JP2016125771A - 動力最適化システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷凍機系の総合的な運転効率の向上と省エネルギー化とを図る。
【解決手段】要求熱量を供給するために必要となる、冷却塔３から排出させる冷却水の温度と冷却水ポンプ４により循環させる冷却水の流量とを決定し、コンプレッサ２１の動力とファン３１の動力と冷却水ポンプ４の動力とを制御する制御装置５を備え、コンプレッサ２１の動力は冷却塔から排出される冷却水の温度が低くなるほど小さくなる関係と冷却水ポンプにより循環される冷却水の流量が多くなるほど小さくなる関係とを有し、ファン３１の動力は冷却塔から排出される冷却水の温度が高くなるほど小さくなる関係を有し、冷却水ポンプ４の動力は冷却水ポンプにより循環される冷却水の流量が少なくなるほど小さくなる関係を有し、制御装置５はコンプレッサ２１の動力とファン３１の動力と冷却水ポンプ４の動力との総和が最小となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機系の動力を最適化する動力最適化システムに関する。

従来より、ビルなどの施設における空調制御では、冷房を行うための冷水を得る装置として冷凍機が用いられている。下記特許文献１には、冷凍機に対して冷却塔から冷却水を供給するようにした空調動力最適化システムが開示されている。このシステムでは、冷凍機が、空調側に供給する冷水を生成し、その冷水を生成する際に発生した熱を、冷却塔から供給される冷却水に与え、その冷却水を冷却塔に戻している。冷却塔は、ファンを回転させて冷却水に与えられた熱を外気に放出し、温度が下げられた冷却水を冷凍機に供給する。冷却塔から冷凍機に供給する冷却水は、冷却水ポンプにより循環させられる。

特開２０１０−１９６９８８号公報

下記特許文献１では、冷却塔ファンの電力消費量と冷凍機の運転効率の向上との両面で最適となる冷却塔出口温度（冷却塔から供給される冷却水の温度）を決定することで、冷凍機の運転効率の向上と省エネルギー化とを図っている。

しかしながら、冷凍機の運転効率は、冷却塔から供給される冷却水の温度によって変動する一方、例えば、冷却塔から供給される冷却水の流量によっても変動する。したがって、冷凍機系の運転効率の向上や省エネルギー化を図るためには、冷却塔から供給される冷却水の温度を最適化するだけでは十分であるとはいえない。

本発明は、冷凍機系の総合的な運転効率の向上と省エネルギー化とを図ることができる動力最適化システムを提供することを目的とする。

本発明に係る動力最適化システムは、コンプレッサを備える冷凍機と、前記冷凍機から排出された液体を冷却するためのファンを備える冷却塔と、前記冷却塔から排出された液体を前記冷凍機に循環させるポンプと、外部から要求される熱量を供給するために必要となる、前記冷却塔から排出する液体の温度および前記ポンプにより循環させる液体の流量を決定し、前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力を制御する制御部と、を備え、前記コンプレッサの動力は、前記冷却塔から排出される液体の温度が低くなるほど小さくなる関係、および前記ポンプにより循環される液体の流量が多くなるほど小さくなる関係を有し、前記ファンの動力は、前記冷却塔から排出される液体の温度が高くなるほど小さくなる関係を有し、前記ポンプの動力は、前記ポンプにより循環される液体の流量が少なくなるほど小さくなる関係を有し、前記制御部は、前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力の総和が最小となるように、それぞれの動力を制御する、ことを特徴とする。

上記制御部は、前記冷却塔から排出する液体の温度および前記ポンプにより循環させる液体の流量を決定する際に、前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力の総和を最小にすることを最適化処理の目的に設定し、前記コンプレッサの動力を、前記冷却塔から排出される液体の温度、および前記ポンプにより循環される液体の流量に基づいて定まる範囲に制約し、前記ファンの動力を、前記ファンの風量周波数に基づいて定まる範囲に制約し、前記ポンプの動力を、前記ポンプにより循環される液体の流量に基づいて定まる範囲に制約し、前記冷却塔から排出される液体の温度を、前記冷却塔に供給される液体の温度、前記ポンプにより循環される液体の流量、前記ファンの風量周波数、および湿球温度に基づいて定まる範囲に制約し、前記冷却塔に供給される液体の温度を、前記ポンプにより循環される液体の流量、前記冷却塔に供給される液体の温度、および前記冷却塔から排出される液体の温度に基づいて定まる範囲に制約することを、前記最適化処理の制約条件に設定する、こととしてもよい。

本発明によれば、冷凍機系の総合的な運転効率の向上と省エネルギー化とを図ることができる動力最適化システムを提供することができる。

実施形態における動力最適化システムの構成を例示する図である。 冷凍機系における冷却水温度と運用コストとの関係を例示する図である。 冷凍機系における冷却水流量と運用コストとの関係を例示する図である。 変形例における動力最適化システムの冷凍機系の構成を例示する図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

図１を参照して、実施形態における動力最適化システムの構成について説明する。図１に示すように、動力最適化システム１は、コンプレッサ２１を備える冷凍機２と、ファン３１を備える冷却塔３と、冷却水ポンプ４と、制御装置（制御部）５とを備える。冷凍機２と冷却塔３と冷却水ポンプ４とが冷凍機系を形成する。

冷凍機２は、コンプレッサ２１を駆動させて空調システム（不図示）側に供給する冷水を生成する。冷凍機２は、冷水を生成する際に発生した熱を、冷却塔３から供給される冷却水に与え、その冷却水を冷却塔３に戻す。

冷却塔３は、ファン３１を回転させて冷却水に与えられた熱を外気に放出することで、冷凍機２から戻された冷却水の温度を下げる。

冷却水ポンプ４は、冷却塔３から排出される冷却水を冷凍機２に循環させる。

制御装置５は、物理構成として、例えば、演算処理手段としてのＣＰＵ、記憶手段としてのＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、通信手段としての通信インターフェース等を備える。

制御装置５は、空調システム側から要求される熱量を供給するために必要となる冷却水温度および冷却水流量を算出する。この冷却水温度は、冷却塔３から排出する冷却水の温度であり、冷却水流量は、冷却水ポンプ４により循環させる冷却水の流量である。制御装置５は、冷却水温度および冷却水流量を算出する際に、以下の最適化処理を行う。最適化の手法は、公知の線形計画法や非線形計画法を適宜用いることができる。

最適化処理の評価関数（目的関数）として、例示的に、以下の（１）式を設定し、（１）式を最小化することを目的とする。
総動力 ＝ コンプレッサ２１の動力 ＋ ファン３１の動力 ＋ 冷却水ポンプ４の動力 … （１）

最適化処理の制約条件として、例示的に、以下の（２）式〜（６）式を設定する。ここで、例えば、ｆ（ｘ、ｙ）は、ｘ、ｙを引数とする関数を表すこととする。また、最適化処理は、定期的（所定の演算周期ごと）に実行され、以下の各式における変化とは、前回の最適化処理時と今回の最適化処理時との間の変化量を意味する。

コンプレッサの動力変化 ＝ ｆ（冷却塔３から排出される冷却水の温度変化、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量変化） … （２）
ファン３１の動力変化 ＝ ｆ（ファン３１の風量周波数変化） … （３）
冷却水ポンプ４の動力 ＝ ｆ（現時点における冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量変化） … （４）

冷却塔３から排出される冷却水の温度変化 ＝ ｆ（冷却塔３に供給される冷却水の温度変化、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量変化、ファン３１の風量周波数変化、湿球温度変化） … （５）

冷却塔３に供給される冷却水の温度変化 ＝ 冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量変化 × ｛（現時点における冷却塔３に供給される冷却水の温度と冷却塔３から排出される冷却水の温度との差） ／ （現時点における冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量）｝ ＋ 冷却塔３に供給される冷却水の温度変化 … （６）

この最適化処理では、以下の相関関係が成立することを前提としている。

図２は、冷却塔３から排出される冷却水の温度と、コンプレッサ２１の運用コストＣＣ、およびファン３１の運用コストＦＣとのそれぞれの間に成立する相関関係を例示した図である。

図２に示すように、コンプレッサ２１の運用コストＣＣは、冷却塔３から排出される冷却水の温度が低くなるほど減る関係にある。また、ファン３１の運用コストＦＣは、冷却塔３から排出される冷却水の温度が高くなるほど減る関係にある。その結果、コンプレッサ２１とファン３１との合算運用コストＴＣは、合算運用コストが最低となる最適温度を境にして、冷却塔３から排出される冷却水の温度が最適温度から低くなるほどまたは高くなるほど、増える関係となる。

図３は、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量と、コンプレッサ２１の運用コストＣＣ、および冷却水ポンプ４の運用コストＰＣとのそれぞれの間に成立する相関関係を例示した図である。

図３に示すように、コンプレッサ２１の運用コストＣＣは、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量が多くなるほど減る関係にある。また、冷却水ポンプ４の運用コストＰＣは、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量が少なくなるほど減る関係にある。その結果、コンプレッサ２１と冷却水ポンプ４との合算運用コストＴＣは、合算運用コストが最低となる最適温度を境にして、冷却水ポンプ４により循環される冷却水の流量が最適温度から少なくなるほどまたは多くなるほど、増える関係となる。

ここで、運用コストは、動力が増減すると増減する関係にあるため、図２および図３に示す「運用コスト」を「動力」に置き換えても、上述した各関係と同様の相関関係が成立することになる。

制御装置５は、図２の最適温度に対応するコンプレッサ２１の運用コストＣＣおよびファン３１の運用コストＦＣとなり、かつ、図３の最適流量に対応するコンプレッサ２１の運用コストＣＣおよび冷却水ポンプ４の運用コストＰＣとなるように、冷却塔３から排出する冷却水の温度の目標値と、冷却水ポンプ４により循環させる冷却水の流量の目標値とを決定する。これにより、冷凍機系において、コンプレッサ２１の動力とファン３１の動力と冷却水ポンプ４の動力との総和が最小となるように、それぞれの動力を制御することが可能となる。

上述してきたように、実施形態における動力最適化システム１によれば、制御装置５を備えることで、最適化処理を実行して、空調システム側から要求される熱量を供給するために必要となる、冷却塔３から排出する冷却水の温度および冷却水ポンプ４により循環させる冷却水の流量を決定することができ、コンプレッサ２１の動力、ファン３１の動力および冷却水ポンプ４の動力の総和が最小となるように、それぞれの動力を制御することが可能となる。

それゆえ、実施形態における動力最適化システム１によれば、冷凍機系の総合的な運転効率の向上と省エネルギー化とを図ることが可能となり、さらに、運用コストを削減することも可能となる。

なお、上述した実施形態では、冷凍機２と冷却塔３と冷却水ポンプ４とをそれぞれ一つずつ備えた場合について説明しているが、これに限定されず、冷凍機２と冷却塔３と冷却水ポンプ４とをそれぞれ複数備えた場合にも本発明を適用することができる。

例示的に、冷凍機と冷却塔と冷却水ポンプとをそれぞれ４つずつ備えた冷凍機系を図４に示す。この変形例では、例えば、４つの冷凍機２Ａ〜２Ｄ、４つの冷却塔３Ａ〜３Ｄ、および４つの冷却水ポンプ４Ａ〜４Ｄが、それぞれ一つであると仮定して、上述した実施形態と同様の最適化処理を実行し、決定した冷却水温度および冷却水流量となるように、それぞれの冷凍機、冷却塔および冷却水ポンプを制御することとすればよい。

また、上述した実施形態では、冷凍機と冷却塔とで冷却水を循環させているが、循環させるのは水であることに限定されず、他の液体であってもよい。

１…動力最適化システム
２…冷凍機
３…冷却塔
４…冷却水ポンプ
５…制御装置
２１…コンプレッサ
３１…ファン

Claims (3)

1. コンプレッサを備える冷凍機と、
   前記冷凍機から排出された液体を冷却するためのファンを備える冷却塔と、
   前記冷却塔から排出された液体を前記冷凍機に循環させるポンプと、
   外部から要求される熱量を供給するために必要となる、前記冷却塔から排出する液体の温度および前記ポンプにより循環させる液体の流量を決定し、前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力を制御する制御部と、を備え、
   前記コンプレッサの動力は、前記冷却塔から排出される液体の温度が低くなるほど小さくなる関係、および前記ポンプにより循環される液体の流量が多くなるほど小さくなる関係を有し、
   前記ファンの動力は、前記冷却塔から排出される液体の温度が高くなるほど小さくなる関係を有し、
   前記ポンプの動力は、前記ポンプにより循環される液体の流量が少なくなるほど小さくなる関係を有し、
   前記制御部は、前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力の総和が最小となるように、それぞれの動力を制御する、
   ことを特徴とする動力最適化システム。
2. 前記制御部は、前記冷却塔から排出する液体の温度および前記ポンプにより循環させる液体の流量を決定する際に、
   前記コンプレッサの動力、前記ファンの動力および前記ポンプの動力の総和を最小にすることを最適化処理の目的に設定し、
   前記コンプレッサの動力を、前記冷却塔から排出される液体の温度、および前記ポンプにより循環される液体の流量に基づいて定まる範囲に制約し、
   前記ファンの動力を、前記ファンの風量周波数に基づいて定まる範囲に制約し、
   前記ポンプの動力を、前記ポンプにより循環される液体の流量に基づいて定まる範囲に制約し、
   前記冷却塔から排出される液体の温度を、前記冷却塔に供給される液体の温度、前記ポンプにより循環される液体の流量、前記ファンの風量周波数、および湿球温度に基づいて定まる範囲に制約し、
   前記冷却塔に供給される液体の温度を、前記ポンプにより循環される液体の流量、前記冷却塔に供給される液体の温度、および前記冷却塔から排出される液体の温度に基づいて定まる範囲に制約することを、
   前記最適化処理の制約条件に設定する、
   ことを特徴とする請求項１記載の動力最適化システム。
3. 前記最適化処理の目的に、前記コンプレッサの動力に基づく運用コスト、前記ファンの動力に基づく運用コストおよび前記ポンプの動力に基づく運用コストの総和を最小にすることを設定する、
   ことを特徴とする請求項２記載の動力最適化システム。

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