JP4563825B2 - 冷凍機の運転方法及び冷凍機を備えて成る設備 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍、冷却または冷房用の設備に係り、特に、それに用いる複数の冷凍機の運転技術に関する。

従来、冷凍機を用いた設備としては、冷凍冷蔵設備や空調設備などがある。これらの設備中において冷凍機は、インバータ等電力変換装置から供給される電力によって駆動され、該設備中の負荷部に対して水等の所定温度の流体を供給するようになっている。従って、これら設備の省エネルギー化は、一般には、冷凍機の駆動電力の低減化によって図られる。
冷凍機の駆動電力の低減化に関する従来技術で、文献に記載されたものとしては例えば特開平９−１４５１７６号公報（特許文献１）に記載された技術がある。該公報には、複数台の冷凍装置を用いるシステムにおいて、該システム全体のエネルギー消費効率を最大限に引き出すために、システム全体が部分負荷となった時、該システム全体のエネルギー消費効率を最大にすることができるポイントを演算し、該最大ポイントで各冷凍装置を運転するとした技術が記載されている。

特開平９−１４５１７６号公報

例えば、上記公報記載の技術では、上記最大ポイントで各冷凍装置を運転するために、各冷凍装置をＯＮ／ＯＦＦ制御したり、または、各冷凍装置の運転負荷率を割り当てたりすることでこれに対応している。特に、該運転負荷率の割り当ては、同じ部分負荷特性の冷凍装置に対して同じ運転負荷率の割り当てとせずに、異なった運転負荷率を割り当てている。このため、割り当てられた運転負荷率が高い冷凍装置では、消費電力が高くなり、結局、複数台の冷凍装置における消費電力の総和が増大して、システム全体としての消費電力が増大し易い。また、運転負荷率が高い冷凍装置は、負担が集中し易く、そのために寿命が短縮化されるおそれもある。従って、省電力化や装置寿命の確保などの点でさらに改善の余地がある。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、冷凍、冷却または冷房用の設備に用いられる複数の冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、それぞれの冷凍機の運転条件を各冷凍機の特性や周囲の状況に対応した内容として、全体の消費電力をより一層低減させることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決して、上記冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、より一層の省電力化を図れる運転技術を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、冷凍、冷却または冷房用の設備において運転制御部により複数の冷凍機を運転する冷凍機の運転技術として、上記運転制御部が、上記設備の負荷部の目標冷凍容量を設定し、該設定した目標冷凍容量を、上記複数の冷凍機のうち運転する冷凍機の組合わせのそれぞれにおいて、該運転する冷凍機それぞれの定格容量に比例して該冷凍機毎に配分し、予め記憶した上記冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力の関係を示す式により、上記運転する冷凍機それぞれの消費電力を、上記配分した冷凍容量から、上記組合わせ毎に算出し、該算出した消費電力の総和を上記組合わせ毎に算出し、該算出した総和が最小値となる上記組合わせを選択して設定し、該設定した組合わせの冷凍機のそれぞれの冷凍容量を上記配分した冷凍容量に設定し、消費電力の総和が最小となる上記設定した組合わせの冷凍機を、上記設定した冷凍容量で運転する構成とする。

本願発明によれば、複数の冷凍機を、全体の消費電力を抑え、かつ各冷凍機をそれぞれの冷凍能力に応じた状態で、運転することが可能となる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図４は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の実施例としての冷凍用設備の構成例図、図２は、図１の設備に用いる複数の冷凍機の運転動作手順の説明図、図３は、図１の設備中の冷凍機の部分負荷特性の一例を示す図、図４は、複数の冷凍機の組合わせ及び図３の特性に基づく近似式により演算した冷凍機の消費電力値を示す図である。

図１において、１００は冷凍用設備、１は、複数の冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎを備えて成る冷凍機部、２は、冷凍機部１の運転を制御する運転制御部、３は負荷部、４は冷却水槽、５は、冷却水槽４から冷水を汲み上げる複数の冷水２次ポンプＰ_１、…、Ｐ_ｎを備えて成る冷水２次ポンプ部、６は、冷水の流量の調整を行う冷水ヘッダ、７は調相器、１１は第１の温度監視点、１２は第２の温度監視点である。Ｔ_１は、第１の温度監視点１１における冷水の温度、Ｔ_２は、第２の温度監視点１２における冷水の温度である。冷凍機部１は、各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎが、駆動用電動機（図示なし）により冷媒を所定の流量・速度でそれぞれの冷凍機内を循環させるとともに、冷水槽４中の水を、該冷水槽４との間で循環させながら該冷媒により冷却する。調相器７は例えばエアコンで構成される。上記構成において、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎはそれぞれ、運転制御部２により制御され、所定の条件すなわち所定の冷凍容量、所定の駆動用電動機入力、所定の消費電力などの運転条件とされる。該運転条件で運転された冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎは、冷水槽４中の高温槽側の水の一部を汲み上げ、該汲み上げた水を冷媒により冷凍容量に対応して冷却し、再び冷水槽４中の低温槽側に戻す。これが繰り返される。該冷却水は、冷水２次ポンプ５により冷水槽４中の低温槽側から汲み上げられ、冷水ヘッダ６を経、第１の温度監視点１１を通って負荷部３に供給される。第１の温度監視点１１では冷却水（冷水）の温度Ｔ_１が検出される。負荷部３内では、冷却水は調相器７に供給される。調相器７では、吸込んだ空気を該冷却水の状態に対応して冷却し、冷凍用の冷気として所定の対象空間に放出する。調相器７において空気からの熱を受け温度上昇した冷却水は、第２の温度監視点１２を経て、負荷部３から再び冷水槽４に戻される。第２の温度監視点１２では冷却水（冷水）の温度Ｔ_２（Ｔ_２＞Ｔ_１）が検出される。第１の温度監視点１１における温度検出結果の情報及び第２の温度監視点１２における温度検出結果の情報はともに、運転制御部２に入力される。運転制御部２は、該情報に基づき、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎが所定の冷凍容量となるように該冷凍機部１を制御する。例えば、負荷部３が部分負荷となって、冷水流量が少なくてもよい場合は、各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎの全部または一部のものにつき、その冷凍容量を小さくするように制御する。

運転制御部２による冷凍機部１の制御は、基本的に、所定の冷凍容量ができるだけ少ない消費電力で達成されるようにする。このために、運転制御部２は冷凍機部１を以下のように制御する。すなわち、運転制御部２は、冷凍機部１の冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎのうち運転されるものの所定の複数の組合わせを設定し、負荷部の目標冷凍容量を、該組合わせのそれぞれにおいて、該運転される冷凍機それぞれの定格冷凍容量に基づいて冷凍機毎に配分し、該配分冷凍容量を、冷凍容量と消費電力の関係を示すモデル化した近似式に代入して、上記運転される冷凍機それぞれの消費電力を上記冷凍機の組合わせの全てについて求め、さらに該求めた各消費電力の総和を上記組合わせ毎に演算し、該総和値が最小値となる組合わせまたは他に比べて低い値となる組合わせを選択して設定し、該設定した組合わせの複数の冷凍機をそれぞれ、上記配分冷凍容量に等しい冷凍容量値またはこれに近い冷凍容量値で運転するように制御する。

図２は、図１の設備に用いる複数の冷凍機の運転動作手順の説明図である。
図２において、
（１）先ず、運転制御部２により冷凍機部１の制御動作がスタートする（ステップＳ２０１）。
（２）運転制御部２は、冷凍機部１の冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎのうち運転されるものの所定の複数の組合わせを設定する（ステップＳ２０２）。
（３）運転制御部２は、上記設定した目標冷凍容量を、上記組合わせのそれぞれにおいて、上記運転される冷凍機それぞれの定格冷凍容量に基づいて冷凍機毎に配分する（ステップＳ２０３）。該配分は、例えば冷凍機それぞれの定格冷凍容量値に比例した比例配分とする。
（４）運転制御部２は、上記配分冷凍容量を、運転される冷凍機毎の冷凍容量と消費電力の関係を示すモデル化した近似式に代入して、該冷凍機それぞれの消費電力を上記冷凍機の所定の組合わせの全てについて演算により求め、さらに該求めた各消費電力の総和を上記組合わせ毎に演算する（ステップＳ２０４）。
（５）運転制御部２は、上記演算した消費電力の総和値が最小値となる組合わせまたは他に比べて低い値となる組合わせを上記組合わせの中から選択して設定する（ステップＳ２０５）。
（６）運転制御部２は、上記設定した組合わせの複数の冷凍機の冷凍容量をそれぞれ、上記配分冷凍容量に等しい冷凍容量値またはこれに近い冷凍容量値に設定する（ステップＳ２０６）。
（７）運転制御部２は、上記設定した冷凍容量値で各冷凍機を運転し、上記制御動作のスタートから該設定した冷凍容量値での運転状態に至るまでの一連の冷凍機部１の制御動作を終了させる（ステップＳ２０７）。
上記（１）〜（７）の一連の動作は、上記運転制御部２が、プログラムに従い、上記ステップＳ２０１〜ステップＳ２０７の一連の手順を実行することにより自動的に行われるものとする。また、該プログラムは、運転制御部２内のメモリに予め記憶されているものとする。

図３は、図１の冷凍用設備１００中の冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎそれぞれの部分負荷特性例を示す図である。横軸は冷凍容量の相対値Ｘ（％）、縦軸は予想される電動機入力（＝消費電力）の相対値Ｙ（％）である。例えば、図３を冷凍機Ｒ_１の部分負荷特性とした場合、Ａは周囲温度３２℃の場合の冷凍機Ｒ_１の冷凍容量に対する必要電動機入力（＝消費電力）を示す特性曲線、Ｂは周囲温度２８℃の場合の冷凍機Ｒ_１の冷凍容量に対する必要電動機入力（＝消費電力）を示す特性曲線、Ｃは周囲温度２４℃の場合の冷凍機Ｒ_１の冷凍容量に対する必要電動機入力（＝消費電力）を示す特性曲線である。周囲温度が高い程、所定の冷凍容量に対しての必要電動機入力（＝消費電力）が増大する。該特性曲線Ａ、Ｂ、Ｃはいずれも、冷凍機Ｒ_１の実測値、カタログ記載値、仕様書記載値などを、例えば最小二乗法により演算処理して求めたものであり、数１の２次曲線として近似される。
Ｙ＝ａ_１Ｘ^２＋ｂ_１Ｘ＋ｃ_１ …（数１）
ここで、冷凍機Ｒ_１の冷凍容量の絶対値をｘ（ＲＴ）、冷凍機Ｒ_１の定格冷凍容量の絶対値をｘ_０（ＲＴ）とすると、
Ｘ＝（ｘ／ｘ_０）・１００ …（数２）
また、冷凍機Ｒ_１の消費電力の絶対値をｙ（ｋＷ）、冷凍機Ｒ_１の定格消費電力の絶対値をｙ_０（ｋＷ）とすると、
Ｙ＝（ｙ／ｙ_０）・１００ …（数３）
で表される。

従って、数１、数２、数３から、
ｙ＝Ａ_１ｘ^２＋Ｂ_１ｘ＋Ｃ_１ …（数４）
となる。ただし、定数Ａ_１、Ｂ_１、Ｃ_１はそれぞれ、Ａ_１＝１００・ａ_１ｙ_０／ｘ_０ ^２、Ｂ_１＝ｂ_１ｙ_０／ｘ_０、Ｃ_１＝ｃ_１ｙ_０／１００である。

他の冷凍機Ｒ_２、…、Ｒ_ｎについても同様で、該冷凍機Ｒ_２、…、Ｒ_ｎそれぞれの実測値、カタログ記載値、仕様書記載値などから、周囲温度に対応したそれぞれのモデル化した特性曲線としての２次曲線と、それを表す近似式が導かれる。

運転制御部２は、上記数４により、上記ステップＳ２０３において配分される配分冷凍容量（絶対値）ｘから冷凍機Ｒ_１の消費電力（絶対値）ｙを演算する。他の冷凍機Ｒ_２、…、Ｒ_ｎについても同様である。上記近似式のデータ、該近似式により消費電力（絶対値）ｙを演算するプログラムは予め運転制御部２内のメモリに記憶され、演算に用いる配分冷凍容量（絶対値）ｘのデータ及び演算結果としての消費電力（絶対値）ｙのデータなども該メモリに記憶されるとする。

図４は、複数の冷凍機のうち運転されるものの組合わせと、該組合わせの中での配分冷凍容量に基づき、上記近似式による冷凍機の消費電力の演算結果を示す図である。
図４は、図１の冷凍用設備１００を、７台の冷凍機（冷凍機Ｒ_１がターボ式冷凍機１（ターボ１）、冷凍機Ｒ_２がターボ式冷凍機２（ターボ２）、…、冷凍機Ｒ_ｎが吸収式冷凍機である）を備えた構成とし、該７台の冷凍機のうち、６台の冷凍機を運転状態とし、１台を非運転状態とする場合の複数の組合わせと、７台の冷凍機を運転状態とし、２台を非運転状態とする場合の複数の組合わせにつき、個々の組合わせの中でのそれぞれの冷凍機（運転される冷凍機）に配分される冷凍容量値（配分冷凍容量値）と、それに基づくそれぞれの冷凍機（運転される冷凍機）の消費電力値、運転される冷凍機全部の合計消費電力値の演算結果などを示す。イ欄は、７台の冷凍機の運転の組合わせを示し、ロ欄は、各組合わせの場合の運転の可否を示し、ハ欄は、各組合わせの場合の合計消費電力値を示し、ニ欄は、各組合わせの場合の合計消費電力値の評価を示し、ホ欄は、各組合わせの場合の合計冷凍能力値すなわち合計定格冷凍容量値を示し、ヘ欄は、各組合わせの場合の冷凍機（運転される冷凍機）それぞれの消費電力値を示し、ト欄は、各組合わせの場合の冷凍機（運転される冷凍機）それぞれの配分冷凍容量値を示す。該それぞれの配分冷凍容量値は、本例では、目標冷凍容量値を各冷凍機の定格冷凍容量値により比例配分した値である。

イ欄において、Ｎｏ．１の組合わせは、７台の冷凍機全部を運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．２の組合わせは、ターボ１〜ターボ６の６台のターボ式冷凍機を運転状態とし、１台の吸収式冷凍機は非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．３の組合わせは、ターボ１〜ターボ５の５台のターボ式冷凍機と１台の吸収式冷凍機を運転状態とし、ターボ６のターボ式冷凍機１台を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．４の組合わせは、ターボ１〜ターボ４及びターボ６の５台のターボ式冷凍機と１台の吸収式冷凍機を運転状態とし、ターボ５のターボ式冷凍機１台を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．５の組合わせは、ターボ１〜ターボ３及びターボ５〜ターボ６の５台のターボ式冷凍機と１台の吸収式冷凍機を運転状態とし、ターボ４のターボ式冷凍機１台を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．６の組合わせは、ターボ１〜ターボ２及びターボ４〜ターボ６の５台のターボ式冷凍機と１台の吸収式冷凍機を運転状態とし、ターボ３のターボ式冷凍機１台を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．７の組合わせは、ターボ１及びターボ３〜ターボ６の５台のターボ式冷凍機と１台の吸収式冷凍機を運転状態とし、ターボ２のターボ式冷凍機１台を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．８の組合わせは、ターボ１〜ターボ６の６台のターボ式冷凍機を運転状態とし、１台の吸収式冷凍機を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．９の組合わせは、ターボ１〜ターボ５の５台のターボ式冷凍機を運転状態とし、ターボ６の１台のターボ式冷凍機及び１台の吸収式冷凍機を非運転状態とする組合わせ、Ｎｏ．１０の組合わせは、ターボ１〜ターボ４及びターボ６の５台のターボ式冷凍機を運転状態とし、ターボ５の１台のターボ式冷凍機及び１台の吸収式冷凍機を非運転状態とする組合わせである。

上記のうちＮｏ．１〜Ｎｏ．８の組合わせではいずれも、合計冷凍能力が目標冷凍容量以上となるため「運転可」となる。該Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の組合わせのうち、消費電力当りの冷凍能力の低い吸収式冷凍機を非運転状態とするＮｏ．２の組合わせが合計消費電力（各冷凍機の消費電力の総和）が最小となる。合計消費電力が次に小さいのがＮｏ．１の組合わせであり、最も大きいのがＮｏ．６の組合わせ及びＮｏ．８の組合わせである。吸収式冷凍機を非運転状態とした上さらにターボ式冷凍機１台を非運転状態とするＮｏ．９及びＮｏ．１０の組合わせの場合はいずれも、合計冷凍能力が目標冷凍容量に達しないため、「運転否」とされる。

上記図４に示す演算結果に基づき、運転制御部２は、例えば上記Ｎｏ．２の組合わせを上記組合わせの中から選択して設定し（図２のステップＳ２０５）、該組合わせのときの各冷凍機（ターボ１〜６）の冷凍容量をそれぞれ、上記ト欄の配分冷凍容量に等しい冷凍容量値またはこれに近い冷凍容量値に設定して（図２のステップＳ２０６）、各冷凍機を運転状態にする（図２のステップＳ２０７）。上記組合わせの設定結果及び上記各冷凍機（ターボ１〜６）の冷凍容量の設定結果も、運転制御部２内のメモリに記憶される。

上記本発明の実施例によれば、冷凍設備を構成する複数の冷凍機を、全体の消費電力を抑え、かつ各冷凍機をそれぞれの定格冷凍容量に応じた負荷負担状態で、運転することが可能となる。

なお、上記実施例では、各冷凍機の配分冷凍容量値は、それぞれの組合わせにおいて運転状態とされる冷凍機それぞれの定格冷凍容量に対し比例配分されるとしたが、本発明はこれに限定されず、比例配分以外で該それぞれの定格冷凍容量に対応して配分されるようにしてもよいし、または、それぞれの冷凍機の定格冷凍容量以外の性能に対応して配分するようにしてもよい。また、上記実施例では、冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す近似式が、最小二乗法により設定される特性曲線を近似する式であるとしたが、本発明はこれにも限定されず、該近似式は、他の特性曲線であって冷凍容量と消費電力との関係を、該最小二乗法により求められる特性曲線と同等以上に正確に示すものであれば、該他の特性曲線を近似する式であってもよい。また、もちろん、該近似式としては、上記冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を、実用的レベルの正確さで示す式であれば、理論値や、実測値や、カタログ記載値や、仕様書記載値などから直接的に導かれる式であってもよい。また、上記実施例では、冷凍機としてターボ式冷凍機や吸収式冷凍機を用いるとしたが、本発明はこれにも限定されず、他の冷凍機を用いてもよい。

本発明の実施例としての冷凍用設備の構成例図である。 図１の設備に用いる複数の冷凍機の運転動作手順の説明図である。 図１の設備中の冷凍機の部分負荷特性の一例を示す図である。 複数の冷凍機の組合わせ及び図３の特性に基づき演算した冷凍機の消費電力値を示す図である。

符号の説明

１…冷凍機部、
２…運転制御部、
３…負荷部、
４…冷却水槽、
５…冷水２次ポンプ部、
６…冷水ヘッダ、
７…調相器、
１１…第１の温度監視点、
１２…第２の温度監視点、
１００…冷凍用設備。

Claims (4)

1. 冷凍、冷却または冷房用の設備において運転制御部により複数の冷凍機を運転する冷凍機の運転方法であって、
   前記運転制御部が、前記設備の負荷部の目標冷凍容量を設定する第１のステップと、
   前記運転制御部が、前記設定した目標冷凍容量を、前記複数の冷凍機のうち運転する冷凍機の組合わせのそれぞれにおいて、該運転する冷凍機それぞれの定格容量に比例して該冷凍機毎に配分する第２のステップと、
   前記運転制御部が、予め記憶した前記冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力の関係を示す式により、前記運転する冷凍機それぞれの消費電力を、前記配分した冷凍容量から、前記冷凍機の組合わせ毎に算出する第３のステップと、
   前記運転制御部が、前記算出した消費電力の総和を前記冷凍機の組合わせ毎に算出する第４のステップと、
   前記運転制御部が、前記算出した総和が最小値となる前記冷凍機の組合わせを選択し設定する第５のステップと、
   前記運転制御部が、前記設定した組合わせの冷凍機のそれぞれの冷凍容量を前記配分した冷凍容量に設定する第６のステップと、
   を経て、前記運転制御部により、消費電力の総和が最小となる前記設定した組合わせの冷凍機を、前記設定した冷凍容量で運転することを特徴とする冷凍機の運転方法。
2. 前記第３のステップでは、前記式が、最小二乗法により求めた特性曲線を近似する式である請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
3. 前記特性曲線は、異なった周囲温度毎の特性曲線である請求項２に記載の冷凍機の運転方法。
4. 冷凍機を用い冷凍、冷却または冷房を行う設備であって、
   冷凍、冷却または冷房用の流体の冷却を行う複数の冷凍機と、
   前記複数の冷凍機の運転を制御する運転制御部と、
   を備えて成り、
   前記運転制御部が、
   前記設備の負荷部の目標冷凍容量を設定する手段と、
   前記設定した目標冷凍容量を、前記複数の冷凍機のうち運転する冷凍機の組合わせのそれぞれにおいて、該運転する冷凍機それぞれの定格容量に比例して該冷凍機毎に配分する手段と、
   予め記憶した前記冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力の関係を示す式により、前記運転する冷凍機それぞれの消費電力を、前記配分した冷凍容量から、前記冷凍機の組合わせ毎に算出し、該算出した消費電力から前記冷凍機の組合わせ毎の消費電力の総和を算出する手段と、
   前記組合わせの中で前記算出した消費電力の総和が最小となる冷凍機の組合わせを選択し設定する手段と、
   前記設定した組合わせの冷凍機のそれぞれの冷凍容量を前記配分した冷凍容量に設定する手段と、
   を備え、消費電力の総和が最小となる組合わせの冷凍機を、前記設定した冷凍容量で運転する構成である
   ことを特徴とする設備。

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