JP2011247433A - 冷水製造設備および冷水製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費エネルギーの低減化を図った冷却水製造設備および冷却水製造方法を提供する。
【解決手段】冷却水と内臓された熱交換器内の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔の冷却水の冷熱を受ける冷凍機と、前記冷却塔の冷却水を前記冷凍機の冷却水系統に循環させるとともに、冷凍機の冷水を負荷側の冷水系統に循環させる冷凍機運転ラインと、前記冷却塔で冷却水を循環させるとともに、前記熱交換器の冷水を負荷側の冷水系統に循環させるフリークーリング運転ラインと、前記冷却水系統に配置され冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記両運転ラインを切替える運転ライン切替弁と、外気および設備の運転状態を計測するセンサと、前記センサの計測値に基づいて前記切替弁を制御するとともに、切替られた運転ラインに応じた流量で前記冷却水ポンプを運転する制御部を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は冷水製造設備および冷水製造方法に関し、半導体製造のクリーンルームなど一年を通じて冷熱源が必要な工場の熱源製造に関する。

クリーンルームでは1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、近年では特許文献１に示されるようにフリークーリングが実施されている。

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、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、冬期に冷凍機を稼動しないで冷却が行えるので、大きな省エネ効果が実現できる。

また、特許文献２には、冷凍機運転時に開放式冷却塔として機能する一方で、フリークーリング運転時に密封式冷却塔として使用することにより、空調負荷部に汚れた冷却水が流れ込まないようにしたシステムが示されている。

特開２００４−１３２６５１号公報 特開２０１０−８５０１０号公報

しかしながら、冷却塔でのエネルギー消費量に無駄が生じている。すなわち、1台の冷却塔を共用する場合、夏期の冷凍機運転と冬期のフリークーリング運転では、冷却塔で循環させる必要な冷却水の量（すなわち冷熱量）が異なるため、どちらか水量の多い方に一方の運転に合わせて冷却塔を稼動することになり、他方の運転では無駄なエネルギー消費となる。実際、夏期では外気への放熱量が小さいので、冷却水の水量が多く必要とし、冬期もこの水量で稼動している。

本発明は上記のような従来の事情に鑑み、消費エネルギーの低減化を図った冷却水製造設備および冷却水製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、冷却水を冷却するとともに、内臓された熱交換器内の冷水を冷却する冷却塔と、前記冷却塔の冷却水の冷熱を受けて冷水を冷却する冷凍機と、前記冷却塔の冷却水を前記冷凍機の冷却水系統に循環させるとともに、冷凍機の冷水を負荷側の冷水系統に循環させる冷凍機運転ラインと、前記冷却塔で冷却水を循環させるとともに、前記熱交換器の冷水を負荷側の冷水系統に循環させるフリークーリング運転ラインと、前記冷却水系統に配置され冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記両運転ラインを切替える運転ライン切替弁と、外気および設備の運転状態を計測するセンサと、前記センサの計測値に基づいて前記切替弁を制御するとともに、切替られた運転ラインに応じた流量で前記冷却水ポンプを運転する制御部を備えたことを特徴とする。なお、本発明における負荷側とは冷熱を消費する部分であり、例えばクリーンルームに設置される外調機内の熱交換器などである。

本発明によれば、熱交換器を内臓した１台の冷却塔での冷水と冷却水製造時の冷却水流量を変化させることができ、消費エネルギーの低減を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記切替弁は、前記冷却塔に接続される冷却水系を前記冷凍機と冷却塔に切替える冷却水切替弁と、負荷側の冷水系を前記冷凍機と前記冷却塔の熱交換器に切替える冷水切替弁からなることを特徴とする。

本発明によれば、冷水と冷却水の製造が切替可能な冷却塔を用いて、冷凍機による冷水製造と冷却塔による冷水製造を切替可能な機器、配管構成とし、切替を可能とした。

請求項３に記載の発明は、前記冷却水ポンプは流量の異なる複数のポンプで構成され、前記制御部により各運転ラインに応じてポンプを切替えて運転することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、前記センサは外気の湿球温度または乾球温度、冷水の往還温度および冷水流量が計測され、前記制御部は冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、算出された冷却負荷と外気の湿球温度とから前記冷却塔での冷水製造能力を判定して、前記両運転ラインを切替えることを特徴とする。

請求項３と請求項４の発明によれば、冷却水系統のポンプの系統を分けて、冷却塔と冷凍機の冷却水流量が大きく異なる場合でも、ポンプのエネルギーの無駄を防止することができる。散水量が定格より小さくなる場合は散水用の冷却水ポンプの消費エネルギーの削減が可能となる。

請求項５に記載の発明は、前記冷却塔は冷水を冷却する熱交換器内を内臓する冷却塔１と内臓しない冷却塔２からなり、両冷却塔を前記冷却水系統または前記冷水系統に並列と個別に接続する接続切替弁を備え、前記制御部は前記センサの計測値に基づいて前記両冷却塔の並列運転と個別運転を切替えて運転することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、前記センサは外気の湿球温度または乾球温度、冷水往還温度および冷水流量が計測され、前記制御部は冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、外気の湿球温度または乾球温度と冷水の冷却負荷及び冷水温度に基づいて、前記冷却塔１による冷水製造能力を判定して、冷却塔１、２の並列接続による冷凍機運転、冷却塔２による冷凍機運転、冷凍機と冷却塔１による冷水製造運転、冷却塔１、２の並列接続による冷水製造運転、冷却塔１による冷水製造運転を切替ることを特徴とする。

請求項５と請求項６の発明によれば、冷凍機の冷水製造と冷却塔による冷水製造とを同時に行い、冷却塔の散水系統を別にすることで冷却塔２の散水温度を外気湿球温度に近づけることができ、冷水製造温度を低くできる。冷却水の温度を個別にすることで、冷却塔の冷水製造期間すなわちフリークーリング期間を延長可能とした。

請求項７に記載の発明は、前記制御部は外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷、冷水製造温度に対する設備全体のエネルギー消費量を算出するシミュレータを用いて、エネルギー消費量を目的関数として、弁切替状態、機器の運転・停止状態、インバータ周波数、冷却塔の冷却水温度を最適化関数とした最適化演算を行い、外気の湿球温度または乾球温度の計測値と冷却負荷の算出値と冷水製造温度の設定値に対する最適化演算結果を指令値として、設備の運転状態を切替えることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、前記冷却水ポンプ、前記冷水系統に配置された冷水ポンプ、冷却塔のファン用電動機の１つまたは全てにインバータを有し、最適化関数に冷却水ポンプと冷水ポンプのインバータ周波数を追加したことを特徴とする。

請求項７と請求項８の発明によれば、冷凍機運転時の冷水・冷却水の流量・温度を最適化し、エネルギー消費量を小さく運転することを可能とした。また、冷却塔による冷水製造のエネルギー効率が悪い条件で運転を停止でき、エネルギーの無駄を防げる。

請求項９に記載の発明は、前記制御部は外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷、冷水製造温度の変化に対する運転状態とインバータ周波数の最適化演算結果からなるテーブルデータを記憶し、外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷の計測値、冷水製造温度設定値に対する指令値をテーブルデータから検索して、設備の運転状態、インバータ周波数を指令することを特徴とする。

請求項９の発明によれば、テーブルデータを用いることで最適化演算に必要な制御部内の制御部の能力を小さくすることを可能とした。

請求項１０に記載の発明は、前記冷却塔または冷凍機の冷水出口温度設定を可変とし、年月日のスケジュールにより出口設定温度を変化させることを特徴とする。本発明によれば、負荷の季節変動と冷却水に必要な冷水温度に対応して、冷水製造温度を変更することで、冷却塔による冷水製造温度を上げた場合に冷水製造期間、すなわちフリークーリング期間を延長することを可能とすると共に、冷凍機の成績係数を向上することができる。

請求項１１に記載の発明は、冷却水と内臓された熱交換器内の冷水を冷却する冷却塔とこの冷却塔から冷却水が供給される冷凍機とを備え、前記冷凍機の冷水と前記冷却塔の熱交換器の冷水とを切替えて負荷側の冷水系統に供給する冷水製造方法であって、冷却塔から冷凍機に供給される冷却水の水量を前記で切替えられた冷水供給時に合わせて設定されることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、冷却塔から冷凍機に供給される冷却水の水量は、前記冷凍機の冷水供給時とより前記冷却塔の熱交換器の冷水供給時に小さく設定されることを特徴とする。

請求項１１と請求項１２の発明によれば、熱交換器を内臓した冷却塔での冷水と冷却水製造時の冷却水流量を変化させることができ、消費エネルギーの低減を図ることができる。

本発明によれば、冷却塔での冷水と冷却水製造時の冷却水流量を変化させることができ、消費エネルギーの低減を図ることができる。また、冷水製造設備全体の消費エネルギーも低減を図ることができる。

本発明の実施例１の冷水製造設備の構成図。 同じく冷水製造設備の運転切替状態の説明図。 本発明の実施例２冷水製造設備の構成図。 同じく冷水製造設備の運転切替状態の説明図。 本発明の実施例３の冷水製造設備の構成図。 本発明の実施例４の冷水製造設備の構成図。 同じく冷水製造設備の運転切替状態の説明図。 同じく冷水製造設備の運転切替状態の説明図。 本発明の実施例５の冷水製造設備の構成図。 同じく処理フローの説明図。 同じく制御部の処理フローの説明図。 同じくテーブルデータの説明図。 本発明の実施例６の冷水製造設備の構成図。 インバータ周波数のテーブルデータのコーディング例の説明図。 図３のテーブルデータのコーディング例の説明図。 図３のテーブルデータのコーディング例の説明図。 図８のテーブルデータのコーディング例の説明図。 図８の冷却水ポンプのインバータ周波数のテーブルデータのコーディング例の説明図。 請求項９のテーブルデータのコーディング例の説明図。

図１に実施例１に関する冷水製造設備を示す。１０は、冷凍機２０、冷水ポンプ３０、冷却塔４０、冷却水ポンプ５０、冷水切替弁Ｖ１、Ｖ２、冷却水切替弁Ｖ１１、制御部６０からなる冷水製造設備である。同設備は更に、冷水往温度センサＴ２、冷水還温度センサＴ３、冷水流量センサ３１、外気湿球温度センサＴｗ、冷却水出口温度センサＴ１を有し、冷却水ポンプ５０、冷水ポンプ３０、冷却塔ファン４３はインバータによる回転数制御を可能としている。

冷却塔４０は、内部を冷水が流れる熱交換器４１と、冷却水を散水する散水部４２と、冷却ファン４３、ファンの駆動インバータ４４を備えている。冷却水ポンプ５０は冷却水系統７０の配管ａに配置され駆動インバータ５１を備え、冷水ポンプ３０は流量センサ３１とともに冷水系統７１の配管ｄに配置される。冷水系統７１の配管ｅ、ｄにはそれぞれ冷水の冷水往温度センサＴ２と冷水還温度センサＴ３が設けられている。

冷凍機２０は圧縮器２１と蒸発器２２を有し、圧縮器２１には冷却水系統７１の配管ｂ、ｃが接続され、蒸発器２２には冷水系統７１の配管ｄ、ｅが接続される。冷却塔４０に内蔵される熱交換器４１は、配管ｇ、ｆを介して冷水系統７１の配管ｄ、ｅに接続され、配管ｆには切替弁Ｖ１が設けられている。配管ｄ、ｅは負荷側へ接続される。

上記構成において、冷凍機運転（夏期）とフリークーリング運転（冬期）について図２に基いて説明する。

図２（ａ）は冷凍機２０を用いて冷水を製造する冷凍機運転を示す。冷水系統は、弁Ｖ１閉、Ｖ２を開として冷水ポンプ３０を運転し冷凍機２０に冷水を通水する。冷却水系統は弁Ｖ１１を閉として冷却水ポンプ５０を運転し、冷凍機２０の開放系の冷却水を通水し、冷凍機２０を運転して冷水を製造する。前記弁の状態により、冷却塔４０と冷凍機２０は配管ａ、ｂ、ｃで接続されて、冷却塔４０の冷却水が冷凍機２０に循環されるとともに、冷凍機２０の蒸発器２２側から冷水が配管ｄ、ｅを経由して負荷側に循環されるように、冷凍機運転ラインが構成される。

図２（ｂ）は冷却塔４０を用いて冷水を製造するフリークーリング運転を示す。冷水系統は、弁Ｖ１開、Ｖ２を閉として冷水ポンプ３０を運転し冷却塔４０の熱交換器４１に冷水を通水する。冷却水系統は弁Ｖ１１を開として冷却水ポンプ５０を運転し、冷却塔４０に冷却水を通水する。冷却塔４０では、冷却水を散水して冷水を冷却する。前記弁の状態により、冷却塔４０単体で配管ａを介して冷却水を循環させるともに、熱交換器４１内の冷水を配管ｇ、ｆを経由して負荷側に循環させるように、フリークーリング運転ラインが構成される。

上記各ラインは制御部６０の指令により冷水切替弁Ｖ１、Ｖ２、冷却水切替弁Ｖ１１によって、一方に切替えられる。

制御部６０は外気の湿球温度センサＴｗおよび前記各センサの計測値を取込み、冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、算出された冷却負荷と外気の湿球温度とから前記冷却塔での冷水製造能力を判定して、前記各運転ラインを切替える切替指令を行なう。制御部６０は、各運転ライン（運転状態）の切替指令の他に、冷却塔４０による冷水製造時の冷水温度制御、冷却水出口温度制御、冷却水ポンプ５０と冷水ポンプ３０のインバータ周波数指令を行う。

運転状態の切替指令は、外気状態（湿球温度）、冷水負荷、および冷却水入口温度の計測値から、冷却塔４０の冷水出口温度を演算し、冷水出口温度が設定値よりも下回る場合に冷却塔冷水製造状態（フリークーリング運転）に切替を行う。冷却塔４０の冷水出口温度が設定値よりも高い場合には、冷凍機運転状態に切替える。冷却塔の冷水出口温度は一般的な冷却塔の性能予測式を用いて、温度を予測する。

冷却塔４０による冷水製造時の冷水温度制御は、冷水往温度が冷水製造温度設定値になるように、冷却塔のファン４３のインバータ周波数を変化させる。また、冷却水出口温度制御は冷凍機運転の状態のときに、あらかじめ設定した冷却水出口温度設定値になるように、冷却塔ファン４３のインバータ周波数を変化させる。温度が設定値より高いときは周波数を増加させ、低いときは周波数を減少させる。

冷却水ポンプ５０のインバータ周波数は、冷却塔冷水製造時（フリークーリング運転）は、冷却水流量が冷凍機２０の所定の冷却水流量と異なる場合には、冷却水ポンプ５０のインバータ周波数をあらかじめ散水時の流量に設定しておおき、周波数を切替える。この場合、冷凍機２０の所定の冷却水流量より少なく設定し、省エネルギーを図る。

冷水流量の冷水ポンプ３０のインバータ周波数は、所定の流量となるように制御部６０から指令する。所定の流量は、一定流量または往還温度差を一定とするように制御してもよい。冷凍機運転時の冷水出口温度は、冷凍機に内臓の温度制御で行う。また、冷水製造温度制御の設定値は制御部６０から出力してもよい。

冷凍機２０で冷水製造を行う冷凍機運転時は、冷凍機２０の冷却水流量の定格値から、冷却塔による冷水製造のフリークーリング運転時の散水流量以下までの流量範囲で、冷却塔４０内に均等に散水可能な散水部４２を有する。たとえば、上部に散水槽を持つ場合には、流量が大きい方の流量（冷凍機２０の冷却水流量の定格値）を最大流量とすれば、散水流量時の冷却水の減少を抑えることができ、冷凍機の冷却水製造時の流量を１００％とすると、冷却塔による冷水製造時のフリークーリング運転には４０％程度の流量で良い。

図３に実施例２の冷水製造設備を示す。実施例１と異なる点は、冷却塔４０の冷却水出口側の切替バルブをなくし、冷却水ポンプ５１とその配管ｈを追加した設備である。

図４により冷水製造設備の運転切替を説明する。運転切替において、冷水系統７１の切替は図２に示す実施例１と同様である。冷却水系統７０の切替は、冷凍機運転時には、冷却水ポンプ５０を運転して冷却水ポンプ５１を停止し、冷却塔冷水製造のフリークーリング運転時には、冷却水ポンプ５０を停止して冷却水ポンプ５１を運転する。

図５に図３に示す構成に制御系を追加した実施例３の冷水製造設備を示す。制御部６０は各センサからの測定値を受けて、運転状態の切替指令、冷却塔４０による冷水製造のフリークーリング運転時の冷水温度制御、冷却水出口温度制御、冷却水ポンプ５０と冷却水ポンプ５１、冷水ポンプ３０のインバータ周波数指令を行う。冷凍機運転と冷却塔冷水製造運転状態の判定は、実施例１の説明と同様である。

冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１のインバータ周波数は、冷却塔冷水製造のフリークーリング時は、冷却水流量が冷凍機の所定の冷却水流量と異なる（例えば冷凍機に対して５０％で済む）場合には、冷却水ポンプ５１のインバータ周波数をあらかじめ散水時の少ない流量（上記冷凍機に対して５０％）に対応する値に設定しておおき、この周波数に切替える。このインバータ周波数は、冷凍機の所定の流量になる周波数を制御部に記憶させ、この値に割合をかけて求めた値を設定する。

図６に実施例４に関する冷水製造設備を示す。本実施例は実施例２の冷水製造設備の冷却塔４０（冷却塔１）に加えて開放式冷却塔４５（冷却塔２）、接続切替弁Ｖ３、Ｖ４、Ｖ５および冷却塔４５を冷却水系統７０に並列接続する配管ｊ、ｋを追加したものである。

図７、図８に実施例４に関する冷水製造設備の運転切替状態を示す。運転状態は図７（ａ）の冷却水系統７０に冷却塔１、２を並列接続して冷凍機運転による冷水製造の状態、図７（ｂ）の冷却水系統７０と冷水系統７１にそれぞれ冷却塔１、２を個別に接続して、冷凍機２０と冷却塔１の直列運転による冷水製造の状態、図８（ａ）の冷却塔１、２による冷水製造１の状態、図８（ｂ）の冷却塔１にみによる冷水製造の状態に切替可能である。本実施例によれば、冷凍機の冷水製造と冷却塔による冷水製造とを同時に行い、冷却水の温度を個別にすることで、冷却塔の冷水製造期間すなわちフリークーリング期間を延長可能とした。

図９に図６に示す構成に制御系を追加した実施例５の冷水製造設備を示す。各センサは外気の湿球温度または乾球温度、冷水往還温度および冷水流量が計測され、制御部６０は冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、外気の湿球温度または乾球温度と冷水の冷却負荷及び冷水温度に基づいて、前記冷却塔１による冷水製造能力を判定して、冷却塔１、２の並列接続による冷凍機運転、冷却塔２による冷凍機運転、冷凍機と冷却塔１による冷水製造運転、冷却塔１、２の並列接続による冷水製造運転、冷却塔１による冷水製造運転に切替る。この運転切替の状態は図７、図８で説明した。
制御部６０は上記運転状態の切替指令と共に、冷却塔による冷水製造時の冷水温度制御、冷却水出口温度制御、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１、冷水ポンプのインバータ周波数指令を行う。冷却水ポンプ５１のインバータ周波数は、運転状態ａからｄ（後述）に対応した周波数に変更可能である。

図６の設備は図９の冷水、冷却水ポンプ、冷却塔のインバータがなく一定速で運転する場合である。制御部は各機器に運転・停止と設定値の変更を行い、運転状態の切替指令、冷却水出口温度制御を行う。また、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１、冷水ポンプ３０は定速ポンプでもよく、バルブで流量調整を行えばよい。

図９では、制御部６０は、熱源設備を構成する機器仕様から運転状況に対するエネルギー消費量の総和を予測可能なシミュレータ６１を有し、エネルギー消費量を目的関数として、冷水出口温度設定値を満足する条件で、外気湿球温度、冷水往還温度・流量を入力値として、目的関数を最小化するように、冷凍機運転状態や冷却塔冷水製造状態、冷却水出口温度設定値の最適化演算機能を有する。制御部６０は、外気湿球温度、冷水往還温度・流量の計測値と冷水出口温度設定値をもとに、最適化演算を複数回行い各機器に指令値を出力する。

図９では、冷水ポンプ、冷却水ポンプにインバータを設置した設備の制御であり、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１のインバータ周波数は、図１２の運転状態ａからｄの範囲に対応した周波数範囲に変更可能である。制御部６０は運転状態の切替指令、冷却水出口温度制御、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１、冷水ポンプ３０のインバータ周波数指令を行う。

図１０に制御部６０の処理フローを示す。制御部６０は上述したように、熱源設備を構成する機器仕様から運転状況に対するエネルギー消費量の総和を予測可能なシミュレータ６１を有し、エネルギー消費量を目的関数として、冷水出口温度設定値を満足する条件で、外気湿球温度、冷水往還温度・冷水流量を入力値（Ｓ１００）として、エネルギー消費量の目的関数を最小化するように、出力値（Ｓ１０２）として冷凍機運転状態や冷却塔冷水製造状態、冷却水出口温度設定値、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１、冷水ポンプ３０の流量（インバータ周波数）を最適化（Ｓ１０１）する最適化演算機能を有する。

ここで、エネルギー消費量とは、冷凍機、冷却水ポンプ、冷却塔、冷水ポンプのエネルギーの合計値である。また、入力値は平均化等の処理を行って入力し、最適化指令値の出力時には出力値の変化量に範囲を設定して、徐々に変化させて、運転状態を安定させる。
冷水負荷の冷却を満足できる範囲で、冷水温度を出力しても良い。尚、インバータ周波数は固定値とした最適化演算を行うことも可能である。

図１１に制御部６０の処理フローを示す。本処理フローでは、外気湿球温度を乾球温度と相対湿度から演算する場合を示す。あらかじめ想定される冷却負荷と外気湿球温度条件における冷凍機運転状態や冷却塔冷水製造状態、冷却水出口温度設定値、冷却水ポンプ５０、冷却水ポンプ５１、冷水ポンプ３０の流量（インバータ周波数）の最適化演算結果（以下、最適化指令値と略す）を予めテーブルデータとして制御部６０内に記憶させる。

制御部６０は、外気乾球温度・相対湿度、冷水往還温度・流量の計測値を入力値（Ｓ２００）として、冷却負荷と外気湿球温度を演算する（Ｓ２０１）。次に、テーブルデータを検索して（Ｓ２０２）から冷却負荷と外気湿球温度（入力データ）に対応した最適化指令値を各機器に出力する（２０３）。

図１２にテーブルデータの例を示す。本テーブルデータは、外気湿球温度と冷却負荷に対応した運転状態を示し、制御部６０は本テーブルデータから最適化指令値を検索して、出力する。テーブルデータの運転状態とは、冷却負荷と外気湿球温度に対応した冷却水ポンプのインバータ周波数、冷水ポンプのインバータ周波数、冷却水出口温度設定値などであり、予め作成して制御部６０に記憶されている。例えば湿球温度が低い冬では、冷却負荷が小さい場合は運転状態ｄとなり、冷却負荷が大きい場合は運転状態ｂまたはａとなる。冷却負荷の大小と湿球温度の高低で各状態ａ〜ｄが決められる。

また、季節毎の冷水製造温度設定値を制御部に記憶させて、冷凍機の出口温度設定値と冷却塔冷水製造温度設定値を指令するようにしても良い。冷水出口温度設定値は、たとえば４月〜１０月を７℃、１月〜３月と１１月〜１２月を１２℃として出力する。上記の冷水出口温度設定値毎に最適化指令値のテーブルデータを予め演算して記憶させ、冷水出口温度設定値に対応させて、外気湿球温度、冷水往還温度・流量の計測値をもとに、最適化指令値を検索して出力する。

図１３に本発明の実施例６を示す。図６の熱源設備において冷凍機を２台とした構成である。制御部６０は、外気状態と冷水の往還温度差・流量から演算した冷却負荷をもとに、運転状態、冷水ポンプと冷却水ポンプのインバータ周波数、冷却水温度の指令値を最適化指令値のテーブルデータから検索して、各機器に出力する。

例えば、冷水の負荷の計測値に対して、冷却塔の冷水製造能力と冷凍機の冷却能力から、冷凍機１台で運転可能な場合に冷凍機１（２０）、冷却水ポンプ（５０）を停止し、運転状態ａからｂの切替を行い、冷却塔２（４５）で冷凍機２（２１）を冷却し、冷却塔１（４０）で冷水製造を行う。冷水の負荷が冷却塔の冷水製造能力より小さくなる場合には、冷凍機２（２１）、冷却水ポンプ５２、冷水ポンプ３１を停止して、運転状態ｃから運転状態ｄの運転状態に切替える。各状態の冷水・冷却水ポンプのインバータ周波数、冷却水温度はテーブルデータから検索しえて最適指令値を出力する。

データのコーディング例としてインバータ周波数を図１４に示す。図１４では冷却負荷率と外気湿球温度を縦横に設定され、交差部分に周波数がコーディングされている。例えば、外気湿球温度が高く冷却負荷率が大きいときの交差部分には高い周波数が設定され、外気湿球温度が低く、冷却負荷率が小さいときの交差部分には低い周波数が設定されている。上記のようにテーブルデータを用いた例では、シミュレータにより最適化演算を行なう場合に比べ、制御部内の演算能力を小さくすることを可能とし、構成を簡単にできる。

図１５、図１６に、図３のシステムのテーブルデータのコーディング例を示す。テーブルデータは，外気湿球温度と冷却負荷に対する指令値のデータをテーブルにしたものである。演算器は外気湿球温度と冷却負荷の計測値に対応した出力値をテーブルデータから検索し、さらに，演算結果を出力する。

図１５（a)は冷凍機運転を状態a、冷却塔による冷水製造を状態bとしたテーブルデータである。演算器はテーブルデータの状態を下に，機器の運転停止とバルブの開閉を行い通水系統を変更する。図1５（b)は冷却塔の冷却水出口温度設定値であり，状態a、状態ｂの冷却水温度設定値を示す。冷却水温度の変化の例として，冷却水温度は，外気温度が高いほどたかく，冷却負荷が大きいほど高い。

図１６（ａ）は冷却水ポンプ５０のインバータ周波数のテーブルデータを示し，図１６（ｂ）は冷却水ポンプ５１のインバータ周波数を示す。冷却水ポンプ５０は，冷凍機運転時に運転され，周波数を設定変更する。冷凍機運転時には停止する。例えば停止時には，最低周波数を出力する。冷却水ポンプ５１は，冷却塔による冷水製造転時に運転され，周波数を設定変更する。冷水製造時には停止する。例えば停止時には，最低周波数を出力する。冷却水ポンプ５０、５１のインバータ周波数の変化の例を説明する。例えば，外気温度が高く，冷却負荷率が大きいほど周波数は高くなり，外気温度が低く，冷却負荷率が低いほど，周波数は低くなる。

図１７（a)は図８の運転状態の運転状態a〜dの状態を示す。制御部はテーブルデータの状態を下に，機器の運転停止とバルブの開閉を行い通水系統を変更する。図１７（ｂ)は冷却塔の冷却水出口温度設定値を示す。冷却水温度の変化の例として，冷却水温度は，外気温度が高いほどたかく，冷却負荷が大きいほど高い。

図1８（ａ）冷却水ポンプ１のインバータ周波数のテーブルデータを示し，図１８（ｂ）は冷却水ポンプ２のインバータ周波数を示す。冷却水ポンプ５０は，冷凍機運転時に運転され，周波数を設定変更する。冷凍機停止時に冷却水ポンプ１は停止する。冷却水ポンプ５１は，冷却塔運転時に運転される。冷却水ポンプ５０、５１インバータ周波数の変化の例を説明する。例えば，外気温度が高く，冷却負荷率が大きいほど周波数は高くなり，外気温度が低く，冷却負荷率が低いほど，周波数は低くなる。

図1９に請求項9の冷水製造温度設定値のテーブルデータのコーディング例を示す。テーブルデータは，外気湿球温度と冷却負荷に対する冷水製造温度設定値の指令値のデータをテーブルにしたものである。制御部は外気湿球温度と冷却負荷の計測値に対応した出力値をテーブルデータから検索する。さらに，演算結果を出力する。

テーブルは冷凍機運転と冷却塔による冷水製造時のそれぞれについて用意するが，その例を示す。設定値の例を示す。外気湿球温度，冷却負荷率が大きいほど低く，気湿球温度，冷却負荷率が大きいほど高い。データはシミュレーションを用いて算出したあたいである。負荷側の要求する冷水温度が一定の場合は，テーブル内のデータを一定として対応可能である。

以下、変形例について説明する。図１の冷凍機は、インバータターボ冷凍機、定速ターボ冷凍機、吸収冷凍機でもよい。図１の冷却塔ファンはインバータの周波数制御でなく、ファンの運転停止制御で出口温度を制御してもよい。冷水ポンプにインバータを用いても良い。図１の冷却水ポンプはインバータでなく、バルブの開度調整で冷凍機バイパス時の流量調整を行っても良い。図５の冷却水ポンプ５０、５１はインバータでなく、バルブの開度調整で流量調整を行っても良い。

図６の冷却塔４５は密閉式冷却塔でも、冷却塔４０の構成の冷却塔でもよい。図６の冷水系切替弁Ｖ３の系統をなくして、図１の冷水配管系と同様にして、図７（ａ）、（ｃ）、図８（ｂ）の切替としてもよい。図６において、冷却塔４０の並列接続、冷却塔４５の並列接続として、負荷と外気状態に対応して台数を切替てもよい。運転状態の切替は制御部で表示のみを行い、機器の運転停止、バルブの開閉を手動で行ってもよい。また、冷却水ポンプ周波数、冷水ポンプ周波数を手動で行ってもよい。各弁は自動弁でなく手動弁でもよい。

冷却水の出口温度制御は別のＰＩＤ制御として、制御部からの冷却水出口温度設定値を受けてファンを制御してもよい。図９の運転状態ｄの場合に、冷却塔４５の水槽温度を計測して、水槽が凍結する温度よい大きくなるように運転状態ｃに切替えて、冷却塔４０に通水しても良い。

１０…冷水製造設備、２０…冷凍機、３０…冷水ポンプ、４０、４５…冷却塔、４３…冷却塔ファン、５０〜５２…冷却水ポンプ、６０…制御部、６１…シミュレータ、７０…冷却水系統、７１…冷水系統、Ｔ１〜Ｔ３…温度センサ、Ｔｗ…湿球温度センサ、Ｖ１〜Ｖ５、Ｖ１１…運転ライン切替弁、Ｖ１〜Ｖ３…冷水切替弁、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ１１…冷却水切替弁。

Claims (12)

1. 冷却水と内臓された熱交換器内の冷水を冷却する冷却塔と、
   前記冷却塔の冷却水の冷熱を受けて冷水を冷却する冷凍機と、
   前記冷却塔の冷却水を前記冷凍機に循環させるとともに、冷凍機の冷水を負荷側の冷水系統に循環させる冷凍機運転ラインと、
   前記冷却塔で冷却水を循環させるとともに、前記熱交換器の冷水を負荷側の冷水系統に循環させるフリークーリング運転ラインと、
   前記冷却水系統に配置され冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
   前記両運転ラインを切替える運転ライン切替弁と、
   外気および設備の運転状態を計測するセンサと、
   前記センサの計測値に基づいて前記切替弁を制御するとともに、切替られた運転ラインに応じた流量で前記冷却水ポンプを運転する制御部を備えたことを特徴とする冷水製造設備。
2. 請求項１に記載の冷水製造設備において、
   前記切替弁は、前記冷却塔に接続される冷却水系を前記冷凍機と冷却塔に切替える冷却水切替弁と、負荷側の冷水系を前記冷凍機と前記冷却塔の熱交換器に切替える冷水切替弁からなることを特徴とする冷水製造設備。
3. 請求項１または２に記載の冷水製造設備において、
   前記冷却水ポンプは流量の異なる複数のポンプで構成され、前記制御部により各運転ラインに応じてポンプを切替えて運転することを特徴とする冷水製造設備。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷水製造設備において、
   前記センサは外気の湿球温度または乾球温度、冷水の往還温度および冷水流量が計測され、前記制御部は冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、算出された冷却負荷と外気の湿球温度とから前記冷却塔での冷水製造能力を判定して、前記両運転ラインを切替えることを特徴とする冷水製造設備。
5. 請求項１または２に記載の冷水製造設備において、
   前記冷却塔は冷水を冷却する熱交換器内を内臓する冷却塔１と内臓しない冷却塔２からなり、両冷却塔を前記冷却水系統または前記冷水系統に並列と個別に接続する接続切替弁を備え、前記制御部は前記センサの計測値に基づいて前記両冷却塔の並列運転と個別運転を切替えて運転することを特徴とする冷水製造設備。
6. 請求項５に記載の冷水製造設備において、
   前記センサは外気の湿球温度または乾球温度、冷水往還温度および冷水流量が計測され、前記制御部は冷水の往還温度および冷水流量に基づいて冷水の冷却負荷を算出すると共に、外気の湿球温度または乾球温度と冷水の冷却負荷及び冷水温度に基づいて、前記冷却塔１による冷水製造能力を判定して、冷却塔１、２の並列接続による冷凍機運転、冷却塔２による冷凍機運転、冷凍機と冷却塔１による冷水製造運転、冷却塔１、２の並列接続による冷水製造運転、冷却塔１による冷水製造運転を切替ることを特徴とする冷水製造設備。
7. 請求項４または６に記載の冷水製造設備において、
   前記制御部は外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷、冷水製造温度に対する設備全体のエネルギー消費量を算出するシミュレータを用いて、エネルギー消費量を目的関数として、弁切替状態、機器の運転・停止状態、冷却塔の冷却水温度を最適化関数とした最適化演算を行い、外気の湿球温度または乾球温度の計測値と冷却負荷の算出値と冷水製造温度の設定値に対する最適化演算結果を指令値として、設備の運転状態を切替えることを特徴とする冷水製造設備。
8. 請求項７に記載の冷水製造設備において、
   前記冷却水ポンプ、前記冷水系統に配置された冷水ポンプ、冷却塔のファン用電動機の１つまたは全てにインバータを有し、最適化関数に冷却水ポンプと冷水ポンプのインバータ周波数を追加したことを特徴とする冷水製造設備。
9. 請求項７または８に記載の冷水製造設備において、
   前記制御部は外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷、冷水製造温度の変化に対する運転状態とインバータ周波数の最適化演算結果からなるテーブルデータを記憶し、外気の湿球温度または乾球温度と冷却負荷の計測値、冷水製造温度設定値に対する指令値をテーブルデータから検索して、設備の運転状態、インバータ周波数を指令することを特徴とする冷水製造設備。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の冷水製造設備において、
    前記冷却塔または冷凍機の冷水出口温度設定を可変とし、年月日のスケジュールにより出口設定温度を変化させることを特徴とする冷水製造設備。
11. 冷却水と内臓された熱交換器内の冷水を冷却する冷却塔とこの冷却塔から冷却水が供給される冷凍機とを備え、前記冷凍機の冷水と前記冷却塔の熱交換器の冷水とを切替えて負荷側の冷水系統に供給する冷水製造方法であって、
    冷却塔から冷凍機に供給される冷却水の水量を前記で切替えられた冷水供給時に合わせて設定されることを特徴とする冷水製造方法。
12. 請求項１１に記載の冷水製造方法において、
    冷却塔から冷凍機に供給される冷却水の水量は、前記冷凍機の冷水供給時とより前記冷却塔の熱交換器の冷水供給時に小さく設定されることを特徴とする冷水製造方法。

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