JP4273640B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池などの発電機から出る排熱を、給湯や暖房その他熱利用機器に供給するコージェネレーションシステム（熱電併給システム）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、分散型発電装置としてのコージェネレーションシステムは、電気と熱の両方のエネルギーを有効利用できるシステムとして多数実用化されてきている。このコージェネレーションシステムは発電と同時に発生する排熱を利用するもので、必ずしも熱要求時に必要熱量が供給されるとは限らず、排熱をいかに有効に利用（蓄熱も含めて）するかが肝要である。特に排熱を給湯や暖房その他複数の熱利用機器に供給する場合は、熱量の配分や温度の維持などが技術的に重要となってくる。
【０００３】
この従来のコージェネレーションシステムは、特開平７−１２４２３や特開平８−４５８６などに開示されている。
【０００４】
図４に従来例１としての特開平７−１２４２３の構成を示す。図４において、４１は温排水ラインで、コージェネレーションシステム４２と、直列に配した温水焚吸収冷凍機４３および給湯用熱交換器４４に接続されている。
【０００５】
熱源であるコージェネレーションシステム４２で発生した熱は、温排水ライン４１を介して温水焚吸収冷凍機４３〜給湯用熱交換器４４の順に伝えられ、それぞれ冷水ライン４５と給湯ライン４６の熱源として使われる。
【０００６】
この時、２つの熱交換器すなわち温水焚吸収冷凍機４３と給湯用熱交換器４４とは直列に接続されているため、上流の温水焚吸収冷凍機４３で熱を奪われた後、下流の給湯用熱交換器４４へは低い温度の温水しか供給されず、給湯ライン４６内の温水は温度が低下するという特性があった。
【０００７】
図５に従来例２としての特開平８−４５８６の構成を示す。図５において、５１は冷却水路で、ガスエンジン５２と温水熱交換器５３に接続されている。温水熱交換器５３は、温水配管５４と熱媒管５５の２つの経路が並列に接続され、それぞれの経路に同時に熱を伝える構造となっている。
【０００８】
温水配管５４の先には貯湯槽５６および温水消費機器５７が接続され、熱媒管５５の先には熱消費機器５８が接続されている。
【０００９】
熱源であるガスエンジン５２で発生した熱は、冷却水路５１と温水熱交換器５３を介して温水配管５４および熱媒管５５に伝えられ、それぞれ貯湯槽５６、温水消費機器５７と熱消費機器５８の熱源として使われる。
【００１０】
温水消費機器５７と熱消費機器５８との熱量の配分は温水熱交換器５３の構造によって概ね決まるが、それでも熱負荷に応じて供給熱量を微調整する場合は、温水配管５４内もしくは熱媒管５５内の通過流量を変えそれぞれの経路の熱交換量を変化させる必要がある。例えば供給熱量を多くする場合は通過流量を多くし熱交換量を増加させる必要があるが、この時、温水配管５４内もしくは熱媒管５５内の温水は温度が低下するという特性があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例１および従来例２のコージェネレーションシステムでは、排熱を給湯や暖房その他複数の熱利用機器に供給する場合、温水を最適な高温に維持できないという課題があった。
【００１２】
すなわち、上記従来例１（図４）においては２つの熱交換器が直列に配置されているため、下流の給湯用熱交換器４４へ接続された給湯ライン４６内の温水温度が低下するという課題があった。また、上記従来例２（図５）においては２つの熱交換器が並列に配置されているが、例えば供給熱量を多くするために通過流量を多くした場合、温水配管５４内もしくは熱媒管５５内の温水温度が低下するという課題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明のコージェネレーションシステムは、発電機と、前記発電機の排熱を回収する水が流れる温水経路と、前記温水経路内の水に前記発電機の排熱を伝える熱交換器と、前記発電機の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、複数の熱利用機器の各々に前記発電機の排熱を伝えるための複数の２次熱交換器と、前記熱交換器の下流の前記温水経路から分岐され、前記貯湯タンクに接続する貯湯経路と、前記熱交換器の下流の前記温水経路から分岐され、前記複数の２次熱交換器の各々に接続する複数の熱交換経路と、前記熱交換器を通過した温水が前記貯湯経路及び前記複数の熱交換経路の各々の経路に分配される流量を調整する流量分配装置と、前記複数の２次熱交換器と各々接続し、前記熱交換経路内の温水と熱交換する熱媒体が流れる複数の熱負荷経路と、前記複数の熱負荷経路を各々流れる前記熱媒体の流量を制御する複数の２次ポンプと、前記複数の熱負荷経路の各々に設けられた複数の２次補助熱源と、を備え、前記複数の２次熱交換器は、前記複数の熱交換経路上に並列に配設されており、前記流量分配装置は、前記複数の熱利用機器の各熱負荷に応じて前記各々の経路に分配される流量を調整し、前記２次補助熱源及び前記２次ポンプは、前記発電機の停止時においても動作するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコージェネレーションシステムの構成図であり、同図において１は熱交換器で、発電機２の排熱を温水経路３（温水経路往路３ａ・温水経路復路３ｂ）に伝えるものである。
【００２２】
４は貯湯タンクで、温水経路３から分岐された貯湯経路５の貯湯経路往路５ａが上部に、貯湯経路復路５ｂが下部にそれぞれ接続されている。
【００２３】
さらに貯湯タンク４下部には給水管６が、貯湯タンク４上部には給湯管７が接続され、給湯管７の先端には給湯栓８が取付けられている。
【００２４】
９は１個もしくは複数個の２次熱交換器で、本実施の形態１においては第１の２次熱交換器９−１と第２の２次熱交換器９−２とを備えおり、温水経路３から分岐された熱交換経路１０と熱負荷経路１１がそれぞれ接続されている。
【００２５】
本実施の形態１では、第１の２次熱交換器９−１に第１の熱交換経路往路１０−１ａ、第１の熱交換経路復路１０−１ｂ、第１の熱負荷経路往路１１−１ａ、第１の熱負荷経路復路１１−１ｂが接続され、第２の２次熱交換器９−２に第２の熱交換経路往路１０−２ａ、第２の熱交換経路復路１０−２ｂ、第２の熱負荷経路往路１１−２ａ、第２の熱負荷経路復路１１−２ｂが接続されている。
【００２６】
熱負荷経路は風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの熱利用機器に温水を供給するもので、熱利用機器の種類によっては温水以外の熱媒体を使うこともある。
【００２７】
１２は温水経路３内の温水経路往路３ａに設けられ流量分配装置で、貯湯経路往路５ａと１個もしくは複数個の熱交換経路１０（本実施の形態１においては第１の熱交換経路往路１０−１ａと第２の熱交換経路往路１０−２ａ）の各々に温水を適正流量分配させるものである。
【００２８】
尚、流量分配装置１２は温水経路復路３ｂの貯湯経路復路５ｂ・第１の熱交換経路復路１０−１ｂ、第２の熱交換経路復路１０−２ｂの合流点に設けることもでき、往路または復路のどちらか一方に設けてあればよい。
【００２９】
これら各経路の流量制御を行うために、温水経路復路３ｂに循環ポンプ１３が、温水経路往路３ａに温度検知器１４が、第１の熱負荷経路復路１１−１ｂに第１の２次ポンプ１５−１が、第２の熱負荷経路復路１１−２ｂに第２の２次ポンプ１５−２が取付けられている。
【００３０】
以上のように構成されたコージェネレーションシステムにおいて、以下その動作を説明する。発電機２の排熱を熱交換器１によって温水経路３に伝える場合、循環ポンプ１３の流量は温度検知器１４で検知された温水温度が常に最適な高温に維持できるように制御される。
【００３１】
流量分配装置１２によって温水経路往路３ａから貯湯経路往路５ａに適正流量分配された温水は高温を維持したまま貯湯タンク４の上部に蓄えられる。
【００３２】
貯湯タンク４の下部からは貯湯経路復路５ｂを通って未加熱の水が温水経路復路３ｂに合流し、熱交換器１で加熱される。
【００３３】
この循環によって貯湯タンク４内は常に上方に高温の温水が蓄えられる、いわゆる積層沸上げがなされるものである。
【００３４】
その結果、給湯栓８を開くと給水管６から侵入した水が貯湯タンク４内の温水を押上げ、貯湯タンク４上部の高温の温水が給湯管７を通って給湯栓８に供給されるもので、貯湯タンク４内の全ての水が沸き上がっていなくても、常に高温の温水を供給することができるものである。
【００３５】
一方、温水経路往路３ａから第１の熱交換経路往路１０−１ａと第２の熱交換経路往路１０−２ａに適正流量分配された温水は高温を維持したまま、それぞれ第１の２次熱交換器９−１と第２の２次熱交換器９−２とに供給され、それぞれ第１の熱負荷経路往路１１−１ａと第２の熱負荷経路往路１１−２ａに熱を伝えた後、熱負荷経路１１に接続された風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの熱利用機器で熱が消費される。
【００３６】
第１の２次熱交換器９−１と第２の２次熱交換器９−２とで熱を奪われた熱交換経路１０の水は、第１の熱交換経路復路１０−１ｂと第２の熱交換経路復路１０−２ｂを通って温水経路復路３ｂに合流される。
【００３７】
これら一連の動作において、風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの熱利用機器で熱が消費される時は、流量分配装置１２によって第１の熱交換経路往路１０−１ａと第２の熱交換経路往路１０−２ａの各々に熱負荷に相当する適正流量を分配し、残った熱量に相当する流量を貯湯経路往路５ａに分配するもので、温水経路３の総流量を一定にできるため温水温度が常に最適な高温に維持することができるものである。
【００３８】
なお、３１は給湯管７の途中に設けられた給湯補助熱源で、貯湯タンク４内の温水が全て使用された場合でも、給湯管７内の水を加熱することによって、給湯栓８からいつでもお湯が使えるようにできるものである。
【００３９】
また、３２は第１の熱負荷経路往路１１−１ａおよび第２の熱負荷経路往路１１−２ａの途中に設けられた２次補助熱源で、発電機２が停止または熱供給量が不足している場合でも、経路内の水を加熱することによって、風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの熱利用機器をいつでも運転できるようにするものである。
【００４０】
さらに、発電機２として燃料電池３３を用いた場合、燃料電池の種類にもよるが、特に固体高分子型燃料電池の場合は排熱の温度が約８０℃前後と低い。
【００４１】
従って排熱を、冷却水ポンプ３４を用いて冷却水経路３５から、熱交換器１で温水経路３に伝え、給湯や暖房その他熱利用機器に供給する場合は、温水温度をいかに低下することなく、常に高温に維持できるかが極めて重要である。
【００４２】
すなわち、発電機に燃料電池を用いた場合は、よりいっそう本発明の効果を発揮するものである。
【００４３】
（参考の形態１）
図２は、本発明の参考の形態１におけるコージェネレーションシステムの構成図であり、実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。同図において２１は流量分配装置としての三方混合弁で、温水経路往路３ａの温水を適正流量になるように貯湯経路往路５ａと熱交換経路往路２２ａとに分配するものである。
【００４４】
熱交換経路往路２２ａに分配された温水は、直列に接続された第１の２次熱交換器２３−１と第２の２次熱交換器２３−２を通った後に、熱交換経路復路２２ｂを通って温水経路復路３ｂに合流する。
【００４５】
一方、第１の２次熱交換器２３−１には第１の熱負荷経路往路１１−１ａと第１の熱負荷経路復路１１−１ｂが、第２の２次熱交換器２３−２には第２の熱負荷経路往路１１−２ａと第２の熱負荷経路復路１１−２ｂがそれぞれ接続されており、第１の２次熱交換器２３−１および第２の２次熱交換器２３−２から与えられる熱は、風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの複数の熱利用機器に提供される。
【００４６】
この参考の形態１において、貯湯経路往路５ａと熱交換経路往路２２ａの温水は実施の形態１と同様、常に最適な高温に維持することができるが、２つの熱交換器すなわち第１の２次熱交換器２３−１と第２の２次熱交換器２３−２が直列に接続されているため、上流の第１の２次熱交換器２３−１で熱を奪われた後、下流の第２の２次熱交換器２３−２へ供給される温水は温度が低くなるという特性がある。
【００４７】
しかしながら給湯以外の複数の熱利用機器で、すべての経路で必ずしも高温水を必要としない場合もあり、たとえば温水温風暖房と風呂追焚循環に使用する場合は、一般に温水温風暖房では８０℃程度の温水を必要とするが、風呂追焚循環の供給温水温度は５０〜６０℃程度でよく、第１の２次熱交換器２３−１を温水温風暖房に接続し、第２の２次熱交換器２３−２を風呂追焚循環に接続すれば支障なく運転できる。
【００４８】
そしてこのように、給湯と第１の熱利用機器には高温の温水を供給し第２の熱利用機器にはさほど高温の温水を必要としない場合は、参考の形態１の如く、温水を流量分配装置で３個以上の経路に分配する必要がなく、流量分配装置として三方混合弁２１を用いることができ、一例として汎用のボールバルブを使えば制御方法が簡単でシステムを安価に製作することができるものである。
【００４９】
（参考の形態２）
図３は、本発明の参考の形態２におけるコージェネレーションシステムの構成図であり、実施の形態１と同様のものについては、同一符号を付与し、その説明を省略する。同図において２１は流量分配装置としての三方混合弁で、温水経路往路３ａの温水を適正流量になるように貯湯経路往路５ａと熱交換経路往路２２ａとに分配するものである。
【００５０】
熱交換経路往路２２ａに分配された温水は、２次熱交換器２４を通った後に熱交換経路復路２２ｂを通って温水経路復路３ｂに合流する。
【００５１】
この２次熱交換器２４は熱交換経路往路２２ａの熱を２つの経路に伝える構造となっており、それぞれ第１の熱負荷経路往路１１−１ａと第１の熱負荷経路復路１１−１ｂおよび第２の熱負荷経路往路１１−２ａと第２の熱負荷経路復路１１−２ｂが接続されており、２次熱交換器２４から与えられる熱は、風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの複数の熱利用機器に提供される。
【００５２】
この参考の形態２において、貯湯経路往路５ａと熱交換経路往路２２ａの温水は実施の形態１と同様、常に最適な高温に維持することができるが、第１の熱負荷経路往路１１−１ａと第２の熱負荷経路往路１１−２ａとの熱負荷の配分を大きく変えることは前述の通り困難である。
【００５３】
しかしながら給湯以外の、複数の熱利用機器の、全体の熱負荷を変化させることは可能で、例えば２部屋の床暖房を同時に使用する場合などは、実質上支障なく運転できるものである。
【００５４】
そしてこのように、給湯負荷とは独立して複数の熱利用機器の熱供給量を同時に変化させる場合は、実施の形態３の如く、流量分配装置として三方混合弁２１を用いることができ、一例として汎用のボールバルブを使えば制御方法が簡単でシステムを安価に製作することができるものである。
【００５５】
しかも２次熱交換器２４を１個にすることができ、さらにシステムを安価に製作することができるものである。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、発電機の排熱を給湯や暖房その他複数の熱利用機器に供給する場合、流量分配装置で各温水経路の熱負荷に相当する適正流量を分配することによって、温水温度が低下することなく常に最適な高温に維持することができるものである。
【００６０】
また、発電機が停止している場合でも、２次補助熱源によって風呂追焚循環、温水温風暖房、床暖房などの熱利用機器をいつでも運転できるという効果を奏するものである。
【００６１】
また、発電機に燃料電池を用いた場合は、よりいっそう本発明の効果を発揮するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における、コージェネレーションシステムの構成図
【図２】本発明の参考の形態１における、コージェネレーションシステムの構成図
【図３】本発明の参考の形態２における、コージェネレーションシステムの構成図
【図４】従来例１における、コージェネレーションシステムのシステム構成図
【図５】従来例２における、コージェネレーションシステムのシステム構成図
【符号の説明】
１ 熱交換器
２ 発電機
３ 温水経路
４ 貯湯タンク
５ 貯湯経路
６ 給水管
７ 給湯管
９ ２次熱交換器
１０ 熱交換経路
１１ 熱負荷経路
１２ 流量分配装置
１３ 循環ポンプ
２１ 三方混合弁
２４ ２次熱交換器
３１ 給湯補助熱源
３２ ２次補助熱源
３３ 燃料電池
３４ 冷却水ポンプ
３５ 冷却水経路

Claims (1)

1. 発電機と、前記発電機の排熱を回収する水が流れる温水経路と、前記温水経路内の水に前記発電機の排熱を伝える熱交換器と、前記発電機の排熱を温水として貯える貯湯タンクと、複数の熱利用機器の各々に前記発電機の排熱を伝えるための複数の２次熱交換器と、前記熱交換器の下流の前記温水経路から分岐され、前記貯湯タンクに接続する貯湯経路と、前記熱交換器の下流の前記温水経路から分岐され、前記複数の２次熱交換器の各々に接続する複数の熱交換経路と、前記熱交換器を通過した温水が前記貯湯経路及び前記複数の熱交換経路の各々の経路に分配される流量を調整する流量分配装置と、前記複数の２次熱交換器と各々接続し、前記熱交換経路内の温水と熱交換する熱媒体が流れる複数の熱負荷経路と、前記複数の熱負荷経路を各々流れる前記熱媒体の流量を制御する複数の２次ポンプと、前記複数の熱負荷経路の各々に設けられた複数の２次補助熱源と、を備え、
   前記複数の２次熱交換器は、前記複数の熱交換経路上に並列に配設されており、前記流量分配装置は、前記複数の熱利用機器の各熱負荷に応じて前記各々の経路に分配される流量を調整し、
   前記２次補助熱源及び前記２次ポンプは、前記発電機の停止時においても動作するコージェネレーションシステム。

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