は、入口１２２ａと出口１２２ｂを連通させるか、入口１２２ａと出口１２２ｃを連通させるかを切換える。
熱媒三方弁１２２の出口１２２ｂと、熱媒循環経路１２４の熱媒三方弁１２２の出口１２２ｃの下流側とを接続する冷却経路１２９が設けられている。熱媒循環経路１２４と冷却経路１２９は熱媒としての純水を流通させる。冷却経路１２９の途中には熱媒放熱器１２０が装着されている。熱媒放熱器１２０に隣接して熱媒冷却ファン１１９が設けられている。熱媒冷却ファン１１９を運転すると、空気が熱媒放熱器１２０に吹付けられ、冷却経路１２９を流れる熱媒が冷却される。
改質器１１２、燃料電池１１４、バーナ１３１、熱媒ポンプ１２７、ヒータ１２３、熱媒三方弁１２２、熱媒冷却ファン１１９は、コントローラ２１によって制御される。

燃料電池１１４が作動すると、熱媒三方弁１２２の入口１２２ａと出口１２２ｃが連通されるとともに、熱媒ポンプ１２７が運転される。熱媒ポンプ１２７が運転されると、熱媒循環経路１２４を熱媒が循環する。熱媒循環経路１２４を熱媒が循環することにより、燃料電池１１４から発電熱が回収される。熱媒によって回収された発電熱は、熱媒とともに熱交換器１１８まで運ばれ、循環経路１２８を流れる温水を加熱する。循環経路１２８については後述する。
熱媒温度センサ１１７が検出した熱媒温度が高くなりすぎると、発電熱の回収が不十分となってしまうため、発電熱の放熱を行う。熱媒三方弁１２２の入口１２２ａと出口１２２ｂが連通され、同時に熱媒冷却ファン１１９が運転される。熱媒三方弁１２２の入口１２２ａと出口１２２ｂが連通されると、熱媒は冷却経路１２９に流入し、熱媒放熱器１２０を通過する。熱媒は、熱媒放熱器１２０を通過することによって冷却される。熱媒放熱器１２０は、熱媒冷却ファン１１９から空気が吹付けられることにより、高い効率で熱を放熱する。熱媒の温度が低下すると、熱媒三方弁１２２の入口１２２ａと出口１２２ｃが再び連通される。このような熱媒三方弁１２２の切換えが繰返されることにより、熱媒の温度は、所定範囲内に維持される。

給湯システム１０は、貯湯槽２０、給湯器（加熱器）２２、ミキシングユニット（混合器）２４、これらを連通する複数の経路、コントローラ２１等を備えている。
貯湯槽２０の底部には、貯湯槽２０に水道水を給水する給水経路２６が接続されている。給水経路２６の入口２６ａの近傍には、減圧弁２８が装着されている。給水経路２６の減圧弁２８の下流側とミキシングユニット２４の給水入口２４ａは、ミキシングユニット給水経路３０によって接続されている。減圧弁２８は、貯湯槽２０とミキシングユニット２４への給水圧力を調整する。貯湯槽２０内の温水が減少したり、ミキシングユニット２４の給水入口２４ａが開いたりすると、減圧弁２８の下流側圧力が低下する。減圧弁２８は、下流側圧力が低下すると開き、その圧力を所定の調圧値に維持しようとする。このため、貯湯槽２０内の温水が減少したり、ミキシングユニット２４の給水入口２４ａが開いたりすると、それらに水道水が給水される。
貯湯槽２０には、調圧値に調圧された水が貯められる。貯湯槽２０は、調圧値に耐えられる耐圧容器で形成されている。貯湯槽２０の上部には出口部２０ａが設けられており、さらにその上にリリーフ弁３１が装着されている。リリーフ弁３１の開弁圧力は、減圧弁２８の調圧値よりも僅かに大きく設定されている。減圧弁２８の調圧が不能になった場合には、リリーフ弁３１が開き、貯湯槽２０内の圧力が耐圧圧力を超えるのを防止する。リリーフ弁３１には、圧力開放経路３２の一端３２ａが接続されている。圧力開放経路３２の他端３２ｂは貯湯槽２０の外部に開放されている。
貯湯槽２０の底部と、圧力開放経路３２の他端３２ｂ近傍を接続する排水経路３３が設けられている。排水経路３３の途中には排水弁３４が装着されている。排水弁３４は手動で開閉することができる。排水弁３４を開くと、貯湯槽２０内の水が排水経路３３と開放経路３２を通って外部に排水される。

貯湯槽２０は、発電ユニット１１０の循環経路１２８（循環復路１２８ａ、循環往路１２８ｂ）と接続されている。詳しくは、循環復路１２８ａが貯湯槽２０の上部に接続され、循環往路１２８ｂが貯湯槽２０の下部に接続されている。これによって、貯湯槽２０と発電ユニット１１０との間の循環経路１２８が形成されている。循環往路１２８ｂの途中には循環ポンプ４０が装着されている。循環ポンプ４０の駆動はコントローラ２１によって制御される。循環復路１２８ａの途中には三方弁４９が取付けられている。三方弁４９は、１つの入口４９ａと、２つの出口４９ｂ，４９ｃを備えている。三方弁４９は、入口４９ａと出口４９ｂを連通させるか、入口４９ａと出口４９ｃを連通させるかを切換える。入口４９ａと出口４９ｂが連通することによって、循環経路１２８は貯湯槽２０を経由して循環する経路（以下では貯湯槽循環経路と言うことがある）となる。出口４９ｃにはバイパス経路４１の一端が接続されている。バイパス経路４１の他端は循環往路１２８ｂの循環ポンプ４０の上流側に接続されている。入口４９ａと出口４９ｃが連通することによって、循環経路１２８は貯湯槽２０を経由しない経路（以下ではバイパス循環経路と言うことがある）となる。三方弁４９は、給湯システム１０から発電ユニット１１０に循環させる水を、貯湯槽循環経路で循環させる状態と、バイパス循環経路で循環させる状態との間で切換える。三方弁４９の切換えは、コントローラ２１によって制御される。この制御については後述する。循環復路１２８ａに復路サーミスタ４５が取付けられ、循環往路１２８ｂに往路サーミスタ４４が取付けられている。復路サーミスタ４５は循環復路１２８ａ内の温水の温度を検出し、往路サーミスタ４４は循環往路１２８ｂ内の温水の温度を検出する。復路サーミスタ４５と往路サーミスタ４４の検出信号はコントローラ２１に出力される。
循環往路１２８ｂの循環ポンプ４０の下流側に、凍結防止用ヒータ８８が取付けられている。凍結防止用ヒータ８８は、循環往路１２８ｂを加熱する電気ヒータである。凍結防止用ヒータ８８のオンオフは、コントローラ２１によって制御される。この制御については後述する。

発電ユニット１１０の発電運転が開始されると、循環経路１２８内の温水温度が上昇する。この循環経路１２８内の熱を回収するため、給湯システム１０において熱回収運転が行われる。熱回収運転では、まず循環ポンプ４０が作動する。循環ポンプ４０が作動すると、循環経路１２８内の温水が循環する。三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｂを連通させて貯湯槽循環経路が形成された状態で循環ポンプ４０が作動すると、貯湯槽２０の底部から温水が吸出される。貯湯槽２０から吸出された温水は、循環往路１２８ｂを流れてから発電ユニット１１０内に導入される。発電ユニット１１０内に導入された温水は、熱交換器１１８、１１６を通過することによって加熱されて温度が上昇する。加熱されて温度が上昇した温水は、循環復路１２８ａを流れて貯湯槽２０の上部に戻される。このような循環が行われることにより、貯湯槽２０に高温の温水が貯えられていく。
貯湯槽２０内の温水温度が低い状態であるときに、発電ユニット１１０からの高温の温水が貯湯槽２０の上部に戻されると、低温水層の上部に高温水層が積層されることとなる。以下では、このように低温水層の上部に高温水層が積層された状態を温度成層と言う。発電運転中に、貯湯槽２０の底部から低温の温水が吸出され、上部に高温の温水が戻され続けると、低温水層の厚さ（深さ）は次第に小さくなり、高温水層の厚さ（深さ）は次第に大きくなる。この間、高温水層と低温水層は交じり合わない。貯湯槽２０の全体に高温の温水が貯められると、貯湯槽２０にフルに蓄熱されたこととなる。
発電運転が停止した後も、循環経路１２８内の温水温度（復路サーミスタ４５の検出温度）が４０℃を下回るまで、貯湯槽循環経路が形成された状態で循環ポンプ４０を作動させる。これによって、発電ユニット１１０の燃料電池１１４を冷却するとともに、最大限に発電熱を回収することができる。

温度成層が形成されているときに貯湯槽２０の温水が利用されると、貯湯槽２０の上部の高温の温水が吸出され、底部から水道水が入水するため、高温水層の厚さ（深さ）は次第に小さくなり、低温水層の厚さ（深さ）は次第に大きくなる。貯湯槽２０内の温水を使い切ると、貯湯槽２０内は水道水で満たされた状態となる。
貯湯槽２０内に温度成層が形成されることにより、貯湯槽２０にフルに蓄熱が行われていなくても、貯湯槽２０の最上部に設けられている出口部２０ａからは、高温の温水が送り出される。しかし、さらに貯湯槽２０内の温水が利用され、上層の高温水が出湯し尽くす（湯切れする）と、すぐ下層の冷水が出水する。このため、湯切れ時の貯湯槽２０からの出湯（出水）温度は急激に低下する。

三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｃが連通し、バイパス循環経路が形成されている状態で循環ポンプ４０が作動すると、循環経路１２８内の温水は、循環往路１２８ｂを流れ、発電ユニット１１０内を通過し、循環復路１２８ａを流れ、バイパス経路４１を経て循環往路１２８ｂに戻される。この循環では、貯湯槽２０内の温水は利用されない。即ち、循環経路１２８内の温水が貯湯槽２０内に送られることはなく、貯湯槽２０内の温水が循環経路１２８に送られることもない。この循環は循環経路１２８の凍結を防止する凍結防止運転のときに行われる場合がある。凍結防止運転については後で詳述する。

コントローラ２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、ＣＰＵがＲＯＭに格納されている制御プログラムを処理することによって、発電ユニット１１０と給湯システム１０を制御する。ＲＡＭには、コントローラ２１に入力される各種信号や、ＣＰＵが処理を実行する過程で生成される種々のデータが一時的に記憶される。

コントローラ２１にはリモコン２３が接続されている。リモコン２３には、給湯システム１０のメインスイッチ２３ａや、発電ユニット１１０と給湯システム１０を操作するためのスイッチやボタン、発電ユニット１１０と給湯システム１０の動作状態を表示するとともに後記する運用方法を表示する液晶表示器等が設けられている。給湯システム１０の利用者は、リモコン２３を操作することによって、給湯システム１０から給湯栓６４（後述する）に給湯される温水の温度を設定することができる。以下では、リモコン２３において設定された温度を、給湯設定温度という。

コントローラ２１にはタイマ２１ａが接続されている。タイマ２１ａは現在の時刻を取得して、コントローラ２１へ出力する。コントローラ２１は、タイマ２１ａによって取得される現在の時刻から、現在の時間帯が朝なのか、昼間なのか、夕方なのか、あるいは深夜なのかを判断することができる。

コントローラ２１には温度計２１ｂが接続されている。温度計２１ｂは、循環往路１２８ｂおよび循環復路１２８ａの屋外に配設された部分の近傍に配置されており、循環往路１２８ｂおよび循環復路１２８ａの近傍での外気温を計測する。温度計２１ｂは計測された外気温をコントローラ２１へ出力する。

貯湯槽２０内には、４つの貯湯槽サーミスタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄが取付けられている。貯湯槽サーミスタ３５ａは、貯湯槽２０の上部から５リットルの箇所に取付けられており、貯湯槽サーミスタ３５ｂは、貯湯槽サーミスタ３５ａから４０リットルの箇所（上部から４５リットルの箇所）に取付けられており、貯湯槽サーミスタ３５ｃは、貯湯槽サーミスタ３５ｂから４０リットルの箇所（上部から８５リットルの箇所）に取付けられており、貯湯槽サーミスタ３５ｄは、貯湯槽サーミスタ３５ｃから４０リットルの箇所（上部から１２５リットルの箇所）に取付けられている。４つの貯湯槽サーミスタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの検出信号は、それぞれコントローラ２１に出力される。４つの貯湯槽サーミスタ３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの検出温度は、湯温制御に利用されるほか、貯湯槽２０の蓄熱量の算出に利用される。算出される蓄熱量は、コントローラ２１に用意されている記憶部に経時的に記憶される。

ミキシングユニット２４は、温水入口２４ｃ、混合水出口２４ｂ、第１流量センサ６７、温水サーミスタ５０、給水サーミスタ４８、混合水サーミスタ５４、ハイカットサーミスタ５５、および既に説明した給水入口２４ａを有している。貯湯槽２０の出口部２０ａとミキシングユニット２４の温水入口２４ｃは、温水経路４２によって接続されている。温水経路４２には温水流量センサ４６と温水経路開閉弁４３が設けられている。温水流量センサ４６は、貯湯槽２０から送り出される温水の流量を検出する。第１流量センサ６７は、混合水出口２４ｂから流出する混合水の流量を検出する。温水サーミスタ５０は、温水入口２４ｃに流入する温水の温度を検出する。給水サーミスタ４８は、給水入口２４ａに流入する水道水の温度を検出する。混合水サーミスタ５４とハイカットサーミスタ５５は、混合水出口２４ｂから流出する混合水の温度を検出する。温水流量センサ４６、温水経路開閉弁４３、第１流量センサ６７、温水サーミスタ５０、給水サーミスタ４８、混合水サーミスタ５４、ハイカットサーミスタ５５の検出信号は、コントローラ２１に出力される。

コントローラ２１は、混合水サーミスタ５４の検出信号を用いて、温水入口２４ｃ側の開度と、給水入口２４ａ側の開度を変化させる。メインスイッチ２３ａがオンの状態で、温水入口２４ｃが開かれている間は、温水経路開閉弁４３も開かれる。メインスイッチ２３ａがオンの状態で、温水入口２４ｃが閉じられている間は、温水経路開閉弁４３も閉じられる。メインスイッチ２３ａがオフの状態では、常に温水経路開閉弁４３は閉じられている。温水入口２４ｃ側の開度と、給水入口２４ａ側の開度を変化させると、貯湯槽２０からの温水と、水道水（冷水）とのミキシング割合が調整される。貯湯槽２０からの温水と水道水とのミキシング割合が調整されると、混合水出口２４ｂから流出する温水の温度が所定値に維持される。コントローラ２１とミキシングユニット２４を組合せて用いることによって、混合水サーミスタ５４で計測される混合水の温度は、コントローラ２１が指令する温度に調整される。
コントローラ２１は、ハイカットサーミスタ５５によって温水が前記所定値を大きくオーバーしたことが検出された場合（すなわち、混合水サーミスタ５４、あるいはミキシングユニット２４が故障した可能性が高い場合）に、温水入口２４ｃを閉じる。温水入口２４ｃが閉じると、前記所定値を大きくオーバーした温度の温水が、給湯器２２に供給されてしまう事態が防止される。
ミキシングユニット２４の混合水出口２４ｂと給湯器２２のバーナ熱交換器５２（後述する）は、混合水経路５１によって接続されている。混合水経路５１には、第２流量センサ４７が装着されている。第２流量センサ４７の検出信号は、コントローラ２１に出力される。

給湯器２２は、バーナ熱交換器５２，６０、バーナ５６，５７、追焚き熱交換器５８、補給水弁５９、シスターン６１等を備えている。バーナ熱交換器５２には、混合水経路５１を経由してミキシングユニット２４から温水が流入する。ガス燃焼式のバーナ５６はバーナ熱交換器５２を加熱する。バーナ５６は、コントローラ２１から点火の指示を受けると、プリパージ動作を行った後に燃焼を開始する。プリパージに要する時間は、燃焼用ファンのサイズや回転数、バーナ５６，５７の燃焼ガスがバーナ熱交換器５２，６０を通過して装置外へ排気される部分の容量等から設定され、予めコントローラ２１に記憶されている。プリパージには通常数秒を要し、本実施例のバーナ５６では、プリパージに係る時間は１．５秒である。
バーナ熱交換器５２の下流側と給湯栓６４は給湯栓経路６３によって接続されている。給湯栓６４は、浴室、洗面所、台所等に配置されている（図１では、これら複数の給湯栓６４を１つで代表している）。給湯栓経路６３には給湯サーミスタ６５が装着されている。給湯サーミスタ６５はバーナ熱交換器５２から流出する温水の温度を検出する。給湯サーミスタ６５の検出信号はコントローラ２１に出力される。

混合水経路５１には、バーナ熱交換器５２をバイパスするバイパス管３７が形成されている。バイパス管３７にはバイパスサーボ３８が設けられている。バイパスサーボ３８の開度はコントローラ２１によって制御され、内蔵しているステッピングモータが駆動されることによって開度が調整される。バイパスサーボ３８が開かれると、混合水経路５１のバーナ熱交換器５２の上流側から分岐し、バイパス管３７を通り、混合水経路５１のバーナ熱交換器５２の下流側に合流するバイパス経路が形成される。コントローラ２１によってバイパスサーボ３８の開度を制御することによって、バーナ熱交換器５２への流量に対するバイパス管３７への流量の割合であるバイパス比が制御される。

給湯器２２内の混合水経路５１の途中から、シスターン入水経路６２が分岐している。シスターン入水経路６２の開放端はシスターン６１の上部に差し込まれている。シスターン入水経路６２の途中には補給水弁５９が設けられている。補給水弁５９はコントローラ２１によって制御され、内蔵しているソレノイドが駆動されることによって開閉する。補給水弁５９が開かれると、ミキシングユニット２４からの温水がシスターン６１に供給される。
シスターン６１内には水位電極６６が装着されている。水位電極６６は、棒状のハイレベルスイッチ６６ａとローレベルスイッチ６６ｂを有している。ハイレベルスイッチ６６ａの下端はシスターン６１のハイレベル水位に位置している。ローレベルスイッチ６６ｂの下端はシスターン６１のローレベル水位に位置している。ハイレベルスイッチ６６ａとローレベルスイッチ６６ｂは、水に触れていると検出信号をコントローラ２１に出力する。コントローラ２１は、水位電極６６からの検出信号によって、シスターン６１の水位がハイレベル水位を超えているか、ハイレベル水位とローレベル水位の間にあるか、ローレベル水位よりも低いかを判別する。シスターン６１として適正なのは、水位がハイレベルとローレベルの間に位置している状態である。コントローラ２１は、水位電極６６からの水位検出信号に基づいて補給水弁５９を開閉制御し、シスターン６１の水位を適正範囲に維持する。

シスターン６１の底部には、シスターン出水経路６８の一端が接続されている。シスターン出水経路６８の途中には暖房ポンプ６９が装着されている。暖房ポンプ６９はコントローラ２１によって制御される。シスターン出水経路６８の他端はバーナ上流経路７１と低温水経路７０とに分岐している。バーナ上流経路７１はシスターン出水経路６８とバーナ熱交換器６０の上流側とを接続している。バーナ上流経路７１には、内部を流れる温水の温度を検出する暖房低温サーミスタ７２が装着されている。暖房低温サーミスタ７２の検出信号はコントローラ２１に出力される。
ガス燃焼式のバーナ５７はバーナ熱交換器６０を加熱する。バーナ熱交換器６０の下流とシスターン６１は高温水経路７３によって接続されている。高温水経路７３には、上流側から順に、暖房高温サーミスタ７４、暖房端末熱動弁７５、暖房端末機７６が装着されている。
暖房高温サーミスタ７４は、高温水経路７３を流れる温水の温度を検出する。暖房高温サーミスタ７４の検出信号はコントローラ２１に出力される。

暖房端末機７６は、熱交換器７６ｂと、操作スイッチ７６ａと、電動ファン（図示省略）を備えている。熱交換器７６ｂは、高温水経路７３を流れる温水と空気との間で熱交換を行う。操作スイッチ７６ａは暖房端末熱動弁７５とコントローラ２１に接続されている。
暖房端末熱動弁７５は、膨張エレメントと、膨張エレメントと機械的に連結された開閉弁を内蔵している。暖房端末機７６の操作スイッチ７６ａがオンにされると、暖房端末熱動弁７５の膨張エレメントに通電が行われる。通電された膨張エレメントは高温になって膨張する。膨張した膨張エレメントは開閉弁を駆動し、これによって暖房端末熱動弁７５が開かれる。また、操作スイッチ７６ａがオンにされると、コントローラ２１は、暖房ポンプ６９を作動させる。このように、操作スイッチ７６ａがオンにされたことによって、暖房端末熱動弁７５が開かれるとともに、暖房ポンプ６９が作動すると、シスターン６１から温水が吸出される。コントローラ２１は、暖房低温サーミスタ７２と暖房高温サーミスタ７４が検出した温水温度に基づいて、バーナ５７を制御し、バーナ熱交換器６０から流出する温水の温度を所定範囲に維持する。暖房端末機７６の電動ファンは、操作スイッチ７６ａがオンにされると回転し、熱交換器７６ｂに空気を吹付ける。熱交換器７６ｂに吹付けられた空気は、熱交換器７６ｂを介して温水と熱交換を行って暖められる。暖められた空気は暖房端末機７６から吹出し、部屋を暖房する。熱交換器７６ｂで空気と熱交換を行うことによって、温水の温度は低下する。温度が低下した温水は高温水経路７３を流れてシスターン６１に戻る。

高温水経路７３の暖房高温サーミスタ７４の下流側と、高温水経路７３のシスターン６１への入口部の上流側とは追焚き経路７７によって接続されている。追焚き経路７７は追焚き熱交換器５８を通過している。追焚き経路７７の追焚き熱交換器５８の上流側には追焚き熱動弁７８が装着されている。追焚き熱動弁７８はコントローラ２１によって制御される。
浴槽７９には吸出口７９ａと供給口７９ｂが設けられている。吸出口７９ａと供給口７９ｂは風呂循環経路８０によって接続されている。風呂循環経路８０は追焚き熱交換器５８を通過している。上述したように、追焚き経路７７も追焚き熱交換器５８を通過している。このため、追焚き熱交換器５８では、風呂循環経路８０と追焚き経路７７との間で熱交換が行われる。風呂循環経路８０の追焚き熱交換器５８の上流側には、風呂水位センサ８１、風呂循環ポンプ８２、風呂水流スイッチ８４が装着されている。風呂循環ポンプ８２はコントローラ２１によって制御される。風呂水位センサ８１、風呂水流スイッチ８４は、コントローラ２１に検出信号を出力する。風呂水位センサ８１は水圧を検出する。コントローラ２１は、風呂水位センサ８１が検出した水圧から、浴槽７９に張られている湯の水位を推定する。風呂水流スイッチ８４は風呂循環経路８０を水が流れるとオンになる。
風呂循環経路８０の風呂水位センサ８１の上流側には、浴槽７９から吸出された温水の温度を検出する風呂サーミスタ８５が装着されている。風呂サーミスタ８５の検出信号はコントローラ２１に出力される。

バーナ５７と暖房ポンプ６９が作動している状態で追焚き熱動弁７８が開くと、温水が追焚き経路７７に流入して追焚き熱交換器５８を通過する。風呂循環ポンプ８２が作動すると、温水が浴槽７９の吸出口７９ａから吸出され、風呂循環経路８０を流れて再び供給口７９ｂから浴槽７９に戻る循環が行われる。風呂循環経路８０を流れる温水は、追焚き熱交換器５８で追焚き経路７７を流れる温水によって加熱され、浴槽７９の湯が追焚きされる。

給湯栓経路６３の途中と、風呂循環経路８０の風呂循環ポンプ８２の下流側とを接続する湯張り経路２５が設けられている。湯張り経路２５には、ソレノイド駆動タイプの注湯弁２７と、湯張り量センサ８３が装着されている。注湯弁２７は、コントローラ２１によって制御され、湯張り経路２５を開閉する。湯張り量センサ８３は、湯張り経路２５を流れる水量を検出することにより、浴槽７９への湯張り運転の際に、それがどの程度行われたかを推定する。湯張り量センサ８３はコントローラ２１に検出信号を出力する。
浴槽７９に湯を張るときには、注湯弁２７が開かれる。注湯弁２７が開かれると、温水が給湯栓経路６３から湯張り経路２５を経て風呂循環経路８０に流入する。風呂循環経路８０に流入した温水は、吸出口７９ａと供給口７９ｂから浴槽７９に供給され、浴槽７９に湯張りされる。このときには、風呂循環ポンプ８２は駆動されず、湯張り経路２５に加わっている水圧によって浴槽７９への湯張り運転が行われる。

低温水経路７０の途中には、低温サーミスタ９４、床暖房熱動弁９０、床暖房機９１が設けられている。床暖房機９１は、低温水経路７０を流れる温水によって床を暖める。床暖房を行う場合には、床暖房熱動弁９０が開かれ、温水が床暖房機９１に導かれる。導かれた温水は、床暖房機９１を暖める。床暖房を行わない場合には、床暖房熱動弁９０が閉じられる。低温サーミスタ９４は、低温水経路７０を流れる温水の温度を検出する。低温サーミスタ９４の検出信号はコントローラ２１に出力される。床暖房熱動弁９０はコントローラ２１によって制御される。
高温水経路７３の暖房端末熱動弁７５の上流側と、低温水経路７０の床暖房機９１の下流側とは、バイパス経路９２によって接続されている。暖房端末熱動弁７５と床暖房熱動弁９０が閉じた状態で、暖房ポンプ６９が作動すると、シスターン６１内の温水が順に、バーナ上流経路７１、バーナ熱交換器６０、高温水経路７３、バイパス経路９２、低温水経路７０、高温水経路７３と流れ、シスターン６１へ戻る経路が形成される。

貯湯槽２０と発電ユニット１１０を接続している循環経路１２８は、通常屋外に配設されるため、冬季に循環経路１２８内の温水が凍結する可能性がある。本実施例のコージェネレーションシステムでは、循環経路１２８内の温水の凍結を効果的に防止する凍結防止処理を行う。図２に示すように、ステップＳ１０で外気温が３℃以下となったことが検出されると（ＹＥＳとなると）、ステップＳ１２に進み、循環経路１２８の凍結を防止するための凍結防止運転が開始される。ステップＳ１２では、循環経路１２８の循環往路１２８ｂに取付けられている循環ポンプ４０が駆動される。ステップＳ１４では、循環復路１２８ａに取付けられている復路サーミスタ４５の検出温度が３℃を上回っているか否かが判別される。復路サーミスタ４５の検出温度が３℃を上回っていれば（ステップＳ１４でＹＥＳであれば）、循環経路１２８内の温水をこの温水温度のまま循環させることによって、十分に凍結を防止することができる。さらにステップＳ１６では、復路サーミスタ４５の検出温度が４５℃未満であるか否かが判別される。復路サーミスタ４５の検出温度が４５℃以上であれば（ステップＳ１６でＮＯであれば）、循環経路１２８内の熱を貯湯槽２０内に回収するため、熱回収処理（図４を用いて後述する）を行う。復路サーミスタ４５の検出温度が４５℃未満であれば（ステップＳ１６でＹＥＳであれば）、循環経路１２８内の熱を貯湯槽２０内に回収せず、この熱を凍結防止に利用する。復路サーミスタ４５の検出温度が３℃を上回り（ステップＳ１４でＹＥＳであり）、かつ４５℃未満であれば（ステップＳ１６でＹＥＳであれば）、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、循環経路１２８に取付けられている三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｃを連通させる。これによって、循環経路１２８は貯湯槽２０を経由しないバイパス循環経路となる。
バイパス循環経路が形成されている状態で循環ポンプ４０が駆動すると、循環経路１２８内の温水が貯湯槽２０を経由することなく循環する。ステップＳ１８では、復路サーミスタで検知される水温は３℃を超えているから、循環経路１２８内の温水が循環することによって、循環経路１２８の凍結を防止することができる。このとき、循環経路１２８には貯湯槽２０の温水が導入されないため、貯湯槽２０内の蓄熱を無駄に使用することがない。また、貯湯槽２０内に温度成層が形成され、貯湯槽２０の上部に高温水が貯えられていたとしても、貯湯槽２０内に循環経路１２８内の低温水（温水温度が３℃から４５℃の間）が入水しないため、温度成層を崩すことなく凍結防止運転を行うことができる。

ステップＳ１４で復路サーミスタ４５の検出温度が３℃以下であれば（ＮＯであれば）、循環経路１２８内の水温が低温であり、循環ポンプ４０を駆動させたとしても、循環経路１２８が凍結する可能性がある。循環経路１２８の凍結を防止するためには、循環経路１２８内の温水温度を上昇させる必要がある。このためには、循環経路１２８内に貯湯槽２０内の温水を導入することによって水温を上昇させるか、あるいは、貯湯槽２０内の温水を利用せず、循環経路１２８内の温水を凍結防止用ヒータ８８によって加熱することによって水温を上昇させるかのいずれかを行う必要がある。

循環経路１２８内に貯湯槽２０内の温水が送り出されれば、貯湯槽２０内に循環経路１２８内の温水が送り出されることとなる。循環経路１２８内の温水温度が３℃から４５℃の間であり、貯湯槽２０の上部の温水温度が高温（４５℃以上）である場合には、貯湯槽２０内に循環経路１２８内の温水を流入させると、循環経路１２８内の低温水が貯湯槽２０の上部の高温水の上に積層され、貯湯槽２０内の温度成層が崩れてしまう。循環経路１２８内の温水が流入する前は、給湯設定温度の温水を給湯可能な高温水が貯湯槽２０の上部に貯えられた状態であっても、循環経路１２８内の温水の流入によって、設定温度（温水利用箇所で必要とされている温水温度）の温水を給湯できるだけの高温水が貯湯槽２０の上部に貯えられていない状態となってしまう。このとき給湯要求があれば、貯湯槽２０内の温水をバーナ５６によって加熱して給湯しなければならない。貯湯槽２０内の温水を循環経路１２８の凍結防止運転に利用した結果、貯湯槽２０の上部の温水温度が低下し、貯湯槽２０内の蓄熱のみを利用する給湯ができなくなってしまっては、システムとしてのエネルギー効率を低下させてしまう。

そこで、本実施例の凍結防止処理では、ステップＳ１４で復路サーミスタ４５の検出温度が３℃以下であれば（ＮＯであれば）、ステップＳ２４に進み、貯湯槽２０内の温度成層を維持するか否かが決定される。ステップＳ２４における、温度成層の維持の要否の判断は、図３に示す処理によって判別されて決定される。
図３に示す処理では、まずステップＳ５０で、貯湯槽２０の上部に取付けられている貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が、給湯設定温度より１℃高い温度を下回っているか否かが判別される。本実施例の給湯システム１０では、給湯要求があったときに、貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が給湯設定温度＋１℃を下回っていれば、貯湯槽２０からの温水をバーナ５６で加熱して給湯する。また、貯湯槽２０内の温水を凍結防止運転に利用することで貯湯槽２０の上部の温水温度が低下して給湯設定温度＋１℃を下回れば、貯湯槽２０からの温水をバーナ５６で加熱して給湯する。つまり、貯湯槽２０の上部の温水温度が給湯設定温度＋１℃に満たなければ、この貯湯槽２０内の温水を凍結防止運転に利用しようがしまいが、バーナ５６を利用した給湯を行うことにかわりはない。従って、貯湯槽２０の上部の温水温度が給湯設定温度＋１℃に満たないときは、給湯要求に備えて温度成層を維持する必要はなく、貯湯槽２０内の温水を凍結防止運転に利用しても差し支えない。ステップＳ５０で、貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が、給湯設定温度＋１℃を下回っているとき（ＹＥＳであるとき）は、ステップＳ５２に進み、温度成層を維持しないことが決定される。

一方、貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が、給湯設定温度＋１℃以上であるとき、貯湯槽２０内の温水をバーナ５６で加熱することなく給湯に利用することが可能である。貯湯槽２０内の温水を加熱することなく給湯に利用できるときは、給湯要求に備えて温度成層を維持するべきである。ただし、このとき、給湯要求がないことが明らかであれば、温度成層を維持する必要はない。給湯要求がないことが明らかなときとしては、メインスイッチ２３ａがオフであるときと、深夜時間帯であるときが考えられる。従って、ステップＳ５０で、貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が、給湯設定温度＋１℃以上であるとき（ＮＯであるとき）、ステップＳ５４に進み、まずメインスイッチ２３ａがオフであるか否かが判別される。メインスイッチ２３ａがオフであれば、当然のことながら給湯要求はなされない。従って、メインスイッチ２３ａがオフであれば（ステップＳ５４でＹＥＳであれば）、ステップＳ５２に進み、温度成層を維持しないことが決定される。また、ステップＳ５４でメインスイッチ２３ａがオンであっても（ＮＯであっても）、ステップＳ５６で深夜時間帯（例えば午前１時から午前５時の間）であれば、給湯要求はなされない。従って、深夜時間帯であると判別されれば（ステップＳ５６でＹＥＳであれば）、ステップＳ５２に進み、温度成層を維持しないことが決定される。一方、深夜時間帯でないと判別されれば（ステップＳ５６でＮＯであれば）、給湯要求がある可能性があり、給湯要求に備えて温度成層を維持しておく必要がある。従って、ステップＳ５８に進み、温度成層を維持することが決定される。

図３に示す処理で、温度成層を維持しないことが決定されると（図２のステップＳ２４でＹＥＳであると）、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、貯湯槽２０の下部に取付けられている貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃を上回るか否かが判別される。循環経路１２８内に貯湯槽２０内の温水を導入する場合、貯湯槽２０内の温水は貯湯槽２０の下部から循環経路１２８内に導入される。貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃を上回っていれば（ステップＳ２６でＹＥＳであれば）、この温水を循環経路１２８に送り出すことによって凍結を防止することが可能である。従って、ステップＳ２８に進み、三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｂを連通させる。これによって、循環経路１２８は貯湯槽２０内の温水を使用する貯湯槽循環経路となる。
貯湯槽循環経路が形成されている状態で循環ポンプ４０が駆動することにより、循環経路１２８内の温水が貯湯槽２０を経由して循環する。これによって、貯湯槽２０の下部の温水が循環経路１２８に送り出され、循環経路１２８の温水が貯湯槽２０の上部に戻される。貯湯槽２０内の蓄熱を利用して循環経路１２８の凍結を防止することができる。
貯湯槽２０内の温水を循環させたことによって循環経路１２８内の温水は温度上昇する。ステップＳ３０で復路サーミスタ４５の検出温度が７℃以上になるまで（ＹＥＳとなるまで）、貯湯槽循環経路が形成されている状態で循環経路１２８内の温水を循環させる。復路サーミスタ４５の検出温度が７℃以上となれば（ステップＳ３０でＹＥＳとなれば）、これ以上循環経路１２８内の温水温度を上昇させる必要はなく、この循環経路１２８内の温水温度のまま循環させても、十分に凍結を防止することができる。即ち、貯湯槽２０の蓄熱を利用しなくても、凍結防止運転を行うことができる。従って、ステップＳ１８に進み、三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｃが連通した状態に切換え、バイパス循環経路を形成させ、ステップＳ２０に進む。このように、循環経路１２８内の温水温度が凍結防止運転を行える温度まで上昇したとき、貯湯槽２０を経由しないバイパス循環経路に切換えることによって、貯湯槽２０の蓄熱の利用量を最小限に抑えることができる。

図３に示す処理で、温度成層を維持する必要があると決定されると（ステップＳ２４でＮＯであると）、貯湯槽２０内の温水を利用せずに、凍結防止用ヒータ８８を用いて凍結防止運転を行う。また、図３に示す処理で、温度成層を維持する必要がないと決定されても（ステップＳ２４でＹＥＳであっても）、貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃以下であれば（ステップＳ２６でＮＯであれば）、貯湯槽２０内の温水を循環経路１２８に導入しても凍結を防止できないおそれがあるため、貯湯槽２０内の温水を利用せず、凍結防止用ヒータ８８を用いて凍結防止運転を行う。これらの場合には、ステップＳ３２へ進み、循環往路１２８ｂに取付けられている凍結防止用ヒータ８８を駆動させる。ステップＳ３４に進み、三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｃを連通させることによって、循環経路１２８は貯湯槽２０を経由しないバイパス循環経路となる。この状態で循環ポンプ４０が駆動することにより、循環経路１２８内の温水が凍結防止用ヒータ８８によって加熱されながらバイパス循環経路内を循環する。これによって、貯湯槽２０内の蓄熱を利用することなく循環経路１２８の凍結を防止することができる。
ステップＳ３６で復路サーミスタ４５の検出温度が７℃以上になるまで（ＹＥＳとなるまで）、凍結防止用ヒータ８８が駆動した状態で、バイパス循環経路内を温水が循環する。復路サーミスタ４５の検出温度が７℃以上となれば（ステップＳ３６でＹＥＳとなれば）、これ以上循環経路１２８内の温水温度を上昇させなくても、十分に凍結を防止することができる。即ち、凍結防止用ヒータ８８による加熱を行わなくても、凍結防止運転を行うことができる。従って、ステップＳ３８に進み、凍結防止用ヒータ８８を停止させる。凍結防止用ヒータ８８の停止後はステップＳ２０に進み、外気温が７℃以上になるまでバイパス循環経路での温水の循環を繰り返す。このように、循環経路１２８内の温水温度が凍結防止運転を行える温度まで上昇したとき、凍結防止用ヒータ８８による加熱を停止させることによって、エネルギーの消費量を最小限に抑えることができる。

ステップＳ１６で復路サーミスタ４５の検出温度が４５℃以上であれば（ＮＯであれば）、循環経路１２８内の熱を貯湯槽２０に回収するため、図４に示す熱回収処理を行う。
循環経路１２８内の熱を回収する熱回収運転を行うと、循環経路１２８内の高温水が貯湯槽２０の上部に送り出されるとともに、貯湯槽２０の下部の温水が循環経路１２８内に送り出される。この温水の循環は、貯湯槽循環経路が形成されて凍結防止運転が行われているときの温水の循環と同様である。熱回収運転を行うことによって、貯湯槽２０内の温水を利用した凍結防止運転をも行うこととなる。
まず、ステップＳ７０では、貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃を上回っているか否かが判別される。貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃以下であるときに熱回収運転を行うと、貯湯槽２０の下部の３℃以下の低温水が循環経路１２８に送り出されることとなり、凍結を防止できないおそれがある。このため、貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃以下であれば（ステップＳ７０でＮＯであれば）、図２のステップＳ３２に進み、凍結防止用ヒータ８８で加熱しながら温水をバイパス循環経路で循環させて、凍結防止運転を行う。

貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃を上回っているときに熱回収運転を行えば、貯湯槽２０の下部の３℃より高温の温水が循環経路１２８に送り出されることとなる。貯湯槽２０の下部の温水温度は循環経路１２８内の温水温度より低温であるが、循環させることで循環経路１２８の凍結を防止することはできる。従って、貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃を上回っていれば（ステップＳ７０でＹＥＳであれば）、ステップＳ７２に進み、熱回収運転と同様の運転を行う。三方弁４９の入口４９ａと出口４９ｂを連通させ、貯湯槽循環経路で温水を循環させることによって、循環経路１２８内の熱が貯湯槽２０内に回収される。ステップＳ７４で復路サーミスタ４５の検出温度が４０℃以下となるまで（ＹＥＳとなるまで）熱回収運転を行う。復路サーミスタ４５の検出温度が４０℃以下となれば（ステップＳ７４でＹＥＳとなれば）、熱回収運転を終了してステップＳ１８に進み、バイパス循環経路に切換えて凍結防止運転を継続する。

ステップＳ２０で外気温が７℃以上になったことが検出されるまで（ＹＥＳとなるまで）、ステップＳ１４からステップＳ２０の凍結防止運転を繰返す。外気温が７℃以上となったことが検出されると（ステップＳ２０でＹＥＳとなると）、循環経路１２８が凍結するおそれはないため、ステップＳ２２に進み、循環ポンプ４０の駆動を停止させて凍結防止運転を終了する。

上述した循環経路１２８の凍結防止運転について以下に列記する。
（１）凍結防止運転は、外気温が３℃以下となった時点で開始し、外気温が７℃以上となった時点で終了する。
（２）循環経路１２８内の温水温度が３℃から４５℃の間であれば、循環経路１２８をバイパス循環経路とし、ヒータ等による加熱を行うことなく、そのまま循環させる。
（３）循環経路１２８内の温水温度が３℃以下であり、温度成層の維持が不要であり、貯湯槽２０の下部の温水温度が３℃より高ければ、循環経路１２８を貯湯槽循環経路とし、貯湯槽２０内の温水を循環経路１２８内で循環させる。その後、循環経路１２８内の温水温度が７℃以上となれば、循環経路１２８をバイパス循環経路に切換えて循環させる。
（４）循環経路１２８内の温水温度が３℃以下であり、温度成層の維持が不要であり、貯湯槽２０の下部の温水温度が３℃以下であれば、循環経路１２８をバイパス循環経路とし、凍結防止用ヒータ８８を駆動させて循環させる。その後、循環経路１２８内の温水温度が７℃以上となれば、凍結防止用ヒータ８８を停止させて、循環経路１２８内の温水を循環させる。
（５）循環経路１２８内の温水温度が３℃以下であり、温度成層の維持が必要であれば、循環経路１２８をバイパス循環経路とし、凍結防止用ヒータ８８を駆動させて循環させる。その後、循環経路１２８内の温水温度が７℃以上となれば、凍結防止用ヒータ８８を停止させて、循環経路１２８内の温水を循環させる。
（６）循環経路１２８内の温水温度が４５℃以上であれば、４０℃以下になるまで熱回収運転を行う。その後、循環経路１２８をバイパス循環経路として循環させる。

上述のように、本実施例の給湯システム１０では、循環経路１２８の凍結を防止するために、循環経路１２８内の温水を循環させる凍結防止運転を行う。この凍結防止運転を行うとき、貯湯槽２０内の蓄熱を利用すれば、一見エネルギー効率がよいように思われるが、実際にはそうとは言い切れない。
貯湯槽２０内への発電熱の回収が進むと、貯湯槽２０には温度成層が形成される。温度成層が形成されると、貯湯槽２０の上部に給湯設定温度より高温の温水が貯えられた状態となる。このため、給湯要求時に、貯湯槽２０内の蓄熱が完了していない状態であっても、貯湯槽２０からの温水を加熱することなく給湯設定温度の温水を給湯することができる。
貯湯槽２０内の温水を利用して凍結防止運転を行うと、循環経路１２８内に貯湯槽２０の下部の温水が送り出されると同時に、貯湯槽２０の上部に循環経路１２８内の温水が送り出される。このとき、仮に循環経路１２８内の温水温度が低温（３℃から４５℃の間）であり、貯湯槽２０の上部の温水温度が高温（４５℃以上）であれば、循環経路１２８内の低温水が貯湯槽２０の上部の高温水の上に積層されるため、貯湯槽２０内の温度成層は崩れてしまう。温度成層が崩れてしまうと、貯湯槽２０の上部に、給湯設定温度の温水を加熱することなく給湯できるだけの高温水が貯えられていない状態となる。このとき給湯要求があれば、貯湯槽２０内の温水をバーナ５６によって加熱して給湯しなければならない。バーナ５６では所定の最小加熱量よりも弱く加熱することはできないから、給湯設定温度で給湯を行うには、その最小加熱量によって加熱されることで給湯設定温度となる温度まで、混合水サーミスタ５４から流出する混合水の温度を低下させる必要がある。例えば、給湯設定温度が４０℃であり、給湯流量が５リットル／ｍｉｎであり、バーナ５６の最小加熱量が７５ｋｃａｌ／ｍｉｎである場合、混合水サーミスタ５４から流出する混合水の温度は、４０−７５／５＝２５℃まで低下させる必要がある。貯湯槽２０の温度成層が崩れて、貯湯槽２０の上部の温水温度が３５℃になった場合、その温水は混合水サーミスタ５４で２５℃まで温度を下げられ、その後にバーナ５６によって加熱して４０℃まで加熱される。このように、バーナ５６による加熱を行わない給湯から、バーナ５６による加熱を行う給湯へ切換わることで、温水の余分な冷却と加熱が必要となり、システムのエネルギー効率は低下してしまう。貯湯槽２０に蓄えられた熱を凍結防止運転に利用することで、かえってシステム全体としてのエネルギー効率を低下させてしまうことになる。

しかし、始めから貯湯槽２０の上部に給湯設定温度の温水を加熱することなく給湯できるだけの高温水が貯えられていない状態であれば、給湯要求があった際にはいずれにしても貯湯槽２０からの温水をバーナ５６によって加熱して給湯しなければならない。つまり、この状態であるときに、貯湯槽２０内の温水を利用して凍結防止運転を行って貯湯槽２０の上部の温水温度が低下しようがしまいが、給湯時にバーナ５６を利用することにかわりはない。従って、貯湯槽２０の上部に、給湯設定温度の温水を加熱することなく給湯できるだけの高温水が貯えられていないときは、貯湯槽２０内の温水を利用して凍結防止運転を行っても、著しくエネルギー効率が低下することはない。
また、仮にメインスイッチ２３ａがオフであるときや、深夜時間帯であれば、使用者が温水を必要としていないことは明白であって、貯湯槽内に蓄熱があったとしても、使用されることなく放熱されるだけである。このことから、給湯要求に備えて貯湯槽２０の上部に高温水を貯えておく必要はない。従って、メインスイッチ２３ａがオフであるときや深夜時間帯に、貯湯槽２０内の温水を利用して凍結防止運転を行うことによって、エネルギー効率を向上させることができる。

本実施例の貯湯式給湯システムでは、復路サーミスタ４５の検出温度が３℃より高温であれば、貯湯槽２０内の温水を導入する必要はなく、この温水をこの温度のまま循環させることによって、凍結を防止することができる。貯湯槽２０に温度成層が形成されている場合には、その温度成層を崩してしまうことがない。また、凍結防止用ヒータ８８等の加熱手段を使用することなく循環経路１２８内の温水の凍結を防止することができ、エネルギー効率がよい。

一方、復路サーミスタ４５の検出温度が３℃以下であれば、この温水をこの温度のまま循環させたとしても、凍結を防止することができないおそれがある。この場合には、まず貯湯槽２０の温度成層の維持の要否を決定する処理を行う。
貯湯槽サーミスタ３５ａの検出温度が給湯設定温度より１℃高い温度より低温であるとき、給湯要求があっても、貯湯槽２０からの温水を加熱することなく給湯設定温度で給湯することはできない。このとき貯湯槽循環経路内の温水が循環することによって貯湯槽２０の上部に低温水が入水し、貯湯槽２０の上部の温水温度がさらに低下したとしても、貯湯槽２０からの温水をバーナ５６で加熱して給湯することにかわりはない。即ち、貯湯槽２０内の温水を循環経路１２８内の温水の凍結を防止するために利用したとしても、給湯運転にほとんど影響を与えない。貯湯槽２０内の温水は、加熱することなく給湯することはできない温度ではあるが、循環経路１２８内を循環させることによって温水の凍結を防止することはできる温度である可能性が高い。従って、このような場合には温度成層を維持する必要がないと判断して、貯湯槽２０内の蓄熱を利用して凍結を防止する。凍結防止用ヒータ８８等の加熱手段を使用することなく循環経路１２８内の温水の凍結を防止することができ、エネルギー効率がよい。
また、メインスイッチ２３ａがオフであるときや、深夜時間帯であれば、使用者が温水を必要としていないことは明白であって、給湯要求に備えて貯湯槽２０の上部に高温水を貯えておく必要はない。従って、このような場合にも温度成層を維持する必要がないと判断して、貯湯槽２０内の蓄熱を利用して凍結を防止する。凍結防止用ヒータ８８等の加熱手段を使用することなく循環経路１２８内の温水の凍結を防止することができ、エネルギー効率がよい。

上記の温度成層の維持の要否を決定する処理によって温度成層を維持する必要がないと判断された場合でも、貯湯槽サーミスタ３５ｄの検出温度が３℃以下であれば、貯湯槽循環経路で温水を循環させても凍結を防止することはできないおそれがある。従って、このような場合には、貯湯槽２０をバイパスするバイパス循環経路で温水を循環させ、凍結防止用ヒータ８８によってバイパス循環経路内の温水を加熱する。これによって、バイパス循環経路内の温水温度が上昇する。貯湯槽２０の温水が低温であって循環経路１２８内の温水の凍結防止に利用できないときであっても、循環経路１２８内の温水温度を効果的に上昇させて凍結を防止することができる。
一方、温度成層の維持の要否を決定する処理によって温度成層を維持する必要があると判断された場合には、循環経路１２８内の低温水が貯湯槽２０の上部に送り出されないようにする必要がある。従って、貯湯槽２０をバイパスするバイパス循環経路で温水を循環させ、凍結防止用ヒータ８８によって循環経路１２８内の温水を加熱する。貯湯槽２０の温度成層を維持することができるため、給湯要求時に加熱することなく給湯設定温度で給湯できる状態を維持することができる。
また、上記の凍結防止運転によって、復路サーミスタ４５の検出温度が７℃以上まで上昇したとき、凍結防止用ヒータ８８等の加熱手段を使用することなく温水を循環させる凍結防止運転に切換えるため、貯湯槽２０内の蓄熱の使用量や凍結防止用ヒータ８８が消費するエネルギー量を最小限に抑えることができる。
以上のように、本実施例の貯湯式給湯システムでは、そのときの状況に合った効率的な手法によって循環経路１２８の凍結を防止することができ、システム全体としてのエネルギー効率が高い。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施例のコージェネレーションシステムの系統図。循環経路の凍結防止処理を示すフローチャート（１）。温度成層の維持の要否を決定する処理を示すサブルーチン。循環経路の凍結防止処理を示すフローチャート（２）。

符号の説明

１０：給湯システム
２０：貯湯槽
２２：給湯器
２４：ミキシングユニット
３５ａ：貯湯槽サーミスタ、３５ｂ：貯湯槽サーミスタ、３５ｃ：貯湯槽サーミスタ、３５ｄ：貯湯槽サーミスタ
４０：循環ポンプ
４１：バイパス循環経路
４５：復路サーミスタ
４９：三方弁、４９ａ：入口、４９ｂ：出口、４９ｃ：出口
８８：ヒータ
１１０：発電ユニット
１２８：循環経路、１２８ａ：循環復路、１２８ｂ：循環往路

Claims

水を加熱する熱源と、
熱源で加熱された水を貯える貯湯槽と、
貯湯槽に貯えられた水を温水利用箇所へ供給する給湯手段と、
貯湯槽と熱源の間で水を循環させる循環路と、
循環路に設けられたポンプと、
循環路に貯湯槽と並列に設けられ、貯湯槽をバイパスするバイパス路と、
循環路の状態を、貯湯槽を経由して水が循環する状態と、バイパス路を経由して水が循環する状態の何れかに切り換える切換え手段と、
外気温を計測する外気温センサを備え、外気温が所定温度より低い場合に、ポンプを駆動して循環路の凍結を防止する凍結防止運転を行う貯湯式給湯システムであって、
給湯設定温度を設定する設定手段と、
貯湯槽の内部の水温を計測する貯湯槽温度センサを備えており、
凍結防止運転において、貯湯槽の内部の水温が給湯設定温度に基づく基準温度より低い場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、貯湯槽の内部の水温が基準温度より高い場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させることを特徴とする貯湯式給湯システム。
水を加熱する熱源と、
熱源で加熱された水を貯える貯湯槽と、
貯湯槽に貯えられた水を温水利用箇所へ供給する給湯手段と、
貯湯槽と熱源の間で水を循環させる循環路と、
循環路に設けられたポンプと、
循環路に貯湯槽と並列に設けられ、貯湯槽をバイパスするバイパス路と、
循環路の状態を、貯湯槽を経由して水が循環する状態と、バイパス路を経由して水が循環する状態の何れかに切り換える切換え手段と、
外気温を計測する外気温センサを備え、外気温が所定温度より低い場合に、ポンプを駆動して循環路の凍結を防止する凍結防止運転を行う貯湯式給湯システムであって、
オンとオフを切換え可能であって、オンに切換えられた場合に貯湯槽から温水利用箇所への給湯を可能にするメインスイッチを備えており、
凍結防止運転において、メインスイッチがオフの場合に、貯湯槽を経由する循環路で水を循環させ、メインスイッチがオンの場合に、バイパス路を経由する循環路で水を循環させることを特徴とする貯湯式給湯システム。