JP2013160415A - 熱源システムおよび熱源システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱源システムSの制御装置30は、熱源機11,12,13への熱負荷分配パターンを生成する熱負荷分配パターン生成手段31と、生成された熱負荷分配パターンにおける熱源システムSの評価関数を演算するシミュレーション手段32と、評価関数に基づいて、熱負荷分配パターン生成手段31で生成された熱負荷分配パターンから1つの熱負荷分配パターンを抽出する熱負荷分配パターン抽出手段33と、抽出された熱負荷分配パターンに基づいて、熱源機11,12,13および冷温水ポンプ5a,5b,5cを制御する制御指令手段34と、を有する。
【選択図】図1
Description
熱源システムでは、その運転にあたって、熱源システム全体の消費エネルギ、熱源システム全体の運転コスト、熱源システムからの二酸化炭素排出量などの評価関数が設定され、その評価関数が最小化するように、制御されるようになっている。
例えば、評価関数を熱源システムで消費する全ての電力エネルギと全てのガスエネルギとの積算値とすると、熱源システム全体の消費エネルギを最小化するように制御を行うことができるようになっている。また、例えば、評価関数を熱源システムで消費する全ての電力コストと全てのガスコストとの積算値とすると、熱源システム全体の運転コストを最小化するように制御を行うことができるようになっている。
このため、特許文献1や特許文献2で開示された熱源システムにおける熱源機の運転台数制御は、処理すべき熱負荷量(熱負荷需要量)を処理可能な最低台数の熱源機を動作させることで行われ、また、その台数での制御が熱負荷需要量における最も消費エネルギを削減する台数となっている。
<熱源システムS>
図1は、第1実施形態に係る熱源システムSの構成図である。
図1に示すように、熱源システムSは、3系統の熱源ユニット(第1熱源ユニット1、第2熱源ユニット2、第3熱源ユニット3)と、熱負荷4と、冷温水ポンプ5a,5b,5cと、冷温水往ヘッダ6aと、冷温水還ヘッダ6bと、制御装置30と、を備え、熱源ユニット(第1熱源ユニット1、第2熱源ユニット2、第3熱源ユニット3)と熱負荷4との間で冷温水が循環するようになっている。
なお、以下の説明において、熱負荷4は、冷熱需要としての負荷源(例えば、冷房運転を行う空気調和機)であり、熱源システムSは熱負荷4に冷熱を供給するシステムであるものとして説明する。
図1に示すように、第1熱源ユニット1(後述するインバータターボ冷凍機11)は、冷温水入口が冷温水ポンプ5aの吐出側と接続され、冷温水出口が冷温水往ヘッダ6aと接続されている。第2熱源ユニット2(後述するターボ冷凍機12)は、冷温水入口が冷温水ポンプ5bの吐出側と接続され、冷温水出口が冷温水往ヘッダ6aと接続されている。第3熱源ユニット3(後述する排熱利用吸収式冷温水機13)は、冷温水入口が冷温水ポンプ5cの吐出側と接続され、冷温水出口が冷温水往ヘッダ6aと接続されている。
なお、熱源ユニット(第1熱源ユニット1、第2熱源ユニット2、第3熱源ユニット3)の詳細については、後記する。
図1に示すように、冷温水ポンプ5aは、吸込側が冷温水還ヘッダ6bと接続され、吐出側が第1熱源ユニット1(後述するインバータターボ冷凍機11)の冷温水入口と接続されている。冷温水ポンプ5bは、吸込側が冷温水還ヘッダ6bと接続され、吐出側が第2熱源ユニット2(後述するターボ冷凍機12)の冷温水入口と接続されている。冷温水ポンプ5cは、吸込側が冷温水還ヘッダ6bと接続され、吐出側が第3熱源ユニット3(後述する排熱利用吸収式冷温水機13)の冷温水入口と接続されている。
熱負荷4に供給された冷温水は、熱負荷4に冷熱を供給し(熱負荷4により冷温水が加熱され)、温度の上昇した冷温水は冷温水還ヘッダ6bへと戻るようになっている。
次に、熱源ユニット(第1熱源ユニット1、第2熱源ユニット2、第3熱源ユニット3)について説明する。
図1に示すように、第1熱源ユニット1は、インバータターボ冷凍機(熱源機)11と、送風ファン8aを有する冷却塔7aと、冷却水ポンプ9aと、を備え、インバータターボ冷凍機11と冷却塔7aとの間で冷却水が循環するようになっている。
また、第2熱源ユニット2は、ターボ冷凍機(熱源機)12と、送風ファン8bを有する冷却塔7bと、冷却水ポンプ9bと、を備え、ターボ冷凍機12と冷却塔7bとの間で冷却水が循環するようになっている。
また、第3熱源ユニット3は、排熱利用吸収式冷温水機(熱源機)13と、送風ファン8cを有する冷却塔7cと、冷却水ポンプ9cと、排温水ポンプ15と、ガスエンジン14と、を備え、排熱利用吸収式冷温水機13と冷却塔7cとの間で冷却水が循環し、排熱利用吸収式冷温水機13とガスエンジン14との間で排温水が循環するようになっている。
図1に示すように、冷却塔7aの冷却水入口は、インバータターボ冷凍機11の冷却水出口と接続され、冷却塔7aの冷却水出口は、冷却水ポンプ9aの吸込側と接続されている。冷却塔7bの冷却水入口は、ターボ冷凍機12の冷却水出口と接続され、冷却塔7bの冷却水出口は、冷却水ポンプ9bの吸込側と接続されている。冷却塔7cの冷却水入口は、排熱利用吸収式冷温水機13の冷却水出口と接続され、冷却塔7cの冷却水出口は、冷却水ポンプ9cの吸込側と接続されている。
図1に示すように、冷却水ポンプ9aは、吸込側が冷却塔7aの冷却水出口と接続され、吐出側がインバータターボ冷凍機11の冷却水入口と接続されている。冷却水ポンプ9bは、吸込側が冷却塔7bの冷却水出口と接続され、吐出側がターボ冷凍機12の冷却水入口と接続されている。冷却水ポンプ9cは、吸込側が冷却塔7cの冷却水出口と接続され、吐出側が排熱利用吸収式冷温水機13の冷却水入口と接続されている。
図1に示すように、ガスエンジン14の排温水入口は、排熱利用吸収式冷温水機13の排温水出口と接続され、ガスエンジン14の排温水出口は、排温水ポンプ15の吸込側と接続されている。
図1に示すように、排温水ポンプ15は、吸込側がガスエンジン14の排温水出口と接続され、吐出側が排熱利用吸収式冷温水機13の排温水入口と接続されている。
排温水ポンプ15には、インバータ24が接続され、インバータ24を制御することにより、排温水ポンプ15の排温水の流量を所定の範囲で変化させることができるようになっている。
次に、熱源システムSが備える制御装置30について説明する。
制御装置30は、図1に示すように、熱負荷分配パターン生成手段31と、シミュレーション手段32と、熱負荷分配パターン抽出手段33と、動作制御指令手段34と、を有している。
具体的には、各熱源機(インバータターボ冷凍機11、ターボ冷凍機12、排熱利用吸収式冷温水機13)の冷却水入口には、各熱源機に流入する冷却水の温度(冷却水入口温度)を検出する温度センサ(図示せず)および各熱源機に流入する冷却水の流量(冷却水流量)を検出する流量センサ(図示せず)が設けられ、冷却水出口には、各熱源機から流出する冷却水の温度(冷却水出口温度)を検出する温度センサ(図示せず)が設けられている。
また、各熱源機の冷温水入口には、各熱源機に流入する冷温水の温度(冷温水入口温度)を検出する温度センサ(図示せず)および各熱源機に流入する冷温水の流量(冷温水流量)を検出する流量センサ(図示せず)が設けられ、冷却水出口には、各熱源機から流出する冷温水の温度(冷温水出口温度)を検出する温度センサ(図示せず)が設けられている。
また、インバータターボ冷凍機11の冷温水出口温度と、ターボ冷凍機12の冷温水出口温度と、排熱利用吸収式冷温水機13の冷温水出口温度とは同一となるように制御目標温度が設定され制御される。
例えば、熱源機の冷温水入口温度と冷温水出口温度との温度差が5℃のとき、冷温水ポンプ5aの流量を500m3/h、冷温水ポンプ5bの流量を500m3/h、冷温水ポンプ5cの流量を200m3/hとすると、インバータターボ冷凍機11、ターボ冷凍機12、排熱利用吸収式冷温水機13の処理する熱負荷量は、それぞれ、2907kW、2907kW、1163kWとなる。
熱源システムSの各熱源機への熱負荷の分配処理について、図2を用いて説明する。図2は、第1実施形態に係る熱源システムSの制御装置30の動作を示すフローチャートである。
Q4 =(T4out −T4in )×F4 ……(1)
なお、以下の説明において、Q4 =1000RT(RT:冷凍トン)として説明する。
熱負荷分配パターン生成手段31は、ブロック化された熱負荷(200RT)を各熱源機に分配して熱負荷分配パターン402を生成する。
なお、インバータターボ冷凍機11の最大冷却能力を1000RT、ターボ冷凍機12の最大冷却能力を500RT、排熱利用吸収式冷温水機13の最大冷却能力を1000RTであるものとした。
運転可否404は、熱負荷分配パターン402が熱源システムSで運転可能であるか否かを示すものであり、運転可能を「○」で示し、運転不可を「×」で示している。
前述のように、各熱源機(インバータターボ冷凍機11、ターボ冷凍機12、排熱利用吸収式冷温水機13)への熱負荷分配は、各熱源機に流入する冷温水の流量(冷温水流量)、即ち、冷温水ポンプ5a,5b,5cの流量に比例する。このため、冷温水ポンプ5a,5b,5cの流量制御範囲(例えば定格流量の40%から定格流量まで)に応じて、各熱源機にも運転可能な負荷率範囲(例えば、40%〜100%)を有する。なお、負荷率0%(分配負荷0RT)とは、その熱源機を停止させることを示しており、運転可能な負荷率範囲に含まれる。
図6は、各熱源機の負荷率−成績係数(Coefficient Of Performance;COP)特性を示すグラフであり、(a)はインバータターボ冷凍機11であり、(b)はターボ冷凍機12であり、(c)は排熱利用吸収式冷温水機13である。図6(a)〜(c)に示すように、熱源機の種別により特性は異なっている。シミュレーション手段32は、各熱源機の負荷率403(図5参照)から、各熱源機の負荷率−COP特性(図6(a)〜(c)参照)を用いて、各熱源機のCOPに換算する。
ここで、COPは、「熱源機の処理する熱負荷(熱源機の分配負荷)」を「熱源機の消費エネルギ」で除算した値である。即ち、「熱源機の消費エネルギ」は「熱源機の処理する熱負荷(熱源機の分配負荷)」をCOPで除算することにより求められる。シミュレーション手段32は、熱負荷分配パターン402の各熱源機の分配負荷(図5参照)から、各熱源機のCOPで除算することにより、熱負荷分配パターンにおける各熱源機の消費エネルギを算出することができる。
ここで、インバータターボ冷凍機11およびターボ冷凍機12はエネルギ源として電力(二次エネルギ)を消費するのに対し、排熱利用吸収式冷温水機13はエネルギ源としてガス(二次エネルギ)を消費する。このため、一次エネルギ(例えば、石油や天然ガス)から二次エネルギ(電気、ガス)への変換効率の逆数を換算係数として、各熱源機の消費エネルギに換算係数をかけて各熱源機の消費一次エネルギを求め、各熱源機の消費一次エネルギを加算することで評価関数(熱源システムSの消費エネルギ)とした。
このように、熱負荷分配パターン402毎に評価関数の値504が算出される。
このように、本実施形態に係る熱源システムSは、集中熱源方式であるため、冷温水ポンプ5a,5b,5cの冷温水の流量を制御することにより、各熱源機(インバータターボ冷凍機11、ターボ冷凍機12、排熱利用吸収式冷温水機13)への熱負荷を分配することができる。そして、熱負荷分配パターン生成手段31、シミュレーション手段32および熱負荷分配パターン抽出手段33により、評価関数を最小化する熱負荷分配パターンが得られるので、得られた熱負荷分配パターンとなるように熱源システムSを運転することにより、消費エネルギを削減することができる。
このため、ステップS102において、熱負荷需要量Q4 を適当な数n(例えば、図3に示すようにn=5)で分割して、それらを各熱源機に振り分けることによって行うことにより、後段のシミュレーション手段32におけるシミュレーション回数を少なくして、演算時間を短くし、制御が切り替わるまでのロスを少なくすることができる。
n+1Hr-1=(n+r−1)!/(n!・(r−1)!)
となる。即ち、後述するステップS103で実行されるシミュレーション回数の最大値は、n+1Hr-1となる。このため、制御装置30が処理可能な分割パターンの総数となるように分割数nを決定するのが望ましい。
したがって、シミュレーション中の熱負荷分配パターンの各熱源機の発停状態が、現在の各熱源機の発停状態と異なる場合、過渡的期間のロスを見込んだ補正値を評価関数に加えたり、過渡的期間のロスを見込んだ補正係数をかけることで、熱源機の発停による消費エネルギのロスを評価関数に取り込んで評価する構成であってもよい。
次に、第2実施形態に係る熱源システムSについて説明する。第2実施形態に係る熱源システムSの構成は、第1実施形態に係る熱源システムSの構成(図1参照)と同様であり説明を省略する。一方、第2実施形態に係る熱源システムSは、熱負荷分配パターンを生成する熱負荷分配パターン生成手段31の処理(図2のステップS102の処理)および評価関数を算出するシミュレーション手段32の処理(図2のステップS103の処理)が第1実施形態に係る熱源システムSと異なる。
第2実施形態に係る熱源システムSの各熱源機への負荷の分配処理について図2を参照しつつ説明する。ここで、ステップS101,S104,S105の処理は、第1実施形態に係る熱源システムSの処理と同様であり説明を省略する。
例えば、熱源機(インバータターボ冷凍機)11の負荷率が50%、熱源機(ターボ冷凍機)12の負荷率が60%、熱源機(排熱利用吸収式冷温水機)13の負荷率が60%の場合、図8に示すように、各熱源機の最大冷却能力および負荷率から、各熱源機の処理する熱負荷が得られる。得られた各熱源機の処理する熱負荷の組が、熱負荷分配パターンに相当する。
P=PR×(FR/100)3=PR×(F/RF)3 ……(2)
ここで、PRは定格運転時の消費電力[kW]であり、FRは流量比[%]であり、Fはポンプの流量またはファンの風量[m3/h]であり、RFは定格運転時のポンプの流量またはファンの風量[m3/h]である。
各熱源機(インバータターボ冷凍機11、ターボ冷凍機12、排熱利用吸収式冷温水機13)の消費エネルギ(消費電力、消費ガス)は、熱源機の負荷率[%]と、冷却水出口温度[℃]をパラメータとするテーブルを元に算出する。なお、データの補間には例えば線形補間を用いる。
AF=PSUM×PC+GSUM×GC ……(3)
ここで、PSUMは総消費電力[kW]であり、PCは電力コスト[円/kWh]であり、GSUMは総消費ガス[m3/h]であり、GCはガスコスト[円/(m3)]である。
なお、本実施形態に係る熱源システムSは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
また、熱源システムSの備える熱源機(冷凍機)の台数は、3台に限られるものではなく、2台であってもよく、3台より多い台数であってもよい。
このような構成によれば、全ての熱負荷分配パターンについてシミュレーションを行う場合と比較して、好適な熱負荷分配パターンを得るまでのシミュレーション回数を削減して演算時間を短くすることにより、制御が切り替わるまでのロスを少なくすることができる。
1 第1熱源ユニット
2 第2熱源ユニット
3 第3熱源ユニット
4 熱負荷
5a,5b,5c 冷温水ポンプ(搬送手段)
6a 冷温水往ヘッダ
6b 冷温水還ヘッダ
7a,7b,7c 冷却塔
8a,8b,8c 送風ファン
9a,9b,9c 冷却水ポンプ
11 インバータターボ冷凍機(熱源機)
12 ターボ冷凍機(熱源機)
13 排熱利用吸収式冷温水機(熱源機)
14 ガスエンジン
15 排温水ポンプ
30 制御装置(制御手段)
31 熱負荷分配パターン生成手段(パターン生成手段)
32 シミュレーション手段
33 熱負荷分配パターン抽出手段(パターン抽出手段)
34 制御指令手段(運転制御手段)
21a,21b,21c,22a,22b,22c,23a,23b,23c,24 インバータ
402 熱負荷分配パターン
504 評価関数
Claims (9)
- 少なくとも2つ以上の熱源機と、該熱源機から熱負荷に熱搬送媒体を搬送する搬送手段と、前記熱源機および前記搬送手段を制御する制御手段と、を備える熱源システムであって、
前記制御手段は、
各前記熱源機への熱負荷分配パターンを生成するパターン生成手段と、
生成された前記熱負荷分配パターンにおける前記熱源システムの評価関数を演算するシミュレーション手段と、
前記評価関数に基づいて、前記パターン生成手段で生成された前記熱負荷分配パターンから1つの熱負荷分配パターンを抽出するパターン抽出手段と、
抽出された前記熱負荷分配パターンに基づいて、前記熱源機および前記搬送手段を制御する運転制御手段と、を有する
ことを特徴とする熱源システム。 - 前記パターン抽出手段は、
前記シミュレーション手段により演算された前記評価関数が最小となる熱負荷分配パターンを抽出する
ことを特徴とする請求項1に記載の熱源システム。 - 前記運転制御手段は、
インバータ制御または温度制御を含む制御により、抽出された前記熱負荷分配パターンとなるように前記熱源機および前記搬送手段を制御する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の熱源システム。 - 前記シミュレーション手段は、
前記熱源システムの消費電力を前記評価関数とする
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の熱源システム。 - 前記シミュレーション手段は、
前記熱源システムのランニングコストを前記評価関数とする
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の熱源システム。 - 前記シミュレーション手段は、
前記熱源システムの排出二酸化炭素量を前記評価関数とする
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の熱源システム。 - 前記パターン生成手段は、
前記熱負荷の総負荷量を所定の個数で分割し、分割された負荷量を単位として各前記熱源機に割り振ることで前記熱負荷分配パターンを生成する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の熱源システム。 - 前記パターン生成手段は、
各前記熱源機の負荷率を所定の間隔で変化させることで前記熱負荷分配パターンを生成する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の熱源システム。 - 少なくとも2つ以上の熱源機と、該熱源機から熱負荷に熱搬送媒体を搬送する搬送手段と、前記熱源機および前記搬送手段を制御する制御手段と、を備える熱源システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
各前記熱源機への熱負荷分配パターンを生成する生成ステップと、
前記生成ステップで生成された前記熱負荷分配パターンにおける前記熱源システムの評価関数を演算する演算ステップと、
前記演算ステップで演算された前記評価関数に基づいて、前記生成ステップで生成された前記熱負荷分配パターンから1つの熱負荷分配パターンを抽出する抽出ステップと、
前記抽出ステップで抽出された前記熱負荷分配パターンに基づいて、前記熱源機および前記搬送手段を制御する制御ステップと、を有する
ことを特徴とする熱源システムの制御方法。
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