JP5244420B2 - ターボ冷凍機および熱源システムならびにこれらの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ターボ冷凍機および熱源システムならびにこれらの制御方法に関するものである。
ターボ冷凍機を複数台用いた熱源システムが知られている。この熱源システムは、外部負荷が要求する要求熱量に応じてターボ冷凍機の起動台数を制御する。この台数制御を行う際に、起動されたターボ冷凍機を高効率で運転させることにより、省エネルギー効果を得ることが求められる。
特許文献１には、凝縮器に供給される冷却水温度によって決まるインバータ駆動ターボ冷凍機の成績係数と負荷率との関係を得ておき、成績係数が所定値以上となるようにインバータを制御する技術が開示されている。
特許文献１には、凝縮器に供給される冷却水温度によって決まるインバータ駆動ターボ冷凍機の成績係数と負荷率との関係を得ておき、成績係数が所定値以上となるようにインバータを制御する技術が開示されている。
しかし、特許文献１に記載された公知技術では、冷却水温度に応じて予め成績係数と負荷率との関係を得ておく必要があり、この関係が得られていない冷却水温度では適正な運転点が分からないため高効率での運転を行うことができない。これを回避するためには、想定される冷却水温度の全てについて成績係数と負荷率との関係を得ておく必要があるが、そのデータ量は膨大なものとなるため現実的でない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷却水温度（ヘッド）が運転時に変化しても適正な冷凍能力範囲で高効率に運転することができるターボ冷凍機および熱源システムならびにこれらの制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のターボ冷凍機および熱源システムならびにこれらの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器とを備え、所定の適正冷凍能力範囲で運転されるターボ冷凍機であって、前記適正冷凍能力範囲は、前記ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、前記ターボ圧縮機の羽根車外径を用いた所定の係数とを用いて前記ターボ圧縮機におけるヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一の前記ヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時の前記ヘッドとを用いて前記演算式から得られることを特徴とする。
すなわち、本発明にかかるターボ冷凍機は、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器とを備え、所定の適正冷凍能力範囲で運転されるターボ冷凍機であって、前記適正冷凍能力範囲は、前記ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、前記ターボ圧縮機の羽根車外径を用いた所定の係数とを用いて前記ターボ圧縮機におけるヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一の前記ヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時の前記ヘッドとを用いて前記演算式から得られることを特徴とする。
本発明者等は、鋭意検討した結果、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機の成績係数には、遠心圧縮機であるターボ圧縮機の機器特性が強く反映されることを見出した。
そこで、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数を用いれば、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式が得られるという知見を得て、この演算式をターボ冷凍機の運転制御に用いることとした。この演算式に用いられる係数は、同一のヘッド（例えば、同一の冷水温度および同一の冷却水温度）において略最大の成績係数を取り得る冷凍能力を用いて決定する。このように決定された係数を最適係数とし、この最適係数を含む所定範囲を適正運転係数範囲とする。この適正運転係数範囲を用いれば、演算式に所定のヘッドを与えることにより（流量係数および圧力係数は特定の運転点で与えられた固定値なので）、適正な冷凍能力範囲を得ることができる。このように得られる適正冷凍能力範囲は、運転時におけるヘッドを与えることにより適正運転係数範囲を用いて前記演算式から得られるので、運転状態（ヘッド）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機を成績係数が良い範囲で運転させることができる。
なお、演算式に用いる冷凍能力は、冷凍能力を反映するパラメータであれば良く、例えばターボ圧縮機の吸込風量を用いることができる。また、演算式に用いるヘッドは、使用する冷媒の物性により異なるため、あらかじめ冷水と冷却水の温度差や、蒸発器と凝縮器の圧力差をパラメータにして物性から特性式を算定しておき、その上で、凝縮器を冷却する冷却水の凝縮器からの出口温度と蒸発器によって冷却される冷水の蒸発器からの出口温度との温度差から得ることができ、あるいは、凝縮器圧力と蒸発器圧力の圧力差から得ることができる。
そこで、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数を用いれば、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式が得られるという知見を得て、この演算式をターボ冷凍機の運転制御に用いることとした。この演算式に用いられる係数は、同一のヘッド（例えば、同一の冷水温度および同一の冷却水温度）において略最大の成績係数を取り得る冷凍能力を用いて決定する。このように決定された係数を最適係数とし、この最適係数を含む所定範囲を適正運転係数範囲とする。この適正運転係数範囲を用いれば、演算式に所定のヘッドを与えることにより（流量係数および圧力係数は特定の運転点で与えられた固定値なので）、適正な冷凍能力範囲を得ることができる。このように得られる適正冷凍能力範囲は、運転時におけるヘッドを与えることにより適正運転係数範囲を用いて前記演算式から得られるので、運転状態（ヘッド）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機を成績係数が良い範囲で運転させることができる。
なお、演算式に用いる冷凍能力は、冷凍能力を反映するパラメータであれば良く、例えばターボ圧縮機の吸込風量を用いることができる。また、演算式に用いるヘッドは、使用する冷媒の物性により異なるため、あらかじめ冷水と冷却水の温度差や、蒸発器と凝縮器の圧力差をパラメータにして物性から特性式を算定しておき、その上で、凝縮器を冷却する冷却水の凝縮器からの出口温度と蒸発器によって冷却される冷水の蒸発器からの出口温度との温度差から得ることができ、あるいは、凝縮器圧力と蒸発器圧力の圧力差から得ることができる。
また、本発明の熱源システムは、上記のターボ冷凍機を複数台備え、前記適正冷凍能力範囲で運転される前記ターボ冷凍機が出力する冷凍能力の合計が、外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するように、前記ターボ冷凍機の起動台数を制御することを特徴とする。
外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するようにターボ冷凍機の起動台数が決定される。本発明では、起動されたターボ冷凍機が適正冷凍能力範囲で運転されるように台数制御されるので、高い成績係数で複数のターボ冷凍機を運転させることができ、省エネルギー効果が高い運転が実現される。
また、本発明のターボ冷凍機の制御方法は、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器とを備え、所定の適正冷凍能力範囲で運転されるターボ冷凍機の制御方法であって、前記適正冷凍能力範囲は、前記ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、前記ターボ圧縮機の羽根車外径を用いた所定の係数とを用いて前記ターボ圧縮機におけるヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一の前記ヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時の前記ヘッドとを用いて前記演算式から得られることを特徴とする。
本発明者等は、鋭意検討した結果、回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機の成績係数には、遠心圧縮機であるターボ圧縮機の機器特性が強く反映されることを見出した。
そこで、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数を用いれば、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式が得られるという知見を得て、この演算式をターボ冷凍機の運転制御に用いることとした。この演算式に用いられる係数は、同一のヘッド（例えば、同一の冷水温度および同一の冷却水温度）において略最大の成績係数を取り得る冷凍能力を用いて決定する。このように決定された係数を最適係数とし、この最適係数を含む所定範囲を適正運転係数範囲とする。この適正運転係数範囲を用いれば、演算式に所定のヘッドを与えることにより（流量係数および圧力係数は特定の運転点で与えられた固定値なので）、適正な冷凍能力範囲を得ることができる。このように得られる適正冷凍能力範囲は、運転時におけるヘッドを与えることにより適正運転係数範囲を用いて前記演算式から得られるので、運転状態（ヘッド）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機を成績係数が良い範囲で運転させることができる。
なお、演算式に用いる冷凍能力は、冷凍能力を反映するパラメータであれば良く、例えばターボ圧縮機の吸込風量を用いることができるまた、演算式に用いるヘッドは、使用する冷媒の物性により異なるため、あらかじめ冷水と冷却水の温度差や、蒸発器と凝縮器の圧力差をパラメータにして物性から特性式を算定しておき、その上で、凝縮器を冷却する冷却水の凝縮器からの出口温度と蒸発器によって冷却される冷水の蒸発器からの出口温度との温度差から得ることができ、あるいは、凝縮器圧力と蒸発器圧力の圧力差から得ることができる。
そこで、ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、所定の係数を用いれば、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式が得られるという知見を得て、この演算式をターボ冷凍機の運転制御に用いることとした。この演算式に用いられる係数は、同一のヘッド（例えば、同一の冷水温度および同一の冷却水温度）において略最大の成績係数を取り得る冷凍能力を用いて決定する。このように決定された係数を最適係数とし、この最適係数を含む所定範囲を適正運転係数範囲とする。この適正運転係数範囲を用いれば、演算式に所定のヘッドを与えることにより（流量係数および圧力係数は特定の運転点で与えられた固定値なので）、適正な冷凍能力範囲を得ることができる。このように得られる適正冷凍能力範囲は、運転時におけるヘッドを与えることにより適正運転係数範囲を用いて前記演算式から得られるので、運転状態（ヘッド）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機を成績係数が良い範囲で運転させることができる。
なお、演算式に用いる冷凍能力は、冷凍能力を反映するパラメータであれば良く、例えばターボ圧縮機の吸込風量を用いることができるまた、演算式に用いるヘッドは、使用する冷媒の物性により異なるため、あらかじめ冷水と冷却水の温度差や、蒸発器と凝縮器の圧力差をパラメータにして物性から特性式を算定しておき、その上で、凝縮器を冷却する冷却水の凝縮器からの出口温度と蒸発器によって冷却される冷水の蒸発器からの出口温度との温度差から得ることができ、あるいは、凝縮器圧力と蒸発器圧力の圧力差から得ることができる。
また、本発明の熱源システムの熱源システムの制御方法は、上記のターボ冷凍機を複数台備え、前記適正冷凍能力範囲で運転される前記ターボ冷凍機が出力する冷凍能力の合計が、外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するように、前記ターボ冷凍機の起動台数を制御することを特徴とする。
外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するようにターボ冷凍機の起動台数が決定される。本発明では、起動されたターボ冷凍機が適正冷凍能力範囲で運転されるように台数制御されるので、高い成績係数で複数のターボ冷凍機を運転させることができ、省エネルギー効果が高い運転が実現される。
本発明によれば、運転時のヘッドから演算式を用いて成績係数が高い適正冷凍能力範囲を得ることができるので、省エネルギー運転を実現することができる。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、一実施形態にかかる熱源システムの全体構成が示されている。
熱源システム１は、ビルや工場設備に設置される。この熱源システム１は、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水に対して冷熱を与える第１乃至第３のターボ冷凍機１１，１２，１３を３台備えている。これら第１乃至第３ターボ冷凍機１１，１２，１３は、外部負荷３に対して並列に設置されている。
図１には、一実施形態にかかる熱源システムの全体構成が示されている。
熱源システム１は、ビルや工場設備に設置される。この熱源システム１は、空調機やファンコイル等の外部負荷３に供給する冷水に対して冷熱を与える第１乃至第３のターボ冷凍機１１，１２，１３を３台備えている。これら第１乃至第３ターボ冷凍機１１，１２，１３は、外部負荷３に対して並列に設置されている。
冷水流れからみた各ターボ冷凍機１１，１２，１３の上流側には、それぞれ、冷水を圧送する第１乃至第３の冷水ポンプ２１，２２，２３が設置されている。これら冷水ポンプ２１，２２，２３によって、リターンヘッダ３２からの冷水が各ターボ冷凍機１１，１２，１３へと送られる。各冷水ポンプ２１，２２，２３は、インバータモータによって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。
サプライヘッダ３１には、各ターボ冷凍機１１，１２，１３において得られた冷水が集められるようになっている。
サプライヘッダ３１に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。
外部負荷３にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ３２に送られる。冷水は、リターンヘッダ３２において分岐され、各ターボ冷凍機１１，１２，１３に送られる。
サプライヘッダ３１に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。
外部負荷３にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ３２に送られる。冷水は、リターンヘッダ３２において分岐され、各ターボ冷凍機１１，１２，１３に送られる。
第１冷水ポンプ２１の下流側には、第１冷水ポンプ２１から流出する流量を計測する第１冷水流量計２４が設けられている。この第１冷水流量計２４の出力は、熱源システム１の制御部へと送られる。
第１ターボ冷凍機１１の上流側の冷水配管には、第１ターボ冷凍機１１へと流入する冷水温度を計測するための第１冷水入口温度センサ２９が設けられている。この第１冷水入口温度センサ２９の出力は、制御部へと送られる。なお、バイパス配管３３のバイパス弁３４が全閉であれば、第１冷水入口温度センサに代えて、リターンヘッダ３２の上流側の冷水配管に設けた温度センサ２９ｂを用いても良い。
第１ターボ冷凍機１１の上流側の冷水配管には、第１ターボ冷凍機１１へと流入する冷水温度を計測するための第１冷水入口温度センサ２９が設けられている。この第１冷水入口温度センサ２９の出力は、制御部へと送られる。なお、バイパス配管３３のバイパス弁３４が全閉であれば、第１冷水入口温度センサに代えて、リターンヘッダ３２の上流側の冷水配管に設けた温度センサ２９ｂを用いても良い。
第２ターボ冷凍機１２及び第３ターボ冷凍機１３についても、第１ターボ冷凍機１１と同様に、冷水流量計や冷水入口温度センサが設けられている。ただし、図１では、理解の容易のために第１ターボ冷凍機１１に対してのみこれらの構成が示されている。
図２には、ターボ冷凍機１１，１２，１３の詳細が示されている。同図では、理解の容易のため、３台並列に設けられたターボ冷凍機のうちの一つの第１ターボ冷凍機１１のみが示されている。
ターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。
ターボ冷凍機１１は、２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このターボ冷凍機１１は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機６０と、ターボ圧縮機６０によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器６２と、凝縮器６２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ６３と、サブクーラ６３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁６４と、高圧膨張弁６４に接続されるとともにターボ圧縮機６０の中間段および低圧膨張弁６５に接続される中間冷却器６７と、低圧膨張弁６５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器６６とを備えている。
ターボ圧縮機６０は、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ７０によって回転数制御された電動モータ７２によって駆動されている。インバータ７０は、制御盤７４によってその出力が制御されている。ターボ圧縮機６０の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）７６が設けられており、ターボ冷凍機１１の容量制御が可能となっている。
凝縮器６２には、凝縮冷媒圧力を計測するための凝縮冷媒圧力センサＰｃが設けられている。センサＰｃの出力は、制御部に送信される。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱管８０が挿通されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再び凝縮器６２及びサブクーラ６３へと導かれるようになっている。
サブクーラ６３は、凝縮器６２の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ６３の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度を計測する温度センサＴｓが設けられている。
凝縮器６２及びサブクーラ６３には、これらを冷却するための冷却伝熱管８０が挿通されている。冷却水流量は流量計Ｆ２により、冷却水出口温度は温度センサTcoutにより、冷却水入口温度は温度センサTcinにより計測されるようになっている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再び凝縮器６２及びサブクーラ６３へと導かれるようになっている。
中間冷却器６７には、中間圧力を計測するための圧力センサＰＭが設けられている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管８２が挿通されている。冷水流量は流量計Ｆ１により、冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。
凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７６が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７６内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。
蒸発器６６には、蒸発圧力を計測するための圧力センサＰＥが設けられている。蒸発器６６において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器には、外部負荷へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管８２が挿通されている。冷水流量は流量計Ｆ１により、冷水出口温度は温度センサToutにより、冷水入口温度はTinにより計測されるようになっている。
凝縮器６２の気相部と蒸発器６６の気相部との間には、ホットガスバイパス管７６が設けられている。そして、ホットガスバイパス管７６内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁７８が設けられている。ホットガスバイパス弁７８によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ７６では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。
次に、上記構成の熱源システム１の動作について説明する。
図３には、熱源システム１におけるターボ冷凍機の台数制御の考え方が示されている。同図には、所定のヘッドにおける適正冷凍能力範囲が示されている。つまり、ヘッドが変われば（一般には冷水出口温度は一定とされるので、冷却水温度が変われば）、異なる適正冷凍能力範囲を示すマップとなる。
熱源システム１は、外部負荷３から要求される冷凍能力に見合うようにターボ冷凍機の起動台数を制御する。本実施形態では、図３に示したように、各ターボ冷凍機１１，１２，１３が適正冷凍能力範囲で運転できるように台数制御される。各ターボ冷凍機１１（TR-1），１２（TR-2），１３（TR-3）には、後述する演算式に基づいて、運転時におけるヘッドに対して適正な冷凍能力範囲が演算される。各ターボ冷凍機の最も効率が良い最高COP（以下、成績係数を「COP」という。）を示す冷凍能力で運転するのが好ましい。しかし、最も効率が良い最高COP（図中に矢印で示した位置）の負荷点はターボ冷凍機ごとに異なる。一方、冷水流量が一定である一般的な仕様の場合、各冷凍機の負荷率（運転点）は同じとなる。したがって、図３に示すように各冷凍機の適正冷凍能力範囲は異なるため、３台全てが運転される場合の適正範囲は、各適正能力範囲の最大値と最小値とから得られる最大範囲をとってａ−ａ’域とするか、全ての適正冷凍能力範囲が重複する最小範囲をとってｂ−ｂ’域となる。少なくとも、最大範囲となるａ−ａ’域で運転できるように制御することが好ましい。
図３には、熱源システム１におけるターボ冷凍機の台数制御の考え方が示されている。同図には、所定のヘッドにおける適正冷凍能力範囲が示されている。つまり、ヘッドが変われば（一般には冷水出口温度は一定とされるので、冷却水温度が変われば）、異なる適正冷凍能力範囲を示すマップとなる。
熱源システム１は、外部負荷３から要求される冷凍能力に見合うようにターボ冷凍機の起動台数を制御する。本実施形態では、図３に示したように、各ターボ冷凍機１１，１２，１３が適正冷凍能力範囲で運転できるように台数制御される。各ターボ冷凍機１１（TR-1），１２（TR-2），１３（TR-3）には、後述する演算式に基づいて、運転時におけるヘッドに対して適正な冷凍能力範囲が演算される。各ターボ冷凍機の最も効率が良い最高COP（以下、成績係数を「COP」という。）を示す冷凍能力で運転するのが好ましい。しかし、最も効率が良い最高COP（図中に矢印で示した位置）の負荷点はターボ冷凍機ごとに異なる。一方、冷水流量が一定である一般的な仕様の場合、各冷凍機の負荷率（運転点）は同じとなる。したがって、図３に示すように各冷凍機の適正冷凍能力範囲は異なるため、３台全てが運転される場合の適正範囲は、各適正能力範囲の最大値と最小値とから得られる最大範囲をとってａ−ａ’域とするか、全ての適正冷凍能力範囲が重複する最小範囲をとってｂ−ｂ’域となる。少なくとも、最大範囲となるａ−ａ’域で運転できるように制御することが好ましい。
外部負荷から要求される要求冷凍能力が増加していく増段運転の場合には、先ず１台のターボ冷凍機を運転し適正冷凍能力範囲で運転となるかを確認する。そして、要求冷凍能力が増大して起動中のターボ冷凍機の適正冷凍能力範囲の上限を外れる場合には、２台目のターボ冷凍機を起動する。
ただし、図３に示すように適正冷凍能力範囲が１００％を超える場合がある、この場合は標準的な上限を設けておくことが良い。（例えば８０％）このように、それぞれのターボ冷凍機が適正冷凍能力を出力し、かつ、可能な限り最高COPを示す冷凍能力にて運転するように制御する。
要求冷凍能力が減少する減段運転の場合にも同様の考えで台数制御を行う。すなわち、外部負荷から要求される冷凍能力が減少して３台起動していた場合のターボ冷凍機の冷凍能力がａ−ａ’域の下限から外れる場合には、３台の内の１台を停止させる。ただし、適正冷凍能力範囲がターボ冷凍機の最小負荷２０％（例えば）を下回る場合がある、この場合は標準的な下限を設けておくことが良い。（例えば３０％）
また、図３に示したマップは、ヘッド（例えば冷却水温度）が変化しても、後述の演算式から任意のヘッドに対して即座に得ることができるので、柔軟に対応することができる。
ただし、図３に示すように適正冷凍能力範囲が１００％を超える場合がある、この場合は標準的な上限を設けておくことが良い。（例えば８０％）このように、それぞれのターボ冷凍機が適正冷凍能力を出力し、かつ、可能な限り最高COPを示す冷凍能力にて運転するように制御する。
要求冷凍能力が減少する減段運転の場合にも同様の考えで台数制御を行う。すなわち、外部負荷から要求される冷凍能力が減少して３台起動していた場合のターボ冷凍機の冷凍能力がａ−ａ’域の下限から外れる場合には、３台の内の１台を停止させる。ただし、適正冷凍能力範囲がターボ冷凍機の最小負荷２０％（例えば）を下回る場合がある、この場合は標準的な下限を設けておくことが良い。（例えば３０％）
また、図３に示したマップは、ヘッド（例えば冷却水温度）が変化しても、後述の演算式から任意のヘッドに対して即座に得ることができるので、柔軟に対応することができる。
次に、各ヘッドに対して適正冷凍能力範囲を求める演算式について説明する。
遠心圧縮機であるターボ圧縮機は、内部のガス流れが最適となる固有の設計点を有しており、その設計点は（１）式及び（２）式に示す流量係数φ及び圧力係数μadの２つの無次元数で表すことができる。
ここで、Qstは圧縮機吸込風量[m3/s]、Hadは圧縮機断熱ヘッド[m]、Dは羽根車外径[m]、uは羽根車周速[m/s]、gは重力加速度[m/s2]を示す。
遠心圧縮機であるターボ圧縮機は、内部のガス流れが最適となる固有の設計点を有しており、その設計点は（１）式及び（２）式に示す流量係数φ及び圧力係数μadの２つの無次元数で表すことができる。
ここで、Qstは圧縮機吸込風量[m3/s]、Hadは圧縮機断熱ヘッド[m]、Dは羽根車外径[m]、uは羽根車周速[m/s]、gは重力加速度[m/s2]を示す。
遠心圧縮機の機器特性に着目すれば、インバータターボ冷凍機は、（２）式より冷却水出口温度と冷水出口温度の差に伴う断熱ヘッド変化の0.5乗に比例して圧縮機回転数を制御すること（（４）式）ができ、または（１）式より冷凍能力に伴う圧縮機吸込風量の変化に比例して圧縮機回転数を制御すること（(５)式）ができるので、少なくとも一方の無次元数を最適な設計点に維持制御する運転が可能となる。
しかし、ターボ圧縮機の羽根車回転数Ｎは、ターボ冷凍機の内部制御変数となっており、熱源システム１側から直接制御することができない。そこで、熱源システム１によって直接把握できて制御可能な冷凍能力と冷却水温度を変数として整理することが適切である。このため、（１）式及び（２）式から、羽根車回転数Ｎを消去して、下式を得る。
しかし、ターボ圧縮機の羽根車回転数Ｎは、ターボ冷凍機の内部制御変数となっており、熱源システム１側から直接制御することができない。そこで、熱源システム１によって直接把握できて制御可能な冷凍能力と冷却水温度を変数として整理することが適切である。このため、（１）式及び（２）式から、羽根車回転数Ｎを消去して、下式を得る。
（６）式から分かるように、流量係数φ、圧力係数μad及び係数ｋを固定値として与えれば、風量QstとヘッドＨadとの関係式（演算式）を導くことができる。ここで、風量Qstは、圧縮機が吸い込む冷媒の流量なので、冷凍能力に比例するパラメータである。
したがって、特定の冷凍能力（特定の運転点）における流量係数φ、圧力係数μad、ヘッドHad及びこの冷凍能力に対応する風量Qstを（６）式へ代入すれば、その冷凍能力に対する係数ｋ’が決定される。この係数ｋ’を用いれば、下式（８）により、特定の冷凍能力における風量QstとヘッドHadとの関係が得られる。
Had＝ｋ’×Qst２ （８）
このように、各冷凍能力に対応した係数ｋ’を求め、それぞれのｋ’から図４のようなマップが得られる。そして、実機の試験データから各冷凍能力のうちで最もCOPが高くなる冷凍能力を選定し、そのときの係数ｋ’を最適係数ｋoptとする。この最適係数ｋoptを含むように、好ましくは最適係数が中心となるように、適正運転係数範囲として最小係数ｋminと最大係数ｋmaxを定める。
実際の運転時には、運転時のヘッドＨから、最適運転係数範囲に入るように、風量Ｑstを求め、この風量範囲に入るように、ターボ冷凍機の運転を制御する。
したがって、特定の冷凍能力（特定の運転点）における流量係数φ、圧力係数μad、ヘッドHad及びこの冷凍能力に対応する風量Qstを（６）式へ代入すれば、その冷凍能力に対する係数ｋ’が決定される。この係数ｋ’を用いれば、下式（８）により、特定の冷凍能力における風量QstとヘッドHadとの関係が得られる。
Had＝ｋ’×Qst２ （８）
このように、各冷凍能力に対応した係数ｋ’を求め、それぞれのｋ’から図４のようなマップが得られる。そして、実機の試験データから各冷凍能力のうちで最もCOPが高くなる冷凍能力を選定し、そのときの係数ｋ’を最適係数ｋoptとする。この最適係数ｋoptを含むように、好ましくは最適係数が中心となるように、適正運転係数範囲として最小係数ｋminと最大係数ｋmaxを定める。
実際の運転時には、運転時のヘッドＨから、最適運転係数範囲に入るように、風量Ｑstを求め、この風量範囲に入るように、ターボ冷凍機の運転を制御する。
次に、上述の演算式に基づく制御の妥当性について検証した検証試験について説明する。
図５には、検証試験に用いたターボ冷凍機１００および冷却塔１０２が示されている。同図ではサブクーラや中間冷却器が省略されているが、このターボ冷凍機１００も、上述の実施形態と同様に２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。
ターボ冷凍機１００の冷凍能力は４００Ｒｔとされている。ターボ圧縮機１０１は、インバータ駆動の電動モータ１０３によって回転数可変にて駆動される。
凝縮器１０４には、冷却塔１０２から冷却水ポンプ１０６を介して導かれる冷却水が供給されるようになっており、冷却後の冷却水は冷却塔１０２へと返送され、散水部から散水されることによって冷却される。なお、低温度域や低熱量域において冷却水温度を安定させるために、冷凍能力６００Ｒｔのターボ冷凍機１０８を冷却水系統に接続してある。これにより、夏期であっても１０℃の冷却水入口温度が実現される。冷却水入口温度は温度センサＴ１によって、冷却水出口温度は温度センサＴ２によって計測される。冷却水流量は流量計Ｆ２によって計測される。
蒸発器１１０には、冷水ポンプ１１２から冷水が供給されるようになっており、蒸発器１１０で冷やされた冷水は外部負荷（図示せず）へと供給されるようになっている。冷水入口温度は温度センサＴ３によって、冷水出口温度は温度センサＴ４によって計測される。冷水流量は流量計Ｆ１によって計測される。
図５には、検証試験に用いたターボ冷凍機１００および冷却塔１０２が示されている。同図ではサブクーラや中間冷却器が省略されているが、このターボ冷凍機１００も、上述の実施形態と同様に２段圧縮２段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。
ターボ冷凍機１００の冷凍能力は４００Ｒｔとされている。ターボ圧縮機１０１は、インバータ駆動の電動モータ１０３によって回転数可変にて駆動される。
凝縮器１０４には、冷却塔１０２から冷却水ポンプ１０６を介して導かれる冷却水が供給されるようになっており、冷却後の冷却水は冷却塔１０２へと返送され、散水部から散水されることによって冷却される。なお、低温度域や低熱量域において冷却水温度を安定させるために、冷凍能力６００Ｒｔのターボ冷凍機１０８を冷却水系統に接続してある。これにより、夏期であっても１０℃の冷却水入口温度が実現される。冷却水入口温度は温度センサＴ１によって、冷却水出口温度は温度センサＴ２によって計測される。冷却水流量は流量計Ｆ２によって計測される。
蒸発器１１０には、冷水ポンプ１１２から冷水が供給されるようになっており、蒸発器１１０で冷やされた冷水は外部負荷（図示せず）へと供給されるようになっている。冷水入口温度は温度センサＴ３によって、冷水出口温度は温度センサＴ４によって計測される。冷水流量は流量計Ｆ１によって計測される。
次表には、上記のターボ冷凍機１００を用いた試験結果が示されている。同表には、得られた計測値から算出したCOPが、冷凍能力および冷却水入口温度をパラメータとして整理されている。なお、冷却水入口温度が１２℃、冷凍能力８０％、７０％及び６０％の場合については、安定した計測データが得られなかったので示されていない。
上表に示されたデータをグラフにプロットしたものが図６である。同図において、横軸は冷凍能力を１００分率表示したものであり、縦軸はCOPである。なお、冷凍能力１００％は、1406.5kWに相当する。同グラフにおける各点については、センサ等に起因する計測値の不確かさの幅に相当するエラーバーが示されている。
同図から、各冷却水入口温度一定条件で比較すると、冷凍能力80％〜40％の範囲にCOPのピークが存在することが分かる。例えば、冷却水32℃ラインでは80％付近、20℃ラインでは60%付近、13℃ラインでは40%付近である．なお、冷水温度、冷却水温度、冷水流量及び冷却水流量の各値は、前後の負荷計測点と連続で整合性があり、ヒートバランスが所定の不確かさ以下の値で安定していることが確認されたので、計測したCOPはインバータターボ冷凍機の特徴的な性能特性を示しているといえる。
同図から、各冷却水入口温度一定条件で比較すると、冷凍能力80％〜40％の範囲にCOPのピークが存在することが分かる。例えば、冷却水32℃ラインでは80％付近、20℃ラインでは60%付近、13℃ラインでは40%付近である．なお、冷水温度、冷却水温度、冷水流量及び冷却水流量の各値は、前後の負荷計測点と連続で整合性があり、ヒートバランスが所定の不確かさ以下の値で安定していることが確認されたので、計測したCOPはインバータターボ冷凍機の特徴的な性能特性を示しているといえる。
これらの結果を用いて、以下のように（８）式を得る。
まず、例えば、冷却水入口温度32℃，冷凍能力100%の点をターボ圧縮機の適正運転点と仮定し、この運転点におけるヘッドHad及び風量Qstと、この運転点における流量係数Φ及び圧力係数μadとを（６）式に代入し冷凍能力100％時の係数ｋ100（（８）式のｋ’の相当）を求める。そして、この係数ｋ100を（８）式のｋ’に代入して、表１の各冷却水入口温度における最高COPを示す計測点のヘッドＨadから風量Qstを求め、さらに、所定の演算式により、この風量Qstに相当する冷凍能力を求めた。冷凍能力80%，70%についても同様にｋ80及びｋ70を求め、それぞれに対して同一の冷却水入口温度における最高COPを示す計測点のヘッドHadから冷凍能力を求めた。図７には、k100、k80、k70から求めたそれぞれの冷却水入口温度における冷凍能力を、それぞれの最高COPに対してプロットしたものが示されている。k100、k80、k70のそれぞれについて滑らかに結んだ曲線が、100%基準線、80%基準線および70%基準線として示されている。算定された冷凍能力はそれぞれのプロット点のカッコ内に数値として示されている。各冷却水入口温度における最高COPは表１から転記され、下線とともに示されている。
また、図７には、図３に示された各冷却水入口温度に対するCOPの曲線が併せて示されている。
まず、例えば、冷却水入口温度32℃，冷凍能力100%の点をターボ圧縮機の適正運転点と仮定し、この運転点におけるヘッドHad及び風量Qstと、この運転点における流量係数Φ及び圧力係数μadとを（６）式に代入し冷凍能力100％時の係数ｋ100（（８）式のｋ’の相当）を求める。そして、この係数ｋ100を（８）式のｋ’に代入して、表１の各冷却水入口温度における最高COPを示す計測点のヘッドＨadから風量Qstを求め、さらに、所定の演算式により、この風量Qstに相当する冷凍能力を求めた。冷凍能力80%，70%についても同様にｋ80及びｋ70を求め、それぞれに対して同一の冷却水入口温度における最高COPを示す計測点のヘッドHadから冷凍能力を求めた。図７には、k100、k80、k70から求めたそれぞれの冷却水入口温度における冷凍能力を、それぞれの最高COPに対してプロットしたものが示されている。k100、k80、k70のそれぞれについて滑らかに結んだ曲線が、100%基準線、80%基準線および70%基準線として示されている。算定された冷凍能力はそれぞれのプロット点のカッコ内に数値として示されている。各冷却水入口温度における最高COPは表１から転記され、下線とともに示されている。
また、図７には、図３に示された各冷却水入口温度に対するCOPの曲線が併せて示されている。
図７から、それぞれの基準線が、図３に示した各冷却水入口温度ごとのCOP曲線の傾向に合致していることが分かる。具体的には、80％基準線では、各冷却水入口温度におけるCOPのピーク値にほぼ一致している。100％基準線および70％基準線では、80％基準線から所定値だけ減少したCOPの値を通過するようになっている。
このように、インバータターボ冷凍機のCOP特性は、遠心圧縮機であるターボ圧縮機の特性を強く反映したものといえる。したがって、固定値とした特定の運転点（例えば設計点）における流量係数Φ、圧力係数μad、冷却水温度（ヘッド）及び冷凍能力を基準として得られる係数ｋ’（（８）式参照）を用いた演算式から、COPのピーク点およびその近傍を簡便に推定することができる。
このように、インバータターボ冷凍機のCOP特性は、遠心圧縮機であるターボ圧縮機の特性を強く反映したものといえる。したがって、固定値とした特定の運転点（例えば設計点）における流量係数Φ、圧力係数μad、冷却水温度（ヘッド）及び冷凍能力を基準として得られる係数ｋ’（（８）式参照）を用いた演算式から、COPのピーク点およびその近傍を簡便に推定することができる。
以上の通り、本実施形態の熱源システムによれば、以下の作用効果を奏することができる。
ターボ圧縮機１１，１２，１３の特定の運転点における流量係数Φおよび圧力係数μadと、所定の係数ｋを用いて、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式（（６）式乃至（８）式）を得ることとした。そして、同一のヘッド（本実施形態では冷却水温度）において略最大のCOPを取り得る冷凍能力を用いて、最適係数koptを決定する。この最適係数koptを含む所定範囲を適正運転係数範囲を決定し、この適正運転係数範囲となるように、運転時のヘッドを演算式に与えることにより、適正な冷凍能力範囲を把握できるようにした。このように、適正冷凍能力範囲は、運転時における任意のヘッドを与えることにより演算式から得られるので、運転状態（例えばヘッドに影響を及ぼす冷却水温度）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機をCOPが良い範囲で運転させることができ、従来に比べて大幅な省エネルギー運転が可能となる。
ターボ圧縮機１１，１２，１３の特定の運転点における流量係数Φおよび圧力係数μadと、所定の係数ｋを用いて、冷凍能力とヘッドとの関係を示す演算式（（６）式乃至（８）式）を得ることとした。そして、同一のヘッド（本実施形態では冷却水温度）において略最大のCOPを取り得る冷凍能力を用いて、最適係数koptを決定する。この最適係数koptを含む所定範囲を適正運転係数範囲を決定し、この適正運転係数範囲となるように、運転時のヘッドを演算式に与えることにより、適正な冷凍能力範囲を把握できるようにした。このように、適正冷凍能力範囲は、運転時における任意のヘッドを与えることにより演算式から得られるので、運転状態（例えばヘッドに影響を及ぼす冷却水温度）が変化しても柔軟に対応することができる。したがって、任意の運転状態に対して適正冷凍能力範囲内でターボ冷凍機を運転させることができるので、ターボ冷凍機をCOPが良い範囲で運転させることができ、従来に比べて大幅な省エネルギー運転が可能となる。
外部負荷３が要求する要求冷凍能力を満足するようにターボ冷凍機１１，１２，１３の起動台数が決定する際に、演算式によって得られた適正冷凍能力範囲でターボ冷凍機が運転するように台数制御することとしたので、高いCOPで複数のターボ冷凍機を運転させることができ、省エネルギー効果が高い運転が実現される。
１ 熱源システム
３ 外部負荷
１１，１２，１３ ターボ冷凍機
２１，２２，２３ 冷水ポンプ
Had ヘッド
Qst 風量
kopt 最適係数
３ 外部負荷
１１，１２，１３ ターボ冷凍機
２１，２２，２３ 冷水ポンプ
Had ヘッド
Qst 風量
kopt 最適係数
Claims (4)
- 回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器とを備え、所定の適正冷凍能力範囲で運転されるターボ冷凍機であって、
前記適正冷凍能力範囲は、前記ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、前記ターボ圧縮機の羽根車外径を用いた所定の係数とを用いて前記ターボ圧縮機におけるヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一の前記ヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時の前記ヘッドとを用いて前記演算式から得られることを特徴とするターボ冷凍機。 - 請求項１に記載されたターボ冷凍機を複数台備え、
前記適正冷凍能力範囲で運転される前記ターボ冷凍機が出力する冷凍能力の合計が、外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するように、前記ターボ冷凍機の起動台数を制御することを特徴とする熱源システム。 - 回転数可変とされたインバータ駆動のターボ圧縮機と、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器と、凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張された冷媒を蒸発させ、冷水を冷却する蒸発器とを備え、所定の適正冷凍能力範囲で運転されるターボ冷凍機の制御方法であって、
前記適正冷凍能力範囲は、前記ターボ圧縮機の特定の運転点における流量係数および圧力係数と、前記ターボ圧縮機の羽根車外径を用いた所定の係数とを用いて前記ターボ圧縮機におけるヘッドおよび冷凍能力との関係を示した演算式から、同一の前記ヘッドにおいて略最大の成績係数をとりえる冷凍能力を用いて前記係数を最適係数として得て、該最適係数を含む所定範囲の適正運転係数範囲を演算し、該適正運転係数範囲と運転時の前記ヘッドとを用いて前記演算式から得られることを特徴とするターボ冷凍機の制御方法。 - 請求項１に記載されたターボ冷凍機を複数台備え、
前記適正冷凍能力範囲で運転される前記ターボ冷凍機が出力する冷凍能力の合計が、外部負荷が要求する要求冷凍能力を満足するように、前記ターボ冷凍機の起動台数を制御することを特徴とする熱源システムの制御方法。
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