JP2012184902A - 産業用加熱システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外気や加熱室排気の温度が変化しても最適条件で運転することができる産業用加熱システムを提供する。
【解決手段】本発明の産業用加熱システムは、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と、加熱室の排気又は加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して第１の熱交換器に供給する圧縮機と、を有するヒートポンプ装置と、第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、圧縮機及びボイラ装置を駆動制御する制御装置と、を有し、制御装置は、圧縮機の入口温度に対して、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータが最小となる圧縮機の出口温度を設定した検定曲線を用いて圧縮機の出力を制御し、圧縮機の出口温度と、加熱室の入口温度とに基づいてボイラ装置の出力を制御することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用加熱システムとその制御方法に関するものである。

産業用加熱システムとして、ヒートポンプとボイラとを組み合わせた蒸気供給システムが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−３０８１６４号公報

しかし、ボイラとヒートポンプを組み合わせた加熱システムでは、外気や加熱室排気の温度によってヒートポンプの性能（ＣＯＰ）が変化するため、システム全体を最適化した状態で運転することが困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、外気や加熱室排気の温度が変化しても最適条件で運転することができる産業用加熱システムとその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の産業用加熱システムは、外気を取り入れて加熱空気を生成し、当該加熱空気を加熱室に供給する産業用加熱システムであって、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と、前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機と、を有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、前記圧縮機及び前記ボイラ装置を駆動制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記圧縮機の入口温度に対して、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を設定した検定曲線を用いて前記圧縮機の出力を制御し、前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御することを特徴とする。

本発明の産業用加熱システムは、外気を取り入れて加熱空気を生成し、当該加熱空気を加熱室に供給する産業用加熱システムであって、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と、前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機と、を有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、前記圧縮機及び前記ボイラ装置を駆動制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記圧縮機の出口温度を設定するパラメータ設定動作と、前記圧縮機の入口温度及び設定した前記出口温度に基づいて前記圧縮機の圧力及び消費動力を計算する圧縮機演算動作と、前記第１の熱交換器の伝熱計算により、前記第１の熱交換器の作動媒体の出口温度と、前記第１の熱交換器の出口における前記加熱空気の温度とを計算する熱交換器演算動作と、前記圧縮機の消費動力に基づいて前記ヒートポンプ装置の一次エネルギーを算出するヒートポンプエネルギー演算動作と、前記第１の熱交換器から出力される前記加熱空気を前記加熱室の入口温度にまで昇温するために必要な前記ボイラ装置の一次エネルギーを算出するボイラエネルギー演算動作と、前記ヒートポンプ装置及び前記ボイラ装置のそれぞれの一次エネルギーに基づいて、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを算出する目標パラメータ算出動作と、を前記圧縮機の出口温度を変化させつつ繰り返し実行することにより、前記目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を探索し、当該探索動作により取得された前記圧縮機の出口温度に基づいて前記圧縮機の出力を制御するヒートポンプ装置制御動作と、取得された前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するボイラ装置制御動作と、を実行することを特徴とする。

本発明の産業用加熱システムの制御方法は、加熱対象物を収容する加熱室と、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機とを有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、を有する産業用加熱システムの制御方法であって、前記圧縮機の入口温度に対して、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を設定した検定曲線を用いて前記圧縮機の出力を制御するステップと、前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の産業用加熱システムの制御方法は、加熱対象物を収容する加熱室と、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機とを有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、を有する産業用加熱システムの制御方法であって、前記圧縮機の出口温度を設定するパラメータ設定ステップと、前記圧縮機の入口温度及び設定した前記出口温度に基づいて前記圧縮機の圧力及び消費動力を計算する圧縮機演算ステップと、前記第１の熱交換器の伝熱計算により、前記第１の熱交換器の作動媒体の出口温度と、前記第１の熱交換器の出口における前記加熱空気の温度とを計算する熱交換器演算ステップと、前記圧縮機の消費動力に基づいて前記ヒートポンプ装置の一次エネルギーを算出するヒートポンプエネルギー演算ステップと、前記第１の熱交換器から出力される前記加熱空気を前記加熱室の入口温度にまで昇温するために必要な前記ボイラ装置の一次エネルギーを算出するボイラエネルギー演算ステップと、前記ヒートポンプ装置及び前記ボイラ装置のそれぞれの一次エネルギーに基づいて、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを算出する目標パラメータ算出ステップと、を前記圧縮機の出口温度を変化させつつ繰り返し実行することにより、前記目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を探索し、当該探索動作により取得された前記圧縮機の出口温度に基づいて前記圧縮機の出力を制御するヒートポンプ装置制御ステップと、取得された前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するボイラ装置制御ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、外気や加熱室排気の温度が変動した場合でも、一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを最小にした状態で運転可能な産業用加熱システムが提供される。
また本発明によれば、外気や加熱室排気の温度が変動した場合でも、一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを最小にした状態で運転条件を設定することができる産業用加熱システムの制御方法が提供される。

実施の形態に係る加熱システムを示す概略図。 制御装置７０に備えられる検定曲線の一例を示すグラフ。 加熱システムの一次エネルギーを計算した結果を示すグラフ。 加熱システムの変形例を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施の形態に係る加熱システムを示す概略図である。
加熱システム（産業用加熱システム）Ｓ１は、図１に示すように、加熱室１２と、圧縮機１４と、動力回収機１６と、第１の熱交換器１８と、第２の熱交換器１９と、ボイラ装置ＢＬＲと、制御装置７０とを備えている。圧縮機１４と動力回収機１６と第１の熱交換器１８とがヒートポンプ装置ＨＰが構成する。制御装置７０は、加熱システムＳ１の全体を統括的に制御する。
なお、加熱システムＳ１の構成は、設計要求に応じて適宜変更可能である。

加熱システムＳ１において、外気（系外の空気）を取り入れる吸気部Ａに、第１の熱交換器１８の低温側入口部１８３が接続されている。第１の熱交換器１８の低温側出口部１８４に、第２の熱交換器１９の高温側入口部１９１が接続されている。第２の熱交換器１９の高温側出口部１９２に加熱室１２の入口部１２１が接続されている。加熱室１２の出口部１２２に圧縮機１４の入口部が接続され、圧縮機１４の出口部には第１の熱交換器１８の高温側入口部１８１が接続されている。第１の熱交換器１８の高温側出口部１８２には動力回収機１６の入口部が接続され、動力回収機１６の出口部は、排気を系外に排出する排気部Ｂに接続されている。

加熱室１２内に、加熱対象物１２０が収容される。加熱システムＳ１は、第１の熱交換器１８から加熱室１２に供給される加熱空気を加熱室１２内で加熱対象物１２０に接触させ、加熱対象物１２０を加熱する。
加熱対象物１２０は、産業部品や産業材料である。例えば、加熱室１２において、産業部品又は産業材料の少なくとも一部が乾燥処理される。あるいは、加熱室１２において、産業部品又は産業材料の少なくとも一部が熱処理（例えば、熱硬化処理など）される。なお、汚泥、紙、木材、樹脂、薬剤、薬品、砂、家庭ごみ、産業ごみ、工芸品、工芸材料、電気部品、電気機器、塗装物、産業用衣類、機械部品、機械製品、食料、食材、食料品など、様々な物体を加熱対象物１２０とすることができる。

加熱室１２には、必要に応じて不図示の移送装置を設けることができる。一例において、移送装置は、コンベア、搬送車、搬送ロボットなどの様々な形態を有することができる。移送装置によって、加熱対象物１２０が加熱室１２内に搬入／搬出される。代替的又は追加的に、加熱室１２は、加熱後の加熱対象物１２０の取り出しのために、ゲート式、旋回式などの形態を有する搬出部を備えることができる。上記搬出部は、必要に応じて加熱した加熱対象物１２０に化学処理などの所定の処理を行う機構を有することができる。

本実施形態において、移送装置は、加熱室１２内で加熱対象物１２０を移動させる機能を有していてもよい。また加熱室１２に、不図示の脱水装置をさらに設け、それによって加熱対象物１２０を脱水することもできる。脱水の際、加熱対象物１２０の必要に応じて凝集剤を添加することができる。脱水は、遠心式、加圧式、圧搾式、振動式など、対象物に応じて様々な形態が適用可能である。脱水により、加熱対象物１２０の容量が減少する。また、加熱室１２は、必要に応じて、加熱室１２に入る前の加熱対象物１２０に熱を与える予熱室をさらに有することができる。

圧縮機１４は、加熱室１２から排出される加熱空気を圧縮し、第１の熱交換器１８に対して供給する。圧縮に伴い、加熱空気の温度が上昇する。圧縮機１４は、遠心圧縮機、軸流圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、空気圧縮に適するものが好ましく適用される。圧縮機１４には図示略の駆動源から動力が供給される。圧縮機１４の圧縮比（圧力比）は、加熱システムＳ１の仕様に応じて適宜に設定される。

動力回収機１６は、例えばタービン発電機である。タービン発電機としては、ブレード式、スクリュー式など、空気流れに適するものが好ましく適用される。動力回収機１６は、第１の熱交換器１８から排出された空気を羽根車に当て、空気のエネルギーを回転運動に変換して動力を回収する。本実施形態の場合、動力回収機１６で回収した動力は、圧縮機１４で使用される。
動力回収機１６からの排気は、本実施形態の場合、排気部Ｂの排気管を介して外部に放出される。排気部Ｂの排気管には、必要に応じて、ポンプなどの流体駆動部、バルブなどの流量制御部（不図示）、フィルタなどの排出ガス処理装置を設けることもできる。

第１の熱交換器１８は、低温側流路１８ａと高温側流路１８ｂとを有する。低温側流路１８ａには、吸気部Ａで取り込まれた外気が供給される。高温側流路１８ｂには、加熱室１２から排出され、圧縮機１４で圧縮されるとともに昇温された加熱空気が供給される。これにより、低温側流路１８ａを流通する外気が高温側流路１８ｂを流通する加熱空気との熱交換によって加熱される。

第２の熱交換器１９は、低温側流路１９ａと、高温側流路１９ｂとを有する。低温側流路１９ａには、第１の熱交換器１８で生成された加熱空気が供給される。高温側流路１９ｂには、ボイラ装置ＢＬＲで生成された蒸気が供給される。ボイラ装置ＢＬＲは、蒸気ボイラであり、公知のボイラ装置を単独又は複数組み合わせて用いることができる。

第２の熱交換器１９では、低温側流路１９ａを流通する加熱空気が、蒸気との熱交換によってさらに加熱される。昇温された加熱空気は、高温側出口部１９２を介して排出され、加熱室１２へ供給される。加熱空気の加熱に用いられた後の蒸気はドレンＤＲＮに排出される。

以上の構成を備えた加熱システムＳ１において、吸気部Ａから取り入れられた外気（例えば２０℃）は、第１の熱交換器１８に供給される。第１の熱交換器１８に導入された外気は、作動媒体との熱交換により加熱されて加熱空気（例えば１３０℃）となり、第２の熱交換器１９に供給される。第２の熱交換器１９では、ボイラ装置ＢＬＲから供給される蒸気により加熱空気がさらに昇温され（例えば１５０℃）、加熱室１２に供給される。加熱室１２では、供給された加熱空気と加熱対象物１２０との接触により、加熱対象物１２０が加熱され、所望の熱処理、乾燥処理等が実施される。

加熱処理に用いられた後、加熱室１２の出口部１２２から排出された加熱空気（例えば１００℃）は、圧縮機１４に供給される。圧縮機１４で圧縮され昇温された加熱空気（例えば１４０℃）は、第１の熱交換器１８の高温側入口部１８１に供給され、第１の熱交換器１８において外気を加熱する作動媒体として用いられる。第１の熱交換器１８の高温側出口部１８２から排出された加熱空気（例えば３０℃）は、動力回収機１６に供給される。

動力回収機１６では、導入された加熱空気を羽根車に当て、空気のエネルギーを回転運動に変換して動力を回収する。動力回収機１６で回収された動力は、圧縮機１４の駆動源に供給され、圧縮機１４の動力として利用される。動力回収機１６から排出された空気（例えば１５℃）は、排気部Ｂから外部へ排出される。

［制御装置］
次に、本実施形態の加熱システムＳ１に備えられた制御装置について説明する。
本実施形態の加熱システムＳ１では、制御装置７０により、ヒートポンプ装置ＨＰとボイラ装置ＢＬＲの出力比が適切に制御され、加熱システムＳ１全体の一次エネルギーを最小化した状態で運転することができる。そして、制御装置７０の形態としては、検定曲線を用いて上記出力比を設定する構成と、加熱システムＳ１の各部の温度情報等に基づいた演算処理により上記出力比を設定する構成とが挙げられる。以下、検定曲線を用いる構成を第１形態、演算処理を用いる構成を第２形態として説明する。

＜制御装置の第１形態＞
図２は、制御装置７０に備えられる検定曲線の一例を示すグラフである。図２のグラフの横軸は圧縮機入口温度、縦軸は圧縮機出口温度である。
図２に示す検定曲線は、加熱システムＳ１の一次エネルギーが最小となるときの圧縮機１４の入口温度と出口温度の関係を示すものとして作成されている。第１形態の制御装置は、図２に示す検定曲線に基づいてヒートポンプ装置ＨＰ及びボイラ装置ＢＬＲを制御し、一次エネルギーが最小化された状態で加熱システムＳ１を運転する。

具体的には、制御装置７０において、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinを用いた検定曲線の参照が行われ、設定すべき出口温度Ｔ_cmpoutが取得される。そして、制御装置７０は、この出口温度Ｔ_cmpoutに一致するように圧縮機１４の運転条件（回転数等）を調整することでヒートポンプ装置ＨＰの出力を制御する。また、圧縮機１４の運転条件を設定した後に生成される加熱空気の温度Ｔ_hpoutを、加熱室１２の入口温度（入口部１２１における加熱空気の設定温度）にまで昇温するために必要な熱量を供給するように、ボイラ装置ＢＬＲの出力（蒸気流量等）を制御する。
上記の動作により、ヒートポンプ装置ＨＰとボイラ装置ＢＬＲの出力比が、加熱システムＳ１全体で一次エネルギーを最小化するように設定され、加熱システムＳ１の運転条件が最適化される。

図２に示す検定曲線の作成手順について以下に詳細に説明する。
検定曲線の作成は、圧縮機１４の入口温度に対して複数の出口温度を設定し、設定した出口温度毎に加熱システムＳ１の一次エネルギーを算出することで、上記入口温度に対して一次エネルギーが最小となる出口温度を探索する過程を、複数の入口温度に対して実行することにより行う。以下、さらに具体的に説明する。

（１）まず、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinを取得する。
入口温度Ｔ_cmpinは、圧縮機１４の入口部に温度計を設置して計測してもよいし、加熱室１２の出口部１２２に設置した温度計により加熱室１２の排気温度を測定し、かかる排気温度からの温度低下分（図１では０℃）を差し引いて求めてもよい。なお、吸気部Ａから取り入れられる外気の温度も取得する。

（２）次に、圧縮機１４の出口温度Ｔ_cmpout（設定値）を設定する。例えば、出口温度Ｔ_cmpoutの設定範囲における最小値に設定する。このときの設定値は上記設定範囲内で任意に設定することができる。

（３）次に、設定した出口温度Ｔ_cmpoutにおける圧縮機１４の圧力ｐ_cmpin［ｋＰａ］を求める。圧力ｐ_cmpinは直接計測してもよいが、圧縮機１４の効率η_cmpが既知であれば、入口温度Ｔ_cmpin、出口温度Ｔ_cmpout（設定値）を用いた目標値探索計算により求めることができる。

まず、圧力ｐ_cmpinを仮の値に設定し、下記式（ａ）〜（ｃ）の物性計算式により、圧縮機１４の入口部におけるエンタルピーｈ_cmpin［ｋＪ／ｋｇ］、エントロピーｓ_cmpin［ｋＪ／ｋｇ／Ｋ］、及び断熱圧縮後のエンタルピーｈ_ad［ｋＪ／ｋｇ］を求める。その後、上記の値及び圧縮機１４の効率η_cmpと、式（ｄ）、（ｅ）から、圧縮機１４の出口部におけるエンタルピーｈ_cmpout［ｋＪ／ｋｇ］、出口温度Ｔ_cmpout（計算値）を算出する。

次いで、上記（ａ）〜（ｅ）により求めた出口温度Ｔ_cmpout（計算値）を、先のステップ２で設定した出口温度Ｔ_cmpout（設定値）と比較する。比較の結果、出口温度Ｔ_cmpout（計算値）と出口温度Ｔ_cmpout（設定値）とが一致していれば、次のステップ４へ移行する。

一方、出口温度Ｔ_cmpout（計算値）が出口温度Ｔ_cmpout（設定値）よりも大きい場合には、圧力ｐ_cmpinを下げた仮定値を再設定し、式（ａ）〜（ｅ）による再計算を実施する。また、出口温度Ｔ_cmpout（計算値）が出口温度Ｔ_cmpout（設定値）よりも小さい場合には、圧力ｐ_cmpinを上げた仮定値を再設定し、式（ａ）〜（ｅ）による再計算を実施する。これにより、圧力ｐ_cmpinを正しく算出することができる。

（４）次に、第１の熱交換器１８の伝熱計算を実施し、第１の熱交換器１８の高温側空気の温度Ｔ_tbnin（高温側出口部１８２から排出される加熱空気の温度；動力回収機１６の入口温度）と、低温側空気の温度Ｔ_hpout（低温側出口部１８４から排出される加熱空気の温度；ヒートポンプ装置ＨＰの出口温度）を計算する。これらの計算には、例えば下記（ｆ）を用いることができる。式（ｆ）において、Ｗは熱交換量、Ｋは熱貫流率、Ａは伝熱面積、Ｔ_ｍは平均対数温度差である。

（５）次に、動力回収機１６の出口部におけるエンタルピーｈ_tbnout［ｋＪ／ｋｇ］を計算する。計算は、下記式（ｇ）〜（ｊ）を用いて実施することができる。
なお、本実施形態では、第１の熱交換器における圧力損失がなく、動力回収機１６の出口側は大気であるから、ｐ_tbnin＝ｐ_cmpout、ｐ_tbnout＝ｐ_amb（大気圧）として計算を実施することができる。

式（ｇ）（ｈ）では、動力回収機１６の入口部における圧力ｐ_tbnin、温度Ｔ_tbninを用いた物性計算により、動力回収機１６の入口部におけるエンタルピーｈ_tbnin［ｋＪ／ｋｇ］及びエントロピーｓ_tbnin［ｋＪ／ｋｇ／Ｋ］を求める。また式（ｉ）では、動力回収機１６の出口部における圧力ｐ_tbnout［ｋＰａ］と、上記エントロピーｓ_tbninを用いた物性計算により、断熱膨張後のエンタルピーｈ_ad［ｋＪ／ｋｇ］を求める。そして、式（ｊ）により、上記エンタルピーｈ_tbnin、ｈ_ad、及び動力回収機１６の効率η_tbnを用いて、動力回収機１６の出口部におけるエンタルピーｈ_tbnout［ｋＪ／ｋｇ］を求めることができる。

（６）次に、下記式（ｋ）により、圧縮機１４の消費動力と動力回収機１６の回収動力とを用いて、ヒートポンプ装置ＨＰの動力を計算する。式（ｋ）において、Ｗ_hp［ｋＪ／ｋｇ］はヒートポンプ装置ＨＰの動力、Ｇ_airは空気の質量流量である。
なお、ヒートポンプ装置ＨＰ中に無視できない熱損失や圧力損失がある場合には、下記式（ｋ）に繰り入れて計算を実施する。

（７）次に、下記式（ｌ）により、ヒートポンプ装置ＨＰの発電効率η_elecを用いて、ヒートポンプ装置ＨＰにおける電力の一次エネルギーＥ_elec［ｋＪ／ｋｇ］を計算する。

（８）次に、下記式（ｍ）により、ヒートポンプ装置ＨＰの出口部（第１の熱交換器１８の低温側出口部１８４）における加熱空気の温度Ｔ_hpoutである加熱空気を、加熱室１２の入口部１２１における入口温度（加熱プロセスの設定温度）にまで昇温するのに必要な熱量を計算する。式（ｍ）において、Ｗ_steamは第２の熱交換器１９において必要な熱量、ｈ_procin［ｋＪ／ｋｇ］は加熱室１２の入口部１２１におけるエンタルピー、η_steamは第２の熱交換器１９における加熱効率である。

（９）に次に、下記式（ｎ）、（ｏ）により、ボイラ装置ＢＬＲにおける一次エネルギー（燃料投入量）を計算する。式（ｎ）、（ｏ）において、Ｗ_fuel［ｋＪ／ｋｇ］はボイラ装置ＢＬＲから供給すべき熱量（燃料投入量）、η_boilerはボイラ装置ＢＬＲの効率、Ｅ_fuel［ｋＪ／ｋｇ］はボイラ装置ＢＬＲの一次エネルギーである。

（１０）次に、下記式（ｐ）により、加熱システムＳ１全体の一次エネルギーを計算する。

以上のステップ１〜１０により、圧縮機１４の出口温度Ｔ_cmpoutを設定したときの加熱システムＳ１全体の一次エネルギーを計算することができる。そしてこの計算を、複数の出口温度Ｔ_cmpoutについて実施することで、圧縮機１４の出力（ヒートポンプ装置ＨＰの出力）を変化させたときの加熱システム全体の一次エネルギーの変化の態様（一次エネルギー曲線）を取得することができる。

図３は、上記の一次エネルギー計算を、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinが７０℃、８０℃、９０℃、１００℃である場合について、それぞれ出口温度Ｔ_cmpoutを１３０℃、１４０℃、１５０℃、１６０℃に設定して一次エネルギーを計算した結果を示すグラフである。

図３に示すように、例えば圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinと出口温度Ｔ_cmpoutをパラメータとして演算を実行することで、出口温度Ｔ_cmpoutを変えたときの加熱システムＳ１の一次エネルギーを算出することができる。そして、図３におけるプロットをカーブフィッティングした一次エネルギー曲線を見ると、いずれの曲線も極小値を有しており、一次エネルギーが最小となる最適な出口温度Ｔ_cmpout、すなわち圧縮機１４とボイラ装置ＢＬＲの最適な出力比が存在することがわかる。

下記表１に、図３において一次エネルギーが最小となるとき（破線の丸印を付して示す位置）の入口温度と出口温度を示す。このようにして得られた表１の関係から、図２に示した検定曲線を得ることができる。図２に示したグラフは、表１に示す入口温度と出口温度をプロットするとともに、二次関数でカーブフィッティングした検定曲線である。なお、検定曲線の作成方法は、複数のプロットをカーブフィッティングする方法に限られず、プロット間を補完する方法で作成することもできる。

以上に説明した第１の形態の制御装置７０によれば、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinに対して加熱システムＳ１の一次エネルギーを最小とする出口温度Ｔ_cmpoutを設定した検定曲線を備えているので、外気の温度や加熱室１２の出口部１２２における排気温度が変動したときに、設定すべき出口温度Ｔ_cmpoutを容易かつ迅速に取得することができる。そして、かかる出口温度に基づいてヒートポンプ装置ＨＰの出力を制御するとともに、加熱室１２の設定入口温度となるようにボイラ装置ＢＬＲの出力を制御することで、一次エネルギー最小の運転状態を容易に得ることができる。

＜制御装置の第２形態＞
先の第１形態では、一次エネルギーが最小となる入口温度Ｔ_cmpinと出口温度Ｔ_cmpoutとの関係を予め設定した検定曲線を用いる場合について説明したが、制御装置７０が、上記検定曲線の作成と同様の演算処理を実行する演算装置を備える構成とすることもできる。
すなわち、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinが与えられたときに、先に示したステップ１〜１０の演算を実行することにより、加熱システムＳ１の一次エネルギーが最小となる出口温度Ｔ_cmpoutを探索する目標値探索計算を実施する演算装置を備えた構成である。

このように制御装置７０における演算処理によって最適な出口温度Ｔ_cmpoutを算出する構成とした場合にも、かかる出口温度Ｔ_cmpoutに基づいてヒートポンプ装置ＨＰの出力を制御し、加熱室１２の設定入口温度に昇温するための不足熱量をボイラ装置ＢＬＲで賄うようにボイラ装置ＢＬＲの出力を制御することで、一次エネルギー最小の状態で加熱システムＳ１を運転することができる。
第２形態のように演算装置を備えた構成とすることで、入口温度Ｔ_cmpinに対してより正確に出口温度Ｔ_cmpoutを計算することができ、より最適な状態で加熱システムＳ１を運転することが可能となる。

なお、本実施形態で説明した運転条件の最適化動作は、外気の温度又は加熱室１２の排気温度が変動する度に行うことが好ましい。かかる最適化動作を実行するためのしきい値となる温度の変動幅は、１℃〜１０℃程度の範囲内で適宜設定することができる。

また本実施形態では、加熱システムＳ１の一次エネルギーを最小化する出口温度Ｔ_cmpoutを設定する場合について説明したが、最適な運転状態を得るための目標パラメータとしては、一次エネルギーの他に、運転コスト又はＣＯ_２排出量を用いることができる。

目標パラメータとして運転コストを用いる場合には、ステップ７においてヒートポンプ装置ＨＰの一次エネルギーから電力コストを算出するとともに、ステップ９においてボイラ装置ＢＬＲの一次エネルギーから燃料コストを算出する。そして、ステップ１０においてこれらの電力コストと燃料コストを合算したものを運転コストとし、この運転コストを最小化するための出口温度Ｔ_cmpoutを探索すればよい。

一方、目標パラメータとしてＣＯ_２排出量を用いる場合には、ステップ７においてヒートポンプ装置ＨＰの一次エネルギーからＣＯ_２排出量を算出するとともに、ステップ９においてボイラ装置ＢＬＲの一次エネルギーからＣＯ_２排出量を算出する。そして、ステップ１０において合計のＣＯ_２排出量を最小化するための出口温度Ｔ_cmpoutを探索すればよい。

また本実施形態では、圧縮機１４の入口温度Ｔ_cmpinから、設定すべき出口温度Ｔ_cmpoutを取得する検定曲線あるいは演算装置を備えた構成について説明したが、設定すべきパラメータを変更することもできる。例えば、出口温度Ｔ_cmpoutに代えて、第１の熱交換器１８の低温側出口部１８４における加熱空気の温度Ｔ_hpoutや、圧縮機１４の出口部における圧力ｐ_cmpoutを用いてもよい。これらのパラメータもヒートポンプ装置ＨＰの出力を示すものであるため、出口温度Ｔ_cmpoutと同様に用いることができる。

また本実施形態では、加熱室１２に供給される加熱空気の温度が１５０℃であるとして説明したが、これに限られるものではない。加熱室１２に供給される加熱空気の温度は、例えば、約９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、又は１８０℃以上とすることができる。

（変形例）
上記実施形態では、動力回収機１６を備えた構成としたが、熱交換器を用いて排熱を回収する方式のヒートポンプを備えた構成としてもよい。図４は、排熱回収型のヒートポンプ装置ＨＰを備えた加熱システム（産業用加熱システム）Ｓ２を示す図である。

図４に示す加熱システムＳ２は、圧縮機１４と、第１の熱交換器１８と、膨張弁２１と、第３の熱交換器２０とを配管を介して接続した作動媒体回路を有するヒートポンプ装置ＨＰと、第２の熱交換器１９と、ボイラ装置ＢＬＲと、加熱室１２と、制御装置７０と、を有する。
第３の熱交換器２０は、加熱室１２の排気が流通する高温側流路２０ａと、ヒートポンプ装置ＨＰの作動媒体が流通する低温側流路２０ｂとを有する。加熱室１２の排気は、高温側入口部２０３を介して高温側流路２０ａに導入され、高温側出口部２０４から外部へ排出される。作動媒体は、低温側入口部２０１を介して低温側流路２０ｂに導入され、低温側出口部２０２から外部へ排出される。

外気を取り入れる吸気部Ａは、第１の熱交換器１８の低温側入口部１８３に接続されている。第１の熱交換器１８の低温側出口部１８４は第２の熱交換器１９の高温側入口部１９１に接続されている。第２の熱交換器１９の高温側出口部１９２は、加熱室１２の入口部１２１に接続されている。加熱室１２の出口部１２２は、第３の熱交換器２０の高温側入口部２０３に接続されている。第３の熱交換器２０の高温側出口部２０４は排気部Ｂに接続されている。

ヒートポンプ装置ＨＰにおいて、圧縮機１４で圧縮された作動媒体（空気でなくてもよい）は、第１の熱交換器１８の高温側入口部１８１から第１の熱交換器１８内に導入され、高温側流路１８ｂを流通する間に外気との熱交換される。高温側出口部１８２から排出された作動媒体は、膨張弁２１で断熱膨張された後、第３の熱交換器２０の低温側入口部２０１から内部へ導入され、低温側流路２０ｂを流通する間に、加熱室１２の排気と熱交換される。低温側出口部２０２から排出された作動媒体は圧縮機１４へ供給される。

上記構成を備えた本例の加熱システムＳ２は、加熱室１２の排気から熱を汲み上げて外気を加熱するヒートポンプ装置ＨＰを備えた排熱回収型の加熱システムである。このような構成とした場合にも、先の実施形態の加熱システムＳ１と同様に、加熱対象物１２０の加熱用途に好適に用いることができる。また、制御装置７０によってヒートポンプ装置ＨＰとボイラ装置ＢＬＲの出力比が適切に制御されるため、加熱システムＳ２の一次エネルギー（あるいは運転コスト又はＣＯ_２排出量）が最小の状態で運転することができる。

本実施形態の場合、ヒートポンプ装置ＨＰの作動媒体回路が、吸気部Ａから排気部Ｂまでの空気流路と分離されているので、ヒートポンプ装置ＨＰの構成部材の動作不具合が生じにくくなる。例えば、加熱室１２の排気は加熱対象物１２０の構成成分や付着成分を含んでいる場合があり、特に腐食性物質を含んでいる場合には、圧縮機１４の不具合の原因となる可能性がある。これに対して、本実施形態の構成では、圧縮機１４には密閉系の作動媒体のみが流入するので、上記のような不具合は生じない。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

１２…加熱室、１４…圧縮機、１８…第１の熱交換器、１９…第２の熱交換器、２０…第３の熱交換器、７０…制御装置、ＨＰ…ヒートポンプ装置、Ｓ１，Ｓ２…加熱システム（産業用加熱システム）、１２０…加熱対象物、ＢＬＲ…ボイラ装置、Ｔ_cmpin…入口温度、Ｔ_cmpout…出口温度

Claims (6)

1. 外気を取り入れて加熱空気を生成し、当該加熱空気を加熱室に供給する産業用加熱システムであって、
   取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と、前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機と、を有するヒートポンプ装置と、
   前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、前記圧縮機及び前記ボイラ装置を駆動制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の入口温度に対して、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を設定した検定曲線を用いて前記圧縮機の出力を制御し、
   前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御することを特徴とする産業用加熱システム。
2. 外気を取り入れて加熱空気を生成し、当該加熱空気を加熱室に供給する産業用加熱システムであって、
   取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と、前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機と、を有するヒートポンプ装置と、
   前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、前記圧縮機及び前記ボイラ装置を駆動制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記圧縮機の出口温度を設定するパラメータ設定動作と、
   前記圧縮機の入口温度及び設定した前記出口温度に基づいて前記圧縮機の圧力及び消費動力を計算する圧縮機演算動作と、
   前記第１の熱交換器の伝熱計算により、前記第１の熱交換器の作動媒体の出口温度と、前記第１の熱交換器の出口における前記加熱空気の温度とを計算する熱交換器演算動作と、
   前記圧縮機の消費動力に基づいて前記ヒートポンプ装置の一次エネルギーを算出するヒートポンプエネルギー演算動作と、
   前記第１の熱交換器から出力される前記加熱空気を前記加熱室の入口温度にまで昇温するために必要な前記ボイラ装置の一次エネルギーを算出するボイラエネルギー演算動作と、
   前記ヒートポンプ装置及び前記ボイラ装置のそれぞれの一次エネルギーに基づいて、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを算出する目標パラメータ算出動作と、
   を前記圧縮機の出口温度を変化させつつ繰り返し実行することにより、前記目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を探索し、当該探索動作により取得された前記圧縮機の出口温度に基づいて前記圧縮機の出力を制御するヒートポンプ装置制御動作と、
   取得された前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するボイラ装置制御動作と、
   を実行することを特徴とする産業用加熱システム。
3. 前記制御装置は、外気温又は前記加熱室の出口温度が変化したときに、前記ヒートポンプ装置及び前記ボイラ装置の出力制御を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の産業用加熱システム。
4. 前記制御装置は、前記圧縮機の出口温度、出口圧力、又は前記第１の熱交換器から出力される前記加熱空気の温度を調整パラメータとして前記圧縮機の出力制御を実行することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の産業用加熱システム。
5. 加熱対象物を収容する加熱室と、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機とを有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、を有する産業用加熱システムの制御方法であって、
   前記圧縮機の入口温度に対して、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を設定した検定曲線を用いて前記圧縮機の出力を制御するステップと、
   前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するステップと、
   を有することを特徴とする産業用加熱システムの制御方法。
6. 加熱対象物を収容する加熱室と、取り入れた外気を加熱する第１の熱交換器と前記加熱室の排気又は前記加熱室の排熱を回収した作動媒体を圧縮して前記第１の熱交換器に供給する圧縮機とを有するヒートポンプ装置と、前記第１の熱交換器で生成された加熱空気を加熱する第２の熱交換器と、前記第２の熱交換器に作動媒体として蒸気を供給するボイラ装置と、を有する産業用加熱システムの制御方法であって、
   前記圧縮機の出口温度を設定するパラメータ設定ステップと、
   前記圧縮機の入口温度及び設定した前記出口温度に基づいて前記圧縮機の圧力及び消費動力を計算する圧縮機演算ステップと、
   前記第１の熱交換器の伝熱計算により、前記第１の熱交換器の作動媒体の出口温度と、前記第１の熱交換器の出口における前記加熱空気の温度とを計算する熱交換器演算ステップと、
   前記圧縮機の消費動力に基づいて前記ヒートポンプ装置の一次エネルギーを算出するヒートポンプエネルギー演算ステップと、
   前記第１の熱交換器から出力される前記加熱空気を前記加熱室の入口温度にまで昇温するために必要な前記ボイラ装置の一次エネルギーを算出するボイラエネルギー演算ステップと、
   前記ヒートポンプ装置及び前記ボイラ装置のそれぞれの一次エネルギーに基づいて、当該産業用加熱システムの一次エネルギー、運転コスト、及びＣＯ_２排出量から選ばれる一つの目標パラメータを算出する目標パラメータ算出ステップと、
   を前記圧縮機の出口温度を変化させつつ繰り返し実行することにより、前記目標パラメータが最小となる前記圧縮機の出口温度を探索し、当該探索動作により取得された前記圧縮機の出口温度に基づいて前記圧縮機の出力を制御するヒートポンプ装置制御ステップと、
   取得された前記圧縮機の出口温度と、前記加熱室の入口温度とに基づいて前記ボイラ装置の出力を制御するボイラ装置制御ステップと、
   を有することを特徴とする産業用加熱システムの制御方法。

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