JP2005134014A - 温水熱源給湯装置およびエネルギ供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギの利用効率を高め、さらなる省エネルギ化が可能な温水熱源給湯装置およびエネルギ供給システムを提供する。
【解決手段】 入口ライン２０は、熱源温水循環ライン２から分岐し、熱源温水循環ライン２に流れる温度ＴＩａの熱源温水を取り込む。取り込んだ熱源温水は、熱交換ユニット２２内を通り、出口ライン２１から熱源温水循環ライン２に戻される。熱源温水循環ライン２の入口ライン２０の分岐位置と出口ライン２１の分岐位置との間に、熱源温水循環ライン２に直列に流量調整弁２３を設け、熱源温水循環ライン２に流れる熱源温水の流量を小さくすることで、分岐した入口ライン２０に流れる熱源温水の流量を大きくし、取り込んでいる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、供給された高温水を熱源として利用する温水熱源給湯装置および温水熱源給湯装置を備えるエネルギ供給システムに関する。

従来から、限りあるエネルギ資源の有効利用や、地球温暖化防止のための省エネルギの必要性は広く認識されている。今日では、火力発電によって、熱エネルギを電力エネルギに変換する形でエネルギ需要が賄われているので、火力発電所での効率化が図られている。効率化のためには、火力発電所は大規模に集中させる方が好ましい。

しかしながら、熱から電気への完全な変換は不可能であり、電力に変換しない熱は廃棄する必要がある。火力発電所などのエネルギ発生設備を大規模化すると、いくら効率が高くても、廃棄する熱量が多くなり、環境面などで種々の弊害が生じてしまう。この廃棄熱を有効に利用しようとしても、大規模な発電所での近傍では発生熱量に釣合う熱需要は、容易に見出すことができない。熱は、途中の損失が大きいので、長距離を輸送することができないからである。

そこで、発電とともに熱をも利用するコージェネレーション設備を、各エネルギ需要地に近接して設置する分散型発電が注目されている。発電した電力は、電熱に再変換して利用することも多いので、電力の供給に対しては、発電した電力を供給し、熱の需要に対しては、直接熱の形でエネルギを供給する方が、変換に伴う損失を避け、総合的なエネルギ効率を高めることができる（たとえば、特許文献１参照）。

このようなコージェネレーション設備では、都市ガスなどの燃料を使用して、熱と電力とを需要に応じて発生させる。電力の発生は、ガスエンジンなどの内燃機関やガスタービンなどの外燃機関を用いて、熱エネルギを機械的な運動エネルギに変換し、さらに運動エネルギで発電機を駆動して、電力エネルギに変換する。コージェネレーション設備では、これらの変換の過程で損失として発生する熱を、有効な熱エネルギとして回収し、利用することができる。さらに、化学エネルギを直接電力エネルギに変換する燃料電池などの化学反応機関の利用も研究され、変換効率の向上が期待されている。

分散型発電を用いたエネルギ供給システムでは、各家庭のエネルギ使用装置をエネルギ供給経路である高温水循環供給ラインで連結し、エネルギ発生設備で発生する熱エネルギを熱媒である高温水の形で各家庭に供給する。各家庭では、エネルギ使用装置で熱エネルギを使用して風呂用温水、床暖房温水などを所望の温度にまで加熱する。

各家庭のエネルギ使用装置には行きと戻りの２本の配管が設けられ、これらの２本の配管が高温水循環供給ライン、中間に流量制御バルブが設置されている。各家庭への温水は、このバルブの差圧を利用して行き配管から約８０℃の高温水を取り込み、熱エネルギを使用した後、戻り配管に高温水を戻している。戻り配管を流れる高温水の温度は、家庭での熱エネルギ使用が風呂の追い炊き、浴室乾燥、床暖房の場合は、５０℃〜６０℃になり、別の家庭でも給湯に使用することができる温度であるが、給湯の場合は、戻り配管の高温水の温度が２０℃〜３０℃まで下がり、別の家庭では給湯に使用することができなくなる。したがって、エネルギ供給システムを利用する全ての家庭に充分にエネルギを供給するためには、家庭の同時使用率を考慮し、全熱負荷の２０％以上のエネルギを供給できるだけの高温水を常時高温水循環供給ラインに流しておく必要がある。このため、高温水循環供給ラインの配管サイズが大きくなり、高温水を循環させるのに大きな動力のポンプが必要になる。また、配管サイズが大きくなると、放熱面積が広くなり、循環輸送中の放熱損失も大きくなってしまう。さらに、配管およびポンプなどの設置にかかる費用も増大する。

このような問題を解決するために、各家庭にＰＣＭ（Phase Change Material）蓄熱装置を設置したエネルギ供給システムが開発されている。ＰＣＭ蓄熱装置は、高温水循環供給ラインを流れる高温水の温度が充分に高い温度のときには、熱エネルギを使用したり、蓄熱したりし、高温水循環供給ラインを流れる高温水の温度が低いときは、熱エネルギの使用を控えたり、蓄熱している熱を放熱したりする（たとえば、特許文献２参照）。これにより、一つの家庭が熱エネルギを大量に使用し、高温水循環供給ラインを流れる高温水の温度が低下しても、下流側の家庭に設置されたＰＣＭ蓄熱装置が蓄熱している熱を放熱することで高温水循環供給ラインを流れる高温水の温度を上昇させ、高温水を再び給湯に利用することができるようになる。

特開２００２−１７１６６６号公報 特開２００３−２８４４９号公報

従来のエネルギ供給システムでは、高温水循環供給ラインを流れる高温水を適宜取り込み、吐出する手段としてポンプとモーターバルブとを組み合わせた手段を使用している。これらのポンプおよびバルブは、各家庭のエネルギ使用状況およびエネルギ発生装置の運転状況などに応じて制御される。

しかしながら、各家庭にポンプおよびモーターバルブを設置する必要があるので、設備規模が大きくなるという問題がある。また、ポンプおよびモーターバルブを動作させるためのエネルギが必要となるため、充分に省エネルギ化が行えないという問題がある。

さらに、給湯用および熱負荷用に２つのプレートフィン式の熱交換器を用いているが、配管や機器が複雑に入り組むため、充分な保温ができず、放熱損失が大きくなる。

本発明の目的は、エネルギの利用効率を高め、さらなる省エネルギ化が可能な温水熱源給湯装置およびエネルギ供給システムを提供することである。

本発明は、主配管から分岐し、主配管を流れる熱源温水の一部を取り込むための取り込み配管と、
取り込んだ熱源温水と、水道水と、家庭内の熱負荷機器に供給する熱負荷用温水との間で熱交換を行う熱交換手段と、
熱負荷用温水を熱負荷機器に供給する温水供給手段と、
熱交換手段で行われた熱交換によって昇温された水道水を供給する給湯手段と、
主配管から分岐し、熱交換された熱源温水を主配管に戻すための戻り配管と、
取り込み配管の分岐位置と戻り配管の分岐位置との間にあって、主配管に直列に設けられ、主配管を流れる熱源温水の流量を調整する流量調整手段とを備えることを特徴とする温水熱源給湯装置である。

また本発明は、前記熱交換手段は２重管を有し、内側管に水道水を流し、外側管に熱源温水を流すことで、水道水と熱源温水との間で熱交換を行うことを特徴とする。

また本発明は、前記熱交換手段は、熱負荷用温水を外側管の外壁に接触するように流すことで、熱源温水と熱負荷用温水との間で熱交換を行うことを特徴とする。

また本発明は、前記熱交換手段は、蓄熱材を保持する蓄熱手段を有し、
蓄熱手段は、熱負荷用温水と蓄熱材との間で熱交換を行い、蓄熱および放熱を行うことを特徴とする。

また本発明は、主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より低く、蓄熱材の蓄熱量が最大のときは、蓄熱手段が放熱することで熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水で熱源温水を昇温させることを特徴とする。

また本発明は、主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より高く、蓄熱材の蓄熱量が最小のときは、熱源温水で熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水が蓄熱手段に蓄熱させることを特徴とする。

また本発明は、熱エネルギを発生するエネルギ発生設備と、
発生した熱エネルギを熱源温水として各家庭に供給する主配管と、
各家庭に設置された請求項４〜６のいずれかに記載の温水熱源給湯装置とを有し、
熱源温水の流れが下流に向かうにつれて、温水熱源給湯装置が備える蓄熱材の融点が低くなるように構成されることを特徴とするエネルギ供給システムである。

本発明によれば、主配管から分岐した取り込み配管によって、主配管を流れる熱源温水の一部を取り込み、熱交換手段によって取り込んだ熱源温水と、水道水と、家庭内の熱負荷機器に供給する熱負荷用温水との間で熱交換を行う。

温水供給手段は、たとえば床暖房機、浴槽乾燥機などの熱負荷機器に熱負荷用温水を供給し、給湯手段は、熱交換手段で行われた熱交換によって昇温された水道水を供給する。

熱交換された熱源温水は、主配管から分岐した戻り配管によって主配管に戻される。
熱源温水は、取り込み配管の分岐位置と戻り配管の分岐位置との間にあって、主配管に直列に設けられた流量調整手段で主配管を流れる熱源温水の流量を調整することで、取り込み配管から取り込むことができる。具体的には、主配管を流れる熱源温水の流量が小さくなるように調整することで、主配管から分岐した取り込み配管に流れる熱源温水の流量が大きくなり、熱源温水を取り込むことができる。

このように、ポンプおよびモーターバルブを使用せずに熱源温水を取り込むことができるので、エネルギの利用効率を高め、さらなる省エネルギ化が可能である。

また本発明によれば、熱交換手段は、２重管の内側管に水道水を流し、外側管に熱源温水を流すことで、水道水と熱源温水との間で熱交換を行う。

また本発明によれば、熱交換手段は、熱負荷用温水を外側管の外壁に接触するように流すことで、熱源温水と熱負荷用温水との間で熱交換を行う。

以上のように、水道水と熱源温水との間、熱源温水と熱負荷用温水との間の熱交換を、単純な構造で、１つの熱交換手段で行うことができるので設備規模を抑え、放熱損失を小さくすることができる。

また本発明によれば、熱交換手段は、蓄熱材を保持する蓄熱手段を有し、蓄熱手段は、熱負荷用温水と蓄熱材との間で熱交換を行い、蓄熱および放熱を行う。

また本発明によれば、主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より低く、蓄熱材の蓄熱量が最大のときは、蓄熱手段が放熱することで熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水で熱源温水を昇温させる。

また本発明によれば、主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より高く、蓄熱材の蓄熱量が最小のときは、熱源温水で熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水が蓄熱手段に蓄熱させる。

これにより、給湯および熱負荷機器によって熱エネルギを使用しないときに予め蓄熱しておき、大量に熱エネルギを使用するときに放熱することで熱エネルギの利用効率が向上する。また、主配管に他の温水熱源給湯装置が接続され、熱源温水を共用するような場合に、熱源温水を所定の温度に保持することができ、いずれの温水熱源給湯装置においても充分に熱エネルギを利用することができる。

また本発明によれば、エネルギ発生設備で発生した熱エネルギを熱源温水として主配管に流し、各家庭に供給する。各家庭には、上記の温水熱源給湯装置が設置され、熱源温水を利用する。ここで、熱源温水の流れが下流に向かうにつれて、温水熱源給湯装置が備える蓄熱材の融点が低くなるように構成される。たとえば、温水熱源給湯装置を複数のグループに分けて、グループごとに異なる蓄熱材を使用する。上流側のグループは、比較的高融点の蓄熱材を使用し、下流側のグループは比較的低融点の蓄熱材を使用する。

下流側に設置された温水熱源給湯装置が取り込む熱源温水の温度は、上流側で熱エネルギが使用されるために低くなってしまう。したがって、下流側に設置された温水熱源給湯装置の蓄熱材の融点を上流側と同じ融点にすると、下流側では充分に蓄熱および放熱することができず熱エネルギの利用効率が低くなる。本発明では、下流側の蓄熱材の融点を低くすることで、熱源温水の温度が低下した下流側でも蓄熱および放熱を行い、熱エネルギの利用効率が向上する。

図１は、エネルギ供給システム１の概略図である。主配管である熱源温水循環ライン２は、エネルギ発生設備３で発生する熱エネルギを熱媒である熱源温水の形で顧客である各家庭の温水熱源給湯装置４に供給する。温水熱源給湯装置４は、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の温度を監視し、充分に高い温度のときに熱エネルギを使用したり、蓄熱したりする。熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の温度が低いときは、温水熱源給湯装置４は、熱エネルギの使用を控えたり、蓄熱している熱を戻すようにする。

エネルギ発生設備３は、たとえば、交流で発電出力２５ｋＷ、温水出力３８ｋＷの出力を得ることを前提とする。２５ｋＷの出力を有する燃料電池（ＳＯＦＣ）やマイクロガスタービン（ＭＧＴ）で発電を行う。エネルギ発生設備３では、３０戸の家庭にエネルギを供給することとする。各家庭に設置された温水熱源給湯装置４の１ユニットあたりの放熱出力は１２ｋＷ×１０分間とし、一家庭あたりの平均温水負荷（冬季）は２５ｋＷｈ、平均使用電力は０．８ｋＷとする。エネルギ発生設備３からは、エネルギ使用管理手段５を介して、８０℃の熱源温水が熱源温水循環ライン２から各家庭に供給され、通常、６５℃の温水として戻る。戻った温水は、熱媒として、排ガス熱媒熱交換で燃料電池の排ガスと熱交換して８０℃に昇温される。

エネルギ使用管理手段５は、成層型温水蓄熱ユニット６、ヒートポンプ（ＨＰ）またはヒータユニットなどの補助熱源７、温度コントローラ８、払出しポンプ９、受入れポンプ１０、および蓄電または電力負荷調整ユニット１１を含む。エネルギ使用管理手段５の温度コントローラ８は、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の温度を監視し、熱源温水の戻り温度を顧客の熱負荷パターンに応じ、５０℃から６５℃の範囲となるように、払出しポンプ９の流量を制御する。熱供給顧客全体の熱負荷が上がると戻り温度が５０℃以下に下がるため、払出しポンプ９の流量を増やす。逆にその熱負荷が下がると戻り温度が６５℃以上に上がるため、払出しポンプ９の流量を減らす。

熱供給顧客全体の熱負荷がエネルギ発生設備３から供給可能な熱量を超えるときには、蓄熱ユニット６や補助熱源７から不足する熱量を供給する。エネルギ発生設備３から供給する熱量が熱顧客全体の熱負荷に対して余裕があるときは、蓄熱ユニット６で蓄熱を行う。このように、熱顧客全体の熱需要に変動があっても、エネルギ使用管理手段５内の蓄熱ユニット６や補助熱源７で調整を行い、エネルギ発生設備３が高効率で稼働可能なように、蓄電または電力負荷調整ユニット１１が全体的な調整を行う。

図２は、温水熱源給湯装置４の構成を示す概略図である。熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の流速は約６０Ｌ／ｍｉｎであり、位置頭（ヘッド）は約９０ｍである。なお、「Ｌ」は、体積の単位である「リットル」を示すものとする。

入口ライン２０は、熱源温水循環ライン２から分岐し、熱源温水循環ライン２に流れる温度ＴＩａの熱源温水を取り込む取り込み配管である。取り込んだ熱源温水は、熱交換手段である熱交換ユニット２２内を通り、戻り配管である出口ライン２１から温度ＴＩｂで熱源温水循環ライン２に戻される。従来では、入口ラインから熱源温水を取り込むためにポンプおよびモーターバルブを用いている。これに対して本発明では、熱源温水循環ライン２の入口ライン２０の分岐位置と出口ライン２１の分岐位置との間に、熱源温水循環ライン２に直列に流量調整手段である流量調整弁２３を設けることで、入口ライン２０から熱源温水を導入している。熱源温水循環ライン２に流れる熱源温水の流量を小さくすることで、分岐した入口ライン２０に流れる熱源温水の流量を大きくしている。取り込む熱源温水の流量は、図示しない制御基板から流量調整弁２３の弁開度を変化させることで制御することができる。制御基板による制御ロジックについては後述する。

流量調整弁２３による熱源温水の圧力損失は、たとえば全開開度時が２ｋＰａであり、全閉開度時が１０ｋＰａである。全開開度時に入口ライン２０に導入される熱源温水の流量は、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の流量の約５％であり、全閉開度時に入口ライン２０に導入される熱源温水の流量は、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の流量の約２０％である。払出しポンプ９の吐出圧力は、流量調整弁２３が全閉開度となった場合でも大きな差圧を生じないようにすることができ、熱源温水循環ライン２の管長と、温水熱源給湯装置４の設置個数に基づいて１ＭＰａ以下にすることができる。

温水熱源給湯装置４は、たとえば内径２５ｍｍ前後の熱源温水循環ライン２に、２箇所で内径２０ｍｍ前後の分岐管としての入口ライン２０および出口ライン２１としてそれぞれ接続される。流量調整弁２３の開度を調整することにより、入口ライン２０からの熱媒の取込みと、出口ライン２１からの熱媒の払出しとを同時に行う。熱媒には、界面活性剤を添加することで、熱輸送管としての熱源温水循環ライン２の抵抗低減を図ることができる。しかし、界面活性剤を添加すると伝熱特性が低下する。そこで、導入した熱源温水は熱交換ユニット２２内で攪拌し、水の性状を元に戻して伝熱性能を回復させる。

水道水は、給水ライン２４から導入され、熱交換ユニット２２内を通ることで昇温され、給湯ライン２５から家庭内の給湯設備に供給される。供給される湯水の温度を適温に調節するために、熱交換ユニット２２で昇温された湯水と水道水とを混合する。混合割合は、指示された温度に応じて湯温調整弁２６を開閉して調整する。熱交換ユニット２２内には、２重管が設けられ、水道水が内側管を通り、熱源温水循環ライン２から導入された熱源温水が外側管を通り、対向流で水道水と熱源温水との間で熱交換が行われる。このように２重管を用いることにより、たとえば市販の口径９〜２０ｍｍの銅管を加工するだけで実現できる。なお、給湯手段は、給水ライン２４、給湯ライン２５および湯温調整弁２６から構成される。

家庭内で、給湯設備以外に熱エネルギを消費する熱負荷機器としては、床暖房機２７、浴槽乾燥機２８、風呂追い炊き機２９および吸着除湿機３０などがある。これらの機器に供給される熱負荷用温水である循環温水は、循環ポンプ３１および圧力調整弁３２によって、適温、適量で循環ライン３１ａを通って家庭内の各機器２７〜３０を循環する。循環ライン３１ａの遮断弁が必要時に開放されることで、循環ポンプ３１から吐出された循環温水は、温度ＴＩｄで各機器２７〜３０に供給され、温度ＴＩｅで熱交換ユニット２２に供給される。熱交換ユニット２２内で、循環温水は２重管の外側管の管壁と接触し、熱源温水循環ライン２から導入された熱源温水との間で熱交換を行い、蓄熱セル２２ａを通って、循環ポンプ３１に戻る。循環温水の流速は、約１５Ｌ／ｍｉｎであり、位置頭は約７ｍである。なお、温水供給手段は、循環ポンプ３１、圧力調整弁３２および循環配管３１ａから構成される。

蓄熱手段である蓄熱セル２２ａは、所定の容器に蓄熱材を保持しており、循環温水が容器の外壁と接触することで、蓄熱材と循環温水との間で熱交換され、蓄熱および放熱が行われる。熱源温水の温度ＴＩａが充分高く、各機器２７〜３０での熱エネルギ使用量が少ない場合は、循環温水は２重管との接触時に熱源温水によって昇温され、昇温された循環温水が蓄熱材を溶融させることで蓄熱を行う。また、熱源温水の温度が低い場合は、蓄熱セル２２ａとの接触時に循環温水が昇温されることで放熱を行い、昇温された循環温水が２重管に接触することで熱源温水が昇温される。

以上のように、熱交換ユニット２２内では、熱源温水循環ライン２から導入された熱源温水と、水道水と、家庭内の熱負荷機器を循環する循環温水との間で熱交換が行われる。水道水と熱源温水との間、熱源温水と循環温水との間の熱交換を、単純な構造で、１つの熱交換手段で行うことができるので設備規模を抑え、放熱損失を小さくすることができる。

蓄熱材には、融点が異なる複数種類の相変化蓄熱材（ＰＣＭ）を使用する。たとえば、図１に示したエネルギ供給システム１の場合、熱源温水循環ライン２の上流にあたる１０戸の家庭に設置された温水熱源給湯装置４には、比較的高融点（７０℃〜７５℃）の蓄熱材を使用し、中流にあたる１０戸の家庭に設置された温水熱源給湯装置４には、中程度の融点（６０℃〜７０℃）の蓄熱材を使用し、下流にあたる１０戸の家庭に設置された温水熱源給湯装置４には、比較的低融点（５５℃〜６０℃）の蓄熱材を使用する。このように、上流から下流に向かって、蓄熱材の融点を低くすることによって、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の温度を約６０℃まで有効に活用することができる。

蓄熱材の具体例としては、日本精蝋株式会社製パラフィンＨＮＰ−９（品名、融点７５℃）、１５５（品名、融点６９℃）、１３０（品名、融点５５℃）などのパラフィンを用いる。たとえば、融点分別することでパラフィンの融点を所望の温度に調節することができる。

以下、温水熱源給湯装置４の熱交換ユニット２２を活用して各家庭に熱エネルギを供給する方法を示す。たとえば１軒目の家庭に８０℃で供給される熱源温水の熱量は、蓄熱モードの蓄熱セル２２ａに蓄熱することができる。流量調整弁２３を閉じて、熱源温水循環ライン２から入口ライン２０を介して熱源温水を熱交換ユニット２２に取込むとともに循環ポンプ３１を運転し、２重管において熱交換を行い、循環温水を昇温させる。昇温された循環水が蓄熱セル２２ａに保持された蓄熱材を加熱し、蓄熱材を溶融して潜熱として熱を蓄えることができる。蓄熱で熱を失った熱源温水の温度は出口ライン２１でたとえば６０℃に低下する。１軒目より下流側にある２軒目の家庭には、８０℃の熱源温水に６０℃の温水が混合されて、たとえば７０℃に温度が低下した熱源温水が供給される。２軒目では、温水を、風呂、床暖房、給湯などを同時に使用する最大負荷モードで利用すると想定すると、蓄熱セル２２ａに蓄積されている熱を放熱して、最大負荷に対する熱の供給が行われる。熱負荷を利用した結果、２軒目の出口ライン２１には４０℃まで低下した温水が７０℃の熱源温水ライン２に戻り、２軒目より下流側にある３軒目の家庭には、混合してたとえば６０℃の熱源温水が供給されることとなる。

３軒目の家庭では、蓄熱セル２２ａに蓄えられている熱を他の家庭のために放熱する放熱モードで運転する。放熱の結果、次の４軒目の家庭には、たとえば６５℃まで温度が回復した熱源温水が供給される。４軒目の家庭では、特に熱を利用する必要がない場合、流量調整弁２３を開けて熱源温水をほとんど取り込まないようにする。

以上のように、蓄熱セル２２ａを活用させれば、熱負荷が平準化され、３８ｋＷ程度の温水出力であっても、３０戸の家庭で必要な熱を供給することができる。

図３は、図１に示したエネルギ発生設備３の構成をモデル化し、シミュレーションを行った結果の一例を示す。コージェネレーション設備の中心となるガスエンジン１００はバルブ１０１を調整して燃料となる天然ガスを取り込み、空気と混合して燃焼させる。ガスエンジン１００の排ガスは、受入れ循環ポンプ１０の引き込みにより６５℃で戻ってきた熱源温水を、温水器１０２で昇温する。昇温された熱源温水は、８０℃の熱源温水として熱源温水循環ライン２に供給される。このとき、ガスエンジン１００は３８．８２ｋＷの温水出力を発生させる。

図４は、さらに大規模なエネルギ供給システム１の概略図である。
エネルギ発生設備３は、たとえば、交流で発電出力２８０ｋＷ、温水出力３３０ｋＷの出力を得ることを前提とする。エネルギ発生設備３では、３００戸の家庭にエネルギを供給することとする。各家庭に設置された温水熱源給湯装置４の１ユニットあたりの放熱出力は１２ｋＷ×１０分間とし、一家庭あたりの平均温水負荷（冬季）は２２ｋＷｈ、平均使用電力は０．９ｋＷとする。エネルギ発生設備３からは、８５℃の熱源温水が熱源温水循環ライン２から各家庭に供給され、通常、６５℃の温水として戻る。戻った温水は、熱媒として、排ガス熱媒熱交換器でガスエンジンや燃料電池などの排ガスと熱交換して８０℃に昇温される。熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の流量は約４.５〜１８ｍ^３／hであり、位置頭（ヘッド）は約９０ｍである。

エネルギ使用管理手段は、成層型温水蓄熱ユニット６、温度コントローラ８、払出し循環ポンプ９、受入れ循環ポンプ１０、およびインバータ１２，１３を含む。エネルギ使用管理手段の温度コントローラ８は、熱源温水循環ライン２を流れる熱源温水の温度を監視し、熱源温水の払い出し温度および戻り温度を顧客の熱負荷パターンに応じ、それぞれ８５℃および６５℃となるように、インバータ１２，１３を制御する。システム全体の熱負荷が上がると戻り温度が下がるため、払出し循環ポンプ９の流量を増やす。逆に熱負荷が下がると戻り温度が上がるため、払出しポンプ９の流量を減らす。

各家庭に設置された温水熱源給湯装置４の蓄熱セル２２ａには複数種類の蓄熱材が使用される。上流側の約１００戸の家庭の蓄熱セル２２ａには、融点が７０℃〜７５℃のパラフィンを使用し、中流の約１００戸の家庭の蓄熱セル２２ａには、融点が６０℃〜７０℃のパラフィンを使用し、下流側の約１００戸の家庭の蓄熱セル２２ａには、融点が５５℃〜６０℃のパラフィンを使用する。

図５は、エネルギ供給システム１の熱負荷の時刻ごとの変化（冬季）を示す図である。６時〜１０時の間は、床暖房および給湯によって、非常に大きな負荷がかかり、エネルギ発生設備３の温水出力３３０ｋＷを大きく越えることとなる。このような場合は、各家庭の温水熱源給湯装置４で１５０ｋＷの放熱を行い、不足分を補う。さらに７時〜９時までは、成層型温水蓄熱ユニット６による貯湯槽負荷７０ｋＷを出力する。１０時〜１６時３０分の間は、暖房および風呂給湯の予熱負荷として１９０ｋＷを使用し、６時〜１０時に放熱した分の蓄熱負荷に８５ｋＷを使用する。１６時３０分〜１９時３０分の間は、床暖房、給湯、風呂の追い炊きなどが集中するので、エネルギ発生設備３の最大出力を大きく越える。特に１６時３０分〜１８時３０分の間は、１日のピークにあたり、各家庭の温水熱源給湯装置４で２００ｋＷの放熱を行うとともに貯湯槽負荷７０ｋＷを出力する。１８時３０分〜１９時３０分の間は、貯湯槽負荷は出力せずに、２００ｋＷの放熱のみを行う。１９時３０分〜２２時までの間はエネルギ発生設備３の温水出力３３０ｋＷで対応する。２２時〜５時までの間は、負荷が最も小さくなる時間帯であり、ハーフロードでエンジンを動かし、暖房および風呂給湯の予熱負荷として１００ｋＷを使用し、１６時３０分〜１９時３０分の間に放熱した分の蓄熱負荷に８５ｋＷを使用する。

以上のように、本実施形態のエネルギ供給システム１では、平均最大負荷が６００ｋＷ（２時間）で最大ピーク時負荷が４０００ｋＷ（１０分間）となるような熱負荷に対応することができる。４０００ｋＷ（１０分間）の負荷とは、１戸あたり４０ｋＷの負荷で、１００戸分に相当する負荷である。本システムは３００戸の家庭を対象としているので、同時使用率を２０％とすると、３００戸×０．２＝６０戸分に対応可能であればよいが、安全率を考慮して１．５倍以上の１００戸分に対応することができる。

図６は、図２の温水熱源給湯装置４による温度制御ロジックの基本概念を示す図である。熱交換ユニット２２としての動作モードには、放熱モード、蓄熱モード、および待機モードがある。熱の使用には、給湯モード、風呂給湯モード、風呂追い炊きモード、浴槽乾燥モード、および床暖房モードがある。なお、以下では、比較的融点の低い蓄熱材を使用した下流側の家庭に設置された温水熱源給湯装置４について説明する。

熱源温水循環ライン２を流れる熱媒の温度を入口温度ＴＩａで監視し、放熱基準温度よりも低下、たとえば４５℃よりも低下すれば、放熱モードとなり、流量調整弁２３を全閉開度に調整して熱源温水を取り込む。熱交換ユニット２２の出口での熱媒温度ＴＩｂが５０℃以下となると待機モードとなる。熱源温水循環ライン２の熱媒温度が、蓄熱基準温度よりも上昇、たとえば６０℃よりも上昇すれば、蓄熱モードとなり、流量調整弁２３を全閉開度に調整して熱源温水を取り込む。熱媒温度ＴＩｂが６５℃以上となれば待機モードになる。これらの待機モードでは、たとえば流量調整弁２３を全開開度に調整する。上流側、中流側の家庭に設置された温水熱源給湯装置４では、使用している蓄熱材の融点に応じて放熱基準温度および蓄熱基準温度の設定を変更すればよい。蓄熱材の融点が高ければ放熱基準温度および蓄熱基準温度も高く設定すればよい。

床暖房機２７、浴槽乾燥機２８および風呂追い炊き器２９の温度は、各コントローラにより指示された温度となるよう、循環ポンプ３１の流量が制御される。このようにして、各家庭の蓄熱や熱負荷の状況を監視し、流量調整弁２３を制御して各家庭の熱交換ユニット２２を常時活用することにより、熱輸送管である熱源温水循環ライン２の温度を５０℃〜６０℃の範囲に維持することができる。

以下、図７〜図９で、各モードの動作について説明する。
図７は、放熱モードについて示す。放熱モードでは、熱源温水循環ライン２の熱媒温度が、放熱基準温度である４５℃以下となるとき、蓄熱量が最大である条件で、潜熱を１０分間放出する。ただし、その家庭での熱使用に備え、熱媒温度が５０℃以下となると待機モードに移行する。放熱モードでは、流量調整弁２３を、全閉開度に調整する。放熱モード中に給湯モードまたは風呂給湯モードに移行する信号が入れば、その信号を優先し、循環ポンプ３１を制御する。

すなわち、放熱モードは、ステップａ０の待機モードから移行する。ステップａ１では、熱源温水循環ライン２の熱媒の入口温度ＴＩａが４５℃未満になるのを待つ。ＴＩａ＜４５℃となると、ステップａ２で、循環温水温度ＴＩｄが６０℃を超えるのを待つ。ＴＩｄが６０℃を超えなければ、ステップａ１に戻る。ステップａ２でＴＩｄ＞６０℃となると、タイマによる計時を開始し、ステップａ３で流量調整弁２３を全閉開度に調整し、ステップａ４で循環ポンプ３１を最大容量で運転する。同時に、ステップａ５にも移行し、ＴＩｄ＞５０℃であるか否かを判断する。ＴＩｄ＞５０℃であれば、ステップａ６で、タイマの計時時間ＴＭが１０分間を超えるか否かを判断する。ＴＭが１０分間以下であれば、ステップａ５に戻る。ステップａ５でＴＩｄ＞５０℃ではないと判断するとき、またはステップａ６でＴＭ＞１０ｍｉｎと判断するときは、ステップａ７で流量調整弁２３を全開開度に調整し、ステップａ８で待機モードに移る。

図８は、蓄熱モードについて示す。蓄熱モードでは、熱源温水循環ライン２の温度が、蓄熱基準温度である６０℃以上となるとき、蓄熱セル２２ａの潜熱や顕熱に余裕がない条件で、蓄熱を１０分間実行する。ただし、給湯温度の上がり過ぎ防止のため、循環温水温度ＴＩｄが６５℃以上となると待機モードに移行する。蓄熱モードでは、蓄熱セル２２ａに入る循環温水の温度をＴＩｅとして、温度ＴＩｅが７０℃を超えないように循環ポンプ３１で制御する。蓄熱モード中に給湯モードまたは風呂給湯モードに移行する信号が入れば、その信号が優先し、循環ポンプ３１の負荷を制御する。

すなわち、蓄熱モードは、ステップｂ０の待機モードから移行する。ステップｂ１では、熱源温水循環ライン２の熱媒の入口温度ＴＩａが６０℃を超えるのを待つ。ＴＩａ＞６０℃となると、ステップｂ２で、循環温水温度ＴＩｄが６５℃未満となるのを待つ。ＴＩｄが６５℃未満とならなければ、ステップｂ１に戻る。ステップｂ２でＴＩｄ＞６５℃となると、タイマによる計時を開始し、ステップｂ３で流量調整弁２３を全閉開度に調整する。次にステップｂ４で、蓄熱セル２２ａに入る循環温水の温度ＴＩｅが７０℃未満であるか否かを判断し、ＴＩｅ＜７０℃でなければ、ステップｂ５で循環ポンプ３１の容量を小さくする。ステップｂ４でＴＩｅ＜７０℃であれば、循環ポンプ３１の容量を大きくする。ステップｂ５またはステップｂ６では、循環ポンプ３１の容量を一定量ずつ増減し、ステップｂ４に戻る。

ステップｂ４〜ステップｂ６の循環ポンプ３１の制御と同時に、ステップｂ７にも移行し、ＴＩｄ＜６５℃であるか否かを判断する。ＴＩｄ＜６５℃であれば、ステップｂ８で、タイマの計時時間ＴＭが１０分間を超えるか否かを判断する。ＴＭが１０分間以下であれば、ステップｂ３に戻る。ステップｂ７でＴＩｄ＜６５℃ではないと判断するとき、またはステップｂ８でＴＭ＞１０ｍｉｎと判断するときは、ステップｂ９で流量調整弁２３を全開開度に調整し、ステップｂ１０で待機モードに移る。

図９は、待機モードについて示す。（ａ）は循環ポンプ３１の制御について示し、（ｂ）は他の動作モードへの移行について示す。待機モードでは、熱源温水循環ライン２の熱媒温度が４５〜６０℃の場合に、流量調整弁２３を全開開度に調整し、各家庭のユーザが使用するのを待つ。待機期間中、循環温水温度ＴＩｄが６０℃以下、かつ熱源温水循環ライン２の熱媒の入口温度ＴＩａが５５〜６０℃であれば、循環ポンプ３１を最大容量で運転し、時間をかけて完全蓄熱状態となるように運転する。

すなわち、（ａ）のステップｃ０で待機モードに入ると、ステップｃ１では、循環温水温度ＴＩｄが６０℃を超えていないか否かを判断する。超えていないと判断するときは、ステップｃ２で、熱源温水循環ライン２の熱媒の入口温度ＴＩａが５５℃を超えているか否かを判断する。超えていると判断するときは、ステップｃ３でＴＩａが６０℃未満か否かを判断する。ステップｃ３でＴＩａが６０℃未満、すなわち、ＴＩａが５５〜６０℃の範囲内と判断するときは、ステップｃ４で循環ポンプ３１を最大容量で運転する。他の場合は、ステップｃ５で循環ポンプ３１を最小容量で運転する。

（ａ）の制御と並行して、（ｂ）に示すような循環ポンプ３１の制御も行われる。ステップｃ１０では、循環ポンプ３１を最小容量で運転し、ステップｃ１１で給湯負荷があるか否かを判定する。ステップｃ１２では、風呂給湯が必要か否かを判定する。ステップｃ１３では、風呂追い炊きが必要か否かを判定する。ステップｃ１４では、浴槽乾燥が必要か否かを判定する。ステップｃ１５では、床暖房が必要か否かを判定する。ステップｃ１１で給湯負荷があると判定するときは、ステップｃ１６で給湯モードに移行する。ステップｃ１２〜ｃ１５の判定で、必要と判定されれば、ステップｃ１７〜ｃ２０で、風呂給湯モード、風呂追い炊きモード、浴槽乾燥モード、床暖房モードにそれぞれ移行する。いずれも必要でないと判定されるときは、ステップｃ２１で循環ポンプ３１の最小容量運転を続ける。

実際に温水熱源給湯装置４を用いたエネルギ供給システムを運用する場合、各家庭に対して課金を行う必要がある。課金方法の一例としては、入口ライン２０の熱源温水温度ＴＩａと出口ライン２１の熱源温水温度ＴＩｂとの差ΔＴ＝ＴＩａ−ＴＩｂを算出し、ΔＴ＞０であれば熱エネルギを使用したことになり、ΔＴに応じた金額を課金するようにすればよい。

なお、エネルギ供給システム１は、コージェネレーション設備から発生される熱および電力の両方を供給するときに、最も効率的であると考えられるけれども、熱や電力を単独で供給したり、冷熱などの他のエネルギを供給する際にも適用することができる。

エネルギ供給システム１の概略図である。 温水熱源給湯装置４の構成を示す概略図である。 エネルギ発生設備３の構成をモデル化し、シミュレーションを行った結果の一例を示す図である。 大規模なエネルギ供給システム１の概略図である。 エネルギ供給システム１の熱負荷の時刻ごとの変化（冬季）を示す図である。 温水熱源給湯装置４による温度制御ロジックの基本概念を示す図である。 放熱モードの動作を示すフローチャートである。 蓄熱モードの動作を示すフローチャートである。 待機モードの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エネルギ供給システム
２ 熱源温水循環ライン
３ エネルギ発生設備
４ 温水熱源給湯装置
５ エネルギ使用管理手段
６ 成層型温水蓄熱ユニット
７ 補助熱源
８ 温度コントローラ
９ 払出しポンプ
１０ 受入れポンプ
１１ 電力負荷調整ユニット
１２，１３ インバータ
２０ 入口ライン
２１ 出口ライン
２２ 熱交換ユニット
２２ａ 蓄熱セル
２３ 流量調整弁
２４ 給水ライン
２５ 給湯ライン
２６ 湯温調整弁
２７ 床暖房機
２８ 浴槽乾燥機
２９ 風呂追い炊き機
３０ 吸着除湿機
３１ 循環ポンプ
３２ 圧力調整弁

Claims (7)

1. 主配管から分岐し、主配管を流れる熱源温水の一部を取り込むための取り込み配管と、
   取り込んだ熱源温水と、水道水と、家庭内の熱負荷機器に供給する熱負荷用温水との間で熱交換を行う熱交換手段と、
   熱負荷用温水を熱負荷機器に供給する温水供給手段と、
   熱交換手段で行われた熱交換によって昇温された水道水を供給する給湯手段と、
   主配管から分岐し、熱交換された熱源温水を主配管に戻すための戻り配管と、
   取り込み配管の分岐位置と戻り配管の分岐位置との間にあって、主配管に直列に設けられ、主配管を流れる熱源温水の流量を調整する流量調整手段とを備えることを特徴とする温水熱源給湯装置。
2. 前記熱交換手段は２重管を有し、内側管に水道水を流し、外側管に熱源温水を流すことで、水道水と熱源温水との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１記載の温水熱源給湯装置。
3. 前記熱交換手段は、熱負荷用温水を外側管の外壁に接触するように流すことで、熱源温水と熱負荷用温水との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項２記載の温水熱源給湯装置。
4. 前記熱交換手段は、蓄熱材を保持する蓄熱手段を有し、
   蓄熱手段は、熱負荷用温水と蓄熱材との間で熱交換を行い、蓄熱および放熱を行うことを特徴とする請求項２または３記載の温水熱源給湯装置。
5. 主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より低く、蓄熱材の蓄熱量が最大のときは、蓄熱手段が放熱することで熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水で熱源温水を昇温させることを特徴とする請求項４記載の温水熱源給湯装置。
6. 主配管を流れる熱源温水の温度が所定の温度より高く、蓄熱材の蓄熱量が最小のときは、熱源温水で熱負荷用温水を昇温させ、昇温された熱負荷用温水が蓄熱手段に蓄熱させることを特徴とする請求項４記載の温水熱源給湯装置。
7. 熱エネルギを発生するエネルギ発生設備と、
   発生した熱エネルギを熱源温水として各家庭に供給する主配管と、
   各家庭に設置された請求項４〜６のいずれかに記載の温水熱源給湯装置とを有し、
   熱源温水の流れが下流に向かうにつれて、温水熱源給湯装置が備える蓄熱材の融点が低くなるように構成されることを特徴とするエネルギ供給システム。
   

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