JP4857051B2 - 冷凍機設備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、冷凍機を有する設備、または、その設備を運転する技術に関する。

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(第３−４頁、図１)

上述の従来技術の演算などでは、冷凍機の運転において、メーカーより提供される機器
特性などを元にしてモデル化することで演算できる。そして、台数制御では、各冷凍機へ
の負荷配分とその時の消費電力の合計から最適な省エネ運転パターンが求められる。機器
特性のモデルは、数式化された近似式で表されるが、装置単体で動作させたメーカー出荷
時の初期値であるため、導入先の設備環境や冷凍機を含めた設備の劣化などから必ずしも
機器特性と一致する結果になるとは限らない。このため実稼働の性能に近づけるため、お
よび精度向上には機器特性の近似式を補正する技術があり、メーカ提供の機器特性をベー
スにしている。

また、冷凍機の容量制御においては、空調側で消費している負荷熱量に対して、複数台
の冷凍機が各々冷水の入口温度と出口温度を監視して一定の温度差を保つように運転制御
されている。

設備のモデル化を適用して省エネルギーを図る場合、冷凍機のモデル化では冷却水入口
温度毎の詳細な部分負荷特性の情報が必要になり、人手による分析等を経てシステムへの
組み込みとなる。冷凍機の部分負荷特性の詳細情報は容易に入手できるとは限らない。さ
らに冷凍機を更新すると再度モデル化が必要になる。

また、冷凍機特性の劣化や保守メンテ後の効率改善への対応にはモデルを補正する技術
があるが、モデル補正よりもモデル自体を再生成できる方が実態に則している。

以上のことから、実際の稼働実績の運転データより、機器の特性を表す近似式を生成し
て、定期的な見直し反映ができる機能が備えられれば効果的である。

また、複数の冷凍機を同時運転させた場合、空調側の負荷熱量をまかなうために冷凍機
が作る冷凍負荷は各冷凍機の定格容量に比例した配分となり、必ずしも最も省エネルギー
な負荷配分で運転されているとは限らない。

従って、本発明では、これらモデル化と冷凍負荷配分に伴う問題を課題する。

本発明では、上記課題を基づき、以下ようなものとする。
冷凍機の運転実績データを元に機器特性の近似式を自動生成してモデル化を行う。

ある期間の冷凍機の運転実績データから、冷却水入口温度毎にデータを抽出して、誤り
のある外れ値を棄却してから近似式を生成する。生成した各冷却水入口温度毎の近似式を
重ね合わせて見ると、階層をなした状態で表されるが、データ件数や運転状態によっては
不確かな近似式が生成される場合があるため、それら近似式を間引いて不採用にする。採
用した２次式の近似式は下に凸で頂点を含むため、１次式の近似式と結合して見直した２
次の近似式とする。もしくは２次式の近似式と接線とを結合して見直した２次の近似式とする。不採用の近似式は、採用された近似式を元に補正・補間を行う。自動
生成の結果は保存されて、履歴から容易に取り出して利用可能とする。

また、冷凍負荷配分はラグランジュ未定定数法の計算により、冷凍機の運転台数と冷凍
機の組合せに応じた負荷配分を求める。

これらによれば、冷凍機の稼働実績データを元にしたモデル化の自動化により、新規適
用や実態に則した精度の高い省エネ計算ができる。また、過去のモデル化の結果を取り出
して、時系列に参照することで、機器特性の劣化状況が容易に参照可能となる
ラグランジュ未定定数法により最も省エネルギーな負荷配分を割り出すことができる。

本発明によれば、従来よりも、より省エネルギー化を図り、経済性を向上させた設備の
提供が可能となる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例としての冷凍用設備の構成図を示している。図１において、１
００は冷凍用設備、１は、複数の冷凍機Ｒ_１、・・・、Ｒ_ｎを備えてなる冷凍機部、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は冷水槽、５は調相器、６は
第１の温度・流量監視点、７は第２の温度監視点である。Ｔ_１は、第１の温度・流量監視
点６における冷水の温度、Ｑ_１は、第１の温度・流量監視点６における冷水の送水量であ
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、
該冷凍機４との間で循環させながら該冷媒により冷却する。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中の冷温槽側に戻す。これが繰り返される。第１の温度・流量監視点６
では冷水の温度Ｔ_１と送水量Ｑ_１が検出される。第２の温度監視点７では冷水の戻り温度
Ｔ_２が検出される。第１の温度・流量監視点６における温度と送水量検出結果と第２の温
度監視点７における冷水の戻り温度の情報はともに、運転制御部２に入力される。

図２は、図１の設備中の冷凍機の詳細構成例図である。図２において、８は冷凍機内を
循環する冷水、９は一次ポンプ、１０は冷凍機、１１は冷凍機内を循環する冷却水、１２
は冷却塔、１３は冷却水ポンプ、１４は冷却水入口温度監視点、１５は冷水入口温度監視
点、１６は冷水出口温度・冷水流量監視点である。冷水は一次ポンプにより冷水槽（図示
なし）より汲み上げられて冷凍機へ送られ、冷却されて冷水槽に戻される。

一方冷水を冷やす冷媒（図示なし）を冷却するための冷却水も冷凍機内を循環して、冷
却塔にて熱を屋外へ放出して、冷却水ポンプにより冷凍機へ戻す。これが繰り返される。
１４の冷却水入口温度監視点では冷却水入口温度Ｔ１１が検出される。１５の冷水入口温
度監視点では冷水入口温度Ｔ１２が検出される。１６の冷水出口温度・冷水流量監視点で
は冷水出口温度Ｔ１３と冷水流量Ｑ１１が検出される。１４と１５と１６の検出される情
報は図１の運転制御部２に入力される。

図３は、図２の冷凍機の部分負荷特性の実施例の図である。図３において、冷凍機の性
能を表す部分負荷特性は、横軸を冷凍容量、縦軸を消費電力としたグラフで、製造する冷
水温度（冷水出口温度）時に冷却水入口温度の違いによる特性を表したものである。この
ように冷凍機のモデル化においては、冷却水入口温度毎の特性が必要になる。

図４は、図２の冷凍機の稼働実績データから近似式を自動生成してモデル化する手順の
説明図である。

図４において、
（１）冷凍機の稼働実績データから冷却水入口温度別にデータを抽出する。温度の最小単
位は０．１℃であるが、データ件数および効率的な処理を行うために例えば小数点以下は
四捨五入して１℃刻みのデータに丸めて抽出する。尚、処理実行時の条件設定によりデー
タ抽出の温度単位は可変にできる。（ステップＳ４０２）
（２）冷却水入口温度別に抽出した実績データには、計測誤差や運転開始直後のデータ等
に誤ったデータが含まれるため、それぞれについて外れ値を棄却して有効なデータに絞り
込む。（ステップＳ４０３）
（３）有効と判断した実績データから最小二乗法により２次関数の近似式と近似式の決定
係数を求める。近似式の算出にはハウスホルダー法を用いて実績データを行列で表して、
ハウスホルダー変換により上三角行列とした行列を解くことで２次関数の定数ａ、定数ｂ
、定数ｃを求めるものである。決定係数は近似式が実績データにどの程度近似しているか
を０〜１の値で表したものとして算出する。（ステップＳ４０４）
（４）通常、冷凍機の特性は２次関数で表されて、かつ右上がりの曲線を示すのが一般的
である。
しかし、生成した近似式がこの冷凍機特性の実態に著しく適合しない結果であれば、生成
された近似式は有効とは言えないため、不採用として間引く処理を行う。（ステップＳ４
０５）
（５）冷凍機は、例えば定格の冷凍容量の２０％〜１００％の範囲で動作する特性が示さ
れている場合、生成した近似式も同様なデータ範囲として適用することになる。しかし、
稼働時の実績データの範囲は限られるため、限られた範囲のデータから生成された２次関
数を適用すると右上がりとはならず、冷凍容量の範囲２０％〜１００％に頂点を含む下に
凸の近似になる。よって、１次関数の近似式も適用して、１次と２次の近似式を融合した
近似式を再生成する。もしくは２次関数の近似式において、実績データの下限部分を接点とした接線を適用して、２次関数とその接線とを結合した２次関数の近似式を再生成する方法のいずれかを適用する。（ステップＳ４０６）
（６）（４）により間引いた近似式を（５）の近似式を元にして再生する。

２つの近似式の間に間引いた近似式がある場合は、２つの近似式間に均等にデータをプ
ロットして、そのデータを元に２次の近似式を生成する。１つの近似式しか利用できない
場合は、その近似式の重心の消費電力をその冷凍機の定格消費電力で割った値（以下、％
ｋＷと称する）と、再生する冷却水入口温度をパラメータとして得られるデータの重心の
％ｋＷを比較して、その変化分だけ、元になる近似式を平行移動して再生する。
以上の処理により、１℃刻みの近似式が生成され、さらに冷凍機の省エネ計算に適用する
ために、０．１℃単位の近似式に細分する。（ステップＳ４０７）
（７）冷凍機の特性を示す近似式を自動生成してモデル化を完了した結果は、学習履歴と
して保存して、任意のタイミングで取り出しが可能とする。（ステップＳ４０８）
図５は、図４の実績データの棄却検定の手順の説明図である。
図５において、以下のような処理を行う。
（１）実績データの多くはアナログ値であるため、冷凍機が停止中であってもゼロを指し
示すとは限らない。よって、冷凍機停止中のデータを除外する。（ステップＳ５０２）
（２）冷凍機の仕様値の範囲チェックにより、能力以上の値となる外れ値等の誤ったデー
タを除外する。（ステップＳ５０３）
（３）実績データの％ＲＴ、％ｋＷの平均から、それぞれの標準偏差σを算出して、２σ
を以上のばらつきのデータを除外して棄却する。ここで、％ＲＴとは、冷凍機の製造熱量
をその冷凍機の定格冷凍容量で割った値とする。（ステップＳ５０４）
（４）（３）までの棄却にて残った実績データを元にして近似式を生成して、その近似式
の％ｋＷの±１０％以外のデータを除外する。さらに除外後の残った実績データより近似式を生成する。（ステップＳ５０５）
図６は、図４の生成した近似式から不適合な近似式を間引く手順の説明図である。

図６において、以下のような処理を行う。
（１）実績データのサンプル数が極端に少ない場合は、生成した近似式の信憑性に欠ける
ため、近似式を不採用として除外する。例えば最小件数１００件とするが、計算開始時の
条件設定により可変となる。（ステップＳ６０２）
（２）生成した近似式の決定係数が０．５未満は、不採用として除外する。（ステップＳ
６０３）
（３）実績データが飛び石状になっている場合は、生成された近似式も信憑性に欠けるた
め、実績データの分布密度を算出して、飛び石のデータ分布の近似式は不採用として除外
する。（ステップＳ６０４）
（４）冷凍機の特性は一般的に右上がりの２次関数のため、実態に適合しないと判断でき
る近似式を不採用として除外する。具体的には、近似式の定数ａがマイナスは、上に凸の
ため除外し、複数の近似式と交点を持つ近似式は除外し、冷凍容量の範囲に頂点を持ち冷
凍容量下限の％ｋＷ値が極端に大きな近似式は除外する。（ステップＳ６０５）
図７は、図４の１次と２次の近似式を結合する方法の一例を示す図である。

図７において、２次の近似式をそのまま適用すると、％ＲＴが２０％近辺は左上がりの
曲線となり、冷凍機の特性の実態とかけ離れるため、１次の近似式と結合して太字破線で
示す２次の近似式を再生成する。

２次と１次の接点を求めて、接点を境にして２次の近似式のデータプロットと１次近似
式のデータプロットを使って再生成する。１次の近似式はそのまま使用せずに、接点から
％ＲＴが２０％の点にかけての直線を１次の近似式と補正して使用する。

図８は、図４の間引いた近似式を補正・補間して再生成する方法一例を示す図である。

図８において、太線の冷却水入口温度２０℃と３０℃の２つの近似式のみが間引かれて
残った例である。この２つの近似式の％ＲＴを５等分した％ｋＷの値を均等に補間した値
を算出して、この値から近似式を再生成して補間する。一方３１℃と３２℃は実績データ
の重心を求めて、その％ｋＷの値と３０℃の近似式の重心の％ｋＷの値との変化分から３
０℃の近似式を補正して再生成する。

図９は、図４の実績データ棄却検定の一例を示す図である。

図９において、実績データのある冷却水入口温度のデータ分布の一例で、範囲チェック
、２σ、仮の近似式の上下方向のチェックから外れ値を棄却した結果である。

図９では、大きな囲いの枠の中に更に囲いの枠がある。先ず、図５に示した手順に従い
、中の囲いの枠よりも外側で、大きな囲いの枠の内側にある実績データは、範囲チェック
により棄却される（図５のステップＳ５０３）。次に、中の囲いの枠内部の実績データの
標準偏差の２σから逸脱するデータを棄却される（図５のステップＳ５０４）。その結果
、図９の中の囲いの枠の頂点部の近傍にある２つの円内部の実績データが棄却されること
になる。その後、残った実績データから２次関数の近似式を生成して、近似式の上下方向
の実績データを棄却する（図５のステップＳ５０５）。

図１０は、図４の近似式を間引いた一例を示す図である。

図１０において、冷却水入口温度別に生成した近似式を重ね合わせて表示した例から近
似式を間引いた結果の例を示す。

図１１は、図４の近似式を補正・補間した一例を示す図である。

図１１において、図１０の間引かれた結果の３つの近似式から補正・補間して各冷却水
入口温度の近似式を再生成した結果である。

図１２は、図１の冷凍負荷を配分するラグランジュ未定定数法適用の手順の説明図であ
る。

図１２において、以下のような処理をする。
（１）空調側の負荷熱量は、図１の第１の温度・流量監視点６での冷水の温度Ｔ_１と送水
量Ｑ_１および、第２の温度監視点７の冷水の戻り温度Ｔ_２より、負荷熱量＝温度差Δｔ×
送水量×３０２４より求められる。
（２）（１）の負荷熱量とその時に運転させる冷凍機のモデルを入力として、消費電力が
最小となる冷凍機への冷凍負荷の配分を算出する。
運転冷凍機の消費電力合計をモデルを元に表した目的関数と、負荷熱量の制約条件の２つ
の関係が成り立つ場合は、ラグランジュ未定定数λを含んだラグランジュ関数Ｌで表すこ
とができる。このラグランジュ関数Ｌを最小とした場合のｘｉとλを求めることにより、
省エネとなる冷凍機への負荷配分を決定できる。以下にその関係式（数１）、（数２）、
（数３）を示す。

目的関数
総消費電力 F = Σ yi = Σ （ai xi² + bi xi + ci） （数１）
i∈U i∈U
U ：運転する冷凍機の集合
制約条件
需給バランス制約 D = Σ xi （数２）
i∈U
上下限制約 Li ≦ xi ≦ Ui
F ：総消費電力
Xi ：第ｉ冷凍機の冷凍負荷の分担
D ：負荷熱量
Ui ：第ｉ冷凍機の冷凍熱量の上限
Li ：第ｉ冷凍機の冷凍熱量の下限
λ ：ラグランジュ乗数
ラグランジュ関数 L = Σ（ai xi² + bi xi + ci）+ λ（ D − Σ xi）（数３）
i∈U i∈U

図１３は、図４の２次の近似式と接線とを結合する方法の一例を示す図である。

図１３において、図７の１次と２次の近似式を結合する方法の場合、実績データの傾向によっては、元にした１次の近似式が冷凍負荷％ＲＴの２０％付近の消費電力％ｋＷが低めになる傾向がある。そのために実績データの下限値における２次の近似式のポイントを接点とした接線と、２次の近似式を結合して太字破線で示す２次の近似式を再生成する。
図７と図１３のいずれかの方法は、処理実行前に選択可能とする。

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の設備中の冷凍機の詳細構成例図である。 図２の冷凍機の部分負荷特性の例図である。 図２の冷凍機の稼働実績データから近似式を自動生成してモデル化する手順の説明図である。 図４の実績データの棄却検定の手順の説明図である。 図４の生成した近似式から不適合な近似式を間引く手順の説明図である。 図４の１次と２次の近似式を結合する方法一例を示す図である。 図４の間引いた近似式を補正・補間して再生成する方法一例を示す図である。 図４の実績データ棄却検定の一例を示す図である。 図４の近似式を間引いた一例を示す図である。 図４の近似式を補正・補間した一例を示す図である。 図１の冷凍負荷を配分するラグランジュ未定定数法適用の手順の説明図である。 図４の２次近似式と接線を結合する方法一例を示す図である。

符号の説明

１・・・冷凍機部、２・・・運転制御部、３・・・負荷部、４・・・冷水槽、５・・・調
相器、６・・・第１の温度・送水量監視点、７・・・第２の温度監視点、８・・・冷水、
９・・・一次ポンプ、１０・・・冷凍機、１１・・・冷却水、１２・・・冷却塔、１３・
・・冷却水ポンプ、１４・・・冷却水入口温度監視点、１５・・・冷水入口温度監視点、
１６・・・冷水出口温度・冷水流量監視点、１００・・・冷凍用設備。

Claims (3)

1. 複数の冷凍機の運転方法において、
   前記複数の冷凍機のそれぞれを運転させることにより、当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す稼動実績データを、当該冷凍機の冷媒を冷却するための冷却水の設定された温度毎に算出する稼動実績データ算出ステップと、
   算出した前記稼動実績データに基づいて前記複数の冷凍機のそれぞれに対して、前記設定された温度毎の当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す近似式を生成する近似式生成ステップと、
   前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる負荷熱量の合計値と、前記近似式生成ステップにより生成した近似式と、を用いて総消費電力が最小となるように決定する決定ステップと、
   該決定ステップにより決定した冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分に応じて前記複数の冷凍機を運転させるステップとを備え、
   前記決定ステップでは、
   前記近似式生成ステップにより生成した近似式のうち、当該近似式を生成するのに用いた稼動実績データのサンプル数が設定値以下の場合には、当該近似式を除外し、
   該除外した近似式以外の近似式と、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる負荷熱量の合計値と、を用いて、前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して前記冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を決定することを特徴とする複数の冷凍機の運転方法。
2. 複数の冷凍機の運転方法において、
   前記複数の冷凍機のそれぞれを運転させることにより、当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す稼動実績データを、当該冷凍機の冷媒を冷却するための冷却水の設定された温度毎に算出する稼動実績データ算出ステップと、
   算出した前記稼動実績データに基づいて前記複数の冷凍機のそれぞれに対して、前記設定された温度毎の当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す近似式を生成する近似式生成ステップと、
   前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる負荷熱量の合計値と、前記近似式生成ステップにより生成した近似式と、を用いて総消費電力が最小となるように決定する決定ステップと、
   該決定ステップにより決定した冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分に応じて前記複数の冷凍機を運転させるステップとを備え、
   前記決定ステップでは、
   前記近似式生成ステップにより生成した近似式のうち、当該近似式を生成するのに用いた稼動実績データの分布密度が設定値以下の場合には、当該近似式を除外し、
   該除外した近似式以外の近似式と、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる熱負荷量の合計値と、を用いて、前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して前記冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を決定することを特徴とする複数の冷凍機の運転方法。
3. 複数の冷凍機の運転方法において、
   前記複数の冷凍機のそれぞれを運転させることにより、当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す稼動実績データを、当該冷凍機の冷媒を冷却するための冷却水の設定された温度毎に算出する稼動実績データ算出ステップと、
   算出した前記稼動実績データに基づいて前記複数の冷凍機のそれぞれに対して、前記設定された温度毎の当該冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係を示す近似式を生成する近似式生成ステップと、
   前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる負荷熱量の合計値と、前記近似式生成ステップにより生成した近似式と、を用いて総消費電力が最小となるように決定する決定ステップと、
   該決定ステップにより決定した冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分に応じて前記複数の冷凍機を運転させるステップとを備え、
   前記決定ステップでは、
   前記近似式生成ステップにより生成した近似式のうち、他の近似式と設定回数以上の交点を有する近似式を除外し、
   該除外した近似式以外の近似式と、前記複数の冷凍機のそれぞれの冷媒を冷却するための冷却水の温度から求められる負荷熱量の合計値と、を用いて、前記複数の冷凍機に必要な冷凍容量に対して前記冷凍機の運転台数と運転する冷凍機の冷凍容量の配分を決定することを特徴とする複数の冷凍機の運転方法。

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