JPWO2017109887A1 - 給湯機及びエネルギー管理システム - Google Patents

Abstract

給湯機（５）は、冷媒を圧縮する圧縮機（８０）と、圧縮された冷媒と水との熱交換を行う第１の熱交換器（８１）と、第１の熱交換器（８１）を通過した水を貯留する貯湯タンク（９０）と、第１の熱交換器（８１）に水を供給するポンプ（９１）と、第１の熱交換器（８１）を通過した冷媒を膨張させる膨張弁（８２）と、制御基板（９２）と、を備える。制御基板（９２）は、外部から目標消費電力を受け付けると、受け付けた目標消費電力に収まるように、圧縮機（８０）、ポンプ（９１）及び膨張弁（８２）をフィードフォワード制御する。

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、給湯機等の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、貯湯式の給湯装置において、余剰電力に基づいて設定された使用可能電力の制限の下でコンプレッサを制御する技術が提案されている。

特開２０１４−９５５０１号公報

特許文献１の技術では、コンプレッサの回転数は、運転開始時では、フィードフォワード制御により制御され、所定時間後、使用可能電力に基づきフィードバック制御される。

ところで、上述のように、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り得る。

このような場合、給湯機に対して従来のようなフィードバック制御を行うのみでは、変更後の目標消費電力に応じた適切な運転状態になるまでに、時間がかかってしまうという問題がある。

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、変更後の目標消費電力への追従性が高い給湯機等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、
前記冷媒と水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器からの水を貯留する貯湯タンクと、
前記熱交換器に水を供給するポンプと、
前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
目標消費電力を外部から受け付ける受付手段と、
前記目標消費電力を受け付けると、前記目標消費電力に収まるように、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁をフィードフォワード制御する制御手段と、を備える。

本発明によれば、目標消費電力を受け付けると、この目標消費電力に収まるように、圧縮機とポンプと膨張弁とをフィードフォワード制御する。このため、変更後の目標消費電力への追従性が向上する。

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。 フィードフォワード制御処理の手順を示すフローチャートである。 沸上げ温度のオーバーシュート、アンダーシュートについて説明するための図である。 他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。

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、家屋Ｈ、即ち、需要地で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、家屋Ｈに配設された電力線Ｄ１〜Ｄ３のそれぞれを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 panel）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）、Ｗｉ−ＳＵＮ（登録商標）や有線ＬＡＮ等の周知の通信規格に則った通信を行う。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 controller）と、操作端末３と無線通信又は有線通信するための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。

消費電力変更要求部２０３は、一定時間（例えば、１０分）毎に、給湯機５が使用可能な電力（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、算出した使用可能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（換言すると、新しい目標消費電力）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、第１の熱交換器８１と、膨張弁８２と、第２の熱交換器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、第１の熱交換器８１、膨張弁８２及び第２の熱交換器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から指示される制御値に従って容量を変更する。

第１の熱交換器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。第１の熱交換器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。第１の熱交換器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から指示される制御値に従って弁開度を変更する。

第２の熱交換器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。第２の熱交換器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における第１の熱交換器８１の入水側に設けられ、第１の熱交換器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、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、ステンレスなどの金属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の第１の熱交換器８１とは配管１０で接続され、貯湯タンク９０の下部を起点に、ポンプ９１、第１の熱交換器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。

ポンプ９１は、貯湯タンク９０の下部からの低温水を第１の熱交換器８１へ搬送する。ポンプ９１は、インバータ回路を備え、制御基板９２から指示される制御値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、ポンプ９１の動作を制御する。加えて、制御基板９２は、後述するフィードフォワード制御を行う。

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。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の第１の熱交換器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、第１の熱交換器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という特徴を有する。

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から、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ことが判る。この関係を利用して、目標消費電力の大きな変更を要する際、圧縮機８０の駆動周波数を変更して、消費電力を変更後の目標消費電力に一気に近づけることが可能となる。本実施形態の給湯機５は、このようにして目標消費電力が大きく変更される際、変更後の目標消費電力に応じた駆動周波数を推定し、推定した駆動周波数に基づいてポンプ９１及び膨張弁８２それぞれの目標制御値を算出する。そして、給湯機５は、圧縮機８０、ポンプ９１及び膨張弁８２を算出したそれぞれの目標制御値で同期させて制御するフィードフォワード制御を行う。

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、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、制御値決定部９２３と、同期制御部９２４とを備える。駆動周波数推定部９２１、水流量推定部９２２、制御値決定部９２３及び同期制御部９２４は、本発明の制御手段を構成する。

変更要求受付部９２０（受付手段）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（推定手段）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（推定手段）は、新たな目標消費電力（Ｗ０）に対応する水流量（Ｕ）を実験式や機器特性式など用いて導出した下記の相関式によって推定する。

Ｕ＝ｆ（Ｗ０，Ｔｗｏ，Ｔａ，Ｔｗｉ） （式２）

制御値決定部９２３は、給湯機５におけるフィードフォワード制御の対象となる各構成部を同期制御するための各目標制御値を決定する。具体的には、制御値決定部９２３は、圧縮機８０の目標制御値が、推定された駆動周波数（Ｈ）となるように決定し、ポンプ９１の目標制御値が、推定された水流量（Ｕ）に対応する駆動回転数となるように決定する。また、制御値決定部９２３は、推定された駆動周波数（Ｈ）から導出される冷媒の流量においても冷凍サイクル回路の高圧と低圧が維持可能な絞り量（弁開度）を膨張弁８２の特性式から推定し、推定した弁開度を膨張弁８２の目標制御値として決定する。

同期制御部９２４は、上記のように決定された各目標制御値で各構成部を同期させて制御する。具体的には、同期制御部９２４は、決定されたポンプ９１の目標制御値でポンプ９１を動作させると共に、決定された圧縮機８０及び膨張弁８２それぞれの目標制御値をヒートポンプユニット８の制御基板８６に通知する。かかる通知を受けた制御基板８６は、圧縮機８０及び膨張弁８２をそれぞれの目標制御値で動作させる。

上記の同期制御が実行されると、制御装置２から新たな変更要求データが送信されるまで、給湯機５の制御基板８６及び制御基板９２は、フィードバック制御を実行する。具体的には、制御基板８６は、目標消費電力と現在の給湯機５の消費電力の差分が小さくなるように圧縮機８０の駆動周波数を調整する。現在の給湯機５の消費電力は、前述したように、制御装置５から一定時間毎に給湯機５に通知される。

また、制御基板８６は、目標沸上げ温度と現在の沸上げ温度の差分が小さくなるように膨張弁８２の弁開度を調整する。そして、制御基板９２は、目標沸上げ温度と現在の沸上げ温度の差分が小さくなるようにポンプ９１の駆動回転数を調整する。

図８は、給湯機５の制御基板９２によって実行されるフィードフォワード制御処理の手順を示すフローチャートである。制御装置２から目標消費電力の変更指令があると、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Ｓ１０１；ＹＥＳ）、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（ステップＳ１０２）。

また、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（ステップＳ１０３）。制御値決定部９２３は、推定された駆動周波数（Ｈ）と水流量（Ｕ）とから、フィードフォワード制御の対象となる各構成部を同期制御するための各目標制御値を決定する（ステップＳ１０４）。

そして、同期制御部９２４は、決定された各目標制御値で各構成部（圧縮機８０、膨張弁８２、ポンプ９１）を同期させて制御する（ステップＳ１０５）。

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、制御装置２は、一定時間間隔で、算出した使用可能電力と現在の給湯機５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。そして、許容値に収まっていない場合、給湯機５に対して、目標消費電力の変更を要求する。

かかる要求を受けると、給湯機５は、新たな目標消費電力に対応する駆動周波数及び水流量を推定し、圧縮機８０、膨張弁８２及びポンプ９１の各目標制御値を決定し、決定した各目標制御値で圧縮機８０、膨張弁８２及びポンプ９１を同期させて制御する。

このため、目標消費電力の大幅な変更を行った場合であっても、各構成部の動作が安定するまでの収束時間が短縮でき、変更後の目標消費電力に応じたより適切な沸上げ運転が可能となる。

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のフィードバック制御を行うことが可能となる。

また、フィードフォワード制御の対象として送風機８４も含めるようにして、フィードフォワード制御の際、目標制御値として決定したファン回転数で送風機８４を動作させ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、制御装置２から目標消費電力の変更要求があった際、給湯機５は、一回のフィードフォワード制御処理において、各構成部を決定した各目標制御値で動作させるのではなく、現在の各制御値から各目標制御値までの差分の５０％程度で各構成部を動作させる処理を複数回繰り返すようにしてもよい。即ち、それぞれの制御値が決定した各目標制御値に除々に近づくように制御してもよい。このようにすると、運転挙動の急変を抑えながら安定動作までの時間を短縮することができる。

図９は、圧縮機８０の駆動周波数の変更に伴う、沸上げ温度のオーバーシュート、アンダーシュートの様子を示す図である。駆動周波数を低くすると沸上げ能力が低下する方向になるため、熱容量の影響などにより沸上げ温度は、図９に示すように一旦上昇してから収束することが知られている。また、駆動周波数を高くすると、沸上げ温度は一旦下降してから収束することが知られている。このようなオーバーシュート、アンダーシュートに起因した水温変化は、ユーザに不快感を与える可能性があり、特に極端なオーバーシュートが発生すると、火傷等の人体への悪影響を及ぼす危険性があり、また、故障の原因となることが懸念される。

このため、オーバーシュート防止の観点から、目標消費電力が大きくなる方向で変更される場合よりも小さくなる方向で変更される場合に、圧縮機８０とポンプ９１と膨張弁８２それぞれの制御値の変更幅が大きくなるように、それぞれの目標制御値を決定するようにしてもよい。

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、制御値決定部９２３及び同期制御部９２４を備え、上述したフィードフォワード制御処理（図８参照）を実行してもよい。

上記の実施形態では、ＣＰＵ２０によって二次記憶装置２４に記憶されている１又は複数のプログラムが実行されることで、制御装置２の各機能部（図３参照）が実現された。しかし、制御装置２の機能部の全部又は一部が、専用のハードウェアで実現されるようにしてもよい。専用のハードウェアとは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又は、これらの組み合わせ等である。

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１０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等の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等に格納しておき、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等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 第１の熱交換器、８２ 膨張弁、８３ 第２の熱交換器、８４ 送風機、８５ａ，８５ｂ 温度センサ、８６ 制御基板、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、Ｄ１〜Ｄ５ 電力線

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、
前記冷媒と水との熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器からの水を貯留する貯湯タンクと、
前記熱交換器に水を供給するポンプと、
前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
目標消費電力を外部から受け付ける受付手段と、
前記目標消費電力に対応する前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁それぞれの目標制御値を決定し、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁を前記決定されたそれぞれの目標制御値で同期させて制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記目標消費電力が、前回の目標消費電力より大きくなる方向で変更される場合よりも小さくなる方向で変更される場合に、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁それぞれの制御値の変更幅が大きくなるように、それぞれの目標制御値を決定する。

Claims (6)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記冷媒と水との熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器からの水を貯留する貯湯タンクと、
   前記熱交換器に水を供給するポンプと、
   前記冷媒を膨張させる膨張弁と、
   目標消費電力を外部から受け付ける受付手段と、
   前記目標消費電力を受け付けると、前記目標消費電力に収まるように、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁をフィードフォワード制御する制御手段と、を備える、給湯機。
2. 前記制御手段は、
   前記目標消費電力に対応する前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁それぞれの目標制御値を決定する制御値決定手段と、
   前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁を前記決定されたそれぞれの目標制御値で同期させて制御する同期制御手段と、をさらに備える、請求項１に記載の給湯機。
3. 前記制御手段は、目標沸上げ温度と、前記目標消費電力と、外気温度と、前記熱交換器に供給される水の温度とをパラメータとして、前記圧縮機の駆動周波数及び前記熱交換器に供給される水の流量を推定する推定手段をさらに備え、
   前記制御値決定手段は、前記推定された駆動周波数及び水の流量に基づいて、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁それぞれの目標制御値を決定する、請求項２に記載の給湯機。
4. 前記同期制御手段は、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁を、それぞれの制御値が前記決定した各目標制御値に除々に近づくように制御する、請求項２又は３に記載の給湯機。
5. 前記制御値決定手段は、前記目標消費電力が、前回の目標消費電力より大きくなる方向で変更される場合よりも小さくなる方向で変更される場合に、前記圧縮機、前記ポンプ及び前記膨張弁それぞれの制御値の変更幅が大きくなるように、それぞれの目標制御値を決定する、請求項２から４の何れか１項に記載の給湯機。
6. 制御装置と、請求項１から５の何れか１項に記載の給湯機と、を備え、
   前記制御装置は、太陽光による発電設備から出力される発電電力と、宅内の消費電力と、前記給湯機の現在の目標消費電力と、に基づいて、前記目標消費電力の変更の要否を判別し、変更を要する場合に、前記給湯機に変更後の目標消費電力を通知する、エネルギー管理システム。

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