JP4699285B2 - 空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷温水の循環によって空調する密閉型のセントラル空調設備における冷温水ポンプの運転状態を制御する運転制御方法に関する。

密閉型のセントラル空調設備には、例えば、冷凍機等の熱源によって加熱または冷却した冷温水を、冷温水ポンプによって負荷側すなわち被空調部屋に設置している室内機（負荷側空調設備）に循環させて、この室内機のファンコイルユニットによって室内機内を流通する冷温水と被空調部屋の空気との熱交換を行い、被空調部屋の空気の温度調節すなわち空調を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許公開２０００−１１１１０５号公報（第１〜５頁、第１〜３図）

上述した従来のセントラル空調設備における熱源は、室内機に循環させる冷温水を常に設定温度範囲内にするように熱エネルギー又は冷熱エネルギーの供給と停止を繰り返すように制御されており、例えば室内機によって本機内を流通する冷温水と被空調部屋の空気との熱交換が行われた結果、冷温水の温度が設定温度範囲から外れる場合は、この冷温水の温度を設定温度範囲内に戻すために熱エネルギー又は冷熱エネルギーの供給状態となり、この熱源の運転は冷温水の温度が設定した温度範囲の反対側のリミットすなわち加熱の場合は上限、冷却の場合は下限に至るまで続き、このリミットを超えると熱エネルギー又は冷熱エネルギーの供給は停止状態に制御される。
この状態でも冷温水の循環は継続し、冷温水と被空調部屋の空気との熱交換が行われる。

負荷側のエネルギー消費の結果、冷温水の温度が設定温度範囲から外れる場合は、この冷温水の温度を設定温度範囲内に戻すために熱エネルギー又は冷熱エネルギーの供給を行い、空調運転中はこれを繰り返す。このように、熱源は負荷側のエネルギー消費量に応じた運転制御がされている。

しかしながら、冷温水を室内機に循環させるための冷温水ポンプにおいては、上述の熱源の熱エネルギー又は冷熱エネルギー供給量の負荷側エネルギー消費の対応にも関わらず、本空調設備が稼動している間は常に一定の流量を維持する運転状態となっており、負荷側の必要エネルギー消費量以上の冷温水を供給し、この冷温水ポンプすなわちポンプ駆動用のモータは電力を無駄に消費している。

そして、この冷温水ポンプを駆動するための駆動用モータの仕様を選択する場合には、定常運転に要する駆動能力に対して２０％程度の余剰能力を持ったモータを採用するのが常識であるとともに、この駆動用モータは常に最大能力で運転するように設定して使用されるのが一般的であるので、この余剰能力分の電力も無駄な電力の消費をより増大させている。

本発明は、冷温水の温度によって熱源の運転状態だけでなく冷温水ポンプの駆動用モータの回転数を制御することによって、負荷側の必要エネルギー消費量の変動に対応する冷温水流量を供給し、結果として駆動用モータの無駄な電力消費を抑えるようにした空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法を提供できるようにした。

上述した課題を解決するために、本発明に係る運転制御方法は、空調機における冷温水ポンプの運転制御方法であって、熱源が、冷温水を設定温度範囲内にするために加熱・冷却運転しているときは、熱源からの冷温水を室内機に送る冷温水ポンプの駆動用モータを、回転制御手段によって初期設定された回転数Ｎ１で運転し、また熱源が、冷温水が設定温度範囲内にあることを検出して運転を中止したときは、前記冷温水ポンプ駆動用のモータを、回転制御手段によって前記熱源が加熱・冷却運転を中止した時点における諸条件から割り出した回転数Ｎ２で、かつ冷温水が任意に設定された設定温度Ｐ1に達するまで運転する構成としてある。
また前記回転制御手段をインバータで構成した構成としてある。

より具体的には、空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法であって、熱源が、負荷側空調機に対して冷温水を媒体とする熱エネルギー及び冷熱エネルギーを供給している間は、冷温水ポンプの駆動用モータを、熱源が正常に動作する最低の冷温水流量を超えていて、かつ、冷温水の温度変化量及び外気等の諸条件から計算して割り出した回転数Ｎ１で運転させ、熱源が、負荷側空調機に対して冷温水を媒体とする熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給を停止した時点で熱源の運転を終了せしめると同時に、熱源と冷温水ポンプの駆動モータの連動シーケンスを切断し、冷温水ポンプの駆動モータを冷温水の温度変化量及び外気等の諸条件から計算して割り出した回転数Ｎ２で強制的に冷温水温度が負荷側空調機の正常な空調を行いうる限界点温度に達するまで運転する構成としてある。

また前記回転数Ｎ２を決定する条件の一つに、冷温水の送水用導管の往路側に設けた第一の温度センサによって検出した温度と、冷温水の送水用導管の還路側に設けた第二の温度センサによって検出した温度との温度差分の温度データを用いるものとしてある。

本発明の空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法によれば、冷温水ポンプの回転数を熱源の熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給状態に合わせて、熱源が、冷温水を設定温度範囲内にするために熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給しているときは、冷温水ポンプのモータをインバータによって熱源が正常に動作する最低冷温水流量以上で負荷側の必要エネルギー消費量を満足する最低流量を確保する回転数まで下げ、また熱源が、負荷側空調機に対して冷温水を媒体とする熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給を停止した時点で熱源の運転を終了せしめると同時に、熱源と冷温水ポンプの駆動モータの連動シーケンスを切断し、冷温水ポンプの駆動モータを冷温水の温度変化量及び外気等の諸条件から計算して割り出した回転数まで下げて強制的に冷温水温度が負荷側空調機の正常な空調を行いうる限界点温度に達するまで運転するので、冷温水ポンプの駆動用モータの電力消費量を著しく低減できる。

そして、熱源が、熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給を停止しているときの回転数は、冷温水の送水用導管の往路側に設けた第一の温度センサによって検出した温度と、冷温水の送水用導管の還路側に設けた第二の温度センサによって検出した温度との温度差分の温度データを基に算出できるので、データ収集用のセンサ数も少なくてすむことから簡単なロジックで冷温水ポンプのモータの回転数制御を行うことができる。

以下、本発明の空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法の実施例を、添付図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る冷温水ポンプの運転制御方法によって動作する密閉型セントラル空調設備の一構成図であり、同図中、符号１は熱媒体となる冷温水の温度を調整（高温、低温）する熱源、２は冷却水管３内を循環する冷却水を大気と接触させて冷却する冷却塔、３は熱源１と冷却塔２間に冷却水を循環させる冷却水管、４は冷却水管３内の冷却水を送水する冷却水ポンプ、４ａは冷却水ポンプ４を駆動するモータ、５はモータ４ａの回転数を調整するインバータ、６は冷却水管３内の冷却水の温度を測定する冷却水温度センサである。
なお、熱源１には加熱・冷却運転が可能な例えばヒートポンプ型の冷凍機や、冷却専用の冷凍機とボイラ等の加熱用機器との組み合わせなど適宜のものを使用することができる。

符号７、７は空調の対象となる部屋の空気を調和する室内機、９は熱源１と室内機７、７間に冷温水を循環させる冷温水管、１０は冷温水管９内の冷温水を送水する冷温水ポンプ、１０ａは冷温水ポンプ１０を駆動するモータ、１１はモータ１０ａの回転数を調整するインバータ、１２は往路側の冷温水管９内の冷温水の温度を測定する第一の冷温水温度センサで、１２ａは還路側の冷温水管９内の冷温水の温度を測定する第二の冷温水温度センサである。
また、１３は外気の温度を測定する外気温度センサ、１４は空調設備の運転を制御する制御盤（制御装置）、１５は制御ケーブルである。

本発明の運転制御シーケンスによる冷温水ポンプ１０の運転状態について、暖房運転と冷房運転の場合に分けて以下に説明する。

＜暖房運転＞
手動で制御盤１４運転開始ボタンを押すか、あるいはタイマー制御によって運転開始指令を発すると、制御盤１４（制御装置）から熱源１に運転開始命令を発行するとともに、冷温水ポンプ１０のモータ１０ａのインバータ１１に対し、回転数Ｎ１を発行する。

上記回転数Ｎ１は、熱源１が正常に動作する冷温水流量の最低量を確保する回転数と冷温水ポンプ１０の定格回転数の間の回転数で、その時点の外気温度（外気温度センサ１３で測定）、空調を行う当該建物の熱損失等を考慮して算出した値である。

この暖房運転時において、センサ１２aにて検出される冷温水管９内を流れる冷温水温度が、予め設定された温度範囲の下限値以下である場合には、熱源１にて前記冷温水の加熱運転を継続する。

そして冷温水管９内を流れる冷温水の温度が設定範囲の上限値に達すると、熱源１の加熱運転の停止命令が発行され、冷温水ポンプ１０の運転が停止され、その後熱源１は所定の時間（希釈時間）が経過してから実際の加熱運転が停止される。

また制御盤１４（制御装置）は、熱源１の加熱運転終了を検出して、冷温水ポンプ１０モータ１０ａに運転開始指令を発行するとともに冷温水ポンプ１０のモータ１０ａのインバータ１１に対し回転数Ｎ２を発行する。
この回転数Ｎ２は、室内機７、７（負荷側空調設備）が正常に動作する最低の流量を確保する回転数で、その時点の外気温度（外気温度センサ１３により検出）と、空調を行う当該建物の熱損失等の諸条件を考慮して算出する値である。

制御盤１４（制御装置）は、冷温水管９内の往路側を流れる冷温水の温度を測定する測温体１２によって検出した冷温水温度が設定値Ｐ１に達したとき、冷温水ポンプ１０のモータ１０ａに運転終了指令を発行する。

この冷温水設定値Ｐ１は、熱源１が加熱運転を開始する温度を下回る温度で、かつ、室内機７、７（負荷側空調設備）が正常に動作する温度であり、その時点の外気温度（外気温度センサ１３にて検出）と、空調を行う当該建物の熱損失等の諸条件を考慮して算出した値である。

運転終了時には、例えば手動で制御盤１４の運転終了ボタンを押すか、あるいはタイマーによって運転終了の制御指令がなされることにより、熱源１に対し加熱運転終了命令が発行され、熱源１が加熱運転状態であったときには、所定時間（希釈時間）を経過後、加熱運転を終了し、その後冷温水ポンプ１０の運転が終了させられる。
また、既に熱源１が加熱運転状態を停止しており、上記所定時間が経過している場合には、すぐに冷温水ポンプ１０の運転が終了させられる。

＜冷房運転＞
手動で制御盤１４の運転開始ボタンを押すか、タイマー制御によって運転を開始すると、制御盤１４（制御装置）から熱源１に冷却運転開始命令が発行されるとともに、冷温水ポンプ１０のモータ１０ａのインバータ１１に対し、回転数Ｎ１’が発行される。

この回転数Ｎ１’は、熱源１が正常に動作する冷温水流量の最低量を確保する回転数と冷温水ポンプ１０の定格回転数の間の回転数で、その時点の外気温度（外気温度センサ１３により検出）と、空調を行う当該建物の熱損失等の諸条件を考慮して算出した値である。

熱源１は、冷温水管９内を流れる冷温水温度が設定範囲の上限以上である場合に前記冷温水の冷却運転を開始する。

冷温水管９内を流れる冷温水の温度が設定範囲の下限に達すると、冷却運転終了命令が発せられ、冷温水ポンプ１０の運転が停止され、その後熱源１は所定時間（希釈時間）の経過後に前記冷温水の冷却運転を終了する。

制御盤１４（制御装置）は、熱源１の冷却運転終了を検出して、冷温水ポンプ１０モータ１０ａに運転開始指令を発行するとともに、冷温水ポンプ１０のモータ１０ａのインバータ１１に対し回転数Ｎ２’を発行する。

この回転数Ｎ２’は、室内機７、７（負荷側空調設備）が正常に動作する最低の流量を確保する回転数で、その時点の外気温度（外気温度センサ１３で検出）と、空調を行う当該建物の熱損失等の諸条件を考慮して算出した値である。

制御盤１４（制御装置）は、往路側の冷温水管９内を流れる冷温水の温度を測定する測温体１２によって検出した冷温水温度が設定値Ｐ１’まで下がると、冷温水ポンプ１０モータ１０ａに運転終了指令を発行する。

この冷温水設定値Ｐ１’は、熱源１が冷却運転を開始する温度を上回る温度であり、かつ、室内機７、７（負荷側空調設備）が正常に動作する温度であって、その時点における外気温度（外気温度センサ１３で検出）と、空調を行う当該建物の熱損失等の諸条件を考慮して算出した値である。

手動で制御盤１４の運転終了ボタンが押されるか、あるいはタイマーによって運転終了制御がなされると、熱源１に対して運転終了命令が発行され、熱源１が冷却状態のときには所定時間（希釈時間）を経過後、冷却運転を終了し、その後冷温水ポンプ１０の運転を終了する。
そして熱源１が冷却運転を終了しており、上記所定時間が経過している場合には、直ちに冷温水ポンプ１０の運転が終了させられる。

なお、上述した暖房運転、冷房運転においては、室内機７、７（負荷側空調設備）が個別に各室内機７、７に付属する制御装置によって自動で設定温度になるように運転する場合もあるし、手動操作により運転制御する場合もある。

上述した回転数Ｎ１とＮ２あるいはＮ１’とＮ２’はＰＬＣ（プログラマブル・ロジック・コントローラ）で算出する。

この際、インバータ制御によるモータの消費電力は、
消費電力＝モータの定格電力×｛１−（制御後の回転数／定格回転数）^３｝・・・（１）
で表される。
したがって流量が１／２の場合には消費電力が１／８となり、流量が１／４になると消費電力は１／６４となる。

図２は、暖房時における冷温水ポンプモータの１日の電力消費量の推移を示す図である。同図２に示されるように、負荷側の必要エネルギー消費量と冷温水の流量は比例し、冷温水の流量を図２中の冷温水の流量（理想の流量）とした場合は、前（１）式で導かれる必要な電力は、図２中の従来の消費電力で示す従来の運転時間中に定格運転していた電力量と比較して著しく少なくなり、実験では９５％もの消費電力の削減を果たすことができた。

本発明に係る冷温水ポンプの運転制御方法を適用する密閉型セントラル空調設備の一例を示す構成図。 暖房時における冷温水ポンプモータの１日の電力消費量の推移の具体例を示すグラフ。

符号の説明

１ 熱源
２ 冷却塔
３ 冷却水管
４ 冷却水ポンプ
４ａ モータ
５ インバータ
６ 冷却水温度センサ
７ 室内機
９ 冷温水管
１０ 冷温水ポンプ
１０ａ モータ
１１ インバータ
１２ 第一の冷温水温度センサ
１２ａ 第二の冷温水温度センサ
１３ 外気温度センサ
１４ 制御盤
１５ 制御ケーブル

Claims (3)

1. 空調設備における冷温水ポンプの運転制御方法であって、熱源が、負荷側空調機に対して冷温水を媒体とする熱エネルギー及び冷熱エネルギーを供給している間は、冷温水ポンプの駆動用モータを、熱源が正常に動作する冷温水流量の最低量を確保する回転数と冷温水ポンプの定格回転数の間の回転数、かつ、冷温水の温度変化量及び外気等の諸条件から計算して割り出した回転数Ｎ１で運転させ、熱源が、負荷側空調機に対して冷温水を媒体とする熱エネルギー及び冷熱エネルギーの供給を停止した時点で熱源の運転を終了せしめると同時に、熱源と冷温水ポンプの駆動モータの連動シーケンスを切断し、冷温水ポンプの駆動モータを、負荷側空調機が正常に動作する最低の流量を確保する回転数及び外気等の諸条件から計算して割り出した回転数Ｎ２で強制的に冷温水温度が負荷側空調機の正常な空調を行いうる限界点温度に達するまで運転する空調機における冷水ポンプの運転制御方法。
   
   
2. 前記回転制御手段をインバータで構成してなる請求項１に記載の空調機における冷温水ポンプの運転制御方法。
3. 前記回転数Ｎ２を決定する条件の一つに、冷温水の送水用導管の往路側に設けた第一の温度センサによって検出した温度と、冷温水の送水用導管の還路側に設けた第二の温度センサによって検出した温度との温度差分の温度データを用いる請求項１に記載の空調機における冷温水ポンプの運転制御方法。

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