JP3925831B2

JP3925831B2 - Hot water heater

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Publication number: JP3925831B2
Application number: JP2000197754A
Authority: JP
Inventors: 健一田之頭; 健次郎大内
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2020-06-30
Also published as: JP2002013811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガス等を燃料とするガスエンジンを用いる熱併給発電（以下、コージェネレーションと略称する。）において、給湯システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスエンジンは、都市ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧ、溶鉱炉ガス等、気体燃料を用いる往復式内燃機関であり、小型化容易であるためコージェネレーション用として普及しつつある。ガスエンジンを発電の動力源として使用するコージェネレーションシステム（図８参照）において、ガスエンジンが排出する高温の排ガスから廃熱を回収すると共に高温のエンジン本体を冷却することで熱回収し、給湯用或は暖房や吸収式冷温水機の熱源用に利用している。燃料ガスから電気に転換されるエネルギーは高々２４％程度であるのに対し、熱交換器により回収し得るエネルギーは５８％を占めるので、回収エネルギーの有効利用が重要である。
【０００３】
前記図８のコージェネレーションシステムの要部を図９に示した。図９は、従来の一般的な給湯システムをコージェネレーションユニットに接続したものである。回収された廃熱は、温水と云う形で蓄熱され、即ち貯湯タンクに一旦貯えられた後、風呂や空調設備などユーザーの需要に応じて給湯される。発電された電力の需要と、ホテル、病院、福祉養護施設、ファミリーレストラン、浴場、スポーツ施設などで様々な温度、開栓頻度、流量で給湯される温水の需要は、通常、時間的に夫々独立に変動するので、エネルギーを有効利用するため、両者の変動を調整できる給湯設備が必要である。
【０００４】
従来のコージェネレーションにおける一般的な簡易給湯設備を例示する図５に沿って、従来技術の問題点を説明する。コージェネレーションユニット内に搭載されたガスエンジン２へ燃料ガスと燃焼用空気を供給し、発生する動力により発電機１を駆動して発電し、電力供給を行う。ガスエンジン２で発生した排ガス（例えば、温度４５０℃−５００℃）が保有する廃熱は、排ガス熱交換器３１においてクーラント（沸騰し難い液体であり、例えば、濃度約５０ｗｔ％のエチレングリコールあるいはプロピレングリコール水溶液等、以下ユニット内熱媒体と略称）に吸収され、ユニット内熱媒体が例えば７０℃前後に昇温する。更にユニット内熱媒体は、エンジン本体を冷却して熱を受け取ることで例えば８０℃前後に加熱される。このユニット内熱媒体は、熱媒熱交換器４において給湯システムを加熱するための熱媒体（例えばエチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液等、または凍結のおそれが無い場合は水でも良い。以下、単に熱媒体と略称）と熱交換する。熱交換を済ませて例えば６５℃程度に温度低下したユニット内熱媒体は、内部循環ポンプ５１（図５には図示せず、前記図９参照）により再び排ガス熱交換器３１へ還流し、廃熱を吸収する。
【０００５】
一方、熱媒熱交換器４において加熱された熱媒は、熱媒循環ポンプ５２により貯湯タンク７内にある熱交換器６へ送られ、貯湯タンク内の水、又は温度低下した温水に熱を与える。通常、貯湯タンク７は水道水の圧力により湯を押し出す形式の密閉型であり、熱媒体を熱源とし、内圧として２０ｍＨ_２Ｏ（ゲージ圧力２ｋｇ／ｃｍ^２）以下の水頭圧がかかる貯湯湯沸器の一種である。
【０００６】
図５において、貯湯タンク７の湯温が設定値に達すると、熱交換器６において熱交換し難くなり、熱媒体の温度が次第に上昇する。熱媒体温度が上昇し、熱媒熱交換器４において熱を受け取り難くなると、ユニット内熱媒体は熱媒熱交換器４において熱を渡し難くなり、出口での温度が高くなる。或る一定の温度を超えると、前記図９に示すように、ユニット内熱媒体流路の切替機能を持つワックス弁１０が作動する。流路を切り替えられたユニット内熱媒体はラジエター３２へ流れ、高温のユニット内熱媒体が空気冷却により大気中に放熱することで温度が低下し、温度低下したユニット内熱媒体は内部循環ポンプ５１（前記図９参照）により再び排ガス熱交換器３１へ還流する。
【０００７】
図１０にワックス弁の構造と機能を模式的に示した。ワックス弁は方向制御弁の一種であり、弁軸をシリンダーに納め、シリンダー内に或る温度で熱膨張率の大きく変化する固体（ワックスと略称）を充填してある。弁内を流通する流体が或る一定の温度以上に高くなると、ワックスの体積が急激に熱膨張し、弁軸をシリンダーから押出し、図１０の右側に示したように下弁が弁座から離れることにより開弁し、同時に上弁が内部循環ポンプ５１へ直接通じる流路を閉じる。これにより、本発明では高温のユニット内熱媒体がラジエター３２へ流れ、空気冷却された後に内部循環ポンプ５１に到達し、再び循環する。
【０００８】
貯湯タンク７内の温水が熱損失により設定値を下回る温度になると、熱媒体の温度も次第に低下する結果、ユニット内熱媒体の温度が例えば６０℃程度に低下する。温度低下によりワックスの体積が収縮すると、図１０の左側に示したように弁軸がシリンダー内へ引き込まれ、自重とスプリングの作用により下弁を弁座に押し付けることで閉弁し、内部循環ポンプ５１への流路を閉じていた上弁が同時に開く。これにより、本発明では低温のユニット内熱媒体が直接に内部循環ポンプ５１へ吸い込まれ、再び排ガス熱交換器３１へ還流し、廃熱を吸収して例えば８０℃前後に昇温する。
【０００９】
なお、前記図９の給湯システムには、従来技術の給湯システムの別例として、バックアップ用湯沸器を併用した事例を示した。コージェネレーションユニットで発生した廃熱により熱媒熱交換器４で熱媒体を加熱し、この熱媒体により貯湯タンク７の水を加熱し、得られた温水を貯湯タンク７に一旦貯める。温水の温度調節は、給水と貯湯タンク７の温水との混合、又は貯湯タンク７の温水を更にガス瞬間湯沸器等で加熱する等により行う。
【００１０】
コージェネレーションにおいて、自家用電力消費量を超える電力は電力供給会社に売電することになる。売電価格は自家発電コストを下回るため、自家用電力消費量が発電能力下限値より低下した場合は、発電機の運転を停止する。このような電力自給を優先するため、従来、小規模以上の業務用にコージェネレーションを利用した場合、図５に示すように、給湯設備は給湯需要の時間的変動に対処できる大容量の貯湯タンク７を必要とした。しかし、大容量タンクの使用は、設置スペースの制約、製作場所から据付け現場への運搬性、容量がオーダーメイドであることによる設計・製作費の硬直性など、製作面での難点がある。また、熱媒循環ポンプ５２や熱交換器６もオーダーメイドの設計・製作が必要となる。
【００１１】
これに対して、大容量タンクを複数の小容量タンクで置き換える提案、また置き換えた複数の小容量タンクを直列に連結して使用する提案がなされた。例えば特開平３−１２９２４５号公報には、大容量の電気温水器を複数の小容量電気温水器に置き換え、直列に接続して使用する技術が開示されている。然し、加熱は安定した商用電力を用いる電気ヒータを熱源とするものであり、変動する発電需要から発生する廃熱を熱源とするコージェネレーションにあっては、単に電気ヒータを熱交換器に変更するのみでは適用できない。
【００１２】
給湯設備の運転面においても、給湯需要が大きく且つ温水流量として安定である場合は、電力需要の全量をコージェネレーションにより供給するように発電機の能力を選定し、優先的に電力需要に対応する発電を行い、廃熱の全量を回収して大容量タンクに貯えても、温水を使い切ることができる。一事例として、自家発電機の標準仕様が９．８ｋｗの場合、電力需要が発電能力を上回る時間帯において自家発電を主眼とし、発電機をフル運転する。不足分のみが買電となり、且つ廃熱が全て温水として有効利用されるから、最良の経済効果を生じる。
【００１３】
然し、電力需要と均衡する程の給湯需要が無い場合、前記標準仕様の自家発電機を設置し、電力自給を主眼とする運転を行うと、廃熱回収しても使い切れない状況となるのは致し方の無いことである。但し経済的観点から、電力需要が発電能力下限値を上回る時間帯において給湯需要への対処を主眼として給湯需要に見合う発電を行い、不足分は買電することも考えられる。この場合、最大給湯時に合わせた大容量タンクでは、タンク上部に給湯に有効な最小湯量を確保するための沸き上げ時間が必然的に長くなり、また、不要な温水の保温のために廃熱回収を行うことになり、エネルギーが有効利用できない。
【００１４】
更に、給湯需要の変動が大きく、電力需要に相応しない場合においても、電力需要が発電能力下限値を上回る時間帯において給湯需要への対応を主眼とし、給湯需要に見合う発電を行い、不足分を買電すると云う運転が経済的である。この場合、給湯需要の変動に柔軟に対処できる給湯設備が必要となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、コージェネレーションにおいて、発電規模の大小に係らず、また給湯需要と発電需要の何れを優先して運転するかに係らず、給湯需要の大きな変動に柔軟に対応でき、回収した廃熱を有効利用できる包括的給湯システム、及びこのような機能を持つ給湯設備の提供を課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
先ず、標準直径の小容量貯湯タンクを基本モジュールとして用い、所要貯湯容量に対応する複数の貯湯タンクを以てタンク群を構成する。次いで、複数の貯湯タンクが共同で所要給湯モードに適合するように、配管、流れ方向切換のための操作弁、必要により弁操作のための制御器を用いてタンク群を直列、並列、又は随時に相互転換できるように連結し、所望配列で運転することにより、上記課題が達成される。
【００１７】
即ち、第一の本発明は、コージェネレーションの給湯設備において、熱交換器を内蔵する複数基の貯湯タンクを配管、操作弁、及び必要により制御器を用いて温水取り出し方向に関して直列であり且つ熱媒体の流れ方向に関して向流である直列に、又は熱媒体の流れ方向に関して直列であり且つ給水及び温水取り出し方向に関して並列に、又は随時相互の配列に転換できるように連結し、直列又は並列において運転することを特徴とする給湯方法の発明である。また第二の本発明は、コージェネレーションの給湯設備において、熱交換器を内蔵する貯湯タンク群を前記連結手段により前記連結の配列に構成してなることを特徴とする給湯設備の発明である。
【００１８】
前記配列の転換は、複数操作弁の開閉を組合せることでも良いが、三方弁を使用し手動又は自動制御により操作して配列転換を行うと、設備が簡潔となり、操作も簡便になり、好ましい。
【００１９】
貯湯タンク群を直列に連結して設置することの作用は、熱媒体の流れ方向と温水取り出し方向とがマクロ的観点から向流となるように配置することにより、複数基のタンクが順次沸き上がることである。その結果、基本的に何ら温度制御を行わずに、熱媒体の温度に近い高温水の取り出しが常時可能となる。また、温水取り出し口に近いタンクから順次高温水が満杯になるので、かなりの程度の給湯需要急増にも対応できる。
【００２０】
貯湯タンク群を給水及び温水取り出し方向に関して並列に連結して設置することの作用は、次の通りである。即ち、或る運転時間の経過後には、一斉に全タンクに概ね同温度の温水が満杯となるので、各タンクの取り出し口を合流させることにより、短期間に大流量の給湯が必要となるような給湯需要に対応できる。さらに、直列と並列の互換性を備えることの作用は、給湯モードが季節単位、曜日単位、昼夜単位等で或る程度周期的に変動する場合、手動又は制御器の指令による自動切換により、必要性に応じた給湯に対処できることである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る給湯設備を例示した図１に沿い、発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係るコージェネレーションにおける給湯設備の一実施例を示す系統図である。発電機１、ガスエンジン２、排ガス熱交換器３１、ラジエター４、内部循環ポンプ５１（図示せず）を要部として構成された公知のコージェネレーションユニットにおいて、電力需要が自家発電能力下限値を上回る時間帯になるとタイマーの設定によりガスエンジン２が起動し、発電機１が発電を開始する。次いで、給湯システム制御ユニット８がガスエンジン２に付けた回転検知子（図示せず）からの検知信号を受けて、熱媒循環ポンプ５２を起動する。熱媒体は、循環ポンプ５２から各貯湯タンク７１、７２、７３の各熱交換器６１、６２、６３をこの順に直列で通過する際に貯湯タンク内の水と熱交換して温度降下し、次いで熱媒熱交換器４を通過しつつユニット内熱媒体と熱交換して温度上昇し、再び循環ポンプ５２により各タンクの熱交換器へ循環される。
【００２２】
各貯湯タンクは、配管及び三方弁Ｖ２、Ｖ４により水道栓などの給水源に並列に接続され、また配管及び三方弁Ｖ１、Ｖ３により給湯弁９に並列に接続されている。更に、配管及び三方弁Ｖ１、Ｖ３を介して各貯湯タンクが直列に連結されている。三方弁は手動でも良いが、給湯システム制御ユニット８からの指令により夫々角度９０度の自動回転を行う公知の型式の電磁弁が使用できる。これを使用すると、操作ミスを容易に防止できるので好ましい。
【００２３】
図２に、水道栓等から冷水が３基の各貯湯タンクに並列に給水され、温水が給湯弁９を通して各貯湯タンクから並列に取り出される実施例について、各三方弁の通液方向を図示した。この場合、給湯弁９を含む合流部分を充分太く製作しておくことにより、温水にあまり圧力損失を生じることなく、短期間に大流量の給湯を行うことができる。
【００２４】
また図３に、冷水が直列に連結した３基の貯湯タンク列の一端（以下、給水端タンクと略称）７３に給水され、中間に位置する貯湯タンク（以下、中間タンクと略称）７２を通り、温水が直列に連結した３基の貯湯タンク列の他端（以下、給湯端タンクと略称）７１から取り出される実施例について、各三方弁の通液方向を示した。
【００２５】
給湯需要が各貯湯タンクを給水及び温水取り出しの方向に関して図２に示したように並列に常時連結使用するのが好ましい場合、マクロ的観点から見ると、熱媒体の流れ方向と水の流れ方向は十字流である。別の実施例として、このような場合、貯湯タンクの基数或は給水源の水温によっては、給水端タンクに向かって各熱交換器の伝熱面積を順次増加（図示せず）して製作する。数式１において、
（数式１）Ｑ＝ＵＡｄＴ
Ｑ：伝熱速度（ｋｃａｌ／ｈｒ）
Ｕ：総括熱伝達係数（ｋｃａｌ／ｈｒ／ｍ^２／℃）
Ａ：伝熱面積（ｍ^２）
ｄＴ：熱交換器入口・出口における熱媒体温度差（℃）
Ｕは各タンクにおいて概ね等しいとみられ、タンク配列は常に熱媒体の流れ方向に関して直列連結であり、ｄＴは並列の場合に給水端タンクに向かって減少するから、Ａを給水端タンクに向かって増加させると、ＡｄＴがあまり減少しないように調整することができる。つまり、各貯湯タンク間の湯温の偏差が減少するので、迅速且つ大量の給湯を行う場合に好ましい。特に、熱交換器の構造が蛇管式等簡易な形式の場合は、製作コスト上容易に実施できる。
【００２６】
図６に本発明に係る給湯システム制御ユニット８の機能を説明する制御ブロック図を示した。制御ユニット８は、熱媒循環ポンプ５２の作動を介して湯の沸き上げを制御するためのポンプ制御部８３、給湯温度と給湯需要に応じた給湯モードを制御する給湯制御部８２、各貯湯タンク温度の表示並びに給湯モードや給湯温度等の設定又は変更に係る入力、及びユーザーからの給湯開始停止の遠隔制御指令を給湯制御部８２への伝達を行うための操作部８１を備えている。
【００２７】
操作部８１は、各貯湯タンクの温度センサからの信号により各温水温度を表示する各タンク温度表示部８１４、直列連結の場合の給湯端タンク及び直列連結の場合に予備的に沸き上げしておく中間タンクの温度設定、また、並列連結の場合の給水端タンクの温度設定を入力し設定値を表示する給湯温度設定部８１３、タンク連結を直列又は並列にする指令を入力し設定を表示するタンク列変更入力部８１２、（イ）ユーザーからの給湯開始又は停止の遠隔制御指令を給湯制御部８２に伝達する機能、また、（ロ）給湯指示を直接入力する機能を持つ給湯指示部８１１を備えている。なお、図９の給湯システムに例示したように、給湯弁９の下流にバックアップ的な意味合いで瞬間湯沸器或は貯蔵給湯器を設置する場合がある。この場合には、給湯指示部８１１に（ハ）ユーザーからの遠隔制御指令を伝達するか否かの選択を入力する第三の機能を備える。
【００２８】
給湯制御部８２とポンプ制御部８３は互いに独立の動作を行う。即ちコージェネレーションユニットが稼働中は、給湯中であるか否かに係らず、貯湯タンクの湯を加熱する必要があればポンプ制御部８３が熱媒循環ポンプ５２を作動させて加熱を行う。また、選択された貯湯タンクの湯温が設定温度に到達すれば、給湯中であっても、ポンプ制御部８３が循環ポンプ５２を停止する。同様に、選択された貯湯タンクの湯温が設定温度に到達していれば、循環ポンプ５２が停止していても、給湯弁９が閉止解除され、給湯指示部８１１へ給湯の指示を入力するか又はユーザーからの遠隔指令により給湯が行われる。
【００２９】
給湯制御部８２は、タンク列変更入力部８１２からの指令を受けてタンク列を直列又は並列に連結するように各三方弁に指令する三方弁制御部８２６、給湯弁制御部８２５、及びセンサ選択部８２７を備えている。三方弁制御部８２６は上記タンク列変更入力部８１２からの連結指令により、予め回転方向を設定した各電磁三方弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を９０度回転又は復帰させることで、各貯湯タンクを指令された配列に連結する。
【００３０】
センサ選択部８２７は、タンク列変更入力部８１２からの連結指令により、温度制御の対象とする貯湯タンクに関し、直列連結の場合は給湯端タンク（温度センサＴ_１）を選択し、又は並列の場合は給水端タンク（温度センサＴ₃）を選択すると共に、給湯温度設定部８１３からの信号による設定温度Ｔ_ｍと選択された上記センサ温度（Ｔ_a又はＴ_ｂ）とを比較し、比較結果に係る信号を給湯弁制御部８２５に送る。一方、給湯指示部８１１は、前記（ハ）遠隔制御を伝達する選択が入力されている限り、沸き上げ前の低温の温水がユーザーに供給されることを防止するため、給湯弁９の常時閉止を給湯弁制御部８２５に指令している。給湯弁制御部８２５は、センサ選択部８２７からセンサ温度が設定温度以上であるとの信号を受けると、給湯弁閉止を解除するべきと判断し、給湯指示部８１１からの閉止指令を解除する。これによって、ユーザーからの遠隔制御指令により給湯弁９を開くことが可能となる。
【００３１】
給湯弁制御部８２５は、センサ温度が設定温度より低いとの信号を温度センサ選択部８２７から受けた場合は、給湯指示部８１１からの閉止指令を解除せず、選択された貯湯タンクの湯温が設定温度に達するまで、ユーザー側が給湯遠隔指令を発しても、または手動で給湯栓を開いても湯が出ない。なお、図９の給湯システムのようにバックアップの湯沸器が設置されている場合、給湯指示部８１１において前記（ハ）遠隔制御を伝達しない選択を入力すると、給湯指示部８１１は給湯弁９の強制開弁を給湯弁制御部８２５に指令する。この場合、温度センサ選択部８２７からの信号に依らず給湯弁９が常時開弁となり、バックアップ湯沸器を開栓又は閉栓することで直接給湯が開始又は停止される。但し、当然のことながら給湯指示部８１１では（ロ）給湯指示を手動で直接入力する機能が作動することになるから、手動でも給湯開始を入力しておく必要がある。本発明においては、温度センサとして、サーミスタ温度計など通常用いられるものを使用することができる。
【００３２】
ポンプ制御部８３には、ガスエンジン並びに発電機の稼働を検知したガスエンジン回転検知子８３１からの信号によりポンプ５２を作動させる機能を持つポンプ作動制御部８３４と、操作部８１及び給湯制御部８２からの信号を受けて加熱の要不要を判断してポンプ作動を指令する加熱制御部８３８を備えている。加熱制御部８３８は、給湯温度設定部８１３からの設定温度の信号と、温度センサ選択部８２７が制御対象として選択した貯湯タンクの温度センサ（Ｔ_１又はＴ_３）の温度（Ｔ_ａ又はＴ_ｂ）の信号と前記設定温度との比較結果に係る信号と、貯湯タンクが直列の場合に中間に位置する中間タンクの温度センサＴ_２の温度Ｔ_ｃ（もし、中間タンクの基数が複数の場合は、さらにセンサＴ_４、Ｔ_５、Ｔ_６・・、湯温Ｔ_ｃ４、Ｔ_ｃ５、Ｔ_ｃ６・・・）の信号を受け、次の通り判断し、ポンプ作動制御部８３４に指令する。
【００３３】
即ち貯湯タンクの連結が直列の場合は給湯端タンク（温度センサＴ_１）のセンサ温度Ｔ_ａが給湯設定温度Ｔ_ｍより低い場合並びに何れかの中間タンクの温度センサ（例えばＴ_２）の温度（例えばＴ_ｃ）が設定温度より低い場合、又は連結が並列の場合は給水端タンク（温度センサＴ_３）の温度Ｔ_ｂが設定温度より低い場合、加熱必要と判断し、ポンプ作動信号をポンプ作動制御部８３４に送る。上記以外の場合は、加熱制御部８３８が貯湯タンクの加熱不要と判断し、ポンプ停止指令をポンプ作動制御部８３４に送り、熱媒循環ポンプ５２が停止する。
【００３４】
熱媒循環ポンプ５２の作動により熱媒体が循環し、貯湯タンクの湯の加熱が不要になると、熱媒体の温度が上昇して熱媒熱交換器４における熱交換が行われ難くなるため、ユニット内熱媒体の温度も上昇してワックス弁１０が作動し、図１０に示したように高温のユニット内熱媒体はラジエター３２に流れる。この場合にラジエター流動検知子８３２が流れを検知し、検知信号によりポンプ作動制御部８３４が運転停止又は給湯需要によっては低負荷運転を熱媒循環ポンプ５２に指令する。ラジエター４使用中の熱媒循環ポンプ５２停止と云う制御は、必ずしも必要ではないが、これを採用することにより、同ポンプが消費する補機電源電力を節約できる。この時、コージェネレーションユニットは給湯システムと切り離され、電力供給を主眼として自立稼働する。
【００３５】
図７は、本発明に係る給湯システム制御ユニット８の動作を説明するための制御フロー図である。ステップ１において、コージェネレーション全体のメインスイッチをオンにすると制御ユニット８が作動するので、操作部８１の給湯温度設定部８１３に所望の給湯設定温度Ｔ_ｍを、タンク列変更入力部８１２に所望のタンク配列を設定する。ステップ２において、制御ユニット８に内蔵するアナログマルチプレクサ、Ａ−Ｄ変換器、入力回路等の通常用いられる手段により給湯端タンク温度（Ｔ_ａ）、給水端タンク温度（Ｔ_ｂ）、中間タンク温度（Ｔ_ｃ）、給湯設定温度（Ｔ_ｍ）のデータをマイクロプロセッサ（以下、ＣＰＵと記す。）に読み込む。
【００３６】
ステップ３で、ＣＰＵによりタンク配列の設定が直列か並列か比較され、直列でなければステップ４に移り、ＣＰＵにより給水端タンク温度と給湯設定温度とが比較され、Ｔ_ｂ≧Ｔ_ｍでなければ、ステップ５でポンプ作動制御部８３４に指令して循環ポンプ５２を起動し、熱媒体の循環により全貯湯タンクの加熱を開始する。そして、再びステップ２へ戻り上昇した湯温を読み、ステップ４においてＴ_ｂ≧Ｔ_ｍであった場合、並列に連結された全貯湯タンクが沸き上げられたと見做し、ステップ９に移り、ＣＰＵから給湯弁閉止解除指令が出力回路を介して給湯弁制御部８２５に伝達される。ステップ１０でこの指令により、給湯弁制御部８２５に内蔵するトランジスタ、電磁リレー等通常用いられる手段を作動させて給湯指示部８１１からの指令を受ける回路を接続し、指令があれば何時でも給湯弁９を開ける状態になり、沸き上げ完了となる。なお、前記したように給湯指示部８１１においてユーザーからの遠隔制御を伝達しない選択を入力した場合は、ステップ９でＣＰＵからの解除指令なしに給湯弁９は常時開弁となり、沸き上げとは独立にバックアップ湯沸器の湯栓により出湯できる。
【００３７】
また、ステップ３でタンク配列が直列であった場合、ステップ６に移り、前記給湯温度設定部８１３からの信号を読み込んだＣＰＵにより、給湯端タンク温度が制御対象として選択されているか判断され、選択されている場合はステップ７に移り、給湯端タンク温度と給湯設定温度とが比較され、Ｔ_ａ≧Ｔ_ｍでなければステップ５に移り、ＣＰＵからポンプ作動制御部８３４に指令して循環ポンプ５２を起動し、熱媒体の循環により全貯湯タンクの加熱を開始する。そして、再びステップ２へ戻り上昇した湯温を読み、ステップ７においてＴ_ａ≧Ｔ_ｍであった場合、直列に連結された貯湯タンクのうち少なくとも給湯端タンクが沸き上げられたと判断でき、ステップ９に移りＣＰＵにより給湯弁閉止解除指令が給湯弁制御部８２５に伝達される。ステップ１０でこの指令により、給湯弁制御部８２５に内蔵する電磁リレー等を作動させて給湯指示部８１１からの指令を受ける回路を接続し、指令があれば何時でも給湯弁９を開け得る状態になり、沸き上げ完了となる。なお、上記同様、給湯指示部８１１においてユーザーからの遠隔制御を伝達しない選択を入力した場合は、ステップ９でＣＰＵからの解除指令なしに給湯弁９は常時開弁となり、沸き上げとは独立にバックアップ湯沸器の湯栓により出湯できる。
【００３８】
また、ステップ６でＣＰＵにより給湯端タンク温度が制御対象として選択されていないと判断された場合、ステップ８に移り、前記給湯温度設定部８１３からの信号を読み込んだＣＰＵにより中間タンク温度と給湯設定温度とが比較され、Ｔ_ｃ≧Ｔ_ｍでなければステップ５に移り、ＣＰＵからポンプ作動制御部８３４に指令して循環ポンプ５２を起動し、熱媒体の循環により全貯湯タンクの加熱を開始する。そして、再びステップ２へ戻り上昇した湯温を読み、ステップ８においてＴ_ｃ≧Ｔ_ｍであった場合、直列に連結された貯湯タンクのうち給湯端タンクから中間タンクまでが沸き上げられたとＣＰＵが判断し、ステップ９に移りＣＰＵにより給湯弁閉止解除指令が給湯弁制御部８２５に伝達される。ステップ１０でこの指令により、給湯弁制御部８２５に内蔵する電磁リレー等を作動させて給湯指示部８１１からの指令を受ける回路を接続し、指令があれば何時でも給湯弁９を開け得る状態になり、沸き上げ完了となる。なお、前記同様、給湯指示部８１１においてユーザーからの遠隔制御を伝達しない選択を入力した場合は、ステップ９でＣＰＵからの解除指令なしに給湯弁９は常時開弁となり、沸き上げとは独立にバックアップ湯沸器の湯栓により出湯できる。
【００３９】
本発明を適用するに当り、給湯需要が一時に大量の温水は必要としないが比較的長時間に亙り給湯を必要とする場合がある。このような場合、図４に例示したように、冷水が直列に連結した複数基の貯湯タンク列の給水端タンク７３に給水され、温水が直列に連結した複数基の貯湯タンク列の給湯端タンク７１から取り出されるように、三方弁を使用せずに通常の操作弁のみでタンクを恒常的に連結しても良い。各タンクの温度は温度表示部８１４に表示するのみに止どめ、温度制御器は設けず、ガスエンジン回転検知子８３１からの信号でポンプ作動制御部８３４を作動させる。このような簡易化給湯設備であっても、コージェネレーションユニットに内蔵する前記ワックス弁１０の作用により給湯温度が概ね一定に維持できる。然も、給湯端タンクから順次沸き上げられるので、極めて短い待ち時間で給湯が開始できる。
【００４０】
なお、上記直列連結の場合において、給湯需要の季節変動などによる不需要期間での運転方法として、給湯端タンクのサーミスタＴ_１のみが給湯設定温度に到達したとき、加熱制御部８３８が指令して循環ポンプ５２を停止するように制御することができる。この間、ユニット内熱媒体は内部循環ポンプ５１とワックス弁１０の作動によりラジエター３２から放熱し、コージェネレーションユニットは自立している。このような制御により、給湯端タンクのみに所定温度の温水を貯えておくことができ、且つ熱媒循環ポンプ５２の消費電力を節約できる。
【００４１】
更に、本発明を適用するに当り、給湯需要が一時に大量の温水を必要とするが長時間に亙る需要はない場合がある。このような場合、図２に例示したように、冷水を並列に連結した複数基の各貯湯タンクに給水し、同時に温水を各貯湯タンクから並列に取り出して給湯弁９に集合するように、三方弁を使用せずに通常の操作弁のみで各タンクを恒常的に並列に連結しても良い。各タンクの温度は温度表示部８１４に表示するのみに止どめ、温度制御器は設けず、ガスエンジン回転検知子８３１からの信号でポンプ作動制御部８３４を作動させる。このような簡易化給湯設備であっても、前記内部循環ポンプ５１及びワックス弁１０の作動により給湯温度を概ね一定に維持できる。特に、前記したように蛇管式熱交換器等簡易な構造の熱交換器を使用し、給水端タンクに向かって各熱交換器の伝熱面積を順次増加して製作すると、各貯湯タンク間の湯温の偏差が減少し、迅速且つ大量の給湯を容易に行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明に係る給湯システムは、自家発電を行う場合において給湯需要が有る限り、電力需要と給湯需要がどのように独立に変動しても、タンク配列の選択とその後の変動に応じた相互転換、及び給湯システム制御ユニットの機能により、柔軟に給湯需要に対応することができる。
【００４３】
本発明に係る給湯設備は、例えば家庭用等に利用されている小容量貯湯タンクを基本モジュールとして採用し、個別の給湯需要に合わせた基数の貯湯タンクを設置して制御することにより、市場規模の小さい従来のオーダーメイド型大容量タンクを使用する場合に比較し、数十％のコストダウンが可能である。また、運搬性、設置レイアウトの自由度が著しく向上するため、立地条件の良くない場所においても設置工事が容易になり、工事費が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコージェネレーションにおける給湯設備の一実施例を示す系統図である。
【図２】本発明に係る給湯設備の別の実施例を示す系統図である。
【図３】本発明に係る給湯設備の更に別の実施例を示す系統図である。
【図４】本発明に係る簡易給湯設備の実施例を示す系統図である。
【図５】従来のコージェネレーションにおける給湯システムを例示する系統図である。
【図６】本発明に係る給湯システム制御ユニットの機能を説明する制御ブロック図である。
【図７】本発明に係る給湯システム制御ユニットの動作を説明する制御フロー図である。
【図８】コージェネレーションの概念を示す説明図である。
【図９】従来のコージェネレーションにおける給湯システムの一例、及びコージェネレーションユニットの構成を例示する系統図である。
【図１０】ワックス弁の機能を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１発電機、２ガスエンジン
３１排ガス熱交換器、３２ラジエター
４熱媒熱交換器
５１内部循環ポンプ、５２熱媒循環ポンプ
６、６１、６２、６３熱交換器
７、７１、７２、７３貯湯タンク
８給湯システム制御ユニット
８１操作部
８１１給湯指示部、８１２タンク列変更入力部
８１３給湯温度設定部、８１４各タンク温度表示部
８２給湯制御部
８２５給湯弁制御部、８２６三方弁制御部、８２７センサ選択部
８３ポンプ制御部
８３４ポンプ作動制御部、８３８加熱制御部
８３１ガスエンジン回転検知子、８３２ラジエター流動検知子
９給湯弁、１０ワックス弁
Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３温度センサ
Ｔ_ａ、Ｔ_ｂ、Ｔ_ｃタンク内温水の温度
Ｔ_ｍ給湯設定温度
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４電磁三方弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement of a hot water supply system in a cogeneration power generation (hereinafter abbreviated as cogeneration) using a gas engine using city gas or the like as fuel.
[0002]
[Prior art]
A gas engine is a reciprocating internal combustion engine that uses gaseous fuel such as city gas, LPG, LNG, blast furnace gas, and the like, and since it is easy to downsize, it is becoming popular for cogeneration. In a cogeneration system that uses a gas engine as a power source for power generation (see Fig. 8), waste heat is recovered from the high-temperature exhaust gas discharged from the gas engine, and heat is recovered by cooling the high-temperature engine body for hot water supply. Or it is used as a heat source for heating and absorption chiller / heaters. The energy that is converted from fuel gas to electricity is about 24% at most, whereas the energy that can be recovered by the heat exchanger accounts for 58%. Therefore, effective use of the recovered energy is important.
[0003]
The main part of the cogeneration system of FIG. 8 is shown in FIG. FIG. 9 shows a conventional general hot water supply system connected to a cogeneration unit. The recovered waste heat is stored in the form of hot water, that is, once stored in a hot water storage tank, hot water is supplied according to the user's demand such as a bath or air conditioning equipment. The demand for generated power and the demand for hot water supplied at various temperatures, opening frequencies, and flow rates in hotels, hospitals, welfare and nursing homes, family restaurants, baths, sports facilities, etc. are usually independent in time. Therefore, in order to make effective use of energy, a hot water supply facility capable of adjusting both fluctuations is necessary.
[0004]
The problems of the prior art will be described with reference to FIG. 5 illustrating a typical simple hot water supply facility in conventional cogeneration. Fuel gas and combustion air are supplied to the gas engine 2 mounted in the cogeneration unit, and the generator 1 is driven by the generated power to generate power and supply power. Waste heat held by the exhaust gas generated at the gas engine 2 (for example, a temperature of 450 ° C. to 500 ° C.) is a coolant (a liquid that does not easily boil in the exhaust gas heat exchanger 31 and has a concentration of about 50 wt%, for example. Ethylene glycol or propylene It is absorbed by a glycol aqueous solution or the like (hereinafter abbreviated as “internal heat medium”), and the internal heat medium is heated to, for example, about 70 ° C. Furthermore, the heat medium in the unit is heated to about 80 ° C., for example, by receiving heat by cooling the engine body. This internal heat medium is a heat medium for heating the hot water supply system in the heat medium heat exchanger 4 (for example, ethylene glycol Aqueous solution, Propylene glycol An aqueous solution or the like, or water when there is no risk of freezing, may be used. Hereinafter, heat exchange is simply performed with a heat medium. The heat medium in the unit that has been subjected to heat exchange and has been reduced to, for example, about 65 ° C., has an internal circulation pump 51 ( In FIG. It returns to the exhaust gas heat exchanger 31 again (not shown, see FIG. 9) to absorb the waste heat.
[0005]
On the other hand, the heat medium heated in the heat medium heat exchanger 4 is sent to the heat exchanger 6 in the hot water storage tank 7 by the heat medium circulation pump 52 to heat the water in the hot water storage tank or the hot water whose temperature has decreased. give. Usually, the hot water storage tank 7 is a sealed type in which hot water is pushed out by the pressure of tap water, using a heat medium as a heat source and an internal pressure of 20 mH. ₂ O (gauge pressure 2 kg / cm ² ) It is a type of hot water heater with the following head pressure.
[0006]
In FIG. 5, when the hot water temperature of the hot water storage tank 7 reaches a set value, it becomes difficult to exchange heat in the heat exchanger 6, and the temperature of the heat medium gradually increases. If the heat medium temperature rises and it becomes difficult to receive heat in the heat medium heat exchanger 4, the heat medium in the unit becomes difficult to pass heat in the heat medium heat exchanger 4, and the temperature at the outlet becomes high. When a certain temperature is exceeded, as shown in FIG. 9, the wax valve 10 having the function of switching the heat medium flow path in the unit operates. The heat medium in the unit whose flow path is switched flows to the radiator 32, and the temperature is lowered by the heat radiation from the high-temperature unit heat medium to the atmosphere by air cooling, and the heat medium in the unit whose temperature has decreased is the internal circulation pump 51. (Refer to said FIG. 9), it recirculates to the exhaust gas heat exchanger 31 again.
[0007]
FIG. 10 schematically shows the structure and function of the wax valve. A wax valve is a kind of directional control valve, in which a valve shaft is placed in a cylinder, and a solid (abbreviated as wax) whose thermal expansion coefficient changes greatly at a certain temperature is filled in the cylinder. When the fluid flowing through the valve becomes higher than a certain temperature, the volume of wax rapidly expands, the valve shaft is pushed out of the cylinder, and the lower valve moves away from the valve seat as shown on the right side of FIG. Thus, the valve is opened, and at the same time, the flow path through which the upper valve directly communicates with the internal circulation pump 51 is closed. As a result, in the present invention, the high-temperature heat medium in the unit flows to the radiator 32, is cooled by air, reaches the internal circulation pump 51, and is circulated again.
[0008]
When the hot water in the hot water storage tank 7 falls below the set value due to heat loss, the temperature of the heat medium gradually decreases, and as a result, the temperature of the heat medium in the unit decreases to, for example, about 60 ° C. When the volume of the wax contracts due to the temperature drop, the valve shaft is drawn into the cylinder as shown on the left side of FIG. 10 and is closed by pressing the lower valve against the valve seat by the action of its own weight and the spring. The upper valve that closed the flow path to 51 opens simultaneously. As a result, in the present invention, the low-temperature heat medium in the unit is directly sucked into the internal circulation pump 51, recirculates to the exhaust gas heat exchanger 31, absorbs waste heat, and rises to about 80 ° C., for example.
[0009]
9 shows an example in which a backup water heater is used in combination as another example of the prior art hot water system. The heat medium is heated by the heat medium heat exchanger 4 by the waste heat generated in the cogeneration unit, the water in the hot water storage tank 7 is heated by this heat medium, and the obtained hot water is temporarily stored in the hot water storage tank 7. The temperature of the hot water is adjusted by mixing the water supply with the hot water in the hot water storage tank 7, or by further heating the hot water in the hot water storage tank 7 with a gas instantaneous water heater or the like.
[0010]
In cogeneration, electric power that exceeds private power consumption is sold to a power supply company. Since the power selling price is lower than the private power generation cost, the operation of the generator is stopped when the private power consumption falls below the lower limit of the power generation capacity. In order to give priority to such power self-sufficiency, conventionally, when cogeneration is used for small-scale or larger businesses, as shown in FIG. 5, the hot water supply facility is a large-capacity hot water storage tank that can cope with temporal fluctuations in hot water supply demand. 7 was required. However, the use of large-capacity tanks has problems in production, such as restrictions on installation space, transportability from the production site to the installation site, and rigidity in design and production costs due to custom-made capacity. Further, the heat medium circulation pump 52 and the heat exchanger 6 also need to be custom designed and manufactured.
[0011]
On the other hand, proposals have been made to replace a large-capacity tank with a plurality of small-capacity tanks, and to connect a plurality of replaced small-capacity tanks in series. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-129245 discloses a technique in which a large-capacity electric water heater is replaced with a plurality of small-capacity electric water heaters and connected in series. However, heating uses an electric heater that uses stable commercial power as a heat source, and in cogeneration that uses waste heat generated from fluctuating power generation demand as a heat source, simply change the electric heater to a heat exchanger. It cannot be applied alone.
[0012]
When the hot water supply demand is large and the hot water flow rate is stable, the generator capacity is selected so that the entire amount of power demand is supplied by cogeneration, and the power demand is preferentially met. Even if the power is generated and the entire amount of waste heat is collected and stored in a large-capacity tank, the hot water can be used up. As an example, when the standard specification of the private generator is 9.8 kW, the generator is fully operated in the time zone when the power demand exceeds the power generation capacity. Only the shortage is purchased, and all the waste heat is effectively used as hot water, resulting in the best economic effect.
[0013]
However, if there is no demand for hot water supply that is in balance with the demand for electricity, installing the standard specification private generator and operating mainly for electricity self-sufficiency will result in a situation where it cannot be used even if waste heat is recovered. There is no way to do it. However, from an economic point of view, it is conceivable to generate electricity that meets the demand for hot water supply in the time zone when the power demand exceeds the power generation capacity lower limit, and to purchase power for the shortage. In this case, in a large-capacity tank adjusted to the maximum hot water supply time, the boiling time for securing the minimum amount of hot water effective for hot water supply is inevitably increased at the top of the tank, and waste heat recovery is performed to keep unnecessary hot water warm. The energy cannot be used effectively.
[0014]
Furthermore, even when the fluctuation of hot water supply demand is large and it does not correspond to the power demand, the power generation that meets the hot water supply demand is performed mainly during the time when the power demand exceeds the power generation capacity lower limit, and the shortage is reduced. Driving to buy electricity is economical. In this case, a hot water supply facility that can flexibly cope with fluctuations in hot water supply demand is required.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention is capable of flexibly responding to large fluctuations in hot water demand regardless of whether the scale of power generation is large or small, and which operation is given priority to hot water demand or power generation demand. It is an object to provide a comprehensive hot water supply system that can effectively use the hot water supply and hot water supply equipment having such a function.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
First, a small-capacity hot water storage tank having a standard diameter is used as a basic module, and a tank group is configured with a plurality of hot water storage tanks corresponding to the required hot water storage capacity. Next, tanks are connected in series, in parallel, or at any time using piping, operation valves for switching the flow direction, and, if necessary, a controller for valve operation, so that multiple hot water storage tanks meet the required hot water supply mode. The above-mentioned problems can be achieved by connecting them so that they can be interconverted and operating in the desired arrangement.
[0017]
That is, the first aspect of the present invention is a cogeneration hot water supply system in which a plurality of hot water storage tanks incorporating heat exchangers are connected in series with respect to the hot water extraction direction using piping, operation valves, and, if necessary, a controller. Connected in series that is countercurrent with respect to the flow direction of the medium, or in series with respect to the flow direction of the heat medium and in parallel with respect to the feed water and hot water withdrawal directions, or can be converted to each other at any time and operated in series or parallel It is invention of the hot-water supply method characterized by doing. According to a second aspect of the present invention, in the hot water supply facility for cogeneration, the hot water storage tank group having a built-in heat exchanger is configured in the connection arrangement by the connecting means.
[0018]
The change of the arrangement may be a combination of opening and closing of a plurality of operation valves. However, when the arrangement is changed by manual or automatic control using a three-way valve, the equipment becomes simple and the operation becomes simple, which is preferable. .
[0019]
The effect of installing the hot water storage tanks connected in series is that the tanks of a plurality of tanks boil up sequentially by arranging the flow direction of the heat medium and the direction of taking out the hot water to be counterflow from a macro viewpoint. It is. As a result, high temperature water close to the temperature of the heat medium can be always taken out without basically performing any temperature control. In addition, since hot water is filled up sequentially from the tank close to the hot water outlet, it can cope with a considerable increase in hot water supply demand.
[0020]
The operation of installing the hot water storage tank group connected in parallel with respect to the direction of water supply and hot water extraction is as follows. That is, after a certain operating time has elapsed, all the tanks are filled with hot water at substantially the same temperature all at once, so that a large amount of hot water supply is required in a short time by merging the outlets of the tanks. To meet the demand for hot water. Furthermore, the function of providing compatibility between series and parallel is necessary when the hot water supply mode changes to some extent periodically, such as seasonal, day of the week, day and night, etc., either manually or by automatic switching based on a command from the controller. It can cope with hot water supply according to sex.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the invention will be described along FIG. 1 illustrating a hot water supply facility according to the present invention. FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a hot water supply facility in cogeneration according to the present invention. In a known cogeneration unit mainly composed of the generator 1, the gas engine 2, the exhaust gas heat exchanger 31, the radiator 4, and the internal circulation pump 51 (not shown), the power demand exceeds the lower limit of the private power generation capacity. When the time zone is reached, the gas engine 2 is activated by the setting of the timer, and the generator 1 starts power generation. Next, the hot water supply system control unit 8 receives a detection signal from a rotation detector (not shown) attached to the gas engine 2 and starts the heat medium circulation pump 52. When the heat medium passes from the circulation pump 52 through the heat exchangers 61, 62, 63 of the hot water storage tanks 71, 72, 73 in this order in series, the heat medium exchanges heat with the water in the hot water storage tank, and then the temperature drops. While passing through the heat medium heat exchanger 4, heat is exchanged with the heat medium in the unit to increase the temperature, and the heat is again circulated to the heat exchanger of each tank by the circulation pump 52.
[0022]
Each hot water storage tank is connected in parallel to a water supply source such as a water tap by piping and three-way valves V2 and V4, and is connected in parallel to the hot water supply valve 9 by piping and three-way valves V1 and V3. Furthermore, each hot water storage tank is connected in series via piping and three-way valves V1 and V3. The three-way valve may be manually operated, but a known type of solenoid valve that automatically rotates at an angle of 90 degrees in accordance with a command from the hot water supply system control unit 8 can be used. Use of this is preferable because an operation error can be easily prevented.
[0023]
FIG. 2 illustrates the flow direction of each three-way valve in an embodiment in which cold water is supplied in parallel to each of the three hot water storage tanks from a water tap or the like, and hot water is taken out from each of the hot water storage tanks in parallel through the hot water supply valve 9. . In this case, by making the joining portion including the hot water supply valve 9 sufficiently thick, it is possible to supply hot water with a large flow rate in a short time without causing much pressure loss in the hot water.
[0024]
Further, FIG. 3 shows that water is supplied to one end (hereinafter referred to as “water supply end tank”) 73 of three hot water storage tanks connected in series with cold water, and passes through a hot water storage tank (hereinafter referred to as “intermediate tank”) 72 located in the middle. In the embodiment taken out from the other end (hereinafter, abbreviated as hot water supply end tank) 71 of the three hot water storage tank rows in which the hot water is connected in series, the flow direction of each three-way valve is shown.
[0025]
When it is preferable to always connect and use each hot water storage tank in parallel as shown in FIG. 2 in terms of the direction of water supply and hot water extraction, from the macro viewpoint, the flow direction of the heat medium and the flow direction of the water are It is a cross flow. As another example, in such a case, the heat transfer area of each heat exchanger is sequentially increased (not shown) toward the water supply end tank depending on the base of the hot water storage tank or the water temperature of the water supply source. . In Equation 1,
(Formula 1) Q = UAdT
Q: Heat transfer rate (kcal / hr)
U: Overall heat transfer coefficient (kcal / hr / m ² / ℃)
A: Heat transfer area (m ² )
dT: Heat medium temperature difference at the heat exchanger inlet / outlet (° C)
U is considered to be approximately equal in each tank, the tank arrangement is always in series with respect to the flow direction of the heat medium, and dT decreases towards the feed end tank when parallel, so A increases towards the feed end tank By doing so, it is possible to adjust so that AdT does not decrease so much. That is, since the deviation of the hot water temperature between the hot water storage tanks is reduced, it is preferable when a large amount of hot water is supplied quickly. In particular, when the structure of the heat exchanger is a simple type such as a serpentine type, the manufacturing cost can be easily achieved.
[0026]
FIG. 6 shows a control block diagram for explaining functions of the hot water supply system control unit 8 according to the present invention. The control unit 8 includes a pump control unit 83 for controlling boiling of hot water through the operation of the heat medium circulation pump 52, a hot water supply control unit 82 for controlling a hot water supply mode according to the hot water supply temperature and the hot water supply demand, and each hot water storage tank. There is provided an operation unit 81 for transmitting temperature control, an input related to setting or changing of a hot water supply mode and a hot water supply temperature, and a remote control command for hot water start / stop from a user to the hot water supply control unit 82.
[0027]
The operation unit 81 preliminarily boiles up each tank temperature display unit 814 that displays each hot water temperature by a signal from a temperature sensor of each hot water storage tank, a hot water supply end tank in the case of series connection, and in the case of series connection. The temperature setting of the intermediate tank and the temperature setting of the water supply end tank in the case of parallel connection are input, and the hot water supply temperature setting unit 813 that displays the set value, the command that inputs the tank connection in series or in parallel, and the setting is displayed. A column change input unit 812, (b) a hot water supply instruction unit 811 having a function of transmitting a hot water start or stop remote control command from a user to the hot water supply control unit 82, and (b) a function of directly inputting a hot water supply instruction ing. As illustrated in the hot water supply system of FIG. 9, an instantaneous water heater or a storage hot water heater may be installed downstream of the hot water supply valve 9 in a backup sense. In this case, a third function of inputting whether or not to transmit a remote control command from the user to the hot water supply instruction unit 811 is provided.
[0028]
The hot water supply control unit 82 and the pump control unit 83 perform independent operations. That is, when the cogeneration unit is in operation, regardless of whether hot water is being supplied or not, if it is necessary to heat the hot water in the hot water storage tank, the pump control unit 83 operates the heat medium circulation pump 52 to perform heating. Moreover, if the hot water temperature of the selected hot water storage tank reaches the set temperature, the pump control unit 83 stops the circulation pump 52 even during hot water supply. Similarly, if the hot water temperature of the selected hot water storage tank has reached the set temperature, even if the circulation pump 52 is stopped, the hot water supply valve 9 is released and the hot water supply instruction unit 811 is instructed to supply hot water. Alternatively, hot water is supplied by a remote command from the user.
[0029]
The hot water supply control unit 82 receives a command from the tank row change input unit 812, instructs the three-way valves to connect the tank rows in series or in parallel, a hot water supply valve control unit 825, and sensor selection Part 827 is provided. The three-way valve control unit 826 rotates or restores each of the electromagnetic three-way valves V1, V2, V3, and V4 whose rotation directions are set in advance by 90 degrees in response to a connection command from the tank row change input unit 812, so that each hot water storage tank is Concatenates to the specified array.
[0030]
The sensor selection unit 827 relates to a hot water storage tank to be subjected to temperature control in accordance with a connection command from the tank row change input unit 812. ₁ ) Or in the case of parallel supply water tank (temperature sensor T _Three ) And a set temperature T based on a signal from the hot water supply temperature setting unit 813 _m And the selected sensor temperature (T _a Or T _b ) And a signal related to the comparison result is sent to the hot water supply valve control unit 825. On the other hand, the hot water supply instructing unit 811 always closes the hot water supply valve 9 in order to prevent low-temperature hot water before boiling from being supplied to the user as long as the selection of (c) remote control transmission is input. Is supplied to the hot water supply valve control unit 825. When the hot water supply valve control unit 825 receives a signal from the sensor selection unit 827 that the sensor temperature is equal to or higher than the set temperature, the hot water supply valve control unit 825 determines that the hot water supply valve closing should be released, and releases the closing instruction from the hot water supply instruction unit 811. As a result, the hot water supply valve 9 can be opened by a remote control command from the user.
[0031]
When a signal indicating that the sensor temperature is lower than the set temperature is received from the temperature sensor selection unit 827, the hot water supply valve control unit 825 does not cancel the closing command from the hot water supply instruction unit 811 and does not release the hot water temperature of the selected hot water storage tank. Until the temperature reaches the set temperature, even if the user issues a hot water remote command or manually opens the hot water tap, hot water does not come out. When a backup water heater is installed as in the hot water supply system of FIG. 9, if the selection of not transmitting (c) remote control is input in the hot water supply instruction unit 811, the hot water supply instruction unit 811 A forced valve opening is commanded to the hot water supply valve control unit 825. In this case, the hot water supply valve 9 is always opened regardless of the signal from the temperature sensor selection unit 827, and the hot water supply is directly started or stopped by opening or closing the backup water heater. However, as a matter of course, the hot water supply instructing unit 811 operates (b) the function of manually inputting the hot water supply instruction directly, so it is necessary to manually input the start of hot water supply. In the present invention, a commonly used one such as a thermistor thermometer can be used as the temperature sensor.
[0032]
The pump control unit 83 includes a pump operation control unit 834 having a function of operating the pump 52 based on a signal from the gas engine rotation detector 831 that detects the operation of the gas engine and the generator, an operation unit 81, and a hot water supply control unit 82. Is provided with a heating control section 838 for receiving a signal from the controller and determining whether heating is necessary or not and commanding pump operation. The heating control unit 838 includes a set temperature signal from the hot water supply temperature setting unit 813 and a temperature sensor (T ₁ Or T ₃ ) Temperature (T _a Or T _b ) And the temperature sensor T of the intermediate tank located in the middle when the hot water storage tank is in series ₂ Temperature T _c (If there are a plurality of intermediate tanks, the sensor T ₄ , T ₅ , T ₆ ..Temperature T _c4 , T _c5 , T _c6 ..)), The following determination is made, and the pump operation control unit 834 is commanded.
[0033]
That is, when the hot water storage tanks are connected in series, the hot water supply end tank (temperature sensor T ₁ ) Sensor temperature T _a Hot water set temperature T _m As well as any intermediate tank temperature sensor (eg T ₂ ) Temperature (eg T _c ) Is lower than the set temperature, or when the connection is parallel, the water supply end tank (temperature sensor T ₃ Temperature T _b Is lower than the set temperature, it is determined that heating is necessary, and a pump operation signal is sent to the pump operation control unit 834. In cases other than the above, the heating control unit 838 determines that heating of the hot water storage tank is unnecessary, sends a pump stop command to the pump operation control unit 834, and the heat medium circulation pump 52 stops.
[0034]
When the heat medium is circulated by the operation of the heat medium circulation pump 52 and heating of the hot water in the hot water storage tank becomes unnecessary, the temperature of the heat medium rises and heat exchange in the heat medium heat exchanger 4 is difficult to be performed. The temperature of the internal heat medium also rises and the wax valve 10 operates, so that the high-unit internal heat medium flows to the radiator 32 as shown in FIG. In this case, the radiator flow detector 832 detects the flow, and the pump operation control unit 834 instructs the heat medium circulation pump 52 to perform the low load operation depending on the operation stop or the hot water supply demand by the detection signal. Control of stopping the heat medium circulation pump 52 during use of the radiator 4 is not always necessary, but by adopting this control, it is possible to save auxiliary power supply power consumed by the pump. At this time, the cogeneration unit is disconnected from the hot water supply system and operates independently with the main focus on power supply.
[0035]
FIG. 7 is a control flowchart for explaining the operation of the hot water supply system control unit 8 according to the present invention. In step 1, when the main switch of the entire cogeneration is turned on, the control unit 8 is activated, so that a desired hot water supply temperature T _m Is set in the tank row change input unit 812. In step 2, the hot water supply end tank temperature (T) is adjusted by means usually used such as an analog multiplexer, an A / D converter, an input circuit or the like built in the control unit 8. _a ), Water supply end tank temperature (T _b ), Intermediate tank temperature (T _c ), Hot water set temperature (T _m ) Is read into a microprocessor (hereinafter referred to as CPU).
[0036]
In step 3, the CPU compares the tank arrangement setting in series or in parallel. If it is not in series, the process proceeds to step 4, and the CPU compares the water supply end tank temperature with the hot water supply set temperature. _b ≧ T _m Otherwise, in step 5, the pump operation control unit 834 is commanded to start the circulation pump 52, and heating of all the hot water storage tanks is started by circulation of the heat medium. Then, return to step 2 again and read the rising hot water temperature. _b ≧ T _m If this is the case, it is considered that all the hot water storage tanks connected in parallel have been boiled, and the process proceeds to step 9 where a hot water valve closing release command is transmitted from the CPU to the hot water valve control unit 825 via the output circuit. In step 10, in response to this command, a circuit that receives a command from the hot water supply instruction unit 811 is connected by operating a normally used means such as a transistor or an electromagnetic relay built in the hot water valve control unit 825. 9 is opened, and the boiling is completed. When the selection not to transmit the remote control from the user is input in the hot water supply instructing unit 811 as described above, the hot water supply valve 9 is always opened without a release command from the CPU in step 9 and is independent of boiling. In addition, the hot water can be discharged with a tap of a backup water heater.
[0037]
If the tank arrangement is in series in step 3, the process proceeds to step 6 where the CPU that has read the signal from the hot water supply temperature setting unit 813 determines whether the hot water supply end tank temperature is selected as the control target and selects it. If so, the process proceeds to step 7 where the hot water supply end tank temperature is compared with the hot water set temperature, and T _a ≧ T _m If not, the process proceeds to Step 5 where the CPU instructs the pump operation control unit 834 to start the circulation pump 52, and heating of all the hot water storage tanks is started by circulation of the heat medium. Then, return to step 2 again and read the rising hot water temperature. _a ≧ T _m If it is, it can be determined that at least the hot water supply end tank of the hot water storage tanks connected in series has been boiled, and the process proceeds to step 9 where the hot water valve closing release command is transmitted to the hot water valve control unit 825 by the CPU. In step 10, this command activates an electromagnetic relay or the like built in the hot water supply valve control unit 825 to connect a circuit that receives a command from the hot water supply instruction unit 811 so that the hot water supply valve 9 can be opened at any time if there is a command. And boiling is complete. Similarly to the above, when the selection not to transmit the remote control from the user is input in the hot water supply instructing unit 811, the hot water supply valve 9 is always opened without a release command from the CPU in step 9, and is independent of boiling. Hot water can be discharged with a backup water heater.
[0038]
If the CPU determines in step 6 that the hot water supply end tank temperature is not selected as a control target, the process proceeds to step 8 where the CPU reading the signal from the hot water supply temperature setting unit 813 reads the intermediate tank temperature and hot water supply setting. The temperature is compared and T _c ≧ T _m If not, the process proceeds to Step 5 where the CPU instructs the pump operation control unit 834 to start the circulation pump 52, and heating of all the hot water storage tanks is started by circulation of the heat medium. Then, return to step 2 again and read the rising hot water temperature. _c ≧ T _m If it is, the CPU determines that the hot water storage tanks connected in series from the hot water supply end tank to the intermediate tank are boiled, and the CPU moves to step 9 where the hot water supply valve closing release command is transmitted to the hot water supply valve control unit 825. Is done. In step 10, this command activates an electromagnetic relay or the like built in the hot water supply valve control unit 825 to connect a circuit that receives a command from the hot water supply instruction unit 811 so that the hot water supply valve 9 can be opened at any time if there is a command. And boiling is complete. Similarly to the above, when the selection not to transmit the remote control from the user is input in the hot water supply instructing unit 811, the hot water supply valve 9 is always opened without a release command from the CPU in step 9, and is independent of boiling. Hot water can be discharged with a backup water heater.
[0039]
In applying the present invention, hot water supply demand does not require a large amount of hot water at one time, but it may require hot water supply over a relatively long period of time. In such a case, as illustrated in FIG. 4, hot water is supplied to the hot water supply end tank 73 of the plurality of hot water storage tank rows connected in series, and hot water is supplied to the hot water supply end tank of the multiple hot water storage tank rows connected in series. As may be taken out from 71, the tank may be permanently connected with only a normal operation valve without using a three-way valve. The temperature of each tank is only displayed on the temperature display unit 814, the temperature controller is not provided, and the pump operation control unit 834 is operated by a signal from the gas engine rotation detector 831. Even in such a simplified hot water supply facility, the hot water supply temperature can be maintained substantially constant by the action of the wax valve 10 incorporated in the cogeneration unit. However, since the water is sequentially heated from the hot water supply end tank, the hot water supply can be started with a very short waiting time.
[0040]
In the case of the above series connection, the thermistor T of the hot water supply end tank is used as an operation method in a non-demand period due to seasonal fluctuations in hot water supply demand. ₁ When only the hot water supply set temperature is reached, the heating control unit 838 can be commanded to control the circulation pump 52 to stop. During this time, the heat medium in the unit dissipates heat from the radiator 32 by the operation of the internal circulation pump 51 and the wax valve 10, and the cogeneration unit is self-supporting. By such control, hot water at a predetermined temperature can be stored only in the hot water supply end tank, and power consumption of the heat medium circulation pump 52 can be saved.
[0041]
Furthermore, in applying the present invention, the hot water supply demand may require a large amount of hot water at one time, but there may be no demand over a long period of time. In such a case, as illustrated in FIG. 2, the water is supplied to a plurality of hot water storage tanks connected in parallel with cold water, and at the same time, hot water is taken out from the hot water storage tanks in parallel and collected in the hot water supply valve 9. Each tank may be permanently connected in parallel with only a normal operation valve without using a valve. The temperature of each tank is only displayed on the temperature display unit 814, the temperature controller is not provided, and the pump operation control unit 834 is operated by a signal from the gas engine rotation detector 831. Even in such a simplified hot water supply facility, the hot water supply temperature can be maintained substantially constant by the operation of the internal circulation pump 51 and the wax valve 10. In particular, if a heat exchanger with a simple structure such as a serpentine heat exchanger is used as described above and the heat transfer area of each heat exchanger is sequentially increased toward the water supply end tank, The deviation of the hot water temperature is reduced, and a rapid and large amount of hot water can be easily supplied.
[0042]
【The invention's effect】
The hot water supply system according to the present invention, as long as there is a hot water supply demand in the case of performing private power generation, no matter how the power demand and the hot water supply fluctuate independently, mutual conversion according to the selection of the tank arrangement and subsequent fluctuations, And the function of the hot water supply system control unit can flexibly meet the demand for hot water supply.
[0043]
The hot water supply facility according to the present invention employs a small capacity hot water storage tank used for home use as a basic module, and installs and controls a hot water storage tank of a radix adapted to individual hot water supply demands, thereby increasing the market scale. The cost can be reduced by several tens of percent compared to the case of using a small, custom-made large capacity tank. Moreover, since the transportability and the degree of freedom of the installation layout are remarkably improved, the installation work can be facilitated even in a place where the location conditions are not good, and the construction cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing an embodiment of a hot water supply facility in cogeneration according to the present invention.
FIG. 2 is a system diagram showing another embodiment of the hot water supply facility according to the present invention.
FIG. 3 is a system diagram showing still another embodiment of the hot water supply facility according to the present invention.
FIG. 4 is a system diagram showing an embodiment of a simple hot water supply facility according to the present invention.
FIG. 5 is a system diagram illustrating a hot water supply system in a conventional cogeneration system.
FIG. 6 is a control block diagram illustrating functions of a hot water supply system control unit according to the present invention.
FIG. 7 is a control flowchart for explaining the operation of the hot water supply system control unit according to the present invention.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the concept of cogeneration.
FIG. 9 is a system diagram illustrating an example of a hot water supply system in a conventional cogeneration system and a configuration of a cogeneration unit.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the function of the wax valve.
[Explanation of symbols]
1 generator, 2 gas engine
31 Exhaust gas heat exchanger, 32 Radiator
4 Heat transfer heat exchanger
51 Internal circulation pump, 52 Heat medium circulation pump
6, 61, 62, 63 Heat exchanger
7, 71, 72, 73 Hot water storage tank
8 Hot water supply system control unit
81 Operation unit
811 Hot water supply instruction section, 812 Tank row change input section
813 Hot water supply temperature setting section, 814 Each tank temperature display section
82 Hot water controller
825 Hot water supply valve control unit, 826 Three-way valve control unit, 827 Sensor selection unit
83 Pump controller
834 pump operation control unit, 838 heating control unit
831 Gas engine rotation detector, 832 Radiator flow detector
9 Hot water valve, 10 Wax valve
T ₁ , T ₂ , T ₃ Temperature sensor
T _a , T _b , T _c Temperature of hot water in the tank
T _m Hot water set temperature
V1, V2, V3, V4 Electromagnetic three-way valve

Claims

In a cogeneration hot water supply facility that supplies hot water to facilities where hot water supply demand fluctuates, giving priority to relatively stable power supply, multiple hot water storage tanks with built-in heat exchangers, piping, operation valves, and necessary By using the controller
A series that is in series with respect to the flow direction of the heat medium and that is countercurrent with respect to the flow direction of the heat medium with respect to the feed water and hot water take-off direction ;
In series with respect to the flow direction of the heat medium and in parallel with respect to the feed water and hot water take-off direction,
A hot water supply method, wherein the hot water supply method is connected in series so as to be able to switch to an arrangement suitable for the hot water supply demand with respect to the direction of water supply and hot water extraction preferentially in response to a given change in power supply level, and is operated in series or in parallel.

In a cogeneration hot water supply facility that supplies hot water to facilities where hot water supply demand fluctuates, giving priority to relatively stable power supply, multiple hot water storage tanks with built-in heat exchangers, piping, operation valves, and necessary By using the controller
A series arrangement that is in series with respect to the flow direction of the heat medium and that is counter-current with respect to the flow direction of the heat medium with respect to the feed water and hot water withdrawal direction ;
An arrangement that is in series with respect to the flow direction of the heat medium and in parallel with respect to the feed water and hot water discharge directions,
A hot water supply facility, which is connected so as to be able to interconvert into an arrangement suitable for hot water supply demand with respect to the direction of water supply and hot water extraction, preferentially corresponding to a change in power supply level given as needed.

3. The hot water supply equipment according to claim 2, wherein the plurality of hot water storage tanks used in the hot water supply equipment for cogeneration are hot water storage tanks having a standard diameter and a standard tank height as basic modules.

The hot water supply equipment according to claim 2 or 3 , wherein the operation valve used for connection is a three-way valve in a hot water supply system for cogeneration in which a plurality of hot water storage tanks are connected so that they can be converted to the mutual arrangement as needed.

The cogeneration hot water supply facility for supplying hot water to a facility in which hot water supply demand largely fluctuates while giving priority to relatively stable power supply, and the connection of a plurality of hot water storage tanks incorporating a heat exchanger is described in claim 2 . The hot water supply equipment according to claim 2, 3 or 4, wherein the heat transfer areas of the heat exchangers are arranged in parallel along the flow direction of the heat medium.