JP2008070067A - 冷凍機運転台数決定装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】補機として設けられた冷水ポンプや冷却水ポンプなども含めて、トータルの冷凍機の運転コストや環境負荷などを低減する。
【解決手段】例えば、現在運転中の冷凍機をG1,G2の2台とした場合、冷凍機G1,G2、1次ポンプP1,P2、冷却水ポンプCP1,CP2および冷却塔ファンCF1,CF2の運転コストの合計値を現在の運転コストCOST2として求め、冷凍機を1台(冷凍機G1)とした場合の運転コストCOST1、冷凍機を3台(冷凍機G1,G2,G3)とした場合の運転コストCOST3と比較し、最も運転コストの安い冷凍機の組合せを運転する冷凍機の組合せとして決定する。なお、冷却塔ファンCFの運転コストは、比較的小さいので、運転コストの算出に含めなくてもよい。
【選択図】 図1
【解決手段】例えば、現在運転中の冷凍機をG1,G2の2台とした場合、冷凍機G1,G2、1次ポンプP1,P2、冷却水ポンプCP1,CP2および冷却塔ファンCF1,CF2の運転コストの合計値を現在の運転コストCOST2として求め、冷凍機を1台(冷凍機G1)とした場合の運転コストCOST1、冷凍機を3台(冷凍機G1,G2,G3)とした場合の運転コストCOST3と比較し、最も運転コストの安い冷凍機の組合せを運転する冷凍機の組合せとして決定する。なお、冷却塔ファンCFの運転コストは、比較的小さいので、運転コストの算出に含めなくてもよい。
【選択図】 図1
Description
この発明は、外部負荷が要求する負荷熱量や負荷流量などの要求負荷量に基づいて冷凍機の運転台数を決定する冷凍機運転台数決定装置および方法に関するものである。
従来より、テナントビルなどにおいては、複数の冷凍機と、これら冷凍機のそれぞれに補機として設けられ当該冷凍機を通過する冷水を搬送する冷水ポンプおよび当該冷凍機への冷却水を搬送する冷却水ポンプを主要構成要素とする熱源システムを設け、冷水ポンプより圧送した熱源水を冷凍機により冷却し、往ヘッダにおいて混合し、往水管路を介して空調機やファンコイルなどの外部負荷に供給するようにしている。外部負荷において熱交換された冷水は、還水管路を介して還ヘッダに戻され、再び冷水ポンプによって圧送され、以上の経路を循環する。
この熱源システムには冷凍機の運転台数を決定する運転台数決定装置が設けられる。運転台数決定装置は、往ヘッダから外部負荷への冷水の温度(往水温度)TS,還ヘッダに戻される冷水の温度(還水温度)TRおよび還ヘッダに戻される冷水の流量(負荷流量)Fとから、F×(TR−TS)×比熱=Qとして現在の負荷熱量Qを求め、この求めた現在の負荷熱量Q又は負荷流量F(Q,F:要求負荷量)に対して増減段の閾値を定めて冷凍機の運転台数n(n:現在運転中の冷凍機の台数)を決定する(例えば、特許文献1参照)。この閾値は冷凍機の定格熱量もしくは定格流量とするのが一般的である。
また、特許文献2では、運転する冷凍機の容量(能力)に応じて負荷流量を按分し、この按分した流量の冷水が冷凍機へ送られるように、その冷凍機に対して設けられた冷水ポンプの回転数を制御(冷水変流量制御)するようにしている。また、特許文献3や特許文献4では、冷凍機への冷却水の温度に応じて、その冷凍機に対して設けられた冷却水ポンプの回転数を制御(冷却水変流量制御)するようにしている。
しかしながら、上述した冷水変流量制御および冷却水変流量制御を採用した従来の熱源システムでは、現在の冷凍機の運転台数をn台(n≧1)とした時、運転台数を増やした方が運転コストが安くなる場合があるにも拘わらず、またCO2 排出量などの環境負荷が減る場合があるにも拘わらず、現在のn台の運転が続けられるというような問題があった。
例えば、冷水ポンプ・冷却水ポンプが定速である場合、図12にその冷水ポンプ・冷却水ポンプを補機とする冷凍機の負荷率と電力との関係を示すように、低負荷でも冷水ポンプ・冷却水ポンプの電力は変わらないので、システム効率は高負荷時が一番よくなり、冷凍機の台数制御はなるべく運転台数を減らす方がよい。これに対して、冷水ポンプ・冷却水ポンプが変速である場合、図13にその冷水ポンプ・冷却水ポンプを補機とする冷凍機の負荷率と電力との関係を示すように、低負荷になるにつれて冷水ポンプ・冷却水ポンプの電力が低下し、高負荷時よりも低負荷時の方がシステム効率が良いこともあり得る。この場合、冷凍機の運転台数を増やした方が運転コストが安くなり、CO2 排出量などの環境負荷が減る。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、補機として設けられた冷水ポンプや冷却水ポンプなども含めて、トータルの冷凍機の運転コストや環境負荷などを低減することができる冷凍機運転台数決定装置および方法を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、第1〜第N(N≧2)の冷凍機と、この第1〜第Nの冷凍機に対して補機として各個に設けられ当該冷凍機を通過する冷水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な第1〜第Nの冷水ポンプと、第1〜第Nの冷凍機に対して補機として設けられ当該冷凍機への冷却水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な冷却水ポンプと、第1〜第Nの冷凍機からの冷水を受ける往ヘッダと、この往ヘッダから送水される冷水の供給を受ける外部負荷と、この外部負荷において熱交換された冷水を第1〜第Nの冷水ポンプを介して第1〜第Nの冷凍機に戻す還ヘッダと、往ヘッダと還ヘッダとを連通するバイパス管路とを備えた熱源システムに用いられ、外部負荷が要求する要求負荷量に基づいて第1〜第Nの冷凍機の運転台数を決定する冷凍機運転台数決定装置において、要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せ中、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値が小さい組合せを、運転する冷凍機の組合せとして決定する運転冷凍機組合せ決定手段を設けたものである。
この発明によれば、例えば冷凍機を第1の冷凍機と第2の冷凍機の2台とし、外部負荷が要求する負荷熱量や負荷流量などの要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せを「第1の冷凍機のみ」、「第2の冷凍機のみ」、「第1の冷凍機+第2の冷凍機」の3通りとした場合、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値が小さい組合せが、運転する冷凍機の組合せとして決定される。なお、本発明において、評価指標とは、電力・ガスなどの単価から求めた運転コスト、CO2 排出量などの環境負荷、電力・ガスなどを生成するのに要した1次エネルギーなどのことを指す。また、本発明において、「評価指標の合計値が小さい組合せ」とは、必ずしも「評価指標の合計値が最も小さい組合せ」でなくてもよく、例えば2番目、3番目に小さい組合せでもよいことを意味している。
本発明において、運転する冷凍機の組合せの決定は、例えば次のようにして行う。現在運転中の冷凍機の組合せについて、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を現在の評価指標として求め、要求負荷量を賄い得る現在運転中の冷凍機の組合せとは異なる別の組合せ(比較対象の組合せ)について、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を比較対象の評価指標として求め、現在の評価指標および比較対象の評価指標より最も評価指標の小さい冷凍機の組合せを、運転する冷凍機の組合せとして決定する。
本発明において、比較対象の組合せは、現在運転中の冷凍機の組合せに応じ、複数の組合せの中から選択的に決定するようにするとよい。例えば、冷凍機の能力や効率などから、その合計容量が小さい順に冷凍機の組合せを定めておき(例えば、セット1〜セット4)、現在運転中の冷凍機の組合せが「セット2」であれば、「セット1」と「セット3」の組合せを比較対象の組合せとして決定する。これにより、全ての冷凍機の組合せについて評価指数の合計値を算出するのに比べ、計算量が少なくて済む。また、本発明において、比較対象の組合せには、異効率・等容量の冷凍機の組合せ、異効率・異容量の冷凍機の組合せ、等効率・等容量の冷凍機の組合せなどが考えられる。
なお、本発明において、現在の評価指標と比較対象の評価指標との比較は必ずしも必要ではなく、要求負荷量に対してその要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せの中から、その組合せにおける各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプなどの評価指標の合計値が最も小さくなる冷凍機の組合せを外気条件(外気温度、外気湿度、外気エンタルピなど)をパラメータとして求めておき、この組合せを網羅的に記憶させたテーブルを装置内に記憶させておき、このテーブルより要求負荷量および外気条件に応ずる冷凍機の組合せを導き出して、運転する冷凍機として決定するようにしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、冷凍機に入る冷却水の入口温度とその冷凍機の負荷率とに応じて冷却水ポンプの回転数を制御する冷却水変流量制御手段を有するものとしてもよく、冷凍機の負荷率は考慮に入れず、冷凍機から出る冷却水の出口温度に応じて冷却水ポンプの回転数を制御する冷却水変流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、運転する冷凍機の容量に応じて負荷流量を按分し、この按分した流量の冷水が冷凍機へ送られるように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御する冷水変流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、複数の冷凍機が同時に運転される場合、運転効率の良い方の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分するように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御する冷水変流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、部分負荷時の運転効率が良い第1の冷凍機と、最大負荷時の運転効率が良い第2の冷凍機を有するものとし、第1および第2の冷凍機が同時に運転される場合、最大負荷時の運転効率が良い第2の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分する冷水流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、複数の冷凍機が同時に運転される場合、運転効率の良い方の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分するように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御する冷水変流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明において、熱源システムは、部分負荷時の運転効率が良い第1の冷凍機と、最大負荷時の運転効率が良い第2の冷凍機を有するものとし、第1および第2の冷凍機が同時に運転される場合、最大負荷時の運転効率が良い第2の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分する冷水流量制御手段を有するものとしてもよい。
また、本発明は、冷凍機運転台数決定装置としてではなく、冷凍機運転台数決定方法としても実現することが可能である。また、本発明において、熱源システムは、単式ポンプ方式の熱源システムでもよく、複式ポンプ方式の熱源システムでもよい。
また、冷凍機に補機として設ける冷水ポンプは、その全てが回転数の制御が可能なポンプでなくてもよく、回転数が一定のポンプが混在していてもよい。また、冷凍機に補機として設ける冷却水ポンプも、その全てが回転数の制御が可能なポンプでなくてもよく、回転数が一定のポンプが混在していてもよい。また、本発明において、冷却水ポンプは、必ずしも冷凍機に対して各個に設けられていなくてもよく、複数の冷凍機間で共用して用いる構成とされていてもよい。また、運転する冷凍機の組合せを決定する際の評価指標には、冷却塔のファン(冷却塔ファン)などの評価指標を含めるようにしてもよい。
本発明によれば、要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せ中、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値が小さい組合せを、運転する冷凍機の組合せとして決定するようにしたので、補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプなども含めて、トータルの冷凍機の運転コストや環境負荷などを低減することができるようになる。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る冷凍機運転台数決定装置を含む熱源システムの一実施の形態を示す計装図である。
同図において、1は外気の温度toutを検出する外気温度センサ、2は外気の湿度RHoutを検出する外気湿度センサ、G1,G2,G3,G4は冷凍機、P1,P2,P3,P4は冷凍機G1,G2,G3,G4への冷水の循環通路に補機として各個に設けられた1次ポンプ(冷水ポンプ)、PINV1,PINV2,PINV3,PINV4は1次ポンプP1,P2,P3,P4に付設された回転数調整用のインバータ、3は冷凍機G1,G2,G3,G4からの冷水を混合する往ヘッダ、4は往水管路、5は往ヘッダ3から往水管路4を介して送られてくる冷水の供給を受ける外部負荷(空調機、ファンコイルなどの熱負荷)、6は還水管路、7は外部負荷5への冷水の供給量をその負荷状態に応じて調整するバルブである。
8は外部負荷5において熱交換され還水管路6を介して送られてくる冷水が戻される還ヘッダ、9は往ヘッダ3と還ヘッダ8とを連通させるバイパス管路、10は往ヘッダ3から外部負荷5への冷水の温度を往水温度TSとして計測する往水温度センサ、11は還ヘッダ8に戻される冷水の温度を還水温度TRとして計測する還水温度センサ、12は還ヘッダ8に戻される冷水の流量を負荷流量Fとして計測する流量計、13は本発明に係る冷凍機運転台数決定装置(以下、制御装置と呼ぶ)である。
往ヘッダ3は、第1の往ヘッダ3−1と第2の往ヘッダ3−2とから構成され、往ヘッダ3−1と3−2との間には、往ヘッダ3−1からの冷水を往ヘッダ3−2へ圧送する2次ポンプ14−1〜14−3が設けられている。また、往ヘッダ3−1と往ヘッダ3−2との間には、バルブ15と差圧計16が設けられており、2次ポンプ14−1〜14−3、バルブ15および差圧計16に対しては2次ポンプ制御装置17が設けられている。2次ポンプ制御装置17は、流量計12からの負荷流量Fを入力として2次ポンプ14−1〜14−3の運転台数を制御すると共に、差圧計16が検出する往ヘッダ3−1と3−2との間の差圧ΔPを一定に保つように、バルブ15の開度を制御する。
この熱源システムにおいて、1次ポンプP1,P2,P3,P4により圧送された送水は、冷凍機G1,G2,G3,G4により冷水とされ、往ヘッダ3において混合され、往水管路4を介して外部負荷5へ供給される。そして、外部負荷5において熱交換され、還水管路6を介して還ヘッダ8に戻され、再び1次ポンプP1,P2,P3によって圧送され、以上の経路を循環する。
なお、この熱源システムにおいて、冷凍機G1,G2,G3,G4には補機として冷却塔C1,C2,C3,C4が設けられている。冷却塔C(C1,C2,C3,C4)は、冷却水ポンプCP(CP1,CP2,CP3,CP4)と冷却塔ファンCF(CF1,CF2,CF3,CF4)とを備え、冷却塔ファンCFで生成される冷却水を冷却水ポンプCPによって冷凍機G(G1,G2,G3,G4)へ圧送する。冷却水ポンプCP(CP1,CP2,CP3,CP4)には回転数調整用のインバータCINV(CINV1,CINV2,CINV3,CINV4)が付設されている。
また、この熱源システムにおいて、冷凍機G1,G2は同効率・等容量(等能力)のINVターボ冷凍機(圧縮機にインバータを付設したインバータ式のターボ冷凍機)とされ、冷凍機G3,G4は同効率・等容量(等能力)のターボ冷凍機とされ、冷凍機G1,G2,G3,G4の容量は全て等しいものとされている。INVターボ冷凍機は、一般的に部分負荷時の運転効率が良くなるという特性(図10)を持っている。これに対し、ターボ冷凍機(定速のターボ冷凍機)は、図11に示すように、最大負荷時の運転効率が最も良いという特性を持っている。
また、この熱源システムにおいて、冷凍機G1,G2,G3,G4の容量に合わせて、1次ポンプP1,P2,P3,P4のポンプ能力も同一とされており、この例ではその定格ポンプ能力がそれぞれ100m3 /hとされている。また、冷却塔ファンCF1,CF2,CF3,CF4は、回転数が一定とされ、インバータは付設されていないものとする。
制御装置13は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。制御装置13には、外気温度センサ1からの外気の温度tout、外気湿度センサ2からの外気の湿度RHout、往水温度センサ10からの往水温度TS、還水温度センサ11からの還水温度TR、流量計12からの負荷流量Fが与えられる。
また、制御装置13は、その特徴的な機能の1つとして、冷凍機の運転台数を制御する機能に加え、冷凍機への冷却水の流量(冷却水ポンプの回転数)を制御する機能(冷却水変流量制御機能)と、冷凍機を通過する冷水の流量(1次ポンプの回転数)を制御する機能(冷水変流量制御機能)と、運転する冷凍機の組合せを決定する運転冷凍機組合せ決定機能とを有している。
また、制御装置13のメモリには、冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の組合せとの関係を示すテーブルTB1(図2)が格納されている。この例では、冷凍機の運転台数nに対し、n=1の場合にはINVターボ冷凍機G1,G2の何れか1台を運転(INVターボ冷凍機の1台運転)するものとし、n=2の場合はINVターボ冷凍機G1,G2を共に運転(INVターボ冷凍機の2台運転)するものとし、n=3の場合にはINVターボ冷凍機G1,G2に加えてターボ冷凍機G3,G4の何れか1台を運転(INVターボ冷凍機2台とターボ冷凍機1台の3台運転)するものとし、n=4の場合にはINVターボ冷凍機G1,G2に加えてターボ冷凍機G3,G4を共に運転(INVターボ冷凍機2台とターボ冷凍機2台の4台運転)するものとする。
また、制御装置13のメモリには、冷凍機への冷却水の入口温度(冷却水入口温度)をパラメータとする冷凍機の負荷率と冷却水流量(冷却水INV設定値)との関係を示すテーブルTB2(図4)が格納されている。この冷凍機の負荷率と冷却水流量との関係は、冷却水ポンプの動力と冷凍機本体の効率の両方を考慮し、合計の運転コストが最小となるような特性として定めている。
例として、図5に冷却水の流量を変化させたときの冷却水ポンプの電力(特性I)と、冷凍機の電力(特性II)と、冷却水ポンプの電力と冷凍機の電力との合計値(特性III )の変化を示す。この図から、特性III で示す電力の合計値が最小となる冷却水流量で運転することによって、運転コストを最小にできることが分かる。この運転コストが最小になる冷却水水量は、冷凍機の負荷率、冷却水入口温度によって異なる。冷凍機の負荷率、冷却水入口温度、冷却水流量ごとの冷凍機の効率が分かっていれば、これらをもとに運転コストが最小になる冷却水流量を計算することができる。このような計算に基づいて、本実施の形態では、冷凍機の負荷率と冷却水流量との関係を示すテーブルTB2を定めている。
また、制御装置13のメモリには、1次ポンプPの定格動力(P1,P2,P3,P4:同一)、冷却水ポンプCPの定格動力(CP1,CP2,CP3,CP4:同一)、冷却ファンCFの定格動力(CF1,CF2,CF3,CF4:同一)、冷却水入口温度および冷却水流量をパラメータとする冷凍機Gの発生熱量と動力との関係(G1,G2:同一、G3,G4:同一)を示すテーブルTB3が格納されている。
〔冷却水変流量制御〕
図6に制御装置13が有する冷却水変流量制御機能のフローチャートを示す。以下、このフローチャートに従って、制御装置13が有する冷却水変流量制御機能について説明する。なお、このフローチャートの処理は、定周期で繰り返し実行される。
図6に制御装置13が有する冷却水変流量制御機能のフローチャートを示す。以下、このフローチャートに従って、制御装置13が有する冷却水変流量制御機能について説明する。なお、このフローチャートの処理は、定周期で繰り返し実行される。
制御装置13は、ステップ101において、流量計12からの負荷流量Fを取り込む。また、ステップ102において、往水温度センサ10からの往水温度TS,還水温度センサ11からの還水温度TRおよび計測された負荷流量Fとから、F×(TR−TS)×比熱=Qとして現在の負荷熱量Qを算出する。また、ステップ103において、外気温度センサ1からの外気の温度toutと外気湿度センサ2からの外気の湿度RHoutとから外気のエンタルピEPを算出する。
そして、冷凍機G1,G2,G3,G4へのオン/オフ(運転/停止)の情報から、運転中の冷凍機Gを特定し、この運転中の冷凍機Gのそれぞれについて負荷率Rを求める(ステップ104)。この場合、制御装置13は、冷凍機Gの定格能力とその冷凍機Gが分担する熱量Qxとに基づき、その冷凍機Gの負荷率Rを「R=Qx/定格能力」として求める。
そして、外気エンタルピEPと冷却塔ファンCFの能力と負荷率Rより冷凍機Gへの冷却水入口温度Tcwを求め(ステップ105)、この求めた冷却水入口温度Tcwと負荷率RとよりテーブルTB2から冷却水INV設定値を取得し(ステップ106)、冷却水ポンプCPに付設されているインバータCINVへ出力する(ステップ107)。これにより、冷却水ポンプCPの回転数が調整され、冷凍機Gへの冷却水の流量が冷却水入口温度Tcwと負荷率Rに応じた適切な値に制御される。
〔冷水変流量制御(最適負荷配分)〕
従来の熱源システムでは、運転する冷凍機の容量に応じて負荷流量を按分し、この按分した流量の冷水が冷凍機へ送られるように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御するようにしていた。これに対し、本実施の形態の熱源システムにおいて、制御装置13は、複数の冷凍機が同時に運転される場合、運転効率の良い方の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分する。
従来の熱源システムでは、運転する冷凍機の容量に応じて負荷流量を按分し、この按分した流量の冷水が冷凍機へ送られるように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御するようにしていた。これに対し、本実施の形態の熱源システムにおいて、制御装置13は、複数の冷凍機が同時に運転される場合、運転効率の良い方の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分する。
例えば、図1において、INVターボ冷凍機G2よりもINVターボ冷凍機G1の方が運転効率が良いものとする。なお、上述した構成では、INVターボ冷凍機G1とG2は同効率・等容量としたが、ここでは説明上、INVターボ冷凍機G2よりもINVターボ冷凍機G1の方が運転効率が良いものとして説明する。
この場合、制御装置13は、INVターボ冷凍機G1とG2との同時運転に際し、運転効率が良いINVターボ冷凍機G1にINVターボ冷凍機G2よりも多く負荷流量を配分する。例えば、流量計12によって計測された負荷流量Fが150m3 /hであるとした場合、従来の冷水変流量制御では、INVターボ冷凍機G1とG2とが等容量であるので、按分流量が75m3 /hとされ、INVターボ冷凍機G1とG2とに均等に負荷流量が配分される。これに対し、本実施の形態の冷水変流量制御では、運転効率が良いINVターボ冷凍機G1に100m3 /h、運転効率が悪いINVターボ冷凍機G2に50m3 /hの負荷流量を配分する。これにより、運転効率が悪いINVターボ冷凍機G2での処理熱量が減り、運転効率が良いINVターボ冷凍機G1での処理熱量が増え、トータルの冷凍機の運転コストが低減する。
また、例えば、図1において、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3とが同時に運転(2台運転)されるものとする。なお、上述した構成では、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3との2台運転はあり得ないが、ここでは説明上、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3との2台運転があり得るものとして説明する。
この場合、制御装置13は、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3との2台運転に際し、最大負荷時の運転効率が良いターボ冷凍機G3にINVターボ冷凍機G1よりも多く負荷流量を配分する。例えば、流量計12によって計測された負荷流量Fが150m3 /hであるとした場合、従来の冷水変流量制御では、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3とが等容量であるので、按分流量が75m3 /hとされ、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3とに均等に負荷流量が配分される。
これに対し、本願の冷水変流量制御では、最大負荷時の運転効率が良いターボ冷凍機G3に100m3 /h、部分負荷時の運転効率が良い(最大負荷時の運転効率が悪い)INVターボ冷凍機G1に50m3 /hの負荷流量を配分する。これにより、最大負荷時の運転効率が良いターボ冷凍機G3の負荷率が上がり、部分負荷時の運転効率が良いINVターボ冷凍機G1の負荷率が下がり、INVターボ冷凍機G1とターボ冷凍機G3がともに運転効率が良い状態で能力を発揮し、トータルの冷凍機の運転コストが低減する。
〔運転する運転冷凍機の組合せの決定〕
図7に制御装置13が有する運転冷凍機組合せ決定機能のフローチャートを示す。以下、このフローチャートに従って、制御装置13が有する運転冷凍機組合せ決定機能について説明する。なお、このフローチャートの処理は、定周期で繰り返し実行される。また、このフローチャートの実行に際し、図1に示した熱源システムでは、INVターボ冷凍機G1とG2の2台運転中であるものとする。
図7に制御装置13が有する運転冷凍機組合せ決定機能のフローチャートを示す。以下、このフローチャートに従って、制御装置13が有する運転冷凍機組合せ決定機能について説明する。なお、このフローチャートの処理は、定周期で繰り返し実行される。また、このフローチャートの実行に際し、図1に示した熱源システムでは、INVターボ冷凍機G1とG2の2台運転中であるものとする。
制御装置13は、ステップ201において、流量計12からの負荷流量Fを取り込む。また、ステップ202において、往水温度センサ10からの往水温度TS,還水温度センサ11からの還水温度TRおよび計測された負荷流量Fとから、F×(TR−TS)×比熱=Qとして現在の負荷熱量Qを算出する。また、ステップ203において、外気温度センサ1からの外気の温度toutと外気湿度センサ2からの外気の湿度RHoutとから外気のエンタルピEPを算出する。
そして、制御装置13は、冷凍機G1,G2,G3,G4へのオン/オフ(運転/停止)の情報から、現在の冷凍機の運転台数nがn=2であり、INVターボ冷凍機G1とG2との2台運転中であることを確認し、このINVターボ冷凍機G1とG2との2台運転中のトータルの運転コストを現在の運転コストCOST2として算出する(ステップ204)。
〔現在の運転コストの算出〕
図8にステップ204での現在の運転COST2の算出処理のサブルーチンを示す。制御装置13は、ステップ301において、最適負荷配分演算を行い、INVターボ冷凍機G1,G2が分担する熱量Q1,Q2と、INVターボ冷凍機G1,G2へ分配される流量F1,F2を算出する(ステップ301)。
図8にステップ204での現在の運転COST2の算出処理のサブルーチンを示す。制御装置13は、ステップ301において、最適負荷配分演算を行い、INVターボ冷凍機G1,G2が分担する熱量Q1,Q2と、INVターボ冷凍機G1,G2へ分配される流量F1,F2を算出する(ステップ301)。
この場合、INVターボ冷凍機G1とG2は同効率・等容量とされているので、例えばステップ202で算出された負荷熱量Qが150RTであった場合、INVターボ冷凍機G1,G2が分担する熱量Q1,Q2は、Q1=Q2=75RTとして算出される。また、ステップ201で算出された負荷流量Fが150m3 /hであった場合、INVターボ冷凍機G1,G2へ分配される流量F1,F2は、F1=F2=75m3 /hとして算出される。
そして、制御装置13は、i=1とし(ステップ302)、i=1台目の冷凍機、この例ではINVターボ冷凍機G1について、冷凍機本体の動力と補機の動力との合計値をINVターボ冷凍機G1の現在のトータルの動力として計算する(ステップ303)。
図9にステップ303での補機を含む動力の算出処理のサブルーチンを示す。制御装置13は、INVターボ冷凍機G1に分配される流量F1=75m3 /hから、1次ポンプP1の動力W1を算出する(ステップ401)。この場合、制御装置13は、1次ポンプP1の定格ポンプ能力に対する流量F1の比率をテーブルTB3に格納されている1次ポンプPの定格動力に乗じて、1次ポンプP1の動力W1を得る。
次に、制御装置13は、外気エンタルピEP、INVターボ冷凍機G1が分担する熱量Q1、冷却塔ファンCF1の能力、冷凍機の負荷率と冷却水量の関係を示すテーブルTB2から、冷却水入口温度Tcw1と冷却水流量Fcw1を計算する(ステップ402,403)。この場合、制御装置13は、熱量Q1をINVターボ冷凍機G1の定格能力で除してINVターボ冷凍機G1の負荷率R1を求め、外気エンタルピEPと冷却塔ファンCF1の能力と負荷率R1よりINVターボ冷凍機G1への冷却水入口温度Tcw1を求める。また、負荷率R1と冷却水入口温度Tcw1より、テーブルTB2に格納されている図4の関係から、INVターボ冷凍機G1への冷却水流量Fcw1を求める。
そして、制御装置13は、ステップ403で求めた冷却水流量Fcw1から、冷却水ポンプCP1の動力W2を算出する(ステップ404)。この場合、制御装置13は、冷却水ポンプCP1の定格ポンプ能力に対する冷却水流量Fcw1の比率をテーブルTB3に格納されている冷却水ポンプCPの定格動力に乗じて、冷却水ポンプCP1の動力W2を得る。
また、制御装置13は、INVターボ冷凍機G1が分担する熱量Q1とステップ402で求めた冷却水流量Fcw1と冷却水入口温度Tcw1とからテーブルTB3より、INVターボ冷凍機G1の動力W3を取得する(ステップ405)。また、テーブルTB3より、冷却塔ファンCF1の動力W4を取得する(ステップ406)。
そして、制御装置13は、ステップ401〜405によって求めた1次ポンプP1の動力W1と冷却水ポンプCP1の動力W2とINVターボ冷凍機G1の動力W3と冷却塔ファンCF1の動力W4とを加算し、INVターボ冷凍機G1のトータルの動力WT1とする(ステップ407)。そして、図8に示すステップ304へ進み、ステップ406で求めたトータルの動力WT1に電力・ガスなどのエネルギー単価を乗じ、INVターボ冷凍機G1の運転コストとする。
そして、制御装置13は、ステップ305のNOに応じてステップ306へ進み、i=i+1=2として、ステップ303へ戻る。これにより、制御装置13は、上述と同様にして、INVターボ冷凍機G2の運転コストを求める(ステップ303,304)。
この後、制御装置13は、ステップ305のYESに応じてステップ307へ進み、先のステップ303〜306の繰り返しにより求めたINVターボ冷凍機G1の運転コストとINVターボ冷凍機G2の運転コストとを合計し、INVターボ冷凍機G1とG2との2台運転中のトータルの運転コスト、すなわち現在の運転コストCOST2とする。なお、ステップ304において、トータルの動力WTiからCO2 排出量を求め、運転コストに代わる評価指標としてもよい。また、電力・ガスなどを生成するのに要した1次エネルギーを求め、これを運転コストに代わる評価指標としてもよい。
〔第1の比較対象の運転コストの算出〕
次に、制御装置13は、冷凍機の運転台数nが1台の場合を想定し、1台の冷凍機で要求負荷量を賄うものとした場合の運転コストを第1の比較対象の運転コストCOST1として求める(図7:ステップ205)。この場合、図2に示したセットテーブルTB1から、n=1台の場合の運転冷凍機を「INVターボ冷凍機1台」とし、例えばINVターボ冷凍機G1のみを運転した場合の運転コストを第1の比較対象の運転コストCOST1として求める。
次に、制御装置13は、冷凍機の運転台数nが1台の場合を想定し、1台の冷凍機で要求負荷量を賄うものとした場合の運転コストを第1の比較対象の運転コストCOST1として求める(図7:ステップ205)。この場合、図2に示したセットテーブルTB1から、n=1台の場合の運転冷凍機を「INVターボ冷凍機1台」とし、例えばINVターボ冷凍機G1のみを運転した場合の運転コストを第1の比較対象の運転コストCOST1として求める。
この第1の比較対象の運転コストCOST1の算出は、図8に示したフローチャートと同様の処理によって行うが、ステップ301での最適負荷配分の演算では、INVターボ冷凍機G1が分担する熱量Qiは負荷熱量Qの全てとされる。また、INVターボ冷凍機G1に分配される流量Fiは負荷熱量Fの全てとされる。
〔第2の比較対象の運転コストの算出〕
次に、制御装置13は、冷凍機の運転台数nが3台の場合を想定し、3台の冷凍機で要求負荷量を賄うものとした場合の運転コストを第2の比較対象の運転コストCOST3として求める(図7:ステップ206)。この場合、図2に示したセットテーブルTB1から、n=3台の場合の運転冷凍機を「INVターボ冷凍機2台+ターボ冷凍機1台」とし、INVターボ冷凍機G1,G2に加えて例えばターボ冷凍機G3を運転した場合の運転コストを第2の比較対象の運転コストCOST3として求める。
次に、制御装置13は、冷凍機の運転台数nが3台の場合を想定し、3台の冷凍機で要求負荷量を賄うものとした場合の運転コストを第2の比較対象の運転コストCOST3として求める(図7:ステップ206)。この場合、図2に示したセットテーブルTB1から、n=3台の場合の運転冷凍機を「INVターボ冷凍機2台+ターボ冷凍機1台」とし、INVターボ冷凍機G1,G2に加えて例えばターボ冷凍機G3を運転した場合の運転コストを第2の比較対象の運転コストCOST3として求める。
この第2の比較対象の運転コストCOST3の算出は、図8に示したフローチャートと同様の処理によって行うが、ステップ301での最適負荷配分の演算では、ターボ冷凍機G3が分担する熱量QiはINVターボ冷凍機G1,G2よりも多くされ、残りの負荷熱量Qが均等にINVターボ冷凍機G1,G2に振り分けられる。また、ターボ冷凍機G3へ分配される流量FiはINVターボ冷凍機G1,G2よりも多くされ、残りの負荷流量Fが均等にINVターボ冷凍機G1,G2に振り分けられる。
〔運転コストの比較〕
次に、制御装置13は、ステップ204で算出した現在の運転コストCOST2と、ステップ205で算出した第1の比較対象の運転コストCOST1と、ステップ206で算出した第2の比較対象の運転コストCOST3とを比較し(ステップ207)、第1の比較対象の運転コストCOST1が最小であった場合にはINVターボ冷凍機G1,G2の何れか一方を減らした1台運転とし(ステップ209)、第2の比較対象の運転コストCOST3が最小であった場合にはINVターボ冷凍機G1,G2にターボ冷凍機G3,G4の何れか一方を加えた3台運転とする(ステップ210)。現在の運転コストCOST2が最小コストであった場合は、何もせずに、現在の状態を維持する(ステップ208)。
次に、制御装置13は、ステップ204で算出した現在の運転コストCOST2と、ステップ205で算出した第1の比較対象の運転コストCOST1と、ステップ206で算出した第2の比較対象の運転コストCOST3とを比較し(ステップ207)、第1の比較対象の運転コストCOST1が最小であった場合にはINVターボ冷凍機G1,G2の何れか一方を減らした1台運転とし(ステップ209)、第2の比較対象の運転コストCOST3が最小であった場合にはINVターボ冷凍機G1,G2にターボ冷凍機G3,G4の何れか一方を加えた3台運転とする(ステップ210)。現在の運転コストCOST2が最小コストであった場合は、何もせずに、現在の状態を維持する(ステップ208)。
なお、この実施の形態では、運転コストCOST1,COST2,COST3の算出に冷却塔ファンCFの運転コストを含めるようにしたが、冷却塔ファンCFの運転コストは比較的小さいので、運転コストCOST1,COST2,COST3の算出に含めないようにしてもよい。
また、例えば、現在の冷凍機の運転台数が2台であった場合、n=1台の冷凍機の組合せでは要求負荷熱量を賄えない場合がある。このような場合、n=1台の冷凍機の組合せは、比較対象の冷凍機の組合せから除外する。
また、この実施の形態では、現在の運転コストと比較対象の運転コストとを比較するようにしたが、負荷熱量や負荷流量などの要求負荷量に対してその要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せの中から、その組合せにおける各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプなどの運転コストの合計値が最も安くなる冷凍機の組合せを外気条件(外気温度、外気湿度、外気エンタルピなど)をパラメータとして求めておき、この組合せを網羅的に記憶させたテーブルを制御装置13に記憶させておき、このテーブルより要求負荷量および外気条件に応ずる冷凍機の組合せを導き出して、運転する冷凍機の組合せとして決定するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、説明を簡単とするために特殊な事例として、冷凍機としてその能力や効率が同じINVターボ冷凍機やターボ冷凍機を用いた場合について説明したが、実際には冷凍機としてその能力や効率が異なるものが多数用いられる。このような場合、比較対象の組合せは、現在運転中の冷凍機の組合せに応じ、複数の組合せの中から選択的に決定するようにするとよい。
例えば、冷凍機の能力や効率などから、その合計容量が小さい順に冷凍機の組合せを定めておき(例えば、セット1〜セット4)、現在運転中の冷凍機の組合せが「セット2」であれば、「セット1」と「セット3」の組合せを比較対象の組合せとして決定する。これにより、全ての冷凍機の組合せについて評価指数の合計値を算出するのに比べ、計算量が少なくて済む。
冷凍機の能力・効率と比較対象の組合せ(セット)の設定例を図3に示す。この例では、その合計容量が小さい順に並べたセット1〜セット4を制御装置内にセットテーブルとして格納しておき、このセットテーブルを参照し、現在運転している冷凍機の組合せに対し、1セット上、1セット下に関して運転コストを算出する。
このようなセットテーブルを用いる場合には、高効率の冷凍機を優先して動かすことを目的とし、合計容量が小さい行に高効率の冷凍機を設定し、合計容量が増えるに従って低効率の冷凍機をあわせて設定するのがよい。また、冷凍機の効率が外気条件や冷却水温度によって大きく異なる場合、これらの条件もしくは季節等に基づく判断を行い、セットテーブルを変更する方法も考えられる。
また、上述した実施の形態は、複式ポンプ方式の熱源システムへの適用例として説明したが、2次ポンプを用いない単式ポンプ方式の熱源システムでも同様にして適用することが可能である。
また、上述した実施の形態は、説明を簡単とするために冷凍機Gを4台としたシステムとしたが、冷凍機Gは2台以上あればよく、同様にして本発明を適用することが可能である。
また、上述した実施の形態において、決定した冷凍機の組合せを画面上に表示するようにしてもよい。また、決定した冷凍機の組合せを表示する機能(運転台数ガイダンス機能)のみを備える装置とし、オペレータによる冷凍機の運転台数の制御を支援するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態は、説明を簡単とするために冷凍機Gを4台としたシステムとしたが、冷凍機Gは2台以上あればよく、同様にして本発明を適用することが可能である。
また、上述した実施の形態において、決定した冷凍機の組合せを画面上に表示するようにしてもよい。また、決定した冷凍機の組合せを表示する機能(運転台数ガイダンス機能)のみを備える装置とし、オペレータによる冷凍機の運転台数の制御を支援するようにしてもよい。
また、冷凍機Gは、INVターボ冷凍機やターボ冷凍機に限られるものではなく、他にも色々な種類の冷凍機の使用が考えられる。また、冷凍機Gを熱交換器などとしてもよく、熱交換器とした場合も冷凍機と同様、色々な種類のものの使用が考えられる。
また、外部負荷5としては、空調機やファンコイルユニットなどの熱負荷の他、地域冷暖房の需要家なども考えられる。但し、地域冷暖房の需要家を外部負荷とした場合、図1に示した熱源システムの基本構成は若干異なるものとなる。
また、外部負荷5としては、空調機やファンコイルユニットなどの熱負荷の他、地域冷暖房の需要家なども考えられる。但し、地域冷暖房の需要家を外部負荷とした場合、図1に示した熱源システムの基本構成は若干異なるものとなる。
また、冷凍機Gに補機として設ける1次ポンプPや冷却水ポンプCPは、その全てが回転数の制御が可能なポンプでなくてもよく、回転数が一定のポンプが混在していてもよい。
また、上述した実施の形態では、ステップ301において最適負荷配分演算を行うようにしたが、従来の按分による方式としてもよい。すなわち、複数の冷凍機が同時に運転される場合、運転効率の良い方の冷凍機に、その冷凍機の容量に応じた按分流量よりも多く負荷流量を配分するという方法をとらず、運転する冷凍機の容量に応じて負荷流量を按分し、この按分した流量の冷水が冷凍機へ送られるように、その冷凍機に補機として設けられた冷水ポンプの回転数を制御するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、制御装置13に冷却水変流量制御機能を設けたが、冷却塔Cに対して個々に独立した冷却塔制御装置を設け、この冷却塔制御装置に冷却水変流量制御機能を設けるようにしてもよい。この場合、例えば、冷凍機Gへの冷水の入口温度および出口温度を計測するようにし、また冷凍機Gを通過する冷水の流量を計測するようにし、冷凍機Gの負荷熱量を計算する。また、冷凍機Gへの冷却水の温度を計測し、冷却水入口温度Tcwとして用いる。
また、上述した実施の形態では、ステップ106において、負荷率Riと冷却水入口温度TcwiよりテーブルTB1から冷却水INV設定値を取得するようにしたが、従来の特許文献3や4に示されているように、冷凍機の負荷率を考慮に入れず、冷却水出口温度に応じて冷却水流量を制御するようにしてもよい。本実施の形態では、冷凍機の負荷率を考慮に入れて冷却水流量を制御するようにしているので、従来の冷却水変流量制御と比較し、さらなる省エネルギーが図られている。
G(G1,G2,G3,G4)…冷凍機、P(P1,P2,P3,P4)…1次ポンプ、PINV(PINV1,PINV2,PINV3,PINV4)…インバータ、C(C1,C2,C3,C4)…冷却塔、CP(CP1,CP2,CP3,CP4)…冷却水ポンプ、CINV(CINV1,CINV2,CINV3,CINV4)…インバータ、CF(CF1,CF2,CF3,CF4)…冷却塔ファン、1…外気温度センサ、2…外気湿度センサ、3(3−1,3−2)…往ヘッダ、4…往水管路、5…外部負荷、6…還水管路、7…バルブ、8…還ヘッダ、9…バイパス管路、10…往水温度センサ、11…還水温度センサ、12…流量計、13…制御装置、14(14−1〜14−3)…2次ポンプ、15…バルブ、16…差圧計、17…2次ポンプ制御装置。
Claims (6)
- 第1〜第N(N≧2)の冷凍機と、この第1〜第Nの冷凍機に対して補機として各個に設けられ当該冷凍機を通過する冷水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な第1〜第Nの冷水ポンプと、前記第1〜第Nの冷凍機に対して補機として設けられ当該冷凍機への冷却水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な冷却水ポンプと、前記第1〜第Nの冷凍機からの冷水を受ける往ヘッダと、この往ヘッダから送水される冷水の供給を受ける外部負荷と、この外部負荷において熱交換された冷水を前記第1〜第Nの冷水ポンプを介して前記第1〜第Nの冷凍機に戻す還ヘッダと、前記往ヘッダと前記還ヘッダとを連通するバイパス管路とを備えた熱源システムに用いられ、前記外部負荷が要求する要求負荷量に基づいて前記第1〜第Nの冷凍機の運転台数を決定する冷凍機運転台数決定装置において、
前記要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せ中、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値が小さい組合せを、運転する冷凍機の組合せとして決定する運転冷凍機組合せ決定手段
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定装置。 - 請求項1に記載された冷凍機運転台数決定装置において、
前記運転冷凍機組合せ決定手段は、
現在運転中の冷凍機の組合せについて、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を現在の評価指標として求める第1の評価指標算出手段と、
前記要求負荷量を賄い得る現在運転中の冷凍機の組合せとは異なる別の組合せについて、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を比較対象の評価指標として求める第2の評価指標算出手段と、
前記第1の評価指標算出手段により算出された現在の評価指標および前記第2の評価指標算出手段により算出された比較対象の評価指標を比較し、最も評価指標の小さい冷凍機の組合せを運転する冷凍機の組合せとして決定する手段と
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定装置。 - 請求項2に記載された冷凍機運転台数決定装置において、
前記要求負荷量を賄い得る現在運転中の冷凍機の組合せとは異なる別の組合せを比較対象の組合せとして決定する手段
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定装置。 - 第1〜第N(N≧2)の冷凍機と、この第1〜第Nの冷凍機に対して補機として各個に設けられ当該冷凍機を通過する冷水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な第1〜第Nの冷水ポンプと、前記第1〜第Nの冷凍機に対して補機として設けられ当該冷凍機への冷却水を搬送する少なくとも1台は流量の制御が可能な冷却水ポンプと、前記第1〜第Nの冷凍機からの冷水を受ける往ヘッダと、この往ヘッダから送水される冷水の供給を受ける外部負荷と、この外部負荷において熱交換された冷水を前記第1〜第Nの冷水ポンプを介して前記第1〜第Nの冷凍機に戻す還ヘッダと、前記往ヘッダと前記還ヘッダとを連通するバイパス管路とを備えた熱源システムに適用され、前記外部負荷が要求する要求負荷量に基づいて前記第1〜第Nの冷凍機の運転台数を決定する冷凍機運転台数決定方法において、
前記要求負荷量を賄い得る冷凍機の組合せ中、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値が小さい組合せを、運転する冷凍機の組合せとして決定する運転冷凍機組合せ決定ステップ
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定方法。 - 請求項4に記載された冷凍機運転台数決定方法において、
前記運転冷凍機組合せ決定ステップは、
現在運転中の冷凍機の組合せについて、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を現在の評価指標として求める第1ステップと、
前記要求負荷量を賄い得る現在運転中の冷凍機の組合せとは異なる別の組合せについて、その組合せにおける少なくとも各冷凍機およびその冷凍機に対して補機として設けられた冷水ポンプおよび冷却水ポンプの評価指標の合計値を比較対象の評価指標として求める第2ステップと、
前記第1の評価指標算出手段により算出された現在の評価指標および前記第2の評価指標算出手段により算出された比較対象の評価指標を比較し、最も評価指標の小さい冷凍機の組合せを運転する冷凍機の組合せとして決定する第3ステップと
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定方法。 - 請求項5に記載された冷凍機運転台数決定方法において、
前記要求負荷量を賄い得る現在運転中の冷凍機の組合せとは異なる別の組合せを比較対象の組合せとして決定するステップ
を備えることを特徴とする冷凍機運転台数決定方法。
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