JP5950453B2 - 冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法 - Google Patents

Description

本発明は冷温水供給システムにおける熱源機運転制御技術に係り、特に未利用温水投入型吸収冷温水機を含む、複数の熱源機を備えた冷温水供給システムにおける熱源機運転制御技術に関する。

従来、複数熱源機による冷水式空調システムの運転制御技術として、複数の冷温水機を連結したシステムの運転台数制御方法が提案されている（例えば特許文献１）。この技術は、冷温水機の連結数、冷水又は温水出口設定温度差、入口温度により冷温水機の最適運転台数を演算し、演算した冷温水機の最適運転台数と実際の運転台数の比較により、一定時間毎に運転する冷温水機を１台ずつ増減させて運転する。これにより、システム全体で効率のよい運転台数で冷温水機を運転すると共に、冷温水機の発停時における冷水、又は温水出口温度の変化の少ない安定した冷水を供給可能としている。

一方、近年、エネルギーの有効利用、二酸化炭素排出量削減等の要請に対応すべく、再生可能エネルギーや未利用エネルギーを利用する温水投入型吸収冷温水機を含んで、駆動源の異なる複数の熱源機を組合せた冷水式空調システムが実用化されている。ここに、再生可能エネルギーとして太陽熱由来の温水、未利用エネルギーとしてコジェネ廃熱（温水、蒸気）等が利用されている。

このような冷水式空調システムにおいて、省エネルギーの見地から冷水を最も効率的に製造するためには、エネルギー原単位の小さな駆動源を優先的に使用すべきであり、優先順位は、（１）再生可能エネルギー、未利用エネルギー、（２）コジェネ廃熱、（３）電気、（４）燃料（都市ガス等）となる。これに従えば、太陽熱温水やコジェネ廃温水を活用できる未利用温水投入型吸収冷温水機を優先的に運転させることになる。

特開２００４−１４４４５７号公報

しかしながら、従来の未利用温水投入型吸収冷温水機は、後述するように未利用温水及びガス等の燃料を熱源として冷水を得ている。そして、冷水出口温度を制御対象として未利用温水や燃料の投入量を制御しているため、冷水出口温度が上昇する場合には燃料が投入されることになり、ＣＯＰが低下するという問題がある。また、強制的に燃料投入を遮断してしまうと、インプットされる温水の熱量や温度が不足する場合には、冷水温度が上昇してしまう。

未利用温水駆動の吸収冷温水機と、より高効率のガス駆動の吸収冷温水機等の熱源機を組み合わせて、使用する駆動源の順番を厳密に管理する制御は可能ではあるものの、イニシャルコスト増や設置スペース増大等の問題がある。

本発明は、未利用温水投入型吸収冷温水機を含む熱源統合制御システムにおいて、上記課題を解決し、省エネと安定的な冷水供給を両立可能なシステムを提供することを目的とする。
本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、本願発明に係る冷温水供給システムの熱源機運転制御方法は、
（１）未利用温水及び燃料、又は、未利用温水及び蒸気を駆動源とする温水投入型吸収冷温水機を含み、駆動源タイプを異にする複数の熱源機を備えた冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法であって、
予め駆動源タイプごとに起動優先順位が設定され、及び、温水投入型吸収冷温水機については、未利用温水運転時と燃料又は蒸気運転時とで、異なる起動優先順位が設定され、かつ、
冷房負荷及び温水負荷状態に対応して、該起動優先順位に従って各熱源機の起動・停止を制御する、ことを特徴とする。

本発明において、「冷温水供給システム」とは、熱源機により製造された冷水又は温水を需要先に配管供給して、空調、温水供給を行うシステムをいう。
また、「未利用温水」とは、太陽熱、コジェネ廃熱等から得た温水の総称である。
また、「駆動源タイプ」とは、未利用温水、電力、蒸気、都市ガス等の燃料等、熱源機が駆動源として用いるエネルギーの種類を意味する。

（２）上記（１）の発明において、前記起動優先順位が、エネルギー原単位の小さな駆動源タイプ順であることを特徴とする。
「エネルギー原単位」とは、単位生産熱量に対する投入一次エネルギー量や、単位生産熱量に対する投入エネルギーコストや、単位生産熱量に対する投入エネルギーの二酸化炭素排出量を表す指標で、ユーザーが運転の目的に合わせて選択することができる。

（３）上記各発明において、各熱源機の起動、増段又は減段ステップに際して、駆動源タイプごとに設定した安定化時間を確保することを特徴とする。

本発明において、「増段」とは、冷房負荷に合わせて、予め設定した優先順位が高い熱源機を起動することをいう。また減段とは、冷房負荷に合わせて、予め設定した優先順位が低い熱源機を停止することをいう。（後述の図３（a）参照）。

本発明は、各熱源機の応答性の差を考慮したタイマ設定制御に関わる。すなわち、一般に増段時は減段時より定常状態に達するまでに長時間を要し、さらに、駆動源（電気・ガス等）によっても異なる。例えば、減段時は電気・ガスともに０〜１５分、増段時は、電気：０〜３０分、ガス：０〜６０分の如くである。なお、具体的設定時間については、システムの設置状況（配管長等）をも考慮して、適切な設定時間を設定することができる。

（４）上記各発明において、複数（ｎ台）の前記温水投入型吸収冷温水機を備え、
前記温水投入型吸収冷温水機の未利用温水運転時（以下、温水熱源機２ａ(k)という）の起動制御において、
温水供給側熱量と温水需要側熱量の差（ΔＱｅ）と、当該温水熱源機２ａ(k)の最低能力運転必要熱量（Ｑd_min(k)）と、を比較するステップと、
温水供給熱量に余裕があり（ΔＱｅ≧Ｑd_min(k)）、かつ、当該熱源機２ａ(k)運転中の場合には、さらに優先順位次位の熱源機２ａ(k+1)を起動させるステップと、
を、順次行うステップを、含むことを特徴とする。

（５）上記（４）の発明において、さらに、温水供給側温度（Ｔｈ）が、前記温水熱源機２ａ(k)の運転に必要な最低温水温度（Ｔｈ_min(k)）以下の場合には、温水熱源機以外の優先順位が次位の熱源機を起動させるステップを含む、ことを特徴とする。

本発明によれば、太陽熱やコージェネ廃熱を優先的に、電気、燃料（都市ガス等）とエネルギー源単位の小さな駆動源から順番に使用することで、省エネルギーや低コスト、二酸化炭素排出量抑制を追求した空調用冷水の製造が可能となる。

また、本発明の制御を用いることで、一般的に温水と燃料を同時に投入して運転する未利用温水投入型吸収冷温水機を、燃料投入の順番がくるまでは強制的に燃料の投入を遮断することで、あたかも２台の熱源機として区別した運転が可能となるため、温水投入型冷凍機を単独で設置する必要がなくなるため、イニシャルコストの低減と省スペース化を図ることができる。

また、常に未利用温水投入型吸収冷温水機を優先的に運転し、冷水出口温度が上昇する場合に強制的に燃料投入を遮断する制御によれば、インプットされる温水の熱量や温度が不足する場合に、未利用温水投入型吸収冷温水機の製造する冷水温度が上昇してしまう。本発明の制御では、インプットされる温水の熱量や温度の状況に応じて、その他の熱源機（電気駆動熱源機等）の運転切替えを行うため、安定した冷水製造が可能となる。

第一の実施形態に係る熱源機運転制御システム１の冷房時における全体構成を示す図である。 未利用温水投入型吸収冷温水機２の構成を模式的に示す図である。 熱源統合制御システム１の冷房時台数制御フローを示す図である。 図３（ａ）のＳ１０４部分の詳細フローを示す図である。 図３（ａ）のＳ１０９部分の詳細フローを示す図である。 熱源機運転制御システム１の暖房時における全体構成を示す図である。 熱源統合制御システム１の暖房時台数制御フローを示す図である。

以下、本発明の各実施形態についてさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜第一の実施形態＞
本実施形態は、熱源機運転制御システムの冷房（冷水供給）時の態様に係る。図１を参照して、本実施形態に係る熱源統合制御システム１は、冷水供給のための熱源機系統１Ａと、未利用温水を回収・利用する未利用温水系統１Ｂと、システム全体の制御を行う制御系統１Ｃと、により構成されている。

熱源機系統１Ａは、複数（ｎ台）の未利用温水投入型吸収冷温水機（以下、温水投入型冷温水機）２、系統電力を使用するターボ冷凍機３、コジェネ廃熱を使用する蒸気焚吸収冷温水機４、都市ガスを燃料として使用するガス焚吸収冷温水機５、の駆動源の異なる４タイプの熱源機と、及び、温水供給用の熱交換器１０と、により構成されている。各熱源機で製造される冷水は、冷水配管１１を介して需要先に供されるように構成されている。
ｎ台の温水投入型冷温水機２は、（未利用温水＋燃料）を駆動源とする温水投入型冷温水機２Ａと、（未利用温水＋蒸気）を駆動源とする温水投入型冷温水機２Ｂと、の２タイプの吸収冷温水機により構成されている。
なお、系統電力使用の冷凍機としては、ターボ冷凍機の他にスクリュー式等を用いることもできる。さらにガスエンジン駆動ヒートポンプチラー等を用いることもできる。

各温水投入型冷温水機２Ａは、図２に示すようにガス等の燃料を駆動源とする高温再生器２ｄと、未利用温水を駆動源とする排熱再生器２ｅとの２種類の再生器を備え、これらを選択的に用いて溶液分離により蒸気発生させて、より低圧の凝縮器２ｈ又は排熱凝縮器２ｆで凝縮させて水とし、蒸発器２ｉで蒸発させて冷水を得るものである。かかる構成により温水投入型冷温水機２は、未利用温水を駆動源とする熱源機２ａと、燃料を駆動源とする熱源機２ａ’と、の２種類の熱源機により構成されていると見做すことができる。

また、図示を省略するが、各温水投入型冷温水機２Ｂは、図２の高温再生器２ｄに蒸気が供給される点を除いて図２と同様に構成されており、未利用温水を駆動源とする熱源機２ｂと、蒸気を駆動源とする熱源機２ｂ’と、の２種類の熱源機により構成されていると見做すことができる。

未利用温水回収系統１Ｂは、温水投入型冷温水機２と、太陽熱温水器７と、ＣＧＳ（コージェネレーション・システム）８と、往き側ヘッダー６ａ及び戻り側ヘッダー６ｂと、を主要構成として備えている。これら装置により、太陽熱及びコジェネ廃熱により得た温水を、往き側ヘッダー６ａ、戻り側ヘッダー６ｂ及びこれら装置間を結ぶ各配管の間で循環させて、冷温水機２に駆動源として供給し、冷水を製造するように構成されている。

熱源統合制御システム１の制御系統１Ｃは、未利用温水系統１Ｂ系統の各装置及び配管経路中に配設されるいずれも不図示の温度センサ、流量センサと、これら各センサの計測値に基づいて後述の各演算を行い、熱源機系統１Ａ側に運転指令を行う統合制御装置９と、により構成されている。

熱源機系統１Ａの各熱源機には表１に示すように起動優先順位が設定されており、以下説明する制御フロー（図３（ａ））において、各熱源機の起動・停止は同表の優先順位に従って行われるように構成されている。さらに、ｎ台の未利用温水投入型吸収冷温水機２Ａ、２Ｂの中で起動優先順位ｋ（ｋ＝１〜ｎ）が設定されている。

なお、表１では吸収冷温水機２は二重効用タイプ、ガス焚吸収冷温水機５は三重効用タイプを想定した優先順位としているが、両者とも二重効用タイプの場合には、補機の起動等に伴うエネルギー消費を考慮して優先順位を逆転させることが適当である。
また、優先順位２、３位の吸収冷温水機２Ｂ及び蒸気焚吸収冷凍機４は、コージェネ廃蒸気等の利用を前提としている。ボイラ等で製造した蒸気を使用する場合には、優先順位はターボ冷凍機よりも下位になる。

熱源統合制御システム１は以上のように構成されており、次に冷房時における統合制御装置９が行う熱源機台数制御の態様について説明する。
なお、統合制御装置９は表１の起動優先順位に基づいて台数制御、すなわち各熱源機の起動・停止を制御する。各熱源機の能力制御は、それぞれの出口温度、圧力等に基づいて熱源機ごとに行われる。

図３（ａ）を参照して、制御中は未利用温水系統１Ｂの各温度センサ、流量センサにより未利用温水供給側及び需要側（吸収冷温水機２）の往き、戻りの温度、流量が計測され、統合制御装置９に集められる（Ｓ１０１）。

未利用温水系統内の供給熱量（ΣＱs）と需要熱量（ΣＱd）の演算が行われ（Ｓ１０２）、さらに両者の比較が行われる（Ｓ１０３）。ここに、供給熱量とは太陽熱及びコジェネ廃熱の総和であり、需要熱量とは熱源機２ａの要求熱量をいう。なお、同図分岐において特記なき限り、下側矢印がＹＥＳ，横側矢印がＮＯとする。
ΣＱs≧ΣＱdの場合には（Ｓ１０３においてＹ）、供給余力があるため熱源機２ａの起動順序フローに移行する（Ｓ１０４）。

具体的には図３（ｂ）を参照して、ｋ＝１から（Ｓ１０４１）、ｋ＝ｎに至るまで（Ｓ１０４２）、順次供給熱量及び運転状態を判定していく。ここでは、フローが進行した状態（ｋ＝ｋ）を想定する。供給熱量（ΣＱs(i)）と需要熱量（ΣＱd(j)）の差ΔＱｅ（＝ΣＱs(i)−ΣＱd(j)）が、熱源機２ａ(k)の最小能力運転に必要な熱量（Ｑd_min(k)）以上か否かが判定される（Ｓ１０４３）。

ΔＱｅ≧Ｑd_min(k)の場合には（Ｓ１０４３においてＹ）、さらに熱源機２ａ(k)が運転中であるか否かが判定される（Ｓ１０４４）。運転中ではない場合には（Ｓ１０４４においてＮ）、Ｓ１０５に移行する（後述）。
Ｓ１０４４においてＹ，すなわち運転中の場合には、さらに熱源機２ａ(k)より優先順位下位（ｋ＝ｋ＋１）について（Ｓ１０４５）、Ｓ１０４２〜Ｓ１０４４のフローが適用される。

図３（ａ）に戻って、次に温水供給側の往き側ヘッダー６ａ内温度が、当該熱源機運転に足る最低温水温度（Ｔｈ_min(k)）以上が確保されているか（Ｔｈ≧Ｔｈ_min(k)）否かが判定される（Ｓ１０５）。ここに、最低温水温度は熱源機２ａの排熱再生器２ｅの運転可能温度であり、例えば７０−９０℃が例示される。なお、熱交換器１０を介しての温水使用目的の場合には、４０℃程度であってもよい。
Ｓ１０５においてＮ、すなわち必要最低温水温度が確保されていない場合には、他の駆動源の熱源機を用いるため、Ｓ１１０に移行する（後述）。

Ｓ１０５においてＹ，すなわち必要最低温水温度以上（Ｔｈ≧Ｔｈ_min(k)）の場合には、エネルギー総合効率をより高めるため、熱源機２ａより優先順位下位の熱源機が現在運転中が否かが判定され（Ｓ１０６）、これに該当する場合には熱源機２ａを起動させる（Ｓ１０７）。これに伴い、次回のサイクルでは当該下位熱源機は運転停止又は減段されることになる。

Ｓ１０６においてＮ，下位熱源機が運転中でない場合には、次に熱源機系統１Ａの他の熱源機との起動順位の比較が行われる（Ｓ１０８、Ｓ１０９）。
最初に、全冷房負荷Ｑｒと運転中熱源機の実質最大出力合計値（ΣＱrm(i)）とが比較される（Ｓ１０８）。ここに熱源機実質最大出力（Ｑrm(i)）とは運転負荷率を考慮した最大出力をいい、例えば実質最大出力９０％とは、ある熱源機について定格出力の９０％に達した場合に次発機を起動させる出力をいう。
Ｓ１０８においてＮ，すなわちＱｒ＜ΣＱrm(i)の場合には、後述するＳ１１３に移行する。

冷房負荷Ｑｒが運転中実質最大出力合計値以上の場合には（Ｓ１０８においてＹ）、優先順位に従って次発対象の熱源機を起動させる（Ｓ１０９）。より詳細には図３（ｃ）を参照して、次発熱源機が熱源機２ａか否かが判定され（Ｓ１１０１）、該当する場合には熱源機２ａが増段される（Ｓ１１０２）。
Ｓ１１０１においてＮ、次発熱源機が熱源機２ａではない場合には、次に次発熱源機が蒸気熱源機か否かが判定される（Ｓ１１０３）。該当する場合には（（Ｓ１１０３においてＹ））、蒸気熱源機３が増段される（Ｓ１１０４）。Ｓ１１０３においてＮ、次発熱源機が蒸気熱源機３ではない場合には、さらに次発熱源機が電気又はガス熱源か否かが判定される（Ｓ１１０５）。電気熱源である場合には、ターボ冷凍機３が増段される（Ｓ１１０６）。ガス熱源である場合には、ガス焚吸収冷温水機５が増段される（Ｓ１１０７）。

上述のＳ１０３,Ｓ１０５のいずれかにおいてＮの場合には、温水機２が温水使用運転中であるか否かが判定される（Ｓ１１０）。温水使用運転中の場合には運転を停止させる（Ｓ１１１）。温水機２が温水使用運転していない場合には（Ｓ１１０においてＮ）、冷房負荷Ｑｒと運転中熱源機の実質最大出力合計値（ΣＱrm(i)）との大小を比較する（Ｓ１１２）。
Ｑｒ≧ΣＱrm(i)（ｉ＝１〜ｉ））の場合には（Ｓ１１２においてＹ）、さらなる冷熱供給が必要な状態であるので、Ｓ１０９に移行して、優先順位に従い次発対象の熱源機を起動させる。

Ｑｒ＜ΣＱrm(i)の場合には（Ｓ１１２においてＮ）、最下位の熱源機を停止してもさらに冷房負荷Ｑｒが、当該最下位熱源機を除く運転中の上位熱源機による実質最大出力合計値（ΣＱrm(i)）より小さいか否かを判定する（Ｓ１１３）。Ｑｒ＜ΣＱrm(i)（ｉ＝１〜（ｉ−１））の場合には（Ｓ１１３においてＹ）、冷熱供給過剰状態であるので、最下位熱源機が順次減段されることとなる（Ｓ１１４）。Ｑｒ≧ΣＱrm(i)（ｉ＝１〜（ｉ−１））の場合には（Ｓ１１３においてＮ）、現状運転状態が維持される（Ｓ１０１へ）。

以上の各フロー中、熱源機の起動、停止、増段、減段等に際しては、熱源機タイプにより起動特性、安定化時間等がそれぞれ異なることを考慮して、熱源機タイプごとに予め設定されたステップ移行時間（インターバル）が採用されている（Ｓ１１５）。

なお本実施形態では、起動優先順位について最も一次エネルギー量が最小となる運転制御とすべく表１のように設定した例を示したが、これに限らず未利用温水エネルギー供給状況、コスト、二酸化炭素排出量 等を考慮して、ユーザーが任意に設定することができる。

＜第二の実施形態＞
次に、上記熱源統合制御システム１の暖房（温水供給）時の態様（熱源統合制御システム１’）について説明する。
図４を参照して、暖房時においては、未利用蒸気熱交換器１０’及び熱源機側からも温水供給される点が図１の冷房時と異なる。また、熱源機として、ターボ冷凍機に替えて温水供給可能な空冷ヒートポンプチラー１２、温水ボイラー１３が用いられている。その他の構成は、冷房時の構成と同一である。

次に、暖房時における起動優先順位は表２の通り設定されており、制御フロー（図５）において、各熱源機の起動・停止は同表の優先順位に従って行われるように構成されている。

次に、暖房時における統合制御装置９が行う熱源機台数制御の態様については、図５に示す通り冷房時の制御フロー（図３（ａ））と同様である。但し、Ｓ２０８、Ｓ２１２、Ｓ２１３については、冷房負荷（Ｑｒ）に替えて暖房負荷（Ｑｈ）を、熱源機実質最大（冷房）出力（Ｑrm(i)）に替えて熱源機実質最大（暖房）出力（Ｑhm(i)）を、それぞれ用いている点が異なる。
また、図示を省略するが、Ｓ２０４、Ｓ２０９部分の詳細フローについても、図３（ｂ）、図３（ｃ）と同様である。

本発明は、地域熱供給、業務用・産業用空調・熱供給等、駆動源タイプの異なる複数の熱源機を備えた冷温水供給システムに広く適用可能である。

１、１’・・・・・熱源統合制御システム
１Ａ・・・・熱源機系統
１Ｂ・・・・温水系統
１Ｃ・・・・制御系統
２・・・・・未利用温水投入型吸収冷温水機（温水投入型冷温水機）
２Ａ・・・・温水投入型冷温水機（未利用温水＋燃料）
２Ｂ・・・・温水投入型冷温水機（未利用温水＋蒸気）
３・・・・・ターボ冷凍機
４・・・・・蒸気焚吸収冷凍機
５・・・・・ガス焚吸収冷温水機
７・・・・・太陽熱温水器
９・・・・・統合制御装置
１０，１０’・・・・熱交換器
１１・・・・冷水配管
１２・・・・空冷ヒートポンプチラー
１３・・・・温水ボイラー

Claims (2)

1. 未利用温水及び燃料、又は、未利用温水及び蒸気を駆動源とする複数（ｎ台）の温水投入型吸収冷温水機を含み、駆動源タイプを異にする複数の熱源機を備えた冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法であって、
   予め駆動源タイプごとに起動優先順位が設定され、及び、温水投入型吸収冷温水機については、未利用温水運転時と燃料又は蒸気運転時とで、異なる起動優先順位が設定され、かつ、
   冷房負荷及び温水負荷状態に対応して、該起動優先順位に従って各熱源機の起動・停止を制御し、さらに、
   前記温水投入型吸収冷温水機の未利用温水運転時（以下、温水熱源機２ａ(k)という）の起動制御において、
   温水供給側熱量と温水需要側熱量の差（ΔＱｅ）と、当該温水熱源機２ａ(k)の最低能力運転必要熱量（Ｑd_min(k)）と、を比較するステップと、
   温水供給熱量に余裕があり（ΔＱｅ≧Ｑd_min(k)）、かつ、当該熱源機２ａ(k)運転中の場合には、さらに優先順位次位の熱源機２ａ(k+1)を起動させるステップと、
   を、順次行うステップを、含む、
   ことを特徴とする冷温水供給システムの熱源機運転制御方法。
2. 請求項１において、さらに、
   温水供給側温度（Ｔｈ）が、前記温水熱源機２ａ(k)の運転に必要な最低温水温度（Ｔｈ_min(k)）以下の場合には、温水熱源機以外の優先順位が次位の熱源機を起動させるステップを含む、
   ことを特徴とする冷温水供給システムにおける熱源機運転制御方法。
   

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