JP2016038188A - 負荷分配システム - Google Patents

Abstract

【課題】可変速圧縮機を有する熱源機及び定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機のそれぞれに対して分配される熱媒体の流量を適切に設定することで、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することのできる負荷分配システムの提供。【解決手段】負荷分配システムは、第１冷凍機５１と、第１冷凍機５１と並列に配置される第２冷凍機５２と、二次側設備２０と、熱媒体循環回路７０とを備える。第１冷凍機５１は、可変速圧縮機を有する熱源機である。第２冷凍機５２は、定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機である。熱媒体循環回路７０には、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に共通しており熱媒体循環回路７０に熱媒体を循環させるポンプ４０と、ポンプ４０から第１冷凍機５１へと流れる熱媒体の流量を調整する第１流量調整弁６１と、ポンプ４０から第２冷凍機５２へと流れる熱媒体の流量を調整する第２流量調整弁６２とが設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、負荷分配システムに関する。

従来より、可変速圧縮機を有する熱源機と定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機とが並列に配置されており、利用側設備から要求される負荷に応じて各熱源機の駆動を制御するシステムがある。ここで、定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機は、可変速圧縮機を有する熱源機よりも定格能力で駆動される際の運転効率が格段によいことが知られている。一方、部分負荷時には、定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機は、運転効率が低下するため、可変速圧縮機を有する熱源機よりも運転効率が下回ることがある。そこで、各熱源機を組み合わせて使用する場合には、利用側設備から要求される負荷に応じて各熱源機に対する負荷の配分を変化させることで、システム全体のエネルギー効率を向上させるという従来技術として、例えば特許文献１（特開２００７−２９２３７４号公報）がある。特許文献１記載のシステムでは、各熱源機の負荷が各熱源機に対する熱媒体の流量に比例するという性質を利用して、熱源機に対して熱媒体を流すポンプとして吐出容量を調整することのできるインバータポンプを採用している。そして、各インバータポンプの吐出容量を制御することで、各熱源機への熱媒体の流量を調整している。これにより、特許文献１記載のシステムでは、各熱源機に対する負荷の配分を変更している。

しかしながら、特許文献１記載のシステムにおいて、吐出容量が大きく異なるような制御指令が各インバータポンプに対して為された場合、ポンプ間の圧力の関係上、吐出容量が小さくなるように制御指令を受けたインバータポンプには熱媒体が流れ難くなることがある。そうすると、このインバータポンプから熱媒体が流れる熱源機には、所望の流量を下回る量の熱媒体しか流れないことになってしまう。このように、特許文献１記載のシステムでは、各熱源機に対する熱媒体の流量を設定する際に、各熱源機に分配される熱媒体の流量に大きな差をつけることができないために各熱源機に所望の負荷分配をすることができず、結果としてシステム全体のエネルギー効率が悪化することがある。

そこで、本発明の課題は、可変速圧縮機を有する熱源機及び定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機のそれぞれに対して分配される熱媒体の流量を適切に設定することで、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することのできる負荷分配システムを提供することにある。

本発明の第１観点に係る負荷分配システムは、第１熱源機と、第２熱源機と、利用側設備と、熱媒体循環回路と、を備える。第１熱源機は、熱媒体を加熱又は冷却する。第２熱源機は、熱媒体を加熱又は冷却する。第２熱源機は、第１熱源機と並列に配置されている。利用側設備は、第１熱源機及び第２熱源機から熱媒体が供給される。熱媒体循環回路は、第１熱源機、第２熱源機及び利用側設備が接続されている。第１熱源機は、可変速圧縮機を有する熱源機である。第２熱源機は、定速圧縮機を有する熱源機、又は吸収式熱源機である。熱媒体循環回路には、ポンプと、第１流量調整弁と、第２流量調整弁と、が設けられている。ポンプは、熱媒体循環回路に熱媒体を循環させるためのものである。ポンプは、第１熱源機及び第２熱源機に共通している。第１流量調整弁は、ポンプから第１熱源機へと流れる熱媒体の流量を調整するためのものである。第２流量調整弁は、ポンプから第２熱源機へと流れる熱媒体の流量を調整するためのものである。

本発明の第１観点に係る負荷分配システムでは、共通のポンプによって第１熱源機及び第２熱源機へと熱媒体が流れ、かつ第１流量調整弁及び第２流量調整弁によって第１熱源機及び第２熱源機への熱媒体の流量が調整される。このため、各熱源機のそれぞれに対して吐出容量可変なポンプから熱媒体が流れる構成であって各ポンプによって各熱源機への熱媒体の流量が調整されるよりも、各熱源機に対して熱媒体を流す際にその流量に大きな差を付けることができる。したがって、各熱源機に対して分配される熱媒体の流量を適切に設定することができる。

これにより、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る負荷分配システムは、第１観点に係る負荷分配システムにおいて、制御部を備える。制御部は、利用側設備から要求される負荷に応じて、第１熱源機及び第２熱源機の駆動台数を制御する。制御部は、利用側設備から要求される負荷が徐々に増加して第１熱源機で対応可能な負荷以上の負荷が要求された場合には、第２熱源機へと熱媒体が流れるように第２流量調整弁の開度を調整し、かつ、最小能力で第１熱源機が駆動するように第１流量調整弁の開度を調整する。このため、この負荷分配システムでは、第１熱源機及び第２熱源機の両方が駆動する場合に、第１熱源機及び第２熱源機に対する熱媒体の流量が同じであるよりも、システム全体のエネルギーの損失を抑えることができる。

本発明の第３観点に係る負荷分配システムは、第２観点に係る負荷分配システムにおいて、第１熱源機は、２台以上である。第１熱源機の最小能力を合計した能力は、第２熱源機の定格能力以下の能力である。このため、第１熱源機に加えて第２熱源機を駆動させる状況になった場合に、各第１熱源機に対する熱媒体の流量を調整することで、システム全体のエネルギー損失を抑えることができる。

本発明の第４観点に係る負荷分配システムは、第１観点から第３観点のいずれかの負荷分配システムにおいて、ポンプは、単位時間当たりの熱媒体の吐出容量が一定である定量ポンプである。このため、この負荷分配システムでは、吐出容量可変なポンプが採用される場合と比較して、コストを抑制することができる。

本発明の第５観点に係る負荷分配システムは、第１観点から第４観点のいずれかの負荷分配システムにおいて、第２流量調整弁は、第２熱源機への熱媒体の流れを許容又は遮断する開閉弁である。このため、この負荷分配システムでは、第２流量調整弁として許容時に流量を変更することが可能な弁が採用される場合と比較して、コストを抑制することができる。

本発明の第１観点に係る負荷分配システムでは、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することができる。

本発明の第２観点に係る負荷分配システムでは、システム全体のエネルギーの損失を抑えることができる。

本発明の第３観点に係る負荷分配システムでは、システム全体のエネルギー損失を抑えることができる。

本発明の第４観点に係る負荷分配システムでは、コストを抑制することができる。

本発明の第５観点に係る負荷分配システムでは、コストを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る負荷分配システムの概略構成図。 負荷分配システムの備える制御装置の制御ブロック図。 チラーシステムコントローラによる冷凍機台数制御のフローを示す図。 従来技術としての負荷分配システムの備える一次側設備の概略構成図。 本実施形態に係る負荷分配システム及び従来技術としての負荷分配システムそれぞれのエネルギー損失を説明するための図。 変形例Ａに係る負荷分配システムの備える一次側設備の概略構成図。 変形例Ａに係る負荷分配システム及び従来技術としての負荷分配システムそれぞれのエネルギー損失を説明するための図。

以下、本発明の一実施形態に係る負荷分配システムについて、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術範囲を限定するものではない。

（１）負荷分配システムの全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る負荷分配システムの概略構成図である。本実施形態に係る負荷分配システムは、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することのできるものである。負荷分配システムは、主に、ビルや工場、病院及びホテル等の、比較的大きい建物内に設置されている。

この負荷分配システムは、図１に示すように、熱源側設備としての一次側設備１０と利用側設備としての二次側設備２０との間で、両者１０，２０を結ぶ配管を介して熱媒体としての水を循環させるシステムである。

一次側設備１０は、主として、熱媒体を加熱又は冷却する熱源機としての第１〜第３冷凍機５１〜５３と、第１〜第３冷凍機５１〜５３に対応して設けられる第１〜第３流量調整弁６１〜６３と、第１〜第３冷凍機５１〜５３に共通のポンプ４０と、を含む。

なお、本実施形態の第１冷凍機５１は、可変速圧縮機を有する熱源機である。可変速圧縮機とは、回転速度を変更することのできる圧縮機である。第１冷凍機５１は、圧縮機の回転速度を切り替えることで能力（冷凍能力）を調整して運転できる、能力可変型の熱源機である。第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３は、定速圧縮機を有する熱源機である。定速圧縮機とは、圧縮機の回転速度が一定の圧縮機である。ところで、本実施形態では、第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３は、定速圧縮機を有する熱源機であるが、第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３が吸収式熱源機であってもよい。吸収式熱源機とは、圧縮機を備えていない熱源機であって、能力が一定の熱源機である。すなわち、第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３は、能力一定型の熱源機である。

二次側設備２０は、主として、建物内の各空調対象空間（以下、室内空間という）に設置される熱利用機器である第１〜第９空調機２１〜２９から成る。そして、冷房時には冷水が、暖房時には温水が一次側設備１０から二次側設備２０へと流れ、水の冷熱あるいは温熱が二次側設備２０の運転中の第１〜第９空調機２１〜２９において空調に利用される。

一次側設備１０はチラーシステムコントローラ１１０によって、二次側設備２０は空調機コントローラ１２０によって、それぞれコントロールされる。

（２）負荷分配システムの詳細構成
（２−１）熱媒体循環回路７０
熱媒体循環回路７０は、水が充填された閉回路であり、第１〜第３冷凍機５１〜５３と第１〜第９空調機２１〜２９との間で水が循環するように構成されている。熱媒体循環回路７０には、ポンプ４０と、第１〜第３流量調整弁６１〜６３と、第１〜第３冷凍機５１〜５３と、往ヘッダ１１と、第１〜第９空調機２１〜２９と、還ヘッダ１２と、が接続されている。

熱媒体循環回路７０は、図１に示すように、二次側配管７１と、第１共通配管７２と、第２共通配管７３と、第１〜第３配管７４〜７６と、バイパス管７７と、を有する。二次側配管７１は、第１〜第９空調機２１〜２９それぞれに水が流れるように往ヘッダ１１と還ヘッダ１２との間を結んでいる。第１共通配管７２は還ヘッダ１２に接続されている。第２共通配管７３は往ヘッダ１１に接続されている。第１〜第３配管７４〜７６は、第１共通配管７２と第２共通配管７３とを結ぶ配管である。より詳しくは、第１〜第３配管７４〜７６は、第１共通配管７２の端部に位置する分岐点Ｐ１と第２共通配管７３の端部に位置する分岐点Ｐ２とを結ぶように並列に設けられた配管である。バイパス管７７は、還ヘッダ１２と往ヘッダ１１とを結んでいる。

（２−２）一次側設備１０
一次側設備１０では、３台の第１〜第３冷凍機５１〜５３が負荷分配システムにおける熱源として働く。第１〜第３冷凍機５１〜５３それぞれには、第１〜第３流量調整弁６１〜６３が１つずつ配設されている。そして、第１〜第３冷凍機５１〜５３に対して１台のポンプ４０が配備されている。第１〜第３冷凍機５１〜５３は、図１に示すように互いに並列に接続されている。具体的には、第１共通配管７２にはポンプ４０が設けられ、第１配管７４には第１流量調整弁６１及び第１冷凍機５１が設けられ、第２配管７５には第２流量調整弁６２及び第２冷凍機５２が設けられ、第３配管７６には第３流量調整弁６３及び第３冷凍機５３が設けられている。

第１〜第３冷凍機５１〜５３は、空冷式のヒートポンプチラーであり、圧縮機、空気側熱交換器、膨張弁、水側熱交換器が順次接続されて冷媒回路を構成し、冷媒回路の内部には、冷媒が充填されている。第１冷凍機５１は、上記のように可変速圧縮機を１又は複数台搭載しており、本実施形態では、可変速圧縮機が容量調整の可能なインバータ圧縮機であるものとする。第２及び第３冷凍機５３は、上記のように定速圧縮機を１又は複数台搭載しており、本実施形態では、定速圧縮機が容量調整のできない圧縮機であるものとする。なお、本実施形態の定速圧縮機に代えて、ホットガスバイパスによって容量調整のできる圧縮機であってもよい。

第１〜第３流量調整弁６１〜６３は、第１〜第３冷凍機５１〜５３それぞれに流れる水量を調整するための弁である。第１流量調整弁６１は、ポンプ４０から第１冷凍機５１へと流れる熱媒体の流量を調整するためのものである。本実施形態の第１流量調整弁６１は、第１冷凍機５１への水の流れを許容又は遮蔽することができ、許容時には第１冷凍機５１へと流れる水の流量を変更することができる。第２流量調整弁６２は、ポンプ４０から第２冷凍機５２へと流れる熱媒体の流量を調整するためのものである。本実施形態の第２流量調整弁６２は、第２冷凍機５２への水の流れを許容又は遮蔽する開閉弁であって、許容時には第２冷凍機５２へと流れる水の流量を変更することができない。第３流量調整弁６３は、ポンプ４０から第３冷凍機５３へと流れる熱媒体の流量を調整するためのものである。本実施形態の第３流量調整弁６３は、第３冷凍機５３への水の流れを許容又は遮蔽する開閉弁であって、第２流量調整弁６２と同様に許容時には第３冷凍機５３へと流れる水の流量を変更することができない。なお、第２流量調整弁６２及び第３流量調整弁６３として採用される流量調整弁が、第１流量調整弁６１と同様の構成の許容時には冷凍機へと流れる水の流量を変更することができるものであってもよい。

ポンプ４０は、熱媒体循環回路７０に水を循環させる役割を果たす。本実施形態のポンプ４０は、単位時間当たりの水の吐出量が一定である定速ポンプであって、チラーシステムコントローラ１１０により発停が制御される。なお、採用されるポンプ４０は、定速ポンプに限定されず、チラーシステムコントローラ１１０によりインバータ駆動される容量可変型のポンプであってもよい。

一次側設備１０では、ポンプ４０が駆動することにより、第１〜第３冷凍機５１〜５３から送り出された水（冷水あるいは温水）が、第２共通配管７３及び往ヘッダ１１を介して二次側配管７１へと流れる。また、二次側設備２０から二次側配管７１を介して戻ってきた水が、還ヘッダ１２に一旦流入し、第１共通配管７２を介して第１〜第３冷凍機５１〜５３へと流れる。

また、往ヘッダ１１と還ヘッダ１２とを結ぶバイパス配管１３には、バイパス流量調節弁７７ａが配設されている。バイパス流量調節弁７７ａの開度を変更し、バイパス配管１３を通って往ヘッダ１１から還ヘッダ１２に直接戻る水の流量を調節することで、二次側設備２０に流れる水の流量を抑制することができる。

（２−３）二次側設備２０
二次側設備２０は、熱利用機器としての９台の第１〜第９空調機２１〜２９を有している。第１〜第９空調機２１〜２９は、それぞれ、熱源機である一次側設備１０の第１〜第３冷凍機５１〜５３が生成する冷水の冷熱あるいは温水の温熱を使って、室内空間の負荷を処理する。すなわち、第１〜第９空調機２１〜２９は、一次側設備１０から流れてくる冷水あるいは温水を用いて、室内空間の空調（冷房や暖房）を行う。

第１〜第９空調機２１〜２９は、それぞれ同一あるいは異なる室内空間に設置されている。そして、第１〜第９空調機２１〜２９それぞれは、往ヘッダ１１から延びる二次側配管７１と、還ヘッダ１２につながる二次側配管７１との間に、並列に配置されている。第１〜第９空調機２１〜２９は、往ヘッダ１１側の二次側配管７１から水を取り入れ、還ヘッダ１２側の二次側配管７１へと水を戻す。

第１〜第９空調機２１〜２９の各ケーシングの内部には、空気が流通する空気通路が形成されている。空気通路の流入端には、吸い込みダクト（図示せず）の一端が接続され、空気通路の流出端には、給気ダクト（図示せず）の一端が接続されている。吸い込みダクト及び給気ダクトの他端は、それぞれ室内空間に接続されている。

第１〜第９空調機２１〜２９の各ケーシングの内部には、送風ファン、熱交換器、流量調整弁などが配備されている。熱交換器は、水と空気との間で熱交換を行わせて、空気を冷却または加熱させる。熱交換器は、例えば、複数の伝熱フィンと、それらの伝熱フィンを貫通する伝熱管とを有する、フィンアンドチューブ式の熱交換器等が採用される。熱交換器の伝熱管には、一次側設備１０と二次側設備２０との間を循環する水が流れ、伝熱管及び伝熱フィンを介して水の熱が空気に供給されることで、空気が冷却または加熱されるようになっている。送風ファンは、インバータ制御によって回転数を段階的に変化させることが可能であって、加熱または冷却された空気の送風量を調節できる。流量調整弁は、その空調機に流れる水の量を調節する役割を果たす。つまり、第１〜第９空調機２１〜２９それぞれに流れる水の流量は、各流量調整弁の開度によって決まる。各送風ファン及び各流量調整弁は、空調機コントローラ１２０によりコントロールされる。

（２−４）制御装置
図２は、負荷分配システムの備える制御装置の制御ブロック図である。制御装置は、主として、チラーシステムコントローラ１１０及び空調機コントローラ１２０から成る。上述のように、チラーシステムコントローラ１１０は第１〜第３冷凍機５１〜５３、第１〜第３流量調整弁６１〜６３及びポンプ４０をコントロールし、空調機コントローラ１２０は第１〜第９空調機２１〜２９をコントロールする。

なお、チラーシステムコントローラ１１０の起動制御に関する詳細構成については、以下で詳述する。

（３）負荷分配システムの動作
（３−１）全体概略動作
第１〜第９空調機２１〜２９それぞれでは、吸込ダクト（図示せず）によって室内空間から取り込まれた室内空気が、ケーシング内の空気通路を流れる。この空気は、各熱交換器等において一次側設備１０から流れてきた冷水／温水によって冷却／加熱される。その冷却／加熱された空気が給気ダクト（図示せず）を介して室内空間へ供給されることで、室内空間の冷房／暖房が行われる。

（３−２）チラーシステムコントローラ１１０による起動制御
チラーシステムコントローラ１１０は、主として、ＣＰＵ１８０及びメモリ１９０から構成されている。メモリ１９０は、ＲＯＭとＲＡＭとで構成されており、ＲＯＭには、ＣＰＵ１８０が読み出して実行する各種プログラム等が格納されている。ＲＡＭは、ＣＰＵ１８０のワークメモリとして機能する他、ＣＰＵ１８０によって書き換え可能な情報が格納されている。

チラーシステムコントローラ１１０は、二次側設備２０の負荷（具体的には、第１〜第９空調機２１〜２９が処理すべき各室内空間の熱負荷）に応じて冷凍機の運転台数を可変させる冷凍機台数制御を、第１〜第３冷凍機５１〜５３に関する制御として行う。

（３−３）冷凍機台数制御
次に、チラーシステムコントローラ１１０の冷凍機台数制御に関係する機能について詳述する。

ＲＯＭから読み出したプログラムを実行するＣＰＵ１８０には、図２に示すように、起動制御に関係するソフトウェア上の機能部として、二次側負荷量演算部１８１と、冷凍機台数決定部１８２と、が備わることになる。また、メモリ１９０には、冷凍機特性テーブル１９１が記憶されている。冷凍機特性テーブル１９１には、第１〜第３冷凍機５１〜５３の種類（能力可変型や能力一定型等）、圧縮機容量及び運転効率等に関する情報が事前に作成・入力されている。

二次側負荷量演算部１８１は、二次側設備２０によって要求される負荷を演算する。例えば、二次側負荷量演算部１８１は、所定時間毎に、一次側設備１０から二次側設備２０へと流れる水の温度を計測する往水温度センサ１１１の計測値、二次側設備２０から一次側設備１０へと流れる水の温度を計測する還水温度センサ１１２の計測値、及び水量センサ１１３の計測した循環している水量を基に、二次側設備２０の運転している空調機の負荷、すなわち二次側設備２０の要求する負荷（以下、要求負荷量という）を演算する。

冷凍機台数決定部１８２は、二次側負荷量演算部１８１が演算した要求負荷量が処理されるように、運転させる冷凍機の台数及び能力を決定する。そして、冷凍機台数決定部１８２は、決定した冷凍機の台数及び能力に応じて、第１〜第３冷凍機５１〜５３及び第１〜第３流量調整弁６１〜６３の弁開度を調整する。すなわち、冷凍機台数決定部１８２は、起動制御が開始されてから起動制御が終了するまでの間、運転させる冷凍機を見直すための機能部としての役割を有する。具体的には、冷凍機台数決定部１８２は、所定時間毎に、既に運転されている１又は複数の冷凍機を見直す。より具体的には、冷凍機台数決定部１８２は、起動制御が実行されている間、計測・推定された二次側設備２０の負荷を基に、所定時間の経過時に前回に決めた一次側設備１０の冷凍機の運転台数及び能力を補正する。

ここでは、メモリ１９０に記憶されている冷凍機特性テーブル１９１を用いて、冷凍機台数決定部１８２は運転させる冷凍機の台数及び能力を決定する。冷凍機台数決定部１８２は、要求負荷量に応じて、第１〜第３冷凍機５１〜５３の運転組合せの中から適切な組合せを選ぶことで、冷凍機の台数及び能力（負荷）を決定する。

例えば、冷凍機台数決定部１８２は、二次側設備２０から要求される負荷が小さい場合、すなわち第１冷凍機５１だけ運転させることで要求負荷量を処理することができる場合には、第１冷凍機５１のみを運転させるという決定を行う。そして、二次側設備２０から要求される負荷が徐々に増加して第１冷凍機５１で対応可能な負荷以上の負荷が要求された場合、すなわち第１冷凍機５１だけ運転させても要求負荷量を処理できず、第１冷凍機５１に加えて第２冷凍機５２を運転させる必要がある場合には、第１冷凍機５１に加えて第２冷凍機５２を運転させるという決定を行う。なお、第２冷凍機５２の運転（駆動）を開始させるときは、冷凍機台数決定部１８２は、第１冷凍機５１の能力を最小能力（サーモオフにより圧縮機が停止しない下限の能力）に決定し、第１冷凍機５１を最小能力で運転させる。その後、二次側設備２０から要求される負荷が徐々に増加して第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２で対応可能な負荷以上の負荷が要求された場合、すなわち第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２を運転させても要求負荷量を処理できず、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に加えて第３冷凍機５３を運転させる必要がある場合には、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に加えて第３冷凍機５３を運転させるという決定を行う。なお、第３冷凍機５３の運転（駆動）を開始させるときは、冷凍機台数決定部１８２は、第１冷凍機５１の能力を最小能力に決定し、第１冷凍機５１を最小能力で運転させる。一方、第１〜第３冷凍機５１〜５３が運転しているときに、二次側設備２０から要求される負荷が徐々に減少して第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２を運転させることで要求負荷量を処理することができる場合には、冷凍機台数決定部１８２は、第３冷凍機５３の運転を停止させ、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２を運転させるという決定を行う。また、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２が運転しているときに、二次側設備２０から要求される負荷が徐々に減少して第１冷凍機５１のみを運転させることで要求負荷量を処理することができる場合には、冷凍機台数決定部１８２は、第２冷凍機５２の運転を停止させ、第１冷凍機５１のみ運転させるという決定を行う。

（３−４）冷凍機台数制御のフロー
図３を参照して、チラーシステムコントローラ１１０による冷凍機台数制御の各ステップについて説明する。なお、以下の説明では、各冷凍機の１００％の能力とは各冷凍機の定格能力を意味しており、第１冷凍機５１の最小能力は１５％であるものとする。

冷凍機台数制御では、上述のように、二次側負荷量演算部１８１が、往水の温度、環水の温度及び水量を基に、二次側設備２０の負荷を演算し、それに基づいて、冷凍機台数決定部１８２が運転させる冷凍機の台数及び能力を決定する。

まずステップＳ１１では、第１冷凍機５１を運転させることを決定し、第１冷凍機５１のみを運転させる。具体的には、第１冷凍機５１の出口側の水温が設定温度となるように第１流量調整弁６１の弁開度を調整するとともに、可変速圧縮機を所定の能力（インバータ出力）で駆動させる。そして、ステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１２では、二次側負荷量演算部１８１及び冷凍機台数決定部１８２が第１冷凍機５１の能力が１００％に到達したか否かを判断する。そして、ステップＳ１２において第１冷凍機５１の能力が１００％に到達したと判断されると、ステップＳ１３に移行する。一方、ステップＳ１２において第１冷凍機５１の能力が１００％に到達していないと判断されると、ステップＳ１２に戻る。

ステップＳ１３では、冷凍機台数決定部１８２が第１冷凍機５１に加えて第２冷凍機５２の運転開始を決定し、ステップＳ１４へと移行する。ステップＳ１４では、第１冷凍機５１の能力が最小能力（ここでは、１５％）で固定されていない場合には第１冷凍機５１の能力を１５％に固定するとともに、第１冷凍機５１の出口側の水温が設定温度となるように第１流量調整弁６１の弁開度を調整する。さらに、第２冷凍機５２の運転が開始されていない場合には、第２冷凍機５２の運転を開始させるために、第２冷凍機５２の備える圧縮機の駆動を開始させるとともに、第２流量調整弁６２を開状態にする。これにより、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２が運転された状態となり、かつ第１冷凍機５１には最小能力を発揮するために必要な量の水が流れ、残りの水が第２冷凍機５２に流れることになる。そして、ステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５では、二次側負荷量演算部１８１及び冷凍機台数決定部１８２が第２冷凍機５２の能力が１００％に到達したか否かを判断する。そして、ステップＳ１５において第２冷凍機５２の能力が１００％に到達したと判断されると、第１冷凍機５１の能力固定が解除されていない場合には、ステップＳ１６で、第１冷凍機５１の能力固定を解除するとともに、第２冷凍機５２の能力が１００％を維持するように第１流量調整弁６１の弁開度を調整する。その後、ステップＳ１９に移行する。一方、ステップＳ１５において第２冷凍機５２の能力が１００％に到達していないと判断されると、ステップＳ１７において、第２冷凍機５２の能力が一定時間以上継続して８５％未満であるか否かを判断する。そして、ステップＳ１７において、第２冷凍機５２の能力が一定時間以上継続して８５％未満であると判断されると、ステップＳ１８で、冷凍機台数決定部１８２が運転される冷凍機を第１冷凍機５１に決定し、すなわち第２冷凍機５２を削減することを決定し、第１冷凍機５１を所定の能力で運転させるとともに、第２冷凍機５２の運転を停止させる。これにより、第１冷凍機５１のみが運転されることになる。その後、ステップＳ１２へと戻る。これに対して、ステップＳ１７において、第２冷凍機５２の能力が一定時間以上継続して８５％未満でないと判断されると、ステップＳ１４へと戻る。

ステップＳ１９では、二次側負荷量演算部１８１及び冷凍機台数決定部１８２が第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２のそれぞれの能力が１００％に到達したか否かを判断する。そして、ステップＳ１９において第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２の能力が１００％に到達したと判断されると、ステップＳ２０へと移行する。一方で、ステップＳ１９において第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２の能力が１００％に到達していないと判断されると、ステップＳ１７に戻る。

ステップＳ２０では、冷凍機台数決定部１８２が第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に加えて第３冷凍機５３の運転開始を決定し、第１冷凍機５１の能力が１５％で固定されていない場合には、ステップＳ２１で、第１冷凍機５１の能力を１５％に固定するとともに、第１冷凍機５１の出口側の水温が設定温度となるように第１流量調整弁６１の弁開度を調整する。さらに、第３冷凍機５３の運転が開始されていない場合には、第３冷凍機５３の運転を開始させるために、第３冷凍機５３の備える圧縮機の駆動を開始させるとともに、第３流量調整弁６３を開状態にする。これにより、第１〜第３冷凍機５１〜５３が運転された状態となり、かつ第１冷凍機５１には最小能力を発揮するために必要な量の水が流れ、残りの水が第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３に等しく流れることになる。そして、ステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２では、二次側負荷量演算部１８１及び冷凍機台数決定部１８２が第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３のそれぞれの能力が１００％に到達したか否かを判断する。そして、ステップＳ２２において第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３の能力が１００％に到達したと判断されると、第１冷凍機５１の能力固定が解除されていない場合には、ステップＳ２３で、第１冷凍機５１の能力固定を解除するとともに、第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３の能力が１００％を維持するように第１流量調整弁６１の弁開度を調整し、ステップＳ２２に戻る。一方で、ステップＳ２２において第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３の能力が１００％に到達していないと判断されると、ステップＳ２４において、第３冷凍機５３の能力が一定時間以上継続して９２．５％未満であるか否かを判断する。そして、ステップＳ２４において、第３冷凍機５３の能力が一定時間以上継続して９２．５％未満であると判断されると、ステップＳ２５において、冷凍機台数決定部１８２が運転される冷凍機を第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に決定し、すなわち第３冷凍機５３を削減することを決定し、ステップＳ１６へと戻る。これにより、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２が運転され、第３冷凍機５３の運転が停止される。一方で、ステップＳ２４において、第３冷凍機５３の能力が一定時間以上継続して９２．５％未満でないと判断されると、ステップＳ２１に戻る。

（４）特徴
（４−１）
ここで、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２のそれぞれに対して吐出容量可能なポンプから水が流れる構成であって、各ポンプによって第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２への水の流量が調整される場合、吐出容量が大きく異なるような制御指令が各ポンプに対して為されると、ポンプ間の圧力の関係上、吐出容量が小さくなるように制御指令を受けたポンプには水が流れ難くなることがある。そうすると、このポンプから水が流れる冷凍機には所望の流量を下回る量の水しか流れないことになる結果、各冷凍機に対する水の流量を設定する際に、各冷凍機に分配される水の流量に大きな差をつけることができないために各冷凍機に所望の負荷分配をすることができず、システム全体のエネルギー効率が悪化することがある。

本実施形態では、ポンプ４０によって第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２へと水が流れ、かつ第１流量調整弁６１及び第２流量調整弁６２によって第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２への水の流量が調整される。このため、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２のそれぞれに対して吐出容量可能なポンプから水が流れる構成であって、各ポンプによって第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２への水の流量が調整されるよりも、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に対して水を流す際にその流量に大きな差を付けることができる。したがって、第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に対して分配される水の流量を適切に設定することができる。

これによって、システム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することができている。

（４−２）
図４は、従来技術としての負荷分配システムの備える一次側設備の概略構成図である。図５は、本実施形態に係る負荷分配システム及び従来技術としての負荷分配システムそれぞれのエネルギー損失を説明するための図である。なお、図５では、本実施形態に係る負荷分配システム及び従来技術としての負荷分配システムそれぞれにおけるエネルギー損失範囲を、ハッチングによって模式的に示している。

従来技術としての負荷分配システムは、本実施形態に係る負荷分配システムの備える熱媒体循環回路７０において、第１流量調整弁６１’として許容時の流量変更ができない弁が採用されていること以外は、本実施形態と同様の構成であるものとする。そして、二次側設備からの要求負荷量が処理されるように、運転させる冷凍機が第１冷凍機５１’、第２冷凍機５２’、第３冷凍機５３’の順に決定されるものとする。

ここで、能力可変型の熱源機が運転されると、その能力に応じて消費電力が増減するが、能力一定型の熱源機が運転されると、その能力に拘わらず消費電力が同じになる。このため、能力一定型の熱源機の能力が最大限発揮できるように能力一定型の熱源機に流れる熱媒体の量を調整することで、無駄な電力消費を抑えることができる。

従来技術としての負荷分配システムでは、第１冷凍機５１’に流れる水量を調整することができないため、第１冷凍機５１’に加えて第２冷凍機５２’の運転が開始されると第１冷凍機５１’及び第２冷凍機５２’のそれぞれには等量の水が流れる。そうすると、第１冷凍機５１’が最小能力で運転するために必要な流量以上の流量が第１冷凍機５１’へと流れることになり、図５に示すように、能力一定型の熱源機である第２冷凍機５２の能力を最大で５０％損失することになる。さらに、第１冷凍機５１’及び第２冷凍機５２’に加えて第３冷凍機５３’の運転が開始されると第１〜第３冷凍機５１’〜５３’のそれぞれには等量の水が流れる。そうすると、図５に示すように、能力一定型の熱源機（第２冷凍機５２’及び第３冷凍機５３'）の能力を最大で約６７％損失することになる。

本実施形態では、第１流量調整弁６１を備えていることで第１冷凍機５１に流れる水量を調整することができるため、第１冷凍機５１を最小能力で運転させるために必要な量の水を第１冷凍機５１へと流し、残りの水を第２冷凍機５２や第３冷凍機５３へと流すことができる。そうすると、第１冷凍機５１に加えて第２冷凍機５２の運転を開始させる場合や第１冷凍機５１及び第２冷凍機５２に加えて第３冷凍機５３の運転を開始させる場合に、第１冷凍機５１を最小能力で運転させ、かつ第２冷凍機５２や第３冷凍機５３の能力を最大限発揮させることができる。このため、図５に示すように、能力一定型の熱源機（第２冷凍機５２や第３冷凍機５３）の能力の損失が最大で１５％となる。したがって、従来技術としての負荷分配システムと比較して、システム全体のエネルギーの損失（ロス）を抑えることができている。

（４−３）
本実施形態のポンプ４０は、単位時間当たりの水の吐出量が一定である定速ポンプである。このため、インバータ駆動される容量可変型のポンプが採用される場合と比較して、コストを抑制することができている。

（４−４）
本実施形態では、能力可変型の熱源機である第１冷凍機５１に対しては許容時の流量変更可能な弁が採用されており、能力一定型の熱源機である第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３に対しては許容時の流量変更ができない弁が採用されている。すなわち、本実施形態では、第２流量調整弁６２及び第３流量調整弁６３は、第２冷凍機５２及び第３冷凍機５３それぞれへの水の流れを許容又は遮蔽する開閉弁である。このため、第２流量調整弁６２及び第３流量調整弁６３として許容時に流量を変更することのできる弁が採用される場合と比較して、コストを抑えることができている。

（４−５）
本実施形態では、第２冷凍機５２の運転を開始させるときに第１冷凍機５１を最小能力に固定しているため、第１冷凍機５１においてサーモオフによる圧縮機の停止を防止することができる。これにより、二次側設備２０からの要求負荷量に対して素早く対応することができるとともに、圧縮機の発停回数の増加による機器寿命の短縮を防止することができる。

（４−６）
本実施形態では、第１〜第３冷凍機５１〜５３に対して共通のポンプ４０が採用されている。本実施形態では、例えば冷凍機の上流側に吐出容量可能なポンプが設けられており各ポンプによって冷凍機への水の流量が調整されるシステムと比較して、第１〜第３流量調整弁６１〜６３により第１〜第３冷凍機５１〜５３それぞれに流れる水量を調整することができるため、ポンプを追加することによる更新時（冷凍機の置き換えや追加時）のコスト増加を抑えることができる。

（５）変形例
（５−１）変形例Ａ
図６は、変形例Ａに係る負荷分配システムの備える一次側設備の概略構成図である。図７は、変形例Ａに係る負荷分配システム及び従来技術としての負荷分配システムそれぞれのエネルギー損失を説明するための図である。なお、図７では、従来技術としての負荷分配システムにおけるエネルギー損失範囲を、ハッチングによって模式的に示している。

上記実施形態では、複数台の熱源機のうち能力可変型の熱源機（第１冷凍機５１）が１台だけ設けられている。これに代えて、能力可変型の熱源機が２台以上設けられていてもよい。

例えば、本変形例Ａに係る負荷分配システムでは、図６に示すように、第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２が能力可変型の熱源機であって、第３冷凍機２５３が能力一定型の熱源機である。また、第１流量調整弁２６１及び第２流量調整弁２６２は許容時の流量変更が可能な弁であり、第３流量調整弁２６３は許容時の流量変更ができない弁が採用されている。そして、二次側設備からの要求負荷量が処理されるように、運転させる冷凍機として第１冷凍機２５１、第２冷凍機２５２、第３冷凍機２５３の順に決定される。なお、能力可変型の熱源機である第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２の最小能力は、上記実施形態と同様にそれぞれ１５％であるものとする。すなわち、本変形例では、第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２の最小能力を合計した能力が、第３冷凍機２５３の定格能力以下となる。

一方、図７に示す従来技術としての負荷分配システムは、本変形例に係る負荷分配システムの備える熱媒体循環回路において、第１流量調整弁及び第２流量調整弁として許容時の流量変更ができない弁が採用されていること以外は、本変形例と同様の構成であるものとする。そして、二次側設備からの要求負荷量が処理されるように、運転させる冷凍機として第１冷凍機、第２冷凍機、第３冷凍機の順に決定されるものとする。

従来技術としての負荷分配システムでは、最小能力１５％の能力可変型熱源機として第１冷凍機及び第２冷凍機を備えているが、第１冷凍機及び第２冷凍機に流れる水量を調整することができないため、第１冷凍機及び第２冷凍機に加えて第３冷凍機の運転が開始されると第１〜第３冷凍機のそれぞれには等量の水が流れる。そうすると、第１冷凍機及び第２冷凍機を最小能力で運転させることができず、図７に示すように、第３冷凍機の能力を最大で約３３％損失することになる。

これに対して本変形例では、第１流量調整弁２６１及び第２流量調整弁２６２を備えていることで、第１冷凍機２５１や第２冷凍機２５２に流れる水量を調整することができる。このため、第１冷凍機２５１や第２冷凍機２５２を最小能力で運転させるために必要な量の水を第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２へと流し、残りの水を第３冷凍機２５３へと流すことができる。そうすると、第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２に加えて第３冷凍機２５３の運転を開始させる場合に、第１冷凍機２５１及び第２冷凍機２５２を最小能力で運転させ、かつ第３冷凍機２５３の能力を最大限発揮させることができるため、図７に示すように、第３冷凍機２５３のエネルギー損失をなくすことができる。

このように、負荷分配システムの備える複数台の熱源機において、能力可変型の熱源機の最小能力を合計した能力が能力一定型の熱源機の定格能力以下の能力であることで、能力可変型の熱源機に加えて能力一定型の熱源機の運転を開始させるときに、能力可変型の熱源機に対する熱媒体の流量を調整することで、システム全体のエネルギーの損失を抑えることができる。

また、上記実施形態では、熱媒体を加熱又は冷却する熱源機として３台の冷凍機が設けられている例を示しているが、熱源機の台数はこれに限定されず、１又は複数台の能力可変型の熱源機と１又は複数台の能力一定型の熱源機とが並列に設けられていればよい。さらに、熱利用機器である空調機に関してもその台数は上記実施形態に限定されない。

（５−２）変形例Ｂ
上記実施形態では、第１〜第３流量調整弁６１〜６３が、第１〜第３冷凍機５１〜５３それぞれの上流側（入口側）に設けられているが、下流側（出口側）に設けられていてもよい。

本発明は、複数の熱源機を備えるシステムにおいてシステム全体のエネルギー効率の悪化を抑制することができるものであり、複数の熱源機として可変速圧縮機を有する熱源機及び定速圧縮機を有する熱源機又は吸収式熱源機を備えるシステムへの適用が有効である。

２０ 二次側設備（利用側設備）
４０ ポンプ
５１ 第１冷凍機（第１熱源機）
５２ 第２冷凍機（第２熱源機）
６１ 第１流量調整弁
６２ 第２流量調整弁
７０ 熱媒体循環回路
１８２ 冷凍機台数決定部（制御部）

特開２００７−２９２３７４号公報

Claims (5)

1. 熱媒体を加熱又は冷却する第１熱源機（５１）と、
   熱媒体を加熱又は冷却し、前記第１熱源機と並列に配置されている第２熱源機（５２）と、
   前記第１熱源機及び前記第２熱源機から熱媒体が供給される利用側設備（２０）と、
   前記第１熱源機、前記第２熱源機及び前記利用側設備が接続されている熱媒体循環回路（７０）と、
   を備え、
   前記第１熱源機は、可変速圧縮機を有する熱源機であり、
   前記第２熱源機は、定速圧縮機を有する熱源機、又は、吸収式熱源機であり、
   前記熱媒体循環回路には、前記第１熱源機及び前記第２熱源機に共通しており前記熱媒体循環回路に熱媒体を循環させるためのポンプ（４０）と、前記ポンプから前記第１熱源機へと流れる熱媒体の流量を調整するための第１流量調整弁（６１）と、前記ポンプから前記第２熱源機へと流れる熱媒体の流量を調整するための第２流量調整弁（６２）と、が設けられている、
   負荷分配システム。
2. 前記利用側設備から要求される負荷に応じて、前記第１熱源機及び前記第２熱源機の駆動台数を制御する制御部（１８２）、を備え、
   前記制御部は、前記利用側設備から要求される負荷が徐々に増加して前記第１熱源機で対応可能な負荷以上の負荷が要求された場合には、前記第２熱源機へと熱媒体が流れるように前記第２流量調整弁の開度を調整し、かつ、最小能力で前記第１熱源機が駆動するように前記第１流量調整弁の開度を調整する、
   請求項１に記載の負荷分配システム。
3. 前記第１熱源機は、２台以上あり、
   前記第１熱源機の最小能力を合計した能力は、前記第２熱源機の定格能力以下である、
   請求項２に記載の負荷分配システム。
4. 前記ポンプは、単位時間当たりの熱媒体の吐出容量が一定である定量ポンプである、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の負荷分配システム。
5. 前記第２流量調整弁は、前記第２熱源機への熱媒体の流れを許容又は遮断する開閉弁である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の負荷分配システム。

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