JP2010008000A - 空気圧縮機の省エネルギーシステム - Google Patents

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芳郎 柴
Shigehiro Yoshida
茂弘 吉田
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裕 木下
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Abstract

【課題】
安価な設備投資による従来の空気圧縮機システムのランニングコスト低減を図りたい。また、限りある資源を有効利用するために省エネルギー化を図り、地球温暖化影響を小さくするために更なる二酸化炭素排出量の削減を図りたい。
【解決手段】
上記課題を解決するために本発明は、冷水と温水を同時に生成できる水冷式ヒートポンプを設置し、冷水をエアハンドリングユニットの冷熱源として用いて機械室を冷却して空気圧縮機の効率を向上させるとともに圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源としても用い、さらに、温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用いる。
【選択図】図5

Description

本発明は、空気圧縮機とヒートポンプに関するものである。
従来の空気圧縮機は、例えば、非特許文献1に記載されている。従来技術は、図1のように空気圧縮機から出る圧縮空気をチラーなどの外部の冷却源により圧縮空気冷却除湿塔内4の熱交換器6で冷却と除湿が行われ、その後蒸気ボイラーなどの温熱源により圧縮空気加熱塔で加熱されることにより圧縮空気の相対湿度を減少させるとともに圧力を増やすことにより空気圧縮機の動力を削減している。
空気圧縮機 財団法人省エネルギーセンター 第115〜158頁
しかしながら、近年の原油価格の高騰により、圧縮空気加熱塔で消費される蒸気の熱を生成する蒸気ボイラーの燃料費が大きくなってしまった。また、原油は有限な資源であるため、自然エネルギーを利用できる電力を用いるシステムに移行することが望まれる。また、地球温暖化影響を小さくするために更なる二酸化炭素排出量の削減を図ることが必要である。
本発明は、従来の空気圧縮機システムに対して、低ランニングコスト、省エネルギー、低二酸化炭素排出量を実現する空気圧縮機システムを提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するために本発明は、請求項1、請求項2、請求項3、請求項4に記載の4つの手段を用いる。
請求項1に記載の方法は、図2のように、圧縮空気加熱塔7の加熱源として水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を用いるとともに水冷水ヒートポンプ20から同時に生成される冷水をエアハンドリングユニット28の冷熱源として利用することにより空気圧縮機1が設置されている機械室11の冷却を行う方法である。
請求項2に記載の方法は、図3のように、圧縮空気加熱塔7の加熱源として水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を用いるとともに水冷水ヒートポンプ20の熱源水として、空気圧縮機の冷却水の一部を熱交換器25で熱交換した水を用いるという方法である。
請求項3に記載の方法は、図4のように、圧縮空気加熱塔7の加熱源として水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を用いるとともに水冷式ヒートポンプ20から同時に生成される冷水をエアハンドリングユニット28の冷熱源として利用することにより空気圧縮機1が設置されている機械室11の冷却を行い、さらに、エアハンドリングユニット28の負荷が少なく冷水32の温度が下がりすぎる場合には空気圧縮機1の冷却水の一部を熱交換器25でエアハンドリングユニット28を通過した後の水の一部と熱交換するという方法である。
請求項4に記載の方法は、図5のように、圧縮空気加熱塔7の加熱源として水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を用いるとともに水冷式ヒートポンプ20から同時に生成される冷水の一部をエアハンドリングユニット28の冷熱源として利用することにより空気圧縮機1が設置されている機械室11の冷却を行い、さらに、水冷式ヒートポンプ20から同時に生成される冷水の一部を圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源として用い、さらに、エアハンドリングユニット28と圧縮空気冷却除湿塔の合計の負荷が少なく冷水32の温度が下がりすぎる場合には空気圧縮機1の冷却水の一部を熱交換器25でエアハンドリングユニット28を通過した後の水の一部と熱交換し、さらに、圧縮空気加熱塔7の負荷が少なく温水34の温度が上がりすぎる場合には空調などの加熱負荷36に放熱しそれでも不足する場合は冷却塔37にて放熱するという方法である。
請求項1に記載の本発明によれば、従来技術で圧縮空気加熱塔の熱源が油焚き蒸気ボイラーであったのを、空気圧縮機の吸い込み空気を冷却するための冷水と圧縮空気加熱塔の加熱のための温水を同時に取り出す高効率な電気式ヒートポンプに変えることにより、空気圧縮機の吸い込み空気を冷却して吸い込み空気の密度が増大し空気圧縮機の効率が2〜3%増大し、エネルギーコスト、一次エネルギー量、CO2排出量の低減ができる。
例えば、空気圧縮機の消費電力を1000kWとし、圧縮空気加熱塔の加熱量を10分の1の100kWとする。A重油の発熱量(一次エネルギー量)を39.1GJ/kL、温水焚き蒸気ボイラーの効率を0.8とする1時間あたりのA重油の消費量は100/(0.8×39.1×1000000)×3600=11.5L/hである。また、1L当たりの単価を70円とすると一時間あたりのA重油料金は11.5×70=805円/hである。
これに対して、冷水と温水を同時に取り出し可能なヒートポンプの消費電力(kW)に対する冷却熱量(kW)と加熱熱量(kW)の比率はそれぞれ1.5と2.5と仮定すると、圧縮蒸気加熱塔7の熱源をヒートポンプの温水として利用するとヒートポンプの消費電力は100÷2.5=40kWとなる。空気圧縮機の効率が2%削減されると仮定すると1000×0.02=20kW消費電力が削減される。従って、ヒートポンプを設置することによる消費電力増大分は20kWである。基本料金を含めた系統電力の平均電力単価を1kWh当たり15円とすれば一時間あたりの電気料金は20×15=300円/hである。したがって当システムに従来システムから変更することにより63%のランニングコスト削減が可能である。
また、上記の条件において、空気圧縮機加熱塔で必要な一次エネルギー量としては従来システムが39.1×1000×11.5/1000=450MJ/hに対して、本発明システムでは、系統電力による消費電力量1kWh当たりの一次エネルギー量を9.8MJとして、一時間あたりの一次エネルギー量は20×9.8=196MJ/hとなる。したがって従来システムから当システムに変更することにより56%の一次エネルギー削減が可能である。
二酸化炭素排出削減量は、地球温暖化対策の推進に関する法律によれば、電気の使用で0.555tCO2/MWh、A重油の使用で0.0189×39.1×44/12=2.7(tCO2/kL)であるので、上記条件における従来システムの二酸化炭素排出量は11.5×2.7=31kgCO2/hであり、当システムの二酸化炭素排出量は0.555×20=11kgCO2/hである。したがって従来システムから当システムに変更することにより65%の二酸化炭素排出量削減が可能である。
請求項2に記載の本発明によれば、従来技術で圧縮空気加熱塔の熱源が油焚き蒸気ボイラーであったのを、空気圧縮機の冷却水の一部を熱交換した水を熱源水として水冷式ヒートポンプを運転して温水を生成して圧縮空気加熱塔の加熱源として利用することにより、エネルギーコスト、一次エネルギー量、CO2排出量の低減ができる。
例えば、上記と同様に、空気圧縮機の消費電力を1000kWとし、圧縮空気加熱塔の加熱量を10分の1の100kWとする。A重油の発熱量(一次エネルギー量)を39.1GJ/kL、温水焚き蒸気ボイラーの効率を0.8とする1時間あたりのA重油の消費量は100/(0.8×39.1×1000000)×3600=11.5L/hである。また、1L当たりの単価を70円とすると一時間あたりのA重油料金は11.5×70=805円/hである。
これに対して、空気圧縮機の排熱を利用したヒートポンプの消費電力(kW)に対する加熱熱量(kW)の比率を4と仮定すると、圧縮蒸気加熱塔の熱源をヒートポンプの温水として利用するとヒートポンプの消費電力は100÷4=25kWとなり消費電力増大分は25kWである。基本料金を含めた系統電力の平均電力単価を1kWh当たり15円とすれば一時間あたりの電気料金は25×15=375円/hである。したがって当システムに従来システムから変更することにより53%のランニングコスト削減が可能である。
また、上記の条件において、空気圧縮機加熱塔で必要な一次エネルギー量としては従来システムが39.1×1000×11.5/1000=450MJ/hに対して、本発明システムでは、系統電力による消費電力量1kWh当たりの一次エネルギー量を9.8MJとして、一時間あたりの一次エネルギー量は25×9.8=245MJ/hとなる。したがって従来システムから当システムに変更することにより56%の一次エネルギー削減が可能である。
二酸化炭素排出削減量は、上記条件における従来システムの二酸化炭素排出量は11.5×2.7=31kgCO2/hであり、当システムの二酸化炭素排出量は0.555×25=14kgCO2/hである。したがって従来システムから当システムに変更することにより55%の二酸化炭素排出量削減が可能である。
請求項3に記載の本発明によれば、従来技術で圧縮空気加熱塔の熱源が油焚き蒸気ボイラーであったのを、空気圧縮機の吸い込み空気を冷却するための冷水と圧縮空気加熱塔の加熱のための温水を同時に取り出す高効率な電気式ヒートポンプに変えることにより、空気圧縮機の吸い込み空気をエアハンドリングユニットを用いて冷却することにより吸い込み空気の密度が増大し空気圧縮機の効率が2〜3%増大し、エネルギーコスト、一次エネルギー量、CO2排出量の低減ができる。
エネルギーコスト、一次エネルギー量、CO2排出量の低減の計算方法は請求項1についての説明と同様である。
また、外気温が変化することにより機械室の温度が変化するため、エアハンドリングユニットの負荷が変動するなどしてエアハンドリングユニットの負荷が少なくなった場合には空気圧縮機1の冷却水の一部を熱交換器25でエアハンドリングユニット28を通過した後の水の一部と熱交換することにより冷水32の温度が下がりすぎるのを防止し発停の少ない安定した運転が可能となる。
請求項4に記載の本発明によれば、従来技術で圧縮空気加熱塔の熱源が油焚き蒸気ボイラーであったのを、冷水と温水を同時に取り出す高効率な電動式ヒートポンプに変えることにより、その冷水を冷熱源として空気圧縮機の吸い込み空気をエアハンドリングユニットを用いて冷却して空気の密度を増大させて空気圧縮機の効率が2〜3%増大させることができ、さらに、その冷水を圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源として利用して従来チラーを用いていた分の消費電力を削減することができ、さらに、温水を圧縮空気加熱塔の加熱源として利用することにより、エネルギーコスト、一次エネルギー量、CO2排出量の低減ができる。
また、水冷式ヒートポンプの温水負荷が少ない場合には冷却塔37にて放熱して温水負荷を増やすことが可能であり、逆に、水冷式ヒートポンプの冷水負荷が少ない場合には空気圧縮機の冷却水の一部と冷水を熱交換器25で熱交換することにより冷水負荷を増やすことができるため、冷水温度と温水温度を一定に保ち、かつ、負荷変動したときに冷水負荷と温水負荷のバランスを自動的に保つことができる。
また、通常は冷水負荷を増やすためにはヒーティングタワーなどが必要であるが、空気圧縮機の排熱の冷却水を冷水負荷として用いることができるため、その分が省略できる。
例えば、上記と同様に、空気圧縮機の消費電力を1000kWとし、圧縮空気加熱塔の加熱量と圧縮空気冷却除湿塔の冷却量をそれぞれ10分の1の100kWとする。このとき、A重油の発熱量(一次エネルギー量)を39.1GJ/kL、温水焚き蒸気ボイラーの効率を0.8とする1時間あたりのA重油の消費量は100/(0.8×39.1×1000000)×3600=11.5L/hである。また、1L当たりの単価を70円とすると一時間あたりのA重油料金は11.5×70=805円/hである。
これに対して、冷水と温水を同時に取り出し可能なヒートポンプの消費電力(kW)に対する冷却熱量(kW)と加熱熱量(kW)の比率はそれぞれ1.5と2.5と仮定すると、圧縮蒸気加熱塔7の熱源の半分をヒートポンプの温水として利用し、残りを冷却塔で放熱すると仮定するとヒートポンプの消費電力は100÷2.5×2=80kWとなる。また、空気圧縮機の効率が2%削減されると仮定すると1000×0.02=20kW消費電力が削減される。また、従来技術で圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源のチラーの効率を2.5とすると、100÷2.5=40kWであり、これが不要となるので40kWの消費電力が削減される。従って、ヒートポンプを設置することによる消費電力減少分は20kWである。
したがって当システムに従来システムから変更することによりランニングコスト、一次エネルギー、二酸化炭素排出量の削減が可能である。
また、当システムによって圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源の新たな設置が不要となる。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、同一の符号を用いた構成要素は同じ機能を果たすので、一度説明したものについて説明を省略する場合がある。
図1は、本発明を実施していない空気圧縮機のシステム図であり、空気圧縮機1は機械室11内の空気を吸い込んで圧縮し、その圧縮空気は、圧縮空気配管14を通り圧縮空気冷却除湿塔4に入り、チラーなどの外部冷熱源5により熱交換器6にて冷却・除湿され、圧縮空気配管15を通り、圧縮空気加熱塔7に入り、蒸気ボイラーなどの加熱源8により熱交換器9にて加熱され、圧縮空気配管16を通り、レシーバタンク10に入り、圧縮空気配管17よりエアシリンダ用やブロー用として用いられる。空気圧縮機1の排熱は冷却水を通して冷却塔2で放熱される。機械室11の中は換気扇12,13で外気と換気がされるため、空気圧縮機の吸い込み空気は外気や、冷却水で処理しきれない空気圧縮機表面からの放熱に影響される。
ここで、換気扇12、13、空気圧縮機1近傍の点線の矢印は空気の流れ方向を示し、圧縮空気冷却除湿塔4の下の矢印はドレンを示す。配管については、実線は水配管、点線は圧縮空気配管を示し、流れ方向を矢印で示している。
図2は本発明である請求項1を含んだ空気圧縮機システム図であり、冷水と温水を同時に生成する水冷式ヒートポンプ20を新たに設置し、その温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用い、さらに、その冷水を機械室を冷却するエアハンドリングユニット28の冷熱源として用いるようにしたものである。膨張タンク23,24は冷水、または温水が温度変化によって膨張や収縮しても配管内に圧力上昇やエアがみが起こらないようにするためである。熱交換器30とファン29を備えるエアハンドリングユニット28により機械室11内の空気が冷却されるため、空気圧縮機1の吸い込み空気も冷却され、空気の密度が上昇し空気圧縮機の性能が2〜3%向上する。ここで、エアハンドリングユニット28近傍の点線矢印は空気の流れを示す。
図3は本発明である請求項2を含んだ空気圧縮機システム図であり、温水を生成する水冷式ヒートポンプ20を新たに設置し、その温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用い、空気圧縮機1の冷却水の一部を比例三方弁27を通り熱交換器25で熱交換した水を水冷式ヒートポンプ20の熱源水としたものである。
空気圧縮機1の冷却水の温度が高ければ高いほど熱交換器25を通した熱源水が高温となるため水冷式ヒートポンプ20の効率が高くなる。また、空気圧縮機1の排熱量は空気圧縮機消費電力の約9割にもなるため、圧縮空気加熱塔の温熱源に必要な分の水冷式ヒートポンプの熱源としては十分である。
図4は本発明である請求項3を含んだ空気圧縮機システム図であり、冷水と温水を同時に生成する水冷式ヒートポンプ20を新たに設置し、その温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用い、さらに、その冷水を機械室を冷却するエアハンドリングユニット28の冷熱源として用い、さらに、空気圧縮機1の冷却水の一部を比例三方弁27を通り熱交換器25で熱交換することにより自動で冷水負荷のバランスを調整するようにしたものである。
図5は本発明である請求項4を含んだ空気圧縮機システム図であり、冷水と温水を同時に生成する水冷式ヒートポンプ20を新たに設置し、その温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用い、さらに、冷水を機械室を冷却するエアハンドリングユニット28の冷熱源として用い、さらに、冷水を圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源として用い、さらに、空気圧縮機1の冷却水の一部を比例三方弁27を通り熱交換器25で熱交換することにより自動で冷水負荷のバランスを調整するようにしたものであり、さらに、温水の一部を冷却塔37と熱交換器36を用いて放熱することにより自動で温水負荷のバランスを調整するようにしたものである。水冷式ヒートポンプ20は容量制御、台数制御、インバーター制御などで冷水負荷と温水負荷のどちらかがちょうど足りるように制御される。例えば、冷水負荷が水冷式のヒートポンプの冷却能力と同等になるように制御される場合は温水負荷が余っているので冷却塔37により余剰分が放熱される。また、逆に、温水負荷が水冷式のヒートポンプの加熱能力と同等になるように制御される場合は、冷水負荷が余っているので熱交換器25を通して空気圧縮機の冷却水の熱を冷水と熱交換してバランスを取る。
図6は本発明である請求項4を含んだ空気圧縮機システム図の一例であり、上記に加えて冷却負荷41と加熱負荷39を追加したシステムであり、ヒートポンプ20で生成された余剰の冷水と温水を有効に利用できるようにしたものである。ここでは必ず、圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源量とエアハンドリングユニットの冷熱源量と冷却負荷の合計がヒートポンプの冷却能力を越えないようにし、かつ、圧縮空気加熱塔の温熱源量と加熱負荷の合計がヒートポンプの加熱能力を超えないようにする必要があり、さらに、余剰の冷熱や温熱は空気圧縮機1の冷却水や冷却塔37を用いてバランスを取る必要がある。
温水を生成できる冷水と温水を同時に取り出しが可能な水冷式ヒートポンプ冷凍機については、JISB8613−1994におけるヒートポンプ加熱において過負荷条件の出口水温は50℃であり、80℃を越える温度については想定されていない。そこで、R134a冷媒を用いた水冷式ヒートポンプを製作し、性能試験を行ったところ、温水入口温度75℃、温水出口温度83℃、冷水入口温度15℃、冷水出口温度10℃の条件で、加熱COPが1.9、冷却COPが1.0であった。ここで、二酸化炭素冷媒ヒートポンプのように温水側の入口温度と出口温度の温度差が大きい瞬間給湯では、温水側平均温度が低くなるために温水焚吸収式冷凍機の熱源としては適さない。それに対して、水冷式のヒートポンプとしてR134a冷媒を用いることにより温水側入口、出口温度の温度差が5〜10℃程度の循環加熱が可能となり、10℃の冷水を得るとともに80℃以上の温水を得ることができた。これにより空気圧縮機システムの省エネルギーのための熱源として利用できるようになった。
本願発明は、従来の空気圧縮機に対して本願発明を適用することにより、空気圧縮機システムのエネルギーコスト削減、一次エネルギー削減、二酸化炭素排出量削減を実現するため有用である。
従来システムを示した図であり、空気圧縮機から生成される圧縮空気が外部冷熱源により冷却・除湿され、外部温熱源により加熱されて供給される装置の図である。 本発明である請求項1を含んだ空気圧縮機システム図である。 本発明である請求項2を含んだ空気圧縮機システム図である。 本発明である請求項3を含んだ空気圧縮機システム図である。 本発明である請求項4を含んだ空気圧縮機システム図である。 本発明である請求項4を含んだ空気圧縮機システム図であり、水冷式ヒートポンプで生成された冷水と温水をその他の冷却負荷や加熱負荷にも利用できるようにしたものである。
符号の説明
1 空気圧縮機
2 冷却塔
3 ポンプ
4 圧縮空気冷却除湿塔
5 冷却源
6 熱交換器
7 圧縮空気加熱塔
8 加熱源
9 熱交換器
10 レシーバタンク
11 機械室
12 換気扇
13 換気扇
14 圧縮空気
15 圧縮空気
16 圧縮空気
17 圧縮空気
18 冷却水
19 冷却水
20 水冷式ヒートヒートポンプ
21 ポンプ
22 ポンプ
23 膨張タンク
24 膨張タンク
25 熱交換器
26 比例三方弁
27 比例三方弁
28 エアハンドリングユニット
29 ファン
30 熱交換器
31 冷水
32 冷水
33 温水
34 温水
35 比例三方弁
36 熱交換器
37 冷却塔
38 ポンプ
39 加熱負荷
40 比例三方弁
41 冷却負荷
42 比例三方弁

Claims (4)

  1. 図2のように、空気圧縮機1と、冷水と温水を同時に取り出しが可能な水冷式ヒートポンプ20と、エアハンドリングユニット28と、圧縮空気加熱塔7より構成され、水冷式ヒートポンプ20から生成される冷水をエアハンドリングユニットの冷熱源としてとして利用することにより空気圧縮機1の吸い込み空気を冷却しかつ水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を圧縮空気加熱塔7の温熱源とすることを特徴とする空気圧縮機の省エネルギー装置。
  2. 図3のように、空気圧縮機1、冷却塔2、熱交換器25、水冷式ヒートポンプ20、圧縮空気加熱塔7より構成され、空気圧縮機1の冷却水の一部を熱交換器25で熱交換した水を水冷式ヒートポンプ20の熱源水として用いかつ水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を圧縮空気加熱塔7の温熱源とすることを特徴とする空気圧縮機の省エネルギー装置。
  3. 図4のように、空気圧縮機1、冷却塔2、エアハンドリングユニット28、熱交換器25、冷水と温水を同時に取り出しが可能な水冷式ヒートポンプ20、圧縮空気加熱塔7より構成され、水冷式ヒートポンプ20から生成される冷水をエアハンドリングユニットの冷熱源としてとして利用することにより空気圧縮機1の吸い込み空気を冷却するとともに、空気圧縮機1の冷却水の一部を熱交換器25でエアハンドリングユニット28を通過した水の一部と熱交換した水を水冷式ヒートポンプ20の熱源水として用いかつ水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を圧縮空気加熱塔7の温熱源とすることを特徴とする空気圧縮機の省エネルギー装置。
  4. 図5のように、空気圧縮機1、冷却塔2、エアハンドリングユニット28、熱交換器25、冷水と温水を同時に取り出しが可能な水冷式ヒートポンプ20、圧縮空気冷却除湿塔4、圧縮空気加熱塔7、冷却塔37より構成され、水冷式ヒートポンプ20から生成される冷水を圧縮空気冷却除湿塔4の冷熱源として利用するとともにエアハンドリングユニットの冷熱源としてとして利用することにより空気圧縮機1の吸い込み空気を冷却し、さらに、エアハンドリングユニット28を通過した水と熱交換した水と空気圧縮機冷却除湿塔4に通過した水を合わせた水を水冷式ヒートポンプ20の熱源水として用い、かつ、水冷式ヒートポンプ20から生成される温水を圧縮空気加熱塔7の温熱源として利用し、さらに、温水負荷不足の場合は冷却塔37を用い、冷水負荷不足の場合は空気圧縮機の冷却水の一部を冷水と熱交換することを特徴とする空気圧縮機の省エネルギー装置。

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