(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設ボイラの稼働率を低減させるシステムであって、
前記既存ボイラの給水ラインと加熱することにより生成された湯を送出する給湯ラインとに接続され、前記給水ラインを通して水を受け入れ、前記給湯ラインを通して湯を供給することが可能な貯湯槽と、
施設から排出された温排水の熱を回収する熱回収ユニットと、
前記熱回収ユニットにより回収された前記熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、前記熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された前記熱媒体により前記貯湯槽が受け入れた水を加熱し、湯を生成して前記貯湯槽へ戻す加熱手段と、圧縮された前記熱媒体を膨張させ、前記吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを含み、
前記貯湯槽から前記既設ボイラへ給湯し、所定の温度まで加熱する、既設ボイラの稼働率低減システム。
【請求項２】
前記熱回収ユニットは、前記温排水の熱を循環水に与える熱交換ユニットを含み、前記循環水を前記ヒートポンプユニットへ送り、前記吸熱手段において前記循環水の熱を前記熱媒体に与える、請求項１に記載の既設ボイラの稼働率低減システム。
【請求項３】
前記熱回収ユニットは、前記温排水の熱を循環水に与える熱交換ユニットと、温水を貯留する蓄熱ユニットとを含み、前記熱交換ユニットで加温された前記循環水の熱を前記蓄熱ユニット内の前記温水に与え、前記蓄熱ユニット内の前記温水を前記ヒートポンプユニットへ送り、前記吸熱手段において前記温水の熱を前記熱媒体に与える、請求項１に記載の既設ボイラの稼働率低減システム。
【請求項４】
前記施設から排出された前記温排水を受け入れ、貯留する温排水槽と、貯留された前記温排水を前記熱回収ユニットへ供給する排水手段とをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の既設ボイラの稼働率低減システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプユニットを利用して既存ボイラの稼働率を低減させるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
病院、保養所、ホテル、レジャー施設等では、給湯装置として、ボイラが使用されている。このボイラは、重油、軽油、ＬＰＧ、都市ガス等の燃料を燃焼し、それによって発生する熱を水に与えて水を加熱する装置である。
【０００３】
しかしながら、ボイラは、燃料の燃焼により二酸化炭素を発生させ、それを大気中へ排出するため、大気汚染や地球温暖化の要因となっている。このため、消費燃料量および排出される二酸化炭素の量を低減させることが求められている。
【０００４】
そこで、温水施設から排出される温排水を温排水槽に貯留させ、温排水から熱交換器で熱回収した熱によりボイラ給水を加温する技術が提案されている（特許文献１、２参照）。この技術によれば、ボイラ給水を加温した後にボイラへ供給することができるため、ボイラで加熱するのに必要とされる熱量が少なくて済み、燃料消費量および二酸化炭素の排出量を低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−８５０６７号公報
【特許文献２】特開平７−５５２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ボイラが既に設置されている施設においては、老朽化等による問題がない限り、そのボイラを給湯装置として利用する。しかしながら、ボイラは、上記のような大気汚染や温暖化の問題があることから、出来るだけボイラの稼働率を低減させることが望ましい。
【０００７】
その観点から、従来において上述した技術が提案されているが、これらの技術では、温排水をボイラ給水の補助エネルギーとして利用するのみで、ボイラの稼働率を十分に低減することはできない。
【０００８】
そこで、施設等で使用する湯量を十分に確保しつつ、既存ボイラの稼働率を十分に低減させることができるシステムの提供が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発明者は、鋭意検討の結果、ヒートポンプユニットを利用して所定の温度の湯を生成するとともに、施設等から排出される温排水の熱をそのヒートポンプユニットに与えて温排水の熱を有効利用することにより、ヒートポンプユニットの消費電力を抑制するとともに、既存のボイラの稼働率を大幅に低減させることができ、その結果、既存ボイラのランニングコストおよび温暖化ガスである二酸化炭素の排出量も大幅に低減できることを見出した。
【００１０】
本発明は、これらのことを見出すことによりなされたものであり、上記課題は、本発明の既存ボイラの稼働率低減システムを提供することにより解決することができる。
【００１１】
このシステムは、既存ボイラの給水ラインと加熱することにより生成された湯を送出する給湯ラインとに接続され、前記給水ラインを通して水を受け入れ、前記給湯ラインを通して湯を供給することが可能な貯湯槽と、施設から排出された温排水の熱を回収する熱回収ユニットと、前記熱回収ユニットにより回収された前記熱を吸収し熱媒体に与える吸熱手段と、前記熱媒体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された前記熱媒体により前記貯湯槽が受け入れた水を加熱し、湯を生成して前記貯湯槽へ戻す加熱手段と、圧縮された前記熱媒体を膨張させ、前記吸熱手段へ供給する膨張手段とを含むヒートポンプユニットとを含む。
【００１２】
貯湯槽を既存ボイラの給水ラインと給湯ラインに接続し、施設の温排水ラインに熱回収ユニットを接続し、それらの間にヒートポンプユニットを設置するだけで簡単に設置することができる。また、温排水から熱を回収して、その熱をヒートポンプユニットに与えることでヒートポンプユニットの消費電力を抑制することができ、エネルギー消費効率の目安として使用される成績係数（COP）を向上させることができ、かつ湯を生成することができ、かつ生成した湯を既存ボイラの昇温回路へ供給し、既存ボイラの稼働率を低減させることができる。
【００１３】
また、既存ボイラの稼働率の低減は、ボイラのランニングコストを低減させ、温暖化ガスである二酸化炭素の排出量を低減させることも可能にする。温排水は、熱交換ユニットで熱回収が行われた後、融雪に使用することができ、その後、浄化槽で浄化した後、公共下水道へ送ることができる。
【００１４】
前記熱回収ユニットは、前記温排水の熱を循環水に与える熱交換ユニットを含む。また、前記熱回収ユニットは、さらに、温水を貯留する蓄熱ユニットをさらに含み、前記熱交換ユニットで加温された前記循環水の熱を前記蓄熱ユニット内の前記温水に与え、前記蓄熱ユニット内の前記温水を前記ヒートポンプユニットへ送り、前記温水の熱を前記熱媒体に与える。前記循環水は、前記熱交換ユニットと前記蓄熱ユニットとの間を、循環手段により循環する。
【００１５】
また、上記のシステムは、前記施設から排出された前記温排水を受け入れ、貯留する温排水槽と、貯留された前記温排水を前記熱回収ユニットへ供給する排水手段とをさらに備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】既設ボイラの稼働率低減システムの１つの構成例を示した図。
【図２】図１に示すシステムが備える熱回収ユニットの１つの構成例を示した図。
【図３】図１に示すシステムが備えるヒートポンプユニットの構成例を示した図。
【図４】既設ボイラの稼働率低減システムの別の構成例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の既設ボイラの稼働率低減システムは、既設ボイラを使用しつつも、その稼働率を低減させ、ボイラのランニングコストおよびボイラから排出される地球温暖化の原因となっている二酸化炭素の排出量を低減させることができる装置である。
【００１８】
図１は、既設ボイラの稼働率低減システムの１つの構成例を示した図である。このシステムは、既設ボイラ１へ水を供給するための給水ライン２と、既設ボイラ１により生成した湯を供給するための給湯ライン３とに接続される貯湯槽１０を備える。
【００１９】
貯湯槽１０は、新規に設置される槽で、給水ライン２および給湯ライン３のそれぞれの途中に分岐管を設けることにより、給水ライン２および給湯ライン３のそれぞれに接続することができる。
【００２０】
貯湯槽１０は、所定量の湯を貯留することができる容器とされ、給水ライン２に接続される給水用のノズル、給湯ライン３に接続される給湯用のノズル、後述するヒートポンプユニット３０へ、受け入れた水や内部に貯留される湯を供給するためのノズル、ヒートポンプユニット３０により加熱されて戻される湯を受け入れるノズルといった４つのノズルを有している。また、貯湯槽１０は、屋外に設置される場合、貯留する湯が放熱により冷めないように、外表面に保温材等が巻かれ、保温される。
【００２１】
貯湯槽１０は、内部の湯の温度を測定できるように、温度計を備えることができ、また、残湯量を測定できるように、液面計（レベルゲージ）を備えることができる。
【００２２】
また、このシステムは、既設ボイラ１を使用する施設から排出された温排水の熱を回収する熱回収ユニット２０を備える。既設ボイラ１を使用する施設は、病院、保養所、ホテル、レジャー施設等があり、これらの施設では、浴槽、シャワー、プール、暖房等に湯が使用され、排水口等から排出された湯は、温排水となる。この温排水は、約３０℃の温度で排出され、常温の水より温度が高いことから、熱回収ユニット２０により熱回収される。
【００２３】
温排水は、ヘアキャッチャー等により比較的大きな浮遊物を除去した後に排出されるが、微細な浮遊物等が存在しているため、そのままヒートポンプユニット３０へ供給すると、ヒートポンプユニット３０が備える多数のフィンの間にその浮遊物が付着し、ヒートポンプユニット３０の熱吸収効率を大幅に低下させてしまう。このため、熱回収ユニット２０を設け、熱回収ユニット２０で回収した熱をヒートポンプユニット３０に与えるように構成する。
【００２４】
熱回収ユニット２０は、例えば、図２に示すように、ヒートポンプユニット３０との間で循環水を循環し、温排水の熱が循環水へ与えられるように熱交換ユニット２１を含む構成とすることができる。熱交換ユニット２１は、これまでに知られたコイル形熱交換器、二重管式熱交換器、多管式熱交換器等を採用することができる。
【００２５】
図２に示す熱回収ユニット２０の一例では、熱交換ユニット２１が上記のような熱交換器ではなく、１つの浴槽２１ａと、浴槽２１ａ内に貯留された循環水２２に浸漬され、内部に温排水が流れるチューブ２１ｂとから構成されている。チューブ２１ｂは、２つの曲部を有し、温排水が水面付近に設置されるチューブ内へ入り、１つの曲部、中間深さのチューブ内、もう１つの曲部、水底付近に設置されるチューブ内を通して排出されるような構造および配置とされている。
【００２６】
また、循環水は、浴槽２１ａの下部へ供給され、浴槽２１ａの上部から循環ポンプにより取り出される。浴槽２１ａ内の循環水２２は、対流がほとんど起こらない状態では密度との関係で水面付近の温度が高く、水底付近の温度が低くなる。この状態を作り出し、温度の高い水面付近の循環水をヒートポンプユニット３０へ供給できれば、ヒートポンプユニット３０の消費電力を抑制することができ、効率的に熱回収を行うことができる。したがって、図２では、上記のように、温度が最も高い状態の温排水を、水面付近に流して水面付近の温度を上げ、その水面付近の循環水をヒートポンプユニット３０へ供給するようにし、また、温排水を水面から水底へ向けて流し、水底付近へ温度が低下した循環水を戻すことにより、その循環水が水面へ押し上げられるとともに温排水から熱を与えられて徐々に昇温させ、対流がほとんど起こらない状態を作り出している。
【００２７】
温排水の熱を出来るだけ回収するためには、チューブ２１ｂの長さを長くする等して十分な伝熱面積とし、循環水の入口ノズルと温排水の出口ノズルとが近隣し、循環水の出口ノズルと温排水の入口ノズルとが近隣して配置される構造が好ましい。このような構造にすることで、約３０℃の温排水から熱回収を行い、循環水を約２８℃にしてヒートポンプユニット３０へ供給し、その熱を与えることができる。
【００２８】
この熱交換ユニット２１のチューブ２１ｂに使用される材質は、温排水の温度が約３０℃といった比較的低い温度であるため、ポリ塩化ビニル等のプラスチック樹脂や炭素鋼等を使用することができ、浴槽２１ａの材質も、ＦＲＰ等のプラスチック樹脂や炭素鋼等を使用することができる。しかしながら、温排水中には、石けんや洗剤、その他の浮遊物等を含むことから、チューブ２１ｂの材質は、腐食しにくいプラスチック樹脂が好ましい。
【００２９】
また、図２に示す例では、曲部が２つとされているが、３つ以上であってもよく、また、複数のチューブから構成されていてもよい。さらに、チューブの外表面に多数のフィンが設けられていてもよい。
【００３０】
再び図１を参照して、このシステムは、さらにヒートポンプユニット３０を備える。ヒートポンプユニット３０は、熱回収ユニット２０により温排水から回収した熱を受け取り、内部を循環する熱媒体へ与え、その熱媒体を圧縮することにより高温にし、その高温になった熱媒体が有する熱を貯湯槽１０の水へ与えることにより加熱し、湯を生成させる装置である。
【００３１】
具体的には、図３を参照して、ヒートポンプユニット３０は、温排水の熱を回収した熱回収ユニット２０から熱を得て熱媒体に与える吸熱手段３１と、給電されることにより駆動し、熱媒体を圧縮する圧縮手段３２と、圧縮された熱媒体により貯湯槽１０が受け入れた水を加熱し、湯を生成させて貯湯槽１０へ戻す加熱手段３３と、圧縮された熱媒体を膨張させ、吸熱手段３１へ供給する膨張手段３４とを含んで構成される。このヒートポンプユニット３０は、加熱して生成された湯が冷めないように、貯湯槽１０に近隣して設置することが好ましい。
【００３２】
吸熱手段３１は、図２に示す熱回収ユニット２０から送出された循環水を受け入れ、受け入れた循環水の熱を熱媒体へ伝えて、熱媒体を温める。そのため、吸熱手段３１は、循環水と熱媒体との間で熱交換する熱交換器を含み、管内に熱媒体を流し、循環水をその管に接触させて循環水の熱を管内の熱媒体へ与える。熱交換器において熱伝導効率を向上させるために、伝熱面積を大きくすることができ、例えば、熱媒体が流れる管をコイル状としたり、その管の表面にフィンを設けることができる。熱媒体としては、圧縮比を大きくとることができ、その圧縮により大きく温度上昇するガスが好ましく、空気や二酸化炭素等を挙げることができる。
【００３３】
圧縮手段３２は、吸熱手段３１で温められた熱媒体を圧縮する。この圧縮手段３２で行われる圧縮は、断熱圧縮に近いポリトロープ圧縮であるため、その吐出温度は圧縮比に依存して上昇する。例えば、熱媒体として空気を使用し、約０．１ＭＰａ、約２０℃の空気を約０．７ＭＰａまで圧縮すると、外部との熱の授受がない場合、その圧縮のために加えられたエネルギーは全て温度上昇となり、理論上約２６０℃となるが、現実には熱損失があり、約１７０〜２００℃となる。熱損失があるとはいえ、１００℃を超える温度であるため、十分に水を加熱することができる。この圧縮手段３２としては、容積圧縮機が好ましく、例えば、往復圧縮機、ダイアフラム式圧縮機等を挙げることができる。
【００３４】
このように圧縮され高温とされた熱媒体は、加熱手段３３へ送られ、貯湯槽１０が受け入れた水へその熱を与える。加熱手段３３は、熱交換器とすることができ、伝熱面積を大きくするために、コイル状としたり、フィンを設けることができる。
【００３５】
加熱手段３３において水へ熱を与えて温度が降下された熱媒体は、圧縮された状態で維持され、その温度も、貯湯槽１０内に貯留される湯の温度以下には下がらない。これでは、吸熱手段３１において循環水の熱を吸収することができない。そこで、膨張手段３４により膨張させ、温度を降下させる。膨張手段３４としては、膨張弁を用いることができる。この膨張手段３４では、圧縮手段３２で約０．１ＭＰａから約０．７ＭＰａへ昇圧する場合、約０．７ＭＰａから約０．１ＭＰａへ降圧することができる。
【００３６】
再び図１を参照して、ヒートポンプユニット３０は、貯湯槽１０内に約４０℃〜約５０℃の湯を生成させる。この湯は、浴室等へ直接送ることもできるが、既設ボイラ１へ給水ポンプ４により給水ライン２を介して送り、さらに加熱した後に、給湯ライン３を通して送ることも可能である。このため、給水ライン２には、給水源からの給水を停止するための弁を設け、給湯ライン３には、既設ボイラ１から出た湯が貯湯槽１０へ戻らないようにするための弁を設けることができる。
【００３７】
約３０℃の温排水でボイラ給水を直接加温した場合、約２５℃までしか温めることができないため、既設ボイラ１で相当加熱する必要があるが、本発明の如く、貯湯槽１０と、熱回収ユニット２０と、ヒートポンプユニット３０とを備える構成を採用することで、約４０〜約５０℃へ加温することができ、そのまま給湯できる場合には既設ボイラ１による加熱が不要となり、また、例えば９０℃に加熱するにしても、既設ボイラ１の稼働率を大幅に低減させることができる。
【００３８】
既設ボイラ１の稼働率の低減は、燃料の消費量を低減させることができ、排出される燃焼排ガス量も低減させることができ、その結果、温暖化ガスである二酸化炭素の排出量を低減することができる。また、既設ボイラ１のランニングコストも低減させることが可能となる。
【００３９】
図４は、既設ボイラの稼働率低減システムの別の構成例を示した図である。このシステムも、貯湯槽１０、熱回収ユニット２０、ヒートポンプユニット３０を備えるが、熱回収ユニット２０の構成が、図２に示す構成とは相違し、また、温排水槽４０、温排水ポンプ４１を備えている。そして、熱回収された後の温排水が、融雪に使用され、その後、浄化槽５０で浄化され、公共下水道へ送られる構成とされている。
【００４０】
図１に示す実施形態では、施設から排出される温排水は、熱回収ユニット２０へ送られたが、この図４に示す実施形態では、一度、温排水槽４０へ集められ、その温排水槽４０から温排水ポンプ４１により熱回収ユニット２０へ送られる。温排水槽４０は、温排水に含まれる浮遊物等を沈殿させ、浮遊物等が除去された温水を熱回収ユニット２０へ送ることを可能にする。また、雑排水、プール、風呂といった異なる場所で使用された異なる温度の温排水を混合し、ほぼ一定の温度にして供給することを可能にする。これは、ヒートポンプユニット３０へ与える熱の変動を小さくし、ヒートポンプユニット３０における負荷変動を小さくし、効率的で安定した運転を可能にする。
【００４１】
熱回収ユニット２０は、図２に示す熱交換ユニット２１と、温水を貯留する蓄熱ユニット２３とから構成され、熱交換ユニット２１で加温された循環水の熱を蓄熱ユニット２３内の温水に与え、蓄熱ユニット２３内の温水をヒートポンプユニット３０へ送り、温水の熱を熱媒体に与える。したがって、循環水は、熱交換ユニット２１と蓄熱ユニット２３との間を、循環手段である循環ポンプ２４により循環され、温水は、蓄熱ユニット２３とヒートポンプユニット３０との間を、循環手段である循環ポンプ２５により循環される。
【００４２】
この蓄熱ユニット２３は、図２に示す熱交換ユニット２１と同様の構成とすることができ、蓄熱ユニット２３内に入れられた原水を温めて温水にし、その温水を貯留し、そのつど熱が与えられてほぼ一定温度の蓄熱源として機能する。蓄熱ユニット２３は、循環ポンプ２５により内部の温水をヒートポンプユニット３０へ送り、ヒートポンプユニット３０に一定の熱を与える。
【００４３】
このように蓄熱ユニット２３を備えることで、温度変動が非常に小さくなるものの、蓄熱ユニット２３を介することで、ヒートポンプユニット３０へ供給される温水の温度が、循環水を直接供給する場合に比較して、約１〜２℃下がる。しかしながら、温度変動が非常に小さくなることで、ヒートポンプユニット３０へ与える熱の変動も大幅に小さくなり、ヒートポンプユニット３０の運転をいっそう効率的で安定したものにさせることができる。
【００４４】
温排水槽４０および蓄熱ユニット２３の浴槽は、熱交換ユニット２１と同様、ＦＲＰ等のプラスチック樹脂から作製することができ、蓄熱ユニット２３にあっては、浴槽およびチューブのいずれもが炭素鋼から作製されていてもよい。温排水槽４０は、温排水中に石けんや洗剤、その他の浮遊物等を含むことから、腐食しにくい上記のプラスチック樹脂が好ましい。
【００４５】
温排水は、熱回収ユニット２０において熱回収され、温度が低下して排出されると、融雪のために利用することができる。融雪に利用された排水は、側溝等を介して浄化槽５０へ送られ、浄化された後、公共下水道へ送られる。
【００４６】
浄化槽５０は、例えば、固液分離装置と、ばっき槽、接触ばっき槽、沈殿槽を有する水処理装置とから構成されるものや、嫌気ろ床槽、沈殿分離槽を有する前処理装置と、接触ばっき槽、沈殿槽を有する水処理装置とから構成されるもの等を挙げることができる。
【００４７】
これまで本発明の既設ボイラの稼働率低減システムについて図面に示した実施形態を参照しながら詳細に説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態や、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１…既設ボイラ、２…給水ライン、３…給湯ライン、４…給水ポンプ、１０…貯湯槽、２０…熱回収ユニット、２１…熱交換ユニット、２１ａ…浴槽、２１ｂ…チューブ、２２…循環水、２３…蓄熱ユニット、２４、２５…循環ポンプ、３０…ヒートポンプユニット、３１…吸熱手段、３２…圧縮手段、３３…加熱手段、３４…膨張手段、４０…温排水槽、４１…温排水ポンプ、５０…浄化槽
【図１】
0005414488.tif 000002
【図２】
0005414488.tif 000003
【図３】
0005414488.tif 000004
【図４】
0005414488.tif 000005