熱供給システム
【課題】エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムを提供する。
【解決手段】
熱供給システムは、複数の圧縮機（２０Ａ−２０Ｈ）、複数の放熱部（３５Ａ−３５Ｈ）、及びタービン（４０）を含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路（３７Ａ−３７Ｈ）を含む第２装置と、を備える。第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である。
【解決手段】
熱供給システムは、複数の圧縮機（２０Ａ−２０Ｈ）、複数の放熱部（３５Ａ−３５Ｈ）、及びタービン（４０）を含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路（３７Ａ−３７Ｈ）を含む第２装置と、を備える。第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱供給システムとしては、ボイラで生成した蒸気の熱を対象物に伝える構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ヒートポンプの媒体の熱を対象物に伝える構成が知られている。ヒートポンプは、サイクル外の熱（低温熱源の熱）を利用することにより、エネルギー利用効率が比較的高いことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２４９４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートポンプにおいて、フロンに代わる作動媒体の一例として、二酸化炭素、水、アンモニア、空気などの自然媒体が挙げられる。
【０００５】
本発明は、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様に従えば、複数の圧縮機、複数の放熱部、及びタービンを含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ前記複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路を含む第２装置と、を備え、前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、熱供給システムが提供される。
【０００７】
本発明の別の態様に従えば、圧縮機、放熱部、及びタービンを含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ前記放熱部に熱的に接続される経路を含む第２装置と、を備え、前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、熱供給システムが提供される。
【０００８】
この熱供給システムによれば、圧縮空気を利用することで、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態を示す概略図である。
【図２】熱供給システムを給湯に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図３】他の一実施形態を示す概略図である。
【図４】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図５】他の一実施形態を示す概略図である。
【図６】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図７】他の一実施形態を示す概略図である。
【図８】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、熱供給システムＳ１を示す概略図である。
【００１１】
図１に示すように、熱供給システムＳ１は、圧縮機２０と、熱交換器３０と、タービン４０と、制御装置５０とを備える。制御装置５０は、システム全体を統括的に制御する。システムＳ１の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００１２】
圧縮機２０、熱交換器３０の高温側経路３５（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０の低温側経路３７（吸熱部）を含む第２装置１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００１３】
第１装置１２において、圧縮機２０の出口と熱交換器３０の経路３５の入口が流体的につながり、経路３５の出口とタービン４０の入口とが流体的につながる。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００１４】
圧縮機２０は、作動流体を圧縮する。この際、作動流体の温度が上がる。圧縮機２０は、単段圧縮構造、又は作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有することができる。圧縮の段数は、熱供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮機２０は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮機２０において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。圧縮機２０の入口には必要に応じてフィルタが配置される。
【００１５】
熱交換器３０の高温側経路３５（放熱部）は、圧縮機２０で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上にできる。
【００１６】
タービン４０は、作動流体を膨張させる。この際、作動流体の温度が下がる。タービン４０を介して動力を取り出す（回収する）ことができる。例えば、その動力を圧縮機２０に供給できる。
【００１７】
第２装置１６において、熱交換器３０の低温側経路３７は、被加熱流体（水、空気など）が流れる導管を含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００１８】
第２装置１６の経路３７は、第１装置１２の経路３５に熱的に接続される。経路３５と経路３７とを含んで熱交換器３０が構成される。熱交換器３０は、高温の流体（第１装置１２内の作動流体）と、低温の流体（第２装置１６内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器３０は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器３０の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路３５の導管と低温側経路３７の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路３５の導管を、低温側経路３７の導管の外周面や内部に配設することができる。追加的又は代替的に、所定の外部装置９５の吸熱管を被加熱流体の出力部に熱的に接続できる。
【００１９】
上記のシステムＳ１において、第１装置１２の圧縮機２０の入口から空気が流入する。圧縮機２０からの高温空気が熱交換器３０の経路３５を流れる。熱交換器３０において、第１装置１２の経路３５の熱が第２装置１６の経路３７に伝わる。経路３７において、第１装置１２の経路（放熱部）３５からの伝達熱によって、導管内の被加熱流体が温度上昇する。温度上昇した流体は、所定の外部装置９５に供給される。追加的又は代替的に、所定の外部装置９５の吸熱管を被加熱流体の出力部に熱的に接続できる。
【００２０】
本実施形態において、第１装置１２における、熱交換器３０からの圧縮空気はタービン４０を流れ、これにより動力が回収される。また、タービン４０から排出される空気は冷気であるので、これを冷熱として利用できる。タービン４０の出力軸と圧縮機２０とを機械的に接続し、圧縮機２０の動力低減を図ることもできる。これらは成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）の向上に有利である。
【００２１】
ここで、空気の密度は比較的小さい。空気を熱源とする場合、伝熱に関係するパラメータであるプラントル数が小さくなり、結果として、熱交換器が大きくなる等の課題がある。以下はプラントル数Ｐｒ、ヌッセルト数Ｎｕを表す式である。
Pr=vρCp/λ
Nu=αi・di/λ :Nu=0.023Re0.8Pr0.4
【００２２】
本実施形態において、熱交換器３０には圧縮された空気が供給される。空気の圧縮に伴い、熱交換器３０において空気の密度が増す。密度の増大は伝熱に有利である。そして、熱交換器３０の小型化に有利である。
【００２３】
また、本実施形態において、第１装置１２の作動媒体として空気を使用することから、脱フロン化が図られる。代替的又は追加的に、第１装置１２の作動媒体として空気以外の自然媒体、例えば、二酸化炭素、水、アンモニアなどを使用できる。
【００２４】
本実施形態において、システムＳ１を給水加熱に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。給水加熱適用の場合、圧縮空気が保有する熱を、比較的低い温度を含む温度範囲にわたり利用できる。
【００２５】
図１に示すシステムＳ１を給湯に利用する場合の試算結果の一例を図２に示す。圧縮機２０の入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００２６】
図２に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが２．２６であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが３．５２であった。
【００２７】
図３は、他の実施形態における熱供給システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００２８】
図３に示すように、熱供給システムＳ２は、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、タービン４０と、制御装置５０とを備える。システムＳ２の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００２９】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置２１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置２１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００３０】
第１装置２１２において、第１圧縮機２０Ａの出口と熱交換器３０Ａの経路３５Ａの入口が流体的につながる。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及び経路３０Ａ−３０Ｈは交互に直列に配置されている。すなわち、第１圧縮機２０Ａ、経路３５Ａ、第２圧縮機２０Ｂ、経路３５Ｂ、第３圧縮機２０Ｃ、経路３５Ｃ、第４圧縮機２０Ｄ、経路３５Ｄ、第５圧縮機２０Ｅ、経路３５Ｅ、第６圧縮機２０Ｆ、経路３５Ｆ、第７圧縮機２０Ｇ、経路３５Ｇ、第８圧縮機２０Ｈ、経路３５Ｇが順に流体的につながる。経路３５Ｇの出口がタービン４０の入口に流体的につながる。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００３１】
本実施形態において、システムＳ２は、８段の圧縮機２０Ａ−２０Ｈを有する。第１装置２１２は、各圧縮機２０Ａ−２０Ｈに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、第１装置２１２は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮機２０Ａ−２０Ｈの圧縮比（圧力比）は、システムＳ２の仕様に応じて設定可能である。圧縮の段数は、８に限定されない。必要に応じて圧縮機２０Ａ（及び圧縮機２０Ｂ−２０Ｈ）の入口には必要に応じて入力空気を清浄するためのフィルタが配置される。
【００３２】
本実施形態において、システムＳ２は、８つの熱交換器３０Ａ−３０Ｈを有する。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）は、圧縮機２０Ａ−２０Ｈで圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、８に限定されない。
【００３３】
第２装置２１６において、熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈは、被加熱流体（水、空気など）が流れる導管を含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００３４】
第２装置２１６の経路３７Ａは、第１装置２１２の経路３５Ｈに熱的に接続される。経路３５Ａと経路３７Ｈとを含んで熱交換器３０Ａが構成される。熱交換器３０Ａは、高温の流体（第１装置２１２内の作動流体）と、低温の流体（第２装置２１６内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器３０Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器３０Ａの熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路３５Ａの導管と低温側経路３７Ｈの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路３５Ａの導管を、低温側経路３７Ｈの導管の外周面や内部に配設することができる。他の熱交換器３０Ｂ−３０Ｈについても同様である。
【００３５】
上記のシステムＳ２において、第１装置２１２の第１圧縮機２０Ａの入口から空気が流入する。圧縮機２０Ａからの高温空気が熱交換器３０Ａの経路３５Ａを流れる。熱交換器３０Ａにおいて、第１装置２１２の経路３５Ａの熱が第２装置２１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置２１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置２１６の経路３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００３６】
本実施形態において、第１装置２１２における、熱交換器３０Ｈからの圧縮空気はタービン４０を流れ、これにより動力が回収される。また、タービン４０から排出される空気は冷気であるので、これを冷熱として利用できる。タービン４０の出力軸と圧縮機２０とを機械的に接続し、圧縮機２０の動力低減を図ることもできる。これらは成績係数（ＣＯＰ）の向上に有利である。
【００３７】
また、本実施形態において、各熱交換器３０Ａ−３０Ｈには圧縮された空気が供給される。空気の圧縮に伴い、各熱交換器３０Ａ−３０Ｈにおいて作動媒体としての空気の密度が増す。密度の増大は伝熱に有利である。そして、熱交換器３０Ａ−３０Ｈの小型化に有利である。
【００３８】
また、本実施形態において、第１装置２１２の作動媒体として空気を使用することから、脱フロン化が図られる。代替的又は追加的に、第１装置１２の作動媒体として空気以外の自然媒体、例えば、二酸化炭素、水、アンモニアなどを使用できる。
【００３９】
本実施形態において、システムＳ２を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。本実施形態において、熱交換器３０Ｈにおける、低温側経路３７Ａに比較的高温の被加熱流体が供給される。被加熱流体の供給温度は、例えば約１００℃である。熱交換器３０Ａ―３０Ｈの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００４０】
図３に示すシステムＳ２を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図４に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００４１】
図４に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．２８であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが１．５７であった。
【００４２】
図５は、図３の熱供給システムＳ２の変形例である熱供給システムＳ３を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００４３】
図５に示すように、システムＳ３は、システムＳ２と同様に、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、タービン４０と、制御装置５０とを備える。また、システムＳ３は、システムＳ２と異なり、熱交換器３０Ｈが予備加熱（予備加温）用として用いられる。システムＳ３の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００４４】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置３１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置３１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００４５】
本実施形態において、システムＳ３は、８つの熱交換器３０Ａ−３０Ｈを有する。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）は、圧縮機２０Ａ−２０Ｈで圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、８に限定されない。
【００４６】
本実施形態において、熱交換器３０Ｈにおける、低温側経路３７Ａに比較的低温の被加熱流体が供給される。被加熱流体の供給温度は、例えば約１５℃である。圧縮機２０Ｈからの高温空気が熱交換器３０Ｈの経路３５Ｈを流れる。熱交換器３０Ｈにおいて、第１装置３１２の経路３５Ａの熱が第２装置３１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置３１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置３１６の３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００４７】
本実施形態において、熱交換器３０Ｈによって給水加熱（予備加熱、予備加温）が行われる。この場合、被加熱流体は水である。熱交換器３０Ｈにおいて、圧縮空気が保有する熱を、比較的低い温度を含む温度範囲にわたり利用できる。これはＣＯＰの向上に有利である。
【００４８】
本実施形態において、システムＳ３を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。また、熱交換器３０Ａ―３０Ｇの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００４９】
図５に示すシステムＳ３を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図６に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００５０】
図６に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．７３であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが２．６４であった。
【００５１】
図７は、図５の熱供給システムＳ３の変形例である熱供給システムＳ４を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００５２】
図７に示すように、システムＳ４は、システムＳ３と同様に、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、制御装置５０とを備える。熱交換器３０Ｈは予備加熱（予備加温）用として用いられる。また、システムＳ４は、システムＳ３と異なり、複数のタービン４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ、４０Ｆを備える。さらに、システムＳ４は、冷熱取り出し用の複数の熱交換器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅを備える。システムＳ４の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００５３】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０Ａ−４０Ｆを含む第１装置４１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置４１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００５４】
本実施形態において、システムＳ４は、６段のタービン４０Ａ−４０Ｆを有する。第１装置４１２は、多軸構造の多段タービン４０Ａ−４０Ｆ、又は少なくとも一部が同軸構造の多段タービン４０Ａ−４０Ｆを有することができる。タービンの段数は、６に限定されない。
【００５５】
また、本実施形態において、システムＳ４は、冷熱取り出し用の５つの熱交換器６０Ａ−６０Ｅを有する。熱交換器６０Ａ−６０Ｅの高温側経路６５Ａ−６５Ｅ（放熱部）は、外部から導入された被冷却流体が流れる導管を有する。経路６５Ａ−６５Ｅ（放熱部）を含む第３装置４１８は、水や空気などの被冷却流体が流れる流路を含む。
【００５６】
熱交換器６０Ａ−６０Ｅの低温側経路６７Ａ−６７Ｅ（吸熱部）はタービン４０Ａ−４０Ｆで膨張された作動流体が流れる導管を有し、経路６５Ａ−６５Ｅを流れる被冷却流体の熱を奪う。吸熱部の数は、５に限定されない。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００５７】
経路６７Ａは、経路６５Ｅに熱的に接続される。経路６７Ａと経路６５Ｅとを含んで熱交換器６０Ａが構成される。熱交換器６０Ａは、高温の流体（被冷却流体）と、低温の流体（作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器６０Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器６０Ａの熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路６５Ｅの導管と低温側経路６７Ａの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路６５Ａの導管を、低温側経路６７Ｈの導管の外周面や内部に配設することができる。他の熱交換器６０Ｂ−６０Ｅについても同様である。
【００５８】
上記のシステムＳ４において、第１装置４１２の第１圧縮機２０Ａの入口から空気が流入する。圧縮機２０Ａからの高温空気が熱交換器３０Ａの経路３５Ａを流れる。熱交換器３０Ａにおいて、第１装置４１２の経路３５Ａの熱が第２装置４１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置４１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置４１６の経路３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００５９】
また、本実施形態において、第１装置４１２における、熱交換器３０Ｈからの圧縮空気はタービン４０Ａ−４０Ｆを流れ、各タービン４０Ａ−４０Ｅにおいて動力が回収される。また、タービン４０Ａ−４０Ｆから排出される空気は冷気である。熱交換器６０Ａ−６０Ｅにおいて、冷気を使って被冷却用流体から熱を奪う。温度降下した流体は所定の外部装置９６に供給される。
【００６０】
本実施形態において、冷気（冷熱）の有効利用により、ＣＯＰの向上が図られる。また、冷熱の取り出しは、タービン４０Ａ−４０Ｆの出力の増大に貢献し、この点からもＣＯＰの向上が図られる。
【００６１】
本実施形態において、システムＳ４を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。また、熱交換器３０Ａ―３０Ｇの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００６２】
図７に示すシステムＳ４を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図８に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０Ａ−４０Ｆの入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０Ａ−４０Ｆの各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００６３】
図８に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．９８であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが２．９４であった。
【００６４】
以上説明したように、上記各実施形態にかける熱供給システムによれば、圧縮空気を利用することで、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムが提供される。すなわち、空気熱源で、フロン等の熱媒を使わない蒸気生成システム又は高温熱供給システムを提供可能である。いくつかの実施形態において、圧縮機、タービン効率が８０％の場合において、ＣＯＰが３程度を確保することが可能である。また、上記各実施形態において、省エネ及び省ＣＯ２に貢献可能である。
【００６５】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００６６】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：熱供給システム、２０，２０Ａ−２０Ｈ：圧縮機、３０，３０Ａ−３０Ｈ：熱交換器、４０：タービン、５０：制御装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱供給システムとしては、ボイラで生成した蒸気の熱を対象物に伝える構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ヒートポンプの媒体の熱を対象物に伝える構成が知られている。ヒートポンプは、サイクル外の熱（低温熱源の熱）を利用することにより、エネルギー利用効率が比較的高いことが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２４９４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートポンプにおいて、フロンに代わる作動媒体の一例として、二酸化炭素、水、アンモニア、空気などの自然媒体が挙げられる。
【０００５】
本発明は、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様に従えば、複数の圧縮機、複数の放熱部、及びタービンを含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ前記複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路を含む第２装置と、を備え、前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、熱供給システムが提供される。
【０００７】
本発明の別の態様に従えば、圧縮機、放熱部、及びタービンを含む第１装置と、被加熱流体が流れかつ前記放熱部に熱的に接続される経路を含む第２装置と、を備え、前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、熱供給システムが提供される。
【０００８】
この熱供給システムによれば、圧縮空気を利用することで、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態を示す概略図である。
【図２】熱供給システムを給湯に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図３】他の一実施形態を示す概略図である。
【図４】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図５】他の一実施形態を示す概略図である。
【図６】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【図７】他の一実施形態を示す概略図である。
【図８】熱供給システムを蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、熱供給システムＳ１を示す概略図である。
【００１１】
図１に示すように、熱供給システムＳ１は、圧縮機２０と、熱交換器３０と、タービン４０と、制御装置５０とを備える。制御装置５０は、システム全体を統括的に制御する。システムＳ１の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００１２】
圧縮機２０、熱交換器３０の高温側経路３５（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０の低温側経路３７（吸熱部）を含む第２装置１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００１３】
第１装置１２において、圧縮機２０の出口と熱交換器３０の経路３５の入口が流体的につながり、経路３５の出口とタービン４０の入口とが流体的につながる。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００１４】
圧縮機２０は、作動流体を圧縮する。この際、作動流体の温度が上がる。圧縮機２０は、単段圧縮構造、又は作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有することができる。圧縮の段数は、熱供給システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮機２０は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮機２０において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。圧縮機２０の入口には必要に応じてフィルタが配置される。
【００１５】
熱交換器３０の高温側経路３５（放熱部）は、圧縮機２０で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上にできる。
【００１６】
タービン４０は、作動流体を膨張させる。この際、作動流体の温度が下がる。タービン４０を介して動力を取り出す（回収する）ことができる。例えば、その動力を圧縮機２０に供給できる。
【００１７】
第２装置１６において、熱交換器３０の低温側経路３７は、被加熱流体（水、空気など）が流れる導管を含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００１８】
第２装置１６の経路３７は、第１装置１２の経路３５に熱的に接続される。経路３５と経路３７とを含んで熱交換器３０が構成される。熱交換器３０は、高温の流体（第１装置１２内の作動流体）と、低温の流体（第２装置１６内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器３０は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器３０の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路３５の導管と低温側経路３７の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路３５の導管を、低温側経路３７の導管の外周面や内部に配設することができる。追加的又は代替的に、所定の外部装置９５の吸熱管を被加熱流体の出力部に熱的に接続できる。
【００１９】
上記のシステムＳ１において、第１装置１２の圧縮機２０の入口から空気が流入する。圧縮機２０からの高温空気が熱交換器３０の経路３５を流れる。熱交換器３０において、第１装置１２の経路３５の熱が第２装置１６の経路３７に伝わる。経路３７において、第１装置１２の経路（放熱部）３５からの伝達熱によって、導管内の被加熱流体が温度上昇する。温度上昇した流体は、所定の外部装置９５に供給される。追加的又は代替的に、所定の外部装置９５の吸熱管を被加熱流体の出力部に熱的に接続できる。
【００２０】
本実施形態において、第１装置１２における、熱交換器３０からの圧縮空気はタービン４０を流れ、これにより動力が回収される。また、タービン４０から排出される空気は冷気であるので、これを冷熱として利用できる。タービン４０の出力軸と圧縮機２０とを機械的に接続し、圧縮機２０の動力低減を図ることもできる。これらは成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）の向上に有利である。
【００２１】
ここで、空気の密度は比較的小さい。空気を熱源とする場合、伝熱に関係するパラメータであるプラントル数が小さくなり、結果として、熱交換器が大きくなる等の課題がある。以下はプラントル数Ｐｒ、ヌッセルト数Ｎｕを表す式である。
Pr=vρCp/λ
Nu=αi・di/λ :Nu=0.023Re0.8Pr0.4
【００２２】
本実施形態において、熱交換器３０には圧縮された空気が供給される。空気の圧縮に伴い、熱交換器３０において空気の密度が増す。密度の増大は伝熱に有利である。そして、熱交換器３０の小型化に有利である。
【００２３】
また、本実施形態において、第１装置１２の作動媒体として空気を使用することから、脱フロン化が図られる。代替的又は追加的に、第１装置１２の作動媒体として空気以外の自然媒体、例えば、二酸化炭素、水、アンモニアなどを使用できる。
【００２４】
本実施形態において、システムＳ１を給水加熱に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。給水加熱適用の場合、圧縮空気が保有する熱を、比較的低い温度を含む温度範囲にわたり利用できる。
【００２５】
図１に示すシステムＳ１を給湯に利用する場合の試算結果の一例を図２に示す。圧縮機２０の入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００２６】
図２に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが２．２６であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが３．５２であった。
【００２７】
図３は、他の実施形態における熱供給システムＳ２を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００２８】
図３に示すように、熱供給システムＳ２は、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、タービン４０と、制御装置５０とを備える。システムＳ２の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００２９】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置２１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置２１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００３０】
第１装置２１２において、第１圧縮機２０Ａの出口と熱交換器３０Ａの経路３５Ａの入口が流体的につながる。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及び経路３０Ａ−３０Ｈは交互に直列に配置されている。すなわち、第１圧縮機２０Ａ、経路３５Ａ、第２圧縮機２０Ｂ、経路３５Ｂ、第３圧縮機２０Ｃ、経路３５Ｃ、第４圧縮機２０Ｄ、経路３５Ｄ、第５圧縮機２０Ｅ、経路３５Ｅ、第６圧縮機２０Ｆ、経路３５Ｆ、第７圧縮機２０Ｇ、経路３５Ｇ、第８圧縮機２０Ｈ、経路３５Ｇが順に流体的につながる。経路３５Ｇの出口がタービン４０の入口に流体的につながる。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００３１】
本実施形態において、システムＳ２は、８段の圧縮機２０Ａ−２０Ｈを有する。第１装置２１２は、各圧縮機２０Ａ−２０Ｈに対応する回転数が個々に制御される多軸圧縮構造を有することができる。あるいは、第１装置２１２は、同軸圧縮構造を有することができる。各圧縮機２０Ａ−２０Ｈの圧縮比（圧力比）は、システムＳ２の仕様に応じて設定可能である。圧縮の段数は、８に限定されない。必要に応じて圧縮機２０Ａ（及び圧縮機２０Ｂ−２０Ｈ）の入口には必要に応じて入力空気を清浄するためのフィルタが配置される。
【００３２】
本実施形態において、システムＳ２は、８つの熱交換器３０Ａ−３０Ｈを有する。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）は、圧縮機２０Ａ−２０Ｈで圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、８に限定されない。
【００３３】
第２装置２１６において、熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈは、被加熱流体（水、空気など）が流れる導管を含む。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００３４】
第２装置２１６の経路３７Ａは、第１装置２１２の経路３５Ｈに熱的に接続される。経路３５Ａと経路３７Ｈとを含んで熱交換器３０Ａが構成される。熱交換器３０Ａは、高温の流体（第１装置２１２内の作動流体）と、低温の流体（第２装置２１６内の被加熱流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器３０Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器３０Ａの熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路３５Ａの導管と低温側経路３７Ｈの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路３５Ａの導管を、低温側経路３７Ｈの導管の外周面や内部に配設することができる。他の熱交換器３０Ｂ−３０Ｈについても同様である。
【００３５】
上記のシステムＳ２において、第１装置２１２の第１圧縮機２０Ａの入口から空気が流入する。圧縮機２０Ａからの高温空気が熱交換器３０Ａの経路３５Ａを流れる。熱交換器３０Ａにおいて、第１装置２１２の経路３５Ａの熱が第２装置２１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置２１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置２１６の経路３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００３６】
本実施形態において、第１装置２１２における、熱交換器３０Ｈからの圧縮空気はタービン４０を流れ、これにより動力が回収される。また、タービン４０から排出される空気は冷気であるので、これを冷熱として利用できる。タービン４０の出力軸と圧縮機２０とを機械的に接続し、圧縮機２０の動力低減を図ることもできる。これらは成績係数（ＣＯＰ）の向上に有利である。
【００３７】
また、本実施形態において、各熱交換器３０Ａ−３０Ｈには圧縮された空気が供給される。空気の圧縮に伴い、各熱交換器３０Ａ−３０Ｈにおいて作動媒体としての空気の密度が増す。密度の増大は伝熱に有利である。そして、熱交換器３０Ａ−３０Ｈの小型化に有利である。
【００３８】
また、本実施形態において、第１装置２１２の作動媒体として空気を使用することから、脱フロン化が図られる。代替的又は追加的に、第１装置１２の作動媒体として空気以外の自然媒体、例えば、二酸化炭素、水、アンモニアなどを使用できる。
【００３９】
本実施形態において、システムＳ２を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。本実施形態において、熱交換器３０Ｈにおける、低温側経路３７Ａに比較的高温の被加熱流体が供給される。被加熱流体の供給温度は、例えば約１００℃である。熱交換器３０Ａ―３０Ｈの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００４０】
図３に示すシステムＳ２を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図４に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００４１】
図４に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．２８であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが１．５７であった。
【００４２】
図５は、図３の熱供給システムＳ２の変形例である熱供給システムＳ３を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００４３】
図５に示すように、システムＳ３は、システムＳ２と同様に、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、タービン４０と、制御装置５０とを備える。また、システムＳ３は、システムＳ２と異なり、熱交換器３０Ｈが予備加熱（予備加温）用として用いられる。システムＳ３の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００４４】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０を含む第１装置３１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置３１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００４５】
本実施形態において、システムＳ３は、８つの熱交換器３０Ａ−３０Ｈを有する。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）は、圧縮機２０Ａ−２０Ｈで圧縮された作動流体が流れる導管を有し、主経路２５内を流れる作動流体の熱を外部の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、８に限定されない。
【００４６】
本実施形態において、熱交換器３０Ｈにおける、低温側経路３７Ａに比較的低温の被加熱流体が供給される。被加熱流体の供給温度は、例えば約１５℃である。圧縮機２０Ｈからの高温空気が熱交換器３０Ｈの経路３５Ｈを流れる。熱交換器３０Ｈにおいて、第１装置３１２の経路３５Ａの熱が第２装置３１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置３１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置３１６の３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００４７】
本実施形態において、熱交換器３０Ｈによって給水加熱（予備加熱、予備加温）が行われる。この場合、被加熱流体は水である。熱交換器３０Ｈにおいて、圧縮空気が保有する熱を、比較的低い温度を含む温度範囲にわたり利用できる。これはＣＯＰの向上に有利である。
【００４８】
本実施形態において、システムＳ３を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。また、熱交換器３０Ａ―３０Ｇの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００４９】
図５に示すシステムＳ３を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図６に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０の入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０の各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００５０】
図６に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．７３であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが２．６４であった。
【００５１】
図７は、図５の熱供給システムＳ３の変形例である熱供給システムＳ４を示す概略図である。以下の説明では、上記実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００５２】
図７に示すように、システムＳ４は、システムＳ３と同様に、複数の圧縮機２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈと、複数の熱交換器３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ、３０Ｇ、３０Ｈと、制御装置５０とを備える。熱交換器３０Ｈは予備加熱（予備加温）用として用いられる。また、システムＳ４は、システムＳ３と異なり、複数のタービン４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ、４０Ｅ、４０Ｆを備える。さらに、システムＳ４は、冷熱取り出し用の複数の熱交換器６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ、６０Ｄ、６０Ｅを備える。システムＳ４の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。
【００５３】
複数の圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、複数の熱交換器３０Ａ−３０Ｈの高温側経路３５Ａ−３５Ｈ（放熱部）、及びタービン４０Ａ−４０Ｆを含む第１装置４１２は、開放型であり、作動流体（作動媒体、熱媒体）として空気を使用する（空気を作動流体とする開放型のヒートポンプ）。熱交換器３０Ａ−３０Ｈの低温側経路３７Ａ−３７Ｈ（吸熱部）を含む第２装置４１６は、水や空気などの被加熱流体が流れる流路を含む。
【００５４】
本実施形態において、システムＳ４は、６段のタービン４０Ａ−４０Ｆを有する。第１装置４１２は、多軸構造の多段タービン４０Ａ−４０Ｆ、又は少なくとも一部が同軸構造の多段タービン４０Ａ−４０Ｆを有することができる。タービンの段数は、６に限定されない。
【００５５】
また、本実施形態において、システムＳ４は、冷熱取り出し用の５つの熱交換器６０Ａ−６０Ｅを有する。熱交換器６０Ａ−６０Ｅの高温側経路６５Ａ−６５Ｅ（放熱部）は、外部から導入された被冷却流体が流れる導管を有する。経路６５Ａ−６５Ｅ（放熱部）を含む第３装置４１８は、水や空気などの被冷却流体が流れる流路を含む。
【００５６】
熱交換器６０Ａ−６０Ｅの低温側経路６７Ａ−６７Ｅ（吸熱部）はタービン４０Ａ−４０Ｆで膨張された作動流体が流れる導管を有し、経路６５Ａ−６５Ｅを流れる被冷却流体の熱を奪う。吸熱部の数は、５に限定されない。なお、各部及び導管には、必要に応じて、不図示の、各種センサ、ポンプ、バルブ等を配設することができる。
【００５７】
経路６７Ａは、経路６５Ｅに熱的に接続される。経路６７Ａと経路６５Ｅとを含んで熱交換器６０Ａが構成される。熱交換器６０Ａは、高温の流体（被冷却流体）と、低温の流体（作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器６０Ａは、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有することができる。本実施形態において、熱交換器６０Ａの熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。高温側経路６５Ｅの導管と低温側経路６７Ａの導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、高温側経路６５Ａの導管を、低温側経路６７Ｈの導管の外周面や内部に配設することができる。他の熱交換器６０Ｂ−６０Ｅについても同様である。
【００５８】
上記のシステムＳ４において、第１装置４１２の第１圧縮機２０Ａの入口から空気が流入する。圧縮機２０Ａからの高温空気が熱交換器３０Ａの経路３５Ａを流れる。熱交換器３０Ａにおいて、第１装置４１２の経路３５Ａの熱が第２装置４１６の経路３７Ｈに伝わる。同様に、第１装置４１２の経路３５Ｂ、３５Ｃ、３５Ｄ、３５Ｅ、３５Ｆ、３５Ｇ、及び３５Ｈの熱が、第２装置４１６の経路３７Ｇ、３７Ｆ、３７Ｅ、３７Ｄ、３７Ｃ、３７Ｂ、及び３７Ａにそれぞれ伝わる。温度上昇した流体は所定の外部装置９５に供給される。
【００５９】
また、本実施形態において、第１装置４１２における、熱交換器３０Ｈからの圧縮空気はタービン４０Ａ−４０Ｆを流れ、各タービン４０Ａ−４０Ｅにおいて動力が回収される。また、タービン４０Ａ−４０Ｆから排出される空気は冷気である。熱交換器６０Ａ−６０Ｅにおいて、冷気を使って被冷却用流体から熱を奪う。温度降下した流体は所定の外部装置９６に供給される。
【００６０】
本実施形態において、冷気（冷熱）の有効利用により、ＣＯＰの向上が図られる。また、冷熱の取り出しは、タービン４０Ａ−４０Ｆの出力の増大に貢献し、この点からもＣＯＰの向上が図られる。
【００６１】
本実施形態において、システムＳ４を蒸気生成に利用できる。この場合、被加熱流体は水である。また、熱交換器３０Ａ―３０Ｇの少なくとも１つにおいて、温度上昇した水が相変化して蒸気となる。
【００６２】
図７に示すシステムＳ４を蒸気生成に利用する場合の試算結果の一例を図８に示す。圧縮機２０Ａ−２０Ｈの入口、断熱過程、出口、タービン４０Ａ−４０Ｆの入口、断熱過程、及び出口のそれぞれについて温度、圧力、密度、エンタルピ、エントロピを試算した。圧縮機２０Ａ−２０Ｈ、及びタービン４０Ａ−４０Ｆの各効率を８０％とした。また、圧縮機動力、及び熱出力の算出結果に基づき、温熱を利用した場合のＣＯＰと、温熱及び冷熱を利用した場合のＣＯＰとを算出した。
【００６３】
図８に示すように、温熱のみを利用した場合、ＣＯＰが１．９８であった。温熱及び冷熱を利用した場合、ＣＯＰが２．９４であった。
【００６４】
以上説明したように、上記各実施形態にかける熱供給システムによれば、圧縮空気を利用することで、エネルギー効率が高く、自然媒体を利用可能な熱供給システムが提供される。すなわち、空気熱源で、フロン等の熱媒を使わない蒸気生成システム又は高温熱供給システムを提供可能である。いくつかの実施形態において、圧縮機、タービン効率が８０％の場合において、ＣＯＰが３程度を確保することが可能である。また、上記各実施形態において、省エネ及び省ＣＯ２に貢献可能である。
【００６５】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、添付の請求の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００６６】
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：熱供給システム、２０，２０Ａ−２０Ｈ：圧縮機、３０，３０Ａ−３０Ｈ：熱交換器、４０：タービン、５０：制御装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧縮機、複数の放熱部、及びタービンを含む第１装置と、
被加熱流体が流れかつ前記複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路を含む第２装置と、を備え、
前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、ことを特徴とする熱供給システム。
【請求項２】
前記被加熱流体は水であり、
前記第２装置の前記複数の経路の少なくとも１つで蒸気が生成される、ことを特徴とする請求項１に記載の熱供給システム。
【請求項３】
前記複数の放熱部の少なくとも１つは、前記被加熱流体を予備加熱する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱供給システム。
【請求項４】
前記タービンは、多段タービンを含む、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱供給システム。
【請求項５】
被冷却流体が流れかつ前記タービンからの冷熱を取り出す第３装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱供給システム。
【請求項６】
圧縮機、放熱部、及びタービンを含む第１装置と、
被加熱流体が流れかつ前記放熱部に熱的に接続される経路を含む第２装置と、を備え、
前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、ことを特徴とする熱供給システム。
【請求項１】
複数の圧縮機、複数の放熱部、及びタービンを含む第１装置と、
被加熱流体が流れかつ前記複数の放熱部にそれぞれ熱的に接続される複数の経路を含む第２装置と、を備え、
前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、ことを特徴とする熱供給システム。
【請求項２】
前記被加熱流体は水であり、
前記第２装置の前記複数の経路の少なくとも１つで蒸気が生成される、ことを特徴とする請求項１に記載の熱供給システム。
【請求項３】
前記複数の放熱部の少なくとも１つは、前記被加熱流体を予備加熱する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱供給システム。
【請求項４】
前記タービンは、多段タービンを含む、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱供給システム。
【請求項５】
被冷却流体が流れかつ前記タービンからの冷熱を取り出す第３装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱供給システム。
【請求項６】
圧縮機、放熱部、及びタービンを含む第１装置と、
被加熱流体が流れかつ前記放熱部に熱的に接続される経路を含む第２装置と、を備え、
前記第１装置は、作動流体として空気を使用する開放型である、ことを特徴とする熱供給システム。
【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２０１２−１３２９２（Ｐ２０１２−１３２９２Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４９２９１（Ｐ２０１０−１４９２９１）
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３０日（２０１０．６．３０）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
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