JP2009008356A - 台数制御システムおよび台数制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より効果的に省エネルギー化を促進することができる台数制御システムおよび台数制御方法を提供する。
【解決手段】コントローラ１０は、冷却水センサ８および冷水センサ９により測定された入力冷却水および出力冷水の温度から冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力を算出し、この算出結果に基づいて冷凍機１−１〜ｎの運転台数を制御する。これにより、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力が定格値を超えて運転させることが可能となり、冷凍機１−１〜ｎの運転台数を少なくしたり、冷凍機の運転時間を短縮したりすることができ、結果として、より効果的に省エネルギー化を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の冷凍機を有する熱源システムに関するものであり、特に、熱源システムにおける複数の冷凍機の運転台数を制御する台数制御システムおよび台数制御方法に関するものである。

従来より、複数の冷凍機を有する熱源システムの分野では、省エネルギー化を図るべく様々な提案がなされている。例えば、特許文献１には、インバータ駆動ターボ冷凍機において、ＣＯＰ(Coefficient Of Performance)のよい範囲に負荷率が入るように調整する技術が開示されている。具体的には、ＣＯＰのピークが負荷率１００％ではなく中間点にある場合を想定することにより、冷凍機の運転台数に余裕を持たせ、冷凍機を効率的に運転することを図ることが行われている。

特開２００５−１１４２９５号公報

しかしながら、特許文献１の場合、インバータ式の冷凍機を用いるために高コストであった。また、実際のシステムではインバータ式ではないターボ式の冷凍機や吸収式の冷凍機を用いる場合が多く、この通常の冷凍機はＣＯＰが単調増加する傾向を有するので、負荷率１００％近辺で運転するだけでは台数制限や省エネルギー化の効果も図ることが困難である。

そこで、本願発明は、より効果的に省エネルギー化を促進することができる台数制御システムおよび台数制御方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る台数制御システムは、冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける冷凍機の運転台数を制御する台数制御システムであって、複数台の冷凍機に並列に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測するセンサと、このセンサに接続されたコントローラとを備え、コントローラは、冷却水の温度および冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出する算出部と、この算出部の算出結果に基づいて冷凍機の運転台数を判定する判定部とを備えることを特徴とする。

本発明に係る他の台数制御システムは、冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける冷凍機の運転台数を制御する台数制御システムであって、複数台の冷凍機に独立に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測するセンサと、このセンサに接続されたコントローラとを備え、コントローラは、冷却水の温度および冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出する算出部と、この算出部の算出結果に基づいて冷凍機の運転台数を判定する判定部とを備えることを特徴とする台数制御システム。

また、本発明に係る台数制御方法は、冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける冷凍機の運転台数を制御する台数制御方法であって、複数台の冷凍機に並列に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測する計測ステップと、冷却水の温度および冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出する算出ステップと、この算出ステップによる算出結果に基づいて冷凍機の運転台数を判定する判定ステップとを有することを特徴とする。

本発明に係る他の台数制御方法は、冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける冷凍機の運転台数を制御する台数制御方法であって、複数台の冷凍機に独立に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測する計測ステップと、冷却水の温度および冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出する算出ステップと、この算出ステップによる算出結果に基づいて冷凍機の運転台数を判定する判定ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、冷却水の温度および冷水の温度のうち少なくとも一方の値に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出し、この算出結果に基づいて冷凍機の運転台数を判定することにより、冷凍能力の定格値を超えて冷凍機を運転させることが可能となり、冷凍機の運転台数を少なくしたり、冷凍機の運転時間を短縮したりすることができ、結果として、より効果的に省エネルギー化を促進することができる。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施の形態について詳細に説明する。

［熱源システムの構成］
図１に示すように、本実施の形態に係る熱源システムは、冷却水を用いて冷水を生成する冷凍機１−１，１−２，…，１−ｎと、冷却水を生成する冷却塔２と、冷水を消費する空調機３と、冷却塔２により生成された冷却水を冷凍機１−１〜ｎに供給する冷却水往路４と、冷凍機１−１〜ｎにより消費された冷却水を冷却塔２に戻す冷却水還路５と、冷凍機１−１〜ｎにより生成された冷水を空調機３に供給する冷水往路６と、空調機３により消費された冷水を冷凍機１−１〜ｎに戻す冷水還路７と、冷却水往路４に設けられ冷凍機１−１〜ｎに供給される冷却水（以下、入力冷却水という）の温度を計測する冷却水センサ８と、冷水往路６に設けられ冷凍機１−１〜ｎから出力される冷水（以下、出力冷水という）の温度を計測する冷水センサ９と、冷却水センサ８と冷水センサ９による測定値に基づいて冷凍機１−１〜ｎの運転を制御するコントローラ１０とを少なくとも備える。ここで、冷凍機１−１〜ｎは、並列に設けられており、冷却水センサ８は、冷凍機１−１〜ｎに並列に供給される入力冷却水の温度を計測する。同様に、冷水センサ９は、冷凍機１−１〜ｎから並列に出力される出力冷水の温度を計測する。

図２に示すように、コントローラ１０は、測定値取得部１１と、パラメータ記憶部１２と、冷凍能力算出部１３と、設定部１４と、台数判定部１５と、駆動部１６とを有する。

測定値取得部１１は、冷却水センサ８および冷水センサ９から、入力冷却水および出力冷水の温度を取得する。

パラメータ記憶部１２は、冷凍機１−１〜ｎの定格値、冷却水または冷水の温度と冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力との対応関係などに関する各種パラメータを記憶する。

冷凍能力算出部１３は、測定値取得部１１により取得された入力冷却水および出力冷水の測定値と、パラメータ記憶部１２に記憶されたパラメータとに基づいて、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力を算出する。

設定部１４は、冷水の流量と、冷水往路６と冷水還路７の温度差との積から算出する負荷熱量、または、オペレータ等の操作入力に基づいて、熱源システムにより生成する熱量を設定する。

台数判定部１５は、冷凍能力算出部１３により算出された冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力と、設定部１４により設定された熱源システムにより生成する熱量とに基づいて、冷凍機１−１〜ｎの運転台数を判定する。

駆動部１６は、台数判定部１５による判定結果に基づいて、冷凍機１−１〜ｎの駆動を制御する。

［熱源システムの動作］
次に、本実施の形態に係る熱源システムの動作について説明する。

コントローラ１０は、冷凍機１−１〜ｎを駆動させる場合、冷凍機１−１〜ｎに対して駆動信号を送信するとともに、冷却塔２を駆動させる。また、冷却水や冷水を冷却水往路４、冷却水還路５、冷水往路６、冷水還路７を介して、冷凍機１−１〜ｎと冷却塔２との間または空調機３との間で循環させるための図示しないポンプを駆動させる。

冷却塔２は、冷却水に対して熱交換を行い、冷却水を冷却する。この冷却水は、冷却水往路４を通って冷凍機１−１〜ｎに送出され、この冷凍機１−１〜ｎで冷水を冷却した後、冷却水還路５を通って冷却塔２に送出され、この冷却塔２により再び冷却されて冷凍機１−１〜ｎに送出される。

冷凍機１−１〜ｎは、冷却塔２で生成された冷却水を用いて、冷水を冷却する。冷却された冷水は、冷水往路６を通って空調機３に送出され、この空調機３で熱交換が行われた後、冷水還路７を通って冷凍機１−１〜ｎに送出され、この冷凍機１−１〜ｎにより再び冷却されて空調機３に送出される。

［台数制御動作］
次に、コントローラ１０による冷凍機１−１〜ｎの台数制御方法について説明する。

まず、本実施の形態に係る熱源システムは、設定部１４により設定された値の熱量を生成するために、所定の台数の冷凍機１−１〜ｎを駆動しているものとする。このような場合において、コントローラ１０は、測定値取得部１１により、冷却水センサ８および冷水センサ９から冷却塔２により冷却され冷凍機１−１に送出される入力冷却水および冷凍機１−１〜ｎにより冷却され空調機３に送出される出力冷水の温度を取得する（ステップＳ１）。

入力冷却水と出力冷水の温度を取得すると、コントローラ１０は、冷凍能力算出部１３により、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力を算出する（ステップＳ２）。冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力は、入力冷却水および出力冷水の温度により変化する。具体的には、入力冷却水の温度が設計値よりも低いほど、出力冷水の温度が設計値よりも高いほど、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力は向上する。

例えば、図４に示すように、入力冷却水の設計値を３２℃、この設計値における冷凍機の冷凍能力を１００％とした場合、入力冷却水の温度が設計値より５℃低くなると、冷凍能力は１６％向上する。また、図５に示すように、出力冷水の設計値を７℃、この設計値における冷凍能力を１００％とした場合、出力冷水の温度が設計値よりも平均１℃上昇するに連れて、冷凍能力は平均４％向上する。そこで、冷凍能力算出部１３は、冷水または冷却水の測定値と、パラメータ記憶部１２に記憶された図４，図５に示すような冷水または冷却水の温度と冷凍能力の対応関係のパラメータと基づいて、冷凍機１−１〜ｎの１台当たりの冷凍能力を算出する。したがって、入力冷却水の温度が設計値よりも低いまたは出力冷水の温度が設計値よりも高い場合、冷凍能力算出部１３は、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力の値として定格値よりも高い値を算出することとなる。これにより、冷凍機１−１〜ｎを、図６の符号ａで示す範囲、すなわち冷凍能力が定格値の１００％よりも高い値で運転させることができる。なお、図６は、入力冷却水の温度毎のＣＯＰと冷凍能力との関係を示している。

冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力を算出すると、コントローラ１０は、台数判定部１５により、冷凍能力算出部１３の算出結果に基づいて冷凍機１−１〜ｎの運転台数を判定する（ステップＳ５）。具体的には、冷凍能力算出部１３により算出された冷凍機１−１〜ｎの１台当たりの冷凍能力と、設定部１４により設定された熱量とに基づいて、この熱量を賄うのに必要な冷凍機１−１〜ｎの運転台数を算出する。

従来では、冷凍機の定格値に基づいて冷凍機の運転台数を決定していたが、本実施の形態では、入口冷却水および出口冷水の温度に基づく冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力に基づいて冷凍機の運転台数を決定する。したがって、従来と本実施の形態とでは、入口冷却水や出口冷水の温度により冷凍機の運転台数が異なる。

一例として、図７に示すような冷熱負荷分布（正規分布）について、３台の同容量のターボ冷凍機で対応する場合について説明する。この図７において、縦軸は負荷頻度、すなわち年間（３６５日×２４時間＝８７６０時間）に各負荷率帯（％）の時間数、横軸は実際の生産熱量、従来の定格値による台数制御は矢印α’，α”、本実施の形態による台数制御は矢印β’，β”を表している。このような図７において、例えば生産熱量がα’とβ’の間に設定されている場合、従来では２台の冷凍機を運転すると判定される。しかしながら、本実施の形態では、入口冷却水および出口冷水の温度に基づいて冷凍機の冷凍能力を算出するため、従来よりも１台当たりの冷凍機の生産熱量が多くなるので、１台の冷凍機を運転すると判定される。したがって、本実施の形態では、従来よりも冷凍機の運転台数が少なく、かつ、従来よりも高いＣＯＰ領域で冷凍機を運転させることができ、結果として、省エネルギー化を実現することができる。

また、図７において、入力冷却水の温度が２７℃と設計温度の３２℃よりも５℃低く、冷凍機の冷凍能力が定格値よりも２０％高くなるとする。ここで、従来と本実施の形態における冷凍機の延べ運転時間を比較すると、冷凍機の延べ運転時間は（１台運転のマス数）＋（２台運転のマス数）×２＋（３台運転のマス数）×３で算出され、本実施の形態の方が従来よりも冷凍機の延べ運転時間を約１４％の短縮することができる。ＣＯＰの上昇も考慮すると、約１５％以上の省エネルギー効果を実現することが可能となる。

台数判定部１５により冷凍機１−１〜ｎの運転台数を変更すると判定された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、コントローラ１０は、駆動部１６により運転する冷凍機１−１〜ｎに対して駆動信号を入力する。これにより、冷凍機１−１〜ｎの運転台数が変更される。この変更後、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理に戻る。

一方、台数判定部１５により冷凍機１−１〜ｎの運転台数を変更しないと判定された場合（ステップＳ５：ＮＯ）、コントローラ１０は、ステップＳ１の処理に戻る。

このように、本実施の形態によれば、入力冷却水および出力冷水の温度と、これらの値における冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力とに基づいて冷凍機１−１〜ｎの運転台数を制御することにより、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力が定格値を超えて運転させることが可能となり、冷凍機１−１〜ｎの運転台数を少なくしたり、冷凍機の運転時間を短縮したりすることができ、結果として、より効果的に省エネルギー化を実現することができる。なお、ポンプ容量、電熱容量、その他のシステム制約条件を満足する範囲で上記定格値を超えて冷凍機１−１〜ｎを運転する必要があることは言うまでもない。

また、本実施の形態では、冷却塔などの冷却水の供給側で入力冷却水の温度を決定し、空調機等の冷水の需要側が出力冷水の温度を決定するので、本実施の形態おける冷凍機１−１〜ｎは、入力冷却水および出力冷水の温度を積極的には変更しない。したがって、与えられた環境下で最適台数運転を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態における冷凍機１−１〜ｎに独立に冷却水を供給するものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

［熱源システムの構成］
図８に示すように、本実施の形態に係る熱源システムは、冷却水を用いて冷水を生成する冷凍機１−１〜ｎと、冷却水を生成する冷却塔２−１〜ｎと、冷水を消費する空調機３と、冷却塔２−１〜ｎにより生成された冷却水を対応する冷凍機１−１〜ｎに供給する冷却水往路４−１〜ｎと、冷凍機１−１〜ｎにより消費された冷却水を対応する冷却塔２−１〜ｎに戻す冷却水還路５−１〜ｎと、冷凍機１−１〜ｎにより生成された冷水を空調機３に供給する冷水往路６と、空調機３により消費された冷水を対応する冷凍機１−１〜ｎに戻す冷水還路７と、対応する冷却水往路４−１〜ｎに設けられ各入力冷却水の温度を計測する冷却水センサ８−１〜ｎと、冷水往路６に設けられ冷凍機１−１〜ｎの出口部分の各出力冷水の温度を独立に計測する冷水センサ９−１〜ｎと、冷却水センサ８−１〜ｎと冷水センサ９−１〜ｎによる測定値に基づいて冷凍機１−１〜ｎの運転を制御するコントローラ１０とを少なくとも備える。ここで、冷却塔２−１〜ｎ、空調機３、冷却水往路４−１〜ｎ、冷却水還路５−１〜ｎ、冷水往路６、冷水還路７、冷却水センサ８−１〜ｎ、冷水センサ９−１〜ｎは、それぞれ第１の実施の形態における冷却塔２、空調機３、冷却水往路４、冷却水還路５、冷水往路６、冷水還路７、冷却水センサ８、冷水センサ９に対応する。

本実施の形態において、冷凍機１−１〜ｎには、対応する冷却塔２−１〜ｎからそれぞれ他の冷凍機とは独立して冷却水が入出力される。一例として、冷凍機１−１の場合、冷却塔２−１により生成された冷却水は、冷却往路４−１を通って冷凍機１−１に入力され、冷凍機１−１で使用された後、冷却還路５−１を通って冷却塔２−１に出力される。また、冷凍機１−１で生成された冷水は、冷水往路６を通って空調機３に入力され、空調機３で熱交換された後、冷水還路７を通って冷凍機１−１に出力される。

このように冷凍機１−１〜ｎには独立して冷却水が供給されるため、冷却水センサ８−１〜ｎは、対応する冷凍機１−１〜ｎ毎に設けられる。したがって、コントローラ１０は、設定部１４により冷凍機１−１〜ｎ毎に生成する熱量を設定し、各冷凍機１−１〜ｎを駆動させる。このようにすることにより、本実施の形態においても、冷凍機１−１〜ｎの冷凍能力が定格値を超えて運転させることが可能となり、冷凍機の運転時間を短縮することができ、結果として、より効果的に省エネルギー化を実現することができる。

なお、本第２の実施の形態では、冷凍機１−１〜ｎ毎に冷却塔を設けるようにしたが、冷却塔を第１の実施の形態と同様、冷凍機１−１〜ｎ共通に一つだけ設けるようにしてもよい。また、本第２の実施の形態において、冷水センサ９を第１の実施の形態と同様共通して使用するようにしてもよい。

また、第１，第２の実施の形態では、入力冷却水と出力冷水の両方の値に基づいて冷凍機の運転台数を制御するようにしたが、何れか一方の値に基づいて制御するようにしてもよい。さらに、出力冷水の温度は、冷水センサ９による測定値のみならず、コントローラ１０による冷凍機１−１〜ｎからの冷水の出口温度を制御するための設定値を用いるようにしてもよい。

本発明は、２種類の冷却媒体を用いる熱源システムに適用することができる。

冷凍機が並列に設けられた熱源システムの構成を模式的に示す図である。 コントローラの構成を模式的に示すブロック図である。 台数制御動作を示すフローチャートである。 入口冷却水の温度、ＣＯＰおよび冷凍能力の関係を示すグラフである。 出口冷水の温度、ＣＯＰおよび冷凍能力の関係を示すグラフである。 入口冷却水の各温度におけるＣＯＰと冷凍能力の関係を示すグラフである。 冷熱負荷分布の一例を示す図である。 冷却塔が独立して設けられた熱源システムの構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１−１〜ｎ…冷凍機、２，２−１〜ｎ…冷却塔、３…空調機、４，４−１〜ｎ…冷却水往路、５，５−１〜ｎ…冷却水還路、６…冷水往路、７…冷水還路、８，８−１〜ｎ…冷却水センサ、９，９−１〜ｎ…冷水センサ、１０…コントローラ、１１…測定値取得部、１２…パラメータ記憶部、１３…冷凍能力算出部、１４…設定部、１５…台数判定部、１６…駆動部。

Claims (4)

1. 冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける前記冷凍機の運転台数を制御する台数制御システムであって、
   複数台の冷凍機に並列に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測するセンサと、
   このセンサに接続されたコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記冷却水の温度および前記冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて前記冷凍機の冷凍能力を算出する算出部と、
   この算出部の算出結果に基づいて前記冷凍機の運転台数を判定する判定部と
   を備えることを特徴とする台数制御システム。
2. 冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける前記冷凍機の運転台数を制御する台数制御システムであって、
   複数台の冷凍機に独立に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測するセンサと、
   このセンサに接続されたコントローラと
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記冷却水の温度および前記冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて前記冷凍機の冷凍能力を算出する算出部と、
   この算出部の算出結果に基づいて前記冷凍機の運転台数を判定する判定部と
   を備えることを特徴とする台数制御システム。
3. 冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける前記冷凍機の運転台数を制御する台数制御方法であって、
   複数台の冷凍機に並列に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測する計測ステップと、
   前記冷却水の温度および前記冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて前記冷凍機の冷凍能力を算出する算出ステップと、
   この算出ステップによる算出結果に基づいて前記冷凍機の運転台数を判定する判定ステップと
   を有することを特徴とする台数制御方法。
4. 冷却水および冷水を通水する複数台の冷凍機を備えた熱源システムにおける前記冷凍機の運転台数を制御する台数制御方法であって、
   複数台の冷凍機に独立に入力される冷却水の温度および複数台の冷凍機から並列に出力される冷水の温度のうち少なくとも一つを計測する計測ステップと、
   前記冷却水の温度および前記冷水の温度のうち少なくとも一つの値に基づいて前記冷凍機の冷凍能力を算出する算出ステップと、
   この算出ステップによる算出結果に基づいて前記冷凍機の運転台数を判定する判定ステップと
   を有することを特徴とする台数制御方法。
   

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