JP2005265249A - 給湯・空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン排熱および地中熱を利用して、給湯および空調を経済的に行う。
【解決手段】 ガスエンジン１に接続された排熱回収用熱交換器３に水循環回路８を接続し、その水循環回路８に、給湯用熱交換器９と、空調用熱交換器１０を構成する暖房用熱交換器１１とを介装する。地中熱を回収する地中熱回収装置１９に地中熱循環回路２１を接続し、その地中熱循環回路２１に、空調用地中熱供給回路２３と補助給湯用地中熱供給回路２５とを接続する。空調用地中熱供給回路２３に、空調用熱交換器１０を構成する冷房用熱交換器２６を介装し、ガスエンジン１からの排熱を利用しての暖房、または、地中熱を利用しての冷房を行う。給湯回路１２に補助給湯用熱交換器３１を介装し、地中熱を給湯用の補助熱源に利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジン排熱と地中熱を利用して給湯および冷暖房を行う給湯・空調システムに関する。

この種の給湯・空調システムとしては、従来、図４の全体概略システム構成図に示すものが知られている。

この従来例によれば、ガスエンジン０１で発電機０２を駆動し、ガスエンジン０１と排熱回収用熱交換器０３とを、第１の循環ポンプ０４を備えたジャケト冷却水の循環回路０５を介して接続し、ガスエンジン０１からの排熱を回収するように構成されている。

排熱回収用熱交換器０３には、第２の循環ポンプ０６とバッファタンク０７とを介装した水循環回路０８が接続されるとともに、その水循環回路０８に、給湯用熱交換器０９と空調用熱交換器０１０とが介装されている。

給湯用熱交換器０９には給湯回路０１１が導入され、その給湯回路０１１に流される給水に伝熱するように構成されている。空調用熱交換器０１０にはファン０１２が付設され、供給される外気を加熱して暖房用の温調空気を得るように構成されている。

上記構成により、水を熱媒液としてガスエンジン０１からの排熱を回収することにより、給湯と暖房とを行うようになっている。

また、気液相変化する冷媒を用いた水熱源ヒートポンプを用いた空調・給湯装置において、ヒートポンプの効率が設定値以下になった場合に、ヒートポンプの熱源側に接続された地中熱熱源採取装置内の循環ポンプを自動で始動させ、地中熱を補助熱源として給湯および暖房に利用するものもある（特許文献１参照）。この公報例では、ヒートポンプ装置によって氷を作成し、その氷を氷蓄熱槽に蓄え、その冷熱により冷房を行うように構成されている。

同様に、気液相変化する冷媒を用いたヒートポンプ装置に地中側熱交換器を循環回路を介して接続し、地中熱を給湯および空調の熱源として利用するものもある（特許文献２参照）。
特開２００３−２１４７２２号公報 特開２００１−７４３１６号公報

しかしながら、前述のような従来例の場合に、ガスエンジンからの排熱回収量よりも熱需要量が多い場合に、給湯器やヒーターなどの補助熱源器を使用しなければならず、消費電力量が増加してランニングコストが高価になる欠点があった。

また、冷房を行おうとすると、冷水取出しのための吸収式冷凍機などを付設するとか、別の専用の冷房装置を設けるなどしなければならず、高価になる欠点があった。

また、公報例の場合は、いずれも気液相変化する冷媒を用いたヒートポンプ装置を使用しているものであり、圧縮機などの駆動のために、消費電力量が増加してランニングコストが高価になる欠点があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、エンジン排熱および地中熱を利用して、給湯および空調を経済的に行えるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、熱需要や冷房需要に良好に対応して地中熱を利用できるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、地中熱を一層有効利用して凍結の虞のある場所にも安価に適用できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明の給湯・空調システムは、上述のような目的を達成するために、
エンジンと、
前記エンジンからの排熱を回収する排熱回収用熱交換器と、
前記排熱回収用熱交換器で回収された温熱を熱媒液に伝熱して移送する熱媒液循環回路と、
前記熱媒液循環回路に介装されて給湯回路の給水に伝熱する給湯用熱交換器と、
前記熱媒液循環回路に介装されて温調空気に温熱を付与する空調用熱交換器と、
地中熱を回収する地中熱回収装置と、
前記地中熱回収装置で回収された地中熱を移送する地中熱循環回路と、
前記給湯回路に介装されて前記給湯用熱交換器に供給される給水に伝熱する補助給湯用熱交換器と、
前記補助給湯用熱交換器に前記地中熱循環回路からの地中熱を供給する補助給湯用地中熱供給回路と、
前記空調用熱交換器において温調空気に冷熱として地中熱を供給する空調用地中熱供給回路と、
前記空調用熱交換器に前記熱媒液循環回路からの温熱を供給する状態と、前記空調用熱交換器に前記地中熱循環回路からの地中熱を冷熱として前記空調用地中熱供給回路を介して供給する状態とに切り換える冷暖切替機構とを備えて構成する。

（作用・効果）
請求項１に係る発明の給湯・空調システムの構成によれば、エンジンから回収した排熱を熱媒液循環回路および給湯用熱交換器を介して給湯回路の給水に伝熱して給湯に利用するとともに、熱媒液循環回路および空調用熱交換器を介して温調空気に付与して暖房に利用することができる。また、地中熱回収装置で回収された地中熱を地中熱循環回路、補助給湯用地中熱供給回路および給湯用熱交換器を介して給湯回路の給水に伝熱して給湯に利用するとともに、地中熱循環回路、空調用地中熱供給回路および空調用熱交換器を介して温調空気に冷熱を供給して冷房を行うことができる。
したがって、エンジン排熱を熱媒液を介して回収する構成と地中熱を回収する構成とを合理的に組み合わせることにより、給湯および暖房に必要な熱需要量がエンジンからの排熱量よりも多い場合にも不足分を地中熱により補助でき、しかも、夏場には外気よりも地中熱が低温であることに着目し、地中熱を冷房に利用できるから、水などの熱媒液をポンプで循環させる構成でシステムを構築でき、従来のような、補助熱源器とか、冷水取出しのための吸収式冷凍機あるいは別の専用の冷房装置とか、気液相変化する冷媒を用いたヒートポンプ装置などを使用する場合に比べて、消費電力量を低減でき、エンジン排熱および地中熱を利用して、給湯および空調を経済的に行うことができる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の給湯・空調システムにおいて、
地中熱回収装置から地中熱循環回路に供給される地中熱の温度を設定温度に維持する地中熱温度維持制御手段を備えて構成する。

（作用・効果）
請求項２に係る発明の給湯・空調システムの構成によれば、地中熱循環回路に供給される地中熱の温度を設定温度に維持するから、補助給湯用地中熱供給回路および給湯用熱交換器を介しての給湯回路の給水への伝熱、ならびに、地中熱循環回路、空調用地中熱供給回路および空調用熱交換器を介しての温調空気への冷熱の供給を即座に行うことができ、熱需要や冷房需要に良好に対応して地中熱を利用できる。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または２に記載の給湯・空調システムにおいて、
熱媒液循環回路と地中熱循環回路とを接続する凍結防止用回路と、
前記凍結防止用回路を通じて前記地中熱循環回路から前記熱媒液循環回路に地中熱を供給する状態と供給しない状態とに切り換える凍結防止機構とを備えて構成する。

（作用・効果）
請求項３に係る発明の給湯・空調システムの構成によれば、冬場にエンジンを停止した場合において、熱媒液循環回路に地中熱を供給することができる。
したがって、地中熱を一層有効利用して熱媒循環回路での熱媒液の凍結を防止でき、熱媒液として高価な不凍液を用いずに済むとともに凍結防止のための断熱や加熱などといった大掛かりな専用の構成も不要にでき、凍結の虞のある場所にもシステムを安価に構築できる。

以上説明したように、請求項１に係る発明の給湯・空調システムによれば、エンジンから回収した排熱を熱媒液循環回路および給湯用熱交換器を介して給湯回路の給水に伝熱して給湯に利用するとともに、熱媒液循環回路および空調用熱交換器を介して温調空気に付与して暖房に利用することができ、また、地中熱回収装置で回収された地中熱を地中熱循環回路、補助給湯用地中熱供給回路および給湯用熱交換器を介して給湯回路の給水に伝熱して給湯に利用するとともに、地中熱循環回路、空調用地中熱供給回路および空調用熱交換器を介して温調空気に冷熱を供給して冷房を行うことができ、エンジン排熱を熱媒液を介して回収する構成と地中熱を回収する構成とを合理的に組み合わせることにより、給湯および暖房に必要な熱需要量がエンジンからの排熱量よりも多い場合にも不足分を地中熱により補助でき、しかも、夏場には外気よりも地中熱が低温であることに着目し、地中熱を冷房に利用できるから、水などの熱媒液をポンプで循環させる構成でシステムを構築でき、従来のような、補助熱源器とか、冷水取出しのための吸収式冷凍機あるいは別の専用の冷房装置とか、気液相変化する冷媒を用いたヒートポンプ装置などを使用する場合に比べて、消費電力量を低減でき、エンジン排熱および地中熱を利用して、給湯および空調を経済的に行うことができる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る給湯・空調システムの実施例１を示す全体概略システム構成図であり、ガスエンジン１に発電機２が連動連結され、発電電力を得るように構成されている。

ガスエンジン１に排熱回収用熱交換器３が、第１の循環ポンプ４を備えたジャケト冷却水の循環回路５を介して接続され、ガスエンジン１からの排熱を回収するように構成されている。

排熱回収用熱交換器３には、第２の循環ポンプ６とバッファタンク７とを介装した熱媒液循環回路としての水循環回路８が接続されるとともに、その水循環回路８に、給湯用熱交換器９と、空調用熱交換器１０を構成する暖房用熱交換器１１とが介装されている。

給湯用熱交換器９には給湯回路１２が導入され、その給湯回路１２に流される給水に伝熱するように構成されている。空調用熱交換器１０にはファン１３が付設され、供給される外気を加熱して暖房用の温調空気を得るように構成されている。図中１４は、給湯温度を調節するミキシングバルブを示している。

地中に30ｍを越える長さの外管１５が埋設されるとともに、その外管１５内に、下端で連通するように内管１６が嵌入されるとともに、外管１５の上部に受水槽１７が設けられ、かつ、内管１６の上端に、内管１６内の水を汲み上げて受水槽１７に排出するように第３の循環ポンプ１８が設けられ、外管１５と内管１６との間を下降する水に外管１６を通じて地中熱（例えば、１２〜１５℃）を回収するように地中熱回収装置１９が構成されている。

受水槽１７に、地中熱回収装置１９で回収された地中熱を移送するように、第４の循環ポンプ２０を介装した地中熱循環回路２１が接続されている。

地中熱循環回路２１には、第１の三方弁２２を介して空調用地中熱供給回路２３が接続されるとともに、第２の三方弁２４を介して補助給湯用地中熱供給回路２５が接続されている。

空調用地中熱供給回路２３には、空調用熱交換器１０を構成する冷房用熱交換器２６が介装されている。暖房用熱交換器１１と冷房用熱交換器２６とがダクト２７を介して連通接続されている。暖房用熱交換器１１において、水循環回路８に、第３の三方弁２８を介して暖房用コイル２９と並列にバイパス配管３０が接続されている。

第１および第３の三方弁２２，２８によって冷暖切替機構が構成され、第１の三方弁２２により空調用地中熱供給回路２３への地中熱の供給を停止し、第３の三方弁２８により暖房用コイル２９に温水を流す状態で、暖房用熱交換器１１によりガスエンジン１からの排熱を利用して暖房を行い、一方、第１の三方弁２２（分配量を変更して冷房用熱交換器２６に供給する地中熱の量を調節することも可能）により空調用地中熱供給回路２３に地中熱を冷熱として供給し、第３の三方弁２８によりバイパス配管３０に温水を流して暖房用コイル２９に温水を流さない状態で、冷房用熱交換器２６により地中熱を利用して冷房を行うことができるようになっている。

また、給湯回路１２において、給湯用熱交換器９の上流側に、補助給湯用地中熱供給回路２５との間に補助給湯用熱交換器３１が介装され、第２の三方弁２４（分配量を変更して補助給湯用熱交換器３１に供給する地中熱の量を調節することも可能）により補助給湯用地中熱供給回路２５に地中熱を供給し、補助給湯用熱交換器３１により給湯回路１２の給水に伝熱し、地中熱を給湯用の補助熱源に利用できるように構成されている。

上記構成により、水を熱媒液としてガスエンジン１からの排熱を回収するとともに地中熱を利用し、給湯と暖房および冷房を行うようになっている。

受水槽１７に、槽内の水温、すなわち、地中熱の温度を測定する温度計３２が設けられ、その温度計３２に、地中熱温度維持制御手段としてのコントローラ３３が接続され、このコントローラ３３に第３の循環ポンプ１８が接続されている。

コントローラ３３には、図２のブロック図に示すように、比較手段３４とポンプ起動手段３５とが備えられている。

比較手段３４では、設定温度（例えば、１０℃とか１５℃など）と温度計３２で測定される水温とを比較し、測定水温が設定温度よりも低いときに低温信号を出力するようになっている。

ポンプ起動手段３５では、比較手段３４からの低温信号に応答して、設定時間（例えば、１０分間など）第３の循環ポンプ１８に駆動信号を出力し、第３の循環ポンプ１８を駆動して内管１６の内外で水を循環させるようになっている。

上記構成により、地中熱回収装置１９から地中熱循環回路２１に供給される地中熱の温度を設定温度に維持し、補助給湯用地中熱供給回路３１および給湯用熱交換器９を介しての給湯回路１２の給水への伝熱、ならびに、地中熱循環回路２１、空調用地中熱供給回路２３および空調用熱交換器１０を介しての温調空気への冷熱の供給を即座に行うことができるようになっている。

水循環回路８と地中熱循環回路２１とが、第４の三方弁３６を介装した第１の凍結防止用回路３７、および、第５の三方弁３８を介装した第２の凍結防止用回路３９を介して接続されている。これにより、冬場にガスエンジン１が停止しているときなどにおいて、第４および第５の三方弁３６，３８により、地中熱循環回路２１から水循環回路８に地中熱による温水を供給しない状態から供給する状態に切り替え、水循環回路８内での凍結を防止できるようになっている。上記地中熱循環回路２１から水循環回路８に地中熱による温水を供給しない状態から供給する状態に切り替えるための第４および第５の三方弁３６，３８をして凍結防止機構と称する。

図３は、本発明に係る給湯・空調システムの実施例２を示す概略システム構成図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。

すなわち、水循環回路８の排熱回収用熱交換器３よりも下流側に排熱回収用熱交換器としての排ガス用熱交換器４１が介装されるとともに、その排ガス用熱交換器４１ガスエンジン１からの排ガス配管４２が接続され、ガスエンジン１から排出される高温排ガスの排熱をも給湯および暖房に利用するように構成されている。他の構成は実施例１と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。

次に、具体数値例について説明する。

地中熱回収装置１９としては、外管１５として直径約１０ｃｍのものを深さ３０ｍ埋設し、１時間当たり１２００Ｗの熱量を回収することができる構成のものを用いた。

５℃の給水温度をガスエンジン１からの排熱のみで６０℃にして給湯する場合、給湯１リットル当たり、０．０６４ｋＷの熱量が必要で、１時間当たり１７２リットルしか使用できなかったが、実施例１において、地中熱を利用して給水温度を１０℃にしてから給湯する場合、給湯１リットル当たり、０．０５８ｋＷの熱量が必要で、１時間当たり１８９リットル使用できるようになった。

また、地中熱を利用して給水温度を１５℃にしてから給湯する場合、給湯１リットル当たり、０．０５２ｋＷの熱量が必要で、１時間当たり２１１リットル使用できるようになった。

以上の通り、本発明によれば、給湯需要が多い場合でも、良好に対応できることが明らかである。

上記実施例１においては、ガスエンジン１から排出される高温排ガスの排熱はガスタービンなどに導入し、諸装置の駆動に利用するように構成される。

また、上記実施例では、熱媒液循環回路を、熱媒液として水を循環させる水循環回路８で構成しているが、熱媒液として水に代えて不凍液を用いて構成するものでも良い。その場合、水循環回路８に地中熱による温水を供給して凍結を防止する構成は不要である。

上述実施例のガスエンジン１としては、汎用のガスエンジンが使用でき、また、本発明としては、ガスエンジン１に限らず、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。

また、ガスエンジン１によって発電機２を駆動するように構成しているが、本発明としては、発電機に代えて圧縮機や他の装置を駆動するものにも適用できる。

本発明に係る給湯・空調システムの実施例１を示す全体概略システム構成図である。 地中熱温度維持制御手段を示すブロック図である。 本発明に係る給湯・空調システムの実施例２を示す概略システム構成図である。 従来例を示す全体概略システム構成図である。

符号の説明

１…ガスエンジン（エンジン）
３…排熱回収用熱交換器
８…水循環回路（熱媒液循環回路）
９…給湯用熱交換器
１０…空調用熱交換器
１２…給湯回路
１９…地中熱回収装置
２１…地中熱循環回路
２２…第１の三方弁（冷暖切替回路）
２３…空調用地中熱供給回路
２５…補助給湯用地中熱供給回路
３１…補助給湯用熱交換器
３３…コントローラ（地中熱温度維持制御手段）
３６…第４の三方弁（凍結防止機構）
３７…第１の凍結防止用回路
３８…第５の三方弁（凍結防止機構）
３９…第２の凍結防止用回路
４１…排ガス用熱交換器（排熱回収用熱交換器）

Claims (3)

1. エンジンと、
   前記エンジンからの排熱を回収する排熱回収用熱交換器と、
   前記排熱回収用熱交換器で回収された温熱を熱媒液に伝熱して移送する熱媒液循環回路と、
   前記熱媒液循環回路に介装されて給湯回路の給水に伝熱する給湯用熱交換器と、
   前記熱媒液循環回路に介装されて温調空気に温熱を付与する空調用熱交換器と、
   地中熱を回収する地中熱回収装置と、
   前記地中熱回収装置で回収された地中熱を移送する地中熱循環回路と、
   前記給湯回路に介装されて前記給湯用熱交換器に供給される給水に伝熱する補助給湯用熱交換器と、
   前記補助給湯用熱交換器に前記地中熱循環回路からの地中熱を供給する補助給湯用地中熱供給回路と、
   前記空調用熱交換器において温調空気に冷熱として地中熱を供給する空調用地中熱供給回路と、
   前記空調用熱交換器に前記熱媒液循環回路からの温熱を供給する状態と、前記空調用熱交換器に前記地中熱循環回路からの地中熱を冷熱として前記空調用地中熱供給回路を介して供給する状態とに切り換える冷暖切替機構と、
   を備えたことを特徴とする給湯・空調システム。
2. 請求項１に記載の給湯・空調システムにおいて、
   地中熱回収装置から地中熱循環回路に供給される地中熱の温度を設定温度に維持する地中熱温度維持制御手段を備えている給湯・空調システム。
3. 請求項１または２に記載の給湯・空調システムにおいて、
   熱媒液循環回路と地中熱循環回路とを接続する凍結防止用回路と、
   前記凍結防止用回路を通じて前記地中熱循環回路から前記熱媒液循環回路に地中熱を供給する状態と供給しない状態とに切り換える凍結防止機構と、
   を備えている給湯・空調システム。
   

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