JP2013257069A - 熱源システムの熱源選択装置及びその方法並びに熱源システム - Google Patents

Abstract

【課題】設備内で発生した排熱を１つの熱源の選択肢として導入し、時自刻々と変化する熱源を有効に利用することを目的とする。
【解決手段】熱源システムは、複数の熱源を利用可能とさている。複数の熱源には、下水等の未利用熱と、該熱源を用いて加熱または冷却された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生する排水とが含まれている。熱源システムのシステム制御装置１０は、複数の熱源から利用する熱源を選択する熱源選択部１１を備えている。熱源選択部１１は、各熱源のポテンシャル温度及びポテンシャル熱量を決定するポテンシャル決定部１２と、ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値よりも大きい熱源を抽出し、加熱用途の場合には、抽出した熱源の中からポテンシャル温度が最も高い熱源を選択し、冷却用途の場合には、抽出した熱源の中からポテンシャル温度が最も低い熱源を選択する判定部１３とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の熱源を利用可能な熱源システムの熱源選択装置及びその方法並びに熱源システムに関するものである。

従来、空調設備や給湯設備等の熱源システムは、主に大気を熱源として排熱、採熱を行っていた。例えば、空調設備であれば、冷房運転時には冷却塔において大気に排熱を行い、暖房運転時には空気熱交換機を用いて大気との熱交換が行われていた。

特開２０１１−５２９４２号公報 特開２００９−２３６４２４号公報

近年、環境負荷等の観点から環境配慮型の都市づくりが推進されており、下水の熱利用などを導入しやすい体制の構築が進められ、空調設備等の熱源システムでも、下水等の未利用熱を新たな熱源の一つとして導入することが提案されている。
また、更に、上記未利用熱の利用に加えて、都市部などでは、設備（例えば、事務所、商業施設、宿泊施設等）から排出される排水熱が新たな熱源として着目されつつあり、熱源の選択範囲の拡充が期待されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設備内で発生した排熱を熱源の一つとして導入し、時自刻々と変化する熱源を有効に利用することのできる熱源システムの熱源選択装置及びその方法並びに熱源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、利用可能な複数の熱源が存在する熱源システムに適用され、利用する熱源の選択する熱源選択装置であって、複数の前記熱源は、下水、河川水、地下水、井水、海水、又は湖水等の未利用熱と、当該システムで加熱または冷却された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生する排水とを含み、各前記熱源の温度に関する評価値であるポテンシャル温度、及び、各前記熱源の熱量に関する評価値であるポテンシャル熱量を決定するポテンシャル決定部と、前記ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値よりも大きい熱源を抽出し、加熱用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も高い前記熱源を選択し、冷却用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も低い熱源を選択する判定手段とを具備する熱源選択装置を提供する。

本発明によれば、複数の熱源を有し、これらの熱源の中から少なくとも一つの熱源を利用して熱媒を加熱または冷却する。この熱源には、下水等の未利用熱と、当該システムで冷却または加熱された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生した排水が有する熱が含まれている。したがって、下水等の未利用熱に加えて、設備内で発生した熱を熱源システムの熱源として有効に利用することが可能となる。また、熱源を選択する際には、各熱源において温度の評価値であるポテンシャル温度と熱量の評価値であるポテンシャル熱量とを決定し、これらに基づいて利用熱源が選択される。熱源を選択する際、ポテンシャル温度が高い熱源を利用する方が好ましいといえる。これは、熱源温度が熱源機の熱媒の目標温度に近い方がエネルギー消費量が低減されるためである。しかしながら、ポテンシャル温度が高くてもポテンシャル熱量が少ないと、熱量不足により他の熱源へ移行せざるを得ない。このため、最低限のポテンシャル熱量を確保しているか否かを判断要素に含めることとし、熱量下限値よりも高いポテンシャル熱量を持つ熱源の中から用途に応じて最も好適なポテンシャル温度を有する熱源を選択することとしている。上記熱量下限値は、固定値でもよいし、熱需要に基づいて逐次算出される値であってもよい。

また、本発明では、熱源の一つとして、設備内において発生した雑排水を用いることとしている。以下、設備内で発生する雑排水の熱源としての有効性について検討する。
例えば、地上３０階・地下３階からなり、約７００室の客室を有する比較的大規模な宿泊施設を想定した場合、少なくとも１日に３５０ｍ^３程度の雑排水が客室等から排出されることが、設備の水収支の統計からわかっている。
この統計に基づき、設備内で発生する１日の雑排水を３５０ｍ^３とし、１日の各時間帯における流量変化を示したものが以下の表１及び表２である。表１は夏期における下水のポテンシャル熱量と雑排水のポテンシャル熱量とを対比させて示しており、表２は冬期における下水のポテンシャル熱量と雑排水のポテンシャル熱量とを対比させて示している。表１、表２において、下水の流量は都市部における実測値の平均値を用い、流量変動は与えていない。また、雑排水の流量は給湯使用量によるため、空気調和・衛生工学会が開示している給湯負荷の時刻別比率に従い、各時刻の流量を決定した。

上記表１、表２から雑排水のポテンシャル熱量が比較的高い時間帯は２０時から２３時であり、１時間あたり約１０００ｋＷのポテンシャル熱量が得られることがわかる。当該宿泊施設においては、給湯のピーク負荷をヒートポンプ給湯器で賄う場合の熱源需要量は以下の表３に示すように、約５０００ｋＷとなる。従って、表１〜３から当該宿泊施設においては、少なくとも約２０％程度の熱源需要を雑排水から賄えることがわかる。
なお、表３では、温水出口温度＝６０℃、熱源水出口温度２５℃、負荷１００％として熱源需要を計算している。

また、当該宿泊施設における温度ポテンシャルの一例は、以下の表４の通りである。表４から、夏期、冬季の両方において、宿泊施設内における雑排水の温度ポテンシャルが、下水の温度ポテンシャルよりも高く、加熱用途の場合に雑排水が特に有効であることがわかった。

また、上記熱源選択装置においては、少なくとも一つの前記熱源について、該熱源を優先的に選択する優先期間を予め設定しておき、前記判定手段は、前記優先期間において該熱源を優先的に選択することとしてもよい。

このように、少なくとも一つの熱源について、予め優先期間を登録しておくことにより、その優先期間においては、各熱源のポテンシャル温度、ポテンシャル熱量の算出を不要とすることが可能となる。

上記熱源選択装置では、前記優先期間において、前記熱媒の温度が予め設定されている目標温度に達しない場合に、他の熱源を併用することとしてもよい。

これにより、優先期間において、優先的に選択される熱源だけでは熱量不足になる場合に、他の熱源が併用されるので、熱源需要を満足することができる。

本発明は、上記の熱源選択装置を備える熱源システムを提供する。

上記熱源システムは、前記熱源から供給される熱源水を用いて第１熱媒を冷却または加熱可能な複数の熱源機と、前記熱源機において、前記熱源水と循環冷媒との間で熱交換を行わせる第１熱交換器に設けられ、前記熱源水が流通する伝熱管と、前記熱源からの熱源水が流通する熱源水配管と、第２熱媒が流通する熱媒配管と、複数の前記熱源機のうち、一部の前記熱源機における前記伝熱管の接続先を前記熱源水配管と前記熱媒配管との間で択一的に切り替えるための配管切替手段と、該一部の熱源機における前記循環冷媒の流れを切り替えるための循環切替手段と、前記接続切替手段および前記循環切替手段を制御することにより、カスケード接続を有する接続形態と、カスケード接続を有しない接続形態とを切替える接続形態制御手段とを具備することとしてもよい。

このような構成によれば、接続形態制御手段により、カスケード接続を有しない接続形態とされた場合には、全ての熱源機における伝熱管の接続先が熱源水配管とされ、各熱源機の第１熱交換器では、熱源水と循環冷媒との間で熱交換が行われることとなり、熱交換後の循環冷媒が利用されて、第１熱媒の加熱または冷却が行われる。これに対し、カスケード接続を有する接続形態とされた場合には、一部の熱源機における伝熱管の接続先が熱媒配管とされ、更に、これら熱源機の循環冷媒の流れが切り替えられる。このような接続形態では、一部の熱源機以外の熱源機の第１熱交換器においては、熱源水と循環冷媒との間で熱交換が行われることとなり、熱交換後の循環冷媒が利用されて第１熱媒の加熱または冷却が行われる。加熱または冷却された第１熱媒は、熱源水として一部の熱源機に供給される。これにより、一部の熱源機においては、第１熱媒と循環冷媒とが熱交換されて、循環冷媒が加熱または冷却される。そして、第１熱交換器において、この循環冷媒と熱媒配管により流入する第２熱媒との間で熱交換が行われることにより、第２熱媒が加熱または冷却され、他の外部負荷に供給されることとなる。

上記熱源システムにおいて、前記接続形態制御手段は、前記カスケード接続を有する場合の当該システムの成績係数と、カスケード接続を有さない場合の当該システムの成績係数とを算出する演算手段と、前記演算手段によって算出された成績係数が最も高い接続形態を選択する判定手段とを備え、前記判定手段によって選択された接続形態に従って前記接続切替手段および前記循環切替手段を制御することとしてもよい。

このように、各接続形態におけるシステムの成績係数を算出し、成績係数が最も高い接続形態を選択するので、第１熱媒および第２熱媒の目標温度と熱源が持つ熱量とのバランスに基づいてカスケード接続が可能か否かを判定することが可能となる。これにより、熱源の熱量に基づいて適切な接続形態を選択することが可能となる。

上記熱源システムにおいて、前記演算手段は、前記カスケード接続を有する場合の当該システムの成績係数を演算する場合には、カスケード接続された低温側の１または複数の熱源機からなる熱源機ユニットの成績係数と、高温側の１または複数の熱源機からなる熱源機ユニットの成績係数とを算出し、算出した前記成績係数を用いて当該システムの成績係数を算出する請求項６に記載の熱源システム。

このような構成によれば、低温側の熱源機ユニットと高温側の熱源機ユニットとに分けて、それぞれの成績係数を算出し、これらの成績係数を用いてシステムの成績係数が算出される。

上記熱源システムにおいて、各前記熱源機ユニットの成績係数は、例えば、熱源水出口温度と、当該熱源機ユニットで製造される熱媒の出口温度と、熱源機負荷率とをパラメータとして含む所定の演算式を用いて演算される。

上記熱源システムにおいて、低温側の前記熱源機ユニットによって製造された前記第１熱媒が暖房用途の空調設備へ供給され、高温側の前記熱源機ユニットによって製造された前記第２熱媒が給湯設備へ供給されることとしてもよい。

これにより、第１熱媒は暖房用途の空調設備で利用され、第２熱媒は給湯設備で利用されることとなる。設備内で発生する雑排水は加熱用途に優れているため、雑排水の熱源を有効に利用することができる。

本発明は、利用可能な複数の熱源が存在する熱源システムに適用され、利用する熱源の選択する熱源選択方法であって、複数の前記熱源は、下水、河川水、地下水、井水、海水、又は湖水等の未利用熱と、当該システムで加熱または冷却された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生する排水とを含み、各前記熱源の温度に関する評価値であるポテンシャル温度、及び、各前記熱源の熱量に関する評価値であるポテンシャル熱量を特定するポテンシャル決定過程と、前記ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値よりも大きい熱源を抽出し、加熱用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も高い前記熱源を選択し、冷却用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も低い熱源を選択する判定過程とを具備する熱源選択方法を提供する。

本発明は、上記の熱源システムと、前記熱源システムが設置されている設備の周辺における前記未利用熱の利用状況を集約して管理する中央制御装置とを備え、前記中央制御装置が、前記熱源システムに対して該設備における未利用熱のポテンシャル温度およびポテンシャル熱量の情報を提供する未利用熱利用システムを提供する。

本発明によれば、設備内で発生した排熱を熱源の一つとして導入し、時自刻々と変化する熱源を有効に利用することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図である。 本発明の第１実施形態に係るシステム制御装置が備える各種機能のうち、熱源選択機能に関する主な要素について示した機能ブロック図である。 熱源システムが加熱を行う場合における熱源選択部によって実行される処理手順を示したフローチャートである。 熱源システムが冷却を行う場合における熱源選択部によって実行される処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るシステム制御装置が備える熱源選択部の機能ブロック図を示した図である。 設備内熱源のポテンシャル熱量の時間変化の一例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図であり、カスケード接続を有しない接続形態とした場合を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図であり、カスケード接続を有する接続形態とした場合を示した図である。 本発明の第３実施形態に係るシステム制御装置の機能ブロック図を示した図である。 図９に示した接続形態選択部によって実行される処理手順を示したフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る未利用熱利用システムの構成を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る熱源システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図である。本実施形態に係る熱源システム１は、外部負荷で利用されて温度が低下した熱媒を所定温度まで加熱して外部負荷へ供給する、いわゆる加熱用途に利用される熱源システムである。

熱源システム１は、複数の熱源機２ａ、２ｂを備えている。なお、図１では２台の熱源機を備える場合について図示しているが、熱源機の台数については限定されない。
各熱源機２ａ、２ｂは、循環冷媒が循環する冷媒回路３、冷媒回路３に設けられ、循環冷媒と熱源から供給される熱源水との間で熱交換を行わせる第１熱交換器４、循環冷媒を圧縮する圧縮機５、循環冷媒と外部負荷から流入する熱媒との間で熱交換を行わせる第２熱交換器６とをそれぞれ備えている。

このような熱源機２ａ、２ｂにおいては、第１熱交換器４において、後述する熱源から供給される熱源水と循環冷媒との間で熱交換が行われることにより循環冷媒が加熱され、圧縮機５へ送られる。圧縮機５において加圧されることにより、高温高圧とされたガス状の循環冷媒は第２熱交換器６に送られる。第２熱交換器６では、高温高圧の循環冷媒と外部負荷から流入される熱媒との間で熱交換されることにより、熱媒が所定の目標温度まで加熱される。加熱された熱媒は、外部負荷（図示略）に送られ利用される。一方、第２熱交換器６において熱媒と熱交換されて冷やされた循環冷媒は、第１熱交換器４に送られ、熱源水との間で再び熱交換が行われる。
このように、本実施形態においては、第１熱交換器４が蒸発器として、第２熱交換器６が凝縮器として機能する。

熱媒の目標温度は、外部負荷の用途によって設定される。例えば、外部負荷が循環式の給湯設備の場合には、目標温度は６０℃程度に設定される。また、外部負荷が暖房運転を行う空調設備の場合には、目標温度は４０℃程度に設定され、空調設備で利用されて冷やされた３５℃程度の熱媒が熱源機２ａ、２ｂに戻されることとなる。図１では、外部負荷が暖房運転を行う空調設備の場合を想定したときの一例としての温度を参考としてカッコ内に示している。

熱源システム１は、複数の熱源を利用可能な構成とされている。本実施形態では、設備外熱源と設備内熱源とが熱源として設けられており、これらを切り替えてあるいは併用することが可能とされている。

設備外熱源は、例えば、下水、河川水、地下水、井水、海水、又は湖水等の未利用熱であり、図１では下水を用いる場合を例示している。設備内熱源は、例えば、熱源システム１によって加熱された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生した排水であり、排水槽７に貯水されている。例えば、外部負荷として宿泊施設の給湯設備を想定した場合、この宿泊施設で使用された排水（例えば、客室、プール、ランドリー、駐車場、機械室等からの雑排水等）が排水槽７に貯水され、設備内熱源として用いられる。

熱源システム１において、第１熱交換器４に熱源水を流通させる熱源水配管Ｌａには、熱源供給先を切り替えるための熱源切替弁８が設けられている。熱源切替弁８が後述するシステム制御装置１０（図２参照）によって制御されることにより、設備外熱源または設備内熱源のいずれか、或いは、両方の熱源から採熱された熱源水が熱源機２ａ、２ｂの第１熱交換器４に送られる。なお、図１では、設備外熱源または設備内熱源と熱交換された熱源水を第１熱交換器４に供給しているが、熱源の汚染程度によっては熱源そのもの（例えば、未利用熱、雑排水）を熱源水として第１熱交換器４に供給することとしてもよい。

熱源システム１には、設備外熱源温度Ｔｕ、設備外熱源流量Ｆｕ、設備内熱源温度Ｔｕ´、設備内熱源流量Ｆｕ´を計測するためのセンサ（図示略）が設けられている。これらセンサの計測値は、システム制御装置１０（図２参照）に送信され、熱源選択の判断に利用される。

システム制御装置１０は、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の主記憶装置、補助記憶装置、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置などを備えている。
補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラムが格納されており、ＣＰＵが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

図２は、システム制御装置１０が備える各種機能のうち、熱源選択機能に関する主な要素について示した機能ブロック図である。
図２に示されるように、システム制御装置１０は、ポテンシャル決定部１２と、判定部１３とを主な構成として有する熱源選択部１１を備えている。

ポテンシャル決定部１２は、各熱源の熱量に関する評価値であるポテンシャル熱量（ｋＷ）および各熱源の温度に関する評価値であるポテンシャル温度（℃）を特定する。
設備外熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ、設備内熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ´は、それぞれ以下の（１）式、（２）式を用いて算出される。

Ｑｕ＝（Ｔｕ−Ｔｓ）×Ｃ×γ×Ｆｕ （１）
Ｑｕ´＝（Ｔｕ´−Ｔｓ）×Ｃ×γ×Ｆｕ´ （２）

（１）式および（２）式において、Ｔｕは設備外熱源温度（℃）、Ｆｕは設備外熱源流量（ｍ^３／ｈ）、Ｔｕ´は設備内熱源温度（℃）、Ｆｕ´は設備内熱源流量（ｍ^３／ｈ）でありそれぞれのセンサ（図示略）の計測値が用いられる。Ｃは比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）、γは比重（ｋｇ／ｍ^３）である。

ポテンシャル温度（℃）は、センサによって計測された設備外熱源温度Ｔｕ（℃）、設備内熱源温度Ｔｕ´（℃）がそのまま用いられる。

判定部１３は、ポテンシャル決定部１２で決定された各熱源のポテンシャル温度およびポテンシャル熱量に基づいて、利用熱源を決定する。
例えば、判定部１３は、ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値Ｑｍｉｎよりも大きい熱源を抽出し、抽出した熱源の中からポテンシャル温度が最も高い熱源を利用熱源として選択する。ここで、熱量下限値Ｑｍｉｎは経験的に決定される固定値であってもよいし、熱需要から逐次算出される値であってもよい。

図３は、上記熱源選択部１１によって実行される処理手順の具体例を示した図である。
まず、熱源選択部１１には、センサ（図示略）から設備外熱源温度Ｔｕ（℃）、設備外熱源流量Ｆｕ（ｍ^３／ｈ）、設備内熱源温度Ｔｕ´（℃）、設備内熱源流量Ｆｕ´（ｍ^３／ｈ）が入力される（ステップＳＡ１）。
熱源選択部１１のポテンシャル決定部１２は、入力されたセンサ計測値と上記（１）式、（２）式から設備外熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ、ポテンシャル温度Ｔｕ、設備内熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ´、ポテンシャル温度Ｔｕ´を決定し、判定部１３に出力する（ステップＳＡ２）。

判定部１３は、設備内熱源のポテンシャル温度Ｔｕ´が設備外熱源のポテンシャル温度Ｔｕよりも大きいか否かを判定する（ステップＳＡ３）。この結果、設備内熱源のポテンシャル温度Ｔｕ´の方が大きければ（ステップＳＡ３において「ＹＥＳ」）、続いて、設備内熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ´が予め設定されている熱量下限値Ｑｍｉｎよりも大きいか否かを判定する（ステップＳＡ４）。この結果、設備内熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ´が熱量下限値Ｑｍｉｎよりも大きければ、設備内熱源を利用熱源として選択する（ステップＳＡ５）。

一方、設備内熱源のポテンシャル温度Ｔｕが設備内熱源のポテンシャル温度Ｔｕ´以下の場合（ステップＳＡ３において「ＮＯ」）、または、設備内熱源のポテンシャル熱量Ｑｕ´が熱量下限値Ｑｍｉｎ以下の場合には（ステップＳＡ４において「ＮＯ」）、判定部１３は、設備外熱源を利用熱源として選択する（ステップＳＡ６）。

このようにして、システム制御装置１０の熱源選択部１１は利用熱源を選択すると、選択した利用熱源を熱源機２ａ、２ｂにおける熱源として利用させるべく、熱源切替弁８を制御する。
システム制御装置１０の熱源選択部１１は、１日のうちで予め設定された時刻、或いは、所定の時間間隔で上述した処理を実行することにより、逐次、好適な熱源を利用熱源として選択することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源システム１によれば、複数の熱源が利用可能であり、各熱源のポテンシャル熱量とポテンシャル温度とに基づいて熱供給のポテンシャルの最も高い熱源を利用熱源として選択するので、熱源が有する熱エネルギーを効果的に利用することが可能となる。

なお、利用熱源として選択した熱源を利用している場合において、熱源の熱量不足により、熱媒の温度を目標温度に一致させることができない場合には、他の熱源を併用することとしてもよい。この場合、外部負荷へ供給される熱媒の温度（図１におけるＴｈｏ）をモニタしておき、この温度が目標温度に達していない場合には、システム制御装置１０の熱源選択部１１は、他の熱源を併用させるべく、熱源切替弁８を制御する。これにより、設備内熱源および設備外熱源から採熱された熱源水が熱源機２ａ、２ｂの第１熱交換器４に供給されることとなり、熱量不足を解消させることができる。

また、本実施形態では、熱源機２ａ，２ｂにおいて熱媒の加熱を行う場合を例示して説明したが、本発明の熱源選択装置及びその方法は、熱源機２ａ、２ｂにおいて熱媒の冷却を行う熱源システムに対しても適用することができる。
この場合、システム制御装置１０の熱源選択部１１は、ポテンシャル熱量が熱量下限値Ｑｍｉｎよりも大きい熱源のうち、ポテンシャル温度が最も低い熱源を利用熱源として選択する。この場合の処理手順を図４に示す。図４に示すように、熱媒の冷却を行う場合には、ポテンシャル温度が低い熱源を選択することとしている（ステップＳＡ３´参照）。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る熱源システムについて、図面を参照して説明する。本実施形態に係る熱源システムは、設備内熱源についての一日におけるポテンシャル熱量の変化を予め分析し、その変化から設備内熱源を優先的に利用する時間帯を決定し、優先期間として予め登録する点で上述した第１実施形態に係る熱源システムとは異なる。
以下、上述した第１実施形態に係る熱源システムとは異なる点について主に説明する。

図５に、本実施形態に係るシステム制御装置１０ａの機能ブロック図を示す。図５に示すように、本実施形態では、熱源選択部１１ａの構成としてスケジューリング部１４が追加されている。
スケジューリング部１４には、少なくとも１つの熱源について、その熱源を優先的に利用する優先期間が登録されている。
図６に、設備内熱源のポテンシャル熱量の時間変化の一例を示す。図６に示されるグラフでは、１９時から２４時までのポテンシャル熱量が比較的高いことがわかる。したがって、例えば、スケジューリング部１４には、設備内熱源の優先期間として１９時から２４時が登録される。優先期間は、ポテンシャル熱量の時間変化の分析結果から設計者等が適宜選択して設定することが可能である。また、一つの指標としては、例えば、第１実施形態で用いた熱量下限値Ｑｍｉｎを基準とし、図６において、ポテンシャル熱量が熱量下限値Ｑｕｍｉｎ以上の期間を優先期間として決定してもよい。

このような構成を備えるシステム制御装置１０ａにおいては、現在時刻が優先期間に該当する熱源があるか否かがスケジューリング部１４により判定され、現在時刻が優先期間に該当する熱源がある場合には、判定部１３に対して優先期間に該当する熱源の情報を通知する。
判定部１３は、スケジューリング部１４から優先期間に該当する熱源の情報を受け取ると、この熱源を利用熱源として選択する。
また、スケジューリング部１４は、判定部１３に通知した熱源の優先期間が終了すると、優先期間が終了した旨を通知する。これにより、判定部１３は、スケジューリング部１４から通知された熱源の優先利用を解除し、上述の第１実施形態のように、ポテンシャル温度及びポテンシャル熱量に基づく利用熱源の選択を再び開始させる。

これにより、例えば、スケジューリング部１４に、設備内熱源の優先期間として１９時から２４時が登録されていた場合には、この期間においては判定部１３によって設備内熱源が利用熱源として選択され、熱源機２ａ、２ｂにおいて熱源として利用されることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源システムによれば、スケジューリング部１４に少なくとも１つの熱源における優先期間が登録されているので、この優先期間に関しては登録されている熱源を自動的に選択すればよい。これにより、システム制御装置１０ａの処理を軽減させることができる。また、優先期間において、熱媒の温度を目標温度まで加熱できない場合には、他の熱源、例えば、設備外熱源を併用することにより、熱不足を解消することも可能である。
また、他の態様として、設備外熱源をベースとして利用し、設備外熱源では熱量が不足する場合に、設備内熱源を併用することも考えられる。この場合には、設備外熱源の優先期間を２４時間に設定しておけばよい。これにより、まずは、設備外熱源が利用熱源として選択され、熱媒の温度を目標温度まで加熱できない場合に、設備内熱源が併用されることとなる。また、熱源が複数存在した場合には、優先期間だけでなく優先度についても設定可能としてもよい。このようにすることで、優先的に選択させる熱源の順番も指定できることとなる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る熱源システムについて、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る熱源システムは、熱源機２ａ，２ｂの接続形態を異ならせることが可能な点で上述した第１実施形態に係る熱源システムと異なる。
以下、本実施形態に係る熱源システム１ｂについて、上述した第１実施形態と共通する構成要素については同一の符号を付し説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図７および図８は、本実施形態に係る熱源システム１ｂの構成を概略的に示した図であり、図７はカスケード接続を有しない接続形態とした場合、図８はカスケード接続を有する接続形態とした場合の配管接続例を示している。
図７および図８に示すように、本実施形態に係る熱源システム１ｂは、熱源機２ｂ´における第１熱交換器４において、循環冷媒と熱交換される媒体が流通する伝熱管Ｌｍの接続先を熱源水が流通する熱源水配管Ｌａと第２熱媒が流通する熱媒配管Ｌｂとの間で切り替える配管切替弁９を備えている。

更に、熱源機２ｂ´において、循環冷媒が循環する冷媒回路３には、循環冷媒の循環方向を切り替える図示しない四方弁（循環切替手段）が設けられている。そして、図７に示すように、熱源機２ｂ´の第１熱交換器４において、伝熱管Ｌｍが熱源水配管Ｌａと接続されている場合には、熱源機２ｂ´において、循環冷媒が圧縮機５、第２熱交換器６、第１熱交換器４を経由して再び圧縮機５に戻るように四方弁が設定される。この場合、冷媒系統は、図１に示した第１実施形態と同様となり、熱源機２ａ、２ｂによって熱媒（以下「第１熱媒」という。）が加熱され、外部負荷（以下「第１外部負荷」という。）へ供給されることとなる。

一方、図８に示すように、熱源機２ｂ´の伝熱管Ｌｍが熱媒配管Ｌｂと接続されている場合には、熱源機２ｂ´において、循環冷媒が圧縮機５、第１熱交換器４、第２熱交換器６を経由して再び圧縮機５に戻るように四方弁が設定される。この場合、第１熱交換器４は凝縮器として、第２熱交換器６は蒸発器として機能する。

すなわち、図８に示すような接続形態では、熱源機２ａの第１熱交換器４において加熱された循環冷媒が圧縮機５を経由して第２熱交換器６へ送られる。第２熱交換器６では、高温高圧の循環冷媒と第１熱媒とが熱交換されることにより、第１熱媒が加熱される。
熱源機２ａにおいて加熱された第１熱媒は、熱源機２ｂ´の熱源として利用されるとともに第１外部負荷（例えば、設備内に設置された空調設備）に送られることにより、暖房用の熱源として利用される。

熱源機２ｂ´の第２熱交換器６では、熱源機２ａにおいて加熱された第１熱媒と循環冷媒との間で熱交換が行われ、循環冷媒が加熱される。第１熱媒との熱交換により加熱された循環冷媒は、圧縮機５により高温高圧のガス冷媒とされ、第１熱交換器４に送られる。第１熱交換器４では、熱媒配管Ｌｂから供給される第２熱媒が伝熱管Ｌｍを流通することにより、第２熱媒と高温高圧のガス循環冷媒との間で熱交換が行われ、第２熱媒が加熱される。加熱された第２熱媒は、熱媒配管Ｌｂを流通して第２外部負荷（例えば、設備内に設けられた給湯設備）へ供給されて利用される。

このように、図８に示した接続形態では、熱源機２ａにおいて加熱された第１熱媒が熱源機２ｂにおいて熱源として使用される。このように、複数の熱源機２ａ、２ｂをカスケード接続することにより、高温側（後段）の熱源機２ｂ´においては更に高い温度の熱媒を生成することが可能となる。

また、カスケード接続されている箇所の熱媒の温度、換言すると、高温側の熱源機２ｂ´において熱源として利用される第１熱媒の温度Ｔｍｏを当該設備内で必要とされる温度、例えば、空調設備の暖房運転に適切な温度に設定することで、第１熱媒についても有効に設備内で利用することが可能となる。

上述した熱源システム１ｂにおける配管切替弁９の切替制御および四方弁（図示略）の切替制御は、システム制御装置１０ｂ（図９参照）によって実行される。図９に、本実施形態に係るシステム制御装置１０ｂの機能ブロック図を示す。システム制御装置１０ｂは、熱源選択部１１と、接続形態選択部２０とを備えている。

熱源選択部１１は、第１実施形態で説明した通りである。なお、熱源選択部１１に代えて第２実施形態に係る熱源選択部１１ａを備えることとしてもよい。
接続形態選択部２０は、カスケード接続を有しない場合（図７参照）の成績係数ＣＯＰおよびカスケード接続を有する場合（図８参照）の成績係数ＣＯＰｃを算出する演算部２１と、演算部２１によって算出された成績係数ＣＯＰ、ＣＯＰｃに基づいて接続形態を決定する判定部２２とを主な構成として備えている。

演算部２１は、例えば、図１０に示すステップＳＢ１からＳＢ７の処理を実行することにより、カスケード接続を有しない場合の成績係数ＣＯＰと、カスケード接続を有する場合の成績係数ＣＯＰｃとを算出する。以下、図１０を参照して各演算処理について説明する。

まず、ステップＳＢ１において、成績係数の算出に必要となる各種データを取得する。取得するデータの一例としては、加熱能力Ｑ、定格加熱能力Ｑｒ、熱源選択部１１によって選択された熱源の温度Ｔｕ＿ｓｅｌ等が挙げられる。ここで、熱源の温度Ｔｕ＿ｓｅｌは、熱源選択部１１によって設備外熱源が選択されている場合には、Ｔｕ＿ｓｅｌ＝Ｔｕとなり、設備内熱源が選択されている場合には、Ｔｕ＿ｓｅｌ＝Ｔｕ´となる。

ステップＳＢ２において、以下の（３）式を用いて熱源機負荷率Ｌｆを算出する。

Ｌｆ＝Ｑ／Ｑｒ （３）

ステップＳＢ３において、（４）式を用いて熱源水入口温度Ｔｌｉを算出する。

Ｔｌｉ＝Ｔｕ＿ｓｅｌ−ΔＴｕ＿ｓｅｌ （４）

（４）式において、ΔＴｕ＿ｓｅｌは熱源選択部１１によって選択された熱源（下水または排水）と熱源水とを熱交換させる熱交換器（図示略）の性能によって決定される定数である。なお、熱源システム１ｂの運転中など、図示しない温度センサによって熱源水入口温度が測定されている場合には、そのセンサの計測値を採用することとしてもよい。

ステップＳＢ４において、（５）式を用いて熱源水出口温度Ｔｌｏを算出する。熱源水出口温度Ｔｌｏは、第１熱交換器４において循環冷媒と熱交換された後の熱源水の温度である。

Ｔｌｏ＝Ｔｌｉ−ΔＴｌ×Ｌｆ （５）

（５）式において、ＴｌｉはステップＳＢ３において算出した熱源水入口温度、ΔＴｌは第１熱交換器４の性能により決定される定数、ＬｆはステップＳＢ２で算出した熱源機負荷率である。なお、熱源システム１ｂの運転中など、熱源出口温度がセンサ（図示略）により測定されている場合には、センサの計測値を採用することとしてもよい。

ステップＳＢ５において、中間温度を算出する。中間温度は、図８に示すように、第１熱媒の入口温度Ｔｍｉ、第１熱媒の出口温度Ｔｍｏであり、カスケード接続を有する場合の成績係数ＣＯＰｃを算出するために用いられるパラメータである。
第１熱媒の出口温度Ｔｍｏは（６）式により、第１熱媒の入口温度Ｔｍｉは（７）式により算出される。

Ｔｍｏ＝（Ｔｈｏ＿２＋Ｔｌｏ）／２ （６）
Ｔｍｉ＝Ｔｍｏ−ΔＴｍ×Ｌｆ （７）

（６）式において、Ｔｈｏ＿２は第２熱媒の出口温度、ＴｌｏはステップＳＢ４において算出した熱源水出口温度である。
（７）式において、Ｔｍｏは（６）式で求めた第１熱媒の入口温度、ΔＴｍは第２熱交換器６の性能により決定される定数、ＬｆはステップＳＢ２で算出した熱源機負荷率である。

ステップＳＢ６において、（８）式を用いて、カスケード接続なしの場合の成績係数ＣＯＰを算出する。

ＣＯＰ＝ｆ（Ｔｌｏ，Ｔｈｏ＿１，Ｌｆ） （８）

（８）式において、ＴｌｏはステップＳＢ４において算出した熱源水出口温度、Ｔｈｏ＿１は図７に示すように第１熱媒の出口温度、ＬｆはステップＳＢ２で算出した熱源機負荷率である。成績係数ＣＯＰは、上記（８）式のように、熱源水出口温度、第１熱媒の出口温度、熱源機負荷率をパラメータとして含む所定の関数により求めることができる。

ステップＳＢ７において（９）式を用いてカスケード接続ありの場合の成績係数ＣＯＰｃを算出する。

ＣＯＰｃ＝ＣＯＰｃｌ×ＣＯＰｃｈ／（ＣＯＰｃｌ＋ＣＯＰｃｈ） （９）
ＣＯＰｃｌ＝ｆ（Ｔｌｏ，Ｔｍｏ，Ｌｆ） （１０）
ＣＯＰｃｈ＝ｆ（Ｔｍｉ，Ｔｈｏ＿２，Ｌｆ） （１１）

（９）式において、ＣＯＰｃｌは、カスケード接続の低温側の熱源機、すなわち熱源機２ａの成績係数であり、（１０）式で算出される。また、（９）式において、ＣＯＰｃｈは、カスケード接続の高温側の熱源機、すなわち熱源機２ｂの成績係数であり（１１）式で算出される。
（１０）式において、ＴｌｏはステップＳＢ４で算出した熱源水出口温度、ＴｍｏはステップＳＢ５で算出した第１熱媒の出口温度、ＬｆはステップＳＢ２で算出した熱源機負荷率である。
（１０）式において、ＴｍｉはステップＳＢ５で算出した第１熱媒の入口温度、Ｔｈｏ＿２は第２熱媒の出口温度、ＬｆはステップＳＢ２で算出した熱源機負荷率である。
このように、カスケード接続ありの場合の成績係数ＣＯＰｃは、カスケード接続の低温側の熱源機における成績係数と、カスケード接続の高温側の熱源機における成績係数とを用いて算出される。

このようにして、カスケード接続なしの場合の成績係数ＣＯＰ、カスケード接続ありの場合の成績係数ＣＯＰｃを算出すると、演算部２１は判定部２２に対してこれらの算出結果を出力する。

判定部２２は、演算部２１からの成績係数ＣＯＰ、ＣＯＰｃを比較し、成績係数が大きい方の接続形態を選択する（図１０のステップＳＢ８からＳＢ１０）。

システム制御装置１０ａは、上記の演算処理を実行することにより接続形態を決定すると、決定した接続形態に基づいて配管切替弁９及び熱源機２ｂ´の四方弁（図示略）を操作する。これにより、カスケードなしの接続形態が選択された場合には、図７に示すような冷媒系統とされ、カスケードありの接続形態が選択された場合には、図８に示すような冷媒系とされる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源システムによれば、熱源機の接続形態をカスケード接続を有しない接続形態と、カスケード接続を有しない接続形態とに切り替えることができる。したがって、例えば、熱需要と供給熱量とのバランスに応じて適切な接続形態を選択することが可能となる。また、本実施形態では、各接続形態における成績係数を算出し、成績係数の最も高い接続形態を選択するので、熱効率の観点から好適な接続形態を選定することができる。

なお、上記の説明では、熱源システム１ｂが２台の熱源機２ａ、２ｂを備える場合について例示したが、熱源機は３台以上設けられていても良い。この場合、カスケード接続する際には、低温側の台数、高温側の台数について任意に変更できるものとする。例えば、３台の場合、接続形態としては、低温側１台、高温側２台の場合と、低温側２台、高温側１台の場合とが考えられる。したがって、これらの各接続形態について上述した成績係数をそれぞれ算出し、カスケード接続がない場合の成績係数も含めて、最も成績係数の高い接続形態を選択することとすればよい。

また、成績係数によらずに、接続形態についてオペレータからの指示入力があった場合には、入力された接続形態に従って配管切替弁９及び四方弁の切り替えを行うこととしてもよい。

また、上述した実施形態では、熱源システムにおいて加熱を行う場合について説明したが、冷却を行う場合についても本発明は適用することができる。冷却を行う場合には、演算部２１（図９参照）における熱源水入口温度の算出式および熱源水出口温度の算出式が上述の加熱の場合と異なる。具体的には、上述した（４）式に代えて、以下の（１２）式を用いて熱源水入口温度の算出を行うとともに、上述した（５）式に代えて、以下の（１３）式を用いて熱源水出口温度の算出を行う。なお、その他の演算式は、上述した加熱の場合と同様であるため、上記を引用すればよい。

Ｔｌｉ＝Ｔｕ＿ｓｅｌ＋ΔＴｕ＿ｓｅｌ （１２）
Ｔｌｏ＝Ｔｌｉ＋ΔＴｌ×Ｌｆ （１３）

なお、上述した各実施形態では、設備内に設置された熱源システムにおいて独立して熱源の選択や接続形態の選択を行う場合について述べたが、図１１に示すように、所定のエリア内における熱源システムをネットワークでつなぎ、更に、中央制御装置３０を設けて、複数の熱源システムにおける未利用熱の使用状況を統括的に管理するような未利用熱利用システムを構築することとしてもよい。
例えば、図１１に示すように、所定地域に設置され、未利用熱を熱源として用いている上記いずれかの実施形態に係る熱源システムのシステム制御装置と、中央制御装置３０とを通信媒体を介して接続する。中央制御装置３０は、所定地域における未利用熱（例えば、下水）の利用状況を集約して管理する装置である。各システム制御装置からは、例えば、その熱源システムで用いられた未利用熱の流量、未利用熱のシステム入口温度および出口温度などが中央制御装置３０に送信される。中央制御装置３０は、このような情報に基づいて、各設備におけるポテンシャル温度、ポテンシャル熱量等を演算し、各システム制御装置に送信する。
このように、各熱源システムで行われていた未利用熱のポテンシャル管理をエリアに拡大させ、中央制御装置３０において、エリア全体の未利用熱の状況を集約的に管理することで、未利用熱の効果的な運用を実現することが期待することができる。

１、１ｂ 熱源システム
２ａ、２ｂ、２ｂ´ 熱源機
３ 冷媒回路
４ 第１熱交換器
５ 圧縮機
６ 第２熱交換器
７ 排水槽
８ 熱源切替弁
９ 配管切替弁
１０、１０ａ、１０ｂ システム制御装置
１１、１１ａ 熱源選択部
１２ ポテンシャル決定部
１３ 判定部
１４ スケジューリング部
２０ 接続形態選択部
２１ 演算部
２２ 判定部
３０ 中央制御装置
Ｌａ 熱源水配管
Ｌｂ 熱媒配管
Ｌｍ 伝熱管

Claims (11)

1. 利用可能な複数の熱源が存在する熱源システムに適用され、利用する熱源の選択する熱源選択装置であって、
   複数の前記熱源は、
   下水、河川水、地下水、井水、海水、又は湖水等の未利用熱と、
   当該システムで加熱または冷却された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生する排水と
   を含み、
   各前記熱源の温度に関する評価値であるポテンシャル温度、及び、各前記熱源の熱量に関する評価値であるポテンシャル熱量を決定するポテンシャル決定部と、
   前記ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値よりも大きい熱源を抽出し、加熱用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も高い前記熱源を選択し、冷却用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も低い熱源を選択する判定手段と
   を具備する熱源選択装置。
2. 少なくとも一つの前記熱源について、該熱源を優先的に選択する優先期間を予め設定しておき、
   前記判定手段は、前記優先期間において該熱源を優先的に選択する請求項１に記載の熱源選択装置。
3. 前記優先期間において、前記熱媒の温度が予め設定されている目標温度に達しない場合には、他の熱源を併用する請求項２に記載の熱源選択装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱源選択装置を備える熱源システム。
5. 前記熱源から供給される熱源水を用いて第１熱媒を冷却または加熱可能な複数の熱源機と、
   前記熱源機において、前記熱源水と循環冷媒との間で熱交換を行わせる第１熱交換器に設けられ、前記熱源水が流通する伝熱管と、
   前記熱源からの前記熱源水が流通する熱源水配管と、
   第２熱媒が流通する熱媒配管と、
   複数の前記熱源機のうち、一部の前記熱源機における前記伝熱管の接続先を前記熱源水配管と前記熱媒配管との間で択一的に切り替えるための配管切替手段と、
   該一部の熱源機における前記循環冷媒の流れを切り替えるための循環切替手段と、
   前記接続切替手段および前記循環切替手段を制御することにより、カスケード接続を有する接続形態と、カスケード接続を有しない接続形態とを切替える接続形態制御手段と
   を具備する請求項４に記載の熱源システム。
6. 前記接続形態制御手段は、
   前記カスケード接続を有する場合の当該システムの成績係数と、カスケード接続を有さない場合の当該システムの成績係数とを算出する演算手段と、
   前記演算手段によって算出された成績係数が最も高い接続形態を選択する判定手段と
   を備え、
   前記判定手段によって選択された接続形態に従って前記接続切替手段および前記循環切替手段を制御する請求項５に記載の熱源システム。
7. 前記演算手段は、前記カスケード接続を有する場合の当該システムの成績係数を演算する場合には、カスケード接続された低温側の１または複数の熱源機からなる熱源機ユニットの成績係数と、高温側の１または複数の熱源機からなる熱源機ユニットの成績係数とを算出し、算出した前記成績係数を用いて当該システムの成績係数を算出する請求項６に記載の熱源システム。
8. 各前記熱源機ユニットの成績係数は、熱源水出口温度と、当該熱源機ユニットで製造される熱媒の出口温度と、熱源機負荷率とをパラメータとして含む所定の演算式を用いて演算される請求項７に記載の熱源システム。
9. 低温側の前記熱源機ユニットによって製造された前記第１熱媒が暖房用途の空調設備へ供給され、
   高温側の前記熱源機ユニットによって製造された前記第２熱媒が給湯設備へ供給される請求項７または請求項８に記載の熱源システム。
10. 利用可能な複数の熱源が存在する熱源システムに適用され、利用する熱源の選択する熱源選択方法であって、
    複数の前記熱源は、
    下水、河川水、地下水、井水、海水、又は湖水等の未利用熱と、
    該熱源を用いて加熱または冷却された熱媒が供給される外部負荷が設置されている設備内で発生する排水と
    を含み、
    各前記熱源の温度に関する評価値であるポテンシャル温度、及び、各前記熱源の熱量に関する評価値であるポテンシャル熱量を特定するポテンシャル決定過程と、
    前記ポテンシャル熱量が予め設定されている熱量下限値よりも大きい熱源を抽出し、加熱用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も高い前記熱源を選択し、冷却用途の場合には、抽出した前記熱源の中からポテンシャル温度が最も低い熱源を選択する判定過程と
    を具備する熱源選択方法。
11. 請求項４から請求項９のいずれかに記載の熱源システムと、
    前記熱源システムが設置されている設備の周辺における前記未利用熱の利用状況を集約して管理する中央制御装置と
    を備え、
    前記中央制御装置が、前記熱源システムに対して該設備における未利用熱のポテンシャル温度およびポテンシャル熱量の情報を提供する未利用熱利用システム。
    

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