JP6630631B2 - 給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、給湯システムに関する。

蓄熱タンクの水を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燃焼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）。ヒートポンプは電力を使って外気の熱を吸収し、蓄熱タンクの水を加熱する。燃焼加熱器はガス又は石油を使って蓄熱タンクの水を加熱する。そのような給湯システムは、電気とガス（又は石油）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、燃焼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と接続されており、ヒートポンプの駆動電力を商用電源と太陽光発電装置のいずれかにより得ることができる。太陽光発電装置はコストのかからない太陽光をエネルギ源とする反面、夜間や曇天時など、得られる電力が安定しないという短所を有する。特許文献１の給湯システムは、トータルコストを抑制するため、太陽光発電装置の発電電力が家庭内の使用電力（消費電力）を越えている場合で且つ所定条件を満たした場合には、ヒートポンプによる給湯運転を禁止又は制限する。特許文献１の技術は、太陽光発電装置の発電量を積極的に残すようにする。特許文献１の技術的思想は、太陽光発電装置で作った余剰電力を販売することによって、給湯システムを含む家庭の総エネルギコストを下げる、というものである。

特開２０１４−４７９４４号公報

特許文献１の技術は、太陽光発電装置で発電した電力をできるだけ残し、売電することで総エネルギコストを低減する、という技術的思想である。本明細書は、逆に、太陽光発電装置で発電した電力を有効に使う技術を提供する。本明細書は、太陽光発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、太陽光発電装置に接続されている他の電気機器への電力供給を考慮しつつ、太陽光発電装置の電力を給湯システムでもできるだけ有効に使ってエネルギコストを抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する給湯システムは、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。給湯システムは、熱媒を蓄えるタンクと、ヒートポンプと、供給手段と、燃焼加熱器と、電力データ取得手段と、制御器を備える。ヒートポンプは、太陽光発電装置又は他の電源から供給される電力で外気から熱を吸収してタンクの熱媒を加熱する。供給手段は、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。燃焼加熱器は、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てい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、予め定められた開始時刻に、タンクの熱媒が目標温度になるようにヒートポンプを駆動する処理（その処理を以下では「沸き上げ運転」と称する）を開始する。電力データ取得手段は、蓄電装置の残電力量と、その日の残り時間での太陽光発電装置の予測発電量と、太陽光発電装置に接続されている電力消費機器のその日の残り時間での予測消費電力量を取得する。制御器は、上記した開始時刻において、残電力量と予測発電量の合計電力量から予測消費電力量を引いた余剰電力量が、第１目標温度での沸き上げ運転を達成するのに要する電力量（必要電力量）以上の場合は第１目標温度での沸き上げ運転を開始する。一方、制御器は、余剰電力量が必要電力量を下回っている場合には、第１目標温度より低い第２目標温度での沸き上げ運転を開始する。

給湯システムの利用箇所（典型的には、給湯システムを備えた建屋）においては、温水を多く使う時間帯が概ね決まっている。例えば一般の家庭では、朝食前、及び、入浴時間帯が、温水利用のピーク時間帯に相当する。企業では昼食時が温水利用のピーク時間帯に相当する場合もある。給湯システムでは、予め決められた開始時刻（温水利用のピーク時間帯の１−２時間前に設定されていることが多い）に、タンク内の水が目標温度になるようにヒートポンプを駆動する。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（又は石油）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、ヒートポンプによる沸き上げ運転で予めタンクに蓄熱しておき、温水利用時にその熱で不足する場合は燃焼加熱器で水を追加熱する。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を自由に設定することができる。本明細書が開示する技術は、予め決められた時刻に開始される沸き上げ運転の際、予測発電量と残電力量でその日の残り時間の他の電力消費機器への電力供給を行っても余る電力量（余剰電力量）が大きい場合に沸き上げ運転の目標温度を高くすることによって、電力消費機器への電力供給を考慮しつつ、余剰電力量を有効に蓄熱に利用する。

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。 沸き上げ運転のフローチャートである。 沸き上げ運転のフローチャートである（図２Ａの続き）。 変形例の沸き上げ運転のフローチャートである。 別の変形例の沸き上げ運転のフローチャートである。

最初に、実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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。

制御器は、開始時刻において第１目標温度での沸き上げ運転を開始した後、沸き上げ運転の途中における余剰電力量がそのときの必要電力量を下回った場合には、他の電源を使って第１目標温度での沸き上げ運転を完遂することが好ましい。予測発電量はあくまでも予測であり、開始時刻には十分な余剰電力量が見込まれていても時間が経過するとそのときの余剰電力量が当初の予測よりも低くなっていることが起こり得る。そのような場合、他の電源の電力で沸き上げ運転を継続し、高い目標温度での沸き上げ運転を完遂することで、総エネルギコストを抑え得る。

熱媒は水であり、ヒートポンプで加熱された水が温水として利用されるものであってよい。その場合、タンクは、ヒートポンプで加熱された水を蓄える。供給手段は、タンクの水を温水利用箇所へ供給する。燃焼加熱器は、タンク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、タンクから温水利用箇所へ流れる間で水を加熱する。

（実施例）図面を参照して実施例の給湯システムを説明する。図１に、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６６が備えられている。電気機器６６は、建屋に備えられている電気機器（太陽光発電装置４と蓄電装置７と電力管理装置５と給湯システム２は除く）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６６と給湯システム２は、商用電源９１及び太陽光発電装置４と接続されているとともに、蓄電装置７にも接続されている。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を介して電気機器６６と給湯システム２と電気的に接続されている。

建屋３の電気機器６６と給湯システム２は、太陽光発電装置４が生成した電力と、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６６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が生成した電力のうち、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の電力を建屋３の電力線９４に供給するか否かは、電力管理装置５が判断する。

電力管理装置５には、ＤＣＡＣコンバータが備えられており、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の直流電力を交流電力に変換して電力線９４へ供給する。電力管理装置５は、太陽光発電装置４の発電量、蓄電装置７の残電力量、及び、電力消費機器の夫々の消費電力をモニタしており、太陽光発電装置４の発電電力が電力消費機器の消費電力よりも大きい場合は、余剰の電力を蓄電装置７へ蓄える。

電力管理装置５は、また、太陽光発電装置４の発電電力と蓄電装置７の残電力量では電力消費機器の消費電力を賄えないと判断すると、商用電源９１からの電力を電力線９４に供給する。電気機器６６、太陽光発電装置４、蓄電装置７、後述する給湯器コントローラ６は、ＬＡＮ９２（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６６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を通過する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にて外気の熱を吸収して気化した冷媒を圧縮する。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は、圧縮された高温の冷媒で蓄熱タンク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を膨張させて冷媒の温度と圧力を下げる。冷媒は、例えば自然冷媒Ｒ２９０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。

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、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。先に述べたように、ヒートポンプ１０を運転すると、タンク循環路３０の中の水がヒートポンプ１０の二次熱交換器１４で加熱される。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は、蓄熱タンク２０に蓄熱するための水路である。また、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、ユーザの要求する水温に調整する。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。上述したように、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や台所、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を介して、給湯システム２、及び、電気機器６６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６６で使われずに余った電力は蓄電装置７に蓄えられる。なお、先に述べたように、電力管理装置５はＤＣＡＣコンバータを備えており、太陽光発電装置４が発電した直流電力や蓄電装置７の直流電力を交流に変換して給湯システム２や電気機器６６が接続されている電力線９４へ供給する。

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。ユーザの要求温度がＨＰ目標温度よりも高い場合には、蓄熱タンク２０の水を、温水利用箇所に到達する前にガス加熱器４７で加熱して供給する。給湯器コントローラ６は、予め定められた時刻（予定開始時刻）に、蓄熱タンク２０の中の水の全量がＨＰ目標温度となるようにヒートポンプ１０を運転する。また、給湯器コントローラ６は、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場合に蓄熱タンク２０の中の水の全量がＨＰ目標温度となるようにヒートポンプ１０を運転する。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。

予定開示時刻は、給湯器コントローラ６によって、一日のうちで温水が大量に使われる時刻の１〜２時間前に設定されている。給湯器コントローラ６は、毎日の温水利用パターンを記憶し、過去の温水利用パターンから、温水が大量に使われる時刻を特定する。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。給湯器コントローラ６は、その時間帯の１〜２時間前を、予定開始時刻として設定する。

給湯器コントローラ６は、予定開始時刻に開始される沸き上げ運転において、太陽光発電装置４の発電能力と蓄電装置７の残電力量を参照して、太陽光発電装置４の発電電力を有効に利用する。このとき、給湯器コントローラ６は、電力管理装置５と連携する。先に述べたように、電力管理装置５は、ＬＡＮ９２を介して太陽光発電装置４、蓄電装置７、給湯システム２（給湯器コントローラ６）、及び、電気機器６６と情報の授受を行うことができるとともに、インターネット９３を介して外部の様々なコンピュータとも情報の授受を行うことができる。

電力管理装置５は、定期的に蓄電装置７と通信し、蓄電装置７のそのときの残電力量を得る。また、電力管理装置５は、定期的に電気機器６６の稼働状態（消費電力）モニタしており、建屋３の中の電気機器６６の一日の電力消費パターンを特定している。

また、電力管理装置５は、インターネット９３を通じて日照時間の予測情報を取得する。電力管理装置５は、取得した日照時間の予測情報に基づいて、その日の残り時間での太陽光発電装置４の予測発電量を算出する。なお、電力管理装置５におけるソフトウエア処理においては、「その日」が終了する時刻は深夜１２時でない場合がある。電力管理装置５は、一日の電力消費パターンに基づいて、夜間に最も電力消費が小さくなる時刻を特定し、特定した時刻を一日の区切りとして設定している。通常の家庭では午前２時〜３時ごろ、即ち、家族全員が就寝した後に、消費電力が最小となる。

さらに、電力管理装置５は、先に述べた電力消費機器の一日の電力消費パターンから、電力消費機器がその日の残り時間に消費する予測消費電力量を特定する。「その日」の終了時刻は、先に述べた通り、電力管理装置５のソフトウエア処理の中で定められている。

給湯器コントローラ６は、太陽光発電装置４の予測発電量と蓄電装置７の残電力量に余剰がある場合、予定開始時刻に開始される沸き上げ運転におけるＨＰ目標温度を高く設定し、余剰がない場合にはＨＰ目標温度を低く設定する。すなわち、給湯システム２は、太陽光発電装置４で生成した電力エネルギの余剰分（余剰電力量）を熱エネルギに変えて蓄熱タンク２０に蓄える。

給湯器コントローラ６には、温度の異なる２つのＨＰ目標温度が記憶されている。２つのＨＰ目標温度を夫々、第１温度と第２温度と称する。第２温度は、ユーザが設定する温度に５［℃］を加えた温度である。５［℃］を加えるのは、蓄熱タンク２０の中の水温をユーザが設定する温度よりわずかに高い温度にするためである。第１温度は、給湯器コントローラ６が設定する温度である。給湯器コントローラ６は、第１温度として、第２温度よりも高い温度を設定する。例えば、ユーザが第２温度に４５℃を設定した場合、給湯器コントローラ６は、第１温度に６０℃を設定する。後述するように第１温度は６０℃以上であることが望ましい。

以下、予定開始時刻において給湯システム２が行う沸き上げ運転を説明する。図２Ａ、図２Ｂに、沸き上げ運転のフローチャートを示す。以下では、その日の残り時間での太陽光発電装置４の予測発電量を記号「ａ」で表し（予測発電量ａ）、蓄電装置７の残電力量を記号「ｂ」で表し（残電力量ｂ）、太陽光発電装置４に接続されている電力消費機器の残り時間での予測消費電力量を記号「ｃ」で表す（予測消費電力量ｃ）。先に述べたように、予測消費電力量ｃは、電力管理装置５が過去の電力消費パターンから推定したものである。

図２Ａ、２Ｂの処理は、上述の予定開始時刻に起動される。給湯器コントローラ６は、まず、電力管理装置５から、予測発電量ａ、残電力量ｂ、及び、予測消費電力量ｃを取得する（Ｓ２）。次に、給湯器コントローラ６は、第１温度（温度が高い方のＨＰ目標温度）で沸き上げ運転を完遂するのに要する電力量（必要電力量ｄ）を計算する（Ｓ３）。この計算は、次の手順で行われる。給湯器コントローラ６は、サーミスタ２２ａ〜２２ｄの計測温度に基づいて、蓄熱タンク２０に蓄えられている水の総熱量（現在総熱量）を算出する。次に、給湯器コントローラ６は、蓄熱タンク２０の中の水の全量が第１温度である場合の総熱量（目標総熱量）を算出する。なお、目標総熱量は、予め算出して記憶しておいてもよい。目標総熱量から現在総熱量を引いた値が、第１温度まで沸き上げ運転するのに必要な熱量（必要熱量）である。ヒートポンプ１０のＣＯＰ（成績係数）は既知であり、給湯器コントローラ６は、ＣＯＰに基づいて、必要熱量を得るのに要する電力量（必要電力量ｄ）を算出する。

次に給湯器コントローラ６は、余剰電力量ｅ（＝予測発電量ａ＋残電力量ｂ−予測消費電力量ｃ）と必要電力量ｄを比較する（Ｓ４）。そして、余剰電力量ｅが必要電力量ｄ以上の場合、給湯器コントローラ６は、第１温度をＨＰ目標温度に設定する（Ｓ５）。一方、余剰電力量ｅが必要電力量ｄより小さい場合、給湯器コントローラ６は、第２温度をＨＰ目標温度に設定する（Ｓ６）。すなわち、余剰電力量ｅ（太陽光発電装置４の予測発電量ａと蓄電装置７の残電力量ｂの合計からその日の残り時間の予測消費電力量ｃを引いた残り）で高温（第１温度）の沸き上げ運転が可能な場合、給湯システム２は、高温（第１温度）での沸き上げ運転を行う。なお、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又はＳ６で設定されたＨＰ目標温度と同じかそれ以上の場合、沸き上げ運転を行わずに処理を中止する（Ｓ７：ＹＥＳ）。蓄熱タンク２０の下部の水温が沸き上げ運転の目標温度（ＨＰ目標温度）以上であれば、沸き上げ運転する必要がないからである。

ステップＳ５またはＳ６でＨＰ目標温度が定まり、蓄熱タンク２０の下部の水温がＨＰ目標温度よりも低ければ、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。

図２Ｂの処理の説明に移る。給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転を開始した後も、余剰電力量で沸き上げ運転を完遂できるか否かを常にモニタする。即ち、給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転の途中に、電力管理装置５から、その時点での予測発電量ａと残電力量ｂと予測消費電力量ｃを再取得する（Ｓ１２）。次いで給湯器コントローラ６は、その時点から沸き上げ運転を完遂するのに要する電力（必要電力量ｄ）を再計算する（Ｓ１３）。給湯器コントローラ６は、余剰電力量ｅ（＝予測発電量ａ＋残電力量ｂ−予測消費電力量ｃ）が必要電力量ｄ以上である場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、第１温度をＨＰ目標温度に設定して沸き上げ運転を続ける（Ｓ１５）。一方、余剰電力量ｅが必要電力量ｄに満たない場合（Ｓ１４：ＮＯ）、給湯器コントローラ６は、第２温度をＨＰ目標温度に設定して沸き上げ運転を続ける（Ｓ１６）。

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、余剰電力量ｅと必要電力量ｄの比較を繰り返しながら沸き上げ運転を続ける（Ｓ１７：ＮＯ、Ｓ１２）。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（Ｓ１８）。即ち、給湯器コントローラ６は、沸き上げ運転を終了する。

なお、ＨＰ目標温度に第２温度が設定された状態で余剰電力量ｅが必要電力量ｄに満たない場合（Ｓ４：ＮＯあるいはＳ１４：ＮＯ）、太陽光発電装置４の予測発電量ａと蓄電装置７の残電力量ｂだけでは沸き上げ運転を完遂できない。そのような場合には、電力管理装置５が外部の商用電源９１から電力を取り込み、ヒートポンプ１０（給湯システム２）に電力を供給する。

実施例の給湯システム２の利点を述べる。給湯システム２は、太陽光発電装置４の出力及び、蓄電装置７の残電力量の大きさに関係なく、予定開始時間になると沸き上げ運転を開始する。また、ユーザにより、沸き上げ運転時のＨＰ目標温度は第２温度に設定されている。実施例の給湯システム２は、ユーザによってＨＰ目標温度に第２温度が設定されていても、余剰電力量が存在する場合には、ＨＰ目標温度を第２温度よりも高い第１温度に引き上げる。実施例の給湯システム２は、沸き上げ運転の予定開始時刻において、蓄電装置７の残電力量と太陽光発電装置４の発電量で電力消費機器の消費電力を賄える見込みがあるときに、その上で余る電力エネルギを熱エネルギに変換して蓄える。実施例の給湯システム２は、建屋の電力消費機器の消費電力を太陽光発電装置４と蓄電装置７の電力でできるだけ賄いつつ、余剰電力のエネルギを熱エネルギに変換して蓄えることによって、建屋全体のエネルギ効率を向上させる。

実施例の給湯システム２は、温水利用のピークを迎える前に余剰電力のエネルギを熱エネルギに変換して蓄える。先に述べたように、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、給湯システム２は、ガス加熱器４７を使って蓄熱タンク２０の中の水を加熱する。実施例の給湯システム２は、温水利用のピーク時のユーザの要求温度がＨＰ目標温度よりも高い場合、ガスの消費量を抑えることができる。

図２Ａ、図２Ｂのフローチャートでは、第２温度よりも高い第１温度がＨＰ目標温度に設定されたのち、沸き上げ運転の途中で余剰電力量が必要電力量を下回った場合、ＨＰ目標温度が第１温度より低い第２温度に変更される。この場合、蓄熱タンク２０の内部には、第１温度の層と第２温度の層が形成される可能性がある。そこで、給湯器コントローラ６は、第１温度をＨＰ目標温度に設定して沸き上げ運転を開始した後、再取得した余剰電力量ｅが再計算した必要電力量ｄを下回った場合、ＨＰ目標温度を変更することなく、商用電源９１の電力を使って第１温度までの沸き上げ運転を行うことも好適である。その場合の処理のフローチャートを図３に示す。なお、図３は、図２Ｂに対応するものであり、図２ＡのステップＳ４の判断がＹＥＳとなって第１温度がＨＰ目標温度に設定された場合に、図２Ｂの処理に代えて実行される処理である。図３のステップＳ２２とＳ２３の処理は図２ＢのステップＳ１２とＳ１３の処理と同じである。給湯器コントローラ６は、次に、再計算した余剰電力量ｅ（＝予測発電量ａ＋残電力量ｂ−予測消費電力量ｃ）が必要電力量ｄよりも小さい場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、商用電源９１の電力で補って第１温度での沸き上げ運転を完遂する。図３の処理の場合、商用電源９１の電力を使う可能性があるが、蓄熱タンク２０の水が全て第１温度まで昇温されるので、蓄熱タンク２０の蓄熱エネルギが最大となる。

図２Ａ、２Ｂと図３の処理は、その日の残り時間での発電量の予測値（予測発電量ａ）と残電力量ｂと残り時間の消費電力量の予測値（予測消費電力量ｃ）に基づいてＨＰ目標温度を定める。その日の残り時間全体での余剰電力量ｅ（＝ａ＋ｂ−ｃ）が必要電力量ｄより大きくても、沸き上げ運転途中での余剰電力（即ち、太陽光発電装置４の出力電力ｆと蓄電装置の出力電力ｇからその時の電力消費機器の消費電力ｈを引いた値）がヒートポンプ１０の消費電力ｋを下回る可能性がある。例えば、電力消費機器としてエアコンが最大出力運転されている場合などである。そのような場合、ＨＰ目標温度を第１温度よりも低い第２温度に変更するのではなく、一時的に商用電源９１の電力を使って第１温度での沸き上げ運転を継続することも好適である。そのような場合の処理を図４に示す。なお、電力の単位の一例は［Watt］であり、電力量の単位の一例は［Watt hour］である。

図４は、図２Ｂに対応するものであり、図２ＡのステップＳ４の判断がＹＥＳとなって第１温度がＨＰ目標温度に設定された場合に、図２Ｂの処理に代えて実行される処理である。第１温度をＨＰ目標温度に設定して沸き上げ運転を開始した後、ステップＳ３２にて、給湯器コントローラ６は、電力管理装置５から、太陽光発電装置４の出力電力ｆ、蓄電装置７の出力電力ｇ、及び、電力消費機器の消費電力ｈを取得する。次に、給湯器コントローラ６は、ヒートポンプ１０の出口における水温を第１温度にするのに要する電力（ヒートポンプの消費電力ｋ）を特定する（Ｓ３３）。次に給湯器コントローラ６は、そのときの余剰電力（出力電力ｆ＋出力電力ｇ−消費電力ｈ）がヒートポンプ１０の消費電力ｋよりも小さい場合（Ｓ３４；ＹＥＳ）、電力管理装置５に指令し、商用電源９１の電力を供給させる。給湯システム２は、太陽光発電装置４の出力電力と蓄電装置７の出力電力の合計電力で不足する分を商用電源９１の電力で補い、第１温度での沸き上げ運転を継続する。図４の処理では、一時的に商用電源９１の電力を使うことになるが、温水利用がピークを迎える前に蓄熱タンク２０に大きな熱量を蓄えることができるので、温水利用時のガス使用量を抑えることができる。

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燃焼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）に任意性があり、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。実施例の給湯システムでは、予め定められた開始時刻に余剰電力量が大きい場合、ＨＰ目標温度を引き上げ、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、トータルのエネルギ効率を向上させる。

実施例では、予め定められた時刻（予定開始時刻）に開始される沸き上げ運転について説明した。給湯システム２は、予定開始時刻に開始される沸き上げ運転のほか、蓄熱タンク２０の上部の水温が所定の温度（ユーザが設定した第２温度）を下回った場合に沸き上げ運転を行う。その場合にも、図２Ａ〜図４で説明した処理を行ってもよい。

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。

図３の変形例の処理では、沸き上げ運転中、再計算した余剰電力量ｅが必要電力量ｄよりも小さい場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、商用電源９１の電力で補って第１温度での沸き上げ運転を完遂する。余剰電力量ｅが必要電力量ｄよりも小さい場合、引き続き商用電源９１で沸き上げ運転を完遂するのではなく、沸き上げ運転を中止し、後に温水が消費されて蓄熱タンク２０の上部の水温が低下したときに改めて商用電源９１で沸き上げ運転を実行することも考えられる。しかしその場合、後に温水が消費されて蓄熱タンク２０の上部の水温が低下するのは夜の温水利用時となる可能性が高く、改めて沸き上げ運転を実行するときには図３の処理による沸き上げ運転を行ったときよりも外気温度が低くなっている可能性が高い。ヒートポンプ１０は、外気の熱を利用して水を加熱する装置であり、外気温度が低いとＣＯＰの低下を招く。図３の処理のように、沸き上げ運転中に再計算した余剰電力量ｅが必要電力量ｄよりも小さい場合は引き続き商用電源９１の電力で補って第１温度での沸き上げ運転を完遂する方が、沸き上げ運転を中止するより総合的なエネルギ効率を高めることができる。

実施例の第１温度と第２温度がそれぞれ請求項の「第１目標温度」、「第２目標温度」に対応する。第１温度（ユーザが設定する第２温度よりも高い温度）は、６０℃以上であることが望ましい。蓄熱タンク２０に蓄える水の温度が６０℃以上であると、温水に含まれ得る菌類（レジオネラ菌など）を滅菌することができる。

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、水以外の流体であってもよい。その場合、給湯システムは、蓄熱タンクの熱媒の熱を水に伝達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。実施例のガス加熱器４７が請求項の「燃焼加熱器」の一例に相当する。燃焼加熱器は、ガスを燃料とする加熱器に限られず、石油を燃料とする加熱器であってもよい。

給湯システム２は、太陽光発電装置４のほかに商用電源９１の電力でも動作する。給湯システム２は、商用電源９１に替えて、あるいは商用電源９１に加えて、ほかの電源（例えば、燃料電池）の電力で駆動するものであってもよい。

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。電力データ取得手段は、給湯システムが設定されている建屋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６６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：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
９３：インターネット
９４：電力線

Claims (3)

1. 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外気から熱を吸収して前記タンクの熱媒を加熱するヒートポンプと、
   前記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てい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燃焼加熱器と、
   予め定められた開始時刻に、前記タンクの熱媒が目標温度になるように前記ヒートポンプを駆動する処理（沸き上げ運転）を開始する制御器と、
   前記蓄電装置の残電力量と、その日の残り時間での前記太陽光発電装置の予測発電量と、前記太陽光発電装置に接続されている電力消費機器のその日の残り時間での予測消費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、前記開始時刻において、前記残電力量と前記予測発電量の合計電力量から前記予測消費電力量を引いた余剰電力量が、第１目標温度での沸き上げ運転を達成するのに要する電力量（必要電力量）以上の場合は前記第１目標温度での沸き上げ運転を開始し、前記余剰電力量が前記必要電力量を下回っている場合には、前記第１目標温度より低い第２目標温度での沸き上げ運転を開始することを特徴とする給湯システム。
2. 前記制御器は、前記開始時刻において前記第１目標温度での沸き上げ運転を開始した後、沸き上げ運転の途中における前記余剰電力量がそのときの前記必要電力量を下回った場合、前記他の電源を使って前記第１目標温度での沸き上げ運転を完遂することを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
3. 前記熱媒は水であり、前記供給手段は、前記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又は２に記載の給湯システム。

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