JP2008116163A - 熱媒体搬送システム - Google Patents

Abstract

【課題】イニシャルコストを安く抑えることができ、熱利用側の空調負荷を的確に把握できる熱媒体搬送システムを提供する。
【解決手段】熱媒体搬送システム１０は、それぞれが熱媒体を供給する複数台の熱源機（熱源機２２，２６，３０）と、熱源機ごとに対応して設けられ供給された熱媒体を室内機群（室内機１２，１４，１６）に送り出す複数台のポンプ２４，２８，３６と、少なくとも１台のポンプ２４，２８，３６について出口側に並列して接続されたオリフィス３２を有する管路３４および絞り機構（電動弁３８）を有する管路４０と、室内機群が設けられた室内の空調負荷を検知する空調負荷検知手段（切換ボタン４４，４６，４８）と、空調負荷検知手段によって検知された空調負荷に基づいて運転台数を判断して熱源機，ポンプを制御する制御装置４２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷房や暖房に供する熱媒体を建物内部に設けられた室内機群に搬送する熱媒体搬送システムに関する。

冷温水を建物内部に設けられた室内機群に搬送する従来のシステムでは、往ヘッダーに温度センサを備え、この温度センサにより検出された水温に基づいて熱源機の運転台数を制御していた（例えば特許文献１を参照）。
特開平８−８２４５３号公報

しかし、運転台数の制御により熱源機とともにポンプを連動して停止すると、室内機側に２方弁が無ければポンプの稼働台数の減少とともに室内機を流れる冷温水の水量も低下し、室内機の伝熱性能が低下する。その結果、冷温水と室内空気との間の熱移動量が低下するため、室内機を流れる冷温水の入口側温度と出口側温度との間の温度差は大きくならない。このため、熱利用側の空調負荷が増加したとしても、冷温水には熱利用側の空調負荷が小さめに伝わるので、往ヘッダーに備えた温度センサで検出した水温では熱利用側の空調負荷を的確に把握することができない。また、稼動するポンプの台数を減らすと、室内機を流れる冷温水の水量が少なくなる反面、稼動中のポンプと連結している熱源機を流れる冷温水の水量が増加して熱交換器の腐蝕が促進される恐れがある。

また、室内機側に２方弁を設けて、空調が必要な室内機のみに冷温水を流すように構成した場合は、ポンプの稼動台数が低減したとしても、空調が必要な室内機を流れる水量の変化幅が小さく、冷温水と室内空気との間の熱移動量はほぼ一定を維持される。このため、空調負荷が増加すれば室内機を流れる冷温水の入口側温度と出口側温度との間の温度差も大きくなり、逆に空調負荷が減少すれば冷温水温度差が小さくなる。その結果、熱利用側の空調負荷の増減を、往ヘッダーに備えた温度センサで検出した水温に基づいて的確に把握することができ、運転台数の制御が可能になる。ところが、全ての室内機に対応して２方弁を設けなければならない点や、ポンプの締め切り運転を防止するために往ヘッダーと戻ヘッダーとの間に圧力逃がし弁を設けなければならない点でイニシャルコストが嵩む。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、第１の目的はイニシャルコストを安く抑えることができ、熱利用側の空調負荷を的確に把握できる熱媒体搬送システムを提供することである。また、第２の目的は熱源機の熱交換器が腐蝕するのを抑制できる熱媒体搬送システムを提供することである。

（１）課題を解決するための手段（以下では単に「解決手段」と呼ぶ。）１は、冷房や暖房に供する熱媒体を建物内部に設けられた室内機群に搬送する熱媒体搬送システムであって、それぞれが熱媒体を加熱または冷却して供給する複数台の熱源機と、前記熱源機ごとに対応して設けられ、供給された熱媒体を前記室内機群に送り出す複数台のポンプと、前記室内機群が設けられた室内の空調負荷を検知する空調負荷検知手段と、前記空調負荷検知手段によって検知された空調負荷に基づいて運転台数を判断し、当該運転台数に従って前記熱源機，前記ポンプを制御する制御装置とを有することを要旨とする。

解決手段１によれば、制御装置は空調負荷検知手段が検知した空調負荷に基づいて運転台数を判断すると、その運転台数に従って制御装置が熱源機およびポンプの稼働を制御する。この構成によれば、空調負荷検知手段によって熱利用側の空調負荷を的確に把握でき、２方弁や圧力逃がし弁を設ける必要が無い点でイニシャルコストを安く抑えることができる。なお、空調負荷検知手段は室内の空調負荷を検知できるもの、例えば切換ボタン，サーモスタット，温度センサなどが該当する。

（２）解決手段２は、解決手段１に記載した熱媒体搬送システムであって、空調負荷検知手段は切換ボタンおよびサーモスタットのうちで一方または双方を用いることを要旨とする。

解決手段２によれば、切換ボタン（有線方式であると無線方式であるとを問わない）を操作して空調負荷の増減を制御装置に伝えるか、設定した温度に達するとサーモスタットが空調負荷の増減を制御装置に伝える。切換ボタンの場合は空調の強度を変えたいときにいつでも変えることができ、サーモスタットの場合は設定温度になると自動的に空調の強度を変える。

（３）解決手段３は、解決手段１または２に記載した熱媒体搬送システムであって、複数台のポンプのうち少なくとも１台のポンプについて出口側に並列して接続されたオリフィスを有する管路および絞り機構を有する管路を有し、制御装置は、空調負荷に基づいて判断したポンプの運転台数から、熱源機内の熱交換器を流れる熱媒体の流速が許容範囲内か否かを判断し、許容範囲内であれば前記絞り機構を開き、許容範囲外であれば前記絞り機構を閉じる制御を行うことを要旨とする。

解決手段３によれば、複数台のポンプのうち少なくとも１台のポンプについては、オリフィスを有する管路と絞り機構を有する管路を並列させて出口側（吐出側）に接続する。制御装置は、ポンプの運転台数から熱源機内の熱交換器における熱媒体の流速が許容範囲内か否かを判断し、絞り機構を開けたり閉じる制御を行う。絞り機構を開ければ熱媒体はこの管路を通るので、熱媒体を速く流せる。絞り機構を閉じれば熱媒体はオリフィスを有する管路のみを通るので、流量を低減させて熱源機にとって適切な範囲内に維持できる。熱源機を流れる熱媒体の流量を許容範囲内に維持することができるので、熱源機内の熱交換器について腐蝕の進行を抑制することができる。

本発明によれば、２方弁や圧力逃がし弁を設ける必要が無いのでイニシャルコストを安く抑えられるとともに、空調負荷検知手段を備えたので熱利用側の空調負荷を的確に把握できる。また、熱源機を流れる熱媒体の流量を適正範囲に維持することができるので、熱交換器が腐蝕するのを抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態について、図１〜図５を参照しながら説明する。なお本形態では、熱媒体として冷温水を用い、絞り機構として電動弁を用い、空調負荷検知手段として切換ボタンを用いる。

図１には、熱媒体搬送システムの構成例を模式的にブロック図で表す。図１における熱媒体搬送システム１０は、切換ボタン４４，４６，４８と、室内機１２，１４，１６と、往ヘッダー１８と、戻ヘッダー２０と、熱源機２２，２６，３０と、ポンプ２４，２８，３６と、オリフィス３２と、電動弁３８と、制御装置４２などを有する。

切換ボタン４４は室内機１２に対応して設けられ、目標温度を設定する複数段階（例えば４段階）が操作を行うごとに切り換わる。切換ボタン４６，４８についても同様であり、室内機１４，１６ごとに対応してそれぞれ設けられている。室内機群（本例では室内機１２，１４，１６）は、それぞれが送風用のファンを備えており、並列に接続される。各室内機はそれぞれ建物内部に設けられ、冷温水と空気との熱交換により冷暖房を実現する。往ヘッダー１８は、熱源機２２，２６，３０からそれぞれ送り出された冷温水を合流させて室内機群に送る。戻ヘッダー２０は、室内機群から戻ってきた冷温水をポンプ２４，２８，３６にそれぞれ分岐する。

熱源機２２は水の気化熱を利用して冷水や温水を製造し、冷房や暖房に用いる冷温水を温度センサ２２ａで測った現在の温度から目的の温度に冷やしたり温める。熱源機２６，３０についても同様であり、温度センサ２６ａ，３０ａでそれぞれ測った現在の温度から目的の温度に冷やしたり温める。これらの熱源機２２，２６，３０には、例えば吸収冷温水機などを用いる。ポンプ２４，２８，３６は、循環して使用する冷温水を送り出す。オリフィス３２は管路３４に備えられ、一定の流量で冷温水を送る。電動弁３８は管路４０に備えられ、管路４０を開閉して冷温水の流れを制御する。これらの管路３４と管路４０は、ポンプ３６の出口側に並列して接続する。制御装置４２は、熱源機２２，２６，３０の稼働、ポンプ２４，２８，３６の稼働、電動弁３８の開閉などを個別に制御する。

熱源機２２，２６，３０における温度制御は、例えば図２に表す制御例に従って行う。図２の制御例は目的の温度を７．０℃とした温度制御であって、比例制御の一例を図２（Ａ）に表し、オン／オフ制御の一例を図２（Ｂ）に表す。熱源機２２，２６，３０は同様に制御を行うので、ここでは熱源機２２を代表して説明する。

まず図２（Ａ）の比例制御では、温度センサ２２ａで測った現在の温度（往ヘッダー１８の出口温度にほぼ等しい；図中では「冷水往温度」と記載する。）が低いとき、つまり６．５℃未満では空調負荷が小さいので熱源機２２を稼働させる必要がないので、燃料インプットを０％にする。
一方、現在の温度が７．５℃を超えると空調負荷が大きいので、熱源機２２の燃料インプットを１００％にする。現在の温度が６．５℃から７．５℃までの間は温度上昇に比例して燃料インプットを増加させて熱源機２２を稼働させる。

次に図２（Ｂ）のオン／オフ制御では、温度センサ２２ａで測った現在の温度が６．５℃未満であったとき、７．５℃に上昇するまでは燃料インプットを０％にして熱源機２２を稼働さない。さらに現在の温度が上昇して７．５℃を超えると、燃料インプットを１００％にして熱源機２２を稼働させる。
逆に現在の温度が７．５℃を超えていたとき、６．５℃に降下するまでは燃料インプットを１００％のままで熱源機２２を稼働し続ける。さらに現在の温度が降下して６．５℃未満になると、燃料インプットを０％にして熱源機２２の稼働を停止する。

制御装置４２で実現する制御例を図３に表す。図３に表す稼働制御リスト５０には、切換ボタン４４，４６，４８の操作によって切り換えられる組数に従って制御する内容を表す。その制御例を以下で説明する。

組数が「０」のときは、全ての熱源機とポンプを停止し、電動弁３８を開けるように制御する。

組数が「１」のときは、熱源機３０（１台の熱源機）と、ポンプ３６（１台のポンプ）とを稼働し、電動弁３８を閉じるように制御する。この制御では冷温水が管路３４のみを流れるので、オリフィス３２によって冷温水の流量が低減される。オリフィス３２の直径を適切に設定することにより、熱源機３０にとって適切な流量範囲内に維持できる。

組数が「２」または「３」のときは、熱源機２２，２６，３０のうちで２台または３台を稼働させるとともに、稼働させた熱源機に対応するポンプを稼働させる。熱源機３０およびポンプ３６を選択して稼働させる場合には、電動弁３８を開けるように制御する。

また制御装置４２は、組数の切り換えに伴って上記制御リスト５０に従って熱源機２２，２６，３０の稼働台数を制御するものの、一定の条件を課す。この条件は切換ボタン４４，４６，４８の操作を行ってから実際に空調が効き始めるまでのタイムラグ等を考慮して行う制御であって、図４を参照しながら説明する。当該図４には、熱源機の稼働台数と経過時間との関係をタイムチャートで表す。なお簡単のために、例えば時刻ｔａから時刻ｔｂまでの期間を「時刻ｔａ〜ｔｂ」で表記する。期間ｄ２，ｄ４，ｄ６は、それぞれ適切な長さを設定することが可能である。

図４において、時刻ｔ１０に切換ボタン４４，４６，４８のいずれかが操作されて組数が「０」から「１」になると、一台の熱源機（例えば熱源機２２）を稼働させるとともに、当該熱源機に備えられているポンプも駆動させる。このとき、時刻ｔ１０〜ｔ１２の期間ｄ２（例えば２０分間；受付禁止期間とも呼ぶ。）内は切換ボタン４４，４６，４８の操作を無効にする。時刻ｔ１４，ｔ１８，ｔ２６に切換ボタン４４，４６，４８のいずれかが操作されて組数が「２」や「３」に増えた場合も同様であり、一台の熱源機（およびポンプ）を稼働させるものの、時刻ｔ１４〜ｔ１６，時刻ｔ１８〜ｔ２０，時刻ｔ２６〜ｔ２８の各期間ｄ２内も切換ボタン４４，４６，４８の操作を無効にする。

また、時刻ｔ１８から期間ｄ４（例えば２時間；組数維持期間とも呼ぶ。）を経過した時刻ｔ２２には、切換ボタン４４，４６，４８が操作されなくてもオフディレイタイマとして組数を減らす（本例では組数を「３」から「２」に減らす）。このとき、時刻ｔ２２〜ｔ２４の期間ｄ６（例えば２０分間等；再起動禁止期間とも呼ぶ。）内は頻繁な再起動を避けるために切換ボタン４４，４６，４８の操作を無効にする。
時刻ｔ３０，ｔ３４に切換ボタン４４，４６，４８のいずれかが操作されて組数が「２」や「１」になると、一台の熱源機を停止するとともに、当該熱源機に備えられているポンプの駆動も停止する。このとき、時刻ｔ３０〜ｔ３２，時刻ｔ３４〜ｔ３６の各期間ｄ６内も切換ボタン４４，４６，４８の操作を無効にする。

上述したように制御装置４２が制御を行った場合には、図５に表すような揚程と流量の関係になる。図５には、縦軸を揚程［ｍ］とし、横軸を流量［ｍ³／min］とし、組数を「１」から「３」までに切り換えてそれぞれ稼働した場合の変化を表す。

流量と配管抵抗との関係を示す負荷曲線Ｋ１は組数を「１」に切り換えたときにおける負荷の変化を表す。同様にして負荷曲線Ｋ２，Ｋ３は、この順番に組数をそれぞれ「２」「３」に切り換えたときにおける負荷の変化を表す。また、負荷曲線Ｋ１ａは熱源機３０とポンプ３６を稼動し、電動弁３８を開けたときにおける負荷の変化を表す。これらの負荷曲線によれば、流量を増やそうとする場合には揚程を高くしなければならないことを意味する。

性能曲線Ｒ１は１台のポンプ３６を稼働（回転数は１００％）させた場合における揚程と流量の変化を表す。回転数を９０％，８０％，７０％にした場合の揚程と流量の変化は二点鎖線で表す。性能曲線Ｒ２，Ｒ３は、この順番にポンプの稼働台数を２台または３台に切り換えた場合における揚程と流量の変化を表す。これらの性能曲線によれば、流量を増やそうとする場合には揚程が低くなることを意味する。

負荷曲線と性能曲線との交点でポンプが運転される。例えば負荷曲線Ｋ３と性能曲線Ｒ３の交点Ｐ３は、組数が「３」のときの運転状態となり、揚程は１８［ｍ］であり、冷温水の合計流量は０．８１［ｍ³／min］となる。

負荷曲線Ｋ２と性能曲線Ｒ２の交点Ｐ２は、組数が「２」のときの運転状態である。交点Ｐ２での揚程は１５．３［ｍ］であり、流量は０．６２［ｍ³／min］である。負荷曲線Ｋ１ａと性能曲線Ｒ１の交点Ｐ１ａは、組数が熱源機３０とポンプ３６と稼動し、電動弁３８を開けたときの運転状態である。交点Ｐ１ａでの揚程は１４［ｍ］であり、合計流量は０．３６［ｍ³／min］である。

ここで、常に電動弁３８を開けたままにした状態で、熱源機とポンプの運転台数を３台から順次減らしていった場合における、稼動中の熱源機内を流れる冷温水の流量（言い換えれば稼動中のポンプ一台当たりの流量）をみると、稼働台数が３台のとき（組数が「３」のとき）は０．２７［ｍ³／min］であり、稼働台数が２台のとき（組数が「２」のとき）は０．３１［ｍ³／min］であり、稼働台数が１台のときは０．３６［ｍ³／min］である。このように、常に電動弁３８を開けたままにした状態で稼働台数を変化させると、稼働台数の減少にともない稼動中の熱源機を流れる冷温水の流量が増加するため、当該熱源機に備えられている熱交換器について腐蝕の進行が加速することになる。稼働台数が１台となる場合には電動弁３８を閉じることにより、運転状態が負荷曲線Ｋ１と性能曲線Ｒ１の交点Ｐ１となり、熱源機を流れる冷温水の流量が０．２７［ｍ³／min］に抑えられるので熱交換器の腐食を抑制することができる。

上述した実施の形態によれば、以下に表す各効果を得ることができる。
（１）切換ボタン４４，４６，４８によって組数が切り換えられると、その組数に従って制御装置４２が熱源機２２，２６，３０およびポンプ２４，２８，３６の稼働を制御する（図３を参照）。この構成では流量計，２方弁およびインバータを必要としないので、全体のコストを安く抑えることができる。また、管路４０と管路３４とは並列接続しているので、同一流量を確保するに当たって各管路に必要な口径を小さくできる。そのため、電動弁３８も小さい物を用いることができるので、電動弁３８として必要なコストを安く抑えることができる。

制御装置４２は、切換ボタン４４，４６，４８によって切り換えられた組数が「１」のとき、電動弁３８を閉じるように制御した（図３を参照）。電動弁３８を閉じれば冷温水はオリフィス３２を有する管路３４を通るので、流量を低減させて熱源機２２，２６，３０にとって適切な範囲内に維持することができる。流量が低く抑えられるので、熱源機３０内の熱交換器について腐蝕の進行を抑制することができる。

（２）制御装置４２によって稼働する組数は、切換ボタン４４，４６，４８を操作することで可能に構成した（図１を参照）。したがって、空調の強度を切り換えたいときにいつでも切り換えることができる。なお、切換ボタン４４，４６，４８に代えてサーモスタットを用いてもよい。この場合には、サーモスタットの設定温度（例えば２５℃や２８℃等）になると自動的に切り換わるので煩わしくない。また、切換ボタン４４，４６，４８とサーモスタットの双方を用いる構成としてもよい。この場合には、手動による切り換えと自動切り換えの双方の利点が得られる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することができる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

（１）上述した実施の形態では、熱媒体として冷温水を用い、熱源機２２，２６，３０として吸収冷温水機を用い、絞り機構として電動弁３８を用いた（図１を参照）。熱媒体としては、サーモオイルや冷媒等のように熱交換器で熱交換が行える媒体を用いてもよい。熱源機としては、温水を製造する温水器と、冷水を製造する冷水器とを組み合わせて構成してもよい。絞り機構としては、電磁弁や電磁制御弁、制御型可変絞り弁等のように開度を制御可能な弁などを用いてもよい。いずれの代替品を用いた場合でも、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。

（２）上述した実施の形態では、オリフィス３２を有する管路３４と電動弁３８を備えた管路４０を並列させてポンプ３６の出口側にのみ接続する構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、ポンプ２４やポンプ２８の各出口側に備えてもよい。熱源機およびポンプを二組以上稼働させた場合でも熱媒体の流量は適正となるので、熱交換器について腐蝕の進行を遅らせることができる。

（３）上述した実施の形態では、３台の熱源機２２，２６，３０と、３台のポンプ２４，２８，３６とを備える構成とした（図１を参照）。この形態に代えて、２台の熱源機と２台のポンプとを備える構成や、４台以上の熱源機と４台以上のポンプとを備える構成としてもよい。これらの構成についても、１台の熱源機と１台のポンプを一組として稼働する組数を空調負荷検知手段（切換ボタン４４，４６，４８）で切り換えるようにする。切り換え可能な範囲の組数が異なるだけであるので、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。

（４）上述した実施の形態では、オリフィス３２を有する管路３４と電動弁３８を備えた管路４０を並列させてポンプ３６の出口側に接続する構成とした（図１を参照）。この形態に代えてポンプの回転数制御を行うためのインバータを備えてもよい。インバータにより流量を増減でき、熱源機を流れる冷温水の流量を適正範囲に維持できるので、上述した実施の形態と同様の効果が得られる。

熱媒体搬送システムの構成例を模式的に表すブロック図である。 熱源機における温度制御の一例を表す図である。 制御装置の制御例を説明する図である。 熱源機の稼働台数と経過時間との関係を表すタイムチャートである。 制御装置の制御による揚程と流量の関係を表す図である。

符号の説明

１０ 熱媒体搬送システム
１２，１４，１６ 室内機（室内機群）
１８ 往ヘッダー
２０ 戻ヘッダー
２２，２６，３０ 熱源機
２２ａ，２６ａ，３０ａ 温度センサ
２４，２８，３６ ポンプ
３２ オリフィス
３４，４０ 管路
３８ 電動弁
４２ 制御装置
４４，４６，４８ 切換ボタン（空調負荷検知手段）
５０ 稼働制御リスト
Ｋ１，Ｋ１ａ，Ｋ２，Ｋ３ 負荷曲線
Ｐ１，Ｐ１ａ，Ｐ２，Ｐ３ 交点
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 性能曲線
ｄ２，ｄ４，ｄ６ 期間

Claims (3)

1. 冷房や暖房に供する熱媒体を建物内部に設けられた室内機群に搬送する熱媒体搬送システムであって、
   それぞれが熱媒体を加熱または冷却して供給する複数台の熱源機と、
   前記熱源機ごとに対応して設けられ、供給された熱媒体を前記室内機群に送り出す複数台のポンプと、
   前記室内機群が設けられた室内の空調負荷を検知する空調負荷検知手段と、
   前記空調負荷検知手段によって検知された空調負荷に基づいて運転台数を判断し、当該運転台数に従って前記熱源機，前記ポンプを制御する制御装置とを有する熱媒体搬送システム。
2. 請求項１に記載した熱媒体搬送システムであって、
   空調負荷検知手段は、切換ボタンおよびサーモスタットのうちで一方または双方を用いる熱媒体搬送システム。
3. 請求項１または２に記載した熱媒体搬送システムであって、
   複数台のポンプのうち少なくとも１台のポンプについて出口側に並列して接続されたオリフィスを有する管路および絞り機構を有する管路を有し、
   制御装置は、空調負荷に基づいて判断したポンプの運転台数から、熱源機内の熱交換器を流れる熱媒体の流速が許容範囲内か否かを判断し、許容範囲内であれば前記絞り機構を開き、許容範囲外であれば前記絞り機構を閉じる制御を行う熱媒体搬送システム。

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