JP5745911B2

JP5745911B2 - 熱供給システム

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Publication number: JP5745911B2
Application number: JP2011079822A
Authority: JP
Inventors: 牛尾　雅之; 雅之牛尾; 建小野; 山口　秀樹; 秀樹山口; 一久井川
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: JP2012215328A

Description

本発明は、複数の消費者に対して熱を供給する熱供給システムに関する。

集合住宅などに居住する複数の消費者に対して、共通の蓄熱装置に蓄えられた熱を一括して供給する熱供給システムが提案されている。特に、集合住宅に共用の太陽熱集熱器を設け、その太陽熱集熱器で集められた熱を複数の消費者設備に供給可能に構成した熱供給システムが提案されている。例えば、特許文献１に記載の熱供給システムは、太陽熱を集める太陽熱集熱器（２）と、その太陽熱集熱器（２）が集めた熱を、貯えている熱媒を用いて蓄える蓄熱装置（１）と、その蓄熱装置（１）が蓄えている熱媒を複数の消費者設備に向けて循環させる熱媒循環路（１０）とを備える。尚、特許文献１では、熱媒循環路を循環する熱媒は、各消費者設備に設けられる集中型熱供給装置（４）に供給され、その集中型熱供給装置（４）で更に昇温された後で使用に供されるというシステム構成となっている。
尚、上述のような集中型熱供給装置（４）ではなく、各消費者設備に熱交換器を設けておき、各消費者設備では、熱媒循環路を循環する熱媒が有する熱を単にその熱交換器で受け取るような熱供給システムもある。例えば、特許文献２には、消費者設備の夫々に設けられ、熱媒循環路を循環する熱媒と、その消費者設備において加熱対象とする流体との間の熱交換を行う熱交換器を備えるような熱供給システムが記載されている。

特開昭６３−２３８３４２号公報特開２００７−１９２４５１号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の熱供給システムでは、熱交換器の熱交換能力をどの程度に設定すればよいのかに関する考察が為されていない。例えば、熱交換器の熱交換能力が高い（即ち、熱の移行が行われ易い）場合、各消費者設備が単位時間当たりに受領できる熱量が大きくなる。言い換えると、熱交換器の熱交換能力が高い場合、蓄熱装置での蓄熱量は早く減少することになる。熱供給システムが備える蓄熱装置が、集合住宅などに居住する複数の消費者に対して熱を一括して供給する役割を担う場合、蓄熱装置での蓄熱量が早く減少することは公平性の点から問題となる可能性がある。具体的には、大量の熱を消費する時間帯（例えば、入浴時間帯）などは各消費者によって様々であるため、早い時間帯に熱を消費する予定の消費者は、蓄熱装置に蓄えられている熱を使用できるが、遅い時間帯に熱を消費する予定の消費者が実際に熱を消費しようとしたとき、既に蓄熱装置には熱がほとんど残っていないという事態が発生し得る。

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、複数の消費者に対して公平に熱を供給できる熱供給システム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熱供給システムの特徴構成は、複数の消費者に熱を供給する熱供給システムであって、
太陽熱を集める太陽熱集熱器と、
熱媒を貯え、前記太陽熱集熱器が集めた熱を前記熱媒を用いて蓄える蓄熱装置と、
前記蓄熱装置が貯えている前記熱媒を、それぞれが熱消費装置を有する複数の消費者の消費者設備に循環可能にさせる熱媒循環路と、
前記消費者設備の夫々に設けられ、前記熱媒循環路を循環する前記熱媒と、当該消費者設備において加熱対象とする流体との間の熱交換を行う熱交換器と、
前記熱媒循環路における前記熱媒の循環状態を調節する循環状態調節装置と、
前記循環状態調節装置の動作を制御して、１日の中の特定の時間帯にのみ前記熱媒循環路に前記熱媒を循環させる運転制御装置とを備え、
前記熱交換器が、前記熱媒循環路を循環する前記熱媒から前記消費者設備において加熱対象とする流体が受領することができる熱量の最大を制限する受領熱量制限手段として構成され、
前記熱交換器を前記受領熱量制限手段として構成するに、
前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が基準温度範囲内となるように、前記熱交換器の熱交換能力が設定されている点にある。

上記特徴構成によれば、熱交換器は、消費者が受領できる熱量の最大を制限する受領熱量制限手段として機能する。つまり、熱媒が１日の中の特定の時間帯にのみ熱媒循環路に循環される場合において、その特定の時間帯の中の例えば初期に大量の熱を消費しようとする消費者が居ても、熱交換器による受領熱量の制限によって、蓄熱装置に貯えられている蓄熱量が特定の時間帯の初期で使い切られることが抑制される。このように、消費者が受領できる熱量の最大を制限することで、蓄熱装置に蓄えられている蓄熱量の単位時間当たりの減少度合いを緩やかなものとして、特定の時間帯の初期及び終期に関わらず蓄熱装置には蓄熱量が残存している状態（即ち、各消費者に熱を充分に供給可能な状態）を確保できる。
従って、複数の消費者に対して公平に熱を供給できる熱供給システムを提供できる。
また、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度が高過ぎる状態は、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置に残存している熱が多過ぎる状態であることを意味する。つまり、蓄えた熱が消費者に活用されなかった（即ち、蓄えた熱が無駄になった）ことを意味する。これに対して、熱媒の温度が低過ぎる状態は、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置に残存している熱が少な過ぎる状態であることを意味する。つまり、上記特定の時間帯の初期には各消費者に十分な熱量を供給できたが、終期には各消費者に十分な熱量を供給できなかった（即ち、熱の公平な分配が行われなかった）ことを意味する。
ところが、本特徴構成によれば、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度が基準温度範囲内となるように、熱交換器の熱交換能力が設定されているので、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置に残存している熱が多過ぎることも無く且つ少な過ぎることもない状態が得られる。その結果、蓄熱装置に蓄えた熱が各消費者に活用されずに無駄になることもなく且つ熱が各消費者に対して不公平に配分されることもなくなる。

本発明に係る熱供給システムの更に別の特徴構成は、前記熱交換器の熱交換能力の上限が、前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が所定の下限温度以上となる熱交換能力である点にある。

熱交換器の熱交換能力が高いほど、各消費者は熱交換器において大きな熱量を受領できるようになる。これに対して、熱交換器の熱交換能力が高いほど、蓄熱装置での蓄熱量の減少速度は相対的に高くなる。但し、熱交換器の熱交換能力が高過ぎると、蓄熱装置での蓄熱量の減少が早く進み過ぎてしまい、蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度が低くなってしまうという問題が生じる。
ところが、本特徴構成によれば、熱交換器の熱交換能力を高くするときの上限は、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度が所定の下限温度以上となる熱交換能力である。つまり、熱交換器の熱交換能力を高くした場合に（即ち、各消費者が相対的に大きな熱量を受領できるようにした場合に）蓄熱装置での蓄熱量の減少速度が相対的に速くなったとしても、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度は所定の下限温度以上であることが確保される。従って、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置に残存している熱が少な過ぎる状態になることが回避されるので、上記特定の時間帯の終期であっても各消費者に十分な熱量を供給できるようになる。

本発明に係る熱供給システムの更に別の特徴構成は、前記熱交換器の熱交換能力の下限が、前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が所定の上限温度以下となる熱交換能力である点にある。

熱交換器の熱交換能力が低いほど、各消費者は熱交換器において小さな熱量しか受領できなくなる。これに対して、熱交換器の熱交換能力が低いほど、蓄熱装置での蓄熱量の減少速度は相対的に低くなる。但し、熱交換器の熱交換能力が低過ぎると、蓄熱装置での蓄熱量の減少がほとんど進まず、蓄熱装置で余る熱量が多くなってしまうという問題が生じる。
ところが、本特徴構成によれば、熱交換器の熱交換能力を低くするときの下限は、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度が所定の上限温度以下となる熱交換能力である。つまり、熱交換器の熱交換能力を低くした場合に（即ち、各消費者が相対的に小さな熱量しか受領できないようにした場合に）蓄熱装置での蓄熱量の減少速度が相対的に遅くなったとしても、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置から熱媒循環路へ供給して循環させることができる熱媒の温度は所定の上限温度以下であることが確保される。従って、特定の時間帯の終了時点において蓄熱装置に残存している熱が多過ぎる状態になることが回避されるので、蓄えた熱が消費者に活用されずに無駄になるような状態を無くすことができる。

熱供給システムの構成を説明する図である。熱需要と蓄熱量と熱媒の温度との時間的な変化のシミュレーション結果を示すグラフである。比較例として熱需要と蓄熱量と熱媒の温度との時間的な変化のシミュレーション結果を示すグラフである。比較例として熱需要と蓄熱量と熱媒の温度との時間的な変化のシミュレーション結果を示すグラフである。別の熱供給システムの構成を説明する図である。

図１は、本発明の熱供給システムＳ１（Ｓ）の構成を説明する図である。
図１に示す熱供給システムＳ１は、太陽熱集熱器１と蓄熱装置２と熱媒循環路３と循環状態調節装置Ｃとそれら各装置の動作を制御する運転制御装置４とを備え、集合住宅などに居住する複数の消費者に対して熱を供給するシステムである。特に、本実施形態の熱供給システムＳ１は、太陽熱集熱器１で集められた熱を、複数の消費者によって有効且つ公平に活用させるために、後述する熱交換器１３の熱交換能力を適切な値に設定している。
以下の説明では、先ず、熱供給システムＳ１の構成について記載し、その後、熱交換器１３の熱交換能力について記載する。

太陽熱集熱器１は、太陽熱（太陽からの熱エネルギー）を集める装置である。太陽熱集熱器１が集めた熱は蓄熱装置２に蓄えられる。太陽熱集熱器１と蓄熱装置２との間には熱媒としての水又は不凍液などが循環する集熱用熱媒循環路７が設けられる。集熱用熱媒循環路７の途中に設けたポンプＰ２を動作させることで集熱用熱媒循環路７の内部の熱媒の循環が行われる。熱媒は、太陽熱集熱器１へと流入し、そして太陽熱集熱器１で加熱された後、太陽熱集熱器１から流出して蓄熱装置２へ至る。加えて、蓄熱装置２の内部の熱交換部２ａでは、集熱用熱媒循環路７を通流する熱媒と蓄熱装置２に蓄えられている熱媒とが熱交換可能に構成されている。その結果、太陽熱集熱器１で集められた熱は蓄熱装置２に蓄えられる。通常、日の出時刻付近から日没時刻付近までの間、太陽熱集熱器１は太陽熱を集めて蓄熱装置２へ熱を供給できる。

蓄熱装置２は、水などの熱媒を用いて熱を蓄える。蓄熱装置２には、図１に示すように、貯えられている水（湯水）を蓄熱装置２の外部に通流させる熱媒循環路３が接続されている。以下の説明では、蓄熱装置２に貯えられ、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給されて循環される熱媒のことを「湯水」と記載する。熱媒循環路３の途中には複数の消費者の消費者設備１０が順に接続されているので、蓄熱装置２が貯えている湯水は熱媒循環路３によって複数の消費者設備１０に循環供給されることになる。各消費者設備１０は、例えば、集合住宅の各戸に設けられる設備に対応する。つまり、熱媒循環路３は、蓄熱装置２が貯えている湯水を、それぞれが集合住宅の各戸に設けられている複数の消費者設備１０に循環させるものである。具体的には、熱媒循環路３は、蓄熱装置２から出た湯水が各消費者設備１０へ流入するまでの間に流れる往路３ａと、各消費者設備１０から出た湯水が蓄熱装置２へ戻るまでの間に流れる復路３ｂとに分かれる。熱媒循環路３の往路３ａには、湯水の流量を設定値に調節する定流量弁Ｖ１が設けられている。各消費者設備１０は定流量弁Ｖ１より下流側の熱媒循環路３に接続されているので、各消費者設備１０へ流れ込む湯水の流量は定流量弁Ｖ１によって調節される。以上のように、ポンプＰ１と定流量弁Ｖ１とは、熱媒循環路３における湯水の循環状態を調節する循環状態調節装置Ｃとして機能し、運転制御装置４の動作制御を受ける。

蓄熱装置２に貯えられている湯水の温度は温度センサＴ１で測定される。温度センサＴ１の測定結果は、収集手段５を用いて収集し、運転制御装置４が読み出し可能に記憶手段６に記憶しておくこともできる。本実施形態では、蓄熱装置２の内部で湯水は温度成層を形成しておらず、ほぼ均一になっているものとする。従って、温度センサＴ１で測定される温度が、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給されて循環される湯水の温度となる。

更に、熱媒循環路３には、複数の消費者設備１０に向けて分岐する複数の往路３ａよりも上流側（即ち、分岐前の熱媒循環路３）と、複数の消費者設備１０から帰還した複数の復路３ｂの合流箇所よりも下流側（即ち、合流後の熱媒循環路３）とを接続する接続路３ｃとが設けられている。接続路３ｃには、流量調節弁Ｖ２が設けられている。そして、運転制御装置４は、循環状態調節装置Ｃとしての流量調節弁Ｖ２の動作を制御して、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ流出した後であり且つ消費者設備１０に設けられる熱交換器１３に流入する前の湯水に対して、その湯水よりも温度の低い湯水を加える。特に本実施形態では、運転制御装置４は、循環状態調節装置Ｃとしての流量調節弁Ｖ２の動作を制御して、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ流出した後であり且つ消費者設備１０に設けられる熱交換器１３に流入する前の湯水に対して、消費者設備１０に設けられる熱交換器１３から流出した後であり且つ蓄熱装置２に流入する前の湯水を加える。

具体的には、運転制御装置４が流量調節弁Ｖ２の開度を調節することで、複数の消費者設備１０から合流した後の比較的低温の湯水が流れる復路３ｂから、蓄熱装置２に貯えられている比較的高温の湯水が流れる往路３ａに接続路３ｃを介して流入する湯水の量が調節される。つまり、運転制御装置４が流量調節弁Ｖ２の開度を調節することで、熱媒循環路３を介して各消費者設備１０の熱交換器１３に供給される湯水の温度が調節される。この温度調節後の湯水の温度は温度センサＴ２で計測可能であり、その計測結果は運転制御装置４に伝達される。従って、運転制御装置４は、温度センサＴ２で計測される湯水の温度が所望の温度となるように、流量調節弁Ｖ２の開度を調節できる。このように、流量調節弁Ｖ２は、熱媒循環路３における湯水の循環状態を調節する循環状態調節装置Ｃとして機能している。

次に、消費者設備１０の構成について説明する。
消費者設備１０は、熱媒循環路３を通流する湯水と消費者設備１０の内部で供給される低温の給水とが熱交換可能な熱交換器１３を有している。具体的には、熱交換器１３には熱媒循環路３の往路３ａが引き込まれ、熱交換器１３から出た部分が熱媒循環路３の復路３ｂとなる。消費者設備１０が有する熱消費装置１１には、給水が熱交換器１３で加熱された後に得られる湯水が供給される。その際、必要に応じて、熱交換器１３で加熱された後に得られる湯水に対してミキシングユニット１４で給水が加えられた上で、或いは、熱交換器１３で加熱された後の湯水に対して熱源機１２で更に加熱された上で熱消費装置１１に供給される。熱源機１２としては、例えばガスなどの燃料を燃焼した際の燃焼熱を利用する湯沸器などを利用できる。

消費者設備１０において、熱交換器１３に引き込まれる熱媒循環路３の往路３ａの部分に湯水の流入温度を測定する流入温度センサＴｉｎと湯水の流量を測定する流量計Ｍとが設けられ、熱交換器１３から引き出された熱媒循環路３の復路３ｂの部分に湯水の流出温度を測定する流出温度センサＴｏｕｔが設けられている。流入温度センサＴｉｎ、流量計Ｍ及び流出温度センサＴｏｕｔの測定結果は、設定タイミング毎に収集手段５によって収集される。ここで、熱交換器１３への湯水の流入温度及び流出温度の間の温度差と流量との積を導出すると、熱媒循環路３を通流する湯水が消費者設備１０の熱交換器１３で失った熱量、即ち、消費者の熱需要となる。つまり、収集手段５が設定タイミング毎に収集する流入温度センサＴｉｎ、流量計Ｍ及び流出温度センサＴｏｕｔの測定結果は、熱需要に関する情報と言える。更に、運転制御装置４は、収集手段５が設定タイミング毎に収集した上記熱需要に関する情報を記憶手段６に記憶させることができる。操作部１５は、熱消費装置１１の予約運転に関する設定情報（例えば、風呂湯張り時刻、湯温、湯量など）を操作入力するためのものである。

運転制御装置４は、収集手段５が設定タイミング毎に収集した上記熱需要に関する情報を記憶手段６にそのまま（即ち、流入温度センサＴｉｎ、流量計Ｍ及び流出温度センサＴｏｕｔの測定結果のまま）記憶させておくか、或いは、上述したように消費者の熱需要を逐次導出して、その結果を記憶手段６に記憶させておくことができる。運転制御装置４、収集手段５及び記憶手段６は、コンピュータなどの情報処理装置を用いて実現できる。

図２〜図４は、消費者設備１０における熱交換器１３の熱交換能力を変化させた場合の、時刻１８時から時刻２４時の間における熱需要と蓄熱量と湯水の温度との時間的な変化のシミュレーション結果を示すグラフである。尚、図３及び図４は、図２の比較例として示す。図２〜図４において、複数の消費者による合計の予測熱需要を「黒三角印」で示し、温度センサＴ２で測定される湯水の温度（即ち、配管送り温度）のシミュレーション結果を「白四角印」で示し、蓄熱装置２での蓄熱量のシミュレーション結果を「黒丸印」で示す。

図２〜図４に示すシミュレーション結果は、具体的には、１日の中の特定の循環時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている蓄熱装置２から湯水を基準流量で熱媒循環路３に継続的に供給して循環させ、それにより熱交換器１３での熱交換に伴う湯水の温度低下が消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合の、蓄熱量と湯水の温度との時間的な変化のシミュレーション結果のグラフである。本実施形態において、上記循環時間帯は、後述するように時刻１８時から時刻２３時２０分の間である。また、上記基準蓄熱量は、１日に太陽熱集熱器１から蓄熱装置２に蓄熱されると予測される蓄熱量のことであり、本実施形態では３００ｋＷｈである。更に、上記基準流量は、熱媒循環路３から各熱交換器１３に流入する湯水の流量であり、本実施形態では３リットル／分としている。尚、各熱交換器１３は、熱媒循環路３に設けられる定流量弁Ｖ１から見て並列に接続されているため、熱交換器１３が例えばＸ台接続されているならば、定流量弁Ｖ１では３×Ｘ（リットル／分）の湯水を通流させればよい。
以下に、熱需要（予測熱需要）、湯水の温度（即ち、配管送り温度）のシミュレーション結果、蓄熱装置２での蓄熱量のシミュレーション結果について具体的に説明する。

図２〜図４において黒三角印で示す熱需要は、複数の消費者による合計の予測熱需要である。上述のように、運転制御装置４は、各消費者設備１０の熱交換器１３への湯水の流入温度及び流出温度の間の温度差と流量との積を導出することで、各消費者の過去の熱需要を知ることができる。従って、運転制御装置４は、設定タイミング毎に収集された過去の熱需要に関する情報を参照して、各消費者の将来の予測熱需要を導出でき、更に、複数の消費者による合計の予測熱需要を導出できる。

図２〜図４において黒丸印で示す蓄熱量は、蓄熱装置２に蓄えられている熱量のシミュレーション結果である。図示するように、循環時間帯が開始されて各消費者での熱消費が開始されるにつれて、蓄熱装置２での蓄熱量は減少する。尚、運転制御装置４は、実際の蓄熱装置２での蓄熱量を、温度センサＴ１で測定される温度と、蓄熱装置２に貯えられている既知の湯水の量との積から導出することもできる。

図２〜図４において白四角印で示す配管送り温度は、温度センサＴ２で測定される部位での湯水の温度のシミュレーション結果である。本実施形態では、循環時間帯の開始前において蓄熱装置２に７５℃の湯水が貯えられている状態を想定している。そして、運転制御装置４が流量調節弁Ｖ２の開度を制御することで、温度センサＴ２で測定される部位での湯水の温度を５０℃に調節し、その５０℃の湯水を消費者設備１０の熱交換器１３へ流入させる状態を想定している。例えば、図２に示す例では、時刻１８時から時刻２０時頃までは、運転制御装置４によって、蓄熱装置２に貯えられている７５℃の湯水が、５０℃の湯水へと温度低下された後で各消費者設備１０へと供給される。

その後、熱媒循環路３において湯水の循環を開始すると、蓄熱装置２には熱媒循環路３の復路３ｂを介して低温の湯水が帰還するため、蓄熱装置２に貯えられている湯水の温度は徐々に低下する。但し、この時刻１８時から時刻２０時頃までは、蓄熱装置２に貯えられている湯水の温度は未だ５０℃未満にまでは低下していないため、流量調節弁Ｖ２を用いた温度調節後の湯水の温度（即ち、図２に示す配管送り温度）は５０℃に調節できる。ところが、時刻２０時を越えると、蓄熱装置２に貯えられている湯水の温度が５０℃未満に低下するため、運転制御装置４は、最終的に流量調節弁Ｖ２を閉止しても、温度センサＴ２で測定される部位での湯水の温度を５０℃に調節できなくなる。そのため、運転制御装置４は、時刻２０時を越えると、流量調節弁Ｖ２を用いた温度調節を行わず、蓄熱装置２に貯えられている湯水をそのままの温度で各消費者設備１０の熱交換器１３に流入させるようにする。つまり、時刻２０時を越えると、蓄熱装置２に貯えられている湯水の温度が図２に示す配管送り温度となり、その温度は徐々に低下する。

〔循環時間帯〕
次に、熱媒循環路３に湯水を循環させる循環時間帯をどのように決定するのかについて説明する。
上述のように、通常、太陽熱集熱器１は日の出時刻付近から日没時刻付近までの間に太陽熱を集め、その熱が蓄熱装置２へ供給されて蓄熱される。これに対して、図２〜図４の熱需要のグラフ（黒三角印）で示したように、通常、消費者が熱を大量に消費するのは夕方から夜の時間帯である。従って、昼間の時間帯に太陽熱集熱器１で集められた熱を蓄熱装置２に蓄熱し、それと同時に蓄熱装置２から熱媒循環路３へと湯水の循環を常時行わせていると、多くの消費者が夜の時間帯に熱消費を行うまでの間、熱媒循環路３を循環通流する湯水はほとんど消費されることなく単に放熱されるだけとなる。そこで、本実施形態では、各消費者が１日の中で熱を大量に消費しようとする特定の時間帯のみ湯水を循環させることで、余分な放熱ロスの発生を回避することを想定している。

本実施形態において、熱媒循環路３に湯水を循環させる循環時間帯の開始タイミング、即ち、循環開始タイミングは、複数の消費者による合計の熱需要が設定量以上に増加するタイミングに対応する。つまり、熱媒循環路３での湯水循環を開始させる循環開始タイミングは、複数の消費者における過去の熱需要に関する情報を参照して導出される、複数の消費者による合計の予測熱需要が設定量以上に増加するタイミングに決定される。このように、複数の消費者における過去の熱需要に関する情報を参照することで、実際に複数の消費者の熱需要が大きくなるタイミングを正確に把握できる。また、熱媒循環路３に湯水を循環させる循環時間帯の終了タイミング、即ち、循環停止タイミングは、複数の消費者による合計の熱需要が設定量未満に低下するタイミングに対応する。つまり、熱媒循環路３での湯水循環を開始させる循環停止タイミングは、複数の消費者における過去の熱需要に関する情報を参照して導出される、複数の消費者による合計の予測熱需要が設定量未満に低下するタイミングに決定される。

図２〜図４に示す例では、複数の消費者による合計の予測熱需要が設定量（図中において一点鎖線で示す）以上に増加するのは、時刻１８時になるタイミングである。従って、循環時間帯の開始タイミングは時刻１８時に決定される。また、複数の消費者による合計の予測熱需要が設定量未満に低下するのは、時刻２３時２０分になるタイミングである。従って、循環時間帯の終了タイミングは時刻２３時２０分に決定される。つまり、１８時から２３時２０分の時間帯を、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ湯水を供給して循環させる上記特定の時間帯とする。この設定量のレベルは、運転制御装置４が適宜設定可能である。例えば、この設定量は、複数の消費者による１日の合計の予測熱需要量に対して設定割合となるレベルに設定できる。このように設定すると、各消費者が１日の中で熱を大量に消費しようとしたタイミングに合わせて蓄熱装置２から熱媒循環路３へ湯水を供給して循環させることができ、その結果、太陽熱集熱器１で集めた熱を、余分な放熱ロスの発生を回避しながら蓄熱装置２から各消費者へ有効に供給できる。

〔熱交換器の熱交換能力〕
以下に、図２〜図４に示すシミュレーション結果を参照して、熱交換器１３の熱交換能力をどのように設定すれば良いのかについて説明する。
本実施形態において、熱交換器１３は、熱媒循環路３を循環する湯水から消費者設備１０において加熱対象とする流体が受領することができる熱量の最大を制限する受領熱量制限手段として構成されている。具体的には、熱交換器１３の熱交換能力は、特定の循環時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている蓄熱装置２から湯水を基準流量で熱媒循環路３に継続的に供給して循環させ、それにより熱交換器１３での熱交換に伴う湯水の温度低下が消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、特定の循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲内となるように設定されることが好ましい。

そこで、本実施形態では、上述したように、循環時間帯を時刻１８時から２３時２０分とし、基準蓄熱量を３００ｋＷｈとし、基準流量を３リットル／分とし、本例では基準温度範囲を２２℃〜２５℃とした場合において、図中に黒三角印で示す消費者による予測熱需要に対応して熱交換器１３での熱交換に伴う湯水の温度低下が発生すると想定した場合に、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度がどのような値になるのかを示すシミュレーション結果を得た。そして、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度（シミュレーション結果）が、上記基準温度範囲内にあるか否かを判定して、熱交換器１３の熱交換能力がどの程度であれば良いのかを判定した。

例えば、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる熱媒の温度が高過ぎる状態は、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が多過ぎる状態であることを意味する。つまり、太陽熱集熱器１で集め、蓄熱装置２で蓄えた熱が消費者に充分に活用されなかった（即ち、蓄えた熱が無駄になった）ことを意味する。これに対して、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる熱媒の温度が低過ぎる状態は、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が少な過ぎる状態であることを意味する。つまり、循環時間帯の終期には、各消費者に十分な熱量を供給できなかった（即ち、熱の公平な分配が行われなかった）ことを意味する。

図２は熱交換器１３の熱交換能力が０．７ｋＷ／Ｋに設定されている場合、図３は熱交換器１３の熱交換能力が１．５ｋＷ／Ｋに設定されている場合、図４は熱交換器１３の熱交換能力が０．３ｋＷ／Ｋに設定されている場合のシミュレーション結果を示す。本実施形態で用いている熱交換能力の単位は〔ｋＷ／Ｋ〕であり、単位温度差当たりの移動熱量を表している。従って、図２〜図４に示した例で最も熱交換能力が高いのは、図３の１．５ｋＷ／Ｋの場合であり、最も熱交換能力が低いのは、図４の０．３ｋＷ／Ｋの場合である。

熱交換器１３の熱交換能力が高いほど、消費者は熱交換器１３において大きな熱量を受領できるようになる。つまり、熱交換器１３の熱交換能力が高いほど、蓄熱装置２での蓄熱量の減少速度は相対的に速くなる。これに対して、熱交換器１３の熱交換能力が低いほど、消費者は熱交換器１３において小さな熱量しか受領できなくなる。つまり、熱交換器１３の熱交換能力が低いほど、蓄熱装置２での蓄熱量の減少速度は相対的に遅くなる。

図２に示すシミュレーション結果のグラフは、熱交換器１３の熱交換能力が０．７ｋＷ／Ｋに設定されている場合の結果である。図２に示す例では、循環時間帯の終了時点（２３時２０分）：Ｔ_Eにおいて蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が、上限温度（２５℃）と下限温度（２２℃）とで規定される基準温度範囲内となる。従って、０．７ｋＷ／Ｋという値は、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の所定の下限温度以上且つ上限温度以下となるような熱交換器１３の熱交換能力であると言える。この基準温度範囲の上限温度及び下限温度は適宜設定可能である。但し、基準温度範囲の上限温度及び下限温度は、少なくとも各消費者設備１０において加熱対象とする流体（給水）の温度よりも高い温度でなければならない。例えば、その給水温度よりも１３℃だけ高い温度を上記上限温度と設定し、及び、その給水温度よりも１０℃だけ高い温度を上記下限温度に設定することもできる。

熱交換器１３の熱交換能力を高くして各消費者が相対的に大きな熱量を受領できるようにすることで、蓄熱装置２での蓄熱量の減少速度が相対的に速くなったとしても、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度は基準温度範囲の下限温度以上であることが確保される。従って、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が少な過ぎる状態になることが回避されるので、循環時間帯の終期であっても各消費者に十分な熱量を供給できるようになる。このように、熱交換器１３の熱交換能力の上限は、循環時間帯の間、上記基準蓄熱量を蓄えている蓄熱装置２から湯水を上記基準流量で熱媒循環路３に継続的に供給して循環させ、それにより熱交換器１３での熱交換に伴う湯水の温度低下が消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の下限温度以上となるような能力であることが好ましい。

また、熱交換器１３の熱交換能力を低くして各消費者が相対的に小さな熱量しか受領できないようにすることで、蓄熱装置２での蓄熱量の減少速度が相対的に遅くなったとしても、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度は基準温度範囲の所定の上限温度以下であることが確保される。従って、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が多過ぎる状態になることが回避されるので、蓄えた熱が消費者に活用されずに無駄になるような状態を無くすことができる。このように、熱交換器１３の熱交換能力の下限は、循環時間帯の間、上記基準蓄熱量を蓄えている蓄熱装置２から湯水を上記基準流量で熱媒循環路３に継続的に供給して循環させ、それにより熱交換器１３での熱交換に伴う湯水の温度低下が消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の上限温度以下となるような能力であることが好ましい。

以上のように、本実施形態の場合、図２に例示した０．７ｋＷ／Ｋという熱交換能力を有する熱交換器１３を採用すると、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が多過ぎることも無く且つ少な過ぎることもない状態が得られる。その結果、蓄熱装置２に蓄えた熱が各消費者に活用されずに無駄になることもなく且つ熱が各消費者に対して不公平に配分されることもなくなる。

図３に示すシミュレーション結果は、熱交換器１３の熱交換能力が１．５ｋＷ／Ｋに設定されている場合の結果である。図３に示す例では、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の上限値以下にまで低下する時刻：Ｔ_Uは、約２１時１０分となる。加えて、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の下限値未満にまで低下となる時刻：Ｔ_Lは、約２１時５０分となる。つまり、約２１時５０分以前は、各消費者に対して基準温度範囲の下限値以上の温度の湯水を供給できるが、約２１時５０分より後は、各消費者に対して基準温度範囲の下限値未満の温度の湯水しか供給できない。従って、１８時から２３時２０分までの循環時間帯の中で、約２１時５０分以前に熱を消費した消費者と、約２１時５０分より後に熱を消費しようとした消費者との間で、熱の分配に不公平が生じてしまう。このように、本実施形態のシミュレーション結果では、熱交換器１３の熱交換能力を１．５ｋＷ／Ｋに設定することは好ましくない。

図４に示すシミュレーション結果は、熱交換器１３の熱交換能力が０．３ｋＷ／Ｋに設定されている場合の結果である。図４に示す例では、蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲の上限値以下にまで低下する時刻：Ｔ_Uは、循環時間帯の終了時点：Ｔ_Eになってもまだ訪れていない。つまり、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が多過ぎる状態となっている。このように、本実施形態のシミュレーション結果では、熱交換器１３の熱交換能力を０．３ｋＷ／Ｋに設定することは好ましくない。

以上のように、熱交換器１３での各消費者の受領熱量の制限によって、蓄熱装置２に蓄えられている蓄熱量の単位時間当たりの減少度合いを適切なものとして、特定の時間帯の初期及び終期に関わらず蓄熱装置には蓄熱量が残存している状態（即ち、各消費者に熱を充分に供給可能な状態）を確保できる。特に、熱交換器１３の熱交換能力が、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度が基準温度範囲内となるように設定されているので、循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２に残存している熱が多過ぎることも無く且つ少な過ぎることもない状態が得られる。その結果、蓄熱装置２に蓄えた熱が各消費者に活用されずに無駄になることもなく且つ熱が各消費者に対して不公平に配分されることもなくなる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、太陽熱集熱器１が集めた熱以外の熱を蓄熱装置２で蓄えるように改変してもよい。例えば、図５は、別の熱供給システムＳ２（Ｓ）の構成を説明する図である。図５に示す熱供給システムＳ２は、熱源装置として、熱と電気とを併せて発生する熱電併給装置２０を備え、その熱電併給装置２０が発生した熱が蓄熱装置２に蓄えられるように構成されている。具体的には、図５に記載の熱供給システムＳ２では、熱媒循環路３の途中に三方弁８を設けることで、熱媒循環路３から熱媒路２１を分岐させている。熱媒路２１には熱電併給装置２０が接続されることで、蓄熱装置２から熱電併給装置２０へ湯水が供給可能となっている。また、それとは別に熱電併給装置２０と蓄熱装置２とを接続する熱媒路２２を設けることで、熱電併給装置２０で加熱された湯水が蓄熱装置２へと帰還するようになっている。蓄熱装置２に貯留されている湯水が熱電併給装置２０へと流入し、その後、蓄熱装置２へと帰還する際の湯水の流れは、熱媒路２２に設けられているポンプＰ３によって形成される。熱電併給装置２０としては、燃料電池や、原動機と発電機とを組み合わせた装置などを採用できる。また、熱源装置として、熱電併給装置２０ではなく例えばヒートポンプ装置やガスボイラーなどの他の装置を設けてもよい。或いは、１台の熱源装置ではなく、複数の熱源装置（熱電併給装置２０、ヒートポンプ装置、ガスボイラーなどの組み合わせ）を併設してもよい。
以上のように、熱供給システムＳ２が、太陽熱集熱器１が集めた熱以外の熱を蓄熱装置２で蓄えることで、上記循環時間帯の開始前における蓄熱装置２での蓄熱量を大きく確保できる。その結果、より規模の大きい集合住宅にも対応可能な熱供給システムとなる。

実際に消費者へ熱を供給するとき、蓄熱装置２に予め蓄えている太陽熱集熱器１で集めた熱では、各消費者の予測熱需要の合計に満たない場合、その不足する分の熱を上記熱電併給装置２０のような他の装置から集めるように構成してもよい。即ち、例えば、時刻１６時までに太陽熱集熱器１から蓄熱装置２に集められた熱量を、温度センサＴ１で測定される温度と蓄熱装置２に貯えられている湯水量とから導出し、その熱量が各消費者の予測熱需要の合計から見て不足する場合には熱電併給装置２０を運転させて蓄熱装置２に熱を追加で蓄えるような運転形態も可能である。この場合、例えば、時刻１８時の循環開始タイミングの時点において、蓄熱装置２での蓄熱量を各消費者の予測熱需要の合計から見て不足しないようにできる。この場合、運転制御装置４が、熱電併給装置２０の運転状態を参照して熱電併給装置２０から蓄熱装置２に集めた熱量を導出することで、蓄熱装置２に蓄えられている熱を、太陽熱集熱器１で集めた熱と熱電併給装置２０を運転させて集めた熱とで見かけ上区別することもできる。そして、見かけ上、太陽熱集熱器１で集めた熱が、熱電併給装置２０を運転させて集めた熱よりも優先して各消費者設備１０で消費されると設定することもできる。

尚、図５に示した例において、熱電併給装置２０に流入する湯水を、熱媒循環路３の途中の三方弁８から分岐させる構成ではなく、熱媒循環路３とは別に、蓄熱装置２と熱電併給装置２０との間で湯水を循環させる循環路を独立して設ける構成に改変してもよい。また、蓄熱装置２の内部に追加の熱交換器を設け、且つ、熱電併給装置２０と蓄熱装置２の内部の上記追加の熱交換器との間で熱媒を循環させることで、その熱媒と蓄熱装置２に貯えられている湯水との熱交換（即ち、蓄熱装置２に貯えられている湯水の加熱）を行わせるような改変も可能である。

＜２＞
上記実施形態において、様々な種類の太陽熱集熱器１や蓄熱装置２を用いることができる。例えば、図１では、太陽熱集熱器１として強制循環型の平板型集熱器を想定した図を描いているが、現在用いられている様々な種類の太陽熱集熱器１を本発明の熱供給システムＳで利用できる。また、図１では、蓄熱装置２として開放式の貯水タンクを想定した図を描いているが、密閉式の貯水タンクを用いてもよい。そして、蓄熱装置２の内部で温度成層が形成されるように湯水を貯めてもよい。その場合、蓄熱装置２に貯えられている高温部分の湯水が熱媒循環路３へ供給され、且つ、温度センサＴ１は、その蓄熱装置２から熱媒循環路３に供給される湯水の温度を測定できる位置に設けておくことが好ましい。

＜３＞
上記実施形態において、特定の循環時間帯の終了時点において蓄熱装置２から熱媒循環路３へ供給して循環させることができる湯水の温度のシミュレーション結果を得るために、幾つかの基準となる数値を例示したが、それらの数値は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、基準蓄熱量を３００ｋＷｈとし、基準流量を３リットル／分とし、基準温度範囲を２２℃〜２５℃とした場合でのシミュレーション結果を示したが、この熱供給システムＳが設けられる集合住宅の規模や季節や各消費者の予測熱需要などの様々な要因に基づいて各数値は適宜変更してもよい。

＜４＞
上記実施形態において、各消費者設備１０の熱交換器１３に供給される湯水の温度を調節するために、蓄熱装置２に貯えられている比較的高温の湯水が流れる往路３ａに接続路３ｃを介して低温の熱媒を流入させる例を説明したが、図示した接続路３ｃ以外の部位からその低温の熱媒を得てもよい。また、別途、上水（即ち、低温の熱媒）を導入する配管を熱媒循環路３の往路３ａに接続することで、各消費者設備１０の熱交換器１３に供給される湯水の温度を調節してもよい。

本発明は、複数の消費者に対して熱を供給する熱供給システムに利用できる。

１太陽熱集熱器
２蓄熱装置
３熱媒循環路
４運転制御装置
１０消費者設備
１１熱消費装置
１３熱交換器
Ｐ１ポンプ（循環状態調節装置Ｃ）
Ｓ熱供給システム
Ｖ１定流量弁（循環状態調節装置Ｃ）
Ｖ２流量調節弁（循環状態調節装置Ｃ）

Claims

複数の消費者に熱を供給する熱供給システムであって、
太陽熱を集める太陽熱集熱器と、
熱媒を貯え、前記太陽熱集熱器が集めた熱を前記熱媒を用いて蓄える蓄熱装置と、
前記蓄熱装置が貯えている前記熱媒を、それぞれが熱消費装置を有する複数の消費者の消費者設備に循環可能にさせる熱媒循環路と、
前記消費者設備の夫々に設けられ、前記熱媒循環路を循環する前記熱媒と、当該消費者設備において加熱対象とする流体との間の熱交換を行う熱交換器と、
前記熱媒循環路における前記熱媒の循環状態を調節する循環状態調節装置と、
前記循環状態調節装置の動作を制御して、１日の中の特定の時間帯にのみ前記熱媒循環路に前記熱媒を循環させる運転制御装置とを備え、
前記熱交換器が、前記熱媒循環路を循環する前記熱媒から前記消費者設備において加熱対象とする流体が受領することができる熱量の最大を制限する受領熱量制限手段として構成され、
前記熱交換器を前記受領熱量制限手段として構成するに、
前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が基準温度範囲内となるように、前記熱交換器の熱交換能力が設定されている熱供給システム。
前記熱交換器の熱交換能力の上限が、
前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が所定の下限温度以上となる熱交換能力である請求項１に記載の熱供給システム。
前記熱交換器の熱交換能力の下限が、
前記特定の時間帯の間、基準蓄熱量を蓄えている前記蓄熱装置から前記熱媒を基準流量で前記熱媒循環路に継続的に供給して循環させ、それにより前記熱交換器での前記熱交換に伴う前記熱媒の温度低下が前記消費者による予測熱需要に対応して発生すると想定した場合に、前記特定の時間帯の終了時点において前記蓄熱装置から前記熱媒循環路へ供給して循環させることができる前記熱媒の温度が所定の上限温度以下となる熱交換能力である請求項１又は２に記載の熱供給システム。