JP5967959B2 - 熱源システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源システムに関するものである。

従来、冷凍サイクルを利用して所定の温度の熱媒を製造し、給湯機や空調システムなどの２次側システムに対して供給する熱源システムが知られている。
また、近年、環境負荷等の観点から工場や発電所等の未利用熱（未利用エネルギー）を有効活用することが提案され、注目されつつある（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、工場や地域などの域内で発生した熱を相互に補完するようにエンドループを形成し、複数の地点における熱の有効利用を可能とする技術が開示されている。
未利用熱の有効活用の提言は、家庭、工場程度の規模から都市のような大規模な場合もあり、規模は様々である。また、近年、都市などでは、下水熱の熱資源を有効利用することが期待されている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２００２／０６５０３４号 特開２００８−２４１２２６号公報

上記のような未利用熱の有効活用は、熱源システムに用いられる熱源としても新たな選択肢を提供するものとして期待されている。

本発明は、下水などの新たな熱資源に対応でき、熱資源を有効利用することのできる熱源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、下水、河川水、地下水、井水、海水、湖水等の未利用熱を熱源として用いる第１冷凍サイクルを有する第１熱源ユニットと、空気を熱源として用いる第２冷凍サイクルを有する少なくとも２台の第２熱源ユニットとを有し、前記第２熱源ユニットと前記第２熱源ユニットとの間に第１熱源ユニットが配置され、前記第１冷凍サイクルを循環する循環冷媒及び前記第２冷凍サイクルを循環する循環冷媒と熱媒との間で熱交換を行わせることにより、所定温度の熱媒を製造する熱源システムを提供する。

本発明によれば、未利用熱を熱源として用いる第１熱源ユニットと、空気を熱源として用いる第２熱源ユニットの２つを用いて熱媒に熱を与えるので、各熱源ユニットにおけるエネルギー消費量を低減させることが可能となる。また、熱源として未利用熱を利用することにより、今まで利用されていなかった新規の熱資源を有効に用いることが可能となる。更に、第２熱源ユニットと第２熱源ユニットとの間に第１熱源ユニットを配置することで、距離をあけて第２熱源ユニットを設置することができ、使用済みの空気を再利用してしまうことによって生ずる性能低下を回避することが可能となる。

上記熱源システムにおいて、前記第１熱源ユニットを複数台有し、外気条件、前記第１熱源ユニットの熱源の利用可能容量、及び前記所定温度の熱媒が供給される２次側システムの要求負荷に基づいて、前記第１熱源ユニット及び前記第２熱源ユニットの使用台数をそれぞれ決定する制御手段を備えることとしてもよい。

このように、所定温度とされた熱媒が供給される２次側システムの要求負荷によって運転台数を決定することにより、消費エネルギーを最小限に抑えることができる。

上記熱源システムにおいて、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとで異なる種類の循環冷媒が用いられてもよい。

それぞれの用途（例えば、冷房、暖房、給湯等）や熱源種類（空気熱源、水熱源等）に応じて循環冷媒を適したものにすることで、熱効率を高めることが可能となる。

本発明は、少なくとも１台の熱源機を有し、熱交換により所定温度の水を製造する第１熱源ユニット群と、少なくとも１台の熱源機を有し、熱交換により所定温度の水を製造する第２熱源ユニット群と、前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水を、前記第２熱源ユニット群を構成する各前記熱源機の熱源として供給するカスケード配管と、前記第２熱源ユニット群で製造された所定温度の水を２次側システムへ供給する熱媒配管とを備え、前記熱源機は、３台以上設けられており、各前記熱源機は、それぞれ独立した冷凍サイクルを有し、各前記冷凍サイクルは、循環冷媒が循環する冷媒回路と、該冷媒回路に設けられた圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、及び前記冷媒回路における冷媒流れを切り替える四方弁とを有し、各前記熱源機の前記第１熱交換器には、前記循環冷媒と熱交換される相手として熱源からの熱源水または前記熱媒配管からの熱媒が択一的に流入可能とされるとともに、前記第２熱交換器にはカスケード配管を流通するカスケード熱媒が流入可能とされ、前記四方弁及び前記第１熱交換器に流入させる媒体を択一的に切り替えることにより、前記第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数と、前記第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数とが変更可能に構成されている熱源システムを提供する。

本発明によれば、第１熱源ユニット群で製造された水を第２熱源ユニットの熱源として利用するので、熱効率を高めることが可能となる。また、熱媒を水とすることで、２次側システムにおける利用範囲を拡大させることが可能となる。
更に、本発明によれば、第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数及び第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数を用途や時期に応じて適切な台数とすることができる。これにより、無駄な運転による消費エネルギーを低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

上記熱源システムにおいて、前記カスケード配管は、前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水を他の２次側システムを経由させた後に、前記第２熱源ユニット群を構成する各前記熱源機の熱源として供給することとしてもよい。

これにより、熱媒だけでなく、カスケード配管を流通する水も２次側システムにおける熱源として利用することが可能となり、熱資源を更に有効利用することができる。

上記熱源システムにおいて、前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水が供給される２次側システムの要求負荷に基づいて、前記第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数と、前記第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数とを決定し、決定した台数に基づいて各前記熱源機の四方弁及び前記第１熱交換器に流入させる媒体を択一的に切り替える制御手段を備えることとしてもよい。

このように、２次側システムの要求負荷に基づいて前記第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数と、前記第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数とが決定され、決定された台数に基づいて熱源機が制御されるので、要求負荷に応じた適切な運転を実現することが可能となる。これにより、エネルギー損失を低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。

上記熱源システムにおいて、前記第１熱源ユニット群を構成する各熱源機で利用される熱源は水熱源であり、前記循環冷媒と熱交換されることにより温度が変化した前記水熱源が、他のシステムにおいて熱源として再利用可能とされていてもよい。

このような構成によれば、第１熱源ユニットの熱源機で利用される熱源についても他のシステムの熱源として再利用することができ、熱資源を更に有効に活用することができる。

本発明によれば、下水などの新たな熱資源に対応でき、熱資源を有効利用することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱源システムについて温熱を得る場合の構成を概略的に示した図である。 本発明の第１実施形態に係る熱源システムについて冷熱を得る場合の構成を概略的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る熱源システムの構成を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る熱源システムの他の配置例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。 図５に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに温熱を得る場合の構成を示した図である。 図５において、水熱源を用いた場合の熱源システムの概略構成を示した図である。 図７に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに温熱を得る場合の構成を示した図である。 図５において、暖房熱源として用いられる温熱を得る場合の熱源システムの温度条件を示した図である。 図９に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに温熱を得る場合の構成を示した図である。 図９に示した熱源システムにおいて下水熱源を用いた場合の温度条件を示した図である。 図１１に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに温熱を得る場合の構成を示した図である。 カスケード構成を用いて冷水を製造する場合の熱源システムの概略構成を示した図である。 図１３に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに冷水を製造する場合の構成を示した図である。 図１３に示した熱源システムにおいて、下水熱源を用いた場合の概略構成を示した図である。 図１５に示した熱源システムと熱効率を比較するための構成であり、カスケード構成を用いずに冷水を製造する場合の構成を示した図である。 図５に示した熱源システムの他の構成例を示した図である。 図５に示した熱源システムの他の構成例を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。 図１９に示した熱源機が備える冷凍サイクルの一例を示した図である。 図１９に示した熱源機が備える冷凍サイクルの一例を示した図である。 冬期における暖房と給湯の要求負荷の一例を示した図である。 図１９に示した熱源システムにおいて、８台の熱源機を第１熱源機として機能させ、２台の熱源機を第２熱源機として機能させる場合を例示した図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る熱源システムについて図を参照して説明する。
図１及び図２は、本実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図であり、図１は温熱を得る場合の概略構成、図２は冷熱を得る場合の概略構成を示した図である。また、図１、図２において、かっこ書きで示された温度は、参考のための一例としての温度である。

図１に示すように、熱源システム１は、第１熱源ユニット２ａと、第２熱源ユニット２ｂとを備えている。
第１熱源ユニット２ａは、未利用熱を熱源として用いる第１冷凍サイクル４ａを有している。

第１冷凍サイクル４ａは、循環冷媒が循環する冷媒回路５と、冷媒回路５に設けられた圧縮機６、蒸発器７、及び凝縮器８とを主な構成として備えている。
未利用熱の熱源の一例としては、下水、河川水、地下水、井水、海水、湖水等の熱源が挙げられ、図１では下水を熱源として用いる場合を例示している。下水の場合には、循環冷媒との直接的な熱交換を回避する方が好ましいことから、下水熱交換器９によって下水と熱源水との間で熱交換を行わせている。

下水の熱で暖められた熱源水は、第１冷凍サイクル４ａの蒸発器７において循環冷媒と熱交換を行うことにより、循環冷媒を加熱する。過熱された循環冷媒は、圧縮機６により高温高圧のガス冷媒とされて凝縮器８へ送られる。凝縮器８では、高温高圧のガス冷媒とされた循環冷媒と熱媒（温水）との間で熱交換が行われることにより熱媒が加熱され、所定の温度とされた熱媒が２次側システム（外部負荷）へ供給される。

一方、凝縮器８で熱交換が行われることにより低圧の液状とされた循環冷媒は、蒸発器７へ再び送られることとなる。
また、蒸発器７において、循環冷媒と熱交換されることにより冷やされた熱源水は、下水熱交換器９に送られる。これにより、下水との熱交換によって暖められた熱源水が再び蒸発器７へ送られることとなる。また、熱源である下水は、下水熱交換器９において熱交換を行うことにより放熱され、冷却された下水が下水管路へ戻されることとなる。下水管路に戻された下水は、例えば、他のシステムに送られて熱源として再利用される。

第２熱源ユニット２ｂは、第１熱源ユニット１ａが用いる熱源とは異なる熱源を用いる第２冷凍サイクル４ｂを有している。本実施形態では、一例として、熱源として大気を想定しているが、熱源は外気に限定されず、例えば、下水以外の未利用熱が利用できる。すなわち、第１熱源ユニット２ａと第２熱源ユニット２ｂで用いられる熱源が異なっていればよく、未利用熱同士の組み合わせでもよい。なお、未利用熱源同士の場合、季節や時刻による利用可能ポテンシャルの変動に配慮する必要がある。
第２冷凍サイクル４ｂは、循環冷媒が循環する冷媒回路５と、冷媒回路５に設けられた圧縮機６、空気熱交換器１０、及び凝縮器８とを主な構成として備えている。
第２冷凍サイクル４ｂにおいて、空気熱交換器１０で外気と熱交換されることによって加熱された循環冷媒は、圧縮機６によって高温高圧のガス冷媒とされて凝縮器８へ送られる。凝縮器８では、高温高圧のガス冷媒とされた循環冷媒と熱媒（温水）との間で熱交換が行われることにより熱媒が加熱され、所定の温度とされた熱媒が２次側システムへ供給される。
一方、凝縮器８で熱交換が行われることにより低圧の液状とされた循環冷媒は、空気熱交換器１０へ再び送られることとなる。

また、冷熱を得る場合には、図１に示された熱源システム１は、図２に示すような構成とされる。すなわち、第１冷凍サイクル４ａ´においては、凝縮器８において冷却水と循環冷媒との間で熱交換が行われ、蒸発器７において熱媒と循環冷媒との間で熱交換が行われる。また、第２冷凍サイクルシステム４ｂ´においては、空気熱交換器１０において外気と循環熱媒との間で熱交換が行われ、蒸発器７において熱媒と循環冷媒との間で熱交換が行われる。なお、各冷凍サイクル４ａ´、４ｂ´の作用は公知であるため、ここでの説明は省略する。

このように、本実施形態に係る熱源システム１、１´によれば、未利用熱を熱源として用いる第１熱源ユニットと、外気を熱源として用いる第２熱源ユニットの２つを用いて熱媒に熱を与えるので、各熱源ユニットにおけるエネルギー消費量を低減させることが可能となる。また、熱源として未利用熱を利用することにより、今まで利用されていなかった新規の熱資源を有効に用いることが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る熱源システムについて図３を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態に係る熱源システム２０は、複数の第１熱源ユニット２ａと、複数の第２熱源ユニット２ｂとを備え、これら複数の熱源ユニット２ａ，２ｂにより熱媒が加熱される。このような構成を備える熱源システム２０では、２次側システムの要求負荷、外気条件、未利用熱源の利用可能容量（利用可能ポテンシャル）に応じて運転台数が決定される。このように、要求負荷等によって運転台数を決定することにより、消費エネルギーを最小限に抑えることができる。また、冷熱を得る場合にも同様に適用することが可能である。

また、このように、下水等の水である未利用熱を熱源とする複数の第１熱源ユニット２ａと、空気を熱源とする複数の第２熱源ユニット２ｂとを備える熱源システム２０においては、図４に示すように、第１熱源ユニット２ａと第２熱源ユニット２ｂとを交互に配置することが好ましい。

例えば、図３に示すように、空気熱源を用いた第２熱源ユニット２ｂを隣り合うように並べて設置した場合、一方の第２熱源ユニット２ｂが排出した使用済みの空気を隣接する他の第２熱源ユニット２ｂが吸い込んで再使用してしまう可能性がある。使用済みの空気は、熱交換により既に熱が奪われて温度が低下しているため、このような使用済み空気を再利用してしまうと加熱性能が低下してしまう。
従って、第１熱源ユニット２ａと第２熱源ユニット２ｂとを交互に配置することで、距離をあけて第２熱源ユニット２ｂを設置することができ、使用済みの空気を再利用してしまうことによって生ずる性能低下を回避することが可能となる。
また、冷熱を得る場合にも、第１熱源ユニット２ａ´と第２熱源ユニット２ｂ´とを交互に配置することで、同様の効果を得ることができる。

なお、上述した第１熱源ユニット２ａの第１冷凍サイクル４ａで利用される循環冷媒の種類と、第２熱源ユニット２ｂの第２冷媒サイクル４ｂで利用される循環冷媒の種類とを異ならせてもよい。それぞれの用途（例えば、冷房、暖房、給湯等）や熱源種類（空気熱源、水熱源等）に応じて循環冷媒を適したものにすることで、熱効率を高めることが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る熱源システムについて図を参照して説明する。
図５に本発明の第３実施形態に係る熱源システムの概略構成を示す。本実施形態に係る熱源システムは、給湯システムである２次側システムで利用される高温水を製造するための熱源システムであり、第１熱源機３０と、第２熱源機３１と、第１熱源機３０で製造された４０℃の温水を第２熱源機３１の熱源として供給するカスケード配管３２と、２次側システムで利用された熱媒を第２熱源機３１に供給し、第２熱源機３１によって加熱された高温水を再度２次側システムへ供給する熱媒配管３３とを備えている。
第１熱源機３０及び第２熱源機３１は、それぞれ独立した冷凍サイクルを備えている。

このような熱源システムにおいては、第１熱源機３０において、第１熱源機３０の熱源である外気と循環冷媒との間で熱交換が行われることにより循環冷媒が温められ、温められた循環冷媒が圧縮機６により高温高圧のガス冷媒とされて凝縮器８へ供給される。凝縮器８では、カスケード配管３２を流通する３５℃の温水が高温高圧のガス冷媒と熱交換されて温められ、４０℃まで加熱される。４０℃とされた温水は、カスケード配管３２により第２熱源機３１へ供給され、第２熱源機３１において熱源として用いられる。

第２熱源機３１では、カスケード配管３２を流通する４０℃の温水と循環冷媒とが蒸発器７において熱交換されることにより温められる。温められた循環冷媒は、圧縮機６により高温高圧のガス冷媒とされ、凝縮器８へ送られる。凝縮器８では、高温高圧のガス冷媒とされた循環冷媒と熱媒配管３３を通じて流入する７５℃の給湯温水とが熱交換される。熱交換されることにより加熱された給湯温水（約８０℃）は、熱媒配管３３を通じて２次側システムである給湯システムへ供給され利用される。

このように、本実施形態に係る熱源システムによれば、第１熱源機３０によって中間温度まで加熱された水を第２熱源機３１の熱源として利用するので、熱効率を高めることが可能となる。

例えば、図６に示すように、０℃の外気から８０℃の高温水を１台の熱源機を用いて製造する場合、理想的なＣＯＰ（成績係数）は、以下のように、理想ＣＯＰ＝４．４１と算出される。

理想ＣＯＰ＝（８０＋２７３．１５）／（８０−０）＝４．４１

これに対し、図５に示した熱源システムにおける理想ＣＯＰの平均値は、以下のように、理想ＣＯＰ（平均値）＝７．８４となる。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（４０＋２７３．１５）／（４０−０）＝７．８３
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（８０＋２７３．１５）／（８０−３５）＝７．８５
理想ＣＯＰ（平均値）＝（７．８３＋７．８５）／２＝７．８４

このように、カスケードを利用することにより、高い熱効率が得られることがわかる。

また、図５では、第１熱源機３０の熱源として外気を用いたが、これに代えて、下水を熱源として用いることも可能である。冬期においては、外気よりも下水の温度の方が高い傾向にあるため、下水を用いることで、より高い熱効率を得ることが可能となる。
例えば、図７に示すように、下水熱源による熱源水入口温度を１５℃、熱源水出口温度を１０℃とし、第１熱源機３０によって４０℃の温水から４５℃の温水が製造されると仮定した場合、熱源システムにおける理想ＣＯＰの平均値は、以下のように、理想ＣＯＰ（平均値）＝８．９６となる。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（４５＋２７３．１５）／（４５−１０）＝９．０９
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（８０＋２７３．１５）／（８０−４０）＝８．８３
理想ＣＯＰ（平均値）＝（９．０９＋８．８３）／２＝８．９６

これに対し、図８に示すように、下水熱源を用いた１台の熱源機によって８０℃の温水を製造する場合には、理想ＣＯＰは以下のように、理想ＣＯＰ＝５．０５となる。

理想ＣＯＰ＝（８０＋２７３．１５）／（８０−１０）＝５．０５

このように、下水熱源を用いることで、空気熱源を用いるときよりも、更に高い熱効率が得られることがわかった。

なお、本実施形態では、給湯システムに対して高温水を供給する場合について述べたが、同様に、暖房運転を行っている空調システムに対して４０℃程度の熱媒を供給する場合にもカスケード構成は有効である。
例えば、図９に示すように、第１熱源機３０において、０℃の外気から２０℃の低温水を製造し、第２熱源機３１において２０℃の低温水を熱源として４０℃の温水を製造する場合の理想ＣＯＰの平均値は、以下のように、理想ＣＯＰ（平均値）＝１３．５９５となる。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（２０＋２７３．１５）／（２０−０）＝１４．６６
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（４０＋２７３．１５）／（４０−１５）＝１２．５３
理想ＣＯＰ（平均値）＝（１４．６６＋１２．５３）／２＝１３．５９５

これに対し、図１０に示すように、０℃の外気から４０℃の温水を１台の熱源機を用いて製造する場合、理想ＣＯＰは、以下のように、理想ＣＯＰ＝７．８３となる。

理想ＣＯＰ＝（８０＋２７３．１５）／（４０−０）＝７．８３

また、図９において、第１熱源機３０の熱源として外気を用いる代わりに、下水を熱源として用いた場合には、以下のような理想ＣＯＰの平均値が得られる。ここでの各温度条件は、図１１に示す通りである。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（２５＋２７３．１５）／（２５−１０）＝１９．８８
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（４０＋２７３．１５）／（４０−２０）＝１５．６６
理想ＣＯＰ（平均値）＝（１９．８８＋１５．６６）／２＝１７．７７

これに対し、図１２に示すように、下水熱源を用いた１台の熱源機によって４０℃の温水を製造する場合には、理想ＣＯＰは以下のように、理想ＣＯＰ＝１０．４４となる。

理想ＣＯＰ＝（４０＋２７３．１５）／（４０−１０）＝１０．４４

また、上述の温熱を得る場合と同様に、冷熱を得る場合にもカスケード構成は有効である。図１３に、冷熱を得る場合の一構成例を示す。図１３に示すように、カスケードによって冷熱を得る場合には、第１熱源機３０´において、第１熱源機３０´の熱源である外気と循環冷媒との間で熱交換が行われることにより循環冷媒が冷却され、冷却された循環冷媒が蒸発器７へ送られる。蒸発器７ではカスケード配管３２を流通する２５℃の中温水が、冷却された循環冷媒と熱交換されて冷却され、２０℃まで冷やされる。２０℃とされた低温水は、カスケード配管３２により第２熱源機３１へ供給され、第２熱源機３１において熱源として用いられる。

第２熱源機３１では、カスケード配管３２を流通する２０℃の低温水と循環冷媒とが凝縮器８において熱交換されることにより冷却される。冷却された循環冷媒は、蒸発器７へ送られる。蒸発器７では、冷却された循環冷媒と熱媒配管３３を通じて流入する１２℃の冷水が熱交換される。熱交換されることにより７℃に冷却された冷水は、熱媒配管３３を通じて２次側システムに冷房熱源として供給され利用される。

そして、このようなカスケードを利用して冷熱を得る場合の理想ＣＯＰの平均値は、以下のように、理想ＣＯＰ（平均値）＝１７．５５となる。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（２０＋２７３．１５）／（３５−２０）＝１９．５４
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（７＋２７３．１５）／（２５−７）＝１５．５６
理想ＣＯＰ（平均値）＝（１９．５４＋１５．５６）／２＝１７．５５

これに対し、図１４に示すように、３５℃の外気から７℃の冷水を１台の熱源機を用いて製造する場合、理想ＣＯＰは、以下のように、理想ＣＯＰ＝１０．０１となる。

理想ＣＯＰ＝（７＋２７３．１５）／（３５−７）＝１０．０１

このように、冷熱を得る場合にも、カスケード構成を利用することにより、高い熱効率が得られることがわかる。

また、図１３では、第１熱源機３１´の熱源として外気を用いたが、これに代えて、下水を熱源として用いることも可能である。夏期においては、外気よりも下水の温度の方が低い傾向にあるため、下水を用いることで、より高い熱効率を得ることが可能となる。
例えば、図１５に示すように、下水熱源による熱源水入口温度を２０℃、熱源水出口温度を２５℃とし、第１熱源機３０´によって１３℃の冷水が製造されると仮定した場合、熱源システムにおける理想ＣＯＰの平均値は、以下のように、理想ＣＯＰ（平均値）＝２４．４７となる。

第１熱源機：理想ＣＯＰ＝（１３＋２７３．１５）／（２５−１３）＝２３．８５
第２熱源機：理想ＣＯＰ＝（７＋２７３．１５）／（１８−７）＝２５．４７
理想ＣＯＰ（平均値）＝（２３．８５＋２５．４７）／２＝２４．６６

これに対し、図１６に示すように、下水熱源を用いた１台の熱源機によって７℃の冷水を製造する場合には、理想ＣＯＰは以下のように、理想ＣＯＰ＝１５．５６となる。

理想ＣＯＰ＝（７＋２７３．１５）／（２５−７）＝１５．５６

以上のように、温熱を得る場合も冷熱を得る場合もカスケード構成とすることで、高い熱効率を得ることがわかる。

なお、上述した第３実施形態では、カスケード配管３２を流通する温水または中温水等のカスケード熱媒が、第１熱源機と第２熱源機との間を循環することとしたが、これに代えて、カスケード配管３２を流通するカスケード熱媒についても、他の２次側システムへ熱源として供給することとしてもよい。例えば、図５に示したように、８０℃の温水を製造する場合、カスケード配管３２を流れるカスケード熱媒の温度は約４０℃とされ、これは暖房熱源として利用可能な温度である。従って、図１７に示すように、カスケード配管３２´を流れるカスケード熱媒を例えば、暖房機器等の２次側システムを循環させることで、２次側システムにおいても熱源として利用することができ、熱を更に有効利用させることができる。この場合、図１７に示すように、２次側システムにおいて利用された後のカスケード熱媒を第２熱源機３１の熱源として供給してもよいし、これに代えて、第２熱源機３１の熱源として利用された後のカスケード熱媒を２次側システムに供給することとしても良い。

また、例えば、第１熱源機３０において空気熱源ではなく水熱源を用いた場合、図１８に示すように、循環冷媒と熱交換を行うことにより冷却された水熱源が７℃程度となり、これは、冷房熱源として利用可能な温度である。従って、このように得られた水熱源を、他の２次側システムに供給し、冷媒熱源として利用することとしてもよい。
このように、熱源システムにおいて用いられた熱源を他のシステムに熱源として供給することにより、熱資源を更に有効に活用することができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る熱源システムについて図を参照して説明する。本実施形態に係る熱源システムは、上述したカスケード構成を用いた熱源ユニットを拡張したシステムとして構成されている。すなわち、上述した第３実施形態では、１台の第１熱源機３０によって製造された熱を１台の第２熱源機３１の熱源として用いる場合を想定していたが、本実施形態においては、少なくとも１台の第１熱源機から構成される第１熱源ユニット群によって製造された熱を他の少なくとも１台の第２熱源機から構成される第２熱源ユニットにおいて熱源として用いる場合を想定している。
また、本実施形態においては、第１熱源ユニット群によって製造された熱源は、他の２次側システムへと供給され、他の２次側システムにおいても再利用される構成とされている。
以下、本実施形態に係る熱源システムについて、温熱を得る場合を例に挙げて説明する。

図１９に示すように、本実施形態に係る熱源システム５０は、複数の熱源機５１を備えている。ここでは、１０台の熱源機５１を備える場合が例示されている。各熱源機５１は、それぞれ独立した冷凍サイクルを備えている。この冷凍サイクルは、例えば、図２０に示すように、循環冷媒が循環する冷媒回路５と、冷媒回路５に設けられた圧縮機６、第１熱交換器１３、第２熱交換器１４、及び四方弁１５とを備えている。

第１熱交換器１３には、循環冷媒と熱交換する相手として、熱源水と熱媒とが流入可能な構成とされている。具体的には、図１９に示すように、第１熱交換器１３には、下水熱源によって熱交換された熱源水が流通する熱源配管３５から熱源水が流入可能とされているとともに、２次側システム（給湯システム）によって利用された熱媒（戻り温水）が流通する熱媒配管３３から熱媒が流入可能な構成とされている。

熱源配管３５には、各熱源機５１に供給される熱源水の量を調節するための第１流量調節弁３７が設けられている。第１水流量調節弁３７が全閉とされることにより、対応する熱源機５１への熱源水の供給が止められる。同様に、熱媒配管３３には、各熱源機５１に供給される熱媒の量を調節するための第２流量調節弁３８が設けられている。第２流量調節弁３８が全閉とされることにより、対応する熱源機５１への熱媒の供給が止められる。
各熱源機５１には、熱源水と熱媒とが択一的に供給される。すなわち、熱源機５１にそれぞれ対応して設けられる第１流量調節弁３７及び第２流量調節弁３８は、いずれか一方が必ず全閉状態とされる。
また、第２熱交換器１４には、循環冷媒と熱交換する相手として、カスケード熱媒が流入可能な構成とされている。なお、本実施形態においては、カスケード熱媒は、他の２次側システムへ供給される構成とされており、２次側システムを経由した後のカスケード熱媒が第２熱源機として機能する熱源機へ対して、熱源として供給される構成とされている。

冷凍サイクルにおいて、四方弁１５が切り替えられることにより、冷媒回路５を循環する循環冷媒の向きを切り替えることができる。これにより、冷熱を得る場合と、温熱を得る場合との両方に対応することができる。
上記各熱源機５１の四方弁１５の制御、各熱源機５１に対応して設けられた第１流量調節弁３７、第２流量調節弁３８の弁開度制御は、熱源システム５０を制御する上位制御装置６０によって行われる。上位制御装置６０は、２次側システム（給湯システム）の要求負荷、下水熱源の利用可能ポテンシャル、外気温等の情報に基づいて、カスケード熱媒に対して熱を与える第１熱源機として機能する熱源機台数と、カスケード熱媒を熱源として利用して熱媒を加熱する第２熱源機として機能する熱源機台数とを決定する。

例えば、２次側システムの要求温度や負荷ピーク時間帯は、熱源システム５０が適用される用途（例えば、事務所、商業施設、宿泊施設等）、季節（夏期、中間期、冬期）によって異なる。従って、熱源システム５０の適用先における熱負荷等の特徴を過去のデータ等から検討し、予め適切な台数パターンを設定しておき、この台数パターンに従って第１熱源機の台数と第２熱源機の台数とを制御することが好ましい。

例えば、図２２に、冬期における暖房と給湯の要求負荷の一例を示す。図２２に示すように、８時から１０時までの時間帯では、暖房の熱負荷のピークが現れている一方で給湯の熱負荷はそれほど高くはない。また、１０時から１３時の時間帯では、何れの負荷もピークに対して低く、また、暖房の熱負荷が給湯の熱負荷よりも多少高くなっている。１３時から１６時の時間帯では、給湯の熱負荷がピークを示す一方で、暖房の熱負荷はそれほど高くはない。１６時から２０時の間では、何れの負荷もピークに対して低く、また、暖房の熱負荷が給湯の熱負荷よりも多少高くなっている。２０時から８時までの時間帯は、いずれの負荷も略ゼロとなっている。

このような熱需要に基づいて、例えば、８時から１０時の時間帯は、１０台の熱源機を第１熱源機とするとともに第２熱源機をゼロ台とし、１０時から１３時の時間帯は、６台の熱源機を第１熱源機とするとともに４台の熱源機を第２熱源機とし、１３時から１６時の時間帯は４台の熱源機を第１熱源機とするとともに、６台の熱源機を第２熱源機とし、１６時から２０時の時間帯においては、６台の熱源機を第１熱源機とするとともに４台の熱源機を第２熱源機とする。
このように、上位制御装置６０は、例えば、季節や用途に応じた熱負荷の推移データから第１熱源機として機能させる台数と第２熱源機として機能させる台数のパターンを予め有しており、このパターンに従って各熱源機５１の四方弁１５、第１流量調節弁３７、及び第２流量調節弁３８を制御する。

例えば、図２３には、８台の熱源機５１を第１熱源機として機能させ、２台の熱源機５１を第２熱源機として機能させる場合を例示している。この場合、８台の熱源機５１に対しては、四方弁１５を図２０に示すように設定するとともに、第１流量調節弁３７を全開に、第２流量調節弁３８を全閉とする。これにより、第１熱源機として機能する熱源機５１においては、圧縮機６によって圧縮されることにより高温高圧とされたガス冷媒が第２熱交換器１４に送られ、カスケード熱媒と熱交換される。これにより、カスケード熱媒は３５℃から４０℃に温められる。また、カスケード熱媒と熱交換することにより冷却された循環冷媒は、第１熱交換器１３に送られ、熱源水と熱交換されることにより温められる。温められた循環冷媒は、再び圧縮機６へ送られる。このように、第１熱源機として設定された熱源機５１においては、第１熱交換器１３が蒸発器として、第２熱交換器１４が凝縮器として機能する。

一方、第２熱源機として設定された２台の熱源機５１においては、四方弁１５が図２１に示すように設定されるとともに、第１流量調節弁４７が全閉に、第２流量調節弁３８が全開とされる。これにより、第２熱源機として機能する熱源機５１においては、カスケード熱媒が熱源として利用されることとなる。すなわち、第２熱交換器１４において４０℃に温められたカスケード熱媒と循環冷媒との間で熱交換がされて、循環冷媒が温められる。温められた循環冷媒は圧縮機６によって高温高圧のガス冷媒とされ、第１熱交換器１３に送られる。第１熱交換器１３では、高温高圧のガス冷媒と熱媒との間で熱交換されることにより、熱媒が７５℃から８０℃に温められ、８０℃の熱媒が２次側システム（給湯システム）へ送られる。一方、第１熱交換器１３において熱が奪われた循環冷媒は、第２熱交換器１４へ送られ、再びカスケード熱媒と熱交換されることとなる。このように、第２熱源機として機能する熱源機５１においては、第１熱交換器１３が凝縮器として、第２熱交換器１４が蒸発器として機能する。

以上のように、本実施形態に係る熱源システム５０によれば、カスケード熱媒を加熱する第１熱源ユニットを構成する第１熱源機の台数と、第１熱源ユニットによって加熱されたカスケード熱媒を熱源として用いて熱媒を加熱する第２熱源ユニットを構成する第２熱源機の台数とを可変とすることができる。これにより、２次側システム（給湯システム）の要求負荷、下水熱源の利用可能ポテンシャル、外気温等の情報に基づいてそれぞれのユニットを構成する熱源機台数を変化させることにより、熱の有効利用を実現することができる。
なお、上記例では、温熱を得る場合について説明したが、冷熱を得る場合も同様とすればよく、温熱を得る場合と同様の効果を得ることができる。

１、１´、２０、５０ 熱源システム
２ａ 第１熱源ユニット
２ｂ 第２熱源ユニット
４ａ、４ａ´ 第１冷凍サイクル
４ｂ、４ｂ´ 第２冷凍サイクル
５ 冷媒回路
６ 圧縮機
７ 蒸発器
８ 凝縮器
９ 下水熱交換器
１０ 空気熱交換器
１３ 第１熱交換器
１４ 第２熱交換器
１５ 四方弁
３０ 第１熱源機
３１ 第２熱源機
３２ カスケード配管
３３ 熱媒配管
３５ 熱源配管
３７ 第１流量調節弁
３８ 第２流量調節弁
５１ 熱源機
６０ 上位制御装置

Claims (7)

1. 下水、河川水、地下水、井水、海水、湖水等の未利用熱を熱源として用いる第１冷凍サイクルを有する第１熱源ユニットと、
   空気を熱源として用いる第２冷凍サイクルを有する少なくとも２台の第２熱源ユニットとを有し、
   前記第２熱源ユニットと前記第２熱源ユニットとの間に第１熱源ユニットが配置され、
   前記第１冷凍サイクルを循環する循環冷媒及び前記第２冷凍サイクルを循環する循環冷媒と熱媒との間で熱交換を行わせることにより、所定温度の熱媒を製造する熱源システム。
2. 前記第１熱源ユニットを複数台有し、
   外気条件、前記第１熱源ユニットの熱源の利用可能容量、及び前記所定温度の熱媒が供給される２次側システムの要求負荷に基づいて、前記第１熱源ユニット及び前記第２熱源ユニットの使用台数をそれぞれ決定する制御手段を備える請求項１に記載の熱源システム。
3. 前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとで異なる種類の循環冷媒が用いられる請求項１または請求項２に記載の熱源システム。
4. 少なくとも１台の熱源機を有し、熱交換により所定温度の水を製造する第１熱源ユニット群と、
   少なくとも１台の熱源機を有し、熱交換により所定温度の水を製造する第２熱源ユニット群と、
   前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水を、前記第２熱源ユニット群を構成する各前記熱源機の熱源として供給するカスケード配管と、
   前記第２熱源ユニット群で製造された所定温度の水を２次側システムへ供給する熱媒配管と
   を備え、
   前記熱源機は、３台以上設けられており、
   各前記熱源機は、それぞれ独立した冷凍サイクルを有し、
   各前記冷凍サイクルは、循環冷媒が循環する冷媒回路と、該冷媒回路に設けられた圧縮機、第１熱交換器、第２熱交換器、及び前記冷媒回路における冷媒流れを切り替える四方弁とを有し、
   各前記熱源機の前記第１熱交換器には、前記循環冷媒と熱交換される相手として熱源からの熱源水または前記熱媒配管からの熱媒が択一的に流入可能とされるとともに、前記第２熱交換器にはカスケード配管を流通するカスケード熱媒が流入可能とされ、
   前記四方弁及び前記第１熱交換器に流入させる媒体を択一的に切り替えることにより、前記第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数と、前記第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数とが変更可能に構成されている熱源システム。
5. 前記カスケード配管は、前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水を他の２次側システムを経由させた後に、前記第２熱源ユニット群を構成する各前記熱源機の熱源として供給する請求項４に記載の熱源システム。
6. 前記第１熱源ユニット群で製造された所定温度の水が供給される２次側システムの要求負荷に基づいて、前記第１熱源ユニット群を構成する熱源機の台数と、前記第２熱源ユニット群を構成する熱源機の台数とを決定し、決定した台数に基づいて各前記熱源機の四方弁及び前記第１熱交換器に流入させる媒体を択一的に切り替える制御手段を備える請求項４または請求項５に記載の熱源システム。
7. 前記第１熱源ユニット群を構成する各熱源機で利用される熱源は水熱源であり、前記循環冷媒と熱交換されることにより温度が変化した前記水熱源が、他のシステムにおいて熱源として再利用可能とされている請求項４から請求項６のいずれかに記載の熱源システム。

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