JP2002228177A

JP2002228177A - 熱供給システム

Info

Publication number: JP2002228177A
Application number: JP2001025308A
Authority: JP
Inventors: Osamu Yokomizo; 修横溝
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2002-08-14
Also published as: US6415986B1; US20020100813A1

Abstract

(57)【要約】【課題】熱媒体によって熱を供給するシステムにおい
て、高温の熱のみが必要な顧客が排出する熱を有効に利
用し、かつ、高温の熱のみが必要な顧客及び低温の熱の
みが必要な顧客の支払うそれぞれの代価を低減すること
にある。【解決手段】高温の熱のみが必要な顧客２’が排出し
た熱媒体を回収し、低温の熱のみが必要な顧客２’’に
送る。その際、計測装置４’及び４’’により顧客２’
の出入口の熱媒体の温度、流量等を計測し、顧客２’が
使用した熱量を把握し、顧客２’の出入口の熱媒体の比
エンタルピの算術平均値が高いほど熱量単価を高く設定
し、回収しない顧客２’’の熱量単価は入口と常温常圧
の熱媒体の比エンタルピの算術平均値に対して設定す
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、事業用建物、工
場、家屋等(以下、顧客と呼ぶ。)に化石燃料を用いた発
電設備の排熱や化石燃料を直接燃焼させて発生させた熱
を供給して代価を得る熱供給システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱供給システムにおいては、熱を
蒸気や温水の形で顧客に供給し、その蒸気や温水の量に
応じて対価を計算していた。ところで、熱の用途は、顧
客毎に異なり、化学プロセス等のように高い温度が必要
なものから、食品滅菌のように１００℃程度の熱が必要
な場合、暖房等のために数１０℃の熱が必要なものまで
ある。また、熱だけでなく、熱媒体である蒸気や温水そ
のものを必要とする顧客もあるが、ある温度範囲の熱だ
けが必要で熱の使用によってそれより温度の下がった熱
媒体は不必要な顧客もある。蒸気の場合には温度だけで
なく、高圧であることも必要な場合もあるが、使用によ
って圧力が下がった媒体はある程度温度が高くても使え
ない顧客もある。こうした場合、従来の方式では、必要
な圧力あるいは温度範囲以下の熱媒体はエネルギーが有
効に利用されないまま廃棄されていた。また、高温や高
圧の蒸気を作り、顧客に送るには高価な設備が必要であ
るのに対し、低音の温水を作る設備はさほど高価ではな
い。しかし、高温あるいは高温高圧の蒸気が必要な顧客
に蒸気を供給するシステムでは、低温の熱のみが必要な
顧客にも原価が割高な熱を供給することになる。熱量当
りの単価を高温高圧の顧客と同じにすると、低温の熱の
みが必要な顧客が割高な熱を買うことになり、逆に低温
の熱を安くすれば、設備費の回収に不利となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、多様
な温度、圧力を必要とする顧客に対し、エネルギーを有
効に利用し、かつ、より原価の安い熱を供給するに好適
な熱供給システムを提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、高い温度範
囲の熱が必要な顧客が使用した後の熱媒体を回収し、よ
り低い温度範囲の熱を必要とする顧客に供給する熱の熱
源として使い、その温度、流量によって熱量単価を計算
することにより、解決される。ここで、熱媒体を回収す
る顧客については該顧客に供給する熱媒体の比エンタル
ピ（ｈ）と該顧客が排出する媒体の比エンタルピ
（ｈ_L）の算術平均が、また、熱媒体を回収しない顧客
については該顧客に供給する熱媒体の比エンタルピ
（ｈ）と常温・常圧の熱媒体の比エンタルピ（ｈ₀）の
算術平均が高いほど熱量単価を高く設定する。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の熱供給システムの第
１の実施形態を示す。本実施形態は、高温の媒体例えば
蒸気を必要とする顧客２、主として高温の熱のみを必要
とする顧客２’、低温の熱を必要とする顧客２’’に熱
供給する場合を説明する。当然、顧客の数は３に限られ
るものではない。熱供給装置１は、媒体を加熱する手段
例えばボイラを備え、蒸気を発生させる。各顧客への蒸
気の流量は、顧客側でバルブ等によって制御されるもの
とする。発生した蒸気は、配管３により顧客２および
２’に送られる。顧客２’は高温範囲の熱のみを熱利用
系８で使い、温度の下がった媒体を配管３’により排出
する。使用前蒸気であったものが使用後はより低温の蒸
気あるいは温水となって排出される。排出された媒体
は、例えば暖房、乾燥等に使うため、低温の熱を必要と
する顧客２’’に送られる。余剰の媒体は、配管９を通
って熱供給装置１に戻される。計測装置４、４’、
４’’、４’’’は媒体の温度、圧力、流量等を測定
し、通信手段５を経由して計測結果を計測制御装置６に
送る。計測制御装置６は例えばコンピュータを備え、計
測結果に基づいて各顧客が使用した熱量を計算し、それ
と顧客に供給した媒体の温度、圧力に基づいて代価を計
算し、通信手段７によって顧客に通知する。また、計測
制御装置６は、計測結果に基づいて熱供給装置１での熱
発生量を制御する。通信手段５および７は無線電話、一
般電話回線、ＰＨＳといった一般の通信手段を用いても
よく、また、配管に沿って敷設した専用通信線や電力線
搬送技術を用いてもよい。熱供給装置１の熱源として
は、熱機関を用いた発電の排熱、自然エネルギー等を用
いても、あるいは、他の事業者が発生させた熱を熱源の
一部として使用してもよく、その場合には熱を発生させ
る費用が少なくて済む。

【０００６】次に、各顧客が使用する熱量の計算方法に
ついて説明する。顧客２、２’’については、媒体ごと
消費するため、それぞれ計測装置４および４’’’で測
定した温度、圧力、流量のみから熱の使用量を計算する
が、顧客２’については、計測装置４’で計測された温
度、圧力、流量から計算した熱流入量と計測装置４’’
で計測された温度、圧力、流量から計算した熱流出量の
差から使用量を計算する。以下、熱供給装置１が蒸気を
発生させる場合について、熱量の計算方法の例を説明す
る。蒸気、水あるいはその混合物は圧力Ｐ、温度Ｔ、混
合割合が決まると、それぞれ単位重量当りの熱量すなわ
ち比エンタルピが決まる。これをｈ（Ｐ，Ｔ）（ｋｃａ
ｌ／ｋｇ）と表すことにする。また、各計測装置での温
度、圧力、流量の計測値をそれぞれＴ₄，Ｐ₄，Ｗ₄ある
いはＴ₄’，Ｐ₄’，Ｗ₄’のように表すことにする。ま
た、大気圧をＰ₀、当該地域での通常の水温をＴ₀とす
る。顧客２については、使用熱量Ｑ₂は次式で与えられ
る。Ｑ₂＝｛ｈ（Ｐ₄，Ｔ₄）−ｈ（Ｐ₀，Ｔ₀）｝Ｗ₄ （式１）顧客２’、２’’については次のようになる。Ｑ₂’＝｛ｈ（Ｐ₄’，Ｔ₄’）−ｈ（Ｐ₀，Ｔ₀）｝Ｗ₄’ −｛ｈ（Ｐ₄’’，Ｔ₄’’）−ｈ（Ｐ₀，Ｔ₀）｝Ｗ４’’ （式２）Ｑ₂’’＝｛ｈ（Ｐ₄’’，Ｔ₄’’） −ｈ（Ｐ₀，Ｔ₀）｝Ｗ₄’’’ （式３）温度Ｔが圧力Ｐの飽和温度より高い場合はすべて蒸気で
あるので、ｈ（Ｐ，Ｔ）は蒸気の比エンタルピｈｓ
（Ｐ，Ｔ）に、低い場合はすべて水であるので、水の比
エンタルピｈｗ（Ｐ，Ｔ）に一致するが、温度Ｔが丁度
圧力Ｐの飽和温度の場合、水と蒸気の混合物となるの
で、各計測装置における水と蒸気の比率が分からない
と、真の熱量は分からない。一つの方法としては計測装
置に水と蒸気を分離してそれぞれの流量比率を測定する
機能をつけることがある。これによって計測された蒸気
の流量割合をβとすると、ｈ（Ｐ，Ｔ）＝βｈ_s（Ｐ，Ｔ）＋（１−β）ｈ_w（Ｐ，Ｔ）（式４）で計算できる。しかし、蒸気の割合を計測する設備は高
価になるため、顧客２との契約で排出する媒体のβを予
め０、１あるいはその中間のある値と見なすことにして
おくのも一つの方法である。また、通常は凝縮した水は
蒸気とは一緒に流れず、ドレンとして回収あるいは廃棄
されるため、排出口には蒸気のみしか来ない場合や、逆
に熱利用系８の中ですべて凝縮して水のみとして出てく
る場合も多く、その場合にはそれぞれ蒸気のみあるいは
水のみとして取り扱う。また、顧客の側で蒸気のみを分
離して排出するか、あるいは、蒸気の比率が非常に低い
顧客の場合には水を混合し、水のみとして排出すること
もある。

【０００７】次に、熱量当りの代価(以下、単価と呼
ぶ。)の計算方法について説明する。本熱供給システム
では、単価を温度にかかわらず一定としても、顧客２’
は、従来の方法に比べ、（式２）の右辺第２項分だけ少
ない使用量で済み、メリットがある。また、これらの従
来捨てられていた熱を顧客２’’が利用できるため、省
エネルギーの観点からの効果もある。しかし、そのまま
では顧客２’’のメリットはない。そこで、顧客２’の
単価を高くし、顧客２’’の単価を低くする。この場
合、顧客２’の単価が（元の単価×従来のシステムによ
る熱使用量÷本システムによる熱使用量）以下であれ
ば、顧客２’の支払う代価は減り、メリットは維持され
る。また、顧客２’’も単価が下がった分、メリットが
生じる。例えば、熱量の単価を顧客に供給する比エンタ
ルピと排出する比エンタルピの算術平均が高い方が高く
なるように設定すれば、高温範囲のみを使う顧客の単価
は高温から低温範囲までを使う顧客に比べて高く、低温
範囲のみを使う顧客の熱量の単価は、高温から低温範囲
までを使う顧客に比べて低くなる。図２に示すように、
本熱供給システムの供給比エンタルピをｈ_H、大気圧、
常温の水の比エンタルピをｈ₀としたとき、顧客２’が
比エンタルピｈ_Hからｈ_Lまでの温度、圧力範囲の熱のみ
を必要とし、かつ、出入り口の流量Ｗ₄’とＷ₄’’は同
じとする。熱量単価を出入り口算術平均比エンタルピｈ
_aの関数としてＣ（ｈ_a）とし、ｈ_Hとｈ₀の平均に対する
単価を従来の方式の単価に一致するように設定すると、
従来の方法で顧客２’が支払う代価は、Ｃ（（ｈ_H＋ｈ₀）／２）×（ｈ_H−ｈ₀）×Ｗ₄’ （式５）であるのに対し、本システムで顧客２’が支払う代価
は、Ｃ（（ｈ_H＋ｈ_L）／２）×（ｈ_H−ｈ_L）×Ｗ₄’ （式６）となる。顧客２’にとってメリットが生じる条件は、次
式で与えられる。Ｃ（（ｈ_H＋ｈ_L）／２）×（ｈ_H−ｈ_L）×Ｗ₄’ ＜Ｃ（（ｈ_H＋ｈ₀）／２）×（ｈ_H−ｈ₀）×Ｗ₄’ （式７）ここでｈ_a＝（ｈ_H＋ｈ_L）／２Ｃ₀＝Ｃ（（ｈ_H＋ｈ₀）／２）（式８）とすると、(式７)は次のようになる。Ｃ（ｈ_a）＜Ｃ₀（ｈ_H−ｈ₀）／（２ｈ_H−２ｈ_a）（式９）より一般的に表すため、規格化して、ｘ＝（ｈ_a−ｈ₀）／（ｈ_H−ｈ₀）（式１０）と置き、関数Ｃをｘの関数として定義し直すと、顧客
２’にとってメリットの生じる条件は、Ｃ（ｘ）／Ｃ₀＜０．５／（１−ｘ）（式１１）となる。図２より分かる通り、ｈ_Hで供給する顧客２’
についてはｘは必ず０．５以上、また、ｈ_Hより低い比
エンタルピで供給してｈ₀まで使う顧客２’’のｘは必
ず０．５以下となる。したがってｘが０．５以上で（式
１１）を満足し、かつ、ｘが０．５以下でＣ（ｘ）／Ｃ
₀が１より小さくなるようにしておけば、どちらの顧客
にとってもメリットが生じる。図３に、そのようなＣ
（ｘ）／Ｃ₀の例をメリットの生じる条件と比較して示
す。一つは、Ｃ（ｘ）／Ｃ₀＝０．５５／（１．１−ｘ）（式１２）もう一つは、においてαを０．５とした場合である。（式１３）の場
合に、顧客２’及び２’’が支払う代価を評価してみる
ことにする。顧客２’の排出比エンタルピｈ_Lについて
もｈ_aと同じように規格化して、ｙ＝（ｈ_L−ｈ₀）／（ｈ_H−ｈ₀）（式１４）とすると、顧客２’については、ｘ₂’＝（１＋ｙ）／２（式１５）従来のシステムの場合に顧客２’が支払う代価に対する
本システムでの代価の比ｒ₂’は一方、顧客２’’については、顧客２’が排出した媒体
の比エンタルピのままで購入するとすると、ｘ₂’’＝ｙ／２（式１７）顧客２’’が購入する熱量を従来システムの場合と同じ
とすると、代価の比は単価の比に等しいため、となる。顧客２’が排出した熱量をすべて顧客２’’に
売却したとすると、売価合計は、となる。これに必要な発生熱量（ｈ_H−ｈ₀）Ｗ₄’を従
来の単価Ｃ₀で売った場合の売価Ｃ₀（ｈ_H−ｈ₀）Ｗ₄’
に対する発生熱量当り売価比ｒ_tは、となる。

【０００８】（式１６），（式１８），（式２０）で計
算した結果を図４に示す。顧客２’、２’’ともに従来
システムでの代価に対する本システムでの代価の比Ｃ
（ｘ）／Ｃ₀は１以下であり、従来に比して支払代価が
減っているが、発生した熱量当りの売価は増えている。
これは、従来は顧客２’が排出した熱は捨てられてお
り、顧客２’’のための熱は別に発生させる必要があっ
たのに対し、本ケースでは従来顧客２’のために発生さ
せていた熱量のみで両方の顧客に対応できることによ
る。なお、（式２）においてＷ₄’よりＷ₄’’が少ない
顧客については、熱媒体の一部を回収しないため、流量
Ｗ４’’に相当する部分については入り口と出口の比エ
ンタルピの算術平均で熱量単価を計算するが、Ｗ₄’−
Ｗ₄’’に相当する部分の熱量については入り口と、常
温常圧の比エンタルピの算術平均で計算した単価を用い
るのが妥当である。

【０００９】図５は、本発明の第２の実施形態を示す。
本実施形態は、顧客２’より排出された熱媒体の温度、
圧力あるいは熱量が顧客２’’の必要とする温度、圧力
あるいは熱量と異なる場合に対処するため、温度熱量調
節装置１０を設け、計測制御装置６により通信手段１１
を用いて顧客２’’の必要とする温度、圧力、熱量に合
わせることに特徴がある。温度熱量調節装置１０は、顧
客２’から排出された熱媒体の温度が必要より低い場合
や、熱量が不足している場合には配管３’’’により送
られた高温の熱媒体を混合し、温度、熱量等を調節す
る。また、温度熱量調節装置１０に燃料を燃焼させて熱
媒体を加熱する機能や電気ヒータにより熱媒体を加熱す
る機構を設けてもよい。逆に、顧客２’から排出された
熱媒体の温度や圧力が顧客２’’が必要とする温度、圧
力より高い場合には、低温の熱媒体を混合することによ
り温度を下げたり、減圧弁によって圧力を下げるように
しておく。これにより、顧客２’’が想定しているより
高い温度、圧力の熱媒体により顧客２’’の設備を損傷
したり、災害を生じたりすることを防止できる。また、
温度熱量調節装置１０から顧客２’’までの配管３’’
は熱供給装置１から顧客２や顧客２’への配管３、３’
に比べて低温あるいは低圧に耐える配管で済み、配管コ
ストを低減することもできる。また、制御も顧客２’が
必要とする温度、圧力が頻繁に変化しない場合は、計測
制御装置６ではなく、温度熱量調節装置１０内に設置し
た制御装置（図示せず）により、顧客２’’に送る熱媒
体の温度、圧力、熱量を予め設定した温度、圧力に制御
してもよい。

【００１０】図６は、本発明の第３の実施形態を示す。
本実施形態は、熱供給装置１とは別に低温熱供給装置１
２を設け、顧客２’から排出された熱媒体を配管９’に
より低温熱供給装置１２に戻すことに特徴がある。低温
熱供給装置１２では、熱供給装置１からの高温の熱媒体
との混合や燃料の燃焼、電気ヒータ等によって温度を上
げ、あるいは、低温の熱媒体との混合によって温度を下
げるなどの方法で温度を、また、ポンプ等によって圧力
を調整する。図５の第２の実施形態の場合には、温度や
圧力を調節するための装置が顧客の数に応じて複数必要
であり、かつ、高温の熱媒体を配管３’’’によって温
度熱量調節装置１０に送る必要があったが、本実施形態
では、温度や圧力を調節するための装置が一つで済み、
高温の熱媒体を遠くに送る必要がないという利点があ
る。顧客から戻った熱媒体が汚れ等で他の顧客に送るの
に適していない場合は、熱交換によって新たな熱媒体に
熱を伝達すれば、汚れていない熱媒体を顧客に供給でき
る。

【００１１】図７は、本発明の第４の実施形態を示す。
第１〜第３の実施形態は顧客にある温度、圧力の熱媒体
を供給するという形態であるが、本実施形態は、顧客の
ニーズに応じてある設備の温度を所定の時間、顧客が指
定する温度あるいは温度・圧力に維持する形態を示す。
本実施形態では、温度、圧力及び流量のコントローラ１
３、１３’、１３’’を設置する。計測制御装置６は、
顧客の設備の温度、圧力測定値を通信手段７’により受
け取り、それらの測定値を通信手段５’を通してコント
ローラ１３、１３’、１３’’に伝送する。コントロー
ラ１３、１３’、１３’’は、設備の温度を所定の時
間、所定の温度あるいは温度・圧力に維持するように制
御する。これにより、顧客のニーズがある設備の温度を
所定の時間、所定の温度あるいは温度・圧力に維持した
い場合には、顧客の目的がより直接的に達成でき、顧客
の側での制御が不要となる。図８に、コントローラ１
３、１３’、１３’’の例を示す。顧客のニーズである
設定温度信号１４と計測制御装置６からの測定（実測）
温度信号１５の差は伝達要素１６に入り、伝達要素１６
はその差に応じて差がゼロであれば、開度を一定に、正
であれば、開度を増やし、負であれば、開度を減らす信
号を出す。電動弁１８は開度信号１７に応じて開閉す
る。これにより、測定温度１５が設定温度１４より低け
れば、電動弁１８がより開いて温度の高い熱媒体が多量
に流れ温度を上げ、高ければ、弁が閉じて流量を減らす
ことによって温度を下げる。ここで、顧客のニーズを熱
媒体の温度としたが、圧力、流量であつてもよいことは
云うまでもない。なお、図７は、第１の実施形態を元に
示しているが、同様の制御は第２、第３の実施形態でも
行うことができる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い温度範囲の熱が必要な顧客が使用した後の熱媒体を
回収し、より低い温度範囲の熱を必要とする顧客に供給
する熱の熱源として使うことにより、顧客が必要とする
温度以下あるいは温度・圧力範囲以下になった熱媒体の
熱を廃棄することなく、熱媒体を有効に利用することが
できる。また、顧客が使用した熱量を把握し、熱媒体を
回収することにより、熱媒体の使用量の減少を代価に反
映することができる。また、高温側あるいは高温・高圧
側の熱のみを必要とする顧客にも、低温側の熱のみを必
要とする顧客にも、従来のシステムにより熱を供給する
場合に比べ、より安い代価で熱を供給することができ
る。また、顧客に供給する熱媒体の温度を調節すること
により、回収した熱媒体を送る顧客にも、安定した温度
条件の熱媒体を供給することができる。また、顧客から
回収した熱媒体の保有する熱を使うことにより、使用温
度の低い顧客向けの熱媒体を作る設備を少なくすること
ができる。また、顧客のニーズに応じてある設備の温度
を所定の時間、所定の温度に維持する場合には、顧客の
目的がより直接的に達成でき、顧客の側での制御を不要
とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱供給システムの第１の実施形態

【図２】本発明の熱量単価の決め方を説明する概念図

【図３】本発明の規格化した平均比エンタルピに対する
熱量単価相対値の関係を示す図

【図４】本発明の顧客の支払い代価の従来システムに対
する相対値を示す図

【図５】本発明の第２の実施形態

【図６】本発明の第３の実施形態

【図７】本発明の第４の実施形態

【図８】本発明の温度制御のロジックの例を示す図

【符号の説明】

１…熱供給装置、２，２’，２’’…顧客、２’…高温
の熱のみが必要な顧客、２’’…低温の熱が必要な顧
客、３，３’，３’’，３’’’…配管、４，４’，
４’’，４’’’…計測装置、５，５’…通信手段、６
…計測制御装置、７，７’…通信手段、８…熱利用系、
９…配管、１０…温度熱量調節装置、１１…通信手段、
１２…低温熱供給装置、１３，１３’，１３’’…コン
トローラ、１４…温度設定値、１５…温度計測値、１６
…伝達要素、１７…弁開度信号、１８…電動弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】常温より高い温度あるいは常温・常圧よ
り高い温度・圧力の熱媒体を作り、複数の顧客に送るこ
とによって前記顧客より代価を得る熱供給システムにお
いて、少なくとも一部の顧客が使用した後の熱媒体の一
部または全部を回収し、回収した熱媒体の保有する熱の
一部または全部を該顧客とは異なる顧客に供給する熱媒
体の熱源の少なくとも一部として用いることを特徴とす
る熱供給システム。
【請求項２】請求項１において、顧客に供給する熱媒
体の温度、流量と、熱媒体を回収する顧客から排出され
た熱媒体の温度、流量を測定する手段と、前記測定値か
ら顧客の代価を計算する手段と、前記代価を顧客に知ら
せる手段を有することを特徴とする熱供給システム。
【請求項３】請求項２において、前記代価を計算する
手段は、熱媒体を回収する顧客については該顧客に供給
する熱媒体の比エンタルピ（ｈ）と該顧客が排出する媒
体の比エンタルピ（ｈ_L）の算術平均が、また、熱媒体
を回収しない顧客については該顧客に供給する熱媒体の
比エンタルピ（ｈ）と常温・常圧の熱媒体の比エンタル
ピ（ｈ₀）の算術平均が高いほど熱量単価を高く設定す
ることを特徴とする熱供給システム。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかにおい
て、顧客から回収した熱媒体あるいはその熱を該顧客と
は異なる顧客に供給する熱媒体の温度を調節する手段を
設けることを特徴とする熱供給システム。
【請求項５】請求項１から請求項３のいずれかにおい
て、常温より高い温度あるいは常温・常圧より高い温度
・圧力の熱媒体を作る手段を設け、少なくともその一つ
の熱源として顧客から回収した熱媒体の保有する熱を使
うことを特徴とする熱供給システム。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれかにおい
て、顧客に送る熱媒体の温度、圧力または流量の実測値
と顧客のニーズによる設定値に基づいて前記温度、圧力
または流量を制御する手段を設けることを特徴とする熱
供給システム。