JP2013238337A - 給水加温システム - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプを用いた給水加温システムにおいて、ヒートポンプを介した給水路とヒートポンプを介さない補給水路とにそれぞれ給水ポンプを設置する必要がなく、またヒートポンプを介した給水路の出湯温度を所望に維持する。
【解決手段】給水タンク３への給水系統は、給水ポンプ１２より下流において、ヒートポンプ４の凝縮器１５を介して給水タンク３へ給水する給水路８と、凝縮器１５を介さずに給水タンク３へ給水する補給水路９とに分岐されている。給水タンク３の水位が第一水位を下回ると、給水ポンプ１２を作動させて給水タンク３へ給水し、第一水位より高い第二水位を上回ると、給水ポンプ１２を停止させて給水タンク３への給水を停止する。給水タンク３への給水中、凝縮器１５の出口側水温を設定温度に維持するように、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整するのがよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプを用いた給水加温システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。このシステムでは、給水タンク（２３）は、給水源（２１）から給水路を介して給水可能であると共に、給水路から分岐してヒートポンプ給湯器（１２）を介しても給水可能である。そして、給水タンク（２３）は、第１水位（５２Ｌ）を下回ると、ヒートポンプ給湯機（１２）からの給水が開始され、第１水位より高水位の第２水位（５２Ｈ）を上回ると、ヒートポンプ給湯機（１２）からの給水が停止される。また、第１水位より低水位の第３水位（３２Ｌ）を下回ると、給水源（２１）からの給水が開始され、第３水位より高水位であるが第１水位より低水位の第４水位（３２Ｈ）を上回ると、給水源（２１）からの給水が停止される。

特開２０１０−２５４３１号公報（請求項４、図２−３）

前記特許文献１に記載の発明では、給水タンク内の水位に応じて、ヒートポンプ経由で給水するか、それに加えて直接にも給水するか、あるいはすべての給水を停止するかが切り替えられる。

しかしながら、ヒートポンプ経由で給水するための給水ポンプと、ヒートポンプを介さずに直接に給水するための補給水ポンプとが必要である。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、給水ポンプと補給水ポンプとを共用できる給水加温システムを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、給水タンクへの給水系統は、給水ポンプより下流において、ヒートポンプの凝縮器を介して前記給水タンクへ給水する給水路と、前記凝縮器を介さずに前記給水タンクへ給水する補給水路とに分岐されており、前記給水タンクの水位が第一水位（Ｈ１）を下回ると、前記給水ポンプを作動させて前記給水タンクへ給水し、前記給水タンクの水位が前記第一水位より高い第二水位（Ｈ２）を上回ると、前記給水ポンプを停止させて前記給水タンクへの給水を停止することを特徴とする給水加温システムである。

請求項１に記載の発明によれば、給水タンクへの給水系統は、給水ポンプより下流において給水路と補給水路とに分岐されるので、給水路と補給水路とにそれぞれ給水ポンプを設置する必要がない。

請求項２に記載の発明は、前記給水タンクへの給水中、前記ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整することを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水タンクへの給水中、ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、給水路を介した給水タンクへの給水流量を調整することで、給水路経由の給水温度を所望に維持することができる。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記給水タンクの水位が第一水位（Ｈ１）を下回ると、前記給水ポンプを作動させて前記給水タンクへ給水し、前記給水タンクの水位が前記第一水位より高いが前記第二水位より低い切替水位（Ｈ２´）を上回ると、前記補給水路への給水を停止した状態で、前記給水路を介して前記給水タンクへ給水すると共に、この給水中、前記ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、前記給水ポンプをインバータ制御し、前記給水タンクの水位が前記切替水位より高い第二水位（Ｈ２）を上回ると、前記給水ポンプを停止させて前記給水タンクへの給水を停止することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給水加温システムである。

請求項３に記載の発明によれば、給水タンク内の水位が切替水位（Ｈ２´）を上回ると、補給水路への給水を停止した状態で給水路を介して給水タンクへ給水し、しかもこの給水中、ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように給水ポンプをインバータ制御するので、給水タンクへの給水温度を確実に所望温度に維持することができる。また、ヒートポンプ経由の給水を優先することで、省エネルギーを図ることができる。

本発明によれば、給水ポンプと補給水ポンプとを共用できる給水加温システムを実現することができる。

本発明の給水加温システムの一実施例を示す概略図である。 図１の給水加温システムの制御方法の一例を示す図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の給水加温システム１の一実施例を示す概略図である。

本実施例の給水加温システム１は、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムであり、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３への給水を貯留する補給水タンク５と、この補給水タンク５から給水タンク３への給水を加温するヒートポンプ４と、このヒートポンプ４の熱源としての熱源水（たとえば廃温水）を貯留する熱源水タンク６とを備える。

ボイラ２は、蒸気ボイラであり、給水タンク３からの給水を加熱して蒸気にする。ボイラ２は、典型的には、蒸気の圧力を所望に維持するように、燃焼量を調整される。また、ボイラ２は、缶体内の水位を所望に維持するように、給水タンク３からボイラ２への給水路に設けたポンプ７が制御される。ボイラ２からの蒸気は、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られるが、蒸気使用設備からのドレン（蒸気の凝縮水）を給水タンク３へ戻してもよい。

給水タンク３は、補給水タンク５から、ヒートポンプ４を介して給水路８により給水可能であると共に、ヒートポンプ４を介さずに補給水路９により給水可能である。給水路８と補給水路９とは、補給水タンク５の側で共通路１０とされている。つまり、補給水タンク５からの給水は、共通路１０を介した後、給水路８と補給水路９とに分岐され、これら給水路８と補給水路９とを介して給水タンク３へ供給される。なお、給水路８には、廃熱回収熱交換器１１とヒートポンプ４とが順に設けられている。

共通路１０には給水ポンプ１２が設けられている。また、給水路８と補給水路９との分岐部には三方弁１３が設けられている。この三方弁１３は、補給水タンク５から共通路１０を介した給水を、給水路８と補給水路９とに所望に分配したり、いずれか一方のみに通したりすることができる。

給水ポンプ１２は、本実施例では、インバータにより回転数を制御可能とされる。三方弁１３により、補給水路９への給水を停止すると共に給水路８を介して給水タンク３へ給水可能とした状態で、給水ポンプ１２の回転数を変更することで、給水路８を介した給水タンク３への給水量を調整することができる。

補給水タンク５は、給水タンク３への給水を貯留する。補給水タンク５への給水として、本実施例では軟水が用いられる。すなわち、軟水器（図示省略）にて水中の硬度分を除去された軟水は、補給水タンク５に供給され貯留される。補給水タンク５の水位に基づき軟水器からの給水を制御することで、補給水タンク５の水位は所望に維持される。

ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機１４、凝縮器１５、膨張弁１６および蒸発器１７が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１４は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１５は、圧縮機１４からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１６は、凝縮器１５からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器１７は、膨張弁１６からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ４は、蒸発器１７において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器１５において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、本実施例では、ヒートポンプ４は、蒸発器１７において、熱源としての熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１５において、給水路８の水を加温する。

ヒートポンプ４は、凝縮器１５と膨張弁１６との間に、所望により過冷却器１８を設けてもよい。過冷却器１８は、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒と、凝縮器１５への給水との間接熱交換器である。過冷却器１８により、凝縮器１５への給水で、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１５から膨張弁１６への冷媒で、凝縮器１５への給水を加温することができる。ヒートポンプ４の冷媒は、凝縮器１５において潜熱を放出し、過冷却器１８において顕熱を放出する。

その他、ヒートポンプ４には、圧縮機１４の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１４の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１５の出口側（凝縮器１５と過冷却器１８との間）に受液器を設置したりしてもよい。

なお、ヒートポンプ４は、その出力を変更可能に構成されていてもよい。たとえば、圧縮機１４のモータの回転数をインバータで変更することで、圧縮機１４の容量を調整して、ヒートポンプ４の出力を変更することができる。

熱源水タンク６は、ヒートポンプ４の熱源としての熱源水を貯留する。熱源水とは、たとえば廃温水（工場などから排出される温水）である。なお、熱源水タンク６には、熱源水の供給路１９が設けられると共に、所定以上の水をあふれさせるオーバーフロー路２０が設けられている。

熱源水タンク６の水は、熱源供給路２１を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１７を通された後、廃熱回収熱交換器１１を通される。熱源供給路２１には、蒸発器１７より上流側に熱源供給ポンプ２２が設けられており、この熱源供給ポンプ２２を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、蒸発器１７と廃熱回収熱交換器１１とに順に通すことができる。

なお、廃熱回収熱交換器１１は、補給水タンク５から過冷却器１８への給水と、蒸発器１７からの熱源水との間接熱交換器である。本実施例の場合、補給水タンク５から給水路８を介した給水タンク３への給水は、補給水タンク５から、廃熱回収熱交換器１１、過冷却器１８および凝縮器１５を順に通された後、給水タンク３へ供給される。

給水路８には、凝縮器１５の出口側に、水温センサ２３が設けられる。この水温センサ２３は、凝縮器１５を通過後の水温を検出する。水温センサ２３の検出温度に基づき、三方弁１３または給水ポンプ１２が制御される。つまり、三方弁１３は、水温センサ２３の検出温度を設定温度Ｔ１（たとえば７５℃）に維持するように、共通路１０からの給水を給水路８と補給水路９とに分配する。

あるいは、三方弁１３は、補給水路９への給水を停止して、給水路８を介してのみ給水タンク３へ給水する。この場合、給水ポンプ１２は、水温センサ２３の検出温度を設定温度Ｔ１（たとえば７５℃）に維持するようにインバータ制御される。いずれにしても、本実施例では、給水路８を介した給水タンク３への給水は、水温センサ２３の検出温度を設定温度Ｔ１に維持するように、流量が調整される。但し、場合により、このような水温センサ２３による流量調整制御を省略することもできる。

給水タンク３には、水位検出器２４が設けられている。水位検出器２４の構成は特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。つまり、給水タンク３には、長さの異なる複数の電極棒２５〜２７が、その下端部の高さ位置を互いに異ならせて差し込まれて保持されている。具体的には、給水停止電極棒２５、制御切替電極棒２６、給水開始電極棒２７が、順に下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入されている。各電極棒２５〜２７は、その下端部が水に浸かるか否かにより、下端部における水位の有無を検出する。

熱源水タンク６には、ヒートポンプ４の熱源としての熱源水の有無を確認するために、水位検出器２８が設けられている。水位検出器２８の構成は特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。つまり、熱源水タンク６には、低水位検出電極棒２９が差し込まれており、熱源水の水位が設定を下回っていないかを監視する。また、熱源水タンク６には、熱源水の温度を検出する熱源温度センサ３０を設けておいてもよい。

次に、本実施例の給水加温システム１の制御（運転方法）について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

図２は、給水タンク３の水位に基づく給水加温システム１の制御方法の一例を示す図である。この図に示すように、給水タンク３の水位に基づき、ヒートポンプ４（特にその圧縮機１４）、給水ポンプ１２および三方弁１３が制御される。

ここで、ヒートポンプ４は、その圧縮機１４の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。

いま、給水停止電極棒２５が水位を検知し、給水タンク３内の水位が十分にある場合（給水タンク３内の水位が第二水位Ｈ２を上回っている場合）、給水タンク３への給水は不要であるから、ヒートポンプ４を停止すると共に給水ポンプ１２も停止している。

給水タンク３からボイラ２への給水により、給水タンク３内の水位が下がり、給水タンク３内の水位が第一水位Ｈ１を下回り、給水開始電極棒２７が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を運転すると共に給水ポンプ１２を作動させる。

これにより、給水タンク３に給水されるが、三方弁１３は、まずは、補給水タンク５からの給水を給水路８と補給水路９とに分配して、給水路８と補給水路９とを介して給水タンク３へ給水する。この際、水温センサ２３の検出温度を設定温度に維持するように、三方弁１３を制御して、共通路１０からの給水を給水路８と補給水路９とに分配する。

その後、給水タンク３内の水位が第一水位Ｈ１より高水位の切替水位Ｈ２´を上回り、制御切替電極棒２６が水位を検知すると、三方弁１３を制御して、補給水路９への給水を停止して、補給水タンク５からの給水の全量を給水路８経由で給水タンク３へ給水する。この際、給水ポンプ１２は、水温センサ２３の検出温度を設定温度に維持するように、インバータ制御される。

その後、給水タンク３内の水位が切替水位Ｈ２´より高水位の第二水位Ｈ２を上回り、給水停止電極棒２５が水位を検知すると、ヒートポンプ４および給水ポンプ１２を停止する。

ヒートポンプ４を運転して、補給水タンク５から給水路８を介して給水タンク３へ給水する際、補給水タンク５からの給水は、廃熱回収熱交換器１１、過冷却器１８および凝縮器１５により徐々に加温されて、所定温度で給水タンク３へ供給される。給水タンク３とヒートポンプ４との間で水を循環させる場合と比較して、補給水タンク５から給水タンク３への一回の通過（ワンススルー）で給水を加温するので、ヒートポンプ４を通過する前後の給水の温度差を確保して、ヒートポンプ４の成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができる。さらに、ヒートポンプ４と廃熱回収熱交換器１１とにより、給水加温システム１のシステム効率の向上を図ることができる。

ところで、ヒートポンプ４の運転中、つまり給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源水タンク６内の水温を熱源温度センサ３０で監視して、その温度に基づきヒートポンプ４の出力を調整してもよい。ヒートポンプ４の熱源としての熱源水の温度が高温なほど、ヒートポンプ４の運転時の出力を下げることができる。熱源水の温度を考慮してヒートポンプ４の運転時の出力を調整することで、熱源水の温度変化に拘わらず、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を安定させることができる。

さらに、熱源水タンク６内の水位が下がり、低水位検出電極棒２９が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２２を停止して蒸発器１７への熱源水の供給を停止するのがよい。これにより、ヒートポンプ４を無駄に運転するのが防止される。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８と補給水路９との分岐部に三方弁１３を設けて、切替水位Ｈ２´未満では三方弁１３により給水路８と補給水路９とに所望に分配したが、三方弁１３の設置に代えて、分岐部より下流の給水路８および／または補給水路９に設けたバルブの開度を調整することで、給水路８や補給水路９を通る流量を調整してもよい。

また、前記実施例において、補給水路９を介した給水タンク３への給水を停止した状態で、給水路８を介して給水タンク３へ給水する際、給水ポンプ１２をインバータ制御したが、給水ポンプ１２をオンオフ制御しつつ、共通路１０または給水路８に設けたバルブの開度を調整してもよい。つまり、水温センサ２３の検出温度に基づき給水路８を介した給水の流量を調整可能であれば、その流量調整方法は適宜に変更可能である。

また、前記実施例では、給水路８と補給水路９とは、一端部（補給水タンク５側の端部）において共通路１０としたが、他端部（給水タンク３側の端部）においても共通路としてもよい。つまり、補給水路９の他端部は、給水タンク３に接続するのではなく、給水タンク３の手前において給水路８に合流するように設けてもよい。

また、前記実施例では、給水タンク３への給水を貯留するために補給水タンク５を設置したが、場合により補給水タンク５の設置を省略して、給水源から直接に共通路１０に水を通してもよい。

また、前記実施例では、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムについて説明したが、給水タンク３の貯留水の利用先は、ボイラ２に限らず適宜に変更可能である。

また、ヒートポンプ４は、単段に限らず複数段とすることもできる。ヒートポンプ４を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ同士は、間接熱交換器を用いて接続されてもよいし、直接熱交換器（中間冷却器）を用いて接続されてもよい。後者の場合、下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器とされる。このように、複数段（多段）のヒートポンプ４には、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいはそれらの組合せのヒートポンプが含まれる。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４の熱源として熱源水を用いた例について説明したが、ヒートポンプ４の熱源流体として、熱源水に限らず、空気や排ガスなど各種の流体を用いることができる。

１ 給水加温システム
２ ボイラ
３ 給水タンク
４ ヒートポンプ
５ 補給水タンク
６ 熱源水タンク
７ ポンプ
８ 給水路
９ 補給水路
１０ 共通路
１１ 廃熱回収熱交換器
１２ 給水ポンプ
１３ 三方弁
１４ 圧縮機
１５ 凝縮器
１６ 膨張弁
１７ 蒸発器
１８ 過冷却器
１９ 供給路
２０ オーバーフロー路
２１ 熱源供給路
２２ 熱源供給ポンプ
２３ 水温センサ
２４ 水位検出器
２５ 給水停止電極棒
２６ 制御切替電極棒
２７ 給水開始電極棒
２８ 水位検出器
２９ 低水位検出電極棒
３０ 熱源温度センサ
Ｈ１ 第一水位
Ｈ２ 第二水位
Ｈ２´ 切替水位

Claims (3)

1. 給水タンクへの給水系統は、給水ポンプより下流において、ヒートポンプの凝縮器を介して前記給水タンクへ給水する給水路と、前記凝縮器を介さずに前記給水タンクへ給水する補給水路とに分岐されており、
   前記給水タンクの水位が第一水位（Ｈ１）を下回ると、前記給水ポンプを作動させて前記給水タンクへ給水し、
   前記給水タンクの水位が前記第一水位より高い第二水位（Ｈ２）を上回ると、前記給水ポンプを停止させて前記給水タンクへの給水を停止する
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記給水タンクへの給水中、前記ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
3. 前記給水タンクの水位が第一水位（Ｈ１）を下回ると、前記給水ポンプを作動させて前記給水タンクへ給水し、
   前記給水タンクの水位が前記第一水位より高いが前記第二水位より低い切替水位（Ｈ２´）を上回ると、前記補給水路への給水を停止した状態で、前記給水路を介して前記給水タンクへ給水すると共に、この給水中、前記ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、前記給水ポンプをインバータ制御し、
   前記給水タンクの水位が前記切替水位より高い第二水位（Ｈ２）を上回ると、前記給水ポンプを停止させて前記給水タンクへの給水を停止する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の給水加温システム。

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