JP2014227991A - ネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】年間一次エネルギー消費量を正味でゼロにすることが可能な方法を提供する。
【解決手段】電気設備１０Ｅを有する構造物１０と、該電気設備に電力を供給する電力供給システムとを備えるネットゼロエネルギー建築物１０Ａであって、該電力供給システムが、圧縮機２７と、電気式動力ガス発生器４２と、可動ピストン２００とを有する動力サイクル１５を備えたエネルギー変換装置１２を備え、該エネルギー変換装置において蓄電ユニット２０のパルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該圧縮機により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成し、該高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器に接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機１６に供給して発電電力を発生。
【選択図】図１

Description

本発明はゼロエネルギー建築物及び建築物用エネルギー管理方法に関し、特に、ネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法に関する。

近年、地球温暖化対策として住宅・建築物の年間一次エネルギー消費量（暖房・冷房設備、換気設備、給湯設備、照明、ガス等に係わる一次エネルギー消費量）に対し、再生可能エネルギーなどを活用することによって、一次エネルギー消費量を正味（ネット）でゼロにするための研究開発が活発になっている。

特許文献１には、建物の居住空間の下部領域に空気通路と蓄熱プレナムとを設けて居住空間の空気を蓄熱プレナムに循環させることで該空気中の熱エネルギーを回収し、外気を蓄熱プレナムと接触させることにより外気を温めるネットゼロエネルギーシステムが提案されている。

特許文献２には、建物の屋上に配置した太陽熱集熱器により低沸点相転移材料を加熱してオーガニック・ランキンサイクルエンジンを駆動することにより発電して外部からのエネルギー供給をゼロにしたネットゼロエネルギービルシステムが提案されている。

特許文献３には、太陽熱や地中熱を活用して住宅の室温調節を行うことによりエネルギーコストを低くなるようにしたアース・ソーラー・ゼロエネルギー住宅が提案されている。

米国公開特許公報第２０１０／０１０５３１０号 米国公開特許公報第２０１１／０２５３１２６号 日本公開特許公報第２０１２−１７２９６６号

ところで、特許文献１〜３で開示された再生可能エネルギーを利用したネットゼロエネルギーシステムでは、雨天や曇天等の日射量が不十分な場合や夜間には、太陽熱エネルギーを有功に活用して住宅や建築物の年間一次エネルギー消費量をゼロとすることができなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、天候不順や夜間等の再生可能エネルギーが不十分な場合であっても、年間一次エネルギー消費量を正味（ネット）でゼロにすることが可能なネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載された第１発明によれば、電気設備を有する構造物と、該電気設備に電力を供給する電力供給システムとを備えるネットゼロエネルギー建築物であって、該電力供給システムが、圧縮機と、電気式動力ガス発生器と、可動ピストンとを有する動力サイクルを備えたエネルギー変換装置を備え、該エネルギー変換装置において蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該圧縮機により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成し、該高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器に接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させることを特徴とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加えて、好ましくは、該エネルギー変換装置において、該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電し、さらに、該高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、該バッファアキュムレータから当該電気式動力ガス発生器に供給される高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御することを特徴とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加えて、該動力サイクルが該作動流体として二酸化炭素を循環させる密閉動力サイクルを備え、該エネルギー変換装置が、さらに、該密閉動力サイクルと熱的に結合して配置されていて冷媒として二酸化炭素を循環させるヒートポンプを備え、該機械エネルギーの一部を当該ヒートポンプに供給して該冷媒から冷熱を発生させ、該冷熱により当該可動ピストンの膨張ガスを冷却することを特徴とする。

請求項４に記載された発明によれば、請求項３に記載の構成に加えて、該ヒートポンプが、二酸化炭素を圧縮して高温高圧ＣＯ２冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧ＣＯ２冷媒を膨張・蒸発させて低温低圧炭酸ガスを生成する膨張器と、該低温低圧炭酸ガスにより当該冷熱を生成する熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルの圧縮機が当該冷媒圧縮機の機能を有する複合型圧縮機を備えることを特徴とする。

請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜５のいずれかに記載の構成に加えて、該電気式動力ガス発生器が瞬間超臨界流体発生器を備え、該瞬間超臨界流体発生器がリアクタケーシングと、該リアクタケーシングに形成されている動力ガス発生室と、該動力ガス発生室に収納された管状通電加熱手段とを備え、該管状通電加熱手段が該パルス電力により通電して該作動流体の超臨界点以上の温度に発熱し、当該高圧作動流体が該管状通電加熱手段と接触することにより超臨界流体からなる動力ガスを発生することを特徴とする。

請求項６に記載された第２発明によれば、建築物用ネットゼロエネルギー管理方法が、電気設備を有する建築物において圧縮機と、電気式動力ガス発生器と、可動ピストンとを有する動力サイクルを備えたエネルギー変換装置を配置し、該エネルギー変換装置において蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該圧縮機により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成し、該高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器に接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させることを特徴とする。

請求項１記載の第１発明では、電気設備を有する建築物にエネルギー変換装置を直接、配置して、圧力エネルギーから機械エネルギーに変換し、該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を得る。エネルギー変換装置において、高温高圧動力ガスが可動ピストンに作用した時の正味平均有効圧力は少なくとも４５０Ｋｇ／ｃｍ^２以上の極めて高い圧力となる。現存のレーシングエンジンで、１つの基準とされる正味平均有効圧力がエンジンの最高出力時において１３Ｋｇ／ｃｍ^２であることと比較すれば、この可動ピストンの正味平均有効圧力が如何に突出して大きいかが分かる。このようにして発生させた大きな機械エネルギーによって発電機を駆動して発電電力を得る。電気式動力ガス発生器は５〜２４ボルトの電圧で、消費電流は５０〜２００アンペアで作動するため、蓄電ユニットは小さな容量で済む。エネルギー変換装置において、可動ピストンとしては、本特許出願の発明者と同一発明者による後述のロータリーピストン本体を備えた回転式流体機械を採用する。回転式流体機械の円筒状ハウジングは数十ｃｍ〜１０メートの直径で軸長が数十ｃｍ〜３０メートルまでのサイズまで大物機械加工が可能であるため、簡単な構造のエネルギー変換装置で数十Ｋｗ〜数十万Ｋｗの容量の発電が可能である。そのため、建築物における全ての電気設備の電力を賄うことができる。したがって、住宅、ビル、鉄道施設、工場、或いはこれらの付帯設備（例えば、汚水処理場等の各種電灯・動力設備）等の建築物における年間一次エネルギー消費量を容易に正味（ネット）でゼロにする、所謂、ネットゼロエネルギー建築物を提供することができる。

請求項２記載の構成では、発電機の発電電力の一部を蓄電ユニットに充電するため、蓄電ユニットの容量を小さくすることができ、しかも、パルス電源に長期に亘ってパルス電力を供給することが可能となる。したがって、エネルギー変換装置は長期に亘って作動することができる。さらに、圧縮機で生成された高圧作動流体はバッファアキュムレータに一旦、蓄圧されるため、高圧作動流体の脈動が抑制され、可動ピストンの回転ムラが防止され、発電機の回転ムラを少なくすることが可能となる。このため、発電機の出力電圧がより安定化して発電電力の品質を向上させることができる。また、該バッファアキュムレータから当該電気式動力ガス発生器に高圧作動流体を供給することにより、エネルギー変換装置のスタータとして機能させることができる。さらに、制御弁は可動ピストンの膨張行程の全期間中に開弁状態を維持するため、高圧作動流体は可動ピストンの膨張行程の全期間中に連続的に作用することとなり、極めて大きな機械エネルギーを発生させることになり、発電機から大きな発電出力が得られる。

請求項３記載の構成では、動力サイクルが作動流体として二酸化炭素（ＣＯ２）を循環させる密閉動力サイクルを備える。二酸化炭素は極めて安価で手に入れやすく、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である。しかも、二酸化炭素（ＣＯ２）は経年変化による運転効率の低下がなく、保守点検の頻度数も大幅に低減できる。そのため、環境対策に貢献しながら、大幅な発電コストの低減が可能となる。また、密閉動力サイクルとヒートポンプを熱的に結合して、密閉動力サイクルの機械エネルギーの一部を利用してヒートポンプを作動させることで二酸化炭素冷媒から極低温（例えば、−１０℃）の冷熱を発生させ、この極低温冷熱により可動ピストンの膨張ガスを冷却する。その結果、可動ピストンの機械変換効率が飛躍的に向上する。そのため、ネットゼロエネルギー建築物のネットゼロエネルギー効率を飛躍的に向上させることができる。

請求項４記載の構成では、密閉動力サイクルとヒートポンプにおいて、圧縮機と冷媒圧縮機が複合圧縮機を備え、作動流体と冷媒とを同時にそれぞれ圧縮するため、エネルギー変換装置の部品点数の削減を図って小型・軽量化と低コスト化が容易となる。しかも、ＣＯ２を所定圧力（例えば、３ＭＰａ）で超臨界条件下で圧縮するため、これらガスの圧縮に必要な動力を大幅に低減可能となる。その結果、エネルギー変換装置の運転効率を飛躍的に向上させてネットゼロエネルギー建築物の性能をさらに向上させることができる。

請求項５記載に記載された構成によれば、電気式動力ガス発生器が作動流体の超臨界点以上の温度に加熱する瞬間超臨界流体発生器を備えているため、圧縮機で生成された高圧作動流体が瞬時に高温高圧の超臨界流体となる。したがって、簡単な構造で容易に超臨界流体を発生させることができるため、生産コストも安く、信頼性も高いエネルギー変換装置を有する電力供給システムを備えたネットゼロエネルギー建築物を提供することが可能となる。

請求項６記載の第２発明による建築物用ネットゼロエネルギー管理方法によれば、建築物に配置したエネルギー変換装置を利用して、圧力エネルギーから機械エネルギーに変換し、該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を得るように管理することができる。この方法では、数十Ｋｗ〜数十万Ｋｗの容量の発電が可能である。そのため、建築物における全ての電気設備の電力を賄うことができる。したがって、本発明方法によれば、住宅、ビル、鉄道施設、工場、或いはこれらの付帯設備（例えば、汚水処理場等の各種電灯・動力設備）等の建築物における年間一次エネルギー消費量を正味（ネット）でゼロにするように容易にエネルギー管理することができ、温暖化対策に多大の貢献が可能となる。

本発明の実施例による建築物用ネットゼロエネルギー管理方法を実行するためのネットゼロエネルギー建築物のブロック図を示す。 図１のネットゼロエネルギー建築物に採用したエネルギー変換装置における複合型圧縮機の断面図を示す。 図１に示したエネルギー変換装置における電気式動力ガス発生器の断面図を示す。

以下、図面に基づき、本発明によるネットゼロエネルギー建築物の実施例について詳細に説明する。図１に示した実施例において、ネットゼロエネルギー建築物はオフィスビルに適用したものとして示したが、本発明はこの適用例に限定されず、一般住宅、アパート、マンション、レストラン、学校、百貨店、スーパー、コンビニ、業務用ビル、病院、医療福祉施設、ホテル、公共施設、スポーツ施設、レジャーランド、鉄道施設、港湾施設、各種プラント施設等の建物、或いは、工場、浄水場、下水処理場等の建築物に適用しても良い。

ネットゼロエネルギー建築物１０は、構造物１０Ｓと、構造物１０Ｓに配置された暖房・冷房設備、換気設備、給湯設備、照明等に係わる一次エネルギーを消費する構内電気設備１０Ｅと、構内電気設備１０Ｅに電力を供給する電力供給システム１０Ａとを備える。電力供給システム１０Ａは、作動流体を利用して圧力エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換装置１２と、機械エネルギーの伝達を制御するクラッチＣＬを有する出力装置１４と、出力装置１４を介して該機械エネルギーが供給される発電機１６とを備える。発電機１６のパワーラインＰＬはネットゼロエネルギー建築物１０の構内電気設備１０Ｅに供給される。

エネルギー変換装置１２は、作動流体Ｗｆを循環させる密閉動力サイクル１５と、密閉動力サイクル１５に熱的に結合されていて、密閉動力サイクル１５で発生した機械エネルギーの一部を利用して冷媒から冷熱を発生させるヒートポンプＨＰとを備える。密閉動力サイクル１５は、低温低圧作動流体Ｗｆを圧縮する圧縮機（複合型圧縮機）２７と、圧縮機２７から吐出された高温高圧作動流体Ｗｆｐを逆止弁２９を介して蓄圧する摺動ピストン及びバネ手段３０ａを内蔵した蓄圧室３０ｂを有するバッファアキュムレータ３０と、バッファアキュムレータ３０のアウトレット３０ｃから供給される高温高圧作動流体Ｗｆｐの供給タイミング（流通期間）を制御する電磁弁からなる制御弁３２と、バッファアキュムレータ３０から供給された高温高圧作動流体Ｗｆｐを加熱して瞬時に超臨界流体からなる高温高圧動力ガスを発生させる電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）４２と、高温高圧動力ガスを作動室１１６内において爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換する可動ピストン（ロータリピストン本体）２００と、該機械エネルギーを取り出すとともにその一部を圧縮機２７に伝達する出力軸１３２とを有する回転式流体機械４０と、ヒートポンプＨＰで発生した冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却する冷却器４３とを備える。

バッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａは、蓄圧室３０ｂの作動流体が第１所定圧、例えば、２０〜６０ＭＰａに維持されるように選択される。したがって、後述のように、作動流体として二酸化炭素（ＣＯ２）を利用した場合には、密閉動力サイクル１５において、逆止弁２９と制御弁３２との間の第一圧力経路における圧力は２０〜６０ＭＰａに維持され、回転式流体機械４０のアウトレット１２６と圧縮機２７のインレット３５６ｂとの間の第二圧力経路は第２所定圧、例えば、３ＭＰａに維持されるように作動流体が密閉動力サイクル１５に充填される。その目的は、第二圧力経路を予め第二所定圧に与圧することで、圧縮機２７が作動流体を圧縮する際に、容易に作動流体及び冷媒（後述する）が超臨界状態下で昇圧される。したがって、圧縮機２７の駆動に必要な動力を大幅に低減することが可能となり、エネルギー変換装置１２のエネルギー変換効率を向上させることができるからである。密閉動力サイクル１５の作動中にはバッファアキュムレータ３０のバネ手段３０ａに抗して、蓄圧室３０ｂに高温高圧作動流体が蓄圧される。

制御弁３２は、本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２７０７５６号（日本特許第○○○○○○○号）「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した次世代移動体」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。

ヒートポンプＨＰは、凝縮器４３を介して密閉動力サイクル１５と熱的に結合するように配置される。ヒートポンプＨＰは、圧縮機２７に組み込まれ（内蔵され）ていて低温低圧冷媒（例えば、０℃；３ＭＰａ）Ｃｍを圧縮して超臨界流体からなる高温高圧冷媒Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮機として機能する冷媒圧縮手段Ｐ２（図２参照）と、凝縮器４３から出た低温低圧作動流体との熱交換により高温高圧冷媒Ｃｍｐ放熱して低温高圧冷媒を生成する放熱器ＥＶ２と、低温高圧冷媒を減圧して蒸発・膨張させることにより低温低圧冷媒（−１０℃；３ＭＰａ）を生成する膨張器４７と、該低温低圧冷媒により発生した冷熱を利用して回転式流体機械４０の膨張ガスを冷却しながら気体状の低温低圧冷媒Ｃｍを生成する凝縮器４３として機能する熱交換器Ｅｖ１とを備える。熱交換器ＥＶ１から出た低温低圧冷媒ＣｍはヒートポンプＨＰの冷媒圧縮手段のインレット３５６Ｂに循環され、一方、膨張ガスを冷却して得た低温低圧作動流体は放熱器ＥＶ２で高温高圧冷媒Ｃｍｐと熱交換した後、ＣＯ２作動流体Ｗｆとして密閉動力サイクル１５に循環され、以後、同一のヒートポンプサイクル及び動力サイクルが繰り返し実行される。

本実施例において、密閉動力サイクル１５の作動流体及びヒートポンプＨＰの冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が１の自然冷媒である二酸化炭素（以下、ＣＯ２と略称する）を共通の媒体として利用する。説明の便宜上、密閉動力サイクル１５の作動流体をＣＯ２作動流体、ヒートポンプＨＰの冷媒をＣＯ２冷媒と称する。密閉動力サイクル１５及びヒートポンプＨＰでは、本発明を限定するものではないが、低圧側の圧力が所定圧、例えば、約３ＭＰａとなるように圧力が調節されてＣＯ２がそれぞれの系統内において充填される。しかしながら、ＣＯ２以外のガスを利用する際は、所定圧はそのガスの種類に応じて適切な圧力値に選択される。

図２より明らかなように、圧縮機２７は、好ましくは、所定圧（例えば、３ＭＰａ）のＣＯ２作動流体Ｗｆを臨界圧力（例えば、２０〜６０ＭＰａ）まで圧縮して高圧ＣＯ２作動流体（ＣＯ２超臨界流体）Ｗｆｐを生成する流体圧縮手段Ｐ１と、低温低圧ＣＯ２冷媒Ｃｍ（例えば、０℃：３ＭＰａ）を臨界圧まで圧縮して高圧ＣＯ２冷媒（超臨界冷媒）Ｃｍｐを生成する冷媒圧縮手段Ｐ２とを備えた複合型圧縮機から構成される。

図１及び図２に示すように、複合型圧縮機２７は、電気式動力ガス発生器４２に同心的に連結されたロータハウジング３５２と、密閉動力サイクル１５に接続されて低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆを吸引する第１インレット３５６Ａと、高温高圧ＣＯ２作動流体（超臨界流体）Ｗｆｐを吐出する第１アウトレット３５８Ａと、低温低圧冷媒Ｃｍを吸引する第２インレット３５６Ｂと、超臨界冷媒Ｃｍｐを吐出する第２アウトレット３５８Ｂと、インレット３５６Ａ，３５６Ｂ及びアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂが開口するロータ作動室３６０と、回転式流体機械４０の駆動軸１３２に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室３６０に回転可能に収納された加圧ロータ３６２とを備える。

加圧ロータ３６２は、駆動軸１３２に形成されたメイン潤滑油供給通路１３２Ｌから径方向外側に延びる潤滑油通路３６２ａと、潤滑油供給ポート３６２ｂと、潤滑油供給ポート３６２ｂからローブ３６４の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ３６２ｃとを備える。メイン潤滑油供給通路１３２Ｌは、本願発明者と同一発明者による日本特許５１０３５７０号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。

複合型圧縮機２７は、さらに、ロータ作動室３６０の内周面上を回転移動しながらインレット３５６Ａ，３５６ＢからＣＯ２作動流体Ｗｆ及び冷媒Ｃｍをそれぞれ吸引すると共にこれら流体を超臨界圧まで圧縮しながらアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出する複数のローブ３６４と、ローブ３６４の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部３６６と、インレット３５６に隣接して加圧ロータ３６２に対して移動可能な可動弁３６８と、可動弁３６８と曲面摺動凹部３６６との間に形成された加圧チャンバ３７０とを備える。可動弁３６８は、ロータハウジング３５２内に形成されたバルブ膨張室３７２に収納されて、ピボット軸３７４を介して回動するバルブエレメント３７６を備える。バルブエレメント３７６の先端部にはローブ３６４と曲面摺動凹部３６６とに接触しながら摺動する曲面シール部３７６ａと連通開口部３７６ｂとを備える。ロータハウジング３５２に形成されたバネ収納部３７８には押圧バネ３８０がバルブエレメント３７６を加圧ロータ３６２側に押圧している。回転式流体機械４０の起動時に駆動軸１３２が図２において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型圧縮機２７において、加圧チャンバ３７０にはインレット３５６Ａ，３５６ＢからそれぞれＣＯ２作動流体Ｗｆと冷媒Ｃｍが吸引され、それぞれ超臨界作動流体及び超臨界ＣＯ２冷媒としてアウトレット３５８Ａ，３５８Ｂから吐出される。このように、圧縮機２７の加圧ロータ３６２は流体圧縮手段Ｐ１と、冷媒圧縮手段Ｐ２の共通部品として機能する。

なお、複合型圧縮機２７は本願発明者と同一発明者による特願２０１２−２１８０５８号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。

図３に示すように、電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）４２は、回転式流体機械４０に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング１１００を備える。円筒状リアクタケーシング１１００には、円筒状リアクタケーシング１１００の内側とケーシング１１００の中央内周部１１１４の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層１１１６と、絶縁耐熱層１１１６の内側に形成されている動力ガス発生室１１１８が形成されている。円筒状リアクタケーシング１１００の中央内周部１１１４は回転式流体機械４０の出力軸１３２を通過可能にするための直径を有する内周壁部１１１４を備える。

電気式動力ガス発生器４２の吸入ポート１１０２は、径方向壁部１１２０に延びていて電磁弁３２が装着されるとともに、径方向壁部１１２０には周方向に延びる複数の開口部１１２２を有する。動力ガス発生室１１１８のコーナー部１１１８ａ、１１１８ｂには対抗電極１１２４，１１２６がそれぞれ配置される。一対の電極１１２４，１１２６はパルス電源２８に接続される。ケーシング１１００には温度センサＳ２が装着され、温度信号Ｔがコントローラ６０（図１参照）に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。

動力ガス発生室１１１８には、対抗電極１１２４，１１２６の間に介在していて多数の管状通電加熱セグメント１１３４が充填される。パルス電力が供給されると、多数の管状通電加熱セグメント１１３４は通電発熱して作動流体の超臨界点以上の温度、例えば、８００〜１２００℃に昇温する。この温度は、パルス電源２８によってパルス電力のデューティサイクルが所定値となるように制御されることによって調整される。これら管状通電加熱セグメント１１３４の隙間はアーク放電領域１１３６としても作用させることもできるが、上述の超臨界領域が維持できれば、必ずしも、アーク放電を発生させる必要性はない。アーク放電を発生させる場合、管状通電加熱セグメント１１３４としては、例えば、外径６〜３０ｍｍの銅タングステンパイプを所定長さ（例えば、外形の０．５倍〜１．５倍の長さ）にカットした通電加熱パイプが挙げられる。図１において、管状通電加熱セグメント１１３４は動力ガス発生室１１１８において整列状態で配置されたものとして図示されているが、実際の適用例においては、所定圧力で圧接されて電気式接続関係に維持されていればランダム状態に配置されても良い。動力ガス発生室１１１８においてアーク放電を発生させない場合は、管状通電加熱セグメント１１３４として多数の所定長さにカットしたステンレスパイプやその他の高融点金属パイプを使用しても構わない。ＣＯ２超臨界流体は、管状通電加熱セグメント１１３４の隙間及び管状通電加熱セグメント１１３４の穴部を通過する。このとき、これら管状通電加熱セグメント１１３４の各部と衝突しながら加熱されて瞬時に高温高圧ＣＯ２超臨界流体からなる高温高圧動力ガスが生成される。

管状通電加熱セグメント１１３４として銅タングステンパイプを採用する際には、管状通電加熱セグメント１１３４が互いに接触した箇所の隣接部分でアーク放電が発生するようにパルス電力のパルス電圧を選定しても良い。アーク放電は、パルス電圧を周期的に発生させるパルス電力の電圧がハイレベルとローレベルとの間で周期的に変化することでより頻繁に発生する。したがって、パルス電力の電圧におけるハイレベルとローレベルとを制御することにより高温高圧動力ガスの圧力と温度をさらに高めることが可能となる。上述の通電加熱パイプは作動流体の流通抵抗を大幅に低下させる点で有利であるが、導電性高融点加熱手段としてはその他の材料から構成しても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。動力ガス発生室１１１８に隣接してフイルタ部１１０６が配置され、フイルタ部１１０６には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ１１１０が充填される。電磁弁３２が所定周期で開弁されると、フイルタ１１１０を通過した超臨界流体Ｓｃｆはフィルター１１４２で濾過された後、アウトレット１１４０から回転式流体機械４０のインレット１２４に供給される。

回転式流体機械４０としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第５１０３５７０号（発明の名称：回転式流体機械）、特願２０１２−１９５５１３号（発明の名称：回転式流体機械）、及び日本特許第５２１８９２９号（発明の名称：ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置）に開示された回転式流体機械と同一構造のものを採用するが、その他の回転式流体機械でもよい。

図１に戻って、エネルギー変換装置１２において、発電機１６はクラッチＣＬを介して出力軸１３２に連結されて駆動されることにより発電電力を生成する。エネルギー変換装置１２は、パルス電源２８に蓄電電力を供給するための蓄電ユニット（蓄電システム）２０を備える。蓄電ユニット２０には、充電器２１を介して蓄電用電力が供給される。発電機１６のパワーラインＰＬは開閉器５６を介して変圧器５８に接続され、夜間の余剰電力が発生する時間帯に開閉器５６を閉成して、発電電力の一部を蓄電用電力として充電器２１を介して蓄電ユニット２０に充電される。変圧器５８は、パワーラインＰＬの出力電圧を所定電圧（例えば、１２ボルト又は２４ボルト）にまで降圧する。パワーラインＰＬに電力センサを設けて電気設備１０Ｅの電圧、電流及び力率から消費電力を計測して得た消費電力データをコントローラ６０に送って余剰電力が発生した際に開閉器５６を自動的に作動させるようにしても良い。しかしながら、蓄電用電力は必ずしも発電機１６の発電電力の一部から得るのではなく、図１に示すように、エネルギー変換装置１２の出力軸１３２に動力伝達手段４５を介して低電圧出力（例えば、１２ボルト又は２４ボルト）のオルタネータ２５を駆動連結し、オルタネータ２５の発電電力を蓄電用電力として利用しても良い。この場合、オルタネータ２５の出力側は遮断器１９を介して蓄電ユニット２０に接続され、遮断器１９はコントローラ６０により制御される。

蓄電ユニット２０は、充電器２１を介して蓄電用電力が供給される第１蓄電装置２２と、第２蓄電装置２３と、第１、第２蓄電装置２２、２３を充電器２１に交互に接続する第１切替制御器２４と、第１、第２蓄電装置２２、２３をパルス電源２８に交互に接続する第２切替制御器２６とを備える。図示を省略しているが、充電器２１は公知の構造と同様に低圧の交流電力を直流電力に変換する整流器と、平滑回路とを有する。第１、第２蓄電装置２２、２３にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサ（いずれも図示せず）が接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Ｖ１及び電流検出値Ｉ１はコントローラ６０に出力され、第１、第２蓄電装置２２、２３のそれぞれの残蓄電容量（ＳＯＣ値：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）を演算し、それぞれのＳＯＣ値に基づいて遮断器１９や第１、第２切替制御器２４，２６の指令信号を出力するために用いられる。

コントローラ６０は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ６０は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置（図示せず）や装置始動用スイッチ等が接続されている。

第１、第２蓄電装置２２、２３としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュール（米国”Ｍａｘｗｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ“社製）が挙げられる。その他の蓄電ユニットとしては、例えば、急速充放電型蓄電池（古河電池社製：商標名「ウルトラバッテリ」）、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ（トーキン製）、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やＮｉ−ＭＨ電池（ニッケルー水素電池）やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。なお、蓄電装置２２の出力ラインの間にはウルトラキャパシタ（図示せず）を接続しても良い。蓄電装置２２及び第２蓄電装置２３から交互に出力電力がパルス電源２８に供給される。

パルス電源２８は第１、第２蓄電装置２２，２３から供給された蓄電電力をパルス電源２８に供給することで、所定周期（例えば、５０〜２０００ヘルツ）のパルス電力を生成する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、１２〜２４ボルトの間で設定される。複数の通電加熱体の間でアーク放電を発生させたい場合には、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力が電気式動力ガス発生器４２に供給されるように回路設計しても良い。この時、エネルギー変換装置１２の容量に応じて、パルス電力は、好ましくは、ピーク電流通電期間内において流れる５０〜２００アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有するように構成しても良い。電気式動力ガス発生器４２において、多数の管状通電加熱セグメント１１３４にパルス電力が供給されると、二酸化炭素の臨界温度３７４℃以上の温度、例えば、８００〜１２００℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせてパルス電力の電圧やデューティ比を制御することにより自由に選択することができる。高温高圧作動流体が管状通電加熱セグメント１１３４の外表面に順次接触することで、高温高圧動力ガスは超臨界状態下で加熱されて高温の超臨界流体Ｓｃｆとなる。

パルス電源２８は、好ましくは、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第２５８７３４３号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成が挙げられる。

図１において、バッファアキュムレータの圧力センサＳ１からの圧力信号ＰＳ、電気式動力ガス発生器４２の温度センサＳ２からの温度信号Ｔ（図４参照）と、エネルギー変換装置１２の出力軸１３２の回転数センサＳ３からの回転数信号ＳＰがコントローラ６０に送信される。入力装置（図示せず）からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ６０に入力される。コントローラ６０には、第１、第２蓄電器２２，２３のそれぞれの電圧信号Ｖ１と電流信号Ｉ１とが送信され、コントローラ６０はこれら入力信号に応答して第１、第２蓄電器２２，２３の蓄電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を判別して第２切替制御器２６を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の一方をパルス電源２８に接続するとともに第１切替制御器２４を介して第１、第２蓄電装置２２、２３の他方を充電器２１により充電する。さらに、コントローラ６０は、センサＳ１〜Ｓ４からの入力信号ＰＳ，Ｔ，ＳＰに応答して電磁弁３２を制御する。このとき、コントローラ６０は、回転式流体機械４０において膨張行程の全期間中に電磁弁３２を開弁状態に維持するように制御する。したがって、回転式流体機械４０のロータリピストン本体２００には膨張行程の全期間中に高温高圧動力ガスが連続的に作用する。一方、コントローラ６０は、電気設備１０Ｅの保守・点検等、発電機１６を遮断する必要が生じたときには、クラッチＣＬを離脱させるための制御信号Ｃｃを出力する。

次に、本発明による建築物用ネットゼロエネルギー管理方法についてネットゼロエネルギー建築物１０の作動に関連して説明する。

ネットゼロエネルギー建築物１０の作動において、始動用スイッチ（図示せず）が投入されると、コントローラ６０によってパルス電源２８が起動され、周期的なパルス電力が電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）４２に供給される。このとき、電気式動力ガス発生器４２の管状通電加熱セグメント１１３４が通電して、例えば、８００〜１２００℃の温度領域から選択された所望の設定温度（例えば、１０００℃）に達する。すると、電気式動力ガス発生器４２の温度信号Ｔに応答してコントローラ６０から電磁弁３２に指令信号が出力され、電磁弁３２は通電して開弁する。この時、バッファアキュムレータ３０に蓄圧されていた液化高圧（例えば、４０ＭＰａ）ＣＯ２Ｗｆｐが電気式動力ガス発生器４２に高速流で噴出する。そのとき、液化高圧作動流体Ｗｆｐが高温の管状通電加熱セグメント１１３４の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら管状通電加熱セグメント１１３４の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されて所定温度（例えば、約１０００℃）近辺の超臨界流体ＳＣｆが高温高圧動力ガスとして生成する。次に、超臨界流体ＳＣｆは回転式流体機械４０のインレット１２４から膨張室１１６に流入して可動ピストン（ロータリピストン本体）２００に作用して爆発的に膨張して機械エネルギーに変換されて出力軸１３２にトルクが発生する。

エネルギー変換装置１２の始動時及び始動完了後において、出力軸１３２に発生したトルクで圧縮機２７が起動し、圧縮機２７内の圧縮手段Ｐ１と冷媒圧縮手段Ｐ２が同時に作動し、密閉動力サイクル１５とヒートポンプＨＰが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプＨＰにおいて、冷媒圧縮手段Ｐ２から吐出した超臨界冷媒Ｃｍｐは、放熱器ＥＶ２で低温低圧ＣＯ２作動流体と熱交換して放熱することにより低温高圧ＣＯ２冷媒を生成する。低温高圧ＣＯ２冷媒は膨張器４７で減圧されて膨張・蒸発して低温低圧ガスとなり、凝縮器４３として機能する熱交換器ＥＶ１で冷熱（例えば、−１０℃：３ＭＰａ）を発生して膨張ガスを冷却する。凝縮器４３から吐出した低温低圧冷媒は圧縮機２７の冷媒圧縮機手段Ｐ２に循環され、そこで圧縮されて高温高圧超臨界流体Ｃｍｐとして放熱器ＥＶ２に供給される。熱交換器ＥＶ１を出た膨張ガスは放熱器ＥＶ２で高温高圧冷媒Ｃｍｐを利用して加熱された後、低温低圧ＣＯ２作動流体Ｗｆとして圧縮機２７のインレット３５６Ａに流入して流体圧縮手段Ｐ１により圧縮され、以後、密閉動力サイクル１５が繰り返し、実行される。

エネルギー変換装置１２の運転中において、オルタネータ２５の発電電力は蓄電用電力として遮断器１９及び充電器２１を介して蓄電ユニット２０に蓄電される。上述したように、オルタネータ２５の発電電力の代わりに発電機１６の発電電力の一部を蓄電用電力として利用しても良い。この場合、開閉器５６を投入して、発電機１６の発電電力の一部を変圧器５８で降圧した後、充電器２１を介して蓄電ユニット２０に供給する。このように、エネルギー変換装置１２の運転中には、発電機１６の発電電力の一部若しくは機械エネルギーの一部を利用して駆動したオルタネータ２５の発電電力を蓄電用電力として蓄電ユニット２０に供給する。したがって、外部からの投入エネルギーを供給することなく、電力供給システム１０Ａはこの発電電力をネットゼロエネルギー建築物１０に供給することにより、電気設備１０Ｅの一次エネルギーを賄うことができる。

以上、本発明の実施例によるネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法が記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、圧縮機は、複合型圧縮機からなるものとして説明したが、複合型圧縮機をそれぞれの機能に合わせて分離独立させた複数の圧縮機からなるように構成しても良い。また、冷却器と圧縮機との間に第２熱交換器を配置したが、第２熱交換器を省力しても良い。さらに、作動流体及び冷媒はＣＯ２以外のガスを利用しても良い。また、ネットゼロエネルギー建築物は自家用電気設備の一次エネルギーを賄うものとして記載したが、商用電源に系統連係して発電電力の一部を余剰電力として売電しても良い。さらに、蓄電ユニットの充電器には発電機の発電電力の一部を供給するものとして示したが、発電機の発電電力の一部の代わりに、集光型太陽光発電装置を充電器に接続して再生可能エネルギー発電電力を蓄電用電力として供給するように変形しても良い。

１０ ネットゼロエネルギー建築物；１０Ａ 電力供給システム；１０Ｓ 構造物；１０Ｅ 電気設備；１２ エネルギー変換装置；１４ 出力装置；１５ 密閉動力サイクル；１６ 発電機；２０ 蓄電ユニット（蓄電システム）；２１ 充電器；２２，２３ 第１、第２蓄電装置；２４、２６ 第１、第２切替制御器；２５ オルタネータ；２７ 圧縮機（複合型圧縮機）；２８ パルス電源；３０ バッファアキュムレータ；３２ 電磁弁；４０ 回転式流体機械；４２ 電気式動力ガス発生器（瞬間超臨界流体発生器）；４３ 凝縮器（熱交換器）；４７ 膨張器；５６ 開閉器；５８ 変圧器；６０ コントローラ；ＨＰ ヒートポンプ；ＥＶ１ 熱交換器；ＥＶ２ 放熱器

Claims (6)

1. 電気設備を有する構造物と、該電気設備に電力を供給する電力供給システムとを備えるネットゼロエネルギー建築物であって、該電力供給システムが、圧縮機と、電気式動力ガス発生器と、可動ピストンとを有する動力サイクルを備えたエネルギー変換装置を備え、該エネルギー変換装置において蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該圧縮機により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成し、該高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器に接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させることを特徴とするネットゼロエネルギー建築物。
2. 該エネルギー変換装置において、該発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電し、さらに、該高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、該バッファアキュムレータから当該電気式動力ガス発生器に供給される高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御することを特徴とする請求項１記載のネットゼロエネルギー建築物。
3. 該動力サイクルが該作動流体として二酸化炭素を循環させる密閉動力サイクルを備え、該エネルギー変換装置が、さらに、該密閉動力サイクルと熱的に結合して配置されていて冷媒として二酸化炭素を循環させるヒートポンプを備え、該機械エネルギーの一部を当該ヒートポンプに供給して該冷媒から冷熱を発生させ、該冷熱により当該可動ピストンの膨張ガスを冷却することを特徴とする請求項１又は２に記載のネットゼロエネルギー建築物。
4. 該ヒートポンプが、二酸化炭素を圧縮して高温高圧ＣＯ２冷媒を生成する冷媒圧縮機と、該高温高圧ＣＯ２冷媒を膨張・蒸発させて低温低圧炭酸ガスを生成する膨張器と、該低温低圧炭酸ガスにより当該冷熱を生成する熱交換器とを備え、該密閉動力サイクルの圧縮機が当該冷媒圧縮機の機能を有する複合型圧縮機を備えることを特徴とする請求項３に記載のネットゼロエネルギー建築物。
5. 該電気式動力ガス発生器が瞬間超臨界流体発生器を備え、該瞬間超臨界流体発生器がリアクタケーシングと、該リアクタケーシングに形成されている動力ガス発生室と、該動力ガス発生室に収納された管状通電加熱手段とを備え、該管状通電加熱手段が該パルス電力により通電して該作動流体の超臨界点以上の温度に発熱し、当該高圧作動流体が該管状通電加熱手段と接触することにより超臨界流体からなる動力ガスを発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のネットゼロエネルギー建築物。
6. 電気設備を有する建築物において圧縮機と、電気式動力ガス発生器と、可動ピストンとを有する動力サイクルを備えたエネルギー変換装置を配置し、該エネルギー変換装置において蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により当該電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該圧縮機により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成し、該高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器に接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより該可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させることを特徴とする建築物用ネットゼロエネルギー管理方法。

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