JP4440147B2 - ２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられる２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法に関する。

従来より地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場やビルなどの熱源供給システムとして用いられる熱源設備として、２ポンプ方式熱源設備が知られている。

前記２ポンプ方式熱源設備は、例えば図４に示されるように、戻りヘッダー５０からの熱媒が一次送水ポンプ５２Ａ〜５２Ｃにより送られ、冷凍機、ボイラ等からなる熱交換器等の熱源機器５１Ａ〜５１Ｃを通過し加熱又は冷却された後、第１送りヘッダー５４に至り、その後二次送水ポンプ５５，５５…により第２送りヘッダー５７に送られる。そして、この第２送りヘッダー５７を介して各部位（部屋）に配置された熱交換器（空調機）５８，５８…に送給された後、戻りヘッダー５０に循環するようになっている。前記第１送りヘッダー５４と第２送りヘッダー５７との間に配置された二次送水ポンプ５５，５５…は夫々インバーター５６を備え、前記第１送りヘッダー５４と第２送りヘッダー５７との間に第１バイパス６４及び第１バイパス弁６５が配設されているとともに、前記第１送りヘッダー５４と戻りヘッダー５０とを繋ぐ第２バイパス６２が配設されている（下記特許文献１、２等参照）。

制御装置６０による前記二次送水ポンプ５５の吐出圧制御は、第２の送りヘッダー５７と戻りヘッダー５０との差圧ＤＳを検出し、予め設定された必要差圧となるように、二次送水ポンプ５５，５５…のインバーター５６、５６…に対し回転数制御をかけることにより、一定の送水圧力条件の下で変流量制御を行う。

また、前記熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの増減段制御は、たとえば図５に示されるように、熱源入口温度TI、負荷熱量Ｌ（(TI-TS)×流量Ｆ）、往水温度TSに基づいた台数制御が行われている。

ここで、図５中、熱源機器の減段条件となる熱源機器減段温度設定値TISは、次式(2)より算出される。熱源機器増段温度設定値TSSは、年間を通して固定値（通常は８℃）に設定され、下限値熱量LIは冷凍機定格能力×（運転台数−１）、上限値熱量Lhは冷凍機定格能力×運転台数とされる。

特開２００２−２１３８０２号公報 特開２００４−１０１１０４号公報

しかしながら、上記２ポンプ方式熱源設備においては、ポンプの駆動安定性や配管系内の水温上昇を防止し、空調システムの立上り特性を向上させる等の目的で、ポンプの運転周波数、循環流量又は吐出圧のいずれかに下限値を設定し、該下限値の保持が困難になった場合には前記第１バイパス弁６５を開く制御が一般的に行われているが、前記第１バイパス弁６５が開く状態になると、ポンプ動力はそれ以上削減できなくなるとともに、熱源機器の熱源効率もそれ以上向上できなくなってしまう。現実には、一般ビル設備の空調システムの特性として、循環水量Ｑが設計流量の１０%以下となる運転時間が全体の５０%、２０%以下となる運転時間が全体の６０%に至るという実測数値もあり、運転時間の多くで第１バイパス弁６５が開くような非効率的な運転が行われている。

一方、熱源機器の増段制御に関し、低負荷時に冷水往き還り温度差（TI-TS）が低下すると、熱量に変化が無くとも循環流量Ｑが増大することになる。循環流量Ｑが熱源機器通水流量Ｑrより増大すると、還り冷水の一部がバイパス６２を通って、往き冷水配管側に合流するため冷水往き温度TSが上昇し、熱源機器増段温度設定値TSS（通常８℃）を超え、熱源機器は絞り運転を行っているにも関わらず、運転台数の不要な増加が行われるなどの問題があった。

他方、減段制御に関しては、運転台数毎の前記熱源機器減段温度設定値TISは、TOS=7℃、TRS=12℃の条件でn=2台：TIS=9.5℃、n=3台：TIS=10.3℃、n=4台：TIS=10.75℃となり、運転台数が多くなると熱源機器減段温度設定値TISの温度差が極めて小さくなる傾向を示すようになる。熱源入口温度TIは精度の高い測定が困難であるとともに、前記冷水還り温度(TRS)は仮定値であり、実際には常に変化するため運転台数減少の判断が的確になされないなどの問題もあった。

そこで本発明の主たる課題は、運転時間の多くで第１バイパス弁が開くような非効率な運転状態でも動力の削減を図るとともに、非効率な増段制御を無くすことにより動力の削減を図るようにした２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する１次ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する第１送りヘッダと、第１送りヘッダから熱媒を送る複数の２次ポンプと、該２次ポンプからの熱媒を集約する第２送りヘッダと、この第２送りヘッダから熱媒が供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記第１送りヘッダと第２送りヘッダとを繋ぐ第１バイパス及び第１バイパス弁と、前記第１送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐ第２バイパスと、前記熱源機器の運転台数制御及び前記二次ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える２ポンプ方式熱源設備において、
前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、熱源機器の出口温度TOを測定するための出口温度計と、前記熱源機器への入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計と、前記第１バイパス弁の開度検出手段と、前記２次ポンプの運転台数検出手段とを配設し、
前記制御装置は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ、二次ポンプ運転台数及び第１バイパス弁開度MVに基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、前記熱源機器の運転台数の増段制御は往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較に基づいて行い、前記熱源機器の運転台数の減段制御は熱源機器への入力値Ｗと事前に設定された熱源機器減段入力設定値ＷＳとの比較に基づいて行うことを特徴とする２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

上記請求項１記載の本発明では、従来の熱源設備では固定値とされていた熱源機器出口温度設定値TOSを時期毎に可変設定するとともに、増段条件の一部となる熱源増段温度設定値TSSも時期毎に可変設定するようにした。

先ず、前記熱源機器出口温度設定値TOSを時期毎に可変設定することにより、機器効率（COP）が向上し消費動力を減少させることができる。すなわち、循環流量Ｑが少ない状況では、熱源出口温度TOが上昇すれば循環流量の増大によるポンプ動力が増加するが、この増加分は、熱源機器の機器効率（COP）向上による熱源機器動力減少分と比較すると小さいため、熱源機器とポンプとを含めた全体システムで考えると、消費動力は出口温度TOを上昇させることにより減少する。

前記熱源増段温度設定値TSSも時期毎に可変設定することにより、熱源機器が絞り運転を行っているにも関わらず、運転台数の不要な増段が行われることを防止することができる。すなわち、低負荷時においては、往き還り温度差が低下することにより循環流量が増加し、還り冷水の一部がバイパス６２を通って、往き冷水配管側に合流するため冷水往き温度TSが上昇して、固定値とされる熱源機器の増段温度設定値（通常は８℃）を超えることが頻繁に起きているが、低負荷時に合わせ前記熱源増段温度設定値TSSを増加させるように設定値を変更することにより不要な増段制御を無くし消費動力の削減を図ることができる。

さらに、減段制御に関しては、熱源機器の減段条件を熱源機器入力値Ｗとすることで適切な運転台数の削減が判断できるため、不要な熱源機器を運転させる事態を防止することができる。
請求項２に係る本発明として、前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの変更制御は、循環流量Ｑと、熱源出口温度上昇による熱源機器の動力削減量とポンプ動力増加量とが釣り合う循環流量設定値Ｑhとの比較、二次ポンプ運転台数、及び第１バイパス弁開度ＭＶと事前の設定値ＭＶnとの比較によって行う請求項１記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

請求項３に係る本発明として、前記熱源機器減段入力設定値ＷＳは、下式(1)により求める請求項１，２いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

請求項４に係る本発明として、前記設定数値テーブルは、熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとを１℃差に設定した標準時設定数値テーブルと、低負荷時期において熱源出口温度設定値TOSを低減し、該熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとの間に２℃以上の温度差に設定した低負荷時設定数値テーブルとを保有する請求項１〜３いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法が提供される。

上記請求項４記載の発明では、前記設定数値テーブルは、熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとを１℃差に設定した標準時設定数値テーブルと、低負荷時期において熱源出口温度設定値TOSを低減し、該熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとの間に２℃以上の温度差に設定した低負荷時設定数値テーブルとを保有するようにする。低負荷時に冷水往き還り温度差が低下するケースでは、熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSの間に温度差を設け、還り冷水の一部が第２バイパス６２を通って往き冷水配管側に合流し冷水往き温度TSが上昇しても、すぐに熱源機器増段温度設定値TSSを超えないようにすることにより、熱源機器は絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われることを防止する。

以上詳説のとおり本発明によれば、運転時間の多くで第１バイパス弁が開くような非効率な運転状態であっても、熱源出口温度設定値TOSを上昇させることにより熱源機器効率の上昇により動力の削減を図る。また、熱源機器運転台数増加は冷水往き温度TSが熱源機器増段温度設定値TSSを超えた場合にのみ行い、熱源機器運転台数削減は熱源機器への入力値による制御方法とすることにより、熱源機器は絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われることを防止すると共に、適切に運転台数の削減が判断できるようになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔２ポンプ方式熱源設備の構成〕
図１に示される２ポンプ方式熱源設備１は、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器２Ａ〜２Ｃと、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに対応して設けられるとともに、熱媒を圧送する１次ポンプ３Ａ〜３Ｃと、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃからの熱媒を集約する第１送りヘッダ４と、第１送りヘッダ４から熱媒を送給する２次ポンプ６Ａ〜６Ｃと、これら２次ポンプ６Ａ〜６Ｃをそれぞれ回転数制御するインバータ７Ａ〜７Ｃと、前記２次ポンプ６Ａ〜６Ｃから熱媒が送給される第２送りヘッダ５と、第２送りヘッダ５から熱媒が供給される空調機等の外部負荷機器９，９…と、外部負荷機器９，９…で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに分配する戻りヘッダ１０と、前記第１送りヘッダ４と第２送りヘッダ５とを繋ぐ第１バイパス１１及び第１バイパス弁１２と、前記第１送りヘッダ部４又はその近傍と前記戻りヘッダ部１０又はその近傍とを繋ぐ第２バイパス１３と、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃの運転台数制御及び前記二次ポンプ６Ａ〜６Ｃ（インバータ７Ａ〜７Ｃ）の運転制御を行う制御装置８とを備えるものである。

また、計測機器類として、前記熱媒の循環流量を測定するための流量計１４と、還水温度ＴＲを測定するための還水温度計１５と、往水温度ＴＳを測定する往水温度計２０と、熱源機器の入口温度ＴＩを測定するための温度計１６と、熱源機器の出口温度TOを測定するための温度計１８と、熱源機器２Ａ〜２Ｃへの入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計（図示せず）と、前記第１バイパス弁１２の開度検出手段（図示せず）と、前記２次ポンプ６Ａ〜６Ｃの運転台数検出手段とを配設している。
〔制御装置８による運転制御〕
前記制御装置８は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ、二次ポンプ運転台数及び第１バイパス弁開度ＭＶに基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、熱源機器運転台数の増段は往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較、及び熱源機器運転台数の減段は熱源機器への入力値Ｗと事前に設定された熱源機器減段入力設定値ＷＳとの比較に基づいて行うようにするものである。
〔熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定〕
さらに詳述すると、前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定数値テーブルは、過去の実績等に基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定値を、例えば月又は季節等の時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別に定めたものであり、この設定数値テーブルは、従来のように、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとの温度差が１℃となるように定めた、例えば表１に示される標準時設定数値テーブルと、低負荷時期において熱源出口温度設定値TOSを低減し、該熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとの間に２℃以上の温度差に設定した、例えば表２に示される低負荷時設定数値テーブルとの２つのテーブルを保有するのが望ましい。なお、前記設定数値テーブルは、月又は季節等に定めたが、熱源機器の運転状態を負荷状況（稼働状況）に応じて区分するものであれば、どのような指標に従って区分されていてもよい。

前記制御装置８は、熱媒の循環流量Ｑ、二次ポンプ運転台数及び第１バイパス弁開度ＭＶに基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行う。ここで、前記熱源出口温度設定値TOSは、従来は固定値とされていた熱源機器２Ａ〜２Ｃの出口温度設定値TOを、年間を通して低負荷時期については相対的に熱媒の出口温度を高めに設定することにより熱源機器２Ａ〜２Ｃの熱源効率を向上させることにより消費動力の低減化を図るものであり、前記熱源増段温度設定値TSSは、増段条件（往水温度TS＞熱源増段温度設定値TSS）となる温度設定値を負荷状態に応じて可変設定することにより熱源機器２Ａ〜２Ｃが絞り運転をしているにも拘わらず、運転台数の増段が行われることを防止する。

具体的には、図２のフロー図に示されるように、熱源設備１の運転開始時には先ず、時期に対応した熱源出口温度設定値・増段条件normalの読み込みを行い、制御装置８に設定する（Step-1）。

次に、流量計Ｆにより測定した循環流量Ｑと、予め設定された循環流量Ｑhとを比較し、Ｑ≧Ｑhの場合には熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Highへ変更する（Step-2）。ここで、設定値Ｑhは、熱源出口温度TOの上昇による熱源機器２Ａ〜２Ｃの動力削減量と、ポンプ動力増加量が釣り合う循環流量である。

例えば、熱源機器２Ａ〜２Ｃを空冷チラーとした場合の前記Ｑh算出例を下記に示す。

空冷チラー動力Erefは次式(3)より求まる。

一方、ポンプ動力Epompは下式(5)より求まる。

また、循環流量Ｑは下式(6)より求まる。

熱源機器出口温度設定値TOSをNormalからHighへ変えた時の熱源機器動力の増加分とポンプ動力の減少分とが釣り合う条件より下式(7)が成立する。

上式(3)、(5)〜(7)式より下式(8)が成立する。

負荷率qを上式(8)より求め、上式(6)から流量Ｑhを算出する。なお、他の熱源機器についても同様の考え方により算出することができる。

上記Step-2において、Ｑ＜Ｑhの場合には、二次ポンプ６Ａ〜６Ｃの運転台数が２台以上の場合には熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Normalを維持する（Step-3）。さらに、第１バイパス弁１２の開度ＭＶが設定値ＭＶn以上の場合には、熱源機器出口温度設定値TOSと熱源機器増段温度設定値TSSを増段条件Lowへ変更する（Step-4）。なお、条件変更があった場合には安定するまでタイマー設定時間の間、待ち時間を設けると共に、熱源機器容量制御に熱源機器出口温度設定値TOSを、熱源台数制御に熱源機器増段温度設定値TSSを発信する。

また、標準時設定数値テーブルから低負荷時設定数値テーブルへのモード変更は、夏期以外の低負荷時に熱媒の往き還り温度(TR-TS)を監視し、還り冷水の一部がバイパス配管を通って往き冷水配管側に合流するため前記往き還り温度(TR-TS)が低下する傾向を示した場合に変更するようにする。その結果、還り冷水の一部がバイパス配管を通って往き冷水配管側に合流するため冷水往き温度TSが上昇しても、すぐに熱源機器増段温度設定値TSSを超えないようにすることにより、熱源機器は絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われるのを防止することができる。
〔熱源機器の増減段制御〕
熱源機器２Ａ〜２Ｃの増減段制御に関しては、熱源機器運転台数の増段は往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較、及び熱源機器運転台数の減段は熱源機器への入力値Ｗと事前に設定された熱源機器減段入力設定値WSとの比較に基づいて行うようにする。

具体的には、図３に示されるように、熱源機器の運転台数削減条件を熱源機器への入力値W（電力、蒸気又はガス計測値）により行う。比較値となる熱源機器減段入力設定値WSは、次式(1)により算出する。

上記熱源機器２Ａ〜２Ｃへの入力値W（電力、蒸気又はガス量計測値）と、熱源機器減段入力設定値WSとを比較し、入力値W≦熱源機器減段入力設定値WSであるならば、熱源機器の減段を行い、熱源機器運転台数増加は往水温度TSが熱源機器増段温度設定値TSSを超えた場合にのみ行うようにする。

以上のように、減段条件を入力値とすることにより、熱源機器出口水温設定値TOS、外気温度、そして経年劣化による能力変化に対応した的確な運転台数削減判断がなされる。因みに、前記運転台数ごとの熱源機器減段入力設定値WSは、a=1.0,b=1.0,c=0とした場合、n=2台：WS=50%、n=3台：WS=67%、n=4台：WS=75%と設定値の差が大きく計測対象となる消費電力または電流値、蒸気量、ガス量は精度の高い計測が可能であるため、的確な運転台数削減判断がなされるようになる。また、増段条件を、往水温度TSが熱源機器増段温度設定値TSSを超えた場合とすることにより、熱源機器２Ａ〜２Ｃが絞り運転を行っているにも拘わらず、運転台数の増加が行われるのを防止することができる。

本発明に係る２ポンプ方式熱源設備１を示すブロック図である。 熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの設定・変更方法を示すフロー図である。 熱源機器の増減段制御を示すフロー図である。 従来の２ポンプ方式熱源設備を示すブロック図である。 従来の熱源機器の増減段制御を示すフロー図である。

符号の説明

１…２ポンプ方式熱源設備、２Ａ〜２Ｃ…熱源機器、３Ａ〜３Ｃ…１次ポンプ、４…第１送りヘッダ、５…第２送りヘッダ、６Ａ〜６Ｃ…２次ポンプ、７Ａ〜７Ｃ…インバータ、８…制御装置、９…外部負荷機器、１０…戻りヘッダ、１１…第１バイパス、１２…第１バイパス弁、１３…第２バイパス、１４…流量計、１５・１６・２０…温度計、１７…差圧計

Claims (4)

1. 熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する１次ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する第１送りヘッダと、第１送りヘッダから熱媒を送る複数の２次ポンプと、該２次ポンプからの熱媒を集約する第２送りヘッダと、この第２送りヘッダから熱媒が供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記第１送りヘッダと第２送りヘッダとを繋ぐ第１バイパス及び第１バイパス弁と、前記第１送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐ第２バイパスと、前記熱源機器の運転台数制御及び前記二次ポンプの運転制御を行う制御装置とを備える２ポンプ方式熱源設備において、
   前記熱媒の循環流量Ｑを測定するための流量計と、往水温度TSを測定する往水温度計と、熱源機器の出口温度TOを測定するための出口温度計と、前記熱源機器への入力値Ｗを測定する電力計、蒸気流量計又はガス流量計と、前記第１バイパス弁の開度検出手段と、前記２次ポンプの運転台数検出手段とを配設し、
   前記制御装置は、予め熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSとして、負荷状態を基準に区分された時期毎にそれぞれ、Normal、high、lowの運転状態別の設定数値テーブルを保有し、熱媒の循環流量Ｑ、二次ポンプ運転台数及び第１バイパス弁開度ＭＶに基づき、熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSを設定及び変更を行うとともに、前記熱源機器の運転台数の増段制御は往水温度TSと前記熱源増段温度設定値TSSとの比較に基づいて行い、前記熱源機器の運転台数の減段制御は熱源機器への入力値Ｗと事前に設定された熱源機器減段入力設定値ＷＳとの比較に基づいて行うことを特徴とする２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
2. 前記熱源出口温度設定値TOS及び熱源増段温度設定値TSSの変更制御は、循環流量Ｑと、熱源出口温度上昇による熱源機器の動力削減量とポンプ動力増加量とが釣り合う循環流量設定値Ｑhとの比較、二次ポンプ運転台数、及び第１バイパス弁開度ＭＶと事前の設定値ＭＶnとの比較によって行う請求項１記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
3. 前記熱源機器減段入力設定値ＷＳは、下式(1)により求める請求項１，２いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。
   

   
4. 前記設定数値テーブルは、熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとを１℃差に設定した標準時設定数値テーブルと、低負荷時期において熱源出口温度設定値TOSを低減し、該熱源出口温度設定値TOSと熱源増段温度設定値TSSとの間に２℃以上の温度差に設定した低負荷時設定数値テーブルとを保有する請求項１〜３いずれかに記載の２ポンプ方式熱源設備における運転制御方法。

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