JP5759213B2 - 給湯システムの凍結予防装置及び給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電併給装置等の排熱利用型の主熱源機との熱交換により加熱された温水を利用する給湯システムに関し、特に、温水循環経路に設けられたラジエータの凍結予防技術に関する。

近年、ＣＯ_２排出量の削減や省エネルギを志向したガスエンジン型或いは燃料電池型の熱電併給装置等の熱電併給可能な分散型発電システムの開発が活発であり実用化も進んでいる。

当該熱電併給装置は、発電時に発熱するため当該装置の発熱部分がオーバヒートしないように冷却する必要があり、当該冷却により回収した排熱を利用して温水を生成することで、電力のみならず、当該排熱を有効利用できるため、当該熱電併給装置は、全体的なエネルギ効率の高さで注目を集めている。

ところで、一般家庭やオフィス等では、通常、電力需要と熱需要は別個に発生するため、熱電併給装置の発電時に必ずしも熱需要が同時に存在しているとは限らない。そのため、排熱を利用して生成された温水は一旦貯湯タンクに収容され、時間差をもって利用可能なように給湯システムを構成するのが一般的である（例えば、下記の特許文献１等参照）。しかし、一日を通した電力需要と熱需要を比較すると、電力は１日を通じて消費されるのに対して、熱は短時間に集中して消費されるため、熱負荷の発生タイミングのズレで貯湯タンクが温水で充満している満蓄状態になりやすく、当該満畜状態では、それ以上の排熱回収ができなくなり、当該状態を放置すると熱電併給装置の冷却が滞り過熱状態となる。そこで、熱需要が無い場合には、発電を停止するという熱需要に即した運転制御が考えられるが、燃料電池等の起動停止を繰り返さずに連続運転した方がエネルギ効率の面で有利な装置では、排熱を強制的に廃棄してでも発電を継続する運転制御が考えられる。斯かる発電を優先する運転制御では、当該装置の発熱部分を冷却する冷却液循環経路、或いは、冷却液循環経路と熱交換器を介して接続する温水循環経路に排熱を強制廃棄するためのラジエータを備えた給湯システムが実用化されている（例えば、下記の特許文献２等参照）。

特開２００１−２４８９０５号公報 特開２００１−３２５９８２号公報 特開２００３−２８２１０６号公報

上記ラジエータは熱電併給装置の排熱を大気放出するため、通常屋外または半屋外に設置される。また、ラジエータは他の配管より管径が細い。従って、当該ラジエータを備えた温水配管では、設置箇所及び構造上、ラジエータが最も凍結する可能性が高い。そのため、従来は、凍結防止対象のラジエータまたはその近傍に電気ヒータを設置して、凍結の危険性の高い条件下で当該ヒータを動作させて凍結防止を行っていた。また、ラジエータを備えていない冷却液循環経路の凍結防止用に、加熱手段を備えて冷却液循環経路の凍結防止を図る先行技術も存在する（例えば、上記の特許文献３等参照）。

しかしながら、電気ヒータ等でラジエータを加熱する場合、ラジエータ自体が低温下に曝され、しかも放熱性の良い構造となっており、ラジエータ内の流体を外部から効率的に加熱するのは困難なため、凍結防止に要する電力消費が嵩み、上述の省エネルギ志向に反することになる。

本発明は、上記排熱利用型の主熱源機との熱交換により加熱された温水を利用する給湯システムにおける上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、省エネルギを追求しつつ、ラジエータを備えた温水循環経路の凍結を効率的に予防可能な凍結予防装置及び給湯システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を排熱利用型の主熱源機との間の熱交換により加熱して前記貯湯タンクの上部に戻す第１温水循環経路と、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を循環させ前記貯湯タンクの上部に戻す第２温水循環経路と、前記第２温水循環経路内を循環する水を加熱する補助熱源機と、前記第１温水循環経路内の水を冷却するラジエータと、を備え、前記貯湯タンク内の温水を少なくとも給湯負荷に供給可能に構成された給湯システムにおける前記ラジエータの凍結予防装置であって、
前記貯湯タンク内及び前記第１温水循環経路内の前記ラジエータ付近の所定箇所の水温と外気温を検出する複数の温度計の検出した温度に基づいて、前記第１及び第２温水循環経路内の水の循環と前記補助熱源機の運転を制御する制御装置を備え、
前記第１温水循環経路内の前記ラジエータ付近の所定箇所の水温が所定の第１制御温度以下であること、外気温が所定の第２制御温度以下であること、及び、前記貯湯タンク内の下部の水温が所定の第３制御温度以下であることの第１低温条件が前記温度計により検出されると、前記制御装置が前記第２温水循環経路内の水の循環と前記補助熱源機の運転を開始することにより、凍結予防運転を実行し、
前記凍結予防運転の開始前、開始と同時、或いは、開始後に、前記第１温水循環経路の水の循環を開始することを第１の特徴とする凍結予防装置を提供する。

更に、上記第１の特徴の凍結予防装置は、前記第２温水循環経路に、循環ポンプと、前記循環ポンプより前記貯湯タンクの上部側に三方弁と、前記循環ポンプより前記貯湯タンクの下部側に前記第２温水循環経路を遮断可能な二方弁が設けられ、
前記給湯システムが、前記三方弁及び前記循環ポンプを前記第２温水循環経路との間で共有し、前記循環ポンプから吐出した水が、前記三方弁で分岐して、前記補助熱源機を経由して前記循環ポンプの上流側において前記第２温水循環経路と合流して前記循環ポンプに戻る第３温水循環経路を備え、
前記制御装置が、前記凍結予防運転を開始する際に、前記循環ポンプから吐出した水が前記第２温水循環経路と前記第３温水循環経路の両方を循環するように、前記二方弁を開弁状態に制御し、前記三方弁の開弁状態を３方の出入口の全てが通流状態となる中間位置に制御することを第２の特徴とする。

更に、上記第１または第２の特徴の凍結予防装置は、前記凍結予防運転時において、前記貯湯タンク内の下部または前記下部より上方の中間部の水温が、前記第３制御温度より高い第４制御温度以上であることが前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止することが好ましい。この場合、前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止する際に、前記第２温水循環経路内の水の循環を停止させないことが、更に好ましい。

更に、上記第１または第２の特徴の凍結予防装置は、前記凍結予防運転時において、前記第１温水循環経路内の所定箇所の水温が前記第１制御温度より高い第５制御温度以上であることと外気温が前記第２制御温度より高い第６制御温度以上であることの少なくとも何れか一方が前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止することが好ましい。

更に、上記第１または第２の特徴の凍結予防装置は、前記凍結予防運転を開始する前に、外気温の低下により前記第１低温条件が満足される手前の所定の第２低温条件が前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記第１温水循環経路内の水の循環を開始することにより、凍結予防予備運転を実行することが好ましい。

更に、上記第１または第２の特徴の凍結予防装置は、前記主熱源機が、前記主熱源機内の発熱部分を冷却するとともに、前記主熱源機内で発生する熱を回収する冷却液循環経路と、前記冷却液循環経路と前記第１温水循環経路との間で熱交換を行う熱交換器を備えていることが好ましい。

更に、上記第１または第２の特徴の凍結予防装置は、前記主熱源機が熱電併給装置であることが好ましい。

更に、上記目的を達成するため、本発明は、貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を排熱利用型の主熱源機との間の熱交換により加熱して前記貯湯タンクの上部に戻す第１温水循環経路と、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を循環させ前記貯湯タンクの上部に戻す第２温水循環経路と、前記第２温水循環経路内を循環する水を加熱する補助熱源機と、前記第１温水循環経路内の水を冷却するラジエータと、を備え、前記第２温水循環経路の一部を経由して前記貯湯タンク内の温水を少なくとも給湯負荷に供給可能に構成された給湯システムであって、上記何れかの特徴の凍結予防装置を備えていることを特徴とする給湯システムを提供する。

上記特徴の凍結予防装置或いは給湯システムによれば、第１温水循環経路内の所定箇所の水温と外気温の少なくとも何れか一方、及び、貯湯タンク内下部の水温が、夫々ラジエータが凍結する可能性のある温度条件になった場合に、第２温水循環経路内を循環する水が補助熱源機により加熱される、加熱された高温水が貯湯タンクの上部に供給されるため、貯湯タンク内に貯湯されている温水の温度が上昇し、第１及び第２温水循環経路が夫々循環状態の場合、貯湯タンク内下部の水温も上昇し、当該貯湯タンク内下部の温水が第１温水循環経路内を循環してラジエータに供給されるため、ラジエータの凍結が効率良く予防できる。尚、第１温水循環経路は凍結予防運転の開始前に事前に循環動作していることを想定しているが、凍結予防運転の開始と同時または開始後に循環動作しても最終的には同じ作用効果を奏することができる。

また、補助熱源機は、主熱源機の停止時或いは給湯負荷の大きい状態において、貯湯タンク内の温水温度が、当該給湯負荷に供給すべき温水の温度より低い場合は、第２温水循環経路内を循環する水を加熱することで貯湯タンク内の貯湯量（高温水の量）を増加できる。つまり、上記特徴の凍結予防装置或いは給湯システムによれば、１つの補助熱源機が、給湯負荷に供給する温水の補助加熱と、凍結予防運転時の温水加熱の両方に使用できるので、別途凍結予防運転用に補助熱源機を設ける必要がない。

特に、上記第２の特徴の凍結予防装置及びそれを備えた給湯システムによれば、凍結予防運転時に、二方弁を開弁状態に、三方弁を中間位置に、循環ポンプを動作状態に制御することで、補助熱源機で加熱された温水が第３温水循環経路を循環するとともに、三方弁で分流して第２温水循環経路にも循環するため、第２温水循環経路を循環する温水も同様に加熱される。従って、貯湯タンク内下部の水温も上昇し、当該貯湯タンク内下部の温水が第１温水循環経路内を循環してラジエータに供給されるため、ラジエータの凍結が効率良く予防できる。また、通常運転時に、二方弁を開弁状態にすることで、貯湯タンク内上部の高温水は、貯湯タンクから三方弁に至る第２温水循環経路の一部と第３温水循環経路の一部または全部を経由して、第３温水循環経路に直接または間接的に接続する給湯負荷または他の熱負荷に対して、温水または温水熱を供給することができる。特に、第３温水循環経路に暖房端末等の熱負荷に接続する別の温水循環経路との間の熱交換器を備えている場合等において、循環ポンプを動作状態に制御することで、補助熱源機で加熱された温水熱を熱交換して当該別の温水循環経路に接続する熱負荷に供給することができる。この場合、循環ポンプを通流する温水の方向は、凍結予防運転時と同方向で良い。

本発明に係る凍結予防装置及びそれを備えた給湯システムの一実施形態における概略構成を示す図 本発明に係る凍結予防装置による凍結予防運転の制御過程の一例を示すフローチャート

本発明に係る凍結予防装置及びそれを備えた給湯システム（以下、適宜「本給湯システム」と称す）の一実施形態につき、一般家庭用の給湯システムを想定して、図面に基づいて説明する。

図１に、本給湯システム１の全体の概略構成を示す。本給湯システム１は、外部から燃料供給を受けて発電する発電ユニット２の運転時に発生する排熱を回収して給湯負荷１０に供給する排熱利用給湯システムとして構成される。

図１に示すように、発電ユニット２は、一例として、燃料電池システム６、冷却液循環経路Ｃ０、熱交換器７、電動の循環ポンプＰ２を備え、本給湯システム１に対する主熱源機として機能する。燃料電池システム６は、メタンを主成分とする都市ガス１３Ａを燃料として水素を生成する改質器等から成る水素製造装置と、固体高分子形或いは固体酸化物形等の燃料電池と、燃料電池から生成される直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、燃料電池システム６の運転制御を行う制御装置と、燃料電池システム６の運転に必要な補機類等を備えて構成される。尚、燃料電池システム６及び各構成要素の詳細は周知の内容であるので説明は省略する。冷却液循環経路Ｃ０と熱交換器７は、燃料電池システム６を冷却してオーバヒートを防止するとともに、燃料電池システム６で発生した排熱を回収するために設けられている。熱交換器７は、排熱回収により加熱された冷却液循環経路Ｃ０内の冷却液と、後述する第１温水循環経路Ｃ１内の水との間の熱交換により、第１温水循環経路Ｃ１内の水を加熱し、冷却液を冷却する。循環ポンプＰ２は、第１温水循環経路Ｃ１の熱交換器７の上流側に設けられ、燃料電池システム６の運転時及び後述する凍結予防運転時等において、第１温水循環経路Ｃ１内の水を循環させる。本実施形態では、循環ポンプＰ２の運転制御は、燃料電池システム６内の制御装置によって、後述する本給湯システム１の制御装置９と連携して実行される。

図１に示すように、本給湯システム１は、一例として、貯湯タンク３、第１温水循環経路Ｃ１、第２温水循環経路Ｃ２、第３温水循環経路Ｃ３、第４温水循環経路Ｃ４、給水路Ｌ１，Ｌ２、給湯路Ｌ３，Ｌ４、補助熱源機４、熱交換器８、及び、制御装置９を備えて構成される。

貯湯タンク３は、例えば、２００Ｌ（リットル）の貯湯容量のものを使用し、発電ユニット２の燃料電池が固体高分子形の場合には、約６０℃の温水を貯湯する。貯湯タンク３には、貯湯量（高温水の量）を検出するために、一例として、タンク内の上部から下部にかけて４箇所にタンク内の温水温度を検出するサーミスタからなる水温計Ｔ１〜Ｔ４が設置されている。また、貯湯タンク３の下部に下部出水口Ａ１と下部入出水口Ａ３、貯湯タンク３の上部に上部入水口Ａ２と上部入出水口Ａ４が夫々設けられている。

第１温水循環経路Ｃ１は、熱交換器７で回収された排熱で加熱された温水を貯湯タンク３に貯湯するための温水循環経路で、貯湯タンク３の下部出水口Ａ１から循環ポンプＰ２、熱交換器７を順番に経由して貯湯タンク３の上部入水口Ａ２に戻る管路で構成され、循環ポンプＰ２の上流側にラジエータ５を備える。更に、熱交換器７の下流側、循環ポンプＰ２の上流側、ラジエータ５の上流側の夫々に、サーミスタからなる水温計Ｔ５〜Ｔ７が設置されている。ラジエータ５は、熱交換器７に入る温水を冷却して、熱交換器７での冷却液の冷却能力を高めて、燃料電池システム６のオーバヒートを防止するために設けられているが、冬期の寒冷地においては凍結の虞があるため、後述する凍結予防運転により、凍結が未然に防止される。ラジエータ５の運転は、ラジエータ５の上流側及び下流側の水温計Ｔ７、Ｔ６で計測された水温と温度計Ｔ０で計測された外気温等に基づいて制御される。

第２温水循環経路Ｃ２は、貯湯タンク３の下部入出水口Ａ３から上部入出水口Ａ４に戻る管路で構成される。第２温水循環経路Ｃ２は、下部入出水口Ａ３と分岐点Ｎ１の間が、給水源（上水道）１２から貯湯タンク３の下部入出水口Ａ３に至る給水路Ｌ１と共通となっているが、給水路Ｌ１と完全に分離した構成であっても良い。第２温水循環経路Ｃ２は、分岐点Ｎ１の下流側に、比例弁（二方弁）Ｖ２、分岐点Ｎ２、循環ポンプＰ１、及び、三方弁Ｖ１が順番に設けられている。

第３温水循環経路Ｃ３は、分岐点Ｎ２から三方弁Ｖ１に至る管路と循環ポンプＰ１を共用しており、循環ポンプＰ１の吐出口から、三方弁Ｖ１及び分岐点Ｎ２を経由して循環ポンプＰ１の入水口に戻る管路で構成される。第３温水循環経路Ｃ３は、三方弁Ｖ１の下流側に、流量計Ｆ１、補助熱源機４、熱交換器８を順番に備えており、更に、補助熱源機４の上流側と下流側の夫々に、サーミスタからなる水温計Ｔ８，Ｔ９が設置されている。

第４温水循環経路Ｃ４は、熱交換器８と循環温水負荷１１との間で温水を循環させる管路で、循環ポンプＰ３を備え、循環温水負荷１１の上流側と下流側の夫々に、サーミスタからなる水温計Ｔ１２，Ｔ１３が設置されている。循環温水負荷１１としては、例えば、温水床暖房等の温水暖房端末や、風呂の追い焚き時の浴槽等が想定される。

尚、図１に例示する構成では、循環温水負荷１１として１つだけを想定しているが、複数の場合は、図示は省略するが、循環温水負荷１１毎に、第３温水循環経路Ｃ３を、循環ポンプＰ１と三方弁Ｖ１と流量計Ｆ１と補助熱源機４を共用する構成で、複数並列に形成し、個々の第３温水循環経路Ｃ３毎に、別途設けた三方弁等で分岐路を構成し、各分岐路に夫々熱交換器８と第４温水循環経路Ｃ４を設けて、当該熱交換器８と第４温水循環経路Ｃ４を介して、複数の循環温水負荷１１に個別に熱供給するようにすれば良い。

補助熱源機４は、本実施形態では、燃料電池システム６と同様に、都市ガス１３Ａを燃料とするガス給湯器で構成され、都市ガスの燃焼により第３温水循環経路Ｃ３を循環する水を加熱する。補助熱源機４へは、都市ガス源１３からガス管路（図中、二重線で表示）を介して都市ガスが供給される。ガス管路の途中には、種々の比例弁や電磁弁からなるガス制御弁群Ｖ９が設けられている。

熱交換器８は、第３温水循環経路Ｃ３から第４温水循環経路Ｃ４へ熱を伝達する熱交換器で、補助熱源機４で加熱された第３温水循環経路Ｃ３側の高温水で第４温水循環経路Ｃ４を循環する温水を加熱する。

給水路Ｌ１は、給水源１２から貯湯タンク３の下部に水道水を供給するための管路で、給水源１２と分岐点Ｎ４の間に、上流側から順番に、減圧弁Ｖ８、サーミスタからなる水温計Ｔ１０、流量計Ｆ２が夫々設けられ、分岐点Ｎ４と分岐点Ｎ１の間に逆止弁Ｖ５が設けられている。給水路Ｌ２は、給水路Ｌ１の逆止弁Ｖ５の上流側の分岐点Ｎ４から分岐して給水源１２からの水道水を給湯負荷１０に向けて供給するための管路で、途中に、逆止弁Ｖ６、比例弁（二方弁）Ｖ４を備え、給湯路Ｌ３と分岐点Ｎ５で合流する。給湯路Ｌ３は、第３温水循環経路Ｃ３の熱交換器８の上流側の分岐点Ｎ３で分岐して、貯湯タンク３の上部の温水を給湯負荷１０に向けて供給するための管路の一部で、途中に比例弁（二方弁）Ｖ３を備え、給水路Ｌ２と分岐点Ｎ５で合流する。給湯路Ｌ４は、給水路Ｌ２と給湯路Ｌ３の合流点（分岐点Ｎ５）から給湯負荷１０に至る管路で、途中に、サーミスタからなる水温計Ｔ１１と逆止弁Ｖ７を備える。給水路Ｌ２からの水と給湯路Ｌ３からの温水が、比例弁Ｖ３，Ｖ４の各開度で調整される比率で所定温度に混合され、給湯路Ｌ４を通過して給湯負荷１０に供給される。給湯負荷１０としては、例えば、台所、洗面所、浴室等に設けられた混合栓、温水シャワー、及び、風呂の湯はり時の給湯口等が想定される。

尚、冷却液循環経路Ｃ０、第１乃至第４温水循環経路Ｃ１〜Ｃ４、給水路Ｌ１，Ｌ２、及び、給湯路Ｌ３，Ｌ４の各配管は、図１中、太い実線で示されている。また、各配管には、各種弁、水温計、流量計等が介装されているが、上記以外にも、排水口、逃し弁、圧力スイッチ、圧力センサ、バキュームブレーカー等が必要に応じて設置されている。また、図１中の各循環ポンプＰ１〜Ｐ３の側方に付した矢印は、各循環ポンプでの温水の流れる方向を示している。

制御装置９は、本給湯システム１の通常運転及び特殊運転の各制御を行う装置で、マイクロコンピュータ等を用いて構成される。制御装置９は、上記各配管及び貯湯タンク３に介装された水温計Ｔ１〜Ｔ１３、流量計Ｆ１，Ｆ２、圧力センサ等の計測信号、外気温を計測する温度計Ｔ０の計測信号、給湯負荷１０及び循環温水負荷１１の設定条件等の入力信号、並びに、内部の制御情報等に基づいて、各配管に介装された循環ポンプＰ１〜Ｐ３、補助熱源機４、及び、ラジエータ５の運転制御を行い、三方弁Ｖ１及び比例弁Ｖ２〜Ｖ４等の開閉及び開度の制御を行い、各配管内の流体の循環を制御する。図１中の制御装置９に入力する或いは制御装置９から出力する信号は、破線（矢印付き）で模式的に示している。

本発明に係る凍結予防装置によるラジエータ５の凍結予防運転は、上記特殊運転の一つとして、制御装置９が制御する構成となっている。以下、当該凍結予防運転について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。尚、図２に示す各ステップの判断及び処理は、予めマイクロコンピュータ内にプログラムされた手順で実行される。

先ず、図２中の状態Ａは、燃料電池システム６が停止状態で、循環ポンプＰ２が停止している状態（状態Ａ１）、または、燃料電池システム６が運転状態で、循環ポンプＰ２が当該運転状態に応じた流量となる出力（通常出力）で作動している状態（状態Ａ２）を示している。状態Ｂは、燃料電池システム６が停止状態で、循環ポンプＰ２が凍結予防予備運転用に予め設定された流量となる出力（予備運転出力）で作動している状態（状態Ｂ１）、または、燃料電池システム６が運転状態で、循環ポンプＰ２が上記通常出力と上記予備運転出力の何れか大きい方の出力で作動している状態（状態Ｂ２）を示している。以下、便宜的に、状態Ｂ以降の動作を凍結予防運転とし、状態Ａから状態Ｂに遷移する動作を凍結予防予備運転と呼ぶ。以下、燃料電池システム６の停止または運転状態に応じて、状態Ａは状態Ａ１またはＡ２を表し、状態Ｂは状態Ｂ１またはＢ２を表すものとする。

燃料電池システム６が運転状態の場合は、循環ポンプＰ２が作動して、排熱回収のため第１温水循環経路Ｃ１内の温水が循環して、貯湯タンク３の下部出水口Ａ１からラジエータ５に貯湯タンク３の下部の温水が供給されるが、給湯負荷１０への出湯量が大きい場合、給水源１２から貯湯タンク３の下部への水道水の補給量が大量となり、低温の水道水がそのままラジエータ５内に入ってくる場合も想定される。従って、状態Ｂ以降の凍結予防運転は、燃料電池システム６が運転状態の場合であっても有効である。

状態Ａ１において、以下の低温条件１（第２低温条件に相当）が満足されると（ステップ＃１の判定結果がＹＥＳの場合）、制御装置９は循環ポンプＰ２を作動させるために、当該指示を燃料電池システム６側の制御装置（図示せず）に出力する。低温条件１として、例えば、温度計Ｔ０で計測された外気温が７℃未満、且つ、水温計Ｔ６またはＴ７で計測されたラジエータ５付近の水温が７℃未満を想定する。この結果、循環ポンプＰ２が、予備運転出力で作動し（ステップ＃２）、状態Ｂ１に遷移する。状態Ａ２において、上記低温条件１が満足されると、制御装置９は循環ポンプＰ２を予備運転出力と通常出力の何れか大きい方の出力で作動させるために、当該指示を燃料電池システム６側の制御装置（図示せず）に出力し、循環ポンプＰ２が、当該大きい方の出力で作動し（ステップ＃２）、状態Ｂ２に遷移する。状態Ｂでは、水がラジエータ５内に停留しないため、状態Ａに比べて凍結し難くなる。

状態Ｂ１において、以下の終了条件１が満足されると（ステップ＃３の判定結果がＹＥＳの場合）、制御装置９は循環ポンプＰ２の運転を停止させるために、当該指示を燃料電池システム６側の制御装置（図示せず）に出力する。終了条件１として、例えば、温度計Ｔ０で計測された外気温が１０℃以上、且つ、水温計Ｔ６またはＴ７で計測されたラジエータ５付近の水温が１０℃以上を想定する。この結果、循環ポンプＰ２が停止し（ステップ＃４）、状態Ａ１に戻る。一方、状態Ｂ２において、以下の終了条件１が満足されると、制御装置９は循環ポンプＰ２を通常出力で作動させるために、当該指示を燃料電池システム６側の制御装置（図示せず）に出力し、循環ポンプＰ２が通常出力で運転している状態（状態Ａ２）に戻る。

一方、状態Ｂにおいて、上記終了条件１が満足されず（ステップ＃３の判定結果がＮＯの場合）、以下の低温条件２（第１低温条件に相当）が満足されると（ステップ＃５の判定結果がＹＥＳの場合）、以下の凍結予防動作（ステップ＃６）の制御を実行する。具体的には、低温条件２として、例えば、温度計Ｔ０で計測された外気温が３℃未満（第２制御温度以下に相当）、且つ、水温計Ｔ６またはＴ７で計測されたラジエータ５付近の水温が７℃未満（第１制御温度以下に相当）、且つ、水温計Ｔ４で計測された貯湯タンク３内の下部の水温が５℃未満（第３制御温度以下に相当）になると、凍結予防動作として、比例弁Ｖ２を開弁し、三方弁Ｖ１の開弁状態を３方の出入口の全てが相互に通流状態となる中間位置にし、循環ポンプＰ１と補助熱源機４の運転を開始する。給湯負荷１０或いは循環温水負荷１１への給湯或いは熱供給動作中の場合は、後述するように、循環ポンプＰ１と補助熱源機４、或いは、循環ポンプＰ１が作動している場合があり、比例弁Ｖ２、或いは、比例弁Ｖ２と補助熱源機４の制御だけを行う場合もある。

この結果、第２温水循環経路Ｃ２が循環可能な状態となり、循環ポンプＰ１の吐出口から流出する水は、三方弁Ｖ１で、第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３に分流して、一方は貯湯タンク３の上部入出水口Ａ４から貯湯タンク３内に流入し、貯湯タンク３内を通過して、下部入出水口Ａ３から循環ポンプＰ１に循環し、他方は補助熱源機４で加熱され、分岐点Ｎ３、分岐点Ｎ２を通過して循環ポンプＰ１に循環する。循環ポンプＰ１に戻る温水は、第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３の温水が分岐点Ｎ２で合流するため、第２温水循環経路Ｃ２側を循環する温水も、補助熱源機４で間接的に加熱され、貯湯タンク３内の下部の水温が上昇する。この結果、７℃未満であったラジエータ５付近の水温が、７℃を超えて上昇するため、ラジエータ５の凍結が未然に防止できる。

状態Ｂにおいて、上記終了条件１と上記低温条件２の何れも満足されない場合には、状態Ｂが維持され、引き続き、ステップ＃３とステップ＃５の判定が繰り返される。また、ステップ＃３とステップ＃５の条件は同時に満足されることがないため、当該２つの判定を同時に行っても良く、また、判定順序を入れ替えても良い。

ステップ＃６の凍結予防動作状態において、上記終了条件１が満足されると（ステップ＃７の判定結果がＹＥＳの場合）、制御装置９は凍結予防動作を停止して（ステップ＃８）、燃料電池システム６の運転状態に応じて、循環ポンプＰ２を停止或いは通常出力で作動させて（ステップ＃４）、状態Ａに戻り、凍結予防動作は終了する。ここで、上記ステップ＃７の終了条件１における温度計Ｔ０で計測された外気温１０℃以上は第６制御温度以上に相当し、水温計Ｔ６及びＴ７で計測されたラジエータ５付近の各水温１０℃以上は第５制御温度以上に相当する。尚、上記ステップ＃７の判定条件として、終了条件１を使用したが、終了条件１と異なる別の終了条件を使用しても良い。

また、上記終了条件１が満足されずに、ステップ＃６の凍結予防動作状態が継続すると、貯湯タンク３内の下部の水温が上昇して、ラジエータ５付近の水温が凍結しない温度まで上昇すると、後述する給湯負荷１０或いは循環温水負荷１１への給湯或いは熱供給動作中でなければ、もはや補助熱源機４の運転を継続させる必要がないため、不必要なエネルギ消費（都市ガスの消費）を抑制するため、以下の終了条件２が満足されると（ステップ＃９の判定結果がＹＥＳの場合）、先ず、補助熱源機４の運転を停止する（ステップ＃１０）。終了条件２として、例えば、水温計Ｔ４で計測された貯湯タンク３内の下部の水温が１０℃以上、或いは、水温計Ｔ３で計測された貯湯タンク３内の中間部の水温が２０℃以上等を使用する。終了条件２として、水温計Ｔ３の計測温度を使用した場合でも、補助熱源機４の運転停止後も循環ポンプＰ１の運転状態とし、第２温水循環経路Ｃ２の循環状態を継続させることで、貯湯タンク３内の下部の水温が補助熱源機４の運転停止時に仮に１０℃以上でなくても、貯湯タンク３内の水が移動することにより、その後１０℃以上とすることができる。この結果、凍結予防動作により、貯湯タンク３内の下部の水温をラジエータ５の凍結を予防可能な１０℃以上に保持することができ、且つ、不必要なエネルギ消費を抑制できる。

ステップ＃６の凍結予防動作が継続している状態において、上記終了条件１と上記終了条件２の何れも満足されない場合には、当該凍結予防動作が継続され、引き続き、ステップ＃７とステップ＃９の判定が繰り返される。

ステップ＃１０で補助熱源機４の運転が停止された後、例えば、以下の終了条件３が満足されると（ステップ＃１１の判定結果がＹＥＳの場合）、補助熱源機４以外のステップ＃６の凍結予防動作を停止し、更に、燃料電池システム６の運転状態に応じて、循環ポンプＰ２を停止或いは通常出力で作動させる終了動作を行い（ステップ＃１２）、状態Ａに戻って凍結予防運転を終了する。終了条件３として、例えば、補助熱源機４の運転停止後、所定時間（一例として、１５分）経過したこと等を使用する。ステップ＃１０で補助熱源機４の運転が停止された後、ステップ＃１２で凍結予防運転が終了するまでの期間は、第２温水循環経路Ｃ２は循環状態が維持される。尚、ステップ＃１２において、循環ポンプＰ２を停止或いは通常出力で作動させる処理を行わずに、一旦状態Ｂに移行し、ステップ＃３の終了条件１の判定を行った後に状態Ａに戻るようにしても良い。

以上、凍結予防予備運転及び凍結予防運転につき詳細に説明したが、上記ステップ＃１，＃３，＃５，＃７，＃９，＃１１の各判定処理で用いた低温条件１及び２、終了条件１〜３は一例であり、各条件における判定項目、使用した基準温度、比較内容（「未満」、「より高い」、「以下」、「以上」等）等は、上記説明の内容に限定されるものではない。例えば、基準温度との比較を「未満」に代えて「以下」としても良い。

次に、本給湯システム１の通常運転、つまり、給湯負荷１０への給湯動作と循環温水負荷１１への温水熱の供給動作（以下、「熱供給動作」と称す）につき、夫々簡単に説明し、当該通常運転と上記凍結予防運転を同時に行う場合の制御につき説明を追加する。

給湯負荷１０への給湯動作は、比例弁Ｖ２を閉弁した状態、つまり、第２温水循環経路Ｃ２の循環が遮断された状態で行われる。具体的には、例えば、給湯負荷１０の混合栓が開栓されると、給湯負荷１０側が大気開放状態となり、貯湯タンク３には給水源１２から減圧弁Ｖ８を介して水圧がかかっているので、貯湯タンク３内の温水が、上部入出水口Ａ４から三方弁Ｖ１、分岐点Ｎ３、比例弁Ｖ３、分岐点Ｎ５を経由して、給湯負荷１０へと流れる。ここで水温計Ｔ８またはＴ９で計測された水温が、所定の給湯設定温度より低い場合は、三方弁Ｖ１が上記中間位置に制御され、循環ポンプＰ１と補助熱源機４の運転が開始する。この結果、補助熱源機４により、貯湯タンク３から出水した温水が加熱され、分岐点Ｎ５に供給される。また、第３温水循環経路Ｃ３内を温水が一定の流量で循環することで、補助熱源機４の燃焼制御が容易となり、加熱後の温水温度が安定する。尚、補助熱源機４において圧損が生じるため、補助熱源機４を作動させない場合でも、循環ポンプＰ１を作動させ、第３温水循環経路Ｃ３内を温水が一定の流量で循環するのも好ましい。これにより、循環ポンプＰ１に対する制御が簡素化する。

斯かる給湯動作中に、上記ステップ＃５の低温条件２が満足され上記凍結予防運転を同時に行う場合、閉弁状態の比例弁Ｖ２を開弁するとともに、三方弁Ｖ１が上記中間位置でなければ、当該中間位置に制御し、循環ポンプＰ１と補助熱源機４が停止状態であれば、夫々作動させる。この結果、第２温水循環経路Ｃ２の循環が作動するため、給湯負荷１０への給湯経路が、以下のように変更される。比例弁Ｖ２が開弁し、循環ポンプＰ１が作動しているので、給水路Ｌ１からの補給水は、分岐点Ｎ１で、下部入出水口Ａ３から流出する水と合流して、第２温水循環経路Ｃ２に入り、更に、分岐点Ｎ２で、第３温水循環経路Ｃ３内を循環する温水と合流して、循環ポンプＰ１に流入し、三方弁Ｖ１で第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３に分流する。第３温水循環経路Ｃ３側に分流した温水の一部が、分岐点Ｎ３で給湯路Ｌ３に流入して、比例弁Ｖ３、分岐点Ｎ５を経由して、給湯負荷１０へと流れる。従って、給湯動作は別経路で担保され、第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３での温水の循環が維持されるため、ステップ＃６の凍結予防動作が確実に実行される。逆に、凍結予防運転中に、給湯動作が開始した場合でも、同様の給湯経路が形成されるため、凍結予防運転と給湯動作を同時に実行することができる。

循環温水負荷１１への熱供給動作は、給湯負荷１０への給湯動作と同様に、比例弁Ｖ２を閉弁した状態、つまり、第２温水循環経路Ｃ２の循環が遮断された状態で行われる。具体的には、三方弁Ｖ１の開弁状態を、循環ポンプＰ１側と補助熱源機４側を通流させ、貯湯タンク３の上部入出水口Ａ４側を遮断する位置に制御し、循環ポンプＰ１，Ｐ３と補助熱源機４が停止状態であれば、夫々作動させる。この結果、第３温水循環経路Ｃ３内を循環する温水が補助熱源機４で加熱され、当該加熱された第３温水循環経路Ｃ３側の温水により、熱交換器８で、第４温水循環経路Ｃ４を循環する温水が加熱され、当該温水の熱が、循環温水負荷１１に供給される。従って、当該熱供給動作では、補助熱源機４は主たる熱源として機能する。ここで、上記給湯動作が発生した場合は、三方弁Ｖ１を中間位置に制御するだけで、通常時の給湯経路（貯湯タンク３の上部入出水口Ａ４から、三方弁Ｖ１、分岐点Ｎ３、比例弁Ｖ３、分岐点Ｎ５を経由して、給湯負荷１０へと流れる経路）が形成され、上述の通常時の給湯動作が、当該熱供給動作と同時に実現される。

斯かる熱供給動作中に、上記ステップ＃５の低温条件２が満足され上記凍結予防運転を同時に行う場合、閉弁状態の比例弁Ｖ２を開弁するとともに、三方弁Ｖ１が上記中間位置でなければ、当該中間位置に制御する。この結果、第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３での温水の循環が同時に形成され、当該熱供給動作のために加熱された温水の一部が、第２温水循環経路Ｃ２に分流して、貯湯タンク３内を通過して循環するため、貯湯タンク３内の下部の水温が上昇して、上記凍結予防運転が実現する。尚、熱供給動作により熱交換器８を通過する際に温水の温度が低下するため、当該温度低下を見越して、補助熱源機４の出水温度を、凍結予防運転だけを行う場合と比較して上昇させるのも好ましい。逆に、凍結予防運転中に、熱供給動作が開始した場合は、既に、第３温水循環経路Ｃ３での温水の循環が行われているので、循環ポンプＰ３を作動させて、第４温水循環経路Ｃ４を循環状態とし、補助熱源機４の出水温度を上昇させる制御を行うことで、凍結予防運転と熱供給動作を同時に実行することができる。

上述の給湯負荷１０への給湯動作及び循環温水負荷１１への熱供給動作と、燃料電池システム６の運転及び排熱回収動作は、相互に独立して実行される。第１温水循環経路Ｃ１の循環ポンプＰ２及びラジエータ５に対する制御は、基本的には、燃料電池システム６の運転に伴う排熱回収動作における制御の一部であり、上記給湯動作及び熱供給動作とは無関係に制御される。

以下に、別の実施形態につき説明する。

〈１〉上記実施形態では、図１に示すように、給湯負荷１０への給湯動作及び循環温水負荷１１への熱供給動作に関連する管路構成（管路構成Ａ）として、貯湯タンク３、第２温水循環経路Ｃ２、第３温水循環経路Ｃ３、第４温水循環経路Ｃ４、給水路Ｌ１，Ｌ２、給湯路Ｌ３，Ｌ４、補助熱源機４、熱交換器８を備えた構成とし、燃料電池システム６からの排熱回収動作に関連する管路構成（管路構成Ｂ）として、冷却液循環経路Ｃ０、第１温水循環経路Ｃ１、熱交換器７、ラジエータ５を備えた構成とし、２つの管路構成Ａ及びＢが貯湯タンク３を挟んで独立した構成となっている。そして、管路構成Ａの第２温水循環経路Ｃ２は、通常動作の給湯動作または熱供給動作時には循環経路が形成されない構成となっている。

しかしながら、上記管路構成Ａは、必ずしも図１に例示するような構成でなくても良い。例えば、補助熱源機４を第２温水循環経路Ｃ２と第３温水循環経路Ｃ３が共用する管路上に設ける構成としても良い。更に、貯湯タンク３から給湯負荷１０に至る管路を第２温水循環経路Ｃ２とは別に設け、第２温水循環経路Ｃ２を常時循環経路とし、補助熱源機４を第２温水循環経路Ｃ２上に介装する構成としていても良い。更に、熱供給動作に係る第３温水循環経路Ｃ３と第４温水循環経路Ｃ４を、第２温水循環経路Ｃ２を介さず貯湯タンク３に対して直接設け、第３温水循環経路Ｃ３を、貯湯タンク３の上部から熱交換器８の一端までの往路と、熱交換器８の他端から貯湯タンク３の下部または中間部までの復路により構成しても良い。但し、当該往路と復路の一方に別途循環ポンプを設ける必要が生じる点では好ましくないが、発電ユニット２の運転時に発生する排熱を回収して貯湯タンク３に貯湯（蓄熱）された熱を、第３温水循環経路Ｃ３と第４温水循環経路Ｃ４を介して循環温水負荷１１にも供給できる。

更に、管路構成Ｂの第１温水循環経路Ｃ１の往路と復路間にバイパス路を設け、当該バイパス路と管路構成Ａの第４温水循環経路Ｃ４の復路の間に熱交換器を設け、燃料電池システム６からの排熱を、貯湯タンク３ではなく、循環温水負荷１１へ直接回収する経路を切り替え可能に設けるようにしても良い。

更に、管路構成Ｂにおいて、熱交換器７を省いて冷却液循環経路Ｃ０と第１温水循環経路Ｃ１を一つの循環経路として構成しても良い。

〈２〉上記実施形態では、主熱源機としての発電ユニット２を燃料電池型のコージェネレーションシステムとして構成される場合を想定したが、燃料電池システム６の燃料電池は固体高分子形或いは固体酸化物形に限定されるものではなく、他の形式の燃料電池であっても良く、また、ガスエンジン型のコージェネレーションシステムとして構成されても良い。コージェネレーションシステムの構成によって回収される排熱量が異なるため、貯湯タンク３の仕様（貯湯容量、貯湯温度等）は、当該構成及び熱需要に応じて適宜変更すれば良い。更に、本発明では、主熱源機として排熱利用型のものを想定しているが、必ずしも熱電併給型のコージェネレーションシステムに限定されるものではない。

更に、上記実施形態では、発電ユニット２及び補助熱源機４に供給される燃料またはエネルギ源として都市ガスを想定したが、夫々に供給する燃料またはエネルギ源は必ずしも都市ガスに限定されるものではなく、発電ユニット２と補助熱源機４間で同じでなくても良い。

〈３〉上記実施形態では、本給湯システム１として一般家庭用の給湯システムを想定して説明したが、本給湯システム１は、例えば、オフィスや店舗用、或いは、宿泊施設や病院向けの一般家庭用より大規模な構成であっても良い。また、本給湯システム１により、貯湯タンク３を単体のタンクではなく、複数のタンクを直列または並列に配置して構成しても良い。

本発明に係る凍結予防装置及び給湯システムは、熱電併給装置等の排熱利用型の主熱源機との熱交換により加熱された温水を利用する給湯システムの温水循環経路に設けられたラジエータの凍結予防に利用可能である。

１： 給湯システム
２： 主熱源機（発電ユニット）
３： 貯湯タンク
４： 補助熱源機（ガス給湯器）
５： ラジエータ
６： 燃料電池システム
７，８： 熱交換器
９： 制御装置
１０： 給湯負荷
１１： 循環温水負荷
１２： 給水源
１３： 都市ガス源
Ａ１： 下部出水口
Ａ２： 上部入水口
Ａ３： 下部入出水口
Ａ４： 上部入出水口
Ｃ０： 冷却液循環経路
Ｃ１： 第１温水循環経路
Ｃ２： 第２温水循環経路
Ｃ３： 第３温水循環経路
Ｃ４： 第４温水循環経路
Ｆ１，Ｆ２： 流量計
Ｌ１，Ｌ２： 給水路
Ｌ３，Ｌ４： 給湯路
Ｎ１〜Ｎ５： 分岐点
Ｐ１〜Ｐ３： 循環ポンプ
Ｔ０： 温度計（外気温）
Ｔ１〜Ｔ１３： 水温計
Ｖ１： 三方弁
Ｖ２〜Ｖ４： 二方弁（比例弁）
Ｖ５〜Ｖ７： 逆止弁
Ｖ８： 減圧弁
Ｖ９： ガス制御弁群

Claims (9)

1. 貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を排熱利用型の主熱源機との間の熱交換により加熱して前記貯湯タンクの上部に戻す第１温水循環経路と、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を循環させ前記貯湯タンクの上部に戻す第２温水循環経路と、前記第２温水循環経路内を循環する水を加熱する補助熱源機と、前記第１温水循環経路内の水を冷却するラジエータと、を備え、前記貯湯タンク内の温水を少なくとも給湯負荷に供給可能に構成された給湯システムにおける前記ラジエータの凍結予防装置であって、
   前記貯湯タンク内及び前記第１温水循環経路内の前記ラジエータ付近の所定箇所の水温と外気温を検出する複数の温度計の検出した温度に基づいて、前記第１及び第２温水循環経路内の水の循環と前記補助熱源機の運転を制御する制御装置を備え、
   前記第１温水循環経路内の前記ラジエータ付近の所定箇所の水温が所定の第１制御温度以下であること、外気温が所定の第２制御温度以下であること、及び、前記貯湯タンク内の下部の水温が所定の第３制御温度以下であることの第１低温条件が前記温度計により検出されると、前記制御装置が前記第２温水循環経路内の水の循環と前記補助熱源機の運転を開始することにより、凍結予防運転を実行し、
   前記凍結予防運転の開始前、開始と同時、或いは、開始後に、前記第１温水循環経路の水の循環を開始することを特徴とする凍結予防装置。
2. 前記第２温水循環経路に、循環ポンプと、前記循環ポンプより前記貯湯タンクの上部側に三方弁と、前記循環ポンプより前記貯湯タンクの下部側に前記第２温水循環経路を遮断可能な二方弁が設けられ、
   前記給湯システムが、前記三方弁及び前記循環ポンプを前記第２温水循環経路との間で共有し、前記循環ポンプから吐出した水が、前記三方弁で分岐して、前記補助熱源機を経由して前記循環ポンプの上流側において前記第２温水循環経路と合流して前記循環ポンプに戻る第３温水循環経路を備え、
   前記制御装置が、前記凍結予防運転を開始する際に、前記循環ポンプから吐出した水が前記第２温水循環経路と前記第３温水循環経路の両方を循環するように、前記二方弁を開弁状態に制御し、前記三方弁の開弁状態を３方の出入口の全てが通流状態となる中間位置に制御することを特徴とする請求項１に記載の凍結予防装置。
3. 前記凍結予防運転時において、
   前記貯湯タンク内の下部または前記下部より上方の中間部の水温が、前記第３制御温度より高い第４制御温度以上であることが前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止することを特徴とする請求項１または２に記載の凍結予防装置。
4. 前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止する際に、前記第２温水循環経路内の水の循環を停止させないことを特徴とする請求項３に記載の凍結予防装置。
5. 前記凍結予防運転時において、
   前記第１温水循環経路内の所定箇所の水温が前記第１制御温度より高い第５制御温度以上であることと外気温が前記第２制御温度より高い第６制御温度以上であることの少なくとも何れか一方が前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記補助熱源機の運転を停止することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の凍結予防装置。
6. 前記凍結予防運転を開始する前に、外気温の低下により前記第１低温条件が満足される手前の所定の第２低温条件が前記温度計により検出されると、前記制御装置が、前記第１温水循環経路内の水の循環を開始することにより、凍結予防予備運転を実行することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の凍結予防装置。
7. 前記主熱源機が、前記主熱源機内の発熱部分を冷却するとともに、前記主熱源機内で発生する熱を回収する冷却液循環経路と、前記冷却液循環経路と前記第１温水循環経路との間で熱交換を行う熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の凍結予防装置。
8. 前記主熱源機が熱電併給装置であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の凍結予防装置。
9. 貯湯タンクと、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を排熱利用型の主熱源機との間の熱交換により加熱して前記貯湯タンクの上部に戻す第１温水循環経路と、前記貯湯タンクの下部から取り出した水を循環させ前記貯湯タンクの上部に戻す第２温水循環経路と、前記第２温水循環経路内を循環する水を加熱する補助熱源機と、前記第１温水循環経路内の水を冷却するラジエータと、を備え、前記第２温水循環経路の一部を経由して前記貯湯タンク内の温水を少なくとも給湯負荷に供給可能に構成された給湯システムであって、
   請求項１〜８の何れか１項に記載の凍結予防装置を備えていることを特徴とする給湯システム。

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