JP5440966B1 - Building with net zero energy support system - Google Patents
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Abstract
【課題】建築物で消費される年間一次エネルギー消費量を正味(ネット)でゼロ方法を提供する。
【解決手段】電気設備10Eを有する構造物10と、該電気設備に電力を供給するエネルギー変換装12とを備え、エネルギー変換装置が互いに熱的に結合した密閉動力サイクル15とヒートポンプHPとを備え、ヒートポンプにおいて冷媒から冷熱を発生させ、該密閉動力サイクルにおいて低温低圧作動流体Wfを流体圧縮機27により圧縮して高温高圧作動流体Wfpを生成し、蓄電ユニット20のパルス電力により電気式動力ガス発生器42を所定温度に加熱し、高温高圧作動流体を電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、高温高圧動力ガスにより可動ピストン200を作動させて機械エネルギーを発生させ、機械エネルギーを発電機16に供給して発電電力を発生させる。
【選択図】図1The present invention provides a net (net) zero method of annual primary energy consumption consumed in a building.
A structure 10 having an electrical installation 10E and an energy conversion device 12 for supplying electric power to the electrical installation, and a sealed power cycle 15 and a heat pump HP in which the energy conversion apparatuses are thermally coupled to each other are provided. In the heat pump, cold heat is generated from the refrigerant, and in the sealed power cycle, the low-temperature low-pressure working fluid Wf is compressed by the fluid compressor 27 to generate the high-temperature high-pressure working fluid Wfp, and electric power gas is generated by the pulse power of the power storage unit 20 The heater 42 is heated to a predetermined temperature, and the high temperature and high pressure working fluid is brought into contact with the electric power gas generator to generate high temperature and high pressure power gas, and the movable piston 200 is operated by the high temperature and high pressure power gas to generate mechanical energy. Then, mechanical energy is supplied to the generator 16 to generate generated power.
[Selection] Figure 1
Description
本発明はゼロエネルギー建築物及び建築物用エネルギー管理方法に関し、特に、ネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法に関する。 The present invention relates to a zero energy building and a building energy management method, and more particularly to a net zero energy building and a building net zero energy management method.
近年、地球温暖化対策として住宅・建築物の年間一次エネルギー消費量(暖房・冷房設備、換気設備、給湯設備、照明、ガス等に係わる一次エネルギー消費量)に対し、再生可能エネルギーなどを活用することによって、一次エネルギー消費量を正味(ネット)でゼロにするための研究開発が活発になっている。 In recent years, as a measure against global warming, renewable energy is utilized for annual primary energy consumption (primary energy consumption related to heating / cooling equipment, ventilation equipment, hot water supply equipment, lighting, gas, etc.) As a result, research and development to reduce net primary energy consumption to the net has become active.
特許文献1には、建物の居住空間の下部領域に空気通路と蓄熱プレナムとを設けて居住空間の空気を蓄熱プレナムに循環させることで該空気中の熱エネルギーを回収し、外気を蓄熱プレナムと接触させることにより外気を温めるネットゼロエネルギーシステムが提案されている。 In
特許文献2には、建物の屋上に配置した太陽熱集熱器により低沸点相転移材料を加熱してオーガニック・ランキンサイクルエンジンを駆動することにより発電して外部からのエネルギー供給をゼロにしたネットゼロエネルギービルシステムが提案されている。
特許文献3には、太陽熱や地中熱を活用して住宅の室温調節を行うことによりエネルギーコストを低くなるようにしたアース・ソーラー・ゼロエネルギー住宅が提案されている。
ところで、特許文献1〜3で開示された再生可能エネルギーを利用したネットゼロエネルギーシステムでは、雨天や曇天等の日射量が不十分な場合や夜間には、太陽熱エネルギーを有功に活用して住宅や建築物の年間一次エネルギー消費量をゼロとすることができなかった。 By the way, in the net zero energy system using the renewable energy disclosed in
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、建築物で消費される年間一次エネルギー消費量を正味(ネット)でゼロにすることが可能なネットゼロエネルギー支援システムを備えた建築物を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of such conventional problems, and is provided with a net zero energy support system that can make the net primary energy consumption consumed in a building zero net. The purpose is to provide goods.
請求項1に記載された第1発明によれば、ネットゼロエネルギー支援システムを備えた建築物が、電気設備を有する構造物と、該電気設備に電力を供給するエネルギー変換装置とを備えるネットゼロエネルギー支援システムを備えた建築物であって、エネルギー変換装置が互いに熱的に結合した密閉動力サイクルとヒートポンプとを備え、該ヒートポンプにおいて低熱源との熱交換により冷媒から冷媒蒸気を生成し、該冷媒蒸気を圧縮して高温高圧冷媒を生成し、該高温高圧冷媒の熱を該密閉動力サイクルの低温低圧作動流体に伝達して低温高圧冷媒を生成し、該低温高圧冷媒を膨張させて冷熱を発生させ、該密閉動力サイクルにおいて該低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成し、蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱し、該高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成し、当該高温高圧動力ガスにより可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させて該電気設備に供給し、該発電機で生成した発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電し、該機械エネルギーの一部で該ヒートポンプを駆動し、該可動ピストンの膨張ガスを該冷熱により冷却することを特徴とする。According to 1st invention described in
請求項2に記載された発明によれば、請求項1記載の構成に加えて、好ましくは、さらに、該高温高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、当該電気式動力ガス発生器に供給される該高温高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御し、該バッファアキームレータと該制御弁とを該可動ピストンのスタータとして機能させることを特徴とする。 According to the invention described in
請求項3に記載された発明によれば、請求項1又は2記載の構成に加えて、さらに、該高温高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧し、当該電気式動力ガス発生器に供給される該高温高圧作動流体の供給タイミングを制御弁により制御し、該バッファアキュムレータと該制御弁とを該可動ピストンのスタータとして機能させることを特徴とする。 According to the invention described in
本発明では、電気設備を有する構造物と、該電気設備に電力を供給するエネルギー変換装置とを備えるネットゼロエネルギー建築物において、エネルギー変換装置が互いに熱的に結合した密閉動力サイクルとヒートポンプとを備え、該ヒートポンプにおいて冷媒から冷熱を発生させる。該冷媒の熱を該密閉動力サイクルの低温低圧作動流体に伝達し、該該密閉動力サイクルにおいて低温低圧作動流体を流体圧縮機により圧縮して高温高圧作動流体を生成する。蓄電ユニットの蓄電電力をパルス電源に供給することでパルス電力を生成し、該パルス電力により電気式動力ガス発生器を所定温度に加熱する。一方、流体圧縮機で生成した高温高圧作動流体を該電気式動力ガス発生器と接触させることにより高温高圧動力ガスを生成する。当該高温高圧動力ガスにより可動ピストンを作動させて機械エネルギーを発生させ、当該機械エネルギーを発電機に供給して発電電力を発生させ、該発電機で生成した発電電力の一部を蓄電用電力として該蓄電ユニットに充電する。そのため、蓄電ユニットには第1、蓄電用電力が充電されるため、蓄電ユニットから常時、パルス電源に蓄電電力が供給され、該パルス電源によって電気式動力ガス発生器が常時、所定温度に加熱される。したがって、電気式動力ガス発生器からは連続的に可動ピストンに高温高圧動力ガスが供給されて機械エネルギーが発生する。そのため、雷や地震由来の大停電並びに電力会社による計画停電等に左右されることなく、住宅・建築物の年間一次エネルギー消費量を正味(ネット)でゼロにすることができる。 In the present invention, in a net zero energy building including a structure having an electrical facility and an energy conversion device that supplies power to the electrical facility, a sealed power cycle and a heat pump in which the energy conversion devices are thermally coupled to each other. And heat is generated from the refrigerant in the heat pump. Heat of the refrigerant is transmitted to the low-temperature and low-pressure working fluid of the sealed power cycle, and the low-temperature and low-pressure working fluid is compressed by a fluid compressor in the sealed power cycle to generate a high-temperature and high-pressure working fluid. Pulse electric power is generated by supplying the electric power stored in the electric storage unit to the pulse power source, and the electric power gas generator is heated to a predetermined temperature by the pulse electric power. On the other hand, a high-temperature high-pressure power gas is generated by bringing a high-temperature high-pressure working fluid generated by a fluid compressor into contact with the electric power gas generator. The movable piston is operated by the high-temperature high-pressure power gas to generate mechanical energy, the mechanical energy is supplied to a generator to generate generated power, and a part of the generated power generated by the generator is used as power for storage. The power storage unit is charged. For this reason, since the power storage unit is charged with the first power for storage, the power storage power is always supplied from the power storage unit to the pulse power source, and the electric power gas generator is constantly heated to a predetermined temperature by the pulse power source. The Therefore, high temperature and high pressure power gas is continuously supplied from the electric power gas generator to the movable piston to generate mechanical energy. For this reason, the annual primary energy consumption of houses and buildings can be reduced to the net (net) without being affected by major power outages derived from lightning or earthquakes and planned power outages by electric power companies.
また、蓄電ユニットには発電機の発電電力の一部を充電するため、小容量の蓄電ユニットを使用することができる。さらに、高圧作動流体をバッファアキュムレータで一時的に蓄圧して制御弁により最適な供給タイミングで取り出すため、高圧作動流体の脈動が抑制され、可動ピストンの回転ムラが防止され、発電機の回転ムラを少なくして発電機の出力電圧をより安定化して発電電力の品質を向上させることができる。しかも、バッファアキュムレータと制御弁とが可動ピストンのスタータとして機能するため、簡単で信頼性が高い始動が可能となる。 Further, since a part of the power generated by the generator is charged in the power storage unit, a small capacity power storage unit can be used. Furthermore, since the high pressure working fluid is temporarily accumulated with a buffer accumulator and taken out at the optimal supply timing by the control valve, the pulsation of the high pressure working fluid is suppressed, the rotation unevenness of the movable piston is prevented, and the rotation unevenness of the generator is reduced. By reducing it, the output voltage of the generator can be further stabilized and the quality of the generated power can be improved. In addition, since the buffer accumulator and the control valve function as a starter for the movable piston, a simple and highly reliable start is possible.
以下、図面に基づき、本発明によるネットゼロエネルギー支援システムを備えた建築物の実施例について詳細に説明する。図1に示した実施例において、ネットゼロエネルギー支援システムを備えた建築物(以下、ネットゼロエネルギー建築物と略称)はオフィスビルに適用したものとして示したが、本発明はこの適用例に限定されず、一般住宅、集合住宅、ホテル、病院、医療福祉施設、レストラン、学校、百貨店、スーパー、コンビニ、業務用ビル、公共施設、スポーツ施設、レジャーランド、鉄道施設、港湾施設、各種プラント施設等の建物、或いは、工場、浄水場、下水処理場等の建築物に適用しても良い。Hereinafter, an embodiment of a building provided with a net zero energy support system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the embodiment shown in FIG. 1, a building provided with a net zero energy support system (hereinafter abbreviated as a net zero energy building) is shown as being applied to an office building, but the present invention is limited to this application example. General housing, collective housing, hotels, hospitals, medical welfare facilities, restaurants, schools, department stores, supermarkets, convenience stores, commercial buildings, public facilities, sports facilities, leisure lands, railway facilities, port facilities, various plant facilities, etc. You may apply to buildings, or buildings, such as a factory, a water purification plant, and a sewage treatment plant.
図1において、ネットゼロエネルギー建築物10は、構造物10Sと、構造物10Sに配置された暖房・冷房設備、換気設備、給湯設備、照明等に係わる一次エネルギーを消費する構内電気設備10Eと、構内電気設備10Eに電力を供給する電力供給システム10Aとを備える。電力供給システム10Aは、エネルギー変換装置12を備え、エネルギー変換装置12は密閉動力サイクル15と、大気や建築物等の排気を含む低熱源Arの熱を汲み取って密閉動力サイクル15に熱伝達を行う蒸発器(熱交換器)EVoを有するヒートポンプHPとを備える。エネルギー変換装置12は、後述のごとく、ヒートポンプHPから熱伝達された低熱源Arの熱を利用して機械エネルギーを発生させ、出力軸132を介して該機械エネルギーを発電機16に供給して発電電力を生成してネットゼロエネルギー建築物10の構内電気設備10Eに供給する。 In FIG. 1, a net zero
密閉動力サイクル15は、ヒートポンプHPの冷媒から吸熱した低温低圧作動流体Wfを圧縮して高温高圧作動流体を生成する流体圧縮機(複合型圧縮機)27と、流体圧縮機27から吐出された高温高圧作動流体Wfpを逆止弁29を介して一時的に蓄圧する摺動ピストン及びバネ手段30aを内蔵した蓄圧室30bを有するバッファアキュムレータ30と、バッファアキュムレータ30のアウトレット30cから供給される高温高圧作動流体Wfpの供給タイミング(流通期間)を制御する電磁弁からなる制御弁32と、バッファアキュムレータ30から供給された高温高圧作動流体Wfpを加熱して瞬時に高温高圧動力ガスSCfを発生させる電気式動力ガス発生器42と、高温高圧動力ガスを作動室116内において爆発的に膨張させて機械エネルギーに変換する可動ピストン(ロータリピストン本体)200を備えていて、出力軸132を介して該機械エネルギーを取り出すとともにその一部を流体圧縮機27に伝達する回転式流体機械40と、ヒートポンプHPで汲み取った低熱源Arの熱を利用して生成した冷熱により回転式流体機械40の膨張ガスを冷却する冷却器43とを備える。 The
本実施例において、密閉動力サイクル15の作動流体及びヒートポンプHPの冷媒としては、本発明を限定するものではないが、自然界に存在する安全な物質であり、極めて安価に手に入れることができる理由から、オゾン層破壊係数がゼロで地球温暖化係数が1の自然冷媒である二酸化炭素(以下、CO2と略称する)を利用する。説明の便宜上、密閉動力サイクル15の作動流体をCO2作動流体、ヒートポンプHPの冷媒をCO2冷媒と称する。 In the present embodiment, the working fluid of the sealed
バッファアキュムレータ30のバネ手段30aは、蓄圧室30bのCO2作動流体が第1所定圧、例えば、20〜60MPaの圧力範囲に維持されるように選択される。したがって、密閉動力サイクル15において、逆止弁29と制御弁32との間の第一圧力経路における圧力は20〜60MPaに設定され、回転式流体機械40のアウトレット126と圧縮機27のインレット356bとの間の第二圧力経路は第2所定圧、例えば、3〜6MPaの間の所定値に設定されるようにCO2作動流体が密閉動力サイクル15に充填される。CO2作動流体を利用して第2所定圧を3MPaに設定した場合は、液化CO2は−6℃で蒸発し、第2所定圧を6MPaに設定した場合は、液化CO2は約22.8℃で蒸発する。したがって、第2所定圧はこれらの圧力範囲において自由に選択することができる。 The spring means 30a of the
ヒートポンプHPにおいて、低圧側経路のCO2冷媒は3〜6MPaの間の所定値となるように充填される。その目的は、圧縮機27がCO2作動流体及びCO2冷媒を圧縮する際に、容易にCO2作動流体及びCO2冷媒が超臨界状態下で圧縮され、圧縮機27の駆動に必要な動力を大幅に低減するからである。このように、第2所定圧は、ヒートポンプHPの冷熱により可動ピストンの膨張ガスが容易に液化する圧力に設定される。密閉動力サイクル15の作動中にはバッファアキュムレータ30のバネ手段30aに抗して、蓄圧室30bに高温高圧作動流体が蓄圧される。 In the heat pump HP, the CO2 refrigerant in the low-pressure side path is filled to a predetermined value between 3 and 6 MPa. The purpose is that when the
制御弁32は、本願発明者と同一発明者による特願2012−270756号(日本特許第5272278号)「超臨界エンジン及び超臨界エンジン駆動発電装置並びにこれを具備した次世代移動体」に記載されたものと同一の構造を有するため、詳細な説明を省略する。The
ヒートポンプHPは、密閉動力サイクル15と熱的に結合するように配置される。ヒートポンプHPは、熱交換器EV2(冷却器43)で蒸発して生成された液化冷媒に低熱源Arから吸熱させることで冷媒を蒸発させる蒸発器EVoと、流体圧縮機27に組み込まれ(内蔵され)ていて低温低圧蒸気Cmvを超臨界点以上の圧力まで圧縮して超臨界流体からなる高温高圧冷媒Cmpを生成する冷媒圧縮機として機能する冷媒圧縮手段P2(図2参照)と、高温高圧冷媒Cmpの熱を低温低圧CO2作動流体Wfoに放熱して低温高圧冷媒Cmoを生成する放熱器として機能する第1熱交換器EV1と、低温高圧冷媒Cmoを減圧して蒸発・膨張させることにより低温低圧冷媒(−10℃;3MPa)CMcを生成する膨張器47と、該冷熱を利用して回転式流体機械40の膨張ガスを冷却しながら低温低圧液化冷媒を生成する冷却器43として機能する第2熱交換器Ev2とを備える。 The heat pump HP is arranged to be thermally coupled to the sealed
ヒートポンプHPの蒸発器EVoは大気中或いはビル・工場の空調の排気側に配置したコイル状の金属性パイプを備える。パイプ熱交換器EVoに流れる低温低圧CO2冷媒に湿り蒸気があると、冷媒が低熱源Arから吸熱して過熱蒸気の低温低圧冷媒Cmvが生成される。低温低圧冷媒蒸気Cmvは圧縮機27のインレット356Bに供給され、圧縮機27の冷媒圧縮手段P2により圧縮されて高温高圧(例えば、110℃、40MPa)となり、超臨界状態の高温高圧CO2冷媒Cmpが生成される。 The evaporator EVo of the heat pump HP includes a coiled metal pipe disposed in the air or on the exhaust side of air conditioning in a building or factory. If wet steam is present in the low-temperature and low-pressure CO2 refrigerant flowing through the pipe heat exchanger EVo, the refrigerant absorbs heat from the low heat source Ar, and low-temperature and low-pressure refrigerant Cmv of superheated steam is generated. The low-temperature and low-pressure refrigerant vapor Cmv is supplied to the
第2熱交換器EV2において膨張ガスを冷却して得た低温低圧CO2作動流体は第1熱交換器EV1を介して高温高圧冷媒Cmpから熱移送をされ、CO2作動流体Wfとして圧縮機27のインレット356Aに循環される。以後、同一のヒートポンプサイクル及び動力サイクルが繰り返し実行される。なお、作動流体として低沸点(沸点15.3℃)のR245raHFC冷媒を使用しても良い。 The low-temperature and low-pressure CO2 working fluid obtained by cooling the expansion gas in the second heat exchanger EV2 is heat-transferred from the high-temperature and high-pressure refrigerant Cmp via the first heat exchanger EV1, and is supplied as the CO2 working fluid Wf to the inlet of the
図2より明らかなように、圧縮機27は、好ましくは、所定圧(例えば、3MPa)のCO2作動流体Wfを臨界圧力(例えば、20〜60MPa)まで圧縮して高圧CO2作動流体(CO2超臨界流体)Wfpを生成する流体圧縮手段P1と、低温低圧CO2冷媒Cmcを臨界圧まで圧縮して高温高圧CO2冷媒(超臨界冷媒)Cmpを生成する冷媒圧縮手段P2とを備えた複合型圧縮機から構成される。 As apparent from FIG. 2, the
図1及び図2に示すように、複合型圧縮機27は、電気式動力ガス発生器42に同心的に連結されたロータハウジング352と、密閉動力サイクル15に接続されて低温低圧CO2作動流体Wfを吸引する第1インレット356Aと、高温高圧CO2作動流体(超臨界流体)Wfpを吐出する第1アウトレット358Aと、低温低圧CO2冷媒Cmvを吸引する第2インレット356Bと、超臨界冷媒Cmpを吐出する第2アウトレット358Bと、インレット356A,356B及びアウトレット358A,358Bが開口するロータ作動室360と、回転式流体機械40の駆動軸132に圧入その他の連結手段で駆動連結されていてロータ作動室360に回転可能に収納された加圧ロータ362とを備える。 As shown in FIGS. 1 and 2, the
加圧ロータ362は、駆動軸132に形成されたメイン潤滑油供給通路132Lから径方向外側に延びる潤滑油通路362aと、潤滑油供給ポート362bと、潤滑油供給ポート362bからローブ364の外周端部に微量の潤滑油を供給可能な多孔質プラグ362cとを備える。メイン潤滑油供給通路132Lは、本願発明者と同一発明者による日本特許5103570号「回転式流体機械」に記載された潤滑油ポンプ等により潤滑油が供給される。 The pressurizing
複合型圧縮機27は、さらに、ロータ作動室360の内周面上を回転移動しながらインレット356A,356BからCO2作動流体Wf及び冷媒Cmをそれぞれ吸引すると共にこれら流体を超臨界圧まで圧縮しながらアウトレット358A,358Bから吐出する複数のローブ364と、ローブ364の径方向内側領域において周方向後縁部に形成された曲面摺動凹部366と、インレット356に隣接して加圧ロータ362に対して移動可能な可動弁368と、可動弁368と曲面摺動凹部366との間に形成された加圧チャンバ370とを備える。 The
可動弁368は、ロータハウジング352内に形成されたバルブ膨張室372に収納されて、ピボット軸374を介して回動するバルブエレメント376を備える。バルブエレメント376の先端部にはローブ364と曲面摺動凹部366とに接触しながら摺動する曲面シール部376aと連通開口部376bとを備える。ロータハウジング352に形成されたバネ収納部378には押圧バネ380がバルブエレメント376を加圧ロータ362側に押圧している。 The
回転式流体機械40の起動時に駆動軸132が、図2において、例えば、時計方向に回転駆動されると、複合型圧縮機27において、加圧チャンバ370にはインレット356A,356BからそれぞれCO2作動流体Wfと冷媒Cmが吸引され、それぞれ超臨界作動流体及び超臨界CO2冷媒としてアウトレット358A,358Bから吐出される。このように、圧縮機27の加圧ロータ362は流体圧縮手段P1と、冷媒圧縮手段P2の共通部品として機能する。 When the rotary
なお、複合型圧縮機27は本願発明者と同一発明者による特願2012−218058号「ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置」に記載されたロータリポンプと同一の構造を有するため、さらなる詳細な説明を省略する。 The
図3に示すように、電気式動力ガス発生器42は、回転式流体機械40に対してこれと同心的に連結された円筒状リアクタケーシング1100を備える。円筒状リアクタケーシング1100には、円筒状リアクタケーシング1100の内側とケーシング1100の中央内周部1114の径方向外側に形成されたセラミック等の絶縁耐熱層1116と、絶縁耐熱層1116の内側に形成されている動力ガス発生室1118が形成されている。円筒状リアクタケーシング1100の中央内周部1114は回転式流体機械40の出力軸132を通過可能にするための直径を有する内周壁部1114を備える。電気式動力ガス発生器42の吸入ポート1102は、径方向壁部1120に延びていて電磁弁32が装着されるとともに、径方向壁部1120には周方向に延びる複数の開口部1122を有する。動力ガス発生室1118のコーナー部1118a、1118bには対抗電極1124,1126がそれぞれ配置される。一対の電極1124,1126はパルス電源28に接続される。ケーシング1100には温度センサS2が装着され、温度信号Tがコントローラ60(図1参照)に供給され、パルス電力のパルス幅の制御用に利用される。 As shown in FIG. 3, the electric
動力ガス発生室1118には、対抗電極1124,1126の間に介在していて多数の管状通電加熱セグメント1134が充填される。パルス電力が供給されると、多数の管状通電加熱セグメント1134は通電発熱して作動流体の超臨界点以上の温度に昇温する。この温度は、パルス電源28によってパルス電力のデューティサイクルが所定値となるように制御されることによって調整される。これら管状通電加熱セグメント1134の隙間はアーク放電領域1136としても作用させることもできるが、超臨界領域が維持できれば、必ずしも、アーク放電を発生させる必要性はない。 The power
アーク放電を発生させる場合、管状通電加熱セグメント1134としては、例えば、外径6〜30mmの銅タングステンパイプを所定長さ(例えば、外形の0.5倍〜1.5倍の長さ)にカットした通電加熱パイプが挙げられる。図1において、管状通電加熱セグメント1134は動力ガス発生室1118において整列状態で配置されたものとして図示されているが、実際の適用例においては、所定圧力で圧接されて電気式接続関係に維持されていればランダム状態に配置されても良い。動力ガス発生室1118においてアーク放電を発生させない場合は、管状通電加熱セグメント1134として多数の所定長さにカットしたステンレスパイプやその他の高融点金属パイプを使用しても構わない。CO2超臨界流体は、管状通電加熱セグメント1134の隙間及び管状通電加熱セグメント1134の穴部を通過する。このとき、これら管状通電加熱セグメント1134の各部と衝突しながら加熱されて瞬時に高温高圧CO2超臨界流体からなる高温高圧動力ガスが生成される。したがって、CO2作動流体が利用された場合は、電気式動力ガス発生器42は瞬間超臨界流体発生器として機能する。 In the case of generating arc discharge, as the tubular
導電性高融点加熱手段としてはその他の材料から構成しても良い。例えば、銅タングステンボール、カーボンボール、作動流体を通過させるための溝を配置したバルク状導電性金属体、バルク状導電性カーボン、多孔性高融点金属体や高融点ハニカム金属体等を利用しても良い。動力ガス発生室1118に隣接してフイルタ部1106が配置され、フイルタ部1106には耐熱性の金属ワイヤー等から形成されたフイルタ1110が充填される。電磁弁32が所定周期で開弁されると、フイルタ1110を通過した超臨界流体Scfはフィルター1142で濾過された後、アウトレット1140から回転式流体機械40のインレット124に供給される。 The conductive high melting point heating means may be composed of other materials. For example, using a copper tungsten ball, a carbon ball, a bulk conductive metal body in which a groove for allowing a working fluid to pass, a bulk conductive carbon, a porous refractory metal body, a refractory honeycomb metal body, etc. are used. Also good. A
回転式流体機械40としては、好ましくは、本願発明者と同一発明者による日本特許第5103570号(発明の名称:回転式流体機械)、特願2012−195513号(発明の名称:回転式流体機械)、及び日本特許第5218929号(発明の名称:ロータリ燃焼機関、ハイブリッドロータリ燃焼機関及びこれらを具備した機械装置)に開示された回転式流体機械と同一構造のものやその他の公知の回転式流体機械でもよい。 The rotary
図1に戻って、エネルギー変換装置12において、発電機16は出力軸132に連結されて駆動されることにより発電電力を生成する。エネルギー変換装置12は、パルス電源28に蓄電電力を供給するための蓄電ユニット(蓄電システム)20を備える。発電機16で生成した発電電力の一部は変圧器22で所定電圧(例えば、12ボルト又は24ボルト)に降圧され、開閉器24を介して交直変換器26に送られて直流に変換された後、蓄電用電力として蓄電ユニット20に充電される。 Returning to FIG. 1, in the
発電機16のパワーラインPLにはパルストランス28及びカレントトランス50が接続されていて、電圧信号Vs及び電流信号Csがコントローラに出力される。パワーラインPLにはさらに電力計52、遮断器54及び系統連係装置56を介して商用電源(図示せず)に系統連係される。 A
蓄電ユニット20にはそれぞれ電圧及び電流を検出するための電圧センサ及び電流センサが接続される。これら電圧センサ及び電流センサの電圧検出値Vi及び電流検出値Iiはコントローラ60に出力され、コントローラ60はこれら入力信号に応答して残蓄電容量(SOC値:State of charge)を演算し、そのSOC値に基づいて遮断器24への指令信号を出力する。また、コントローラ60は、電圧信号Vs及び電流信号Isに基づいて遮断器54への出力信号を出力し、系統連係装置56の商用電源への系統連係タイミングを制御する。 The
コントローラ60は、例えば、所定の演算処理を実行するCPU(Central Processing Unit)と、所定の制御プログラムが記憶されたROM(Read Only Memory)と、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)と、例えばEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)を用いて構成される。コントローラ60は各種制御対象の制御パラメータを入力するための入力装置(図示せず)や装置始動用スイッチ等が接続されている。 The
蓄電ユニット20としては、望ましくは、パルス充放電サイクル用途に対応可能な市販のウルトラキャパシタモジュール(米国”Maxwell Technologies“社製)が挙げられる。その他の蓄電ユニットとしては、例えば、急速充放電型蓄電池(古河電池社製:商標名「ウルトラバッテリ」)、大容量電気二重層コンデンサからなるスーパーキャパシタ(トーキン製)、ナトリウムイオン電池、リチウムイオン電池やNi−MH電池(ニッケルー水素電池)やこれら電池と大容量電気二重層コンデンサを組み合わせたものから構成しても良い。 As the
蓄電ユニット20から供給された蓄電電力をパルス電源28に供給することで、パルス電源28は所定周期(例えば、50〜2000ヘルツ)のパルス電力を生成する。パルス電力において、パルス電圧は、好ましくは、12〜24ボルトの間で設定される。多数の管状通電加熱セグメント1134の間でアーク放電を発生させたい場合には、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力が電気式動力ガス発生器42に供給されるように回路設計しても良い。この時、エネルギー変換装置12の容量に応じて、パルス電力は、好ましくは、ピーク電流通電期間内において流れる50〜200アンペアのピーク電流と、ピーク電流の約十分の一の電流値を有し、オフピーク電流通電期間内において流れるベース電流とを有するように構成しても良い。電気式動力ガス発生器42において、多数の管状通電加熱セグメント1134にパルス電力が供給されると、二酸化炭素の臨界温度374℃以上の温度、例えば、250〜1000℃の温度に昇温する。この温度は、運転条件に合わせてパルス電力の電圧やデューティ比を制御することにより自由に選択することができる。高温高圧作動流体が管状通電加熱セグメント1134の外表面に順次接触することで、高温高圧動力ガスは超臨界状態下で加熱されて高温の超臨界流体Scfとなる。 By supplying the stored power supplied from the
パルス電源28は、好ましくは、ピーク電流とベース電流とからなるパルス電力を発生させるものであれば、直流パルス電源又は交流パルス電源のいずれでも良い。直流パルス電源としては、例えば、日本国特許第2587343号に開示されたようなパルスアーク溶接用電源装置に使用されるような回路構成が挙げられる。 The
図1において、バッファアキュムレータの圧力センサS1からの圧力信号PS、電気式動力ガス発生器42の温度センサS2からの温度信号T(図3参照)と、エネルギー変換装置12の出力軸132の回転数センサS3からの回転数信号SPがコントローラ60に送信される。入力装置(図示せず)からはカレンダー信号や、温度や圧力等のパラメータ設定信号が基準信号としてコントローラ60に入力される。コントローラ60には、蓄電ユニット20の電圧信号Viと電流信号Iiとが送信され、コントローラ60はこれら入力信号に応答して蓄電ユニット20の蓄電状態SOC(State of Charge)値を判別して開閉器24の接続状態を制御する。さらに、コントローラ60は、センサS1〜S3からの入力信号PS,T,SPに応答して電磁弁32を制御する。このとき、コントローラ60は、回転式流体機械40において膨張行程の全期間中に電磁弁32を開弁状態に維持するように制御する。したがって、回転式流体機械40のロータリピストン本体200には膨張行程の全期間中に高温高圧動力ガスが連続的に作用する。 In FIG. 1, the pressure signal PS from the pressure sensor S1 of the buffer accumulator, the temperature signal T (see FIG. 3) from the temperature sensor S2 of the electric
次に、本発明による建築物用ネットゼロエネルギー管理方法についてネットゼロエネルギー建築物10の作動に関連して説明する。 Next, the net zero energy management method for buildings according to the present invention will be described in relation to the operation of the net zero
ネットゼロエネルギー建築物10の作動において、始動用スイッチ(図示せず)が投入されると、コントローラ60によってパルス電源28が起動され、周期的なパルス電力が電気式動力ガス発生器(瞬間超臨界流体発生器)42に供給される。このとき、電気式動力ガス発生器42の管状通電加熱セグメント1134が通電して、例えば、800℃に達する。すると、電気式動力ガス発生器42の温度信号Tに応答してコントローラ60から電磁弁32に指令信号が出力され、電磁弁32は通電して開弁する。この時、バッファアキュムレータ30に蓄圧されていた高圧(例えば、40MPa)液体CO2Wfpが電気式動力ガス発生器42に供給される。そのとき、高圧液体CO2Wfpが高温の管状通電加熱セグメント1134の外表面に順次接触して撹拌されながら均一に昇温し、さらに、これら管状通電加熱セグメント1134の隙間や穴部を通過しながらさらに加温されて超臨界流体SCfが高温高圧動力ガスとして生成する。次に、超臨界流体SCfは回転式流体機械40のインレット124から膨張室116に流入して可動ピストン(ロータリピストン本体)200に作用して爆発的に膨張して機械エネルギーに変換されて出力軸132にトルクが発生する。 In the operation of the net zero
エネルギー変換装置12の始動時及び始動完了後において、出力軸132に発生したトルクで複合型圧縮機27が起動し、複合型圧縮機27内の流体圧縮手段P1と冷媒圧縮手段P2が同時に作動し、密閉動力サイクル15とヒートポンプHPが互いに同期して起動する。この時、ヒートポンプHPにおいて、蒸発器EVoでは冷媒が低熱源Arから吸熱して低温低圧冷媒Cmcの湿り蒸気を過熱蒸気Cmvとした後、過熱蒸気Cmvは冷媒圧縮手段P2で圧縮されて超臨界状態の高温高圧CO2冷媒を生成する。該高温高圧CO2冷媒Cmpは、熱交換器EV1で低温低圧作動流体に熱を移送して低温高圧CO2冷媒を生成する。低温高圧CO2冷媒は膨張器47で減圧されて膨張・蒸発して冷熱(例えば、−10℃:3MPa)Cmcを生成する。冷却器43(熱交換器EV2)はこの冷熱を利用して回転式流体機械40のアウトレット126から出た膨張ガスEgを冷却して液体CO2作動流体Wfoを生成する。液体CO2作動流体Wfoは熱交換器EV1を介してヒートポンプHPから熱を吸収して蒸発して気体状のCO2作動流体Wfを生成する。このとき、密閉動力サイクル15とヒートポンプHPの運転が同期して繰り返し実行され、ネットゼロエネルギー建築物10は地熱を利用して効率的に発電することができる。 The
エネルギー変換装置12の運転中において、発電機16の発電電力の一部は変圧器22で降圧した後、開閉器24及び交直変換器26を介して蓄電ユニット20に供給される。コンロローラ60は蓄電ユニット(システム)20の電圧信号Viと電流信号Iiに基づいて蓄電ユニット20のSOCが所定値に達したと判断すると、開閉器24を開放して蓄電用電力の供給を停止する。このように、エネルギー変換装置12の運転中には、発電機16の発電電力の一部が蓄電用電力として蓄電ユニット20に選択的に供給されるため、蓄電ユニット20は大容量にする必要がない。 During operation of the
以上、本発明の実施例によるネットゼロエネルギー建築物及び建築物用ネットゼロエネルギー管理方法が記載されたが、本発明はこの実施例に示された構成に限定されず、様々な変更が可能である。例えば、圧縮機は、複合型圧縮機からなるものとして説明したが、複合型圧縮機をそれぞれの機能に合わせて分離独立させた複数の圧縮機からなるように構成しても良い。また、流体圧縮手段と冷媒圧縮手段は、それぞれ1段で媒体を圧縮するものとして記載されたが、複数段の圧縮工程を実行できるように複数段の圧縮機を備えても良い。さらに、作動流体としてはCO2以外の作動媒体、例えば、アンモニア水やアンモニアと二酸化炭素との混合媒体又はその他の媒体を利用しても良い。 As described above, the net zero energy building and the net zero energy management method for building according to the embodiment of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the configuration shown in this embodiment, and various modifications are possible. is there. For example, although the compressor has been described as being composed of a composite compressor, the composite compressor may be composed of a plurality of compressors separated and independent in accordance with their respective functions. In addition, although the fluid compression unit and the refrigerant compression unit are described as compressing the medium in one stage, a plurality of stages of compressors may be provided so that a plurality of stages of compression steps can be performed. Further, as the working fluid, a working medium other than
10 ネットゼロエネルギー建築物;10A 電力供給システム;10S 構造物;10E 電気設備;12 エネルギー変換装置;14 出力装置;15 密閉動力サイクル;16 発電機;20 蓄電ユニット(蓄電システム);21 充電器;22,23 第1、第2蓄電装置;24、26 第1、第2切替制御器;25 オルタネータ;27 圧縮機(複合型圧縮機);28 パルス電源;30 バッファアキュムレータ;32 電磁弁;40 回転式流体機械;42 電気式動力ガス発生器(瞬間超臨界流体発生器);43 凝縮器(熱交換器);47 膨張器;56 開閉器;58 変圧器;60 コントローラ;Ar 低熱源;HP ヒートポンプ;EVo 蒸発器;EV1 熱交換器;EV2 冷却器10 Net Zero Energy Building; 10A Power Supply System; 10S Structure; 10E Electrical Equipment; 12 Energy Conversion Device; 14 Output Device; 15 Sealed Power Cycle; 16 Generator; 20 Power Storage Unit (Power Storage System); 21 Charger; 22, 23 First and second power storage devices; 24, 26 First and second switching controllers; 25 Alternator; 27 Compressor (composite compressor); 28 Pulse power supply; 30 Buffer accumulator; 32 Solenoid valve; 40
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