JP4253648B2 - 吸収冷温水機の性能評価方法と診断システム - Google Patents

吸収冷温水機の性能評価方法と診断システム Download PDF

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Description

本発明は、吸収式冷凍機に代表される吸収冷温水機に関し、吸収冷温水機の性能評価方法、およびこれを用いた診断システムに関するものである。
吸収冷温水機は蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器等の熱交換器が配管で相互に接続されてサイクルが構成されている。吸収冷温水機のサイクルは前記各熱交換器における温度差や圧力差で動作するため、吸収冷温水機の性能はこれらの熱交換器の熱交換性能(伝熱性能)に大きく左右される。すなわち、吸収冷温水機の性能を評価し、性能低下要因を診断するためには各熱交換器の熱交換性能を把握する必要がある。
吸収冷温水機で熱交換性能の低下が顕著に現れるのは凝縮器である。吸収冷温水機では、吸収器や凝縮器において発生する吸収熱や冷媒の凝縮熱を放熱するために冷却水を機内に通水しており、冷却水は屋外に設けた冷却塔との間で循環している。従って、冷却塔において冷却水に混入した外気中の汚れが凝縮器の伝熱面に付着して熱交換性能が低下することになる。また、その他の熱交換器についても溶液や冷媒に含まれる不純物等の影響により熱交換性能が低下することがある。
そのため、特許文献1では、凝縮器などの熱交換量を算出するために、凝縮器内を流れる冷却水の流量を直接測定することなく、吸収器における熱交換量に基づいて冷却水量を推定し、熱交換率の低下を正確に検知することができる故障診断システムが開示されている。
また、特許文献2には、吸収器と凝縮器を通過する冷却水配管の伝熱面の汚れによって影響を受けることとなる複数箇所の温度を検出して、この検出結果に基づいて伝熱性能の低下を演算処理により求めることが開示されている。
特開平6−249533号公報 特開平7−151416号公報
各熱交換器の出入口に温度、流量等を測定するセンサを設ける方法では必要となるセンサ数が非常に多くなり、設置スペースや設置コストの点で問題がある。また、測定点数が多いため、例えば吸収冷温水機の性能を遠隔で診断する場合にデータ通信量が多くなるといった問題も懸念される。
また、吸収器における熱交換量に基づいて冷却水流量を推定する方法では、冷却水流量の測定センサは省略できるものの、冷水流量を検知する手段を必要とし、スペースやコストの点で問題がある。また、温度レベルの低い吸収器での熱交換量で評価するため、温度測定誤差の影響が大きくなり、検知精度の点で問題がある。
本発明は、このような事情を鑑みなされたもので、少ない測定点数で吸収冷温水機の性能を評価する方法、及びこれを用いた診断システムを提供することにある。
本発明は、吸収冷温水機の性能を評価するために、吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算するシミュレータと、温度あるいは圧力を測定する測定手段と、前記吸収冷温水機の動作諸量を計算する評価手段とを備え、前記測定手段は前記吸収冷温水機内の温度あるいは圧力を所定の周期で測定し、前記シミュレータは動作諸量をパラメータとして前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算し、前記評価手段は前記測定手段による測定結果と測定点における前記シミュレータの計算結果との重み付き残差を目的関数として、この目的関数が最小となるパラメータを計算することで動作諸量を評価することを最も主要な特徴とする。
また、重み付き残差を計算するための重み関数は測定結果、又はパラメータに対する温度あるいは圧力の変化率である感度係数で構成されることが望ましい。
本発明の性能評価方法は、冷水流量、冷却水流量、熱交換性能指標(汚れ係数、劣化率)といったパラメータを計算する際に、単に計算結果と測定結果との差(残差)を目的関数とするのではなく、計算結果と測定結果との差に、測定結果又は感度係数で構成される重み関数を乗じた重み付き残差を目的関数とし、この目的関数を最小化させる方法であるので、温度あるいは圧力の測定誤差の影響を少なくすることができ、性能評価の精度が向上する。また、目的関数として重み付き残差を用いるので、例えば温度と圧力、といった物理的性質、単位の異なる異種データを同じ尺度で比較できるという利点がある。
さらに、本発明の性能評価方法によれば、複数時刻の測定結果をまとめて用いて評価することで測定点数を少なくできるという利点がある。
少ない測定点数で吸収冷温水機の性能を精度よく評価する方法、及びこれを用いた吸収冷温水機の診断システムを構築した。
図1は本発明の第1の実施例を説明するためのブロック図である。また、図2は本発明の第1の実施例を説明するためのフローチャートである。図1に示す診断装置は、評価装置1、測定装置2、シミュレータ3、パラメータ設定部4、計算条件設定部5から構成されている。さらに、評価装置1は、測定結果入力部12、計算結果入力部13、重み関数計算部14、目的関数計算部15、評価誤差判定部16、パラメータ修正部17から構成されている。
測定装置2は、所定の周期で第3図に示す吸収冷温水機内の温度あるいは圧力を測定する。測定内容や測定点等は後述する。評価装置1は、測定結果入力部12を介して測定装置2の測定結果を取得する。一方、シミュレータ3は、計算条件設定部5で設定された計算条件、及びパラメータ設定部4で設定されたパラメータを用いて吸収冷温水機内のサイクル動作状態をシミュレーションする。また、評価装置1は、計算結果入力部13を介してシミュレータ3の計算結果を取得する。重み関数計算部14は取得した測定結果、または計算結果から重み関数を計算する。次に、目的関数計算部15は、測定結果と、計算結果と、重み関数計算部14が計算した重み関数とを用いて重み付き残差を計算し、これを目的関数とする。評価誤差判定部16は、目的関数計算部15が計算により求めた目的関数が最小値であるかどうかを判定し、最小値でないと判断した場合はパラメータ修正部17にてパラメータの値を修正する。パラメータ設定部4はパラメータ修正部17から修正されたパラメータを受け取り、それをシミュレータ3に送る。シミュレータ3は修正されたパラメータを用いて再びサイクル動作状態をシミュレーションする。評価誤差判定部16が、目的関数計算部15で計算された目的関数が最小値であると判定するまで上記の操作を反復して行う。目的関数が最小値となれば、このときのパラメータの値が求める動作諸量となる。
次に、パラメータの選定について説明する。図3は二重効用吸収冷温水機のサイクルを説明するためのサイクル図である。図3に示すサイクルは、蒸発器201、吸収器202、凝縮器203、低温再生器204、高温再生器205、低温熱交換器206、高温熱交換器207、冷水配管208、冷却水配管209、溶液循環ポンプ215、溶液スプレポンプ216、冷媒スプレポンプ217、バーナー218、及び前記各要素を接続する配管から構成されている。以下、冷房の場合についてサイクル動作について説明する。
冷媒スプレポンプ217にて蒸発器201に散布された冷媒が蒸発する際の蒸発潜熱により、冷水配管208を流れる冷水が冷却される。吸収器202の溶液は前記蒸発器201で蒸発した冷媒を吸収することで溶液濃度が小さくなる。濃度が小さくなった溶液は、低温熱交換器206、高温熱交換器207で順次予熱されながら溶液循環ポンプ215にて高温再生器205に送られる。前記高温再生器205ではバーナー218の燃焼熱により溶液が濃縮され、濃縮された溶液は溶液スプレポンプ216にて、高温熱交換器207、低温熱交換器206で低濃度溶液を加熱した後に再び吸収器202に戻る。また、濃度の小さな溶液の一部は、低温熱交換器206から低温再生器204に送られる。そこで濃縮された溶液は、溶液スプレポンプ216にて再び吸収器202に戻る。高温再生器205で蒸発した冷媒蒸気は低温再生器204、凝縮器203で順次冷却されて液状態となり、蒸発器201に送られる。また、吸収器202で発生する吸収熱、及び凝縮器203で発生する凝縮熱を除去するための冷却水が吸収器側から凝縮器側に流れるように冷却水配管209により通水される。
このように、吸収冷温水機のサイクルは蒸発器、吸収器等の各熱交換器での一連の熱交換で動作している。従って、吸収冷温水機を構成する各熱交換器の熱交換性能が分かれば吸収冷温水機の性能を評価することができる。
そこで、パラメータ、すなわち吸収冷温水機の動作諸量として、例えば図4に示す番号5から番号10のように選ぶことができる。パラメータとして選択されたものは、それぞれセンサを設けて測定する必要はない。また、図3に示すサイクルにおいて、冷却水配管209は吸収器202と凝縮器203の両方を通過するため、冷却水配管汚れ係数は熱交換器の劣化係数とは独立のパラメータとして与えるとよい(図4の番号11)。さらに、測定点を適切に選ぶことにより、冷水流量、及び冷却水流量はパラメータとして取り扱うことができるので、これらの流量もパラメータとして追加する(図4の番号3と番号4)。これにより、冷水流量、及び冷却水流量の測定センサを省略することができる。
なお、吸収冷温水機の性能評価に必要なパラメータは図4に示すものに限定するものではなく、必要に応じて他のパラメータを追加してもよい。また、測定点の選び方によっては、図4に示すパラメータの一部は省略することができる。さらに、パラメータとして各測定装置の測定誤差という指標を追加することも可能であり、求められた測定誤差から、例えば測定装置の異常を検知するといったことができる。
次に、測定装置2の測定点について説明する。まず、吸収冷温水機全体の熱収支を考える上で、冷却熱量、燃焼熱量、冷却水への放熱量を把握する必要がある。このため、冷水出入口温度、冷却水出入口温度、燃焼ガスの出入口温度等が測定点の候補となる。この内、冷水出入口温度、冷却水出入口温度は吸収冷温水機を運転制御するために通常設けてあるため、これを利用すれば新たにセンサを設ける必要がない。なお、ここで冷水出入口温度とは冷水配管208の蒸発器201への出入口の温度(矢印方向が冷水の流れる方向)である。
また、吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算するためには、吸収冷温水機内部の温度あるいは圧力が少なくとも1つ必要である。そこで、例えば高温再生器205の溶液温度あるいは蒸気圧力などを測定点として選ぶことができる。
吸収冷温水機内部の状態を代表する温度あるいは圧力として高温再生器205の溶液温度あるいは蒸気圧力を測定点とすることには以下に示す二つの利点がある。一つ目は、サイクル全体が大気圧を超えないようにするため、および溶液が結晶化するのを防止するために、高温再生器の温度あるいは圧力は吸収冷温水機の制御上、一般に温度センサや圧力センサが設けてあり、これらセンサを利用することで測定センサを新たに設ける必要がない点である。二つ目は、温度あるいは圧力を高精度に測定できる点である。すなわち、センサのオフセットは測定値の相対誤差ではなく絶対誤差となることが多いため、温度あるいは圧力のレベルが高いほど相対的な誤差が小さくなる。このため、サイクル中で最も温度あるいは圧力レベルが高い高温再生器205の温度あるいは圧力を測定点とすることにより測定精度が上がり、これによってパラメータの評価精度も向上する点である。
なお、本実施例では冷水流量、及び冷却水流量は測定センサを設けずにパラメータとして取り扱うため、吸収冷温水機全体の熱収支を考える上で必要な熱量のうち、冷却能力と燃料消費量(図4の番号1と番号2)はシミュレータにおける計算の未知数とする。
以上のように選定した測定点の数をNs(本例の場合6個)、未知数の数をNu(図4に示す例の場合は2個)、パラメータの数をNp(図4に示す例の場合は9個)とすると、Ns、Nu、Npの間に数1の関係が成立すれば、ある時刻の測定結果だけから未知数、およびパラメータの解が一意に定まる。ここで、数1の左辺はサイクル動作状態を表す支配方程式の数、右辺は変数の数に対応する。
Ns=Nu+Np …(数1)
数1の関係が成立しない場合、例えばパラメータの数Npに比べて測定点数Nsが小さい場合には以下の方法による。図5は、動作諸量の計算に用いる測定結果の数を示すグラフである。前記数1の関係が成立しない場合は、図5において、例えば時刻t1から時刻tNのN時刻分の測定結果を使用して未知数及びパラメータを同定する。このとき、パラメータ(劣化係数等)が一定とみなせる、下記数2の関係を満足するN個分の時刻の測定結果を同時に使用することで支配方程式の数が変数の数を上回り、目的関数最小化によりパラメータを同定することができる。
Ns×N>Nu×N+Np …(数2)
図4に示す未知数、及びパラメータの場合、Nu=2、及びNp=9であるから、例えば測定点数Ns=6とすれば、Nの最小値は3となり、3個分の時刻の測定結果を同時に使用すればパラメータを同定することができる。
以上の方法によれば、同時に使用する時刻データを増やすことにより、測定点数を増やすことなくパラメータ、すなわち動作諸量を計算することが可能となり、測定装置の設置スペースや設置コストが小さくなるという利点がある。
次に、目的関数の計算方法について説明する。測定点i(i=1,2,・・・,Ns)の時刻k(k=1,2,・・・,N)における測定結果、及びシミュレータの計算結果をそれぞれX(i,k)、Y(i,k)とすると。測定点iの時刻kにおける残差E(i,k)はX(i,k)−Y(i,k)となる。この残差に適当な重み関数W(i,k)を乗じた重み付き残差ε(i,k)をすべてのi、kについて総和をとったものを目的関数とする。また、i、kについての総和の計算方法については、例えば平方和としてもよいし、絶対値の和としてもよい。なお、目的関数の最小値を求める方法としては、例えば非線形計画法といった手法があるが、この方法に限定するものではなく、他の手法を用いてもよいことは言うまでもない。
図6は本発明の第2の実施例である吸収冷温水機の診断システムを説明するためのブロック図である。図6に示す第2の実施例は、大きく3つのブロックで構成される。すなわち、監視対象である監視対象機器300と、監視対象機器300を運転制御する制御装置301と監視対象機器300や制御装置301の状態を監視し診断する診断装置330である。監視対象機器300には、制御装置301や、監視対象機器300の温度や圧力などの物理量を計測する計測手段302a及び302bを備えている。診断装置330は、データ取得手段331、データ記憶装置332、機器データベース333、解析条件設定手段334、解析手段335、解析結果出力部336、制御部337、命令入力部338、記憶装置339を備えている。
診断装置330に設けられたデータ取得手段331は、所定の周期、若しくは命令入力部338から入力される命令に基づいて、監視対象機器300に設けてある計測手段302aと計測手段302bからのデータを取得し、データ記憶装置332に格納する。ここで、計測手段302aは、制御装置301により行われる監視対象機器300の制御に用いる目的で取り付けられている。また、計測手段302bは、監視対象機器300の性能評価を目的として取り付けられている。制御部337は、命令入力部338に解析命令が入力されると解析を実行する。
解析手段335は、機器データベース333の情報に基づいて解析条件設定手段334が設定した条件、及び監視データ記憶部332に格納された運転データから動作諸量であるパラメータを計算し、解析結果出力部336に出力すると共に、データ記憶装置339に解析結果を格納する。なお、解析手段は先に説明した第1の実施例の図1の構成で、図2に示した方法でパラメータを求めるものである。
本実施例の性能評価方法を用いた診断システムによれば、複数時刻の測定データをまとめて使用することで測定点数を少なくすることができる。従って、1回の測定の測定データ数が少なくて済むのでデータ記憶装置332等、の記憶容量を小さくすることができるという利点がある。また、測定点数を少なくすることができるため、性能評価のために設置する測定手段302bが少なくできるので、低コストで診断システムを構築することができる。さらに、診断結果出力部336に出力される診断結果に基づき、監視対象機器300の動作状態を容易に確認することができ、日常の保守や点検作業が容易に行えるという利点がある。
さらに、1回分の測定データが少ない場合、同じ処理能力の装置で測定時刻点数を増やすことができため、突発的な異常の徴候をいち早く捉えることが可能になるという利点がある。
図7は本発明の第3の実施例である吸収冷温水機の遠隔診断システムを説明するためのブロック図である。図7に示す第3の実施例は、図6の実施例おける診断装置330に代え監視装置310を設け、この監視装置310に第一の情報ネットワーク340を介して管制センタ320を接続し、管制センタ320と診断装置330を第二の情報ネットワーク350を介して接続したものである。
このため、監視装置310には監視対象機器300の計測手段302a、302b及び制御装置310からデータを取得しデータ記憶装置313に格納するデータ取得手段312や、制御部311の他に第一の情報ネットワークに接続されたデータ送信手段315や命令受信手段314が設けてある。管制センタ320には、命令入力部325と、データ送信条件部324と、第一の情報ネットワーク340から監視データを受信するデータ受信手段321と、受信したデータを格納する監視データ記憶装置322とが設けてある。また、診断装置330には、第二の情報ネットワーク350を介して監視データ記憶装置322から監視データを取得するデータ取得手段331と、取得した監視データを記録する監視データ記憶部332と、各種機器データを記憶している機器データベース333と、機器データに基づいて解析条件を設定する解析条件設定手段334と、解析手段335と、解析結果を出力する解析結果出力部336とからなる。
監視装置310に設けられたデータ取得手段312は、所定の周期、若しくは管制センタ320から送信される命令に基づいて、計測手段302bにより測定される監視対象機器300の運転データ、及び計測手段302aにより測定される制御装置301による制御に用いられる監視対象機器300の運転データを取得し、データ記憶装置313に格納する。管制センタ320は、命令入力部325でデータ送信命令が入力されると、データ送信条件設定部324の設定条件に基づき命令送信手段323からデータ送信命令を送信する。監視装置310の命令受信手段314は、第一の情報通信ネットワークを経由して管制センタ320から送信されたデータ送信命令を受信する。制御部311は命令受信手段314が受信したデータ送信命令に基づき、必要に応じてデータ取得手段312に監視対象機器300の運転データ、及び制御装置301の制御データを取得し、データ記憶装置313に格納するように指令する。さらに、制御部311は命令受信手段314が受信したデータ送信命令に基づき、データ記憶装置313に格納されているデータの一部または全部をデータ送信手段315にて送信する。管制センタ320のデータ受信手段321は、データ送信手段315が送信したデータを受信し、監視データ記憶装置322に格納する。
診断装置330のデータ取得手段331は、管制センタ320の監視データ記憶装置322に格納された運転データを第二の情報通信ネットワーク350を介して取得し、監視データ記憶部332に格納する。
解析手段335は、機器データベース333の情報に基づいて解析条件設定手段334が設定した条件、及び監視データ記憶部332に格納された運転データから動作諸量であるパラメータを計算し、解析結果出力部336に出力する。なお、パラメータの計算方法は図1及び図2に示す第一の実施例と同様の方法である。
本発明の性能評価方法を用いた遠隔診断システムによれば、複数時刻の測定データをまとめて使用することで測定点数を少なくすることができる。従って、診断のための測定手段302bの数を減らすことができ、診断システムの設置にかかるコストを少なくできる。また、1回の測定の測定データ数が少なくて済むのでデータ記憶装置313、監視データ記憶装置322、監視データ記憶部332等、の記憶容量を小さくすることができるという利点がある。さらに、情報通信ネットワークを介して送受信される測定データ数が少なくなるので、1回の測定データの通信量が少なくなり、通信時間や通信コストを少なくすることができる。
さらに、1回分の測定データが少ない場合、同じデータ容量で時刻点数を増やすことができため、突発的な異常の徴候をいち早く捉えることが可能になるという利点がある。
さらには、遠隔での診断を可能とするため、監視対象機器300の運転状況の確認を専門の保守管理員により行うことが可能となるという利点がある。
なお、図7において、診断装置330は管制センタ320の内部にあってもよい。この場合、診断装置330の解析手段335は、管制センタ320の監視データ記憶装置322からデータを取得することにより、監視データ記憶部332を省略することができるという利点がある。また、機器データベース333を管制センタ320内に設け、解析条件設定手段334はデータ取得手段331を介して機器データを取得するようにしてもよい。さらに、図7では診断装置330は1つとしているが、複数設けてもよいことはいうまでもない。
吸収冷温水機の性能評価方法を説明するブロック図である。 吸収冷温水機の性能評価方法を説明するフローチャートである。 吸収冷温水機のサイクル動作状態を説明するためのサイクル図である。 未知数およびパラメータの種類を説明する表である。 測定結果の個数を説明するグラフである。 吸収冷温水機の診断システムを説明するブロック図である。 吸収冷温水機の遠隔診断システムを説明するブロック図である。
符号の説明
1…評価装置、2…測定装置、3…シミュレータ、4…パラメータ設定部、5…計算条件設定部、300…監視対象機器、310…監視装置、320…管制センタ、330…診断装置。

Claims (6)

  1. 吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算するシミュレータと、温度あるいは圧力を測定する測定手段と、前記吸収冷温水機の動作諸量を計算する評価手段とを備え、前記測定手段は前記吸収冷温水機内の温度あるいは圧力を所定の周期で測定し、前記シミュレータは動作諸量をパラメータとして前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算し、前記評価手段は前記測定手段の測定結果と測定点における前記シミュレータの計算結果との重み付き残差を目的関数とし、前記目的関数が最小となるパラメータを計算して動作諸量を評価することを特徴とする吸収冷温水機の性能評価方法。
  2. 重み付き残差を計算するための重み関数が測定結果、又はパラメータに対する温度あるいは圧力の変化率である感度係数で構成されることを特徴とする請求項1に記載の性能評価方法。
  3. 吸収冷温水機と、前記吸収冷温水機の温度あるいは圧力を測定する測定手段と、前記吸収冷温水機の動作状態を診断する診断装置とを備えた吸収冷温水機の診断システムであって、前記診断装置は前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算するシミュレータと前記吸収冷温水機の動作諸量を計算する評価手段とを備え、前記診断装置は前記測定手段による測定結果を所定の周期で取得するとともに前記診断装置に設けたデータ記憶装置に格納し、前記シミュレータは動作諸量をパラメータとして前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算し、前記憶装置に格納された測定結果と測定点における前記シミュレータの計算結果との重み付き残差を目的関数とし、前記目的関数が最小となるパラメータを計算して動作諸量を評価し、前記吸収冷温水機の動作状態を診断することを特徴とする吸収冷温水機の診断システム。
  4. 吸収冷温水機と、前記吸収冷温水機の温度あるいは圧力を測定する測定手段と、前記吸収冷温水機の運転状態を監視する監視装置と、前記監視装置を制御する管制センタと、前記吸収冷温水機の動作状態を診断する診断装置とを備えた吸収冷温水機の遠隔診断システムであって、前記監視装置と前記管制センタは情報通信ネットワークを介して接続され、前記診断装置は前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算するシミュレータと前記吸収冷温水機の動作諸量を計算する評価手段とを備え、前記監視装置は前記測定手段による測定結果を所定の周期で取得するとともに前記監視装置に設けたデータ記憶装置に格納し、前記監視装置は前記管制センタから送信されるデータ送信命令に基づき前記データ記憶装置に格納された測定結果を前記管制センタに送信し、前記管制センタは前記監視装置から送信された測定結果を前記診断装置に送信し、前記シミュレータは動作諸量をパラメータとして前記吸収冷温水機のサイクル動作状態を計算し、前記評価手段は前記管制センタから送信された測定結果と測定点における前記シミュレータの計算結果との重み付き残差を目的関数とし、前記目的関数が最小となるパラメータを計算して動作諸量を評価し、前記吸収冷温水機の動作状態を診断することを特徴とする吸収冷温水機の診断システム。
  5. 管制センタ内に診断装置を設けることを特徴とする請求項4に記載の診断システム。
  6. 管制センタと複数の診断装置が第2の情報通信ネットワークを介して接続されることを特徴とする請求項4に記載の診断システム。
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