JP2009257656A - 熱電併給手段を用いた貯湯設備及びその貯湯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な装置を付加することなく、簡単な構成で水供給路での水の凍結を防止でき、安定に連続運転できる熱電併給手段を用いた貯湯設備及びその貯湯方法を提供する。
【解決手段】水を貯留する貯留タンク１１と、電力発生時に貯留タンク１１内の水を加熱する熱を発生する熱電併給手段１２と、貯留タンク１１と熱電併給手段１２を接続し、貯留タンク１１内の水を熱電併給手段１２へ送る水供給路１３及び熱電併給手段１２で加熱された水を貯留タンク１１へ送る湯供給路１４と、水供給路１３と湯供給路１４を接続するバイパス路１５とを有する熱電併給手段を用いた貯湯設備１０であって、湯供給路１４に設けられた流路切替え機構２７により、寒冷時に湯供給路１４を流れる加熱された水の一部又は全部を、バイパス路１５を経由して水供給路１３に流し、水供給路１３を流れる水の温度を上昇させて、外気により水供給路１３を流れる水が凍結することを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、エンジン発電機や燃料電池のような熱電併給手段が発生する電力を負荷に供給すると共に、熱電併給手段の運転に伴って発生する排熱で水を加熱する貯湯設備及びその貯湯方法に関する。

従来、電力発生時に熱を発生する熱電併給手段と、熱電併給手段の排熱を回収する冷却水循環路と、この熱電併給手段の排熱で加熱された水を貯留する貯留タンクを備え、この貯留タンク内の湯を給湯に利用するコージェネレーションシステムが使用されている。この冷却水循環路は、貯留タンク内の水を熱電併給手段へ送る水供給用配管と、熱電併給手段で加熱された水を貯留タンクへ送る湯供給用配管を有し、熱電併給手段の排熱を吸収して高温となった冷却水を取り出し、貯留タンクへ貯留して給湯に利用し、給湯に伴い水流入用配管より貯留タンクに供給された水を、冷却水として熱電併給手段に還流する循環路である。
この水供給用配管は、屋外に配置され、しかも外気に曝されるため、外気の温度によっては、水供給用配管内で水が凍結し、水供給用配管等を損傷する場合があった。
そこで、冷却水循環路内の冷却水の凍結を防止する装置を備えたコージェネレーションシステムが、各種提案されている。

例えば、特許文献１には、熱電併給手段と貯留タンクと循環路を備え、この循環路に設けられた温度センサーにより循環路を流れる水の温度を取得する温度取得手段と、温度取得手段により取得された温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断手段と、温度判断手段により温度が所定値以下であると判断された場合に、湯供給用配管内の水をヒータにより加熱する加熱制御手段と、温度判断手段により温度が所定値以下であると判断された場合に、循環路の途中に設けられたポンプにより、循環路の水を循環させる循環制御手段とを有するコージェネレーションシステムが開示されている。

また、特許文献２には、熱電併給手段と貯留タンクと循環路を備え、熱電併給手段と貯留タンクの少なくとも一方に設けられた温度センサーにより環境温度を取得する温度取得手段と、温度取得手段により取得された環境温度が所定値以下であるか否かを判断する温度判断手段と、温度判断手段により環境温度が所定値以下であると判断された場合に、循環路の水をヒータにより加熱する加熱制御手段と、温度判断手段により環境温度が所定値以下であると判断された場合に、循環路の途中に設けられたポンプにより、循環路の水を循環させる循環制御手段とを有するコージェネレーションシステムが開示されている。

特許文献３には、熱電併給手段と、この熱電併給手段に水素を供給する改質器と、改質器を加熱する改質器用燃焼装置と、熱電併給手段と改質器用燃焼装置を収納する発電ユニットハウジングと、貯留タンクと、循環路と、熱電併給手段が非発電中で水の温度が所定温度以下のときに、改質器用燃焼装置を強制的に運転させる制御装置を有するコージェネレーションシステムが開示されている。また、この特許文献３には、熱電併給手段と、貯留タンクと、循環路と、貯留タンク内の温水を設定温度まで加熱して温水利用箇所に供給する調温用燃焼装置と、貯留タンクに水を給水する給水管と、少なくとも給水管と調温用燃焼装置を収納する蓄熱ユニットハウジングと、熱電併給手段が非発電中で水の温度が所定温度以下のときに、調温用燃焼装置を強制的に運転させる制御装置を有するコージェネレーションシステムが開示されている。

そして、特許文献４には、熱電併給手段と、貯留タンクと、循環路と、貯留タンクに水を補給する第１給水路と、貯留タンクからの出湯管に混合する水を給水する第２給水路と、貯留タンクを通過して第１給水路と第２給水路に併行し、伝熱する経路を含む凍結防止経路と、凍結防止経路の湯水を循環させるポンプと、外気温が第１所定温度以下又は給水温度が第２所定温度以下のときにポンプを駆動するポンプ制御装置とを有するコージェネレーションシステムが開示されている。

更に、特許文献５には、熱電併給手段と、貯留タンクと、循環路と、この循環路の温水を循環させるポンプと、熱電併給手段が運転停止中であって、外気温が所定温度以下のときに、ポンプを強制駆動するポンプ制御装置とを備えるコージェネレーションシステムが開示されている。

特開２００８−３２３２０号公報 特開２００８−３２３２１号公報 特開２００４−１０８１７３号公報 特開２００４−６０９８０号公報 特開２００３−２５４６２１号公報

しかしながら、前記従来のコージェネレーションシステムには、未だ解決すべき以下のような問題があった。
特許文献１では、循環路にヒータを設けなければならず、電力消費量が増大して経済的でない。特に、最も凍結の恐れがある水供給用配管内を流れる水のみを、加熱の対象とするものではないため、無駄な電力が消費されるという問題もある。
また、水を加熱するヒータや、この加熱された水を循環させるためのポンプが新たに必要となり、設備コストがかかって経済的でない。

また、特許文献２も、特許文献１と同様、循環路にヒータを設けなければならないため、電力消費量が増大して経済的でなく、更にヒータやポンプが新たに必要となるため、設備コストがかかって経済的でない。
また、熱電併給手段又は貯留タンクに設けられた温度センサーから取得した環境温度に基づき、ヒータやポンプを駆動させているため、最も凍結の恐れがある水供給用配管内の水の温度を対象としていない。このため、外気の温度によっては、水供給用配管内の水が凍結する恐れがある。

また、特許文献３では、改質器用燃焼装置又は調温用燃焼装置の燃焼ガスを、発電ユニットハウジング内又は蓄熱ユニットハウジング内に放出することにより、各ハウジング内の機器を加熱しているので、各ハウジング内の全機器（凍結防止の必要の無い機器も含む）の熱容量に見合うだけの発熱量が必要となり、燃料消費が大きくなるという問題があった。また、発電ユニットハウジングと蓄熱ユニットハウジングを接続する配管は、直接外気に曝され、凍結の危険性が高いが、この配管を直接加熱する手段がなく、配管内の水の凍結を効果的に防止できないという問題もある。

そして、特許文献４では、第１給水路と第２給水路に併行し、伝熱する経路を含む専用の凍結防止経路が必要なので、構造が複雑になり、コストの上昇を招くという問題があった。

更に、特許文献５では、貯留タンク内の温水を循環路の凍結防止に使用するので、貯留タンク内の温水の温度が低下するという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、特別な装置を付加することなく、簡単な構成で水供給路での水の凍結を防止でき、安定に連続運転できる熱電併給手段を用いた貯湯設備及びその貯湯方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備は、外部から供給された水を貯留する貯留タンク、電力発生時に該貯留タンク内の水を加熱する熱を発生する熱電併給手段、前記貯留タンクと前記熱電併給手段を接続し前記貯留タンク内の水を前記熱電併給手段へ送る水供給路、前記貯留タンクと前記熱電併給手段を接続し該熱電併給手段で加熱された水を前記貯留タンクへ送る湯供給路、及び前記水供給路と前記湯供給路を接続するバイパス路を有し、外気により前記水供給路を流れる水が凍結することを防止する熱電併給手段を用いた貯湯設備であって、
前記湯供給路に、寒冷時に該湯供給路を流れる加熱された水の一部又は全部を、前記バイパス路を経由して前記水供給路に流し、該水供給路を流れる水の温度を上昇させる流路切替え機構を設けた。

第１の発明に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備において、前記流路切替え機構は、前記湯供給路と前記バイパス路との接続箇所に設けられる三方弁で構成されることが好ましい。
第１の発明に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備において、前記流路切替え機構は、前記湯供給路と前記バイパス路にそれぞれ設けられる開閉弁で構成されることが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る熱電併給手段を用いた貯湯方法は、外部から供給し貯留された貯留タンク内の水を、水供給路を介して電力発生時に熱を発生する熱電併給手段へ送って加熱し、該熱電併給手段で加熱された水を、湯供給路を介して前記貯留タンクへ送って貯留するに際し、外気により前記水供給路を流れる水が凍結することを防止する熱電併給手段を用いた貯湯方法であって、
前記湯供給路に設けられた流路切替え機構により、寒冷時に該湯供給路を流れる加熱された水の一部又は全部を、前記水供給路と前記湯供給路を接続するバイパス路を経由して前記水供給路に流し、該水供給路を流れる水の温度を上昇させる。

請求項１〜３記載の熱電併給手段を用いた貯湯設備、及び請求項４記載の熱電併給手段を用いた貯湯方法は、湯供給路を流れる加熱された水の一部又は全部を、流路切替え機構によりバイパス路を経由して水供給路に流すので、水供給路を流れる水の温度を、水が凍結しない温度まで上昇させることができ、水供給路での水の凍結を防止できる。
ここで、湯供給路を流れる加熱された水の一部を水供給路に流した場合は、水供給路での水の凍結を防止しながら、加熱された水を貯留タンクへ供給することもできるので、貯留タンク内の加熱された水の貯留量を高いレベルに維持できる。
これにより、特別な装置を付加することなく簡単な構成で、熱電併給手段を用いた貯湯設備を、安定に連続運転できる。

特に、請求項２記載の熱電併給手段を用いた貯湯設備は、流路切替え機構を、湯供給路とバイパス路との接続箇所に設けられる三方弁で構成するので、設備構成を簡単かつ安価にできる。
請求項３記載の熱電併給手段を用いた貯湯設備は、流路切替え機構を、湯供給路とバイパス路にそれぞれ設けられる開閉弁で構成するので、例えば、従来から湯供給路に設けられている開閉弁を利用することができ、設備構成の変更箇所を少なくできて経済的である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここで、図１は本発明の一実施の形態に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備の説明図、図２（Ａ）は同熱電併給手段を用いた貯湯設備の流路切替え機構の部分拡大図、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ第１、第２の変形例に係る流路切替え機構の部分拡大図である。

図１、図２（Ａ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備（以下、単に貯湯設備ともいう）１０は、水を貯留する貯留タンク１１と、電力発生時に貯留タンク１１内の水を加熱する熱を発生する燃料電池（熱電併給手段の一例）１２と、貯留タンク１１と燃料電池１２を接続する水供給用配管（水供給路の一例）１３及び湯供給用配管（湯供給路の一例）１４と、水供給用配管１３と湯供給用配管１４を接続するバイパス用配管（バイパス路の一例）１５とを有し、外気により水供給用配管１３内を流れる水が凍結することを防止する設備である。以下、詳しく説明する。

貯留タンク１１は、常時は加熱された水、即ち湯（例えば、６０℃以上８０℃以下程度）を貯留するものである。
この貯留タンク１１の下部には、水道（外部）から水を取入れるための水流入用配管１６が接続され、この水流入用配管１６には開閉弁１７が取付けられている。この開閉弁１７を開閉することにより、貯留タンク１１内に水を供給できる。
また、貯留タンク１１の上部（頭頂部）には、必要に応じて湯を供給する湯排出用配管１８が接続され、この湯排出用配管１８には開閉弁１９が取付けられている。この開閉弁１９を開閉することにより、必要に応じて、給湯（例えば、浴槽のお湯はり）できる。
なお、貯留タンク１１内の湯は、貯留タンク１１内に滞留時間の経過と共に、熱を失って温度が低下するため、この温度が低下した湯が、貯留タンク１１内の下部に溜まる。

燃料電池１２は、電力負荷２０に供給する電力の副産物として生じる排熱を、冷却水に吸収させて排出する冷却管２１とポンプ２２を備えている。なお、ここでは、ポンプを燃料電池１２に組み込んでいるが、ポンプは、水供給用配管１３とバイパス用配管１５の接続箇所より燃料電池１２側で、しかも湯供給用配管１４とバイパス用配管１５の接続箇所より燃料電池１２側であれば、いずれの位置に配置しても構わない。
熱電併給手段は、燃料電池１２のように、電気化学的な発電手段を含むものだけでなく、エンジン発電機のように、熱機関等を動力とする発電機等も含まれる。即ち、電力を発生させると、その副産物として熱を排出する装置は、全て熱電併給手段に含まれる。
この燃料電池１２で加熱された水には、燃料電池１２の排熱により加熱された冷却水のみならず、燃料電池１２内で生成する高温の水も含まれる。

上記した貯留タンク１１の下部には、水供給用配管１３の上流側端部が接続され、この水供給用配管１３の下流側端部が、燃料電池１２の冷却管２１の一側に接続されている。これにより、貯留タンク１１内の水を燃料電池１２へ送り、加熱することができる。
この水供給用配管１３の貯留タンク１１側には、ファンを備えるラジエータ２３と温度センサー２４が設けられ、温度センサー２４で測定された水供給用配管１３内を流れる水の温度が高過ぎる場合には、ラジエータ２３により水温を低下できる構成となっている。なお、温度センサー２４は、ラジエータ２３の下流側に配置されているが、上流側でもよい。

また、貯留タンク１１の上部には、湯供給用配管１４の下流側端部が接続され、この湯供給用配管１４の上流側端部が、燃料電池１２の冷却管２１の他側に接続されている。これにより、燃料電池１２で加熱された水を貯留タンク１１へ送り貯留できる。
この湯供給用配管１４の燃料電池１２近傍には、温度センサー２５が設けられ、燃料電池１２から排出された湯供給用配管１４内を流れる湯の温度を測定可能な構成となっている。また、湯供給用配管１４の貯留タンク１１近傍には、開閉弁２６が設けられ、燃料電池１２で加熱された水の貯留タンク１１への流れ込みを停止できる構成となっている。

以上に示した水供給用配管１３と湯供給用配管１４は、バイパス用配管１５で接続されている。
水供給用配管１３とバイパス用配管１５との接続箇所は、ラジエータ２３と貯留タンク１１の間（ラジエータ２３の上流側）である。なお、水供給用配管１３に取付ける温度センサーを、ラジエータ２３の上流側に配置した場合は、温度センサーと貯留タンク１１の間（温度センサーの上流側）にする。
また、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５との接続箇所は、貯留タンク１１近傍であって、しかも湯供給用配管１４に設けられた開閉弁２６よりも上流側位置である。

図２（Ａ）に示すように、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５との接続箇所には、三方弁（流路切替え機構の一例）２７が設けられている。
この三方弁２７は、燃料電池１２で加熱され湯供給用配管１４を流れる湯が、所定の割合（例えば、全流量の１０〜９０％の割合、ここでは５０％）バイパス用配管１５へ流れるようになっている。
なお、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５との接続箇所に、湯供給用配管１４（貯留タンク１１側）とバイパス用配管１５へ、それぞれ流す湯の割合を可変にできる流量調整弁を設けることもできる。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５との接続箇所に、湯供給用配管１４を流れる湯の流路を切替えることができ、湯供給用配管１４のみ、又はバイパス用配管１５のみに流す三方弁（流路切替え機構の一例）２８を設けてもよい。
また、図２（Ｃ）に示すように、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５との接続箇所２９よりも下流側位置の湯供給用配管１４とバイパス用配管１５に、開閉弁３０、３１をそれぞれ設け、湯供給用配管１４（貯留タンク１１側）とバイパス用配管１５へ、それぞれ所定の割合（例えば、バイパス用配管１５へ、全流量の１０〜９０％の割合）で、湯を流すこともできる。なお、開閉弁３０と開閉弁３１で、流路切替え機構が構成されている。

以上に示した燃料電池１２、各開閉弁１７、１９、２６、３０、３１、各三方弁２７、２８、ポンプ２２、及びラジエータ２３の各動作は、貯湯設備１０に設けられた制御手段（図示しない）により制御されている。
これにより、湯供給用配管１４を流れる湯の一部を、バイパス用配管１５を経由して水供給用配管１３に流し、水供給用配管１３を流れる水の温度を上昇させることができるので、水供給用配管１３を流れる水が外気により凍結することを防止できる。なお、湯を貯留タンク１１へ供給しない場合は、湯供給用配管１４に設けられた開閉弁２６を閉状態にすることで、湯供給用配管１４を流れる全ての湯をバイパス用配管１５へ流すことができる。

続いて、本発明の一実施の形態に係る熱電併給手段を用いた貯湯方法について、前記した貯湯設備１０を参照しながら説明する。
まず、開閉弁１７を開状態にすることにより、貯留タンク１１の下部から水を供給する。
この貯留タンク１１内に供給された水は、水供給用配管１３を通って燃料電池１２へ送られ、燃料電池１２の排熱によって加熱された後、湯供給用配管１４を通って貯留タンク１１の上部から、貯留タンク１１内へ送られる。

この操作を順次繰り返すことで、貯留タンク１１内の湯の温度を、例えば、６０℃以上８０℃以下程度にできる。なお、この温度は、貯留タンク１１に設けられた温度センサー（図示しない）により検出され、制御手段へ送信される。
このとき、湯供給用配管１４に取付けられた温度センサー２５が、例えば、５０℃以下であれば、貯留タンク１１へ供給しても、湯としての使用価値がないため、湯供給用配管１４に設けられた開閉弁２６を閉状態とし、この湯をバイパス用配管１５を介して水供給用配管１３へ流し、再度燃料電池１２へ送って加熱する。
これにより、貯留タンク１１内の湯の温度を、適切なレベルに維持できる。

また、開閉弁１９を開状態として貯留タンク１１内の湯を使用した場合は、貯留タンク１１内の圧力が下がるので、水道水の給水圧力により補給される。なお、開閉弁１７は、通常開の状態である。
貯留タンク１１内の湯は、貯留タンク１１内に滞留時間の経過と共に温度が低下して、貯留タンク１１の下部に溜まるため、この湯と共に補った水を燃料電池１２へ送って加熱し、再度貯留タンク１１内に貯留する。
ここで、水供給用配管１３を流れる水の温度が、例えば、４０℃以上の場合は、燃料電池１２の冷却ができなくなるため、ラジエータ２３により水の温度を４０℃未満に低下させながら、燃料電池１２へ送る。これにより、燃料電池１２を連続運転できる。

常時は、上記した方法により、貯留タンク１１内の湯の温度を目的とする温度レベルに維持しながら、貯湯設備１０を安定に連続運転できるが、例えば、冬季になると、外気温が低下するため、水供給用配管１３内を流れる水の温度が低ければ（例えば、５℃未満）、水供給用配管１３内で水が凍結する可能性がある。
そこで、水供給用配管１３に取付けられた温度センサー２４により、水供給用配管１３内を流れる水の温度を検出し、凍結する可能性があれば、三方弁２７により、湯供給用配管１４を流れる湯の一部又は全部を、バイパス用配管１５を経由して水供給用配管１３に流し、水供給用配管１３を流れる水の温度を、現状より上昇させる（例えば、１０℃以上）。

ここで、湯供給用配管１４とバイパス用配管１５へ流す湯の割合を可変にする場合は、水供給用配管１３に取付けられた温度センサー２４の測定結果から、水供給用配管１３内を流れる水が凍結しない条件、例えば、１０℃以上１５℃以下となるように、三方弁２７の開度を調節する。
以上の方法により、水供給用配管１３内を流れる水の凍結を防止しながら、貯留タンク１１内へ可能な限り多くの湯を供給できる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の熱電併給手段を用いた貯湯設備及びその貯湯方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。

本発明の一実施の形態に係る熱電併給手段を用いた貯湯設備の説明図である。 （Ａ）は同熱電併給手段を用いた貯湯設備の流路切替え機構の部分拡大図、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ第１、第２の変形例に係る流路切替え機構の部分拡大図である。

符号の説明

１０：熱電併給手段を用いた貯湯設備、１１：貯留タンク、１２：燃料電池（熱電併給手段）、１３：水供給用配管（水供給路）、１４：湯供給用配管（湯供給路）、１５：バイパス用配管（バイパス路）、１６：水流入用配管、１７：開閉弁、１８：湯排出用配管、１９：開閉弁、２０：電力負荷、２１：冷却管、２２：ポンプ、２３：ラジエータ、２４、２５：温度センサー、２６：開閉弁、２７、２８：三方弁（流路切替え機構）、２９：接続箇所、３０、３１：開閉弁

Claims (4)

1. 外部から供給された水を貯留する貯留タンク、電力発生時に該貯留タンク内の水を加熱する熱を発生する熱電併給手段、前記貯留タンクと前記熱電併給手段を接続し前記貯留タンク内の水を前記熱電併給手段へ送る水供給路、前記貯留タンクと前記熱電併給手段を接続し該熱電併給手段で加熱された水を前記貯留タンクへ送る湯供給路、及び前記水供給路と前記湯供給路を接続するバイパス路を有し、外気により前記水供給路を流れる水が凍結することを防止する熱電併給手段を用いた貯湯設備であって、
   前記湯供給路に、寒冷時に該湯供給路を流れる加熱された水の一部又は全部を、前記バイパス路を経由して前記水供給路に流し、該水供給路を流れる水の温度を上昇させる流路切替え機構を設けたことを特徴とする熱電併給手段を用いた貯湯設備。
2. 請求項１記載の熱電併給手段を用いた貯湯設備において、前記流路切替え機構は、前記湯供給路と前記バイパス路との接続箇所に設けられる三方弁で構成されることを特徴とする熱電併給手段を用いた貯湯設備。
3. 請求項１記載の熱電併給手段を用いた貯湯設備において、前記流路切替え機構は、前記湯供給路と前記バイパス路にそれぞれ設けられる開閉弁で構成されることを特徴とする熱電併給手段を用いた貯湯設備。
4. 外部から供給し貯留された貯留タンク内の水を、水供給路を介して電力発生時に熱を発生する熱電併給手段へ送って加熱し、該熱電併給手段で加熱された水を、湯供給路を介して前記貯留タンクへ送って貯留するに際し、外気により前記水供給路を流れる水が凍結することを防止する熱電併給手段を用いた貯湯方法であって、
   前記湯供給路に設けられた流路切替え機構により、寒冷時に該湯供給路を流れる加熱された水の一部又は全部を、前記水供給路と前記湯供給路を接続するバイパス路を経由して前記水供給路に流し、該水供給路を流れる水の温度を上昇させることを特徴とする熱電併給手段を用いた貯湯方法。

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