JP6110228B2 - 太陽光発電装置対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電装置の余剰電力を消費可能としたヒートポンプ貯湯式給湯装置に関するものである。

従来よりこの種の太陽光発電装置と共に用いられるヒートポンプ貯湯式給湯装置においては、特許文献１に開示されているように、太陽光発電装置の発電よりも家庭内で消費する電力量が少なく余剰電力が生じた場合に、ヒートポンプ貯湯式給湯装置で湯水を沸き上げることで余剰電力を温熱に変換して貯蔵するようにしたものがあった。

特開２００４−１９４４８５号公報

ところが、この従来のものでは、以下のような問題が生じる。
太陽光発電装置の発電による余剰電力は昼間時間がピークとなる一方で、貯湯式給湯装置は一日の給湯分を特定の時間帯（深夜時間帯）に沸き上げて貯湯しておくものであり、給湯需要は夕方以降に集中する傾向があるため、太陽光発電装置の発電によって余剰電力が生じる時間帯には、貯湯式給湯装置の貯湯タンク内は中温から高温の湯水が貯湯タンクの最下部まで存在する満タンに近い状態となっていることが多い。

そのため、余剰電力が生じている時に湯水を沸き上げようとしても、貯湯タンク内の下部にまで中温から高温の湯水があるため、中温から高温の湯水をヒートポンプ式加熱手段で沸き上げようとすると、ヒートポンプ加熱手段における加熱効率が極めて低い状態となるか、あるいはヒートポンプサイクルに高圧異常を来して沸き上げることができないという問題があり、図３に示すように、給湯によって貯湯タンク内に低温の水が多く貯まるまで沸き上げることができず、余剰電力を沸き上げに使うことができないと共に、買電料金が掛かってしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決するため、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を加熱して前記貯湯タンクの上部に戻すようにして貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式加熱手段と、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げる湯水の沸き上げ目標温度を決定する沸き上げ目標温度決定手段と、特定の時間帯において沸き上げ目標温度で貯湯タンクの全量を沸き上げるよう前記ヒートポンプ式加熱手段を制御する沸き上げ制御手段と、を備えたヒートポンプ貯湯式給湯装置において、太陽光発電装置を並設しているか否かを設定する太陽光設定手段と、前記太陽光設定手段にて太陽光発電装置が並設されていることが設定されている場合には、前記沸き上げ目標温度決定手段が決定した前記沸き上げ目標温度を太陽光発電装置が並設されていない場合に比べて高い温度に補正する沸き上げ目標温度補正手段と、を設け、前記沸き上げ制御手段は、前記太陽光設定手段に太陽光発電装置を並設している設定がされている場合に、補正前の前記沸き上げ目標温度で前記貯湯タンクの全量を沸き上げた場合とを同じ貯湯熱量を、前記沸き上げ目標温度補正手段で高い温度に補正された前記沸き上げ目標温度で前記特定の時間帯において沸き上げて、前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにした。

また、前記沸き上げ制御手段は、前記太陽光発電装置と前記ヒートポンプ貯湯式給湯装置とが並設された建物内の発電状況、電力消費状況を監視すると共に、余剰電力の発生時に前記ヒートポンプ貯湯式給湯装置に対して沸き上げの開始を指示するエネルギー管理装置と通信可能に接続され、前記エネルギー管理装置からの沸き上げの開始指示に応じて、前記貯湯タンク下部の未加熱の水を沸き上げるようにした。

また、前記太陽光設定手段は、前記エネルギー管理装置からの指示によって前記設定の状態を切り換え可能としている。

また、前記沸き上げ目標温度補正手段は、予め定められた所定温度を前記沸き上げ目標温度決定手段で決定された沸き上げ目標温度に加算して、これを補正後の沸き上げ目標温度とし、前記沸き上げ制御手段は、補正前の前記沸き上げ目標温度と前記貯湯タンクの容量の積を、前記沸き上げ目標温度補正手段で補正された沸き上げ目標温度で除すことで沸き上げ容量を算出し、この沸き上げ容量に基づいて沸き上げを停止することで前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにした。

また、前記沸き上げ目標温度補正手段は、前記貯湯タンクの容量から予め定められた確保水量を減算した容量で、前記沸き上げ目標温度決定手段により決定された沸き上げ目標温度で前記貯湯タンクを全量沸き上げた熱量を確保できる沸き上げ目標温度を算出し、これを補正後の沸き上げ目標温度とし、前記貯湯タンクの容量から前記確保水量を減算した容量に基づいて沸き上げを停止することで前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにした。

本発明によれば、太陽光発電装置が並設されている場合には、高い温度に補正された沸き上げ目標温度で貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するように沸き上げるようにしたことによって、特定の時間帯の沸き上げ完了からお湯を多量に使うまでの間にも、太陽光発電装置の発電の余剰電力が発生した時には余剰電力を使って沸き上げ運転を行うことを可能とし、さらには、この沸き上げ運転時に加熱する水は未加熱の水であるため、ヒートポンプ加熱手段における加熱効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態の概略構成図 同一実施形態の作動を説明するためのタイムチャート 従来のものの作動を説明するためのタイムチャート

次に、本発明の一実施形態の太陽光発電装置対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置について図面に基づいて説明する。
１はヒートポンプ貯湯式給湯装置、２は電力系統が同一の建物に設置された太陽光発電装置、３は太陽光発電装置２の発電する直流電力を交流に変換するパワーコンディショナ、４は商用電源５からの電力あるいはパワーコンディショナ３からの電力を建物内に分電し、余剰電力がある場合に逆潮流させて売電可能とした分電盤、６は売買電に対応した電力量メータ、７は家電機器等の電力負荷機器である。

８は建物内の消費電力状況および太陽光発電装置２の発電状況を監視して、太陽光発電装置２による余剰電力が生じているかを判定し、余剰電力が生じている場合に、ヒートポンプ貯湯式給湯装置１に対して沸き上げ要求を出力すると共に、太陽光発電装置２の発電状況に基づき季節的要因等で発電が見込めない状況であると判断した場合にヒートポンプ貯湯式給湯装置１に対して発電不能である旨を出力し、太陽光発電装置２の発電状況に基づいて十分な発電量が見込める状況であると判断した場合にヒートポンプ貯湯式給湯装置１に対して発電可能である旨を出力するＨＥＭＳコントローラ等のエネルギー管理装置で、パワーコンディショナ３からの発電電力の電流値と、電力量メータ６と分電盤４の間の電流値および流れ方向を検出するための電流センサ９が接続されているものである。

ヒートポンプ貯湯式給湯装置１は、湯水を貯湯する貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０底部に接続される給水管１１と、貯湯タンク１０頂部に接続される出湯管１２と、貯湯タンク１０下部から取り出した湯水を加熱して貯湯タンク１０の上部に戻すようにして貯湯タンク１０内の湯水を積層状態に沸き上げるヒートポンプ式加熱手段１３と、貯湯タンク１０内の湯水の温度を検出する複数の貯湯温度センサ１４と、ヒートポンプ貯湯式給湯装置１の動作状況を表示すると共に、給湯温度等を設定するためのリモコン１５と、ヒートポンプ貯湯式給湯装置の動作を制御する制御手段１６とを備えて構成されている。

制御手段１６には、過去の給湯負荷実績や外気温度、給水温度等に応じてヒートポンプ式加熱手段１３で沸き上げる湯水の沸き上げ目標温度を決定する沸き上げ目標温度決定手段１７と、電力料金単価の安い深夜時間帯などの特定の時間帯において沸き上げ目標温度で貯湯タンクの全量を沸き上げるようヒートポンプ式加熱手段１３を制御する沸き上げ制御手段１８と、過去の給湯負荷実績から翌日の給湯予測量を算出する給湯量予測手段１９と、給湯量予測手段１９で予測された給湯予測量を貯湯タンク１０内に沸き上げるのに必要な沸き上げ時間を算出し、これから特定時間帯の長さを減じて特定時間帯外で追加の沸き上げ必要な時間（追加沸き上げ時間）を算出する沸き上げ時間算出手段２０と、が備えられている。

また、制御手段１６には、太陽光発電装置２を並設しているか否かをリモコン１５の特定操作に応じて設定する太陽光設定手段２１と、太陽光設定手段２１にて太陽光発電装置２が並設されていることが設定されている場合に、沸き上げ目標温度決定手段１７が決定した沸き上げ目標温度を太陽光発電装置２が並設されていない場合に比べて所定温度高い温度に補正する沸き上げ目標温度補正手段２２とが備えられている。

ここで、太陽光設定手段２１は、エネルギー管理装置８からの発電不能である旨の出力を受けて設定を太陽光発電装置２が並設されていない設定に切り替え、その後、エネルギー管理装置８からの発電可能である旨の出力を受けると設定を太陽光発電装置２が併設されている設定に切り替えるようにしており、積雪や故障により発電不能である場合や、消費電力が多くて余剰電力がまとまった時間安定して発生しない実績がある場合に、太陽光発電装置２が並設されていない設定に切り替えることで、特定時間帯における沸き上げ時の沸き上げ目標温度の無駄な上昇を抑制して、ヒートポンプ貯湯式給湯機１の加熱効率および保温効率の低下を抑制するようにしている。

この沸き上げ目標温度補正手段２２が補正する所定温度は、太陽光発電装置２が設置されている場合に、余剰電力によって昼間の沸き上げが一定時間行える程度の水量を貯湯タンク１０の底部に確保できるように決定されるもので、ここでは予め定められた一定温度（ここでは５℃）としている。

そして、沸き上げ制御手段１８は、太陽光設定手段２１に太陽光発電装置２が設置されていない設定がなされていると、沸き上げ目標温度決定手段１７が決定した沸き上げ目標温度で貯湯タンク１０の全量を特定の時間帯において沸き上げるようにしている。

特定の時間帯以外の時間帯（昼間時間帯）においては、給湯によって貯湯タンク１０の底部が低温の水に置換されると、沸き上げ時間算出手段２０が算出した追加沸き上げ時間があると追加の沸き上げを行うと共に、追加沸き上げ時間から追加の沸き上げを行った時間を減算して、追加沸き上げ時間が０になるまで繰り返し追加沸き上げを行うようにしている。

一方、沸き上げ制御手段１８は、太陽光設定手段２１に太陽光発電装置２が設置されている設定がなされていると、沸き上げ目標温度決定手段１７が決定した沸き上げ目標温度で貯湯タンク１０の全量を沸き上げたときの貯湯熱量を算出し、この貯湯熱量を沸き上げ目標温度補正手段２２で補正した沸き上げ目標温度で除して沸き上げ容量を算出し、沸き上げ目標温度補正手段２２で補正された沸き上げ目標温度で特定の時間帯において沸き上げを開始し、貯湯温度センサ１４によって算出された沸き上げ容量を沸き上げたことを検知すると、沸き上げを完了するようにしている。

そして、特定の時間帯以外の時間帯においては、エネルギー管理装置８が太陽光発電装置２の発電に余剰電力が生じていると判断すると、制御手段１６に対して沸き上げ要求を出力し、制御手段１６は沸き上げ要求を受けて、追加沸き上げ時間があると追加の沸き上げを行うと共に、追加沸き上げ時間から追加の沸き上げを行った時間を減算して、追加沸き上げ時間が０になるまで繰り返し追加沸き上げを行うようにしている。

ここで、追加沸き上げ時間が０の場合かつ貯湯温度センサ１４で検出する貯湯タンク１０内の残湯量が湯切れの恐れの少ない所定量以上であるときは、エネルギー管理装置８からの沸き上げ要求があっても追加沸き上げを行わないようにしているため、不要な追加沸き上げを行わないので、余剰電力を不要な温熱に変換することがなく、余剰電力を売電や蓄電等で有効に活用できる。

また、追加沸き上げ時間が０の場合でも残湯量が湯切れの恐れのある所定量以下であるときは、エネルギー管理装置８からの沸き上げ要求があると追加沸き上げを行うようにしているため、追加沸き上げ時間がなくとも湯切れの可能性がある場合は追加沸き上げを行うので、余剰電力を有効に活用できる。

このように、太陽光設定手段２１で太陽光発電装置２が並設されている設定がされていると、貯湯タンク１０の底部に低温の水を確保するように沸き上げるため、図２に示されるように特定時間帯の沸き上げ完了から給湯によってお湯を多量に使うまでの間にも、太陽光発電装置２の発電の余剰電力が発生した時には余剰電力を使って沸き上げ運転を行うことを可能としたので、特定時間帯以外の買電量を減少させることができ、さらには、この沸き上げ運転時に加熱する水は未加熱の水であるため、ヒートポンプ加熱手段１３における加熱効率を向上させることができる。

このとき沸き上げ目標温度補正手段２２では、予め定められた一定温度を沸き上げ目標温度決定手段１７で決定した沸き上げ目標温度に加算するようにして沸き上げ目標温度を補正して、太陽光発電がなかった場合の貯湯熱量と同じ熱量を特定時間帯に貯湯しているため、仮に太陽光発電の発電量がほとんどないような状況となった場合でも、電力料金単価の高い特定時間帯以外の買電量を増大させることがない。

なお、ここでは沸き上げ目標温度補正手段２２が補正する所定温度を５℃として説明したが、これは一例であって、算出される貯湯タンク１０の底部に確保される未加熱の水の容量が少ない等の状況に応じてもっと高い所定温度（例えば１０℃）を選択するようにしてもよい。

次に、本発明の別の実施形態を説明する。
ここでは、先の一実施形態の沸き上げ目標温度補正手段２２を変更したものであり、先の一実施形態と同一のものは同一の符号を付してその説明を省略する。

この実施形態の沸き上げ目標温度補正手段２２は、貯湯タンク１０の容量から余剰電力で沸き上げる予め定められた確保水量（例えば５０Ｌ）を減算した容量で、沸き上げ目標温度決定手段１７で決定された沸き上げ目標温度で貯湯タンク１０を全量沸き上げた熱量を確保できる沸き上げ目標温度を算出して、太陽光設定手段２１にて太陽光発電装置２が並設されていることが設定されている場合には、沸き上げ目標温度決定手段１７が決定した沸き上げ目標温度を太陽光発電装置２が並設されていない場合に比べて高い温度に補正するようにしている。

そして、沸き上げ制御手段１８は、太陽光設定手段２１に太陽光発電装置２が設置されている設定がなされていると、沸き上げ目標温度補正手段２２で補正された沸き上げ目標温度で特定の時間帯において沸き上げを開始し、貯湯タンク１０の容量から確保水量を減算した容量を沸き上げたことを検知すると、沸き上げを完了するようにしている。

このように、太陽光設定手段２１で太陽光発電装置２が並設されている設定がされていると、貯湯タンク１０の底部に低温の水を確保するように沸き上げるため、特定時間帯の沸き上げ完了から給湯によってお湯を多量に使うまでの間にも、太陽光発電装置２の発電の余剰電力が発生した時には余剰電力を使って沸き上げ運転を行うことを可能とし、さらには、この沸き上げ運転時に加熱する水は未加熱の水であるため、ヒートポンプ加熱手段１３における加熱効率を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で改変可能なものである。

１ ヒートポンプ貯湯式給湯装置
２ 太陽光発電装置
８ エネルギー管理装置
１０ 貯湯タンク
１３ ヒートポンプ式加熱手段
１６ 制御手段
１７ 沸き上げ目標温度決定手段
１８ 沸き上げ制御手段
２１ 太陽光設定手段
２２ 沸き上げ目標温度補正手段

Claims (5)

1. 湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンク下部から取り出した湯水を加熱して前記貯湯タンクの上部に戻すようにして貯湯タンク内の湯水を沸き上げるヒートポンプ式加熱手段と、前記ヒートポンプ式加熱手段で沸き上げる湯水の沸き上げ目標温度を決定する沸き上げ目標温度決定手段と、特定の時間帯において沸き上げ目標温度で貯湯タンクの全量を沸き上げるよう前記ヒートポンプ式加熱手段を制御する沸き上げ制御手段と、を備えたヒートポンプ貯湯式給湯装置において、太陽光発電装置を並設しているか否かを設定する太陽光設定手段と、前記太陽光設定手段にて太陽光発電装置が並設されていることが設定されている場合には、前記沸き上げ目標温度決定手段が決定した前記沸き上げ目標温度を太陽光発電装置が並設されていない場合に比べて高い温度に補正する沸き上げ目標温度補正手段と、を設け、前記沸き上げ制御手段は、前記太陽光設定手段に太陽光発電装置を並設している設定がされている場合に、補正前の前記沸き上げ目標温度で前記貯湯タンクの全量を沸き上げた場合と同じ貯湯熱量を、前記沸き上げ目標温度補正手段で高い温度に補正された前記沸き上げ目標温度で前記特定の時間帯において沸き上げて、前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにしたことを特徴とする太陽光発電装置対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置。
2. 前記沸き上げ制御手段は、前記太陽光発電装置と前記ヒートポンプ貯湯式給湯装置とが並設された建物内の発電状況、電力消費状況を監視すると共に、余剰電力の発生時に前記ヒートポンプ貯湯式給湯装置に対して沸き上げの開始を指示するエネルギー管理装置と通信可能に接続され、前記エネルギー管理装置からの沸き上げの開始指示に応じて、前記貯湯タンク下部の未加熱の水を沸き上げるようにしたことを特徴とする請求項１記載の太陽光発電対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置。
3. 前記太陽光設定手段は、前記エネルギー管理装置からの指示によって前記設定の状態を切り換え可能としていることを特徴とする請求項２記載の太陽光発電対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置。
4. 前記沸き上げ目標温度補正手段は、予め定められた所定温度を前記沸き上げ目標温度決定手段で決定された沸き上げ目標温度に加算して、これを補正後の沸き上げ目標温度とし、前記沸き上げ制御手段は、補正前の前記沸き上げ目標温度と前記貯湯タンクの容量の積を、前記沸き上げ目標温度補正手段で補正された沸き上げ目標温度で除すことで沸き上げ容量を算出し、この沸き上げ容量に基づいて沸き上げを停止することで前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽光発電対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置。
5. 前記沸き上げ目標温度補正手段は、前記貯湯タンクの容量から予め定められた確保水量を減算した容量で、前記沸き上げ目標温度決定手段により決定された沸き上げ目標温度で前記貯湯タンクを全量沸き上げた熱量を確保できる沸き上げ目標温度を算出し、これを補正後の沸き上げ目標温度とし、前記貯湯タンクの容量から前記確保水量を減算した容量に基づいて沸き上げを停止することで前記貯湯タンク下部に未加熱の水を確保するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の太陽光発電対応ヒートポンプ貯湯式給湯装置。

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