JP2018204830A - 温水供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の真空式温水機を備えた温水供給システムにおいて、システム効率が良くなるように台数制御を行う。【解決手段】 温水を貯湯するための貯湯タンクと、貯湯タンクに接続された複数の真空式温水機と、複数の真空式温水機の各々を制御可能に構成された制御器とを備える温水供給システムであって、制御器は、貯湯タンクの昇温期間中において、複数の真空式温水機を同一の運転負荷で運転するステップと、同一の運転負荷で運転している状態で複数の真空式温水機の運転効率を判定および比較するステップと、運転効率の比較結果に基づいて複数の真空式温水機の優先順位を決定するステップとを実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、温水供給システムに関し、特に、台数制御が可能な複数の真空式温水機を備える温水供給システムに関する。

従来、熱媒水を用い、熱交換器を介して水を加温するように構成された真空式温水機が知られている（例えば特許文献１）。真空式温水機では、蒸気室が大気圧以下に減圧された状態で、バーナなどの燃焼装置によって加熱された熱媒水が１００℃以下の温度で沸騰して蒸気となる。生じた蒸気は、熱交換器の表面で凝縮する過程において熱交換器内の水に熱を与えてこれを加温する。

熱交換器表面において凝縮した熱媒水は、水滴となって再び減圧蒸気室内に溜まる。このため、真空式温水機では、熱媒水の補給が原理的に不要であり、空焚きが生じるおそれがないので安全性が良好である。

さらに、真空式温水機は、内部が真空のため、膨張・爆発・破損のおそれが少なく、労働安全衛生法による「ボイラー及び圧力容器安全規則」の適用を受けないことから、取扱作業者が限定されずに利便性が高いというメリットも有する。

近年、例えば数台〜十数台程度の複数の真空式温水機を用いて、貯湯タンクに温水を供給することが行われている。複数の真空式温水機を用いれば、１台の真空式温水機を用いる場合に比べて、幅広い負荷の大きさに対応しやすいという利点が得られる。複数の真空式温水機を備える場合には、高負荷運転に対応した大容量の真空式温水機が不要となるので、それぞれの真空式温水機を比較的小容量に設計することができる。したがって、燃焼発停が生じることによるパージロスを抑えることができ、熱効率を向上させることができる。

複数の真空式温水機を用いる温水供給システムは、例えば、鉄道（上越新幹線）における散水消雪設備において採用されている。真空式温水機は、従来用いられていた水中加熱器に比べて、簡単な定期点検のみで運転可能であり、故障の発生率も低いので、メンテナンス費用を抑えてランニングコストを削減できるという利点を有している。

特開２０１５−１８３９１４号公報 特開２０１０−４８５３３号公報 特開２０１２−１７９５６５号公報 特開２００８−２９８３６５号公報 特開平６−２４９５３６号公報

複数の真空式温水機を用いる場合に、負荷（必要熱量）に応じて必要な台数だけを稼働させる台数制御を行うことができる。台数制御方式として、例えば本出願人は、真空式温水機の温水出口に設けた温度センサによる検出温度と、設定温度との差に基づいて、真空式温水機の稼働台数を決定する方式を採用している。あるいは、必ず稼働させる真空式温水機を１台設定しておき、この真空式温水機の燃焼時間が長いときには負荷が大きいと判断して、稼働台数を増加させる方式を採用している。

台数制御を行うとき、負荷が高いときには、稼働する真空式温水機の台数を増加させる一方で、低負荷時には何台かを停止させて最小台数で対応することが一般的であった。このような最小台数で対応する方式では、運転する真空式温水機のそれぞれで運転負荷が比較的高い状態に保たれる。

ただし、上記のように最小台数で負荷に対応することは、最近では、最も効率が良い制御ではなくなってきている。その背景には、真空式温水機の高機能化によって、比較的低い運転負荷、例えば、定格の２０％程度の燃焼量であっても良好な燃焼効率が得られるようになったことがある。真空式温水機では、高ターンダウン化（安定燃焼可能な最低燃焼量（定格に対する比）の低下）、バーナの比例制御、送風機のインバータ制御などの改良が進められている。

このような状況で、複数の真空式温水機の台数制御をさらに効率的に行うという要請があり、例えば、本出願人は、合計燃焼時間の少ない真空式温水機を優先的に稼働させることにより、真空式温水機の燃焼時間を均一化させる台数制御を行っている。このような方式によれば、使用される真空式温水機に偏りがなくなり、長期間の運用においても高効率を維持しやすい。ただし、このように合計燃焼時間に基づいて運転の優先順位を決定する場合、熱効率の最適化がなされるかについては不明なところもある。

一方、台数制御は、複数の蒸気ボイラを備えるシステムで多く行われている。蒸気ボイラにおいては、取扱いに資格や免許が必要な大型の水管ボイラや炉筒煙管ボイラの代わりに、取扱いに資格や免許が必要ない小型貫流蒸気ボイラを複数台設置することが普及しており、これに伴って、種々の態様の台数制御方式が提案されている。

例えば、特許文献２には、予め高効率燃焼位置が設定されているボイラを含むボイラシステムにおいて、高効率燃焼位置での燃焼を優先的に行うようにして台数制御を行うことが開示されている。特許文献３には、複数台設置されたボイラがすべて同じ効率で動作するものとして、給水温度を測定して効率のよい燃焼量を設定する制御が開示されている。また、特許文献４には、効率が高い給湯器を優先的に作動させてシステム全体の給湯能力低下を回避するシステムが開示され、特許文献５には、複数台設置した吸収冷凍機において、温水の出入口温度差を検出して、運転順位を決定する制御が記載されている。

しかしながら、上記特許文献２〜５は、いずれも真空式温水機の台数制御について開示するものではない。また、特許文献４に記載の給湯システムでは、給湯器のそれぞれに高価な流量計を取り付けており、製造コストが大幅に増加するという問題もある。

真空式温水機は大容量の貯湯タンクに接続されて用いられることも多く、各真空式温水機から供給される温水が直接的に使用されない場合もあったことから、従来は簡易的な台数制御でも十分なことが多かった。このため、特に貯湯タンクに接続された複数の真空式温水機の台数制御方式については、さほど提案されていなかったのが実情である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数の真空式温水機を備える温水供給システムにおいて、比較的簡便な手法により、より向上した効率で温水を供給することができる台数制御方式を提供することをその目的とする。

本発明の実施形態による温水供給システムは、温水を貯湯するための貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続された複数の真空式温水機と、前記複数の真空式温水機の各々を制御可能に構成された制御器とを備え、前記制御器は、前記貯湯タンクの昇温期間中において、前記複数の真空式温水機を同一の運転負荷で運転するステップと、前記同一の運転負荷で運転している状態で記複数の真空式温水機の運転効率を判定および比較するステップと、前記運転効率の比較結果に基づいて、前記複数の真空式温水機の優先順位を決定するステップとを実行する。

ある実施形態において、前記貯湯タンクの昇温期間は、測定された貯湯タンク内の水の温度を設定温度まで上昇させるために、前記複数の真空式温水機から前記貯湯タンクに加熱水を供給し始めてから前記貯湯タンク内の水の温度が設定温度になるまでの期間である。

ある実施形態において、前記制御器は、前記同一の運転負荷で複数の真空式温水機を運転したときに、前記貯湯タンク内の水の温度が前記設定温度まで上昇するまでに必要となる時間が、予め設定された最低時間以上となるように前記運転負荷を決定するステップをさらに実行する。

ある実施形態において、前記制御器は、少なくとも、前記貯湯タンク内の水の温度と、前記設定温度と、前記複数の真空式温水機の台数と、前記貯湯タンク内の水量とに基づいて前記運転負荷を決定する。

ある実施形態において、前記貯湯タンクは、第１の位置にタンク温度センサを備えており、前記貯湯タンク内の水量として、前記第１の位置に応じて決定される実質必要加熱水量が用いられる。

ある実施形態において、前記複数の真空式温水機の各々は、燃焼装置と、前記燃焼装置により加熱する熱媒水を収容するための減圧蒸気室と、前記減圧蒸気室に設けられた熱交換器と、前記燃焼装置から排出されるガスの温度を測定する排ガス温度センサとを備えており、前記制御器は、前記運転効率を比較するステップにおいて、前記複数の真空式温水機の各々に設けられた前記排ガス温度センサの出力に基づいて運転効率を比較する。

ある実施形態において、前記複数の真空式温水機の各々は、前記熱媒水の温度を測定する熱媒水温度センサをさらに備えており、前記排ガス温度センサの出力が実質的に同じである場合、前記熱媒水の温度に基づいて運転効率を比較する。

ある実施形態において、前記制御器は、前記決定された優先順位が高い順に、前記複数の真空式温水機のうちの単数または複数の真空式温水機を、必要台数分選択して運転する。

本発明の実施形態にかかる温水供給システムによれば、適切に台数制御を行い、効率的に温水を供給することができる。

本発明の実施形態による温水供給システムを示す模式図である。 実施形態による温水供給システムが備える真空式温水機を示す模式図である。 本発明の実施形態による温水供給システムにおいて行われる効率判定フロー（前半）を示す図である。 本発明の実施形態による温水供給システムにおいて行われる効率判定フロー（後半）を示す図である。 真空式温水機において熱媒水温度を上昇させるフロー（暖機運転および定格運転）に対応する各種データを示す表である。 真空式温水機からの温水の供給を受けて貯湯タンクの水温が上昇する過程で行う同一運転負荷による効率判断フローに対応する各種データを示す表である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１は、本実施形態の温水供給システム１００を示す。温水供給システム１００は、温水を貯湯するための貯湯タンク４と、貯湯タンク４に接続された複数の真空式温水機１と、複数の真空式温水機１の各々を制御可能に構成された制御器５とを備えている。また、真空式温水機１のそれぞれには、制御器５に接続された真空式温水機制御器２が設けられている。真空式温水機制御器２は、制御器５と協働して、または、単独で、真空式温水機１の動作を制御することができる。

本実施形態において、複数の真空式温水機１は、貯湯タンク４に対して並列に接続されており、各真空式温水機１の入口（給水側）と出口（出水側）とはともに配管などを介して貯湯タンク４に連通している。この構成において、流路の途中に介在する循環ポンプ３を作動させることによって、貯湯タンク４内の水を、各真空式温水機１を通して循環させることができる。各真空式温水機１は、循環する水を途中で加熱するように配置されており、本実施形態では、タンク下部から引き出された水を加熱して、タンク上部に温水を戻すように構成されている。

ただし、他の実施態様において、各真空式温水機１の給水側は他の貯水タンク（水供給源）に接続され、出水側のみが貯湯タンク４に接続されていてもよい。この場合にも、複数の真空式温水機１によって加熱した水を貯湯タンク４に供給することができるので、所望温度の温水を貯湯タンク４に蓄えることができる。水温の調整は、真空式温水機１の運転負荷を制御する以外にも、真空式温水機１を通過する水の流量を調節することによっても可能である。

なお、本明細書において、「貯湯タンク」は、真空式温水機によって加熱された水を蓄えることができる種々の貯水構造を広く意味しており、例えば、貯水槽として設けられたものであってもよいことは言うまでもない。

貯湯タンク４には、第１タンク温度センサ６および第２タンク温度センサ７が設けられている。第１タンク温度センサ６は、タンク中央部（第１の位置）に設けられており、第２タンク温度センサ７は、タンク上部（第２の位置）に設けられている。第１タンク温度センサ６および第２タンク温度センサ７は、貯湯タンク４内の温水の温度を測定することができ、接続された制御器５は、第１タンク温度センサ６および第２タンク温度センサ７の出力に基づいて各真空式温水機１の動作を制御することができる。なお、本実施形態では、２つのタンク温度センサ６、７を用いているが、他の態様において、１つのタンク温度センサ、あるいは、異なる位置に設けられた３つ以上のタンク温度センサを用いてもよい。

また、貯湯タンク４には、水供給源からの給水路１７と、負荷への供給路１８と、負荷からの戻り流路１９とが接続されている。負荷は、例えば、鉄道線路の近傍に設けられた散水設備であり、図示しないポンプを用いて貯湯タンク４から負荷に温水を供給することができる。また、負荷からの戻り流路１９には、戻り温度センサ９が設けられている。負荷側に十分な温度および量の温水が供給されたかどうかは、戻り温度センサ９の出力によって判断することができる。

図２は、本実施形態で用いられる各真空式温水機１の例示的な構成を示す。真空式温水機１は、缶体２０と、缶体２０の下部に取り付けられた燃焼装置２２とを備え、缶体２０内の減圧蒸気室２４に収容された熱媒水２３を、燃焼装置２２によって加熱することができるように構成されている。

熱媒水２３は、燃焼装置２２の燃焼室（火炉）２１の外側全体を覆うようにして缶体２０内に貯留されており、また、燃焼室２１の先に配置された複数の水管２７の内部にも熱媒水２３が充填されている。熱媒水２３の温度は、缶体壁面に取り付けられた熱媒水温度センサ１５によって測定することができる。

燃焼装置２２としては公知の種々のものが用いられてよいが、例えば、図２に示すように、電磁弁等を含む複数の燃料供給路が設けられたガスバーナであってよい。他の態様において、燃焼装置２２は、複数位置燃焼式の油焚バーナ（油圧噴霧式燃焼装置）であってもよい。燃焼装置２２では、エアダンパ２２ｂが設けられた送風機２２ａによって風量調整された燃焼空気が供給され、燃料と混合されて燃焼が行われる。

燃焼装置２２において、燃焼後の排ガスは、水管２７の先に設けられた煙室および煙道（排気筒２８）を通って外界へと排出される。排気筒２８には、排ガスの温度を測定する排ガス温度センサ１０が設けられており、安全装置として機能し、燃焼装置２２を含む缶体２０の異常（煤詰りの発生など）の検出を、排ガス温度に基づいて行うことができる。また、後述するように、本実施形態の温水供給システム１００において、排ガス温度センサ１０の出力は、真空式温水機１の効率判定のためにも用いられる。

減圧蒸気室２４の上部には、自動抽気装置１１が設けられており、減圧蒸気室２４の内部を排気することにより減圧することができる。本実施形態の自動抽気装置１１は、減圧蒸気室２４に連通する空気溜タンク１４と、空気溜タンク１４に接続された抽気ポンプ１２と、空気溜タンク１４内の温度を測定するための温度センサ１３とを備えている。

以上に説明した構成において、自動抽気装置１１を用いて抽気することにより減圧蒸気室２４の圧力を大気圧以下に低下させた状態で、燃焼装置２２により熱媒水２３を１００℃以下の温度で直ちに沸騰させることができ、そのときの圧力に応じた温度の蒸気が発生する。このとき、熱媒水２３の温度は、燃焼装置２２の出力を調整することによって、例えば７５℃〜８５℃の設定温度に制御される。

また、減圧蒸気室２４には、缶体２０の側壁から延びる熱交換器２６が設けられている。熱交換器２６は、減圧蒸気室２４内を水平方向に往復する断面略Ｕ字型の流路を有しており、図１に示した貯湯タンク４から給水された水が熱交換器２６の入口を通って流入し、減圧蒸気室２４の内側を流れた後、熱交換器２６の出口を通って貯湯タンク４に戻される。熱交換器２６内を流れる水は、熱媒水２３の蒸気が、熱交換器２６の表面で凝縮するときに伝達する熱によって加温される。加温された水は、真空式温水機１の出口から貯湯タンク４に戻され、貯湯タンク４には温水が蓄えられる。

なお、熱交換器２６は、図２に示す例では１つだけ設けられているが、２つ以上が設けられていてもよい。複数の熱交換器２６は、垂直方向に並べて配置されてもよいし、特許文献１に記載されているように、水平方向に並べて別個の減圧蒸気室に対して配置されていてもよい。

再び図１を参照する。貯湯タンク４には、複数の真空式温水機１によって加熱された水が貯湯されるが、本実施形態において、制御器５は、真空式温水機１の台数制御を行い、負荷の大きさ（すなわち必要熱量）などに応じて決定される必要台数分の真空式温水機１だけを運転する。もちろん、負荷が大きい場合などには、全ての真空式温水機１を運転することもある。

運転台数は、種々の方法により決定することができる。例えば、上述したように、各真空式温水機１に設けた温度センサ（図示せず）により検出した出口温度と設定温度（目標温度）との差に基づいて、あるいは、貯湯タンク４内の水温と設定温度との差に基づいて運転台数を決定することができる。また、優先的に稼働する１台の真空式温水機の燃焼時間により負荷状況を判断し、必要に応じて運転台数を増やすように制御するようにすることもできる。

また、散水消雪設備などに用いる場合、戻り水（スプリンクラーから放出された後、返送水として集められた水）を貯留する貯水槽に設けられた温度センサの出力に基づいて貯湯温度および運転台数を決定してもよいし、測定された気象データ（気温、風速、降雪強度など）に基づいて貯湯温度および運転台数を決定してもよい。

そして、本実施形態における台数制御方式においては、貯湯タンク４の昇温期間中に、真空式温水機１のそれぞれについて効率判定を同時に行う。また、効率判定の結果に基づいて運転の優先順位を決定し、優先順位の高い順、すなわち運転効率の良い順に、必要台数分の真空式温水機１を選択して運転する。なお、図１には示していないが、各真空式温水機１の流路には開閉弁が設けられており、運転することが決定した真空式温水機１に対応する開閉弁のみを開放することによって、貯湯タンク４へ加熱水を効率的に供給することができる。また、循環ポンプ３を各真空式温水機１に設けるとともに、運転する真空式温水機に設けられた循環ポンプを駆動することで貯湯タンク４へ加熱水を供給するようにしてもよい。

より具体的には、制御器５は、貯湯タンク４の昇温期間中において複数の真空式温水機の全てを同一の運転負荷で運転するステップと、同一の運転負荷で運転している状態で真空式温水機の運転効率を判定および比較するステップと、運転効率の比較結果に基づいて運転の優先順位を決定するステップとを実行する。

このように、貯湯タンク４の昇温期間中に同一運転負荷を行うことにより効率判定を行うが、複数の真空式温水機１は共通の貯湯タンク４に接続されており、貯湯タンク４内の水量は比較的多いので、貯湯タンク内の水温が所望の設定温度に達するまでには比較的長い時間かかることが多い。

そこで、本実施形態では、貯湯タンク４の昇温期間を利用して、接続された全ての真空式温水機で、効率判定のための同一運転負荷での運転を行うようにしている。これにより、別途に効率判定期間を設けることなく、貯湯タンク４内の水温上昇が望まれる任意の機会に、真空式温水機１の効率判定を実施し得る。

また、このような貯湯タンク４の昇温期間においては、共通に接続された貯湯タンク４内の水温が目標温度に達するまでは、真空式温水機のそれぞれで運転負荷を任意に設定しても実質的な問題は生じない。このため、上記のように全台同一運転負荷での運転を行うことに支障がなく、運転条件が真空式温水機ごとに異なる状態で効率判定を行う場合に比べて、より精度の高い効率判定を為し得る。

なお、制御器５は、例えば複数の真空式温水機１の外部に設けられた台数制御盤の態様で設けられるが、これに限られず、真空式温水機１のいずれか（マスタ）に内蔵されたものであってもよい。制御器５は、例えば、プロセッサ（ＣＰＵなど）、ＲＯＭやＲＡＭなどのメモリ（記憶装置）、Ａ／Ｄコンバータ等が基板上に設けられた構成や、マイクロコントローラの態様で設けられていてよく、後述する台数制御（または効率判定）を実行するためのコンピュータプログラムを含んでいてよい。制御器５は、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現され得る。

制御器５は、コンピュータ等の外部装置と情報を交換するためのインターフェイスを備えていてよく、これにより、外部装置からＲＯＭへのプログラム及びデータの書込みなどを行うことができる。また、制御器５の構成要素の一部（ＣＰＵなど）は別の場所に配置され、有線または無線で相互接続されていてもよい。

以下、制御器５によって実行される、本実施形態における真空式温水機の台数制御方式のより具体的な態様について説明する。

図３および図４は、制御器５による台数制御手順の一部（効率判定フロー）を示すフローチャートである。図３はフローの前半を示し、図４は、フローの後半（図３に示したフローの続き）を示している。

また、図５は、各真空式温水機１の起動時などに行われる暖機運転および定格運転における例示的な各データを示している。図６は、起動した真空式温水機１から貯湯タンク４に温水を循環供給する過程の昇温時間中において、複数台の真空式温水機（ここでは３台）を同一運転負荷で運転させたときの例示的な各データを示している。

ここで、図５に示す「暖機運転」は、温水供給システム１００の起動時などにおいて、燃焼装置２２を５０％などの適宜の運転負荷（Ｉ）で動作させることにより、真空式温水機内で熱媒水２３の温度を第１の設定温度（暖機運転温度）（Ｇ）まで上昇させる過程を示す。また、図５に示す「定格運転」は、暖機運転の後に、１００％（最大）の運転負荷（Ｉ）で燃焼装置２２を動作させることにより、真空式温水機内で熱媒水２３の温度を、第１の設定温度から第２の設定温度（定格運転温度）（Ｇ）まで上昇させる過程を示す。上記の「暖機運転」および「定格運転」は、いずれも、貯湯タンク４に水を循環させる前に行う、真空式温水機の準備運転動作である。

図５には、各真空式温水機１における例示的な定格出力（Ａ）、熱効率（Ｂ）、燃料発熱量（Ｃ）、定格燃焼量（Ｄ）、熱媒水量（Ｅ）も示されている。図５からわかるように、熱媒水の測定温度（Ｆ）と設定温度（Ｇ）との差および熱媒水量（Ｅ）に基づいて必要熱量（Ｈ）が算出され、また、必要熱量（Ｈ）、燃料発熱量（Ｃ）、定格燃焼量（Ｄ）および運転負荷（Ｉ）によって暖機運転および定格運転での運転時間（Ｊ）、（Ｋ）が算出される。また、起動から熱媒水温度が設定値に達するまでの時間（準備運転時間）（Ｌ）が、運転時間（Ｊ）、（Ｋ）の合計として算出される。

また、図６には、運転する真空式温水機の台数（Ｍ）、後述する効率判定時の運転負荷（Ｎ）、起動時におけるタンク上部温度（Ｏ）、タンク中央部温度（Ｐ）、貯湯タンク内の温水の設定・目標温度（Ｑ）、貯湯量（全量（Ｒ）および中央部温度（Ｐ）の測定位置に応じた実質必要加熱水量（Ｓ））、必要熱量（Ｔ）、昇温時間（Ｕ）が示されている。なお、図６の左欄と右欄とには、効率判定開始時における貯湯タンク内の水温が異なる２つの例が示されている。

図３を参照して、ステップＳ１で、効率判定フローが開始され、ステップＳ２〜ステップＳ７に示すように各真空式温水機１の準備運転が行われる。このとき、循環ポンプ３は動作しておらず、貯湯タンク４にはいずれの真空式温水機１からも加熱水の供給が行われない。

準備運転では、まず、各真空式温水機１において熱媒水温度センサ１５を用いて起動時の熱媒水２３の温度（Ｆ）を測定し（ステップＳ２）、測定温度（Ｆ）が予め設定された暖機運転温度（Ｇ）未満であるか否かが判定され（ステップＳ３）、測定温度（Ｆ）が暖機運転温度（Ｇ）未満のときには運転負荷５０％で燃焼装置２２を動作させる（ステップＳ４）。これにより、熱媒水２３の温度を、例えば図５に示すように５℃から５０℃へと上昇させることができ、その所要時間（Ｊ）は２４０秒となる。なお、ステップＳ３において、測定温度（Ｆ）が暖機運転温度（Ｇ）以上であると判断されたときは、暖機運転は不要であると判断して後述するステップＳ６へと進む。

次に、ステップＳ５で、熱媒水２３の測定温度（Ｆ）が、暖機運転温度（Ｇ）以上と判定されるまでは、運転負荷５０％での燃焼装置２２の燃焼動作を継続させ、暖機運転温度（Ｇ）以上になった時には、運転負荷１００％に切り替えて燃焼装置２２を作動させてさらに熱媒水２３を加熱する（ステップＳ６）。そして、ステップＳ７で、熱媒水２３の測定温度（Ｆ）が、定格運転温度（Ｇ）以上と判別されるまで定格燃焼動作を行う。

その後、定格運転温度（Ｇ）に達したときには、準備運転が終了し、各真空式温水機１で、熱交換器２６を用いて貯湯タンク４に温水を供給する準備ができたと判断する。この過程で、例えば図５に示すように、熱媒水２３の温度は、５０℃から７０℃へと上昇し、その所要時間（Ｋ）は６７秒である。図５に示す例では、熱媒水温度が設定値に達して準備運転が終了するまでの起動時からの時間（Ｌ）は、２４０秒＋６７秒＝３０７秒であり、約５分で立ち上げ動作が完了することがわかる。

起動時の準備運転が終了した後、図４のステップＳ８〜Ｓ１９示すように、真空式温水機１の効率判定フローが行われる。効率判定フローＳ８〜Ｓ１９において、真空式温水機の同一負荷運転（ステップＳ１１）は、循環ポンプ３を動作させて貯湯タンク４に温水を供給する期間（貯湯タンク４の昇温期間）において行われる。なお、貯湯タンク４の昇温期間とは、図６に示したように、測定された貯湯タンク４内の水の現在温度（Ｏ）、（Ｐ）を、設定温度（Ｑ）まで上昇させるために、真空式温水機１から貯湯タンク４に加熱水を供給し始めてから、貯湯タンク内の水の温度が設定温度（Ｑ）になるまでの期間である。

また、効率判定フローでは、効率判定対象である全ての真空式温水機１を同一の運転負荷で運転することによって各真空式温水機の運転効率を判定し、判定結果に基づいて真空式温水機の運転の優先順位を決定する。

ここで、本実施形態では、効率判定を、排ガス温度センサ１０を用いて測定した燃焼装置２２の排ガス温度に基づいて行うようにするとともに、排ガス温度が安定する最低時間（以下、効率判定最低時間（Ｖ）と称することがある）を予め試験などにより求めておき、この効率判定最低時間を超えるように同一運転負荷での全体運転を行った後に効率判定を行うようにしている。これにより、効率判定の精度を向上させることができる。

また、上記の効率判定最低時間以上の時間で行う全体運転が、貯湯タンクの昇温期間内に行われるように、すなわち、貯湯タンク内の水温が設定温度に達するまでに行われるように、全体運転をするときの同一運転負荷を前もって調節するようにしている。より具体的には、貯湯タンクの現在温度と設定温度との差およびタンク内水量から必要熱量を割出し、この必要熱量を与えるのに真空温水機全体で要する時間（図６に示す昇温時間（Ｕ））が、効率判定最低時間（Ｖ）以上となるように、同一の運転負荷を大きくなりすぎないように選定している。

このようにして、制御器５は、効率判定フローにおいて、同一の運転負荷で複数の真空式温水機１を運転したときに、貯湯タンク内の水の現在温度が設定温度まで上昇するまでに必要となる時間（Ｕ）が、予め設定された効率判定最低時間（Ｖ）以上となるように同一運転負荷を決定するので、起動時などの貯湯タンクの昇温期間内に効率判定が行われ、効率判定用の期間を別途設ける必要がなく、容易に実行することができる。

以下、図４に示すステップＳ８〜Ｓ１９を詳細に説明する。

真空式温水機１の準備運転が終了した後、ステップＳ８において、貯湯タンク４内の貯湯温度（Ｏ）、（Ｐ）を測定する。本実施形態では、図１に示した第１タンク温度センサ６と第２タンク温度センサ７を用いて、タンク中央部における中央部貯湯温度（Ｐ）と、タンク上部における上部貯湯温度（Ｏ）とを測定している。図６左欄に示すように、貯湯温度（Ｏ）、（Ｐ）は、例えば、起動時などでは低い温度（上部１５℃、中央部５℃）であり、また、図６右欄に示すように継続運転中などにおける貯湯温度は比較的高い温度（上部５０℃、中央部４０℃）である。

次に、ステップＳ９において、効率判定対象となる真空温水機の全てを同一運転負荷（Ｎ）で運転したときに、貯湯タンク４内の貯湯温度（Ｏ）、（Ｐ）が設定温度（Ｑ）まで上昇するのに要する昇温時間（Ｕ）が、機種ごとに定められた効率判定最低時間（Ｖ）以上となるように同一運転負荷（Ｎ）を決定する。同一運転負荷（Ｎ）は、（Ｖ）≦（Ｕ）を満足するものの中で最大のものであることが好ましい。これは、同一運転負荷（Ｎ）を最大値に設定することによって、できるだけ短時間のうちに貯湯温度（Ｏ）、（Ｐ）を設定温度（Ｑ）まで上昇させることができるからである。

例えば、図６の左欄に示す例では、上部貯湯温度（Ｏ）と中央部貯湯温度（Ｐ）とはそれぞれ１５℃と５℃であり、目標とする設定温度（Ｑ）は５０℃である。このとき、本実施形態では、必要熱量（Ｔ）を、設定温度（Ｑ）と中央部貯湯温度（Ｐ）との差に、全貯湯量（Ｒ）の半分の量（Ｓ）を掛けたもの（＝（Ｑ−Ｐ）＊Ｓ）として求めている。これは、温度成層型の貯湯タンク４内で、水温は、上部で高くなり底部で低くなるという温度勾配を有するので、水全体の温度を設定温度（Ｑ）近くするためには、少なくとも、中央部での温度差（Ｑ−Ｐ）に水の半分の量を掛けただけの熱量が必要であると推測できるからである。

なお、上記では半分の量（Ｓ）を用いているが、これは、中央部貯湯温度（Ｐ）の測定位置が、満水量の略半分の高さにあるためである。ただし、これに限られず、貯湯温度の測定位置に応じて、実質的に加熱が必要な水量（実質必要加熱水量と呼ぶことがある）を求めるようにしてもよい。例えば、満水位置に対する貯湯温度測定高さの比（例えば、上中部の場合は７５％）に基づき、全体水量（Ｒ）にその比を乗じることなどによって、実質必要加熱水量（Ｓ）を求めることができる。また、より多くのタンク温度センサが設けられている場合には、必要熱量（Ｔ）を、複数のタンク温度センサの出力に基づいてより正確に割り出すことも可能である。

以上のようにして必要熱量（Ｔ）を、貯湯タンク内の水の現在温度（Ｐ）と、設定温度（Ｑ）と、タンク内水量（Ｓ）とに基づいて求めるとともに、この必要熱量（Ｔ）を、効率判定最低時間（Ｖ）以上の昇温時間（Ｕ）をかけて与えることができるように、各真空式温水機１に共通の運転負荷（Ｎ）を決定する。

具体的には、図６に示すように、効率判定を行う全台数（Ｍ）、真空式温水機の定格出力（Ａ）を用いて、Ｕ＝６０＊Ｔ／（Ａ＊Ｎ＊Ｍ）≧Ｖ（定格出力（Ａ）が時間（ｈ）当たりの熱量を示しており、昇温時間（Ｕ）は分（ｍｉｎ）で表す場合）を満たすＮの条件を求める。また、好適には、条件を満たすＮの中での最大値を、同一運転負荷（Ｎ）として設定する。

ここで、図６に示す例では、予め試験により求められた効率判定最低時間（Ｖ）が５分であった。すなわち、一定の運転負荷で動作させて５分が経過した後には、排ガス温度が比較的安定することが確かめられており、このときには、排ガス温度測定による効率判定を良好に行うことができる。なお、効率判定最低時間（Ｖ）は、コンパクトな設計の真空温水機ほど短くなる傾向があることが分かっている。

図６の左欄で示す例（低水温時）には、貯湯タンク内の水温が低いこともあり、設定温度５０℃まで上昇させるには、定格１００％の運転負荷で３台全ての真空式温水機を運転しても昇温時間（Ｕ）が約１４分かかる。したがって、昇温時間（Ｕ）が効率判定最低時間（Ｖ）の５分を上回るので、同一運転負荷（Ｎ）を１００％に設定することができる。

一方、図６の右欄で示す例（高水温時）では、貯湯タンク内の水温が比較的高く、設定温度５０℃に達するまでの必要熱量は比較的少ない。このため、定格１００％の運転負荷で３台全ての真空式温水機を運転した場合には、昇温時間（Ｕ）が約３分となって効率判定最低時間（Ｖ）の５分を下回り、昇温期間中に安定した効率判定が行えないおそれがある。これに対して、上記の式Ｕ＝６０＊Ｔ／（Ａ＊Ｎ＊Ｍ）≧ＶによればＮ≦（３／５）が導出され、すなわち、図６の右欄で示す例では、６０％の運転負荷が、効率判定最低時間（Ｖ）の５分を経過後（ここでは丁度５分）に設定温度５０℃に達する最大運転負荷であることがわかる。したがって、図６の右欄で示す例では、同一運転負荷（Ｎ）を６０％に設定する。

なお、図３および図４には、貯湯温度測定ステップＳ８および同一運転負荷決定ステップＳ９を、起動時の準備運転フロー（ステップＳ２〜ステップＳ７）の後に行う態様が示されているが、これに限られない。貯湯温度の変動が生じないと判断できるような状況では、ステップＳ８およびステップＳ９を、準備運転フローＳ２〜Ｓ７と同時に行うようにしてもよいし、準備運転フローＳ２〜Ｓ７よりも前に行ってもよい。また、ステップＳ８からの効率判定フローは、起動時に限られず、既に運転中の真空式温水機１に対しても適用可能なため、準備運転フローＳ２〜Ｓ７を必須とするものではない。

以上のようにして、効率判定最低時間（Ｖ）以上の昇温期間（Ｕ）が実現する同一運転負荷（Ｎ）を導出した後、ステップＳ１０において、循環ポンプ３を作動させて、真空式温水機１から貯湯タンク４への温水の供給を開始する。このとき、ステップＳ１１において、効率判定対象の全ての真空温水機１が、上記のようにして求めた同一の運転負荷（Ｎ）に設定され、これら全ての真空温水機１から貯湯タンク４へ加熱水の供給を行う。

そして、ステップＳ１２において効率判定最低時間（Ｖ）が経過し、ステップＳ１３において中央部貯湯温度（Ｐ）が設定温度（Ｑ）以上に達するまで、全台同一運転負荷（Ｎ）での定常運転を行う。

その後、貯湯温度（Ｐ）が設定温度（Ｑ）以上になった時には、ステップＳ１４に示すように、全ての真空式温水機１において、排ガス温度センサ１０（図２）を用いて排ガス温度の測定が行われる。そして、ステップＳ１５に示すように、出力された排ガス温度を比較して、排ガス温度がより低いものを、運転効率がより良い真空式温水機と判定し、運転の優先順位を上位に設定する。これにより、効率判定フロー実施時における運転効率の良い順に、真空式温水機の優先順位を決定することができる。

ステップＳ１４の排ガス温度測定は、同一運転負荷での全台定常運転を開始してから効率判定最低時間（Ｖ）が経過した後に行われるので排ガス温度が安定しており、また、同じ運転条件後に比較するので、ステップＳ１５における効率判定を向上した精度で行うことができる。また、上述したように一般的な真空式温水機には異常検知の目的で排ガス温度センサが設けられていることが多いので、追加の設備を必要とせずに、比較的簡便な手法によって適切に運転優先順位を決定することができる。

上記のようにステップＳ１５において排ガス温度に基づいて優先順位の割り付けを行うが、複数の真空式温水機１で排ガス温度が実質的に同じである（測定誤差範囲内である）ことが判明したとき（ステップＳ１６のＮＯ）には、ステップＳ１７およびＳ１８において付加的な効率判定を行い、該当する真空式温水機１における熱媒水温度をそれぞれの熱媒水温度センサ１５（図２）によって測定するとともに、熱媒水温度が高いものを優先順位上位に設定するようにしてもよい。

例えば、３台の真空式温水機で、排ガス温度の測定値が、１号機＝１２０℃、２号機＝１２０℃、３号機＝１１０℃であれば、３号機を台数制御の最上位に設定し、次に、熱媒水温度が１号機＝８０℃、２号機＝８５℃であれば、２号機を１号機よりも上位に設定する。

以上のようにして効率判定フローを行い、複数の真空式温水機の運転の優先順位を決定してフローが終了する（ステップＳ１９）。なお、上記には、貯湯温度（Ｐ）が設定温度（Ｑ）以上と判定されたステップＳ１３の後に、排ガス温度測定による効率判定（ステップＳ１４〜Ｓ１８）を行う例を説明したが、ステップＳ１２において効率判定最低時間（Ｖ）が経過した後であれば、貯湯温度（Ｐ）が設定温度（Ｑ）に達する前の昇温期間中に効率判定を行ってもよい。

以上説明したように、本実施形態においては、貯湯タンク４の昇温期間中に、複数の真空温水機を同一の運転負荷で運転することにより効率を判定し、優先順位づけを行う。そして、必要とされる台数の真空式温水機を、優先順位の高い方から順に選択して駆動することによって、向上した効率で所望の温度および流量の温水を貯湯タンクに供給することができる。真空式温水機の台数は、例えば、３台〜１００台程度であってよい。

上記の本実施形態の効率判定は、従来の台数制御方式に追加して行うことができ、例えば、上述の本願出願人が採用していた合計運転時間に基づいて優先順位を決定する方式と組み合わせて実施することもできる。この場合、いずれかの一方の方式で優先順位が付けられた上位複数の真空式温水機について、さらに他方の方式で優先順位をつけるようにしてもよい。あるいは、一方の方式では判定がしづらく優先順位が付けにくいものを対象にして他方の方式で優先順位を付けるようにしてもよい。また、上記の実施形態では、排ガス温度に基づいて効率判定を行ったが、燃料流量計および排ガスＯ_２計を用いることによって、さらに高精度の効率比較を行い得る。

また、上記の効率判定は、任意の貯湯タンク昇温期間において実行することができる。例えば、起動時ではなく定常運転を行っている状況で、必要熱量が増加して貯湯タンクの水温の上昇が要求されたときには、貯湯タンクの昇温期間を利用して上述した効率判定フローを実施することができる。これにより、更新された運転の優先順位に基づいて、運転する真空式温水機を選定しなおすことができ、経年変化による運転効率の個体差が発生したときにも、効率の良いものを優先的に運転させることができる。

また、効率が異なる真空式温水機を複数台設置するときにも、上記実施形態の効率判定を適用することが可能である。例えば、故障した１台に代えて高効率タイプの真空式温水機が導入された場合、その高効率の真空式温水機を優先的に使用するとともに、他の同効率タイプの真空式温水機について上記の効率判定を適用して運転の優先順位を決定するようにしてもよい。

本発明の実施形態による温水供給システムは、例えば、鉄道の散水消雪設備などに好適に利用される。

１ 真空式温水機
２ 真空式温水機制御器
３ 循環ポンプ
４ 貯湯タンク
５ 制御器
６ タンク温度センサ（中央部）
７ タンク温度センサ（上部）
１０ 排ガス温度センサ
１１ 抽気装置
１５ 熱媒水温度センサ
１７ 給水路
１８ 供給路
１９ 戻り流路
２０ 缶体
２１ 燃焼室
２２ 燃焼装置
２２ａ 送風機
２２ｂ エアダンパ
２３ 熱媒水
２４ 減圧蒸気室
２６ 熱交換器
２７ 水管
２８ 排気筒
１００ 温水供給システム

Claims (8)

1. 温水を貯湯するための貯湯タンクと、前記貯湯タンクに接続された複数の真空式温水機と、前記複数の真空式温水機の各々を制御可能に構成された制御器とを備える温水供給システムであって、
   前記制御器は、
   前記貯湯タンクの昇温期間中において、前記複数の真空式温水機を同一の運転負荷で運転するステップと、
   前記同一の運転負荷で運転している状態で記複数の真空式温水機の運転効率を判定および比較するステップと、
   前記運転効率の比較結果に基づいて、前記複数の真空式温水機の優先順位を決定するステップと
   を実行する、温水供給システム。
2. 前記貯湯タンクの昇温期間は、測定された貯湯タンク内の水の温度を設定温度まで上昇させるために、前記複数の真空式温水機から前記貯湯タンクに加熱水を供給し始めてから前記貯湯タンク内の水の温度が設定温度になるまでの期間である、請求項１に記載の温水供給システム。
3. 前記制御器は、前記同一の運転負荷で複数の真空式温水機を運転したときに、前記貯湯タンク内の水の温度が前記設定温度まで上昇するまでに必要となる時間が、予め設定された最低時間以上となるように前記運転負荷を決定するステップをさらに実行する、請求項２に記載の温水供給システム。
4. 前記制御器は、少なくとも、前記貯湯タンク内の水の温度と、前記設定温度と、前記複数の真空式温水機の台数と、前記貯湯タンク内の水量とに基づいて前記運転負荷を決定する、請求項３に記載の温水供給システム。
5. 前記貯湯タンクは、第１の位置にタンク温度センサを備えており、
   前記貯湯タンク内の水量として、前記第１の位置に基づいて決定される実質必要加熱水量が用いられる、請求項４に記載の温水供給システム。
6. 前記複数の真空式温水機の各々は、燃焼装置と、前記燃焼装置により加熱する熱媒水を収容するための減圧蒸気室と、前記減圧蒸気室に設けられた熱交換器と、前記燃焼装置から排出されるガスの温度を測定する排ガス温度センサとを備えており、
   前記制御器は、前記運転効率を比較するステップにおいて、前記複数の真空式温水機の各々に設けられた前記排ガス温度センサの出力に基づいて運転効率を比較する、請求項１から５のいずれかに記載の温水供給システム。
7. 前記複数の真空式温水機の各々は、前記熱媒水の温度を測定する熱媒水温度センサをさらに備えており、前記排ガス温度センサの出力が実質的に同じである場合、前記熱媒水の温度に基づいて、運転効率を比較する、請求項６に記載の温水供給システム。
8. 前記制御器は、前記決定された優先順位が高い順に、前記複数の真空式温水機のうちの単数または複数の真空式温水機を、必要台数分選択して運転する、請求項１から７のいずれかに記載の温水供給システム。

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