特許 5760303 熱供給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5760303

(24)【登録日】2015年6月19日

(45)【発行日】2015年8月5日

(54)【発明の名称】熱供給システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 30/02 20060101AFI20150716BHJP

   F24H 1/00 20060101ALI20150716BHJP

【ＦＩ】

   F25B30/02 Z

   F24H1/00 611B

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2009-223998(P2009-223998)

(22)【出願日】2009年9月29日

(65)【公開番号】特開2011-75131(P2011-75131A)

(43)【公開日】2011年4月14日

【審査請求日】2012年8月6日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003687

【氏名又は名称】東京電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100179833

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 将尚

(74)【代理人】

【識別番号】100114937

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】梅沢 修一

【審査官】 鈴木 充

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０１９６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９２４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３０８１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１５７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１９８３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−１３５６２７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００７−２５５７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２７５３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１３０８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０７４７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−２４０３４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ ３０／０２

Ｆ２５Ｂ ３９／０４

Ｆ２４Ｈ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部装置に向けて空気を供給する供給装置と、
第２流体が流れるヒートポンプを含む第１装置であって、前記第２流体の熱が前記空気に伝達可能な前記第１装置と、
前記第１装置からの前記空気を加熱する第２装置と、
前記ヒートポンプを、部分負荷状態を含む全負荷と無負荷の間の負荷状態で運転制御する制御装置と、を備え、
前記第２装置は第３流体を加熱し、前記第３流体の熱が前記第１装置からの前記空気に伝達可能であり、
前記ヒートポンプは、前記第２装置から排出された前記第３流体からの熱を吸収可能な吸熱部を有し、
前記吸熱部は、前記外部装置から排出された前記空気からの熱をさらに吸収可能であり、
前記第２装置は、前記空気を加熱する燃焼室を有するボイラーであり、
前記制御装置は、前記外部装置において要求される前記空気の流量と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプの負荷割合を制御する
熱供給システム。

【請求項2】

前記第２装置は、前記ヒートポンプを流れる前記第２流体の熱が前記第３流体に伝わる予熱部と、前記予熱部からの前記第３流体を加熱する加熱部と、を有する、請求項１に記載の熱供給システム。

【請求項3】

前記制御装置は、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、前記外部装置において要求される前記空気の流量と、前記第２装置の出口条件と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプの負荷割合と、前記予熱部における前記第３流体の加熱量と、を制御する、請求項１又は２に記載の熱供給システム。

【請求項4】

前記空気を加熱した前記第２流体がその後で前記第３流体を加熱する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱供給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱供給システムに関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平６−２４９４５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

本発明は、エネルギー効率の高い熱供給システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に従えば、外部装置に向けて空気を供給する供給装置と、第２流体が流れるヒートポンプを含む第１装置であって、前記第２流体の熱が前記空気に伝達可能な前記第１装置と、前記第１装置からの前記空気を加熱する第２装置と、前記ヒートポンプを、部分負荷状態を含む全負荷と無負荷の間の負荷状態で運転制御する制御装置と、を備え、前記第２装置は第３流体を加熱し、前記第３流体の熱が前記第１装置からの前記空気に伝達可能であり、前記ヒートポンプは、前記第２装置から排出された前記第３流体からの熱を吸収可能な吸熱部を有し、前記吸熱部は、前記外部装置から排出された前記空気からの熱をさらに吸収可能であり、前記第２装置は、前記空気を加熱する燃焼室を有するボイラーであり、前記制御装置は、前記外部装置において要求される前記空気の流量と、一次エネルギー効率とに基づいて、前記ヒートポンプの負荷割合を制御する熱供給システムが提供される。

【0007】

この熱供給システムによれば、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。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態を示す概略図である。

【図2】乾燥用空気の熱交換の様子の一例示す図である（給水加熱（予熱）無し）。

【図3】乾燥用空気の熱交換の様子の別の一例を示す図である（給水加熱（予熱）有り）。

【図4】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。

【図5】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。

【図6】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。

【図7】他の実施形態を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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、一実施形態における熱供給システムＳ１を示す概略図である。

【0010】

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、供給装置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。

【0011】

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。

【0012】

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供給装置１６を流れる被加熱流体（第１流体、空気など）を加熱することができる。

【0013】

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。後述するように、本実施形態において、吸熱部２１は、第２加熱装置１４から排出された流体（ドレン）からの熱を吸収可能であり、さらに、外部装置９５から排出された流体（排ガス）からの熱を吸収可能である。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

本実施形態において、放熱部２３は、第１放熱部２３Ａと、第２放熱部２３Ｂとを有する。第１放熱部２３Ａは、圧縮部２２からの作動流体が流れ、その作動流体からの熱が供給装置１６を流れる被加熱流体に伝わる導管を有する。第２放熱部２３Ｂは、第１放熱部２３Ａからの作動流体が流れ、その作動流体からの熱が第２加熱装置１４を流れる流体に伝わる導管を有する。本実施形態において、ヒートポンプ２０は、第１放熱部２３Ａ及び／又は第２放熱部２３Ｂを流れる作動流体の流量を制御する構成を有することができる。この構成において、例えば、ヒートポンプ２０は、バイパス経路、流量センサ、流路制御弁などを有することができる。

【0017】

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にできる。

【0018】

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熱媒体（水など）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。

【0019】

本実施形態において、第２加熱装置１４は、ヒートポンプ２０を流れる作動流体の熱が熱媒体（水など）に伝わる予熱部（給水加熱部）１４２と、予熱部１４２からの熱媒体を加熱する加熱部１４４とを有する。第２加熱装置１４は、さらに、熱媒体としての水が流れる導管、ポンプなどの流体駆動機器、流体制御用の弁などを有することができる。

【0020】

予熱部１４２は、第１加熱装置１２におけるヒートポンプ２０の第２放熱部２３Ｂに熱的に接続されかつ水が流れる導管を含む。予熱部１４２と第２放熱部２３Ｂ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（第２加熱装置１４（ボイラ４０）に供給される水）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。第２放熱部２３Ｂの導管と予熱部１４２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、第２放熱部２３Ｂの導管を、予熱部１４２の導管の外周面や内部に配設することができる。予熱部１４２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、導管内の水が予熱されて温度上昇する（給水加熱）。

【0021】

加熱部１４４は、予熱部１４２からの予熱された水をさらに加熱する。本実施形態において、加熱部１４４はボイラ４０の燃焼室４２に熱的に接続される。他の実施形態において、加熱部１４４は電気ヒータに熱的に接続されることができる。加熱部１４４において、ボイラ４０の燃焼室４２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。

【0022】

供給装置１６は、第１加熱装置１２及び第２加熱装置１４を用いて加熱された流体（被加熱流体）を外部装置９５に供給する。供給装置１６は、第１加熱部６２と、第２加熱部６４とを有する。供給装置１６は、さらに、被加熱流体が流れる導管、ポンプなどの流体駆動機器、流体制御用の弁などを有することができる。

【0023】

本実施形態において、被加熱流体は空気であり、外部装置９５には高温の空気（乾燥用空気）が供給される。他の実施形態において、被加熱流体は乾燥用以外の空気、あるいは空気以外の流体にできる。空気以外の被加熱流体としては、例えば、圧縮水、薬品、粘性液などが挙げられる。

【0024】

第１加熱部６２は、第１加熱装置１２におけるヒートポンプ２０の第１放熱部２３Ａに熱的に接続されかつ空気が流れる導管を含む。第１加熱部６２と第１放熱部２３Ａを含んで熱交換器３２が構成される。熱交換器３２は、低温の流体（供給装置１６内の空気）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３２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３２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。第１放熱部２３Ａの導管と第１加熱部６２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、第１放熱部２３Ａの導管を、第１加熱部６２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６２において、ヒートポンプ２０の第１放熱部２３Ａからの伝達熱によって、導管内の空気が温度上昇する。

【0025】

第２加熱部６４は、第２加熱装置１４の放熱部１４６に熱的に接続されかつ第１加熱部６２からの空気が流れる導管を含む。第２加熱部６４と放熱部１４６を含んで熱交換器３３が構成される。熱交換器３３は、低温の流体（供給装置１６内の空気）と高温の流体（放熱部１４６内の蒸気）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３３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３３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１４６の導管と第２加熱部６４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１４６の導管を、第２加熱部６４の導管の外周面や内部に配設することができる。第２加熱部６４において、第２加熱装置１４の放熱部１４６からの伝達熱によって、導管内の空気がさらに温度上昇する。

【0026】

本実施形態において、供給装置１６からの被加熱流体（乾燥用空気）の出力温度は、熱需要に応じて変化できる。出力温度は、例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、又は２００℃以上にできる。

【0027】

本実施形態において、システムＳ１は、熱出力後の第２加熱装置１４（ボイラ４０）からの流体（ドレン）を再利用するための第１戻り経路７０を有する。放熱部１４６からの放熱した後の流体が第１戻り経路７０を流れる。第１戻り経路７０からの流体（水）は、放熱管９１を流れ、第１加熱装置１２（ヒートポンプ２０の吸熱部２１）の作動流体と熱交換できる。第１戻り経路７０からの流体の熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。または、戻り経路７０からの流体（水）は、第２加熱装置１４（ボイラ４０）に再び投入される。第２加熱装置１４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。

【0028】

また、本実施形態において、システムＳ１は、熱出力後の外部装置９５からの被加熱流体（排ガス）を再利用するための第２戻り経路７２を有する。外部装置９５からの放熱した後の流体が第２戻り経路７２を流れる。第２戻り経路７２からの流体（空気）は、放熱管７４を流れる。第２戻り経路７２の放熱管７４は、低温熱源側の外部装置９０の放熱管９１に流体的に接続された導管９３に熱的に接続される。第２戻り経路７２からの流体（空気）の熱が導管９３を流れる媒体（冷媒など）に吸収される。その媒体が放熱管９１を流れ、その熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。流体の再利用により、運転コストの削減が図られる。

【0029】

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。

【0030】

本実施形態において、制御装置１８は、ヒートポンプ２０を、部分負荷状態を含む全負荷と無負荷の間の負荷状態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。

【0031】

また、本実施形態において、ヒートポンプ２０を用いて加熱した被加熱流体としての空気（外部装置９５に供給される流体）を、ボイラ４０を用いてさらに加熱することができる。そのため、比較的高温の流体を外部装置９５に供給でき、比較的高レベルの熱需要にも柔軟に対応できる。

【0032】

ここで、熱交換におけるエネルギー保存則から以下の式（１）及び式（１’）が成り立つ。なお、以下の説明において、Ａ：伝熱面積［m²］、Ｇ：質量流量［kg/s］、ｈ：エンタルピ［J/kg/K］、ｋ：熱貫流率［J/s/m²/K］、Ｔ：温度［K］、Ｗ：熱量［J/s］である。各式における添え字は、Ａｉｒ：空気、ＢＳ；ボイラ蒸気、ＢＦＷ：ボイラ給水、Ｄ：需要（デマンド）、ＨＰ：ヒートポンプ、ＷＨ：給水加熱器、ｉｎ：入口、ｏｕｔ：出口、である。

【0033】

【数1】

【数2】

【0034】

ここで、ΔＷ_ＢＦＷは適切な値とし、ゼロであってもよい。

【0035】

図２は、ヒートポンプ２０による給水加熱（ボイラ４０における予熱）”無し”の場合における、乾燥用空気の熱交換の様子を示す。図２では、ヒートポンプ２０を超臨界状態の作動流体が流れる場合を想定している。凝縮域においても同様に設定可能である。

【0036】

Ｔ_{ＨＰ−ｉｎ}、Ｔ_{ＨＰ−ｏｕｔ}、Ｔ_{Ａｉｒ−ｉｎ}が確定すれば、例えば以下の式（２）及び式（２’）を用いてＴ_{Ａｉｒ−ｏｕｔ}を求めることができる。

【0037】

【数3】

【数4】

【0038】

つまり、乾燥用空気を入口温度（大気温度）からＴ_{Ａｉｒ−ｏｕｔ}までをヒートポンプ２０によって加熱し、Ｔ_{Ａｉｒ−ｏｕｔ}からＴＤまでをボイラによる蒸気で加熱する。

【0039】

図３は、ヒートポンプ２０による給水加熱（ボイラ４０における予熱）”有り”の場合における、乾燥用空気の熱交換の様子を示す。基本的には、ヒートポンプ２０による供給熱量が十分にあれば、給水加熱を行ったほうが、ヒートポンプ２０の利用率向上につながり、省エネルギーの実現に有利であると考えられる。

【0040】

Ｔ_{ＨＰ−ＷＨｉｎ}、Ｔ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}、Ｔ_{ＢＦＷ−ｉｎ}が確定すれば、例えば以下の式（３）を用いて、Ｔ_{ＨＰ−ＷＨｏｕｔ}を求めることができる。

【0041】

Ｔ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}が確定しないときは、初めに、仮にＴ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}の初期値を式（３）に入力し、計算によりＴ_{ＨＰ−ＷＨｏｕｔ}の適切な値が得られれば終了する。そうでない場合は、Ｔ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}の初期値を入れ替えて再計算を行う。

【0042】

【数5】

【数6】

【0043】

Ｔ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}はヒートポンプ２０の供給可能熱量に応じて、システム全体で省エネになる最適な値があると考えられる（最終的にＴ_{ＢＦＷ−ｏｕｔ}をある範囲調整し、最適点を決定する）。

【0044】

その後、乾燥用空気の加熱の計算は、ヒートポンプ２０による給水加熱が無い場合と同様に行う。

【0045】

蒸気流量に関しては式（１）より以下の式（４）及び式（５）のように計算できる。

【0046】

【数7】

【数8】

【0047】

低温熱源の流量・温度は時間により変動する可能性がある。その場合においてもプロセスへの乾燥のための熱供給は確実に実施する必要がある。

【0048】

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（温排熱条件、温度及び流量）などの入力が行われる（ステップ３０１、３０２、３０３）。

【0049】

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、乾燥用空気をできるだけ高い温度に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３０４）。

【0050】

次に、ヒートポンプ２０の出力だけで乾燥用空気の仕様（温度・流量）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３０５）。空気仕様を満たす場合、ボイラ４０からの熱媒体の供給が無い条件が設定される（ステップ３０６）。空気仕様を満たさない場合、式（５）を用いて、ボイラ４０からの蒸気流量が決定される（ステップ３０７）。

【0051】

次に、決定された蒸気流量に基づき、ヒートポンプ２０による給水加熱（ボイラ４０における予熱）に関する計算が行われる（ステップ３０８）。また、ヒートポンプ２０による給水加熱（ボイラ４０における予熱）”有り”の場合について、同様に、ボイラ４０からの必要な蒸気流量が算出される（ステップ３０９）。

【0052】

次に、給水加熱”有り”の場合、給水加熱”無し”の場合の双方について、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３１０）。一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×Ｗ_ＨＰ／Ｗ_Ｄ＋ボイラ効率×Ｗ_Ｂ／Ｗ_Ｄ。

【0053】

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３１１）。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。

【0054】

また、ステップ３１１において、システムＳ１全体での省エネルギーの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の出力及び／又は給水加熱量（温度、予熱量）を変更することができる（ステップ３１２）。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の負荷状態及び給水加熱量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、ボイラ４０における給水加熱量（予熱量）とを最適化することができる。

【0055】

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。

【0056】

上記フローにおいて、ヒートポンプ２０の稼動は、乾燥のための熱需要に合わせて、低温熱源条件（温排熱条件）に従って実施できる。ヒートポンプ２０の熱出力が不足する場合は、ボイラ４０からの蒸気でそれを補うことができる。

【0057】

また、上記フローにおいて、ヒートポンプ２０を用いてボイラ４０の給水加熱（予熱）を実施し、給水加熱温度をある程度調整し、システムＳ１の全体で省エネルギーになるように設定できる。

【0058】

システムＳ１の一次エネルギー評価において、一例として次の値が考えられる；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。

【0059】

ただし、ヒートポンプ２０においては、図５及び図６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。つまり、ヒートポンプ２０の出力比率を下げたほうが全体効率が比較的高くなるケースがある。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。

【0060】

ここで、以下のケースについて、一次エネルギー効率の算出を行う。ＣＯＰ：３（定格）、発電効率：４０％、Ｗ_Ｄ：１００ｋＷ、ボイラ効率：９０％とする。

【0061】

（１）ヒートポンプ２０のみで全熱量を供給
例えば、Ｗ_Ｈ：１００ｋＷ、ＣＯＰ：３（定格）とする。
一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×Ｗ_ＨＰ／Ｗ_Ｄ＋ボイラ効率×Ｗ_Ｂ／Ｗ_Ｄ
＝３×０．４×１００／１００＋０．９×０／１００
＝１．２

【0062】

（２）ヒートポンプ部分負荷運転
例えば、Ｗ_Ｄ：５０ｋＷ、ＣＯＰ：３（定格）とする。
一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×Ｗ_ＨＰ／Ｗ_Ｄ＋ボイラ効率×Ｗ_Ｂ／Ｗ_Ｄ
＝５×０．４×５０／１００＋０．９×５０／１００
＝１．４５

【0063】

つまり、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である場合、ヒートポンプ２０の一次エネルギー効率は１４５％となる。

【0064】

（３）ヒートポンプ部分負荷運転＋ボイラ給水加熱
例えば、上記（２）の状態からボイラ給水加熱を実施し、実質的にＷ_ＨＰ：５５、Ｗ_Ｂ：４５になったとする。
一次エネルギー効率＝ＣＯＰ×発電効率×Ｗ_ＨＰ／Ｗ_Ｄ＋ボイラ効率×Ｗ_Ｂ／Ｗ_Ｄ
＝５×０．４×５５／１００＋０．９×４５／１００
＝１．５０５

【0065】

このように、ボイラ４０における給水加熱（予熱）を実施したほうが、システムＳ１全体の効率が向上する場合がある。

【0066】

ヒートポンプ２０の部分負荷運転領域、及びヒートポンプ２０を用いたボイラ４０における給水加熱（予熱）を考慮することにより、ヒートポンプ２０の運転の自由度が広がり、広い範囲でシステムＳ１の最大効率を求めることが可能である。つまり、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。

【0067】

ヒートポンプ２０の熱出力は低温熱源の量に影響されるものの、本システムＳ１の構成により、安定して熱需要を満たすことができる。ヒートポンプ２０とボイラ４０の出力比を最適化することによって一次エネルギーの削減等に貢献できる。つまり、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。

【0068】

図７は、他の実施形態における熱供給システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

【0069】

図２に示すように、熱供給システムＳ２は、図１のシステムＳ１と同様に、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、供給装置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Ｓ２の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。

【0070】

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、電気ヒータ４８を有する。

【0071】

また、本実施形態において、供給装置１６は、第１加熱装置１２及び第２加熱装置１４（電気ヒータ４８）を用いて加熱された流体（被加熱流体）を外部装置９５に供給する。供給装置１６は、第１加熱部６２と、第２加熱部６４とを有する。供給装置１６は、さらに、被加熱流体が流れる導管、ポンプなどの流体駆動機器、流体制御用の弁などを有することができる。

【0072】

本実施形態において、被加熱流体は空気であり、外部装置９５には高温の空気（乾燥用空気）が供給される。他の実施形態において、被加熱流体は乾燥用以外の空気、あるいは空気以外の流体にできる。空気以外の被加熱流体としては、例えば、圧縮水、薬品、粘性液などが挙げられる。

【0073】

第１加熱部６２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空気が流れる導管を含む。第１加熱部６２と放熱部２３を含んで熱交換器３２が構成される。第１加熱部６２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、導管内の空気が温度上昇する。

【0074】

第２加熱部６４は、第２加熱装置１４における電気ヒータ４８の放熱部１４８に熱的に接続されかつ第１加熱部６２からの空気が流れる導管を含む。本実施形態において、放熱部１４８と第２加熱部６４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１４８を、第２加熱部６４の導管の外周面や内部に配設することができる。第２加熱部６４において、第２加熱装置１４の放熱部１４８からの伝達熱によって、導管内の空気がさらに温度上昇する。

【0075】

本実施形態において、供給装置１６からの被加熱流体（乾燥用空気）の出力温度は、熱需要に応じて変化できる。出力温度は、例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、又は２００℃以上にできる。

【0076】

本実施形態において、システムＳ２は、熱出力後の外部装置９５からの被加熱流体（排ガス）を再利用するための第２戻り経路７２を有する。外部装置９５からの放熱した後の流体が第２戻り経路７２を流れる。第２戻り経路７２からの流体（空気）は、放熱管７４を流れる。第２戻り経路７２の放熱管７４は、低温熱源側の外部装置９０の放熱管９１に流体的に接続された導管９３に熱的に接続される。第２戻り経路７２からの流体（空気）の熱が導管９３を流れる媒体（冷媒など）に吸収される。その媒体が放熱管９１を流れ、その熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。流体の再利用により、運転コストの削減が図られる。

【0077】

本実施形態において、システムＳ２は、外部装置９５における熱需要情報（要求温度、要求流量）、電気ヒータ４８の出力情報（温度など）、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Ｓ２全体を統括的に制御することができる。

【0078】

本実施形態において、制御装置１８は、ヒートポンプ２０を、部分負荷状態を含む全負荷と無負荷の間の負荷状態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の部分負荷運転と電気ヒータ４８によるバックアップとを含む制御により、システムＳ２全体のエネルギー効率の向上が図られる。

【0079】

また、本実施形態において、ヒートポンプ２０を用いて加熱した被加熱流体としての空気（外部装置９５に供給される流体）を、電気ヒータ４８を用いてさらに加熱することができる。そのため、比較的高温の流体を外部装置９５に供給でき、比較的高レベルの熱需要にも柔軟に対応できる。

【0080】

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。

【符号の説明】

【0081】

Ｓ１、Ｓ２：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：供給装置、１８：制御装置、４０：ボイラ、４２：燃焼室、４８：電気ヒータ、６２：第１加熱部、６４：第２加熱部、６３：混合部（混合器）、６４：出力部、７０：第１戻り経路、７２：第２戻り経路、９０，９５：外部装置、１４２：予熱部（給水加熱部）、１４４：加熱部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】