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特表2024-524949産業用蒸気発生のための空気源ヒートポンプシステムおよびその使用方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-09
(54)【発明の名称】産業用蒸気発生のための空気源ヒートポンプシステムおよびその使用方法
(51)【国際特許分類】
F25B 7/00 20060101AFI20240702BHJP
F01K 19/04 20060101ALI20240702BHJP
F01K 9/00 20060101ALI20240702BHJP
F22B 3/02 20060101ALI20240702BHJP
F25B 30/02 20060101ALI20240702BHJP
F25B 1/053 20060101ALI20240702BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20240702BHJP
F22B 3/06 20060101ALI20240702BHJP
【ＦＩ】
F25B7/00 D
F01K19/04
F01K9/00 A
F22B3/02
F25B30/02 Z
F25B1/053 Z
F25B1/00 396E
F25B1/00 396D
F25B1/00 396R
F25B1/00 396S
F25B1/00 331E
F25B1/00 331Z
F25B1/00 396Z
F22B3/06
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023577950
(86)(22)【出願日】2022-06-14
(85)【翻訳文提出日】2024-02-08
(86)【国際出願番号】 US2022072937
(87)【国際公開番号】W WO2022266622
(87)【国際公開日】2022-12-22
(31)【優先権主張番号】63/211,297
(32)【優先日】2021-06-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/290,784
(32)【優先日】2021-12-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】592246587
【氏名又は名称】コロラド ステート ユニバーシティー リサーチ ファウンデーション
(71)【出願人】
【識別番号】523473187
【氏名又は名称】アトモスゼロ， インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】バンドハウアー， トッド エム．
(72)【発明者】
【氏名】ロバーツ， ニコラス
(72)【発明者】
【氏名】サルヴィ， アシュウィン
(72)【発明者】
【氏名】スターク， アディソン
(57)【要約】
産業熱のための蒸気を発生させるためのシステム。本システムは、相互と熱連通し、蒸気発生サイクルと熱連通する、複数のヒートポンプサイクルを含んでもよい。複数のヒートポンプサイクルは、第１および第２のヒートポンプサイクルを含んでもよい。第１のヒートポンプは、第１の作業流体を循環させ、第１の熱交換器を含む。第２のヒートポンプサイクルは、第２の作業流体を循環させ、第２の熱交換器を含む。第１の熱交換器が、熱を第１の作業流体から第２の作業流体に伝達する。第２の熱交換器は、蒸気発生サイクル内で熱を第３の作業流体に伝達する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
蒸気を発生させるためのシステムであって、前記システムは、第１の作業流体を循環させるように構成される第１のヒートポンプサイクルであって、前記第１のヒートポンプサイクルは、
第１の膨張弁と流体連通し、前記第１の作業流体を前記第１の膨張弁から受容するように構成される第１の熱交換器であって、前記第１の作業流体は、前記第１の熱交換器内の熱を吸収する、第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器と流体連通し、前記第１の作業流体を前記第１の交換器から受容するように構成される第１のコンプレッサであって、前記第１のコンプレッサは、前記第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、第１のコンプレッサと、
前記第１のコンプレッサと流体連通し、前記第１の作業流体を前記第１のコンプレッサから受容するように構成される第２の熱交換器であって、前記第２の熱交換器は、前記第１の作業流体からの熱を第２のヒートポンプサイクルの第２の作業流体に放熱するように構成される、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器と流体連通し、前記第１の作業流体を前記第２の熱交換器から受容するように構成される第１の膨張弁であって、前記第１の膨張弁は、前記第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される、第１の膨張弁と
を備える、第１のヒートポンプサイクルと、
前記第２の作業流体を循環させるように構成される第２のヒートポンプサイクルであって、前記第２のヒートポンプサイクルは、
第２の膨張弁と流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２の膨張弁から受容するように構成される第２の熱交換器であって、前記第２の作業流体は、熱を前記第２の熱交換器内の第１の作業流体から吸収する、第２の熱交換器と、
前記第２の熱交換器と流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２の熱交換器から受容するように構成される第２のコンプレッサであって、前記第２のコンプレッサは、前記第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、第２のコンプレッサと、
前記第２のコンプレッサと流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２のコンプレッサから受容するように構成される第３の熱交換器であって、前記第３の熱交換器は、蒸気発生システム内の第３の作業流体と流体連通し、前記第３の熱交換器は、前記第２の作業流体からの熱を前記蒸気発生システム内の第３の作業流体に放熱するように構成され、前記第３の作業流体は、水である、第３の熱交換器と、
前記第３の熱交換器と流体連通し、前記第２の作業流体を前記第３の熱交換器から受容するように構成される第２の膨張弁であって、前記第２の膨張弁は、前記第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される、第２の膨張弁と
を備える、第２のヒートポンプサイクルと
を備える、システム。
【請求項2】
前記第１の熱交換器および前記第１のコンプレッサと流体連通し、それらの間で流体連通する第１の吸引ライン熱交換器をさらに備え、前記第１の吸引ライン熱交換器は、前記第２の熱交換器および前記第１の膨張弁と流体連通し、それらの間で流体連通し、前記第１の吸引ライン熱交換器は、前記第２の熱交換器からの前記第１の作業流体の流出に伴って、前記第１の作業流体を圧縮することに先立って、前記第１の作業流体を予熱するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記第２の熱交換器および前記第２のコンプレッサと流体連通し、それらの間で流体連通する第２の吸引ライン熱交換器をさらに備え、前記第２の吸引ライン熱交換器は、前記第３の熱交換器および前記第２の膨張弁と流体連通し、それらの間で流体連通し、前記第２の吸引ライン熱交換器は、前記第３の熱交換器からの前記第２の作業流体の流出に伴って、前記第２の作業流体を圧縮することに先立って、前記第２の作業流体を予熱するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記第１の熱交換器は、伝達流体から前記第１の作業流体への伝熱を促進し、前記伝達流体は、空気である、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記蒸気発生システムは、前記第３の熱交換器と流体連通する蒸気コンプレッサを備え、前記蒸気コンプレッサは、過熱された蒸気を出力するように、前記第３の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記蒸気発生システムは、摂氏１２０度を上回るまたはそれに等しい温度において、前記第１および第２のヒートポンプサイクルから送達される熱から、蒸気を送達するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記蒸気発生システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記システムはさらに、前記第１および第２のヒートポンプサイクルと電気連通する制御システムを備え、前記制御システムは、第１の熱源および第２の熱源の少なくとも一方または両方から前記第３の作業流体への熱の送達を制御するように構成され、前記第１の熱源は、前記第１および第２のヒートポンプサイクルを含み、前記第２の熱源は、代替熱源を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
前記第１および第２のコンプレッサは、遠心コンプレッサである、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記第１および第２のコンプレッサは、電気的に動力供給される、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記第１の作業流体は、フルオロカーボン、ハイドロフルオロオレフィン、ハイドロフルオロエーテル、炭化水素、二酸化炭素、アンモニア、および水のうちの少なくとも１つを備え、前記第２の作業流体は、フルオロカーボン、ハイドロフルオロオレフィン、ハイドロフルオロエーテル、炭化水素、二酸化炭素、アンモニア、および水のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項12】
蒸気を発生させるためのシステムであって、前記システムは、第１の作業流体を循環させるように構成される第１のヒートポンプサイクルであって、前記第１のヒートポンプサイクルは、
第１の膨張弁と流体連通し、前記第１の作業流体を前記第１の膨張弁から受容するように構成される蒸発器であって、前記第１の作業流体は、前記蒸発器内の熱を吸収する、蒸発器と、
前記蒸発器と流体連通し、前記第１の作業流体を前記蒸発器から受容するように構成される第１のコンプレッサであって、前記第１のコンプレッサは、前記第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、第１のコンプレッサと、
前記第１のコンプレッサと流体連通し、前記第１の作業流体を前記第１のコンプレッサから受容するように構成される熱交換器であって、前記熱交換器は、前記第１の作業流体からの熱を第２のヒートポンプサイクルの第２の作業流体に放熱するように構成される、熱交換器と、
前記熱交換器と流体連通し、前記第１の作業流体を前記熱交換器から受容するように構成される第１の膨張弁であって、前記第１の膨張弁は、前記第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される、第１の膨張弁と
を備える、第１のヒートポンプサイクルと、
前記第２の作業流体を循環させるように構成される第２のヒートポンプサイクルであって、前記第２のヒートポンプサイクルは、
第２の膨張弁と流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２の膨張弁から受容するように構成される熱交換器であって、前記第２の作業流体は、熱を前記熱交換器内の第１の作業流体から吸収する、熱交換器と、
前記熱交換器と流体連通し、前記第２の作業流体を前記熱交換器から受容するように構成される吸引ライン熱交換器であって、前記吸引ライン熱交換器は、前記第２の作業流体を圧縮することに先立って、前記第２の作業流体を予熱するように構成される、吸引ライン熱交換器と、
前記吸引ライン熱交換器と流体連通し、前記第２の作業流体を前記吸引ライン熱交換器から受容するように構成される第２のコンプレッサであって、前記第２のコンプレッサは、前記第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、第２のコンプレッサと、
前記第２のコンプレッサと流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２のコンプレッサから受容するように構成される蒸気発生器であって、前記蒸気発生器は、前記第２の作業流体からの熱を伝達流体に放熱するように構成され、前記吸引ライン熱交換器は、前記蒸気発生器と流体連通する、蒸気発生器と、
前記吸引ライン熱交換器と流体連通し、前記第２の作業流体を前記吸引ライン熱交換器から受容するように構成される第２の膨張弁であって、前記第２の膨張弁は、前記第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される、第２の膨張弁と
を備える、第２のヒートポンプサイクルと
を備える、システム。
【請求項13】
前記第１のヒートポンプサイクル内の第３のコンプレッサをさらに備え、前記第３のコンプレッサは、前記第１のコンプレッサおよび前記熱交換器と流体連通し、それらの間に位置付けられ、前記第３のコンプレッサは、前記第１の作業流体を前記第１のコンプレッサから受容するように構成され、前記第３のコンプレッサは、前記第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記第２のヒートポンプサイクル内の第４のコンプレッサをさらに備え、前記第４のコンプレッサは、前記第２のコンプレッサと流体連通し、前記第２の作業流体を前記第２のコンプレッサから受容するように構成され、前記第４のコンプレッサは、前記第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記第２のコンプレッサは、第１のモータによって電気的に動力供給され、前記第４のコンプレッサは、第２のモータによって電気的に動力供給される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記第１のコンプレッサおよび第３のコンプレッサは、シャフト上にともに回転可能に結合され、モータによって電気的に動力供給される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項17】
前記第１のヒートポンプサイクルは、第１のエコノマイザと、第３の膨張弁とを含み、前記第１のエコノマイザは、前記第１の作業流体の一次流体流を前記熱交換器から受容し、前記第１のエコノマイザ内で熱をそこから放熱するように構成され、前記第３の膨張弁は、前記第１の作業流体の二次流体流を前記熱交換器から受容し、前記第１のエコノマイザに進入することに先立って、前記第１の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させるように構成され、前記第１の作業流体の二次流体流は、前記第１のエコノマイザ内で熱を吸収するように構成され、前記第１の作業流体の二次流体流は、前記第３のコンプレッサの流入に指向され、前記第１の作業流体の一次流体流は、前記第１の膨張弁の流入に指向される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項18】
前記第１のコンプレッサは、前記第１の作業流体の一次流体流を受容するように構成され、前記第３のコンプレッサは、前記第１の作業流体の一次流体および二次流体流を受容するように構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項19】
前記第２のヒートポンプサイクルは、第２のエコノマイザと、第４の膨張弁とを含み、前記第２のエコノマイザは、前記第２の作業流体の一次流体流を前記蒸気発生器から受容し、前記第２のエコノマイザ内で熱をそこから放熱するように構成され、前記第４の膨張弁は、前記第２の作業流体の二次流体流を前記蒸気発生器から受容し、前記第２のエコノマイザに進入することに先立って、前記第２の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させるように構成され、前記第２の作業流体の二次流体流は、前記第２のエコノマイザ内で熱を吸収するように構成され、前記第２の作業流体の二次流体流は、前記第４のコンプレッサの流入に指向され、前記第２の作業流体の一次流体流は、前記吸引ライン熱交換器に指向され、前記熱交換器から退出する前記第２の作業流体を予熱する、請求項１４に記載のシステム。
【請求項20】
前記第３のコンプレッサは、前記第２の作業流体の一次流体流を受容するように構成され、前記第４のコンプレッサは、前記第２の作業流体の一次流体および二次流体流を受容するように構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項21】
前記蒸気発生器は、摂氏１５０度を上回るまたはそれに等しい温度において、蒸気を送達するように構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項22】
前記蒸発器は、第１の伝達流体を受容するように構成され、前記蒸発器は、前記第１の伝達流体から熱を放熱するように構成され、前記第１の伝達流体は、空気である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項23】
産業熱のための蒸気を発生させるための方法であって、前記方法は、第１の循環流体からの熱を第１の熱交換器内の第１の作業流体に放熱するステップと、
前記第１の作業流体を圧縮することに先立って、第１の吸引ライン熱交換器内の第１の作業流体を予熱するステップと、
第１のコンプレッサを介して、前記第１の作業流体を圧縮し、それによって、前記第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、
前記第１の作業流体からの熱を第２の熱交換器内の第２の作業流体に放熱するステップと、
第１の膨張弁を介して、前記第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと、
前記第２の作業流体を圧縮することに先立って、第２の吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体を予熱するステップと、
第２のコンプレッサを介して、前記第２の作業流体を圧縮し、それによって、前記第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、
前記第２の作業流体からの熱を第３の熱交換器内の第３の作業流体に放熱するステップであって、前記第３の作業流体は、蒸気発生システムの一部である、ステップと、
第２の膨張弁を介して、前記第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと
を含む、方法。
【請求項24】
前記蒸気発生システムは、蒸気を前記第３の作業流体から発生させるように構成される蒸気コンプレッサを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項25】
前記蒸気発生システムは、摂氏１２０度を上回るまたはそれに等しい温度において、蒸気を送達するように構成される、請求項２３に記載の方法。
【請求項26】
前記第１および第２のコンプレッサは、遠心コンプレッサである、請求項２３に記載の方法。
【請求項27】
前記第１および第２のコンプレッサは、電気的に動力供給される、請求項２３に記載の方法。
【請求項28】
産業熱のための蒸気を発生させるための方法であって、前記方法は、蒸発器内の第１の作業流体中の熱を吸収するステップであって、前記第１の作業流体は、第１のヒートポンプサイクル内で循環する、ステップと、
第１のコンプレッサ内の第１の作業流体を圧縮し、それによって、前記第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、
第２のコンプレッサ内の第１の作業流体を圧縮し、それによって、前記第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、
前記第１の作業流体からの熱を熱交換器内の第２の作業流体に放熱するステップであって、前記第２の作業流体は、第２のヒートポンプサイクル内で循環する、ステップと、
第１の膨張弁を介して、前記第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと、
第３のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮することに先立って、吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体を予熱するステップと、
前記第３のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮し、それによって、前記第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、
第４のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮し、それによって、前記第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、
蒸気発生器内の第２の作業流体から熱を放熱するステップと、
前記蒸気発生器から退出後、前記吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体から熱を放熱するステップと、
第２の膨張弁を介して、前記第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと
を含む、方法。
【請求項29】
前記第１の作業流体を一次流体流および二次流体流に分裂させるステップと、第３の膨張弁を介して、前記第１の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させ、第１のエコノマイザ内で第１の作業流体の二次流体流中の熱を吸収するステップと、前記第１のエコノマイザ内で前記第１の作業流体の一次流体流からの熱を前記第１の作業流体の二次流体流に放熱するステップとをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項30】
前記第１の作業流体の一次流体流を前記第１の膨張弁に指向するステップと、前記第１の作業流体の二次流体流を前記第２のコンプレッサの流入に指向するステップとをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項31】
前記第２の作業流体を一次流体流および二次流体流に分裂させるステップと、第３の膨張弁を介して、前記第２の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させ、第１のエコノマイザ内で前記第２の作業流体の二次流体流中の熱を吸収するステップと、前記第１のエコノマイザ内で前記第２の作業流体の一次流体流からの熱を前記第２の作業流体の二次流体流に放熱するステップとをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項32】
前記第２の作業流体の一次流体流を前記吸引ライン熱交換器に指向するステップと、前記第２の作業流体の二次流体流を前記第４のコンプレッサの流入に指向するステップとをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項33】
前記第１および第２のコンプレッサは、シャフトを介して、ともに回転可能に結合され、モータによって動力供給される、請求項２８に記載の方法。
【請求項34】
熱が、前記蒸発器内で周囲空気から吸収され、前記蒸気発生器は、摂氏１５０度またはそれを上回る温度において、蒸気を送達するように構成される、請求項２８に記載の方法。
【請求項35】
請求項１または１２に記載の蒸気を発生させるためのシステムを備えるエネルギー裁定取引システムであって、前記エネルギー裁定取引システムは、前記蒸気を発生させるためのシステムと、蒸気を発生させるように構成される燃料火力ボイラと通信するコンピューティングデバイスをさらに備え、前記コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、コンピュータ可読媒体とを含み、前記コンピュータ可読媒体は、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を有し、前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、蒸気需要量を設備から受信する動作と、命令を前記蒸気を発生させるためのシステムに送信し、前記設備から蒸気需要量を提供する動作と、前記蒸気を発生させるためのシステムが前記蒸気需要量の全てを履行することができない場合、命令を前記燃料火力ボイラに送信し、前記設備からの蒸気需要量の残りの部分を提供する動作とを実施する、
エネルギー裁定取引システム。
【請求項36】
前記コンピューティングデバイスはさらに、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに提供するように構成される再生可能エネルギー源と通信し、前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、前記再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる情報を受信する動作と、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに供給する動作とのさらなる動作を実施する、請求項３５に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項37】
前記再生可能エネルギー源は、電気を電気グリッドに提供するように構成される、請求項３６に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項38】
前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、前記蒸気を発生させるためのシステムによって要求されない過剰電気を前記電気グリッドに供給する動作と、前記再生可能エネルギー源が不十分な量の電気を供給する場合、命令を前記蒸気を発生させるためのシステムに送信し、電気を前記電気グリッドから引き出す動作とのさらなる動作を実施する、請求項３７に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項39】
前記蒸気を発生させるためのシステムは、電気を電気グリッドから取り込むように構成される、請求項３５に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項40】
請求項１または１２に記載の蒸気を発生させるためのシステムを備えるエネルギー裁定取引システムであって、前記エネルギー裁定取引システムは、前記蒸気を発生させるためのシステムと、電気を前記電気グリッドおよび前記蒸気を発生させるためのシステムに提供するように構成される再生可能エネルギー源と通信するコンピューティングデバイスをさらに備え、前記コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、コンピュータ可読媒体とを含み、前記コンピュータ可読媒体は、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を有し、前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、前記再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる情報を受信する動作と、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに供給する動作と、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、前記蒸気を発生させるためのシステムによって要求されない過剰電気を前記電気グリッドに供給する動作と、前記再生可能エネルギー源が不十分な量の電気を供給する場合、命令を前記蒸気を発生させるためのシステムに送信し、電気を前記電気グリッドから引き出す動作とを実施する、
エネルギー裁定取引システム。
【請求項41】
蒸気を設備に供給するためのエネルギー裁定取引システムであって、前記エネルギー裁定取引システムは、請求項１または１２に記載の蒸気を発生させるためのシステムを備え、前記エネルギー裁定取引システムは、コンピューティングデバイスをさらに備え、前記コンピューティングデバイスは、前記蒸気を発生させるためのシステムと、蒸気を前記設備に送達することと、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに送達することとのうちの少なくとも１つを行うように構成される畜エネルギーユニットと、電気を前記畜エネルギーユニットおよび前記蒸気を発生させるためのシステムに提供するように構成される再生可能エネルギー源と通信し、
前記コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、コンピュータ可読媒体とを含み、前記コンピュータ可読媒体は、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を有し、前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、前記再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる情報を受信する動作と、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに供給する動作と、命令を前記再生可能エネルギー源に送信し、前記蒸気を発生させるためのシステムによって要求されない過剰電気を前記畜エネルギーユニットに供給する動作とを実施する、
エネルギー裁定取引システム。
【請求項42】
前記コンピューティングデバイスの処理デバイスは、前記１つまたはそれを上回る命令を実行し、前記再生可能エネルギー源によって生産される電気の量が、前記蒸気を発生させるためのシステムを動作させるために不十分であるとき、命令を前記畜エネルギーユニットに送信し、蒸気を前記設備に供給するかまたは電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに供給する動作とのさらなる動作を実施する、請求項４１に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項43】
前記畜エネルギーユニットは、蒸気を前記設備に供給するように構成される畜熱ユニットを備える、請求項４１に記載のエネルギー裁定取引システム。
【請求項44】
前記畜エネルギーユニットは、電気を前記蒸気を発生させるためのシステムに供給するように構成される畜電ユニットを備える、請求項４１に記載のエネルギー裁定取引システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本願は、それぞれ、参照することによってその全体として本明細書で本願の中に組み込まれる、２０２１年６月１６日に出願された、米国仮出願第６３／２１１，２９７号、および２０２１年１２月１７日に出願された米国仮出願第６３／２９０，７８４号の利益を主張する。
本願は、それぞれ、参照することによってその全体として本明細書で本願の中に組み込まれる、２０２１年６月１６日に出願された、米国仮出願第６３／２１１，２９７号、および２０２１年１２月１７日に出願された米国仮出願第６３／２９０，７８４号の利益を主張する。
【0002】
本開示は、産業用蒸気生産を対象とする。より具体的には、本開示は、産業用蒸気生産のための高効率空気源ヒートポンプおよびその使用方法を対象とする。
【背景技術】
【0003】
米国では、産業部門は、２２％の温室効果ガス排出量を占めており、これは、約１．５ギガトンの年間二酸化炭素換算量（ＧｔＣＯ２ｅ／年）に等しい。産業部門内では、プロセス熱のための蒸気生産は、最大エネルギー消費量のうちの１つであって、米国の主要エネルギー消費量のほぼ４クアッドを占め、毎年、２００ＭＭトンを上回る二酸化炭素（ＣＯ２）を排出している。これらの排出量の大部分は、従来のボイラのための燃料の燃焼、熱電併給、およびプロセス加熱から発生される。
【0004】
故に、当技術分野において、より効率的であって、より少ない炭素排出量を発生させる、産業熱のための蒸気発生のシステムおよび方法の必要性が存在する。とりわけ、これらの思考を念頭に置いて、産業用蒸気発生のための空気源ヒートポンプシステムおよびその使用方法が、開発された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
本開示の側面は、蒸気を発生させるためのシステムを含む。本システムは、第１のヒートポンプサイクルと、第２のヒートポンプサイクルとを含んでもよい。第１のヒートポンプサイクルは、第１の作業流体を循環させるように構成される。第１のヒートポンプサイクルは、第１の熱交換器と、第１のコンプレッサと、第２の熱交換器と、第１の膨張弁とを含んでもよい。第１の熱交換器は、第１の膨張弁と流体連通し、第１の作業流体を第１の膨張弁から受容するように構成される。第１の作業流体は、第１の熱交換器内の熱を吸収する。第１のコンプレッサは、第１の熱交換器と流体連通し、第１の作業流体を第１の交換器から受容するように構成される。第１のコンプレッサは、第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。第２の熱交換器は、第１のコンプレッサと流体連通し、第１の作業流体を第１のコンプレッサから受容するように構成される。第２の熱交換器は、第１の作業流体からの熱を第２のヒートポンプサイクルの第２の作業流体に放熱するように構成される。第１の膨張弁は、第２の熱交換器と流体連通し、第１の作業流体を第２の熱交換器から受容するように構成される。第１の膨張弁は、第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される。
【0006】
第２のヒートポンプサイクルは、第２の作業流体を循環させるように構成される。第２のヒートポンプサイクルは、第２の熱交換器と、第２のコンプレッサと、第３の熱交換器と、第２の膨張弁とを含んでもよい。第２の熱交換器は、第２の膨張弁と流体連通し、第２の作業流体を第２の膨張弁から受容するように構成される。第２の作業流体は、熱を第２の熱交換器内の第１の作業流体から吸収する。第２のコンプレッサは、第２の熱交換器と流体連通し、第２の作業流体を第２の熱交換器から受容するように構成される。第２のコンプレッサは、第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。第３の熱交換器は、第２のコンプレッサと流体連通し、第２の作業流体を第２のコンプレッサから受容するように構成される。第３の熱交換器は、蒸気発生システム内の第３の作業流体と流体連通する。第３の熱交換器は、第２の作業流体からの熱を蒸気発生システム内の第３の作業流体に放熱するように構成され、第３の作業流体は、水である。第２の膨張弁は、第３の熱交換器と流体連通し、第２の作業流体を第３の熱交換器から受容するように構成される。第２の膨張弁は、第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される。
【0007】
ある事例では、本システムはさらに、第１の吸引ライン熱交換器と、第２の吸引ライン熱交換器とを含んでもよい。第１の吸引ライン熱交換器は、第１の熱交換器および第１のコンプレッサとかつその間で流体連通する。第１の吸引ライン熱交換器は、第２の熱交換器および第１の膨張弁とかつその間で流体連通する。第１の吸引ライン熱交換器は、第２の熱交換器からの第１の作業流体の流出に伴って、第１の作業流体を圧縮することに先立って、第１の作業流体を予熱するように構成される。第２の吸引ライン熱交換器は、第２の熱交換器および第２のコンプレッサとかつその間で流体連通する。第２の吸引ライン熱交換器は、第３の熱交換器および第２の膨張弁とかつその間で流体連通する。第２の吸引ライン熱交換器は、第３の熱交換器からの第２の作業流体の流出に伴って、第２の作業流体を圧縮することに先立って、第２の作業流体を予熱するように構成される。
【0008】
ある事例では、第１の熱交換器は、第１の伝達流体から第１の作業流体への伝熱を促進し、第１の流体は、空気である。
【0009】
ある事例では、蒸気発生システムは、第３の熱交換器と流体連通する、蒸気コンプレッサを含んでもよく、蒸気コンプレッサは、蒸気を出力するように、第３の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。ある事例では、本システムはさらに、蒸気発生システムを含んでもよい。
【0010】
ある事例では、蒸気コンプレッサは、摂氏１２０度を上回るまたはそれに等しい温度において、第１および第２のヒートポンプサイクルから送達される熱から、蒸気を送達するように構成されてもよい。
【0011】
ある事例では、本システムはさらに、第１および第２のヒートポンプサイクルと電気連通する、制御システムを含んでもよく、制御システムは、第１の熱源および第２の熱源の少なくとも一方または両方から、第３の作業流体への熱の送達を制御するように構成され、第１の熱源は、第１および第２のヒートポンプサイクルを含み、第２の熱源は、代替熱源を含む。
【0012】
ある事例では、第１および第２のコンプレッサは、遠心コンプレッサである。ある事例では、第１および第２のコンプレッサは、電気的に動力供給される。
【0013】
ある事例では、第１の作業流体は、フルオロカーボン、ハイドロフルオロオレフィン、ハイドロフルオロエーテル、炭化水素、二酸化炭素、アンモニア、または水のうちの１つであってもよく、第２の作業流体は、フルオロカーボン、ハイドロフルオロオレフィン、ハイドロフルオロエーテル、炭化水素、二酸化炭素、アンモニア、または水のうちの１つであってもよい。
【0014】
本開示の側面は、産業熱のための蒸気を発生させるためのシステムを含む。本システムは、第１のヒートポンプサイクルと、第２のヒートポンプサイクルとを含んでもよい。第１のヒートポンプサイクルは、第１の作業流体を循環させるように構成される。第１のヒートポンプサイクルは、蒸発器と、第１のコンプレッサと、熱交換器と、第１の膨張弁とを含んでもよい。蒸発器は、第１の膨張弁と流体連通し、第１の作業流体を第１の膨張弁から受容するように構成される。第１の作業流体は、蒸発器内の熱を吸収する。第１のコンプレッサは、蒸発器と流体連通し、第１の作業流体を蒸発器から受容するように構成される。第１のコンプレッサは、第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。熱交換器は、第１のコンプレッサと流体連通し、第１の作業流体を第１のコンプレッサから受容するように構成される。熱交換器は、第１の作業流体からの熱を第２のヒートポンプサイクルの第２の作業流体に放熱するように構成される。第１の膨張弁が、熱交換器と流体連通し、第１の作業流体を熱交換器から受容するように構成され、第１の膨張弁は、第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される。
【0015】
第２のヒートポンプサイクルは、第２の作業流体を循環させるように構成される。第２のヒートポンプサイクルは、熱交換器と、吸引ライン熱交換器と、第２のコンプレッサと、蒸気発生器と、第２の膨張弁とを含んでもよい。熱交換器は、第２の膨張弁と流体連通し、第２の作業流体を第２の膨張弁から受容するように構成される。第２の作業流体は、熱を熱交換器内の第１の作業流体から吸収する。吸引ライン熱交換器が、熱交換器と流体連通し、第２の作業流体を熱交換器から受容するように構成される。吸引ライン熱交換器は、第２の作業流体を圧縮することに先立って、第２の作業流体を予熱するように構成される。第２のコンプレッサは、吸引ライン熱交換器と流体連通し、第２の作業流体を吸引ライン熱交換器から受容するように構成される。第２のコンプレッサは、第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。蒸気発生器は、第２のコンプレッサと流体連通し、第２の作業流体を第２のコンプレッサから受容するように構成される。蒸気発生器は、第２の作業流体からの熱を伝達流体に放熱するように構成される。吸引ライン熱交換器は、蒸気発生器と流体連通する。第２の膨張弁は、吸引ライン熱交換器と流体連通し、第２の作業流体を吸引ライン熱交換器から受容するように構成される。第２の膨張弁は、第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるように構成される。
【0016】
ある事例では、本システムはさらに、第３のコンプレッサと、第４のコンプレッサとを含んでもよい。第３のコンプレッサは、第１のヒートポンプサイクル内にある。第３のコンプレッサは、第１のコンプレッサおよび熱交換器と流体連通し、その間に位置付けられる。第３のコンプレッサは、第１の作業流体を第１のコンプレッサから受容するように構成される。第３のコンプレッサは、第１の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。第４のコンプレッサは、第２のヒートポンプサイクル内にある。第４のコンプレッサは、第２のコンプレッサと流体連通し、第２の作業流体を第２のコンプレッサから受容するように構成される。第４のコンプレッサは、第２の作業流体の圧力および温度を増加させるように構成される。
【0017】
ある事例では、第１のコンプレッサおよび第３のコンプレッサは、シャフト上にともに回転可能に結合され、モータによって電気的に動力供給される。ある事例では、第２のコンプレッサは、第１のモータによって電気的に動力供給されてもよく、第４のコンプレッサは、第２のモータによって電気的に動力供給されてもよい。
【0018】
ある事例では、第１のヒートポンプサイクルは、第１のエコノマイザと、第３の膨張弁とを含み、第１のエコノマイザは、第１の作業流体の一次流体流を熱交換器から受容し、第１のエコノマイザ内で熱をそこから放熱するように構成され、第３の膨張弁は、第１の作業流体の二次流体流を熱交換器から受容し、第１のエコノマイザに進入することに先立って、第１の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させるように構成され、第１の作業流体の二次流体流は、第１のエコノマイザ内で熱を吸収するように構成され、第１の作業流体の二次流体流は、第３のコンプレッサの流入に指向されてもよく、第１の作業流体の一次流体流は、第１の膨張弁の流入に指向されてもよい。
【0019】
ある事例では、第１のコンプレッサは、第１の作業流体の一次流体流を受容するように構成され、第２のコンプレッサは、第１の作業流体の一次および二次流体流を受容するように構成されてもよい。
【0020】
ある事例では、第２のヒートポンプサイクルは、第２のエコノマイザと、第４の膨張弁とを含み、第２のエコノマイザは、第２の作業流体の一次流体流を蒸気発生器から受容し、第２のエコノマイザ内で熱をそこから放熱するように構成され、第４の膨張弁は、第２の作業流体の二次流体流を蒸気発生器から受容し、第２のエコノマイザに進入することに先立って、第２の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させるように構成され、第２の作業流体の二次流体流は、第２のエコノマイザ内で熱を吸収するように構成され、第２の作業流体の二次流体流は、第４のコンプレッサの流入に指向されてもよく、第２の作業流体の一次流体流は、吸引ライン熱交換器に指向され、熱交換器から退出する第２の作業流体を予熱してもよい。
【0021】
ある事例では、第３のコンプレッサは、第２の作業流体の一次流体流を受容するように構成されてもよく、第４のコンプレッサは、第２の作業流体の一次および二次流体流を受容するように構成されてもよい。
【0022】
ある事例では、蒸気発生器は、摂氏１５０度を上回るまたはそれに等しい温度において、蒸気を送達するように構成されてもよい。
【0023】
ある事例では、蒸発器は、第１の伝達流体を受容するように構成されてもよく、蒸発器は、第１の伝達流体から熱を放熱するように構成され、第１の伝達流体は、空気であってもよい。
【0024】
本開示の側面は、産業熱のための蒸気を発生させるための方法を含む。本方法は、第１の循環流体からの熱を第１の熱交換器内の第１の作業流体に放熱するステップと、第１の作業流体を圧縮することに先立って、第１の吸引ライン熱交換器内の第１の作業流体を予熱するステップと、第１のコンプレッサを介して、第１の作業流体を圧縮し、それによって、第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、第１の作業流体からの熱を第２の熱交換器内の第２の作業流体に放熱するステップと、第１の膨張弁を介して、第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと、第２の作業流体を圧縮することに先立って、第２の吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体を予熱するステップと、第２のコンプレッサを介して、第２の作業流体を圧縮し、それによって、第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、第２の作業流体からの熱を第３の熱交換器内の第３の作業流体に放熱するステップであって、第３の作業流体は、蒸気発生システムの一部である、ステップと、第２の膨張弁を介して、第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップとを含んでもよい。
【0025】
ある事例では、蒸気発生システムは、蒸気を第３の作業流体から発生させるように構成される、蒸気コンプレッサを含む。ある事例では、蒸気コンプレッサは、摂氏１２０度を上回るまたはそれに等しい温度において、蒸気を送達するように構成されてもよい。ある事例では、第１および第２のコンプレッサは、遠心コンプレッサである。ある事例では、第１および第２のコンプレッサは、電気的に動力供給される。
【0026】
本開示の側面は、産業熱のための蒸気を発生させるための方法を含む。本方法は、蒸発器内の第１の作業流体中の熱を吸収するステップであって、第１の作業流体は、第１のヒートポンプサイクル内で循環する、ステップと、第１のコンプレッサ内の第１の作業流体を圧縮し、それによって、第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、第２のコンプレッサ内の第１の作業流体を圧縮し、それによって、第１の作業流体の圧力を増加させるステップと、第１の作業流体からの熱を熱交換器内の第２の作業流体に放熱するステップであって、第２の作業流体は、第２のヒートポンプサイクル内で循環する、ステップと、第１の膨張弁を介して、第１の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップと、第３のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮することに先立って、吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体を予熱するステップと、第３のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮し、それによって、第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、第４のコンプレッサ内の第２の作業流体を圧縮し、それによって、第２の作業流体の圧力を増加させるステップと、蒸気発生器内の第２の作業流体から熱を放熱するステップと、蒸気発生器から退出後、吸引ライン熱交換器内の第２の作業流体から熱を放熱するステップと、第２の膨張弁を介して、第２の作業流体をより低い圧力に膨張させるステップとを含んでもよい。
【0027】
ある事例では、本システムはさらに、第１の作業流体を一次流体流および二次流体流に分裂させるステップと、第３の膨張弁を介して、第１の作業流体の二次流体流をより低い圧力に膨張させるステップと、第１のエコノマイザ内で第１の作業流体の二次流体流中の熱を吸収するステップと、第１のエコノマイザ内で第１の作業流体の一次流体流からの熱を第１の作業流体の二次流体流に放熱するステップとを含んでもよい。
【0028】
ある事例では、本システムはさらに、第１の作業流体の一次流体流を第１の膨張弁に指向するステップと、第１の作業流体の二次流体流を第２のコンプレッサの流入に指向するステップとを含んでもよい。
【0029】
ある事例では、第１および第２のコンプレッサは、シャフトを介して、ともに回転可能に結合され、モータによって動力供給される。
【0030】
ある事例では、熱が、蒸発器内で周囲空気から吸収されてもよく、蒸気発生器は、摂氏１５０度またはそれを上回る温度において、蒸気を送達するように構成されてもよい。
【0031】
本開示の側面は、産業熱のための蒸気を発生させるためのシステムを含む。本システムは、相互と熱連通し、蒸気発生サイクルと熱連通する、複数のヒートポンプサイクルを含んでもよい。複数のヒートポンプサイクルは、第１のヒートポンプサイクルと、第２のヒートポンプサイクルとを含んでもよい。第１のヒートポンプは、第１の作業流体を循環させるように構成され、第１の熱交換器と、第１の吸引ライン熱交換器とを含む。第２のヒートポンプサイクルは、第２の作業流体を循環させるように構成され、第２の熱交換器と、第２の吸引ライン熱交換器とを含む。第１の吸引ライン熱交換器は、第１の作業流体を圧縮することに先立って、第１の作業流体を予熱するように構成される。第１の熱交換器は、熱を第１の作業流体から第２の作業流体に伝達するように構成される。第２の吸引ライン熱交換器は、第２の作業流体を圧縮することに先立って、第２の作業流体を予熱するように構成される。第２の熱交換器は、蒸気発生サイクル内で熱を第２の作業流体から第３の作業流体に伝達するように構成される。
【0032】
本開示の側面は、蒸気を発生させる、階層式ヒートポンプシステムを含む、エネルギー裁定取引システムを含む。エネルギー裁定取引システムはさらに、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムと、蒸気を発生させるように構成される、ボイラと通信する、コンピューティングデバイスを含む。コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を伴う、コンピュータ可読媒体とを含み、コンピューティングデバイスの処理デバイスは、蒸気需要量を設備から受信し、命令を蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムに送信し、設備からの蒸気需要量を提供し、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムが蒸気需要量の全てを履行することができない場合、命令をボイラに送信し、設備からの蒸気需要量の残りの部分を提供する、動作を実施するための１つまたはそれを上回る命令を実行する。
【0033】
ある事例では、コンピューティングデバイスはさらに、電気を電気グリッドおよび階層式ヒートポンプシステムに提供するように構成される、再生可能エネルギー源と通信する。コンピューティングデバイスの処理デバイスは、１つまたはそれを上回る命令を実行し、再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる、情報を受信し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、電気を蒸気を発生させるためのシステムに供給し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムによって要求されない過剰電気を電気グリッドに供給し、再生可能エネルギー源が不十分な量の電気を供給する場合、命令を蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムに送信し、電気を電気グリッドから引き出す、さらなる動作を実施する。
【0034】
本開示の側面は、蒸気を発生させる、階層式ヒートポンプシステムを含む、エネルギー裁定取引システムを含む。エネルギー裁定取引システムはさらに、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムと、電気を電気グリッドおよび蒸気を発生させるためのシステムに提供するように構成される、再生可能エネルギー源と通信する、コンピューティングデバイスを含む。コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を伴う、コンピュータ可読媒体とを含み、コンピューティングデバイスの処理デバイスは、再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる、情報を受信し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、電気を蒸気を発生させるためのシステムに供給し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムによって要求されない過剰電気を電気グリッドに供給し、再生可能エネルギー源が不十分な量の電気を供給する場合、命令を蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムに送信し、電気を電気グリッドから引き出す、動作を実施するための１つまたはそれを上回る命令を実行する。
【0035】
本開示の側面は、蒸気を発生させる、階層式ヒートポンプシステムを含む、エネルギー裁定取引システムを含む。エネルギー裁定取引システムはさらに、蒸気を発生させるためのシステムと、蒸気を送達するように構成される、畜熱ユニットと、電気を畜熱ユニットおよび蒸気を発生させるためのシステムに提供するように構成される、再生可能エネルギー源と通信する、コンピューティングデバイスを含む。コンピューティングデバイスは、処理デバイスと、その上に記憶された１つまたはそれを上回る実行可能命令を伴う、コンピュータ可読媒体とを含み、コンピューティングデバイスの処理デバイスは、再生可能エネルギー源によって生産される電気の量と関連付けられる、情報を受信し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、電気を蒸気を発生させるためのシステムに供給し、命令を再生可能エネルギー源に送信し、蒸気を発生させるための階層式ヒートポンプシステムによって要求されない過剰電気を畜熱ユニットに供給する、動作を実施するための１つまたはそれを上回る命令を実行する。
【0036】
ある事例では、コンピューティングデバイスの処理デバイスは、１つまたはそれを上回る命令を実行し、再生可能エネルギー源によって生産される電気の量が、蒸気を発生させるためのシステムを動作させるために不十分であるとき、命令を畜熱ユニットに送信し、蒸気を設備に供給する、さらなる動作を実施する。
【図面の簡単な説明】
【0037】
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【発明を実施するための形態】
【0049】
詳細な説明
例証の便宜性および明確性のために、必要に応じて、参照番号は、異なる図の間で繰り返され、対応または類似要素を示していることを理解されたい。加えて、多数の具体的詳細が、本明細書に説明される実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に説明される実施形態は、これらの具体的詳細を伴わずに実践されることができることが、当業者によって理解されるであろう。他の事例では、方法、手順、およびコンポーネントは、説明されている関連される関連特徴を曖昧にしないように、詳細に説明されていない。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、ある部品の比率は、詳細および特徴をより詳しく図示するために誇張され得る。説明は、本明細書に説明される実施形態の範囲の限定と見なされるべきではない。したがって、１つのシステムの要素は、本明細書に説明されるシステムのいずれかの中に組み込まれることができる。また、要素は、限定ではないが、本明細書に説明されるシステムのいずれかから除かれることができる。
例証の便宜性および明確性のために、必要に応じて、参照番号は、異なる図の間で繰り返され、対応または類似要素を示していることを理解されたい。加えて、多数の具体的詳細が、本明細書に説明される実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に説明される実施形態は、これらの具体的詳細を伴わずに実践されることができることが、当業者によって理解されるであろう。他の事例では、方法、手順、およびコンポーネントは、説明されている関連される関連特徴を曖昧にしないように、詳細に説明されていない。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、ある部品の比率は、詳細および特徴をより詳しく図示するために誇張され得る。説明は、本明細書に説明される実施形態の範囲の限定と見なされるべきではない。したがって、１つのシステムの要素は、本明細書に説明されるシステムのいずれかの中に組み込まれることができる。また、要素は、限定ではないが、本明細書に説明されるシステムのいずれかから除かれることができる。
【0050】
本開示全体を通して適用される、いくつかの定義が、ここで提示されるであろう。
【0051】
用語「導管」は、流体を運搬、流通、または別様に流動させるための管、パイプ、またはチャネルとして定義される。導管は、システム導管であってもよい、またはシステム内の２つの要素を接続し、それによって、２つの要素間の流体連通を確立してもよい。
【0052】
用語「結合される」は、直接または介在コンポーネントを通して間接的であるかどうかにかわらず、接続されるものとして定義され、必ずしも、物理的接続に限定されない。接続は、物体が恒久的または解放可能に接続されるようなものであり得る。
【0053】
図１は、産業用途における例示的蒸気発生システム１００を図示する。そのようなシステムのコンポーネントの具体的実施例は、図３を参照してさらに詳細に図示および説明されるであろう。図１は、システム１００の概要を提供し、これは、中間熱交換器（すなわち、熱交換器）によって、ともに熱的に結合される、ボトミングヒートポンプ１０２（すなわち、第１のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ１０４（すなわち、第２のヒートポンプ）とを備える、２段階空気源ヒートポンプを含む。蒸気発生システム１００はまた、蒸気コンプレッサ１０６を含んでもよい。中間熱交換器では、ボトミングヒートポンプ１０２内の作業流体が、熱をトッピングヒートポンプ１０４内の作業流体に放熱する。次いで、蒸気発生器（すなわち、熱交換器）では、トッピングヒートポンプ１０４の作業流体が、熱を第３の作業流体１０８に放熱する。いくつかの事例では、第３の作業流体１０８が、熱を蒸気発生器から吸収後、蒸気コンプレッサ１０６を通して通過してもよい。
【0054】
ヒートポンプ１０２、１０４はそれぞれ、電気エネルギー源を使用することによって、より低温の熱をより高温に「圧送」するために使用される。現在利用可能なヒートポンプは、蒸気を生産するために十分に大きい温度揚力を発生させないか、またはそれらが、エネルギー源としてより高温の廃熱流の使用を要求するかのいずれかである。本明細書に説明されるように、システム１００は、代替源より低いコストにおいて、温度を徐々に上昇させ、脱炭素化された蒸気を送達する、相互と熱接続する、「階層式」または一連のヒートポンプサイクルを利用する。システム１００は、高温蒸気を送達するために、廃熱を要求しない。
【0055】
図１の蒸気発生システム１００は、概して、様々な産業プロセスおよび／または製造環境に適用可能であり得る。例えば、蒸気発生システム１００は、産業用蒸気を発生させるために使用されてもよい。１つの事例では、ボトミングヒートポンプ１０２およびトッピングヒートポンプ１０４は、熱的に階層式様式に配列される、モジュール式かつ電気動力供給式の空気源ヒートポンプであってもよい。本モジュール性は、異なる蒸気圧力および容量等の産業特有の必要性を可能にし得る。本願におけるシステムは、２つのヒートポンプサイクル（すなわち、トッピングヒートポンプおよびボトミングヒートポンプ）を図示するが、本システムは、スケーラブルであって、付加的ヒートポンプを含むように修正されることができる。ある事例では、本システムは、３つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。ある事例では、本システムは、４つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。ある事例では、本システムは、５つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。１つの事例では、蒸気発生システム１００は、摂氏約１５０度の温度および約４．５バールの圧力において、蒸気を発生させてもよく、これは、食品、紙、および化学産業を含む、産業用蒸気生産の必要量の大部分を充足し得る。
【0056】
図１の蒸気発生システム１００では、ボトミングヒートポンプ１０２は、周囲空気を熱源として利用してもよい（すなわち、空気供給式）。ボトミングヒートポンプ１０２の蒸発器（すなわち、熱交換器）が、熱を周囲空気から捕捉する。熱は、ボトミングヒートポンプ１０２の蒸発器によって吸収され、それによって、ボトミングヒートポンプ１０２内の作業流体を蒸発させる。
【0057】
トッピングヒートポンプ１０４は、中間熱交換器によって、ボトミングヒートポンプ１０２に熱的に結合される。１つの事例では、中間熱交換器は、ボトミングヒートポンプ１０２の凝縮器と、トッピングヒートポンプ１０４の蒸発器とを備える。したがって、中間熱交換器内では、ボトミングヒートポンプ１０２の凝縮器が、熱を放熱し、トッピングヒートポンプ１０４の蒸発器が、熱を吸収する。
【0058】
第３の作業流体１０８のための導管（すなわち、流体流動経路）は、蒸気発生器（すなわち、熱交換器）によって、トッピングヒートポンプ１０４に結合される。１つの事例では、蒸気発生器は、トッピングヒートポンプ１０４の凝縮器と、第３の作業流体１０８のための導管とを備える。したがって、蒸気発生器内では、トッピングヒートポンプ１０４の凝縮器は、熱を放熱し、第３の作業流体１０８が、熱を吸収する。
【0059】
蒸気発生器に進入する前に、機械的ポンプが、第３の作業流体１０８の圧力を増加させるために使用されてもよい。第３の作業流体１０８が、蒸気発生器から退出後、蒸気コンプレッサ１０６が、第３の作業流体１０８の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。したがって、機械的ポンプが、蒸気発生器前に配設されてもよく、蒸気コンプレッサ１０６が、蒸気発生器後に配設されてもよく、または両方であってもよい。
【0060】
１つの事例では、第３の作業流体１０８は、水である。蒸気発生器内では、水は、熱をトッピングヒートポンプ１０４の作業流体から吸収する。一実施例では、水の圧力は、標的蒸気飽和温度を上回るまたはそれに等しくてもよい。換言すると、水は、十分な熱をトッピングヒートポンプ１０４から吸収し、蒸気１１０に蒸発させ得る。蒸気発生器後、蒸気コンプレッサ１０６が、直接、蒸気１１０の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。一実施例では、水の圧力は、蒸気発生器から退出後、標的蒸気飽和温度未満であり得、したがって、蒸気コンプレッサ１０６が、水の圧力を要求される飽和温度まで増加させるために使用されてもよい。システム１００は、設備内の既存の蒸気発生システムに追加導入されてもよい。代替として、システム１００は、全体的システム１００の一部として、蒸気発生システムを含んでもよい。
【0061】
蒸気発生システム１００は、電気１１２によって動力供給されてもよい。換言すると、電気１１２は、蒸気１１０を発生させるために、蒸気発生システム１００の中に入力される。例えば、蒸気発生システム１００は、グリッド電気、現場再生可能エネルギー、またはそれらの組み合わせを通して、動力供給されてもよい。蒸気発生システム１００は、産業部門１１４における蒸気エネルギーが、米国の主要エネルギー消費量のほぼ４クアッドを占め、毎年、２００ＭＭトンを上回るＣＯ２を排出しているため、産業用蒸気生産の経済的脱炭素化を可能にし得る。
【0062】
いくつかの事例では、蒸気発生システム１００は、エネルギー裁定取引を組み込んでもよい。換言すると、エネルギー裁定取引が、熱を蒸気発生システム１００に提供し、および／または電気を本明細書に説明されるヒートポンプシステムに提供し得る、付加的システムを組み込むことによって、蒸気発生システム１００と併用されてもよい。付加的システムは、他のシステムの中でもとりわけ、太陽熱アレイ、蓄熱システム、および燃料ボイラ（例えば、天然ガス、石炭、廃棄物、またはバイオマス）を含み得る。これらのシステムは、蒸気発生システム１００および／またはヒートポンプシステムに結合され、選択的に作動され、熱をシステム１００および／または電気をヒートポンプシステムに提供することができる。熱を蒸気発生システム１００および／または電気をヒートポンプシステムに提供する、具体的システムが、熱または電気を印加するシステムのエネルギー源の可用性および価格、ならびに蒸気発生システム１００の要件を含む、他の要因によって判定されることができる。エネルギー裁定取引を組み込むことによって、蒸気発生システム１００は、炭素排出量を有意に低減させながら、一貫した蒸気送達を発生させることが可能である。
【0063】
いくつかの事例では、蒸気発生システム１００は、熱階層式様式に配列され、空気を加熱圧送し、蒸気を発生させる、２つを上回るヒートポンプを含んでもよい。１つの事例では、蒸気発生システム１００は、３つのヒートポンプを含んでもよい。例えば、蒸気発生システム１００は、ボトミングヒートポンプ（すなわち、第１のヒートポンプ）と、中間ヒートポンプ（すなわち、第２のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ（すなわち、第３のヒートポンプ）とを含んでもよい。別の事例では、蒸気発生システム１００は、４つのヒートポンプを含んでもよい。例えば、蒸気発生システム１００は、ボトミングヒートポンプ（すなわち、第１のヒートポンプ）と、第１の中間ヒートポンプ（すなわち、第２のヒートポンプ）と、第２の中間ヒートポンプ（すなわち、第３のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ（すなわち、第４のヒートポンプ）とを含んでもよい。別の事例では、蒸気発生システム１００は、５つのヒートポンプを含んでもよい。
【0064】
１つの事例では、ボトミングヒートポンプ１０２は、周囲空気に結合される（すなわち、空気供給式）。しかしながら、他の事例では、ボトミングヒートポンプ１０２は、別の低温熱源に結合されてもよい。例えば、低温熱源が、熱を空気、地面、または別の共同設置された冷却負荷に放熱する、液体ループであり得る。一実施例では、液体ループは、水を含有してもよい。
【0065】
図２は、蒸気発生システム２００の部分的略図を図示し、これは、図１に図示される蒸気発生システム１００の部分的実施形態である。蒸気発生システム２００が、熱的に階層式様式に配列される、ボトミングヒートポンプ２０２（すなわち、第１のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ２０４（すなわち、第２のヒートポンプ）とを含む。ボトミングヒートポンプ２０２は、低温空気源ヒートポンプであってもよく、トッピングヒートポンプ２０４は、高温蒸気結合ヒートポンプであってもよい。蒸気発生システム２００はまた、蒸気コンプレッサ２０６を含んでもよい。
【0066】
蒸気発生システム２００は、廃熱を使用せずに、２を上回る性能係数を達成するために、高効率コンポーネントを組み込む、階層式ヒートポンプを含んでもよい。例えば、高効率コンポーネントは、高効率冷媒コンプレッサと、モータとを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサは、８５％に等しいまたはそれを上回る効率性であり得、モータは、９３％に等しいまたはそれを上回る効率性であり得る。
【0067】
例えば、１熱出力メガワット（ＭＷｔｈ）の蒸気発生システム２００は、摂氏２０度の公称周囲温度において、摂氏１５０度の蒸気を生産し得る。換言すると、蒸気発生システム２００は、廃熱を要求せずに、２を上回る性能係数において、摂氏２０度～摂氏１５０度の温度揚力を提供し得る。
【0068】
伝熱２１６ａは、ボトミングヒートポンプ２０２が、冷媒であり得る、作業流体を蒸発させることによって、熱を周囲空気から捕捉することを伴う。１つの事例では、周囲空気は、摂氏約２０度であってもよく、作業流体は、摂氏０度において、蒸発されてもよい。電気２１２ａが、ボトミングヒートポンプ２０２に印加されてもよく、これは、１４４キロワット電気（ｋＷｅ）の高効率コンプレッサおよびモータを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサは、約８５％効率で動作してもよく、モータは、約９３％効率で動作し得る。
【0069】
伝熱２１６ｂは、凝縮器が、ボトミングヒートポンプ２０２から熱をトッピングヒートポンプ２０４内の蒸発器に放熱し、それによって、トッピングヒートポンプ２０４内の作業流体を蒸発させることを伴う。トッピングヒートポンプ２０４内の作業流体は、冷媒であってもよい。１つの事例では、トッピングヒートポンプ２０４内の作業流体は、摂氏５０度において、蒸発されてもよい。電気２１２ｂが、トッピングヒートポンプ２０４に印加されてもよく、これは、１７０ｋＷｅの高効率コンプレッサおよびモータを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサは、約８５％効率で動作してもよく、モータは、約９３％効率で動作し得る。
【0070】
伝熱２１６ｃは、凝縮器が、トッピングヒートポンプ２０４から熱を蒸発する水流に放熱することを伴う。蒸発する水流内では、電気２１２ｃが、蒸気コンプレッサ２０６に印加されてもよく、これは、付加的１２２ｋＷｅを消費し得る。したがって、１ＭＷｔｈの蒸気２１０が、摂氏１５０度飽和温度において送達される。
【0071】
より冷たい環境では、蒸気発生システム２００性能係数は、冷媒コンプレッサによって要求されるより高い圧力揚力に起因して、減少し得る。しかしながら、蒸気発生システム２００は、システム設計および高効率コンプレッサを通して、低温環境内でも、高性能を達成し得る。蒸気発生システム２００は、トッピングおよびボトミングサイクルと、最終段階蒸気コンプレッサとのために、２つの異なる作業流体を使用してもよい。１つの事例では、補助負荷の低減、モータ効率の増加、および改良された空気結合熱交換器が、冷媒と周囲空気温度差を減少させるように最適化されてもよい。例えば、コンプレッサ効率を９０％まで増加させ、蒸発器と空気温度差を摂氏２０度から摂氏８．５度まで減少させ、モータ効率を９６％まで増加させることは、周囲空気が摂氏－６．５度未満であるとき、蒸気発生システム２００が、２を上回る性能係数を維持することを可能にする。
【0072】
図３は、図１および２を参照して説明される要素の多くを含む、蒸気発生システム３００を図示する。図３は、蒸気発生システム３００の概略図であって、これは、相互と熱連通する、第１のヒートポンプサイクル３０２（すなわち、ボトミングヒートポンプサイクル）と、第２のヒートポンプサイクル３０４（すなわち、トッピングヒートポンプサイクル）とを含む。蒸気発生システム３００は、第２のヒートポンプサイクル３０４と熱連通し、また、蒸気コンプレッサ３０６を含んでもよい。
【0073】
第１のヒートポンプサイクル３０２は、図３に図示されるように、第１のヒートポンプサイクル３０２の導管３２０を介して、第１の作業流体３１８を循環させる。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、フルオロカーボンであってもよい。非限定的実施例として、フルオロカーボンは、Ｒ１２３４ｚｅ（ｚ）またはＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、ハイドロフルオロオレフィンであってもよい。非限定的実施例として、ハイドロフルオロオレフィンは、Ｒ５１４ａであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、ハイドロフルオロエーテルであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、炭化水素であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、二酸化炭素であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、アンモニアであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、水であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体３１８は、エンジニアリングされた流体であってもよい。非限定的実施例として、エンジニアリングされた流体は、Ｎｏｖｅｃ６４９であってもよい。
【0074】
第１のヒートポンプサイクル３０２では、熱交換器３２２が、第１の作業流体３１８を膨張弁３２４から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８は、膨張弁出口３２６において、膨張弁３２４から退出し、熱交換器入口３２８において、熱交換器３２２に進入する。導管３２０が、膨張弁出口３２６を熱交換器入口３２８に接続し、それによって、膨張弁３２４と熱交換器３２２との間の流体連通を確立する。熱交換器３２２内では、第１の作業流体３１８が、熱を吸収する。本熱吸収は、第１の作業流体３１８を水蒸気化し得、それによって、第１の作業流体３１８が、熱交換器出口３３０において、熱交換器３２２から退出するとき、低圧水蒸気となる。１つの事例では、熱交換器３２２は、第１のヒートポンプサイクル３０２の蒸発器を含んでもよく、それによって、蒸発器が、熱を吸収し、第１の作業流体３１８は、蒸発器内で蒸発される。１つの事例では、熱交換器３２２は、低温蒸発器であってもよい。
【0075】
１つの事例では、吸引ライン熱交換器（「ＳＬＨＸ」）３３２が、第１のヒートポンプサイクル３０２の中に組み込まれてもよい。ＳＬＨＸ３３２は、第１の作業流体３１８をＳＬＨＸ３３２の第１の通路内の熱交換器３２２から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８が、熱交換器出口３３０において、熱交換器３２２から退出し、ＳＬＨＸ入口３３４において、ＳＬＨＸ３３２に進入する。導管３２０が、熱交換器出口３３０をＳＬＨＸ入口３３４に接続し、それによって、熱交換器３２２とＳＬＨＸ３３２との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ３３２の第１の通路内では、第１の作業流体３１８が、熱を吸収し、それによって、ＳＬＨＸ出口３３６においてＳＬＨＸ３３２から退出する前に、第１の作業流体３１８をさらに加熱する（すなわち、予熱する）。
【0076】
他の事例では、第１のヒートポンプサイクル３０２は、ＳＬＨＸ３３２を含まない。換言すると、第１の作業流体３１８は、熱交換器出口３３０において、熱交換器３２２から退出し、コンプレッサ入口３４０において、コンプレッサ３３８に進入する。導管３２０が、熱交換器出口３３０をコンプレッサ入口３４０に接続し、それによって、熱交換器３２２とコンプレッサ３３８との間の流体連通を確立する。
【0077】
コンプレッサ３３８が、第１の作業流体３１８をＳＬＨＸ３３２から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８は、ＳＬＨＸ出口３３６において、ＳＬＨＸ３３２から退出し、コンプレッサ入口３４０において、コンプレッサ３３８に進入する。導管３２０が、ＳＬＨＸ出口３３６をコンプレッサ入口３４０に接続し、それによって、ＳＬＨＸ３３２とコンプレッサ３３８との間の流体連通を確立する。コンプレッサ３３８内では、第１の作業流体３１８が、より高い圧力に圧縮され、これは、第１の作業流体３１８が、コンプレッサ出口３４２において、コンプレッサ３３８から退出する前に、温度を増加させる。１つの事例では、コンプレッサ３３８は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、コンプレッサ３３８は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ３３８は、２段階遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ３３８は、電気的に動力供給されてもよい。１つの事例では、高速および／または高効率モータが、コンプレッサ３３８を駆動してもよい。
【0078】
熱交換器３４４（すなわち、中間熱交換器）が、第１のヒートポンプサイクル３０２と第２のヒートポンプサイクル３０４を熱的に結合する。熱交換器３４４は、第１の作業流体３１８をコンプレッサ３３８から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８は、コンプレッサ出口３４２において、コンプレッサ３３８から退出し、熱交換器入口３４６において、熱交換器３４４に進入する。導管３２０が、コンプレッサ出口３４２を熱交換器入口３４６に接続し、それによって、コンプレッサ３３８と熱交換器３４４との間の流体連通を確立する。熱交換器３４４内では、第１の作業流体３１８が、熱を放熱する。本熱放熱は、熱交換器出口３４８において、熱交換器３４４から退出する前に、第１の作業流体３１８を凝縮させ得る。１つの事例では、熱交換器３４４は、第１のヒートポンプサイクル３０２の凝縮器と、第２のヒートポンプサイクル３０４の蒸発器とを備える。したがって、熱交換器３４４内では、第１のヒートポンプサイクル３０２の凝縮器が、熱を放熱し、第２のヒートポンプサイクル３０４の蒸発器が、熱を吸収する。熱交換器３４４内では、第２のヒートポンプサイクル３０４内の導管３５２の中を循環し得る、第２の作業流体３５０が、熱を吸収する。本熱吸収は、第２の作業流体３５０を水蒸気化し得、それによって、第２の作業流体３５０が、熱交換器３４４から退出するとき、低圧水蒸気となる。
【0079】
１つの事例では、ＳＬＨＸ３３２が、第１のヒートポンプサイクル３０２の中に組み込まれるとき、ＳＬＨＸ３３２は、第１の作業流体３１８をＳＬＨＸ３３２の第２の通路内の熱交換器３４４から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８は、熱交換器出口３４８において、熱交換器３４４から退出し、ＳＬＨＸ入口３５４において、ＳＬＨＸ３３２に進入する。導管３２０が、熱交換器出口３４８をＳＬＨＸ入口３５４に接続し、それによって、熱交換器３４４とＳＬＨＸ３３２との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ３３２の第２の通路内では、第１の作業流体３１８が、熱を放熱し、それによって、ＳＬＨＸ出口３５６において、ＳＬＨＸ３３２から退出する前に、第１の作業流体３１８を冷却する（すなわち、予冷する）。
【0080】
他の事例では、第１のヒートポンプサイクル３０２は、ＳＬＨＸ３３２を含まない。換言すると、第１の作業流体３１８は、熱交換器出口３４８において、熱交換器３４４から退出し、膨張弁入口３５８において、膨張弁３２４に進入する。導管３２０が、熱交換器出口３４８を膨張弁入口３５８に接続し、それによって、熱交換器３４４と膨張弁３２４との間の流体連通を確立する。
【0081】
膨張弁３２４が、第１の作業流体３１８をＳＬＨＸ３３２から受容する。換言すると、第１の作業流体３１８は、ＳＬＨＸ出口３５６において、ＳＬＨＸ３３２から退出し、膨張弁入口３５８において、膨張弁３２４に進入する。導管３２０が、ＳＬＨＸ出口３５６を膨張弁入口３５８に接続し、それによって、ＳＬＨＸ３３２と膨張弁３２４との間の流体連通を確立する。膨張弁３２４内では、第１の作業流体３１８は、より低い圧力に膨張され、これは、第１の作業流体３１８が、膨張弁出口３２６において、膨張弁３２４から退出する前に、温度を減少させる。
【0082】
第２のヒートポンプサイクル３０４は、図３に図示されるように、第２の作業流体３５０を循環させる。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、フルオロカーボンであってもよい。非限定的実施例として、フルオロカーボンは、Ｒ１２３４ｚｅ（ｚ）またはＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、ハイドロフルオロオレフィンであってもよい。非限定的実施例として、ハイドロフルオロオレフィンは、Ｒ５１４ａであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、ハイドロフルオロエーテルであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、炭化水素であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、二酸化炭素であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、アンモニアであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、水であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体３５０は、エンジニアリングされた流体であってもよい。非限定的実施例として、エンジニアリングされた流体は、Ｎｏｖｅｃ６４９であってもよい。
【0083】
１つの事例では、同一流体が、第１の作業流体３１８および第２の作業流体３５０の両方のために使用されてもよい。他の事例では、異なる流体が、第１の作業流体３１８および第２の作業流体３５０のために使用されてもよい。
【0084】
１つの事例では、第２のヒートポンプサイクル３０４は、第１のヒートポンプサイクル３０２と同一コンポーネントを含有してもよい。第２のヒートポンプサイクル３０４のコンポーネントは、第１のヒートポンプサイクル３０２のコンポーネントと同一構成に配列されてもよい。第２のヒートポンプサイクル３０４のコンポーネントは、第１のヒートポンプサイクル３０２のコンポーネントと異なる構成に配列されてもよい。他の事例では、第２のヒートポンプサイクル３０４は、第１のヒートポンプサイクル３０２と異なるコンポーネントを含有してもよい。
【0085】
第２のヒートポンプサイクル３０４では、熱交換器３４４が、第２の作業流体３５０を膨張弁３６０から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０は、膨張弁出口３６２において、膨張弁３６０から退出し、熱交換器入口３６４において、熱交換器３４４に進入する。導管３５２が、膨張弁出口３６２を熱交換器入口３６４に接続し、それによって、膨張弁３６０と熱交換器３４４との間の流体連通を確立する。熱交換器３４４内では、第２の作業流体３５０が、熱を吸収する。本熱吸収は、第２の作業流体３５０を水蒸気化し得、それによって、第２の作業流体３５０が、熱交換器出口３６６において、熱交換器３４４から退出するとき、低圧水蒸気となる。１つの事例では、熱交換器３４４は、第１のヒートポンプサイクル３０２の凝縮器と、第２のヒートポンプサイクル３０４の蒸発器とを備える。したがって、熱交換器３４４内では、第１のヒートポンプサイクル３０２の凝縮器が、熱を放熱し、第２のヒートポンプサイクル３０４の蒸発器が、熱を吸収する。
【0086】
１つの事例では、吸引ライン熱交換器（「ＳＬＨＸ」）３６８が、第２のヒートポンプサイクル３０４の中に組み込まれてもよい。ＳＬＨＸ３６８は、第２の作業流体３５０をＳＬＨＸ３６８の第１の通路内の熱交換器３４４から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０が、熱交換器出口３６６において、熱交換器３４４から退出し、ＳＬＨＸ入口３７０において、ＳＬＨＸ３６８に進入する。導管３５２が、熱交換器出口３６６をＳＬＨＸ入口３７０に接続し、それによって、熱交換器３４４とＳＬＨＸ３６８との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ３６８の第１の通路内では、第２の作業流体３５０が、熱を吸収し、それによって、ＳＬＨＸ出口３７２において、ＳＬＨＸ３６８から退出する前に、第２の作業流体３５０をさらに加熱する（すなわち、予熱する）。
【0087】
他の事例では、第２のヒートポンプサイクル３０４は、ＳＬＨＸ３６８を含まない。換言すると、第２の作業流体３５０が、熱交換器出口３６６において、熱交換器３４４から退出し、コンプレッサ入口３７６において、コンプレッサ３７４に進入する。導管３５２が、熱交換器出口３６６をコンプレッサ入口３７６に接続し、それによって、熱交換器３４４とコンプレッサ３７４との間の流体連通を確立する。
【0088】
コンプレッサ３７４が、第２の作業流体３５０をＳＬＨＸ３６８から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０は、ＳＬＨＸ出口３７２において、ＳＬＨＸ３６８から退出し、コンプレッサ入口３７６において、コンプレッサ３７４に進入する。導管３５２が、ＳＬＨＸ出口３７２をコンプレッサ入口３７６に接続し、それによって、ＳＬＨＸ３６８とコンプレッサ３７４との間の流体連通を確立する。コンプレッサ３７４内では、第２の作業流体３５０が、より高い圧力に圧縮され、これは、第２の作業流体３５０が、コンプレッサ出口３７８において、コンプレッサ３７４から退出する前に、温度を増加させる。１つの事例では、コンプレッサ３７４は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、コンプレッサ３７４は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ３７４は、電気的に動力供給されてもよい。１つの事例では、高速および／または高効率モータが、コンプレッサ３７４を駆動してもよい。
【0089】
熱交換器３８０が、第２のヒートポンプサイクル３０４と第３の作業流体３０８のシステムを熱的に結合する。熱交換器３８０は、第２の作業流体３５０をコンプレッサ３７４から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０は、コンプレッサ出口３７８において、コンプレッサ３７４から退出し、熱交換器入口３８２において、熱交換器３８０に進入する。導管３５２が、コンプレッサ出口３７８を熱交換器入口３８２に接続し、それによって、コンプレッサ３７４と熱交換器３８０との間の流体連通を確立する。熱交換器３８０内では、第２の作業流体３５０が、熱を放熱する。本熱放熱は、熱交換器出口３８４において、熱交換器３８０から退出する前に、第２の作業流体３５０を凝縮させ得る。１つの事例では、熱交換器３８０は、第２のヒートポンプサイクル３０４の凝縮器を含んでもよく、それによって、凝縮器は、熱を放熱し、第２の作業流体３５０は、凝縮器内で凝縮する。熱交換器３８０内では、導管３８６内を流動し得る、第３の作業流体３０８が、熱を吸収する。本熱吸収は、第３の作業流体３０８を水蒸気化し得、それによって、第３の作業流体３０８は、熱交換器３８０から退出するとき、蒸気となる。
【0090】
１つの事例では、ＳＬＨＸ３６８が、第２のヒートポンプサイクル３０４の中に組み込まれるとき、ＳＬＨＸ３６８は、第２の作業流体３５０をＳＬＨＸ３６８の第２の通路内の熱交換器３８０から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０が、熱交換器出口３８４において、熱交換器３８０から退出し、ＳＬＨＸ入口３８８において、ＳＬＨＸ３６８に進入する。導管３５２が、熱交換器出口３８４をＳＬＨＸ入口３８８に接続し、それによって、熱交換器３８０とＳＬＨＸ３６８との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ３６８の第２の通路内では、第２の作業流体３５０が、熱を放熱し、それによって、ＳＬＨＸ出口３９０において、ＳＬＨＸ３６８から退出する前に、第２の作業流体３５０を冷却する（すなわち、予冷する）。
【0091】
他の事例では、第２のヒートポンプサイクル３０４は、ＳＬＨＸ３６８を含まない。換言すると、第２の作業流体３５０が、熱交換器出口３８４において、熱交換器３８０から退出し、膨張弁入口３９２において、膨張弁３６０に進入する。導管３５２が、熱交換器出口３８４を膨張弁入口３９２に接続し、それによって、熱交換器３８０と膨張弁３６０との間の流体連通を確立する。
【0092】
膨張弁３６０が、第２の作業流体３５０をＳＬＨＸ３６８から受容する。換言すると、第２の作業流体３５０は、ＳＬＨＸ出口３９０において、ＳＬＨＸ３６８から退出し、膨張弁入口３９２において、膨張弁３６０に進入する。導管３５２が、ＳＬＨＸ出口３９０を膨張弁入口３９２に接続し、それによって、ＳＬＨＸ３６８と膨張弁３６０との間の流体連通を確立する。膨張弁３６０内では、第２の作業流体３５０は、より低い圧力に膨張され、これは、第２の作業流体３５０が、膨張弁出口３６２において、膨張弁３６０から退出する前に、温度を減少させる。
【0093】
第３の作業流体３０８が、図３に図示されるように、熱を熱交換器３８０から吸収してもよい。換言すると、熱交換器３８０は、第３の作業流体３０８を受容してもよい。熱交換器３８０内では、第２の作業流体３５０が、熱を放熱し、第３の作業流体３０８が、熱を吸収する。１つの事例では、熱交換器３８０は、第２のヒートポンプサイクル３０４の凝縮器を含んでもよく、それによって、凝縮器は、熱を放熱し、第３の作業流体３０８が、熱を吸収する。第２の作業流体３５０は、凝縮器内で熱を放熱するにつれて凝縮される。１つの事例では、熱交換器３８０は、蒸気発生器であってもよい。蒸気発生器内では、第３の作業流体３０８は、水蒸気化するために十分な熱を吸収し得る。
【0094】
１つの事例では、第３の作業流体３０８は、導管３８６を介して、熱交換器３８０に供給されてもよい。換言すると、第３の作業流体３０８のための導管３８６は、熱交換器３８０によって、第２のヒートポンプサイクル３０４に熱的に結合される。
【0095】
１つの事例では、機械的ポンプ３０１が、第３の作業流体３０８の圧力を増加させてもよい。機械的ポンプ３０１が、熱交換器３８０の上流にあってもよく、それによって、熱交換器３８０は、第３の作業流体３０８を機械的ポンプ３０１から受容する。換言すると、第３の作業流体３０８は、機械的ポンプ出口３０３において、機械的ポンプ３０１から退出し、熱交換器入口３０５において、熱交換器３８０に進入する。導管３８６が、機械的ポンプ出口３０３を熱交換器入口３０５に接続し、それによって、機械的ポンプ３０１と熱交換器３８０との間の流体連通を確立する。第３の作業流体３０８が、熱交換器出口３０７において、熱交換器３８０から退出し、導管３８６に進入し得る。
【0096】
１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６が、第３の作業流体３０８の圧力および温度を増加させてもよい。蒸気コンプレッサ３０６が、熱交換器３８０の下流にあってもよく、それによって、蒸気コンプレッサ３０６は、第３の作業流体３０８を熱交換器３８０から受容する。換言すると、第３の作業流体３０８は、熱交換器出口３０７において、熱交換器３８０から退出し、蒸気コンプレッサ入口３０９において、蒸気コンプレッサ３０６に進入する。導管３８６が、熱交換器出口３０７を蒸気コンプレッサ入口３０９に接続し、それによって、熱交換器３８０と蒸気コンプレッサ３０６との間の流体連通を確立する。
【0097】
蒸気コンプレッサ３０６内では、第３の作業流体３０８が、より高い圧力および温度に圧縮される。１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６は、第３の作業流体３０８の圧力および温度を増加させ、第３の作業流体３０８が、蒸気コンプレッサ出口３１１において、蒸気コンプレッサ３０６から退出する前に、第３の作業流体３０８を蒸気に変える。蒸気は、蒸気コンプレッサ出口３１１に接続される、導管３８６に進入し得る。１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６は、摂氏１２０度に等しいまたはそれを上回る温度において、蒸気を送達する。１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、蒸気コンプレッサ３０６は、電気的に動力供給されてもよい。
【0098】
１つの事例では、第３の作業流体３０８は、水である。熱交換器３８０内では、水は、熱を第２のヒートポンプサイクル３０４の第２の作業流体３５０から吸収する。一実施例では、水の圧力は、水が、熱交換器出口３０７において、熱交換器３８０から退出するとき、標的蒸気飽和温度を上回るまたはそれに等しくてもよい。換言すると、水は、第２のヒートポンプサイクル３０４から、蒸気に蒸発するために十分な熱を吸収し得る。熱交換器３８０後、蒸気コンプレッサ３０６が、直接、蒸気の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。一実施例では、水の圧力は、水が、熱交換器出口３０７において、熱交換器３８０から退出するとき、標的蒸気飽和温度未満であってもよい。したがって、蒸気コンプレッサ３０６は、水の圧力を要求される飽和温度まで増加させるために使用されてもよい。
【0099】
第１のヒートポンプサイクル３０２およびそのための加熱に戻って目を向けると、伝達流体３１３が、図３に図示されるように、熱を熱交換器３２２に放熱し得る。換言すると、熱交換器３２２は、伝達流体３１３を受容する。熱交換器３２２内では、伝達流体３１３が、熱を放熱し、第１の作業流体３１８が、熱を吸収する。１つの事例では、熱交換器３２２は、第１のヒートポンプサイクル３０２の蒸発器を含んでもよく、それによって、伝達流体３１３は、熱を放熱し、蒸発器が、熱を吸収する。第１の作業流体３１８は、蒸発器内で熱を吸収するにつれて蒸発される。１つの事例では、熱交換器３２２は、低温蒸発器であってもよい。
【0100】
１つの事例では、伝達流体３１３は、導管３１５を介して、熱交換器３２２に供給されてもよい。換言すると、伝達流体３１３のための導管３１５は、熱交換器３２２によって、第１のヒートポンプサイクル３０２に結合される。
【0101】
１つの事例では、機械的ポンプ３１７が、伝達流体３１３の圧力を増加させてもよい。機械的ポンプ３１７が、熱交換器３２２の上流にあってもよく、それによって、熱交換器３２２は、伝達流体３１３を機械的ポンプ３１７から受容する。換言すると、伝達流体３１３は、機械的ポンプ出口３１９において、機械的ポンプ３１７から退出し、熱交換器入口３２１において、熱交換器３２２に進入する。導管３１５が、機械的ポンプ出口３１９を熱交換器入口３２１に接続し、それによって、機械的ポンプ３１７と熱交換器３２２との間の流体連通を確立する。伝達流体３１３が、熱交換器出口３２３において、熱交換器３２２から退出し、導管３１５に進入し得る。
【0102】
１つの事例では、伝達流体３１３は、周囲空気であって、それによって、第１のヒートポンプサイクル３０２の熱交換器３２２は、周囲空気を熱源として利用する（すなわち、空気供給式）。第１のヒートポンプサイクル３０２の熱交換器３２２は、熱を周囲空気から捕捉してもよい。熱は、第１のヒートポンプサイクル３０２の熱交換器３２２によって吸収され、それによって、第１のヒートポンプサイクル３０２内の第１の作業流体３１８を蒸発させる。
【0103】
他の事例では、伝達流体３１３は、低温熱源に接続される、液体であってもよい。１つの事例では、低温熱源は、周囲空気であってもよい。他の事例では、第１のヒートポンプサイクル３０２は、別の低温熱源に結合されてもよい。例えば、低温熱源が、熱を空気、地面、または別の共同設置された冷却負荷に放熱する、液体ループであり得る。一実施例では、液体ループは、水を含有してもよい。
【0104】
制御システムが、第１のヒートポンプサイクル３０２と、第２のヒートポンプサイクル３０４と電気連通してもよい。制御システムは、第１の熱源および／または第２の熱源から第３の作業流体３０８への熱の送達を制御してもよい。第１の熱源は、第１のヒートポンプサイクル３０２と、第２のヒートポンプサイクル３０４とを含んでもよい。第２の熱源は、可能性として考えられる熱源の中でもとりわけ、蓄熱蒸気システム、燃料ボイラ（例えば、天然ガス、石炭、バイオマス）等の代替熱源を含んでもよい。制御システムはまた、第１および第２のヒートポンプサイクル３０２、３０４に供給される電気動力源を制御してもよい。例えば、第１および第２のヒートポンプサイクル３０２、３０４は、電気グリッドおよび太陽熱グリッドに電気的に結合されてもよい。条件が、可用性、価格、および出力必要量に基づいて、好ましいとき、第１および第２のヒートポンプサイクル３０２、３０４は、動力を電気グリッドおよび太陽熱グリッドの一方または両方から供給されてもよい。
【0105】
図４は、産業用途における例示的蒸気発生システム４００を図示する。そのようなシステムのコンポーネントの具体的実施例は、図１０を参照してさらに詳細に図示および説明されるであろう。図４は、システム４００の概要を提供し、これは、中間熱交換器（すなわち、熱交換器）によって、熱的にともに結合される、ボトミングヒートポンプ４０２（すなわち、第１のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ４０４（すなわち、第２のヒートポンプ）とを備える、２段階空気源ヒートポンプを含む。中間熱交換器内では、ボトミングヒートポンプ４０２内の作業流体が、熱をトッピングヒートポンプ４０４内の作業流体に放熱する。次いで、蒸気発生器（すなわち、熱交換器）内では、トッピングヒートポンプ４０４の作業流体は、熱を第３の作業流体４０８に放熱する。いくつかの事例では、蒸気発生システム４００はまた、蒸気コンプレッサ（図４には示されない）を含んでもよく、これは、第３の作業流体４０８が熱を蒸気発生器から吸収後、第３の作業流体４０８の温度および圧力を増加させるように構成される。
【0106】
ヒートポンプ４０２、４０４はそれぞれ、電気エネルギー源を使用することによって、より低温の熱をより高温に「圧送」するために使用される。現在利用可能なヒートポンプは、蒸気を生産するために十分に大きい温度揚力を発生させないか、またはそれらが、エネルギー源としてより高温の廃熱流の使用を要求するかのいずれかである。本明細書に説明されるように、システム４００は、代替源より低いコストにおいて、温度を徐々に上昇させ、脱炭素化された蒸気を送達する、相互と熱接続する、「階層式」または一連のヒートポンプサイクルを利用する。システム４００は、高温蒸気を送達するために、廃熱を要求しない。
【0107】
図４の蒸気発生システム４００は、概して、様々な産業プロセスおよび／または製造環境に適用可能であり得る。例えば、蒸気発生システム４００は、産業用蒸気を発生させるために使用されてもよい。１つの事例では、ボトミングヒートポンプ４０２およびトッピングヒートポンプ４０４は、熱的に階層式様式に配列される、モジュール式かつ電気動力供給式の空気源ヒートポンプであってもよい。本モジュール性は、異なる蒸気圧力および容量等の産業特有の必要性を可能にし得る。本願におけるシステムは、２つのヒートポンプサイクル（すなわち、トッピングヒートポンプおよびボトミングヒートポンプ）を図示するが、本システムは、スケーラブルであって、付加的ヒートポンプを含むように修正されることができる。ある事例では、本システムは、３つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。ある事例では、本システムは、４つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。ある事例では、本システムは、５つのヒートポンプサイクルを含んでもよい。１つの事例では、蒸気発生システム４００は、摂氏約１５０度の温度および約４．５バールの圧力において、蒸気を発生させてもよく、これは、食品、紙、および化学産業を含む、産業用蒸気生産の必要量の大部分を充足し得る。
【0108】
図４の蒸気発生システム４００では、ボトミングヒートポンプ４０２は、周囲空気を熱源として利用してもよい（すなわち、空気供給式）。ボトミングヒートポンプ４０２の蒸発器（すなわち、熱交換器）が、熱を周囲空気から捕捉する。熱は、ボトミングヒートポンプ４０２の蒸発器によって吸収され、それによって、ボトミングヒートポンプ４０２内の作業流体を蒸発させる。
【0109】
トッピングヒートポンプ４０４は、中間熱交換器によって、ボトミングヒートポンプ４０２に熱的に結合される。１つの事例では、中間熱交換器は、ボトミングヒートポンプ４０２の凝縮器と、トッピングヒートポンプ４０４の蒸発器とを備える。したがって、中間熱交換器内では、ボトミングヒートポンプ４０２の凝縮器が、熱を放熱し、トッピングヒートポンプ４０４の蒸発器が、熱を吸収する。
【0110】
第３の作業流体４０８のための導管（すなわち、流体流動経路を提供するパイプ）は、蒸気発生器（すなわち、熱交換器）によって、トッピングヒートポンプ４０４に結合される。１つの事例では、蒸気発生器は、トッピングヒートポンプ４０４の凝縮器と、第３の作業流体４０８のための導管とを備える。したがって、蒸気発生器内では、トッピングヒートポンプ４０４の凝縮器は、熱を放熱し、第３の作業流体４０８が、熱を吸収する。
【0111】
蒸気発生器に進入する前に、機械的ポンプが、第３の作業流体４０８の圧力を増加させるために使用されてもよい。第３の作業流体４０８が、蒸気発生器から退出後、蒸気コンプレッサが、第３の作業流体４０８の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。したがって、機械的ポンプが、蒸気発生器前に配設されてもよく、蒸気コンプレッサが、蒸気発生器後に配設されてもよく、または両方であってもよい。
【0112】
１つの事例では、第３の作業流体４０８は、水である。蒸気発生器内では、水は、熱をトッピングヒートポンプ４０４の作業流体から吸収する。一実施例では、水の圧力は、標的蒸気飽和温度を上回るまたはそれに等しくてもよい。換言すると、水は、十分な熱をトッピングヒートポンプ４０４から吸収し、蒸気４１０に蒸発させ得る。蒸気発生器後、蒸気コンプレッサが、直接、蒸気４１０の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。一実施例では、水の圧力は、蒸気発生器から退出後、標的蒸気飽和温度未満であり得、したがって、蒸気コンプレッサが、水の圧力を要求される飽和温度まで増加させるために使用されてもよい。システム４００は、設備内の既存の蒸気発生システムに追加導入されてもよい。代替として、システム４００は、全体的システム４００の一部として、蒸気発生システムを含んでもよい。
【0113】
蒸気発生システム４００は、電気４１２によって動力供給されてもよい。換言すると、電気４１２は、蒸気４１０を発生させるために、蒸気発生システム４００の中に入力される。例えば、蒸気発生システム４００は、グリッド電気、現場再生可能エネルギー、またはそれらの組み合わせを通して、動力供給されてもよい。蒸気発生システム４００は、産業部門における蒸気エネルギーが、米国の主要エネルギー消費量のほぼ４クアッドを占め、毎年、２００ＭＭトンを上回るＣＯ２を排出しているため、産業用蒸気生産の経済的脱炭素化を可能にし得る。
【0114】
いくつかの事例では、蒸気発生システム４００は、図１を参照して説明されるように、エネルギー裁定取引を組み込んでもよい。換言すると、エネルギー裁定取引が、熱を蒸気発生システム４００に提供し、および／または電気を本明細書に説明されるヒートポンプシステムに提供し得る、付加的システムを組み込むことによって、蒸気発生システム４００と併用されてもよい。付加的システムは、他のシステムの中でもとりわけ、太陽熱アレイ、蓄熱システム、および燃料ボイラ（例えば、天然ガス、石炭、廃棄物、またはバイオマス）を含み得る。これらのシステムは、蒸気発生システム４００および／またはヒートポンプシステムに結合され、選択的に作動され、熱をシステム４００および／または電気をヒートポンプシステムに提供することができる。熱を蒸気発生システム４００および／または電気をヒートポンプシステムに提供する、具体的システムが、熱または電気を印加するシステムのエネルギー源の可用性および価格、ならびに蒸気発生システム４００の要件を含む、他の要因によって判定されることができる。エネルギー裁定取引を組み込むことによって、蒸気発生システム４００は、炭素排出量を有意に低減させながら、一貫した蒸気送達を発生させることが可能である。
【0115】
いくつかの事例では、蒸気発生システム４００は、熱階層式様式に配列され、空気を加熱圧送し、蒸気を発生させる、２つを上回るヒートポンプを含んでもよい。１つの事例では、蒸気発生システム４００は、３つのヒートポンプを含んでもよい。例えば、蒸気発生システム４００は、ボトミングヒートポンプ（すなわち、第１のヒートポンプ）と、中間ヒートポンプ（すなわち、第２のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ（すなわち、第３のヒートポンプ）とを含んでもよい。別の事例では、蒸気発生システム４００は、４つのヒートポンプを含んでもよい。例えば、蒸気発生システム４００は、ボトミングヒートポンプ（すなわち、第１のヒートポンプ）と、第１の中間ヒートポンプ（すなわち、第２のヒートポンプ）と、第２の中間ヒートポンプ（すなわち、第３のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ（すなわち、第４のヒートポンプ）とを含んでもよい。別の事例では、蒸気発生システム４００は、５つのヒートポンプを含んでもよい。
【0116】
１つの事例では、ボトミングヒートポンプ４０２は、周囲空気に結合される（すなわち、空気供給式）。しかしながら、他の事例では、ボトミングヒートポンプ４０２は、別の低温熱源に結合されてもよい。例えば、低温熱源が、熱を空気、地面、または別の共同設置された冷却負荷に放熱する、液体ループであり得る。一実施例では、液体ループは、水を含有してもよい。
【0117】
図５は、蒸気発生システム５００の部分的略図を図示し、これは、図４に図示される蒸気発生システム４００の部分的実施形態である。蒸気発生システム５００が、熱的に階層式様式に配列される、ボトミングヒートポンプ５０２（すなわち、第１のヒートポンプ）と、トッピングヒートポンプ５０４（すなわち、第２のヒートポンプ）とを含む。ボトミングヒートポンプ５０２は、低温空気源ヒートポンプであってもよく、トッピングヒートポンプ５０４は、高温蒸気結合ヒートポンプであってもよい。蒸気発生システム５００はまた、蒸気コンプレッサ（図５には示されない）を含んでもよい。
【0118】
蒸気発生システム５００は、廃熱を使用せずに、２を上回る性能係数を達成するために、高効率コンポーネントを組み込む、階層式ヒートポンプを含んでもよい。例えば、高効率コンポーネントは、高効率冷媒コンプレッサと、モータとを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサは、８５％に等しいまたはそれを上回る効率性であり得、モータは、９３％に等しいまたはそれを上回る効率性であり得る。
【0119】
例えば、１熱出力メガワット（ＭＷｔｈ）の蒸気発生システム５００は、摂氏２０度の公称周囲温度において、摂氏１５０度の蒸気を生産し得る。換言すると、蒸気発生システム５００は、廃熱を要求せずに、２を上回る性能係数において、摂氏２０度～摂氏１５０度の温度揚力を提供し得る。
【0120】
伝熱５１６ａは、ボトミングヒートポンプ５０２が、冷媒であり得る、作業流体を蒸発させることによって、熱を周囲空気から捕捉することを伴う。１つの事例では、周囲空気は、摂氏約２０度であってもよく、作業流体は、摂氏１５度において、蒸発されてもよい。電気２１２ａが、ボトミングヒートポンプ５０２に印加されてもよく、これは、８８．５ロワット電気（ｋＷｅ）の高効率コンプレッサおよびモータを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサ動力２９７ａは、７５．５キロワット（ｋｗ）を消費してもよい。１つの事例では、ファン動力および損失２９９ａは、１３ｋＷｅであってもよい。
【0121】
伝熱５１６ｂは、凝縮器が、ボトミングヒートポンプ５０２から熱をトッピングヒートポンプ５０４内の蒸発器に放熱し、それによって、トッピングヒートポンプ５０４内の作業流体を蒸発させることを伴う。トッピングヒートポンプ５０４内の作業流体は、冷媒であってもよい。１つの事例では、トッピングヒートポンプ５０４内の作業流体は、摂氏６０度において、蒸発されてもよい。電気５１２ｂが、トッピングヒートポンプ５０４に印加されてもよく、これは、１５９．２ｋＷｅの高効率コンプレッサおよびモータを含んでもよい。１つの事例では、コンプレッサ動力２９７ｂは、１４６ｋｗを消費してもよい。１つの事例では、ファン動力および損失２９９ｂは、１３．２ｋＷｅであってもよい。
【0122】
伝熱５１６ｃは、凝縮器が、トッピングヒートポンプ５０４から熱を蒸発する水流に放熱することを伴う。したがって、１ＭＷｔｈの蒸気が、摂氏１５０度飽和温度において送達される。
【0123】
図６は、図５に図示される蒸気発生システム５００の部分的実施形態である、蒸気発生システム６００のボトミングサイクル６０２用の２段階コンプレッサのための例示的設計仕様を概略する、表である。本コンプレッサは、図１０の蒸気発生システム１００の第１のヒートポンプサイクル１００２を参照してさらに示され、説明されるであろう。１つの事例では、ボトミングサイクル６０２内のコンプレッサは、単一シャフトおよびモータを伴う、２段階圧縮を備えてもよい。換言すると、コンプレッサの第１の段階は、第１のコンプレッサ６３８を備えてもよく、コンプレッサの第２の段階は、第２のコンプレッサ６２９を備えてもよい。１つの事例では、モータは、第１のコンプレッサ６３８および第２のコンプレッサ６２９の両方を駆動する、シャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、シャフト上にともに回転可能に結合され、同一モータによって動力供給される）（続いて、図１０に示される）。コンプレッサの具体的速度（Ｎｓ）対コンプレッサの具体的直径（Ｄｓ）は、８０％の効率性に等しいまたはそれを上回る効率をもたらし得る。総電気効率は、約９４．１％の効率性であり得る。
【0124】
図７は、図４に図示される蒸気発生システム４００の部分的実施形態である、蒸気発生システム７００のトッピングサイクル７０４用の２段階コンプレッサのための設計の略図である。１つの事例では、コンプレッサは、２つのシャフトおよびモータを伴う、２段階圧縮を備えてもよい。換言すると、コンプレッサの第１の段階は、第１のコンプレッサ７７４を備えてもよく、コンプレッサの第２の段階は、第２のコンプレッサ７６３を備えてもよい。１つの事例では、第１のモータは、第１のコンプレッサ７７４を駆動する、シャフトを旋回させてもよく、第２のモータは、第２のコンプレッサ７６３を駆動する、別個のシャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、別個のモータによって動力供給される、別個のシャフト上にある）。本タイプのコンプレッサは、図１０を参照して図示および説明される。
【0125】
別個の段階は、コンプレッサモータ内の風損を低減させ得る。さらに、別個の段階は、より高いリスクコンポーネントを隔離し得る。例えば、第２のコンプレッサ７６３は、より高温コンプレッサであって、これは、増大したリスクを生成し得る。したがって、第１のコンプレッサ７７４と別個のモータおよびシャフトを提供することによって、第２のコンプレッサ７６３を分離することは、蒸気発生システム７００の残りをこれらの課題から隔離し得る。
【0126】
１つの事例では、トッピングサイクル７０４内の作業流体は、摂氏約１０３度の温度７１６ｄにおいて、第１のコンプレッサ７７４に（すなわち、入口において）進入し得る。第１のコンプレッサ７７４は、作業流体を圧縮し、これは、作業流体の温度および圧力を増加させる。作業流体は、摂氏約１４４度の温度７１６ｅにおいて、第１のコンプレッサ７７４から（すなわち、出口において）退出し得る。エコノマイザ（図１０を参照して図示および説明される）からの作業流体の温度７１６ｆは、摂氏約１０４度であり得る。（異なる温度における）２つの作業流体流は、作業流体の温度が、摂氏約１３２度の温度７１６ｇにおいて、第２のコンプレッサ７６３に（すなわち、入口において）進入し得るように、ともに混合する。第２のコンプレッサ７６３は、作業流体を圧縮し、これは、作業流体の温度および圧力を増加させる。作業流体は、摂氏約１７４度の温度７１６ｈにおいて、第２のコンプレッサ７６３から（すなわち、出口において）退出し得る。
【0127】
図８は、図７に図示される蒸気発生システム７００の部分的実施形態である、蒸気発生システム８００のトッピングサイクル８０４用の２段階コンプレッサのための例示的設計仕様を概略する、表である。そのようなコンプレッサ設計は、トッピングヒートポンプサイクル１００４において、図１０のシステム１０００内に見られ、実装され得る。図８を継続すると、１つの事例では、トッピングサイクル８０４内のコンプレッサは、２つのシャフトおよびモータを伴う、２段階圧縮を備えてもよい。換言すると、コンプレッサの第１の段階は、第１のコンプレッサ８７４を備えてもよく、コンプレッサの第２の段階は、第２のコンプレッサ８６３を備えてもよい。１つの事例では、第１のモータは、第１のコンプレッサ８７４を駆動する、シャフトを旋回させてもよく、第２のモータは、第２のコンプレッサ８６３を駆動する、別個のシャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、異なるシャフトおよびモータを使用する）。コンプレッサの具体的速度（Ｎｓ）対コンプレッサの具体的直径（Ｄｓ）は、８０％の効率性に等しいまたはそれを上回る効率をもたらし得る。
【0128】
図９は、図４に図示される蒸気発生システム４００の部分的実施形態である、蒸気発生システム９００の電気動力入力および熱動力出力の略図である。蒸気発生システム９００は、ボトミングヒートポンプ９０２と、トッピングヒートポンプ９０４とを備える。電気動力入力は、電気９１２を備えてもよく、これは、約０．５メガワット電気（ＭＷｅ）であってもよい。熱動力出力は、蒸気９１０を備えてもよく、これは、摂氏１５０度飽和温度において送達される、約１．０熱出力メガワット（ＭＷｔｈ）の蒸気９１０であってもよい。
【0129】
図１０は、図４－９を参照して説明される要素の多くを含む、蒸気発生システム１０００を図示する。図１０は、蒸気発生システム１０００の概略図であって、これは、相互と熱連通する、第１のヒートポンプサイクル１００２（すなわち、ボトミングヒートポンプサイクル）と、第２のヒートポンプサイクル１００４（すなわち、トッピングヒートポンプサイクル）とを含む。蒸気発生システム１０００はまた、第２のヒートポンプサイクル１００４と熱連通する、蒸気コンプレッサ（図１０には示されない）を含んでもよい。
【0130】
第１のヒートポンプサイクル１００２は、図１０に図示されるように、第１のヒートポンプサイクル１００２の導管１０２０を介して、第１の作業流体１０１８を循環させる。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、フルオロカーボンであってもよい。非限定的実施例として、フルオロカーボンは、Ｒ１２３４ｚｅ（ｚ）またはＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、ハイドロフルオロオレフィンであってもよい。非限定的実施例として、ハイドロフルオロオレフィンは、Ｒ５１４ａであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、ハイドロフルオロエーテルであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、炭化水素であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、二酸化炭素であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、アンモニアであってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、水であってもよい。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、エンジニアリングされた流体であってもよい。非限定的実施例として、エンジニアリングされた流体は、Ｎｏｖｅｃ６４９であってもよい。
【0131】
第１のヒートポンプサイクル１００２では、熱交換器１０２２が、第１の作業流体１０１８を膨張弁１０２４から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、膨張弁出口１０２６において、膨張弁１０２４から退出し、熱交換器入口１０２８において、熱交換器１０２２に進入する。導管１０２０が、膨張弁出口１０２６を熱交換器入口１０２８に接続し、それによって、膨張弁１０２４と熱交換器１０２２との間の流体連通を確立する。熱交換器１０２２内では、第１の作業流体１０１８が、熱を吸収する。本熱吸収は、第１の作業流体１０１８を水蒸気化し得、それによって、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０３０において、熱交換器１０２２から退出するとき、低圧水蒸気となる。１つの事例では、熱交換器１０２２は、第１のヒートポンプサイクル１００２の蒸発器を含んでもよく、それによって、蒸発器が、熱を吸収し、第１の作業流体１０１８は、蒸発器内で蒸発される。１つの事例では、熱交換器１０２２は、低温蒸発器であってもよい。１つの事例では、熱交換器１０２２は、９０％を上回るまたはそれに等しい効率で動作し得る。
【0132】
コンプレッサ１０３８が、第１の作業流体１０１８を熱交換器１０２２から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０３０において、熱交換器１０２２から退出し、コンプレッサ入口１０４０において、コンプレッサ１０３８に進入する。導管１０２０が、熱交換器出口１０３０をコンプレッサ入口１０４０に接続し、それによって、熱交換器１０２２とコンプレッサ１０３８との間の流体連通を確立する。コンプレッサ１０３８内では、第１の作業流体１０１８が、より高い圧力に圧縮され、これは、第１の作業流体１０１８が、コンプレッサ出口１０４２において、コンプレッサ１０３８から退出する前に、温度を増加させる。したがって、低圧水蒸気が、より高い圧力に圧縮される。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、コンプレッサ出口１０４２において、コンプレッサ１０３８から退出するとき、中圧流体となる。１つの事例では、コンプレッサ１０３８は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、コンプレッサ１０３８は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ１０３８は、２段階遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ１０３８は、電気的に動力供給されてもよい。モータ１０２７は、コンプレッサ１０３８を駆動する、シャフトを旋回させてもよい。１つの事例では、モータ１０２７は、高速および／または高効率モータであってもよい。１つの事例では、モータ１０２７は、電気的に動力供給されてもよい。
【0133】
１つの事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、吸引ライン熱交換器（「ＳＬＨＸ」）を含まない。しかしながら、他の事例では、ＳＬＨＸ（図１０の第１のヒートポンプサイクル１００２に示されない）は、第１のヒートポンプサイクル１００２の中に組み込まれてもよい。ＳＬＨＸを伴う、第１のヒートポンプサイクル１００２のある実施形態では、ＳＬＨＸが、第１の作業流体１０１８をＳＬＨＸの第１の通路内の熱交換器１０２２から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、熱交換器出口１０３０において、熱交換器１０２２から退出し、ＳＬＨＸ入口において、ＳＬＨＸに進入する。導管が、熱交換器出口１０３０をＳＬＨＸ入口に接続し、それによって、熱交換器１０２２とＳＬＨＸとの間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸの第１の通路内では、第１の作業流体１０１８が、熱を吸収し、それによって、ＳＬＨＸ出口において、ＳＬＨＸから退出する前に、第１の作業流体１０１８をさらに加熱する（すなわち、予熱する）。次いで、第１の作業流体１０１８は、ＳＬＨＸ出口において、ＳＬＨＸから退出し、コンプレッサ入口１０４０において、コンプレッサ１０３８に進入する。導管が、ＳＬＨＸ出口をコンプレッサ入口１０４０に接続し、それによって、ＳＬＨＸとコンプレッサ１０３８との間の流体連通を確立する。
【0134】
図１０に示されるような第１のヒートポンプサイクル１００２の説明を継続すると、第２のコンプレッサ１０２９が、第１の作業流体１０１８をコンプレッサ１０３８から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、コンプレッサ出口１０４２において、コンプレッサ１０３８から退出し、第２のコンプレッサ入口１０３１において、第２のコンプレッサ１０２９に進入する。導管１０２０が、コンプレッサ出口１０４２を第２のコンプレッサ入口１０３１に接続し、それによって、コンプレッサ１０３８と第２のコンプレッサ１０２９との間の流体連通を確立する。
【0135】
ある事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、代替として、第２のコンプレッサ１０２９を含まなくてもよい。すなわち、第１のヒートポンプサイクル１００２は、単一コンプレッサ１０３８のみを含んでもよい。そのような事例では、熱交換器１０４４が、第１の作業流体１０１８をコンプレッサ１０３８から受容する。より具体的には、第１の作業流体１０１８は、コンプレッサ出口１０４２において、コンプレッサ１０３８から退出し、熱交換器入口１０４６において、熱交換器１０４４に進入する。導管が、コンプレッサ出口１０４２を熱交換器入口１０４６に接続し、それによって、コンプレッサ１０３８と熱交換器１０４４との間の流体連通を確立する。
【0136】
図１０に示されるような第１のヒートポンプサイクル１００２を継続すると、第１の作業流体１０１８が、第２のコンプレッサ１０２９によって、より高い圧力に圧縮され、これは、第１の作業流体１０１８が、第２のコンプレッサ出口１０３３において、第２のコンプレッサ１０２９から退出する前に、温度を増加させる。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０２９は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０２９は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０２９は、電気的に動力供給されてもよい。モータ１０２７は、第２のコンプレッサ１０２９を駆動する、シャフトを旋回させてもよい。１つの事例では、モータ１０２７は、高速および／または高効率モータであってもよい。１つの事例では、モータ１０２７は、電気的に動力供給されてもよい。１つの事例では、モータ１０２７は、コンプレッサ１０３８および第２のコンプレッサ１０２９の両方を駆動する、シャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、同一シャフトおよびモータを使用する）。別の事例では、モータ１０２７が、コンプレッサ１０３８を駆動する、シャフトを旋回させ、第２のモータ（すなわち、図１０には示されない別個のモータ）が、第２のコンプレッサ１０２９を駆動する、別個のシャフトを旋回させる（すなわち、コンプレッサは、異なるモータおよび異なるシャフトを使用する）。コンプレッサのための例示的設計仕様は、図６に示される。
【0137】
熱交換器１０４４（すなわち、中間熱交換器）が、第１のヒートポンプサイクル１００２と第２のヒートポンプサイクル１００４を熱的に結合する。１つの事例では、熱交換器１０４４が、第１の作業流体１０１８を第２のコンプレッサ１０２９から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、第２のコンプレッサ出口１０３３において、第２のコンプレッサ１０２９から退出し、熱交換器入口１０４６において、熱交換器１０４４に進入する。導管１０２０が、第２のコンプレッサ出口１０３３を熱交換器入口１０４６に接続し、それによって、第２のコンプレッサ１０２９と熱交換器１０４４との間の流体連通を確立する。他の事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２が、第２のコンプレッサ１０２９を含まないとき、熱交換器１０４４が、上記に説明されるように、第１の作業流体１０１８をコンプレッサ１０３８から受容する。
【0138】
熱交換器１０４４内では、第１の作業流体１０１８が、熱を放熱する。本熱放熱が、熱交換器出口１０４８において、熱交換器１０４４から退出する前に、第１の作業流体１０１８を凝縮させ得る。１つの事例では、熱交換器１０４４は、第１のヒートポンプサイクル１００２の凝縮器と、第２のヒートポンプサイクル１００４の蒸発器とを備える。したがって、熱交換器１０４４内では、第１のヒートポンプサイクル１００２の凝縮器が、熱を放熱し、第２のヒートポンプサイクル１００４の蒸発器が、熱を吸収する。熱交換器１０４４内では、第２のヒートポンプサイクル１００４内の導管１０５２の中を循環する、第２の作業流体１０５０が、熱を吸収する。本熱吸収は、第２の作業流体１０５０を水蒸気化し得、それによって、第２の作業流体１０５０が、熱交換器１０４４から退出するとき、低圧水蒸気となる。１つの事例では、熱交換器１０４４は、９０％を上回るまたはそれに等しい効率で動作し得る。
【0139】
依然として、第１のヒートポンプサイクル１００２を参照すると、エコノマイザ１０３５（すなわち、熱交換器）が、サイクル１００２の中に組み込まれてもよい。第１のヒートポンプサイクル１００２が、エコノマイザ１０３５を含むとき、熱交換器１０４４からの第１の作業流体１０１８の流体流は、一次流体流および二次流体流に分裂される。エコノマイザ１０３５内では、第１の作業流体１０１８の一次流体流が、熱を放熱し、第１の作業流体１０１８の二次流体流が、熱を吸収する。
【0140】
一次流体流では、エコノマイザ１０３５が、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ１０３５の第１の通路内の熱交換器１０４４から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０４８において、熱交換器１０４４から退出し、エコノマイザ入口１０３７において、エコノマイザ１０３５に進入する。導管１０２０が、熱交換器出口１０４８をエコノマイザ入口１０３７に接続し、それによって、熱交換器１０４４とエコノマイザ１０３５との間の流体連通を確立する。エコノマイザ１０３５の第１の通路内では、第１の作業流体１０１８が、熱を放熱し、それによって、エコノマイザ出口１０３９において、エコノマイザ１０３５から退出する前に、第１の作業流体１０１８を冷却する。
【0141】
二次流体流では、膨張弁１０４１が、第１の作業流体１０１８を熱交換器１０４４から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０４８において、熱交換器１０４４から退出し、膨張弁入口１０４３において、膨張弁１０４１に進入する。導管１０２０が、熱交換器出口１０４８を膨張弁入口１０４３に接続し、それによって、熱交換器１０４４と膨張弁１０４１との間の流体連通を確立する。膨張弁１０４１内では、第１の作業流体１０１８は、より低い圧力に膨張され（すなわち、圧力は、低減され）、これは、第１の作業流体１０１８が、膨張弁出口１０４５において、膨張弁１０４１から退出する前に、温度を減少させる。１つの事例では、第１の作業流体１０１８は、部分的に、水蒸気化し得、それによって、第１の作業流体１０１８は、膨張弁１０４１内で２相流体となる。
【0142】
二次流体流では、エコノマイザ１０３５が、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ１０３５の第２の通路内の膨張弁１０４１から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、膨張弁出口１０４５において、膨張弁１０４１から退出し、エコノマイザ入口１０４７において、エコノマイザ１０３５に進入する。導管１０２０が、膨張弁出口１０４５をエコノマイザ入口１０４７に接続し、それによって、膨張弁１０４１とエコノマイザ１０３５との間の流体連通を確立する。エコノマイザ１０３５の第２の通路内では、第１の作業流体１０１８が、熱を吸収し、それによって、エコノマイザ出口１０４９において、エコノマイザ１０３５から退出する前に、第１の作業流体１０１８を加熱する。第１の作業流体１０１８が２相流体である、１つの事例では、熱吸収は、２相流体の水蒸気品質を増加させる。
【0143】
二次流体流では、第２のコンプレッサ１０２９が、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ１０３５の第２の通路から受容してもよい。換言すると、第１の作業流体１０１８は、エコノマイザ出口１０４９において、エコノマイザ１０３５から退出し、第２のコンプレッサ入口１０３１において、第２のコンプレッサ１０２９に進入する。導管１０２０が、エコノマイザ出口１０４９を第２のコンプレッサ入口１０３１に接続し、それによって、エコノマイザ１０３５と第２のコンプレッサ１０２９との間の流体連通を確立する。いくつかの事例では、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ出口１０４９から搬送する、導管１０２０（すなわち、エコノマイザ１０３５の第２の通路から退出する導管１０２０）は、第１の作業流体１０１８をコンプレッサ出口１０４２から搬送する導管１０２０（すなわち、コンプレッサ１０３８から退出する導管１０２０）と融合し、それによって、第２のコンプレッサ１０２９に進入する前に、２つの別個の流体流を融合してもよい（すなわち、両流体が第１の作業流体１０１８となる）。１つの事例では、エコノマイザ出口１０４９からの導管１０２０内の第１の作業流体１０１８は、２相流体流であってもよく、ンプレッサ出口１０４２からの導管１０２０内の第１の作業流体１０１８は、中圧流体であってもよい。２相流体流（すなわち、エコノマイザ出口１０４９から退出する第１の作業流体１０１８）は、中圧流体（すなわち、コンプレッサ出口１０４２から退出する第１の作業流体１０１８）より低温であって、それとほぼ同等圧力であり得る。したがって、２つの流体流が、融合し、それによって、２つの流体を混合すると、２相流体流は、中圧流体流を冷却し、それによって、第２のコンプレッサ１０２９の具体的作業を減少させ、蒸気発生システム１０００の全体的効率を改良し得る。
【0144】
第１のヒートポンプサイクル１００２が第２のコンプレッサ１０２９を含まないときのような事例では、コンプレッサ１０３８は、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ１０３５から受容してもよい。換言すると、第１の作業流体１０１８は、エコノマイザ出口１０４９において、エコノマイザ１０３５から退出し、コンプレッサ入口１０４０において、コンプレッサ１０３８に進入する。導管が、エコノマイザ出口１０４９をコンプレッサ入口１０４０に接続し、それによって、エコノマイザ１０３５とコンプレッサ１０３８との間の流体連通を確立する。
【0145】
他の事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、エコノマイザ１０３５を含まない。そのような事例では、膨張弁１０２４が、第１の作業流体１０１８を熱交換器１０４４から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０４８において、熱交換器１０４４から退出し、膨張弁入口１０５８において、膨張弁１０２４に進入する。導管１０２０が、熱交換器出口１０４８を膨張弁入口１０５８に接続し、それによって、熱交換器１０４４と膨張弁１０２４との間の流体連通を確立する。
【0146】
１つの事例では、膨張弁１０２４が、第１の作業流体１０１８をエコノマイザ１０３５から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、エコノマイザ出口１０３９において、エコノマイザ１０３５から退出し、膨張弁入口１０５８において、膨張弁１０２４に進入する。導管１０２０が、エコノマイザ出口１０３９を膨張弁入口１０５８に接続し、それによって、エコノマイザ１０３５と膨張弁１０２４との間の流体連通を確立する。他の事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２が、エコノマイザ１０３５を含まないとき、膨張弁１０２４が、上記に説明されるように、第１の作業流体１０１８を熱交換器１０４４から受容する。膨張弁１０２４内では、第１の作業流体１０１８は、より低い圧力に膨張され、これは、第１の作業流体１０１８が、膨張弁出口１０２６において、膨張弁３１０２４から退出する前に、温度を減少させる。
【0147】
図１０に示されるような１つの事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、ＳＬＨＸを含まない。しかしながら、他の事例では、ＳＬＨＸは、第１のヒートポンプサイクル１００２の中に組み込まれる。そのような事例では、ＳＬＨＸが、第１の作業流体１０１８をＳＬＨＸの第２の通路内のエコノマイザ１０３５から受容する。換言すると、第１の作業流体１０１８は、エコノマイザ出口１０３９において、エコノマイザ１０３５から退出し、ＳＬＨＸ入口において、ＳＬＨＸに進入する。導管が、エコノマイザ出口１０３９をＳＬＨＸ入口に接続し、それによって、エコノマイザ１０３５とＳＬＨＸとの間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸの第２の通路内では、第１の作業流体１０１８が、熱を放熱し、それによって、ＳＬＨＸ出口において、ＳＬＨＸから退出する前に、第１の作業流体１０１８を冷却する（すなわち、予冷する）。第１の作業流体１０１８の本予冷は、第１の作業流体１０１８が、熱交換器入口１０２８において、熱交換器１０２２に進入する前に、第１の作業流体１０１８の水蒸気品質を低下させ得、生じ得る、潜伝熱の量を増加させ得る。次いで、第１の作業流体１０１８が、ＳＬＨＸ出口において、ＳＬＨＸから退出し、膨張弁入口１０５８において、膨張弁１０２４に進入する。導管１０２０が、ＳＬＨＸ出口を膨張弁入口１０５８に接続し、それによって、ＳＬＨＸと膨張弁１０２４との間の流体連通を確立する。
【0148】
１つの事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、ＳＬＨＸを含むが、エコノマイザ１０３５を含まない。したがって、第１の作業流体１０１８の流体流は、一次流体流および二次流体流に分裂されない。故に、二次流体流が存在しないため、二次流体流と関連付けられる、膨張弁１０４１が存在しない。換言すると、第１の作業流体１０１８が、熱交換器出口１０４８において、熱交換器１０４４から退出し、ＳＬＨＸ入口において、ＳＬＨＸに進入する。導管１０２０が、熱交換器出口１０４８をＳＬＨＸ入口に接続し、それによって、熱交換器１０４４とＳＬＨＸとの間の流体連通を確立する。次いで、第１の作業流体１０１８が、ＳＬＨＸ出口において、ＳＬＨＸから退出し、膨張弁入口１０５８において、膨張弁１０２４に進入する。導管１０２０が、ＳＬＨＸ出口を膨張弁入口１０５８に接続し、それによって、ＳＬＨＸと膨張弁１０２４との間の流体連通を確立する。
【0149】
図１０の第２のヒートポンプサイクル１００４に目を向けると、第２のヒートポンプサイクル１００４が、第２の作業流体１０５０を循環させる。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、フルオロカーボンであってもよい。非限定的実施例として、フルオロカーボンは、Ｒ１２３４ｚｅ（ｚ）またはＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、ハイドロフルオロオレフィンであってもよい。非限定的実施例として、ハイドロフルオロオレフィンは、Ｒ５１４ａであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、ハイドロフルオロエーテルであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、炭化水素であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、二酸化炭素であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、アンモニアであってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、水であってもよい。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、エンジニアリングされた流体であってもよい。非限定的実施例として、エンジニアリングされた流体は、Ｎｏｖｅｃ６４９であってもよい。
【0150】
１つの事例では、同一流体が、第１の作業流体１０１８および第２の作業流体１０５０の両方のために使用されてもよい。他の事例では、異なる流体が、第１の作業流体１０１８および第２の作業流体１０５０のために使用されてもよい。
【0151】
１つの事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、第１のヒートポンプサイクル１００２と同一コンポーネントを含有してもよい。第２のヒートポンプサイクル１００４のコンポーネントは、第１のヒートポンプサイクル１００２のコンポーネントと同一構成に配列されてもよい。第２のヒートポンプサイクル１００４のコンポーネントは、第１のヒートポンプサイクル１００２のコンポーネントと異なる構成に配列されてもよい。他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、第１のヒートポンプサイクル１００２と異なるコンポーネントを含有してもよい。
【0152】
第２のヒートポンプサイクル１００４では、熱交換器１０４４が、第２の作業流体１０５０を膨張弁１０６０から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、膨張弁出口１０６２において、膨張弁１０６０から退出し、熱交換器入口１０６４において、熱交換器１０４４に進入する。導管１０５２が、膨張弁出口１０６２を熱交換器入口１０６４に接続し、それによって、膨張弁１０６０と熱交換器１０４４との間の流体連通を確立する。熱交換器１０４４内では、第２の作業流体１０５０が、熱を第１のヒートポンプサイクル１００２の第１の作業流体１０１８から吸収する。本熱吸収は、第２の作業流体１０５０を水蒸気化し得、それによって、第２の作業流体１０５０が、熱交換器出口１０６６において、熱交換器１０４４から退出するとき、低圧水蒸気となる。１つの事例では、熱交換器１０４４は、第１のヒートポンプサイクル１００２の凝縮器と、第２のヒートポンプサイクル１００４の蒸発器とを備える。したがって、熱交換器１０４４内では、第１のヒートポンプサイクル１００２の凝縮器が、熱を放熱し、第２のヒートポンプサイクル１００４の蒸発器が、熱を吸収する。１つの事例では、熱交換器１０４４は、９０％を上回るまたはそれに等しい効率で動作し得る。
【0153】
１つの事例では、吸引ライン熱交換器（「ＳＬＨＸ」）１０６８が、図１０から分かるように、第２のヒートポンプサイクル１００４の中に組み込まれてもよい。ＳＬＨＸ１０６８が、第２の作業流体１０５０をＳＬＨＸ１０６８の第１の通路内の熱交換器１０４４から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０６６において、熱交換器１０４４から退出し、ＳＬＨＸ入口１０７０において、ＳＬＨＸ１０６８に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０６６をＳＬＨＸ入口１０７０に接続し、それによって、熱交換器１０４４とＳＬＨＸ１０６８との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ１０６８の第１の通路内では、第２の作業流体１０５０が、熱を吸収し、それによって、ＳＬＨＸ出口１０７２において、ＳＬＨＸ１０６８から退出する前に、第２の作業流体１０５０をさらに加熱する（すなわち、予熱する）。次いで、第２の作業流体１０５０は、ＳＬＨＸ出口１０７２において、ＳＬＨＸ１０６８から退出し、コンプレッサ入口１０７６において、コンプレッサ１０７４に進入する。導管が、ＳＬＨＸ出口１０７２をコンプレッサ入口１０７６に接続し、それによって、ＳＬＨＸ１０６８とコンプレッサ１０７４との間の流体連通を確立する。
【0154】
他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、ＳＬＨＸ１０６８を含まない。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０６６において、熱交換器１０４４から退出し、コンプレッサ入口１０７６において、コンプレッサ１０７４に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０６６をコンプレッサ入口１０７６に接続し、それによって、熱交換器１０４４とコンプレッサ１０７４との間の流体連通を確立する。
【0155】
図１０に示される第２のヒートポンプサイクル１００４を継続すると、コンプレッサ１０７４が、第２の作業流体１０５０をＳＬＨＸ１０６８から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、ＳＬＨＸ出口１０７２において、ＳＬＨＸ１０６８から退出し、コンプレッサ入口１０７６において、コンプレッサ１０７４に進入する。導管１０５２が、ＳＬＨＸ出口１０７２をコンプレッサ入口１０７６に接続し、それによって、ＳＬＨＸ１０６８とコンプレッサ１０７４との間の流体連通を確立する。コンプレッサ１０７４内では、第２の作業流体１０５０が、より高い圧力に圧縮され、これは、第２の作業流体１０５０が、コンプレッサ出口１０７８において、コンプレッサ１０７４から退出する前に、温度を増加させる。したがって、低圧水蒸気が、より高い圧力に圧縮される。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、コンプレッサ出口１０７８において、コンプレッサ１０７４から退出するとき、中圧流体となる。１つの事例では、コンプレッサ１０７４は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、コンプレッサ１０７４は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ１０７４は、２段階遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、コンプレッサ１０７４は、電気的に動力供給されてもよい。モータ１０６１は、コンプレッサ１０７４を駆動する、シャフトを旋回させてもよい。１つの事例では、モータ１０６１は、高速および／または高効率モータであってもよい。１つの事例では、モータ１０６１は、電気的に動力供給されてもよい。
【0156】
１つの事例では、第２のコンプレッサ１０６３が、図１０に示されるように、第２のヒートポンプサイクル１００４の中に組み込まれてもよい。第２のコンプレッサ１０６３が、第２の作業流体１０５０をコンプレッサ１０７４から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、コンプレッサ出口１０７８において、コンプレッサ１０７４から退出し、第２のコンプレッサ入口１０６５において、第２のコンプレッサ１０６３に進入する。導管１０５２が、コンプレッサ出口１０７８を第２のコンプレッサ入口１０６５に接続し、それによって、コンプレッサ１０７４と第２のコンプレッサ１０６３との間の流体連通を確立する。他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、第２のコンプレッサ１０６３を含まない。したがって、熱交換器１０８０が、第２の作業流体１０５０をコンプレッサ１０７４から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、コンプレッサ出口１０７８において、コンプレッサ１０７４から退出し、熱交換器入口１０８２において、熱交換器１０８０に進入する。導管が、コンプレッサ出口１０７８を熱交換器入口１０８２に接続し、それによって、コンプレッサ１０７４と熱交換器１０８０との間の流体連通を確立する。
【0157】
第２のコンプレッサ１０６３内では、第２の作業流体１０５０が、より高い圧力に圧縮され、これは、第２の作業流体１０５０が、第２のコンプレッサ出口１０６７において、第２のコンプレッサ１０６３から退出する前に、温度を増加させる。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０６３は、高効率コンプレッサである。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０６３は、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、第２のコンプレッサ１０６３は、電気的に動力供給されてもよい。モータ１０６９は、第２のコンプレッサ１０６３を駆動する、シャフトを旋回させてもよい。１つの事例では、モータ１０６９は、高速および／または高効率モータであってもよい。１つの事例では、モータ１０６９は、電気的に動力供給されてもよい。１つの事例では、モータ１０６１は、コンプレッサ１０７４を駆動する、シャフトを旋回させてもよく、モータ１０６９は、第２のコンプレッサ１０６３を駆動する、別個のシャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、異なるモータおよびシャフトを使用する）。別の事例では、１つのモータ（モータ１０６１またはモータ１０６９のいずれか）が、コンプレッサ１０７４および第２のコンプレッサ１０６３の両方を駆動する、シャフトを旋回させてもよい（すなわち、コンプレッサは、同一モータおよびシャフトを使用する）。コンプレッサのための例示的設計仕様は、図８に見られ得る。
【0158】
熱交換器１０８０が、第２のヒートポンプサイクル１００４と第３の作業流体１００８を熱的に結合する。１つの事例では、熱交換器１０８０が、第２の作業流体１０５０を第２のコンプレッサ１０６３から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、第２のコンプレッサ出口１０６７において、第２のコンプレッサ１０６３から退出し、熱交換器入口１０８２において、熱交換器１０８０に進入する。導管１０５２が、第２のコンプレッサ出口１０６７を熱交換器入口１０８２に接続し、それによって、第２のコンプレッサ１０６３と熱交換器１０８０との間の流体連通を確立する。他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４が、第２のコンプレッサ１０６３を含まないとき、熱交換器１０８０が、上記に説明されるように、第２の作業流体１０５０をコンプレッサ１０７４から受容する。
【0159】
熱交換器１０８０内では、第２の作業流体１０５０が、熱を放熱する。本熱放熱は、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出する前に、第２の作業流体１０５０を凝縮させ得る。１つの事例では、熱交換器１０８０は、第２のヒートポンプサイクル１００４の凝縮器であってもよく、それによって、凝縮器が、熱を放熱し、第２の作業流体１０５０は、凝縮器内で凝縮する。熱交換器１０８０内では、導管内を流動し得る、第３の作業流体１００８が、熱を吸収する。本熱吸収は、第３の作業流体１００８を水蒸気化し得、それによって、第３の作業流体１００８は、熱交換器１０８０から退出するとき、蒸気となる。１つの事例では、熱交換器１０８０は、９０％を上回るまたはそれに等しい効率で動作し得る。第３の作業流体１００８は、図３に図示されるように、ポンプと、コンプレッサとをさらに含む、システムを通して、流動し得る。
【0160】
１つの事例では、図１０から分かるように、エコノマイザ１０７１（すなわち、熱交換器）が、第２のヒートポンプサイクル１００４の中に組み込まれてもよい。第２のヒートポンプサイクル１００４が、エコノマイザ１０７１を含むとき、第２の作業流体１０５０の流体流は、一次流体流および二次流体流に分裂される。エコノマイザ１０７１内では、第２の作業流体１０５０の一次流体流が、熱を放熱し、第２の作業流体１０５０の二次流体流が、熱を吸収する。
【0161】
一次流体流では、エコノマイザ１０７１が、第２の作業流体１０５０をエコノマイザ１０７１の第１の通路内の熱交換器１０８０から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０が、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出し、エコノマイザ入口１０７３において、エコノマイザ１０７１に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０８４をエコノマイザ入口１０７３に接続し、それによって、熱交換器１０８０とエコノマイザ１０７１との間の流体連通を確立する。エコノマイザ１０７１の第１の通路内では、第２の作業流体１０５０が、熱を放熱し、それによって、エコノマイザ出口１０７５において、エコノマイザ１０７１から退出する前に、第２の作業流体１０５０を冷却する。
【0162】
二次流体流では、膨張弁１０７７が、第２の作業流体１０５０を熱交換器１０８０から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出し、膨張弁入口１０７９において、膨張弁１０７７に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０８４を膨張弁入口１０７９に接続し、それによって、熱交換器１０８０と膨張弁１０７７との間の流体連通を確立する。膨張弁１０７７内では、第２の作業流体１０５０は、より低い圧力に膨張され（すなわち、圧力は、低減され）、これは、第２の作業流体１０５０が、膨張弁出口１０８１において、膨張弁１０７７から退出する前に、温度を減少させる。１つの事例では、第２の作業流体１０５０は、部分的に、水蒸気化し得、それによって、第２の作業流体１０５０は、膨張弁１０７７内で２相流体となる。
【0163】
二次流体流では、エコノマイザ１０７１が、第２の作業流体１０５０をエコノマイザ１０７１の第２の通路内の膨張弁１０７７から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、膨張弁出口１０８１において、膨張弁１０７７から退出し、エコノマイザ入口１０８３において、エコノマイザ１０７１に進入する。導管１０５２が、膨張弁出口１０８１をエコノマイザ入口１０８３に接続し、それによって、膨張弁１０７７とエコノマイザ１０７１との間の流体連通を確立する。エコノマイザ１０７１の第２の通路内では、第２の作業流体１０５０が、熱を吸収し、それによって、エコノマイザ出口１０８５において、エコノマイザ１０７１から退出する前に、第２の作業流体１０５０を加熱する。第２の作業流体１０５０が２相流体である、１つの事例では、熱吸収は、２相流体の水蒸気品質を増加させる。
【0164】
二次流体流では、第２のコンプレッサ１０６３が、第２の作業流体１０５０をエコノマイザ１０７１の第２の通路から受容してもよい。換言すると、第２の作業流体１０５０は、エコノマイザ出口１０８５において、エコノマイザ１０７１から退出し、第２のコンプレッサ入口１０６５において、第２のコンプレッサ１０６３に進入する。導管１０５２が、エコノマイザ出口１０８５を第２のコンプレッサ入口１０６５に接続し、それによって、エコノマイザ１０７１と第２のコンプレッサ１０６３との間の流体連通を確立する。いくつかの事例では、第２の作業流体１０５０をエコノマイザ出口１０８５から搬送する、導管１０５２（すなわち、エコノマイザ１０７１の第２の通路から退出する導管１０５２）は、第２の作業流体１０５０をコンプレッサ出口１０７８から搬送する、導管１０５２（すなわち、コンプレッサ１０７４から退出する導管１０５２）と融合し、それによって、第２のコンプレッサ１０６３に進入する前に、２つの別個の流体流を融合してもよい（すなわち、両流体は、第２の作業流体１０５０となる）。１つの事例では、エコノマイザ出口１０８５からの導管１０５２内の第２の作業流体１０５０は、２相流体流であってもよく、コンプレッサ出口１０７８からの導管１０５２内の第２の作業流体１０５０は、中圧流体であってもよい。２相流体流（すなわち、エコノマイザ出口１０８５から退出する第２の作業流体１０５０）は、中圧流体（すなわち、コンプレッサ出口１０７８から退出する第２の作業流体１０５０）より低温であって、それとほぼ同等圧力であり得る。したがって、２つの流体流が、融合し、それによって、２つの流体を混合するとき、２相流体流は、中圧流体流を冷却し、それによって、第２のコンプレッサ１０６３の具体的作業を減少させ、蒸気発生システム１０００の全体的効率を改良し得る。
【0165】
第２のヒートポンプサイクル１００４が、第２のコンプレッサ１０６３を含まないような事例では、コンプレッサ１０７４が、第２の作業流体１０５０をエコノマイザ１０７１から受容してもよい。換言すると、第２の作業流体１０５０は、エコノマイザ出口１０８５において、エコノマイザ１０７１から退出し、コンプレッサ入口１０７６において、コンプレッサ１０７４に進入する。導管が、エコノマイザ出口１０８５をコンプレッサ入口１０７６に接続し、それによって、エコノマイザ１０７１とコンプレッサ１０７４との間の流体連通を確立する。
【0166】
ＳＬＨＸ１０６８が第２のヒートポンプサイクル１００４の中に組み込まれるときのような事例では（図１０から分かるように）、ＳＬＨＸ１０６８が、第２の作業流体１０５０をＳＬＨＸ１０６８の第２の通路内の熱交換器１０８０から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出し、ＳＬＨＸ入口１０８８において、ＳＬＨＸ１０６８に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０８４をＳＬＨＸ入口１０８８に接続し、それによって、熱交換器１０８０とＳＬＨＸ１０６８との間の流体連通を確立する。ＳＬＨＸ１０６８の第２の通路内では、第２の作業流体１０５０が、熱を放熱し、それによって、ＳＬＨＸ出口１０９０において、ＳＬＨＸ１０６８から退出する前に、第２の作業流体１０５０を冷却する（すなわち、予冷する）。第２の作業流体１０５０の本予冷は、第２の作業流体１０５０が、熱交換器入口１０２８において、熱交換器１０２２に進入する前に、第２の作業流体１０５０の水蒸気品質を低下させ得、生じ得る、潜伝熱の量を増加させ得る。次いで、第２の作業流体１０５０は、ＳＬＨＸ出口１０９０において、ＳＬＨＸ１０６８から退出し、膨張弁入口１０９２において、膨張弁１０６０に進入する。導管１０５２が、ＳＬＨＸ出口１０９０を膨張弁入口１０９２に接続し、それによって、ＳＬＨＸ１０６８と膨張弁１０６０との間の流体連通を確立する。
【0167】
第２のヒートポンプサイクル１００４が、ＳＬＨＸ１０６８を含まないときのような事例では、第２の作業流体１０５０は、エコノマイザ出口１０７５において、エコノマイザ１０７１から退出し、膨張弁入口１０９２において、膨張弁１０６０に進入する。導管１０５２が、エコノマイザ出口１０７５を膨張弁入口１０９２に接続し、それによって、エコノマイザ１０７１と膨張弁１０６０との間の流体連通を確立する。
【0168】
他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、ＳＬＨＸ１０６８を含むが、エコノマイザ１０７１を含まない。したがって、第２の作業流体１０５０の流体流は、一次流体流および二次流体流に分裂されない。故に、二次流体流が存在しないため、二次流体流と関連付けられる、膨張弁１０７７が存在しない。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出し、ＳＬＨＸ入口１０８８において、ＳＬＨＸ１０６８に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０８４をＳＬＨＸ入口１０８８に接続し、それによって、熱交換器１０８０とＳＬＨＸ１０６８との間の流体連通を確立する。次いで、第２の作業流体１０５０は、ＳＬＨＸ出口１０９０において、ＳＬＨＸ１０６８から退出し、膨張弁入口１０９２において、膨張弁１０６０に進入する。導管１０５２が、ＳＬＨＸ出口１０９０を膨張弁入口１０９２に接続し、それによって、ＳＬＨＸ１０６８と膨張弁１０６０との間の流体連通を確立する。
【0169】
他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４は、エコノマイザ１０７１を含まず、ＳＬＨＸ１０６８も含まない。したがって、膨張弁１０６０が、第２の作業流体１０５０を熱交換器１０８０から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、熱交換器出口１０８４において、熱交換器１０８０から退出し、膨張弁入口１０９２において、膨張弁１０６０に進入する。導管１０５２が、熱交換器出口１０８４を膨張弁入口１０９２に接続し、それによって、熱交換器１０８０と膨張弁１０６０との間の流体連通を確立する。
【0170】
１つの事例では、膨張弁１０６０が、第２の作業流体１０５０をＳＬＨＸ１０６８から受容する。換言すると、第２の作業流体１０５０は、ＳＬＨＸ出口１０９０において、ＳＬＨＸ１０６８から退出し、膨張弁入口１０９２において、膨張弁１０６０に進入する。導管１０５２が、ＳＬＨＸ出口１０９０を膨張弁入口１０９２に接続し、それによって、ＳＬＨＸ１０６８と膨張弁１０６０との間の流体連通を確立する。他の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４が、ＳＬＨＸ１０６８を含まないとき、膨張弁１０６０が、上記に説明されるように、第２の作業流体をエコノマイザ１０７１から受容する。別の事例では、第２のヒートポンプサイクル１００４が、エコノマイザ１０７１を含まず、ＳＬＨＸ１０６８も含まないとき、膨張弁１０６０が、上記に説明されるように、第２の作業流体１０５０を熱交換器１０８０から受容する。膨張弁１０６０内では、第２の作業流体１０５０は、より低い圧力に膨張され、これは、第２の作業流体１０５０が、膨張弁出口１０６２において、膨張弁１０６０から退出する前に、温度を減少させる。
【0171】
第３の作業流体１００８は、図１０に図示されるように、熱を熱交換器１０８０から吸収し得る。換言すると、熱交換器１０８０は、第３の作業流体１００８を受容してもよい。熱交換器１０８０内では、第２の作業流体１０５０が、熱を放熱し、第３の作業流体１００８が、熱を吸収する。１つの事例では、熱交換器１０８０は、第２のヒートポンプサイクル１００４の凝縮器を含んでもよく、それによって、凝縮器が、熱を放熱し、第３の作業流体１００８が、熱を吸収する。第２の作業流体１０５０は、凝縮器内で熱を放熱するにつれて凝縮される。１つの事例では、熱交換器１０８０は、蒸気発生器であってもよい。蒸気発生器内では、第３の作業流体１００８は、水蒸気化するために十分な熱を吸収し得る。
【0172】
１つの事例では、第３の作業流体１００８は、導管（図１０には示されない）を介して、熱交換器１０８０に供給されてもよい。換言すると、第３の作業流体１００８のための導管は、熱交換器１０８０によって、第２のヒートポンプサイクル１００４に結合される。
【0173】
１つの事例では、機械的ポンプ（図１０には示されない）が、第３の作業流体１００８の圧力を増加させてもよい。ポンプ３０１の類似実施形態は、図３に示される。機械的ポンプは、熱交換器１０８０の上流にあってもよく、それによって、熱交換器１０８０が、第３の作業流体１００８を機械的ポンプから受容する。換言すると、第３の作業流体１００８は、機械的ポンプ出口において、機械的ポンプから退出し、熱交換器入口において、熱交換器１０８０に進入する。導管が、機械的ポンプ出口を熱交換器入口に接続し、それによって、機械的ポンプと熱交換器１０８０との間の流体連通を確立する。第３の作業流体１００８は、熱交換器出口において、熱交換器１０８０から退出し、導管に進入し得る。
【0174】
１つの事例では、蒸気コンプレッサ（図１０には示されない）が、第３の作業流体１００８の圧力および温度を増加させてもよい。蒸気コンプレッサ３０６の類似実施形態は、図３に見られ得る。蒸気コンプレッサは、熱交換器１０８０の下流にあってもよく、それによって、蒸気コンプレッサが、第３の作業流体１００８を熱交換器１０８０から受容する。換言すると、第３の作業流体１００８は、熱交換器出口において、熱交換器１０８０から退出し、蒸気コンプレッサ入口において、蒸気コンプレッサに進入する。導管が、熱交換器出口を蒸気コンプレッサ入口に接続し、それによって、熱交換器１０８０と蒸気コンプレッサとの間の流体連通を確立する。
【0175】
蒸気コンプレッサ内では、第３の作業流体１００８が、より高い圧力および温度に圧縮される。１つの事例では、蒸気コンプレッサは、第３の作業流体１００８の圧力および温度を増加させ、第３の作業流体１００８が、蒸気コンプレッサ出口において、蒸気コンプレッサから退出する前に、第３の作業流体１００８を蒸気に変える。蒸気は、蒸気コンプレッサ出口に接続される、導管に進入し得る。１つの事例では、蒸気コンプレッサは、摂氏１２０度に等しいまたはそれを上回る温度において、蒸気を送達する。１つの事例では、蒸気コンプレッサは、高効率コンプレッサである。１つの事例では、蒸気コンプレッサは、遠心コンプレッサであってもよい。１つの事例では、蒸気コンプレッサは、電気的に動力供給されてもよい。
【0176】
１つの事例では、第３の作業流体１００８は、水である。熱交換器１０８０内では、水は、熱を第２のヒートポンプサイクル１００４の第２の作業流体１０５０から吸収する。一実施例では、水の圧力は、水が、熱交換器出口において、熱交換器１０８０から退出するとき、標的蒸気飽和温度を上回るまたはそれに等しくてもよい。換言すると、水は、第２のヒートポンプサイクル１００４から、蒸気に蒸発するために十分な熱を吸収し得る。熱交換器１０８０後、蒸気コンプレッサが、直接、蒸気の圧力および温度を増加させるために使用されてもよい。一実施例では、水の圧力は、水が、熱交換器出口において、熱交換器１０８０から退出するとき、標的蒸気飽和温度未満であってもよい。したがって、蒸気コンプレッサは、水の圧力を要求される飽和温度まで増加させるために使用されてもよい。
【0177】
図１０の第１のヒートポンプサイクル１００２に戻って参照すると、伝達流体１０１３が、熱を熱交換器１０２２に放熱し得る。換言すると、熱交換器１０２２が、伝達流体１０１３を受容する。熱交換器１０２２内では、伝達流体１０１３が、熱を放熱し、第１の作業流体１０１８が、熱を吸収する。１つの事例では、熱交換器１０２２は、第１のヒートポンプサイクル１００２の蒸発器を含んでもよく、それによって、伝達流体１０１３が、熱を放熱し、蒸発器が、熱を吸収する。第１の作業流体１０１８は、蒸発器内で熱を吸収するにつれて蒸発される。１つの事例では、熱交換器１０２２は、低温蒸発器であってもよい。
【0178】
１つの事例では、伝達流体１０１３は、導管（図１０には示されない）を介して、熱交換器１０２２に供給されてもよい。換言すると、伝達流体１０１３のための導管は、熱交換器１０２２によって、第１のヒートポンプサイクル１００２に結合される。
【0179】
１つの事例では、機械的ポンプ（図１０には示されない）が、伝達流体１０１３の圧力を増加させてもよい。機械的ポンプは、熱交換器１０２２の上流にあってもよく、それによって、熱交換器１０２２が、伝達流体１０１３を機械的ポンプから受容する。換言すると、伝達流体１０１３は、機械的ポンプ出口において、機械的ポンプから退出し、熱交換器入口において、熱交換器１０２２に進入する。導管が、機械的ポンプ出口を熱交換器入口に接続し、それによって、機械的ポンプと熱交換器１０２２との間の流体連通を確立する。伝達流体１０１３は、熱交換器出口において、熱交換器１０２２から退出し、導管に進入し得る。
【0180】
１つの事例では、伝達流体１０１３は、周囲空気であって、それによって、第１のヒートポンプサイクル１００２の熱交換器１０２２は、周囲空気を熱源として利用する（すなわち、空気供給式）。第１のヒートポンプサイクル１００２の熱交換器１０２２は、熱を周囲空気から捕捉してもよい。熱は、第１のヒートポンプサイクル１００２の熱交換器１０２２によって吸収され、それによって、第１のヒートポンプサイクル１００２内の第１の作業流体１０１８を蒸発させる。
【0181】
他の事例では、伝達流体１０１３は、低温熱源に接続される、液体であってもよい。１つの事例では、低温熱源は、周囲空気であってもよい。他の事例では、第１のヒートポンプサイクル１００２は、別の低温熱源に結合されてもよい。例えば、低温熱源が、熱を空気、地面、または別の共同設置された冷却負荷に放熱する、液体ループであり得る。一実施例では、液体ループは、水を含有してもよい。
【0182】
図１０の熱発生システムは、加えて、第１のヒートポンプサイクル１００２および第２のヒートポンプサイクル１００４と電気連通する、制御システムを含んでもよい。制御システムは、第１の熱源および／または第２の熱源から第３の作業流体１００８への熱の送達を制御してもよい。第１の熱源は、第１のヒートポンプサイクル１００２と、第２のヒートポンプサイクル１００４とを含んでもよい。第２の熱源は、再生可能エネルギー源（例えば、太陽熱アレイ）を介して加熱される、畜熱ユニット等の代替熱源を含んでもよい。加えて、または代替として、制御システムは、第１および第２のヒートポンプサイクル１００２、１００４に供給される、電気動力源を制御してもよい。電気動力は、電気グリッドまたは再生可能エネルギー源によって選択的に供給されてもよい。
【0183】
この目的を達成するために、蒸気生産のために、階層式ヒートポンプシステム１１０２（図１０からの第１および第２のヒートポンプサイクル１００２および１００４または図３の第１および第２のヒートポンプサイクル３０２および３０４等）を組み込む、エネルギー裁定取引システム１１００の略図である、図１１が、参照される。エネルギー裁定取引システム１１００は、他の使用の中でもとりわけ、産業用途のための蒸気を発生させるために、熱を供給するための複数の熱エネルギー源を含む。加えて、または代替として、熱エネルギー源のうちの１つまたはそれを上回るものは、中央蒸気生産システムのための熱を供給することとは対照的に、蒸気を供給してもよい。
【0184】
１つの事例では、エネルギー裁定取引システム１１００は、再生可能エネルギー源１１０４を含み、これは、電気グリッド１１０６と電気連通する、太陽熱アレイまたはグリッドであってもよい。電気グリッド１１０６は、階層式ヒートポンプシステム１１０２と電気連通し、動力供給することが可能である。階層式ヒートポンプシステム１１０２はまた、再生可能エネルギー源１１０４と電気連通し、これは、動力をそこに供給することが可能である。再生可能エネルギー源１１０４は、熱の形態におけるエネルギーを貯蔵することが可能である、熱エネルギー貯蔵システム等のエネルギー貯蔵システム１１０８に結合される。蓄熱システム１１０８は、加熱された流体（例えば、蒸気）を貯蔵することが可能である、１つまたはそれを上回る貯蔵容器を含んでもよい。エネルギー貯蔵システム１１０８は、１つまたはそれを上回るバッテリ等の畜電ユニットであってもよく、これは、電気を階層式ヒートポンプシステム１１０２に供給することが可能である。
【0185】
エネルギー裁定取引システム１１００はまた、天然ガスボイラ等のボイラ１１１０を含んでもよい。しかしながら、ボイラ１１１０は、１つの燃焼用石炭、バイオマス、廃棄物、または別の好適な燃料等の異なるタイプのボイラであってもよい。ボイラ１１１０、階層式ヒートポンプシステム１１０２、再生可能エネルギー源１１０４、およびエネルギー保管システム１１０８はそれぞれ、制御システム１１１２によって電気的に制御されてもよい。制御システム１１１２は、蒸気および／または熱のいずれかの産業用途への送達を制御してもよい。ある事例では、ボイラ１１１０、階層式ヒートポンプシステム１１０２、およびエネルギー保管システム１１０８はそれぞれ（熱エネルギー貯蔵ユニットとして構成されるとき）、産業用途において使用するための、または別の使用のための蒸気１１１４を送達する。そのような事例では、ボイラ１１１０は、制御システム１１１２によって作動されると、蒸気１１１４を送達することが可能であって、階層式ヒートポンプシステム１１０２（ポンプ３０１、熱交換器３８０、および蒸気コンプレッサ３０６等の蒸気発生コンポーネントを含む）は、制御システム１１１２によって作動されると、蒸気１１１４を送達することが可能であって、エネルギー保管システム１１０８は、制御システム１１１２によって作動されると、蒸気１１１４を送達することが可能である。エネルギー裁定取引システム１１１０は、制御システム１１１２を伴わずに機能し、したがって、手動で制御されてもよい。
【0186】
制御システム１１１２は、裁定取引システム１０００内の以下の例示的パラメータを利用して、所与の時間で動作するシステムを判定してもよい。パラメータは、限定ではないが、他の要因の中でもとりわけ、再生可能発電量（ｋＷおよびｋＷｈ）、蓄熱容量または貯蔵されたエネルギー量（ｋＷおよびｋＷｈ）、デバイス（例えば、ヒートポンプ、ボイラ、蓄熱）あたりの蒸気出力量、設備蒸気需要量（蒸気質量または体積流量および蒸気圧力）、および運営費（例えば、ＰＰＡ率、グリッド電気率構造、および燃料価格）を含む。制御システム１１１２は、種々の源から生じる、蒸気質量、体積流量、および蒸気圧力を測定することができる。制御システム１１１２はまた、とりわけ、上記に列挙されたパラメータに基づいて、裁定取引システム１１００の種々のエネルギー源を選択的にオンおよびオフにすることができる。
【0187】
制御システム１１１２は、以下のメトリック、すなわち、電気入力によって除算される蒸気出力量＝ヒートポンプ効率と、天然ガス入力によって除算される蒸気出力量＝ボイラ効率とを使用して、システム性能を計算してもよい。これらのメトリックは、ヒートポンプ、ボイラ、または他のシステムを動作させることがより経済的であるかどうかを判定するために使用されてもよい。ＰＰＡ率、グリッド電気率構造、および燃料価格を含む、運営費は、蒸気を提供するために利用すべきシステムを検討するとき、要因として使用されてもよい。エネルギー裁定取引システム１１１０は、蒸気をエネルギー入力源のうちの１つまたはそれを上回るものから選択的に送達することによって、効率的かつ費用効果的に、蒸気を送達するために使用されることができる。エネルギー裁定取引システム１１１０は、蒸気生産プロセスにおける脱炭素化を最大限にすることが可能である。
【0188】
以下は、エネルギー裁定取引システム１１１０の例示的実施形態のリストを含む。従来、産業用蒸気１１１４は、ボイラ（例えば、天然ガスボイラ）１１１０から発生される。本構成では、蒸気が、１つの源のみによって提供され、エネルギー源入力を改変するための能力が存在しないため、裁定取引は、存在しない。
【0189】
エネルギー裁定取引システム１１００を使用する、第１の裁定取引形態は、蓄熱システム１１０８を利用する、再生可能エネルギー源１１０４のみを介して、蒸気１１１４を提供するためのものである。すなわち、本構成では、ボイラは、存在しない。エネルギーは、再生可能源によって供給されるが、これは、高価な脱炭素化オプションである。
【0190】
エネルギー裁定取引システム１１００を使用する、第２の裁定取引形態は、ボイラ１１１０と、再生可能エネルギー源１１０４から電気を供給される、階層式ヒートポンプシステム１１０２とのうちの一方または両方から蒸気１１１４を選択的に提供するためのものである。
【0191】
制御システムは、（発生されるｋＷｈ量を）再生可能エネルギー源１１０４と通信する。本事例では、発生される全ての電気は、ヒートポンプ１１０２に送信される。制御システム１１１２は、ヒートポンプ１１０２の蒸気出力量（例えば、流量および圧力）および設備からの蒸気需要量（例えば、流量および圧力）を監視することができる。制御システム１１０２は、ボイラ１１１０と通信し、設備によって要求される蒸気の残りを発生させることができる。ボイラ１１１０の蒸気出力量（例えば、流量および圧力）もまた、制御システム１１１２によって測定されることができる。
【0192】
エネルギー裁定取引システム１１００を使用する、第３の裁定取引形態は、ボイラ１１１０と、再生可能エネルギー源１１０４から電気を供給される、階層式ヒートポンプシステム１１０２とのうちの一方または両方から蒸気１１１４を提供するためのものである。本構成では、再生可能エネルギー源１１０４はまた、電気の供給量が階層式ヒートポンプシステム１１０２の需要量を超えるとき、電気を電気グリッド１１０６に提供する。
【0193】
本構成では、再生可能エネルギー源１１０４からの過剰電気が存在し得る。本過剰電気は、グリッド１１０６に供給されることができ、これは、ひいては、電気グリッド１１０６に関する需要量のための信用取引を提供することができる（例えば、電気をヒートポンプシステム１１０２に供給するために）。本構成では、制御システム１１１２は、設備蒸気需要量およびヒートポンプ１１０２の蒸気出力量を監視してもよい。ヒートポンプ１１０２の蒸気出力量が、設備需要量全体を送達する場合、制御システム１１０２は、再生可能エネルギー源１１０４と通信し、過剰電気は、グリッド１１０６に回される（ネットメータリング）。再生可能エネルギー源１１０４が、十分な電気をヒートポンプ１１０２に対して生産しないとき、制御システム１１１２は、ボイラ１１１０と通信し、設備のために要求される残りの蒸気を提供するであろう。制御システム１１１２は、それぞれ、電気および燃料の現在のエネルギーコストを前提として、最も経済的に効率的燃料源（グリッドからの電気対ボイラのための燃料）を判定してもよい。
【0194】
エネルギー裁定取引システム１１００を使用する、第４の裁定取引形態は、再生可能エネルギー源１１０４から電気供給される、階層式ヒートポンプシステム１１０２のみから蒸気１１１４を提供するためのものである。本構成では、再生可能エネルギー源１１０４はまた、電気の供給量が階層式ヒートポンプシステム１１０２の需要量を超えるとき、電気を電気グリッド１１０６に提供する。ボイラは、本構成では、使用されない。第３の裁定取引形態と同様に、第４の裁定取引形態では、再生可能エネルギー源から生産される過剰電気は、グリッド１１０６に回されることができる。この場合、制御システム１１１２は、入力として、蒸気需要量を設備から受信する。蒸気は全て、本裁定取引形態では、階層式ヒートポンプシステム１１０２によって提供されることになり、および制御システム１１１２は、ヒートポンプシステム１１０２への電気動力源を選択的に判定するであろう。再生可能エネルギー源１１０４が、ヒートポンプシステム１１０２の電気必要量の全てを提供することが可能である場合、ヒートポンプシステム１１０２は、任意の電気をグリッド１１０６から引き出さないであろう。再生可能エネルギー源１１０４から生産される過剰電気が存在する場合、過剰量は、グリッド１１０６に送信されるであろう（ネットメータリング）。ヒートポンプシステム１１０２の電気必要量が、再生可能エネルギー源１１０４によって生産され得る量を上回る場合、制御システム１１１２は、可能な限り多くの再生可能エネルギー１１０４を利用し、電気の残りは、グリッド１１０６から取り込まれるであろう。
【0195】
本形態では、システム１１００は、ボイラ１１１０を含んでもよい。再生可能エネルギー源１１０４が、過剰電気を提供しない場合、制御システム１１１２は、ボイラ１１１０に信号伝達し、蒸気１１１４を送達する代わりに、グリッド１１０６と通信し、グリッド電気を取り込み、ヒートポンプ１１０２に動力供給する。これは、制御システム１１１２が、グリッド１１０６からの電気の一部で動作しているヒートポンプ１１０２がガスボイラ１１１０を動作させるより経済的であることを判定する場合、生じ得る。
【0196】
エネルギー裁定取引システム１１００を使用する、第５の裁定取引形態は、再生可能エネルギー源１１０４から電気を供給される、階層式ヒートポンプシステム１１０２と、再生可能エネルギー源１１０４に接続される蓄エネルギーシステム１１０８とのうちの一方または両方から蒸気１１１４を提供するためのものである。本構成は、グリッド需要量課金を回避し、完全な脱炭素化をもたらす。グリッドおよびガスボイラは、本構成では、利用されない。制御システム１１１２は、ヒートポンプシステム１１０２からの蒸気出力量、設備の蒸気需要量、および再生可能エネルギー源１１０４内の再生可能発電量を監視してもよい。
【0197】
ヒートポンプシステム１１０２が、設備のための完全な蒸気需要量を提供し、再生可能エネルギー源からの過剰電気が存在する場合、電気は、畜エネルギーデバイス１１０８に回され、デバイス（例えば、畜エネルギーユニット、畜熱ユニット）を充電してもよい（デバイスの電荷／容量を測定する）。再生可能エネルギー源１１０４からの過剰電気が存在しない場合、制御システム１１１２は、畜エネルギーデバイス１１０８と通信し、熱／蒸気１１１４を放出し、ヒートポンプ１１０２との組み合わせにおいて、設備蒸気需要量を満たしてもよい。
【0198】
畜エネルギーデバイスが、完全に充電され、依然として、過剰電気が存在する場合、電気は、グリッド１１０６に回されるであろう。
【0199】
電気グリッド１１０６に接続される、再生可能エネルギー源１１０４を含む、エネルギー裁定取引システム１１１０を有することは、システムが、ユーザがグリッドから取り込まれるエネルギー（消費）のコストとグリッドに送信されるエネルギー（発電）のコストの差異に関して課金される、電気グリッド請求機構である、ネットメータリングを使用することを可能にする。
【0200】
以下は、本明細書に説明されるエネルギー裁定取引システム１１１０の一部である、またはそれと併用可能である、例示的コンピュータ１２００の説明である。図１２は、図１１の制御システム１１１２等の本明細書に説明される本開示の種々の側面を実装するために使用され得る、好適なコンピューティングおよびネットワーキング環境１２００の実施例を図示する。図１２に図示されるように、コンピューティングおよびネットワーキング環境１２００は、汎用目的コンピューティングデバイス１２００を含むが、ネットワーキング環境１２００は、スマートフォン、サーバコンピュータ、ハンドヘルドまたはラップトップデバイス、タブレットデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、セットトップボックス、プログラマブル消費者電子デバイス、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、デジタル信号プロセッサ、状態機械、論理回路、上記のコンピューティングシステムまたはデバイスのいずれかを含む、分散型コンピューティング環境、および同等物等の他のコンピューティングシステムを含んでもよいことが検討される。
【0201】
コンピュータ１２００のコンポーネントは、処理ユニット１２０２、データストレージ１２０４（例えば、システムメモリ）、およびコンピュータ１２００の種々のシステムコンポーネントを処理ユニット１２０２に結合する、システムバス１２０６等の種々のハードウェアコンポーネントを含んでもよい。システムバス１２０６は、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、および様々なバスアーキテクチャのいずれかを使用するローカルバスを含む、いくつかのタイプのバス構造のいずれかであってもよい。例えば、そのようなアーキテクチャは、業界標準アーキテクチャ（ＩＳＡ）バス、マイクロチャネルアーキテクチャ（ＭＣＡ）バス、拡張ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、ビデオエレクトロニクス規格協会（ＶＥＳＡ）ローカルバス、およびＭｅｚｚａｎｉｎｅバスとしても知られる周辺コンポーネント相互接続（ＰＣＩ）バスを含んでもよい。
【0202】
コンピュータ１２００はさらに、リムーバブル／非リムーバブル媒体および揮発性／不揮発性媒体を含む、様々なコンピュータ可読媒体１２０８を含んでもよいが、一過性伝搬信号を除外する。コンピュータ可読媒体１２０８はまた、コンピュータ記憶媒体と、通信媒体とを含んでもよい。コンピュータ記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリまたは他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）または他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気記憶デバイス、または所望の情報／データを記憶するために使用され得、コンピュータ１２００によってアクセスされ得る、任意の他の媒体等、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータ等の情報の記憶のために任意の方法または技術において実装される、リムーバブル／非リムーバブル媒体および揮発性／不揮発性媒体を含む。通信媒体は、搬送波または他のトランスポート機構等の変調されたデータ信号内のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータを含み、任意の情報送達媒体を含む。用語「変調されたデータ信号」は、信号内の情報をエンコーディングするような様式において設定または変化されるその特性のうちの１つまたはそれを上回るものを有する、信号を意味する。例えば、通信媒体は、有線ネットワークまたは直接有線接続等の有線媒体、および音響、ＲＦ、赤外線、および／または他の無線媒体等の無線媒体、またはそれらのある組み合わせを含んでもよい。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体上に記憶されたソフトウェア等のコンピュータプログラム製品として具現化されてもよい。
【0203】
データストレージまたはシステムメモリ１２０４は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等の、揮発性／不揮発性メモリの形態におけるコンピュータ記憶媒体を含む。（例えば、始動の際）コンピュータ１２００内の要素間で情報を伝達することに役立つ、基本ルーチンを含有する、基本入／出力システム（ＢＩＯＳ）は、典型的には、ＲＯＭ内に記憶される。ＲＡＭは、典型的には、処理ユニット１２０２に直ちにアクセス可能であって、および／またはそれによってその上で現在動作されている、データおよび／またはプログラムモジュールを含有する。例えば、一実施形態では、データストレージ１２０４は、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、ならびに他のプログラムモジュールおよびプログラムデータを保持する。
【0204】
データストレージ１２０４はまた、他のリムーバブル／非リムーバブル揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体を含んでもよい。例えば、データストレージ１２０４は、非リムーバブル不揮発性磁気媒体から読み取られる、またはそこに書き込まれる、ハードディスクドライブ、リムーバブル不揮発性磁気ディスクから読み取られる、またはそこに書き込まれる、磁気ディスクドライブ、および／またはＣＤ－ＲＯＭまたは他の光学媒体等のリムーバブル不揮発性光ディスクから読み取られる、またはそこに書き込まれる、光ディスクドライブであってもよい。他のリムーバブル／非リムーバブル揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体は、磁気テープカセット、フラッシュメモリカード、デジタル多用途ディスク、デジタルビデオテープ、ソリッドステートＲＡＭ、ソリッドステートＲＯＭ、および同等物を含んでもよい。上記に説明され、図１２に図示される、ドライブおよびその関連付けられるコンピュータ記憶媒体は、コンピュータ１２００のためのコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの記憶を提供する。
【0205】
ユーザは、ユーザインターフェース１２１０、またはタブレット、電子デジタイザ、マイクロホン、キーボード、および／または、一般に、マウス、トラックボール、またはタッチパッドと称される、ポインティングデバイス等の他の入力デバイスを通して、コマンドおよび情報を打ち込んでもよい。コマンドおよび情報は、それぞれの具体的パラメータを含む、照明および／または散水スケジュールを設定するためのものであってもよい。他の入力デバイスは、ジョイスティック、ゲームパッド、衛星アンテナ、スキャナ、または同等物を含んでもよい。加えて、音声入力、ジェスチャ入力（例えば、手または指を介して）、または他の天然ユーザインターフェースもまた、マイクロホン、カメラ、タブレット、タッチパッド、グローブ、または他のセンサ等の適切な入力デバイスと併用されてもよい。これらおよび他の入力デバイスは、多くの場合、システムバス１２０６に結合される、ユーザインターフェース１２１０を通して、処理ユニット１２０２に接続されるが、パラレルポート、ゲームポートまたはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）等の他のインターフェースおよびバス構造によって接続されてもよい。モニタ１２１２または他のタイプのディスプレイデバイスもまた、ビデオインターフェース等のインターフェースを介して、システムバス１２０６に接続される。モニタ１２１２はまた、タッチ画面パネルまたは同等物と統合されてもよい。
【0206】
コンピュータ１２００が、制御システム１１１２として動作するとき、図１１のエネルギー裁定取引システム１１００と関連付けられる、種々の入力および出力が存在してもよい。例えば、コンピュータ１２００は、設備蒸気要件、ボイラ１１１０からの蒸気出力量、ヒートポンプサイクル１１０２からの蒸気出力量、および畜熱ユニット１１０８からの蒸気出力量と関連付けられる、種々の入力を含んでもよい。付加的入力は、再生可能エネルギー源１１０４からの電気生産量、およびグリッド１１０６へ、ヒートポンプ１１０２へ、および畜熱ユニット１１０８へを含む、再生可能エネルギー源からの流出量を含んでもよい。付加的入力はまた、ヒートポンプシステム１１０２の電気要件およびグリッド１１０６から供給されている電気の量を含むことができる。コンピュータ１２００は、ヒートポンプシステム１１０２、再生可能エネルギー源１１０４、畜熱ユニット１１０８のそれぞれと電気連通してもよく、したがって、コンピュータ１２００は、受信される種々の入力に基づいて、動作させるためのシステム１１００のコンポーネントを作動させることができる。このように、種々のシステムとの通信はまた、出力であることができ、したがって、コンピュータ１２００は、その動作を制御することができる。
【0207】
コンピュータ１２００は、ネットワークインターフェースまたはアダプタ１２１４と遠隔コンピュータ等の１つまたはそれを上回る遠隔デバイスの論理接続を使用して、ネットワーク化またはクラウド－コンピューティング環境で動作し得る。遠隔コンピュータは、パーソナルコンピュータ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、ピアデバイス、または他の一般的ネットワークノードであってもよく、典型的には、コンピュータ１２００に関して上記に説明される要素の多くまたは全てを含む。図１２に描写される論理接続は、１つまたはそれを上回るローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）と、１つまたはそれを上回る広域ネットワーク（ＷＡＮ）とを含むが、また、他のネットワークを含んでもよい。そのようなネットワーキング環境は、オフィス、企業全体のコンピュータネットワーク、イントラネット、およびインターネットに一般的である。
【0208】
ネットワーク化またはクラウド－コンピューティング環境において使用されるとき、コンピュータ１２００は、ネットワークインターフェースまたはアダプタ１２１４を通して、パブリックおよび／またはプライベートネットワークに接続されてもよい。そのような実施形態では、モデムまたはネットワークを経由して通信を確立するための他の手段は、ネットワークインターフェース、またはアダプタ１２１４もしくは他の適切な機構を介して、システムバス１２０６に接続される。インターフェースおよびアンテナを含む、無線ネットワーキングコンポーネントは、アクセスポイントまたはピアコンピュータ等の好適なデバイスを通して、ネットワークに結合されてもよい。ネットワーク化された環境では、コンピュータ１２００に関して描写されるプログラムモジュールまたはその一部は、遠隔メモリ記憶デバイス内に記憶されてもよい。
【0209】
前述は、単に、本発明の原理を図示する。説明される実施形態に対する種々の修正および改変が、本明細書の教示に照らして、当業者に明白となるであろう。したがって、当業者は、多数のシステム、配列、および方法を考案することが可能であって、これは、本明細書に明示的に図示または説明されないが、本発明の原理を具現化し、したがって、本発明の精神および範囲内にあることを理解されたい。上記の説明および図面から、図示および説明される特定の実施形態は、例証目的のためのみのものであって、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことが、当業者によって理解されるであろう。特定の実施形態の詳細の言及は、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】