JP6187813B2 - 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（２）の給水タンク（３）への給水を、ヒートポンプ（４）を用いて加温できるシステムが知られている。このシステムでは、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（１２）、過冷却器（１７）および凝縮器（１４）を順に通される。廃熱回収熱交換器（１２）は、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水と、蒸発器（１６）を通過後の熱源流体との間接熱交換器であり、過冷却器（１７）は、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水と、凝縮器（１４）から膨張弁（１５）への冷媒との間接熱交換器である。給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水中、ヒートポンプ（４）を運転すると共に、ヒートポンプ（４）の凝縮器（１４）の出口側水温を目標温度に維持するように、給水ポンプ（１０）をインバータ制御して、給水路（８）を介した給水タンク（３）への給水流量が調整される。

特許第５２６３４２１号公報

しかしながら、熱源流体の温度によっては、廃熱回収熱交換器において給水と熱源流体とを熱交換すれば足り、ヒートポンプを運転する必要がない場合がある。

また、熱源流体の温度が高まった場合、ヒートポンプを停止しなければ、圧縮機を損傷するおそれが出てくる。但し、そのような場合に、常に、給水加温システム全体を停止してしまうと、高温の熱源流体からの熱回収を図れないことになる。

さらに、凝縮器の出口側水温を目標温度に維持するように、給水路を介した給水タンクへの給水流量を調整する場合、ヒートポンプの停止の有無によらず、目標温度を一定に維持すると、ヒートポンプの停止中、給水路を介した給水タンクへの給水流量が減り、熱源流体からの熱回収量も減ることになる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、圧縮機の保護を図りながら、熱源流体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、好ましくは、給水路を介した給水タンクへの給水流量をある程度以上に確保して、熱源流体からの熱回収を図ることが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、前記凝縮器を介して給水路により給水可能な給水タンクと、前記凝縮器より上流側の前記給水路の水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する廃熱回収熱交換器とを備え、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記給水路を介して前記給水タンクへ給水する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、蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプを停止させるので、圧縮機の保護を図ることができる。但し、その場合でも、廃熱回収熱交換器において、給水と熱源流体とを熱交換して、熱源流体からの熱回収を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、前記ヒートポンプを作動させた状態で、前記凝縮器の出口側水温を第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整し、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する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、蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプを作動させた状態で、凝縮器の出口側水温を第一目標温度に維持するように、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。一方、蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプを停止させるので、圧縮機の保護を図ることができる。但し、その場合でも、廃熱回収熱交換器において、給水と熱源流体とを熱交換して、熱源流体からの熱回収を図ることができる。しかも、凝縮器の出口側水温の制御目標温度を、第一目標温度よりも低い第二目標温度に切り替えることで、給水路を介した給水タンクへの給水流量をある程度以上に確保して、熱源流体からの熱回収を有効に図ることができる。

請求項３に記載の発明は、前記凝縮器の出口側水温を前記第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満を設定時間継続した場合には、前記ヒートポンプを作動させて、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する制御に切り替える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、蒸発器への熱源流体温度が所定に下がると、ヒートポンプを停止させた出湯温度一定制御から、ヒートポンプを稼働させた出湯温度一定制御へ戻すことができる。

請求項４に記載の発明は、前記凝縮器の出口側水温を前記第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度よりも低い所定温度未満になった場合には、前記ヒートポンプを作動させて、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する制御に切り替える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４に記載の発明によれば、蒸発器への熱源流体温度が所定に下がると、ヒートポンプを停止させた出湯温度一定制御から、ヒートポンプを稼働させた出湯温度一定制御へ戻すことができる。

請求項５に記載の発明は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が前記設定温度よりも高い上限温度以上になると、前記ヒートポンプを停止すると共に、前記蒸発器への熱源流体の供給も停止することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項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、蒸発器への熱源流体温度が上限温度以上になると、ヒートポンプを停止すると共に、蒸発器への熱源流体の供給も停止することで、給水加温システムの保護を図ることができる。

さらに、請求項６に記載の発明は、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無は、前記給水タンクの水位に基づき切り替えられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項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、給水タンクの水位に基づき、給水路を介した給水タンクへの給水を制御することで、給水タンク内の水位を所望に維持することができる。

本発明によれば、圧縮機の保護を図りながら、熱源流体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実現することができる。また、給水路を介した給水タンクへの給水流量をある程度以上に確保して、熱源流体からの熱回収を図ることも可能となる。

本発明の給水加温システムの一実施例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の一実施例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。あるいは、蒸気使用設備からのドレンは、熱源水タンク６へ供給してもよい。

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、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より上流側の給水路８の水と、凝縮器１３から膨張弁１４への冷媒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。但し、以下においては、ヒートポンプ４は、圧縮機１２のモータの電源周波数が一定に維持され、一定出力で運転される例について説明する。

本実施例の給水加温システム１は、さらに廃熱回収熱交換器１７を備える。この廃熱回収熱交換器１７は、過冷却器１６より上流側の給水路８の水と、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、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。

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１９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２０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に通された後、廃熱回収熱交換器１７に通される。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２１が設けられており、この熱源供給ポンプ２１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。

給水タンク３には、水位検出器２２が設けられる。この水位検出器２２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２３〜２６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、給水ポンプ１０制御用の給水開始電極棒２３と給水停止電極棒２４の他、補給水ポンプ１１制御用の補給水開始電極棒２５と補給水停止電極棒２６が、給水タンク３に挿入されている。この際、詳細は後述するが、給水停止電極棒２４、補給水停止電極棒２６、給水開始電極棒２３、補給水開始電極棒２５の順に、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２３〜２６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。以下において、給水開始電極棒２３が検出する水位を給水開始水位Ｈ１、給水停止電極棒２４が検出する水位を給水停止水位Ｈ２、補給水開始電極棒２５が検出する水位を補給水開始水位Ｈ３、補給水停止電極棒２６が検出する水位を補給水停止水位Ｈ４という。

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、熱源水タンク６には、低水位検出電極棒２８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。

給水路８には、凝縮器１３の出口側に、出湯温度センサ２９が設けられる。出湯温度センサ２９は、凝縮器１３を通過後の水温を検出する。出湯温度センサ２９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２９の検出温度を目標温度に維持するようにインバータ制御される。これにより、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２９の検出温度を目標温度に維持するように、流量が調整される。

熱源供給路１８には、蒸発器１５の入口側に、熱源温度センサ３０が設けられる。熱源温度センサ３０は、蒸発器１５へ供給される熱源水の温度を検出する。但し、熱源温度センサ３０は、場合により、熱源水タンク６に設けられてもよい。詳細は後述するが、熱源温度センサ３０の検出温度に基づき、ヒートポンプ４（より具体的には圧縮機１２）の発停と、前記目標温度の変更が可能とされる。

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への給水は、給水タンク３に設けた水位検出器２２の検出信号に基づき、給水ポンプ１０と補給水ポンプ１１とを制御することでなされる。つまり、給水路８を介した給水タンク３への給水は、給水タンク３内の水位が給水開始水位Ｈ１を下回ると開始し、この給水開始水位Ｈ１よりも高い給水停止水位Ｈ２を上回ると停止する。また、補給水路９を介した給水タンク３への給水は、給水タンク３内の水位が補給水開始水位Ｈ３を下回ると開始し、この補給水開始水位Ｈ３よりも高い補給水停止水位Ｈ４を上回ると停止する。ここで、補給水開始水位Ｈ３は、給水開始水位Ｈ１よりも低く設定され、補給水停止水位Ｈ４は、給水開始水位Ｈ１よりも高いが給水停止水位Ｈ２よりも低く設定される。

このような構成であるから、いま、給水停止電極棒２４が水位を検知しているとすると、給水タンク３の水位が十分にあるとして、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２３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２４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、給水タンク３の水位がさらに下がり、補給水開始電極棒２５が水位を検知しなくなると、補給水ポンプ１１も作動させる。これにより、補給水路９を介しても給水タンク３に給水されるが、給水タンク３の水位が回復して、補給水停止電極棒２６が水位を検知すると、補給水ポンプ１１を停止し、さらに水位が回復して、給水停止電極棒２４が水位を検知すると、給水ポンプ１０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２１も作動させる。

本実施例では、補給水停止水位Ｈ４は、給水開始水位Ｈ１よりも高いが給水停止水位Ｈ２よりも低く設定される。その結果、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との間の水位域と、補給水開始水位Ｈ３と補給水停止水位Ｈ４との間の水位域とは、一部が重複することになる。そのため、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との水位差や、補給水開始水位Ｈ３と補給水停止水位Ｈ４との水位差を、それぞれ確保し易い。これに伴い、給水ポンプ１０や補給水ポンプ１１の発停回数を従来技術に比べて少なくすることができる。さらに、従来技術と比べて補給水停止水位Ｈ４が比較的高いので、給水タンク３への給水速度を速めることができると共に、給水タンク３には比較的多めの水を貯留できる。よって、給水タンク３内の貯水量が不足するおそれはなく、最も重要なボイラ２やその蒸気使用設備の稼働を優先することができる。また、給水タンク３を空の状態から満水にするまでの時間を短縮することができる。

ところで、給水開始水位Ｈ１と補給水開始水位Ｈ３との水位差は、給水開始水位Ｈ１と給水停止水位Ｈ２との水位差よりも小さく設定するのが好ましい。給水開始水位Ｈ１と補給水開始水位Ｈ３とを近づけることで、給水路８を介した給水と補給水路９を介した給水との双方を実行させ易くすることができる。これにより、給水タンク３への給水速度を速めることができる。

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。ヒートポンプ４の運転中、圧縮機１２は、モータの電源周波数が一定に維持され、一定出力を維持される。

給水ポンプ１０は、作動中、出湯温度センサ２９の検出温度を目標温度に維持するように、回転数をインバータ制御される。後述するように、状況に応じて、目標温度は変更される。

前述したように、本実施例の給水加温システム１では、給水タンク３内の水位に基づき、給水路８を介した給水タンク３への給水が制御されるが、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３０により蒸発器１５への熱源流体温度を監視し、その温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４を停止させるのがよい。その場合でも、給水タンク３内の水位に基づく給水条件が満たされる限りは、給水路８を介して給水タンク３へ給水する。

より詳細には、本実施例では、次のように制御される。すなわち、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３０の検出温度が設定温度（たとえば６０℃）未満であれば、ヒートポンプ４を作動させた状態で、出湯温度センサ２９の検出温度を第一目標温度（たとえば７５℃）に維持するように、給水ポンプ１０をインバータ制御して、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（第一制御）。なお、ここでは、第一目標温度は、前記設定温度よりも高い温度とされる。

このような第一制御中、熱源温度センサ３０の検出温度が設定温度（たとえば６０℃）以上になると、第二制御に切り替える。第二制御では、ヒートポンプ４を停止させる。その場合でも、給水タンク３内の水位に基づく給水条件が満たされる限りは、給水路８を介して給水タンク３へ給水するが、凝縮器１３の出口側水温の制御目標温度を下げるのが好ましい。つまり、出湯温度センサ２９の検出温度を第一目標温度よりも低い第二目標温度（たとえば６０℃）に維持するように、給水ポンプ１０をインバータ制御して、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。なお、ここでは、第二目標温度は、前記設定温度と同一温度とされるが、場合により、前記設定温度よりも低い温度とされてもよい。

このように、蒸発器１５への熱源流体温度が設定温度未満であれば、ヒートポンプ４を作動させた状態で、凝縮器１３の出口側水温を第一目標温度に維持するように、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。一方、蒸発器１５への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４を停止させるので、圧縮機１２の保護を図ることができる。但し、その場合でも、廃熱回収熱交換器１７において、給水と熱源流体とを熱交換して、熱源流体からの熱回収を図ることができる。しかも、凝縮器１３の出口側水温の制御目標温度を、第一目標温度よりも低い第二目標温度に切り替えることで、給水路８を介した給水タンク３への給水流量をある程度以上に確保して、熱源流体からの熱回収を有効に図ることができる。

第二制御から第一制御への切替えは、次のように行われる。すなわち、ヒートポンプ４を停止した状態で、出湯温度センサ２９の検出温度を第二目標温度に維持するように、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３０の検出温度が設定温度未満を設定時間（たとえば６０秒）継続した場合には、第一制御に戻される。つまり、ヒートポンプ４を再起動して、出湯温度センサ２９の検出温度を第一目標温度に維持するように、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制御に切り替えればよい。

但し、第二制御から第一制御への切替えは、次のように行ってもよい。すなわち、ヒートポンプ４を停止した状態で、出湯温度センサ２９の検出温度を第二目標温度に維持するように、給水路８を介した給水タンク３への給水流量を調整中（つまり第二制御中）、熱源温度センサ３０の検出温度が設定温度よりも低い所定温度（たとえば５８℃）未満になった場合には、第一制御に戻される。つまり、ヒートポンプ４を再起動して、出湯温度センサ２９の検出温度を第一目標温度に維持するように、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制御に切り替えればよい。

いずれにしても、蒸発器１５への熱源流体温度が所定に下がると、ヒートポンプ４を停止させた第二制御から、ヒートポンプ４を稼働させた第一制御に戻すことができる。このようにして、蒸発器１５への熱源流体温度に応じて、第一制御と第二制御との切り替えが行われる。

但し、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３０の検出温度が前記設定温度よりも高い上限温度（たとえば６５℃）以上になると、給水加温システム１の稼働を停止するのがよい。具体的には、ヒートポンプ４を停止すると共に、熱源供給ポンプ２１を停止して蒸発器１５への熱源流体の供給も停止する。さらに、給水ポンプ１０も停止するのがよい。このようにして、蒸発器１５への熱源流体温度が過度に上昇した場合には、給水加温システム１の稼働を停止することで、給水加温システム１の保護を図ることができる。なお、ここでは、上限温度は、前記設定温度よりも高いが、前記第一目標温度よりも低い温度とされる。

その他、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２８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２１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、給水路８を介した給水タンク３への給水中、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２１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。

ところで、給水加温システム１の冷態起動時（たとえば給水加温システム１の休止時間が所定よりも長い場合や、熱源水タンク６内の熱源水が常温程度まで冷えた場合など）は、給水タンク３内の水位に基づき、給水路８を介した給水が開始されると共に、熱源供給ポンプ２１の作動により蒸発器１５への熱源流体の供給が開始される際、次のように制御するのが好ましい。つまり、熱源温度センサ３０の検出温度が下限温度（たとえば３５℃）未満であれば、ヒートポンプ４を停止しておき、下限温度以上になれば、ヒートポンプ４を起動して、前記第一制御を実行する。冷態起動時、蒸発器１５への熱源流体温度が下限温度以上になるまで、ヒートポンプ４を停止しておくことで、圧縮機１２の保護を図ることができる。なお、下限温度は、前記設定温度や前記各目標温度よりも低い温度とされる。

なお、ヒートポンプ４を一旦起動後は、給水路８を介した給水タンク３への給水中、熱源温度センサ３０の検出温度が下限温度未満になっても、給水路８を介した給水タンク３への給水が継続する限り、ヒートポンプ４の作動を継続するのが好ましい。ヒートポンプ４を一旦起動後は、ヒートポンプ４の冷媒は冷態起動時よりも加温されているから、ヒートポンプ４の作動を継続しても、圧縮機１２を損傷するおそれはない。なお、制御器は、熱源温度センサ３０の検出温度が下限温度未満になった旨を表示手段などに出力して、ユーザにお知らせするのが好ましい。

本発明の給水加温システムは、前記実施例の構成に限らず、適宜変更可能である。特に、ヒートポンプ４と、給水タンク３と、廃熱回収熱交換器１７とを備えた給水加温システム１において、給水路８を介した給水タンク３への給水中、蒸発器１５への熱源流体温度が設定温度以上になると、ヒートポンプ４を停止させた状態で、給水路８を介して給水タンク３へ給水するのであれば、その他の構成および制御は適宜に変更可能である。たとえば、前記実施例において、過冷却器１６の設置を省略してもよい。また、補給水ポンプ１１を備えた補給水路９は、場合により省略可能である。

また、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に設けた弁の開度を調整してもよい。つまり、出湯温度センサ２９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、前記実施例の場合、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に設けた弁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。

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。

また、前記実施例では、ヒートポンプ４を運転する際、圧縮機１２のモータの電源周波数を一定に維持したが、場合により、圧縮機１２の吐出圧を所定に維持するように制御してもよい。あるいは、給水タンク３内の水位または蒸発器１５への熱源流体温度に基づき、圧縮機１２の出力を調整してもよい。

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、低段ヒートポンプの圧縮機からの冷媒と高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、この中間冷却器が低段ヒートポンプの凝縮器であると共に高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。

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
２ ボイラ
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
７ ポンプ
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
１８ 熱源供給路
１９ 熱源水の供給路
２０ オーバーフロー路
２１ 熱源供給ポンプ
２２ 水位検出器
２３ 給水開始電極棒
２４ 給水停止電極棒
２５ 補給水開始電極棒
２６ 補給水停止電極棒
２７ 水位検出器
２８ 低水位検出電極棒
２９ 出湯温度センサ
３０ 熱源温度センサ
Ｈ１ 給水開始水位
Ｈ２ 給水停止水位
Ｈ３ 補給水開始水位
Ｈ４ 補給水停止水位

Claims (6)

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、
   前記凝縮器を介して給水路により給水可能な給水タンクと、
   前記凝縮器より上流側の前記給水路の水と、前記蒸発器を通過後の熱源流体とを熱交換する廃熱回収熱交換器とを備え、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記給水路を介して前記給水タンクへ給水する
   ことを特徴とする給水加温システム。
2. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満であれば、前記ヒートポンプを作動させた状態で、前記凝縮器の出口側水温を第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整し、
   前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度以上になると、前記ヒートポンプを停止させた状態で、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度よりも低い第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する
   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. 前記凝縮器の出口側水温を前記第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度未満を設定時間継続した場合には、前記ヒートポンプを作動させて、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する制御に切り替える
   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. 前記凝縮器の出口側水温を前記第二目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整中、前記蒸発器への熱源流体温度が設定温度よりも低い所定温度未満になった場合には、前記ヒートポンプを作動させて、前記凝縮器の出口側水温を前記第一目標温度に維持するように、前記給水路を介した前記給水タンクへの給水流量を調整する制御に切り替える
   ことを特徴とする請求項２に記載の給水加温システム。
5. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水中、前記蒸発器への熱源流体温度が前記設定温度よりも高い上限温度以上になると、前記ヒートポンプを停止すると共に、前記蒸発器への熱源流体の供給も停止する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の給水加温システム。
6. 前記給水路を介した前記給水タンクへの給水の有無は、前記給水タンクの水位に基づき切り替えられる
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の給水加温システム。

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