JP4568119B2 - 複数の熱源機とポンプ群を有する熱供給システム - Google Patents

Description

本発明は、大規模な事務所ビルの空気調和システムや地域冷暖房システム等、多くの部屋や建物を同時に空気調和しなければならないような設備の熱供給システム、特に複数の熱源機（冷凍機・加熱機などの熱源機器）からなる熱源機器群と、熱媒（水・冷媒など）を搬送するための複数の熱媒ポンプからなるポンプ群とを備えた熱供給システムの改良に関する。

大規模な熱供給システムとして、複数の熱源機を備えると共に、各熱源機への送水動力源として複数の熱媒ポンプを備えた熱供給システムは広く実用化されている。この種の熱供給システムでは、一般に各熱源機の定格出力に合わせた熱媒流量のポンプを各熱源機器に対応させてそれぞれ用意しているが、日常的に発生する熱負荷側の変動に対し、熱負荷側の要求熱量を供給可能な熱源機の台数と、熱負荷側の要求熱媒量を供給可能な熱媒ポンプの台数の、いずれか大きいほうに合わせて熱源機と熱媒ポンプを運転している。
熱負荷側へ供給された熱媒の往き還り温度差（利用温度差）は常に一定ではなく、熱負荷の変動に伴って変化する。

各熱源機の流量が定格流量付近に限定されているため、熱負荷側の利用温度差が定格時の温度差よりも大きい場合には、熱負荷側からの還り熱媒は、熱媒ポンプの出口側管路から熱負荷側戻り管路に設けられたバイパス管からの多量の熱媒と合流して定格温度差以下の温度差となり、運転中の熱源機の負荷率に比例した温度差に相当する熱媒温度で各熱源機に供給される。
熱負荷側の利用温度差が定格時の温度差よりも小さい場合には、熱負荷側からの還り熱媒は前記バイパス管からの熱媒と合流して、温度差がさらに小さい状態となり、運転中の熱源機の負荷率に比例した利用温度差に相当する熱媒温度で各熱源機に供給される。
いずれの場合も、バイパス流量だけ余分な熱媒量が循環することになる。
流量に合わせて熱源機と熱媒ポンプの運転台数を決めているため、熱媒ポンプ動力や熱源機の付帯機器（冷凍機の冷却塔および冷却水ポンプ等）の動力を余分に消費し、エネルギーの過大な消費やランニングコストの増大などの問題が生じていた。

本発明と関連する熱供給システムの従来例として次のようなものがある。
実開昭５８−１０４８２６「空気調和装置」では、冷温水を作る複数台のチリングユニット（冷凍機）にそれぞれ複数台の循環用ポンプを直列的に連通し、熱負荷側熱交換器の往き還り温度差を検出して開閉弁を操作することにより、チリングユニットと循環ポンプとを同数ずつ制御している。しかしながら、検知温度差が小さくなったことだけで一組のチリングユニットと循環ポンプを停止させると、熱負荷側熱交換器への供給水量が不足して所要の冷暖房能力が発揮できないという不都合が発生する欠点がある。 特開平６−９４２６７「クリーンルームの温湿度制御装置」には、熱負荷の要求に応じた数の並列運転が可能な複数の冷凍機と、当該冷凍機の送水動力源として各冷凍機に対応して設けられかつ同調して運転が行われる複数のポンプとを備えた温湿度制御装置が記載されている。さらに、熱負荷に供給される冷凍機の出力水の流量を調整する流量調節弁と熱負荷に対するバイパス系とが設けられて、このバイパス系が冷凍機の台数切り替え付近の熱量供給時に開かれるようになっている。この従来例を図７に示す。

図７において、７台の冷水ポンプ１５ａ〜１５ｇから送り出された水が７台の冷凍機１４ａ〜１４ｇで冷却され、流量調節弁１７を介して、熱負荷（各室ごとの空調装置）１９へと送られている。さらに熱負荷１９をバイパスするバイパス回路２１が設けられている。
しかしながら、前記冷水ポンプは冷凍機の送水動力源として前記冷凍機の各々に対応させて設けられるとともに稼働対象の冷凍機に同調して運転が行われるようになっているため、各冷水ポンプの定格流量は対応する冷凍機の定格流量に合わせる必要があり、負荷側の要求水量に対して最適な冷水ポンプ運転台数を選ぶことができない。その結果、冷水ポンプは効率の悪い運転を行い、冷水ポンプの消費電力が大きくなるという不都合が発生するという欠点がある。

本発明の主たる目的は、熱源機の運転効率を高めるとともに、部分負荷時における熱源機群の運転の自由度を拡張することによって熱媒（熱媒体）ポンプの搬送動力を削減し、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることにある。
本発明の他の目的は、熱源機及び熱媒ポンプの運転台数を最適化し、熱源機の負荷率を向上させることにより、熱源機の付帯機器の消費動力を削減し、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることにある。
本発明の更なる目的は、ホンプ群の一部の熱媒ポンプを変流量ポンプとしてポンプ群の供給熱媒量を連続可変とし、熱媒ポンプの搬送動力を大幅に削減して熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることにある。

前述した課題を解決するため、本発明は複数の並列に接続された熱源機群に対し、前記熱源機によって冷却または加熱された熱媒を熱負荷側へ循環するために複数の熱媒ポンプを並列に接続したポンプ群が配管で直列に接続された、ランニングコストの大幅な削減が可能な熱供給システムを提供する。この熱供給システムは、その基本態様として、定格出力以下で運転されるときに定格流量以上および定格流量以下の流量範囲で使用可能な熱源機が配置され、各熱源機の熱媒配管に負荷分配用の流量調整弁が配置され、ポンプ群の総熱媒流量を熱源機の総定格流量以上とし、熱負荷側の必要熱量にあわせて運転する熱源機が選択可能であり、熱負荷側の必要流量に合わせて運転する熱媒ポンプが選択可能であり、前記ポンプ群の出口側管路から熱負荷側戻り管路に余分な流量をバイパスさせるためのバイパス管が設けられると共に当該バイパス管路内に流量制御弁が設けられ、各流量調整弁は各熱源機の負荷率が等しくなるように調整して熱媒を分配することが可能であることを特徴とする。
さらに、好適な態様として、前記ポンプ群の一部の熱媒ポンプを変流量ポンプとし、熱負荷側の必要流量に合わせて変流量ポンプの回転数を制御する。

かかる構成に基づき、熱源機の定格出力以下で運転されるときに定格流量以上および定格流量以下の流量範囲で使用可能な熱源機を使用するとともに、熱負荷側の必要流量にあわせて熱媒ポンプを選択して運転することにより、熱負荷側の必要流量を確保した状態で、熱負荷側の流量に関係なく、熱負荷に合わせた最適な熱源機を運転することが可能になる。
この結果、従来のように検知温度差が小さくなったことだけで一組のチリングユニットと循環ポンプを停止させることにより生じる、熱負荷側熱交換器への供給水量が不足して所要の冷暖房能力が発揮できないという事態を回避することができるようになる。

次に、各熱源機器の熱媒配管に負荷分配用の流量調整弁を配置したことにより、熱媒流量が変動しても各熱源機の負荷率が等しくなるように各熱源機器の熱媒流量を調整することが可能になり、熱源機の効率よい運転が可能になる。

ポンプ群の総熱媒流量は熱源機の総定格流量以上とするが、各熱媒ポンプの熱媒流量は各熱源機の定格流量と同容量にする必要はない。ポンプ群を構成する熱媒ポンプの中に、熱源機１台分の定格流量よりも大きい熱媒ポンプを１台以上設けてもよいし、熱源機１台分の定格流量よりも小さい熱媒ポンプを１台以上設けてもよい。また、熱媒ポンプの台数は熱源機の台数と同じでもよいし、同じでなくてもよい。さらに、１台以上の熱媒ポンプを変流量ポンプにしてもよい。

運転方法として、熱負荷側必要熱量にあわせて運転する熱源機を選択し、熱負荷側の必要流量に合わせて運転する熱媒ポンプを選択し、さらには熱媒ポンプの回転数を制御し、各流量調整弁を各熱源機の負荷率が等しくなるように調整して熱媒を分配することにより、バイパス流量を小さく、あるいは０にでき、熱媒ポンプの搬送動力が削減され、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。

また、ポンプ群の出口側管路から熱負荷側戻り管路にバイパス管を設けて、余分な流量をバイパスさせるようにしているので、熱負荷側の必要な流量とポンプ群の供給熱媒流量とが完全に一致しなくてもよく、熱媒ポンプの運転が不安定になることを防止できる。
また、熱源機及び熱媒ポンプの運転機の選択を最適化し、熱源機の負荷率を向上させることにより、熱源機の運転台数や熱媒ポンプの運転台数を削減することも可能になり、熱源機の運転台数が削減された場合、それに属する冷却塔や冷却水ポンプの運転台数も削減でき、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることもできるという利点がある。

以下、添付図面の実施態様を参照しながら、本発明による熱供給システムの態様についてさらに説明する。

図１〜図６に示した例における熱源機は、１号機は蓄熱槽１１と熱交換器１２を利用した蓄熱槽型熱源機１４ａ、２号機〜４号機は冷凍機を利用した熱源機１４ｂ，１４ｃ，１４ｄであり、以下の説明ではこれらを冷熱源機として説明するが、他の型式の各種熱源機についても同様に本発明が適用可能であることを理解されたい。また、図１〜図６に示した例における熱源機は１号機〜４号機が同一定格容量としてあるが、各熱源機の定格容量が異なる熱源機についても同様に本発明が適用可能であることを理解されたい。
さらに、図１〜図６に示した例においては、熱源機群の下流側にポンプ群が接続されているが、ポンプ群を熱源機群の上流側に接続してもよい。

図１は、本発明による熱供給システムの主要部を表す回路図であり、１号機から４号機までの４台の冷熱源機１４ａ〜１４ｄからの冷水が、４台の冷水ポンプ１５ａ〜１５ｄに吸い出されて熱負荷（各室ごとの空調装置）１９へと送られている。なお２号機から４号機までの３台の冷凍機１４ｂ，１４ｃ，１４ｄには冷却水ポンプ１７ｂ，１７ｃ，１７ｄから冷却用の水が供給されるようになっている。また、冷水ポンプ１５ａ〜１５ｄの出口側管路２２から熱負荷側の戻り管路２３との間にバイパス回路２４が設けられ、流量制御弁１６でバイパス流量が制御されている。

本発明の特徴に従い、冷熱源機１４ａ〜１４ｄは、定格出力（定格熱量１００）以下で運転されるときに定格流量（１００）以上および定格流量以下の流量範囲で使用可能な（変流量対応の）冷熱源機で構成されている。従来、一般に用いられている冷熱源機は、定格出力以下で運転されるときであっても、定格流量付近での運転しかすることができず、実際上は定格流量以上および定格流量以下の流量範囲での使用が困難であった。

さらに本発明の他の特徴に従い、冷熱源機１４ａ〜１４ｄの出口付近の回路にそれぞれ流量計２６と流量調整弁２８とが設けられている。図１の状態では冷熱源機の２号機１４ｂと３号機１４ｃとが運転中であり、ここでの熱量はそれぞれ８０、８０、流量はそれぞれ１００、１００であり、同様に運転中の３号機の冷水ポンプ１５ｃと４号機の冷水ポンプ１５ｄもそれぞれ流量は１００、１００となっている。このとき熱負荷１９側に必要とされる熱量は１６０、流量は１６０であるため、バイパス管路２４を通じて流量４０が冷熱源機側に戻されることになる。
このように、流量調整弁２８を設けたことにより、各冷熱源機から送水される流量をほぼ均等に分配させることが可能になり、冷熱源機の負荷率もほぼ均等にすることができて、一部の冷熱源機に負荷が成り行きで集中すること及び運転していない熱源機に熱媒が流れてしまうことを防止することができ、省エネルギーを図ることができる。

また、従来の装置のように冷熱源機と冷水ポンプとが１対１で対応して動作する必要がないため、冷水ポンプの相互運転が可能となり、冷水ポンプが故障した場合にも他の冷水ポンプによるバックアップが可能になる。また、冷熱源機と冷水ポンプの組み合わせが自由になり、冷水ポンプの運転時間を均等にして、寿命の均等化とメンテナンスの容易化など、ランニングコストの低減を図ることができる。

図２は、図１に示した変流量対応の冷熱源機を利用し、さらに冷水ポンプの一部（１号機１５ａ’と２号機１５ｂ’）を変流量ポンプにすることによって、熱負荷側の必要流量が冷熱源機の定格流量未満の場合に必要流量に合わせて運転することを可能にし、消費電力を削減するようにした例である。図２の例では、運転されている２号機の冷熱源機１４ｂと変流量ポンプ１５ａ’の定格流量が１００でありながら、熱負荷側の必要熱量が７０、必要流量が７０であるため、変流量対応の冷熱源機１４ｂを熱量７０、流量７０で部分負荷運転すれば、バイパス管路２４の流量は０となる。かくしてランニングコストの低減が図られている。また、複数の冷熱源機が並列に接続された冷熱源機群と複数の冷水ポンプが並列に接続されたポンプ群とが直列に配置されているため、変流量ポンプ運転時に運転可能な冷熱源機は１４ｂだけではなく、１４ａ，１４ｃ，１４ｄも運転可能となり、冷熱源機が故障した場合にも他の冷熱源機によるバックアップが可能になる。また、冷熱源機の運転時間を均等にして寿命の均等化を図ることができる。

図３は、図１に示した変流量対応の冷熱源機と、図２に示した変流量ポンプとを利用し、さらに冷熱源機１台の定格流量（１００）よりも大きい流量（１２０）の冷水ポンプ（４号機１５ｄ’）を設けて、定格容量よりもわずかに大きい出力を必要とするような場合に冷熱源機と冷水ポンプの運転方法を多様化させて対応させるようにした例である。すなわち、図３に示すように、定格流量１００の冷熱源機を４台、流量１００の冷水ポンプを３台、流量１２０の冷水ポンプを１台設置したとして、熱負荷側の熱量・流量共に１１０必要な場合、流量１２０の冷水ポンプ１５ｄ’を運転することにより、冷水ポンプの運転台数が２台でなく１台で足りることになる。このとき、運転されている冷熱源機１４ｂ，１４ｃの熱量はそれぞれ５５、流量は６０、バイパス管路２４の流量は１０となる。かくして、運転方法の多様化と、搬送動力の低減による省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。

図４は、本発明の別の応用例を表しており、冷水の往き還り温度差が定格値より小さく、流量が熱量に対して多く必要な場合でも、変流量対応の冷熱源機と変流量ポンプとを組み合わせることにより、冷熱源機の運転可能流量の範囲内で冷水ポンプは流量に合わせて、冷熱源機は熱量に合わせて運転することができ、冷熱源機と冷却水ポンプの運転台数の削減及び消費電力の削減を図ることができることを表している。すなわち、図４に示すように、熱負荷１９側に熱量８０、流量１３０が必要な場合には、冷熱源機１４ｂだけを運転すれば熱量８０が得られ、冷水ポンプ１５ａ’，１５ｂ’をそれぞれ流量６５で運転することにより流量１３０が得られる。このときバイパス管路２４の流量は０となる。かくして、運転方法の多様化と、搬送動力の低減による省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。

図５は、本発明のさらなる応用例を表しており、冷水の往き還り温度差が定格値より大きく、熱量が流量に対して多く必要な場合でも、変流量対応の冷熱源機とバイパス管とを組み合わせることにより、冷熱源機の運転可能流量の範囲内で冷水ポンプの流量に合わせて、冷熱源機を熱量に合わせて運転することができ、冷水ポンプの運転台数の削減及び消費動力の削減を図ることができることを表している。すなわち、図５に示すように、熱負荷１９側に熱量１１０、流量９０が必要な場合には、冷熱源機１４ｃ，１４ｄをそれぞれ熱量５５で運転すれば熱量１１０が得られ、冷水ポンプ１５ｃだけを運転することにより流量９０が得られる。このときバイパス管路２４の流量は１０となる。かくして、運転方法の多様化と、搬送動力の低減による省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。

図６は、本発明の熱供給システムにおいて、冷熱源機の設置台数と冷水ポンプの設置台数とが異なる場合の例を表している。すなわち、４台の冷熱源機が５台の冷水ポンプを共有しており、従来の装置のように冷熱源機と冷水ポンプとが１対１で対応して動作する必要がない。これにより、各冷水ポンプの定格流量を選定する自由度が増えて稼働中の冷熱源機に対して運転する冷水ポンプの組み合わせが自由になり、熱負荷側の必要流量に対して最適な流量の冷水ポンプを選択して運転でき、冷水ポンプの消費電力を大幅に低減できるのみでなく、冷水ポンプの運転時間を均等にして、寿命の均等化とメンテナンスの容易化など、省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、部分負荷時における熱源機群およびポンプ群の運転の自由度が拡張される結果、熱負荷側の必要熱量に合わせて運転する熱源機を選択し、熱負荷側の必要流量に合わせて運転する熱媒ポンプを選択し、および／あるいは熱媒ポンプの回転数を制御し、各流量調整弁を各熱源機の負荷率が等しくなるように調整して熱媒を分配することができ、熱源機の負荷率が向上して熱源機の運転効率が高まるとともに、熱媒ポンプの搬送動力が削減され、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストの低減を図ることができる。また、熱源機の運転台数を最適化させることにより、熱源機の運転効率を高めるとともに、熱源機の付帯機器の消費動力も削減でき、熱供給システムの省エネルギーとランニングコストをさらに低減できるなど、その技術的効果にはきわめて顕著なものがある。

本発明による熱供給システムを表す回路図 本発明における変流量熱源機と変流量ポンプを表す回路図 大流量ポンプを追加したシステムを表す回路図 負荷流量が熱量より大きい場合のシステムを表す回路図 負荷熱量が流量より大きい場合のシステムを表す回路図 本発明によるポンプ共有状態でのシステムを表す回路図 従来の空調システムにおける制御装置を表す系統図

符号の説明

１１ 蓄熱槽
１２ 熱交換器
１４ａ〜１４ｄ 冷熱源機
１５ａ〜１５ｅ，１５ａ’，１５ｂ’，１５ｄ’ 冷水ポンプ
１６ 流量制御弁
１７ｂ〜１７ｄ 冷却水ポンプ
１９ 熱負荷
２４ バイパス管路
２６ 流量計
２８ 流量調整弁

Claims (2)

1. 複数の並列に接続された熱源機群に対し、前記熱源機によって冷却または加熱された熱媒を熱負荷側へ循環するために、複数の熱媒ポンプを並列に接続したポンプ群が配管で直列に接続された熱供給システムであって、
   定格出力以下で運転されるときに定格流量以上および定格流量以下の流量範囲で使用可能な熱源機が配置され、
   各熱源機の熱媒配管に負荷分配用の流量調整弁が配置され、
   ポンプ群の総熱媒流量を熱源機の総定格流量以上とし、
   熱負荷側の必要熱量にあわせて運転する熱源機が選択可能であり、
   熱負荷側の必要流量に合わせて運転する熱媒ポンプが選択可能であり、
   前記ポンプ群の出口側管路から熱負荷側戻り管路に余分な流量をバイパスさせるためのバイパス管が設けられると共に当該バイパス管路内に流量制御弁が設けられ、
   各流量調整弁は各熱源機の負荷率が等しくなるように調整して熱媒を分配することが可能であることを特徴とする複数の熱源機とポンプ群を有する熱供給システム。
2. 前記ポンプ群の一部の熱媒ポンプを変流量ポンプとし、熱負荷側の必要流量に合わせて変流量ポンプの回転数を制御することを特徴とする請求項１記載の熱供給システム。

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