JP5782069B2 - 貯湯水温度分布計算方法及び貯湯式熱源装置 - Google Patents
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本発明は、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法及びその貯湯水温度分布計算方法を実行する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置に関する。
従来の貯湯式熱源装置は、通常、貯湯タンクとその貯湯タンクの内部に形成された貯湯領域に貯留される湯水を加熱する熱源機を備えており、この貯湯タンクには、湯水が貯湯領域に対して流入出する流入出部として、天井部（上部）に配置された上流入出部と、底部（下部）に配置された下流入出部が設けられている。
かかる貯湯タンクの下流入出部では、上水を供給する給水路に接続されていることから、内部の貯湯領域に対して、低温の上水が流入出することになる。一方、貯湯タンクの上流入出部では、熱源機及び給湯部に接続されていることから、内部の貯湯領域に対して、熱源機で加熱された温水が流入すると共に、給湯部に供給される温水が流出することになる。従って、貯湯タンクの貯湯領域では、上流入出部において高温の湯水が流入出し、下流入出部において低温の湯水が流入出することで、温度成層を形成する形態で貯湯水が貯留されることになる。
そして、このような貯湯式熱源装置が備える貯湯タンクなどの貯湯領域について、熱源機の運転計画等を行うために、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法が知られている（例えば特許文献１及び非特許文献１を参照）。
この種の貯湯水温度分布計算方法では、貯湯領域に貯留されている貯湯水が鉛直方向に積層される複数の層に区画されると共に、夫々の流入出部における湯水の流入出状態や熱移動状態に基づいて、各層の移動量や温度変化が計算される。
かかる貯湯タンクの下流入出部では、上水を供給する給水路に接続されていることから、内部の貯湯領域に対して、低温の上水が流入出することになる。一方、貯湯タンクの上流入出部では、熱源機及び給湯部に接続されていることから、内部の貯湯領域に対して、熱源機で加熱された温水が流入すると共に、給湯部に供給される温水が流出することになる。従って、貯湯タンクの貯湯領域では、上流入出部において高温の湯水が流入出し、下流入出部において低温の湯水が流入出することで、温度成層を形成する形態で貯湯水が貯留されることになる。
そして、このような貯湯式熱源装置が備える貯湯タンクなどの貯湯領域について、熱源機の運転計画等を行うために、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法が知られている（例えば特許文献１及び非特許文献１を参照）。
この種の貯湯水温度分布計算方法では、貯湯領域に貯留されている貯湯水が鉛直方向に積層される複数の層に区画されると共に、夫々の流入出部における湯水の流入出状態や熱移動状態に基づいて、各層の移動量や温度変化が計算される。
横山良平、清水猛、竹村和久、伊東弘一、「ＣＯ2ヒートポンプ給湯システムの数値シミュレーションによる性能分析」、日本機械学会論文集２００５年１２月号（第７１巻第７１２号）Ｂ編、２９７９−２９８６
上述したような従来の貯湯水温度分布計算方法では、計算精度の向上と計算時間の短縮とが望まれるが、これらは互いにトレードオフの関係にあるため、これら両方を実現することは非常に困難であった。即ち、計算精度の向上を実現するべく、当該貯湯水を１００以上の多くの層に分割すると、計算時間が非常に長くなるという問題が生じる。
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法及びその貯湯水温度分布計算方法を実行する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置において、計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現することができる技術を提供する点にある。
この目的を達成するための本発明に係る貯湯水温度分布計算方法は、
湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域について、当該貯湯領域に貯留されている貯湯水を、各層の温度が均一とみなされる湯水で構成される状態で、鉛直方向に積層される複数の層に区画すると共に、
各層の熱移動に応じて、各層の温度変化を計算する熱移動計算処理を実行して、
前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法であって、
夫々の流入出部における湯水の流入出に応じて、各層の体積変化を計算する流入出計算処理において、湯水が流出する側の流入出部に位置する層の体積を当該流出する湯水の量に相当する分減算すると共に、湯水が流入する側の流入出部の位置に当該流入する湯水の量に相当する体積及び温度の層を追加して、各層の体積変化を計算し、
各層の体積が所定の上限体積以下となり、且つ、互いに隣接する一対の層である隣接層対の温度差が所定の下限温度差以上となるように、貯湯領域における層数を調整する層数調整処理を実行する点にある。
尚、本願において、「層数」とは貯湯領域において貯湯水を分割してなる複数の層の数を示し、「隣接層対」とはその複数の層において鉛直方向に互いに隣接する一対の層を示す。
湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域について、当該貯湯領域に貯留されている貯湯水を、各層の温度が均一とみなされる湯水で構成される状態で、鉛直方向に積層される複数の層に区画すると共に、
各層の熱移動に応じて、各層の温度変化を計算する熱移動計算処理を実行して、
前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法であって、
夫々の流入出部における湯水の流入出に応じて、各層の体積変化を計算する流入出計算処理において、湯水が流出する側の流入出部に位置する層の体積を当該流出する湯水の量に相当する分減算すると共に、湯水が流入する側の流入出部の位置に当該流入する湯水の量に相当する体積及び温度の層を追加して、各層の体積変化を計算し、
各層の体積が所定の上限体積以下となり、且つ、互いに隣接する一対の層である隣接層対の温度差が所定の下限温度差以上となるように、貯湯領域における層数を調整する層数調整処理を実行する点にある。
尚、本願において、「層数」とは貯湯領域において貯湯水を分割してなる複数の層の数を示し、「隣接層対」とはその複数の層において鉛直方向に互いに隣接する一対の層を示す。
本特徴構成によれば、上記層数調整処理が実行されることで、貯湯領域における層数が、計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現できる適切なものに適宜調整されることになる。
即ち、上記層数調整処理により層数を適宜増加させて、各層の体積を上限体積以下に維持するので、温度が均一とみなされる過大な層の存在による計算精度の悪化が回避されることになる。それに加えて、上記層数調整処理により層数を適宜減少させて、隣接層対の温度差を下限温度以上に維持するので、過小な温度差の隣接層対の存在による過剰な計算精度の向上が抑制されつつ、計算時間の短縮が図られることになる。
従って、本発明により、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法において、計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現することができる技術を提供することができる。
加えて、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算するにあたり、上記流入出計算処理において、夫々の流入出部における湯水の流入出に応じた各層の体積変化を簡単且つ合理的に計算することができる。
即ち、湯水が流出する側の流入出部については、その流入出部に位置する層を順次縮小並びに削除する形態で、その流入出部に位置する層の体積を流出する湯水の量に相当する分減算して、湯水の流出を各層の体積変化の計算に反映させることができる。
一方、湯水が流入する側の流入出部については、その流入出部の位置に新たな層を順次追加して、湯水の流入を各層の体積変化の計算に反映させることができる。
よって、このように湯水の流入出が発生する場合においても、簡易な計算により、計算時間を短縮することができる。
即ち、上記層数調整処理により層数を適宜増加させて、各層の体積を上限体積以下に維持するので、温度が均一とみなされる過大な層の存在による計算精度の悪化が回避されることになる。それに加えて、上記層数調整処理により層数を適宜減少させて、隣接層対の温度差を下限温度以上に維持するので、過小な温度差の隣接層対の存在による過剰な計算精度の向上が抑制されつつ、計算時間の短縮が図られることになる。
従って、本発明により、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法において、計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現することができる技術を提供することができる。
加えて、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算するにあたり、上記流入出計算処理において、夫々の流入出部における湯水の流入出に応じた各層の体積変化を簡単且つ合理的に計算することができる。
即ち、湯水が流出する側の流入出部については、その流入出部に位置する層を順次縮小並びに削除する形態で、その流入出部に位置する層の体積を流出する湯水の量に相当する分減算して、湯水の流出を各層の体積変化の計算に反映させることができる。
一方、湯水が流入する側の流入出部については、その流入出部の位置に新たな層を順次追加して、湯水の流入を各層の体積変化の計算に反映させることができる。
よって、このように湯水の流入出が発生する場合においても、簡易な計算により、計算時間を短縮することができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法の更なる特徴構成は、
前記層数調整処理が、体積が上限体積を超えた層を複数の層に分割する分割処理を含む点にある。
前記層数調整処理が、体積が上限体積を超えた層を複数の層に分割する分割処理を含む点にある。
本特徴構成によれば、上記層数調整処理において層数を適宜増加させて計算精度を適切なものに維持するべく、体積が所定の上限体積を超えて過大となった層については、複数の層に分割する分割処理を実行することができる。即ち、各層の過剰な分割による計算時間の長期化を抑制しながら、この分割処理を実行することで、計算結果において上限体積以下の適度な大きさに維持された各層についての温度分布を認識可能として、計算精度を適度に向上することができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法の更なる特徴構成は、
前記層数調整処理が、温度差が下限温度差を下回った隣接層対を一の層に混合する低温度差混合処理を含み、
前記低温度差混合処理において、隣接層対の合計の体積が上限体積を超える場合には、当該隣接層対の混合を禁止する点にある。
前記層数調整処理が、温度差が下限温度差を下回った隣接層対を一の層に混合する低温度差混合処理を含み、
前記低温度差混合処理において、隣接層対の合計の体積が上限体積を超える場合には、当該隣接層対の混合を禁止する点にある。
本特徴構成によれば、上記層数調整処理において層数を適宜減少させて計算時間を適切なものに維持するべく、温度差が下限温度差を下回って過小となった隣接層対については、個別に温度を計算する必要がないものとして、一の層に混合する低温度差混合処理を実行することができる。即ち、各層の過剰な混合による計算精度の悪化を抑制しながら、この低温度差混合処理を実行することで、計算結果において隣接層対の温度差が下限温度差以上の適度な大きさに維持される範囲内で層数をできるだけ少なくして、計算時間を適度に短縮することができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法の更なる特徴構成は、
前記層数調整処理が、上側の層の温度が下側の層の温度よりも低くなった隣接層対を一の層に混合する温度逆転混合処理を含む点にある。
前記層数調整処理が、上側の層の温度が下側の層の温度よりも低くなった隣接層対を一の層に混合する温度逆転混合処理を含む点にある。
本特徴構成によれば、上記層数調整処理において層数を適宜減少させて計算時間を適切なものに維持するべく、上側の層の温度が下側の層の温度よりも低くなることで密度（比重）が上下で逆転する隣接層対については、その上下の層において湯水の対流が発生するものとして、一の層に混合する温度逆転混合処理を実行することができる。即ち、各層の過剰な混合による計算精度の悪化を抑制しながら、この温度逆転混合処理を実行することで、計算結果において上下に隣接する層に対して密度が逆転することによる対流を考慮することで層数をできるだけ少なくして、計算時間を適度に短縮することができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法の更なる特徴構成は、
前記上流入出部において高温の湯水が流入出し、前記下流入出部において低温の湯水が流入出することで、前記貯湯領域が温度成層を形成して湯水を貯留するものとされている点にある。
前記上流入出部において高温の湯水が流入出し、前記下流入出部において低温の湯水が流入出することで、前記貯湯領域が温度成層を形成して湯水を貯留するものとされている点にある。
本特徴構成によれば、貯湯領域に形成される温度成層の状態を、貯湯水の温度分布として計算する場合であっても、上述したような層数調整処理を実行して貯湯領域における層数を調整することで、計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現することができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法の更なる特徴構成は、
前記熱移動計算処理において、隣接層対の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層から低温側の層へ移動させて、各層の温度変化を計算し、
前記熱移動計算処理において、隣接層対における少なくとも一方側の層の体積が微小体積を下回る場合には熱量の移動を禁止する点にある。
前記熱移動計算処理において、隣接層対の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層から低温側の層へ移動させて、各層の温度変化を計算し、
前記熱移動計算処理において、隣接層対における少なくとも一方側の層の体積が微小体積を下回る場合には熱量の移動を禁止する点にある。
本特徴構成によれば、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算するにあたり、上記熱移動計算処理において、各層の温度変化を簡単且つ合理的に計算することができる。
即ち、隣接層対の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層から低温側の層へ仮想的に移動させる形態で、隣接層対における熱移動を予め実験等により求めた微小体積分の湯水の熱移動として模擬して、各層の温度変化を効率よく計算することができる。
また、隣接層における少なくとも一方側の層の体積が微小体積を下回る場合には、当該熱移動がないものとして温度変化の計算を省略することで、現実的な熱移動を超える過剰な熱移動による大幅な温度変化を防止しながら、計算時間の更なる短縮を図ることができる。
即ち、隣接層対の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層から低温側の層へ仮想的に移動させる形態で、隣接層対における熱移動を予め実験等により求めた微小体積分の湯水の熱移動として模擬して、各層の温度変化を効率よく計算することができる。
また、隣接層における少なくとも一方側の層の体積が微小体積を下回る場合には、当該熱移動がないものとして温度変化の計算を省略することで、現実的な熱移動を超える過剰な熱移動による大幅な温度変化を防止しながら、計算時間の更なる短縮を図ることができる。
この目的を達成するための本発明に係る貯湯式熱源装置は、
湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域を内部に形成する貯湯タンクを備え、
前記貯湯領域に貯留される湯水を加熱する熱源機を備え、
前記熱源機の運転計画を行うにあたり、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置であって、
その特徴構成は、
前記運転計画手段が、これまで説明してきた本発明に係る貯湯水温度分布計算方法を実行することにより、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する点にある。
湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域を内部に形成する貯湯タンクを備え、
前記貯湯領域に貯留される湯水を加熱する熱源機を備え、
前記熱源機の運転計画を行うにあたり、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置であって、
その特徴構成は、
前記運転計画手段が、これまで説明してきた本発明に係る貯湯水温度分布計算方法を実行することにより、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する点にある。
本特徴構成によれば、運転計画手段において、これまで説明したように計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現し得る貯湯水温度分布計算方法を実行して、貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算するので、正確且つ迅速な熱源機の運転計画を行うことができる。
本発明に係る貯湯水温度分布計算方法及び貯湯式熱源装置をコージェネレーションシステム１００に適用した例を、図面に基づいて説明する。
図１に示すコージェネレーションシステム１００は、湯水を貯湯する貯湯領域１４ｃを内部に形成する貯湯タンク１４と、湯水を加熱する熱電併給装置１１（熱源機の一例）と、床暖房装置などの放熱用端末３０を通流した熱媒との熱交換により湯水を放熱させる放熱熱交換器１８とを備えると共に、湯水又は熱媒を循環させる循環回路として、加熱循環回路Ｃ１と、放熱循環回路Ｃ２と、熱媒循環回路Ｃ３とを備えると共に、給湯のための流路構成を備えた貯湯式熱源装置として構成されている。
また、貯湯タンク１４の内部に形成される貯湯領域１４ｃには、湯水が流入出する流入出部として貯湯タンク１４の天井部に配置された上流入出部１４ａと、当該上流入出部１４ａよりも下方の貯湯タンク１４の底部に配置された下流入出部１４ｂとが設けられている。
更に、かかるコージェネレーションシステム１００には、マイクロコンピュータ等からなる制御装置２０が設けられており、この制御装置２０は、加熱循環回路Ｃ１に湯水を循環させて熱電併給装置１１による湯水の加熱を行う加熱運転、並びに、放熱循環回路Ｃ２に湯水を循環させて放熱熱交換器１８による湯水の放熱を行う放熱運転を実行可能に構成されている。
以下、これら循環回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の詳細構成、並びに、給湯のための流路構成について、図１に基づいて、順に説明する。
図１に示すコージェネレーションシステム１００は、湯水を貯湯する貯湯領域１４ｃを内部に形成する貯湯タンク１４と、湯水を加熱する熱電併給装置１１（熱源機の一例）と、床暖房装置などの放熱用端末３０を通流した熱媒との熱交換により湯水を放熱させる放熱熱交換器１８とを備えると共に、湯水又は熱媒を循環させる循環回路として、加熱循環回路Ｃ１と、放熱循環回路Ｃ２と、熱媒循環回路Ｃ３とを備えると共に、給湯のための流路構成を備えた貯湯式熱源装置として構成されている。
また、貯湯タンク１４の内部に形成される貯湯領域１４ｃには、湯水が流入出する流入出部として貯湯タンク１４の天井部に配置された上流入出部１４ａと、当該上流入出部１４ａよりも下方の貯湯タンク１４の底部に配置された下流入出部１４ｂとが設けられている。
更に、かかるコージェネレーションシステム１００には、マイクロコンピュータ等からなる制御装置２０が設けられており、この制御装置２０は、加熱循環回路Ｃ１に湯水を循環させて熱電併給装置１１による湯水の加熱を行う加熱運転、並びに、放熱循環回路Ｃ２に湯水を循環させて放熱熱交換器１８による湯水の放熱を行う放熱運転を実行可能に構成されている。
以下、これら循環回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の詳細構成、並びに、給湯のための流路構成について、図１に基づいて、順に説明する。
〔加熱循環回路〕
加熱循環回路Ｃ１は、貯湯領域１４ｃに貯湯される湯水を加熱するために貯湯タンク１４と熱電併給装置１１との間で湯水を循環させるための循環回路として構成されている。 詳しくは、加熱循環回路Ｃ１は、貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂと熱電併給装置１１の湯水流入側とを接続する加熱往き路Ｒ１と、熱電併給装置１１の湯水流出側と貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａとを接続する加熱戻り路Ｒ２と、加熱往き路Ｒ１において貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂから熱電併給装置１１の湯水流入側に向けて湯水を送る加熱循環ポンプ１２とから構成されている。
このように構成された加熱循環回路Ｃ１は、加熱循環ポンプ１２を作動させることによって、貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂの湯水を、加熱往き路Ｒ１を介して熱電併給装置１１に供給すると共に、熱電併給装置１１を通流した湯水を、加熱戻り路Ｒ２を介して貯湯領域１４ｃの上部に戻す形態で、湯水を循環させるものとなる。
加熱循環回路Ｃ１は、貯湯領域１４ｃに貯湯される湯水を加熱するために貯湯タンク１４と熱電併給装置１１との間で湯水を循環させるための循環回路として構成されている。 詳しくは、加熱循環回路Ｃ１は、貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂと熱電併給装置１１の湯水流入側とを接続する加熱往き路Ｒ１と、熱電併給装置１１の湯水流出側と貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａとを接続する加熱戻り路Ｒ２と、加熱往き路Ｒ１において貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂから熱電併給装置１１の湯水流入側に向けて湯水を送る加熱循環ポンプ１２とから構成されている。
このように構成された加熱循環回路Ｃ１は、加熱循環ポンプ１２を作動させることによって、貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂの湯水を、加熱往き路Ｒ１を介して熱電併給装置１１に供給すると共に、熱電併給装置１１を通流した湯水を、加熱戻り路Ｒ２を介して貯湯領域１４ｃの上部に戻す形態で、湯水を循環させるものとなる。
尚、下流入出部１４ｂは、貯湯タンク１４の底部に接続されて貯湯領域１４ｃに対して湯水が流入出する流入出部であり、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａは、貯湯タンク１４の天井部に接続されて貯湯領域１４ｃに対して湯水が流入出する流入出部である。
また、加熱往き路Ｒ１の上流側端部は、下流入出部１４ｂに接続されており、加熱戻り路Ｒ２の下流側端部は、上流入出部１４ａに接続されている。
また、加熱往き路Ｒ１の上流側端部は、下流入出部１４ｂに接続されており、加熱戻り路Ｒ２の下流側端部は、上流入出部１４ａに接続されている。
そして、加熱運転では、かかる加熱循環回路Ｃ１において湯水を循環させながら、熱電併給装置１１で湯水を加熱することによって、貯湯領域１４ｃの上層へは、上流入出部１４ａを介して、熱電併給装置１１で加熱された湯水が加熱戻り路Ｒ２から流入し、同時に、貯湯領域１４ｃの下層からは、下流入出部１４ｂを介して、低温の湯水が加熱往き路Ｒ１へ流出することになる。このことにより、貯湯領域１４ｃの湯水の状態は、上層から下層に亘って、上層に高温の湯水が存在し下層に低温の湯水が存在する形態の所謂温度成層が形成された成層貯湯状態となる。尚、この貯湯タンク１４には、貯湯領域１４ｃの下層の湯水温度を検出する下層温度センサＳ４、及び、貯湯領域１４ｃの上層の湯水温度を検出する上層温度センサＳ５が設けられている。尚、この下層温度センサＳ４で検出される温度を貯湯槽下層温度と呼び、この上層温度センサＳ５で検出される温度を貯湯槽上層温度と呼ぶ場合がある。
また、加熱戻り路Ｒ２には、当該加熱戻り路Ｒ２の湯水温度を検出する加熱戻り温度センサＳ１が設けられている。尚、この加熱戻り温度センサＳ１で検出される温度を加熱戻り温度と呼ぶ場合がある。
また、加熱戻り路Ｒ２には、当該加熱戻り路Ｒ２の湯水温度を検出する加熱戻り温度センサＳ１が設けられている。尚、この加熱戻り温度センサＳ１で検出される温度を加熱戻り温度と呼ぶ場合がある。
〔放熱循環回路〕
放熱循環回路Ｃ２は、貯湯領域１４ｃに貯湯された湯水を放熱熱交換器１８で放熱させるために貯湯タンク１４と放熱熱交換器１８との間で湯水を循環させるための循環回路として構成されている。
詳しくは、放熱循環回路Ｃ２は、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａと放熱熱交換器１８の湯水流入側とを接続する放熱往き路Ｒ３と、放熱熱交換器１８の湯水流出側と貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂとを接続する放熱戻り路Ｒ４と、放熱往き路Ｒ３において貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａから放熱熱交換器１８の湯水流入側に向けて湯水を送る放熱循環ポンプ１６とから構成されている。
このように構成された放熱循環回路Ｃ２は、放熱循環ポンプ１６を作動させることによって、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａの湯水を、放熱往き路Ｒ３を介して放熱熱交換器１８に供給すると共に、放熱熱交換器１８を通流した湯水を、放熱戻り路Ｒ４を介して貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂに戻す形態で、湯水を循環させるものとなる。
放熱循環回路Ｃ２は、貯湯領域１４ｃに貯湯された湯水を放熱熱交換器１８で放熱させるために貯湯タンク１４と放熱熱交換器１８との間で湯水を循環させるための循環回路として構成されている。
詳しくは、放熱循環回路Ｃ２は、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａと放熱熱交換器１８の湯水流入側とを接続する放熱往き路Ｒ３と、放熱熱交換器１８の湯水流出側と貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂとを接続する放熱戻り路Ｒ４と、放熱往き路Ｒ３において貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａから放熱熱交換器１８の湯水流入側に向けて湯水を送る放熱循環ポンプ１６とから構成されている。
このように構成された放熱循環回路Ｃ２は、放熱循環ポンプ１６を作動させることによって、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａの湯水を、放熱往き路Ｒ３を介して放熱熱交換器１８に供給すると共に、放熱熱交換器１８を通流した湯水を、放熱戻り路Ｒ４を介して貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂに戻す形態で、湯水を循環させるものとなる。
更に、放熱往き路Ｒ３の上流側端部は、加熱戻り路Ｒ２に接続されており、放熱戻り路Ｒ４の下流側端部は、加熱往き路Ｒ１に接続されている。
そして、放熱運転では、かかる放熱循環回路Ｃ２において湯水を循環させることで、放熱熱交換器１８の湯水流入側には、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａにある比較的高温の湯水が放熱往き路Ｒ３から流入することになり、放熱熱交換器１８の湯水流出側からは、当該放熱熱交換器１８において熱媒との熱交換により温度低下した湯水が放熱戻り路Ｒ４へ流出することになる。
そして、放熱運転では、かかる放熱循環回路Ｃ２において湯水を循環させることで、放熱熱交換器１８の湯水流入側には、貯湯領域１４ｃの上流入出部１４ａにある比較的高温の湯水が放熱往き路Ｒ３から流入することになり、放熱熱交換器１８の湯水流出側からは、当該放熱熱交換器１８において熱媒との熱交換により温度低下した湯水が放熱戻り路Ｒ４へ流出することになる。
放熱循環回路Ｃ２には、当該放熱循環回路Ｃ２において貯湯タンク１４をバイパスするバイパス路Ｒ５が放熱戻り路Ｒ４と放熱往き路Ｒ３とを直接接続する状態で設けられており、このバイパス路Ｒ５と放熱往き路Ｒ３との接続部には、放熱循環回路Ｃ２における湯水の通流状態を切り換える切換手段として機能する三方弁１５が設けられている。
即ち、この三方弁１５は、バイパス路Ｒ５が接続されるバイパス側接続ポート、放熱往き路Ｒ３の上流側（即ち貯湯タンク１４側）が接続される貯湯槽側接続ポート、放熱往き路Ｒ３の下流側（即ち放熱熱交換器１８側）が接続される放熱部側接続ポートを有し、これら各接続ポートの連通状態を切り換えることで、放熱循環回路Ｃ２における湯水の通流状態を切り換え可能となる。
即ち、この三方弁１５は、バイパス路Ｒ５が接続されるバイパス側接続ポート、放熱往き路Ｒ３の上流側（即ち貯湯タンク１４側）が接続される貯湯槽側接続ポート、放熱往き路Ｒ３の下流側（即ち放熱熱交換器１８側）が接続される放熱部側接続ポートを有し、これら各接続ポートの連通状態を切り換えることで、放熱循環回路Ｃ２における湯水の通流状態を切り換え可能となる。
放熱往き路Ｒ３の三方弁１５の下流側には、当該放熱往き路Ｒ３の湯水を加熱する補助加熱装置１７が設けられている。
かかる補助加熱装置１７は、バーナ１７ａによりガス燃料を燃焼させて湯水を加熱する一般的な給湯装置として構成されている。また、この補助加熱装置１７は、バーナ１７ａへのガス燃料の供給量を調整弁１７ｂにより調整することにより、湯水に対する加熱量を調整可能に構成されている。
また、放熱往き路Ｒ３における三方弁１５と補助加熱装置１７との間には、補助加熱装置１７による加熱前の放熱往き路Ｒ３の湯水温度を検出する放熱往き温度センサＳ２と、放熱往き路Ｒ３の湯水流量を検出する放熱往き流量センサＦ１とが設けられており、放熱往き路Ｒ３における補助加熱装置１７の下流側には、補助加熱装置１７にて加熱された湯水の温度を検出する補助加熱温度センサＳ３が設けられている。尚、この放熱往き温度センサＳ２で検出される温度を放熱往き温度と呼び、補助加熱温度センサＳ３で検出される温度を補助加熱温度と呼ぶ場合がある。
かかる補助加熱装置１７は、バーナ１７ａによりガス燃料を燃焼させて湯水を加熱する一般的な給湯装置として構成されている。また、この補助加熱装置１７は、バーナ１７ａへのガス燃料の供給量を調整弁１７ｂにより調整することにより、湯水に対する加熱量を調整可能に構成されている。
また、放熱往き路Ｒ３における三方弁１５と補助加熱装置１７との間には、補助加熱装置１７による加熱前の放熱往き路Ｒ３の湯水温度を検出する放熱往き温度センサＳ２と、放熱往き路Ｒ３の湯水流量を検出する放熱往き流量センサＦ１とが設けられており、放熱往き路Ｒ３における補助加熱装置１７の下流側には、補助加熱装置１７にて加熱された湯水の温度を検出する補助加熱温度センサＳ３が設けられている。尚、この放熱往き温度センサＳ２で検出される温度を放熱往き温度と呼び、補助加熱温度センサＳ３で検出される温度を補助加熱温度と呼ぶ場合がある。
放熱戻り路Ｒ４におけるバイパス路Ｒ５との接続部の上流側には、上流側から順に、湯水の通流を断続可能な開閉弁１９と、放熱戻り路Ｒ４の湯水温度を検出する放熱戻り温度センサＳ６とが設けられている。尚、放熱戻り温度センサＳ６で検出される温度を放熱戻り温度と呼ぶ場合がある。
外部から上水を供給する給水路Ｒ８が貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂに接続されており、放熱戻り路Ｒ４と給水路Ｒ８との接続部には、給水路Ｒ８側と貯湯領域１４ｃ側と放熱戻り路Ｒ４側の接続ポートを開閉可能な三方弁１３が設けられている。
外部から上水を供給する給水路Ｒ８が貯湯領域１４ｃの下流入出部１４ｂに接続されており、放熱戻り路Ｒ４と給水路Ｒ８との接続部には、給水路Ｒ８側と貯湯領域１４ｃ側と放熱戻り路Ｒ４側の接続ポートを開閉可能な三方弁１３が設けられている。
〔熱媒循環回路〕
熱媒循環回路Ｃ３は、放熱熱交換器１８で加熱された熱媒を放熱用端末３０で放熱させるために放熱熱交換器１８と放熱用端末３０との間で熱媒を循環させるための循環回路として構成されている。
詳しくは、熱媒循環回路Ｃ３は、放熱熱交換器１８の熱媒流出側と放熱用端末３０の熱媒流入側とを接続する熱媒往き路Ｒ１０と、放熱用端末３０の熱媒流出側と放熱熱交換器１８の熱媒流入側とを接続する熱媒戻り路Ｒ１１と、熱媒戻り路Ｒ１１において放熱用端末３０の熱媒流出側から放熱熱交換器１８の熱媒流入側に向けて熱媒を送る熱媒循環ポンプ３２とから構成されている。
このように構成された熱媒循環回路Ｃ３は、放熱運転において、熱媒循環ポンプ３２を作動させることによって、放熱熱交換器１８を通流した熱媒を、熱媒往き路Ｒ１０を介して放熱用端末３０に供給すると共に、放熱用端末３０を通流した熱媒を、熱媒戻り路Ｒ１１を介して放熱熱交換器１８に戻す形態で、熱媒を循環させるものとなる。
また、熱媒往き路Ｒ１０には、当該熱媒往き路Ｒ１０の熱媒温度を検出する熱媒往き温度センサＳ７が設けられており、熱媒戻り路Ｒ１１には、熱媒を貯留自在な大気開放型の熱媒タンク３１が設けられている。尚、熱媒往き温度センサＳ７で検出される温度を熱媒往き温度と呼ぶ場合がある。
熱媒循環回路Ｃ３は、放熱熱交換器１８で加熱された熱媒を放熱用端末３０で放熱させるために放熱熱交換器１８と放熱用端末３０との間で熱媒を循環させるための循環回路として構成されている。
詳しくは、熱媒循環回路Ｃ３は、放熱熱交換器１８の熱媒流出側と放熱用端末３０の熱媒流入側とを接続する熱媒往き路Ｒ１０と、放熱用端末３０の熱媒流出側と放熱熱交換器１８の熱媒流入側とを接続する熱媒戻り路Ｒ１１と、熱媒戻り路Ｒ１１において放熱用端末３０の熱媒流出側から放熱熱交換器１８の熱媒流入側に向けて熱媒を送る熱媒循環ポンプ３２とから構成されている。
このように構成された熱媒循環回路Ｃ３は、放熱運転において、熱媒循環ポンプ３２を作動させることによって、放熱熱交換器１８を通流した熱媒を、熱媒往き路Ｒ１０を介して放熱用端末３０に供給すると共に、放熱用端末３０を通流した熱媒を、熱媒戻り路Ｒ１１を介して放熱熱交換器１８に戻す形態で、熱媒を循環させるものとなる。
また、熱媒往き路Ｒ１０には、当該熱媒往き路Ｒ１０の熱媒温度を検出する熱媒往き温度センサＳ７が設けられており、熱媒戻り路Ｒ１１には、熱媒を貯留自在な大気開放型の熱媒タンク３１が設けられている。尚、熱媒往き温度センサＳ７で検出される温度を熱媒往き温度と呼ぶ場合がある。
〔給湯のための流路構成〕
放熱往き路Ｒ３における補助加熱装置１７並びに補助加熱温度センサＳ３の下流側には、流量調整弁４１を介して給湯栓などの給湯利用箇所４３に通じる給湯路Ｒ９が接続されている。
更に、放熱往き路Ｒ３における三方弁１５の上流側と給湯路Ｒ９の流量調整弁４１の下流側とを接続する給湯バイパス路Ｒ６が設けられている。
この構成により、放熱循環回路Ｃ２を循環する湯水の一部が、補助加熱装置１７を通流する補助加熱状態と、給湯バイパス路Ｒ６を介して補助加熱装置１７をバイパスする非補助加熱状態とを切り換える形態で、給湯利用箇所４３へ供給可能に構成されている。
この構成により、上層温度センサＳ５で検出される貯湯槽上層温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度未満の場合、補助加熱状態にて湯水を供給することで、補助加熱装置１７にて湯水を加熱し昇温させた状態で、湯水を給湯利用箇所４３へ供給することができる。
一方、上層温度センサＳ５で検出される貯湯槽上層温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度以上の場合、非補助加熱状態にて湯水を供給して、補助加熱装置１７による不要な加熱をしない状態で、湯水を給湯利用箇所４３へ供給する。
尚、給湯利用箇所４３に導かれる湯水の温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度より高い場合には、図示しない給水路から湯水が混合されることで、給湯設定温度に調整された湯水が、給湯利用箇所４３から供給されることとなる。
放熱往き路Ｒ３における補助加熱装置１７並びに補助加熱温度センサＳ３の下流側には、流量調整弁４１を介して給湯栓などの給湯利用箇所４３に通じる給湯路Ｒ９が接続されている。
更に、放熱往き路Ｒ３における三方弁１５の上流側と給湯路Ｒ９の流量調整弁４１の下流側とを接続する給湯バイパス路Ｒ６が設けられている。
この構成により、放熱循環回路Ｃ２を循環する湯水の一部が、補助加熱装置１７を通流する補助加熱状態と、給湯バイパス路Ｒ６を介して補助加熱装置１７をバイパスする非補助加熱状態とを切り換える形態で、給湯利用箇所４３へ供給可能に構成されている。
この構成により、上層温度センサＳ５で検出される貯湯槽上層温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度未満の場合、補助加熱状態にて湯水を供給することで、補助加熱装置１７にて湯水を加熱し昇温させた状態で、湯水を給湯利用箇所４３へ供給することができる。
一方、上層温度センサＳ５で検出される貯湯槽上層温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度以上の場合、非補助加熱状態にて湯水を供給して、補助加熱装置１７による不要な加熱をしない状態で、湯水を給湯利用箇所４３へ供給する。
尚、給湯利用箇所４３に導かれる湯水の温度が、給湯利用箇所４３にて必要とされる給湯設定温度より高い場合には、図示しない給水路から湯水が混合されることで、給湯設定温度に調整された湯水が、給湯利用箇所４３から供給されることとなる。
以上がコージェネレーションシステム１００の基本構成であるが、かかるコージェネレーションシステム１００には、マイクロコンピュータ等からなる制御装置２０が設けられており、この制御装置２０が、加熱循環回路Ｃ１に湯水を循環させて熱電併給装置１１による湯水の加熱を行う加熱運転、放熱循環回路Ｃ２に湯水を循環させて放熱熱交換器１８による湯水の放熱を行う放熱運転、及び、これら加熱運転と放熱運転とを同時に行う加熱放熱運転を択一的に実行すると共に、熱電併給装置１１の運転計画を行う運転計画手段２０ａとして機能するように構成されている。
即ち、この運転計画手段２０ａは、過去のデータに基づいて将来における電力負荷や熱負荷を予測し、その予測した電力負荷や熱負荷に基づいて、熱電併給装置１１の運転計画を行うと共に、後述するような貯湯水温度分布計算方法を実行することにより、貯湯領域１４ｃに貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布の変化状態を計算する。
〔貯湯水温度分布計算方法〕
次に、運転計画手段２０ａにより実行される貯湯水温度分布計算方法（以下、「本計算方法」と呼ぶ。）の処理フローの詳細、並びに、本計算方法の計算結果例について、図２及び図４に基づいて説明する。
次に、運転計画手段２０ａにより実行される貯湯水温度分布計算方法（以下、「本計算方法」と呼ぶ。）の処理フローの詳細、並びに、本計算方法の計算結果例について、図２及び図４に基づいて説明する。
本計算方法では、先ず、貯湯領域１４ｃに貯留されている貯湯水を鉛直方向に積層される複数の層Ｌi（ｉ＝１〜ｎ）に区画した上で、これら各層Ｌiにおける体積Ｖi及び温度Ｔiの初期値を設定する（図２の＃０１）。ここで、初期設定時の層数ｎ及び各層Ｌiにおける体積Ｖi及び温度Ｔiについては、現時点での実際の貯湯領域１４ｃにおける湯水の温度分布に基づいて適宜設定することができる。
例えば、本計算結果例では、図４（ａ）に示すように、貯湯領域１４ｃを層Ｌ1から層Ｌ6までの６個の層に区画すると共に、各層Ｌiの体積Ｖi及び温度Ｔiを図示のように設定するものとする。
そして、本計算方法では、このような初期設定（図２の＃０１）が行われた上で、後述する流入出計算処理（図２の＃０２〜＃０７）、層数調整処理（図２の＃０８）、及び、熱移動計算処理（図２の＃０９〜＃１３）が、終了時点に到達するまでの間（図２の＃１４）、繰り返し実行される。
例えば、本計算結果例では、図４（ａ）に示すように、貯湯領域１４ｃを層Ｌ1から層Ｌ6までの６個の層に区画すると共に、各層Ｌiの体積Ｖi及び温度Ｔiを図示のように設定するものとする。
そして、本計算方法では、このような初期設定（図２の＃０１）が行われた上で、後述する流入出計算処理（図２の＃０２〜＃０７）、層数調整処理（図２の＃０８）、及び、熱移動計算処理（図２の＃０９〜＃１３）が、終了時点に到達するまでの間（図２の＃１４）、繰り返し実行される。
流入出計算処理（図２の＃０２〜＃０７）では、夫々の流入出部１４ａ、１４ｂにおける湯水の流入出に応じて、各層Ｌiの体積変化が計算される。
具体的には、加熱循環回路Ｃ１に湯水を循環させて熱電併給装置１１による湯水の加熱を行う加熱運転が行われることで、貯湯領域１４ｃの下部（下流入出部１４ｂ）からの上水の流出がある場合（図２の＃０２のｙｅｓ側）には、下流入出部１４ｂに位置する貯湯領域１４ｃの最下層Ｌnの体積を、その流出する湯水の量に相当する分減算する（図２の＃０３）。
また、この下部（下流入出部１４ｂ）からの上水の流出に伴って、貯湯領域１４ｃの上部（上流入出部１４ａ）からの高温の温水の流入があることから、最上層Ｌ1よりも上部の上流入出部１４ａの位置に、当該流入する温水の量に相当する体積及び温度の新たな層を追加する（図２の＃０４）。
例えば、本計算結果例では、図４（ｂ）に示すように、貯湯領域１４ｃに対して上部から２０Ｌで６０℃の温水が流入すると共に下部から２０Ｌの上水が流出すると仮定する。すると、既存の層Ｌ1〜Ｌ6（図４（ａ）参照）の層番号が一つ繰り上げられた上で、貯湯領域１４ｃの最上層に２０Ｌで６０℃の湯水からなる新たな層Ｌ1が追加されることになる。また、これと同時に、貯湯領域１４ｃの最下層Ｌ7の体積が、流出する湯水の量に相当する２０Ｌ分減算されることになる。
具体的には、加熱循環回路Ｃ１に湯水を循環させて熱電併給装置１１による湯水の加熱を行う加熱運転が行われることで、貯湯領域１４ｃの下部（下流入出部１４ｂ）からの上水の流出がある場合（図２の＃０２のｙｅｓ側）には、下流入出部１４ｂに位置する貯湯領域１４ｃの最下層Ｌnの体積を、その流出する湯水の量に相当する分減算する（図２の＃０３）。
また、この下部（下流入出部１４ｂ）からの上水の流出に伴って、貯湯領域１４ｃの上部（上流入出部１４ａ）からの高温の温水の流入があることから、最上層Ｌ1よりも上部の上流入出部１４ａの位置に、当該流入する温水の量に相当する体積及び温度の新たな層を追加する（図２の＃０４）。
例えば、本計算結果例では、図４（ｂ）に示すように、貯湯領域１４ｃに対して上部から２０Ｌで６０℃の温水が流入すると共に下部から２０Ｌの上水が流出すると仮定する。すると、既存の層Ｌ1〜Ｌ6（図４（ａ）参照）の層番号が一つ繰り上げられた上で、貯湯領域１４ｃの最上層に２０Ｌで６０℃の湯水からなる新たな層Ｌ1が追加されることになる。また、これと同時に、貯湯領域１４ｃの最下層Ｌ7の体積が、流出する湯水の量に相当する２０Ｌ分減算されることになる。
次に、放熱循環回路Ｃ２に湯水を循環させて放熱熱交換器１８による湯水の放熱を行う放熱運転や湯水を給湯利用箇所４３へ供給する給湯が行われることで、貯湯領域１４ｃの上部（上流入出部１４ａ）からの温水の流出がある場合（図２の＃０５のｙｅｓ側）には、上流入出部１４ａに位置する貯湯領域１４ｃの最上層Ｌ1の体積を、その流出する温水の量に相当する分減算する（図２の＃０６）。
また、この上部（上流入出部１４ａ）からの温水の流出に伴って、貯湯領域１４ｃの下部（下流入出部１４ｂ）からの低温の上水の流入があることから、最下層Ｌnよりも下部の下流入出部１４ｂの位置に、当該流入する上水の量に相当する体積及び温度の新たな層を追加する（図２の＃０７）。
例えば、本計算結果例では、図４（ｄ）に示すように、貯湯領域１４ｃに対して下部から２５Ｌの上水が流入すると共に上部から２５Ｌの温水が流出すると仮定する。すると、貯湯領域１４ｃの最上層Ｌ1の体積が、流出する温水の量に相当する２５Ｌ分減算されることになる。ここで、流出前（図４の（ｃ）参照）の最上層Ｌ1の体積が２０Ｌであり、流出する温水の量がそれよりも多い２５Ｌであるので、先ず、その最上層Ｌ1の全ての温水が流出したとしてその最上層Ｌ1が削除されて他の層Ｌ2〜Ｌ7の層番号が一つ繰り下げられ、更に繰り下げ後の最上層Ｌ1の体積が残部の５Ｌ分減算される。
また、これと同時に、貯湯領域１４ｃの最下層に２５Ｌで１７℃の上水からなる新たな層Ｌ7が追加されることになる。
また、この上部（上流入出部１４ａ）からの温水の流出に伴って、貯湯領域１４ｃの下部（下流入出部１４ｂ）からの低温の上水の流入があることから、最下層Ｌnよりも下部の下流入出部１４ｂの位置に、当該流入する上水の量に相当する体積及び温度の新たな層を追加する（図２の＃０７）。
例えば、本計算結果例では、図４（ｄ）に示すように、貯湯領域１４ｃに対して下部から２５Ｌの上水が流入すると共に上部から２５Ｌの温水が流出すると仮定する。すると、貯湯領域１４ｃの最上層Ｌ1の体積が、流出する温水の量に相当する２５Ｌ分減算されることになる。ここで、流出前（図４の（ｃ）参照）の最上層Ｌ1の体積が２０Ｌであり、流出する温水の量がそれよりも多い２５Ｌであるので、先ず、その最上層Ｌ1の全ての温水が流出したとしてその最上層Ｌ1が削除されて他の層Ｌ2〜Ｌ7の層番号が一つ繰り下げられ、更に繰り下げ後の最上層Ｌ1の体積が残部の５Ｌ分減算される。
また、これと同時に、貯湯領域１４ｃの最下層に２５Ｌで１７℃の上水からなる新たな層Ｌ7が追加されることになる。
次に、後述する層数調整処理（図２の＃０８）が実行され、その後に、熱移動計算処理（図２の＃０９〜＃１３）が実行される。この熱移動計算処理では、各層Ｌiの熱移動に応じて、各層Ｌiの温度変化が計算される。
具体的には、上からｉ番目の層Ｌiとその下側に隣接する層Ｌi+1について、これら層Ｌiと層Ｌi+1とからなる隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対Ｌi，Ｌi+1における高温側の層Ｌiから低温側の層Ｌi+1へ移動させる形態で、当該移動熱量が計算される（図２の＃１１）。そして、層番号ｉを１に初期設定した上で（図２の＃０９）、その層番号ｉを１ずつ繰り上げながら（図２の＃１３）、層Ｌi+1が最下層となると判断されるまで（図２の＃１２）、このような移動熱量の計算（図２の＃１１）が行われることで、各層Ｌ1〜Ｌnの温度変化が計算される。
例えば、本計算結果例では、図４の（ｂ）から（ｃ）への温度変化、並びに、図４の（ｄ）から（ｅ）への温度変化に示すように、各層Ｌ1〜Ｌ7の温度変化が計算されることになる。
具体的には、上からｉ番目の層Ｌiとその下側に隣接する層Ｌi+1について、これら層Ｌiと層Ｌi+1とからなる隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対Ｌi，Ｌi+1における高温側の層Ｌiから低温側の層Ｌi+1へ移動させる形態で、当該移動熱量が計算される（図２の＃１１）。そして、層番号ｉを１に初期設定した上で（図２の＃０９）、その層番号ｉを１ずつ繰り上げながら（図２の＃１３）、層Ｌi+1が最下層となると判断されるまで（図２の＃１２）、このような移動熱量の計算（図２の＃１１）が行われることで、各層Ｌ1〜Ｌnの温度変化が計算される。
例えば、本計算結果例では、図４の（ｂ）から（ｃ）への温度変化、並びに、図４の（ｄ）から（ｅ）への温度変化に示すように、各層Ｌ1〜Ｌ7の温度変化が計算されることになる。
また、この熱移動計算処理では、隣接層対Ｌi，Ｌi+1における少なくとも一方側の層の体積Ｖi、Ｖi+1が所定の微小体積Ｖｍｉｎを下回る場合（図２の＃１０のＮｏ側）には、＃１１による熱量の移動を禁止する。
（層数調整処理）
かかる層数調整処理（図２の＃０８）では、上記各層Ｌiの体積Ｖiと温度Ｔiの計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現するために、貯湯領域１４ｃにおける層数ｎが調整される。
以下、かかる層数調整処理の処理フローの詳細について、図３及び図５〜図７に基づいて説明する。
かかる層数調整処理（図２の＃０８）では、上記各層Ｌiの体積Ｖiと温度Ｔiの計算精度の向上と計算時間の短縮をバランスよく実現するために、貯湯領域１４ｃにおける層数ｎが調整される。
以下、かかる層数調整処理の処理フローの詳細について、図３及び図５〜図７に基づいて説明する。
かかる層数調整処理は、各層Ｌiの体積Ｖiが所定の上限体積Ｖｍａｘ以下となり、且つ、隣接層対Ｌi、Ｌi+1の温度差Ｔi−Ｔi+1が所定の下限温度差Ｔ０以上となるように、貯湯領域１４ｃにおける層数ｎを調整する処理として構成されており、上からｉ番目の層Ｌiを適宜分割する分割処理（図３の＃２２〜＃２４）と、上からｉ番目の層Ｌiとその下に隣接する層Ｌi+1とからなる隣接層対Ｌi，Ｌi+1を適宜混合する混合処理（図３の＃２５〜２８）とを含む。
そして、層番号ｉを１に初期設定した上で（図３の＃２１）、その層番号ｉを１ずつ繰り上げながら（図３の＃３０）、層Ｌi+1が最下層となると判断されるまで（図３の＃２９）、分割処理（図３の＃２２〜＃２４）と混合処理（図３の＃２５〜２８）とが行われることで、各層Ｌi（ｉ＝１〜ｎ）の分割と混合とが適宜行われる。
そして、層番号ｉを１に初期設定した上で（図３の＃２１）、その層番号ｉを１ずつ繰り上げながら（図３の＃３０）、層Ｌi+1が最下層となると判断されるまで（図３の＃２９）、分割処理（図３の＃２２〜＃２４）と混合処理（図３の＃２５〜２８）とが行われることで、各層Ｌi（ｉ＝１〜ｎ）の分割と混合とが適宜行われる。
分割処理（図３の＃２２〜＃２４）では、図５も参照して、層Ｌiの体積Ｖiが上限体積Ｖｍａｘを超える場合（図３の＃２２、図５の※１）、その層Ｌiの下に隣接する層Ｌiから最下層Ｌnの層番号が一つ繰り上げられた上で（図３の＃２３、図５の※３）、その層Ｌiが２つの新たな層Ｌi’，Ｌi+1’に分割される（＃２４、図５の※２）。
具体的に、この分割処理では、図５の※２に示すように、新たな層Ｌi’，Ｌi+1’の体積Ｖi’、Ｖi+1’が、分割前の層Ｌiの体積Ｖiの１／２に設定され、新たな層Ｌi’，Ｌi+1’の温度Ｔi’、Ｔi+1’が、分割前の層Ｌiの温度Ｔiに設定される。
そして、このように層Ｌiが適宜分割されることにより、各層Ｌiの過剰な分割による計算時間の長期化が抑制されつつ、計算結果において上限体積Ｖｍａｘ以下の適度な大きさに維持された各層Ｌiについての温度分布が認識可能となり、計算精度が適度に向上されることになる。
具体的に、この分割処理では、図５の※２に示すように、新たな層Ｌi’，Ｌi+1’の体積Ｖi’、Ｖi+1’が、分割前の層Ｌiの体積Ｖiの１／２に設定され、新たな層Ｌi’，Ｌi+1’の温度Ｔi’、Ｔi+1’が、分割前の層Ｌiの温度Ｔiに設定される。
そして、このように層Ｌiが適宜分割されることにより、各層Ｌiの過剰な分割による計算時間の長期化が抑制されつつ、計算結果において上限体積Ｖｍａｘ以下の適度な大きさに維持された各層Ｌiについての温度分布が認識可能となり、計算精度が適度に向上されることになる。
この分割処理に続く混合処理（図３の＃２５〜＃２８）では、図６及び図７も参照して、所定の判定（＃２５、＃２６、図６の※４、図７の※７）を行った上で、層Ｌiとその下に隣接する層Ｌi+1とからなる隣接層対Ｌi，Ｌi+1を一の新たな層Ｌi’に混合すると共に（図３の＃２７、図６の※５、図７の※８）、その隣接層対Ｌi，Ｌi+1の下に隣接する層Ｌi+2から最下層Ｌnの層番号が一つ繰り下げられる（図３の＃２８、図６の※６、図７の※９）。
具体的に、この混合処理では、図６の※５及び図７の※８に示すように、新たな層Ｌi’の体積Ｖi’が、混合前の隣接層対Ｌi，Ｌi+1の体積の合計Ｖi＋Ｖi+1に設定され、新たな層Ｌi’の温度Ｔi’が、混合前の隣接層対Ｌi，Ｌi+1全体を均一混合した場合の温度（ＶiＴi＋Ｖi+1Ｔi+1）／（Ｖi＋Ｖi+1）に設定される。
そして、このように隣接層対Ｌi，Ｌi+1が適宜混合されることにより、各層Ｌiの過剰な混合による計算精度の悪化が抑制されつつ、計算結果において隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０以上の適度な大きさに維持される範囲内で層数ｎができるだけ少なくなり、計算時間が適度に短縮されることになる。
具体的に、この混合処理では、図６の※５及び図７の※８に示すように、新たな層Ｌi’の体積Ｖi’が、混合前の隣接層対Ｌi，Ｌi+1の体積の合計Ｖi＋Ｖi+1に設定され、新たな層Ｌi’の温度Ｔi’が、混合前の隣接層対Ｌi，Ｌi+1全体を均一混合した場合の温度（ＶiＴi＋Ｖi+1Ｔi+1）／（Ｖi＋Ｖi+1）に設定される。
そして、このように隣接層対Ｌi，Ｌi+1が適宜混合されることにより、各層Ｌiの過剰な混合による計算精度の悪化が抑制されつつ、計算結果において隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０以上の適度な大きさに維持される範囲内で層数ｎができるだけ少なくなり、計算時間が適度に短縮されることになる。
また、この混合処理には、混合を行うか否かの判定方法が異なる低温度差混合処理と温度逆転混合処理とが含まれる。
先ず、低温度差混合処理では、隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０を下回った場合（図３の＃２５のｙｅｓ側、図６の※４）に、これら隣接層対Ｌi，Ｌi+1については個別に温度を計算する必要がないものと判断して、上述した隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合（図３の＃２７、図６の※５）が行われることになる。
ここで、この低温度差混合処理では、図３の＃２５及び図６の※４のように、隣接層対Ｌi，Ｌi+1の合計の体積Ｖi＋Ｖi+1が上限体積Ｖｍａｘを超える場合には、混合したとしても上述した分割処理により直ぐに分割されることから、当該隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合が禁止される。
先ず、低温度差混合処理では、隣接層対Ｌi，Ｌi+1の温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０を下回った場合（図３の＃２５のｙｅｓ側、図６の※４）に、これら隣接層対Ｌi，Ｌi+1については個別に温度を計算する必要がないものと判断して、上述した隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合（図３の＃２７、図６の※５）が行われることになる。
ここで、この低温度差混合処理では、図３の＃２５及び図６の※４のように、隣接層対Ｌi，Ｌi+1の合計の体積Ｖi＋Ｖi+1が上限体積Ｖｍａｘを超える場合には、混合したとしても上述した分割処理により直ぐに分割されることから、当該隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合が禁止される。
一方、温度逆転混合処理では、隣接層対Ｌi，Ｌi+1における上側の層Ｌiの温度Ｔiが下側の層Ｌi+1の温度Ｔi+1よりも低くなった場合（図３の＃２６のｙｅｓ側、図７の※７）に、これら隣接層対Ｌi，Ｌi+1についてはその上下で密度の逆転により湯水の対流が発生するものとして、上述した隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合（図３の＃２７、図７の※８）が行われることになる。
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、本発明に係る貯湯水温度分布計算方法を、その貯湯水温度分布計算方法を実行する運転計画手段を備えたコージェネレーションシステムに適用した例を説明したが、本発明に係る貯湯水温度分布計算方法は、別の貯湯式熱源装置や単なるシミュレーションシステムに適用することも可能である。
（２）上記実施形態では、層数調整処理に含まれる分割処理（図３の＃２２〜＃２４、図５）では、層Ｌiの分割数を２としたが、３以上に分割しても構わない。
（３）上記実施形態では、層数調整処理に含まれる低温度差混合処理（図３の＃２５、＃２７、＃２８、図６）において、隣接層対Ｌi，Ｌi+1の合計の体積Ｖi＋Ｖi+1が上限体積Ｖｍａｘを超える場合には、当該隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合を禁止するように構成したが、このような混合の禁止を省略して、この混合された層が次の分割処理で直ぐに分割されるように構成しても構わない。
また、このように低温度差混合処理での混合禁止を省略する場合には、温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０を下回った隣接層対Ｌi，Ｌi+1は常に混合されることになるので、隣接層対Ｌi，Ｌi+1において上側の層Ｌiの温度が下側の層Ｌi+1の温度よりも低くなる所謂温度逆転状態が発生することがない。よって、このような温度逆転状態の時の隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合を行うための温度逆転混合処理については省略することができる。
また、このように低温度差混合処理での混合禁止を省略する場合には、温度差Ｔi−Ｔi+1が下限温度差Ｔ０を下回った隣接層対Ｌi，Ｌi+1は常に混合されることになるので、隣接層対Ｌi，Ｌi+1において上側の層Ｌiの温度が下側の層Ｌi+1の温度よりも低くなる所謂温度逆転状態が発生することがない。よって、このような温度逆転状態の時の隣接層対Ｌi，Ｌi+1の混合を行うための温度逆転混合処理については省略することができる。
（４）上記実施形態では、上流入出部１４ａを貯湯タンク１４の天井部に設け、下流入出部１４ｂを貯湯タンク１４の底部に設けたが、これら流入出部１４ａ，１４ｂの配置位置は適宜改変しても構わない。
（５）上記実施形態では、熱移動計算処理（図２の＃０９〜＃１３）において、隣接層対Ｌi，Ｌi+1における少なくとも一方側の層の体積Ｖi、Ｖi+1が所定の微小体積Ｖｍｉｎを下回る場合に、熱量の移動を禁止したが、例えばこのような場合には、隣接層対の温度差に小さい方側の体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層Ｌiから低温側の層Ｌi+1へ移動させる形態で、各層Ｌiの温度変化を計算しても構わない。
本発明は、湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域について、当該貯湯領域に貯留されている貯湯水を鉛直方向に積層される複数の層に区画すると共に、夫々の流入出部における湯水の流入出に応じて、各層の体積変化を計算する流入出計算処理と、各層の熱移動に応じて、各層の温度変化を計算する熱移動計算処理を実行して、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法及びその貯湯水温度分布計算方法を実行する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置として好適に利用可能である。
１１ ：熱電併給装置（熱源機）
１４ ：貯湯タンク
１４ａ ：上流入出部（流入出部）
１４ｂ ：下流入出部（流入出部）
１４ｃ ：貯湯領域
２０ａ ：運転計画手段
１００ ：コージェネレーションシステム（貯湯式熱源装置）
Ｌｉ ：層
Ｔｉ ：温度
Ｖｉ ：体積
Ｖｍａｘ ：上限体積
Ｖｍｉｎ ：微小体積
ｉ ：層番号
ｎ ：層数
１４ ：貯湯タンク
１４ａ ：上流入出部（流入出部）
１４ｂ ：下流入出部（流入出部）
１４ｃ ：貯湯領域
２０ａ ：運転計画手段
１００ ：コージェネレーションシステム（貯湯式熱源装置）
Ｌｉ ：層
Ｔｉ ：温度
Ｖｉ ：体積
Ｖｍａｘ ：上限体積
Ｖｍｉｎ ：微小体積
ｉ ：層番号
ｎ ：層数
Claims (7)
- 湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域について、当該貯湯領域に貯留されている貯湯水を、各層の温度が均一とみなされる湯水で構成される状態で、鉛直方向に積層される複数の層に区画すると共に、
各層の熱移動に応じて、各層の温度変化を計算する熱移動計算処理を実行して、
前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯水温度分布計算方法であって、
夫々の流入出部における湯水の流入出に応じて、各層の体積変化を計算する流入出計算処理において、湯水が流出する側の流入出部に位置する層の体積を当該流出する湯水の量に相当する分減算すると共に、湯水が流入する側の流入出部の位置に当該流入する湯水の量に相当する体積及び温度の層を追加して、各層の体積変化を計算し、
各層の体積が所定の上限体積以下となり、且つ、互いに隣接する一対の層である隣接層対の温度差が所定の下限温度差以上となるように、貯湯領域における層数を調整する層数調整処理を実行する貯湯水温度分布計算方法。 - 前記層数調整処理が、体積が上限体積を超えた層を複数の層に分割する分割処理を含む請求項１に記載の貯湯水温度分布計算方法。
- 前記層数調整処理が、温度差が下限温度差を下回った隣接層対を一の層に混合する低温度差混合処理を含み、
前記低温度差混合処理において、隣接層対の合計の体積が上限体積を超える場合には、当該隣接層対の混合を禁止する請求項１又は２の何れか１項に記載の貯湯水温度分布計算方法。 - 前記層数調整処理が、上側の層の温度が下側の層の温度よりも低くなった隣接層対を一の層に混合する温度逆転混合処理を含む請求項１〜３の何れか１項に記載の貯湯水温度分布計算方法。
- 前記上流入出部において高温の湯水が流入出し、前記下流入出部において低温の湯水が流入出することで、前記貯湯領域が温度成層を形成して湯水を貯留するものとされている請求項１〜４の何れか１項に記載の貯湯水温度分布計算方法。
- 前記熱移動計算処理において、隣接層対の温度差に所定の微小体積を積算した熱量を当該隣接層対における高温側の層から低温側の層へ移動させて、各層の温度変化を計算し、
前記熱移動計算処理において、隣接層対における少なくとも一方側の層の体積が微小体積を下回る場合には熱量の移動を禁止する請求項１〜５の何れか１項に記載の貯湯水温度分布計算方法。 - 湯水が流入出する流入出部として上流入出部と当該上流入出部よりも下方に配置された下流入出部とが設けられた貯湯領域を内部に形成する貯湯タンクを備え、
前記貯湯領域に貯留される湯水を加熱する熱源機を備え、
前記熱源機の運転計画を行うにあたり、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する運転計画手段を備えた貯湯式熱源装置であって、
前記運転計画手段が、請求項１〜６の何れか１項に記載の貯湯水温度分布計算方法を実行することにより、前記貯湯領域に貯留されている貯湯水の鉛直方向の温度分布を計算する貯湯式熱源装置。
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| JP2013132828A JP5782069B2 (ja) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | 貯湯水温度分布計算方法及び貯湯式熱源装置 |
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