JP5257660B2 - 給湯システム及びコージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
即ち貯留タンク内に空気が残っていると、給水量が一定であっても、コージェネレーションシステムから外部に排出される水の水量が安定しない。そこで下流側にある水量センサーに注目し、水量センサーの検出値が安定したことを条件として注水作業を終える。
そのため貯留タンクに対する注水作業に長時間を要するという問題がある。また大量の水を廃棄しなければならないという不満があった。
そのため貯留タンクへの注水完了を確認するための特別のセンサーを設けることは設備の製造コスト上、得策ではない。
即ちコージェネレーションシステムは、ガスエンジンや燃料電池等の電気と熱とを共に発生させる装置を主たる熱源とし、この熱源が発生する熱で湯を作り、この湯を貯留タンクに溜め置いて必要に応じて使用するものである。従って貯留タンクに湯が無い場合や不足する場合、あるいは湯の温度が低い場合等は、出湯することができない。
特に燃料電池を主要部とするコージェネレーションシステムにおいては、補助加熱装置は必須である。
即ち燃料電池は、ガスエンジン等の他の熱・電気発生装置に比べて発熱量が小さく、水を昇温するのに時間がかかる。そのため予定外の出湯要求があった場合、燃料電池だけでは緊急に湯を作ることができない。そのため前記した様に燃料電池を主要部とするコージェネレーションシステムにおいては、補助加熱装置は必須であり、必ず搭載されているといっても過言ではない。
またバーナ等を熱源として給湯を行う場合、出湯温度を利用者が望む温度に制御する必要がある。ここで燃料電池を主要部とするコージェネレーションシステムでは、補助加熱装置に導入される湯水の温度と量に基づいて燃焼量を決定し、バーナの燃焼量を増減する方策を採用するものが多い。
本発明の給湯システムでは、貯留タンクに注水される水量を給水側水量センサーで検知し、貯留タンクから排出される水量を補助加熱往き水量センサーで検知している。そして貯留タンク内が完全に水で満たされたならば、貯留タンクに注水される水量と、貯留タンクから排出される水量が一致するはずであるから、給水側水量センサーの検知水量と、補助加熱往き水量センサーの検知水量の差が一定未満となったことを条件の一つとして貯留タンクへの給水を停止することとした。
即ちコージェネレーションシステムを試運転するためには、貯留タンクだけでなく、他の配管内も水で満たさなければならない。しかしながら前記した特許文献1に開示されたコージェネレーションシステムは、配管内の空気が抜けにくく、配管内の空気を水で置換し、配管内を水で満たすのに要する時間が長いという問題があった。具体的には、前記したタンクバイパス流路内の空気が抜けにくく、タンクバイパス流路内の空気を水で置換するのに多くの時間を要していた。
図14,15は、従来技術のコージェネレーションシステムにおいて、系内に注水する際の様子を示す要部の作動原理図である。
図14,15に示すコージェネレーションシステム100は、熱・電気発生装置たる燃料電池装置101と、給湯システムたる貯湯装置によって構成されている。燃料電池装置101は、燃料電池102と循環ポンプ103によって構成されている。なお燃料電池102は、熱交換器を有しており、内部に通水可能であり、内部に通水することにより燃料電池102の排熱を奪うことができる。
タンク循環流路110は、具体的には、貯留タンク105の下部と燃料電池装置101の入水側を結ぶ加熱往き側流路112と、燃料電池装置101の湯水吐出口と貯留タンク105の上部を結ぶ加熱戻り側流路113とによって構成されている。
また前記した加熱戻り側流路113と加熱往き側流路112とを結合し、貯留タンク105を迂回するタンクバイパス流路106がある。
三方弁115は、図16の様に3つのポートa,b,cを持つが、一般にa−b間を開いた状態で使用されるか、a−c間を開いた状態で使用されるかのいずれかであり、中途半端な開口位置で使用されることは無い。
即ち図16は、三方弁の構造を示す説明図である。
ここで図14,15において、三方弁115の図で黒く塗ったポートは閉じているポートを示している。また白抜きのポートは開いたポートを示している。また太線及び矢印は水の流れを示している。
ただしこの場合、三方弁115のタンクバイパス流路106側のポートcが閉じているので、タンクバイパス流路106内に通水は生じず、タンクバイパス流路106内の空気は排出されずに残る。
図17、18は、請求項5に記載のコージェネレーションシステムにおいて、系内に注水する際の様子を示す要部の作動原理図である。
本発明の給湯システムでは、三方弁等の流路切り換え手段が、熱・電気発生装置と貯留タンクとタンクバイパス流路の三者を連通する状態にして注水作業を行うので、タンクバイパス流路に排水経路ができ、タンクバイパス流路に通水が生じると共に、この通水が外部に排出される。
即ち図17の様に、給水流路120から導入された水の一部は、燃料電池装置101を経由して貯留タンク105に流れ込む。また給水流路120から導入された水の残部は、タンクバイパス流路106を経由して貯留タンク105に流れ込む。そのためタンクバイパス流路106内の空気は、貯留タンク105に抜け、タンクバイパス流路106内の空気は、水と置換される。
図1において、1は本実施形態のコージェネレーションシステムである。コージェネレーションシステム1は、大別して発電装置(熱・電気発生装置)2と給湯システム装置3とを組み合わせて構成されている。発電装置(熱・電気発生装置)2と給湯システム装置3は、個別に製作され、設置現場で配管接続されてコージェネレーションシステム1が完成する。
また発電装置2内には、熱交換器6への通水を可能とするための循環ポンプ25が内蔵されている。
そしてこれら湯水導入側頂部接続部11、湯水排出側頂部接続部14、循環流路用底部開口12及び給水用底部開口15に対してエネルギー回収系統Cおよび給湯・給水系統Hを構成する配管を接続した構成とされている。
そのため、エネルギー回収系統Cを通過する湯水が、貯留タンク10内の湯水の温度に対して前記閾温度以上高温に加熱され、貯留タンク10内の湯水を掻き乱さない程度にゆっくりと戻されると、貯留タンク10内に貯留されている湯水が温度毎に層状に分かれる。従って、貯留タンク10に設置された温度センサ13a〜13dの検知温度を調べることにより、貯留タンク10内に所望の温度範囲に加熱された湯水がどれだけ貯留されているかを検知することができる。
また、エネルギー回収系統Cは、加熱往き側流路21および加熱戻り側流路22の中間部分において両流路をバイパスするタンクバイパス流路23を有する。タンクバイパス流路23と加熱戻り側流路22とは、三方弁(流路切り換え手段)28を介して接続されている。またタンクバイパス流路23と加熱往き側流路21とは、ティ18を介して接続されている。
また暖房分岐流路60は、三方弁(流路切り換え手段)28を介してタンクバイパス流路23に接続されている。暖房分岐流路60には、温度センサ27が設けられている。
また、迂回分岐流路61は、発熱部5側から湯水を熱交換器71を通過させずに貯留タンク10側に戻す流路である。迂回分岐流路61には開閉弁24が設けられている。
そのため、開閉弁24を閉じた状態にすることにより、発電装置2において加熱された湯水を熱交換器71側に送り込むことができる。
また開閉弁24を開くと、発電装置2において加熱された湯水の多くが熱交換器71を経ることなく貯留タンク10に供給される。
前記した三方弁(流路切り換え手段)28は、図2の様に3個の開口(ポート)a,b,cを有するハウジング59内で弁体62が回動する三方切り換え弁である。三方弁28を構成する3つのポートa,b,cのうちの2つのポートa,cは加熱戻り側流路22に接続されており、残りのポートbにはタンクバイパス流路23が接続されている。即ち、三方弁28は、加熱戻り側流路22のうち三方弁28よりも貯留タンク10側の流路(以下、必要に応じて加熱戻り下流側流路22aと称す)と、三方弁28よりも発電装置2側の流路(以下、必要に応じて加熱戻り上流側流路22bと称す)と、タンクバイパス流路23とに接続されている。
三方弁(流路切り換え手段)28は、図示しないステッピングモータを搭載しており、ステッピングモータによって弁体62を回動させ、任意の位置で弁体62を停止させることができる。
なお本実施形態では、貯留タンク10から燃焼装置31に至る流路を補助加熱往き流路73と称し、燃焼装置31の下流側を補助加熱排出流路75と称して両者を区別する。
給湯流路30は、貯留タンク10の湯水排出側頂部接続部14を基端とし、貯留タンク10から燃焼装置(補助熱源)31に至る流路の中途に貯留タンク10側に向けて湯水が逆流するのを阻止すべく、逆止弁52が設けられた構成とされている。即ち補助加熱往き流路73に逆止弁52が設けられている。なお本実施形態では、貯留タンク10から燃焼装置(補助熱源)31に至る流路の中途に逆止弁52を設けた。即ち本実施形態では、貯留タンク10の下流側に逆止弁52を設けたが、これに代わって貯留タンク10の上流側に逆止弁52を設けてもよい。即ち後記する貯留用給水流路50aに逆止弁52の位置を変更してもよい。
また、逆止弁52よりも湯水の流れ方向下流側(燃焼装置31側)には、入口側温度センサ33と補助加熱往き水量センサー63が設けられている。
即ち補助加熱往き流路73に補助加熱往き水量センサー63が設けられている。
給湯流路30の中途には、後述する先混合用バイパス流路50bの本流部53および支流部55が接続されている。
即ち補助加熱往き流路73に先混合用バイパス流路50bの本流部53および支流部55が接続されている。
さらに流水検知センサ40の下流側には、三方弁67を介して二流路に分かれている。その内の一つは、カラン等の一般給湯に利用される一般給湯流路68であり、他方は、風呂落とし込み流路66である。風呂落とし込み流路66には、浴槽72への落とし込み量を検知するための落とし込み水量センサー74が設けられている。
燃焼装置(補助熱源)31は、発熱部5よりも湯水の加熱能力が高い。燃焼装置(補助熱源)31は、貯留タンク10から排出される湯水の温度が低い等のような特別な場合に限って燃焼動作を行い、給湯流路30内を流れる湯水を加熱するものであり、補助的な熱源として機能する。燃焼装置(補助熱源)31は、流水検知センサ40により通水が検知されることを作動条件の一つとしている。
図3は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが貯留モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。
貯留モードは、循環ポンプ25を作動させることにより、図3にハッチングや矢印で示すようにエネルギー回収系統Cのタンク循環流路20a内に水流を発生させ、発電装置2の動作に伴って発生する排熱(熱エネルギー)を回収して湯水を加熱し、この湯水を貯留タンク10に貯留する動作モードである。貯留モードは、加熱戻り側流路22を貯留タンク10側に向けて流れる湯水の温度、即ち温度センサ27によって検知される湯水の温度が所定温度(以下、必要に応じて温度αと称す)以上であることを条件として実施される動作モードである。
図4は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが給湯モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。
給湯モードは、上記した貯留モードによって貯留タンク10内に貯留された高温の湯水を利用して給湯を行う動作モードである。コージェネレーションシステム1が給湯モードで動作する場合、図4にハッチングや矢印で示すような湯水の流れが発生する。
一方、入口側温度センサ33によって検知される湯水の温度がカラン34から排出すべき温度よりも低い場合、燃焼装置(補助熱源)31が起動し、湯水が加熱される。このとき、入口側温度センサ33によって検知される湯水の温度と、補助加熱往き水量センサー63によって検知される燃焼装置(補助熱源)31に供給される総水量から加熱に必要な熱量が演算され、この熱量に合致する様にバーナー41に供給する燃料の量が制御される。
そのため外部の給水源から給湯時に導入される水は、直接的には発電装置2に流れ込まず、外部からの給水は、一旦給水用底部開口15から貯留タンク10内に入り、タンク循環流路20aには、貯留タンク10内の水が吸い出されあるいは押し出されて流れ込む。そのため外部からの冷たい給水が、直接燃料電池側に流れ込んで流量が大きく変化することが緩和され、燃料電池と熱交換される水の温度変化が小さい。
図5は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが暖房モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。
暖房モードは、暖房側循環回路70内の湯水や熱媒体を熱交換器71において熱交換加熱し、これを暖房端末65に供給する動作モードである。暖房モードが選択されると、図5にハッチングや矢印で示すように湯水や熱媒体の循環流が発生する。
図6は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが迂回モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。
迂回モードは、三方弁28の開度調整を行うことによりエネルギー回収系統Cに貯留タンク10を迂回する迂回循環流路20bを構成した状態で循環ポンプ25を作動させ、迂回循環流路20bに貯留タンク10を迂回する湯水の循環流を発生させる動作モードである。迂回モードが選択されると、エネルギー回収系統Cにおいて、図6に矢印で示すような湯水の循環流が形成される。
迂回モードは、前記した様に、運転初期の様な発電装置2が冷えている状況等の場合に行われる動作である。
(タンク注水モード)
図7,8,9は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムがタンク注水モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。図10は、タンク注水モードを実行する際のフローチャートである。
タンク注水モードでは、作業者が行う動作としてカラン34を開いた状態で外部の給水源から、給湯流路30に水を導入する。また図示しない操作ボードを操作し、タンク注水モードを選択する。
タンク注水モードの選択により、図10のフローチャートに則ってタンク注水モードが実行される。
即ち貯留用給水流路50a、貯留タンク10の給水用底部開口15、貯留タンク10の湯水排出側頂部接続部14、給湯流路30、燃焼装置(補助熱源)31及び一般給湯流路68を直線的に繋ぐ流路だけを開き、先混合用バイパス流路50bの本流部53及び支流部55、後混合用バイパス流路35を閉じる。
より詳細には、燃焼装置(補助熱源)31の下流側に設けられた比例弁37を全開にし、先混合用バイパス流路50bの本流部53に設けられた流量調整弁32を全閉にし、支流部55の電磁弁58を閉じ、後混合用バイパス流路35の流量調整弁36aを全閉にする。
即ち補助加熱往き流路73に繋がる流路の内、貯留タンク10から直接接続された流路以外の流路を全て閉じる。
エネルギー回収系統C側の弁については開閉いずれでも構わないが、説明を容易にするために迂回分岐流路61の開閉弁24を閉じ、暖房分岐流路60の三方弁(流路切り換え手段)28は、貯留タンク10側(ポートc)を閉じることとする。
図7は、タンク注水モードの際に閉じている弁を黒塗りで示し、開いている弁を白抜きで示している。
前記した様に、貯留用給水流路50a、貯留タンク10の給水用底部開口15、貯留タンク10の湯水排出側頂部接続部14、給湯流路30、燃焼装置(補助熱源)31及び一般給湯流路68を繋ぐ直線的流路だけを開き、先混合用バイパス流路50bの本流部53及び支流部55、後混合用バイパス流路35を閉じているので、給水口から入った水は、全量が給水側水量センサー48を通過して貯留タンク10に流れ込む。また貯留タンク10から排出される水の全量が補助加熱往き水量センサー63を通過する。
従って貯留タンク10内が満水であるならば、貯留タンク10内に入る水の水量と、貯留タンク10から排出される水量は等しくなるはずである。そのため給水側水量センサー48の検知水量と、補助加熱往き水量センサー63の検知水量との差が無くなれば、貯留タンク10内が満水になった証拠である。
そこで続くステップ5では、両水量センサー63,48の検出値の差がゼロ(一定未満)になったか否かを判断する。なお実際には、水量センサー63,48の検出値にはある程度の誤差があることが避けられないから、センサーの誤差を考慮して実際上、両者が同一となったか否かを判断する。
また試運転のための注水用電磁弁等を持つ場合は、電磁弁を閉じて注水を停止する。
また少なくとも一定時間の通水があったという条件や、水流センサーの検出値が安定しているという条件、二つの水流センサーの検出値が同一となった状態が一定時間続くといった条件を付加してもよい。
図8,9についても、タンク注水モードの際に閉じている弁を黒塗りで示し、開いている弁を白抜きで示している。図8,9の様に、エネルギー回収系統C側の弁を開いた場合であっても、エネルギー回収系統Cに流れ込んだ水は、その全量が貯留タンク10に戻る。そのため先の場合と同様に、給水口から入った水は、全量が給水側水量センサー48を通過して貯留タンク10に流れ込む。また貯留タンク10から排出される水の全量が補助加熱往き水量センサー63を通過する。
従って貯留タンク10内が満水であるならば、貯留タンク10内に入る水の水量と、貯留タンク10から排出される水量は等しくなるはずであり、両水量センサー63,48の検出値の差がゼロになったか否かを判断すれば、貯留タンク10が満水であるか否かが判る。
即ち本実施形態では、給湯流路30はカラン等の一般給湯に利用される一般給湯流路68と風呂落とし込み流路66を持つ。もし落とし込み水量センサー74を補助加熱往き水量センサー63の代わりに利用するならば、注水作業中は、一般給湯流路68のカランを開いてはならない。ここで風呂落とし込み流路66は電気信号によって開閉されるものであるが、一般給湯流路68は手動によって開閉される。また機器の試運転は、複数の作業員が連絡を取り合いながら実施する場合が多いから、注水モードの実行中に他の作業員がカラン34等を開いてしまう場合も多い。そのため注水完了の確認が遅れたり、不正確なものとなってしまう懸念がある。
(配管内注水モード)
図11は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが配管内注水モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図である。図12は、配管内注水モードを実行する際のフローチャートである。
配管内注水モードは、エネルギー回収系統Cに注水する動作モードである。
配管内注水モードでは、作業者が行う動作としてカラン34を開いた状態で外部の給水源から、エネルギー回収系統Cに水を導入する。また図示しない操作ボードを操作し、配管内注水モードを選択する。
タンク注水モードの選択により、図12のフローチャートに則って配管内注水モードが実行される。
これに対して配管内注水モードが選択された場合には、ステッピングモータを中途の位置で停止させ、図2(c)の様に3つのポートa,b,cが連通する位置に弁体62を置く。
またステップ3では、迂回分岐流路61の開閉弁24を開く。
図11は、配管内注水モードの際に閉じている弁を黒塗りで示し、開いている弁を白抜きで示している。
その結果、給水口から入った水は、給水用底部開口15から一旦貯留タンク10内に入り、循環ポンプ25に引かれて循環流路用底部開口12からエネルギー回収系統Cの加熱往き側流路21に入る。そして続いて給湯システム装置3を出て発電装置2内に入り、その後に給湯システム装置3に戻る。
従ってエネルギー回収系統Cの内、加熱往き側流路21、発電装置2、迂回分岐流路61を経由して貯留タンク10に戻る流路には水流が生じ、内部の空気は押し出されて水と置換される。
即ち駆動ポンプ25の負圧によってタンクバイパス流路23内に加熱往き側流路21側に向かう水流が生じ、その水は、給湯システム装置3を出て発電装置2内に入り、その後に給湯システム装置3に戻り、暖房分岐流路60又は迂回分岐流路61を経由して貯留タンク10に戻る。そのためタンクバイパス流路23の内部の空気は押し出されて水と置換される。
従ってエネルギー回収系統Cの全ての流路に水流が生じ、エネルギー回収系統Cは全て水で置換される。
循環ポンプ25を起動しない場合は、先に貯留タンク10が満水状態となり、貯留タンク10内が正圧となって貯留タンク10から水が押し出される。
図13は、図1に示すコージェネレーションシステムおよび給湯システムが配管内注水モードで動作する際の動作状態を示す作動原理図であり、循環ポンプを起動せずに行った場合を示す。
即ち給水口から入った水は、給水用底部開口15から一旦貯留タンク10内に入り、一旦貯留タンク10内を水で満たす。そしてさらに供給される水は、貯留タンク10の循環流路用底部開口12からエネルギー回収系統Cの加熱往き側流路21に入る。そして続いて給湯システム装置3を出て発電装置2内に入り、その後に給湯システム装置3に戻る。
また給湯システム装置3に戻った水は、加熱戻り側流路22に入り、暖房分岐流路60とバイパス流路たる迂回分岐流路61とに分岐して流れる。迂回分岐流路61に流れた水は、そのまま貯留タンク10に戻る。
従ってエネルギー回収系統Cの内、加熱往き側流路21、発電装置2、迂回分岐流路61を経由して貯留タンク10に戻る流路には水流が生じ、内部の空気は押し出されて水と置換される。
そのためタンクバイパス流路23の内部の空気は押し出されて水と置換される。
従って循環ポンプ25を起動しない場合であっても、エネルギー回収系統Cの全ての流路に水流が生じ、エネルギー回収系統Cは全て水で置換される。
また配管内注水モードの実行中に異音を感じることはなかった。
2 発電装置(熱・電気発生装置)
3 給湯システム装置
10 貯留タンク
23 タンクバイパス流路
28 三方弁(流路切り換え手段)
32 流量調整弁
35 後混合用バイパス流路
36a 流量調整弁
36b 逆止弁
43 熱交換器
48 給水側水量センサー
50 給水流路
50b 先混合用バイパス流路
58 電磁弁
63 補助加熱往き水量センサー
73 補助加熱往き流路
75 補助加熱排出流路
Claims (5)
- 熱・電気発生装置に接続される給湯システムであって、熱・電気発生装置によって加熱された湯を貯留する貯留タンクと、補助加熱装置と、貯留タンクに給水する給水流路と、貯留タンクから排出された湯水を補助加熱装置に供給する補助加熱往き流路と、補助加熱装置から排出される補助加熱排出流路を備え、必要に応じて貯留タンクの湯を外部に排出して消費し、必要に応じて貯留タンクの湯を補助加熱装置で加熱した後に外部に排出して消費する給湯システムにおいて、
給水流路から貯留タンクを経ずに補助加熱往き流路に至る流路及び給水流路から貯留タンクを経ずに補助加熱排出流路に至る流路を有し、当該両流路にはいずれも弁が設けられ、前記給水流路に給水側水量センサーを備え、補助加熱往き流路に補助加熱往き水量センサーを備え、動作モードとして貯留タンクに注水するタンク注水モードを備え、タンク注水モードにおいては給水流路から貯留タンクに給水し、前記弁を閉じた状態であって、前記給水側水量センサーの検知水量と、補助加熱往き水量センサーの検知水量の差が一定未満となったことを条件の一つとして、タンク注水モードの終了、所定の表示、貯留タンクへの給水の停止の少なくともいずれかを実行することを特徴とする給湯システム。 - 給水流路と補助加熱排出流路とを接続する後混合用バイパス流路を有し、補助加熱排出流路を流れる湯に後混合用バイパス流路を流れる水を混入して排出される湯水の温度を調節可能であり、後混合用バイパス流路には弁が設けられ、タンク注水モードにおいては、バイパス水量調節弁を閉状態として前記給水側水量センサーの検知水量と、補助加熱往き水量センサーの検知水量を比較する請求項1に記載の給湯システム。
- 給水流路を始点とし、貯留タンクと給水側水量センサーとの間に接続された先混合用バイパス流路を有し、前記先混合用バイパス流路には弁が設けられ、タンク注水モードにおいては、前記開閉弁を閉状態として前記給水側水量センサーの検知水量と、補助加熱往き水量センサーの検知水量を比較する請求項1又は2に記載の給湯システム。
- 熱・電気発生装置と貯留タンクとの間を循環するタンク循環流路と、タンク循環流路に接続され貯留タンクを迂回するタンクバイパス流路と、前記タンクバイパス流路を経て循環する流路とタンクを経て循環する流路とを切り換える流路切り換え手段とを有し、タンク注水モードにおいては、一時的にあるいは常時、流路切り換え手段が熱・電気発生装置と貯留タンクとタンクバイパス流路の三者を連通する状態となることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の給湯システム。
- 請求項1乃至4のいずれかに記載の給湯システムに、燃料電池を主要部とする熱・電気発生装置が接続されてなるコージェネレーションシステム。
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