JP4717234B2

JP4717234B2 - Operation control method for heat-driven hydrogen storage alloy heat pump

Info

Publication number: JP4717234B2
Application number: JP2001077730A
Authority: JP
Inventors: 英之岡本; 正夫増田; 正幸谷野; 由行小澤
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2021-03-19
Also published as: JP2002277095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせることにより冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプにおいて，効率よく運転を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金は，固体の状態で水素を吸収し，再び放出できる合金であり，合金の組成によって異なるが，温度の上昇もしくは圧力の低下に伴って水素を放出し，逆に，温度の低下もしくは圧力の上昇に伴って水素を吸蔵する特性がある。そして水素吸蔵合金は，水素吸蔵時には発熱反応を起こし，水素放出時には吸熱反応を起こす。そこで，合金の組成を種々選択し，所望の温度でこのような発熱反応と吸熱反応を起こさせることにより冷熱負荷を処理する水素吸蔵合金ヒートポンプが提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
水素吸蔵合金ヒートポンプには，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を圧力の変化で起こさせる圧縮式水素吸蔵合金ヒートポンプと，発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプがある。これら水素吸蔵合金ヒートポンプは，一般的な吸収式・吸着式ヒートポンプに比べ，フロンなどの冷媒が不要であるといった利点がある。特に，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，静寂運転や非高圧運転が可能である点で魅力的である。
【０００４】
その反面，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプと一般的な吸収式・吸着式のヒートポンプを比較した場合，低温熱源（６０〜８０℃）が利用可能な吸収式・吸着式ヒートポンプのＣＯＰ（成績係数）が０．６〜０．７程度であるのに比べ，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプのＣＯＰが０．３〜０．４程度と低いといった欠点がある。また，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，吸収式・吸着式ヒートポンプに比べ，装置自体が高価となる他，装置が重く，大がかりな搬入据付作業や設置個所の床強度なども必要になる懸念がある。
【０００５】
これらのうち，装置の重量や価格については，ハード的な問題であり，それらは構造の改良や，材料の選定などによって将来的に解決されるべきである。一方，ＣＯＰについては，運転を制御することにより，改善できる可能性がある。
【０００６】
従って本発明の目的は，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御することによってＣＯＰを改善できる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，本発明によれば，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，冷熱負荷が上昇した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が低下した場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くするように制御することを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法が提供される。高温側熱交換器と低温側熱交換器は，２種類の合金において，同一の圧力下で安定する温度が高い方が高温側熱交換器であり，低い方が低温側熱交換器である。この運転制御方法において，冷熱負荷とは，例えば建造物にて要求される冷房負荷や，各種製造設備などにて要求される冷却負荷などであり，具体的には，そのような冷却負荷を処理する熱交換器から戻される熱媒水の温度や，熱交換器に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表される。そのような温度や温度差として表される冷熱負荷について，例えば所定の目標値を予め設定しておき，冷熱負荷が目標値を越えた場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に短くし，冷熱負荷が目標値以下の場合は，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を相対的に長くするように制御が行われる。また，目標値を１又は２以上設定して，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を段階的に変化させるものであっても良い。
【０００８】
また本発明によれば，水素吸蔵合金の発熱反応と吸熱反応を熱の変化で起こさせる高温側熱交換器と低温側熱交換器を備え，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行う再生過程と，高温側熱交換器にて水素吸蔵合金の発熱反応を行い，低温側熱交換器にて水素吸蔵合金の吸熱反応を行う冷熱出力過程を繰り返すことにより，冷熱負荷を処理する熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転を制御する方法であって，前記熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプは，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰが低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上する特性を有し，年間のスケジュールに従って，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を変化させることを特徴とする，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプの運転制御方法が提供される。この場合，サイクルの切替時間を，月単位で変化させるものであっても良い。
【０００９】
これら本発明においては，例えば，外気条件に応じて，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水の温度を可能な限り下げるように，冷却水を冷却する冷却塔の運転が制御される。また，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水を冷却する冷却塔の運転は，例えば，年間のスケジュールに従って制御される。
【００１０】
本発明者等は，熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプについて種々の検討を重ねた結果，伝熱性能が高い熱交換器を用いた場合，水素吸蔵合金中に温度が拡散していく速度に比べ，水素吸蔵合金中において組成が変化していく速度（水素の吸収，もしくは放出に伴う組成変化の速度）の方が遅いために，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間が短い場合は，組成変化に必要な熱量を越えた熱の入力が必要になり，ＣＯＰ（成績係数）が低下するといった知見を得た。そこで本発明では，年間を通じて期間の短い高負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行う。このように，冷熱負荷に応じてサイクルの切替時間を変化させて制御することにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となる。また本発明によれば，高温側熱交換器と低温側熱交換器に供給される冷却水を冷却する冷却塔の運転を制御することにより，冷熱出力とＣＯＰの更なる向上をはかることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１に示されるように，本発明の実施の形態にかかる熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプ１（以下，「ヒートポンプ１」）にあっては，２つのヒートポンプユニットＡ，Ｂを備えており，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂには，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１がそれぞれ設けてある。
【００１２】
各ヒートポンプユニットＡ，Ｂの高温側熱交換器１０は，いずれも水素吸蔵合金１２を容器１３内に充填した構成を有し，低温側熱交換器１１も同様に，いずれも水素吸蔵合金１４を容器１５内に充填した構成を有している。高温側熱交換器１０において充填される水素吸蔵合金１２と低温側熱交換器１１において充填される水素吸蔵合金１４は種類が異なっており，限定されるものではないが，一例を挙げれば，高温側の水素吸蔵合金１２は，例えばＬｍＮｉ_４．８Ｍｎ_０．２の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合であり，低温側の水素吸蔵合金１４は，例えばＭｍＮｉ_４．２８Ｃｏ_０．３Ｍｎ_０．１７Ａｌ_０．３Ｆｅ_０．１５の組成を有する直径１ｍｍ以下の粒子の集合である。
【００１３】
各高温側熱交換器１０の容器１３及び各低温側熱交換器１１の容器１５の内部には，いずれも水素（Ｈ_２）が入れられている。各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおいて，容器１３と容器１５はいずれもバイパス１６によって接続されており，このバイパス１６を通ることにより，高温側熱交換器１０の容器１３と低温側熱交換器１１の容器１５の間で水素が流通するようになっている。高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１は，２種類の水素吸蔵合金１２，１４について，同一の圧力下で安定する温度が高い方の水素吸蔵合金１２を充填しているのが高温側熱交換器１０であり，低い方の水素吸蔵合金１４を充填しているのが低温側熱交換器１１である。但し，各バイパス１６には，水素流量制御弁１７がそれぞれ設けてあり，この水素流量制御弁１７の開度を制御することにより，容器１３と容器１５の間で流通する水素の流量が調節されるようになっている。
【００１４】
各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける高温側熱交換器１０の容器１３内には，伝熱コイル２０がそれぞれ設けられており，これら伝熱コイル２０には，冷却塔２１で例えば約２５〜３５℃程度に冷却された冷却水と熱源装置２２で例えば約８０〜１００℃程度に加熱された加熱水が，切替機構２３を経て選択的に導入されるようになっている。即ち，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，熱源装置２２で加熱された加熱水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は冷却され，ヒートポンプユニットＢにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は加熱されるようになっている。なお，切替機構２３として，バルブとバイパス管を組み合わせた機構が例示される。
【００１５】
一方，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，熱源装置２２で加熱された加熱水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１３に設けられた伝熱コイル２０には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は加熱され，ヒートポンプユニットＢにおいて高温側熱交換器１０の容器１３に充填された水素吸蔵合金１２は冷却されるようになっている。
【００１６】
そして，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける低温側熱交換器１１の容器１５内には，伝熱コイル２５がそれぞれ設けられており，これら伝熱コイル２５には，冷却塔２１で例えば約２５〜３５℃程度に冷却された冷却水と熱交換器２７で例えば約１０〜１５℃程度に昇温された熱媒水が，切替機構２８を経て選択的に導入されるようになっている。熱交換器２７には，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒（例えば，水，ブライン等）が供給されている。熱交換器２７は，後述するように，ヒートポンプユニットＡ，Ｂの低温側熱交換器１１で冷却された熱媒水と熱媒（図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒）とを熱交換させることにより，冷熱負荷を処理するようになっている。なお，切替機構２８として，バルブとバイパス管を組み合わせた機構が例示される。また，熱交換器２７は，必須の構成要素ではなく，熱交換器２７を省略し，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を，切替機構２８を経て，各伝熱コイル２５に選択的に導入するように構成しても良い。
【００１７】
そして，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，熱交換器２７で昇温された熱媒水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は加熱され，ヒートポンプユニットＢにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は冷却されるようになっている。
【００１８】
一方，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，冷却塔２１で冷却された冷却水が導入され，ヒートポンプユニットＢの容器１５に設けられた伝熱コイル２５には，熱交換器２７で昇温された熱媒水が導入される。これにより，ヒートポンプユニットＡにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は冷却され，ヒートポンプユニットＢにおいて低温側熱交換器１１の容器１５に充填された水素吸蔵合金１４は加熱されるようになっている。（なお，熱媒水を流通させる配管には，運転切替がなされると冷却水が流れることとなる。以降，一方の運転状態を説明するが，切替後の運転では，「熱媒水」を「冷却水」と読み替えれば，動作が理解しやすい。）
【００１９】
このヒートポンプ１の制御部３０には，冷却水温度制御コントローラ３１と，送水温度制御コントローラ３２と，サイクル切替制御コントローラ３３が設けられている。冷却水温度制御コントローラ３１には，湿球温度センサ３５で測定された外気湿球温度が入力されている。また，冷却塔２１で冷却されて，各ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける高温側熱交換器１０の容器１３内に設けられた伝熱コイル２０と，低温側熱交換器１１の容器１５内に設けられた伝熱コイル２５に導入される冷却水の温度が，温度センサ３６で測定されて，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。そして，冷却水温度制御コントローラ３１は，冷却塔２１の運転を制御するようになっており，図示の例では，冷却塔２１に設けられたファンモータ２１’の稼働が冷却水温度制御コントローラ３１によって制御されるようになっている。
【００２０】
送水温度制御コントローラ３２には，熱交換器２７に導入される前（熱交換前）の熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて入力されるようになっている。そして，送水温度制御コントローラ３２は，ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおける，各バイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度をそれぞれ制御できるようになっている。
【００２１】
サイクル切替制御コントローラ３３には，熱交換器２７から出てきた後（熱交換後）の熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力されるようになっている。そして，サイクル切替制御コントローラ３３は，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御するようになっている。
【００２２】
さて，このヒートポンプ１にあっては，切替機構２３と切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行う場合は，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程が行われ，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行う場合は，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程が行われる。
【００２３】
先ず，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて再生過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入し，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，熱源装置２２で加熱された加熱水を導入する。また，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，熱交換器２７で昇温された熱媒水を導入し，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入する。
【００２４】
これにより，ヒートポンプユニットＡにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は冷却されて水素を吸蔵し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は加熱されて水素を放出する。そして，低温側熱交換器１１の容器１５内の水素は，バイパス１６を通って，高温側熱交換器１０の容器１３内に移動する。
【００２５】
こうして，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の吸蔵に伴う発熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された熱媒水を冷却する。そして，冷却された熱媒水が熱交換器２７に供給されて，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を冷却し，冷熱負荷を処理する。こうして熱交換器２７で昇温された熱媒水は，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００２６】
そして，ヒートポンプユニットＢにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は加熱されて水素を放出し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は冷却されて水素を吸蔵する。そして，高温側熱交換器１０の容器１３内の水素は，バイパス１６を通って，低温側熱交換器１１の容器１５内に移動する。
【００２７】
こうして，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された加熱水を冷却させる。そして，冷却された加熱水は，熱源装置２２で加熱され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素を吸蔵して発熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００２８】
次に，ヒートポンプユニットＡにおいて再生過程を行い，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行う場合は，切替機構２３の切替により，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，熱源装置２２で加熱された加熱水を導入し，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０の容器１３に設けられた伝熱コイル２０に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入する。また，切替機構２８の切替により，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，冷却塔２１で冷却された冷却水を導入し，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の容器１５に設けられた伝熱コイル２５に，熱交換器２７で昇温された熱媒水を導入する。
【００２９】
これにより，ヒートポンプユニットＡにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は加熱されて水素を放出し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は冷却されて水素を吸蔵する。そして，高温側熱交換器１０の容器１３内の水素は，バイパス１６を通って，低温側熱交換器１１の容器１５内に移動する。
【００３０】
こうして，ヒートポンプユニットＡの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された加熱水を冷却させる。そして，冷却された加熱水は，熱源装置２２で加熱され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素を吸蔵して発熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００３１】
そして，ヒートポンプユニットＢにあっては，高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は冷却されて水素を吸蔵し，低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は加熱されて水素を放出する。そして，低温側熱交換器１１の容器１５内の水素は，バイパス１６を通って，高温側熱交換器１０の容器１３内に移動する。
【００３２】
こうして，ヒートポンプユニットＢの高温側熱交換器１０では，水素吸蔵合金１２は水素の吸蔵に伴う発熱反応を行い，伝熱コイル２０に導入された冷却水を昇温させる。そして，昇温された冷却水は，冷却塔２１で冷却され，再び伝熱コイル２０に導入されることとなる。また，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１では，水素吸蔵合金１４は水素の放出に伴う吸熱反応を行い，伝熱コイル２５に導入された熱媒水を冷却する。そして，冷却された熱媒水が熱交換器２７に供給されて，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を冷却し，冷熱負荷を処理する。こうして熱交換器２７で昇温された熱媒水は，再び伝熱コイル２５に導入されることとなる。
【００３３】
このヒートポンプ１においては，以上のように，切替機構２３と切替機構２８の切替が適宜繰り返して行われ，ヒートポンプユニットＡにて冷熱出力過程を行いつつ，ヒートポンプユニットＢにて再生過程を行う状態と，ヒートポンプユニットＡにて再生過程を行いつつ，ヒートポンプユニットＢにて冷熱出力過程を行う状態を適当なタイミングで切り替えることにより，図示しない冷熱負荷との間を循環する熱媒を連続して冷却し，冷熱負荷を連続処理することが可能である。
【００３４】
ところで，本発明者等の知見によると，このようにヒートポンプユニットＡで冷熱出力過程を行ってヒートポンプユニットＢで再生過程を行う状態と，ヒートポンプユニットＡで再生過程を行ってヒートポンプユニットＢで冷熱出力過程を行う状態を切り替える時間（ヒートポンプユニットＡ，Ｂにおいて，冷熱出力過程を開始してから再生過程を開始するまでの時間（再生過程を開始してから冷熱出力過程を開始するまでの時間に等しい）；以下「サイクルの切替時間」と呼ぶ）が短いと，冷熱出力は高くなる反面，ＣＯＰ（成績係数）が低下し，逆にサイクルの切替時間が長くなると，冷熱出力は低下する反面，ＣＯＰが向上することが判明した。なお，図２に，サイクルの切替時間に対する冷熱出力（実線）とＣＯＰ（点線）の関係を示した。冷熱出力は次式（１）により求めた。また，ＣＯＰは次式（２）により求めた。
【００３５】
Ｑ＝｛ｎ×ΔＨ_Ｌ−（Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｌ）×Ｃ_Ｌ｝／ｔ_ｃｙ
＝（ｎ／ｔ_ｃｙ）ΔＨ_Ｌ−｝｛（Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｌ）／ｔ_ｃｙ｝Ｃ_Ｌ … （１）
【００３６】
ＣＯＰ＝｛ｎ×ΔＨ_Ｌ−（Ｔ_Ｃ−Ｔ_Ｌ）×Ｃ_Ｌ｝／｛ｎ×ΔＨ_Ｈ＋（Ｔ_Ｈ−Ｔ_Ｃ）×Ｃ_Ｈ｝ … （２）
【００３７】
Ｑ：合金質量当たりの平均冷熱出力
（サイクル切替時間内での平均冷熱出力）[Ｗ／ｋｇ−ＭＨ]
ＣＯＰ：成績係数[−]
ｎ：合金質量当たりの水素移動量[ｍｏｌ−Ｈ_２／ｋｇ−ＭＨ]
ΔＨ_Ｌ，ΔＨ_Ｈ：低温側・高温側の合金の反応熱[Ｊ／ｍｏｌ−Ｈ_２]
ｔ_ｃｙ：サイクル切替時間（半サイクルの時間）[ｓ]
Ｔ_Ｃ：冷却水温度[Ｋ]
Ｔ_Ｌ：冷水取出温度[Ｋ]
Ｔ_Ｈ：熱源温度[Ｋ]
Ｃ_Ｌ，Ｃ_Ｈ：低温側・高温側の合金の比熱[Ｊ／（Ｋｋｇ−ＨＭＨ）]
【００３８】
冷熱出力とＣＯＰがこのような相関関係を示す理由は，水素吸蔵合金１２，１４中に温度が拡散していく速度（水素吸蔵合金１２，１４全体が冷却水や加熱水，熱媒水によって所望の温度に冷却もしくは加熱される速度）に比べ，水素吸蔵合金中において組成が変化していく速度（水素の吸収，もしくは放出に伴う組成変化の速度）の方が遅いために，サイクルの切替時間が短い場合は，組成変化に必要な熱量を越えた熱の入力が行われているからである。そこで，このヒートポンプ１にあっては，高負荷時（例えば夏季などの冷房需要の大きい時）では，サイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時（例えば冬季や中間期などの冷房需要の小さい時）では，サイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行う。
【００３９】
このように冷熱負荷に応じてサイクルの切替時間を変化させるに際し，冷熱負荷としての熱交換器２７から戻された熱媒水の温度を温度センサ４５で測定し，サイクル切替制御コントローラ３３に，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が入力される。この場合，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力される。また，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４５で測定されて入力される。
【００４０】
図３に示すように，サイクル切替制御コントローラ３３は，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度について予め設定されている目標値（設定値）と比較して，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，サイクルの切替時間を相対的に短くさせる。一方，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度が目標値以下の場合は，サイクルの切替時間を相対的に長くする。このようにサイクルの切替時間の長短を決定する場合，予め２種類のサイクルの切替時間（短いサイクルの切替時間と長いサイクルの切替時間）を予め設定しておき，熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，短いサイクルの切替時間とし，熱媒水の温度が目標値以下の場合は，長いサイクルの切替時間にするといったように，２段階的にサイクルの切替時間を切り替えるようにしても良い。また，サイクルの切替時間を，オン・オフ，Ｐ（比例），ＰＩ（比例＋積分），ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）などの制御方法によって定めても良い。そして，サイクル切替制御コントローラ３３は，こうして決定されたサイクルの切替時間に従い，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御する。
【００４１】
また，このヒートポンプ１にあっては，このように熱交換器２７から戻された熱媒水の温度をいちいち測定せずに，サイクル切替制御コントローラ３３において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，サイクルの切替時間を変化させるように制御しても良い。この場合，年間を通じて期間の短い高負荷時（夏など）では，サイクルの切替時間を相対的に短く，低負荷時（夏以外の期間）では，サイクルの切替時間を相対的に長くする。
【００４２】
例えば，図４は，一般的な事務所ビルについての冷熱負荷（冷房負荷）の一年の変化を，８月を１００％として，各月毎に示したグラフである。また，図４には，東京地方における各月毎の湿球温度を併せて示した。このような冷熱負荷の一年の変化に対して，例えば，図５に示すように，サイクルの切替時間を変化させて制御を行う。なお，図５では，冷熱負荷の無い１〜３月では，ヒートポンプ１の運転を停止し，冷熱負荷が比較的低い４，５月と１０〜１２月では，サイクルの切替時間を最長の４０分に設定し，冷熱負荷が最も高い８月では，サイクルの切替時間を最短の５分に設定し，６，７，９月では，サイクルの切替時間を最長の４０分と最短の５分の間の適当な時間に設定して，ヒートポンプ１の運転を制御する例を示した。サイクル切替制御コントローラ３３は，こうして予め決定されたサイクルの切替時間に従い，切替機構２３と切替機構２８による切替をそれぞれ制御する。なお，このように予め設定されている年間のスケジュールに従ってサイクルの切替時間を変化させる場合，図４，５で説明したように，サイクルの切替時間を月単位で変化させるように制御すると容易である。
【００４３】
このように，高負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に短くして冷熱出力重視の運転を行い，低負荷時ではサイクルの切替時間を相対的に長くしてＣＯＰ重視の運転を行うことにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となる。なお，サイクル切替制御コントローラ３３において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，サイクルの切替時間を変化させる制御を行う場合は，熱交換器２７から戻された熱媒水の温度を測定する必要がないので，温度センサ４５は省略して良い。
【００４４】
そして，このヒートポンプ１にあっては，湿球温度センサ３５で測定された外気湿球温度が，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。また，冷却塔２１からヒートポンプユニットＡ，Ｂの高温側熱交換器１０の各伝熱コイル２０と低温側熱交換器１１の各伝熱コイル２５に導入される冷却水の温度が，温度センサ３６で測定されて，冷却水温度制御コントローラ３１に入力されている。
【００４５】
冷却水温度制御コントローラ３１は，こうして入力された外気湿球温度と各冷却水温度に基づき，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を所定の温度に保つように，冷却塔２１の運転を制御する。この場合，図示の例では，冷却水温度制御コントローラ３１は，冷却塔２１に設けられたファンモータ２１’の稼働を制御しており，冷却水温度が高くなった場合は，ファンモータ２１’の稼働を増すように制御し，冷却水温度が低くなった場合は，ファンモータ２１’の稼働を減らすように制御する。こうして，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を，例えば外気湿球温度に所定のアプローチ（例えば４℃）を加算した温度に保つ。
【００４６】
また，このヒートポンプ１にあっては，このように外気湿球温度などをいちいち測定せずに，冷却水温度制御コントローラ３１において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，冷却塔２１の運転を制御しても良い。
【００４７】
このように，外気湿球温度による冷却水温度の制御を考慮した運転を行うことにより，年間のＣＯＰを向上させることが可能となり，また，冷熱出力も向上することとなる。図６に，サイクルの切替時間に対する冷熱出力（実線）とＣＯＰ（点線）の関係を，冷却水温度が高い場合と低い場合についてそれぞれ示した。なお，冷却水温度制御コントローラ３１において，予め設定されている年間のスケジュールに従って，冷却塔２１の運転を制御する場合は，外気湿球温度を測定する必要がないので，温度センサ３５は省略して良い。
【００４８】
そして，このヒートポンプ１にあっては，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１の伝熱コイル２５から排出されて熱交換器２７に導入される熱媒水の温度，及びヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１の伝熱コイル２５から排出されて熱交換器２７に導入される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定され，送水温度制御コントローラ３２に入力されている。
【００４９】
送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された熱媒水の温度に基づき，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つように，ヒートポンプユニットＡ，Ｂの各バイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を制御する。この場合，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５から排出された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度が，温度センサ４０で測定されて入力される。また，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１に設けられた伝熱コイル２５から排出された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度が，温度センサ４０で測定されて入力される。
【００５０】
送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された熱媒水（冷却済みの熱媒水）の温度に基づき，ヒートポンプユニットＡ，Ｂのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を調整し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つように制御する。即ち，ヒートポンプユニットＡにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＡの低温側熱交換器１１から熱交換器２７に供給される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて，送水温度制御コントローラ３２に入力される。図７に示すように，送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された冷却済みの熱媒水の温度を予め設定されている目標値（設定値）と比較し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，ヒートポンプユニットＡのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を開くように制御する。また，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値以下の場合は，ヒートポンプユニットＡのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を閉じるように制御する。
【００５１】
一方，ヒートポンプユニットＢにおいて冷熱出力過程を行っている場合は，ヒートポンプユニットＢの低温側熱交換器１１から熱交換器２７に供給される熱媒水の温度が，温度センサ４０で測定されて，送水温度制御コントローラ３２に入力される。図７に示すように，送水温度制御コントローラ３２は，こうして入力された冷却済みの熱媒水の温度を目標値と比較し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値を越えた場合は，ヒートポンプユニットＢのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を開くように制御する。また，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度が目標値以下の場合は，ヒートポンプユニットＢのバイパス１６に設けられた水素流量制御弁１７の開度を閉じるように制御する。
【００５２】
このように水素流量制御弁１７の開度を制御する場合，オン・オフ，Ｐ（比例），ＰＩ（比例＋積分），ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）などの制御方法によって開度を定めて良い。そして，送水温度制御コントローラ３２は，こうして決定された開度に水素流量制御弁１７を制御し，熱交換器２７に供給する熱媒水の温度を一定に保つ。
【００５３】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば，冷熱負荷の一例として，熱交換器２７から戻される熱媒水の温度について説明したが，本発明でいう冷熱負荷は，熱交換器２７に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器２７から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表すこともできる。また図３では，サイクル切替制御コントローラ３３は，冷熱負荷（熱交換器２７から戻された熱媒水の温度として例示した）が目標値を越えた場合は，短いサイクルの切替時間とし，熱媒水の温度が目標値以下の場合は，長いサイクルの切替時間にするといったように，２段階的にサイクルの切替時間を切り替える例を示したが，冷熱負荷（熱交換器２７から戻される熱媒水の温度や，熱交換器２７に入る前（熱交換前）の熱媒水の温度と熱交換器２７から出た後（熱交換後）の熱媒水の温度との温度差として表される）について，所定の目標値を２以上設定しておき，サイクルの切替時間を３段階以上の多段階的に変化させても良い。また，冷熱負荷に対して，再生過程と冷熱出力過程を繰り返すサイクルの切替時間を反比例させて制御することも可能である。また，冷却塔２１の運転制御は，ファンモータ２１’の稼働量を増減させるほか，ファンモータ２１’の稼働をオンオフ制御しても良い。また，冷却塔２１を複数台配置し，それらの稼働台数を増減することにより，高温側熱交換器１０と低温側熱交換器１１に供給される冷却水の温度を所定の温度に保つように制御しても良い。
【００５４】
【実施例】
図１に示したヒートポンプにおいて，本発明に従ってサイクル切替時間の制御と冷却水温度の制御を行った場合の有効性を，数値シミュレーション解析により検証した。その結果を図８に示す。なお，ここで用いた数値シミュレーション解析モデルについては，実験結果と比較することにより，妥当性を確認している（平成１２年度日本冷凍空調学会学術講演会講演論文集（１２／９−２１〜２２。札幌）
【００５５】
図８において，縦軸は年間のＣＯＰを，横軸は設計冷熱出力を示している。ここでのＣＯＰの評価には，以下の理由により一般的な定格運転でのＣＯＰではなく，年間のＣＯＰにて評価を行った。なぜなら，一般的な機器のＣＯＰは低負荷になるにつれ低下する。それに対して，熱駆動式の水素吸蔵合金ヒートポンプは低負荷になるにつれＣＯＰは向上する。従って，その優位性を評価する方法として年間ＣＯＰを採用した。ここでの横軸は，最大負荷に対する設計余裕を意味する。従来例では，本発明に従う制御を行っていない。本発明は，従来例に比べ，最大０．２程度ＣＯＰを向上させ得る結果（ＣＯＰ＝０．６〜０．７）を得た。
【００５６】
また，更に顕熱回収運転を組み合わせた場合の数値シミュレーション解析の結果を図９に示す。顕熱回収運転とは，再生過程と冷熱出力過程の切替時に高温側熱交換器と低温側熱交換器の容器間で直接熱交換させ，ヒートポンプ内で顕熱を回収する運転方法である。この顕熱回収運転を組み合わせると，ＣＯＰを０．８まで上昇させ得る結果を得た。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば，より高いＣＯＰにて熱駆動式水素吸蔵合金ヒートポンプを運転させることが可能となる。また冷熱出力の更なる向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかるヒートポンプの説明図である。
【図２】サイクルの切替時間に対する冷熱出力とＣＯＰの関係を示すグラフである。
【図３】熱交換器から戻された熱媒水の温度とサイクルの切替時間の関係を示すグラフである。
【図４】一般的な事務所ビルについての冷熱負荷の一年の変化と，東京地方における外気湿球温度の変化を，各月毎に示したグラフである。
【図５】月毎ごとに定めたサイクルの切替時間を示すグラフである。
【図６】サイクルの切替時間に対する冷熱出力とＣＯＰの関係を，冷却水温度が高い場合と低い場合についてそれぞれ示したグラフである。
【図７】熱交換器に供給する熱媒水の温度と水素流量制御弁の開度を示すグラフである。
【図８】本発明に従ってサイクル切替時間の制御と冷却水温度の制御を行った場合の数値シミュレーション解析の結果を示すグラフである。
【図９】更に顕熱回収運転を組み合わせた場合の数値シミュレーション解析の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
Ａ，Ｂヒートポンプユニット
１ヒートポンプ
１０高温側熱交換器
１１低温側熱交換器
１２，１４水素吸蔵合金
１３，１５容器
１６バイパス
１７水素流量制御弁
２０，２５伝熱コイル
２１冷却塔
２２熱源装置
２３，２８切替機構
２７熱交換器
３０制御部
３１冷却水温度制御コントローラ
３２送水温度制御コントローラ
３３サイクル切替制御コントローラ
３５湿球温度センサ
３６，３７，４０，４５温度センサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for efficiently controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump that handles a cooling load by causing an exothermic reaction and an endothermic reaction of a hydrogen storage alloy by a change in heat.
[0002]
[Prior art]
A hydrogen storage alloy is an alloy that can absorb and release hydrogen in a solid state. Depending on the composition of the alloy, hydrogen is released as the temperature rises or pressure decreases. It has the property of storing hydrogen with increasing pressure. Hydrogen storage alloys cause an exothermic reaction when storing hydrogen and endothermic when releasing hydrogen. In view of this, a hydrogen storage alloy heat pump has been proposed that treats a cold load by selecting various alloy compositions and causing such exothermic and endothermic reactions at a desired temperature.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
There are two types of hydrogen storage alloy heat pumps: a compression-type hydrogen storage alloy heat pump that causes an exothermic reaction and an endothermic reaction of the hydrogen storage alloy by changes in pressure, and a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump that causes an exothermic reaction and an endothermic reaction by changes in heat. There is. These hydrogen storage alloy heat pumps have the advantage that no refrigerant such as chlorofluorocarbon is required compared to general absorption and adsorption heat pumps. In particular, the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump is attractive because it can be operated silently or at non-high pressure.
[0004]
On the other hand, when comparing a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump with a general absorption / adsorption heat pump, the COP (coefficient of performance) of the absorption / adsorption heat pump that can use a low-temperature heat source (60-80 ° C) Has a drawback that the COP of the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump is as low as about 0.3 to 0.4. In addition, the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump is more expensive than the absorption and adsorption heat pumps, and the equipment itself is heavier and there is a concern that it will require heavy carrying-in installation work and floor strength at the installation site. is there.
[0005]
Among these, the weight and price of the equipment are hard problems, and they should be solved in the future by improving the structure and selecting materials. On the other hand, COP may be improved by controlling operation.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a method capable of improving COP by controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, according to the present invention, a high-temperature side heat exchanger is provided with a high-temperature side heat exchanger and a low-temperature side heat exchanger that cause an exothermic reaction and an endothermic reaction of a hydrogen storage alloy by a change in heat. The heat absorption reaction of the hydrogen storage alloy and the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy in the low temperature side heat exchanger, and the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy in the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger Is a method for controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump for treating a cold load by repeating a cold output process of performing an endothermic reaction of the hydrogen storage alloy atIn the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, if the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is short, the cooling output increases, but the COP decreases, and conversely, if the cycle switching time increases, the cooling output Has a characteristic that COP is improved,When the refrigeration load rises, the switching time of the cycle that repeats the regeneration process and the chilling output process is made relatively short. When the chilling load decreases, the switching time of the cycle that repeats the regeneration process and the chilling output process is made relatively. An operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, characterized in that the control is performed so as to be long, is provided. Of the two types of alloys, the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger are the high temperature side heat exchangers where the temperature stabilized at the same pressure is high, and the low temperature side heat exchanger is the low temperature side heat exchanger. In this operation control method, the cooling load is, for example, a cooling load required in a building or a cooling load required in various manufacturing facilities. Specifically, such a cooling load is processed. The temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger, the temperature of the heat transfer water before entering the heat exchanger (before heat exchange) and the temperature of the heat transfer water after leaving the heat exchanger (after heat exchange) And expressed as a temperature difference. For a cooling load expressed as such temperature or temperature difference, for example, when a predetermined target value is set in advance and the cooling load exceeds the target value, the cycle switching time for repeating the regeneration process and the cooling output process is repeated. When the cooling load is below the target value, control is performed so that the switching time of the cycle in which the regeneration process and the cooling output process are repeated is relatively long. Alternatively, the target value may be set to 1 or 2 or more, and the cycle switching time for repeating the regeneration process and the cooling output process may be changed stepwise.
[0008]
  Further, according to the present invention, a high temperature side heat exchanger and a low temperature side heat exchanger that cause an exothermic reaction and an endothermic reaction of the hydrogen storage alloy by a change in heat are provided, and the endothermic reaction of the hydrogen storage alloy is performed in the high temperature side heat exchanger. The regeneration process in which the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy is performed in the low temperature side heat exchanger, the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy is performed in the high temperature side heat exchanger, and the endothermic reaction of the hydrogen storage alloy is performed in the low temperature side heat exchanger. A method for controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump that processes a cooling load by repeating a cooling output process that performs a reaction,In the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, if the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is short, the cooling output increases, but the COP decreases, and conversely, if the cycle switching time increases, the cooling output Has a characteristic that COP is improved,Provided is an operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, characterized in that the switching time of a cycle in which the regeneration process and the cooling output process are repeated is changed according to an annual schedule. In this case, the cycle switching time may be changed on a monthly basis.
[0009]
In these inventions, for example, the operation of the cooling tower that cools the cooling water so as to lower the temperature of the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger as much as possible according to the outside air conditions. Is controlled. The operation of the cooling tower that cools the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger is controlled, for example, according to an annual schedule.
[0010]
As a result of various investigations on the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, the present inventors have found that when a heat exchanger with high heat transfer performance is used, compared with the rate at which the temperature diffuses into the hydrogen storage alloy, If the switching time of the cycle that repeats the regeneration process and the cooling output process is short because the rate at which the composition changes in the hydrogen storage alloy (the rate of composition change due to absorption or release of hydrogen) is slower, The knowledge that the input of heat exceeding the amount of heat necessary for the composition change is required and the COP (coefficient of performance) is reduced. In the present invention, therefore, the cycle switching time is relatively shortened at high loads with a short period throughout the year, and the operation is focused on cooling output, and at low loads, the cycle switching time is relatively increased to focus on COP. Do the operation. Thus, it is possible to improve the annual COP by changing the cycle switching time in accordance with the cooling load. Further, according to the present invention, by controlling the operation of the cooling tower for cooling the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger, it is possible to further improve the cooling output and the COP. .
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump 1 (hereinafter referred to as “heat pump 1”) according to an embodiment of the present invention includes two heat pump units A and B. The heat pump units A and B are respectively provided with a high temperature side heat exchanger 10 and a low temperature side heat exchanger 11.
[0012]
Each of the high temperature side heat exchangers 10 of the heat pump units A and B has a configuration in which the hydrogen storage alloy 12 is filled in the container 13, and the low temperature side heat exchanger 11 similarly includes the hydrogen storage alloy 14. The container 15 is filled. The hydrogen storage alloy 12 filled in the high temperature side heat exchanger 10 and the hydrogen storage alloy 14 filled in the low temperature side heat exchanger 11 are different in kind and are not limited. The hydrogen storage alloy 12 on the side is, for example, LmNi_4.8Mn_0.2The hydrogen storage alloy 14 on the low temperature side is, for example, MmNi._4.28Co_0.3Mn_0.17Al_0.3Fe_0.15Is a collection of particles having a diameter of 1 mm or less.
[0013]
Both the container 13 of each high temperature side heat exchanger 10 and the container 15 of each low temperature side heat exchanger 11 have hydrogen (H₂) Is included. In each of the heat pump units A and B, the container 13 and the container 15 are both connected by a bypass 16, and the container of the high temperature side heat exchanger 10 and the container of the low temperature side heat exchanger 11 are passed through this bypass 16. Hydrogen flows between 15. The high temperature side heat exchanger 10 and the low temperature side heat exchanger 11 are filled with the hydrogen storage alloy 12 having a higher temperature, which is stable under the same pressure, for the two types of hydrogen storage alloys 12 and 14. The low-temperature side heat exchanger 11 is the side heat exchanger 10 and is filled with the lower hydrogen storage alloy 14. However, each bypass 16 is provided with a hydrogen flow control valve 17, and the flow rate of hydrogen flowing between the container 13 and the container 15 is adjusted by controlling the opening of the hydrogen flow control valve 17. It has become so.
[0014]
Heat transfer coils 20 are respectively provided in the containers 13 of the high temperature side heat exchangers 10 in the heat pump units A and B, and these heat transfer coils 20 are, for example, about 25 to 35 ° C. in the cooling tower 21. The cooling water that has been cooled to about 80 to 100 ° C. by the heat source device 22 is selectively introduced through the switching mechanism 23. That is, when a heat output process is performed in the heat pump unit A and a regeneration process is performed in the heat pump unit B, the switching mechanism 23 is switched so that the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the heat pump unit A has a cooling tower 21. The cooling water cooled in step 1 is introduced, and the heating water heated by the heat source device 22 is introduced into the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the heat pump unit B. Thereby, the hydrogen storage alloy 12 filled in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 in the heat pump unit A is cooled, and the hydrogen storage alloy 12 filled in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 in the heat pump unit B is It is supposed to be heated. As the switching mechanism 23, a mechanism in which a valve and a bypass pipe are combined is exemplified.
[0015]
On the other hand, when the regeneration process is performed in the heat pump unit A and the cold output process is performed in the heat pump unit B, the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the heat pump unit A is connected to the heat source device 22 by switching the switching mechanism 23. The heating water heated in step S is introduced, and the cooling water cooled in the cooling tower 21 is introduced into the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the heat pump unit B. Thereby, the hydrogen storage alloy 12 filled in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 is heated in the heat pump unit A, and the hydrogen storage alloy 12 filled in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 in the heat pump unit B is It is designed to be cooled.
[0016]
And in each container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in each heat pump unit A, B, the heat transfer coil 25 is provided, respectively, and these heat transfer coils 25 are about 25-35 in the cooling tower 21, for example. Cooling water cooled to about 0 ° C. and heat transfer water heated to about 10 to 15 ° C. by the heat exchanger 27 are selectively introduced through the switching mechanism 28. The heat exchanger 27 is supplied with a heat medium (for example, water, brine, etc.) that circulates between a cooling load (not shown). As will be described later, the heat exchanger 27 heats the heat transfer water cooled by the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump units A and B and the heat transfer medium (the heat transfer medium circulating between a cooling load (not shown)). By replacing them, the cold load is handled. An example of the switching mechanism 28 is a mechanism in which a valve and a bypass pipe are combined. In addition, the heat exchanger 27 is not an essential component, and the heat exchanger 27 is omitted, and a heat medium that circulates between the heat exchangers (not shown) is selected for each heat transfer coil 25 via the switching mechanism 28. It may be configured to be introduced.
[0017]
When the cooling output process is performed in the heat pump unit A and the regeneration process is performed in the heat pump unit B, the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the heat pump unit A is provided with a heat exchanger by switching the switching mechanism 28. The heat transfer water heated at 27 is introduced, and the cooling water cooled by the cooling tower 21 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the heat pump unit B. Thereby, the hydrogen storage alloy 14 filled in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in the heat pump unit A is heated, and the hydrogen storage alloy 14 charged in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in the heat pump unit B is It is designed to be cooled.
[0018]
On the other hand, when the regeneration process is performed in the heat pump unit A and the cooling output process is performed in the heat pump unit B, the cooling coil 21 is provided in the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the heat pump unit A by switching the switching mechanism 28. The cooling water cooled in step S3 is introduced, and the heat transfer water heated by the heat exchanger 27 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the heat pump unit B. Thereby, the hydrogen storage alloy 14 filled in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in the heat pump unit A is cooled, and the hydrogen storage alloy 14 charged in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in the heat pump unit B is It is supposed to be heated. (Note that the cooling water will flow through the piping through which the heat transfer water is circulated when the operation is switched. Hereinafter, one operation state will be described. If it is read as “cooling water”, the operation is easy to understand.)
[0019]
The control unit 30 of the heat pump 1 is provided with a cooling water temperature controller 31, a water supply temperature controller 32, and a cycle switching controller 33. The outside water wet bulb temperature measured by the wet bulb temperature sensor 35 is input to the cooling water temperature controller 31. Further, it is cooled in the cooling tower 21 and provided in the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 and the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 in each of the heat pump units A and B. The temperature of the cooling water introduced into the heat transfer coil 25 is measured by the temperature sensor 36 and input to the cooling water temperature controller 31. The cooling water temperature controller 31 controls the operation of the cooling tower 21. In the illustrated example, the operation of the fan motor 21 ′ provided in the cooling tower 21 is controlled by the cooling water temperature controller 31. To be controlled.
[0020]
The temperature of the heat transfer water before being introduced into the heat exchanger 27 (before heat exchange) is measured by the temperature sensor 40 and input to the water supply temperature controller 32. And the water supply temperature controller 32 can control the opening degree of the hydrogen flow rate control valve 17 provided in each bypass 16 in the heat pump units A and B, respectively.
[0021]
The temperature of the heat transfer water after coming out of the heat exchanger 27 (after heat exchange) is measured by the temperature sensor 45 and inputted to the cycle switching controller 33. The cycle switching controller 33 controls switching by the switching mechanism 23 and the switching mechanism 28, respectively.
[0022]
In the heat pump 1, when the cooling output process is performed in the heat pump unit A by switching between the switching mechanism 23 and the switching mechanism 28, the regeneration process is performed in the heat pump unit B, and the regeneration process is performed in the heat pump unit A. When performing, a heat output process is performed in the heat pump unit B.
[0023]
First, when a heat output process is performed in the heat pump unit A and a regeneration process is performed in the heat pump unit B, the heat transfer coil provided in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit A by switching the switching mechanism 23. 20, the cooling water cooled by the cooling tower 21 is introduced, and the heating water heated by the heat source device 22 is introduced into the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit B. To do. Further, by switching the switching mechanism 28, the heat transfer water heated by the heat exchanger 27 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A, and the heat pump unit. The cooling water cooled by the cooling tower 21 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 of B.
[0024]
As a result, in the heat pump unit A, in the high temperature side heat exchanger 10, the hydrogen storage alloy 12 is cooled to store hydrogen, and in the low temperature side heat exchanger 11, the hydrogen storage alloy 14 is heated to absorb hydrogen. discharge. Then, the hydrogen in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 moves through the bypass 16 and into the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10.
[0025]
Thus, in the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit A, the hydrogen storage alloy 12 performs an exothermic reaction accompanying the storage of hydrogen and raises the temperature of the cooling water introduced into the heat transfer coil 20. Then, the heated cooling water is cooled by the cooling tower 21 and introduced into the heat transfer coil 20 again. Moreover, in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A, the hydrogen storage alloy 14 performs an endothermic reaction accompanying the release of hydrogen, and cools the heat transfer water introduced into the heat transfer coil 25. Then, the cooled heat transfer water is supplied to the heat exchanger 27 to cool the heat transfer medium circulating between the heat transfer water (not shown) and the cold load. Thus, the heat transfer water heated up by the heat exchanger 27 is again introduced into the heat transfer coil 25.
[0026]
In the heat pump unit B, in the high temperature side heat exchanger 10, the hydrogen storage alloy 12 is heated to release hydrogen, and in the low temperature side heat exchanger 11, the hydrogen storage alloy 14 is cooled to store hydrogen. To do. The hydrogen in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 moves through the bypass 16 and into the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11.
[0027]
Thus, in the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit B, the hydrogen storage alloy 12 performs an endothermic reaction accompanying the release of hydrogen and cools the heated water introduced into the heat transfer coil 20. The cooled heated water is heated by the heat source device 22 and introduced again into the heat transfer coil 20. Further, in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit B, the hydrogen storage alloy 14 stores hydrogen and performs an exothermic reaction, and raises the temperature of the cooling water introduced into the heat transfer coil 25. The heated cooling water is cooled by the cooling tower 21 and introduced into the heat transfer coil 25 again.
[0028]
Next, when the regeneration process is performed in the heat pump unit A and the cold output process is performed in the heat pump unit B, the heat transfer provided in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit A is switched by switching the switching mechanism 23. The heating water heated by the heat source device 22 is introduced into the coil 20, and the cooling water cooled by the cooling tower 21 is supplied to the heat transfer coil 20 provided in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit B. Introduce. In addition, by switching the switching mechanism 28, the cooling water cooled by the cooling tower 21 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A, and the low temperature of the heat pump unit B is introduced. The heat transfer water heated by the heat exchanger 27 is introduced into the heat transfer coil 25 provided in the container 15 of the side heat exchanger 11.
[0029]
Thereby, in the heat pump unit A, in the high temperature side heat exchanger 10, the hydrogen storage alloy 12 is heated to release hydrogen, and in the low temperature side heat exchanger 11, the hydrogen storage alloy 14 is cooled to discharge hydrogen. Occlude. The hydrogen in the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10 moves through the bypass 16 and into the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11.
[0030]
Thus, in the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit A, the hydrogen storage alloy 12 performs an endothermic reaction accompanying the release of hydrogen and cools the heated water introduced into the heat transfer coil 20. The cooled heated water is heated by the heat source device 22 and introduced again into the heat transfer coil 20. Further, in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A, the hydrogen storage alloy 14 stores hydrogen and performs an exothermic reaction, and raises the temperature of the cooling water introduced into the heat transfer coil 25. The heated cooling water is cooled by the cooling tower 21 and introduced into the heat transfer coil 25 again.
[0031]
In the heat pump unit B, in the high temperature side heat exchanger 10, the hydrogen storage alloy 12 is cooled to store hydrogen, and in the low temperature side heat exchanger 11, the hydrogen storage alloy 14 is heated to release hydrogen. To do. Then, the hydrogen in the container 15 of the low temperature side heat exchanger 11 moves through the bypass 16 and into the container 13 of the high temperature side heat exchanger 10.
[0032]
Thus, in the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump unit B, the hydrogen storage alloy 12 performs an exothermic reaction accompanying the storage of hydrogen and raises the temperature of the cooling water introduced into the heat transfer coil 20. Then, the heated cooling water is cooled by the cooling tower 21 and introduced into the heat transfer coil 20 again. Further, in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit B, the hydrogen storage alloy 14 performs an endothermic reaction accompanying the release of hydrogen and cools the heat transfer water introduced into the heat transfer coil 25. Then, the cooled heat transfer water is supplied to the heat exchanger 27 to cool the heat transfer medium circulating between the heat transfer water (not shown) and the cold load. Thus, the heat transfer water heated up by the heat exchanger 27 is again introduced into the heat transfer coil 25.
[0033]
In this heat pump 1, as described above, switching between the switching mechanism 23 and the switching mechanism 28 is performed repeatedly as appropriate, and the heat pump unit A performs the cooling output process and the heat pump unit B performs the regeneration process. While the regeneration process is performed in the heat pump unit A, the heat medium circulating between the cooling load (not shown) is continuously cooled by switching the state of performing the cooling output process in the heat pump unit B at an appropriate timing. , It is possible to continuously process the cold load.
[0034]
By the way, according to the knowledge of the present inventors, the heat pump unit A performs the cooling output process and the heat pump unit B performs the regeneration process, and the heat pump unit A performs the regeneration process and the heat pump unit B performs the cooling output. Time for switching the state of performing the process (in the heat pump units A and B, the time from the start of the cooling output process to the start of the regeneration process (equal to the time from the start of the regeneration process to the start of the cooling output process) ); Hereinafter referred to as “cycle switching time”), the heat output increases when the cycle is short, while the COP (coefficient of performance) decreases. Conversely, when the cycle switching time increases, the heat output decreases, whereas the COP decreases. Was found to improve. FIG. 2 shows the relationship between the cooling output (solid line) and the COP (dotted line) with respect to the cycle switching time. The cold output was calculated | required by following Formula (1). Further, COP was obtained by the following equation (2).
[0035]
Q = {n × ΔH_L-(T_C-T_L) × C_L} / T_cy
= (N / t_cy) ΔH_L−} {(T_C-T_L) / T_cy} C_L  (1)
[0036]
COP = {n × ΔH_L-(T_C-T_L) × C_L} / {N × ΔH_H+ (T_H-T_C) × C_H} (2)
[0037]
Q: Average cooling output per mass of alloy
(Average cold output during cycle switching time) [W / kg-MH]
COP: Coefficient of performance [-]
n: Amount of hydrogen transfer per mass of alloy [mol-H₂/ Kg-MH]
ΔH_L, ΔH_H: Reaction heat of low temperature side / high temperature side alloy [J / mol-H₂]
t_cy: Cycle switching time (half cycle time) [s]
T_C: Cooling water temperature [K]
T_L: Cold water extraction temperature [K]
T_H: Heat source temperature [K]
C_L, C_H: Specific heat of low temperature side / high temperature side alloy [J / (K kg-HMH)]
[0038]
The reason why the cold output and the COP show such a correlation is that the temperature is diffused in the hydrogen storage alloys 12 and 14 (the entire hydrogen storage alloys 12 and 14 are desired by cooling water, heating water, or heat transfer water). The rate at which the composition changes in the hydrogen-absorbing alloy (the rate of change in composition due to hydrogen absorption or release) is slower than the rate of cooling or heating to the temperature of This is because the heat input exceeding the amount of heat required for the composition change is performed when the is short. Therefore, in this heat pump 1, when the load is high (for example, when the demand for cooling is large in summer, for example), the cycle switching time is relatively shortened to perform the operation with an emphasis on the cooling output, and at the time of low load (for example, When the cooling demand is small, such as in the winter or in the middle, the operation is focused on COP with a relatively long cycle switching time.
[0039]
Thus, when changing the cycle switching time according to the cooling load, the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27 as the cooling load is measured by the temperature sensor 45, and the cycle switching controller 33 receives the heat. The temperature of the heat transfer water returned from the exchanger 27 is input. In this case, when the heat output process is performed in the heat pump unit A, the temperature of the heat transfer water introduced into the heat transfer coil 25 provided in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A is determined by the temperature sensor 45. Measured and input. When the heat output process is performed in the heat pump unit B, the temperature of the heat transfer water introduced into the heat transfer coil 25 provided in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit B is measured by the temperature sensor 45. Input.
[0040]
As shown in FIG. 3, the cycle switching controller 33 compares the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27 with a preset target value (set value) and returns it from the heat exchanger 27. If the temperature of the heat transfer water exceeds the target value, the cycle switching time is made relatively short. On the other hand, when the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27 is equal to or lower than the target value, the cycle switching time is relatively increased. When determining the length of the cycle switching time in this way, two types of cycle switching times (short cycle switching time and long cycle switching time) are set in advance, and the temperature of the heat transfer water is set to the target value. The cycle switching time is switched in two steps, such as switching the cycle time short, if the temperature of the heat transfer water is below the target value, and switching to the long cycle switching time. Also good. The cycle switching time may be determined by a control method such as ON / OFF, P (proportional), PI (proportional + integral), PID (proportional + integral + derivative). The cycle switching controller 33 controls switching by the switching mechanism 23 and the switching mechanism 28 according to the cycle switching time thus determined.
[0041]
Further, in this heat pump 1, the cycle switching controller 33 does not measure the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27 in this way, but according to a preset annual schedule. You may control to change the switching time of a cycle. In this case, the cycle switching time is relatively short at high loads (summer, etc.) with a short period throughout the year, and the cycle switching time is relatively long at low loads (periods other than summer).
[0042]
For example, FIG. 4 is a graph showing a yearly change in cooling load (cooling load) for a general office building, with August being 100%. FIG. 4 also shows the wet bulb temperature for each month in the Tokyo region. For example, as shown in FIG. 5, the control is performed by changing the cycle switching time in response to such a change in the cooling load for one year. In FIG. 5, the operation of the heat pump 1 is stopped in 1 to 3 months when there is no cooling load, and the cycle switching time is 40 minutes at the longest in April and May and 10 to 12 months when the cooling load is relatively low. In August, when the cooling load is highest, the cycle switching time is set to the shortest 5 minutes, and in June, July, and September, the cycle switching time is between the longest 40 minutes and the shortest 5 minutes. An example in which the operation of the heat pump 1 is controlled by setting the appropriate time is shown. The cycle switching control controller 33 controls switching by the switching mechanism 23 and the switching mechanism 28 according to the cycle switching time thus determined in advance. When the cycle switching time is changed according to the preset annual schedule as described above, it is easy to control the cycle switching time to change in units of months as described in FIGS. .
[0043]
In this way, the cycle switching time is relatively shortened at high loads, and operation with an emphasis on cooling output is performed, and at low loads, the cycle switching time is relatively lengthened to perform operations with an emphasis on COP. , It is possible to improve the annual COP. When the cycle switching controller 33 performs control to change the cycle switching time according to a preset annual schedule, it is necessary to measure the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27. Therefore, the temperature sensor 45 may be omitted.
[0044]
In the heat pump 1, the outside air wet bulb temperature measured by the wet bulb temperature sensor 35 is input to the cooling water temperature controller 31. The temperature of the cooling water introduced from the cooling tower 21 to each heat transfer coil 20 of the high temperature side heat exchanger 10 of the heat pump units A and B and each heat transfer coil 25 of the low temperature side heat exchanger 11 is determined by the temperature sensor 36. And is input to the cooling water temperature controller 31.
[0045]
The cooling water temperature controller 31 sets the temperature of the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger 10 and the low temperature side heat exchanger 11 to a predetermined temperature based on the outside wet bulb temperature and the cooling water temperature thus input. The operation of the cooling tower 21 is controlled so as to keep it. In this case, in the illustrated example, the cooling water temperature controller 31 controls the operation of the fan motor 21 ′ provided in the cooling tower 21, and when the cooling water temperature becomes high, the fan motor 21 ′ Control is performed so as to increase the operation, and when the cooling water temperature becomes low, control is performed so as to reduce the operation of the fan motor 21 '. In this way, the temperature of the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger 10 and the low temperature side heat exchanger 11 is maintained at a temperature obtained by adding a predetermined approach (for example, 4 ° C.) to the outside air wet bulb temperature, for example.
[0046]
In the heat pump 1, the operation of the cooling tower 21 is controlled by the cooling water temperature controller 31 according to a preset annual schedule without measuring the outdoor wet bulb temperature and the like in this way. You may do it.
[0047]
Thus, by performing the operation in consideration of the control of the cooling water temperature by the outside air wet bulb temperature, it becomes possible to improve the annual COP and also improve the cooling output. FIG. 6 shows the relationship between the cooling output (solid line) and the COP (dotted line) with respect to the cycle switching time when the cooling water temperature is high and low. When the cooling water temperature controller 31 controls the operation of the cooling tower 21 in accordance with a preset annual schedule, it is not necessary to measure the temperature of the outdoor wet bulb, so the temperature sensor 35 is omitted. good.
[0048]
And in this heat pump 1, the temperature of the heat transfer water discharged from the heat transfer coil 25 of the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A and introduced into the heat exchanger 27, and the low temperature side of the heat pump unit B The temperature of the heat transfer water discharged from the heat transfer coil 25 of the heat exchanger 11 and introduced into the heat exchanger 27 is measured by the temperature sensor 40 and input to the water supply temperature controller 32.
[0049]
The water supply temperature controller 32 is provided in each bypass 16 of the heat pump units A and B so as to keep the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 constant based on the temperature of the heat transfer water thus input. The opening degree of the hydrogen flow control valve 17 is controlled. In this case, when the heat output process is performed in the heat pump unit A, the heat transfer water (cooled heat transfer water) discharged from the heat transfer coil 25 provided in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A Are measured by the temperature sensor 40 and input. Moreover, when the heat output process is performed in the heat pump unit B, the heat transfer water (cooled heat transfer water) discharged from the heat transfer coil 25 provided in the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit B The temperature is measured by the temperature sensor 40 and input.
[0050]
The water supply temperature controller 32 adjusts the opening degree of the hydrogen flow rate control valve 17 provided in the bypass 16 of the heat pump units A and B based on the temperature of the heat transfer water (cooled heat transfer water) thus input. , The temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 is controlled to be kept constant. That is, when the heat output process is performed in the heat pump unit A, the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 from the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit A is measured by the temperature sensor 40, Input to the water supply temperature controller 32. As shown in FIG. 7, the water supply temperature controller 32 compares the temperature of the cooled heat transfer water input in this way with a preset target value (set value), and supplies heat to the heat exchanger 27. When the temperature of the medium water exceeds the target value, the opening of the hydrogen flow control valve 17 provided in the bypass 16 of the heat pump unit A is controlled to be opened. Further, when the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 is equal to or lower than the target value, the opening of the hydrogen flow rate control valve 17 provided in the bypass 16 of the heat pump unit A is controlled to be closed.
[0051]
On the other hand, when the heat output process is performed in the heat pump unit B, the temperature of the heat transfer water supplied from the low temperature side heat exchanger 11 of the heat pump unit B to the heat exchanger 27 is measured by the temperature sensor 40, Input to the water supply temperature controller 32. As shown in FIG. 7, the water supply temperature controller 32 compares the temperature of the cooled heat transfer water thus input with the target value, and the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 exceeds the target value. In the case of the heat pump unit B, the hydrogen flow rate control valve 17 provided in the bypass 16 is controlled to open. Further, when the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 is equal to or lower than the target value, the opening of the hydrogen flow rate control valve 17 provided in the bypass 16 of the heat pump unit B is controlled to be closed.
[0052]
In this way, when the opening degree of the hydrogen flow control valve 17 is controlled, the opening degree is determined by a control method such as ON / OFF, P (proportional), PI (proportional + integral), PID (proportional + integral + derivative). good. Then, the water supply temperature controller 32 controls the hydrogen flow rate control valve 17 to the opening thus determined, and keeps the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger 27 constant.
[0053]
As mentioned above, although an example of preferable embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the form demonstrated here. For example, although the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger 27 has been described as an example of the heat transfer load, the heat transfer water referred to in the present invention is the heat transfer water before entering the heat exchanger 27 (before heat exchange). It can also be expressed as a temperature difference between the temperature and the temperature of the heat transfer water after exiting the heat exchanger 27 (after heat exchange). In FIG. 3, when the cooling load (exemplified as the temperature of the heat transfer medium returned from the heat exchanger 27) exceeds the target value, the cycle change control controller 33 sets a short cycle change time and sets the heat transfer medium. In the case where the water temperature is lower than the target value, an example is shown in which the cycle switching time is switched in two steps, such as a long cycle switching time. However, the cooling load (the heating medium returned from the heat exchanger 27) It is expressed as the temperature difference between the temperature of the water and the temperature of the heat transfer water before entering the heat exchanger 27 (before heat exchange) and the temperature of the heat transfer water after leaving the heat exchanger 27 (after heat exchange). 2), a predetermined target value may be set to 2 or more, and the cycle switching time may be changed in multiple stages of 3 stages or more. It is also possible to control the cycle switching time for repeating the regeneration process and the cooling output process in inverse proportion to the cooling load. In addition, the operation control of the cooling tower 21 may be performed by increasing / decreasing the operation amount of the fan motor 21 ′ and controlling the operation of the fan motor 21 ′ on / off. In addition, by arranging a plurality of cooling towers 21 and increasing or decreasing the number of operating units, the temperature of the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger 10 and the low temperature side heat exchanger 11 is maintained at a predetermined temperature. You may control.
[0054]
【Example】
In the heat pump shown in FIG. 1, the effectiveness of controlling the cycle switching time and the cooling water temperature according to the present invention was verified by numerical simulation analysis. The result is shown in FIG. The validity of the numerical simulation analysis model used here has been confirmed by comparing it with the experimental results (Proceedings of the 2000 Annual Conference of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers (12 / 9-21-22). .Sapporo)
[0055]
In FIG. 8, the vertical axis indicates the annual COP, and the horizontal axis indicates the design cooling / heating output. The evaluation of COP here was based on annual COP instead of COP in general rated operation for the following reasons. This is because the COP of a general device decreases as the load decreases. In contrast, the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump improves the COP as the load is reduced. Therefore, annual COP was adopted as a method for evaluating its superiority. The horizontal axis here means the design margin for the maximum load. In the conventional example, control according to the present invention is not performed. The present invention has obtained a result (COP = 0.6 to 0.7) that can improve the COP by about 0.2 in comparison with the conventional example.
[0056]
Further, FIG. 9 shows the result of the numerical simulation analysis when the sensible heat recovery operation is further combined. The sensible heat recovery operation is an operation method in which sensible heat is recovered in the heat pump by directly exchanging heat between the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger when switching between the regeneration process and the cold output process. When this sensible heat recovery operation was combined, the COP could be increased to 0.8.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to operate a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump at a higher COP. Moreover, the cold output can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a heat pump according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between cold output and COP with respect to cycle switching time.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature of the heat transfer water returned from the heat exchanger and the cycle switching time.
FIG. 4 is a graph showing a yearly change in cooling load for a general office building and a change in outdoor air wet bulb temperature in the Tokyo region every month.
FIG. 5 is a graph showing cycle switching times determined for each month.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the cooling output and the COP with respect to the cycle switching time when the cooling water temperature is high and when it is low.
FIG. 7 is a graph showing the temperature of the heat transfer water supplied to the heat exchanger and the opening degree of the hydrogen flow control valve.
FIG. 8 is a graph showing the results of numerical simulation analysis when cycle switching time control and cooling water temperature control are performed according to the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the results of numerical simulation analysis when sensible heat recovery operation is further combined.
[Explanation of symbols]
A, B heat pump unit
1 Heat pump
10 High-temperature side heat exchanger
11 Low temperature side heat exchanger
12,14 Hydrogen storage alloy
13,15 container
16 Bypass
17 Hydrogen flow control valve
20, 25 Heat transfer coil
21 Cooling tower
22 Heat source device
23, 28 switching mechanism
27 Heat exchanger
30 Control unit
31 Cooling water temperature controller
32 Water temperature controller
33 cycle switching controller
35 Wet bulb temperature sensor
36, 37, 40, 45 Temperature sensor

Claims

Equipped with a high-temperature side heat exchanger and a low-temperature side heat exchanger that cause an exothermic reaction and an endothermic reaction of the hydrogen-absorbing alloy by a change in heat. The regeneration process in which the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy is carried out in the furnace, the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy in the high temperature side heat exchanger, and the cold output process in which the endothermic reaction of the hydrogen storage alloy is carried out in the low temperature side heat exchanger. It is a method of controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump that processes a cold load by repeating,
In the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, if the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is short, the cooling output increases, but the COP decreases, and conversely, if the cycle switching time increases, the cooling output Has a characteristic that COP is improved,
When the refrigeration load rises, the switching time of the cycle that repeats the regeneration process and the chilling output process is made relatively short. When the chilling load decreases, the switching time of the cycle that repeats the regeneration process and the chilling output process is made relatively. An operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, characterized in that the control is performed so as to be long.

When a predetermined target value is set for the cooling load and the cooling load exceeds the target value, the cycle switching time for repeating the regeneration process and the cooling output process is relatively shortened, and when the cooling load is less than the target value, The operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump according to claim 1, characterized in that the switching time of the cycle in which the regeneration process and the cold output process are repeated is relatively long.

The operation of the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump according to claim 2, wherein the target value is set to 1 or 2 or more, and the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is changed stepwise. Control method.

Equipped with a high-temperature side heat exchanger and a low-temperature side heat exchanger that cause an exothermic reaction and an endothermic reaction of the hydrogen-absorbing alloy by a change in heat. The regeneration process in which the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy is carried out in the furnace, the exothermic reaction of the hydrogen storage alloy in the high temperature side heat exchanger, and the cold output process in which the endothermic reaction of the hydrogen storage alloy is carried out in the low temperature side heat exchanger. It is a method of controlling the operation of a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump that processes a cold load by repeating,
In the heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, if the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is short, the cooling output increases, but the COP decreases, and conversely, if the cycle switching time increases, the cooling output Has a characteristic that COP is improved,
An operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump, characterized in that the switching time of the cycle for repeating the regeneration process and the cooling output process is changed according to the annual schedule.

The operation control method for a heat-driven hydrogen storage alloy heat pump according to claim 4, wherein the cycle switching time is changed on a monthly basis.

The operation of the cooling tower for cooling the cooling water supplied to the high temperature side heat exchanger and the low temperature side heat exchanger is controlled according to an annual schedule. The operation control method of the heat drive type hydrogen storage alloy heat pump in any one.