DE112009001461T5

DE112009001461T5 - Wärmequellensystem und Steuerverfahren

Info

Publication number: DE112009001461T5
Application number: DE112009001461T
Authority: DE
Inventors: Kenji Kiyosu Ueda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: DE112009001461B4; JP2010054152A; US9175889B2; US20110030405A1; WO2010024178A1; JP5495526B2

Abstract

Wärmequellensystem mit:
einer Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für gekühltes Wasser mit einem Verdampfer unterer Stufe, der gekühltes Wasser durch Verdampfungswärme eines Kühlmittels kühlt, und mit einem Kondensierer unterer Stufe, der die Kondensationswärme des Kühlmittels in Kühlwasser abführt, und zum Ausgeben des gekühlten Wassers, das in dem Verdampfer unterer Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last; und
mit einer Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für Heißwasser mit einem Verdampfer höherer Stufe, der das Kühlmittel mit der Wärme verdampft, die von Mitteltemperaturwasser geliefert wird, das durch die Abwärme von dem Kondensierer unterer Stufe geheizt wurde, und mit einem Kondensierer höherer Stufe, der das Hochtemperaturwasser mit der Kondensationswärme des Kühlmittels aufheizt, und zum Ausgeben des Hochtemperaturwassers, das von dem Kondensierer höherer Stufe aufgeheizt wurde, an eine externe Last,
wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage einer Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Wärmequellensystem und ein Steuerverfahren.
Hintergrund
Ein Wärmequellensystem zum Ermöglichen des Zuführens von gekühltem Wasser mit konstanter Temperatur ist in einer Fabrik mit einer Halbleiterherstellungseinrichtung oder Ähnlichem vorgesehen (beispielsweise einem Reinraum). Als Wärmequellensystem gibt es ein solches, das mit einer Mehrzahl von Zentrifugalkühlern ausgestattet ist, wie es beispielsweise in der ersten zitierten Patentliteratur gezeigt ist.
In mit Halbleiterherstellungseinrichtungen ausgestatteten Fabriken wird Wasser mit einer hohen Temperatur von etwa 60 bis 70°C als Reinigungswasser bei der Halbleiterherstellung verwendet, und Mitteltemperaturwasser mit etwa 32 bis 45°C wird zusätzlich zu dem gekühlten Wasser für das Heizen benötigt.
Herkömmliche bekannte Wärmequellensysteme, die sowohl ein solches Hochtemperaturwasser als auch Mitteltemperaturwasser liefern, umfassen, wie es in 7 gezeigt ist, jene mit einem Boiler 129 in Kombination mit einem Zentrifugalkühler 101.
Wie es in 7 gezeigt ist, wird der Zentrifugalkühler 101 durch einen elektrischen Motor 103 getrieben und ist mit einem Zentrifugalkompressor 105 ausgestattet, der das Kühlmittel komprimiert, mit einem Kondensierer 107, der ein Kühlmittel auskondensiert, das durch den Zentrifugalkompressor 105 komprimiert wurde, und mit einem Expansionsventil (nicht gezeigt), das das durch den Kondensierer 107 kondensierte Kühlmittel expandiert, und mit einem Verdampfer 109, der das Kühlmittel, das von dem Expansionsventil expandiert wurde, verdampft.
Der Verdampfer 109 ist mit einem Rohr bzw. einer Verrohrung Verrohrung 110 für das gekühlte Wassers (chilled water piping) verbunden, über die das gekühlte Wasser fließt, und das gekühlte Wasser wird durch die latente Wärme der Verdampfung des Kühlmittels gekühlt, das in dem Verdampfer 109 verdampft. Das Rohr 110 für das gekühlte Wassers ist mit einer Pumpe für gekühltes Wasser 112 ausgestattet, und das gekühlte Wasser wird im Kreislauf durch die Pumpe 112 für gekühltes Wasser zwischen dem Verdampfer 109 und externen Lasten (nicht gezeigt), die das gekühlte Wasser verwenden, geführt, wie etwa Halbleiterherstellungseinrichtungen.
Der Kondensierer 107 ist mit einer Kühlwasserrohr bzw. -verrohrung (cooling water piping) 114 verbunden, über die Kühlwasser fließt, und latente Wärme der Kondensation des Kühlmittels, das in dem Kondensierer 107 kondensiert, wird durch das Kühlwasser abgeführt. Das Kühlwasserroh 114 ist mit einer Kühlwasserpumpe 116 ausgestattet, und das Kühlwasser wird im Kreislauf zwischen einem Kühlturm 118 und dem Kondensierer 107 durch die Kühlwasserpumpe 116 geführt. Der Kühlturm 118 ist von dem Typ, in dem das Kühlwasser gekühlt wird, indem es durch eine Sprinkleranlage 120 in die Außenluft gesprüht wird, und ist mit einem Gebläse 119 ausgestattet, um das gesprühte Kühlwasser zu kühlen.
Das Kühlwasserroh 114, das zwischen dem Kondensierer 107 und dem Kühlturm 118 vorgesehen ist, ist mit einem Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 121 ausgestattet. Der Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 121 ist mit einem Mitteltemperaturwasserrohr bzw. -verrohrung 125 ausgestattet, das das Heißasser, das von einer Mitteltemperaturwasserpumpe 123 zugeführt wird, lenkt. Das Mitteltemperaturwasser, das durch das Mitteltemperaturwasserrohr 125 geflossen ist und das die Wärme von dem Kühlwasser in dem Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 121 erhalten hat, wird zu dem Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr bzw. verrohrung 127 geleitet und wird als Wärmequelle zum Heizen verwendet.
Um Heißwasser zuzuführen, ist zusätzlich zu dem Zentrifugalkühler 101 ein Boiler 129 vorgesehen. Der Boiler 129 ist mit einem Hochtemperaturwasserrohr bzw. verrohrung 132 ausgestattet, das Zufuhrwasser, das von einer Boilerwasser-Zufuhrpumpe 130 zugeführt wird, lenkt. Das Zufuhrwasser, das in dem Hochtemperaturwasserrohr 132 zirkuliert, wird von dem Boiler 129 erwärmt und in dem Hochtemperaturwasser-Zufuhrrohr 134 als Hochtemperaturwasser mit etwa 60 bis 70°C geführt. Das Hochtemperaturwasser, das von dem Hochtemperaturwasser-Zufuhrrohr 134 zugeführt wird, wird als Wärmequelle des Hochtemperatur-Reinigungswassers für die Halbleitereinrichtungen verwendet. Das Bezugszeichen 136 ist ein Backup-Rohr, das das Hochtemperaturwasserrohr 132 und das Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr 127 miteinander verbindet, und das verwendet wird, um Hochtemperaturwasser als Backup für das Mitteltemperaturwasser zuzuführen.
8 zeigt ein Wärmequellensystem, in dem eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung für den Kondensierer 107 in 7 verwendet wird. Insbesondere ist in 8 das Wärmequellensystem so ausgestaltet, dass das Mitteltemperaturwasserrohr 129 mit dem Kondensierer 107 verbunden ist, und das Aufheizen wird durch einen Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher (nicht gezeigt) in dem Kondensierer 107 ausgeführt, wodurch die Wärme von dem Kondensierer 107 erhalten wird. Daher ist bei dem in 8 gezeigten Wärmequellensystem der in 7 gezeigte Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 121 weggelassen. Da die anderen Bauelemente gleich jenen des Wärmequellensystems aus 7 sind, werden die gleichen Bezugszeichen zugeordnet und die Beschreibung wird weggelassen.
Zitierungsliste
Patentliteratur
Erste genannte Patentliteratur:

Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnr. 2005-114295

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das Verfahren, in dem der Boiler zum Erhalten des Hochtemperaturwassers verwendet wird, wie es in den 7 und 8 gezeigten Stand der Technik der Fall ist, ist jedoch nicht geeignet hinsichtlich der Energieeffizienz. Dies liegt daran, dass bei dem Boiler, der das Zufuhrwasser durch die Verbrennungswärme von fossilem Treibstoff erwärmt, die Effizienz 1 oder kleiner ist, was nachteilhaft im Vergleich zu dem Fall der Verwendung einer Wärmepumpe ist. Anders gesagt, wenn eine Wärmepumpe verwendet wird, ist es möglich, einen COP von 3 oder mehr zu erzielen, und, auch bei der Umwandlung in Primärenergie, kann die Menge des emittierten CO₂ geringer sein als die, die mit einem Boiler emittiert wird.
Um das Wasser mit hoher Temperatur zu erhalten, wird es deshalb als vorteilhaft angesehen, eine Wärmepumpe als Heizstufe in dem Wärmequellensystem zu verwenden. Jedoch, auch wenn eine Wärmepumpe als Heizstufe zum Erhalten des Hochtemperaturwassers verwendet wird, ist es, um weitere Energieeinsparung zu erzielen, notwendig, die Energieeinsparung des gesamten Wärmequellensystems in Kombination mit einem Kühler an einer unteren Stufe zum Erhalten von gekühltem Wasser zu betrachten.
Die Erfindung wurde angesichts dieser Situation gemacht und ihre Aufgabe ist es, ein Wärmequellensystem, das in der Lage ist, eine weitere Energieeinsparung zu erreichen, und ein zugehöriges Steuerverfahren bereitzustellen.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, verwendet das Wärmequellensystem und das zugehörige Steuerverfahren der Erfindung folgende Lösungen.
Insbesondere enthält ein Wärmequellensystem entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt eine Wärmepumpe einer Hauptsteuerung des gekühlten Wassers mit einem Verdampfer unterer Stufe, der das gekühlte Wasser durch Verdampfungswärme eines Kühlmittels kühlt, und einen Kondensierer unterer Stufe, der die Kondensationswärme des Kühlmittels in Kühlwasser abführt, und wobei das gekühlte Wasser, das von dem Verdampfer der unteren Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last ausgegeben wird, und eine Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für Heißwassers mit einem Verdampfer höherer Stufe, der das Kühlmittel mit der Wärme verdampft, die von dem Mitteltemperaturwasser geliefert wird, das von der Abwärme des Kondensierers unterer Stufe beheizt wird, und mit einem Kondensierer höherer Stufe, der das Hochtemperaturwasser mit der Kondensationswärme des Kühlmittels aufheizt, und wobei das in dem Kondensierer höherer Stufe erhitzte Hochtemperaturwasser an eine externe Last abgegeben wird, wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Basis einer Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird.
Je niedriger die Kühlwassertemperatur ist, um so effizienter arbeitet die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers, so dass die Kühlwassertemperatur daher als so niedrig wie möglich gefordert wird. Andererseits gibt es bei der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers eine minimale Verdampfungstemperatur, anders gesagt eine Temperatur des Mitteltemperaturwassers, die zur Ausgabe von Hochtemperaturwasser der benötigten Temperatur erforderlich ist. Um daher die Temperatur des Mitteltemperaturwassers sicherzustellen, die zum Erzielen der gewünschten Hochtemperaturwasser-Temperatur erforderlich ist, ist eine untere Grenze der Kühlwassertemperatur so vorgegeben, dass die geforderte Menge der Abwärme des Kondensierers unterer Stufe an das Mitteltemperaturwasser geliefert werden kann. Daher wird das Wärmequellensystem mit einer Kühlwassertemperatur betrieben, die nicht niedriger als ein unterer Grenzwert. ist. Da somit bei der Erfindung die untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Basis der eingestellten Temperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird, wird, auch wenn eine niedrige Kühlwassertemperatur durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers gefordert wird, diese Anfrage beschränkt, und indem das Mitteltemperaturwasser mit der gewünschten Temperatur sichergestellt wird, kann das Hochtemperaturwasser mit der gewünschten Temperatur an die externe Last durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers ausgegeben werden. Anders gesagt, es ist nicht nur möglich, Hochtemperaturwasser und gekühltes Wasser mit der gewünschten Temperatur zu erhalten, es ist auch möglich, sowohl eine Temperatur des Mitteltemperaturwassers, die effektiv für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers ist, als auch eine Kühlwassertemperatur, die effizient für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers ist, zu erreichen, um so eine hohe Energieeffizienz des Wärmequellensystems insgesamt zu verwirklichen.
Genauer gesagt, ist die untere Temperaturgrenze des Kühlwassers die minimale benötigte Temperatur, die in der Lage ist, eine geforderte Temperatur des Hochtemperaturwassers durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers zu erzielen.
Das Mitteltemperaturwasser kann die Abwärme durch einen Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher zum Austauschen der Wärme mit dem Kühlwasser, das die Abwärme des Kondensierers unterer Stufe erhalten hat, indirekt empfangen, oder es kann die Abwärme direkt von einem Wärmetauscher des Mitteltemperaturwassers erhalten, der zusammen mit dem Kondensierer unterer Stufe vorgesehen ist (eine sog. heat-recovery-Vorrichtung).
Das gekühlte Wasser hat in etwa 5 bis 10°C und wird als Kühlwasser für eine Halbleiterherstellungseinrichtung verwendet, oder es wird für die Klimaanlage in einer Fabrik (beispielsweise Reinraum) verwendet, in dem eine Halbleiterherstellungseinrichtung aufgebaut ist.
Das Hochtemperaturwasser hat beispielsweise 60 bis 70°C und wird als Heißreinigungswasser für die Halbleiterherstellungseinrichtung verwendet.
Es ist vorzuziehen, einen Zentrifugalkühler mit einem Zentrifugalkompressor als Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und als Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers bereitzustellen.
Die Anzahl der Wärmepumpen der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und der Wärmepumpen der Hauptsteuerung des Heißwassers sind nicht auf eins beschränkt, und das Wärmequellensystem kann mit einer Mehrzahl von ihnen ausgestattet sein.
Obwohl der Kondensierer der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers als ein ”Kondensierer unterer Stufe”, und der Kondensierer der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers als ein ”Kondensierer höherer Stufe” bezeichnet werden, liegt dies daran, dass die Temperatur des mittleren (Wassers), das an die äußeren Lasten abgegeben wird, niedrig für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers ist als für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des heißen Wassers, und wird daher nur als ”untere Stufe” zur Vereinfachung der Unterscheidung beschrieben; die Beschreibung ist nicht dahingehend zu verstehen, dass sie eine weitere Beschränkung über dies hinaus enthält. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen dem ”Verdampfer unterer Stufe” und dem ”Verdampfer höherer Stufe” die gleiche, und die Begriffe ”unterer Stufe” und ”höherer Stufe” sind in dieser Beschreibung in der gleichen Bedeutung verwendet.
Das Wärmequellensystem eines Aspekts der Erfindung enthält des Weiteren ein Ausgabemittel für Mitteltemperaturwasser, das Mitteltemperaturwasser an die externe Last ausgibt, und eine Betriebstemperatur des Kühlwassers wird in einem Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers eingestellt, der von dem Ausgabemittel des Hochtemperaturwassers gefordert wird.
Das Mitteltemperaturwasser wird nach außerhalb des Wärmequellensystems durch das Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel ausgegeben. Das Mitteltemperaturwasser hat beispielsweise 32 bis 45°C und wird zum Heizen einer Fabrik (beispielsweise Reinraum) verwendet, in der eine Halbleiterherstellungseinrichtung vorgesehen ist.
Da das Mitteltemperaturwasser mit der Abwärme des Kondensierers gewärmt wird, besteht eine große Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlwassers, das die Abwärme des Kondensierers unterer Stufe abführt. Somit ist es möglich durch Einstellen der Betriebstemperatur, um den geforderten Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers zu erfüllen, und durch Betreiben bei einer Temperatur höher als der unteren Temperaturgrenze des Kühlwassers, nicht nur das Mitteltemperaturwasser, sondern auch das Hochtemperaturwasser in dem gewünschten Temperaturbereich auszugeben.
Somit, auch wenn die Kühlwasserbetriebstemperatur, die von der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers erfordert wird, und die Betriebstemperatur des Kühlwassers, die von der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers gefordert wird, miteinander übereinstimmen, wird diese Betriebstemperatur nicht verwendet, es sei denn, die Betriebstemperatur liegt innerhalb des Einstelltemperaturbereichs des Mitteltemperaturwassers, und die Betriebstemperatur wird auf die Kühlwassertemperatur innerhalb des Einstelltemperaturbereichs des Mitteltemperaturwassers eingestellt, so dass beide Wärmepumpen mit der höchsten Effizienz arbeiten können (beispielsweise, um somit einen möglichst niedrigen Leistungsverbrauch zu arbeiten).
Mit dem Wärmequellensystem entsprechend dem einen erfindungsgemäßen Aspekt wird, wenn keine Ausgabeanforderung des Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittels vorliegt, die Betriebstemperatur des Kühlwassers unabhängig von dem Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers gesetzt.
Wenn keine Ausgabeanforderung für das Mitteltemperaturwasser vorhanden ist, besteht keine Notwendigkeit, den Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers in Betracht zu ziehen, und daher kann ein effizienter Betrieb erzielt werden, indem die Betriebstemperatur des Kühlwassers unabhängig von dem Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers gesetzt wird (nämlich auch außerhalb des Einstelltemperaturbereichs des Mitteltemperaturwassers).
Mit dem Wärmequellensystem entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt wird die Betriebstemperatur des Kühlwassers so eingestellt, dass die Summe der Leistung, die durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers verbraucht wird, und der Leistung, die durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers verbraucht wird, im Wesentlichen minimal wird.
In dem Fall, in dem die Wärmemenge, die von dem gekühlten Wasser gefordert wird, groß ist, wie etwa im Sommer, wird die Wärmelast (und im Gegenzug der Leistungsverbrauch) der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers im Vergleich mit der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers größer. In diesem Fall ist es vorzuziehen, den Leistungsverbrauch der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers zu unterdrücken, indem die Kühlwassertemperatur abgesenkt wird.
Andererseits, im Fall, in dem die Menge der Wärme, die durch das gekühlte Wasser gefordert wird, klein ist, wie etwa in der Winterzeit, wird die Wärmelast (und im Gegenzug der Leistungsverbrauch) der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers klein, und es tritt der Fall auf, in dem der Leistungsverbrauch der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers eher groß wird. In diesem Fall ist es vorzuziehen, den Leistungsverbrauch der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers zu unterdrücken, indem die Kühlwassertemperatur erhöht wird.
Somit wird die Betriebstemperatur des Kühlwassers im Angesicht der Summe des Leistungsverbrauchs der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers eingestellt, wodurch ein energiesparender Betrieb des gesamten Wärmequellensystems ermöglicht wird.
Das Wärmequellensystem entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt enthält des Weiteren einen Kühlturm, der das Kühlwasser kühlt, indem das Kühlwasser in die Außenluft gesprüht wird, wobei der Kühlturm ein Kühlwassertemperatur-Einstellmittel umfasst, das die Kühlwassertemperatur einstellt.
Die Kühlwassertemperatur wird auf die gewünschte Temperatur durch das Kühlwassertemperatur-Einstellmittel gesetzt, das in dem Kühlturm vorgesehen ist.
Das Kühlwassertemperatur-Einstellmittel enthält beispielsweise ein Rotationsgeschwindigkeits-Änderungssteuermittel, das in veränderbarer Weise die Rotationsgeschwindigkeit eines Gebläses steuert, welches das Kühlwasser kühlt, ein An-/Aus-Steuermittel, das das Gebläse An-/Aus-steuert, ein Steuerventil, das die Flussrate des Kühlwassers anpasst, welches den Wärmetauscher umgeht (Sprinkler), in dem das Kühlwasser durch das Gebläse gekühlt wird, ein Flussratensteuermittel, dass die Flussrate der Kühlwasserpumpe steuert, die das Kühlwasser zuführt, usw.
Bei einem Steuerverfahren des Wärmequellensystems entsprechend einem erfindungsgemäßen Aspekt enthält die Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für gekühltes Wasser mit einem Verdampfer unterer Stufe, der Kühlwasser durch Verdampfungswärme eines Kühlmittels kühlt, und einen Kondensierer unterer Stufe, der Kondensationswärme des Kühlmittels in das Kühlwasser abführt, und wobei das gekühlte Wasser, das in dem Verdampfer unterer Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last abgegeben wird, und enthält eine Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für Heißwasser mit einem Verdampfer höherer Stufe, der das Kühlmittel mit der Wärme verdampft, die von Mitteltemperaturwasser geliefert wird, das mit der Abwärme des Kondensierers unterer Stufe aufgeheizt wurde, und mit einem Kondensierer höherer Stufe, der Hochtemperaturwasser aufheizt, mittels der Kondensationswärme des Kühlmittels, und wobei das Hochtemperaturwasser, das von dem Kondensierer höherer Stufe aufgeheizt wurde, an eine äußere Last abgegeben wird, wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird.
Je niedriger die Kühlwassertemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers, so dass die Kühltemperatur so niedrig wie möglich benötigt wird. Andererseits gibt es im Zusammenhang mit der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers eine minimale verdampferseitige Temperatur, d. h. für eine Temperatur des Mitteltemperaturwassers, die zur Ausgabe des Hochtemperaturwassers mit der gewünschten Temperatur benötigt wird. Um somit die Temperatur des Mitteltemperaturwassers sicherzustellen, die benötigt wird, um die gewünschte Temperatur des Hochtemperaturwassers zu erhalten, wird eine untere Grenze der Kühlwassertemperatur bereitgestellt, um so die benötigte Abwärmememge des Kondensierers unterer Stufe an das Mitteltemperaturwasser liefern zu können. Deshalb wird das Wärmequellensystem mit einer Kühlwassertemperatur betrieben, die nicht niedriger als ein unterer Grenzwert ist. Somit wird bei der Erfindung, da die untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird, auch wenn eine niedrige Kühlwassertemperatur durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers gefordert wird, diese Anfrage beschränkt, und indem das Mitteltemperaturwasser mit der gewünschten Temperatur sichergestellt wird, kann das Hochtemperaturwasser mit der gewünschten Temperatur an die externe Last durch die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers ausgegeben werden. Anders gesagt, es ist nicht nur möglich, das Hochtemperaturwasser und das gekühlte Wasser mit den gewünschten Temperaturen zu erhalten, sondern es ist auch möglich, sowohl eine Temperatur des Mitteltemperaturwassers, die effizient für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers ist, als auch eine Kühlwassertemperatur zu erreichen, die effizient für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers ist, und so eine hohe Energieeffizienz des Wärmequellensystems insgesamt zu erzielen.
Vorteilhafte Aspekte der Erfindung
Entsprechend dem Wärmequellensystem und dem Steuerverfahren der Erfindung wird die untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt, und daher ist es möglich, eine Temperatur des Mitteltemperaturwassers, die effizient für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwasser ist, und eine Kühlwassertemperatur, die effizient für die Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers ist, zu erreichen und so eine hohe Energieeffizienz des Wärmequellensystems insgesamt zu verwirklichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Wärmequellensystem der Erfindung zeigt.
2 ist eine Kurve, die ein Verfahren zum Einstellen der Kühlwassertemperatur zeigt.
3 ist eine Kurve, die die Änderung des Leistungsverbrauchs gegenüber der Kühlwassertemperatur zeigt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Einstellen der Kühlwassertemperatur zum Minimieren des Energieverbrauchs zeigt.
5 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Wärmequellensystem zeigt, das eine Zufuhr von Mitteltemperaturwasser durchführt.??not??
6 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Wärmequellensystem zeigt, welches eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung für einen Kondensierer unterer Stufe verwendet.
7 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein herkömmliches Wärmequellensystem zeigt.
8 ist ein schematisches Strukturdiagramm, das ein Wärmequellensystem zeigt, welches eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung für das Wärmequellensystem in 7 verwendet.
Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der Erfindung werden im Anschluss unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in 1 gezeigt ist, ist ein Wärmequellensystem mit einer Wärmepumpe 1 für die Hauptsteuerung des gekühlten Wassers ausgestattet, die an einer unteren Stufe vorgesehen ist, mit einer Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung eines heißen Wassers, die in einer höheren Stufe vorgesehen ist.
Ein Zentrifugalkühler (oder eine Zentrifugalwärmepumpe), der mit einem Zentrifugalkompressor ausgestattet ist, wird sowohl für die Pumpe 1 als auch 51 verwendet.
Die Wärmepumpe 1 für die Hauptsteuerung des gekühlten Wassers wird durch einen elektrischen Motor 3 angetrieben, der durch einen frequenzvariablen Inverter gesteuert ist, und ist mit einem Zentrifugalkompressor unterer Stufe 5, der ein Kühlmittel komprimiert, mit einem Kondensator 7 unterer Stufe, der das im Zentrifugalkompressor 5 unterer Stufe komprimierte Kühlmittel kondensiert, mit einem Expansionsventil (nicht gezeigt) unterer Stufe, das das durch den Kondensierer 7 unterer Stufe kondensierte Kühlmittel expandiert, und mit einem Verdampfer 9 unterer Stufe, der das durch das Expansionsventil unterer Stufe expandierte Kühlmittel verdampft, ausgestattet.
Der Verdampfer 9 unterer Stufe ist mit einem Rohr 10 für gekühltes Wasser verbunden, durch das das gekühlte Wasser fließt, und das gekühlte Wasser wird durch die latente Wärme der Verdampfung des Kühlmittels gekühlt, das durch den Verdampfer 9 unterer Stufe verdampft wird. Das Rohr 10 für das gekühlte Wasser ist mit einer Pumpe 12 für gekühltes Wasser ausgestattet, und das gekühlte Wasser wird im Kreislauf durch die Pumpe 12 für gekühltes Wasser zwischen dem Verdampfer 9 unterer Stufe und den externen Lasten (nicht gezeigt) geführt, welche das gekühlte Wasser verwenden, wie etwa eine Herstellungseinrichtung für Halbleiter usw. Das gekühlte Wasser hat eine Temperatur von etwa 5 bis 10°C.
Der Kondensierer 7 unterer Stufe ist mit einem Kühlwasserrohr 14 verbunden, durch das Kühlwasser fließt, und die latente Wärme der Kondensation des Kühlmittels, das im Kondensierer 7 unterer Stufe kondensiert, wird durch das Kühlwasser abgeführt. Eine Kühlwasserpumpe 16 ist an einem Zwischenpunkt des Kühlwasserrohrs 14 vorgesehen, und das Kühlwasser wird im Kreislauf durch diese Kühlwasserpumpe 16 zwischen einem Kühlturm 18 und dem Kondensierer 7 unterer Stufe geführt. Die Kühlwasserpumpe 16 hat eine Rotationsgeschwindigkeit, die von einem Motor mit einem Inverter geändert werden kann, und ist in der Lage, die Kühlwassertemperatur durch geeignete Einstellung der Kühlwasserflussrate zu steuern.
Der Kühlturm 18 ist von dem Typ, in dem das Kühlwasser gekühlt wird, indem es mittels eines Sprinklers 20 in die Luft gesprüht wird, und ist mit einem Gebläse 19 zum Kühlen des in die Luft gesprühten Wassers 20 ausgestattet. Das Gebläse 19 hat eine Rotationsgeschwindigkeit, die durch einen Motor mit einem Inverter geändert werden kann, und ist in der Lage, die Kühlwassertemperatur zu steuern.
Die Kühlwasserpumpe 16 und das Gebläse 19 werden mit der vorgeschriebenen Rotationsgeschwindigkeit entsprechend Befehlen von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) des Kühlturms 18 betrieben.
Zusätzlich kann ein Kühlwasserbypassrohr vorgesehen sein, so dass Kühlwasser dem Sprinkler 20 umgeht, und die Kühlwassertemperatur kann durch Steuern der Flussrate in diesem Kühlwasserbypassrohr gesteuert werden.
Das Kühlwasserrohr 14 zwischen dem Kondensierer 7 unterer Stufe und dem Kühlturm 18 ist mit einem Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 21 ausgestattet. Der Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 21 ist mit einem Rohr 25 für das Mitteltemperaturwasser ausgestattet, das das von einer Mitteltemperatur-Wasserpumpe 23 zugeführte warme Wasser führt. Das Mitteltemperaturwasser, das durch das Mitteltemperaturwasserrohr 25 gelaufen ist und die Wärme von dem Kühlwasser in dem Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 21 erhalten hat, wird zu einem Mitteltemperaturwasserrohr 27 (Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel) gelenkt, und wird als Wärmequelle zum Heizen verwendet. Das Mitteltemperaturwasser hat etwa eine Temperatur von 32 bis 45°C.
Eine Steuereinheit 30 unterer Stufe, die den Betrieb der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers steuert, ist vorgesehen. Die Steuereinheit 30 unterer Stufe steuert beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Motors 3, das Öffnungsausmaß von Einlassführungskanälen (Volumensteuerventilen), die in dem Zentrifugalkompressor 5 vorgesehen sind, usw., und zwar so, dass die Temperatur des gekühlten Wassers auf dem eingestellten Wert gehalten wird. Zusätzlich gibt die Steuereinheit 30 unterer Stufe eine geeignete Kühlwassertemperatur in Abhängigkeit von dem Betriebszustand an eine Steuereinheit (nicht gezeigt) zum Kühlen des Turms 18 aus.
Die Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers wird durch einen elektrischen Motor 53 getrieben, der durch einen frequenzvariablen Inverter gesteuert wird, und ist mit einem Zentrifugalkompressor höherer Stufe 55 ausgestattet, der das Kühlmittel komprimiert, mit einem Kondensierer 57 höherer Stufe, der das Kühlmittel, das von dem Zentrifugalkompressor 55 höherer Stufe komprimiert wurde, kondensiert, mit einem Expansionsventil (nicht gezeigt) höherer Stufe, das das von dem Kondensierer 57 höherer Stufe kondensierte Kühlmittel expandiert, und mit einem Verdampfer 59 höherer Stufe, der das von dem Expansionsventil höherer Stufe expandierte Kühlmittel verdampft.
Der Verdampfer höherer Stufe 59 ist mit einem Mitteltemperaturwasser-Einführrohr 60 verbunden, das Mitteltemperaturwasser von dem Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr 27 führt. Das Mitteltemperaturwasser, das in den Verdampfer höherer Stufe 59 von dem Mitteltemperaturwasser-Einfuhrrohr 60 geführt wird, liefert die latente Wärme für die Verdampfung des zu verdampfenden Kühlmittels. Eine Mitteltemperaturwasserpumpe 62 ist an einem Zwischenpunkt des Mitteltemperaturwasser-Einfuhrrohrs 60 vorgesehen, und ein Teil des Mitteltemperaturwassers führt hin zu dem Verdampfer höherer Stufe 59 durch die Mitteltemperaturwasserpumpe 62 von dem Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr 27 geführt.
Ein Kondensierer 57 höherer Stufe ist mit einem Hochtemperaturwasserrohr 64 verbunden, durch das Hochtemperaturwasser fließt, und das Hochtemperaturwasser wird mit der latenten Wärme der Kondensation des Kühlmittels geheizt, das in dem Kondensierer 57 höherer Stufe kondensiert. Eine Hochtemperaturwasserpumpe 66 ist an einem Zwischenpunkt des Hochtemperaturwasserrohrs 64 vorgesehen, und das Hochtemperaturwasser wird im Kreislauf durch die Hochtemperaturwasserpumpe 66 zwischen dem Kondensierer 57 und externen Lasten (beispielsweise einem Reinigungswasserheizteil in einer Halbleiterherstellungsvorrichtung) geführt. Die Hochtemperaturwassertemperatur beträgt etwa 60 bis 70°C.
Eine Steuereinheit 70 höherer Stufe, die den Betrieb der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers steuert, ist vorgesehen. Die Steuereinheit 70 höherer Stufe steuert beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit des elektrischen Motors 53, eine Öffnung von Einlassführungskanälen (Volumensteuerventil), die in dem Zentrifugalkompressor 55 vorgesehen sind, usw., und zwar so, dass die Hochtemperaturwassertemperatur auf dem eingestellten Wert erhalten wird.
Gegenseitige Datenkommunikation zwischen der Steuereinheit 70 höherer Stufe und der Steuereinheit 30 unterer Stufe wird ermöglicht. Die Steuereinheit 70 höherer Stufe gibt in Abhängigkeit vom Betriebszustand eine benötigte Mitteltemperaturwassertemperatur aus, die die Hochtemperaturwassertemperatur für die Steuereinheit 30 unterer Stufe verwirklicht. Jedoch, wie es im Anschluss beschrieben wird, wird die Mitteltemperaturwassertemperatur innerhalb des Temperaturbereichs (beispielsweise von 32 bis 45°C) gesetzt, der von der externen Last benötigt wird, welche die Heizung ausführt.
Die Steuereinheit 30 unterer Stufe empfängt die benötigte Mitteltemperaturwassertemperatur von der Steuereinheit 70 höherer Stufe, berechnet die benötigte Kühlwassertemperatur höherer Stufe, die der geforderten Mitteltemperaturwasser-Temperatur entspricht, und berechnet die Kühlwassertemperatur unter Berücksichtigung der benötigten Kühlwassertemperatur der höheren Stufe und der benötigten Kühlwassertemperatur der unteren Stufe, die für die Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers erforderlich ist. Die so berechnete Kühlwassertemperatur wird entsprechend der in 2 gezeigten Kurve eingestellt.
Die horizontale Achse in 2 ist ein Prozentsatz der Wärmelast (Kühlung) der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers bezüglich der Wärmelast (Wärme) der Hauptpumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers, und wird als ”Kühlen/Heizen” ausgedrückt. Wenn die horizontale Achse größer wird, steigt der Prozentsatz des ”Kühlens” an, was den Betrieb der Sommerzeit anzeigt, und wenn die horizontale Achse kleiner wird, steigt der Prozentsatz des ”Heizens” an, was den Betrieb der Winterzeit anzeigt. Die Vertikalachse in 2 zeigt eine eingestellte Kühlwassertemperatur, die von der Steuereinheit 30 unterer Stufe zu der Steuereinheit (nicht gezeigt) des Kühlturms 18 ausgegeben werden muss.
Wie es in 2 gezeigt ist, wird, wenn der Prozentsatz des Kühlens groß ist, eine untere Temperaturgrenze T1 eingestellt, die eine untere Grenze für die Kühlwassertemperatur ist. Der Grund für das Vorsehen der unteren Temperaturgrenze T1 in dieser Art ist, wie es im Anschluss beschrieben wird.
Je niedriger die Kühlwassertemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers, so dass die Kühlwassertemperatur so niedrig wie möglich gefordert wird. Insbesondere in der Sommerzeit, wenn der Prozentsatz des Kühlens groß ist, wird eine Kühlwassertemperatur von etwa 11 bis 13°C erfordert. Jedoch, bei der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers gibt es einen minimalen Sättigungsdruck (Sättigungstemperatur), was die Mitteltemperaturwasser-Temperatur des Verdampfers 59 höherer Stufe ist, die zur Ausgabe des Hochtemperaturwassers der geforderten Temperatur nötig ist (beispielsweise von 60 bis 70°C). Somit, um die Mitteltemperaturwasser-Temperatur sicherzustellen, die zum Erhalten der gewünschten Hochtemperaturwasser-Temperatur gefordert wird, ist es nötig, eine untere Grenze für die Kühlwassertemperatur in Anbetracht der Fähigkeit der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers bereitzustellen.
Wenn andererseits der Prozentsatz des Heizens groß ist, so gilt, je höher die Kühlwassertemperatur ist, desto effizienter arbeitet die Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers. Daher, da eine Gefahr besteht, dass ein Fehler in der Ausrüstung auftreten kann, wenn die Kühlwassertemperatur ansteigt, wird eine obere Temperaturgrenze T2 als eine obere Grenze für die Kühlwassertemperatur eingestellt.
In dem Zwischenbereich des ”Kühlens/Heizens” zwischen der unteren Temperaturgrenze T1 und der oberen Temperaturgrenze T2 der Kühlwassertemperatur wird die Kühlwassertemperatur auf die folgende Art eingestellt.
Der Leistungsverbrauch bezüglich auf die Kühlwassertemperatur unter der vorgeschriebenen thermischen Last ist in 3 gezeigt. Die gestrichelte Linie L1 zeigt den Leistungsverbrauch der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers, und die dünne durchgezogene Linie L2 zeigt den Leistungsverbrauch der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers. Die dicke durchgezogene Linie L3 zeigt die Summe des Leistungsverbrauchs aller Wärmepumpen 1 und 51.
Wie durch die gestrichelte Linie L1 zu sehen ist, ist bei der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers, bei der gleichen thermischen Last, je niedriger die Kühlwassertemperatur ist, desto höher wird die Effizienz und um so niedriger der Leistungsverbrauch. Andererseits, wie es durch die dünne durchgezogene Linie L2 gezeigt ist, wird bei der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers, auch bei der gleichen thermischen Last, je höher die Kühlwassertemperatur ist, desto höher wird die Effizienz und desto niedriger der Leistungsverbrauch. Daher, wie es durch die dicke durchgezogene Linie L3 gezeigt ist, gibt es eine Kühlwassertemperatur, bei der die Summe des Leistungsverbrauchs der Wärmepumpen 1 und 51 minimal wird. Die Steuereinheit 30 unterer Stufe berechnet die Kühlwassertemperatur, die den minimalen Wert für die Summe der Leistungsverbrauche hat.
Die gepunktete Linie L1 und die dünne durchgezogene Linie L2 sind im Voraus in Übereinstimmung mit einer Mehrzahl von Kühllastwerten und thermischen Lastwerten vorgesehen und in einem Speicher der Steuereinheit 30 unterer Stufe als eine Karte oder als numerische Tabelle gespeichert.
4 ist ein Flussdiagramm zum Berechnen der Kühlwassertemperatur, die den Leistungsverbrauch in der gezeigten Art minimiert.
Als erstes wird die Kühlwassertemperatur in dem Zeitschritt Si bei der gegenwärtigen Zeit bestimmt (S0).
Da der Kühlturm 18 vom Sprinklertyp ist, wird von einem Außentemperatursensor (dry-bulb-Temperatur) und von einem Relativfeuchtigkeitssensor (Schritt S1) eine wet-bulb-Temperatur berechnet (Schritt S2), und eine Kühlwassertemperatur T0, die einen Anfangswert darstellt, wird berechnet (Schritt S3).
Als nächstes wird von einer Ausgangseinstelltemperatur des gekühlten Wassers der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers (Schritt S4) eine obere Temperaturgrenze T2 erhalten, die eine obere Grenze für die Kühlwassertemperatur ist (Schritt S5). In ähnlicher Weise wird aus der Einstelltemperatur des Ausgangs des Heißwassers der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers (Schritt S6) die untere Temperaturgrenze T1 erhalten, die die untere Grenze für die Kühlwassertemperatur ist.
Als nächstes wird in dem Bereich von der unteren Temperaturgrenze T1 bis zur oberen Temperaturgrenze T2 der Leistungsverbrauch g1(T) der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und der Leistungsverbrauch gh(T) der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers in den vorgegebenen Intervallen der Temperatur T (beispielsweise mit einem Abstand von 1°C) erhalten und in dem Speicher der Steuereinheit 30 unterer Stufe gespeichert.
Der Leistungsverbrauch g1(T) der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers wird aus einer Quadratgleichung des Lastfaktors x1, beispielsweise unter Verwendung der Last Q1 der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers wie folgt erhalten. g1(x1, T) = {a1(T)x1² + b1(T)x1 + c1(T)}Q1
Hier bedeutet der Lastfaktor x1, das Verhältnis in Bezug auf die Lastrate (rated load) der Wärmepumpe 1, der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und ist ein Wert von etwa 0 bis 1,2. Zusätzlich sind Koeffizienten, wie a1, b1 oder c1, Variablen entsprechend jeder Temperatur T und werden im Voraus in Übereinstimmung mit einem vorhergehenden Betrieb oder Designbedingungen eingestellt.
In ähnlicher Weise wird der Leistungsverbrauch gh(T) der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers aus einer quadratischen Gleichung des Lastfaktors xh erhalten, beispielsweise mit der Last Qh der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers, wie folgt. gh(xh, t) = {ah(T)xh² + bh(T)xh + ch(T)}Qh
Hierbei ist der Lastfaktor xh das Verhältnis in Bezug auf das Lastverhältnis der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers und ist ein Wert in etwa von 0 bis 1,2. Zusätzlich sind die Koeffizienten, wie ah, bh oder ch, Variablen entsprechend jeder Temperatur T und werden im Voraus in Übereinstimmung mit vorherigem Betrieb oder Designbedingungen eingestellt.
Somit wird der Gesamtleistungsverbrauch gtotal(T) aus der folgenden Gleichung erhalten (Schritt S8). gtotal(T) = g1(x1, T) + gh(xh, t)
Das Ergebnis der Berechnung mit der obigen Gleichung wird in dem Speicher der Steuereinheit 30 der unteren Stufe gespeichert. Durch Vergleichen von gtotal(T) für jede Temperatur T mittels dieses Rechnungsergebnisses wird T = Tm (Schritt S9) ermittelt, die den minimalen Leistungsverbrauch erzielt. Als nächstes führt der Prozess weiter zu Schritt 10, und wenn das gilt Tm = T0, dann wird T = Tm als Optimalwert genommen (Schritt S11). Wenn für Tm gilt Tm < T0, dann wird T = T0 als Optimalwert genommen (Schritt S12). Wenn jedoch T0 < T1 ist, dann wird Tm von dem Bereich T1 bis T2 erhalten, wenn T2 < T0 ist, dann wird Tm aus dem Bereich von T1 bis T2 erhalten, und wenn T2 < T0 < T1 ist, dann wird Tm aus dem Bereich von T0 bis T2 erhalten.
Der so erhaltene Wert wird die optimale Kühlwassertemperatur Tm zur Zeit des Schritts (i). Die gleiche Berechnung wird für den Schritt S0 durchgeführt, um so den optimalen Wert für den nächsten Zeitschritt Si + 1 (Schritt S13) zu erhalten.
Die optimale Kühlwassertemperatur Tm, die wie beschrieben erhalten wird, wird als Einstellkühlwassertemperatur verwendet, die als Zielsteuerwert dient.
Die Einstellkühlwassertemperatur, die auf dem oben beschriebenen Weg ermittelt wurde, wird an die Steuereinheit (nicht gezeigt) des Kühlturms gesendet, die Rotationsgeschwindigkeit des Gebläses 19 oder die Rotationsgeschwindigkeit der Kühlwasserpumpe 16 wird gesteuert, um so die eingestellte Kühlwassertemperatur zu erfüllen.
Die obige Einstellung der optimalen Kühlwassertemperatur Tm muss so durchgeführt werden, dass der Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers, der von der externen Last gefordert wird, erfüllt ist. Anders gesagt, auch wenn es vorzuziehen ist, die Kühlwassertemperatur auf den vorgegebenen Wert abzusenken, um den minimalen Leistungsverbrauch zu erzielen, wird, wenn der Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers nicht erzielt wird, die optimale Kühlwassertemperatur Tm nicht verwendet.
Wenn jedoch keine Anforderung für Mitteltemperaturwasser, das den Bereich vorgibt, von der externen Last kommt, wie etwa, wenn keine Heizung erforderlich ist, wird der Bestimmungsschritt so ausgeführt, dass der Leistungsverbrauch für jede der Pumpen 1 und 51 unabhängig von dem Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers minimiert wird
Ein solches Einstellverfahren für die Kühlwassertemperatur wird auch für das Wärmequellensystem angewendet, wenn die Ausgabe des Mitteltemperaturwassers nicht benötigt ist, wie es in 5 gezeigt ist. Bei dem Wärmequellensystem aus 5 sind der Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher 21, das Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr 27 usw., die in 1 gezeigt sind, weggelassen. Dann wird ein Teil des Kühlwassers, das von der Abwärme des Kondensierers 7 unterer Stufe befreit ist, von einem Mitteltemperaturwasser-Entnahmerohr 73 entnommen, zu dem Verdampfer 59 höherer Stufe geleitet und zu dem Kühlwasserrohr 14 stromauf der Kühlwasserpumpe 16 zurückgeführt, nachdem seine Wärme dem Verdampfer 59 höherer Stufe zugeführt wurde. Bauelemente identisch zu jenen in 1 haben die gleiche Bezugszeichen und ihre Beschreibung wird hier weggelassen.
Wie vorangehend beschrieben wurde, werden mit der Ausführungsform die folgenden Effekte und Vorteile erreicht.
Um die Mitteltemperaturwasser-Temperatur sicherzustellen, die zum Erzielen der gewünschten Hochtemperaturwasser-Temperatur erforderlich ist, wird eine untere Grenze der Kühlwassertemperatur vorgesehen, so dass die erforderliche Menge der Abwärme des Kondensierers 7 unterer Stufe dem Mitteltemperaturwasser zugeführt werden kann. Daher wird das Wärmequellensystem bei einer Kühlwassertemperatur betrieben, die nicht niedriger als der untere Grenzwert wird. Somit, da die untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt ist, wird, auch wenn die niedrige Kühlwassertemperatur von der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers gefordert ist, diese Anforderung begrenzt, und indem das Mitteltemperaturwasser der gewünschten Temperatur sichergestellt wird, kann Hochtemperaturwasser der gewünschten Temperatur durch die Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers ausgegeben werden. Anders gesagt, werden nicht nur Hochtemperaturwasser und gekühltes Wasser der gewünschten Temperatur erhalten, sondern es ist auch möglich, sowohl eine Mitteltemperaturwasser-Temperatur, die für die Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers effizient ist, als auch eine Kühlwassertemperatur, die für die Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers effektiv ist, zu verwirklichen, und eine hohe Energieeffizienz des Wärmequellensystems insgesamt kann realisiert werden.
Da die Betriebstemperatur des Kühlwassers in Anbetracht der Summe der Leistungsverbrauche der Wärmepumpe 1 der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und der Wärmepumpe 51 der Hauptsteuerung des Heißwassers gesetzt wird, ist es möglich, einen energieeinsparenden Betrieb des Wärmequellensystems insgesamt zu erzielen.
Wie es in 6 gezeigt ist, kann anstelle des Wärmequellensystems der 1 eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung für den Kondensierer 7 der unteren Stufe verwendet werden. Das Wärmequellensystem ist so ausgestaltet, dass das Mitteltemperaturwasserrohr 25 mit dem Kondensierer 7 verbunden ist, und das Heizen wird durch einen Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher (nicht gezeigt) in dem Kondensierer 7 ausgeführt, wodurch die Wärme von dem Kondensierer 7 erhalten wird. In 6 werden Bauteile identisch zu jenen in 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Bei dieser Ausführungsform ist, obwohl ein Wärmequellensystem beschrieben wurde, die Erfindung nicht beschränkt, und es ist möglich, ein Wärmequellensystem zu verwenden, bei dem eine Mehrzahl von Wärmequellensystemen, wie sie in den 1, 5 und 6 gezeigt sind, miteinander zu kombinieren. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Kühlturm, der allen Wärmequellensystemen gemeinsam ist, vorgesehen.
Bei der Ausführungsform, obwohl die Berechnung der eingestellten Kühlwassertemperatur durch die Steuereinheit 30 unterer Stufe durchgeführt wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, die Berechnung kann durch die Steuereinheit 70 höherer Stufe durchgeführt werden, oder alternativ kann eine unabhängige Steuereinheit vorgesehen sein.
Bei dieser Ausführungsform, obwohl eine Kurve oder numerische Tabelle in dem Speicher als Originaldaten für die Kurve in 4 gespeichert sind, kann ein vorgegebener arithmetischer Ausdruck, mit dem der Leistungsverbrauch aus der Kühlwassertemperatur entsprechend jeder Last erhalten werden kann, in dem Speicher gespeichert sein, und die Kühlwassertemperatur kann aus dem arithmetischen Ausdruck hergeleitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers
5: Zenterifugalkompressor unterer Stufe
7: Kondensierer unterer Stufe
9: Verdampfer unterer Stufe
10: Rohr des gekühlten Wassers
14: Kühlwasserrohr
16: Kühlwasserpumpe
18: Kühlturm
21: Mitteltemperaturwasser-Wärmetauscher
28: Mitteltemperaturwasser-Zufuhrrohr (Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel)
51: Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers
55: Zentrifugalkompressor höherer Stufe
57: Kondensierer höherer Stufe
59: Verdampfer höherer Stufe
64: Hochtemperaturwasserrohr

ZUSAMMENFASSUNG
Eine Aufgabe ist es, ein Wärmequellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, Energieeinsparung zu verwirklichen. Das Wärmequellensystem enthält eine Wärmepumpe 1 einer Hauptsteuerung für gekühltes Wasser mit einem Verdampfer 9 unterer Stufe, der gekühltes Wasser kühlt, und mit einem Kondensierer 7 unterer Stufe, der Wärme in Kühlwasser abführt, und gekühltes Wasser, das in dem Verdampfer 9 unterer Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last abgibt, und mit einer Wärmepumpe 51 einer Hauptsteuerung für Heißwassers mit einem Verdampfer 59 höherer Stufe, an den Wärme durch Mitteltemperaturwasser geliefert wird, das durch die Abwärme des Kondensierers 7 unterer Stufe aufgeheizt wurde, und mit einem Kondensierer 57 höherer Stufe, der Hochtemperaturwasser aufheizt, und zum Ausgeben des Hochtemperaturwassers, das durch den Kondensierer 57 höherer Stufe aufgeheizt wurde, an eine externe Last, und wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers eingestellt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2005-114295 [0011]

Claims

Wärmequellensystem mit: einer Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für gekühltes Wasser mit einem Verdampfer unterer Stufe, der gekühltes Wasser durch Verdampfungswärme eines Kühlmittels kühlt, und mit einem Kondensierer unterer Stufe, der die Kondensationswärme des Kühlmittels in Kühlwasser abführt, und zum Ausgeben des gekühlten Wassers, das in dem Verdampfer unterer Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last; und mit einer Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für Heißwasser mit einem Verdampfer höherer Stufe, der das Kühlmittel mit der Wärme verdampft, die von Mitteltemperaturwasser geliefert wird, das durch die Abwärme von dem Kondensierer unterer Stufe geheizt wurde, und mit einem Kondensierer höherer Stufe, der das Hochtemperaturwasser mit der Kondensationswärme des Kühlmittels aufheizt, und zum Ausgeben des Hochtemperaturwassers, das von dem Kondensierer höherer Stufe aufgeheizt wurde, an eine externe Last, wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage einer Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers gesetzt wird.
Wärmequellensystem nach Anspruch 1, des weiteren mit: einem Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel, das Mitteltemperaturwasser an die externe Last abgibt; wobei die Betriebstemperatur des Kühlwassers innerhalb eines Einstelltemperaturbereichs des Mitteltemperaturwassers gesetzt wird, der für das Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel erforderlich ist.
Wärmequellensystem nach Anspruch 2, bei dem, wenn keine Ausgabeanforderung an das Mitteltemperaturwasser-Ausgabemittel vorliegt, die Betriebstemperatur des Kühlwassers unabhängig von dem Einstelltemperaturbereich des Mitteltemperaturwassers gesetzt wird.
Wärmequellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Betriebstemperatur des Kühlwassers so gesetzt ist, dass die Summe des Leistungsverbrauchs der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des gekühlten Wassers und des Leistungsverbrauchs der Wärmepumpe der Hauptsteuerung des Heißwassers im Wesentlichen minimal wird.
Wärmequellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des weiteren enthaltend: einen Kühlturm, der das Kühlwasser durch Versprühen des Kühlwassers in Außenluft kühlt, wobei der Kühlturm ein Kühlwassertemperatur-Einstellmittel hat, das die Kühlwassertemperatur einstellt.
Steuerverfahren eines Wärmequellensystems, das enthält: eine Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für gekühltes Wasser mit einem Verdampfer unterer Stufe, der gekühltes Wasser durch Verdampfungswärme eines Kühlmittels kühlt, und mit einem Kondensierer unterer Stufe, der die Kondensationswärme des Kühlmittels im Kühlwasser abführt, und wobei gekühltes Wasser, das von dem Verdampfer unterer Stufe gekühlt wurde, an eine externe Last abgegeben wird, und mit einer Wärmepumpe einer Hauptsteuerung für heißes Wasser mit einem Verdampfer höherer Stufe, der das Kühlmittel mit der Wärme verdampft, die von einem Mitteltemperaturwasser gegeben wird, das durch die Abwärme des Kondensierers unterer Stufe aufgewärmt wurde, und mit einem Kondensierer höherer Stufe, der das Hochtemperaturwasser mit der Kondensationswärme des Kühlmittels aufheizt, zum Ausgeben des Hochtemperaturwassers, das in dem Kondensierer höherer Stufe aufgeheizt wurde, an eine externe Last, wobei eine untere Temperaturgrenze des Kühlwassers auf der Grundlage der Einstelltemperatur des Hochtemperaturwassers eingestellt wird.