JP2014202370A

JP2014202370A - 加熱装置

Info

Publication number: JP2014202370A
Application number: JP2013075976A
Authority: JP
Inventors: 宏明佐々木; Hiroaki Sasaki
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-10-27

Abstract

【課題】発電機の排熱とヒートポンプの放熱によって熱媒を加熱する加熱装置において、発電機における排熱回収効率と、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高く保ちつつ、加熱後の熱媒の温度を適切に管理することが可能な技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する加熱装置は、発電機と、発電機の排熱で第１熱媒を加熱する第１熱交換器と、発電機で生成された電力で駆動するヒートポンプと、ヒートポンプの放熱で第１熱媒を加熱する第２熱交換器と、第１熱交換器を流れる第１熱媒の流量と、第２熱交換器を流れる第１熱媒の流量の比率を調整する手段を備えている。その加熱装置では、第１熱交換器の下流側の第１熱媒と第２熱交換器の下流側の第１熱媒が合流している。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置に関する。

特許文献１に、加熱装置が開示されている。この加熱装置は、発電機と、発電機の排熱で熱媒を加熱する第１熱交換器と、発電機で生成された電力で駆動するヒートポンプと、ヒートポンプの放熱で熱媒を加熱する第２熱交換器を備えている。この加熱装置によれば、発電機の排熱を利用して熱媒を加熱しつつ、発電機が生成した電力で駆動するヒートポンプを利用して熱媒を加熱することができる。発電機が生成する電力と排熱を有効に活用して熱媒を加熱することができる。

特開２００８ー１８５２４５号公報

特許文献１の技術では、第１熱交換器と第２熱交換器を単に直列に接続する構成としており、熱媒は第２熱交換器で加熱された後、さらに第１熱交換器で加熱される。このような構成とすると、発電機における排熱回収効率やヒートポンプにおけるエネルギー効率を優先して制御すると、加熱後の熱媒の温度が所望の温度となるように制御することが困難となる。また、加熱後の熱媒の温度が所望の温度となるように制御すると、発電機における排熱回収効率やヒートポンプにおけるエネルギー効率を高めることが困難となる。発電機における排熱回収効率と、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高く保ちつつ、加熱後の熱媒の温度を適切に管理することが可能な技術が期待されている。

本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、発電機の排熱とヒートポンプの放熱によって熱媒を加熱する加熱装置において、発電機における排熱回収効率と、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高く保ちつつ、加熱後の熱媒の温度を適切に管理することが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する加熱装置は、発電機と、発電機の排熱で第１熱媒を加熱する第１熱交換器と、発電機で生成された電力で駆動するヒートポンプと、ヒートポンプの放熱で第１熱媒を加熱する第２熱交換器と、第１熱交換器を流れる第１熱媒の流量と、第２熱交換器を流れる第１熱媒の流量の比率を調整する手段を備えている。その加熱装置では、第１熱交換器の下流側の第１熱媒と第２熱交換器の下流側の第１熱媒が合流している。

上記の加熱装置によれば、第１熱交換器を流れる第１熱媒の流量と、第２熱交換器を流れる第１熱媒の流量の比率を調整することで、最終的な第１熱媒の温度を調整することができる。一般に、発電機における排熱回収効率を高めるためには、第１熱交換器の入口における第１熱媒の温度と出口における第１熱媒の温度の差を大きくすることが好ましい。また、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高めるためには、第２熱交換器の入口における第１熱媒の温度と出口における第１熱媒の温度の差を小さくする（例えば１０℃程度にする）ことが好ましい。上記の加熱装置では、発電機の排熱回収効率が高くなるように第１熱交換器の出口における第１熱媒の温度を調整し、ヒートポンプのエネルギー効率が高くなるように第２熱交換器の出口における第１熱媒の温度を調整した場合でも、第１熱交換器からの第１熱媒と第２熱交換器からの第１熱媒の混合比を調整することで、最終的な熱媒の温度を所望の温度に調整することができる。発電機における排熱回収効率と、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高く保ちつつ、加熱後の熱媒の温度を適切に管理することができる。

上記の加熱装置は、第１熱交換器および第２熱交換器で加熱された第１熱媒を蓄える蓄熱槽をさらに備えるように構成することができる。

上記の加熱装置によれば、第１熱媒についての熱需要がない時期においても、電力需要に応じて発電機とヒートポンプを駆動して、蓄熱槽に蓄熱することができる。

上記の加熱装置は、第１熱交換器が、発電機の排熱で第１熱媒および／または第２熱媒を加熱する三流体熱交換器であり、第２熱交換器が、ヒートポンプの放熱で第１熱媒および／または第２熱媒を加熱する三流体熱交換器であるように構成することができる。

上記の加熱装置によれば、蓄熱槽の内部が高温の第１熱媒で満たされた満蓄状態になり、蓄熱槽への熱回収ができない場合であっても、第２熱媒に熱を回収することができる。

上記の加熱装置は、第１熱交換器と第２熱交換器が並列に接続されているように構成することができる。あるいは、上記の加熱装置は、第１熱交換器と第２熱交換器が直列に接続されており、第１熱交換器をバイパスするバイパス路が第１熱交換器と並列に接続されているように構成することができる。

本明細書が開示する加熱装置によれば、発電機における排熱回収効率と、ヒートポンプにおけるエネルギー効率を高く保ちつつ、加熱後の熱媒の温度を適切に管理することができる。

実施例１の加熱装置２の構成を模式的に示す図である。実施例２の加熱装置７２の構成を模式的に示す図である。

（実施例１）
図１は、本実施例の加熱装置２の概略の構成を示している。加熱装置２は主に、発電機４と、第１熱交換器６と、第１循環ポンプ８と、ヒートポンプ１０と、第２熱交換器１２と、第２循環ポンプ１４と、蓄熱槽１６と、混合弁１８と、補助熱源機２０と、バイパス制御弁２２と、三方弁２４等を備えている。

発電機４は、電力を生成するとともに排熱を生成する。発電機４は、例えばＳＯＦＣやＰＥＦＣなどの燃料電池であってもよいし、ガスエンジン発電機であってもよし、太陽光発電機であってもよい。発電機４は、冷却水循環路２６を備えている。冷却水循環路２６の一部は、第１熱交換器６を通過している。冷却水循環路２６を冷却水が循環することで、発電機４の排熱が第１熱交換器６で放熱される。

ヒートポンプ１０は、冷媒を循環させることで、外気から吸熱して第２熱交換器１２で放熱する。ヒートポンプ１０は、冷媒循環路２８を備えている。冷媒循環路２８の一部は、第２熱交換器１２を通過している。ヒートポンプ１０は、発電機４で生成した電力の供給を受けて動作する。

蓄熱槽１６は、内部に給湯用水（第１熱媒に相当する）を蓄えることができる。蓄熱槽１６の下部には、給湯用水往路３０が接続している。給湯用水往路３０は、第１給湯用水加熱路３２と第２給湯用水加熱路３４に分岐している。第１給湯用水加熱路３２は、第１熱交換器６を通過している。第１給湯用水加熱路３２には、第１循環ポンプ８が設けられている。第２給湯用水加熱路３４は、第２熱交換器１２を通過している。第２給湯用水加熱路３４には、第２循環ポンプ１４が設けられている。第１給湯用水加熱路３２の第１熱交換器６より下流側と第２給湯用水加熱路３４の第２熱交換器１２より下流側は、合流して給湯用水復路３６に接続している。給湯用水復路３６は、蓄熱槽１６の上部に接続している。

加熱装置２には、給水路３８から給湯用水として水道水が供給される。給水路３８は、蓄熱槽給水路４０と蓄熱槽バイパス路４２に分岐している。蓄熱槽給水路４０は蓄熱槽１６の下部に接続している。蓄熱槽１６の上部には、蓄熱槽出水路４４が接続している。蓄熱槽バイパス路４２と蓄熱槽出水路４４は合流して、第１給湯路４６に接続している。蓄熱槽バイパス路４２と蓄熱槽出水路４４の合流箇所には、混合弁１８が設けられている。混合弁１８は、蓄熱槽バイパス路４２から第１給湯路４６に流れる給湯用水の流量と、蓄熱槽出水路４４から第１給湯路４６に流れる給湯用水の流量の比率を調整可能である。

第１給湯路４６は、補助熱源機往路４８と補助熱源機バイパス路５０に分岐している。補助熱源機往路４８は補助熱源機２０に接続している。補助熱源機２０は、ガスの燃焼によって給湯用水を加熱する。補助熱源機２０には補助熱源機復路５２が接続しており、加熱された給湯用水は補助熱源機復路５２へ送られる。補助熱源機バイパス路５０にはバイパス制御弁２２が設けられている。補助熱源機復路５２と補助熱源機バイパス路５０は合流して、第２給湯路５４へ接続している。第２給湯路５４を介して、給湯箇所への給湯が行われる。

加熱装置２には、床暖房機等を備える暖房回路から暖房熱媒往路５６を介して暖房熱媒（第２熱媒に相当する）が流入する。本実施例では、暖房熱媒は水または不凍液である。暖房熱媒往路５６は、第１暖房熱媒加熱路５８と第２暖房熱媒加熱路６０に分岐している。第１暖房熱媒加熱路５８と第２暖房熱媒加熱路６０が分岐する箇所には、三方弁２４が設けられている。三方弁２４は、暖房熱媒往路５６から第１暖房熱媒加熱路５８へ流れる暖房熱媒の流量と、暖房熱媒往路５６から第２暖房熱媒加熱路６０へ流れる暖房熱媒の流量の比率を調整可能である。第１暖房熱媒加熱路５８は、第１熱交換器６を通過している。第２暖房熱媒加熱路６０は、第２熱交換器１２を通過している。第１暖房熱媒加熱路５８と第２暖房熱媒加熱路６０は合流して、暖房熱媒復路６２に接続している。暖房熱媒復路６２を介して加熱装置２から暖房回路へ暖房熱媒が送り出される。

加熱装置２において、発電機４が発電を行う際には、第１循環ポンプ８を駆動して蓄熱槽１６の給湯用水を第１熱交換器６に循環させる。蓄熱槽１６の下部から低温の給湯用水が第１熱交換器６に送り出されて加熱される。第１熱交換器６で加熱されて高温となった給湯用水は蓄熱槽１６の上部に戻される。

発電機４が発電を行っている状態で、ヒートポンプ１０を駆動する際には、第２循環ポンプ１４を駆動して蓄熱槽１６の給湯用水を第２熱交換器１２にも循環させる。蓄熱槽１６の下部から低温の給湯用水が第２熱交換器１２に送り出されて加熱される。第２熱交換器１２で加熱された高温となった給湯用水は、第１熱交換器６で加熱された給湯用水と混合した後、蓄熱槽１６の上部に戻される。

発電機４においては、排熱の回収効率を高めるために、第１熱交換器６の入口における給湯用水の温度と第１熱交換器６の出口における給湯用水の温度の差は、大きくすることが好ましい。これに対して、ヒートポンプ１０においては、エネルギー効率を高めるために、第２熱交換器１２の入口における給湯用水の温度と第２熱交換器１２の出口における給湯用水の温度の差は、小さくする（例えば１０℃程度とする）ことが好ましい。第１熱交換器６の入口における給湯用水の温度と第２熱交換器１２の入口における給湯用水の温度は同じであるから、発電機４において高い排熱回収効率を実現し、かつヒートポンプ１０において高いエネルギー効率を実現する場合、第１熱交換器６の出口における給湯用水の温度と、第２熱交換器１２の出口における給湯用水の温度は、大きく異なるものとなる。このため、給湯用水復路３６から蓄熱槽１６の上部に戻される給湯用水の温度は、第１熱交換器６を流れる給湯用水の流量と、第２熱交換器１２を流れる給湯用水の流量の比率を調整することで、調整することができる。本実施例の加熱装置２では、第１循環ポンプ８の回転数と第２循環ポンプ１４の回転数をそれぞれ制御することで、第１熱交換器６を流れる給湯用水の流量と、第２熱交換器１２を流れる給湯用水の流量の比率を調整することができる。このような構成とすることで、蓄熱槽１６の上部に戻される給湯用水の温度管理を適切に行うことができる。なお、上記の例では、第１循環ポンプ８の回転数と第２循環ポンプ１４の回転数をそれぞれ制御することで、第１熱交換器６を流れる給湯用水の流量と第２熱交換器１２を流れる給湯用水の流量の比率を調整しているが、例えば、第１給湯用水加熱路３２と第２給湯用水加熱路３４の分岐部または合流部に三方弁を設けて、その三方弁の開度を調整することで、第１熱交換器６を流れる給湯用水の流量と第２熱交換器１２を流れる給湯用水の流量の比率を調整してもよい。

蓄熱槽１６の上部に戻される給湯用水の温度は、給湯設定温度まで上昇していることが好ましい。しかしながら、ヒートポンプ１０のみで給湯用水の加熱を行う場合、高いエネルギー効率を優先すると、給湯設定温度まで給湯用水を加熱できないおそれがある。本実施例の加熱装置２では、第１熱交換器６の出口における給湯用水の温度が高くなるように発電機４を運転させることで、第２熱交換器１２の出口における給湯用水の温度が低い場合でも、給湯設定温度まで加熱された給湯用水を蓄熱槽１６の上部に戻すことができる。ヒートポンプ１０を高いエネルギー効率で運転させつつ、蓄熱槽１６に給湯設定温度の給湯用水を蓄えることができる。

本実施例の加熱装置２では、第１熱交換器６と第２熱交換器１２が並列に接続されている。このような構成とすることで、第１熱交換器６と第２熱交換器１２を直列に接続する場合に比べて、第１熱交換器６の入口における給湯用水の温度を低くし、発電機４からの排熱回収効率を高めることができる。

本実施例の加熱装置２では、発電機４およびヒートポンプ１０によって加熱された給湯用水を蓄熱槽１６に蓄えることができる。このため、給湯や暖房における熱需要がない状況でも、電力需要に応じて発電機４を運転させることができ、発電機４とヒートポンプ１０からの熱を蓄熱槽１６に蓄えることができる。

本実施例の加熱装置２では、第１熱交換器６と第２熱交換器１２が三流体熱交換器であって、第１熱交換器６において発電機４からの放熱を暖房熱媒の加熱に利用することができ、第２熱交換器１２においてヒートポンプ１０からの放熱を暖房熱媒の加熱に利用することができる。このような構成とすることで、蓄熱槽１６が高温の給湯用水で満たされた状態（満蓄状態）となった後も、発電機４やヒートポンプ１０から暖房熱媒へ放熱することができるため、発電機４とヒートポンプ１０の運転を継続することができる。

（実施例２）
図２は本実施例の加熱装置７２の概略の構成を示している。以下では実施例１の加熱装置２と相違する点についてのみ詳細に説明する。

蓄熱槽１６の下部には、給湯用水往路７４が接続している。給湯用水往路７４は、第２熱交換器１２を通過している。給湯用水往路７４には、循環ポンプ７６が設けられている。給湯用水往路７４は、発電機加熱路７８と発電機バイパス路８０に分岐している。発電機加熱路７８は、第１熱交換器６を通過している。発電機加熱路７８と発電機バイパス路８０は合流して、給湯用水復路８４に接続している。発電機加熱路７８と発電機バイパス路８０が合流する箇所には、三方弁８２が設けられている。三方弁８２は、発電機加熱路７８から給湯用水復路８４に流れる熱媒の流量と、発電機バイパス路８０から給湯用水復路８４に流れる熱媒の流量の比率を調整可能である。

暖房熱媒往路５６は、暖房熱媒加熱路８６と暖房熱媒バイパス路８８に分岐している。暖房熱媒加熱路８６と暖房熱媒バイパス路８８に分岐する箇所には、三方弁９０が設けられている。三方弁９０は、暖房熱媒往路５６から暖房熱媒加熱路８６に流れる暖房熱媒の流量と、暖房熱媒往路５６から暖房熱媒バイパス路８８に流れる暖房熱媒の流量の比率を調整可能である。暖房熱媒加熱路８６は、第２熱交換器１２と第１熱交換器６を順に通過している。暖房熱媒加熱路８６と暖房熱媒バイパス路８８は合流して、暖房熱媒復路６２に接続している。

加熱装置７２において、発電機４が発電を行う際には、三方弁８２において発電機バイパス路８０を全閉（発電機加熱路７８を全開）にした状態で、循環ポンプ７６を駆動して蓄熱槽１６の給湯用水を第１熱交換器６に循環させる。蓄熱槽１６の下部から低温の給湯用水が第１熱交換器６に送り出されて加熱される。第１熱交換器６で加熱されて高温となった給湯用水は蓄熱槽１６の上部に戻される。

発電機４が発電を行っている状態で、ヒートポンプ１０を駆動すると、蓄熱槽１６の下部から低温の給湯用水が第２熱交換器１２に送り出されて加熱される。第２熱交換器１２で加熱された高温となった給湯用水は、さらに第１熱交換器６で加熱された後、蓄熱槽１６の上部に戻される。

本実施例の加熱装置７２においては、給湯用水復路８４から蓄熱槽１６の上部に戻される給湯用水の温度は、発電機加熱路７８から給湯用水復路８４に流れる給湯用水の流量と、発電機バイパス路８０から給湯用水復路８４に流れる給湯用水の流量の比率に応じて変化する。発電機加熱路７８から給湯用水復路８４には、第１熱交換器６で加熱された給湯用水が流れる。発電機バイパス路８０から給湯用水復路８４には、第２熱交換器１２で加熱された給湯用水が流れる。本実施例の加熱装置７２では、三方弁８２の開度を制御することで、発電機加熱路７８から給湯用水復路８４に流れる給湯用水の流量と、発電機バイパス路８０から給湯用水復路８４に流れる給湯用水の流量の比率を調整することができる。このような構成とすることで、蓄熱槽１６の上部に戻される給湯用水の温度管理を適切に行うことができる。

本実施例の加熱装置７２においても、第１熱交換器６の出口における給湯用水の温度が高くなるように発電機４を運転させることで、第２熱交換器１２の出口における給湯用水の温度が低い場合でも、給湯設定温度まで加熱された給湯用水を蓄熱槽１６の上部に戻すことができる。ヒートポンプ１０を高いエネルギー効率で運転させつつ、蓄熱槽１６に給湯設定温度の給湯用水を蓄えることができる。

本実施例の加熱装置７２でも、発電機４およびヒートポンプ１０によって加熱された給湯用水を蓄熱槽１６に蓄えることができる。このため、給湯や暖房における熱需要がない状況でも、電力需要に応じて発電機４を運転させることができ、発電機４とヒートポンプ１０からの熱を蓄熱槽１６に蓄えることができる。

本実施例の加熱装置７２でも、第１熱交換器６と第２熱交換器１２が三流体熱交換器であって、第１熱交換器６において発電機４からの放熱を暖房熱媒の加熱に利用することができ、第２熱交換器１２においてヒートポンプ１０からの放熱を暖房熱媒の加熱に利用することができる。このような構成とすることで、蓄熱槽１６が高温の給湯用水で満たされた状態（満蓄状態）となった後も、発電機４やヒートポンプ１０から暖房熱媒へ放熱することができるため、発電機４とヒートポンプ１０の運転を継続することができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２加熱装置
４発電機
６第１熱交換器
８第１循環ポンプ
１０ヒートポンプ
１２第２熱交換器
１４第２循環ポンプ
１６蓄熱槽
１８混合弁
２０補助熱源機
２２バイパス制御弁
２４三方弁
２６冷却水循環路
２８冷媒循環路
３０給湯用水往路
３２第１給湯用水加熱路
３４第２給湯用水加熱路
３６給湯用水復路
３８給水路
４０蓄熱槽給水路
４２蓄熱槽バイパス路
４４蓄熱槽出水路
４６第１給湯路
４８補助熱源機往路
５０補助熱源機バイパス路
５２補助熱源機復路
５４第２給湯路
５６暖房熱媒往路
５８第１暖房熱媒加熱路
６０第２暖房熱媒加熱路
６２暖房熱媒復路
７２加熱装置
７４給湯用水往路
７６循環ポンプ
７８発電機加熱路
８０発電機バイパス路
８２三方弁
８４給湯用水復路
８６暖房熱媒加熱路
８８暖房熱媒バイパス路
９０三方弁

Claims

発電機と、
発電機の排熱で第１熱媒を加熱する第１熱交換器と、
発電機で生成された電力で駆動するヒートポンプと、
ヒートポンプの放熱で第１熱媒を加熱する第２熱交換器と、
第１熱交換器を流れる第１熱媒の流量と、第２熱交換器を流れる第１熱媒の流量の比率を調整する手段を備えており、
第１熱交換器の下流側の第１熱媒と第２熱交換器の下流側の第１熱媒が合流している加熱装置。
第１熱交換器および第２熱交換器で加熱された第１熱媒を蓄える蓄熱槽をさらに備える、請求項１の加熱装置。
第１熱交換器が、発電機の排熱で第１熱媒および／または第２熱媒を加熱する三流体熱交換器であり、
第２熱交換器が、ヒートポンプの放熱で第１熱媒および／または第２熱媒を加熱する三流体熱交換器である、請求項２の加熱装置。
第１熱交換器と第２熱交換器が並列に接続されている、請求項１から３の何れか一項の加熱装置。
第１熱交換器と第２熱交換器が直列に接続されており、
第１熱交換器をバイパスするバイパス路が第１熱交換器と並列に接続されている、請求項１から３の何れか一項の加熱装置。