JP2010025466A - 熱源システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気処理のように冷却負荷率が変動する冷水系統を有する熱源システムにおいて、省エネルギー化することができる熱源システムを提供することを目的とする。
【解決手段】温度設定値が異なる２以上の冷却負荷１２、１４、１６と、冷却負荷１２、１４、１６それぞれに対して冷水を供給する冷凍機１８ａ、２０ａ、…２８ａと、冷凍機８ａ、２０ａ、…２８ａ毎に冷水の供給系統を少なくとも他の冷却負荷１２、１４、１６に対して切替えるための切替バルブ３１、３２、…４２、及び配管系３０を有するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体工場のように一年を通じて冷熱源が必要な工場の熱源システムに係り、特に、外気処理のように冷却負荷率が変動する冷水系統を有する熱源システムに関する。

従来の熱源システムは、冷凍機、冷水ポンプからなり、冷凍機により必要温度のうち最低温度の冷水を製造し、各負荷系統に冷水を供給する。例えば半導体の工場では、冷却負荷として外気処理や顕熱処理があり、顕熱処理では、外気処理で用いる冷水温度よりも高い温度で処理可能となる。しかし、従来の熱源システムは、全冷水について最低温度の冷水を製造していたため冷却負荷に必要な冷水温度よりも低くなる系統があり、冷凍機の成績係数（以下、ＣＯＰと略す）が悪化してエネルギー消費量が大きくなるという問題があった。

そこで、特許文献１では、冷凍機の冷水温度を従来よりも高温化することで冷凍機のＣＯＰを上昇させることが開示されている。そして、特許文献２では、冷水温度別に冷凍機と配管を設置し冷水温度の設定値を上げることや、インバータ（ＩＮＶ）ターボ冷凍機の採用や冷凍機用冷却塔の統合により、冷凍機のＣＯＰを向上させ、流量制御することにより省エネルギー化することが記載されている。また、特許文献３では、ＩＮＶターボ冷凍機の冷却負荷に対するＣＯＰ特性を考慮して高ＣＯＰとなるように冷凍機の台数制御を図っていることが開示されている。
特開２００７−１３２６５９号公報 特開２００３−１２１０２４号公報 特開２００５−１１４２９５号公報

しかしながら、特許文献１〜３では、それぞれの冷水系統を独立した冷凍機で接続しているため、冷却負荷系統への冷凍機が限られており、他の冷却負荷系統の冷凍機を有効に活用できないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、特に、外気処理のように冷却負荷率が変動する冷水系統を有する熱源システムにおいて、他の冷却負荷系統の冷凍機を有効に活用することで省エネルギー化することができる熱源システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、前記目的を達成するために、温度設定値が異なる２以上の冷却負荷と、該冷却負荷それぞれに対して冷水を供給する冷凍機と、該冷凍機毎に冷水の供給系統を少なくとも他の冷却負荷に対して切替えるための切替バルブ及び配管系と、を有することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、冷凍機毎に冷水の供給系統を少なくとも他の冷却負荷に対して切替えるための切替バルブ及び配管系を有するので、他の冷却負荷系統の冷凍機を有効に活用することができる。

従って、停止している冷凍機を他系統に切替えて冷凍機台数を増減させることが可能となるため、１台あたりの冷却負荷を減少させて、冷凍機の特性を考慮した高ＣＯＰ点で利用可能となり、省エネとなる。また、冷却能力に余裕のある系統の冷凍機を冷凍機の負荷率が高い系統に切替えることで負荷変動の大きい系統で予め必要な冷凍機台数を削減でき、イニシャルコストを削減することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記冷凍機は、冷水温度設定値を変更できる機能を有することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、冷水温度設定値を変更できる冷凍機を用いることで、冷却負荷を必要以上に冷却することがなくなるので、更に省エネとすることができる。

請求項３に係る発明は、請求項２において、前記切替バルブの開閉と前記冷凍機の冷水温度設定値とを変更する制御手段を有することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、切替バルブの操作と冷凍機の温度設定値変更の作業を自動化でき、切替え作業の省力化と誤操作を防止することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２において、前記制御手段は、前記冷却負荷の計測手段又は予測手段を有し、前記冷凍機が停止している冷却負荷系統が存在する場合には、該冷凍機を他の冷却負荷系統に切替え、高い冷却負荷のため冷却能力が不足する系統がある場合には、冷凍機の台数を減らしても冷却能力を満足する系統の冷凍機を能力不足の系統に切替えることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、請求項３の操作を冷却負荷に応じて自動化できるので、連続した切替えにより省エネ化することできる。

請求項５に係る発明は、請求項１又は２において、前記制御手段は、前記熱源システム全体のエネルギー消費量を評価関数として、シミュレータを用いて熱源システムのエネルギー消費量を演算し、冷凍機の台数と冷水の供給系統の最適化演算することが可能な演算器を有することを特徴とする。

請求項５の発明によれば、冷凍機の負荷処理特性を考慮して熱源システム全体の冷凍機を有効に活用することができ、部分負荷時の熱源システムのＣＯＰを向上させて、省エネ化することできる。

本発明によれば、エネルギー消費量を削減でき、ランニングコストを削減できる熱源システムを提供することができる。また、冷却能力に余裕のある系統の冷凍機を冷凍機の負荷率が高い系統に切替えることで負荷変動の大きい系統で予め必要な冷凍機台数を削減でき、イニシャルコストを削減できる熱源システムを提供することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る熱源システムの好ましい実施の形態について詳説する。尚、本発明の熱源システムは、冷却負荷系統がｎ系統に対応するが、以下、冷却負荷系統が３系統の熱源システムで説明する。また、冷却負荷には、それぞれ２基の冷凍機が設けられている場合について説明するがこの限りではない。

図１は、本発明に係る熱源システムの第１実施形態を示す系統図である。

本発明に係る熱源システム１０は、例えば、冷水系統が外気処理と顕熱処理の系統に分かれた冷水温度設定値が異なる冷水供給系で構成され、各温度設定値が冷却負荷１２（例えば、７℃）、冷却負荷１４（例えば１２℃）、冷却負荷１６（例えば、１７℃）の系統のように、２つ以上に分割されている熱源システムを対象としている。

通常、各冷水系統には、冷水を製造する冷凍機、ポンプが配管を介して接続されている。尚、図１は空冷式冷凍機の場合である。水冷式冷凍機の場合は、冷却水ポンプ、冷却塔、冷却水配管系を有するが図１では省略している。即ち、図１の場合、切替バルブ３３、３４、３９、４０を閉とし、他の切替バルブを開とすると、冷却負荷１２には、２基の冷凍機１８ａ、２０ａが設けられ、それぞれポンプ１８ｂ、２０ｂによって冷却水が循環配管系統３０を介して循環される。そして、冷却負荷１４には、２基の冷凍機２２ａ、２４ａが設けられ、それぞれ冷水ポンプ２２ｂ、２４ｂによって冷却水が循環配管系統を介して循環される。同じく冷却負荷１６には、２基の冷凍機２６ａ、２８ａが設けられ、それぞれ冷水ポンプ２６ｂ、２８ｂによって冷水が循環配管系統を介して循環される。

そして、本発明において、冷水を供給する冷却負荷系統を切替え可能なように切替バルブ３１〜４２、４４〜４９を設けている。例えば、冷却負荷１２の系統の冷水製造を冷凍機１８ａで行う場合には、切替バブル３１、３２を閉じ冷凍機１８ａを運転する。また、冷却負荷１２の系統の冷水製造を冷凍機１８ａ、２０ａで行う場合には、切替バブル３１、３２を開き、切替バブル３３、３４を閉じ冷凍機１８ａ、２０ａを運転する。冷却負荷１２の系統の負荷が小さく冷水製造を冷凍機１８ａで行う場合、切替バルブ３３、３４を開き、３１、３２を閉じて、冷凍機２０で製造された冷水を冷却負荷１４に循環させることができる。

また、冷却負荷１２で冷水が必要ない場合には、切替バルブ４４、４５を閉じ、切替バブル３１、３２、３３、３４を開くことで、冷凍機１８ａで製造された冷水を冷却負荷１４に循環させることができる。

このように、同様の操作により、各冷却負荷に対して運動可能な冷凍機の台数を切替バルブの開閉によって変更することが可能である。

図２の実施形態は、図１に示した熱源システム１０において、冷水系統間の切替えバルブの開閉と冷凍機冷水温度設定値変更を行う制御手段５０を有することを特徴としている。

熱源システム１０の操作者は、冷凍機の台数と各冷却負荷の負荷量とから、各冷却負荷での必要な冷凍機の台数を判断し、その判断した情報を制御手段５０に入力する。制御手段５０は、この冷却負荷での必要な冷凍機の台数の情報から、各切替バルブを開閉するとともに各冷凍機の温度設定値を冷却負荷系統の温度設定値に変更するよう、各切替バルブ及び各冷凍機に信号を発信する。また、各系統に割り当てられた冷凍機は、冷却負荷の状況に対応して発停制御が行われる。

このような制御手段５０を設けることで、冷凍機の温度設定の変更と切替バルブの開閉操作を操作者が１つ１つ手動で行う必要がないので、誤操作を防ぐことができる。

図３の実施態様は、図１に示した熱源システムにおいて、各冷却負荷に対して冷却負荷の負荷量を計測または予測する手段を設け、負荷量と冷凍機の運転状態をもとに、切替バルブの開閉と冷凍機の温度設定値変更を行う制御手段５０’を有することを特徴としている。尚、図３では、冷却負荷の負荷量を計測または予測する手段として、各冷却負荷１２、１４、１６に対して温度計および流量計を備えている。

制御手段５０’は、温度計および流量計から、各冷却負荷の負荷量に対して冷却能力が不足する系統があると判断した場合、他系統で冷却能力に余裕がある系統の冷凍機を不足する系統に切替える。また、制御手段５０’は、温度計および流量計から、冷却能力に余裕があり冷凍機が停止している系統がある場合、他系統への冷凍機の切替えを想定して冷凍機のＣＯＰを演算し、系統切替えによりＣＯＰが高くなる結果となったときには系統を切替える。

このような制御手段５０’を設けることで、操作者の判断に依らずに、冷凍機のオンオフや温度設定の変更、切替バルブの開閉操作を自動に行うことができる。

図４の実施態様は、外気条件、冷却負荷及び冷水温度設定値を入力条件として、熱源システムを構成する機器（冷凍機、冷水ポンプ等）のエネルギー消費量を演算するシミュレータを有する制御手段５０’’を備える。制御手段５０’’では、更に、冷凍機、冷水ポンプ等のエネルギー消費量の総和を評価関数として、熱源システム１０を構成する冷凍機の台数、切替バルブ及び配管系統を設定条件として、各系統の冷凍機運転台数と切替バルブの開閉条件を最適化演算し、演算結果をもとにエネルギー消費量が最小となるように系統の切替えを行う。

図５は、図４の熱源システムの制御手段５０’’の制御を示したフロー図である。

Ｓ１０２では、外気の温湿度を温度計８４及び湿度計８６で計測する。そして冷却負荷１２、１４、１６に対する各系統の冷水の往還温度を温度計６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂで計測するとともに、冷却負荷１２、１４、１６に対する各系統の冷水の流量を流量計６０、６２、６４で計測する。また、冷凍機１８ａ、２０ａ、２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａと冷水ポンプ１８ｂ、２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂの運転状況を確認するとともに、各切替バルブの開閉状態を確認する。Ｓ１０４では、Ｓ１０２で得られた情報から各系統での冷凍機、冷水ポンプ等のエネルギー消費量を演算する。そして、Ｓ１０６では、Ｓ１０４で得られた冷凍機、冷水ポンプ等のエネルギー消費量の総和を評価関数として、系統の冷凍機運転台数と切替バルブの開閉条件を最適化演算し、その演算結果をもとにエネルギー消費量が最小となる条件を求める。そして、Ｓ１０８、Ｓ１１０において、エネルギー消費量が最小となる条件を満たすように、切替バルブの開閉、冷水ポンプの発停、冷凍機の発停を順に行う。以上のステップを繰り返すことで、常にエネルギー消費量を最小とすることができる。

即ち、図４の熱源システムにより、各冷却負荷系統に割り当てる冷凍機の台数を設定することが可能となり、冷却負荷の過不足を基に冷凍機の台数を割り当てる場合に比べ、多台数の切替えを一度に行うことが可能となり、冷却負荷の過不足を基に冷凍機の台数を順次変更する場合に比べ、最適運転台数に切替えることができるので省エネとなる。また、冷凍機の台数の増減範囲が大きくなり、よりエネルギー消費量が小さくなる最適値になる場合がある。

尚、ターボ冷凍機の場合、一般に冷水の温度を高くするとＣＯＰが高くなる。例えば、冷水温度を１℃高くしたときのＣＯＰの上昇率が４％であると、冷水の送水温度を７℃から１２℃に設定するとＣＯＰが２０％上昇する。また、７℃の場合のエネルギー消費量と比較して、１２℃の場合には８３％のエネルギー消費量となるので、１７％のエネルギーを削減することができる。

また、外気の温湿度が定格点より低い場合には、定格運転での冷却負荷に比べ、ＣＯＰは高くなる。例えば、冷却負荷５０％でＣＯＰが３０％上昇する場合、冷凍機を台数制御することで、ＣＯＰが高い運転が可能となり２３％のエネルギー消費量を削減することができる。

以上から、本発明の熱源システムは、冷却能力に余裕のある系統の冷凍機を冷凍機の負荷率が高い系統に切替えるので、負荷変動の大きい系統で予め必要な冷凍機台数を削減でき、イニシャルコストを削減できることが分かる。また、冷凍機台数の最適化範囲が広くなるので、よりＣＯＰの高い運転でランニングコストやＣＯ_２を削減できる。

尚、図１〜図４の熱源システム１０の循環配管系統３０を、図６に示すように、熱源システムの冷却負荷１２側と冷却負荷１６側の冷水系統を連結したループ型の循環配管系統３０’とすることも好ましい。また、各冷凍機からの冷水を任意の冷却負荷を循環することができるように、図７のような循環配管系統３０’’とすることも好ましい。このような循環配管系統とすることで、冷却負荷に対する増設可能な冷凍機の台数が増えるので、より最適化することが可能となる。

また、本発明に係る熱源システムの実施形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、各種の態様が採り得る。

例えば、本発明に用いる冷凍機は、一定速度の圧縮式冷凍機、インバータ制御の圧縮冷凍機、吸収冷凍機、吸着式冷凍機等の冷凍機でもよい。部分負荷時にＣＯＰが高くなる冷凍機を使用した場合、部分負荷で積極的に制御することで、省エネが図れる。現在市販されている冷凍機では、圧縮機の回転数制御により冷却負荷が小さくなる部分負荷時に、高負荷時に比べてＣＯＰが高くなる特性を有する機器がある。尚、図８にインバータ制御圧縮式冷凍機のＣＯＰ変化の概念図を示す。この冷凍機を本発明の熱源システムに用いた場合、冷却負荷を処理する冷凍機の台数を増して１台あたりの冷却負荷を小さくした高ＣＯＰの運転が可能となり、冷却に必要なエネルギー消費量を小さくすることができるので省エネとなる。

また、本熱源システムでは、冷水を製造する例を述べているが、加熱負荷として温水の場合にも適応でき、冷凍機の変わりにヒートポンプや温熱源も用いることでも高ＣＯＰの運転が可能である。

更に、図３と図４の熱源システムで示した冷水の流量計測は、冷凍機の熱交換器の圧力損失を基に演算してもよい。この計測方法により、高価な流量計を削減できるので、本発明の熱源システムのイニシャルコストを削減することができる。

そして、図４の熱源システムの制御手段５０’’では、予想される負荷状態を基に最適化演算した結果をテーブルデータ化した結果を参照して、系統切替えを行っても良い。

また、本発明の熱源システムに用いる冷水ポンプは、冷水系が所定の圧力になるように変流量制御を行ってもよい。尚、ここで、制御手段は、変流量制御は冷凍機の最小流量範囲を下回らないように冷水流量を制御する。この制御方法を用いた熱源システムでは、冷凍機が部分負荷運転の場合には、冷水流量が削減可能となり、冷水ポンプの動力を削減することできる。

本発明に係る熱源システムの第１実施形態を示す系統図 本発明に係る熱源システムの第２実施形態を示す系統図 本発明に係る熱源システムの第３実施形態を示す系統図 本発明に係る熱源システムの第４実施形態を示す系統図 熱源システムの制御手段の制御を示すフロー図 本発明に係る循環配管系統の別の例を示す系統図 本発明に係る循環配管系統の別の例を示す系統図 インバータ制御圧縮式冷凍機のＣＯＰ変化を示す概念図

符号の説明

１０、１０’、１０’’…熱源システム、１２、１４、１６…冷却負荷、１８ａ、２０ａ、２２ａ、２４ａ、２６ａ、２８ａ…冷凍機、１８ｂ、２０ｂ、２２ｂ、２４ｂ、２６ｂ、２８ｂ…冷水ポンプ、３０、３０’、３０’’…循環配管系統（配管系）、３１、３２、〜４２…切替バブル、４４、４５、〜４９…切替バブル、５０、５０’、５０’’…制御手段、６０、６２、６４…流量計、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、〜８２ａ、８２ｂ…温度計、８４…温度計、８６…湿度計９１、９２…切替バブル、

Claims (5)

1. 温度設定値が異なる２以上の冷却負荷と、
   該冷却負荷それぞれに対して冷水を供給する冷凍機と、
   該冷凍機毎に冷水の供給系統を少なくとも他の冷却負荷に対して切替えるための切替バルブ及び配管系と、を有することを特徴とする熱源システム。
2. 前記冷凍機は、冷水温度設定値を変更できる機能を有することを特徴とする請求項１に記載の熱源システム。
3. 前記切替バルブの開閉と前記冷凍機の冷水温度設定値とを変更する制御手段を有することを特徴とする請求項２に記載の熱源システム。
4. 前記制御手段は、
   前記冷却負荷の計測手段又は予測手段を有し、
   前記冷凍機が停止している冷却負荷系統が存在する場合には、該冷凍機を他の冷却負荷系統に切替え、
   高い冷却負荷のため冷却能力が不足する系統がある場合には、冷凍機の台数を滅段しても冷却能力を満足する系統の冷凍機を能力不足の系統に切替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源システム。
5. 前記制御手段は、
   前記熱源システム全体のエネルギー消費量を評価関数として、シミュレータを用いて熱源システムのエネルギー消費量を演算し、冷凍機の台数と冷水の供給系統の最適化演算することが可能な演算器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源システム。

Images