JP2006071127A - 冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数台の冷温熱源機を備えた冷温水システムにおいて、システム全体の消費電力を小さくすることができる冷温熱源機出力分配制御方法を提供する。
【解決手段】 複数台の並列配置した冷温熱源機１７と、各冷温熱源機１７に備わる冷温水ポンプ１８と、前記複数台の冷温熱源機１７に接続された二次側熱負荷源とからなる冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法において、前記二次側熱負荷源の熱負荷に応じて、使用する冷温熱源機１７の台数を選定し、複数台の冷温熱源機１７を使用する場合に、使用する冷温熱源機を２群（群No.1、群No.4）に分け、２つの群のCOPを合計したシステムCOPが最大となるように、前記二次側熱負荷源に供給する冷温水流量に対する両群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法に関する。なお、冷温熱源機とは、ヒートポンプ式の冷凍機や冷凍サイクルのみの冷凍機などの冷水及び／又は温水を生成可能な熱源機をいう。また、冷温水とは、冷温熱源機で生成された冷水又は温水をいう。

大規模建物等において、複数台の冷温熱源機を並列に設置し、これらの冷温熱源機に空調機などの二次側熱負荷源を接続した冷温水システムが用いられている。各冷温熱源機には、それぞれの冷温熱源機で生成した冷温水を循環させるための冷温水ポンプ（一次ポンプ）が備わる。さらに複数台の冷温熱源機からの冷温水を二次側熱負荷源に供給するための冷温水ポンプ（二次ポンプ）が備わる。

このような冷温水システムにおいて、二次側熱負荷に応じて熱負荷に対処するために必要とする冷温水流量が変わる。したがって、二次側熱負荷源に供給する冷温水流量を制御しなければならない。

従来、このような冷温水制御方法として、二次側熱負荷源のバイパス流量を制御するとともに冷温熱源機の台数制御を行っていた（非特許文献１参照）。従来の台数制御方法では、流量、熱量、及び流量と熱量の両方を考慮した方式で運転台数を選択していた。この場合、使用する冷温熱源機の冷温水ポンプは一定の定格流量で冷温水を循環させていた。また、使用する冷温熱源機は、稼動時間に応じて選択され、稼動時間が少ない冷温熱源機から順番に使用されていた。

このような冷温熱源機システムにおいて、システムの消費電力を小さくしてコストの低減を図り、ひいては資源節約や環境問題の改善に寄与するために、システムの運転効率を向上させて省エネルギーを図ることが望まれる。システムの消費電力を考慮した場合、使用する各冷温熱源機及びこれに備わる冷温水ポンプの消費電力が問題となる。

しかしながら、従来の運転台数制御方法では、消費電力を考慮した制御が行われていないため、個々の機器については定格運転による省エネルギーが図られるとしても、システム全体の消費電力の低下を図ることはできない。

空気調和・衛生工学会編「空気調和・衛生工学便覧」第１３版汎用機器・空調機器篇第６３３頁〜６３４頁

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、複数台の冷温熱源機を備えた冷温水システムにおいて、システム全体の消費電力を小さくすることができる冷温熱源機出力分配制御方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、複数台の並列配置した冷温熱源機と、各冷温熱源機に備わる冷温水ポンプと、前記複数台の冷温熱源機に接続された二次側熱負荷源とからなる冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法において、前記二次側熱負荷源の熱負荷に応じて、使用する冷温熱源機の台数を選定し、複数台の冷温熱源機を使用する場合に、使用する冷温熱源機を２群に分け、全ての群を合算したシステムCOPが最大となるように、前記二次側熱負荷源に供給する冷温水流量に対する両群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記２群のうち一方の群を１台の冷温熱源機で構成したとき、他方の群が複数台の冷温熱源機となる場合に、さらにこの他方の群を２つのサブ群に分け、全ての群を合算したシステムCOPが最大となるように、この他方の群に流れる合計冷温水流量に対する両サブ群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記２つのサブ群のうち一方のサブ群を１台の冷温熱源機で構成したとき、他方のサブ群が複数台の冷温熱源機となる場合に、さらにこの他方のサブ群を２つの第２サブ群に分け、２つ全ての群を合算したシステムCOPが最大となるように、この他方のサブ群に流れる合計冷温水流量に対する両第２サブ群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、前記冷温水流量の比率を変える場合に、所定の周期で一方の群の比率が大きくなる方向に変化させるとともに、前記システムCOPを演算して変化させる前のシステムCOPと比較し、増加した場合には、さらに同じ方向に変化させ、減少した場合には、逆方向に変化させることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかの発明において、前記冷温水ポンプのインバータ制御により冷温水流量を変化させることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数の冷温熱源機を使用する場合に、冷温熱源機を２群に分け、必要とする冷温水の全流量に対する各群の冷温水流量の分配比率が、システムCOPが最大となるように変えられるため、システム全体として最大効率で冷温熱源機を運転し消費電力の低減を図ることができる。

すなわち、本発明は、複数台の冷温熱源機がある場合、二次側で要求する変動負荷に対し、どの冷温熱源機系統を組合せて運転すればCOPが高くなり、各冷温熱源機の出力をどのように分配すればシステムCOPが高くなるかを自動的に判断して「出力分配最適制御」を行うことにより、省エネルギーを図る。

本発明は、冷温熱源機の運転台数の制御と運転する冷温熱源機の出力を分配制御する「冷温熱源機の台数／出力分配最適制御」を行うものであり、この「冷温熱源機の台数／出力分配最適制御」とは、二次側変動熱負荷に対し、システムＣＯＰが高くなるように、すなわち冷温熱源機群の出力（効率）が最適になるように、一次側冷温水量を分配（水量を多くしたり少なくしたり）して運転する方法である。各冷温熱源機群は、二次側総熱量もしくは二次側送水温度により、運転する冷温熱源機群の効率のよい方から運転し、効率の悪い方から運転停止して運転台数を決定する。このようにして、各冷温熱源機の必要最低水量を確保しつつ、各冷温熱源機に流れる水量を常に変化させてシステムＣＯＰが最大となる方向に出力（水量）を分配する。このとき、一次側冷温水ポンプは、その水量を変化さるために、インバータ制御を行う。ただし、インバータ制御に限らず、他の方法でモータの軸動力を変化させることにより、水量を変化させることができれば、そのような他の方法で冷温水ポンプの水量を制御してもよい。

請求項２の発明によれば、２群のうち一方は１台のみの冷温熱源機とし、他方の群がさらに複数台の冷温熱源機を含む構成となった場合（すなわち、冷温熱源機が全体で３台以上の場合）、この他方の群をさらに２つのサブ群に分けて、これらサブ群の冷温水流量の分配比率をシステムCOPが最大になるように変えるため、冷温熱源機が３台以上備わるシステムにおいて、効率よく全体の冷温熱源機を使用して消費電力の低減を図ることができる。

請求項３の発明によれば、２つのサブ群のうち一方は１台のみの冷温熱源機とし、他方のサブ群がさらに複数台の冷温熱源機を含む構成となった場合（すなわち、冷温熱源機が全体で４台以上の場合）、この他方のサブ群をさらに２つの第２サブ群に分けて、これら第２サブ群の冷温水流量の分配比率をシステムCOPが最大になるように変えるため、冷温熱源機が４台以上備わるシステムにおいて、効率よく全体の冷温熱源機を使用して消費電力の低減を図ることができる。

請求項４の発明によれば、冷温水・冷却水の温度変化や熱負荷の変動に追従してほぼリアルタイムでシステム全体を常に最大効率で稼動することができ、消費電力の低減を図ることができる。

図１は、本発明が適用される空調システムの構成図である。
この空調システム（請求項でいう冷温水システム）１は、２台の並列配置した冷温熱源機２と、各冷温熱源機２に備わる一次冷温水ポンプ３と、２台の冷温熱源機２の出口側の冷温水配管４にヘッダ５を介して接続された複数台の二次冷温水ポンプ６と、二次冷温水ポンプ６にヘッダ７を介して接続された複数台の並列配置された空調機（請求項でいう二次側熱負荷源）８と、ヘッダ７に接続されたバイパス管９と、このバイパス管９に備わる絞り弁（二方弁）１０と、各空調機８の冷温水配管１１に備わる絞り弁（二方弁）１２とにより構成される。各冷温熱源機２には、冷却水配管１３が接続される。各冷却水配管１３には、冷却塔１４及び冷却水ポンプ１５が備わり、冷却水が各冷温熱源機２を循環する。図中、ＩＮＶはインバータ、ｋＷは電力計、Ｐは圧力計、ＦＭは流量計、Ｔは温度計を示す。なお、各冷温熱源機２に設けた流量計ＦＭのかわりに冷温熱源機２の冷温水コイル出入口に差圧計を設置して冷温水流量を演算により求めても良い。

図２は、本発明の原理説明図である。
本発明では、複数台の冷温熱源機を２つの群に分ける。空調機８（図１）で必要とする合計の冷温水量（二次側熱負荷に応じた必要冷温水量）をＣとし、ボックスａに示すように、一方の冷温熱源機群の冷温水量をＡとし、他方の冷温熱源機群の冷温水量をＢとすると、Ｂ＝Ｃ−Ａである。このように冷温水量がＡ，Ｂとなるように、各冷温熱源機２の冷温水ポンプ３のインバータを制御して各水量を制御する。

このように冷温熱源機群２の冷温水量を変化させると、ボックスｂに示すように、両方の冷温熱源機群の生産熱量の合計に対する各冷温熱源機群の出力分配を制御できる。

このとき、ボックスｃに示すように、冷温熱源機群によって、その群のシステムＣＯＰ特性が異なる。

したがって、ボックスｄに示すように、各群の冷温水量Ａ，Ｂを変化させて各群のＣＯＰを変化させるとともに、両方の群の合計のシステムＣＯＰを最大にするように出力分配を最適化することにより、消費電力を低減し省エネルギーを図ることができる。

図３は、本発明の出力分配制御方法の説明図である。
（Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、特性の異なる冷温熱源機群Ａ及びＢの消費電力特性を示す。各群Ａ，Ｂはそれぞれ、冷温熱源機２（図１）とその冷温熱源機２に備わる一次冷温水ポンプ３（図１）とにより構成される。各群Ａ，Ｂの冷温熱源機の出力に応じた消費電力は、図示したように、冷温熱源機の消費電力と１次冷温水ポンプの消費電力の合計で示される。

（Ｃ）は、上記２つの冷温熱源機群Ａ，Ｂを合せて運転した場合に、各群Ａ，ＢのＣＯＰを合計したトータルシステムＣＯＰのグラフである。本発明では、このトータルシステムＣＯＰが最大となる分配比率で冷温熱源機群Ａ，Ｂを運転する。

ここでＣＯＰは、冷温熱源機２（図１）の生産熱量をＱ、冷温熱源機の消費電力をＲ_１、１次冷温水ポンプ３（図１）の消費電力をＲ_２としたとき、
ＣＯＰ＝Ｑ／（Ｒ_１＋Ｒ_２）
Ｑ＝（冷温熱源機の入口及び出口の冷温水の温度差）×流量
である。

なお、前述の図１の例では、システム全体の冷温熱源機の台数が２台であるため、これらを２群に分割した場合には、各群はそれぞれ１台ずつの冷温熱源機から構成されることになる。冷温熱源機の全台数が３，４・・・台と増えるにしたがって、２群に分割した場合の各群の冷温熱源機台数が変わる。本発明の実施例では、後述のように、２群に分割した場合に一方の群は必ず１台の冷温熱源機及びその１次冷温水ポンプで構成する。

図４は、演算されたシステムＣＯＰから最適な冷温水熱源機群の出力分配比率を設定する方法の説明図である。
この例は、２つの群No.(n)とNo.(n+1)の分配比率を設定する図である。一定の制御周期（例えば１０分）ごとに両方の群を合せたトータルのシステムＣＯＰを算出する。ある時点でシステムＣＯＰがＣＯＰ_ｎ、分配比率がＧ_ｎの場合に、分配比率を一定比率ΔＧだけ変化させて例えばNo.(n)の群の比率を大きくする（すなわち、No.(n+1)の群の比率をΔＧだけ小さくする）。制御周期の１０分後にシステムＣＯＰを算出してＣＯＰ_ｎ＋１になった場合、このＣＯＰ_ｎ＋１がその前のＣＯＰ_ｎよりも大きければ（すなわち、ＣＯＰが高くなる方向に変化している場合には）、さらに同じ方向（すなわち、No.(n)の群の比率を大きくする方向）に再び分配比率をΔＧだけ変化させる。これを繰返し、ある時点でＣＯＰが減少したら、逆方向（すなわち、No.(n)の群の分配比率を小さくする方向）にΔＧだけ比率を変化させる。このように一定周期ごとにシステムＣＯＰを算出し、前回のシステムＣＯＰより増加していたら前回と同じ方向に分配比率を一定比率だけ変化させ、前回のシステムＣＯＰより減少していたら前回と逆方向に分配比率を一定比率だけ変化させる。これにより、２つの冷温熱源機群の出力が最適な分配比率に収束し、以降はその値を挟んで周期ごとに上下に変動する。その後、二次側熱負荷源の負荷が変化すれば、その負荷の変化に追従して、自動的に２つの群の分配比率が最適な分配比率となるように制御される。

図５は、本発明の実施形態の構成説明図である。図６は、図５の実施形態において冷温熱源機を３台とした場合の具体的な動作例に基づく説明図である。
図５に示すように、複数台（ｎ台）の冷温熱源機１７（No.1，No.2，No.3・・・No.n）が冷温水配管１６を介して並列に接続される。各冷温熱源機１７には冷温水ポンプ１８が備わる。ＦＭは流量計、Ｔは温度計、ｋＷは電力計、ＩＮＶはインバータである。

出力分配制御を行う場合、まず複数台の冷温熱源機１７を２つの群（図５の群No.1及び群No.4）に分ける。群No.1の冷温熱源機台数は１台であり、群No.4の冷温熱源機台数は（ｎ−１）台である。これら２つの群No.1及び群No.4について、前述の図４に示した最適分配比率設定方法により、出力分配を行う。これにより、群No.1及び群No.4の最適出力分配比率が定まる。この出力分配は、各冷温熱源機１７に備わる冷温水ポンプ１８をインバータ制御して各冷温熱源機１７を流れる冷温水流量を制御することにより行う。すなわち、冷温水の分配制御により出力分配制御ができる。このとき、複数台の冷温熱源機１７を有する群No.4内の各冷温熱源機１７の出力分配は一定比率（例えば均一）としておく。

群No.1の１台の冷温熱源機１７を選定する場合、予め順番を定めて所定の稼動時間ごとに変えて運転してもよいし、あるいは運転中の消費電力データまたはＣＯＰデータを保存し、過去の学習データから運転効率のよい冷温熱源機を選定して運転してもよい。

２つの群No.1及び群No.4について決められた回数だけ分配比率を変更したら、次に複数台の冷温熱源機１７を有する群No.4を２つの群、すなわちサブ群No.2及びサブ群No.5に分割する。サブ群No.2の冷温熱源機台数は１台であり、サブ群No.5の冷温熱源機台数は（ｎ−２）台である。これら２つのサブ群No.2及びサブ群No.5について、前述の図４に示した最適分配比率設定方法により、出力分配を行う。これにより、サブ群No.2及びサブ群No.5の最適出力分配比率が定まる。この出力分配は、各冷温熱源機１７に備わる冷温水ポンプ１８をインバータ制御して各冷温熱源機１７を流れる冷温水流量を制御することにより行う。このとき、複数台の冷温熱源機１７を有するサブ群No.5内の各冷温熱源機１７の出力分配は一定比率（例えば均一）としておく。

２つのサブ群No.2及びサブ群No.5について決められた回数だけ分配比率を変更したら、次に複数台の冷温熱源機１７を有するサブ群No.5をさらに２つの群、すなわち第２サブ群No.3及び第２サブ群No.nに分割する。第２サブ群No.3の冷温熱源機台数は１台であり、第２サブ群No.nの冷温熱源機台数は（ｎ−３）台である。これら２つの第２サブ群No.3及び第２サブ群No.nについて、前述の図４に示した最適分配比率設定方法により、出力分配を行う。これにより、第２サブ群No.3及び第２サブ群No.nの最適出力分配比率が定まる。この出力分配は、各冷温熱源機１７に備わる冷温水ポンプ１８をインバータ制御して各冷温熱源機１７を流れる冷温水流量を制御することにより行う。このとき、複数台の冷温熱源機１７を有する第２サブ群No.n内の各冷温熱源機１７の出力分配は一定比率（例えば均一）としておく。

これを繰り返すことにより、ｎ台すべての冷温熱源機をシステムＣＯＰが最大となる出力分配比率で運転することができる。一通り終わったら再び前述の段落００３３の手順に戻る。

図６は、ｎ＝３とした場合の出力分配（冷温熱源機出力分配）の制御例である。
図示したように、ターム１で群No.1と群No.4の最適分配比率を設定する。このときサブ群No.2とサブ群No.5の比率は１：１（５０％：５０％）に固定しておく。この例では、１ターム７サイクル、変更比率５％とした設定例で７回分配比率を変更したのちにターム１を終了し、ターム２に移る。

次にターム２で、群No.1と群No.4の比率を最終比率となった３０：７０に固定して、群No.4内のサブ群No.2及びサブ群No.5の分配比率を設定する。ターム１と同様、決められたサイクル数だけ分配比率を変更する。その後、最終比率で固定して、ターム１に戻る。これにより３台の冷温熱源機のそれぞれが、全体としてＣＯＰが最大となるような出力分配比率に収束して運転される。このターム１とターム２を繰返して運転制御することにより、二次側熱負荷の変動にほぼリアルタイムで追従して冷温熱源機を運転制御できる。

図７は、本発明の冷温熱源機出力分配制御（出力分配制御）のフローチャートである。このフローチャートは図４の動作を示すものである。すなわち、システムＣＯＰ及び設定分配比率が、（ＣＯＰ_０，Ｇ_０）→（ＣＯＰ_１，Ｇ_１）→（ＣＯＰ_２，Ｇ_２）と変化する場合、
ＣＯＰ_１≦ＣＯＰ_２かつＧ_１＞Ｇ_０ならばＧ_２＝Ｇ_１＋ΔＧ
ＣＯＰ_１≦ＣＯＰ_２かつＧ_１＜Ｇ_０ならばＧ_２＝Ｇ_１−ΔＧ
ＣＯＰ_１＞ＣＯＰ_２かつＧ_１＞Ｇ_０ならばＧ_２＝Ｇ_１−ΔＧ
ＣＯＰ_１＞ＣＯＰ_２かつＧ_１＜Ｇ_０ならばＧ_２＝Ｇ_１＋ΔＧ
である。

本発明は、ヒートポンプ式の冷凍機あるいは冷凍サイクルのみの冷凍機からなる冷温熱源機を備えた空調システムその他あらゆるシステムに利用でき、システム全体の運転効率を最大にして省エネルギーを図ることができる。

本発明が適用される空調システムの構成図。 本発明の原理説明図。 本発明の出力分配説明図。 本発明の出力分配制御の動作説明図。 本発明の冷温熱源機群の分割例の説明図。 図５の冷温熱源機群の出力分配制御の具体例を説明する図。 図４の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１：空調システム（冷温水システム）、２：冷温熱源機、３：一次冷温水ポンプ、４：冷温水配管、５：ヘッダ、６：二次冷温水ポンプ、７：ヘッダ、８：空調機（二次側熱負荷源）、９：バイパス管、１０：絞り弁、１１：冷温水配管、１２：絞り弁、１３：冷却水配管、１４：冷却塔、１５：冷却水ポンプ、１６：冷温水配管、１７：冷温熱源機、１８：冷温水ポンプ。

Claims (5)

1. 複数台を並列配置した冷温熱源機と、各冷温熱源機に備わる冷温水ポンプと、前記複数台の冷温熱源機に接続された二次側熱負荷源とからなる冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法において、
   前記二次側熱負荷源の熱負荷に応じて、使用する冷温熱源機の台数を選定し、
   複数台の冷温熱源機を使用する場合に、使用する冷温熱源機を２群に分け、２つの冷温熱源機群を合算したシステムCOPが最大となるように、前記二次側熱負荷源に供給する冷温水流量に対する両群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法。
2. 前記２群のうち一方の群を１台の冷温熱源機で構成したとき、他方の群が複数台の冷温熱源機となる場合に、さらにこの他方の群を２つのサブ群に分け、全ての群を合算したシステムCOPが最大となるように、この他方の群に流れる合計冷温水流量に対する両サブ群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする請求項１に記載の冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法。
3. 前記２つのサブ群のうち一方のサブ群を１台の冷温熱源機で構成したとき、他方のサブ群が複数台の冷温熱源機となる場合に、さらにこの他方のサブ群を２つの第２サブ群に分け、全ての群を合算したシステムCOPが最大となるように、この他方のサブ群に流れる合計冷温水流量に対する両第２サブ群の冷温熱源機の冷温水流量の比率を変えることを特徴とする請求項２に記載の冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法。
4. 前記冷温水流量の比率を変える場合に、所定の周期で一方の群の比率が大きくなる方向に変化させるとともに、前記システムCOPを演算して、変化させる前のシステムCOPと比較し、増加した場合には、さらに同じ方向に変化させ、減少した場合には、逆方向に変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法。
5. 前記冷温水ポンプのインバータ制御により冷温水流量を変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷温水システムの冷温熱源機出力分配制御方法。
   

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