JP2006274918A - 空調・発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電力削減指示が出力された場合、効率よく、電力使用量を契約電力内に収めることができる空調・発電システムを提供する。
【解決手段】 エンジン１０によって駆動される圧縮機１２、室外熱交換器１７、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、エンジン１０によって駆動される発電機１１とを備え、この発電機１１に系統連系インバータ３３を接続して、商用系統に電気出力を行うと共に、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラ５１を備え、冷房運転中に、電力削減指示が出力された場合、室外熱交換器１７の送風機２６の回転数を上昇または維持することにより、エンジン１０の負荷を低減させて、発電機１１の発電出力を増大する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンによって圧縮機および発電機を駆動して空調および発電を同時に行う空調・発電システムに関する。

従来のエンジン駆動式空気調和装置では、冷媒を圧縮する圧縮機をガスエンジンなどのエンジンで駆動し、空調運転を行わせている。近年、このガスエンジンに発電機を連結し、この発電機で発電された電力を、例えば室外熱交換器への送風を行う送風機或いはエンジンを冷却する冷却水ポンプなどの負荷装置に供給し、電力供給レスの空調機の実現が模索されている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般に、デマンドコントローラを設置し、商用使用電力が契約電力以上とならないように、デマンドコントローラから電力削減指示が出力された場合、電力使用量を契約電力内に収める制御が行われている。
特開平５−２３１７４５号公報

しかし、上記ガスエンジンに連結された発電機の発電電力を、商用系統に出力する空調・発電システムに対し、このデマンドコントローラの機能を併設した空調・発電システムは、未だ提案されていない。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、電力削減指示が出力された場合、効率よく、電力使用量を契約電力内に収めることができる空調・発電システムを提供することにある。

本発明は、エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機とを備え、この発電機に系統連系インバータを接続して、商用系統に電気出力を行うと共に、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラを備え、冷房運転中に、電力削減指示が出力された場合、前記室外熱交換器の送風機の回転数を上昇または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大することを特徴とする。

本発明では、冷房運転中に、電力削減指示が出力された場合、室外熱交換器の送風機の回転数を上昇または維持するため、室外熱交換器の冷媒の凝縮が促進され、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。
従って、例えば需要家負荷を削減しなくとも、商用電力の使用量が減り、電力使用量を契約電力内に収めることができる。

この場合において、前記室外熱交換器の送風機回転数を、圧縮機の高圧および吹出差温を前件部としてファジィ制御すると共に、電力削減指示が出力された場合、前記前件部の高圧の基本値を低めにシフトさせて、送風機回転数を上昇または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大してもよい。
本発明では、高圧の基本値を低めにシフトさせれば、送風機回転数を上昇または維持でき、簡単な制御で構成できる。

エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機とを備え、この発電機に系統連系インバータを接続して、商用系統に電気出力を行うと共に、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラを備え、暖房運転中に、電力削減指示が出力された場合、前記室外熱交換器の送風機の回転数を下降または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大してもよい。

本発明では、暖房運転中に、電力削減指示が出力された場合、室外熱交換器の送風機の回転数を下降または維持するため、室外熱交換器の冷媒の蒸発が抑制され、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。
従って、例えば需要家負荷を削減しなくとも、商用電力の使用量が減り、電力使用量を契約電力内に収めることができる。

この場合において、前記室外熱交換器の送風機回転数を、圧縮機の低圧および吹出差温を前件部としてファジィ制御すると共に、電力削減指示が出力された場合、前記前件部の低圧の基本値を低めにシフトさせて、送風機回転数を下降または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大してもよい。
本発明では、低圧の基本値を低めにシフトさせれば、送風機回転数を下降または維持でき、簡単な制御で構成できる。

本発明では、冷房運転時に、電力削減指示が出力された場合、室外熱交換器の送風機の回転数を上昇または維持するため、室外熱交換器の冷媒の凝縮が促進され、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。
また、暖房運転時に、電力削減指示が出力された場合、室外熱交換器の送風機の回転数を下降または維持するため、室外熱交換器の冷媒の蒸発が抑制され、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。
従って、例えば需要家負荷を削減しなくとも、商用電力の使用量が減り、電力使用量を契約電力内に収めることができる。

本発明の実施の形態について図を参照しながら以下に説明する。
図１は、ガスエンジン駆動式の空気調和装置１を示す。この空気調和装置１は、室外ユニット２と複数の室内ユニット３ａ〜３ｃとを有し、これらを液管４ａおよびガス管４ｂからなるユニット間配管４で接続して構成されている。室外ユニット２には、ガスエンジン１０と、このガスエンジン１０の駆動力により発電を行う発電機１１と、ガスエンジン１０の駆動力により冷媒を圧縮する圧縮機１２とが収容されている。このガスエンジン１０は、燃料調整弁７を経て供給されるガスなどの燃料と、スロットル弁８を経て供給される空気との混合気を燃焼させて駆動力を発生する。

上記圧縮機１２は、大小異容量の圧縮機１２ａ，１２ｂで構成され、２台が並列に、ガスエンジン１０に対し、それぞれ電磁クラッチ１４ａ，１４ｂを介して接続されている。これら圧縮機１２ａ，１２ｂの吐出管１２ｃは、プレート式熱交換器３１、四方弁１５、室外熱交換器１７の順に接続され、この室外熱交換器１７には、液管４ａを介して、各室内ユニット３の膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂが接続され、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂには、ガス管４ｂを介して、四方弁１５が接続され、この四方弁１５には、圧縮機１２ａ，１２ｂが接続されている。また、この圧縮機１２ａ，１２ｂの吐出管１２ｃおよび吸込管１２ｄが、バイパス管１８で接続され、このバイパス管１８に、アンロード用のバイパス弁２０が接続されている。

ちなみに、圧縮機１２ａ，１２ｂが駆動されると、四方弁１５の切り替え状態で、それが暖房切り替えであれば、実線の矢印で示すように、圧縮機１２ａ，１２ｂ、四方弁１５、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂ、膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室外熱交換器１７の順に冷媒が循環し、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂでの冷媒凝縮熱により室内が暖房される。これとは反対に、四方弁１５が冷房切り替えであれば、破線の矢印で示すように、圧縮機１２ａ，１２ｂ、四方弁１５、室外熱交換器１７、膨張弁１９ａ〜１９ｃ、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂの順に冷媒が循環し、この室内熱交換器２１ａ〜２１ｂでの冷媒蒸発熱により室内が冷房される。

つぎに、ガスエンジン１０の冷却装置について説明する。
このガスエンジン１０は水冷式であり、このガスエンジン１０のウォータージャケットを循環した冷却水は、第１の三方弁２２、逆潮流ヒータ２３および第２の三方弁２４を経て、ラジエター２５に供給される。このラジエター２５は、室外熱交換器１７と併設されており、これらは同一の送風機２６により送られる空気によって空冷され、このラジエター２５を経た冷却水は、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に流れて、ガスエンジン１０のウォータージャケットに戻される。
排ガス熱交換器２９には、ガスエンジン１０の排気ガスが通され、この排気ガスは、排気トップ３０を経て、室外ユニット２の外に排出される。

上述した第１の三方弁２２は冷却水温度で自動的に切り替えられる。すなわち、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、ガスエンジン１０のウォータージャケットからの冷却水を、ラジエター２５をバイパスし、直接、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に導いて、上記ウォータージャケットに戻す。
第２の三方弁２４は、例えば暖房運転時に切り替えられ、この場合、冷却水はラジエター２５をバイパスし、プレート式熱交換器３１を経て、冷却水ポンプ２７、排ガス熱交換器２９の順に流れ、ウォータージャケットに戻される。

つぎに、発電機１１による発電系統について説明する。
この発電機１１には、系統連系インバータ３３が接続され、この系統連系インバータ３３は、発電機１１からの三相交流電力を、ＡＣ／ＤＣコンバータを介して、直流電力に変換した後、２００Ｖの三相交流の電力に変換して、商用系統３５に出力する。この商用系統３５は、商用電源３６と、ブレーカ３７と、需要家負荷３８とを含み、系統連系インバータ３３は、ブレーカ３７と、需要家負荷３８との間に接続されている。

また、この系統連系インバータ３３は、上述した逆潮流ヒータ２３に適宜電力を供給すると共に、室外ユニット２の室外側コントローラ３９に、通信線４０を介して通信可能に接続されている。そして、この室外側コントローラ３９は、商用系統３５から電源線４１を介して動作電源を得ると共に、通信線４２を介して各室内ユニット３の室内側コントローラに通信可能に接続されている。

この系統連系インバータ３３には、商用電源３６およびブレーカ３７の間に設置された電力検出器４３が接続されている。この電力検出器４３は、商用系統３５に供給される電力値をリアルタイムに取得し、この取得した電力値データが、系統連系インバータ３３に入力され、通信線４０を介して室外側コントローラ３９に送られる。
また、系統連系インバータ３３は、発電機１１の発電量を制御する機能を有し、必要に応じ、発電量を減少または増大させる。

上記構成において、例えば室内ユニット３側の空調要求に応じて、圧縮機１２ａ，１２ｂの負荷が増大すると共に、商用系統３５の需要家負荷３８の増大に応じて、発電要求が増大した場合、エンジン１０の負荷が増大する。
需要家負荷３８は、電力検出器４３、系統連系インバータ３３および室外側コントローラ３９により常時監視されている。

本構成では、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラ５１が設置されている。
デマンドコントローラ５１は、レベル０〜レベルｎまでのｎ＋１段階の電力削減指示を出力し、出力がレベル０であれば、電力使用量が契約電力までにかなりの余裕があり、レベルｎに向けて徐々に危険度が増し、レベルｎでは、契約電力に接近したことを示す。このデマンドコントローラ５１は、電力削減指示を、室外側コントローラ３９に出力し、この室外側コントローラ３９が、電力削減指示のレベルに応じて、系統連系インバータ３３に発電出力増大を許可する。

図２は、冷房運転時の制御フローを示す。
この処理フローでは、まず、デマンドコントローラ５１からの電力削減指示のレベルが判定される（Ｓ１）。その指示レベルが、電力削減レベル０であれば、空調優先運転が行われ、電力削減レベル１以上であれば、発電優先運転が行われる。

電力削減レベル０の場合、契約電力までにかなりの余裕があり、システム本来の空調優先運転が行われる。
この空調優先運転では、現在のエンジン１０の負荷レベルが取得される（Ｓ２）。この現在の負荷レベルは、スロットル弁８（図１）の弁開度に応じて推定される。このスロットル弁８は、エンジン１０の空気量調整弁であり、スロットル弁８の弁開度を、例えば７段階（レベル：０＜負荷大＞〜６＜負荷小＞）に分類し、このレベル毎に、予め関連した負荷レベルを求め、例えばこれらをマップ化すれば、スロットル弁８の弁開度に応じ負荷レベルを推定できる。

ついで、現在の負荷レベルと、エンジン許容負荷レベルとの差により求めた発電量を、現在の発電量に加算する（Ｓ３）。具体的には、例えば、図３に示すように、曲線Ｔをエンジン許容負荷レベル（許容トルク）とした場合、現在のエンジン回転数Ｒ１に対応する現在のエンジン負荷レベルＴ１と、その回転数Ｒ１でのエンジン許容負荷レベルＴ２との差の負荷レベルＴ３を求め、この負荷レベルＴ３に対応した発電量Ｑ１を、予め定めた負荷レベル・発電量マップ等から求め、或いは所定の演算式から求め、この求めた発電量Ｑ１を、現在の発電量Ｑに加算する。
そして、この発電量Ｑ２（＝Ｑ１＋Ｑ）が、予め定めた最大発電量以下か否かを判定する（Ｓ４）。この最大発電量は、仕様（定格）発電量であってもよく、或いはそれ以下の所定発電量であってもよい。この最大発電量は、エンジン１０の回転速度および負荷レベルによって変動する。

Ｓ４において、発電量Ｑ２が、最大発電量以下であれば、系統連系インバータ３３に発電量Ｑ２の発電を許可する（Ｓ５）。また、最大発電量以上であれば、エンジン１０の過負荷を防止するため、系統連系インバータ３３に発電量Ｑ２の発電を許可せず、最大発電量に止めた発電を許可する（Ｓ６）。

本構成では、電力削減レベル０の場合、空調要求が増大すると、その空調要求に応じてエンジン回転数が増し、この回転数に従って圧縮機１２が駆動される。
すると、この回転数に従う冷媒吐出量が得られ、この冷媒量の循環により、空調要求に応じた空調が行われる。

上記回転数で空調運転した状態では、図３を参照し、エンジン負荷に余裕（負荷Ｔ２に相当する。）が生じる。本構成では、その回転数でのエンジン許容負荷に対応した発電量となるようにインバータ３３の出力を制御するため、常に、エンジン許容負荷一杯の発電が行われ、空調負荷が変動し回転数が変動しても、その回転数での発電可能な最大発電量を得ることができる。
また、エンジン許容負荷一杯の発電であるため、エンジン１０に過大な負荷がかかることがなく、エンジン耐久性が確保される。

一方、Ｓ１で、電力削減レベル１以上であれば、レベル毎に危険度が変化するため、その危険度に応じた発電優先運転が行われる。
この場合、まず、電力削減レベル１〜ｎが取得される（Ｓ７）。上記のように、削減レベル１から削減レベルｎに向けて徐々に危険度が増し、削減レベルｎでは、契約電力にかなり接近する。

この電力削減レベル１〜ｎに応じ、圧縮機側の負荷を減ずるため、ファジィ制御の前件部の高圧がシフトされ、室外送風機２６の回転数が上昇または維持される（Ｓ８）。室外送風機２６の回転数は、ファジィ制御である。

ところで、冷房運転時には、図４Ａに示すように、室外送風機２６の回転数（後件部）が、圧縮機１２の吐出圧力（高圧）と、目標の吹出温度および現在の吹出温度の差温（吹出差温）と、を前件部として制御される。
例えば、高圧ＺＯ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は現状維持で制御され、高圧ＮＭ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は出力低下で制御され、高圧ＰＭ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は出力上昇で制御される。

高圧前件部：ＺＯ＝２．５Ｍｐａを基本に制御する場合、Ｓ９では、この高圧の基本値を、例えば、図４Ｂに示すように、電力削減レベル１〜ｎに応じ、ＺＯ＝（２．５−０．１）Ｍｐａ、ＺＯ＝（２．５−０．２）Ｍｐａ、ＺＯ＝（２．５−０．ｎ）Ｍｐａのように、低めにシフトさせる。

電力削減レベル１〜ｎは、削減レベル１から削減レベルｎに向けて徐々に危険度が増し、削減レベルｎでは、契約電力にかなり接近する。
Ｓ７で、削減レベル１を取得したら、Ｓ８では、図４Ｂに示すように、高圧の基本値を、ＺＯ＝（２．５−０．１）Ｍｐａに低めにシフトし、削減レベル２を取得したら、ＺＯ＝（２．５−０．２）Ｍｐａにシフトし、削減レベルｎを取得したら、ＺＯ＝（２．５−０．ｎ）Ｍｐａにシフトする。

高圧の基本値を低めにシフトしたら、つぎに、Ｓ２〜Ｓ６の処理に移行する。低めにシフトした場合、室外送風機２６の回転数は、上昇または維持の傾向となり、この回転数が上昇傾向にあると、冷房運転時において、室外熱交換器１７の冷媒の凝縮が促進されて、圧縮機負荷が軽減される。
従って、Ｓ２に移行した場合、取得される現在の負荷レベルは、圧縮機負荷が軽減した分だけ、小さくなっており、これにより、エンジン負荷に余裕（負荷Ｔ２に相当する。）が生じる。よって、現在の回転数でのエンジン許容負荷に対応した発電量となるようにインバータ３３の出力を制御することにより、上記エンジン負荷の余裕に対応した発電量の上乗せが可能になる。

本実施形態では、冷房運転中に、デマンドコントローラ５１から出力された削減レベルに応じ、前件部の高圧基本値を低めにシフトするため、室外熱交換器１７の冷媒の凝縮が促進されて、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。従って、冷房運転中に、電力削減指示が出力された場合、効率よく発電量が増大するため、需要家負荷３８を削減しなくとも、商用電力の使用量が減り、電力使用量を契約電力内に収めることができる。

図５は、暖房運転時の制御フローを示す。
この処理フローは、図２の処理フローと比較し、Ｓ１８の処理が異なり、その他の処理は同じである。すなわち、この電力削減レベル１〜ｎに応じ、圧縮機側の負荷を減ずるため、ファジィ制御の前件部の低圧がシフトされて、室外送風機２６の回転数が下降または維持される（Ｓ１８）。

この暖房運転時には、図６Ａに示すように、室外送風機２６の回転数（後件部）が、圧縮機１２の吸込圧力（低圧）と、目標の吹出温度および現在の吹出温度の差温（吹出差温）と、を前件部として制御される。
例えば、低圧ＺＯ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は現状維持で制御され、低圧ＮＭ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は出力上昇で制御され、低圧ＰＭ、吹出差温ＮＭの場合、回転数は出力低下で制御される。

低圧前件部：ＺＯ＝０．６Ｍｐａを基本に制御する場合、Ｓ１９では、この低圧の基本値を、例えば、図６Ｂに示すように、電力削減レベル１〜ｎに応じ、ＺＯ＝（０．６−０．１）Ｍｐａ、ＺＯ＝（０．６−０．２）Ｍｐａ、ＺＯ＝（０．６−０．ｎ）Ｍｐａのように、低めにシフトさせる。

電力削減レベル１〜ｎは、削減レベル１から削減レベルｎに向けて徐々に危険度が増し、削減レベルｎでは、契約電力にかなり接近する。
Ｓ７で、削減レベル１を取得したら、Ｓ１８では、図６Ｂに示すように、低圧の基本値を、ＺＯ＝（０．６−０．１）Ｍｐａに低めにシフトし、削減レベル２を取得したら、ＺＯ＝（０．６−０．２）Ｍｐａにシフトし、削減レベルｎを取得したら、ＺＯ＝（０．６−０．ｎ）Ｍｐａにシフトする。

低圧の基本値を低めにシフトしたら、つぎに、Ｓ２〜Ｓ６の処理に移行する。低めにシフトした場合、室外送風機２６の回転数は、下降または維持の傾向となり、この回転数が下降傾向にあると、暖房運転時において、室外熱交換器１７の冷媒の蒸発が抑制されて、圧縮機負荷が軽減される。
従って、Ｓ２に移行した場合、取得される現在の負荷レベルは、圧縮機負荷が軽減した分だけ、小さくなっており、これにより、エンジン負荷に余裕（負荷Ｔ２に相当する。）が生じる。よって、現在の回転数でのエンジン許容負荷に対応した発電量となるようにインバータ３３の出力を制御することにより、上記エンジン負荷の余裕に対応した発電量の上乗せが可能になる。

本実施形態では、暖房運転中に、デマンドコントローラ５１から出力された削減レベルに応じ、前件部の低圧基本値を低めにシフトするため、室外熱交換器１７の冷媒の蒸発が抑制されて、圧縮機負荷が軽減され、この負荷の軽減分を上乗せした発電が可能になる。従って、暖房運転中に、電力削減指示が出力された場合、効率よく発電量が増大するため、需要家負荷３８を削減しなくとも、商用電力の使用量が減り、電力使用量を契約電力内に収めることができる。

以上、一実施形態に基づいて、本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、系統連系インバータ３３は、室外ユニット２とは別置きとなっていたが、室外ユニット２に一体的に収納されていてもよい。また、室外ユニット２が複数台設置の場合、各室外ユニット２に系統連系インバータ３３を設置し、これら系統連系インバータ３３を変換機で接続し、この変換機が、各系統連系インバータ３３に出力制御指示を行うようにすればよい。また、本実施形態では、インバータから供給される電源を三相２００Ｖとしたが、三相１００Ｖでもよく、単相三線式としてもよい。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 冷房運転時の処理フローを示す図である。 エンジン許容負荷レベルの説明図である。 Ａはファジィマップを示す図、Ｂは高圧シフトの説明図である。 暖房運転時の処理フローを示す図である。 Ａはファジィマップを示す図、Ｂは低圧シフトの説明図である。

符号の説明

１ エンジン駆動式空気調和装置
２ 室外ユニット
３ 室内ユニット
８ スロットル弁
１０ エンジン
１１ 発電機
１７ 室外熱交換器
２６ 送風機
３３ 系統連系インバータ
３５ 商用系統
３６ 商用電源
３７ ブレーカ
３８ 需要家負荷
３９ 室外側コントローラ
４３ 電力検出器
５１ デマンドコントローラ

Claims (4)

1. エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機とを備え、この発電機に系統連系インバータを接続して、商用系統に電気出力を行うと共に、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラを備え、冷房運転中に、電力削減指示が出力された場合、前記室外熱交換器の送風機の回転数を上昇または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大することを特徴とする空調・発電システム。
2. 前記室外熱交換器の送風機回転数を、圧縮機の高圧および吹出差温を前件部としてファジィ制御すると共に、電力削減指示が出力された場合、前記前件部の高圧の基本値を低めにシフトさせて、送風機回転数を上昇または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大することを特徴とする請求項１記載の空調・発電システム。
3. エンジンによって駆動される圧縮機、室外熱交換器、減圧装置および室内熱交換器を有した空気調和装置と、前記エンジンによって駆動される発電機とを備え、この発電機に系統連系インバータを接続して、商用系統に電気出力を行うと共に、商用系統の契約電力に応じた電力削減指示を出力するデマンドコントローラを備え、暖房運転中に、電力削減指示が出力された場合、前記室外熱交換器の送風機の回転数を下降または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大することを特徴とする空調・発電システム。
4. 前記室外熱交換器の送風機回転数を、圧縮機の低圧および吹出差温を前件部としてファジィ制御すると共に、電力削減指示が出力された場合、前記前件部の低圧の基本値を低めにシフトさせて、送風機回転数を下降または維持することにより、前記エンジンの負荷を低減させて、発電機の発電出力を増大することを特徴とする請求項１記載の空調・発電システム。

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