JP5525359B2 - 排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱源機器からの排熱を回収する排熱回収装置に関する。

熱源機器からの排熱を回収する排熱回収装置について数多くの提案がなされている。一般的な排熱回収装置は、排熱回収用の湯水が貯えられる貯湯槽と、熱源機器からの排熱と貯湯槽に貯えられている湯水との熱交換が行われる排熱回収用熱交換器と、湯水が貯湯槽と排熱回収用熱交換器とを順に通過するように流れる循環流路と、循環流路における湯水の流量を調節する循環手段とを備えていることが多い。

このような排熱回収装置において、貯湯槽に貯えられている湯水の熱は、給湯用途や暖房用途などに利用可能である。一般的に、貯湯槽に貯えられている湯水の温度は高い方が好ましい。尚、貯湯槽に貯えられている湯水の温度が、その用途で必要とされる温度に満たない場合、貯湯槽の湯水をバックアップ用ボイラなどの補助熱源機器で加熱昇温した上で供給する必要がある。この場合、バックアップ用ボイラは湯水を加熱昇温するためにガス等のエネルギを消費する。つまり、排熱回収装置においては、省エネルギ性や経済性の観点で、貯湯槽に貯えられる湯水の温度が高いほど好ましく、逆に、湯水の温度が低いとバックアップ用ボイラを運転させる頻度が増加するという問題がある。また、貯湯槽に貯えられる湯水の温度が低いと、湯水の温度が高い場合と比較して、同じ合計熱量を貯えるのに必要な湯水の量が多くなる。その結果、大容量の貯湯槽が必要となり、コストアップや必要設置面積が増大するという問題がある。そのような問題に鑑みて、熱源機器から排熱回収した後で貯湯槽へ供給される湯水の温度（即ち、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度）に対して目標貯湯温度を設定しているものもある。

例えば、特許文献１には、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度を測定し、その測定した温度が一定の目標貯湯温度となるように湯水の循環手段の作動を制御することが記載されている。
通常、排熱回収用熱交換器における湯水の昇温が不十分である場合、湯水の温度は目標貯湯温度未満になる。その場合、貯湯槽に貯えられる湯水の温度が低くなり、高温の湯水が必要になると、補助熱源機器（バックアップ用ボイラなど）を用いて再加熱しなければならない。ところが、特許文献１に記載の発明では、排熱回収用熱交換器に流入する湯水の流量を少なくすることで、湯水の温度を高く（目標貯湯温度に）できる。つまり、制御手段は、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように、循環手段の作動を制御している。

特開２０００−３４０２４４号公報

ところが、特許文献１に記載のように排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように循環手段を作動させる制御を常時行うことで、循環流路での湯水の流量が大幅に減少する場合がある。例えば、熱源機器の出力が低下して熱源機器からの単位時間当たりの排熱量が減少すると、循環流路を流れる湯水が単位時間当たりに受け取る熱量が減少して湯水温度が上昇し難くなるため、制御手段は湯水の流量が減少するように循環手段を作動させる。その結果、湯水はより長い期間をかけて循環流路を流れることになるため、その間の湯水の放熱量が大きくなり、排熱効率が低下するという問題が生じる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排熱効率が高くなる排熱回収装置を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る排熱回収装置の特徴構成は、熱源機器からの排熱を回収する排熱回収装置であって、
排熱回収用の湯水が貯えられる貯湯槽と、
前記熱源機器からの排熱と前記貯湯槽に貯えられている湯水との熱交換が行われる排熱回収用熱交換器と、
湯水が前記貯湯槽と前記排熱回収用熱交換器とを順に通過するように流れる循環流路と、
前記循環流路における湯水の流量を調節する循環手段と、
前記貯湯槽に貯湯される前記排熱回収用熱交換器の下流側且つ前記貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように前記循環手段の作動を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記熱源機器の運転状態に応じて、前記目標貯湯温度を前記循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように循環手段の作動を制御し、加えて、熱源機器の運転状態に応じて、上記目標貯湯温度を循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する。
例えば、制御手段が循環流路における湯水の流量を調節することにより、上述したように排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度に合わせられている状態になっているとする。そのような状態から熱源機器の運転状態が変化して熱源機器からの単位時間当たりの排熱量が変化すると、循環流路を流れる湯水が単位時間当たりに受け取る熱量が変化する。つまり、排熱回収用熱交換器における湯水の温度の上昇量（上昇速度）が変化することで、貯湯槽に貯湯される排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が変化して、現状の目標貯湯温度（即ち、熱源機器の運転状態が変化する前の目標貯湯温度）と乖離する可能性がある。

このとき、本特徴構成では、制御手段は、熱源機器の運転状態に応じて目標貯湯温度を変更するので、その変更後の目標貯湯温度は、熱源機器の運転状態によって決まる熱源機器の排熱量に見合った目標貯湯温度にできる。更に、本特徴構成では、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度を変更後の目標貯湯温度へと合わせるために、循環流路における湯水の流量を変化させる必要が生じても（即ち、湯水が循環流路を通過している間に生じる放熱量を変化させることで、排熱効率を変化させてしまうとしても）、目標貯湯温度は、循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度へと変更されるので、排熱効率の低下を抑制できる。
更に、熱源機器の排熱を貯湯槽に回収するに当たって、循環流路を流れる湯水からの放熱量が抑制されるので、その抑制された放熱量分は、貯湯槽に回収される熱量の減少も抑制される。

本発明に係る排熱回収装置の別の特徴構成は、前記制御手段は、前記熱源機器の出力が小さくなるにつれて前記目標貯湯温度を低くする点にある。

熱源機器の出力が小さくなるにつれて、即ち、熱源機器からの単位時間当たりの排熱量が減少するにつれて、循環流路を流れる湯水が排熱回収用熱交換器において単位時間当たりに受け取ることのできる熱量も減少する。そのため、従来のように、目標貯湯温度が熱源機器の出力に関わらず一定である場合には、制御手段は、排熱回収用熱交換器の下流側且つ貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように、循環流路における湯水の流量を減少させる必要が生じる。
ところが、本特徴構成によれば、制御手段は、熱源機器の出力が小さくなるにつれて、目標貯湯温度を低い方へ変更する。目標貯湯温度が低い方へ変更されると、循環流路における湯水の流量は相対的に増加側へ、即ち、循環流路を流れる湯水からの放熱量は抑制される側へ変更されることになる。その結果、制御手段が、排熱回収用熱交換器の下流側且つ前記貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が変更後の目標貯湯温度となるように、循環流路における湯水の流量を減少させるとしても、その減少量は抑制され、排熱回収装置の排熱効率の低下が抑制される。

本発明に係る排熱回収装置の更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記熱源機器の運転状態及び前記貯湯槽の環境温度に応じて、前記目標貯湯温度を前記循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する点にある。

上記特徴構成によれば、上述したような熱源機器の運転状態に加えて、熱源機器又は貯湯槽の環境温度に応じても、目標貯湯温度は循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更される。目標貯湯温度が変更されるということは、湯水が熱源機器から回収すべき熱量が変更されるということであり、結果として、循環流路における湯水の流量（即ち、循環流路における湯水の放熱量）が変更される。
従って、制御手段が、熱源機器の運転状態、及び、熱源機器又は貯湯槽の環境温度に応じて目標貯湯温度を変更することで、湯水が循環流路を流れる間に生じる放熱量を調節できる。つまり、排熱回収装置の排熱効率を調節できる。

本発明に係る排熱回収装置の更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記熱源機器の出力が小さくなるにつれて及び前記環境温度が低くなるにつれて前記目標貯湯温度を低くする点にある。

上記特徴構成によれば、上述したような熱源機器の出力が小さくなる場合に加えて、環境温度が低くなるにつれても、即ち、湯水の放熱が促進される傾向が強くなるにつれても、目標貯湯温度は低い方へ変更される。目標貯湯温度が低い方へ変更されると、循環流路における湯水の流量は相対的に増加側へ、即ち、循環流路を流れる湯水からの放熱量は抑制される側へ変更されることになる。
従って、制御手段が、熱源機器の出力が小さくなるにつれて、及び、熱源機器又は貯湯槽の環境温度が低くなるにつれて目標貯湯温度を低くすることで、湯水が循環流路を流れる間に生じる放熱量が抑制されて、排熱回収装置の排熱効率の低下が抑制される。

本発明に係る排熱回収装置の更に別の特徴構成は、前記制御手段は、予め設定された前記熱源機器の出力と前記目標貯湯温度との関係に基づいて、前記目標貯湯温度を変更する点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、目標貯湯温度を変更するに当たって、予め設定された熱源機器の出力と目標貯湯温度との関係を参照すればよい。つまり、目標貯湯温度の変更のために複雑な演算などは不要である。

本発明に係る排熱回収装置の更に別の特徴構成は、前記制御手段は、予め設定された前記熱源機器の出力及び前記環境温度と前記目標貯湯温度との関係に基づいて、前記目標貯湯温度を変更する点にある。

上記特徴構成によれば、制御手段は、目標貯湯温度を変更するに当たって、予め設定された熱源機器の出力及び環境温度と目標貯湯温度との関係を参照すればよい。つまり、目標貯湯温度の変更のために複雑な演算などは不要である。

コージェネレーションシステムの構成を説明するブロック図である。 燃料電池の発電出力と排熱効率との関係を示すグラフである。 別実施形態のコージェネレーションシステムの構成を説明するブロック図である。

＜第１実施形態＞
以下に図面を参照して第１実施形態の排熱回収装置について説明する。
図１は、排熱回収装置を備えるコージェネレーションシステムの構成を説明するブロック図である。図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステムは、発電ユニットＡと貯湯暖房ユニットＢと、発電ユニットＡ及び貯湯暖房ユニットＢの運転を制御する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。発電ユニットＡは、熱と電力とを併せて発生する熱電併給装置としての燃料電池１を有する。貯湯暖房ユニットＢは本発明の排熱回収装置Ｈを備え、燃料電池１からの排熱を回収して貯湯槽２への貯湯及び熱消費端末３への熱媒供給を行う。熱消費端末３としては、床暖房装置、浴室暖房乾燥機及びファンコンベクタ等がある。
排熱回収装置Ｈは、貯湯槽２と、排熱回収用熱交換器２２と、循環流路としての排熱回収用循環流路１８と、循環手段としての排熱回収用循環ポンプ１９と、制御手段としての運転制御部５を備える。

以下に、コージェネレーションシステムを構成する発電ユニットＡ及び貯湯暖房ユニットＢの構成と運転制御部５による各ユニットＡ、Ｂの制御内容とについて説明する。

〔発電ユニットＡの構成〕
発電ユニットＡが有する燃料電池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、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る。
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る。変成処理及び選択酸化処理により一酸化炭素濃度が低減された改質ガスは、燃料ガスとしてセルスタックに供給される。尚、燃料電池１が固体酸化物形燃料電池の場合、燃料ガス生成部には上述した一酸化炭素除去器を設けなくてもよい。

運転制御部５は、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の発電出力を調節する。つまり、運転制御部５は、燃料電池１の実際の運転状態（具体的には、発電出力）に関する情報を得ているといえる。
発電ユニットＡにおいて、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が設けられる。インバータ６は、燃料電池１の発電電力を商用電源７から受電する受電電力と同じ電圧及び同じ周波数に変換する。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る。その結果、燃料電池１の発電電力は、インバータ６及び発電電力供給ライン１０を介して、テレビ、冷蔵庫、洗濯機などの電力負荷９に供給される。加えて、商用電源７が、受電電力供給ライン８を介して電力負荷９に電気的に接続される。

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電力負荷計測手段１１が設けられる。電力負荷計測手段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も検出可能である。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、発電出力の余剰電力は、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。

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流路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る。電気ヒータ１２のＯＮ／ＯＦＦは、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につれて、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。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。
以上のように、燃料電池１及び電気ヒータ１２により冷却水循環流路１３を流れる冷却水に与えられる熱が、熱源機器としての燃料電池１の排熱となる。

冷却水循環流路１３において、排熱回収用熱交換器２２から燃料電池１に戻る戻り流路部分には、燃料電池１に戻る冷却水の温度を検出する冷却水戻り温度センサＳｒが設けられている。

〔貯湯暖房ユニットＢの構成〕
貯湯槽２は、燃料電池１からの排熱の回収用の湯水を貯える。貯湯槽２には、その底部に接続された給水路１６を通して水が内部に供給される。貯湯槽２からは、その上部に接続された給湯路１７を通して湯水が外部に送出される。排熱回収用熱交換器２２は、燃料電池１からの排熱と貯湯槽２に貯えられている湯水との熱交換を行わせる。燃料電池１からの排熱は、上述したように冷却水循環流路１３を流れる冷却水によって、排熱回収用熱交換器２２へと送られる。そして、排熱回収用熱交換器２２において、冷却水と湯水との熱交換が行われる。排熱回収用循環流路１８は、図１において太線で示すように、湯水を貯湯槽２と排熱回収用熱交換器２２とを順に通過するように流す。排熱回収用循環流路１８は、貯湯槽２の槽底部から取り出した湯水が、排熱回収用熱交換器２２を通過した後、貯湯槽２の槽上部に戻るように取り回されている。排熱回収用循環ポンプ１９は、排熱回収用循環流路１８における湯水の流量を調節する。排熱回収用循環ポンプ１９は、貯湯槽２の槽底部から取り出した湯水を貯湯槽２の槽上部に戻す方向に貯湯槽２の湯水を循環させる。

更に、貯湯暖房ユニットＢは、熱媒循環流路２０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２１、熱媒循環流路２０を通流する熱媒を加熱する熱媒加熱用熱交換器２３、貯湯槽２から送出されて給湯路１７を通流する湯水を加熱する給湯用補助加熱器２４、及び、熱媒循環流路２０を通流する熱媒を加熱する熱媒用補助加熱器２５などを備える。

上述した排熱回収用循環流路１８には、排熱回収用熱交換器２２と貯湯槽２の上部とを接続する循環流路部分から分岐し、貯湯槽２の底部に接続される循環流路部分に接続される熱媒加熱用流路部分１８ｂが接続されている。つまり、熱媒加熱用流路部分１８ｂは、貯湯槽２をバイパスするように排熱回収用循環流路１８に対して接続されている。
熱媒加熱用熱交換器２３は、熱媒加熱用流路部分１８ｂを通流する湯水と熱媒循環流路２０を通流する熱媒とを熱交換させるように設けられる。更に、排熱回収用循環流路１８における熱媒加熱用流路部分１８ｂの分岐部分には、湯水を熱媒加熱用流路部分１８ｂに通流させる熱媒加熱状態と湯水を熱媒加熱用流路部分１８ｂに通流させない熱媒非加熱状態とに切り換える加熱切換用三方弁２６が設けられている。

運転制御部５は、燃料電池１の発生熱を回収した冷却水を冷却水循環ポンプ１５により冷却水循環流路１３を通して排熱回収用熱交換器２２を通過させて循環させ、並びに、貯湯槽２の湯水を排熱回収用循環ポンプ１９により排熱回収用循環流路１８を通して排熱回収用熱交換器２２を通過させて循環させて、加熱切換用三方弁２６を熱媒非加熱状態に切り換える。その結果、排熱回収用熱交換器２２にて燃料電池１の冷却水にて加熱された湯水がそのまま貯湯槽２の上部に供給されて、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。
また、運転制御部５が、加熱切換用三方弁２６を熱媒加熱状態に切り換えて、熱媒加熱用流路部分１８ｂを通して湯水を循環させることにより、排熱回収用熱交換器２２にて燃料電池１の冷却水にて加熱された湯水が熱媒加熱用熱交換器２３において熱媒循環流路２０を通流する熱媒を加熱することになる。

更に、貯湯暖房ユニットＢには、貯湯槽２を迂回する槽迂回給水路２７が、給水路１６と給湯路１７における給湯用補助加熱器２４よりも上流側の箇所とに接続されて設けられる。槽迂回給水路２７と給湯路１７との接続部分には、給湯路１７における貯湯槽２側の部分と給湯用補助加熱器２４側の部分とを連通する通常給水状態と、槽迂回給水路２７と給湯路１７における給湯用補助加熱器２４側の部分とを連通する槽迂回給水状態とに切り換える給水切換三方弁２８が設けられている。給水切換三方弁２８は、給湯路１７における給水切換三方弁２８よりも貯湯槽２側の部分及び槽迂回給水路２７の両方を給湯路１７における給水切換三方弁２８よりも給湯用補助加熱器２４側の部分に連通させた状態で、給湯路１７からの湯水と槽迂回給水路２７からの水との混合比率を調節自在な混合比調節状態にも切り換え可能なように構成されている。

熱媒循環流路２０には、熱消費端末３を迂回させて熱媒を通流させる端末迂回路２９が設けられる。熱媒循環流路２０と端末迂回路２９との接続部には、熱媒を熱消費端末３に循環させる通常通流状態と、端末迂回路２９を通して通流させて熱消費端末３を迂回させる端末迂回通流状態とに切り換え自在な熱媒循環切換三方弁３０が設けられている。

給湯用補助加熱器２４及び熱媒用補助加熱器２５は同様の構成であり、夫々、湯水又は熱媒を加熱する熱交換器ｈ、その熱交換器ｈを加熱するバーナｂ、そのバーナｂに燃焼用空気を供給するファンｆ、熱交換器ｈに流入する湯水又は熱媒の流入温度を検出する流入温度センサ（図示せず）、熱交換器ｈから流出する湯水又は熱媒の流出温度を検出する流出温度センサ（図示せず）、熱交換器ｈに流入する湯水又は熱媒の流量を検出する流量センサ（図示せず）等を備えて構成される。これら給湯用補助加熱器２４及び熱媒用補助加熱器２５の運転は運転制御部５により制御される。
給湯用補助加熱器２４の熱交換器ｈは、給湯路１７を通流する湯水を加熱するように設けられ、熱媒用補助加熱器２５の熱交換器ｈは、熱媒循環流路２０を通流する熱媒を加熱するように設けられている。

次に、運転制御部５による給湯用補助加熱器２４の運転制御について説明する。
運転制御部５は、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、流入温度センサにて検出される流入温度（給湯用補助加熱器２４に供給される湯水の温度）が給湯目標温度未満になるとバーナｂを燃焼させ、且つ、流出温度センサにて検出される流出温度が目標加熱温度になるようにバーナｂの燃焼量を調節し、バーナｂの燃焼中に流量センサの検出流量が設定流量未満になると、バーナｂを消火させる。
また、運転制御部５は、流入温度センサにて検出される流入温度（給湯用補助加熱器２４に供給される湯水の温度）が判定基準温度（例えば、３７℃）未満のときには、湯水を加熱基準温度に加熱するように、バーナｂを燃焼させ、且つ、流出温度センサにて検出される流出温度が目標加熱温度になるようにバーナｂの燃焼量を調節することになる。

給湯用補助加熱器２４における目標加熱温度は、湯水の水質を向上できる加熱基準温度（例えば、６０°Ｃ）に設定されている。つまり、給湯用補助加熱器２４は、自らに供給される湯水の温度が判定基準温度（例えば、３７℃）未満のときには、湯水を加熱基準温度（例えば、６０℃）に加熱するように構成され、加えて、自らに供給される湯水の温度が判定基準温度以上であっても、自らに供給される湯水の温度が給湯目標温度よりも低いときには、加熱基準温度（例えば、６０℃）に湯水を加熱するように構成されている。

給湯路１７における給湯用補助加熱器２４よりも下流側部分には、給湯路１７からの湯水に対して上述した給水路１６から分岐された給水路部分１６Ａからの湯水を混合するミキシングバルブ３４が設けられている。ミキシングバルブ３４は、給湯路１７から出湯される湯水の温度が、運転制御部５に各種の情報を指令する運転リモコンＲにて設定される給湯目標温度になるように、給湯路１７からの湯水に給水路部分１６Ａからの湯水を混合するために設けられるものである。運転制御部５は、混合された湯水温度を検出する混合湯水温度センサ（図示せず）等の検出情報に基づいてミキシングバルブ３４の作動を制御する。

本実施形態においては、運転リモコンＲが、給湯目標温度を変更設定する給湯目標温度指令手段として機能することになり、運転リモコンＲは、例えば、３２℃〜６０℃の間の温度範囲にて、給湯目標温度を指令するように構成されている。上記判定基準温度が、運転リモコンＲにて指令可能な温度範囲の下限値に設定増加温度（例えば、５℃）を加えた温度に設定されている。尚、判定基準温度を、運転リモコンＲにて指令可能な温度範囲の下限値に設定して実施することも可能である。

次に、運転制御部５による熱媒用補助加熱器２５の運転制御について説明する。
運転制御部５は、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、流入温度センサにて検出される流入温度が目標温度未満になるとバーナｂを燃焼させ、且つ、流出温度センサにて検出される流出温度が目標温度になるようにバーナｂの燃焼量を調節し、バーナｂの燃焼中に流量センサの検出流量が設定流量未満になると、バーナｂを消火させる。熱媒用補助加熱器２５における目標温度は、熱消費端末３が高温を必要とする場合には、高温目標温度（例えば、８０℃）に設定され、熱消費端末３が高温を必要としない場合には、低温目標温度（例えば、６０℃）に設定される。

給水路１６には、その給水路１６を通して貯湯槽２に供給される水の温度を検出する給水温度センサＳｉが設けられる。排熱回収後温度センサＳｈ１、Ｓｈ２は、排熱回収用熱交換器２２にて加熱された後の湯水の温度を検出するために設けられている。排熱回収前温度センサＳＬ１、ＳＬ２は、排熱回収用熱交換器２２にて加熱される前の湯水の温度を検出するために設けられている。

排熱回収後温度センサＳｈ１は、排熱回収用熱交換器２２の近傍、具体的には、排熱回収用循環流路１８における排熱回収用熱交換器２２と加熱切換用三方弁２６との間に設けられている。排熱回収後温度センサＳｈ２は、貯湯槽２の近傍、具体的には、排熱回収用循環流路１８における加熱切換用三方弁２６と貯湯槽２との間の箇所又は貯湯槽２の上部に設けられている。排熱回収後温度センサＳｈ１と排熱回収後温度センサＳｈ２とは、排熱回収用熱交換器２２にて加熱された後の湯水の温度を検出するという目的は同じであり、何れで測定された温度を採用してもよい。

排熱回収前温度センサＳＬ１は、貯湯槽２と排熱回収用熱交換器２２との間の排熱回収用循環流路１８のうち排熱回収用熱交換器２２に近い位置に設けられている。排熱回収前温度センサＳＬ２は、排熱回収用循環流路１８へ流出する直前の湯水が存在している貯湯槽２の内部又は表面に設けられている。或いは、排熱回収前温度センサＳＬ２を、貯湯槽２と排熱回収用熱交換器２２との間の排熱回収用循環流路１８のうち貯湯槽２に近い位置に設けてもよい。排熱回収前温度センサＳＬ１と排熱回収前温度センサＳＬ２とは、排熱回収用熱交換器２２にて加熱される前の湯水の温度を検出するという目的は同じであり、何れで測定された温度を採用してもよい。

貯湯槽２には、その上部の湯水の温度を検出する槽上部湯水温度センサＳｔ、貯湯槽２を上下方向に概ね３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湯水温度センサＳｍ、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湯水温度センサＳｎ、及び、貯湯槽２の底部の湯水の温度を検出する槽底部湯水温度センサＳｂが設けられている。

運転制御部５は、槽上部、中間上位、中間下位及び槽底部の各湯水温度センサＳｔ，Ｓｍ，Ｓｎ，Ｓｂ並びに給水温度センサＳｉ夫々の検出温度に基づいて、貯湯槽２の貯湯熱量を演算する。尚、本実施形態では、その貯湯熱量の演算方法についての説明は省略する。

運転制御部５は、燃料電池１の運転中に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、排熱回収用循環ポンプ１９、熱媒循環ポンプ２１及び加熱切換用三方弁２６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（図示せず）から運転の指令がされない状態では貯湯暖房ユニットＢの貯湯運転を行う。運転制御部５は、この貯湯運転において、加熱切換用三方弁２６を熱媒非加熱状態に切り換えた状態で、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が後述する目標貯湯温度になるように湯水循環量を調節すべく、排熱回収用循環ポンプ１９の作動を制御するように構成されている。具体的には、運転制御部５は、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が予め設定された目標貯湯温度よりも低いとき、排熱回収用循環流路１８における湯水の流量が減少するように排熱回収用循環ポンプ１９の作動を制御する。他方で、運転制御部５は、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が予め設定された目標貯湯温度よりも高いとき、排熱回収用循環流路１８における湯水の流量が増加するように排熱回収用循環ポンプ１９の作動を制御する。運転制御部５が、このような排熱回収用循環ポンプ１９の作動制御を行うことで、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が目標貯湯温度に近づくようになる。

運転制御部５は、端末用リモコンから運転が指令されると、熱媒供給運転を行い、その熱媒供給運転では、加熱切換用三方弁２６を熱媒加熱状態に切り換えた状態で、熱媒循環ポンプ２１を予め設定された設定回転速度で作動させ、並びに、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が目標貯湯温度になるように湯水循環量を調節すべく、排熱回収用循環ポンプ１９の作動を制御するように構成されている。尚、運転制御部５は、この熱媒供給運転を実行する間は、熱媒循環切換三方弁３０を通常通流状態に切り換えるように構成されている。
また、運転制御部５は、熱媒供給運転の実行中に端末用リモコンから運転の停止が指令されると、加熱切換用三方弁２６を熱媒非加熱状態に切り換え、熱媒循環ポンプ２１を停止させることにより、熱媒供給運転から貯湯運転に切り換えるように構成されている。

次に、運転制御部５による貯湯運転について説明する。
運転制御部５は、上述したように、排熱回収用熱交換器２２の下流側且つ貯湯槽２の上流側の排熱回収用循環流路１８での湯水の温度が目標貯湯温度となるように排熱回収用循環ポンプ１９の作動を制御している。その結果、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出温度が目標貯湯温度に近づくようになる。
但し、運転制御部５が、排熱回収用循環流路１８での湯水流量が少なくなる方に排熱回収用循環ポンプ１９の運転状態を調節したとき、排熱回収用循環流路１８での湯水の放熱量が大きくなり、排熱効率が低下するという問題が生じる。つまり、排熱回収用循環流路１８での湯水流量が少なくなるということは、より長い時間をかけて湯水が排熱回収用循環流路１８を通過するということであり、また、排熱回収用熱交換器２２より下流での湯水の温度が上昇し、結果として、その間の排熱回収用循環流路１８での湯水の放熱量が大きくなる。

そこで、本実施形態において、運転制御部５は、熱源機器としての燃料電池１の運転状態に応じて、目標貯湯温度を排熱回収用循環流路１８を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する。具体的には、運転制御部５は、燃料電池１の発電出力が小さくなるにつれて目標貯湯温度を低く設定する。つまり、目標貯湯温度が低くなると、発電出力が小さくても、発電出力が大きい場合の目標貯湯温度と同じ温度に目標貯湯温度を設定した場合よりも湯水の循環流量を多くでき、排熱回収用循環流路１８における湯水の流量が大幅に減少されることはなくなる。その結果、湯水が排熱回収用循環流路１８を通過するのに要する期間を極力短くでき、その間の放熱量を抑制している。更に、燃料電池１の排熱を貯湯槽２に回収するに当たって、排熱回収用循環流路１８を流れる湯水からの放熱量が抑制されるので、その抑制された放熱量分は、貯湯槽２に回収される熱量の減少も抑制される。
上述のように、本発明に係る排熱回収装置Ｈは、貯湯槽２と、排熱回収用熱交換器２２と、排熱回収用循環流路１８と、排熱回収用循環ポンプ１９と、運転制御部５とによって実現される。

以下の表１に例示するのは、燃料電池１の発電出力と目標貯湯温度との関係を示す表である。運転制御部５は、表１の関係を自身の内部メモリ（図示せず）などに記憶しており、発電出力の変化に応じて目標貯湯温度を調節する。このように、運転制御部５は、目標貯湯温度を変更するに当たって、予め設定されて記憶している表１のような燃料電池１の出力と目標貯湯温度との関係を参照すればよいので、目標貯湯温度の変更のために複雑な演算などは適宜行う必要はない。

図２は、冬季（環境温度は約７℃）及び中間季（環境温度は約１５℃）において、燃料電池の発電出力（Ｗ）と排熱効率（％（ＬＨＶ基準））との関係を示すグラフである。環境温度は、貯湯槽２の近辺に設けられる環境温度センサ３３によって測定される。図２において、実線で示すのは、表１に従って発電出力に応じて目標貯湯温度を変えた場合の実施例である。他方で、破線で示すのは、発電出力に関わらず目標貯湯温度を一定値（７５℃）にした場合の比較例である。

本願において「排熱効率」は、「燃料電池１の排熱量」／「燃料電池１の消費エネルギ量」で算出している。「燃料電池１の消費エネルギ量」は、燃料電池１での発電運転に要する原燃料などのガス量を低位発熱量基準（ＬＨＶ基準）で換算した値である。「燃料電池１の排熱量」は以下の式に従って導出される。尚、排熱回収後温度センサＳｈ１の検出結果に代えて排熱回収後温度センサＳｈ２の検出結果を利用してもよく、排熱回収前温度センサＳＬ１の検出結果に代えて排熱回収前温度センサＳＬ２の検出結果を利用してもよい。

燃料電池１の排熱量（Ｗｈ）
＝（Ｓｈ１（℃）−ＳＬ１（℃））×流量Ｑ（リットル／分）×６０分／時間÷０．８６
Ｓｈ１：排熱回収後温度センサＳｈ１の検出結果
ＳＬ１：排熱回収前温度センサＳＬ１の検出結果
流量Ｑ：排熱回収用循環流路１８を流れる湯水の流量

図２から分かるように、運転制御部５が、燃料電池１の運転状態（発電出力）に応じて目標貯湯温度を変更することで、排熱効率が向上している。特に、燃料電池１の発電出力が小さい領域では、排熱効率の向上効果が大きく現れている。
以上のように、運転制御部５が、燃料電池１の発電出力が小さくなるにつれて目標貯湯温度を低くすることで、排熱回収用循環ポンプ１９が排熱回収用循環流路１８における湯水の流量を大幅に減少させることを回避できる。その結果、湯水が排熱回収用循環流路１８を流れる間に生じる放熱量が抑制されて、排熱回収装置Ｈの排熱効率の低下が抑制される。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の排熱回収装置は、運転制御部５による目標貯湯温度の変更手法が第１実施形態と異なっている。以下に、第２実施形態の排熱回収装置について説明するが、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第２実施形態において、運転制御部５は、燃料電池１の運転状態、及び、燃料電池１又は貯湯槽２の環境温度に応じて、目標貯湯温度を排熱回収用循環流路１８を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する。具体的には、運転制御部５は、燃料電池１の出力が小さくなるにつれて及び貯湯槽２の環境温度が低くなるにつれて目標貯湯温度を低くする。つまり、目標貯湯温度が低くなると、現状の湯水の温度と目標貯湯温度との差が小さくなるため、排熱回収用循環流路１８における湯水の流量が大幅に減少されることはなくなる。その結果、湯水が排熱回収用循環流路１８を通過するのに要する期間を極力短くでき、その間の放熱量を抑制している。この環境温度は、燃料電池１又は貯湯槽２の近辺に設けられる環境温度センサ３３によって測定されて、運転制御部５に入力される。本実施形態の場合、燃料電池１と貯湯槽２とは隣接して設置されているため、燃料電池１の環境温度と貯湯槽２の環境温度とは同一と見てよい。排熱回収用循環流路１８の環境温度も、環境温度センサ３３によって測定される温度と実質的に同じである。

以下の表２に例示するのは、燃料電池１の発電出力及び貯湯槽２の環境温度と目標貯湯温度との関係を示す表である。運転制御部５は、予め設定された表２の関係を記憶しており、発電出力の変化及び環境温度の変化に応じて目標貯湯温度を調節する。

本実施形態では詳細な実験結果を示さないが、第１実施形態において図２を参照して説明したように、運転制御部５が、燃料電池１の運転状態（発電出力）及び貯湯槽２の環境温度に応じて目標貯湯温度を変更することで（具体的には、燃料電池１の発電出力が小さくなるにつれて及び貯湯槽２の環境温度が低くなるにつれて目標貯湯温度を低くすることで）、排熱効率の向上が見られた。また、このとき、排熱回収用熱交換器２２出口から、排熱回収後温度センサＳｈ１までの放熱量は、目標貯湯温度を低くする方が小さくなることも確認できた。

尚、本第２実施形態及び上記第１実施形態において、目標貯湯温度は給湯用補助加熱器２４の運転を極力回避できるまでの低下にとどめることが望ましい。例えば、表１及び表２の最低目標貯湯温度は５８．０℃であり、この場合、貯湯槽２上部の配管を流れる湯水の温度は５８℃になるように制御される。この状態で貯湯され続けると、最初に貯湯槽２に５８℃で流入した湯水は１２時間後には４５．８℃になる。この４５．８℃という温度は、（５８℃−５℃（冬季環境温度））×（１−０．０１２（貯湯槽放熱係数））¹²＝４５．８℃という式から導出される。この式において、貯湯槽放熱係数は、貯湯槽２内の湯水温度が１時間当たりに低下する率を表し、乗数である「１２」は、貯湯開始からの経過時間としてここで例示している１２時間を意味する。そして、この４５．８℃という温度は、家庭での給湯負荷の大半を占める風呂湯張り及びシャワーの約４３℃よりも高い温度である。よって、貯湯開始してから１２時間後に使用しても、給湯用補助加熱器２４の運転は不要である。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、コージェネレーションシステムの構成は適宜変更可能である。例えば、熱媒循環流路２０の構成を変更してもよい。図３は、別実施形態のコージェネレーションシステムの構成を説明するブロック図である。具体的には、図３において、熱媒加熱用流路部分１８ｂ及び熱媒加熱用熱交換器２３は設けられていない。その結果、熱媒循環流路２０の熱媒は、排熱回収用循環流路１８の湯水とは熱交換せず、熱媒用補助加熱器２５によって加熱されるのみである。

＜２＞
上記実施形態では、熱源機器として燃料電池１を利用する例を説明したが、排熱を利用可能な他の熱源機器を利用してもよい。例えば、熱源機器として、ガスを燃料とするガスエンジンなどを備えた熱電併給装置を利用してもよい。

＜３＞
上記実施形態において、表１及び表２において、燃料電池１の発電出力と目標貯湯温度との関係、及び、燃料電池１の発電出力及び環境温度と目標貯湯温度との関係を例示したが、表１及び表２に記載した数値は例示目的で示したものであり、本発明は表１及び表２に例示した数値によって限定されない。

＜４＞
上記実施形態では、熱源機器としての燃料電池１の運転状態を表す指標として燃料電池１の発電出力を例示したが、熱源機器の運転状態を他の指標によって表すこともできる。例えば、熱源機器としての燃料電池１のセルスタックの温度を、燃料電池１の運転状態を表す指標として利用してもよい。

＜５＞
上記実施形態では、排熱回収用熱交換器２２が排熱回収用循環流路１８に１つ設けられた例を説明したが、排熱回収用循環流路１８に複数の排熱回収用熱交換器２２を設けるような改変も可能である。

＜６＞
上記実施形態では、貯湯暖房ユニットＢが給湯の他に熱消費端末３への熱供給を行う例を説明したが、熱消費端末３への熱供給を行わないように改変してもよい。つまり、熱消費端末３、熱媒循環流路２０、熱媒用補助加熱器２５などを設けずに、給湯専用としてもよい。

＜７＞
上記実施形態では、環境温度は、燃料電池１又は貯湯槽２の近辺に設けられる温度センサ３３によって測定するようにしたが、適宜、燃料電池１や貯湯槽２の内部に設けられた水や空気の温度を測定する温度センサによる測定値を環境温度として採用してもよい。

本発明は、循環流路における湯水の流量の大幅な低下を抑制して、排熱効率が高くなる排熱回収装置を提供するために利用できる。

１ 燃料電池（熱源機器）
２ 貯湯槽
５ 運転制御部（制御手段）
１８ 排熱回収用循環流路（循環流路）
１９ 排熱回収用循環ポンプ（循環手段）
２２ 排熱回収用熱交換器
Ｈ 排熱回収装置

Claims (6)

1. 熱源機器からの排熱を回収する排熱回収装置であって、
   排熱回収用の湯水が貯えられる貯湯槽と、
   前記熱源機器からの排熱と前記貯湯槽に貯えられている湯水との熱交換が行われる排熱回収用熱交換器と、
   湯水が前記貯湯槽と前記排熱回収用熱交換器とを順に通過するように流れる循環流路と、
   前記循環流路における湯水の流量を調節する循環手段と、
   前記貯湯槽に貯湯される前記排熱回収用熱交換器の下流側且つ前記貯湯槽の上流側の循環流路での湯水の温度が目標貯湯温度となるように前記循環手段の作動を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記熱源機器の運転状態に応じて、前記目標貯湯温度を前記循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する排熱回収装置。
2. 前記制御手段は、前記熱源機器の出力が小さくなるにつれて前記目標貯湯温度を低くする請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記制御手段は、前記熱源機器の運転状態及び前記熱源機器又は前記貯湯槽の環境温度に応じて、前記目標貯湯温度を前記循環流路を流れる湯水からの放熱量を抑制する温度に変更する請求項１又は２に記載の排熱回収装置。
4. 前記制御手段は、前記熱源機器の出力が小さくなるにつれて及び前記環境温度が低くなるにつれて前記目標貯湯温度を低くする請求項３に記載の排熱回収装置。
5. 前記制御手段は、予め設定された前記熱源機器の出力と前記目標貯湯温度との関係に基づいて、前記目標貯湯温度を変更する請求項２に記載の排熱回収装置。
6. 前記制御手段は、予め設定された前記熱源機器の出力及び前記環境温度と前記目標貯湯温度との関係に基づいて、前記目標貯湯温度を変更する請求項４に記載の排熱回収装置。

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