JP5905682B2 - 給湯制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯器の運転を制御する給湯制御装置に関し、特に、電気エネルギを蓄電可能な蓄電池を備えたものに関する。

従来、ヒートポンプ式の給湯器を運転するのにあたり、商用電力などの外部電力と、蓄電池に蓄電した電力とを選択的に使用可能なものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この従来技術は、ヒートポンプ式の給湯器と、給湯器からの給湯を貯湯する貯湯タンクと、外部電力を交流／直流変換して蓄電するとともに蓄電した直流電力を直流／交流変換して給電する蓄電装置と、蓄電装置の蓄電／給電を制御するとともにヒートポンプ給湯器の運転／停止を制御する制御装置とを備えている。

この従来技術にあっては、制御装置は、蓄電装置における電力変換効率と、本日深夜の給湯器の第１の成績係数ＣＯＰ１と翌日昼間の給湯器の第２の成績係数ＣＯＰ２とに基づいて、成績係数割合（ＣＯＰ１／ＣＯＰ２）が、蓄電装置の電力変換効率以上の場合は昼間の電力を使用し、電力変換効率未満の場合は、夜間電力を蓄電装置に蓄電した電力を昼間に使用し、給湯器を運転するようにしている。

すなわち、従来技術は、使用時間帯前の昼間に外部電力を使用して給湯器を作動させる第１の運転パターンと、深夜電力を蓄電し蓄電池の電力を使用して給湯器を作動させる第２の運転パターンとを、上述の成績係数割合と電力変換効率とに基づき切り換えている。

特開２０１１−６９５８７号公報

しかしながら、上述の従来技術は、運転の切り換えを、成績係数割合と電力変換効率とに基づいて行っているが、昼間と夜間の電力単価や、貯湯タンクの貯湯中のエネルギ損失や、蓄電池の蓄電中のエネルギ損失を考慮していなかったため、運転パターンに対する運転コストの推定が不十分であった。

本発明は、上述の問題を解決することを目的とするものであり、低コストの給湯を、より精度高く実行可能な給湯制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、ヒートポンプ式の給湯器と、この給湯器からの給湯を貯湯する貯湯タンクと、前記給湯器を運転させる電力として、外部電力から給電される電力を蓄電する蓄電装置と、前記給湯器及び前記蓄電装置の運転を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記外部電力の深夜電力で前記給湯器を運転し、翌日の使用時間帯まで前記貯湯タンクに貯湯する第１の運転パターンと、前記深夜電力により前記蓄電装置に蓄電し、その蓄電した電力で翌日の使用時間帯前の昼間に前記給湯器を運転し前記貯湯タンクに貯湯する第２の運転パターンと、前記深夜電力を使用せずに、翌日の使用時間帯前に昼間電力で前記給湯器を運転し前記貯湯タンクに貯湯する第３の運転パターンと、の３つの運転パターンの中から選択した運転パターンにより運転させる運転制御を実行し、さらに、前記運転パターンの選択を行うのにあたり、当日深夜の気温と翌日昼間の気温とに基づいて得られた当日深夜運転時の第１の成績係数及び翌日昼間運転時の第２の成績係数と、前記外部電力の深夜電力単価及び昼間電力単価と、前記貯湯タンクに前記使用時間帯まで貯湯した場合の蓄熱エネルギ損失率及び前記蓄電装置に前記使用時間帯前まで蓄電した場合の蓄電エネルギ損失率と、をパラメータとして、前記３つの運転パターンで運転するのに必要な電気料金を求め、前記３つの運転パターンの中で前記電気料金が最も安価な運転パターンを選択する運転パターン選択処理を実行し、さらに、前記制御装置は、前記第１〜第３の３つの運転パターンの前記電気料金を求めるのにあたり、前記運転に必要なエネルギをＷ、第１の成績係数をＣＯＰ１、第２の成績係数をＣＯＰ２、深夜電力単価をＴ１、昼間電力単価をＴ２、蓄熱エネルギ損失率をα１、蓄電エネルギ損失率をα２とした場合、前記第１の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ１・（１−α１）］により求め、前記第２の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ２・（１−α２）］により求め、前記第３の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ２／ＣＯＰ２により求めることを特徴とする給湯制御装置とした。

本発明の給湯制御装置では、制御装置は、当日深夜の気温と翌日昼間の気温とに基づいて得られた当日深夜運転時の第１の成績係数及び翌日昼間運転時の第２の成績係数と、外部電力の深夜電力単価及び昼間電力単価と、貯湯タンクに使用時間帯まで貯湯した場合の蓄熱エネルギ損失率及び蓄電装置に使用時間帯前まで蓄電した場合の蓄電エネルギ損失率と、をパラメータとして、運転に必要な電気料金を求め、複数の運転パターンの中から、電気料金が最も安価な運転パターンを選択する運転パターン選択処理を実行するようにした。
このように、運転パターンの選択にあたり、電気料金を基準とし、かつ、電気料金を求めるのに使用するパラメータとして、電力単価に加え、貯湯タンクに貯湯した場合の蓄熱エネルギ損失率及び蓄電装置に蓄電した場合の蓄電エネルギ損失率を用いるようにしたため、低コストの給湯を、より精度高く実行可能な給湯制御装置が提供可能となる。
さらに、本発明では、運転パターンとして、深夜電力で前記給湯器を運転し、翌日の使用時間帯まで貯湯タンクに貯湯する第１の運転パターンと、深夜電力により蓄電装置に蓄電し、その蓄電した電力で翌日の昼間の使用時間帯前に給湯器を運転し貯湯タンクに貯湯する第２の運転パターンと、深夜電力を使用せずに、翌日の昼間の使用時間帯前に昼間電力で給湯器を運転し貯湯タンクに貯湯する第３の運転パターンと、の３つの運転パターンのうちから、最も電気料金が安価な運転パターンを選択するようにしたため、いっそう低コストの給湯が、精度高く実行可能となる。
また、本発明では、前記第１〜第３の３つの運転パターンの運転に必要な電気料金を求めるのにあたり、運転に必要なエネルギ量Ｗ、第１の成績係数ＣＯＰ１、第２の成績係数ＣＯＰ２、深夜電力単価Ｔ１、昼間電力単価Ｔ２、蓄熱エネルギ損失率α１、蓄電エネルギ損失率α２を用いた演算式により求めるようにした。このため、運転に必要な電気料金を、より精度高く求めることが可能である。

図１は、本発明の実施の形態１の給湯制御装置を示すブロック図である。 図２は、実施の形態１の給湯制御装置の制御処理の流れを示すフローチャートである。 図３は、成績係数と外気温度との関係を示す特性図である。

以下に、本発明の実施の形態の給湯制御装置Ａについて、図１〜図３に基づいて説明する。
実施の形態の給湯制御装置Ａは、図１に示すように、給湯器１、貯湯タンク２、蓄電装置３、制御装置４を備えている。

給湯器１は、いわゆるヒートポンプ式のものである。この給湯器１は、屋外に設置されており、周知のように、圧縮機１１ａ、放熱用の第１熱交換器１１ｂ、膨張弁１１ｃ、空気中の熱を吸熱する第２熱交換器１１ｄを備えたヒートポンプサイクル１１を備えている。また、給湯器１は、貯湯タンク２からの給水をヒートポンプサイクル１１の放熱用の第１熱交換器１１ｂを経由させて加熱し貯湯タンク２に戻すポンプ（図示省略）及び配管１２を備えている。

貯湯タンク２は、図示のように屋外あるいは屋内に設置され、前述のように、給湯器１との間で内部に溜めた水を循環させる配管１２に接続されている。さらに、貯湯タンク２は、上水道から内部に給水する配管２ａ及び温めて貯湯を住宅Ｈ内に供給（給湯）するための配管２ｂが接続されている。また、貯湯タンク２は、外気との熱交換を抑制する断熱材で覆われている。

蓄電装置３は、鉛蓄電池などの蓄電池３１を備え、さらに、交流の外部電力５を直流電力に変換して蓄電池３１に蓄電（充電）するＡＣ／ＤＣコンバータ３２と、蓄電池３１に蓄電されている直流電力を交流電力に変換して給湯器１に給電するＤＣ／ＡＣインバータ３３と、制御装置４からの制御信号に応じて両コンバータ３２，３３の作動、すなわち充電と放電との切り換えを制御する充放電切換部３４とを備えている。

制御装置４は、給湯器１、蓄電装置３及び外部電力５に接続され、給湯器１及び蓄電装置３の運転を制御する。すなわち、制御装置４は、図示は省略するが、いわゆる情報処理や演算などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）や、プログラムや種々のデータ等を記憶するメモリなどを備えている。そして、制御装置４は、給湯器１の運転及び停止の切り換えを制御すると共に、運転時には、外部電力５からの電力を制御装置４から供給して運転する状態と、蓄電装置３からの電力を供給して運転する状態との切り換えを行う。また、制御装置４は、蓄電装置３に対し蓄電と放電とを切り換える制御を行う。さらに、制御装置４は、インターネット６を介して、後述するように気温などの気象データや電力単価などのデータを入力可能となっている。

次に、制御装置４で実行する制御、すなわち、運転パターン選択処理と運転制御の詳細について図２のフローチャートに基づいて説明する。
運転パターン選択処理は、給湯器１の運転により貯湯タンク２へ給湯する運転パターンとして、下記の３通りの運転パターン（Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ）を有しており、これらの運転パターンのいずれかを選択する処理である。

第１運転パターンＰａは、深夜電力で給湯器１を運転し、あらかじめ設定された翌日の使用時間帯（本実施の形態では使用時間帯は１７：００頃以降とする）まで貯湯タンク２に貯湯する運転パターンである。
第２運転パターンＰｂは、深夜電力を蓄電装置３に蓄電し、その電力で翌日の使用時間帯前の昼間に給湯器１を運転させ貯湯タンク２に貯湯する運転パターンである。
第３運転パターンＰｃは、深夜電力を使用することなく、翌日の使用時間帯前の昼間に昼間電力を用いて給湯器１を運転させ、貯湯タンク２に貯湯する運転パターンである。

図２のフローチャートに示す最初のステップＳ１では、インターネット６を介して、当日深夜の気温ｔｍｉと翌日昼間の気温ｔｎｅとを読み込み、ステップＳ２に進む。
次のステップＳ２では、給湯器１を当日深夜に運転させた場合の第１の成績係数ＣＯＰ１と、給湯器１を翌日昼間に運転させた場合の第２の成績係数ＣＯＰ２とを演算した後、ステップＳ３に進む。
成績係数ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）は、周知のように、給湯器１を運転させたときの消費エネルギに対する得られるエネルギの倍率を表すもので、単位消費電力あたりの加熱能力で表す。また、ヒートポンプ式の給湯器１の場合、成績係数ＣＯＰは、外気から取り込むことのできる熱量によって変動するもので、図３に示すように外気温度が高くなるにつれて増大する特性を有している。

図２に戻りステップＳ３では、深夜電力単価Ｔ１と昼間電力単価Ｔ２とを読み込みステップＳ４に進む。なお、両電力単価Ｔ１，Ｔ２は、インターネット６を介して、公的データを読み込むようにしてもよいし、あるいは、設置時及び料金の変動時に、あらかじめ入力してメモリに保存するようにしてもよい。

ステップＳ４では、蓄熱エネルギ損失率α１及び蓄電エネルギ損失率α２を演算し、次のステップＳ５に進む。ここで、蓄熱エネルギ損失率α１は、貯湯タンク２に深夜電力を使って貯湯タンク２に貯湯した場合に、使用時間帯となるまでに損失する蓄熱エネルギの比率であり、０〜１の値をとる。この蓄熱エネルギ損失率α１は、あらかじめ実験を行って貯湯タンク２において経過時間、外気温との温度差などをパラメータとした蓄熱損失特性を求めておく。そして、この蓄熱損失特性を制御装置４のメモリに記憶しておき、使用時間帯までの時間、読み込んだ予測外気温などに応じて演算する。
また、蓄電エネルギ損失率α２は、深夜に蓄電装置３の蓄電池３１に蓄電した場合に、使用時間帯となるまでに損失するエネルギ及び交流／直流の電力変換に伴うエネルギ損失の比率であり、０〜１の値をとる。この蓄電エネルギ損失率α２についても、あらかじめ実験を行って、経過時間、外気温などをパラメータとした蓄電損失特性を求めておく。そして、この蓄電損失特性を、あらかじめメモリに記憶しておき、使用時間帯までの時間、読み込んだ予測外気温などに応じて演算する。

ステップＳ５では、前述の３通りの第１〜第３運転パターンＰａ，Ｐｂ，Ｐｃのそれぞれにかかる電気料金Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃを下記式（１）（２）（３）により演算し、続くステップＳ６に進む。なお、各電気料金Ｒａ〜Ｒｃを求めるのにあたり、下記式で使用するＴ１は深夜電力単価、Ｔ２は昼間電力単価、Ｗは必要なエネルギ量である。
すなわち、深夜電力で給湯器１を運転する第１運転パターンＰａの電気料金Ｒａは、下記式（１）により求める。
Ｒａ＝Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ１・（１−α１）］ ・・・（１）
また、深夜電力を蓄電装置３に蓄電する第２運転パターンＰｂの電気料金Ｒｂは、下記式（２）により求める。
Ｒｂ＝Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ２・（１−α２）］ ・・・（２）
また、昼間電力を用いて給湯器１を運転させる第３運転パターンＰｃの電気料金Ｒｃは、下記式（３）により求める。
Ｒｃ＝Ｗ・Ｔ２／ＣＯＰ２ ・・・（３）

ステップＳ６では、各電気料金Ｒａ〜Ｒｃを比較し、最も低い電気料金Ｒｍｉｎを求め、次のステップＳ７に進む。そして、ステップＳ７では、ステップＳ６により求められた最も低い電気料金Ｒｍｉｎの貯湯パターンＰＲｍｉｎにより給湯器１及び蓄電装置３を運転させる。

（実施の形態の作用）
以上のように構成した実施の形態の給湯制御装置Ａでは、深夜電力で給湯器１を運転し、使用時間帯まで貯湯タンク２に貯湯する第１運転パターンＰａ、深夜電力により蓄電装置３に蓄電し、その電力で翌日の使用時間帯前に給湯器１を運転させる第２運転パターンＰｂ、翌日の昼間電力を用いて給湯器１を運転させる第３運転パターンＰｃのいずれかが選択される。

この運転パターンの選択は、本日深夜の外気温、翌日昼間の外気温、給湯器１の蓄熱エネルギ損失特性、蓄電装置３の蓄電エネルギ損失特性に応じて実行されるもので、上記式（１）〜（３）に基づき、以下に述べる選択傾向となる。
すなわち、翌日昼間の気温ｔｎｅと当日深夜の気温ｔｍｉとの差（ｔｎｅ＞ｔｍｉの場合）が大きくなると、第３運転パターンＰｃが選択される傾向が強くなる。
一方、翌日昼間の気温ｔｎｅと当日深夜の気温ｔｍｉとの差（ｔｎｅ＞ｔｍｉの場合）が小さく、あるいは逆転してこれがマイナスとなるような場合は、第１運転パターンＰａあるいは第２運転パターンＰｂが選択される。
そして、第１運転パターンＰａと第２運転パターンＰｂとのいずれかが選択される場合は、翌日昼間の気温ｔｎｅと当日深夜の気温ｔｍｉとの差（ｔｎｅ＞ｔｍｉの場合）が大きいほど、第２運転パターンＰｂが選択される傾向が強い。また、両エネルギ損失率α１，α２において、蓄熱エネルギ損失率α１が小さい程、第１運転パターンＰａが選択される傾向が強く、蓄電エネルギ損失率α２が小さい程、第２運転パターンＰｂが選択される傾向が強くなる。

（実施の形態の効果）
以上説明したように、本実施の形態の給湯制御装置では、以下に述べる効果を得ることができる。
ａ） 本実施の形態では、貯湯タンク２に貯湯するパターンとして、深夜電力で給湯器１を運転させる第１運転パターンＰａと、深夜電力を蓄電して昼間に給湯器１を運転させる第２運転パターンＰｂと、翌日の昼間の電力で給湯器１を運転させる第３運転パターンＰｃとの３種類のパターンを設定した。また、深夜運転時の第１の成績係数ＣＯＰ１、昼間運転時の第２の成績係数ＣＯＰ２、さらには、深夜と昼間との各電気単価Ｔ１，Ｔ２の違い及び貯湯タンク２における蓄熱による蓄熱エネルギ損失率α１、蓄電による蓄電エネルギ損失率α２をパラメータとして、貯湯タンク２に給湯するのに必要なエネルギ量Ｗを得るのに必要な電気料金Ｒａ〜Ｒｃを求めた。そして、各電気料金Ｒａ〜Ｒｃのうちで最も安い運転パターンを選択し、給湯器１を運転させるようにした。
したがって、使用時間帯である夕方の前に貯湯タンク２に対する給湯を低コストで行うことを、精度高く実行可能である。
しかも、この効果を得るのにあたり、貯湯タンク２の蓄熱エネルギ損失率α１と蓄電装置３の蓄電エネルギ損失率α２とをパラメータとしたことにより、仕様による貯湯タンク２の違いや蓄電装置３の違いなどにも対応した高い精度でのコスト計算が可能である。例えば、仕様により貯湯タンク２の断熱性能に違いがあっても、その違いに応じて低コストの給湯の運転パターンを選択することが可能である。

ｂ）貯湯タンク２への給湯のタイミングを、使用時間帯の前（直前が好ましい）とすることにより、貯湯タンク２の小型化が可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、実施の形態では、使用時間を夕方としたが、使用者の使用形態に応じて、使用時間帯を任意に設定するようにしてよい。

Ａ 給湯制御装置
ＣＯＰ１ 第１の成績係数
ＣＯＰ２ 第２の成績係数
Ｐａ 第１運転パターン
Ｐｂ 第２運転パターン
Ｐｃ 第３運転パターン
Ｒａ 電気料金
Ｒｂ 電気料金
Ｒｃ 電気料金
Ｔ１ 深夜電力単価
Ｔ２ 昼間電力単価
α１ 蓄熱エネルギ損失率
α２ 蓄電エネルギ損失率
１ 給湯器
２ 貯湯タンク
３ 蓄電装置
４ 制御装置
５ 外部電力

Claims (1)

1. ヒートポンプ式の給湯器と、
   この給湯器からの給湯を貯湯する貯湯タンクと、
   前記給湯器を運転させる電力として、外部電力から給電される電力を蓄電する蓄電装置と、
   前記給湯器及び前記蓄電装置の運転を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記外部電力の深夜電力で前記給湯器を運転し、翌日の使用時間帯まで前記貯湯タンクに貯湯する第１の運転パターンと、
   前記深夜電力により前記蓄電装置に蓄電し、その蓄電した電力で翌日の使用時間帯前の昼間に前記給湯器を運転し前記貯湯タンクに貯湯する第２の運転パターンと、
   前記深夜電力を使用せずに、翌日の使用時間帯前に昼間電力で前記給湯器を運転し前記貯湯タンクに貯湯する第３の運転パターンと、
   の３つの運転パターンの中から選択した運転パターンにより運転させる運転制御を実行し、
   さらに、前記運転パターンの選択を行うのにあたり、
   当日深夜の気温と翌日昼間の気温とに基づいて得られた当日深夜運転時の第１の成績係数及び翌日昼間運転時の第２の成績係数と、
   前記外部電力の深夜電力単価及び昼間電力単価と、
   前記貯湯タンクに前記使用時間帯まで貯湯した場合の蓄熱エネルギ損失率及び前記蓄電装置に前記使用時間帯前まで蓄電した場合の蓄電エネルギ損失率と、
   をパラメータとして、
   前記３つの運転パターンで運転するのに必要な電気料金を求め、前記３つの運転パターンの中で前記電気料金が最も安価な運転パターンを選択する運転パターン選択処理を実行し、
   さらに、前記制御装置は、前記第１〜第３の３つの運転パターンの前記電気料金を求めるのにあたり、
   前記運転に必要なエネルギをＷ、第１の成績係数をＣＯＰ１、第２の成績係数をＣＯＰ２、深夜電力単価をＴ１、昼間電力単価をＴ２、蓄熱エネルギ損失率をα１、蓄電エネルギ損失率をα２とした場合、
   前記第１の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ１・（１−α１）］により求め、
   前記第２の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ１／［ＣＯＰ２・（１−α２）］により求め、
   前記第３の運転パターンによる電気料金を、Ｗ・Ｔ２／ＣＯＰ２により求めることを特徴とする給湯制御装置。