JP2015068333A - コージェネレーション装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エネルギ効率の向上を図ることができるコージェネレーション装置を提供する。
【解決手段】エンジン2に接続された発電機21によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路3と、エンジン廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路4とを有して構成されたコージェネレーション装置1であって、電力供給回路3には、発電機21で発電した電力によって駆動するヒートポンプ5が接続され、ヒートポンプ5の制御部6は、総熱需要量Qdとエンジン廃熱生産量Qwhoとの差異からヒートポンプ要求熱出力Qhpoを検出する熱需要追従制御部6aを有し、この熱需要追従制御部6aは、ヒートポンプ要求熱出力Qhpoを検出した時に、ヒートポンプ熱発生量Qcophがヒートポンプ要求熱出力Qhpoとなるように運転条件を決定してヒートポンプ5の運転を行うものである。
【選択図】図1

Description

本発明は、コージェネレーション装置に関するものである。
従来より、エンジンに接続された発電機によって発電した電力の利用と、エンジン廃熱による廃熱の利用とを行うように構成されたコージェネレーションシステムにおいて、発電した電力によって駆動するヒートポンプを備えたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このコージェネレーションシステムにおいては、ヒートポンプの熱源としてエンジン廃熱を利用することが提案されている。このコージェネレーションシステムは、廃熱需要が大きく、電力需要が小さい場合に、発電した電力でヒートポンプを駆動して電力を熱エネルギに変換することで、エンジン廃熱だけでは不足する廃熱需要に対応できるようになされていた。
特開2002−256970号公報
しかし、上記従来のコージェネレーションシステムの場合、発電した電力をヒートポンプに利用することと、エンジン発熱を利用することを開示しているだけで、廃熱需要が変化した場合にできるだけ定格運転を保って総合効率の低下を防止する手立てについては一切考慮されていない。
この廃熱需要は、夏季に比べて冬季に大きくなり年間の変動が激しいので、この年間の変動が激しい廃熱需要をどのように処理するかは、コージェネレーションシステムの総合効率に大きく影響することとなる。
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、エネルギ効率の向上を図ることができるコージェネレーション装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するための本発明に係るコージェネレーション装置は、エンジンに接続された発電機によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路と、エンジン廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路とを有して構成されたコージェネレーション装置であって、電力供給回路には、発電機で発電した電力によって駆動するヒートポンプが接続され、ヒートポンプの制御部は、総熱需要量とエンジン廃熱発生量との差異からヒートポンプ要求熱出力を検出する熱需要追従制御部を有し、この熱需要追従制御部は、ヒートポンプ要求熱出力を検出した時に、ヒートポンプ熱発生量がヒートポンプ要求熱出力となるように運転条件を決定してヒートポンプの運転を行うものである。
上記コージェネレーション装置において、制御部は、ヒートポンプによる冷熱発生量が、総冷熱需要量となるようにヒートポンプの運転を行う冷熱需要追従制御部を有するものであってもよい。
上記コージェネレーション装置において、電力供給回路には、発電機による外部給電を検知する外部給電検知経路が設けられ、制御部は、外部給電を検知した時に、総熱需要量を満たすまで、外部給電を減らしてヒートポンプの駆動に利用する電力供給を増やす電力需要追従制御部を有し、熱需要追従制御部と電力需要追従制御部とが切替可能となされたものであってもよい。
上記コージェネレーション装置において、制御部は、熱需要追従制御および冷熱需要追従制御の何れか一方または両方を考慮した運転条件を決定してヒートポンプの運転を行うものであってもよい。
本発明によると、総熱需要量とエンジン廃熱発生量との差異からヒートポンプ要求熱出力を検出し、ヒートポンプ要求熱出力を検出した時に、ヒートポンプ熱発生量がヒートポンプ要求熱出力となるように運転条件を決定してヒートポンプの運転を行うことができる。したがって、エンジン廃熱生産量以上の熱供給を効率的に行うことができる。
本発明に係るコージェネレーション装置の全体構成の概略図である。 本発明に係るコージェネレーション装置における1年間の総熱需要量の変化 を示すグラフである。 本発明に係るコージェネレーション装置における熱需要追従制御部による制 御を示すフロー図である。 本発明に係るコージェネレーション装置における総熱需要量と各出力との関 係を示すグラフである。 本発明の他の実施の形態に係るコージェネレーション装置の全体構成の概略 図である。 本発明に係るコージェネレーション装置における総冷熱需要量と各出力との 関係を示すグラフである。 本発明のさらに他の実施の形態に係るコージェネレーション装置の全体構成 の概略図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明に係るコージェネレーション装置1の全体構成の概略を示し、図2は同コージェネレーション装置における1年間の総熱需要量Qdの変化を示し、図3は同コージェネレーション装置における熱需要追従制御部6aの制御フローを示している。
このコージェネレーション装置1は、エンジン2に接続された発電機21によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路3と、エンジン2の廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路4とを有して構成され、電力供給回路3には、発電機21で発電した電力によって駆動するヒートポンプ5が接続され、ヒートポンプ5の制御部6は、総熱需要量Qdとエンジン廃熱生産量Qwhoとの差異からヒートポンプ要求熱出力Qhpoを検出する熱需要追従制御部6aを有し、この熱需要追従制御部6aは、ヒートポンプ要求熱出力Qhpoを検出した時に、ヒートポンプ熱発生量Qcophがヒートポンプ要求熱出力Qhpoとなるように運転条件を決定してヒートポンプ5の運転を行うものである。
エンジン2は、発電機21と接続されている。このエンジン2は、例えば、ガスを燃料とするガスエンジンが用いられおり、発電機21を駆動して発電するようになされている。エンジン2は、発電効率を高めるために、定格運転が行われる。
エンジン2の冷却水は、エンジン冷却水回路22を介してエンジン2と水−水熱交換器23との間を循環するように構成されており、エンジン2から回収した廃熱を水−水熱交換器23で供給水に放熱した後、再度エンジン2に戻り、この循環を繰り返すことで廃熱回収するようになされている。ただし、エンジン2を冷却し過ぎると、燃費が低下することとなってしまうので、エンジン冷却水回路22には、エンジン2から水−水熱交換器23を通過せずにエンジン2へと戻るバイパス経路22aが設けられており、エンジン2の冷却水温度を一定に保つようになされている。
電力供給回路3は、発電機21からの主経路3aが、発電機21からインバータ31を介してヒートポンプ5を駆動する経路3bと、インバータ32を介して外部電気系統33に電力供給するための経路3cとに分岐されている。ヒートポンプ5を駆動する経路3bは、発電機21で発電した電力を、ヒートポンプ5の駆動に使用する際に用いられる。ヒートポンプ5を駆動していないときの電力やヒートポンプ5を駆動しても余剰となる電力は、外部に電力供給するための経路3cへと供給される。外部電気系統33に電力供給するための経路3cは、発電機21から供給される電力を、インバータ32で交流に変換した後、電力計34を経て外部電気系統33に電力供給される。この外部電気系統33に電力供給される電力は、売電、蓄電、またはこのコージェネレーション装置1を設置した施設(図示省略)で使用する際に用いられる。
貯湯回路4は、貯湯タンク41内の水が、冷媒−水熱交換器52および水−水熱交換器23を経た後、再度貯湯タンク41へと回収される循環経路を形成するようになされている。貯湯タンク41内の水は、これら冷媒−水熱交換器52および水−水熱交換器23を経て加熱され、所定温度の温水を貯湯タンク41に貯湯できるようになされている。この際、貯湯タンク41に貯湯される温水の温度や貯湯量は、使用者が設定できるようになされており、これらの設定によって総熱需要量Qdは決定される。
ヒートポンプ5は、駆動する圧縮機51で圧縮した冷媒が、冷媒−水熱交換器52で凝縮し、膨張弁53を介して蒸発器54で蒸発した後、再度、圧縮機51へと戻り、以後、循環を繰り返すように構成されている。この際、圧縮機51は、電力供給回路3から供給される電力によって作動するように、電動モータ51aによって駆動するように構成されている。なお、電力供給回路3から供給される電力によってヒートポンプ5が駆動するように、電力供給回路3から電力は、圧縮機51を駆動する電動モータ51a以外に蒸発器54のファン54aなどにも供給される。
制御部6は、コージェネレーション装置1の各部に設けられたセンサからの情報により、エンジン2、電力供給回路3、貯湯回路4、ヒートポンプ5の各制御を行うようになされている。このうち、熱需要追従制御部6aは、図2に示すように、各時期における総熱需要量Qdとエンジン廃熱発生量Qwhoとの関係が入力された制御マップを有している。ただし、総熱需要量Qdは、上記したように貯湯タンク41に貯湯される温水の温度設定や貯湯量の設定によって変化し、エンジン廃熱発生量Qwhoについてもその季節の外気温等によって変化する。したがって、熱需要追従制御部6aは、これら変化の組合せを考慮した体系的な制御マップが入力されている。
この熱需要追従制御部6aは、貯湯回路4に設けられた供給水の循環量センサFhw、加熱前温度センサThw1、加熱後温度センサThw2、外気温センサTaなどと接続され、貯湯回路4を流れる温水の加熱供給量Qsを検出できるようになされている。また、熱需要追従制御部6aは、圧縮機51の前後に設けられた圧力センサP1,P2と接続されるとともに、インバータ31と接続されている。これによって、熱需要追従制御部6aは、これら圧力センサP1,P2から得られる圧力データに基づいて、圧縮機51を駆動する電動モータ51aにインバータ31を介して電力を供給することで、ヒートポンプ5によるヒートポンプ熱発生量Qcophを制御できるようになされている。
熱需要追従制御部6aは、総熱需要量Qdとエンジン廃熱発生量Qwhoとの差異を検出し、総熱需要量Qdからエンジン廃熱発生量Qwhoを引いたヒートポンプ要求熱出力Qhpoの値が0以下の数値である場合には、エンジン廃熱発生量Qwhoは、総熱需要量Qdを満たしているものと判断し、ヒートポンプ5によるさらなる熱の供給は必要無いと判断する。総熱需要量Qdからエンジン廃熱発生量Qwhoを引いたヒートポンプ要求熱出力Qhpoの値が0を超えるプラスの数値である場合には、エンジン廃熱発生量Qwhoは、総熱需要量Qdを満たしていないものと判断してヒートポンプ5による運転が必要であると判断する。ヒートポンプ5を運転する条件の指示は、総熱需要量Qdからエンジン廃熱発生量Qwhoを引いたヒートポンプ要求熱出力Qhpoに相当する熱出力が、ヒートポンプ5から得られるように行われる。具体的には、貯湯回路4に設けられた供給水の循環量センサFhw、加熱前温度センサT1、加熱後温度センサT2、外気温センサTaなどから算出される加熱供給量Qsを基に、ヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aの出力を制御するようになされている。すなわち、加熱供給量Qsは、ヒートポンプ5を運転していない状態では、エンジン廃熱発生量Qwhoに相当するが、ヒートポンプ5を運転すると、このエンジン廃熱発生量Qwhoにヒートポンプ熱発生量Qcophを加えた加熱供給量Qsが得られる。したがって、ヒートポンプ熱発生量Qcophがヒートホンプ要求熱出力Qhpoとなるようにヒートポンプ5を運転すれば、総熱需要量Qdと加熱供給量Qsとが一致して目的は達成される。この際、ヒートポンプ5の運転は、圧縮機51の前後に設けられた圧力センサP1,P2により検出される圧力または圧力差の、目標値との差がゼロとなるよう、当該圧縮機51を駆動する電動モータ51aの出力を決定することで制御することができ、圧力または圧力差の目標値は、ヒートポンプ熱発生量Qcophがヒートポンプ要求熱出力Qhpoとなるように逐次更新される。
次に、この熱需要追従制御部6aによる制御について説明する。
コージェネレーション装置1は、エンジン2に接続した発電機21を駆動することによって発電が行われる。発電した電力は電力供給回路3を介して外部に供給される。
また、この発電時のエンジン2の廃熱は、貯湯回路4に設けた水−水熱交換器23を介して回収し、温水として貯湯タンク41に貯湯される。
この際、熱需要追従制御部6aは、図3に示すように、まず、その運転時期における総熱需要量Qdからエンジン廃熱発生量Qwhoを引いた差をヒートポンプ要求熱出力Qhpoとして求める(ステップ1)。
このヒートポンプ要求熱出力Qhpoが「0」以下の場合、エンジン2からのエンジン廃熱発生量Qwhoによって、総熱需要量Qdが満たされているので(ステップ2)、ヒートポンプ5によるヒートポンプ熱発生量Qcophは「0」となり、ヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aの出力Voは出力されない(ステップ3)。
そして、ヒートポンプ5を駆動する電動モータ51aへの出力Voは、更新され(ステップ6)、以後、ステップ1からの同じ制御が繰り返される。
また、ヒートポンプ要求熱出力Qhpoが「0」より高い値の場合、エンジン2からのエンジン廃熱発生量Qwhoだけでは、総熱需要量Qdが満たさないこととなるので(ステップ2)、発電機21で発電した電力を、ヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aに通電してヒートポンプ5の運転を開始し、当該ヒートポンプ5の冷媒−水熱交換器52によって、貯湯回路4を流れる温水の加熱を開始する。この際、貯湯回路4に設けた供給水の循環量センサFhw、加熱前温度センサThw1、加熱後温度センサThw2、外気温センサTaなどから加熱供給量Qsを算出し(ステップ4)、当該加熱供給量Qsが総熱需要量Qdを満たすヒートポンプ熱発生量Qcophとなるように、すなわちヒートポンプ熱発生量Qcophがヒートポンプ要求熱出力Qhpoとなるように、圧縮機51を駆動する電動モータ51aへの出力Voが決定される(ステップ5)。
この決定によってヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aへの出力Voは更新され(ステップ6)、以後、ステップ1からの同じ制御が繰り返される。
図4は、このコージェネレーション装置1における加熱供給量Qs、すなわち、エンジン廃熱発生量Qwhoおよびヒートポンプ熱発生量Qcophと、総熱需要量Qdとの関係を示している。この熱需要追従制御部6aを有するコージェネレーション装置1によると、総熱需要量Qdとエンジン廃熱発生量Qwhoとの差異検知により、ヒートポンプ要求熱出力Qhpoに相当する熱量がヒートポンプ熱発生量Qcophから得られるように出力Voを自律的に制御することで、エンジン廃熱発生量Qwho以上の加熱供給量Qsを、総熱需要量Qdに応じて効率的に制御することができる。
図5は、本発明に係るコージェネレーション装置1の他の実施の形態を示している。図5において、図1に示すコージェネレーション装置1と同部材については同符号を付して説明を省略する。
このコージェネレーション装置1において、制御部6は、ヒートポンプ冷熱発生量Rcophが、総冷熱需要量Rdとなるようにヒートポンプ5の運転を行う冷熱需要追従制御部6bを有し、蒸発器54からヒートポンプ冷熱発生量Rcophを得るようになされている。
ヒートポンプ5の蒸発器54には、蒸発器54を流れる冷媒から冷熱を回収して水を冷却する冷却水循環回路7が設けられている。冷却水循環回路7を循環して蓄冷され、冷熱供給量Rsを有する冷熱の用途としては、例えば、冷蔵庫や自動販売機などの冷蔵に用いるものであってもよいし、室内の冷房に用いるものであってもよいし、チラー水として使用するものであってもよい。
冷熱需要追従制御部6bは、冷却水循環回路7に設けられた供給水の循環量センサFcw、冷却前温度センサTcw1、冷却後温度センサTcw2、外気温センサTaなどと接続され、冷却水循環回路7を流れる冷却水の冷熱供給量Rsを検出できるようになされている。また、冷熱需要追従制御部6bは、圧縮機51の前後に設けられた圧力センサP1,P2と接続されるとともに、インバータ31と接続されている。これによって、冷熱需要追従制御部6bは、これら圧力センサP1,P2から得られる圧力データに基づいて、圧縮機51を駆動する電動モータ51aにインバータ31を介して電力を供給することで、ヒートポンプ5によるヒートポンプ冷熱発生量Rcophを制御できるようになされている。
冷熱需要追従制御部6bは、使用者から入力される総冷熱需要量Rdを検出した場合に、ヒートポンプ5の運転が開始され、この総冷熱需要量Rdが冷熱供給量Rsとなり、かつ、この冷熱供給量Rsを維持するように、ヒートポンプ5の運転が開始され、ヒートポンプ冷熱発生量Rcophが制御される。
図6は、このコージェネレーション装置1における冷熱供給量Rsを維持するためのヒートポンプ冷熱発生量Rcophと、総冷熱需要量Rdとの関係を示している。この冷熱需要追従制御部6bを有するコージェネレーション装置1によると、冷熱供給量Rsに相当する熱量がヒートポンプ冷熱発生量Rcophから得られるように出力Voを自律的に制御することで、冷熱供給量Rsを、総冷熱需要量Rdに応じて効率的に制御することができ、熱需要だけではなく、冷熱需要をも満たすことができる。
なお、熱需要追従制御部6aと冷熱需要追従制御部6bとは、何れか一方を満たすように制御するものであってもよいし、両方を満たすように制御するものであってもよい。また、両方を満たすように制御する場合は、熱需要追従制御部6aによる制御を優先するものであってもよいし、冷熱需要追従制御部6bによる制御を優先するものであってもよい。例えば、何れか一方を満たすように制御する例としては、熱需要が増す冬季に、熱需要追従制御部6aだけを使用し、冷熱需要追従制御部6bを使用せず、冷熱需要が増す夏季に、冷熱需要追従制御部6bだけを使用し、熱需要追従制御部6aを使用しないといったことが考えられる。また、熱需要追従制御部6aと冷熱需要追従制御部6bとを両方制御する例としては、冬季に熱需要追従制御部6aで暖房や給湯に使用する温熱を確保し、冷熱需要追従制御部6bで冷蔵庫の冷蔵に使用する冷熱を確保するといったことが考えられる。また、夏季に冷熱需要追従制御部6bで冷房に使用する冷熱を確保し、熱需要追従制御部6aで給湯に使用する温熱を確保するといったことが考えられる。
図7は、本発明に係るコージェネレーション装置1のさらに他の実施の形態を示している。図7において、図1に示すコージェネレーション装置1と同部材には同符号を付しして説明を省略する。
このコージェネレーション装置1は、電力供給回路3に、発電機21による外部給電を検知する外部給電検知経路30が設けられ、制御部6は、外部給電を検知した時に、総熱需要量Qdを満たすまで、外部給電を減らしてヒートポンプ5の駆動に利用する電力供給を増やす電力需要追従制御部6cを有し、熱需要追従制御部6aと電力需要追従制御部6cとが切替スイッチ8によって切替可能となされている。
外部給電検知経路30は、発電機21による発電が外部電気系統33に電力供給するための経路3cに流れ、インバータ32によって交流に変換されて電力計34に検知された時点で、その検知を電力需要追従制御部6cへと知らせることができるように、電力計34と電力需要追従制御部6cとの間に設けられている。
電力需要追従制御部6cは、外部給電検知経路30を介して電力計34と接続されており、発電機21から外部に供給される電力を上記電力計34によって検知した際に、この電力計34から外部電気系統33へと流れる電力を抑制することで、逆に、ヒートポンプ5を駆動する経路3bに供給する電力を増やすようになされている。また、電力需要追従制御部6cは、切替スイッチ8を介して、ヒートポンプ5へ電力供給する経路3bに設けられたインバータ31に接続されており、外部電気系統33へ電力供給するための経路3cへの電力供給か抑制されて、ヒートポンプ5を駆動する経路3bに供給される電力が増えた場合に、この増えた電力をインバータ31で制御して、ヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aに電力供給するようになされている。ヒートポンプ5を駆動しても余剰となる電力がある場合は、経路3cから外部電気系統33へと電力供給される。
切替スイッチ8は、使用者が、上記した熱需要追従制御部6aと、電力需要追従制御部6cとの何れかを選択してマニュアル操作で切り替えることができるようになされている。
このコージェネレーション装置1は、切替スイッチ8を熱需要追従制御部6aに切り替えた場合には、上記図3で説明した熱需要追従制御が行われる。また、切替スイッチ8を電力需要追従制御部6cに切り替えた場合には、発電機21によって発電された電力が経路3cへと電力供給されることが抑制されて、ヒートポンプ5を駆動する経路3bに供給される電力が増やされ、電力需要追従制御部6cは、この増えた電力を、インバータ31によって制御してヒートポンプ5の圧縮機51を駆動する電動モータ51aを駆動することとなる。電力需要追従制御部6cによって、貯湯タンク41に所定温度の所定量の温水が貯湯されれば、その後、熱需要追従制御部6aによる熱需要追従制御に自動的に切り替えられる。
このコージェネレーション装置1によると、切替スイッチ8を切り替えることにより、ヒートポンプ5を、熱需要追従制御部6a以外に、電力需要追従制御部6cによって制御することができる。特に、電力需要追従制御部6cは、熱需要追従制御部6aのようにヒートポンプ要求熱出力Qhpoが生じないとヒートポンプ5を駆動しないといったようなことは無く、使用者の要求に応じた熱需要を直ちに満たすことが可能となる。したがって、計画外の温水が急きょ必要となったような場合であっても対応することが可能となる。
なお、このコージェネレーション装置1は、熱需要追従制御部6aおよび電力需要追従制御部6cに加え、前記した図5に示すような冷熱需要追従制御部6bを有するように構成したものであってもよい。この場合、電力需要追従制御部6cは、熱需要を満たすように構成されているが、冷熱需要を満たすように構成されたものであってもよいし、その両方を満たすように構成されたものであってもよい。
1 コージェネレーション装置
2 エンジン
21 発電機
3 電力供給回路
30 外部給電検知経路
4 貯湯回路
5 ヒートポンプ
6 制御部
6a 熱需要追従制御部
6b 冷熱需要追従制御部
6c 電力需要追従制御部
Qd 総熱需要量
Qwho エンジン発熱発生量
Qhpo ヒートポンプ要求熱出力
Qcoph ヒートポンプ熱発生量
Rd 総冷熱需要量
Rcoph ヒートポンプ冷熱発生量

Claims (4)

  1. エンジンに接続された発電機によって発電し、発電した電力を他へ供給するための電力供給回路と、エンジン廃熱を回収して温水を調製する貯湯回路とを有して構成されたコージェネレーション装置であって、
    電力供給回路には、発電機で発電した電力によって駆動するヒートポンプが接続され、
    ヒートポンプの制御部は、総熱需要量とエンジン廃熱発生量との差異からヒートポンプ要求熱出力を検出する熱需要追従制御部を有し、
    この熱需要追従制御部は、ヒートポンプ要求熱出力を検出した時に、ヒートポンプ熱発生量がヒートポンプ要求熱出力となるように運転条件を決定してヒートポンプの運転を行うことを特徴とするコージェネレーション装置。
  2. 制御部は、ヒートポンプによる冷熱発生量が、総冷熱需要量となるようにヒートポンプの運転を行う冷熱需要追従制御部を有する請求項1記載のコージェネレーション装置。
  3. 電力供給回路には、発電機による外部給電を検知する外部給電検知経路が設けられ、
    制御部は、外部給電を検知した時に、総熱需要量および総冷熱需要量の何れか一方または両方を満たすまで、外部給電を減らしてヒートポンプの駆動に利用する電力供給を増やす電力需要追従制御部を有し、熱需要追従制御部および冷熱需要追従制御部の何れか一方または両方と電力需要追従制御部とが切替可能となされた請求項1または2記載のコージェネレーション装置。
  4. 制御部は、熱需要追従制御および冷熱需要追従制御の何れか一方または両方を考慮した運転条件を決定してヒートポンプの運転を行う請求項2記載のコージェネレーション装置。
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