JP2010261628A - 熱源機評価システム - Google Patents

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Keiichi Yamamoto
恵一 山本
Kiyotaka Ueno
清隆 上野
Katsuhiro Konishi
克浩 小西
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Abstract

【課題】離散的ではなく連続的に特性データが取得でき、熱媒体の温度測定の手間を可及的に簡素化できる熱源機評価システムを提供する。
【解決手段】熱源機評価システムSは、熱交換器20と、低温水LWを熱交換器20に供給する冷媒供給装置10と、高温水HWを熱交換器20に供給する供試熱源機90と、低温水LWの入口温度T1と流量L1を計測する第1温度計TM1及び第1流量計FM1と、高温水HWの入口温度T2と流量L2を計測する第2温度計TM2及び第2流量計FM2とを含む。冷媒供給装置10により、低温水LWの流量と温度を変更可能であるので、連続的に熱源機の負荷特性データを取得できる。また、低温水LWの出口温度T3及び高温水HWの出口温度T4は、熱量収支と平均温度差とに基づき演算により求められるので、温度計の使用個数を抑制できる。
【選択図】図2

Description

本発明は、温熱や冷熱の熱発生源となる熱源機の負荷特性等を評価するための熱源機評価システムに関する。
例えば温水床暖房装置では、温水(熱媒体)を生成する熱源機と、暖房する床面の床下に蛇行配管され、その一端と他端とが前記熱源機に接続された循環配管とを備える(例えば特許文献1参照)。熱源機で生成された温水は、必要に応じて貯湯槽に貯留された後に前記循環配管の前記一端から送り出され、床下の蛇行部を経て、前記他端から熱源機に戻される。
このような用途に用いられる熱源機の負荷特性を評価する場合、模擬的な暖房負荷に配管を接続し、熱源機から暖房負荷への送る温水の温度と、暖房負荷からの戻り水の温度とを計測し、両者の温度差に基づき評価するシステムが採用されている。なお、模擬的な暖房負荷としては、例えば蛇行配管体に放熱フィンが取り付けられた放熱ユニットが用いられる。
特開2001−20008号公報
従来の評価システムでは、模擬的な暖房負荷に通水し、その送水温度と戻り水温度とを計測するだけであって、前記暖房負荷の負荷状態等は特段制御されず、言わば成り行きに任せた負荷特性のデータしか得られない。このため、負荷特性を離散的にしか評価することができなかった。
この種の熱源機の特性評価においては、離散的ではなく連続的に特性データが取得できること、並びに熱媒体の温度測定の手間を可及的に簡素化することが望まれる。しかしながら従来の評価システムでは、このような要請に応えることができない。本発明は、かかる点に鑑みて為されたものである。
本発明の熱源機評価システムは、供試熱源機の特性を評価する熱源機評価システムであって、第1熱媒体を供給可能な熱媒体供給手段と、前記第1熱媒体と、前記供試熱源機を経由する第2熱媒体とが流入され、前記第1熱媒体と第2熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、前記熱交換器を通過する前の前記第1熱媒体の第1温度を計測する第1温度測定部と、前記熱交換器内を流通する前記第1熱媒体の流量を計測する第1流量計測部と、前記熱交換器を通過する前の前記第2熱媒体の第2温度を計測する第2温度測定部と、前記熱交換器内を流通する前記第2熱媒体の流量を計測する第2流量計測部と、前記熱交換器を通過した後の前記第1熱媒体の第3温度と、前記熱交換器を通過した後の前記第2熱媒体の第4温度とを算出する演算手段と、を備え、前記演算手段は、前記第1熱媒体及び第2熱媒体の各温度と各流量とで求められる熱量収支と、前記第1温度と前記第2温度との第1温度差と前記第3温度と前記第4温度との第2温度差との平均値である平均温度差とに基づいて、前記第3温度及び前記第4温度を算出することを特徴とする(請求項1)。
この構成によれば、前記第1熱媒体と第2熱媒体とを熱交換器で熱交換させる構成であるので、第1熱媒体の温度や流量を適宜変更することにより、供試熱源機の熱負荷を変化させることが可能となる。従って、供試熱源機の連続的な特性データを取得することが可能となる。また、前記第3温度及び第4温度は実測するのではなく、演算手段による算出で求められるので、温度測定装置の使用数を抑制でき、特性評価のために必要な実測データの取得工数を削減することができる。
上記構成において、前記熱媒体供給手段は、前記熱交換器へ流入させる前記第1熱媒体の温度と流量とを変化させることが可能とされていることが望ましい(請求項2)。この構成によれば、熱媒供給手段自体が前記第1熱媒体の温度と流量とを変化させる能力を有するので、供試熱源機の熱負荷を容易に変化させることができる。従って、一層スムーズに供試熱源機の特性を評価することができる。
また、前記第1熱媒体の流量をF1、前記第2熱媒体の流量をF2、前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記第3温度をT3、前記第4温度をT4、Δt1=T2−T1、Δt2=T4−T3、熱交換器の熱通過率をK、熱交換器の伝熱面積をS、及び前記第1熱媒体と第2熱媒体との間の熱流量をQとするとき、前記熱量収支は次式(1)が、前記平均温度差は次式(2)又は(3)のいずれかが使用されることが望ましい(請求項3)。
F1×(T1−T3)=F2×(T2−T4) ・・・(1)
Q=KS・(Δt1−Δt2)/ln(Δt1/Δt2) ・・・(2)
Q=KS・(Δt1+Δt2)/2 ・・・(3)
この構成によれば、熱交換損失をゼロと見なした状態における前記第1熱媒体と前記第2熱媒体との熱収支を示す上記(1)式と、平均温度差を示す上記(2)又は(3)との関係を利用して、未知の前記第3温度及び第4温度を算出することができる。
本発明によれば、供試熱源機の連続的な特性データを取得することができる。また、熱媒体の温度を測定する温度測定装置の使用数を抑制でき、特性評価のために必要な実測データの取得工数を削減することができる。従って、熱源機の特性を詳細に評価することができると共に、評価のためのコストや手間を抑制することができる熱源機評価システムを提供することができる。
本発明の熱源機評価システムの評価対象となる熱源機の使用態様を示す模式的な図である。 本発明の熱源機評価システムの一例を示すブロック図である。 制御部の機能構成を示す機能ブロック図である。 熱源機評価システムの動作を説明するためのフローチャートである。
以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態を詳細に説明する。まず、本発明の熱源機評価システムの評価対象の一つとなり得る、温水床暖房装置用の熱源機90について、図1に基づいて簡単に説明する。この熱源機90は、床暖房パネル95に暖房用の温水Wを供給する装置であって、温水Wを貯留する貯湯槽91と、貯湯槽91内に導入される水を加熱して温水Wを生成する電気ヒータ92と、貯湯槽91の温水Wを床暖房パネル95へ導く往き配管901と、床暖房パネル95から温水Wを貯湯槽91に戻す戻り配管902と、往き配管901に配置されたポンプ93及び開閉弁94とを備えている。
床暖房パネル95は、居住空間の床下に敷設されるパネルであって、温水Wが流通される蛇行配管部96を備える。蛇行配管部96の入口側には往き配管901の一端が接続され、蛇行配管部96の出口側には戻り配管902の一端が接続されている。貯湯槽91内では、電気ヒータ92の動作によって適温の温水Wが生成される。加熱要素は、電気ヒータ92以外に、ガスや石油等の燃焼熱、或いはヒートポンプ装置が発生する熱にも代替できる。
開閉弁94が開とされた状態でポンプ93が駆動されると、貯湯槽91内の温水Wは、往き配管901から導出されて蛇行配管部96へ導かれ、戻り配管902を経て貯湯槽91に戻るように循環される。温水Wが蛇行配管部96を通過する際、床暖房パネル95(床面材)と熱交換が行われ、床暖房パネル95が加熱されるものである。
床暖房パネル95の加熱に際しては、なるべく熱損失が少なく効率的に、また急速暖房や温度微調整などの各種の制御が行えることが望ましい。このような運転の実現には熱源機90の性能に依存するところが大きく、従って、熱源機90の負荷特性(この場合の負荷は例えば床暖房パネル95)を的確に把握することが肝要となる。本実施形態に係る熱源機評価システムは、このような要請に応えるためのシステムである。
図2は、本発明の一実施形態に係る熱源機評価システムSの一例を示すブロック図である。熱源機評価システムSは、冷媒供給装置10(熱媒体供給手段)、熱交換器20、冷媒供給配管30、熱媒供給配管40、冷媒供給配管30に配置される第1温度計TM1及び第1流量計FM1(第1温度測定部及び第1流量計測部)、熱媒供給配管40に配置される第2温度計TM2及び第2流量計FM2(第2温度測定部及び第2流量計測部)、及び制御部50(演算手段;図3参照)を含む。
冷媒供給装置10は、冷媒としての低温水LW(第1熱媒体)を熱交換器20に供給する装置であって、ポンプ11及び電気ヒータ12を備える。ポンプ11は、熱交換器20に流入させる低温水LWの流量を調整し、電気ヒータ12は低温水LWの温度を調整するために使用される。なお、本実施形態では、熱源機90(供試熱源機)が暖房機器用の熱源機であるため冷媒供給装置10が適用されるが、例えば供試熱源機が冷房機器用の熱源機である場合には、熱媒を供給する装置が適用される。
熱交換器20は、冷媒供給装置10から供給される低温水LWと、熱源機90により生成される高温水HW(第2熱媒体)とが流入され、低温水LWと高温水HWとを熱交換させるための熱交換部21を備える。すなわち熱交換器20は、言わば熱源機90の模擬的熱負荷となる機器であって、熱源機90が生成する温熱を費消させる部分となる。
冷媒供給配管30は、低温水LWを循環させる配管であって、上流側から順に、冷媒供給装置10と熱交換器20との間を接続する第1配管31と、熱交換器20内に組み込まれる第2配管32と、熱交換器20と冷媒供給装置10との間を接続する第3配管33とを備える。これら配管31〜33の口径は同一とされている。第1温度計TM1及び第1流量計FM1は、第1配管31に配置されている。
熱媒供給配管40は、熱源機90が生成する高温水HWを循環させる配管であって、上流側から順に、熱源機90と熱交換器20との間を接続する第4配管41と、熱交換器20内に組み込まれる第5配管42と、熱交換器20と熱源機90との間を接続する第6配管43とを備える。これら配管41〜43の口径は同一とされている。第5配管42は、第2配管32と効率的な熱交換を行い得る態様で配置されており、これらの配管32、42が熱交換部21を構成している。第2温度計TM2は第4配管41に、また第2流量計FM2は第6配管43に配置されている。さらに、第4配管41の上流端には高温水HWの入力端44が、第6配管43の下流端には出力端45がそれぞれ設けられている。この入力端44には熱源機90の往き配管901が、出力端45には戻り配管902がそれぞれ接続されている。
第1温度計TM1は、熱交換器20の冷媒入力端22へ流入する前の低温水LWの水温T1(第1温度)を計測する。第1流量計FM1は、熱交換器20内を流通する低温水LWの流量、つまり第1配管31を流れる低温水LWの流量を計測する。第2温度計TM2は、熱交換器20の熱媒入力端24へ流入する前の高温水HWの水温T2(第2温度)を計測する。第2流量計FM2は、熱交換器20内を流通する高温水HWの流量、つまり第6配管43を流れる高温水HWの流量を計測する。
ここで、熱源機90の負荷特性を知見するためには、熱交換器20内で熱交換を終えた後の低温水LW及び高温水HWの水温の情報が必要となる。具体的には、熱交換器20の冷媒出力端23を出た直後の低温水LWの水温T3(第3温度)と、熱交換器20の熱媒出力端25を出た直後の高温水HWの水温T4(第4温度)との温度情報が必要となる。しかし、本実施形態では、これら水温T3及び水温T4を計測するための温度計は、冷媒供給配管30及び熱媒供給配管40には配置されていない。水温T3及び水温T4は、実測ではなく、後述する制御部50の演算処理によって求められる。
次に、水温T3及び水温T4を求めるための数式について説明する。まず、熱交換器20内における低温水LWと高温水HWとの熱量収支を示す。上記水温T1〜T4を用いると共に、低温水LW(第1熱媒体)の流量をF1、高温水HW(第2熱媒体)の流量をF2、熱交換器20での熱交換損失をΔQとするとき、熱量収支は次式(1)′で示すことができる。
F1×(T1−T3)+ΔQ=F2×(T2−T4) ・・・(1)′
ここで、理想的な熱交換器では熱交換損失ΔQがゼロとなるので、熱量収支は次式(1)で示すことができる。
F1×(T1−T3)=F2×(T2−T4) ・・・(1)
一方、固体を挟んだ第1流体と第2流体との間(ここでは低温水LWと高温水HWとの間)の熱流量Qは、熱交換器20の熱通過率をK、熱交換器20の伝熱面積をS、第1流体の温度をt1、第2流体の温度をt2とするとき、
Q=KS(t1−t2) ・・・(2)′
で表すことができる。ここで、(2)′式の(t1−t2)を平均温度差で表現するものとし、Δt1=T2−T1(第1温度差;低温水LWと高温水HWとの熱交換器20への入口側温度差)、Δt2=T4−T3(第2温度差;低温水LWと高温水HWとの熱交換器20からの出口側温度差)として本実施形態に当て嵌めると、熱流量Qは、対数平均温度差を示す次式(2)、又は算術平均温度差を示す次式(3)で表すことができる。
Q=KS・(Δt1−Δt2)/ln(Δt1/Δt2) ・・・(2)
Q=KS・(Δt1+Δt2)/2 ・・・(3)
熱交換損失ΔQをゼロと扱う上記(1)式と、低温水LWと高温水HWとの熱流量Qとは等式で結ばれる。従って、既知の定数である熱通過率K及び伝熱面積Sと、第1温度計TM1及び第1流量計FM1と第2温度計TM2及び第2流量計FM2とで計測されるT1、F1、T2、F2とを、上記(1)式と(2)式又は(3)式に適用することで、成り行きの温度となるT3及びT4を求めることができる。すなわち、水温T3及びT4を測定する温度計の設置を省くことができる。
図3は、熱源機評価システムの動作を制御する制御部50の機能構成を示す機能ブロック図である。制御部50は、各種の演算処理や制御処理を行うCPU(中央演算処理装置)を備えたコンピュータ装置(例えばパーソナルコンピュータ)であり、前記CPUは、上記の処理を行うべくプログラミングされたソフトウェアが実行されることで、図3に示す機能部を具備するように動作する。制御部50は、冷媒供給制御部51、温度情報取得部52、流量情報取得部53、演算部54及びデータ記録部55を機能的に備えている。
冷媒供給制御部51は、冷媒供給装置10の動作を制御し、熱交換器20に供給する低温水LWの温度と流量とを制御する。具体的には冷媒供給制御部51は、任意の熱負荷を形成するためにポンプ11及び電気ヒータ12を制御し、低温水LWを目標熱量に設定して熱交換器20に送り込む。この制御によって、熱源機90の暖房負荷を模擬的に自在に設定できるようになり、離散的ではなく連続的に熱源機90の部分負荷特性を測定することが可能となる。
温度情報取得部52は、第1温度計TM1及び第2温度計TM2とのインターフェイスを有し、第1温度計TM1からは低温水LWの温度計測データを、第2温度計TM2からは高温水HWの温度計測データを、それぞれ所定のサンプリング周期で取得する。
流量情報取得部53は、第1流量計FM1及び第2流量計FM2とのインターフェイスを有し、第1流量計FM1からは低温水LWの流量計測データを、第2流量計FM2からは高温水HWの流量計測データを、それぞれ所定のサンプリング周期で取得する。
演算部54は、熱交換器20の冷媒出力端23を出た直後の低温水LWの水温T3と、熱交換器20の熱媒出力端25を出た直後の高温水HWの水温T4とを、上記(1)式と(2)式又は(3)式とを用いて算出する処理を行う。具体的には演算部54は、温度情報取得部52から、第1温度計TM1が計測した熱交換器20の冷媒入力端22へ流入する前の低温水LWの水温T1及び第2温度計TM2が計測した熱媒入力端24へ流入する前の高温水HWの水温T2のデータを取得し、また流量情報取得部53から、第1流量計FM1が計測した低温水LWの流量F1及び第2流量計FM2が計測した高温水HWの流量F2のデータを取得する。演算部54は、これら水温T1、T2、流量F1、F2のデータと、予め与えられている熱交換器20の熱通過率K及び伝熱面積Sのデータを用いて、水温T3、T4を演算により求める処理を行う。
データ記録部55は、メモリ装置であって、実測された水温T1、T2、流量F1、F2と、演算で求められた水温T3、T4のデータが、模擬負荷の状態(つまり低温水LWの温度と流量)、熱源機90の稼働状態及び時刻情報に関連付けて記憶される。このデータ記録部55に格納されたデータを用いて、後に負荷特性曲線等の解析データが生成されるものである。
以上の通り構成された熱源機評価システムSの動作を、図4に示すフローチャートに基づいて説明する。処理が開始されると、まず制御部50の冷媒供給制御部51が、予め与えられている模擬負荷の設定予定情報に従って冷媒供給装置10を制御し、低温水LW(冷媒)の温度及び流量を所定値に設定する(ステップS1)。その後、冷媒供給装置10の運転が開始され、熱交換器20への低温水LWの供給が開始される。また、熱源機90の運転も開始され、熱交換器20への高温水HWの供給も開始される。
低温水LW及び高温水HWの供給開始後、熱交換状態を安定させるため、所定時間だけ状態が保持される(ステップS2)。所定時間が経過すると(ステップS2でYES)、温度情報取得部52が第1、第2温度計TM1、TM2から水温T1、T2のデータを取得すると共に、流量情報取得部53が第1、第2流量計FM1、FM2から流量F1、F2のデータを取得する(ステップS3)。
続いて演算部54が、実測された水温T1、T2、流量F1、F2のデータと、既知の熱通過率K及び伝熱面積Sのデータと、上記(1)式と(2)式又は(3)式とを用いて、水温T3、T4のデータを演算で求める処理を行う(ステップS4)。これら実測データ及び算出データは、データ記録部55に記録される(ステップS5)。
その後、制御部50は、予め与えられている測定スケジュールを参照して、負荷特性の測定処理を続行するか否かを判定する(ステップS6)。測定処理が続行される場合(ステップS6でYES)、模擬負荷の設定変更が必要であるか否かが判定される(ステップS7)。設定変更が必要である場合(ステップS7でYES)、ステップS1に戻り、低温水LWの温度及び/又は流量が所定値に変更され、ステップS2以下の処理が繰り返される。一方、設定変更が不要である場合(ステップS7でNO)、ステップS2に戻り、処理が繰り返される。なお、ステップS6で測定処理が続行されない場合は(ステップS6でNO)、処理を終了する。
以上説明した本実施形態に係る熱源機評価システムSによれば、模擬負荷の役目を果たす低温水LWと、熱源機90が生成する高温水HWとを熱交換器20で熱交換させる構成であるので、低温水LWの温度や流量を適宜変更することにより、熱源機90の熱負荷を変化させることが可能となる。従って、試験対象とされる熱源機90の連続的な特性データを取得することが可能となる。また、上述の水温T3、T4は実測するのではなく、制御部50の演算部54による算出処理で求められるので、温度測定装置の使用数を抑制でき、特性評価のために必要な実測データの取得工数を削減することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、評価対象とする熱源機90が温水床暖房装置用のものである場合を例示したが、かかる用途のものには限定されない。例えば、各種装置の水冷用の冷熱源機、空調用の熱源機等であっても良い。また、熱媒体が水(温水)である場合を例示したが、水以外の熱媒体であっても良い。
10 冷媒供給装置(熱媒体供給手段)
20 熱交換器
30 冷媒供給配管
40 熱媒供給配管
50 制御部(演算手段)
90 熱源機(供試熱源機)
TM1 第1温度計(第1温度測定部)
TM2 第2温度計(第2温度測定部)
FM1 第1流量計(第1流量計測部)
FM2 第2流量計(第2流量計測部)
S 熱源機評価システム
LW 低温水(第1熱媒体)
HW 高温水(第2熱媒体)

Claims (3)

  1. 供試熱源機の特性を評価する熱源機評価システムであって、
    第1熱媒体を供給可能な熱媒体供給手段と、
    前記第1熱媒体と、前記供試熱源機を経由する第2熱媒体とが流入され、前記第1熱媒体と第2熱媒体とを熱交換させる熱交換器と、
    前記熱交換器を通過する前の前記第1熱媒体の第1温度を計測する第1温度測定部と、
    前記熱交換器内を流通する前記第1熱媒体の流量を計測する第1流量計測部と、
    前記熱交換器を通過する前の前記第2熱媒体の第2温度を計測する第2温度測定部と、
    前記熱交換器内を流通する前記第2熱媒体の流量を計測する第2流量計測部と、
    前記熱交換器を通過した後の前記第1熱媒体の第3温度と、前記熱交換器を通過した後の前記第2熱媒体の第4温度とを算出する演算手段と、を備え、
    前記演算手段は、前記第1熱媒体及び第2熱媒体の各温度と各流量とで求められる熱量収支と、前記第1温度と前記第2温度との第1温度差と前記第3温度と前記第4温度との第2温度差との平均値である平均温度差とに基づいて、前記第3温度及び前記第4温度を算出することを特徴とする熱源機評価システム。
  2. 前記熱媒体供給手段は、前記熱交換器へ流入させる前記第1熱媒体の温度と流量とを変化させることが可能とされていることを特徴とする請求項1に記載の熱源機評価システム。
  3. 前記第1熱媒体の流量をF1、前記第2熱媒体の流量をF2、前記第1温度をT1、前記第2温度をT2、前記第3温度をT3、前記第4温度をT4、Δt1=T2−T1、Δt2=T4−T3、熱交換器の熱通過率をK、熱交換器の伝熱面積をS、及び前記第1熱媒体と第2熱媒体との間の熱流量をQとするとき、
    前記熱量収支は次式(1)が、前記平均温度差は次式(2)又は(3)のいずれかが使用されることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱源機評価システム。
    F1×(T1−T3)=F2×(T2−T4) ・・・(1)
    Q=KS・(Δt1−Δt2)/ln(Δt1/Δt2) ・・・(2)
    Q=KS・(Δt1+Δt2)/2 ・・・(3)
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