JP6694757B2

JP6694757B2 - 給湯システム

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Publication number: JP6694757B2
Application number: JP2016110408A
Authority: JP
Inventors: 泰平林
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2016-06-01
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-06-01
Also published as: JP2017215113A

Description

本発明は、給湯システムに関する。

蓄熱タンクの水を電気加熱器（例えばヒートポンプ）で加熱し、温水利用箇所での要求温度が蓄熱タンクの水温よりも高い場合には蓄熱タンクの水をガス加熱器で追加熱する給湯システムが知られている（例えば特許文献１）。そのような給湯システムは、電気とガスの双方で水を加熱するのでハイブリッド式給湯システムと呼ばれる場合がある。なお、温水利用箇所での要求温度が蓄熱タンクの水温よりも低い場合には、ガス加熱器を使うことなく、蓄熱タンク内の温水に常温の水を混合して供給する。特許文献１の給湯システムは、さらに太陽光発電装置に接続されており、商用電源の電力と太陽光発電装置の電力のいずれかで電気加熱器を駆動することができる。

一方、近年、建屋内の電気機器の情報（運転状態や消費電力などの情報）を収集するシステムが提案されている（例えば特許文献２）。そのようなシステムは、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）と呼ばれている。特許文献２に開示されたシステムは、ヒートポンプ給湯器その他の電気機器と、太陽光発電装置と、蓄電装置を備えており、それらがＨＥＭＳに組み込まれている。電気機器などの情報と、太陽光発電装置と蓄電装置の情報の双方を用いることによって、太陽光発電装置の発電電力と蓄電装置を効率よく運用することで、建屋全体でのエネルギコストが低減される。

特開２０１４−４７９４４号公報特開２０１５−２９３６０号公報

本明細書は、太陽光発電装置及び蓄電装置と接続されているハイブリッド式の給湯システムに関し、ハイブリッド式の給湯システムの特徴を活用し、他の電気機器にも電力を供給する太陽光発電装置の発電電力を有効に使って蓄熱する技術を提供する。なお、以下では、太陽光発電装置と蓄電装置に接続されており、それらの電力で動作する電気機器群を電力消費機器と総称する。

ハイブリッド式の給湯システムでは、蓄熱タンク内の水が目標温度となるように電気加熱器を駆動する。説明の便宜上、そのような処理を「沸き上げ運転」と称する。電気とガスの双方で水を加熱するハイブリッド式の給湯システムでは、電気加熱器による沸き上げ運転で予め蓄熱タンク内の水を加熱しておき、温水利用時にユーザの要求温度が蓄熱タンクの水温よりも高い場合はガス加熱器で水を追加熱して供給する。従ってハイブリッド式の給湯システムでは、沸き上げ運転の目標温度に設定自由度がある。本明細書が開示する技術は、電力消費機器の駆動のため蓄電装置の残電力量を確保しつつ、太陽光発電装置の発電で余剰となる電力を熱エネルギに変換して蓄える給湯システムを提供する。なお、蓄熱タンクに蓄える熱媒は水に限られない。蓄熱タンクに蓄える熱媒が水以外の媒体の場合、蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する。

本明細書が開示する技術の一つの態様は、次の給湯システムに具現化することができる。給湯システムは、太陽光発電装置と接続されているとともに、太陽光発電装置の発電電力を蓄える蓄電装置と接続されている。その給湯システムは、熱媒を蓄える蓄熱タンクと、電気加熱器と、供給手段と、ガス加熱器と、制御器と、電力データ取得手段を備えている。電気加熱器は、太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で蓄熱タンクの熱媒を加熱することができる。供給手段は、蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する。ガス加熱器は、蓄熱タンクの熱媒で加熱された水の温度が温水利用箇所で要求される水の温度よりも低い場合、温水利用箇所に到達する前の水を加熱する。制御器は、蓄熱タンクの熱媒が目標温度になるように電気加熱器を駆動する沸き上げ運転を行う。データ取得手段は、蓄電装置の残電力量を取得する。そして、制御器は、電力データ取得手段によって取得された残電力量が蓄電装置の満充電量に等しいとき、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻に基づいて目標温度を設定して沸き上げ運転を行う。典型的には、制御器は、残電力量が満充電に等しいことが検知された時刻が早いほど高い目標温度を設定する。

時刻が早ければ、太陽光発電装置によるその後の発電量が多くなることが見込まれる。それゆえ、時刻が早いときに高い目標温度を設定して多くの電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄えても、その後の太陽光発電装置の発電によって蓄電装置の残電力量の回復が見込める。蓄電装置の残電力量を減らさないようにしつつ余剰の電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄えることによって、電力消費機器へ供給可能な電力を蓄電装置に確保しつつ、多くの熱エネルギを蓄えることができる。

本明細書が開示する技術の別の態様は、次の給湯システムに具現化することができる。給湯システムは、太陽光発電装置と接続されているとともに、太陽光発電装置の発電電力を蓄える蓄電装置と接続されている。その給湯システムは、熱媒を蓄える蓄熱タンクと、電気加熱器と、供給手段と、ガス加熱器と、制御器と、電力データ取得手段を備えている。電気加熱器は、太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で蓄熱タンクの熱媒を加熱する。供給手段は、蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する。ガス加熱手段は、蓄熱タンクの熱媒で加熱された水の温度が温水利用箇所で要求される水の温度よりも低い場合、温水利用箇所に到達する前の水を加熱する。制御器は、蓄熱タンクの熱媒が目標温度になるように電気加熱器を駆動する沸き上げ運転を行う。電力データ取得手段は、蓄電装置の残電力量と、現在時刻から所定時間後までの直近時間帯の太陽光発電装置の予測発電電力と、太陽光発電装置に接続されている電力消費機器の直近時間帯の予測消費電力とを取得する。制御器は、電力データ取得手段によって取得された残電力量が蓄電装置の満充電量に等しく、かつ、直近時間帯で予測発電電力が予測消費電力よりも大きい場合に沸き上げ運転を行う。典型的には、制御器は、直近時間帯における予測発電電力の積分値から直近時間帯における予測消費電力の積分値を減じた余剰電力量が大きいほど高い目標温度を設定して沸き上げ運転を行う。あるいは、制御器は、余剰電力量で沸き上げ運転が完遂するように目標温度を設定して沸き上げ運転を行う。なお、予測発電電力と予測消費電力は単位時間当たりの電力（単位は［Ｗ］）を意味し、電力量は電力×時間（単位は［Ｗｈ］）を意味する。

第二の態様の給湯システムは、直近時間帯で蓄電装置の電力を原則使うことなく、太陽光発電装置が発電した電力のうち、他の電力消費機器が消費した残りの電力で沸き上げ運転を行い、電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄える。なお、予測発電電力や予測消費電力はあくまでも予測であるので現実の発電電力や消費電力は予測と相違する場合がある。その場合、蓄電装置の電力を使うこともあるが、第二の態様の給湯システムは、概ね、蓄電装置の電力を使うことなく、沸き上げ運転を行うことができる。

上記したいずれの給湯システムも、電力消費機器の駆動のため蓄電装置の残電力量を確保しつつ、太陽光発電装置の発電で余剰となる電力を熱エネルギに変換して蓄えることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の給湯システム２のブロック図である。第１実施例の沸き上げ運転のフローチャートである。目標温度テーブルの一例である。ＨＰ目標温度決定処理の変形例で用いる目標温度テーブルである。第２実施例の沸き上げ運転のフローチャートである。余剰電力量とＨＰ目標温度の関係の一例を示すテーブルである。

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の給湯システムを説明する。図１に、第１実施例の給湯システム２のブロック図を示す。給湯システム２は、建屋３に備えられている。建屋３には、給湯システム２のほか、太陽光発電装置４、蓄電装置７、電力管理装置５、電気機器９５、分電盤９６、ＤＣＡＣコンバータ９７などが備えられている。図１で一つの矩形で表している電気機器９５は、建屋３に備えられている電気機器の総称であり、例えば、空調装置、テレビ、コンピュータ、冷蔵庫、照明器具などである。

給湯システム２の説明の前に、建屋３の中の電力系統について説明する。建屋３には、太陽光発電装置４が備えられており、電気機器９５と給湯システム２は、分電盤９６を介して太陽光発電装置４及び蓄電装置７と接続されている。なお、太陽光発電装置４と蓄電装置７は、後述する電力管理装置５を介して給湯システム２及び電気機器９５と通信可能に接続されている。

建屋３の給湯システム２と電気機器９５は、太陽光発電装置４が生成した電力（蓄電装置７に蓄えられた電力を含む）と、外部の商用電源９１から供給される電力のいずれかを使って動作する。以下では、太陽光発電装置４及び蓄電装置７と接続されている機器であって、電力を消費する機器を電力消費機器と総称する場合がある。電力管理装置５と給湯システム２と電気機器９５は、電力消費機器に含まれる。

蓄電装置７は、太陽光発電装置４が発電した電力のうち、電力消費機器で使われずに余った電力を蓄える。夜間、あるいは、曇天の日など、太陽光発電装置４の発電能力が低いときには蓄電装置７の電力が電力消費機器に供給される。太陽光発電装置４の発電能力では電力消費機器に十分な電力を供給することができず、蓄電装置７にも十分な残電力量が無い場合、電力消費機器には外部の商用電源９１から電力が供給される。商用電源９１は、分電盤９６を介して建屋３の電力線９４に接続されている。

太陽光発電装置４と蓄電装置７はＤＣＡＣコンバータ（直流−交流変換器）９７を介して分電盤９６に接続されている。太陽光発電装置４が発電した直流電力、あるいは、蓄電装置７の直流電力は、ＤＣＡＣコンバータ９７が交流電力に変換して分電盤９６へ供給する。分電盤９６によって、ＤＣＡＣコンバータ９７から供給される電力（太陽光発電装置４の発電電力、および／または、蓄電装置７の電力）が商用電源９１から供給される電力よりも優先的に電力線９４へ供給される。ＤＣＡＣコンバータ９７から供給される電力では作動中の電力消費機器の電力を賄うのに不十分な場合は、不足分の電力は商用電源９１からの電力で補われる。太陽光発電装置４の発電電力が作動中の電力消費機器の電力を上回る場合は、余剰の電力は蓄電装置７に蓄えられる。後述するように、太陽光発電装置４と蓄電装置７とＤＣＡＣコンバータ９７は通信線９２によって電力管理装置５と接続されている。電力管理装置５は、太陽光発電装置４の発電量と蓄電装置７の蓄電量をモニタしており、ＤＣＡＣコンバータ９７を制御し、作動中の電力消費機器の電力を賄うのに十分な交流電力をＤＣＡＣコンバータ９７から出力させる。太陽光発電装置４の発電電力のうち、ＤＣＡＣコンバータ９７で変換されなかった分が蓄電装置７に蓄えられる。太陽光発電装置４の発電電力のうち、余剰の電力は、建屋３の外に伝送する（売電する）ことも有り得る。

電力管理装置５、電気機器９５、太陽光発電装置４、蓄電装置７、ＤＣＡＣコンバータ９７、給湯システム２（後述する給湯器コントローラ６）は、通信線９２（例えば、ＬＡＮ：Local Area Network）で接続されており、各装置（太陽光発電装置４、蓄電装置７、給湯システム２、電気機器９５など）の情報は全て電力管理装置５に送られる。電力管理装置５は、建屋３の外のインターネット９３にも接続されている。電力管理装置５は、建屋３の内の各装置の情報や状態、及び、インターネット９３を通じて得られる情報に基づいて、建屋３におけるエネルギ効率が高まるように、建屋３の装置を管理する。すなわち、電力管理装置５とそれに接続されている装置は、ＨＥＭＳ（Home Energy Management System）を構成する。なお、後述するように、給湯システム２は、そのコントローラ（給湯器コントローラ６）が電力管理装置５と連携して、太陽光発電装置４の電力と蓄電装置７の電力を有効に使って熱を蓄える。

給湯システム２を説明する。給湯システム２は、給湯器コントローラ６、ヒートポンプ１０、蓄熱タンク２０、ガス加熱器４７を備えている。給湯システム２は、電気式のヒートポンプ１０で水を目標温度まで加熱して蓄熱タンク２０に蓄える。ユーザの要求温度が蓄熱タンク２０の水温よりも高い場合には、蓄熱タンク２０の水をガス加熱器４７で再加熱して供給する。給湯システム２は、水の加熱に電気とガスの両方を用いるいわゆるハイブリッド式である。

ヒートポンプ１０は、外気の熱を利用して蓄熱タンク２０の水を加熱する。ヒートポンプ１０は、一次熱交換器１２、圧縮機１３、二次熱交換器１４、膨張弁１５を備えている。それらの機器は、冷媒流路１６によって接続され、上記した機器の間を冷媒が循環するようになっている。一次熱交換器１２は、外気の熱で冷媒を加熱する。一次熱交換器１２には電動ファン１７が備えられており、その電動ファン１７が外気をフィンの付いた冷媒流路１６へ送る。一次熱交換器１２へ流入前の冷媒は液体状であり、一次熱交換器１２にて外気の熱を吸収して気化する。圧縮機１３は、一次熱交換器１２にて気化した冷媒を圧縮する。気体の冷媒は圧縮されることでさらに温度が上昇する。なお、圧縮機１３も電動である。二次熱交換器１４では、圧縮された高温の冷媒が蓄熱タンク２０の水を加熱する。二次熱交換器１４にて蓄熱タンク２０の水を加熱する間に冷媒は温度が下がり液化する。膨張弁１５は、水を加熱した後の冷媒の圧力を下げて冷媒の温度を下げる。冷媒は、例えば自然冷媒Ｒ３２や二酸化炭素（ＣＯ_２）などである。膨張弁１５を通過した冷媒は再び一次熱交換器１２にて外気の熱を吸収する。蓄熱タンク２０の水は、タンク循環路３０を通じて二次熱交換器１４へ送られる。電動ファン１７と電動の圧縮機１３を備えているヒートポンプ１０は、電気で蓄熱タンク２０の水（熱媒）を加熱する電気式加熱器である。

蓄熱タンク２０は、ヒートポンプ１０によって加熱された温水を蓄える。蓄熱タンク２０は、密閉型であり、断熱材によって外側が覆われている。蓄熱タンク２０には満水まで水が貯留されている。蓄熱タンク２０の容量は例えば８０Ｌである。蓄熱タンク２０には、サーミスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが備えられている。サーミスタ２２ａ〜２２ｄは、蓄熱タンク２０の高さ方向に所定間隔で取り付けられている。各サーミスタ２２ａ〜２２ｄは、その取付位置の水の温度を測定する。例えば、各サーミスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、それぞれ、蓄熱タンクの下から５Ｌ、２０Ｌ、４０Ｌ、６０Ｌの位置の水の温度を測定する。

タンク循環路３０は、上流端が蓄熱タンク２０の下部に接続されており、下流端が蓄熱タンク２０の上部に接続されている。タンク循環路３０には、循環ポンプ３６が備えられている。循環ポンプ３６は、タンク循環路３０の中の水を上流側から下流側に送り出す。また、タンク循環路３０は、ヒートポンプ１０の二次熱交換器１４を通過している。循環ポンプ３６とヒートポンプ１０を運転すると、蓄熱タンク２０の下部の水がヒートポンプ１０で加熱され、加熱された水が蓄熱タンク２０の上部に戻される。タンク循環路３０のうち、ヒートポンプ１０の入口側（即ち上流側）と出口側（即ち下流側）には、それぞれ、サーミスタ３２、３４が備えられている。サーミスタ３２は、ヒートポンプ１０によって加熱される前の水（すなわち蓄熱タンク２０の底部の水）の温度を測定する。サーミスタ３４は、ヒートポンプ１０によって加熱された後の水の温度を測定する。

水道水導入路４０は、上流端が水道水供給源４２に接続されている。水道水導入路４０の下流側は、第１導入路４０ａと第２導入路４０ｂに分岐している。第１導入路４０ａの下流端は、蓄熱タンク２０の下部に接続されている。第２導入路４０ｂの下流端は、後述する供給路４５の途中に接続されている。第２導入路４０ｂの下流端と供給路４５との接続部分には、混合弁４４が設けられている。混合弁４４は、ユーザが要求する水温が蓄熱タンク２０の水温よりも低い場合、供給路４５を流れる温水に第２導入路４０ｂ内の水を混合し、水温を調整する。蓄熱タンク２０の温水が温水利用箇所へ供給される分だけ、第１導入路４０ａを通じて常温の水が蓄熱タンク２０へ供給される。即ち、蓄熱タンク２０は常に水で満たされている。

供給路４５は、上流端が蓄熱タンク２０の上部に接続されている。前述したように、供給路４５の途中には、水道水導入路４０の第２導入路４０ｂが接続されており、接続部分には混合弁４４が設けられている。混合弁４４より下流側の供給路４５には、ガス加熱器４７が備えられている。また、ガス加熱器４７より下流側の供給路４５には、サーミスタ４６が備えられている。サーミスタ４６は、温水利用箇所へ供給される温水の温度を測定する。ガス加熱器４７は、ユーザが要求する水温が蓄熱タンク２０の水温よりも高い場合、供給路４５を通る水（温水利用箇所に到達する前の水）を加熱する。別言すれば、ガス加熱器４７は、蓄熱タンク２０の水温が温水利用箇所で要求されている水温よりも低い場合、蓄熱タンク２０から温水利用箇所へ流れる間で水を加熱する。具体的には、ガス加熱器４７は、サーミスタ４６が測定する水温が給湯設定温度（ユーザの要求温度）と一致するように、供給路４５内の水を加熱する。供給路４５の下流端は、温水利用箇所（給湯蛇口４８や浴槽等）に接続されている。

太陽光発電装置４は、太陽光を受光することによって発電する装置である。太陽光発電装置４が発生した電力は、電力管理装置５の管理のもと、ＤＣＡＣコンバータ９７と分電盤９６を介して、給湯システム２、及び、電気機器９５に供給される。給湯システム２では、給湯器コントローラ６、ヒートポンプ１０のファン１７や圧縮機１３などが電力を使う。太陽光発電装置４が発生した電力のうち、給湯システム２と電気機器９５で使われずに余った電力は蓄電装置７に蓄えられる。

次に、給湯システム２の動作について説明する。先に述べたように、本実施例の給湯システム２は、電気式のヒートポンプ１０を使って水を目標温度（ＨＰ目標温度）まで加熱して蓄熱タンク２０に蓄える。給湯器コントローラ６は、所定の条件が成立したときに、蓄熱タンク２０の中の水の所定量がＨＰ目標温度となるようにヒートポンプ１０を運転する。「所定の条件」の例は、（１）予め定められた時刻になったとき、（２）蓄熱タンク２０の上部の水温（最上位のサーミスタ２２ｄの計測温度）がＨＰ目標温度よりも低くなったとき、（３）蓄電装置７の残電力量が満充電量に等しくなったとき、である。蓄熱タンク２０の中の水がＨＰ目標温度になるようにヒートポンプ１０を運転することを「沸き上げ運転」と称する。

上記した（１）の「予め定められた時刻」には、例えば、温水を多く使う時間帯の１−２時間前が設定されている。給湯器コントローラ６は、毎日の温水の利用履歴を記憶し、過去の利用履歴から温水が大量に使われる時間帯を特定する。給湯器コントローラ６は、特定した時間帯の１〜２時間前を、沸き上げ運転の開始時刻として設定する。多くの家庭では、起床時から朝食の時間帯、及び、夕食後の入浴時間帯が、温水が大量に使われる時間帯となる。

上記した（３）の「蓄電装置７の残電力量が満充電量に等しくなったとき」の沸き上げ運転について説明する。この沸き上げ運転は、蓄電装置７が満充電のときに、太陽光発電装置４の発電電力を使って行われる。これは、蓄電装置７が満充電であり、それ以上に電力を蓄えることができないときに、太陽光発電装置４の発電電力を無駄にしないために行われる。

（３）の沸き上げ運転のフローチャートを図２に示す。給湯器コントローラ６は、定期的（例えば３０分毎）に、図２の処理を実行する。先に述べたように、給湯器コントローラ６は、通信線９２により電力管理装置５と通信する。給湯器コントローラ６は、電力管理装置５から、蓄電装置７の残電力量を取得する（Ｓ２）。なお、給湯器コントローラ６は、予め電力管理装置５から、蓄電装置７の満充電量の値も取得している。

次に、給湯器コントローラ６は、取得した残電力量が、蓄電装置７の満充電量に等しいか否かをチェックする（Ｓ３）。給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に満たないときは（Ｓ３：ＮＯ）、図２の処理を終了する。一方、給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に等しい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４に進み、現在時刻が１６時前か否かをチェックする（Ｓ４）。なお、ステップＳ３の残電力量が満充電量に等しいか否かの判断において、満充電量に等しいとみなす所定の許容値（クリアランス）が設定されている。例えば、給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量の９５％以上の場合に残電力量が満充電量に等しいと判断する。

ステップＳ４において、現在時刻が１６時以後であるときには、給湯器コントローラ６は処理を終了する。１６時以後では、沸き上げ運転に十分な電力を太陽光発電で得られない可能性が高いからである。現在時刻が１６時前の場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転の準備として、次のステップＳ５でＨＰ目標温度を決定する。

ステップＳ５において、給湯器コントローラ６は、予め記憶されている目標温度テーブルを参照し、ＨＰ目標温度を決定する。目標温度テーブルの一例を図３に示す。現在時刻が１２時前の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に６５［℃］を設定する。現在時刻が１２時から１４時の間の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に５５［℃］を設定する。現在時刻が１４時から１６時の間の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に４５［℃］を設定する。

図３のテーブルに示されているように、ＨＰ目標温度には、蓄電装置７の残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻が早いほど高い温度が設定されている。これは、時刻が早ければ、その時刻以降、太陽光発電装置４に多くの発電量が期待できるからである。すなわち、給湯システム２は、残電力量が満充電量に等しくなった時刻が早いほど、その後に多くの発電量が見込めるので、高いＨＰ目標温度を設定して多くの電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄える。

給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の下部の水温（最下位のサーミスタ２２ａの計測温度）が、ステップＳ５で決定したＨＰ目標温度と同じかそれ以上の場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、ＨＰ目標温度を、蓄熱タンク２０の下部の水温よりも高い温度に引き上げる（Ｓ７）。蓄熱タンク２０の下部の水温がステップＳ５で決定したＨＰ目標温度以上の場合であっても余剰電力を熱に変換して蓄えるため、ＨＰ目標温度を引き上げ、沸き上げ運転を行えるようにする。

次に給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ１０の運転を開始する（Ｓ８）。即ち、給湯システム２は沸き上げ運転を開始する。給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ１０の入口側の水温（サーミスタ３２の計測温度）がＨＰ目標温度と同じかそれ以上となるまで沸き上げ運転を続ける（Ｓ９：ＮＯ）。給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ１０の入口側の水温がＨＰ目標温度と同じかそれ以上となったら、ヒートポンプ１０を停止する（Ｓ１０）。即ち、給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転を終了する。ステップＳ１０の判断がＹＥＳとなったとき、蓄熱タンク２０の水の全量がＨＰ目標温度になっている。

以上の処理により、蓄熱タンク２０にＨＰ目標温度の水が貯えられる。上記の処理は、蓄電装置７が満充電状態のときに実施される。上記の処理では、沸き上げ運転に蓄電装置７の電力を使う必要がない（あるいは、ほとんど使わない）。沸き上げ運転を行っている間でも、蓄電装置７の電力で他の電力消費機器を駆動することができ、商用電源９１の電力を使わずに済む。給湯システム２は、蓄電装置７の残電力量が満充電量に等しいことが検出された時刻が早いほど、高いＨＰ目標温度を設定して沸き上げ運転を行う。給湯システム２は、その後の日照時間が長く、発電量が多いことが見込めるときには高いＨＰ目標温度を設定し、多くの電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄える。

図２のフローチャートの処理に従って沸き上げ運転を実行している間も、電力管理装置５は、給湯システム２を含め、電力消費機器の状態をモニタし、電力線９４へ供給する電力を調整する。沸き上げ運転の実行中、他の電力消費機器（例えばエアコンなど）が起動され、電力消費機器の総消費電力が一時的に増大すると、電力管理装置５はＤＣＡＣコンバータ９７の出力を高める。その結果、蓄電装置７の電力も電力線９４に供給される可能性がある。その場合、沸き上げ運転中に蓄電装置７の残電力が減ることになる。しかし、実施例の給湯システム２では、沸き上げ運転中に蓄電装置７の蓄電量が一時的に低下しても、以下で説明するように、その後の太陽光発電装置４の発電により、蓄電装置７の残電力量を回復できる。その結果、沸き上げ運転後に商用電源９１の電力を使う可能性を低減できる。その一方で、給湯システム２は、沸き上げ運転により、電気エネルギを熱エネルギに替えて蓄える。給湯システム２は、建屋３の総エネルギ効率を高めることができる。給湯システム２は、電力消費機器の駆動のため蓄電装置７の残電力量を確保しつつ、太陽光発電装置４の発電で余剰となる電力を熱エネルギに変換して蓄えることができる。

図２の沸き上げ運転では、残電力量が満充電量に等しくなった時刻が早ければ高いＨＰ目標温度が設定され、給湯システム２の消費電力は大きくなる。逆に、残電力量が満充電量に等しくなった時刻が遅ければ低いＨＰ目標温度が設定され、給湯システム２の消費電力は低く抑えられる。建屋３の総消費電力が一時的に増大しても、図２の沸き上げ運転の処理では、沸き上げ運転後の日照時間が長く、多くの発電量が期待できる時間帯ではＨＰ目標温度を高く設定する。逆に、沸き上げ運転後の日照時間が短く、多くの発電量が期待できない時間帯ではＨＰ目標温度を低く設定する。それゆえ、沸き上げ運転中に蓄電装置７の電力を使うことになっても、沸き上げ運転終了後の太陽光発電装置４の発電により、蓄電装置７の残電力量を回復でき、商用電源９１の電力を使う可能性を低減できる。

図２のフローチャートにおいて、ステップＳ５のＨＰ目標温度の決定手順の変形例を説明する。実施例では、給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻と図３のテーブルに基づいてＨＰ目標温度を決定した。変形例では、給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻と、そのときの蓄熱タンク２０の下部の水温と、図４のテーブルに基づいてＨＰ目標温度を決定する。図４のテーブルにおける加算温度（＋２０［℃］、＋１５［℃］、＋１０［℃］）は、蓄熱タンク２０の下部の水温に加算する温度を意味する。即ち、この変形例では、残電力量が満充電量に等しいことが検知された際、図４のテーブルに記されている加算温度を、蓄熱タンク２０の下部の水温に加算した温度をＨＰ目標温度に設定する。加算温度は、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻が早いほど、大きい値に設定されている。図４のテーブルに基づいた手順によっても、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻が早いほど高いＨＰ目標温度が設定される。この変形例を採用すると、図２のフローチャートにおけるステップＳ６、Ｓ７の処理が不要となる。

（第２実施例）次に第２実施例の給湯システムを説明する。なお、第２実施例の給湯システムのハードウエア構成は第１実施例の給湯システム２と同じである。即ち、第２実施例の給湯システムの構成は、図１のブロック図で示される。第２実施例の給湯システムは、給湯器コントローラ６が実行する処理が第１実施例の場合と異なる。また、第２実施例の給湯システムの場合、電力管理装置５は、蓄電装置７の残電力量に加え、現在時刻から所定時間後までの直近時間帯の太陽光発電装置４の予測発電電力と、電力消費機器（太陽光発電装置４に接続されている機器）の直近時間帯の予測消費電力とを取得する。本実施例では、「直近時間帯」は、現在時刻から例えば２時間である。２時間は、沸き上げ運転に要する時間の目安となる時間である。なお、沸き上げ運転に要する時間は、ＨＰ目標温度と、そのときに蓄熱タンク２０に蓄えられている熱エネルギの大きさと、外気温に依存して変化する。２時間は、給湯器コントローラ６が過去の沸き上げ運転のデータから算出した値である。例えば、給湯器コントローラ６は、過去の複数回の沸き上げ運転の所要時間の平均値を上記した「直近時間帯」として設定する。

予測発電電力は、太陽光発電装置４の能力と、その日の日照状態予測データから求められる。電力管理装置５は、インターネット９３を介して他のコンピュータ（例えば気象庁のコンピュータなど、気象に関するデータを提供しているコンピュータ）から、その日の日照状態予測データを取得する。電力管理装置５は、太陽光発電装置４の能力と日照状態予測データから、毎時の発電電力を予測する。また、電力管理装置５は、通信線９２を介して電力消費機器の毎日の動作をモニタしており、過去のデータから、各電力消費機器の一日の電力消費のパターンを特定して記憶している。電力管理装置５は、各電力消費機器の電力消費パターンから、直近時間帯の毎時の予測消費電力を特定する。

第２実施例の給湯システムでは、給湯器コントローラ６は、電力管理装置５から取得した残電力量が蓄電装置７の満充電量に等しく、かつ、太陽光発電装置４の予測発電電力が直近時間帯で常に予測消費電力よりも大きい場合に沸き上げ運転を行う。図５に、第２実施例の沸き上げ運転のフローチャートを示す。

給湯器コントローラ６は、定期的（例えば１時間毎）に、図５の処理を実行する。給湯器コントローラ６は、電力管理装置５から、上記したデータ（残電力量、直近時間帯の予測発電電力と予測消費電力）を取得する（Ｓ１２）。先に述べたように、予測発電電力と予測消費電力は、直近時間帯の毎時ごとにデータがある。次に、給湯器コントローラ６は、受信した残電力量が、蓄電装置７の満充電量に等しいか否かをチェックする（Ｓ１３）。蓄電装置７の満充電量は、予め給湯器コントローラ６が電力管理装置５から取得している。給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に満たないときは（Ｓ１３：ＮＯ）、図４の処理を終了する。一方、給湯器コントローラ６は、残電力量が満充電量に等しい場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ステップＳ１４に進み、予測発電電力と予測消費電力を比較する。なお、第１実施例の場合と同じく、残電力量に対して満充電量とみなす許容値が設定されている。

ステップＳ１４の処理において、給湯器コントローラ６は、直近時間帯の毎時ごとに予測発電電力が予測消費電力よりも大きいか否かを比較する。即ち、給湯器コントローラ６は現在時刻における予測発電電力と予測消費電力を比較し、次いで１時間後の予測発電電力と予測消費電力を比較し、さらに２時間後の予測発電電力と予測消費電力を比較する。給湯器コントローラ６は、全ての時間帯で予測発電電力が予測消費電力以上の場合、ステップＳ１４にてＹＥＳと判断する。別言すれば、給湯器コントローラ６は、直近時間帯の間、常に予測発電電力が予測消費電力よりも大きい場合、ステップＳ１４にてＹＥＳと判断し、ステップＳ１５に進む。なお、ステップＳ１４の判断がＮＯの場合、給湯器コントローラ６は、処理を終了する。

ステップＳ１４の判断がＹＥＳの場合、給湯器コントローラ６は、余剰電力量を算出し、その余剰電力量からＨＰ目標温度を決定する（Ｓ１５）。余剰電力量とは、直近時間帯における毎時の予測発電電力の積分値から、直近時間帯における毎時の予測消費電力量の積分値を減じた値である。なお、直近時間帯における毎時の予測発電電力の積分値は、直近時間帯における予測発電量を意味し、直近時間帯における毎時の予測消費電力の積分値は、直近時間帯における予測消費電力量を意味する。予測発電電力と予測消費電力の単位は［Ｗ］であり、予測発電量、予測消費電力量、余剰電力量の単位は［Ｗｈ］である。

給湯器コントローラ６は、算出した余剰電力量に基づき、図６のテーブルを参照してＨＰ目標温度を決定する。例えば、余剰電力量が３．０［ｋＷｈ］以上の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に６５［℃］を設定し、余剰電力量が２．０〜３．０［ｋＷｈ］の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に５５［℃］を設定する。余剰電力量が２．０［ｋＷｈ］未満の場合、給湯器コントローラ６は、ＨＰ目標温度に４５［℃］を設定する。

ＨＰ目標温度が決定された後、給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ入口の水温（サーミスタ３２の計測温度）がＨＰ設定温度以上となるまでヒートポンプを運転する（Ｓ１８、Ｓ１９）。なお、余剰電力量が２．０［ｋＷｈ］未満の場合、給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ入口の水温がＨＰ設定温度以上となるまで沸き上げ運転を継続するのではなく、蓄熱タンク２０の上下方向の中間に位置するサーミスタ２２ｂまたは２２ｃの計測温度がＨＰ目標温度に達した時点で沸き上げ運転を停止してもよい。すなわち、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の中の所定量の水がＨＰ目標温度に達するように沸き上げ運転を行ってもよい。この処理は、余剰電力量が少ない場合に、蓄電装置７の電力を使うことなく、太陽光発電装置４の発電電力を熱エネルギに変換するためである。

図６に示されているように、給湯器コントローラ６は、余剰電力量が大きいほど高い目標温度を設定する。そうすることで、余剰電力量を有効に熱エネルギに換えて蓄えることができる。第２実施例の給湯システム２は、蓄電装置７の残電力量を減らさないようにしつつ余剰の電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄える。第２実施例の給湯システム２は、電力消費機器へ供給可能な電力を蓄電装置７に確保しつつ、できるだけ多くの熱エネルギを蓄えることができる。

第２実施例の給湯システム２は、蓄電装置７の残電力量が満充電量に等しいとき、余剰電力量（直近時間帯における予測発電電力の積分値から直近時間帯における予測消費電力の積分値を減じた値）が大きいほど高いＨＰ目標温度を設定して沸き上げ運転を行う。この処理により、太陽光発電装置４が発電しなくなった後の他の電力消費機器のために蓄電装置７の電力を残しつつ、余剰の電力を熱エネルギに換えて蓄えることができる。

ステップＳ１５のＨＰ目標温度の決定処理の変形例を説明する。この変形例では、ＨＰ目標温度の決定に先立って、給湯器コントローラ６は、電力管理装置５から外気温度を取得する。給湯器コントローラ６は、外気温度とヒートポンプ１０のＣＯＰ（成績係数）から、余剰電力量でヒートポンプ１０を駆動したときに蓄熱タンク２０の水に与え得る熱量を算出する。また、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０のサーミスタ２２ａ〜２２ｄの計測値から、蓄熱タンク２０に蓄えられている熱量を算出する。給湯器コントローラ６は、蓄熱タンクの熱量にヒートポンプ１０で与え得る熱量を加えた合計熱量を算出する。給湯器コントローラ６は、合計熱量によって得られる蓄熱タンク２０の平均水温を算出する。給湯器コントローラ６は、その平均水温を沸き上げ運転の目標温度（ＨＰ目標温度）に設定する。この変形例の処理によれば、給湯システム２は、蓄電装置７の残電力量を下げることなく、余剰電力量だけで沸き上げ運転を完遂することができる。また、給湯システム２は、直近時間帯の余剰電力量に基づいてＨＰ目標温度を定めており、概ね直近時間帯の間に、沸き上げ運転を完遂することができる。

実施例の給湯システム２に関する留意点を述べる。一般に、ヒートポンプ（電気加熱器）のＣＯＰ（成績係数）は、ＨＰ目標温度が低いほど良い。一方、ハイブリッド式給湯システムでは、蓄熱タンク内の水を給湯前に加熱するガス加熱器を備えているため、蓄熱タンク内の水温が低くても、ユーザが要求する温度の水を供給することができる。すなわち、ハイブリッド式給湯システムでは、沸き上げ運転の目標温度（ＨＰ目標温度）の決定に自由度があり、ＨＰ目標温度を低めに設定することによってエネルギ効率を高めることができる。第１実施例の給湯システムでは、残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻が早い場合、高いＨＰ目標温度を設定し、ＣＯＰが多少下がっても多くの電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄えることで、太陽光発電装置４と蓄電装置７に接続されている電力消費機器全体のエネルギ効率を向上させる。第２実施例の給湯システムでは、太陽光発電装置４による余剰電力量が大きい場合、高いＨＰ目標温度を設定し、ＣＯＰが多少下がっても余剰の電気エネルギを熱エネルギに変換して蓄えることで、太陽光発電装置４と蓄電装置７に接続されている電力消費機器全体のエネルギ効率を向上させる。

給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転の途中で電力消費機器の消費電力が予測消費電力を上回った場合、沸き上げ運転を途中で停止してもよい。

図５のステップＳ１４では、給湯器コントローラ６は、直近時間帯の間、常に予測発電電力が予測消費電力よりも大きい場合にＹＥＳと判断する。給湯器コントローラ６は、一次的に予測発電電力が予測消費電力よりも小さくなっても、直近時間帯の大半で予測発電電力が予測消費電力よりも大きい場合にＹＥＳと判断するようにしてもよい。また、ステップＳ１４の処理では、２時間の余剰電力の場合としているが、給湯器コントローラ６は、一時間毎に判断を実行してもよい。

本実施例における沸き上げ運転では、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の中の水の全量がＨＰ目標温度になるようにヒートポンプ１０を運転する。「沸き上げ運転」は、蓄熱タンク２０の中の水の全量をＨＰ目標温度にする処理に限られない。「沸き上げ運転」は、蓄熱タンク２０の中の水の所定量をＨＰ目標温度にする処理である。他の例では、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の中の半分の水がＨＰ目標温度になるようにヒートポンプ１０を運転してもよい。その場合、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の高さ方向の中間に配置されたサーミスタ２２ｂ又は２２ｃの計測温度がＨＰ目標温度に達した時点でヒートポンプ１０の運転を停止する。

実施例のヒートポンプ１０が請求項の「電気加熱器」の一例に相当する。実施例のヒートポンプ１０は、外気から吸熱して水（熱媒）を加熱する装置である。「電気加熱器」は、蓄熱タンク２０の内部に設置される電気ヒータであってもよい。実施例の商用電源９１が請求項の「他の電源」の一例に相当する。「他の電源」は、燃料電池やエンジン式発電装置であってもよい。本明細書が開示する技術は、商用電源と燃料電池その他の電源を併用するものであってもよい。

実施例の供給路４５と給湯蛇口４８が請求項の「供給手段」の一例に相当する。また、蓄熱タンク２０に蓄えられる水が、請求項の「熱媒」の一例に相当する。実施例では「熱媒」が水であるので、蓄熱タンク２０の水が、温水利用箇所に直接供給される。ヒートポンプで加熱され蓄熱タンクに蓄えられる熱媒は、水以外の媒体であってもよい。その場合、給湯システムは、蓄熱タンクの熱媒の熱で水を加熱する熱交換器を備える。その熱交換器が請求項の「供給手段」の一例に相当する。

実施例の電力管理装置５が請求項の「電力データ取得手段」の一例に相当する。実施例の給湯器コントローラ６が請求項の「制御器」の一例に相当する。電力データ取得手段は、給湯システム２が設置されている建屋３とは別の場所に備えられており、インターネットを通じて給湯システムと通信可能な装置であってもよい。あるいは、給湯システム２のコントローラ（給湯器コントローラ６）が直接に太陽光発電装置４や蓄電装置７や電気機器９５と通信するものであってもよい。その場合は、給湯器コントローラ６が電力データ取得手段を兼ねる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：給湯システム
３：建屋
４：太陽光発電装置
５：電力管理装置
６：給湯器コントローラ
７：蓄電装置
１０：ヒートポンプ
１２：一次熱交換器
１３：圧縮機
１４：二次熱交換器
１５：膨張弁
１６：冷媒流路
１７：電動ファン
２０：蓄熱タンク
２２ａ−２２ｄ、３２、３４、４６：サーミスタ
３０：タンク循環路
３６：循環ポンプ
４０：水道水導入路
４０ａ：第１導入路
４０ｂ：第２導入路
４２：水道水供給源
４４：混合弁
４５：供給路
４７：ガス加熱器
４８：給湯蛇口
９１：商用電源
９２：通信線
９３：インターネット
９４：電力線
９５：電気機器
９６：分電盤
９７：ＤＣＡＣコンバータ

Claims

太陽光発電装置と接続されているとともに、前記太陽光発電装置の発電電力を蓄える蓄電装置と接続されている給湯システムであって、
熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で前記蓄熱タンクの熱媒を加熱する電気加熱器と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する供給手段と、
前記蓄熱タンクの熱媒で加熱された水の温度が前記温水利用箇所で要求される水の温度よりも低い場合、前記温水利用箇所に到達する前の水を加熱するガス加熱器と、
前記蓄熱タンクの熱媒が目標温度になるように前記電気加熱器を駆動する沸き上げ運転を行う制御器と、
前記蓄電装置の残電力量を取得する電力データ取得手段と、を備えており、
前記制御器は、前記電力データ取得手段によって取得された前記残電力量が前記蓄電装置の満充電量に等しいとき、前記残電力量が満充電量に等しいことが検知された時刻に基づいて前記目標温度を設定して沸き上げ運転を行うことを特徴とする給湯システム。
前記制御器は、前記残電力量が前記満充電量に等しいことが検知された時刻が早いほど高い目標温度を設定して沸き上げ運転を行うことを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
太陽光発電装置と接続されているとともに、前記太陽光発電装置の発電電力を蓄える蓄電装置と接続されている給湯システムであって、
熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で前記蓄熱タンクの熱媒を加熱する電気加熱器と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する供給手段と、
前記蓄熱タンクの熱媒で加熱された水の温度が前記温水利用箇所で要求される水の温度よりも低い場合、前記温水利用箇所に到達する前の水を加熱するガス加熱器と、
前記蓄熱タンクの熱媒が目標温度になるように前記電気加熱器を駆動する沸き上げ運転を行う制御器と、
前記蓄電装置の残電力量と、現在時刻から所定時間後までの直近時間帯の前記太陽光発電装置の予測発電電力と、前記太陽光発電装置に接続されている電力消費機器の前記直近時間帯の予測消費電力とを取得する電力データ取得手段と、を備えており、
前記制御器は、前記電力データ取得手段によって取得された前記残電力量が前記蓄電装置の満充電量に等しく、かつ、前記直近時間帯で前記予測発電電力が前記予測消費電力よりも大きい場合に沸き上げ運転を行うとともに、
前記直近時間帯における前記予測発電電力の積分値から前記直近時間帯における前記予測消費電力の積分値を減じた余剰電力量が大きいほど高い目標温度を設定して沸き上げ運転を行うことを特徴とする給湯システム。
太陽光発電装置と接続されているとともに、前記太陽光発電装置の発電電力を蓄える蓄電装置と接続されている給湯システムであって、
熱媒を蓄える蓄熱タンクと、
前記太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で前記蓄熱タンクの熱媒を加熱する電気加熱器と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒の熱を利用して温水利用箇所に温水を供給する供給手段と、
前記蓄熱タンクの熱媒で加熱された水の温度が前記温水利用箇所で要求される水の温度よりも低い場合、前記温水利用箇所に到達する前の水を加熱するガス加熱器と、
前記蓄熱タンクの熱媒が目標温度になるように前記電気加熱器を駆動する沸き上げ運転を行う制御器と、
前記蓄電装置の残電力量と、現在時刻から所定時間後までの直近時間帯の前記太陽光発電装置の予測発電電力と、前記太陽光発電装置に接続されている電力消費機器の前記直近時間帯の予測消費電力とを取得する電力データ取得手段と、を備えており、
前記制御器は、前記電力データ取得手段によって取得された前記残電力量が前記蓄電装置の満充電量に等しく、かつ、前記直近時間帯で前記予測発電電力が前記予測消費電力よりも大きい場合に沸き上げ運転を行うとともに、
前記直近時間帯における前記予測発電電力の積分値から前記直近時間帯における前記予測消費電力の積分値を減じた余剰電力量で沸き上げ運転が完遂するように前記目標温度を設定して沸き上げ運転を行うことを特徴とする給湯システム。
前記電気加熱器は、外気から吸熱して熱媒を加熱するヒートポンプであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の給湯システム。
前記熱媒は水であり、前記供給手段は、前記蓄熱タンクに蓄えられた温水を前記温水利用箇所に供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の給湯システム。