JP2008202853A

JP2008202853A - 吸収式ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP2008202853A
Application number: JP2007039474A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Tsutomu Wakabayashi; 努若林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-20
Also published as: JP4953433B2

Abstract

【課題】冬期等には、常に一定以上の出力温度を維持することができ、且つ成績係数を向上させることができ、夏期等には、ヒートアイランド現象を抑制する。
【解決手段】冷媒Ａを蒸発する蒸発器１を有する吸収式ヒートポンプ回路Ｘを備えた吸収式ヒートポンプシステム１００が、吸収式ヒートポンプ回路Ｘが備える蒸発器１の冷媒Ａを、蒸発器１と地中に備えられた埋設熱交換器３４との間で循環させる冷媒循環状態で運転可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を蒸発する蒸発器を有する吸収式ヒートポンプ回路を備えた吸収式ヒートポンプシステムに関する。

吸収式ヒートポンプシステムは、蒸発器、吸収器、再生器、及び凝縮器を順に接続した吸収式ヒートポンプ回路を備えて構成されている。即ち、蒸発器が冷媒を蒸発させ、吸収器が冷媒蒸気を吸収液に吸収させ、再生器が当該吸収液から冷媒蒸気を分離して凝縮器に供給すると共に冷媒蒸気を分離後の吸収液を吸収器に戻し、凝縮器が冷媒蒸気を凝縮させて蒸発器に戻すという吸収式ヒートポンプサイクルを実行する形態で、作動するように構成されている。上記ヒートポンプサイクルにおいて、蒸発器で発生する冷熱は、冷熱用水を冷却する形態で冷房用等に用いられ、凝縮器と吸収器とで発生する温熱は、温熱用水を温熱する形態で給湯用及び暖房用等に用いられる。

このような吸収式ヒートポンプシステムでは、通常大気や室内空気から吸熱した冷熱用水を蒸発器に配置された伝熱管に流通させることにより、蒸発器内の冷媒を当該冷熱用水からの吸熱により蒸発させる（例えば、特許文献１を参照。）。
また、上述した吸収式ヒートポンプシステムは、エンジン等の熱源機が備えられており、当該熱源機の排熱が再生器を加熱すると共に、当該再生器を加熱した後の低温の排熱が大気へ放出されるものが公知である。

特開平５−２８０８２１号公報

上述した特許文献１の吸収式ヒートポンプシステムにおいて、吸収式ヒートポンプ回路の出力温度である温熱用水の温度は、一般に４５℃程度とする必要があり、このため、当該温熱用水を加熱する吸収器と凝縮器とを循環する冷却水の温度は、４８℃程度に保つ必要がある。そして、再生器を加熱する熱源機の排熱が８８℃程度と仮定すると、蒸発器の冷媒の温度は、２０℃程度にする必要がある。しかしながら、蒸発器の冷媒の熱源が、大気や室内空気から吸熱した冷熱用水の熱である場合、蒸発器の冷媒を２０℃程度に加熱することは困難な場合があった。
このため、吸収式ヒートポンプシステムの設計条件が厳しくなり、高い成績係数の吸収式ヒートポンプシステムを実現することは、困難であった。

一方、熱源機を備えた吸収式ヒートポンプシステムにおいて、熱源機の排熱のうち再生器を加熱した後の有効に利用することのできない低温の排熱は、大気に直接放出されていた。このため、有効な熱利用が図れず改善の余地があると共に、上述した低温の排熱が大気に放出されることで、大気が温度上昇するヒートアイランド現象を招く一要因となっていた。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冬期等には、常に一定以上の出力温度を維持することができ、且つ成績係数を向上させることができ、夏期等には、ヒートアイランド現象を抑制することができる吸収式ヒートポンプを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る冷媒を蒸発する蒸発器を備えた吸収式ヒートポンプ回路を有する吸収式ヒートポンプシステムの第１特徴構成は、地中に埋設され、前記冷媒を地中との間で熱交換させる埋設熱交換器を備え、前記吸収式ヒートポンプ回路の前記蒸発器の冷媒を、前記埋設熱交換器との間で循環させる冷媒循環状態で運転可能に構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、吸収器の冷媒の熱源を年間を通じて２０℃程度のほぼ一定温度の地中とするため、凝縮器の冷媒温度を２０℃程度の一定温度とすることができ、上述した吸収式ヒートポンプシステムの出力温度を４５℃程度にすることができる。この結果、吸収式ヒートポンプシステムの設計条件に余裕を持たせることができる。

また、２０℃程度の地中を熱源とすることにより、冬期等には２０℃よりも低温となることがある大気や室内空気から吸熱した冷却用水の熱を熱源とする場合と比較して、凝縮器の冷媒温度を高くすることができるため、吸収式ヒートポンプシステムの成績係数を向上させることができる。
さらに、蒸発器の冷媒が他の熱媒を介することなく直接地中と熱交換することにより、熱交換効率を向上させることができ、吸収式ヒートポンプシステムの成績係数を一層向上させることができる。

本発明に係る吸収式ヒートポンプシステムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加え、前記吸収式ヒートポンプ回路の再生器に熱を供給する熱源機と、前記熱源機の排熱を前記冷媒との間で熱交換により回収する排熱回収熱交換器とを備え、前記冷媒循環状態において、前記蒸発器の冷媒を、前記埋設熱交換器と前記排熱回収熱交換器との順で夫々を流通する状態で循環させる点にある。

上記第２特徴構成によれば、蒸発器の冷媒が、埋設熱交換器で地中熱を吸熱した後に、さらに排熱回収熱交換器で熱源機の排熱を吸熱することで、蒸発器の冷媒の温度をより一層高めることができる。
また、熱源機の低温の排熱でも、大気に無駄に放出することなく有効に利用することができる。

本発明に係る吸収式ヒートポンプシステムの第３特徴構成は、上記第２特徴構成に加え、前記冷媒が水であり、前記吸収式ヒートポンプ回路の吸収器及び凝縮器の少なくとも一方を冷却した冷却水を、前記排熱回収熱交換器と前記埋設熱交換器の冷媒側との順で夫々を流通する状態で循環させる冷却水循環状態で運転可能に構成され、前記冷媒循環状態と前記冷却水循環状態とを切り替える切替手段を備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、夏期等のように、吸収式ヒートポンプを冷房モードで運転しており、熱需要が少なく熱を有効に利用することができない場合でも、上述した冷媒循環状態から冷却水循環状態へ切り替えることで、埋設熱交換器が、吸収式ヒートポンプ回路の吸収器と凝縮器とで発生する温熱と熱源機の排熱とを地中に放出するため、大気へ熱を放出する場合と比較して、大気の温度上昇を低減できる。よって、吸収式ヒートポンプシステムを都市部等の地表がアスファルト等に覆われている場所に設置した場合でも、ヒートアイランド現象を抑制することができる。

本発明に係る吸収式ヒートポンプシステムの第４特徴構成は、上記第２特徴構成から第３特徴構成に加え、前記熱源機がエンジンであり、前記エンジンを冷却した後のエンジン冷却水を前記再生器との間で当該再生器の熱源として循環させると共に、前記再生器に供給されるエンジン冷却水を、前記エンジンから排出される排ガス排熱との熱交換により加熱するエンジン冷却水加熱熱交換器が前記エンジンの排気路に配置され、前記排熱回収熱交換器が、前記エンジンから排出される排ガス排熱を、前記エンジン冷却水加熱熱交換器を通過した後の前記排ガス排熱を前記冷媒との熱交換により回収するように前記排気路の前記エンジン冷却水加熱熱交換器よりも下流側に配置されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、冷媒循環状態において、排熱回収熱交換器が、エンジンの排熱のうち吸収式ヒートポンプ回路の再生器を加熱した後の低温の排熱を回収して、蒸発器の冷媒の加熱に有効に利用することができる。また、冷却水循環状態において、上述した低温の排熱を、埋設熱交換器により地中に放出して、大気への無駄な排熱の放出を抑制して、大気の温度上昇を低減できる。

本発明の吸収式ヒートポンプシステム１００の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、主に冬期において、後述する冷媒循環状態と呼ぶ状態で運転可能な吸収式ヒートポンプシステム１００の概略構成図であり、図２は、主に夏期において、後述する冷却水循環状態と呼ぶ状態で運転可能な吸収式ヒートポンプシステム１００の概略構成図である。冷媒循環状態及び冷却水循環状態において、冷媒Ａは、蒸発器１、吸収器２、再生器３、及び凝縮器４を相変化を起こしながら循環し、吸収液は、吸収器２と再生器３との間を濃度変化を起こしながら循環する。本実施形態では、冷媒としては水を、吸収液としてはＬｉＢｒ水溶液を採用している。即ち、水−ＬｉＢｒ系の吸収式ヒートポンプシステム１００となっている。
図１及び図２にあっては、蒸発器１内の冷媒Ａを加熱する本発明独特の循環系統を太実線で示しており、吸収器２及び凝縮器４のうち少なくとも一方を冷却する冷却水ＣＷの循環系統を太破線で示している。また、三方弁４１〜４８は、開状態を塗り潰した三角印で、閉状態を白抜きの三角印で示しており、矢印は、路内を流れる流体の流れ方向を示す。

まず、図１に基づいて、本願に係る吸収式ヒートポンプシステム１００の構成に関して説明する。

冷媒Ａを蒸発する蒸発器１を有する吸収式ヒートポンプ回路Ｘを備え、前記吸収式ヒートポンプ回路Ｘが備える蒸発器１の冷媒Ａを、前記蒸発器１と地中に備えられた埋設熱交換器３４との間で循環させる冷媒循環状態で運転可能に構成されている。

吸収式ヒートポンプ回路Ｘは、蒸発器１、吸収器２、再生器３、及び凝縮器４を順に接続した吸収式ヒートポンプ回路Ｘを備えて構成されている。蒸発器１と吸収器２とは冷媒蒸気流通管１２により接続され、再生器３と凝縮器４とは冷媒蒸気流通管９により接続され、凝縮器４と蒸発器１とは膨張弁１１を備えた冷媒流通管１０により接続されている。

そして、作動流体循環路５が、吸収器２と再生器３との間で濃度変化する吸収液Ｄを循環する形態で、作動流体循環路の往き路５ａに循環ポンプ７が、作動流体循環路の戻り路５ｂに膨張弁８が、作動流体循環路の往き路５ａと作動流体循環路の戻り路５ｂとを流れるそれぞれの流体を熱交換する冷媒熱交換器６が、それぞれ備えられている。

即ち、蒸発器１が冷媒Ａ２を蒸発させ、蒸発した冷媒蒸気Ａ２が冷媒蒸気流通管１２を介して吸収器２に供給される。吸収器２が冷媒蒸気Ａ２を吸収液Ｄに吸収させ、低濃度吸収液Ｄが循環ポンプ７により作動流体循環路の往き路５ａを介して再生器３に圧送される。再生器３が低濃度吸収液Ｄから冷媒蒸気Ａ２を分離して、冷媒蒸気循環路９を介して凝縮器４に供給すると共に、高濃度吸収液Ｄを分離して、作動流体循環路の戻り路５ｂを介して膨張弁８で減圧して吸収器２に供給する。凝縮器４が冷媒蒸気Ａ２を凝縮させ、冷媒Ａが冷媒流通管１０を介して膨張弁１１により減圧され蒸発器１に戻る。作動流体循環路の往き路５ａを流通する低濃度吸収液Ｄは、冷媒熱交換器６において作動流体循環路の戻り路５ｂを流通する高温の高濃度吸収液Ｄの熱を回収することで、吸収式ヒートポンプサイクルが成立する。

そして、冷却水循環路３０は、循環ポンプ３３で圧送された冷却水ＣＷが吸収器２と凝縮器４とで発生する温熱を回収した後に、温熱運転熱交換器６２に流通して伝熱管６２ａを流通する温熱用水Ｈに温熱を供給するように配設され、温熱用水Ｈに供給された温熱は、暖房用又は給湯用として利用される。

冷熱供給循環路３５は、循環ポンプ３２で圧送された蒸発器１の冷媒Ａが冷熱運転熱交換器６１に流通して伝熱管６１ａを流通する冷熱用水Ｃに冷熱を供給するように配設され、冷熱用水Ｃに供給された冷熱は、冷房用等に利用される。
ただし、図１の冷媒循環状態では、この冷熱供給循環路３５は使用されず、後述する図２の冷却水循環状態では、冷熱供給循環路３５が使用される。

エンジン２１（熱源機の一例）は、天然ガス等の燃料Ｇにより駆動し、その軸出力の一部を発電機２４の動力源として供給する。発電機２４で発電された電力は、吸収式ヒートポンプシステム１００の補機やその他の電力負荷を稼動するために用いられる。

エンジン２１には、排ガスＥが流通する排ガス路２２（排気路の一例）と、エンジン冷却水ＪＷが流通するエンジン冷却水循環路２３が備えられている。当該エンジン冷却水循環路２３は、循環ポンプ２５で圧送されたエンジン冷却水ＪＷが、エンジン２１と、排ガス路２２に備えられて排ガス排熱を回収するエンジン冷却水加熱熱交換器２６と、吸収式ヒートポンプ回路Ｘの再生器３とを順に流通するように配設されている。エンジン冷却水ＪＷは、エンジン２１においてエンジン２１の熱を回収した後に、エンジン冷却水加熱熱交換器２６において排ガス排熱を回収し、回収した熱を再生器３に供給する。

以上が、吸収式ヒートポンプシステム１００の基本構成であるが、以下に、蒸発器１の冷媒Ａを蒸発器１と前記埋設熱交換器３４とエンジン２１のエンジン排熱を回収する排熱回収熱交換器２７との順で夫々を流通する冷媒循環状態、及び吸収器２又は凝縮器４を冷却する冷却水ＣＷを前記排熱回収熱交換器２７と前記埋設熱交換器３４との順で夫々を流通する状態で循環させる冷却水循環状態、及び冷媒循環状態と冷却水循環状態とを切り替える切替手段Ｙについて、さらに詳細に説明を加える。

〔冷媒循環状態〕
図１に太実線で示すように、吸放熱循環路３１は、蒸発器１の冷媒Ａが、地中と熱交換可能な埋設熱交換器３４と、上記排ガス路２２に備えられエンジン冷却水加熱熱交換器２６が排ガス排熱を回収した後の低温の排ガス排熱を回収する排熱回収熱交換器２７との順で、夫々を流通するように配設される。
冷媒循環状態は、循環ポンプ３２により蒸発器１から送り出された冷媒Ａを、蒸発器１と上記吸放熱循環路３１とを循環させる状態である。

制御装置５０は、吸放熱循環路３１に備えられている三方弁４１、４２、４３、４４、４５、４７の開閉状態を、冷媒循環状態と、冷媒Ａが冷熱供給循環路３５を介して冷熱運転熱交換器６１へ流通する状態とに、切り替え可能に構成されている。

冷媒循環状態において、蒸発器１の冷媒Ａは、循環ポンプ３２により吸放熱循環路３１に圧送され、三方弁４３、４１を介して埋設熱交換器３４を流通し、三方弁４５を介して排熱回収熱交換器２７を流通して、三方弁４２、４４を介して蒸発器１に戻るように循環する。

〔冷却水循環状態〕
冷却水循環状態は、図２に太破線で示すように、冷却水ＣＷを、上述した冷却水循環路３０と、冷却水循環路３０における凝縮器４の出口側と吸放熱循環路３１とを接続する接続路５１と、吸放熱循環路３１と、冷却水循環路３０における吸収器２の入口側と吸放熱循環路３１とを接続する接続路５２との順で、夫々流通させて循環させる状態である。

制御装置５０は、冷却水循環路３０に備えられた三方弁４６、４８と、吸放熱循環路３１に備えられた三方弁４１、４２、４５、４７の開閉状態を切り替えて、冷媒循環状態と冷却水循環状態とを切り替える形態で切替手段Ｙとして機能するように構成されている。

冷却水循環状態において、冷却水ＣＷは、循環ポンプ３３により圧送され、冷却水循環路３０を流通し、三方弁４６を介して接続路５１を流通し、三方弁４７を介して吸放熱循環路３１の排熱回収熱交換器２７を流通し、三方弁４２と三方弁４１とを介して埋設熱交換器３４を流通し、三方弁４５を介して接続路５２を流通して、三方弁４８を介して冷却水循環路３０に戻るように循環する。冷却水循環状態において、冷却水ＣＷは常に温熱運転熱交換器６２の伝熱管６２ａを流通して温熱用水Ｈを加熱し、加熱された温熱用水Ｈは給湯用等に用いられる。

次に、冷媒循環状態での冷媒循環運転、及び冷却水循環状態での冷却水循環運転の具体例についてそれぞれ説明する。

〔冷媒循環運転〕
冷媒循環運転は、図１に示す様に吸収式ヒートポンプシステム１００を冷媒循環状態で作動させる運転であり、冬期等において、吸収式ヒートポンプシステム１００を良好に稼動させるために実行され、蒸発器１の冷媒Ａが、地中熱とエンジン２１の排熱のうち低温の排熱とにより加熱される形態で実行される。切替手段Ｙが、三方弁４３、４４の開閉状態を蒸発器１の冷媒Ａを吸放熱循環路３１に流通するように制御する。そして、蒸発器１の内部において一部の冷媒Ａが蒸発することで低温となった残りの冷媒Ａが、循環ポンプ３２により圧送されて三方弁４３を介して吸放熱循環路３１へ流通し、埋設熱交換器３４において２０℃程度の地中熱を吸熱し、排熱回収熱交換器２７において２０℃以上の比較的高温のエンジン２１の低温の排熱をさらに吸熱し、三方弁４４を介して蒸発器１に戻り、蒸発器１の冷媒Ａを加熱するという循環を繰り返すことにより冷媒循環運転が実行される。これにより、蒸発器１の冷媒の温度を２０℃以上とすることができ、例えば、エンジン冷却水循環路２３を循環するエンジン冷却水ＪＷの温度が８８℃程度である場合には、温熱運転熱交換器６２で熱交換する前の冷却水ＣＷの温度である出力温度を４５℃程度に維持できる。

この時、切替手段Ｙが三方弁４５、４６、４８の開閉状態を制御することにより、冷却水ＣＷは、冷却水循環路３０を流通する状態となる。

〔冷却水循環運転〕
冷却水循環運転は、図２に示す様に吸収式ヒートポンプシステム１００を冷却水循環状態で作動させる運転状態であり、夏期等において、吸収式ヒートポンプシステム１００からの排熱が有効に利用できない場合に実行され、冷却水ＣＷが、吸収器２及び凝縮器４の温熱とエンジン２１の低温の排ガス排熱とを回収して地中に放出する形態で実行される。切替手段Ｙが、三方弁４１、４２、４５、４６、４７、４８の開閉状態を、冷却水ＣＷが吸放熱循環路３１に流通するように制御する。そして、冷却水ＣＷが、循環ポンプ３３により圧送され、冷却水循環路３０において吸収器２及び凝縮器４の温熱を回収し、三方弁４６を介して接続路５１を流通し、三方弁４７を介して吸放熱循環路３１を流通して、排熱回収熱交換器２７で低温の排熱を回収し、三方弁４２、４１を介して、埋設熱交換器３４において吸収器２及び凝縮器４の温熱及び低温の排ガス排熱を地中に放出して、三方弁４５を介して接続路５２を流通し、三方弁４８を介して冷却水循環路３０に戻るという循環を繰り返すことにより冷却水循環運転が実行される。

この時、切替手段Ｙが三方弁４３、４４の開閉状態を制御することにより、蒸発器１の冷媒Ａは、冷熱供給循環路３５を流通し、冷熱運転熱交換器６１の伝熱管６１ａを流通して、冷熱用水Ｃを冷却する状態となる。

以上のように、切替手段Ｙは、冷媒循環状態と冷却水循環状態とを適切に切り替えることで、単一の吸収式ヒートポンプシステム１００により冷媒循環運転と冷却水循環運転とを実行可能にする。

夏期において、埋設熱交換器３４により地中に放出した排熱は、約半年後の冬において採熱することができると考えられており、冬期において埋設熱交換器３４が備えられた地中を本ヒートポンプシステム１００の熱源とすることで、年間を通じた本ヒートポンプシステム１００の成績係数を向上させることができる可能性があると考えられている。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態において、冷却水循環路３０は、吸収器２と凝縮器４との両方の内部に配設されている実施形態を示したが、何れか一方のみを通過する構成であってもよい。

（２）上記実施形態の冷媒循環状態において、吸放熱循環路３１は、蒸発器１の冷媒Ａが排熱回収熱交換器２７を流通しないように配設されていてもよい。

本願発明の吸収式ヒートポンプシステムは、冬期等には、常に一定以上の出力温度を維持することができ、夏期等には、ヒートアイランド現象を抑制することができる吸収式ヒートポンプとして、有効に利用可能である。

冬期における本発明の吸収式ヒートポンプシステムの概略構成図夏期における本発明の吸収式ヒートポンプシステムの概略構成図

符号の説明

１：蒸発器
３１：吸放熱循環路
３４：埋設熱交換器
５０：制御装置（切替手段の一例）
１００：吸収式ヒートポンプシステム
Ｘ：吸収式ヒートポンプ回路
Ａ：冷媒
Ｅ：排ガス
Ｃ：冷却用水
Ｈ：温熱用水
Ｇ：燃料
ＣＷ：冷却水
ＪＷ：エンジン冷却水

Claims

冷媒を蒸発する蒸発器を有する吸収式ヒートポンプ回路を備えた吸収式ヒートポンプシステムであって、
地中に埋設され、前記冷媒を地中との間で熱交換させる埋設熱交換器を備え、
前記吸収式ヒートポンプ回路の前記蒸発器の冷媒を、前記埋設熱交換器との間で循環させる冷媒循環状態で運転可能に構成されている吸収式ヒートポンプシステム。
前記吸収式ヒートポンプ回路の再生器に熱を供給する熱源機と、
前記熱源機の排熱を前記冷媒との間で熱交換により回収する排熱回収熱交換器とを備え、
前記冷媒循環状態において、前記蒸発器の冷媒を、前記埋設熱交換器と前記排熱回収熱交換器との順で夫々を流通する状態で循環させる請求項１に記載の吸収式ヒートポンプシステム。
前記冷媒が水であり、
前記吸収式ヒートポンプ回路の吸収器及び凝縮器の少なくとも一方を冷却した冷却水を、前記排熱回収熱交換器と前記埋設熱交換器の冷媒側との順で夫々を流通する状態で循環させる冷却水循環状態で運転可能に構成され、
前記冷媒循環状態と前記冷却水循環状態とを切り替える切替手段を備えた請求項２に記載の吸収式ヒートポンプシステム。
前記熱源機がエンジンであり、
前記エンジンを冷却した後のエンジン冷却水を前記再生器との間で当該再生器の熱源として循環させると共に、
前記再生器に供給されるエンジン冷却水を、前記エンジンから排出される排ガス排熱との熱交換により加熱するエンジン冷却水加熱熱交換器が前記エンジンの排気路に配置され、
前記排熱回収熱交換器が、前記エンジンから排出される排ガス排熱を、前記エンジン冷却水加熱熱交換器を通過した後の前記排ガス排熱を前記冷媒との熱交換により回収するように前記排気路の前記エンジン冷却水加熱熱交換器よりも下流側に配置されている請求項２又は３に記載の吸収式ヒートポンプシステム。