(57)【要約】【課題】ヒートアイランド現象を抑制することができるエンジン駆動式ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】エンジン１１と、エンジン１１の軸動力を冷媒Ｘを圧縮する圧縮機１の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路５とを備え、圧縮式ヒートポンプ回路５が備える凝縮器２において発生する凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転を実行可能な地中放熱運転手段Ａを備えたエンジン駆動式ヒートポンプシステム１００であって、地中放熱運転手段Ａが、エンジン１１の排熱を地中に放出する排熱放出運転を実行可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンの軸動力を冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路とを備え、
前記圧縮式ヒートポンプ回路が備える凝縮器において発生する凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転を実行可能な地中放熱運転手段を備えたエンジン駆動式ヒートポンプシステムであって、
前記地中放熱運転手段が、前記エンジンの排熱を地中に放出する排熱放出運転を実行可能に構成されているエンジン駆動式ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記エンジンの排熱を蓄熱する蓄熱槽を備え、
前記地中放熱運転手段が、前記蓄熱槽の蓄熱量が満杯である場合に、前記排熱放出運転を実行する請求項１に記載のエンジン駆動式ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記地中放熱運転手段が、前記凝縮熱放出運転と前記排熱放出運転とを各別に実行可能に構成されている請求項１又は２に記載のエンジン駆動式ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンと、前記エンジンの軸動力を冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路とを備え、前記圧縮式ヒートポンプ回路が備える凝縮器において発生する凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転を実行可能な地中放熱運転手段を備えたエンジン駆動式ヒートポンプシステム（以下、単にヒートポンプシステムと称する場合がある。）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプシステムは、エンジンにより駆動して冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒から凝縮熱を放出させて温風及び温水等の温熱を生成する凝縮器と、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁により膨張された前記冷媒に気化熱を吸収させて冷風及び冷水の温熱を生成する蒸発器とに、順に冷媒を循環させる圧縮式ヒートポンプ回路を備えている。凝縮器において生成された温熱は暖房及び給湯に用いることができ、蒸発器において生成された冷熱は冷房に用いることができる。
【０００３】
このようなヒートポンプシステムとして、圧縮式ヒートポンプ回路に備えられた凝縮器において発生する凝縮熱を、埋設熱交換器により地中へ放熱することができるものが知られている。このような地熱を利用するヒートポンプシステムでは、そのＣＯＰを向上させることができる（特許文献１を参照。）。
【０００４】
また、エンジンの軸動力を上記圧縮式ヒートポンプ回路における圧縮機の動力源とするヒートポンプシステムが知られている（特許文献２を参照。）。この特許文献２のヒートポンプシステムは、エンジン排熱で加熱された給湯水を貯留する形態で排熱を蓄熱する蓄熱槽を備え、そのエンジン排熱のうち蓄熱槽に蓄熱できない余剰排熱をラジエーターで大気に放出するように構成されている。このヒートポンプシステムでは、上記ＣＯＰの向上の効果に加え、排熱が保有する熱を給湯水として有効に利用できる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−７４３１６号公報
【特許文献２】特開２００２−５５２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２のシステムでは、給湯水として回収できなかった余剰排熱は大気に放出されてしまう。従って、ヒートポンプシステムを都市部の地表がアスファルト等に覆われている場所に設置した場合、このように余剰排熱を大気に放出することは、大気が温度上昇するヒートアイランド現象を招く一要因となる。
さらに、夏期には大気温度が高く地中温度が低いが、この状態を良好に利用することが好ましい。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ヒートアイランド現象を抑制することができるエンジン駆動式ヒートポンプシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプシステムは、エンジンと、前記エンジンの軸動力を冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路とを備え、前記圧縮式ヒートポンプ回路が備える凝縮器において発生する凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転を実行可能な地中放熱運転手段を備えており、その第１特徴構成は、前記地中放熱運転手段が、前記エンジンの排熱を地中に放出する排熱放出運転を実行可能に構成されている点にある。
【０００９】
上記第１特徴構成によれば、夏期などのように、熱需要が少なくエンジンの排熱を有効に利用することができない場合において、従来凝縮熱の地中への放出のために設けられていた地中放熱運転手段を有効に利用して、地中放熱運転手段が排熱放出運転を実行することにより、エンジンを駆動することにより発生する排熱のうち有効に利用することができない余剰排熱を、地中に放出することができる。
これにより、大気へ余剰排熱を放出する場合と比較して、大気の温度上昇を低減できるので、エンジン駆動式ヒートポンプシステムを都市部などの地表がアスファルト等に覆われている場所に設置した場合でも、ヒートアイランド現象を抑制することができる。
また、大気温度より地中温度が低いことを生かして、夏期においては、エンジン排熱を、大気より低温となる地中に放出するので、エンジンを有効に低温側へ導いてオーバーヒート等を抑制できる。
【００１０】
本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプシステムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加え、前記エンジンの排熱を蓄熱する蓄熱槽を備え、前記地中放熱運転手段が、前記蓄熱槽の蓄熱量が満杯である場合に、前記排熱放出運転を実行する点にある。
【００１１】
上記第２特徴構成によれば、地中放熱運転手段が蓄熱槽の蓄熱量が満杯でないと判定した場合には、エンジンの排熱を蓄熱槽に蓄熱して給湯などに有効に利用することができる。
また、地中放熱運転手段が蓄熱槽の蓄熱量が満杯であると判定した場合には、余剰排熱のみを地中へ放出することで、大気への無駄な排熱の放出を抑制することができる。
この結果、エンジンの排熱の蓄熱槽への蓄熱を優先しながら、適切に余剰排熱を地中に放出できる。
【００１２】
本発明に係るエンジン駆動式ヒートポンプシステムの第３特徴構成は、上記第１特徴構成から上記第２特徴構成に加え、前記地中放熱運転手段が、前記凝縮熱放出運転と前記排熱放出運転とを各別に実行可能に構成されている点にある。
【００１３】
上記第３特徴構成によれば、排熱放出運転を実行しているか否かに関係なく、凝縮熱放出運転を実行することができるので、ヒートポンプ回路で冷熱を生成している時はいつでも、凝縮熱を地中に放出して、大気の温度上昇を低減することができる。
一方、凝縮熱放出運転を実行しているか否かに関係なく、排熱放出運転を実行することができるので、給湯需要が少ない場合はいつでも、エンジンの排熱を地中に放出して、大気の温度上昇を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明におけるエンジン駆動式吸収式ヒートポンプシステム１００の実施の形態について図面に基づいて説明する。尚、図１はエンジン駆動式ヒートポンプシステム１００の概略構成図である。
本ヒートポンプシステム１００は、図１に示すように、エンジン１１と、エンジン１１の軸動力を冷媒Ｘを圧縮する圧縮機１の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路５を備える。
圧縮式ヒートポンプ回路５は、冷媒Ｘが、冷媒Ｘを圧縮する圧縮機１、冷媒Ｘから放熱させる凝縮器２、冷媒Ｘを膨張させる膨張弁３、冷媒Ｘに吸熱させる蒸発器４の順に夫々を循環するように構成されている。
【００１５】
即ち、蒸発した冷媒Ｘが、圧縮機１において圧縮されて高温高圧状態となり、次に、その高温高圧状態の冷媒Ｘが、凝縮器２において、伝熱管２ａ内に流通する温熱用水Ｈに放熱して凝縮し、次に、その凝縮した冷媒Ｘが、膨張弁３において、膨張して低温低圧状態となり、次に、その低温低圧状態の冷媒Ｘが、蒸発器４において、伝熱管４ａ内に流通する冷熱用水Ｃから吸熱して蒸発し、その蒸発した冷媒Ｘが再度圧縮機１に供給されるという形態で、作動するように構成されている。そして、この圧縮式ヒートポンプ回路５においては、凝縮器２において温熱用水Ｈを加熱する形態で給湯用や暖房用などに利用可能な温熱を発生すると共に、蒸発器４において冷熱用水Ｃを冷却する形態で冷房用などに利用可能な冷熱を発生することができる。
【００１６】
上記エンジン１１は、天然ガス系都市ガスである燃料Ｇを燃焼させ圧縮機１の駆動力となる軸出力を出力する。また、このエンジン１１の排熱は、後述する貯湯槽３１（蓄熱槽の一例）に貯留される給湯水ＨＷを加熱する形態で利用される。
さらに、圧縮機１を駆動して余ったエンジン１１の軸出力により駆動する発電機１５を備えており、発電機１５で発生した電力は、本ヒートポンプシステム１００の補機や他の電力負荷に供給される。
【００１７】
エンジン１１の冷却方式は、循環ポンプ１３の作動により冷却路１２を循環するジャケット水ＪＷにより冷却される水冷方式を採用している。そして、この冷却路１２には、エンジン１１を冷却して昇温したジャケット水ＪＷを排ガス路１４を流通するエンジン１１の排ガスＥにより加熱する排ガス熱交換器２２と、その排ガスＥにより加熱されるジャケット水ＪＷにより後述する貯湯槽３１に貯留される給湯水ＨＷを加熱する給湯水熱交換器２１とが順に接続されている。
【００１８】
上記給湯水熱交換器２１は、ジャケット水ＪＷと後述する貯湯槽３１に貯留される給湯水ＨＷとを熱交換して給湯水ＨＷを加熱する形態で、エンジン１１の排熱を給湯水ＨＷにより回収するように構成されている。
【００１９】
貯湯槽３１の下部と、給湯水熱交換器２１と、貯湯槽３１の上部とを順に接続する給湯水循環路３２が設けられており、当該給湯水循環路３２に給湯水ＨＷを循環させる循環ポンプ３５が設けられている。そして、循環ポンプ３５を作動させて、貯湯槽３１の下部側に貯留されている比較的低温の給湯水ＨＷが、給湯水熱交換器２１に供給されてエンジン１１の排熱を回収して高温に加熱された後に、貯湯槽３１の上部に戻されることで、貯湯槽３１には、上部から下部に渡って温度成層を形成する形態で給湯水ＨＷが貯留される。
貯湯槽３１の上部に貯留される高温の給湯水ＨＷを、貯湯槽３１の上部と接続される給湯水供給路３４を流通して給湯部６１に供給することで、給湯部６１への給湯が行われる。また、貯湯槽３１の下部には、上記給湯により消費された分の給水ＳＷが、給水路３６から補充される。
【００２０】
貯湯槽３１の下部には、給湯水ＨＷの温度を検出するための温度センサ５３が設けられている。
制御装置５０は、上記温度センサ５３の検出結果に基づいて貯湯槽３１の蓄熱量を判定するように構成されており、貯湯槽３１の下部に備えられた温度センサ５３で検出された給湯水ＨＷの温度が貯湯槽３１の上限温度である場合には、貯湯槽３１の蓄熱量が満杯であると判定し、上記温度センサ５３で検出された給湯水ＨＷの温度が貯湯槽３１の上限温度未満である場合には、上記蓄熱量が満杯に達していないと判定する。
【００２１】
更に、本ヒートポンプシステム１００において、制御装置５０は、凝縮器２において発生する凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転を実行可能な地中放熱運転手段Ａとして機能すると共に、その地中放熱運転手段Ａは、エンジン１１の排熱を地中に放出する排熱放出運転を実行可能に構成されている。以下、この地中放熱運転手段Ａが働き、後述する地中放熱運転や排熱放出運転を実行可能とする構成について説明を加える。
【００２２】
凝縮器２と、給湯水熱交換器２１と、地中に熱を放出可能な埋設熱交換器２３とを順に接続する地中放熱循環路５１が設けられており、当該地中放熱循環路５１には、熱媒Ｒを循環させる循環ポンプ７が設けられている。
更に、地中放熱循環路５１には、凝縮器２をバイパスする凝縮器バイパス路８と、給湯水熱交換器２１をバイパスする給湯水熱交換器バイパス路９とが設けられており、凝縮器バイパス路８には熱媒Ｒの循環を遮断する制御弁４２が、給湯水熱交換器バイパス路９には熱媒Ｒの循環を遮断する制御弁４４が備えられている。また、地中放熱循環路５１には、熱媒Ｒの凝縮器２への循環を遮断する制御弁４１と、熱媒Ｒの給湯水熱交換器２１への循環を遮断する制御弁４３とが備えられている。
【００２３】
よって、地中放熱循環路５１において、循環ポンプ７を作動させた状態で、制御弁４１を開状態とし制御弁４２を閉状態とすることで、熱媒Ｒが凝縮器２を流通し、一方、制御弁４１を閉状態とし制御弁４２を開状態とすることで、熱媒Ｒが凝縮器バイパス路８を流通する。また、地中放熱循環路５１において、循環ポンプ７を作動させた状態で、制御弁４３を開状態とし制御弁４４を閉状態とすることで、熱媒Ｒが給湯水熱交換器２１を流通し、一方、制御弁４３を閉状態とし制御弁４４を開状態とすることで、熱媒Ｒは給湯水熱交換器バイパス路８を流通する。
【００２４】
即ち、地中放熱運転手段Ａにより制御弁４１、４２の開閉状態を切り換えることで、埋設熱交換器２３との間で循環する熱媒Ｒを凝縮器２に流通させる凝縮器流通状態と凝縮器バイパス路８に流通させる凝縮器バイパス状態とを択一的に切り換え可能となる。更に、地中放熱運転手段Ａにより制御弁４３、４４の開閉状態を切り換えることで、埋設熱交換器２３との間で循環する熱媒Ｒを給湯水熱交換器２１に流通させる給湯水熱交換器流通状態と給湯水熱交換器バイパス路に流通させる給湯水熱交換器バイパス状態とを択一的に切り換え可能となる。
【００２５】
熱媒Ｒが上述した凝縮器流通状態で循環する場合、熱媒Ｒは、制御弁４１を介して凝縮器２を流通して凝縮熱を回収した後に、埋設熱交換器２３を流通し凝縮熱を地中へ放出する。当該循環は、後述する凝縮熱放出運転に対応している。
熱媒Ｒが上述した給湯水熱交換器流通状態で循環する場合、熱媒Ｒは、制御弁４３を介して給湯水熱交換器２１を流通してエンジン１１の余剰排熱（貯湯槽３１に回収できない排熱）を回収した後に、埋設熱交換器２３を流通し余剰排熱を地中へ放出する。当該循環は、後述する排熱放出運転に対応している。
要するに、上記凝縮熱放出運転と排熱放出運転とを各別に実行可能に構成されている。
【００２６】
次に、凝縮器２の凝縮熱を地中に放出する凝縮熱放出運転、排熱を地中に放出する排熱放出運転の具体例についてそれぞれ説明する。
【００２７】
〔凝縮熱放出運転〕
凝縮熱放出運転は、特に夏期などのようにヒートポンプ回路５で冷熱を生成している時に実行され、有効に利用できない凝縮器２の凝縮熱を地中に放出する。地中放出運転手段Ａが、循環ポンプ７を作動させ、制御弁４１を開状態、制御弁４２を閉状態として、地中放熱循環路５１において熱媒Ｒを凝縮器流通状態で流通させる。そして、熱媒Ｒが、地中放熱循環路５１において開状態の制御弁４１を介し凝縮器２において凝縮熱を回収した後に、埋設熱交換器２３で上記凝縮熱を放出するという循環を繰り返すことにより、凝縮熱放出運転が実行される。これにより、上記凝縮熱を大気に放出することなく地中に放出し、大気の温度上昇を低減できる。また、熱媒Ｒが、凝縮器２の凝縮熱を回収して、凝縮器２を循環する冷媒Ｘの温度を低下させて蒸発器４に低温の冷媒Ｘを供給することで、蒸発器４における冷熱の生成量を増加させる。この時、熱媒Ｒによる凝縮熱の回収は、大気よりも低温である地中の温度を基準として行われることになるので、凝縮器２を低温とする点で有利となる。
【００２８】
〔排熱放出運転〕
排熱放出運転は、特に夏期などのように給湯需要が少ない時に実行され、エンジン１１を駆動することにより発生する排熱のうち有効に利用できない余剰排熱を地中に放出する。地中放熱運転手段Ａが、貯湯槽３１の下部に設けられた温度センサ５３の検出結果に基づいて、貯湯槽３１の蓄熱量が満杯であると判定した場合に、循環ポンプ７を作動させ、制御弁４３を開状態、制御弁４４を閉状態として、熱媒Ｒを給湯水熱交換器流通状態で流通させる。そして、熱媒Ｒが、地中放熱循環路５１において、開状態の制御弁４３を介して給湯水熱交換器２１において余剰排熱を回収した後に、埋設熱交換器２３で上記余剰排熱を放出するという循環を繰り返すことにより、凝縮熱放出運転が実行される。これにより、上記余剰排熱を大気に放出することなく地中に放出し、大気の温度上昇を低減できる。また、余剰排熱を良好に放出できるので、エンジン１１を効果的に冷却できる。この時、熱媒Ｒによる余剰排熱の回収は、大気よりも低温である地中の温度を基準として行われることになるので、エンジン１１を低温とする点で有利となる。
【００２９】
上記凝縮熱放出運転と排熱放出運転とは、択一的に実行しても、同時に実行してもよい。即ち、本ヒートポンプシステム１００では、熱媒Ｒが、凝縮器２及び給湯水熱交換器２１のうちいずれか一方を流通して凝縮熱と余剰排熱とのいずれかを回収し、埋設熱交換器２３において熱を放出する第１運転状態と、熱媒Ｒが、凝縮器２と埋設熱交換器２１とを順に流通して凝縮熱と余剰排熱の両方を回収し、埋設熱交換器２３において熱を放出する第２運転状態とに切替可能となっている。
【００３０】
尚、第１運転状態と第２運転状態との切り替えは、ヒートポンプ回路５の負荷や冷媒Ｘの温度、エンジン１１の出力や排ガスＥの温度等のパラメーターに従って、全体の効率が上がるように行うことができる。
【００３１】
また、制御弁４１、４２を両方とも開状態としそれらの開度を調整することで、熱媒Ｒを、凝縮器２と凝縮器バイパス路８とを同時に流通させ、熱媒Ｒの全流量に対する凝縮器２への流通量割合を調整することができる。また、制御弁４３、４４を両方とも開状態としそれらの開度を調整することで、給湯水熱交換器２１と給湯水熱交換器バイパス路９とを同時に流通させ、熱媒Ｒの全流量に対する給湯水熱交換器２１への流通量割合を調整することができる。よって、第２運転状態において、熱媒Ｒの全流量に対する凝縮器２及び給湯水熱交換器２１への流通量割合を調整して、それぞれにおいて回収する熱量を制御することができ、この結果、排熱と凝縮熱との放出量を個別に調整することもできる。
【００３２】
以上のように、夏期において、埋設熱交換器２３により地中に放出した凝縮熱と余剰排熱とは、約半年後の冬において採熱することができると考えられており、冬期において埋設熱交換器２３が備えられた地中を本ヒートポンプシステム１００の熱源とすることで、年間を通じた本ヒートポンプシステム１００の成績係数を向上させることができると考えられる。
【００３３】
〔別実施形態〕
（１）
上記実施形態において、凝縮熱と余剰排熱は、１つの埋設熱交換器２３によって地中へ放出したが、別に一つの埋設熱交換器２３で行う必要はなく、複数の埋設熱交換器を設置して、地中への放熱位置を分散させてもよい。
【００３４】
（２）
上記実施形態において、ジャケット水ＪＷが流通する冷却路１２は、排ガス熱交換器２２と接続して排ガス排熱を回収するように構成したが、別に排ガス熱交換器２２と接続しなくてもよい。また、排ガスＥと給湯水ＨＷとが直接熱交換するように構成しても構わない。
【００３５】
（３）
上記実施の形態では、圧縮式ヒートポンプ回路５において、冷媒Ｘの流通方向を図１に示す方向として、符号４で示される部位を、膨張弁３で膨張して低温低圧状態となった冷媒Ｘを蒸発させて冷熱用水を冷却する蒸発器として機能させるように構成して、当該蒸発器で冷却された冷熱用水の冷熱により冷房等を行うように構成したが、別に、四方切換弁等により冷媒Ｘの流通方向を図１に示す方向とは逆方向に切り換えて、符号４で示される部位を、圧縮機１で高温高圧状態となった冷媒Ｘを凝縮させて温熱用水を加熱する凝縮器として機能させるように構成して、当該凝縮器で加熱された温熱用水の温熱により暖房等を行うように構成しても構わない。
【００３６】
（４）
上記実施の形態では、凝縮器２の凝縮熱やエンジン１１の排熱を、地中放熱循環路５１に循環する熱媒Ｒにより回収して、埋設熱交換器２３において地中に放出するように構成したが、故障等の何らかの理由で凝縮熱や排熱を地中への放出することができなくなった場合のバックアップ用として、当該凝縮熱や排熱を大気に放出させるラジエーターを別途設けても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本願発明のエンジン駆動式ヒートポンプシステムは、ヒートアイランド現象を抑制することができるエンジン駆動式ヒートポンプシステムとして、有効に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】地中熱を利用したエンジン駆動式ヒートポンプシステムの概略構成図
【符号の説明】
【００３９】
１：圧縮機
２：凝縮器
５：圧縮式ヒートポンプ回路
７：循環ポンプ
１１：エンジン
２１：給湯水熱交換器
２３：埋設熱交換器
５０：制御装置（地中放熱運転手段Ａの一例）
５１：地中放熱循環路
５３：温度センサ
Ｘ：冷媒
Ｒ：熱媒
ＨＷ：給湯水
ＪＷ：ジャケット水
Ｃ：冷熱用水
Ｈ：温熱用水
Ｇ：燃料
１００：エンジン駆動式ヒートポンプシステム
【図１】
2008209038.tif 000003