JP4656994B2 - 貯湯式温水供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、貯湯槽と循環水加熱手段を備え、貯湯槽内の温水が持つ熱量を床暖房や風呂の追い炊きのような熱負荷側との温水と熱交換する機構を少なくとも備えた貯湯式温水供給装置に関する。

貯湯式温水供給装置は知られている。通常、貯湯式温水供給装置は、貯湯槽と、貯湯槽の下部と上部とを繋ぐ第１の温水循環路と、第１の温水循環路に備えられた循環水加熱手段と、貯湯槽内の温水を直接風呂などに給湯する給湯路と、給湯された分の水を槽内に補給する給水路を備えている。さらに、第２の温水循環路を備え、そこに配置した熱負荷（床暖房や風呂の追い焚きなど）に貯湯槽内の温水の熱を供給するものもある。

貯湯槽内の温水は、槽上部は高温、槽下部は低温である温度成層を形成する。槽下部の低温水は、第１の温水循環路を下部から上部に向けて循環する過程で、そこに備えた循環水加熱手段により所定温度（例えば６０℃）に加熱され、槽上部に再び流入する。

貯湯槽内の温水は給湯路から槽上部から直接風呂などに給湯され、供給した分の水量は給水路を介して槽下部から貯湯槽内に補給される。第２の温水循環路は槽上部に温水出口を、槽下部に温水戻り口を持ち、貯湯槽内の高温の温水は、第２の温水循環路を循環する過程で、床暖房のような適宜の熱負荷と熱交換により放熱し、低温となった温水は再び貯湯槽内に戻される。

このような貯湯式温水供給装置において、加熱源としてヒートポンプユニットが多く用いられており、貯湯槽への給湯や外部熱負荷との熱交換性を向上させるため、あるいはヒートポンプユニットの沸き上げ性能低下を防止するため、などを目的に種々の提案がなされている（特許文献１，特許文献２など参照）。

特許文献１に記載のものでは、熱負荷側に供給する温水を、貯湯槽上部の温水と加熱手段で加熱された温水に切り替える可能とするとともに、熱負荷側からの戻り水である低温水を加熱源側に直接供給できるようにしている。特許文献２に記載のものでは、熱負荷側からの戻り湯が中温の湯であることに鑑みて、戻り湯を貯湯槽の中間部位から貯湯槽内に戻すようにして下部にある低温水と戻り湯との混合を防止し、ヒートポンプユニットが貯湯槽の最下部にある自ら優先的に加熱するようにして、ヒートポンプユニットの沸き上げ性能が低下するのを防止している。

特開２０００−１２１１５７号公報 特開２００４−１８３９２０号公報

貯湯式温水供給装置を効率よく運転するには、貯湯槽内の温水を加熱する加熱手段の形態に応じて、温水循環系などに種々の工夫をすることが必要であり、上記のように、加熱源がヒートポンプの場合には既に提案がなされている。近年、環境に対する負荷が小さいことから、燃料電池を動力源として用いることが種々の分野で注目されており、上記した貯湯式温水供給装置の分野でも、その加熱源として燃料電池、特に常温〜１００℃程度の温度で運転可能なＰＥＦＣ（高分子電解質形燃料電池）を運転するときに発生する熱を用いることが試みられている。この方法は、燃料電池の運転で作られる電気を無駄なく利用できる利点もある。

ところで、燃料電池（例えば、高分子電解質形燃料電池）を貯湯式温水供給装置の貯湯槽に貯留した温水の加熱に用いる場合、燃料電池出口温度（すなわち燃料電池の運転時に生成される熱を熱回収した後の温水温度）が一定の温度（例えば６０℃程度）となるように流量を制御して装置の運転を行うようにしており、貯湯槽の下部から供給される温水の温度が低い場合には、燃料電池への入り口流量（すなわち燃料電池の運転によって生じる熱を回収するために燃料電池側に入り込むときの流量）が絞られる。そのために、燃料電池側循環流量が低い状態で運転を行わざるを得なくなる。そのために、貯湯槽内に供給される温水の流量が少なくなり、貯湯槽内の高温水が減少して低温水が増加し、熱負荷側へ十分な熱を供給できなくなる恐れがある。

本発明は、燃料電池の運転時に発生する熱を貯湯式温水供給装置の貯湯槽に貯留した温水の加熱に用いる場合に生じる上記のような不都合を解消することを目的としており、貯湯槽内の温水温度を安定的に所定温度に維持した状態で長時間運転することを可能とした貯湯式温水供給装置を提供することを目的とする。

本発明による貯湯式温水供給装置は、貯湯槽と、貯湯槽の下部と上部とを繋ぐ第１と第２の温水循環路と、第１の温水循環路に備えられた循環水加熱手段と、第２の温水循環路に備えられた熱負荷と、運転を制御する制御手段とを少なくとも備えた貯湯式温水供給装置であって、第１の温水循環路に備えられる循環水加熱手段は燃料電池の運転時に発生する熱を回収して循環水を加熱する手段であり、かつ、第２の温水循環路は熱負荷から貯湯槽下部への温水戻り回路部分に分岐温水路を有していて、該分岐温水路は第１の温水循環路の貯湯槽下部から加熱手段に至る温水循環路に流量調整弁を介して接続しており、制御手段は分岐温水路から第１の温水循環路に流入する温水量を制御する信号を流量調整弁に与えるように構成されていることを特徴とする。

上記の装置では、貯湯槽内の温水を加熱するための熱源、すなわち第１の温水循環路に備えられる循環水加熱手段の熱源として、燃料電池の運転時に発生する熱を用いるようにしており、環境負荷の低い運転が可能となる。

また、運転中、熱負荷側からの戻り温水の温度が貯湯槽下部の貯留水の温度よりも高い場合には、その全部または一部を分岐温水路を介して燃料電池側に直接供給することにより、燃料電池出口側の高温水の流量を大きくすることができ、結果的に、貯湯槽内部に多量の高温水を短時間で供給することが可能となる。それにより、継続的に熱負荷側へ高温水の供給が可能となる。逆に、熱負荷側からの戻り温水の温度が貯湯槽下部の貯留水の温度よりも低い場合には、燃料電池側に戻すことなくその全量または多くの量を貯湯槽に戻す。

いずれの場合も、熱負荷側からの戻り温水の全部または一部を燃料電池側に直接戻すことにより、貯湯槽内の温度成層の乱れを抑えることができる。

本発明の装置において、流量調整弁は、第２の温水循環路と分岐温水路との分岐部に配置してもよく、分岐温水路と第１の温水循環路との合流部に配置してもよい。双方に設置して、運転環境に応じて、選択的に使い分けるあるいは双方同時に使用するようにしてもよい。

本発明の装置において、閉じた温水循環路（第２の温水循環路）のみで運転する環境では必要ないが、好ましくは、貯湯槽の温水を風呂などに温湯として供給する給湯路と貯湯槽に水道水を供給する給水路とが備えられる。この場合、水道水が貯湯槽内に供給されることにより貯湯槽下部の貯留水の温度は低くなり、熱負荷側からの戻り温水との温度差が大きくなるので、分岐温水路を備える本発明による貯湯式温水供給装置は、特に有効に機能を発揮する。

本発明によれば、燃料電池の運転時に発生する熱を貯湯槽に貯留した温水の加熱に用いる形態の貯湯式温水供給装置において、貯湯槽内部に多量の高温水を短時間で供給することが可能となり、それにより、継続的に熱負荷側へ高温水の供給が可能となる。

以下、図面を参照しながら。本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明による貯湯式温水供給装置を説明する概略構成図であり、図２および図３は、本発明による貯湯式温水供給装置を用いた給湯システムを説明する２つの概略構成図である。

図１に示す貯湯式温水供給装置は、貯湯槽１０と、燃料電池２０と、熱負荷側との熱交換器３０を備える。貯湯槽１０は従来の貯湯式温水供給装置で使用されている貯湯槽であってよく、仮想線で示すように、貯湯槽１０の上部に給湯路１１が、また貯湯槽１０の下部に給水路１２が備えられていてもよい。

燃料電池２０は、この例では、従来知られたＰＥＦＣ（高分子電解質形燃料電池）でありそれ自体の詳細な説明は省略する。燃料電池２０には運転時（発電時）に生成する熱を回収するための熱回収路２１が備えられ、該熱回収路２１の入り口側は貯湯槽１０の下部と入り口管路２２で接続し、熱回収路２１の出口側は貯湯槽１０の上部と出口管路２３で接続している。入り口管路２２と熱回収路２１と出口管路２３とが本発明でいう「第１の温水循環路」を構成し、熱回収路２１は「第１の温水循環路に備えられた循環水加熱手段」を構成する。

図示しないポンプの作動により、例えば２０℃程度である貯湯槽１０内の下層の低温水は、入り口管路２１から熱回収路２１に送り込まれ、そこで、燃料電池２０から発電熱を回収して６０℃程度に昇温し、出口管路２３を通って、貯湯槽１０の上部から槽内に流入する。

熱交換器３０の熱交換路３１の入り口部には、貯湯槽１０の上部からの温水送り込み管路３２が接続し、熱交換路３１の出口部には、貯湯槽１０の下部へ接続する温水戻り管路３３が接続している。温水送り込み管路３２と熱交換路３１と温水戻り管路３３とが本発明でいう「第２の温水循環路」を構成する。なお、熱交換器３０には、図１には示されない適宜の熱負荷側からの温水循環路４０が入り込んでおり、熱交換路３１との間で熱交換を行う。図示しないが、熱交換路３１自体が、熱負荷側の温水循環路を形成するようにしてもよい。

温水戻り管路３３は流量調整弁を備えた分岐部３４を有しており、そこから分岐温水路３５を分岐している。分岐温水路３５は第１の温水循環路を構成する入り口管路２２に合流部２４において接続している。合流部２４にも流量調整弁が備えられる。温水戻り管路３３の分岐部３４よりも上流側に温度センサＳが取り付けてあり、その温度信号は制御手段Ｃに送られる。制御手段Ｃは、温度センサＳからの温度信号に応じた信号を分岐部３４およびまたは合流部２４に与え、分岐温水路３５への分岐流量を制御する。また、制御手段Ｃは温度センサＳからの温度信号に応じた信号を合流部２４に与え、入り口管路２２での、貯湯槽１０からの温水流量と分岐温水路３５からの温水流量を制御する。

上記の装置の運転態様を具体例に基づき説明する。上記したそれぞれの流路における流量を図１に示すように、Ｑ１〜Ｑ６（Ｌ／ｍｉｎ）で示す。すなわち、第１の温水循環路の循環流量をＱ１、第２の温水循環路の循環流量をＱ２、貯湯槽１０下部への戻り流量をＱ３、分岐温水路３５を流れる流量をＱ４、合流部２４から入り口管路２２を通って貯湯槽１０に戻る流量をＱ５、入り口管路２２の合流部２４から燃料電池２０への戻り流量をＱ６とする。また、循環する温水の、燃料電池２０の入り口温度（℃）をＴ１，出口温度をＴ２、熱交換器３０での入り口温度をＴ３，出口温度をＴ４とする。

そして、表１に示すように、４つのケースについて、装置の運転状況を説明する。

なお、ケース１〜４において、燃料電池２０からはその運転により１．５ｋＷの熱が出ているものと仮定する。また、ケース１と２の熱交換器３０での熱負荷は同じ、ケース３と４の熱交換器３０での熱負荷は同じと仮定する。

ケース１は、分岐温水流路３５に熱交換器３０を出た温水を全く流さない（分流しない）場合である。このケース１では、貯湯槽１０の下部からＴ１：２０℃の温水が、燃料電池２０側へ流量（第１温水循環路の流量）Ｑ１：０．５Ｌ／ｍｉｎで送り込まれ、それが燃料電池２０の運転時に発生する熱を回収してＴ２：６０℃に上昇し、貯湯槽１０に戻される。熱負荷側（熱交換器３０）には、貯湯槽１０の上部からＴ３：６０℃の高温水が第２温水循環路流量Ｑ２：２Ｌ／ｍｉｎで送り込まれ、熱負荷側と熱交換後に、Ｔ４：３５℃まで降温した状態で、貯湯槽１０にそのすべて（流量Ｑ３）が戻される。この運転状態では、運転継続中、貯湯槽１０の下部から出て、燃料電池２０側に送られる温水の温度Ｔ１は、給水路１２から槽内に水道水が供給されることも考えると、２０℃前後であり、Ｔ２の温度を６０℃に維持するためには、第１温水循環路流量Ｑ１は０．５Ｌ／ｍｉｎ前後であり、それ以上の流量を流すことはできない。

ケース２は、温水戻り管路３２の分岐部３４に設けた流量調整弁を制御して、熱交換器３０から出てくる戻り流量（第２温水循環路流量）Ｑ２：２Ｌ／ｍｉｎの全量を分岐温水路３５の流量Ｑ４とする場合である。従って、貯湯槽戻り流量Ｑ３は０Ｌ／ｍｉｎである。この場合、燃料電池２０側に送られる温水の温度Ｔ１：３５℃となるので、Ｔ２の温度を６０℃に維持するのに必要な流量Ｑ１は０．８Ｌ／ｍｉｎ程度となり、ケース１よりも、貯湯槽１０内で６０℃の湯が１．６倍の早くできることとなる。なお、この場合、分岐温水路３５の流量Ｑ４：２Ｌ／ｍｉｎは、制御手段Ｃからの信号により、合流部２４に配置した流量調整弁が調整されて、燃料電池２０側への流量Ｑ６：０．８Ｌ／ｍｉｎ、貯湯槽１０側へ戻る流量Ｑ５：１．２Ｌ／ｍｉｎに分けられる。

ケース３は、ケース１と同様に、熱交換器３０から出てくる戻り流量（第２温水循環路流量）Ｑ２：２Ｌ／ｍｉｎの全量を、貯湯槽１０に流量Ｑ３：２Ｌ／ｍｉｎとして戻す場合であるが、ここでは、熱負荷容量との関係で熱交換器３０の出口温度Ｔ４：４５℃としている。ここでも、ケース１と同様、運転継続中、貯湯槽１０の下部から出て、燃料電池２０側に送られる温水の温度Ｔ１は、給水路１２から槽内に水道水が供給されることも考えると、２０℃前後であり、Ｔ２の温度を６０℃に維持するためには、第１温水循環路流量Ｑ１は０．５Ｌ／ｍｉｎ前後となる。

ケース４は、ケース３において、熱交換器３０から出てくる出口温度Ｔ４：４５℃の温水の流量（第２温水循環路流量Ｑ２）を、温水戻り管路３２の分岐部３４に設けた流量調整弁と、合流部２４に配置した流量調整弁とを適宜制御して、燃料電池２０側へ流入する温水温度Ｔ１：４０℃となるように制御した場合である。Ｔ１が４０℃になるように制御すれば、Ｔ２を６０℃に維持するための流量Ｑ１を１．０Ｌ／ｍｉｎまで引き上げることができ、ケース３の２倍のスピードで６０℃の湯ができることとなる。具体的な制御としては、例えば、分岐部３４に設けた流量調整弁を制御して、貯湯槽１０への戻り流量Ｑ３：１．２Ｌ／ｍｉｎ、分岐温水路３５への流量Ｑ４：０．８Ｌ／ｍｉｎに分配し、合流部２４に配置した流量調整弁とを適宜制御して、貯湯槽１０の下部から流量Ｑ５：０．２Ｌ／ｍｉｎの温水を、Ｑ４に加えて、燃料電池２０への流量Ｑ６すなわちＱ１を１．０Ｌ／ｍｉｎとする。

上記のように、加熱源として燃料電池の運転により生じる熱を回収して用いる貯湯式温水供給装置において、第２の温水循環路の熱交換器（熱負荷）３０から貯湯槽１０の下部への温水戻り回路部分３３に分岐温水路３５を設け、該分岐温水路３５の下流側を第１の温水循環路の貯湯槽１０の下部から燃料電池２０に至る温水循環路２２に流量調整弁を介して接続させ、分岐温水路３５から第１の温水循環路２２に流入する温水量Ｑ４を適宜制御することにより、より短い時間で貯湯槽１０内に所定温度の降温水を貯留することが可能となる。

上記では、熱交換機出口温度Ｔ４が３５℃と４５℃の２つの態様について説明したが、実機の運転に当たっては、熱負荷側の容量などに応じて、Ｔ４は変動する。その変動する温度を温度センサＳが常時監視し、その信号を受けて、制御手段は最適な運転状況となるように流量調整弁に対して開度信号を発信する。また、Ｔ４が水道水温度よりも低温となる場合には、戻り水の全量または多くの量を貯湯槽１０の底部に戻すようにする。

図２は、上記の貯湯式温水供給装置を実際に使用するシステムの一例を示している。図１に示した部材と同じ部材には同じ符号を付し、重複を避けるために説明は省略する。ここでは、熱負荷４１として床暖房と風呂追焚等を例示している。貯湯槽１０からの給湯路１１には三方弁１４が備えられ、その一方は貯湯槽１０への給水路１２と管路１５で接続し、他方は補助熱源機４３を介して風呂４４等の給湯場に接続している。補助熱源機４３は、給湯路１１を流れる温水の追加的加熱と熱負荷４１側の温水循環路４０を流れる温水の追加的加熱を必要に応じて行う。燃料電池２０が発電した電気は商用電源４５とともに電力負荷４６に供給される。３４ａ、３４ｂは分岐部３４に配置した流量調整弁であり、Ｐは循環用のポンプである。

上記のシステムにおいて、熱交換器３０からの循環水の出口温度Ｔ４が温度センサＳにより測定され、その温度情報が制御手段Ｃに送られる。温度情報に基づき制御手段Ｃは、分岐部３４に設けた２つの流量制御弁３４ａと３４ｂの開度を調整して、温水戻り管路３２を流れる流量Ｑ２を、貯湯槽１０下部への戻り流量Ｑ３と分岐温水流路３５への流量Ｑ４とに、それぞれ０〜１００の範囲で振り分ける。どのような割合で振り分けるかは、給湯量や熱負荷側の状況に応じて、さらには電力負荷に基づく燃料電池２０の運転状況に応じて最適に設定されるが、前記ケース１と２に基づき説明したようにして、そのような振り分けを行うことにより、貯湯槽１０内に所要温度の高温水を短時間で貯湯することが可能となり、補助熱源機４３の稼働時間を少なくできるなど、全体として省エネルギー運転が可能となる。

図３は、上記の貯湯式温水供給装置を実際に使用するシステムの他の例を示している。ここでは、図２に示したシステムと違い、分岐部３４は単に分岐温水流路３５を分岐するのみであって、流量制御弁３４ａ、３４ｂは備えない。代わりに、合流部２４に流量調整機能を備えた三方弁５０が備えられており、温度センサＳからの温度情報に基づき制御手段Ｃは、三方弁５０のそれぞれの開度を調節して、分岐温水流路３５への流量Ｑ４、燃料電池戻り流量Ｑ６，貯湯槽戻り流量Ｑ５を適宜調整する。結果として、貯湯槽戻り流量Ｑ３も、Ｑ２−Ｑ４として設定される。なお、他の構成は、図２に示したものと同じであり、同じ部材には同じ符号を付して、説明は省略する。このシステムは、前記したケース３と４に基づき説明したように、燃料電池入り口温度Ｔ１を所望温度に設定して運転する場合に好適に用いられる。

図示しないが、図１の概略構成図に示しかつ説明したように、分岐部３４と合流部２４の双方に流量調整機能を備えた弁を配置し、双方を、温度センサＳが検知する熱交換機３０からの出口温度Ｔ４に基づいて、制御手段Ｃにより適宜制御するようにしてもよい。また、熱負荷側からの戻り温水温度Ｔ４がある温度範囲で一定しており、温水戻り管路３３と分岐温水路３５との分岐部３４で分流した全流量Ｑ４をそのまま燃料電池２０側に供給できるような運転態様の場合には、合流部２４側に流量調整機能を備えることは不要であり、分岐部３４にのみ流量調整機能を持たせればよい。

本発明による貯湯式温水供給装置を説明する概略構成図。 本発明による貯湯式温水供給装置を用いた給湯システムの一例を説明する概略構成図。 本発明による貯湯式温水供給装置を用いた給湯システムのさらに他の例を説明する概略構成図。

符号の説明

１０…貯湯槽、１１…給湯路、１２…給水路、２０…燃料電池、２１…熱回収路、２２…入り口管路、２３…出口管路、２４…合流部、３０…熱交換器、３１…熱交換路、３２…温水送り込み管路、３３…温水戻り管路、３４…分岐部、３５…分岐温水路、Ｓ…温度センサ、Ｃ…制御手段

Claims (3)

1. 貯湯槽と、貯湯槽の上部に備えられ貯湯槽の温水を供給する給湯路と、貯湯槽の下部に備えられる給水路と、貯湯槽の下部と上部とを繋ぐ第１と第２の温水循環路と、第１の温水循環路に備えられた循環水加熱手段と、第２の温水循環路に備えられた熱負荷と、運転を制御する制御手段とを少なくとも備えた貯湯式温水供給装置であって、
   第１の温水循環路に備えられる循環水加熱手段は燃料電池の運転時に発生する熱を回収して循環水を加熱する手段であり、かつ、第２の温水循環路は熱負荷から貯湯槽下部への温水戻り回路部分に分岐温水路を有していて、該分岐温水路は第１の温水循環路の貯湯槽下部から加熱手段に至る温水循環路に流量調整弁を介して接続しており、制御手段は分岐温水路から第１の温水循環路に流入する温水量を制御する信号を流量調整弁に与えるように構成されており、さらに、貯湯槽の上部に備えられる給湯路には三方弁が備えられ、その一方は貯湯槽への給水路と管路で接続し、他方は補助熱源機を介して風呂等の給湯場に接続していることを特徴とする貯湯式温水供給装置。
2. 流量調整弁は、第２の温水循環路と分岐温水路との分岐部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式温水供給装置。
3. 流量調整弁は、分岐温水路と第１の温水循環路との合流部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の貯湯式温水供給装置。

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