JP4934349B2 - 氷蓄熱システムの運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、夜間に製氷し、昼間に解氷して冷熱源として利用する氷蓄熱システムの解氷運転と、解氷によらない冷熱供給装置としての冷凍機運転の運転制御方法に関する。

大規模商業施設において、近年一次エネルギー削減及びＣＯ２排出削減効果の高い氷蓄熱システムが導入される事例が多く見受けられる。氷蓄熱システムは深夜電力を利用して夜の間に氷を造り、昼間氷を融かしながら冷却をおこなう。この氷蓄熱システムでは、昼間の冷却必要熱量のある割合を氷蓄熱でまかない、不足分は追掛冷凍機で対応する設備が大部分を占める。ここで昼間の氷を融かしながら冷却を行う（以下放熱運転と呼ぶ）運転と追掛冷凍機の運転をどのように行うかかに課題がある。

上述したように、電力消費の少ない夜間電力を用いて製氷し、それを解かして冷房等に利用する氷蓄熱システムが利用されている。この氷蓄熱システムは、製氷を行う蓄熱運転と、蓄熱量を放熱する放熱運転で構成される。このような氷蓄熱システムは、夏の冷房負荷による偏った電力需要を平準化でき、電力プラントの抑制、空調設備の小型化が図れる。

従来、負荷の高い時期では、１日の前半に放熱運転をしすぎて、後半に氷が無くなり冷房能力不足に陥ることをおそれるあまり、氷蓄熱量の不足を補うために備わる追掛冷凍機を過剰に運転して氷が残ることがあった。また、負荷に応じて追掛冷凍機により追掛運転を行うとき、所定の能力を得る為に冷凍機が部分負荷運転を余儀なくされることがあった。追掛冷凍機は製氷冷凍機と兼用ができるブライン冷凍機であることが多い。

冷凍機は通常、定格運転が最高効率を示し、部分負荷運転を行うと効率が下がる傾向を示す。搬送動力低減の為にポンプのインバータ化、冷却水温度制御による効率ＵＰ等、従前の手法に加えて、さらにシステム全体の効率を向上させるには、冷凍機の最高効率となる負荷率での運転で冷房負荷に対応し、かつ製氷した氷は使い切ることが非常に有効である。

氷蓄熱システムが有する一般的特性は次のとおりである。製氷時の効率は気温が低下した夜間に定格運転されるため高い。昼間放熱において、瞬時の変化による効率の変化はブラインポンプ動力によるだけで非常に少ない。製氷量は有限であり、解氷速度と解氷時間の積分値はほぼ一定となる。製氷した氷から取出す温度が低くても製氷効率には影響を与えない。

氷蓄熱システムを用いない冷熱源においては、負荷変動に対して台数制御は行うが台数のステップの間部分は冷凍機の部分負荷運転にならざるを得ない。近年においては、部分負荷運転特性の優れたインバータ冷凍機が商品化されているのも実使用における部分負荷運転特性を向上させるためである。インバータ冷凍機は冷却水温度により最高ＣＯＰとなる部分負荷率が４０〜９０％位の範囲で変化し、逆に定速機は定格運転時に最高ＣＯＰとなる。以上のことより、部分負荷運転部分を氷蓄熱システムに分担させ冷凍機の運転は最高ＣＯＰとなる運転で台数制御をすることができれば非常に効率のよいシステムができることが予想できる。

氷蓄熱式空調システムの制御方法が特許文献１に開示されている。これは負荷の変動に応じてブライン循環流量を変動させることにより省エネをはかっているものである。冷凍機はインバータ制御が前提で、循環流量の低下に合わせ容量制御を行っているものである。特許文献１に記載の発明は、主として低負荷時の省エネ手法の一部であり、氷蓄熱システムと追掛冷凍機の総合的制御方法を開示するものではない。

氷蓄熱ユニットにおける負荷予測制御方法が特許文献２に開示されている。特許文献２には、課題に「従来技術では、正確な負荷予測をすることが難しくチラーの最適運転を行うことが、困難で空調終了までに蓄熱が足らなかったり、余ったりする傾向があった。」と記載され、解決手段として「前日の実負荷をもって当日の負荷を予測することで精度の高い制御が可能で蓄熱の有効利用とチラーの運転時間低減によるランニングコストの低減が可能である。」と記載されている。特許文献２は、当日の負荷の実績で冷凍機を制御し、かつ空調終了時に蓄熱が足らなかったり、余ることも防げるように予測する制御方法を提供するものである。しかし、前日と当日実負荷は天候祝祭日等で当然大きく変わることがある。また、特許文献２は本願発明が示すような、当日の実績で台数制御を行い、その結果が時間の経過とともに蓄積し、それが残蓄制御を行って、残蓄制御が実行させる直前までの実負荷が反映済みで予測を行い、極めて高い精度を実現するものではない。その上、その当日予測の係数に前日の負荷のパターンを考慮することによりさらに高精度な制御が行える自由度を持たせることはできない。

氷蓄熱式空調システムの制御方法が特許文献３に開示されている。これは蓄熱システムの蓄熱量を精度良く計測するための手段を開示しているもので本件の氷蓄熱システムと追掛冷凍機の総合的制御方法を開示するものではない。

氷蓄熱システムの解氷運転制御方法が特許文献４に開示されている。この解氷運転制御方法は、夜間電力を有効に利用するために、すべての氷を完全に解氷するための方法であり、蓄熱量は目標蓄熱量を与えられ、解氷運転はスケジュールに従って行っている。特許文献４は、放熱運転中に蓄熱減少量が少ない場合、すなわち氷蓄熱容量が余る場合に温度コントローラの制御温度を低下させ、冷水熱交換器の負荷側の冷水出口温度を低下させるものであり、主眼は完全解氷にあり、氷蓄熱システムと追掛冷凍機の総合的制御方法を開示するものではない。

氷蓄熱システムの解氷運転制御方法が特許文献５に開示されている。ここには台数制御の考え方が冷凍機、蓄熱槽、空調機の構成の中で開示されているが、外気温により単純に冷凍機の連続運転、間欠運転、解氷運転のみの３モードを切り換え制御しているもので、氷蓄熱システムと追掛冷凍機の総合的制御方法を開示するものではない。

特開２００１−２７４２９号公報 特開２０００−３３７６８３号公報 特開平１０−９６４２号公報 特開平９−２８７７９７号公報 特開平５−２６４９７号公報

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、氷蓄熱システムにおいて、負荷変動に対して最適な解氷運転、並びに効率の悪くなる追掛冷凍機の容量制御を伴わない恣意的な負荷一定運転が可能な氷蓄熱システムの運転制御方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、夜間の製氷によって冷熱を蓄積し、昼間の解氷によって発生する冷熱を利用する氷蓄熱システムの運転制御方法であって、上記解氷による冷熱の瞬時放熱量と、上記夜間に蓄積された残蓄熱量を指針として、上記解氷による冷熱量の不足を補うための追掛冷凍機の運転台数を変化させる第１の制御運転と、要求冷熱量を指針として、上記解氷による冷熱量の不足を補うための追掛冷凍機の運転台数を変化させる第２の制御運転とを組合わせ、上記第２の制御運転を常時行い、これ平行して、一定時間間隔で、上記第１の制御運転において、蓄熱槽の残蓄熱量を常に計算しながら、上記瞬時放熱量から運転終了時刻まで現在の放熱量があるパターンをもって継続すると予測し、運転終了時刻に残蓄量が０になるように追掛冷凍機の増段、減段の開始時刻を現在時刻より後の時刻で設定し、その時刻が来ると上記第２の制御運転に割り込んで、当該第１の制御運転の指令によって、上記増段、減段を実行することを特徴とする、氷蓄熱システムの運転制御方法を提供する。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記開始時刻は、上記追掛冷凍機の台数変化によって得られる冷却能力で運転を継続した場合における氷蓄熱の減少量が、上記残蓄熱量と整合するまでの時間を算出し、これを運転終了設定時刻から引き算して求めることを特徴としている。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、上記追掛冷凍機は、負荷の値を一定とした定格運転を行うことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、氷蓄熱システムと追掛冷凍機を組合わせた冷熱源システムにおいて、要求冷熱量により適切な台数の追掛冷凍機が運転され、かつ解氷による冷熱量の不足を補うための追掛冷凍機の運転台数を変化させることにより、製氷した氷をほぼ完全に使い切ることができ、全体のシステムとしての成績係数（ＣＯＰ）が高水準となる。また、要求冷熱量による追掛冷凍機の運転台数変化の判断基準値が、最適値から冷凍機の能力の経年変化、設定時の判断ミス等でずれたとしても、残りの蓄熱量より導かれた運転台数により自動的に補正することになり、多年にわたり高精度な制御が期待できる。また、瞬時放熱量が大きいことを積極的に制御ルーチンに取り入れ、立ち上げ時等の負荷急変動時も無用な増減段が起きない。

また、追掛冷凍機の運転台数を変化させる制御開始時刻を現在時刻より後の時刻に設定するため、氷使い切り制御が後詰め制御となる。このため、負荷の変動は吸収されやすく精度が高い。このようにすれば、追掛冷凍機の運転台数の変化、すなわち増減段実施までに負荷が変動してもそれは残蓄熱量に反映されるため、増減段開始時刻は精度が高い。また、増減段実施後に、予測以上に負荷が変動すればまたその変動が２回目の増減段実施につながるだけで残蓄熱量の制御は有効に行われる。

請求項２の発明によれば、残蓄熱量による残蓄制御と追掛冷凍機の台数制御を効率よく組み合わせることができる。

請求項３の発明によれば、追掛冷凍機は、負荷の値を一定とした定格運転を行うため、効率の悪くなる追掛冷凍機の容量制御を伴わない恣意的な負荷一定運転を行うこととなり、追掛冷凍機が高効率な負荷状況で運転するため、システムとしてのＣＯＰが向上する。

氷蓄熱システムを用いた冷熱源において、負荷変動に対して最適な解氷運転、並びに効率の悪くなる追掛冷凍機の容量制御を伴わない恣意的な負荷一定運転が可能な氷蓄熱システムの運転制御方法を提供する。追掛冷凍機の台数により設定した運転モードの移行を一定間隔で計算された次の二つの指標により行う。一つは冷熱源としての要求冷熱量（冷却負荷）であり、もう一つはその時刻における氷蓄熱システムの瞬時放熱量と残りの可能積分放熱量（残蓄量）より計算された増減段が必要な時刻である。

この発明は、冷熱源システムとして、氷蓄熱槽と追掛用冷凍機の組合せにおける制御方法である。すなわち、冷却負荷の変動に対し、追掛用冷凍機の運転停止を制御（台数制御と呼ぶ）し、かつ同時にその時点での冷却負荷、追掛用冷凍機の運転状況と氷蓄熱槽の残量（残蓄熱量）により、氷蓄熱槽の残量が運転終了時に最適（完全に使い切る事）になるように追掛用冷凍機の運転停止時刻を予測し、その時刻に達すると実行する制御（残蓄制御と呼ぶ）である。

上述した台数制御は次の制御とする。氷蓄熱槽の放熱を第一優先で運転し、負荷が増大するとその負荷により追掛用冷凍機が１台運転、２台運転、ｎ台運転と台数を増して運転を行う。反対に負荷が減少するとｎ台運転の冷凍機が（ｎ−１）台運転、・・・１台運転、と追掛け運転台数が減少し、最後は氷蓄熱槽による放熱運転のみになる。前者を増段、後者を減段と呼ぶ。

増段、減段にはインバータ冷凍機のように恣意的に高効率運転ができるあらかじめ方向付けされた能力で運転されていた状態からそれを解除することにより能力変更がおきる場合、その他冷却能力を恣意的に制御した場合も含み追掛用冷凍機は原則固定能力（冷却能力を恣意的に制御した場合も含む）で運転する。

上述した残蓄制御は次の制御とする。氷蓄熱槽の初期蓄熱量をＴＱ（ブライン流量と温度差から算定、蓄熱槽効率や放熱量を考慮）、運転開始時刻をｔｓ、ある時刻ｔにおける放熱量をＱｔ（冷水量と温度差から算定）、運転終了設定時刻をｔｅとする。また時刻ｔにおける増段による冷凍能力の増加分をＲＵ、減段による減少分をＲＤとする。時刻ｔにおける残蓄熱量（ＲＱ）は以下の式により表される。

ＲＱ＞Ｑｔ×（ｔｅ−ｔ）の時は以下の（ｉ）の式で示す時刻で減段し、ＲＱ＜Ｑｔ×（ｔｅ−ｔ）の時は（ｉｉ）の式で示す時刻で増段する。

すなわち、運転中における任意時刻ｔの残蓄熱量ＲＱが、このままの状態で冷却を行った場合における運転終了設定時刻ｔｅまでの消費予定蓄熱量と比較する。残蓄熱量ＲＱが消費予定蓄熱量と整合しない場合、追掛冷凍機を増段あるいは減段させたときの冷却能力を算出する。当該冷却能力で運転を継続した場合における氷蓄熱の減少量が、残蓄熱量ＲＱと整合するまでの時間を算出し、これを運転終了設定時刻ｔｅから引き算する。これにより、演算により求めた台数制御をいつから行えば残蓄熱量を有効に利用できるかを求めることができる。

この制御は継続してまたは間隔をおいて行われる。なお運転データ実績等でＱｔに係数を乗じることで負荷の急変による増減段の回数を減らすことができる。

制御の時間的流れは次の通りである。運転開始時は負荷により氷蓄熱槽の放熱を第一優先で最適な台数制御を行う。立上運転が終了すると残蓄制御を開始する。蓄熱槽の残蓄熱量を常に計算しながら運転終了時刻まで現在の放熱量があるパターンをもって継続すると予測し、運転終了時刻に残蓄量が０になるように増段、減段の時刻を計算し、その時刻がくると実行する。あるパターンとは負荷の減少等変化を予測し、任意に定めるもの、計算によるものを含む。上記の計算例では変化なしとしている。

図１は本発明に係る氷蓄熱システムを構成する機器の全体構成図である。
図示したように、本発明に係る氷蓄熱システムを構成する機器は、ブライン冷凍機１と、氷蓄熱槽２と、冷却塔３と、熱交換器４と、インバータ冷凍機６で構成される。ブライン冷凍機１と氷蓄熱槽２、及び熱交換器４はブラインが循環する配管７で接続される。インバータ冷凍機６は、空調機等の二次側熱負荷源からの冷水還り流路１０に接続される。冷却塔３とブライン冷凍機１又はインバータ冷凍機６は冷却水配管９で接続される。１１は流量計である。

図１の場合、次の４つのモードで増減段を制御することになる。
（１）氷蓄熱槽の放熱運転のみの場合（冷房１モードと呼ぶ）
（２）放熱とインバータ冷凍機６が追掛冷凍機となっている場合（冷房２モードと呼ぶ）
（３）放熱とインバータ冷凍機６とブライン冷凍機１の１台が追掛冷凍機となっている場合（冷房３モードと呼ぶ）
（４）放熱とインバータ冷凍機６とブライン冷凍機１の２台が追掛冷凍機となっている場合（冷房４モードと呼ぶ）

第一優先で冷房１モードで運転し、負荷が増大すると冷房２モード、冷房３モード、冷房４モードと順番に増段し、負荷が減少すると冷房４モード、冷房３モード、冷房２モードと順番に減段し、最小は冷房１モードとなる。

インバータ冷凍機６には冷却水温度により、５段階の出力で運転されるＣＯＰ優先運転と定格運転の２つのモードを設定している。増段の場合はＣＯＰ優先運転から定格運転へ切り替わり、さらに増段要求がある場合はブライン冷凍機の増段が行われる。

図１の運転がどのように行われるか順を追って述べる。
このような氷蓄熱システムを構成する機器を用いた蓄熱運転は以下のように行われる。ブライン冷凍機１により冷却されたブラインは、氷蓄熱槽２内の水を冷やして製氷する。製氷により温度が上昇したブラインは再びブライン冷凍機１内で冷却される。ブラインの循環は、図において、バルブａ〜ｉのうち、ａ、ｂ、ｆ、ｈのみを開放してブラインポンプ５によりブラインを流通させて行われる。ブライン冷凍機１での冷却には、冷却塔３とブライン冷凍機１を冷却水ポンプ８により循環する冷却水も利用される。この蓄熱運転は夜間電力を利用して行われ、夜間は外気温や湿球温度が低いため、冷却塔３による冷却も効率よく行うことができる。なお、図では２台のブライン冷凍機１、及び５個の氷蓄熱槽２を示したが、この台数に制限はない。

昼間等、空調機等を作動させる時刻になると、冷水二次ポンプ１２が運転され冷房負荷がかかるため、放熱運転が開始される。冷房１モード時には、ブライン冷凍機は使用せず、氷蓄熱槽２に蓄熱された熱容量によりブラインを冷却する。冷却されたブラインは熱交換器４内を通過する。熱交換器４の通過時に、負荷側からの還り流路１０からの冷水を冷却する。還り流路１０内の冷水は、ポンプ１２によって流通する。冷水が還ってくる熱交換器４により温度が上昇したブラインは氷蓄熱槽２の氷蓄熱容量を利用して冷却される。これにより氷蓄熱槽２は解氷される。このときのブラインの循環は、図において、バルブａ〜ｉのうち、ｄは開放され、ｃ、ｅ、ｆ、ｉ、ｇ、ｈは制御出力により適度な開度状態を保持する。

冷房負荷が増大し、二次側負荷熱量が設定値以上になると冷房１モードから冷房２モードに増段し、インバータ冷凍機６が運転される。同時に、関連補機である冷水一次ポンプ１３、冷却水ポンプ８、冷却塔３が運転され、負荷側からの還り流路１０内の冷水を冷却する。そこでインバータ冷凍機６の能力分冷却された冷水は熱交換器４で不足分を氷蓄熱の解氷により、冷却される。インバータ冷凍機６は冷却水温度により最適な負荷率で運転される。（ＣＯＰ優先運転と呼ぶ）

冷房２モード運転中に冷房負荷がさらに増大し、熱交換器４の負荷熱量が設定値以上になるとインバータ冷凍機６はＣＯＰ優先運転が解除され定格運転される。

冷房負荷がさらに増大し、熱交換器４の負荷熱量が設定値以上になると冷房２モードから冷房３モードに増段し、ブライン冷凍機１が１台運転され、同時に関連補機である、冷却水ポンプ８、冷却塔３が運転され、ブライン系統の冷却能力が氷蓄熱の解氷とブライン冷凍機の追掛能力の合算になり増大する。この際、ブライン冷凍機は熱交換器から温度が上昇したブラインを冷却する定格運転が行われ、その下流で必要分の冷却を放熱運転で制御する。インバータ冷凍機６は定格運転が解除されＣＯＰ優先運転される。

冷房３モード運転中に冷房負荷がさらに増大し、熱交換器４の負荷熱量が設定値以上になるとインバータ冷凍機６はＣＯＰ優先運転が解除され定格運転される。

冷房負荷がさらに増大し、熱交換器４の負荷熱量が設定値以上になると冷房３モードから冷房４モードに増段し、ブライン冷凍機１が２台運転され、同時に関連補機である、冷却水ポンプ８、冷却塔３が運転され、ブライン系統の冷却能力が氷蓄熱の解氷と２台のブライン冷凍機１の追掛能力の合算になり増大する。この際、ブライン冷凍機１は熱交換器から温度が上昇したブラインを冷却する定格運転が行われ、その下流で必要分の冷却を放熱運転で制御する。インバータ冷凍機６は定格運転が解除されＣＯＰ優先運転される。

冷房４モード運転中に冷房負荷がさらに増大し、熱交換器４の負荷熱量が設定値以上になるとインバータ冷凍機６はＣＯＰ優先運転が解除され定格運転される。この状態が最大冷却能力となる。

以上冷房負荷が増大した場合の増段を述べたが、冷房負荷が減少した場合はこれとは逆に減段となる。

放熱運転時、冷房１〜４モードのいずれかで運転している。蓄熱が完了して放熱運転が開始されるとき初期蓄熱量を定めると同時に蓄熱槽からの放熱量を計測開始し、積算放熱量を求め初期蓄熱量から引き算することにより求まる各時刻における残蓄熱量が、同時刻の放熱量が空調終了時まで続いたとしたら、過剰であれば何時に減段すれば目標値になるか、不足であれば何時に増段すれば目標値になるかを常に計算し、増減段の時刻に達したら増減段を実施する。このようにすれば増減段実施までに負荷が変動してもそれは残蓄熱量に反映されるため、増減段実施時刻は精度が高い。増減段実施後に、予測以上に負荷が変動すればまたその変動が２回目の増減段実施につながるだけで残蓄熱量の制御は有効に行われる。

増減段が運転終了時に残る氷蓄熱量をほぼ０にするのにどのように有効であるか。図１でわかるように一番温度の高い二次側からの還り流路１０を最上流、熱交換器を通り供給される冷水を最下流とするとこの差が負荷である。この冷水に冷熱を与える要素はインバータ冷凍機６、ブライン冷凍機３、蓄熱槽２の順番になる。冷水の負荷は変更できない量である。蓄熱槽の放熱量を調整するには上流の冷凍機の能力を変化させればよい。その変化を連続運転で容量を変化させるか、運転時間で変化させるかの選択肢がある。本発明は効率の悪くなる追掛冷凍機の容量制御を伴わない恣意的な負荷一定運転が可能な氷蓄熱システムの運転制御方法の提供を目的としているため運転時間で変化させる選択肢を採っている。

放熱運転が終了し、夜間になると再び蓄熱運転を開始する。このとき、夜間においても空調機等を使用する場合、インバータ冷凍機６を稼働させて還り冷水を冷却する。これにより、夜間の氷蓄熱運転による製氷作業を妨げることなく冷水を冷却することができる。

図２は本発明に係る氷蓄熱システムの制御方法のフローチャート図である。なお、蓄熱運転のフローは直接関連しないので省いてある。

ステップＳ１：
スタート状態を表す。蓄熱運転が完了し、氷蓄熱槽が初期蓄熱量ＴＱを得た状態である。
ステップＳ２：
運転指令により解氷運転を開始する。
ステップＳ３：
負荷熱量（要求冷熱量）による追掛冷凍機の台数制御を開始する。ステップＳ２〜ステップＳ３の運転を第２の制御運転という。要求冷熱量とは、二次側で必要としている冷熱量のことである。

ステップＳ４：
ステップＳ３で増減段の制御出力に対して台数制御を実行する。このとき、後述するステップＳ１２による増段がでれば、ステップＳ３で増段の指令が無くとも増段を割込み実施する。また、後述するステップＳ１３による減段がでれば、ステップＳ３で減段の指令が無くとも減段を割込み実施する。
ステップＳ５：
放熱運転終了時刻に到達したか否かを判断する。まだの場合、ステップＳ３へ戻る。
ステップＳ６：
ステップＳ５において運転終了時刻に到達した場合、解氷運転を終了する。これと同時に、後述するステップＳ７〜Ｓ１５の制御も終了する。

ステップＳ７：
ステップＳ１のスタートと同時に解氷による瞬時放熱量Ｑｔと積算放熱量ΣＱｔを計測開始する。瞬時放熱量とは、氷蓄熱の瞬間の放熱量であり、二次側の要求冷熱量に加え、現在の制御状態における氷蓄熱量の減少量のことである。
ステップＳ８：
残氷判定式α＝（ＴＱ−ΣＱｔ）／（Ｑｔ×（ｔｅ−ｔ））にて計算を行い、αの値が１．０５以上であれば減段処理のステップＳ１３へ、そうでなければ増段処理のステップＳ９へ進む。αは、残蓄熱量（ＲＱ）と、このままの冷却能力の状態で冷却を行った場合における運転終了設定時刻ｔｅまでの消費予定蓄熱量との比較である。

ステップＳ９：
αの値が１．０未満であれば増段処理のステップＳ１０へ進み、そうでなければ継続処理のステップＳ７へ戻る。
ステップＳ１０：
αが１．０未満、すなわち残蓄熱量が不足しているため追掛冷凍機の増段を行う。このとき、現在のモ−ドから増段した場合の冷凍機の増加する能力ＲＵを求める。
ステップＳ１１：
ステップＳ９で算出したαと、ステップＳ１０で算出したＲＵを使い、増段状態をどれだけの時間継続すればよいか継続時間Ｕを下記の式で求める。その継続時間Ｕが残りの時間（ｔｅ−ｔ）を超える場合はステップＳ１０に戻り、さらに増段させた場合のＲＵを求め、このときのＵを求める。Ｕがこれと等しいか、これより小さい場合はステップＳ１２に進み増段を実施する。
Ｕ＝（（１−α）×Ｑｔ×（ｔｅ−ｔ））／ＲＵ
ステップＳ１２：
ステップＳ４に進み、増段を台数制御に割込み実施する。同時にステップＳ７に戻る。

ステップＳ１３：
αが１．０５以上、すなわち残蓄熱容量が過剰であるため追掛冷凍機の減段を行う。このとき、現在のモ−ドから減段した場合の冷凍機の減少する能力ＲＤを求める。
ステップＳ１４：
ステップＳ８で算出したαと、ステップＳ１３で算出したＲＤを使い、減段状態をどれだけの時間継続すればよいか継続時間Ｄを下記の式で求める。その継続時間Ｄが残りの時間（ｔｅ−ｔ）を超える場合はステップＳ１３に戻り、さらに減段させた場合のＲＤを求め、このときのＤを求める。Ｄがこれと等しいか、これより小さい場合はステップＳ１５に進み減段を実施する。
Ｄ＝（（α−１）×Ｑｔ×（ｔｅ−ｔ））／ＲＤ
ステップＳ１５：
ステップＳ４に進み、減段を台数制御に割込み実施する。同時にステップＳ７に戻る。ステップＳ７〜ステップＳ１５を第１の制御運転という。

以上、本発明に係る氷蓄熱システムの冷水温度制御方法を説明したが、以下更に詳述する。
運転時間の切り替えについては、２４時間タイマーにより自動的に行われるが、マニュアル運転も可能とする。例として、冷房（放熱）運転は８：００〜２２：００に行われ、残蓄熱容量により氷蓄熱槽単独か、冷水インバータターボ冷凍機、ブライン冷凍機（１台又は２台）を順次稼働させて不足する蓄熱容量を補う。２２：００〜２３：００は夜間冷房運転、すなわち冷水インバータターボ冷凍機運転にて冷水を供給する。２２：００〜８：００は蓄熱運転、すなわちブライン冷凍機２台運転で氷蓄熱を行う。

熱源構成は、氷蓄熱槽は密閉円筒竪型氷蓄熱槽（ＳＴＬ１４０ｍ３×５基 総蓄放熱量１２５２８０ＭＪ）、ブライン冷凍機はブラインターボ冷凍機（蓄熱用５７０ＵＳＲＴ、追い掛け用８３０ＵＳＲＴ）を２基、インバータ冷凍機は冷水インバータターボ冷凍機（還り冷水１７℃時９１０ＵＳＲＴ、還り冷水１１℃時７４５ＵＳＲＴ）を１基、熱交換器はブライン冷水熱交換器（プレート式交換熱量１５２０ＵＳＲＴ）を２基である。なお、冷水インバータターボ冷凍機は熱交換器上流の冷水還り主管に接続し、ＣＯＰ向上を図るとともに２２：００〜２３：００の蓄熱時間帯の負荷対応を担っている。

自動制御の概要は以下のとおりである。機械設備の最適運転を計るための制御には汎用シーケンサ（プロセスＰＬＣ）を活用している。運転情報管理用に蓄熱中央監視システムを配置し、運転データの保管、外部との送受信を実施している。自動制御システムには１０分間保障の無停電装置が組み込まれている。また、防災センター及び遠隔監視センターには、計測データや警報を送信している。制御内容としては、時間による自動発停制御とその運転モードに応じたシーケンシャル制御とフィードバック制御、プログラム制御が組み合わさった内容とする。

冷房運転時の台数制御は以下のとおりである。冷水供給温度は７℃、還り温度は１７℃の設定で負荷に応じて蓄熱タンクの放熱、冷水インバータターボ冷凍機、ブラインターボ冷凍機追い掛け運転１台、ブラインターボ冷凍機追い掛け運転２台の順で台数制御運転を自動的に行う。

ブライン制御は以下のとおりである。ブラインは、ブラインポンプ→熱交換器→ブライン冷凍機→ＳＴＬ蓄熱槽→ブラインポンプの順番で流れる。ポンプは２台の台数制御とインバータ制御を行っている（１台予備）。熱交換器、ＳＴＬ蓄熱槽には、入り口コントロールバルブとバイパスバルブが用意されている。ブライン冷凍機には２台個々に流量計と運転連動バルブが組み合わされ、２台合わせて１系統のバイパスバルブが用意されている。またＳＴＬ蓄熱槽とブラインポンプの間には流量計が設置されている。

これらは以下に述べる条件で運転モードによる切替え、台数制御による運転状態に対応して、ブラインポンプの動力が小さくなるように制御している。
・ブラインターボ冷凍機には定格の定流量を流す。
・バイパス弁の開度はできるだけ小さくする。
・ブラインポンプのインバータ出力は最小出力（可変）以上の範囲でできるだけ小さくする。

冷水インバータターボ冷凍機のＣＯＰ優先運転制御は以下のとおりである。冷水インバータターボ冷凍機は冷却水温度が低くなると最高ＣＯＰとなる負荷率が低くなる特性を持つ。言い換えれば部分付加特性が優れている。この特性を生かすため、冷却水温度により予め決めた負荷率になるように冷凍機出口温度設定値を変える制御を行っている。ただし、台数制御により増段要求時には部分負荷運転を解除してフル運転を行い、増段を遅らせる制御もあわせて行うこととする。

低負荷時の送水温度制御は以下のとおりである。蓄熱タンクの放熱のみの負荷の軽いモードでは直前の７日間の平均外気温ｔを指標に冷水供給温度設定値を８℃、９℃に自動変更する。設定は５℃≦ｔ＜１５℃の時は８℃、ｔ＜５℃の時は９℃としている。

蓄熱運転の制御は以下のとおりである。夜間の蓄熱時間（２２：００〜８：００）になると冷房（放熱）運転モードからバルブを切替え、ブラインターボ冷凍機を運転（出口温度設定−６℃）し、蓄熱槽の出口配管温度が−４．２℃（可変）まで達すると蓄熱が完了したとして冷凍機の運転を停止する。完全放熱から蓄熱運転を開始すると通常では９時間程度必要である。また、昼間の負荷が少なくて氷が５０％以上残れば蓄熱は行わない。翌日５０％未満になれば蓄熱を開始する。蓄熱時間終了時刻の８：００で蓄熱が完了しなければ警報を発する。ただし、その際にも蓄熱運転は終了し、冷房運転に自動的に移行する。

低負荷時の蓄熱完了温度制御は以下のとおりである。氷蓄熱槽は夜間の蓄熱時間帯（２２：００〜８：００）にブラインターボ冷凍機により−４．２℃（可変）まで蓄熱する。−４．２℃は平均外気温度により自動変更機能を持たせている。設定は５℃≦ｔ＜１５℃の時は−４．０℃、ｔ＜５℃の時は−３．８℃としている。

算蓄熱量制御は以下のとおりである。蓄熱した氷は全部使い切るため、残りの蓄熱量すなわち残蓄熱容量を制御される。立ち上がりの負荷と制御が安定する時間を見計らって（初期設定では冷房運転開始後約３６０分）、現状の負荷と運転状況が運転終了時刻（２２：００）まで続いたと仮定して蓄熱量が不足するか、余るかの判断の計算を始める。そこで不足する場合は何時から冷凍機の増段をすればよいかを計算し、余る場合は何時から冷凍機の減段をすればよいかを計算する。その結果その時間が来れば増段又は減段を行い残蓄熱量が少なくなるようにしている。計算は一定間隔で連続して行われるため増減段が開始される時間までの負荷の変動は常に計算されることになり精度の高い残蓄熱量制御が行える。

冷却水制御は以下のとおりである。冷却水の制御としてはブラインターボについては定流量で冷凍機入り口温度一定制御を行いインバータターボについては変流量（冷凍機出入口温度差一定）制御を追加している。冷却水温度制御は冷却塔ファンのインバータ制御とバイパス弁制御の組み合わせで行っている。冷却水温度の設定値は冷凍機のＣＯＰ向上のため、冷凍機の限界最低温度とする。インバータターボ冷凍機は冷凍機出入口の温度差を一定に保つように流量をインバータで制御とする。

冷却水の凍結防止として冷却塔水槽内の温度が一定以下になるとまず冷却水ポンプを１分間運転して、配管内の保有熱容量で一時的に凍結を回避する制御とし、凍結防止ヒーターの電力節減を図っている。冷却塔への自動給水使用量は自動ブロー、手動給水系統とは分けて積算メータを設置してデータ蓄積できるようにしている。

冷却水の水質制御は以下のとおりである。冷却水の電気伝導率による自動ブロー制御を行っている。また、薬液注入装置に付属しているタイマーにより、自動的にタンク内の薬品を注入する制御を行っている。

本発明は氷蓄熱を利用した冷熱源の制御方法として適用できる。空調用冷房熱源設備で氷蓄熱を含めた熱源制御としての利用可能性は高い。実施例においては大規模商業施設の空調用冷房熱源設備にて実施した。

本発明に係る氷蓄熱システムを構成する機器の全体構成図。 本発明に係る氷蓄熱システムの運転制御方法のフローチャート図。

符号の説明

１：ブライン冷凍機、２：氷蓄熱槽、３：冷却塔、４：熱交換器、５：ブラインポンプ、６：インバータ冷凍機、７：ブライン配管、８：冷却水ポンプ、９：冷却水配管、１０：冷水還り流路、１１：流量計、１２：冷水二次ポンプ、１３：冷水一次ポンプ

Claims (3)

1. 夜間の製氷によって冷熱を蓄積し、昼間の解氷によって発生する冷熱を利用する氷蓄熱システムの運転制御方法であって、
   上記解氷による冷熱の瞬時放熱量と、
   上記夜間に蓄積された残蓄熱量を指針として、
   上記解氷による冷熱量の不足を補うための追掛冷凍機の運転台数を変化させる第１の制御運転と、
   要求冷熱量を指針として、
   上記解氷による冷熱量の不足を補うための追掛冷凍機の運転台数を変化させる第２の制御運転とを組合わせ、
   上記第２の制御運転を常時行い、
   これと平行して、一定時間間隔で、上記第１の制御運転において、蓄熱槽の残蓄熱量を常に計算しながら、上記瞬時放熱量から運転終了時刻まで現在の放熱量があるパターンをもって継続すると予測し、運転終了時刻に残蓄量が０になるように追掛冷凍機の増段、減段の開始時刻を現在時刻より後の時刻で設定し、
   その時刻が来ると上記第２の制御運転に割り込んで、当該第１の制御運転の指令によって、上記増段、減段を実行することを特徴とする、氷蓄熱システムの運転制御方法。
2. 上記開始時刻は、上記追掛冷凍機の台数変化によって得られる冷却能力で運転を継続した場合における氷蓄熱の減少量が、上記残蓄熱量と整合するまでの時間を算出し、これを運転終了設定時刻から引き算して求めることを特徴とする、請求項１に記載の氷蓄熱システムの運転制御方法。
3. 上記追掛冷凍機は、負荷の値を一定とした定格運転を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の氷蓄熱システムの運転制御方法。

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