JP4824097B2 - エネルギー回収システム及び揚水ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ビルの空調負荷などの用済み後水を用いた水車発電によりエネルギー回収するエネルギー回収システム及び揚水ポンプに関する。

例えば、ビルの空調システムとして、安価な深夜電力を利用して熱源機を運転し、製造した熱を蓄熱槽に貯めておき、空調負荷が発生する昼間に貯めていた熱を汲み出して負荷である空調機に送って空調する蓄熱式空調システムが広く採用されている。

図１２は従来例の開ループの蓄熱式空調システム構成図である。一次側システムＳ_１において、１は蓄熱槽１６の水を汲み上げて送水管４ａを介して熱源機４に送水する揚水ポンプ、２は両軸形電動機であり一端を前記揚水ポンプと軸継手を介して直結され、これを駆動する。他端は水車１２にクラッチ１２ｂを介して連結されている。また、同水車は、熱源機から吐出した水の位置エネルギーを余すことなく回収できる部位に設ける。１８，１９は電源、５は前記熱源機が製造する熱量を調整する二方弁、６ａは前述した熱源機と水車とを結ぶ送水管、６は同送水管に備わる膨張タンクでありサイホンを破壊して送水の落差が（送水が持つ位置エネルギー）水車にかかるようにしている。また、膨張タンクの代わりに真空破壊弁を設けることもある。１２ｃは送水が水車を出た後蓄熱槽に戻すための送水管である。即ち、揚水ポンプ１によって熱源機４に送水された揚水は、この熱源機によって熱を加えられた後、水車１２に送水される。水車１２は、揚水の位置エネルギーで運転して動力を発生し、前述した両軸形電動機２に伝達する。両軸形電動機の負荷は、揚水ポンプの負荷よりこの分だけ軽くなる。この後、水車を出た揚水は、蓄熱槽へ戻る。

二次側システムＳ_２は、空調装置の負荷等であって、蓄熱槽１６の水を送水管７ａを介してポンプ７によりエアハン（air handling unit)８やファンコイル９に送る。エアハン８は熱量を調整する調整弁８ａを有し、ファンコイル９も同様の調整弁９ａを有する。放熱された水は、送水管７ｂを通って蓄熱槽１６へ戻される。

図１３は従来例のポンプと水車の運転特性図を示したものである。縦軸に、ポンプの場合は全揚程、水車の場合は有効落差、両方共通に動力を横軸に水量を示す。曲線ＡはポンプＱ、Ｈ性能カーブを、曲線Ｃは水車を運転しない場合の軸動力曲線である。図９に示す送水系統に揚水ポンプのみを運転し、水量Ｑ０を送水するには全揚程Ｈ０を必要とし、この時の運転点は曲線Ａ上のＯ４点である。この時消費する動力は、ポンプ軸動力で示すＬ１であり運転点は曲線Ｃ上のＯ１点である。又、曲線Ｂは水車の有効落差（水車前後の圧力ヘッド差）を示し、水量Ｑ０を流した時、水車前後に圧力差ヘッド（有効落差）Ｈ１を発生し、この位置エネルギーを吸収し次に示す動力を発生することを意味する。

曲線Ｄは揚水ポンプと水車を運転した時の動力カーブであり、この時消費する動力は、ポンプ軸動力で示すＬ２であり運転点は曲線Ｄ上のＯ２点である。即ち、水量Ｑ０の時、水車の発生する動力はＬ３である。
この場合大体、動力回収率（Ｌ３／Ｌ１）は２０〜３０％ぐらいである。
このようにして従来の装置では、熱源機通過後の揚水の位置エネルギーを有効に活用している。

これの公知例として特許文献１（動力回収ポンプ装置）、特許文献２（動力回収ポンプ装置）等がある。しかし、この従来技術においては、電動機と水車を直結するのにクラッチが用いられており、これの伝達効率の改善が課題となっている。さらにこの場合、水車が回収したエネルギーは動力であり、ビル内の他の負荷へは構造上使用できないという問題があった。又、ダムや水田など水路に水車を用いて発電する水車発電の公知例として特許文献３（外輪駆動式水車発電機）がある。

特開昭５０−１２８８０１号公報 特開昭５０−４９７０１号公報 特開平５−１０２４５号公報

そこで本発明の目的はビルの未使用エネルギーを水車発電により回収して、再利用することにある。

本発明のエネルギー回収システムは基本的手段として、空調負荷群に送水する揚水ポンプと、該揚水ポンプに交流電力を供給して可変速駆動する第１のインバータと、前記空調負荷群においてエネルギー利用された後の水の位置エネルギーで運転する水車と、該水車の発生するトルクで運転する発電機と、該発電機により発電された電力を直流電力に変換する第２のインバータとを備え、該第２のインバータにより変換された直流電力が前記第１のインバータに供給されるものである。

そして、前記第２のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれが前記第１のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれと接続され、前記第１のインバータは商用電源からの電力と前記第２のインバータにより変換された直流電力と交流電力に変換することにより合わせて前記揚水ポンプに供給するものである。

また、本発明の揚水ポンプは基本的な手段として、第１のインバータにより駆動された空調負荷群に送水する揚水ポンプであって、前記空調負荷群においてエネルギー利用された後の水の位置エネルギーは水車と該水車の発生するトルクによって発電する発電機により回収され、該発電機により発電された電力は第２のインバータにより直流電力に変換されて前記第１のインバータへ供給されるものである。

そして、前記第２のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれが前記第１のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれと接続され、前記第１のインバータは商用電源からの電力と前記第２のインバータにより変換された直流電力と交流電力に変換することにより合わせて前記揚水ポンプに供給するものである。

本発明は、このように構成し、次のように作用させる。
１）運転する前は、水車入口弁、出口弁、及び水車バイパス弁を閉じておく。先ず、二次側システムの揚水ポンプ駆動用インバータを運転し、揚水ポンプを運転して、空調負荷である空調機に送水する。インバータはポンプ吐出し側に設けられた圧力センサの検出信号を取り込んで、例えば末端圧力一定制御運転を行う。
２）水車は、各空調機を通過した送水の流入によって運転を始める。発電機は水車の発生するトルクによって運転し発電する。
３）発電機側のインバータは、発電機の発生した電力（交流）を直流電力に変換し、他のインバータに直流電力を、ケーブルを介して供給する。

また、本発明では、ビルに設けられるシステム、設備に限定されるものではなく、熱源機から得られる水を貯える蓄熱槽と該蓄熱槽からの水を冷水又は温水にする熱源機と、前記蓄熱槽の水を該熱源機に送水するポンプと、該ポンプを駆動する電動機と、前記熱源機から送水された水によって回転する水車と、該水車によって駆動され電力を発生する発電機と、該発電機の出力端に接続されるインバータと、前記電動機と商用電源との間に設けられる系統連携装置であって、該商用電源と前記電動機とを接続する系統と、前記インバータと前記商用電源とを接続する系統とを切替える系統連携装置と、該系統連携装置と前記電動機との間の電路と前記インバータの出力端子とを接続する接続線とを設けるものとする。

以上のように本発明によれば従来の水車を用いた未使用エネルギー回収装置よりは、更に回収効率が向上する効果が得られる。また、種種の負荷に対応できるので、例えばビルの未使用エネルギーを合理的に再利用することができる。
また、発電機で発生した電力をインバータを介して、直流電力で他のインバータに供給するので、交流に変換することもなく、系統連携装置も必要なく簡単で、安価にシステムを構成できる。

本発明の第１の実施例の構成図。 本発明の第１の実施例のポンプと水車の運転特性図。 本発明の第２の実施例の構成図。 本発明の第３の実施例の構成図。 本発明の第４の実施例の構成図。 本発明の第５の実施例の構成図。 本発明の第６の実施例のフロー図。 本発明の第７の実施例のフロー図。 本発明の第８の実施例の構成図。 本発明の第８の実施例の電気系統図。 本発明の第８の実施例の特性図。 従来のシステム構成図。 従来のポンプと水車の運転特性図。

以下、本発明の実施例を図１〜図１１により説明する。
図１は、本発明第１の実施例の構成図を示す。同図は、従来例で示した図９に対して、両軸形電動機を一般的な電動機（非両軸形電動機）に代えて揚水ポンプと水車を分離し、この水車には発電機を取り付けて（又は一体型も含む）該発電機の出力端にインバータを接続する。揚水ポンプ１を駆動する電動機２と電源１９との間に系統連携装置２０を設け、これと電動機２とはケーブル２１を介して接続する。更に、前記インバータの出力はケーブル１４ａを介して前記電動機２と接続する。尚、系統連携装置２０は、水車が運転していない時は商用電源１９から電動機２に電力を供給する方向に作用し、水車運転時時は、揚水ポンプ１の負荷状態によって、発電機１３の発電した電力で足りない場合は、商用電源の電力と合わせた電力で賄う方向に作用する。発電電力が余った場合には、インバータから系統連携装置を介して商用電源へ帰還する。図１２と同じ記号で示す機器あるいは装置は同じものであるから説明を省く。

図２は、本発明の第１の実施例のポンプと水車の運転特性図を示したものである。図１３と同じ符号で示すものは同じ意味を示すので説明を省く。本発明の第１の実施例の場合、揚水ポンプ水量Ｑ０の時の軸動力Ｌ１を賄うのに、水車−発電機−インバータで発電した電力Ｌ３と、商用電源の動力Ｌ２とで賄うようにしたものである。換言すると水車発電で足りない分を商用電源で系統連携装置を介して、供給するようにしたものである。又、当然、二方弁５が絞られて揚水ポンプの負荷が小さくなった場合には、電動機の駆動電力が水車の発生動力より小さくなる場合もある。この場合、電力がインバータから系統連携装置を介して電源側へ帰還される。以上の本実施例の場合大体、動力回収率（Ｌ３／Ｌ１）は４０〜６０％ぐらいとなり、従来の回収率より向上する。

第２の実施例を図３により説明する。本実施例は、第１実施例に対して、発電機負荷を一次冷温水ポンプ駆動電動機から熱源機に代えたものである。図３において、５２０は系統連携装置であり、商用電源１８と熱源機４の電源端子の間に取り付ける。これの電路５２１に前記インバータ１４の出力はケーブル１４ａを接続する。即ち、系統連携装置２０は、水車が運転していない時は商用電源１８から熱源機４に電力を供給する方向に作用し、水車運転時時は、熱源機４の負荷状態によって、発電機１３の発電した電力で足りない場合は、商用電源の電力と合わせた電力で賄う方向に作用する。発電電力が余った場合には、インバータ１４から系統連携装置を介して商用電源へ帰還する。

第３の実施例を図４により説明する。本実施例は水車の発電電力を建物内の照明など種種の負荷群へ供給するようにしたものである。同図において、３０は建物内の照明など種種の負荷群を、２９は電源系統切り替え手段を示す。同電源系統切り替え手段２９をｃ−ａ側に切り替えれば負荷群は商用電源に接続され、ｃ−ｂ側に切り替えれば負荷群は、発電機側に接続される。即ち、水車運転時時は、負荷群３０の負荷状態によって、発電機１３の発電した電力で足りる場合は、同電源系統切り替え手段２９をｃ−ｂ側に切り替えて発電機電力を供給し、発電した電力で足りない場合は、同電源系統切り替え手段２９をｃ−ａ側に切り替えて、商用電源の電力を供給するようにする。

第４の実施例を図５により説明する。本実施例は、第３の実施例を更に改良したもので、負荷群の負荷が大きく、発電機１３の発電した電力で足りない場合に、発電機電源と商用電源とを加えて供給し賄うようにしたものである。同図は、図６に対して負荷群３０には、発電機１３からも商用電源２８からも供給できるようにし、前記発電機１３にインバータ１４を接続し、商用電源２８と負荷群３０との間に、系統連携装置７２０を接続し、これと負荷群３０の電源端子とを接続する電路にインバータ出力とを接続するケーブル１４ａを結線したものである。
このように構成し、発電した電力で足りない場合は、これと商用電源とで電力を供給するようにしたものである。

第５の実施例を図６により説明する。本実施例は、水車１２の前後に設けた仕切弁２６，２７にバイパスしてバイパス管２９ａ及びバイパス弁２９を設け、更には前記した水車の入口側に圧力計３１ａ、圧力センサ３１を、水車の出口側に圧力計３０ａ、圧力センサ３０を設けたものである。こうして、水車１２、発電機１３及びこれに関連した機器を保守する際には、仕切弁２６，２７を閉めて仕切弁２９を開いて、熱源機を通過した送水を、送水管６ａ、バイパス管２９ａ、仕切弁２９の順に蓄熱槽へ戻すようにする。このようにすると、水車１２、発電機１３及びこれに関連した機器保守時にも熱源機の運転が可能である。

第６の実施例を図７により説明する。本実施例は、図示していないが熱源機、一次冷温水ポンプ駆動電動機、発電機、インバータ、負荷機器の制御装置の操作及び制御の手順を規定し、相互に連携を取って運転するようにしたものである。図７は、これらの操作及び制御手順を示すフローチャートである。即ち、運転時は同図の１ステップで水車入口弁を開き、出口弁を閉めて、水車バイパス弁を閉じる。２ステップでは熱源機の電源を投入し、３ステップで一次冷温水ポンプ駆動電動機の電源を投入する。４ステップでは熱源機側より一次冷温水ポンプに対して運転要求信号を発信する。５ステップでは、一次冷温水ポンプが運転要求信号を受信して、一次冷温水ポンプ駆動電動機が運転する。この後、運転アンサー信号を熱源機へ発信する。６ステップでは、熱源機が一次冷温水ポンプ駆動電動機運転アンサー信号受信後、一定時間経過で熱源機を運転させる。７ステップでは、熱源機が運転後一定時間で水車出口弁を開く。これにより水車が運転され、発電機も運転する。８ステップでは、発電電力を、インバータを介して一次冷温水ポンプ駆動電動機へ供給する。次に、停止時は９ステップで水車出口弁を閉じ、水車を停止する。これにより発電機が停止する。

１０ステップでは発電電力の供給を停止し、インバータを停止する。そして、一次冷温水ポンプ駆動電動機へ電力供給を停止する。１０ステップでは、熱源機側より一次冷温水ポンプ側へ停止要求信号発信し、熱源機は停止する。１１ステップでは、一次冷温水ポンプ駆動電動機が停止要求信号受信し、一次冷温水ポンプ駆動電動機は停止する。１２ステップでは、一次冷温水ポンプ駆動電動機は停止アンサー信号を熱源機へ返信する。加えて、一次冷温水ポンプ駆動電動機の電源断し、熱源機電源を断にする。尚、本実施例では、発電機の負荷を、一次冷温水ポンプ駆動電動機を例として説明しているが、この負荷を熱源機としても良く、建物内照明等他の負荷としても良い。このように操作及び制御手順を規定すれば各機器を誤りなく所定の性能，機能を果たすよう良好に連携運転ができる。

第７の実施例を図８により説明する。本実施例は第６の実施例を更に改良し、自動連携運転するようにしたものである。従って、図６における仕切弁２６、２７、２９を自動弁としている。又、図示していないが熱源機、一次冷温水ポンプ駆動電動機、発電機、インバータ、負荷機器の制御装置の操作及び制御の手順を規定し、相互に自動的に連携を取って運転するようにしたものである。

図８は、これらの操作及び制御手順を示すフローチャートである。自動運転、自動操作ができるよう運転時は、図７に対して、水車入口圧力が規定圧力以上に到達したら水車出入口弁を開くステップ７を追加し、水車１２、発電機１３及びこれに関連した機器を自動運転するようにしている。更に停止時は同じく、図７に対してステップ９を追加し、水車出入口弁を閉じて水車１２、発電機１３及びこれに関連した機器を自動停止するようにしたものである。これ以外の作動については、図７と同じであるから説明を省く。このようにすれば誤操作の恐れがなく、運転管理が更に容易となる。

更なる改良の実施例として、運転時に水車出入口弁の開制御条件として、熱源機が運転していることと、同弁の入口圧力が規定圧力以上にあることとし、これが共に成立したら開制御するようにしている。このようにすれば操作が確実となり、全体システムが協調して作動するようになる。

図９は、本発明の第８の実施例の構成図を示す。同図は、従来例で示したものに対して、空調負荷へ送水する二次側システムにおいて、両軸形電動機２を一般的な電動機１３１（非両軸形電動機）に代えて揚水ポンプ１０７と水車１０９を分離し、この水車１０９には発電機１３４を取り付けて（又は一体型も含む）、該発電機１３４の出力端にインバータ１３５（ＩＮＶ２）を接続する。該発電機１３４で発生した電力はパワートランジスタＴｒやフライホイールダイオードＤなどの半導体素子を使用したインバータ１３５で直流電圧に変換され、コンデンサＣで平滑される。例えば発電機１３４の発生電圧がＡＣ２００Ｖであれば、インバータ１３５のＰ，Ｎ間電圧（直流電圧）は２８０Ｖとなる。このインバータ１３５はＰＷＭ制御を使用したものなど、一般に良く知られているのでその詳細な説明は省略する。このインバータ１３５からの直流電圧出力の正側Ｐ、及び負側Ｎは、電動機１３１を駆動するインバータ１３６（ＩＮＶ１）の直流中間回路の正側Ｐ、負側Ｎに接続される。このインバータ１３６もＰＷＭ制御を使用したものなど、一般に良く知られているのでその詳細な説明は省略する。

このように構成されたシステムでは、空調負荷が変動すると必然的に水車１０９に流入する水量が変動し、発電機１３４の発生電力も変動する。この場合、例えば前述したＰ，Ｎ間電圧を検出して、ここの電圧が２８０Ｖを下回るごとに、図示はしていないが、インバータ１３５における動作周波数を下げれば回生状態になり、Ｐ，Ｎ間電圧が上がる。

揚水ポンプ１０７を駆動する電動機１３１はインバータ１３６によって駆動される。インバータ１３６を用いるのは、空調負荷が変動する場合、これに応じてポンプの回転数を絞れば省エネルギーとなるからである。更に、インバータ１３５の直流電圧端子Ｐ，Ｎと、前記インバータ１３６の直流電圧端子Ｐ，Ｎとをそれぞれケーブル１３８、１３９によって互いに接続する。このようにすれば、発電機１３４で発電した電力を直流で揚水ポン側インバータ１３６に供給できるので、交流に変換する必要もなく、系統連携装置も必要なく簡単で安価に構成が出来る。

図１０は前述した図９の電気系統図である。図９と同じ記号で示す機器あるいは装置は同じものであるから説明を省く。同図において、１０３は商用電源、１３２は電力量計、ＥＬＢは漏電遮断器である。使用初めは、水車１０９及び発電機１３４が運転していないので、インバータ１３５の直流電圧端子Ｐ，Ｎからの電力の供給はなく、揚水ポンプ１０７、電動機１３１は商用電源１０３からの供給のみでインバータ１３６の駆動により運転される。該揚水ポンプ１０７の運転により各空調負荷１１０に送水され、用済みとなってその送水が水車１０９に戻ってくると、水車１０９及び発電機１３４が運転してインバータ１３５から直流電力をケーブル１３８、１３９を介してインバータ１３６の直流電圧端子Ｐ，Ｎに供給する。

図１１は、本発明の実施例の揚水ポンプ１０７と水車１０９の運転特性図を示したもので、揚水ポンプ１０７はインバータ１３６によって末端圧力一定制御（配管抵抗を考慮し、配管の末端圧力が一定になるようにポンプの回転速度を制御するもので、配管抵抗カーブＥにポンプ吐出圧がくるように制御される）行う場合について示してある。本発明の実施例の場合、揚水ポンプ１０７をインバータ１３６の最高周波数Ｎｍａｘで運転し、水量Ｑ_０の時の軸動力Ｌ１を賄うのに、水車１０９−発電機１３４−インバータ１３５で発電した電力Ｌ３と、商用電源からの動力（電力）Ｌ２とで賄うようにしたものである。換言すると水車発電で足りない分を商用電源１０３から供給するようにしたものである。又、当然、空調負荷が小さくなり揚水ポンプ１０７の負荷が小さくなって水量Ｑ_１となった場合には、揚水ポンプ１０７はインバータ１３６が周波数Ｎ_１で運転して曲線Ｆの性能を出し、軸動力は曲線Ｉ_２となり運転点はそれぞれＯ_４、Ｏ_４’となる。さらに水量がゼロになるとインバータ１３６は周波数Ｎ_２で運転して揚水ポンプ１０７は曲線Ｇの性能を出し、軸動力は曲線Ｉ_３となり運転点はそれぞれＯ₆、Ｏ₆’となる。水車９が運転されないと軸動力の各点Ｏ_１、Ｏ_４、Ｏ₆を結んだ曲線Ｌ上を運転する。水車１０９が運転されると、該水車９に水量Ｑ_０が流れた時、前後に落差Ｈ_０を発生する送水の位置エネルギーを受けてトルクを発生し、発電機１３４によって軸動力Ｌ３に対応する電力を発生する。以下同様に水量が変動した場合もこれに応じた電力を発生する。揚水ポンプ１０７と水車１０９、発電機１３４が同時に運転されると曲線Ｌ４となり、発電機１３４が発生した電力の分だけ商用電源１０３から供給する電力が減少する。また、同図のＯ_３点は水量Ｑ_３より水車１０９が有効に作用し発電機１３４が発電するポイントを示している。

以上の本実施例の場合、動力回収率（Ｌ３／Ｌ１）は約４０〜６０％程度となり、従来の回収率より向上する。以上の実施例では、発電機１３４の発生した電力をインバータ１３５で直流に変換し、ビル内の揚水ポンプ１０７を駆動するインバータ１３６のＰ、Ｎ端子に供給するようにしているが、インバータで駆動している負荷であればインバータ１３６に限らず、他の設備のどんなインバータにも供給することができる。また、インバータ１３５とインバータ１３６とのＰ，Ｎ端子間をケーブルで接続しているので、これが長くなると配線ロスが増す。両インバータを同一制御盤内に収納して纏めることもできる。このようにすればこれの改善が可能となる。

１ 揚水ポンプ
２ 電動機
４ 熱源機
６ 膨張タンク
１２ 水車
１３ 発電機
１４ インバータ
１６ 蓄熱槽
１８，１９ 商用電源
２０ 系統連携装置

Claims (6)

1. 空調負荷群に送水する揚水ポンプと、
   該揚水ポンプに交流電力を供給して可変速駆動する第１のインバータと、
   前記空調負荷群においてエネルギー利用された後の水の位置エネルギーで運転する水車と、
   該水車の発生するトルクで運転する発電機と、
   該発電機により発電された電力を直流電力に変換する第２のインバータとを備え、
   該第２のインバータにより変換された直流電力が前記第１のインバータに供給されることを特徴とするエネルギー回収システム。
2. 請求項１に記載のエネルギー回収システムにおいて、
   前記第２のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれが前記第１のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれと接続されたことを特徴とするエネルギー回収システム。
3. 請求項１又は２に記載のエネルギー回収システムにおいて、
   前記第１のインバータは商用電源からの電力と前記第２のインバータにより変換された直流電力と交流電力に変換することにより合わせて前記揚水ポンプに供給することを特徴とするエネルギー回収システム。
4. 第１のインバータにより駆動された空調負荷群に送水する揚水ポンプであって、
   前記空調負荷群においてエネルギー利用された後の水の位置エネルギーは水車と該水車の発生するトルクによって発電する発電機により回収され、該発電機により発電された電力は第２のインバータにより直流電力に変換されて前記第１のインバータへ供給されることを特徴とする揚水ポンプ。
5. 請求項４に記載の揚水ポンプにおいて、
   前記第２のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれが前記第１のインバータの直流電圧出力の正側Ｐと負側Ｎのそれぞれと接続されたことを特徴とする揚水ポンプ。
6. 請求項４又は５に記載の揚水ポンプにおいて、
   前記第１のインバータは商用電源からの電力と前記第２のインバータにより変換された直流電力と交流電力に変換することにより合わせて前記揚水ポンプに供給することを特徴とする揚水ポンプ。

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