JP4951613B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
コージェネレーションシステムには、湯水を調温用燃焼装置(給湯暖房機等)から温水利用箇所に送って調温用燃焼装置に戻す暖房用循環経路等の温水を利用するための循環経路が配設されている。
この温水利用循環経路と第2水循環路との間には熱交換器が配設されているために、第1水循環路から第2水循環路に切替えることによって、発電機で加熱された湯水の熱が貯湯槽に蓄熱されることなく直接熱交換器に入力されて温水利用循環経路内の湯水を加熱することができる。これによって、より高い熱を温水利用箇所に供給することができるだけでなく、この温水利用循環経路自体を蓄熱に利用することができるため、貯湯槽の容積やシステムの全体重量を増大させることなく蓄熱量を増大させることが可能となる。あるいは、システムの小型化が可能となる。
なお、温水利用循環経路に蓄熱する場合、温水利用循環経路内の湯水の温度によっては温水利用箇所の室温が上昇してしまうことがあるので、温水利用循環経路内の湯水の温度に上限を設けることが好ましい。
従来であれば、貯湯槽の蓄熱量が最大になれば、それ以上には発電熱を蓄熱することはできなかった。このコージェネレーションシステムでは、発電熱を回収する第1水循環路と、この第1水循環路から分岐して貯湯槽をバイパスする第2水循環路を有している。このため、貯湯槽の蓄熱量が最大となったときには、第2水循環路に切替えて、温水利用循環ポンプを駆動して、発電熱を温水利用循環経路内に蓄熱することができる。貯湯槽の最大蓄熱量を超えて蓄熱することが可能となる。
例えば暖房運転の場合、調温用燃焼装置で加熱された湯水が暖房用の温水利用循環経路を循環することによって湯水の熱が暖房機内の熱交換器に入力される。暖房運転が開始されたときに暖房用循環経路内の湯水の温度が低下していると、必要温度に加熱するまでには時間を要する。即ち、暖房に必要な熱量が暖房器内の熱交換器に入力されて暖房運転が開始されるまでの立ち上げ時間が長くなってしまう。
このコージェネレーションシステムでは、発電熱を回収する水循環路と温水利用循環経路の間に熱交換器が設けられている。このため、調温用燃焼装置が運転停止中であっても今後に暖房運転が予測されるときには、発電熱を貯湯槽に蓄熱せずに温水利用循環経路内に蓄熱する。例えば、暖房装置がタイマー機能を有している場合、タイマーによって暖房運転開始時刻を設定すると、所定時間経過後に運転開始予定であることがわかる。あるいは、過去の暖房運転時間の記録から今後の暖房運転の開始時刻を予測することができる。過去の1週間について、毎夕5時から8時の間に暖房運転が開始された実績があれば、当日にも5時から8時の間に暖房運転が開始されると予測することができ、例えば、4時の時点で、1時間後に暖房運転が開始される可能性が高いことを予測することができる。この場合、4時に温水利用循環経路内に蓄熱する運転を開始すると、発電熱が暖房装置の余熱に利用され、暖房運転開始時の立ち上げ時間が短縮化される。
所定時間内に調温用燃焼装置の運転開始が予測されるときに、発電熱の回収用水循環路と温水利用循環経路の間で熱交換すると、蓄熱量を増大できるだけではなく、たとえば暖房運転の場合、運転開始時には暖房用の温水利用循環経路内の湯水の温度が上昇しているため、暖房運転に必要な湯温に加熱するための立ち上げ時間を大幅に短縮することができ、さらにエネルギー効率を向上させることができる。
発電運転中であり、調温用燃焼装置が運転中であるときには第2水循環路に切替えて、発電熱を積極的に温水利用循環経路内に入力することによって熱効率が向上する。しかし、このとき第1水循環路内の湯水の温度が温水利用循環経路内の湯水の温度より低ければ、熱交換器を介して温水利用循環経路内の湯水の熱が奪われてしまい、余計に熱が必要となって逆効果である。このコージェネレーションシステムでは、発電運転中であり、且つ調温用燃焼装置が運転中であるときに、第1水循環路内の湯水の温度が温水利用循環経路内の湯水の温度より高いときに発電熱を温水利用循環経路に入力する。即ち、第1水循環路内の湯水が、温水利用箇所で必要とする温度が得られない温度の場合には従来と同様に貯湯槽に蓄熱され、温水利用箇所で必要とする温度が得られる温度である場合には貯湯槽に蓄熱されることなく温水利用循環経路内の湯水を加熱する。これによって無駄にエネルギーを浪費してしまうのを防止することができる。
調温用燃焼装置が運転を停止した直後の温水利用循環経路内の湯水は高温であるが、時間の経過とともにその温度は低下する。このコージェネレーションシステムでは、調温用燃焼装置の運転停止後で温水利用循環経路内の湯水の温度が第1水循環路内の湯水の温度より所定温度以上高いときには第2水循環路に切替える。これによって温水利用循環経路内の湯水の不要となった熱量が熱交換器を介して第2水循環路内の湯水に入力され、熱の再回収を行なうことができる。
ここでいう「気温」は、外気温自体や、発電機を収納するハウジング内の温度や、調温用燃焼装置等を収納するハウジング内の温度、あるいは温水利用箇所の温度をいい、外気温に直接ないし間接に関連する温度をいう。
高温用負荷は浴室乾燥機である場合が多く、低温用負荷は床暖房機である場合が多い。外気温等が高いとき、浴室乾燥機を使用することはあっても、床暖房機を使用する可能性は極めて低い。このようなときに低温用循環経路に蓄熱してもこの熱が利用されることはほぼないため、結果として無駄に熱を失ってしまうこととなる。従って、床暖房機を使用することがないような温度である場合には、低温用循環経路に湯水が循環しないように低温用弁を閉じるようにすればエネルギーの浪費を防止することができる。
(形態1) 発電熱を発電機から貯湯槽へ戻す第1水循環路の戻り経路は二手に分岐している。分岐した経路は貯湯槽へは戻らず、貯湯槽から発電機へ向かう第1水循環路の送り経路に接続され、発電機を出て発電機へ戻る第2水循環路を形成している。第1水循環路と第2水循環路は三方弁によって切替えられる。湯水を給湯暖房機から暖房機へ送り給湯暖房機へ戻す暖房用循環経路と第2水循環路との間には熱交換器が配設されている。これによって、発電熱を貯湯槽に入力するか、直接暖房用循環経路に入力するかを切替えることができる。
コージェネレーションシステムの構成について説明する。図1に示すように、コージェネレーションシステム10は、電力と発電熱を発生する発電ユニット20と、発電ユニット20の発電熱を蓄熱し、この発電熱によって加熱される温水を利用する蓄熱ユニット15等から構成される。発電ユニット20は、燃料電池22と、改質器30等から構成され、これらは発電ユニットハウジング21に収納されている。改質器30は、炭化水素系の原燃料ガスから水素ガスを生成する。水素を効率よく生成するためには高温度が必要とされることから、改質器30にはバーナ32が内蔵されている。また、改質器30には燃焼ガス管34が接続されており、この燃焼ガス管34は熱交換器70を通過するように配置されている。この構成により、バーナ32の燃焼ガスは燃焼ガス管34を介して熱交換器70に入力されて熱を回収された後、発電ユニットハウジング21外に放出される(図中矢印)。
また、熱媒循環経路24には三方弁36が配設されている。三方弁36は、1つの入力口と2つの出力口を備える。三方弁36によって熱媒循環経路24が二手に分岐している。三方弁36の一方の出力口と接続されている熱媒循環経路24は放熱機28を介するように配置されており、他方の出力口と接続されている熱媒循環経路24は放熱機28を介さないように配置されている。この三方弁36は、制御ユニット60によってどちらの出力口を開口するかが制御される。この制御により熱媒が放熱機28を経由して循環するか、放熱機28を経由せずに循環するかが切替えられる。具体的には、図示しない温度センサで測定される熱媒温度が異常に高いときには、熱媒が放熱機28を経由して循環するように三方弁36の出力口が切替えられる。放熱機28は、例えば送風を行なうことで熱媒を冷却する。なお、図示25はシスターンである。
水循環ポンプ6は、第1水循環路4と第2水循環路12の共有区間に設けられており、第1水循環路4が開けられれば第1水循環路4の湯水を循環させ、第2水循環路12が開けられれば第2水循環路12の湯水を循環させる。なお、第1水循環路4の戻り経路であって、第2水循環路12に分岐するよりも上流位置に温度センサT1が配設されている。温度センサT1は、第1水循環路4と第2水循環路12の共有区間に設けられている。
貯湯槽44が耐圧以上になった場合には圧力逃し弁58が作用し、貯湯槽44の温水が圧力逃し弁58を介して排水管54へと誘導されて排水される。
第2出湯管76は給湯経路94に接続されており、この給湯経路94の末端は、例えば洗面所や台所の蛇口と接続されている。洗面所や台所での給湯温度は、図示しないリモコン(17:図2参照)が予め操作されて設定されている。この給湯経路94には図示しない温度センサが配設されている。給湯経路94は、給湯経路94内の湯水がバーナ38によって加熱されるように配設されている。バーナ38は制御ユニット60によって駆動制御される。具体的には、給湯経路94内の湯水の温度が給湯箇所での給湯設定温度より低い場合にバーナ38が駆動される。
給湯経路94は二手に分岐している。一方は上述の給湯箇所に続いており、他方はシスターン51に接続されている。シスターン51と接続されている給湯経路には弁95が配設されている。弁95が開かれると、給湯経路94内の湯水がシスターン51に導入される。弁95は制御ユニット60によって開閉制御される。
高温水用循環路84は高温用負荷92を通過するように配設されている。高温用循環経路84は、シスターン51内の湯水を高温用負荷92に送り、利用された後の湯水をシスターン51に戻す(図中矢印方向)。本実施例では、高温用負荷92は浴室乾燥機である。高温用循環経路84の湯水は、先述の暖房用ポンプ3が駆動することによって循環する。この暖房用ポンプ3は制御ユニット60によって駆動制御される。この制御については後述する。なお、浴室乾燥機92が配設されている浴室内には温度センサT3が配設されている。
バーナ56は高温用循環経路84内の湯水を加熱するために配設されている。バーナ56は制御ユニット60によって駆動制御される。高温用循環経路84内の湯水は通常約80℃になるように制御されている。高温用循環経路84には熱動弁85が配設されている。熱動弁85は浴室乾燥機92の運転スイッチがオンされると開き、オフされると閉じるように制御される。
浴槽90内の湯水は浴槽水循環経路98内を循環する。この浴槽水循環経路98は先述の熱交換器91を通過するように配設されている。浴槽水循環経路98には浴槽水循環ポンプ99が配設され、この浴槽水循環ポンプ99が駆動することによって浴槽水循環経路98内の湯水(つまり浴槽水)が循環する。このとき浴槽90内の湯水は熱交換器91で加熱され、風呂の追い焚きが行なわれることとなる。浴槽水循環ポンプ99は制御ユニット60によって駆動制御される。具体的には浴槽水循環ポンプ99は風呂の追い焚きが行われるときに駆動する。
図2に示すように、制御ユニット60は、CPU102とROM103とRAM105と出力ポート108と入力ポート107から構成される。これらCPU102、ROM103およびRAM105はバス109によって出力ポート108および入力ポート107と相互に接続されている。
CPU102は、ROM103に格納された制御プログラムに従ってコージェネレーションシステム10を構成する各種装置を統括的に制御する。ROM103に格納されている制御プログラムには、各温度センサが検出する温度に基づいて三方弁36,14の切替えや熱動弁87,89の開閉、所定のポンプ8,6,3,99の駆動を行なう処理等を実現するためのプログラムが含まれている。RAM105は、ワークメモリとして使用されるメイン記憶素子であって、温度等の各種データや出入力信号等が各種プログラムの実行に応じて格納される。
外気温センサTXは外気温を示し、温度センサT1は第1水循環路4と第2水循環路12内の戻り経路の湯水の温度を示し、温度センサT2は高温用循環経路84と低温用循環経路86の共通経路2内の湯水の温度を示し、温度センサT3は浴室内の室温を示し、温度センサT4は床暖房機96が配設されている部屋の室温を示し、温度センサT5は水道水をミキシングユニット72へ給水する給水管64b内の水温を示し、温度センサT6は貯湯槽44内の湯水をミキシングユニット72へ給水する第1出湯管52内の水温を示し、入力ポート107は温度のデータをそれぞれ所定のデータ信号に変換して出力する。これらの各温度センサは温度を常時測定し、その測定結果を常時出力している。
給湯暖房機50は、リモコン17を用いて使用者が設定した給湯設定温度を所定のデータ信号に変換にして出力する。給水管や出湯管等に配設された各温度センサや給湯暖房機50から出力された信号は入力ポート107で受信され、入力ポート107で受信された信号はバス109を介してCPU102、ROM103,RAM105に取込まれる。RAM105では、各温度センサで測定された温度データが常時更新される(書換えられる)。
三方弁36,14は制御ユニット60からの信号に基づいて出力口を切替える。各熱動弁87,89は制御ユニット60からの信号に基づいて開閉する。各ポンプ8,6,93,99は制御ユニット60からの信号に基づいて駆動する。燃料電池22は、制御ユニット60からの信号に基づいて発電運転を行なう。改質器30は、制御ユニット60からの信号に基づいてその起動と停止を行なう。改質器30が駆動しているときにはバーナ32で加熱が行われる。ミキシングユニット72は、制御ユニット60からの信号に基づいて2つの入力口72a,72bの開口比率を変更する。給湯暖房機50は、制御ユニット60からの信号に基づいてバーナ38,56を燃焼させる。
図3に示す処理では、まず発電ユニット20が発電運転中であるかが判別される(ステップS10)。発電運転が停止中であれば(ステップS10でNOであれば)後述するC以下の処理(図6参照)に進み、発電運転中であれば(ステップS10でYESであれば)ステップS12に進む。ステップS12では外気温が20℃以下であるかが判別される。外気温センサTXから受信している外気温のデータが20℃を上回っていれば(ステップS12でNOであれば)後述するB以下の処理(図5参照)に進み、外気温のデータが20℃以下であれば(ステップS12でYESであれば)ステップS14に進む。ステップS14では暖房運転中であるかが判別される。暖房運転中であれば(ステップS14でYESであれば)後述するA以下の処理(図4参照)に進み、暖房運転が停止中であれば(ステップS14でNOであれば)ステップS16に進む。
ステップS16では24時間以内に暖房運転を開始する可能性が高いか否かを判別し、高ければ(YESであれば)、後述するステップS48で設定するタイマー1がタイムアップしたか、あるいは後述するステップS222(図5)で設定するタイマー2がタイムアップしたか否かを判別する。なお初回は、ステップS48でタイマー1を設定しておらず、ステップS222でタイマー2を設定していないために、ステップS18はYESと判定されてステップS20に進む。
ステップS18では、前回設定されたタイマー(タイマー1又はタイマー2)がタイムアップしたときにステップS20以降の処理を行なう。
なお、温度センサT1から受信している温度データと、温度センサT2から受信している温度データとの差が10℃を下回るとき(ステップS100でNOであるとき)には、第1水循環路4内の湯水の持つ熱では暖房用循環経路84,86内の湯水を充分に加熱することができないとみなされてステップS106に進む。これによって発電熱は貯湯槽44内に蓄熱され、暖房用循環経路84,86内の湯水を加熱することはない。
暖房用の共通経路2内の湯温が50℃以下まで低下したときには(ステップS108でYESとなったときには)ステップS10(図3参照)に戻り、以上の処理が繰返される。
なお、本実施例では、温度センサT1から受信している温度データと、温度センサT2から受信している温度データとの差温を10℃として第2三方弁14の出力口を切替えたが、この差温は熱交換器18の効率によって任意に変更することができる。
また、ステップS214で、暖房用の共通経路2内の温度と、浴室内の温度t1の差が10℃以下であれば(YESであれば)、ステップS206に進み、以降の処理が行なわれる。
まず、ステップS300で暖房運転の停止直後であるか否かが判別される。暖房運転停止直後であれば(ステップS300でYESであれば)ステップS302に進み、水循環ポンプ6を起動させる。暖房用循環経路84,86内の水温が水循環路4内の水温より低温であるときには暖房用循環経路84,86内の余熱を回収することができない。このため、ステップS304に進み、暖房運転の停止直前の暖房用循環経路84,86内の水温と水循環路4内の水温を比較する。なお、暖房運転の停止中は暖房用ポンプ3が作動しておらず、暖房用循環経路84,86内(共通経路2内)の水温データが得られないため、暖房運転の停止直前の水温データを利用する。暖房用循環経路84,86内の水温が水循環路4内の水温より高温であれば(ステップS304でYESであれば)暖房用循環経路84,86内の余熱を回収するように作動させる。即ち、第2三方弁14の出力口を出力口14bから出力口14cに切替え(ステップS306)、暖房用ポンプ3を起動させ(ステップS308)、高温用熱動弁85と低温用熱動弁87を開く(ステップS310)。このステップS306からステップS310の処理によって、第1水循環路4が第2水循環路12に切替えられて熱交換機18を通過するように誘導され、暖房用循環経路84,86内の湯水の熱が熱交換器18に入力され、この熱によって第2水循環路12内を循環する湯水が加熱される。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
3:暖房用ポンプ
4:第1水循環路
6:水循環ポンプ
8:熱媒循環ポンプ
10:コージェネレーションシステム
12:第2水循環路
14:第2三方弁、14a:入力口、14b:出力口、14c:出力口
15:蓄熱ユニット
16:蓄熱ユニットハウジング
17:リモコン
18:熱交換器
20:発電ユニット
21:発電ユニットハウジング
22:燃料電池
24:熱媒循環経路
25:シスターン
28:放熱機
30:改質器
32:バーナ
34:ガス管
36:第1三方弁
38:バーナ
42:減圧弁
44:貯湯槽
50:給湯暖房機
51:シスターン
52:第1出湯管
54:排水管
56:バーナ
58:圧力逃し弁
60:制御ユニット
64:給水管、64a:第1給水管、64b:第2給水管
70:熱交換器
72:ミキシングユニット、72a:入力口、72b:入力口、72c:出力口
74:熱交換器
76:第2出湯管
84:高温用循環経路
85:熱動弁
86a,86b:低温用循環経路
87:熱動弁
88:風呂追焚き用循環経路
89:熱動弁
90:浴槽
91:熱交換器
92:浴室乾燥機
94:給湯経路
95:弁
96:床暖房機
98:浴槽水循環経路
99:浴槽水循環ポンプ
TX:外気温センサ
T1,T2,T3,T4,T5,T6:温度センサ
Claims (2)
- 発電に伴って発生する発電熱を利用するシステムであり、電力と発電熱を発生する発電機と、貯湯槽と、貯湯槽内の水を発電機に送って発電熱で加熱して貯湯槽に戻す第1水循環路と、第1水循環路の発電機から貯湯槽への戻り経路から分岐して第1水循環路の貯湯槽から発電機への送り経路に合流する第2水循環路と、第1水循環路と第2水循環路とを切替える切替え手段と、湯水を設定温度に加熱して温水利用箇所に供給する調温用燃焼装置と、湯水を調温用燃焼装置から温水利用箇所に送って調温用燃焼装置に戻す温水利用循環経路と、温水利用循環経路内の湯水を循環させる温水利用循環ポンプと、温水利用循環ポンプの運転を制御するポンプ制御装置と、第2水循環路と温水利用循環経路の間に配設される熱交換器とを備えており、
発電機が運転中であり、調温用燃焼装置が運転停止中であり、貯湯槽の蓄熱量が最大となったときに、切替え手段が第2水循環路に切替え、ポンプ制御装置が温水利用循環ポンプを駆動して、温水利用循環経路内に蓄熱することを特徴とするコージェネレーションシステム。 - 発電機が運転中であり、調温用燃焼装置が運転停止中であり、所定時間内に暖房運転の開始が予測されないときに、切替え手段が第1水循環路に切替え、その後に、貯湯槽の蓄熱量が最大となったときに、切替え手段が第2水循環路に切替え、ポンプ制御装置が温水利用循環ポンプを駆動して、温水利用循環経路内に蓄熱することを特徴とする請求項1のコージェネレーションシステム。
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