JP2010060257A - 熱源システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機が１台であっても過剰な負荷増大に対応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】外部負荷側へ冷水を送出する冷水送水配管１３と、外部負荷側から返送された冷水を導く冷水還水配管９と、冷水送水配管１３と冷水還水配管９との間に設けられた１台のターボ冷凍機３と、冷水送水配管１３と冷水還水配管９との間に接続されたバイパス配管２３と、バイパス配管２３に設けられた冷水バイパス弁２５と、ターボ冷凍機３から流出する冷水の出口温度が増大した場合に、冷水バイパス弁２５の開度を増大させて、冷水の出口温度を所望値に維持する冷水制御部２１とを備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源システムおよびその制御方法に関し、より具体的には、過剰な負荷の増大に対応することができ、さらには急激な負荷の減少にも追従することができる熱源システムおよびその制御方法に関するものである。

外部負荷から導かれた冷水（熱媒）を冷凍機によって所望の冷水出口温度まで冷却し、冷却後の冷水を外部負荷へと送出する熱源システムが多用されている。このような熱源システムでは、外部負荷の負荷が増大すると、冷凍機の出力を増大させて、冷水出口温度を所望値に維持する。しかし、外部負荷の負荷が過剰に増大し、１台の冷凍機の冷凍能力を超えてしまうため、所望の冷水出口温度に維持できない場合がある。このような問題を解決するために、２台の冷凍機を直列に接続し、冷凍能力を増大させる技術が考えられる（例えば、特許文献１参照）。具体的には図５に示したように、冷凍機１０１に加えて，冷凍機１０２を冷水流れの上流側に接続し、２台の冷凍機によって負荷増大に対応する。なお、符号１０４は、外部負荷から冷水を受け取る冷水還水タンク、符号１０５は、冷却後の冷水を受け取る冷水送水タンク、符号１０７は、冷水送水ポンプである。

また、１台の冷凍機とは別の低温熱源によって冷水を冷却する技術が考えられる（例えば、特許文献２参照）。具体的には、図６に示したように、１台の冷凍機１０１に加えて、氷蓄熱槽等の低温熱源から得た冷熱を冷水に与える熱交換器１０９を設ける。

特開２００１−３５５９３８号公報 特開２００２−０６１８９５号公報

しかしながら、図５に示した熱源システムでは、冷凍機を２台設ける必要があり、コストや設置スペースの増大を招いてしまう。
また、図６に示した熱源システムも同様に、低温熱源を設ける必要があり、コストや設置スペースの増大を招いてしまう。

一方、外部負荷の負荷が急激に減少した場合、冷凍機の冷凍能力を減少させるために膨張弁によって負荷の変動に追従させようとしても、膨張弁による冷凍能力の制御が間に合わないおそれがある。このような場合、冷水が過剰に冷却されてしまい、冷水の送り配管が凍結してしまうおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷凍機が１台であっても、冷凍機の冷凍能力を超えた過剰な負荷変動に対応することができ、また、急激な負荷の減少に対応することができる熱源システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱源システムおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる熱源システムは、外部負荷側へ熱媒を送出する送り配管と、前記外部負荷側から返送された熱媒を導く還り配管と、前記送り配管と前記還り配管との間に設けられ、該還り配管から導かれた熱媒を冷却するとともに該送り配管へと熱媒を送出する１台の冷凍機と、前記送り配管と前記還り配管との間に接続されたバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管内を流れる熱媒流量を調整する熱媒バイパス弁と、前記冷凍機へと流入する熱媒の入口温度、前記冷凍機から流出する熱媒の出口温度、及び、これら入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が増大した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を増大させて、前記出口温度を所望値に維持するバイパス流量制御手段とを備えていることを特徴とする。

熱源システムは、１台の冷凍機によって熱媒を冷却し、所望の出口温度となった熱媒を外部負荷へと供給する。外部負荷の負荷が１台の冷凍機の冷凍能力を超えて過剰に増大すると、所定の熱媒流量を維持したまま熱媒を所望の出口温度まで冷却することが困難となる。
本発明では、熱媒の入口温度、出口温度、及び、入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が増大すると、バイパス流量制御手段によって熱媒バイパス弁開度を増大させ、送り配管から還り配管へと循環する熱媒流量を増大させる。これにより、冷凍機の熱媒入口温度が下がり、冷凍機の熱負荷が減少するので、１台の冷凍機であっても所望の出口温度まで熱媒を冷却することができる。
冷凍機としては、負荷変動への追従性が良いターボ冷凍機が好ましい。

さらに、本発明の熱源システムでは、前記バイパス流量制御手段は、前記入口温度、前記出口温度、及び、前記温度差、から選ばれる少なくとも１つの値が減少した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を減少させて、前記出口温度を所望値に維持することを特徴とする。

熱媒の入口温度、出口温度、及び、入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が減少すると、バイパス流量制御手段によって熱媒バイパス弁開度を減少させ、バイパス流量を減少させる。これにより、冷凍機の熱媒入口温度が上がり、冷凍機の熱負荷が増大するので、熱媒出口温度の低下を防止することができる。
特に、外部負荷の負荷が急激に減少すると、冷凍機に設けられた冷凍能力を調整するための手段（例えば、圧縮冷媒を膨張させる絞り弁）が即座に追従できず、熱媒を過剰に冷却してしまい、熱媒の送り配管を凍結させてしまうおそれがある。これに対して、本発明では、バイパス流量制御手段によって即座に冷水温度の低下に対応することができるので、送り配管の凍結を回避することができる。

また、本発明の熱源システムの制御方法は、外部負荷側へ熱媒を送出する送り配管と、前記外部負荷側から返送された熱媒を導く還り配管と、前記送り配管と前記還り配管との間に設けられ、該還り配管から導かれた熱媒を冷却するとともに該送り配管へと熱媒を送出する１台の冷凍機と、前記送り配管と前記還り配管との間に接続されたバイパス配管と、該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管内を流れる熱媒流量を調整する熱媒バイパス弁と、を備えた熱源システムの制御方法であって、前記冷凍機へと流入する熱媒の入口温度、前記冷凍機から流出する熱媒の出口温度、及び、これら入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が増大した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を増大させて、前記出口温度を所望値に維持することを特徴とする。

さらに、本発明の熱源システムの制御方法は、前記入口温度、前記出口温度、及び、前記温度差、から選ばれる少なくとも１つの値が減少した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を減少させて、前記出口温度を所望値に維持することを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
バイパス配管を流れる熱媒流量を増大させることによって冷凍機の熱負荷を減少させることができるので、１台の冷凍機であっても過剰な外部負荷の増大に対応することができる。
バイパス配管を流れる熱媒流量を減少させて熱媒出口温度の急激な減少を回避することにより、熱媒の送り配管の凍結を防止することができる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかる熱源システムの概略が示されている。熱源システム１は、冷水（熱媒）を冷却する１台のターボ冷凍機（冷凍機）３と、外部負荷から導かれる冷水を一時貯留する冷水還水タンク５と、外部負荷へと導く冷水を一時貯留する冷水送水タンク７とを備えている。

ターボ冷凍機３は、図示されていないが、冷媒を圧縮するターボ圧縮機と、圧縮した冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる絞り弁と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器とを備えている。ターボ圧縮機には、容量制御用に、吸込冷媒量を調整するインレットガイドベーン（ＩＧＶ）を備えている。冷水は、蒸発器から得られる冷熱によって冷却される。ターボ冷凍機３の冷凍能力は、定格流量の冷水を所定温度差（本実施形態では、例えば１５℃から５℃までの１０℃）にて冷却できる能力を有している。このように本実施形態のターボ冷凍機３は、所定温度差の冷凍能力しか有していないが、後述するように、本実施形態の熱源システム１では、ターボ冷凍機３の冷凍能力を超えた温度差であっても所望温度まで冷水を冷却することができる。

外部負荷は、冷水によって得られる冷熱を利用するものであり、例えば、空調機やファンコイル等が挙げられる。

冷水還水タンク５とターボ冷凍機３との間には、冷水還水配管（還り配管）９が設けられている。冷水還水配管９の中途位置には、ターボ冷凍機３へと冷水を供給するための冷水ポンプ１１が設けられている。
冷水ポンプ１１は、ターボ冷凍機３の冷凍能力に見合った定格温度差における流量を超えた能力とされている。
具体的には、ターボ冷凍機３の定格温度差を（冷水入口温度Ｔ１℃−冷水出口温度Ｔ２℃）とし、熱源システム１として許容できる温度差を（冷水入口温度Ｔ３℃−冷水出口温度Ｔ２℃）とした場合、定格温度差（Ｔ１−Ｔ２）のときに冷凍能力Ｑのターボ冷凍機３に要求される冷水ポンプの流量をＦとすると、下式（１）を満たすように冷水ポンプ１１の流量Ｆ’が決定される。
Ｑ＝（Ｔ１−Ｔ２）×Ｆ＝（Ｔ３−Ｔ２）×Ｆ’ ・・・・・（１）
例えば、T１＝１５℃，T２＝５℃，Ｔ３＝３０℃とした場合、本実施形態の冷水ポンプ１１の流量Ｆ’は、定格温度差にて運転されるターボ冷凍機に対して設けられる冷水ポンプの流量Ｆの２．５倍の能力が選定される。

冷水送水タンク７とターボ冷凍機３との間には、冷水送水配管（送り配管）１３が設けられている。冷水送水配管１３の中途位置には、送水流量を調整する送水流量調整弁１５と、送水流量を計測する送水流量計１７と、送水温度を計測する送水温度計１９とが設けられている。送水温度計１９の出力は、冷水制御部（バイパス流量制御手段）２１へと送られる。送水流量調整弁１５の開度は、冷水制御部２１によって制御される。

冷水送水配管１３と冷水還水配管９との間には、バイパス配管２３が設けられている。冷水送水１３の送水流量計１５上流側に、バイパス配管２３への分岐１３ａが設けられている。バイパス配管２３の中途位置には、冷水のバイパス流量を制御する冷水バイパス弁（熱媒バイパス弁）２５が設けられている。冷水バイパス弁の開度は、冷水制御部２１によって制御される。

上記構成の熱源システム１は、次のように運転される。
外部負荷にて冷熱を供給し、温度上昇した冷水は、冷水還水タンク５へと返送される。冷水還水タンク５内の冷水は、冷水ポンプ１１によって、冷水還水配管９を介してターボ冷凍機３へと送られる。冷水は、ターボ冷凍機３によって、所望の冷水出口温度（例えば５℃）まで冷却される。
ターボ冷凍機３によって冷却された冷水は、冷水送水配管１３を介して冷水送水タンク７へと送られる。冷水は、冷水送水タンク７にて一時貯留された後、外部負荷へと供給される。

冷水の出口温度は、送水温度計１９が所望の設定値に維持されるように、冷水制御部２１により、送水流量調整弁１５および冷水バイパス弁２５の開度を制御することによって調整される。外部負荷の負荷が増大した場合、冷水出口温度が所望温度に維持されるように、冷水バイパス弁２５は、開度が増大する方向へ（これに対応して送水流量調整弁１５は開度が減少する方向へ）制御される。一方、外部負荷の負荷が減少した場合、冷水出口温度が所望温度に維持されるように、冷水バイパス弁２５は、開度が減少する方向へ（これに対応して送水流量調整弁１５は開度が増大する方向へ）制御される。

図２には、外部負荷の負荷が増加した時の一例が示されている。同図において、横軸は時間、縦軸は温度または弁開度を示している。
外部負荷の負荷増大前では、冷凍機出力１００％の下、冷水の冷凍機入口温度が１５℃、かつ、冷水の冷凍機出口温度が５℃にて維持されている。この状態での冷水還水温度は、２５℃とされ、冷水バイパス弁２５の開度は５０％とされ、冷水流量調整弁１５の開度は５０％とされる。
時刻ｔ１を過ぎて、外部負荷が増大すると、冷水還水温度が２５℃から３０℃まで増大し、これに応じて冷凍機入口温度および冷凍機出口温度が増大する。そして、送水温度計１９にて検出される冷水送水温度が増大する。冷水送水温度の増大を送水温度計１９にて検出すると、冷水制御部２１の指令により、冷水バイパス弁２５の開度が６０％まで増大させられるとともに、冷水流量調整弁１５の開度が４０％まで減少させられる。これにより、ターボ冷凍機３から流出した冷水がバイパス配管２３を介してターボ冷凍機３の入口へと循環する冷水流量が増大することによって、冷凍機入口温度を下げる。ターボ冷凍機３の熱負荷は、冷水の入口温度が下がることによって減少するので、１００％負荷運転であっても、これ以上出力を増大させることなく、外部負荷の増大に対応することができる。

図３には、図２のように外部負荷の負荷が増大した後に、外部負荷の負荷が減少した時の一例が示されている。同図において、横軸は時間、縦軸は温度または弁開度を示している。
外部負荷の負荷減少前では、冷凍機出力１００％の下、冷水の冷凍機入口温度が１５℃、かつ、冷水の冷凍機出口温度が５℃にて維持されている。この状態での冷水還水温度は、３０℃とされ、冷水バイパス弁２５の開度は６０％とされ、冷水流量調整弁１５の開度は４０％とされる。
時刻ｔ２を過ぎて、外部負荷の負荷が減少すると、冷水還水温度が３０℃から２５℃まで減少し、これに応じて冷凍機入口温度および冷凍機出口温度が減少する。そして、送水温度計１９にて検出される冷水送水温度が減少する。冷水送水温度の減少を送水温度計１９にて検出すると、冷水制御部２１の指令により、冷水バイパス弁２５の開度が５０％まで減少させられるとともに、冷水流量調整弁１５の開度が５０％まで増大させられる。これにより、ターボ冷凍機３から流出した冷水がバイパス配管２３を介してターボ冷凍機３の入口へと循環する冷水流量が減少することによって、冷凍機入口温度を上げる。ターボ冷凍機３の熱負荷は、冷水の入口温度が上がることによって増大するので、１００％負荷運転であっても、これ以下に出力を減少させることなく、外部負荷の減少に対応することができる。

図４には、外部負荷の負荷が極めて小さくなった時の一例が示されている。同図において、横軸は時間、縦軸は温度または弁開度を示している。
外部負荷の負荷が小さい場合（同図では冷水還水温度が１８℃の場合）には、冷凍機出力１００％の下、負荷に応じて冷水バイパス弁２５の開度を（同図では２３％まで）減少させるとともに、送水流量調整弁１５の開度を（同図では７７％まで）増大させて、所望の冷水出口温度である５℃を維持する。
時刻ｔ３を過ぎて、さらに外部負荷の負荷が減少すると、先ず、冷水バイパス弁２５の開度を全閉にするとともに、送水流量調整弁１５の開度を全開とする。その後、ターボ冷凍機３の出力を減少させることによって、所望の冷水出口温度である５℃が維持されるように制御する。

上述した本実施形態にかかる熱源システムおよびその制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
冷水の送水温度が所定値以上となると、制御部２１によって冷水バイパス弁２５の開度を増大させ、冷水送水配管１３から冷水還水配管９へと循環する冷水流量が増大する。これにより、ターボ冷凍機３の入口冷水温度が減少し、ターボ冷凍機３の熱負荷が減少するので、１台のターボ冷凍機３であっても所望の出口温度（５℃）まで冷水を冷却することができる。したがって、外部負荷の熱負荷が増大して、ターボ冷凍機３の許容温度差を超えた冷水温度差が生じても、所望の冷水温度を出力することができる。

冷水の送水温度が減少すると、冷水制御部２１によって冷水バイパス弁２５の開度を減少させ、バイパス流量を減少させる。これにより、ターボ冷凍機３の熱負荷を増大させることができ、冷水出口温度が低下することを防止することができる。
特に、外部負荷の負荷が急激に減少すると、ターボ冷凍機３に設けられた冷凍能力を調整するための手段（例えば、圧縮冷媒を膨張させる絞り弁）が即座に追従できず、冷水を過剰に冷却してしまい、冷水送水配管１３を凍結させてしまうおそれがある。これに対して、本実施形態では、冷水制御部２１によって即座に冷水出口温度の低下に対応することができるので、冷水送水配管１３の凍結を回避することができる。

なお、本実施形態では、熱負荷に対する応答性が高いため好適であるとしてターボ冷凍機を冷凍機の一例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ターボ冷凍機に代えて、スクリュー冷凍機や吸収冷凍機といった他の冷凍機を用いても良い。
また、本実施形態では、送水温度計１９によって、ターボ冷凍機３の出口側の冷水温度（冷凍機出口温度）を用いて制御することとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷水の出口温度に代えて、ターボ冷凍機３に対する冷水入口温度や、冷凍機入口温度と冷凍機出口温度との差を用いても良い。
また、本実施形態では、熱源システム１として冷水還水タンク５及び冷水送水タンク７を備えた構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらタンク５，７の一方もしくは両方を省略した熱源システム１であっても良い。

本発明の一実施形態にかかる熱源システムを示した概略構成図である。 外部負荷の熱負荷が増大したときの運転方法を示したグラフである。 外部負荷の熱負荷が減少したときの運転方法を示したグラフである。 外部負荷の熱負荷がさらに減少したとき（負荷極小時）の運転方法を示したグラフである。 従来の熱源システムの一例を示した概略構成図である。 従来の熱源システムの他の一例を示した概略構成図である。

符号の説明

１ 熱源システム
３ ターボ冷凍機（冷凍機）
５ 冷水還水タンク
７ 冷水送水タンク
９ 冷水還水配管（還り配管）
１１ 冷水ポンプ
１３ 冷水送水配管（送り配管）
１５ 送水流量調整弁
１７ 送水流量計
１９ 送水温度計
２１ 冷水制御部
２３ バイパス配管
２５ 冷水バイパス弁（熱媒バイパス弁）

Claims (4)

1. 外部負荷側へ熱媒を送出する送り配管と、
   前記外部負荷側から返送された熱媒を導く還り配管と、
   前記送り配管と前記還り配管との間に設けられ、該還り配管から導かれた熱媒を冷却するとともに該送り配管へと熱媒を送出する１台の冷凍機と、
   前記送り配管と前記還り配管との間に接続されたバイパス配管と、
   該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管内を流れる熱媒流量を調整する熱媒バイパス弁と、
   前記冷凍機へと流入する熱媒の入口温度、前記冷凍機から流出する熱媒の出口温度、及び、これら入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が増大した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を増大させて、前記出口温度を所望値に維持するバイパス流量制御手段と、
   を備えていることを特徴とする熱源システム。
2. 前記バイパス流量制御手段は、前記入口温度、前記出口温度、及び、前記温度差、から選ばれる少なくとも１つの値が減少した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を減少させて、前記出口温度を所望値に維持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. 外部負荷側へ熱媒を送出する送り配管と、
   前記外部負荷側から返送された熱媒を導く還り配管と、
   前記送り配管と前記還り配管との間に設けられ、該還り配管から導かれた熱媒を冷却するとともに該送り配管へと熱媒を送出する１台の冷凍機と、
   前記送り配管と前記還り配管との間に接続されたバイパス配管と、
   該バイパス配管に設けられ、該バイパス配管内を流れる熱媒流量を調整する熱媒バイパス弁と、を備えた熱源システムの制御方法であって、
   前記冷凍機へと流入する熱媒の入口温度、前記冷凍機から流出する熱媒の出口温度、及び、これら入口温度と出口温度との差、から選ばれる少なくとも１つの値が増大した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を増大させて、前記出口温度を所望値に維持することを特徴とする熱源システムの制御方法。
4. 前記入口温度、前記出口温度、及び、前記温度差、から選ばれる少なくとも１つの値が減少した場合に、前記熱媒バイパス弁の開度を減少させて、前記出口温度を所望値に維持することを特徴とする請求項３に記載の熱源システムの制御方法。

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