JP2606728B2 - 熱エネルギー有効利用システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、自家発電装置における余剰電力による電
熱及び高温廃熱を利用して蓄熱器に蓄熱し、この蓄熱エ
ネルギーを随時採熱して冷暖房機器に導入することによ
り、熱エネルギーを有効利用するためのシステムに関す
るものである。

「従来の技術、発明が解決せんとする問題点」 一般に、自家発電装置においては高温の廃熱が得られ
るため、その廃熱エネルギーを冷暖房機器などに利用す
るシステムが徐々に普及しつつあるが、従来の自家発電
装置における廃熱エネルギー利用システムにおいては専
ら廃熱エネルギーを直接冷暖房機器などに導入するもの
であった。

ところが、自家発電装置における廃熱量は電力需要に
左右されるため、冷暖房機器などの利用側の熱エネルギ
ー需要と必ずしも一致せず、その結果廃熱量が利用側の
熱負荷より多いときは余剰熱をそのまま放熱し、また少
ないときには別の熱源にて追い焚きして廃熱を得る必要
があり、利用効率も低く有効に利用されているとはいえ
ないものであった。

一方、廃熱を蓄熱槽に蓄熱することも考えられていた
が、蓄熱温度が低く効率が悪い等の問題があった。

「問題点を解決するための手段」 この発明は前記従来の課題を解決するために、中空容
器内に水を封入した多数の蓄熱器３を断熱蓄熱槽２内に
密に装填し、これらの蓄熱器３を自家発電装置４におけ
る余剰電力により通電加熱される電熱ヒーター５と、自
家発電装置４の廃熱を導入して加熱される加熱用熱交換
器６とにより、高温に加熱して蓄熱する高温蓄熱装置１
の内部に、蓄熱器３の熱を外部に採り出す採熱用熱交換
器７を設置し、自家発電装置４の廃熱を熱利用機器10,1
1に導入する廃熱導入管8,8′に採熱用熱交換器７の蓄熱
導入管13を接続してなる熱エネルギー有効利用システム
を提案するものである。

またこの発明は、中空容器内に水を封入した多数の蓄
熱器３を断熱蓄熱槽２内に密に装填し、これらの蓄熱器
３を自家発電装置４における余剰電力により通電加熱さ
れる電熱ヒーター５と、自家発電装置４の廃熱を導入し
て蒸気を発生させる廃熱ボイラー21の蒸気を導入して加
熱される加熱用熱交換器６とにより、高温に加熱して蓄
熱する高温蓄熱装置１の内部に、蓄熱器３の熱を外部に
採り出す採熱用熱交換器７を設置し、自家発電装置４の
廃熱を熱利用機器10,11に導入する廃熱導入管8,8′に採
熱用熱交換器７の蓄熱導入管13を接続してなる熱エネル
ギー有効利用システムを提案するものである。

さらにこの発明は、中空容器内に水を封入した多数の
蓄熱器３を断熱蓄熱槽２内に密に装填し、これらの蓄熱
器３を自家発電装置４における余剰電力により通電加熱
される電熱ヒーター５と、自家発電装置４の冷却排水を
蒸気として導入して加熱される加熱用熱交換器６とによ
り、高温に加熱して蓄熱する高温蓄熱装置１の内部に、
蓄熱器３の熱を外部に採り出す採熱用熱交換器７を設置
し、自家発電装置４の排ガスを導入する熱エネルギー回
収装置28と、自家発電装置４の冷却排水としての蒸気を
加熱する追い焚き用熱交換器29との間に熱媒の循環管路
30,30′を設け、追い焚き用熱交換器29で加熱された蒸
気を熱利用機器10,11に導入する廃熱導入管8,8′に採熱
用熱交換器７の蓄熱導入管13を接続してなる熱エネルギ
ー有効利用システムを提案するものである。

「作用」 各種の自家発電装置４を作動することにより排出され
る蒸気、排ガス或いは冷却に使われた排水蒸気等の高温
廃熱をそのまま熱利用機器10,11に導入し、或いはこの
廃熱でボイラー21を加熱してその発生蒸気を熱利用機器
に導入し、更には自家発電装置４の冷却に使われて蒸気
化された排蒸気を、自家発電装置４の排ガスを熱エネル
ギー回収装置28に導入して回収した熱により加熱される
追い焚き用熱交換器29に導入し、これによって高温化さ
れた蒸気を熱利用機器10,11に導入することにより、全
ての廃熱を有効に利用することができる。

さらに、これらの廃熱を随時蓄熱装置１に導入し、或
いは自家発電装置４の余剰電力により通電加熱される電
熱ヒーター５により高温蓄熱し、この蓄熱エネルギーを
自家発電装置４の廃熱量よりも熱利用機器10,11の熱負
荷が減少する場合において熱利用機器10,11に補給する
ことにより、廃熱以外の補助熱源を必要とすることな
く、しかも発電需要の変動に左右されることなく熱利用
機器10,11に効率的に安定して供給することを可能と
し、自家発電装置４のトータルエネルギーの効率を向上
することができ、暖冷房や給湯などの熱利用機器10,11
のランニングコストを著しく低減することができる。

また、蓄熱装置１は中空容器内に水を封入した多数の
蓄熱器３を断熱蓄槽２内に密に装填した構成であるた
め、廃熱エネルギーを高温蓄熱することができ、従来よ
りも高い蓄熱効率が得られ、蓄熱装置の小型化が実現で
きると共に、高温の熱エネルギーを随時採り出すことが
できる。

［実施例」 ［第一発明］ 第１図に示す第一発明において、蓄熱装置１は第４図
に示すようにその断熱蓄熱槽２内に、内部に水を封入し
た筒又は球形状の耐熱ガラス性又は金属等の耐熱性中空
容器からなる多数の蓄熱器３を装填してなり、その内部
には自家発電装置４の余剰電力によって通電加熱される
電熱ヒーター５、自家発電装置４において発生する廃熱
を回収して蓄熱器３に蓄熱する加熱用熱交換器６、及び
蓄熱器３に蓄された熱エネルギーを採り出す採熱用熱交
換器７が設けられている。

自家発電装置４は、燃料を改質する燃料処理装置4aと
発生した直流電力を交流に変換する電力変換装置4b及び
直流電力を発生する電池本4cとからなる燃料電池式自家
発電装置で、ここで発生した蒸気廃熱を廃熱導入管８に
より制御バルブ９を介して冷房用の二重効用吸収式冷凍
機10或いは暖房乃至給湯用熱交換機11等の熱利用機器に
導入すると共に、自家発電装置４の蒸気廃熱の一部を廃
熱導入管８′により制御バルブ12を介して加熱用熱交換
器６に導入するように構成されている。

採熱用熱交換器７は、採り出した高温の蒸気を廃熱導
入管８に接続された蓄熱導入管13により制御バルブ14を
介して冷暖房、給湯などの熱利用機器に導入すると共
に、ここで使用済みの蒸気を管15により蒸気トラップ1
6、制御バルブ17、ポンプ18を介してドレン水として戻
すようになっている。

戻し管15の途中には、必要に応じて熱利用機器からの
ドレン水を蓄熱装置１に戻すことなく外部に排出するた
めの排出管路19が制御バルブ20を介して接続されてい
る。

なお、以上の説明では廃熱熱媒として蒸気が得られる
場合について述べたが、廃熱熱媒として高温水が得られ
る場合には蓄熱導入管13からの熱媒も高温水とし、熱利
用機器はこの高温水の熱利用に対応したものとする。

以上の第一発明の構成において、いま自家発電装置４
の廃熱量と冷房、暖房、給湯機器等の熱利用機器の熱負
荷が等しい場合には、上記熱エネルギー利用システムを
廃熱による直接運転モードとし、廃熱導入管８′の制御
バルブ12を閉じて加熱用熱交換器６への廃熱の導入を停
止すると共に、蓄熱導入管13の制御バルブ14を閉じて蓄
熱装置１からの蒸気或いは高温水の供給を停止した上
で、廃熱導入管８の制御バルブ９を開いて廃熱蒸気或い
は高温水のみを熱利用機器に供給することにより、自家
発電装置４の廃熱のみでシステムを稼働する。

なお、この場合、熱利用機器に利用した蒸気或いは高
温水のドレン水は、戻し管15の制御バルブ17を閉じて制
御バルブ20を開くことにより排出管19から排出する。

次に、自家発電装置４の廃熱量よりも冷房、暖房、給
湯機器等の熱利用機器の熱負荷が減少した場合には、前
述の廃熱による直接運転モードで稼働しながら、廃熱導
入管８′の制御バルブ12を開き、加熱用熱交換器６へ余
剰廃熱を導入して蓄熱装置１に高温蓄熱（150℃程度、
ただし次世代型自家発電装置においては200℃程度）を
行う。

また、自家発電装置４に余剰電力がある場合には、こ
の余剰電力を電熱ヒーター５に通電して蓄熱装置１に高
温蓄熱（150℃程度、ただし次世代型自家発電装置にお
いては200℃程度）を行う。

一方、自家発電装置４の廃熱量よりも冷房、暖房、給
湯機器等の熱利用機器の熱負荷が多い場合には、上記熱
エネルギー利用システムを廃熱と蓄熱による併行運転モ
ードとし、制御バルブ12を閉じて前述の廃熱蒸気或いは
高温水を廃熱導入管８に供給しながら、同時に排出管19
の制御バルブ20を閉じて戻し管15の制御バルブ17を開
き、ポンプ18により採熱用熱交換器７へドレン水を導入
すると共に、蓄熱導入管13の制御バルブ14を開いて蓄熱
装置１の採熱用熱交換器７から採熱した高温の蒸気或い
は高温水を廃熱導入管８を介して熱利用機器に供給する
ことにより、自家発電装置４の廃熱と蓄熱装置１の両方
を利用してシステムを稼働する。

［第二発明］ 第２図に示す第二発明においては、自家発電装置４と
してガス又は蒸気タービ式発電装置を用い、蓄熱装置１
は上記第一発明と同様の構成のものを用いる。

この場合には、自家発電装置４の廃熱として排ガス又
は蒸気を利用し、これらの廃熱を廃熱ボイラー21に導入
する。

廃熱ボイラー21は、自家発電装置４から導入管22によ
り導入した廃熱によって高温蒸気を発生させ、この蒸気
を廃熱導入管８により制御バルブ９を介して冷房用の二
重効用吸収式冷凍機10或いは暖房乃至給湯用熱交換器11
等の熱利用機器に導入すると共に、必要に応じて廃熱導
入管８′により制御バルブ12を介して蓄熱装置１の加熱
用熱交換器６に導入するように構成されており、上記熱
利用機器に利用された蒸気のドレン水は、戻し管15によ
り蒸気トラップ16、ポンプ18及び制御バルブ23を介して
廃熱ボイラー21に戻されるようになっており、また加熱
用熱交換器６を通って蓄熱装置１の蓄熱に利用された蒸
気のドレン水は、戻し管15の途中に接続した戻し管24に
より蒸気トラップ25、ポンプ26を介して廃熱ボイラー21
に戻されるようになっている。

また、採熱用熱交換器７から採り出した高温の蒸気
は、廃熱導入管８に接続された蓄熱導入管13により制御
バルブ14を介して冷暖房、給湯などの熱利用機器に導入
できるようになっており、ここで使用済みの蒸気を戻し
管15の途中に接続した若し管15′により制御バルブ17′
を介してドレン水として戻すようになっている 以上の第二発明の構成において、いま自家発電装置４
の廃熱量と冷房、暖房、給湯機器等の熱利用機器の熱負
荷が等しい場合には、上記熱エネルギー利用システムを
廃熱による直接運転モードとし、廃熱導入管８′の制御
バルブ12を閉じて廃熱ボイラー21からの蒸気の加熱用熱
交換器６への導入を停止すると共に、制御バルブ14を閉
じて蓄熱装置１からの蒸気の供給を停止し、廃熱導入管
８の制御バルブ９を開いて熱利用機器に廃熱ボイラー21
の蒸気のみを供給することにより、自家発電装置４の廃
熱のみでシステムを稼働する。

なお、この熱利用機器に利用した蒸気ドレーンは、戻
し管15′の制御バルブ17′を閉じて戻し管15の制御バル
ブ23を開くことにより廃熱ボイラー21に戻される。

次に、自家発電装置４の廃熱量よりも熱利用機器の熱
負荷が減少した場合には、システムを前述の廃熱による
直接運転モードで稼働しながら、廃熱導入管８′の制御
バルブ12を開き、廃熱ボイラー21の蒸気の一部を加熱用
熱交換器６へ導入して蓄熱装置１に高温蓄熱（200℃程
度）を行う。

また、自家発電装置４に余剰電力がある場合には、上
記同様に電熱ヒーター５に通電して蓄熱装置１に高温蓄
熱を行う。

一方、自家発電装置４の廃熱量よりも冷房、暖房、給
湯機器等の熱利用機器の熱負荷が多い場合には、上記熱
エネルギー利用システムを廃熱と蓄熱による併行運転モ
ードとし、制御バルブ12を閉じて廃熱ボイラー21の蒸気
を廃熱導入管８により熱利用機器に供給しながら、同時
に戻し管15′の制御バルブ17′を開き、ポンプ18により
採熱用熱交換器７及び戻し管15を通じて自家発電装置４
へドレン水を導入すると共に、蓄熱導入管13の制御バル
ブ14を開いて蓄熱装置１の採熱用熱交換器７からの蓄熱
蒸気を廃熱導入管８を介して熱利用機器に供給すること
により、自家発電装置４の廃熱と蓄熱装置１の蓄熱の両
方を利用してシステムを稼働する。

［第三発明］ 第３図に示す第三発明においては、自家発電装置４と
して沸騰冷却型エンジン式発電装置を用い、蓄熱装置１
は上記第一発明と同様の構成のものを用いる。

この場合には、自家発電装置４の廃熱としてエンジン
の排ガス及びエンジンの冷却水を利用し、高温の排ガス
を排気管27により熱エネルギー回収装置28に導入すると
共に、エンジンの冷却に使われて蒸気化された排蒸気を
廃熱導入管により制御バルブ９を介して途中に配した追
い焚き用熱交換器29に導入するように構成されている。

熱エネルギー回収装置28と追い焚き用熱交換器29とに
は、これらの間を循環する取出し管30及び戻し管30′が
配管され、熱エネルギー回収装置28において熱交換によ
り回収された熱を蒸気として追い焚き用熱交換器29に導
入し、この追い焚き用熱交換器29において自家発電装置
４から送り出された排蒸気を熱交換により更に加熱し、
高温の蒸気として廃熱導入管８により冷房用の二重効用
吸収式冷凍機10或いは暖房乃至給湯用熱交換器11等の熱
利用機器に供給するようになっている。

追い焚き用熱交換器29の熱交換に使用された蒸気は、
戻し管30′の蒸気トラップ31でドレン水としてポンプ32
により再び熱エネルギー回収装置28に送られる。

熱利用機器に利用された蒸気のドレン水は、戻し管15
により蒸気トラップ16、ポンプ18及び制御バルブ33を介
して自家発電装置４に冷却水として戻されるようになっ
ている。

廃熱導入管８の途中には、自家発電装置４からの排蒸
気を制御バルブ12を介して加熱用熱交換器６に導入する
廃熱導入管８′が接続され、加熱用熱交換器６の加熱に
使われた排蒸気のドレン水は、戻し管15に接続した戻し
管34により蒸気トラップ35、ポンプ36を介して自家発電
装置４に冷却水として戻されるようになっている。

また、採熱用熱交換器７から採り出した高温の蒸気
は、排熱導入管８に接続された蓄熱導入管13により制御
バルブ14を介して追い焚き用熱交換器29に供給されて更
に加熱され、これから冷暖房、給湯などの熱利用機器に
導入できるようになっており、ここで使用済みの蒸気を
戻し管15の途中に接続した戻し管15′により制御バルブ
17′を介してドレン水として戻すようになっている。

以上の第三発明の構成において、いま自家発電装置４
の排熱量と冷房、暖房、給湯機器等の熱利用機器の熱負
荷が等しい場合には、上記熱エネルギー利用システムを
廃熱による直接運転モードとし、廃熱導入管８′の制御
バルブ12を閉じて自家発電装置４からの排蒸気の加熱用
熱交換器６への導入を停止すると共に、制御バルブ14を
閉じて蓄熱装置１からの蓄熱蒸気の供給を停止し、排熱
導入管８の制御バルブ９を開いて廃熱導入管８により自
家発電装置４の排蒸気のみを追い焚き用熱交換器29に導
入し、更にこれを熱利用機器に自家発電装置４に供給す
ることにより、自家発電装置４の廃熱のみでシステムを
稼働する。

なお、熱利用機器に利用した蒸気のドレン水は、戻し
管15′の制御バルブ17′を閉じて戻し管15の制御バルブ
33を開くことにより自家発電装置４に冷却水として戻さ
れる。

次に、自家発電装置４の廃熱量よりも熱利用機器の熱
負荷が減少した場合には、前述の廃熱による直接運転モ
ードで稼働しながら廃熱導入管８′の制御バルブ12を開
き、自家発電装置４の排水蒸気の一部を加熱用熱交換器
６へ導入して蓄熱装置１に高温蓄熱（120℃程度）を行
うまた、自家発電装置４に余剰電力がある場合には、上
記同様にを電熱ヒーター５に通電して蓄熱装置１に高温
蓄熱を行う。

一方、自家発電装置４の廃熱量よりも冷房、暖房、給
湯機器等の熱利用機器の熱負荷が多い場合には、上記熱
エネルギー利用システムを廃熱と蓄熱による併行運転モ
ードとし、制御バルブ12を閉じて自家発電装置４の排蒸
気を廃熱導入管８により追い焚き用熱交換器29に供給し
ながら、同時に戻し管15′の制御バルブ17′を開き、ポ
ンプ18により採熱用熱交換器７及び戻し管15を通じて自
家発電装置４へ水を導入すると共に、蓄熱導入管13の制
御バルブ14を開いて蓄熱装置１の採熱用熱交換器７から
の蓄熱蒸気を廃熱導入管８に供給することにより、自家
発電装置４の冷却排蒸気及び排ガスによる廃熱と、蓄熱
装置１の蓄熱両方を利用してシステムを稼働する。

「発明の効果」 以上の通りこの発明によれば、各種の自家発電装置を
作動することにより排出される蒸気、排ガス或いは冷却
に使われた排水蒸気等の高温廃熱をそのまま熱利用機器
に導入し、或いはこの廃熱でボイラーを加熱してその発
生蒸気を熱利用機器に導入し、更には自家発電装置の冷
却に使われて蒸気化された排蒸気を、自家発電装置の排
ガスを熱エネルギー回収装置に導入して回収した熱によ
り加熱される追い焚き用熱交換器に導入し、これによっ
て高温化された蒸気を熱利用機器に導入することによ
り、全ての廃熱を有効に利用することができる。

さらに、これらの廃熱を随時蓄熱装置に導入し、或い
は自家発電装置の余剰電力により通電加熱される電熱ヒ
ーターにより高温蓄熱し、この蓄熱エネルギーを自家発
電装置の廃熱量よりも熱利用機器の熱負荷が減少する場
合において熱利用機器に補給することにより、廃熱以外
の補助熱源を必要とすることなく、しかも発電需要の変
動に左右されることなく熱利用機器に効率的に安定して
供給することを可能とし、自家発電装置のトータルエネ
ルギーの効率を向上することができ、暖冷房や給湯など
の熱利用機器のランニングコストを著しく低減すること
ができる。

また、蓄熱装置は中空容器内に水を封入した多数の蓄
熱器を断熱蓄熱槽内に密に装填した構成であるため、廃
熱エネルギーを高温蓄熱することができ、従来よりも高
い蓄熱効率が得られ、蓄熱装置の小型化が実現できると
共に、高温の熱エネルギーを随時採り出すことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は第一発明の実施例を示す系統図、第２図は第二
発明の実施例を示す系統図、第３図は第三発明の実施例
を示す系統図、第４図はこの発明に用いる蓄熱装置の縦
断正面図である。 １……蓄熱装置、２……断熱蓄熱槽、３……蓄熱器、４
……自家発電装置、５……電熱ヒーター、６……加熱用
熱交換器、７……採熱用熱交換器、8,8′……廃熱導入
管、９……制御バルブ、10……二重効用吸収式冷凍機、
11……暖房乃至給湯用熱交換器、12……制御バルブ、13
……蓄熱導入管、14……制御バルブ、15,15′……戻し
管、16……蒸気トラップ、17,17′……制御バルブ、18
……ポンプ、19……排出管、20……制御バルブ、21……
廃熱ボイラー、22……導入管、23……制御バルブ、24…
…戻し管、25……蒸気トラップ、26……ポンプ、27……
排気管、28……熱エネルギー回収装置、29……追い焚き
用熱交換器、30……取出し管、30′……戻し管、31……
蒸気トラップ、32……ポンプ、33……制御バルブ、34…
…戻し管、35……蒸気トラップ、36……ポンプ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空容器内に水を封入した多数の蓄熱器を
   断熱蓄熱槽内に密に装填し、これらの蓄熱器を自家発電
   装置における余剰電力により通電加熱される電熱ヒータ
   ーと、前記自家発電装置の廃熱を導入して加熱される加
   熱用熱交換器とにより、高温に加熱して蓄熱する高温蓄
   熱装置の内部に、前記蓄熱器の熱を外部に採り出す採熱
   用熱交換器を設置し、前記自家発電装置の廃熱を熱利用
   機器に導入する廃熱導入管に前記採熱用熱交換器の蓄熱
   導入管を接続してなることを特徴とする熱エネルギー有
   効利用システム。
2. 【請求項２】中空容器内に水を封入した多数の蓄熱器を
   断熱蓄熱槽内に密に装填し、これらの蓄熱器を自家発電
   装置における余剰電力により通電加熱される電熱ヒータ
   ーと、前記自家発電装置の廃熱を導入して蒸気を発生さ
   せる廃熱ボイラーの蒸気を導入して加熱される加熱用熱
   交換器とにより、高温に加熱して蓄熱する高温蓄熱装置
   の内部に、前記蓄熱器の熱を外部に採り出す採熱用熱交
   換器を設置し、前記自家発電装置の廃熱を熱利用機器に
   導入する廃熱導入管に前記採熱用熱交換器の蓄熱導入管
   を接続してなることを特徴とする熱エネルギー有効利用
   システム。
3. 【請求項３】中空容器内に水を封入した多数の蓄熱器を
   断熱蓄熱槽内に密に装填し、この蓄熱器を自家発電装置
   における余剰電力により通電加熱される電熱ヒーター
   と、前記自家発電装置の冷却排水を蒸気として導入して
   加熱される加熱用熱交換器とにより、高温に加熱して蓄
   熱する高温蓄熱装置の内部に、前記蓄熱器の熱を外部に
   採り出す採熱用熱交換器を設置し、前記自家発電装置の
   排ガスを導入する熱エネルギー回収装置と、前記自家発
   電装置の冷却排水としての蒸気を加熱する追い焚き用熱
   交換器との間に熱媒の循環管路を設け、前記追い焚き用
   熱交換器で加熱された蒸気を熱利用機器に導入する廃熱
   導入管に前記採熱用熱交換器の蓄熱導入管を接続してな
   ることを特徴とする熱エネルギー有効利用システム。