JP5913066B2 - 熱源システム - Google Patents
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Description
その一例を図10に示す。
水冷冷凍機1は、低温・低圧のフロンガスやアンモニアガス、水等の冷媒ガスを、高温・高圧のガスにし、冷凍サイクル内を循環させる働きをするもので、圧縮機2、凝縮器3、絞り装置(膨張弁やキャピラリ等)4、蒸発器5を備え、冷凍サイクルを構成する。
冷却水入口温度計9は、測定した冷却水入口温度の計測値を指示調節器(TIC)10へ入力し、指示調節器(TIC)10には、水冷冷凍機1の凝縮器3へ導入しても問題ない冷却水温が設定され、冷却水入口温度の計測値と当該問題ない冷却水温設定値との偏差に応じて、流量調整弁12の電動アクチュエータ12aを、冷却水温設定値より計測値が大で偏差が大きければ流量調整弁12を閉鎖し、冷却水温設定値が計測値より大きいものの偏差が小さくなってくれば流量調整弁12を開放する方向へ動作させるよう制御する。これにより、冷却水入口温度が前記問題ない冷却水温設定値を下回らないように制御する。
図10に示す熱源システムでは、水冷冷凍機1は、低温・低圧の冷媒ガスを圧縮機2で高温・高圧のガスにし、凝縮器3で冷却塔6からの冷却水で熱を放出して高圧冷媒液とし、絞り装置(膨張弁等)4で減圧させて低圧冷媒液とした後、蒸発器5で負荷側からの還り冷水の熱を奪い低圧冷媒ガスとして圧縮機2に戻す冷凍サイクル内を循環させる。
ここで、圧縮機の形式は、容積圧縮型、エゼクタ型、遠心型(ターボ)の3種類が知られている。容積圧縮型と遠心型(ターボ)とが現在広く使用されており、エゼクタ型は工業用のごく一部にしか使用されていない。
往復動式は、ピストンの往復運動によりシリンダー内でガスを圧縮するもので、全密閉型、半密閉型、開放型がある。
回転式は、ロータリー型、スクロール型、スクリュー型がある。
遠心型(ターボ)は、羽根車の回転運動によって冷媒ガスにエネルギーを与えて圧縮する。
これに対し、容積圧縮型往復動式及び遠心型(ターボ)の圧縮機は、オイルポンプが内蔵され、オイルポンプの駆動に圧縮機駆動力の一部が利用されて潤滑油が必要な各所に給油循環が担保されているため、冷媒の圧力差が少ない場合でも潤滑油の循環が行われるという利点がある。これは、ターボ圧縮機の容量制御のホットガスバイパス機構や、往復動圧縮機のコンロッド部分の圧力差不存在による強制潤滑油循環等を利用しないと各種制御できないからでもあった。
よって、指示調節器(TIC)10の設定温度は余裕を持った固定値となり、水冷冷凍機1側で規定されている冷却水下限温度よりも実際は高温で冷却水が運用されていることが多い。
また、水冷冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効活用するために、水冷冷凍機から導出された冷却水を再び水冷冷凍機に流入させる循環管と、循環管を流れる冷却水を流動させる循環ポンプとを備え、冷却塔から導出される冷却水の温度が水冷冷凍機に導入可能な下限温度よりも低い場合、水冷冷凍機が求める下限流量以上の冷却水を循環管及び水冷冷凍機に循環させつつ下限温度よりも低い冷却水を必要な流量に絞って循環管に流入させ、冷却水ポンプの動両区を低減させて省エネルギーを図る熱源システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、容積圧縮型回転式の圧縮機2は、圧縮ガスの漏れを防ぐため、可動部の隙間を潤滑油でシールする構造を採用し、潤滑油を冷媒の差圧を利用して重要なロータの軸受部等に給油循環する。そのため、冷媒の圧縮機での差圧があまりに少ないと、つまり圧縮機が仕事をしないような前後圧のつかない状況では、潤滑油を重要な箇所に給油循環でき難くなり、軸の焼き付き等が生じ、冷凍サイクルの状態維持に重大な問題が生じることとなる。このため、冷却塔側から送られてくる冷却水入口の実際温度と、水冷冷凍機の凝縮器へ導入できる冷却水下限温度とが近づくと、水冷冷凍機1の制御として備わる高圧側異常低圧として安全回路が動作し、水冷冷凍機1がエラー停止することとなる。水冷冷凍機1は破壊を免れるが熱源システムとしては機能を果たせなくなり、負荷側で重大な不具合が生じてしまう。
また、水冷冷凍機1の凝縮圧低下が図れることを最大限利用するため、冷凍機メーカでは、冷凍機の凝縮器へ導入できる冷却水の下限温度をますます低下させてきてはいるものの(例えば、20℃や18℃までも)、余裕を持った固定値の余裕代は変えようがなく、少し固定値の値が下がるだけである。
このように、容積圧縮型回転式の圧縮機2を備えた水冷冷凍機1の冷却水入口温度は、年中固定値としていて、冬期等冷却水温度が充分凝縮器の冷却水入口下限温度を下回るまで低下する時期でも、冷却水温を余裕を見た固定値までわざわざ昇温させて導入するような設定となっていた。
特に、中間期〜冬期にかけ、冷却水温度を1℃でも低くすると、冷凍機の成績係数(運転効率)COPは大きく改善できるのに、容積圧縮型回転式の圧縮機2を備えた水冷冷凍機1では、普通は余裕を持った固定値で運用され、中途半端な高効率運転となっていた。
なお、容積圧縮型往復動式及び遠心型(ターボ)の圧縮機は、オイルポンプが内臓されているため、冷媒の圧力差が少ない場合でも潤滑油の循環が行われる。従って、容積圧縮型回転式の圧縮機のように、潤滑油を循環させることができ難くなるという問題は起こらない。
請求項3に係る発明は、請求項1又は2記載の熱源システムにおいて、前記容積圧縮型回転式の圧縮機は、ロータリー型圧縮機、スクロール型圧縮機又はスクリュー型圧縮機であることを特徴とする。
請求項4に係る発明は、請求項1乃至3の何れか記載の熱源システムにおいて、前記負荷は、高温冷水を要求する空調設備又は生産機器冷却用の熱源設備であって、冷水の還り温度が前記水冷冷凍機の冷却水入口下限温度を上回ること場合があることを特徴とする。
請求項5に係る発明は、請求項4記載の熱源システムにおいて、前記空調設備は、データセンターの空調設備であることを特徴とする。
また、水冷冷凍機の冷水還り温度が上昇した場合にも監視をしながら手動で冷却水入口温度を変更する必要がないので、運転管理が容易になる。
図1は、本実施形態に係る熱源システムを示す。
本実施形態に係る熱源システムは、容積圧縮型回転式の圧縮機を備えた水冷冷凍機として水冷スクリューチラー50を用いた場合について説明する。
本実施形態では、水冷スクリューチラーの冷却水入口温度下限値16℃、冷水往還温度設定13℃−20℃(Δt=7℃)で、冷水還り温度が一般の事務所ビル等と比較して高温の設備を成立させることを目的としている。
凝縮器52には、冷却塔60からの冷却水を循環する冷却水循環通路61が配置されている。冷却水循環通路61は、冷却塔60からの冷却水往き側通路61aと冷却塔への冷却水還り側通路61bとを備え、冷却水往き側通路61aには、冷却塔60を一端に接続し冷却水ポンプ62及び水冷スクリューチラー冷却水入口温度を計測する冷却水入口温度計(TCDS)63とが順に配置され、他端に凝縮器52が接続されるよう配置されている。冷却水往き側通路61aと冷却水還り側通路61bとは、水冷スクリューチラー50の近傍において、冷却水往き側通路61aの冷却水ポンプ62吸込み側と冷却水還り側通路61bの間をバイパス通路64により接続されている。
冷却塔60は、上部に開口60bを設け、下部に塔底水槽60cを設けたケーシング60aと、ケーシング60aの開口60bに設けた送風機60dと、送風機60dの下方のケーシング60aに設けた冷却水還り側通路61bに接続する散水器60eと、散水器60eの下方側のケーシング60a内に配置した充填物60fと、充填物60fの下方側のケーシング60aに設けた外気取り入れ用のルーバ60gとを備えている。
冷却水入口温度計(TCDS)63は、計測した水冷スクリューチラー冷却水入口温度を冷却水入口温度計測値として、冷水入口温度計(TCR)72は、計測した水冷スクリューチラー冷水入口温度を冷水入口温度計測値として、それぞれ出力信号を指示調節器(TIC)80に送る。
指示調節器(TIC)80では、さらに、水冷スクリューチラー50の冷水入口温度として冷水入口温度計(TCR)72の冷水入口温度計測値がカスケード回路(演算部)81に入力され、カスケード回路(演算部)81では、冷水入口温度計測値に基づいて冷水入口温度計測値+Tα℃となる値を演算し、これを冷却水入口温度設定値として、冷却水バイパス制御回路(調節部)82の設定入力部へ出力し続ける。
式TCDS]SP=TCR]PV+Tα)に基づく演算値として、冷却水バイパス制御回路(調節部)82に冷却水入口温度設定値として出力し、冷却水バイパス制御回路(調節部)82では、カスケード回路(演算部)81から入力された冷却水入口温度設定値と、冷却水入口温度計63の冷却水入口温度計測値との偏差を演算し、該偏差に応じた冷却水バイパス弁(MV)65の開度出力を冷却水バイパス弁(MV)65の電動アクチュエータ65aに指令として出力し、冷却水バイパス弁(MV)65の開度を調整制御する。
式中、TCDS]SP:冷却水入口温度設定値、SPは設定の意味、TCR]PV:冷水入口温度計測値 PVは現状値の意味、Tα:設定差(制御系の分解能や時定数により決まる値)を表す。
ここでは、カスケード回路(演算部)81に格納されている式TCDS]SP=TCR]PV+Tαに冷水入口温度計(TCR)72が計測した水冷スクリューチラー冷水入口温度20℃がある時点で入力された場合、水冷スクリューチラー冷却水入口温度の設定値を20℃+1.0℃=21℃として逐一カスケード回路から冷却水バイパス弁制御回路へ設定変更を行う、冷却水入口温度カスケード制御を行っていることを示している。
図3では、左側に水平になった線分があるが、水冷スクリューチラーの冷却水下限温度が設定下限値として与えられることを示し、冷水還り温度が15℃以下の場合は設定下限値16℃であるよう保つことの例を示す。また、右側に水平になった線分があるが、関東地方での夏ピークの外気湿球温度条件27℃であり、この時冷却塔の入口冷却水温34℃〜出口水温29℃の外気冷却ができることなどから、冷却水入口温度の設定上限値を35℃としている例を示している。
この図では横軸を冷却水入口温度として取っていて、実際冷却水入口温度との図4のような関係を取るのだが、冷却水バイパス弁(MV)開度は、冷却水入口温度設定値と冷却水入口温度測定値との偏差の量に応じて0〜100%の開度を取る。冷却水入口温度設定値−冷却水入口温度測定値を偏差とすると、偏差0の場合、図4の傾きと縦軸0%との交点となり、偏差がマイナスの場合、その交点から右側の開度出力となる。偏差がプラスに大きくなっていくに従い、傾きを左に動いていく。このような相関で、冷却水バイパス弁制御回路から電動アクチュエータ65aへ冷却水バイパス弁(MV)65の開度信号を出力している。
すなわち、水冷スクリューチラー50の性能を高めるためには、水冷スクリューチラー冷水入口温度を低くして運転することが望ましいことを示している。
特に、データセンターや設備冷却水用のシステムにて冷水往き温度が一般空調用(例えば、5℃−12℃)と比較して、高温(例えば、13℃−20℃)の場合等に大きな省エネルギー効果が得られる。
また、構成機器は、冷却水入口温度計(TCDS)63、冷水入口温度計(TCR)72、指示調節器(TIC)80及び二方弁から成る冷却水バイパス弁(MV)65であるから、安価で且つ複雑な制御プログラムを必要としない。
本例では、図1に示す熱源システムの冷却水循環通路70の熱負荷側の構成を、チラー定格800RTの生産機器や空調設備等の熱負荷91に対し、冷水冷水往き側通路70aに変流量制御の二次側冷水ポンプ90を配置している。
図5は、定格運転時の状態を示す図である。
例えば、定格運転時には、生産機器や空調設備等の熱負荷91が800RT、水冷スクリューチラー50が800RTとして運転される。そして、冷水冷水往き側通路70aに13℃の冷水が水冷スクリューチラー50から送り出され、変流量制御の二次側冷水ポンプ90から13℃の冷水が生産機器や空調設備等の熱負荷91に供給され、生産機器や空調設備等の熱負荷91から20℃の5,760L/minの冷水が冷水ポンプ(CP)71によって水冷スクリューチラー50に還される運転を行う。
ここで、負荷が減少し、負荷率50%になると、生産機器や空調設備等の熱負荷91が400RT、水冷スクリューチラー50が400RTとして運転される。そして、冷水冷水往き側通路70aに13℃の冷水が水冷スクリューチラー50から送り出され、変流量制御の二次側冷水ポンプ90から13℃の冷水が生産機器や空調設備等の熱負荷91に供給され、生産機器や空調設備等の熱負荷91から20℃の2,880L/minの冷水が冷水ポンプ(CP)71によって水冷スクリューチラー50に還される運転を行う。
図7は、負荷が減少し、負荷率37.5%時の状態を示す図である。
さらに、負荷が減少し、負荷率37.5%になると、生産機器や空調設備等の熱負荷91が300RT、水冷スクリューチラー50が300RTとして運転される。そして、冷水往き側通路70aに13℃の冷水が水冷スクリューチラー50から送り出され、変流量制御の二次側冷水ポンプ90から13℃の冷水が生産機器や空調設備等の熱負荷91に供給され、生産機器や空調設備等の熱負荷91から20℃の2,160L/minの冷水が2次側冷水ポンプ90の搬送力により還りヘッダまで還される。
そこで、冷水入口温度計(TCR)72から水冷スクリューチラー冷水入口温度計測値が18.3℃であると指示調節計(TIC)80に入力し、カスケード回路(演算部)81では、カスケード回路(演算部)81に格納されている式TCDS]SP=TCR]PV+Tαに冷水入口温度計(TCR)72が計測した水冷スクリューチラー冷水入口温度18.3℃を代入して、水冷スクリューチラー冷却水入口温度の設定値を18.3℃+1.0℃=19.3℃と演算した結果を、冷却水バイパス制御回路(調節部)82に出力し、冷却水バイパス制御回路(調節部)82では、その冷却水入口温度設定値19.3℃と、冷却水入口温度計(TCDS)63からの冷却水入口温度計測値との偏差を演算し、偏差量に応じて冷却水バイパス弁(MV)65の電動アクチュエータ65aを制御して弁体の開度を調節する。凝縮器52での冷却水温度差は5℃で運転されるので、水冷スクリューチラー50からの冷却水出口温度は24.3℃となる。
次に、図8、図9に基づいて本実施形態に係る熱源システムを二次側冷水ポンプの制御が定流量制御の場合について説明する。
本例では、図1に示す熱源システムの冷却水循環通路70の負荷側の構成を、チラー定格800RTの生産機器や空調設備等の熱負荷94に対し、冷水冷水往き側通路70aに定流量制御の二次側冷水ポンプ93を配置している。
例えば、定格運転時には、生産機器や空調設備等の熱負荷94が800RT、水冷スクリューチラー50が800RTとして運転される。そして、冷水冷水往き側通路70aに13℃の冷水が水冷スクリューチラー50から送り出され、定流量制御の二次側冷水ポンプ93から13℃の冷水が生産機器や空調設備等の熱負荷94に供給され、生産機器や空調設備等の熱負荷94から20℃の5,760L/minの冷水が冷水ポンプ(CP)71によって水冷スクリューチラー50に還される運転を行う。
ここで、負荷が減少し、負荷率50%になると、生産機器や空調設備等の熱負荷94が400RT、水冷スクリューチラー50が400RTとして運転される。そして、冷水冷水往き側通路70aに13℃の冷水が水冷スクリューチラー50から送り出され、定流量の二次側冷水ポンプ93から13℃の冷水が生産機器や空調設備等の熱負荷に供給され、生産機器や空調設備等の熱負荷から16.5℃の5,760L/minの冷水が2次側冷水ポンプ90の搬送力により還りヘッダまで還される運転を行う。
この水冷スクリューチラー50は、圧縮機インバータ制御のターボ冷凍機よりも小さい定格容量の汎用装置が市販されており、その圧縮機の特性から冷凍能力の部分負荷運転を、例えば25%程度までとても絞り込める。なおかつ、運転停止後の起動時間が例えば10分弱で定格温度まで冷水を冷凍できるなど、起動が速いという優れた特徴を有する。このため、夏期以外の中間期や冬期に冷房負荷がある熱負荷を有する熱源システムにおいて、中間期から冬期にかけて、冷水還り温度よりも低い湿球温度となる外気の冷熱を有効利用するため、大型の冷却塔での、冷凍サイクルを用いない外気によるフリークーリング熱源を併用する熱源システムが最近多用されてきているが、この熱源システムの冷水温度補償の冷凍サイクルを用いた補完熱源に最適なのが、水冷スクリューチラー50なのである。このように、水冷スクリューチラー50は、中間期から冬期にかけて、熱負荷へ循環させる熱媒体(冷水)の温度差の殆どの部分を、冷却塔による外気との熱交換で賄える時間が多いのだが、僅かに足りない冷水往き設定温度までの僅かな冷凍を、小さい装置容量で、さらに絞り運転に柔軟で、かつ停止起動に追従性の良い冷凍機である、という意味である。
また、上記実施形態では、開放型の冷却塔60を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、密閉型の冷却塔であっても良い。
51 スクリュー型圧縮機
52 凝縮器
53 絞り装置(膨張弁等)
54 蒸発器
60 冷却塔
61 冷却水循環通路
61a 冷却水往き側通路
61b 冷却水還り側通路
62 冷却水ポンプ
63 冷却水入口温度計(TCDS)
64 バイパス通路
65 冷却水バイパス弁(MV)
65a 電動アクチュエータ
70 冷水循環通路
70a 冷水往き側通路
70b 冷水還り側通路
71 冷水ポンプ(CP)
72 冷水入口温度計(TCR)
80 指示調節器(TIC)
81 カスケード回路(演算部)
82 冷却水バイパス制御回路(調節部)
Claims (5)
- 容積圧縮型回転式の圧縮機、水冷方式の凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備え冷凍サイクルを構成する水冷冷凍機と、
大気と冷却水とを熱交換する冷却塔と、
前記冷却塔に一端を接続し冷却水ポンプ及び冷却水入口温度計の順に配置し、他端を前記凝縮器に接続する冷却水往き側通路と、前記凝縮器に一端を接続し他端を前記冷却塔に接続する冷却水還り側通路と、前記冷却水往き側通路の前記冷却水ポンプ吸込み側と前記冷却水還り側通路との間を冷却水バイパス弁を介して接続するバイパス通路とを有する冷却水循環通路と、
負荷側への冷水往き側通路と前記負荷側からの冷水還り側通路とを有し、前記冷水還り側通路に冷水ポンプ及び冷水入口温度計を配置し、前記蒸発器に連絡する冷水循環通路と、
前記冷却水入口温度計の冷却水入口温度計測値に基づいて設定冷却水入口温度との偏差を演算し、該偏差に応じた前記冷却水バイパス弁の開度出力をする冷却水バイパス制御回路を有する指示調節器を
備え、
前記指示調節器には、前記設定冷却水入口温度を、前記冷水入口温度計の計測値に基づいて、前記冷水入口温度計測値+Tα℃となる値として前記冷却水バイパス制御回路の設定値として出力するカスケード回路を備える
ことを特徴とする熱源システム。 - 請求項1記載の熱源システムにおいて、
前記冷水循環通路には、前記冷水還り側通路の前記冷水ポンプ吸い込み側に還りヘッダと、前記冷水往き側通路に往きヘッダと、前記還りヘッダと前記往きヘッダとの間にヘッダ間バイパス管とを備え、負荷側の熱負荷が小さくなると前記ヘッダ間バイパス管を冷水が流れる
ことを特徴とする熱源システム。 - 請求項1又は2記載の熱源システムにおいて、
前記容積圧縮型回転式の圧縮機は、ロータリー型圧縮機、スクロール型圧縮機又はスクリュー型圧縮機である
ことを特徴とする熱源システム。 - 請求項1乃至3の何れか記載の熱源システムにおいて、
前記負荷は、高温冷水を要求する空調設備又は生産機器冷却用の熱源設備であって、冷水の還り温度が前記水冷冷凍機の冷却水入口下限温度を上回る場合がある
ことを特徴とする熱源システム。 - 請求項4記載の熱源システムにおいて、
前記空調設備は、データセンターの空調設備である
ことを特徴とする熱源システム。
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