JP2006275404A - 空調・発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの低速回転時に、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、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、エンジン１０の低速回転時に、電力削減指示が出力された場合、この電力削減レベルに応じて、エンジン１０の回転数を増大させると共に、この増大分に相当する空調能力を低減する制御手段３９を備えた。
【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、エンジンの低速回転時に、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、前記エンジンの低速回転時に、前記電力削減指示が出力された場合、この電力削減レベルに応じて、前記エンジンの回転数を増大させると共に、この増大分に相当する空調能力を低減する制御手段を備えたことを特徴とする。

エンジンの低速回転時には、発電機の発電電圧レベルが低下し、電力削減指示が出力されても、発電機の出力が得られない恐れがある。
本構成では、この電力削減レベルに応じて、エンジン回転数を増大させることで、発電機の発電電力が増大し、これが商用系統に出力されるため、商用系統の電力使用量を契約電力内に収めることができる。また、エンジン回転数を増大させた場合、空調能力が増大するが、本構成では、制御手段によって、増大分に相当する空調能力が低減されるため、空調要求に見合った運転が可能になる。

この場合において、前記制御手段が、減圧装置を構成する室内電子膨張弁、もしくは室外電子膨張弁の弁開度を制御して、増大分の空調能力を低減してもよい。また、前記制御手段が、前記圧縮機の吐出管および吸込管を接続するバイパス管に設けたバイパス弁を有し、このバイパス弁を開閉して、増大分の空調能力を低減してもよい。さらに、前記圧縮機が、エンジンに対し、それぞれ電磁クラッチを介して接続された、大小異容量の複数台の圧縮機で構成され、前記制御手段が、いずれかの電磁クラッチの解列を行って、増大分の空調能力を低減してもよい。

本発明では、電力削減レベルに応じて、エンジン回転数を増大させることで、発電機の発電電力が増大し、これが商用系統に出力されるため、商用系統の電力使用量を契約電力内に収めることができると共に、エンジン回転数の増大分の空調能力が低減されるため、空調要求に見合った運転が可能になる。

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、室外膨張弁１６の順に接続され、この室外膨張弁１６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、室外膨張弁１６、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、室外膨張弁１６、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、例えばレベル０〜レベル３までの４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３に向けて徐々に危険度が増し、レベル３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、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の回転数で発電できる範囲で発電が行われる（Ｓ２）。

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。この発電優先運転では、現在のエンジン回転数で発電できる発電量が、電力削減指示のレベルに応じて、系統連系インバータ３３が許可する発電出力増大量に対応できるか否かが判定される（Ｓ３）。
現在のエンジン回転数で対応できる場合、そのまま系統連系インバータ３３が許可する発電量まで発電量がアップされる（Ｓ４）。

Ｓ３で、現在のエンジン回転数では対応できない場合、電力削減指示のレベルに応じたエンジン回転数まで回転数を上昇し（Ｓ５）、この状態で、系統連系インバータ３３が許可する発電量まで発電量がアップされる（Ｓ６）。回転数の上昇は、電力削減指示のレベルに応じて予め決定される。例えば、レベル１が出力されたら、現在の回転数を１００ｒｐｍ上昇し、レベル２が出力されたら、現在の回転数を２００ｒｐｍ上昇し、レベル３が出力されたら、現在の回転数を３００ｒｐｍ上昇する等である。
Ｓ３において、「現在のエンジン回転数では対応できない場合」とは、エンジンが低速回転で駆動されている場合が相当する。このエンジン低速回転時には、発電機１１の発電電圧レベルが低下して、電力削減指示が出力されても、発電機１１の出力が得られない恐れがあるからである。

Ｓ５で、電力削減レベルに応じて、エンジン回転数を増大させた場合、そのまま放置すると、空調能力が増大し、空調要求を超えた運転となって、エンジンに過大な負荷がかかる。本構成では、以下の手順で、その増大分に相当する空調能力が低減され、空調要求に見合った運転が可能になる。この冷房運転では、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂを経て吹出される空気の吹出温度が検知され、この吹出温度が、所定温度よりも低い場合（Ｓ７）、空調能力が増大しすぎと判定し、まず、膨張弁（室内電子膨張弁）１９ａ〜１９ｃが閉方向に調整される（Ｓ８）。この調整では、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂの出口の冷媒温度Ｅ３と、入口の冷媒温度Ｅ１との差が大きくなり、空調能力が低減される。

つぎに、入口の冷媒温度Ｅ１が検出され、この冷媒温度Ｅ１が、所定温度よりも低い場合（Ｓ９）、入口での凍結が予想されるため、アンロード用のバイパス弁２０が開方向に調整される（Ｓ１０）。この調整によって、圧縮機の吐出冷媒の一部が、圧縮機の吸込管に戻され、空調能力が低減される。

図３は、暖房運転時の制御フローを示す。
この処理フローでは、図２のＳ７〜Ｓ１０までの処理が、Ｓ１７〜Ｓ２０までの処理に置き換わり、その他の処理は同じである。すなわち、この暖房運転では、室内熱交換器２１ａ〜２１ｂを経て吹出される空気の吹出温度が検知され、この吹出温度が、所定温度よりも高い場合（Ｓ１７）、空調能力が増大しすぎと判定し、まず、室外膨張弁（室外電子膨張弁）１６が閉方向に調整される（Ｓ１８）。
この調整では、室外熱交換器１７の出口の冷媒温度Ｅ３と、入口の冷媒温度Ｅ１との差が大きくなり、空調能力が低減される。

つぎに、室外熱交換器１７の入口の冷媒温度Ｅ１が検出され、この冷媒温度Ｅ１が、所定温度よりも低い場合（Ｓ１９）、入口での凍結が予想されるため、バイパス弁２０が開方向に調整される（Ｓ２０）。この調整によって、圧縮機の吐出冷媒の一部が、圧縮機の吸込管に戻され、空調能力が低減される。

本構成では、冷房、暖房運転共に、エンジンの低速回転時には、電力削減指示レベルに応じたエンジン回転数まで回転数を上昇させて、系統連系インバータ３３に許可する発電量まで、発電量をアップさせる。
従って、発電機１１の発電電力が増大し、これが商用系統に出力されるため、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。

また、エンジン回転数を増大させた場合、空調能力が増大するが、本構成では、室外側コントローラ３９によって、増大分に相当する空調能力が低減されるため、空調要求に見合った運転が可能になる。

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、増大分に相当する空調能力の低減時には、いずれかの電磁クラッチ１４ａ，１４ｂを切断することにより、圧縮機容量を低減し、これによって、空調能力を低減してもよい。また、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には、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。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。 暖房運転時の処理フローを示す図である。

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
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（制御手段）
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、前記エンジンの低速回転時に、前記電力削減指示が出力された場合、この電力削減レベルに応じて、前記エンジンの回転数を増大させると共に、この増大分に相当する空調能力を低減する制御手段を備えたことを特徴とする空調・発電システム。
2. 前記制御手段が、減圧装置を構成する室内電子膨張弁、もしくは室外電子膨張弁の弁開度を制御して、増大分の空調能力を低減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. 前記制御手段が、前記圧縮機の吐出管および吸込管を接続するバイパス管に設けたバイパス弁を有し、このバイパス弁を開閉して、増大分の空調能力を低減することを特徴とする請求項１または２記載の空調・発電システム。
4. 前記圧縮機が、エンジンに対し、それぞれ電磁クラッチを介して接続された大小異容量の複数台の圧縮機で構成され、前記制御手段が、いずれかの電磁クラッチの切断を行って、増大分の空調能力を低減することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項記載の空調・発電システム。

Images