JP2010007950A - コージェネレーションシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】設備の大型化を伴うことなく、暖房端末の負荷変動を吸収して発電ユニットの排熱をより好適に利用することができるコージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】発電ユニット１０の排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路Ｌ１と、冷却液回路Ｌ１に設けられ、冷却液を蓄えるバッファタンク２１と、暖房端末３２に供給可能な暖房水が循環される暖房回路Ｌ２と、冷却液と暖房水との間で熱交換する暖房熱交換器２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コージェネレーションシステムに関するものである。
従来、コージェネレーションシステムとしては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。このコージェネレーションシステムでは、例えば暖房運転中の温度が上昇し、温度調節機能により複数設置された暖房端末としての床の全てが放熱しない状態（オフ状態）になると、併設された貯湯・給湯回路の湯水との間で熱交換を行って該回路（貯湯タンク）に蓄熱することで、床暖房回路の湯水が異常に高温になることを防いでいる。なお、発電ユニットの排熱回路（冷却液回路）には、省エネルギー化の観点から放熱用のラジエータが割愛されている。
特開２００３−２１３９２号公報（第［００２１］段落、第１図）
ところで、特許文献１では、床暖房用の余剰熱を給湯用の貯湯タンクにて回収・蓄熱するため、必然的に貯湯・給湯回路を併設したシステムとなる。この場合、一般的に貯湯タンクは家庭の給湯負荷を賄い得る十分な容量（例えば１００Ｌ以上）を有することから大型の設備となり、その設置に広いスペースと費用とが必要になる。
また、貯湯タンクに蓄熱された熱は給湯にしか使用することができないため、長時間給湯負荷がない場合には余剰熱を蓄熱できず、暖房負荷があっても発電（排熱利用）を伴うシステムの運転をすることができないという不具合がある。つまり、暖房運転時、給湯負荷の影響を受けて排熱利用ができなくなってしまう。
なお、特許文献１とは別のシステム（例えばヒートポンプ式給湯器）には、給湯用の貯湯タンクの熱を暖房に使える構成のものもある。しかしながら、この場合、暖房運転により貯湯タンク内の温度成層が崩れることによる省エネルギー性の低下及び機器の大型化を余儀なくされる。
本発明の目的は、設備の大型化を伴うことなく、暖房端末の負荷変動を吸収して発電ユニットの排熱をより好適に利用することができるコージェネレーションシステムを提供することにある。
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、発電ユニットの排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路と、前記冷却液回路に設けられ、前記冷却液を蓄えるバッファタンクと、暖房端末に供給可能な暖房水が循環される暖房回路と、前記冷却液と前記暖房水との間で熱交換する熱交換手段とを備えたことを要旨とする。
同構成によれば、前記冷却液回路には、前記冷却液を蓄えるバッファタンクが設けられることで、例えば暖房運転中に前記暖房端末の暖房負荷が減少しても、前記バッファタンクにて前記冷却液（冷却液回路）の余剰熱を暫定的に蓄え、暖房負荷の増加時に利用することで、前記発電ユニットの排熱を前記暖房回路で効率的に消費可能になる。つまり、暖房負荷がある限り、その変動に関わらず前記発電ユニットの駆動及びその排熱利用を継続することができ、該発電ユニットの排熱を好適に利用することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコージェネレーションシステムにおいて、前記暖房水を加熱する暖房用熱源と、前記暖房端末の出口と前記暖房用熱源との間で前記暖房回路の流路をバイパスする暖房水バイパス回路とを備え、熱交換手段は、前記暖房水バイパス回路の前記暖房水と前記冷却液との間で熱交換することを要旨とする。
同構成によれば、前記熱交換手段は、前記暖房用熱源に向かう前記暖房回路の前記暖房水と略独立となる前記暖房水バイパス回路の前記暖房水と前記冷却液との間で熱交換することができる。従って、前記暖房用熱源による前記暖房水の加熱に影響されることなく、前記暖房水バイパス回路において前記冷却液と前記暖房水との間で熱交換することができる。また、前記暖房回路は、例えば前記暖房水バイパス回路の分離によって前記冷却液回路、即ち前記発電ユニットと分離できるため、前記暖房用熱源（暖房機）の選択の自由度を増大することができる。さらに、前記暖房水バイパス回路は、前記暖房回路に連通しているため、例えば前記暖房水バイパス回路及び前記暖房回路（流路）を分離するとともにこれら暖房水バイパス回路及び暖房回路間に熱交換器を設ける場合に比べて部品点数を削減することができる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のコージェネレーションシステムにおいて、前記暖房端末を複数備え、前記流路は、前記複数の暖房端末の出口とそれぞれ連通する支管を集合させる集合管であることを要旨とする。
同構成によれば、前記流路は、前記複数の暖房端末の出口とそれぞれ連通する支管を集合させる集合管であることで、例えば前記複数の暖房端末に個別に設けた前記暖房回路（流路）に前記暖房水バイパス回路を設ける場合に比べて回路構成を簡略化することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコージェネレーションシステムにおいて、前記冷却液回路に設けられ、前記熱交換手段及び前記バッファタンクを迂回する冷却液バイパス回路と、前記冷却液の温度が低いときに前記冷却液バイパス回路への前記冷却液の循環に切り替える切替弁とを備えたことを要旨とする。
同構成によれば、前記冷却液回路には、前記熱交換手段及び前記バッファタンクを迂回する前記冷却液バイパス回路が設けられることで、例えば前記発電ユニットの始動時等、前記冷却液の温度が低いときには、前記冷却液バイパス回路により前記冷却液を迂回させることで、該冷却液を速やかに昇温することができる。
本発明では、設備の大型化を伴うことなく、暖房端末の負荷変動を吸収して発電ユニットの排熱をより好適に利用することができるコージェネレーションシステムを提供することができる。
以下、本発明を具体化した一実施形態について図面に従って説明する。
図１は、本実施形態に係るコージェネレーションシステムを示す回路図である。同図に示されるように、このコージェネレーションシステムは、発電ユニット１０と、バッファタンクユニット２０と、給湯暖房機３０と、これらを統括制御する制御装置４０とを備えて構成される。
発電ユニット１０には、発電機１１及び該発電機１１を駆動するガスエンジン１２が設置されるとともに、前記発電機１１の電力を周波数変換して商用電力と協働し得る電力を生成するインバータ１３が設置されている。発電ユニット１０（ガスエンジン１２）は、暖房時（給湯暖房機３０の作動時）に運転可能となるように前記制御装置４０にて駆動制御される。なお、ガスエンジン１２は、供給されるガスの燃焼によって駆動される。そして、ガスエンジン１２の排気ガスは、排気熱交換器１４を通過して外部に排出される。
バッファタンクユニット２０には、発電ユニット１０の排熱との間で熱交換する冷却液を蓄えるバッファタンク２１及び熱交換手段としての暖房熱交換器２２が設置されている。すなわち、バッファタンクユニット２０に設置された冷却液循環ポンプ２３は、冷却液の流れを作るとともに、その吐出口に液配管２４ａを介して接続された前記排気熱交換器１４に冷却液を送り出す。排気熱交換器１４に送り出された冷却液は、該排気熱交換器１４において前記ガスエンジン１２の排熱との間で熱交換することで加熱される。排気熱交換器１４は、液配管２４ｂを介して切替弁としてのワックス式のサーモスタット弁２５に接続されるとともに、該サーモスタット弁２５は液配管２４ｃを介して前記暖房熱交換器２２に接続され、更に該暖房熱交換器２２は液配管２４ｄを介して前記バッファタンク２１に接続されている。そして、前記バッファタンク２１は、液配管２４ｅを介して前記冷却液循環ポンプ２３の吸入口に接続されている。さらに、前記サーモスタット弁２５は、冷却液バイパス回路としてのバイパス液配管２４ｆを介して前記冷却液循環ポンプ２３の吸入口（液配管２４ｅ）に接続されている。このサーモスタット弁２５は、冷却液の温度に応じたその内蔵するワックスの熱膨張を利用してバイパス液配管２４ｆ又は暖房熱交換器２２及びバッファタンク２１を流れる冷却液の流量を調節する。
具体的には、冷却液の温度が所定温度（例えば６７°Ｃ）を下回るとき、暖房熱交換器２２及びバッファタンク２１への冷却液の流れを止める（バイパス液配管２４ｆへと流す）べくサーモスタット弁２５が閉弁する。一方、冷却液の温度が所定温度（例えば８０°Ｃ）を超えるとき、暖房熱交換器２２及びバッファタンク２１へと冷却液を流すべくサーモスタット弁２５が開弁する。前記冷却液循環ポンプ２３は、暖房時（給湯暖房機３０の作動時）に作動するように前記制御装置４０にて駆動制御されており、冷却液の温度に応じた前記サーモスタット弁２５の開閉状態に対応して冷却液を循環させる。液配管２４ａ〜２４ｅは、冷却液循環ポンプ２３等とともに冷却液回路Ｌ１を構成する。
なお、サーモスタット弁２５によりバイパス液配管２４ｆに導かれた冷却液は、排気熱交換器１４においてガスエンジン１２の排熱との間で熱交換を繰り返すことで迅速に加熱される。一方、サーモスタット弁２５により暖房熱交換器２２等に導かれた冷却液は、該暖房熱交換器２２を流れる前記給湯暖房機３０の暖房水と熱交換可能となり、あるいは前記バッファタンク２１においてその余剰熱を暫定的に蓄える。
給湯暖房機３０には、暖房水を加熱するための暖房用熱源を構成するバックアップ給湯器３１及び複数の暖房端末（例えば暖房用の床など）３２が設置されている。すなわち、バックアップ給湯器３１に内蔵された暖房ポンプ３３は、暖房水の流れを作るとともに、その吐出口に配管３４ａを介して接続された前記複数の暖房端末３２に暖房水を送り出す。給湯暖房機３０は、前記制御装置４０による暖房ポンプ３３の駆動制御によってその作動を開始する。また、各暖房端末３２の入口には、例えば前記制御装置４０の温度調節機能によって該制御装置４０に開閉制御される熱動弁（図示略）が設けられており、該熱動弁が開放状態にあるときに配管３４ａを流れる暖房水が供給可能となる。つまり、各暖房端末３２は、制御装置４０により熱動弁が間欠的に開閉されて放熱量が制御されることで平均的な暖房能力が調節され、所要の温度に調節される。そして、各暖房端末３２の出口は、相対的に小径となる支管３４ｂを介して相対的に大径となる流路としての１本の集合管３５に接続されている。この集合管３５は、全ての支管３４ｂを集合させて各暖房端末３２に供給された暖房水を合流させる。そして、前記集合管３５は、配管３４ｃを介して前記暖房ポンプ３３の吸入口に接続されている。従って、いずれかの暖房端末３２の熱動弁が開放状態にあるとき、前記暖房ポンプ３３に送り出される暖房水は配管３４ａ、支管３４ｂ、集合管３５及び配管３４ｃを循環する。この際、前記バックアップ給湯器３１に供給されるガスの燃焼によって加熱される暖房水は、暖房端末３２の暖房に供せられる。これら配管３４ａ、支管３４ｂ、集合管３５及び配管３４ｃは、暖房ポンプ３３等とともに暖房回路Ｌ２を構成する。
さらに、前記集合管３５は、その上流側（配管３４ｃの反対側）でバイパス配管３４ｄを介して暖房水循環補助ポンプ３６の吸入口に接続されるとともに、該暖房水循環補助ポンプ３６の吐出口は、バイパス配管３４ｅを介して前記暖房熱交換器２２に接続されている。そして、暖房熱交換器２２はバイパス配管３４ｆを介して前記集合管３５の下流側（配管３４ｃ側）に接続されている。従って、暖房水循環補助ポンプ３６の作動時、暖房水の一部は前記集合管３５を迂回して配管３４ａ、支管３４ｂ、集合管３５及び配管３４ｃを循環する。これにより、前記集合管３５を迂回した暖房水は、前記暖房熱交換器２２において冷却液（冷却液回路Ｌ１）と熱交換することで加熱され、暖房端末３２の暖房に供せられる。この熱源が、前記冷却液回路Ｌ１を介した前記ガスエンジン１２の排熱であることはいうまでもない。なお、前記暖房水循環補助ポンプ３６は、バッファタンクユニット２０の入口（液配管２４ｂ）の冷却液の温度が所定温度（例えば７０°Ｃ）を超えたときに作動するように前記制御装置４０にて駆動制御されており、これにより前記暖房熱交換器２２における暖房水と冷却液との熱交換が開始される。制御装置４０は、冷却液回路Ｌ１に設けられた温度センサ（サーミスタなど）によりバッファタンクユニット２０の入口（液配管２４ｂ）の冷却液の温度を監視する。バイパス配管３４ｄ〜３４ｆは、暖房水循環補助ポンプ３６等とともに暖房水バイパス回路Ｌ３を構成する。
ちなみに、前記バックアップ給湯器３１は、供給された上水をガスの燃焼によって即時に加熱することで給湯に供せられる。つまり、給湯暖房機３０には、給湯のための貯湯タンクが割愛されている。
ここで、本実施形態の動作について総括して説明する。なお、前記給湯暖房機３０の作動時に運転可能となる前記ガスエンジン１２は、冷却液回路Ｌ１の冷却液の温度が過剰に上昇しないように前記制御装置４０によりその発停が制御されている。これは、暖房端末３２における放熱が十分に行われない、即ち暖房に排熱を利用できない発電のみの状態でガスエンジン１２を駆動することを回避するためである。制御装置４０は、例えば冷却液回路Ｌ１のガスエンジン１２出入口（液配管２４ａ，２４ｂ）に設けられた温度センサ（サーミスタなど）により冷却液の温度を監視する。
まず、暖房端末３２の暖房を開始すべく前記制御装置４０により給湯暖房機３０の作動が開始され、前記暖房ポンプ３３が作動したとする。このとき、前記制御装置４０により発電ユニット１０（ガスエンジン１２）が駆動されると、該発電ユニット１０は発電し始める。そして、前記排気熱交換器１４においてガスエンジン１２の排熱と前記冷却液回路Ｌ１を循環する冷却液との間で熱交換が行われる。
この際、冷却液の温度が低いときは、該冷却液はサーモスタット弁２５によりバイパス液配管２４ｆに導かれ、排気熱交換器１４においてガスエンジン１２の排熱との間で熱交換を繰り返すことで迅速に加熱される。
一方、冷却液の温度が高いときは、該冷却液はサーモスタット弁２５により暖房熱交換器２２等に導かれ、該暖房熱交換器２２において暖房水バイパス回路Ｌ３の暖房水と熱交換可能となり、あるいは、前記バッファタンク２１においてその余剰熱を暫定的に蓄える。すなわち、冷却液の温度が高いとき、前記暖房水循環補助ポンプ３６が作動することで暖房水が暖房水バイパス回路Ｌ３を循環し、前記暖房熱交換器２２において冷却液と熱交換する。そして、前記暖房熱交換器２２において加熱された暖房水は暖房端末３２の暖房に供せられる。
特に、暖房運転中に前記複数の暖房端末３２の一部又は全部の熱動弁が閉鎖状態（オフ状態）にされるなど、該暖房端末３２における放熱が十分に行われなくなって暖房負荷が小さくなくなったとき、前記冷却液回路Ｌ１の冷却液の温度が上昇しようとするが、該冷却液の余剰熱を前記バッファタンク２１に暫定的に蓄えることで、前記ガスエンジン１２の運転が継続可能となる。バッファタンク２１の容量は、家庭の電力負荷及び一般的な暖房端末３２の温度調節動作（オン・オフ動作）を考慮して、配置スペースの増大を抑制しつつ、ガスエンジン１２の頻繁な発停（間欠的な運転）を回避し得る好適な容量（例えば１０〜５０Ｌ）に設定されている。
図２（ａ）（ｂ）は、バッファタンクを備えない構成及び所定容量（例えば１０Ｌ）のバッファタンク２１を備える構成のそれぞれにおいて、暖房負荷の変動に伴うガスエンジン１２の発停の推移を示すタイムチャートである。同図から明らかなように、バッファタンクを備えない構成では、前記暖房端末３２が放熱しなくなって暖房負荷が減少する際、冷却液の温度が急激に上昇してそれ以上の排熱との熱交換が叶わず、前記ガスエンジン１２の駆動停止（発電出力の停止）を余儀なくされている。一方、バッファタンク２１を備える構成では、前記暖房端末３２が放熱しなくなって暖房負荷が減少しても、該暖房負荷の変動を前記バッファタンク２１にて吸収することで冷却液の温度の急激な上昇が抑えられ、排熱利用を伴う前記ガスエンジン１２の駆動（発電出力）が継続されている。このように、発電ユニット１０の連続運転が可能になることで、発電機会の損失が低減される。
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）本実施形態では、冷却液回路Ｌ１には、冷却液（余剰熱）を蓄えるバッファタンク２１が設けられることで、例えば暖房運転中に暖房端末３２の暖房負荷が減少しても、前記バッファタンク２１にて冷却液（冷却液回路Ｌ１）の余剰熱を暫定的に蓄え、暖房負荷の増加時に利用することで、発電ユニット１０の排熱を暖房回路Ｌ２で効率的に消費可能になる。つまり、暖房負荷がある限り、その変動に関わらず前記発電ユニット１０（ガスエンジン１２）の駆動及びその排熱利用を継続することができ、該発電ユニット１０の排熱を好適に利用することができる。特に、従来例のような暖房回路（床暖房回路）の余剰熱を回収・蓄熱するための貯湯タンクが不要のため、給湯負荷の影響を受けることなく暖房運転が可能になる。
なお、暖房負荷が皆無又は僅少の場合、発電ユニット１０の駆動停止を余儀なくされるが、もともと暖房負荷のない状態で発電ユニット１０の排熱利用を伴う暖房運転を停止しても省エネルギー性への影響はわずかである。
（２）本実施形態では、暖房熱交換器２２は、バックアップ給湯器３１に向かう暖房回路Ｌ２の暖房水と略独立となる暖房水バイパス回路Ｌ３の暖房水と冷却液との間で熱交換することができる。つまり、暖房熱交換器２２は、バックアップ給湯器３１を経由する暖房回路Ｌ２における暖房水の循環と略独立となる暖房回路Ｌ２における暖房水の循環によって冷却液と熱交換することができる。従って、バックアップ給湯器３１による暖房水の加熱に影響されることなく、暖房水バイパス回路Ｌ３において冷却液と暖房水との間で熱交換することができる。また、暖房回路Ｌ２は、例えば暖房水バイパス回路Ｌ３の分離によって前記冷却液回路Ｌ１、即ち発電ユニット１０と分離できるため、バックアップ給湯器３１（給湯暖房機３０）の選択の自由度を増大することができる。さらに、暖房水バイパス回路Ｌ３は、暖房回路Ｌ２に連通しているため、例えば暖房水バイパス回路Ｌ３及び暖房回路Ｌ２（集合管３５）を分離するとともにこれら暖房水バイパス回路Ｌ３及び暖房回路Ｌ２間に熱交換器を設ける場合に比べて部品点数を削減することができる。
（３）本実施形態では、暖房水バイパス回路Ｌ３がバイパスする暖房端末３２の出口とバックアップ給湯器３１との間の流路は、前記複数の暖房端末３２の出口とそれぞれ連通する支管３４ｂを集合させる集合管３５であることで、例えば前記複数の暖房端末３２に個別に設けた暖房回路（流路）に暖房水バイパス回路Ｌ３を設ける場合に比べて回路構成を簡略化することができる。
（４）本実施形態では、冷却液回路Ｌ１には、暖房熱交換器２２及びバッファタンク２１を迂回するバイパス液配管２４ｆが設けられることで、例えば発電ユニット１０の始動時等、冷却液の温度が低いときには、バイパス液配管２４ｆにより冷却液を迂回させることで、該冷却液の見かけ上の熱容量を減らして該冷却液を速やかに昇温することができる。そして、冷却液の昇温に時間がかかって発電ユニット１０（ガスエンジン１２）の耐久性が損なわれることを抑制することができる。
（５）本実施形態では、サーモスタット弁２５は、ワックス式（ワックス弁）であることで、制御装置４０による冷却液の温度検知及びこれに基づく温度調節のための煩雑な切り替え制御を不要にすることができる。そして、コストの削減及び信頼性の向上を図ることができる。
（６）本実施形態では、バッファタンク２１の容量を前述の範囲に設定にしたことで、配置スペースの増大を抑制しつつ、ガスエンジン１２の頻繁な発停（間欠的な運転）を回避することができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態において、サーモスタット弁２５（ワックス弁）に代えて、制御装置４０により開閉制御可能な制御弁（電磁弁など）を採用してもよい。
・前記実施形態において、暖房水バイパス回路Ｌ３及び暖房回路Ｌ２（集合管３５）を分離するとともにこれら暖房水バイパス回路Ｌ３及び暖房回路Ｌ２間に別途、熱交換器を設けてこれらの間で熱交換を行ってもよい。
・前記実施形態において、発電ユニット１０としては、同様に熱と電気とを発生する燃料電池を採用してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
・請求項４に記載のコージェネレーションシステムにおいて、
前記切替弁は、ワックス式であることを特徴とするコージェネレーションシステム。同構成によれば、前記切替弁は、ワックス式（ワックス弁）であることで、前記冷却液の温度検知及びこれに基づく温度調節のための煩雑な切り替え制御を不要にすることができる。
本発明の一実施形態を示す回路図。 （ａ）（ｂ）は、暖房負荷の変動に伴うガスエンジン１２の発停の推移を示すタイムチャート。
符号の説明
Ｌ１…冷却液回路、Ｌ２…暖房回路、Ｌ３…暖房水バイパス回路、１０…発電ユニット、２１…バッファタンク、２２…暖房熱交換器（熱交換手段）、２５…サーモスタット弁（切替弁）、３１…バックアップ給湯器（暖房用熱源）、３２…暖房端末、３４ｂ…支管、３５…集合管（流路）。

Claims (4)

  1. 発電ユニットの排熱との間で熱交換する冷却液が循環される冷却液回路と、
    前記冷却液回路に設けられ、前記冷却液を蓄えるバッファタンクと、
    暖房端末に供給可能な暖房水が循環される暖房回路と、
    前記冷却液と前記暖房水との間で熱交換する熱交換手段とを備えたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
  2. 請求項１に記載のコージェネレーションシステムにおいて、
    前記暖房水を加熱する暖房用熱源と、
    前記暖房端末の出口と前記暖房用熱源との間で前記暖房回路の流路をバイパスする暖房水バイパス回路とを備え、
    熱交換手段は、前記暖房水バイパス回路の前記暖房水と前記冷却液との間で熱交換することを特徴とするコージェネレーションシステム。
  3. 請求項２に記載のコージェネレーションシステムにおいて、
    前記暖房端末を複数備え、
    前記流路は、前記複数の暖房端末の出口とそれぞれ連通する支管を集合させる集合管であることを特徴とするコージェネレーションシステム。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のコージェネレーションシステムにおいて、
    前記冷却液回路に設けられ、前記熱交換手段及び前記バッファタンクを迂回する冷却液バイパス回路と、
    前記冷却液の温度が低いときに前記冷却液バイパス回路への前記冷却液の循環に切り替える切替弁とを備えたことを特徴とするコージェネレーションシステム。
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