JP6168744B2

JP6168744B2 - 廃熱を利用した給湯システム

Info

Publication number: JP6168744B2
Application number: JP2012202665A
Authority: JP
Inventors: 石塚　圭一; 圭一石塚; 渡辺　春夫; 春夫渡辺; 直人三河; 雅之笠島; 勝美吉田; 哲雄山本
Original assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Takasago Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: JP2014059068A

Description

本発明は、建物で発生した廃熱を利用した給湯システムに関する。

例えば、建築物の発熱機器が設置された室（電気室など）では、空調機で冷風を製造し、冷風を前記対象室へ供給することで、室内温熱環境の維持を行っている。電気室などの発熱機器が存在する部屋における空気調和設備の設計条件は、４０℃以下とされているが、機器の効率や寿命のためには極力低い温度であることが好ましい。

前記空調機で冷風を供給するためには、空気を冷却するための冷熱源が必要になる。この冷熱源は、建物内に設置された冷凍機で製造した冷水、もしくは、地域冷暖房設備（DHC）から購入した冷水などを利用している。冷凍機で冷水を製造する場合のエネルギーとしては、ターボ冷凍機のように電力を使用する場合や、直焚吸収冷凍機のようにガス、油を使用する場合もある。蒸気吸収冷凍機のように蒸気をエネルギー源とする場合は、ガス、油をエネルギー源とした蒸気ボイラにより蒸気を製造し、冷凍機へ供給している。蒸気の供給元としては、前記地域冷暖房設備（DHC）からの購入による場合もある。その他には、建築物の発熱機器が設置された室（電気室など）の中に、パッケージ型空調機を設置して、室内の発熱を内部で直接冷却する方法もある。この場合のエネルギー源は電気となる、水冷のパッケージ型空調機を使用する場合もあるが、水気を嫌う電気室などでの使用例は少ない。従来技術では、発熱機器が設置された室（電気室など）では、発熱機器の廃熱を除去するために空調機により冷房を行っていた。この場合、冷却に関わるエネルギー消費量が過大となる傾向がある。地球環境保全と、省エネルギーの観点から、消費エネルギー（油、ガス、電気、DHC 熱源）の削減が要求されている。

ここで、特許文献１として示す特開２００７−４６８２３「冷排熱利用システム及びその制御方法」には、ヒートポンプ給湯機から排出される冷排気を建物の躯体蓄熱用の空気冷熱源として活用する方法が開示されている。また、特許文献２として示す特開２００２−１３０７８４「廃熱利用換気システム」には、ヒートポンプ給湯機から排出される冷排気を空調機の換気補助として活用する方法が開示されている。

特開２００７−４６８２３公報特開２００２−１３０７８４公報

しかしながら、従来は室内の廃熱を処理した後の高温の熱排気は、そのまま建物外部へ排出し廃棄するのが一般的であった。例えば、上記特許文献２の方法では、部屋から出た空気から熱回収を行うことは全く考慮されていない。また、上記特許文献１の方法では、室内排気と外気とを熱交換させて外気を低温にさせてはいるものの、夏期のように室内排気と外気との温度差が大きくない場合は、効果的な熱回収が期待できなかった。

本発明の目的は、建物で発生した廃熱を効率よく利用できる給湯システムを提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明によれば、発熱源を有する部屋からの廃熱を利用して給湯を行う給湯システムであって、前記部屋に冷風を供給する空調機と、前記部屋から排出された排気から温熱を回収して温水を作る空気熱源ヒートポンプ給湯機を備え、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気が前記空調機を介して前記部屋に供給される状態と、外気が前記空調機を介して前記部屋に供給される状態とに選択的に切り替わることを特徴とする、給湯システムが提供される。前記部屋内の気温が所定の第１の温度以上になった場合に前記空調機に備えられた冷水コイルへ冷水を通水させ、前記排気が冷水コイルで冷却された後、部屋に供給されても良い。また、前記部屋内の気温が所定の第２の温度以上になった場合に外気を冷却して前記部屋に供給する状態にされても良い。

この給湯システムにあっては、空気熱源ヒートポンプ給湯機の排気から回収した冷熱を利用して部屋の熱負荷を処理することに加え、部屋から排出された排気の温熱を活用して空気熱源ヒートポンプ給湯機で温水を作ることが可能となる。

この給湯システムにおいて、前記部屋の壁面に開口を設け、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機を前記開口に隣接させて配置しても良い。また、前記部屋から排気する排気ファンの出口に、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機を配置しても良い。また、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気を捕集するフードと、前記フードで捕集された前記空気熱源ヒートポンプ給湯機の排気を前記空調機に供給するダクトを備えていても良い。また、前記空調機へ外気を取り入れる外気ダクトに、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機を配置しても良い。

本発明によれば、発熱源を有する部屋からの廃熱を空気熱源ヒートポンプ給湯機の温熱源として活用して、空気熱源ヒートポンプ給湯機で製造した給湯を建物の既設給湯設備へ供給することにより、給湯加熱エネルギーの削減を行うことができ、同時に、空気熱源ヒートポンプ給湯機からの冷廃熱を利用して、発熱源を有する部屋の空調を行うことができる。つまり、これまで外部へ廃熱として捨てていた熱エネルギーを有効活用することで、省エネルギーと省コストを同時に達成することが可能となる。

本実施の形態にかかる給湯システムの構成の概略を示す説明図である。空気熱源ヒートポンプ給湯機の説明図である。本発明の導入により年間の給湯コストを検証した結果を示すグラフである。本発明の導入により年間の、給湯および冷却コストを検証した結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる給湯システム１において、部屋１０の内部には、発熱源１１としての発熱機器が設置されている。部屋１０は、発熱源１１が設置された電気室などである。部屋１０として、変圧器などの発熱源１１が設置された電気室が例示される。部屋１０内は、機器の効率や寿命のためには極力低い温度であることが好ましい。また、在室人員に対する室内温熱環境を維持するために、部屋１０内は、例えば４０℃以下に温度設定される。

部屋１０内には、空調機１５で作られた冷風が、給気ダクト１６を通じて供給される。空調機１５は、冷水コイル１７と給気ファン１８を備えている。空調機１５には、外気ダクト２０が接続してあり、給気ファン１８の稼動で、外気ダクト２０の先端の外気取入口２１から、外気ダクト２０を通じて、空調機１５に外気が取り込まれる。

冷水コイル１７には、冷凍機で製造した冷水、地域冷暖房設備（DHC）から購入した冷水などが循環供給されており、空調機１５に取り込まれた外気が冷水コイル１７に熱的に接触して冷風が作られる。こうして空調機１５で作られた冷風が、給気ファン１８の稼動で、給気ダクト１６を通じて部屋１０内に供給される。部屋１０内の上方に配置された給気ダクト１６の下面には、冷風の吹出し口２２が設けられている。

また、部屋１０の上方には、吸込み口２５が設けられている。この吸込み口２５には、排気ファン２６を備えた排気ダクト２７が接続されている。部屋１０内において発熱機器などの発熱源１１によって高温となった空気が、排気ファン２６の稼動により、吸込み口２５から排気ダクト２７内に取り込まれ、排気ダクト２７先端の排気口２８から外部に排出される。

また、部屋１０の壁面には開口３０が設けられている。部屋１０内において発熱機器などの発熱源１１によって高温となった空気は、この開口３０からも、外部に排出される。この開口３０は、部屋１０内からの空気（温廃熱）が有効に通過することが出来る形状であり、常時開放していることが望ましい。防犯・防災・安全性のため、開口３０には、金網やダンパー（ガス圧復帰自動ダンパーなど）の設置が必要であるが、システムの機能に影響はしない。

部屋１０の外部には、開口３０に隣接する位置に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５が配置されている。また、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５には、給湯配管３６を介して、貯湯槽３７が接続されている。空気熱源ヒートポンプ給湯機３５は、電気をエネルギー源とした、「空気熱源ヒートポンプ給湯機」であり、システムＣＯＰは２〜３程度であることが好ましい。空気熱源ヒートポンプ給湯機３５は、上述した開口３０から排出される部屋１０内からの空気（温廃熱）を有効に吸い込む事の出来る位置に配置される。

これら空気熱源ヒートポンプ給湯機３５や貯湯槽３７は、部屋１０と同じ建物内で隣接する部屋に設置される。あるいは、隣接していない場合であっても、開口３０から補助ファン（図示せず）などを介して、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５が設置された部屋まで、開口３０から排出される部屋１０内からの空気（温廃熱）をダクト搬送してもよい。なお、いずれの場合も、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５は、機械室などの区画された「部屋」内に設置されていることが望ましい。空気熱源ヒートポンプ給湯機３５が屋外にあると、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１で冷却された空気が分散してしまう。これに対して、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５が区画された「部屋」内に設置されていれば、そのような空気が分散を回避できる。

図２に示すように、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５は、熱媒回路４０に、蒸発器４１、圧縮器４２、凝縮器４３、膨張弁４４を順に配置した構成を有する。蒸発器４１には、送風ファン４５が取り付けてあり、この送風ファン４５の稼動により、上述の開口３０を通じて排出された部屋１０内の空気（発熱機器などの発熱源１１によって高温となった空気）が蒸発器４１に導入される。また、凝縮器４３には、貯湯槽３７との間でお湯を循環させる給湯配管３６が接続されている。

そして、蒸発器４１では、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒が、部屋１０内の空気から温熱を回収して、蒸発させられる。こうして、部屋１０内の空気から温熱を回収した空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒（ガス）は、圧縮器４２で圧縮された後、凝縮器４３にて、給湯配管３６を通じて導入された温水と熱交換し、冷却されて凝縮させられる。そして、凝縮器４３で凝縮された空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒（液）は、膨張弁４４を経て、再び蒸発器４１に循環供給される。

図１に示すように、給湯配管３６には、循環ポンプ５０が設けられている。循環ポンプ５０には、電力供給設備５１から電力が供給され、循環ポンプ５０の稼動により、給湯配管３６を通じて、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５と貯湯槽３７の間でお湯が循環させられる。

貯湯槽３７には、所望の設備に給湯を行う給湯往き配管５５と、貯湯槽３７に給水を行う給水配管５６と、貯湯槽３７から排水する排水配管５７が接続されている。また、給水配管５６には、所望の設備から戻された温水を合流させる返湯配管５８が接続されている。

空気熱源ヒートポンプ給湯機３５には、送風ファン４５の稼動によって蒸発器４１を通過した後の空気（蒸発器４１で空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒を蒸発させたことにより、冷却された空気）を捕集するフード６０が取り付けられている。また、フード６０には、外気ダクト２０に合流する還気ダクト６１が接続されている。これにより、空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気（蒸発器４１で空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒を蒸発させたことにより、冷却された空気）がフード６０で捕集され、還気ダクト６１から外気ダクト２０に合流した後、給気ファン１８の稼動で、空調機１５に供給される。

この給湯システム１において、部屋１０内の気温は、温度センサー６５で計測されて、制御部６６に入力されている。また、給気ダクト１６、外気ダクト２０、排気ダクト２７、還気ダクト６１には、それぞれ開閉ダンパ６７、６８、６９、７０が設けられており、これら開閉ダンパ６７、６８、６９、７０は、制御部６６で制御される。制御部６６は、給湯システム１を構成する各機器の運転状況を把握して、省エネルギー運転結果の検証を有効に行うことが出来る。また、部屋１０内における換気空調（排気ファン２６、空調機１５）と、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の連動を図り、部屋１０内の温熱環境を良好に維持し、システムの運転が省エネルギーとなるための運転制御を行う。

以上のように構成された給湯システム１では、空調機１５で作られた冷風が、給気ファン１８の稼動で、給気ダクト１６を通じて部屋１０内に供給されることにより、部屋１０内は、機器の効率や寿命のために適した温熱環境に維持される。そして、部屋１０内において発熱機器などの発熱源１１によって高温となった空気の一部が、開口３０を通じて排出され、送風ファン４５の稼動により、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１に導入される。

これにより、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１では、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒が、部屋１０内の空気から温熱を回収して、蒸発させられる。こうして、部屋１０内で高温となった空気から温熱を回収した空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒（ガス）は、圧縮器４２で圧縮された後、凝縮器４３にて、給湯配管３６を通じて導入された温水と熱交換し、貯湯槽３７内の温水が暖められる。こうして、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５では、部屋１０内からの廃熱を活用し、貯湯槽３７内の温水を暖めることができる。

また一方、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１で空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒を蒸発させたことにより、冷却された空気は、フード６０で捕集され、還気ダクト６１から外気ダクト２０に合流させられる。こうして外気ダクト２０に冷却された空気が合流させられることにより、空調機１５に取り込まれる外気の温度が下がり、空調機１５で冷風を作り出すエネルギーを減らすことができる。

このように、本発明の給湯システム１によれば、発熱源１１を有する部屋１０からの廃熱を空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の温熱源として活用して、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５で製造した温水を建物の既設給湯設備へ給湯することにより、給湯加熱エネルギーの削減を行うことができ、同時に、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５からの冷廃熱を利用して空調機１５の負担を軽減し、発熱源１１を有する部屋１０の空調を行うことができる。つまり、これまで外部へ廃熱として捨てていた熱エネルギーを有効活用することで、省エネルギーと省コストを達成することが可能となる。特に、発熱源１１を有する部屋１０からの廃熱は、年間を通じてほぼ一定に得られ、安定した温熱源の活用が可能となる。

ここで、制御部６６による制御の一例を説明する。この給湯システム１では、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５からの冷廃熱を利用するために、基本的には、還気ダクト６１に設けられた開閉ダンパ７０を開かれており、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１で空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒を蒸発させたことにより冷却された空気が、還気ダクト６１から空調機１５に導入されている。そして、空調機１５に導入された空気（冷却された空気）は、給気ダクト１６を通じて部屋１０内に供給される。こうして、部屋１０内の温度上昇が回避される。この場合、空調機１５に備えられた冷水コイル１７への通水は行われない。

一方、部屋１０内が温度上昇し、部屋１０内の気温が、温度センサー６５によって、所定の第１の温度以上、例えば３０℃以上になったと計測された場合、制御部６６は、空調機１５に備えられた冷水コイル１７への通水を開始させる。この場合、還気ダクト６１に設けられた開閉ダンパ７０は開き、外気ダクト２０に設けられた開閉ダンパ６８は閉じるように制御する。これにより、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１で空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の熱媒を蒸発させたことにより冷却された空気が、還気ダクト６１から空調機１５に導入され、その空気が、冷水コイル１７で冷却された後、給気ダクト１６を通じて部屋１０内に供給される。

また、部屋１０内の温度がさらに上昇し、部屋１０内の気温が、温度センサー６５によって、前記所定の第２の温度以上（第２の温度は、前記第１の温度よりも高い温度である）、例えば３５℃以上になったと計測された場合、制御部６６は、還気ダクト６１に設けられた開閉ダンパ７０を閉じ、外気ダクト２０に設けられた開閉ダンパ６８を開くように制御する。なお、空調機１５に備えられた冷水コイル１７への通水は継続して行う。これにより、外気ダクト２０を通じて外気のみが空調機１５に導入され、その空気（外気）が、冷水コイル１７で冷却された後、給気ダクト１６を通じて部屋１０内に供給される。このように部屋１０内の気温が例えば３５℃以上になったような場合は、空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気が、高温のままである可能性がある。そこで、部屋１０内の気温が高温（例えば３５℃以上）になった場合は、外気のみを冷却して部屋１０内に供給する。これにより、部屋１０内の温度上昇が回避される。

以上、本発明の好適な実施の形態の一例を説明したが、本発明はここに示した形態に限定されない。例えば、図１では、発熱源１１が設置された部屋１０（特に電気室など）の壁面に開口３０を設け、部屋１０内で発生した発熱を開口３０から流出させることとしたが、変形例としては、既設の温熱排気ファン（排気ファン２６）の出口近傍（排気口２８の近傍）に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５を配置しても良い。これによって、発熱源１１が設置された部屋１０（電気室など）の壁面に開口３０を設ける工事がなくなる。

また、空気熱源ヒートポンプ給湯機３５から排出される冷排気を空調機１５へ導入するために設置した捕集フード６０を取止めて、空調機１５の外気取入口２１の開口付近に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５を配置しても良い。

適用例の一つとして、実施の形態では発熱機器などが設置された部屋１０（電気室など）としているが、高発熱機器を多数設置している電算センターなどの空調チャンバーとしての機械室に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５を設置しても良い。また、ボイラ室など、室内に燃焼機器を有する部屋に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５を配置しても良い。例えば、電気室などに隣接させて機械室を区画し、その機械室に空気熱源ヒートポンプ給湯機３５を設置して、電気室などからの温廃熱を空気熱源ヒートポンプ給湯機３５の蒸発器４１に導くことにより、効率向上を図ることができる。

本発明を導入し、運転データを検証した結果を図３および図４に示す。本システムの導入により、給湯コストを５０％削減し、給湯、および室の冷却コストを６０％程度削減する効果を確認することが出来た。

本発明は、電気室などの空気調和と所望の設備に給湯を行う給湯システムに有用である。

１給湯システム
１０部屋
１５空調機
１６給気ダクト
１７冷水コイル
１８給気ファン
２０外気ダクト
２１外気取入口
２２吹出し口
２５吸込み口
２６排気ファン
２７排気ダクト
２８排気口
３０開口
３５空気熱源ヒートポンプ給湯機
３６給湯配管
３７貯湯槽
４０熱媒回路
４１蒸発器
４２圧縮器
４３凝縮器
４４膨張弁
４５送風ファン
５０循環ポンプ
５１電力供給設備
５５給湯行き配管
５６給水配管
５７排水配管
５８返湯配管
６０フード
６１還気ダクト
６５温度センサー
６６制御部
６７、６８、６９、７０開閉ダンパ

Claims

発熱源を有する部屋からの廃熱を利用して給湯を行う給湯システムであって、
前記部屋に冷風を供給する空調機と、前記部屋から排出された排気から温熱を回収して温水を作る空気熱源ヒートポンプ給湯機を備え、
前記空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気が前記空調機を介して前記部屋に供給される状態と、外気が前記空調機を介して前記部屋に供給される状態とに選択的に切り替わることを特徴とする、給湯システム。
前記部屋内の気温が所定の第１の温度以上になった場合に前記空調機に備えられた冷水コイルへ冷水を通水させ、前記排気が冷水コイルで冷却された後、部屋に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の給湯システム。
前記部屋内の気温が所定の第２の温度以上になった場合に外気を冷却して前記部屋に供給する状態にされることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の給湯システム。
前記部屋の壁面に開口を設け、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機を前記開口に隣接させて配置したことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の給湯システム。
前記部屋から排気する排気口の近傍に、前記空気熱源ヒートポンプ給湯機を配置したことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の給湯システム。
前記空気熱源ヒートポンプ給湯機から排出された排気を捕集するフードと、前記フードで捕集された前記空気熱源ヒートポンプ給湯機の排気を前記空調機に供給するダクトを備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の給湯システム。
前記ダクトを、前記空調機へ外気を取り入れる外気ダクトに接続したことを特徴とする、請求項６に記載の給湯システム。