排熱相互利用システム
【課題】エアコンプレッサー及び／又は空冷装置の排熱並びにヒートポンプの排熱を相互に利用することが可能であり、季節を問わず年間を通じて、安定した性能を確保しつつ、エネルギー効率を極めて良好な状態とすることができる排熱相互利用システムを提供する。
【解決手段】排熱相互利用システム１は、コンプレッサー４の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、ヒートポンプ６へ導く連結ダクト３０と、当該排気あるいは混合気を、通常室温を上回る状態でヒートポンプ６に吸い込まれるように調節する調節ダンパ５２と、ヒートポンプ６の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、コンプレッサー４へ導く室内返戻ダクト３８等と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態でコンプレッサー４に吸い込まれるように調節するコンプレッサー入口冷却ダンパ６４を備えている。
【解決手段】排熱相互利用システム１は、コンプレッサー４の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、ヒートポンプ６へ導く連結ダクト３０と、当該排気あるいは混合気を、通常室温を上回る状態でヒートポンプ６に吸い込まれるように調節する調節ダンパ５２と、ヒートポンプ６の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、コンプレッサー４へ導く室内返戻ダクト３８等と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態でコンプレッサー４に吸い込まれるように調節するコンプレッサー入口冷却ダンパ６４を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアコンプレッサー（空気圧縮機）及び／又は空冷装置の排熱とヒートポンプの排熱を互いに利用し合うことで、省エネルギー化等を図ることのできる排熱相互利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンプレッサーに関する省エネルギーシステムとして、下記特許文献１に記載のものが知られている。このシステムは、水冷式ヒートポンプの冷水をエアハンドリングユニットの冷熱源として用いて機械室を冷却してエアコンプレッサーの効率を向上させると共に圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源としても用い、更に水冷式ヒートポンプの温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このシステムでは、エアコンプレッサーについてはヒートポンプの熱の利用が考慮されているが、ヒートポンプについてはエアコンプレッサーの熱の利用が特段考慮されておらず、省エネルギー性の向上の余地がある。又、ヒートポンプ等の要素が年間を通じて同じ配置であるため、外気温等の環境条件の差異により省エネルギー性に差が生じ、季節によってはさほど省エネルギーにならない場合もある。
【０００５】
そこで、請求項１に記載の発明は、エアコンプレッサー及び／又は空冷装置の排熱並びにヒートポンプの排熱を相互に利用することが可能であり、季節を問わず年間を通じて、安定した性能を確保しつつ、エネルギー効率を極めて良好な状態とすることができる排熱相互利用システムを提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するため、第１吸込温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプと、第２吸込温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるエアコンプレッサー及び／又は空冷装置と、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記ヒートポンプへ導く第１排気路と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、前記ヒートポンプの排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置へ導く第２排気路と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態で前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置に吸い込まれるように調節する第２調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
なお、通常室温とは、ヒートポンプの排気等を混合しない場合の機械室等の気温である。通常室温に関しては、室内等に配置された各種機器等の排熱による温度上昇を含めて考えても良い。又、通常室温につき、適宜、（現在）室温や外気温等に拡張して考えても良い。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、上記目的に加え、更にヒートポンプをエアコンプレッサーの排気により加熱し過ぎる（ヒートポンプに対する吸込温度が効率悪化あるいは故障に至る特定温度以上となる）事態を防止してヒートポンプ等を保護可能とする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第１室外排気路と、当該第１室外排気路への排気の流入量を調節する第３調節手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、上記目的に加え、ヒートポンプにおける吸込温度をより一層適切なものとする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気に対する空気の混合量を調節する第４調節手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、上記目的に加え、エアコンプレッサーにおける吸込温度が下げられない場合にヒートポンプの排気を排出して、エアコンプレッサーの吸込温度の調整をより一層適切なものとする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記ヒートポンプの排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第２室外排気路を備えていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、上記目的に加え、簡便に各種排気等の熱量を調節する目的を達成するため、上記発明において、前記第１調節手段、第２調節手段、第３調節手段、第４調節手段の内の少なくとも何れかがダンパであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エアコンプレッサーの排気等を、通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、ヒートポンプの排気等を、通常室温を下回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第２調節手段とを具備している。従って、エアコンプレッサーや空冷装置とヒートポンプについて相互に効率を良好化することが可能となり、季節を問わず年間を通じて、安定した性能を確保しつつ、省エネルギー性を極めて良好なものとすることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１形態に係る排熱相互利用システムの模式図である。
【図２】図１の排熱相互利用システムにおけるコンプレッサー保護ダンパ（第３調節手段）の制御図である。
【図３】図１の排熱相互利用システムにおけるコンプレッサー入口冷却ダンパ（第２調節手段）の制御図である。
【図４】図１の排熱相互利用システムにおける調節ダンパ（第１調節手段）の制御図である。
【図５】図１の排熱相互利用システムにおける（ａ）ヒートポンプ，（ｂ）エアコンプレッサーの、吸込温度毎の消費電力等を示すグラフである。
【図６】比較例と本発明の各形態における消費エネルギー等を示す表である。
【図７】本発明の第２形態に係る排熱相互利用システムの模式図である。
【図８】図７の排熱相互利用システムにおけるヒートポンプ入口冷却ダンパ（第４調節手段）の制御図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。
【００１５】
［第１形態］
≪外的構成等≫
図１は第１形態に係るエアコンプレッサー（コンプレッサー）４とヒートポンプ６の排熱相互利用システム１の模式図であって、排熱相互利用システム１は、工場等における機械室２内において、コンプレッサー４、及びヒートポンプ６を有している。排熱相互利用システム１は、図示しない制御手段（例えばコンピュータ）により制御される。当該制御手段とコンプレッサー４及びヒートポンプ６とは、それぞれ電気的に接続されている。
【００１６】
又、機械室２の外壁には、換気口８が設置されており、機械室２の内外において通気可能とされており、機械室２内部の空気につき外気と交換可能、即ち機械室２につき換気可能とされている。機械室２は、どのような形式・大きさ等でも良く、例えば広大な工場内やその一部（片隅）であっても良いし、建物内の一区画あるいは一室であっても良い。なお、コンプレッサー４は、消防に関する規制により、給湯用等のガスボイラーと別部屋に設置されることが多いが、ヒートポンプ６であれば、コンプレッサー４と同部屋に配置することができる。
【００１７】
コンプレッサー４は、電動機１０により駆動される圧縮機１２が、空気（エア）を取込口１４（第２吸込口）から取り込んで圧縮することで、圧縮空気Ｐを生成するものである。圧縮空気Ｐは、例えば工場における圧縮空気Ｐの配管を通じ、圧縮空気Ｐの吹き付けが必要な箇所等に配給される。コンプレッサー４の周囲（機械室２内）には、コンプレッサー４の取込口１４に係る空気の温度、換言すれば機械室２内の室温（気温）を検知可能である機械室温度センサＴ１が配置されている。機械室温度センサＴ１は、前記制御手段に対し電気的に接続されている（以下各種センサや各種ダンパについて同様）。なお、各種センサにより検知される温度について、センサと同符号で示す。又、圧縮空気を供給するコンプレッサー４について、これに代えて、あるいはこれと共に、生産プロセスにおける各種空冷装置（例えば金属等のワークを熱処理した後でワークの空冷を冷風の供給により行う装置や、食品殺菌後の空冷を行う装置等）を用いても良い。
【００１８】
ヒートポンプ６は、吸込口２０（第１吸込口）から吸い込んだ空気から熱をくみ上げる熱交換器２１と、電動機２２により駆動される圧縮機２３と、給水Ｓ（供給される水）と熱交換を行って温水を供給する給湯用熱交換器２４を、閉じた媒体配管２６において有するものである。なお、これらにおいて、ヒートポンプサイクルが実行される。
【００１９】
熱交換器２１は、空気と媒体とで熱交換をし、媒体配管２６内の媒体を加熱する。圧縮機２３は、加熱された媒体配管２６内の媒体を断熱圧縮して、給湯用熱交換器２４へ送る。給湯用熱交換器２４は、媒体と水とで熱交換をして、給水Ｓを加熱し、これより温度の高い温水Ｖを生成する。給水Ｓないし温水Ｖは水配管２８内を移送され、給水Ｓの量（熱量）は、ポンプ２９等の調整手段により調整される。なお、ヒートポンプ６について、温水Ｖを供給するヒートポンプ式給湯器に代えて、又はこれと共に、ヒートポンプ式空調機等の他の形式のヒートポンプを採用することができる。
【００２０】
なお、本形態では、コンプレッサー４の発熱量が４６．１ｋＷであり、ヒートポンプ６の給湯能力が５６ｋＷであるとするが、当然この値に限定されることはなく、他の数値等も同様である。又、ファン定格風量は、ヒートポンプ６加熱用で毎分２４０立方メートル、コンプレッサー４冷却用で毎分１００立方メートルとする。更に、ヒートポンプ６の運転可能な吸込空気温度の範囲は、下限−１５℃、上限４０℃とする。
【００２１】
そして、コンプレッサー４とヒートポンプ６の間には、連結ダクト３０が配置されており、更に、連結ダクト３０のコンプレッサー４側と機械室２の外とを結ぶコンプレッサー保護ダクト３２が配置されていると共に、連結ダクト３０のヒートポンプ６側と機械室２の外とを結ぶヒートポンプ排気ダクト３４が配置されている。加えて、連結ダクト３０の途中に、（短い）ヒートポンプ入口冷却ダクト３６が接続されている。又、ヒートポンプ排気ダクト３４の途中（機械室２内の部分）に、（短い）室内返戻ダクト３８が接続されている。なお、ダクトの配置・大きさ・断面形状・区分等につき、様々に変更することができる。
【００２２】
連結ダクト３０は、コンプレッサー４の排気口４０、及びヒートポンプ６の吸込口２０（内の熱交換器２１）に接続されており、コンプレッサー４の（室温より高い温）排気を、熱交換器２１へ案内可能である。なお、排気口４０には、排気を送り出すためのファンが設置されている。
【００２３】
又、連結ダクト３０は、他のダクトとの各種接続部（分岐部）や、ダクト内温度（気温）を検知する各種温度センサ、ないしコンプレッサー４の排気（ダクト内の空気）の方向や流量を調整可能な各種ダンパを備えている。これらは、コンプレッサー４側から順に、排気口４０に係る排気温を測定可能なコンプレッサー排気温度センサＴ２、コンプレッサー保護ダクト３２との接続部５０、ヒートポンプ６への排気の風量を連続的に調節することで、ヒートポンプ６の入口空気温度（熱交換器２１手前における排気の温度）を調節する調節ダンパ５２、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４、ヒートポンプ６の入口空気温度を検知可能なヒートポンプ入口温度センサＴ３である。なお、調節ダンパ５２につき、風量を段階的に調節するものとして良い。
【００２４】
コンプレッサー保護ダクト３２は、前記接続部５０から機械室２外部にかけて延ばされており、連結ダクト３０からの排気について自身へ受け入れるか否かを切替可能なコンプレッサー保護ダンパ５８を有している。なお、コンプレッサー保護ダンパ５８につき、コンプレッサー保護ダクト３２に入る風量を、段階的にあるいは連続的に変更するものとして良い。
【００２５】
ヒートポンプ排気ダクト３４は、連結ダクト３０に対しヒートポンプ６内を介して連続するように配置されており、ヒートポンプ６の排気口５９から、機械室２外部にかけて延ばされている。排気口５９には、排気を送り出すためのファンが設置されている。ヒートポンプ排気ダクト３４は、ヒートポンプ６側から順に、当該ファンの外側（排気口５９外側）における気温であるヒートポンプ出口温度を測定可能なヒートポンプ出口温度センサＴ４、排気を機械室２内（コンプレッサー４の取込口１４）へ戻す室内返戻ダクト３８との接続部６０を備えている。
【００２６】
ヒートポンプ６の熱交換器２１を通過する排気は、適宜熱交換により媒体配管２６内の媒体を加熱し、これにより自身が冷却される。熱交換器２１は、媒体を循環させる媒体配管２６において、給湯用熱交換器２４より下流（圧縮機２３より上流）に配置され、給水Ｓとの熱交換により熱を奪われて冷却された媒体を適宜加熱する。適宜加熱された媒体は、圧縮機２３に達し、断熱圧縮されて給湯用熱交換器２４に入る。
【００２７】
室内返戻ダクト３８は、前記接続部６０から、機械室２内の開口６２までに亘っており、その内部に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を有している。コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、ヒートポンプ排気ダクト３４からの排気について自身へ受け入れるか否か（オンオフ）を切替可能である。なお、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４につき、室内返戻ダクト３８に入る風量を、段階的にあるいは連続的に変更するものとして良い。
【００２８】
なお、連結ダクト３０が第１排気路に相当し、ヒートポンプ排気ダクト３４の接続部６０までと、室内返戻ダクト３８と、機械室２内の開口６２からコンプレッサー４の取込口１４までとが、第２排気路に相当する。又、調節ダンパ５２が第１調節手段に相当し、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４が第２調節手段に相当し、コンプレッサー保護ダンパ５８が第３調節手段に相当する。更に、コンプレッサー保護ダクト３２が第１室外排気路に相当し、ヒートポンプ排気ダクト３４が第２室外排気路に相当する。
【００２９】
≪内的構成等≫
図２は、前記制御手段によるコンプレッサー保護ダンパ５８の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー保護ダンパ５８を全閉し、コンプレッサー保護ダクト３２への排気の流入を阻止して、連結ダクト３０へ排気を導く。即ち、コンプレッサー排気温度Ｔ２（条件要素Ａ１）が、機械室温度Ｔ１（条件要素Ａ２）から所定値（ここでは２５℃）を加えた温度以下であり（条件要素Ａ３）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ６が運転を開始していて（条件要素Ａ４）、所定時間経過しており（演算子Ｂ２）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下であり（条件要素Ａ５）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３を調節する調節ダンパ５２の開度が全開である（条件要素Ａ６）場合である。
【００３０】
なお、「励磁」が１に対応し、「非励磁」が０に対応する。又、演算子Ｂ２等の「ｔｐｕ」は、ここでは非励磁状態から励磁状態になる場合には所定時間後に励磁状態となるが、励磁状態から非励磁状態になる場合には直ちに非励磁状態となるものとしているところ、後者の場合にも当該所定時間あるいはこれと異なる特定時間後に動作するようにしても良い。更に、条件を構成する条件要素や演算子につき、省略したり、追加したり、同様のものに差し替えたり、参照する調節ダンパ５２の開度について全開ではなく所定値以上の場合としたり、他のダンパの開度を参照し当該開度（開閉状況）に応じて変化するものとしたり、これらを組み合わせたりすることができ、以下同様である。
【００３１】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー保護ダンパ５８を全開し、コンプレッサー保護ダクト３２へ排気の流入を許して、排気（の一部）を（機械室２の）外部へ導く。即ち、ヒートポンプ６が運転中でなく（条件要素Ａ４・演算子Ｂ３）、又は（演算子Ｂ４）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下でなく（条件要素Ａ５・演算子Ｂ５）、又は（演算子Ｂ４）、調節ダンパ５２の開度が全開でなく（条件要素Ａ６・演算子Ｂ６）、又は（演算子Ｂ４）、コンプレッサー４が故障している（条件要素Ａ７）場合である。
【００３２】
なお、演算子Ｂ７，Ｂ８は、異常時等において、排気熱が外部に逃がされる点でコンプレッサー４等にとって安全側である全開状態になるように、全閉となる条件を厳しくするものである。又、機器運転中の把握は、機器からの運転信号を受信することで行ったり、機器全体あるいは部品の電源投入を検知して行ったり、出力を検知して行ったり、これらを組み合わせたりすることができる。更に、機器故障は、コンプレッサー４の制御手段が報知する故障信号を受信することで把握したり、全体あるいは部品の電源断や出力断を検知して把握したり、これらを組み合わせたりすることができる。
【００３３】
図３は、前記制御手段によるコンプレッサー入口冷却ダンパ６４の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を全開し、室内返戻ダクト３８へヒートポンプ６の排気を導入して、機械室２へ排気を導く。即ち、コンプレッサー４運転開始後（条件要素Ｃ１）所定時間経過し（演算子Ｄ１）、且つ（演算子Ｄ２）、ヒートポンプ６運転開始後（条件要素Ｃ２）特定時間経過し（演算子Ｄ３）、且つ（演算子Ｄ２）、機械室温度Ｔ１（条件要素Ｃ３）とヒートポンプ出口温度Ｔ４（条件要素Ｃ４）につき前者が後者を上回っている（条件要素Ｃ５）場合である。
【００３４】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を全閉し、室内返戻ダクト３８への排気の流入を阻止して、ヒートポンプ排気ダクト３４における排気の全量の流れを維持する。即ち、コンプレッサー４が運転中でない場合である（条件要素Ｃ１・演算子Ｄ４）。なお、演算子Ｄ５〜Ｄ８は、排気を全て室外へ出すという点でヒートポンプ６あるいはコンプレッサー４等にとってより安全である全閉側で条件を比較的に緩く、逆に全開側で条件を比較的に厳しくするものである。
【００３５】
図４は、前記制御手段による調節ダンパ５２の制御図である。前記制御手段は、ヒートポンプ６に導入される排気の温度であるヒートポンプ入口温度Ｔ３等の関数ｚ＝ｆ（ｘ）により導出された開度ｚとなるように調節ダンパ５２を作動させ、あるいは全閉状態とする。
【００３６】
即ち、前記制御手段は、予め設定されるヒートポンプ入口温度設定値（条件要素Ｅ２）から、測定されたヒートポンプ入口温度Ｔ３（条件要素Ｅ１）を減算し（条件要素Ｅ３）、関数ｚ＝ｆ（ｘ）における変数の一具体値ｘとして条件要素Ｅ４へ入力し、これを適宜（所定間隔毎等で）繰り返す。
【００３７】
なお、ヒートポンプ入口温度設定値は、本形態では３５℃とする。又、関数ｚ＝ｆ（ｘ）は、ｘとｚが一対一であれば任意のものでよいが、ここではダクト内温度（ヒートポンプ入口温度Ｔ３）を３５℃プラスマイナス５℃の範囲に収められるように帰納的に（事前のテストで決定した）定めたものを用いる。例えば、３５℃マイナス５℃の３０℃未満であると開度ｚを最大とし、３０℃以上４０℃（３５℃プラス５℃）以下で開度ｚを徐々に絞り、４０℃を超えると開度ｚを０とする。
【００３８】
一方、前記制御手段は、ヒートポンプ６の運転開始後（条件要素Ｅ５）所定時間経過（演算子Ｆ１）したときにｙを０から１とし、条件要素Ｅ４における関数ｚ＝ｆ（ｘ）からの開度ｚの導出を許す。他方、前記制御手段は、ヒートポンプ６の運転停止後（条件要素Ｅ５不成立）直ちにｙを１から０とし、条件要素Ｅ４において開度ｚを０として、調節ダンパ５２を全閉状態とする。なお、演算子Ｆ１は、励磁状態から無励磁状態になる場合は直ちに動作する。
【００３９】
他方、前記制御手段は、機械室温度Ｔ１が３５℃以上であると（条件要素Ｅ６）、調節ダンパ５２を全閉する。なお、演算子Ｆ１，Ｆ２は、条件要素Ｅ４における前記ｙと同様、安全側である全閉状態に比較的になり易いようにする目的で設定されている。
【００４０】
≪動作等・冬季等≫
このような排熱相互利用システム１の動作例につき、主に季節（外気温）毎に説明する。なお、外気温等に応じて短期（数時間毎等）で動作態様を変えても良い。
【００４１】
外気温が低い冬季等の場合（外気温度５℃・相対湿度５０％）、換気口８から５．０℃の空気が５７．６ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４の取込口１４から５．０℃の空気が２２．９ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から２８．３℃・６９．０ｋＷの排気が出される。
【００４２】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足（成立）により閉じており、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３５℃マイナス５℃の３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。従って、２８．３℃・６９．０ｋＷの排気がそのままヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの５．０℃・３４．７ｋＷの空気と混合され、１４．３℃・１０３．７ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００４３】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、６．２℃・６３．７ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００４４】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の非充足により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００４５】
≪動作等・中間季等１≫
外気温が比較的に低い中間季等の場合（外気温度１５℃）、換気口８から１５．０℃の空気が１３３．６ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４の取込口１４から１５．０℃の空気が５３．１ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から３８．９℃・９９．２ｋＷの排気が出される。
【００４６】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足により閉じており、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。従って、３８．９℃・９９．２ｋＷの排気がそのまま分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの１５．０℃・８０．５ｋＷの空気と混合され、２４．５℃・１７９．７ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００４７】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、１６．３℃・１３９．７ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００４８】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００４９】
≪動作等・中間季等２≫
外気温が比較的に高い中間季等の場合（外気温度２５℃）、換気口８から２５．０℃の空気が２２７．１ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に２５．０℃の空気が９０．５ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から５０．０℃・１３６．６ｋＷの排気が出される。
【００５０】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足により閉じており、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度大となっている。従って、５０．０℃・１３６．６ｋＷの排気が分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの２５．０℃・１３６．６ｋＷの空気と混合され、３４．９℃・２７３．２ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００５１】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．１℃・２３３．２ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００５２】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００５３】
≪動作等・夏季起動時等≫
外気温が高い夏季等における起動時の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が１３９．０ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に３５．０℃の空気が１３９．０ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から６０．４℃・１８５．１ｋＷの排気が出される。
【００５４】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、主に条件要素Ａ６・演算子Ｂ６により開いており、調節ダンパ５２は、主に条件要素Ｅ６の成立により開度０となっている。従って、６０．４℃・１８５．１ｋＷの排気は、そのままコンプレッサー保護ダクト３２を通じて排出される。
【００５５】
一方、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６から３５．０・３６０．１ｋＷの機械室２内の空気が取り込まれ、当該空気は熱交換器２１を通過して媒体を暖めることで冷却され、２６．４℃・３２０．１ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００５６】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのまま室内返戻ダクト３８を通じて（全量）機械室２内に戻され、機械室２内温度を下げて、コンプレッサー４の吸い込み空気温度を低下させる。
【００５７】
≪動作等・夏季定常時等≫
外気温が高い夏季等における定常運転時の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が１７．５ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に２６．４℃の空気が１２６．６ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から５１．４℃・１７２．７ｋＷの排気が出される。
【００５８】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、主に条件要素Ａ６・演算子Ｂ６により開いており、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により中程度の開度ｚとなっている。従って、コンプレッサー保護ダクト３２には、５１．４℃・２３．６ｋＷである排気の一部が振り分けられ、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４に対しては、５１．４℃・１５０．７ｋＷである排気の一部が導かれる。
【００５９】
５１．４℃・１５０．７ｋＷの排気は、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの２６．４℃・２０９．７ｋＷの空気と混合し、３５℃・３６０．４ｋＷの排気となってヒートポンプ６に導入され、当該排気は熱交換器２１を通過して媒体を暖めることで冷却され、２６．４℃・３２０．４ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００６０】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのまま室内返戻ダクト３８を通じて（全量）機械室２内に戻され、機械室２内温度を外気温より低い状態に維持して、コンプレッサー４の吸い込み空気温度を低くさせる。
【００６１】
≪作用効果等≫
以上の排熱相互利用システム１では、吸込口２０の温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプ６と、取込口１４の温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるコンプレッサー４と、コンプレッサー４の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、ヒートポンプ６へ導く連結ダクト３０と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態でヒートポンプ６に吸い込まれるように調節する調節ダンパ５２と、ヒートポンプ６の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、コンプレッサー４へ導く室内返戻ダクト３８等と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態でコンプレッサー４に吸い込まれるように調節するコンプレッサー入口冷却ダンパ６４と、を備えている。
【００６２】
このような排熱相互利用システム１における作用効果を具体的に論ずる前提として、ヒートポンプ６及びコンプレッサー４のそれぞれにおける、吸込空気温度と消費電力との関係に言及する。
【００６３】
まずヒートポンプ６であるが、図５（ａ）において温水Ｖの温度が６０〜７０℃の場合における概念的なグラフとして示すように、最下の折線で表される消費電力は、何れの入水温度（給水Ｓの水温）においても、どのような吸込空気温度でも１５ｋＷ程度でさほど変わらず、吸込空気温度１５℃以上ではむしろ若干少なくなっている。又、上３本の折線で３種の入水温度で表される能力は、吸込空気温度が１５℃程度を下回ると、吸込空気温度が下がる程に悪化する一方、１５℃程度を超えると、ほぼ横ばいとなる。従って、運転可能である範囲（上限４０℃）を超えない限度内で、吸込空気温度が高い方が、消費電力が少ない状態で所望の水温の給湯が可能となり、効率が良好となる。
【００６４】
次にコンプレッサー４であるが、図５（ｂ）において模式的なグラフとして示すように、その動力比は吸込空気温度が高くなるほど多くなり、従って、その消費電力は吸込空気温度が低くなるほど少なくなり、効率は吸込空気温度が低くなるほど良くなる。なお、空冷装置も、このようなコンプレッサー４と同様の特性を備える。
【００６５】
これらのように、（室温程度の）空気吸込温度に対する消費電力等が逆の特性を持つ複数の機器において、吸込空気温度が高いと消費電力が少なくなる機器に対し、吸込空気温度が低いと消費電力が少なくなる機器の排気を吸わせ、後者の機器に対し、前者の機器の排気を（室温より低い場合に）吸わせると、互いに消費電力が抑制され、互いに省エネルギーとなり、互いに環境性能も良好となる。
【００６６】
具体的には、図６の表に示すように、屋外設置の同様な能力を有する給湯用ヒートポンプの場合（比較例）との対比において、「第１形態」の欄に示されるような省エネルギー性（省エネ性）等となる。なお、省エネ性等の算出に際し、１日２４時間で３６５日運用した場合を想定し、機械室２内温度は機器放熱により外気温より５℃高いこととし、静岡地方の気象データに基づいたある１年間における１時間毎の外気温度と、図５（ａ）の１７℃入水温度時の性能曲線の近似式と、図５（ｂ）を用いている。又、比較例における給湯用ヒートポンプの熱負荷は、５６ｋＷ×２４時間×３６５日で４９０５６０ｋＷｈである。
【００６７】
即ち、ヒートポンプ６の消費電力は、比較例の１４２６１７ｋＷｈ（キロワット時）に対し、１２０７４１ｋＷｈに低減され、コンプレッサー４の消費電力も、室温のままで使用する場合に比べて、１４４０ｋＷ省ける。すると、本形態では、比較例に対し合わせて２３３１５ｋＷのエネルギーを節約することができ、比較例の使用エネルギーの１６％ものエネルギーを節約することができる。
【００６８】
又、冬デマンドを考慮した一般的な料金体系において電気代に換算すると、比較例の１９４３３５７円に対し、本形態では１５５４２６０円となり、比較例に対して３８９０９６円・２０％の節約となる。なお、冬デマンド考慮とは、ヒートポンプ駆動により冬季に１時間当たりの最大電力が発生して、契約電力を押し上げ、基本料金が上がる影響を考慮していることであり、ここでは１８ｋＷである。
【００６９】
そして、本形態において排出する二酸化炭素（炭酸ガス・ＣＯ２）は、比較例の５９４７１ｋｇ−ＣＯ２に比べ、４９７４９ｋｇ−ＣＯ２となり、９７２２ｋｇ−ＣＯ２の炭酸ガスを削減することができ、１６％もの炭酸ガスを削減することができる。
【００７０】
［第２形態］
≪構成等≫
図７は第２形態に係る排熱相互利用システム１０１の模式図であって、排熱相互利用システム１０１は、以下に説明する構成要素以外は第１形態と同様である。なお、同様の構成要素には同じ符号を付して適宜説明を省略する。又、変更例も第１形態のものを適用することができる。
【００７１】
排熱相互利用システム１０１は、コンプレッサー４を３台有しており、各排気を連結ダクト３０へ導く小ダクト１０２が３本配置されている。又、コンプレッサー保護ダクト３２（接続部５０）におけるコンプレッサー保護ダンパ５８は省略されている。更に、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６（分岐部５４）には、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６への機械室２内の空気の流入を開閉により許否するヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４（第４調節手段）が配置されている。ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、コンプレッサー排気温度Ｔ２（３台のコンプレッサー４の排気が全て集まったものの気温）と関連付けられている。なお、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４とコンプレッサー保護ダンパ５８を併用しても良い。
【００７２】
図８は、前記制御手段によるヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４を全閉し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６への空気の流入を阻止して、連結ダクト３０における排気の流れをそのままに保持する。即ち、コンプレッサー排気温度Ｔ２が４０℃以下であり（条件要素Ｇ１）、且つ（演算子Ｈ１）、ヒートポンプ６が運転を開始していて（条件要素Ｇ２）所定時間経過しており（演算子Ｈ２）、且つ（演算子Ｈ１）、コンプレッサー４が運転を開始していて（条件要素Ｇ３）所定時間経過しており（演算子Ｈ３）、且つ（演算子Ｈ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下であり（条件要素Ｇ４）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３を調節する調節ダンパ５２の開度が全開である（条件要素Ｇ５）場合である。
【００７３】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４を全開し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６に対する空気の流入を許して、空気を連結ダクト３０の分岐部５４へ導いて、適宜排気へ混入する。即ち、ヒートポンプ６が運転中でなく（条件Ｇ２・演算子Ｈ４）、又は（演算子Ｈ５）、コンプレッサー４が運転中でなく（条件Ｇ３・演算子Ｈ６）、又は（演算子Ｈ５）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下でなく（条件Ｇ４・演算子Ｈ７）、又は（演算子Ｈ５）、調節ダンパ５２の開度が全開でない（条件Ｇ５・演算子Ｈ８）場合である。なお、演算子Ｈ９，Ｈ１０は、異常時等において、空気をヒートポンプ６の吸込口２０へ導入できる点でヒートポンプ６等にとって安全側である全開状態になるように、全閉となる条件を厳しくするものである。
【００７４】
≪動作等・冬季等≫
このような排熱相互利用システム１０１の動作例につき、主に季節（外気温）毎に説明する。
【００７５】
外気温が低い冬季等の場合（外気温度５℃）、換気口８から５．０℃の空気が６８．７ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から５．０℃の空気がそれぞれ２２．９ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、各小ダクト１０２を介して連結ダクト３０に各排気が集合し、２８．３℃・２０７．０ｋＷの排気となる。
【００７６】
このとき、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ１〜Ｇ５の充足により閉じている。更に、ヒートポンプ６のファンの風量に応じ、吸込みに必要な風量が吸込口２０へ向かい、残余はコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。従って、２８．３℃・２０７．０ｋＷの排気の内、同温で１６５．６ｋＷのものが吸込口２０へ向かい、同温で４１．４ｋＷのものがコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００７７】
吸込口２０に達した排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２０．０℃・１２５．６ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００７８】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００７９】
≪動作等・中間季等≫
外気温が中程度である中間季等の場合（外気温度１５℃）、換気口８から１５．０℃の空気が１２９．３ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から１５．０℃の空気がそれぞれ５３．１ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、連結ダクト３０に各排気が集合し、３８．９℃・２９７．６ｋＷの排気となる。
【００８０】
このとき、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度ｚが中程度となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ５の不成立により開いている。更に、調節ダンパ５２の開度ｚに応じた風量がヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の分岐部５４へ向かい、残余はコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。従って、３８．９℃・２００．８ｋＷの排気が分岐部５４へ向かい、同温で６２．３ｋＷの排気がコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００８１】
分岐部５４への排気は、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４からの１５．０℃・２１．３ｋＷの空気と混合し（当該空気の流入量はヒートポンプ６のファン風量から分岐部５４への排気の量を減じたものに相当する）、３５．０℃・２２２．１ｋＷの排気となって吸込口２０に至り、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．４℃・１８２．１ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００８２】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００８３】
≪動作等・夏季等≫
外気温が高い夏季等の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が２１．５ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から２６．４℃の空気がそれぞれ１２６．６ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、連結ダクト３０に各排気が集合し、５１．４℃・５１８．１ｋＷの排気となる。
【００８４】
このとき、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度ｚが小程度となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ５の不成立により開いている。更に、連結ダクト３０内の排気は、調節ダンパ５２の開度ｚに応じた量において、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の分岐部５４へ向かうものと、コンプレッサー保護ダクト３２へ向かうものとに振り分けられる。即ち、５１．４℃・１５０．７ｋＷの排気が分岐部５４へ向かい、同温で４０１．５ｋＷの排気がコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００８５】
分岐部５４への排気は、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４からの２６．４℃・２０９．７ｋＷの空気と混合し、３５．０℃・３６０．４ｋＷの排気となって吸込口２０に至り、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．４℃・３２０．４ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００８６】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、室内返戻ダクト３８の開口６２を通じて、機械室２内へ返される。このような冷却された排気の返還により、コンプレッサー４の取込口１４やヒートポンプ入口冷却ダクト３６から取り込まれる空気の温度（２６．４℃）を、外気温（３５．０℃）より低くすることができる。
【００８７】
≪作用効果等≫
以上の排熱相互利用システム１０１における作用効果は、前述したヒートポンプ６及びコンプレッサー４の特性から、図６の「第２形態」の欄に示されるような省エネルギー性等となる。
【００８８】
即ち、ヒートポンプ６の消費電力は、比較例の１４２６１７ｋＷｈ（キロワット時）に対し、１１４７７４ｋＷｈに低減され、コンプレッサー４の消費電力も、室温のままで使用する場合に比べて、４３１９ｋＷ省ける。すると、本形態では、比較例に対し合わせて３２１６２ｋＷのエネルギーを節約することができ、比較例の使用エネルギーに対し２３％ものエネルギーを節約することができる。
【００８９】
又、冬デマンドを考慮した一般的な料金体系において電気代に換算すると、比較例の１９４３３５７円に対し、本形態では１４０２１０１円となり、比較例に対して５４１２５６円・２８％の節約となる。
【００９０】
そして、本形態において排出する二酸化炭素（炭酸ガス・ＣＯ２）は、比較例の５９４７１ｋｇ−ＣＯ２に比べ、４６０６０ｋｇ−ＣＯ２となり、１３４１１ｋｇ−ＣＯ２の炭酸ガスを削減することができ、２３％もの炭酸ガスを削減することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１，１０１ 排熱相互利用システム
４ （エア）コンプレッサー
６ ヒートポンプ
１４ 取込口（第２吸込温度）
２０ 吸込口（第１吸込温度）
３０ 連結ダクト（第１排気路）
３２ コンプレッサー保護ダクト（第１室外排気路）
３４ ヒートポンプ排気ダクト（第２室外排気路）
３８ 室内返戻ダクト（第２排気路の一部）
５２ 調節ダンパ（第１調節手段）
５８ コンプレッサー保護ダンパ（第３調節手段）
６４ コンプレッサー入口冷却ダンパ（第２調節手段）
１０４ ヒートポンプ入口冷却ダンパ（第４調節手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エアコンプレッサー（空気圧縮機）及び／又は空冷装置の排熱とヒートポンプの排熱を互いに利用し合うことで、省エネルギー化等を図ることのできる排熱相互利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エアコンプレッサーに関する省エネルギーシステムとして、下記特許文献１に記載のものが知られている。このシステムは、水冷式ヒートポンプの冷水をエアハンドリングユニットの冷熱源として用いて機械室を冷却してエアコンプレッサーの効率を向上させると共に圧縮空気冷却除湿塔の冷熱源としても用い、更に水冷式ヒートポンプの温水を圧縮空気加熱塔の温熱源として用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このシステムでは、エアコンプレッサーについてはヒートポンプの熱の利用が考慮されているが、ヒートポンプについてはエアコンプレッサーの熱の利用が特段考慮されておらず、省エネルギー性の向上の余地がある。又、ヒートポンプ等の要素が年間を通じて同じ配置であるため、外気温等の環境条件の差異により省エネルギー性に差が生じ、季節によってはさほど省エネルギーにならない場合もある。
【０００５】
そこで、請求項１に記載の発明は、エアコンプレッサー及び／又は空冷装置の排熱並びにヒートポンプの排熱を相互に利用することが可能であり、季節を問わず年間を通じて、安定した性能を確保しつつ、エネルギー効率を極めて良好な状態とすることができる排熱相互利用システムを提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するため、第１吸込温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプと、第２吸込温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるエアコンプレッサー及び／又は空冷装置と、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記ヒートポンプへ導く第１排気路と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、前記ヒートポンプの排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置へ導く第２排気路と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態で前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置に吸い込まれるように調節する第２調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００７】
なお、通常室温とは、ヒートポンプの排気等を混合しない場合の機械室等の気温である。通常室温に関しては、室内等に配置された各種機器等の排熱による温度上昇を含めて考えても良い。又、通常室温につき、適宜、（現在）室温や外気温等に拡張して考えても良い。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、上記目的に加え、更にヒートポンプをエアコンプレッサーの排気により加熱し過ぎる（ヒートポンプに対する吸込温度が効率悪化あるいは故障に至る特定温度以上となる）事態を防止してヒートポンプ等を保護可能とする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第１室外排気路と、当該第１室外排気路への排気の流入量を調節する第３調節手段と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、上記目的に加え、ヒートポンプにおける吸込温度をより一層適切なものとする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気に対する空気の混合量を調節する第４調節手段を備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、上記目的に加え、エアコンプレッサーにおける吸込温度が下げられない場合にヒートポンプの排気を排出して、エアコンプレッサーの吸込温度の調整をより一層適切なものとする目的を達成するため、上記発明において、更に、前記ヒートポンプの排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第２室外排気路を備えていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、上記目的に加え、簡便に各種排気等の熱量を調節する目的を達成するため、上記発明において、前記第１調節手段、第２調節手段、第３調節手段、第４調節手段の内の少なくとも何れかがダンパであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エアコンプレッサーの排気等を、通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、ヒートポンプの排気等を、通常室温を下回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第２調節手段とを具備している。従って、エアコンプレッサーや空冷装置とヒートポンプについて相互に効率を良好化することが可能となり、季節を問わず年間を通じて、安定した性能を確保しつつ、省エネルギー性を極めて良好なものとすることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１形態に係る排熱相互利用システムの模式図である。
【図２】図１の排熱相互利用システムにおけるコンプレッサー保護ダンパ（第３調節手段）の制御図である。
【図３】図１の排熱相互利用システムにおけるコンプレッサー入口冷却ダンパ（第２調節手段）の制御図である。
【図４】図１の排熱相互利用システムにおける調節ダンパ（第１調節手段）の制御図である。
【図５】図１の排熱相互利用システムにおける（ａ）ヒートポンプ，（ｂ）エアコンプレッサーの、吸込温度毎の消費電力等を示すグラフである。
【図６】比較例と本発明の各形態における消費エネルギー等を示す表である。
【図７】本発明の第２形態に係る排熱相互利用システムの模式図である。
【図８】図７の排熱相互利用システムにおけるヒートポンプ入口冷却ダンパ（第４調節手段）の制御図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態の例につき、適宜図面に基づいて説明する。なお、当該形態は、下記の例に限定されない。
【００１５】
［第１形態］
≪外的構成等≫
図１は第１形態に係るエアコンプレッサー（コンプレッサー）４とヒートポンプ６の排熱相互利用システム１の模式図であって、排熱相互利用システム１は、工場等における機械室２内において、コンプレッサー４、及びヒートポンプ６を有している。排熱相互利用システム１は、図示しない制御手段（例えばコンピュータ）により制御される。当該制御手段とコンプレッサー４及びヒートポンプ６とは、それぞれ電気的に接続されている。
【００１６】
又、機械室２の外壁には、換気口８が設置されており、機械室２の内外において通気可能とされており、機械室２内部の空気につき外気と交換可能、即ち機械室２につき換気可能とされている。機械室２は、どのような形式・大きさ等でも良く、例えば広大な工場内やその一部（片隅）であっても良いし、建物内の一区画あるいは一室であっても良い。なお、コンプレッサー４は、消防に関する規制により、給湯用等のガスボイラーと別部屋に設置されることが多いが、ヒートポンプ６であれば、コンプレッサー４と同部屋に配置することができる。
【００１７】
コンプレッサー４は、電動機１０により駆動される圧縮機１２が、空気（エア）を取込口１４（第２吸込口）から取り込んで圧縮することで、圧縮空気Ｐを生成するものである。圧縮空気Ｐは、例えば工場における圧縮空気Ｐの配管を通じ、圧縮空気Ｐの吹き付けが必要な箇所等に配給される。コンプレッサー４の周囲（機械室２内）には、コンプレッサー４の取込口１４に係る空気の温度、換言すれば機械室２内の室温（気温）を検知可能である機械室温度センサＴ１が配置されている。機械室温度センサＴ１は、前記制御手段に対し電気的に接続されている（以下各種センサや各種ダンパについて同様）。なお、各種センサにより検知される温度について、センサと同符号で示す。又、圧縮空気を供給するコンプレッサー４について、これに代えて、あるいはこれと共に、生産プロセスにおける各種空冷装置（例えば金属等のワークを熱処理した後でワークの空冷を冷風の供給により行う装置や、食品殺菌後の空冷を行う装置等）を用いても良い。
【００１８】
ヒートポンプ６は、吸込口２０（第１吸込口）から吸い込んだ空気から熱をくみ上げる熱交換器２１と、電動機２２により駆動される圧縮機２３と、給水Ｓ（供給される水）と熱交換を行って温水を供給する給湯用熱交換器２４を、閉じた媒体配管２６において有するものである。なお、これらにおいて、ヒートポンプサイクルが実行される。
【００１９】
熱交換器２１は、空気と媒体とで熱交換をし、媒体配管２６内の媒体を加熱する。圧縮機２３は、加熱された媒体配管２６内の媒体を断熱圧縮して、給湯用熱交換器２４へ送る。給湯用熱交換器２４は、媒体と水とで熱交換をして、給水Ｓを加熱し、これより温度の高い温水Ｖを生成する。給水Ｓないし温水Ｖは水配管２８内を移送され、給水Ｓの量（熱量）は、ポンプ２９等の調整手段により調整される。なお、ヒートポンプ６について、温水Ｖを供給するヒートポンプ式給湯器に代えて、又はこれと共に、ヒートポンプ式空調機等の他の形式のヒートポンプを採用することができる。
【００２０】
なお、本形態では、コンプレッサー４の発熱量が４６．１ｋＷであり、ヒートポンプ６の給湯能力が５６ｋＷであるとするが、当然この値に限定されることはなく、他の数値等も同様である。又、ファン定格風量は、ヒートポンプ６加熱用で毎分２４０立方メートル、コンプレッサー４冷却用で毎分１００立方メートルとする。更に、ヒートポンプ６の運転可能な吸込空気温度の範囲は、下限−１５℃、上限４０℃とする。
【００２１】
そして、コンプレッサー４とヒートポンプ６の間には、連結ダクト３０が配置されており、更に、連結ダクト３０のコンプレッサー４側と機械室２の外とを結ぶコンプレッサー保護ダクト３２が配置されていると共に、連結ダクト３０のヒートポンプ６側と機械室２の外とを結ぶヒートポンプ排気ダクト３４が配置されている。加えて、連結ダクト３０の途中に、（短い）ヒートポンプ入口冷却ダクト３６が接続されている。又、ヒートポンプ排気ダクト３４の途中（機械室２内の部分）に、（短い）室内返戻ダクト３８が接続されている。なお、ダクトの配置・大きさ・断面形状・区分等につき、様々に変更することができる。
【００２２】
連結ダクト３０は、コンプレッサー４の排気口４０、及びヒートポンプ６の吸込口２０（内の熱交換器２１）に接続されており、コンプレッサー４の（室温より高い温）排気を、熱交換器２１へ案内可能である。なお、排気口４０には、排気を送り出すためのファンが設置されている。
【００２３】
又、連結ダクト３０は、他のダクトとの各種接続部（分岐部）や、ダクト内温度（気温）を検知する各種温度センサ、ないしコンプレッサー４の排気（ダクト内の空気）の方向や流量を調整可能な各種ダンパを備えている。これらは、コンプレッサー４側から順に、排気口４０に係る排気温を測定可能なコンプレッサー排気温度センサＴ２、コンプレッサー保護ダクト３２との接続部５０、ヒートポンプ６への排気の風量を連続的に調節することで、ヒートポンプ６の入口空気温度（熱交換器２１手前における排気の温度）を調節する調節ダンパ５２、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４、ヒートポンプ６の入口空気温度を検知可能なヒートポンプ入口温度センサＴ３である。なお、調節ダンパ５２につき、風量を段階的に調節するものとして良い。
【００２４】
コンプレッサー保護ダクト３２は、前記接続部５０から機械室２外部にかけて延ばされており、連結ダクト３０からの排気について自身へ受け入れるか否かを切替可能なコンプレッサー保護ダンパ５８を有している。なお、コンプレッサー保護ダンパ５８につき、コンプレッサー保護ダクト３２に入る風量を、段階的にあるいは連続的に変更するものとして良い。
【００２５】
ヒートポンプ排気ダクト３４は、連結ダクト３０に対しヒートポンプ６内を介して連続するように配置されており、ヒートポンプ６の排気口５９から、機械室２外部にかけて延ばされている。排気口５９には、排気を送り出すためのファンが設置されている。ヒートポンプ排気ダクト３４は、ヒートポンプ６側から順に、当該ファンの外側（排気口５９外側）における気温であるヒートポンプ出口温度を測定可能なヒートポンプ出口温度センサＴ４、排気を機械室２内（コンプレッサー４の取込口１４）へ戻す室内返戻ダクト３８との接続部６０を備えている。
【００２６】
ヒートポンプ６の熱交換器２１を通過する排気は、適宜熱交換により媒体配管２６内の媒体を加熱し、これにより自身が冷却される。熱交換器２１は、媒体を循環させる媒体配管２６において、給湯用熱交換器２４より下流（圧縮機２３より上流）に配置され、給水Ｓとの熱交換により熱を奪われて冷却された媒体を適宜加熱する。適宜加熱された媒体は、圧縮機２３に達し、断熱圧縮されて給湯用熱交換器２４に入る。
【００２７】
室内返戻ダクト３８は、前記接続部６０から、機械室２内の開口６２までに亘っており、その内部に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を有している。コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、ヒートポンプ排気ダクト３４からの排気について自身へ受け入れるか否か（オンオフ）を切替可能である。なお、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４につき、室内返戻ダクト３８に入る風量を、段階的にあるいは連続的に変更するものとして良い。
【００２８】
なお、連結ダクト３０が第１排気路に相当し、ヒートポンプ排気ダクト３４の接続部６０までと、室内返戻ダクト３８と、機械室２内の開口６２からコンプレッサー４の取込口１４までとが、第２排気路に相当する。又、調節ダンパ５２が第１調節手段に相当し、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４が第２調節手段に相当し、コンプレッサー保護ダンパ５８が第３調節手段に相当する。更に、コンプレッサー保護ダクト３２が第１室外排気路に相当し、ヒートポンプ排気ダクト３４が第２室外排気路に相当する。
【００２９】
≪内的構成等≫
図２は、前記制御手段によるコンプレッサー保護ダンパ５８の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー保護ダンパ５８を全閉し、コンプレッサー保護ダクト３２への排気の流入を阻止して、連結ダクト３０へ排気を導く。即ち、コンプレッサー排気温度Ｔ２（条件要素Ａ１）が、機械室温度Ｔ１（条件要素Ａ２）から所定値（ここでは２５℃）を加えた温度以下であり（条件要素Ａ３）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ６が運転を開始していて（条件要素Ａ４）、所定時間経過しており（演算子Ｂ２）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下であり（条件要素Ａ５）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３を調節する調節ダンパ５２の開度が全開である（条件要素Ａ６）場合である。
【００３０】
なお、「励磁」が１に対応し、「非励磁」が０に対応する。又、演算子Ｂ２等の「ｔｐｕ」は、ここでは非励磁状態から励磁状態になる場合には所定時間後に励磁状態となるが、励磁状態から非励磁状態になる場合には直ちに非励磁状態となるものとしているところ、後者の場合にも当該所定時間あるいはこれと異なる特定時間後に動作するようにしても良い。更に、条件を構成する条件要素や演算子につき、省略したり、追加したり、同様のものに差し替えたり、参照する調節ダンパ５２の開度について全開ではなく所定値以上の場合としたり、他のダンパの開度を参照し当該開度（開閉状況）に応じて変化するものとしたり、これらを組み合わせたりすることができ、以下同様である。
【００３１】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー保護ダンパ５８を全開し、コンプレッサー保護ダクト３２へ排気の流入を許して、排気（の一部）を（機械室２の）外部へ導く。即ち、ヒートポンプ６が運転中でなく（条件要素Ａ４・演算子Ｂ３）、又は（演算子Ｂ４）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下でなく（条件要素Ａ５・演算子Ｂ５）、又は（演算子Ｂ４）、調節ダンパ５２の開度が全開でなく（条件要素Ａ６・演算子Ｂ６）、又は（演算子Ｂ４）、コンプレッサー４が故障している（条件要素Ａ７）場合である。
【００３２】
なお、演算子Ｂ７，Ｂ８は、異常時等において、排気熱が外部に逃がされる点でコンプレッサー４等にとって安全側である全開状態になるように、全閉となる条件を厳しくするものである。又、機器運転中の把握は、機器からの運転信号を受信することで行ったり、機器全体あるいは部品の電源投入を検知して行ったり、出力を検知して行ったり、これらを組み合わせたりすることができる。更に、機器故障は、コンプレッサー４の制御手段が報知する故障信号を受信することで把握したり、全体あるいは部品の電源断や出力断を検知して把握したり、これらを組み合わせたりすることができる。
【００３３】
図３は、前記制御手段によるコンプレッサー入口冷却ダンパ６４の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を全開し、室内返戻ダクト３８へヒートポンプ６の排気を導入して、機械室２へ排気を導く。即ち、コンプレッサー４運転開始後（条件要素Ｃ１）所定時間経過し（演算子Ｄ１）、且つ（演算子Ｄ２）、ヒートポンプ６運転開始後（条件要素Ｃ２）特定時間経過し（演算子Ｄ３）、且つ（演算子Ｄ２）、機械室温度Ｔ１（条件要素Ｃ３）とヒートポンプ出口温度Ｔ４（条件要素Ｃ４）につき前者が後者を上回っている（条件要素Ｃ５）場合である。
【００３４】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４を全閉し、室内返戻ダクト３８への排気の流入を阻止して、ヒートポンプ排気ダクト３４における排気の全量の流れを維持する。即ち、コンプレッサー４が運転中でない場合である（条件要素Ｃ１・演算子Ｄ４）。なお、演算子Ｄ５〜Ｄ８は、排気を全て室外へ出すという点でヒートポンプ６あるいはコンプレッサー４等にとってより安全である全閉側で条件を比較的に緩く、逆に全開側で条件を比較的に厳しくするものである。
【００３５】
図４は、前記制御手段による調節ダンパ５２の制御図である。前記制御手段は、ヒートポンプ６に導入される排気の温度であるヒートポンプ入口温度Ｔ３等の関数ｚ＝ｆ（ｘ）により導出された開度ｚとなるように調節ダンパ５２を作動させ、あるいは全閉状態とする。
【００３６】
即ち、前記制御手段は、予め設定されるヒートポンプ入口温度設定値（条件要素Ｅ２）から、測定されたヒートポンプ入口温度Ｔ３（条件要素Ｅ１）を減算し（条件要素Ｅ３）、関数ｚ＝ｆ（ｘ）における変数の一具体値ｘとして条件要素Ｅ４へ入力し、これを適宜（所定間隔毎等で）繰り返す。
【００３７】
なお、ヒートポンプ入口温度設定値は、本形態では３５℃とする。又、関数ｚ＝ｆ（ｘ）は、ｘとｚが一対一であれば任意のものでよいが、ここではダクト内温度（ヒートポンプ入口温度Ｔ３）を３５℃プラスマイナス５℃の範囲に収められるように帰納的に（事前のテストで決定した）定めたものを用いる。例えば、３５℃マイナス５℃の３０℃未満であると開度ｚを最大とし、３０℃以上４０℃（３５℃プラス５℃）以下で開度ｚを徐々に絞り、４０℃を超えると開度ｚを０とする。
【００３８】
一方、前記制御手段は、ヒートポンプ６の運転開始後（条件要素Ｅ５）所定時間経過（演算子Ｆ１）したときにｙを０から１とし、条件要素Ｅ４における関数ｚ＝ｆ（ｘ）からの開度ｚの導出を許す。他方、前記制御手段は、ヒートポンプ６の運転停止後（条件要素Ｅ５不成立）直ちにｙを１から０とし、条件要素Ｅ４において開度ｚを０として、調節ダンパ５２を全閉状態とする。なお、演算子Ｆ１は、励磁状態から無励磁状態になる場合は直ちに動作する。
【００３９】
他方、前記制御手段は、機械室温度Ｔ１が３５℃以上であると（条件要素Ｅ６）、調節ダンパ５２を全閉する。なお、演算子Ｆ１，Ｆ２は、条件要素Ｅ４における前記ｙと同様、安全側である全閉状態に比較的になり易いようにする目的で設定されている。
【００４０】
≪動作等・冬季等≫
このような排熱相互利用システム１の動作例につき、主に季節（外気温）毎に説明する。なお、外気温等に応じて短期（数時間毎等）で動作態様を変えても良い。
【００４１】
外気温が低い冬季等の場合（外気温度５℃・相対湿度５０％）、換気口８から５．０℃の空気が５７．６ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４の取込口１４から５．０℃の空気が２２．９ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から２８．３℃・６９．０ｋＷの排気が出される。
【００４２】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足（成立）により閉じており、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３５℃マイナス５℃の３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。従って、２８．３℃・６９．０ｋＷの排気がそのままヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの５．０℃・３４．７ｋＷの空気と混合され、１４．３℃・１０３．７ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００４３】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、６．２℃・６３．７ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００４４】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の非充足により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００４５】
≪動作等・中間季等１≫
外気温が比較的に低い中間季等の場合（外気温度１５℃）、換気口８から１５．０℃の空気が１３３．６ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４の取込口１４から１５．０℃の空気が５３．１ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から３８．９℃・９９．２ｋＷの排気が出される。
【００４６】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足により閉じており、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。従って、３８．９℃・９９．２ｋＷの排気がそのまま分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの１５．０℃・８０．５ｋＷの空気と混合され、２４．５℃・１７９．７ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００４７】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、１６．３℃・１３９．７ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００４８】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００４９】
≪動作等・中間季等２≫
外気温が比較的に高い中間季等の場合（外気温度２５℃）、換気口８から２５．０℃の空気が２２７．１ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に２５．０℃の空気が９０．５ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から５０．０℃・１３６．６ｋＷの排気が出される。
【００５０】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、条件要素Ａ３〜Ａ６の充足により閉じており、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度大となっている。従って、５０．０℃・１３６．６ｋＷの排気が分岐部５４に達し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの２５．０℃・１３６．６ｋＷの空気と混合され、３４．９℃・２７３．２ｋＷの排気となってヒートポンプ６に吸い込まれる。
【００５１】
当該排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．１℃・２３３．２ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００５２】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００５３】
≪動作等・夏季起動時等≫
外気温が高い夏季等における起動時の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が１３９．０ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に３５．０℃の空気が１３９．０ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から６０．４℃・１８５．１ｋＷの排気が出される。
【００５４】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、主に条件要素Ａ６・演算子Ｂ６により開いており、調節ダンパ５２は、主に条件要素Ｅ６の成立により開度０となっている。従って、６０．４℃・１８５．１ｋＷの排気は、そのままコンプレッサー保護ダクト３２を通じて排出される。
【００５５】
一方、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６から３５．０・３６０．１ｋＷの機械室２内の空気が取り込まれ、当該空気は熱交換器２１を通過して媒体を暖めることで冷却され、２６．４℃・３２０．１ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００５６】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのまま室内返戻ダクト３８を通じて（全量）機械室２内に戻され、機械室２内温度を下げて、コンプレッサー４の吸い込み空気温度を低下させる。
【００５７】
≪動作等・夏季定常時等≫
外気温が高い夏季等における定常運転時の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が１７．５ｋＷ分だけ導入され、コンプレッサー４に２６．４℃の空気が１２６．６ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴い４６．１ｋＷの排熱が生じて、排気口４０から５１．４℃・１７２．７ｋＷの排気が出される。
【００５８】
このとき、コンプレッサー保護ダンパ５８は、主に条件要素Ａ６・演算子Ｂ６により開いており、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により中程度の開度ｚとなっている。従って、コンプレッサー保護ダクト３２には、５１．４℃・２３．６ｋＷである排気の一部が振り分けられ、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６との分岐部５４に対しては、５１．４℃・１５０．７ｋＷである排気の一部が導かれる。
【００５９】
５１．４℃・１５０．７ｋＷの排気は、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６からの２６．４℃・２０９．７ｋＷの空気と混合し、３５℃・３６０．４ｋＷの排気となってヒートポンプ６に導入され、当該排気は熱交換器２１を通過して媒体を暖めることで冷却され、２６．４℃・３２０．４ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００６０】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ１，Ｃ２，Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのまま室内返戻ダクト３８を通じて（全量）機械室２内に戻され、機械室２内温度を外気温より低い状態に維持して、コンプレッサー４の吸い込み空気温度を低くさせる。
【００６１】
≪作用効果等≫
以上の排熱相互利用システム１では、吸込口２０の温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプ６と、取込口１４の温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるコンプレッサー４と、コンプレッサー４の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、ヒートポンプ６へ導く連結ダクト３０と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態でヒートポンプ６に吸い込まれるように調節する調節ダンパ５２と、ヒートポンプ６の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、コンプレッサー４へ導く室内返戻ダクト３８等と、当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態でコンプレッサー４に吸い込まれるように調節するコンプレッサー入口冷却ダンパ６４と、を備えている。
【００６２】
このような排熱相互利用システム１における作用効果を具体的に論ずる前提として、ヒートポンプ６及びコンプレッサー４のそれぞれにおける、吸込空気温度と消費電力との関係に言及する。
【００６３】
まずヒートポンプ６であるが、図５（ａ）において温水Ｖの温度が６０〜７０℃の場合における概念的なグラフとして示すように、最下の折線で表される消費電力は、何れの入水温度（給水Ｓの水温）においても、どのような吸込空気温度でも１５ｋＷ程度でさほど変わらず、吸込空気温度１５℃以上ではむしろ若干少なくなっている。又、上３本の折線で３種の入水温度で表される能力は、吸込空気温度が１５℃程度を下回ると、吸込空気温度が下がる程に悪化する一方、１５℃程度を超えると、ほぼ横ばいとなる。従って、運転可能である範囲（上限４０℃）を超えない限度内で、吸込空気温度が高い方が、消費電力が少ない状態で所望の水温の給湯が可能となり、効率が良好となる。
【００６４】
次にコンプレッサー４であるが、図５（ｂ）において模式的なグラフとして示すように、その動力比は吸込空気温度が高くなるほど多くなり、従って、その消費電力は吸込空気温度が低くなるほど少なくなり、効率は吸込空気温度が低くなるほど良くなる。なお、空冷装置も、このようなコンプレッサー４と同様の特性を備える。
【００６５】
これらのように、（室温程度の）空気吸込温度に対する消費電力等が逆の特性を持つ複数の機器において、吸込空気温度が高いと消費電力が少なくなる機器に対し、吸込空気温度が低いと消費電力が少なくなる機器の排気を吸わせ、後者の機器に対し、前者の機器の排気を（室温より低い場合に）吸わせると、互いに消費電力が抑制され、互いに省エネルギーとなり、互いに環境性能も良好となる。
【００６６】
具体的には、図６の表に示すように、屋外設置の同様な能力を有する給湯用ヒートポンプの場合（比較例）との対比において、「第１形態」の欄に示されるような省エネルギー性（省エネ性）等となる。なお、省エネ性等の算出に際し、１日２４時間で３６５日運用した場合を想定し、機械室２内温度は機器放熱により外気温より５℃高いこととし、静岡地方の気象データに基づいたある１年間における１時間毎の外気温度と、図５（ａ）の１７℃入水温度時の性能曲線の近似式と、図５（ｂ）を用いている。又、比較例における給湯用ヒートポンプの熱負荷は、５６ｋＷ×２４時間×３６５日で４９０５６０ｋＷｈである。
【００６７】
即ち、ヒートポンプ６の消費電力は、比較例の１４２６１７ｋＷｈ（キロワット時）に対し、１２０７４１ｋＷｈに低減され、コンプレッサー４の消費電力も、室温のままで使用する場合に比べて、１４４０ｋＷ省ける。すると、本形態では、比較例に対し合わせて２３３１５ｋＷのエネルギーを節約することができ、比較例の使用エネルギーの１６％ものエネルギーを節約することができる。
【００６８】
又、冬デマンドを考慮した一般的な料金体系において電気代に換算すると、比較例の１９４３３５７円に対し、本形態では１５５４２６０円となり、比較例に対して３８９０９６円・２０％の節約となる。なお、冬デマンド考慮とは、ヒートポンプ駆動により冬季に１時間当たりの最大電力が発生して、契約電力を押し上げ、基本料金が上がる影響を考慮していることであり、ここでは１８ｋＷである。
【００６９】
そして、本形態において排出する二酸化炭素（炭酸ガス・ＣＯ２）は、比較例の５９４７１ｋｇ−ＣＯ２に比べ、４９７４９ｋｇ−ＣＯ２となり、９７２２ｋｇ−ＣＯ２の炭酸ガスを削減することができ、１６％もの炭酸ガスを削減することができる。
【００７０】
［第２形態］
≪構成等≫
図７は第２形態に係る排熱相互利用システム１０１の模式図であって、排熱相互利用システム１０１は、以下に説明する構成要素以外は第１形態と同様である。なお、同様の構成要素には同じ符号を付して適宜説明を省略する。又、変更例も第１形態のものを適用することができる。
【００７１】
排熱相互利用システム１０１は、コンプレッサー４を３台有しており、各排気を連結ダクト３０へ導く小ダクト１０２が３本配置されている。又、コンプレッサー保護ダクト３２（接続部５０）におけるコンプレッサー保護ダンパ５８は省略されている。更に、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６（分岐部５４）には、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６への機械室２内の空気の流入を開閉により許否するヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４（第４調節手段）が配置されている。ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、コンプレッサー排気温度Ｔ２（３台のコンプレッサー４の排気が全て集まったものの気温）と関連付けられている。なお、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４とコンプレッサー保護ダンパ５８を併用しても良い。
【００７２】
図８は、前記制御手段によるヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の制御図である。前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４を全閉し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６への空気の流入を阻止して、連結ダクト３０における排気の流れをそのままに保持する。即ち、コンプレッサー排気温度Ｔ２が４０℃以下であり（条件要素Ｇ１）、且つ（演算子Ｈ１）、ヒートポンプ６が運転を開始していて（条件要素Ｇ２）所定時間経過しており（演算子Ｈ２）、且つ（演算子Ｈ１）、コンプレッサー４が運転を開始していて（条件要素Ｇ３）所定時間経過しており（演算子Ｈ３）、且つ（演算子Ｈ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下であり（条件要素Ｇ４）、且つ（演算子Ｂ１）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３を調節する調節ダンパ５２の開度が全開である（条件要素Ｇ５）場合である。
【００７３】
一方、前記制御手段は、次の条件を満たす場合に、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４を全開し、ヒートポンプ入口冷却ダクト３６に対する空気の流入を許して、空気を連結ダクト３０の分岐部５４へ導いて、適宜排気へ混入する。即ち、ヒートポンプ６が運転中でなく（条件Ｇ２・演算子Ｈ４）、又は（演算子Ｈ５）、コンプレッサー４が運転中でなく（条件Ｇ３・演算子Ｈ６）、又は（演算子Ｈ５）、ヒートポンプ入口温度Ｔ３が４０℃以下でなく（条件Ｇ４・演算子Ｈ７）、又は（演算子Ｈ５）、調節ダンパ５２の開度が全開でない（条件Ｇ５・演算子Ｈ８）場合である。なお、演算子Ｈ９，Ｈ１０は、異常時等において、空気をヒートポンプ６の吸込口２０へ導入できる点でヒートポンプ６等にとって安全側である全開状態になるように、全閉となる条件を厳しくするものである。
【００７４】
≪動作等・冬季等≫
このような排熱相互利用システム１０１の動作例につき、主に季節（外気温）毎に説明する。
【００７５】
外気温が低い冬季等の場合（外気温度５℃）、換気口８から５．０℃の空気が６８．７ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から５．０℃の空気がそれぞれ２２．９ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、各小ダクト１０２を介して連結ダクト３０に各排気が集合し、２８．３℃・２０７．０ｋＷの排気となる。
【００７６】
このとき、調節ダンパ５２は、主にヒートポンプ入口温度Ｔ３が３０℃に達していないために、関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度（最）大となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ１〜Ｇ５の充足により閉じている。更に、ヒートポンプ６のファンの風量に応じ、吸込みに必要な風量が吸込口２０へ向かい、残余はコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。従って、２８．３℃・２０７．０ｋＷの排気の内、同温で１６５．６ｋＷのものが吸込口２０へ向かい、同温で４１．４ｋＷのものがコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００７７】
吸込口２０に達した排気は、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２０．０℃・１２５．６ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００７８】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００７９】
≪動作等・中間季等≫
外気温が中程度である中間季等の場合（外気温度１５℃）、換気口８から１５．０℃の空気が１２９．３ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から１５．０℃の空気がそれぞれ５３．１ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、連結ダクト３０に各排気が集合し、３８．９℃・２９７．６ｋＷの排気となる。
【００８０】
このとき、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度ｚが中程度となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ５の不成立により開いている。更に、調節ダンパ５２の開度ｚに応じた風量がヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の分岐部５４へ向かい、残余はコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。従って、３８．９℃・２００．８ｋＷの排気が分岐部５４へ向かい、同温で６２．３ｋＷの排気がコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００８１】
分岐部５４への排気は、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４からの１５．０℃・２１．３ｋＷの空気と混合し（当該空気の流入量はヒートポンプ６のファン風量から分岐部５４への排気の量を減じたものに相当する）、３５．０℃・２２２．１ｋＷの排気となって吸込口２０に至り、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．４℃・１８２．１ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００８２】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の不成立により閉じており、ヒートポンプ６を出た排気は、そのままヒートポンプ排気ダクト３４を通じて、機械室２外へ排出される。
【００８３】
≪動作等・夏季等≫
外気温が高い夏季等の場合（外気温度３５℃）、換気口８から３５．０℃の空気が２１．５ｋＷ分だけ導入され、各コンプレッサー４の取込口１４から２６．４℃の空気がそれぞれ１２６．６ｋＷ分だけ吸い込まれ、圧縮空気Ｐが生成されるのに伴いそれぞれ４６．１ｋＷの排熱が生じる。そして、連結ダクト３０に各排気が集合し、５１．４℃・５１８．１ｋＷの排気となる。
【００８４】
このとき、調節ダンパ５２は、主に関数ｚ＝ｆ（ｘ）により開度ｚが小程度となっている。又、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４は、主に条件要素Ｇ５の不成立により開いている。更に、連結ダクト３０内の排気は、調節ダンパ５２の開度ｚに応じた量において、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４の分岐部５４へ向かうものと、コンプレッサー保護ダクト３２へ向かうものとに振り分けられる。即ち、５１．４℃・１５０．７ｋＷの排気が分岐部５４へ向かい、同温で４０１．５ｋＷの排気がコンプレッサー保護ダクト３２から排出される。
【００８５】
分岐部５４への排気は、ヒートポンプ入口冷却ダンパ１０４からの２６．４℃・２０９．７ｋＷの空気と混合し、３５．０℃・３６０．４ｋＷの排気となって吸込口２０に至り、熱交換器２１を通過して媒体を暖め、２６．４℃・３２０．４ｋＷの排気となって、ヒートポンプ排気ダクト３４を通り、ヒートポンプ６を出る。ヒートポンプ６は、熱交換器２１による４０ｋＷの吸熱と、圧縮機２３による断熱圧縮による１６ｋＷを加算した、５６ｋＷの給湯を行っている。
【００８６】
このとき、コンプレッサー入口冷却ダンパ６４は、主に条件要素Ｃ５の成立により開いており、ヒートポンプ６を出た排気は、室内返戻ダクト３８の開口６２を通じて、機械室２内へ返される。このような冷却された排気の返還により、コンプレッサー４の取込口１４やヒートポンプ入口冷却ダクト３６から取り込まれる空気の温度（２６．４℃）を、外気温（３５．０℃）より低くすることができる。
【００８７】
≪作用効果等≫
以上の排熱相互利用システム１０１における作用効果は、前述したヒートポンプ６及びコンプレッサー４の特性から、図６の「第２形態」の欄に示されるような省エネルギー性等となる。
【００８８】
即ち、ヒートポンプ６の消費電力は、比較例の１４２６１７ｋＷｈ（キロワット時）に対し、１１４７７４ｋＷｈに低減され、コンプレッサー４の消費電力も、室温のままで使用する場合に比べて、４３１９ｋＷ省ける。すると、本形態では、比較例に対し合わせて３２１６２ｋＷのエネルギーを節約することができ、比較例の使用エネルギーに対し２３％ものエネルギーを節約することができる。
【００８９】
又、冬デマンドを考慮した一般的な料金体系において電気代に換算すると、比較例の１９４３３５７円に対し、本形態では１４０２１０１円となり、比較例に対して５４１２５６円・２８％の節約となる。
【００９０】
そして、本形態において排出する二酸化炭素（炭酸ガス・ＣＯ２）は、比較例の５９４７１ｋｇ−ＣＯ２に比べ、４６０６０ｋｇ−ＣＯ２となり、１３４１１ｋｇ−ＣＯ２の炭酸ガスを削減することができ、２３％もの炭酸ガスを削減することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１，１０１ 排熱相互利用システム
４ （エア）コンプレッサー
６ ヒートポンプ
１４ 取込口（第２吸込温度）
２０ 吸込口（第１吸込温度）
３０ 連結ダクト（第１排気路）
３２ コンプレッサー保護ダクト（第１室外排気路）
３４ ヒートポンプ排気ダクト（第２室外排気路）
３８ 室内返戻ダクト（第２排気路の一部）
５２ 調節ダンパ（第１調節手段）
５８ コンプレッサー保護ダンパ（第３調節手段）
６４ コンプレッサー入口冷却ダンパ（第２調節手段）
１０４ ヒートポンプ入口冷却ダンパ（第４調節手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１吸込温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプと、
第２吸込温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるエアコンプレッサー及び／又は空冷装置と、
前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記ヒートポンプへ導く第１排気路と、
当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、
前記ヒートポンプの排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置へ導く第２排気路と、
当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態で前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置に吸い込まれるように調節する第２調節手段と、
を備えていることを特徴とする排熱相互利用システム。
【請求項２】
更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第１室外排気路と、
当該第１室外排気路への排気の流入量を調節する第３調節手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱相互利用システム。
【請求項３】
更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気に対する空気の混合量を調節する第４調節手段
を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排熱相互利用システム。
【請求項４】
更に、前記ヒートポンプの排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第２室外排気路
を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の排熱相互利用システム。
【請求項５】
前記第１調節手段、第２調節手段、第３調節手段、第４調節手段の内の少なくとも何れかがダンパである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の排熱相互利用システム。
【請求項１】
第１吸込温度が、通常室温を上回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるヒートポンプと、
第２吸込温度が、前記通常室温を下回ると、当該通常室温である場合より効率が良好となるエアコンプレッサー及び／又は空冷装置と、
前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記ヒートポンプへ導く第１排気路と、
当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を上回る状態で前記ヒートポンプに吸い込まれるように調節する第１調節手段と、
前記ヒートポンプの排気あるいは当該排気と空気の混合気を、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置へ導く第２排気路と、
当該排気あるいは混合気を、前記通常室温を下回る状態で前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置に吸い込まれるように調節する第２調節手段と、
を備えていることを特徴とする排熱相互利用システム。
【請求項２】
更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第１室外排気路と、
当該第１室外排気路への排気の流入量を調節する第３調節手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の排熱相互利用システム。
【請求項３】
更に、前記エアコンプレッサー及び／又は前記空冷装置の排気に対する空気の混合量を調節する第４調節手段
を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排熱相互利用システム。
【請求項４】
更に、前記ヒートポンプの排気の一部又は全部を室外へ排気可能な第２室外排気路
を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の排熱相互利用システム。
【請求項５】
前記第１調節手段、第２調節手段、第３調節手段、第４調節手段の内の少なくとも何れかがダンパである
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の排熱相互利用システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２０１２２（Ｐ２０１２−２２０１２２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７６０１（Ｐ２０１１−８７６０１）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００２１３２９７）中部電力株式会社 (811)
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