(57)【要約】【課題】  温浴施設等の商業施設において、熱源機（ボイラ、ヒートポンプや空調・冷凍機、熱交換器等）を用いたシステムで、燃料や電気のエネルギー実質交換効率と、排熱の利用効率を同時に測定表示するエネルギー管理システムを提供する。【解決手段】  蒸気ボイラでは復水も含む蒸発水量と温度及び空気比等を計測し、温水ボイラでは熱源機二次側に設置される流量計と一対の温度センサーの測定値によって演算されるカロリー計測手法を用いて、同時に一次側の燃料やエネルギー源の使用量を測定して得られるエネルギー発熱量とコストを比較演算分析させる事によって、熱源交換システムの瞬間及び積算の実質効率と燃費を同時に計測表示するシステムをなし、変動するエネルギー負荷量に対応する燃料や電気のエネルギー交換効率を瞬時に表示させて、実際の使用メーター量によってしか比較検証できなかったエネルギー管理の問題点を解決した。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温浴施設等の商業施設において、省エネルギー的な観点から熱源機（ボイラやヒートポンプ、熱交換器等）の２次側で利用されたエネルギー量と１次側の燃料等のエネルギー源の発熱量を比較演算することによって、リアルタイムでシステムの効率（％）と熱源機の燃費（ｋｃａｌ／Ｌ  ｏｒ  ＭＪ／Ｌ）をパソコンやデジタルレコーダに計測表示することを可能にした、加熱冷却システム全体のエネルギー交換効率管理システム
【請求項２】
上記の熱源機効率計測表示システムのうち、温水ボイラのシステム効率を平易に測定するために、２次側の利用熱量を測定する超音波流量計（又は電磁流量計）と得られた温度差を測定するために、出入口に設けられた一対の温度センサーによって演算されるカロリー計測手段と、１次側の燃料の流量を超音波流量計（又は電磁流量計）で同時に計測した流量に単位発熱エネルギー量を乗じて得られる発熱量計測手段をもって、加熱冷却システム全体の瞬間の効率と積算値を計測し表示するエネルギー交換効率管理システム
【請求項３】
上記の熱源機効率計測表示システムのうち、蒸気ボイラのシステム効率を平易に測定するために、再利用される復水を含めた補給水量と温度を計測する手段と、ブロー量と温度を測定する超音波流量計（又は電磁流量計）と温度センサーの計測手段で得られる実質蒸発量値を測定し、１次側の燃料の流量を超音波流量計（又は電磁流量計）で同時に計測することによって、瞬間の蒸発倍数と燃費を計測し表示するエネルギー交換効率管理システム
【請求項４】
請求項２と請求項３の上記の熱源機効率計測表示システムにおいて、排ガス温度と取入空気の温度と空気比を同時に計測して効率に反映させることによって、より正確な瞬間の実質効率や蒸発倍数と燃費を計測し表示するエネルギー交換効率管理システム
【請求項５】
上記のボイラ効率測定システムによって得られた数値が平常値より低下した際に、ボイラの効率異常やメンテナンス時期を警報として知らせる交換効率管理システム
【請求項６】
地域冷暖房の場合と、温泉の掛け流しや温排水、洗い場排水等の排湯熱利用目的で熱交換器を熱源として使用している場合に、一次熱源側と再利用される二次側の交換熱量を測定する超音波流量計（又は電磁流量計）及び其々一対の温度センサー測定値で得られる流量と差温を乗じて得られる計測値を比較演算することで、瞬間の交換熱量と積算値、及び熱交換効率を計測し表示させる、エネルギー交換効率管理システム
【請求項７】
上記の排湯熱再利用システムにおいて、スケールや汚れが付いて熱交換効率が落ちた際に、清掃やメンテナンス時期を警報として知らせる交換効率管理システム
【請求項８】
上記の熱源機効率計測表示システムや排湯熱再利用システムと、排湯熱交換によって得られた予熱水が有効に再利用されているかどうかを検証する再利用エネルギー計測手段と熱利用効率表示手段を備えた、全体の使用エネルギーフローを表示可能としたシステムで、施設全体のエネルギー使用状況と再利用状況を、ネットやパソコン等を用いてリアルタイムで管理するエネルギー交換効率管理システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、温浴施設等の商業施設において、ボイラなどの熱源機や排熱交換器などのシステム効率を測定表示するエネルギー管理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  温暖化防止のためのＣＯ２削減や省エネルギー目的で、様々な高効率の熱源機器や省エネシステムが登場している。個々の省エネ機器は其々のメーカーが効率や性能を謳っているが、様々なメーカーの製品が混在している実際の施設では、システムも複雑で一元的に現状のエネルギー効率を調査することがなかなか難しい状況である。即ち新しい製品は省エネになることは分かっていても、実際どのくらいの削減になるのかは、設置してみないと分からないとすることが殆どで、例年比で比較するほか１年間追いかけてみて始めて省エネ効果が検証できるという状況である。これではなかなか導入に踏み切れないし、システム的なエネルギー管理には程遠い。現在の熱源機の効率がどのくらいなのかを正確に知って、省エネルギー機器を導入した際にどのくらいの省エネになったのかを把握する必要があるのであるが、汎用的なシステムが無い。また掛け流しや温排水、洗い場排水の排熱を利用する省エネ機器も増えているが、連続的に排熱の利用状況と効率を測定するシステムが同時に示されないために、施設全体のエネルギー削減効果の検証が難しい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  一般的な工場や商業施設では、燃料経費などはあまり変動がなく過去のデータを参考に削減金額が出しやすいのであるが、特に温浴施設やホテル旅館などにおいては、集客数によってエネルギーの負荷変動が激しく、比較する過去のデータが参考にならない。
例えば健康ランドでは温水を大量に使用しており、１人あたりの水の使用量が約２５０〜３００リットルである。そのうち概ね１５０リットルを湯として使用しているが、平日は５００人程度であるのに対し、土日は２，０００人、繁忙日は３，０００人と集客数が大きく変わる。１，０００人増えると約４２℃の湯が１５０ｍ３増加し、１，５００人増えると２２５ｍ３の湯が必要になるというように、日々大きく変動するのである。
このような施設では集客のために、毎年健康機器やレジャー機器の増設や変更も行なわれており、過去のエネルギーや経費データが参考にならないため、リアルタイムでその瞬間のエネルギー効率を測定して熱交換機器を管理するとともに、積算したエネルギー量を常に把握する必要があるのである。【０００４】  また熱源機器メーカーはそれを利用する設備全体や全体の維持管理にタッチしないために、全体システムを把握しておらず調整ができない。熱源機器本体の一般的な効率は示されているが、実際の運用状況は千差万別である。即ち熱源機器に流す流量や風量設定、システム設計が悪いと熱源機器を有効に使用できないのであり、新築時の自動制御の設定がそのまま実際の運営状況にマッチしていないことも多い。即ち、其々の熱源機器の実際の燃費やシステム効率を監視するシステムが無いために、熱源１次側の燃料や電気のエネルギーが無駄なく有効に利用できているのかどうか判らない。【０００５】  また、温浴施設では温泉などの「掛け流し」も一般に行なわれているが、熱エネルギーを捨てているために最近では再利用が始まっている。また、洗い場の排水についても排熱交換器を通して一部の熱を再利用するシステムがあるが、いずれも後々スケールや汚れで徐々に効率が落ちて、最後には閉塞して再利用が殆ど行なわれていないことも多い。設置後の省エネの検証が行なわれていないのである。【０００６】  熱源機器や熱量の恒常的な省エネルギーは、設備管理に依るところが大きい。機器本体においては、ボイラなどのシステム効率を常時把握する必要がある。例えば古くなった温水ボイラには徐々にススが付着し、不着火を繰り返して不完全燃焼が連続的に続くと効率は１０％〜数十％落ちる。これは、温浴施設においては年間数百万円〜１千万円程度の損失となる。蒸気ボイラについても空気比やブロー量、供給水の水質など効率を落とす要因は多くあるが、これらの管理がされていないために実際の効率は著しく低い。新しい機器を導入してもこれは同じで、メンテナンスをしないといずれ効率が落ちるのである。常に効率を監視するシステムがあると、いち早く対処できて莫大なロスを防ぐことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  健康ランドなどは２４時間営業のところが多く、休館日などを利用しない限りは、あとから基幹設備である給湯設備の元に大口径の流量計などを設置することが難しい。このため本発明では、電磁流量計が取り付けにくい箇所では超音波流量計を使用し、温度センサーは温度計のタッピングに取り付けるなど、休館日を設けなくても確認機器を取り付けられる方法としている。【０００８】  本発明における第一の解決手段は、熱源機二次側に流量計や温度センサーなどのカロリー計測機器を用いると同時に、１次側の燃料使用量などから導き出される発熱量と実際に利用された二次側エネルギー量を常時演算し、熱源機器本体だけでなくシステム全体の効率をリアルタイムで表示して確認可能なシステムとしたところに特長がある。これは同時に熱源機器本体のメンテナンス時期を判断するものであり、異常を監視するシステムともなる。【０００９】  例えば温水ボイラにおいては、熱源機から実際に利用伝達された２次側の流量に熱源機出入り口の温度差を乗じたものが熱源機２次側で得られた熱量で、単位はｋｃａｌで表される。比して、その間に熱源機１次側に供給された燃料がもつエネルギー量は、例えばＡ重油の場合、１ｌ当りの低位発熱量は８，７７２ｋｃａｌ／Ｌであるため、使用された重油量に単位発熱量を乗じたものが、１次側の供給熱量である。この場合の効率（Ｅ）は、Ｅ＝［（熱源機２次側の出口温度−熱源機２次側の入口温度）×（２次側の時間当たり流量：ｌ／ｈ）］÷［（１次側の供給燃料の量：ｌ／ｈ）×（Ａ重油単位当りの低位発熱量：８，７７２ｋｃａｌ／Ｌ）］で表せる。
本発明はこの効率を常時計測して演算し、連続的にエネルギー使用状況を中央監視装置やパソコンに表示し、瞬時値を常時表示し記録しようとするものである。また何らかの要因で効率が落ちた場合に備えて、警報値を設定し移報することでいち早く異常を察知せしめて、メンテナンスなどの対応時期を迅速に実行できることで、経費や燃料の無駄を極力抑えることを可能にした。【００１０】  本発明における第二の解決手段は、系統が複数で複雑な場合であっても、二次側に利用された複数のシステムの熱交換量の総量をシステム効率の計算に組み入れることにある。前述のエネルギー確認機器やカロリーメータ等を用いて実際に各所で利用されたエネルギー総量や回収された排熱のエネルギー量など、２次側の熱源利用システム全体の系統別使用量と総量の表示と記録を行い、同様に１次側の燃料使用量などから導き出される発熱量と連続的に同期させて、設備全体のシステム効率をパソコンなどで表示させるものとしたものである。複数回路の熱源機の場合は季節的に調整すると効率がアップするが、全体の効率や熱交換スピードを監視するシステム運営上の目安ともなる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】  本発明の骨子は、熱源機本体を含めた全体のエネルギー効率を常時表示して変動を把握できる装置の提供にある。即ち運営時の直接的な利用熱と放熱、排熱量や回収熱の運用状況を常時把握することがエネルギー管理につながるのである。多系統の複雑な設備の運用効率を、まとめて％で表示した簡便なエネルギー監視システムを構築できることにある。
Ａ重油などの燃料を他の燃料に転換する場合や、省エネの熱源機や燃料削減システムを検証する場合も、熱源機の一次側と二次側のシステム効率を計測していれば、容易に効率比較が可能となるし、二次側の利用量が変動している場合であっても、同時に計測している「効率」比較で燃費の比較検証ができる。
温水ボイラの場合は二次側で利用された顕熱を測定しやすい。基本的な効率の計算式は、表１の通りである。
【００１２】
【表１】
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【００１３】  温度センサーの測定値や流量表示とともに、この演算された数値を常時エネルギーモニタ機器（ネットやパソコン）に表示する。メンテナンスやクリーニング実施後に計測された通常の効率に対して何パーセントになっているのかも表示できるものとする。
【００１４】  蒸気ボイラの場合は効率計算手法が異なる。同様に蒸気流量計を用いることもできるが、サウナなどで使用されて復水（蒸気が冷えて液体となったものを、蒸気トラップを介して回収される高温水）として戻ってこないものもあり、温度や圧力が変動する場合は測定が難しい。
蒸気ボイラの効率検証では簡便な「蒸発倍数」という考え方が浸透している。ただ温水ボイラと同様にリアルタイムで効率を検証する市販のシステムは無い。ボイラの煙道から蒸発する「潜熱」が増えて効率を落としている場合は、同量の燃料に対して蒸発倍数が減る形で表される。この「蒸発倍数」の計算式は例えば重油を燃料とするとき、表２の通りである。
【００１５】
【表２】
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【００１６】  本格的に蒸気ボイラの効率を計算する場合は、以下の計算式による。この蒸気ボイラの効率を表す計算式は、例えば重油を燃料とするとき、表３の通りである。
【００１７】
【表３】
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【００１８】  蒸気の比エンタルピ及び給水の比エンタルピは温度と圧力で決定されるが、数式の演算の際に予め作成しておいた近似値のエクセル空気線図表等を使用し、測定された温度と圧力によってエンタルピ値を選定して読み込んでくる手法で行なう。
【００１９】  蒸気ボイラで２次側が全て熱交換器を介して加熱回路を循環させている場合は、温水ボイラの効率検証方法と同様に考えるものとする。生蒸気と熱交換器を使用した加熱回路が混在しているときは、使用割合によって基本的な燃費を把握しておき、数式に組み込んで演算させるものとする。
本発明は、これらの既に利用されている概念の応用や計算式にあるのではなく、これらを組み込んだシステム全体のエネルギー効率を常時表示することにあって、その効率を常時監視することで、無駄やメンテナンス時期などを把握するとともに、エネルギー管理を容易にするものである。
【００２０】  また本発明は、地域冷暖房の場合と、温泉の掛け流しや温排水、洗い場排水の排湯熱利用の目的で熱交換器を熱源として使用している場合に、一次熱源側と再利用される二次側の交換熱量を測定することによって、常時熱交換効率を計測し表示させる管理システムで、スケールや汚れが付いて熱交換効率が落ちた際は熱交換する前後の温度差を監視してメンテナンスや分解洗浄時期を知らせるシステムとなし、熱再利用システムの自動制御に異常があり、平常の交換効率に比して予め設定した効率を下回ったときは、システム異常を警報として知らせる詳細な管理システムを構築するものである。
【実施例】
【００２１】  実施例として、例えば重油を燃料とした場合、給湯システムの図１において１９（１次側燃料供給ゾーン）で示した重油供給設備側の１時間当たりの供給エネルギー量：Ｑａは、９の重油流量計で測定した１時間当たりの流量測定値（Ｌ／ｈ）×単位発熱量８，７７２（ｋｃａｌ／ｈ）で示される。また一方で、１３（２次側エネルギー使用ゾーン）で示した実際に使用されたエネルギー量：Ｑｂを、３の流量計と４の入口温度センサー及び１４の出口温度センサーで測定する。１６（温水ボイラ）内の１５（加熱コイル）で加熱されたエネルギー量は、
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１）｝（ｋｃａｌ／ｈ）で示される。加熱回路についてもまったく同様である。
このときの熱交換効率はＥ＝Ｑｂ÷Ｑａで示されるのであり、百分率で表される。６のエネルギー交換効率モニタに常時リアルタイムで表示し、１時間当たり，１日当たり，１ヶ月，年単位の積算値を演算可能なものとする。【００２２】  例えばボイラが３回路で複数台あったとしても、各系統の交換熱量を同様に計測し、その合計を２次側の交換熱量合計とし、１次側の燃料消費量に単位当たりの発熱量を乗じたもので除すると、システム全体の熱交換効率が決定する。どんなに複雑なシステムであっても、６のエネルギー交換効率モニタに常時「何％」だとリアルタイムで表示させることができる。これまでまったく不可能であった効率変動を常時表示し記録可能とするものである。また、個々の系統について分解分析可能とすることで、効率低下の原因を直ちにつかむ事ができる。【００２３】  蒸気供給システムの図２においては、簡便に表２で示される蒸発倍数を常時表示することによって、実際に使用された１時間当たりの蒸気量を管理することができる。実蒸発量は、８のボイラ供給水量計の測定値から１７のブロー水流量計の計測値を減じたものとしてもよい。正確にエネルギー交換量として比エンタルピを測定する場合は、温度と圧力で示される蒸気の比エンタルピから還水槽からボイラへ供される７のボイラ供給水温度計の温度を減じたものに、実蒸発量を乗じた２次側のエネルギー交換量を演算し、１次側の重油発熱量と使用量を乗じたエネルギー量で除することで、熱交換効率を求めることもできる。
蒸気流量計６や加熱系統がある場合は、温水ボイラと同様に交換エネルギー量比で管理することもできる。いずれも６のエネルギー交換効率モニタに常時リアルタイムで表示し、１時間当たり，１日当たり，１ヶ月，年単位の積算値を演算可能なものとする。【００２４】  浴室洗い場排水の熱を回収した場合を、図３に示す。図１と同様の給湯設備によって供給された湯は、水と共に浴室洗い場給湯設備７に設置されたシャワーや洗面用のカラン８に供されるが、この洗い場排水の温度は概ね３５〜３６℃前後であり、図３の１５のような排熱回収ゾーンによって一定の排湯熱を再利用できる。２１の排湯熱交換器に給湯に供される水を通すことで、排湯熱の一部を再利用できる仕組みである。この回収された熱エネルギー量Ｑｃは、１次側である｛洗い場排湯流量計１８の１時間当たりの流量測定値（Ｌ／ｈ）｝×
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（ｋｃａｌ／ｈ）、又は２次側の｛余熱原水流量計１６の１時間当たりの流量測定値（Ｌ／ｈ）｝×｛（９
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（ｋｃａｌ／ｈ）で示される。この排湯熱回収割合をモニターすることで、エネルギー回収効率を測定するほか、排熱交換器の清掃時期などを知る重要な警報を出力することができる。【００２５】  排湯熱エネルギーの回収効率は、以下の計算で求められる。
給湯用のボイラの２次側で得られたエネルギー量Ｑｂ（１時間当り）は、図１の説明で示したように、ボイラ２次側の循環流量（Ｌ／ｈ）×温度差（過熱後の温度Ｔ２−加熱前の温度Ｔ１）で測定できるが、この中で洗い場給湯に供された熱量の一部を回収したＱｃ（排湯回収熱量）をＱｂで除した割合を、排湯熱回収効率：Ｅｃとして、表４の計算式で求める。【００２６】
【表４】
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【００２７】  図３の４のエネルギー交換効率モニタに、熱源の利用状況と熱源機の熱交換効率、排湯熱の温度や排湯熱の交換効率を、常時表示し記録することによって、エネルギー利用の全体を把握し分析することができる。また先述のように警報値を決めておくことによって、清掃やメンテナンス時期のタイミング、或いはシステムの不具合をリアルタイムで知ることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】  本発明の実施形態で、温水ボイラにおける給湯システムの標準的なシステムフローである。
【符号の説明】１．貯湯タンク
２．湯供給口
３．瞬間及び積算流量計
４．入口温度センサー
５．缶水供給口
６．エネルギー交換効率モニタ
７．煙道
８．燃焼バーナー
９．重油流量計
１０．オイル（重油）タンク
１１．給水口
１２．昇温用循環ポンプ
１３．２次側エネルギー使用ゾーン
１４．出口温度センサー
１５．加熱コイル
１６．温水ボイラ
１７．燃焼空気取入口
１８．ストレーナ
１９．１次側燃料供給ゾーン
２０．重油貯油槽
２１．重油供給用オイルギアポンプ【００２９】
【図２】
本発明の実施形態で、蒸気ボイラにおける熱源利用システムの標準的なシステムフローである。
【符号の説明】１．サウナなど生蒸気使用系統
２．自動温調弁
３．復水還り管
４．蒸気ヘッダ
５．エネルギー交換効率表示モニタ
６．蒸気流量計
７．ボイラ供給水温度センサ
８．ボイラ供給水流量計
９．煙道
１０．重油流量計
１１．オイル（重油）タンク
１２．循環昇温システム系統
１３．熱交換器
１４．蒸気トラップ
１５．還水槽供給水量計
１６．還水槽
１７．ブロー水量計
１８．ブロー自動弁
１９．蒸気ボイラ
２０．ストレーナ
２１．１次側燃料供給ゾーン
２２．重油貯油槽
２３．重油供給用オイルギアポンプ【００３０】
【図３】
本発明の実施形態で、温水ボイラにおける温浴施設の熱源利用システムであって、浴室洗い場の排湯熱を利用した標準的なシステムフローである。
【符号の説明】１．貯湯タンク
２．給湯流量計
３．給水流量計
４．エネルギー交換効率表示モニタ
５．給水ライン
６．給湯ライン
７．浴室洗い場給湯設備
８．給湯用カラン
９．余熱水温度センサー
１０．給湯設備２次側エネルギー使用ゾーン
１１．温水ボイラ
１２．重油流量計
１３．１次側燃料供給ゾーン
１４．余熱原水温度センサー
１５．排熱回収ゾーン
１６．余熱原水流量計
１７．排湯温度センサー
１８．洗い場排湯流量計
１９．排湯温度センサー
２０．排湯槽
２１．排熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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