JP2011179761A - 温水供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱効率を向上させた温水供給システムを提供する。
【解決手段】 この温水供給システムは、燃料を燃焼することにより生成される排ガスの熱および排ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱を与えて水を加熱する潜熱回収式ボイラ１０と、複数に分岐されてボイラ１０へ供給される水の各々と、ボイラ１０から複数に分岐されて送出される温水の各々との間の熱交換をそれぞれが行う複数の熱交換器１１、１２と、各熱交換器１１、１２を通過する温水の流量を調節するための流量調節装置とを含む。流量調節装置は、流量調節弁１３〜１６と、流量調整器２２と、流量計２３〜２６とから構成され、流量計２３〜２６により計測した温水の流量を基に、流量がほぼ同じ流量になるように流量調整器２２が流量調節弁１３〜１６に指示し、流量調節弁１３〜１６が弁開度を変更し、流量を調節する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、加熱装置としてボイラを用いた温水供給システムに関し、より詳細には、燃焼ガス中の水蒸気の潜熱を回収してボイラ効率を高めるとともに、ボイラを出る温水の熱の一部を、ボイラ給水に与えてシステム全体の効率を向上させた温水供給システムに関する。

水を加熱して温水を作り、その温水を浴室、洗面所、キッチン、トイレ等へ供給する温水供給システムが、住宅、ホテル、保養施設、レジャー施設等に設けられている。

近年、システム効率を向上させるため、ヒートポンプを利用した温水供給システムが採用されるようになってきている。しかしながら、このヒートポンプを利用した温水供給システムは、電力コストが安価な夜間電力を使用して１日に使用する温水を作り、それを貯留するため、温水の温度が次第に低下する。したがって、高温の湯を使用したくても、使用できない場合が生じる。また、温水の使用量が決まっているため、温水の残量を常に気にしながら使用しなければならない。

一方、ボイラを利用した温水供給システムは、ヒートポンプを利用したシステムに比較して効率が低く、また、燃料を燃焼させて必要な熱量を得るため、地球温暖化の要因の１つとなっている二酸化炭素が排出されるという問題があるものの、必要な温度の湯を使用することができ、温水の残量を気にする必要がないというメリットがある。

このボイラを備える各種システムにおいて、排ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回収し、システム効率を向上させたシステムが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

これらのシステムでは、水蒸気が水へ凝縮する際の大きな潜熱を、熱として回収し、それを、温水等を作るための熱として利用することで、燃料消費量を減少させ、これにより温暖化ガスの排出量を削減することができ、システム全体の効率を高めている。

特開２００７−２３２２７２号公報 特開２００６−５７９８５号公報 特開平８−４９９１６号公報

しかしながら、化石燃料の枯渇の問題や地球温暖化の問題に起因する装置やシステムの省エネルギー化を考慮すると、上記の潜熱回収だけでは充分ではなく、さらなるシステム効率の向上が求められている。

本発明の発明者は、鋭意検討の結果、温水供給システムに採用するボイラに、上記の潜熱回収を行うことができる潜熱回収式ボイラを採用し、かつプレート型熱交換器を並列に接続するように設けて、それぞれ、そのボイラから浴室等のユースポイントへ供給する温水と、そのボイラへ戻る温水および給水とを熱交換させるとともに、そのボイラから浴室等へ供給する各温水の、各プレート型熱交換器を通る流量をほぼ同じ流量に調整するように流量調整手段を設けた構成とすることにより、さらにシステム効率を向上させることができることを見出した。

したがって、上記構成を採用する本発明の温水供給システムを提供することにより、上記課題を解決することができる。

すなわち、この温水供給システムは、燃料を燃焼することにより生成される排ガスの熱および排ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱を与えて水を加熱する潜熱回収式ボイラ等の加熱装置と、複数に分岐されて加熱装置へ供給される水の各々と加熱装置から複数に分岐されて送出される温水の各々との間の熱交換をそれぞれが行う複数の熱交換器と、各熱交換器を通過する温水の流量を調節するための流量調節装置とを含む構成とされる。

この流量調節装置は、各熱交換器を通過する温水がほぼ同じ流量になるように調節される。このようにして、熱交換器相互の流量アンバランスを回避することで、熱交換器の熱交換効率が低下するのを防止することができる。

また、熱交換器は、複数のプレートが一定間隔で離間して配置され、各プレート間を交互に水と温水とを流すことにより、当該水と温水との間の熱交換を行うプレート型熱交換器であることが好ましい。このプレート型熱交換器は、コンパクトかつ軽量で、流体の圧力損失が小さく、熱交換効率が高いことから、システム効率をさらに向上させる点で好ましい。

また、温水供給システムは、複数の熱交換器により熱交換された温水を貯留し、底部に補給水を受け入れる貯留槽と、その底部の水を吸引し、複数の熱交換器へ供給するための給水手段と、貯留槽に貯留される温水を、浴室等の利用者が温水を利用する場所（ユースポイント）へ供給するための温水供給手段とを含む。

複数の熱交換器により熱交換された後の温水を、対流が起こらないように、貯留槽の水面付近に受け入れ貯留し、温水より温度が低い補給水を、対流が起こらないように、貯留槽の底部に受け入れ貯留することで、温度の高い温水は水面付近に、温度の低い補給水は底部に温度分布をもって貯留することができる。このため、２つの槽を設けることなく、底部に貯留される温度の低い水を、給水手段により吸引して、複数の熱交換器へ供給することができ、温水を、この温水を利用する利用者へ供給するために温水供給手段によりユースポイントへ供給することができる。

本発明の温水供給システムの概略構成図。 潜熱回収式ボイラの概略構成図。 プレート型熱交換器の概略構成図。

本発明の温水供給システムは、燃焼ガス中の水蒸気の潜熱を回収してボイラ効率を高めるとともに、ボイラを出る温水の熱の一部を、ボイラ給水に与えてシステム全体の効率向上を図ることができるシステムである。

図１は、本発明の温水供給システムの概略構成図である。この温水供給システムは、燃料を燃焼することにより生成される排ガスの熱および排ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱を与えて水を加熱する加熱装置としての潜熱回収式ボイラ１０と、分岐管により２つに分岐されてボイラ１０へ供給される水の各々とボイラ１０から、分岐管により２つに分岐されて送出される温水の各々との間の熱交換をそれぞれが行う２つの熱交換器１１、１２と、各熱交換器１１、１２を通過する温水の流量を調節するための流量調節弁１３〜１６とを含む構成とされている。

また、この温水供給システムは、２つの熱交換器１１、１２により熱交換された温水を貯留し、底部に補給水を受け入れる貯留槽１７と、その底部の水を吸引し、２つの熱交換器１１、１２へ供給するための給水手段としての給水ポンプ１８と、貯留槽１７に貯留される温水を、浴室、洗面所、キッチン、トイレ等の利用者が温水を利用するユースポイントへ供給するための温水供給手段としての温水ポンプ１９とをさらに含んで構成されている。

さらに、図１に示す実施形態では、補給水を貯留槽１７へ供給するための補給水ポンプ２０と、ボイラ１０から出た温水を、各熱交換器１１、１２へ供給するための温水ポンプ２１とを備えている。

ボイラ１０は、供給された水を通す複数の伝熱管を有する。ボイラ１０の燃焼室で燃料が燃焼されることにより生成された高温の排ガスが、例えば上側から複数の伝熱管に接触しながら下側へと流れ、その間に複数の伝熱管内を流れる水に熱を与え、さらに排ガス中の蒸気からも潜熱を回収するように構成されている。したがって、排ガス中の一部の蒸気は凝縮し、凝縮水となって排出され、残りの蒸気は排ガス中の他の成分、窒素、酸素、二酸化炭素とともに充分に温度が下げられて大気中へ放出される。このような潜熱回収式ボイラを採用することで、充分に熱回収を行い、システム全体の効率を向上させることができる。

ボイラ１０へは、ボイラ１０から出る温水と熱交換を行うために、２つの熱交換器１１、１２を通して給水される。２つの熱交換器１１、１２は、ボイラ１０に対し、並列に接続される。これら熱交換器１１、１２は、給水ポンプ１８により吸引された貯留槽１７の底部付近の、ほぼ補給水の温度に近い水を、ボイラ１０から出た高い温度に加熱された温水と熱交換する。これにより、ボイラ１０への給水温度を出来るだけ高くし、ボイラ負荷を出来るだけ軽減して、燃料使用量を大幅に低減し、温暖化ガスである二酸化炭素の排出量を抑制する。

本発明では、２つの熱交換器１１、１２を用い、これらをボイラ１０に対して並列に接続する。１つの熱交換器では、２つの熱交換器を利用する場合に比較して、２倍の流量の給水および温水を流すことから、２倍の伝熱面積を有するとともに、圧力損失を考慮して２倍の流路面積を確保しなければならない。圧力損失が大きく、流速が低下すると、単位面積当たりの熱交換量が低減し、熱効率が低下するからである。このようにすることで、２つの熱交換器を利用する場合と同等の能力にすることができるが、熱交換器の容量が大きくなり、また、容量が大きくなることにより表面積が大きくなって放熱量も大きくなることから、熱効率が低下する。このため、本発明では、複数の熱交換器を用い、熱交換器の容量を小さくし、放熱量を低減して熱効率を向上させる。

また、２つの熱交換器を直列に接続すると、各熱交換器において、温水と給水との間の温度差が小さくなり、充分な熱を回収するためには充分な伝熱面積が必要となる。これでは、伝熱面積を小さくし、容量を小さくするため、２つの熱交換器に分けた意味がなくなってしまう。したがって、直列に接続することは好ましくなく、本発明のように、並列に接続することが望ましいことがわかる。なお、図１に示す実施形態では、２つの熱交換器を２つ並列に接続しているが、２つに限られるものではなく、３つ以上を並列に接続する構成にしてもよいものである。

各熱交換器１１、１２の熱交換を行う能力であるが、熱交換器は、給水量、温水量、それらの入口温度および出口温度、それらの入口圧力および出口圧力等の条件からこれらの条件を満足するように設計されるが、一般にいくらか余裕を見て設計され、作製される。これでは余分なコストがかかってしまう。したがって、本発明では余裕を見ないように設計し、作製する。これにより、装置コストを削減し、安価で提供することが可能となる。

流量調節弁１３〜１６は、２つの熱交換器１１、１２の温水が流れる上流側と下流側のそれぞれに配設される。これらの流量調節弁１３〜１６は、破線で示すように、流量調整器２２と電気的に接続される。流量調整器２２は、流量調節弁１３〜１６の上流側または下流側に配設される流量計２３〜２６とも電気的に接続され、流量計２３〜２６により計測した温水の流量を基に、それらの流量がすべてほぼ同じ流量になるように流量調節弁１３〜１６により調節される。これは、流量のアンバランスを回避するためである。

仮に、熱交換器１１、１２を流れる温水の流量がアンバランスになり、熱交換器１１に多くの温水が流れ、熱交換器１２には少量の温水しか流れないとすれば、熱交換器１１、１２の能力には限界があるため、熱交換器１１において多くの温水が流れたとしても、熱交換器１１に入る直前の温水の温度以上に給水の温度を上げることはできず、その結果、熱交換器１１、１２を出た給水が合流し、ボイラ１０へ入るときの温度が予想した温度より低くなる場合がありうる。これでは所望の温度にまで加熱する必要がある場合、ボイラ１０の負荷を上げなければならない。そうすると、燃料の消費量も増加し、排出される温暖化ガス量も増加してしまい、システム全体の効率が低下してしまう。このことから、本発明では、上記の流量調節弁１３〜１６により各熱交換器１１、１２を流れる温水の流量を調節し、流量のアンバランスを回避することとしている。

なお、流量を調節するだけである場合、流量調節弁を、熱交換器１１、１２の上流側または下流側のいずれか一方に設けるだけでよい。しかしながら、一方のみに配設した場合、上流側または下流側の圧力いかんで、熱交換器１１、１２内を流れる温水の流れやすさが変化し、熱交換器内では流れやすい方の熱交換器により多くの温水が流れてしまう。これでは、２つの熱交換器１１、１２を効率良く使用することができず、能力に無駄を生じてしまう。このため、本発明では、両方に配設し、熱交換器１１、１２内を流れる温水の流量をより正確に制御して、確実に流量アンバランスを回避し、熱交換器１１、１２を効率良く、無駄なく使用するようにしている。

本発明では、これらの流量調節弁１３〜１６、流量調整器２２、流量計２３〜２６を、流量調節装置として温水供給システムに含むことができる。流量調節弁１３〜１６としては、液体である温水の流量を適切に調整することができるグローブ弁、ボール弁、ゲート弁等を採用することができる。流量計２３〜２６としては、電磁流量計、オリフィス流量計、しぼり流量計等を採用することができる。また、流量調整器２２は、予め設定された流量を設定値として保持し、流量計２３〜２６で計測された流量が、その設定値から所定範囲内に入っているか否かを判断し、入っていない場合、流量調節弁１３〜１６のいずれか、または全部の弁開度を変更させ、弁を開閉させることによりその所定範囲内に入るように調整する。このため、その設定値や所定範囲というデータを記憶するためのメモリ、計測された流量値を受け取り、所定範囲内に入っているか否かを判断し、入っていない場合、所定の流量調節弁１３〜１６に対し、弁開度を変更するように指示するプロセッサを含むことができる。

熱交換器１１、１２により熱交換された後の温水は、対流が起こらないように、貯留槽１７の水面付近に受け入れ貯留される。また、温水より温度が低い補給水は、対流が起こらないように、貯留槽１７の底部に受け入れ貯留される。このようにすることで、２つの槽を設けることなく、１つの槽で、温度の高い温水は水面付近に、温度の低い補給水は底部に温度分布をもって貯留することができる。貯留槽１７は、所定量の温水および補給水を貯留することができる容量の容器とされ、ＦＲＰ、鋼、コンクリート等から作製したものを使用することができる。貯留槽１７に貯留された温水は、温水ポンプ１９により吸引して、ユースポイントへ供給することができ、底部に貯留する水は、給水として、給水ポンプ１８により熱交換器１１、１２へ供給することができる。

図２を参照して、潜熱回収式ボイラについて詳細に説明する。図２に示すボイラ１０は、一例であるので、この構成に限定されるものではない。図２に示すボイラ１０は、燃焼室３０と、エコノマイザー３１とを含んで構成されている。燃焼室３０は、燃焼バーナー３２を備え、燃焼バーナー３２は、燃料を噴射させるための噴射ノズル、空気を噴射させるための空気ノズル、それらの流量および圧力を調節するための弁、放電し、燃料に着火するための点火プラグを備える。燃焼室３０の内部は、例えば、耐火レンガ等で覆うことができる。この燃焼室３０は、天井部分に燃焼バーナー３２が配設され、天井から下側の床に向けて火炎が発生するように構成されている。

燃料が燃焼した後に生成される高温の排ガスは、燃焼室３０とエコノマイザー３１とを連絡する連絡路３３を通してエコノマイザー３１の上部から中空とされたその内部へ供給される。エコノマイザー３１は、この排ガスから熱を回収して給水の予熱に利用する装置で、複数の伝熱管３４をその内部に備えている。また、エコノマイザー３１は、下部側面から排ガスを排出するための排気管３５と、底部に排ガス中の蒸気が凝縮することにより生成された凝縮水を排出するための排水管３６とが設けられている。

複数の伝熱管３４は、千鳥状に互い違いに規則正しく配列するように、また、各々が水平方向に延びるように配置され、互いがベント管によって連結され、一本の給水路を形成している。複数の伝熱管３４は、水平方向および鉛直方向に一定間隔で配置されることから、複数段からなる伝熱管として構成され、その最下段から給水を行い、最上段へ行くにつれてその外部を流れる排ガスにより加熱されて、所定の温度の温水となって熱交換器１１、１２へ送出される。

これらの伝熱管３４は、その外表面に、排ガスの熱を効率的に吸収するべく、フィンが設けられていてもよい。ここでは、複数の伝熱管３４のすべてがＵ字状のベント管で連結された構成としたが、給水を所定温度にまで加熱可能であれば、最下段から最上段までの、その鉛直方向に配置されている伝熱管同士をベント管で連結し、複数の給水路を形成する構成にしてもよい。

このボイラ１０は、使用に際して、まず、伝熱管３４内に水を満たしておき、燃料および空気を供給するとともに点火プラグにより着火することで、その水の加熱を行うことができる。ボイラ１０の燃焼室３０において、燃焼により燃料と酸素とが反応し、高温の排ガスが生成されると、その排ガスは、連絡路３３を通してエコノマイザー３１内へ供給される。排ガスは、まず、最上段の伝熱管３４と接触し、その伝熱管３４内の水に熱を与え、自身は温度が低下する。これを、次の段、さらに次の段と繰り返し、最下段の伝熱管３４まで行い、その後、排気管３５を通して排出される。

この間、給水は、熱が与えられて所定温度の温水となり、排ガスは、温度が低下するとともに、その排ガス中に含まれる蒸気の一部が潜熱を与えて凝縮する。このため、排ガスは、約５０℃〜約７０℃の温度にまで低下し、排出されることとなる。凝縮することにより生成された凝縮水は、エコノマイザー３１の底に設けられた排水管３６から排水される。

これら排ガスおよび排水は、必要に応じて、活性炭等の吸着材が充填された吸着装置等を使用して、ＳＯ_ｘやＮＯ_ｘ等の不純物を除去した後、排出することができる。

次に、熱交換器１１、１２について説明するが、熱交換器としては、分解清掃やしやすく、コンパクトながら大きい伝熱面積をもち、圧力損失も小さいプレート型熱交換器が好ましい。図３を参照して、プレート型熱交換器について詳細に説明する。図３に示す熱交換器は、一例であるので、これに限定されるものではない。

プレート型熱交換器は、金属板をプレス加工して表面に凹凸を設けた複数のプレート４０を、パッキン４１をそれぞれの間に挟み、重ね合わせることにより構成される。プレート間には、低温側の給水と、高温側の温水とが交互に流れるように流路が形成される。なお、プレート４０は、所定の大きさ、形状のアルミニウムやステンレス鋼等の薄板を用いて作製することができる。

プレート型熱交換器は、重ね合わされた複数のプレート４０を挟み込む側板４２、４３が設けられ、側板４２には、給水を受け入れる受入ノズル４４と、給水を送出する送出ノズル４５と、送出ノズル４５に隠れて図示されない温水を受け入れる受入ノズルと、受入ノズル４４に隠れて図示されない温水を送出する送出ノズルとをさらに備えている。

図３では、構造を分かりやすくするためにプレート４０間の間隔が広く示されている。温水は、図示されない受入ノズルから受け入れられ、矢線Ａに示す方向へ流れ、給水は、受入ノズル４４から受け入れられ、温水の流れとは反対方向の矢線Ｂに示す方向へ流れ、その間プレート４０を介して温水から給水へ熱を与えることにより熱交換が行われる。

より具体的には、給水は、受入ノズル４４へ入った後、水平方向へ進むが、その一部は、鉛直方向である矢線Ｂに示す方向へ上昇するように流れ、残りは水平方向へ進み、その残りの一部が鉛直方向へ上昇するように流れるといったように、複数に分岐されてプレート４０間を流れる。温水も同様で、複数に分岐されてプレート４０間を流れるが、温水は、給水の流れに対向するように下方へと流れる。温水と給水は交互に流れるように流路が形成されているため、両端を流れる温水および給水を除き、給水は両側を流れる温水から熱が与えられ、効率良く熱交換を行うことができる。

再び図１を参照して、本発明の温水供給システムの運転方法について説明する。温水供給システムは、ユースポイントにおいて温水の利用者が温水を使用するため、温水ポンプ１９が起動されており、利用者の使用によって貯留槽１７の水位が下がってくる。

このため、貯留槽１７には、水位を一定に保つため、補給水ポンプ２０が起動され、補給水が供給される。補給水が供給されると、貯留槽１７内に貯留される温水の温度が低下してくるので、給水ポンプ１８を起動し、貯留槽１７の底部にある水を熱交換器１１、１２へ通水し、ボイラ１０へ供給する。このとき、温水ポンプ２１は停止されており、また、流量調節弁１３〜１６は閉止されているので、それ以上に水は流れない。ボイラ１０内の伝熱管に水が満たされた後、燃焼バーナーにより燃料の燃焼を行い、高温の排ガスにより伝熱管内の水を加熱し、ボイラ１０の出口における温水の温度が所定温度に達した後、流量調節弁１３〜１６を所定の弁開度で開き、温水ポンプ２１を起動し、熱交換器１１、１２へ温水の供給を開始する。熱交換器１１、１２を流れる温水の流量のアンバランスを回避するため、流量計２３〜２６で流量を計測し、流量調整器２２が計測された流量に基づき上述した判断を行い、流量調節弁１３〜１６に指示を与え、流量調節弁１３〜１６が弁開度を制御する。

このように各熱交換器１１、１２に温水が供給されると、温水と給水との間で熱交換が開始され、熱交換器１１、１２を出た温水は、貯留槽１７の水面付近へ戻され、熱交換器１１、１２を出た給水は、所定の温度に加熱されるので、燃料および空気の供給量を減少させ、ボイラ１０の負荷を低減し、定常運転に入る。

これまで本発明の温水供給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。

１０…ボイラ、１１、１２…熱交換器、１３〜１６…流量調節弁、１７…貯留槽、１８…給水ポンプ、１９…温水ポンプ、２０…補給水ポンプ、２１…温水ポンプ、２２…流量調整器、２３〜２６…流量計、３０…燃焼室、３１…エコノマイザー、３２…燃焼バーナー、３３…連絡路、３４…伝熱管、３５…排気管、３６…排水管、４０…プレート、４１…パッキン、４２、４３…側板、４４…受入ノズル、４５…送出ノズル

Claims (4)

1. 温水を供給するための温水供給システムであって、
   燃料を燃焼することにより生成される排ガスの熱および排ガスに含まれる水蒸気が凝縮する際の潜熱を与えて水を加熱する加熱装置と、
   複数に分岐されて前記加熱装置へ供給される水の各々と、前記加熱装置から複数に分岐されて送出される温水の各々との間の熱交換をそれぞれが行う複数の熱交換器と、
   各前記熱交換器を通過する前記温水の流量を調節するための流量調節装置とを含む、温水供給システム。
2. 前記流量調節装置は、各前記熱交換器を通過する前記水および前記温水が同じ流量になるように調節する、請求項１に記載の温水供給システム。
3. 前記熱交換器は、複数のプレートが一定間隔で離間して配置され、各前記プレート間を交互に前記水と前記温水とを流すことにより、該水と該温水との間の熱交換を行うプレート型熱交換器である、請求項１または２に記載の温水供給システム。
4. 複数の前記熱交換器により熱交換された前記温水を貯留し、底部に補給水を受け入れる貯留槽と、前記底部の水を吸引し、前記複数の熱交換器へ供給するための給水手段と、前記貯留槽に貯留される温水をユースポイントへ供給するための温水供給手段とを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の温水供給システム。