JP5601412B2 - Control method of heat supply system - Google Patents

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Description

本発明は、熱供給システムの制御方法に関する。   The present invention relates to a method for controlling a heat supply system.

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。   As a heat supply system, a configuration is generally known in which the heat of steam generated by a boiler is transmitted to an object (see, for example, Patent Document 1). In addition, a configuration in which heat of a heat pump medium is transmitted to an object is known. It is known that a heat pump has a relatively high energy utilization efficiency by utilizing heat outside the cycle (heat of a low-temperature heat source).

特開平6−249450号公報JP-A-6-249450

ボイラを用いたシステムは、一次エネルギー効率が比較的低い。一方、ヒートポンプを用いたシステムは、低温熱源から供給される熱量及び温度が不安定であると、熱需要に十分に対応できない状況が生じる可能性がある。   A system using a boiler has a relatively low primary energy efficiency. On the other hand, in a system using a heat pump, if the amount of heat and temperature supplied from a low-temperature heat source are unstable, there may be a situation where the heat demand cannot be sufficiently met.

本発明は、エネルギー効率の高い熱供給システムの制御方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the control method of a heat supply system with high energy efficiency.

本発明の態様に従えば、ヒートポンプで加熱した第1流体およびボイラで加熱した第2流体を混合部で混合し、前記混合部で混合された熱流体の熱を供給する熱供給システムの制御方法において、前記ヒートポンプに外部から供給される低温熱源の温度および流量に関する情報と、熱需要に関する情報と、前記ボイラの出口条件と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプで加熱された後に前記混合部に供給される前記第1流体の流量および温度と、前記ボイラで加熱された後に前記混合部に供給される前記第2流体の流量および温度と、を制御する熱供給システムの制御方法が提供される。   According to the aspect of the present invention, the control method of the heat supply system that mixes the first fluid heated by the heat pump and the second fluid heated by the boiler in the mixing unit and supplies heat of the thermal fluid mixed in the mixing unit. In the above, after mixing with the heat pump based on the information on the temperature and flow rate of the low-temperature heat source supplied from the outside to the heat pump, the information on the heat demand, the outlet condition of the boiler, and the primary energy efficiency Provided is a control method of a heat supply system for controlling the flow rate and temperature of the first fluid supplied to the section and the flow rate and temperature of the second fluid supplied to the mixing section after being heated by the boiler Is done.

また、第1流体を加熱するヒートポンプを含む第1装置と、第2流体を加熱する第2装置と、前記第1装置で加熱された前記第1流体の熱及び前記第2装置で加熱された前記第2流体の熱を外部に伝える出力装置と、前記ヒートポンプを全負荷と部分負荷の間で運転制御するとともに、前記第2装置で加熱された前記第2流体の供給量を制御する制御装置と、を備えた熱供給システムが提供される。
この熱供給システムによれば、ヒートポンプを全負荷と部分負荷の間で運転制御することにより、ヒートポンプを含む第1装置と他の第2装置との組み合わせの最適化が図られ、その結果、エネルギー効率の向上が図られる。
A first device including a heat pump for heating the first fluid; a second device for heating the second fluid; the heat of the first fluid heated by the first device; and the second device heated by the second device. An output device for transmitting the heat of the second fluid to the outside, and a control device for controlling the operation of the heat pump between a full load and a partial load, and controlling the supply amount of the second fluid heated by the second device And a heat supply system comprising:
According to this heat supply system, by optimizing the operation of the heat pump between the full load and the partial load, the combination of the first device including the heat pump and the other second device can be optimized. Efficiency is improved.

第1実施形態を示す概略図である。It is the schematic which shows 1st Embodiment. ヒートポンプにおける圧縮機の性能曲線の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the performance curve of the compressor in a heat pump. 低温熱源の温度と部分負荷効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature of a low-temperature heat source, and partial load efficiency. 熱供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of operation | movement of a heat supply system.

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、熱供給システムS1を示す概略図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a heat supply system S1.

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を有する第1加熱装置(第1装置)12と、ヒートポンプ以外の加熱装置を有する第2加熱装置(第2装置)14と、出力装置16と、制御装置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。   As shown in FIG. 1, the heat supply system S1 includes a first heating device (first device) 12 having a heat pump (heat pump circuit) 20 and a second heating device (second device) 14 having a heating device other than the heat pump. And an output device 16 and a control device 18. The control device 18 comprehensively controls the entire system. The configuration of the heat supply system S1 can be variously changed according to design requirements.

第1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。   In the first heating device 12, the heat pump 20 is a device that pumps heat from a low-temperature object and applies heat to the high-temperature object by a cycle including evaporation, compression, condensation, and expansion processes. A heat pump generally has the advantage of relatively high energy efficiency and, as a result, relatively low emissions of carbon dioxide and the like.

本実施形態において、ヒートポンプ20は、吸熱部21、圧縮部22、放熱部23、及び膨張部24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出力装置16を流れる被加熱流体(水)を加熱する。   In the present embodiment, the heat pump 20 has a heat absorption part 21, a compression part 22, a heat radiation part 23, and an expansion part 24, which are connected via a conduit. In the heat pump 20, the working fluid flows in the conduit. In the present embodiment, the heat pump 20 heats the fluid to be heated (water) flowing through the output device 16 using the heat of the working fluid.

吸熱部21では、主経路25を流れる作動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、外部装置90の放熱管91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。放熱管91を流れる媒体(冷媒など)の熱がヒートポンプ20の吸熱部21に吸収される。熱源として、外部装置90の排熱を利用することも可能である。吸熱部21が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。   In the heat absorption part 21, the working fluid flowing through the main path 25 absorbs heat from a heat source outside the cycle (low temperature heat source). In this embodiment, the heat absorption part 21 of the heat pump 20 includes an evaporator that is thermally connected to the heat radiating pipe 91 of the external device 90 and in which the working fluid evaporates. The heat of the medium (refrigerant, etc.) flowing through the heat radiating pipe 91 is absorbed by the heat absorbing part 21 of the heat pump 20. It is also possible to use the exhaust heat of the external device 90 as a heat source. The heat absorption part 21 can also be configured to absorb the heat of other heat sources such as the atmosphere.

圧縮部22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22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22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22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。   The compression unit 22 compresses the working fluid by a compressor or the like. At this time, the temperature of the working fluid usually increases. The compression unit 22 can have a single-stage compression structure or a multistage compression structure that compresses the working fluid into a plurality of stages. The number of compression stages is set according to the specification of the heat supply system S1, and is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. Among the various compressors such as an axial flow compressor, a centrifugal compressor, a reciprocating compressor, and a rotary compressor, a compressor suitable for compressing the working fluid is applied. Power is supplied to the compressor. In the compression unit 22 having a multistage compression structure, a multiaxial compression structure or a coaxial compression structure can be applied.

放熱部23は、圧縮部22で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路25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。   The heat radiating part 23 has a conduit through which the working fluid compressed by the compressing part 22 flows, and gives heat of the working fluid flowing in the main path 25 to a heat source (heated fluid) outside the cycle. The number of heat radiation units is set according to the specification of the system S1, and is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more.

膨張部24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24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22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であってもよい。   The expansion unit 24 expands the working fluid by a pressure reducing valve, a turbine, or the like. At this time, the temperature of the working fluid usually decreases. When a turbine is used, power can be taken out from the expansion unit 24, and the power may be supplied to the compression unit 22, for example. As a working fluid used in the heat pump 20, various known heat media such as a fluorocarbon medium (HFC 245fa, R134a, etc.), ammonia, water, carbon dioxide, air, and the like are selected according to the specifications and heat balance of the system S1. Used. At least a part of the working fluid flowing through the heat radiating portion 23 of the heat pump 20 may be in a supercritical state.

本実施形態において、第2加熱装置14は、ヒートポンプ以外の加熱装置として、ボイラ40を有する。本実施形態において、ボイラ40は、油やガスなどの燃料を燃焼させてその燃焼熱によって被加熱流体(水)を加熱する。ボイラ40としては公知の様々な形態が適用可能である。追加的又は代替的に、第2加熱装置14は、電気ヒータなどの他の加熱装置を有することができる。   In this embodiment, the 2nd heating apparatus 14 has the boiler 40 as heating apparatuses other than a heat pump. In this embodiment, the boiler 40 burns fuels, such as oil and gas, and heats a to-be-heated fluid (water) with the combustion heat. Various known forms can be applied as the boiler 40. Additionally or alternatively, the second heating device 14 can have other heating devices such as an electric heater.

出力装置16は、第1加熱装置12で加熱された流体の熱と、第2加熱装置14で加熱された流体の熱を外部に伝える。本実施形態において、出力装置16は、第1加熱部61と、第2加熱部62と、混合部63と、出力部64とを有する。出力装置16は、さらに、被加熱流体としての水が流れる導管と、流体制御用の弁などを有する。   The output device 16 transmits the heat of the fluid heated by the first heating device 12 and the heat of the fluid heated by the second heating device 14 to the outside. In the present embodiment, the output device 16 includes a first heating unit 61, a second heating unit 62, a mixing unit 63, and an output unit 64. The output device 16 further includes a conduit through which water as a fluid to be heated flows, a valve for fluid control, and the like.

第1加熱部61は、第1加熱装置12におけるヒートポンプ20の放熱部23に熱的に接続されかつ水が流れる導管を含む。第1加熱部61と放熱部23を含んで熱交換器31が構成される。熱交換器31は、低温の流体(出力装置16内の水)と高温の流体(ヒートポンプ20内の作動流体)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31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31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23の導管と第1加熱部61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23の導管を、第1加熱部61の導管の外周面や内部に配設することができる。第1加熱部61において、ヒートポンプ20の放熱部23からの伝達熱によって、導管内の水が温度上昇する。   The first heating unit 61 includes a conduit that is thermally connected to the heat radiating unit 23 of the heat pump 20 in the first heating device 12 and through which water flows. The heat exchanger 31 is configured including the first heating unit 61 and the heat dissipation unit 23. The heat exchanger 31 can have a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid (water in the output device 16) and a high-temperature fluid (working fluid in the heat pump 20) face each other. Alternatively, the heat exchanger 31 may have a parallel flow type heat exchange structure in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. In the present embodiment, various known heat exchange structures of the heat exchanger 31 can be employed. The conduit of the heat radiating unit 23 and the conduit of the first heating unit 61 are disposed in contact with or adjacent to each other. For example, the conduit of the heat radiating unit 23 can be disposed on the outer peripheral surface or inside of the conduit of the first heating unit 61. In the first heating unit 61, the temperature of the water in the conduit rises due to the heat transferred from the heat radiating unit 23 of the heat pump 20.

第2加熱部62は、第2加熱装置14に熱的に接続されかつ水が流れる導管を含む。本実施形態において、第2加熱部62はボイラ40の燃焼室に熱的に接続される。他の実施形態において、第2加熱部62は電気ヒータに熱的に接続されることができる。第2加熱部62において、ボイラ40の燃焼室からの伝達熱によって、導管内の水が蒸発して蒸気となる。   The second heating unit 62 includes a conduit that is thermally connected to the second heating device 14 and through which water flows. In the present embodiment, the second heating unit 62 is thermally connected to the combustion chamber of the boiler 40. In other embodiments, the second heating unit 62 can be thermally connected to an electric heater. In the second heating unit 62, the water in the conduit evaporates into steam due to the heat transferred from the combustion chamber of the boiler 40.

混合部(混合器)63には、少なくとも、第1加熱部61で加熱された熱流体と、第2加熱部62で加熱された熱流体とが流入する。混合部63においてそれらの熱流体を混合することができる。本実施形態において、前述したように、第1加熱部61からの熱流体は水(高温水)であり、また、第2加熱部62からの熱流体は蒸気である。混合部63は、ポンプなどの流体駆動機器を有することができる。本実施形態において、混合部63から加圧水(圧縮水)を出力することができる。   At least the thermal fluid heated by the first heating unit 61 and the thermal fluid heated by the second heating unit 62 flow into the mixing unit (mixer) 63. In the mixing part 63, those hot fluids can be mixed. In the present embodiment, as described above, the thermal fluid from the first heating unit 61 is water (high temperature water), and the thermal fluid from the second heating unit 62 is steam. The mixing unit 63 can include a fluid drive device such as a pump. In the present embodiment, pressurized water (compressed water) can be output from the mixing unit 63.

出力部64は、混合部63からの熱流体が流れる導管(放熱管)を有し、その熱流体の熱を外部に放出する。出力部64(放熱管)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。本実施形態において、出力部64は、所定の媒体が流れる吸熱管96に熱的に接続される。出力部64を流れる熱流体の熱が吸熱管96を流れる媒体に吸収される。吸熱管96を流れる温度上昇した媒体は、所定の外部装置95に供給される。他の実施形態において、所定の外部装置95の吸熱管が出力部64に熱的に接続されることができる。   The output unit 64 has a conduit (heat radiating pipe) through which the thermal fluid from the mixing unit 63 flows, and discharges the heat of the thermal fluid to the outside. The number of output units 64 (radiating tubes) is set according to the specification of the system S1, and is 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10 or more. In the present embodiment, the output unit 64 is thermally connected to an endothermic tube 96 through which a predetermined medium flows. The heat of the thermal fluid flowing through the output unit 64 is absorbed by the medium flowing through the heat absorption tube 96. The medium whose temperature has increased through the heat absorption tube 96 is supplied to a predetermined external device 95. In other embodiments, the heat sink tube of a given external device 95 can be thermally connected to the output unit 64.

出力部64の導管と、吸熱管96とを含んで熱交換器65が構成される。熱交換器65は、低温の流体と高温の流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65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65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。出力部64の導管と吸熱管96とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、吸熱管96を、出力部64の導管の外周面や内部に配設することができる。   A heat exchanger 65 is configured including the conduit of the output unit 64 and the heat absorption pipe 96. The heat exchanger 65 can have a countercurrent heat exchange structure in which a low-temperature fluid and a high-temperature fluid flow oppositely. Alternatively, the heat exchanger 65 may have a parallel flow type heat exchange structure in which a high-temperature fluid and a low-temperature fluid flow in parallel. In the present embodiment, various known heat exchange structures for the heat exchanger 65 can be employed. The conduit of the output unit 64 and the heat absorption tube 96 are arranged in contact with or adjacent to each other. For example, the endothermic tube 96 can be disposed on the outer peripheral surface or inside of the conduit of the output unit 64.

本実施形態において、出力装置16は、制御弁161とバイパス経路162とをさらに有する。比較的低温の流体(低温水)がバイパス経路162を流れることができる。例えば、制御弁161を制御することにより、混合部63への低温水の供給量、すなわち第1加熱部61とバイパス経路162との間の流量比を制御することができる。また、本実施形態において、出力装置16は、第2加熱部62から混合部63への蒸気の供給量を制御する制御弁163をさらに有する。   In the present embodiment, the output device 16 further includes a control valve 161 and a bypass path 162. A relatively cold fluid (cold water) can flow through the bypass path 162. For example, by controlling the control valve 161, the amount of low-temperature water supplied to the mixing unit 63, that is, the flow rate ratio between the first heating unit 61 and the bypass path 162 can be controlled. In the present embodiment, the output device 16 further includes a control valve 163 that controls the amount of steam supplied from the second heating unit 62 to the mixing unit 63.

蒸気のみの熱量補完では、混合部63の出口条件が蒸気(湿り蒸気)になる可能性がある。熱交換器65が加圧水を前提として設計されている場合は、必要に応じて、第1加熱部61に対して低温流体(低温水、給水)をバイパスさせて混合部63に供給することにより、混合部63の出口条件を加圧水にすることができる。   In the heat quantity complementation only with steam, the exit condition of the mixing unit 63 may be steam (wet steam). When the heat exchanger 65 is designed on the premise of pressurized water, by supplying low temperature fluid (low temperature water, feed water) to the first heating unit 61 and supplying it to the mixing unit 63 as necessary, The outlet condition of the mixing unit 63 can be pressurized water.

本実施形態において、システムS1は、熱出力後の流体を再利用するための戻り経路70を有する。出力部64からの放熱した後の流体が戻り経路70を流れる。戻り経路70からの流体(水)は、第1加熱装置12(ヒートポンプ20)に再び投入される。または、第2加熱装置14(ボイラ40)に再び投入される。出力部64からの余剰流体は、適宜に外部に排出することができる。流体の再利用により、運転コストの削減が図られる。   In the present embodiment, the system S1 has a return path 70 for reusing the fluid after heat output. The fluid after radiating heat from the output unit 64 flows through the return path 70. The fluid (water) from the return path 70 is input again to the first heating device 12 (heat pump 20). Or it is thrown into the 2nd heating apparatus 14 (boiler 40) again. Excess fluid from the output unit 64 can be appropriately discharged to the outside. By reusing the fluid, the operation cost can be reduced.

本実施形態において、システムS1は、外部装置95における熱需要情報(要求温度、要求流量)、ボイラ40の出力情報(温度、圧力など)、及びヒートポンプ20に対する低温熱源情報(外部装置90における排熱情報など)をそれぞれ検出するセンサを必要に応じて有する。制御装置18は、各種情報に基づき、システムS1全体を統括的に制御することができる。本実施形態において、制御装置18は、ヒートポンプ20を全負荷と部分負荷の間で運転制御することができる。本実施形態によれば、ヒートポンプ20の部分負荷運転とボイラ40によるバックアップとを含む制御により、システムS1全体のエネルギー効率の向上が図られる。   In the present embodiment, the system S1 includes heat demand information (required temperature, required flow rate) in the external device 95, output information (temperature, pressure, etc.) of the boiler 40, and low-temperature heat source information for the heat pump 20 (exhaust heat in the external device 90). Sensors for detecting information, etc.) as necessary. The control device 18 can comprehensively control the entire system S1 based on various information. In the present embodiment, the control device 18 can control the operation of the heat pump 20 between the full load and the partial load. According to the present embodiment, the control including the partial load operation of the heat pump 20 and the backup by the boiler 40 can improve the energy efficiency of the entire system S1.

また、本実施形態において、蒸気と高温水とを混合部63で混合し、混合した熱流体を熱供給に使用している。複数の相の流体を混合することにより、例えば高温水と高温水との同相混合に比べて、需要に応じた熱流体を柔軟に作成することができる。なお、複数相型の混合部63は、システム構成の簡素化にも有利である。さらに、バイパス経路162を介した低温水を混合部63に投入可能であるので、さらなる熱需要に対する柔軟性の向上が図られる。その結果、需要側から要求される流量及び温度を同時に満たすように、出力部64に熱流体を供給できる。このように、本実施形態によれば、需要側の比較的シビアな要求にも柔軟に対応することができる。   Moreover, in this embodiment, steam and high temperature water are mixed in the mixing part 63, and the mixed thermal fluid is used for heat supply. By mixing the fluids of a plurality of phases, for example, compared with in-phase mixing of high-temperature water and high-temperature water, a thermal fluid according to demand can be created flexibly. The multi-phase type mixing unit 63 is also advantageous in simplifying the system configuration. Furthermore, since the low temperature water via the bypass path 162 can be input to the mixing unit 63, the flexibility for further heat demand can be improved. As a result, the thermal fluid can be supplied to the output unit 64 so as to simultaneously satisfy the flow rate and temperature required from the demand side. Thus, according to the present embodiment, it is possible to flexibly cope with a relatively severe demand on the demand side.

ここで、混合部63の入口、出口におけるエネルギー保存則から以下の式(1)及び(1’)が成り立つ。なお、G:質量流量[kg/s]、h:エンタルピ[J/kg/K]、p:圧力[Pa]、T:温度[K]、W:熱量[J/s]であり、各式における添え字は、B;ボイラ、BP:バイパス、D:需要(デマンド)、h:ヒートポンプである。   Here, the following formulas (1) and (1 ′) hold from the energy conservation law at the inlet and outlet of the mixing unit 63. G: mass flow rate [kg / s], h: enthalpy [J / kg / K], p: pressure [Pa], T: temperature [K], W: heat quantity [J / s]. The subscripts in B are: B; boiler, BP: bypass, D: demand (demand), h: heat pump.

Figure 0005601412
Figure 0005601412
Figure 0005601412
Figure 0005601412

また、混合部63の入口、出口における質量保存則から以下の式(2)が成り立つ。   Moreover, the following formula | equation (2) is formed from the mass conservation law in the inlet of the mixing part 63, and an exit.

Figure 0005601412
Figure 0005601412

式(1)と式(2)から下記の式(3)及び式(4)が導き出される。   The following formulas (3) and (4) are derived from the formulas (1) and (2).

Figure 0005601412
Figure 0005601412
Figure 0005601412
Figure 0005601412

上記式(3)と式(4)から、ヒートポンプ20でhH=hD、GH=GDとなる熱量を供給することにより、GB=0、GBP=0となることがわかる。   From the above formulas (3) and (4), it can be seen that GB = 0 and GBP = 0 are obtained by supplying heat with the heat pump 20 such that hH = hD and GH = GD.

各エンタルピについては次のような例が考えられる;hB:150℃における飽和蒸気のエンタルピ、hBP:50℃における液のエンタルピ、hD:150℃における飽和液のエンタルピ、hH:150℃における飽和液のエンタルピ。   The following examples can be considered for each enthalpy; hB: enthalpy of saturated vapor at 150 ° C., hBP: enthalpy of liquid at 50 ° C., hD: enthalpy of saturated liquid at 150 ° C., hH: saturated liquid at 150 ° C. Enthalpy.

実際は、TH(つまりhHと同様)及びGHは、例えばヒートポンプ20における低温熱源の温度・流量に影響される。本実施形態では、低温熱源の流量・温度が変動する場合にも、ボイラ40からの蒸気で熱補完するとともに、ヒートポンプ20を全負荷と部分負荷の間で運転制御することにより、外部に安定して熱を供給することが可能である。   Actually, TH (that is, the same as hH) and GH are influenced by the temperature and flow rate of a low-temperature heat source in the heat pump 20, for example. In the present embodiment, even when the flow rate and temperature of the low-temperature heat source fluctuate, the heat is supplemented with steam from the boiler 40, and the heat pump 20 is controlled to operate externally between the full load and the partial load, thereby being stabilized to the outside. Heat can be supplied.

システムS1の一次エネルギー評価において、一例として以下の値が考えられる;COP(Coefficient of Performance、成績係数):3、発電効率:40%、ボイラ効率:90%。この場合、基本的にはヒートポンプ20の一次エネルギー効率は120%であり、ヒートポンプ20の稼働率を高めるのが有利である。
一次エネルギー効率=COP×発電効率×WH/WD+ボイラ効率×WB/WD
=3×0.4×100/100+0.9×0/100
=1.2
ただし、ヒートポンプ20においては、図2及び図3に示すように、部分負荷効率が定負荷効率より高いケースがある。具体的には、低温熱源の温度が高い場合、すなわち、圧力比が小さい場合、部分負荷の効率が比較的高くなるケースがある。ヒートポンプ20の部分負荷運転を含めてシステムS1全体を制御することにより、エネルギー効率の向上が図られる。例えば、上記例における全運転(100kW)時のCOPが3のヒートポンプ20において、部分負荷運転時(50kW)のCOPが5である。この場合、ヒートポンプ20の一次エネルギー効率は145%となる。
一次エネルギー効率=COP×発電効率×WH/WD+ボイラ効率×WB/WD
=5×0.4×50/100+0.9×50/100
=1.45
In the primary energy evaluation of the system S1, the following values can be considered as examples; COP (Coefficient of Performance): 3, power generation efficiency: 40%, boiler efficiency: 90%. In this case, basically, the primary energy efficiency of the heat pump 20 is 120%, and it is advantageous to increase the operating rate of the heat pump 20.
Primary energy efficiency = COP x power generation efficiency x WH / WD + boiler efficiency x WB / WD
= 3 x 0.4 x 100/100 + 0.9 x 0/100
= 1.2
However, in the heat pump 20, as shown in FIGS. 2 and 3, there are cases where the partial load efficiency is higher than the constant load efficiency. Specifically, when the temperature of the low-temperature heat source is high, that is, when the pressure ratio is small, the partial load efficiency may be relatively high. By controlling the entire system S1 including the partial load operation of the heat pump 20, the energy efficiency can be improved. For example, in the heat pump 20 having a COP of 3 in the entire operation (100 kW) in the above example, the COP of the partial load operation (50 kW) is 5. In this case, the primary energy efficiency of the heat pump 20 is 145%.
Primary energy efficiency = COP x power generation efficiency x WH / WD + boiler efficiency x WB / WD
= 5 x 0.4 x 50/100 + 0.9 x 50/100
= 1.45

図4は、システムS1の動作の一例を示すフローチャートである。
図4に示すように、まず、熱需要に関する情報(温度及び流量)、ボイラ40の出口条件(温度及び圧力)、給水条件、及びヒートポンプ20に対する低温熱源条件(温度及び流量)などの入力が行われる(ステップ201、202、203)。
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of the operation of the system S1.
As shown in FIG. 4, first, information such as information related to heat demand (temperature and flow rate), outlet conditions (temperature and pressure) of the boiler 40, water supply conditions, and low-temperature heat source conditions (temperature and flow rate) for the heat pump 20 are input. (Steps 201, 202, 203).

次に、入力された情報とヒートポンプ20の性能に関する情報とに基づき、熱需要を満足するようにヒートポンプ20の出力(温度及び流量)が決定される(ステップ204)。   Next, based on the input information and information on the performance of the heat pump 20, the output (temperature and flow rate) of the heat pump 20 is determined so as to satisfy the heat demand (step 204).

次に、ヒートポンプ20の出力だけで熱需要を満たすことができるか否かの判定が行われる(ステップ205)。熱需要を満たす場合、ボイラ40及びバイパス経路162からの流体の供給が無い条件が設定される(ステップ206)。熱需要を満たさない場合、式(3)及び式(4)を用いて、ボイラ40及びバイパス経路162からの流体供給量が決定される(ステップ207)。なお、熱需要を満たさない場合は、(1)システムS1からの熱供給流量が足りない場合、(2)熱供給温度が足りない場合、及び(3)熱供給流量及び熱供給温度ともに足りない場合、を含む。   Next, it is determined whether or not the heat demand can be satisfied only by the output of the heat pump 20 (step 205). When the heat demand is satisfied, a condition is set in which no fluid is supplied from the boiler 40 and the bypass path 162 (step 206). When the heat demand is not satisfied, the fluid supply amount from the boiler 40 and the bypass path 162 is determined using the equations (3) and (4) (step 207). When the heat demand is not satisfied, (1) the heat supply flow rate from the system S1 is insufficient, (2) the heat supply temperature is insufficient, and (3) the heat supply flow rate and the heat supply temperature are insufficient. If included.

次に、決定された熱流量配分に基づき、システムS1全体の一次エネルギー効率が算出される(ステップ208)。さらに、システムS1の一次エネルギー、経済性、環境性の評価を評価することができる(ステップ209)。この評価には、例えば経済性及び環境性などに関する所定の指標を用いることができる。   Next, the primary energy efficiency of the entire system S1 is calculated based on the determined heat flow distribution (step 208). Further, the evaluation of the primary energy, economic efficiency, and environmental performance of the system S1 can be evaluated (step 209). For this evaluation, for example, a predetermined index relating to economic efficiency and environmental performance can be used.

また、ステップ209において、熱流量の配分に関して最適化が完了したかどうかを判定することができる。未完了の場合は、ヒートポンプ20の出力を変更することができる(ステップ210)。この場合、全負荷と部分負荷との間におけるヒートポンプ20の所定の負荷状態について、上述したものと同様に、一次エネルギー効率が算出される。ヒートポンプ20の複数の負荷状態について計算を行い、その結果、ヒートポンプ20の負荷状態及び熱流量配分について最適値を得ることができる。すなわち、制御装置18は、ヒートポンプ20の負荷割合と、混合部63に対する高温水、蒸気、及び低温水の流量比とを最適化することができる。   Also, in step 209, it can be determined whether optimization has been completed with respect to heat flow distribution. If not completed, the output of the heat pump 20 can be changed (step 210). In this case, the primary energy efficiency is calculated in the same manner as described above for the predetermined load state of the heat pump 20 between the full load and the partial load. Calculation is performed for a plurality of load states of the heat pump 20, and as a result, optimum values can be obtained for the load state of the heat pump 20 and the heat flow distribution. That is, the control device 18 can optimize the load ratio of the heat pump 20 and the flow rate ratio of the high temperature water, steam, and low temperature water to the mixing unit 63.

上記一連のフローは、例えば、熱需要又は低温熱源条件が変化したときに実施することができる。システムS1は、最適条件に基づき、高いエネルギー効率で安定的な熱供給を実施可能である。   The above series of flows can be performed, for example, when the heat demand or the low temperature heat source conditions change. The system S1 can implement stable heat supply with high energy efficiency based on the optimum conditions.

試算により、部分負荷運転におけるヒートポンプ20の性能が全負荷のそれに比べて高い場合、ヒートポンプ20を部分負荷運転することにより、システムS1全体のエネルギー効率を向上させることが可能であることが確認された。   According to the trial calculation, when the performance of the heat pump 20 in the partial load operation is higher than that of the full load, it is confirmed that the energy efficiency of the entire system S1 can be improved by the partial load operation of the heat pump 20. .

なお、本実施形態においては、ヒートポンプ20からの熱流体の流量のみならず、温度が定格値から外れることも想定している。この場合、ボイラ40からの蒸気及びバイパス経路162からの冷温水の利用により、ヒートポンプ20から出力される熱流体を、需要側から要求される温度及び流量に容易に合わせることができる。その結果、システムS1は、ヒートポンプ20の自由度が広く、広い範囲で実質的な最大効率を得ることが可能である。   In the present embodiment, it is assumed that not only the flow rate of the thermal fluid from the heat pump 20 but also the temperature deviates from the rated value. In this case, by using steam from the boiler 40 and cold / hot water from the bypass path 162, the thermal fluid output from the heat pump 20 can be easily matched to the temperature and flow rate required from the demand side. As a result, the system S1 has a wide degree of freedom of the heat pump 20, and can obtain a substantial maximum efficiency in a wide range.

以上説明したように、本実施形態によれば、低温熱源から供給される熱量及び温度が不安定であっても、安定して熱需要に対応できる。また、ヒートポンプ20とボイラ40の出力比の最適化が図られ、その結果、一次エネルギーの削減に寄与できる。   As described above, according to the present embodiment, even if the amount of heat and temperature supplied from the low-temperature heat source are unstable, it is possible to stably meet the heat demand. Moreover, optimization of the output ratio of the heat pump 20 and the boiler 40 is achieved, and as a result, it can contribute to reduction of primary energy.

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。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to said embodiment. The numerical value used in the above description is an example, and the present invention is not limited to this. Additions, omissions, substitutions, and other modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The present invention is not limited by the above description, but only by the appended claims.

S1:熱供給システム、20:ヒートポンプ、12:第1加熱装置(第1装置)、14:第2加熱装置(第2装置)、16:出力装置、18:制御装置、40:ボイラ、61:第1加熱部、62:第2加熱部、63:混合部(混合器)、64:出力部、70:戻り経路、90,95:外部装置、161,163:制御弁、162:バイパス経路。 S1: heat supply system, 20: heat pump, 12: first heating device (first device), 14: second heating device (second device), 16: output device, 18: control device, 40: boiler, 61: First heating unit, 62: second heating unit, 63: mixing unit (mixer), 64: output unit, 70: return path, 90, 95: external device, 161, 163: control valve, 162: bypass path.

Claims (3)

ヒートポンプで加熱した第1流体およびボイラで加熱した第2流体を混合部で混合し、前記混合部で混合された熱流体の熱を供給する熱供給システムの制御方法において、
前記ヒートポンプに外部から供給される低温熱源の温度および流量に関する情報と、熱需要に関する情報と、前記ボイラの出口条件と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプで加熱された後に前記混合部に供給される前記第1流体の流量および温度と、前記ボイラで加熱された後に前記混合部に供給される前記第2流体の流量および温度と、を制御する熱供給システムの制御方法。
In the control method of the heat supply system in which the first fluid heated by the heat pump and the second fluid heated by the boiler are mixed in the mixing unit, and the heat of the thermal fluid mixed in the mixing unit is supplied.
Based on information on the temperature and flow rate of the low-temperature heat source supplied from the outside to the heat pump, information on heat demand, outlet conditions of the boiler, and primary energy efficiency, after being heated by the heat pump, in the mixing unit The control method of the heat supply system which controls the flow volume and temperature of the said 1st fluid supplied, and the flow volume and temperature of the said 2nd fluid supplied to the said mixing part after heating with the said boiler.
前記ヒートポンプをバイパスして前記混合部に供給される前記第1流体の供給量をさらに制御する
請求項1に記載の熱供給システムの制御方法。
The control method of the heat supply system according to claim 1, further controlling a supply amount of the first fluid supplied to the mixing unit by bypassing the heat pump.
前記一次エネルギー効率が最大となるように前記第1流体および前記第2流体における前記流量および前記温度を制御する
請求項1又は2に記載の熱供給システムの制御方法。
The control method of the heat supply system according to claim 1 or 2, wherein the flow rate and the temperature in the first fluid and the second fluid are controlled so that the primary energy efficiency is maximized.
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