JP5576185B2 - ハイブリッド熱供給装置 - Google Patents
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Description
同図は、横軸にエンジン回転速度を縦軸に出力を採ったものであり、通常の空気調和装置に採用される一般的なエンジンにおいて、エンジンが最大出力で運転される場合の出力を細実線及び一点鎖線で、エンジン駆動ヒートポンプに備えられるエンジン駆動圧縮機のみで空調を行う場合のエンジン出力(図上「従来のエンジン作動線P0=PQg+Pw」と記載)を太実線で示している。この図では、エンジン最大出力線として、「自己消費システムのエンジン最大出力線(図上下側に位置する細実線)」と「系統連系システムのエンジン最大出力線(図上上側に位置する一点鎖線)」を示しているが、前者は、装置で発電される電力を装置内で消費する場合にエンジンが出力する最大の出力線であり、後者は、装置で発電される電力を装置内で消費するとともに余剰分を装置外に出力する場合に、エンジンが出力する最大の出力線である。ここで、「系統連系システムのエンジン最大出力線(図上上側に位置する一点鎖線)は、「エンジン出力限界線」に一致する。
さらに、破線は等空調能力線であり、最細線はエンジン熱効率線である。
等空調能力線には、各線の端にq1〜q6としてその線に対応する空調能力を記載しているが、番号が進むに従って空調能力が高くなる(図4、図7、図8、図9で同じ)。
同様に、エンジン熱効率線には、各線の端にe1〜e7としてその線に対応する空調効率を記載しているが、番号が進むに従ってエンジン熱効率が高くなる(図4、図7、図8、図9で同じ)。
エンジンと、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、前記エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機とを備え、
前記発電機で発電された電力を受電して駆動力を発生するモータと、前記モータにより駆動されて冷媒を圧縮するモータ駆動圧縮機とを備え、
前記エンジン駆動圧縮機、第1熱交換器、膨張弁及び第2熱交換器を有して構成されるエンジン駆動ヒートポンプと、
前記モータ駆動圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張弁及び前記第2熱交換器を有して構成されるモータ駆動ヒートポンプとを備え、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合の要求熱負荷を取得する熱負荷取得手段と、
前記エンジンの回転速度と出力とを制御するエンジン制御手段とを備え、
前記エンジン制御手段に対して、
前記エンジン駆動ヒートポンプのみを運転して、前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷に対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度及びエンジン出力である基準出力に対して、エンジンを前記基準回転速度より低い低回転速度且つ前記基準出力より高い高出力で運転する低回転高出力運転制御手段を備え、
前記低回転高出力運転制御手段により低回転高出力運転を実行する低回転高出力運転状態で、当該低回転速度で前記エンジンにより前記エンジン駆動圧縮機を駆動するとともに、前記エンジンにより駆動される前記発電機から発生される電力で前記モータ駆動圧縮機を駆動し、前記要求熱負荷に対処するハイブリッド運転制御を実行することにある。
このハイブリッド熱供給装置では、要求熱負荷に対処するのに、エンジン駆動ヒートポンプとモータ駆動ヒートポンプとの両方を駆動する。
さらに、ここで、エンジンの作動状態としては、エンジン駆動ヒートポンプ単独で、要求熱負荷に対処する場合より、エンジンの回転速度が低く、その出力が高い状態で、エンジンで駆動力を発生させ、その駆動力の一部でエンジン駆動圧縮機を駆動する。一方、エンジンの駆動力の他部により発電機を駆動させて発電を行い、その発電電力で、モータ駆動ヒートポンプを駆動する。
結果、エンジンが発生する駆動力は、従来エンジン駆動ヒートポンプのみで要求熱負荷に対処する場合よりも高くできる。結果、エンジンをより効率の良い範囲で運転することが可能となり、結果的に、高効率のハイブリッド熱供給装置を提供できる。
さらに、エンジンを低回転速度で運転する場合、一般的には、駆動するエンジン駆動圧縮機の数、容量が同じであればエンジンでの燃料消費量を低減できる。
エンジン制御手段は、エンジンの回転速度と出力とを制御する。
そして、低回転高出力運転制御手段は、前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷に前記エンジン駆動ヒートポンプのみで対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度及びエンジン出力である基準出力に対して、エンジンを前記基準回転速度より低回転速度且つ前記基準出力より高出力で運転する指令を発生する。
エンジンと、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、前記エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機とを備え、
前記発電機で発電された電力で駆動されるモータと、前記モータにより駆動されて冷媒を圧縮するモータ駆動圧縮機とを備え、
前記エンジン駆動圧縮機、第1熱交換器、膨張弁及び第2熱交換器を有して構成されるエンジン駆動ヒートポンプと、
前記モータ駆動圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張弁及び前記第2熱交換器を有して構成されるモータ駆動ヒートポンプとを備え、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合の熱供給方法として、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合の要求熱負荷を取得し、
前記エンジン駆動ヒートポンプのみを運転して、取得される要求熱負荷に対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度及びエンジン出力である基準出力に対して、エンジンを前記基準回転速度より低い低回転速度且つ前記基準出力より高い高出力で運転し、
当該低回転高出力運転状態において、
当該低回転速度で、前記エンジンにより前記エンジン駆動圧縮機を駆動するとともに、前記エンジンにより駆動される前記発電機から発生される電力で前記モータ駆動圧縮機を駆動し、前記要求熱負荷に対処するハイブリッド運転制御を実行することとなる。
本発明においてエンジンを運転する場合の低回転速度及び高出力は、ハイブリッド熱供給装置に要求される要求熱負荷を求めた時点・時点で、上記の基準回転速度及び基準出力からエンジン特性に基づいて求めても良いし、予め、要求される要求熱負荷に対応した低回転速度と高出力を記憶情報として装置内に記憶させて、その記憶情報に基づいた運転を行うものとしてもよい。
前記低回転高出力運転制御手段で、前記エンジンを前記低回転速度で高出力運転する場合に、当該高出力を、前記エンジン駆動圧縮機に供給する出力と、前記発電機を介して前記モータ駆動圧縮機に供給する出力及び、システムに備えられる補助機器の運転に必要な出力の和として決定することが好ましい。
このようにして、エンジンが出力すべき出力を過不足なく、エンジン駆動ヒートポンプ、モータ駆動ヒートポンプ、補助機器の作動に使用できる。
前記低回転高出力運転制御手段で、前記エンジンが前記低回転速度で高出力運転される場合に、当該高出力を、エンジン効率が最大となる状態で得られる出力とすることが好ましい。
この構成にあっては、エンジンをその最大効率で使用できる。
前記エンジン効率が最大となる状態で得られる出力が、前記エンジン駆動ヒートポンプ、前記モータ駆動ヒートポンプ及びシステムに備えられる補助機器で消費されるとともに、前記発電機で発生される電力の余剰分がシステム外部に出力されることが好ましい。
この運転状態では、エンジンをその最大効率で駆動して、エンジン出力の余剰分で発電してシステム外部に供給できる。
前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷から対応する前記基準回転速度を導出する基準回転速度導出手段を備えるとともに、
前記エンジン駆動ヒートポンプ及び前記モータ駆動ヒートポンプを運転して、前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷に対処する運転状態で、
前記エンジン駆動ヒートポンプを駆動する駆動力と、前記モータ駆動ヒートポンプを駆動するための電力と補助機器を駆動するための電力とを前記発電機で発生する駆動力とが合算された合算駆動力を発生することができる最低の回転速度を、前記低回転速度として求める好適回転速度導出手段を備えることが好ましい。
このようにすることで、エンジンに許容されるエンジン回転速度の最低値を適切に求めることができる。
前記発電機で発電した電力を前記モータに供給する給電回路を備え、
前記エンジン駆動ヒートポンプの作動状態で、前記発電機で発電された電力が前記給電回路を経て前記モータに供給され、前記モータ駆動ヒートポンプが駆動される構成とされていることが好ましい。
この構成を採用することで、エンジンによりエンジン駆動圧縮機、ひいては、エンジン駆動ヒートポンプを駆動しながら、同時に発電機を駆動し、発電機で発生された電力をモータ駆動ヒートポンプの作動に使用できる。
前記第1熱交換器が冷媒と室外空気との間で熱交換を行う室外熱交換器であり、
前記第2熱交換器が冷媒と室内空気との間で熱交換を行う室内熱交換器であり、
前記室内空気から吸熱して前記室外空気に放熱する冷房運転と、前記室外空気から吸熱して前記室内空気へ放熱する暖房運転とを択一的に実行可能な空調装置として構成されることが好ましい。
この構成により、ハイブリッド熱供給装置を冷房運転又は暖房運転を実行できる空調装置として良好に駆動することができる。
本発明においては、先にも説明したように、ハイブリッド熱供給装置で発電される電力を全て装置内で消費する自己消費システムと、ハイブリッド熱供給装置で発電される電力を装置内で消費するとともに余剰分を装置外へ出力する系統連系システムを紹介する。
以下の説明では、先ず、自己消費システムについて説明し、次に、系統連系システムについて説明する。両システムにおいて、熱供給系の構成は同一であり(図1参照)、電気系の構成(図3及び図6参照)が異なることとなる。よって以下の説明では、自己消費システムで熱供給系及び電気系の構成を説明し、系統連系システムの説明においては、電気系のみを説明する。
本発明のハイブリッド熱供給装置は、従来技術と比較して、自己消費システム、系統連系システムの両方でエンジン効率の向上を図ることができる。
図1、図3は、それぞれ本発明に係るハイブリッド熱供給装置の実施形態の熱供給系及び電気系を示す概略構成図である。
即ち、室外機102と室内機101との間にヒートポンプHP(GHP,EHP)を備えており、空調装置として冷房運転を行う場合は、室内機101で室内空気から吸熱し、吸熱した熱を室外機102で室外空気へ放熱することで、室内の冷房を行うことができる。一方、空調装置として暖房運転を行う場合は、室外機102で室外空気から吸熱し、吸熱した熱を室内機101で室内空気へ放熱することで、室内の暖房を行うことができる。
図1に図示する前記第1熱交換器HC1、膨張弁V及び第2熱交換器HC2の記載順に冷媒が移流する場合は冷房運転となる。エンジン駆動圧縮機Cgからみて逆順である、第2熱交換器HC2、膨張弁V及び第1熱交換器HC1の順に、冷媒が移流する場合は暖房運転となる(図示省略)。
ここでも、冷媒回路は、室外機102、室内機101間に渡って設けられており、エンジン駆動圧縮機Cg及び第1熱交換器HC1が室外機102に、膨張弁V及び第2熱交換器HC2が室内機101に備えられている。
図1に図示する前記第1熱交換器HC1、膨張弁V及び第2熱交換器HC2の記載順に冷媒が移流する場合は冷房運転となる。モータ駆動圧縮機Ceからみて逆順である、第2熱交換器HC2、膨張弁V及び第1熱交換器HC1の順に、冷媒が移流する場合は暖房運転となる(図示省略)。
ここで、冷媒回路は、室外機102、室内機101間に渡って設けられており、モータ駆動圧縮機Ce及び第1熱交換器HC1が室外機102に、膨張弁V及び第2熱交換器HC2が室内機101に備えられている。
図1では、冷媒cの流れ方向として、圧縮機Cg,Ceから、第1熱交換器HC1,膨張弁V、第2熱交換器HC2を介して圧縮機Cg,Ceに戻る冷房運転を行っている状態を示している。この流れ方向とは逆に、圧縮機Cg,Ceから第2熱交換器HC2、膨張弁V、第1熱交換器HC1を介して、圧縮機Cg,Ceに戻す場合は暖房運転可能となる。このような冷房運転と暖房運転との択一切換え動作は、よく知られているように、圧縮機Cg,Ceの吐出口(図示省略)近傍に4方弁(図示省略)を備え、冷房運転では図1に示す形態で冷媒cが各機器を循環し、吸引口(図示省略)に戻ることとし、暖房運転では4方弁を択一切換え操作して、吐出口から冷媒cが各機器を循環し、吸引口に戻る構成を採用しておけば良い。
これまでも説明してきたように、この室外機102には、エンジンE、発電機G、エンジン駆動圧縮機Cg、モータM、モータ駆動圧縮機Ce、第1熱交換器HC1が備えられている。
前記エンジンEは、複数のエンジン駆動圧縮機Cgにそれぞれ伝達クラッチTCを介して連動連結されている。従って、伝達クラッチTCの連結状態を制御することにより、エンジン駆動圧縮機Cgから吐出される冷媒の量を制御可能である。
一方、エンジンEは、発電機Gにも伝達クラッチTCを介して連動連結されており、伝達クラッチTCの連結状態を制御することで、発電機Gにおいて発電するか否かも制御可能である。このようなエンジンE、エンジン駆動圧縮機Cg及び発電機Gの接続例を図2に示した。同図には、エンジン駆動圧縮機Cgは2台のみ示している。
さらに、モータ駆動圧縮機CeはモータMが駆動することで、圧縮動作を行うように構成されている。
以下、この室外機102の電気系の構成に関して説明する。
図3に示すように、発電機Gにより発電される電力は、発電制御部GCに備えられるAC/DC変換器Tを経て電力により作動する電力消費機器(モータM、冷却水循環ポンプP及び第1熱交換器HC1のファンf1)に供給される構成が採用されている。ここで、モータMは、モータ駆動ヒートポンプEHPの作動時に、冷却水循環ポンプPは、エンジン作動時に、さらに、第1熱交換器HC1のファンf1は、いずれかのヒートポンプHPの作動時に、それぞれ作動するため、発電機Gで発生された電力は、AC/DC変換器Tで直流に変換され、前記電力消費機器に供給されて、ハイブリッド熱供給装置100の作動の用に使用される。第1熱交換器HC1のファンf1も、ハイブリッド熱供給装置の補助機器Aとしての位置付けとなる。
また、室外機102の電気系には、バッテリーBが備えられており、余剰電力を蓄電可能に構成されているとともに、エンジン始動時に、セルモータSMに電力を供給してエンジンEの良好な始動が可能となっている。このバッテリーBからの電力は、当然、別の用途に使用してもよい。また、バッテリーBを備えなくてもよい。
A)へ供給する電力量を制御することで発電機Gでの発電量が制御され、エンジン出力のエンジン駆動ヒートポンプGHP、モータ駆動ヒートポンプEHPへの動力分配が行われる。
先にも説明したように、室内機101として、4台の室内機を備える例を示している。
図1からも判明するように、各室内機101の冷媒入り部近傍には、膨張弁V、流量制御弁FCが設けられるとともに、これら機器の下流側に第2熱交換器HC2が備えられている。
第2熱交換器HC2は、冷媒cが循環される熱交換部h2と当該熱交換部h2に室内空気raを循環させるファンf2とを備えて構成されており、ファンf2の回転により熱交換部h2内を循環する冷媒cと室内空気raとの熱交換を行う。第2熱交換器HC2を経た冷媒cは、室外機102側に戻る構成が採用されている。
図3には、この制御の構成を説明する機能ブロックも示している。
ハイブリッド熱供給装置100には制御装置103が設けられており、この制御装置103に、各室内機101に設けられている運転スイッチsw1からの操作情報が伝達されるように構成されている。
この制御装置103には、図示するように、熱負荷取得手段M1、エンジン制御手段M2、低回転高出力運転制御手段M3が備えられている。さらに、前記低回転高出力運転制御手段M3には、基準回転速度導出手段M3a及び好適回転速度導出手段M3bが備えられている。また、この制御装置103には記憶手段M4が備えられている。
熱負荷取得手段M1は、制御装置103に送られてくる各室内機101に設けられた運転スイッチsw1の操作情報に従って、装置100に要求される熱負荷の状態を取得するように構成されている。
エンジン制御手段M2は、エンジンEを、上記、熱負荷取得手段M1により取得される要求熱負荷に従って、本願独特の回転速度Rで、本願独特の出力Pを出力するように制御する。即ち、エンジンEの制御において、低回転高出力運転制御手段M3からの指令に従って回転速度目標値R1及び出力目標値P1を特定して、この回転速度目標値R1及び出力目標値P1でエンジンEが運転されるように装置が構成されている。
エンジン制御手段M2に対して、上記の本願独特の、要求熱負荷に対応した回転速度目標値R1及び出力目標値P1を決定する低回転高出力運転制御手段M3が備えられている。
この低回転高出力運転制御手段M3による、回転速度R及び出力Pの決定は、上述の要求熱負荷をエンジン駆動ヒートポンプGHPとモータ駆動ヒートポンプEHPの両方で処理することとし、エンジンEの出力Pに関して、一部をエンジン駆動ヒートポンプGHPを構成するエンジン駆動圧縮機Cgの駆動に使用し、他部を発電機Gによる発電に使用するものである。発電機Gにより発電された電力は、モータ駆動ヒートポンプEHPを構成するモータ駆動圧縮機Ceの駆動と、冷却水循環ポンプP、第1熱交換器HC1に備えられるファンf1等の補助機器Aの運転にも使用する。
図4は、発電電力の全てをハイブリッド熱供給装置100を構成する機器で消費する場合のエンジン出力及び空調能力の各機器間での分配関係を示す図である。
図5は、図4に示す基本概念に従って、ハイブリッド運転制御を行う場合のエンジンEの回転速度R及び出力Pの決定処理手順を示すフロー図である。
さらに、この図4には、エンジンEを高い効率で駆動することができるエンジン最大出力線を太実線(図上:「自己消費システムのエンジン最大出力線」と記載)で示している。この実際のエンジンEの最大出力線は、先に説明した制御装置103に備えられるエンジンEを高効率の状態で動かす場合の作動線であり、エンジンEの回転速度に対応した出力として記憶手段M4に記憶されている。破線は図9と同様に「等空調能力線」であり、最細線は「エンジン熱効率線」である。
従って、エンジンの回転速度が特定されると、エンジン最大出力線(作動線)上で、エンジンEが最大出力で運転される場合の回転速度R及び出力Pを求めることができる。
ここで、R0とP0は、それぞれ要求熱負荷をエンジン駆動ヒートポンプGHPのみで処理する場合のエンジン回転速度である基準回転速度R0、及びエンジン出力である基準出力P0である。
一方、R1とP1は、それぞれ、前記基準回転速度R0より低い本願独特の低回転速度R1、及び前記基準出力P0より高い本願独特の高出力P1である。
さらに、以下の説明及び図4において、要求される空調能力である要求熱負荷をQr、エンジン駆動ヒートポンプGHPが能力Qgを発生するために必要となるエンジン駆動圧縮機Cgを駆動するためのエンジン出力をPQg、モータ駆動ヒートポンプEHPが能力Qeを発生するために必要となるモータ駆動圧縮機Ceを駆動するためのエンジン出力をPQe、補助機器Aを駆動する電力wを発電するために必要となるエンジン出力をPwとして説明する。
注:図4及び、以降の説明から理解できると考えます。
Qr=Qg、
P0=PQg+Pw
一方、P1は、本発明におけるエンジン出力であるが、以下の関係が成立する。
Qr=Qg+Qe、
P1=PQg+PQe+Pw
このように、エンジン最大出力線上で運転する場合に関して、エンジンEの回転速度を決定する必要があるが、この回転速度は、先にも示したように、エンジン駆動ヒートポンプGHPのみを運転して、熱負荷取得手段M1により取得される要求熱負荷Qrに対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度R0に対して、エンジンEを基準回転速度R0より低い低回転速度R1として求められる。エンジンEの出力Pは、基準出力P0より高い高出力P1として求められる。
まず、熱負荷取得手段M1によりハイブリッド熱供給装置100に要求熱負荷Qr(装置に要求される空調負荷であり図5に「要求空調負荷」と記載)を取得する(ステップ1)。
この要求熱負荷Qrに基づいて、エンジン駆動ヒートポンプGHPのみを駆動してその要求熱負荷Qrに対処する場合にエンジンEが出力するために必要となる補助機器Aの消費電力をwとして求める(ステップ2)。
そして、これらの情報から、P0=PQg+Pwとしてエンジン出力P0を求めるとともに、このエンジン出力P0が得られる回転速度Rを基準回転速度R0として、基準回転速度導出手段M3aが、記憶手段M4に記憶されたエンジン特性から求める(ステップ3)。具体的には、図4に、細実線上で、基準出力P0を出力すべき回転速度R0を求める。
この運転状態(回転速度:基準回転速度R0、出力:基準出力P0)で、エンジン出力が、その回転速度で最大となっているかどうかを判定する(ステップ4)。エンジン出力が最大となっている場合は、その運転状態を現在採るべきエンジンの運転状態とする(ステップ4:yes、ステップ12)。エンジン出力が、上記の判定値であるエンジン最大出力値未満である場合は、基準とする運転状態を変更する必要があるものとして、新たな運転状態の探索に移る(ステップ4:no)。
好適回転速度導出手段M3bが、回転速度として、先に説明したエンジンに要求される出力P=PQr+Pw(ここで、PQrは要求熱負荷Qrの全てを発生するために必要となるエンジン出力でPQg+PQe)を出力できる最低の回転速度Rlowを求め、この回転速度までエンジン回転速度を下げる(ステップ5)。
引き続いて、先に判明している要求熱負荷Qrに基づいてモータ駆動ヒートポンプEHPが発生すべき能力QeをQe=Qr−Qgとして、導出する(ステップ7)。
この判定において、発電機Gが発電可能でない場合(ステップ8:no)は、エンジンの回転速度R1を所定の設定値x1のみ上げて(ステップ9)、ステップ6以降のステップを繰り返す。
発電機Gが発電可能である場合(ステップ8:yes)は、現在の回転速度R1でエンジン出力が最大になっているか否かを判定する(ステップ10)。判定において、エンジン出力最大ポイントとなっていれば、その運転状態を維持する(ステップ12)。
この判定において、エンジン出力が最大でない場合(ステップ10:no)は、エンジンの回転速度R1を所定の設定値x2のみ下げて(ステップ11)、ステップ6以降のステップを繰り返す。
以上説明したハイブリッド熱供給装置100では、発電機Gにより発電電力を全てハイブリッド熱供給装置100内で消費する例を示しているが、電力の余剰が発生した場合に商用系統に連系することも可能である。
図6に示すハイブリッド熱供給装置100aには、発電制御部GCの給電側である直流回路から分岐して、インバータIを備えた系統連系制御部CCを介して、商用系統と回路を接続する。従って、ハイブリッド熱供給装置100a側で電力の余剰分が発生する場合、系統連系制御部CCの働きにより、ハイブリッド熱供給装置100aから商用系統へ電力を出力することができる。
この系統連系システムでは、エンジンEの出力を、エンジンEが出力可能な最大出力(出力限界とする)で運転し、発電量が、図7において説明する電力供給側へ供給する電力量(モータM、補助機器Aに供給する電力量)を上回っている(余剰がある)場合には、その余剰分を、系統連系制御部CCにより制御して商用系統側へ出力する。
これらの図において、各線の意味は、先に図4で説明したのと同様である。
この図から判明するように、エンジンEはある回転速度のときに、その回転速度でのエンジン最大出力で運転される。即ち、太実線で示すエンジンEの作動線は、エンジン出力限界線に一致する。
このように、エンジンEを最大出力で運転した場合、回転速度が比較的低い領域で、エンジンEの出力は、空調負荷に対処するためにヒートポンプ(エンジン駆動ヒートポンプGHP及びモータ駆動ヒートポンプEHP)が必要とする駆動力より高くなる。したがって、図7に示すように、エンジン出力の余剰分で発電を行い、商用系統側へ電力を出力できる。図には「余剰分」と記載している。
この状態を従来型のエンジン駆動ヒートポンプGHPのみで空調負荷に対処する場合と比較すると、要求される空調能力(例えば、図7においてq2に示す等空調能力線の上側に位置する白○で示すP1点、或いはP0点で装置が発生する空調能力)に、エンジン駆動ヒートポンプGHPのみで対処する場合(P0点での運転状態)は、エンジン熱効率がe2程度であるのに対して、本願のように、エンジン駆動ヒートポンプGHP及びモータ駆動ヒートポンプEHPで対処する場合(P1点での運転状態)は、エンジン熱効率をe6程度に向上できる。ここで、e6>e2である。
このように、エンジン効率を高くすることが可能となるのは、低回転速度・高出力とする高効率な運転状態を選択したためである。
Qr=Qg、
P0´=PQg+Pw+余剰分
この状態を本願技術と比較すると、要求される空調能力がq2のポイントにおいて(図7においてq2に示す等空調能力線の上側に位置する白○で示すP1点、或いはP0点における空調能力)に対して、エンジン駆動ヒートポンプGHPのみで空調能力に対処し、余剰分を外部出力する場合(P0´点での運転状態)は、エンジン熱効率がe6であるのに対して、本願のように、エンジン駆動ヒートポンプGHP及びモータ駆動ヒートポンプEHPで対処する場合(P1点での運転状態)は、エンジン熱効率をe7程度に向上できる。ここで、e7>e6である。
(1)上記の実施形態では、エンジンをエンジン効率が最も高い状態で運転する場合に関して説明したが、前記低回転高出力運転制御手段は、前記エンジンが前記低回転速度で運転される運転形態として、従来行われてきた運転形態である、空調負荷等の要求熱負荷に、エンジン駆動ヒートポンプのみで対処する運転形態より、低回転速度・高出力であるエンジン効率が高くなる形態を決定するものとしておけば、本願の目的を達成することができる。
(2)上記の実施形態では、ハイブリッド熱供給装置に、基準回転速度導出手段を備えておき、要求熱負荷に対応して、基準回転速度R0,出力P0を導出して、好適な回転速度R1,出力P1を導出するものとしたが、予め、本願の手法に従って決定される好適な回転速度R1及び出力P1を記憶手段に記憶させておき、その記憶された情報に従ってエンジン、エンジン駆動ヒートポンプ、モータ駆動ヒートポンプを働かせてもよい。
(3)上記の実施形態では、〔自己消費システム〕及び〔系統連系システム〕の両方において、システムがカバーする全てのエンジン回転速度領域で、エンジン駆動ヒートポンプGHP及びモータ駆動ヒートポンプEHPの両方を運転して、要求熱負荷に対処する例を示した。
しかしながら、ヒートポンプの両方(GHP+EHP)を運転するシステム効率と、
例えば、システム外部(ハイブリッド熱供給装置外部)の電源(例えば商用電源)から電力の供給を受けてモータ駆動ヒートポンプEHPを単独で運転するEHP単独運転でのシステム効率とを比較して、EHP単独運転のほうが、効率が良い場合で、かつ、EHP単独運転で要求熱負荷に対処しえる場合(具体的には、例えば図4に示す自己消費システムのエンジン最大出力線の傾きが大きくなりエンジン熱効率が急激に低下する低エンジン出力領域)では、エンジンを停止して、EHP単独運転をすることも可能である。
ここで、システム効率とは、これまで説明してきた要求熱負荷に対処するために必要となるエネルギー量に対する要求熱負荷量の割合をいう。
この構成は、系統連系システムの場合は系統側から電力の供給を受けることができるのでそのままの構造で実現可能である。
(4)上記の実施形態では、発電電力に余剰分がある場合に関して、系統連系を行う場合を示したが、外部出力は、特定の電力消費先、特定の蓄電先を対象とする等、如何なる電力供給先(電力負荷)であってもよい。
(5)エンジンとしては、汎用のガスエンジンやディーゼルエンジンやガソリンエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
101 室内機
102 室外機
103 制御装置
104 系統連系制御装置
HP ヒートポンプ
GHP エンジン駆動ヒートポンプ
EHP モータ駆動ヒートポンプ
E エンジン
G 発電機
Cg エンジン駆動圧縮機
Ce モータ駆動圧縮機
HC1 第1熱交換器
HC2 第2熱交換器
V 膨張弁
c 冷媒
m1 第1合流路
m2 第2合流路
TC 伝達クラッチ
oa 室外空気
ra 室内空気
A 補助機器
B バッテリー
I インバータ
SM セルモータ(補助機器)
T AC/DC変換器
f1 ファン(補助機器)
f2 ファン
M1 熱負荷取得手段
M2 エンジン制御手段
M3 低回転高出力運転制御手段
M3a 基準回転速度導出手段
M3b 好適回転速度導出手段
M4 記憶手段
Claims (9)
- エンジンと、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、前記エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機とを備え、
前記発電機で発電された電力で駆動されるモータと、前記モータにより駆動されて冷媒を圧縮するモータ駆動圧縮機とを備え、
前記エンジン駆動圧縮機、第1熱交換器、膨張弁及び第2熱交換器を有して構成されるエンジン駆動ヒートポンプと、
前記モータ駆動圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張弁及び前記第2熱交換器を有して構成されるモータ駆動ヒートポンプとを備え、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合の要求熱負荷を取得する熱負荷取得手段と、
前記エンジンの回転速度と出力とを制御するエンジン制御手段とを備え、
前記エンジン制御手段に対して、
前記エンジン駆動ヒートポンプのみを運転して、前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷に対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度及びエンジン出力である基準出力に対して、エンジンを前記基準回転速度より低い低回転速度且つ前記基準出力より高い高出力で運転する低回転高出力運転制御手段を備え、
前記低回転高出力運転制御手段により低回転高出力運転を実行する低回転高出力運転状態で、当該低回転速度で前記エンジンにより前記エンジン駆動圧縮機を駆動するとともに、前記エンジンにより駆動される前記発電機から発生される電力で前記モータ駆動圧縮機を駆動し、前記要求熱負荷に対処するハイブリッド運転制御を実行するハイブリッド熱供給装置。 - 前記低回転高出力運転制御手段が、前記高出力を、前記エンジンを前記低回転速度で運転する場合に、前記エンジン駆動圧縮機に供給する出力と、前記発電機を介して前記モータ駆動圧縮機に供給する出力及び、システムに備えられる補助機器の運転に必要な出力の和として決定する請求項1記載のハイブリッド熱供給装置。
- 前記低回転高出力運転制御手段が、前記高出力を、前記エンジンが前記低回転速度で運転される場合に、エンジン効率が最大となる状態で得られる出力とする請求項1記載のハイブリッド熱供給装置。
- 前記エンジン効率が最大となる状態で得られる出力が、前記エンジン駆動ヒートポンプ、前記モータ駆動ヒートポンプ及びシステムに備えられる補助機器で消費されるとともに、前記発電機で発生される電力の余剰分がシステム外部に出力される請求項3記載のハイブリッド熱供給装置。
- 前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷から対応する前記基準回転速度を導出する基準回転速度導出手段を備えるとともに、
前記エンジン駆動ヒートポンプ及び前記モータ駆動ヒートポンプを運転して、前記熱負荷取得手段により取得される要求熱負荷に対処する運転状態で、
前記エンジン駆動ヒートポンプを駆動する駆動力と、前記モータ駆動ヒートポンプを駆動するための電力と補助機器を駆動するための電力とを前記発電機で発生する駆動力とが合算された合算駆動力を発生することができる最低の回転速度を、前記低回転速度として求める好適回転速度導出手段を備えた請求項1から4の何れか一項記載のハイブリッド熱供給装置。 - 前記発電機で発電した電力を前記モータに供給する給電回路を備え、
前記エンジン駆動ヒートポンプの作動状態で、前記発電機で発電された電力が前記給電回路を経て前記モータに供給される請求項1〜5の何れか一項記載のハイブリッド熱供給装置。 - 前記第1熱交換器が冷媒と室外空気との間で熱交換を行う室外熱交換器であり、
前記第2熱交換器が冷媒と室内空気との間で熱交換を行う室内熱交換器であり、
前記室内空気から吸熱して前記室外空気に放熱する冷房運転と、前記室外空気から吸熱して前記室内空気へ放熱する暖房運転とを択一的に実行可能な空調装置として構成される請求項1〜6の何れか一項記載のハイブリッド熱供給装置。 - 複数の前記室内熱交換器と前記室内熱交換器の数より少ない数の前記室外熱交換器とを備え、前記熱負荷取得手段が、前記複数の室内熱交換器の内、運転状態とされる前記室内熱交換器の数の増減や要求温度に伴って要求熱負荷が増減する形態で前記要求熱負荷を取得する請求項7記載のハイブリッド熱供給装置。
- エンジンと、前記エンジンにより駆動されて発電する発電機と、前記エンジンにより駆動されて冷媒を圧縮するエンジン駆動圧縮機とを備え、
前記発電機で発電された電力で駆動されるモータと、前記モータにより駆動されて冷媒を圧縮するモータ駆動圧縮機とを備え、
前記エンジン駆動圧縮機、第1熱交換器、膨張弁及び第2熱交換器を有して構成されるエンジン駆動ヒートポンプと、
前記モータ駆動圧縮機、前記第1熱交換器、前記膨張弁及び前記第2熱交換器を有して構成されるモータ駆動ヒートポンプとを備え、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合のハイブリッド熱供給装置における熱供給方法であって、
前記第1熱交換器での放熱又は吸熱に対応した前記第2熱交換器での吸熱又は放熱を行う場合の要求熱負荷を取得し、
前記エンジン駆動ヒートポンプのみを運転して、取得される要求熱負荷に対処する場合のエンジン回転速度である基準回転速度及びエンジン出力である基準出力に対して、エンジンを前記基準回転速度より低い低回転速度且つ前記基準出力より高い高出力で運転し、
当該低回転高出力運転状態において、
当該低回転速度で前記エンジンにより前記エンジン駆動圧縮機を駆動するとともに、前記エンジンにより駆動される前記発電機から発生される電力で前記モータ駆動圧縮機を駆動し、前記要求熱負荷に対処するハイブリッド運転制御を実行するハイブリッド熱供給装置における熱供給方法。
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