JP2012047386A - フリークーリングを用いた空調運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】中間期のフリークーリングを有効に活用して省エネ運転が行えるフリークーリングを用いた空調運転方法を提供する。
【解決手段】冷凍機22と冷却塔24を備え、空調空間11の空気を顕熱処理するドライコイル15に、高温の冷水を供給する高温冷水槽25を接続し、空調空間11に外気OAを冷却除湿して供給する潜熱処理用の外調機20に、低温の冷水を供給する低温冷水槽23を接続し、夏期に冷凍機22のみを運転し、中間期に冷凍機22と冷却塔24とを運転し、冬期に冷却塔24のみ運転し、中間期には、冷凍機22で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽23に供給すると共に冷却塔24で製造した高温の冷水を高温冷水槽25に供給して空調運転し、夏期又は冬期には、冷凍機22又は冷却塔24で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽23に供給すると共に、その低温の冷水で、上記高温冷水槽25の高温の冷水を製造する。
【選択図】図1

Description

本発明は、冷却塔と冷凍機を用いて冬期と中間期にフリークーリングを行う空調運転方法に係り、特に、フリークーリング運転での省エネ効果を高めたフリークーリングを用いた空調運転方法に関するものである。
フリークーリングは、夏期には、冷凍機(チラー)で製造した冷水を冷熱源とするのに替えて、冬期や中間期に、冷凍機の運転を停止し、その冷凍機の冷水の放熱に利用している冷却塔や別途独立して設けた冷却塔を運転して、直接冷水を製造し、この冷水にて、空調機の冷水コイルの冷熱源に使用するシステムであり、冷凍機を用いるよりも大きな省エネ効果を期待できるものである。
特許文献1では、夏期には、冷凍機で製造した冷水を用い、その冷水を、クリーンルームの還気空気の顕熱処理を行うドライコイルに流して還気空気を冷却し、外気湿球温度が低い冬期と中間期には、冷凍機の運転を停止し、冷却塔で製造した冷水をドライコイルの冷熱源とするフリークーリングを利用した冷却システムが提案されている。しかし特許文献1では、冷凍機と冷却塔とを切り替えて使用するものであり、冷却塔で製造された冷水の温度が高いときには、フリークーリングを利用することができず、実質的には冬期のみしか利用できない問題がある。
特許文献2では、負荷を顕熱負荷と外気負荷に分け、顕熱負荷の冷水設定温度を12℃、外気負荷の冷水設定温度を7℃とし、その各負荷に冷凍機を冷水循環回路を介して接続すると共にその冷水循環回路に冷却塔を接続し、中間期には、各負荷から戻った冷水を、各冷却塔に導入して外気による空冷を行った後、これを冷凍機で、さらに冷却して設定温度の冷水とし、これをクリーンルームの空調に用いるフリークーリングを利用した冷却システムが提案されている。この冷却システムでは、冷却塔で製造した冷水を、冷凍機の冷水製造の冷熱源に利用できるため、中間期でのフリークーリングを有効に利用することができる。しかし、クリーンルームの空調には、還気空気の顕熱処理と、外気導入による潜熱処理のため、冷水温度の違う2種類、或いは製造装置の冷却も行う場合には3種類の温度の冷水を製造する必要があり、フリークーリングを利用するためには、顕熱負荷と外気負荷、或いは製造装置の負荷に応じて、それぞれ冷凍機とフリークーリング用の冷却塔を必要とするため、装置が複雑になると共に装置のコストアップとなる問題がある。
特許文献3では、通信機器室等の空調空間からの還気空気を冷却コイルから空調機(パッケージエアコン)に流し、その冷却コイルに冷却塔を接続し、中間期に冷却塔で製造した冷水を冷却コイルに流し、還気空気を冷却コイルの冷水である程度冷却した後、空調機で設定温度に冷却することが提案されている。
この特許文献3では、データセンターなどの通信機器室など還気空気が40℃にも上昇する場合、冷却塔の冷水で還気空気を冷却して空調機の負荷を低減するには有効である。
特開2009−216375号公報 特開2008−215730号公報 特開2002−168479号公報
しかし、クリーンルームのような空調空間を設定温度と設定湿度に制御するためには、ドライコイルによる顕熱処理と、湿度制御のために、導入する外気の潜熱処理との双方が必要であり、単に還気空気を冷却塔の冷水と冷凍機の冷水で冷却しても空調空間を設定の温湿度に制御することは困難である。
このように、クリーンルームなどの空調空間を温湿度制御するためには、特許文献2に提案されるように、潜熱処理用の冷水(低温の冷水)と顕熱処理用の冷水(高温の冷水)を必要とするため、装置の複雑化が避けられない問題がある。
また特許文献1のように冷凍機と冷却塔の切り替え、冬期と中間期に冷却塔のみによるフリークーリングを利用することで装置の複雑化は防げるものの中間期のフリークーリングを有効に利用できない問題がある。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、冷凍機と冷却塔とを備え、その冷凍機と冷却塔とで製造した冷水を用いて、空調空間を設定の温湿度に制御する際に、中間期のフリークーリングを有効に活用できると共に冷凍機の負荷を低減して省エネ運転が行えるフリークーリングを用いた空調運転方法を提供することにある。
上記目的を達成するために請求項1の発明は、冷凍機と冷却塔とを備え、その冷凍機と冷却塔で製造した冷水を用いて空調空間を温湿度制御するフリークーリングを用いた空調運転方法において、空調空間の空気を顕熱処理するドライコイルを設けると共にそのドライコイルに、高温の冷水を供給する高温冷水槽を接続し、他方空調空間に外気を冷却除湿して供給する潜熱処理用の外調機を接続すると共にその外調機に低温の冷水を供給する低温冷水槽を接続し、夏期に冷凍機のみを運転し、中間期に冷凍機と冷却塔とを運転し、冬期に冷却塔のみ運転し、中間期には、冷凍機で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽に供給すると共に冷却塔で製造した高温の冷水を高温冷水槽に供給して空調運転し、夏期又は冬期には、冷凍機又は冷却塔で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽に供給すると共に、その低温の冷水で、上記高温冷水槽の高温の冷水を製造することを特徴とするフリークーリングを用いた空調運転方法である。
請求項2の発明は、上記ドライコイルと上記高温冷水槽とを高温冷水循環路で接続し、上記外調機と低温冷水槽とを低温冷水循環路で接続し、高温冷水循環路に、上記低温冷水槽の低温の冷水と高温冷水循環路の高温の冷水を熱交換する熱交換器を接続すると共にその熱交換器に、上記低温冷水槽の低温の冷水を供給すると共に熱交換後の冷水を上記低温冷水循環路に戻す冷水冷却回路を接続し、夏期に冷凍機のみを運転して低温の冷水を上記低温冷水槽に供給し、その低温冷水槽の低温の冷水を上記熱交換器に供給してその低温の冷水で高温冷水槽の高温の冷水を製造する請求項1記載のフリークーリングを用いた空調運転方法。
請求項3の発明は、冬期に、冷凍機の運転を停止し、冷却塔で製造した空冷冷水を低温の冷水として上記低温冷水槽に供給し、さらに低温冷水槽から上記熱交換器に流す低温の冷水の循環量を制御して上記高温冷水槽の高温の冷水を製造する請求項2記載のフリークーリングを用いた空調運転方法である。
請求項4の発明は、冷凍機で製造する低温の冷水又は冬期に冷却塔で製造する低温の冷水の設定温度を、外気露点温度又は空調負荷率応じて6〜12℃に可変する請求項1又は3記載のフリークーリングを用いた空調運転方法である。
本発明によれば、低温冷水槽と高温冷水槽を設け、中間期には、冷凍機で製造した低温の冷水を低温冷水槽に供給し、冷却塔で製造した高温の冷水を高温冷水槽に供給して、各冷水で潜熱処理と顕熱処理を行うと共に、夏期又は冬期に、冷凍機で製造した低温の冷水、又は冷却塔で製造した低温の冷水で、高温冷水槽の高温の冷水を製造することで、フリークーリングを利用する装置の構成が簡単になると共に低温冷水槽と高温冷水槽の低温の冷水による外気の潜熱処理と高温の冷水の還気空気の潜熱処理が精度よく制御できる。これによりフリークーリングの省エネ運転を高めることができるという優れた効果を発揮するものである。
本発明の一実施の形態を示し、夏期の運転モードを示す図である。 図1において、中間期の運転モードを示す図である。 図1において、冬期の運転モードを示す図である。 本発明において運転モードを選択するフローを示す図である。 本発明において、運転モードの選択を空気線図上で説明する図である。 本発明における冷凍機と冷却塔で製造される冷水の設定温度を外気露点又は負荷率で可変する方法を説明する図である。 本発明において、運転モードにおける省エネ効果を説明する図である。
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1〜図3は、本発明のフリークーリングを用いた空調運転方法を説明する装置の一実施の形態を示し、図1は夏期の運転モード、図2は中間期の運転モード、図3は冬期の運転モードを示している。
図において、10は、各種の製造工場の建屋で、その建屋10内に、クリーンルームからなる空調空間11が区画され、その空調空間11の上部に給気チャンバ12が、下部に還気チャンバ13が区画され、還気チャンバ13と給気チャンバ12を結んで循環空気流路14が区画される。
循環空気流路14にはドライコイル15が設けられ、その上部の給気チャンバ12には循環ファン16が設けられる。給気チャンバ12には、給気チャンバ12の空気を空調空間11に吹き出すファンフィルタユニット(FFC)17が設けられる。ファンフィルタユニット17は、詳細は図示していないがケーシング内に吹出ファンとHEPAフィルタが設けられ、給気チャンバ12の空気を吹出ファンで吸引し、HEPAフィルタで空気中の微粒子を除去して清浄空気を空調空間11に吹き出すようになっている。
空調空間11の床面にはグレーチングなどの多孔板18が設けられる。
循環空気流路14には、換気ダクト19を介して、外調機20に接続される。外調機20は、循環空気流路14の循環空気量を100%とした場合、10〜30%の外気OAを冷却除湿して循環空気流路14に換気空気として供給し、還気チャンバ13からは換気空気と略同量の空気が排気ライン21から排気空気EAとして排気される。
さて本発明においては、チラーからなる冷凍機22で製造される低温の冷水(冷凍冷水)を貯留する低温冷水槽23と、冷却塔24で製造される高温の冷水(空冷冷水)を貯留する高温冷水槽25とを備えてなり、ドライコイル15と高温冷水槽25とを高温冷水循環路26で接続し、外調機20と低温冷水槽23とを低温冷水循環路27で接続してなるもので、さらに、高温冷水循環路26に、低温冷水槽23の低温の冷水と高温冷水循環路26の高温の冷水を熱交換する熱交換器28を接続すると共にその熱交換器28に、低温冷水槽23の低温の冷水を供給すると共に熱交換後の冷水を低温冷水循環路27に戻す冷水冷却回路29を接続したものである。
冷凍機22と低温冷水槽23とは、低温循環ポンプ30が接続された低温冷水回路31で接続され、冷却塔24と高温冷水槽25とは、高温循環ポンプ32が接続された高温冷水回路33で接続される。高温冷水回路33の往路側と復路側高温冷水回路33a、33bには、冷却塔24で製造される空冷冷水(低温の冷水)を低温冷水槽23に供給循環する三方弁34a、34bが接続される。
高温冷水循環路26は、その往路側高温冷水循環路26aに高温側循環ポンプ35が接続され、復路側高温冷水循環路26bに熱交換器28が接続される。
低温冷水循環路27は、往路側低温冷水循環路27aと復路側低温冷水循環路27bとからなり、往路側低温冷水循環路27aに低温側循環ポンプ36が接続される。
冷水冷却回路29は、低温冷水槽23と熱交換器28を結ぶ往路側冷水路29aと熱交換器28と復路側低温冷水循環路27bを結ぶ復路側冷水路29bからなり、往路側冷水路29aに冷水循環ポンプ37が接続される。冷水循環ポンプ37は、熱交換器28の出口側の復路側高温冷水循環路26bに設けた温度センサ38で検出した温度が温度調節器38に入力され、その温度に応じて温度調節器39が冷水循環ポンプ37の循環量を制御するようになっている。
次に本発明のフリークーリングを用いた空調運転方法を説明する。
夏期(通常5月上旬〜10月末)の運転においては、外気温が高いため、図1に示すように冷凍機22を運転し、冷凍機22で製造した低温の冷水(例えば温度6℃)を低温冷水槽23に貯留する。この場合、冷却塔24は停止しているため、低温冷水槽23に貯留した低温の冷水を、冷水冷却回路29にて熱交換器28に供給し、その熱交換器28にて高温冷水循環路26を循環する高温の冷水を冷却して高温の冷水(例えば温度16℃)として高温冷水槽25に貯留する。
これにより、先ず低温冷水槽23に貯留した低温の冷水を外調機20に低温冷水循環路27を介して循環し、外気OAを露点温度以下に冷却して除湿し、これを換気空気として換気ダクト19から循環空気流路14に供給する。
この外調機20による潜熱処理は、還気空気の設定温度を23℃、相対湿度を50%(絶対湿度0.09g/gDA)とし、還気空気の湿度変化がないとしたときは、その還気空気の露点温度まで冷却し、これを除湿した還気空気として循環空気流路14に供給することで空調空間11の相対湿度を50%に制御できる。
他方、高温冷水槽25の高温の冷水は高温冷水循環路26を介してドライコイル15に循環する。空調空間11から還気チャンバ13に還気された還気空気は、循環空気流路14に供給された換気空気と合流し、ドライコイル15により、例えば設定温度23℃に冷却され、給気チャンバ12からファンフィルタユニット17を介して空調空間11内に吹き出される。
次に、中間期(通常3上旬〜4月末、11月上旬から12月末)の運転においては、図2に示すように冷凍機22と冷却塔24とを運転し、冷凍機22で製造した低温の冷水(温度6〜12℃)を低温冷水槽23に貯留し、また冷却塔24で製造した空冷冷水を高温の冷水(温度16℃)を高温冷水槽25に貯留し、低温の冷水を外調機20に供給し、高温の冷水をドライコイル15に供給して空調空間11を空調する。
この際、冷凍機22で製造する低温の冷水の設定温度は、導入する外気の露点温度により6〜12℃の範囲で可変する。また冷却塔24で製造される空冷冷水の温度は、外気の状態により変化するが、高温側循環ポンプ32での高温の冷水の循環量と冷却塔24のファンの風量を制御することで、高温の冷水を設定の温度(16℃)にすることができると共に、ドライコイル15での冷却能を一定にして、空調空間11に設定温度23℃の清浄空気を精密に温度制御して供給することが可能となる。
次に、冬期(通常1月初旬〜2月末)の運転においては、図3に示すように冷凍機22を停止し、冷却塔24のみを運転する。
この冬期においては、外気温が低く、冷却塔24で製造される高温の冷水は、温度6℃以下の冷水が得られるため、これを三方弁34a、34bにて高温冷水回路33を切り換えて低温冷水槽23に低温の冷水として供給する。
また高温冷水槽25の高温の冷水は、低温冷水槽23からの低温の冷水を熱交換器28に供給循環することで、16℃の高温の冷水とすることができ、この高温の冷水を用いてドライコイル15の冷熱源に使用することで、空調空間11を設定温度23℃に精密に温度制御することができる。
この冬期において、冷却塔24で製造する冷水は、外気温度に応じて高温循環ポンプ32の循環量と冷却塔ファンの風量を制御することで6℃の温度の冷水を製造でき、これを低温の冷水として低温冷水槽23に貯留する。また、高温冷水槽25に貯留する高温の冷水の温度は、温度センサ38でその熱交換器28を通った高温の冷水の温度を検出し、温度調節器39にて、高温側循環ポンプ37を制御して、熱交換器28に供給する低温の冷水の循環量を調節することで設定の温度(16℃)とすることができる。
図4は、上述した運転モードを自動切り換えする際の制御フローを示したものである。
先ずステップS1で運転を開始した際には、冷凍機を運転して夏期モード運転S2を行う。次に、ステップS3で、X時間(10min)経過したかどうかを判断し、X時間経過するまでは(NO)、夏期モードの運転S2を継続し、X時間経過後(YES)に、ステップS4で、外気WB≧(高温の冷水設定温度−T(1℃))が、Xmin以上継続しているかどうかを判断し、外気の湿球温度(WB)が高温の冷水設定温度(例えば16℃)より1℃低い状態がX時間以上継続している、すなわち外気湿球温度が高いときには、夏期モード運転S5のままとする。ステップS4の判断で、外気湿球温度が低いとき(NO)、ステップS6で、(高温の冷水設定温度−T)>外気WB>(低温の冷水設定温度−T)が、Xmin以上継続しているかどうかを判断し、高温の冷水設定温度より1℃低い温度(例えば15℃)が、外気湿球温度(WB)より低く、且つ外気湿球温度(WB)が低温の冷水設定温度より1℃低い温度より高いとき(YES)、すなわち外気状態が図5の空気線図に示した中間期モードの範囲にあるときは、中間期モードの運転S7を行う。またステップS6で、外気湿球温度(WB)が低温の冷水設定温度より1℃低い温度より低いとき(NO)、ステップS8で、(低温の冷水設定温度−T)≧(外気WB)が、Xmin以上継続しているかどうかを判断し、外気WBが、低温の冷水設定温度(例えば6℃)より低いとき(YES)には、すなわち外気状態が図5の空気線図に示した冬期モードの範囲にあるときは、冬期モードで運転S9を行う。またステップS8で、外気WBが、低温の冷水設定温度より高いとき(NO)には、ステップS4の判断に戻す、また夏期モード運転S5,中間期モード運転S7、冬期モード運転S9を行った後は、同様にステップS4の判断に戻して運転モードの選択を繰り返すようにする。
このように、検出した外気の温度と湿度から外気の湿球温度(WB)を求め、この湿球温度と、高温の冷水と低温の冷水の設定温度とを比較することで運転モードの切り換えが容易に行える。
次に、冷凍機22と冷却塔24で製造する冷水の温度制御について説明する。
先ず冷凍機22は、空冷式或いは水冷式のいずれでも良く、また冷却塔25は開放型でも密閉型でもいずれでもよい。
図6は、冷凍機又は冬期に冷却塔で製造する低温の冷水の設定温度を外気露点又は負荷率で可変する方法を示したもので、低温の冷水設定温度(Y1,Y2)は、省エネ・除湿・2次側搬送動力を考慮して、max12℃〜min6℃の範囲で可変するものである。この場合、外気露点温度をX1(℃)、負荷率をX2(%)としたとき、外気露点温度X1,負荷率X2で、下式のように設定する。
Y1=−a1・X1−b1
Y2=−a2・X2−b2
上式で、低温の冷水の設定温度は、Y1とY2のうち低い方を設定温度とする。
この関係式と図6より、外気露点X1が9℃以下、負荷率X2が40%以下では、低温の冷水設定温度は12℃でよく、外気露点X1が20℃以上、負荷率X2が80%以上では設定温度を6℃とし、その間の温度は、上記の関係式から設定温度Y1,Y2を設定する。
また上記関係式中の係数a1,a2、b1、b2、設定温度Yの上下限値、X変動のYの最大変化勾配・1次遅れフィルタなどは適宜設定変更可能とする。
すなわち、例えば、負荷率は非常に低いが、外気露点が高く除湿をしなければならないときや、外気露点が低いが顕熱負荷が大きい場合などには、冷却不足、搬送動力過剰を避けるために、冷水温度を下げなければならないため、係数a1,a2、b1、b2や設定温度Y等を変更可能とする。
低温の冷水の設定温度Yの制御は、冷凍機22での冷媒循環量や空冷或いは水冷量を制御すれば、12〜6℃の範囲で冷水を設定温度にすることができる。
通常、図1〜図3で説明した空調空間11は、設定温度23℃、相対湿度50%(絶対湿度で約0.009g/gDA)となるように空調運転される。この場合、外調機20は、空調空間11からの循環空気に換気空気を混入したときに、絶対湿度が約0.009g/gDAとなるよう、外気OAを冷却、除湿して換気空気とするように、低温冷水槽23の低温の冷水の設定温度と循環水量を制御するため、外気状態(外気露点)に応じて設定温度を可変することで省エネ運転が行える。また高温冷水槽25での高温の冷水は、ドライコイル15に顕熱処理に必要な循環水量を制御することで、省エネ運転が可能となる。
図7は、年間におけるエネルギー比を示したもので、夏期モードの運転のエネルギーを1とした場合、冷却塔のみの冬期モードの運転では、エネルギー比は、夏期モードに対して0.109ですみ、中間期モードでは0.555ですむため、夏期以外の冬期と中間期では大幅な省エネ効果を期待できる。
11 空調空間
15 ドライコイル
20 外調機
22 冷凍機
23 低温の冷水槽
24 冷却塔
25 高温の冷水槽

Claims (4)

  1. 冷凍機と冷却塔とを備え、その冷凍機と冷却塔で製造した冷水を用いて空調空間を温湿度制御するフリークーリングを用いた空調運転方法において、空調空間の空気を顕熱処理するドライコイルを設けると共にそのドライコイルに、高温の冷水を供給する高温冷水槽を接続し、他方空調空間に外気を冷却除湿して供給する潜熱処理用の外調機を接続すると共にその外調機に低温の冷水を供給する低温冷水槽を接続し、夏期に冷凍機のみを運転し、中間期に冷凍機と冷却塔とを運転し、冬期に冷却塔のみ運転し、中間期には、冷凍機で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽に供給すると共に冷却塔で製造した高温の冷水を高温冷水槽に供給して空調運転し、夏期又は冬期には、冷凍機又は冷却塔で製造した低温の冷水を上記低温冷水槽に供給すると共に、その低温の冷水で、上記高温冷水槽の高温の冷水を製造することを特徴とするフリークーリングを用いた空調運転方法。
  2. 上記ドライコイルと上記高温冷水槽とを高温冷水循環路で接続し、上記外調機と低温冷水槽とを低温冷水循環路で接続し、高温冷水循環路に、上記低温冷水槽の低温の冷水と高温冷水循環路の高温の冷水を熱交換する熱交換器を接続すると共にその熱交換器に、上記低温冷水槽の低温の冷水を供給すると共に熱交換後の冷水を上記低温冷水循環路に戻す冷水冷却回路を接続し、夏期に冷凍機のみを運転して低温の冷水を上記低温冷水槽に供給し、その低温冷水槽の低温の冷水を上記熱交換器に供給してその低温の冷水で高温冷水槽の高温の冷水を製造する請求項1記載のフリークーリングを用いた空調運転方法。
  3. 冬期に、冷凍機の運転を停止し、冷却塔で製造した空冷冷水を低温の冷水として上記低温冷水槽に供給し、さらに低温冷水槽から上記熱交換器に流す低温の冷水の循環量を制御して上記高温冷水槽の高温の冷水を製造する請求項2記載のフリークーリングを用いた空調運転方法。
  4. 冷凍機で製造する低温の冷水又は冬期に冷却塔で製造する低温の冷水の設定温度を、外気露点温度又は空調負荷率応じて6〜12℃に可変する請求項1又は3記載のフリークーリングを用いた空調運転方法。
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