JP2000297963A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の独立した熱需要に適切に応じることが
できるコジェネレーション装置を提供すること。 【解決手段】 エンジン発電機１０の排熱を利用して第
１温水を作る第１熱交換器２０と、第１温水から熱を取
出して第２温水を作るための第２熱交換器２２とを貯湯
タンク１７内に設ける。コントローラ２９は第１温水を
利用する第１熱負荷２１および第２温水を利用する第２
熱負荷２４の熱需要に応じてエンジン発電機１０を運転
する。第２熱負荷２４に供給する温水を加熱する追い焚
きボイラ２５と、ボイラ２５を通過した第２温水を、第
２熱負荷に供給するか第２熱負荷をバイパスして第２熱
交換器２２に戻すかを切替える三方弁２６を設けてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電設備を含むコ
ジェネレーション装置に関し、特に、変動する熱需要に
対して適切に熱エネルギを供給することができるコジェ
ネレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の必要性が喧伝さ
れ、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を動力源と
して発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジ
ェネレーション装置が注目されている。この種のコジェ
ネレーション装置では、発電に伴って発生する熱を熱需
要に応じて適切に取出せることが必要であるが、発電に
伴う熱エネルギを直ちに消費する熱需要がない場合も多
いため、次のような工夫がなされている。例えば、特開
平８−４５８６号公報には、発電機から取出した熱エネ
ルギを温水に変換して貯めておく貯湯タンクを設けたコ
ジェネレーションシステムが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載された
従来のコジェネレーションシステムでは、熱エネルギを
貯めておくことができるので、発電運転時以外に発生し
た熱需要にも応じることができるという利点がある。と
ころで、例えば、給湯と暖房のように独立した異なる熱
需要に応ずるためには、それぞれの熱需要の変動に別個
に応じなければならない。しかし、従来のコジェネレー
ションシステムではこのような変動する複数の熱需要に
適切に応ずることができないという問題点があった。

【０００４】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、独立した複数の熱需要に対
して適切に熱エネルギを供給することができるコジェネ
レーション装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のコジェネレーシ
ョン装置は、発電装置の運転による排熱を利用して作ら
れた第１温水を貯湯タンクに貯溜し、かつ貯湯タンク内
に設けられた熱交換器で前記第１温水から熱を取出して
第２温水を作るように構成すると共に、前記第１温水を
利用する第１熱負荷および前記第２温水を利用する第２
熱負荷の熱需要に応じて前記発電装置の運転を制御する
コントローラと、前記第２温水を前記第２熱負荷に供給
するための、前記熱交換器を含む管路に設けられた追い
焚きボイラと、前記追い焚きボイラを通過した第２温水
を、前記第２熱負荷に供給するか、該第２熱負荷をバイ
パスして前記熱交換器に戻すかの切替えを行う弁手段と
を具備した点に第１の特徴がある。

【０００６】また、本発明は、前記第１熱負荷が給湯負
荷であり、前記第２熱負荷が暖房負荷であって、前記貯
湯タンクに給水する給水管路および該貯湯タンクから前
記給湯負荷へ温水を供給する給湯管路と、前記貯湯タン
クを経由せず、前記給湯管路へ給水管路から直接給水す
る混合弁とを具備した点に第２の特徴がある。

【０００７】さらに、前記発電装置を含むコジェネレー
ション・ユニットと、前記追い焚きボイラと、前記貯湯
タンクとはそれぞれが独立のユニットを構成し、互いが
配管接続されている点に第３の特徴がある。

【０００８】第１〜第３の特徴によれば、発電装置から
回収した熱量を独立した２つの熱需要に対応して供給す
ることができる。特に、追い焚きボイラを経由した温水
を貯湯タンクまたは第２熱負荷に供給できるので急激な
熱需要の変化にも追従できる。

【０００９】第２の特徴によれば、貯湯タンクから第１
熱負荷に供給される温水の温度を混合弁から供給される
水によって適温に調節することができる。また、第３の
特徴によれば、コジェネレーション装置を、配管で接続
された複数のユニットで構成できるので、各ユニットを
利用者のニーズに応じて選択し、最適のシステムを構成
することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一
実施形態を詳細に説明する。図１はエンジン発電機を商
用電力系統に連系させたコジェネレーション装置の構成
を示すブロック図である。エンジン発電機１０は、互い
に機械的に連結された（内燃）エンジン１１と発電機１
２とを含み、エンジン１１が発電機１２を駆動してエン
ジン回転数に応じた交流電力を発生する。

【００１１】電力変換装置１３は発電機１２から出力さ
れた交流電力を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波
数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統
の位相と同期をとって連系させる機能を有する。具体的
には、発電機１２から出力された交流を直流に変換する
コンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用
電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するイン
バータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等
の機能を有している。系統連系用電力変換装置の一例は
特公平４−１０３０２号公報に開示されている。電力変
換装置１３で変換された発電機１２の出力交流は商用電
力系統１４と連系して電気負荷１５に接続されている。

【００１２】エンジン１１は発電機１２の運転に伴って
熱を発生し、この熱はエンジン１１の水冷装置１６で熱
交換により回収される。なお、この熱回収はエンジン１
１のマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ま
しい。水冷装置１６を通過する管路１８内の冷却水はポ
ンプ１９で循環され、この冷却水を媒体として貯湯タン
ク１７に熱量が運搬される。貯湯タンク１７には前記管
路１８に接続された熱交換器（以下、「第１熱交換器」
という）２０が設けられ、図示しない水供給源から貯湯
タンク１７に供給された水はこの第１熱交換器２０から
熱を得て温水になる。貯湯タンク１７に蓄えられた温水
は第１熱負荷としての給湯器２１に供給されて利用され
る。

【００１３】水供給源と貯湯タンク１７との間にはバル
ブ（図示せず）が設けられ、貯湯タンク１７内の水量が
基準値以下になったときに、このバルブが開かれて給水
されるようになっている。ポンプ１９はエンジン発電機
１０の運転に連動して起動する一方、エンジン発電機１
０が停止されると、その時点から予定時間（タイマによ
って設定される）経過後に停止するようにするのがよ
い。ポンプ１９の起動は、エンジン１１側の温度が貯湯
タンク１７側より高くなった時に行ってもよい。なお、
本明細書では、水冷装置１６およびポンプ１９を含めた
場合のエンジン発電機１０を、「コジェネレーション・
ユニット」と呼ぶ。

【００１４】また、第１熱交換器２０の上方には第２熱
交換器２２が設けられる。第２熱交換器２２に接続され
た管路２３にはセントラルヒーティングシステムや床暖
房システム等、第２熱負荷としての暖房装置２４が接続
されており、貯湯タンク１７内の温水を給湯器２１に供
給する温水経路とは独立した第２の温水経路を構成して
いる。この第２の温水経路によって、貯湯タンク１７か
ら２次的に効率よく熱を回収することができる。

【００１５】第２熱交換器２２を第１熱交換器２０より
も上方の位置に配置したのは、第１熱交換器２０から熱
量を得た温度の高い水は、対流により第１熱交換器２０
よりも上方に移動しているためである。第１熱交換器２
０よりも第２熱交換器２２を上方に配置することによ
り、対流して上方に移動した高温の温水から多くの熱量
を取出すことができる。

【００１６】前記第２の温水経路には追い焚きボイラ２
５と三方弁２６とが設けられている。追い焚きボイラ２
５には第２の温水経路内で温水を循環させるためのポン
プ２７が設けられている。三方弁２６はバイパス２８側
または暖房装置２４側に温水を循環させるための切り替
え手段である。この三方弁２６を制御することによっ
て、次のような経路を形成できる。すなわち、三方弁２
６を暖房装置２４側に切り替えると、貯湯タンク１７か
ら出た温水が、追い焚きボイラ２５および暖房装置２４
を経て貯湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。一
方、三方弁２６をバイパス２８側に切り替えると、貯湯
タンク１７から出た温水が、追い焚きボイラ２５を通過
した後、暖房装置２４を経由せずバイパス２８を経て貯
湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。

【００１７】コントローラ２９は熱需要の有無またはそ
の大きさに基づいてエンジン１１の始動および停止の制
御を行う。すなわち、コントローラ２９は、給湯器２１
または暖房装置２４の少なくとも一方が稼働していると
きに、熱需要が発生していると判断してエンジン１１を
駆動して熱量を発生させる。この熱需要発生にもとづく
エンジン１１の駆動では、エンジン１１は、発電機１２
が一定の発電電力を出力するように運転してもよいし、
電力負荷１５の大きさに応じた発電電力を出力するよう
に、電力負荷追随型で運転してもよい。一定発電出力型
においては、駆動源であるエンジン１１は、その回転数
がほぼ一定である定格運転にすることができるので、燃
料消費量が少なくかつ排気ガスの状態も良好な、高い効
率の運転が可能である。ここで、大きい電力需要が生じ
て発電機１２による発電電力に不足が生じた場合は、商
用電源１４からの電力で不足分をまかなうことができ
る。

【００１８】貯湯タンク１７内の水温は、温水消費量つ
まり熱需要の大きさや、エンジン発電機１０の運転方法
つまり一定発電出力型であるか電力負荷追随型であるか
によって大きく左右される。例えば、温水消費量が少な
い場合は、コジェネレーション・ユニット１０が運転さ
れていて、エンジン１１の冷却水から熱量を得た貯湯タ
ンク１７内の温水の温度は８０°Ｃ程度に維持できる。
しかし、温水が急激に大量に使用された場合等、給湯器
２１および暖房装置２４の双方で熱需要が発生して熱要
求の和が貯湯タンク１７内に蓄熱された熱量とコジェネ
レーション・ユニット１０の連続運転で得られる熱量を
超えたような場合や、システムの立上げ時には、貯湯タ
ンク１７内の温水の温度は低下し、給水された水の温度
が熱需要に応じられる温度になっていないことがある。

【００１９】このように、貯湯タンク１７内の温水の温
度をコジェネレーション・ユニット１０からの回収熱の
みでは基準温度に維持できないときに、追い焚きボイラ
２５が有効に機能する。温水コントローラ３０は、給湯
器２１および暖房装置２４の稼働状況に応じ、追い焚き
ボイラ２５に追い焚き指令Ｂを出力すると共に、三方弁
２６に切替指令Ｃを出力する。すなわち、温水コントロ
ーラ３０は、給湯器２１および暖房装置２４が稼働して
いるかということと、その稼働時の熱需要の大小に基づ
いて追い焚き指令Ｂおよび切替指令Ｃを出力する。切替
指令Ｃがオンのとき三方弁２６はバイパス２８に切り替
えられる。なお、三方弁２６の切替えによってすべての
温水を第２熱交換器２２に戻すのに限らず、流量可変の
三方弁として、一部の温水を第２熱交換器２２に戻して
もよい。

【００２０】図２は、給湯器２１および暖房装置２４の
熱需要の大小と追い焚き指令Ｂおよび切替指令Ｃとの関
係を示す図である。なお、給湯器２１と暖房装置２４の
熱需要の大小は、それぞれに供給される温水の温度に基
づいて判断することができる。例えば、給湯温度が予定
の基準温度以下になったときに検出信号を出力する温度
検出器を給湯器２１および暖房装置２４にそれぞれ設
け、これらの温度検出器から入力される検出信号に基づ
いて熱需要の大小を判断する。

【００２１】図２において、給湯器２１および暖房装置
２４の双方の熱需要が大きい場合、すなわち、給湯器２
１および暖房装置２４の双方で熱需要が増大した場合
は、給湯器２１へ給湯される温水の温度維持を優先させ
るのがよい。したがって、追い焚き指令Ｂおよび切替指
令Ｃをいずれもオン（ＯＮ）にし、追い焚きボイラ２５
を稼働させるとともに三方弁２６をバイパス２８側に切
り替える。これにより、追い焚きボイラ２５で加熱され
た温水が管路２３を循環し、温度が高められた温水は第
２熱交換器２２を通じて貯湯タンク１７内の水の温度を
上昇させ、給湯器２１に供給される温水の温度が上昇す
る。

【００２２】このように三方弁２６をバイパス２８側に
切り替えることによって暖房装置２４には温水が循環し
なくなる。しかし、給湯器２１からの給湯需要が風呂や
台所用の給湯であれば、たいていの場合、長時間連続し
て給湯されることは少ない。また、熱負荷が暖房装置２
４である場合、一旦室内の温度が上昇した後の熱需要の
変化は比較的緩慢であるため、室温が低くなり過ぎると
いうことはなく、実用上の問題は発生しにくい。

【００２３】給湯器２１および暖房装置２４のいずれか
一方の熱需要が大きく、他方の熱需要が小さい場合は、
熱需要が大きい方に循環される温水の温度を高めるよう
に制御される。すなわち、給湯器２１の熱需要が大きく
暖房装置２４の熱需要が小さい場合は、追い焚き指令Ｂ
および切替指令Ｃをいずれもオンにする。また、暖房装
置２４の熱需要が大きく給湯器２１の熱需要が小さい場
合は、追い焚き指令Ｂをオンにし切替指令Ｃをオフにし
て、加熱した温水を暖房装置２４に供給するように制御
する。給湯器２１および暖房装置２４のいずれの熱需要
も小さい場合は他方の熱需要が小さい場合は、追い焚き
指令Ｂおよび切替指令Ｃをいずれもオフにする。

【００２４】給湯器２１および暖房装置２４がいずれも
稼働されていない場合は、熱需要がともに小さい場合と
同様、追い焚き指令Ｂおよび切替指令Ｃをいずれもオフ
にする。なお、熱需要の大きさは給湯器２１や暖房装置
２４に供給される温水の温度で判断するのに限定されな
い。例えば、給湯器２１や暖房装置２４の連続運転時間
を監視するタイマ手段を設け、連続運転時間が予定時間
より長い場合に熱需要が大きいと判断してもよい。

【００２５】上記システムは次のような変形が可能であ
る。図１において、貯湯タンク１７と給湯器２１とをつ
なぐ管路３３上に混合弁３４を設け、給水源からの水を
この混合弁３４に接続するための管路３５を設ける。貯
湯タンク１７の上部における水温は８０°Ｃという高温
である。この高温の温水を給湯器２１に直接供給すると
使用するには高温すぎることがある。そこで、混合弁３
４から給水することにより、風呂や台所用に適した温水
を得ることができる。混合弁３４は、次のように制御で
きる。例えば、貯湯タンク１７から出る温水の温度が予
定の温度以下である場合は混合弁３４を閉じて管路３５
からの給水をしないようにする一方、温水の温度が予定
の温度を超過していたならば混合弁３４を開いて管路３
５から給水して貯湯タンク１７からの温水に水を混合さ
せる。なお、混合弁３４は開度が可変であるのが望まし
い。

【００２６】上記コジェネレーション装置は複数のユニ
ットに分けて構成することができる。図１において、コ
ジェネレーション・ユニット１０を第１のユニットＵ
１、追い焚きボイラ２５を第２のユニットＵ２、貯湯タ
ンク１７と三方弁２６および混合弁３４とを第３のユニ
ットＵ３に分けることができる。これらのユニット間は
配管によって接続できるので、設置場所の状況に応じた
配置が可能であり、かつ利用者のニーズに応じて、エン
ジン発電機１０の発電／熱出力、追い焚きボイラ２５の
熱出力、および貯湯タンク１７の容量等を自由に選択す
ることができる。また、追い焚きボイラ２５や貯湯タン
ク１７は市販されているものの中から適当な容量のもの
を選択することができる。

【００２７】なお、これらのユニット構成は、図示の例
に限らない。例えば、ユニットＵ１のポンプ１９はユニ
ット３側にあってもよいし、ユニットＵ３の三方弁２６
や混合弁３４は外付けつまり外部配管に含めてもよい。
また、コントローラ２９および温水コントローラ３０は
マイクロコンピュータによって構成することができ、そ
の場合、両者は一体として、単一のＣＰＵで制御するこ
ともできる。

【００２８】前記ユニットＵ１〜Ｕ３のうち、追い焚き
ボイラ２５や貯湯タンク１７については、壁掛け型とす
ることができる。家庭用等、比較的小型のシステムでは
追い焚きボイラ２５や貯湯タンク１７は小型のものでも
よいため、このように壁掛け型にすることによって、全
システムの設置投影床面積を小さくできるだけでなく、
立体的な空間使用により、配管の自由度を高めることが
できる。

【００２９】以上、本発明を好ましい実施形態に従って
説明したが、種々の変形は可能である。例えば、給湯器
２１や暖房装置２４等の熱負荷はこれらに限定されず、
設置台数も上述の実施形態に限定されない。また、貯湯
タンク１７の容量に対して暖房装置２４での消費熱量が
小さいシステムでは、追い焚きボイラ２５や三方弁２６
を省略することができる。

【００３０】なお、以上の実施例では排熱を利用する発
電装置としてエンジン発電機について説明したが、燃料
電池発電装置等の他の発電装置にも同様に適用すること
が可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１〜請求項６の発明によれば、独立した熱需要に対し
て、発電装置から適切な熱出力を供給することができ
る。発電装置から回収した排熱では十分に応じきれない
急激な熱需要の変化に対しても対応することができる。
また、第２熱交換器を、貯湯タンクから第２熱負荷への
熱量の取出しと、追い焚きボイラによる貯湯タンクへの
熱量の供給とに兼用できる。

【００３２】熱需要に応じて発電装置を細かく運転・停
止できるので排気される熱エネルギを抑制することがで
きる一方、熱需要中心の運転により特に熱需要の大きい
寒冷地域における、セントラルヒーティングのような家
庭用エネルギ供給源としてきわめて有用である。

【００３３】特に、請求項２の発明によれば、エンジン
発電装置を熱需要に応じて一定発電出力で運転すること
により、燃料消費量の削減および排気ガスの良好状態を
維持することができ、かつエンジンの長寿命化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係るコジェネレーショ
ン装置の構成を示すブロック図である。

【図２】 追い焚きボイラと三方弁の切替え条件を示す
図である。

【符号の説明】

１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発
電機、 １３…電力変換装置、 １４…商用電力系統、
１５…電気負荷、 １６…水冷装置、 １７…貯湯タ
ンク、 ２０…第１熱交換器、 ２１…給湯器、 ２２
…第２熱交換器、２４…暖房装置、 ２５…追い焚きボ
イラ、 ２６…三方弁、 ２９…コントローラ、 ３０
…温水コントローラ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電装置と、 前記発電装置の運転による排熱を利用して第１温水を作
   る第１熱交換器と、 前記第１温水を貯溜する貯湯タンクと、 前記第１温水から熱を取出して第２温水を作るため前記
   貯湯タンク内に設けられた第２熱交換器と、 前記第１温水を利用する第１熱負荷および前記第２温水
   を利用する第２熱負荷の熱需要に応じて前記発電装置の
   運転を制御するコントローラと、 前記第２温水を前記第２熱負荷に供給するための、前記
   第２熱交換器を含む管路に設けられた追い焚きボイラ
   と、 前記追い焚きボイラを通過した第２温水を、前記第２熱
   負荷に供給するか、該第２熱負荷をバイパスして前記第
   ２熱交換器に戻すかの切替えを行う弁手段とを具備した
   ことを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 【請求項２】 前記発電装置をエンジン発電機で構成
   し、このエンジン発電機の出力電力と商用電力系統から
   供給される電力とを系統連係させるとともに、 前記コントローラは、一定発電出力で前記エンジン発電
   機を運転させることを特徴とする請求項１記載のコジェ
   ネレーション装置。
3. 【請求項３】 前記第１熱交換器を前記貯湯タンク内に
   設置するとともに、第２熱交換器を第１熱交換器より上
   方に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２
   記載のコジェネレーション装置。
4. 【請求項４】 前記第１熱負荷が給湯負荷であり、前記
   第２熱負荷が暖房負荷であることを特徴とする請求項１
   〜請求項３のいずれかに記載のコジェネレーション装
   置。
5. 【請求項５】 前記貯湯タンクに給水する給水管路およ
   び該貯湯タンクから前記給湯負荷へ温水を供給する給湯
   管路と、 前記貯湯タンクを経由せず、前記給湯管路へ給水管路か
   ら直接給水する混合弁とを具備したことを特徴とする請
   求項４記載のコジェネレーション装置。
6. 【請求項６】 前記発電装置を含むコジェネレーション
   ・ユニットと、前記追い焚きボイラと、前記貯湯タンク
   とはそれぞれが独立のユニットを構成し、互いが配管接
   続されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のい
   ずれかに記載のコジェネレーション装置。