JP5116949B2 - 排熱利用システム、及びその運転方法 - Google Patents
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Description
ガス料金は期間(季節)によって、料金を変化させる契約がある。
電気料金も期間(季節)や時間帯によって、料金を変化させる契約がある。
・起動前は室温が快適な温度(空調設定温度)に対して夏期は高温であったり、冬期は低温であったりするため、快適な温度に達するまでは冷暖房機には高い負荷が掛る。
・室温が快適な温度(空調設定温度)に達すると、冷暖房機の負荷は低下する。
・夏に暖房機器を運転することは一般的にはない。
・冬期にも、冷房機器の運転需要は大きく下がる。
・コージェネレーションを排熱源とするような場合に終日電力需要はあるが、事務所などは夜間の冷暖房需要や電力需要がない。
・加熱炉は24時間操業だが、事務所等は夜間の冷暖房需要や電力需要等が無くなってしまう。
A.第1の所定期間は暖房用の前記排熱利用機器を優先して運転する第1の機能。
B.第2の所定期間は冷房用の前記排熱利用機器を優先して運転する第2の機能。
C.前記第1の所定期間及び第2の所定期間以外の期間は前記冷暖房以外に使用する排熱利用機器、又は冷暖房に使用する機器であってそれ以外の用途に利用される排熱利用機器を優先して運転する第3の機能。
〔排熱利用システム〕
図1は本発明に係る排熱利用システムの概略フロー例を示す図である。図示するように、排熱利用処理システムは、複数の排熱発生機器からなる排熱発生機器群1と複数の排熱利用機器からなる排熱利用機器群2とを、排熱搬送経路3で接続されている。排熱搬送経路3は排熱搬送媒体を流す流路で、排熱発生機器群1から排熱利用機器群2に排熱搬送媒体を送る排熱搬送往路3−1と、排熱媒体を循環使用するための排熱搬送復路3−2で構成される。なお、排熱搬送媒体を循環使用しない場合、例えば排熱搬送後に放出する蒸気或いはその凝縮水、1回だけ利用して排出する河川水や海水、井水等の場合は排熱搬送復路3−2を設ける必要がない。
・排ガスボイラの容量制御(ボイラへの排ガス導入量制御)
・排熱発生機器本体の容量制御
・地熱や温泉熱の取得手段の容量制御(ポンプやバルブによる流量制御等)
・太陽熱の場合は太陽熱集熱器の受熱面積の制御(集熱器台数制御等)
の例がある。
排熱搬送媒体は、排熱発生機器群1の排熱発生機器及び排熱利用機器群2の排熱利用機器で熱交換を行い、顕熱(温度差)、潜熱(相変化)、その他の化学変化(吸熱/発熱反応)を利用して、排熱発生機器から排熱利用機器に熱を搬送する媒体である。この排熱搬送媒体例としては、水(温水、冷水)、蒸気、各種水溶液、各種有機物(フロン類、油類、アルコール類等)がある。この各種水溶液としては、下記の水溶液がある。
・各種の無機物或いは有機物(エチレングリコール)を混入し、不凍液とした水溶液
・各種の無機物或いは有機物を混入し、凍結時に流動性を有するようにした水溶液
排熱発生機器群1の排熱発生機器は1種類或いは複数種類の機器からなり、図1の排熱利用システムでは、複数台のエンジンコジェネレーション10−1、…10−n−1、10−n、タービンコジェネレーション11−1、…11−n−1、11−n、複数台の各種加熱炉12−1、…12−n、複数台の蒸気ボイラや蒸気利用機器13−1、…13−n−1、13−n、各種の自然熱源14−1、…14−n−1、14−nがある。コジェネレーションは燃料を投入することで、電気と熱を同時に供給する装置であり、エンジンあるいはタービンで発電機を駆動するものや燃料電池がある。蒸気利用機器としては蒸気焚吸収冷凍機、各種製造やクリーニング工場等での各種蒸気による加熱器がある。自然熱源としては地熱、温泉、太陽熱がある。
コジェネレーション(エンジンコジェネレーション10−1、…10−n−1、10−n、11−1、…11−n−1、11−n)は、
・熱に比べて電気の方が、使用領域が広く、有効性も高い。
・熱に比べて電気の方が、一般的に使用する時間帯、期間、時期が広い。
ため、一般的にユーザーが電気を必要とする時に運転される(電主熱従)。ただし、
・熱(蒸気や温水)が必要とされて運転されることも考えられる。
・排熱利用機器の使用状況に合わせて運転することも考えられる。
が、一般的でない。
排熱利用機器群2は1種類或いは複数種類の排熱利用機器からなり、図1の排熱利用システムでは、複数台の給湯装置(器)20−1、20−2、…20−n、複数台の蒸気発生装置21−1、20−2、…21−n、複数台の吸収冷凍機22−1、22−2、…22−n、複数台の発電装置23−1、23−2、…23−n、複数台の動力発生(回収)装置24−1、24−2、…24−n、複数台の蒸留装置25−1、25−2、…25−nがある。
排熱発生機器群1のエンジンコジェネレーション10−1、…10−nが運転された場合に、エンジンコジェネレーション10−1、…10−nからの排熱が排熱利用機器群2に供給可能となり、ユーザーのニーズに合わせて排熱利用機器群2の排熱利用機器を運転することが一般的である。ただし、
・排熱発生機器群1の運転状態に合わせて、排熱利用機器群2の排熱利用機器を運転する。
・排熱利用機器群2の排熱利用機器が運転した時に、排熱搬送媒体を排熱利用機器群2の各排熱利用機器に供給する。
・排熱搬送媒体を排熱利用機器に常に流しておき、各排熱利用機器群2の各排熱利用機器の運転時にそのまま、排熱を利用できるようにしてもよい。この場合、排熱利用機器群2の排熱利用機器が停止中は排熱搬送媒体は、当該排熱利用機器に使用されずに素通りすることになる。
としてもよい。
・排熱発生機器群1の排熱発生機器に合わせて、排熱利用機器を運転する。
・排熱利用機器群2の排熱利用機器が運転された時に、排熱搬送媒体を排熱利用機器に供給する。
・排熱搬送媒体を排熱利用機器に常に流しておき、排熱利用機器群2の各排熱利用機器の運転時にそのまま、排熱を利用できるようにしてもよい。この場合、排熱利用機器群2の排熱利用機器停止中は排熱搬送媒体は、当該排熱利用機器を使用されずに素通りすることになる。
としてもよい。
・排熱発生機器群1の排熱発生機器の運転に合わせて、排熱利用機器群2の排熱利用機器を運転する。
・排熱利用機器群2の各排熱利用機器が運転された時に、排熱搬送媒体を排熱利用機器群2に供給する。
・排熱搬送媒体を排熱利用機器に常に流しておき、排熱利用機器群2の各排熱利用機器の運転時にそのまま、排熱を利用できるようにしいもよい。この場合、排熱利用機器群2の停止中は排熱搬送媒体は、当該排熱利用機器に使用されずに素通りすることなる。
としてもよい。
上記排熱利用システムは排熱利用システム制御盤(制御装置)(図示せず)を備え、該排熱利用システム制御盤は、スケジュールタイマなどを利用して、次のように所定の冷房期間(第2の所定期間、夏期等)や所定の暖房期間(第1の所定期間、冬期等)を決定する。
(a)所定の冷房期間(夏期等)には、冷房用の排熱利用機器を優先する。例えば、冷房期間を5月15日〜9月30日と設定する。
(b)所定の暖房期間(冬期等)には、暖房用の排熱利用機器を優先する。例えば、暖房期間を11月1日〜3月31日と設定する。
・空調機が冷房運転モードの場合には、冷房用の排熱利用機器を優先する。
・空調機が暖房運転モードの場合には、暖房用の排熱利用機器を優先する。
・外気温や室内温度が所定温度以上の場合は、冷房が必要であると判断して、冷房用の排熱利用機器を優先してもよい。例えば、外気温度が23℃以上、あるいは室温が25℃以上となった場合には、冷房用の排熱利用機器を優先する。
・外気温や室内温度が所定温度以下の場合は、暖房が必要であると判断して、暖房用機器を優先してもよい。例えば、外気温が18℃以下、或いは室温が20℃以下となったような場合には、暖房用の排熱利用機器を優先する。
事業所の業務が終了或いは減少した場合には、冷暖房負荷や電力負荷等は連動して減少或いは停止してしまう。
このような場合でも、排熱発生機器は運転を継続するようなケースは下記に示すように多々ある。
・事業所の電力ベースロードを賄うコジェネレーション
・連続操業の加熱炉
排熱発生機器の運転に支障がなくとも、排熱を利用してやることが省エネルギーや環境負荷低減の観点からも好ましい。
・業務時間を例えば、8時〜19時30分に設定
・事業所の休日(土曜、日曜、祝日等)は業務外とする。
・業務時間外等のように冷暖房負荷や電力負荷がないような場合でも排熱利用が可能とする。
・業務時間の判定を、例えば空調機の運転台数が総台数の20%以下になった場合、或いは冷暖房能力が定格能力の20%以下に業務時間外と判断する。
・業務時間の判断を、例えば電力需要が所定値(最大需要や契約電力の20%等)以下になった場合に業務時間外と判断する。
・蒸留装置:製造された蒸留水は水槽に貯留可能、蓄えた蒸留水は後刻或いは後日、例えば洗浄用水、生活用水、原料水等として業務に使用する。
・蓄熱槽を有する冷凍機:水蓄熱、氷蓄熱、その他の潜熱(顕熱)で蓄熱し、蓄えた冷水や氷は後刻或いは後日の冷房や冷却に使用する。
・蓄熱槽を有する給湯器:温水蓄熱、その他の潜熱(顕熱)で蓄熱し、蓄えた温水等は後刻或いは後日の暖房や加熱に使用する。
・発電装置を駆動し発電した電力で水電解による水素を製造する水素製造装置を駆動し、製造された水素を蓄え、蓄えた水素は後刻或いは後日の燃料や原料として使用する。
このように、排熱利用機器で製造したものを蓄えることで、排熱利用或いはタイムシフトさせることができる。
(1)給湯装置(器)
・暖房や飲用、その他生活用温水に使用すること考えられる。
・冬期(特に冬期の朝夕)に優先順位を上げるとよい。
・温水蓄熱槽を備えることによって、夜間等の業務終了時間帯に運転順位を上げることができる。
・暖房や各種加熱用に使用することが考えられる。
・暖房使用では、冬期(特に、冬期の朝夕)に優先順位を上げるとよい。
・加熱用に使用する場合は、事業所の業務時間に合わせて優位順位を調整すればよい。
・冷房用と使用する場合、夏期(特に冷房起動時や昼間の気温の高くなる時間帯、例えば12時〜15時)に優先順位を上げるとよい。
・水蓄熱槽を備えることによって、夜間等の業務終了時間帯に運転順位を上げることができる。
・蒸留装置で製造した蒸留水は蓄えることができるので、夜間等の業務終了時間帯に運転順位を上げることができる。
・電力需要が増える業務時間帯は、優先順位を上げると効果がある。
・特に、電力需要のピークとなる夏期中は電力負荷平準化の効果もある。
・逆に夜間は、夜間電力契約によって、商用電力を安価に使用できるので、夜間は発電装置の優先順位を下げると経済的効果が期待できる。
・水電解装置及び該水電解装置で製造された水素を蓄えるタンクを備えることによって、夜間等の業務終了時間帯に運転順位を上げることができる。
工場等では、生産過程で圧縮空気を使用することが多く、空気圧縮のための電力消費が工場消費電力の大きな割合を占めることも珍しくなく、工場稼働時間帯(業務時間)に優先順位を上げることによって、消費電力の低減を図ることが可能である。
同等の優先順位を有する排熱利用機器が複数台運転可能である場合には、それらの排熱利用機器を排熱発生機器からの排熱供給量に応じて下記のように台数制御を行う。
熱利用機器群2の運転中に故障が発生した場合は、当該排熱利用機器の運転を停止して代替排熱利用機器の運転を行う。
運転時間の短い排熱利用機器から排熱利用を開始することによって、補機類を含め各種排熱利用機器の運転時間の均等化が図れる。
運転時間の長い排熱利用機器から排熱の利用を停止することによって、補機類を含めて各種排熱利用機器の運転時間の均等化が図れる。
排熱利用機器の運転台数が1台になったら、排熱搬送媒体の排熱搬送量が減少しても、最後の1台の排熱利用機器の運転は停止しない。
・排熱利用機器の運転台数が1台の時に、排熱搬送量が減少した場合には排熱利用機器の排熱使用量を減少させて(排熱利用機器が、例えば、吸収冷凍機であれば冷房能力を下げ、発電装置であれば発電能力を減少させる等)対応する。
排熱搬送媒体が定流量の場合、搬送媒体の温度(往路或いは還路)或いは温度差(往路と還路)の上昇或いは下降で排熱利用機器の排熱利用量、即ち排熱搬送量の増減が検出でき、排熱搬送媒体の温度(往或いは還)が上昇した場合、排熱搬送量が増加したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の温度が所定の閾値を超えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の温度が所定の閾値を所定時間継続して超えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。
同様に、排熱搬送媒体の温度(往或いは還)が下降したら排熱搬送量の減少したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の温度が、所定の閾値未満になったら排熱利用機器の運転台数を減少させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の温度が、所定の閾値未満が所定時間継続したら排熱利用機器の運転台数を減少させる。
排熱搬送媒体が蒸気である場合には、排熱搬送量が増減すると蒸気消費量が増減し、蒸気圧力が増減することになる。従って排熱搬送媒体の圧力の増減から排熱利用機器の排熱利用量、即ち排熱搬送量の増減が検出できる。
蒸気以外においても、排熱搬送量の調整を搬送媒体の流量で行っている場合、流量の増減に連動してポンプ吐出圧や管内圧が増減するので、排熱搬送媒体の圧力(ポンプ吐出圧や管内圧)の増減から排熱搬送量の増減を検出できる。
従って、排熱搬送媒体の圧力(往或いは還)が上昇した場合、排熱搬送量が増加したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の圧力が所定の閾値を越えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の圧力が所定の閾値を所定時間継続して越えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。
同様に、排熱搬送媒体の圧力(往或いは還)が下降した場合、排熱搬送量が減少したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の圧力が所定の閾値未満になったら排熱利用機器の運転台数を減少させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の圧力が所定の閾値未満が所定時間継続したら排熱利用機器の運転台数を減少させる。
排熱搬送媒体の温度(往或いは還)或いは往路或いは還路の温度差が一定になるように流量制御を行っている場合には、排熱搬送媒体の流量の増減で排熱利用機器の排熱利用量、即ち排熱搬送量の増減を検出でき、排熱搬送媒体の流量(排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の)が増加した場合、排熱利用量を増加したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の流量が所定の閾値を超えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の流量が所定の閾値を所定時間継続して超えたら排熱利用機器の運転台数を増加させる。
同様に、排熱搬送媒体の流量(往或いは還)が減少した場合、排熱利用量を減少したと判断し、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の流量が所定の閾値未満になったら、排熱利用機器の運転台数を減少させる。また、排熱搬送往路3−1又は排熱搬送還路3−2の排熱搬送媒体の流量が所定の閾値未満が所定時間継続したら、排熱利用機器の運転台数を減少させる。
冷房用と使用する場合は、夏期(特に冷房起動時や昼間の気温の高くなる時間帯、例えば12時〜15時に優先して運転する。吸収冷凍機22−1、22−2の運転台数やどちらの吸収冷凍機を運転するかは台数制御で決める。
冷房需要の少ない、冬期に優先順位を上げる。製造した蒸留水103は蒸留水槽46に蓄えるため、冬期だけでなく夏期でも、夜間等の業務終了時間帯に運転順位を上げることができる。運転台数やどちらの蒸留装置を運転するかは台数制御で決める。
2 排熱利用機器群
3 排熱搬送経路
4 配管
5 搬送媒体往ヘッダー
6 配管
7 排熱媒体還ヘッダー
8 配管
9 配管
10 エンジンコジェネレーション
11 タービンコジェネレーション
12 加熱炉
13 蒸気ボイラや蒸気利用機器
14 自然熱源
15 排熱放熱機器
20 給湯装置(器)
21 蒸気発生装置
22 吸収冷凍機
23 発電装置
24 動力発生装置
25 蒸留装置
26 蓄熱手段
30 排熱利用システム
40 水蓄熱槽
41 温水蓄熱槽
42 蒸留水槽
43 タービン駆動圧縮機
44 水電解装置
45 水素タンク
46 蒸留水槽
Claims (5)
- 1台以上の排熱発生機器を備えた排熱発生機器群と、2台以上の排熱利用機器を備えた排熱利用機器群と、前記排熱発生機器群と前記排熱利用機器群とを接続する排熱搬送経路と、制御装置を備えた排熱利用システムであって、
前記排熱利用機器群は、少なくとも暖房用の排熱利用機器、冷房用の排熱利用機器、及び冷暖房以外に使用する排熱利用機器を備え、
前記排熱発生機器群から前記排熱搬送経路を通って前記排熱利用機器群に供給される排熱供給量を検出する排熱供給量検出手段を備え、
前記制御装置は、前記排熱供給量検出手段で検出した排熱供給量からその増減を判断し、前記排熱供給量が増加した場合に、下記の第1乃至第3機能に従って、排熱利用機器の運転を行ない、減少した場合に、前記排熱利用機器群内の運転中で且つ下記の第1乃至第3機能により運転優先順位が低いと判断される排熱利用機器の運転を停止することを特徴とする排熱利用システム。
A.第1の所定期間は暖房用の前記排熱利用機器を優先して運転する第1の機能。
B.第2の所定期間は冷房用の前記排熱利用機器を優先して運転する第2の機能。
C.前記第1の所定期間及び第2の所定期間以外の期間は前記冷暖房以外に使用する排熱利用機器、又は冷暖房に使用する機器であってそれ以外の用途に利用される排熱利用機器を優先して運転する第3の機能。 - 請求項1に記載の排熱利用システムにおいて、
前記第1の機能は、前記排熱発生機器からの排熱供給量が増加した場合に前記暖房用の排熱利用機器を優先して運転を開始し、排熱供給量が減少した場合に他の機器を優先して停止し、第1の所定期間以外は暖房用機器の優先順位を下げるか或いは停止する機能であり、
前記第2の機能は、前記排熱発生機器からの排熱供給量が増加した場合に前記冷房用の排熱利用機器を優先して運転を開始し、排熱供給量が減少した場合に他の機器を優先して停止し、第2の所定期間以外は冷房用機器の優先順位を下げるか或いは停止する機能であることを特徴とする排熱利用システム。 - 請求項1又は2に記載の排熱利用システムにおいて、
前記制御装置は、所定の電力ピーク時間帯に前記冷暖房以外に使用する排熱利用機器中で発電する発電装置を優先して運転する機能を備えたことを特徴とする排熱利用システム。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の排熱利用システムにおいて、
前記制御装置は、所定の業務停止時間帯に前記冷暖房以外に使用する排熱利用機器中の製造した物を蓄えられる排熱利用機器の優先順位を上げて運転する機能を備えたことを特徴とする排熱利用システム。 - 1台以上の排熱発生機器を備えた排熱発生機器群と、2台以上の排熱利用機器を備えた排熱利用機器群と、前記排熱発生機器群と前記排熱利用機器群とを接続する排熱搬送経路を備えた排熱利用システムの運転方法であって、
前記排熱利用機器群は、少なくとも暖房用の排熱利用機器、冷房用の排熱利用機器、及び冷暖房以外に使用する排熱利用機器を備え、
前記排熱発生機器群から前記排熱搬送経路を通って前記排熱利用機器群に供給される排熱供給量が増加した場合には、第1の所定期間は暖房用の前記排熱利用機器を優先、第2の所定期間は冷房用の前記排熱利用機器を優先、前記第1の所定期間及び第2の所定期間以外の期間は前記冷暖房以外に使用する排熱利用機器、又は冷暖房に使用する機器であってそれ以外の用途に利用される排熱利用機器を優先、の運転順位で排熱利用機器を運転し、
前記排熱発生機器群から前記排熱搬送経路を通って前記排熱利用機器群に供給される排熱供給量が減少した場合には、前記排熱利用機器群内の運転中で且つ前記運転順位とは逆の順位で優先順位の低い排熱利用機器の運転を停止することを特徴とする排熱利用システムの運転方法。
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