(57)【要約】【課題】通常は破棄されている低温度の温熱の利用は人類にとって次世代のエネルギー有効利用と地球温暖化改善の期待の星である。さらに今後燃料利用乃至は太陽光利用コジェネレイション装置の温熱を有効に利用するためには料金の優遇された深夜電力と組み合わせて利用する方式が有望であるが実用化は進んでいない。これらの熱源と電力をハイブリッドに利用する装置としてのヒートポンプの機能を活用して実用化するためには技術的に多くの課題があるからである。【解決手段】ヒートポンプで低温度の熱源から温熱を直に受け取る事を主体にし、且つその温熱源が不足するときや需要側のニーズに合わない場合には、大気を熱源にして同じヒートポンプを深夜電力で作動させて温熱供給をバックアップするなどの工夫を追加して全体システムをまとめあげ、このシステムを実用的に作動させるために必要となる具体的な構造と方式を明確化してその解決を図る。【選択図】  図５
2008180473.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
優遇された価格で電力が供給される時間帯と優遇されない価格で電力が供給される時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置内の冷凍サイクルに於いて、優遇されない価格の時間帯に該冷凍サイクル内のヒートポンプユニット外に設置された温熱熱源熱交換器において各種の熱利用装置から排熱された熱源を利用して冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、一方優遇された価格の時間帯には大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の前記ヒートポンプユニット内に設置された大気熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱を出力する事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。  
【請求項２】
優遇された価格で電力が供給される時間帯と優遇されない価格で電力が供給される時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置内の冷凍サイクルに於いて、優遇されない価格の時間帯にコジェネレイション装置から供給された温熱を利用して該冷凍サイクル内のヒートポンプユニット外に設置された温熱熱源熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、一方優遇された価格の時間帯に大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の前記ヒートポンプユニット内に設置された大気熱交換器において冷媒を蒸発させ同時に前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱を出力する事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項３】
優遇された価格で電力が供給される夜間の時間帯と優遇されない価格で電力が供給される昼間の時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置で、昼間の優遇されない価格の電力が供給される時間帯に燃料又は水素ガスを利用したコジェネレイション装置から供給された温熱を利用して前記ヒートポンプ装置の冷凍サイクル内の温熱熱源熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、一方夜間の優遇された価格の電力が供給される時間帯に大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の大気熱交換器において冷媒を蒸発させて前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱として出力させるヒートポンプ装置に於いて、前記の夜間の大気熱を利用した運転では、翌日の昼間の時間帯に置ける出力温熱の消費量及び前記燃料乃至は水素ガスを利用したコジェネレイション装置の運転による出力する温熱量の計画値などをベースに推定して夜間の運転で必要とされる出力温熱量を計画することにより運転能力や運転時間などの運転内容を制御する事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項４】
優遇された価格で電力が供給される夜間の時間帯と優遇されない価格で電力が供給される昼間の時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置内の冷凍サイクルに於いて、昼間の優遇されない価格の電力が供給される時間帯に太陽光利用コジェネレイション装置から供給された温熱を利用して前記冷凍サイクル内のヒートポンプユニット外に設置された温熱熱源熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、優遇された価格の電力が供給される時間帯に大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の前記ヒートポンプユニット内に設置された大気熱交換器において冷媒を蒸発させ同時に前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱として出力する事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項５】
優遇された価格で電力が供給される夜間の時間帯と優遇されない価格で電力が供給される昼間の時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置で、昼間の優遇されない価格の電力が供給される時間帯に太陽光利用コジェネレイション装置から供給された温熱を利用してヒートポンプ装置の冷凍サイクル内の温熱熱源熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、優遇された価格の電力が供給される時間帯に大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の大気熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱として出力させるヒートポンプ装置に於いて、前記太陽光利用コジェネレイション装置を運転させる時間帯でヒートポンプ装置を運転させたときの該装置が受け取る温熱の温度が、そのときの大気温度より一定温度以上高い温度になる乃至は太陽光発電の発電量が設定値を上回るなど、設定された条件を満たす場合にのみ前記ヒートポンプユニットの作動を行い該条件を満たさないときは作動を停止させる事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項６】
優遇された価格で電力が供給される夜間の時間帯と優遇されない価格で電力が供給される昼間の時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置で、昼間の優遇されない価格の電力が供給される時間帯に太陽光利用コジェネレイション装置から供給された温熱を利用してヒートポンプ装置の冷凍サイクル内の温熱熱源熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて温熱を出力させ、優遇された価格の電力が供給される夜間の時間帯に大気熱を利用して前記冷凍サイクル内の大気熱交換器において冷媒を蒸発させると同時に該冷凍サイクル内の前記温熱出力熱交換器において冷媒を凝縮させて適正な温度の温熱として供給するヒートポンプ装置に於いて、前記の夜間における大気熱を利用した運転では翌日の昼間の天候、温熱の消費予定量、前記太陽光利用コジェネレイション装置の運転による出力温熱獲得可能量の推測値など、インプットされる翌日の運転に関する予測データをベースに推定した夜間の運転で必要とされる出力温熱量を計画することにより運転能力や運転時間などの運転内容を制御する事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記エンジン乃至はタービン駆動及び前記太陽光利用コジェネレイション装置の出力電力を商用系統電力に逆潮流させ、一方前記ヒートポンプ装置は商用系統電力から供給を受けた電力により作動させる事を特徴とした請求項２、３、４、５、６の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項８】
前記ヒートポンプ装置に圧縮機を駆動するための電源を供給するインバータを組み込み、該インバータの出力電力の周波数を変えて前記圧縮機の回転数を可変とすることによりヒートポンプ装置の冷凍サイクルの能力を可変とした事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６、７の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項９】
前記ヒートポンプ装置の冷凍サイクルに前記圧縮機の回転数、それによる冷媒循環量の変化に応じて自動的に作動する冷媒絞り機構としての冷媒膨張弁などを用い、前記各種の熱利用装置、燃料又は水素ガスを利用したコジェネレイション装置、太陽光利用コジェネレイション装置から出力される温熱の温度が予め定めた一定の温度を上回るときには前記冷媒膨張弁をバイパスする絞り機構の無い回路を連通させる、乃至はそれと同等の効果が得られるような機構を持つ冷媒膨張弁を前記冷媒膨張弁として採用しておいて絞り効果が無い様に作動させる等により前記ヒートポンプユニットの冷凍サイクルを温熱汲み上げ装置から温熱運搬装置に切り替えて作動させる事を特徴とした請求項１〜８の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項１０】
前記ヒートポンプユニットの外部に設置した固体と液体間の相変化による融解潜熱を利用した潜熱蓄熱材を詰め込んだ蓄熱槽に前記ヒートポンプユニットの前記冷凍サイクルを構成する温熱出力熱交換器を組み込み該温熱出力熱交換器で温熱を出力させ前記潜熱蓄熱材に潜熱蓄熱させ、この蓄熱された温熱を該温熱出力熱交換器内の他の回路乃至は前記蓄熱槽に組み込んだ他の熱交換器に連通した媒体により再度取り出して給湯、暖房などの温熱の利用のために該媒体を出力させることを特徴とした請求項１〜９の何れか１項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項１１】
優遇された価格で電力が供給される時間帯において、建物の構造物や冷熱蓄熱槽など、冷却対象物を冷熱出力熱交換器において冷却させながら該冷却熱を熱源として前記ヒートポンプ装置の冷凍サイクルにより汲み上げて適正な温度の温熱として供給出来るように該冷凍サイクル内に前記温熱熱源熱交換器と前記大気熱交換器に加えて冷熱出力熱交換器を設置し、この三つの蒸発器への冷媒の流れを切り替えて作動させる事を特徴とした請求項１〜１０の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。  
【請求項１２】
前記冷却対象物として冷熱出力熱交換器が内部に設置された冷熱潜熱蓄熱槽を用い、且つ前記ヒートポンプ装置の前記出力温熱を温熱出力熱交換器を通じて温熱潜熱蓄熱槽に蓄熱し、温冷熱を同時に潜熱蓄熱させる事を特徴とした請求項１１に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項１３】
その内部に高温度の融解温度の潜熱蓄熱材を設置した高温度用の蓄熱槽と低温度の融解温度の潜熱蓄熱材を設置した低温度用の蓄熱槽の夫々に温熱を出力させるヒートポンプ装置を利用し、前記コジェネレイション装置の出力温熱を前記ヒートポンプ装置の熱源として利用して得られるヒートポンプ装置の出力温熱が設定温度より高温度の時は前記高温度の融解温度の潜熱蓄熱材が組み込まれた高温度用の前記温熱蓄熱槽に、該設定温度以下で該設定温度より低温度に設定された低温設定温度以上の温度のときは前記低温度の融解温度の潜熱蓄熱材が組み込まれた低温度用の前記温熱蓄熱槽に蓄熱させた事を特徴とした請求項１０、１２に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項１４】
前記ヒートポンプ装置からの温熱出力が必要でないとき乃至は該ヒートポンプ装置を休止させたときに前記燃料又は水素ガスを利用したコジェネレイション装置乃至は前記太陽光利用コジェネレイション装置が作動されている時に、前記の各種コジェネレイション装置の温熱出力部分の温度が高温度で冷却が必要である、乃至はその発電効率を高めるために冷却が有効であると判定された場合に前記ヒートポンプ装置を請求項９に記載した様に冷凍サイクルの圧縮比を最小限とした作動状態で作動させて前記大気熱交換器において放熱させる事を特徴としたハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置。
【請求項１５】
前記ヒートポンプ装置の冷凍サイクルの一部の配管を前記ヒートポンプユニット外へ延長し、前記太陽光利用コジェネレイション装置の発電セル近傍の温熱出力部分乃至は前記燃料又は水素ガスを利用したコジェネレイション装置からの出力温熱の出力部分に蒸発器となる温熱熱源熱交換器を形成して冷媒を循環させ蒸発させる事により該出力温熱を前記ヒートポンプの冷凍サイクルに取り込むと同時に該ヒートポンプユニット外へ別の配管を延長して凝縮器となる温熱出力熱交換器を形成して冷媒を循環させ凝縮させる事により前記冷凍サイクルから温熱を出力させる事を特徴とした請求項１、２、３、４、５、６の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置
【請求項１６】
前記ヒートポンプ装置の前記冷凍サイクルの前記圧縮機を駆動するための電源としてのインバータの出力電力の周波数と電力値を制御して該圧縮機の回転数と出力を制御することにより、プロパンガスなどのＨＣガスを冷媒として用いた前記冷凍サイクルの凝縮温度と凝縮熱量を制御することにより前記ヒートポンプ装置の出力温熱の熱量と温度を制御して潜熱蓄熱材を利用した蓄熱槽に蓄熱させる事を特徴とした請求項８、１０、１１、１２、１３の何れか一項に記載のハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
今後地球環境問題や、エネルギー枯渇の問題を解決するための方策の一つとして、従来うまく利用できなかった比較的低温度の熱エネルギーを如何に効率よく利用するかが問われている。本発明の技術が適用される分野はこの様な従来は使われ難かった低温度の温熱エネルギーを熱源として利用する装置として民生用、特に家庭用及び業務用乃至は工業用に使われる温冷熱出力装置に関する。熱源としては各種の熱利用装置の排熱や給湯用排水からの排熱、地域の電力と熱供給装置として伸展しつつあるコジェネレイション装置からの温熱出力などであり、何れも熱源として８０℃以下で、それを熱交換器を通して利用する媒体が受け取る温度としては６０℃以下になるような比較的低温度の熱源である。
【０００２】
これらの熱源は常に８０℃の温度であるとは限らず、それがさらに５０℃、４０℃と更に使いづらい低温度になったり、温熱を利用する時間帯には得ることが出来なかったり、利用側の熱量を賄うだけの熱量を得られなかったりする。そこでこれらの熱源を商用系統電力で駆動されるヒートポンプ装置の熱源として利用して、且つ必要なときにはこのヒートポンプを安い価格で供給される深夜電力で駆動して大気を熱源として作動させ、この二つの運転の組み合わせにより最適な熱量と温度の温熱を必要な時に安全に安定して効率よく供給することができる低温エネルギー利用装置としてのヒートポンプ装置を実現しようとする技術分野に関する発明である。このヒートポンプ装置をハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置と名つけた。
【０００３】
このヒートポンプ装置の出力である温熱は給湯、空調（冷暖房加湿など）、加熱、温度調整などの用途で家庭、店舗、事務所、作業場、ビルディング、工場など民生用、業務用、工業用に利用されるもので、必要により冷房、冷却、冷凍に使われる冷熱も供給する。
熱源の温熱は上記の様に多岐に渡るが、例えば太陽光を利用して発電セルで発電するとともにそれを冷却しつつ温熱を取り出す所謂太陽光利用コジェネレイション装置は極めて重要な対象熱源装置である。この熱源は太陽光が照る昼間しか得ることが出来ないばかりか、雨天では得ることが出来ないし、曇天ではその温熱は例えば３５℃程度に下がってしまうし、得られる温熱量も少なくなってしまうことは容易に理解できる。
【０００４】
工業用プロセス装置を冷却して得られる熱源も多くの工場に存在するが、上記の太陽光のケースよりもその出力温熱は熱源として利用しづらいものであることが多い。この温熱は８０℃以上で十分な熱量である場合は一端熱源として暖房や給湯装置などに利用され、例えば５０℃以下になったところで排熱される場合も多い。また石油を使ったエンジンにより駆動されるコジェネレイション装置も活動時間帯であり商用系統電力が高価な昼間に運転されることが多く、その排熱が温熱として利用される事が多い朝晩には稼動しない事が多い。またコジェネレイション装置の今後の期待の星である燃料電池も同様であり、且つその排熱熱量の温度は６０℃程度まで低い温度のものが多い。
【０００５】
この発明で熱源の対象とするコジェネレイション装置は次のようなものである。一つは石油乃至は液化天然ガス乃至は都市ガスなどの燃料の燃焼を利用してエンジン乃至はタービンを作動させ、それによって発電機を駆動して電力を出力させると同時にその機器の排熱を温熱として出力させるものである。二つ目は水素ガスを利用して直接発電を行う燃料電池で、そこから出力電力と排熱としての温熱を出力させる。これらはここでは燃料又は水素ガスを利用したコジェネレイション装置として表現した。
三つ目としては太陽光をシート状の発電セルに受けて発電及び発熱させ、電力と温熱を出力させる装置で、ここでは太陽光利用コジェネレイション装置と表現した。
【０００６】
上記の発電セルはシリコン結晶乃至はアモルファス及び電極などによって構成される膜状のもので、その表面で発電と温熱発生が同時に行われる。このため電極を経由して電力を出力させるリードとセル膜、かつそこからの発生温熱を吸収して伝熱させるアルミニウム製の平板状の基板などから構成される。この手の太陽光コジェネレイション装置はいまだ商品化されていないがプロトタイプが試作されて市場評価されている。また発電専用の太陽光発電装置と太陽光温水器を同じサイトに隣りあわせて別々に設置した方式のシステムは市販されている。この組み合わせのシステムもここでは太陽光利用コジェネレイション装置とみなしている。
【０００７】
コジェネレイション装置は未だ普及率は極めて低く、今後伸展するために解決しなければならない課題は後に詳述するが、その機能的な面の問題点として上述した項目を纏めると次のようなものがある。
１、コジェネレイション装置の発電量と出力温熱の割合はそれが設置されるサイトのエネルギー需要と合わないことが多く、通常は温熱量が過剰になることが多い。
２、コジェネレイション装置の運転時間と、出力特に温熱出力の需要側での必要となる時間が合わないことが多い。特に太陽光利用コジェネレイションでは昼間の太陽光照射時間と家庭や店舗など夕方に集中するその需要のピーク時間が合致していないし、燃料又は水素ガス利用コジェネレイション装置でもその電力出力は商用系統電力の不足する昼間に運転することが社会的なエネルギー環境から要請されるからやはりそこから生じる温熱出力は消費者の必要とする時間帯と合致しないことが多い。
【０００８】
３、コジェネレイション装置の出力温熱はその絶対量は需要側の空調を含めた全体の温熱消費量と合致しないことが多く、特に太陽光利用の場合は太陽光照射量が少なくなる場合、即ち曇天や雨天の場合は温熱出力は殆どゼロになる。そのときのバックアップとして補助熱源装置を設置しておくことが必要になる。このため通常はその出力温熱の使用は給湯用に限定して利用されることが多い。空調用や産業プロセスの温度制御用に利用するにはより安定した温熱供給源が必要になるということである。
【０００９】
以上の課題を解決する手段として幾つかの方策があるが、この発明では優遇された価格で電力が供給される時間帯の電力、即ち通称深夜電力と呼ばれる電力供給の利用により具体的に且つ実用化し易い方法によりこれらの課題を解決する事について検討している。
深夜電力は需要者にとって極めて安い価格で供給される電力であり、供給者即ち電力会社にとっては電力供給量の昼夜の時間的平準化という点で優れた電力であり、他方地球環境からの視点では火力発電による割合の少ない、地球環境に優位な電力である。この深夜電力とコジェネレイションの温熱出力を組み合わせることにより地球環境に優しい、且つエネルギー枯渇問題に対する有効な解決策となると考えているからである。
【００１０】
深夜電力とコジェネレイションの温熱出力をハイブリッドに利用するための手段として発明者はヒートポンプシステムの利用を考えている。ヒートポンプシステムをうまく活用して深夜電力とコジェネレイション装置の温熱出力をハイブリッドにうまく利用できれば以上述べてきた課題が解決できると考えているからである。従ってこの活用を図って以上の各種課題を解決するために適したヒートポンプ装置の構想とそのシステム方式こそが本発明が明確にしたいと考える技術分野である。
【背景技術】
【００１１】
深夜電力など、優遇された価格で電力が供給される時間帯と優遇されない価格で電力が供給される時間帯が設定された商用系統電力により駆動されるヒートポンプ装置に昼間の優遇されない価格の時間帯にコジェネレイション装置などから得られる８０℃以下の低温度の温熱を利用し、且つ同じヒートポンプ装置で深夜の優遇された価格の時間帯に屋外の大気熱を利用してこの双方をハイブリッドに活用して一日中及び一年中必要とされる温度の温熱を必要な時間帯に必要量の温熱を供給するシステムは極めて実用的であり又一つのヒートポンプ装置だけで二つの熱源を処理できるという極めて設備効率の高いシステムである。しかしながらこの様なシステムは未だ実用化されていない。この関連分野における従来の技術としては以下のようなものが見られる。
【００１２】
燃料を利用したコジェネレイション装置の出力する電力で温水を加熱する大気を熱源とするヒートポンプ装置を駆動し、この加熱された温熱をコジェネレイション装置の出力する温熱で更に加熱するシステムは特許文献１に示される。格安の深夜電力で駆動されるヒートポンプ装置で温水をつくり、太陽光利用コジェネレイション装置による給湯が不十分な時にこの温水を利用して暖房や給湯を行うバックアップシステムは特許文献２に示される。太陽光利用コジェネレイション装置により出力された温熱で給湯や暖房を行い、又水の蒸発潜熱を利用した冷却効果で冷房を行うとともに、暖房と冷房のバックアップとしてヒートポンプ装置を利用するシステムが特許文献３に示される。
【００１３】
太陽光利用集熱器を利用してそこにヒートポンプの蒸発器を配置し、太陽光集熱と蒸発器周囲に送風して行う大気熱源による集熱を同じ蒸発器により行い、太陽光集熱の運転の際はヒートポンプの冷媒絞り機構を開放する技術が特許文献４に提示されている。エンジン駆動コジェネレイション装置の出力電力でヒートポンプを駆動し、双方の温熱出力で蓄熱するシステムでシステムの出力である熱電比を調整すべくヒートポンプ運転の作動を制御する技術が特許文献５に示される。また、太陽光コジェネレイションの発電パネルをブライン回路で冷却し、その熱を熱源としてヒートポンプ装置により温熱を出力させ温水を貯蓄するシステムで、太陽光コジェネレイションを冷却することにより発電パネルの発電効率を高める技術が特許文献６に示される。
【００１４】
以上が特許文献による関連技術である。さらにコジェネレイションなどに関する文献その他資料を調査すると、本発明に関連する背景技術の実態は以下の様であると認識される。即ち、同じヒートポンプ装置を用いて８０℃以下の低温度の温熱熱源と大気熱源の双方から熱を汲み上げるシステムで温熱熱源を高価な昼電力、大気熱源を安価な昼電力を用いて該ヒートポンプを駆動して全体として供給が安定していて一定の温度の使い易い温熱を出力させる装置で、極めてエネルギー効率が高く、エネルギー利用コストが安く、昼間の商用系統電源のピーク電力負荷の回避に有効で、且つ、炭酸ガス発生量の抑制という地球環境問題にも貢献できるというのが本発明が取り組んだシステムの目標であるが、これに関連する背景技術はほとんど見受けられない。また一つのヒートポンプ装置により簡単なシステムでこれを実現するという実用性の高いシステムについての背景技術も見受けられない。
【００１５】
こういったシステムを実現するためには全体システムの中の構築と個々の技術課題を解決することが必要で、そのためには熱源機やコジェネレイションの技術、ヒートポンプ冷凍サイクルの技術、エネルギー処理及び利用技術、システム制御技術などの広範囲の技術が必要とされる。今後こういった広範囲のシステム技術が実用化され、前述した社会的なニーズを充足するシステムの実現が望まれており、現在急速に進展し始めていると認識している。
【特許文献１】特開２００５−２５７１１５号公報
【特許文献２】特開２００３−２０２１５５号公報
【特許文献３】特開２００２−６１９６１号広報
【特許文献４】特開２００１−２８９５０６号公報
【特許文献５】特開平６−５９７４７号公報
【特許文献６】特開２００６−１８３９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
以上の内容を検討課題としてまとめると以下のように整理される。即ち低温度の温熱を出力する装置やコジェネレイション装置などの熱源装置とヒートポンプ装置を組み合わせたシステムを実現するための技術的な課題は
（１）大量に捨てられている低温度の温熱と広く存在する大気熱の双方をハイブリッドに利用する具体的なシステム構想の明確化、そのためのヒートポンプの活用方法
（２）コジェネレイション装置の場合、出力される電力と温熱に対し、消費側の消費量が一致せず温熱が供給過剰乃至は不足する場合が多く、基本的な対応策が必要
（３）コジェネレイション装置の場合、更にその運転時間と出力する温熱を利用する時間帯のズレ、出力する温熱温度と利用する側の必要な温熱温度のズレの解消
（４）上記課題を解消しながら排熱、大気熱をヒートポンプ装置により処理する仕組み。上記排熱、大気熱と熱交換するための冷凍サイクルの方式の明確化
（５）上記ヒートポンプ装置の駆動用電力としての優遇価格時間帯を設けた商用系統電力との連携と電力コスト削減、地球環境負荷低減策の具体化。
（６）上記のヒートポンプでは熱源の温度と汲み上げる温熱の温度の差、即ち汲み上げ温度が大きく変動する。この変化に対応できるヒートポンプのあり方
（７）上記のヒートポンプシステムをコンパクトでエネルギー効率が高くコスト的に実用的な処理システムに仕上げるための商品化技術
などである。
【００１７】
以上が本発明が解決しようとしている具体的な技術課題である。これらを総合した商品システムとしての課題と達成目標は次の内容に集約される。即ち今後益々増加する昼間に出力される８０℃以下（処理媒体に伝熱された後で利用できる温度としては６０℃以下）の低温度で不安定な温熱を種々な使用者のニーズに合わせた温熱に転換して安定して供給するためのエネルギー効率の高い、コンパクトで実用的で、将来の地球環境保護に適する装置と方式及びシステムを提供するための基本構想を固め、それを実現するための関連技術を明確化する事である。この低温度の温熱は従来では至る所で発生して廃棄されてきた排熱であるが、今後は地域コジェネレイションシステムの伸展に伴って出来する利用すべき温熱量が更に増えると想定される。特に太陽光コジェネレイション装置が近い将来全世界的に普及する事を予測しており、低温度の熱源を利用する次世代システム普及を助けるシステム技術を伸展、展開させることを目指しているものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前述した７項目の技術課題を全て解消する事が前述した商品システムの目標課題を達成するための第一歩である。したがって本明細書はこの７項目を主体に順次解決手段を明示していく。課題解決のために最も優れた基本的なシステム構成は次のようである。即ち、利用する熱源として８０℃以下の温熱を何らかの媒体で受け取ってそれを利用できる温熱に転換する装置として最適なものはヒートポンプ装置である。ヒートポンプは冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、冷媒膨張器、蒸発器の四つの機能部品を主体に冷媒回路を構成したもので、この蒸発器に於いて前述の低温度の温熱を受け取って冷媒を蒸発させてガス化させこれを最適な温度になるように圧縮機で圧縮し、これを凝縮器で放熱させ凝縮させて温熱を出力させる。
【００１９】
この出力温熱を希望の温度になるように制御するにはヒートポンプとして主に二つの機能が必要である。一つは請求項８に示した様に、圧縮機の回転数を調整して最適な能力で運転することが出来ることである。これは勿論新しい技術ではないが、本発明のシステムには不可欠な技術である。圧縮機の回転数はその駆動用モータに印加される電力の持つ周波数を変えることにより制御できる。通常は３０ヘルツ〜９０ヘルツ程度の周波数範囲を選定し、一分当たり１６００〜５０００回転の回転数に設定する。従ってこの場合冷媒の循環流量も３倍の範囲で変化させることが出来るわけで、その結果出力温熱量と出力温熱の温度を変化させ指定する値に設定することができるわけである。
【００２０】
この制御をする上では圧縮機の回転数のみでなく冷媒膨張器の絞り具合も広範囲に制御できる事が必要である。これに関連する技術を請求項９に示した。この冷媒膨張器には通常の冷凍サイクルで用いる膨張弁を用いる事は可能である。
供給する目標の出力温熱の温度を約５５℃と設定した場合、６０℃以上の熱源温熱が得られる場合には温熱熱源熱交換器における冷媒の蒸発温度は５５℃以上となるから、ヒートポンプユニット装置の冷凍サイクルは温熱を汲み上げる必要が無く温熱運搬装置で良いため圧縮機は圧縮する必要が無く冷媒を循環させる循環ポンプ機能のみで良くなる。従って膨張弁の機能は必要が無くなるから、これにバイパス回路を設けて冷媒をフリーに流動させる。又はこのバイパス機能が追加された膨張弁を利用する方法でも良い。
【００２１】
バイパス回路を設ける一つの技術は特許文献４に提示されている。しかしながら請求項８に明示した通り、熱源となる温熱が例えば６０℃以上では上述したバイパス回路を連通させ、それ以下の場合は該回路を閉じて膨張弁の回路を道通させるという切り替えが必要で、これにより熱源の温熱温度に応じて圧縮比を巧みに制御させることにより、出力温熱の温度を設定した出力温度（例えば５５℃）を常に確保することができることになる。特許文献４に記載されるように、熱源の温度が十分高い温度で無い場合（例えば３５℃）でもバイパス回路を連通させたのでは出力温熱の温度は熱源の温熱の温度以上に加熱出来ない。このような制御は出力温熱の温度は重要でなくただ加熱する機能のみが必要である給湯装置などの場合のみに有効である。快適性の要求される暖房用や、精度の高い温度の温熱を要求される食品プロセス用の温熱などには採用できないし、出力温熱を一定温度の潜熱蓄熱する場合には不都合である。
【００２２】
以上、ヒートポンプの冷凍サイクルの主要構成部品としての圧縮機と膨張弁について重要な機能を説明した、しかしながらこの２項目は手段である装置の細部に関する技術であると言える。そこで最初の視点に戻って本発明の最も基本的な課題解決策について述べたい。即ち請求項１、２、４に提示した内容である。まずシステムの構成要件は低温度の熱源をヒートポンプ装置により利用できる出力温熱に転換するという事であることは既に述べた。  一方、今後、家庭や店舗、工場、市場に生じる低温度の温熱として廃棄熱、装置の冷却熱、エンジンコジェネレイション装置の温熱出力、燃料電池コジェネレイション装置の温熱出力、太陽光利用コジェネレイション装置の温熱出力などを対象に本発明は進められる。それらの温熱の熱源としての問題点とその対応策は以下の様である。熱源の温度として常に安定した最適な温熱ではないためヒートポンプを利用し、且つその能力と圧縮比を適正に制御して求める温度の温熱に転換して出力する。熱源の熱量が不足して期待される出力温熱を賄えない場合は熱源を大気熱に切り替えてヒートポンプを作動させて不測の熱量を補う。
【００２３】
この時圧縮比が大きくなり圧縮機を駆動するモータの消費電力が増えるためその電力は価格が優遇された時間帯の電力、即ち所謂深夜電力を利用してその時間にバックアップ運転を行う。この仕組みは熱源の温熱、大気熱、商用系統電力、深夜電力という四つのエネルギー源を巧みに組み合わせて利用するため発明者はこのヒートポンプシステムをハイブリッドエネルギー利用ヒートポンプ装置と命名した。従来の空調装置、給湯装置、熱供給装置などは殆どが単一熱源乃至は電力との組み合わせによる程度のものが多く、システムは単純で簡略化し易いが、組み合わせを工夫してシナジー効果を出し、基本的な社会要請に応えるための技術施策が限定されてしまうといった恨みがあった。
【００２４】
しかしながらこの四つのエネルギー源は少なくとも日本国内では何処でも入手し易いエネルギーであり、かつ今後将来にわたってさらに入手し易くなると期待されるものである。
従ってこのシステムの完成は極めて広い範囲で利用され展開されやすいシステムを提供できるものと考えられる。こういったシステムにおける最大の課題はシステム自体の簡略な構成でエネルギー効率が高くシステムを安価で提供できるコストの実現であるのは課題の（１）（２）項に述べた通りである。この要請を実現するための重要な技術を請求項１に提示した。即ち熱源の温熱をヒートポンプの冷凍サイクルに取り込む為の温熱熱源熱交換器をヒートポンプユニットの外部、熱源の近傍に設けることにより直接熱源装置の発熱部分と熱交換させて熱源の温熱を取り込み、他方大気熱を取り込むための大気熱熱交換器をヒートポンプユニット内に設置し、必要によりこの二つの熱交換器を切り替えて作動させるものである。
【００２５】
これは請求項１、２、４に示した様に、その熱源の種類によらず重要な発想であると考えられる。その理由と効果について以下詳述する。冷凍サイクルは熱量を熱媒体である冷媒で運搬すると同時に冷媒を圧縮してその温度を変化させ加熱乃至は冷却することができる。水などの顕熱媒体と異なる点は冷媒を利用した媒体の搬送に必要なエネルギーが極めて少なくて済み、且つ圧縮機自体が冷媒に対して搬送ポンプの機能を有している事である。従って排熱を生じる装置やエンジンコジェネレイション装置乃至は太陽光コジェネレイション装置からその排熱を受け取る時はそれを一端水やその他の媒体に移転させ、その水やその他の媒体をポンプでヒートポンプユニットまで搬送し、熱交換器で冷凍サイクルに熱を伝える方式、即ち二次媒体方式ではなくて、冷媒配管を排熱が生じる場所即ち熱源となる装置の近傍まで延長させてそこに排熱を受け取るための温熱熱源熱交換器を設けてそこで冷凍サイクルに熱を伝えるという所謂リモート蒸発器方式が優れている。
【００２６】
それは他の媒体を搬送するために必要なポンプが不要であり、そのための動力ロスが発生しない。一端他の媒体に熱を伝えさらに冷凍サイクルにその熱を伝え直すことによる二重の温度降下を半減できるし熱交換器が一つで済むという基本的な優位性があるからである。但し冷凍サイクルからの延長配管を現地で接続する作業や冷媒のリーク発生のリスクが発生するなどの問題点が生じるが、それはシステムを供給し設置する側の種々な改善施策で大方解消できる。しかしながら前述した二次媒体方式によって生じるエネルギー特性の劣化と媒体輸送用ポンプを設けることによるコストアップを解消することが難しいからである。
【００２７】
さらに重要な判断基準として、利用しようとしている熱源の温度は低温度といっても大気温度より２０〜５０℃程度も高温度の熱源が対象であり、リモート熱交換器方式による接続配管の内部での冷媒の流動圧力損失による温度降下は２〜６℃程度になるような配管を選択すれば大きな損失は発生しない。この温度差の分だけ熱源の温度ポテンシャルを失う事になるがその損失は少ないと判断されるし、大気熱交換器の様に凍結に対する対応策は必要が無いからである。
【００２８】
一方請求項１、２、４では大気熱交換器の設置はヒートポンプユニットの内部に設置する配置構造を要件として提示している。温熱熱源熱交換器と蒸発器としての機能を分担する大気熱交換器の場合は次の項目が温熱熱源熱交換器と異なっている。即ち冬季期間などでは大気の温度は零度近く乃至はそれ以下になる事がある。またそれにより熱交換器の外表面が凍結し除霜運転が必要になることがあり、そのための温度センサーなどを配設する必要がある。また大気はヒートポンプユニットの設置場所が何処であるかにとらわれず、どこでも利用できる熱源である。さらに大気と熱交換するには送風機を設け、それを回転させるためのモータとその電源を配設する必要がある。これらの特徴はいづれの項目も大気熱交換器を圧縮機の近傍であるヒートポンプユニット内に設ける方が利点が多い事を示唆している。
【００２９】
即ち、低温度の大気熱源から効率よく熱を受け取るには圧縮機の近傍に設置して冷媒の流動圧力損失を最小化することが不可欠であるし、熱交換器の外表面が凍結した時には冷凍サイクルを逆転させて高温度冷媒を熱交換器に流して素早く除霜できるし、凍結したという状況と除霜運転を完了するタイミングを知るために温度センサーを熱交換器に取り付けるためにも熱交換器はヒートポンプユニット内に設置する方が望ましい。また大気を循環させるための送風機を駆動するモータの電力供給の点でも同様のことが言える。これらの優位点を無視して大気熱交換器をヒートポンプユニットから離して設置する理由は見つけ憎い。特許文献４には大気熱交換器をヒートポンプユニットから離して置く利点として
日当たりの良い場所におけるので性能が良くなることを挙げているが、上記の優れた理由に比べて重視するべき欠点ではないし、この欠点はヒートポンプユニットの設置場所に留意すれば解消できることである。
【００３０】
以上の考察から知れるとおり、二つの蒸発器は片方を熱源装置の近傍に、いまひとつはヒートポンプユニット内に設置することにより極めて大きな利点があることが知れる。ヒートポンプ装置という名称はヒートポンプユニットとその外部に設置される熱交換器などの冷凍サイクルを含めた全体を示している。以上で圧縮機の回転数仕様、冷媒膨張機構、
二つの蒸発器の機能、配置について述べた。そこで次はこのヒートポンプ装置の出力温熱の出力先について説明する。請求項１０に蓄熱槽についての重要技術を提示している。ヒートポンプの特性としてその出力温熱の温度などの仕様を調整する機能に優れている事は既に述べた。例えば５６℃の温度の温熱出力が必要だという設定であれば、熱源となる温熱の供給温度がかなり広範囲に変化しても、さらにその熱量が不足した場合、夜間の電力により大気熱を熱源として補完運転する場合で、大気温度が例えば零度以下という低温度の場合でも、ヒートポンプ装置の出力温熱の温度を５６℃プラスマイナス１．０℃の範囲に調整する事は可能である。
【００３１】
この精度が得られれば、蓄熱温度が一定の溶解温度となる潜熱蓄熱材を使った蓄熱槽を有効に利用することは容易である。例えば５２℃の融解温度に設定するために炭素鎖数２４のパラフィン材などを蓄熱材に用いて、そこに蓄熱するために一定温度５６℃の温熱（ここでは冷媒の凝縮温度が５６℃になる）を出力させて熱交換させることにより極めて安定して効率よく蓄熱することが可能である。一方蓄熱槽を現地に設置する場合、その設置スペースの小型化がシステム商品全体の商品性の中で極めて重要な位置付けとなる事が多い。それは家庭、アパート、店舗などにシステムを設置するスペースに余裕があるところが少ないせいである。その意味で水の顕熱を利用した一般的な温水蓄熱槽に比べ潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽の容積はほぼ半減化することが可能な事が解っている。
【００３２】
具体的な蓄熱槽の構造の一例として、パラフィンを袋詰めにした多数のブロックを熱交換パイプ組み立て（温熱出力熱交換器として機能する）に接触させて全体を組み立てたものを容器に収納し、その容器内の隙間に更に不凍液を満たして全体を密閉した構造のものが考えられる。この熱交換パイプ組み立ての一つの回路に凝縮冷媒を導通させてパラフィンを融解させて蓄熱し、他の一つの回路に蓄熱粒子を混ぜ込んだスラリ媒体を導通させてパラフィンから熱を受け取り、温熱を蓄えたスラリ媒体を空調装置や製造プロセス装置などに供給する方式などが考案されている。このように蓄熱槽に蓄熱するのではなくヒートポンプ装置からの出力温熱を直接に暖房や給湯やプロセス工程用の温熱を消費する装置に直接供給して利用することは勿論可能である。
【００３３】
しかしながら、本発明が対象にしている低温度の熱源温熱はその温度、熱量が不安定なばかりでなく、その発生時間が不安定であったり、温熱を消費する側とその時間が一致しないことが多い。例えば太陽光利用コジェネレイション装置の場合は昼間の太陽光が照射しているときしか熱源は供給されないし、全てのコジェネレイション装置は商用系統電力が不足する昼間の時間帯に運転作動されることが多く、その作動時間は温熱エネルギーが多く消費される時間帯とは一致しないことが多い。他の一般的な装置の排熱を熱源として利用する場合も、その熱源が発生する時間帯は種々の制約がある場合が多く、このため熱源供給側と温熱消費側の時間差を解消するためには装置としての容積効率の高い、エネルギーロスの少ない、使い勝手の良い蓄熱槽をシステムに組み込む必要があるわけである。
【００３４】
この熱源供給側と温熱消費側の時間差があることが本発明の基本構想である深夜電力を利用して大気を熱源として夜間に不足する温熱の出力をバックアップする方式が有効である理由でもある。ヒートポンプユニットと離れたところの装置に温熱熱源熱交換器を設けてヒートポンプの冷凍サイクル配管を延長して冷媒を循環させた場合と同様の理由で、離れたところに設置される潜熱蓄熱槽に温熱出力熱交換器を設けて冷凍サイクルを延長させる方式を採用している。その理由は前述した温熱熱源熱交換器の場合と同様にシステム構成の簡略化、エネルギー効率向上、ヒートポンプ装置の簡略化と低コスト化を図るためであり、極めて重要である。
【００３５】
詳細構造について説明すれば、固体と液体間の相変化による融解潜熱を利用したパラフィン等の潜熱蓄熱材のブロックを詰め込んだ蓄熱槽に二つ以上の媒体回路を持った温熱出力熱交換器を組み込む。該温熱出力熱交換器の一つの回路にヒートポンプ装置の凝縮冷媒を導通させて温熱を出力させその表面から熱を伝え前記潜熱蓄熱材に潜熱蓄熱させる。この温熱を再び出力させる時にはこの蓄熱材に蓄熱された温熱を該温熱出力熱交換器の他の媒体回路に導通させた他の媒体により取り出して給湯、暖房などの温熱利用向けに該媒体を出力させる。この温熱媒体熱交換器は例えば外形が平坦の帯状で内部に２つ以上の媒体の回路を長手方向に長く構成させたものが蛇行状態に繰り返し折り曲げられて蓄熱槽に組み込まれその空間にパラフィンの袋詰めブロックが詰め込まれている。ヒートポンプ装置とこの容積効率に優れた蓄熱槽との組み合わせが出力温熱を給湯ばかりでなく、暖房、食品加工用温熱、製造プロセス用温熱など広範囲の利用に対応することを可能にするばかりでなく媒体回路数を増やせばその数だけの出力媒体に熱を伝えて出力させることができるという利点がある。
【００３６】
次に昼間に行われる排熱を熱源に利用した運転とその補完としての夜間に行う大気熱を熱源とした運転の関連についての重要な制御要素である予測運転の方式に関する技術につき請求項３、６に提示した。前述したようにコジェネレイション装置は大半が昼間に運転される。その運転が不十分で出力温熱が不足する場合、例えば出力温熱を蓄熱する蓄熱槽における蓄熱量が不足する場合は夜間の優遇された価格帯の電力を利用して大気を熱源としてヒートポンプを作動させ出力温熱の不足分を補う補完運転を行う。そこでこの補完運転のやり方特に次の日のコジェネレイション装置の運転による出力温熱の過不足を推測してそれを補完するに必要な温熱量を出力するに必要十分なだけの補完運転を行うように予測制御を行うことが全体システムのエネルギー節約、地球環境保全、二酸化炭素排出量削減という意味で極めて重要である。
【００３７】
特に請求項６の太陽光利用コジェネレイション装置の場合は翌日の太陽光の照射量がどれくらいあるかを推定する事が必要になる。いずれの場合も昼間のコジェネレイション運転で十分な出力温熱が得られる場合乃至は得られると推定される場合は夜間の補完運転は必要が無い。しかしながらこの予想が外れて昼間に出力温熱が不足するに至った場合は大気熱を利用し、昼間の高価格の商用系統電力を使ってヒートポンプ運転を行わなくてはならない羽目になる。これを防止するために夜間に翌日のための補完運転を成功させるためには次の各項目を満たしたシステムが必要となる。
【００３８】
１、翌日の予測データが入手されている事。データとしては現在の温熱準備量、即ち具体的には蓄熱槽、床下蓄熱装置などへの温熱の蓄積量がベースデータとなる。さらに翌日の温熱消費量の予測値、特に昼間のコジェネレイション運転前と後に発生する温熱消費量の予測が重要である。さらに太陽光コジェネレイションの場合は翌日の日射量の予測が重要であり、このデータは週間天気予報乃至は翌日の天気予報をベースに晴天、雨など日照量を数段階に表現した情報をインプットすることが有効と思われる。
【００３９】
２、温熱を蓄熱する蓄熱槽乃至は建物の躯体蓄熱などの容量が十分あり、毎日の温熱消費量に対し３０〜４０％容量が大きいことが理想である。昼間の運転で最大蓄熱容量の６０〜８０％を蓄熱し、夜間の運転で２０〜４０％を蓄熱するように基本的な設定をしておけば昼間の運転による温熱出力量が変動しても夜間の運転でその変動を補って常に消費量を充足して且つコジェネレイション出力を１００％活かした最適運転が実現できる。この意味でも蓄熱の容積効率の高い蓄熱材に潜熱蓄熱ができる方式が望まれる。請求項１０に提示した潜熱蓄熱槽とその利用方式は本発明のヒートポンプ装置の出力を潜熱蓄熱することにより容積あたりの蓄熱量を例えば８０℃の温水を蓄熱する蓄熱槽に比べて倍以上の熱量を蓄熱でき、かつ蓄熱材を選択することで自由に設定された蓄熱温度で蓄熱させることができる。
【００４０】
３、さらにコジェネレイション装置の容量、即ち温熱出力能力の最大値が温熱消費量の平均値に等しい程度に設定されていることが望ましい。大容量の装置は初期設備投資費用が嵩み、投資回収期間が１０年〜２０年以上になりがちで装置の普及が進まない恐れがある。
他方、小容量の装置では夜間の電力と昼間の電力の消費量を増加させてしまう。そこで上記のような容量に設定すれば、コジェネレイション装置からの温熱出力の大半は有効に消費されるし、不足分である２０〜４０％を夜間の補完運転で賄えるし、太陽光利用コジェネレイション装置の場合で連日にわたり雨、曇天の場合でも夜間の補完運転で出来る限り補い、それでも不足する場合（冬季に二日以上曇天続きの場合など）にはその不足分である１０〜４０％程度を昼間の電力で大気熱利用運転を行う事で賄う事が可能である。
【００４１】
以上の三つの要件を満たした本発明になるシステムは大半を環境、省エネ等に最適な運転モードを実現しつつ、最悪な条件の場合でも必要とされる量の温熱の出力を保障できるシステムであり、大きな消費変動に有効に追随ができるシステムであることがわかる。それを実現するための重要な技術の一つが請求項３、６に提示した予測運転の技術である。予測運転のための情報の内、翌日の温熱消費量予定は利用者の予定が、太陽光照射量予測など熱源量予想は利用者乃至は業者からの通信情報がインプットされることが望ましいが、勿論週間予測データ、乃至は装置にインプットされている年間季節情報などの簡易情報で済ます事も可能である。
【００４２】
太陽光利用コジェネレイションの場合は太陽光の照射量により発電セルの温度は大きく変化し、それにつれて温熱熱源熱交換器の温度が変化する。曇天になってこの温度が低下してくるとこの熱源から昼間の電力を利用してヒートポンプ装置で一定の温度例えば５６℃の温度の温熱を汲み上げる時に圧縮機の駆動に消費される電力は増加し大気を熱源として夜間にヒートポンプで汲み上げる時の同様の電力より多くなってしまう事がある。特に大気の温度が高い夏場などは大気熱源が有利になる傾向が強い。従って太陽光照射量が少ないときはヒートポンプ装置の昼間の運転は停止して夜間の補完運転をより多く行う方法が有効でありこの技術を請求項５に提示する。
【００４３】
このように昼間の熱源利用運転を行うか、又は停止して夜間の補完運転を優先させるかは本発明のシステムの重要なノウハウの一つである。深夜電力の供給電力価格が昼間の供給電力価格の３５％に優遇されている場合を想定すると、大気温度と蓄熱温度との差即ち大気温度基準汲み上げ必要温度差の値に対し太陽光利用コジェネレイション装置が出力する温熱の温度と蓄熱温度の差即ちコジェネ出力温度基準汲み上げ必要温度差の値が３０％以内であることが一つの目安になる。例えば深夜電力が７円／KW、昼間電力が２６円／KWの条件で蓄熱温度が５６℃、大気温度が１０℃、その差が４６℃であれば太陽光利用コジェネレイション装置が出力する温熱の温度は大気温度プラス３２．２℃、即ち４２．２℃以上で運転できていればその運転を継続することにするわけである。この場合は夜間の大気を熱源とした優遇価格の深夜電力で運転する場合よりも運転に要する電力費用は少なくなると計算されるからである。この判断となる基準は太陽光コジェネレイション装置の発電量を基準に設定して判断しても良く、このやり方の方が実用的である。
【００４４】
但し、この３０％の設定は条件と考え方によって変化する。例えば使用電力料金基準か地球温暖化を考えての電力の炭酸ガス排出量基準か、蓄熱槽の蓄熱容量が十分あるか無いか、ヒートポンプ装置の能力が十分大きいか否か、ヒートポンプ装置の消費電力と圧縮比の関係の特性、昼夜の大気温度差の大小などである。これらを考慮して最適な運転継続可否の基準を設けることが必要となる。以上の様に一定の条件を設定し、太陽光利用コジェネレイションの出力温熱を利用したヒートポンプ装置の運転継続可否の判定条件とすることにより自動的に曇天の日は太陽光コジェネレイションによる温熱の利用は停止され、日照が十分なときは運転継続される。この利用停止のときにも、太陽光コジェネレイション装置の作動は継続され、出力電力は商用系統電力ラインに逆潮流され売電されるのは勿論である。
【００４５】
この制御に似た技術が特許文献４に提示されている。太陽光による集熱運転と他の運転との切り替えのために太陽光集熱器の集熱温度検知手段の検知温度を利用する方法が提示されている。しかしながらこの制御は切り替え前後ともに太陽光集熱器を熱源の熱交換器の役割を継続させた状態でヒートポンプ装置の作動内容を変えている事が特徴であるが本発明ではヒートポンプ装置の運転継続と停止を判断させるものである。また本発明の請求項５ではヒートポンプ装置を運転した状態での太陽光コジェネレイション装置の出力温熱の温度などを基準にしたもので特許文献４とはその精度の上でおおきな違いがある。
【００４６】
逆潮流
逆潮流に関する発明を請求項７に提示する。従来ヒートポンプ装置を駆動する電力として太陽光発電の出力電力を利用するというアイデアは特許文献１などに見られるように多く出されている。本発明のシステムではコジェネレイション装置の出力を利用する運転と深夜電力を利用する運転をハイブリッドに組み合わせるものであり、またコジェネレイション装置の運転が不安定でその出力が変動してもその温熱出力をたくみに利用することを主眼に於いている。従ってコジェネレイション装置の出力電力をヒートポンプ装置の作動用電力に直接利用することができる時間的及び容量的条件が満たされることが少ない。このような状態ではコジェネレイション装置の出力電力と商用系統電力の双方を切り替えて利用する電源装置を持たねばならず、技術面乃至はコスト面で難しい。従ってコジェネレイション装置の出力電力の全てを商用系統電源ラインに逆潮流させて売電させ、ヒートポンプ装置の電源は商用系統電源ラインから供給を受ける方式にすることが全体システムの簡略化、信頼度向上、安定運転に繋がるものである。
【００４７】
深夜などで優遇された価格で供給される電力を使い、大気を熱源としてヒートポンプ装置を運転して温熱を出力させる時に、蒸発器として大気熱交換器ではなくて冷熱蓄熱槽などに設けた冷熱出力熱交換器を用いて出力される温熱と冷熱の双方を利用する技術につき請求項１１に提示した。このヒートポンプ装置の冷凍サイクルには三つの熱交換器を蒸発器として設置している。温熱熱源熱交換器と大気熱交換器と冷熱出力熱交換器である。これらの内一つを選んで作動させそれを切り替えて多様なモードでの運転を行わせる。詳細な冷凍サイクルの構成は実施例に挙げて説明する。
【００４８】
蓄熱槽内の冷熱出力熱交換器と温熱出力熱交換器を通じて温冷熱を同時に出力させる運転では温熱蓄熱槽が十分に蓄熱完了しているとき、温熱出力は大気熱交換器で廃熱させながら冷熱を出力させる。温熱出力が不要になっても冷熱が必要で冷熱出力熱交換器で冷熱を出力させながらこの大気熱交換器を凝縮器として作動するように冷凍サイクルを切り替えてそこで廃熱させるわけである。
【００４９】
温熱蓄熱槽には潜熱蓄熱材が組み込まれているので蓄熱温度はその融解温度で決定される。一方利用する熱源とか太陽光日射量の変化があってもヒートポンプ装置により出力温熱の温度を設定された一定の温度にして出力して蓄熱する。しかしながら熱源の温度が低くなると請求項５に示した様にヒートポンプ装置の運転を止めてその分を夜間の大気熱を熱源とした運転で補完する方法がとられる。しかしながら請求項１３で提示したように、昼間得られた低温度の熱源の温熱を一端ヒートポンプ装置で中間温度まで温度を高めて蓄熱しておき、それを夜間に同じヒートポンプ装置を用いて最終目的温度まで温度を高めるようにする技術である。特に太陽光利用コジェネレイションからの温熱熱源を利用する場合にその効果が解りやすい。前に述べた事例で考えてみると、例えば大気温度が０℃のとき熱源温度が２０℃以上で４２．２℃以下の場合は一端１５℃の融解温度を持った潜熱蓄熱材を組み込んだ中間温度の蓄熱槽に蓄熱しておく。その熱を利用してヒートポンプにより夜間に５６℃の温熱まで汲み上げて蓄熱する。
【００５０】
この様に中間温度の熱源を利用して二段階に温度を汲み上げる方法をとれば、単位熱量あたりの消費電力は大きく削減される。そればかりでなく、２０〜４０℃程度の低温度の熱源も有効利用できるようになり、最終温熱量を十分に確保できるようになる。太陽光利用コジェネレイション装置の場合には薄日が射すような時にもその太陽光を利用する事が出来るようになるわけである。この方法を実現するには例えば１５℃の蓄熱槽と５６℃の蓄熱槽の二つが必要になる。潜熱方式をとれば蓄熱温度は高精度で設定できる。請求項１２で説明した冷熱蓄熱槽を夏は冷熱蓄熱槽として用い、冬季にはこれを中間温度の温熱蓄熱槽として転換して用いる事が可能である。この方法と冷凍サイクルは実施形態で詳しく説明したい。この場合には冷熱蓄熱槽の蓄熱材の融解温度は１５℃程度が選択されて冷熱蓄熱と低温度の温熱蓄熱の双方を潜熱蓄熱する。低温度の温度の潜熱蓄熱は冬季には０℃近辺に大気温度が下がるので温度レベルの高い熱源として有効であるが、大気温度が２５℃にもなる夏には大気を熱源として利用する方が優れている。
【００５１】
本発明のシステムではコジェネレイション装置などの熱源装置はヒートポンプで冷却している。この場合ヒートポンプ装置の出力温熱が不要になった時などは該ヒートポンプ装置は停止されるからコジェネレイション装置の熱源発生部分の温度は上昇して条件により温度制限範囲を超えたり、セルの発電効率が低下してしまう等の不具合がが発生する。そこで請求項１４の技術により冷却して温度上昇による不具合の発生を防止する。この場合冷凍サイクルを切り替えて温熱熱源熱交換器を蒸発器とし大気熱交換器を凝縮器とする回路を構成させる。且つ圧縮機のモータ電源の出力は低下させ、冷媒膨張器はバイパスさせて圧縮比を最小化させヒートポンプ装置の消費電力を大幅に低減させる。この制御は太陽光コジェネレイションの場合では発電セルの温度を低下させることにより発電効率の向上が著しいため、温熱利用が必要ない場合にも利用することができる。これは発電サイドに大きな良い影響を与える。
【００５２】
前述した通り、冷凍サイクルの圧縮機と大気熱交換器はヒートポンプユニット内に設けられる。一方温熱熱源熱交換器と温熱出力熱交換器はヒートポンプユニット外に設けてその間を配管で連通させて冷凍サイクルを構成させる。この方式は冷凍サイクル以外の熱媒体の循環を必要としないで、温熱を直接熱源部分から熱出力部分へ運び、その間に他の冷媒への熱の受け渡しの無い極めて効率の良い簡単な構造のシステムを一つの冷凍サイクルで構成させることができる。この場合熱源熱交換器部分のヒートポンプ冷媒が導通する部分の温度は１２０℃以下であることが必要である。なぜなら通常作動冷媒とそこに含有されている潤滑オイルの耐熱温度は１３０℃程度であるからである。通常の運転時にはこの部分の温度は６０℃以下になるように設定されているが、ヒートポンプ装置が停止されたときは常にその部分の温度上昇をチェックして請求項１４に示したように制御する必要がある。
【００５３】
ヒートポンプ装置からの出力温熱を潜熱蓄熱するには一定の温度条件で凝縮し放熱する冷媒を使う必要がある。炭酸ガス冷媒は優れた効率を持つ冷媒であるが、本発明の使用温度の範囲では臨界点を超えた領域の作動となり一定の温度の凝縮は行わない。そこでここで利用できる冷媒としての媒体はプロパンガス、ブタンガス、フロンガス、アンモニアガス等がある。フロンガスは地球温暖化係数が高く使用しない。アンモニアガスは安全性と装置価格面のハンデイがあり採用できない。そこでＨＣ冷媒であるプロパンが利用できる冷媒として推奨される。冷媒として凝縮領域が明確で、ガス価格が安定して安く、燃焼性に気をつければ最も扱いやすいガス体であると言える。
【発明の効果】
【００５４】
コジェネレイション装置などから得られる８０℃以下の低温度の温熱を利用し、且つ同じヒートポンプ装置で深夜の優遇された価格の時間帯に屋外の大気熱を利用した二つのモードの運転を行って必要とされる温度の温熱を必要な時間帯に必要量の温熱を供給する。このためのヒートポンプ装置を利用したシステムを具体的に実現するため多くの技術的な課題があり、既に７つの課題を提示し、それお改善する施策につき説明してきた。
【００５５】
先ず、大量に捨てられている低温度の温熱と広く存在する大気熱の双方をハイブリッド
に利用する具体的なシステム構想としてヒートポンプ装置とその冷凍サイクル、制御内容を明確化した。さらにコジェネレイション装置の場合、出力される電力と温熱熱源に対し、消費側の消費量が一致せず温熱が供給過剰乃至は不足する場合に対応して熱源利用の運転と大気熱利用の運転および商用系統電力の使い分けについて明確化した。また、その熱源装置の運転時間とヒートポンプ装置から出力する温熱を利用する時間帯のズレ、出力する温熱温度と利用する側の必要な温熱温度のズレを解消する技術につき述べた。具体的にはそのために排熱、大気熱をヒートポンプ装置により処理する仕組み。上記排熱、大気熱と熱交換するための冷凍サイクルの方式の明確化を行った。
【００５６】
さらに、上記ヒートポンプ装置の駆動用電力としての優遇価格時間帯を設けた電力系統方式との連携と電力コスト削減、地球環境負荷低減策の具体策を明確化した。また、上記のヒートポンプでは熱源の温度と汲み上げる温熱の温度の差、即ち汲み上げ温度が大きく変動する。この変化に対応できるヒートポンプについても具体化を行った。さらにヒートポンプシステムをコンパクトでエネルギー効率が高くコスト的に実用的なシステムに仕上げるための商品化技術としての配管などの具体的な方式を明確化した。
【００５７】
これらの提示した技術によって、熱源の排熱と大気熱と価格が優遇された電力（夜間電力など）、及び価格が優遇されていない電力をハイブリッドに利用するためのヒートポンプ装置を中核としたシステムを構築し、該システムによって８０℃以下の従来は破棄されてきた温熱を有効に利用することを可能にした。同時に太陽光利用コジェネレイション装置の場合はその発電効率の向上にも寄与する冷却方法を実現したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
以下、本発明の実施形態を、太陽光利用コジェネレイション装置を代表事例としてそこから供給される温熱を活用するシステムと方式について図１〜図５に基づいて説明する。
【００５９】
図１は本発明のヒートポンプ装置の根幹となるヒートポンプユニット１の構造を示す平面図である。ユニット１には圧縮機２と大気熱交換器３と送風機４と送風機モータ５とインバータ及び制御装置１０が搭載されている。さらにユニットと外部の二つの熱交換器を連通させるための配管６、７、８、９がユニット内の冷凍サイクル（圧縮機と大気熱交換器以外の配管は省略して記載していない）からユニット外へと延長されており、メイン電源ライン１１が商用系統電力ライン１０７から導入されている。
【００６０】
図２は本発明の家庭用の太陽光利用コジェネレイション装置１７と連結されたヒートポンプ装置の家庭の屋根３２に設置した事例の概要図である。ヒートポンプユニット１から外部へ向けて六つの太陽光モジュール１８の太陽光受熱基板１９と熱交換する温熱熱源熱交換器１６を循環する配管６、７が配設されている。同様にヒートポンプユニット１から外部へ温熱蓄熱槽へ向けて配管８、９が配設されている。このヒートポンプ装置の全体の冷凍サイクルを示す回路図を図３に示す。
【００６１】
以上の説明内容の全体を纏めたシステムとして図５に家庭用の太陽光利用給湯及び空調システムを示す。これはヒートポンプユニット１と太陽光利用コジェネレイション装置のモジュール１８と温熱蓄熱槽２０と冷熱蓄熱槽２９と家庭内に設けられた給湯配管１１０と壁面空調パネル１１３と床暖房パネル１１４及び商用電力ライン１０７と連携するパワーコントローラー１０５及び媒体配管及び電力ラインなどからなる。
【００６２】
以上説明したシステムの作動内容を説明する。昼間の太陽光が照射する時間帯には太陽光モジュール１８は太陽光１０２を発電セル１０３の表面に受けて発電して太陽光電力出力ライン１０４とパワーコントローラー１０５を通して商用系統電力ライン１０７に逆潮流する。同時に発電セル１０３の表面で発熱した温熱は受熱基板１９を経て温熱熱源熱交換器１６を経由してヒートポンプ装置の冷凍サイクル３１に伝わり冷媒であるプロパンを蒸発させる。この時この蒸発温度が４０℃以下ではヒートポンプ装置の運転は停止される。（中間温度蓄熱槽があるシステムでは２０℃まで運転される）  ４０℃以上では出力側の出力温熱需要を算定した上で通常では運転は継続される。蒸発したプロパンガスは配管６を経由してヒートポンプユニット１に戻り圧縮機２により圧縮されて吐出される。又は蒸発温度が５８℃以上なら圧縮機によりポンピングされて殆ど圧縮されずに吐出される。
【００６３】
吐出された飽和温度が５８℃のプロパンガスは配管９を通って温熱蓄熱槽２０の温熱出力熱交換器に至り、そこで凝縮して放熱し、その周囲に配置された５６℃の融解温度の潜熱蓄熱材（パラフィン）を融解させて蓄熱し、プロパンガスは液体となり配管８を経由してヒートポンプユニットに戻り膨張器２３乃至はそのバイパス回路２４を通って膨張乃至は通り抜けてヒートポンプユニット１から配管７を通って太陽光利用コジェネレイション装置１７へ向かい、温熱熱源熱交換器１６に戻って再びそこで蒸発し、以上を繰り返す。太陽光の照射量が十分な時は膨張弁バイパス用二方弁２４が開となり圧縮機２のポンピング作動により冷媒はフリーに循環する。照射量が少なくなると二方弁４は閉じられ膨張弁２３が作動し圧縮機はプロパンガスをその凝縮温度が５８℃になるように圧縮する。
【００６４】
照射量が更に少なくなって温熱熱源熱交換器でのプロパンの蒸発温度が４０℃以下に下がるとヒートポンプ装置は運転を停止する。昼間の太陽光を利用した温熱を蓄熱するためにヒートポンプユニット１の電力消費量が多くなり夜間の運転に任せた方が効率が良いと判断したことになる。夜間の商用系統電力が安い価格に設定された時間帯になると、ヒートポンプユニット１は温熱蓄熱槽２１が十分に蓄熱されている場合を除き運転が開始される。その時は蒸発器切り替え二方弁を制御して蒸発器としてヒートポンプユニット内に設置されている大気熱交換器が選択される。圧縮機は安い価格で供給される深夜電力によりフルに圧縮運転を行い、膨張器２３が冷媒流量を制御する。この運転で温熱蓄熱槽２０内のパラフィンはフルに融解されて温熱を潜熱として蓄熱する。
【００６５】
以上の冷凍サイクルの運転では、昼間は太陽光受熱基板１９まで水などの媒体を使わずに冷媒配管を延長し、直接に且つ冷媒の蒸発作用により熱源の温熱を効率よく受け取り、また夜間には冷え込んだ大気から冷媒の流動圧損の生じないヒートポンプユニット１内の至近に設置した大気熱交換器３を通して効率良く熱を吸収することができる。また温熱の出力も温熱蓄熱槽２０まで冷媒配管を延長しそこに設置した温熱出力熱交換器２１を通して直接温熱を出力できる。このような冷凍サイクルの構成は従来往々にして見られた水などの二次媒体を介した熱媒体回路構成に比べ、ヒートポンプ装置による熱源からの直接の温熱吸収と蓄熱槽への温熱出力に渡る全体の構成を簡略化し、コンパクトにし、且つ熱伝達の効率を高め最終的にはシステムのコストを低減するのに役立っている。以上は請求項１、２、４の技術が適用されている。
【００６６】
予測３、６
夜間の電力を利用した運転は昼間の太陽光を利用した運転の補完運転であるから、この紹介したシステムでは翌日の温熱利用の予定量は利用者により制御盤に最大、通常、最小、使わない、という５段階のうち一つが及び翌日の午前中（日照時間前）の使用量が大、中、小、なしの４段階のうち一つが選択されてインプットされる。同様に翌日の天候予想も３段階でインプットされ、現在の蓄熱槽に蓄熱されている温熱量のデータを含めて夜間のヒートポンプ装置の運転の継続、停止が決定される。夜間にフルに蓄熱して翌日の午前中に温熱の消費が無いか、少ないと、翌日の太陽光を利用した運転をすべき時間に蓄熱槽は既に温熱で満たされた状態となり太陽光利用の運転が行われないという現象が生じるからである。以上は請求項３、６の技術が適用されている。
【００６７】
昼間の運転では太陽光発電量をパワーコントローラー１０５で認識しその量により太陽光の照射量を判定しヒートポンプ装置に運転開始と停止の信号を出す方法がある。太陽光発電量が一定値以上で発電セルの冷却をすることによりその発電効率を向上できると判断されたときはヒートポンプ装置本来の温熱供給運転ではなくて、大気熱交換器３に廃熱するように冷凍サイクルを制御して太陽光モジュール１８を冷却する運転を選択する（請求項１４）。この場合、二元媒体方式による媒体輸送用ポンプの消費電力が発生する方式では太陽光コジェネレイション装置の発電効率向上の効果を台無しにしてしまうケースが多いが、本発明による本事例では冷媒で直接冷却するためにその様なマイナスの影響は少ない。
【００６８】
以上のような予測制御を含めたシステム全体の制御はインバータ＆制御器１０と室内制御盤（図示せず）により行われる。インバータ＆制御器１０はシステム全体の制御及び圧縮機２、送風機モータ５などの駆動電源を出力及び表示装置用信号などのための電力及び制御回路が組み込まれている。インバータの出力は圧縮機２を駆動するための電源を出力する。その電源周波数と電圧は圧縮機２の回転数とパワーを制御するために調整されて出力される。回転数は冷媒の循環量を制御し温熱量を制御する。電圧は圧縮機のパワーを制御する。
回転数が高くても圧縮比が小さいときは電圧は下げられ、消費電力は圧縮機の仕事量の減少にバランスさせて小さなレベルまで絞り込まれる。
【００６９】
パワーコントローラ１０５は商用系統電力ライン１０７からの電力をそのままヒートポンプユニットに供給し、また太陽光発電電力を商用系統電力ラインに逆潮流させるために電圧調整と交流への返還を行う機能が織り込まれている。この事例では太陽光発電電力を直接利用してヒートポンプユニット１を作動させることは無い。不安定な太陽光発電電力によるヒートポンプユニットのニーズにあわせて安定して作動させることが難しい事と夜間電力でのヒートポンプユニットの運転を行うため、切り替えが必要となるためである。
【００７０】
図４は図１と図３には含まれていない機能を実現するために図５に示した冷熱蓄熱槽２９とその中に冷熱出力熱交換器３０を含み、冷凍サイクルの機能向上を達成するために幾つかの弁を追加して高機能化した冷凍サイクルを示している。図４の実施例では請求項１１に示した冷熱と温熱の双方を出力させた運転が可能になる。即ち図から知れるとおり、冷媒回路をそれを実現する回路になるように各種弁を制御し、圧縮機の吐出ガスを温熱出力熱交換器に送って温熱出力させ、その後膨張器を通って低圧になった冷媒を冷熱出力熱交換器へと循環させて冷熱を出力させるものである。勿論この運転は夜間に安価な商用系統電力を利用して行われることが望ましい。このときに冷熱蓄熱槽は１５℃の融解温度のパラフィンを組み込んであるため１５℃の冷熱が蓄熱される。
【００７１】
この冷熱蓄熱槽１５には夏の冷熱を蓄熱する必要が無いときには、低温度の温熱を蓄熱する。太陽光利用で、温熱熱源熱交換器１６の温度が２０℃以上で４０℃以下のとき冷凍サイクル３１の温熱出力は温熱出力熱交換器２１ではなく冷熱出力熱交換器３０で出力され冷熱蓄熱槽に１５℃の温熱が蓄熱される。この温熱を利用して夜間に冷熱出力熱交換器を蒸発器とし、温熱出力熱交換器を凝縮器になるように冷媒の流れを設定して温熱蓄熱槽にこの温熱を汲み上げて５８℃の温熱として蓄熱する。このような二段蓄熱方式を採用するのは、大気温度が夜間に０℃以下になるような地域及び季節では大気を熱源とするよりは１５℃の温熱を熱源としたほうが圧縮機の仕事量は減少し、消費電力は減少するからである。これは請求項１３の技術を利用している。
【００７２】
冷凍サイクル３１の作動用冷媒はプロパンガスを利用している。このガスは臨界温度が高く全作動領域で蒸発と凝縮が温度と圧力の一定の関係の下に作動するため一定の温度で作動する潜熱蓄熱方式を利用した低温度作動のシステムで良好な特性を示すし、地球温暖化などの影響度合いも極めて小さいという優れた特性を持っている。可燃性であることが唯一の心配点であるが、万が一漏洩しても、全ての冷凍サイクルが建物外に設置されるため外気に飛散するため実害となる確率は極めて小さいため安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のヒートポンプ装置のヒートポンプユニット事例構造平面図
【図２】本発明の家庭用ヒートポンプ装置システムの事例概要図
【図３】図１のヒートポンプ装置に用いる冷凍サイクルの事例構成図
【図４】図１、図３の冷凍サイクルを高機能化した場合の事例構成図
【図５】本発明のヒートポンプ装置を用いて太陽光を利用して給湯と空調を行うシステム事例の概略構成図
【符号の説明】
【００７４】
１    ヒートポンプユニット
２    圧縮機
３    大気熱交換器
４    送風機
５    送風機モータ
６    温熱熱源熱交換器戻り配管
７    温熱熱源熱交換器往き配管
８    温熱出力熱交換器戻り配管
９    温熱出力熱交換器往き配管
１０  インバータ及び制御器
１１  メイン電源ライン
１２  圧縮機駆動電源
１３  ファンケーシング
１４  吸い込み空気
１５  吹き出し空気
１６  温熱熱源熱交換器
１７  太陽光利用コジェネレイション装置
１８  太陽光モジュール
１９  太陽光受熱基板
２０  温熱蓄熱槽
２１  温熱出力熱交換器
２２  四方切り替え弁
２３  膨張弁
２４  膨張弁バイパス用二方弁
２５  蒸発器切り替え用二方弁
２７  凝縮器切り替え用二方弁
２８  温冷切り替え用二方弁
２９  冷熱蓄熱槽
３０  冷熱出力熱交換器
３１  冷凍サイクル
３２  家屋の屋根
１０２太陽光
１０３発電セル
１０４太陽光電力出力ライン
１０５パワーコントローラー
１０６系統連携ライン
１０７商用系統電力ライン
１０８冷熱出力配管
１０９水道水配管
１１０給湯配管
１１１空調用媒体配管
１１２壁掛空調機
１１３壁面空調パネル
１１４床暖房パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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