JP5455338B2 - 冷却塔及び熱源機システム - Google Patents

Description

本発明は、冷却塔及び熱源機システムに係り、特に、冷却塔のファンの省エネルギー制御技術に関する。

例えば吸収式冷温水機などの熱源機で熱負荷を冷却して高温になった冷却水は、配管を介して冷却塔へ導かれ、冷却塔で冷却された後再び配管を介して熱源機の熱負荷に循環供給される。冷却塔は、熱源機から導かれた高温の冷却水をケーシング内に散布し、冷却塔に設けられたファンにより蒸発潜熱で冷却するものとして知られている。

ところで、近年の省エネルギー要求に対応すべく、熱源機と冷却塔からなる熱源機システムの省エネルギー研究がなされており、熱源機自体の効率向上はある程度なされてきた。

しかし、熱源機自体の省エネルギー化だけでは不十分であり、例えば冷却水を熱源機と冷却塔との間で搬送するポンプや冷却塔に用いられるファンの動力の効率向上が求められている。

この点、特許文献１に記載されているように、冷却塔で冷却された冷却水の温度を検出し、この検出温度に応じて冷却塔のファンの回転数をインバータで周波数可変に制御することによりファンの効率を高めることが知られている。

すなわち、従来は冷却水温度がある設定温度（例えば２７℃）以上になったらファンを１００％の周波数で駆動し、ある設定温度（例えば２４．５℃）以下になったらファンを停止する、いわゆるオン−オフ制御であったので、ファンの起動及び停止が頻繁に発生してファン効率の観点から好ましくなかった。これに対して、特許文献１では、検出温度が下限設定温度（例えば２４．５℃）と上限設定温度（例えば２７℃）との間にあるときは、検出温度に１対１に対応してほぼ比例するように設定された周波数でファンを駆動することにより、ファンの起動及び停止の回数を低減することができるとされている。

特開平５−３４０６９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のファンの周波数制御技術は、冷却水温度のばたつきを抑制することには考慮されていない。

すなわち、冷却塔の冷却水温度はファンによる通風量に大きく依存しており、ファンの周波数の変化に対して冷却水温度は敏感に反応するものであるから、冷却水温度を検出するごとにファンの周波数を制御して変化させると、これに追従して冷却水温度も上下にばたついて冷却水温度の安定性が損なわれる場合がある。

そこで、本発明は、冷却塔のファンの省エネルギー化を図るとともに、冷却塔の冷却水温度の安定性を向上させることを課題とする。

本発明の冷却塔は、熱負荷から戻される高温の冷却水を空気中に散布し、ファンの回転に伴う空気の通流による蒸発潜熱で冷却水を冷却して再び熱負荷に循環供給するとともに、冷却された冷却水の検出温度に応じてファンの回転数を周波数可変に制御する制御手段を備えて構成される。

上述の課題を解決するため、制御手段は、前記検出温度が予め定めた閾値温度以上であれば前記ファンの周波数を定格周波数に制御し、前記検出温度が前記閾値温度未満であれば前記ファンの周波数を省エネルギモードに従って制御し、該省エネルギモードの周波数制御は、前回制御実行からあらかじめ設定された時間経過したか否かを判断し、該判断が否定のときは前記ファンの周波数を現在の周波数に保持し、該判断が肯定のときは、あらかじめ設定された時間間隔における前記検出温度の平均値或いは最頻値を求め、該平均値或いは該最頻値が予め設定された温度領域の下限値以上で上限値以下、下限値未満、又は上限値超の３つの領域か否かを判断し、該領域の判断が下限値以上で上限値以下のときは前記ファンの周波数をそのときの周波数に保持し、下限値未満のときは前記ファンの現在の周波数があらかじめ設定された第１の設定周波数以上のときは前記ファンの周波数をあらかじめ定めた設定割合低下させ、上限値超のときは前記ファンの現在の周波数が第１の設定周波数よりも高いあらかじめ設定された第２の設定周波数以下のとき前記ファンの周波数をあらかじめ定めた設定割合低下させることを特徴としている。

すなわち、冷却水温度を検出するごとに即座にファンの周波数を制御するのではなく、ある定められた時間間隔における冷却水の温度をサンプリングして、これらサンプリングした複数の温度の平均値或いは最頻値（以下、適宜まとめて冷却水代表値という）をもってファンの周波数を制御するものである。したがって、前回のファンの周波数の制御が実行されてからある程度のインターバル時間をおいてファンの周波数制御が実行されるので、冷却塔のファンの省エネルギー化を図るとともに、冷却塔の冷却水温度のばたつきを抑制して安定性を向上させることができる。

また、この場合において、制御手段は、設定時間間隔における冷却水の検出温度の平均値或いは最頻値が、冷却水の検出温度のあらかじめ設定された温度領域内であればファンの周波数を変更せず、温度領域より高かったらファンの周波数を高くし、温度領域より低かったらファンの周波数を低くするようファンの周波数を制御することができる。

つまり、冷却水代表値に対して比例するようなファン周波数が設定されている場合、冷却水代表値が前回の制御実行時と異なるものであればファンの周波数は変更される。これに対して、冷却水の狙いの温度領域を設定しておき、冷却水代表値がこの領域内にあるときにはファン周波数を変更しないよう構成し、領域から外れた場合のみファン周波数を変更するものである。これによれば、冷却水温度が、狙いの温度領域（或いは熱負荷側が要求する許容温度領域）内であれば、不必要にファン周波数を変更しないので、ファン周波数を頻繁に変更することに起因する冷却水温度のばたつきを抑制して安定性を向上させることができる。

ところで、冷却塔は、吸収式冷温水機の熱負荷から戻される高温の冷却水を冷却して再び吸収式冷温水機の熱負荷に循環供給するのに用いることができる。この場合、制御手段は、吸収式冷温水機の再生器の検出温度があらかじめ設定された温度より低い場合は、冷却水代表温度に応じたファンの周波数制御を行い、再生器の検出温度があらかじめ設定された温度より高い場合は、ファンの周波数を定格周波数に設定するようファンの周波数を制御することができる。

すなわち、冷却水温度に基づくファン周波数の可変制御は、一つは省エネルギーの観点から行なわれるものであるが、やみくもに省エネルギー制御を行うのが妥当ではない場合がある。例えば、吸収式冷温水機の熱負荷を冷却するのに冷却塔を用いる場合において、吸収式冷温水機の再生器が冷却塔の冷却水の温度とは無関係に何らかの影響で高温になる場合がある。

このような場合に、冷却塔の冷却水の検出温度のみに基づいてファンの省エネルギー制御をおこなうと、再生器の温度が高温になりすぎて吸収式冷温水機が異常停止するおそれがある。そこで、再生器の温度を検出して、この検出温度があらかじめ設定された温度より低い場合つまり冷却塔ファンの省エネルギー制御をする余地がある場合は、上述のような冷却水の検出温度に応じたファンの周波数制御を行い、再生器の検出温度があらかじめ設定された温度より高い場合つまり冷却塔ファンの省エネルギー制御をする余地がない場合は、ファンの周波数を定格周波数つまり１００％に強制的に設定する。これにより、吸収式冷温水機の異常停止などを回避しやすくすることができる。

また、熱源機と、冷却塔と、熱源機の熱負荷から戻される高温の冷却水を冷却塔へ導く配管と、冷却塔で冷却された冷却水を熱源機の熱負荷へ導く配管とを備えて構成される熱源機システムにおいて、上述の冷却塔ファンの周波数制御を採用することができる。熱源機に吸収式冷温水機を採用して上述の再生器温度を考慮した制御を行うこともできる。

本発明によれば、冷却塔の冷却水温度の安定性を向上させることができる。

以下、本発明を適用してなる冷却塔及び熱源機システムの実施形態を説明する。図１は、本実施形態の熱源機システムの全体構成を示す図である。図１に示すように熱源機システム１００は、冷却塔１０と、熱源機２０と、冷却水配管３０とを備えて構成されている。熱源機２０は例えば吸収式冷温水機など、冷却塔で冷却された冷却水を用いて熱負荷を冷却する必要があるような機器である。

冷却塔１０は、筒状のケーシング１１を備え、ケーシング１１の下部の側面に空気流入口１２が形成され、底部に冷却水の水槽１３が設けられている。空気流入口１２はルーバ状に形成されている。また、空気流入口１２の位置よりも上方のケーシング１１内に充填材１４が収容され、充填材１４の上方に、冷却水の散水ノズル１５が配設されている。

また、ケーシング１１の頂部に開口１６が設けられ、その開口１６には固定具１７によってファンモータ１８が固定されるとともに、ファンモータ１８の回転軸にはファン１９が固定されている。なお、冷却塔１０の水槽１３への冷却水の補給水は、図示しないボールタップ等を有する給水口から供給される。

冷却水配管３０は、往管３１及び復管３２から構成される。往管３１には、冷却塔１０から熱源機２０のほうへ向けて順に冷却水ポンプ３３と逆止弁３４が配置されている。冷却水ポンプ３３の吸引口は水槽１３の底部近傍に連通されている。冷却水ポンプ３３の吐出口は逆止弁３４を介して熱源機２０の熱負荷と熱交換可能な図示していない熱交換器に連結されている。往管３１の逆止弁３４と図示していない熱交換器との間（熱源機２０の入口部）には、冷却水温度センサー５１が設けられており、この冷却水温度センサー５１の出力信号は、後述する運転制御装置５０に入力される。

復管３２には電動三方弁４１と、この電動三方弁４１がバイパス指令で開放したときに復管３２の冷却水を水槽１３に導くバイパス配管４２が設けられている。

運転制御装置５０は、制御装置５３とインバータ装置５５とを備えて構成される。制御装置５３は、冷却水温度センサー５１の検出温度信号に応じてあらかじめ設定されている周波数でファンモータ１８及びファン１９を回転駆動させる周波数信号を形成してインバータ装置５５に与える。

また、制御装置５３は、冷却水温度センサー５１からの検出温度信号を基にバイパス指令信号を形成して電動三方弁４１に与えて冷却水をバイパスさせる。例えば、冷却水の検出温度が下限設定温度（例えば２４℃）以下になると、電動三方弁４１を切り替えて、熱源機２０からの戻り冷却水を直接冷却塔１０の水槽１３へ落下させることにより、冷却水が過冷却されることを防止する。

なお、本実施形態においては説明の便宜上、制御装置５３は冷却塔１０及び熱源機２０とは独立して設けているが、冷却塔１０に付属して設けて冷却塔１０の１構成要素とすることもできるし、或いは熱源機２０に付属して設けて熱源機システム１００の１構成要素とすることもできる。

図２は、制御装置５３の詳細構成を示すブロック図である。図２に示す制御装置５３は、中央処理装置５３１と、記憶装置５３２と、入力信号部５３３と、出力信号部５３４などから構成されている。制御装置５３は、冷却塔１０の運転開始にともなって動作を開始するようになっている。すると、中央処理装置５３１は、記憶装置５３２に記憶されているプログラムに基づいて動作し、冷却水温度センサー５１から入力信号部５３３を介して取り込まれたデータに応じて、あらかじめ設定されている周波数でファンモータ１８及びファン１９を回転駆動させる周波数信号を形成して、出力信号部５３４を介してインバータ装置５５に供給できるように構成されている。

このように構成される熱源機システム１００では、従来、冷却水の冷却水温度センサー５１による検出温度が下限設定温度（例えば２４．５℃）と上限設定温度（例えば２７℃）との間の設定温度に保たれるようにファン１９の回転周波数が制御される。例えば、設定温度より検出温度が高くなればファンの周波数を高く、検出温度が低くなればファンの周波数を低くするように、検出温度に比例するようにファン周波数を設定して、検出温度に対応する周波数でファン１９を駆動することが知られている。

ところが、このような従来技術では、冷却塔１０の冷却水温度が上下にハンチングして安定しないおそれがある。すなわち、冷却塔１０の冷却水温度はファン１９による通風量に大きく依存しており、ファン１９の周波数の変化に対して冷却水温度は敏感に反応するものである。したがって、冷却水温度を検出するごとにファン１９の周波数を制御して変化させると、これに追従して冷却水温度も上下にばたついて冷却水温度の安定性が損なわれる場合がある。

本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０は、このような問題に対応すべくなされたものである。以下、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０の特徴部である制御装置５３のファンの周波数制御内容について実施例ごとに詳細を説明する。

図３は、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０における制御装置５３の第１実施例のファンの周波数制御フローを示す図である。

冷却塔１０が運転を開始して、冷却塔１０のファン１９の周波数制御を開始すると、まず、冷却水温度センサー５１で検出された冷却水入口温度（℃）（以下、適宜ＣＴＩという）とあらかじめ設定された閾値温度αを比較する（Ｓ１）。ＣＴＩ≧αの場合（Ｓ１でＹｅｓ）は、ファン１９の周波数（以下、適宜Ｆｃｔという）を定格周波数の１００％に設定する（Ｓ２）。すなわち、ＣＴＩが適切な温度であることの確認を常に行なっており、ＣＴＩが閾値温度α（例えば３０℃）以上の場合は、熱源機２０の負荷が高負荷の状態を示しているので、ファン１９の周波数を可変制御する省エネルギーモードに入らず、強制的にＦｃｔ＝１００％にして冷却水温度を下げるようにしている。

一方、ＣＴＩ＜αの場合（Ｓ１でＮｏ）は、前回の周波数制御実行からｔ分経過しているか判断する（Ｓ３）。ｔ分経過している場合は（Ｓ３でＹｅｓ）、ＣＴＩのｔ分間の移動平均温度Ｔｃｔを算出し、Ｔｃｔの温度を判定する（Ｓ４）。ｔ分経過していない場合は（Ｓ３でＮｏ）、Ｆｃｔをそのまま変更せずに（Ｓ５）、Ｓ１へ戻る。

Ｔｃｔの温度を判定した結果（Ｓ４）、Ｔｃｔが２５℃以上、２８℃以下の場合は、狙いの温度領域内であると判断して、Ｆｃｔはそのまま変更しない（Ｓ５）。

Ｔｃｔの温度を判定した結果（Ｓ４）、Ｔｃｔが２５℃未満であり、かつＦｃｔが８０％以上の場合（Ｓ６でＹｅｓ）、過冷却と判断して、Ｆｃｔを現在のＦｃｔから１０％下げる（Ｓ７）。Ｔｃｔが２５℃未満であり、かつＦｃｔが８０％未満の場合（Ｓ６でＮｏ）、Ｆｃｔはそのまま変更しない（Ｓ５）。ここでＦｃｔを変更しないのは、Ｆｃｔが７０％未満になるのを回避するためである。したがって、Ｔｃｔが２５℃未満であり、かつＦｃｔが８０％未満の場合（Ｓ６でＮｏ）、Ｆｃｔを７０％に設定するようにしてもよい。

また、Ｔｃｔの温度を判定した結果（Ｓ４）、Ｔｃｔが２８℃より大きく、かつＦｃｔが９０％以下の場合（Ｓ８でＹｅｓ）、冷却不足と判断して、Ｆｃｔを現在のＦｃｔから１０％上げる（Ｓ９）。Ｔｃｔが２８℃より大きく、かつＦｃｔが９０％より大きい場合（Ｓ８でＮｏ）、Ｆｃｔはそのまま変更しない（Ｓ５）。ここでＦｃｔを変更しないのは、Ｆｃｔが１００％より大きくなるのを回避するためである。したがって、Ｔｃｔが２８℃より大きく、かつＦｃｔが９０％より大きい場合（Ｓ８でＮｏ）、Ｆｃｔを１００％に設定するようにしてもよい。Ｓ２，Ｓ５，Ｓ７，Ｓ９の制御を実行した後はＳ１に戻る。

このように、本実施例の制御装置５３は、あらかじめ設定された時間間隔（ｔ分）における冷却水の検出温度（ＣＴＩ）をサンプリングして、これらサンプリングした複数の冷却水の検出温度の平均値（Ｔｃｔ）に基づいてファン１９の周波数（Ｆｃｔ）を制御している。

これによれば、ある定められた時間間隔（ｔ分）における複数の検出温度の平均値をもってファン１９の周波数を制御するものであるから、冷却水温度を検出するごとに即座にファン１９の周波数を制御する場合に比べて、冷却塔１０の冷却水温度のばたつきを抑制して安定性を向上させることができる。ｔ分の時間間隔は、短すぎると冷却水温度のばたつきを抑制できないし、長すぎると冷却水の温度異常が放置されることとなるので、この点を考慮して適宜設定すればよい。

また、本実施例では、制御装置５３は、設定時間間隔（ｔ分）における冷却水の検出温度（ＣＴＩ）の平均値が、冷却水の検出温度のあらかじめ設定された温度領域（２５℃〜２８℃）内であればファン１９の周波数を変更せず、温度領域より高かったらファンの周波数を高くし、温度領域より低かったらファンの周波数を低くするようにしている。

つまり、冷却水の温度平均値に対して比例するようなファン周波数が設定されている場合、冷却水の温度平均値が前回の制御実行時と異なるものであればファン１９の周波数は変更される。この点、本実施例は、冷却水の狙いの温度領域（２５℃〜２８℃）を設定しておき、冷却水の温度平均値がこの領域内にあるときにはファン周波数を変更しないよう構成し、領域から外れた場合のみファン周波数を変更するものである。本実施例によれば、冷却水温度が、狙いの温度領域（或いは熱負荷側が要求する許容温度領域）内であれば、不必要にファン周波数を変更しないので、ファン周波数を頻繁に変更することに起因する冷却水温度のばたつきを抑制して安定性を向上させることができる。

なお、本実施例では、複数の冷却水検出温度の平均値（Ｔｃｔ）に基づいてファン１９の周波数（Ｆｃｔ）を制御しているが、平均値に限らず例えば最頻値などを代用することができる。また、本実施例における具体的な温度の値や周波数の値などはあくまで一例であって、機器の設計条件に合わせて適宜変更して設定することができる。

本実施例は、熱源機２０として吸収式冷温水機を採用し、吸収式冷温水機の再生器の温度を制御因子として追加してファン周波数を制御する点が第１実施例と異なるものである。第１実施例と同様の部分については説明を省略する。

図４は、熱源機システム１００における第２実施例の熱源機２０の構成を説明する図である。図４に示すように、本実施例の熱源機２０は、再生器６０、分離器６１、凝縮器６２、蒸発器６３、及び吸収器６４などを配管接続して吸収冷凍サイクルを形成する吸収式冷温水機で構成される。冷却塔１０で冷却された冷却水は、吸収器６４及び凝縮器６２などを通流して吸収式冷温水機の冷媒と熱交換して高温になった後、再び冷却塔１０に戻されるようになっている。

また、本実施例においては、吸収式冷温水機の再生器６０の温度を検出する再生器温度センサー６５が設けられており、この再生器温度センサー６５で検出された温度が制御装置５３に入力されるようになっている。

図５は、本実施形態の熱源機システム１００及び冷却塔１０における制御装置５３の第２実施例のファンの周波数制御フローを示す図である。

冷却塔１０が運転を開始して、冷却塔１０のファン１９の周波数制御を開始すると、まず、再生器温度センサー６５で検出された再生器温度（℃）（以下、適宜ＧＰという）とあらかじめ設定された閾値温度βを比較する（Ｓ１１）。ＧＰ≧βの場合（Ｓ１１でＹｅｓ）は、ファン１９の周波数Ｆｃｔを定格周波数の１００％に設定する（Ｓ１３）。すなわち、ＧＰが適切な温度であることの確認を常に行なっており、ＧＰが閾値温度β（例えば１５０℃）以上の場合は、熱源機２０の負荷が高負荷の状態を示しているので、ファン１９の周波数を可変制御する省エネルギーモードに入らず、強制的にＦｃｔ＝１００％にして冷却水温度を下げるようにしている。

一方、ＧＰ＜βの場合（Ｓ１１でＮｏ）は、Ｓ１２へ移る。Ｓ１２〜Ｓ２０は、第１実施例のＳ１〜Ｓ９に対応するものであるので、説明は省略する。

このように、本実施例では、吸収式冷温水機の再生器６０の検出温度（ＧＰ）があらかじめ設定された温度（β）より低い場合は、設定時間間隔（ｔ分）における冷却水の検出温度（ＣＴＩ）の平均値（Ｔｃｔ）に基づいてファン１９の周波数制御を行い、再生器の検出温度（ＧＰ）があらかじめ設定された温度（β）より高い場合は、ファンの周波数を定格周波数（１００％）に設定するようファン１９の周波数を制御するものである。

すなわち、冷却水温度に基づくファン周波数の可変制御は、一つは省エネルギーの観点から行なわれるものであるが、やみくもに省エネルギー制御を行うのが妥当ではない場合がある。例えば、本実施例のように、吸収式冷温水機の熱負荷を冷却するのに冷却塔１０を用いる場合において、吸収式冷温水機の再生器６０が冷却塔１０の冷却水の温度とは無関係に何らかの影響で高温になる場合がある。

このような場合に、冷却塔１０の冷却水の検出温度（ＣＴＩ）のみに基づいてファンの省エネルギー制御をおこなうと、再生器６０の温度が高温になりすぎて吸収式冷温水機が異常停止するおそれがある。そこで、再生器の温度（ＧＰ）を検出して、この検出温度があらかじめ設定された温度（β）より低い場合つまり冷却塔ファンの省エネルギー制御をする余地がある場合は、冷却水の検出温度に応じたファンの周波数制御を行う。一方、再生器の検出温度（ＧＰ）があらかじめ設定された温度（β）より高い場合つまり吸収式冷温水機の冷却負荷或いは暖房負荷が高負荷であり冷却塔ファンの省エネルギー制御をする余地がない場合は、ファンの周波数を定格周波数つまり１００％に強制的に設定して冷却水の冷却を促進する。これにより、吸収式冷温水機の異常停止などを回避しやすくすることができる。

本実施形態の熱源機システムの全体構成を示す図である。 制御装置の詳細構成を示すブロック図である。 本実施形態の熱源機システム及び冷却塔における制御装置の第１実施例のファンの周波数制御フローを示す図である。 第２実施例の熱源機システムにおける熱源機の構成を説明する図である。 本実施形態の熱源機システム及び冷却塔における制御装置の第２実施例のファンの周波数制御フローを示す図である。

符号の説明

１０ 冷却塔
１１ ケーシング
１２ 空気流入口
１４ 充填材
１５ 散水ノズル
１６ 開口
１８ ファンモータ
１９ ファン
２０ 熱源機
３０ 冷却水配管
３１ 往管
３２ 復管
５０ 運転制御装置
５１ 冷却水温度センサー
５３ 制御装置
５５ インバータ装置
６０ 再生器
６５ 再生器温度センサー
１００ 熱源機システム

Claims (2)

1. 吸収式冷温水機を冷却して戻される高温の冷却水を空気中に散布し、ファンの回転に伴う空気の通流による蒸発潜熱で前記冷却水を冷却して再び前記吸収式冷温水機に循環供給するとともに、前記吸収式冷温水機に循環供給する冷却水の検出温度に応じて前記ファンの回転数を周波数可変に制御する制御手段を備えてなる冷却塔において、
   前記制御手段は、前記検出温度が予め定めた閾値温度以上であれば前記ファンの周波数を定格周波数に制御し、前記検出温度が前記閾値温度未満であれば前記ファンの周波数を省エネルギモードに従って制御し、該省エネルギモードの周波数制御は、前回制御実行からあらかじめ設定された時間経過したか否かを判断し、該判断が否定のときは前記ファンの周波数を現在の周波数に保持し、該判断が肯定のときは、あらかじめ設定された時間間隔における前記検出温度の平均値或いは最頻値を求め、該平均値或いは該最頻値が予め設定された温度領域の下限値以上で上限値以下、下限値未満、又は上限値超の３つの領域か否かを判断し、該領域の判断が下限値以上で上限値以下のときは前記ファンの周波数をそのときの周波数に保持し、下限値未満のときは前記ファンの現在の周波数があらかじめ設定された第１の設定周波数以上のときは前記ファンの周波数をあらかじめ定めた設定割合低下させ、上限値超のときは前記ファンの現在の周波数が第１の設定周波数よりも高いあらかじめ設定された第２の設定周波数以下のとき前記ファンの周波数をあらかじめ定めた設定割合低下させることを特徴とする冷却塔。
2. 前記制御手段は、前記吸収式冷温水機の再生器の検出温度があらかじめ設定された温度より低い場合は、前記省エネルギモードの周波数制御を行い、前記再生器の検出温度が前記あらかじめ設定された温度より高い場合は、前記ファンの周波数を定格周波数に制御する請求項１の冷却塔。

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