JP2005098628A - 熱源水供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換方式のセントラル給湯システムにおいて，熱源システムの運転効率を向上させ，小負荷時のボイラの効率運転を確保しつつ瞬時の負荷変動にも速やかに対応する。
【解決手段】 ボイラ１１ａ〜１１ｅは，バッファタンク２１に設けた温度センサＴ１〜Ｔ４の温度情報に基づいて制御装置５１によって台数制御される。１次ポンプ１２は，対応するボイラに連動して作動する。負荷側には，バッファタンク２１からの熱源水が供給される。熱源水を負荷側へ供給する２次ポンプ２６ａ〜２６ｄは，還管２７に設けられた流量計２８からの流量に基づいて，制御装置５２によって制御される。
【選択図】 図２

Description

本発明は，例えば集合住宅，分譲別荘等のリゾート施設，各種スポーツ施設，ホテル，旅館等，多数の居室を有する建物に，給湯用や暖房用の熱源水を供給するのに適した，熱源水供給システムに関するものである。

前記した建物においては，従来から給湯必要箇所に熱交換器を設置し，ボイラや温水器等の熱源機で加熱された熱源水を供給して給湯を行うセントラル熱源水供給システムが採用されているものがある（非特許文献１参照）。

森光康矩 「灯油による住棟セントラル給湯暖房マンション」 社団法人石油学会発行のＰＥＴＲＯＴＥＣＨ １９８７年６月

前記した先行技術の概要を詳述すると，図４に示したように，ボイラなどの熱源機１０１で加熱された熱源水は，例えば脱気装置１０２を介して，循環ポンプ１０３により各住戸（給湯箇所）の熱交換器１０４に供給されるようになっている。熱交換器１０４では，熱源水が水道水と熱交換されるようになっている。

そして住戸内にて給湯栓１０５等を開くと，流水フロースイッチ（図示せず）により熱源水バルブ１０６が開き，熱交換器１０４によって加熱された湯が住戸の蛇口１０７やシャワー１０８に供給される。

暖房要求時は暖房スイッチ（図示せず）をＯＮすることにより，バルブ１０９が開いて，熱交換器１０４を迂回して，床暖房パネル１１１やパネルヒータ１１２に熱源水が直接供給され暖房が行われる。なお熱量の計測が必要な場合には，熱交換器１０４の出入り口に適宜カロリーメーターが取り付けられる。

前記したようなシステムにおいては，給湯，暖房の使用状況によって熱源水の流量が変化するため，通常熱源水循環ポンプ１０３は複数台用意されて，分割運転可能となっており，流量計１１３により流量が感知され，それに応じた適正な台数のポンプ１０３が選択されて運転されるようになっている。

また給湯，暖房不使用時は，熱交換器１０４の入り口のバルブ１０６が閉鎖されるが，そうすると，配管内の温度が低下して給湯使用時に瞬時に熱源水が供給できなくなる。これを防止するため，配管系頂部１２１にバイパスバルブ１２２を設け，熱源機１０１との間で少量の熱源水を循環させ，配管内の温度低下を防止するように配慮されている。

しかしながら各戸に熱交換器を設置するこの種のセントラル給湯システムにおいては，次のような問題点がある。すなわち給湯システムが熱交換式のため，熱源水の温度を高く設定する必要があるが，資格者不要の温水器やボイラで高い温度の熱源水を得るには，対応機種が限定されてしまう。また無圧式又は真空式温水器で８５℃以上の熱源水を得るためには，缶水温度を９０℃以上とすることが必要となり，温水器の放熱量が大きくなり経済運転はできなくなる。

この点熱源機として貫流式のボイラを使用すれば，熱源水温度を上げるのは容易となるが，新たに次のような問題が生ずる。すなわち瞬時負荷に追従するために，それに見合った多くの台数のボイラを用意する必要があり，コスト，スペース的に問題が生じ，過大な設備投資となり経済性に欠ける。

また給湯，暖房不使用時，すなわち負荷停止時には配管内の温度が低下して給湯使用時に瞬時に熱源水が供給できなくなることを防止するため，前記したように，配管系頂部１２１と熱源機１０１との間に少量の熱源水が流れ，配管内の熱源水の温度が維持されているが，この時の流量は配管からの熱ロスと給湯使用時の熱交換器１０４への流れの障害とならないように，極めて微少なものとなっている。但しボイラの燃焼に適切な必要流量のことも考慮しなければならない。そのためボイラの燃焼要求があると，すぐに熱源水温度が上昇してしまい，安全用のサーモスタットによってボイラがすぐに停止してしまうという問題があった。すなわち頻繁にボイラの発停をくり返してしまうと言う問題があった。さらにボイラの安全のために着火，燃焼の前後に行われるプレパージ，ポストパージをも考慮すると，全体として極めて効率も悪いシステムとなっていた。

本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，過剰な設備投資が不要で，熱源システムの運転効率を大幅に向上させるとともに，小負荷時のボイラの効率運転を確保しつつ瞬時の負荷変動にも速やかに対応できるシステムを提供して問題の解決を図ることをその目的としている。

前記目的を達成するため，本発明によれば，複数の温水ボイラを有し，当該温水ボイラによって加熱された熱源水を，負荷側の給湯用熱交換器に供給するシステムであって，前記温水ボイラから給湯用熱交換器に前記熱源水を供給する往管と，前記給湯用熱交換器から温水ボイラへと熱源水を戻す還管と，前記往管及び還管の途中に接続され（すなわち往管，還管の配管系に介在している），バッファタンクと，前記温水ボイラと前記バッファタンクとの間の配管に設けられ，かつ各温水ボイラ毎に設けられて，対応する温水ボイラと連動運転する複数の１次ポンプと，前記往管における前記バッファタンクの下流側に設けられた複数の２次ポンプと，前記往管又は配管に設けられた流量計と，前記流量計からの流量に基づいて，前記２次ポンプの運転台数を制御する制御装置と，バッファタンク内熱源水の温度を測定する温度センサと，前記温度センサからの温度に基づいて前記温水ボイラの運転台数を制御する他の制御装置とを有することを特徴とする，熱源水供給システムが提供される。

本発明によれば，バッファタンク内の熱源水の温度に応じて，ボイラ及び１次ポンプの運転台数を制御することができ，またそれとは別の制御系によって，負荷側にバッファタンクからの熱源水を供給するための２次ポンプの運転台数を流量に応じて制御することができる。したがって，小負荷時や無負荷時においては，バッファタンク内の熱源水を使用することで，ボイラの運転効率を維持しつつ，その発停頻度を低減でき，また瞬時の負荷の増大に対してもこれに迅速に対処できる。なお本発明に使用するボイラとしては，熱源水の温度を高くすることなどを鑑みると，貫流式ボイラが適しているが，もちろん他の方式のボイラも使用できる。

この場合，負荷側にある暖房装置にも熱源水の配管が施工されて，熱源水が暖房装置に供給されるようにしてもよい。
バッファタンクの熱源水の温度を測定する温度センサは，バッファタンク内に貯留される熱源水の上下方向に異なった複数の位置での温度を測定するように複数あってもよい。

また温度センサは，往管におけるバッファタンク出口側の熱源水の温度を測定するものであってもよい。

多数の孔が形成され，水平方向に設けられた整流板をバッファタンク内に設ければ，温度成層を形成する点で有利である。

熱交換器において熱源水と熱交換される給水温度や外気の温度に応じて，負荷側に供給する熱源水の温度を定めれば，効率の良いエネルギー管理が行える。

本発明によれば，バッファタンクの作用により無負荷運転時のボイラ運転の発停の頻度を低減することができ，熱源システムの運転効率を大幅に向上させることが出来る。又バッファタンク内に熱源水を保有していることにより，瞬時の負荷変動に対しても速やかに対応できる。また過剰な設備投資も不要となる。

本発明の好ましい実施の形態を図面を用いて以下に説明する。本システムは図１に示したように，熱交換方式給湯＋暖房システムに適用される熱源水供給システムとして構成され，例えば集合住宅に施工された例である。

本実施の形態で採用されているボイラ１１は，貫流式温水ボイラであり，熱源プラント１側に複数台（図示の例では５台）設置されている。各ボイラ１１ａ〜１１ｅには，ボイラの稼働によって作動する１次ポンプ１２が各々設けられている。本実施の形態においては，バッファタンク２１からの還管２２から分岐した分岐還管２２ａに設けられ，対応する各ボイラ１１の稼働によって自動的に作動し，ボイラ１１によって加熱された熱源水を分岐往管２３ａから往管２３へと送るようになっている。

往管２３は，バッファタンク２１の上部の入口２１ａに接続されている。また，バッファタンク２１の上部には出口２１ｂには，負荷側へと向かう往管２４が接続されている。往管２４には，脱気装置２５，複数の２次ポンプ２６が設けられている。本実施の形態では４台の２次ポンプ２６ａ〜２６ｄが設けられている。

往管２４は，集合住宅の各戸毎に配管された分岐往管２４ａを介して，各戸のメーターボックス内に設置されている熱交換器３１の入口側に接続されている。この熱交換器３１は，例えばプレート式又二重管式の構造のものが用いらる。その能力は，熱源水の温度，熱交換の対象とする給水量，給水温度により変化する。熱源水の量は自動バルブにより制御されるが，ＯＮ・ＯＦＦ型の一定流量タイプ，給水量に連動する変流量のタイプのものであっても使用できる。熱交換器３１は，給水管３２からの給水を熱源水と熱交換し，温水を住戸内のシャワー３３や蛇口３４に供給することができる。また分岐往管２４ａには，さらに分岐往管２４ｂが接続され，パネルヒータ３５や床暖房装置３６に熱源水が供給されるようになっている。

熱交換器３１や前記した各種の暖房装置で降温した熱源水は，各戸に配管されている分岐還管２７ａを経由して還管２７を流れ，バッファタンク２１下部の入口２１ｃからタンク内に流入する。また還管２７には，流量計２８が設けられている。またバッファタンクの下部の出口２１ｄには，前出の還管２２が接続されている。

なお往管２４と還管２７はその端部，例えば配管系頂部２９にて接続されており，配管系頂部２９に設けられたバイパスバルブＶ１を開放することで，両管が接続され，循環路を形成するようになっている。またバッファタンク２１は，既述した系統構成から，ボイラ１１と負荷側の熱交換器３１との間の配管系に介在した構成となっているが，往管２３と往管２４との間にはバイパス管４１が設けられ，また還管２２と還管２７との間にもバイパス管４２が設けられ，各々に設けられたバルブＶ３〜Ｖ８の開閉により，バッファタンク２１を迂回する配管系等も構成される。なおバッファタンク２１の底部には，水抜き用の配管４３がバルブＶ９と共に設けられている。これら迂回系の配管，水抜き用の配管４３はバッファタンク２１のメンテナンスの祭に使用する。

次にかかるシステムの制御系について説明する。既述のように，ボイラ１１ａ〜１１ｅは，バッファタンク２１内の熱源水の温度に基づいて制御装置５１によって制御される。すなわち，バッファタンク２１内には，タンク内の熱源水の温度を検出する温度センサＴ１〜Ｔ４が上下方向に高さを変えて設置され，検出した温度情報は，前記制御装置５１に出力される。制御装置５１は，その温度情報に基づいてボイラ１１ａ〜１１ｅの運転台数を制御する。

一方，負荷側に供給するための２次ポンプ２６ａ〜２６ｄの運転台数は，還管２７に設けられた流量計２８からの流量信号に基づいて，制御装置５２によって制御される。すなわち還管２７を流れる流量が増大すれば（負荷側の需要が増大すれば），それに応じて往管２４から供給する熱源水の流量を増加させるため，２次ポンプ２６ａ〜２６ｄの運転台数を増加させる制御を行い，逆に流量が減少すれば，運転台数を減じる制御を行う。

本システムは，以上のような構成を有し，次に運転例について説明する。
蓄熱運転時：１次ポンプ流量＞２次ポンプ流量のとき
バッファタンク２１の最上部に設置されている温度センサＴ１が，所定温度，例えば設定基準値（例えば８５℃）よりも低い値（例えば５℃低い温度）を検出すると，ボイラ１１が着火し，同時にボイラ１１の着火に連動して１次ポンプ１２が作動する。そして設定基準値の温度までバッファタンク２１内に蓄熱されたことを，最下部の温度センサＴ４が検出するまで連続運動を行う。最下部の温度センサＴ４が設定基準値を検出すると，ボイラの運転は停止し，これによってバッファタンク２１への蓄熱が完了する。このような蓄熱運転時は，バッファタンク２１内の熱源水の流れは下向きとなる。このときのボイラの運転台数は，最小限，例えば１台でもよいが，バッファタンク２１の容量などにより，それ以上必要な場合もある。

放熱運転時：ボイラ停止又は１次ポンプ流量＜２次ポンプ流量のとき。
前記したような蓄熱が完了すると，ボイラ１１が停止して１次ポンプ１２が停止するので，バッファタンク２１内の熱源水の流れは上向きとなる。無負荷の時は，既述したように，急な負荷に備えて配管系頂部２９によるバイバス管路が構成され，配管内の温度を一定に保つためだけの運転でよいので，往管２４内を流れる流量が少なく，２次ポンプ２６ａ〜２６ｄの運転台数も少なく，温度変化も小さい。したがってバッファタンク２１内の温度の流れもゆるやかなので，温度センサＴ１の前記した所定値の検出によりボイラ１１が着火されるまで，バッファタンク２１内の熱源水は有効に利用される。

給湯負荷発生時は，負荷の状況と熱源水温度により，１次ポンプ流量＞２次ポンプ流量，又は１次ポンプ流量＞２次ポンプ流量となり，バッファタンク２１内の熱源水の流れは状況に応じて上向き又は下向きとなる。

そしてボイラ１１が停止しているとき，あるいは運転台数が少ないときに，瞬間的に大きな給湯負荷が発生した場合には，バッファタンク２１に戻ってくる熱源水の温度は設定基準値を大幅に下回る。この場合は最下部に設置されている温度センサＴ４をはじめとしてそれより高い位置に設置されている温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３によって検出される温度もあわせて判断し（すなわち蓄熱量を判断し），制御装置５１は，必要なボイラ運転台数を選定して，ボイラ１１ａ〜１１ｅに指示を与える。

例えば最下部の温度センサＴ４では，設定基準値を大きく下回っているが，それより高い位置にある温度センサＴ３の部分では，未だ設定基準値温度を確保している場合には，バッファタンク２１の熱源水の蓄熱量が十分であると判断し，それに見合った台数のボイラ１１に着火指示を出し，ボイラ１１の台数制御を行う。
そして大負荷が一定時間継続し，指示した台数の運転では間に合わない場合は，温度センサＴ３より高い位置にある温度センサＴ４の温度が急激に低下するので，緊急的に全てのボイラ１１ａ〜１１ｅの全台数の運転を指示する。

この後給湯負荷が小さくなった場合は，ボイラ１１はそのまま運転を続ける。この状態ではバッファタンク２１の上部は高温，中央部から下部は低温となっており，熱源水のタンク内の流れは上から下へとなって，蓄熱運転状態になる。又同時に還管２７を流れる熱源水の温度は高くなって戻ってくるので，温度センサＴ４の温度は，中央部（例えば温度センサＴ３）よりも高い中温の状態となるが，この場合も上記の場合と同様の台数運転制御，すなわちバッファタンク２１の熱源水の蓄熱量が十分であると判断し，それに見合った台数のボイラ１１に着火指示を出し，ボイラ１１の台数制御が行われる。

以上のように，本実施の形態によれば，熱源水配管系にバッファタンク２１を組み込むことにより効率の良い熱源システムとなっている。すなわち，熱源水系統はバッファタンク２１を介して，ボイラ１１の燃焼を受け持つ１次ポンプ１１の系統と，負荷側へ熱源水を供給する２次ポンプ２６の系統に分けられており，それぞれ独立した別の制御方式により運転されるので，小負荷時にバッファタンク２１内の熱源水温度が低下した場合は，バッファタンク２１への蓄熱運転として，ボイラ１１の効率の良い運転状態を維持しつつ，発生した高温の熱源水をバッファタンク２１内に蓄えることができる。

またバッファタンク２１内の熱源水の温度が設定基準値に達した場合には，ボイラ１１の運転は防止され，バッファタンク２１の熱源水のみを利用した配管の温度維持となるが，無負荷時は配管の熱ロスだけをまかなうに十分な容量を見込んでおけば，再度のボイラ着火までに十分な時間をとることができる。

したがってバッファタンクの容量を適切に選定することにより，ボイラ運転時間は充分確保できるので安定したボイラ運転を行う事ができ，しかも従来のように，ボイラが頻繁に発停してしまう事態を防止できる。

一方，無負荷時や小負荷時に，急激な負荷が発生した場合にも，バッファタンク２１内には，常に所定の温度範囲内（上記実施の形態では，８０℃〜８５℃）の熱源水が蓄えられているので，これに迅速に対応することができ，熱源水の急激な温度低下は発生しない。

なお通常の熱源水給湯負荷が発生している時は，負荷の状態や熱源水温度により１次側ポンプ１２，ボイラ１１と，２次側ポンプ２６とは，各々独立したものとなるため，バッファタンク２１内の熱源水の流れは情況に応じて，上向き，下向き，または静止状態となる。すなわちボイラ運転に応じバッファタンク２１では蓄熱，放熱が繰り返されている事になる。

そして上記実施の形態では，バッファタンク２１に高さ方向を変えて複数の温度センサＴ１〜Ｔ４が設置されているので，極めて効率の良い運転制御が行え，例えば大規模マンションなど，バッファタンク２１の容量を大きくする必要がある場合に，適切に対応できる。

以上のように，本発明によれば，高い熱源水温度と燃焼効率・無人運転が可能な貫流ボイラを使って，瞬時の温度変化と少水量の無負荷運転という，これまででは相反する使用条件として実現できなかった運転も可能になった。

なお前記実施の形態では，バッファタンク２１に高さ方向に異なった位置の熱源水の温度を検出するため，バッファタンク２１に上下方向の異なった位置に複数の温度センサＴ１〜Ｔ４を設置していたが，比較的小規模の集合住宅など，バッファタンクの容量が小さくてすむ場合には，温度センサを１つだけ設け，当該温度センサからの温度情報に基づいてボイラ１１の運転台数を制御するようにしてもよい。例えばバッファタンク２１の温度センサによって検出されるタンク内の熱源水の温度が，設定基準値−所定温度の範囲となるように，ボイラ１１の作動台数の制御を行う。

また前記実施の形態では，温度センサはバッファタンク２１に設けてタンク内の熱源水の温度を測定するようにしていたが，例えば図２の破線で示したように，往管２４に温度センサＴを設け，往管２４を流れる熱源水の温度に基づいてボイラ１１の運転台数を制御するようにしてもよい。

ところで既述したように，バッファタンク２１は蓄熱タンクとして機能しているため，熱源水を熱源水を有効に利用するためには，バッファタンク２１内の熱源水に温度成層が形成されている必要がある。これを実現するため，バッファタンク２１内に整流板を設けることが提案できる。

例えば図３に示したように，バッファタンク２１の上部，例えば往管２３の入口２１ａ，往管２４の出口２１ｂよりも上方に整流板６１を設け，バッファタンク２１の下部，例えば還管２２の出口２１ｄ，還管２７の入口２１ｃよりも下方に整流板６２を設ける。各整流板６１，６２の大きさは，バッファタンク２１の内径より小さくし，かつ２０ｍｍφ程度の多数の孔を設ける。

このようにバッファタンク２１内に整流板６１，６２を設けることにより，給湯負荷変動に応じて変わる１次・２次ポンプの流量変化に伴い，熱源水の流れがバッファタンク２１内で上下しても，配管接続部からの流れは極めて遅くなり，タンク内の温度成層は乱され難くなる。したがって，１次側，２次側の流量の変動にかかわらず，蓄熱時，放熱時とも，バッファタンク２１内の温度成層は適切に保たれ，バッファタンクの機能をより効率よく発揮することができる。なおバッファタンクの数は，バッファタンクの大きさ等に基づいて任意に選択することができる。

ところで熱交換方式のセントラル給湯システムでは，季節による給水温度の変動幅と一日の給湯負荷変動が大きい事にも留意する必要がある。使用される地域にもよるが，給水温度は冬期５℃，夏期には２５℃程度になり，給水温度の変動幅は大きい。したがって，一定温度の熱源水供給では夏・冬の給湯出口側温度の変動幅が大きくなり使い勝手上問題が発生しやすく，また省エネルギー性にも欠ける。

これに対しては，熱交換器において熱源水と熱交換される水の温度に応じて，例えばバッファタンク２１内の熱源水や往管２４側出口の熱源水の温度の設定基準値を，季節や，一日の時間帯，あるいは外気の温度に応じて適宜変更することにより，負荷側に供給する熱源水の温度を変更して，適切に対処できる。例えば冬期は高くして，夏期には低くするようにすれば（例えば冬期は８５℃，夏期は７０℃），省エネルギー性が向上する。また１日の負荷変動に対しては，夜間の無負荷時や小負荷時の熱源水温度の設定を，日中の設定より，低く例えば５〜１０℃下げる事により，省エネルギー運転を行う事ができる。給水温度を測定していない場合には，外気の温度に応じて変更するようにしても，同様な効果が得られる。

本発明の実施の形態にかかる熱源水供給システムの系統を示す説明図である。 図１の熱源水供給システムの制御系を説明するための要部の説明図である。 バッファタンク内に整流板を設けた例を示す説明図である。 従来技術にかかる熱源水供給システムの系統を示す説明図である。

符号の説明

１ 熱源プラント
１１ ボイラ
１２ １次ポンプ
２１ バッファタンク
２２，２７ 還管
２３，２４ 往管
２６ａ〜２６ｄ ２次ポンプ
２８ 流量計
３１ 熱交換器
Ｔ１〜Ｔ４ 温度センサ

Claims (6)

1. 複数の温水ボイラを有し，当該式温水ボイラによって加熱された熱源水を，負荷側の給湯用熱交換器に供給するシステムであって，
   前記温水ボイラから給湯用熱交換器に前記熱源水を供給する往管と，
   前記給湯用熱交換器から温水ボイラへと熱源水を戻す還管と，
   前記往管及び還管の途中に設けられたバッファタンクと，
   前記温水ボイラと前記バッファタンクとの間の配管に設けられ，かつ各温水ボイラ毎に設けられて，対応する温水ボイラと連動運転する複数の１次ポンプと
   前記往管に設けられた複数の２次ポンプと，
   前記往管又は配管に設けられた流量計と，
   前記流量計からの流量に基づいて，前記２次ポンプの運転台数を制御する制御装置と，
   バッファタンク内の熱源水の温度を測定する温度センサと，
   前記温度センサからの温度情報に基づいて前記温水ボイラの運転台数を制御する他の制御装置とを有することを特徴とする，熱源水供給システム。
   を有することを特徴とする，熱源水供給システム。
2. 前記往管及び還管は，負荷側にある暖房装置にも通じていることを特徴とする，請求項１に記載の熱源水供給システム。
3. 前記温度センサを複数個有し，
   各温度センサはバッファタンク内に貯留される熱源水の，上下方向に異なった複数の位置での温度を測定するように配置されていることを特徴とする，請求項１又は２に記載の熱源水供給システム。
4. 前記温度センサは，往管におけるバッファタンク出口側の熱源水の温度を測定するものであることを特徴とする，請求項１又は２に記載の熱源水供給システム。
5. 前記バッファタンクは，多数の孔が形成され，かつ水平方向に設けられた整流板をタンク内に有することを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の熱源水供給システム。
6. 前記熱交換器において熱源水と熱交換される給水の温度又は外気の温度に応じて，負荷側に供給する熱源水の温度が定められていることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の熱源水供給システム。

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