JP2007120929A - 原子力施設用空調制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】原子力施設の安全上の特有な条件、特に空調用空気の大半を外気から導入する条件下において、実際上での有効な省エネルギー化を実現できる原子力施設用空調制御システムを提供することにある。
【解決手段】外気を導入して、原子力施設２に空調用空気を供給する空調手段１３を有する原子力施設用空調制御システムにおいて、制御装置１０は、外気温度、外気導入量及び冷凍機１４の必要冷房容量をパラメータとして、最小消費電力を実現するように、送風用ファン１１、ダンパ１２及び冷凍機１４の運転を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電プラントなどの原子力施設の空調設備に適用する原子力施設用空調制御システムに関する。

一般的に、原子力発電プラントなどの原子力施設に使用される空調設備は、その安全対策上の理由から、空気の全量を外気から取り入れる方式である。この場合、外気を導入するときの流量は、年間を通して一定値で運用されている。流量を一定にしている理由は、排気される空気を一定以上の範囲に希釈排出するために必要だからである。

従って、原子力施設に使用される空調設備では、外気の流量は、年間を通して最大所要量に固定されている。大量の外気が導入されると、夏季には、ある程度の冷房効果が得られる。しかし、外気温度が例えば３０℃程度まで達すると、原子力建屋内が暑すぎることになるので、空調設備による冷房が必要となる。しかし、流量が大きいので、空調設備として大きな冷凍容量と送風動力が必要となる。また、冬季には逆に、原子力建屋内が冷えすぎるので暖房することになるが、このときも大量の暖房容量と送風動力が必要になる。この結果、原子力施設用の空調システムは極めて効率の悪い、大量のエネルギーを要するシステムとなっていた。

そこで、このような原子力特有の条件下において、空調設備の省エネルギー化を実現するために、大容量の冷凍機を使用する場合でも、中低負荷にも対応できるような方法や設備が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この先行技術の具体的内容は、冬期における冷凍機の低負荷時でも、簡単な設備で冷凍機が連続運転する為のダミー負荷を与えることができる原子力発電所の冷房空調用冷水供給方法及び設備を提供するものである。

また、原子力特有の性質である多量の排熱を利用して、吸収式冷凍機を駆動する方式も提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この先行技術の具体的内容は、原子力発電の排熱を利用し、フロンガスを用いることなく、省エネルギー及び容量制御に優れた空調設備を提供するものである。
特開平７−１２７９２９号公報 特開平６−３３７１８１号公報

前述の先行技術による方法において、ダミー負荷により冷凍機の中低負荷の特性を向上させる手法は、実際上では大きな省エネルギー効果を得ることは困難である。また、原子力の安全上の特有な条件や、さまざまな状況を勘案すると、原子力の排熱を空調に使用することは現実的ではなく、現時点では採用することは困難である。

そこで、本発明の目的は、原子力施設の安全上の特有な条件、特に空調用空気の大半を外気から導入する条件下において、実際上での有効な省エネルギー化を実現できる原子力施設用空調制御システムを提供することにある。

本発明の観点に従った原子力施設用空調制御システムは、外気を導入して、原子力施設に空調用空気を供給する空調手段と、前記空調手段に対する外気導入量を調整する外気導入量調整手段と、外気温度を測定する温度測定手段と、前記空調用空気の温度を調整するための温度調整器と、前記外気導入量調整手段及び前記温度調整器の運転を制御する手段であって、前記外気温度を入力して、前記外気導入量及び前記温度調整器の必要容量を算出する手段とを備えた構成である。

本発明によれば、原子力施設の安全上の特有な条件、特に空調用空気の大半を外気から導入する条件下において、消費電力の最小化を図ることにより、結果として実際上での有効な省エネルギー化を実現できる原子力施設用空調制御システムを提供できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に関する原子力施設用空調制御システムの要部を示すブロック図である。

図１に示すように、本システム１は、制御装置１０と空調本体である空調器１３とを主要部とするＨＶＡＣ（Heating Ventilation Air-conditioning）システムとも呼ばれる。空調器１３は、外気１００を導入し、温度調整器である冷凍機１４により温度調整された空調用空気１１０を原子力建屋２に供給する。

原子力建屋２は、原子力発電プラントなどの原子力施設が設けられた建物である。空調器１３は、ダクト１７を通じて原子力建屋２に空調用空気１１０を送出する。ダクト１７には、原子力建屋２に供給される空調用空気１１０の温度を測定する給気温度センサ１６が設けられている。

さらに、システム１は、外気１００の導入量（風量）を制御するための送風用ファン１１及び外気導入調整用ダンパ１２を有する。ファン１１及びダンパ１２は、外気導入調整系を構成している。制御装置１０は、ファン１１及びダンパ１２を制御して、外気１００の導入量（風量）を制御（調整）する。また、制御装置１０は、冷凍機１４の容量を制御する。なお、冷凍機１４の容量または冷房容量は、いわゆる熱力学的状態量を意味する。

さらに、制御装置１０は、外気温度センサ１５から外気１００の温度測定値（外気温度測定値）を入力し、及び給気温度センサ１６から空調用空気（給気）１１０の温度測定値（給気温度測定値）を入力し、外気１００及び給気１１０の各温度値を監視している。

次に、図１と共に図２から図４を参照して、原子力施設用空調制御システムの制御動作を説明する。

制御装置１０は、外気温度センサ１５から外気温度測定値を入力し、及び給気温度センサ１６から給気温度測定値を入力し、適切な温度の空調用空気１１０を原子力建屋２に供給するように制御する。具体的には、制御装置１０は、外気導入量を制御するための外気導入量指示値を出力して、ファン１１を駆動制御する。また、制御装置１０は、必要冷房量を示す容量指示値を出力して、冷凍機１４を駆動制御する。

ここで、本実施形態の制御装置１０は、給気温度制限と最小外気導入条件を満足することを前提として、ファン１１の駆動に伴う消費電力（Ｐｆ）と、冷凍機１４の所要電力（Ｐｒ）の総和（Ｅ）が最小になるように、外気導入量と冷凍機容量（熱力学的状態量）を制御する。換言すれば、制御装置１０は、下記式（１）で表される消費電力（Ｅ）の最小化を図るように制御する。

Ｅ＝ΣＰｆ＋ΣＰｒ…（１）
図２は、ファン１１の消費電力の特性図であり、風量（即ち、外気導入量）の増加に伴って消費電力が増大することを示す。ここで、ファン１１のモータの速度を変化させるインバータ駆動制御の場合（特性２１０）には、下記式（２）に示すように、消費電力（Ｐｆ）は、概ね風量（Ｗｆ）の３乗に比例した値となる。

Ｐｆ＝Ｃｆ×Ｗｆ^３…（２）
ここで、Ｃｆは定数である。

一方、ファン１１のモータ速度を一定にするダンパ１２の制御を伴う制御時（特性２００）は、小風量時での消費電力が、インバータ制御時（２１０）と比べて大きくなる。

次に、図３は、風量（Ｗｆ、外気導入量）と冷凍機１４による必要冷房容量（Ｒｃ）との関係を示す図である。図３に示すように、必要冷房容量（Ｒｃ）の特性は、外気１００の温度により大きく変動する。即ち、外気温が高温時には、風量が大きくなると、その空気を冷やさねばならなくなるので、必要冷房容量は大きくなる（図３の３００）。逆に、風量が小さくなると、建屋２での外気からの熱の侵入分を冷房すればよくなるので、一定の必要冷房容量に収束する。一方、外気温が低温時には、風量が大きいほど必要冷房容量は減少する（図３の３１０）。

必要冷房容量Ｒｃは、下記式（３）により表される。

Ｒｃ＝Ｃ（Ｔａ−Ｔｉ）＋Ｗｆ（Ｔａ−Ｔｉ）…（３）
ここで、Ｃは定数、Ｔａは外気１００の温度（外気温）、Ｔｉは建屋２の室温を意味する。

また、必要冷房容量Ｒｃは、下記式（４）により表すことができる。

Ｒｃ＝Ｗｆ（Ｔｉ−Ｔｃ）…（４）
Ｔｃは、冷凍機１４の冷房効果により得られる冷気の温度を意味する。

ところで、前述したように、原子力プラントなどの原子力施設は、安全上の理由により、空気の内部循環をせず、空調用空気の略全量を外気１００から導入する。このような状況において、冷凍機１４の消費電力（Ｐｒ）は、図４に示すように、風量が小さく冷房容量が大きい条件下では、上昇する特徴がある。ここで、消費電力Ｐｒは、下記式（５）により表される。

Ｐｒ＝Ｒｃ／Ｃｏｐ…（５）
ここで、Ｃｏｐは、冷凍機１４の入出力の比である冷房効率を意味し、下記式（６）により表すことができる。

Ｃｏｐ＝ｆ（Ｔｃ）＝ａ＋ｂＴｃ＋ｃＴｃ^２…（６）
ａ，ｂ，ｃは定数である。即ち、Ｃｏｐは、冷気の温度関数であり、前記式（４）に関係するパラメータである。

以上のような式（１）〜（６）で示す特性に基づいて、本実施形態の制御装置１０は、空調システム１での消費電力を最小化するための風量（Ｗｆ、外気導入量）と冷房容量（Ｒｃ）を算出する。実際には、制御装置１０は、前記の特性が高次の関数で表現されており、制約条件付き非線形最適化手法による最適化演算を実行して、風量（Ｗｆ）と冷房容量（Ｒｃ）を算出する。制御装置１０は、これらの算出結果に従って、ファン１１及びダンパ１２を駆動制御して外気１００の導入量（風量）を制御し、かつ、冷凍機１４を駆動制御して冷房容量を調整する。

具体的には、制御装置１０は、外気温、風量（外気導入量）及び必要冷房量をパラメータとして、外気導入量指示値及び容量指示値を算出するためのテーブル情報を有する。制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた風量に応じた外気導入量指示値により、ファン１１を駆動制御する。また、制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた必要冷房量に応じた容量指示値により、冷凍機１４を駆動制御する。

さらに、実際上での空調システムの運転制御では、以下のような外界条件が必要である。即ち、ダクト１７に結露が発生しないための最低温度（外気温度に対して）が必要となる。また、建屋２への全ダクト１７に通気させるための最小の風量が必要である（例えば４０％程度）。さらに、冷凍機１４の冷房容量の制限として、最低出力が３０％〜４０％程度が必要となる。

従って、本実施形態の制御方法であれば、季節や外界の天候にかかわらず、最小の消費電力を条件として外気導入量と冷房容量を決定することが可能となるため、特に原子力プラントなどの原子力施設の実際上での空調における省エネルギー化を実現できる。

（変形例）
図５は、本実施形態の変形例に関する原子力施設用空調制御システムの要部を示すブロック図である。なお、図１に示すものと同一の要素については、同一符号を付して説明を省略する。

本変形例は、いわば冬季での空調制御に関する構成であり、温度調整器として冷凍機１４の代わりにボイラ２４を使用する場合のシステムである。従って、本変形例では、制御装置１０は、必要冷房容量の代わりに必要暖房容量をパラメータとした制御動作を実行することになる。このパラメータ以外の制御装置１０に関する作用効果は、本実施形態の場合と同様であるため説明を省略する。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、制御装置１０は、消費電力最小化のための風量と必要冷房容量を算出するためのパラメータとして、外気の温度（外気温Ｔａ）を使用する制御演算を実行する構成について説明した。これに対して、本実施形態では、制御装置１０は、外気温Ｔａ以外に、外気１００の湿度もパラメータとして、必要冷房容量を算出する。

なお、本実施形態のシステムは、基本的に図１に示すものと同様であるが、外気温度センサ１５以外に、外気１００の湿度を測定するための湿度センサを有する構成である。

本実施形態の制御装置１０は、必要冷房容量Ｒｃを、下記式（７）により算出する。

Ｒｃ＝Ｃ（Ｔａ−Ｔｉ）＋Ｗｆ（Ｈａ−Ｈｉ）…（７）
ここで、Ｈａは、湿度センサにより得られる外気１００の湿度に従ったエンタルピーを意味し、Ｈｉは建屋２の空気湿度に従ったエンタルピーを意味する。

このような制御演算により、外気温だけでなく、外気１００の湿度も考慮して、消費電力最小化のための風量と必要冷房容量を算出することができる。なお、本実施形態の制御装置１０は、前記式（３）の代わりに式（７）に関する制御演算を実行する以外は、前記式（１）、（２）、（４）〜（６）に関する制御演算を実行し、ファン１１及びダンパ１２を駆動制御して外気１００の導入量（風量）を制御し、かつ、冷凍機１４を駆動制御して冷房容量を調整する。

本実施形態によれば、冷房負荷の多くは外気の湿分を除去するのに使われているため、湿度をパラメータとして使用する制御動作を実行することにより、より正確な消費エネルギー最小化を実現することができる。

なお、本実施形態においても、制御装置１０は、外気温、外気の湿度、風量（外気導入量）及び必要冷房量をパラメータとして、外気導入量指示値及び容量指示値を算出するためのテーブル情報を有する。制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた風量に応じた外気導入量指示値により、ファン１１を駆動制御する。また、制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた必要冷房量に応じた容量指示値により、冷凍機１４を駆動制御する。

［第３の実施形態］
前述の第１の本実施形態では、制御装置１０は、外気温度センサ１５により測定される外気温（Ｔａ）をパラメータとして使用し、消費電力の最小化のための風量と必要冷房容量を算出している。

これに対して、本実施形態の制御装置１０は、給気温度センサ１６により得られる原子力建屋２に供給される空調用空気（給気）１１０の温度をパラメータとして使用し、消費電力の最小化のための風量と必要冷房容量を算出する構成である。給気温度センサ１６は、図１に示すように、空調器１３から原子力建屋２に空調用空気１１０を送出するためのダクト１７に設けられている。なお、本実施形態のシステムは、図１に示すものと同様であるため、詳細な説明は省略する。

なお、本実施形態では、制御装置１０は、給気温、風量（外気導入量）及び必要冷房量をパラメータとして、外気導入量指示値及び容量指示値を算出するためのテーブル情報を有する。制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた風量に応じた外気導入量指示値により、ファン１１を駆動制御する。また、制御装置１０は、当該テーブル情報から得られた必要冷房量に応じた容量指示値により、冷凍機１４を駆動制御する。

このような給気温度センサ１６により得られる給気温度をパラメータとしても、前述の第１の本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。当然ながら、本実施形態の制御動作では、冷凍機１４の必用冷房容量は原子力建屋２への給気温度に基づいて算出されることになり、他の条件が同じでも、第１の実施形態の場合と比較して、冷凍機１４の消費電力の算出結果は異なる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関する原子力施設用空調制御システムの構成を示すブロック図。 本実施形態に関する風量と消費電力との関係を示す図。 本実施形態に関する風量と必要冷房容量との関係を示す図。 本実施形態に関する必要冷房容量と風量との比率と電力消費量との関係を示す図。 本実施形態の変形例に関する原子力施設用空調制御システムの構成を示すブロック図。

符号の説明

１…原子力施設用空調制御システム、２…原子力建屋、１０…制御装置、
１１…送風用ファン、１２…外気導入調整用ダンパ、１３…空調器、
１４…冷凍機、１５…外気温度センサ、１６…給気温度センサ、１７…ダクト、
２４…ボイラ、１００…外気、１１０…空調用空気（給気）。

Claims (11)

1. 外気を導入して、原子力施設に空調用空気を供給する空調手段と、
   前記空調手段に対する外気導入量を調整する外気導入量調整手段と、
   外気温度を測定する温度測定手段と、
   前記空調用空気の温度を調整するための温度調整器と、
   前記外気導入量調整手段及び前記温度調整器の運転を制御する手段であって、前記外気温度を入力して、前記外気導入量及び前記温度調整器の必要容量を算出する手段と
   を具備したことを特徴とする原子力施設用空調制御システム。
2. 前記外気導入量調整手段は、送風用ファンまたは外気導入調整用ダンパ、あるいはその組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の原子力施設用空調制御システム。
3. 前記温度調整器は、冷凍機、ボイラ、及びヒートポンプのいずれか、あるいはそれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
4. 前記外気導入量指示値及び前記温度調整器の容量指示値を出力する制御器を有し、
   前記制御器は、内部の演算機能として、前記空調手段に含まれる外気取り入れファン、送風ファンなどの必要ファン動力、及び前記温度調整器に含まれる冷凍機、ボイラ、またはヒートポンプの必要動力の総和を計算する機能と、空調の必要条件を制約条件として消費エネルギー最小化問題を解く最適化ソルバー機能とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
5. 前記空調の必要条件は、前記原子力施設の建屋の換気回数の制限から求められる最低風量と当該建屋の部屋の空調温度範囲であり、
   前記最適化ソルバー機能は、非線形制約条件付き最適化計算ソフトウェアを実行する機能であることを特徴とする請求項４に記載の原子力施設用空調制御システム。
6. 前記制御器は、外気温度に対して、前記外気導入量指示値と前記温度調整器の容量指示値を対応させたテーブルを内部の記憶手段に格納していることを特徴とする請求項４または請求項５のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
7. 前記温度調整器の必要容量は、必要冷房容量又は必要暖房容量であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
8. 外気の湿度を測定する湿度測定手段を有し、
   前記制御器は、前記湿度測定手段から出力される湿度信号と外気温度を入力信号として受け取り、前記外気導入量指示値及び前記温度調整器の容量指示値を出力することを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
9. 前記制御器は、
   前記外気温度、前記外気の湿度を入力パラメータとして、前記外気導入量指示値及び前記容量指示値を算出するためのテーブル情報を有し、
   前記テーブル情報から得られた前記外気導入量指示値により前記外気導入量調整手段を駆動制御し、
   前記テーブル情報から得られた前記容量指示値により前記温度調整器を駆動制御するように構成されたことを特徴とする請求項８に記載の原子力施設用空調制御システム。
10. 前記制御器は、前記外気導入量指示値と給気温度値を出力する機能、及び与えられた前記給気温度値と測定した給気温度値を参照して、前記温度調整器の容量制御を行う機能を有することを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。
11. 前記制御器は、前記テーブルの出力変数として前記外気導入量指示値と給気温度値を使用し、及び与えられた前記給気温度値と測定した給気温度値を参照して、前記温度調整器の容量制御を行う機能を有することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の原子力施設用空調制御システム。

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