JP4864587B2 - 熱媒体配管システム - Google Patents

Description

本発明は熱媒体配管システムに関するものである。

冷温水配管における流量制御は、熱媒体である水の流通手段として固定回転数のポンプを用い、配管に組み込んであるバルブの開度、すなわち、流路抵抗を増減することにより実現している。

図４は従来の熱媒体配管システムの一例を示すものであり、冷凍機１と、冷却塔２と、熱媒体循環ポンプ３と、熱交換器４と、流量調整バルブ５，６，２３と、熱媒体を冷却塔２から冷凍機１へ送給する循環用往管路７と、熱媒体を冷凍機１から冷却塔２へ送給する循環用還管路８と、熱交換器４の一次流路入口に下流端が連なる分岐用往管路９と、熱交換器４の一次流路出口に上流端が連なる分岐用還管路１０と、同じ熱交換器４の二次流路出口に上流端が連なる熱回収往管路１１と、熱交換器４の二次流路入口に下流端が連なる熱回収還管路１２を備えている。これにより、冷凍機の冷却水を熱媒体とする冷却系統を形成する（例えば、非特許文献１参照）。

循環用往管路７には熱媒体循環ポンプ３が組み込まれ、また、循環用還管路８には流量調整バルブ５が組み込まれ、分岐用往管路９には流量調整バルブ６が組み込まれ、更に、循環用往管路７の上流端と循環用還管路８の下流端の間には、流量調整バルブ２３が組み込まれている。

分岐用往管路９の上流端は、循環用還管路８の流量調整バルブ５よりも上流側の個所、すなわち、流量調整バルブ５と冷凍機１の間に接続されている。

分岐用還管路１０の下流端は、循環用還管路８の流量調整バルブ５よりも下流側の個所、すなわち、流量調整バルブ５と冷却塔２の間に接続されている。

冷凍機１の二次流路出口は冷房負荷２４の熱媒体入口に、往ヘッダ２５及びポンプ２６を介して接続され、冷凍機１の二次流体入口は同じ冷房負荷２４の熱媒体出口に、ポンプ２７及び還ヘッダ２８を介して接続されている。

また、熱回収往管路１１の下流端は暖房負荷２９の熱媒体入口に、往ヘッダ３０及びポンプ３１を介して接続され、熱回収還管路１２の上流端は同じ暖房負荷２９の熱媒体出口に、ポンプ３２及び還ヘッダ３３を介して接続されている。ここで暖房負荷２９は、例えば、事務所ビルにおいて近年のＯＡ機器などの内部負荷増大により年中インテリア側冷房負荷が存在する場合の、中間期から冬期のペリメータ側暖房負荷に対応する予熱コイルが受け持つ負荷であったり、あるいは工場のような年中冷房負荷のある場合の、中間期から冬期の外気調和機における予熱コイルが受け持つ負荷であったりする。

この熱媒体配管システムでは、熱媒体循環ポンプ３を運転し、冷却塔２で冷やされた水を循環用往管路７から冷凍機１へ送るとともに、当該水を循環用還管路８から冷却搭２へ戻し、これと同時に冷房負荷２４に係わるポンプ２６，２７を運転し、冷却塔２を通る水とは別の水に冷凍機１で冷熱を与え、冷凍機１と冷房負荷２４の間で循環させる。つまり、圧縮式冷凍機では蒸発器で当該別の水と冷凍サイクル側冷媒との間で熱交換し、吸収式冷凍機では蒸発器で当該別の水と冷凍機内冷媒水との間で熱交換することで、当該別の水に冷熱を与えている。

冷凍機１から循環用還管路８を経て冷却塔２へ戻った水は、再び冷やされるが、水の冷え過ぎが起りそうな場合には、流量調整バルブ２３を開き、水の一部を冷却塔２へ戻さずに循環させる。

暖房負荷２９に対して循環用還管路８を通る水が持っている熱を与えるのに際しては、流量調整バルブ６を開き、流量調整バルブ５を閉じ勝手に絞ることで、冷凍機１から冷却塔２へ向かう水の一部を、分岐用往管路９により熱交換器４の一次流路に導き、分岐用還管路１０から循環用還管路８に戻す。

更に、暖房負荷２９に係わるポンプ３１，３２を運転すると、熱交換器４の一次流路を流れる水と二次流路を流れる水とが熱の授受を行い、暖房負荷２９に送給される水の温度が高められるとともに、冷凍機１から冷却塔２へ戻る水の温度が低くなる。

上述した例とは別に、熱媒体の搬送に要する動力の削減を主たる目的として、熱媒体の温度を検出し、これを媒介変数の一つとして、熱媒体搬送用ポンプの制御を実行するものが既に提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照）。
特公平８−６９９６号公報 特開昭５９−２１９３３号公報 特開平５−１８０４８９号公報 山下彰夫，「建築設備施工者の取組み（その２）流量制御はブレーキ制御からアクセル制御へ」，空気調和衛生工学、平成１８年２月、第８０巻、第２号、ｐ．１５２，図−２

図４に示す熱媒体配管システムにおいて、熱回収をせずに冷凍機１だけを使う場合は、熱交換器４側の流量調整バルブ６を閉じて、冷凍機１と冷却塔２の間の流量調整バルブ５の開度を調整し、水の流量を制御する。

流量調整バルブ５の開度を狭めると、冷凍機１、循環用還管路８、冷却塔２、及び循環用往管路７からなる冷却系統の流路抵抗が増えるが、流量調整バルブ５を全開状態としておいても、バルブそのものが流路抵抗となるため、熱媒体循環ポンプ３の能力を大きく見込んでおく必要があり、消費電力も多くなる。

熱回収を並行して行うときには、流量調整バルブ６を開くが、分岐用往管路９、熱交換器４、及び分岐用還管路１０からなる熱回収系統の流路抵抗の増加と、流量調整バルブ５の弁の絞り込みによる残り一部の循環水の流路抵抗がバランスすることで、前記冷却系統の流路抵抗をも増加させることになり、熱媒体循環ポンプ３の流量が抑えられてしまう。更に、状況に応じて流量調整バルブ６の開度を絞る必要があるとなおさらである。

また、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている先行例では、熱媒体循環ポンプの消費電力を節約するために、熱媒体系統の流路抵抗を積極的に減少させるという工夫は講じていない。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、流路抵抗が小さく且つ冷却系統と熱回収系統の相互の独立性を確保できる熱媒体配管システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は
冷凍機と、冷却塔と、熱媒体循環ポンプと、熱媒体を冷却塔から冷凍機へ送給する循環用往管路と、熱媒体を冷凍機から冷却塔へ送給する循環用還管路と、
熱交換器と、インバータモータ駆動である熱媒体分流ポンプと、熱交換器の一次流路入口に下流端が連なる分岐用往管路と、熱交換器の一次流路出口に上流端が連なる分岐用還管路とを備え、
循環用往管路には熱媒体循環ポンプが組み込まれ、分岐用往管路には熱媒体分流ポンプが組み込まれており、
分岐用往管路の上流端と前記分岐用還管路の下流端を、これらが近接して並ぶように循環用還管路に接続し、且つ、前記分岐用往管路の上流端と前記分岐用還管路の下流端との間の循環用還管路にはバルブである流体機器を組み込まないものである。

より具体的には、熱媒体循環ポンプをインバータモータ駆動としたものである。

すなわち、熱回収系統をなす分岐用往管路の上流端と分岐用還管路の下流端を、これらが近接して並ぶように冷却系統をなす循環用往管路に接続することで、熱回収系統の入口と出口の圧力差を小さくし、熱媒体循環ポンプの回転数制御によって冷却系統の熱媒体の流量制御を行い、熱媒体分流ポンプの回転数制御によって熱回収系統の熱媒体の流量制御を行う。

更に、分岐用往管路に組み込んだ入口側温度計と、分岐用還管路に組み込んだ出口側温度計と、これら温度計により得られた熱媒体の温度、及びインバータモータ駆動である熱媒体分流ポンプの駆動周波数に基づき、熱交換器の回収熱量を算出する演算器とを備えた。

本発明の熱媒体配管システムによれば、下記のような優れた効果を奏し得る。

（１）冷却系統から熱回収をせずに熱媒体循環させて冷凍機を運転する場合は、熱媒体循環ポンプのモータ回転数に比例した量の熱媒体が、熱回収系統である熱媒体分流往管路へ入らずに冷却系統である循環用還管路を流れ、しかもバルブなどの流路抵抗となるものが循環用還管路に組み込まれていないので、その分だけ熱媒体循環ポンプの消費電力を節約できる。

（２）熱回収を並行して行うときには、熱媒体分流ポンプのモータ回転数に比例した熱媒体が熱回収系統である分岐用往管路へ入り、また、状況に応じて熱媒体分流ポンプのモータ回転数を下げたとしても、熱回収系統と冷却系統の接続点間の圧力変化が微小であり、冷却系統に影響を与えないため、熱媒体循環ポンプの流量が抑えられることはなく、また、冷却系統の熱媒体循環ポンプの流量が変化しても、熱回収系統の流量に影響を与えることはない。

（３）よって、冷凍機、循環用還管路、冷却塔、及び循環用往管路からなる冷却系統と、分岐用往管路、熱交換器、及び分岐用還管路からなる熱回収系統の相互の独立性を確保できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の熱媒体配管システムの一例を示すものであり、冷凍機１と、冷却塔２と、熱媒体循環ポンプ１３と、熱交換器４と、熱媒体分流ポンプ１４と、熱媒体を冷却塔２から冷凍機１へ送給する循環用往管路７と、熱媒体を冷凍機１から冷却塔２へ送給する循環用還管路８と、熱交換器４の一次流路入口に下流端が連なる分岐用往管路９と、熱交換器４の一次流路出口に上流端が連なる分岐用還管路１０と、同じ熱交換器４の二次流路出口に上流端が連なる熱回収往管路１１と、熱交換器４の二次流路入口に下流端が連なる熱回収還管路１２と、入口側温度計１５と、出口側温度計１６と、演算器１７と、出口側温度計１８と、温度調節器１９と、流量調整弁２３を備えている。

循環用往管路７には熱媒体循環ポンプ１３が組み込まれ、分岐用往管路９には熱媒体分流ポンプ１４が組み込まれ、更に、循環用往管路７の上流端と循環用還管路８の下流端の間には、流量調整バルブ２３が組み込まれている。

熱媒体循環ポンプ１３及び熱媒体分流ポンプ１４は、何れもポンプ回転数の変化により吐出流量を変えられるようにインバータモータ駆動としてある。

分岐用往管路９の上流端は循環用還管路８に接続され、分岐用還管路１０の下流端は、分岐用往管路９の上流端に近接して並ぶように循環用還管路８に接続されており、循環用還管路８には、バルブなどに類する流体機器は何一つとして直列に組み込んでいない。

この部位の一例としては、図２に示すように、循環用還管路８と分岐用往管路９の接続個所にＴ管継手２０を用い、同様に循環用還管路８と分岐用還管路１０の接続個所に別のＴ管継手２１を用い、これらＴ管継手２０，２１をニップル２２でつなぎ、循環用還管路８の一部とする。

このように、熱媒体循環ポンプ１３が発生する圧送水が、配管抵抗や機器圧損で圧を減じながら循環用還管路８にも圧をかけるが、分岐用往管路９の接続個所と分岐用還管路１０の接続個所が、Ｔ管継手２０，２１の間隔を短くしてあり、その間の循環用還管路８側の配管抵抗がごくわずかなので、分岐用往管路９、熱交換器４、及び分岐用還管路１０からなる熱回収系統の入口と出口の圧力差が小さい。

分岐用往管路９の熱交換器４に近い個所には入口側温度計１５が組み込まれ、分岐用還管路１０の熱交換器４に近い個所には出口側温度計１６が組み込まれている。

演算器１７は、入口側温度計１５により得た熱媒体温度Ｔ２、出口側温度計１６により得た熱媒体温度Ｔ１、及び熱媒体分流ポンプ１４の駆動周波数ｆを媒介変数として、下記の式に基づき熱量を算出する。
熱量＝流量×（Ｔ２−Ｔ１）×密度×比熱
流量＝ｋ×ｆ
ｋ＝定数
定数ｋは、予め着脱可能な流量計（図示せず）を用いて、少なくとも１点の周波数と流量から算定する。

図３に示すように、熱媒体分流ポンプ１４の吐出流量の実測値はモータ回転数に比例し、モータ回転数は駆動周波数ｆで定まるので（例えば、空気調和・衛生工学便覧、第１３版、汎用機器・空調機器篇、ｐ１４参照）、流量計を別途に設けなくても、熱媒体分流ポンプ１４の吐出流量を検知することができる。

熱回収往管路１１の熱交換器４に近い個所には出口側温度計１８が組み込まれている。

温度調節器１９は、出口側温度計１８により得た熱媒体実温度と、予め設定されている熱媒体目標温度とを対比し、偏差が発現しないようにＰＩＤ制御によって熱媒体分流ポンプ１４のモータ回転数を制御する機能を具備している。

冷凍機１の二次流路出口は冷房負荷２４の熱媒体入口に、往ヘッダ２５及びポンプ２６を介して接続され、冷凍機１の二次流体入口は同じ冷房負荷２４の熱媒体出口に、ポンプ２７及び還ヘッダ２８を介して接続されている。、

また、熱回収往管路１１の下流端は暖房負荷２９の熱媒体入口に、往ヘッダ３０及びポンプ３１を介して接続され、熱回収還管路１２の上流端は同じ暖房負荷２９の熱媒体出口に、ポンプ３２及び還ヘッダ３３を介して接続されている。ここで暖房負荷２９は、例えば、事務所ビルにおいて近年のＯＡ機器などの内部負荷増大により年中インテリア側冷房負荷が存在する場合の、中間期から冬期のペリメータ側暖房負荷に対応する予熱コイルが受け持つ負荷であったり、あるいは工場のような年中冷房負荷のある場合の、中間期から冬期の外気調和機における予熱コイルが受け持つ負荷であったりする。

冷却系統から熱回収をせずに熱媒体循環させて冷凍機１だけを使う場合は、熱媒体分流ポンプ１４を停止させておき、熱媒体循環ポンプ１３を運転する。

前述したように熱回収系統の入口と出口の循環用還管路８上の圧力差が小さく、且つ熱回収系統の分岐用往管路９から分岐用還管路１０までの分岐側管路抵抗が大きいため、熱媒体である水は循環用還管路８から分岐用往管路９へ流れ込むことはない。

よって、熱媒体循環ポンプ１３のモータ回転数に比例した量の水が、冷凍機１、循環用還管路８、冷却塔２、及び循環用往管路７からなる冷却系統に流れることになる。

しかも、循環用還管路８にバルブなどの流路抵抗となるものが組み込まれていないので、その分だけ熱媒体循環ポンプ１３の消費電力を節約できる。例えば、循環用往管路７の冷凍機１の入口水温を計測して設定値以下の水温になったら、熱媒体循環ポンプ１３を回転数制御することで、更に消費電力を節約できる。

熱回収を並行して行うときには、熱媒体循環ポンプ１３とともに熱媒体分流ポンプ１４を運転すると、分岐用往管路９、熱交換器４、及び分岐用還管路１０からなる熱回収系統に、熱媒体分流ポンプ１４のモータ回転数に比例した量の水が流れることになる。

ここで状況に応じて、つまり出口側温度計の１６の計測値が熱媒体目標温度に近付いて、熱媒体分流ポンプ１４のモータ回転数を下げ、熱回収系統を流れる水の量を減らしたとしても、熱回収系統と冷却系統の接続点間の循環用還り管路８上の圧力変化が微小であり、前記冷却系統に影響を与えないため、熱媒体循環ポンプ１３の流量が抑えられることはない。

よって、冷凍機１、循環用還管路８、冷却塔２、及び循環用往管路７からなる冷却系統と、分岐用往管路９、熱交換器４、及び分岐用還管路１０からなる熱回収系統の相互の独立性を確保できる。

なお、本発明の熱媒体配管システムは、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。

本発明の熱媒体配管システムの一例を示す概念図である。 循環用還管路に対する分岐用往管路及び分岐用還管路の接続個所の部分図である。 熱媒体分流ポンプの吐出流量と駆動周波数の関係を示す線図である。 従来の熱媒体配管システムの一例を示す概念図である。

符号の説明

１ 冷凍機
２ 冷却塔
４ 熱交換器
７ 循環用往管路
８ 循環用還管路
９ 分岐用往管路
１０ 分岐用還管路
１３ 熱媒体循環ポンプ
１４ 熱媒体分流ポンプ
１５ 入口側温度計
１６ 出口側温度計
１７ 演算器
２３ 流量調整バルブ
２４ 冷房負荷
２５ 往ヘッダ
２６ ポンプ
２７ ポンプ
２８ 還ヘッダ
２９ 暖房負荷
３０ 往ヘッダ
３１ ポンプ
３２ ポンプ
３３ 還ヘッダ

Claims (3)

1. 冷凍機と、冷却塔と、熱媒体循環ポンプと、熱媒体を冷却塔から冷凍機へ送給する循環用往管路と、熱媒体を冷凍機から冷却塔へ送給する循環用還管路と、
   熱交換器と、インバータモータ駆動である熱媒体分流ポンプと、熱交換器の一次流路入口に下流端が連なる分岐用往管路と、熱交換器の一次流路出口に上流端が連なる分岐用還管路とを備え、
   循環用往管路には熱媒体循環ポンプが組み込まれ、分岐用往管路には熱媒体分流ポンプが組み込まれており、
   分岐用往管路の上流端と前記分岐用還管路の下流端を、これらが近接して並ぶように循環用還管路に接続し、且つ、前記分岐用往管路の上流端と前記分岐用還管路の下流端との間の循環用還管路にはバルブである流体機器を組み込まない
   ことを特徴とする熱媒体配管システム。
2. 熱媒体循環ポンプをインバータモータ駆動とした請求項１記載の熱媒体配管システム。
3. 分岐用往管路に組み込んだ入口側温度計と、分岐用還管路に組み込んだ出口側温度計と、これら温度計により得られた熱媒体の温度、及びインバータモータ駆動である熱媒体分流ポンプの駆動周波数に基づき、熱交換器の回収熱量を算出する演算器とを備えた
   請求項１記載の熱媒体配管システム。

Images