JP6494798B2 - 給湯機及びエネルギー管理システム - Google Patents

Description

本発明は、給湯機及びエネルギー管理システムに関する。

近年、環境や節電に対する意識の高まりから、太陽光による発電設備を設置する家庭が増加する傾向にある。太陽光発電は、時間帯や天候等によって発電出力が変動する。このため、太陽光発電による発電電力を無駄なく消費するためには、給湯機といった電気機器を発電出力の変動に応じて適切に制御する必要がある。

この点に関し、特許文献１には、暖房機能及び給湯機能を兼備する給湯冷暖房機器（ヒートポンプ機器）に対して、電力使用量を調整する技術が提案されている。

特開２０１４−１１５００９号公報

特許文献１の技術では、圧縮機（インバータ圧縮機）を搭載したヒートポンプ機器の電力使用量を制御するために、従来通り、圧縮機の駆動周波数を調整している。

しかしながら、給湯機の場合では、沸上げ温度を一定にするために、駆動周波数の変化に応じて、水ポンプの水流量や膨張弁の開度（弁開度）を変更する必要があり、電力使用量が安定（収束）するまでに、ある程度の時間を要していた。また、収束した電力使用量が、目標値からずれることもあった。

一方、上述したように、太陽光発電は、発電出力が一定ではない。また、宅内の総消費電力も刻々変化するため、太陽光発電による余剰電力（即ち、使用可能電力）は、給湯機の運転中においても大きく変動する場合がある。そのため、電力使用量の収束までに時間が掛かりすぎることや、収束した電力使用量が目標値からずれてしまうことなどで、余剰電力を超えた電力を消費してしまうと、買電が生じることとなる。その際、時間帯によっては、一日のうちで最も高額な単価で買電する事態も起こり得る。

このように、給湯機に対して、従来通り圧縮機の駆動周波数を調整するだけでは、変動する余剰電力にうまく追従できないため、余剰電力を有効に消費できないだけでなく、不要な買電を生じさせしまうといった問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、余剰電力を有効に消費できる給湯機及びエネルギー管理システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る給湯機は、
冷媒を圧縮する圧縮機と、
冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、
前記水冷媒熱交換器に水を供給する水ポンプと、
前記水冷媒熱交換器により温められた温水を溜める貯湯タンクと、
目標とする沸上げ温度を維持したまま前記圧縮機の駆動周波数を制御する第１の制御と、前記圧縮機の駆動周波数を維持したまま目標とする沸上げ温度を変更するために前記水ポンプの流量を制御する第２の制御とを行う制御手段と、を備えた給湯機であって、
前記制御手段は、目標消費電力の変化量が予め定められた基準を超えているか否かに応じて、前記第１の制御と前記第２の制御とを切り換える。

本発明によれば、給湯機の消費電力に対して影響が大きい（早い）第１の制御と、消費電力の調整幅を広げる第２の制御とを適宜切り換えることで、余剰電力の変化への追従性を高める。このため、余剰電力を有効に消費することができる。

本発明の実施形態に係るエネルギー管理システムの全体構成を示す図である。 制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 制御装置の機能構成を示す図である。 本実施形態の給湯機の構成を示すブロック図である。 余剰電力量について説明するための図である。 給湯機の消費電力と圧縮機の駆動周波数との関係を示す図である。 タンクユニットが備える制御基板の機能構成を示す図である。 指令処理と制御処理との手順を示すフローチャートである。 他の実施形態における制御装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエネルギー管理システム１の全体構成を示す図である。このエネルギー管理システム１は、一般家庭で使用される電力の管理を行う、いわゆる、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）と呼ばれるシステムである。エネルギー管理システム１は、制御装置２と、操作端末３と、電力計測装置４と、給湯機５と、発電設備６とを備える。

制御装置２は、家屋Ｈ内の適切な場所に設置され、この家庭（需要地）において消費される電力の監視を行い、電力の消費状況を操作端末３を介して表示する。また、制御装置２は、給湯機５や複数の機器７（機器７−１，７−２，…）の動作制御や動作状態の監視などを行う。制御装置２の詳細については後述する。

電力計測装置４は、この家庭（需要地）に配設された電力線Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれに送電される電力の値を計測する。電力線Ｄ１は、商用電源１１と分電盤１２との間に配設され、電力線Ｄ２は、発電設備６と分電盤１２との間に配設され、電力線Ｄ３は、分電盤１２と給湯機５との間に配設されている。

電力計測装置４は、電力線Ｄ１〜Ｄ３にそれぞれ接続されたＣＴ（Current Transformer）１〜３の各々と通信線を介して接続される。ＣＴ１〜３は、交流電流を計測するセンサである。電力計測装置４は、ＣＴ１の計測結果に基づいて電力線Ｄ１における電力値、換言すると、この家庭における総消費電力を測定する。同様に、電力計測装置４は、ＣＴ２の計測結果に基づいて電力線Ｄ２における電力値、換言すると、発電設備６による発電電力を計測し、ＣＴ３の計測結果に基づいて電力線Ｄ３における電力値、換言すると、給湯機５の消費電力を計測する。

また、電力計測装置４は、無線通信インタフェースを備え、家屋Ｈ内に構築された無線ネットワーク（図示せず）を介して、制御装置２と通信可能に接続する。この無線ネットワークは、例えば、エコーネットライト（ＥＣＨＯＮＥＴ Ｌｉｔｅ）に準じたネットワークである。なお、電力計測装置４は、外付けの通信アダプタ（図示せず）を介して、この無線ネットワークに接続される仕様であってもよい。

電力計測装置４は、制御装置２からの要求に応答して、計測した電力線Ｄ１の電力値を格納した計測データを生成し、制御装置２に送信する。この計測データには、電力計測装置４の機器アドレス、電力線のＩＤ（identification）、計測時刻も格納されている。同様に、電力測定装置４は、制御装置２からの要求に応答して、測定した電力線Ｄ２，Ｄ３の電力値を格納した測定データをそれぞれ生成し、制御装置２に送信する。なお、電力計測装置４は、制御装置２からの要求に応答して、電力線Ｄ１〜Ｄ３の各電力値を一括して格納した計測データを生成して制御装置２に送信してもよい。

給湯機５は、ヒートポンプユニット８と、タンクユニット９とを備える貯湯式の給湯機である。ヒートポンプユニット８とタンクユニット９とは、湯水が流れる配管１０で接続されている。給湯機５の詳細については後述する。

発電設備６は、ＰＶ（photovoltaic）パネル１３と、パワーコンディショニングシステムであるＰＶ−ＰＣＳ１４とを含んで構成される太陽光発電設備である。発電設備６は、ＰＶパネル１３が発電した電気をＰＶ−ＰＣＳ１４により直流電力から交流電力に変換し、電力線Ｄ２を介して分電盤１２に供給する。

機器７（機器７−１，７−２，…）は、例えば、エアコン、照明器、床暖房システム、冷蔵庫、ＩＨ（Induction Heating）調理器、テレビ等の電気機器である。機器７−１，７−２，…は、家屋Ｈ（敷地も含む）内に設置され、分電盤１２により分岐された電力線Ｄ４，Ｄ５，…にそれぞれ接続されている。各機器７は、上述の図示しない無線ネットワークを介して、制御装置２と通信可能に接続する。なお、各機器７は、外付けの通信アダプタ（図示せず）を介して、この無線ネットワークに接続される仕様であってもよい。

各機器７は、制御装置２からの要求に応答して、機器ＩＤ（identification）と、現在時刻と、現在の運転状態を示す情報とを格納したデータ（運転状態データ）を制御装置２に送信する。

操作端末３（ユーザインタフェース装置）は、押しボタン、タッチパネル、タッチパッド等の入力デバイスと、有機ＥＬディスプレイ、液晶ディスプレイ等の表示デバイスと、通信インタフェースとを備えた、例えば、スマートフォンやタブレット端末等の携帯機器である。操作端末３は、制御装置２と、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）といった周知の無線ＬＡＮの規格に則った無線通信を行う。操作端末３は、ユーザからの操作を受け付け、受け付けた操作内容を示す情報を制御装置２に送信する。また、操作端末３は、制御装置２から送信された、ユーザに提示するための情報を受信し、受信した情報を表示する。このように、操作端末３は、ユーザとのインタフェース（ユーザインタフェース）としての役割を担う。

制御装置２は、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０と、通信インタフェース２１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２３と、二次記憶装置２４とを備える。これらの構成部は、バス２５を介して相互に接続される。ＣＰＵ２０は、この制御装置２を統括的に制御する。ＣＰＵ２０によって実現される機能の詳細については後述する。

通信インタフェース２１は、上述した無線ネットワークを介して電力計測装置４、給湯機５や各機器７と無線通信するためのＮＩＣ（Network Interface Card）と、操作端末３と無線通信するためのＮＩＣを含んで構成される。

ＲＯＭ２２は、複数のファームウェアやこれらのファームウェアの実行時に使用されるデータ等を記憶する。ＲＡＭ２３は、ＣＰＵ２０の作業領域として使用される。

二次記憶装置２４は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリ等の読み書き可能な不揮発性の半導体メモリやハードディスクドライブ等から構成される。二次記憶装置２４は、この家庭で消費される電力を監視するためのプログラムや、給湯機５及び各機器７の動作を制御するためのプログラム、そして、これらのプログラムの実行時に使用されるデータ等を記憶する。

図３は、制御装置２の機能構成を示す図である。制御装置２は、機能的には、ユーザインタフェース部２００と、電力値取得部２０１と、機器制御部２０２と、消費電力変更要求部２０３とを備える。これらの各機能部は、ＣＰＵ２０が二次記憶装置２４に記憶されている１又は複数のプログラムを実行することで実現される。

ユーザインタフェース部２００は、操作端末３を介したユーザインタフェース処理を行う。即ち、ユーザインタフェース部２００は、ユーザからの操作を操作端末３を介して受け付ける。また、ユーザインタフェース部２００は、ユーザに提示するための情報（例えば、監視画面データや各種の操作画面データ）を操作端末３に送信する。

電力値取得部２０１は、電力計測装置４から、計測された電力値を取得する処理を行う。具体的には、電力値取得部２０１は、一定時間（例えば、３０秒）毎に、電力計測装置４に対し、各電力線に対応する前述した計測データの送信を要求する。電力値取得部２０１は、かかる要求に応答して、電力計測装置４から送られてきた電力線毎の計測データを取得する。電力値取得部２０１は、取得した各計測データを二次記憶装置２４に格納する。

機器制御部２０２は、給湯機５及び各機器７から運転状態を取得する処理を行う。具体的には、機器制御部２０２は、一定時間（例えば、３０秒）毎に、給湯機５及び各機器７に対し、運転状態データの送信を要求する。機器制御部２０２は、かかる要求に応答して、給湯機５及び各機器７からそれぞれ送られてきた運転状態データを取得する。機器制御部２０２は、取得した給湯機５及び各機器７の運転状態データを二次記憶装置２４に格納する。

また、機器制御部２０２は、操作端末３を介したユーザ操作に従って、給湯機５や機器７の動作を制御する。さらに、機器制御部２０２は、一定時間（例えば、３０秒）毎に、給湯機５の消費電力、即ち、電力線Ｄ３における電力値を給湯機５に通知する。

また、機器制御部２０２は、発電電力と総消費電力との差分電力（Wd）を一定時間単位（例えば、１０分単位）で積算し、差分電力量（ΣWd）を求める。そして、機器制御部２０２は、差分電力量（ΣWd）が、正であるか否かに応じて、機器７の運転を適宜制御する。例えば、差分電力量（ΣWd）が正の場合（ΣWd＞０）に、機器制御部２０２は、機器７の消費電力を上げる指令を発する。一方、差分電力量（ΣWd）が正でない場合（ΣWd≦０）に、機器制御部２０２は、機器７の消費電力を下げる指令を発する。これにより差分電力量（ΣWd）をゼロに近づけ、発電電力を有効に消費することができる。なお、差分電力量（ΣWd）が負の場合（ΣWd＜０）では、高額な買電を生じさせてしまう可能性があるため、差分電力量（ΣWd）の目標値を、ある程度プラス側にオフセットしておき、実際の買電を生じさせないようにしてもよい。また、機器制御部２０２は、機器７に対してだけでなく、給湯機５の消費電力を上げる指令又は下げる指令を発してもよい。

また、機器７の消費電力が下限の状態（省電力最小運転）のまま、差分電力量（ΣWd）が負の状況（ΣWd＜０）が一定時間（例えば、１０分）を超えて継続した場合に、機器制御部２０２は、運転中の機器７を停止させる。これにより、高額な買電を生じさせないようにすることができる。なお、運転を停止させるのは、機器７に限られず、給湯機５も含めてもよい。その場合、一旦運転を停止させた給湯機５を再起動させる際には、機器制御部２０２は、一定時間（例えば、３分）の間隔を空けるようにする。これは、圧縮機８０が過度に発停することによるストレスを抑え、圧縮機８０の寿命を長くするためである。

消費電力変更要求部２０３は、一定時間（例えば、３０秒）毎に、給湯機５が消費可能な余剰電力（使用可能電力）を算出する。そして、消費電力変更要求部２０３は、算出した余剰電力と現在の給湯機５の目標消費電力とから、給湯機５の目標消費電力について、変更を要するか否かを判別する。目標消費電力の変更を要する場合、消費電力変更要求部２０３は、目標消費電力の変更を給湯機５に要求する。

使用可能電力は、電力計測装置４により計測された、総消費電力（電力線Ｄ１の電力値）と、給湯機５の消費電力（電力線Ｄ３の電力値）と、発電電力（電力線Ｄ２の電力値）とに基づいて算出される。より詳細には、消費電力変更要求部２０３は、先ず、宅内消費電力を算出する。宅内消費電力は、総消費電力から給湯機５の消費電力を差し引くことで算出される。そして、消費電力変更要求部２０３は、発電電力から宅内消費電力を差し引くことで使用可能電力を算出する。なお、宅内消費電力が発電電力より大きい場合、消費電力変更要求部２０３は、使用可能電力を０［Ｗ］に設定する。

消費電力変更要求部２０３は、算出した使用可能電力と給湯機５の現在の目標消費電力とを比較し、両者の差が予め定めた許容値に収まっているか否かを判別する。給湯機５の現在の目標消費電力を示すデータは、二次記憶装置２４に格納されている。

その結果、両者の差が許容値に収まっていない場合、消費電力変更要求部２０３は、目標消費電力の変更を要すると判別し、給湯機５に対して、目標消費電力の変更を要求するデータ（変更要求データ）を送信する。この変更要求データには、算出された使用可能電力を示す情報が格納される。また、消費電力変更要求部２０３は、二次記憶装置２４に格納されている給湯機５の目標消費電力を示すデータを、算出した使用可能電力に基づいて更新する。

図４は、給湯機５の構成を示すブロック図である。給湯機５は、ヒートポンプユニット８とタンクユニット９を備える。ヒートポンプユニット８は、例えば、ＣＯ2やＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）などを冷媒に用いたヒートポンプである。

<<ヒートポンプユニット８の構成>>
ヒートポンプユニット８は、圧縮機８０と、水冷媒熱交換器８１と、膨張弁８２と、空気熱交換器８３と、送風機８４と、温度センサ８５ａ，８５ｂと、制御基板８６とを含んで構成される。圧縮機８０、水冷媒熱交換器８１、膨張弁８２及び空気熱交換器８３は、環状に接続され、冷媒を循環させるための冷凍サイクル回路（冷媒回路ともいう。）が形成されている。

圧縮機８０は、冷媒を圧縮して温度及び圧力を上昇させる。圧縮機８０は、駆動周波数に応じて容量（単位当たりの送り出し量）を変化させることができるインバータ回路を備える。圧縮機８０は、制御基板８６からの指示に従って容量を変更する。

水冷媒熱交換器８１は、市水を目標の沸上げ温度（貯湯温度ともいう。）まで昇温加熱するための加熱源である。水冷媒熱交換器８１は、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、冷媒と水（低温水）との間の熱交換を行う。水冷媒熱交換器８１における熱交換により、冷媒は放熱して温度が下降し、水は吸熱して温度が上昇する。

膨張弁８２は、冷媒を膨張させて温度及び圧力を下降させる。膨張弁８２は、制御基板８６からの指示に従って弁開度を変更する。

空気熱交換器８３は、送風機８４により送られてきた外気と冷媒との間の熱交換を行う。空気熱交換器８３における熱交換により冷媒は吸熱し、外気は放熱して温度が下降する。

温度センサ８５ａは、配管１０における水冷媒熱交換器８１の入水側に設けられ、水冷媒熱交換器８１へ入水する水の温度（入水温度）を計測する。温度センサ８５ａは、計測した入水温度を示すデータ（入水温度データ）を予め定めたタイミング（例えば、一定時間毎）で制御基板８６に送信する。

温度センサ８５ｂは、ヒートポンプユニット８における筐体の表面に設けられ、外気の温度（外気温度）を計測する。温度センサ８５ｂは、計測した外気温度を示すデータ（外気温度データ）を予め定めたタイミング（例えば、一定時間毎）で制御基板８６に送信する。

制御基板８６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板８６は、圧縮機８０、膨張弁８２、送風機８４、温度センサ８５ａ，８５ｂのそれぞれと図示しない通信線を介して通信可能に接続する。また、制御基板８６は、図示しない通信線を介してタンクユニット９の後述する制御基板９２と通信可能に接続する。制御基板８６は、温度センサ８５ａ及び温度センサ８５ｂのそれぞれから上述した入水温度データ及び外気温度データを受信すると共に、圧縮機８０、膨張弁８２、送風機８４の動作を制御する。

<<タンクユニット９の構成>>
タンクユニット９は、貯湯タンク９０と、水ポンプ９１と、制御基板９２とを備える。これらの構成部は、金属製の外装ケース内に収められている。

貯湯タンク９０は、金属（例えば、ステンレス）又は樹脂などで形成されている。貯湯タンク９０の外側には断熱材（図示せず）が配置されている。これにより、貯湯タンク９０内で、高温の湯（以下、高温水という。）を長時間に渡って保温することができる。

貯湯タンク９０とヒートポンプユニット８の水冷媒熱交換器８１とは配管１０で接続され、貯湯タンク９０の下部を起点に、水ポンプ９１、水冷媒熱交換器８１を経て貯湯タンク９０の上部に戻ることで湯水が循環する沸上げ回路が構成される。

水ポンプ９１は、貯湯タンク９０の下部からの低温水を水冷媒熱交換器８１へ搬送する。水ポンプ９１は、インバータ回路を備え、制御基板９２の指示に従って駆動回転数を変更することにより、搬送する際の水流量を変化させることができる。

制御基板９２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板９２は、制御基板８６と図示しない通信線を介して通信可能に接続する。また、制御基板９２は、家屋Ｈ内に構築された前述の無線ネットワークを介して、制御装置２と通信可能に接続する。

制御基板９２は、水ポンプ９１の動作を制御する。加えて、制御基板９２は、後述する同期制御を行う。

以上のように構成された給湯機５の一般的な動作について以下説明する。

<<沸上げ動作>>
沸上げ動作の開始時には、貯湯タンク９０内の高温水は消費されており、貯湯タンク９０の下部には市水の温度に近い低温水が貯留している。水ポンプ９１を作動させることで、この低温水がヒートポンプユニット８の水冷媒熱交換器８１へ入水され、冷媒との熱交換により昇温し、高温水となる。この高温水は貯湯タンク９０の上部に戻され、貯湯タンク９０内では、上部に高温水、下部に低温水が滞留して温度成層が形成され、高温水と低温水との間には温度境界層が生成される。

沸上げ量が増えて、高温水の領域が大きくなると貯湯タンク９０の下部に温度境界層が近づき、水冷媒熱交換器８１へ入水する水の温度（入水温度）が次第に上昇する。

<<給湯動作>>
貯湯タンク９０の上部には出湯管（図示せず）が接続されており、貯湯タンク９０からこの出湯管を介して出湯した高温水が、混合弁（図示せず）にて市水と混合されることで、ユーザが所望する温度（例えば、４０℃）の湯水となって、給湯端末（例えば、浴室に配設されたシャワー、蛇口など）に供給される。このとき、貯湯タンク９０では、上部から流出した高温水の体積分、水道圧により、下部に接続された給水管（図示せず）から市水が供給される。これにより、貯湯タンク９０内では温度境界層が上方へ移動する。高温水が少なくなると、給湯機５は、追加沸上げを行う。

本実施形態のエネルギー管理システム１では、この家庭における余剰電力量（図５参照）を使用して給湯機５が沸上げ運転を行う特徴を有する。

図６は、給湯機５の沸上げ運転時における圧縮機８０の駆動周波数（Ｈｚ）と、給湯機５の消費電力（Ｗ）の関係を表す図である。図６に示すように、駆動周波数が高くなると消費電力も顕著に大きくなる関係がある。さらに、沸上げ温度を高温にする（高温沸上げ）と消費電力が増え、沸上げ温度を低温にする（低温沸上げ）と消費電力が減少する傾向がある。この関係を利用して、給湯機５は、目標消費電力が与えられた時に、圧縮機８０の駆動周波数を変更することで、大きく消費電力を変更し、また、沸上げ温度を変更することで、消費電力を微調整することが可能となる。例えば、消費電力を半分にする場合には、圧縮機８０の駆動周波数を半分にし、また、沸上げ温度が同一（目標値）となるように水ポンプ９１の水流量、及び、膨張弁８２の弁開度を制御する。このとき安定後（収束後）の消費電力が目標からずれる可能性がある。

このため、給湯機５は、沸上げ温度を維持したまま（一定に保ちながら）駆動周波数を変更（微調整も含む）して目標消費電力にする第１の制御手法と、駆動周波数を維持したまま沸上げ温度を変更して目標消費電力にする第２の制御手法とを有している。第１の制御手法は、圧縮機８０の駆動周波数、水ポンプ９１の水流量、及び、膨張弁８２の弁開度を３つ同時に変更するため、消費電力が収束するまでにある程度の時間を要する。一方、第２の制御手法は、水ポンプ９１の水流量を変更するだけ（膨張弁８２の弁開度を微調整する場合もある）であるため、消費電力の収束が早く、目標消費電力に合せ易いという利点がある。なお、沸上げ温度は、例えば、６５〜９０℃の範囲を設定し、この範囲で制御する。

図７は、タンクユニット９の制御基板９２の機能構成を示す図である。図７に示すように、制御基板９２は、制御手段として機能し、変更要求受付部９２０と、駆動周波数推定部９２１と、水流量推定部９２２と、制御手法決定部９２３と、制御実行部９２４とを備える。

変更要求受付部９２０は、目標消費電力の変更指令を外部から受け付ける。具体的には、変更要求受付部９２０は、制御装置２の消費電力変更要求部２０３からの前述した変更要求データが送信されると、これを受信し、受信した変更要求データに格納されている使用可能電力を示す情報を抽出する。

駆動周波数推定部９２１は、抽出された使用可能電力を示す情報から得られる新たな目標消費電力（Ｗ0）に対応する駆動周波数（Ｈ）を推定する。具体的には、駆動周波数推定部９２１は、目標消費電力（Ｗ0）と、目標沸上げ温度（Ｔwo）と、外気温度（Ｔa）と、入水温度（Ｔwi）とをパラメータとした、実験式や機器特性式などを用いて導出した下記の相関式によって駆動周波数（Ｈ）を推定する。なお、駆動周波数推定部９２１は、外気温度（Ｔa）及び入水温度（Ｔwi）をヒートポンプユニット８の制御基板８６から取得する。

Ｈ＝ｆ（Ｗ0，Ｔwo，Ｔa，Ｔwi） （式１）

水流量推定部９２２は、新たな目標消費電力（Ｗ0）に対応する水流量（Ｕ）を下記の相関式によって推定する。

Ｕ＝ｆ（Ｗ0，Ｔwo，Ｔa，Ｔwi） （式２）

制御手法決定部９２３は、目標消費電力（Ｗ0）の変化量に応じて、給湯機５における制御手法を決定する。具体的には、制御手法決定部９２３は、目標消費電力（Ｗ0）の変化量が、予め定められた基準値（例えば、１００［Ｗ］）より大きいか否かに応じて、上述した第１の制御手法又は第２の制御手法を決定する。即ち、目標消費電力（Ｗ0）の変化量が基準値より大きい場合に、制御手法決定部９２３は、沸上げ温度を維持したまま（一定に保ちながら）駆動周波数を変更して目標消費電力にする第１の制御手法を決定する。一方、目標消費電力（Ｗ0）の変化量が基準値より大きくない（小さい）場合に、制御手法決定部９２３は、駆動周波数を維持したまま沸上げ温度を変更して目標消費電力にする第２の制御手法を決定する。なお、これら第１及び第２の制御手法は、一例であり、他の制御手法であってもよい。例えば、制御手法決定部９２３は、沸上げ温度と駆動周波数との両方を変更する制御手法や、常に駆動周波数だけ変更（沸上げ温度は固定）する制御手法などを決定するようにしてもよい。

また、買電（特に、高額な単価での買電）を防ぐためには、給湯機５の消費電力を下げる方向の応答性（即応性）を高める必要がある。上述した図６に示すように、給湯機５の消費電力を下げるためには、駆動周波数を優先して下げることが効果的である。このため、制御手法決定部９２３は、目標消費電力（Ｗ0）が下がった場合には、第１の制御手法を優先して決定（若しくは、第１の制御手法だけを決定）してもよい。また、制御手法決定部９２３は、目標消費電力（Ｗ0）を微調整する場合には、第２の制御手法を優先して決定（若しくは、第２の制御手法だけを決定）してもよい。

また、圧縮機８０の駆動周波数が上下限（上限又は下限）の場合であっても、沸上げ温度を変更することで、給湯機５の消費電力の調整幅をさらに広げることが可能である。例えば、駆動周波数が下限のときに沸上げ温度を下げれば、さらに消費電力を下げることが可能であり、一方、駆動周波数が上限のときに沸上げ温度を上げれば、さらに消費電力を増加させることが可能である。そのため、制御手法決定部９２３は、駆動周波数が上下限の場合には、第２の制御手法を決定するようにしてもよい。

制御実行部９２４は、制御手法決定部９２３により決定された制御手法に則り、各構成部の制御を実行する。具体的には、制御実行部９２４は、第１の制御手法が決定された場合に、水ポンプ９１の水流量を制御して沸上げ温度を一定に保ちながら、圧縮機８０の駆動周波数を変更する。また、第２の制御手法が決定された場合に、制御実行部９２４は、圧縮機８０の駆動周波数を一定に保ちながら、水ポンプ９１を制御して水流量だけを変更する。

図８は、制御装置２が実行する指令処理と給湯機５が実行する制御処理との手順を示すフローチャートである。

まず、制御装置２は、目標消費電力を給湯機５に指令する（ステップＳ１０１）。即ち、消費電力変更要求部２０３は、現在の発電電力と宅内の総消費電力とに基づき、目標消費電力（Ｗ0）を算出し、変更要求データを生成して給湯機５に送信する。

制御装置２から目標消費電力の指令があると、即ち、制御装置２からの変更要求データが変更要求受付部９２０によって受信されると（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、給湯機５は、駆動周波数を推定する（ステップＳ２０２）。即ち、駆動周波数推定部９２１は、新たな目標消費電力（Ｗ0）に対応する駆動周波数（Ｈ）を推定する。

給湯機５は、水流量推定部９２２は、水流量を推定する（ステップＳ２０３）。即ち、水流量推定部９２２は、新たな目標消費電力（Ｗ0）に対応する水流量（Ｕ）を推定する。

給湯機５は、目標消費電力の変化量が予め定められた基準値よりも大きいか否かを判別する（ステップＳ２０４）。給湯機５は、目標消費電力の変化量が基準値よりも大きいと判別すると（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）、第１の制御手法で制御を行う（ステップＳ２０５）。即ち、制御手法決定部９２３は、沸上げ温度を維持したまま（一定に保ちながら）駆動周波数を変更して目標消費電力にする第１の制御手法を決定する。そして、制御実行部９２４は、水ポンプ９１の水流量を制御して沸上げ温度を一定に保ちながら、圧縮機８０の駆動周波数を変更する。

一方、目標消費電力の変化量が基準値よりも大きくないと判別した場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）に、給湯機５は、第２の制御手法で制御を行う（ステップＳ２０６）。即ち、制御手法決定部９２３は、駆動周波数を維持したまま沸上げ温度を変更して目標消費電力にする第２の制御手法を決定する。そして、制御実行部９２４は、圧縮機８０の駆動周波数を一定に保ちながら、水ポンプ９１を制御して水流量だけを変更する。

また、制御装置２は、差分電力を算出する（ステップＳ１０２）。即ち、機器制御部２０２は、発電電力と消費電力との差分電力（Wd）を算出する。そして、制御装置２は、差分電力量を算出する（ステップＳ１０３）。即ち、機器制御部２０２は、差分電力（Wd）を一定時間（例えば、１０分）積算し、差分電力量（ΣWd）を求める。

制御装置２は、差分電力量が正か否かを判別する（ステップＳ１０４）。機器制御部２０２は、差分電力量（ΣWd）が正であるか否かに応じて、機器７の運転を適宜制御する。制御装置２は、差分電力量が正であると判別すると（ステップＳ１０４；Ｙｅｓ）、機器７の消費電力を上げる（ステップＳ１０５）。即ち、差分電力量（ΣWd）が正の場合（ΣWd＞０）に、機器制御部２０２は、機器７の消費電力を上げる指令を発する。なお、機器制御部２０２は、給湯機５の消費電力を上げる指令も発してもよい。

一方、差分電力量が正でないと判別した場合（ステップＳ１０４；Ｎｏ）に、制御装置２は、機器７の消費電力を下げる（ステップＳ１０６）。即ち、積算差分電力（ΣWd）が正でない場合（ΣWd≦０）に、機器制御部２０２は、機器７の消費電力を下げる指令を発する。なお、機器制御部２０２は、給湯機５の消費電力を下げる指令も発してもよい。

なお、差分電力量（ΣWd）が負の場合（ΣWd＜０）では、高額な買電が生じる可能性があるため、差分電力量（ΣWd）の目標値を、ある程度プラス側にオフセットしておき、実際の買電を生じさせないようにしてもよい。また、機器７の消費電力が下限の状態（省電力最小運転）のまま、差分電力量（ΣWd）が負である状況（ΣWd＜０）が一定時間（例えば、１０分）継続した場合に、機器制御部２０２は、運転中の機器７を停止させる。この場合、高額な買電を生じさせないようにすることができる。なお、運転を停止させるのは、機器７に限られず、給湯機５も含めてもよい。その場合、一旦運転を停止させた給湯機５を再起動させる際には、機器制御部２０２は、一定時間（例えば、３分）の間隔を空けるようにする。これは、圧縮機８０が過度に発停することによるストレスを抑え、圧縮機８０の寿命を長くするためである。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るエネルギー管理システム１では、発電設備６による発電電力を自家消費する際に、電力使用量が大きいと、「電力使用量＞発電電力」となるが、実際の電力使用量に基づき、給湯機５や機器７の運転を制御することで、高額な買電を生じさせないようにすることができる。これにより発電電力を宅内で有効に消費し、不要な買電をなくし、ランニングコストを最小化することができる。

また、給湯機５の消費電力に対して影響が大きい（早い）第１の制御手法を優先し、更なる調整に第２の制御手法を用いることで、追従性を高める（即応性の向上と消費電力の調整幅を拡大させる）ことができる。また、機器７を省電力最小運転のまま差分電力量が負となる状況が続いた場合に、運転中の機器７を停止させることで、高額な買電を生じさせないようにすることができる。

また、一旦給湯機５の運転を停止させた後では、一定時間（例えば、３分）内の再起動を行わないことで、圧縮機８０の発停を抑制し、圧縮機８０に対する過度なストレスを抑え長寿命化が可能となる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、給湯機５が、自己の消費電力を計測する電力計測部を備えるようにしてもよい。このようにすると、制御装置２から消費電力の通知を受けることなく、給湯機５の制御基板８６は、圧縮機８０や水ポンプ９１の制御を行うことが可能となる。

また、制御の対象にとして送風機８４も含めるようにして、ファンの回転数を変更するようにしてもよい。

また、駆動周波数（Ｈ）及び水流量（Ｕ）の推定は、様々な手法が採用され得る。以下、他の手法の一例を示す。
（１）水流量（Ｕ）を仮定して、入水温度（Ｔwi）と目標沸上げ温度（Ｔwo）と水物性からこの場合の水側能力を算出する。
（２）算出した水側能力とバランスが取れるヒートポンプ側能力となる場合の外気温度（Ｔa）での駆動周波数（Ｈ）を、ヒートポンプ特性式（実験式や冷媒物性式）を用いた収束計算により求める。
（３）求めた駆動周波数（Ｈ）に対応する消費電力が目標消費電力（Ｗ0）に一致するか否かを判定し、一致するまで水流量（Ｕ）を仮定し直して再計算する。

また、タンクユニット９の制御基板９２ではなく、ヒートポンプユニット８の制御基板８６が、図７に示すような、変更要求受付部９２０、駆動周波数推定部９２１、水流量推定部９２２、制御手法決定部９２３及び制御実行部９２４を備え、上述した制御処理（図８参照）を実行してもよい。

また、制御装置２が、ユーザからの操作を受け付けるための入力デバイスと、ユーザに情報を提示するための表示デバイスをさらに含んで構成されるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、制御装置２が家屋Ｈに設置された場合について説明したが、制御装置２と同等の機能を有する装置を家屋Ｈの外に設置するようにしてもよい。

この場合の例を図９に示す。この例では、家屋Ｈには、制御装置２の代わりにルータ１５が設置されている。一方、家屋Ｈの外には、ルータ１５とインターネットを介して通信可能に接続されるサーバ１６が設置されている。この場合、ルータ１５とサーバ１６とが協調して制御装置２の役割を果たす。

また、上記の実施形態において、制御装置２によって実行されるプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＭＯ（Magneto-Optical Disk）、ＵＳＢメモリ、メモリカード等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布することも可能である。そして、かかるプログラムを特定の又は汎用のコンピュータにインストールすることによって、当該コンピュータを上記の実施形態における制御装置２として機能させることも可能である。

また、上記のプログラムをインターネットといった通信ネットワーク上のサーバ装置が有するディスク装置に格納しておき、例えば、搬送波に重畳させて、コンピュータにダウンロードするようにしてもよい。また、通信ネットワークを介してプログラムを転送しながら起動実行することによっても、上述の処理を達成することができる。さらに、プログラムの全部又は一部をサーバ装置上で実行させ、その処理に関する情報をコンピュータが通信ネットワークを介して送受信しながらプログラムを実行することによっても、上述の処理を達成することができる。

なお、上述の機能を、ＯＳ（Operating System）が分担して実現する場合又はＯＳとアプリケーションとの協働により実現する場合等には、ＯＳ以外の部分のみを上記の記録媒体に格納して配布してもよく、また、コンピュータにダウンロードしてもよい。

本発明は、広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能である。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、家庭内で使用される電力の管理を行うシステムに好適に採用され得る。

１ エネルギー管理システム、２ 制御装置、３ 操作端末、４ 電力計測装置、５ 給湯機、６ 発電設備、７（７−１，７−２，…） 機器、８ ヒートポンプユニット、９ タンクユニット、１０ 配管、１１ 商用電源、１２ 分電盤、１３ ＰＶパネル、１４ ＰＶ−ＰＣＳ、１５ ルータ、１６ サーバ、２０ ＣＰＵ、２１ 通信インタフェース、２２ ＲＯＭ、２３ ＲＡＭ、２４ 二次記憶装置、２５ バス、８０ 圧縮機、８１ 水冷媒熱交換器、８２ 膨張弁、８３ 空気熱交換器、８４ 送風機、８５ａ，８５ｂ 温度センサ、８６，９２ 制御基板、９０ 貯湯タンク、９１ 水ポンプ、２００ ユーザインタフェース部、２０１ 電力値取得部、２０２ 機器制御部、２０３ 消費電力変更要求部、９２０ 変更要求受付部、９２１ 駆動周波数推定部、９２２ 水流量推定部、９２３ 制御手法決定部、９２４ 制御実行部、Ｄ１〜Ｄ５ 電力線

Claims (5)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器と、
   前記水冷媒熱交換器に水を供給する水ポンプと、
   前記水冷媒熱交換器により温められた温水を溜める貯湯タンクと、
   目標とする沸上げ温度を維持したまま前記圧縮機の駆動周波数を制御する第１の制御と、前記圧縮機の駆動周波数を維持したまま目標とする沸上げ温度を変更するために前記水ポンプの流量を制御する第２の制御とを行う制御手段と、を備えた給湯機であって、
   前記制御手段は、目標消費電力の変化量が予め定められた基準を超えているか否かに応じて、前記第１の制御と前記第２の制御とを切り換える、給湯機。
2. 前記制御手段は、電力を消費する際に、前記第１の制御の方を、前記第２の制御よりも先に行う、
   請求項１に記載の給湯機。
3. 前記制御手段は、前記目標消費電力の変化量が予め定められた基準よりも小さい場合、若しくは、前記圧縮機の駆動周波数が予め定められた下限に達している場合に、前記第２の制御を行う、
   請求項１又は２に記載の給湯機。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の前記給湯機と、太陽光による発電設備と、宅内に配置された機器と、前記給湯機及び前記機器に指令を発する制御装置と、を備えたエネルギー管理システムであって、
   前記制御装置は、前記発電設備により発電された発電電力と前記機器の消費電力を含めた総消費電力との差分を積算した差分電力量が、正であるか否かに応じて、前記給湯機及び前記機器に対する指令内容を変化させる、エネルギー管理システム。
5. 前記制御装置は、前記差分電力量が負である状況が予め定められた基準時間よりも長く続いた場合に、運転中の前記給湯機又は前記機器を停止させる、
   請求項４に記載のエネルギー管理システム。

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