JP2012154203A

JP2012154203A - コジェネレーションシステム

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Publication number: JP2012154203A
Application number: JP2011012157A
Authority: JP
Inventors: Toru Takemoto; 徹武本; Ryoichi Hagiwara; 良一萩原; Takahiro Kyakuno; 貴広客野; Megumi Suzuki; 恵鈴木
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: US9476620B2; WO2012102197A1; US20140013785A1; JP5636297B2; EP2669499A4; EP2669499A1

Abstract

【課題】従来の原動機により電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステムでは、システム内だけでは、電力需要と高品位熱需要を含む熱需要とを最大限に過不足なく賄うことができず、エネルギーコストが増加する、という問題があった。
【解決手段】熱駆動ヒートポンプ３と熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４とを備え、ガスエンジン５による発電電力ｅが、コジェネレーションシステム１の熱需要Ｄｈを補う熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の駆動のための要求電力Ｄｅ２と、コジェネレーションシステム１の電力需要Ｄｅ１との和であるバランス電力ｅｂとなるように電力制御を行うコントローラ４４を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、原動機により電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステムに関し、特に、該コジェネレーションシステム内だけで、電力需要と高品位熱需要を含む熱需要とを過不足なく賄うことが可能な運転制御技術に関する。ここで、高品位熱需要とは、給湯器のように細かな温度制御が不要な熱利用機器（以下、「低品位熱利用機器」とする）とは異なり、冷凍装置・冷蔵装置・空調装置のように所定温度に設定するための細かな温度制御を必要とする熱利用機器（以下、「高品位熱利用機器」とする）における熱需要を示す。

従来より、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を原動機とし、電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステムが知られている。そして、該コジェネレーションシステムでは、照明等の電力消費機器の電力需要に応じて運転パターンを決定する電主運転や、冷凍装置・冷蔵装置・空調装置・給湯器等の熱利用機器の熱需要に応じて運転パターンを決定する熱主運転が行われる。

しかし、いずれの運転であっても、コジェネレーションシステムからは、電力需要・熱需要に関係なく、熱と電力が所定の比率（以下「熱電比」とする）で出力される。このため、電主運転では、出力熱が過小な場合は不足分を別電力やボイラーで補い、逆に出力熱が過剰な場合は熱を捨てるしかなく、一方、熱主運転では、発電電力が過小な場合は不足分を外部にある電力系統から買電し、逆に発電電力が過剰な場合は電力系統に低価格で売電している。

そこで、このような発電電力や出力熱の過不足に対しては、運転パターンの最適化を図る第一の技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。該第一の技術は、電力需要と熱需要の時間変動を複数のステップにより学習して各需要パターンを予測し、該予測に基づいて運転パターンを決定することにより、エネルギーの無駄をなくしてエネルギーコストの低減を図ったものである。

また、前記コジェネレーションシステム等からの発電電力や出力熱を利用して、熱駆動ヒートポンプと電気駆動ヒートポンプを駆動する技術が公知となっている（例えば、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。このうち特許文献２、特許文献３に示す第二の技術は、熱駆動ヒートポンプからの冷熱を利用して電気駆動ヒートポンプの冷媒液の冷却を促すことにより、該冷媒液のエンタルピを低下させ、冷凍能力を高めたものであり、特許文献４に示す第三の技術は、熱駆動ヒートポンプと電気駆動ヒートポンプの運転を組み合わせることにより、熱需要の時間変動に応じて出力熱を適切に増減させ、熱需要への追従性を高めたものである。

特開平８−１４１０３号公報特開平１１−２２３４１２号公報特開２００３−１２１０２５号公報特開平８−８６５３３号公報

コンビニエンスストア、ホテル、病院等では、照明のような電力消費機器と、冷凍装置・冷蔵装置・空調装置のような高品位熱利用機器を含む熱利用機器が、一日中ほとんど停止することなく駆動されている。従って、これらの機器に前記コジェネレーションシステムを適用する場合には、電主運転を行って電力消費機器の電力需要に確実に対応すると共に、原動機からの出力熱を利用して高品位熱需要にも対応する必要がある。

しかしながら、前記第一の技術では、電主運転の場合、熱需要に対する不足分は、原動機からの出力熱の余剰分や外部からの供給ガスにより加熱した温水によって補充されるだけであり、前述のような高品位熱需要への対応は困難である。そこで、この高品位熱需要に対応するには、外部にある電力系統から買電した電力を加熱冷却装置に供給する等して、熱需要の不足分を精度良く補う必要があり、コジェネレーションシステム内だけで電力需要と熱需要とを最大限に過不足なく賄うことができず、エネルギーコストが増加する、という問題があった。

更に、前記第二の技術、第三の技術のいずれにおいても、高品位熱需要への対応には、外部にある電力系統から買電した電力を加熱冷却装置に供給する等して、熱需要の不足分を精度良く補う必要があり、前記第一の技術と同様に、コジェネレーションシステム内だけで電力需要と熱需要とを最大限に過不足なく賄うことができず、エネルギーコストが増加する、という問題があった。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１により、原動機により電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステムにおいて、熱駆動ヒートポンプと電気駆動ヒートポンプとを備え、前記原動機による発電電力が、前記コジェネレーションシステムの熱需要を補う電気駆動ヒートポンプの駆動のための要求電力と、前記コジェネレーションシステムの電力需要との和となるように電力制御を行う運転制御手段を設けたものである。
請求項２により、前記運転制御手段において、前記原動機からの出力熱を全て熱駆動ヒートポンプに入力し、該熱駆動ヒートポンプからの熱と、前記コジェネレーションシステムの熱需要との差を、前記電気駆動ヒートポンプからの熱によって補う熱駆動ヒートポンプ優先型の直列運転を行うものである。
請求項３により、前記電気駆動ヒートポンプは、前記熱駆動ヒートポンプからの熱によって冷媒が熱交換される熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプとするものである。

本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１により、原動機による発電電力を増減させることにより、コジェネレーションシステムの所定の電力需要に対応すると共に、電気駆動ヒートポンプの駆動のための要求電力にも対応し、該電気駆動ヒートポンプの駆動により出力される熱を調整してコジェネレーションシステムの高品位熱需要にも対応することができる。これにより、コジェネレーションシステム内だけで電力需要と熱需要とを最大限に過不足なく賄うことができ、エネルギーコストを低減できる。
請求項２により、原動機から多量に出力される出力熱を有効に利用して、電気駆動ヒートポンプによって補う必要のある熱の割合を小さくし、駆動に必要な電力を最小限に抑えることができ、発電能力が小さい原動機でも多量の電力需要に対応可能となり、コジェネレーションシステムの装置コストの低減を図ることができる。
請求項３により、前記熱駆動ヒートポンプからの熱の一部を利用するだけで電気駆動ヒートポンプのポンプ効率を大きく向上させることができ、熱駆動ヒートポンプと電気駆動ヒートポンプとから別個に熱を取り出して熱需要に対応する場合に比べ、コジェネレーションシステム全体の熱効率や加熱・冷却性能が向上する。

本発明に関わるコジェネレーションシステム１の全体構成を示すシステムブロック図である。同じく制御ブロック図である。同じくエネルギーフローチャートである。同じくバランス電力の式を示す説明図である。同じく運転制御手順を示すフローチャートである。別形態のコジェネレーションシステム１Ａの全体構成を示すシステムブロック図である。同じくエネルギーフローチャートである。同じく運転制御手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明に関わるコジェネレーションシステム１の全体構成について、図１、図２により説明する。

該コジェネレーションシステム１は、電力と熱の供給を行う熱電供給装置２、冷媒を吸収した吸収溶液を加熱再生することにより駆動される吸収式の熱駆動ヒートポンプ３、冷媒を圧縮することにより駆動される圧縮式の熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４、及びこれらの運転を制御するコントローラ４４により構成される。

このうちの熱電供給装置２は、往復動タイプの内燃機関であるガスエンジン５と、該ガスエンジン５からの出力軸７に入力軸４３が連動可能に連結される発電機６とから構成される。そして、該発電機６には、電路８を介して照明等から成る電力消費機器群１０が接続されると共に、インバータ等の電力変換装置４７と電路９を介して前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４が接続されており、発電機６からの発電電力が、電力消費機器群１０と熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４に供給されるようにしている。

前記ガスエンジン５において、そのハウジング等には、冷却水用の冷却水水路１１と排ガス排出路１２とが設けられ、該排ガス排出路１２の途中には、排ガス熱交換器１３が設けられ、該排ガス熱交換器１３に、前記冷却水水路１１が連通されている。そして、該排ガス熱交換器１３と冷却水水路１１は、途中に冷却水ポンプ１５を設けた流路１４を介して前記熱駆動ヒートポンプ３に接続されている。

このような構成において、前記冷却水水路１１を通ってガスエンジン５の熱により加熱された冷却水は、排ガス熱交換器１３で、ガスエンジン５から排ガス排出路１２を通って送られてきた高温の排ガスにより更に加熱された後、冷却水ポンプ１５により、熱駆動ヒートポンプ３に圧送される。これにより、ガスエンジン５からの出力熱が、冷却水を介して熱駆動ヒートポンプ３に供給される。

また、前記熱駆動ヒートポンプ３は、例えば、水を冷媒液として用い、臭化リチウム水溶液を吸収液として用いており、吸収器１６、再生器１７、凝縮器１８、蒸発器１９、及び、これらを循環する流路２０・２１・２２・２３等から構成される。

このうちの吸収器１６は、流路２３を介して前記蒸発器１９に接続されており、該蒸発器１９で蒸発した冷媒蒸気が、流路２３を通って吸収器１６内の吸収液に吸収され、吸収溶液となる。更に、吸収器１６は、途中に溶液ポンプ２８を設けた流路２４を介して前記再生器１７に接続されており、この吸収溶液が、流路２４を通って再生器１７に圧送・貯溜されるようにしている。

該再生器１７に、前記流路１４が接続されており、該流路１４を流れる冷却水の有する温熱によって、貯溜されている吸収溶液が加熱され、該吸収溶液中の冷媒が冷媒蒸気となって分離することにより、吸収溶液が濃縮される。更に、再生器１７は、途中に減圧機構２９を設けた流路２０を介して前記吸収器１６に接続されており、この加熱濃縮された低圧の吸収溶液が、流路２０を通って吸収器１６に供給される。なお、この流路２０と前記流路２４との間には溶液熱交換器２７が介設されており、該溶液熱交換器２７を介して、前記吸収器１６から再生器１７に圧送される吸収溶液が途中で加熱され、再生器１７における冷媒の加熱分離を促すようにしている。

前記凝縮器１８は、流路２１を介して前記再生器１７に接続されており、該再生器１７からの冷媒蒸気が、流路２１を通って凝縮器１８に導入され、そこで凝縮されて冷媒液となる。更に、凝縮器１８は、途中に減圧機構３０を設けた流路２２を介して前記蒸発器１９に接続されており、この凝縮された低圧の冷媒液が、流路２２を通って蒸発器１９に供給されるようにしている。

該蒸発器１９は、流路３１を介して、給湯器等の低品位熱利用機器群２６に接続されており、該流路３１を流れる熱媒体は、前記凝縮器１８からの低圧の冷媒液が蒸発する際に、熱が奪われて冷却される。ここで、前記吸収器１６は、冷媒蒸気が吸収液に吸収されることで減圧されて著しく低圧となっており、この吸収器１６に流路２３を介して連通される蒸発器１９も、低圧に保持されている。このため、前記凝縮器１８からの冷媒液が、流路３１を流れる熱媒体の温熱だけでも容易に蒸発し、冷媒蒸気となって流路２３を通り、前記吸収器１６に供給される。

このようにして、熱駆動ヒートポンプ３の吸収式熱サイクルが構成される。そして、該吸収式熱サイクルにおいて冷媒が状態を変えることにより、吸収器１６・凝縮器１８では、それぞれ吸収熱・凝縮熱による温熱が発生し、蒸発器１９では蒸発熱による冷熱が発生する。ここで、吸収器１６・凝縮器１８も、流路２５を介して前記低品位熱利用機器群２６に接続されており、該低品位熱利用機器群２６に対し、流路３１を介して冷熱を供給すると共に、流路２５を介して温熱を供給できるようにしている。

また、前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４は、例えば、ハイドロフルオロカーボンを冷媒液として用いており、圧縮器３２、凝縮器３３、膨張弁等の減圧機構３４、蒸発器３５、及び、これらを循環する流路３６・３７・３８・３９等から構成される。

このうちの圧縮器３２は、流路３９を介して前記蒸発器３５に接続されており、該蒸発器３５で蒸発した低温・低圧の冷媒蒸気が、流路３９を通って圧縮器３２で圧縮されて高温・高圧の冷媒蒸気となる。なお、圧縮器３２には、前記電路９が接続されており、発電機６からの発電電力の一部によって圧縮器３２を電気駆動できるようにしている。

前記凝縮器３３は、流路３６を介して前記圧縮器３２に接続されており、圧縮器３２からの高温・高圧の冷媒蒸気が、流路３６を通って凝縮器３３に導入され、そこで凝縮されて冷媒液となる。

前記減圧機構３４は、流路３７を介して前記凝縮器３３に接続されると共に、該流路３７の途中には、前記熱駆動ヒートポンプ３の蒸発器１９が介在されており、前記凝縮器３３からの冷媒液は、この蒸発器１９で予め熱交換により過冷却された後に、この減圧機構３４で減圧される。更に、減圧機構３４は、流路３８を介して前記蒸発器３５に接続されており、この過冷却された低圧の冷媒液が、流路３８を通って蒸発器３５に供給されるようにしている。

該蒸発器３５は、流路４１を介して、冷凍装置・冷蔵装置・空調装置等の高品位熱利用機器群４２に接続されており、該流路４１を流れる熱媒体の温熱によって、前記減圧機構３４からの低圧の冷媒液が加熱されて蒸発し、低温・低圧の冷媒蒸気となって流路３９を通り、前記圧縮器３２に供給される。

このようにして、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の圧縮式熱サイクルが構成される。そして、該圧縮式熱サイクルにおいて冷媒が状態を変えることにより、凝縮器３３では凝縮熱による温熱が発生し、蒸発器３５では蒸発熱による冷熱が発生する。ここで、凝縮器３３も、流路４０を介して前記高品位熱利用機器群４２に接続されており、該高品位熱利用機器群４２に対し、流路４１を介して冷熱を供給すると共に、流路４０を介して温熱を供給できるようにしている。

更に、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４では、凝縮器３３と減圧機構３４との間を流れる冷媒液が、前述の如く、熱駆動ヒートポンプ３の蒸発器１９で発生する冷熱により過冷却されてエンタルピが低下し、これにより、圧縮式熱サイクルのサイクル効率を上げ、電気駆動ヒートポンプのポンプ効率を大きく向上できるようにしている。

また、前記コントローラ４４には、電力消費機器群１０の入力部に設けた電力センサ４８、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の圧縮器３２への入力部に設けた電力センサ４９、熱駆動ヒートポンプ３への流路１４内の冷却水の温度を検知する水温センサ５９、低品位熱利用機器群２６へ導入される熱媒体の温度を検知する媒体温度センサ群５０、低品位熱利用機器群２６周囲の雰囲気温度を検知する雰囲気温度センサ５４、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の流路３７内で過冷却前後の冷媒液の温度をそれぞれ検知する媒体温度センサ５１・５２、高品位熱利用機器群４２へ導入される熱媒体の温度を検知する媒体温度センサ群５３、及び高品位熱利用機器群４２周囲の雰囲気温度を検知する雰囲気温度センサ５７が接続されており、これらからの各検出信号がコントローラ４４に入力される。

更に、コントローラ４４には、ガスエンジン５の駆動・停止を行うエンジンスイッチ４５、ガスエンジン５の出力軸７の回転速度を制御するエンジン出力制御装置４６、発電機６から熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の圧縮器３２に出力される電力を制御するインバータ等の前記電力変換装置４７、電力消費機器群１０の消費電力を設定する電力設定器５８、低品位熱利用機器群２６による出力温度（以下、「熱需要の温度」とする）を設定する温度設定器５５、高品位熱利用機器群４２による熱需要の温度を設定する温度設定器５６、ガスエンジン５と熱駆動ヒートポンプ３との間の前記冷却水ポンプ１５、熱駆動ヒートポンプ３の前記溶液ポンプ２８、及び熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の圧縮器３２が接続されており、前記検出信号から得られた検出値に基づいて、コントローラ４４から各駆動信号が出力されるようにしている。

次に、このような構成から成るコジェネレーションシステム１のエネルギーフローについて、図１、図３、図４により説明する。
図１、図３に示すように、前記熱電供給装置２からは、熱電比Ｒ（＝出力熱ｈ／発電電力ｅ）で熱と電力が出力される。

このうちの出力熱ｈは、前述の如く、熱駆動ヒートポンプ３の再生器１７に温熱として供給され、該再生器１７に貯溜されている吸収溶液が加熱されて前記吸収式熱サイクルが開始され、これにより、出力熱ｈは、熱駆動ヒートポンプ３の吸収器１６・凝縮器１８で温熱に変換され、蒸発器１９で冷熱に変換される。

これらの温冷熱の一部は、熱ｈ１として、前記低品位熱利用機器群２６の熱需要Ｄｈ１に供給され、残りは、熱ｈ２として、前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の冷媒液の過冷却のために供給される。

ここで、前記発電電力ｅは、その一部が、発電電力ｅ１として、電力消費機器群１０の電力需要Ｄｅ１に供給され、残りが、発電電力ｅ２として、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の圧縮器３２の要求電力Ｄｅ２に供給される。これにより、該圧縮器３２が駆動して低温・低圧の冷媒蒸気が圧縮されて前記圧縮式熱サイクルが開始される。

すると、前述の如く、凝縮器３３では温熱が発生し、蒸発器３５では冷熱が発生して、これらの温冷熱が、前記熱ｈ２と熱ｈ３の和として、前記高品位熱利用機器群４２の熱需要Ｄｈ２に供給される。ここで、熱ｈ３は、熱駆動ヒートポンプ３による過冷却がない場合に熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４で発生する温冷熱を示す。

また、図４では、このようなエネルギーフローにおける熱電収支のバランス状態を、式６１によって示し、該式６１をバランス状態での発電電力ｅｂ（以下、「バランス電力」とする）について解いた値を、式６２によって示している。

ここで、前述の如く、Ｄｅ１は電力消費機器群１０の電力需要、Ｄｈ１は低品位熱利用機器群２６の熱需要、Ｄｈ２は高品位熱利用機器群４２の熱需要、Ｒは熱電比である。そして、Ａｃｏｐは熱駆動ヒートポンプ３のポンプ効率、Ｈｃｏｐは電気駆動ヒートポンプ４のポンプ効率を示す。

つまり、ガスエンジン５の発電電力ｅが、電力需要Ｄｅ１、熱需要Ｄｈ１・Ｄｈ２、熱電比Ｒ、ポンプ効率Ａｃｏｐ・Ｈｃｏｐから成る式６２に示すバランス電力ｅｂとなるように、電力制御を行うことで、熱電供給装置２からの熱電供給量と、電力消費機器群１０と熱利用機器群２６・４２の熱電需要とが、過不足なくバランスする運転（以下、「高効率運転」とする）が可能となる。

次に、このようなエネルギーフローを備えたコジェネレーションシステム１の運転制御手順について、図５を中心にして図１乃至図５により説明する。
まず、エンジンスイッチ４５を「入」にしてガスエンジン５を駆動させると（ステップＳ１）、該エンジン駆動信号がコントローラ４４に入力され、該コントローラ４４から前記冷却水ポンプ１５と溶液ポンプ２８にポンプ駆動信号が送信されて、熱駆動ヒートポンプ３が駆動する（ステップＳ２）。

これにより、吸収式熱サイクルが開始されると、前記媒体温度センサ群５０からの検出温度信号と、前記温度設定器５５・５６からの設定温度信号とがコントローラ４４に入力され、該コントローラ４４内では、熱駆動ヒートポンプ３から出力される熱ｈ４（＝ｈ１＋ｈ２）と、熱利用機器群２６・４２の熱需要Ｄｈ（＝Ｄｈ１＋Ｄｈ２）とが算出される。そして、該熱需要Ｄｈが前記熱ｈ４を超える場合は（ステップＳ３、ＹＥＳ）、本発明に関わる高効率運転が開始される（ステップＳ５）。

逆に、熱需要Ｄｈが熱ｈ４以下の場合は（ステップＳ３、ＮＯ）、更に、前記雰囲気温度センサ５４・５７からの検出温度信号がコントローラ４４に入力され、該コントローラ４４内では、熱駆動ヒートポンプ３から出力される熱ｈ４の温度Ｔ４と、熱利用機器群２６・４２周囲の雰囲気温度Ｔａと、熱利用機器群２６・４２の熱需要Ｄｈの温度Ｔｈとが算出される。そして、｜Ｔ４−Ｔａ｜＜｜Ｔｈ−Ｔａ｜が成立して、熱需要Ｄｈの温度Ｔｈが熱ｈ４の温度Ｔ４を超える場合も（ステップＳ４、ＹＥＳ）、高効率運転が開始される（ステップＳ５）。

なお、熱需要Ｄｈが熱ｈ４以下で、しかも熱需要Ｄｈの温度Ｔｈが熱ｈ４の温度Ｔ４以下の場合は（ステップＳ４、ＮＯ）、通常の電主運転または熱主運転が行われる（ステップＳ１０）。

そして、高効率運転が開始されると、コントローラ４４から前記エンジン出力制御装置４６と電力変換装置４７に駆動信号が送信される。すると、発電機６から圧縮器３２に電力が送電されて、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４が駆動する（ステップＳ６）。

これにより、圧縮式熱サイクルが開始されると、前記電力センサ４８・４９からの検出電力信号と、前記電力設定器５８からの設定電力信号と、前記水温センサ５９、媒体温度センサ群５０・５３からの検出温度信号がコントローラ４４に入力され、該コントローラ４４内では、発電機６から出力される実際の発電電力ｅ（＝ｅ１＋ｅ２）、電力需要Ｄｅ１、及びポンプ効率Ａｃｏｐ・Ｈｃｏｐが算出される。

そして、これらの電力需要Ｄｅ１、ポンプ効率Ａｃｏｐ・Ｈｃｏｐに加え、これまで算出した熱需要Ｄｈ１・Ｄｈ２、及び設定値である熱電比Ｒを、式６２に代入することにより、前記バランス電力ｅｂが算出される。このバランス電力ｅｂ（＝Ｄｅ１＋Ｄｅ２）に前記発電電力ｅが設定されるように、前記エンジン出力制御装置４６と電力変換装置４７が制御される（ステップＳ７）。これにより、細かな温度制御が必要な高品位熱利用機器群４２の熱需要Ｄｈ２にも対応することができる。

続いて、前記媒体温度センサ５１・５２・５３からの検出温度信号がコントローラ４４に入力され、該コントローラ４４内では、高品位熱利用機器群４２への供給温度Ｔｈ２と、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４に対する熱駆動ヒートポンプ３のアシスト量Ａｓとが算出される。そして、該アシスト量Ａｓの変更により、前記供給温度Ｔｈ２と、これまで算出したポンプ効率Ｈｃｏｐを、熱需要Ｄｈに対して最大化させる（ステップＳ８）。なお、前記アシスト量Ａｓは、媒体温度センサ５１・５２により検出した温度差等から求められる。

そして、発電電力ｅが熱電供給装置２の最大発電能力ｅｍを下回る場合は（ステップＳ９、ＹＥＳ）、ステップＳ３に戻り、逆に、発電電力ｅが熱電供給装置２の最大発電能力ｅｍ以上となる場合は（ステップＳ９、ＮＯ）、従来の電主運転または熱主運転を行う（ステップＳ１０）。そして、ガスエンジン５が停止されるまで（ステップＳ１１、ＹＥＳ）、ステップＳ３に戻って運転制御が繰り返される。

すなわち、以上のように、原動機であるガスエンジン５により電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステム１において、熱駆動ヒートポンプ３と電気駆動ヒートポンプである熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４とを備え、前記ガスエンジン５による発電電力ｅが、前記コジェネレーションシステム１の熱需要Ｄｈを補う熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の駆動のための要求電力Ｄｅ２と、前記コジェネレーションシステム１の電力需要Ｄｅ１との和であるバランス電力ｅｂとなるように電力制御を行う運転制御手段であるコントローラ４４を設けたので、ガスエンジン５による発電電力ｅを増減させることにより、コジェネレーションシステム１の所定の電力需要Ｄｅ１に対応すると共に、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の駆動のための要求電力Ｄｅ２にも対応し、該熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４の駆動により出力される熱ｈ２・ｈ３を調整してコジェネレーションシステム１の高品位熱需要である熱需要Ｄｈ２にも対応することができる。これにより、コジェネレーションシステム１内だけで電力需要Ｄｅ１と熱需要Ｄｈを最大限に過不足なく賄うことができ、エネルギーコストを低減できる。

更に、前記運転制御手段であるコントローラ４４において、前記ガスエンジン５からの出力熱ｈを全て熱駆動ヒートポンプ３に入力し、該熱駆動ヒートポンプ３からの熱ｈ４と、前記コジェネレーションシステム１の熱需要Ｄｈとの差を、前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４からの熱ｈ３によって補う熱駆動ヒートポンプ優先型の直列運転を行うので、ガスエンジン５から多量に出力される出力熱ｈを有効に利用して、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４によって補う必要のある熱ｈ３の割合を小さくし、駆動に必要な電力を最小限に抑えることができ、発電能力が小さいガスエンジン５でも多量の電力需要Ｄｅ１に対応可能となり、コジェネレーションシステム１の装置コストの低減を図ることができる。

加えて、前記電気駆動ヒートポンプは、前記熱駆動ヒートポンプ３からの熱によって冷媒が熱交換される熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４とするので、前記熱駆動ヒートポンプ３からの熱の一部を利用するだけで熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４のポンプ効率Ｈｃｏｐを大きく向上させることができ、熱駆動ヒートポンプ３と後述する電気駆動ヒートポンプ４Ａとから別個に熱を取り出して熱需要Ｄｈに対応する場合に比べ、コジェネレーションシステム１全体の熱効率や加熱・冷却性能が向上する。

なお、本実施例の熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４では、凝縮器３３により冷媒蒸気を凝縮してできた冷媒液が、熱駆動ヒートポンプ３の蒸発器１９内を流過する間に、過冷却されてエンタルピが低下するようにしているが、前記凝縮器３３を省略し、冷媒蒸気が直接に熱駆動ヒートポンプ３の蒸発器１９内を流過するようにしてもよく、熱駆動ヒートポンプ３からの熱によって冷媒を冷却する構成であれば、特には限定されない。そして、この場合は、冷媒蒸気の凝縮と過冷却が連続的に行われるため、流過中の冷媒の熱損失を大きく抑制することができ、熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４のポンプ効率Ｈｃｏｐを更に向上させることができる。

次に、別形態のコジェネレーションシステム１Ａについて、図６乃至図８により説明する。なお、前記コジェネレーションシステム１と同様な部品・構成については、同じ符号を用いると共に詳細な説明は省略する。

図６に示すように、該コジェネレーションシステム１Ａは、前記コジェネレーションシステム１において、前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４を、熱駆動ヒートポンプ３からのアシストを受けずに単独駆動可能な電気駆動ヒートポンプ４Ａに変更したものである。

そして、他の構成は、前記コジェネレーションシステム１と同一であり、構成の異なる電気駆動ヒートポンプ４Ａに加え、熱電供給装置２、熱駆動ヒートポンプ３、及びこれらの運転を制御するコントローラ４４により構成される。

該電気駆動ヒートポンプ４Ａは、前記熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ４と同様に、圧縮器３２、凝縮器３３、膨張弁等の減圧機構３４、蒸発器３５、及び、これらを循環する流路３６・３７Ａ・３８・３９等から構成されるが、このうちの流路３７Ａには、前記流路３７と異なり、熱駆動ヒートポンプ３の蒸発器１９が介在されていない。このため、凝縮器３３と減圧機構３４間は直接接続され、凝縮器３３から減圧機構３４にそのまま冷媒液が送られるため、該冷媒液が途中で過冷却されてエンタルピが低下することはない。

また、図７に示すように、このような構成のコジェネレーションシステム１Ａにおいては、前記コジェネレーションシステム１とは異なり、ガスエンジン５からの出力熱ｈは、熱駆動ヒートポンプ３で熱ｈ４に変換された後、その全てが、前記低品位熱利用機器群２６の熱需要Ｄｈ１に供給される。

これに並行して、前記コジェネレーションシステム１と同様に、発電電力ｅは、その一部が、発電電力ｅ１として、電力消費機器群１０の電力需要Ｄｅ１に供給され、残りが、発電電力ｅ２として、電気駆動ヒートポンプ４Ａの圧縮器３２の要求電力Ｄｅ３に供給される。これにより、該圧縮器３２が駆動して低温・低圧の冷媒蒸気が圧縮されて前圧縮式熱サイクルが開始される。

すると、電気駆動ヒートポンプ４Ａ内で、要求電力Ｄｅ３が熱ｈ５に変換された後、前記高品位熱利用機器群４２の熱需要Ｄｈ２に供給される。

また、図８に示すように、このようなエネルギーフローを備えたコジェネレーションシステム１Ａでは、まず、エンジンスイッチ４５を「入」にしてガスエンジン５を駆動させると（ステップＳ２１）、熱駆動ヒートポンプ３が駆動する（ステップＳ２２）。

これにより、吸収式熱サイクルが開始されると、熱駆動ヒートポンプ３から出力される熱ｈ４と熱利用機器群２６・４２の熱需要Ｄｈとが比較され、熱需要Ｄｈが熱ｈ４を超える場合は（ステップＳ２３、ＹＥＳ）、高効率運転が開始される（ステップＳ２５）。

逆に、熱需要Ｄｈが熱ｈ４以下の場合は（ステップＳ２３、ＮＯ）、更に、熱利用機器群２６・４２の熱需要Ｄｈの温度Ｔｈが目標温度未達の場合も（ステップＳ２４、ＹＥＳ）、高効率運転が開始される（ステップＳ２５）。なお、熱需要Ｄｈが熱ｈ４以下で、しかも熱需要Ｄｈの温度Ｔｈが目標温度達成の場合は（ステップＳ２４、ＮＯ）、通常の電主運転または熱主運転が行われる（ステップＳ２９）。

そして、高効率運転が開始されると、発電機６から圧縮器３２に電力が送電されて、電気駆動ヒートポンプ４Ａが駆動する（ステップＳ２６）。

これにより、圧縮式熱サイクルが開始されると、コントローラ４４内で式６２から算出されたバランス電力ｅｂ（＝Ｄｅ１＋Ｄｅ３）に、発電機６から出力される実際の発電電力ｅが設定されるように運転制御される（ステップＳ２７）。

そして、発電電力ｅが熱電供給装置２の最大発電能力ｅｍを下回る場合は（ステップＳ２８、ＹＥＳ）、ステップＳ２３に戻り、逆に、発電電力ｅが熱電供給装置２の最大発電能力ｅｍ以上となる場合は（ステップＳ２８、ＮＯ）、従来の電主運転または熱主運転を行う（ステップＳ２９）。そして、ガスエンジン５が停止されるまで（ステップＳ３０、ＹＥＳ）、ステップＳ２３に戻って運転制御が繰り返される。

すなわち、以上のように、前記電気駆動ヒートポンプ４Ａを熱駆動ヒートポンプ３と並列に接続し、両ヒートポンプ３・４Ａをそれぞれ単独駆動可能な構成とするので、熱需要Ｄｈ２がそれほど大きくなく、電気駆動ヒートポンプ４Ａに高いポンプ効率を必要としない場合に、コジェネレーションシステム１Ａ内だけで電力需要Ｄｅ１と熱需要Ｄｈとを最大限に過不足なく賄うことができ、エネルギーコストを低減できる。しかも、冷媒液の過冷却に必要な両ヒートポンプ３・４Ａ間の連絡経路が不要となり、該連絡経路のための配置空間や部品を省略することができ、コジェネレーションシステムのコンパクト化や部品コストの低減を同時に図ることができる。

本発明は、原動機により電力と熱の供給を行う、全てのコジェネレーションシステムに適用することができる。

１コジェネレーションシステム
３熱駆動ヒートポンプ
４熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプ
４Ａ電気駆動ヒートポンプ
５ガスエンジン（原動機）
４４コントローラ（運転制御手段）
Ｄｅ１電力需要
Ｄｅ２・Ｄｅ３要求電力
Ｄｈ熱需要
ｅ発電電力
ｅｂバランス電力（電力需要と要求電力との和）
ｈガスエンジンからの出力熱（原動機からの出力熱）
ｈ３・ｈ５電気駆動ヒートポンプからの熱
ｈ４熱駆動ヒートポンプからの熱

Claims

原動機により電力と熱の供給を行うコジェネレーションシステムにおいて、熱駆動ヒートポンプと電気駆動ヒートポンプとを備え、前記原動機による発電電力が、前記コジェネレーションシステムの熱需要を補う電気駆動ヒートポンプの駆動のための要求電力と、前記コジェネレーションシステムの電力需要との和となるように電力制御を行う運転制御手段を設けたことを特徴とするコジェネレーションシステム。
前記運転制御手段において、前記原動機からの出力熱を全て熱駆動ヒートポンプに入力し、該熱駆動ヒートポンプからの熱と、前記コジェネレーションシステムの熱需要との差を、前記電気駆動ヒートポンプからの熱によって補う熱駆動ヒートポンプ優先型の直列運転を行うことを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーションシステム。
前記電気駆動ヒートポンプは、前記熱駆動ヒートポンプからの熱によって冷媒が熱交換される熱駆動ヒートポンプアシステッド電気駆動ヒートポンプとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコジェネレーションシステム。