JP4885901B2 - 流量制御システム - Google Patents

Description

この発明は、流路を流れる流体の流量を制御する流量制御システムに関するものである。

従来より、この種の流量制御システムとして、空調機への熱媒体（冷温水）の流量を制御する空調制御システムがある（例えば、特許文献１，２参照）。この空調制御システムを構築する際には、空調機からの調和空気を供給する制御対象エリアにおける空調負荷の最大量（最大空調負荷）を見積もり、この最大空調負荷を解消可能な設備として、例えば、熱源装置、空調機、熱源装置から空調機への冷温水の供給量を制御する流量制御バルブなどを選定する必要がある。

ここで、最大空調負荷に見合った能力を設計能力として選定すると、空調制御システムを構築した後で性能検証した場合に最大能力が必要な設計能力を下回ってしまったり、あるいは空調制御システムの運用後に、制御対象エリアの空調負荷が増大して設計時の最大空調負荷を上回るなどの問題が生じる虞れがある。そこで、通常、安全を考慮して、必要とする設計能力よりも多少余裕を持たせた最大能力を有する設備を選定している。

特開平１１−２１１１９１号公報 特開平０６−２７２９３５号公報

しかしながら、上述した従来の空調制御システムでは、必要とする設計能力よりも多少余裕を持たせた最大能力を有する設備を選定しているため、エネルギー効率の面での問題があった。例えば、流量制御バルブの能力に余裕を持たせると、この流量制御バルブを開度制御するようにした場合、全開で設計流量よりも多い最大流量が流れることになり、エネルギーが無駄に消費されるという問題が生じる。従来においては、このようなエネルギーの無駄を定量的に知る手段が無く、エネルギー効率の面での問題の有無を判断することができず、省エネルギーへの取り組みを妨げていた。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エネルギー効率の面での問題の有無を定量的に判断させたり、省エネルギーへの取り組みを活発化させたりすることが可能な流量制御システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、流体が流れる流路の開閉量を調節する弁体と、この弁体の開度が最大の時に流路を流れる流体の流量よりも小さな値として定められた運用上の設計流量を記憶する設計流量記憶手段と、流路を流れる流体の実流量を計測する実流量計測手段と、この実流量計測手段によって計測された実流量と設計流量記憶手段に記憶されている設計流量とを比較し、実流量が設計流量を超えている期間を実流量の超過期間とし、この超過期間毎の設計流量からの実流量の超過分を積算する超過流量積算手段とを設けたものである。

この発明によれば、管路を流れる流体の実流量が計測され、この流路を流れる流体の実流量が設計流量を超えている超過期間毎の設計流量からの実流量の超過分が積算される。本発明では、この超過流量の積算値を参照することにより、システムがどの程度設計どおり運用されているのか、どの程度設計から外れて運用されているのかなどを定量的に知ることができる。また、超過流量の積算値を解析することで、システムがどの程度エネルギーを無駄にしているのか、異常が起きていないかどうかなどを検証することができる。

本発明において、実流量が設計流量を超える毎に、その実流量が設計流量を超えている間の設計流量からの実流量の超過分を連続超過流量として積算し、この連続超過流量の積算値が予め定められている閾値を超えたときに警報を出力すると、超過流量の異常状態の発生を直ちに確認することができ、その対策を早急にとることが可能となる。また、この場合、出力された警報を受けて、弁体の開度を強制的に閉方向に変更し、流路を流れる流体の流量を絞るようにすれば（例えば、設計流量まで絞る）、異常状態を脱するとともに、省エネルギーを図ることが可能となる。

なお、本発明の流量制御システムは、流体の流量を弁体を用いて制御するシステムであればよく、空調機へ供給する熱媒体の流量を制御する空調制御システムへの適用に限られるものではない。空調制御システムへ本発明を適用することにより、空調制御システムの運用にあたって、エネルギーの無駄や異常な超過流量が発生していることを知らせたり、異常な超過流量を防ぐことが可能となり、空調制御システムの保全に役立つものとなる。

また、空調制御システムへ適用する場合、冷水用の設計流量と温水用の設計流量とを設計流量記憶手段に記憶させておき、空調機を用いての冷房時には冷水用の設計流量を設計流量として選択して使用し、空調機を用いての暖房時には温水用の設計流量を設計流量として選択して使用するとよい。冷房と暖房とでは設計流量が異なる場合があり、設計流量を冷水用の設計流量と温水用の設計流量の２種類設けて選択可能とすることにより、冷房時も暖房時も適切に超過流量の監視・警報・対応が可能となる。

本発明によれば、管路を流れる流体の実流量を計測し、この流路を流れる流体の実流量が設計流量を超えている超過期間毎の設計流量からの実流量の超過分を積算するようにしたので、この超過流量の積算値を参照することにより、システムがどの程度設計どおり運用されているのか、どの程度設計から外れて運用されているのかなどを定量的に知ることが可能となる。また、超過流量の積算値を解析することで、システムがどの程度エネルギーを無駄にしているのか、異常が起きていないかどうかなどを検証することも可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係る流量制御システムが適用された空調制御システムの一例を示す計装図である。

図１において、１は冷温水を生成する熱源機、２は熱源機１が生成する冷温水を搬送するポンプ、３は複数の熱源機１からの冷温水を混合する往ヘッダ、４は往水管路、５は往ヘッダ３から往水管路４を介して送られてくる冷温水の供給を受ける空調機、６は還水管路、７は空調機５において熱交換され還水管路６を介して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、８は往ヘッダ３から空調機５に供給される冷温水の流量を制御する流量制御バルブ、９は空調機５から送り出される給気の温度を計測する給気温度センサ、１０は空調制御装置、１１は空調機５のコイル、１２は送風機である。

この空調制御システムにおいて、ポンプ２より圧送され熱源機１により熱量が付加された冷温水は、往ヘッダ３において混合され、往水管路４を介して空調機５へ供給され、空調機５を通過して還水管路６により還水として還ヘッダ７へ至り、再びポンプ２によって圧送され、以上の経路を循環する。例えば、冷房運転の場合、熱源機１では冷水が生成され、この冷水が循環する。暖房運転の場合、熱源機１では温水が生成され、この温水が循環する。

空調機５は、制御対象エリアから空調制御システムに戻る空気（還気）と外気との混合気を、冷温水が通過するコイル１１によって冷却または加熱し、この冷却または加熱された空気を給気として送風機１２を介して制御対象エリアに送り込む。空調機５は、冷房運転と暖房運転で共通のコイル１１を用いるシングルタイプの空調機である。

図２はこの空調制御システムにおける流量制御バルブ８の要部を示す図である。流量制御バルブ８は、空調機５を通過した冷温水が流入する流路を形成する管路１３と、この管路１３を流れる流体の流量（流路の開閉量）を調節する弁体１４と、この弁体１４を駆動するモータ１５と、弁体１４の実開度を弁開度θｐｖとして検出する弁開度検出器１６と、表示部１７と、空調制御装置１０や監視装置（図示せず）との間の通信を仲介する通信インタフェース１８，１９と、設計流量記憶部２０と、超過流量積算値記憶部２１と、異常閾値記憶部２２と、管路１３内における弁体１４の上流側の流体の圧力を１次圧力Ｐ１として検出する１次側圧力センサ２３と、管路１３内における弁体１４の下流側の流体の圧力を２次圧力Ｐ２として検出する２次側圧力センサ２４と、処理部２５とを備えている。

処理部２５は、バルブ制御部２５Ａと、実流量計測部２５Ｂと、設計流量超過通知部２５Ｃと、超過流量積算部２５Ｄと、連続超過流量積算部２５Ｅと、連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆと、設計流量読出部２５Ｇとを備えている。この処理部２５におけるバルブ制御部２５Ａ、実流量計測部２５Ｂ、設計流量超過通知部２５Ｃ、超過流量積算部２５Ｄ、連続超過流量積算部２５Ｅ、連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆ、設計流量読出部２５Ｇはプログラムに従うＣＰＵの処理機能として実現される。

なお、この実施の形態において、設計流量記憶部２０には、運用上の設計流量として、冷水用の設計流量ＱＤＣと温水用の設計流量ＱＤＨが格納されている。この冷水用の設計流量ＱＤＣおよび温水用の設計流量ＱＤＨは弁体１４の開度が最大の時に管路１３を流れる流体の流量よりも小さな値として定められている。冷水用の設計流量ＱＤＣと温水用の設計流量ＱＤＨとは基本的には異なる値として定められるが、場合によっては、同じ値をとることもある。また、異常閾値記憶部２２には後述する連続超過流量の積算値ΣΔＱＣに対し、それが異常であるか否かを判定するための閾値が異常閾値Ｃｔｈとして格納されている。

以下、処理部２５における各部の機能を交えながら、この流量制御バルブ８における特徴的な処理動作について説明する。なお、この例では、冷房運転を行っており、空調制御装置１０より流量制御バルブ８へ冷房運転を行っていることを知らせるモード信号が与えられているものとする。また、制御対象エリアの温度を設定温度に保つべく、空調制御装置１０より制御設定指令値θｓｐ（弁開度の指令値（０〜１００％））が流量制御バルブ８へ与えられているものとする。

流量制御バルブ８において、空調制御装置１０からの冷房を知らせるモード信号は、通信インタフェース１８を介して設計流量読出部２５Ｇへ送られる。設計流量読出部２５Ｇは、空調制御装置１０からの冷房を知らせるモード信号を受けて、設計流量記憶部２０に格納されている冷水用の設計流量ＱＤＣを読み出し、設計流量ＱＤとして設計流量超過通知部２５Ｃ、超過流量積算部２５Ｄ、連続超過流量積算部２５Ｅへ与える。

流量制御バルブ８において、空調制御装置１０からの制御設定指令値θｓｐは、通信インタフェース１８を介してバルブ制御部２５Ａへ与えられる。バルブ制御部２５Ａは、空調制御装置１０からの制御設定指令値θｓｐを受けて、弁開度検出器１６からの弁体１４の実開度を示す弁開度θｐｖが制御設定指令値θｓｐに一致するように、モータ１５へ駆動指令を送り、弁体１４の開度を制御する。

この弁体１４の開度の制御中、実流量計測部２５Ｂは、１次側圧力センサ２３からの流体（冷水）の１次圧力Ｐ１と、２次側圧力センサ２４からの流体の２次圧力Ｐ２と、弁開度検出器１６からの弁開度θｐｖを入力とし、これらのパラメータから管路１３を流れている流体の実流量ＱＲを実流量の計測値として算出し、この算出した実流量ＱＲを設計流量超過通知部２５Ｃ、超過流量積算部２５Ｄ、連続超過流量積算部２５Ｅへ与える。

設計流量超過通知部２５Ｃは、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲと設計流量読出部２５Ｇからの設計流量ＱＤ（冷水用の設計流量ＱＤＣ）とを比較し、実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えると、実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えている間、超過流量積算部２５Ｄおよび連続超過流量積算部２５Ｅへ設計流量超過通知信号を送る。

超過流量積算部２５Ｄは、設計流量超過通知部２５Ｃより設計流量超過通知信号が送られてくると、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲと設計流量読出部２５Ｇからの設計流量ＱＤとの差（設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分）を超過流量ΔＱとして求め、この超過流量ΔＱを積算して行く。超過流量積算部２５Ｄは、この超過流量ΔＱの積算を設計流量超過通知信号が生じている全期間を対象として行う。

これにより、図３に示すように、実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えている期間を実流量の超過期間Ｔとし、この超過期間Ｔ毎の設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分が積算され、この超過期間Ｔ毎の設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分ΔＱの積算値が超過流量の積算値ΣΔＱとして求められる。この超過流量積算部２５Ｄにより求められる刻々の超過流量の積算値ΣΔＱは超過流量積算値記憶部２１に記憶される。また、超過流量積算値記憶部２１に記憶された超過流量の積算値ΣΔＱは、表示部１７に表示されるとともに、通信インタフェース１９を介して空調制御装置１０や監視装置へ出力される。

連続超過流量積算部２５Ｅは、設計流量超過通知部２５Ｃより設計流量超過通知信号が送られてくると、実流量計測部２５Ｂからの実流量ＱＲと設計流量読出部２５Ｇからの設計流量ＱＤとの差（設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分）を超過流量ΔＱＣとして求め、この超過流量ΔＱＣを積算して行く。連続超過流量積算部２５Ｅは、この超過流量ΔＱＣの積算を設計流量超過通知信号が生じている期間毎に行う。

これにより、図４に示すように、実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えている期間を実流量の超過期間Ｔとし、この超過期間Ｔ毎に設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分ΔＱＣの積算値が連続超過流量の積算値ΣΔＱＣとして求められる。この場合、新たな超過期間Ｔに入る毎に、それまでの連続超過流量の積算値ΣΔＱＣは零に戻され、連続超過流量の零からの積算が開始される。この連続超過流量積算部２５Ｅにより求められる刻々の連続超過流量の積算値ΣΔＱＣは連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆに送られる。

連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆは、連続超過流量積算部２５Ｅからの連続超過流量の積算値ΣΔＱＣを監視し、この連続超過流量の積算値ΣΔＱＣが異常閾値記憶部２２に格納されている異常閾値Ｃｔｈを超えると、警報を出力する。この連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆからの警報は、表示部１７およびバルブ制御部２５Ａへ与えられるとともに、通信インタフェース１９を介して空調制御装置１０や監視装置へ出力される。

この場合、表示部１７には、超過流量の異常状態の発生が表示される。また、バルブ制御部２５Ａは、連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆからの警報を受けて、実流量計測部２５における実流量ＱＲおよび設計流量読出部２５Ｇにおける設計流量ＱＤを取得し、実流量ＱＲが設計流量ＱＤとなるように、弁体１４の開度を強制的に閉方向に変更する。なお、連続超過流量の積算値ΣΔＱＣが異常閾値Ｃｔｈを下回れば、連続超過流量積算値異常警報部２５Ｆからの警報の出力が解除される。この場合、バルブ制御部２５Ａにおける制御は、空調制御装置１０からの制御設定指令値θｓｐに従う開度制御に戻る。

以上の説明から分かるように、本実施の形態によれば、管路１３を流れる流体の実流量ＱＲを計測し、この管路１３を流れる流体の実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えている超過期間Ｔ毎の設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分ΔＱを積算し、この超過流量の積算値ΣΔＱを表示部１７に表示したり、空調制御装置１０や監視装置に送るようにしたので、超過流量の積算値ΣΔＱを参照することにより、システムがどの程度設計どおり運用されているのか、どの程度設計から外れて運用されているのかなどを定量的に知ることができるようになる。また、超過流量の積算値ΣΔＱを解析することで、システムがどの程度エネルギーを無駄にしているのか、異常が起きていないかどうかなどを検証することができるようになる。

また、本実施の形態によれば、実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超える毎に、その実流量ＱＲが設計流量ＱＤを超えている間の設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分ΔＱＣを連続超過流量として積算し、この連続超過流量の積算値ΣΔＱＣが異常閾値Ｃｔｈを超えたときに警報を出力し、その旨を表示部１７に表示したり、空調制御装置１０や監視装置に送るようにしたので、超過流量の異常状態の発生を直ちに確認することができ、その対策を早急にとることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、連続超過流量の積算値ΣΔＱＣが異常閾値Ｃｔｈを超えたときに警報を出力し、弁体１４の開度を強制的に閉方向に変更して、管路１３を流れる流体の流量を設計流量ＱＤまで絞るようにしたので、異常状態を脱するとともに、省エネルギーを図ることが可能となる。

なお、上述においては、空調制御装置１０より流量制御バルブ８へ冷房を知らせるモード信号が与えられていることを前提としたが、空調制御装置１０より流量制御バルブ８へ暖房を知らせるモード信号が与えられている場合も、同様の処理動作が行われる。この場合、設計流量読出部２５Ｇが設計流量記憶部２０に格納されている温水用の設計流量ＱＤＨを読み出し、設計流量ＱＤとして設計流量超過通知部２５Ｃ、超過流量積算部２５Ｄ、連続超過流量積算部２５Ｅへ与える。

また、上述した実施の形態では、空調制御装置１０から流量制御バルブ８へ冷房／暖房を知らせるモード信号を与えるようにしたが、管路１３内の流体の温度を検出し、この温度から流量制御バルブ８において冷房／暖房の判断を行わせるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、連続超過流量の積算値ΣΔＱＣが異常閾値Ｃｔｈを超えた場合、弁体１４の開度を強制的に閉方向に変更して、管路１３を流れる流体の流量を設計流量ＱＤまで絞るようにしたが、必ずしも設計流量ＱＤまで絞らなくてもよく、例えば弁体１４の開度を所定開度分だけ閉じるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、バルブ制御部２５Ａによって弁体１４の開度制御を行うようにしたが、実流量計測部２５Ｂによって計測される実流量ＱＲに基づいて流量制御を行うようにしてもよい。この場合、制御設定指令値θｓｐは弁開度の指令値ではなく、流量の指令値（０〜１００％）で空調制御装置１０から送られ、この制御設定指令値θｓｐに一致するように流量制御が行われるが、この場合にも設計流量ＱＤからの実流量ＱＲの超過分が積算されるものとなり、同様の効果を得ることが可能である。

本発明に係る流量制御システムが適用された空調制御システムの一例を示す計装図である。 この空調制御システムにおいて使用する流量制御バルブの要部を示す図である。 この流量制御バルブの超過流量積算部において超過流量が積算されて行く様子を説明する図である。 この流量制御バルブの連続超過流量積算部において連続超過流量が積算されて行く様子を説明する図である。

符号の説明

１…熱源機、２…ポンプ、３…往ヘッダ、４…往水管路、５…空調機、６…還水管路、７…還ヘッダ、８…流量制御バルブ、９…給気温度センサ、１０…空調制御装置、１１…コイル、１２…送風機、１３…管路、１４…弁体、１５…モータ、１６…弁開度検出器、１７…表示部、１８，１９…通信インタフェース、２０…設計流量記憶部、２１…超過流量積算値記憶部、２２…異常閾値記憶部、２３…１次側圧力センサ、２４…２次側圧力センサ、２５…処理部、２５Ａ…バルブ制御部、２５Ｂ…実流量計測部、２５Ｃ…設計流量超過通知部、２５Ｄ…超過流量積算部、２５Ｅ…連続超過流量積算部、２５Ｆ…連続超過流量積算値異常警報部、２５Ｇ… 設計流量読出部。

Claims (5)

1. 流体が流れる流路の開閉量を調節する弁体と、
   この弁体の開度が最大の時に前記流路を流れる流体の流量よりも小さな値として定められた運用上の設計流量を記憶する設計流量記憶手段と、
   前記流路を流れる流体の実流量を計測する実流量計測手段と、
   この実流量計測手段によって計測された実流量と前記設計流量記憶手段に記憶されている設計流量とを比較し、実流量が設計流量を超えている期間を実流量の超過期間とし、この超過期間毎の設計流量からの実流量の超過分を積算する超過流量積算手段と
   を備えることを特徴とする流量制御システム。
2. 請求項１に記載された流量制御システムにおいて、
   前記実流量計測手段によって計測された実流量が前記設計流量記憶手段に記憶されている設計流量を超える毎に、その実流量が設計流量を超えている間の設計流量からの実流量の超過分を連続超過流量として積算し、この連続超過流量の積算値が予め定められている閾値を超えたときに警報を出力する警報出力手段を
   備えることを特徴とする流量制御システム。
3. 請求項２に記載された流量制御システムにおいて、
   前記警報出力手段から出力された警報を受けて前記弁体の開度を強制的に閉方向に変更し前記流路を流れる流体の流量を絞る手段
   を備えることを特徴とする流量制御システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載された流量制御システムにおいて、
   前記弁体は、
   空調機への熱媒体の供給通路に設けられている
   ことを特徴とする流量制御システム。
5. 請求項４に記載された流量制御システムにおいて、
   前記設計流量記憶手段は、
   前記空調機を用いての冷房時に前記設計流量として選択される冷水用の設計流量と、前記空調機を用いての暖房時に前記設計流量として選択される温水用の設計流量とを記憶する
   ことを特徴とする流量制御システム。

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