JPH05223405A

JPH05223405A - 熱供給方法及び装置

Info

Publication number: JPH05223405A
Application number: JP35165691A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Ogawa; 彰彦小川; Kazuhiko Fujii; 和彦藤井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1993-08-31

Abstract

(57)【要約】【目的】下水、海水、河川水、湖水、各種低温排ガス
等の未利用エネルギーを熱源として、特定フロンを用い
ることなく、冷房用冷水又は８０℃前後の暖房・給湯用
高温水を効率よく取り出す。【構成】蒸気圧縮式ヒートポンプ１と、二重効用吸収
冷凍機と単効用吸収ヒートポンプとの切り換えが可能な
熱源機２とを組み合わせ、冷房用冷水取出時は熱源機２
を二重効用吸収冷凍機として使用し、暖房・給湯用高温
水取出時は熱源機２を単効用吸収ヒートポンプとして使
用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、下水、海水、河川水、
湖水、各種低温排ガス等の未利用エネルギーを熱源とし
て、特定フロンを用いることなく、冷房用冷水又は８０
℃前後の暖房・給湯用高温水を効率よく取り出す熱供給
方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】フロンによるオゾン層破壊、炭酸ガスに
よる地球温暖化、窒素酸化物や硫黄酸化物による環境破
壊が近年大きな問題となっている。地域冷暖房システム
もこのような問題解決に寄与するため、特定フロンを使
用しないで、下水、海水、河川水、湖水、各種低温排ガ
ス等の未利用エネルギーを活用した省エネシステムの開
発が望まれている。なお、特定フロンとは、フロンのう
ち、Ｒ１１（ＣＣｌ₃Ｆ）、Ｒ１２（ＣＣｌ₂Ｆ₂）、
Ｒ１１３（ＣＣｌ₂Ｆ・ＣＣｌＦ₂）、Ｒ１１４（ＣＣ
ｌＦ₂・ＣＣｌＦ₂）、Ｒ１１５（ＣＣｌＦ₂・Ｃ
Ｆ₃）をいう。一方、地域へ供給する温熱媒としては、
暖房だけでなく給湯や風呂の追い焚きにも利用可能な８
０℃程度の高温水が望ましい。下水、海水、河川水、湖
水等の熱源水や低温排ガスから熱を汲み上げて８０℃程
度の高温水を取り出すシステムとしては、フロンを冷媒
として使用する蒸気圧縮式ヒートポンプシステムとフロ
ンを使用しない吸収式ヒートポンプシステムが考えられ
るが、前者は特定フロンであるＲ１１４を使用しないと
無理であり、また、後者は単効用の吸収ヒートポンプを
含む２段昇温システムとなり、システムＣＯＰ（成績係
数）が低い。また、地域冷暖房は通常冷水も供給するた
め、冷凍機として二重効用吸収冷凍機を設置する場合が
多い。単効用吸収ヒートポンプと二重効用吸収冷凍機
は、どちらも吸収液として臭化リチウム、冷媒として水
を使用するものであり、冷水負荷に対応して吸収冷凍機
と高温水負荷に対応して吸収ヒートポンプを、それぞれ
必要台数設置することはコストアップとなり、広い設置
スペースが必要となる。また、二重効用吸収冷温水機で
は、暖房運転時に未利用エネルギーを活用できない。

【０００３】また、実公昭６１−１０１４９号公報に
は、二重効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプの切
り換えが可能な冷暖房装置が記載されている。さらに、
１９９１年９月１日に、空気調和・衛生工学会から発行
された「空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集」
２６１頁〜２６４頁に、単効用・二重効用切り換え型の
熱源機と、単効用吸収ヒートポンプとを組み合わせ、下
水処理水を熱源水とすることが記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の実公昭６１−１
０１４９号公報に記載された装置は、ヒートポンプ運転
させるときに、装置内を循環する蒸気または吸収液が低
圧再生器をバイパスすることを特徴とするものである。
このような兼用機は、凝縮器に冷房運転では冷却水、ヒ
ートポンプ運転では温水を通水することになり、両者の
流量差が多きいため凝縮器の設計がむずかしくなる。従
って、この実公昭６１−１０１４９号公報記載の装置で
は、標準の二重効用吸収冷凍機にヒートポンプ運転用の
凝縮器を付加して構成することも可能である。単効用吸
収ヒートポンプは、９０℃までの温水を取り出しうるの
に対して、二重効用吸収ヒートポンプでは、高温再生器
内の圧力の制限から４０〜４５℃までの温水しか取り出
せない。例えば、下水の冬季温度は１０℃〜２０℃であ
り、これから熱を汲み上げて６０℃の温水を８０℃まで
昇温する方法としては、冷媒として特定フロンＲ１１４
を使った蒸気圧縮式のターボヒートポンプやスクリュウ
ヒートポンプ方式が知られている。しかし、Ｒ１１４は
近い将来全廃されるものであり好ましくない。また、単
効用吸収ヒートポンプ１段のみでは、６０℃の温水を８
０℃まで昇温することは不可能である。従って、単効用
吸収ヒートポンプの２段昇温システムや低温側に二重効
用吸収ヒートポンプを使用する２段昇温システムが知ら
れている。しかし、吸収ヒートポンプのＣＯＰは、蒸気
を駆動源とする単効用で約１．７、二重効用で約２．２
であり、蒸気圧縮式のヒートポンプに比べて悪い。ま
た、低温側と高温側の両者の吸収ヒートポンプを冷暖切
り換え型の熱源機とすることは、特殊設計となりコスト
アップとなる。

【０００５】また、上記の「空気調和・衛生工学会学術
講演会講演論文集」に記載された装置は、特定フロンを
用いないという利点があるが、蒸気圧縮式のヒートポン
プを用いないので、ＣＯＰが悪いという問題点を有して
いる。本発明は、上記の諸点に鑑みなされたもので、蒸
気圧縮式ヒートポンプと、二重効用吸収冷凍機と単効用
吸収ヒートポンプとの切り換えが可能な熱源機とを組み
合わせることにより、特定フロンを用いることなく（た
だし、特定フロン以外のフロン又はアンモニア等は用い
る）、冷房用冷水又は暖房・給湯用高温水を効率よく取
り出すことができる熱供給方法及び装置を提供すること
を目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するために、本発明の熱供給方法は、冷房用冷水と暖
房・給湯用高温水を供給する熱供給方法において、二重
効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプとの切り換え
が可能な熱源機、及び蒸気圧縮式ヒートポンプを設け、
冷房用冷水必要時は、この切り換え型の熱源機を二重効
用吸収冷凍機に切り換えて冷房用冷水を取り出し、暖房
・給湯用高温水必要時は、各種低温熱源から蒸気圧縮式
ヒートポンプにて中間温水を取り出し、さらに、この切
り換え型の熱源機を単効用吸収ヒートポンプに切り換え
て、この中間温水から暖房・給湯用高温水を取り出すこ
とを特徴としている。また、本発明の熱供給方法は、図
１〜図３に示すように、下水、海水、河川水、湖水等の
熱源水や各種低温排ガスを熱源とする蒸気圧縮式ヒート
ポンプ１と、この蒸気圧縮式ヒートポンプ１に接続され
た、二重効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプとの
切り換えが可能な熱源機２と、を包含することを特徴と
している。なお、必要に応じて、蒸気圧縮式ヒートポン
プ１と熱源機２との間に、中間温水槽を設ける。

【０００７】そして、冷水発生時は、切り換え型の熱源
機２を二重効用吸収冷凍機として使用し、高温水発生時
は、各種低温熱源から蒸気圧縮式ヒートポンプ１にて中
間温水を取り出し、さらに、この中間温水から、切り換
え型の熱源機２を単効用吸収ヒートポンプとして使用し
て高温水を取り出す。本願明細書において、「冷水」と
は４〜１０℃前後の冷房用に適する冷水を言い、「高温
水」とは５０〜９０℃前後の暖房・給湯用に適する温水
を言い、「中間温水」とは２０〜５０℃前後の温水を言
う。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を詳細に説明する。ただし、この実施例に記載されてい
る構成機器の形状、その相対配置、各部の数値などは、
とくに特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれ
らのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例に
すぎない。図１は、本発明の熱供給装置の一実施例を示
している。破線部は、冷熱負荷時の運転状態を示すもの
であり、吸収式の冷温切り換え型熱源機２は二重効用吸
収冷凍機として作用している。また、蒸気圧縮式ヒート
ポンプ１も冷水モードで運転している。冷熱負荷と温熱
負荷を比べると、通常、冷熱負荷の方が大きいため、吸
収式または蒸気圧縮式の冷凍専用機を別途設置すること
も可能である。蒸気圧縮式ヒートポンプ１としては、タ
ーボヒートポンプ、スクリュウヒートポンプなどが用い
られるが、本実施例ではターボヒートポンプを用いた場
合について説明する。実線部は、温熱負荷時の運転状態
を示すものである。ターボヒートポンプ１は温水モード
で運転し、例えば、２０℃の下水から熱を汲み上げて中
間温水を例えば、３４℃から４４℃まで昇温している。
さらに、吸収式の冷温切り換え型熱源機２をヒートポン
プモードで運転し、中間温水から熱を汲み上げて高温水
を例えば、６０℃から８０℃まで昇温している。このと
き、本実施例に示す２段昇温システムは、ターボヒート
ポンプ１の加熱ＣＯＰが４．８８、吸収ヒートポンプ２
の加熱ＣＯＰが１．６５であるので、システム全体の加
熱ＣＯＰは１．４６となり、下水からの採熱量は、高温
水の得た熱量の３１．３％を占める。一方、加熱ＣＯＰ
が１．６５の吸収ヒートポンプ２の２段昇温システムで
は、システム全体の加熱ＣＯＰは１．１８となり、下水
からの採熱量は、高温水の得た熱量のわずか１５．５％
にしかならない。従って、本システムは、未利用エネル
ギーを最大限活用できるシステムであるといえる。な
お、本実施例では、下水から熱を汲み上げているが、海
水、河川水、湖水や各種低温排ガスから熱を汲み上げる
ことも可能である。また、腐食や閉塞の問題より取水熱
交を介して二次熱源水とし、二次熱源水から熱を汲み上
げるケースもある。また、本実施例では、モータ駆動タ
ーボヒートポンプを使用しているが、駆動源としては蒸
気タービンも可能であり、ヒートポンプとしては、前述
のように、スクリュウヒートポンプも可能である。

【０００９】つぎに、図１に基づいて、高温水発生時の
フローについて詳細に説明する。図１において実線は高
温水発生時のフローを示し、黒塗りの弁は閉状態を示
し、白い弁は開状態を示している。例えば、２０℃の下
水処理水を下水処理水ポンプ５で取水しターボヒートポ
ンプ１の蒸発器１２に導入し、蒸発する冷媒（特定フロ
ン以外の、例えば、フロンＲ２２又はアンモニア）と熱
交換して、例えば、１０℃に冷却されて取水部から離れ
た位置に放流される。蒸発器１２を出た冷媒蒸気は圧縮
機１４に導入され、圧縮された後、凝縮器１６で凝縮さ
れる。凝縮器１６を出た冷媒液は、膨張弁１８を通って
膨張した後、蒸発器１２に導入される。

【００１０】中間温水槽３内の例えば、低温側の３４℃
の中間温水を中間温水ポンプ６により凝縮器１６に導入
し、凝縮する冷媒と熱交換させて、例えば、４４℃に昇
温して中間温水槽３の高温側に戻す。なお、中間温水槽
の代わりに中間温水蓄熱槽を用いてもよい。ついで、高
温側の４４℃の中間温水は中間温水ポンプ７により熱源
機２の蒸発器２０に導入され、冷媒である水を蒸発させ
るとともに、例えば、３４℃の中間温水に冷却され、中
間温水槽３の低温側に戻される。蒸発器２０からの冷媒
蒸気は吸収器２２に導入され、散布される臭化リチウム
などの吸収液に吸収され、蒸発器と吸収器の真空度が維
持される。冷媒蒸気を吸収して濃度の薄くなった吸収液
は高温再生器２４に供給され、例えば、８kg／cm²Ｇ程
度の飽和水蒸気により加熱されて、冷媒が蒸発し吸収液
が濃縮再生され、再生された吸収液は再び吸収器２２で
散布される。高温再生器２４で蒸発した９０℃前後の水
媒蒸気は凝縮器２６で凝縮し、凝縮した冷媒液は再び蒸
発器２０へ導かれる。地域から戻ってくる例えば、６０
℃の戻り温水は、温水ポンプ８により吸収器２２へ導か
れ、ここで吸収熱により昇温された後、さらに凝縮器２
６へ導かれて、例えば、８０℃の高温水に昇温される。
このように、高温水取出時は、熱源機２は単効用吸収ヒ
ートポンプモードで運転される。以上、中間温水槽３を
設けた場合について説明したが、中間温水槽３を設けず
に、蒸気圧縮式ヒートポンプ１と熱源機２とを直接接続
し、蒸気圧縮式ヒートポンプの凝縮器１６からの中間温
水を、熱源機２の蒸発器２０に直接導入するように構成
することもできる。

【００１１】つぎに、図１における破線及び図２におけ
る太い実線に基づいて、冷水発生時のフローを詳細に説
明する。例えば、２８℃の下水処理水を下水処理水ポン
プ５で取水しターボヒートポンプ１の凝縮器１６に導入
し、冷媒凝縮用の冷却水として使用し、例えば、３４℃
の下水処理水として取水部から離れた位置で放流する。
凝縮器１６を出た冷媒液は、膨張弁１８を通過して膨張
した後、蒸発器１２に導かれる。この蒸発器１２に、地
域から戻ってくる例えば、１３℃の戻り冷水が水ポンプ
９により導入されて、蒸発潜熱により例えば、７℃の冷
水に冷却される。

【００１２】また、熱源機２の高温再生器２４からの例
えば、９８℃の冷媒蒸気は加熱源として低温再生器２５
へ導かれるとともに、高温再生器２４からの吸収液も低
温再生器２５へ導かれ冷媒が蒸発し、例えば、４１℃の
冷媒蒸気となって凝縮器２６へ導入される。また、低温
再生器２５で濃縮再生された吸収液は吸収器２２へ導か
れる。そして、低温再生器２５で凝縮した冷媒液と凝縮
器２６で凝縮した冷媒液は合流して蒸発器２０へ導かれ
る。冷却塔などの冷却装置４を出た例えば、３２℃の冷
却水は、冷却水ポンプ１１により吸収器２２及び凝縮器
２６に導かれて冷却水として使用され、例えば、３８℃
に昇温されて冷却装置４に循環される。地域から戻って
くる例えば、１３℃の戻り冷水は、水ポンプ１０により
蒸発器２０へ導かれ、ここで７℃の冷水に冷却される。
このように、冷水取出時は、熱源機２は二重効用吸収冷
凍機モードで運転される。

【００１３】なお、熱源機２は、水蒸気方式を用いる代
わりにガス直焚方式を用いても差し支えない。さらに、
本方法を使用して給湯用のみの高温水を発生させ、暖房
用には蒸気圧縮式ヒートポンプ、温水熱交、吸収ヒート
ポンプ等で発生した低温水（例えば、４０〜５０℃）を
供給することも可能である。また、各部の温度（℃）、
ＣＯＰ、熱量（Gcal／h ：ギガ（＝１０⁹）cal ／h
）、冷凍トン（ＵＳＲＴ）は一例として示したもの
で、これらの数値に限定されるものではない。また、図
３の二点鎖線で示すように、冷却装置４の出口の冷却水
ラインを、冷却水ライン２８を介して、ターボヒートポ
ンプ１の凝縮器１６の入口に接続し、凝縮器１６の出口
を、冷却水ライン３０を介して、冷却装置４の冷却水入
口ラインに接続することも可能である。さらに、熱源機
２の蒸発器２０の出口水ラインを、水ライン３２を介し
て、ターボヒートポンプ１の蒸発器１２の入口水ライン
に接続することも可能である。

【００１４】

【発明の効果】本発明は、上記のように構成されている
ので、つぎのような効果を奏する。（１）低温側のヒートポンプについては、ＣＯＰが約
５と高く特定フロンを用いない（例えば、Ｒ２２やアン
モニアを用いる）蒸気圧縮式のヒートポンプを使用して
中間温水を取り出し、さらにこの中間温水より単効用吸
収ヒートポンプで高温水を取り出すシステムであるの
で、最高のＣＯＰ（成績係数）が得られる。つまり、下
水、海水、河川水、湖水や各種低温排ガスと言った未利
用エネルギーから熱を汲み上げて８０℃程度の高温水を
取り出す方法として、最小のエネルギーで未利用エネル
ギーを最大限活用することができる。（２）低温側の蒸気圧縮式ヒートポンプは、通常冷房
運転と暖房運転が可能であり、また、高温側についても
二重効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプの切り換
えが可能な熱源機であるため、低温側、高温側とも冷暖
切り換え型のシステムとなり、低コストとなるだけでな
く省スペースとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱供給装置の一実施例を示す系統説明
図であり、実線は高温水発生時を示し、破線は冷水発生
時を示している。

【図２】図１に示す本発明の熱供給装置において、冷水
発生時を太い実線で示した系統説明図である。

【図３】本発明の熱供給装置の他の実施例を示す系統説
明図である。

【符号の説明】

１蒸気圧縮式ヒートポンプ（ターボヒートポンプ）２熱源機３中間温水槽４冷却装置５下水処理水ポンプ６中間温水ポンプ７中間温水ポンプ８温水ポンプ９水ポンプ１０水ポンプ１１冷却水ポンプ１２蒸発器１４圧縮機１６凝縮器１８膨張弁２０蒸発器２２吸収器２４高温再生器２５低温再生器２６凝縮器２８冷却水ライン３０冷却水ライン３２水ライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷房用冷水と暖房・給湯用高温水を供給
する熱供給方法において、二重効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプとの切り
換えが可能な熱源機、及び蒸気圧縮式ヒートポンプを設
け、冷房用冷水必要時は、該切り換え型の熱源機を二重効用
吸収冷凍機に切り換えて冷房用冷水を取り出し、暖房・給湯用高温水必要時は、各種低温熱源から蒸気圧
縮式ヒートポンプにて中間温水を取り出し、さらに、該
切り換え型の熱源機を単効用吸収ヒートポンプに切り換
えて、この中間温水から暖房・給湯用高温水を取り出す
ことを特徴とする熱供給方法。
【請求項２】下水、海水、河川水、湖水等の熱源水や
各種低温排ガスを熱源とする蒸気圧縮式ヒートポンプ
（１）と、この蒸気圧縮式ヒートポンプ（１）に接続された、二重
効用吸収冷凍機と単効用吸収ヒートポンプとの切り換え
が可能な熱源機（２）と、を包含することを特徴とする
熱供給装置。