JP5703926B2 - 熱供給システム - Google Patents

Description

本発明は、温水暖房システムなどの熱供給システム、さらに詳しくは、不凍液や水などの熱媒を利用して暖房端末などの所望の負荷端末に熱供給を行なうように構成された熱供給システムに関する。

温水暖房システムの従来例として、図４に示すようなものがある（たとえば、特許文献１を参照）。
同図に示す温水暖房システムＳｅにおいては、補水タンク１に配管接続されたポンプＰを駆動させると、温水が第１および第２の往き流路６１，６２を経由して第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂに供給される。その後、これらを通過した温水は、戻り流路６５を経由して補水タンク１に戻り、一定経路で循環する。第１の負荷端末９Ａは、たとえば床暖房用パネル装置であり、いわゆる低温暖房端末である。第２の負荷端末９Ｂは、たとえばファンコンベクタであり、いわゆる高温暖房端末である。
第２の往き流路６２には、バーナ４により加熱される熱交換器２が設けられており、この熱交換器２によって加熱された温水を第２の負荷端末９Ｂに供給することが可能である。第１および第２の往き流路６１，６２は、逆止弁５０を備えたバイパス流路６３を介して接続されており、第１の往き流路６１の温水には、熱交換器２を通過して加熱された温水を所望の比率で混合させることが可能である。この混合比率は、第１の往き流路６１に設けられた流量調整用のバルブＶ３を利用して変更可能であり、この変更動作によって、第１の負荷端末９Ａに供給される温水の温度を変更可能である。第１の往き流路６１には、温度センサＳａが設けられており、制御部３ｅは、第１の負荷端末９Ａを運転させる際には、温度センサＳａによって検出される温度を、所望の目標温度に近付ける制御を実行するように構成されている。

このような温水暖房システムＳｅにおいては、ウォータハンマなどを防止する観点から、前記したバルブＶ３や、第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂが具備する温水流入制御用のバルブＶ１，Ｖ２を、熱動弁とするのが一般的である。バルブＶ１，Ｖ２が熱動弁である場合、ポンプＰの駆動を開始すると同時に、バルブＶ１，Ｖ２を開状態とする動作指令を行なったとしても、バルブＶ１，Ｖ２が全開状態になるまでは、たとえば１分程度を要し、弁開度が小さい期間中は、第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂに温水供給を適正に行なうことは困難である。これに対し、第２の往き流路６２には、この第２の往き流路６２の温水を戻り流路６５に導いて補水タンク１に戻すための補助流路６４が設けられている。このような構成によれば、バルブＶ１，Ｖ２の弁開度が小さい期間中は、温水を第２の往き流路６２から補助流路６４に流れ込ませて、一定の経路で循環させておくことが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、従来においては、第１の負荷端末９Ａを運転させる際には、温度センサＳａによる検出温度Ｔｈａを所定の目標温度Ｔhtとする制御が行なわれており、この制御は、第１の負荷端末９Ａを運転させるべくバルブＶ１の開弁動作指令（バルブＶ１への通電）がなされた時点から直ちに実行されているのが実情である。これに対し、バルブＶ１への開弁動作指令がなされた直後にあっては、バルブＶ１が熱動弁である場合には、その弁開度は小さく、既述したように、温水は第２の往き流路６２から補助流路６４を経由して補水タンク１に戻されるように循環している。このため、温度センサＳａが設けられた箇所
への湯水供給はなされない。このような状態では、熱交換器２を利用した温水加熱が行なわれたとしても、温度センサＳａによる検出温度Ｔｈａは適正に上昇しない。したがって、そのような期間中において、温度センサＳａによる検出温度Ｔｈａを目標温度Ｔhtとするように制御したのでは、温水が目標温度Ｔhtよりも高温に加熱されることとなる。これでは、温水が必要以上に加熱され、加熱に費やしたエネルギが無駄となる虞があるばかりか、温水循環時の放熱に起因する熱損失も多くなる。このような事態は、省エネを図る観点からすると、改善することが望まれる。また、従来においては、第１の負荷端末９Ａへの温水供給開始時に、目標温度Ｔhtよりも高温の温水が供給される不具合も生じる。

特公平７−１１３４５８号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、負荷端末の運転開始時におけるエネルギ消費量あるいはエネルギ損失を少なくし、従来よりも省エネ性に優れたものとすることが可能な熱供給システムを提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される熱供給システムは、熱媒用タンク内の熱媒を送出可能なポンプの下流側に分岐して設けられ、かつ前記熱媒を第１および第２の負荷端末に導くための第１および第２の往き流路と、前記第２の往き流路を流通する熱媒を加熱するための加熱手段と、この加熱手段によって加熱された熱媒を前記第１の往き流路に流入させることが可能に前記第１および第２の往き流路を繋ぐバイパス流路と、前記ポンプの駆動時において前記第１の負荷端末の熱媒流入制御用のバルブが閉状態であるときに、前記ポンプから前記第２の往き流路に送出された熱媒を前記熱媒用タンクに戻して一定の経路で循環させる熱媒循環回路が構成されるように、前記第２の往き流路を前記熱媒用タンクに繋ぐ補助流路と、前記第１の負荷端末に供給される熱媒の温度を検出可能に前記第１の往き流路に設けられた第１の温度センサと、前記第１の負荷端末に熱媒供給がなされる定常運転時において、前記第１の温度センサによる検出温度に基づき熱媒の加熱動作を制御する制御手段と、を備えている、熱供給システムであって、前記補助流路を通過して前記熱媒用タンクに戻される熱媒の温度を検出するための第２の温度センサをさらに備え、前記制御手段は、前記第１の負荷端末を運転させる場合において、前記第２の温度センサによる検出温度が、前記第１の温度センサによる検出温度よりも高いときには、非定常運転の制御を行ない、かつこの非定常運転の制御においては、前記第２の温度センサによる検出温度に基づき熱媒の加熱動作を制御するように構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、第１の負荷端末を運転させる場合において、前記第２の温度センサによる検出温度が、前記第１の温度センサによる検出温度よりも高いときには、第１の負荷端末の熱媒流入制御用のバルブが未だ閉状態にあり、熱媒は熱媒循環回路を循環し、第１の温度センサの設置箇所に供給されていないものと考えられる。このような期間中においては、非定常運転の制御がなされ、第２の温度センサによる検出温度に基づいて熱媒を加熱する制御が行なわれる。この第２の温度センサによる検出温度は、加熱手段によって加熱されて熱媒循環回路を循環する熱媒の実際の温度を示すものであるため、熱媒の加熱動作としては、実際の熱媒温度に対応した加熱動作制御が適切に実行されることとなる。したがって、第１の負荷端末のバルブが未だ閉状態にあるにも拘わらず、第１の温度センサによる
検出温度に基づいて熱媒加熱動作が行なわれていた従来技術とは異なり、熱媒を必要以上に高温に加熱するといった無駄を無くすことが可能となる。その結果、第１の負荷端末の運転開始時におけるエネルギ消費量あるいはエネルギ損失を、従来技術よりも少なくし、省エネ性に優れたものとすることができる。

本発明において、好ましくは、前記制御手段は、前記定常運転時においては、前記第１の温度センサによる検出温度を所定の目標温度とする制御を実行し、かつ前記非定常運転の制御においては、前記第２の温度センサによる検出温度を所定の目標温度とする制御を実行するように構成されている。

このような構成によれば、定常運転時には第１の負荷端末に対して適正な温度の熱媒供給が可能であることは勿論のこと、第１の負荷端末の運転開始時において、第１の負荷端末のバルブが未だ十分に開状態にはなく、熱媒が熱媒循環回路を循環している際に、熱媒を目標温度よりも高い温度で加熱することは適切に防止される。このため、不必要に熱媒が加熱されることを的確に防止し、また熱媒循環時における熱損失を少なくすることができる。さらに、目標温度よりも高温の熱媒がその後に第１の負荷端末に供給されてしまう虞も無くすことができる。

本発明において、好ましくは、前記制御手段は、前記非定常運転の制御においては、前記定常運転時よりも前記ポンプの駆動速度を遅くするように構成されている。

このような構成によれば、第１の負荷端末の運転開始時において熱媒が熱媒循環回路を循環している際に、この熱媒の循環流量が少なくなるために、放熱ロスがより少なくなる。加えて、ポンプの駆動に要する電力消費量も少なくすることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る熱供給システムとしての温水暖房システムの一例を示す説明図である。 図１に示す温水暖房システムの制御部の動作処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１に示す温水暖房システムの制御部の動作処理手順の他の例を示すフローチャートである。 従来技術の一例を示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示す温水暖房システムＳは、本発明に係る熱供給システムの一例に相当しており、そのハード構成は、図４を参照して説明した従来の温水暖房システムＳｅと共通する部分が多い。このため、以降においては、従来の温水暖房システムＳｅの構成要素と同一または類似の要素については、同一の符号を用いる。

温水暖房システムＳは、補水タンク１に配管接続されたポンプＰ、このポンプＰの下流側に分岐した状態で設けられ、かつ終端部６１ａ，６２ａに第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂが接続された第１および第２の往き流路６１，６２、第２の往き流路６２に設けられた湯水加熱用の熱交換器２、逆止弁５０を備えたバイパス流路６３、補助流路６４、戻り流路６５、第１ないし第３の温度センサＳａ〜Ｓｃ、ならびに制御部３を備えている
。

補水タンク１は、本発明でいう熱媒用タンクの一例に相当する。温水とされる熱媒は、たとえば不凍液であるが、これに代えて、通常の水を用いることも可能である。第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂは、図４に示した従来技術と同様であり、第１の負荷端末９Ａは、いわゆる低温暖房端末であって、たとえば床暖房用のパネル装置である。第２の負荷端末９Ｂは、いわゆる高温暖房端末であって、たとえばファンコンベクタである。第２の往き流路６２の終端部６２ａには、第２の負荷端末９Ｂを複数台接続することも可能である。第１および第２の負荷端末９Ａ，９Ｂは、熱動弁を利用した温水流入制御用（熱媒流入制御用）のバルブＶ１，Ｖ２を備えている。

熱交換器２は、ガスバーナなどのバーナ４によって発生される高温の燃焼ガスから熱回収を行なうことにより、第２の往き流路６２内を通過する温水の加熱が可能である。よって、熱交換器２とバーナ４との組み合わせは、本発明でいう加熱手段の一例に相当する。バルブＶ２が開状態である場合、熱交換器２によって加熱された温水をそのまま第２の負荷端末９Ｂに供給し、第２の負荷端末９Ｂを運転させることが可能である。第２の負荷端末９Ｂの運転時においては、熱交換器２の出口側近傍に設けられた第３の温度センサＳｃを利用して検出される温水温度が所望の目標温度となるように制御される。第２の負荷端末９Ｂ内を通過した温水は、配管９０ｂを介して戻り流路６５に導かれ、補水タンク１に戻される。

バイパス流路６３は、第２の往き流路６２の熱交換器２よりも下流側の部位と第１の往き流路６１の流量調整用のバルブＶ３よりも下流側の部位とを接続している。バルブＶ１が開状態である場合、ポンプＰから第１の往き流路６１を介して第１の負荷端末９Ａに温水供給がなされるが、この際には、バイパス流路６３を介して第２の往き流路６２の温水を第１の往き流路６１に流入させて、それらの温水を混合することが可能である。この混合比をバルブＶ３の弁開度制御によって変更し、第１の負荷端末９Ａに供給される温水の温度を制御することが可能である。この温水の温度は、第１の温度センサＳａを利用して検出可能である。第１の負荷端末９Ａ内を通過した温水は、配管９０ａを介して戻り流路６５に導かれ、補水タンク１に戻される。

補助流路６４は、第２の往き流路６２の熱交換器２よりも下流側の部位と戻り流路６５とを接続している。このことにより、この温水暖房システムＳでは、バルブＶ１，Ｖ２が閉状態にあるときに、ポンプＰから送出される温水を、矢印Ｎ１〜Ｎ４に示すように、第２の往き流路６２、補助流路６４、および戻り流路６５に順次流れさせて補水タンク１に戻し、温水を一定経路で循環流通させる熱媒循環回路Ｃが構成される。第２の温度センサＳｂは、補水タンク１に戻される温水の温度を検出することができるように戻り流路６５に設けられている。

制御部３は、本発明でいう制御手段の一例に相当し、たとえばマイクロコンピュータなどを用いて構成されている。この制御部３は、温水暖房システムＳの各部の動作制御や各種のデータ処理を実行するが、第１の負荷端末９Ａを運転させる場合、従来技術とは異なる動作制御を実行する。ただし、その具体的な内容については後述する。

次に、前記した温水暖房システムＳの作用、ならびに制御部３の動作処理手順の一例について、図２に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、ポンプＰおよびバーナ４が停止しており、かつ第１および第２の負荷端末９Ａ，９ＢがバルブＶ１，Ｖ２の閉状態とされた運転停止状態である場合に、リモコン（図示略）などを利用して第１の負荷端末９Ａを運転する旨の操作がなされると、制御部３は、ポ
ンプＰを駆動させるとともに、バルブＶ１に開弁動作用の通電を行なわせ、かつバーナ４を駆動させる（Ｓ１：ＹＥＳ，Ｓ２）。次いで、制御部３は、第１および第２の温度センサＳａ，Ｓｂによる検出温度Ｔhａ，Ｔhｂを比較し、Ｔha＜Ｔhbの関係である場合には、バルブＶ１は未だ開状態ではないと判断し、非定常運転の制御を行なう（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４）。この非定常運転の制御では、第２の温度センサＳｂによる検出温度Ｔhbを、所望の目標温度Ｔhtとする制御がなされる。

熱動弁であるバルブＶ１が開状態となるのには、たとえば１分程度の時間を要するが、その期間中においては、温水が熱媒循環回路Ｃを矢印Ｎ１〜Ｎ４で示したように循環している。熱交換器２によって加熱された温水は、第２の温度センサＳｂが設けられた箇所には供給されるものの、第１の温度センサＳａが設けられた箇所には供給されない。したがって、Ｔha＜Ｔhbの関係である場合には、バルブＶ１が未だ開状態にはなく、温水が熱媒循環回路Ｃを循環しているものと判断しても差し支えない。また、そのような状況下において、前記した動作処理とは異なり、たとえば第１の温度センサＳａによる検出温度Ｔhaを目標温度Ｔhtとする制御を行なったのでは、温水を目標温度Ｔhtよりも高温に加熱する不具合を生じる。これに対し、本実施形態では、そのような不具合を解消することができる。したがって、温水を必要以上に高温に加熱する無駄を無くし、バーナ４で消費される燃料の節約を図るとともに、温水が熱媒循環回路Ｃを循環する際の放熱に起因する熱損失も少なくし、省エネ性に優れたものとすることができる。また、その後にバルブＶ１が開状態となった際に、目標温度Ｔhtよりも高温の温水が第１の負荷端末９Ａに供給される不具合も無くすことができる。

バルブＶ１が開状態になった場合には、温水が熱媒循環回路Ｃを循環する状態が解消され、第１の温度センサＳａが設けられている箇所、および第１の負荷端末９Ａに、熱交換器２を通過して加熱された温水がバイパス流路６３を介して供給可能となる。第２の温度センサＳｂが設けられた箇所には、第１の負荷端末９Ａを通過した後の温水が供給される。このようなことにより、検出温度Ｔha,Ｔhbは、Ｔha≧Ｔhbとなる。制御部３は、そのような状態を検出すると、バルブＶ１が開状態になったものと判断し、定常運転の制御を開始する（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ５）。この定常運転の制御は、第１の温度センサＳａによる検出温度Ｔhaを目標温度Ｔhtとする制御である。第１の負荷端末９Ａの運転を終了する場合には、バーナ４およびポンプＰの駆動を停止し、かつバルブＶ１を閉状態とするが（Ｓ６：ＹＥＳ，Ｓ７）、それ迄の運転期間中は、前記した定常運転の制御が継続して実行される（Ｓ６：ＮＯ）。

前記した一連の動作制御によれば、検出温度Ｔha,Ｔhbに基づいてバルブＶ１が開状態であるか否かが判断され、しかもバルブＶ１が閉状態から開状態になる迄は、非定常運転状態とされて、既述したように、温水が必要以上に高温に加熱されることが防止され、省エネが適切に図られる。一方、バルブＶ１が開状態になった後には、定常運転状態に切り替えられて、第１の負荷端末９Ａを適切に運転することが可能である。

制御部３には、図３に示すフローチャートのような動作制御を実行させることも可能である。

図３のフローチャートにおいては、図２のフローチャートと同一内容のステップは、同一の符号を付しており、ステップＳ４’，Ｓ５’の内容が、図２に示した内容とは相違している。図３に示す動作処理手順では、第１の負荷端末９Ａの運転開始時において、バルブＶ１が未だ開状態になく、温水が熱媒循環回路Ｃを循環し、Ｔha＜Ｔhbである期間中は、制御部３は、非定常運転の制御として、ポンプＰの駆動速度を定常運転時よりも低速とする制御を実行する（Ｓ３：ＹＥＳ，Ｓ４’）。

前記したような制御によれば、温水が目標温度Ｔhｔよりも高温に加熱される虞はあるものの、ポンプＰの駆動速度が低速とされるために、ポンプＰの駆動に要する電力消費量が抑制される。また、熱媒循環回路Ｃにおける温水の流量（単位時間当たりの流量）が少なくなる。温水が熱媒循環回路Ｃを高速で循環し、温水流量が多い場合には、温水からの放熱量も多くなってしまうが、前記した制御によれば、温水からの放熱量を抑制し、このことによって損失を少なくする効果も得られる。したがって、図３に示す動作処理によっても、従来技術と比較して、省エネ性能を高めることが可能である。なお、バルブＶ１が開状態となり、Ｔha≧Ｔhbとなったときには、制御部３は、その時点でポンプＰの駆動速度を定常運転用の本来の速度とする（Ｓ３：ＮＯ，Ｓ５’）。
なお、制御部３には、図２に示す動作制御と図３に示す動作制御とを組み合わせた内容の制御（ステップＳ４，Ｓ４’、およびステップＳ５，Ｓ５’をともに実行する制御）を行なわせることも可能である。このような構成によれば、一層の省エネ化が可能となる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱供給システムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

第２の往き流路を流通する熱媒を加熱するための加熱手段としては、バーナによって加熱される熱交換器に限定されず、たとえば他の加熱用流体との熱交換によって熱媒を加熱可能な熱交換器とすることもできる。本発明に係る熱供給システムが、たとえばガスエンジンや燃料電池を備えたコージェネレーションシステムとして構成されている場合、それらガスエンジンや燃料電池から排出される高温のガスを利用して、第２の往き流路の熱媒を加熱したり、あるいは前記した高温のガスを用いて加熱された温水、あるいは貯湯タンクに貯留された温水を利用して、第２の往き流路の熱媒を加熱するといったことも可能である。

本発明においては、第１および第２の温度センサＳａ，Ｓｂによる検出温度Ｔha,Ｔhｂが、Ｔha＜Ｔhbであるときの非定常運転の制御は、要は、第２の温度センサＳｂによる検出温度Ｔhbに基づいて熱媒の加熱動作が制御される内容であればよい。非定常運転時においては、上述したように第２の温度センサＳｂによる検出温度Ｔhｂを目標温度Ｔhtとする制御に代えて、たとえば加熱手段による熱媒の加熱量（たとえば、図１に示すバーナ４の燃焼火力）を、第２の温度センサＳｂによる検出温度Ｔhbに対応させて予め定められた内容に制御し、加熱手段による熱媒の加熱量が第１の温度センサＳａによる検出温度Ｔhaに基づいて熱媒を加熱する場合よりも所定の割合だけ少なくなるように制御するといった手段を採用することもできる。

本発明に係る熱供給システムは、暖房を目的としないシステムとして構成することも可能である。すなわち、負荷端末として、たとえば風呂追い焚き用の熱交換器や、融雪用のパネルなどの端末を使用し、暖房端末を具備しないシステムとすることも可能である。もちろん、暖房端末と非暖房端末とを混在させたシステムとすることもできる。なお、暖房端末としては、たとえば床暖房用パネル装置やコンベクタに加え、浴室暖房乾燥機などを適用することもできる。温水暖房システムでは、熱媒として、不凍液または水道水が好適に用いられるが、本発明においては熱媒としてそれら以外の流体を用いることも可能である。

Ｓ 温水暖房システム（熱供給システム）
Ｃ 熱媒循環回路
Ｐ ポンプ
Ｓａ 第１の温度センサ
Ｓｂ 第２の温度センサ
Ｖ１，Ｖ２ 温水流入制御用のバルブ（熱媒流入制御用のバルブ）
１ 補水タンク（熱媒用タンク）
２ 熱交換器（加熱手段）
３ 制御部（制御手段）
４ バーナ（加熱手段）
９Ａ 第１の負荷端末
９Ｂ 第２の負荷端末
６１ 第１の往き流路
６２ 第２の往き流路
６３ バイパス流路
６４ 補助流路
６５ 戻り流路

Claims (3)

1. 熱媒用タンク内の熱媒を送出可能なポンプの下流側に分岐して設けられ、かつ前記熱媒を第１および第２の負荷端末に導くための第１および第２の往き流路と、
   前記第２の往き流路を流通する熱媒を加熱するための加熱手段と、
   この加熱手段によって加熱された熱媒を前記第１の往き流路に流入させることが可能に前記第１および第２の往き流路を繋ぐバイパス流路と、
   前記ポンプの駆動時において前記第１の負荷端末の熱媒流入制御用のバルブが閉状態であるときに、前記ポンプから前記第２の往き流路に送出された熱媒を前記熱媒用タンクに戻して一定の経路で循環させる熱媒循環回路が構成されるように、前記第２の往き流路を前記熱媒用タンクに繋ぐ補助流路と、
   前記第１の負荷端末に供給される熱媒の温度を検出可能に前記第１の往き流路に設けられた第１の温度センサと、
   前記第１の負荷端末に熱媒供給がなされる定常運転時において、前記第１の温度センサによる検出温度に基づき熱媒の加熱動作を制御する制御手段と、
   を備えている、熱供給システムであって、
   前記補助流路を通過して前記熱媒用タンクに戻される熱媒の温度を検出するための第２の温度センサをさらに備え、
   前記制御手段は、前記第１の負荷端末を運転させる場合において、前記第２の温度センサによる検出温度が、前記第１の温度センサによる検出温度よりも高いときには、非定常運転の制御を行ない、かつこの非定常運転の制御においては、前記第２の温度センサによる検出温度に基づき熱媒の加熱動作を制御するように構成されていることを特徴とする、熱供給システム。
2. 請求項１に記載の熱供給システムであって、
   前記制御手段は、前記定常運転時においては、前記第１の温度センサによる検出温度を所定の目標温度とする制御を実行し、かつ前記非定常運転の制御においては、前記第２の温度センサによる検出温度を所定の目標温度とする制御を実行するように構成されている、熱供給システム。
3. 請求項１または２に記載の熱供給システムであって、
   前記制御手段は、前記非定常運転の制御においては、前記定常運転時よりも前記ポンプの駆動速度を遅くするように構成されている、熱供給システム。

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