JP5315080B2 - １ポンプ方式熱源設備の運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、地域冷暖房設備等の熱源供給システムや、工場、一般ビルなどの熱源供給システムに用いられる１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法に関する。

従来より、地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場、一般ビルなどの熱源供給システムには、図１５に示されるように、１ポンプ方式熱源設備５０が用いられている。

前記１ポンプ方式熱源設備５０は、図１５に示されるように、熱媒を加熱又は冷却する第１〜第３の熱源機器５１Ａ〜５１Ｃ、及び各熱源機器５１Ａ〜５１Ｃで加熱又は冷却された熱媒を圧送する各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃ、各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃに対応して設けられるとともに、ポンプ回転周波数を可変制御する周波数制御器５３Ａ〜５３Ｃと、各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃで圧送された熱媒を集約する送りヘッダ５４と、各部位（部屋）に配置された熱交換器（空調機）５８、５８…に供給された後、熱交換器（空調機）５８、５８…から還ってきた熱媒を各熱源機器５１Ａ〜５１Ｃに分配する戻りヘッダ５５と、前記送りヘッダ５４と戻りヘッダ５５とを繋ぐバイパス６２と、その中間に設けられたバイパス弁６３と、前記送りヘッダ５４と戻りヘッダ５５との間の差圧を計測する差圧計６４と、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの制御及びバイパス弁６３の開度制御を行う制御装置６０とを備える構成である。

また、計測機器類として、前記送りヘッダ５４から外部負荷機器側に循環する循環流量を測定するための流量計６５と、前記送りヘッダ５４と戻りヘッダ５５の間の差圧を測定する差圧計６４とを備える。

かかる１ポンプ方式熱源設備５０においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃにより圧送された熱媒は、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにより冷却又は加熱され、送りヘッダ５４において混合され、往水管路を介して熱交換器（空調機）５８、５８…へ供給される。そして、熱交換器（空調機）５８、５８…において熱交換された後、還水管路を介して戻りヘッダ５５に戻され、再び熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃによって圧送され循環する（下記特許文献１〜３等参照）。

前記１ポンプ方式熱源設備においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃは熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの運転と連動して運転を行い、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの流量測定値(Ｑmn)が設定値(Ｑsn)になるように熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃの運転周波数(fsn)を制御し、ポンプ吐出圧が設定値(Ｐs)になるようにバイパス弁６３の開度を制御している（以下、従来法Ａ）。

前記従来の１ポンプ方式熱源設備においては、前記制御装置からの周波数制御器への操作及びバイパス弁への操作がそれぞれ独立して行われていたため、圧力及び流量の制御が干渉し、熱源機器の出力の不安定化（ハンチング等）が生じていた。このような不安定化を回避するため、ポンプを定格で稼働して吐出圧を一定とすることで、熱源機器における流量をある程度多く確保するようにしているため、小負荷時においてポンプ動力が低減できないなどの問題があった。

そこで、本出願人は、１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法において、圧力と流量の制御を安定して行うとともに、ポンプ動力の低減を図るようにするため、下記特許文献４において、予め、熱媒ポンプ、熱源機器、送りヘッダ、バイパス路、戻りヘッダを巡る循環系において、各熱媒ポンプ毎に、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑをパラメータとするポンプ運転周波数ｆの算出式を得ておき、制御装置は、外部負荷機器を循環する熱媒の循環流量に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値、最小値を夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを決定し、これらＰs、Ｑsを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して運転周波数Ｆｓを求め、この運転周波数Ｆｓで前記熱媒ポンプを運転する１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法（以下、従来法Ｂ）を提案した。

特開２０００−１８６８３号公報 特開２００４−１８４０５２号公報 特開２００４−２４５５６０号公報 特開２００８−２２４１８２号公報

しかしながら、前記従来法Ａにおいて、空調機５８、５８…側への負荷流量が急激に小さくなった場合、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃでの流量低下による凍結事故を防止するため、バイパス弁６３の開度を急激に開いて、最低流量を確保する必要があるところ、バイパス弁６３の動作が緩慢に制御されているため、負荷流量の急激な低下に対応できず、ポンプ吐出圧の測定値が設定値を超えて過大となり、熱源機器の流量が凍結事故を防止するために必要な最低流量を維持できず、熱源機器が凍結する事態が生じていた。

このような熱源機器での流量低下を防止する方法として、図１６及び図１７に示されるように、ヘッダ間差圧の測定値（Ｐｍ）が設定値（Ｐｓ）より過大になった場合（図１７(A)）若しくは熱源機器の流量測定値（Ｑｍ）が設定値（Ｑｓ）より過小になった場合（図１７(B)）、又はこれら双方の場合の異常時に、緊急避難的にバイパス弁６３の開度制御を行う制御機器のパラメータ（比例帯、積分時間、微分時間）を敏感に反応するように切り替えることにより対処する方法が考えられる。ところが、パラメータの切り替えにより制御特性を敏感にし過ぎるとハンチングを起こすなど、かえって熱源設備の運転が不安定になる危険性があった。

一方、前記従来法Ｂの場合は、ヘッダ間差圧の測定値（Ｐｍ）と設定値（Ｐｓ）との間に差が無いことを前提としていたため、ヘッダ間差圧の測定値（Ｐｍ）が設定値（Ｐｓ）より過大になった場合や、若しくは熱源機器の流量測定値（Ｑｍ）が設定値（Ｑｓ）より過小になった場合、又はこれら双方の場合の異常時には対応できず、熱源機器の流量が凍結事故を防止するために必要な最低流量を維持できず、熱源機器が凍結するおそれが生じていた。

そこで本発明の主たる課題は、熱源機器及び外部負荷機器側の流量が急激に低下し凍結事故のおそれが生じる異常時において、熱源機器の凍結事故を防止するとともに、安定的な制御を行うことができる１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、熱媒を冷却又は加熱する１又は複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、ポンプ回転周波数を可変制御する周波数制御器と、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、前記各外部負荷機器に対応して設けられるとともに、該外部負荷機器を流れる熱媒の流量を調整する流量調整弁と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス路と、このバイパス路を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁と、前記熱媒ポンプの運転制御及び前記バイパス弁の開度制御を行う制御装置とを備える１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法であって、
前記送りヘッダから外部負荷機器側に循環する循環流量を測定するための流量計と、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、各熱媒ポンプの流量を測定するためのポンプ流量計と、前記送りヘッダと戻りヘッダの間の差圧を測定する差圧計とを配設し、
予め、前記熱媒ポンプ、熱源機器、送りヘッダ、バイパス路、戻りヘッダを巡る循環系において、各熱媒ポンプ毎に、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑとの関係式を得るとともに、この関係式に基づいて、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑをパラメータとするポンプ運転周波数ｆの算出式を得ておき、
通常時においては、
前記制御装置は、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ _ｒｍａｘ 、最小値Ｑ _ｒｍｉｎ を夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの前記流量設定値Ｑｓを決定し、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓ及び各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御し、
前記差圧計による前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は前記ポンプ流量計による流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合の異常時においては、
前記制御装置は、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ_ｒｍａｘ、最小値Ｑ_ｒｍｉｎを夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの前記流量設定値Ｑｓを決定し、前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍ及び各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御することを特徴とする１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項１記載の発明では、先ず通常時において、前記制御装置は、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ _ｒｍａｘ 、最小値Ｑ _ｒｍｉｎ を夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの前記流量設定値Ｑｓを決定し、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓ及び各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御するようにしている。

この通常時の運転制御方法では、前記制御装置により、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓが決定され、前記バイパス弁の開度が制御されている。熱媒ポンプの運転周波数の制御においては、ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓ及び熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓが求められ、この運転周波数の設定値を周波数制御器に与えることにより行われている。このため、バイパス弁でのハンチングが防止されるとともに、各設定値に近い状態で熱媒ポンプの運転周波数ｆｓが制御される。

一方、前記差圧計による前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は前記熱媒ポンプに対応して設けられるポンプ流量計による流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合の異常時においては、過大なヘッダ間差圧の測定値Ｐｍであっても、熱源機器の設定流量Ｑｓを確保できる熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御しているため、熱源機器及び外部負荷機器側の流量が急変した異常時でも、熱源機器の流量低下が抑えられ、熱源機器の凍結事故が防止できるようになる。このとき、バイパス弁は、通常時と同様に、制御装置により外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓが決定され、開度が制御されているため、ハンチングなどの不安定な動作となることがなく、安定的な制御が行われる。

請求項２に係る本発明として、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓは、予め、前記流量計により測定した外部負荷機器側の流量と、前記差圧計により測定した各流量における両ヘッダ間の差圧との配管抵抗曲線の関係式を求めておき、この関係式に、前記流量計により測定した前記外部負荷機器側の循環流量を代入して算出することにより求める請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項２記載の本発明は、前記両ヘッダ間の差圧の設定値の第１の具体的な算出方法を示したものであり、予め、前記流量計により測定した外部負荷機器側の流量と、前記差圧計により測定した各流量における両ヘッダ間の差圧との関係式（配管抵抗曲線）を求めておき、この配管抵抗曲線の関係式に、前記流量計により測定した前記外部負荷機器側の循環流量を代入して前記両ヘッダ間の差圧の設定値を算出するものである。

請求項３に係る本発明として、前記流量調整弁に対応して設けられ、前記流量調整弁の開度を測定する開度測定器を配設し、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓは、前記開度測定器により測定した各流量調整弁の開度のうち最大値に対して、開度の大きさを基準に区分された範囲毎にそれぞれ両ヘッダ間の差圧の設定値の増減を示した前記制御装置が保有する変化量テーブルに基づいて設定する請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項３記載の本発明は、前記両ヘッダ間の差圧の設定値の第２の具体的な算出方法を示したものであり、外部負荷機器側を循環する熱媒の流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定する態様を示したものである。具体的には、前記流量調整弁に対応して設けられ、前記流量調整弁の開度を測定する開度測定器を配設し、前記開度測定器により測定した各流量調整弁の開度のうち最大値に対して、開度の大きさを基準に区分された範囲毎にそれぞれ両ヘッダ間の差圧の設定値の増減を示した前記制御装置が保有する変化量テーブルに基づいて設定することができる。

請求項４に係る本発明として、前記両ヘッダ間の差圧の設定値及び前記熱媒ポンプの運転周波数の設定値は、数十秒から数分の時間間隔で算出するとともに、前記バイパス弁の開度は、１秒以下の時間間隔で制御する請求項１〜３いずれかに記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供される。

上記請求項４記載の本発明は、熱源機器の出力が不安定化（ハンチング等）するのを防止するために、両ヘッダ間の差圧の設定値及び熱媒ポンプの運転周波数の設定値を算出する時間間隔の目安と、バイパス弁の開度を制御する時間間隔の目安を示したものである。

以上詳説のとおり本発明によれば、熱源機器及び外部負荷機器側の流量が急変した異常時でも、熱源機器の凍結事故を防止するとともに、安定的な制御を行うことができる１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法が提供できる。

本発明に係る１ポンプ方式熱源設備１を示す配管図である。 その運転制御方法を示す流れ図である。 (A)、(B)は、異常時と通常時の判別方法を示す流れ図である。 熱媒ポンプの実機特性試験における熱媒の流量Ｑとヘッダ間差圧Ｐとの関係を示すグラフである。 熱媒の流量Ｑとヘッダ間差圧Ｐとの一般的関係を示すグラフである。 通常時における熱媒ポンプの運転周波数に対する熱媒の流量Ｑとヘッダ間差圧Ｐとの関係を示すグラフである。 通常時における第１の運転制御方法を示すＰ−Ｑ特性線図である。 異常時における熱媒ポンプの運転周波数に対する熱媒の流量Ｑとヘッダ間差圧Ｐとの関係を示すグラフである。 従来の運転制御方法による流量及び差圧の時系列線図である。 従来の運転制御方法による流量の時系列線図である。 従来の運転制御方法による熱媒ポンプの運転周波数の時系列線図である。 本発明に係る運転制御方法による流量及び差圧の時系列線図である。 本発明に係る運転制御方法による流量の時系列線図である。 本発明に係る運転制御方法による熱媒ポンプの運転周波数の時系列線図である。 従来の１ポンプ方式熱源設備５０を示す配管図である。 従来の運転制御方法を示す流れ図である。 (A)、(B)は、従来の異常時と通常時の判別方法を示す流れ図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔１ポンプ方式熱源設備の構成〕
図１に示される１ポンプ方式熱源設備１は、熱媒を冷却又は加熱する１又は複数の熱源機器２Ａ〜２Ｃと、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃと、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、ポンプ回転周波数を可変制御する周波数制御器１４Ａ〜１４Ｃと、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃからの熱媒を集約する送りヘッダ４と、この送りヘッダ４から熱媒を供給される外部負荷機器９，９…と、前記各外部負荷機器９に対応して設けられるとともに、該外部負荷機器を流れる熱媒の流量を調整する流量調整弁１１と、外部負荷機器９，９…で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに分配する戻りヘッダ１０と、前記送りヘッダ４又はその近傍と前記戻りヘッダ１０又はその近傍とを繋ぐバイパス路１３と、このバイパス路１３を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁１２と、前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転制御及び前記バイパス弁１２の開度制御を行う制御装置８とを備えるものである。

また、計測機器類として、前記送りヘッダ４から外部負荷機器９側に循環する循環流量を測定するための流量計１５と、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、各熱媒ポンプの流量を測定するためのポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃと、前記送りヘッダ４と戻りヘッダ１０の間の差圧を測定する差圧計１６と、前記流量調整弁１１の開度を測定するための開度測定器１９とを配設している。

〔運転制御方法〕
前記１ポンプ方式熱源設備１では、図２及び図３に示されるように、前記差圧計１６による両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は前記ポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合の異常時と、それ以外の通常時とを切替可能とされており、それぞれの場合において前記制御装置８による運転制御方法が異なっている。

〈通常時の運転制御方法〉
先ず通常時の運転制御方法について説明する。通常時とは、前記異常時以外のときであり、具体的には、差圧計１６による前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大でない場合及び／又はポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小でない場合のことをいう。この通常時の運転制御方法は、以下に詳述するように、特開２００８−２２４１８２号公報に記載の方法とすることができる。

運転制御にあたって、予め、前記熱媒ポンプ、熱源機器、送りヘッダ、バイパス路、戻りヘッダを巡る循環系において、各熱媒ポンプ毎に、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑとの関係式を得るとともに、この関係式に基づいて、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑをパラメータとするポンプ運転周波数ｆの算出式を得ておく。

前記熱源機器２Ａ〜２Ｃは、流量範囲や機種などの仕様がそれぞれ同一のものでも、それぞれ仕様が異なるものでもよい。熱源機器の仕様がそれぞれ異なる場合、各熱源機器の前記仕様に対応した熱媒ポンプが備えられ、制御装置８は、予め、実機での運転試験によって測定した前記各熱媒ポンプのヘッダ間差圧と流量との関係式を保有するようにする。これにより、流量範囲や機種などの仕様が異なる熱源機器２Ａ〜２Ｃを設置しても、それぞれ最適な運転状態となるように個別的に熱源機器２Ａ〜２Ｃを制御することが可能となる。

以下、具体的に詳述する。
（熱媒ポンプの実機特性試験）
先ず初めに、前記熱媒ポンプ、熱源機器、送りヘッダ、バイパス路、戻りヘッダを巡る循環系において、各熱媒ポンプ毎に、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑとの関係式を予め得ておく。

実機において、前記外部負荷機器９，９…側への熱媒の供給を遮断して前記バイパス１３を循環する流路を形成し、前記各熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃを定格周波数Ｆ（５０Hz又は６０Hz）で運転した状態で、前記バイパス弁１２の開度を変え（例えば、開度１０％ステップで１００％→０％）、前記差圧計１６による両ヘッダ間の差圧Ｐと前記バイパス１３を流れる熱媒の流量Ｑとを測定し、両者の関係式を実験的に求める。図４は、熱媒ポンプ単体の場合（条件１）、熱媒ポンプにチャッキバルブ及びストレーナーを取り付け、熱源機器を接続した場合（条件２）について、両ヘッダ間の差圧Ｐと熱媒の流量Ｑとの関係を示した実施例である。なお、本発明で使用する両ヘッダ間の差圧Ｐと熱媒の流量Ｑとの関係式は、熱源機器及び配管抵抗を考慮した条件２のものである。

ここで、前記外部負荷機器側への熱媒の供給を遮断するには、前記送りヘッダ４と外部負荷機器９、９…との間にバルブ１８を設けておき、該バルブ１８を全閉とする。また、前記バイパス１３には、該バイパス１３を流れる熱媒の流量を測定するための流量計１７を設けておく。この流量計１７は、本熱媒ポンプの実機特性試験において計測できるものであればよく、運転時には除去できるように配設してもよい。

前記両ヘッダ間の差圧Ｐと熱媒の流量Ｑとの関係式は、下式(1)のように近似することができる。

上記関係式は、定格周波数Ｆ（５０Hz又は６０Hz）で運転した条件のものであるから、ポンプの運転周波数が任意の周波数ｆの時の関係式は、下式(2)のように近似することができる。

ここで、Ｐ：両ヘッダ間の差圧
Ｑ：熱媒の流量
ｆ：熱媒ポンプの運転周波数
Ｆ：熱媒ポンプの定格周波数
Ａ，Ｂ，Ｃ：係数

ところで、上記手法は、実験的に求める方法であるが、ポンプのＰ−Ｑ特性図、熱源機器のＰ−Ｑ特性図、配管系のＰ−Ｑ特性図が予め判明している場合は、（ポンプのＰ−Ｑ特性図による圧力）−（熱源機器及び配管系のＰ−Ｑ特性図による圧力低下）によるＰ−Ｑ特性図を上式(1)で近似させることにより、上式(2)を導くことができる。

（両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓの算出）
両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓの算出方法は、配管抵抗曲線による算出方法と、外部負荷機器側の流量調整弁１１の開度による算出方法とがあり、これらの算出方法は、本熱源設備１の設置状況や目的等によって使い分けられる。

先ず、前記配管抵抗曲線による算出方法について詳述する。本算出方法では、予め、流量計１５により測定した外部負荷機器側の流量と、前記差圧計１６により測定した各流量における両ヘッダ間の差圧との関係式（配管抵抗曲線）を求めておく。この配管抵抗曲線は、一般に図５に示されるように、次式(3)のような二次関数で表される。この次式(3)に、流量計１５により測定した前記外部負荷機器側の循環流量Ｑ_１を代入して、現状の運転状態に応じた両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓを求めることができるようになる。

ここで、Ｐ_ｓ：両ヘッダ間の差圧の設定値
Ｑ_１：外部負荷機器側の循環流量
ａ，ｂ，ｃ：実験的に求まる配管抵抗曲線の係数

次に、前記流量調整弁１１の開度による算出方法について詳述する。本算出方法では、前記開度測定器１９、１９…により測定した各流量調整弁１１、１１…の開度のうち最大値に対して、開度の大きさを基準に区分された範囲毎にそれぞれ両ヘッダ間の差圧の設定値の増減を示した前記制御装置８が保有する変化量テーブルに基づいて設定する。前記変化量テーブルは、表１に示されるように作成することができる。表２は、その具体的な実施例である。本実施例において、前記制御装置８は、例えば、開度測定器１９、１９…による前記流量調整弁１１、１１…の各開度のうち最大開度が75〜85％と適値の区分に属する場合には、両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓは維持する制御信号を出力し、前記流量調整弁１１、１１…の最大開度が90％と適値より大きい場合には、両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓは2kPa増加させる制御信号を出力するようにしている。

（熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓの算出）
次に、熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転流量の設定値Ｑ_ｓを算出する。前記運転流量の設定値Ｑ_ｓは、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ_ｒｍａｘ、最小値Ｑ_ｒｍｉｎを夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの流量設定値Ｑ_ｓを決定する。

具体的には、各熱源機器の容量範囲が同一の場合は、外部負荷機器９、９…側の循環流量Ｑ_１を流量計１５により測定し、この外部負荷機器側の循環流量Ｑ_１に余裕流量ｑを見込んだ熱媒ポンプ１台当たり（熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転台数Ｎ）の運転流量Ｑ_ｓ’を次式(4)から算出する。

ここで、Ｑ_ｓ’：熱媒ポンプの運転流量
Ｑ_１：外部負荷機器側の循環流量
Ｎ：熱媒ポンプの運転台数
ｑ：余裕流量
そして、この熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転流量Ｑ_ｓ’から、熱源機器２Ａ〜２Ｃの流量範囲（Ｑ_ｒｍｉｎ〜Ｑ_ｒｍａｘ）に応じた熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓを、次式(5)の関係式から算出する

ここで、Ｑ_ｓ：熱媒ポンプの運転流量の設定値
Ｑ_ｒｍａｘ：熱源機器の運転可能流量の最大値
Ｑ_ｒｍｉｎ：熱源機器の運転可能流量の最小値

ここで、上式(4)は、各熱源機器２Ａ〜２Ｃの容量範囲が同一の場合について示したものであり、流量範囲が異なる熱源機器が用いられている場合には、各熱源機器の容量に対応して比例配分することにより、各熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓを算出するようにする。具体的に２台の熱源機器が設けられた場合を例に挙げて説明すると、第１熱源機器REF-1（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝8.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝10.0m³/h）及び第２熱源機器REF-2（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝4.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝5.0m³/h）の流量範囲が異なる熱源機器が混在して設置された場合、外部負荷機器側の循環流量Ｑ_１＝13m³/h、各熱源機器の余裕流量ｑ＝0.5m³/hとしたとすると、前記第１熱源機器REF-1に対する熱媒ポンプCP1の運転流量の設定値Ｑ_ｓ１及び前記第２熱源機器REF-2に対する熱媒ポンプCP2の運転流量の設定値Ｑ_ｓ２は、次式(6)のように求めることができる。

ここで、Ｑ_ｓ１，Ｑ_ｓ２：それぞれ熱媒ポンプCP1、CP2の運転流量
Ｑ_１：外部負荷機器側の循環流量
Ｑ_{ｉｒｍａｘ}：ｉ番目の熱源機器の流量範囲の最大流量
Ｎ：熱媒ポンプの運転台数
ｑ：余裕流量
上式(6)より、各熱媒ポンプの運転流量の設定値は、Ｑ_ｓ１＝9.2m³/h（=13×10/15+0.5）、Ｑ_ｓ２＝4.8m³/h（=13×5/15+0.5）となる。

（熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓの算出）
次に、上式(5)から算出した熱媒ポンプの運転流量Ｑ_ｓに対応する運転周波数の設定値ｆ_ｓを、上式(2)に基づいて算出する。具体的には、上式(2)を熱媒ポンプの運転周波数ｆについて解いて、次式(7)のように変形する。

ここで、Ｘ＝Ｃ／Ｆ^２
Ｙ＝Ｂ×Ｑ／Ｆ
Ｚ＝Ａ×Ｑ^２−Ｐ

これにより、熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓは、上式(7)のＰ、Ｑにそれぞれ上式(3)で算出した両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓ及び上式(5)で算出した熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓを与えて、次式(8)から算出することができる。

ここで、Ｙ’＝Ｂ×Ｑ_ｓ／Ｆ
Ｚ’＝Ａ×Ｑ_ｓ ^２−Ｐ_ｓ

ここで、具体的に２台の熱源機器が設けられた場合を例に挙げて説明する。前記具体例と同様に、流量範囲の異なる第１熱源機器REF-1（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝8.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝10.0m³/h）及び第２熱源機器REF-2（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝4.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝5.0m³/h）が混在し、かつ各熱源機器に接続する熱媒ポンプのP-Q特性線図（上式(1)の係数A=-1.0111、B=-3.0184、C=327.64とする）及び定格周波数Ｆ＝60Hzが同一と仮定する。なお、前記具体例において、各熱媒ポンプの運転流量の設定値はＱ_ｓ１＝9.2m³/h、Ｑ_ｓ２＝4.8m³/hである。この場合、両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓ＝200kPaとすると、各熱媒ポンプの運転周波数の設定値はｆ_ｓ１＝58.6Hz、ｆ_ｓ２＝50.9Hzとなり、Ｐ_ｓ＝100kPaとするとｆ_ｓ１＝47.8Hz、ｆ_ｓ２＝38.2Hzとなる。

（運転制御）
前記制御装置８は、上式(3)で算出した両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓに基づき、前記バイパス弁１２の開度をＰＩＤ制御器（図示せず）により制御するとともに、上式(8)で算出した熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓを前記周波数制御器１４Ａ〜１４Ｃに与え、熱媒ポンプの運転制御を行う。

図６は、運転制御の実施例を示した図である。熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓ及びヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓを算出することにより、これら設定値を満足する熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓが決定される。

ここで、両ヘッダ４，１０間の差圧の設定値Ｐ_ｓ及び熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓは、数十秒から数分の時間間隔で算出するとともに、前記バイパス弁の開度調整は、１秒以下の時間間隔で行うことが好ましい。これにより、バイパス弁の不安定化（ハンチング等）を防止することができるようになる。

通常時には、図７に示されるように、熱媒ポンプの運転周波数は、熱媒ポンプのＰ−Ｑ特性線図の定格ポンプ揚程曲線と必要末端圧を考慮した配管抵抗曲線との交点から求められる。

〈異常時の運転制御方法〉
次に、異常時の運転制御方法について説明する。異常時とは、上記通常時以外のときであり、具体的には、差圧計１６による両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は前記ポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合のことをいう。

異常時か通常時かの判別は、図２に示されるように、上記（両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓの算出）及び（熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓの算出）をした後に行われる。判別は、図３(A)に示されるように、両ヘッダ間の差圧の測定値Ｐｍが算出した設定値Ｐｓより過大の場合であるか否か、同図(B)に示されるように、ポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる熱源機器流量の測定値Ｑｍが算出した設定値Ｑｓより過小の場合であるか否かにより行われ、これらの少なくともいずれか一方に該当した場合、異常時と判別される。ここで、両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが差圧設定値Ｐｓより過大な場合とは、両者の差が例えば１０ｋＰａ以上の場合をいい、ポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合とは、両者の差が流量設定値Ｑｓの５％以上の場合をいう。

異常時は、上記通常時と比較して上記（熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓの算出）の工程が異なる。

具体的には、熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓは、上式(7)のＰ、Ｑにそれぞれ差圧計１６による前記両ヘッダ間の差圧の測定値Ｐ_ｍ及び上式(5)で算出した熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓを与えて、次式(9)から算出することができる。

ここで、Ｙ’＝Ｂ×Ｑ_ｓ／Ｆ
Ｚ’＝Ａ×Ｑ_ｓ ^２−Ｐ_ｍ

ここで、具体的に２台の熱源機器が設けられた場合を例に挙げて説明する。前記具体例と同様に、流量範囲の異なる第１熱源機器REF-1（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝8.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝10.0m³/h）及び第２熱源機器REF-2（運転可能流量：Ｑ_ｒｍｉｎ＝4.0m³/h、Ｑ_ｒｍａｘ＝5.0m³/h）が混在し、かつ各熱源機器に接続する熱媒ポンプのP-Q特性線図（上式(1)の係数A=-1.0111、B=-3.0184、C=327.64とする）及び定格周波数Ｆ＝60Hzが同一と仮定する。この場合、両ヘッダ間の差圧の測定値Ｐ_ｍ＝200kPa、各熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓ１＝9.2m³/h、Ｑ_ｓ２＝4.8m³/hとすると、各熱媒ポンプの運転周波数の設定値はｆ_ｓ１＝58.6Hz、ｆ_ｓ２＝50.9Hzとなり、Ｐ_ｍ＝100kPa、Ｑ_ｓ１＝9.2m³/h、Ｑ_ｓ２＝4.8m³/hとするとｆ_ｓ１＝47.8Hz、ｆ_ｓ２＝38.2Hzとなる。

（運転制御）
異常時の運転制御も通常時と同様に、前記制御装置８が、上式(3)で算出した両ヘッダ間の差圧の設定値Ｐ_ｓに基づき、前記バイパス弁１２の開度をＰＩＤ制御器（図示せず）により制御するとともに、上式(9)で算出した熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓを前記周波数制御器１４Ａ〜１４Ｃに与え、熱媒ポンプの運転制御を行う。

図８は、運転制御の実施例を示した図である。熱媒ポンプの運転流量の設定値Ｑ_ｓの算出及びヘッダ間の差圧の測定値Ｐ_ｍの計測をすることにより、これらの値を満足する熱媒ポンプの運転周波数の設定値ｆ_ｓが決定される。

実験では、２台の熱媒ポンプＣＰ１、ＣＰ２が設けられた１ポンプ方式熱源設備１において、ほぼ一定の負荷流量を維持した状態から時間３５秒付近で負荷流量を急激に低下させ、ポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な異常時とした場合、上記本発明に係る異常時の運転制御方法と、上記通常時の第１の運転制御方法を異常時にもそのまま用いた運転制御方法（以下、従来の運転制御方法という）とについて、それぞれ、各熱媒ポンプの流量測定値Ｑｍと、両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍおよび差圧設定値Ｐｓとの時系列線図、各熱媒ポンプの流量測定値Ｑｍおよび流量設定値Ｑｓの時系列線図並びに各熱媒ポンプの運転周波数の時系列線図を求めた。ここで、熱源ポンプＣＰ１、ＣＰ２の流量設定値Ｑｓを定格流量で一定とし、ヘッダ間差圧の設定値Ｐｓを負荷流量にあわせて可変とし、周波数制御器の加減速時間は９０秒とした。その結果を図９〜図１４に示す。

実験の結果、熱媒ポンプの流量は、図１０および図１３に示されるように、従来の運転制御方法でも本発明に係る運転制御方法でも、前記異常時となった直後から一旦低下し、その後定常状態に回復するという傾向にある。ところが、本発明に係る運転制御方法では、従来の運転制御方法と比較して、定常状態の流量と最低流量との差である流量変動幅と、異常時の開始から定常状態の流量まで回復するのに要した流量回復時間とが、大きく改善されている。具体的には、従来の運転制御方法では、図１０に示されるように、前記流量変動幅は２８．２−２２．３＝５．９リットル／分（定常状態の流量に対して２１％変動）であり、前記流量回復時間は約１２０秒であった。これに対して、本発明に係る運転制御方法では、図１３に示されるように、前記流量変動幅は２９．３−２７．３＝２．０リットル／分（定常状態の流量に対して７％変動）と、従来の運転制御方法に比べると大幅に低減し、異常時においても熱媒ポンプの流量が比較的安定するようになる。また、前記流量回復時間も約１０秒と、従来の運転制御方法に比べると大幅に低減し、若干の流量変動が発生しても、速やかに定常状態に回復できる。このように、従来の運転制御方法では、差圧計による前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は各熱媒ポンプに対応して設けられるポンプ流量計２０Ａ〜２０Ｃによる流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合の異常時において、熱媒ポンプの流量が長時間に亘って大きく低下するため、熱源機器の凍結事故を引き起すという問題があったが、本発明に係る運転制御方法では流量変動幅及び流量回復時間が大幅に改善されるため凍結事故などが防止できるようになる。

一方、図９および図１２に示されるように、両ヘッダー間の差圧は、負荷流量の変動（低下）に伴って、設定値を変化させているため、測定値も低下する。本実験では、前記異常時の開始直後に差圧の測定値が一旦上昇した後、差圧設定値の変化に伴って変動している。

さらに、図１１および図１４に示されるように、熱媒ポンプのポンプ回転周波数は、従来の運転制御方法では異常時の開始後から直線的に推移しているのに対して、本発明に係る運転制御方法では異常時が開始した後に一旦上昇し、その後周波数制御器のインバーター制御により徐々に変化するようになる。

このように、異常時において、差圧測定値Ｐｍを用いてポンプ回転周波数を算出することにより、熱媒ポンプの流量が安定するなどの点で有効である。一方、前記異常時以外の通常時においても、差圧測定値Ｐｍを用いて算出したポンプ回転周波数を与えると、ヘッダ間差圧がハンチングを起こすなどの問題が生じることが確認されている。

１…１ポンプ方式熱源設備、２Ａ〜２Ｃ…熱源機器、３Ａ〜３Ｃ…熱媒ポンプ、４…送りヘッダ、８…制御機器、９…外部負荷機器、１０…戻りヘッダ、１２…バイパス弁、１３…バイパス、１４Ａ〜１４Ｃ…周波数制御器、１５…流量計、１６…差圧計、１７…流量計、１８…バルブ、２０Ａ〜２０Ｃ…ポンプ流量計

Claims (4)

1. 熱媒を冷却又は加熱する１又は複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、ポンプ回転周波数を可変制御する周波数制御器と、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、前記各外部負荷機器に対応して設けられるとともに、該外部負荷機器を流れる熱媒の流量を調整する流量調整弁と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス路と、このバイパス路を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁と、前記熱媒ポンプの運転制御及び前記バイパス弁の開度制御を行う制御装置とを備える１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法であって、
   前記送りヘッダから外部負荷機器側に循環する循環流量を測定するための流量計と、各熱媒ポンプに対応して設けられるとともに、各熱媒ポンプの流量を測定するためのポンプ流量計と、前記送りヘッダと戻りヘッダの間の差圧を測定する差圧計とを配設し、
   予め、前記熱媒ポンプ、熱源機器、送りヘッダ、バイパス路、戻りヘッダを巡る循環系において、各熱媒ポンプ毎に、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑとの関係式を得るとともに、この関係式に基づいて、ヘッダ間差圧Ｐとポンプ流量Ｑをパラメータとするポンプ運転周波数ｆの算出式を得ておき、
   通常時においては、
   前記制御装置は、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ _ｒｍａｘ 、最小値Ｑ _ｒｍｉｎ を夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの前記流量設定値Ｑｓを決定し、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓ及び各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御し、
   前記差圧計による前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍが前記差圧設定値Ｐｓより過大な場合及び／又は前記ポンプ流量計による流量測定値Ｑｍが流量設定値Ｑｓより過小な場合の異常時においては、
   前記制御装置は、前記外部負荷機器側を循環する熱媒の循環流量又はその流量変化率に応じて前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓを決定し、前記バイパス弁の開度を制御するとともに、各熱源機器の運転可能流量の最大値Ｑ_ｒｍａｘ、最小値Ｑ_ｒｍｉｎを夫々、上限値、下限値とする条件および前記外部負荷機器側を循環する熱媒循環流量を各熱源機器で分配する考えの下で、各熱媒ポンプの前記流量設定値Ｑｓを決定し、前記両ヘッダ間の差圧測定値Ｐｍ及び各熱媒ポンプの流量設定値Ｑｓを前記ポンプ運転周波数ｆの算出式に代入して、熱媒ポンプの運転周波数ｆｓを求め、この運転周波数の設定値を前記周波数制御器に与えて前記熱媒ポンプの運転周波数を制御することを特徴とする１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
2. 前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓは、予め、前記流量計により測定した外部負荷機器側の流量と、前記差圧計により測定した各流量における両ヘッダ間の差圧との配管抵抗曲線の関係式を求めておき、この関係式に、前記流量計により測定した前記外部負荷機器側の循環流量を代入して算出することにより求める請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
3. 前記流量調整弁に対応して設けられ、前記流量調整弁の開度を測定する開度測定器を配設し、前記両ヘッダ間の差圧設定値Ｐｓは、前記開度測定器により測定した各流量調整弁の開度のうち最大値に対して、開度の大きさを基準に区分された範囲毎にそれぞれ両ヘッダ間の差圧の設定値の増減を示した前記制御装置が保有する変化量テーブルに基づいて設定する請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。
4. 前記両ヘッダ間の差圧の設定値及び前記熱媒ポンプの運転周波数の設定値は、数十秒から数分の時間間隔で算出するとともに、前記バイパス弁の開度は、１秒以下の時間間隔で制御する請求項１〜３いずれかに記載の１ポンプ方式熱源設備の運転制御方法。

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