Combined heat and power system for home use

本発明は、家庭用熱電併給システムに関し、より詳細には蓄熱タンクと膨張タンクを共通化することにより、嵩を減らすとともに、効率を増大させ、且つ適用される発電システムの種類についても互換性に優れた家庭用熱電併給システムに関する。

一般に、マンションなどの共同住宅内では、二つの暖房方式を採用しているが、例えば一つは、各号室に個別の暖房機を採用した個別暖房方式と、もう一つは中央から暖房及び温水を供給する中央暖房方式が挙げられる。

前記中央集中式暖房を採用する熱需要先、すなわちマンションなどにおける暖房方式は、Ｂ-Ｃオイル、ＬＮＧ, ＬＰＧなどの燃料を用いて水を加熱し、前記加熱された１００
℃以上の水や蒸気を1日に３〜５回間欠的にマンション内の各家庭に温水を提供するものである。

かかる従来の中央集中式暖房方式は、ボイラーで水や蒸気を生産し、熱交換器を介して生産された蒸気を高温水に熱交換して温水として提供するため、大量のボイラーを用いる必要があり、蒸気を温水に交換する熱交換方式は熱損失が相当に多い。

このような短所を解決するための方案の一つとして、エネルギー利用効率の高い熱電併給システム（Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｈｅａｔ
ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）が代案として提示されている。

前記熱電併給システムは、単一のエネルギー源から電力と熱を同時に生産し、一般的に高温部を動力として使用し、低温部を熱として使用するエネルギーシステムを運営している。

前記熱電併給システムのうち、家庭用として普及している汎用的形態は、図１に示すように、発電部１０で付随的に発生する熱を蓄熱タンク１２に蓄えてから加温を必要とするときにボイラー１４を介して加熱して送り出すことができるように構成される。

しかしながら、開示された汎用の熱電併給システムは、発電部１０の廃熱が蓄熱タンク１２内で直接に熱交換されるように構成されているので、システムの効率的な配置が困難であり、さらに発電部１０の容量によって熱量が異なるため、発電部１０の容量別に蓄熱タンク１２内に設けられるべき熱交換部のパイプ径などを異なるように設計しなければならず、汎用性に劣り、開発の点から多くの困難があった。

さらに、暖房水及び温水を加熱するための熱量が不足した時のために補充的に稼動されるボイラー１４は、熱源であるバーナー１４ａと、前記バーナー１４ａの熱を暖房水及び／又は温水へ伝達するための熱交換器１４ｂと、暖房配管内へ水を補給するか、圧力を調節するための膨張タンク１４ｃを備えた構造からなるが、このうち膨張タンク１４ｃは、前記蓄熱タンク１２と類似する機能を果たすことができることから、共通化が可能にもかかわらず、別々に設計しなければならないため、コストとエネルギーを無駄にする短所もあった。

さらにまた、前記蓄熱タンク１２は、温水生産のための熱交換機能を果たす配管が内部に設けられている密閉型構造であることにより、内圧が掛かるため、安全上円筒状にその形状が制限され、これによって死角領域（デッドスペース）が多く、設置スペースを効率よく利用できず、嵩が大きくなり且つ構造が複雑であって、設計後に変更し難い短所もあった。

そこで、本発明は、上述した従来技術上の問題点に鑑みて、これを解決するためのものであって、発電部と蓄熱タンクとの間の熱交換構造を間接熱交換方式に構造変更することによって、発電部の容量が変更されたとしても、蓄熱タンクの再設計を必要とせず、無駄なコストとエネルギーの浪費が抑えられ、さらに、蓄熱タンクとボイラーとの間で重複する機能を共通化させ、効率的なシステム設計が可能となり、システムの多様性を確保し且つ互換性を高め、システムの嵩を減らして設置スペースを効率よく利用できるようにした家庭用熱電併給システムを提供することに、その主な解決課題がある。

本発明は、上述した解決すべき課題を達成するための手段であって、発電部と、前記発電部の廃熱が伝達されて別途に流入する直水に蓄熱する蓄熱タンクと、前記蓄熱タンクと連結されて温水又は暖房水として活用するために、バーナーを用いて水を加熱する主熱交換器を備えた家庭用熱電併給システムにおいて、前記発電部と蓄熱タンクとの間に熱媒体が充填された廃熱熱交換器が設けられるが、前記廃熱熱交換器内の一側には前記発電部の廃熱パイプがコイル状に配管され、他側には前記蓄熱タンクの蓄熱パイプがコイル状に配管されて、前記熱媒体を介して前記発電部の廃熱が前記蓄熱タンクに間接熱交換されるように設けられる一方、

前記蓄熱タンクから引き出された暖房水供給管は、主熱交換器、第３の三方弁、暖房負荷、第２の三方弁及び第１の三方弁を経て再び蓄熱タンクに引き込まれるとともに、前記第１の三方弁のもう一方の出口は前記主熱交換器に引き込まれる暖房水供給管に連結され、

前記第３の三方弁の他方の出口から引き出された温水加温熱交換コイルは、温水熱交換器から温水配管の熱交換コイルと間接熱交換されるように配管された後、前記第２の三方弁の他方の入口に引き入まれるように連結され、

前記蓄熱タンクから引き出された温水配管は、前記温水熱交換器から前記温水加温熱交換コイルと間接熱交換されるように配管した後、温水バルブ側に連結されたことを特徴とする、家庭用熱電併給システムを提供する。

前記蓄熱タンクは、直方体の形状になった開放型タンクであることも特徴とする。

本発明によれば、発電部と蓄熱タンクが間接熱交換方式に切り換えられることによって、無駄なコストとエネルギーの浪費を減らし、蓄熱タンクとボイラーとの間で重複する機能を共通化することにより、効率的なシステムの設計が可能であり、多様性と互換性を高め、システムの嵩を減らして設置スペースの効率化が可能な効果が得られる。

本発明に係る汎用の家庭用熱電併給システムを示す概略構成図。

本発明に係る家庭用熱電併給システムを示す概略構成図。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明に係る望ましい実施態様をより詳細に説明する。

図２は、本発明に係る家庭用熱電併給システムを示した概略構成図である。

図２に示すように、本発明に係る家庭用熱電併給システムは、発電部１００と蓄熱タンク２００が廃熱熱交換器３００を介して間接熱交換される方式に構成され、さらに補助ボイラーの構成部品の一つである膨張タンクの機能を蓄熱タンク２００に併合（共通化）することによって、補助ボイラーの部品点数を低減して構造を単純化し、嵩を減らして構造上効率的なシステムを構築できるように構成されたものである。

前記廃熱熱交換器３００は、内部に熱媒体が充填された状態で、一側には発電部１００から引き出された廃熱パイプ３１０がコイル状に配管され、他側には蓄熱タンク２００内に充填された熱媒体（例えば、水）が流れる蓄熱パイプ３２０がコイル状に配管されているため、廃熱パイプ３１０から放熱された熱が廃熱熱交換器３００内の熱媒体を加熱すると、加熱された熱媒体より相対的に温度が低い熱媒体が流れる前記蓄熱パイプ３２０内の熱媒体へと熱が伝達されるとともに、蓄熱パイプ３２０内の熱媒体が昇温する形態で熱交換されることになる。

すなわち、前記蓄熱タンク２００は、前記廃熱熱交換器３００を介し且つ互いに異なるループを介した間接熱交換方式により伝達される、前記発電部１００の廃熱によって加熱される構造を有するため、前記発電部１００の設計容量が変化したとしても、前記蓄熱タンク２００、好ましくは蓄熱パイプ３２０の径を変更するなどといった、発電部１００の熱容量の変化に合わせた蓄熱部の構成を変更する必要がなくなることにより、汎用性が向上し且つ設計上多くの利点が確保できることになる。

さらに、既存の補助ボイラーに含まれる膨張タンクの機能として、蓄熱タンク２００に含まれるように構成され、本発明では、補助ボイラーの全体構成を必要とせず、バーナー４００、主熱交換器４２０及び温水を加温するための温水熱交換器５００のみ設計すれば済む構造に変わることになる。

温水配管２２０は、蓄熱タンク２００から直接引き出し配管することができるが、熱補充のために温水熱交換器５００を経るのがより好ましい。

すなわち、前記蓄熱タンク２００から引き出された温水を、温水バルブを通じてユーザーに供給される前にさらに加温するため、温水熱交換器５００がさらに備えられるのが好ましいが、前記温水熱交換器５００は、前記主熱交器４２０を介して熱交換された暖房水を用いて熱交換できるように設計することがより好ましい。

この場合、前記温水熱交換器５００内の一側には、主熱交換器４２０から熱を受けて昇温した状態で引き出された暖房水パイプがコイル状に形成された温水加温熱交換コイル５１０が設けられ、また他側には、前記温水加温熱交換コイル５１０と対応するように蓄熱タンク２００から引き出された温水配管２２０がコイル状に配管された温水配管熱交換コイル５２０が設けられ、温水熱交換器５００内の温水加温熱交換コイル５１０と温水配管熱交換コイル５２０との間には熱媒体が満されていることから、前記温水加温熱交換コイル５１０から放熱された熱は、温水熱交換器５００内の熱媒体を昇温させ、さらに昇温した熱媒体は、前記温水配管熱交換コイル５２０内を流れる温水へ熱を伝達して温水を加熱する。

これによって、温水の使用時に温水の温度が充分である場合には、バーナー４００を稼動せず、蓄熱タンク２００から引き出された温水をそのまま使用すればよく、温水の温度が低い場合には、バーナー４００を稼動させ、温水加温熱交換コイル５１０から熱が間接的に伝達され、昇温した状態で使用することができる。

したがって、熱損失が最小化し、極めて効率的な熱交換構造を備えるようになる。

一方、前記発電部１００の動力は、現在までよく知られている、当該分野で使用される内燃機関、外燃機関又は燃料電池などによって駆動される駆動源を介して動作できるように設計することが好ましい。

したがって、前記発電部１００の廃熱は、前記廃熱熱交換器３００を介して間接熱交換される形態で前記蓄熱タンク２００に伝達されるため、発電部１００の種類や容量に関係なく、蓄熱タンク２００そのものの設計変更を必要とせず、変更が必要な場合であれば廃熱熱交換器３００内の熱媒体の種類だけを変えれば済むので、コストを節減し且つ設置場所に制約を受けず、設備の嵩も減らすことができる。

前記蓄熱タンク２００には、直水が流入する直水配管２１０が下方に連結され、上方には温水を引き出すための温水配管２２０が連結される一方、他方には暖房水を供給するための暖房水供給管２３０と、暖房負荷６００を経て戻る暖房水戻り管２４０とが連結される。

さらにまた、前記温水配管２２０は、上述したように温水熱交換器５００に接続されて熱交換された後、温水を供給するように構成される。

前記暖房水供給管２３０は、主熱交換器４２０の一側に配管され、前記主熱交換器４２０の他側から引き出される配管は、第３の三方弁２０３を介して暖房負荷６００又は温水熱交換器５００へ選択的に水を供給でき、暖房負荷６００を経た暖房水は、第２の三方弁２０２を介して第１の三方弁２０１を循環した後、第１の三方弁２０１から蓄熱タンク２００又は主熱交換器４２０へ循環するように配管されている。

第３の三方弁２０３から温水熱交換器５００に連結される配管は、温水熱交換器５００の温水加温熱交換コイル５１０に連結されるとともに、温水加温熱交換コイル５１０の他端には第２の三方弁２０２の一側の入口が連結されて温水を加温するための暖房水が循環できるように構成される。

このような構成によって、蓄熱タンク２００内に蓄えた水を活用途に応じて、温水、暖房水又は温水を加温する熱媒体に選択して容易に使用できるようになる。

このように、発電部１００の廃熱を用いる蓄熱タンク２００は、発電部１００の熱媒体と直接熱交換方式でなく、間接熱交換方式の機能を有するため、密閉型に構成する必要がなく、開放型に構成することができるので、その形状を直方体状にすることによって、円筒状である場合に生じる死角領域（デッドスペース）を最小化することができ、これによって設置スペースを効率よく活用できるという利点が得られる。

このような構成からなる本発明は、次のような作動関係を有する。

先ず、発電部１００が発電するときに付随的に生じる熱は、廃熱熱交換器３００を介して間接的に熱交換され、直水配管２１０を介して蓄熱タンク２００に流入する直水を一定温度まで加熱及び蓄熱することになる。

このように、蓄熱タンク２００内で蓄熱された状態で維持されていた直水の一部が、温水又は暖房水として活用されるが、例えば温水を使用する場合には、バーナー４００の稼動無しに蓄熱タンク２００を経て昇温した状態の温水が、温水配管２２０を通じて直に供給されることもある。 さらにまた、温度が低い場合には、第１の三方弁２０１、第２の三方弁２０２及び第３の三方弁２０３の流路を制御して、温水加温熱交換コイル５１０内の暖房水が主熱交換器４２０に循環するようにするとともに、バーナー４００を稼動して、温水熱交換器５００を通じて温水配管２２０上の温水を間接熱交換させた後、適正温度まで昇温させた状態で温水を供給するようになる。

このように、前記バーナー４００の稼動時には、主熱交換器４２０を介して熱が伝達され、その熱は第１の三方弁２０１ないし第３の三方弁２０３の開方向によって暖房水を循環させたり、温水熱交換器５００に熱源を提供したりするようになる。

すなわち、第３の三方弁２０３の流路を、主熱交換器４２０から暖房負荷６００側へ制御した場合、暖房水供給管２３０を通じて出た蓄熱された水は、主熱交換器４２０を経て熱交換された後に、第３の三方弁２０３を介して暖房負荷６００へ供給され、暖房として使用されるように循環し、また第３の三方弁２０３の流路を主熱交換器４２０から温水熱交換器５００側へ制御すれば、主熱交換器４２０を通過した暖房水が温水熱交換器５００の温水加温熱交換コイル５１０を経て循環しながら、温水配管２２０の温水を加熱するのに用いられる。

１００ 発電部２００ 蓄熱タンク２０１ 第１の三方弁２０２ 第２の三方弁２０３ 第３の三方弁２１０ 直水配管２２０ 温水配管２３０ 暖房水供給管２４０ 暖房水戻り管３００ 廃熱熱交換器３１０ 廃熱パイプ３２０ 蓄熱パイプ４００ バーナー４２０ 主熱交換器５００ 温水熱交換器５１０ 温水加温熱交換コイル５２０ 温水配管熱交換コイル