Cogeneration system

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電設備を含むコジェネレーション装置に関し、特に、変動する熱需要に対して適切に熱エネルギを供給することができるコジェネレーション装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。 この種のコジェネレーション装置では、発電に伴って発生する熱を熱需要に応じて適切に取出せることが必要であるが、発電に伴う熱エネルギを直ちに消費する熱需要がない場合も多いため、次のような工夫がなされている。 例えば、特開平８−４５８６号公報には、発電機から取出した熱エネルギを温水に変換して貯めておく貯湯タンクを設けたコジェネレーションシステムが開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に記載された従来のコジェネレーションシステムでは、熱エネルギを貯めておくことができるので、発電運転時以外に発生した熱需要にも応じることができるという利点がある。 ところで、例えば、給湯と暖房のように独立した異なる熱需要に応ずるためには、それぞれの熱需要の変動に別個に応じなければならない。 しかし、従来のコジェネレーションシステムではこのような変動する複数の熱需要に適切に応ずることができないという問題点があった。

【０００４】本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、独立した複数の熱需要に対して適切に熱エネルギを供給することができるコジェネレーション装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のコジェネレーション装置は、エンジン発電装置の運転による排熱を利用して作られた第１温水を貯溜する貯湯タンクと、前記第１温水を作るため前記貯湯タンク内に設けられた第１熱交換器と、前記第１温水から熱を取出して第２温水を作るため前記第１熱交換器の上方に設けられた第２熱交換器と、前記第１熱交換器の上端近傍と前記第２熱交換器の下端近傍との間に設置された温度センサと、前記温度センサで検出された温度に基づいて前記発電装置の運転を制御するコントローラとを具備した点に第１の特徴がある。

【０００６】また、本発明は、前記第２熱交換器の上方に第２温度センサを設けると共に、前記コントローラが、前記第１温度センサで検出された温度が第１基準温度以下、および／または前記第２温度センサで検出された温度が前記第１基準温度よりも高い値に設定された第２基準温度以下である場合に前記発電装置を駆動するように構成された点に第２の特徴があり、前記第１温度センサで検出された温度が前記第１基準温度よりも高い値に設定された第３基準温度以上になったときに、発電装置を停止させる点に第３の特徴がある。

【０００７】また、本発明は、前記第２温水を供給される熱負荷が要求する温水の温度よりも、前記第１基準温度以上の値に設定した点に第４の特徴がある。 また、本発明は、前記第２熱交換器を含む温水経路に設けられた追い焚きボイラと、前記追い焚きボイラを通過した第２
温水を該温水経路に接続された熱負荷に供給するか、該熱負荷をバイパスして前記第２熱交換器に少なくとも一部を戻すかの切替えを行う弁手段とを具備した点に第５
の特徴がある。

【０００８】さらに、本発明は、前記発電装置をエンジン発電機で構成し、このエンジン発電機の出力電力と商用電力系統から供給される電力とを系統連系させるとともに、前記エンジン発電機を、前記コントローラからの駆動指令に従って一定発電出力で運転する点に第６の特徴がある。

【０００９】第１〜第６の特徴によれば、発電装置から回収した熱量を独立した２つの熱需要に対応して供給することができ、熱需要の有無およびその大きさを貯湯タンク内の温水の温度に基づいて判断し、発電装置を運転することができる。 特に、第２の特徴によれば、要求温度が異なる２種類の熱需要に対応して適切な熱量を発生させることができる。

【００１０】また、第４の特徴によれば、第１温度センサによって検出された水温を監視することによって熱負荷が要求する温度の温水を供給することができる。 また、第５の特徴によれば、追い焚きボイラを経由した温水を貯湯タンクまたは第２熱需要に供給できるので急激な熱需要の変化にも追従できる。

【００１１】さらに、第６の特徴によれば、エンジン発電機が稼働していないときの電気需要が商用電力系統によって担保されるとともに、一定回転により安定的にエンジン発電機の運転を行うことができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。 図１は発電装置を構成するエンジン発電機を商用電力系統に連系させたコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 エンジン発電機１０は、互いに機械的に連結された（内燃）エンジン１１と発電機１２とを含み、エンジン１１が発電機１２を駆動してエンジン回転数に応じた交流電力を発生する。

【００１３】電力変換装置１３は発電機１２から出力された交流電力を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統の位相と同期をとって連系させる機能を有する。 具体的には、発電機１２から出力された交流を直流に変換するコンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するインバータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等の機能を有している。 系統連系用電力変換装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。 電力変換装置１３で変換された発電機１２の出力交流は商用電力系統１４と連系して電気負荷１５に接続されている。

【００１４】エンジン１１は発電機１２の運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジン１１の水冷装置１６で熱交換により回収される。 なお、この熱回収はエンジン１
１のマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ましい。 水冷装置１６を通過する管路１８内の冷却水はポンプ１９で循環され、この冷却水を媒体として貯湯タンク１７に熱量が運搬される。 貯湯タンク１７には前記管路１８に接続された熱交換器（以下、「第１熱交換器」
という）２０が設けられ、図示しない水供給源から貯湯タンク１７に供給された水はこの第１熱交換器２０から熱を得て温水になる。 貯湯タンク１７に蓄えられた温水は、第１熱負荷としての給湯器２１に供給されて利用される。

【００１５】水供給源と貯湯タンク１７との間にはバルブ（図示せず）が設けられ、貯湯タンク１７内の水量が基準値以下になったときに、このバルブが開かれて給水される。 ポンプ１９はエンジン発電機１０の運転に連動して起動する一方、エンジン発電機１０が停止されると、その時点から予定時間（タイマによって設定される）経過後に停止するようにするのがよい。 ポンプ１９
は、エンジン１１側の温度が貯湯タンク１７側より高くなったときに起動してもよい。 なお、本明細書では、水冷装置１６およびポンプ１９を含めた場合のエンジン発電機１０を、「コジェネレーション・ユニット」と呼ぶ。

【００１６】第１熱交換器２０の上方には第２熱交換器２２が設けられる。 第２熱交換器２２に接続された管路２３にはセントラルヒーティングシステムや床暖房システム等、第２熱負荷としての暖房装置２４が接続されており、貯湯タンク１７内の温水を給湯器２１に供給する温水経路とは独立した第２の温水経路を構成している。
この第２の温水経路によって、貯湯タンク１７から２次的に効率よく熱を回収することができる。

【００１７】第２熱交換器２２を第１熱交換器２０よりも上方の位置に配置したのは、第１熱交換器２０から熱量を得た温度の高い水は、対流により第１熱交換器２０
よりも上方に移動しているためである。 第１熱交換器２
０よりも第２熱交換器２２を上方に配置することにより、対流して上方に移動した高温の温水から多くの熱量を取出すことができる。

【００１８】前記第２の温水経路には追い焚きボイラ２
５と三方弁２６とが設けられている。 追い焚きボイラ２
５には第２の温水経路内で温水を循環させるためのポンプ２７が設けられている。 三方弁２６はバイパス２８側または暖房装置２４側に温水を循環させるための切り替え手段である。 この三方弁２６を制御することによって、次のような経路を形成できる。 すなわち、三方弁２
６を暖房装置２４側に切り替えると、貯湯タンク１７から出た温水が追い焚きボイラ２５および暖房装置２４を経て貯湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。 一方、三方弁２６をバイパス２８側に切り替えると、貯湯タンク１７から出た温水が、追い焚きボイラ２５を通過した後、暖房装置２４を経由せず、バイパス２８を経て貯湯タンク１７に戻る温水経路が形成される。

【００１９】前記貯湯タンク１７内には温度センサＴＳ
１が設けられ、温度センサＴＳ１で検知された温水の温度情報Ｔ１はコントローラ２９に供給される。 温度センサＴＳ１は貯湯タンク１７内の、第１熱交換器２０の上端近傍から第２熱交換器２２の下端近傍までの適当な高さに設置されることができるが、最も好ましくは、第１
熱交換器２０と第２熱交換器２２との中間位置に設置されるのがよい。 貯湯タンク１７内では、対流により最下端付近では温度が低くなる傾向があり、最上端近傍では温度が高くなる傾向があるため、上記位置に温度センサＴＳ１を設けて貯湯タンク１７内の平均的な温度を検出できるようにしたものである。

【００２０】コントローラ２９は温度情報Ｔ１に基づいてエンジン１１の始動および停止の制御を行う。 すなわち、温度情報Ｔ１は、貯湯タンク１７の温水を直接的に利用している給湯器２１や、第２熱交換器２２を介して間接的に温水を利用している暖房装置２４等の熱需要を代表しているので、コントローラ２９は、この温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以下であれば熱需要が大きいと判断してエンジン１１を駆動し、熱量を発生させる。 また、温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以上になれば、貯湯タンク１７内には十分な熱量が蓄えられたと判断してエンジン１１を停止させる。

【００２１】基準温度Ｔref-1 は熱負荷の種類や大きさ（つまり給湯器２１や暖房装置２４の種類や大きさ）、
コジェネレーション・ユニット１０の熱出力、および貯湯タンク１７の容量等に基づいて決定される。 基準温度Ｔref-1 はエンジン１１の安定運転のため、つまり頻繁な起動・停止を回避するためのヒステリシスを有している。

【００２２】エンジン１１は、前記温度情報Ｔ１に基づいて駆動する場合、発電機１２が一定の発電電力を出力するように運転してもよいし、電力負荷１５の大きさに応じた発電電力を出力するように、電力負荷追随型で運転してもよい。 一定発電出力型においては、駆動源であるエンジン１１は、その回転数がほぼ一定となる定格運転にすることができるので、燃料消費量が少なくかつ排気ガスの状態も良好な、高い効率の運転が可能である。
ここで、大きい電力需要が生じて発電機１２による発電電力に不足が生じた場合は、商用電源１４からの電力で不足分をまかなうことができる。

【００２３】貯湯タンク１７内の水温は温水消費量つまり熱需要の大きさや、エンジン発電機１０の運転方法つまり一定発電出力型であるか電力負荷追随型であるかによって大きく左右される。 例えば、温水消費量が少ない場合は、温度センサＴＳ１で検出された水温に基づいてコジェネレーション・ユニット１０を運転すれば水温は８０°Ｃ程度に維持できる。 しかし、給湯器２１および暖房装置２４の双方で熱需要が発生した場合のように温水が急激に大量に使用された場合や、システムの立上げ時には、貯湯タンク１７内の温水の温度は低下し、給水される水の温度程度にしかならないことがある。

【００２４】このように、貯湯タンク１７内の水温をコジェネレーション・ユニット１０からの回収熱のみでは基準温度に維持できないときに、追い焚きボイラ２５が有効に機能する。 温水コントローラ３０は、追い焚きボイラ２５と三方弁２６に追い焚き指令Ｂと切替え指令Ｃ
を供給する。 温水コントローラ３０には前記基準温度Ｔ
ref-1 よりも低い下方基準温度Ｔref-L が設定されており、貯湯タンク１７内の水温Ｔ１がこの下方基準温度Ｔ
ref-L を下回った場合に追い焚き指令Ｂおよび切替え指令Ｃをともにオンにする。 追い焚き指令Ｂがオンのときは追い焚きボイラ２５が駆動され、切替え指令Ｃがオンのときは三方弁２６はバイパス２８側に切り替えられる。 これにより、追い焚きボイラ２５で加熱された温水が管路２３を循環し、この温度が高められた温水は第２
熱交換器２２を通じて貯湯タンク１７内の水の温度を上昇させる。

【００２５】貯湯タンク１７内の水温が下方基準温度Ｔ
ref-L を超えたならば追い焚き指令Ｂおよび切替え指令Ｃはともにオフにし、追い焚きボイラ２５を稼働させず、三方弁２６を暖房装置２４側に切り替えて暖房需要に応えられるよう制御する。 下方基準温度Ｔref-L も基準温度Ｔref-1 と同様ヒステリシスを有する。

【００２６】三方弁２６をバイパス２８側に切り替えることによって温水は暖房装置２４に循環しなくなる。 しかし、給湯器２１からの給湯需要が風呂や台所用の給湯であれば、たいていの場合長時間連続して給湯されることは少ない。 また、熱負荷が暖房装置２４の場合、一旦室内の温度が上昇した後は、熱需要の変化が比較的緩慢であるため、室温が低くなり過ぎるということは少なく、実用上の問題は発生しにくい。

【００２７】また、暖房装置２４の熱需要の増大に応じて、三方弁２６を暖房装置２４側に切り替えたまま、追い焚きボイラ２５を駆動させることができる。 これにより、暖房装置２４に十分な温度の温水をすみやかに供給することができる。 暖房装置２４の熱需要の増大は、例えば、暖房装置２４の暖房設定温度に応じて判断することができる。 なお、三方弁２６による切り替えにより、
すべての温水の流れを変えるのに限らず、三方弁２６の開度を可変とし、管路２３の温水の少なくとも一部を第２熱交換器２２に戻すようにしてもよい。

【００２８】次に、第２の実施形態を説明する。 上述の実施形態では貯湯タンク１７内に温度センサＴＳ１を設けたが、さらに第２の温度センサＴＳ２を設けることができる。 図１に示すように、第２の温度センサＴＳ２は温度センサＴＳ１より上方に設置され、好ましくは、第２熱交換器２２よりも上方に設けられる。 温度センサＴ
Ｓ１で検出された温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-1 以下になった場合、または温度センサＴＳ２で検出された温度情報Ｔ２が基準温度Ｔref-2 以下になった場合、コントローラ２９はコジェネレーション・ユニット１０を駆動する。 ここで、基準温度Ｔref-2 は基準温度Ｔref-1
よりも高い値に設定するものとする。 例えば基準温度Ｔ
ref-1 は４０°Ｃ、基準温度Ｔref-2 は５８°Ｃに設定する。

【００２９】このように、温度情報Ｔ１または温度情報Ｔ２が基準の温度よりも低い値を示したときにコジェネレーション・ユニット１０を駆動するようにしたのは、
給湯器２１と暖房装置２４という２つの熱負荷に対応したものである。 すなわち、温水の温度が、低温需要の熱負荷を満足する温度情報Ｔ１以上であっても、高温需要の熱負荷を満足する温度情報Ｔ２に満たなかった場合があったり、その逆の場合もあったりするからである。 こうして、貯湯タンク１７内の上下方向の２か所に温度センサを設けることによって、負荷変動による貯湯タンク１７内の温度分布の変化に対応できる。

【００３０】コジェネレーション・ユニット１０は、温度センサＴＳ１による温度情報Ｔ１が、基準温度Ｔref-
1 より高く設定した基準温度Ｔref-3 （例えば７０°
Ｃ）以上になった場合に停止させる。 温度センサＴＳ１
による温度情報Ｔ１が基準温度Ｔref-3 に達していれば貯湯タンク１７内に貯溜された熱量は十分と判断できるからである。

【００３１】基準温度Ｔref-1 を、前記管路２３に接続される熱負荷（本実施形態では暖房装置２４）で使用する温水の温度以上に設定しておくことにより、前記温度センサＴ１で検出された温度情報Ｔ１を監視してコジェネレーション・ユニット１０に始動・停止の指令を出力する手段のみを設けるだけで、他に要素を付加することなく熱需要の変動に対応することができる。

【００３２】また、コジェネレーション・ユニット１０
を、１日のうち、特定の時間内でのみ運転できるようにコントローラ２９内に時計装置（タイマ）を設け、その時間内において、前記温度センサＴ１，Ｔ２による温度検出結果に基づいて始動・停止の制御を行うようにしてもよい。 このように、温度センサＴ１，Ｔ２の検出結果に基づく運転条件に他の条件を加えて、コジェネレーション・ユニット１０の運転を行うことは任意である。

【００３３】次に、貯湯タンク１７の温水の具体的な利用態様を説明する。 第２熱交換器２２上方の貯湯タンク１７の空間を４０リットル以上とする。 例えばこの空間を５０リットルとし、その水温を７０°Ｃとするようにコントローラ２９でエンジン発電機１０を制御する。 そして、この５０リットルの水に１０°Ｃの水５０リットルを混合させると、４０°Ｃの温水を１００リットル得ることができ、一般的なバスタブを満杯にすることができる。

【００３４】また、第１熱交換器２０上方の貯湯タンク１７の空間を１００リットルとし、その水温を４０°Ｃ
とするようにコントローラ２９でエンジン発電機１０を制御することにより、水を混合させることなく、一般的なバスタブを満杯にすることができる温水を得ることができる。

【００３５】このように、貯湯タンク１７の容積や温度検知位置を設定することにより、エンジン発電機１０や追い焚きボイラ２５の駆動および停止の繰り返し回数を減らすことができる。 これにより、エンジン発電機１０
や追い焚きボイラ２５の寿命を延ばすことができるとともに、これらの機器の熱出力を小さくでき、システム全体を低コスト化することができる。

【００３６】上記システムは次のような変形が可能である。 図１において、貯湯タンク１７と給湯器２１とをつなぐ管路３３上に混合弁３４を設け、給水源からの水をこの混合弁３４に接続するための管路３５を設ける。 貯湯タンク１７の上部における水温は８０°Ｃという高温であることがある。 この高温の温水を給湯器２１に直接供給すると使用するには高温すぎることがある。 そこで、混合弁３４で温度の低い水と混合することにより、
風呂や台所用に適した温水を得ることができる。 混合弁３４は、次のように制御できる。 例えば、貯湯タンク１
７内の温水の温度が前記基準温度Ｔref-2 以下では給水側の管路３５を閉じる一方、この温水の温度がこの基準温度Ｔref-2 を超過していたならば給水側の管路３５を開き、貯湯タンク１７からの温水に温度の低い水を混合させる。 なお、混合弁３４は開度が可変であるのが望ましい。

【００３７】上記コジェネレーション・システムは複数のユニットに分けて構成することができる。 図１において、コジェネレーション・ユニット１０を第１のユニットＵ１、追い焚きボイラ２５を第２のユニットＵ２、貯湯タンク１７と三方弁２６および混合弁３４とを第３のユニットＵ３に分けることができる。 これらのユニット間は配管によって接続できるので、設置場所の状況に応じた配置が可能であり、かつ利用者のニーズに応じて、
コジェネレーション・ユニット１０の発電／熱出力、追い焚きボイラ２５の熱出力、および貯湯タンク１７の容量等を自由に選択することができる。 また、追い焚きボイラ２５や貯湯タンク１７は市販されているものの中から適当な容量のものを選択することができる。

【００３８】なお、これらのユニット構成は、図示の例に限らない。 例えば、ユニットＵ１のポンプ１９はユニット３側にあってもよいし、ユニットＵ３の三方弁２６
や混合弁３４は外付けつまり外部配管に含めてもよい。
また、コントローラ２９および温水コントローラ３０はマイクロコンピュータによって構成することができ、その場合、両者は一体として、単一のＣＰＵで制御することもできる。

【００３９】前記ユニットＵ１〜Ｕ３のうち、追い焚きボイラ２５や貯湯タンク１７については、壁掛け型とすることができる。 家庭用等、比較的小型のシステムでは追い焚きボイラ２５や貯湯タンク１７は小型のものでもよいため、このように壁掛け型にすることによって、全システムの設置投影床面積を小さくできるだけでなく、
立体的な空間使用により、配管の自由度を高めることができる。

【００４０】以上、本発明を好ましい実施形態に従って説明したが、種々の変形は可能である。 例えば、給湯器２１や暖房装置２４等の熱負荷はこれらに限定されず、
設置台数も上述の実施形態に限定されない。 また、貯湯タンク１７の容量に対して暖房装置２４での消費熱量が小さいシステムでは、追い焚きボイラ２５や三方弁２６
を省略することができる。

【００４１】なお、以上の実施例では排熱を利用する発電装置としてエンジン発電機について説明したが、燃料電池発電装置等の他の発電装置にも同様に適用することが可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項６の発明によれば、独立した２つの熱需要に対して発電装置から適切な熱出力を供給することができる。 熱需要を直接は判断することなく温度センサの検出結果に基づいて発電装置を運転すればよいので制御を簡単にすることができる。 特に、請求項２の発明によれば、２か所の温度センサにより貯湯タンク内の温度分布の変化にも対応することができる。

【００４３】また、熱需要に応じて発電装置を細かく運転・停止できるので排気される熱エネルギを抑制することができる一方、熱需要中心の運転により特に熱需要の大きい寒冷地域における、セントラルヒーティングのような家庭用エネルギ供給源としてきわめて有用である。

【００４４】請求項５の発明によれば、発電装置から回収した排熱では十分に応じきれない急激な熱需要の変化に対しても対応することができるし、第２熱交換器を、
貯湯タンクから第２熱需要への熱量の取出しと、追い焚きボイラによる貯湯タンクへの熱量の供給とに兼用できる。

【００４５】請求項６の発明によれば、エンジン発電装置を熱需要に応じて一定発電出力で運転することにより、燃料消費量の削減および排気ガスの良好状態を維持することができ、かつエンジンの長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発電機、 １３…電力変換装置、 １４…商用電力系統、
１５…電気負荷、 １６…水冷装置、 １７…貯湯タンク、 ２０…第１熱交換器、 ２１…給湯器、 ２２
…第２熱交換器、２４…暖房装置、 ２５…追い焚きボイラ、 ２６…三方弁、 ２９…コントローラ、 ３０
…温水コントローラ