JP6066072B2 - 給水加温システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプを用いた給水加温システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、ボイラ（２４）の給水タンク（２３）への給水を、ヒートポンプ（１２）を用いて加温できるシステムが知られている。また、出願人は、この従来技術に比べてヒートポンプの効率をさらに向上した給水加温システムを提案し、既に特許出願を済ませている（特願２０１２−７９１９１）。

この出願中の給水加温システムは、ヒートポンプと給水タンクとを備え、給水路を介した給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される。廃熱回収熱交換器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、過冷却器は、給水路を介した給水タンクへの給水と、凝縮器から膨張弁への冷媒との間接熱交換器である。給水路を介した給水タンクへの給水中、ヒートポンプを運転すると共に、ヒートポンプの凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量を調整するのが好ましい。

特開２０１０−２５４３１号公報（図２、図３）

しかしながら、給水タンクへの給水を常に廃熱回収熱交換器に通すのでは、廃熱回収熱交換器に通される熱源流体と給水との温度関係によっては、給水の加温ができないおそれがある。

また、熱源流体の温度によっては、給水タンクへの給水と熱源流体とを間接熱交換すれば足り、ヒートポンプを運転する必要がない場合がある。たとえば、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量を調整する制御を行う場合において、その設定温度よりも熱源流体の温度が高い場合にまで、ヒートポンプを運転するのは無駄である。

さらに、凝縮器への通水量、言い換えれば給水路を介した給水タンクへの給水流量が少ないと、凝縮器における冷媒と水との熱交換量が減少し、システムを安定的に運用できないおそれがある。たとえば、吐出圧を設定値に維持するように圧縮機をインバータ制御すると共に、給水タンクの水位に基づき凝縮器への通水量を調整する制御を行う場合、凝縮器への通水量が減ると、凝縮器における冷媒と水との熱交換量が減少し、圧縮機の回転数（周波数）も減少するが、設定周波数以下では、吐出圧が上昇して圧縮機が停止するおそれがある。そのため、給水流量が減少したり、圧縮機への電源周波数が減少したりした場合には、凝縮器における熱交換量を増す必要がある。

本発明が解決しようとする課題は、熱源流体や給水の温度に応じて、最適な条件で給水を加温できる給水加温システムを提供することにある。また、給水流量や圧縮機への電源周波数が減少した場合には、凝縮器における熱交換量を増やすことで圧縮機の停止を防止できる給水加温システムを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通されて給水路により給水可能な給水タンクとを備え、前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、前記過冷却器への給水を、前記廃熱回収熱交換器に通してから前記過冷却器へ供給するか、前記廃熱回収熱交換器に通さずに前記過冷却器へ供給するかを切替可能とされたことを特徴とする給水加温システムである。

請求項１に記載の発明によれば、給水タンクへの給水は、廃熱回収熱交換器、過冷却器および凝縮器を順に通される一方、ヒートポンプの熱源流体は、蒸発器および廃熱回収熱交換器を順に通される。蒸発器を通過後の熱源流体の熱や、凝縮器を通過後の冷媒の熱を用いて、凝縮器への給水を予熱しておくことで、ヒートポンプの効率を向上することができる。但し、過冷却器への給水を廃熱回収熱交換器に通すか否かは切替可能であるから、熱源流体や給水の温度に応じて、最適な条件で給水を加温することができる。

請求項２に記載の発明は、前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整し、前記蒸発器の入口側の熱源流体温度が前記設定温度以上である場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記圧縮機を停止すると共に、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通すことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水路を介した給水タンクへの給水中、凝縮器の出口側水温を設定温度に維持するように、凝縮器への通水量（給水路を介した給水タンクへの給水流量）を調整することで、給水源の水温や熱源流体の温度に拘わらず、所望温度の温水を得ることができる。また、熱源流体温度が前記設定温度以上である場合、廃熱回収熱交換器において熱源流体により給水を加温すれば足り、圧縮機を停止することができる。

請求項３に記載の発明は、前記蒸発器の入口側の熱源流体温度が前記設定温度未満である場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記圧縮機を運転し、前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側または入口側の熱源流体温度以下の場合、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通し、前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側または入口側の熱源流体温度を超える場合、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さないことを特徴とする請求項２に記載の給水加温システムである。

請求項３に記載の発明によれば、熱源流体温度が前記設定温度未満である場合、給水タンクへの給水中、圧縮機を運転するが、廃熱回収熱交換器の入口側水温が熱源流体温度を超える場合、給水タンクへの給水を廃熱回収熱交換器に通さないことで、給水タンクへの給水が廃熱回収熱交換器において万一冷却されるという不都合を防止することができる。

請求項４に記載の発明は、前記給水タンクは、同一の給水源から、前記給水路により給水可能とされると共に、前記廃熱回収熱交換器、前記過冷却器および前記凝縮器のいずれも介さずに補給水路により給水可能とされ、前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記設定温度以上である場合、前記圧縮機を停止すると共に前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を停止した状態で、前記給水タンクの水位に基づき前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の給水加温システムである。

請求項４に記載の発明によれば、廃熱回収熱交換器の入口側水温が前記設定温度以上である場合、廃熱回収熱交換器やヒートポンプを用いずに、補給水路を介して給水タンクへ給水すれば足りる。

請求項５に記載の発明は、前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量が設定流量以下になると、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さないことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システムである。

請求項５に記載の発明によれば、給水流量が減少した場合、給水タンクへの給水を廃熱回収熱交換器に通さないことで、凝縮器における熱交換量を増やし、圧縮機の停止を防止することができる。

請求項６に記載の発明は、前記圧縮機は、吐出圧を設定値に維持するように、モータの電源周波数をインバータにより変えることで出力を制御され、前記周波数が設定周波数以下になると、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さないことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の給水加温システムである。

請求項６に記載の発明によれば、圧縮機への電源周波数が減少した場合、給水タンクへの給水を廃熱回収熱交換器に通さないことで、凝縮器における熱交換量を増やし、圧縮機の停止を防止することができる。

さらに、請求項７に記載の発明は、前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側の熱源流体温度以下の場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通し、前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側の熱源流体温度を超える場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さないことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の給水加温システムである。

請求項７に記載の発明によれば、廃熱回収熱交換器の入口側水温が熱源流体温度を超える場合、給水タンクへの給水を廃熱回収熱交換器に通さないことで、給水タンクへの給水が廃熱回収熱交換器において万一冷却されるという不都合を防止することができる。

本発明によれば、熱源流体や給水の温度に応じて、最適な条件で給水を加温することができる。また、給水流量や圧縮機への電源周波数が減少した場合には、凝縮器における熱交換量を増やすことで圧縮機の停止を防止することができる。

本発明の給水加温システムの実施例１および実施例２を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の給水加温システム１の実施例１を示す概略図である。

本実施例の給水加温システム１は、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムであり、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３への給水を貯留する補給水タンク５と、この補給水タンク５から給水タンク３への給水を加温するヒートポンプ４と、このヒートポンプ４の熱源としての熱源水（たとえば廃温水）を貯留する熱源水タンク６とを備える。

ボイラ２は、蒸気ボイラであり、給水タンク３からの給水を加熱して蒸気にする。ボイラ２は、典型的には、蒸気の圧力を所望に維持するように、燃焼量を調整される。また、ボイラ２は、缶体内の水位を所望に維持するように、給水タンク３からボイラ２への給水路またはボイラ２の内部に設けたポンプ７が制御される。ボイラ２からの蒸気は、各種の蒸気使用設備（図示省略）へ送られるが、蒸気使用設備からのドレン（蒸気の凝縮水）を給水タンク３へ戻してもよい。

給水タンク３は、補給水タンク５から、ヒートポンプ４を介して給水路８により給水可能であると共に、ヒートポンプ４を介さずに補給水路９により給水可能である。給水路８に設けた給水ポンプ１０と、補給水路９に設けた補給水ポンプ１１との作動を制御することで、給水路８と補給水路９との内、いずれか一方または双方を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能である。

給水ポンプ１０は、本実施例では、インバータにより回転数を制御可能とされる。給水ポンプ１０の回転数を変更することで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整することができる。一方、補給水ポンプ１１は、本実施例では、オンオフ制御される。

補給水タンク５は、給水タンク３への給水を貯留する。補給水タンク５への給水として、本実施例では軟水が用いられる。すなわち、軟水器（図示省略）にて水中の硬度分を除去された軟水は、補給水タンク５に供給され貯留される。補給水タンク５の水位に基づき軟水器からの給水を制御することで、補給水タンク５の水位は所望に維持される。

ヒートポンプ４は、蒸気圧縮式のヒートポンプであり、圧縮機１２、凝縮器１３、膨張弁１４および蒸発器１５が順次環状に接続されて構成される。そして、圧縮機１２は、ガス冷媒を圧縮して高温高圧にする。また、凝縮器１３は、圧縮機１２からのガス冷媒を凝縮液化する。さらに、膨張弁１４は、凝縮器１３からの液冷媒を通過させることで、冷媒の圧力と温度とを低下させる。そして、蒸発器１５は、膨張弁１４からの冷媒の蒸発を図る。

従って、ヒートポンプ４は、蒸発器１５において、冷媒が外部から熱を奪って気化する一方、凝縮器１３において、冷媒が外部へ放熱して凝縮することになる。これを利用して、本実施例では、ヒートポンプ４は、蒸発器１５において、熱源水から熱をくみ上げ、凝縮器１３において、給水路８の水を加温する。

ヒートポンプ４は、さらに、凝縮器１３と膨張弁１４との間に、過冷却器１６を備えるのが好ましい。過冷却器１６は、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒と、凝縮器１３への給水との間接熱交換器である。過冷却器１６により、凝縮器１３への給水で、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒を過冷却することができると共に、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒で、凝縮器１３への給水を加温することができる。ヒートポンプ４の冷媒は、好適には、凝縮器１３において潜熱を放出し、過冷却器１６において顕熱を放出する。

つまり、凝縮器１３において、ガス冷媒は凝縮して液冷媒となり、その液冷媒が過冷却器１６に供給されて、過冷却器１６において、液冷媒はさらに冷却（過冷却）される。冷媒の凝縮用と過冷却用とで熱交換器を分けることで、熱交換器の設計が容易となり、熱交換器を簡易な構造で小型化でき、コスト削減を図ることができる。また、汎用の熱交換器の利用も可能となる。

その他、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の入口側にアキュムレータを設置したり、圧縮機１２の出口側に油分離器を設置したり、凝縮器１３の出口側（凝縮器１３と過冷却器１６との間）に受液器を設置したりしてもよい。

ところで、ヒートポンプ４は、その出力を変更可能とされてもよい。たとえば、圧縮機１２のモータの電源周波数ひいては回転数をインバータで変更することで、ヒートポンプ４の出力を変更することができる。

給水加温システム１は、さらに、廃熱回収熱交換器１７を備えるのが好ましい。この廃熱回収熱交換器１７は、過冷却器１６への給水と、蒸発器１５を通過後の熱源水との間接熱交換器である。従って、給水路８の水は、基本的には、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３へと順に通されることになる。一方、熱源水タンク６の熱源水は、熱源供給路１８を介して、蒸発器１５を通された後、廃熱回収熱交換器１７に通される。

但し、給水路８を介した給水タンク３への給水は、廃熱回収熱交換器１７に通してから過冷却器１６へ供給するか、廃熱回収熱交換器１７に通さずに過冷却器１６へ供給するかを切替可能とされている。本実施例では、給水路８には、廃熱回収熱交換器１７の前後を接続するようにバイパス路１９が設けられており、給水路８とバイパス路１９との分岐部に設けた三方弁２０により、給水ポンプ１０からの給水を廃熱回収熱交換器１７に通すか否かが切り替えられる。但し、三方弁２０に代えて、給水路８とバイパス路１９には、互いの分岐部と合流部との間に、それぞれ開閉弁を設け、その開閉弁の開閉を制御してもよい。なお、廃熱回収熱交換器１７から過冷却器１６への給水路８には、バイパス路１９との合流部より上流側に逆止弁２１が設けられている。

熱源水タンク６は、ヒートポンプ４の熱源としての熱源水を貯留する。熱源水とは、たとえば廃温水（工場などから排出される温水）である。なお、熱源水タンク６には、熱源水の供給路２２が設けられると共に、所定以上の水をあふれさせるオーバーフロー路２３が設けられている。

熱源水タンク６の熱源水は、熱源供給路１８を介して、ヒートポンプ４の蒸発器１５を通された後、廃熱回収熱交換器１７を通される。熱源供給路１８には、蒸発器１５より上流側に熱源供給ポンプ２４が設けられており、この熱源供給ポンプ２４を作動させることで、熱源水タンク６からの熱源水を、蒸発器１５と廃熱回収熱交換器１７とに順に通すことができる。

蒸発器１５を先に通した後に廃熱回収熱交換器１７に熱源水を通すことで、廃熱回収熱交換器１７を先に通した後に蒸発器１５に熱源水を通す場合と比較して、蒸発器１５における冷媒の蒸発温度（つまり蒸発圧力）を高めることができ、圧縮機１２の圧力比を小さくすることができ、省エネルギーを図ることができる。

給水路８には、凝縮器１３の出口側に、出湯温度センサ２５が設けられる。出湯温度センサ２５は、凝縮器１３を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ２５の検出温度に基づき、給水ポンプ１０が制御される。ここでは、給水ポンプ１０は、出湯温度センサ２５の検出温度を設定温度（たとえば７５℃）に維持するようにインバータ制御される。つまり、給水路８を介した給水タンク３への給水は、出湯温度センサ２５の検出温度を設定温度に維持するように、流量が調整される。但し、場合により、このような出湯温度センサ２５による流量調整制御を省略することもできる。

給水路８には、給水源の温度を検出する給水温度センサ２６が設けられる。給水温度センサ２６は、補給水タンク５に設けてもよいが、本実施例では、給水ポンプ１０と三方弁２０との間の給水路８に設けられている。

給水タンク３には、水位検出器２７が設けられる。この水位検出器２７は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、給水タンク３には、長さの異なる複数の電極棒２８〜３０が、その下端部の高さ位置を互いに異ならせて差し込まれて保持されている。本実施例では、給水停止電極棒２８、給水開始電極棒２９および負荷切替電極棒３０が、順に下端部の高さ位置を低くして、給水タンク３に挿入されている。各電極棒２８〜３０は、その下端部が水に浸かるか否かにより、下端部における水位の有無を検出する。

熱源水タンク６には、熱源水の有無を確認するために、水位検出器３１が設けられる。この水位検出器３１は、その構成を特に問わないが、本実施例では電極式水位検出器とされる。この場合、熱源水タンク６には、低水位検出電極棒３２が差し込まれており、熱源水の水位が設定を下回っていないかを監視する。

熱源水タンク６には、熱源水の温度を検出する第一熱源温度センサ３３が設けられる。但し、第一熱源温度センサ３３は、熱源水タンク６から蒸発器１５への熱源供給路１８に設けてもよい。また、熱源水の温度検出は、蒸発器１５の入口側（熱源水タンク６を含む）に加えて、蒸発器１５の出口側においても行ってもよい。図示例では、熱源水タンク６に第一熱源温度センサ３３が設けられ、蒸発器１５と廃熱回収熱交換器１７との間の熱源供給路１８に第二熱源温度センサ３４が設けられている。

次に、本実施例の給水加温システム１の制御（運転方法）について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

給水タンク３には、給水路８を介して給水可能であると共に補給水路９を介しても給水可能であるが、後述の（４）の場合を除き、通常は、給水路８を介した給水が優先されるように制御されるのが好ましい。たとえば、給水タンク３の水位を設定範囲に維持するように、給水路８を介した給水を制御するが、それでは給水タンク３の水位が設定範囲を維持できない場合には、補給水路９を介しても給水タンク３へ給水するのが好ましい。

具体的には、本実施例では、次のように制御される。いま、給水停止電極棒２８が水位を検知し、給水タンク３の水位が十分にある場合、給水タンク３への給水は不要であるから、給水ポンプ１０を停止すると共に、補給水ポンプ１１も停止している。給水タンク３からボイラ２への給水により、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２９が水位を検知しなくなると、給水ポンプ１０を作動させる。これにより、給水路８を介して給水タンク３に給水されるが、給水停止電極棒２８が水位を検知すると、給水ポンプ１０を停止する。一方、給水ポンプ１０を作動させても、給水タンク３の水位を回復できず、さらに低い所定の補給水開始水位を下回ると、補給水ポンプ１１を作動させて、補給水路９を介しても給水タンク３に給水する。これにより、給水タンク３の水位が回復して、給水タンク３の水位が補給水停止水位を上回ると、補給水ポンプ１１を停止して、補給水路９を介しての給水を停止する。なお、給水ポンプ１０を作動させて、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源供給ポンプ２４も作動させる。

ヒートポンプ４は、後述するように、所定の場合に作動する。ヒートポンプ４は、その圧縮機１２の作動の有無により、運転と停止が切り替えられる。また、本実施例では、ヒートポンプ４は、高負荷運転（典型的には全負荷運転＝１００％出力）、低負荷運転（たとえば５０％出力）および停止（０％出力）の三位置で制御される。

給水ポンプ１０は、作動中、出湯温度センサ２５の検出温度を設定温度（出湯温度設定値）Ｔ０に維持するように、回転数をインバータ制御される。その結果、ヒートポンプ４の高負荷運転時は低負荷運転時よりも多い流量で、給水路８を介して給水タンク３へ給水可能となる。

制御器は、出湯温度設定値Ｔ０の他、第一熱源温度センサ３３による蒸発器１５入口側の熱源水温度Ｔ１、給水温度センサ２６による新水温度（廃熱回収熱交換器１７やヒートポンプ４で加温する前の水温）ＴＷ、さらに所望により、第二熱源温度センサに３４よる蒸発器１５出口側の熱源水温度Ｔ２を監視して、以下のとおり場合分けして制御する。

《（１）蒸発器入口側の熱源水温度Ｔ１≧出湯温度設定値Ｔ０である場合》
蒸発器１５入口側の熱源水温度Ｔ１が出湯温度設定値Ｔ０以上である場合、給水路８を介した給水タンク３への給水中、圧縮機１２を停止すると共に、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７に通す。つまり、ヒートポンプ４を停止した状態で、給水ポンプ１０と熱源供給ポンプ２４とを作動させて、廃熱回収熱交換器１７において、給水路８の給水を熱源水と熱交換して加温する。

《（２）蒸発器入口側の熱源水温度Ｔ１＜出湯温度設定値Ｔ０、且つ、新水温度ＴＷ≦蒸発器出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）である場合》
蒸発器１５入口側の熱源水温度Ｔ１が出湯温度設定値Ｔ０未満である場合、給水路８を介した給水タンク３への給水中、圧縮機１２を運転する。そして、廃熱回収熱交換器１７の入口側水温ＴＷが蒸発器１５出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）以下の場合、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７に通す。つまり、ヒートポンプ４を運転した状態で、給水路８を介した給水タンク３への給水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を順に通される。

この際、ヒートポンプ４は、給水タンク３の水位に基づき出力を制御されるのがよい。本実施例では、給水タンク３の水位が下がり、給水開始電極棒２９が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を低負荷運転し、それでも水位が回復せず、負荷切替電極棒３０が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４を高負荷運転に切り替える。そして、水位回復時には、給水開始電極棒２９が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を低負荷運転に切り替え、給水停止電極棒２８が水位を検知すれば、ヒートポンプ４を停止させる。

ヒートポンプ４を運転して、補給水タンク５から給水路８を介して給水タンク３へ給水する際、補給水タンク５からの給水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３により徐々に加温されて、所定温度で給水タンク３へ供給される。給水タンク３とヒートポンプ４（凝縮器１３）との間で水を循環させる場合と比較して、補給水タンク５から給水タンク３への一回の通過（ワンススルー）で給水を加温するので、ヒートポンプ４を通過する前後の給水の温度差を確保して、ヒートポンプ４の成績係数（ＣＯＰ）の向上を図ることができる。また、各熱交換器をコンパクトに構成することもできる。

また、ヒートポンプ４の運転中、つまり給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源水タンク６の水温を第一熱源温度センサ３３で監視して、その温度に基づきヒートポンプ４の出力を調整してもよい。ヒートポンプ４の熱源としての熱源水の温度が高温なほど、ヒートポンプ４の出力を下げることができる。熱源水の温度を考慮してヒートポンプ４の出力を調整することで、熱源水の温度変化に拘わらず、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を安定させることができる。

さらに、ヒートポンプ４の運転中、熱源水タンク６の水位が下がり、低水位検出電極棒３２が水位を検知しなくなると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２４を停止して蒸発器１５への熱源水の供給を停止するのがよい。これにより、ヒートポンプ４を無駄に運転するのが防止される。また、同様に、ヒートポンプ４の運転中（つまり給水路８を介した給水タンク３への給水制御中）、万一、給水路８を通る給水の量が設定を下回ると、ヒートポンプ４の運転を停止すると共に、熱源供給ポンプ２４を停止して蒸発器１５への熱源水の供給を停止するのがよい。

《（３）蒸発器入口側の熱源水温度Ｔ１＜出湯温度設定値Ｔ０、且つ、新水温度ＴＷ＞蒸発器出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）である場合》
蒸発器１５入口側の熱源水温度Ｔ１が出湯温度設定値Ｔ０未満である場合、給水路８を介した給水タンク３への給水中、圧縮機１２を運転する。そして、廃熱回収熱交換器１７の入口側水温ＴＷが蒸発器１５出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）を超える場合、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７に通さずに、バイパス路１９を介して過冷却器１６へ供給する。これにより、廃熱回収熱交換器１７において、給水が熱源水により逆に冷やされるという不都合を防止することができる。なお、この（３）の場合も、前記（２）の場合と同様に、ヒートポンプ４は、給水タンク３の水位に基づき出力を制御されるのがよい。

《（４）新水温度ＴＷ≧出湯温度設定値Ｔ０の場合》
廃熱回収熱交換器１７の入口側水温ＴＷが出湯温度設定値Ｔ０以上である場合、圧縮機１２を停止すると共に、給水路８を介した給水タンク３への給水を停止する。そして、給水タンク３の水位に基づき、補給水ポンプ１１を制御して、補給水路９を介した給水タンク３への給水を制御する。給水源の温度が高いので、ヒートポンプ４や廃熱回収熱交換器１７を用いずに、補給水路９により給水タンク３へ給水すれば足りることになる。

本実施例２の給水加温システム１も、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、図１に基づき、対応する箇所には同一の符号を用いて説明する。

本実施例２でも、給水タンク３の水位に基づき、給水路８を介した給水タンク３への給水が制御される。但し、前記実施例１では、給水ポンプ１０による流量は、凝縮器１３の出口側水温を設定温度Ｔ０に維持するように制御されたが、本実施例２では、給水タンク３の水位に基づき制御される。ここでは、給水タンク３の水位が下がるほど、給水路８を介した給水流量が増すように、給水ポンプ１０がインバータ制御される。たとえば、給水タンク３に設けた水位検出器２７により、給水ポンプ１０による給水流量を段階的に切り替えればよい。

一方、ヒートポンプ４の圧縮機１２は、前記実施例１では、給水タンク３の水位に基づき出力を調整されたが、本実施例２では、吐出圧を設定値に維持するように、インバータ制御される。つまり、ヒートポンプ４には、圧縮機１２の出口側に、冷媒圧力を検出する圧力センサ３５が設けられており、この圧力センサ３５の検出圧力を設定値に維持するように、圧縮機１２のモータの電源周波数をインバータにより変えることで、出力が調整される。なお、圧力センサ３５に代えて温度センサを設け、圧縮機１２の出口側の温度を設定値に維持するように制御してもよい。

このような制御中、基本的には、給水タンク３への給水は、廃熱回収熱交換器１７、過冷却器１６および凝縮器１３を通される。但し、給水路８の給水流量が設定流量以下になると、三方弁２０を切り替えて、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７には通さない。これにより、凝縮器１３における熱交換量を増やし、圧縮機１２の停止を防止することができる。

ところで、給水路８による給水流量は、圧縮機１２を吐出圧に基づきインバータ制御する場合、圧縮機１２へのモータの電源周波数と相関する。従って、周波数が設定周波数以下になると、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７には通さずにバイパス路１９を通しての給水に切り替えるよう制御してもよい。

本実施例２でも、前記実施例１と同様に、廃熱回収熱交換器１７の入口側水温ＴＷが蒸発器１５出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）以下の場合、給水路８を介した給水タンク３への給水中、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７に通せばよい。また、廃熱回収熱交換器１７の入口側水温ＴＷが蒸発器１５出口側（または入口側）の熱源水温度Ｔ２（またはＴ１）を超える場合、給水タンク３への給水を廃熱回収熱交換器１７に通さずに、バイパス路１９を介して過冷却器１６へ供給すればよい。その他の構成は、前記実施例１と同様であるため、説明は省略する。

本発明の給水加温システム１は、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整するために、給水ポンプ１０をインバータ制御したが、給水ポンプ１０をオンオフ制御しつつ、給水路８に設けたバルブの開度を調整してもよい。つまり、出湯温度センサ２５の検出温度などに基づき給水路８を介した給水の流量を調整可能であれば、その流量調整方法は適宜に変更可能である。

また、ヒートポンプ４は、単段に限らず複数段とすることもできる。ヒートポンプ４を複数段にする場合、隣接する段のヒートポンプ同士は、間接熱交換器を用いて接続されてもよいし、直接熱交換器（中間冷却器）を用いて接続されてもよい。後者の場合、下段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と上段ヒートポンプの膨張弁からの冷媒とを受けて、両冷媒を直接に接触させて熱交換する中間冷却器を備え、この中間冷却器が下段ヒートポンプの凝縮器であると共に上段ヒートポンプの蒸発器とされる。このように、複数段（多段）のヒートポンプには、一元多段のヒートポンプの他、複数元（多元）のヒートポンプ、あるいはそれらの組合せのヒートポンプが含まれる。

また、給水タンク３に、凝縮器１３を介して給水路８により給水可能であると共に、凝縮器１３を介さずに補給水路９により給水可能であれば、給水路８や補給水路９の具体的構成は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。たとえば、前記実施例では、給水路８と補給水路９とは、それぞれ補給水タンク５と給水タンク３とを接続するように並列に設けたが、給水路８と補給水路９との一端部（補給水タンク５側の端部）と他端部（給水タンク３側の端部）の一方または双方は、共通の管路としてもよい。言い換えれば、補給水路９の一端部は、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設けてもよいし、補給水路９の他端部は、給水タンク３に接続するのではなく、給水タンク３の手前において給水路８に合流するように設けてもよい。補給水路９の一端部を、補給水タンク５に接続するのではなく、給水路８から分岐するように設ける場合、その分岐部より下流において、給水路８に給水ポンプ１０を設ける一方、補給水路９に補給水ポンプ１１を設ければよいが、分岐部よりも上流側の共通管路にのみポンプを設けて、分岐部より下流の給水路８および／または補給水路９に設けたバルブの開度を調整することで、給水路８や補給水路９を通る流量を調整してもよい。

また、前記実施例では、給水タンク３への給水を貯留するために補給水タンク５を設置したが、場合により補給水タンク５の設置を省略して、給水源から直接に給水路８および補給水路９に水を通してもよい。

また、前記実施例では、給水路８および／または補給水路９を介して、補給水タンク５から給水タンク３へ給水可能としたが、これら給水は、軟水器から直接に行ってもよい。たとえば、図１において、給水路８および補給水路９の基端部をまとめて軟水器に接続し、給水ポンプ１０の設置を省略する代わりに給水路８に設けた電動弁（モータバルブ）の開度を調整し、補給水ポンプ１１の設置を省略する代わりに補給水路９に設けた電磁弁の開閉を制御すればよい。

また、前記実施例では、ボイラ２の給水タンク３への給水をヒートポンプ４で加温できるシステムについて説明したが、給水タンク３の貯留水の利用先は、ボイラ２に限らず適宜に変更可能である。そして、場合により、補給水タンク５や補給水路９を省略してもよい。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４の熱源として熱源水を用いた例について説明したが、ヒートポンプ４の熱源流体として、熱源水に限らず、空気や排ガスなど各種の流体を用いることができる。但し、熱源流体は、蒸発器１５においてヒートポンプ４の冷媒に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴い、その後、廃熱回収熱交換器１７において給水に熱（顕熱）を与えつつ自身は温度低下を伴う流体が好ましい。

さらに、前記実施例では、ヒートポンプ４の圧縮機１２は、電気モータにより駆動されたが、圧縮機１２の駆動源は特に問わない。たとえば、圧縮機１２は、電気モータに代えてまたはそれに加えて、蒸気を用いて動力を起こすスチームモータ（蒸気エンジン）に駆動されたり、ガスエンジンにより駆動されたりしてもよい。

１ 給水加温システム
３ 給水タンク
４ ヒートポンプ
５ 補給水タンク
６ 熱源水タンク
８ 給水路
９ 補給水路
１０ 給水ポンプ
１１ 補給水ポンプ
１２ 圧縮機
１３ 凝縮器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ 過冷却器
１７ 廃熱回収熱交換器
１９ バイパス路
２０ 三方弁
２５ 出湯温度センサ
２６ 給水温度センサ
２７ 水位検出器
３３ 第一熱源温度センサ
３４ 第二熱源温度センサ
３５ 圧力センサ

Claims (7)

1. 圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次環状に接続されて冷媒を循環させ、前記蒸発器に通される熱源流体から熱をくみ上げ、前記凝縮器に通される水を加温するヒートポンプと、
   廃熱回収熱交換器、過冷却器および前記凝縮器を順に通されて給水路により給水可能な給水タンクとを備え、
   前記廃熱回収熱交換器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、
   前記過冷却器は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水と、前記凝縮器から前記膨張弁への冷媒との間接熱交換器であり、
   前記過冷却器への給水を、前記廃熱回収熱交換器に通してから前記過冷却器へ供給するか、前記廃熱回収熱交換器に通さずに前記過冷却器へ供給するかを切替可能とされた
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記凝縮器の出口側の水温を設定温度に維持するように通水量を調整し、
   前記蒸発器の入口側の熱源流体温度が前記設定温度以上である場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記圧縮機を停止すると共に、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通す
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
3. 前記蒸発器の入口側の熱源流体温度が前記設定温度未満である場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記圧縮機を運転し、
   前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側または入口側の熱源流体温度以下の場合、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通し、
   前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側または入口側の熱源流体温度を超える場合、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さない
   ことを特徴とする請求項２に記載の給水加温システム。
4. 前記給水タンクは、同一の給水源から、前記給水路により給水可能とされると共に、前記廃熱回収熱交換器、前記過冷却器および前記凝縮器のいずれも介さずに補給水路により給水可能とされ、
   前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記設定温度以上である場合、前記圧縮機を停止すると共に前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を停止した状態で、前記給水タンクの水位に基づき前記補給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御する
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の給水加温システム。
5. 前記給水タンクの水位に基づき、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水を制御し、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量が設定流量以下になると、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さない
   ことを特徴とする請求項１に記載の給水加温システム。
6. 前記圧縮機は、吐出圧を設定値に維持するように、モータの電源周波数をインバータにより変えることで出力を制御され、
   前記周波数が設定周波数以下になると、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さない
   ことを特徴とする請求項１または請求項５に記載の給水加温システム。
7. 前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側の熱源流体温度以下の場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通し、
   前記廃熱回収熱交換器の入口側の水温が前記蒸発器の出口側の熱源流体温度を超える場合、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記給水タンクへの給水を前記廃熱回収熱交換器に通さない
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の給水加温システム。

Images