JP2013124819A

JP2013124819A - 空調運転制御システム

Info

Publication number: JP2013124819A
Application number: JP2011274338A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Katahira; 義和片平; Shunichi Nakamoto; 俊一中本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2013-06-24
Anticipated expiration: 2031-12-15
Also published as: JP5975253B2

Abstract

【課題】蓄熱式空調設備を効率的に運転することを可能とする簡易にして有効適切な空調運転制御システムを提供する。
【解決手段】空調運転時間内において蓄熱槽の保有蓄熱を利用しつつ複数台の熱源機の台数制御により負荷に応じた空調運転を行う空調運転モードと、空調運転時間外において熱源機により蓄熱槽に対する蓄熱運転を行う蓄熱運転モードとを設定する。空調運転モードにおいては、蓄熱槽の保有蓄熱を優先して利用しつつその時点の負荷に応じて熱源機の台数制御を行う負荷流量優先モードと、空調運転モードの終了時において蓄熱槽の保有残熱量がほぼゼロとなるように保有残熱量の維持を優先して熱源機の台数制御を行う残蓄熱量優先モードを設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は蓄熱式空調設備を対象とする空調運転制御システムに関する。

周知のように、蓄熱槽を備えた蓄熱式空調設備は、夜間等の低負荷時に蓄熱槽に対する蓄熱運転を行っておき、昼間等の高負荷時に蓄熱槽の保有蓄熱を利用することを基本とするものであって、全体として効率的な運転が可能であって省エネルギーに寄与し得るものであるので、建物や工場等の冷暖房設備として古くより広く普及しているが、最近ではたとえば特許文献１に示されるように外気条件や建物の使用状況等を学習し予測して最適運転を行うための高度の制御システムについての提案もなされている。

特開２００６−７８００９号公報

上記のような制御システムは蓄熱式空調設備を効率的に運転するうえで有効ではあるが、複雑なソフトウエアとハードウエアを必要とする高度かつ高価なシステムであるので、一般的な蓄熱式空調設備に導入することはコスト的に困難な場合もあって広く普及するに至っていない。

上記事情に鑑み、本発明は蓄熱式空調設備を効率的に運転することを可能とする簡易にして有効適切な空調運転制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、蓄熱式空調設備を対象とする空調運転制御システムであって、空調運転時間内において蓄熱槽の保有蓄熱を利用しつつ複数台の熱源機の台数制御により負荷に応じた空調運転を行う空調運転モードと、空調運転時間外において前記熱源機により前記蓄熱槽に対する蓄熱運転を行う蓄熱運転モードとを設定し、前記空調運転モードにおいては、前記蓄熱槽の保有蓄熱を優先して利用しつつその時点の負荷に応じて前記熱源機の台数制御を行う負荷流量優先モードと、前記空調運転モードの終了時において前記蓄熱槽の保有残熱量がほぼゼロとなるように保有残熱量の維持を優先して前記熱源機の台数制御を行う残蓄熱量優先モードを設定可能としたことを特徴とする。

本発明の空調運転制御システムでは、空調運転モードによる運転に際して、負荷に応じて熱源機の台数制御を行う負荷流量優先モードと、蓄熱槽の保有残熱量の維持を優先して熱源機の台数制御を行う残蓄熱量優先モードを設定することにより、各熱源機を高効率で全負荷運転することが可能であり、かつ空調運転モードの終了時において蓄熱槽の保有蓄熱量を有効に使い切るような制御が可能であって、最も効率的な空調運転が可能となる。
また、本発明の空調運転制御システムは複雑なソフトウエアやハードウエア、制御機構を必要としない簡略にして安価なシステムであって、一般の蓄熱式空調設備全般に広く適用可能である。

本発明の空調運転制御システムの実施形態を示すもので、空調設備の概略構成と冷房時における蓄熱運転モードによる運転状況を示す図である。同、冷房時における空調運転モード（負荷流量優先モードおよび残蓄熱量優先モード）による運転状況を示す図である。同、暖房時における蓄熱運転モードによる運転状況を示す図である。同、暖房時における空調運転モード（負荷流量優先モードおよび残蓄熱量優先モード）による運転状況を示す図である。同、空調運転モードにおける負荷流量優先モードについての説明図である。同、空調運転モードにおける残蓄熱量優先モードについての説明図である。同、冷房時における熱源機の運転スケジュールの一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１〜図４は本実施形態の空調運転システムの適用対象である蓄熱式空調設備の概略構成とその運転状況をモード別に模式的に示す図である（図１〜図４では各モードで稼働している要素のみに符号を付して太線で示している）。

本実施形態の蓄熱式空調設備は、図１〜図４に示すように、複数台（図示例では全４台）の熱源機１と蓄熱槽２を備えたものであって、図示例の場合は熱源機１として１台の冷房専用熱源機としてのターボ冷凍機１ａ（図ではR-1としている）と、３台の冷暖房兼用熱源機としてのＨＰチラー１ｂ（空気熱源ヒートポンプ式チリングユニット。図ではCR-1-1、CR-1-2、CR-1-3としている）を採用しており、蓄熱槽２としては縦型容器の形式のものを採用している。

なお、図中の符号３はサプライヘッダ、４はリタンヘッダ、５は１次ポンプ（ターボ冷凍機１ａ用の冷水１次ポンプ５ａ、およびＨＰチラー１ｂ用の冷温水１次ポンプ５ｂ）、６は２次ポンプであり、それらの全体で各熱源機１と蓄熱槽２と空調機等の負荷７との間にわたって冷温水（冷房時においては冷水、暖房時においては温水）を循環させるための配管系が構成されている。
勿論、この配管系の要所には、流量や圧力、水温その他の状況を刻々と検知するための各種のセンサ類や制御弁、配管経路を切り換えるための切替弁やバイパス管その他の付属器具類、付属機器類およびその全体を自動制御するための制御系が当然に設けられているが、それらの要素については一部を除いて図示を省略している。

本実施形態の空調設備では、図１〜図４に示しているように、冷房時における冷水温度を往き水温７℃〜還り水温１７℃に設定し、暖房時における温水温度を往き水温５０℃〜還り水温４０℃に設定したうえで、通常の蓄熱式空調設備の場合と同様に、冷房時と暖房時で図中のバルブ操作により蓄熱槽２への配管経路を切り換えるとともに、冷房時および暖房時のいずれにおいても空調運転時間外（一般には夜間〜深夜の非稼働時間帯とされる）において蓄熱槽２に対して蓄熱するための蓄熱運転を行い、空調運転時間内（一般には昼間の稼働時間帯とされる）には蓄熱槽２の保有蓄熱を利用しつつ負荷に応じて各熱源機１を運転するための空調運転を行うことを基本とする。

具体的には、図１に示すように、冷房時における夜間（たとえば図示例では22:00〜8:00）には、ターボ冷凍機１ａから冷水を供給することにより、その時点で蓄熱槽２内が保有している１７℃の冷水を７℃の冷水に置換して蓄熱水２全体に７℃の冷水を満水状態で貯留するための「蓄熱運転モード」による運転を行う。
また、図２に示すように、冷房時における昼間（たとえば図示例では8:00〜22：00）には、蓄熱槽２が保有している７℃の冷水を各負荷７に供給する（これにより蓄熱槽２内は１７℃の冷水に置換されていく）とともに、負荷に応じて熱源機１（ターボ冷凍機１ａ及び／又はＨＰチラー１ｂ）を台数制御により運転してそれにより調製した７℃の冷水を各負荷７に対して直接供給するための「空調運転モード」による運転を行う。

一方、図３に示すように、暖房房時における夜間（たとえば図示例では冷房時と同じく22:00〜8:00）には、ＨＰチラー１ｂから蓄熱槽２に温水を供給することにより、その時点で蓄熱槽２内が保有している４０℃の温水を５０℃の温水に置換して蓄熱槽２全体に５０℃の温水を満水状態で貯留するための「蓄熱運転モード」による運転を行う。
また、図４に示すように、暖房時における昼間（たとえば図示例では冷房時と同じく8:00〜22：00）には、蓄熱槽２が保有している５０℃の温水を各負荷７に供給する（これにより蓄熱槽２内は４０℃の温水に置換されていく）とともに、負荷に応じてＨＰチラー１ｂを台数制御により運転してそれにより調製した５０℃の温水を各負荷７に対して直接供給するための「空調運転モード」による運転を行う。

なお、上記の「蓄熱運転モード」においては、その終了時点で蓄熱完了となるように熱源機１の運転を制御するが、その蓄熱運転を高効率で行うためには各熱源機１を可及的に全負荷運転として低効率での部分負荷運転（低負荷運転）を回避することが好ましい。
そのためには、冷房時においては図１に示したように１台のターボ冷凍機１ａを全負荷運転としてその運転時間を制御すれば良い。また、暖房時においては図３に示したように各ＨＰチラー１ｂを全負荷運転しつつ必要に応じて台数制御を行えば良く、その際には各ＨＰチラー１ｂの発停順序を適宜のローテーションプログラムによりその都度変更すると良い。

上記のように、本発明では空調運転時間外に「蓄熱運転モード」による運転を行い、空調運転時間内には「空調運転モード」による運転を行うことを基本としたうえで、冷房時および暖房時における上記の「空調運転モード」の際にはさらに「負荷流量優先モード」と「残蓄熱量優先モード」のいずれかを選択的に設定可能としている。
具体的には、図２および図４に示しているように、冷房時および暖房時のいずれにおいても、「空調運転モード」によって運転を行う8:00〜22:00の時間帯のうち、相対的に高負荷である時間帯（たとえば図示例では8:00〜15:00の間）は「負荷流量優先モード」による運転を行い、相対的に低負荷となるそれ以外の時間帯（たとえば図示例では15:00〜22:00の間）は「残蓄熱量優先モード」による運転を行う。

本発明における「負荷流量優先モード」とは、図５に示すように蓄熱槽２の保有蓄熱を優先して利用するとともに、負荷増大に応じて各熱源機１を順次増段し負荷減少に応じて各熱源機１を順次減段していくように、各熱源機１の台数制御を行うものである。

この「負荷流量優先モード」の具体例としては、冷房時においてはたとえば図５（ａ）に示しているように、負荷流量が2045L/minまでは保有蓄熱水のみによる冷房運転として各熱源機は運転せず、負荷流量が2045L/minとなった時点でターボ冷凍機１ａを運転し、負荷流量が2578L/minとなった時点で３台のＨＰチラー１ｂのうちのいずれか１台を運転し、負荷流量が3111L/minとなった時点で２台目のＨＰチラー１ｂを運転し、負荷流量が3644L/minとなった時点で３台目のＨＰチラー１ｂを運転し、その状態がフル冷房運転状態となる。
逆に、上記のフル冷房運転状態から負荷が減少していく場合には、負荷流量が3111L/minとなった時点でいずれか１台のＨＰチラー１ｂを停止し、負荷流量が2578L/minとなった時点で２台目のＨＰチラー１ｂを停止し、負荷流量が2045L/minとなった時点で３台目のＨＰチラー１ｂを停止し、負荷流量が1512L/minとなった時点でターボ冷凍機１ａも停止して蓄熱水のみによる冷房運転とする。

同様に、暖房時においては、たとえば図５（ｂ）に示しているように、負荷流量が1066L/minまでは保有蓄熱水のみによる暖房運転として各熱源機１は運転せず、負荷流量が1066L/minとなった時点で３台のＨＰチラー１ｂのうちのいずれか１台を運転し、負荷流量が1599L/minとなった時点で２台目のＨＰチラー１ｂを運転し、負荷流量が2132L/minとなった時点で３台目のＨＰチラー１ｂを運転し、その状態がフル暖房運転状態となる。
逆に、上記のフル暖房運転状態から負荷が減少していく場合には、負荷流量が1599L/minとなった時点でいずれか１台のＨＰチラー１ｂを停止し、負荷流量が1066L/minとなった時点で２台目のＨＰチラー１ｂを停止し、負荷流量が533L/minとなった時点で３台目のＨＰチラー１ｂも停止して蓄熱水のみによる暖房運転とする。

一方、本発明における「残蓄熱量優先モード」とは、「空調運転モード」の終了時において蓄熱槽２の保有残熱量がほぼゼロとなるように、その時点での保有残熱量を目標値に維持することを優先して熱源機１の台数制御を行うものである。
すなわち、蓄熱槽２の残蓄熱量は「空調運転モード」中に漸次減少していき、その終了時点でゼロとなることが好ましいことから、各時点での残蓄熱量を適切に維持するようにその時点での残蓄熱量と蓄熱目標とを刻々と比較してそれを補償するように熱源機１の台数制御を行う。具体的には、図６に示すように蓄熱目標と現在蓄熱量との差が大きい場合には所定台数の各熱源機１を運転し、その差が小さくなるにつれて各熱源機１を順次減段していくような台数制御を行えば良い。

なお、上記の「負荷流量優先モード」および「残蓄熱量優先モード」のいずれにおいても、「蓄熱運転モード」の場合と同様に、各熱源機１をいずれも可及的に全負荷運転することとして低効率での部分負荷運転（低負荷運転）を回避することが好ましい。
また、３台のＨＰチラー１ｂの運転停止順序はローテーションプログラムによりその都度変更することが好ましい。
さらに、各熱源機１の台数制御に際しての増段あるいは減段は、負荷の安定を保つために一定時間（たとえば１５分程度）の間隔を確保することとして、短時間で頻繁な増段や減段を繰り返すことを制限することが好ましい。
同様に、各熱源機１の発停を短時間で頻繁に繰り返すことは好ましくないので、停止後には一定時間（たとえば１５分程度）が経過するまでは再起動を制限することが好ましい。

本実施形態の運転制御システムにより運転を行う場合における各熱源機１の具体的な運転スケジュールの一例を図７に示す。
図示例の場合には、22:00〜8:00の時間帯において「蓄熱運転モード」によりターボ冷凍機１ａを全負荷運転して蓄熱運転を行うが、4:30頃には蓄熱完了となり、8:00からの「空調運転モード」による運転に備える。
8:00には「負荷流量優先モード」による運転が開始されて、当初は保有蓄熱水のみにより運転され、それ以降は保有蓄熱水を利用しつつ負荷に応じてその不足分を補うように各熱源機１が台数制御される（図示例では9:00にターボ冷凍機１ａの全負荷運転が開始され、10:30頃に3台のＨＰチラー１ｂの全負荷運転が開始された状況を示している）。
15:00以降は「残蓄熱量優先モード」に移行し、図示例ではその時点で２台のＨＰチラー１ｂがまず停止し、さらに１台のＨＰチラー１ｂが停止し、18:00にはターボ冷凍機１ａも停止してそれ移行は保有蓄熱水のみによる運転となり、20:00には蓄熱水を使い切って「空調運転モード」（「残蓄熱量優先モード」）による運転が停止し、22:00からの「蓄熱運転モード」による運転開始に備える。

以上で説明したように、本発明によれば「空調運転モード」による運転に際して「負荷流量優先モード」と「残蓄熱量優先モード」とを設定し、それぞれのモードにおいて各熱源機１を全負荷運転することにより最も効率的かつ最適な運転が可能となる。

すなわち、従来一般のこの種の制御システムでは、上記の「負荷流量優先モード」に相当するような運転を行うことなく、残蓄熱量が所定量以下となった時点でそれを補償することを優先して直ちに熱源機の運転を行っており、しかもその運転が部分負荷運転（低負荷運転）として頻繁に繰り返されるので、それに起因して運転効率の低下が不可避である。
また、熱源機がそのような部分負荷運転されることにより還り水温が設計値から外れてしまい（たとえば冷房時においては還り温度が設計値の１７℃まで上昇せずに１４℃程度となってしまう）、したがって適切な設計温度差１０degを維持できなくなり、その結果、蓄熱槽２において明確な温度成層が形成されなくなって蓄熱効率が低下してしまうばかりでなく、残蓄熱量も正確に計測することができなくなるといった様々な問題も生じている。

それに対し、本発明では上記の「負荷流量優先モード」の設定により残蓄熱量の維持を敢えて制限する時間帯を設定し、そのモードにおいては一定の負荷が発生するまでは熱源機１を一切運転せずに保有蓄熱水を利用することのみで運転を行うこととして、ある一定の負荷が発生した段階ではじめていずれかの熱源機１を全負荷運転することとし、かつ負荷増大に伴って所望台数の熱源機１をそれぞれ全負荷運転しつつ台数制御を行うこととする。
これにより、各熱源機１をいずれも高効率で運転することが可能となるし、往還の水温差も設計どうりの１０degを確実に維持可能であるから、蓄熱槽２における温度成層が乱れたり蓄熱効率の低下も防止でき、以上のことから全体として優れた高効率運転が可能であって省エネルギーおよびランニングコスト削減に大きく寄与し得るものである。

勿論、上記の「負荷流量優先モード」の後段で通常のように「残蓄熱量優先モード」による運転を行うことにより、「空調運転モード」の終了時点までに保有蓄熱量の全てを有効に使い切って残蓄熱量をゼロとすることが可能である。
しかも本発明の運転制御システムは、そのような最適制御を行うために複雑高度なソフトウエアやハードウエア、制御機構を必要としない簡略かつ安価なシステムとして構築できるものであり、一般的な蓄熱式空調設備全般に対して広く適用可能なものである。

以上で本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態はあくまで好適な一例であって本発明は上記実施形態に限定されるものでは勿論なく、上記実施形態として例示した蓄熱式空調設備の全体構成、各熱源機および蓄熱槽の形式や台数、水温や流量、各モードの時間帯の設定、「負荷流量優先モード」から「残蓄熱量優先モード」に切り換えるタイミングの設定その他の諸条件や仕様については、本発明を適用する対象の建物や構造物の用途や稼働状況、実際の冷暖房負荷の変動状況その他の状況を考慮したうえで、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能であることはいうまでもない。

１熱源機
１ａターボ冷凍機
１ｂＨＰチラー（空気熱源ヒートポンプ式チリングユニット）
２蓄熱槽
３サプライヘッダ
４リタンヘッダ
５１次ポンプ
５ａ冷水１次ポンプ（ターボ冷凍機用）
５ｂ冷温水１次ポンプ（ＨＰチラー用）
６２次ポンプ
７負荷（空調機等）

Claims

蓄熱式空調設備を対象とする空調運転制御システムであって、
空調運転時間内において蓄熱槽の保有蓄熱を利用しつつ複数台の熱源機の台数制御により負荷に応じた空調運転を行う空調運転モードと、
空調運転時間外において前記熱源機により前記蓄熱槽に対する蓄熱運転を行う蓄熱運転モードとを設定し、
前記空調運転モードにおいては、前記蓄熱槽の保有蓄熱を優先して利用しつつその時点の負荷に応じて前記熱源機の台数制御を行う負荷流量優先モードと、前記空調運転モードの終了時において前記蓄熱槽の保有残熱量がほぼゼロとなるように保有残熱量の維持を優先して前記熱源機の台数制御を行う残蓄熱量優先モードを設定可能としたことを特徴とする空調運転制御システム。