JP2012141098A - 熱源システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】冷熱負荷から導かれた所定の還り温度Trを有する冷水を、所定の往き温度Tsまで低下させて冷熱熱負荷へ冷水を供給する熱源システム1である。熱源システム1は、冷水を還り温度Trから中間温度T2まで低下させる第2ターボ冷凍機TR2と、第2ターボ冷凍機TR2にて中間温度T2まで低下した冷水を往き温度Tsまで低下させる第1ターボ冷凍機TR1と、中間温度T2を可変に設定する制御部とを備えている。
【選択図】図1
Description
これでは、熱源システム全体として効率的な運転が行われているとは言えず、更なる改善が望まれる。
すなわち、本発明にかかる熱源システムは、熱負荷から導かれた所定の還り温度を有する熱媒を、所定の往き温度まで変化させて前記熱負荷へ熱媒を供給する熱源システムであって、前記熱媒を前記還り温度から中間温度まで変化させる上流側熱源機と、該上流側熱源機にて中間温度まで温度変化した熱媒を前記往き温度まで変化させる下流側熱源機と、前記中間温度を可変に設定する制御部とを備えていることを特徴とする。
熱源機としては、例えば、電動式ターボ冷凍機、吸収式冷凍機、空冷ヒートポンプ等が挙げられる。
なお、中間温度は、電動式ターボ冷凍機が取り得る範囲で変化させた場合に、消費動力が略最小となるように設定されることが好ましい。例えば、電動式ターボ冷凍機が取り得る中間温度を少なくとも3点選び、これら3点における消費動力を得る。そして、これら3点の中間温度及び消費動力の組合せから二次曲線を得て、消費動力が極小値となる中間温度を算出し、この中間温度に設定する。
なお、消費動力の演算の際には、ターボ冷凍機が出力する熱媒温度や、ターボ冷凍機の凝縮器を冷却する冷却水温度を加味することが好ましい。
電動式ターボ冷凍機としては、電動圧縮機が一定速で回転する固定速機であっても、電動圧縮機が任意の速度で回転する可変速機であってもよく、またこれらの組合せであっても良い。
熱源機としては、例えば、電動式ターボ冷凍機、吸収式冷凍機、空冷ヒートポンプ等が挙げられる。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について説明する。
図1には、本実施形態にかかる熱源システム1が示されている。熱源システム1は、第1ターボ冷凍機(下流側熱源機)TR1と、第2ターボ冷凍機(上流側熱源機)TR2とを備えている。これらターボ冷凍機TR1,TR2は、電動モータによって圧縮機が駆動される電動式ターボ冷凍機とされている。各ターボ冷凍機TR1,TR2は、図示しない空調機等の冷熱負荷に対して冷水(熱媒)を供給するものであり、この冷水流れに対して上流側から、第2ターボ冷凍機TR2、第1ターボ冷凍機TR1の順に接続されている。したがって、定流量冷水ポンプ2によって各ターボ冷凍機TR1,TR2と冷熱負荷との間で循環する冷水は、還り温度Trで第2ターボ冷凍機TR2に流入し、中間温度T2まで冷却され、次いで、中間温度T2で第1ターボ冷凍機TR1に流入し、往き温度Tsまで冷却される。各ターボ冷凍機TR1,TR2は、定格(負荷率100%)で冷水を5℃冷却する能力を有しており、同図には、それぞれが定格にて運転している状態の温度が示されている。すなわち、第2ターボ冷凍機TR2は還り温度17℃から中間温度12℃まで冷水を冷却し、第1ターボ冷凍機TR1は中間温度12℃から往き温度7℃まで冷水を冷却する。
同図に示されているように、第1ターボ冷凍機TR1は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機5と、圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器13と、凝縮された液冷媒を減圧し膨張させる膨張弁30と、膨張された液冷媒を蒸発させる蒸発器8と、制御部9を備えている。
インバータ装置3は、制御部9の指示に基づき、電動モータ7の回転数を制御するようになっている。
なお、第2ターボ冷凍機TR2の場合には、入口冷水管に還り温度Trを計測する還り温度センサが設けられている。
膨張弁30の開度は、制御部9によって制御されるようになっている。
図3(a)は、出口冷水温度を7℃とした場合、図3(b)は、出口冷水温度を12℃とした場合のマップを示す。これらのマップに示されているように、出口冷水温度によってマップ形状が変わり、最適な負荷率が変化する。例えば、図3(a)は、出口冷水温度が7℃なので、第1ターボ冷凍機TR1のマップに相当し、図3(b)は、出口冷水温度が12℃なので、第2ターボ冷凍機TR2に用いるマップの1つに相当する。
なお、冷却水入口温度Tcに代えて、外気湿球温度とすることとしてもよい。
先ず、往き温度Tsを、熱源システム1に要求される冷水出口温度設定値(例えば7℃)に固定する(ステップS1)。
次に、ターボ冷凍機とは別とされる冷却塔や冷熱負荷といった設備側から、冷却水入口温度Tcと還り温度Trを取得する(ステップS2)。
そして、3つの基準送水温度a,b,cを決定する工程に入る(ステップS3)。
具体的には、ステップS4にて、第2ターボ冷凍機TR2が取り得る最小温度としてa[℃]を下式のように決定する。
a=還り温度Tr−第2ターボ冷凍機の定格温度差 ・・・(1)
このように決定した最小温度aが往き温度Tsよりも小さい場合(ステップS5)は、最小温度aを往き温度Tsに設定し(ステップS6)、それ以外の場合は最小温度aをそのまま用いる。
同様にステップS4では、第2ターボ冷凍機TR2が取り得る最大温度としてc[℃]を下式のように決定する。
c=往き温度Ts−第1ターボ冷凍機の定格温度差 ・・・(2)
このように決定した最大温度cが還り温度Trよりも大きい場合(ステップS7)は、最大温度cを還り温度Trに設定し(ステップS8)、それ以外の場合は最大温度cをそのまま用いる。
先ず、第2ターボ冷凍機TR2の送水温度である中間温度T2を最小温度aと仮定する(ステップS11)。そして、ステップS12にて、各ターボ冷凍機TR1,TR2の負荷率を演算する。負荷率は、ターボ冷凍機の定格負荷時の定格温度差に対する冷水温度差の割合とされる。そして、制御部は、記憶領域から、図3に示したマップを参照する。具体的には、ステップS13にて、ターボ冷凍機TR1の往き温度Ts(設定値)及び冷却水入口温度Tcにおける性能データ、第2ターボ冷凍機TR2の出口冷水温度(すなわち中間温度T2=a[℃])における性能データを参照し、ステップS14にて、各ターボ冷凍機TR1,TR2の消費電力Eaを算出する。図3のマップを参照せず、消費電力の算出を特開2010−236728号公報や特願2009−265296に記載された方法によって演算することもできる。
また、平均温度b及び最大温度cのときの消費電力Eb,Ecについても同様に算出する(ステップS15及びS16)。
Y=mX2+nX+s ・・・(3)
ここで、Yは消費電力、Xは中間温度を示す。
このように二次関数に近似した後に、ステップS18〜S24に示すように、二次関数に関してa以上c以下の区間で極小値問題を解く。
このようにして、消費電力が最小となる中間温度T2が決定される。
制御部は、以上のように決定された中間温度T2に設定し、各ターボ冷凍機TR1,TR2を制御する。
具体的な数値を用いて以下の通り中間温度の演算を行った。
本実施例の場合、200Rt(冷凍トン)のインバータ(可変速)ターボ冷凍機2台を直列配置した場合を仮定して演算した。
第1ターボ冷凍機TR1の定格時の冷水温度は、7℃/12℃とした。
第2ターボ冷凍機TR2の定格時の冷水温度は、12℃/17℃とした。
1.設備負荷の取得(図4のステップS1及びS2)
熱源システムの送水温度設定;Ts=7℃
設備より取得したデータ;冷却水温度Tc=20℃,還り温度Tr=13℃
2.送水温度を3点抽出(図4のステップS4〜S9)
a=Tr−TR2定格温度差=13−5=8℃
c=Ts+TR1定格温度差=7+5=12℃
b=(a+c)/2=(8+12)/2=10℃
3.3点における消費電力を演算する(図4のステップS10〜図5のステップS16)。
4.二次関数で近似し、極小値をとるT2を中間温度の設定値とする(図5のステップS17〜S24)。
このときの2台のターボ冷凍機TR1,TR2の合計消費電力は、74.2kWとなり、第1ターボ冷凍機TR1の温度設定を定格値のまま(即ちT2=12℃)としたときの消費電力88.6kWに比べて大きく消費電力を低減できる。
各ターボ冷凍機TR1,TR2が取り得る中間温度T2を少なくとも3点選び、これら3点における消費動力を得て、これら3点の中間温度及び消費動力の組合せから二次曲線を得ることによって消費電力が極小値となる中間温度を算出することとしたので、制御部の計算負荷を減らすことができる。
また、各ターボ冷凍機TR1,TR2の容量は同等であっても、例えば500Rtと1000Rtといったように異なっていても良い。
また、上述のように演算した結果、最適な中間温度が7℃、すなわち一方のターボ冷凍機を停止させるという判断になった場合、冷水流れの上流側に位置する第2ターボ冷凍機TR2を停止させる。これは、冷水流れの下流側に位置する第1ターボ冷凍機TR1を停止させると、第2ターボ冷凍機TR2から7℃で送水された冷水が第1ターボ冷凍機TR1で熱交換されてしまい、例えば8℃といったように冷水温度が上昇してしまうからである。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
本実施形態は、図7に示されているように、冷水ポンプ2’がインバータ駆動による可変流量とされている点、及び冷水流量を計測する流量計4を備えている点で、図1に示された第1実施形態と異なる。その他は第1実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
冷水流量を可変したことによる補正は、第1実施形態の図4のステップS4及びステップS12で用いた定格温度を、図8のステップS4’及びステップS12’に示すように流量F、比熱c及び比重ρで補正した。具体的には、下式の関係を用いて補正する。
温度差ΔT=冷凍能力[MJ]/(流量F×比熱c×比重ρ) ・・・(4)
図10に示すように、本発明は、二重冷凍サイクル式ターボ冷凍機を適用した熱源システムにも適用することができる。第1実施形態や第2実施形態では、各ターボ冷凍機TR1,TR2の凝縮器を冷却する冷却水はそれぞれ独立した構成を想定していたが、同図に示すように冷却水に対して凝縮器が直列に接続された二重冷凍サイクルについても本発明を同様に適用することができる。
冷水は、例えば17℃で流入して高圧段蒸発器8−2にて中間温度まで冷却された後に、低圧段蒸発器8−1にて往き温度(例えば7℃)まで冷却される。冷却水は、例えば32℃で流入して低圧段凝縮器8−1にて吸熱して昇温した後に、低圧段凝縮器13−2にて吸熱してさらに昇温(例えば37℃)される。
このような2重冷凍サイクル式は、図11に示すように、ΔL1とΔL2に相当する動力を削減することができるという利点を有している。
TR1 第1ターボ冷凍機(下流側熱源機)
TR2 第2ターボ冷凍機(上流側冷凍機)
Tr 還り温度
Ts 往き温度
T2 中間温度
Claims (5)
- 熱負荷から導かれた所定の還り温度を有する熱媒を、所定の往き温度まで変化させて前記熱負荷へ熱媒を供給する熱源システムであって、
前記熱媒を前記還り温度から中間温度まで変化させる上流側熱源機と、
該上流側熱源機にて中間温度まで温度変化した熱媒を前記往き温度まで変化させる下流側熱源機と、
前記中間温度を可変に設定する制御部と、
を備えていることを特徴とする熱源システム。 - 前記上流側熱源機および/または前記下流側熱源機は、電動式ターボ冷凍機とされ、
前記制御部は、電動式ターボ冷凍機の負荷率に応じた消費動力が所定値以下となるように、前記中間温度を設定することを特徴とする請求項1に記載の熱源システム。 - 前記上流側熱源機および/または前記下流側熱源機は、吸収式冷凍機とされ、
前記制御部は、前記吸収冷凍機の運転コストが所定値以下となるように前記中間温度を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載の熱源システム。 - 前記上流側熱源機は、前記熱媒からの吸熱によって他の温熱負荷へ温熱を出力するヒートリカバリー機とされ、
前記制御部は、前記ヒートリカバリー機の温熱出力によって決定される必要吸熱量となるように前記中間温度を設定することを特徴とする請求項1に記載の熱源システム。 - 熱負荷から導かれた所定の還り温度を有する熱媒を、所定の往き温度まで変化させて前記熱負荷へ熱媒を供給する熱源システムの制御方法であって、
前記熱源システムは、前記熱媒を前記還り温度から中間温度まで変化させる上流側熱源機と、
該上流側熱源機にて中間温度まで温度変化した熱媒を前記往き温度まで変化させる下流側熱源機と、
を備え、
制御部によって、前記中間温度を可変に設定することを特徴とする熱源システムの制御方法。
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