JP5601412B2 - 熱供給システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱供給システムの制御方法に関する。

熱供給システムとしては、ボイラで生成した蒸気の熱を対象物に伝える構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ヒートポンプの媒体の熱を対象物に伝える構成が知られている。ヒートポンプは、サイクル外の熱（低温熱源の熱）を利用することにより、エネルギー利用効率が比較的高いことが知られている。

特開平６−２４９４５０号公報

ボイラを用いたシステムは、一次エネルギー効率が比較的低い。一方、ヒートポンプを用いたシステムは、低温熱源から供給される熱量及び温度が不安定であると、熱需要に十分に対応できない状況が生じる可能性がある。

本発明は、エネルギー効率の高い熱供給システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、ヒートポンプで加熱した第１流体およびボイラで加熱した第２流体を混合部で混合し、前記混合部で混合された熱流体の熱を供給する熱供給システムの制御方法において、前記ヒートポンプに外部から供給される低温熱源の温度および流量に関する情報と、熱需要に関する情報と、前記ボイラの出口条件と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプで加熱された後に前記混合部に供給される前記第１流体の流量および温度と、前記ボイラで加熱された後に前記混合部に供給される前記第２流体の流量および温度と、を制御する熱供給システムの制御方法が提供される。

また、第１流体を加熱するヒートポンプを含む第１装置と、第２流体を加熱する第２装置と、前記第１装置で加熱された前記第１流体の熱及び前記第２装置で加熱された前記第２流体の熱を外部に伝える出力装置と、前記ヒートポンプを全負荷と部分負荷の間で運転制御するとともに、前記第２装置で加熱された前記第２流体の供給量を制御する制御装置と、を備えた熱供給システムが提供される。
この熱供給システムによれば、ヒートポンプを全負荷と部分負荷の間で運転制御することにより、ヒートポンプを含む第１装置と他の第２装置との組み合わせの最適化が図られ、その結果、エネルギー効率の向上が図られる。

第１実施形態を示す概略図である。 ヒートポンプにおける圧縮機の性能曲線の一例を示す図である。 低温熱源の温度と部分負荷効率との関係を示す図である。 熱供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、熱供給システムＳ１を示す概略図である。

図１に示すように、熱供給システムＳ１は、ヒートポンプ（ヒートポンプ回路）２０を有する第１加熱装置（第１装置）１２と、ヒートポンプ以外の加熱装置を有する第２加熱装置（第２装置）１４と、出力装置１６と、制御装置１８とを備える。制御装置１８は、システム全体を統括的に制御する。熱供給システムＳ１の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。

第１加熱装置１２において、ヒートポンプ２０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。ヒートポンプは一般に、エネルギー効率が比較的高く、結果として、二酸化炭素等の排出量が比較的少ないという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ２０は、吸熱部２１、圧縮部２２、放熱部２３、及び膨張部２４を有し、これらは導管を介して接続されている。ヒートポンプ２０において、導管内を作動流体が流れる。本実施形態において、ヒートポンプ２０は、作動流体の熱を用いて出力装置１６を流れる被加熱流体（水）を加熱する。

吸熱部２１では、主経路２５を流れる作動流体がサイクル外の熱源（低温熱源）の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、外部装置９０の放熱管９１に熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。放熱管９１を流れる媒体（冷媒など）の熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。熱源として、外部装置９０の排熱を利用することも可能である。吸熱部２１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。

圧縮部２２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部２２は、単段圧縮構造、又は作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有することができる。圧縮の段数は、熱供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部２２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮部２２において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。

放熱部２３は、圧縮部２２で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。

膨張部２４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部２４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部２２に供給してもよい。ヒートポンプ２０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245fa、R134aなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。ヒートポンプ２０の放熱部２３を流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態であってもよい。

本実施形態において、第２加熱装置１４は、ヒートポンプ以外の加熱装置として、ボイラ４０を有する。本実施形態において、ボイラ４０は、油やガスなどの燃料を燃焼させてその燃焼熱によって被加熱流体（水）を加熱する。ボイラ４０としては公知の様々な形態が適用可能である。追加的又は代替的に、第２加熱装置１４は、電気ヒータなどの他の加熱装置を有することができる。

出力装置１６は、第１加熱装置１２で加熱された流体の熱と、第２加熱装置１４で加熱された流体の熱を外部に伝える。本実施形態において、出力装置１６は、第１加熱部６１と、第２加熱部６２と、混合部６３と、出力部６４とを有する。出力装置１６は、さらに、被加熱流体としての水が流れる導管と、流体制御用の弁などを有する。

第１加熱部６１は、第１加熱装置１２におけるヒートポンプ２０の放熱部２３に熱的に接続されかつ水が流れる導管を含む。第１加熱部６１と放熱部２３を含んで熱交換器３１が構成される。熱交換器３１は、低温の流体（出力装置１６内の水）と高温の流体（ヒートポンプ２０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器３１は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。本実施形態において、熱交換器３１の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。放熱部２３の導管と第１加熱部６１の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部２３の導管を、第１加熱部６１の導管の外周面や内部に配設することができる。第１加熱部６１において、ヒートポンプ２０の放熱部２３からの伝達熱によって、導管内の水が温度上昇する。

第２加熱部６２は、第２加熱装置１４に熱的に接続されかつ水が流れる導管を含む。本実施形態において、第２加熱部６２はボイラ４０の燃焼室に熱的に接続される。他の実施形態において、第２加熱部６２は電気ヒータに熱的に接続されることができる。第２加熱部６２において、ボイラ４０の燃焼室からの伝達熱によって、導管内の水が蒸発して蒸気となる。

混合部（混合器）６３には、少なくとも、第１加熱部６１で加熱された熱流体と、第２加熱部６２で加熱された熱流体とが流入する。混合部６３においてそれらの熱流体を混合することができる。本実施形態において、前述したように、第１加熱部６１からの熱流体は水（高温水）であり、また、第２加熱部６２からの熱流体は蒸気である。混合部６３は、ポンプなどの流体駆動機器を有することができる。本実施形態において、混合部６３から加圧水（圧縮水）を出力することができる。

出力部６４は、混合部６３からの熱流体が流れる導管（放熱管）を有し、その熱流体の熱を外部に放出する。出力部６４（放熱管）の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。本実施形態において、出力部６４は、所定の媒体が流れる吸熱管９６に熱的に接続される。出力部６４を流れる熱流体の熱が吸熱管９６を流れる媒体に吸収される。吸熱管９６を流れる温度上昇した媒体は、所定の外部装置９５に供給される。他の実施形態において、所定の外部装置９５の吸熱管が出力部６４に熱的に接続されることができる。

出力部６４の導管と、吸熱管９６とを含んで熱交換器６５が構成される。熱交換器６５は、低温の流体と高温の流体とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器６５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。本実施形態において、熱交換器６５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。出力部６４の導管と吸熱管９６とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、吸熱管９６を、出力部６４の導管の外周面や内部に配設することができる。

本実施形態において、出力装置１６は、制御弁１６１とバイパス経路１６２とをさらに有する。比較的低温の流体（低温水）がバイパス経路１６２を流れることができる。例えば、制御弁１６１を制御することにより、混合部６３への低温水の供給量、すなわち第１加熱部６１とバイパス経路１６２との間の流量比を制御することができる。また、本実施形態において、出力装置１６は、第２加熱部６２から混合部６３への蒸気の供給量を制御する制御弁１６３をさらに有する。

蒸気のみの熱量補完では、混合部６３の出口条件が蒸気（湿り蒸気）になる可能性がある。熱交換器６５が加圧水を前提として設計されている場合は、必要に応じて、第１加熱部６１に対して低温流体（低温水、給水）をバイパスさせて混合部６３に供給することにより、混合部６３の出口条件を加圧水にすることができる。

本実施形態において、システムＳ１は、熱出力後の流体を再利用するための戻り経路７０を有する。出力部６４からの放熱した後の流体が戻り経路７０を流れる。戻り経路７０からの流体（水）は、第１加熱装置１２（ヒートポンプ２０）に再び投入される。または、第２加熱装置１４（ボイラ４０）に再び投入される。出力部６４からの余剰流体は、適宜に外部に排出することができる。流体の再利用により、運転コストの削減が図られる。

本実施形態において、システムＳ１は、外部装置９５における熱需要情報（要求温度、要求流量）、ボイラ４０の出力情報（温度、圧力など）、及びヒートポンプ２０に対する低温熱源情報（外部装置９０における排熱情報など）をそれぞれ検出するセンサを必要に応じて有する。制御装置１８は、各種情報に基づき、システムＳ１全体を統括的に制御することができる。本実施形態において、制御装置１８は、ヒートポンプ２０を全負荷と部分負荷の間で運転制御することができる。本実施形態によれば、ヒートポンプ２０の部分負荷運転とボイラ４０によるバックアップとを含む制御により、システムＳ１全体のエネルギー効率の向上が図られる。

また、本実施形態において、蒸気と高温水とを混合部６３で混合し、混合した熱流体を熱供給に使用している。複数の相の流体を混合することにより、例えば高温水と高温水との同相混合に比べて、需要に応じた熱流体を柔軟に作成することができる。なお、複数相型の混合部６３は、システム構成の簡素化にも有利である。さらに、バイパス経路１６２を介した低温水を混合部６３に投入可能であるので、さらなる熱需要に対する柔軟性の向上が図られる。その結果、需要側から要求される流量及び温度を同時に満たすように、出力部６４に熱流体を供給できる。このように、本実施形態によれば、需要側の比較的シビアな要求にも柔軟に対応することができる。

ここで、混合部６３の入口、出口におけるエネルギー保存則から以下の式（１）及び（１’）が成り立つ。なお、Ｇ：質量流量［kg/s］、ｈ：エンタルピ［J/kg/K］、ｐ：圧力［Pa］、Ｔ：温度［K］、Ｗ：熱量［J/s］であり、各式における添え字は、Ｂ；ボイラ、ＢＰ：バイパス、Ｄ：需要（デマンド）、ｈ：ヒートポンプである。

また、混合部６３の入口、出口における質量保存則から以下の式（２）が成り立つ。

式（１）と式（２）から下記の式（３）及び式（４）が導き出される。

上記式（３）と式（４）から、ヒートポンプ２０でｈＨ＝ｈＤ、ＧＨ＝ＧＤとなる熱量を供給することにより、ＧＢ＝０、ＧＢＰ＝０となることがわかる。

各エンタルピについては次のような例が考えられる；ｈＢ：１５０℃における飽和蒸気のエンタルピ、ｈＢＰ：５０℃における液のエンタルピ、ｈＤ：１５０℃における飽和液のエンタルピ、ｈＨ：１５０℃における飽和液のエンタルピ。

実際は、ＴＨ（つまりｈＨと同様）及びＧＨは、例えばヒートポンプ２０における低温熱源の温度・流量に影響される。本実施形態では、低温熱源の流量・温度が変動する場合にも、ボイラ４０からの蒸気で熱補完するとともに、ヒートポンプ２０を全負荷と部分負荷の間で運転制御することにより、外部に安定して熱を供給することが可能である。

システムＳ１の一次エネルギー評価において、一例として以下の値が考えられる；ＣＯＰ（Coefficient of Performance、成績係数）：３、発電効率：４０％、ボイラ効率：９０％。この場合、基本的にはヒートポンプ２０の一次エネルギー効率は１２０％であり、ヒートポンプ２０の稼働率を高めるのが有利である。
一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×ＷＨ／ＷＤ＋ボイラ効率×ＷＢ／ＷＤ
＝３×０．４×１００／１００＋０．９×０／１００
＝１．２
ただし、ヒートポンプ２０においては、図２及び図３に示すように、部分負荷効率が定負荷効率より高いケースがある。具体的には、低温熱源の温度が高い場合、すなわち、圧力比が小さい場合、部分負荷の効率が比較的高くなるケースがある。ヒートポンプ２０の部分負荷運転を含めてシステムＳ１全体を制御することにより、エネルギー効率の向上が図られる。例えば、上記例における全運転（１００ｋＷ）時のＣＯＰが３のヒートポンプ２０において、部分負荷運転時（５０ｋＷ）のＣＯＰが５である。この場合、ヒートポンプ２０の一次エネルギー効率は１４５％となる。
一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×ＷＨ／ＷＤ＋ボイラ効率×ＷＢ／ＷＤ
＝５×０．４×５０／１００＋０．９×５０／１００
＝１．４５

図４は、システムＳ１の動作の一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、まず、熱需要に関する情報（温度及び流量）、ボイラ４０の出口条件（温度及び圧力）、給水条件、及びヒートポンプ２０に対する低温熱源条件（温度及び流量）などの入力が行われる（ステップ２０１、２０２、２０３）。

次に、入力された情報とヒートポンプ２０の性能に関する情報とに基づき、熱需要を満足するようにヒートポンプ２０の出力（温度及び流量）が決定される（ステップ２０４）。

次に、ヒートポンプ２０の出力だけで熱需要を満たすことができるか否かの判定が行われる（ステップ２０５）。熱需要を満たす場合、ボイラ４０及びバイパス経路１６２からの流体の供給が無い条件が設定される（ステップ２０６）。熱需要を満たさない場合、式（３）及び式（４）を用いて、ボイラ４０及びバイパス経路１６２からの流体供給量が決定される（ステップ２０７）。なお、熱需要を満たさない場合は、（１）システムＳ１からの熱供給流量が足りない場合、（２）熱供給温度が足りない場合、及び（３）熱供給流量及び熱供給温度ともに足りない場合、を含む。

次に、決定された熱流量配分に基づき、システムＳ１全体の一次エネルギー効率が算出される（ステップ２０８）。さらに、システムＳ１の一次エネルギー、経済性、環境性の評価を評価することができる（ステップ２０９）。この評価には、例えば経済性及び環境性などに関する所定の指標を用いることができる。

また、ステップ２０９において、熱流量の配分に関して最適化が完了したかどうかを判定することができる。未完了の場合は、ヒートポンプ２０の出力を変更することができる（ステップ２１０）。この場合、全負荷と部分負荷との間におけるヒートポンプ２０の所定の負荷状態について、上述したものと同様に、一次エネルギー効率が算出される。ヒートポンプ２０の複数の負荷状態について計算を行い、その結果、ヒートポンプ２０の負荷状態及び熱流量配分について最適値を得ることができる。すなわち、制御装置１８は、ヒートポンプ２０の負荷割合と、混合部６３に対する高温水、蒸気、及び低温水の流量比とを最適化することができる。

上記一連のフローは、例えば、熱需要又は低温熱源条件が変化したときに実施することができる。システムＳ１は、最適条件に基づき、高いエネルギー効率で安定的な熱供給を実施可能である。

試算により、部分負荷運転におけるヒートポンプ２０の性能が全負荷のそれに比べて高い場合、ヒートポンプ２０を部分負荷運転することにより、システムＳ１全体のエネルギー効率を向上させることが可能であることが確認された。

なお、本実施形態においては、ヒートポンプ２０からの熱流体の流量のみならず、温度が定格値から外れることも想定している。この場合、ボイラ４０からの蒸気及びバイパス経路１６２からの冷温水の利用により、ヒートポンプ２０から出力される熱流体を、需要側から要求される温度及び流量に容易に合わせることができる。その結果、システムＳ１は、ヒートポンプ２０の自由度が広く、広い範囲で実質的な最大効率を得ることが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、低温熱源から供給される熱量及び温度が不安定であっても、安定して熱需要に対応できる。また、ヒートポンプ２０とボイラ４０の出力比の最適化が図られ、その結果、一次エネルギーの削減に寄与できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。

Ｓ１：熱供給システム、２０：ヒートポンプ、１２：第１加熱装置（第１装置）、１４：第２加熱装置（第２装置）、１６：出力装置、１８：制御装置、４０：ボイラ、６１：第１加熱部、６２：第２加熱部、６３：混合部（混合器）、６４：出力部、７０：戻り経路、９０，９５：外部装置、１６１，１６３：制御弁、１６２：バイパス経路。

Claims (3)

1. ヒートポンプで加熱した第１流体およびボイラで加熱した第２流体を混合部で混合し、前記混合部で混合された熱流体の熱を供給する熱供給システムの制御方法において、
   前記ヒートポンプに外部から供給される低温熱源の温度および流量に関する情報と、熱需要に関する情報と、前記ボイラの出口条件と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプで加熱された後に前記混合部に供給される前記第１流体の流量および温度と、前記ボイラで加熱された後に前記混合部に供給される前記第２流体の流量および温度と、を制御する熱供給システムの制御方法。
2. 前記ヒートポンプをバイパスして前記混合部に供給される前記第１流体の供給量をさらに制御する
   請求項１に記載の熱供給システムの制御方法。
3. 前記一次エネルギー効率が最大となるように前記第１流体および前記第２流体における前記流量および前記温度を制御する
   請求項１又は２に記載の熱供給システムの制御方法。

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