JP4838653B2 - 管路凍結防止方法及びコジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、管路凍結防止方法及びコジェネレーションシステムに関するものである。

従来から、電気及び熱を生成する発電装置と、この発電装置により生成された熱を吸収した温水を貯える貯湯槽と、発電装置と貯湯槽との間で水を循環させるための管路とを備えるコジェネレーションシステムが知られている。このようなコジェネレーションシステムでは、管路内の水の凍結を防ぐための凍結防止機能を備えるものが知られている。例えば、下記特許文献１には、ヒータ等の加熱器を付加することなく、貯湯槽に貯えられた湯水を利用することで管路内の水の凍結を防止することができるコジェネレーションシステムが開示されている。
特開２００４−６０９８０号公報

しかしながら、特に寒冷地などでは、貯湯槽に貯えられた湯水を利用するだけでは完全に管路内の水の凍結を防止することはできない。特に、発電装置の機能が停止された場合には、夜間等の長時間にわたって凍結防止の効果が発揮されにくい。この問題に対処するために、管路をヒータ等の加熱器で直接加熱することが考えられる。しかし、凍結を効果的に防止するためには管路全体にわたってヒータを設置する必要があり、電力消費量が増大する傾向にある。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、消費電力を低減しつつより確実に管路内の水の凍結を防止することが可能な管路凍結防止方法及びコジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明の管路凍結防止方法は、電力及び熱を生成する発電装置と、水を貯える貯湯槽と、発電装置から貯湯槽までの間で循環路を形成するように設けられ、発電装置において生成された熱が吸収された水を貯湯槽内に送るための管路とを備えるコジェネレーションシステムにおける管路凍結防止方法であって、管路に設けられた温度センサにより管路の温度を取得する温度取得ステップと、温度取得ステップにおいて取得された温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断ステップと、温度判断ステップにおいて温度が所定値以下であると判断された場合に、管路内の水をヒータにより加熱する加熱制御ステップと、温度判断ステップにおいて温度が所定値以下であると判断された場合に、管路の途中に設けられたポンプにより管路内の水を循環させる循環制御ステップとを備え、温度取得ステップでは、管路の異なる部位に設けられた第１及び第２の温度センサにより管路の２つの温度を取得し、循環制御ステップにおいては、温度取得ステップにおいて取得された２つの温度の差が所定値以下となるように管路内の水の流量を制御する、ことを特徴とする。

また、本発明のコジェネレーションシステムは、電力及び熱を生成する発電装置と、水を貯える貯湯槽と、発電装置から貯湯槽までの間で循環路を形成するように設けられ、発電装置において生成された熱が吸収された水を貯湯槽内に送るための管路とを備えるコジェネレーションシステムであって、管路に設けられた温度センサにより管路の温度を取得する温度取得手段と、温度取得手段により取得された温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断手段と、温度判断手段により温度が所定値以下であると判断された場合に、管路内の水をヒータにより加熱する加熱制御手段と、温度判断手段により温度が所定値以下であると判断された場合に、管路の途中に設けられたポンプにより管路内の水を循環させる循環制御手段とを備え、温度取得手段は、管路の異なる部位に設けられた第１及び第２の温度センサにより管路の２つの温度を取得し、循環制御手段は、温度取得手段により取得された２つの温度の差が所定値以下となるように管路内の水の流量を制御する、ことを特徴とする。

このような管路凍結防止方法及びコジェネレーションシステムによれば、管路の温度が所定値以下である場合に、管路内の水がヒータにより加熱されるとともに、管路の途中に設けられたポンプにより加熱された水が管路全体を循環させられる。これにより、ヒータを広範囲に設けることなく管路内の水が凍結することを効果的に防止できる。併せて、ヒータの設置範囲を広げる必要がなくなり、ヒータの消費電力を低減することができる。

この場合、２箇所で計測された管路の温度の差が所定値以下となるようにポンプが制御されることにより、管路内の水の流量が制御される。そのため、ヒータにより加熱された水の流量を管路の温度状況に応じて調節することができ、ヒータの熱を偏りなく管路全体に流動させることが可能となる。

また、本発明のコジェネレーションシステムでは、加熱制御手段が温度が所定値以上となるようにヒータによる加熱量を制御することが好ましい。

こうすれば、管路の温度が所定値以上になるようにヒータによる加熱量が制御される。そのため、管路内の温度を一定温度以上に上げることができ、管路内の水の凍結をより確実に防止することができる。

このような管路凍結防止方法及びコジェネレーションシステムによれば、消費電力を低減しつつより確実に管路内の水の凍結を防止することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、以下の説明において、「水」とは、水温にかかわらず液体状の水すべてを意味する。

まず、図１及び図２を用いて、実施形態に係るコジェネレーションシステム１の構成について説明する。図１は、実施形態に係るコジェネレーションシステム１の概略構成を示す図である。図２は、図１に示す主制御装置１５及び副制御装置２５のハードウェア構成を示す図である。

コジェネレーションシステム１は、燃料電池発電により電力を生成するとともに、発電時の排熱を冷暖房や給湯用に利用するシステムである。このコジェネレーションシステム１は、燃料電池発電装置１０と、貯湯ユニット２０と、貯湯ユニット２０から送られた水を加熱可能な給湯器５３とを備える。更に、コジェネレーションシステム１は、電力線５１を介して商用電力系統５０及び電気機器ＥＩと、上水用管路３０を介して給水系統５２と、出湯用管路３１及び給湯器５３を介して熱機器ＨＩと、それぞれ接続している。また、コジェネレーションシステム１には、水を当該コジェネレーションシステム１内で循環させるための循環管路３２が設けられている。

上水用管路３０は、給水系統５２と出湯用三方弁２４とを連結する上水用管路３０ａと、当該上水用管路３０ａから分岐し貯湯槽２１下部につながる上水用管路３０ｂとを有する。出湯用管路３１は、貯湯槽２１上部から出湯用三方弁２４及び給湯器５３を介して熱機器ＨＩにつながる。

循環管路３２は、貯湯槽２１下部から燃料電池発電装置１０内の熱交換器１２に至る逆方向管路３２ａと、熱交換器１２から循環用三方弁（切替弁）２３を経て貯湯槽２１上部に至る順方向管路３２ｂと、循環用三方弁２３から貯湯槽２１をバイパスして逆方向管路３２ａに接続されるバイパス管路３２ｃとにより構成される。燃料電池発電装置１０と貯湯ユニット２０との間における逆方向管路３２ａの一部分及び順方向管路３２ｂの一部分（露出部）は、燃料電池発電装置１０及び貯湯ユニット２０から外部に露出しており、例えば、地面や家屋の壁面等の外部環境にさらされている。

順方向管路３２ｂの外周部には、管路温度センサ４１（第１の温度センサ）及び管路温度センサ４２（第２の温度センサ）が取り付けられ、ともに順方向管路３２ｂの温度を計測する。管路温度センサ４１は、順方向管路３２ｂの露出部のうち燃料電池発電装置１０の近傍に取り付けられており、管路温度センサ４２は、当該露出部のうち貯湯ユニット２０の近傍に取り付けられている。管路温度センサ４１及び４２には熱電対やサーミスタ等が用いられているが、管路温度センサを構成する素子はこれに限定されない。

燃料電池発電装置１０は、商用電力系統５０を介して供給される電力により運転可能であり、発電機１１、熱交換器１２、ＦＣヒータ（ヒータ）１３、ポンプ１４及び主制御装置１５を有する。

発電機１１は、内蔵する燃料電池により電力を生成（発電）するとともに、発電に伴って熱を生成する装置である。発電機１１は、発電した電力を電力線５１を介して電気機器ＥＩに出力するとともに、発電に伴って発生する熱を熱交換器１２に移動させる。

熱交換器１２は、発電機１１で発生する熱を吸収し、当該熱交換器１２内を循環する水にその熱を伝達する。具体的には、熱交換器１２は、逆方向管路３２ａを介して流入する水に熱を伝達し、その結果熱が吸収された水を順方向管路３２ｂに流出させる。したがって、熱交換器１２及び循環管路３２により、燃料電池発電装置１０で発生した熱を吸収した水が貯湯槽２１に送られることになる。

ＦＣヒータ１３は、帯状の抵抗器等の加熱素子であり、燃料電池発電装置１０内における順方向管路３２ｂの外周部に巻かれるように取り付けられている。商用電力系統５０により図示しない送電線を経由して通電されたＦＣヒータ１３は、その通電により発する熱により循環管路３２内を流れる水を加熱する。

ポンプ１４は、燃料電池発電装置１０内の逆方向管路３２ａの途中に取り付けられている。ポンプ１４は、例えば、その内部に渦巻き型の羽根車を有するような構成であり、この羽根車を回転させることで循環管路３２内の水を熱交換器１２に向けて循環させる。ポンプ１４は、主制御装置１５の制御により、稼働中に羽根車の回転数を変更することが可能である。

主制御装置１５は、燃料電池発電装置１０の運転を制御する。主制御装置１５は、図２（ａ）に示すようにＣＰＵ６１、ＲＯＭ又はＲＡＭで構成される主記憶部６２、後述する副制御装置２５との通信を制御する通信制御部６３及び燃料電池発電装置１０を構成する主制御装置１５以外の構成要素との間で信号の入出力を行うためのインタフェース部６４を有する。

貯湯ユニット２０は、貯湯槽２１、貯湯槽ヒータ（ヒータ）２２、循環用三方弁２３、出湯用三方弁２４及び副制御装置２５を有する。

貯湯槽２１は、熱交換器１２において熱交換された水を貯えるタンクである。貯湯槽２１は、下部において上水用管路３０ｂ及び逆方向管路３２ａと接続され、上部において出湯用管路３１及び順方向管路３２ｂと接続されている。このような接続構成により、給水系統５２から供給されることにより貯湯槽２１に貯められる水が熱交換器１２に送られる。また、熱交換器１２から送られてきた水が貯湯槽２１の中に貯められるとともに、貯湯槽２１の中に貯められていた水が給湯器５３を介して熱機器ＨＩに供給される。熱交換器１２から送られてきた温度の高い水は貯湯槽２１の上部から貯湯槽２１内に流入される一方、給水系統５２から送られてきた温度の低い水は貯湯槽２１の下部から貯湯槽２１内に流入される。そのため、貯湯槽２１内に貯められている水は成層を形成している。

貯湯槽ヒータ２２は、帯状の抵抗器等の加熱素子であり、逆方向管路３２ａの外周部に巻かれるように取り付けられている。商用電力系統５０により図示しない送電線を経由して通電された貯湯槽ヒータ２２は、その通電により発する熱により循環管路３２内を流れる水を加熱する。

循環用三方弁２３は、順方向管路３２ｂにおけるバイパス管路３２ｃへの分岐点に設けられている。循環用三方弁２３は、制御されることにより、熱交換器１２側から順方向管路３２ｂ内を流れる水を貯湯槽２１又はバイパス管路３２ｃのいずれかに流すように流路を切り替える。

出湯用三方弁２４は、出湯用管路３１における上水用管路３０ａとの分岐点に設けられている。出湯用三方弁２４は、貯湯槽２１又は給水系統５２から供給された水のいずれかを給湯器５３を介して熱機器ＨＩに送るように流路を切り替える。

副制御装置２５は、商用電力系統５０から送電される電力により動作可能であり、貯湯ユニット２０を制御する。副制御装置２５は、図２（ｂ）に示すようにＣＰＵ７１、ＲＯＭ又はＲＡＭで構成される主記憶部７２、主制御装置１５との通信を制御する通信制御部７３及び貯湯ユニット２０を構成する副制御装置２５以外の構成要素との間で信号の入出力を行うためのインタフェース部７４を有する。

次に、図３及び図４を用いて、主制御装置１５及び副制御装置２５の機能構成について説明する。図３及び図４は、主制御装置１５及び副制御装置２５の機能構成を示す図である。

主制御装置１５は、主側通信部１５１、管路温度取得部（温度取得手段）１５２、温度判断部（温度判断手段）１５３、ＦＣヒータ制御部（加熱制御手段）１５４、ポンプ制御部（循環制御手段）１５５、温度差判断部（循環制御手段）１５６及び加熱量判断部（加熱制御手段）１５７を有する。主制御装置１５の各機能は、ＣＰＵ６１及び主記憶部６２に所定のソフトウェアを読み込ませ、ＣＰＵ６１の制御の下で通信制御部６３又はインタフェース部６４を動作させるとともに、主記憶部６２におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

副制御装置２５は、副側通信部２６１、予備用管路温度取得部（温度取得手段）２６２、貯湯槽ヒータ制御部（加熱制御手段）２６３、循環用三方弁制御部（流路制御手段）２６４、予備用温度判断部（温度判断手段）２６５及び予備用加熱量判断部（加熱制御手段）２６６を有する。副制御装置２５の各機能は、ＣＰＵ７１及び主記憶部７２に所定のソフトウェアを読み込ませ、ＣＰＵ７１の制御の下で通信制御部７３又はインタフェース部７４を動作させるとともに、主記憶部７２におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

主側通信部１５１は、通信制御部６３を介して副側通信部２６１との間で制御信号を送受信することで主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信状態を監視する。具体的には、まず主側通信部１５１が副側通信部２６１に制御信号を送信し、副側通信部２６１がその制御信号に応じて送信する応答信号を主側通信部１５１が受信することができれば、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信が可能であると判断する。この場合、主側通信部１５１は、「通信可能」を示す通信監視信号を温度判断部１５３及び加熱量判断部１５７に出力する。これに対し、主側通信部１５１が所定時間内に応答信号を受信することができなかった場合は、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信が不可能であると判断し、「通信不可」を示す通信監視信号を温度判断部１５３及び加熱量判断部１５７に出力する。なお、主側通信部１５１と副側通信部２６１との間の通信は、例えば無線通信により行われるが、通信方式はこれに限定されない。

副側通信部２６１は、通信制御部７３を介して主側通信部１５１と同様に通信状態を監視する。具体的には、まず副側通信部２６１が主側通信部１５１に制御信号を送信し、主側通信部１５１がその制御信号に応じて送信する応答信号を副側通信部２６１が受信することができれば、副制御装置２５と主制御装置１５との間の通信が可能であると判断する。この場合、副側通信部２６１は、「通信可能」を示す通信監視信号を予備用管路温度取得部２６２、予備用温度判断部２６５及び予備用加熱量判断部２６６に出力する。これに対し、副側通信部２６１が所定時間内に応答信号を受信することができなかった場合は、副制御装置２５と主制御装置１５との間の通信が不可能であると判断し、「通信不可」を示す通信監視信号を予備用管路温度取得部２６２、予備用温度判断部２６５及び予備用加熱量判断部２６６に出力する。

以下、主制御装置１５及び副制御装置２５の機能について、主制御装置１５と副制御装置２５との間で通信が可能な場合と不可能な場合とに分けて説明する。まず、図３を用いて、主制御装置１５と副制御装置２５との間で通信が可能な場合の各機能について説明する。なお、以下の説明においては、主側通信部１５１又は副側通信部２６１から入力される通信監視信号により通信可能であることを認識している場合の、温度判断部１５３、加熱量判断部１５７、予備用管路温度取得部２６２、予備用温度判断部２６５及び予備用加熱量判断部２６６の機能を示す。

管路温度取得部１５２は、管路温度センサ４１及び管路温度センサ４２から絶えず、又は定期的に入力される温度を取得し、主記憶部６２等に保持する。例えば、同時刻に計測された、管路温度センサ４１が計測した温度Ｔ１（℃）及び管路温度センサ４２が計測した温度Ｔ２（℃）をデータとして保持する。なお、温度の取得方法はこれに限定されず、例えば管路温度取得部１５２が管路温度センサ４１及び管路温度センサ４２を定期的に起動して自ら取得してもよい。

温度判断部１５３は、管路内の水が凍結するおそれが高い温度の最大値（以下「温度閾値」という）を予め主記憶部６２から読み出し保持しておく。また、温度判断部１５３は、管路温度取得部１５２が保持する２つの温度データを定期的に取得し、各温度データについて温度閾値（所定値）以下か否かを判断する。そして、少なくとも１つの温度データが温度閾値以下であれば、管路凍結防止のための制御を指示するための凍結防止指示信号をＦＣヒータ制御部１５４、貯湯槽ヒータ制御部２６３、ポンプ制御部１５５及び循環用三方弁制御部２６４に出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と温度閾値Ｔｆ（℃）との関係が「Ｔ１≦Ｔｆ又はＴ２≦Ｔｆ」であれば凍結防止指示信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＞Ｔｆ且つＴ２＞Ｔｆ」であれば何も出力しない。

ＦＣヒータ制御部１５４は、温度判断部１５３から凍結防止指示信号を受けた場合にＦＣヒータ１３における通電を開始させるように制御し、循環管路３２内の水を加熱させる。また、ＦＣヒータ制御部１５４は、後述する加熱量判断部１５７から停止信号を受けた場合に、ＦＣヒータ１３における通電を停止するように制御する。

貯湯槽ヒータ制御部２６３は、温度判断部１５３から凍結防止指示信号を受けた場合に貯湯槽ヒータ２２における通電を開始させるように制御し、循環管路３２内の水を加熱させる。また、貯湯槽ヒータ制御部２６３は、後述する加熱量判断部１５７から停止信号を受けた場合に貯湯槽ヒータ２２における通電を停止するように制御する。

ポンプ制御部１５５は、温度判断部１５３から凍結防止指示信号を受けた場合にポンプ１４を駆動開始するように制御する。また、ポンプ制御部１５５は、ポンプ１４の回転数に対応する情報を予め主記憶部６２から読み出し保持しておき、後述する流量増大信号を受けた場合に当該信号に対応する回転数でポンプ１４が回転するようにポンプ１４の駆動を制御する。例えば、ポンプ制御部１５５は、流量増大信号に対応する増分ΔＲ（ｒｐｍ）を保持しておく。そして、流量増大信号を受けた場合には、ポンプ１４の回転数をΔＲ（ｒｐｍ）だけ増大させるようにポンプ１４の駆動を制御する。

循環用三方弁制御部２６４は、温度判断部１５３から凍結防止指示信号を受けた場合に、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２により加熱された水が逆方向管路３２ａ及び順方向管路３２ｂからなる循環路を循環する際に順方向管路３２ｂからバイパス管路３２ｃへ流入するように循環用三方弁２３を切り替える。

温度差判断部１５６は、管路温度取得部１５２が保持する２つの温度データを定期的に取得してこれらの温度の差を算出し、その値に基づいてポンプ１４の回転数を変更するための信号をポンプ制御部１５５に出力する。このために、温度差判断部１５６は、循環管路３２の流量を変更するための基準値（所定値）を予め主記憶部６２から読み出し保持しておく。

例えば、温度差判断部１５６は、管路温度取得部１５２から温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）を取得して｜Ｔ１−Ｔ２｜（℃）を算出するとともに、基準値Ｔｃ（℃）を読み出しておく。そして、温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）が｜Ｔ１−Ｔ２｜＞Ｔｃなる関係を満たすか否かを判定する。このとき、当該関係が満たされれば流量を増大させる指示を示す流量増大信号をポンプ制御部１５５に出力するが、当該関係が満たされない場合は何もしない。すなわち、温度差判断部１５６は、循環管路３２の２つの温度の差が基準値以下となるように循環管路３２内の水の流量を制御する。

加熱量判断部１５７は、循環管路３２内の水が凍結するおそれがない温度の最小値（以下「循環保証温度」という）を予め主記憶部６２から読み出し保持しておく。また、加熱量判断部１５７は、管路温度取得部１５２が保持する２つの温度データを取得し、各温度データと循環保証温度（所定値）とを比較する。そして、少なくとも一つの温度データが循環保証温度未満であれば、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電を継続させると判断し、すべての温度データが循環保証温度以上であればＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電を停止すると判断する。

ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電を停止すると判断した場合、加熱量判断部１５７は、通電を停止させるための停止信号をＦＣヒータ制御部１５４及び貯湯槽ヒータ制御部２６３にそれぞれ出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と循環保証温度Ｔｇ（℃）との関係が「Ｔ１≧Ｔｇ且つＴ２≧Ｔｇ」であれば停止信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＜Ｔｇ又はＴ２＜Ｔｇ」であれば何も出力しない。すなわち、加熱量判断部１５７は、循環管路３２の２つの温度が循環保証温度以上となるようにＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２による加熱量を制御する。

次に、図４を用いて、主制御装置１５と副制御装置２５との間で通信が不可能な場合の各機能について説明する。なお、以下の説明では、主側通信部１５１又は副側通信部２６１から入力される通信監視信号により通信不可であることを認識している場合の、温度判断部１５３、加熱量判断部１５７、予備用管路温度取得部２６２、予備用温度判断部２６５及び予備用加熱量判断部２６６の機能を示す。また、上述した主制御装置１５及び副制御装置２５の機能と重複する部分については説明を省略する。

予備用管路温度取得部２６２は、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信が不能の場合のみ動作する。予備用管路温度取得部２６２は、管路温度センサ４１及び管路温度センサ４２から絶えず、又は定期的に入力される温度を取得し、主記憶部７２等に保持する。例えば、同時刻に計測された、管路温度センサ４１が計測した温度Ｔ１（℃）及び管路温度センサ４２が計測した温度Ｔ２（℃）をデータとして保持する。なお、温度の取得方法はこれに限定されず、例えば予備用管路温度取得部２６２が管路温度センサ４１及び管路温度センサ４２を定期的に起動して自ら取得してもよい。

温度判断部１５３は、管路温度取得部１５２が保持する２つの温度データを取得し、各温度データと温度閾値とを比較する。そして、少なくとも１つの温度データが温度閾値以下であれば、凍結防止指示信号をＦＣヒータ制御部１５４及びポンプ制御部１５５に出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と温度閾値Ｔｆ（℃）との関係が「Ｔ１≦Ｔｆ又はＴ２≦Ｔｆ」であれば凍結防止指示信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＞Ｔｆ且つＴ２＞Ｔｆ」であれば何も出力しない。

予備用温度判断部２６５は、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信が不能の場合のみ動作する。予備用温度判断部２６５は、温度閾値を予め主記憶部７２から読み出し保持しておく。また、予備用温度判断部２６５は、予備用管路温度取得部２６２が保持する２つの温度データを定期的に取得し、各温度データについて温度閾値以下か否かを判断する。そして、少なくとも１つの温度データが温度閾値以下であれば、温度判断部１５３が出力するものと同様の凍結防止指示信号を貯湯槽ヒータ制御部２６３及び循環用三方弁制御部２６４に出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と温度閾値Ｔｆ（℃）との関係が「Ｔ１≦Ｔｆ又はＴ２≦Ｔｆ」であれば凍結防止指示信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＞Ｔｆ且つＴ２＞Ｔｆ」であれば何も出力しない。

貯湯槽ヒータ制御部２６３は、予備用温度判断部２６５から凍結防止指示信号を受けた場合に貯湯槽ヒータ２２における通電を開始させるように制御し、循環管路３２内の水を加熱させる。

循環用三方弁制御部２６４は、予備用温度判断部２６５から凍結防止指示信号を受けた場合に、少なくとも貯湯槽ヒータ２２により加熱された水が逆方向管路３２ａ及び順方向管路３２ｂからなる循環路を循環する際に順方向管路３２ｂからバイパス管路３２ｃへ流入するように循環用三方弁２３を切り替える。

加熱量判断部１５７は、管路温度取得部１５２が保持する２つの温度データを取得して各温度データと循環保証温度とを比較する。このとき、少なくとも一つの温度データが循環保証温度未満であれば、ＦＣヒータ１３の通電を継続させると判断する。一方、すべての温度データが循環保証温度以上であれば、ＦＣヒータ１３の通電を停止すると判断し、停止信号をＦＣヒータ制御部１５４に出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と循環保証温度Ｔｇ（℃）との関係が「Ｔ１≧Ｔｇ且つＴ２≧Ｔｇ」であれば停止信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＜Ｔｇ又はＴ２＜Ｔｇ」であれば何も出力しない。

予備用加熱量判断部２６６は、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信が不能の場合のみ動作する。予備用加熱量判断部２６６は、循環保証温度を予め主記憶部７２から読み出し保持しておく。また、予備用加熱量判断部２６６は、予備用管路温度取得部２６２が保持する２つの温度データを取得し、各温度データと循環保証温度とを比較する。そして、少なくとも一つの温度データが循環保証温度未満であれば、貯湯槽ヒータ２２の通電を継続させると判断し、すべての温度データが循環保証温度以上であれば貯湯槽ヒータ２２の通電を停止すると判断する。

貯湯槽ヒータ２２の通電を停止すると判断した場合、予備用加熱量判断部２６６は、通電を停止させるための停止信号を貯湯槽ヒータ制御部２６３に出力する。例えば、取得した温度データＴ１（℃）及びＴ２（℃）と循環保証温度Ｔｇ（℃）との関係が「Ｔ１≧Ｔｇ且つＴ２≧Ｔｇ」であれば停止信号を出力するが、当該関係が「Ｔ１＜Ｔｇ又はＴ２＜Ｔｇ」であれば何も出力しない。すなわち、予備用加熱量判断部２６６は、循環管路３２の２つの温度が循環保証温度以上となるように貯湯槽ヒータ２２による加熱量を制御する。

次に、本実施形態に係るコジェネレーションシステム１の動作について、図５を参照しながら説明する。図５は、図１に示すコジェネレーションシステム１の動作を示すシーケンス図である。

まず、主制御装置１５の管路温度取得部１５２により２つの温度が取得され温度データとして保持される（ステップＳ１、温度取得ステップ）。これらの温度データは主制御装置１５を構成する温度判断部１５３により読み出され、この温度判断部１５３において取得した温度データが温度閾値以下か否かが判断される（ステップＳ２、温度判断ステップ）。

ここで、温度判断部１５３により、少なくとも１つの温度データが温度閾値以下であると判断された場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）、主制御装置１５側ではＦＣヒータ制御部１５４によりＦＣヒータ１３の通電が開始されるとともに（ステップＳ４、加熱制御ステップ）ポンプ制御部１５５によりポンプ１４が駆動される（ステップＳ５、循環制御ステップ）。同時に、貯湯槽ヒータ２２及び循環用三方弁２３の制御を行うために、温度判断部１５３は凍結防止指示信号を副制御装置２５へ送信する（ステップＳ３）。この信号を受信した副制御装置２５では、貯湯槽ヒータ制御部２６３により貯湯槽ヒータ２２の通電が開始される（ステップＳ６、加熱制御ステップ）。また、循環用三方弁制御部２６４により、加熱された水が順方向管路３２ｂからバイパス管路３２ｃへ流入するように循環用三方弁２３が切り替えられる（ステップＳ７、流路制御ステップ）。

その後、改めて管路温度取得部１５２により２つの温度が取得される（ステップＳ８、温度取得ステップ）。これらの温度に基づく制御は、次の２種類がある。一方の制御として、まず、温度差判断部１５６が循環管路３２内の水の流量をどのように設定するかを判断する（ステップＳ９、循環制御ステップ）。ここで、温度差判断部１５６が循環管路３２内の流量を増大させると判断した場合は（ステップＳ９；ＹＥＳ）、主制御装置１５側ではポンプ制御部１５５によりポンプ１４の回転数が上げられる（ステップＳ１０、循環制御ステップ）。

他方の制御として、加熱量判断部１５７は、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の加熱量を制御する（ステップＳ１１、加熱制御ステップ）。ここで、加熱量判断部１５７がこれらのヒータの通電を停止すると判断した場合は（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、主制御装置１５側ではＦＣヒータ制御部１５４によりＦＣヒータ１３の通電が停止される（ステップＳ１３、加熱制御ステップ）。同時に、貯湯槽ヒータ２２の制御を行うために、加熱量判断部１５７は停止信号を副制御装置２５へ送信する（ステップＳ１２）。この信号を受信した副制御装置２５では、貯湯槽ヒータ制御部２６３により貯湯槽ヒータ２２の通電が停止される（ステップＳ１４、加熱制御ステップ）。

本実施形態によれば、管路温度センサ４１及び４２により計測された管路の温度のうち少なくとも１つが温度閾値以下である場合に、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電が開始され、循環管路３２内の水が加熱される。また、これと併せてポンプ１４が駆動され、加熱された水が循環管路３２内を循環する。これにより、循環管路３２内の水が凍結することを防止することができる。

また、加熱された水は循環管路３２内を流れるので、ヒータを循環管路３２全体に設ける必要がない。逆方向管路３２ａの一部及び順方向管路３２ｂの一部は、燃料電池発電装置１０及び貯湯ユニット２０から露出し外気に直接触れているために、管内の水が凍結するおそれが高いが、この露出部分にも加熱された水が流れるため、当該露出部分をヒータで覆う必要がない。そのため、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の設置範囲を広げる必要がなくなり、コジェネレーションシステム１全体で消費されるヒータの消費電力を低減することができる。

また、管路温度センサ４１及び４２が順方向管路３２ｂの異なる２箇所に設けられているので、順方向管路３２ｂ周辺の温度分布が均一でない場合でも管路温度センサ４１と管路温度センサ４２とで異なった温度を計測することができる。そのため、順方向管路３２ｂ周辺の温度分布を考慮して上述の凍結防止制御を行うことが可能となる。順方向管路３２ｂの露出部の長さは、例えば５〜６ｍと比較的長く、順方向管路３２ｂ周辺の温度分布が不均一である場合が多いので、本実施形態のように２つの管路温度センサを設け、これらのセンサで計測された２つの温度に基づいて上述の凍結防止制御を行うことは有効である。更に、管路温度センサが２つ設けられているので、管路温度センサ４１又は４２に障害が発生しても温度計測を継続することができる。すなわち、コジェネレーションシステム１の耐障害性を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、管路温度センサ４１及び４２により計測された温度の差の絶対値が基準値を超えているか否かが判定される。そして、当該絶対値が基準値を超えていれば、加熱された水を当該流量よりも大きい流量で流すようにポンプ１４を制御する。そのため、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２により加熱された水の流量を循環管路３２の温度状況に応じて調節することができ、加熱された水を偏りなく循環管路３２全体に流動させることが可能となる。

また、循環管路３２の温度状況に応じて加熱された水の流量を調節することができるので、燃料電池発電装置１０と貯湯ユニット２０との距離（逆方向管路３２ａ及び３２ｂの長さ）が不定でも動的に凍結防止の制御を行うことができる。

また、本実施形態によれば、管路温度センサ４１及び４２により計測される温度のすべてが循環保証温度以上になるまでＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２が通電される。そして、これら温度のすべてが循環保証温度以上になるとＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電が停止される。すなわち、２箇所で計測される温度がすべて循環保証温度以上になるようにＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２による加熱量が制御される。そのため、循環管路３２内を流れる水の温度を循環保証温度以上に上げることができ、循環管路３２の凍結をより確実に防止することができる。また、必要以上にＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２を通電させずに済むので、コジェネレーションシステム１全体で消費されるヒータの消費電力を更に低減することができる。更に、循環管路３２の温度状況に応じてＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電を制御することができるので、燃料電池発電装置１０と貯湯ユニット２０との距離が不定でも動的に凍結防止の制御及び加熱装置の制御を行うことができる。

また、本実施形態によれば、ポンプ１４により循環管路３２内の水が循環させられる際に順方向管路３２ｂからバイパス管路３２ｃを通るように循環用三方弁２３が制御される。そのため、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２により加熱された水は逆方向管路３２ａ、順方向管路３２ｂ及びバイパス管路３２ｃの中を循環するのみで貯湯槽２１内は通らない。そのため、貯湯槽２１内に貯えられた水の成層の崩れ及び水温の低下を防止することができる。

また、このように流路が切り替えられることで、ＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２により加熱された水が循環する距離が短くなるので、外気に触れる露出部を含む循環管路３２内の水を早期に凍結のおそれがない循環保証温度まで加熱することができる。したがって、コジェネレーションシステム１全体で消費されるヒータの消費電力を更に低減することができる。

また、本実施形態によれば、制御手段として主制御装置１５及び副制御装置２５が設けられ、これらの制御装置が分散してコジェネレーションシステム１を管理している。そのため、どちらか一方の制御装置全体に障害が発生しても、もう一方の制御装置が通信の不能を検知して不完全ながらも燃料電池発電装置１０内又は貯湯ユニット２０内の各装置を制御することができる。また、主制御装置１５と副制御装置２５との間の通信にのみ障害が発生した場合も、双方の制御装置が当該障害を検知し、各々において燃料電池発電装置１０内又は貯湯ユニット２０内の各装置を制御することができる。したがって、コジェネレーションシステム１の管理についての耐障害性を高めることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。

上記実施形態では、管路温度センサ４１及び４２で計測された温度の差に基づいてポンプ１４を駆動制御し、循環管路３２内の水の流量を制御したが、この制御を行わなくてもよい。

また、ヒータの設置場所及び設置個数も上記実施形態に限定されない。例えば、燃料電池発電装置１０内又は貯湯ユニット２０内のどちらか一方にのみ設けてもよいし、ヒータを管路ではなく貯湯槽２１や熱交換器１２等に設けてもよい。要するに、コジェネレーションシステム１内にある水の流通経路上にヒータが設けられていればよい。

温度を計測する温度センサの設置場所も上記実施形態に限定されず、例えば燃料電池発電装置１０内又は貯湯ユニット２０内に設けてもよい。また、温度センサの検出端を管路内に露出させるように設け、この温度センサが管路の温度ではなく管路内の水の温度を計測するようにしてもよい。管路内の水の温度を計測するように温度センサを設けた場合、上述の凍結防止制御、上述した循環管路３２内の水の流量制御、及び、上述のヒータ通電継続・停止制御は、計測された管路内の水の温度に基づいて同様に行われる。更に、管路に設けられる温度センサの設置個数も限定されない。

また、上記実施形態では、管路温度センサを２箇所に設けたが、管路温度センサの設置個数はこれに限定されず、例えば、管路温度センサを１つのみ設けてもよい。管路温度センサを１つのみ設けた場合は、その管路温度センサで計測された温度が所定値以下（例えば温度閾値以下）になった場合に上述の凍結防止制御を行う一方で、その管路温度センサで計測された温度が所定値以上（例えば循環保証温度）になった場合に上述のヒータ通電停止制御を行えばよい。

また、上記実施形態では、制御手段として主制御装置１５及び副制御装置２５を設けたが、制御手段の実装形態はこれに限定されず、例えば、制御手段を複数の制御装置に分散させずに一つの制御装置に上記機能のすべてを実装させてもよい。

また、上記実施形態では、２つの温度の差の絶対値が基準値を超えている場合に、ポンプ１４の回転数をΔＲ（ｒｐｍ）だけ増やすことで循環管路３２内の水の流量を増大させたが、管路内の水の流量の制御はこれに限定されない。例えば、ポンプ１４の回転数の増分を多段階に設け、２つの温度の差の大小に応じて増分を変更してもよい。一例として、ポンプ１４の回転数の増分としてΔＲａ（ｒｐｍ）、ΔＲｂ（ｒｐｍ）を設け（ここで、ΔＲａ＜ΔＲｂとする）、２つの温度の差が非常に大きい場合にはポンプ１４の回転数をΔＲｂだけ増やし、２つの温度の差がそれほど大きくない場合には当該回転数をΔＲａだけ増やすようにしてもよい。また、上記実施形態では、２つの温度の差の絶対値が基準値以内の場合には何も行わなかったが、例えば、ポンプ１４の回転数をΔＲｃ（ｒｐｍ）だけ減らすことで循環管路３２内の水の流量を減少させてもよい。

また、上記実施形態では、加熱量判断部１５７において、すべての温度データが循環保証温度以上であればＦＣヒータ１３及び貯湯槽ヒータ２２の通電を停止すると判断したが、すべての温度が所定値以上の場合の制御はこれに限定されない。例えば、すべての温度が所定値以上の場合にはヒータの通電電力を減少させたり間欠運転させたりしてもよい。

また、上記実施形態では、電力及び熱を生成するために燃料電池発電装置１０を用いたが、発電装置の構成はこれに限定されない。例えば、内燃機関（例えばガスエンジン）と当該内燃機関により駆動される発電装置との組合せ、又は外燃機関と発電装置との組合せなどにより電力及び熱を生成させてもよい。

実施形態に係るコジェネレーションシステムの構成を示す図である。 図１に示す制御手段のハードウェア構成を示す図であり、（ａ）は主制御装置に関するもの、（ｂ）は副制御装置に関するものである。 図１に示す主制御装置及び副制御装置の機能構成を示す図である。 図１に示す主制御装置及び副制御装置の機能構成を示す図である。 図１に示すコジェネレーションシステムの動作を示すシーケンス図である。

符号の説明

１…コジェネレーションシステム、１０…燃料電池発電装置、１３…ＦＣヒータ（ヒータ）、１４…ポンプ、２１…貯湯槽、２２…貯湯槽ヒータ（ヒータ）、２３…循環用三方弁（切替弁）、３２…循環管路（管路）、３２ａ…逆方向管路、３２ｂ…順方向管路、３２ｃ…バイパス管路、４１…管路温度センサ（第１の温度センサ）、４２…管路温度センサ（第２の温度センサ）、１５２…管路温度取得部（温度取得手段）、１５３…温度判断部（温度判断手段）、１５４…ＦＣヒータ制御部（加熱制御手段）、１５５…ポンプ制御部（循環制御手段）、１５６…温度差判断部（循環制御手段）、１５７…加熱量判断部（加熱制御手段）、２６３…貯湯槽ヒータ制御部（加熱制御手段）、２６４…循環用三方弁制御部（流路制御手段）。

Claims (3)

1. 電力及び熱を生成する発電装置と、水を貯える貯湯槽と、前記発電装置から前記貯湯槽までの間で循環路を形成するように設けられ、前記発電装置において生成された熱が吸収された水を前記貯湯槽内に送るための管路とを備えるコジェネレーションシステムにおける管路凍結防止方法であって、
   前記管路に設けられた温度センサにより前記管路の温度を取得する温度取得ステップと、
   前記温度取得ステップにおいて取得された温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断ステップと、
   前記温度判断ステップにおいて前記温度が所定値以下であると判断された場合に、前記管路内の水をヒータにより加熱する加熱制御ステップと、
   前記温度判断ステップにおいて前記温度が所定値以下であると判断された場合に、前記管路の途中に設けられたポンプにより前記管路内の水を循環させる循環制御ステップとを備え、
   前記温度取得ステップでは、前記管路の異なる部位に設けられた第１及び第２の温度センサにより前記管路の２つの温度を取得し、
   前記循環制御ステップにおいては、前記温度取得ステップにおいて取得された前記２つの温度の差が所定値以下となるように前記管路内の水の流量を制御する、
   ことを特徴とする管路凍結防止方法。
2. 電力及び熱を生成する発電装置と、水を貯える貯湯槽と、前記発電装置から前記貯湯槽までの間で循環路を形成するように設けられ、前記発電装置において生成された熱が吸収された水を前記貯湯槽内に送るための管路とを備えるコジェネレーションシステムであって、
   前記管路に設けられた温度センサにより前記管路の温度を取得する温度取得手段と、
   前記温度取得手段により取得された温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断手段と、
   前記温度判断手段により前記温度が所定値以下であると判断された場合に、前記管路内の水をヒータにより加熱する加熱制御手段と、
   前記温度判断手段により前記温度が所定値以下であると判断された場合に、前記管路の途中に設けられたポンプにより前記管路内の水を循環させる循環制御手段とを備え、
   前記温度取得手段は、前記管路の異なる部位に設けられた第１及び第２の温度センサにより前記管路の２つの温度を取得し、
   前記循環制御手段は、前記温度取得手段により取得された前記２つの温度の差が所定値以下となるように前記管路内の水の流量を制御する、
   ことを特徴とするコジェネレーションシステム。
3. 前記加熱制御手段は、前記温度が所定値以上となるように前記ヒータによる加熱量を制御することを特徴とする請求項２に記載のコジェネレーションシステム。

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