JP5362311B2 - 熱源システム - Google Patents

Description

本発明は熱源システムに関し、特に冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができる熱源システムに関する。

熱源機器として用いられることが多い冷凍機は、冷却水を導入し、冷凍サイクルを行う冷媒を凝縮させ、冷凍サイクルを継続させる。冷凍機は、かつては一定流量の冷却水が導入されることを前提に製造されているものが多かったが、近年、より省エネルギーを求める気運の高まりを背景に、冷却水の流量を負荷に応じて可変としてポンプの動力を削減するという要求に応えるため、導入される冷却水を変流量とすることを前提として製造されるものが増えている。そして、このような冷却水変流量仕様の冷凍機を用いた熱源システムが多く構築されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−２８３５２７号公報（段落０００８、図１等）

近年では、工業製品の製造工程における冷房用として構築される熱源システムのように、冬季でも冷熱需要がある事例が増えている。冷却塔においては、冬季のように外気湿球温度が低いほど冷却水の温度を低下させることができる。そして、冷却水温度が低いほど冷凍機に導入する冷却水流量を少なくすることができる。しかしながら、冷却水変流量仕様の冷凍機といえども、最低限導入すべき冷却水流量、冷却水流量を変更する際の単位時間当たりの増減流量、冷却水の下限温度等の制約があり、外気条件から見ればより温度が低い冷却水を冷凍機に供給可能な場合であっても、冷凍機側の制約がこれを許さず、冷却塔の能力を有効に活用することが難しい場合があった。

本発明は上述の課題に鑑み、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができる熱源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る熱源システムは、例えば図１に示すように、冷凍サイクルを行う冷媒が蒸発する際に被冷却媒体ｐを冷却し、蒸発した前記冷媒を凝縮させる冷却水ＣＤを導入する冷凍機１１と；冷却水ＣＤを大気と熱交換させて冷却する冷却塔１２と；冷却塔１２で冷却された冷却水ＣＤＳを冷凍機１１へ導く冷却水往管２１と；冷凍機１１で温度が上昇した冷却水ＣＤＲを冷却塔１２へ導く冷却水還管２２と；冷却水往管２１に配設され、冷却水ＣＤを冷凍機１１に向けて圧送する、吐出流量が可変の冷却水ポンプ３１と；冷凍機１１から導出された冷却水ＣＤを、冷却塔１２をバイパスして冷凍機１１に流入させる循環管２３と；循環管２３に配設され、循環管２３を流れる冷却水ＣＤＣを流動させる循環ポンプ３３と；冷却水ポンプ３１で圧送された冷却水ＣＤＳを循環管２３に導くバイパス管２４とを備える。ここで「冷凍機」は、冷凍サイクルにより被冷却媒体を冷却することができればよく、別途流体を加熱する機能を有することを妨げるものではなく、例えばいわゆる冷温水発生機等も含まれる。

このように構成すると、冷凍機側の条件を満たすように冷却水が循環管を流動するのに必要最小限の圧力で循環ポンプを運転し、冷却塔で冷却された冷却水を冷凍機側の条件の制約を受けずに必要な流量だけ循環管に流入するように冷却水ポンプを可変流量運転することが可能となり、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができて、省エネルギーとなる。換言すれば、冷凍機に供給される冷却水は、冷凍機の条件（例えば、下限流量、下限温度等）を満たすように循環ポンプで供給される一方（この場合、循環ポンプは循環流路の圧力損失分の吐出圧で運転すれば足りる）、冷却塔に循環される冷却水量を最小化することができる。

また、本発明の第２の態様に係る熱源システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様に係る熱源システム１において、冷却水ポンプ３１で圧送された冷却水ＣＤＳを、バイパス管２４に流入させずに冷凍機１１に流入させる流路と、冷凍機１１に流入させずにバイパス管２４に流入させる流路とを切り替える切替手段４１、４４と；バイパス管２４との接続部よりも下流側の循環管２３を流れる冷却水ＣＤＣの温度を検出する温度検出器５３と；冷却水ポンプ３１で圧送された冷却水ＣＤＳが冷凍機１１に流入せずにバイパス管２４に流入するときに、温度検出器５３で検出された温度が所定の温度になるように冷却水ポンプ３１の吐出流量を調節する制御装置５０とを備える。

このように構成すると、冷却水ポンプで圧送された冷却水が冷凍機に流入せずにバイパス管に流入するときに、温度検出器で検出された温度が所定の温度になるように冷却水ポンプの吐出流量を調節するので、冷凍機に導入される冷却水の温度を安定させることができ、冷凍機の高効率運転が可能となる。

また、本発明の第３の態様に係る熱源システムは、例えば図１を参照して示すと、上記本発明の第１の態様又は第２の態様に係る熱源システム１において、循環ポンプ３３が、冷却水ＣＤＣを一定の流量で吐出するように構成されている。

このように構成すると、冷凍機に負荷変動があった場合の追従性を安定させることができる。また、冷却水が定流量であることを前提とした既存の冷凍機を用いて本発明に係る熱源システムを適用することができ、省エネルギー化を図ることができる。

また、本発明の第４の態様に係る熱源システムは、例えば図１に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る熱源システム１において、冷凍機１１から導出された冷却水ＣＤＲが循環管２３に流入するのを遮断する遮断弁４３を備え；循環ポンプ３３が、冷却水ポンプ３１を停止させると共に遮断弁４３を閉止して運転させたときに、冷却水ＣＤを、循環管２３、冷凍機１１、及び冷却水還管２２を介して冷却塔１２に揚水できる揚程を有するように構成されている。

このように構成すると、冷却水ポンプが故障等により運転できなくなった場合であっても、冷却水を、冷却塔から冷却水往管、冷凍機、冷却水還管を介して再び冷却塔に流す際の冷却水ポンプの機能を循環ポンプが代替することができる。

本発明によれば、冷凍機側の条件を満たすように冷却水が循環管を流動するのに必要最小限の圧力で循環ポンプを運転し、冷却塔で冷却された冷却水を冷凍機側の条件の制約を受けずに必要な流量だけ循環管に流入するように冷却水ポンプを可変流量運転することが可能となり、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができて、省エネルギーとなる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る熱源システム１を説明する。図１は、熱源システム１の模式的系統図である。熱源システム１は、冷凍機１１と、冷却塔１２と、冷凍機１１と冷却塔１２とを結ぶ冷却水往管２１及び冷却水還管２２と、冷却水ＣＤを流動させる冷却水ポンプ３１と、冷凍機１１から導出された冷却水ＣＤを再び冷凍機１１へと導く循環管２３と、循環管２３内の冷却水ＣＤを流動させる循環ポンプ３３と、冷却水ポンプ３１で圧送された冷却水ＣＤを循環管２３に導くバイパス管２４とを備えている。冷却水に関し、以下の説明では、冷却塔１２で冷却されて冷却塔１２から導出された冷却水ＣＤ（典型的には冷凍機１１に向けて供給される冷却水ＣＤ）を「往冷却水ＣＤＳ」といい、冷凍機１１等で熱交換が行われて温度が上昇し冷却塔１２に向けて流れる冷却水ＣＤを「還冷却水ＣＤＲ」といい、冷凍機１１から導出されて冷却塔１２に向かわずに再び冷凍機１１に導入される冷却水ＣＤを「循環冷却水ＣＤＣ」と呼称して区別する場合があるが、特に区別しない場合は単に「冷却水ＣＤ」と総称することとする。

冷凍機１１は、例えば空調用として用いられる水冷式の熱源装置であり、典型的には、容量制御性に優れたターボ冷凍機又は吸収式冷凍機が用いられる。冷凍機１１は、不図示の冷媒が冷凍サイクルを行い（蒸発と凝縮を交互に行う）、冷媒が蒸発する際に被冷却媒体としての冷水ｐから熱を奪うことで冷水ｐを冷却する機器である。冷凍機１１には、冷水ｐと熱交換をして蒸発した冷媒を冷却して凝縮させるために、冷却水ＣＤが導入される。一般に、冷凍機は、従来は導入する冷却水の流量が変わらないことを前提として製造されているもの（以下「定流量仕様」という。）が多かった。しかし、冷却負荷（冷却する冷水ｐの流量及び温度に依存する）が定格値よりも減少した場合、あるいは導入する往冷却水ＣＤＳの温度が低下した場合に、冷凍機の運転に支障ない範囲で導入する冷却水ＣＤの流量を減少させることができる。このような事情を背景に、冷却水ポンプの動力削減を可能にすることを目的として、運転中に冷却水の流量が変化することに対応した冷凍機（以下「変流量仕様」という。）が製造されている。本実施の形態の冷凍機１１は変流量仕様を採用していることとして説明する。変流量仕様の冷凍機は、一般に、定格流量に対して減少させることができる流量に下限があり（例えば定格流量の５０％程度）、流量変化の割合（％／分）に上限があり、導入する冷却水の温度に下限がある、というような制約があるところ、冷凍機１１も、導入する冷却水ＣＤの下限流量、流量変化割合、下限温度に制約がある。

冷却塔１２は、冷凍機１１で温度が上昇した還冷却水ＣＤＲを導入し、大気と熱交換をして再び冷凍機１１に供給可能な温度に冷却する機器である。換言すれば、冷却塔１２は、冷凍機１１で冷水ｐから奪った熱を、冷却水ＣＤを媒体として大気に放散する機器である。冷却塔１２は、開放式であり、導入した還冷却水ＣＤＲを散布ノズル１２ｓから散布して一部を蒸発させることにより、その一部の蒸発した冷却水ＣＤの潜熱で残りの蒸発していない冷却水ＣＤを冷却するように構成されている。冷却塔１２は、大気との熱交換を促進させるために強制的に外気を取り込むファン１２ｆを有している。また、冷却塔１２は、インバータ１３を有しており、ファン１２ｆの回転速度を任意に変えることができるように構成されている。本実施の形態では、同様の構成の冷却塔１２を２セット備えており、これらを区別する必要がある場合はそれぞれ異なる符号「１２Ａ」、「１２Ｂ」を付すこととし、区別する必要がない場合は「冷却塔１２」と総称する。なお、各冷却塔１２Ａ、１２Ｂは、図では１台ずつが設置されているように示されているが、典型的には、それぞれ複数台の冷却塔が合わさって、総和の能力を有する１台の冷却塔のように作動するセクションとして構成されている。冷却塔１２は、要求される能力に応じて、セクションとして構成され、あるいは単体の冷却塔として構成される。

冷却水往管２１は、冷却塔１２で冷却された往冷却水ＣＤＳを冷凍機１１へ供給するための配管である。冷却水往管２１は、冷却塔１２の冷却された往冷却水ＣＤＳが貯留される部分と、冷凍機１１の冷却水入口１１ａとに接続されている。冷却水往管２１には、冷却水ポンプ３１が配設されている。冷却水ポンプ３１は、インバータ３１ｖを有しており、インバータ３１ｖによって回転速度を変えることで吐出される往冷却水ＣＤＳの流量を変えることができるように構成されている。冷却水ポンプ３１と冷却塔１２との間の冷却水往管２１には、往冷却水ＣＤＳの温度を検出する温度センサ５１が設けられている。冷却水ポンプ３１と温度センサ５１との間の冷却水往管２１と、冷却水ポンプ３１の下流側の冷却水往管２１とには、往冷却水ＣＤＳが冷却水ポンプ３１を通過することを回避するための冷却水ポンプバイパス管２６が接続されている。冷却水ポンプバイパス管２６には、往冷却水ＣＤＳの流れを遮断するポンプバイパス遮断弁４６が配設されている。冷却水往管２１は、温度センサ５１の上流側で、冷却塔１２Ａに接続された冷却水往管２１Ａと冷却塔１２Ｂに接続された冷却水往管２１Ｂとが接続されて１本の配管になっている。

冷却水還管２２は、冷凍機１１で冷媒と熱交換して温度が上昇した還冷却水ＣＤＲを冷却塔１２に戻すための配管である。冷却水還管２２は、冷凍機１１の冷却水出口１１ｂと、冷却塔１２の散布ノズル１２ｓとに接続されている。冷却水還管２２は、冷却塔１２の近傍で２本の冷却水還管２２Ａ、２２Ｂに分岐され、それぞれ冷却塔１２Ａ及び冷却塔１２Ｂに接続されている。冷却水還管２２Ａには、還冷却水ＣＤＲの流路を遮断する還管遮断弁４２Ａが配設されている。冷却水還管２２Ｂには、還冷却水ＣＤＲの流路を遮断する還管遮断弁４２Ｂが配設されている。冷却水ポンプ３１下流側の冷却水ポンプバイパス管２６との接続位置よりも下流側の冷却水往管２１と、冷却水還管２２とは、往冷却水ＣＤＳの一部を冷却水還管２２に導く調節管２５で接続されている。調節管２５には、内部を流れる往冷却水ＣＤＳの流量を調節する流量調整弁４５が配設されている。

循環管２３は、冷凍機１１と調節管２５との間の冷却水還管２２と、冷凍機１１と調節管２５との間の冷却水往管２１とに接続されている。循環管２３には、循環冷却水ＣＤＣの温度を検出する温度センサ５３と、循環冷却水ＣＤＣを流動させる循環ポンプ３３と、循環冷却水ＣＤＣの逆流を防ぐ逆止弁４８とが、循環冷却水ＣＤＣの流れの向きにこの順で配設されている。本実施の形態では、循環ポンプ３３は、冷却水ポンプ３１が故障等により運転不能になった場合に備えて、冷却水ポンプ３１と同程度の揚程を有している。また、循環ポンプ３３は、インバータ３３ｖを有しており、インバータ３３ｖによって回転速度を変えることで循環管２３を循環する循環冷却水ＣＤＣの流量を変えることができるように構成されている。

バイパス管２４は、冷却水往管２１と循環管２３とに接続されている。バイパス管２４の、冷却水往管２１への接続位置は、調節管２５の接続部分と循環管２３の接続部分との間になっている。他方、バイパス管２４の循環管２３への接続位置は、温度センサ５３よりも上流側となっている。バイパス管２４には、往冷却水ＣＤＳの流路を遮断するバイパス遮断弁４４が配設されている。冷却水往管２１の、バイパス管２４の接続部分と循環管２３の接続部分との間には、往冷却水ＣＤＳの流路を遮断する供給遮断弁４１が配設されている。供給遮断弁４１及びバイパス遮断弁４４の一方を開、他方を閉とすることにより、往冷却水ＣＤＳを、バイパス管２４に流入させずに冷凍機１１に流入させるのと、冷凍機１１に流入させずにバイパス管２４に流入させるのとを切り替えることができるようになっている。すなわち、供給遮断弁４１及びバイパス遮断弁４４は、切替手段を構成する。なお、供給遮断弁４１及びバイパス遮断弁４４に代えて、バイパス管２４の接続部分の冷却水往管２１に切替手段としての三方弁を設けてもよい。循環管２３の、バイパス管２４との接続部分よりも上流側には、冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲが循環管２３に流入するのを遮断する循環遮断弁４３が配設されている。

温度センサ５１、冷却塔１２のインバータ１３、還管遮断弁４２Ａ、４２Ｂは、それぞれ信号ケーブルで制御装置５０Ａに接続されており、温度センサ５１が検出した温度に応じてファン１２ｆの回転速度及び／又は還管遮断弁４２Ａ、４２Ｂの開閉動作が制御されるように構成されている。温度センサ５３、冷却水ポンプ３１のインバータ３１ｖ、流量調整弁４５は、それぞれ信号ケーブルで制御装置５０Ｂに接続されており、温度センサ５３が検出した温度に応じて冷却水ポンプ３１の回転速度及び／又は流量調整弁４５の開度（全開、全閉も含む）が制御されるように構成されている。供給遮断弁４１及びバイパス遮断弁４４、並びに外気湿球温度を検出する外気温度センサ５９は、それぞれ信号ケーブルで制御装置５０Ｃに接続されており、外気温度センサ５９が検出した温度に応じて供給遮断弁４１及びバイパス遮断弁４４の開閉動作が制御されるように構成されている。循環ポンプ３３のインバータ３３ｖは、信号ケーブルで制御装置５０Ｄに接続されており、冷凍機１１の負荷に応じて循環ポンプ３３の回転速度が制御されるように構成されている。制御装置５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、典型的には１つの筐体に収容されているが、別々に構成されていてもよい。また、概念上は区別されているが、物理上は一体に構成されていてもよい（１つのコンピュータにまとめられていてもよい）。以下の説明では、各制御装置５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄを総称して「制御装置５０」と呼称する。

引き続き図１を参照して、熱源システム１の作用を説明する。上述のように構成された熱源システム１は、特に冬季のように外気温度が低く、冷却塔１２で冷却された往冷却水ＣＤＳの温度が冷凍機１１の下限温度を下回る場合であっても、冷却塔１２を冷凍機１１側の条件に合わせた余力を残した運転とせずに、冷凍機１１側の制約条件を満たしつつ冷却塔１２の能力を可能な範囲で活用して、従来よりも省エネルギーを実現できるシステムである。熱源システム１は、冬季に冬季モードに切り替えることにより省エネルギーを実現できるようになっているが、まず、冬季モードではない通常モードの作用を説明する。

通常モードの熱源システム１は、制御装置５０により供給遮断弁４１が開、バイパス遮断弁４４が閉となっている。また、ポンプバイパス遮断弁４６が閉、循環遮断弁４３が開となっている。流量調整弁４５は全閉となっている。そして、冷熱需要（冷凍機１１が製造する冷水ｐの需要）が発生し、冷凍機１１が起動する際に、冷却塔１２及び冷却水ポンプ３１も起動する。すると、冷却塔１２で外気と熱交換して温度が低下した往冷却水ＣＤＳが、冷却水往管２１を流れて冷凍機１１に流入する。冷凍機１１に流入した往冷却水ＣＤＳは、冷凍機１１内で冷凍サイクルを行う冷媒と熱交換を行い、温度が上昇した還冷却水ＣＤＲとして冷凍機１１から導出される。冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲは、冷却水ポンプ３１の圧力で、冷却水還管２２を介して冷却塔１２に揚水され、散布ノズル１２ｓから散布される。散布ノズル１２ｓから散布された還冷却水ＣＤＲは、その一部が蒸発する際の蒸発潜熱を残りの還冷却水ＣＤＲから奪うことにより、当該残りの還冷却水ＣＤＲが冷却されて往冷却水ＣＤＳとなり、再び冷凍機１１に向けて冷却塔１２から導出される。通常モード時は、循環管２３内の冷却水ＣＤは流動しない。

通常モードの際、温度センサ５１で検出された温度が通常モード時の所定の温度（例えば外気条件により１３℃〜３２℃程度のいずれかに設定される）となるように、インバータ１３によりファン１２ｆの回転速度が調節される。典型的には、温度センサ５１で検出された温度に応じて両冷却塔１２Ａ、１２Ｂのファン１２ｆの回転速度が同調して調節され、インバータ１３の出力（ファン１２ｆの回転速度）が下限設定周波数（例えば５〜１０Ｈｚ）となった場合に一方の冷却塔１２Ａが停止して当該冷却塔１２Ａに接続されている冷却水還管２２Ａの還管遮断弁４２Ａが閉止される減段が行われる。一方の冷却塔１２Ａが停止すると、典型的には他方の冷却塔１２Ｂのファン１２ｆの回転速度が上昇する。温度センサ５１で検出された温度に応じて冷却塔１２Ｂのファン１２ｆの回転速度が調節され、インバータ１３の出力（ファン１２ｆの回転速度）が上限設定周波数（例えば４０〜４５Ｈｚ）になると、閉となっていた還管遮断弁４２Ａが開になると共に停止していた冷却塔１２Ａが再起動される。このように、冷却塔１２は、容量制御（ファン１２ｆの回転速度の制御）と台数制御とが併用され、冷凍機１１に供給される往冷却水ＣＤＳの温度を安定させている。続いて冬季モードの作用を説明する。

冬季モードには、外気温度センサ５９が検出した温度が所定の温度以下の場合に切り替えられる。制御装置５０は、外気温度センサ５９が検出した温度が所定の温度以下となると、切替手段を構成する供給遮断弁４１を閉じると共にバイパス遮断弁４４を開にする。循環遮断弁４３は開のままである。この状態で、冷凍機１１が起動する際、冷却塔１２及び冷却水ポンプ３１の起動に加えて、循環ポンプ３３も起動する。循環ポンプ３３の起動により、循環冷却水ＣＤＣが循環管２３及び冷凍機１１を循環する。他方、冷却塔１２で温度が低下した往冷却水ＣＤＳは、冷却水ポンプ３１によって圧送され、冷却水往管２１からバイパス管２４を流れて循環管２３に流入し、冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲと混合して循環冷却水ＣＤＣとなる。往冷却水ＣＤＳが混合されることにより、循環冷却水ＣＤＣの温度は還冷却水ＣＤＲよりも低くなる。温度が低下した循環冷却水ＣＤＣは、冷凍機１１に流入し、冷凍機１１内で冷凍サイクルを行う冷媒と熱交換を行い、温度が上昇して冷凍機１１から循環冷却水ＣＤＣとして導出される。冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲは、循環管２３に流入した往冷却水ＣＤＳに相当する分が冷却塔１２に向かって冷却水還管２２を流れ、残りは循環管２３に流入する。循環管２３に流入した還冷却水ＣＤＲは、上述のように往冷却水ＣＤＳが混合されることにより温度が低下した循環冷却水ＣＤＣとして冷凍機１１に供給される。他方、冷却塔１２に向かって冷却水還管２２を流れる還冷却水ＣＤＲは、冷却塔１２に揚水されて散布ノズル１２ｓから散布され、冷却されて往冷却水ＣＤＳとなり、冷却塔１２から導出される。

冬季モードの際、循環ポンプ３３は、冷凍機１１の負荷に応じて（例えば温度センサ５３で検出された温度と冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲの温度（温度検出器は不図示）との差が所定の温度差となるように）インバータ３３ｖで回転速度が制御される。このとき、循環ポンプ３３の吐出圧力は、循環ラインの圧力損失（冷凍機１１、循環管２３、冷却水往管２１及び冷却水還管２２のそれぞれ一部の圧力損失）分で足りる。すなわち、循環ポンプ３３は、循環冷却水ＣＤＣの循環に必要な圧力で運転すれば足り、実揚程は不要となり、循環ポンプ３３の動力は吐出流量の割に小さくなる。他方、冷却水ポンプ３１は、温度センサ５３で検出された温度が冬季モード時の所定の温度となるように、インバータ３１ｖで回転速度が制御される。ここで、冬季モード時の所定の温度は、冷凍機１１の成績係数（ＣＯＰ）を向上させる観点から、典型的には、冷凍機１１に供給可能な冷却水ＣＤの下限温度を下回らない範囲でできるだけ低い温度であり、外乱が生じても下限温度を下回らないように下限温度から余裕分高い温度とするのが好ましい。循環管２３に導入される往冷却水ＣＤＳは、典型的には冷凍機１１に供給可能な冷却水ＣＤの下限温度よりも低い温度となっている。循環管２３に導入される往冷却水ＣＤＳの温度を、凍結温度を超える温度（例えば５℃以上）に維持しつつ、外気温度に応じて冷却塔１２でできるだけ低い温度に冷却することにより、循環管２３に導入される往冷却水ＣＤＳの流量をより小さくすることができ、その分冷却水ポンプ３１の動力を低減することができる。

このように、熱源システム１は、冬季モードの際、冷却塔１２から導出される往冷却水ＣＤＳの温度（温度センサ５１で検出される温度）を、凍結防止の観点から例えば５℃を下限としつつ、冷凍機１１に供給可能な冷却水ＣＤの温度（冷凍機１１側の下限温度）に拘束されずにできるだけ低い温度とすることができるため、冷却塔１２の能力に余力を残さずに有効に活用することができて、冷却水ポンプ３１の動力と循環ポンプ３３の動力との合計動力を、従来の変流量仕様の冷凍機を用いて冷凍機が許容する下限温度以上で運転する場合の動力よりも小さくすることができ、省エネルギーなシステムとなる。また、熱源システム１は、循環冷却水ＣＤＣの流量が、冷凍機１１に導入される冷却水ＣＤの下限流量及び流量変化割合の制約を担保することができるため、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた場合には実現することができなかった範囲まで冷却塔１２の能力を有効に活用することができる。また、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた変流量制御では、冷却水の流量を減少させると冷却水出口温度が上昇し冷凍機の成績係数（ＣＯＰ）が低下して冷却水ポンプの動力削減分が冷凍機動力の増加分を上回ることができずに省エネルギーにならない場合があったが、熱源システム１では、このような場合（従来の変流量仕様の冷凍機を用いた変流量制御では冷却水流量の削減が省エネルギーにならない場合）であっても、循環冷却水ＣＤＣの流量とは別に冷却水ポンプ３１が圧送する往冷却水ＣＤＳの流量を変流量とすることが可能となるので、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた制御である冷凍機のＣＯＰ低下に配慮して条件に応じて変流量を抑制する場合に比べて、冷却水ポンプ３１の動力を削減することができる場面が多くなり、より省エネルギーに寄与することとなる。

なお、熱源システム１は、循環遮断弁４３及びポンプバイパス遮断弁４６を備え、循環ポンプ３３が冷却水ポンプ３１相当の揚程を有し、冷却水ポンプ３１が稼働しているときには循環ポンプ３３がインバータで抑制した運転をしている。このように構成されていると、冷却水ポンプ３１が故障やメンテナンス等で動かせない場合であっても、循環遮断弁４３を閉じ、ポンプバイパス遮断弁４６を開け、循環ポンプ３３を定格で運転することで、冷却塔１２内の往冷却水ＣＤＳを、冷却水往管２１、バイパス管２４、循環管２３を介して冷凍機１１に導入し、冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲを冷却水還管２２を介して冷却塔１２に戻す、通常モードと等価の運転を行うことができる。このように、循環遮断弁４３及びポンプバイパス遮断弁４６を操作するのは稀であるので、循環遮断弁４３及びポンプバイパス遮断弁４６は典型的には手動弁が用いられるが、自動弁としてもよい。

次に図２を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る熱源システム２を説明する。図２は、熱源システム２の模式的系統図である。熱源システム２の、熱源システム１（図１参照）と異なる点は、フリークーリング用の設備を追加したことである。熱源システム２は、熱源システム１（図１参照）の構成に加えて、二次側配管６９を流れる媒体としての冷水ｑと冷却水ＣＤとの間で熱交換を行わせる熱交換器６３と、熱交換器６３に往冷却水ＣＤＳを導く冷却水供給往管６１と、熱交換器６３から導出された還冷却水ＣＤＲを冷却水還管２２に導く冷却水供給還管６２とを備えている。

冷却水供給往管６１は、その一端が冷却水ポンプ３１と調節管２５の分岐部との間の冷却水往管２１に接続され、他端が熱交換器６３の冷却水入口６３ａに接続されている。なお、図２では冷却水ポンプバイパス管２６（図１参照）を省略しているが、冷却水ポンプバイパス管２６（図１参照）が設けられる場合は冷却水ポンプバイパス管２６（図１参照）の接続部よりも下流側に冷却水供給往管６１の一端が接続される。冷却水供給往管６１には、冷却水往管２１を流れる往冷却水ＣＤＳを冷却水供給往管６１に引き込んで熱交換器６３に圧送するフリークーリングポンプ６４が配設されている。フリークーリングポンプ６４は、インバータ６４ｖを有しており、インバータ６４ｖによって回転速度を変えることで吐出される往冷却水ＣＤＳの流量を変えることができるように構成されている。インバータ６４ｖは信号ケーブルで制御装置５０に接続されており、制御装置５０の指令によってフリークーリングポンプ６４の回転速度が制御されるように構成されている。冷却水供給還管６２は、一端が熱交換器６３の冷却水出口６３ｂに接続され、他端が調節管２５の接続部より下流側の冷却水還管２２に接続されている。このように、冷却塔１２に対して熱交換器６３と冷凍機１１とは並列に接続されている。熱交換器６３は、往冷却水ＣＤＳを導入する他に二次側配管６９を介して冷水ｑを導入するように構成されており、導入した往冷却水ＣＤＳと冷水ｑとで熱交換を行わせて冷水ｑの温度を低下させることができるように構成されている。

上述のように構成された熱源システム２は、通常モード時はフリークーリングポンプ６４が停止している。これにより、熱交換器６３に往冷却水ＣＤＳが供給されず、冷水ｑの冷却も行われない。すなわち、通常モード時はフリークーリングが行われない。この場合、二次側（熱源システムで製造された冷水が利用される機器で、例えばエアハンドリングユニットやファンコイルユニット等）に供給される冷水は、典型的には冷凍機１１で製造される。通常モードのときは、上述の熱源システム１（図１参照）における通常モードと同様の運転が行われる。

冬季モードの熱源システム２は、上述の熱源システム１（図１参照）における冬季モードの運転に加えて、制御装置５０によりフリークーリングポンプ６４が起動される。すると、冷却水ポンプ３１で圧送された往冷却水ＣＤＳは、一部が冷却水供給往管６１を流れて熱交換器６３に供給され、残りは引き続き冷却水往管２１を流れた後バイパス管２４に流入する。バイパス管２４に流入した往冷却水ＣＤＳは、上述の熱源システム１（図１参照）における冬季モードと同様に、還冷却水ＣＤＲと混合して循環冷却水ＣＤＣとして冷凍機１１に供給される。他方、熱交換器６３に供給された往冷却水ＣＤＳは、冷水ｑとの間で熱交換が行われて温度が上昇し、冷却水供給還管６２を介して冷却水還管２２に流入する。熱交換器６３から導出された還冷却水ＣＤＲと冷凍機１１から導出された還冷却水ＣＤＲとは合流した後、冷却水還管２２を介して冷却塔１２に導かれ、冷却された後に再び冷却塔１２から導出される。

上述の熱源システム２によれば、冷却塔１２の能力に余力があるときに（冷凍機１１の冷却に必要な分よりも多くの冷熱がとれるときに）冷凍機１１の冷却に加えて冷水をも製造することができるので、単位量当たりの冷水を製造するのに要するエネルギーがより少なくて済む。換言すれば、冷却塔１２の能力をより活用することができ、一層の省エネルギー化を達成することができる。なお、上記の熱源システム２についての説明では、冷却塔１２に対して熱交換器６３と冷凍機１１とは並列（パラレル）に接続されているとしたが、熱交換器６３から導出された冷却水ＣＤの温度が冷凍機１１の冷却水として利用できる程低い温度である場合は、直列（シリーズ）に接続されていてもよい。直列に接続される場合は、冷却水供給還管６２の他端が、冷却水供給往管６１の接続部と調節管２５の接続部との間の冷却水往管２１に接続されることとなる。また、冷却水供給還管６２を２つに分岐させて冷却水往管２１の所定の位置と冷却水還管２２の所定の位置とにそれぞれ接続し、並列接続と直列接続とを切り替えることができるように構成されていてもよい。

以上の説明では、冷凍機１１は、導入する冷却水ＣＤの下限流量、流量変化割合、下限温度に制約があるとしたが、下限流量及び／又は流量変化割合の制約がない場合もありうる。また、冷凍機１１が変流量仕様であるとして説明したが、定流量仕様であってもよい。既に設置され、稼働している熱源システム（空調システム）の中には、定流量仕様の冷凍機と冷却塔との組み合わせでシステムが構築されているものもある。このようなシステムに対して、循環ポンプ３３が配設された循環管２３及びバイパス管２４等の、上述した本実施の形態に係る熱源システム１、２の構築に必要な部材を後付け（レトロフィット）することで、より省エネルギーなシステムとすることができる。

以上の説明では、冷却塔１２が開放式であるとしたが、密閉式であってもよい。密閉式とすると、冷却水ポンプ３１の実揚程が不要となり、また、冷却水ＣＤが外気によって汚染されることを防ぐことができる。他方、開放式とすると、冷却塔１２の設置スペースを小さくすることができ、冷却塔１２における圧力損失を低減することができ、外気との熱交換効率を向上させることができる。熱源システム１、２では、冬季モードの際に冷却水ポンプ３１で圧送する冷却水ＣＤの流量が小さくて済むので、開放式の冷却塔１２とすることでより多くのメリットを享受することができる。

以上の説明では、外気温度センサ５９が外気湿球温度を検出することしたが、外気乾球温度を検出することとしてもよい。また、外気温度センサ５９で検出した温度に応じて通常モードと冬季モードとを切り替えることとしたが、制御装置５０がカレンダーを有し、このカレンダーの暦にしたがって通常モードと冬季モードとを切り替えることとしてもよい（例えば、１２月〜２月を冬季モード、これ以外を通常モードとする等）。また、冬季に上述の冬季モードで運転することとしたが、冬季モードは冬季に限らず、例えば標高が高い地域のように冬季以外でも冷却塔１２から導出される往冷却水ＣＤＳの温度が冷凍機１１側の下限温度よりも低くなる時期がある場合は当該時期に冬季モードの運転をしてもよい。

以上の説明では、循環ポンプ３３が、吐出流量が可変に構成されているとしたが、吐出流量が一定になるように構成（又は設定）されていてもよい。循環ポンプ３３の吐出流量を一定とすると、冷凍機１１に導入される冷却水ＣＤの流量が安定するので、冷凍機１１に負荷変動があった場合の追従性を安定させることができる。このような用途は、二次側に送水される冷水の温度変動に対する許容幅が一般的に小さいプロセス用（工業製品の製造工程における用途）に特に適している。

以上の説明では、循環ポンプ３３が、冷却水ポンプ３１と同程度の揚程を有しているとしたが、循環管２３内の冷却水ＣＤを循環させるのに必要最低限の揚程を有することとしてもよい。このようにすると、ポンプの容量を小さくすることができ、また、効率のよい運転点でポンプを運転させることができるので、省エネルギーに寄与することとなる。なお、循環ポンプ３３に冷却水ポンプ３１と同程度の揚程を持たせず、循環ポンプ３３を冷却水ポンプ３１のバックアップ用として用いない場合は、図２に例示したように、冷却水ポンプバイパス管２６及び循環遮断弁４３を設けなくてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る熱源システムの模式的系統図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱源システムの模式的系統図である。

符号の説明

１、２ 熱源システム
１１ 冷凍機
１２ 冷却塔
２１ 冷却水往管
２２ 冷却水還管
２３ 循環管
２４ バイパス管
３１ 冷却水ポンプ
３３ 循環ポンプ
４１ 供給遮断弁
４３ 循環遮断弁
４４ バイパス遮断弁
５０ 制御装置
５３ 温度センサ
ＣＤ 冷却水
ＣＤＳ 往冷却水
ＣＤＲ 還冷却水
ＣＤＣ 循環冷却水

Claims (4)

1. 冷凍サイクルを行う冷媒が蒸発する際に被冷却媒体を冷却し、蒸発した前記冷媒を凝縮させる冷却水を導入する冷凍機と；
   前記冷却水を大気と熱交換させて冷却する冷却塔と；
   前記冷却塔で冷却された前記冷却水を前記冷凍機へ導く冷却水往管と；
   前記冷凍機で温度が上昇した前記冷却水を前記冷却塔へ導く冷却水還管と；
   前記冷却水往管に配設され、前記冷却水を前記冷凍機に向けて圧送する、吐出流量が可変の冷却水ポンプと；
   前記冷凍機から導出された前記冷却水を、前記冷却塔をバイパスして前記冷凍機に流入させる循環管と；
   前記循環管に配設され、前記循環管を流れる前記冷却水を流動させる循環ポンプと；
   前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水を前記循環管に導くバイパス管とを備える；
   熱源システム。
2. 前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水を、前記バイパス管に流入させずに前記冷凍機に流入させる流路と、前記冷凍機に流入させずに前記バイパス管に流入させる流路とを切り替える切替手段と；
   前記バイパス管との接続部よりも下流側の前記循環管を流れる前記冷却水の温度を検出する温度検出器と；
   前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水が前記冷凍機に流入せずに前記バイパス管に流入するときに、前記温度検出器で検出された温度が所定の温度になるように前記冷却水ポンプの吐出流量を調節する制御装置とを備える；
   請求項１に記載の熱源システム。
3. 前記循環ポンプが、前記冷却水を一定の流量で吐出するように構成された；
   請求項１又は請求項２に記載の熱源システム。
4. 前記冷凍機から導出された前記冷却水が前記循環管に流入するのを遮断する遮断弁を備え；
   前記循環ポンプが、前記冷却水ポンプを停止させると共に前記遮断弁を閉止して運転させたときに、前記冷却水を、前記循環管、前記冷凍機、及び前記冷却水還管を介して前記冷却塔に揚水できる揚程を有するように構成された；
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の熱源システム。

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