JP2010127550A - 暖房給湯システム、省エネルギー化および温暖化ガス排出量削減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 既設のボイラに容易に追加することができ、設置スペースやメンテナンスの問題も生じることなく、安価で提供することができ、かつ省エネルギー化を図るとともに温暖化ガスの排出量を低減させることができるシステムを提供する。
【解決手段】 このシステムは、既設のボイラ１０へ接続される給水管２０と給湯管３０とを分岐させ、分岐された給水管と給湯管とに給湯機をさらに追加接続したシステムである。給湯機は、貯湯ユニット５０とヒートポンプユニット６０とを備える。このシステムは、給湯のためのボイラ１０への給水を停止させ、給湯機のみへ給水して加熱するとともに、暖房に使用されるボイラ１０から給水管２０および給湯管３０を通して伝達される熱を給湯機へ供給する水および給湯機から送出される湯に与えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体燃料の燃焼により発生する温水を暖房に使用するとともに供給された水を加熱して給湯するシステムおよび方法において、省エネルギー化を図るとともに温暖化ガスの排出量を削減することを可能にする暖房給湯システムおよび方法に関する。

保養施設、ホテル、病院、温水プール等を備えるレジャー施設では、大量に温水を使用し、また、数多くの部屋へ暖房を供給するために、ボイラが使用されている。このボイラでは、単位容積あたりの燃焼エネルギーが大きい、重油、灯油、ＬＰＧ（液化プロパンガス）等の液体燃料が使用され、大量の温水を供給可能にし、大量の暖房供給も可能にしている。

ボイラに使用される液体燃料は、石油から精製されたものであるが、その石油は先物取引等の投機対象とされ、その動向によって市場価格が大きく変動する。このため、何らかの要因で市場価格が大きく上昇すると、ランニングコストが大きく増加する。

近年、石油資源の大量消費に伴う大気汚染や地球温暖化が問題となっている。特に、温暖化ガスとして、石油資源から精製された重油、軽油、ＬＰＧ等を燃焼させた後に発生する大量の二酸化炭素が問題となっている。上記のボイラは、大量の重油等を燃焼し、大量の二酸化炭素を排出するものである。

こういった問題に鑑み、製品や設備の省エネルギー化、温暖化ガス排出量の低減が図られている。暖房・給湯装置としては、例えば、ヒートポンプを使用した熱サイクルシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ヒートポンプは、外気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、熱交換されて温度が上昇した熱媒体を圧縮する圧縮機と、圧縮された熱媒体と加熱対象物との間で熱交換する熱交換器と、温度は下がるものの圧縮された状態の熱媒体を膨張させる膨張弁とを備える構成とされている。

この特許文献１では、熱媒体に水を使用し、外気が低温となり、熱交換器で熱交換ができなくなるのを防止するために、ボイラから排出される排ガスと熱交換し、ヒートポンプの運転を可能にしている。なお、ヒートポンプは、熱媒体を移動させるのに必要とされるエネルギーのみを与えればよいため、消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点で効率的である。また、液体燃料を使用するものではないため、その市場価格に大きく影響を受けるものではない。
特開２００８−８５８１号公報

上述した従来の装置では、ボイラは、温水貯留タンクの温度制御、暖房に使用されている。また、このボイラは、排ガス筒の排ガスと熱交換する２つの熱交換器と接続され、排熱の有効利用を図っている。

しかしながら、ボイラからの熱水量で温水貯留タンクを制御することから、給湯のために液体燃料を使用しており、燃焼後に排出される二酸化炭素といった温暖化ガスの排出量を十分に削減することはできない。

また、ボイラからの熱水または排ガスの一方を、温水貯留タンク内の水を加温するために用いるため、これらは一体として設計され、建設されるものである。したがって、既にボイラが設置されていて、それに追加する形でヒートポンプユニットを設置するものではない。仮に、既設のボイラに追加する形でヒートポンプユニットを設置することができたにしても、排ガス利用のために別途複数の熱交換器が必要となり、配管の引き回しが複雑となり、それらの設置スペースを確保することが困難であるという問題や、設置後のメンテナンスが難しいという問題が生じ、また、設置や維持のために多大なコストがかかるという問題がある。

したがって、既設のボイラに容易に追加することができ、設置スペースやメンテナンスの問題も生じることなく、安価で提供することができ、かつ省エネルギー化を図るとともに温暖化ガスの排出量を削減することができるシステムおよびそのための方法が望まれている。

本発明の発明者らは、鋭意検討の結果、既設のボイラは暖房のみに使用し、給湯については、既設のボイラと接続する給水管と給湯管とを分岐させ、それらに、貯湯タンクユニットとヒートポンプユニットとを接続したシステムとすることで、十分な湯量を確保することができ、かつ設置やメンテナンスが容易で、かつ安価で提供することができ、かつ省エネルギー化および温暖化ガスの排出量を低減させることができることを見出した。

本発明は、これらのことを見出すことによりなされたものであり、上記課題は、本発明の暖房給湯システムおよび方法を提供することにより解決することができる。

すなわち、本発明によれば、液体燃料の燃焼により発生する温水を暖房に使用するとともに供給された水を加熱して給湯するボイラを備える暖房給湯システムにおいて、前記ボイラへ接続される給水管と給湯管とを分岐させ、分岐された給水管と給湯管とに給湯機をさらに追加接続したシステムであって、前記給湯機が、前記給水管から水を受け入れ、前記給湯管へ湯を供給する貯湯ユニットと、外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、前記熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された前記熱媒体により前記貯湯ユニットへ供給された前記水を加熱する加熱手段と、前記圧縮された熱媒体を膨張させ、前記吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを備え、前記給湯のための前記ボイラへの給水を停止させ、前記給湯機のみへ給水して加熱するとともに、前記暖房に使用される前記ボイラから前記給水管および前記給湯管を通して伝達される熱を前記給湯機へ供給する水および前記給湯機から送出される湯に与えることを特徴とする、暖房給湯システムが提供される。

また、このシステムは、給湯機が、ボイラに近隣して配置される。これは、ボイラ表面からの放熱により温められた外気から吸熱手段が熱を吸収し、熱媒体を温めることができるからである。寒い冬においても、外気が温められれば、その外気の熱を有効に利用できる点で好ましい。

このシステムは、ボイラから排出される排ガスにより水を加熱し、加熱された水を給水管内へ供給する温水供給装置をさらに備えることができる。既設のボイラの排ガスを有効利用するものである。

例えば、温水供給装置は、ボイラの排ガス管内に配設されるコイル状の加熱管と、加熱管へ水を供給する水供給手段と、加熱管と給水管とを接続する接続管とを備える構成とすることができる。

また、本発明では、省エネルギー化を図るとともに温暖化ガスの排出量を削減させるための方法も提供することができる。この方法は、（１）既設のボイラへ接続される既設の給水管と給湯管のそれぞれの途中に分岐管を設ける段階と、（２）各分岐管に、（ａ）給水管から水を受け入れ、給湯管へ湯を供給する貯湯ユニットと、（ｂ）外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された熱媒体により貯湯ユニットへ供給された水を加熱する加熱手段と、圧縮された熱媒体を膨張させ、吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを備える給湯機を接続する段階と、（３）給湯のためのボイラへの給水を停止させ、給湯機のみへ給水して加熱するとともに、暖房に使用されるボイラから給水管および給湯管を通して伝達される熱を給湯機へ供給する水および給湯機から送出される湯に与える段階とを含む。

給湯機は、既設のボイラに近隣して配置されることが好ましい。この場合、上記方法は、ボイラ表面からの放熱により温められた外気から吸熱手段が熱を吸収し、熱媒体を温める段階をさらに含むことができる。

また、温水供給装置により、ボイラから排出される排ガスにより水を加熱し、加熱された水を給水管内へ供給する段階をさらに含むことができる。

本発明の暖房給湯システムは、既設のボイラ設備がある、暖房とともに大量の湯を使用する施設に、給湯機を追加したシステムである。既設のボイラ設備は、その設備へ給水するための給水管と、加熱されて出来た湯を供給するための給湯管とが接続されている。給湯機は、ボイラ設備に接続されるこれらの給水管および給湯管をそれぞれ分岐させ、分岐された給水管と給湯管とに追加接続される。

図１は、暖房給湯システムの１つの構成例を示した図である。この暖房給湯システムは、暖房とともに給湯も可能なボイラ１０と、ボイラ１０に接続される給水管２０および給湯管３０と、給水管２０および給湯管３０の途中に設けられる分岐管４０、４１と、弁４２〜４５と、その分岐管４０、４１に接続される貯湯ユニット５０と、ヒートポンプユニット６０とから構成されている。ここには図示していないが、ボイラ１０には暖房用に使用される水を供給するための給水管および生成された温水を送出するための温水送出管が別途接続される。

ボイラ１０は、既設のボイラで、重油、軽油、ＬＰＧ等の液体燃料を燃焼することにより発生した熱を、給水管２０により供給された水へ間接的に与えて加熱する。ボイラ１０の内部には、暖房用と給湯用に２つの加熱管が設けられていて、液体燃料の燃焼により発生した熱は、これらの加熱管を介して内部を流れる水に与えられる。暖房用加熱管では、与えられた熱により水が温水となって温水送出管を通して各部屋等へ送られ、その温水が再び水に冷却される際の顕熱を与えて各部屋等の空気を暖める。

給湯用加熱管では、大量の水が流され、液体燃料の燃焼により発生した熱が間接的に与えられ、所定温度に加熱することが可能である。加熱された水は、湯となり、給湯管３０を通して各箇所へ供給することが可能である。このように、給湯用加熱管へは大量の水を供給し、それを所定温度に加熱する必要があるため、熱エネルギーが大量に必要となる。

この熱エネルギーは、液体燃料の燃焼により得ることができるが、大量の熱エネルギーを得るためには、大量の液体燃料が必要で、燃焼後には大量の二酸化炭素が発生する。これでは、省エネルギー化を図ることができず、温暖化ガスの排出量も増加してしまう。また、燃料コストもかかる。

このようなボイラ１０を備える施設には、保養施設、ホテル、レジャー施設、病院等があるが、特に病院では、設置スペースの問題、暖房および給湯を長期間停止することができない点から、そのボイラ１０を破壊し、新たな暖房給湯装置を建設するという時間的余裕は存在しない。

そこで、ボイラ１０はそのまま暖房用として使用しつつ、給湯用として給湯機を簡易な工事で別途設置するだけで、上述した省エネルギー化を図り、温暖化ガスの排出量を低減させることを可能にした。

給湯機は、貯湯ユニット５０と、ヒートポンプユニット６０とから構成され、貯湯ユニット５０は、貯湯タンク５１と、給水受入ノズル５２と、給湯送出ノズル５３と、ヒートポンプユニット６０との間で加熱のために水を循環する循環用ノズル５４、５５とを備える。

ヒートポンプユニット６０は、外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段６１と、熱媒体を圧縮する圧縮手段６２と、圧縮された熱媒体により貯湯ユニット５０へ供給された水を加熱する加熱手段６３と、圧縮された熱媒体を膨張させ、吸熱手段６１へ供給する膨張手段６４とを含む。

吸熱手段６１は、外気を取り入れ、内部の空気を排出する換気ファンを備え、取り入れた外気の熱を熱媒体へ伝えて、熱媒体を温める。そのため、吸熱手段６１は、外気と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を含み、管内に熱媒体を流し、外気をその管に接触させて外気の熱を管内の熱媒体へ与える。熱交換器において熱伝導効率を向上させるために、伝熱面積を大きくすることができ、例えば、熱媒体が流れる管をコイル状としたり、その管の表面にフィンを設けることができる。熱媒体としては、圧縮比を大きくとることができ、その圧縮により大きく温度上昇するガスが好ましく、空気や二酸化炭素等を挙げることができる。

圧縮手段６２は、吸熱手段６１で温められた熱媒体を圧縮する。この圧縮手段６２で行われる圧縮は、断熱圧縮に近いポリトロープ圧縮であるため、その吐出温度は圧縮比に依存して上昇する。例えば、熱媒体として空気を使用し、約０．１ＭＰａ、約２０℃の空気を約０．７ＭＰａまで圧縮すると、外部との熱の授受がない場合、その圧縮のために加えられたエネルギーは全て温度上昇となり、理論上約２６０℃となるが、現実には熱損失があり、約１７０〜２００℃となる。熱損失があるとはいえ、１００℃を超える温度であるため、十分に水を加熱することができる。この圧縮手段６２としては、容積圧縮機が好ましく、例えば、往復圧縮機、ダイアフラム式圧縮機等を挙げることができる。

このように圧縮され高温とされた熱媒体は、加熱手段６３へ送られ、貯湯ユニット５０へ供給された水へその熱を与える。加熱手段６３は、熱交換器とすることができ、伝熱面積を大きくするために、コイル状としたり、フィンを設けることができる。

加熱手段６３において水へ熱を与えて温度が降下された熱媒体は、圧縮された状態で維持され、その温度も、貯湯ユニット５０内に貯留される湯の温度以下には下がらない。これでは、吸熱手段６１において外気の熱を吸収することができない。そこで、膨張手段６４により膨張させ、温度を降下させる。膨張手段６４としては、膨張弁を用いることができる。この膨張手段６４では、圧縮手段６２で約０．１ＭＰａから約０．７ＭＰａへ昇圧する場合、約０．７ＭＰａから約０．１ＭＰａへ降圧することができる。

この給湯機は、給水管２０および給湯管３０の途中に分岐管４０、４１と、弁４２〜４５とを設け、その分岐管４０、４１に、弁４４、４５および接続配管等を介して給水受入ノズル５２および給湯送出ノズル５３を接続することにより、給水管２０および給湯管３０へ接続することができる。

具体的な取り付け作業としては、給水および給湯を一時的に停止し、給水管２０および給湯管３０の途中の一部を切断し、分岐管４０、４１、弁４２〜４５を取り付ける。分岐管４０、４１は、Ｙ字管であってもよいし、Ｔ字管であってもよい。弁４２〜４５は、水の流れを抑止することができればいかなる弁であってもよく、グローブ弁、ゲート弁、ボール弁等を挙げることができる。これらの給水管２０および給湯管３０への接続は、溶接、ねじ、フランジにより接続することができる。

このように分岐管４０、４１および弁４２〜４５の取り付けが終了した段階で、ボイラ１０への給水を開始することができ、ボイラ１０により作られた湯を給湯することができる。したがって、給湯停止時間を短時間とすることができる。弁４４、４５は、閉止した状態にしたままで、接続配管を設置し、その接続配管に給湯機を接続することができる。給湯機の設置が完了した段階で、弁４４、４５を開き、給湯機を起動させ、試運転を行い、試運転が終了した段階で、ボイラ１０への給水を弁４２により停止するとともに給湯も弁４３により停止する。これにより、給湯機のみで給湯を行うことができる。

給湯機は、給水された水を加熱して湯を作り、給湯するが、その際、圧縮手段６２としての圧縮機へ電力を供給する必要がある。同じ量の湯を作るのにかかるコストは、上述したようにヒートポンプが消費電力の約３倍の熱を有効利用できる点から大幅に削減することができ、必要とされるエネルギー量も少なくて済むことから、省エネルギー化を図ることができる。また、液体燃料の燃焼量が大幅に低減されることから、発生する二酸化炭素量も大幅に低減することができる。

このシステムでは、ボイラ１０が暖房に使用されているため、液体燃料が燃焼されるが、その熱の一部は、ボイラ１０に接続されている給水管２０および給湯管３０へと伝達される。一般に、給水管２０および給湯管３０は、内部を流れる水が凍結しないように、また、給湯温度が降下しないように、保温材が巻かれており、その熱が外部へと放熱しないようにされている。このため、ボイラ１０の熱は、給水管２０および給湯管３０を通して、給湯機へ供給される水および給湯機から送出された湯へ伝達され、これにより、熱効率を向上させ、さらに省エネルギー化を図ることができる。

給湯機の設置場所は、給水管２０および給湯管３０の途中に接続できればいかなる場所であってもよいが、ボイラ１０に近隣しているほど好ましい。これは、ボイラ１０からの放熱により外気が温められるからであり、外気が温められるほど、吸熱手段６１においてより多くの熱を吸収することができる。熱媒体の温度が高くなれば、それほど圧縮しなくても十分に水を加熱することができるだけの温度にすることができ、その結果、電力消費量を削減することができる。

上記のようにして給湯機を追加接続したシステムを構築し、省エネルギー化および温暖化ガスの削減を図ることができるが、熱効率をさらに向上させるために、ボイラ１０から排出される排ガスにより水を加熱し、加熱された水を、給湯機へ供給する給水管２０内へ供給する温水供給装置をさらに備えることができる。

図２は、暖房給湯システムの別の構成例を示した図である。図１に示すシステム構成に、さらに温水供給装置が設けられ、その温水供給装置が、ボイラ１０の排ガス管内に配設されるコイル状の加熱管７０と、加熱管７０へ水を供給する水供給手段７１と、加熱管７０と給水管２０とを接続する接続管７２とを備える構成とされている。

ボイラ１０は、暖房用に使用されるため、その暖房に必要とされる温水を生成するために所定量の液体燃料が燃焼される。燃焼後、排ガスが排ガス管を通して排出されるが、その排ガスは単に大気中へ放出されるのみである。

そこで、排ガス管内に加熱管７０を配設し、その加熱管７０と給水管２０とを接続配管７２で接続し、ポンプ等の水供給手段７１により加熱管７０へ供給して廃熱を有効利用する。この排ガスは、温度は高いものの、暖房用に使用されるものであるため、給水管２０により供給される水を、例えば、約９０℃まで連続して加熱できるほどの熱量を有していない。

このため、全給水量の一部を、約９０℃まで加熱して供給したり、それより低い温度に予熱して供給することができる。この場合、給湯機への給水温度が上昇するため、ヒートポンプユニット６０において圧縮手段６２がそれほど高い圧縮比で圧縮しなくても所望の温度の湯を得ることができ、さらに省エネルギー化を図ることができる。

これまで本発明の暖房給湯システムを図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

暖房給湯システムの構成例を示した図。 暖房給湯システムの別の構成例を示した図。

符号の説明

１０…ボイラ、２０…給水管、３０…給湯管、４０、４１…分岐管、４２〜４５…弁、５０…貯湯ユニット、５１…貯湯タンク、５２…給水受入ノズル、５３…給湯送出ノズル、５４、５５…循環用ノズル、６０…ヒートポンプユニット、６１…吸熱手段、６２…圧縮手段、６３…加熱手段、６４…膨張手段、７０…加熱管、７１…水供給手段、７２…接続管

Claims (8)

1. 液体燃料の燃焼により発生する温水を暖房に使用するとともに供給された水を加熱して給湯するボイラを備える暖房給湯システムにおいて、前記ボイラへ接続される給水管と給湯管とを分岐させ、分岐された給水管と給湯管とに給湯機をさらに追加接続したシステムであって、前記給湯機が、
   前記給水管から水を受け入れ、前記給湯管へ湯を供給する貯湯ユニットと、
   外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、前記熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された前記熱媒体により前記貯湯ユニットへ供給された前記水を加熱する加熱手段と、前記圧縮された熱媒体を膨張させ、前記吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを備え、
   前記給湯のための前記ボイラへの給水を停止させ、前記給湯機のみへ給水して加熱するとともに、前記暖房に使用される前記ボイラから前記給水管および前記給湯管を通して伝達される熱を前記給湯機へ供給する水および前記給湯機から送出される湯に与えることを特徴とする、暖房給湯システム。
2. 前記給湯機は、前記ボイラに近隣して配置され、前記ボイラ表面からの放熱により温められた前記外気から前記吸熱手段が熱を吸収し、前記熱媒体を温める、請求項１に記載の暖房給湯システム。
3. 前記ボイラから排出される排ガスにより水を加熱し、加熱された前記水を前記給水管内へ供給する温水供給装置をさらに備える、請求項１または２に記載の暖房給湯システム。
4. 前記温水供給装置は、前記ボイラの排ガス管内に配設されるコイル状の加熱管と、前記加熱管へ水を供給する水供給手段と、前記加熱管と前記給水管とを接続する接続管とを備える、請求項３に記載の暖房給湯システム。
5. 液体燃料の燃焼により発生する温水を暖房に使用するとともに供給された水を加熱して給湯するボイラを備える暖房給湯システムにおいて、省エネルギー化を図るとともに温暖化ガスの排出量を削減するための方法であって、
   前記ボイラへ接続される給水管と給湯管のそれぞれの途中に分岐管を設ける段階と、
   各前記分岐管に、前記給水管から水を受け入れ、前記給湯管へ湯を供給する貯湯ユニットと、外気の熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、前記熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された前記熱媒体により前記貯湯ユニットへ供給された前記水を加熱する加熱手段と、前記圧縮された熱媒体を膨張させ、前記吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを備える給湯機を接続する段階と、
   前記給湯のための前記ボイラへの給水を停止させ、前記給湯機のみへ給水して加熱するとともに、前記暖房に使用される前記ボイラから前記給水管および前記給湯管を通して伝達される熱を前記給湯機へ供給する水および前記給湯機から送出される湯に与える段階とを含む、方法。
6. 前記給湯機は、前記ボイラに近隣して配置されていて、
   前記方法は、前記ボイラ表面からの放熱により温められた前記外気から前記吸熱手段が熱を吸収し、前記熱媒体を温める段階を含む、請求項５に記載の方法。
7. 温水供給装置により、前記ボイラから排出される排ガスにより水を加熱し、加熱された前記水を前記給水管内へ供給する段階をさらに含む、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記温水供給装置は、前記ボイラの排ガス管内に配設されるコイル状の加熱管と、前記加熱管へ水を供給する水供給手段と、前記加熱管と前記給水管とを接続する接続管とを備える、請求項７に記載の方法。
   
   
   
   
   
   
   

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