JP3995643B2 - Waste heat utilization system - Google Patents
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Description
本発明は、複数の排熱発生装置の夫々から排熱を回収して排出される熱媒を排熱利用装置に供給する排熱利用システムに関する。 The present invention relates to an exhaust heat utilization system that supplies a heat medium, which is exhausted by recovering exhaust heat from each of a plurality of exhaust heat generation apparatuses, to an exhaust heat utilization apparatus.
近年、エネルギの有効利用の観点から、複数の住宅などに設置された排熱発生装置から排熱を回収して排出される熱媒を集めて、その大量の熱媒を学校、介護施設、病院、スーパーマーケットなどに設けられた大規模な排熱利用装置に供給することが要望されている。ここで、各住宅に設置される排熱発生装置としては、ガスエンジンや燃料電池などの熱電併給装置やガスヒートポンプ装置などがある。ガスエンジン、燃料電池、ガスヒートポンプ装置などから排出される熱媒の温度は様々であり、排熱利用装置が必要とする熱媒の温度もまた様々である。例えば、固体高分子型燃料電池の作動温度は約80℃であるため排出される熱媒の温度は80℃以下となるが、この温度の熱媒は給湯や暖房といった用途には利用できるものの、冷房の用途に利用するには温度が低すぎるといった問題がある。また、排熱発生装置に併設される熱媒貯留槽に貯留され、温度が下がってしまった熱媒も同様に冷房などの用途には利用できないものであった。 In recent years, from the viewpoint of effective use of energy, the heat medium collected by exhaust heat from exhaust heat generators installed in multiple houses is collected, and the large amount of heat medium is collected at schools, nursing homes, hospitals. Therefore, there is a demand for supplying to a large-scale exhaust heat utilization device provided in a supermarket or the like. Here, examples of the exhaust heat generator installed in each house include a combined heat and power device such as a gas engine and a fuel cell, a gas heat pump device, and the like. The temperature of the heat medium discharged from a gas engine, a fuel cell, a gas heat pump device, or the like varies, and the temperature of the heat medium required by the exhaust heat utilization device also varies. For example, since the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is about 80 ° C., the temperature of the discharged heat medium is 80 ° C. or less, but this temperature heat medium can be used for applications such as hot water supply and heating, There is a problem that the temperature is too low for use in cooling applications. In addition, the heat medium stored in the heat medium storage tank attached to the exhaust heat generator and having the temperature lowered cannot be used for cooling or the like.
そこで、排熱発生装置から排出された温度の低い熱媒を増熱手段にて増熱した上で排熱利用装置に提供するような排熱利用システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この排熱利用システムの増熱手段は太陽熱に加えて電力を補助的に利用した装置であり、利用価値の低かった低温の熱媒を利用価値の高い高温の熱媒に変えた後で排熱利用装置に提供している。 Thus, an exhaust heat utilization system has been proposed in which a heat medium having a low temperature exhausted from the exhaust heat generation apparatus is heated by a heat increase means and then provided to the exhaust heat utilization apparatus (for example, Patent Document 1). reference). The heat increase means of this exhaust heat utilization system is a device that uses electric power in addition to solar heat, and after changing the low-temperature heat medium with low utility value to the high-temperature heat medium with high utility value, exhaust heat Provided to use devices.
特許文献1に記載のような排熱利用システムが、例えば燃料電池のような排熱発生装置を備えた複数の住宅に設置される場合、複数の住宅の夫々に上述の太陽熱利用の増熱手段が設けられ、排熱発生装置から排出される熱媒をその増熱手段で夫々増熱した後で集めるようなシステムが構成されると考えられる。しかし、各住宅に設置可能な増熱手段は設置スペースやコストなどの問題から小規模なものと成らざるを得ず、それが太陽熱を利用した増熱手段である場合には、小規模であるほど効率の低い増熱手段になるものと想定される。また、増熱手段が複数の住宅に設けられている場合には、排熱利用システム全体としてそれら増熱手段のメンテナンス作業に要する手間も大きくなるという問題がある。
When the exhaust heat utilization system as described in
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の排熱発生装置からの熱媒を効率良く、しかもメンテナンス性の優れた形態で増熱して排熱利用装置に供給することができる排熱利用システムを提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to increase the heat medium from a plurality of exhaust heat generators efficiently and in a form with excellent maintainability to an exhaust heat utilization device. It is in providing a waste heat utilization system that can be supplied.
上記目的を達成するための本発明に係る排熱利用システムの第1特徴構成は、複数の排熱発生装置の夫々から排熱を回収して排出される熱媒を集めた合流状態の熱媒が熱媒貯留槽に貯留され、当該熱媒貯留槽に貯留されている前記合流状態の熱媒が太陽熱利用の増熱手段に供給され、その増熱手段にて加熱された前記合流状態の熱媒が排熱利用装置に供給されるように構成され、
前記増熱手段が、供給される前記合流状態の熱媒が通流する加熱部の太陽光入射面よりも広範囲の太陽光を前記加熱部に集光して、前記合流状態の熱媒を蒸気に加熱して前記排熱利用装置に供給可能に構成され、
前記熱媒貯留槽から前記増熱手段へ供給される前記合流状態の熱媒の流量が、太陽光の強弱に応じて調節されるように構成される点にある。
In order to achieve the above object, the first feature configuration of the exhaust heat utilization system according to the present invention is a combined heat medium that collects the heat medium recovered by exhaust heat from each of the plurality of exhaust heat generators. Is stored in the heat medium storage tank, and the combined heat medium stored in the heat medium storage tank is supplied to the heat increasing means using solar heat and heated in the heat increasing means. The medium is configured to be supplied to the exhaust heat utilization device,
The heat increasing means condenses sunlight in a wider range than the sunlight incident surface of the heating unit through which the supplied heat medium to be supplied flows to the heating unit, and vaporizes the combined heat medium. It can be heated to supply to the exhaust heat utilization device,
The flow rate of the combined heat medium supplied from the heat medium storage tank to the heat increasing means is configured to be adjusted according to the intensity of sunlight .
上記第1特徴構成によれば、複数の排熱発生装置の夫々から排熱を回収して排出される熱媒が集められ、その集められた合流状態の熱媒が太陽熱利用の増熱手段で増熱されて排熱利用装置に供給されることとなる。
そして、合流状態の熱媒を加熱する太陽熱利用の増熱手段は、大きな設置スペースを確保して、充分な加熱能力を有する大規模な設備として設置することが可能となるため、充分な加熱能力を有する大規模な設備として構成される増熱手段により、高効率に熱媒の増熱を行うことが可能となり、又、大規模な設備ではあるものの、集中して設置されることになる増熱手段は、メンテナンス作業も少ない手間で集中して行い易いものとなる。従って、複数の排熱発生装置からの熱媒を効率良く、しかもメンテナンス性の優れた形態で増熱して排熱利用装置に供給することができる排熱利用システムを提供するに至った。
また、熱媒が通流する加熱部の太陽光入射面よりも広範囲の太陽光が加熱部に集光された高性能の増熱手段によって熱媒を蒸気に増熱して排熱利用装置に供給可能であるので、排熱発生装置から集められた熱媒が利用価値の低い低温の熱媒であっても、この高性能の増熱手段によって利用価値の高い蒸気の熱媒又は高温の熱媒に変えた上で排熱利用装置に供給することが可能となる。
加えて、複数の排熱発生装置から集められた合流状態の熱媒を貯留する熱媒貯留槽を設けた場合、熱媒貯留槽から増熱手段へ流入する熱媒の流量を太陽光の強弱(つまり、増熱手段の加熱能力の大小)に応じて調整することで、増熱手段から流出して排熱利用装置に供給される熱媒の温度を一定に制御することが可能となる。
According to the first characteristic configuration, the heat medium that collects the exhaust heat from each of the plurality of exhaust heat generators and collects the exhaust heat medium is collected, and the collected heat medium is a heat increase means using solar heat. The heat is increased and supplied to the exhaust heat utilization device.
And the solar heat-based heat increasing means that heats the combined heat medium can secure a large installation space and can be installed as a large-scale facility with sufficient heating capacity. The heat increase means configured as a large-scale facility having a large-scale facility makes it possible to increase the heat medium with high efficiency. The heating means is easy to concentrate and perform maintenance work with little effort. Accordingly, the present invention has provided an exhaust heat utilization system that can efficiently increase the heat medium from a plurality of exhaust heat generation apparatuses and supply it to the exhaust heat utilization apparatus in a form with excellent maintainability.
In addition, the heat medium is heated to steam by a high-performance heating means that collects sunlight in a wider area than the sunlight incident surface of the heating section through which the heat medium flows, and is supplied to the exhaust heat utilization device. Therefore, even if the heat medium collected from the exhaust heat generator is a low-temperature heat medium having a low utility value, this high-performance heating means can be used for a steam heat medium or a high-temperature heat medium having a high utility value. It becomes possible to supply to a waste heat utilization apparatus after changing to.
In addition, when a heat medium storage tank for storing the combined heat medium collected from a plurality of exhaust heat generators is provided, the flow rate of the heat medium flowing from the heat medium storage tank to the heat increasing means is adjusted to the intensity of sunlight. By adjusting according to (that is, the heating capacity of the heat increasing means), the temperature of the heat medium flowing out from the heat increasing means and supplied to the exhaust heat utilization apparatus can be controlled to be constant.
本発明に係る排熱利用システムの第2特徴構成は、上記第1特徴構成に加えて、前記合流状態の熱媒を燃料を消費して加熱する補助加熱部が設けられている点にある。 The second feature configuration of the exhaust heat utilization system according to the present invention is that, in addition to the first feature configuration , an auxiliary heating unit that heats the combined heat medium by consuming fuel is provided.
上記第2特徴構成によれば、太陽光が弱いとき又は排熱利用装置における熱需要が大きいときには太陽熱利用の増熱手段によってすべての熱需要を賄いきれない可能性もあるが、熱媒を燃料を消費して加熱する補助加熱部が設けられているので、排熱利用装置に対して十分な熱媒を供給することが可能となる。 According to the second characteristic configuration described above, when the sunlight is weak or the heat demand in the exhaust heat utilization device is large, there is a possibility that not all heat demand can be covered by the solar heat utilization heating means. Since the auxiliary heating unit that consumes and heats is provided, a sufficient heat medium can be supplied to the exhaust heat utilization device.
<第1実施形態>
以下に図1を参照して本発明に係る排熱利用システムについて説明する。
この排熱利用システムは、複数の住宅などに設置された複数の排熱発生装置9の夫々から排熱を回収して装置外部に排出される熱媒を集めた合流状態の熱媒が、太陽熱利用の増熱装置(増熱手段の一例)1に供給され、その増熱装置1にて加熱された熱媒が排熱利用装置10に供給されるように構成されている。ここで、排熱発生装置9は、ガスエンジンや燃料電池などの熱電併給装置やガスヒートポンプ装置など、発生する排熱が熱媒にて回収され、その熱媒が装置外部に排出されるような装置である。例えば、燃料電池の電池冷却水は燃料電池内部の熱を外部に排出する熱媒である。排熱利用装置10は、供給される高温の熱媒を用いて冷房を行う冷房装置などである。
ここで、排熱発生装置9から排出された熱媒は併設される熱媒貯留槽(図示せず)に貯留され、その熱媒貯留槽から増熱装置1へと送出されることとなる。このとき、熱媒貯留槽に貯留されている、温度が低く、即ち利用価値が低い熱媒や排熱発生装置9から排出される、温度が低く、即ち利用価値が低い熱媒が熱媒貯留槽から増熱装置1へ送出される場合や、定められた量の熱媒が毎日熱媒貯留槽から増熱装置1へ送出される場合や、排熱発生装置9が設置された住宅での消費熱媒量を超える余剰の熱媒が熱媒貯留槽から増熱装置1へ送出される場合などがある。
<First Embodiment>
The exhaust heat utilization system according to the present invention will be described below with reference to FIG.
In this exhaust heat utilization system, the combined heat medium that collects the heat medium that collects the exhaust heat from each of the plurality of
Here, the heat medium discharged from the exhaust
増熱装置1は、複数の排熱発生装置9から排出された合流状態の熱媒を、太陽光(熱)を利用して加熱する装置であり、具体的には、太陽光を受光して集光する集光部2と、その集光部2にて集光されて入射される太陽光を熱エネルギに変換して、その熱エネルギで熱媒を加熱する加熱部3とを備えている。この加熱部3は、入射された太陽光を熱に変換し、加熱部3の内部を通流する熱媒にその熱を与えるような熱交換器である。ここで、集光レンズなどにて構成される集光部2の受光面4の面積は、加熱部3への太陽光の入射面5の面積よりも大きく構成されている。その結果、入射面5よりも広範囲の太陽光を加熱部5に集光することが可能となり、集光部2を設けない場合に加熱部3の入射面5に入射される太陽光のエネルギよりも大きいエネルギが入射面5に入射されることになる。このように、集光部2によって集光され、エネルギ密度が高められた太陽光が加熱部3へと入射されるので、大量且つ低温の熱媒であっても高温に加熱することができる高性能な増熱装置1が構成される。また、この排熱利用システムでは増熱装置1の設置数を少なくできるので、そのメンテナンス作業のための手間も減少されることとなる。
The
次に、排熱発生装置9が、地域に分散している複数の住宅のそれぞれに設置されている固体高分子型燃料電池であり、排熱利用装置10が、その地域の大規模な介護施設に設置されている冷房装置である場合のこの排熱利用システムの運用について説明する。
各住宅に設置された固体高分子型燃料電池の電池冷却水として電池外部に排出される低温の熱媒(温度は約80℃以下)は、排熱収集路11を介して増熱装置1に集められる。増熱装置1に集められた合流状態の熱媒は、入射される太陽光を熱に変換する加熱部3の内部を通流中に加熱される。上述のように、レンズなどの集光装置にて構成される集光部2における太陽光の受光面4の面積は加熱部3への太陽光の入射面5の面積よりも大きく構成されているので、加熱部3による熱媒の加熱性能は高く、複数の固体高分子型燃料電池(排熱発生装置9)から集められた合流状態の熱媒が大量且つ低温であっても、高温に加熱することができるように構成されている。
そして、増熱装置1にて加熱された高温の熱媒は排熱供給路12を介して介護施設(排熱利用装置10)に供給され、その介護施設の冷房用途をはじめ給湯用途や暖房用途などに使用されることになる。
ここで、加熱部3から熱媒に与えられる熱エネルギが大きい場合には、その熱媒を蒸気に加熱して、その熱媒蒸気を介護施設(排熱利用装置10)に供給することもできる。
Next, the
A low-temperature heat medium (temperature is about 80 ° C. or less) discharged to the outside of the battery as the battery cooling water of the polymer electrolyte fuel cell installed in each house is sent to the
Then, the high-temperature heat medium heated by the
Here, when the heat energy given to the heat medium from the
このように、利用価値の低かった低温の熱媒を各排熱発生装置9から大量に回収し、大規模な増熱装置1にて効率的に加熱した後の高温の熱媒を、排熱利用装置10に供給するように構成されているので、太陽光という自然エネルギを用いて熱媒の付加価値を効率的に高めることができる排熱利用システムが提供される。
また、本実施形態において、増熱装置1に併設されるような、複数の排熱発生装置9から集められた合流状態の熱媒を貯留する熱媒貯留槽を設けてもよい。例えば、複数の排熱発生装置9から集められた合流状態の熱媒を貯留する熱媒貯留槽を設けた場合、集められた合流状態の熱媒が熱媒貯留槽から増熱装置1へ一定流量で熱媒が流入するように調整することで、増熱装置1から流出して排熱利用装置10に供給される熱媒の温度を一定に制御することが可能となる。また、熱媒貯留槽から増熱装置1へ流入する熱媒の流量を太陽光の強弱(つまり、増熱装置1の加熱能力の大小)に応じて調整することで、増熱装置1から流出して排熱利用装置10に供給される熱媒の温度を一定に制御することも可能となる。
In this way, a low-temperature heat medium having a low utility value is recovered in large quantities from each
Moreover, in this embodiment, you may provide the heat-medium storage tank which stores the heat medium of the confluence | merging state collected from the several
<第2実施形態>
図2に示す第2実施形態に係る排熱利用システムは、合流状態の熱媒を燃料を消費して加熱する補助加熱部6が設けられている点で第1実施形態と異なる。
この排熱利用システムでは、第1実施形態と同様に増熱装置1も設けられており、複数の排熱発生装置9から集められた合流状態の熱媒は、増熱装置1及び補助加熱部6の両方を用いて加熱することができる。増熱装置1の構成は第1実施形態において説明したのと同様であるが、太陽光が弱いときには加熱部3での加熱性能が低下し、集められた合流状態の熱媒の温度を十分に高くできない可能性がある。このため、加熱部3にて加熱された後の熱媒温度を温度センサ13によって監視し、その熱媒温度が所定の設定温度よりも低い場合には補助加熱部6を稼動させて、排熱利用装置10に供給される熱媒の温度を高めるように構成されている。
Second Embodiment
The exhaust heat utilization system according to the second embodiment shown in FIG. 2 differs from the first embodiment in that an
In this exhaust heat utilization system, the
補助加熱部6は、燃焼部7に供給される燃料(例えば、ガス)と空気とを燃焼させて得られる熱を、補助加熱部6の内部を通流する熱媒に与える熱交換器である。そして、補助加熱部6を出た後の熱媒温度を温度センサ14によって監視し、その熱媒温度が所定の設定温度と等しくなるように、燃焼部7に供給される燃料量(ガス量)と空気量とを調整して燃焼を制御する。
そして、増熱装置1及び補助加熱部6にて加熱された高温の熱媒は排熱供給路12を介して排熱利用装置10に供給され、冷房用途などに使用されることになる。
The
Then, the high-temperature heat medium heated by the
このように、利用価値の低かった低温の熱媒を各排熱発生装置9から大量に回収し、太陽光のエネルギを利用した増熱装置1と燃焼熱を利用した補助加熱部6とによって熱媒を加熱できるように構成されているので、加熱部3に入射される太陽光が十分でないとき又は排熱利用装置10における熱需要が大きいときであっても、排熱利用装置10には大量且つ高温の熱媒を十分に供給することが可能となる。
In this way, a low-temperature heat medium having a low utility value is collected in large quantities from each
<別実施形態>
<1>
上記の実施形態では、集光レンズを例に挙げて集光部2の機能を説明したが、集光レンズ以外の装置を用いても構わない。例えば、集光部2としてパラボラ反射鏡を用いた場合には、そのパラボラ反射鏡において加熱部3の入射面5よりも広範囲の太陽光を受光して、加熱部3への太陽光の入射面5へと反射するように構成することで、集光部2を設けない場合に加熱部3の入射面5に入射される太陽光のエネルギよりも大きいエネルギが入射面5に入射されることになる。その結果、大量且つ低温の熱媒であっても高温に加熱することができる高性能な増熱装置1が得られる。
また、パラボラ反射鏡以外の反射鏡を集光部2として用いることも可能である。例えば、加熱部3の入射面5よりも広範囲の太陽光を複数の反射鏡により受光し、それら複数の反射鏡にて受光された太陽光が、加熱部3の入射面5に入射するように構成しておけば、集光部2を設けない場合に加熱部3の入射面5に入射される太陽光のエネルギよりも大きいエネルギが入射面5に入射されることになり、大量且つ低温の熱媒であっても高温に加熱することができる高性能な増熱装置1が得られる。
<Another embodiment>
<1>
In the above embodiment, the function of the condensing
Moreover, it is also possible to use a reflecting mirror other than the parabolic reflecting mirror as the
<2>
上述の実施形態において、増熱装置1において加熱された熱媒が貯留される熱媒貯留槽を設けてもよい。例えば、増熱装置1にて加熱された後の熱媒を貯留する熱媒貯留槽を設けた場合には、増熱装置1において加熱される熱媒量が排熱利用装置10での熱媒の需要量よりも多い場合には、余剰の熱媒を上記熱媒貯留槽に貯留しておくことが可能となる。他方で、増熱装置1において加熱される熱媒量が排熱利用装置10での熱媒の需要量よりも少ない場合には、不足の熱媒を上記熱媒貯留槽に予め貯留しておいた熱媒で賄うことが可能となる。
<2>
In the above-described embodiment , a heat medium storage tank in which the heat medium heated in the
<3>
上記の実施形態では、複数の排熱発生装置9から集められた合流状態の熱媒を増熱装置1にて加熱し、加熱された熱媒を1つの排熱利用装置10に供給する場合の例について説明しているが、増熱装置1によって加熱された熱媒を複数の排熱利用装置10に供給することも可能である。また、増熱装置1を複数台設け、1台の増熱装置1を設ける場合に比べて更に高い加熱性能を有する増熱装置を構築することも可能である。
<3>
In the above embodiment, the combined heat medium collected from the plurality of
1 増熱装置(増熱手段)
9 排熱発生装置
10 排熱利用装置
1 Heat increase device (heat increase means)
9
Claims (2)
前記増熱手段が、供給される前記合流状態の熱媒が通流する加熱部の太陽光入射面よりも広範囲の太陽光を前記加熱部に集光して、前記合流状態の熱媒を蒸気に加熱して前記排熱利用装置に供給可能に構成され、
前記熱媒貯留槽から前記増熱手段へ供給される前記合流状態の熱媒の流量が、太陽光の強弱に応じて調節されるように構成される排熱利用システム。 The merging state heating medium merging state a collection of heating medium which is discharged by recovering waste heat from each of the plurality of heat generating devices stored in the heat medium storage tank, and is stored in the heat medium storage tank The heat medium is supplied to the heat increase means using solar heat, and the combined heat medium heated by the heat increase means is supplied to the exhaust heat utilization apparatus,
The heat increasing means condenses sunlight in a wider range than the sunlight incident surface of the heating unit through which the supplied heat medium to be supplied flows to the heating unit, and vaporizes the combined heat medium. It can be heated to supply to the exhaust heat utilization device,
An exhaust heat utilization system configured such that the flow rate of the combined heat medium supplied from the heat medium storage tank to the heat increasing means is adjusted according to the intensity of sunlight .
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