JP5438540B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、電力と熱とを併せて発生する熱電併給装置と、その熱電併給装置にて発生する熱にて貯湯槽に貯湯する貯湯手段と、運転を制御する運転制御手段とが設けられ、前記運転制御手段が、運転周期の開始時点において、出力電力を時系列的な予測負荷電力に追従させる予測負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転するとしたときに、当該運転周期内のうちで時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量に基づいて求められる運転メリットが高くなる時間帯を運転時間帯として設定し、その設定した運転時間帯の開始時点で前記熱電併給装置の運転を開始して運転中は出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転し、停止条件が満たされると前記熱電併給装置の運転を停止するように構成され、前記停止条件が、前記熱電併給装置を前記運転時間帯の開始時点から前記実負荷電力追従運転にて運転することにより発生した熱量が、前記熱電併給装置を前記予測負荷電力追従運転にて前記運転時間帯の間運転すると仮定したときに発生すると予測される予測総発生熱量に達する条件に設定されたコージェネレーションシステムに関する。

かかるコージェネレーションシステムは、一般家庭等に設置して、熱電併給装置の発電電力を電気機器等にて消費し、熱電併給装置から発生する熱にて貯湯槽に貯湯して、その貯湯槽に貯湯されている湯水を台所や風呂等にて消費するものである。ちなみに、熱電併給装置は、燃料電池やエンジン駆動式の発電機等にて構成される。

このようなコージェネレーションシステムでは、運転周期の開始時点において、出力電力を時系列的な予測負荷電力に追従させる予測負荷電力追従運転にて熱電併給装置を運転するとしたときに、当該運転周期内のうちで時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量に基づいて求められる運転メリットが高くなる時間帯が、運転時間帯として設定される。
そして、運転時間帯の開始時点で熱電併給装置の運転が開始されて、運転中は、燃料電池の出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転が実行され、停止条件が満たされると熱電併給装置の運転が停止されるように構成されていた。
停止条件としては、熱電併給装置を運転時間帯の開始時点から実負荷電力追従運転にて運転することにより発生した熱量が、熱電併給装置を予測負荷電力追従運転にて運転時間帯の間運転すると仮定したときに発生すると予測される予測総発生熱量に達する条件に設定されていた（例えば、特許文献１参照。）。

ちなみに、熱電併給装置の停止中の負荷電力、及び、熱電併給装置の運転中における負荷電力に対する不足電力は、商用電源から買電することにより賄い、負荷熱量に対して熱電併給装置の運転により発生する熱量では不足する分は、ガス燃焼式等の補助加熱手段の発生熱にて賄うことになる。

特開２００６−８４０４０号公報

ところで、運転メリットが高くなるように運転時間帯が設定されるにしても、運転周期の間の時系列的な予測負荷熱量を十分に賄えるだけの熱が出力されるように運転時間帯が設定されるとは限らない。
つまり、運転周期内の各時間帯についての運転メリットを求めるに当たって、熱電併給装置を予測負荷電力追従運転にて運転するとしたときに、発電電力が小さな時間帯では熱電併給装置の効率が低くなるため、運転メリットの値が小さくなり、運転時間帯に設定され難い。その結果、予測負荷電力が小さな時間帯が比較的長い場合では、設定される運転時間帯が短くなり、予測総発生熱量の方が運転周期の時系列的な予測負荷熱量を積算した予測総負荷熱量よりも少なくなり易くなっていた。

しかしながら、従来のコージェネレーションシステムでは、熱電併給装置の運転中に停止条件が満たされると無条件で熱電併給装置が停止される構成であるので、負荷熱量に対して熱電併給装置の運転により発生する熱量では不足する熱不足を抑制するようにする上で改善の余地があった。

本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、運転メリットが低くなるのを回避しながら、熱不足を抑制するように運転し得るコージェネレーションシステムを提供することにある。

本発明のコージェネレーションシステムは、電力と熱とを併せて発生する熱電併給装置と、その熱電併給装置にて発生する熱にて貯湯槽に貯湯する貯湯手段と、運転を制御する運転制御手段とが設けられ、前記運転制御手段が、運転周期の開始時点において、出力電力を時系列的な予測負荷電力に追従させる予測負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転するとしたときに、当該運転周期内のうちで時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量に基づいて求められる運転メリットが高くなる時間帯を運転時間帯として設定し、その設定した運転時間帯の開始時点で前記熱電併給装置の運転を開始して運転中は出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転し、停止条件が満たされると前記熱電併給装置の運転を停止するように構成され、前記停止条件が、前記熱電併給装置を前記運転時間帯の開始時点から前記実負荷電力追従運転にて運転することにより発生した熱量が、前記熱電併給装置を前記予測負荷電力追従運転にて前記運転時間帯の間運転すると仮定したときに発生すると予測される予測総発生熱量に達する条件に設定されたものであって、
第１特徴構成は、前記運転制御手段が、前記熱電併給装置を前記予測負荷電力追従運転にて前記運転時間帯の間運転すると仮定したときに前記運転時間帯の終了時点で前記貯湯槽に貯えられていると予測される予測貯湯熱量が、当該運転周期における前記運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測負荷熱量のうちの時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さいと予測される場合は、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が予め設定した設定電力よりも大きい運転継続条件が満たされることを条件として、前記停止条件が満たされても前記熱電併給装置の運転を継続するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、運転時間帯の終了時点での予測貯湯熱量では当該運転周期における運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測給湯負荷熱量の全てを賄うことができないと予測される（以下、単に、「運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される」と記載する場合がある）場合は、停止条件が満たされても、その停止条件が満たされたときの実負荷電力が予め設定した設定電力よりも大きい運転継続条件が満たされると、熱電併給装置の運転が停止されずに継続される。
一方、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される場合でも、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力以下であって運転継続条件が満たされない場合は、停止条件が満たされると熱電併給装置の運転が停止される。
従って、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される場合に、停止条件が満たされても運転継続条件が満たされると、熱電併給装置の運転が停止されずに継続されるので、熱電併給装置の運転により発生する熱量を多くすることができるようになって、熱不足を抑制することが可能となる。

例えば、運転時間帯の終了時点の後にも予測給湯負荷熱量が存在する状態で運転時間帯が設定される場合、停止条件が満たされても熱電併給装置の運転が継続されることにより、運転時間帯の終了時点以降に発生する給湯負荷熱量を賄うための発生熱量を多くすることができるので、熱不足を抑制することが可能となる。
特に、運転時間帯の終了時点の後にも予測給湯負荷熱量が存在する状態で運転時間帯が設定される場合に、運転時間帯で発生する実負荷電力が予測負荷電力よりも大きくなって、停止条件が満たされるのが運転時間帯の終了時点よりも早くなる場合は、熱電併給装置の運転継続時間をより一層長くすることが可能となるので、運転時間帯の終了時点の後に発生する給湯負荷熱量を賄うための発生熱量をより一層多くすることができるものとなり、熱不足をより一層抑制することが可能となる。

ところで、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される場合は、停止条件が満たされても無条件で熱電併給装置の運転を継続するようにしても、熱不足を抑制することが可能である。
しかしながら、停止条件が満たされたときの実負荷電力によっては、熱電併給装置の運転を継続すると却って運転メリットが低くなる虞がある。
例えば、実負荷電力に追従するように熱電併給装置の出力電力を調整するにしても、その出力電力を調整可能な範囲に限度があるので、停止条件が満たされたときの実負荷電力が出力電力調整範囲の下限値よりも低い場合は、熱電併給装置の運転を継続すると余剰電力が発生するので、熱電併給装置の出力電力の価値が低くなって運転メリットが低くなる虞がある。
又、熱電併給装置の発電効率や熱効率はその出力電力が低くなるほど低くなる傾向であるので、停止条件が満たされたときの実負荷電力が低い場合は、その実負荷電力に追従する出力電力を出力する状態で熱電併給装置の運転を継続すると、発電効率や熱効率が低いために運転メリットが低くなる虞がある。
又、熱電併給装置の発電効率がその出力電力が低くなるほど低くなる傾向にあることに関連して、熱電併給装置を運転するときの単位出力電力及び単位時間当たりの二酸化炭素発生量は、出力電力が低くなるほど多くなる傾向にあるので、停止条件が満たされたときの実負荷電力が低いと、その実負荷電力に追従する出力電力を出力する状態で熱電併給装置の運転を継続すると、二酸化炭素発生量低減の面での運転メリットが低くなる虞がある。

そこで、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される場合に、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きい運転継続条件が満たされるときは、停止条件が満たされても熱電併給装置の運転を継続するようにし、運転継続条件が満たされないときは、停止条件が満たされると熱電併給装置の運転を停止するようにすると、運転メリットが低くなるのを回避しながら、熱不足を抑制することができるのである。
要するに、運転メリットが低くなるのを回避しながら、熱不足を抑制するように運転し得るコージェネレーションシステムを提供することができるようになった。

第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記運転継続条件が、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が前記設定電力よりも大きいことに加えて、前記停止条件が満たされたときに前記貯湯槽に貯えられている貯湯熱量が、前記停止条件が満たされた時点から設定時間先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さい条件である点にある。

上記特徴構成によれば、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きいことに加えて、停止条件が満たされたときの貯湯熱量が、停止条件が満たされた時点から設定時間先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さくて、停止条件が満たされた以降に熱不足になる可能性がより一層高い場合に、運転継続条件が満たされることになる。
従って、停止条件が満たされた以降に熱不足になる可能性がより一層高い場合に、停止条件が満たされても熱電併給装置の運転が停止されずに継続されることになるので、熱不足を的確に抑制するように熱電併給装置を運転することができるようになった。

第３特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記運転継続条件が、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が前記設定電力よりも大きいことに加えて、前記停止条件が満たされた時点が当該運転周期において最大予測給湯負荷熱量が発生する時点よりも前であり、且つ、前記停止条件が満たされたときに前記貯湯槽に貯えられている貯湯熱量が前記最大予測給湯負荷熱量よりも小さい条件である点にある。

上記特徴構成によれば、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きいことに加えて、停止条件が満たされた時点が当該運転周期において最大予測給湯負荷熱量が発生する時点よりも前であり、且つ、停止条件が満たされたときの貯湯熱量が最大予測給湯負荷熱量よりも小さくて、停止条件が満たされた以降に熱不足になる可能性がより一層高い場合に、運転継続条件が満たされることになる。
従って、停止条件が満たされた以降に熱不足になる可能性がより一層高い場合に、停止条件が満たされても熱電併給装置の運転が停止されずに継続されることになるので、熱不足を的確に抑制するように熱電併給装置を運転することができるようになった。

第４特徴構成は、上記第１〜第３特徴構成のいずれか１つに加えて、
前記運転制御手段が、前記運転継続条件が満たされて前記熱電併給装置の運転を継続したときは、実負荷電力が前記設定電力以下になると前記熱電併給装置を停止するように構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、運転継続条件が満たされて熱電併給装置の運転が継続されても、実負荷電力が設定電力以下になると熱電併給装置が停止される。
従って、停止条件が満たされたにも拘わらず熱電併給装置の運転が継続されるにしても、実負荷電力が設定電力よりも高くて、運転メリットが低くなるのを回避できる間だけ継続されるので、運転メリットが低くなるのを的確に回避しながら、熱不足を抑制するように運転することができる。

第５特徴構成は、上記第１〜第４特徴構成のいずれか１つに加えて、
前記設定電力が、前記熱電併給装置の出力電力を調整可能な出力電力調整範囲における最小出力に設定されている点にある。

上記特徴構成によれば、設定電力が熱電併給装置の出力電力を調整可能な出力電力調整範囲における最小出力に設定されているので、停止条件が満たされたにも拘わらず熱電併給装置の運転が継続されるにしても、余剰電力が発生しないように熱電併給装置の運転が継続される。
従って、運転メリットが低くなるのを的確に回避しながら、熱不足を抑制するように運転することができる。

実施形態に係るコージェネレーションシステムの全体構成を示すブロック図 実施形態に係るコージェネレーションシステムの制御構成を示すブロック図 実施形態に係るコージェネレーションシステムの制御動作のフローチャートを示す図 運転周期の電力及び熱の状況を時系列的に示す図 燃料電池を運転時間帯の間予測負荷電力追従運転にて運転すると仮定して、運転周期の電力及び熱の状況を時系列的に示す図 停止条件が満たされたときに運転継続条件が満たされて燃料電池の運転を継続した場合を想定して、電力及び熱の状況を時系列的に示す図 停止条件が満たされると無条件で燃料電池を停止した場合を想定して、電力及び熱の状況を時系列的に示す図

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
コージェネレーションシステムは、図１及び図２に示すように、電力と熱とを発生する熱電併給装置としての燃料電池１と、その燃料電池１が発生する熱を冷却水にて回収し、その冷却水を利用して、貯湯槽２への貯湯及び熱消費端末３への熱媒供給を行う貯湯手段としての貯湯ユニット４と、燃料電池１及び貯湯ユニット４の運転を制御する運転制御手段としての運転制御部５などから構成されている。

前記燃料電池１は、周知であるので、詳細な説明及び図示を省略して簡単に説明すると、燃料電池１は、水素を含有する燃料ガス及び酸素含有ガスが供給されて発電するセルスタック、そのセルスタックに供給する燃料ガスを生成する燃料ガス生成部、前記セルスタックに酸素含有ガスとして空気を供給するブロア等を備えて構成されている。
前記燃料ガス生成部は、供給される都市ガス（例えば、天然ガスベースの都市ガス）等の炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫器、その脱硫器から供給される脱硫原燃料ガスと別途供給される水蒸気とを改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを生成する改質器、その改質器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成器、その変成器から供給される改質ガス中の一酸化炭素を別途供給される選択酸化用空気にて選択酸化する一酸化炭素除去器等から構成され、一酸化炭素を変成処理及び選択酸化処理により低減した改質ガスを前記燃料ガスとして前記セルスタックに供給するように構成されている。

そして、前記燃料ガス生成部への原燃料ガスの供給量を調節することにより、燃料電池１の出力電力を調節するように構成されている。
燃料電池１の電力の出力側には、系統連系用のインバータ６が設けられ、そのインバータ６は、燃料電池１の出力電力を商用電源７から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数にするように構成されている。
商用電源７は受電電力供給ライン８を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷９に電気的に接続されている。
また、インバータ６は、発電電力供給ライン１０を介して受電電力供給ライン８に電気的に接続され、燃料電池１の発電電力をインバータ６及び発電電力供給ライン１０を介して電力負荷９に供給するように構成されている。

受電電力供給ライン８には、電力負荷９の負荷電力を計測する負荷電力計測手段１１が設けられ、この負荷電力計測手段１１は、受電電力供給ライン８を通して流れる電流に逆潮流が発生するか否かをも検出するように構成されている。
そして、逆潮流が生じないように、インバータ６により燃料電池１から受電電力供給ライン８に供給される電力が制御され、出力電力の余剰電力は、その余剰電力を熱に代えて回収する電気ヒータ１２に供給されるように構成されている。

電気ヒータ１２は、複数の電気ヒータから構成されて、冷却水循環ポンプ１５の作動により冷却水循環路１３を通流する燃料電池１の冷却水を加熱するように設けられ、インバータ６の出力側に接続された作動スイッチ１４により各別にＯＮ／ＯＦＦが切り換えられる。
作動スイッチ１４は、余剰電力の大きさが大きくなるほど、電気ヒータ１２の消費電力が大きくなるように、余剰電力の大きさに応じて電気ヒータ１２の消費電力を調整するように構成されている。
尚、電気ヒータ１２の消費電力を調整する構成については、上記のように複数の電気ヒータ１２のＯＮ／ＯＦＦを切り換える構成以外に、その電気ヒータ１２の出力を例えば位相制御等により調整する構成を採用しても構わない。

前記貯湯ユニット４は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する前記貯湯槽２、湯水循環路１６を通して貯湯槽２内の湯水を循環させる湯水循環ポンプ１７、熱源用循環路２０を通して熱源用湯水を循環させる熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環路２２を通して熱媒を熱消費端末３に循環供給させる熱媒循環ポンプ２３、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させる貯湯用熱交換器２４、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる熱源用熱交換器２５、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させる熱媒加熱用熱交換器２６、貯湯槽２から取り出されて給湯路２７を通流する湯水及び熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させる燃焼式の補助加熱器２８などを備えて構成されている。

湯水循環路１６は、貯湯槽２の底部と頂部とに接続されて、湯水循環ポンプ１７により、貯湯槽２の底部から取り出した湯水を貯湯槽２の頂部に戻す形態で貯湯槽２の湯水を湯水循環路１６を通して循環させ、そのように湯水循環路１６を通して循環される湯水を貯湯用熱交換器２４にて加熱することにより、貯湯槽２に温度成層を形成する状態で湯水が貯留されるように構成されている。
湯水循環路１６には、２系統の流路に分かれた後に再び合流する並列状部分が設けられ、その並列状部分の合流箇所に三方弁１８が設けられており、２系統の流路の一方側には、ラジエータ１９が設けられている。

給湯路２７は、湯水循環路１６における貯湯用熱交換器２４よりも下流側の箇所を介して貯湯槽２に接続され、その給湯路２７を通して貯湯槽２内の湯水が浴槽、給湯栓、シャワー等の給湯先に給湯され、そのように給湯されるのに伴って貯湯槽２に給水すべく、給水路２９が貯湯槽２の底部に接続されている。
熱源用循環路２０は、給湯路２７の一部を共用する状態で循環経路を形成するように設けられ、その熱源用循環路２０には、熱源用湯水の通流を断続させる熱源用断続弁４０が設けられている。

補助加熱器２８は、給湯路２７における熱源用循環路２０との共用部分に設けられた熱交換器２８ａ、その熱交換器２８ａを加熱するバーナ２８ｂ、そのバーナ２８ｂに燃焼用空気を供給するファン２８ｃ、熱交換器２８ａに流入する湯水の流入温度を検出する流入温度センサ（図示省略）、熱交換器２８ａから流出する湯水の流出温度を検出する流出温度センサ（図示省略）、熱交換器２８ａに流入する湯水の流量を検出する流量センサ（図示省略）等を備えて構成され、この補助加熱器２８の運転は運転制御部５により制御される。

運転制御部５による補助加熱器２８の運転制御について簡単に説明すると、前記流量センサが設定流量以上の流量を検出している状態で、前記流入温度センサにて検出される流入温度が目標加熱温度未満になるとバーナ２８ｂを燃焼させ、且つ、前記流出温度センサにて検出される流出温度が前記目標加熱温度になるようにバーナ２８ｂの燃焼量を調節し、バーナ２８ｂの燃焼中に前記流量センサの検出流量が前記設定流量未満になると、バーナ２８ｂを消火させる。ちなみに、前記目標加熱温度は、熱消費端末３の運転が停止中のときは、このコージェネレーションシステムのリモコン操作部（図示省略）の温度設定部（図示省略）にて設定される目標給湯温度に基づいて設定され、熱消費端末３の運転中のときは、予め設定された所定の温度に設定される。

冷却水循環路１３は、貯湯用熱交換器２４側と熱源用熱交換器２５側とに分岐され、その分岐箇所に、貯湯用熱交換器２４側に通流させる冷却水の流量と熱源用熱交換器２５側に通流させる冷却水の流量との割合を調整する分流弁３０が設けられている。
そして、分流弁３０は、冷却水循環路１３の冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させたり、冷却水循環路１３の冷却水の全量を熱源用熱交換器２５側に通流させることもできるように構成されている。

貯湯用熱交換器２４においては、燃料電池１の発生熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、湯水循環路１６を通流する湯水を加熱させるように構成されている。熱源用熱交換器２５においては、燃料電池１の発生熱を回収した冷却水循環路１３の冷却水を通流させることにより、熱源用循環路２０を通流する熱源用湯水を加熱させるように構成されている。
熱媒加熱用熱交換器２６においては、熱源用熱交換器２５や補助加熱器２８にて加熱された熱源用湯水を通流させることにより、熱媒循環路２２を通流する熱媒を加熱させるように構成されている。ちなみに、熱消費端末３として、床暖房装置、浴室暖房乾燥機又はファンコンベクタ等の暖房端末が設けられる。

給湯路２７には、給湯先に湯水を給湯するときの給湯負荷熱量を計測する給湯負荷熱量計測手段３１が設けられ、又、熱消費端末３での端末負荷熱量を計測する端末負荷熱量計測手段３２も設けられている。尚、図示は省略するが、これら給湯負荷熱量計測手段３１及び端末負荷熱量計測手段３２は、通流する湯水や熱媒の温度を検出する温度センサと、湯水や熱媒の流量を検出する流量センサとを備えて構成され、温度センサの検出温度と流量センサの検出流量とに基づいて負荷熱量を検出するように構成されている。

湯水循環路１６における貯湯用熱交換器２４よりも下流側の箇所に、貯湯用熱交換器２４にて加熱されて貯湯槽２に供給される湯水の温度を検出する貯湯温度センサＳｈが設けられている。
又、貯湯槽２には、その貯湯熱量の検出用として、貯湯槽２の上端の湯水の温度を検出する上端温度センサＳ１、貯湯槽２を上下方向に概ね三等分した等分部分の中層部における上端部分の湯水の温度を検出する中間上位温度センサＳ２、貯湯槽２の中層部における下端部分の湯水の温度を検出する中間下位温度センサＳ３、及び、貯湯槽２の下端の湯水の温度を検出する下端温度センサＳ４が設けられ、更に、給水路２９には、貯湯槽２に供給される水の給水温度を検出する給水温度センサＳｉが設けられている。

運転制御部５による貯湯槽２の貯湯熱量の演算方法について、説明する。
上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４夫々にて検出される貯湯槽２の湯水の温度を、夫々、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４とし、給水温度センサＳｉにて検出される給水温度をＴｉとし、上層部、中層部、下層部夫々の容量をＶ（リットル）とする。
又、前記上層部における重み係数をＡ１とし、前記中層部における重み係数をＡ２とし、前記下層部における重み係数をＡ３とすると、貯湯熱量（ｋｃａｌ）は、下記の式１にて演算することができる。尚、この実施形態では、熱量の単位をｋｃａｌ／ｈの単位にて示す場合があるが、１ｋＷｈ＝８６０ｋｃａｌの関係に基づいて８６０に設定される係数αにて各値を除することにより、ｋＷｈの単位として求めることができる。

貯湯熱量＝（Ａ１×Ｔ１＋（１−Ａ１）×Ｔ２−Ｔｉ）×Ｖ
＋（Ａ２×Ｔ２＋（１−Ａ２）×Ｔ３−Ｔｉ）×Ｖ
＋（Ａ３×Ｔ３＋（１−Ａ３）×Ｔ４−Ｔｉ）×Ｖ……………（式１）

重み係数Ａ１、Ａ２、Ａ３は、貯湯槽２の各層における過去の温度分布データを考慮した経験値である。ここで、Ａ１、Ａ２、Ａ３としては、例えば、Ａ１＝Ａ２＝０．２、Ａ３＝０．５である。Ａ１＝Ａ２＝０．２とは、上層部においては温度Ｔ２の影響が温度Ｔ１の影響よりも大きいことを示す。これは、上層部の８割の部分は温度Ｔ２に近く、２割の部分は温度Ｔ１に近いことを示す。これは、中層部においても同様である。下層部においては、温度Ｔ３とＴ４の影響が同じであることを示す。

運転制御部５は、燃料電池１の運転中は冷却水循環ポンプ１５を作動させる状態で、燃料電池１の運転を制御し、並びに、湯水循環ポンプ１７、熱源用循環ポンプ２１、熱媒循環ポンプ２３、分流弁３０及び熱源用断続弁４０夫々の作動を制御することによって、貯湯槽２内に湯水を貯湯する貯湯運転や、熱消費端末３に熱媒を供給する熱媒供給運転を行うように構成されている。

運転制御部５は、熱消費端末３用の端末用リモコン（図示省略）から運転の指令がされない状態では、前記貯湯運転を行い、その貯湯運転では、分流弁３０を冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させる状態に切り換え且つ熱源用断続弁４０を閉弁した状態で、貯湯温度センサＳｈの検出情報に基づいて、貯湯槽２に供給される湯水の温度が予め設定された目標貯湯温度（例えば６０°Ｃ）になるように湯水循環量を調節すべく、湯水循環ポンプ１７の作動を制御するように構成されている。

又、運転制御部５は、前記端末用リモコンから運転が指令されると、前記熱媒供給運転を行い、その熱媒供給運転では、熱源用断続弁４０を開弁し、熱源用循環ポンプ２１を予め設定された設定回転速度で作動させる状態で、熱消費端末３での端末負荷熱量に応じた量の冷却水を熱源用熱交換器２５に通流させるように分流弁３０を制御するように構成され、そのように熱媒供給運転を行う状態で、分流弁３０を貯湯用熱交換器２４側にも冷却水を通流させる状態に制御するときは、前述のように湯水循環ポンプ１７の作動を制御して、熱媒供給運転に並行して貯湯運転を実行するように構成されている。
運転制御部５は、前記熱媒供給運転の実行中に前記端末用リモコンから運転の停止が指令されると、分流弁３０を冷却水の全量を貯湯用熱交換器２４側に通流させる状態に切り換えると共に、熱源用断続弁４０を閉弁し、熱源用循環ポンプ２１を停止させて、湯水循環ポンプ１７を作動させることにより、前記熱媒供給運転から前記貯湯運転に切り換えるように構成されている。

そして、給湯路２７を通して貯湯槽２の湯水が給湯先に給湯されるとき、及び、熱媒供給運転の実行中は、運転制御部５は、補助加熱器２８に供給される湯水の温度が前記目標加熱温度よりも低いときは、補助加熱器２８に供給される湯水を前記目標加熱温度に加熱して出湯すべく、バーナ２８ｃへのガス燃料の供給量を調節することになる。

更に、運転制御部５は、前記貯湯運転の実行中に、下端温度センサＳ４の検出温度が予め設定した放熱作動用設定温度以上になると、貯湯槽２の底部にまで貯湯されて、貯湯槽２の貯湯量が満杯になったとして、貯湯槽２の下部から取り出した湯水がラジエータ１９を通過するように循環させる状態に三方弁１８を切り換えると共に、ラジエータ１９を作動させて、貯湯槽２の下部から取り出した湯水をラジエータ１９にて放熱させたのち、貯湯用熱交換器２４を通過させて加熱して、貯湯槽２に供給するように構成されている。

次に、運転制御部５による燃料電池１の運転の制御について説明する。
この運転制御部５は、運転周期の開始時点において、出力電力を時系列的な予測負荷電力に追従させる予測負荷電力追従運転にて燃料電池１を運転するとしたときに、当該運転周期内のうちで時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量に基づいて求められる運転メリットが高くなる時間帯を運転時間帯として設定し、その設定した運転時間帯の開始時点で燃料電池１の運転を開始して運転中は出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転にて燃料電池１を運転し、停止条件が満たされると燃料電池１の運転を停止するように構成されている。
そして、前記停止条件が、燃料電池１を運転時間帯の開始時点から実負荷電力追従運転にて運転することにより発生した熱量が、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転時間帯の間運転すると仮定したときに発生すると予測される予測総発生熱量に達する条件に設定されている。

ここで、運転周期は１日に設定され、その運転周期を構成する複数の単位時間が１時間に設定されている。又、運転制御部５は、運転メリットとして、燃料電池１を運転することにより得られると予測される予測エネルギ削減量を求めるように構成されている。

本発明では、運転制御部５が、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転時間帯の間運転すると仮定したときに運転時間帯の終了時点で貯湯槽２に貯えられていると予測される予測貯湯熱量が、当該運転周期における運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測負荷熱量のうちの時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さいと予測される場合は、停止条件が満たされたときの実負荷電力が予め設定した設定電力よりも大きい運転継続条件が満たされることを条件として、停止条件が満たされても燃料電池１の運転を継続するように構成されている。

この実施形態では、運転継続条件が、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きいことに加えて、停止条件が満たされたときに貯湯槽２に貯えられている貯湯熱量が、停止条件が満たされた時点から設定時間先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さい条件に設定されている。
又、運転制御部５が、運転継続条件が満たされて燃料電池１の運転を継続したときは、当該運転周期内において実負荷電力が設定電力以下になると燃料電池１を停止するように構成されている。
そして、前記設定電力が、燃料電池１の出力電力を調整可能な出力電力調整範囲（例えば、２１０〜７００Ｗ）の最小出力に設定され、前記設定時間が４時間に設定されている。

運転制御部５は、実負荷電力追従運転では、１分等の比較的短い所定の出力調整周期毎に実負荷電力を求め、燃料電池１の出力電力調整範囲の最小出力から最大出力の範囲内で、連続的に実負荷電力に追従するように燃料電池１の出力電力を調整する。
つまり、実負荷電力が燃料電池１の出力電力調整範囲内のときは、出力電力は実負荷電力と同一の電力に調整され、実負荷電力が出力電力調整範囲の最小出力よりも小さいときは、出力電力は最小出力に調整され、実負荷電力が出力電力調整範囲の最大出力よりも大きいときは、出力電力は最大出力に調整される。
尚、実負荷電力は、負荷電力計測手段１１の計測値及びインバータ６の出力値に基づいて計測し、更に、その実負荷電力は、前の出力調整周期において所定のサンプリング時間（例えば５秒）でサンプリングしたデータの平均値として求められる。

運転制御部５は、予測負荷電力追従運転では、燃料電池１の出力電力調整範囲の最小出力から最大出力の範囲内で、連続的に予測負荷電力に追従する予測出力電力を設定する。
つまり、予測負荷電力が燃料電池１の出力電力調整範囲内のときは、予測出力電力は予測負荷電力に設定され、予測負荷電力が出力電力調整範囲の最小出力よりも小さいときは、予測出力電力は最小出力に設定され、実負荷電力が出力電力調整範囲の最大出力よりも大きいときは、予測出力電力は最大出力に設定される。

次に、時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量を求める処理について、説明を加える。ちなみに、負荷熱量は、給湯先に湯水を給湯するときの給湯負荷熱量と、熱消費端末３での端末負荷熱量とからなる。
運転制御部５は、実負荷電力データ、実給湯負荷熱量データ及び実端末負荷熱量データを運転周期及び単位時間に対応付けてメモリ３４に記憶することにより、過去の時系列的な負荷電力データ及び過去の時系列的な負荷熱量データを、設定期間（例えば、運転日前の４週間）にわたって、運転周期毎に単位時間毎に対応付けて管理するように構成されている。
ちなみに、実給湯負荷熱量は給湯負荷熱量計測手段３１にて計測され、実端末負荷熱量は端末負荷熱量計測手段３２にて計測される。

そして、運転制御部５は、運転周期の開始時点（例えば午前３時）において、時系列的な過去負荷電力データ及び時系列的な過去負荷熱量データの管理データに基づいて、運転周期の時系列的な予測負荷熱量データ及び時系列的な予測負荷電力データを単位時間毎に区分けして求めるように構成されている。ちなみに、時系列的な予測負荷熱量データは、時系列的な予測給湯負荷熱量データと時系列的な予測端末負荷熱量データとを加えたデータであるが、この実施形態においては、熱の負荷状態としては、熱消費端末３での端末負荷熱量が発生しておらず、給湯負荷熱量のみが発生するとして説明する。

例えば、運転周期の開始時点において、図４に示すように、運転周期の時系列的な予測負荷電力データ及び時系列的な予測給湯負荷熱量データを単位時間毎に求める。
ちなみに、予測負荷電力データの単位はｋＷｈであり、予測給湯負荷熱量データの単位はｋｃａｌ／ｈである。

次に、運転周期内に運転時間帯を設定する運転時間帯設定処理について、説明を加える。
運転周期の複数の単位時間のうちで、選択した１つ又は連続する複数の単位時間を運転時間帯を構成する単位時間とし且つ運転周期の残りの単位時間を停止時間帯を構成する単位時間とする形態で、運転時間帯を構成する単位時間として選択する単位時間を異ならせることにより、全ての仮運転パターンが形成され、その全ての仮運転パターンがメモリ３４に記憶されている。

即ち、第１番目の単位時間から運転を開始させるパターンとして、第１番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第１、第２番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第１〜第３番目の単位時間を運転時間帯とするパターン・・・第１〜第２４番目の単位時間を運転時間帯とするパターンの２４種類がある。また、第２番目の単位時間から運転開始させるパターンとして、第２番目の単位時間を運転時間帯とするパターン、第２、第３番目の単位時間を運転時間帯とするパターン・・・第２〜第２４番目の単位時間を運転時間帯とするパターンの２３種類がある。このように、運転周期の最後の第２４番目の単位時間を運転時間帯とするパターンまで、仮運転パターンは３００種類のものがある。

全ての仮運転パターンの夫々について、各仮運転パターンにて設定されている運転時間帯において予測負荷電力追従運転にて燃料電池１を運転すると仮定して、予測エネルギ削減量を求める。
そして、全ての仮運転パターンのうち、予測エネルギ削減量が最大の仮運転パターンで定められている運転時間帯を、当該運転周期の運転時間帯に設定する。

次に、各仮運転パターンについての予測エネルギ削減量を求める処理について、説明を加える。
各仮運転パターンの予測エネルギ削減量は、下記の式２に示すように、燃料電池１を運転しない場合の予測エネルギ消費量から、各運転パターンで定められている運転時間帯で燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転した場合の予測エネルギ消費量を減じることにより演算する。

予測エネルギ削減量Ｐ＝燃料電池１を運転しない場合の予測エネルギ消費量Ｅ１−燃料電池１を運転した場合の予測エネルギ消費量Ｅ２……………（式２）

燃料電池１を運転しない場合の予測エネルギ消費量Ｅ１（ｋＷｈ）は、下記の式３に示すように、運転周期の予測負荷電力の全てを商用電源７からの受電電力で補う場合の商用電源７における予測エネルギ消費量と、運転周期の予測負荷熱量の全てを補助加熱器２８の発生熱で補う場合の予測エネルギ消費量との和として求められる。

Ｅ１＝予測負荷電力／商用電源発電効率＋予測負荷熱量／補助加熱器熱効率……………（式３）

但し、
予測負荷熱量はｋＷｈに変換した値である。
補助加熱器熱効率は、補助加熱器２８の熱効率であり、補助加熱器２８における単位エネルギ消費量に対する発生熱量の比率である。

一方、燃料電池１を運転した場合の予測エネルギ消費量Ｅ２（ｋＷｈ）は、下記の式４に示すように、各運転パターンで定められている運転時間帯で燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転した場合の燃料電池１の消費エネルギである運転周期予測エネルギ消費量と、予測負荷電力から予測出力電力を差し引いた分に相当する予測不足電力の全てを商用電源７からの受電電力で補う場合の商用電源７における予測エネルギ消費量と、予測不足熱量の全てを補助加熱器２８の発生熱で補う場合の予測エネルギ消費量との和にて求められる。

Ｅ２＝運転周期予測エネルギ消費量＋予測不足電力／商用電源発電効率＋予測不足熱量／補助加熱器熱効率……………（式４）

上記式４の運転周期予測エネルギ消費量は、下記の式５にて、燃料電池１を運転する単位時間当たりの予測エネルギ消費量を求めて、その求めた単位時間当たりの予測エネルギ消費量を積算することにより求める。但し、運転時間帯に含まれない単位時間の予測エネルギ消費量は０とする。

予測エネルギ消費量＝予測出力電力÷電池発電効率……………（式５）

但し、電池発電効率は、燃料電池１における単位エネルギ消費量（ｋＷｈ）に対する出力電力（ｋＷｈ）の比率であり、燃料電池１の出力電力により異なるものであるので、出力電力に応じて設定されてメモリ３４に記憶されている。

上記式４の予測不足熱量（ｋｃａｌ／ｈ）は、下記の式６のように、予測不足熱量を求める対象の単位時間の予測給湯負荷熱量（ｋｃａｌ／ｈ）からその単位時間の開始時点における貯湯槽２の予測貯湯熱量（ｋｃａｌ／ｈ）を減じることにより求められ、ｋＷｈの単位に変換される。
尚、下記の式６を始めとして、以下に説明する各式において、添え字「ｎ」は、運転周期の最初の単位時間を０として、その最初の単位時間からの順序を示し、例えば、ｎ＝１のときは、運転周期の２番目の単位時間を示す。

予測不足熱量_n＝予測給湯負荷熱量_n−予測貯湯熱量_n……………（式６）

但し、（予測給湯負荷熱量_n−予測貯湯熱量_n）が０よりも小さいときは、予測不足熱量_nは０とされる。

運転周期の最初の単位時間の予測貯湯熱量₀は、上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４及び給水温度センサＳｉ夫々の検出温度に基づいて、上記の式１により求められ、２番目以降の単位時間の予測貯湯熱量_nは、下記の式７により求める。

予測貯湯熱量_n＝（予測貯湯温度_n-1−水温）×予測貯湯量_n-1……………（式７）

運転周期の最初の単位時間の予測貯湯量₀（リットル）は、下記の式８により求め、２番目以降の単位時間の予測貯湯量_n（リットル）は、下記の式９により求める。
又、運転周期の最初の単位時間の予測貯湯温度₀は、現在時刻において貯湯槽２に貯湯されている湯の平均温度（上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４夫々にて検出される温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の平均値）であり、２番目以降の単位時間の予測貯湯温度nは、下記の式１０により求める。

予測貯湯量₀＝（予測貯湯熱量₀−予測給湯負荷熱量₀）÷（予測貯湯温度₀−水温）＋予測貯湯可能熱量₀÷（貯湯温度設計値−水温）……………（式８）
予測貯湯量_n＝（予測貯湯熱量_n−予測給湯負荷熱量_n）÷（予測貯湯温度_n-1−水温）＋予測貯湯可能熱量_n÷（貯湯温度設計値−水温）……………（式９）

但し、上記の式８において、予測貯湯量₀が貯湯槽２の容量よりも大きいとき、及び、上記の式９において、予測貯湯量_nが貯湯槽２の容量よりも大きいときは、予測貯湯量₀及び予測貯湯量_nは夫々貯湯槽２の容量とされる。
又、式８において、（予測貯湯温度₀−水温）＝０のときは、式８の第１項が０とされ、（貯湯温度設計値−水温）＝０のときは、式８の第２項が０とされる。
式９において、（予測貯湯温度_n-1−水温）＝０のときは、式９の第１項が０とされ、（貯湯温度設計値−水温）＝０のときは、式９の第２項が０とされる。

予測貯湯温度_n＝｛（予測貯湯熱量_n−予測給湯負荷熱量_n）＋予測貯湯可能熱量_n｝÷〔｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝＋予測貯湯可能熱量_n÷（貯湯温度設計値−水温）〕×（１−槽放熱率）＋水温……………（式１０）

但し、上記の式１０において、（予測貯湯温度_n-1−水温）＝０のときは、｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝は０とされ、（貯湯温度設計値−水温）＝０のときは、予測貯湯可能熱量_n÷（貯湯温度設計値−水温）は０とされ、〔｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝＋予測貯湯可能熱量_n÷（貯湯温度設計値−水温）〕＝０のときは、｛（予測貯湯熱量_n−予測給湯負荷熱量_n）＋予測貯湯可能熱量_n｝÷〔｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝＋予測貯湯可能熱量_n÷（貯湯温度設計値−水温）〕＝０とされる。
又、（予測貯湯熱量_n−予測給湯負荷熱量_n）＜０のときは、（予測貯湯熱量_n−予測給湯負荷熱量_n）＝０とされ、｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝＜０のときは、｛予測貯湯量_n-1−予測給湯負荷熱量_n÷（予測貯湯温度_n-1−水温）｝＝０とされる。

上記の式８〜９において、水温は給水温度センサＳｉの検出温度とされ、貯湯温度設計値は予め設定された値であり、メモリ３４に記憶されている。
又、上記の式１０において、槽放熱率は貯湯槽２からの放熱率であり、予め設定されて、メモリ３４に記憶されている。
予測貯湯可能熱量は、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転すると仮定したときの予測熱出力のうち、熱消費端末３にて消費された残りの熱量であり、この実施形態では、熱消費端末３が運転されていないので、運転周期の複数の単位時間夫々の予測貯湯可能熱量_nは、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転すると仮定したときの複数の単位時間夫々の予測熱出力_n（ｋｃａｌ／ｈ）であり、下記の式１１に示すように、燃料電池１の予測熱出力と、予測余剰電力を消費するとしたときにヒータ１２から発生する予測熱出力とを加えた値となる。

予測熱出力_n＝｛（α×予測出力電力_n）÷電池発電効率）｝×電池熱効率＋α×（予測出力電力_n−予測負荷電力_n）×ヒーター効率−ベース放熱量……………（式１１）
但し、予測出力電力_n−予測負荷電力_n＜０のときは、予測出力電力_n−予測負荷電力_n＝０とされる。

但し、運転時間帯に含まれない単位時間の予測熱出力は０とする。
αは、上述したように８６０に設定される係数である。
又、電池熱効率は、燃料電池１における単位エネルギ消費量（ｋＷｈ）に対する発生熱量（ｋＷｈ）の比率であり、燃料電池１の出力電力により異なるものであるので、出力電力に応じて設定されてメモリ３４に記憶されている。
ベース放熱量は、このコージェネレーションシステムにおいて、燃料電池１の発生熱量のうち、貯湯槽２への貯湯及び熱消費端末３による暖房に用いられることなく放熱される熱量であり、予め設定されてメモリ３４に記憶されている。

尚、運転周期の２番目以降の各単位時間の予測貯湯熱量は、各単位時間の開始時点、即ち、直前の単位時間の終了時点での値を示し、運転周期の２番目以降の各単位時間の予測貯湯量、予測貯湯温度、予測不足熱量は、夫々、各単位時間の終了時点、即ち、次の単位時間の開始時点での値を示す。

次に、図３に示すフローチャートに基づいて、運転制御部５の制御動作について説明を加える。
運転制御部５は、運転周期の開始時点（例えば、午前３時）になると、予測負荷データ演算処理を実行して、時系列的な予測負荷電力データ及び時系列的な予測負荷熱量データを求め、続いて、運転時間帯設定処理を実行して、燃料電池１の運転時間帯を設定する（ステップ＃１〜３）。
続いて、設定した運転時間帯の開始時点になると、燃料電池１の出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転を開始する（ステップ＃４，５）。

運転制御部５は、予め、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転時間帯の間運転すると仮定して、上記式１１により単位時間毎に予測熱出力を求めると共に、求めた単位時間毎の予測熱出力を積算することにより、予測総発生熱量を求める。
又、運転制御部５は、燃料電池１の運転を開始した以降は、実負荷電力追従運転にて燃料電池１を運転したときの実熱出力を単位時間毎に下記の式１２により求めると共に、求めた単位時間毎の実熱出力を積算することにより、積算実発生熱量を求める。

実熱出力_n＝｛（α×実出力電力_n）÷電池発電効率）｝×電池熱効率＋α×（実出力電力_n−実負荷電力_n）×ヒーター効率−ベース放熱量……………（式１２）
但し、実出力電力_n−実負荷電力_n＜０のときは、実出力電力_n−実負荷電力_n＝０とされる。

そして、ステップ＃６にて、積算実発生熱量が予測総発生熱量以上か否かを判断することにより停止条件が満たされるか否かを判断して、停止条件が満たされないまま次の運転周期の開始時点になると（ステップ＃６：ＮＯ、ステップ＃７：ＹＥＳ）、ステップ＃２に戻って次の運転周期の運転時間帯を求める。
ステップ＃６にて、停止条件が満たされたと判断した場合は（ステップ＃６：ＹＥＳ）、続いて、ステップ＃８にて、燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転時間帯の間運転すると仮定したときに運転時間帯の終了時点の予測貯湯熱量が、先に求めた当該運転周期における運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さいか否か、即ち、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測されるか否かを判断する。
ステップ＃８において運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測されないと判断した場合は（ステップ＃８：ＮＯ）、直ちに燃料電池１を停止して（ステップ＃１０）、リターンする。
一方、ステップ＃８において運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測されると判断した場合は（ステップ＃８：ＹＥＳ）、続いて、ステップ＃９で、運転継続条件が満たされるか否かを判断して、運転継続条件が満たされないと判断した場合は（ステップ＃９：ＮＯ）、直ちに燃料電池１を停止して（ステップ＃１０）、リターンする。

ステップ＃９にて、運転継続条件が満たされたと判断した場合は（ステップ＃９：ＹＥＳ）、燃料電池１を停止せずに実負荷電力追従運転にて運転しながら、次の運転周期の開始時点になるまでに実負荷電力Ｌが設定電力Ｋ（出力電力調整範囲の最小出力）以下になるか否かを判別する（ステップ＃１１〜１３）。
そして、実負荷電力Ｌが設定電力Ｋよりも高い間は（ステップ＃１２：ＮＯ、ステップ＃１３：ＮＯ）、燃料電池１の運転を継続し、次の運転周期の開始時点になるまでに実負荷電力Ｌが設定電力Ｋ以下になると（ステップ＃１２：ＹＥＳ）、直ちに燃料電池１を停止して（ステップ＃１０）、リターンし、実負荷電力Ｌが設定電力Ｋ以下になることなく次の運転周期の開始時点になると（ステップ＃１３：ＹＥＳ）、ステップ＃２に戻って次の運転周期の運転時間帯を求める。

つまり、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される場合に、停止条件が満たされたときに運転継続条件が満たされると、停止条件が満たされても燃料電池１の運転が継続されることになる。
次に、図４〜図７に基づいて、このように停止条件が満たされても燃料電池１の運転が継続されることにより、熱不足を抑制することができる点について説明する。
図４は、運転周期の電力及び熱に関する状況を単位時間毎に示す表であり、図５〜図７は、運転周期の電力及び熱に関する状況を単位時間毎に示すグラフである。但し、図４では、運転周期のうちの一部の時間帯についての記載を省略している。
これらの図において、図４の（ｃ）及び図７は、従来の課題を残したままの運転に対応し、図４の（ｂ）及び図６は、この課題を解決した本発明による運転に対応したものである。

詳しくは、図４の（ａ）及び図５は、燃料電池１を運転時間帯の間予測負荷電力追従運転にて運転すると仮定して、電力及び熱に関する状況を単位時間毎に求めた結果、即ち、計画時の電力及び熱に関する状況を示すものであり、単位時間毎に、予測負荷電力、予測給湯負荷熱量、予測出力電力、予測貯湯熱量及び予測不足熱量を示している。
図４の（ｂ）及び図６は、停止条件が満たされたときに運転継続条件が満たされて燃料電池１の運転を継続した場合を想定して、電力及び熱に関する状況を単位時間毎に求めた結果、即ち、運転を継続したときの電力及び熱に関する状況を示すものであり、単位時間毎に、実負荷電力、実給湯負荷熱量、実出力電力、実貯湯熱量及び実不足熱量を示している。
図４の（ｃ）及び図７は、停止条件が満たされると無条件で燃料電池１を停止した場合を想定して、電力及び熱に関する状況を単位時間毎に求めた結果、即ち、運転を継続しないときの電力及び熱に関する状況を示すものであり、単位時間毎に、実負荷電力、実給湯負荷熱量、実出力電力、実貯湯熱量及び実不足熱量を示している。

尚、時系列的な実給湯負荷熱量は、時系列的な予測給湯負荷熱量と同一としている。
又、予測出力電力_nを実出力電力_nに、予測給湯負荷熱量_nを実給湯負荷熱量_nにそれぞれ置き換えた状態で、上記の式７、式９〜式１１を用いて予測貯湯熱量_nを求めて、求めた予測貯湯熱量_nを実貯湯熱量_nとしている。
又、実不足熱量_nは、下記の式１３により求める。

実不足熱量_n＝実給湯負荷熱量_n−実貯湯熱量_n……………（式１３）
但し、（実給湯負荷熱量_n−実貯湯熱量_n）が０よりも小さいときは、実不足熱量_nは０とされる。

つまり、図４の（ａ）及び図５に示すように、計画では、運転時間帯が単位時間「１３」から単位時間「２１」の間の時間帯に設定されている。
そして、運転時間帯の終了時点（単位時間「２１」の終了時点）での予測貯湯熱量（図４の（ａ）及び図５では、単位時間「２２」の予測貯湯熱量に相当する）は３０３３ｋｃａｌ／ｈであり、当該運転周期における運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量（８０００ｋｃａｌ／ｈ）よりも小さく、運転時間帯の終了時点以降で熱不足が予測される。
ちなみに、単位時間「２３」で、４９７９ｋｃａｌ／ｈの不足熱量が発生すると予測される。

図４の（ｂ）及び（ｃ）並びに図６及び図７に示すように、運転時間帯内において実負荷電力が予測負荷電力よりも大きくなると、単位時間「１９」の終了時点で、積算実発生熱量が予測総発生熱量以上になって停止条件が満たされることになって、停止条件が満たされるのが運転時間帯の終了時点（単位時間「２１」の終了時点）よりも早くなる。
そして、従来のように、停止条件が満たされると無条件で燃料電池１を停止することを前提にする場合、図４の（ｃ）及び図７に示すように、単位時間「１９」の終了時点で停止条件が満たされるので、単位時間「２０」から燃料電池１が停止されることになり、単位時間「２３」で、５２８０ｋｃａｌ／ｈの不足熱量が発生する。

次に、本発明のように、停止条件が満たされたときに運転継続条件が満たされておれば燃料電池１の運転を継続することを前提にする場合について、図４の（ｂ）及び図６に基づいて説明する。
停止条件が満たされた単位時間「１９」の実負荷電力Ｌ（２．２ｋＷ）は、設定電力Ｋ（０．２１ｋＷ）よりも大きい。又、停止条件が満たされた単位時間「１９」の終了時点の実貯湯熱量（図４の（ｂ）及び図６では、単位時間「２０」の実貯湯熱量に相当する）は４２３９ｋｃａｌ／ｈであり、停止条件が満たされた時点から設定時間（４時間）先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量の９４２６ｋｃａｌよりも小さい。
従って、運転継続条件が満たされるので、停止条件が満たされても燃料電池１は停止されることなく実負荷電力追従運転にて運転が継続される。
そして、単位時間「２２」の実負荷電力Ｌが０．０５ｋＷであって設定電力Ｋ（０．２１ｋＷ）よりも小さいので、単位時間「２１」の終了時点で、燃料電池１が停止されることになる。
この場合、単位時間「２３」で、３９２４ｋｃａｌ／ｈの不足熱量が発生することになり、停止条件が満たされると無条件で燃料電池１を停止する場合の不足熱量の５２８０ｋｃａｌ／ｈに比べて少なくなり、熱不足が抑制される。

〔別実施形態〕
次に別実施形態を説明する。
（イ） 運転継続条件の具体例は、上記の実施形態で説明した条件、即ち、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きいことに加えて、停止条件が満たされたときに貯湯槽２に貯えられている貯湯熱量が、停止条件が満たされた時点から設定時間先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さい条件に限定されるものではない。
例えば、単に、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きい条件でも良い。

又、停止条件が満たされたときの実負荷電力が設定電力よりも大きいことに加えて、停止条件が満たされた時点が当該運転周期において最大予測給湯負荷熱量が発生する時点よりも前であり、且つ、停止条件が満たされたときに貯湯槽２に貯えられている貯湯熱量が最大予測給湯負荷熱量よりも小さい条件でも良い。
電力及び熱に関する状況が例えば図４の（ｂ）及び図６に示すような状況であれば、この運転継続条件が満たされる。
即ち、停止条件が満たされるのが単位時間「１９」の終了時点で、最大予測給湯負荷熱量が発生する単位時間「２３」よりも前であり、又、停止条件が満たされた単位時間「１９」の終了時点の実貯湯熱量は４２３９ｋｃａｌ／ｈであり、最大予測給湯負荷熱量の６０００ｋｃａｌ／ｈよりも小さいので、運転継続条件が満たされることになる。

（ロ） 運転継続条件が満たされるか否かを判断するために、停止条件が満たされたときに貯湯槽２に貯えられている貯湯熱量を求めるに当たって、その求め方は、上記の実施形態において説明した求め方、即ち、上記の式７、式９〜式１１を用いる求め方に限定されるものではない。
例えば、上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４及び給水温度センサＳｉ夫々の検出温度に基づいて、上記の式１により求めても良い。

（ハ） 設定電力の具体例は、上記の実施形態において説明した例、即ち、燃料電池１の出力電力調整範囲における最小出力に限定されるものではない。
例えば、出力電力調整範囲の最小出力と最大出力との中間の値に設定しても良い。
あるいは、燃料電池１から発生する単位時間当たりの二酸化炭素発生量をその二酸化炭素発生量の二酸化炭素を発生するときの燃料電池１の出力電力にて除した値が火力発電所の単位時間及び単位電力当たりの二酸化炭素発生量と同一となるときの出力電力に設定しても良い。
即ち、燃料電池１から発生する単位時間当たりの二酸化炭素発生量をその二酸化炭素発生量の二酸化炭素を発生するときの燃料電池１の出力電力にて除した値は、単位時間及び単位電力当たりに換算した二酸化炭素発生量である。
そして、燃料電池１の電池発電効率は、出力電力が大きいほど大きくなる傾向にあるので、燃料電池１の運転状態が出力電力の大きい運転状態であるほど、単位時間及び単位電力当たりの二酸化炭素発生量は少なくなる。
そこで、設定電力を上述のような条件で設定すると、停止条件が満たされたにも拘わらず燃料電池１の運転を継続するにしても、実負荷電力を商用電源７から得る場合に比べて、二酸化炭素発生量を少なくする状態で燃料電池１を運転することが可能となる。

（ニ） 運転継続条件が満たされて燃料電池１の運転を継続した場合において燃料電池１を停止する条件は、上記の実施形態で説明した条件、即ち、当該運転周期内において実負荷電力が設定電力以下になる条件に限定されるものではない。
例えば、当該運転周期の終了時点になる条件でも良い。

（ホ） 上記の実施形態では、運転周期の最初の単位時間の予測貯湯温度₀は、上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４夫々にて検出される温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４の平均値としたが、下記の式１４に基づいて、演算により求めても良い。

予測貯湯温度₀＝現在貯湯熱量÷現在貯湯量……………（式１４）

但し、現在貯湯熱量は、上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４及び給水温度センサＳｉ夫々の検出温度に基づいて、上記の式１により求められる。
又、現在貯湯量は、下記の式１５〜式１８に基づいて求められる。

Ｂ１=１ if Ａ１×Ｔ１＋（１−Ａ１）×Ｔ２−β＞０
=０ if Ａ２×Ｔ２＋（１−Ａ２）×Ｔ３−β≦０……………（式１５）
Ｂ２=１ if Ａ２×Ｔ２＋（１−Ａ２）×Ｔ３−β＞０
=０ if Ａ２×Ｔ２＋（１−Ａ２）×Ｔ３−β≦０……………（式１６）
Ｂ３=１ if Ａ３×Ｔ３＋（１−Ａ３）×Ｔ４−β＞０
=０ if Ａ３×Ｔ３＋（１−Ａ３）×Ｔ４−β≦０……………（式１７）
貯湯湯量＝（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３）÷３×Ｖ……………（式１８）

但し、βは湯と水を区別するための閾値であり、例えば β=３８に設定される。
Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、夫々、上端温度センサＳ１、中間上位温度センサＳ２、中間下位温度センサＳ３、下端温度センサＳ４の検出温度である。
又、Ｖは、上記の式１と同様に、貯湯槽２の上層部、中層部、下層部夫々の容量であり、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、上記の式１と同様の係数である。

（ヘ） 運転メリットが高くなるように運転時間帯を定めるに当たって、上記の実施形態では、運転メリットが最も高くなる時間帯に定める場合について例示したが、例えば、２番目又は３番目に運転メリットが高い時間帯に運転時間帯を定める等、運転メリットが高くなる条件は種々に変更可能である。

（ト） 運転メリットとしては、上記の実施形態で説明したエネルギ削減量に限定されるものではなく、燃料電池１を運転することによるエネルギコスト削減額、又は、燃料電池１を運転することによる二酸化炭素削減量等を用いることができる。
ちなみに、予測エネルギコスト削減額は、燃料電池１を運転させない場合のエネルギコストから、燃料電池１を運転したときのエネルギコストを減じて求めることができる。
燃料電池１を運転させない場合のエネルギコストは、予測負荷電力の全てを商用電源７から買電するときのコストと、予測負荷熱量の全てを補助加熱器２８で賄うときのエネルギコスト（燃料コスト）の和として求められる。
一方、燃料電池１を運転したときのエネルギコストは、運転時間帯で燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転した場合の燃料電池１のエネルギコスト（燃料コスト）と、予測不足電力量を商用電源７から買電するときのコストと、予測不足熱量を補助加熱器２８の発生熱で補う場合のエネルギコスト（燃料コスト）との和として求められる。

又、予測二酸化炭素削減量は、燃料電池１を運転させない場合の二酸化炭素発生量から、燃料電池１を運転したときの二酸化炭素発生量を減じて求めることができる。
前記燃料電池１を運転させない場合の二酸化炭素発生量は、予測負荷電力の全てを商用電源７から買電するときの発電所での二酸化炭素発生量と、予測負荷熱量の全てを補助加熱器２８で賄うときの二酸化炭素発生量との和として求められる。
一方、燃料電池１を運転したときの二酸化炭素発生量は、運転時間帯で燃料電池１を予測負荷電力追従運転にて運転した場合の燃料電池１からの二酸化炭素発生量と、予測不足電力量を商用電源７から買電するときの発電所での二酸化炭素発生量と、予測不足熱量を補助加熱器２８の発生熱で補う場合の二酸化炭素発生量との和として求められる。

（チ） 熱電併給装置として、上記の実施形態では、燃料電池１を適用したが、これ以外に、エンジンにより発電機を駆動するように構成したもの等、種々のものを適用することができる。

以上説明したように、運転メリットが低くなるのを回避しながら、熱不足を抑制するように運転し得るコージェネレーションシステムを提供することができる。

１ 熱電併給装置
２ 貯湯槽
４ 貯湯手段
５ 運転制御手段

Claims (5)

1. 電力と熱とを併せて発生する熱電併給装置と、その熱電併給装置にて発生する熱にて貯湯槽に貯湯する貯湯手段と、運転を制御する運転制御手段とが設けられ、
   前記運転制御手段が、運転周期の開始時点において、出力電力を時系列的な予測負荷電力に追従させる予測負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転するとしたときに、当該運転周期内のうちで時系列的な予測負荷電力及び時系列的な予測負荷熱量に基づいて求められる運転メリットが高くなる時間帯を運転時間帯として設定し、その設定した運転時間帯の開始時点で前記熱電併給装置の運転を開始して運転中は出力電力を実負荷電力に追従させる実負荷電力追従運転にて前記熱電併給装置を運転し、停止条件が満たされると前記熱電併給装置の運転を停止するように構成され、
   前記停止条件が、前記熱電併給装置を前記運転時間帯の開始時点から前記実負荷電力追従運転にて運転することにより発生した熱量が、前記熱電併給装置を前記予測負荷電力追従運転にて前記運転時間帯の間運転すると仮定したときに発生すると予測される予測総発生熱量に達する条件に設定されたコージェネレーションシステムであって、
   前記運転制御手段が、前記熱電併給装置を前記予測負荷電力追従運転にて前記運転時間帯の間運転すると仮定したときに前記運転時間帯の終了時点で前記貯湯槽に貯えられていると予測される予測貯湯熱量が、当該運転周期における前記運転時間帯の終了時点以降の時系列的な予測負荷熱量のうちの時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さいと予測される場合は、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が予め設定した設定電力よりも大きい運転継続条件が満たされることを条件として、前記停止条件が満たされても前記熱電併給装置の運転を継続するように構成されているコージェネレーションシステム。
2. 前記運転継続条件が、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が前記設定電力よりも大きいことに加えて、前記停止条件が満たされたときに前記貯湯槽に貯えられている貯湯熱量が、前記停止条件が満たされた時点から設定時間先の時点までの間の時系列的な予測給湯負荷熱量を積算した熱量よりも小さい条件である請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
3. 前記運転継続条件が、前記停止条件が満たされたときの実負荷電力が前記設定電力よりも大きいことに加えて、前記停止条件が満たされた時点が当該運転周期において最大予測給湯負荷熱量が発生する時点よりも前であり、且つ、前記停止条件が満たされたときに前記貯湯槽に貯えられている貯湯熱量が前記最大予測給湯負荷熱量よりも小さい条件である請求項１に記載のコージェネレーションシステム。
4. 前記運転制御手段が、前記運転継続条件が満たされて前記熱電併給装置の運転を継続したときは、実負荷電力が前記設定電力以下になると前記熱電併給装置を停止するように構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。
5. 前記設定電力が、前記熱電併給装置の出力電力を調整可能な出力電力調整範囲における最小出力に設定されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。

Images