JP2005337645A - 地中蓄熱型コジェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のコジェネレーションシステムにおける季節による熱の無駄を防ぎ、また同時に、地中熱源ヒートポンプの地下熱源の枯渇を防ぎ、長期にわたり安定的な暖房を供給することが可能で、寒冷な地方に対して、CO₂排出量を削減することのできる地中蓄熱コジェネレーションシステムを得る。
【解決手段】駆動源により駆動され、電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能な発電機を含むコジェネレーションシステム１と、地中熱交換器１２とヒートポンプ１３からなり、地中に熱を蓄熱するための地中熱源ヒートポンプシステム１０を備えた地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コジェネレーションシステムから電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能であって、排熱エネルギを地中に蓄熱可能な地中蓄熱型コジェネレーションシステムに関する。

従来のコジェネレーションシステムは、発電機と発電機から排出される廃熱を利用した排熱回収ボイラ、および、得られる温水や蒸気を直接利用したり、吸収式冷凍機に供給して、冷熱を生産する。

また、蓄熱槽を設けて夜間に冷熱などを蓄えて、昼間に使うことも行われることがあった。これにより、電気と熱の需要がコジェネレーションプラントの生産量と見合っているときには、高効率な発電機を使うことにより電力で効率40%（低位発熱基準）以上、熱でも40%以上の利用率を達成できる。

しかし、春夏秋冬を通じて熱と電気のバランスが取れている負荷は少なく、多くの季節で非効率な運用を強いられている。例えば、電気需要にあわせて運用した場合には、ある季節には熱が不足し、逆に他の季節には熱があまり、冷却塔で冷やすことが行われる。特に、大陸内陸部や高緯度地方では、冬季の暖房需要が圧倒的に大きく、それに比べて夏季の熱需要が少ない。このために、コジェネレーションで発生した熱は夏季には大量にあまり、冬季には大きく不足する。

一方、効率よく冷暖房用の熱を供給する方式として、地中熱源ヒートポンプ(Geothermal Heat Pump：ＧＨＰ)といわれるものが、以下に説明する特許文献１、２に示すように公知である。

特許文献１は、ヒートポンプの冷媒を、冷媒配管により地中に埋設した地中熱交換器に直接循環させるようにしたものである。

特許文献２は、ヒートポンプと、ヒートポンプの運転により空気熱交換器でファンによる通風外気から熱採取してその採取熱を放熱させる負荷熱交換器と、ヒートポンプの運転によりで地中から熱採取してその採取熱を負荷熱交換器で放熱させる地中熱交換器とからなるものである。

この特許文献１、２は、何れも熱源水を地中熱と熱交換させて、比較的一定温度の熱源を1年中得ることにより、ヒートポンプを効率よく使って省エネルギーやCO₂排出量を削減しようとする方式である。

以上述べた公知例以外に、同様の効果をねらったものとして、夏と冬の温度差の大きな地域で主に使われるもので、数ｍより深い地中温度が1年中一定であるという特性を活かし、主に、寒い冬季と暑い夏季に、それぞれ地下水をくみ上げる方式のものも公知である。
特開平10-300266号公報 特開2002-333232号公報

前述した公知例は、何れも使われる地域は、冬季の最低気温が−15度C以下になる地域が多く、これらの地域では外気温が低くて空気熱源のヒートポンプの効率が良くない地域である。これにより、ガスを直接燃やして熱を得る方法に比べて、３〜５倍の熱効率が得られる。

しかしながら、各公知例のように冬季大量の熱を地下からくみ上げていくと、地下水温が年々低下していく。低下のスピードは地域により異なるが、水温の低下は地中熱源ヒートポンプの性能を低下させ、数年後には使えなくなってしまうおそれがある。

そこで本発明は、従来のコジェネレーションシステムにおける季節による熱の無駄を防ぎ、また同時に、地中熱源ヒートポンプの地下熱源の枯渇を防ぎ、長期にわたり安定的な暖房を供給することが可能で、寒冷な地方に対して、CO₂排出量を削減することのできる地中蓄熱コジェネレーションシステムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、駆動源により駆動され、電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能な発電機を含むコジェネレーションシステムと、地中熱交換器とヒートポンプからなり、地中に熱を蓄熱するための地中熱源ヒートポンプシステムと、を備えた地中蓄熱型コジェネレーションシステムである。

前記目的を達成するため、請求項１２に対応する発明は、駆動源により駆動され、電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能な発電機を含むコジェネレーションシステムと、
ヒートポンプと前記発電機からの熱源水を地下から汲み上げる機構と使用済み熱源水を再度地中に返す機構からなり、地中に熱を蓄熱するための地中熱源ヒートポンプシステムと、を備えた地中蓄熱型コジェネレーションシステムである。

本発明によれば、従来のコジェネレーションシステムにおける季節による熱の無駄を防ぎ、また同時に、地中熱源ヒートポンプの地下熱源の枯渇を防ぎ、長期にわたり安定的な暖房を供給することが可能で、寒冷な地方に対して、CO₂排出量を削減することのできる地中蓄熱コジェネレーションシステムを提供できる。

始めに、本発明の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。本実施形態は、図１に示すように建築物（ビル）３に設置されたコジェネレーションシステム（以下コジェネと称する）１と、地中熱源ヒートポンプシステム(以下地熱ヒートシステムと称する)１０からなる。

コジェネ１は、図示しないエンジン等の駆動源に天然ガスを供給して、発電機２を回転させることで得られる電気エネルギＥを建築物３に供給するとともに、発電機２からの排熱エネルギＴである高温水を温水ヘッダ４に供給する。この高温水を用いて、夏季は吸収式冷凍機５により冷水ＣＷを製造し建築物３に供給する。同時に、余剰温水Ｗは地中に導かれ地温を高めるのに使われる。

一方、地熱ヒートシステム１０は、地中の熱を利用するために地中１１に埋設した地中熱交換器１２と蒸気圧縮式ヒートポンプ１３から構成される。冬季は、地下より熱を取り出し、このヒートポンプ１３にて温水を製造し、前述の温水ヘッダ４に供給する。温水ヘッダ４では発電機２からの温水とヒートポンプ１３からの温水が混合されて、建築物３に供給される。

地中熱交換器１２は、図２に示すように、例えば150mの深さを持つ2重構造の円筒形であり、内側の円筒部１２ａと外周部１２ｂは断熱構造となっている。この図は熱を地中から取り出すときの様子を示したものである。低温の熱源水は中心部を地下にもぐり、外周部に湧き出し、周囲の地下より熱を受け取りながら上昇する。これにより暖められ高温熱源水となり取り出される。

一方、夏季に熱を地下に蓄熱するときには、外周部１２ｂを高温水を下降させ、内側の円筒部１２ａよりくみ出す。これにより、高温水の熱が周囲の地層に蓄えられていく。

図3はある寒冷地の冬季と夏季の熱需要と電気需要の模式図である。寒冷地では、冬季熱需要は終日大きな値となる。電気需要は昼間を中心に発生する。一方、夏季は電気需要は比較的大きいが、熱需要はほとんど発生せず、主な負荷は入浴等で用いる温水需要となる。したがって、電力をまかなうようにコジェネを運転した場合、冬季は熱が不足し、夏季は熱が余ることになる。本システムでは地下蓄熱により季節感の熱の過不足を補うことができる。

以上述べた実施形態において次のような効果が得られる。大陸内陸部では、一般に、冬季大きな暖房需要があり、コジェネレーションを行っても熱需要を満たすことができない。一方、中間季や夏季には熱は余ることが多い。本システムでは、地中に蓄熱することにより夏季や中間季の余剰熱を冬季に利用することができ、一年を通して大きな省エネルギーと発生CO₂量の減少を図ることができる。また、地熱ヒートシステム１０を寒冷地に適用した場合の経年的な地下温度の低下を防ぐことができ、長年にわたり、地熱ヒートシステム１０を使うことができる。

図４は、本発明の第２の実施形態を説明するための図であり、前述の第１の実施形態と異なる点は、発電機２の排熱エネルギが蒸気Ｓと温水Ｔの2種類があり、該蒸気Ｓを一時的に保存する蒸気ヘッダ６を備え、蒸気ヘッダ６の蒸気を前述の吸収式冷凍機５に供給し、ここで得られる冷水ＣＷが建築物３に供給可能であり、また蒸気ヘッダ６の蒸気も建築物３に供給可能になっている。さらに、蒸気Ｓや温水Ｔの不足分を補うために蒸気を発生するボイラ７を設けた例である。

この実施形態は、発電機２がガスエンジンの場合がこの例に当たる。また、発電機２がガスタービンの場合、発生する排熱エネルギは100%蒸気として得られるが、基本的には第１の実施形態１の構成において温水を蒸気に置き換えれば、まったく同様に構成することができる。

以上述べた第２の実施形態によれば、次のような作用効果が得られる。すなわち、寒冷地や熱負荷が大きな施設では、熱需要が大きく発電機の排熱では不足することが起こる。本実施形態はそのようなケースに対応している。また、発電機が故障したときの熱源のバックアップにもなる。

(変形例)
本発明は、以上述べた実施形態に限定されず、次のように変形してもよい。

１）前述の実施形態は、何れも地熱ヒートシステム１０は、地中の熱を利用するために地中１１に埋設した地中熱交換器１２と蒸気圧縮式ヒートポンプ１３から構成されたものを説明したが、地中熱交換器１２を設けず、この代わりに発電機２からの熱源水を地下から汲み上げる機構と使用済み熱源水を再度地中に返す機構を設けたものでもよい。

２）発電機の排熱エネルギとして、図１に示すように温水を排出する方式、図４に示すように温水並びに蒸気を排出する方式、あるいは蒸気のみを排出する方式の何れであつても同様に実施できる。蒸気のみを排出する方式では、図４の温水ヘッダ４が取除かれた構成となる。

３）前述の実施形態の地中熱交換器１２は、これに限定されず種々変形してもよい。

４）前述の実施形態のヒートポンプ１３は、これに限定されず種々変形してもよい。

５）図４に示す発電機２からの排熱エネルギが不足のときは、この排熱エネルギを補うための手段、具体的にはボイラ７は、前述の１）〜４）の変形例にも適用できる。

本発明の第１の実施形態の地中蓄熱型コジェネレーションシステムの構成図。 図１の地中熱交換器の構成図。 熱と電気需要の模式図。 本発明の第２の実施形態の地中蓄熱型コジェネレーションシステムの構成図。

符号の説明

１…コジェネレーションシステム、２…発電機、３…建築物、４…温水ヘッダ、５…吸収式冷凍機、６…蒸気ヘッダ、７…ボイラ、１０…地中熱源ヒートポンプシステム、１１…地下、１２…地中熱交換器、１２ａ…円筒部、１２ｂ…外周部、１３…蒸気圧縮式ヒートポンプ。

Claims (12)

1. 駆動源により駆動され、電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能な発電機を含むコジェネレーションシステムと、
   地中熱交換器とヒートポンプからなり、地中に熱を蓄熱するための地中熱源ヒートポンプシステムと、
   を備えたことを特徴とする地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
2. 前記発電機の排熱エネルギを温水として取り出す温水取出し機構と、前記温水取出し機構により取出された温水を前記地中熱交換器に導く機構を有することを特徴とする請求項１記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
3. 前記温水取出し機構からの温水を取込み、冷水を送り出す吸収式冷凍機を備えたことを特徴とする請求項２記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
4. 前記発電機から温水が発生するときはこの温水を前記地中熱交換器に導き、地中に蓄熱し、前記発電機から温水が発生しないときは前記地中熱交換器で加熱した熱源水を用いて、前記ヒートポンプにて温水を供給することを特徴とする請求項２記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
5. 前記発電機の排熱エネルギを温水及び蒸気として取出す温水及び蒸気取出し機構と、前記温水及び蒸気取出し機構により取出された前記温水を前記地中熱交換器に導く機構を有することを特徴とする請求項１記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
6. 前記温水及び蒸気取出し機構からの蒸気を取込み、冷水を送り出す吸収式冷凍機を備えたことを特徴とする請求項５記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
7. 前記発電機から温水及び蒸気が発生するときはこの温水及び蒸気を前記地中熱交換器に導き、地中に蓄熱し、前記発電機から温水及び蒸気が発生しないときは前記地中熱交換器で加熱した熱源水を用いて、前記ヒートポンプにて温水を供給することを特徴とする請求項５記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
8. 前記発電機の排熱エネルギを蒸気として取り出す蒸気取出し機構と、前記蒸気取出し機構により取出された蒸気を前記地中熱交換器に導く機構を有することを特徴とする請求項１記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
9. 前記蒸気取出し機構からの蒸気を取込み、冷水を送り出す吸収式冷凍機を備えたことを特徴とする請求項７記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
10. 前記発電機から蒸気が発生するときはこの蒸気を前記地中熱交換器に導き、地中に蓄熱し、前記発電機から蒸気が発生しないときは前記地中熱交換器で加熱した熱源水を用いて、前記ヒートポンプにて温水を供給することを特徴とする請求項８記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
11. 前記発電機からの排熱エネルギが不足のときは、この排熱エネルギを補うための手段を追加したことを特徴とする請求項２〜１０のいずれか一つに記載の地中蓄熱型コジェネレーションシステム。
12. 駆動源により駆動され、電気エネルギと排熱エネルギを同時に出力可能な発電機を含むコジェネレーションシステムと、
    ヒートポンプと前記発電機からの熱源水を地下から汲み上げる機構と使用済み熱源水を再度地中に返す機構からなり、地中に熱を蓄熱するための地中熱源ヒートポンプシステムと、
    備えたことを特徴とする地中蓄熱型コジェネレーションシステム。

Images