JP2000297700A - コジェネレーション装置 - Google Patents
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Abstract
できるコジェネレーション装置を提供すること。 【解決手段】 エンジン発電機10の排熱を利用して作
られた第1温水を貯溜する貯湯タンク17を設ける。貯
湯タンク17内には第1温水を作るための第1熱交換器
20と、第1温水から熱を取出して第2温水を作るため
の第2熱交換器22とを設ける。第1熱交換器20と第
2熱交換器22との間には温度センサTS1を設け、第
2熱交換器22の上方には第2の温度センサTS2を設
ける。コントローラ29は温度センサTS1,TS2で
検出された水温に基づいて判断される熱負荷21,24
に応じてエンジン発電機10を運転する。さらに、熱負
荷24に供給する第2温水を加熱するための追い焚きボ
イラ25を設けている。
Description
ジェネレーション装置に関し、特に、変動する熱需要に
対して適切に熱エネルギを供給することができるコジェ
ネレーション装置に関する。
れ、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を動力源と
して発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジ
ェネレーション装置が注目されている。この種のコジェ
ネレーション装置では、発電に伴って発生する熱を熱需
要に応じて適切に取出せることが必要であるが、発電に
伴う熱エネルギを直ちに消費する熱需要がない場合も多
いため、次のような工夫がなされている。例えば、特開
平8−4586号公報には、発電機から取出した熱エネ
ルギを温水に変換して貯めておく貯湯タンクを設けたコ
ジェネレーションシステムが開示されている。
従来のコジェネレーションシステムでは、熱エネルギを
貯めておくことができるので、発電運転時以外に発生し
た熱需要にも応じることができるという利点がある。と
ころで、例えば、給湯と暖房のように独立した異なる熱
需要に応ずるためには、それぞれの熱需要の変動に別個
に応じなければならない。しかし、従来のコジェネレー
ションシステムではこのような変動する複数の熱需要に
適切に応ずることができないという問題点があった。
たものであり、その目的は、独立した複数の熱需要に対
して適切に熱エネルギを供給することができるコジェネ
レーション装置を提供することにある。
ョン装置は、エンジン発電装置の運転による排熱を利用
して作られた第1温水を貯溜する貯湯タンクと、前記第
1温水を作るため前記貯湯タンク内に設けられた第1熱
交換器と、前記第1温水から熱を取出して第2温水を作
るため前記第1熱交換器の上方に設けられた第2熱交換
器と、前記第1熱交換器の上端近傍と前記第2熱交換器
の下端近傍との間に設置された温度センサと、前記温度
センサで検出された温度に基づいて前記発電装置の運転
を制御するコントローラとを具備した点に第1の特徴が
ある。
に第2温度センサを設けると共に、前記コントローラ
が、前記第1温度センサで検出された温度が第1基準温
度以下、および/または前記第2温度センサで検出され
た温度が前記第1基準温度よりも高い値に設定された第
2基準温度以下である場合に前記発電装置を駆動するよ
うに構成された点に第2の特徴があり、前記第1温度セ
ンサで検出された温度が前記第1基準温度よりも高い値
に設定された第3基準温度以上になったときに、発電装
置を停止させる点に第3の特徴がある。
る熱負荷が要求する温水の温度よりも、前記第1基準温
度以上の値に設定した点に第4の特徴がある。また、本
発明は、前記第2熱交換器を含む温水経路に設けられた
追い焚きボイラと、前記追い焚きボイラを通過した第2
温水を該温水経路に接続された熱負荷に供給するか、該
熱負荷をバイパスして前記第2熱交換器に少なくとも一
部を戻すかの切替えを行う弁手段とを具備した点に第5
の特徴がある。
ン発電機で構成し、このエンジン発電機の出力電力と商
用電力系統から供給される電力とを系統連系させるとと
もに、前記エンジン発電機を、前記コントローラからの
駆動指令に従って一定発電出力で運転する点に第6の特
徴がある。
回収した熱量を独立した2つの熱需要に対応して供給す
ることができ、熱需要の有無およびその大きさを貯湯タ
ンク内の温水の温度に基づいて判断し、発電装置を運転
することができる。特に、第2の特徴によれば、要求温
度が異なる2種類の熱需要に対応して適切な熱量を発生
させることができる。
サによって検出された水温を監視することによって熱負
荷が要求する温度の温水を供給することができる。ま
た、第5の特徴によれば、追い焚きボイラを経由した温
水を貯湯タンクまたは第2熱需要に供給できるので急激
な熱需要の変化にも追従できる。
電機が稼働していないときの電気需要が商用電力系統に
よって担保されるとともに、一定回転により安定的にエ
ンジン発電機の運転を行うことができる。
実施形態を詳細に説明する。図1は発電装置を構成する
エンジン発電機を商用電力系統に連系させたコジェネレ
ーション装置の構成を示すブロック図である。エンジン
発電機10は、互いに機械的に連結された(内燃)エン
ジン11と発電機12とを含み、エンジン11が発電機
12を駆動してエンジン回転数に応じた交流電力を発生
する。
れた交流電力を商用電力系統と同じ品質(電圧、周波
数、ノイズ等に関して)の交流に変換し、商用電力系統
の位相と同期をとって連系させる機能を有する。具体的
には、発電機12から出力された交流を直流に変換する
コンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用
電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するイン
バータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等
の機能を有している。系統連系用電力変換装置の一例は
特公平4−10302号公報に開示されている。電力変
換装置13で変換された発電機12の出力交流は商用電
力系統14と連系して電気負荷15に接続されている。
熱を発生し、この熱はエンジン11の水冷装置16で熱
交換により回収される。なお、この熱回収はエンジン1
1のマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ま
しい。水冷装置16を通過する管路18内の冷却水はポ
ンプ19で循環され、この冷却水を媒体として貯湯タン
ク17に熱量が運搬される。貯湯タンク17には前記管
路18に接続された熱交換器(以下、「第1熱交換器」
という)20が設けられ、図示しない水供給源から貯湯
タンク17に供給された水はこの第1熱交換器20から
熱を得て温水になる。貯湯タンク17に蓄えられた温水
は、第1熱負荷としての給湯器21に供給されて利用さ
れる。
ブ(図示せず)が設けられ、貯湯タンク17内の水量が
基準値以下になったときに、このバルブが開かれて給水
される。ポンプ19はエンジン発電機10の運転に連動
して起動する一方、エンジン発電機10が停止される
と、その時点から予定時間(タイマによって設定され
る)経過後に停止するようにするのがよい。ポンプ19
は、エンジン11側の温度が貯湯タンク17側より高く
なったときに起動してもよい。なお、本明細書では、水
冷装置16およびポンプ19を含めた場合のエンジン発
電機10を、「コジェネレーション・ユニット」と呼
ぶ。
22が設けられる。第2熱交換器22に接続された管路
23にはセントラルヒーティングシステムや床暖房シス
テム等、第2熱負荷としての暖房装置24が接続されて
おり、貯湯タンク17内の温水を給湯器21に供給する
温水経路とは独立した第2の温水経路を構成している。
この第2の温水経路によって、貯湯タンク17から2次
的に効率よく熱を回収することができる。
も上方の位置に配置したのは、第1熱交換器20から熱
量を得た温度の高い水は、対流により第1熱交換器20
よりも上方に移動しているためである。第1熱交換器2
0よりも第2熱交換器22を上方に配置することによ
り、対流して上方に移動した高温の温水から多くの熱量
を取出すことができる。
5と三方弁26とが設けられている。追い焚きボイラ2
5には第2の温水経路内で温水を循環させるためのポン
プ27が設けられている。三方弁26はバイパス28側
または暖房装置24側に温水を循環させるための切り替
え手段である。この三方弁26を制御することによっ
て、次のような経路を形成できる。すなわち、三方弁2
6を暖房装置24側に切り替えると、貯湯タンク17か
ら出た温水が追い焚きボイラ25および暖房装置24を
経て貯湯タンク17に戻る温水経路が形成される。一
方、三方弁26をバイパス28側に切り替えると、貯湯
タンク17から出た温水が、追い焚きボイラ25を通過
した後、暖房装置24を経由せず、バイパス28を経て
貯湯タンク17に戻る温水経路が形成される。
1が設けられ、温度センサTS1で検知された温水の温
度情報T1はコントローラ29に供給される。温度セン
サTS1は貯湯タンク17内の、第1熱交換器20の上
端近傍から第2熱交換器22の下端近傍までの適当な高
さに設置されることができるが、最も好ましくは、第1
熱交換器20と第2熱交換器22との中間位置に設置さ
れるのがよい。貯湯タンク17内では、対流により最下
端付近では温度が低くなる傾向があり、最上端近傍では
温度が高くなる傾向があるため、上記位置に温度センサ
TS1を設けて貯湯タンク17内の平均的な温度を検出
できるようにしたものである。
てエンジン11の始動および停止の制御を行う。すなわ
ち、温度情報T1は、貯湯タンク17の温水を直接的に
利用している給湯器21や、第2熱交換器22を介して
間接的に温水を利用している暖房装置24等の熱需要を
代表しているので、コントローラ29は、この温度情報
T1が基準温度Tref-1 以下であれば熱需要が大きいと
判断してエンジン11を駆動し、熱量を発生させる。ま
た、温度情報T1が基準温度Tref-1 以上になれば、貯
湯タンク17内には十分な熱量が蓄えられたと判断して
エンジン11を停止させる。
(つまり給湯器21や暖房装置24の種類や大きさ)、
コジェネレーション・ユニット10の熱出力、および貯
湯タンク17の容量等に基づいて決定される。基準温度
Tref-1 はエンジン11の安定運転のため、つまり頻繁
な起動・停止を回避するためのヒステリシスを有してい
る。
いて駆動する場合、発電機12が一定の発電電力を出力
するように運転してもよいし、電力負荷15の大きさに
応じた発電電力を出力するように、電力負荷追随型で運
転してもよい。一定発電出力型においては、駆動源であ
るエンジン11は、その回転数がほぼ一定となる定格運
転にすることができるので、燃料消費量が少なくかつ排
気ガスの状態も良好な、高い効率の運転が可能である。
ここで、大きい電力需要が生じて発電機12による発電
電力に不足が生じた場合は、商用電源14からの電力で
不足分をまかなうことができる。
り熱需要の大きさや、エンジン発電機10の運転方法つ
まり一定発電出力型であるか電力負荷追随型であるかに
よって大きく左右される。例えば、温水消費量が少ない
場合は、温度センサTS1で検出された水温に基づいて
コジェネレーション・ユニット10を運転すれば水温は
80°C程度に維持できる。しかし、給湯器21および
暖房装置24の双方で熱需要が発生した場合のように温
水が急激に大量に使用された場合や、システムの立上げ
時には、貯湯タンク17内の温水の温度は低下し、給水
される水の温度程度にしかならないことがある。
ジェネレーション・ユニット10からの回収熱のみでは
基準温度に維持できないときに、追い焚きボイラ25が
有効に機能する。温水コントローラ30は、追い焚きボ
イラ25と三方弁26に追い焚き指令Bと切替え指令C
を供給する。温水コントローラ30には前記基準温度T
ref-1 よりも低い下方基準温度Tref-L が設定されてお
り、貯湯タンク17内の水温T1がこの下方基準温度T
ref-L を下回った場合に追い焚き指令Bおよび切替え指
令Cをともにオンにする。追い焚き指令Bがオンのとき
は追い焚きボイラ25が駆動され、切替え指令Cがオン
のときは三方弁26はバイパス28側に切り替えられ
る。これにより、追い焚きボイラ25で加熱された温水
が管路23を循環し、この温度が高められた温水は第2
熱交換器22を通じて貯湯タンク17内の水の温度を上
昇させる。
ref-L を超えたならば追い焚き指令Bおよび切替え指令
Cはともにオフにし、追い焚きボイラ25を稼働させ
ず、三方弁26を暖房装置24側に切り替えて暖房需要
に応えられるよう制御する。下方基準温度Tref-L も基
準温度Tref-1 と同様ヒステリシスを有する。
ことによって温水は暖房装置24に循環しなくなる。し
かし、給湯器21からの給湯需要が風呂や台所用の給湯
であれば、たいていの場合長時間連続して給湯されるこ
とは少ない。また、熱負荷が暖房装置24の場合、一旦
室内の温度が上昇した後は、熱需要の変化が比較的緩慢
であるため、室温が低くなり過ぎるということは少な
く、実用上の問題は発生しにくい。
て、三方弁26を暖房装置24側に切り替えたまま、追
い焚きボイラ25を駆動させることができる。これによ
り、暖房装置24に十分な温度の温水をすみやかに供給
することができる。暖房装置24の熱需要の増大は、例
えば、暖房装置24の暖房設定温度に応じて判断するこ
とができる。なお、三方弁26による切り替えにより、
すべての温水の流れを変えるのに限らず、三方弁26の
開度を可変とし、管路23の温水の少なくとも一部を第
2熱交換器22に戻すようにしてもよい。
実施形態では貯湯タンク17内に温度センサTS1を設
けたが、さらに第2の温度センサTS2を設けることが
できる。図1に示すように、第2の温度センサTS2は
温度センサTS1より上方に設置され、好ましくは、第
2熱交換器22よりも上方に設けられる。温度センサT
S1で検出された温度情報T1が基準温度Tref-1 以下
になった場合、または温度センサTS2で検出された温
度情報T2が基準温度Tref-2 以下になった場合、コン
トローラ29はコジェネレーション・ユニット10を駆
動する。ここで、基準温度Tref-2 は基準温度Tref-1
よりも高い値に設定するものとする。例えば基準温度T
ref-1 は40°C、基準温度Tref-2 は58°Cに設定
する。
T2が基準の温度よりも低い値を示したときにコジェネ
レーション・ユニット10を駆動するようにしたのは、
給湯器21と暖房装置24という2つの熱負荷に対応し
たものである。すなわち、温水の温度が、低温需要の熱
負荷を満足する温度情報T1以上であっても、高温需要
の熱負荷を満足する温度情報T2に満たなかった場合が
あったり、その逆の場合もあったりするからである。こ
うして、貯湯タンク17内の上下方向の2か所に温度セ
ンサを設けることによって、負荷変動による貯湯タンク
17内の温度分布の変化に対応できる。
度センサTS1による温度情報T1が、基準温度Tref-
1 より高く設定した基準温度Tref-3 (例えば70°
C)以上になった場合に停止させる。温度センサTS1
による温度情報T1が基準温度Tref-3 に達していれば
貯湯タンク17内に貯溜された熱量は十分と判断できる
からである。
される熱負荷(本実施形態では暖房装置24)で使用す
る温水の温度以上に設定しておくことにより、前記温度
センサT1で検出された温度情報T1を監視してコジェ
ネレーション・ユニット10に始動・停止の指令を出力
する手段のみを設けるだけで、他に要素を付加すること
なく熱需要の変動に対応することができる。
を、1日のうち、特定の時間内でのみ運転できるように
コントローラ29内に時計装置(タイマ)を設け、その
時間内において、前記温度センサT1,T2による温度
検出結果に基づいて始動・停止の制御を行うようにして
もよい。このように、温度センサT1,T2の検出結果
に基づく運転条件に他の条件を加えて、コジェネレーシ
ョン・ユニット10の運転を行うことは任意である。
用態様を説明する。第2熱交換器22上方の貯湯タンク
17の空間を40リットル以上とする。例えばこの空間
を50リットルとし、その水温を70°Cとするように
コントローラ29でエンジン発電機10を制御する。そ
して、この50リットルの水に10°Cの水50リット
ルを混合させると、40°Cの温水を100リットル得
ることができ、一般的なバスタブを満杯にすることがで
きる。
17の空間を100リットルとし、その水温を40°C
とするようにコントローラ29でエンジン発電機10を
制御することにより、水を混合させることなく、一般的
なバスタブを満杯にすることができる温水を得ることが
できる。
検知位置を設定することにより、エンジン発電機10や
追い焚きボイラ25の駆動および停止の繰り返し回数を
減らすことができる。これにより、エンジン発電機10
や追い焚きボイラ25の寿命を延ばすことができるとと
もに、これらの機器の熱出力を小さくでき、システム全
体を低コスト化することができる。
る。図1において、貯湯タンク17と給湯器21とをつ
なぐ管路33上に混合弁34を設け、給水源からの水を
この混合弁34に接続するための管路35を設ける。貯
湯タンク17の上部における水温は80°Cという高温
であることがある。この高温の温水を給湯器21に直接
供給すると使用するには高温すぎることがある。そこ
で、混合弁34で温度の低い水と混合することにより、
風呂や台所用に適した温水を得ることができる。混合弁
34は、次のように制御できる。例えば、貯湯タンク1
7内の温水の温度が前記基準温度Tref-2 以下では給水
側の管路35を閉じる一方、この温水の温度がこの基準
温度Tref-2 を超過していたならば給水側の管路35を
開き、貯湯タンク17からの温水に温度の低い水を混合
させる。なお、混合弁34は開度が可変であるのが望ま
しい。
のユニットに分けて構成することができる。図1におい
て、コジェネレーション・ユニット10を第1のユニッ
トU1、追い焚きボイラ25を第2のユニットU2、貯
湯タンク17と三方弁26および混合弁34とを第3の
ユニットU3に分けることができる。これらのユニット
間は配管によって接続できるので、設置場所の状況に応
じた配置が可能であり、かつ利用者のニーズに応じて、
コジェネレーション・ユニット10の発電/熱出力、追
い焚きボイラ25の熱出力、および貯湯タンク17の容
量等を自由に選択することができる。また、追い焚きボ
イラ25や貯湯タンク17は市販されているものの中か
ら適当な容量のものを選択することができる。
に限らない。例えば、ユニットU1のポンプ19はユニ
ット3側にあってもよいし、ユニットU3の三方弁26
や混合弁34は外付けつまり外部配管に含めてもよい。
また、コントローラ29および温水コントローラ30は
マイクロコンピュータによって構成することができ、そ
の場合、両者は一体として、単一のCPUで制御するこ
ともできる。
ボイラ25や貯湯タンク17については、壁掛け型とす
ることができる。家庭用等、比較的小型のシステムでは
追い焚きボイラ25や貯湯タンク17は小型のものでも
よいため、このように壁掛け型にすることによって、全
システムの設置投影床面積を小さくできるだけでなく、
立体的な空間使用により、配管の自由度を高めることが
できる。
説明したが、種々の変形は可能である。例えば、給湯器
21や暖房装置24等の熱負荷はこれらに限定されず、
設置台数も上述の実施形態に限定されない。また、貯湯
タンク17の容量に対して暖房装置24での消費熱量が
小さいシステムでは、追い焚きボイラ25や三方弁26
を省略することができる。
電装置としてエンジン発電機について説明したが、燃料
電池発電装置等の他の発電装置にも同様に適用すること
が可能である。
1〜請求項6の発明によれば、独立した2つの熱需要に
対して発電装置から適切な熱出力を供給することができ
る。熱需要を直接は判断することなく温度センサの検出
結果に基づいて発電装置を運転すればよいので制御を簡
単にすることができる。特に、請求項2の発明によれ
ば、2か所の温度センサにより貯湯タンク内の温度分布
の変化にも対応することができる。
転・停止できるので排気される熱エネルギを抑制するこ
とができる一方、熱需要中心の運転により特に熱需要の
大きい寒冷地域における、セントラルヒーティングのよ
うな家庭用エネルギ供給源としてきわめて有用である。
収した排熱では十分に応じきれない急激な熱需要の変化
に対しても対応することができるし、第2熱交換器を、
貯湯タンクから第2熱需要への熱量の取出しと、追い焚
きボイラによる貯湯タンクへの熱量の供給とに兼用でき
る。
置を熱需要に応じて一定発電出力で運転することによ
り、燃料消費量の削減および排気ガスの良好状態を維持
することができ、かつエンジンの長寿命化を図ることが
できる。
ン装置の構成を示すブロック図である。
電機、 13…電力変換装置、 14…商用電力系統、
15…電気負荷、 16…水冷装置、 17…貯湯タ
ンク、 20…第1熱交換器、 21…給湯器、 22
…第2熱交換器、24…暖房装置、 25…追い焚きボ
イラ、 26…三方弁、 29…コントローラ、 30
…温水コントローラ
Claims (6)
- 【請求項1】 発電装置と、 前記発電装置の運転による排熱を利用して作られた第1
温水を貯溜する貯湯タンクと、 前記第1温水を作るため前記貯湯タンク内に設けられた
第1熱交換器と、 前記第1温水から熱を取出して第2温水を作るため前記
第1熱交換器の上方に設けられた第2熱交換器と、 前記第1熱交換器の上端近傍と前記第2熱交換器の下端
近傍との間に設置された温度センサと、 前記温度センサで検出された温度に基づいて前記発電装
置の運転を制御するコントローラとを具備したことを特
徴とするコジェネレーション装置。 - 【請求項2】 前記第2熱交換器の上方に第2温度セン
サを設けると共に、 前記コントローラが、前記第1温度センサで検出された
温度が第1基準温度以下、および/または前記第2温度
センサで検出された温度が前記第1基準温度よりも高い
値に設定された第2基準温度以下である場合に前記発電
装置を駆動するように構成されたことを特徴とする請求
項1記載のコジェネレーション装置。 - 【請求項3】 前記第1温度センサで検出された温度が
前記第1基準温度よりも高い値に設定された第3基準温
度以上になったときに、前記発電装置を停止させること
を特徴とする請求項2記載のコジェネレーション装置。 - 【請求項4】 前記第2温水を供給される熱負荷が要求
する温水の温度よりも、前記第1基準温度以上の値に設
定したことを特徴とする請求項2または請求項3記載の
コジェネレーション装置。 - 【請求項5】 前記第2熱交換器を含む温水経路に設け
られた追い焚きボイラと、 前記追い焚きボイラを通過した第2温水を該温水経路に
接続された熱負荷に供給するか、該熱負荷をバイパスし
て前記第2熱交換器に少なくとも一部を戻すかの切替え
を行う弁手段とを具備したことを特徴とする請求項1〜
請求項4のいずれかに記載のコジェネレーション装置。 - 【請求項6】 前記発電装置をエンジン発電機で構成
し、このエンジン発電機の出力電力と商用電力系統から
供給される電力とを系統連系させるとともに、前記エン
ジン発電機を、前記コントローラからの駆動指令に従っ
て一定発電出力で運転することを特徴とする請求項1〜
請求項5のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
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