JP2008051462A - 空調・発電システムおよび空調・発電システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスエンジン10と、室外熱交換器、減圧装置、室内熱交換器およびガスエンジン10に電磁クラッチ14を介して接続された圧縮機12を有した空気調和装置と、ガスエンジン10により駆動されるとともに、圧縮機を電磁クラッチ14によりガスエンジン10から切り離した場合の当該ガスエンジン10の駆動能力に対応する発電能力を有する発電機11と、発電機11に接続され、商用系統に電気出力を行う系統連系インバータ33と、ガスエンジンの廃熱を利用する排ガス熱交換器29と、ガスエンジン10の駆動制御を行う駆動モードとして、圧縮機12および発電機11を駆動するためのガスエンジンとして制御する第1制御モードおよび発電機11を駆動するためのガスエンジンとして制御する第2制御モードを備えた室外側コントローラ39と、を備える。
【選択図】図1
Description
そこで、本発明の目的は、空調時および非空調時のいずれにおいても、発電を行って効率的な系統連系を行うことができるとともに、運転モードに拘わらず、各運転モードにおいて要求されるNOx排出濃度あるいはNOx排出量となるように制御することが可能な空調・発電システムおよび制御方法を提供することにある。
上記構成によれば、エンジン制御部は、ガスエンジンの駆動制御を行う駆動モードとして、圧縮機および発電機のうち圧縮機および発電機を駆動するためのガスエンジンとして制御する第1制御モードおよび発電機を駆動するためのガスエンジンとして制御する第2制御モードを備えているので、いずれの制御モードにおいても最適な制御がなされる。
また、前記エンジン制御部は、前記第1制御モードにおいては、空調負荷に対応したJIS B8627に規定されるNOx12モード値が所定のNOx排出濃度未満となるように制御を行うようにしてもよい。
また、前記エンジン制御部は、前記第2制御モードにおいては、NOx排出濃度の最大値がガスエンジンコージェネレーションシステムとして所定のNOx最大排出濃度以下となるように制御を行うようにしてもよい。
図1は、ガスエンジン駆動式の空調・発電システムの説明図である。
空調・発電システム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。
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。
発電機11は、圧縮機12を後述する電磁クラッチ14によりガスエンジン10から切り離した場合の当該ガスエンジン10の駆動能力に対応する発電能力を有しており、空調を行わない場合に発電システムとして十分な電力を供給できるようにされている。
また、四方弁15が冷房側であれば、破線の矢印で示すように、圧縮機12a、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。
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。
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。
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、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。
ここで、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。
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段階の発電出力増大指示(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。
この場合において、空調・発電システム1をいわゆるガスヒートポンプ(GHP)式空気調和装置を備えたコージェネレーションシステムとして機能させる第1制御モードにおいては、JIS B8627に規定されるNOx12モード値が発電機11の発電電力に対応した所定のNOx排出濃度未満となるように制御を行う必要がある。
NOx12モード値は、標準的な運転をした場合に、供試機(試験を行うガスヒートポンプ)が排出する燃焼ガス中のNOxの年間平均濃度のことであり、供試機の能力試験の結果と、冷房運転、暖房運転各6点、合計12点のNOx濃度測定試験の結果を用いた年間運転シミュレーションにより算出されている。なお、運転シミュレーションとは、一定の試験条件による試験結果から、一定の仮定に基づいて、ある外気温度における供試機の運転状態(エンジン回転数、冷房能力、暖房能力、ガス消費量、NOx濃度など)を求める計算のことである。
また、空調・発電システム1を単なるコージェネレーションシステムとして機能させる第2制御モードにおいては、NOx排出濃度の最大値が所定のNOx最大排出濃度以下となるように制御を行う必要がある。
図2は、NOx排出濃度と発電機の出力との関係を説明する図である。
空調・発電システム1を単なるコージェネレーションシステムとして機能させる第2制御モードの場合には、図2に示すように、発電機11の出力に拘わらず、NOx排出濃度の最大値を所定のNOx最大排出濃度(図中、コージェネレーション基準値Rとして示す。)以下にする必要がある。
一方、空調・発電システム1をいわゆるガスヒートポンプ(GHP)式空気調和装置を備えたコージェネレーションシステムとして機能させる第1制御モードにおいては、図2に示すように、運転シミュレーションに基づいて発電機11の出力に応じた所定のNOx最大排出濃度(=NOx12モード値)以下にする必要がある。図2に示すように本第1制御モードにおいては、発電機11の出力が大きくなった場合には、第2制御モードの場合よりも同一の発電機11の出力でNOx排出濃度が大きくなっても許容されているのがわかる。なお、本第1制御モードにおいても、発電機11の出力に完全に比例させてNOx排出濃度を制御する必要はなく、発電機11の出力が所定出力未満である場合には、NOx排出濃度を制御する必要はない。
図3は、NOx排出濃度の制御説明図である。
NOx排出濃度を制御するためには、ガスエンジン10における点火タイミング、燃料調整弁7の開度およびスロットル弁8の開度を調整する必要がある。
すなわち、エンジン回転数を一定の状態で、点火タイミングを遅くした場合には、図3に示すように、発電機111の出力は低下するが、NOx排出濃度は低くなる。また、エンジン回転数を一定の状態で、点火タイミングを早くした場合には、図3に示すように、発電機11の出力は増加するが、NOx排出濃度も高くなる。
また、燃料調整弁7の開度を調整し、同一の空気量(同一のスロットル弁8の開度)に対して燃料の供給を増加した場合には、NOx排出濃度が高くなり、燃料の供給を減少させた場合には、NOx排出濃度は低くなる。
これらの結果、NOx排出濃度の等濃度線Lを引くと、図3に斜線で示すようになる。
したがって、室外側コントローラ39は、デマンドコントローラ51の出力などに基づいて要求される発電機11の出力に応じて、点火タイミングを調整するとともに、燃料調整弁7およびスロットル弁8の開度を制御して駆動モードに応じてNOx排出濃度を一定値あるいはNOx12モード値に制御することとなる。
図4は、動作モード切替の制御フローチャートである。
まず、室外側コントローラ39は、現在の動作モードが空調・発電システム1をいわゆるガスヒートポンプ(GHP)式空気調和装置を備えたコージェネレーションシステムとして機能させる第1制御モードであるか否かを判別する(ステップS1)。
ステップS1の判別において、現在の動作モードが第1制御モードである場合には(ステップS1;Yes)、室外側コントローラ39は、空調・発電システム1を単なるコージェネレーションシステムとして機能させる第2制御モードに移行させる指示がなされたか否かを判別する(ステップS2)。
ステップS1の判別において、現在の動作モードが第1制御モードではない、すなわち、現在の動作モードが第2制御モードである場合には(ステップS1;No)、室外側コントローラ39は、空調・発電システム1をガスヒートポンプ(GHP)式空気調和装置を備えたコージェネレーションシステムとして機能させる第1制御モードに移行させる指示がなされたか否かを判別する(ステップS5)。
さらに、空調時においても、ガスエンジン10の廃熱回収系統を利用し、廃熱の少なくとも一部を温水系で回収することにより、通年で温水供給も可能となる。
さらにまた、空調・発電システム1をガスヒートポンプ(GHP)式空気調和装置を備えたコージェネレーションシステムとして機能させ発電機11の余剰電力を利用し、あるいは、空調・発電システム1を単なるコージェネレーションシステムとして機能させ発電機の発電能力をフルに発揮させて発電電力を有効に利用することができるとともに、各コージェネレーションシステムに要求されるNOx排出濃度に制御することが可能となる。
2 室外ユニット
3 室内ユニット
7 燃料調整弁
8 スロットル弁
10 エンジン
11 発電機
12 圧縮機
14 電磁クラッチ
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(エンジン制御部)
43 電力検出器
51 デマンドコントローラ
Claims (5)
- ガスエンジンと、
室外熱交換器、減圧装置、室内熱交換器および前記ガスエンジンにクラッチを介して接続された圧縮機を有した空気調和装置と、
前記ガスエンジンにより駆動されるとともに、前記圧縮機を前記クラッチにより前記ガスエンジンから切り離した場合の当該ガスエンジンの駆動能力に対応する発電能力を有する発電機と、
前記発電機に接続され、商用系統に電気出力を行う系統連系インバータと、
前記ガスエンジンの廃熱を利用する廃熱利用部と、
前記ガスエンジンの駆動制御を行う駆動モードとして、前記圧縮機および前記発電機のうち前記圧縮機および前記発電機を駆動するためのガスエンジンとして制御する第1制御モードおよび前記発電機を駆動するためのガスエンジンとして制御する第2制御モードを備えたエンジン制御部と、
を備えたことを特徴とする空調・発電システム。 - 請求項1記載の空調・発電システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記ガスエンジンの排ガス中のNOx排出濃度あるいはNOx排出量を各制御モードに応じて制御することを特徴とする空調・発電システム。 - 請求項2記載の空調・発電システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記第1制御モードにおいては、空調負荷に対応したJIS B8627に規定されるNOx12モード値が所定のNOx排出濃度未満となるように制御を行うことを特徴とする空調・発電システム。 - 請求項2記載の空調・発電システムにおいて、
前記エンジン制御部は、前記第2制御モードにおいては、NOx排出濃度の最大値がガスエンジンコージェネレーションシステムとして所定のNOx最大排出濃度以下となるように制御を行うことを特徴とする空調・発電システム。 - ガスエンジンと、室外熱交換器、減圧装置、室内熱交換器および前記ガスエンジンにクラッチを介して接続された圧縮機を有した空気調和装置と、前記ガスエンジンにより駆動されるとともに、前記圧縮機を前記クラッチにより前記ガスエンジンから切り離した場合の当該ガスエンジンの駆動能力に対応する発電能力を有する発電機と、前記発電機に接続され、商用系統に電気出力を行う系統連系インバータと、前記ガスエンジンの廃熱を利用する廃熱利用部と、を備えた空調・発電システムの制御方法において、
現在の駆動モードを判別する駆動モード判別過程と、
前記現在の駆動モードが前記ガスエンジンを前記圧縮機および前記発電機のうち前記圧縮機および前記発電機を駆動するためのガスエンジンとして制御する第1制御モードである場合に空調負荷に対応したJIS B8627に規定されるNOx12モード値が所定のNOx排出濃度未満となるように制御を行うとともに、前記現在の駆動モードが前記ガスエンジンを前記圧縮機および前記発電機のうち前記発電機のみを駆動するためのガスエンジンとして制御する第2制御モードである場合にNOx排出濃度の最大値がガスエンジンコージェネレーションシステムとして所定のNOx最大排出濃度以下となるように制御を行うNOx排出濃度制御過程と、
を備えたことを特徴とする空調・発電システムの制御方法。
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