JP5011062B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンで駆動した発電機で電気エネルギを発生するとともにこのエンジンの排熱を利用して冷水を温水にするコージェネレーションシステムの改良に関する。

エンジンで駆動した発電機で電気エネルギを発生するとともに排熱熱交換器でエンジンの排熱を利用して冷水を温水にするコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平８−４５８６号公報（図１）

特許文献１の図１において、コージェネレーションシステムには、ガスエンジン１（符号は、同公報のものを流用する。以下、同じ。）と、このガスエンジン１により駆動され電気エネルギを発生する発電機３と、ガスエンジン１の排熱を冷水に伝達して温水にする温水熱交換器５（以下、「排熱熱交換器」と云う。）とが備えられている。

ところで、コージェネレーションシステムの運転制御における基本的な方式として、出力側で必要とする給湯量に応じて、コージェネレーションシステムの運転パターンを設定する方式がある。

この方式では、給湯需要がないか少ないときには、ガスエンジン１の温度が所定値以上に上昇させないように、ガスエンジン１を停止する。つまり、この方式は、電気の供給よりも給湯を優先させて行うという方式である。
この場合に、例えば、停電時などで、電気エネルギの供給を継続させたいときには、ガスエンジン１に別途冷却装置を付設してガスエンジン１を冷却する必要があった。

本発明は、給湯需要がないか少ないときでも、エンジンの連続運転を可能にするコージェネレーションシステムを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、エンジンから排出される排熱を熱源にして冷水を温水にする排熱熱交換器とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、排熱熱交換器には、エンジンの排熱によって昇温された温水を貯える貯湯タンクが連結され、この貯湯タンクの給湯出口には、開弁して温水を外部に排出する排水弁が連結され、貯湯タンクの内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁を開く制御部が設けられ、貯湯タンクには、この貯湯タンクの温水を外部に引き出して戻す温水循環パイプが連結され、この温水循環パイプには、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機が介在され、温水循環パイプの下流側にて温風暖房機に、潜熱熱交換器及び顕熱熱交換器がこの順で配置されるとともに、室温が設定値に対して大きく下回っているときに、顕熱熱交換器に加熱空気を送った後、この顕熱熱交換器を通過した加熱空気を潜熱熱交換器に送るバーナーが配置され、温水循環パイプには、温水を追い焚きしエンジンの始動を容易にする補助加熱手段が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、排熱熱交換器には、エンジンの排熱によって昇温された温水を貯える貯湯タンクが連結され、この貯湯タンクの給湯出口には、開弁して温水を外部に排出する排水弁が連結され、貯湯タンクの内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁を開く制御部が設けられている。

貯湯タンクの内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁を開く制御部が設けられ、温水を外部に排出するようにしたので、貯湯タンク内の湯温が温度が所定値以上に上昇することはない。貯湯タンク内の湯温が所定値を超えることはないので、排熱熱交換器の温度が所定値以上に上昇することもない。

排熱熱交換器の温度が所定値以上に上昇しなくなれば、排熱熱交換器の温度上昇によってエンジンを停止させる必要がなくなる。エンジンを停止させる必要がなくなり、連続運転が可能となるので、連続して電気エネルギを発生することができるようになる。また、エンジンに別途冷却装置を付設する必要もない。
従って、本発明に係る構成によれば、給湯需要がないか少ないときでも、エンジンに冷却装置を付設することなくエンジンの連続運転が可能となる。

また、貯湯タンクには、温水循環パイプが連結され、この温水循環パイプの途中には、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機が介在されており、この温風暖房機が利用可能となっている。温風暖房機が利用可能となっているので、コージェネレーションシステムを一層有効に活用することができる。

また、温水循環パイプには、温水を追い焚きする補助加熱手段が設けられている。補助加熱手段を温風暖房機の上流側に設けることで、貯湯タンクの温度が低い場合でも、温水循環パイプを加熱することで、暖房機に所定の性能をもたせることができる。
貯湯タンクの温度が低いときでも、貯湯タンク内の温水の温度が低いときに、温風暖房機が利用できないという制約がなくなるとともに所定の暖房性能を得ることが可能になる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図であり、コージェネレーションシステム１０は、原動機としてのエンジン１１と、エンジン１１を制御するＥＣＵ１２と、エンジン１１の出力軸に連結されるとともにこの出力軸で駆動され電気エネルギを発生する発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続されているインバータユニット１４と、このインバータユニット１４と外部商用電源部１５との間に設けられ所定時以外は発電した電気エネルギの供給を遮断する切替スイッチ１６と、エンジン１１から排出される排熱を利用して温水をつくりこの温水を出力する排熱熱交換器１７と、エンジン１１と排熱熱交換器１７との間に連結され冷却水を循環させる冷却水循環経路２１と、この冷却水循環経路２１に介在されエンジン１１に排熱熱交換器１７で排熱された冷却水を送水する冷却水循環ポンプ２２と、排熱熱交換器１７で熱交換され加熱された温水を貯湯する貯湯タンク２３と、この貯湯タンク２３と排熱熱交換器１７との間に連結され温水を循環させる温水循環経路２４と、この温水循環経路２４に介在される温水ポンプ２５、温度センサ２６及び温度調節バルブ２７と、貯湯タンク２３に設けた給湯出口２８に取り付けられ外部へ温水を出力する温水出力パイプ３１と、この貯湯タンク２３の一方２３ａである給湯出口２８から引き出し、貯湯タンク２３の他方２３ｂに戻す温水循環パイプ３２と、この温水循環パイプ３２に介在させる温風暖房機３３と、この温風暖房機３３の上流側に介在され所定時に温水を加熱する補助加熱手段３４、出力温水ポンプ３５及び温度センサ３６と、給湯出口２８に温水出力パイプ３１を介して連結され開弁して温水を外部に排出する排水弁３７と、貯湯タンク２３に給水する給水経路４１と、この給水経路４１に介在され所定時に開弁する給水バルブ４２と、排水弁３７の開閉をはじめコージェネレーションシステム１０における各種制御を統括する制御部４３とを主要な構成要素とする。
温度調節バルブ２７には、貯湯タンク２３の手前で引き出して貯湯タンク２３から排熱熱交換器１７への温水循環経路２４の戻り配管２４ｂに戻すバイパス経路４４が連結されている。温度調節バルブ２７は、温水循環経路２４内の温水が温度センサ２６により所定値である７０℃に達すると、徐々に開き貯湯タンク２３の上部に温水を供給し始める。温度調節バルブ２７は、湯温が高くなるほどバルブの開度が大きくなるようにした。

冷却水循環経路２１には、冷却水循環経路内の冷却水を加熱する補助加熱手段３４が設けられているのでエンジン１１の冷却水の温度が低いときでも、冷却水の温度を適温に上げることができる。冷却水の温度を昇温させることができるので、低温時におけるエンジン１１の始動が容易となる。

温風暖房機３３には、空気の入力口４５及び出力口４６を有するケース体４７と、このケース体４７の内側にこの順に設けられ空気を送風するブロワ４８と、このブロワ４８の下流側に設けられるとともに出力温水循環経路２４に介在させる熱交換器部４９と、この熱交換器部４９の下流にこの順で配置される潜熱熱交換器５１及び顕熱熱交換器５２と、この顕熱熱交換器５２に加熱空気を送るバーナー５３とが備えられている。５４は温度センサである。
バーナー５３により発生させた燃料ガスは、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過して屋外へ放出される。このときケース体４７に配置したブロワ４８によって、顕熱熱交換器５２と潜熱熱交換器５１を通過する空気に熱を伝える。
バーナー５３は、室温が設定値に対して大きく下回っているときや所定時間を経過しても室温が上昇しないときに作動するものである。

なお、空気の入力口４５には、各部屋から冷風が戻る戻り配管が連結され、空気の出力口４６には、各部屋へ温風を送る送り配管が連結されている。図中、５５は貯湯タンク内に配置されている温度センサ、５６はエンジン１１にガスを供給するガス菅、５７は排気ガスを排出する排気管、５８ａ、５８ｂは建物の壁部である。これらの壁部５８ａ、５８ｂの内側を屋内、壁部５８ａ、５８ｂの外側を屋外とするとき、６１は屋外に配置される温度センサ、６２は室内温度を設定するリモコン操作部である。

すなわち、エンジン１１から排出される排熱を冷水に伝達して温水を出力する排熱熱交換器１７には、エンジン１１の排熱によって昇温された温水を貯える貯湯タンク２３が連結されており、この貯湯タンク２３の給湯出口２８には、温水出力パイプ３１を介して連結され開弁して温水を外部に排出する排水弁３７が連結され、貯湯タンク２３の内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁３７を開く制御部４３が設けられている。
図中、制御部４３と各機器間は、図に示す※印にて接続されている。

また、貯湯タンク２３には、この貯湯タンク２３の温水を外部に引き出して戻す温水循環パイプ３２が連結され、この温水循環パイプ３２には、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が介在されている。

貯湯タンク２３には、温水循環パイプ３２が連結され、この温水循環パイプ３２には、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機３３が介在されており、温風暖房機３３が利用可能となっている。温風暖房機３３が利用可能となっているので、コージェネレーションシステム１０を一層有効に利用することができる。

温水循環パイプ３２には、温水を追い焚きする補助加熱手段３４が設けられており、補助加熱手段３４を温風暖房機３３の上流側に設けることで、貯湯タンク２３の温度が低い場合でも、温水循環パイプ３２を加熱することで、温風暖房機３３に所定の性能をもたせることができる。補助加熱手段３４を設けたので、貯湯タンク２３の温度が低いときでも、貯湯タンク内の温水の温度が低いときに、温風暖房機３３が利用できないという制約がなくなるとともに所定の暖房性能を得ることが可能になる。

図２は本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図であり、コージェネレーションシステム１０は、発電ユニット６４と給湯ユニット６５とからなる。
発電ユニット６４は、エンジン１１と、このエンジン１１に駆動される発電機１３と、この発電機１３の出力端子に接続され発電機１３の周波数や電圧を変換して出力するとともに、発電機１３をスタータの機能に切り替えるスタータドライバ機能を有するインバータユニット１４とを備えており、このインバータユニット１４の出力は、外部商用電源部１５に接続されて発電エネルギが所定値に達したときに切替スイッチ（図１の符号１６）に接続され外部商用電源部１５に電気エネルギが供給される。

給湯ユニット６５は、制御部４３を備え、この制御部４３に、冷却水循環ポンプ２２と、出力温水ポンプ３５と、各種の温度センサ２６、３６、５５と、温度調節バルブ２７と、出力温水ポンプ３５と、排水弁３７と、給水バルブ４２と、ブロワ４８と、補助加熱手段３４とが接続されている。制御部４３は、ＥＣＵ１２に接続されるとともに、システム内に配置した上述した各ポンプ、各バルブ及び各温度センサに接続（図に示されている※印にて示されている。）され、上述した各ポンプ及び各バルブについての各種制御を統括するものである。

図１〜図２に基づく排水弁の制御フローを以下に説明する。
図３は本発明に係る排水弁開閉の制御フロー図であり、ステップ番号（以下、ＳＴと記す。）０１で原動機を起動させる。すなわち、図１において、エンジン１１を起動（ＯＮ）させる。次に、貯湯タンク２３内の温水の温度（ｔ）を温度センサ５５により測定し、制御部４３は、温水の温度が７０℃を超えるまで待つ（ＳＴ０２）。

ＳＴ０３で温水の温度（ｔ）が７０℃を超えたと判断されたときには、制御部４３は、排水弁３７を開く。
ＳＴ０４で貯湯タンク２３内の温水の温度（ｔ）を温度センサ５５により測定し、制御部４３は、温水の温度が６５℃未満になるまで待つ。
ＳＴ０５で温水の温度（ｔ）が６５℃未満と判断されたときには、制御部４３は、排水弁３７を閉じる。以上で、排水弁３７の開閉を制御する一連の流れが終了する。

すなわち、この貯湯タンク２３の給湯出口２８には、開弁して温水を外部に排出する排水弁３７が連結され、貯湯タンク２３の内部の湯温が所定値である７０℃を超えたときに、排水弁３７を開く制御部４３が設けられている。
なお、本実施例において、所定値は７０℃に設定されているが、これよりも高い値でも、低い値でも差し支えないものとする。

貯湯タンク２３の内部の湯温が所定値を超えたときに、排水弁３７を開く制御部４３が設けられ、水を外部に排出するようにしたので、貯湯タンク２３内の湯温が温度が所定値以上に上昇することはない。貯湯タンク２３内の湯温が所定値を超えることはないので、排熱熱交換器１７の温度が所定値以上に上昇することもない。排熱熱交換器１７の温度が所定値以上に上昇しなくなれば、排熱熱交換器１７の温度上昇によってエンジン１１を停止させる必要がなくなる。エンジン１１を停止させる必要がなくなり、連続運転が可能となるので、連続して電気エネルギを発生することができるようになる。また、本発明によれば、エンジン１１に別途冷却装置を付設する必要もない。
従って、本発明に係る構成によれば、給湯需要がないか少ないときでも、エンジン１１に冷却装置を付設することなくエンジン１１の連続運転が可能となる。

尚、請求項１では、貯湯タンクに連結する温水循環パイプとこの温水循環パイプに連結した温風暖房機を省略することは差し支えない。
また、請求項２では、温水循環パイプに設けられている補助加熱手段を省略することは差し支えない。

本発明は、発電と給湯を同時に行うコージェネレーションシステムのうち、電気の供給よりも給湯を優先させるタイプのコージェネレーションシステムに好適である。

本発明に係るコージェネレーションシステムの構成図である。 本発明に係るコージェネレーションシステムの制御ブロック図である。 本発明に係る排水弁開閉の制御フロー図である。

符号の説明

１０…コージェネレーションシステム、１１…エンジン、１３…発電機、１７…排熱熱交換器、２３…貯湯タンク、２８…貯湯タンクの給湯出口、３２…温水循環パイプ、３３…温風暖房機、３４…補助加熱手段、３７…排水弁、４３…制御部。

Claims (1)

1. エンジンと、このエンジンで駆動され電気エネルギを発生する発電機と、前記エンジンから排出される排熱を熱源にして冷水を温水にする排熱熱交換器とが備えられているコージェネレーションシステムにおいて、
   前記排熱熱交換器には、前記エンジンの排熱によって昇温された温水を貯える貯湯タンクが連結され、
   この貯湯タンクの給湯出口には、開弁して温水を外部に排出する排水弁が連結され、前記貯湯タンクの内部の湯温が所定値を超えたときに、前記排水弁を開く制御部が設けられ、
   前記貯湯タンクには、この貯湯タンクの温水を外部に引き出して戻す温水循環パイプが連結され、この温水循環パイプには、温水を熱源として外気を暖める温風暖房機が介在され、
   前記温水循環パイプの下流側にて前記温風暖房機に、潜熱熱交換器及び顕熱熱交換器がこの順で配置されるとともに、室温が設定値に対して大きく下回っているときに、前記顕熱熱交換器に加熱空気を送った後、この顕熱熱交換器を通過した加熱空気を前記潜熱熱交換器に送るバーナーが配置され、
   前記温水循環パイプには、温水を追い焚きし前記エンジンの始動を容易にする補助加熱手段が設けられていることを特徴とするコージェネレーションシステム。

Images