JP2006250443A - １ポンプ方式熱源設備における運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小負荷時の非効率な運転状態でも動力の削減を図るとともに、非効率な増段制御を無くすことにより動力の削減を図る。
【解決手段】制御装置８は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ及び熱媒ポンプ運転台数に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、前記熱源機器2A〜2Cの運転台数の増段制御は循環流量Ｑ及び往水温度TSに基づいて行い、前記熱源機器2A〜2Cの運転台数の減段制御は熱媒の循環流量Ｑ及び熱源機器への入力値Ｗに基づいて行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられる１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法に関する。

従来より地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられる熱源設備として、１ポンプ方式熱源設備が知られている。

前記１ポンプ方式熱源設備は、図４に示されるように、熱媒を加熱又は冷却する第１〜第３の熱源機器５１Ａ〜５１Ｃ、及び各熱源機器５１Ａ〜５１Ｃで加熱又は冷却された熱媒を圧送する各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃ、各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃで圧送された熱媒を集約する送りヘッダ５４と、各部位（部屋）に配置された熱交換器（空調機）５８，５８…に送給された後、熱交換器（空調機）５８，５８…から還ってきた熱媒を各熱源機器５１Ａ〜５１Ｃに分配する戻りヘッダ５０と、前記送りヘッダ５４と戻りヘッダ５０とを繋ぐバイパス６２と、その中間に設けられたバイパス弁６３と、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの制御及びバイパス弁６３の開度制御を行う制御装置６０とを備える構成となっている。

かかる熱源設備においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃにより圧送された熱媒は、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにより冷却又は加熱され、送りヘッダ５４において混合され、往水管路を介して熱交換器（空調機）５８，５８…へ供給される。そして、熱交換器（空調機）５８，５８…において熱交換された後、還水管路を介して戻りヘッダ５０に戻され、再び熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃによって圧送され循環する（下記特許文献１〜３等参照）。

前記制御装置６０による熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの増減段制御は、例えば図５に示されるように、循環流量Ｑ、熱源入口温度ＴＩ、送水温度ＴＳに基づいた台数制御が行われている。

ここで、図５中、熱源機器の減段条件となる熱源機器減段温度設定値TISは、下式(2)より算出される。また、熱源機器増段温度設定値TSSは、年間を通して固定値（通常は８℃）に設定され、下限値流量は冷凍機定格流量×（運転台数−１）、上限値流量は冷凍機定格流量×運転台数とされる。

特開２０００−１８６８３号公報 特開２００４−１８４０５２号公報 特開２００４−２４５５６０号公報

しかしながら、前記１ポンプ方式熱源設備においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃを定格で稼働し、吐出圧を一定とすることで、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにおける流量を確保し、不安定化（ハンチング等）を回避するようにしているため、小負荷時においてもポンプ動力を低減することができないなどの問題があった。

一方、熱源機器の増減段制御に関し、前記１ポンプ方式熱源設備では、前記熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにおいては、所定の熱媒温度差（上記例では９℃）である場合に、その最大能力を発揮するようになっているが、実際には特に小負荷時において、水の往き還り温度差が低下する現象が発生している。この往き還り温度差の低下は、バルブの開け過ぎや圧力の掛かりすぎにより熱交換器５８に必要以上の冷水が流入していたり、熱交換器５８を通過する風量が不足していたり、熱交換器が劣化していたりする場合に起こることもあるし、或いは熱交換器５８をバイパスする末端バイパス（図示せず）を設けたことが原因していたり等、様々な原因で生じるものであるが、熱媒の往き還り温度差が低下することにより、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃは定格稼働しているが、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃは自己の冷却能力を絞った運転をしている状態となる。この状態で、熱交換器５８が要求する熱量が増大すると、第１の熱源機器５１Ａが絞り運転しているにも拘わらず、第２、第３の熱源機器５１Ｂ、５１Ｃへの増段が図られてしまうことになっていた。すなわち、各熱源機器５１Ａが最大能力を発揮する前に、第２、第３の熱源機器５１Ｂ、５１Ｃへの不要な増段が行われ、不経済な運転が行われていた。

他方、減段制御に関しては、運転台数毎の前記熱源機器減段温度設定値TISは、TOS=7℃、TRS=12℃の条件でn=2台：TIS=9.5℃、n=3台：TIS=10.3℃、n=4台：TIS=10.75℃となり、運転台数が多くなると熱源機器減段温度設定値TISの温度差が極めて小さくなる。熱源入口温度TIは精度の高い測定が困難であるとともに、前記冷水還り温度(TRS)は仮定値であり、実際には常に変化するため運転台数減少の判断が的確になされないなどの問題もあった。

そこで本発明の主たる課題は、小負荷時の非効率な運転状態でも動力の削減を図るとともに、非効率な増段制御を無くすことにより動力の削減を図るようにした１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス及びバイパス弁と、前記熱源機器の運転台数制御及び前記熱媒ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える１ポンプ方式熱源設備において、
前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、熱源機器の出口温度TOを測定するための出口温度計と、前記熱源機器への入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計と、前記バイパス弁の開度検出手段と、前記熱媒ポンプの運転台数検出手段とを配設し、
前記制御装置は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ及び熱媒ポンプ運転台数に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、前記熱源機器の運転台数の増段制御は循環流量Ｑ及び往水温度TSに基づいて行い、前記熱源機器の運転台数の減段制御は熱媒の循環流量Ｑ及び熱源機器への入力値Ｗに基づいて行うことを特徴とする１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

上記請求項１記載の本発明では、従来の熱源設備では固定値とされていた熱源機器出口温度設定値TOSを時期毎に可変設定するとともに、増段条件の一部となる熱源増段温度設定値TSSも時期毎に可変設定するようにした。

先ず、前記熱源機器出口温度設定値TOSを時期毎に可変設定することにより、機器効率（COP）が向上し消費動力を減少させることができる。すなわち、循環流量Ｑが少ない状況では、熱源出口温度TOが上昇すれば循環流量の増大によるポンプ動力が増加するが、この増加分は、熱源機器の機器効率（COP）向上による熱源機器動力減少分と比較すると小さいため、熱源機器とポンプとを含めた全体システムで考えると、消費動力は出口温度TOを上昇させることにより減少する。

さらに、減段制御に関しては、熱源機器の減段条件を熱源機器入力値Ｗとすることで適切な運転台数の削減が判断できるため、不要な熱源機器を運転させる事態を防止することができる。
請求項２に係る本発明として、前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの変更制御は、循環流量Ｑと、熱源出口温度上昇による熱源機器の動力削減量とポンプ動力増加量とが釣り合う循環流量設定値Ｑhとの比較、熱媒ポンプ運転台数、及び循環流量Ｑと、熱源出口温度設定値TOSをNormalからLowへ変えた時の熱源機器動力の減少分とポンプ動力の増加分とが釣り合う循環流量設定値ＱIとの比較によって行う請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

請求項３に係る本発明として、前記熱源機器減段入力設定値ＷＳは、下式(1)により求める請求項１，２いずれかに記載の１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

以上詳説のとおり本発明によれば、小負荷時の非効率な運転状態であっても、熱源出口温度設定値TOSを上昇させることにより熱源機器効率の上昇により動力の削減を図る。また、熱源機器の運転台数の増段制御は循環流量Ｑ及び往水温度TSに基づいて行い、前記熱源機器の運転台数の減段制御は熱媒の循環流量Ｑ及び熱源機器への入力値Ｗに基づいて行うことにより、熱源機器は絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われることを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔１ポンプ方式熱源設備の構成〕
図１に示される１ポンプ方式熱源設備１は、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器２Ａ〜２Ｃと、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに対応して設けられるとともに、熱媒を圧送する熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃと、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃからの熱媒を集約する送りヘッダ４と、送りヘッダ４から熱媒が供給される空調機等の外部負荷機器９，９…と、外部負荷機器９，９…で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに分配する戻りヘッダ１０と、前記送りヘッダ部４又はその近傍と前記戻りヘッダ部１０又はその近傍とを繋ぐバイパス１３及びバイパス弁１２と、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃの運転台数制御及び前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転制御を行う制御装置８とを備えるものである。

また、計測機器類として、前記熱媒の循環流量を測定するための流量計１４と、還水温度ＴＲを測定するための還水温度計１５と、往水温度ＴＳを測定する往水温度計２０と、熱源機器の入口温度ＴＩを測定するための温度計１６と、熱源機器の出口温度TOを測定するための温度計１８と、熱源機器２Ａ〜２Ｃへの入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計（図示せず）と、前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転台数検出手段（図示せず）とを配設している。
〔制御装置８による運転制御〕
前記制御装置８は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ及び熱媒ポンプ運転台数に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、熱源機器運転台数の増段は循環流量Ｑと熱源機器定格流量×運転台数で表される上限流量との比較、及び往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較に基づいて行い、熱源機器運転台数の減段は循環流量Ｑと熱源機器定格流量×（運転台数−１）で表される下限流量との比較、及び熱源機器への入力値Ｗと事前に設定された熱源機器減段入力設定値ＷＳとの比較に基づいて行うようにするものである。
〔熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定〕
さらに詳述すると、前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定数値テーブルは、過去の実績等に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定値を、例えば月又は季節等の時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別に定めたものである。なお、この設定数値テーブルは、表１に示されるように、一般的には熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとの温度差が１℃となるように定められる。また、前記設定数値テーブルは、月又は季節等に定めたが、熱源機器の運転状態を負荷状況（稼働状況）に応じて区分するものであれば、どのような指標に従って区分されていてもよい。

前記制御装置８は、熱媒の循環流量Ｑ、熱媒ポンプ運転台数に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行う。ここで、前記熱源出口温度設定値TOSは、従来は固定値とされていた熱源機器２Ａ〜２Ｃの出口温度設定値TOを、年間を通して低負荷時期については相対的に熱媒の出口温度を高めに設定することにより熱源機器２Ａ〜２Ｃの熱源効率を向上させることにより消費動力の低減化を図るものである。

具体的には、図２のフロー図に示されるように、熱源設備１の運転開始時には先ず、時期に対応した熱源出口温度設定値・増段条件normalの読み込みを行い、制御装置８に設定する（Step-1）。

次に、流量計Ｆにより測定した循環流量Ｑと、予め設定された循環流量設定値Ｑh（以下、上限流量設定値ともいう。）とを比較し、Ｑ≧Ｑhの場合には熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Highへ変更する（Step-2）。ここで、上限流量設定値Ｑhは、熱源出口温度TOの上昇による熱源機器２Ａ〜２Ｃの動力削減量と、ポンプ動力増加量が釣り合う循環流量である。

例えば、熱源機器２Ａ〜２Ｃを空冷チラーとした場合の前記Ｑh算出例を下記に示す。

空冷チラー動力Erefは次式(3)より求まる。

一方、ポンプ動力Epompは下式(5)より求まる。

また、循環流量Ｑは下式(6)より求まる。

熱源機器出口温度設定値TOSをNormalからHighへ変えた時の熱源機器動力の増加分とポンプ動力の減少分とが釣り合う条件より下式(7)が成立する。

上式(3)、(5)〜(7)式より下式(8)が成立する。

負荷率qを上式(8)より求め、上式(6)から上限流量設定値Ｑhを算出する。なお、他の熱源機器についても同様の考え方により算出することができる。

上記Step-2において、Ｑ＜Ｑhの場合には、熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転台数が２台以上の場合には熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Normalを維持する（Step-3）。さらに、循環流量Ｑが循環流量の下限流量設定値ＱI以下の場合には、熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Lowへ変更する（Step-4）。前記循環流量の下限流量設定値ＱIは、前記上限流量設定値Ｑhと同じ計算要領によって算出することができる。

なお、条件変更があった場合には安定するまでタイマー設定時間の間、待ち時間を設けると共に、熱源機器容量制御に熱源機器出口温度設定値TOSを、熱源台数制御に熱源機器増段温度設定値TSSを発信する。
〔熱源機器の増減段制御〕
熱源機器２Ａ〜２Ｃの増減段制御に関しては、図３に示されるように、熱源機器運転台数の増段は、循環流量Ｑと熱源機器定格流量×運転台数で表される上限流量との比較、及び往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較に基づいて行い、熱源機器運転台数の減段は循環流量Ｑと熱源機器定格流量×（運転台数−１）で表される下限流量との比較、及び熱源機器への入力値Ｗ（電力、蒸気又はガス計測値）と事前に設定された熱源機器減段入力設定値ＷＳとの比較に基づいて行うようにする。

この際、減段条件となる前記熱源機器減段入力設定値WSは、次式(1)により算出する。

以上のように、減段条件を循環流量Ｑが前記熱源機器定格流量×（運転台数−１）で表される下限値以下であり、かつ前記入力値Ｗが熱源機器減段入力設定値WS以下とすることにより、熱源機器出口水温設定値TOS、外気温度、そして経年劣化による能力変化に対応した的確な運転台数削減判断がなされる。因みに、前記運転台数ごとの熱源機器減段入力設定値WSは、a=1.0,b=1.0,C=0.0とした場合、n=2台：WS=50%、n=3台：WS=67%、n=4台：WS=75%と設定値の差が大きく計測対象となる消費電力または電流値、蒸気量、ガス量は精度の高い計測が可能であるため、的確な運転台数削減判断がなされるようになる。

また、増段条件を、循環流量Ｑが前記熱源機器定格流量×運転台数で表される上限値を超え、かつ往水温度TSが熱源機器増段温度設定値TSSを超えた場合とすることにより、熱源機器２Ａ〜２Ｃが絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われるのを防止することができる。

本発明に係る１ポンプ方式熱源設備１を示すブロック図である。 熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定・変更方法を示すフロー図である。 熱源機器の増減段制御を示すフロー図である。 従来の１ポンプ方式熱源設備を示すブロック図である。 従来の熱源機器の増減段制御を示すフロー図である。

符号の説明

１…１ポンプ方式熱源設備、２Ａ〜２Ｃ…熱源機器、３Ａ〜３Ｃ…熱媒ポンプ、４…送りヘッダ、８…制御装置、９…外部負荷機器、１０…戻りヘッダ、１２…バイパス弁、１３…バイパス、１４…流量計、１５・１６・２０…温度計、１７…差圧計

Claims (3)

1. 熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス及びバイパス弁と、前記熱源機器の運転台数制御及び前記熱媒ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える１ポンプ方式熱源設備において、
   前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、熱源機器の出口温度TOを測定するための出口温度計と、前記熱源機器への入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計と、前記バイパス弁の開度検出手段と、前記熱媒ポンプの運転台数検出手段とを配設し、
   前記制御装置は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ及び熱媒ポンプ運転台数に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、前記熱源機器の運転台数の増段制御は循環流量Ｑ及び往水温度TSに基づいて行い、前記熱源機器の運転台数の減段制御は熱媒の循環流量Ｑ及び熱源機器への入力値Ｗに基づいて行うことを特徴とする１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
2. 前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの変更制御は、循環流量Ｑと、熱源出口温度上昇による熱源機器の動力削減量とポンプ動力増加量とが釣り合う循環流量設定値Ｑhとの比較、熱媒ポンプ運転台数、及び循環流量Ｑと、熱源出口温度設定値TOSをNormalからLowへ変えた時の熱源機器動力の減少分とポンプ動力の増加分とが釣り合う循環流量設定値ＱIとの比較によって行う請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
3. 前記熱源機器減段入力設定値ＷＳは、下式(1)により求める請求項１，２いずれかに記載の１ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
   

   

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