JP2010107184A - 空調方法及び空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却塔の消費エネルギーを最適化することのできる空調方法および空調システムを提供する。
【解決手段】空調システム１０は、冷却水を冷却する複数の冷却塔４２Ａ〜４２Ｈと、凝縮器４６Ｘ〜４６Ｚ及び蒸発器４８Ｘ〜４８Ｚを有する冷凍機４４Ｘ〜４４Ｚと、冷凍機運転を行うための冷凍機運転用循環ラインと、フリークーリング運転を行うためのフリークーリング運転用循環ラインと、冷凍機運転用循環ラインとフリークーリング運転用循環ラインとを切り替えるとともにフリークーリング運転用循環ラインに接続される冷却塔の台数を調節する開閉弁６８と、開閉弁６８を制御することによって冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの稼働台数を制御する制御装置７０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調方法及び空調システムに係り、特に、クリーンルームやビル空調などの空調方法及び空調システムに関する。

クリーンルームやビル設備では一年を通じて冷房運転が行われる。このため、これらの設備の空調システムでは省エネが重要な課題であり、近年ではフリークーリングが実施されている（特許文献１参照）。

フリークーリングとは、夏期に冷凍機を冷熱源とする冷凍機運転を行う一方で、冬期は冷凍機を使用せずに冷却塔を冷熱源とするフリークーリング運転を行うシステムである。このシステムによれば、冬期に冷凍機を稼働せずに冷却が行えるので、大きな省エネ効果を期待することができる。

ところで、このような空調システムでは、冷凍機運転とフリークーリング運転との両方において一台の冷却塔を共用する場合と、それぞれに専用の冷却塔を用いる場合とがある。

特開２００４−１３２６５１号公報

しかしながら、いずれの場合でも、冷却塔でのエネルギー消費量の無駄が生じる。たとえば、一台の冷却塔を共用する場合、冷凍機運転とフリークーリング運転とでは必要な冷却水の量（すなわち冷熱量）が異なるため、どちらか一方の運転に合わせて冷却塔を稼働することになり、他方の運転では無駄なエネルギー消費となる。

また、冷凍機運転とフリークーリング運転とでそれぞれ専用の冷却塔を用いる場合、運転再開時にエネルギー効率が低下するという問題が発生する。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、冷却塔の消費エネルギーを最適化することのできる空調方法および空調システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、複数の冷却塔で冷却した冷却水が供給される冷凍機を冷熱源とする冷凍機運転と、前記複数の冷却塔の少なくとも一部を冷熱源とするフリークーリング運転と、を行う空調方法であって、前記フリークーリング運転時に、前記冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする。

本発明によれば、フリークーリング運転時に冷却塔の稼働台数を制御することによって、それぞれの運転モードで最適な量の冷熱を生成することができ、全体でのエネルギー消費量を削減することができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記複数の冷却塔の少なくとも一部を前記冷凍機とともに冷熱源として併用する中間運転を行うとともに、該中間運転時に、前記冷熱源となる冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする。なお、冷却塔と冷凍機を併用するとは、冷却塔と冷凍機とを直列に接続して使用することを意味し、たとえば冷却塔で冷却した冷却水を冷凍機でさらに冷却し、空調負荷部に供給する場合をいう。

本発明によれば、中間運転時においても、冷却塔の稼働台数を制御するので、適切な量の冷熱を生成することができる。これにより、全体でのエネルギー消費量を削減することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１または２の発明において、前記運転の切替を外気温度と空調負荷条件に応じて行うことを特徴とする。本発明によれば、外気温度と空調負荷条件によって、消費エネルギーが最小となる冷熱量（冷却水の温度や流量）をシミュレーション等によって求めることができる。したがって、その結果に応じて冷却塔の稼働台数を制御することによって、エネルギー消費量が最小となる空調運転を行うことができる。

請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれか１において、前記冷凍機を複数設けるとともに、該複数の冷凍機に対してそれぞれ前記冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする。本発明によれば、各冷凍機に対して冷却塔の稼働台数を制御するので、たとえば、各冷凍機で必要な冷熱量が異なる場合にも、各冷凍機に必要最小量の冷熱を供給することができ、全体でのエネルギー消費量を削減することができる。

請求項５に記載の発明は請求項１〜４のいずれか１において、前記冷凍機がターボ冷凍機であり、インバータ制御を行うことを特徴とする。本発明によれば、冷凍機の消費エネルギーを減少させることが可能となる。

請求項６に記載の発明は請求項１〜５のいずれか１において、前記複数の冷却塔または前記冷凍機で冷却した冷却水を循環させるポンプの回転数を制御することにより、前記冷却水の流量を制御することを特徴とする。本発明によれば、冷却水の循環にかかるエネルギー消費量を削減することができる。

請求項７に記載の発明は前記目的を達成するために、冷却水を冷却する複数の冷却塔と、凝縮器及び蒸発器を有する冷凍機と、前記冷却塔で冷却した冷却水を前記凝縮器に循環させるとともに、前記蒸発器で冷却した冷却水を前記空調負荷部に循環させる冷凍機運転用循環ラインと、前記冷却塔で冷却した冷却水を前記空調負荷部に循環させるフリークーリング運転用循環ラインと、前記冷凍機運転用循環ラインと前記フリークーリング運転用循環ラインとを切り替えるとともに、前記フリークーリング運転用循環ラインに接続される冷却塔の台数を調節するライン切替手段と、前記ライン切替手段を制御するとともに前記複数の冷却塔の運転と停止を個別に制御する制御装置と、を備えたことを特徴とする空調システムを提供する。

本発明によれば、フリークーリング運転時の冷却塔の稼働台数を制御することができる。したがって、それぞれの運転モードに適した量の冷熱を生成することができ、システム全体でのエネルギー消費量を削減することができる。

請求項８に記載の発明は請求項７の発明において、前記複数の冷却塔を前記冷凍機の蒸発器に直列に接続する中間運転用循環ラインを備え、前記ライン切替手段は、該中間運転用循環ラインを含めてラインの切り替えを行うとともに、前記中間運転用循環ラインに接続される冷却塔の台数を変更することを特徴とする。

本発明によれば、冷却塔と冷凍機の蒸発器を直列に接続することによって、冷却塔と冷凍機を冷熱源として併用した中間運転を行うことができる。さらに本発明によれば、中間運転時の冷却塔の稼働台数を制御することができる。よって、中間運転に適した冷熱量（冷却水の温度および流量）に調節することができ、システム全体のエネルギー消費量を削減することができる。なお、中間運転用循環ラインをフリークーリング循環ラインとして兼用してもよい。この場合、冷凍機を停止することによって中間運転用循環ラインをフリークーリング運転用循環ラインとして使用することができる。

請求項９に記載の発明は請求項７または８の発明において、前記冷凍機が複数設けられるとともに、各冷凍機に接続される前記冷却塔の台数が前記ライン切替手段で変更されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の冷凍機のそれぞれに対して、冷却塔の稼働台数を制御することができる。したがって、複数の冷凍機で必要な冷熱量が異なる場合であっても、それぞれに適した冷熱量を生成することができる。これにより、システム全体でのエネルギー消費量を削減することができる。

本発明によれば、冷却塔の稼働台数を制御することによって、それぞれの運転モードで最適な量の冷熱を生成することができ、システム全体での消費エネルギーを減少させることができる。

第１の実施形態の空調システムの構成を模式的に示すシステム図。 運転モードごとの管路構成を模式的に示す図。 図１と異なる配管構成の空調システムを示すシステム図。 図１の空調システムの変形例を示すシステム図。 第２の実施形態の空調システムの構成を模式的に示すシステム図。 運転モードごとの管路構成を模式的に示す図。 第３の実施形態の空調システムの構成を模式的に示すシステム図。 運転モードごとの管路構成を模式的に示す図。 運転モードごとの管路構成を模式的に示す図。 図７の空調システムの変形例を示すシステム図。

以下、添付図面に従って本発明に係る空調方法および空調システムの実施の形態について詳説する。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の空調システムの構成を模式的に示すシステム図である。同図に示す空調システム１０は、クリーンルーム設備１２の空調を行うシステムである。

クリーンルーム設備１２は、清浄室１４の天井面にファンフィルタユニット１６（以下、ＦＦＵ）が設けられており、このＦＦＵ１６によって天井裏空間１８内のエアが浄化されて清浄室１４にダウンフローされる。清浄室１４の床面はグレーチング床になっており、清浄室１４内のエアは床下空間２０に吸い込まれ、さらにリターンチャンバ２２を介して天井裏空間１８に戻される。これにより、天井裏空間１８内のエアが再びＦＦＵ１６によって清浄室１４に送られ、清浄室１４が高い清浄度に維持される。

リターンチャンバ２２には、顕熱処理用コイル２４Ｙが設けられており、リターンチャンバ２２内を流れるエアを冷却して顕熱を処理できるようになっている。また、清浄室１４には、半導体製造装置などの装置２６が設けられており、この装置２６にコイル２８が設けられ、コイル２８と装置負荷用熱交換器２４Ｘとの間を冷媒が循環するようになっている。さらに、クリーンルーム設備１２には外調機３０が設けられている。外調機３０は、外調機用コイル２４Ｚ、加湿器３２、加熱器３４、ファン３６、フィルタ（不図示）等を備え、ファン３６を駆動することによって外気が吸い込まれる。そして、フィルタ（不図示）で除塵され、外調機用コイル２４Ｚで冷却され、加湿器３２で加湿され、加熱器３４で必要に応じて加熱された後、設備内に給気される。

本実施の形態の空調システム１０は、装置負荷用熱交換器２４Ｘ、顕熱処理用コイル２４Ｙ、外調機用コイル２４Ｚに冷熱を供給し、冷却負荷を賄うシステムである。装置負荷用熱交換器２４Ｘ、顕熱処理用コイル２４Ｙ、外調機用コイル２４Ｚは、必要とされる冷水の温度が異なっており、たとえば装置負荷用熱交換器２４Ｘは１７℃、顕熱処理用コイル２４Ｙは１２℃、外調機用コイル２４Ｚは７℃に設定されている。以下、装置負荷用熱交換器２４Ｘ、顕熱処理用コイル２４Ｙ、外調機用コイル２４Ｚをそれぞれ、負荷部２４Ｘ、負荷部２４Ｙ、負荷部２４Ｚともいう。

空調システム１０は主として、８台の冷却塔４２Ａ〜４２Ｈと、３台の冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚとで構成されている。なお、冷却塔と冷凍機の数は、本実施形態の例に限定されるものではなく、たとえば冷却塔が７塔以下または９塔以上であってもよく、冷凍機も２台以下、４台以上であってもよい。

冷却塔４２Ａ〜４２Ｈは、その内部構成を省略するが、塔内に外気の上昇気流を形成するためのファンと、塔内に冷却水を散水する散水管と、散水された冷却水を集水する集水部と、を備えている。この冷却塔４２Ａ〜４２Ｈによれば、冷却水が散水されて外気と接触することによって、冷却水から蒸発熱が奪われて冷却される。なお、本実施の形態では、密閉式冷却塔の例で説明するが、熱交換器を追加することにより開放式冷却塔を用いてもよい。

一方、三台の冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚはそれぞれ、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに必要な温度の冷却水を生成する装置である。冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの内部にはそれぞれ凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚと蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚが設けられており、この凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚと蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚが循環路（不図示）により接続され、冷媒が循環するようになっている。そして、冷媒が凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚと蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚとを循環することによって、蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚで冷却水が冷却される。なお、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの構成は特に限定されるものではなく、ターボ式や吸収式など様々な構成を採用することができるが、本実施形態ではターボ式冷凍機の例で説明する。

冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚはそれぞれ、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに接続されている。すなわち、蒸発器４８Ｘは、配管ｘ３、ｘ４を介して負荷部２４Ｘに接続されており、配管ｘ３にはポンプ５０Ｘが配設されている。このポンプ５０Ｘを駆動することによって、蒸発器４８Ｘと負荷部２４Ｘとの間で冷却水が循環される。同様に、蒸発器４８Ｙは、配管ｙ３、ｙ４を介して負荷部２４Ｙに接続されており、配管ｙ３にはポンプ５０Ｙが配設されている。このポンプ５０Ｙを駆動することによって、蒸発器４８Ｙと負荷部２４Ｙとの間で冷却水が循環される。また、蒸発器４８Ｚは、配管ｚ３、ｚ４を介して負荷部２４Ｚに接続されており、配管ｚ３にはポンプ５０Ｚが配設されている。このポンプ５０Ｚを駆動することによって、蒸発器４８Ｚと負荷部２４Ｚとの間で冷却水が循環される。このように、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚと負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚは、１対１で接続されている。

冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚはそれぞれ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに接続されている。冷却塔４２Ａ〜４２Ｈは、凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに対して並列に接続されている。すなわち、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈには、冷却水流出用の配管ａ１〜ｈ１が接続され、この配管ａ１〜ｈ１が主配管ｊ１に接続される。主配管ｊ１は、配管ｘ１、ｙ１、ｚ１に分岐した後、各凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに接続される。凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚには、冷却水流出用の配管ｘ２、ｙ２、ｚ２が接続され、この配管ｘ２、ｙ２、ｚ２が主配管ｊ２に接続される。主配管ｊ２は、配管ａ２〜ｈ２に分岐され、各冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの散水管（不図示）に接続される。これにより、各冷却塔４２Ａ〜４２Ｈで冷却した冷却水を凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに循環供給することができ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを冷凍機４２Ｘ〜４２Ｚの冷却手段として利用することができる。

なお、配管ｘ１、ｙ１、ｚ１にはそれぞれポンプ５２ｘ、５２ｙ、５２ｚが配設され、このポンプ５２ｘ、５２ｙ、５２ｚを個別に駆動制御することによって各凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに個別に冷却水が循環され、且つ、その循環量を調節することができる。

また、配管ｘ２、ｙ２、ｚ２にはそれぞれ三方弁５４Ｘ、５４Ｙ、５４Ｚが配設され、この三方弁５４Ｘ、５４Ｙ、５４Ｚを操作することによって、配管ｘ２、ｙ２、ｚ２を流れる冷却水の一部がバイパス管５６Ｘ、５６Ｙ、５６Ｚを介して配管ｘ１、ｙ１、ｚ１に流れ、流量調節が行われる。

ところで、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈは、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚに対して直列に接続されている。

すなわち、配管ｘ３は配管ｘ６を介して主配管ｊ２に接続されるともに配管ｘ５を介して主配管ｊ１に接続される。したがって、配管ｘ３を流れる冷却水は配管ｘ６と主配管ｊ２を介して冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの少なくとも一つに流れ、主配管ｊ１と配管ｘ５を介して、元の配管ｘ３に戻る。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈが冷凍機４４Ｘの蒸発器４８Ｘに対して直列に接続される。配管ｘ６にはポンプ５８Ｘが設けられており、このポンプ５８Ｘを駆動することによって、配管ｘ３の冷却水が配管ｘ６に流れる。また、配管ｘ３と配管ｘ６には、その接続部分のすぐ下流側に開閉弁６０Ｘ、６２Ｘが設けられ、配管ｘ５には開閉弁６３Ｘが設けられる。これらの開閉弁６０Ｘ、６２Ｘ、６３Ｘを開閉操作することによって、配管ｘ３内の冷却水を冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに流すか否かを選択することができる。さらに、配管ｘ６には三方弁６４Ｘが配設され、この三方弁６４Ｘを操作することによって、配管ｘ６を流れる冷却水の一部がバイパス管６６Ｘを介して配管ｘ５に流れ、流量調節が行われる。

同様に、配管ｙ３は配管ｙ６を介して主配管ｊ２に接続されるともに配管ｙ５を介して主配管ｊ１に接続される。したがって、配管ｙ３を流れる冷却水は配管ｙ６と主配管ｊ２を介して冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの少なくとも一つに流れ、主配管ｊ１と配管ｙ５を介して、元の配管ｙ３に戻る。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈが冷凍機４４Ｙの蒸発器４８Ｙに対して直列に接続される。配管ｙ６にはポンプ５８Ｙが設けられており、このポンプ５８Ｙを駆動することによって、配管ｙ３の冷却水が配管ｙ６に流れる。また、配管ｙ３と配管ｙ６には、その接続部分のすぐ下流側に開閉弁６０Ｙ、６２Ｙが設けられ、配管ｙ５には、開閉弁６３Ｙが設けられる。これらの開閉弁６０Ｙ、６２Ｙ、６３Ｙを開閉操作することによって、配管ｙ３を流れる冷却水を冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに流すか否かを選択することができる。さらに、配管ｙ６には三方弁６４Ｙが配設され、この三方弁６４Ｙを操作することによって、配管ｙ６を流れる冷却水の一部がバイパス管６６Ｙを介して配管ｙ５に流れ、流量調節が行われる。

さらに、配管ｚ３は配管ｚ６を介して主配管ｊ２に接続されるともに配管ｚ５を介して主配管ｊ１に接続される。したがって、配管ｚ３を流れる冷却水は配管ｚ６と主配管ｊ２を介して冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの少なくとも一つに流れ、主配管ｊ１と配管ｚ５を介して、元の配管ｚ３に戻る。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈが冷凍機４４Ｚの蒸発器４８Ｚに対して直列に接続される。配管ｚ６にはポンプ５８Ｚが設けられており、このポンプ５８Ｚを駆動することによって、配管ｚ３の冷却水が配管ｚ６に流れる。また、配管ｚ３と配管ｚ６には、その接続部分のすぐ下流側に開閉弁６０Ｚ、６２Ｚが設けられ、配管ｚ５には、開閉弁６３Ｚが設けられる。これらの開閉弁６０Ｚ、６２Ｚ、６３Ｚを開閉操作することによって配管ｚ３を流れる冷却水を冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに流すか否かを選択することができる。さらに、配管ｚ６には三方弁６４Ｚが配設され、この三方弁６４Ｚを操作することによって、配管ｚ６を流れる冷却水の一部がバイパス管６６Ｚを介して配管ｚ５に流れ、流量調節が行われる。

このように本実施の形態では、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚに対して直列に接続することができる。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈと冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚとを同時に使用し、冷熱源として併用する中間運転を行うことができる。すなわち、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈのいずれかで予備冷却した冷却水を冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚに供給して冷却することができる。これにより、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの消費エネルギーを減少させることができる。

また、本実施の形態によれば、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚに直列に接続した状態で冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚ内の冷媒の循環を停止することによって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈのみを冷熱源としたフリークーリング運転を行うことができる。

ところで、上述した主配管ｊ１、ｊ２には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを選択するための複数の開閉弁６８が配設されている。開閉弁６８は、主配管ｊ１上で配管ａ１〜ｈ１が接続される接続部分同士の間、または、主配管ｊ２上で配管ａ２〜ｈ２が接続される接続部分同士の間に配設される。この開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、冷却水が循環する冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを選択することができる。開閉弁６８の開閉操作は、制御装置７０によって行われる。

制御装置７０は、外気の湿球温度を測定するセンサ７２に接続され、センサ７２から外気温度の測定データが入力される。また、制御装置７０は、各負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに接続されており、各負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚから負荷条件のデータが入力される。さらに制御装置７０は、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈのファン等の駆動装置（不図示）に接続されており、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの稼働と停止を個別に制御できるようになっている。制御装置７０は、外気温度と負荷条件のデータからシミュレーションによって、必要最小となる冷却水の流量を求め、その流量に応じた冷却水が供給できるように、稼働する冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを決定する。そして、その冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを稼働させるとともに、開閉弁６８を制御してその冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに冷却水を循環させる。また、冷却水を流す必要のない冷却塔４２Ａ〜４２Ｈについては、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを停止させる。

次に上記の如く構成された空調システム１０の運転方法について説明する。

外気温度が高い夏期には、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚを冷熱源とする冷凍機運転を行う。冷凍機運転では、開閉弁６０Ｘ、６０Ｙ、６０Ｚを開き、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙ、６２Ｚ、６３Ｘ、６３Ｙ、６３Ｚを閉じる。これにより、図２（ａ）に示すような管路構成が形成される。同図に示すように冷却塔４２Ａ〜４２Ｈは冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈで冷却された冷却水が凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに循環供給される。また、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚと負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚが接続され、蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚで冷却された冷却水が負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに供給される。よって、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚを冷熱源として、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに冷熱を供給することができる。なお、冷凍機運転では、全ての冷却塔４２Ａ〜４２Ｈが使用されるが、開閉弁６８（図１参照）のいずれかを開閉操作することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの台数を制御してもよい。たとえば、冷却塔４２Ｆと冷却塔４２Ｇの間の主配管ｊ１、ｊ２に配置された開閉弁６８を閉じることによって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｆを使用することができ、稼働台数を８台から６台に減らすことができる。

次に、夏期と冬期の間の外気温度のときに行う中間運転について説明する。中間運転は、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚと冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの一部を冷熱源とする運転であり、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙ、６２Ｚ、６３Ｘ、６３Ｙ、６３Ｚを開き、開閉弁６０Ｘ、６０Ｙ、６０Ｚを閉じる。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの一部と蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚが直列に接続されるので、冷却水は、まず、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの一部で予備冷却された後、蒸発器４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚで冷却され、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに供給される。したがって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの一部と冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚを冷熱源として併用することができる。なお、中間運転では、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの残りの一部と冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚとを接続することにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの残りの一部で冷却した冷却水が凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに循環供給され、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの冷却に使用される。

中間運転の際、開閉弁６８（図１参照）のいずれかを開閉することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの台数を制御することができる。その一例として、冷却塔４２Ｆと冷却塔４２Ｇの間、冷却塔４２Ｄと冷却塔４２Ｅの間、冷却塔４２Ｃと冷却塔４２Ｄの間で、主配管ｊ１、ｊ２上の開閉弁６８を閉じた例を図２（ｂ）に示す。この例では、冷却塔４２Ｇ、４２Ｈの２台が冷凍機４４Ｘの蒸発器４８Ｘに直列に接続され、冷却塔４２Ｅ、４２Ｆの２台が冷凍機４４Ｙの蒸発器４８Ｙに直列に接続され、冷却塔４２Ｄの１台が冷凍機４４Ｚの蒸発器４８Ｚに直列に接続される。したがって、予備冷却用の冷却塔台数を２台、２台、１台に制御することができる。一方で、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの３台が冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚに接続される。したがって、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの冷却手段として利用する冷却塔台数を３台に制御することができる。なお、上記は一例であり、閉じる開閉弁６８の位置を変えることによって、各系統での予備冷却用の冷却塔台数と、冷凍機冷却用の冷却塔台数を個別に制御することができる。

外気温度が低い冬期には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈのいずれかを冷熱源とするフリークーリング運転を行う。このフリークーリング運転では、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙ、６２Ｚ、６３Ｘ、６３Ｙ、６３Ｚを開き、開閉弁６０Ｘ、６０Ｙ、６０Ｚを閉じる。これにより、中間運転と同様に、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈのいずれかが負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに接続される。このとき、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの運転を停止することによって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈで冷却された冷却水が負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚに循環供給され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを冷熱源としたフリークーリング運転が行われる。なお、フリークーリング運転のときも開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｈの台数を各系統で個別に制御することができる。また、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚの系統ごとに異なる冷却塔４２Ａ〜４２Ｈに接続されるので、その系統ごとに、最適な温度及び量の冷却水を生成することができる。

上述した冷凍機運転、中間運転、フリークーリング運転は、外気温度や負荷条件に応じて自動的に切り替わるようになっている。また、その際の運転モードの切替は、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚの全ての系統で同時に切り替えることに限定されるものではなく、各系統で個別に制御するようにしてもよい。たとえば、負荷部２４Ｘ、２４Ｙの系統で中間運転やフリークーリング運転を行う一方で、負荷部２４Ｚの系統で冷凍機運転を行うようにしてもよい。この場合、負荷部２４Ｚの系統で、予備冷却用冷却塔やフリークーリング用冷却塔が不要になるので、負荷部２４Ｘ、負荷部２４Ｙの系統に使用する冷却塔台数を増やすことができる。

運転モードの様々な組み合わせとその際の冷却塔台数は、外気温度と負荷条件を入力値として様々なパターンをシミュレーションする。その結果から必要最小の冷熱量を求め、この冷熱量を賄うように冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを選択して稼働させる。これにより、システム全体としてのエネルギー消費量を減少させることができる。

以上説明したように本実施の形態によれば、冷凍機運転、中間運転、フリークーリング運転の各運転モードでの冷却塔台数を制御することができるので、必要最小台数の冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを稼働させることによって、消費エネルギーを減少させることができる。

なお、上述した実施形態において、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚをターボ冷凍機とし、インバータ制御するとよい。この場合、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚの消費エネルギーを減少させることが可能となる。

また、上述した実施形態において、ポンプ５０Ｘ、５０Ｙ、５０Ｚ、５２Ｘ、５２Ｙ、５２Ｚ、５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚの回転数をインバータにより制御するとよい。これにより、冷却水の流量を制御することができ、冷却水の循環に費やす消費エネルギーを減少させることができる。

なお、上述した実施形態は、中間運転時やフリークーリング運転時に、負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚのそれぞれの冷却塔台数が２台、２台、１台になるように配管を接続した例であるが、配管の接続はこれに限定するものではなく様々な態様が可能である。たとえば、図３は、負荷部２４Ｘの冷却塔台数を増加できるようにした例である。同図の空調システムでは、バイパス用の配管８０、８２が設けられており、配管８０の一端（図中の右端）は、配管ｘ６に接続され、他端（図中の左端）は分岐され、それぞれが配管ａ２、ｂ２、ｃ２に連通可能となるように主配管ｊ２に接続される。配管８２の一端（図中の右端）は配管ｘ５に接続され、他端（図中の左端）は分岐され、それぞれが配管ａ１、ｂ１、ｃ１に連通可能となるように主配管ｊ１に接続される。また、配管８０の分岐管部分と配管８２の分岐管部分にはそれぞれ開閉弁８４が設けられており、この開閉弁８４を開閉することによって、冷却塔４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃがそれぞれ配管ｘ５、ｘ６を介して負荷部２４Ｘに連通または遮断される。それぞれの開閉弁８４は制御装置７０に電気的に接続されており、制御装置７０によって開閉制御される。したがって、制御装置７０は、冷却塔４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを負荷部２４Ｘ用として稼働するか否かを選択することができる。

上記の如く構成された図３の空調システムでは、フリークーリング時に冷却塔４２Ｅ、４２Ｆの２台を負荷部２４Ｙ用として稼働させながら、冷却塔４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｇ、４２Ｈの５台を負荷部２４Ｘ用として稼働させることができ、負荷部２４Ｘ用の冷却塔台数を０台〜５台で制御することができる。また、負荷部２４Ｙ、負荷部２４Ｚのフリークーリング運転を停止すれば、負荷部２４Ｘ用の冷却塔台数を０〜８台で制御することもできる。したがって、本実施形態によれば、負荷部２４Ｘ用の冷却塔台数を増加させることができ、フリークーリング運転を長期間にわたって行うことができる。

図４は、図１の空調システム１０の変形例を示している。同図に示す空調システムは、負荷部２４Ｚにおいて中間運転とフリークーリング運転を行わないシステム構成になっている。すなわち、図４の空調システムは、図１の空調システム１０と比較して、図１の冷却塔４２Ｄ、配管ｄ１、ｄ２、ｚ５、ｚ６、開閉弁６０Ｚ、６２Ｚ、６３Ｚ、三方弁６４Ｚ、バイパス管６６Ｚがなく、低コスト化された構成になっている。また、配管ｙ５と主配管ｊ１との接続位置、配管ｙ６と主配管ｊ２との接続位置が異なっている。

上記の如く構成された図４の空調システムの運転例としては、たとえば外気温度の高い時期（たとえば６月〜９月）に全ての負荷部２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚで冷凍機運転を行う。その際、特に外気温度の高い時期（たとえば７月と８月）に冷却塔台数を６台（４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｅ、４２Ｆ、４２Ｇ）に制御し、それよりも外気温度が若干低い時期（たとえば６月と９月）に冷却塔台数を５台（４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｅ、４２Ｆ）に制御する。なお、冷却塔台数の制御は、上述した図１の空調システムと同様に、制御装置７０によって開閉弁６８や冷却塔４２Ａ〜４２Ｈを制御することによって行う。

外気温度が冷凍機運転時よりも若干下がった時期（たとえば５月と１０月）では、負荷部２４Ｙ、２４Ｚで冷凍機運転を行う一方で、負荷部２４Ｘではフリークーリング運転に切り替える。その際、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの三台を冷凍機４４Ｙ、４４Ｚの凝縮器４６Ｙ、４６Ｚに連通し、負荷部２４Ｙ、２４Ｚの冷凍機運転に使用する。また、冷却塔４２Ｅ〜４２Ｈの四台を負荷部２４Ｘのフリークーリング運転に使用する。

外気温度が低下した時期（たとえば、１１月〜４月）は、負荷部２４Ｘ、２４Ｙにおいてフリークーリングを行う。その際、外気温度に応じて、冷却塔台数を変更するとよい。具体的には、外気温度が若干高い時期（たとえば１１月と４月）は、負荷部２４Ｙの冷却塔台数を５台（４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｅ、４２Ｆ）に増加させ、負荷部２４Ｘの冷却塔台数を２台（４２Ｇ、４２Ｈ）に減少させる。また、外気温度が低い時期（たとえば１２月〜３月）は、負荷部２４Ｙの冷却塔台数を４台（４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｅ）に減少させ、負荷部２４Ｘの冷却塔台数を３台（４２Ｆ、４２Ｇ、４２Ｈ）に増加させる。

なお、上記の運転パターンは、外気湿球温度と負荷部２４Ｘ〜２４Ｚの負荷条件に基づいて決定するとよい。たとえば、外気湿球温度と負荷条件により、エネルギー消費量を評価関数とした台数と系統の最適化演算で台数の切替制御を行うとよい。また、演算結果をテーブル化して制御してもよい。

（第２の実施形態）
図５は第２の実施形態の空調システム１１の構成を模式的に示すシステム図である。同図に示す空調システム１１は、１系統の負荷部２４を空調するシステムである。なお、図１に示した第１の実施形態と同様の構成、作用を有する部材については、同じ符号（Ｘ〜Ｚを除く）を付してその説明を省略する。

図５に示す空調システム１１は、１台の冷凍機４４と、３台の冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを備える。冷凍機４４の凝縮器４６は各冷却塔４２Ａ〜４２Ｃに接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃは凝縮器４６に対して並列に接続される。すなわち、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃには冷却水流出用の配管ａ１〜ｃ１が接続され、この配管ａ１〜ｃ１が主配管ｊ１に接続された後、主配管ｊ１が凝縮器４６に接続される。そして、凝縮器４６に接続された主配管ｊ２が冷却水流入用の配管ａ２〜ｃ２に分岐され、この配管ａ２〜ｃ２が各冷却塔４２Ａ〜４２Ｃに接続される。なお、主配管ｊ１には、ポンプ５２が配設されており、このポンプ５２を駆動することによって冷却水が冷却塔４２Ａ〜４２Ｃと凝縮器４６との間を循環するとともに、その循環量が調節される。また、主配管ｊ２には三方弁５４が設けられ、主配管ｊ２を流れる冷却水の一部をバイパス用の配管５６を介して主配管ｊ１に流して流量調節することができる。

冷凍機４４の蒸発器４８は、配管ｋ３、ｋ４を介して負荷部２４に接続される。配管ｋ３にはポンプ５２が接続される。これにより、蒸発器４８で冷却した冷却水を負荷部２４に循環供給することができる。

冷却塔４２Ａ〜４２Ｃは、蒸発器４８に直列に接続される。すなわち、配管ｋ３は配管ｋ６を介して主配管ｊ２に接続されるともに配管ｋ５を介して主配管ｊ１に接続される。したがって、配管ｋ３を流れる冷却水は配管ｋ６と主配管ｊ２を介して冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの少なくとも一つに流れ、主配管ｊ１と配管ｋ５を介して、元の配管ｋ３に戻る。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃが冷凍機４４の蒸発器４８に対して直列に接続される。配管ｋ６にはポンプ５８が設けられており、このポンプ５８を駆動することによって、配管ｋ３の冷却水が配管ｋ６に流れる。また、配管ｋ３と配管ｋ６には、その接続部分のすぐ下流側に開閉弁６０、６２が設けられる。また、配管ｋ５には開閉弁６３が設けられる。これらの開閉弁６０、６２、６３を開閉操作することによって、配管ｋ３内の冷却水を冷却塔４２Ａ〜４２Ｃに流すか否かを選択することができる。さらに、配管ｋ６には三方弁６４が配設され、この三方弁６４を操作することによって、配管ｋ６を流れる冷却水の一部がバイパス管６６を介して配管ｋ５に流れ、流量調節が行われる。

上述した主配管ｊ１、ｊ２には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを選択するための複数の開閉弁６８が配設されている。開閉弁６８は、主配管ｊ１上で配管ａ１〜ｃ１が接続される接続部分同士の間、または、主配管ｊ２上で配管ａ２〜ｃ２が接続される接続部分同士の間に配設される。この開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、冷却水が循環する冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを選択することができる。開閉弁６８の開閉操作は、制御装置７０によって行われる。

制御装置７０は、外気の湿球温度を測定するセンサ７２に接続され、センサ７２から外気温度の測定データが入力される。また、制御装置７０は、負荷部２４に接続されており、負荷部２４から負荷条件のデータが入力される。さらに制御装置７０は、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃのファン等の駆動装置（不図示）に接続されており、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの稼働と停止を制御できるようになっている。制御装置７０は、外気温度と負荷条件のデータからシミュレーションによって、必要最小となる冷却水の流量を求め、その流量に応じた冷却水が供給できるように、稼働する冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを決定する。そして、その冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを稼働させるとともに、開閉弁６８を制御してその冷却塔４２Ａ〜４２Ｃに冷却水を循環させる。また、冷却水を流す必要のない冷却塔４２Ａ〜４２Ｃについては、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを停止させる。

次に上記の如く構成された空調システム１１の運転方法について説明する。

外気温度が高い夏期には、冷凍機４４を冷熱源とする冷凍機運転を行う。冷凍機運転では、開閉弁６０を開き、開閉弁６２、６３を閉じる。これにより、図６（ａ）に示すような管路構成が形成される。同図に示すように、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃが冷凍機４４の凝縮器４６に接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃで冷却された冷却水が凝縮器４６に循環供給されるとともに、冷凍機４４の蒸発器４８と負荷部２４が接続され、蒸発器４８で冷却された冷却水が負荷部２４に供給される。よって、冷凍機４４を冷熱源として、負荷部２４に冷熱を供給することができる。このとき、開閉弁６８のいずれかを開閉操作することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの台数を制御することも可能である。

中間運転では、開閉弁６２、６３を開き、開閉弁６０を閉じる。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの一部と蒸発器４８が直列に接続されるので、冷却水は、まず、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの一部で予備冷却された後、蒸発器４８で冷却され、負荷部２４に供給される。したがって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの一部と冷凍機４４を冷熱源として併用することができる。なお、中間運転では、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの残りの一部と冷凍機４４の凝縮器４６が接続されており、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの残りの一部で冷却した冷却水が凝縮器４６に循環供給され、冷凍機４４の冷却に使用される。中間運転の際も、開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの台数を制御することが可能である。その一例として、冷却塔４２Ａと冷却塔４２Ｂの間、冷却塔４２Ｂと冷却塔４２Ｃの間で、開閉弁６８を閉じた例を図６（ｂ）に示す。この例では、冷却塔４２Ｃの１台が冷凍機４４の蒸発器４８に直列に接続されるので、予備冷却用の冷却塔台数が１台である。また、冷却塔４２Ａの１台が冷凍機４４の凝縮器４６に接続されるので、冷凍機４４の冷却手段として利用する冷却塔台数が１台に制御される。なお、上記は一例であり、閉じる開閉弁６８の位置を変えることによって、予備冷却用の冷却塔台数と、冷凍機冷却用の冷却塔台数を個別に制御することができる。

外気温度が低い冬期には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃのいずれかを冷熱源とするフリークーリング運転を行う。このフリークーリング運転では、開閉弁６０を閉じる。これにより、中間運転と同様に、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃが負荷部２４に接続される。このとき、冷凍機４４の運転を停止する。したがって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃで冷却された冷却水が負荷部２４に循環供給され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを冷熱源としたフリークーリング運転が行われる。なお、フリークーリング運転のときも開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｃの台数を制御することができる。たとえば、図６（ｃ）のように２台の冷却塔４２Ｂ、４２Ｃをフリークーリング運転に使用することができる。

このように本実施の形態によれば、冷凍機運転、中間運転、フリークーリング運転の各運転モードでの冷却塔台数を制御することができるので、必要最小台数の冷却塔４２Ａ〜４２Ｃを稼働させることによって、エネルギー消費量を削減することができる。

なお、上述した第１、第２の実施形態では、冷却塔の稼働台数を制御するようにしたが、全ての冷却塔を稼働させたまま、冷却水の循環先の割り当て台数を変えるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
図７は第３の実施形態の空調システム１０の構成を模式的に示すシステム図である。同図に示す空調システム１０は、１系統の負荷部２４を空調するシステムである。なお、図１に示した第１の実施形態と同様の構成、作用、を有する部材については、同じ符号を付してその説明を省略する場合がある。

第１の実施形態と比較すると、冷却塔及び冷凍機の数量を除き、第３の実施形態は冷却塔が熱交換器を備えた開放式冷却塔であり、負荷部が１系統である。

図７に示す空調システム１０は、２台の冷凍機４４Ｘ、４４Ｙと、５台の冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅに接続されるフリークーリング用の熱交換器８０Ｘ、８０Ｙを備える。本実施の形態では、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅは開放式冷却塔で構成される。開放式冷却塔は、冷却水を散水する散水管と散水された冷却水を集水する集水部とを備え、冷却水が散水管から散水されて外気と接触することによって、蒸発熱が奪われて冷却される。冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを開放式冷却にした場合、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙでの運転では、密閉式冷却塔に比べて冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの冷却水温度が低温となり、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの成績係数が向上し、省エネとなる。また、開放式冷却塔は、密閉式冷却塔に比べて設置面積を小さくでき、コストを低くできる。

熱交換器８０Ｘ、８０Ｙ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと負荷部２４との接続関係を説明する。冷却塔４２Ａ〜４２Ｅには、冷却水流出用の配管ａ１〜ｅ１が接続され、この配管ａ１〜ｅ１が主配管ｊ１に接続される。主配管ｊ１は、配管ｘ５、ｙ５に分岐した後、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙに接続される。

熱交換器８０Ｘ、８０Ｙに、冷却水流出用の配管ｘ６、ｙ６が接続され、この配管ｘ６、ｙ６が主配管ｊ２に接続される。主配管ｊ２は、配管ａ２〜ｅ２に分岐され、各冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの散水管（不図示）に接続される。配管ｘ５、ｙ５にはそれぞれポンプ５９ｘ、５９ｙが配設される。ポンプ５９ｘ、５９ｙを個別に駆動制御することによって各熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと冷却塔４２Ａ〜４２Ｅとの間で個別に冷却水が循環される。

熱交換器８０Ｘに配管ｘ７と配管ｘ８が接続される。配管ｘ７が配管ｘ３に接続され、配管ｘ８が配管ｘ３、ｘ４に接続される。また、熱交換器８０Ｙに配管ｙ７と配管ｙ８が接続される。配管ｙ７が配管ｙ３に接続され、配管ｙ８が配管ｙ４に接続される。そして、熱交換器８０Ｘは配管ｘ３、ｘ４、ｘ７、ｘ８を介して負荷部２４に接続される。熱交換器８０Ｙが配管ｙ３、ｙ４、ｙ７、ｙ８を介して負荷部２４に接続される。

配管ｘ７にポンプ５８Ｘが配設され、配管ｙ７にポンプ５８Ｙが配設される。ポンプ５８Ｘを駆動することにより、熱交換器８０Ｘと負荷部２４との間で冷水を循環することができる。同様にポンプ５８Ｙを駆動することにより、熱交換器８０Ｙと負荷部２４との間で冷水を循環することができる。

配管ｘ３に開閉弁６０Ｘが設けられ、配管ｘ７に開閉弁６２Ｘが設けられ、配管ｘ８に開閉弁６３Ｘが設けられる。これらの開閉弁６０Ｘ、６２Ｘ、６３Ｘを開閉操作することによって、配管ｘ３、ｘ４内の冷水を熱交換器８０Ｘに流すか、冷凍機４４Ｘに流すかが選択される。

同様に、配管ｙ３に開閉弁６０Ｙが設けられ、配管ｙ７に開閉弁６２Ｙが設けられ、配管ｙ８に開閉弁６３Ｙが設けられる。これらの開閉弁６０Ｙ、６２Ｙ、６３Ｙを開閉操作することによって、配管ｙ３、ｙ４内の冷水を熱交換器８０ｙに流すか、冷凍機４４Ｙに流すかが選択される。

次に、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと負荷部２４との接続関係を説明する。冷凍機４４Ｘ、４４Ｙは、内部にそれぞれ凝縮器４６Ｘ、４６Ｙと蒸発器４８Ｘ、４８Ｙを備える。蒸発器４８Ｘは配管ｘ３、ｘ４を介して負荷部２４に接続される。また、蒸発器４８Ｙは配管ｙ３、ｙ４を介して負荷部２４に接続される。

冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙはそれぞれ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅに接続される。冷却塔４２Ａ〜４２Ｅは、凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに対して並列に接続される。冷却塔４２Ａ〜４２Ｅには、冷却水流出用の配管ａ１〜ｅ１が接続され、この配管ａ１〜ｅ１が主配管ｊ１に接続される。主配管ｊ１は、配管ｘ１、ｙ１に分岐した後、各凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに接続される。凝縮器４６Ｘ、４６Ｙには、冷却水流出用の配管ｘ２、ｙ２、が接続され、この配管ｘ２、ｙ２が主配管ｊ２に接続される。主配管ｊ２は、配管ａ２〜ｅ２に分岐され、各冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの散水管（不図示）に接続される。これにより、各冷却塔４２Ａ〜４２Ｅで冷却した冷却水を凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに循環供給することができ、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを冷凍機４２Ｘ、４４Ｙの冷却手段として利用することができる。

配管ｘ１、ｙ１にはそれぞれポンプ５２ｘ、５２ｙが配設される。このポンプ５２ｘ、５２ｙを個別に駆動制御することによって各凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに個別に冷却水が循環され、且つ、その循環量が調節される。

冷凍機４４Ｘの蒸発器４８Ｘは、配管ｘ３、ｘ４を介して負荷部２４に接続される。配管ｘ３にはポンプ５０Ｘが配設され、このポンプ５０Ｘを駆動することによって、蒸発器４８Ｘと負荷部２４との間で冷水が循環される。同様に、冷凍機４４Ｙの蒸発器４８Ｙは、配管ｙ３、ｙ４を介して負荷部２４に接続される。配管ｙ３にはポンプ５０Ｙが配設され、このポンプ５０Ｙを駆動することによって、蒸発器４８Ｙと負荷部２４との間で冷水が循環される。

配管ａ１〜ｅ１が主配管ｊ１に接続され、配管ａ２〜ｅ２が主配管ｊ２に接続され、上述した冷却塔４２Ａ〜４２Ｅは、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙと並列接続となる。同様に、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅは、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと並列接続となる。本実施の形態では、主配管ｊ１、ｊ２は、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと冷凍機４４Ｘ、４４Ｙに対し共通の冷却水の循環経路を形成する。

上述した主配管ｊ１、ｊ２には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを選択するための複数の開閉弁６８が配設されている。開閉弁６８は、主配管ｊ１上で配管ａ１〜ｅ１が接続される接続部分同士の間、または、主配管ｊ２上で配管ａ２〜ｅ２が接続される接続部分同士の間に配設される。この開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、冷却水が循環する冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを選択することができる。開閉弁６８の開閉操作は、制御装置７０によって行われる。

制御装置７０は、外気の湿球温度を測定するセンサ７２に接続され、センサ７２から外気温度の測定データが入力される。また、制御装置７０は、負荷部２４に接続されており、負荷部２４から負荷条件のデータが入力される。さらに制御装置７０は、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅのファン等の駆動装置（不図示）に接続されており、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの稼働と停止を制御できるようになっている。制御装置７０は、外気温度と負荷条件のデータからシミュレーションによって、稼働する冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを決定する。そして、その冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを稼働させるとともに、開閉弁６８を制御してその冷却塔４２Ａ〜４２Ｅに冷却水を循環させる。また、冷却水を流す必要のない冷却塔４２Ａ〜４２Ｅについては、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを停止させる。

さらに制御装置７０により、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅのファン、ポンプ５０Ｘ、５０Ｙ、５２Ｘ、５２Ｙ、５８Ｘ、５８Ｙ、５９Ｘ、５９Ｙに設けられた各インバータが制御され、冷凍機、ファンやポンプの合計の消費電力が最小値となるよう駆動される。

その制御は、一例として次のようにして行なわれる。最初に、外気湿球温度、負荷、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの出口の冷却水温度、及び熱交換器８０Ｘ、８０Ｙの出口の冷水温度を入力値とし、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅのファン、ポンプ５０Ｘ、５０Ｙ、５２Ｘ、５２Ｙ、５８Ｘ、５８Ｙ、５９Ｘ、５９Ｙなどの消費電力の合計値を求めるシミュレーションを行なうシミュレータに入力値データを入力する。このとき、冷却水温度及び冷水温度の入力値を変化させながらシミュレータに入力値データを入力する。そのシミュレーション結果から消費電力の合計値が最小となる冷却塔４２Ａ〜４２Ｅのファン、ポンプ５０Ｘ、５０Ｙ、５２Ｘ、５２Ｙ、５８Ｘ、５８Ｙ、５９Ｘ、５９Ｙポンプの周波数（回転数）を最適値として取得する。制御装置７０により、実際の冷却水温度及び冷水温度が、取得された最適値に設定される。この制御装置７０により、外気の湿球温度状態と冷却負荷量の変化に対応させて、冷却水ポンプ（５２Ｘ、５２Ｙ、５９Ｘ、５９Ｙ）及び冷水ポンプ（５０Ｘ、５０Ｙ、のインバータを制御して、流量を変化させて、省エネが実現される。

冷凍機を運転している系統では、冷凍機、冷却塔、冷却水ポンプ、冷水ポンプの消費電力の合計値を求めるシミュレーションを行なうシミュレータを用いて消費電力の合計値が最小となる冷却水ポンプ周波数、冷却水温度及び冷水温度を取得し、冷却塔ファンやポンプを制御する。

次に上記の如く構成された空調システム１０の運転方法について説明する。外気温度が高い夏期には、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙを冷熱源とする冷凍機運転を行う。冷凍機運転では、開閉弁６０Ｘ、６０Ｙを開き、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙ、６３Ｘ、６３Ｙを閉じる。これにより、図８（ａ）に示すような管路構成が形成される。同図に示すように、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅが冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに接続される。ポンプ５２Ｘ、５２Ｙを駆動することにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅで冷却された冷却水が凝縮器４６Ｘ、４６Ｙに循環供給される。冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの蒸発器４８Ｘ、４８Ｙと負荷部２４が接続される。ポンプ５０Ｘ、５０Ｙを駆動することによって、蒸発器４８Ｘ、４８Ｙで冷却された冷水が負荷部２４に供給される。よって、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙを冷熱源として、負荷部２４に冷熱を供給することができる。このとき、開閉弁６８のいずれかを開閉操作することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの台数を制御することも可能である。

外気温度が低い冬期には、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅのいずれかを冷熱源とするフリークーリング運転を行う。このフリークーリング運転では、ポンプ５０Ｘ，５０Ｙを停止し、開閉弁６０Ｘ、６０Ｙを閉じ、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙ、６３Ｘ、６３Ｙを開く。開閉弁６３Ｘ、６３Ｙの圧力損失がポンプ５０Ｘ，５０Ｙの圧力損失より小さいので、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙからの冷水は配管ｘ８、ｙ８を流れ、更に開閉弁６３Ｘ、６３Ｙを介して負荷部２４に流れる。これにより、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅが熱交換器８０Ｘ、８０Ｙに接続され、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙが負荷部２４に接続される。このとき、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙの運転が停止される。ポンプ５９Ｘ、５９Ｙを駆動することによって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅで冷却された冷却水が熱交換器８０Ｘ、８０Ｙに循環供給される。ポンプ５８Ｘ、５８Ｙを駆動することによって、熱交換器８０Ｘ、８０Ｙで冷却された冷水が負荷部２４に供給される。なお、フリークーリング運転のときも開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、使用する冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの台数を制御することができる。たとえば、図８（ｂ）では３台の冷却塔４２Ｃ〜４２Ｅをフリークーリング運転に使用することができる。

次に、夏期と冬期の間の外気温度のときに行う中間運転について図９を参照して説明する。中間運転は、冷却塔を冷凍機側とフリークーリング用の熱交換器側に切り替える。つまり、冷凍機４４Ｘ、４４Ｙと冷却塔４２Ａ〜４２Ｅの一部を冷熱源とする運転となる。冷却塔４２Ｂと冷却塔４２Ｃの間の入口側の開閉弁６８と出口側の開閉弁６８を閉じる。外気温度や負荷条件により、冷却塔４２Ａと冷却塔４２Ｂの間の開閉弁６８や、冷却塔４２Ｃと冷却塔４２Ｄの間の開閉弁６８を閉に切り替える。開閉弁６０Ｘ、６３Ｘ、６０Ｙ、６３Ｙを閉じ、開閉弁６２Ｘ、６２Ｙを開く。これにより、フリークーリング用の熱交換器の後段に冷凍機に通水する経路が形成される。つまり、冷水は、矢印で示すように、配管ｘ３、ｘ７、熱交換器８０ｘ、配管ｘ８、ｘ３、ｘ４を流れ、蒸発器４８ｘに循環供給される。同様に、冷水は、矢印で示すように、配管ｙ３、ｙ７、熱交換器８０ｙ、配管ｙ８、ｙ３、ｙ４を流れ、蒸発器４８ｙに循環供給される。

このように本実施の形態によれば、冷凍機運転、中間運転、フリークーリング運転の各運転モードでの冷却塔台数を制御することができるので、必要最小台数の冷却塔４２Ａ〜４２Ｅを稼働させることによって、エネルギー消費量を削減することができる。

また、開閉弁６３Ｘ、６３Ｙを含む配管系統をなくし、つまり、配管ｘ３と配管ｘ４を接続する配管、配管ｙ３と配管ｙ４を接続する配管をなくし、図６と同様に、フリークーリング運転時、中間運転の場合に冷凍機に冷水を通水して、冷凍機運転、中間運転、フリークーリング運転時に対応させても良い。

図１０は、図７の空調システム１０の変形例を示している。図１０に示す空調システムは、冷却塔毎に通水する冷却水系統を切り替え可能な配管系統を有している。

図１０に示すように、主配管ｊ１が配管ｘ２、ｙ２を介して冷凍機４４Ｘ，４４Ｙと接続される。主配管ｊ２が配管ｘ１、ｙ１を介して冷凍機４４Ｘ，４４Ｙと接続される。主配管ｊ１に配管ａ１〜ｅ１が接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと主配管ｊ１が配管ａ１〜ｅ１を介して接続される。配管ａ１〜ｅ１にそれぞれ開閉弁６８が設けられる。主配管ｊ２に配管ａ２〜ｅ２が接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと主配管ｊ２が配管ａ２〜ｅ２を介して接続される。配管ａ２〜ｅ２にそれぞれ開閉弁６８が設けられる。

一方、主配管ｊ３が配管ｘ５、ｙ５を介して熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと接続される。また、主配管ｊ４が配管ｘ６、ｙ６を介して熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと接続される。主配管ｊ３に配管ａ３〜ｅ３が接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと主配管ｊ３が配管ａ３〜ｅ３を介して接続される。配管ａ３〜ｅ３にそれぞれ開閉弁６８が設けられる。主配管ｊ４に配管ａ４〜ｅ４が接続され、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅと主配管ｊ４が配管ａ４〜ｅ４を介して接続される。配管ａ４〜ｅ４にそれぞれ開閉弁６８が設けられる。

本実施の形態では、主配管ｊ１、ｊ２により冷凍機４４Ｘ、４４Ｙと冷却塔４２Ａ〜４２Ｅとの間で循環経路が形成され、主配管ｊ３、ｊ４により熱交換器８０Ｘ、８０Ｙと冷却塔４２Ａ〜４２Ｅとの間で循環経路が形成される。

配管ａ１〜ｅ１、ａ２〜ｅ２、ａ３〜ｅ３、ａ４〜ｅ４に設けられた複数の開閉弁６８のいずれかを開閉することによって、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅ毎に冷却水を冷凍機４４Ｘ，４４Ｙとフリークーリング用の熱交換器８０Ｘ、８０Ｙの何れかに選択することができる。

このような構成とすることによって、冷却水を配管に通水する時、冷却水が通過する開閉弁の数を少なくすることができる。これにより配管抵抗が小さくなり、ポンプの動力を削減することができる。本実施の形態においては、一つの開閉弁６８を通過させるだけで、冷却塔４２Ａ〜４２Ｅからの冷却水を主配管ｊ１又はｊ３に通水することができる。

一方、図７で示される構成では、熱交換器より遠い冷却塔では、熱交換器までの開閉弁の数が多く、配管抵抗が大きくなる。例えば、冷却塔４２Ａの冷却水は複数の開閉弁６８を通過して熱交換器８０Ｘ、８０Ｙに通水される。

また、図１０に示す空調システム１０では、熱交換器や冷凍機からの順序に関係なく通水ができる。したがって、熱交換器系統と冷凍機系統への切り替え対象となる冷却塔の選択の自由度が高くなる。なお、冷却塔の入口出口の系統は分岐管でも良い。

１０…空調システム、１２…クリーンルーム設備、２４Ｘ、２４Ｙ、２４Ｚ…負荷部、４２Ａ〜４２Ｈ…冷却塔、４４Ｘ、４４Ｙ、４４Ｚ…冷凍機、４６Ｘ、４６Ｙ、４６Ｚ…凝縮器、４８Ｘ、４８Ｙ、４８Ｚ…蒸発器、６８…開閉弁

Claims (9)

1. 複数の冷却塔で冷却した冷却水が供給される冷凍機を冷熱源とする冷凍機運転と、前記複数の冷却塔の少なくとも一部を冷熱源とするフリークーリング運転と、を行う空調方法であって、
   前記フリークーリング運転時に、前記冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする空調方法。
2. 前記複数の冷却塔の少なくとも一部を前記冷凍機とともに冷熱源として併用する中間運転を行うとともに、該中間運転時に、前記冷熱源となる冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする請求項１に記載の空調方法。
3. 前記運転の切替を外気温度と空調負荷条件に応じて行うことを特徴とする請求項１または２に記載の空調方法。
4. 前記冷凍機を複数設けるとともに、該複数の冷凍機に対してそれぞれ前記冷却塔の稼働台数を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の空調方法。
5. 前記冷凍機がターボ冷凍機であり、インバータ制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の空調方法。
6. 前記複数の冷却塔または前記冷凍機で冷却した冷却水を循環させるポンプの回転数を制御することにより、前記冷却水の流量を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の空調方法。
7. 冷却水を冷却する複数の冷却塔と、
   凝縮器及び蒸発器を有する冷凍機と、
   前記冷却塔で冷却した冷却水を前記凝縮器に循環させるとともに、前記蒸発器で冷却した冷却水を前記空調負荷部に循環させる冷凍機運転用循環ラインと、
   前記冷却塔で冷却した冷却水を前記空調負荷部に循環させるフリークーリング運転用循環ラインと、
   前記冷凍機運転用循環ラインと前記フリークーリング運転用循環ラインとを切り替えるとともに、前記フリークーリング運転用循環ラインに接続される冷却塔の台数を調節するライン切替手段と、
   前記ライン切替手段を制御するとともに前記複数の冷却塔の運転と停止を個別に制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする空調システム。
8. 前記複数の冷却塔を前記冷凍機の蒸発器に直列に接続する中間運転用循環ラインを備え、
   前記ライン切替手段は、該中間運転用循環ラインを含めてラインの切り替えを行うとともに、前記中間運転用循環ラインに接続される冷却塔の台数を変更することを特徴とする請求項７に記載の空調システム。
9. 前記冷凍機が複数設けられるとともに、各冷凍機に接続される前記冷却塔の台数が前記ライン切替手段で変更されることを特徴とする請求項７または８に記載の空調システム。

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