JP4513545B2 - 冷凍機の台数制御装置と冷熱供給システム - Google Patents

Description

本発明は、複数台の冷凍機を用いた冷熱供給システム及びこの冷熱供給システムに用いられる冷凍機の台数制御装置に関するものである。

従来、冷凍機などの熱源機の運転台数制御方法として、稼動中の熱源機の１００％能力に対する現在の発生能力のパーセンテージをチェックし、稼動中の全ての熱源機が１００％能力で運転されていた場合、前記熱源機の運転台数を増段させるための増段要求を出す一方、稼動中の全ての熱源機の現在発揮している能力の和を求め、この和が所定の値よりも小さい場合、前記熱源機の運転台数を減段させるための減段要求を出すものがある（例えば、特許文献１参照）。

本従来技術では、負荷機器からの還水温度が過剰、すなわち熱源機が冷凍機である場合には還水温度が設定値以下である場合、前記熱源機の運転台数を強制的に減段するようにしている。また、負荷機器への往水温度の不足、すなわち熱源機が冷凍機である場合には往水温度が設定値以上である場合にのみ、前記熱源機の運転台数の増段を許容するようにしている。

このように本従来技術では、熱源機の運転台数を増減させるための入力情報として、稼動中の熱源機の発生能力およびこれらの和、さらに負荷機器からの還水温度または負荷機器への往水温度を用いている。

特許第３３０６６１２号公報

従来の冷凍機の台数制御装置では、上記特許文献１に記載されるように、台数制御の入力として各冷凍機の発生能力と、冷水供給側と負荷側を循環する冷水の温度を用いている。ところで、ターボ冷凍機などの電動式冷凍機や吸収式冷凍機では、冷凍機に供給される冷却水温度が定格値から低下すると、最大発生能力が増大する特性がある。このため、これらの冷凍機は冷却水温度が低下する中間期あるいは冬期には定格能力を超える冷却負荷を賄うことが可能であるが、上記従来技術ではこの点に配慮していないため、これらの時期において不必要に運転台数を増加させて運転動力の浪費を招いていた。

冷凍機の台数制御による運転台数の増減は、冷凍機のみならず冷凍機に付帯する冷水ポンプ、冷却水ポンプおよび冷却塔の運転台数にも対応しており、これらすべての運転台数による消費動力の差は大きい。

本発明の目的は、冷却水温度が低下する中間期あるいは冬期における冷凍機運転台数を、冷却水温度の低下に伴う冷凍機の能力増大を反映した必要最低限の台数とすることにより、冷凍機の台数制御装置を用いた冷熱供給システムの運転動力およびコストを削減し、さらに、省エネルギー並びにＣＯ２排出量の削減に寄与することである。

上記目的を達成するために、本発明は、水冷式の冷凍機の台数制御装置において、冷却負荷に通水される冷水流量と、前記冷却負荷の入口冷水温度及び出口冷水温度と冷水流量とから算出される負荷側交換熱量のそれぞれから予め定めた基準値に基づいて前記冷凍機の運転台数を決定し、これらの大きい方の台数を実際の運転台数として設定し、これらの大きい方の台数を実際の運転台数として設定し、前記基準値は、冷却水温度を所定のタイミングで定格値より低い温度になっているか否かを検出して、前記冷却水温度が定格値以下のとき、冷却水温度が定格値から低い側への偏差に比例して増加させる方向に変更されるものである。

また、上記のものにおいて、複数台の前記冷凍機が運転中の場合には、運転中の前記冷凍機に対応する冷却水温度のうちで最も大きい値のものを用いることが望ましい。

さらに、上記のものにおいて、前記基準値は、運転台数を増加する場合、減少させる場合に比べ大きな値となるように設定されたことが望ましい。

また、本発明は、複数台の水冷式の冷凍機と、前記冷凍機の運転台数を変更することにより冷却能力を調節する台数制御装置を備えた冷熱供給システムにおいて、前記台数制御装置は、冷却負荷に通水される冷水流量と、前記冷却負荷の入口冷水温度及び出口冷水温度と冷水流量とから算出される負荷側交換熱量のそれぞれから予め定めた基準値に基づいて前記冷凍機の運転台数を決定し、これらの大きい方の台数を実際の運転台数として設定し、前記基準値は、冷却水温度を所定のタイミングで定格値より低い温度になっているか否かを検出して、前記冷却水温度が定格値以下のとき、冷却水温度が定格値から低い側への偏差に比例して増加させる方向に変更されるものである。

本発明により、冷却水温度の変化を台数制御に反映させると共に、冷却水温度が低下した場合における冷凍機の能力増大の効果を有効に利用することが可能となり、年間を通した運転動力およびコストを削減し、もって、省エネルギー並びにＣＯ２排出量の削減に寄与することが可能となる。

本発明の一実施例を図１、図２、図３を用いて説明する。図１は本発明による冷熱供給システムの全体図である。また、図２は本発明による冷凍機の台数制御装置における台数制御方法を、冷却水温度定格時（ａ）と冷却水温度低下時（ｂ）について示した図である。さらに、図３は本発明の根拠である冷却水温度の定格値から低温側への偏差と冷凍機の最大冷凍能力との関係を、ターボ冷凍機のサイクルシミュレーション結果から求めた図である。

図１に示すように冷熱供給システムは、冷熱を発生する冷凍機Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、これらの各冷凍機に冷水を送る冷水ポンプＰ１１、Ｐ２１、Ｐ３１と、各冷凍機の停止時に冷水ラインを遮断する冷水バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３と、各冷凍機に図示しない冷却塔から冷却水を供給する冷却水ポンプＰ１２、Ｐ２２、Ｐ３２と、供給される冷却水の温度を計測する冷却水温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３と、冷水ヘッダ２０および２５、冷却負荷３０に供給される冷水の流量および温度を計測する冷水流量センサＦ、冷水温度センサＴ４およびＴ５、冷凍機の運転台数を決定する台数制御装置４０によって構成されている。なお、上述の冷却塔は各冷凍機に対応して１台ずつ設けてある。

冷熱供給システムの運転時は、台数制御装置は冷水流量センサＦ、冷水温度センサＴ４およびＴ５からの信号と、冷却水温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３からの信号によって冷凍機の運転台数を決定し、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各冷凍機に運転信号または停止信号を出力する。

ここで、運転信号または停止信号を受信した際の冷凍機の各冷凍機の動作を、冷凍機Ｒ１を例として説明する。冷凍機Ｒ１において運転信号を受信すると、冷凍機本体の運転を開始すると共に冷水ポンプＰ１１、冷却水ポンプＰ１２、さらに冷却水ポンプＰ１２が冷却水配管を介して接続された図示しない冷却塔の運転を開始し、冷水バルブＶ１を開いて冷水を冷水ヘッダ２０、冷凍負荷３０に供給する。

また、冷凍機Ｒ１において停止信号を受信すると、冷凍機本体の運転を停止すると共に冷水ポンプＰ１１、冷却水ポンプＰ１２、さらに冷却水ポンプＰ１２が冷却水配管を介して接続された図示しない冷却塔の運転を停止して、冷水バルブＶ１を閉じて冷凍負荷３０等への冷水の供給を停止する。

冷凍負荷３０に供給された冷水は、冷凍負荷に冷熱を供給して温度上昇し、冷水流量センサＦ、冷水ヘッダ２５を介して再び冷水ポンプＰ１１、Ｐ２１、Ｐ３１の吸込側に導かれる。このとき冷凍機Ｒ１が運転中である場合は、冷水ポンプＰ１１の吸込側に導かれた冷水が、再び冷凍機Ｒ１で冷却されて冷凍負荷３０に送られる。

次に、台数制御装置４０における台数制御方法について図２および図３を用いて説明する。台数制御装置４０は、冷凍負荷３０に関連した物理量から交換熱量Ｑを演算し、その結果によって冷凍機の運転台数を設定するものである。冷凍機負荷に関連した物理量とは、冷水流量センサＦによって計測された冷水流量Ｖｗ、冷水温度センサＴ４によって計測された負荷系入口冷水温度Ｔｗｉ、冷水温度センサＴ５によって計測された負荷系出口冷水温度Ｔｗｏである。それらを用いて交換熱量Ｑが数１によって算出される。
Ｑ＝Ｖｗ×ρｗ×ｃｐｗ×（Ｔｗｏ−Ｔｗｉ） ……（数１）
但し、ρｗは冷水の密度、ｃｐｗは冷水の比熱容量である。

なお、本実施例における冷凍負荷３０は冷凍負荷量の増減に伴って内部の冷水系統の抵抗が変化するものである。従って、冷水流量センサＦによって検出される冷水流量も、冷凍負荷量の増減と共に変化する。

一般に、複数台の冷凍機の台数制御は図２（ａ）に示す方法で行われる。図２は横軸に算出された冷凍負荷の交換熱量Ｑ、縦軸に冷凍機の運転台数を取って冷凍機の運転台数の変更基準Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を示したものである。

冷熱供給システムの起動時等、冷凍負荷が大きく基準値Ｌ４を超えている場合は冷凍機の運転台数は３台となる。同じく起動時等においてＬ２以上でＬ４以下のときは２台運転となる。さらに、Ｌ２以下のときは１台運転となる。３台で運転している状態で、交換熱量が減少して基準値Ｌ３よりも小さくなると、冷凍機の運転台数は２台に変更される。その後、交換熱量がさらに減少して基準値Ｌ１よりも小さくなると、冷凍機の運転台数は１台となる。２台運転時に反対に交換熱量が再び増加してＬ４よりも大きくなると運転台数は３台になる。運転台数が１台の時に交換熱量が増加して基準値Ｌ２よりも大きくなると運転台数は２台となる。以上のように、運転台数を増加する場合と減少させる場合とでは、基準となる冷凍負荷が異なる値に設定されている。

本実施例では、台数制御装置４０は上述の冷水流量Ｆ、負荷系入口冷水温度Ｔ４、負荷系出口冷水温度Ｔ５に加えて、冷却水温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３によって計測された冷却水温度を用いて冷凍機の運転台数を演算する。この演算には、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のうち、運転中の冷凍機に対応する冷却水の検出温度を用い、複数台の冷凍機が運転中の場合には、運転中の冷凍機に対応する冷却水温度のうちで最も大きい値のものを用いる。

台数制御装置４０は、冷却水温度Ｔｓが定格値Ｔ０、例えば３２℃の場合は図２（ａ）の通りに、予め定められた基準値Ｌ１〜Ｌ４に従って冷凍機の台数制御を行う。なお本実施例では冷凍負荷Ｌ１〜Ｌ４の値をそれぞれ８０％、９０％、１６０％、１８０％としている。そして、冷却水温度が定格値から外れて低くなった場合は、冷却水温度Ｔｓが定格値から低い側への偏差ΔＴｃｗ＝Ｔ０−Ｔｓを用い、基準値Ｌ１〜Ｌ４を数２によって基準値Ｌ１’〜Ｌ４’に修正する。この修正は、冷却水温度を所定のタイミング（例えば３０分間隔）で定格値より低い温度になっているか否かを検出して、定格値以下のとき、各基準値を数２によって求めて、変更するものである。
Ｌ１’＝Ｌ１×（１＋ｋΔＴｃｗ）
Ｌ２’＝Ｌ２×（１＋ｋΔＴｃｗ）
Ｌ３’＝Ｌ３×（１＋ｋΔＴｃｗ）
Ｌ４’＝Ｌ４×（１＋ｋΔＴｃｗ） ……（数２）
但し、ｋは定数である。

従って、冷却水温度が低下してΔＴｃｗが増加すると、台数制御方法は図２（ｂ）のように修正される。このとき冷凍機の運転台数は、以下に示すように、図２（ａ）の場合よりも少ない台数で運転される時間が多くなる。

冷凍機が３台で運転されているときに冷凍負荷３０での交換熱量が減少すると、図２（ａ）では基準値Ｌ３に達したところで冷凍機の台数を２台に減少させるのに対し、本実施例で用いる図２（ｂ）ではＬ３よりも大きいＬ３’に達したところで台数を減少させるので図２（ａ）の場合よりも早く運転台数が減少する。従って、冷凍機が３台で運転される時間が短縮され、２台で運転される時間が増加する。

また、冷凍機が２台で運転されているときに冷凍負荷３０での交換熱量が増加すると、図２（ａ）では基準値Ｌ４に達したところで冷凍機の台数を３台に増加させるのに対し、本実施例で用いる図２（ｂ）ではＬ４よりも大きいＬ４’に達したところで台数を増加させるので、図２（ａ）の場合よりも遅く運転台数が増加する。この場合も同様に、冷凍機が３台で運転される時間が短縮され、２台で運転される時間が増加する。

さらに冷凍機の運転台数を２台と１台との間で切り替える際にも同様の動作が行われるため、冷凍機が２台で運転される時間が短縮され、１台で運転される時間が増加する。

次に、数２で示した修正を行った場合に冷熱供給システムの冷凍能力が不足とならないことを図３を用いて説明する。図３は、ターボ冷凍機への冷却水温度の定格値から低下する側への温度偏差に対するターボ冷凍機の最大冷凍能力を、冷却水の温度偏差がゼロの場合を基準として示したものである。図中のプロットはターボ冷凍機のサイクルシミュレーションによる解析結果であり、実線は、ターボ冷凍機の最大冷凍能力が温度偏差１℃当り１％増加するとした場合である。

図３に示すように、ターボ冷凍機の最大冷凍能力は冷却水の温度偏差とともに増加し、その増加の割合は温度偏差１℃当り１％とした場合よりも大きくなっている。従って図３で対象とした機種を冷凍機として用いる場合は、数２における定数ｋの値を０．０１（１％／℃）とすることによって、基準値Ｌ１’〜Ｌ４’を用いても冷熱供給能力は満足される。

例えば、冷却水温度の定格値が３２℃、運転時の冷却水温度が２２℃の場合は数２におけるΔＴｃｗは１０℃となり、ｋ＝０．０１であるから基準値Ｌ１’〜Ｌ４’はそれぞれＬ１〜Ｌ４を１．１倍した値となる。このとき、冷凍機の最大冷凍能力は図３から定格値の１．１倍以上となるため、台数変更の基準値をそれぞれ１．１倍しても冷凍機の能力が不足とならない。

逆に、冷却水温度が基準値より高くなった場合は、ΔＴｃｗはマイナスの値となり、基準値は低い方向に変更される。

このように本実施例では、交換熱量の演算結果に基づく精度の高い台数制御を行うことができ、さらに図３に示した冷却水温度低下時の冷凍機の能力増大を活用して常時必要最小限の運転台数を設定することができるため、図２（ａ）の運転パターンで基準値Ｌ１〜Ｌ４を固定して台数制御を行う場合に対して省エネルギーを図ることが可能となる。なお前述のように、冷凍機の発停と同時に各冷凍機に対応した冷水ポンプ、冷却水ポンプおよび冷却塔が発停するため、この省エネルギー効果は非常に大きいものとなる。

なお、本実施例では台数変更の基準値Ｌ１〜Ｌ４が冷凍負荷３０における交換熱量Ｑに対して定められているが、冷凍負荷３０を流れる冷水流量は冷凍負荷量すなわち交換熱量と共に変化する特性（例えば、冷凍負荷３０が半分の負荷になると冷水流量も半分程度に少なくなる）があるため、これらの基準値は冷水流量センサＦによって計測される冷水流量に対して定めてもよい。この場合は、数１で示した演算が不要になると共に、冷水温度センサＴ４、Ｔ５が故障した場合に台数制御への影響がないという利点がある。即ち、この場合の冷凍負荷に関連する物理量は冷水流量のみとなる。

また図４に示すように、台数制御装置４０において冷水流量と負荷側交換熱量との両方から運転台数を演算し、これらの大きい方の台数を設定として実際の運転台数としてもよい。この場合には、交換熱量の演算結果に基づく精度の高い台数制御を行うことができ、冷水温度センサＴ４、Ｔ５が故障した場合にも冷水流量によって台数制御が行われるため、信頼性の高い冷熱の供給が可能となる。この場合の冷凍負荷に関連する物理量としては冷水流量と負荷入口冷水温度と負荷出口冷水温度のみを用いることとなる。

以上の実施例においては、台数制御の基準値Ｌ１〜Ｌ４を冷却水温度によって修正、変更しているが、これは冷却水温度の支配要因である外気温度または湿度としてもよい。この場合は、冷却水温度変化の要因となる外気条件の変動を直接台数制御に反映することができるため、冷却水温度の変化に先行して台数制御の基準値を変更することができる。従って、特に外気温度および冷却水温度の上昇時に冷凍能力の不足を回避できるという利点がある。また冷凍機が空冷式である場合にも外気条件による台数制御基準値の変更が有効である。

本発明の一実施例に係わる冷熱供給システムの構成図である。 本発明における台数制御基準の変更方法を表す図である。 冷却水温度低下時の冷凍機最大能力を表す図である。 本発明の他の実施例に係わる台数制御方法を表す図である。

符号の説明

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…冷凍機、Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１…冷水ポンプ、Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２…冷却水ポンプ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３…冷水バルブ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３…冷却水温度センサ、Ｔ４、Ｔ５…冷水温度センサ、Ｆ…冷水流量センサ、２０、２５…冷水ヘッダ、３０…冷却負荷、４０…台数制御装置、Ｌ１〜Ｌ４…冷却水温度定格時における運転台数変更の基準値、Ｌ１‘〜Ｌ４’…冷却水温度低下時における運転台数変更の基準値。

Claims (4)

1. 水冷式の冷凍機の台数制御装置において、
   冷却負荷に通水される冷水流量と、前記冷却負荷の入口冷水温度及び出口冷水温度と冷水流量とから算出される負荷側交換熱量のそれぞれから予め定めた基準値に基づいて前記冷凍機の運転台数を決定し、これらの大きい方の台数を実際の運転台数として設定し、
   前記基準値は、冷却水温度を所定のタイミングで定格値より低い温度になっているか否かを検出して、前記冷却水温度が定格値以下のとき、冷却水温度が定格値から低い側への偏差に比例して増加させる方向に変更されることを特徴とする冷凍機の台数制御装置。
2. 請求項１に記載のものにおいて、複数台の前記冷凍機が運転中の場合には、運転中の前記冷凍機に対応する冷却水温度のうちで最も大きい値のものを用いることを特徴とする冷凍機の台数制御装置。
3. 請求項１に記載のものにおいて、前記基準値は、運転台数を増加する場合、減少させる場合に比べ大きな値となるように設定されたことを特徴とする冷凍機の台数制御装置。
4. 複数台の水冷式の冷凍機と、前記冷凍機の運転台数を変更することにより冷却能力を調節する台数制御装置を備えた冷熱供給システムにおいて、
   前記台数制御装置は、
   冷却負荷に通水される冷水流量と、前記冷却負荷の入口冷水温度及び出口冷水温度と冷水流量とから算出される負荷側交換熱量のそれぞれから予め定めた基準値に基づいて前記冷凍機の運転台数を決定し、これらの大きい方の台数を実際の運転台数として設定し、
   前記基準値は、冷却水温度を所定のタイミングで定格値より低い温度になっているか否かを検出して、前記冷却水温度が定格値以下のとき、冷却水温度が定格値から低い側への偏差に比例して増加させる方向に変更されることを特徴とする冷熱供給システム。

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