JP5445018B2 - 排熱回収方法、および排熱回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収方法、および排熱回収装置に関する。

熱供給システムとしては、ボイラで生成した蒸気の熱を対象物に伝える構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ヒートポンプの媒体の熱を対象物に伝える構成が知られている。ヒートポンプは、サイクル外の熱（低温熱源の熱）を利用することにより、エネルギー利用効率が比較的高いことが知られている。

特開平６−２４９４５０号公報

ヒートポンプを用いた熱供給システムでは、ヒートポンプに熱を供給するための排熱回収技術の確立が望まれている。

本発明は、ヒートポンプに好ましく適用可能な排熱回収方法及び排熱回収装置を提供す
ることを目的とする。

本発明の態様に従えば、ヒートポンプに熱を供給するための排熱回収方法であって、前記ヒートポンプからの熱が利用される第１熱装置の排熱を回収する工程と、前記ヒートポンプから熱的に離れた第２熱装置の排熱を回収する工程と、前記第１熱装置及び前記第２熱装置の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に第１蓄熱部に蓄える工程と、前記第１熱装置の排熱、前記第２熱装置の排熱、及び前記第１蓄熱部のうちの少なくとも１つを、前記ヒートポンプの熱源に割り当てる工程と、を含み、前記割り当てる工程は、前記第１熱装置の排熱を、前記ヒートポンプの熱源に優先的に割り当てる工程を含む排熱回収方法が提供される。

本発明の別の態様に従えば、ヒートポンプに熱を供給するための排熱回収装置であって、前記ヒートポンプからの熱が利用される第１熱装置の排熱を回収する第１熱回収部と、前記ヒートポンプから熱的に離れた第２熱装置の排熱を回収する第２熱回収部と、前記第１熱回収部及び前記第２熱回収部の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に蓄える第１蓄熱部と、前記第１熱回収部、前記第２熱回収部、及び前記第１蓄熱部のうちの少なくとも１つを、前記ヒートポンプの熱源に割り当てる制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１熱回収部を、前記ヒートポンプの熱源に優先的に割り当てる排熱回収装置が提供される。

本発明のさらに別の態様に従えば、第１熱装置に向けて第１流体を供給する供給装置と、第２流体が流れるヒートポンプであって、前記第２流体の熱が前記第１流体に伝達可能な前記ヒートポンプと、前記第１熱装置の排熱を回収する第１熱回収部と、前記ヒートポンプから熱的に離れた第２熱装置の排熱を回収する第２熱回収部と、前記第１熱回収部及び前記第２熱回収部の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に蓄える蓄熱部と、前記第１熱回収部、前記第２熱回収部、及び前記蓄熱部のうちの少なくとも１つを、前記ヒートポンプの熱源に割り当てる制御部と、を備えた熱供給システムが提供される。

本発明の態様によれば、排熱を利用した複数の熱源の割り当てが制御されることにより、ヒートポンプに好ましく適用可能な排熱回収方法及び排熱回収装置が提供される。
また、本発明の態様によれば、安定的な排熱利用により、ヒートポンプを使用してエネルギー効率の高い熱供給システムが提供される。

一実施形態を示す概略図である。 排熱回収装置の動作の一例を示すフローチャートである。 他の実施形態を示す概略図である。 排熱回収装置の動作の他の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、一実施形態における、排熱回収装置を含む熱供給システムＳ１を示す概略図である。

図１に示すように、熱供給システムＳ１は、ヒートポンプ（ヒートポンプ回路）２０を有する加熱装置１２と、供給装置１６と、排熱回収装置１７と、制御装置（制御部）１８とを備える。制御装置１８は、システム全体を統括的に制御する。熱供給システムＳ１の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。

加熱装置１２において、ヒートポンプ２０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ２０は、吸熱部２１、圧縮部（不図示）、放熱部２３、及び膨張部（不図示）を有し、これらは導管を介して接続されている。ヒートポンプ２０において、導管内を作動流体が流れる。本実施形態において、ヒートポンプ２０は、作動流体の熱を用いて供給装置１６を流れる被加熱流体（第１流体、空気など）を加熱することができる。

吸熱部２１では、導管（主経路）を流れる作動流体（第２流体）がサイクル外の熱源（低温熱源）の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、排熱回収装置１７の放熱部１６０に熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。放熱部１６０を流れる媒体の熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。排熱回収装置１７については後述する。

ヒートポンプ２０の圧縮部は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部は、単段圧縮構造、又は作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有することができる。圧縮の段数は、熱供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮部において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。

放熱部２３は、圧縮部で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、導管（主経路）内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。

ヒートポンプ２０の膨張部は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部に供給してもよい。ヒートポンプ２０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245fa、R134aなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。ヒートポンプ２０の放熱部２３を流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態になってもよい。

供給装置１６は、加熱装置１２（ヒートポンプ２０）を用いて加熱された流体（被加熱流体）を第１熱装置（外部装置）８１に供給する。本実施形態において、第１熱装置８１は、ヒートポンプ２０の放熱部２３からの熱が被加熱流体に伝わる加熱部７１を含む。

なお、本実施形態において、被加熱流体は空気であり、第１熱装置８１には高温の空気（乾燥用空気）が供給される。本実施形態において、第１熱装置８１は、乾燥対象物が乾燥される乾燥装置を含むことができる。産業用電気部品、汚泥、木材、樹脂、砂、家庭ごみ、産業ごみ、塗装物、産業用衣類、機械部品、食料品など、様々な物体を乾燥対象にできる。他の実施形態において、被加熱流体は乾燥用以外の空気、あるいは空気以外の流体にできる。空気以外の被加熱流体としては、例えば、水、圧縮水、薬品、粘性液などが挙げられる。また、他の実施形態において、第１熱装置８１は、乾燥装置以外の他の熱利用装置を含むことができる。

供給装置１６は、被加熱流体が流れる導管、ポンプなどの流体駆動機器、流体制御用の弁などを有することができる。追加的に、供給装置１６は、ボイラや電気ヒータなどを含む予備加熱装置を必要に応じて有することができる。

本実施形態において、供給装置１６からの被加熱流体（乾燥用空気）の出力温度は、熱需要に応じて変化できる。出力温度は、例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、又は２００℃以上にできる。

排熱回収装置１７は、第１熱装置８１の排熱を回収する第１熱回収部１１０と、第１熱装置８１とは異なる第２熱装置８２の排熱を回収する第２熱回収部１２０と、第１熱回収部１１０及び第２熱回収部１２０の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に蓄える第１蓄熱部１５０と、放熱部１６０とを有する。

本実施形態において、第１熱装置８１及び第２熱装置８２からの熱（排熱）が排熱回収装置１７を流れる熱媒体に伝わる。排熱回収装置１７の放熱部１６０を流れる熱媒体からの熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１を流れる作動流体に伝わる。排熱回収装置１７は、熱媒体が流れる導管、ポンプなどの媒体駆動機器、及び媒体制御用の弁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８などを有することができる。なお、配管構成は図１の構成に限定されず、様々に変更可能である。

本実施形態において、第２熱装置８２は、ヒートポンプ２０から熱的に離れている。すなわち、第１熱装置８１には、ヒートポンプ２０からの熱が供給されるのに対して、第２熱装置８２にはヒートポンプ２０からの熱は実質的に供給されない。また、第１熱装置８１は、ヒートポンプ２０の稼動に伴って稼動される。一方、第２熱装置８２は、ヒートポンプ２０の稼動状態とは実質的無関係に、独立的に稼動される。

第１熱回収部１１０は、第１熱装置８１からの排気が流れる排気管１１２と、排気管１１２と熱的に接続され、熱媒体が流れる吸熱導管１１４とを有する。第２熱回収部１２０は、第２熱装置８２からの排気が流れる排気管１２２と、排気管１２２と熱的に接続され、熱媒体が流れる吸熱導管１２４とを有する。他の実施形態において、第１熱回収部１１０（又は第２熱回収部１２０）は、排気を介さずに、第１熱装置８１（又は第２熱装置８２）の排熱を回収する構成にできる。

第１蓄熱部１５０は、第２熱回収部１２０からの熱媒体を少なくとも一時的に貯溜できる。第１蓄熱部１５０は、第２熱回収部１２０の吸熱導管１２４の下流部（出口側）に流体的に接続された高温熱媒体入口１５１と、第２熱回収部１２０の吸熱導管１２４の上流部（入口側）に流体的に接続された低温熱媒体出口１５２とを有する。また、第１蓄熱部１５０は、放熱部１６０の上流部（入口側）に流体的に接続された高温熱媒体出口１５５と、放熱部１６０の下流部（出口側）に流体的に接続された低温熱媒体入口１５６とを有する。

本実施形態において、第１蓄熱部１５０は、温度成層型タンクを有する。すなわち、第１蓄熱部１５０（蓄熱槽）において、高温熱媒体入口１５１及び高温熱媒体出口１５５が比較的高位置に配置され、低温熱媒体入口１５６及び低温熱媒体出口１５２が比較的低位置に配置される。高温熱媒体入口１５１及び高温熱媒体出口１５５の配置位置は、重力方向において低温熱媒体入口１５６及び低温熱媒体出口１５２の配置位置に比べて高い。第１蓄熱部１５０において、タンクの高位置に比較的高温の熱媒体からなる高温域層が形成され、タンクの低位置に比較的低温の熱媒体からなる低温域層が形成される。タンクにおいて、温度の異なる熱媒体の混合が抑制された状態で、熱媒体の入出力が行われる。温度成層型のタンクは、蓄熱にかかるコスト抑制に有利である。

本実施形態において、排熱回収に用いられる熱媒体は水である。すなわち、本実施形態において、熱媒体は第１及び第２熱回収部１１０、１２０で熱伝達媒体として使用されるとともに、第１蓄熱部１５０で蓄熱媒体として使用される。

他の実施形態において、熱伝達媒体と蓄熱媒体とを異ならせることができる。熱伝達用の媒体として、水の他に、例えば、薬品や、粘性液が挙げられる。蓄熱媒体（蓄熱材）として、水の他に、例えば、潜熱蓄熱材が挙げられる。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）、酢酸ナトリウム、酢酸ナトリウム三水塩、又は無機水和塩等を主成分とする材料等が挙げられる。蓄熱材して、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材、超臨界流体を用いた蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。

放熱部１６０は、ヒートポンプ２０の吸熱部２１に熱的に接続されかつ熱媒体（水）が流れる導管を含む。吸熱部２１と放熱部１６０とを含んで熱交換器１６５が構成される。熱交換器１６５は、低温の流体（ヒートポンプ２０の吸熱部２１内の作動流体）と高温の流体（排熱回収装置１７の放熱部１６０内の熱媒体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器１６５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。本実施形態において、熱交換器１６５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。放熱部１６０の導管と吸熱部２１の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１６０の導管を、吸熱部２１の導管の外周面や内部に配設することができる。熱交換器１６５において、排熱回収装置１７の放熱部１６０からの伝達熱をヒートポンプ２０の吸熱部２１が吸収する。

本実施形態において、制御装置（制御部）１８は、第１熱回収部１１０、第２熱回収部１２０、及び第１蓄熱部１５０のうちの少なくとも１つを、ヒートポンプ２０の熱源に割り当てることができる。割り当てにかかる制御は、例えば、弁２０１−２０８の制御（開閉制御、流量制御、又は流れ方向制御など）、及び流体駆動機器の運転制御を含む。こうした制御によりヒートポンプ２０の熱源として少なくとも以下の（１）、（２）、及び（３）を選択肢を定めることができる：（１）第１熱回収部１１０のみ、（２）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０、（３）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０＋第１蓄熱部１５０。

（１）第１熱回収部１１０：
第１熱回収部１１０の吸熱導管１１４を流れる熱媒体が、第１熱装置８１の排熱を回収する。吸熱導管１１４からの熱媒体が、放熱部１６０に供給される。放熱部１６０において、熱媒体からの熱がヒートポンプ２０の吸熱部を流れる作動流体に伝わる。

（２）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０：
第１熱回収部１１０の吸熱導管１１４を流れる熱媒体が、第１熱装置８１の排熱を回収する。また、第２熱回収部１２０の吸熱導管１２４を流れる熱媒体が、第２熱装置８２の排熱を回収する。吸熱導管１１４及び吸熱導管１２４からの熱媒体は、放熱部１６０に供給される。放熱部１６０において、熱媒体からの熱がヒートポンプ２０の吸熱部を流れる作動流体に伝わる。

（３）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０＋第１蓄熱部１５０：
第１熱回収部１１０の吸熱導管１１４を流れる熱媒体が、第１熱装置８１の排熱を回収する。また、第２熱回収部１２０の吸熱導管１２４を流れる熱媒体が、第２熱装置８２の排熱を回収する。また、第１蓄熱部１５０から高温熱媒体出口１５５を介して高温の熱媒体が出力される。吸熱導管１１４、吸熱導管１２４、及び第１蓄熱部１５０からの熱媒体は、放熱部１６０に供給される。放熱部１６０において、熱媒体からの熱がヒートポンプ２０の吸熱部を流れる作動流体に伝わる。

本実施形態において、制御装置１８は、第１熱回収部１１０（第１熱装置８１の排熱）を、ヒートポンプ２０の熱源に優先的に割り当てる。以下、排熱回収装置１７の動作について図２のフロー図を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１熱回収部１１０（第１熱装置８１の排熱）を第１熱源、第２熱回収部１２０（第２熱装置８２の排熱）を第２熱源、第１蓄熱部１５０を第３熱源、と適宜称する。

まず、第１熱装置８１における熱需要等を考慮して、ヒートポンプ２０に供給すべき目標熱量（吸熱部２１に供給される必要熱量、ヒートポンプ２０の駆動に必要な熱量に相当する排熱量）が算出される（ステップ３０１）。

次に、算出された目標熱量と、第１熱回収部１１０で回収される第１熱装置８１の排熱量（第１熱源の熱量）とが比較される（ステップ３０２）。

第１熱源の熱量が目標熱量以上の場合、その第１熱源（第１熱装置８１の排熱）のみを熱源として、ヒートポンプ２０が稼動される（ステップ３０３）。このとき、第１熱装置８１の排熱が余った場合には、その排熱余剰分を第１蓄熱部１５０に蓄えることができる。また、第２熱装置８２が稼動している場合、第２熱装置８２の排熱を第２熱回収部１２０で回収し、第１蓄熱部１５０に蓄えてもよい。すなわち、第２熱装置８２の排熱の余剰分を、第１蓄熱部１５０に蓄えることができる。

第１熱源の熱量が目標熱量未満の場合、第１熱回収部１１０で回収される第１熱装置８１の排熱量（第１熱源の熱量）及び第２熱回収部１２０で回収される第２熱装置８２の排熱量（第２熱源の熱量）の合計量（第１熱源＋第２熱源）と、目標熱量とが比較される（ステップ３０４）。

第１熱源及び第２熱源の合計熱量が目標熱量以上の場合、第１熱源（第１熱装置８１の排熱）と第２熱源（第２熱装置８２の排熱）とを熱源として、ヒートポンプ２０が稼動される（ステップ３０５）。このとき、第１熱装置８１及び／又は第２熱装置の排熱が余った場合には、その排熱余剰分を第１蓄熱部１５０に蓄えることができる。

第１熱源及び第２熱源の合計熱量が目標熱量未満の場合、第１熱源（第１熱装置８１の排熱）と第２熱源（第２熱装置８２の排熱）と第３熱源（第１蓄熱部１５０）とを熱源として、ヒートポンプ２０が稼動される（ステップ３０６）。

このように、本実施形態によれば、排熱を利用した複数の熱源の割り当てが制御される。排熱を安定的に回収することにより、高い効率で安定的にヒートポンプ２０を稼動することができる。

本実施形態において、ヒートポンプ２０の熱源として、第１熱装置８１の排熱（第１熱回収部１１０、第１熱源）が優先的に割り当てられる。すなわち、第１熱装置８１の排熱（第１熱回収部１１０、第１熱源）、第２熱装置８２の排熱（第２熱回収部１２０、第２熱源）、及び第１蓄熱部１５０（第３熱源）のうち、ヒートポンプ２０の熱源として、第１熱装置８１の排熱（第１熱源）の優先順位が最も高い。第１熱装置８１は、ヒートポンプ２０からの熱を利用するので、ヒートポンプ２０の稼動時には常に排熱を出す。第１熱装置８１の排熱の優先的な割り当ては、安定的な排熱回収に有利である。

本実施形態において、第２熱装置８２は、ヒートポンプ２０から独立した状態で稼動される。第２熱装置８２の排熱（第２熱回収部１２０の回収熱）は、ヒートポンプ２０の熱源として直接的に排熱回収装置１７の放熱部１６０に供給される、又は、第１蓄熱部１５０に蓄えられる。第１熱装置８１の排熱だけでは、ヒートポンプ２０の熱源として不十分な場合には、追加的に、第２熱装置８２の排熱が直接的に又は第１蓄熱部１５０を介してヒートポンプ２０に供給される。ヒートポンプ２０において、第１熱回収部１１０の他に、第２熱回収部１２０及び／又は第１蓄熱部１５０を予備的に熱源に利用することにより、熱需要の変動に柔軟に対応して出力を制御することができる。

本実施形態において、第１蓄熱部１５０の蓄熱は、少なくともヒートポンプ２０の稼動状況に応じて実行される。ヒートポンプ２０が停止し、第２熱装置８２が稼動しているとき、第２熱装置８２の排熱を第１蓄熱部１５０に蓄えることができる。また、ヒートポンプ２０が稼動し、第２熱装置８２が稼動しているとき、ヒートポンプ２０に供給されるべき必要熱量が第１熱装置８１の排熱のみでまかなえる場合、第２熱装置８２の排熱を第１蓄熱部１５０に蓄えることができる。なお、第１蓄熱部１５０をヒートポンプ２０の熱源に割り当てると同時に、第２熱装置８２の排熱（第２熱回収部１２０の回収熱）を第１蓄熱部１５０に蓄えてもよい。

本実施形態において、第２熱装置８２は、任意の時間帯に稼動できる。第２熱装置８２の排熱を使用した第１蓄熱部１５０の蓄熱を、電力料金の比較的安い時間帯に行うことにより、電力コストの低減が図られる。

本実施形態において、ヒートポンプ２０の運転開始直後に、第１蓄熱部１５０及び／又は第２熱装置８２の排熱（第２熱回収部１２０）をヒートポンプ２０の熱源として割り当てることができる。すなわち、稼動開始直後において、第１熱装置８１の排熱量が不十分である場合にも、上記の割り当てにより、安定的にヒートポンプ２０が運転開始される。

追加的に、ヒートポンプ２０の運転終了時において、第１熱装置８１からの排熱を使用して第１蓄熱部１５０の蓄熱を行うこともできる。余剰排熱を蓄えることにより、排熱利用効率の向上が図られる。

なお、本実施形態において、第１熱源、第２熱源、及び第３熱源の合計熱量が、目標熱量未満となる可能性がある場合、さらに別の熱源を予備的に使用してもよい。この別の熱源としては、例えば、別の熱装置、ボイラ、電気ヒータなどが挙げられる。

図３は、他の実施形態における、排熱回収装置を含む熱供給システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図３に示すように、熱供給システムＳ２は、熱供給システムＳ１と同様に、ヒートポンプ（ヒートポンプ回路）２０を有する加熱装置１２と、供給装置１６と、排熱回収装置１７と、制御装置１８とを備える。

排熱回収装置１７は、ヒートポンプ２０からの熱を利用する第１熱装置８１の排熱を回収する第１熱回収部１１０と、ヒートポンプ２０から熱的に実質的に離れた第２熱装置８２の排熱を回収する第２熱回収部１２０と、第１熱回収部１１０及び第２熱回収部１２０の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に蓄える第１蓄熱部１５０と、放熱部１６０とを有する。

本実施形態において、排熱回収装置１７は、さらに、第１及び第２熱装置８１、８２とは異なる第３熱装置８３の排熱を回収する第３熱回収部１３０と、第２蓄熱部１７０と、補ヒートポンプ１８０とを有する。排熱回収装置１７は、熱媒体が流れる導管、ポンプなどの媒体駆動機器、及び媒体制御用の弁２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０などを有することができる。なお、配管構成は図３の構成に限定されず、様々に変更可能である。

第３熱回収部１３０は、第３熱装置８３からの排気が流れる排気管１３２と、排気管１３２と熱的に接続され、熱媒体が流れる吸熱導管１３４とを有する。他の実施形態において、第３熱回収部１３０は、排気を介さずに、第３熱装置８３の排熱を回収する構成にできる。

本実施形態において、第３熱装置８３は、ヒートポンプ２０から熱的に離れている。すなわち、第３熱装置８３にはヒートポンプ２０からの熱は実質的に供給されない。第３熱装置８３は、ヒートポンプ２０の稼動状態とは実質的無関係に、独立的に稼動される。また、第３熱装置８３の排熱は、第１及び第２熱装置８１、８２に比べて低レベルである。例えば、第１及び第２熱装置８１、８２に比べて、第３熱装置８３の排熱の温度レベルが低い。

第２蓄熱部１７０は、第３熱回収部１３０からの熱媒体を少なくとも一時的に貯溜できる。第２蓄熱部１７０に貯溜される熱媒体は、第１蓄熱部１５０に比べて低レベルである。例えば、第２蓄熱部１７０は、第１蓄熱部１５０に比べて低い温度レベルの熱媒体を蓄える。第２蓄熱部１７０は、第３熱回収部１３０の吸熱導管１２４の下流部（出口側）に流体的に接続された高温熱媒体入口１７１と、第３熱回収部１３０の吸熱導管１３４の上流部（入口側）に流体的に接続された低温熱媒体出口１７２とを有する。

本実施形態において、第２蓄熱部１７０は、温度成層型タンクを有する。すなわち、第１蓄熱部１５０（蓄熱槽）において、高温熱媒体入口１７１が比較的高位置に配置され、低温熱媒体出口１７２が比較的低位置に配置される。高温熱媒体入口１７１の配置位置は、重力方向において低温熱媒体出口１７２の配置位置に比べて高い。第２蓄熱部１７０において、タンクの高位置に比較的高温の熱媒体からなる高温域層が形成され、タンクの低位置に比較的低温の熱媒体からなる低温域層が形成される。タンクにおいて、温度の異なる熱媒体の混合が抑制された状態で、熱媒体の入出力が行われる。

本実施形態において、第２蓄熱部１７０に貯溜される熱媒体は水である。第３熱回収部１３０と第２蓄熱部１７０とを含むユニットにおいて、熱媒体は第３熱回収部１３０で熱伝達媒体として使用されるとともに、第２蓄熱部１７０で蓄熱媒体として使用される。他の実施形態において、熱伝達媒体と蓄熱媒体とを異ならせることができる。

補ヒートポンプ１８０は、第１蓄熱部１５０及び第２蓄熱部１７０に熱的に接続される。具体的には、補ヒートポンプ１８０は、ヒートポンプ２０と同様に、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。本実施形態において、補ヒートポンプ１８０は、第２蓄熱部１７０に蓄えられた熱を汲み上げてその熱を第１蓄熱部１５０に与えることができる。

補ヒートポンプ１８０は、吸熱部１８２、圧縮部（不図示）、放熱部１８４、及び膨張部（不図示）を有し、これらは導管を介して接続されている。吸熱部１８２が第２蓄熱部１７０に熱的に接続され、放熱部１８４が第１蓄熱部１５０に熱的に接続される。本実施形態において、吸熱部１８２は、第２蓄熱部１７０のタンク内における比較的高位置（高温域層）に配置される作動流体用の導管を含む。放熱部１８４は、第１蓄熱部１５０のタンク内における比較的低位置（低温域層）に配置される作動流体用の導管を含む。

第２蓄熱部１７０を熱源として補ヒートポンプ１８０が稼動することにより、第３熱装置８３からの低レベルの排熱がヒートポンプ２０の熱源として使用可能となる。この熱源は、補ヒートポンプ１８０の稼動を必要とするので、比較的低い優先順位が与えられる。

なお、排熱回収装置１７は、必要に応じて、第３熱装置８３の余剰排熱を放熱するための冷却塔等の放熱部１９０を有することができる。例えば、第２蓄熱部１７０の蓄熱量が上限に達した場合において、第３熱装置８３の排熱が放熱部１９０を介して外部に放出される。

代替的又は追加的に、熱回収後の第１熱装置８１の排熱を使用して第２蓄熱部１７０の蓄熱を行うことができる。例えば、排熱回収装置１７は、第１熱回収部１１０における排気管１１２から排出される、熱回収後の流体の熱を第２蓄熱部１７０内の熱媒体に伝える構成にできる。同様に、熱回収後の第２熱装置８２の排熱を使用して第２蓄熱部１７０の蓄熱を行うこともできる。この場合、第３熱回収部１３０を省略してもよい。

本実施形態において、制御装置（制御部）１８は、第１熱回収部１１０、第２熱回収部１２０、第１蓄熱部１５０、及び第２蓄熱部１７０（第３熱回収部１３０）のうちの少なくとも１つを、ヒートポンプ２０の熱源に割り当てることができる。割り当てにかかる制御は、例えば、弁２０１−２１０の制御（開閉制御、流量制御、又は流れ方向制御など）、及び流体駆動機器の運転制御を含む。こうした制御によりヒートポンプ２０の熱源として少なくとも以下の（１）、（２）、（３）、及び（４）を選択肢を定めることができる：（１）第１熱回収部１１０のみ、（２）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０、（３）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０＋第１蓄熱部１５０、（４）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０＋第１蓄熱部１５０＋第２蓄熱部１７０。（１）、（２）、及び（３）は上記実施形態と同様である。

（４）第１熱回収部１１０＋第２熱回収部１２０＋第１蓄熱部１５０＋第２蓄熱部１７０：
第１熱回収部１１０の吸熱導管１１４を流れる熱媒体が、第１熱装置８１の排熱を回収する。また、第２熱回収部１２０の吸熱導管１２４を流れる熱媒体が、第２熱装置８２の排熱を回収する。また、第３熱回収部１３０の吸熱導管１３４を流れる熱媒体が、第３熱装置８３の排熱を回収するとともに、その回収熱が補ヒートポンプ１８０によって高レベルに変化し、第１蓄熱部１５０に与えられる。また、第１蓄熱部１５０から高温熱媒体出口１５５を介して高温の熱媒体が出力される。吸熱導管１１４、吸熱導管１２４、及び第１蓄熱部１５０からの熱媒体は、放熱部１６０に供給される。放熱部１６０において、熱媒体からの熱がヒートポンプ２０の吸熱部を流れる作動流体に伝わる。

本実施形態において、制御装置１８は、第１熱回収部１１０（第１熱装置８１の排熱）を、ヒートポンプ２０の熱源に優先的に割り当てる。また、制御装置１８は、第２蓄熱部１７０を、低い優先順位で、ヒートポンプ２０の熱源に割り当てる。以下、排熱回収装置１７の動作について図４のフロー図を参照して説明する。なお、以下の説明において、第１熱回収部１１０（第１熱装置８１の排熱）を第１熱源、第２熱回収部１２０（第２熱装置８２の排熱）を第２熱源、第１蓄熱部１５０を第３熱源、第２蓄熱部１７０（第３熱装置８３の排熱など）を第４熱源と適宜称する。

ステップ４０１−４０５は、上記実施形態のステップ３０１−３０５と同様である。

次に、第１熱源及び第２熱源の合計熱量が目標熱量未満の場合、第１熱回収部１１０で回収される第１熱装置８１の排熱量（第１熱源の熱量）、第２熱回収部１２０で回収される第２熱装置８２の排熱量（第２熱源の熱量）、及び第１蓄熱部１５０の出力熱量（第３熱源の熱量）の合計量（第１熱源＋第２熱源＋第３熱源）と、目標熱量とが比較される（ステップ４０６）。

第１熱源、第２熱源、及び第３熱源の合計熱量が目標熱量以上の場合、第１熱源（第１熱装置８１の排熱）と第２熱源（第２熱装置８２の排熱）と第１蓄熱部１５０を熱源として、ヒートポンプ２０が稼動される（ステップ４０７）。

第１熱源、第２熱源、及び第３熱源の合計熱量が目標熱量未満の場合、第１熱源（第１熱装置８１の排熱）と第２熱源（第２熱装置８２の排熱）と第３熱源（第１蓄熱部１５０）と第４熱源（第３熱装置８３の排熱など）を熱源として、ヒートポンプ２０が稼動される（ステップ４０８）。

なお、第４熱源を熱源としない場合には、第１蓄熱部１５０の蓄熱量、蓄熱変化量、タンク容量などを考慮して、補ヒートポンプ１８０の稼動が必要か否か判断される（ステップ４０９）。

ステップ４０９で不要と判断された場合には、補ヒートポンプ１８０は稼動しない（ステップ４１０）。

ステップ４０９で必要と判断された場合、又は第４熱源を熱源とする場合には、補ヒートポンプ１８０を稼動する（ステップ４１１）。

このように、本実施形態においても、排熱を利用した複数の熱源の割り当てが制御される。排熱を安定的に回収することにより、高い効率で安定的にヒートポンプ２０を稼動することができる。

本実施形態において、比較的低レベルである、第３熱装置８３の排熱も有効利用可能である。したがって、システム全体として、熱利用効率の向上が図られる。

本実施形態において、第１蓄熱部１５０の蓄熱量の変動に応じて、任意に補ヒートポンプ１８０を稼動することができる。補ヒートポンプ１８０の稼動により、いつでも第１蓄熱部１５０に熱を補充することができる。例えば、第１蓄熱部１５０の蓄熱量が所定値未満となった場合に、補ヒートポンプ１８０を稼動して第１蓄熱部１５０の熱補充が実行される。あるいは、第１蓄熱部１５０における時間あたりの熱減少量（熱消費率）が所定値以上である場合に、補ヒートポンプ１８０を稼動して第１蓄熱部１５０の熱補充が実行される。第１蓄熱部１５０の熱補充手段を備えることにより、排熱回収装置１７は、長期にわたり安定してヒートポンプ２０に熱を供給することができる。

本実施形態の熱供給システムＳ２における、エネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）を試算した。試算結果の一例において、ヒートポンプ２０のＣＯＰが３．３３、補ヒートポンプ１８０のＣＯＰが３．４７、システム全体のＣＯＰが３．００であった。本試算例において、第１熱装置８１に供給する乾燥空気の温度：１２０℃、排熱回収装置１７の放熱部１６０における熱媒体入口温度：９５℃、放熱部１６０における熱媒体出口温度５５℃、ヒートポンプ２０の出力が１０００ｋＷ、補ヒートポンプ１８０の出力が１１６．２ｋＷであった。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

Ｓ１、Ｓ２：熱供給システム、２０：ヒートポンプ、１２：加熱装置、１６：供給装置、１７：排熱回収装置、１８：制御装置（制御部）、２１：吸熱部、２３：放熱部、７１：加熱部、８１：第１熱装置、８２：第２熱装置、８３：第３熱装置、１１０：第１熱回収部、１２０：第２熱回収部、１３０：第３熱回収部、１５０：第１蓄熱部、１６０：放熱部、１７０：第２蓄熱部、１８０：補ヒートポンプ。

Claims (2)

1. ヒートポンプに熱を供給するための排熱回収方法であって、
   前記ヒートポンプからの熱が利用される第１熱装置の排熱を回収する工程と、
   前記ヒートポンプから熱的に離れた第２熱装置の排熱を回収する工程と、
   前記第１熱装置及び前記第２熱装置の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に第１蓄熱部に蓄える工程と、
   前記第１熱装置の排熱、前記第２熱装置の排熱、及び前記第１蓄熱部のうちの少なくとも１つを、前記ヒートポンプの熱源に割り当てる工程と、を含み、
   前記割り当てる工程は、前記第１熱装置の排熱を、前記ヒートポンプの熱源に優先的に割り当てる工程を含む排熱回収方法。
2. ヒートポンプに熱を供給するための排熱回収装置であって、
   前記ヒートポンプからの熱が利用される第１熱装置の排熱を回収する第１熱回収部と、
   前記ヒートポンプから熱的に離れた第２熱装置の排熱を回収する第２熱回収部と、
   前記第１熱回収部及び前記第２熱回収部の少なくとも一方からの回収熱を少なくとも一時的に蓄える第１蓄熱部と、
   前記第１熱回収部、前記第２熱回収部、及び前記第１蓄熱部のうちの少なくとも１つを、前記ヒートポンプの熱源に割り当てる制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第１熱回収部を、前記ヒートポンプの熱源に優先的に割り当てる排熱回収装置。

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