JP6164537B2

JP6164537B2 - 冷温熱発生装置

Info

Publication number: JP6164537B2
Application number: JP2015180305A
Authority: JP
Inventors: 進益子; 暁弐益子
Original assignee: Kraftwerk KK
Current assignee: Kraftwerk KK
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: JP2017067299A

Description

本発明は、地中熱や空気熱などの自然熱エネルギー又は人工排熱などの熱エネルギーにより、逆カルノーサイクル原理を利用して効率的に熱利用を図ることのできる装置に関するものである。

今日、逆カルノーサイクル原理を利用して製品化したヒートポンプを用い、地中熱や空気熱を利用して冷暖房を行なったり、生活排水の熱や工場排熱を利用して暖房や給湯を行うなど、自然熱エネルギーや廃熱エネルギーを利用して生活に必要な熱エネルギーとし、エネルギーを効果的に利用してエネルギーの無駄な消費を少なくする試みが種々行われている。

例えば、冷暖房用の空調機や温水給湯を行う給湯器を使用するに際し、住宅排水における水熱を主利用熱とすると共に地中熱を補助利用熱としてヒートポンプを使用し、温熱又は冷熱を取り出す装置の提案（特許文献１）がなされている。

また、本件出願人は、地中熱を利用し、冷暖房や給湯を効果的に行うヒートポンプの提案（特許文献２）を行い、更に、太陽熱集熱パネルとヒートポンプとを組み合わせた給湯冷暖房システムであって、季節や天候による熱エネルギー量の変動が激しい太陽熱を効果的に利用可能とするシステムの提案（特許文献３）も行っている。

これらのヒートポンプは、逆カルノーサイクル原理を利用し、例えば「１」の電気エネルギーを投入して「２」以上の空気熱エネルギーを取り込み、「３」以上の熱エネルギーを取り出すことができるように設計され、近年では、「１」の電気エネルギーを投入して「５」以上の空気熱エネルギーを取り込み、「６」以上の熱エネルギーを計算上取り出すことができるようにされるものもある。

特開２００３―２１４７２２号公報特許第５０６７９５８号公報特開２０１５―０５２４３４号公報

しかし、ヒートポンプは、上述の様に、熱エネルギーを集めて効率良く熱エネルギーを取り出すことができるように設計され、実機の能力検査では、一定の試験環境において効率良くエネルギーを集めて無駄の極めて少ないエネルギーの取出しが可能となっていても、運転環境が一定しない現場では、ヒートポンプの著しい効率低下が生じることが多く、検査値の半分以下の熱エネルギーしか取り出せない場合も多々生じている。

そして、今日、地中熱、空気熱、太陽熱などの自然エネルギーを使用して逆カルノーサイクル原理を利用して製品化されたヒートポンプにより冷暖房を行うことが多くなっているも、空気熱や太陽熱を利用する場合、季節や天候により温度（エネルギー量）の変化が大きく、ヒートポンプの効率も変動することとなり、エネルギーの利用効率を高めることが困難であった。

即ち、空気熱を利用する場合、夏場に冷房を行うとき、外気温度が３５℃以上となってヒートポンプの内部循環熱媒の温度を低下させる蒸発器を冷却するように室外機から送られる外部循環熱媒の温度が高く、外部循環熱媒による冷却効率が低下し、ひいてはヒートポンプから取り出す冷熱量が低下することが有り、また、冬場に暖房を行うとき、外気温度が氷点下となり、内部循環熱媒の温度を上昇させる凝縮器を加温するように室外機から送られる外部循環熱媒の温度が低く、内部循環熱媒の温度上昇が不十分となり、ヒートポンプから取り出す温熱量が低下する等、気温条件によって凝縮器や蒸発器の温度調整が目標値から大きく外れ、冷熱や温熱の取出し性能が低下する現状となっている。

更に、空気熱を利用する場合、近年では、夏場の屋内冷房により生じた排熱を空気中に放出する空気熱利用ヒートポンプ冷暖房装置の使用量が都市部では増大し、排熱によるヒートアイランド現象が生じる問題も発生している。

また、地中熱は、比較的温度変化が小さく、一年を通じてヒートポンプの効率を変化（低下）させないようにすることが可能であるも、ヒートポンプを連続運転する場合、地中に埋設した熱交換パイプによる採熱温度が変化しないようにするためには、熱交換パイプを地中深く、且つ、広範囲に埋設する必要が有り、熱交換パイプの設置に手数と時間及び費用を要する欠点があった。

そして、生活排水熱や工場排熱などの人工排熱を利用するに際しては、排熱温度が時間によって変化することが多く、従来型のヒートポンプの使用では、効果的に熱利用を行ってヒートポンプを効率良く安定した運転とすることが困難であった。

本発明は、上述の様なヒートポンプ装置と自然エネルギー又は人工排熱とのマッチングの問題を解決し、採熱エネルギー量が安定しない自然エネルギーや人工排熱エネルギーを利用し、逆カルノーサイクル原理を利用したヒートポンプシステムとして効率良く熱エネルギーを採取利用することのできる冷温熱発生装置を提供するものである。

本発明に係る冷温熱発生装置は、複数の異なる熱源に各々配置された複数の採熱器と、前記各熱源に配置された複数の採熱器の各採熱器が各々循環ポンプを備える各熱媒回路により各々直接に接続される温度調整槽と、熱負荷に接続されて前記熱負荷に冷熱又は温熱を供給可能とする冷温熱発生熱交換器と、前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とを接続する配管に設けられて前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とに温度差を生じさせる膨張弁と、前記膨張弁が設けられた前記配管とは別の前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とを接続する他の配管に接続可能とされて前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とに温度差を生じさせる圧縮機と、前記膨張弁が取付けられていない前記他の配管と前記圧縮機とを接続し、且つ、前記圧縮機が吐出する熱媒を、前記冷温熱発生熱交換機側に吐出、又は、前記温度調整槽側に吐出するように切り換え可能とする四方弁と、前記膨張弁が設けられた前記配管と前記四方弁が設けられた前記他の配管とを前記温度調整槽の内部で接続するように前記温度調整槽の内部に配置される熱交換パイプと、を有するものである。

そして、前記温度調整槽は、下部で連接されるように分離された二つの貯留室を有し、一方の貯留室から熱媒を排出し、他方の貯留室に熱媒を流入させるように前記各熱媒回路を介して熱媒を循環させ、前記複数の採熱器に熱媒を循環させるように送ることにより、当該温度調整槽と各採熱器との熱交換を行い、前記温度調整槽の内部に配置される前記熱交換パイプは、前記二つの貯留室における前記一方の貯留室及び前記他方の貯留室の両室に亘って配置され、前記圧縮機が吐出した熱媒は、前記四方弁を介して前記他の配管及び前記膨張弁が設けられた前記配管により前記圧縮機に戻るように循環し、前記四方弁を切り換えることにより、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記冷温熱発生熱交換器及び前記膨張弁を介して前記温度調整槽に送り、前記温度調整槽内の前記熱交換パイプを更に介して前記圧縮機に吸引するように循環させ、又は、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記温度調整槽に送り、前記温度調整槽内の前記熱交換パイプと前記膨張弁及び前記冷温熱発生熱交換器を介して前記圧縮機に吸引するように循環させる冷温熱発生装置とするものである。

また、本発明に係る冷温熱発生装置は、複数の異なる熱源に各々配置された複数の採熱器と、前記各熱源に配置された複数の採熱器の各採熱器が各々循環ポンプを備える各熱媒回路により各々直接に接続される温度調整槽と、熱負荷に接続されて前記熱負荷に冷熱又は温熱を供給可能とする冷温熱発生熱交換器と、前記温度調整槽と接続される補助熱交換器、及び、前記温度調整槽の熱媒を前記補助熱交換器に循環させる補助循環ポンプと、前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽側の前記補助熱交換器とを接続する配管に設けられて前記冷温熱発生熱交換器と前記補助熱交換器とに温度差を生じさせる膨張弁と、前記膨張弁が設けられた前記配管とは別の前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽側の前記補助熱交換器とを接続する他の配管に接続可能とされて前記冷温熱発生熱交換器と前記補助熱交換器とに温度差を生じさせる圧縮機と、前記膨張弁が取付けられていない前記他の配管と前記圧縮機とを接続し、且つ、前記圧縮機が吐出する熱媒を、前記冷温熱発生熱交換機側に吐出、又は、前記補助熱交換器側に吐出するように切り換え可能とする四方弁と、を有するものである。

そして、前記温度調整槽は、下部で連接されるように分離された二つの貯留室を有し、一方の貯留室から熱媒を排出し、他方の貯留室に熱媒を流入させるように前記各熱媒回路を介して熱媒を循環させ、前記複数の採熱器に熱媒を循環させるように送ることにより、当該温度調整槽と各採熱器との熱交換を行い、前記補助循環ポンプにより前記温度調整槽の熱媒を前記二つの貯留室の一方から前記補助熱交換器に送って前記温度調整槽の前記二つの貯留室の他方に戻す様に循環させ、且つ、前記四方弁を切り換えることにより、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記冷温熱発生熱交換器側に吐出、又は、前記補助熱交換器側に吐出し、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記圧縮機、前記冷温熱発生熱交換器、前記膨張弁、前記補助熱交換器において循環させることにより、前記圧縮機が吐出した熱媒は、前記四方弁を介して前記他の配管及び前記膨張弁が設けられた前記配管により前記圧縮機に戻るように循環し、前記補助熱交換器を介して前記温度調整槽と前記冷温熱発生熱交換器とを熱的に接続した冷温熱発生装置とするものである。

また、前記採熱器は、自然熱を採取する熱交換パイプ及び人工排熱を採取する熱交換パイプであって、複数の異なる前記各熱源に前記熱交換パイプが各々配置され、前記温度調整槽の熱媒が当該各熱交換パイプである採熱器を通して循環する冷温熱発生装置とするものである。

そして、前記自然熱を採取する熱交換パイプは、地中に配された熱交換パイプ、太陽熱集熱パネルの熱交換パイプ、河川や湖沼の水中に配された熱交換パイプ、空気との接触を行うように配された熱交換パイプ、雪捨て場に配された熱交換パイプ、の何れかであり、前記人工排熱を採取する熱交換パイプは、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置されて生活排水熱を吸収する熱交換パイプ、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置されて工場排水熱を吸収する熱交換パイプ、堆肥場に配された熱交換パイプ、発酵槽に配された熱交換パイプ、の何れかである冷温熱発生装置とするものである。

そして、前記温度調整槽に貯える熱媒温度を１０℃乃至３０℃の範囲内とする冷温熱発生装置とするものである。

更に、前記各採熱器には温度計を備える冷温熱発生装置とするものである。

本発明に係る冷温熱発生装置は、複数の熱源から採熱を行う複数の採熱器を温度調整槽と接続しているため、各熱源の温度が時間的、季節的に変動しても、温度調整槽に蓄える熱媒の温度を所定範囲内に安定させることができるものであって、各採熱器を接続する熱媒回路に各々循環ポンプを設けることにより、熱媒の強制循環を可能として、温度調整槽の温度調整を迅速且つ確実に行うことができる。

このため、温度調整槽に貯えた熱媒の温度による熱エネルギーを利用して、圧縮機及び膨張弁による温度上昇や温度降下を効率良く安定させて行うことができ、効率的な熱利用を可能として、冷温熱発生熱交換器から熱負荷に対して冷熱又は温熱を供給することができる。また、複数の熱源から採熱を行うため、各熱源への負担を軽減することもできる。

更に、温度調整槽と冷温熱発生熱交換器とを接続する配管に膨張弁と四方弁を介した圧縮機とを設けることにより、冷温熱発生装置の構造を単純として冷温熱発生装置の設置を容易に行うことができる。

そして、温度調整槽内に熱交換パイプを備えることにより、圧縮機から冷温熱発生熱交換器及び膨張弁を循環させる熱媒と、採熱器により熱源と熱交換を行って温度調整槽に蓄えられる熱媒と、を異なる熱媒とすることを可能とすることができる。このため、圧縮・凝縮により液化され、膨張・蒸発により気化するように液化及び気化するために取扱に注意を要する熱媒を、離れた複数の熱源に配置した採熱器に送る必要が無く、熱源の採熱器に送る熱媒を取扱い容易な熱媒として、熱源からの採熱を容易に行うことができる。

また、温度調整槽と冷温熱発生熱交換器との間に補助熱交換器と循環ポンプとを配置することにより、圧縮機や膨張弁、冷温熱発生熱交換器を循環させる熱媒と、温度調整槽に蓄えて補助熱交換器を循環させる熱媒とを異なる熱媒とすることを可能とし、且つ、補助熱交換器や冷温熱発生熱交換器、圧縮機、四方弁、膨張弁を近接した位置に配置することを可能として、冷温熱発生装置の設置を容易とし、且つ、熱源の採熱器に送る熱媒を取扱い容易な熱媒とすることにより、熱源からの採熱を容易に行うことができる。

更に、温度調整槽に二つの貯留室を設けて両貯留室を下部で連接し、一方の貯留室に熱媒を流入させて他方の貯留室から熱媒を排出させるように各採熱器に熱媒を送って循環させることにより、一方の貯留室と他方の貯留室とで温度差を生じさせて冷温熱発生熱交換器側へ流出する熱媒や冷温熱発生熱交換器側から流入する熱媒と温度調整槽に蓄えられた熱媒との熱交換を効率良く行うことができる。

そして、自然熱や人工排熱を採熱器で集熱することにより、容易に逆カルノーサイクル原理を利用するヒートポンプ方式を採用することができ、複数の異なる熱源から採熱することにより安定した温度の熱源熱として効率良く熱利用を図ることができる。

また、地中熱や太陽熱、空気熱等の自然熱を集熱する熱交換パイプ、生活排水熱や工場排水熱等の人工排熱を集熱する熱交換パイプを採熱器として自然熱や人工排熱を集熱すれば、熱の収集を容易に行うことができる。

更に、温度調整槽の温度を１０℃乃至３０℃の範囲内とする事によって、逆カルノーサイクル原理を利用するに際し、余り価値を見出せない拡散した低温熱や、人工排熱などの高温であるが熱交換器のみでは利用価値を生まないままの少量の高温熱でも、他の低温熱と混合して利用することで有効な熱として、既存の一般的なヒートポンプの熱利用と比べて高効率の熱利用を行うことができる。

また、採熱器に温度計を設けることにより各熱源の温度状態を検出することを可能とし、循環ポンプにより適切な熱源を選択して熱を温度調整槽に移動させることができる。

本発明に係る冷温熱発生装置の第１の実施形態の概要を示す図。本発明に係る冷温熱発生装置の第２の実施形態の概要を示す図。本発明に係る冷温熱発生装置の第３の実施形態の概要を示す図。本発明に係る冷温熱発生装置の第４の実施形態の概要を示す図。

本発明に係る冷温熱発生装置の実施の形態は、複数の熱源からの熱エネルギーを温度調整槽に移動させて集熱し、逆カルノーサイクル原理を用いて冷温熱発生熱交換器により冷熱や温熱を取り出すことができるようにするものである。

この冷温熱発生装置の第１の実施の形態は、図１に示すように、第１熱源乃至第５熱源から熱を採取する第１採熱器121乃至第５採熱器125とする採熱器を配管により温度調整槽110と接続し、この温度調整槽110と冷温熱発生熱交換器190とを接続する第１配管201には四方弁213を設けて圧縮機211を第１配管201に接続するものとし、温度調整槽110と冷温熱発生熱交換器190とを接続する第２配管202には膨張弁215を設けているものである。

そして、この温度調整槽110の内部において、第１配管201と第２配管202とを接続する熱交換パイプ119を有し、第１配管201から温度調整槽110に流入する熱媒を熱交換パイプ119を介して第２配管202に戻し、又は、第２配管202から温度調整槽110に流入する熱媒を熱交換パイプ119を介して第１配管201に戻すようにして、第１採熱器121乃至第５採熱器125を循環して温度調整槽110に貯えられる熱媒と第１配管201及び第２配管202を循環する熱媒との熱交換を行わせるものである。

この第１採熱器121は、地中に埋設した熱交換パイプであって、地中熱を採熱するものである。

また、第２採熱器122は、太陽熱集熱パネルの熱交換パイプであって、太陽熱を採熱するものである。

そして、第３採熱器123は、大気中に設置するフィンを備えた熱交換パイプであって、大気熱を採熱するものである。

更に、第４採熱器124は、下水槽、下水管、排水槽、排水管などに配設した熱交換パイプであって、人工排熱である生活排水熱を採熱するものである。

また、第５採熱器125は、河川や湖沼などの水中に配設する熱交換パイプであって、河川などの水熱を採熱するものである。

そして、第１採熱器121と温度調整槽110とを接続する第１熱源往路141には、熱媒の循環用ポンプとしての第１循環ポンプ131を設けて温度調整槽110の熱媒を第１採熱器121に送り、第１採熱器121を介した熱媒を第１熱源復路151により温度調整槽110に戻すように第１採熱器121と温度調整槽110とを熱媒回路で接続して、第１採熱器121を温度調整槽110と熱交換可能としているものである。

尚、第１採熱器121とした熱交換パイプには、熱交換パイプ内の熱媒温度を検出する第１温度計161を設けている。

同様に、第２採熱器122、第３採熱器123、第４採熱器124、第５採熱器125も、各々第２温度計162、第３温度計163、第４温度計164、第５温度計165を備え、また、熱媒の循環用ポンプとして第２循環ポンプ132乃至第５循環ポンプ135を備える第２熱源往路142乃至第５熱源往路145により各々が温度調整槽110に接続され、第２採熱器122乃至第５採熱器125を介した熱媒を各々第２熱源復路152乃至第５熱源復路155により温度調整槽110に戻すように各採熱器と温度調整槽110とを熱媒回路で接続して、各採熱器を温度調整槽110と熱交換可能としているものである。

また、温度調整槽110は、第１貯留室111と第２貯留室112を形成するように仕切板117を有して第１貯留室111と第２貯留室112の下部を相互に連通させる連通部115を有するものであり、第１貯留室111の上部からは、四方弁213を介在させて冷温熱発生熱交換器190と接続する第１配管201を有し、第２貯留室112の上部からは膨張弁215を介在させて冷温熱発生熱交換器190と接続する第２配管202を有し、第１配管201及び第２配管202に接続する熱交換パイプ119は、連通部115を通って第１貯留室111及び第２貯留室112に配置されるものである。

従って、冷温熱発生熱交換器190と温度調整槽110とを第１配管201及び第２配管202により熱的に接続し、この第１配管201及び第２配管202を流れる熱媒と第１採熱器121乃至第５採熱器125を流れて温度調整槽110に蓄えられる熱媒とを異なる熱媒とし、温度調整槽110に蓄える熱媒を水などの取り扱いが容易な熱媒とすることができるものである。

そして、第１貯留室111の中間高さ位置において、温度調整槽110内の熱媒温度を検出する調整槽温度計169を有するものである。

また、四方弁213は、第１開口213ａと連通する第２開口213ｂを有すると共に、第３開口213ｃと連通する第４開口213ｄを有するものであって、図１に示したように、第２開口213ｂ及び第４開口213ｄを第１配管201に接続するようにして、第１開口213ａを圧縮機211の熱媒吐出口と接続し、第３開口213ｃを圧縮機211の熱媒吸入口と接続した状態では、圧縮機211から吐出された熱媒を冷温熱発生熱交換器190の一次側コイルに送り、第２配管202により膨張弁215を通り、更に温度調整槽110内の熱交換パイプ119を通った熱媒を圧縮機211に吸い込むことができるものである。

そして、この四方弁213の切換操作を行って第１開口213ａ及び第３開口213ｃを第１配管201に接続するようにして、第２開口213ｂを圧縮機211の熱媒吐出口と接続し、第４開口213ｄを圧縮機211の熱媒吸入口と接続した状態に切換えると、圧縮機211から吐出された熱媒を温度調整槽110内の熱交換パイプ119に送り、第２配管202により膨張弁215及び冷温熱発生熱交換器190に送って冷温熱発生熱交換器190の一次側コイルを介した熱媒を圧縮機211に吸い込むことができるものである。

また、冷温熱発生熱交換器190は、二次側コイルと負荷用往路191及び負荷用復路192とを接続し、負荷用往路191及び負荷用復路192は図示しない熱負荷と接続するものである。

この熱負荷としては、空調機や温水器、冷水器などが冷温熱発生熱交換器190に接続されるものであり、空調機に冷温熱発生熱交換器190から冷熱を送り、屋内冷房に利用し、また、空調機に冷温熱発生熱交換器190から温熱を送り、屋内暖房を行うことができる。

そして、冷水器では、冷温熱発生熱交換器190からの冷熱により上水（水道水）を１０℃程度に冷却して冷水とし、また、冷温熱発生熱交換器190の温熱により上水（水道水）を５０℃程度の温水とすることにより、生活用水として冷水や温水の利用を可能とするものである。

また、冷水や温水は、生活用水として利用する場合に限ることなく、壁や床に設けた配管を循環させ、壁冷房や壁暖房、又は床冷房や床暖房を行うようにすることもある。

即ち、図１に示した第２開口213ｂ及び第４開口213ｄを第１配管201に接続して圧縮機211を四方弁213により第１配管201に接続した状態では、温度調整槽110内の熱交換パイプ119を通した熱媒を圧縮機211に吸い込み、圧縮機211で熱媒を圧縮することにより熱媒を昇温させ、５０℃乃至６０℃程度の温度の高圧熱媒として冷温熱発生熱交換器190の一次側コイル225に送ることができる。

そして、冷温熱発生熱交換器190の一次側コイル225を通過した熱媒を膨張弁215を通して気化させることにより７℃乃至１５℃程度の温度に降下させ、低温とされた熱媒を温度調整槽110内の熱交換パイプ119に送ることができ、冷温熱発生熱交換器190から温熱を取出して熱負荷に供給し、温熱を生活に利用することができる。

このように、圧縮機211により圧縮昇温させた熱媒を冷温熱発生熱交換器190に送り、冷温熱発生熱交換器190から５０℃乃至６０℃程度の温熱を負荷側に取り出し、膨張弁215を介して温度調整槽110内の熱交換パイプ119に７℃乃至１５℃程度の熱媒が注入されるときは、熱源の温度が２０℃以上である熱源に設けた採熱器から温度調整槽110に熱エネルギーを送る様に、第１循環ポンプ131乃至第５循環ポンプ135の内の所要温度に該当する熱源の採熱器に接続される循環ポンプを駆動して熱源からの熱を温度調整槽110に移動させ、温度調整槽110に貯えられる熱媒の温度を１０℃乃至３０℃の間で圧縮機211や膨張弁215の特性に合わせた所定の一定温度とするものである。

また、四方弁213を切り換えて四方弁213の第１開口213ａ及び第３開口213ｃを第１配管201に接続して圧縮機211を四方弁213により第１配管201に接続すれば、第１配管201内の熱媒は、圧縮機211により５０℃乃至６０℃程度の温度とされる高圧熱媒となって温度調整槽110に送られ、温度調整槽110内の熱交換パイプ119により温度調整槽110内で放熱する。

そして、温度調整槽110と連通されている第１採熱器121から第５採熱器125の各採熱器の温度状況により、５０℃以下の所定の熱源に放熱して熱交換パイプ119内の温度降下をさせるように作用させ、熱交換パイプ119を通った熱媒は温度降下しながら膨張弁215に送られ、膨張弁215で一気に開放されることにより７℃乃至１５℃程度の温度に降下させて冷温熱発生熱交換器190の一次側コイル225に送ることができ、冷温熱発生熱交換器190から冷熱を取出して熱負荷に供給し、冷熱を生活に利用することができる。

そして、冷温熱発生熱交換器190から７℃乃至１５℃程度の冷熱が負荷側に取り出され、温度調整槽110内の熱交換パイプ119に５０℃乃至６０℃程度の熱媒が注入され、温度調整槽110内に５０℃乃至６０℃程度の熱媒が発生して対流しているときは、熱源の温度が３０℃乃至５０℃以下である熱源に設けた採熱器から温度調整槽110に熱エネルギーを送る様に第１循環ポンプ131乃至第５循環ポンプ135の内の該当する熱源の採熱器に接続される循環ポンプを駆動して熱源からの熱を温度調整槽110に移動させ、温度調整槽110に貯えられる熱媒の温度を１０℃乃至３０℃の間で圧縮機211や膨張弁215の特性に合わせた所定の一定温度とするものである。

また、この冷温熱発生装置100は、制御盤240を有し、スイッチ操作に基づいて四方弁213の接続切換を制御盤240により制御し、冷温熱発生熱交換器190から１０℃程度の冷熱を熱負荷に供給し、また、５０℃程度の温熱を熱負荷に供給することができるようにしているものである。

そして、この制御盤240は、調整槽温度計169により温度調整槽110内の熱媒温度を検出すると共に、第１温度計161乃至第５温度計165により第１採熱器121乃至第５採熱器125における熱媒温度も検出し、温度調整槽110の温度を１０℃乃至３０℃の範囲内であって所定の目標温度とするように、第１採熱器121乃至第５採熱器125の内、採熱に適した熱源に設置した採熱器に熱媒を送る様に、第１循環ポンプ131、第２循環ポンプ132、第３循環ポンプ133、第４循環ポンプ134、第５循環ポンプ135の駆動及び停止の制御を行うものである。

また、採熱器としては、前述の５種類の熱源に配置するものの他、温泉排水などの水路に熱交換パイプを配置して温水熱を採取する場合、雪捨て場の地表近傍等に熱交換パイプを埋設配置して氷雪熱を採取する場合、堆肥場の地表近傍等に熱交換パイプを配置して堆肥等の発酵熱を採取する場合、発酵槽内に熱交換パイプを配置して発酵熱を採取する場合、工場排熱やボイラー排熱を採取する熱交換パイプ等、種々の採熱対象とする熱源から熱を採取可能とする熱交換パイプを用いることが有る。

そして、調整槽温度計169と接続する採熱器の数も５個に限ることなく、３個以上の適宜の数の熱源を使用すれば足り、地中熱、空気熱、太陽光熱、生活排水熱等の家屋の周囲で採熱を容易に行える熱源を使用すれば、冷温熱発生装置100の設置が容易となる。また、設置場所や状況により、近隣の適宜の熱源を追加すれば、より一層安定した効率の良い熱利用を行うことができる。

このように、この冷温熱発生装置100は、圧縮機211及び膨張弁215により温度調整槽110と冷温熱発生熱交換器190との間に温度差を生じさせ、温度調整槽110に熱源からの熱を集熱して所定範囲の温度とする熱媒を蓄えておくものであるから、圧縮機211から吐出する熱媒を温度調整槽110側に送り出すか、冷温熱発生熱交換器190側に送り出すかを、四方弁213により切り換えるのみで冷温熱発生熱交換器190から冷熱又は温熱を取り出すことができ、複数の熱源の温度状態を検出し、温度調整槽110の温度を所定の目標温度とすることにより、圧縮機211及び膨張弁215の機能を高効率として逆カルノーサイクル原理を用いた冷温熱発生装置100を作動させることができる。

更に、熱源として複数の熱源を利用するため、各熱源への負担を軽減し、空気熱を利用する場合にも大気中からの吸熱を減少させ、また、大気中への放熱を減少させてヒートアイランド現象を軽減させることができ、地中熱を利用する場合においては、採熱器とする熱交換パイプの設置に際し、地中深くの広範囲に設置する必要をなくし、地中に埋設する第１採熱器121の設置、ひいては冷温熱発生装置100の設置を容易とすることができる。

そして、余り利用価値を見出せない拡散した低温熱の熱源や、人工排熱などの高温であるが熱交換器のみでは利用価値を生まないままの少量の高温熱の熱源であっても、他の低温熱熱源や少量高温熱源の熱と混合させるように利用することにより、各々の熱源に大きな負荷をかけることなく有効な熱源として熱利用を行うことができるものである。

また、本発明の第２の実施の形態は、図２に示すように、貯留槽171を設けると共に、温度調整槽110に貯留用熱交換器128を接続して温度調整槽110と貯留槽171の間の熱移動を可能とするものである。

この貯留用熱交換器128は、一次側コイルを温度調整槽110に接続するように第６循環ポンプ138を有する貯留用往路148により一次側コイルの一端と温度調整槽110を接続し、貯留用熱交換器128を介した熱媒を温度調整槽110に戻すように一次側コイルの他端と温度調整槽110とを貯留用復路158により接続するものである。

また、貯留用熱交換器128の二次側コイルは、貯留循環ポンプ173を備える貯留循環路175により貯留槽171と接続して貯留槽171に蓄えた水を貯留用熱交換器128に循環させるものとし、貯留槽171に蓄えた水の水温を検出する貯留槽温度計168を設けるものである。

そして、この貯留槽温度計168で検出する水温情報も制御盤240に入力し、貯留槽171に蓄えた水の温度を温度調整槽110の所定温度に合わせるように貯留循環ポンプ173及び第６循環ポンプ138を駆動制御することにより、冷温熱発生熱交換器190から冷熱や温熱を取り出し、温度調整槽110に蓄えた熱媒温度が所定温度から外れるとき、適正温度の熱源が無い場合でも、貯留槽171に蓄えた熱エネルギーにより温度調整槽110の温度変化を小さくすることができるものである。

尚、貯留用熱交換器128を省略し、温度調整槽110内の熱媒を貯留槽171に抜き出して貯めておき、圧縮機211を駆動させることにより温度調整槽110内の熱媒温度が上昇または降下するとき、貯留槽171に貯めた熱媒を温度調整槽110に移動させて温度調整槽110内の熱媒温度の上昇または降下を小さくさせることもできる。

また、上述の冷温熱発生装置100は、温度調整槽110の熱媒を第１循環ポンプ131、第２循環ポンプ132、第３循環ポンプ133、第４循環ポンプ134、第５循環ポンプ135とした循環ポンプにより熱媒を各採熱器に送るようにしているも、循環ポンプを使用しないこともある。

この第３の実施の形態は、図３に示すように、第１循環ポンプ131乃至第５循環ポンプ135に換えて第１電磁弁181、第２電磁弁182、第３電磁弁183、第４電磁弁184、第５電磁弁185を各々第１熱源往路141、第２熱源往路142、第３熱源往路143、第４熱源往路144、第５熱源往路145に設けているものであって、熱源に配置する採熱器と温度調整槽110との接続において、採熱器と温度調整槽110との位置関係や配管の設置状況により熱媒をポンプにより強制循環させる必要がない状態の場合に実施するものである。

即ち、熱源に配置された採熱器内の熱媒温度と温度調整槽110に蓄えられている熱媒の温度との温度差により、第１熱源往路141、第２熱源往路142、第３熱源往路143、第４熱源往路144、第５熱源往路145の各熱源往路から第１採熱器121、第２採熱器122、第３採熱器123、第４採熱器124、第５採熱器125を介して第１熱源復路151、第２熱源復路152、第３熱源復路153、第４熱源復路154、第５熱源復路155により温度調整槽110に熱媒が戻るように、各熱源往路、採熱器、及び熱源復路において熱媒が自然循環して温度調整槽110に熱移動が行われるとき、循環ポンプを廃止して冷温熱発生装置100におけるエネルギー消費を少なくすることができるものである。

そして、熱源温度が温度調整槽110内の温度よりも高く、温度調整槽110の温度を低下させることが必要な状態のときは、所定温度よりも高い熱源への循環往路に設けた電磁弁を閉じ、同様に熱源温度が低く温度調整槽110内の熱媒温度を上昇させることが必要なときは、一定の温度よりも低い熱源への循環往路に設けた電磁弁を閉じるようにして、温度調整槽110の目標温度達成に適さない熱源との熱移動を阻止するものである。

また、図３に示した第３の実施の形態は、第１採熱器121乃至第５採熱器125への全ての熱源往路に電磁弁を設けているも、採熱器の設置場所及び配管の状態により自然循環が行われる熱源への配管には電磁弁を設け、自然循環では熱移動の効率が悪い熱源への配管には循環用ポンプとしての循環ポンプを設けることとし、自然循環により熱を採取する熱源と強制循環により熱を採取する熱源とを組み合わせることもある。

また、第４の実施の形態は、図４に示すように、温度調整槽110内の熱交換パイプ119を省略し、第１配管201及び第２配管202を補助熱交換器221に接続し、補助熱交換器221を介して温度調整槽110と冷温熱発生熱交換器190とを熱的に接続することにより、温度調整槽110内の熱媒と冷温熱発生熱交換器190を循環する熱媒とを分断しつつ熱移動を行わせるものである。

この第４の実施の形態は、第１配管201に補助循環ポンプ223を設けて補助熱交換器221の一次側コイル225の一端を接続し、補助熱交換器221の一次側コイル225の他端を第２配管202と接続するものである。

そして、補助熱交換器221の二次側コイル227の一端と冷温熱発生熱交換器190の一次側コイルの一端とを接続する第１補助配管231に四方弁213を配置して圧縮機211を四方弁213と接続し、補助熱交換器221の二次側コイル227の他端と冷温熱発生熱交換器190の一次側コイルの他端とを接続する第２補助配管232に膨張弁215を配置するものである。

従って、冷温熱発生熱交換器190と温度調整槽110とを補助熱交換器221を介して熱的に接続しつつ、第１配管201及び第２配管202を流れる熱媒と第１補助配管231及び第２補助配管232を流れる熱媒とを異なる熱媒とすることができ、温度調整槽110に蓄える熱媒を水などの取り扱いが容易な熱媒とすることができることは、前述の実施の形態と同様である。

そして、この場合も、図１等に示した形態と同様に、四方弁213の切換により、冷温熱発生熱交換器190から７℃程度の冷熱を熱負荷に供給し、また、５０℃程度の温熱を熱負荷に供給することができる。そして、熱源として複数の熱源を利用し、温度調整槽110の温度を所定の温度とすることにより、各熱源への負担を軽減することができると共に、圧縮機211及び膨張弁215も効率良く利用することができる。

また、この第４の実施の形態では、温度調整槽110を複数の熱源に対して平均的に近い位置などに配置し、補助熱交換器221を四方弁213や圧縮機211及び膨張弁215や冷温熱発生装置100に近接した位置に配置し、取り扱いに注意が必要な熱媒である圧縮機211や膨張弁215を循環させる熱媒の配管とする第１補助配管231及び第２補助配管232の長さを長くすることなく、補助熱交換器221や四方弁213、圧縮機211、膨張弁215、冷温熱発生装置100を相互に近接させた位置に配置しつつ、複数の熱源の熱を有効に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る冷温熱発生装置100は、複数の熱源から採熱を行って逆カルノーサイクル原理を利用したヒートポンプ方式により冷熱又は温熱を取り出すことのできる冷温熱発生装置100であるから、自然熱や人工排熱のように熱的に不安定な熱源であっても、温度調整槽110により安定した熱エネルギーとして効率の良い熱利用を図ることができ、また、複数の熱源から採熱を行うため、各熱源への負担を軽減することもできる冷温熱発生装置100である。

１００冷温熱発生装置
１１０温度調整槽１１１第１貯留室
１１２第２貯留室１１５連通部
１１７仕切板１１９熱交換パイプ
１２１第１採熱器１２２第２採熱器
１２３第３採熱器１２４第４採熱器
１２５第５採熱器
１２８貯留用熱交換器
１３１第１循環ポンプ１３２第２循環ポンプ
１３３第３循環ポンプ１３４第４循環ポンプ
１３５第５循環ポンプ
１３８第６循環ポンプ
１４１第１熱源往路１４２第２熱源往路
１４３第３熱源往路１４４第４熱源往路
１４５第５熱源往路
１４８貯留用往路
１５１第１熱源復路１５２第２熱源復路
１５３第３熱源復路１５４第４熱源復路
１５５第５熱源復路
１５８貯留用復路
１６１第１温度計１６２第２温度計
１６３第３温度計１６４第４温度計
１６５第５温度計
１６８貯留槽温度計
１６９調整槽温度計
１７１貯留槽１７３貯留循環ポンプ
１７５貯留循環路
１８１第１電磁弁１８２第２電磁弁
１８３第３電磁弁１８４第４電磁弁
１８５第５電磁弁
１９０冷温熱発生熱交換器
１９１負荷用往路１９２負荷用復路
２０１第１配管２０２第２配管
２１１圧縮機２１３四方弁
２１３ａ第１開口２１３ｂ第２開口
２１３ｃ第３開口２１３ｄ第４開口
２１５膨張弁
２２１補助熱交換器２２３補助循環ポンプ
２２５一次側コイル２２７二次側コイル
２３１第１補助配管２３２第２補助配管
２４０制御盤

Claims

複数の異なる熱源に各々配置された複数の採熱器と、
前記各熱源に配置された複数の採熱器の各採熱器が各々循環ポンプを備える各熱媒回路により各々直接に接続される温度調整槽と、
熱負荷に接続されて前記熱負荷に冷熱又は温熱を供給可能とする冷温熱発生熱交換器と、
前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とを接続する配管に設けられて前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とに温度差を生じさせる膨張弁と、
前記膨張弁が設けられた前記配管とは別の前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とを接続する他の配管に接続可能とされて前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽とに温度差を生じさせる圧縮機と、
前記膨張弁が取付けられていない前記他の配管と前記圧縮機とを接続し、且つ、前記圧縮機が吐出する熱媒を、前記冷温熱発生熱交換機側に吐出、又は、前記温度調整槽側に吐出するように切り換え可能とする四方弁と、
前記膨張弁が設けられた前記配管と前記四方弁が設けられた前記他の配管とを前記温度調整槽の内部で接続するように前記温度調整槽の内部に配置される熱交換パイプと、
を有し、
前記温度調整槽は、下部で連接されるように分離された二つの貯留室を有し、一方の貯留室から熱媒を排出し、他方の貯留室に熱媒を流入させるように前記各熱媒回路を介して熱媒を循環させ、前記複数の採熱器に熱媒を循環させるように送ることにより、当該温度調整槽と各採熱器との熱交換を行い、
前記温度調整槽の内部に配置される前記熱交換パイプは、前記二つの貯留室における前記一方の貯留室及び前記他方の貯留室の両室に亘って配置され、
前記圧縮機が吐出した熱媒は、前記四方弁を介して前記他の配管及び前記膨張弁が設けられた前記配管により前記圧縮機に戻るように循環し、
前記四方弁を切り換えることにより、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記冷温熱発生熱交換器及び前記膨張弁を介して前記温度調整槽に送り、前記温度調整槽内の前記熱交換パイプを更に介して前記圧縮機に吸引するように循環させ、又は、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記温度調整槽に送り、前記温度調整槽内の前記熱交換パイプと前記膨張弁及び前記冷温熱発生熱交換器を介して前記圧縮機に吸引するように循環させることを特徴とする冷温熱発生装置。
複数の異なる熱源に各々配置された複数の採熱器と、
前記各熱源に配置された複数の採熱器の各採熱器が各々循環ポンプを備える各熱媒回路により各々直接に接続される温度調整槽と、
熱負荷に接続されて前記熱負荷に冷熱又は温熱を供給可能とする冷温熱発生熱交換器と、
前記温度調整槽と接続される補助熱交換器、及び、前記温度調整槽の熱媒を前記補助熱交換器に循環させる補助循環ポンプと、
前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽側の前記補助熱交換器とを接続する配管に設けられて前記冷温熱発生熱交換器と前記補助熱交換器とに温度差を生じさせる膨張弁と、
前記膨張弁が設けられた前記配管とは別の前記冷温熱発生熱交換器と前記温度調整槽側の前記補助熱交換器とを接続する他の配管に接続可能とされて前記冷温熱発生熱交換器と前記補助熱交換器とに温度差を生じさせる圧縮機と、
前記膨張弁が取付けられていない前記他の配管と前記圧縮機とを接続し、且つ、前記圧縮機が吐出する熱媒を、前記冷温熱発生熱交換機側に吐出、又は、前記補助熱交換器側に吐出するように切り換え可能とする四方弁と、
を有し、
前記温度調整槽は、下部で連接されるように分離された二つの貯留室を有し、一方の貯留室から熱媒を排出し、他方の貯留室に熱媒を流入させるように前記各熱媒回路を介して熱媒を循環させ、前記複数の採熱器に熱媒を循環させるように送ることにより、当該温度調整槽と各採熱器との熱交換を行い、
前記補助循環ポンプにより前記温度調整槽の熱媒を前記二つの貯留室の一方から前記補助熱交換器に送って前記温度調整槽の前記二つの貯留室の他方に戻す様に循環させ、且つ、
前記四方弁を切り換えることにより、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記冷温熱発生熱交換器側に吐出、又は、前記補助熱交換器側に吐出し、前記圧縮機から吐出された熱媒を、前記圧縮機、前記冷温熱発生熱交換器、前記膨張弁、前記補助熱交換器において循環させることにより、
前記圧縮機が吐出した熱媒は、前記四方弁を介して前記他の配管及び前記膨張弁が設けられた前記配管により前記圧縮機に戻るように循環し、
前記補助熱交換器を介して前記温度調整槽と前記冷温熱発生熱交換器とを熱的に接続したことを特徴とする冷温熱発生装置。
前記採熱器は、自然熱を採取する熱交換パイプ及び人工排熱を採取する熱交換パイプであって、複数の異なる前記各熱源に前記熱交換パイプが各々配置され、前記温度調整槽の熱媒が当該各熱交換パイプである採熱器を通して循環することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した冷温熱発生装置。
前記自然熱を採取する熱交換パイプは、地中に配された熱交換パイプ、太陽熱集熱パネルの熱交換パイプ、河川や湖沼の水中に配された熱交換パイプ、空気との接触を行うように配された熱交換パイプ、雪捨て場に配された熱交換パイプ、の何れかであり、
前記人工排熱を採取する熱交換パイプは、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置されて生活排水熱を吸収する熱交換パイプ、下水管や下水槽又は排水溝や排水槽に配置されて工場排水熱を吸収する熱交換パイプ、堆肥場に配された熱交換パイプ、発酵槽に配された熱交換パイプ、の何れかであることを特徴とする請求項３に記載した冷温熱発生装置。
前記温度調整槽に貯える熱媒温度を１０℃乃至３０℃の範囲内とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載した冷温熱発生装置。
前記各採熱器には温度計を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載した冷温熱発生装置。