JP2007315695A

JP2007315695A - 冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いる空調システム

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Publication number: JP2007315695A
Application number: JP2006146659A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Murasawa; 達村澤; Toshiaki Ogawa; 敏明小川
Original assignee: Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Current assignee: Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2026-05-26
Also published as: JP4594276B2

Abstract

【課題】空調機等の二次側設備への冷温水の流量調整弁の絞り抵抗の増加を抑えつつ、冷温水流量を低減させて冷温水ポンプの省エネルギーを図り、さらに二次側設備の流量調整弁開度に応じて送水温度も制御して冷温熱源機の消費電力を小さくして、簡単な構造で更なる省エネルギーを図ることができる冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いる空調システムを提供する。
【解決手段】冷温熱源機と、冷温水ポンプと、複数の相互に並列な二次側設備と、流量調整弁とを備え、各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いる空調システムに関するものである。

従来から、冷温熱源機単体のＣＯＰを向上させる努力は行われている。すなわち、冷熱源機単体のＣＯＰは、製造・送水温度は極力高いほうが冷熱源機のCOPが高く省エネルギーとなり、温熱源機単体のＣＯＰは、製造・送水温度は極力低いほうが温熱源機のCOPが高く省エネルギーとなる。ところが、二次側の負荷の大小に応じて設定温度を変更することは困難であり、冷水は低い温度設定のまま、温水は高い温度設定のまま（例えば冷水は７℃、温水は４２℃）というように製造・供給温度は常時一定となっていることが多く、省エネルギー運転・制御とはいえない。

冷温熱源機（ヒートポンプ式の冷凍機や冷凍サイクルのみの冷凍機を含む）を用いた空調システムとして、冷温熱源機に冷却水配管系及び冷温水配管系を接続し、冷却水配管系に冷却水ポンプ及び冷却塔を接続して冷却水を循環させ、冷温水配管系に冷温水ポンプ及び複数の空調機等の二次側設備を並列して接続して各二次側設備に負荷に応じた冷温水を供給する空調システムが一般に使用されている。

このような空調システムにおいて、消費電力を小さくして運転コスト低減を図り、ひいては資源節約や環境問題の改善に寄与するために、空調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求められている。この場合、冷温水配管系では、冷温熱源機とともに冷温水ポンプの消費電力を減らす必要がある。冷温水ポンプは、流量・揚程が小さいほど消費電力は小さくなる。

さらに省エネルギーを図るために、冷温熱源機の消費電力も減らす必要がある。冷温熱源機は、冷温水配管系に冷水を循環させる場合には、送水温度を上げることにより消費電力は小さくなり、温水を循環させる場合には、送水温度を下げることにより消費電力は小さくなる。ところが反面、冷水の送水温度を上げ（温水の送水温度を下げ）れば二次側設備の要求水量は増加し、冷温水ポンプの消費電力は大きくなる。

したがって、省エネルギーのためには、二次側設備への流量と抵抗を減らし冷温水ポンプの流量・揚程を減らして消費電力を抑えた上で、冷温熱源機の消費電力を考慮する必要がある。しかしポンプについてみると、従来の制御方法では、二次側設備の流量調整弁に絞りによる抵抗を増加させることにより流量調整をしているので、この絞り動作は無駄であり、期待する消費電力の低減が図れない。

このような空調システムの省エネルギーについての技術的背景が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の冷温熱源機の冷温水制御方法は、二次側設備のどこで冷温水を要求しているかを判断し、常に送水圧力を小さくできるように二次側設備の流量調整弁（二方弁等）開度を１００％近く（例えば９５％）開くように二次側冷温水ポンプのインバータ制御を行う。ただし、冷温熱源機の必要最低流量以下では、最低流量一定を確保するため、バイパス流量調整弁を開いてその最低流量を確保しつつ必要最小供給圧力まで下げ、冷温水ポンプの省エネルギー運転を行う。二次側冷温水供給温度は、初め冷温水熱源機が供給できる上下限温度（例えば冷水時は１５℃を上限、温水時は３５度を下限）とし、冷温水上下限水量まで流し二次側設備の流量調整弁（二方弁等）開度を９５％になるように冷温水温度を制御し始め、そのときの冷温熱源機と二次側冷温水ポンプのトータルシステムとしてのＣＯＰが高くなる方向に冷温水設定値を変化させバルブ開度が９５％になるように冷温水を変流量・変温度・変揚程制御する方法である。本発明は、特許文献１に比して、さらに簡単な構造で省エネルギーを実現するものである。

特開２００６−３８３７９号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、空調機等の二次側設備への冷温水の流量調整弁の絞り抵抗の増加を抑えつつ、冷温水流量とポンプ揚程を低減させて冷温水ポンプの省エネルギーを図り、さらに二次側設備の流量調整弁開度に応じて送水温度も制御して冷温熱源機の消費電力を小さくして、簡単な構造で更なる省エネルギーを実現できる冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いる空調システムの提供を目的とするものである。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、当該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁とを備えた冷温熱源機の冷温水制御方法において、前記各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、前記冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げることを特徴とする冷温熱源機の冷温水制御方法を提供する。

さらに、請求項２の発明では、冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、当該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁とを備えた空調システムにおいて、前記各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、前記冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げる制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷温熱源機の冷温水制御方法に用いる空調システムを提供する。

請求項１の発明によれば、複数の二次側設備のそれぞれの冷温水流量調整弁（例えば二方弁）の開度を検出してそれぞれ必要とする冷温水流量を維持したまま、ポンプ送水圧力を減らすことにより、各流量調整弁開度を大きくさせ、最大開度であった流量調整弁開度を１００％に近い所定開度（例えば９５％）まで開き、他の流量調整弁はそれぞれ元の開度に応じて全体の開度のバランスを保ってポンプ送水圧力が減った分だけ開度を大きくすることができる。これにより、各二次側設備で要求する負荷熱量を満足したまま、ポンプから送られる配管系全体の冷温水送水圧力を減らすことができる。この場合、ポンプ送水量は、流量調整弁等を絞ることにより減らすのではなく、インバータ制御によりポンプ回転数を制御して流量・揚程を減らすため、省エネルギー運転となる。

これに加え、さらに確実に流量調整弁を所定開度（例えば９５％）にするために、冷温水配管系に冷水を循環させる場合には、冷温熱源機の送水温度を上げ、冷温水配管系に温水を循環させる場合には、冷温熱源機の送水温度を下げる。冷水の場合、冷水温度を高くしていくと二次側設備での要求水量が徐々に増加する。したがって、二次側設備の流量調整弁開度を大きくすることができ、各二次側設備で要求する負荷熱量を満足したまま、さらに熱源機自体の消費電力も小さくして最大限の省エネルギーを期待できる。この判断は供給する水が冷水か温水かの判断だけでいいため、他の流量等のパラメータを計測する必要がないので、そのための測定装置や、複雑な制御回路を組み込む必要がなく、簡単な構造で省エネルギーを実現できる。

結果として、空調システム全体のシステムＣＯＰが向上し、ランニングコストの低減、地球環境保全、ＣＯ２排出量の削減効果が期待できる。このとき、記録される運転データを用いて解析すれば、その時々の最適な各種制御係数（内部パラメータ）が分かるので、機器の経年劣化や配管等の圧力損失増加等で最適なシステムＣＯＰ点がずれたとしても簡単に変更ができ、常にシステムＣＯＰが最大となる運転を継続できる。

また、請求項２の発明によれば、請求項１で示した冷温熱源機の冷温水制御方法を実現する制御装置を空調システムに備えるため、簡単な構造で省エネルギーを実現できる。

本発明は、冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、当該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁とを備えた冷温熱源機の冷温水制御方法において、前記各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、前記冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げることを特徴とする冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いる空調システムである。

図１は本発明に係る空調システムの概略構成図である。
この空調システム１は、冷温熱源機２に接続された冷温水配管系３と冷却水配管系４とにより構成される。冷却水配管系４には、送風ファン（図示省略）を備えた冷却塔５及び冷却水ポンプ６が備わる。冷温水配管系３には、冷温水ポンプ７及び複数の並列配置された二次側設備（例えば空調機）８が備わる。各二次側設備８には、冷温水流量を調整するための例えば二方弁からなる流量調整弁９が備わる。冷温水ポンプ７からの送水圧力は、圧力センサー１６で測定される。

冷温熱源機２には、生成する冷温水の温度を設定する温度設定手段１２が備わる。冷温熱源機２の冷温水出口側の冷温水配管には温度センサー１５が備わる。冷温水ポンプ７には、送水圧力を制御するインバータ１７が備わる。

複数の二次側設備８の各流量調整弁９、冷温熱源機２の温度設定手段１２、圧力センサー１６、冷温水の出口温度センサー１５及び冷温水ポンプ７のインバータ１７は、制御装置１９に接続され、後述のように冷温水配管系３の冷温水の圧力及び温度を制御する。

図２は本発明に係る冷温熱源機の冷温水制御方法のフローチャート図である。なお、説明の便宜のため、図１における符号を用いて説明する。
ステップＳ１：
各二次側設備８の流量調整弁９の開度を検出する。

ステップＳ２：
検出した流量調整弁９のうち、開度が最大の流量調整弁９の開度が最大開度の１００％に近い９５％であるかを判別する。９５％である場合、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ３：
開度９５％の流量調整弁９がないときは、開度９５％とするためにインバータ１７の制御により冷温水ポンプ７の送水圧力を減少させる。ポンプ７の送水圧力が減少すると、各二次側設備８では熱負荷に対処するために流量調整弁（二方弁等）９の開度を大きくするように動作する。これにより、各二次側設備の流量調整弁９は、それぞれの熱負荷に応じた開度のバランスを保ったまま、最大開度の流量調整弁９の開度が９５％になるように他の流量調整弁９とともに開度が大きくなる。したがって、ポンプ７の送水圧力を減少して消費電力を低減させるとともに、流路抵抗を下げてポンプ揚程を低くすることができ、消費電力を低減できる。

ステップＳ４：
ステップＳ３におけるポンプ７をインバータ制御した状態で、各二次側設備８のいずれかの流量調整弁９の開度が９５％であるかを判別する。９５％である場合、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ５：
ステップＳ４においても開度９５％の流量調整弁９がないときは、さらに、冷温熱源機２から冷温水配管系３に、冷水を供給するのか、温水を供給するのかを判別する。

ステップＳ６：
冷水を供給して冷温水配管系３に循環させている場合は、冷温熱源機２からの送水温度を上げる。これにより、二次側設備８での要求水量が徐々に増加していくため、二次側設備８の流量調整弁９の開度を大きくすることができ、各二次側設備で要求する負荷熱量を満足したまま、さらに冷温熱源機２自体の消費電力も小さくして最大限の省エネルギーを期待できる。

ステップＳ７：
温水を供給して冷温水配管系３に循環させている場合は、冷温熱源機２からの送水温度を下げる。これにより、ステップＳ６の場合と同様に、二次側設備８での要求水量が徐々に増加していくため、二次側設備８の流量調整弁９の開度を大きくすることができ、各二次側設備８で要求する負荷熱量を満足したまま、さらに冷温熱源機２自体の消費電力も小さくして最大限の省エネルギーを期待できる。

なお、ステップＳ６、Ｓ７での送水温度の変更は、急な変化とならないように、単位時間当たりの設定変更値を固定し、徐々に行う。例えば、３分当たり０．１℃程度が好ましい。

図３は冷温水送水圧力・送水温度制御方法の説明図である。
図１の制御装置１９（図１）にて流量調整弁９の最大開度が設定（図のＡ）されると、制御装置１９により、送水圧力と送水温度が設定される。
送水圧力が設定されると（図のＢ）、ポンプのインバータ１７が調整され、冷温水ポンプ７により所定の送水圧力に制御される。この送水圧力制御に対しては、ポンプ台数変化・機器の性能劣化等が外乱（図のＣ）として作用し、この送水圧力は圧力センサー１６で検出され設定送水圧力になるようにフィードバック制御される。さらにこの送水圧力に対して、二次側負荷変動・機器の性能劣化等が外乱（図のＤ）として作用し、また後述する送水温度の変化を考慮して、各二次側設備８の各流量調整弁９（図１）の最大開度を検出（図のＥ）し、送水圧力設定をカスケード制御される。

同時に送水温度が設定されると（図のＦ）、これに応じて冷温熱源機２（図１）の冷温水温度設定手段１２（図１）により送水温度が設定され、冷温熱源機内部のコントローラ１２により、冷温熱能力が調整され、所定の送水温度に制御される。この送水温度制御に対しては、冷温水還り温度変化・冷温水流量変化・冷却水温度変化・冷却水流量変化・機器の性能劣化等が外乱（図のＧ）として作用し、この送水温度は温度センサー１５で検出され設定送水温度になるようにフィードバック制御される。さらにこの送水温度に対して、二次側負荷変動・機器の性能劣化等が外乱（図のＤ）として作用し、各二次側設備８の各流量調整弁９の開度で最大開度を検出（図のＥ）し、送水温度設定をカスケード制御される。

このような冷温熱源機の冷温水制御方法を行うことにより、空調システム全体のシステムＣＯＰが向上し、ランニングコストの低減、地球環境保全、ＣＯ２排出量の削減効果が期待できる。このとき、記録される運転データを用いて解析すれば、その時々の最適な各種制御係数（内部パラメータ）が分かるので、機器の経年劣化や配管等の圧力損失増加等で最適なシステムＣＯＰ点がずれたとしても簡単に変更ができ、常にシステムＣＯＰが最大となる運転を継続できる。

また、本発明の方法によれば、省エネルギーのために一定周期ごとに流量計等の計測結果等を元にＣＯＰを算出する必要がなく、二次側設備の流量調整弁開度データのみで省エネルギーを達成できるため、複雑な制御回路が不要であり、そのための計測装置等も不要となるため簡単な構造で最大限の省エネルギーを期待できる。

図１で示した制御装置１９には、図２、図３で示したフロー及び説明に基づき冷温水ポンプの送水圧力と送水温度を変更するための制御回路が備わる。

図４は冷水を循環させる場合における冷温熱源機の冷温水制御方法を示すグラフ図である。
二次側設備の流量調整弁開度を検出し、いずれかの開度が９５％の場合はそのままの開度を維持するために送水圧力、送水温度の変更は行わない。すなわち、このときの送水圧力、送水温度（図のＰ点）が基準となる。９５％に満たない場合、例えばａ以上９５％未満の場合、ポンプによる送水圧力をＰ点の送水圧力より減少させる。すると流量調整弁開度は９５％に近くなるように開く。開度がｂ以上ａ未満の場合、ポンプを最低送水圧力とする。そうすると時間の経過とともに、又は二次側設備の負荷に応じて流量調整弁開度が変化するため、所定時間経過後、再び流量調整弁開度を検出する。開度がｃ以上ｂ未満の場合、ポンプを最低送水圧力とした状態で冷温熱源機からの送水温度をＰ点の送水温度より上げる。すると二次側設備からの要求水量が増加するため、流量調整弁開度が大きくなる。このようにして、流量調整弁開度を検出し、その時々の流量調整弁開度に応じた送水圧力、送水温度を設定し制御することで流量調整弁開度を全開に近くなるように保つことができ、各二次側設備で要求する負荷熱量を満足したまま、さらにポンプと冷温熱源機の消費電力を小さくして省エネルギーを図ることができる。

図５は温水を循環させる場合における冷温熱源機の冷温水制御方法を示すグラフ図である。
温水の場合は送水温度の設定が図４の冷水の場合と逆になる。すなわち、二次側設備の流量調整弁開度がｃ以上ｂ未満の場合の制御が異なる。この場合、ポンプを最低送水圧力とした状態で冷温熱源機からの送水温度を下げる。すなわち、開度９５％のときの送水温度より下げる。すると二次側設備からの要求水量が増加するため、流量調整弁開度が大きくなる。その他の作用、効果は図４で示した場合と同様である。

本発明は、種々の冷温水を供給する冷温熱源機の冷温水制御方法及びこれに用いるあらゆるシステムに適用でき、システム全体の運転効率を最大にして省エネルギーを有効に達成できる。

本発明に係る空調システムの概略構成図である。本発明に係る冷温熱源機の冷温水制御方法のフローチャート図である。本発明に係る冷温水の送水圧力・送水温度設定制御の説明図である。冷水を循環させる場合における冷温熱源機の冷温水制御方法を示すグラフ図である。温水を循環させる場合における冷温熱源機の冷温水制御方法を示すグラフ図である。

符号の説明

１：空調システム、２：冷温熱源機、３、冷温水配管系、４：冷却水配管系、５：冷却塔、６：冷却水ポンプ、７：冷温水ポンプ、８：二次側設備、９：流量調整弁、１２：温度設定手段、１５：温度センサー、１６：圧力センサー、１７：インバータ、１９：制御装置

Claims

冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、
当該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、
前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、
負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁とを備えた冷温熱源機の冷温水制御方法において、
前記各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、前記冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げることを特徴とする冷温熱源機の冷温水制御方法。
冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、
当該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、
前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、
負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁とを備えた空調システムにおいて、
前記各二次側設備の流量調整弁開度を検出し、開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、それでも最大開度の流量調整弁開度がほぼ全開にならない場合には、前記冷温熱源機の送水温度を冷水の場合は上げ、温水の場合は下げる制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載の冷温熱源機の冷温水制御方法に用いる空調システム。