JPWO2017094118A1

JPWO2017094118A1 - 排熱回収システム

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Publication number: JPWO2017094118A1
Application number: JP2017553536A
Authority: JP
Inventors: ▲高▼田　茂生; 茂生 ▲高▼田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2035-12-01
Also published as: EP3385642A1; WO2017094118A1; EP3385642B1; JP6486500B2; EP3385642A4

Abstract

排熱回収システムは、第一冷媒を循環させる搬送装置と、系外から排熱を回収する排熱回収熱交換器と、系外と熱交換して排熱を系外に供給する排熱供給熱交換器と、系外と熱交換して系内の余剰熱を系外に排出する排熱熱交換器と、圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、第二熱交換器が順次配管で接続され、第二冷媒が循環する補助熱交換装置と、を備え、排熱回収熱交換器、搬送装置、第一熱交換器、排熱熱交換器、第二熱交換器、排熱供給熱交換器、が順次配管で接続され、第一冷媒が循環する排熱回収システムであって、補助熱交換装置は制御装置を備え、制御装置は、第二熱交換器の出口側を流れる第一冷媒の温度が、設定温度範囲の上限値よりも大きい場合は、排熱熱交換器に流入する第一冷媒の温度が上昇するように、圧縮機の回転数および絞り装置の絞り量を制御するものである。

Description

本発明は、系内の排熱を循環して空調、給湯などに回収活用する排熱回収システムにおいて、最終的に余剰となった熱量を系外に効率的に廃棄する排熱回収システムに関するものである。

従来の排熱回収システムは、系内で発生する排熱および近傍の系外に存在する地中熱などの熱の有効活用をすすめてきた。そのような、系内で発生する排熱および系外に存在する熱の有効活用を主眼としている排熱回収システムにおいて、従来、最終的な余剰熱量を外気、下水などの系外へ排熱しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、排熱手段として系内に冷却塔（クーリングタワー）を備え、冷却塔によって大気、下水などへ放熱することで、系外へ排熱している。

特開平７−１３３９９２号公報

特許文献１のような従来の排熱回収システムでは、冷却塔などの排熱手段で排熱量を調整することができないため、排熱量が多いような場合は、排熱手段を大型化したり、排熱手段の数を増やしたりする必要があり、排熱回収システムが大型化するという課題があった。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、大型化することなく排熱量を増やすことができる排熱回収システムを提供することを目的としている。

本発明に係る排熱回収システムは、第一冷媒を循環させる搬送装置と、系外から排熱を回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱を系外に供給する排熱供給熱交換器と、系内の余剰熱を系外に排出する排熱熱交換器と、圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、第二熱交換器が順次配管で接続され、第二冷媒が循環する補助熱交換装置と、を備え、前記排熱回収熱交換器、前記搬送装置、前記第一熱交換器、前記排熱熱交換器、前記第二熱交換器、前記排熱供給熱交換器、が順次配管で接続され、第一冷媒が循環する排熱回収システムであって、前記補助熱交換装置は制御装置を備え、前記制御装置は、前記第二熱交換器の出口側を流れる第一冷媒の温度が、設定温度範囲の上限値よりも大きい場合は、前記排熱熱交換器に流入する第一冷媒の温度が上昇するように、前記圧縮機の回転数および前記絞り装置の絞り量を制御するものである。

本発明に係る排熱回収システムによれば、補助熱交換装置によって排熱熱交換器を流れる第一冷媒の温度を変化させることで排熱熱交換器での熱交換量を制御するようにしているので、排熱熱交換器の熱交換能力を増大させることができるため、大型化することなく排熱量を増やすことができる。

本発明の実施の形態に係る排熱回収システムを示すブロック図である。図１の補助熱交換装置の詳細を示すブロック図である。図２の制御装置の詳細を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る補助熱交換装置の制御フローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る排熱回収システム１００を示すブロック図である。
本実施の形態に係る排熱回収システム１００は、水などの冷媒を介して空調、給湯などを実施する空調システムにおいて排熱回収を実施するものであり、補助熱交換装置１０を制御し、冷媒の温度を調整することで、外気、下水などの系外に廃棄する熱量を調整するようにしたものである。

本実施の形態に係る排熱回収システム１００は、図１に示すように、搬送装置１と、排熱熱交換器２と、ファンコイルユニット３と、第一冷媒側熱交換器４と、排熱回収熱交換器６と、補助熱交換装置１０と、を備え、それらの各装置は、内部を例えば水である第一冷媒が流れる搬送配管８で接続されている。また、ヒートポンプサイクル装置５を備えている。

なお、ファンコイルユニット３は、本発明の「排熱供給熱交換器」に相当する。

搬送装置１は、例えばポンプなどであり、第一冷媒を搬送するものである。排熱熱交換器２は、第一冷媒を系外の外気、下水などと熱交換して系内で発生する第一冷媒の余剰熱量を系外に排熱するものである。ファンコイルユニット３は、第一冷媒を系外の居室内空気と直接熱交換して空調するものである。第一冷媒側熱交換器４およびヒートポンプサイクル装置５は、たとえば空気調和装置、冷凍装置、給湯装置などを構成し、第一冷媒側熱交換器４は、第一冷媒を熱源としてヒートポンプサイクル装置５内の冷媒と熱交換するものであり、ヒートポンプサイクル装置５は、第一冷媒側熱交換器４と熱交換した冷媒と系外の空気とを熱交換して居室内の冷暖房、装置内の冷凍、または冷媒と系外の水とを熱交換器して給湯などを行うものである。排熱回収熱交換器６は、第一冷媒を系外の排熱回収源と熱交換して系外から熱を回収するものである。補助熱交換装置１０は、排熱熱交換器２の入口側の第一冷媒の温度を制御するとともに、排熱熱交換器２の出口側の第一冷媒の温度を制御するものである。

ここで、排熱回収システム１００には、搬送装置１、排熱回収熱交換器６、ファンコイルユニット３、および、ヒートポンプサイクル装置５が１台ずつ設けられているが、それに限定されず、複数ずつ設けてもよい。また、排熱熱交換器２および補助熱交換装置１０についても複数設けることが可能であるが、この場合は部分的な分散排熱に寄与し、換気装置（図示せず）の排風の活用を図ることが可能である。

図１に示すように、排熱回収熱交換器６は、搬送装置１、補助熱交換装置１０、および、排熱熱交換器２に対して直列に接続されている。また、ファンコイルユニット３および第一冷媒側熱交換器４は、搬送装置１、補助熱交換装置１０、および、排熱熱交換器２に対して並列に接続されている。なお、排熱熱交換器２については、複数設置の場合、搬送装置１および補助熱交換装置１０に対して直列接続だけでなく並列接続も可能である。同様に、補助熱交換装置１０についても、複数設置の場合、搬送装置１および排熱熱交換器２に対して直列接続だけでなく並列接続も可能である。これらの場合、並列接続では搬送配管８による第一冷媒の分散排熱に寄与し、搬送装置１の分散配置と合わせて排熱回収システム１００の部分活用を図ることができる。

図２は、図１の補助熱交換装置１０の詳細を示すブロック図であり、図３は、図２の制御装置５０の詳細を示すブロック図である。
次に、補助熱交換装置１０の詳細を説明する。
補助熱交換装置１０は、図２に示すように、排熱熱交換器２の入口側および出口側と接続されており、補助熱交換装置１０の第一熱交換器１２と第二熱交換器１４とで排熱熱交換器２を挟むように設けられている。

補助熱交換装置１０は、第一冷媒とは異なる第二冷媒を用いたヒートポンプサイクルを構成し、第二冷媒を圧縮する圧縮機１１と、排熱熱交換器２の入口側で第一冷媒と第二冷媒との熱交換を行う第一熱交換器１２と、第二冷媒を減圧する絞り装置１３と、排熱熱交換器２の出口側で第一冷媒と第二冷媒との熱交換を行う第二熱交換器１４と、第一熱交換器１２および第二熱交換器１４の用途を、凝縮器と蒸発器とで切り替える流路切替装置１５と、を備えており、これらは内部を第二冷媒が流れる搬送配管１６で接続されている。なお、流路切替装置１５は、例えば四方弁で構成できるが、それに限定されない。

また、第二熱交換器１４の出口側を流れる第一冷媒の温度（以下、出口温度と称する）を検知する出口温度検知器４１と、圧縮機１１の吐出側を流れる第二冷媒の圧力（以下、吐出圧力と称する）を検知する吐出圧力検知器４２と、圧縮機１１の吸入側を流れる第二冷媒の圧力（以下、吸入圧力と称する）を検知する吸入圧力検知器４３と、圧縮機１１の吐出側を流れる第二冷媒の温度（以下、吐出温度と称する）を検知する吐出温度検知器４４と、圧縮機１１の吸入側を流れる第二冷媒の温度（以下、吸入温度と称する）を検知する吸入温度検知器４５と、絞り装置１３と第二熱交換器１４との間を流れる第二冷媒の温度（以下、途中温度と称する）を検出する途中温度検知器４６と、を備えている。なお、圧力検知器としては、例えば圧力センサなどであり、温度検知器としては、例えばサーミスタなどである。

また、補助熱交換装置１０は制御装置５０を備えており、制御装置５０は、図３に示すように、上記の各検知器が検知した値を取り込むセンサ入力部５１と、センサ入力部５１からの情報に基づいて情報を送る制御演算部５２と、制御演算部５２からの情報に基づいて圧縮機１１、絞り装置１３、および、流路切替装置１５を駆動するアクチュエータ出力部５３と、で構成されている。つまり、補助熱交換装置１０の運転は、制御装置５０のセンサ入力部５１、制御演算部５２、および、アクチュエータ出力部５３によって制御される。なお、制御演算部５２は、吐出圧力から圧縮機１１の吐出側を流れる第二冷媒の飽和温度（以下、吐出飽和温度と称する）を求めることができ、吸入圧力から圧縮機１１の吸入側を流れる第二冷媒の飽和温度（以下、吸入飽和温度と称する）を求めることができる。

次に、本実施の形態に係る排熱回収システム１００の動作について説明する。
排熱回収システム１００は、搬送装置１によって搬送配管８内を搬送される第一冷媒に対して、排熱回収熱交換器６を介して系外の排熱源から排熱を回収し、その回収した排熱を系内のファンコイルユニット３、および第一冷媒側熱交換器４を介してヒートポンプサイクル装置５に供給する。そして、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５を介して居室内を暖房したり、水を加熱したりする。また、ファンコイルユニット３、およびヒートポンプサイクル装置５を介して第一冷媒側熱交換器４から熱を回収する。そして、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５を介して居室内を冷房したり、装置内を冷凍したりする。

その際に、熱量が余剰となった場合は、その余剰熱を排熱熱交換器２から系外に排熱し、熱量が不足した場合は、その不足となった熱を系外から排熱熱交換器２に回収する。その際、必要に応じて排熱熱交換器２の熱交換能力が増大するように補助熱交換装置１０を制御する。詳しくは、補助熱交換装置１０は、排熱熱交換器２を流れる第一冷媒の温度を系外に対して温度差が大きくなるように制御して熱交換を促進するとともに、第一冷媒の温度が設定温度範囲内となるように制御する。また、補助熱交換装置１０は、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内となるように制御する。

なお、設定温度範囲は、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５での必要な熱量に応じた範囲であり、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５での必要な熱量が余剰とならず、不足しない範囲である。

排熱熱交換器２の熱交換能力を増大させるために、第一冷媒から系外に向けて熱を移動促進する場合、つまり、余剰熱を排熱する場合には、第一熱交換器１２が凝縮器として動作し、第二熱交換器１４が蒸発器として動作するように、流路切替装置１５を切り替える。詳しくは、圧縮機１１から吐出された第二冷媒が第一熱交換器１２に流れるように切り替えられる。そして、圧縮機１１の回転数および絞り装置１３の絞り量を調整して、第一熱交換器１２で第一冷媒を加熱して排熱熱交換器２へ流入する際の温度を上昇させ、排熱熱交換器２での熱交換を促進する。その後、排熱熱交換器２で第一冷媒を冷却し、そこでの熱交換後の第一冷媒を第二熱交換器１４でさらに冷却して、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内となるように制御する。

一方、系外から第一冷媒に向けて熱を移動促進する場合、つまり、不足した熱を回収するには、第一熱交換器１２が蒸発器として、第二熱交換器１４が凝縮器として動作するように、流路切替装置１５を切り替える。詳しくは、圧縮機１１から吐出された第二冷媒が第二熱交換器１４に流れるように切り替えられる。そして、圧縮機１１の回転数および絞り装置１３の絞り量を調整して、第一熱交換器１２で第一冷媒を冷却して排熱熱交換器２へ流入する際の温度を低下させ、排熱熱交換器２での熱交換を促進する。その後、排熱熱交換器２で第一冷媒を加熱し、そこでの熱交換後の第一冷媒を第二熱交換器１４でさらに加熱して、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内となるように制御する。

なお、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内であり、補助熱交換装置１０による補助、つまり第一冷媒の温度制御が必要ない場合には、圧縮機１１を停止状態とすることで、第一冷媒の熱交換は排熱熱交換器２のみとし、第一熱交換器１２および第二熱交換器１４では熱交換しないようにする。
なお、例えば、外気との熱交換におけるファンの風速制御など、によっても排熱熱交換器２の熱交換量の制御は実施可能であるが、ここでは詳細を省略する。

図４は、本発明の実施の形態に係る補助熱交換装置１０の制御フローチャートである。
次に、本実施の形態に係る補助熱交換装置１０の動作について図４の制御フローチャートを用いてさらに詳細に説明する。
ステップＳ１では、制御装置５０は、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内かどうかを判定し、設定温度範囲内であればステップＳ１２へ進み、設定温度範囲外であればステップＳ２へ進む。
ステップＳ２では、制御装置５０は、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲の上限より高いかどうかを判断し、高ければステップＳ３へ進み、そうでなければ、すなわち設定温度範囲の下限より低ければ、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ３では、制御装置５０は、第一熱交換器１２が凝縮器として動作し、第二熱交換器１４が蒸発器として動作するように、流路切替装置１５を切り替え、ステップＳ４へ進む。
ステップＳ４では、制御装置５０は、吸入飽和温度が、出口温度から第一設定温度を引いた値となるように圧縮機１１の回転数を制御し、ステップＳ５へ進む。なお、この際、圧縮機１１の回転数には最小値および最大値を設定しておき、その範囲内で制御する。
ステップＳ５では、制御装置５０は、吸入温度−吸入飽和温度が設定されたスーパーヒート（ＳＨ）量となるように絞り装置１３の絞り量を調整し、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ９では、制御装置５０は、吐出圧力が設定圧力範囲の上限値（Ｐｄｍａｘ）より高ければ、圧縮機１１の回転数を第一設定量だけ減速させて、ステップＳ１１へ進む。
ステップＳ６では、制御装置５０は、第一熱交換器１２が蒸発器として動作し、第二熱交換器１４が凝縮器として動作するように、流路切替装置１５を切り替え、ステップＳ７へ進む。
ステップＳ７では、制御装置５０は、吐出飽和温度が、出口温度に第二設定温度を加えた値となるように圧縮機１１の回転数を制御し、ステップＳ８へ進む。なお、この際、圧縮機１１の回転数には最小値および最大値を設定しておき、その範囲内で制御する。

ステップＳ８では、制御装置５０は、吐出飽和温度−途中温度が設定されたサブクール（ＳＣ）量となるように絞り装置１３の絞り量を調整し、ステップＳ１０へ進む。
ステップＳ１０では、制御装置５０は、吸入圧力が設定された吸入圧力の下限値（Ｐｓｍｉｎ）より低い高い場合に、圧縮機１１の回転数を第二設定値だけ増速させて、ステップＳ１１へ進む。
ステップＳ１１では、制御装置５０は、吐出温度が設定された吐出温度の上限値（Ｔｄｍａｘ）より高い場合に、圧縮機１１の回転数を第三設定量だけ減速させて、ステップＳ１へ戻る。

ステップＳ１２では、制御装置５０は、停止出力に基づいて、圧縮機１１を停止し、絞り装置１３を閉じるように制御して、ステップＳ１へ戻る。このとき、流路切替装置１５は切り替えをしない、または、予め決められた状態となるように切り替えるようにする。

以上のように、本実施の形態に係る排熱回収システム１００によれば、補助熱交換装置１０によって排熱熱交換器２を流れる第一冷媒の温度を変化させることで排熱熱交換器２での熱交換量を制御するようにしているので、排熱熱交換器２の熱交換能力を増大させることができる。その結果、排熱回収システム１００を大型化することなく排熱量を増やすことができる。また、熱量が不足した場合は、その不足となった熱を系外から排熱熱交換器２に回収することができ、排熱回収システム１００を大型化することなく熱の回収量を増やすことができる。

また、第一冷媒の出口温度が設定温度範囲内となるように制御することで、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５に必要な熱量を安定して供給することができる。その結果、ファンコイルユニット３およびヒートポンプサイクル装置５での熱量の余剰および不足を抑制することができる。

また、ヒートポンプサイクル装置５の代わりに補助熱交換装置１０を用いることで、第一冷媒を用いた高温、低温の生成利用をすることもできる。
また、外気温、下水温などの系外の温度と第一冷媒の温度との温度差を大きくとるために、補助熱交換装置１０の冷媒、つまり第二冷媒としては、給湯、冷凍などに適したＣＯ_２を用いることで、排熱熱交換器２での熱交換を促進する効果をより発揮できる。
また、補助熱交換装置１０では、第一冷媒そのものを活用するため、第一冷媒の補充、交換などが搬送配管８の作業と同時に実施できる省工事性も得られる。
排熱において補助熱交換装置１０を停止しても、排熱熱交換器２をそのまま利用できることも一般のヒートポンプサイクル装置による排熱では得られない効果となる。

１搬送装置、２排熱熱交換器、３ファンコイルユニット、４第一冷媒側熱交換器、５ヒートポンプサイクル装置、６排熱回収熱交換器、８搬送配管、１０排熱補助熱交換装置、１１圧縮機、１２第一熱交換器、１３絞り装置、１４第二熱交換器、１５流路切替装置、１６搬送配管、４１出口温度検知器、４２吐出圧力検知器、４３吸入圧力検知器、４４吐出温度検知器、４５吸入温度検知器、４６途中温度検知器、５０制御装置、５１センサ入力部、５２制御演算部、５３アクチュエータ出力部、１００排熱回収システム。

本発明に係る排熱回収システムは、第一冷媒を循環させる搬送装置と、系外から排熱を回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱を系外に供給する排熱供給熱交換器と、系内の余剰熱を系外に排出する排熱熱交換器と、圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、第二熱交換器が順次配管で接続され、第二冷媒が循環する補助熱交換装置と、を備え、前記排熱回収熱交換器、前記搬送装置、前記第一熱交換器、前記排熱熱交換器、前記第二熱交換器、前記排熱供給熱交換器、が順次配管で接続され、第一冷媒が循環するものである。

Claims

第一冷媒を循環させる搬送装置と、
系外から排熱を回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱を系外に供給する排熱供給熱交換器と、
系内の余剰熱を系外に排出する排熱熱交換器と、
圧縮機、第一熱交換器、絞り装置、第二熱交換器が順次配管で接続され、第二冷媒が循環する補助熱交換装置と、を備え、
前記排熱回収熱交換器、前記搬送装置、前記第一熱交換器、前記排熱熱交換器、前記第二熱交換器、前記排熱供給熱交換器、が順次配管で接続され、第一冷媒が循環する排熱回収システムであって、
前記補助熱交換装置は制御装置を備え、
前記制御装置は、
前記第二熱交換器の出口側を流れる第一冷媒の温度が、設定温度範囲の上限値よりも大きい場合は、
前記排熱熱交換器に流入する第一冷媒の温度が上昇するように、前記圧縮機の回転数および前記絞り装置の絞り量を制御する
排熱回収システム。
前記補助熱交換装置は、流路切替装置を備え、
前記制御装置は、
前記第二熱交換器の出口側を流れる第一冷媒の温度が、設定温度範囲の上限値よりも大きい場合は、前記圧縮機から吐出された第二冷媒が前記第一熱交換器に流れるように前記流路切替装置を切り替え、
前記排熱熱交換器に流入する第一冷媒の温度が上昇し、前記第二熱交換器の出口側の温度が設定温度範囲内となるように、前記圧縮機の回転数および前記絞り装置の絞り量を制御し、
前記第二熱交換器の出口側を流れる第一冷媒の温度が、設定温度範囲の下限値よりも小さい場合は、前記圧縮機から吐出された第二冷媒が前記第二熱交換器に流れるように前記流路切替装置を切り替え、
前記排熱熱交換器に流入する第一冷媒の温度が低下し、前記第二熱交換器の出口側の温度が設定温度範囲内となるように、前記圧縮機の回転数および前記絞り装置の絞り量を制御する
請求項１に記載の排熱回収システム。
前記第二冷媒は、ＣＯ_２である
請求項１または２に記載の排熱回収システム。