JP2011106792A - インバータターボ冷凍機の性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計画ＣＯＰを逐次演算すること。
【解決手段】インバータターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得部１０１と、冷凍機の機器特性に基づいて導出され、基準運転点として設定された所定の冷却水入口温度における所定の負荷率に対する現在の冷却水入口温度における現在の負荷率を相対的に表わした相対負荷率を算定するための第１演算式、相対負荷率と補正係数との関係を表した第２演算式、及び逆カルノーサイクルから導出されたＣＯＰ算定式を補正係数で補正することで計画ＣＯＰを算出する第３演算式を記憶する記憶部１０２と、記憶部１０２に記憶された第１演算式、第２演算式、第３演算式に対してデータ取得部１０１によって取得された運転データを用いることにより、現在の運転条件における計画ＣＯＰを算出する演算部１０３とを備えるインバータターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータターボ冷凍機の性能評価装置に関するものである。

インバータターボ冷凍機は、可変速制御を用いることで大幅な性能向上を実現したターボ冷凍機として知られている。インバータターボ冷凍機は、冷却水温度の対応範囲が広く、また、部分負荷域で高いエネルギー効率を示す特性を有していることから、熱源システムの省エネルギーに有効な手段であるとして注目を浴びている。

一般的に、冷凍機の性能評価は、主にＣＯＰ(成績係数)という指標を用いて行われる。このＣＯＰは、以下の式から求められ、ＣＯＰが高いほど、エネルギー効率が高いと評価される。

ＣＯＰ＝冷凍能力[kW]／消費動力[kW]

従来、このようなＣＯＰを用いたターボ冷凍機の評価方法として、例えば、特許文献１に開示される技術が知られている。特許文献１には、冷凍機内の冷水入口温度、冷水出口温度、及び冷却水入口温度を温度センサにより検出し、この検出データを用いてＣＯＰの実測値を算出し、このＣＯＰの実測値が予め設定されている閾値以下となった場合に、性能劣化と判断してユーザ等に通知するシステムが開示されている。

特開平１１−２３１１３号公報

上述した従来の技術では、冷凍機の性能劣化の判断にＣＯＰが使用されているが、他の態様として、上記逐次算出されるＣＯＰの実測値（以下「実測ＣＯＰ」という。）を表示装置に逐次表示させ、ユーザに対して現在の運転状態を提示する方法も考えられる。
しかしながら、現在の実測ＣＯＰをユーザに提示したとしても、ユーザ側では提示された現在の実測ＣＯＰを、メーカ側から通知された定格仕様点（所定温度、所定負荷時）におけるＣＯＰ（例えば、ＣＯＰ＝６．３）と比較することしかできず、現在の運転点における運転効率の良し悪しを判定することができなかった。

つまり、インバータターボ冷凍機が性能上出し得る最大ＣＯＰ（以下「計画ＣＯＰ」という。）は、インバータターボ冷凍機の運転点によって変化する。これは、インバータターボ冷凍機の性能は、冷水温度、冷却水温度、負荷率等によって特性が変化し、また、部分負荷や冷却水温度の異なる運転においては、冷媒循環量や圧縮比についても異なってくるために、必要とされる動力も変化するからである。したがって、現在の冷凍機の運転状態をより正確にユーザに通知するためには、現在の運転条件に対応する計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとを共にユーザに提示し、計画ＣＯＰに対して実測ＣＯＰがどの辺に位置しているのかを理解させることが重要となる。

しかしながら、例えば、その時々の運転条件（冷水温度、冷却水温度、負荷率）に応じて計画ＣＯＰを逐次算出することは、以下の理由から非常に困難であり、実現には至っていなかった。

まず、現在におけるインバータターボ冷凍機の計画ＣＯＰの算出は、冷凍機の膨大な運転データを元にインバータターボ冷凍機の構成である熱交換機の性能、圧縮機の性能、冷媒の熱物性等をそれぞれ求め、これらの性能値を専用のプログラムに導入して多くの収束計算を行うことにより行われる。このため、各運転条件に対する計画ＣＯＰを得るためには、膨大なデータを要し、また、演算処理も非常に煩雑であるために、相当な時間と手間とが要求される。
したがって、このような煩雑で時間のかかる現状の計算プログラムを逐次実行させる計画ＣＯＰの逐次計算は現実的ではなく、また、更に、冷凍機の制御盤においてこのような計画ＣＯＰの逐次計算を行わせることはほぼ不可能であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、計画ＣＯＰを逐次演算することのできるインバータターボ冷凍機の性能評価装置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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、インバータターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得手段と、冷凍機の機器特性に基づいて導出され、基準運転点として設定された所定の冷却水入口温度における所定の負荷率に対する現在の冷却水入口温度における現在の負荷率を相対的に表わした相対負荷率を算定するための第１演算式、前記相対負荷率と補正係数との関係を表した第２演算式、及び逆カルノーサイクルから導出されたＣＯＰ算定式を前記補正係数で補正することで計画ＣＯＰを算出する第３演算式を記憶する記憶手段と、前記記憶部に記憶された前記第１演算式、前記第２演算式、及び前記第３演算式に対して前記データ取得手段によって取得された前記運転データを用いることにより、現在の運転点における計画ＣＯＰを算出する演算手段とを具備し、前記第２演算式で求められる補正係数は、前記第３演算式が有するＣＯＰ算定式によって算定される理想環境下における実機理想ＣＯＰの特性を実機ＣＯＰの特性に近付けるための補正係数であるインバータターボ冷凍機の性能評価装置を提供する。

このような構成によれば、逆カルノーサイクルから導出されたＣＯＰ算定式を用いて、理想環境下における実機理想ＣＯＰの特性を表現するので、本来であれば非常に複雑となる実機理想ＣＯＰ特性を簡易な演算式で表現することが可能となる。更に、逆カルノーサイクルのＣＯＰ算定式で表現した実機理想ＣＯＰの特性を実機ＣＯＰの特性に近付けるための補正係数を付加することにより、例えば、各冷却水入口温度によって最大ＣＯＰとなる負荷率が異なるという特性を、計画ＣＯＰを算出するための演算式、具体的には、第３演算式に加味させることができる。これにより、インバータターボ冷凍機が有するＣＯＰ特性を十分に表現させることができ、各運転点における計画ＣＯＰを十分な精度で求めることが可能となる。
そして、計画ＣＯＰを演算するための演算式を非常に簡易な演算式で表現できたことにより、計画ＣＯＰの逐次演算や処理能力がそれほど高くない制御盤においての計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることができるという格別な効果が得られる。
また、上記第１乃至第３演算式は、インバータターボ冷凍機が基本的に備えるＣＯＰ特性を表現した式となっているので、汎用性が高く、機種による依存性がほとんどない。したがって、どのようなインバータターボ冷凍機に対しても適用することができる。
例えば、従来知られているＣＯＰの逐次取得方法として、横軸に負荷率、縦軸にＣＯＰとし、各冷却機入口温度におけるＣＯＰ特性を表わしたマップを準備しておき、このマップを用いて計画ＣＯＰを逐次取得するという方法がある。しかしながら、この方法であっても、マップ自体は個体毎に事前に膨大なデータ処理を行って作成しなければならず、処理負担が大きく、また、時間もかかる。これに対し、本発明のインバータターボ冷凍機の性能評価装置では、汎用性の高い演算式を用いているので、個体毎の複雑な乗数の合わせこみ作業等を不要とでき、換言すると、非常に簡単な乗数の合わせこみだけで各個体に合わせた適切な演算式を作成することができる。

上記インバータターボ冷凍機の性能評価装置において、前記第１演算式は、例えば、圧縮機断熱ヘッドの値によって決定される相対設計風量係数から前記相対負荷率を導出する演算式である。

このように、圧縮機断熱ヘッドの値によって決定される相対設計風量係数から相対負荷率を導出するので、容易に相対負荷率を得ることができる。

上記インバータターボ冷凍機の性能評価装置において、前記第３演算式は、インバータターボ冷凍機における熱交換時に発生する熱損失を補償するための項を更に有していることが好ましい。

インバータターボ冷凍機における熱交換時に発生する熱損失を補償するので、計画ＣＯＰの算出精度を向上させることができる。

上記インバータターボ冷凍機の性能評価装置において、前記第１演算式、前記第２演算式、及び前記第３演算式が前提としている定格仕様点の設計点とは異なる定格仕様点の設計点でインバータターボ冷凍機が運用される場合に、この設計点に対する誤差を補償するためのオフセット項を前記第１演算式に対して付加してもよい。

このように、第１演算式に対してオフセット項を付加することにより、定格仕様点の設計点に起因する誤差を解消することができ、計画ＣＯＰを得るための演算式に、より汎用性を持たせることが可能となる。

上記インバータターボ冷凍機の性能評価装置は、前記演算手段によって算出された前記計画ＣＯＰを現在の実測ＣＯＰとともに表示する表示手段を備えていてもよい。

このように、表示手段を備えているので、演算手段によって算出された計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとを共にユーザに提供することができる。

また、上記インバータターボ冷凍機の性能評価装置は、インバータターボ冷凍機の制御盤に搭載されていてもよい。

例えば、インバータターボ冷凍機とは離れた別の場所に設置された装置において計画ＣＯＰを算出する場合、インバータターボ冷凍機において得られた運転データを通信媒体等を介してリアルタイムで該装置まで送らなければならない。これに対し、インバータターボ冷凍機の制御盤には、インバータターボ冷凍機の制御を行うために常に運転データが入力されているため、制御盤に計画ＣＯＰを算出する機能を搭載することにより、制御に使用する運転データを用いて計画ＣＯＰの算出も行うことが可能となり、上述したような煩わしいデータ通信を不要とすることができる。

本発明によれば、計画ＣＯＰを逐次演算することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るインバータターボ冷凍機の詳細構成を示した図である。 図２に示した制御盤が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。 実機理想ＣＯＰ特性と実機ＣＯＰ特性とを比較して示したＣＯＰ特性図である。 各冷却水入口温度に共通の負荷率を採用する場合の各負荷率を示した図である。 図５に示した負荷率をパラメータとして採用したときの補正係数を用いてＣＯＰを演算したときの算定ＣＯＰ特性と実機ＣＯＰ特性とを比較して示した図である。 インバータターボ冷凍機における各冷却水入口温度に対する負荷率とＣＯＰとの関係を示した図である。 相対負荷率について説明するための図である。 冷却水入口温度３２℃(冷却水出口温度３７℃)における１００％負荷率を基準運転点として設定したときの各冷却水入口温度における相対負荷率の値を示した図である。 図９に示した相対負荷率をパラメータとして採用したときの補正係数を用いてＣＯＰを演算したときの算定ＣＯＰ特性と実機ＣＯＰ特性とを比較して示した図である。 オフセット項の説明をするための説明図である。

以下に、本発明の一実施形態に係るインバータターボ冷凍機の性能評価装置について、図面を参照して説明する。
まず、インバータターボ冷凍機の性能評価装置が適用されるインバータターボ冷凍機の構成について、図１及び図２を用いて簡単に説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る熱源システムの概略構成が示されている。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置されており、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水（熱媒）に対して冷熱を与える３台のインバータターボ冷凍機１１，１２，１３を備えている。これらインバータターボ冷凍機１１，１２，１３は、外部負荷３に対して並列に設置されている。

冷水流れからみた各インバータターボ冷凍機１１，１２，１３の上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ２１，２２，２３が設置されている。これら冷水ポンプ２１，２２，２３によって、リターンヘッダ３２からの冷水が各インバータターボ冷凍機１１，１２，１３へと送られる。各冷水ポンプ２１，２２，２３は、インバータモータによって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。

サプライヘッダ３１には、各インバータターボ冷凍機１１，１２，１３において得られた冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ３１に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。外部負荷３にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ３２に送られる。冷水は、リターンヘッダ３２において分岐され、各インバータターボ冷凍機１１，１２，１３に送られる。

冷水ポンプ２１の下流側には、冷水ポンプ２１から流出する流量を計測する冷水流量計２４が設けられている。この冷水流量計２４の出力は、後述するインバータターボ冷凍機１１の制御盤７４（図２参照）へと送られる。
インバータターボ冷凍機１１の上流側の冷水配管には、インバータターボ冷凍機１１へと流入する冷水温度を計測するための冷水入口温度センサ２９が設けられている。この冷水入口温度センサ２９の出力は、後述する制御盤７４（図２参照）へと送られる。なお、バイパス配管３３のバイパス弁３４が全閉であれば、冷水入口温度センサに代えて、リターンヘッダ３２の上流側の冷水配管に設けた温度センサ２９ｂを用いても良い。

インバータターボ冷凍機１２及び１３についても、インバータターボ冷凍機１１と同様に、冷水流量計や冷水入口温度センサが設けられている。ただし、図１では、理解の容易のためにインバータターボ冷凍機１１に対してのみこれらの構成が示されている。

図２には、インバータターボ冷凍機１１，１２，１３の詳細構成が示されている。同図では、理解の容易のため、３台並列に設けられたインバータターボ冷凍機のうち、一つのインバータターボ冷凍機１１のみが示されている。
インバータターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このインバータターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。

ターボ圧縮機６０は、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ７０によって回転数制御された電動モータ７２によって駆動されている。インバータ７０は、制御盤７４によってその出力が制御されている。ターボ圧縮機６０の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）７６が設けられており、インバータターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。

凝縮器６２には、凝縮冷媒圧力を計測するための凝縮冷媒圧力センサＰｃが設けられている。センサＰｃの出力は、制御盤７４に送信される。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱面８０が設置されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再び凝縮器６２及びサブクーラ６３へと導かれるようになっている。

中間冷却器６７には、中間圧力を計測するための圧力センサＰＭが設けられている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱面８２が設置されている。冷水流量は流量計Ｆ１により、冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。
凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７９が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７９内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。

また、図２に示したインバータターボ冷凍機１１では、凝縮器６２及びサブクーラ６３を設け、冷媒により冷却塔において外部へと排熱した冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を温める場合について述べたが、例えば、凝縮器６２及びサブクーラ６３に代えて空気熱交換器を配置し、空気熱交換器において外気と冷媒との間で熱交換を行うような構成としてもよい。また、インバータターボ冷凍機１１，１２，１３は、上述した冷房機能のみを有する場合に限定されず、例えば、暖房機能のみ、或いは、冷房機能及び暖房機能の両方を有しているものであってもよい。また、冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。

次に、上述したインバータターボ冷凍機１１が備える制御盤７４において行われる計画ＣＯＰの算出方法について図を参照して説明する。
ここで、制御盤７４は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random
Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
図３は、制御盤７４が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図３に示されるように、制御盤７４は、データ取得部１０１、記憶部１０２、演算部１０３を備えている。

データ取得部１０１は、インバータターボ冷凍機１１の運転データを入力データとして取得する。運転データとしては、例えば、温度センサTcoutにより計測された冷却水出口温度、温度センサTcinにより計測された冷却水入口温度、温度センサToutにより計測された冷水出口温度、温度センサTinにより計測された冷水入口温度、現在の負荷率等が挙げられる。

記憶部１０２には、計画ＣＯＰを算出するための第１演算式、第２演算式、第３演算式等が格納されている。ここで、計画ＣＯＰとは、各運転点においてインバータターボ冷凍機が性能上出し得る最大ＣＯＰの値である。
以下、これら各種演算式について説明する前に、ＣＯＰを算定する演算式の導出過程について詳しく説明する。

まず、実機と同じ冷凍サイクルにおいて、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算されたＣＯＰ（以下このＣＯＰを「実機理想ＣＯＰ」という）を考える。この実機理想ＣＯＰは、冷水出口温度一定の条件では、冷却水出口温度に応じてＣＯＰの特性が変化する一方で、負荷率によるＣＯＰの特性の変化は微量である。したがって、冷却水出口温度に依存し、負荷率には依存しないという特徴を有するとみなすことができる。
ここで、発明者らは、上記の如き特徴を有する実機理想ＣＯＰの特性が、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性とほぼ同じ特徴を有している点に着目した。そこで、検証を行ったところ、その再現性は約９０％を超えるほどに近似しているという知見が得られた。

そこで、まず、実機理想ＣＯＰを表わす演算式として、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の演算式を代用することとした。これにより、非常に簡易な演算式により実機理想ＣＯＰを表現することが可能となる。逆カルノーサイクルのＣＯＰは、例えば、以下の（１）式で表わされる。

ＣＯＰ_carnot＝（Ｔ_ＬＯ+２７３．１５）／（Ｔ_ＨＯ−Ｔ_ＬＯ） （１）
上記（１）式において、Ｔ_ＬＯは冷水出口温度、Ｔ_ＨＯ冷却水出口温度である。

次に、実機理想ＣＯＰは、上述したように、機械損失等をなしとした理想的な環境下で得られるＣＯＰのため、上記演算式から制御等により損失を受ける実機のＣＯＰ特性（以下「実機ＣＯＰ」という。）を得るためには、実機理想ＣＯＰの特性と実機ＣＯＰの特性との違いを把握し、この違いに合致する補正項を上記（１）式に加える必要がある。そこで、上記（１）式に加える補正項について検討した。

まず、発明者らは、実機理想ＣＯＰ特性と実機ＣＯＰ特性との違いを把握するために、実際に実機において各冷却水入口温度、負荷率における運転データを取得し、この運転データから実機ＣＯＰを算出し、この実機ＣＯＰを用いて図４に示すようなグラフを作成した。
図４において、横軸は負荷率[％]を示し、縦軸は実機理想ＣＯＰを実機ＣＯＰで除算した値を示している。ここで示されている実機理想ＣＯＰは、実機と同じ冷凍サイクル、冷媒物性において、機械損失等をなしとした理想的な環境下で算出されたＣＯＰであり、所定のプログラムによって求められる。

図４に示すように、各冷却水入口温度に応じて各特性は多少ばらつきがあるものの、同じような特徴を有している。そこで、これら冷却水入口温度による特性を一つの式で表わすことができれば、全ての冷却水入口温度に対して共通の補正項を用いることが可能となる。このように共通の補正項を用いることとすれば、冷却水入口温度毎にそれぞれ異なる補正項を用意する必要がなく、演算式を更に簡素化させることができる。
そこで、各冷却水入口温度における複数の特性曲線を一本の関数式で近似し、補正項を求め、この補正項により上記（１）式を補正した。
（２）式に補正項を有するＣＯＰ演算式を、（３）式に補正項を示す。

ＣＯＰ_ct＝{（Ｔ_ＬＯ+２７３．１５）／（Ｔ_ＨＯ−Ｔ_ＬＯ）}／Ｃｆ （２）

Ｃｆ＝ｆ（ｘ） （３）

次に、上記（３）式において、ｘにどのようなパラメータを導入するのかが問題となる。ここで、上記（３）式のｘについて、図５に示すように、各冷却水入口温度に共通の負荷率Ｑｆを採用して補正係数Ｃｆを求め、この補正係数Ｃｆを（２）式に採用することによりＣＯＰを算出した。ここでは、（２）式によって算出されたＣＯＰを算定ＣＯＰという。

また、上記算定ＣＯＰと実機ＣＯＰとを比較することにより、上記（３）式の演算式のパラメータｘとして負荷率Ｑｆを用いたときの検証を行った。図６は、検証結果を示した図であり、横軸は負荷率、縦軸はＣＯＰを示している。また、図６において、実線は算定ＣＯＰ、点線は実機ＣＯＰを示している。図６に示すように、各冷却水入口温度における算定ＣＯＰと実機ＣＯＰとの間には相当量の誤差が生じており、上記（３）式のｘに、各冷却水入口温度共通の負荷率Ｑｆを採用することはできないことが分かった。

図６に示すような結果が得られた理由として、例えば、以下のことが考えられる。
すなわち、一般的に、実機におけるＣＯＰ特性は、図７に示すように、各冷却水入口温度によって、同一冷却水入口温度において最大ＣＯＰとなる負荷率が異なる。例えば、冷却水入口温度が１３℃の場合には負荷率４０％付近でＣＯＰのピーク値を取り、冷却水入口温度が２５℃の場合には、負荷率６０％付近でＣＯＰのピーク値を取る。このように、冷却水入口温度が低いほど、ＣＯＰのピーク値を取る負荷率が低い方へ移行するという特徴を有している。したがって、上述のように、補正項として各冷却水入口温度に共通の負荷率Ｑｆを用いてしまった場合、図７に示されるような、負荷率によるＣＯＰ特性の影響を演算式に取り入れることができず、図６に示すように、実機ＣＯＰと算定ＣＯＰとの間に相当量の誤差が生じてしまったものと考えられる。

このことから、各冷却水入口温度によって同一冷却水入口温度において最大ＣＯＰとなる負荷率が異なるという特性を考慮したパラメータを上記（３）式のｘに採用して、補正係数Ｃｆを求める必要があることが分かった。
そこで、今度は、各冷却水入口温度によって最大ＣＯＰが異なるという特性を加味するために、任意の冷却水入口温度における任意の負荷率の点を基準運転点として設定し、この基準運転点に対する各冷却水入口温度における負荷率を相対的に示した相対負荷率を求め、この相対負荷率を上記（３）式のパラメータｘとして採用することを発案した。

例えば、図８に示すように、冷却水入口温度３２℃における負荷率１００％の点を基準運転点とすると、冷却水入口温度が低下するほど冷却水入口温度３２℃のときの負荷率１００％に相当する負荷率は低下する。ここで、図８のグラフは、インバータターボ冷凍機で用いられるターボ圧縮機（遠心圧縮機）の機器特性から得られた特性である。

例えば、特開２００９−２０４２６２号公報にも開示されているように、インバータターボ冷凍機のＣＯＰ特性は、ターボ圧縮機の特性を強く反映したものであることが知られている。そして、このターボ圧縮機の特性を用いることで上記相対負荷率を容易に決定することができることがわかった。以下、相対負荷率の演算方法について説明する。

まず、相対負荷率Ｑｆ_ｒは、ターボ圧縮機の機器特性である相対設計風量係数Ｑ_ｒを用いて以下の（４）式で導出することができる。

Ｑｆ_ｒ＝Ｑｆ／Ｑ_ｒ （４）

上記（４）式において、Ｑｆは実際の負荷率である。
上記相対設計風量係数Ｑ_ｒは、ターボ圧縮機の機器特性から以下の（５）式で与えられる。

Ｈ_ａｄ／μ_ａｄ＝ｋ(Ｑ_ｒ／φ)^２ （５）

上記（５）式において、Ｈ_ａｄは圧縮機断熱ヘッド[ｍ]、φは流量係数[-]、μ_ａｄは圧力係数[-]であり、流量係数φ及び圧力係数μ_ａｄは以下のように固定値として与えられる。例えば、流量係数φ＝０．１，圧力係数μ_ａｄ＝１。

今、仮に、ターボ圧縮機の基準運転点として冷却水入口温度３２℃(冷却水出口温度３７℃)における負荷率１００％を設定した場合、ターボ圧縮機の機器特性からこの基準運転点に相当する圧縮機断熱ヘッドＨ_ａｄ及び相対設計風量係数Ｑ_ｒを求め、この値を上記（５）式に与えることで、基準運転点における係数ｋが算出される。そして、このｋの値をｋ＝ｋ_１００とおき、以降ｋ_１００を上記（５）式に採用して、各冷却水入口温度と冷水出口温度とから圧縮機断熱ヘッドＨ_ａｄを算出し、上記（５）式に代入する。これにより、各冷却水入口温度における相対設計風量係数Ｑ_ｒが算出される。

なお、ｋ_１００が定まった後の上記相対設計風量係数Ｑ_ｒの演算式は、上述のように流量係数φ＝０．１，圧力係数μ_ａｄ＝１とした場合、上記（５）式から以下の（６）式で表わされる。

Ｑ_ｒ＝φ／μ_ａｄ ^1/2・（Ｈ_ａｄ／ｋ_１００）^1/2＝０．１＊（Ｈ_ａｄ／１９．４）^1/2 （６）

上記（６）式から算出された各冷却水入口温度における相対設計風量係数Ｑ_ｒを上記（４）式に代入することで、冷却水入口温度３２℃における負荷率１００％を基準としたときの相対負荷率Ｑｆ_ｒが冷却水入口温度毎、負荷率毎にそれぞれ得られる。

上記手法によって求めた相対負荷率Ｑｆ_ｒの値を図９に示す。図９に示すように、冷却水入口温度が低いほど、相対負荷率１００％の点が低負荷率側へ移行していることがわかる。

図１０は、上述したように得られたＱｆ_ｒを上記（３）式のパラメータｘとして採用して得られた補正係数Ｃｆを用いて（２）式から算出した算定ＣＯＰと、実測ＣＯＰとを比較して示した図である。図１０において、実線は算定ＣＯＰ、点線は実機ＣＯＰを示している。図１０に示すように、各冷却水入口温度における算定ＣＯＰと実測ＣＯＰの特性はほぼ同じであり、再現性が確認できた。

以上の経緯から、実機理想ＣＯＰの特性としてみなされる逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰの演算式を、相対負荷率Ｑｆ_ｒをパラメータとして採用した補正係数で除算するという演算式を用いることで、各運転点における計画ＣＯＰを十分な精度で求めることが可能であることが分かった。

そして、実際のインバータターボ冷凍機の運転中において、計画ＣＯＰを逐次演算するために、図３に示した記憶部１０２には、上述した各種演算式が格納されている。
例えば、記憶部１０２には、主に以下の演算式が格納されている。

第１演算式：Ｑ_ｒ＝φ／μ_ａｄ ^1/2・（Ｈ_ａｄ／ｋ_１００）^1/2
＝０．１＊（Ｈ_ａｄ／１９．４）^1/2 （６）
：Ｑｆ_ｒ＝Ｑｆ／Ｑ_ｒ （４）

第２演算式：Ｃｆ＝Ｆｆ(Ｑｆ_r） （３）

第３演算式：ＣＯＰ_ct＝{（Ｔ_Ｌ０＋２７３．１５）／（Ｔ_ＨＯ−Ｔ_ＬＯ）}／Ｃｆ （２）

上記第１演算式は、上述したように、インバータターボ冷凍機におけるターボ圧縮機の機器特性に基づいて導出された演算式であり、また、運転基準点として設定された所定の冷却水入口温度における所定の負荷率に対する現在の冷却水入口温度における現在の負荷率を相対値で表わした相対負荷率Ｑｆ_ｒを算定するための演算式である。
また、（６）式におけるＨ_ａｄは、熱力学の特性から以下の（７）式で与えられる。

H_ad=(-2.7254＊10^-4T_LO ²-9.0244＊10^-3T_LO+47.941)＊{log₁₀P_c-log₁₀P_e}＊1000/9.8067 （７）

上記（７）式において、Ｐ_ｃは凝縮器の飽和圧力[MPa]、Ｐ_ｅは蒸発器の飽和圧力[MPa]、Ｔ_ｃは凝縮器の飽和温度[℃]、Ｔ_ｅは蒸発器の飽和温度[℃]である。

また、第３演算式である（２）式におけるＴ_Ｌ０は冷水出口温度[℃]、Ｔ_ＨＯは冷却水出口温度[℃]であり、それぞれデータ取得部１０１によって取得された運転データが代入される。

上述のように、記憶部１０２には、計画ＣＯＰを演算するために主として機能する第１演算式、第２演算式、第３演算式の他、これらの演算式で用いられる各種パラメータを演算するための付随的な演算式も格納されている。

演算部１０３は、データ取得部１０１によって入力データが取得されると、記憶部１０２から各種演算式を読み出し、これら演算式を用いて現在の運転点における計画ＣＯＰを算出する。具体的には、演算部１０３は、第１演算式を用いて現在の運転点における相対負荷率Ｑｆ_ｒを求め、この相対負荷率Ｑｆ_ｒを第２演算式に代入することで補正係数Ｃｆを得る。そして、この補正係数Ｃｆを第３演算式に代入することで、計画ＣＯＰを得る。
また、詳細な説明は省略するが、制御盤７４では、上記計画ＣＯＰの演算と並行して、出力熱量、現在の運転点における実測ＣＯＰ（出力熱量[ｋＷ]を消費電力[ｋＷ]で除算した値）等が演算されている。

制御盤７４において演算された計画ＣＯＰ、実測ＣＯＰ、出力熱量等や計測された消費電力等は、通信媒体を介して図示しない監視装置へ送信され、監視装置が備えるモニタに表示されるようになっている。これにより、ユーザは監視装置のモニタに表示されたこれらの性能値を確認することにより、計画ＣＯＰに対する実測ＣＯＰを把握することができ、より効率的な運転を実施することが可能となる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係るインバータターボ冷凍機の性能評価装置によれば、実機理想ＣＯＰを逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式で表現するので、実機理想ＣＯＰの特性を簡易な演算式で表現することが可能となる。更に、この逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式に、相対負荷率Ｑｆ_ｒをパラメータとして採用した補正項を付加するので、冷却水入口温度及び負荷率に依存する実機ＣＯＰの特性を上記逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ算定式に十分に取り入れることができ、各運転点における計画ＣＯＰを十分な精度で求めることが可能となる。
そして、計画ＣＯＰを演算するための演算式を非常に簡易な演算式で表現できたことにより、計画ＣＯＰの逐次演算や処理能力がそれほど高くない制御盤においての計画ＣＯＰの逐次演算を実現させることができる。
このように、本実施形態に係るインバータターボ冷凍機の性能評価装置によれば、リアルタイムで、かつ、十分な精度で、計画ＣＯＰを算出することができるという格別な効果が得られる。

なお、上記実施形態において、監視装置のモニタへの表示態様は特に限定されない。例えば、計画ＣＯＰと実測ＣＯＰとをそのまま表示させてもよいし、実測ＣＯＰを計画ＣＯＰで除算した値を表示することとしてもよい。また、上記演算式を用いて図７に示すような各冷却水入口温度における負荷率と計画ＣＯＰとの特性を描いたグラフ上に、現在の運転点における実測ＣＯＰをプロットして表示することとしてもよい。

なお、インバータターボ冷凍機を、上記実施形態で作成したＣｆの算出式を作成するために用いたインバータターボ冷凍機とは異なる設計点、例えば、異なる冷水温度や冷却水温度の設計点で運転させる場合には、インバータターボ冷凍機における圧力変数や流量変数が異なることとなる。

例えば、冷水出口温度７℃、冷却水入口温度３２℃を定格仕様点の設計点として上記Ｃｆ算出式を作成した場合に、冷水出口温度５℃、冷却水入口温度３２℃の定格仕様点の設計点で運転させるインバータターボ冷凍機に上記演算式をそのまま適用して計画ＣＯＰを演算しようとすると、定格仕様点の設計点の違いにより誤差が生じてしまう。
そこで、この定格仕様点の設計点の違いによる誤差を上記Ｃｆ演算式（より具体的にはＣｆ演算式で用いられる相対負荷率Ｑｆ_ｒの算出式）に反映させるために、オフセット項を上述の（４）式で与えられる相対負荷率の演算式に加えることとしてもよい。

以下、オフセット項について説明する。
図１１に示すように、横軸に流量変数、縦軸に圧力変数をとり、インバータターボ冷凍機に用いられているターボ圧縮機の断熱効率の分布を表わしたマップから各圧力変数において最も断熱効率が高くなる点を結ぶことで、以下の（８）式で示されるような流量変数と圧力変数の特性式を得る。なお、ここで、流量変数はターボ圧縮機の風量に比例し、圧力変数はヘッドに比例する。

ＯＭ_ｔ＝ａ＊ＴＨ＋ｂ （８）

上記（８）式において、ＯＭ_ｔは圧力変数[−]、ＴＨは流量変数[−]、ａ，ｂは定数である。続いて、（８）式から実際の運用時における定格仕様点の設計点と同一圧力変数でかつ最高効率線上にある流量変数ＴＨ_ｒｐを取得する。ここで、圧力変数は以下の（９）式で表わされることから、（９）式より算出されたＯＭ_ｔを（８）式に採用する。

ＯＭ_ｔ＝ｇ＊Ｈ_ａｄ／Ａ^２ （９）

続いて、流量変数は以下の（１０）式でも表されることから、ＣＯＰ演算式を導出した時の定格仕様点の設計点における流量変数ＴＨ_ｒｐｓを（１０）式から取得する。

ＴＨ_ｒｐｓ＝｛（Ｑ_ｒｐ／ｑｌ）＊ｖ｝（Ａ＊Ｄ^２） （１０）

上記（９）、（１０）式において、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］、Ｈ_ａｄは圧縮機断熱ヘッド［ｍ］、Ａは音速［ｍ／ｓ］、Ｑ_ｒｐは定格冷凍能力［ｋＷ］、ｑｌは蒸発潜熱［ｋＪ／ｋｇ］、ｖは比体積[ｍ³/ｋｇ]、Ｄは羽根車外径[ｍ]である。

そして、流量変数ＴＨ_ｒｐを流量変数ＴＨ_ｒｐｓで除算したオフセット項を、上記（４）式に付加する。これにより、オフセット項を備える相対負荷率演算式は、以下の（１１）式で表わされる。

Ｑｆ_ｒ＝Ｑｆ／Ｑ_ｒ＊（ＴＨ_ｒｐ／ＴＨ_ｒｐｓ） （１１）

このように、相対負荷率演算式にオフセット項を付加することにより、設計点に起因する誤差を解消することができ、制御盤に搭載させるＣＯＰ演算式に、より高い汎用性を持たせることができる。

また、上記実施形態では、計画ＣＯＰを算出するために、第３演算式において、本来であれば凝縮温度や蒸発温度を採用しなければならないところ、これらに代えて冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、冷水出口温度Ｔ_Ｌ０を採用している。このため、熱交換時に熱損失が発生し、その誤差が含まれることとなる。そこで、このような熱交換時の損失に起因する誤差を解消するために、以下の（１２）式に示すように、蒸発器や凝縮器の機器特性（例えば、サイズや製造元によって異なる）によって決定される損失相当温度差Ｔｄを上記第３演算式に加えることとしてもよい。熱交換時の損失を補償することができる。

ＣＯＰ_ct＝{（Ｔ_Ｌ０＋２７３．１５）／（Ｔ_ＨＯ−Ｔ_ＬＯ＋Ｔｄ）}／Ｃｆ （１２）

上記Ｔｄの値は、例えば、インバータターボ冷凍機の出荷時において、製造元側で初期値として登録し、記憶部１０２に記憶させればよい。

また、上記実施形態では、計画ＣＯＰを簡易に算出するために、第３演算式において、本来であれば実機理想ＣＯＰを採用しなければならないところ、これに代えて逆カルノーサイクルから算定されるＣＯＰを採用している。上記のように実機理想ＣＯＰは逆カルノーサイクルサイクルから算出されたＣＯＰに対して再現性が９０％以上であるが、微量な誤差を解消するために、第３演算式で算出された計画ＣＯＰに対して、計画ＣＯＰの定格点を実際に運用されている冷凍機の定格点のＣＯＰで除算した値を逐次計算される計画ＣＯＰに反映することとしてもよい。これにより、更に精度よく計画ＣＯＰの算出をすることが可能となる。

７４ 制御盤
１０１ データ取得部
１０２ 記憶部
１０３ 演算部

Claims (6)

1. インバータターボ冷凍機の運転データを入力データとして取得するデータ取得手段と、
   冷凍機の機器特性に基づいて導出され、基準運転点として設定された所定の冷却水入口温度における所定の負荷率に対する現在の冷却水入口温度における現在の負荷率を相対的に表わした相対負荷率を算定するための第１演算式、前記相対負荷率と補正係数との関係を表した第２演算式、及び逆カルノーサイクルから導出されたＣＯＰ算定式を前記補正係数で補正することで計画ＣＯＰを算出する第３演算式を記憶する記憶手段と、
   前記記憶部に記憶された前記第１演算式、前記第２演算式、及び前記第３演算式に対して前記データ取得手段によって取得された前記運転データを用いることにより、現在の運転点における計画ＣＯＰを算出する演算手段と
   を具備し、
   前記第２演算式で求められる補正係数は、前記第３演算式が有するＣＯＰ算定式によって算定される理想環境下における実機理想ＣＯＰの特性を実機ＣＯＰの特性に近付けるための補正係数であるインバータターボ冷凍機の性能評価装置。
2. 前記第１演算式は、圧縮機断熱ヘッドの値によって決定される相対設計風量係数から前記相対負荷率を導出する演算式である請求項１に記載のインバータターボ冷凍機の性能評価装置。
3. 前記第３演算式は、インバータターボ冷凍機における熱交換時に発生する熱損失を補償するための項を更に有している請求項１または請求項２に記載のインバータターボ冷凍機の性能評価装置。
4. 前記第１演算式、前記第２演算式、及び前記第３演算式が前提としている定格仕様点の設計点とは異なる定格仕様点の設計点でインバータターボ冷凍機が運用される場合に、この設計点に対する誤差を補償するためのオフセット項が前記第１演算式に付加されている請求項１から請求項３のいずれかに記載のインバータターボ冷凍機の性能評価装置。
5. 前記演算手段によって算出された前記計画ＣＯＰを現在の実測ＣＯＰとともに表示する表示手段を備える請求項１から請求項４のいずれかに記載のインバータターボ冷凍機の性能評価装置。
6. 請求項１から請求項４のインバータターボ冷凍機の性能評価装置を制御盤に搭載したインバータターボ冷凍機。

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