JP4422572B2 - 冷温熱源機の冷温水制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷温熱源機の冷温水制御方法に関する。

冷温熱源機（ヒートポンプ式の冷凍機や冷凍サイクルのみの冷凍機を含む）を用いた空調システムとして、冷温熱源機に冷却水配管系及び冷温水配管系を接続し、冷却水配管系に冷却水ポンプ及び冷却塔を接続して冷却水を循環させ、冷温水配管系に冷温水ポンプ及び複数の空調機等の二次側設備を並列して接続して各二次側設備に負荷に応じた冷温水を供給する空調システムが一般に使用されている。

このような空調システムにおいて、消費電力を小さくしてコスト低減を図り、ひいては資源節約や環境問題の改善に寄与するために、空調システムの運転効率を向上させて省エネルギーを図ることが求められている。この場合、冷温水配管系では、冷温熱源機とともに冷温水ポンプの消費電力を減らす必要がある。冷温水ポンプは、流量が少ない程消費電力は小さくなる。したがって、省エネルギーのためには、冷温熱源機の消費電力を考慮した上で二次側設備への流量を絞って冷温水ポンプの流量を減らす必要がある。従来の制御方法では、二次側設備の流量調整弁の無駄な絞りによる抵抗が増加し、期待する消費電力の低減が図れない。

流量制御についてみると、従来は、室内の温湿度センサーの検出値に応じて、空調機などの二次側設備の冷温水流量調整弁（二方弁等）を制御して冷温水の流量調整をしているが、負荷状態によっては無駄な絞りとなって抵抗増加となり、省エネルギーとならない。

温度制御についてみると、従来は、冷凍機の出口温度（設定温度）を例えば夏季７°Ｃの一定値に設定して使用する場合が多く、負荷に応じた最適設定温度が得られない。冷凍機単体のＣＯＰを考慮した場合、設定温度は高いほうが好ましいが、従来の設定温度一定の温度制御方法では温度が低いまま運転されることが多く省エネルギーが達成されない。

圧力制御についてみると、従来は、冷温水ポンプの吐出圧一定制御又は推定末端圧力制御を行っているのが一般的である。冷温水ポンプは、負荷変動（流量変動）によって、必要な圧力が変動するものであるが、従来の制御方法では、負荷変動に応じて最適な吐出圧力で送水することができず無駄なエネルギーを生じる。

バイパス制御についてみると、負荷が小さく冷温水をあまり必要としない場合、冷温水ポンプから吐出された冷温水は、二次側設備（空調機）を通さずにバイパスして冷温熱源機に戻される。この場合、冷温熱源機は、常に一定流量の冷温水を供給しなくても、必要最低流量の冷温水が供給されていれば、流量が変動しても十分な性能を発揮できる。したがって、バイパス制御により冷温水を冷温熱源機に戻すのは、必要最低流量を下回った場合にのみ必要となる。

一方、冷温水ポンプを用いた熱源変流量システムが特許文献１に開示されている。この特許文献１の熱源変流量システムは、負荷側の負荷状態を判断する負荷状態判定手段と、冷温水搬送装置による冷温水搬送量を検知する冷温水搬送量検知手段と、負荷状態判定手段の判定結果に基づき冷温水搬送装置による冷温水搬送量が所定値以上となるように冷温水搬送装置の制御出力又はバイパス弁の開度を演算して出力する手段をもっていて、熱媒温度条件の乱れに対し応答性に優れた制御を行おうとするものである。

しかし、この特許文献１の熱源変流量システムでは、空調機ごとのバルブ絞りによる流量制御を最適化してポンプ揚程を小さくすることはできないので、本発明で期待する消費電力の低減を図ることはできない。

特開２００２−８９９３５号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、空調機等の二次側設備への冷温水の流量調整弁の絞り抵抗の増加を抑えつつ、冷温水流量を低減させて冷温水ポンプの省エネルギーを図り、幅広い範囲で機器のＣＯＰを考慮してエネルギーを効率よく利用し、適正なバイパス制御により省エネルギーを図ることができる冷温熱源機の冷温水制御方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１の発明では、冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁と、前記冷温水配管系内で前記二次側設備をバイパスして前記冷温水を前記冷温熱源機の出口側から入口側に戻すバイパス管と、該バイパス管に設けた流量調整弁とを備えた一次側ポンプのみの単式ポンプ方式における冷温熱源機の冷温水制御方法において、前記各二次側設備の流量調整弁、前記バイパス管の流量調整弁及び前記冷温水ポンプのインバータを夫々コントローラに接続し、該コントローラによって、前記各二次側設備の流量調整弁のバルブ開度を検出し、バルブ開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁のバルブ開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、前記冷温熱源機を流通する冷温水の流量を検出し、該流量が所定の必要最低流量以上であれば前記バイパス管の流量調整弁を全閉とし、必要最低流量未満であれば該必要最低流量となるように前記バイパス管の流量調整弁の開度を前記コントローラによって調整することを特徴とする冷温熱源機の冷温水制御方法を提供する。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、所定の周期で冷温水の設定温度を所定の温度差だけ上昇方向又は下降方向に変化させるとともに、前記冷温水配管系のＣＯＰを演算して前回演算したＣＯＰと比較し、増加した場合には、前記所定の温度差だけ設定温度を同じ方向に変化させ、減少した場合には前記所定の温度差だけ設定温度を逆方向に変化させることを特徴としている。

請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記ＣＯＰは、前記冷温水配管系の負荷熱量をＡ、消費電力をＢとしたとき、ＣＯＰ＝Ａ÷Ｂであり、負荷熱量Ａは、Ａ＝（冷温熱源機の入口及び出口の冷温水の温度差）×流量から求め、消費電力Ｂは、前記冷温水ポンプの電力計の検出値及び前記冷温熱源機の電力計の検出値の合計から求めることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、複数の二次側設備のそれぞれの冷温水流量調整弁（例えば二方弁）の開度を検出してそれぞれ必要とする冷温水流量を維持したまま、ポンプ送水圧力を減らすことにより、各流量調整弁の開度を大きくし、最大開度であった流量調整弁の開度を１００％に近い所定開度（例えば９５％）まで開き、他の流量調整弁はそれぞれ元の開度に応じて全体の開度のバランスを保ってポンプ送水圧力が減った分だけ開度を広げることができる。これにより、各二次側設備で要求する負荷熱量を満足したまま、ポンプから送られる配管系全体の冷温水送水圧力を減らすことができる。この場合、ポンプ送水量は、バルブ等を絞ることにより減らすのではなく、インバータ制御によりポンプ回転数を制御して流量を減らすため、最大限の省エネルギーを期待できる。

また、冷温熱源機が必要とする最低限の冷温水流量が確保されていれば、冷温水配管系の冷温水流量が減っても冷温熱源機は支障なく稼動するため、冷温水をバイパスさせて冷温熱源機に戻す必要はない。したがって、この場合にはバイパス弁を閉じてポンプからの無駄な送水量を省くことができ、ポンプの消費電力を低減できる。ポンプの吐出量が減って、冷温熱源機の必要最低流量未満になったときには、必要最低流量を満たすようにバイパス弁を開いて冷温熱源機に冷温水を流通させる。この場合、冷温熱源機を流通する冷温水の流量を検出して、検出した流量に基づいて必要なバイパス量を判別してバイパス弁を開くため、確実に必要最低流量を維持することができ、無駄なバイパス流量による消費電力の増加を防止できる。

請求項２の発明によれば、周囲の温度変化や熱負荷の変動に追従してほぼリアルタイムで冷温水ポンプを常に最大効率で駆動制御することができ、消費電力の低減を図ることができる。

請求項３の発明によれば、冷温熱源機の入口及び出口の冷温水の温度センサーの検出データ、冷温熱源機の冷温水の流量センサーの検出データ、冷温水ポンプ及び冷温熱源機の電力計の検出データに基づいて簡単な演算回路で確実にＣＯＰを算出することができる。

図１は、本発明に係る冷温水制御方法が適用される空調システム全体の構成図である。
この空調システム１は、冷温熱源機２に接続された冷温水配管系３と冷却水配管系４とにより構成される。冷却水配管系４には、不図示の送風ファンを備えた冷却塔５及び冷却水ポンプ６が備わる。冷温水配管系３には、冷温水ポンプ７及び複数の並列配置された二次側設備（例えば空調機）８が備わる。各二次側設備８には、冷温水流量を調整するための例えば二方弁からなる流量調整弁９が備わる。さらに、冷温水配管系３には、二次側設備８をバイパスするバイパス管１０が設けられる。バイパス管１０に例えば二方弁からなるバイパス弁１１が備わる。

冷温熱源機２には、生成する冷温水の温度を設定する温度設定手段１２及び電力計１３が備わる。冷温熱源機２の冷温水入口側及び出口側の冷温水配管にはそれぞれ温度センサー１４，１５が備わる。また、冷温水入口側の配管には流量メータ１６が備わる。冷温水ポンプ７には、インバータ１７及び電力計１８が備わる。

複数の二次側設備８の各流量調整弁９、バイパス弁１１、冷温熱源機２の温度設定手段１２、冷温水の出口温度センサー１５及び冷温水ポンプ７のインバータ１７は、コントローラ１９に接続され、後述のように冷温水配管系３の冷温水を制御する。冷温水ポンプ７の電力計１８及び冷温熱源機２の電力計１３は、消費電力演算回路２０に接続され、冷温水配管系３の合計消費電力が算出される。冷温熱源機２の入口側及び出口側の温度センサー１４，１５及び流量メータ１６は、二次側熱量陰算回路２１に接続され、空調機等の合計負荷熱量が算出される。

コントローラ１９は、消費電力演算回路２０及び二次側熱量演算回路２１の演算結果に基づいてＣＯＰを算出し、算出したＣＯＰに基づいて冷温水制御を行う。両演算回路２０，２１はコントローラ１９内に組込んでもよい。

図２は、本発明の基本構想の説明図である。
冷温熱源機についてみると、冷水の場合には水温が高い方が効率がよく、温水の場合には水温が低い方が効率がよい。効率がよいほど消費電力量が小さくなる。したがって、冷温熱源機で生成する冷温水の出口温度の設定値を制御することにより、消費電力が低減するように冷温水温度を制御することができる。

冷温水ポンプについてみると、冷温水量を小さくすることにより、及び送水圧力（揚程）を小さくすることにより、消費電力が小さくなる。したがって、冷温水ポンプのインバータを制御して水量を制御することにより消費電力を小さくできる。

このように冷温熱源機の冷温水設定温度の制御及び冷温水ポンプの送水量のインバータ制御により消費電力の低減を図るとともに、コントローラ１９は、冷温熱源機の冷温水の流量データ及び温度データに基づいてＣＯＰを算出し、ＣＯＰを向上させて消費電力を低減させることができる。

図３は、冷温水設定温度制御方法の説明図である。
冷温熱源機２の冷温水温度設定手段１２（図１）により出口温度が設定されると、冷温熱源機内部のコントローラにより、冷凍能力が調整され、所定の冷温水出口温度に制御される。この冷温水出口温度制御に対しては、２次側負荷変動・冷却水温度変化・冷温水ポンプＩＮＶ・機器の性能劣化等が外乱として作用する。この冷温水の出口温度は温度センサー１５で検出され設定温度になるようにフィードバック制御される。

図４は、冷温水ポンプの回転数制御の説明図である。
横軸は、二次側設備の流量調整弁（二方弁）の開度であり、縦軸は、冷温水ポンプのインバータの設定周波数である。本発明では、二方弁の開度を検出し、最大開度の二方弁を９５％の開度に設定する。これにより、バルブの抵抗値を最低として、空調機に必要な流量が確保される。

図５は、バイパス弁制御の説明図である。
全ての冷温熱源機の冷温水流量が最低流量以上となるように、バイパス弁の開度を制御することで、必要のない時はバイパス弁は全閉となり、無駄な流量を流さない。

図６は、冷温水流量とポンプ揚程及びバイパス弁の開閉制御の説明図である。
冷温熱源機の冷温水流量が必要最低流量以上であれば、バイパス流量は不要であるため、バイパス弁を全閉にする。最低流量未満のときにバイパス弁を開いて最低流量を確保する。曲線ａは、ポンプ送水圧力を減少させる前の各二次側設備の二方弁の実際のバルブ開度における流量特性であり、二方弁が絞られているため、ポンプ揚程は大きい。曲線ｂは、ポンプ送水圧力を減少させ二方弁を最大で９５％まで開いたときの流量特性であり、二方弁の開度が大きくなるため、ポンプ揚程は下がる。冷温水ポンプによる送水圧力は、図の斜線部の範囲内で制御される。

図７は、本発明の冷温水制御方法のフローチャートである。
ステップＳ１：各二次側設備８（図１）の二方弁（流量調整弁）９の開度を検出する。
ステップＳ２：検出した二方弁のうち開度が最大の二方弁の開度を最大開度１００％に近い９５％に設定する。この開度９５％になるようにインバータ制御により冷温水ポンプの送水圧力を減少させる。ポンプの送水圧力が減少すると、各二次側設備では熱負荷に対処するために二方弁の開度を大きくする。これにより、各二次側設備の二方弁は、それぞれの熱負荷に応じた開度のバランスを保ったまま、最大開度の二方弁が９５％になるように他の二方弁とともに開度が大きくなる。これにより、ポンプ送水圧力を減少して消費電力を低減させるとともに、流路抵抗を下げてポンプ揚程を低くすることができ、消費電力をさらに低減できる。
ステップＳ３：二方弁の最大開度が９５％かどうかを判別する。９５％になっていなければステップＳ２に戻って９５％になるようにインバータ制御を行う。９５％になっていればステップＳ４に進む。
ステップＳ４：流量メータ１６（図１）により冷温熱源機２に流入する冷温水流量を検出する。
ステップＳ５：検出した冷温水流量が冷温熱源機の必要最低流量以上かどうかを判別する。
ステップＳ６：冷温水が必要最低流量以上の場合に、バイパス弁１１（図１）を閉じる。これにより、熱負荷に対処しない不要な冷温水を省くことができ、冷温水ポンプの消費電力を低減できる。
ステップＳ７：冷温熱源機に必要最低流量の冷温水が流れるようにバイパス弁を開く。ポンプのインバータ制御、バイパス弁の制御は比例制御によって行う。

図８は、ＣＯＰに基づいて冷温水設定温度を定める方法を示す説明図である。
コントローラは、一定周期Ｆ（例えば１０分）で冷温水出口温度を設定するとともに、冷温水配管系のＣＯＰを算出し、そのＣＯＰが前回設定値のＣＯＰより高いか低いかに応じて次の設定値を決定する。

図の例でさらに説明すると、時間ａ０，ａ１，ａ２のときのＣＯＰをそれぞれ、ＣＯＰ０，ＣＯＰ１，ＣＯＰ２とし、設定温度をＴ０，Ｔ１，Ｔ２とする。時間ａ０では、設定温度を一定量ΔＴだけ上げる。一定周期Ｆ後の時間ａ１でのＣＯＰ１が前回のＣＯＰ０より大きければ、ＣＯＰが高まる方向であるため、そのまま今回も設定温度をΔＴだけ上げる（図示した状態）。逆に今回（時間ａ１）でのＣＯＰ１が前回のＣＯＰ０より小さければ、ＣＯＰが低下する方向に進んでいるため、前回とは逆に設定温度をΔＴだけ下げる。同様に時間ａ２においてもＣＯＰ２を算出し、その前のＣＯＰ１と比較して上昇しているか下降しているかに応じて設定温度を変更する。すなわち、

ＣＯＰ１≦ＣＯＰ２かつＴ１＞Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１＋ΔＴ （１）
ＣＯＰ１≦ＣＯＰ２かつＴ１＜Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１−ΔＴ （２）
ＣＯＰ１＞ＣＯＰ２かつＴ１＞Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１−ΔＴ （３）
ＣＯＰ１＞ＣＯＰ２かつＴ１＜Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１＋ΔＴ （４）
と設定する。

以上のようなＣＯＰに基づいて冷温水出口温度のフィードバック制御を行うことにより、Ａ部で示されるように、冷温水温度の上昇下降を繰り返しながら最適な水温に定まる。また、負荷の変動があったときには、Ｂ部に示されるように。負荷変動等に追従して最適な設定温度に定まる。

図９は、上記図６の時間ａ１及びａ２でのＣＯＰを比較する方法のフローチャートであり、前述の式（１）〜（４）と同じ内容をフローで表したものである。

本発明は、ヒートポンプ式の冷凍機及び冷凍サイクルのみの冷凍機を含む冷温熱源機を備えたあらゆるシステムに利用でき、システム全体の運転効率を最大にして省エネルギーを有効に達成できる。

本発明が適用される空調システムの全体構成図。 本発明の基本構想説明図。 本発明の冷温水の出口温度設定制御説明図。 本発明の冷温水ポンプの回転数制御の説明図。 本発明のバイパス弁制御の説明図。 本発明の冷温水流量、ポンプ揚程及びバイパス弁制御の説明図。 本発明の冷温水制御方法のフローチャート。 ＣＯＰに基づく冷温水温度の設定方法の説明図。 図８の方法のフローチャート。

符号の説明

１：空調システム、２：冷温熱源機、３：冷温水配管系、４：冷却水配管系、５：冷却塔、６：冷却水ポンプ、７：冷温水ポンプ、８：二次側設備、９：流量調整弁、１０：バイパス管、１１：バイパス弁、１２：冷温水温度設定手段、１３：電力計、１４：温度センサー、１５：温度センサー、１６：流量メータ、１７：インバータ、１８：電力計、１９：コントローラ、２０：消費電力演算回路、２１：二次側熱量演算回路。

Claims (3)

1. 冷温水配管系と冷却水配管系が接続された冷温熱源機と、
   該冷温熱源機で生成した冷温水を前記冷温水配管系内で循環させるためのインバータ制御可能な冷温水ポンプと、
   前記冷温水配管系に接続された複数の相互に並列な二次側設備と、
   負荷に応じて各二次側設備への冷温水流量を調整する流量調整弁と、
   前記冷温水配管系内で前記二次側設備をバイパスして前記冷温水を前記冷温熱源機の出口側から入口側に戻すバイパス管と、
   該バイパス管に設けた流量調整弁とを備えた一次側ポンプのみの単式ポンプ方式における冷温熱源機の冷温水制御方法において、
   前記各二次側設備の流量調整弁、前記バイパス管の流量調整弁及び前記冷温水ポンプのインバータを夫々コントローラに接続し、
   該コントローラによって、前記各二次側設備の流量調整弁のバルブ開度を検出し、バルブ開度が最も大きい二次側設備の流量調整弁のバルブ開度がほぼ全開となるように、前記冷温水ポンプの送水圧力をインバータ制御により減少させ、
   前記冷温熱源機を流通する冷温水の流量を検出し、該流量が所定の必要最低流量以上であれば前記バイパス管の流量調整弁を全閉とし、必要最低流量未満であれば該必要最低流量となるように前記バイパス管の流量調整弁の開度を前記コントローラによって調整することを特徴とする冷温熱源機の冷温水制御方法。
2. 所定の周期で冷温水の設定温度を所定の温度差だけ上昇方向又は下降方向に変化させるとともに、前記冷温水配管系のＣＯＰを演算して前回演算したＣＯＰと比較し、増加した場合には、前記所定の温度差だけ設定温度を同じ方向に変化させ、減少した場合には前記所定の温度差だけ設定温度を逆方向に変化させることを特徴とする請求項１に記載の冷温熱源機の冷温水制御方法。
3. 前記ＣＯＰは、前記冷温水配管系の負荷熱量をＡ、消費電力をＢとしたとき、ＣＯＰ＝Ａ÷Ｂであり、負荷熱量Ａは、Ａ＝（冷温熱源機の入口及び出口の冷温水の温度差）×流量から求め、消費電力Ｂは、前記冷温水ポンプの電力計の検出値及び前記冷温熱源機の電力計の検出値の合計から求めることを特徴とする請求項２に記載の冷温熱源機の冷温水制御方法。

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