JP6116097B2 - 蓄熱システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
図1は、本実施形態に係る蓄熱システムの構成図である。なお、図1に示す破線矢印は、信号線を表している。蓄熱システムSは、冷凍機21によって冷却された冷水(冷媒)を蓄熱槽22に貯留し、その後、蓄熱槽22から室内機25を介して冷水を循環させて室内を空調(冷房)するシステムである。
蓄熱システムSは、冷凍機21を介して冷水生成用の冷却水を循環させる冷却水循環システムSaと、蓄熱槽22を介して空調用の冷水を循環させる冷水循環システムSbと、複数のセンサ類(温度センサ31,32等)と、コントローラ40と、を備えている。
冷却水循環システムSaは、冷却塔11と、冷却水ポンプ12と、を備えている。
冷却塔11は、冷凍機21を通流する冷水からの吸熱で昇温した冷却水を冷やすための設備であり、外気を取り込んで送風する送風機11aを有している。冷却塔11は、例えば、開放式の冷却塔であり、その内部に担持された充填材(図示せず)に冷却水を流し込む構成になっている。
冷却水ポンプ12は、冷却塔11で放熱して冷やされた冷却水を冷凍機21に向けて圧送するポンプであり、配管p2に設置されている。
冷水循環システムSbは、冷凍機21と、蓄熱槽22と、冷水一次ポンプ23と、冷水二次ポンプ24と、室内機25と、を備えている。なお、冷水循環システムSbのうち冷凍機21と、配管p3,p4と、冷水一次ポンプ23と、をまとめて「一次側」という。一方、室内機25と、配管p5,p6と、冷水二次ポンプ24と、をまとめて「二次側」という。
また、図1に示す配管p3の流入口は冷凍機21に接続され、流出口は蓄熱槽22の下部領域に臨んでいる。配管p4の流入口は蓄熱槽22の上部領域に臨んでおり、流出口は冷凍機21に接続されている。
冷水一次ポンプ23を駆動するモータ(図示せず)には、インバータ(図示せず)が設置されている。コントローラ40からの指令に応じてインバータが駆動することで、前記したモータの回転速度(つまり、冷水の流量)が調整される。
また、配管p5の流入口は蓄熱槽22の下部領域に臨んでおり、流出口は室内熱交換器25aの伝熱管rに接続されている。配管p6の流入口は室内熱交換器25aの伝熱管rに接続され、流出口は蓄熱槽22の上部領域に臨んでいる。
室内熱交換器25aは、伝熱管rを通流する低温の冷水と、室内ファン25bによって取り込まれる高温の空気と、の間で熱交換を行うものである。室内ファン25bは、室内空気を取り入れて室内熱交換器25aに送り込むファンである。
温度センサ31(第1温度検出手段)は、冷凍機21から蓄熱槽22に向かう冷水の温度を検出するセンサであり、配管p3に設置されている。温度センサ32(第1温度検出手段)は、蓄熱槽22から冷凍機21に向かう冷水の温度を検出するセンサであり、配管p4に設置されている。
流量センサ33(流量検出手段)は、冷凍機21から蓄熱槽22に向かう(一次側で循環する)冷水の流量を検出するセンサであり、配管p3に設置されている。
各センサは、その検出値をコントローラ40に出力するようになっている。
コントローラ40(制御装置)は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路を含んで構成され、設定されたプログラムに従って各種処理を実行する。
コントローラ40は、前記した各センサから入力される検出値に応じて、送風機11a、冷却水ポンプ12、冷凍機21、冷水一次ポンプ23、冷水二次ポンプ24、及び室内ファン25bの駆動を制御する。
前記した「蓄熱運転」とは、冷凍機21で冷水を冷やし、冷やされた冷水を蓄熱槽22に貯留する運転モードである。「追掛運転」とは、冷凍機21で冷やされた冷水を、蓄熱槽22及び室内機25を介して循環させる運転モードである。「放熱運転」とは、蓄熱槽22に貯留された低温の冷水を、室内機25を介して循環させる運転モードである。
記憶部41には、負荷特性DB(Data Base)41aが格納されている。負荷特性DB41aには、後記する外気湿球温度と、冷凍機21の負荷率と、これらに対応するシステムCOP(Coefficient Of Performance)と、の関係を示す特性情報(図9参照)がデータベースとして記憶されている。
図3に示すように、システムCOPの最大値を与える負荷率は、外気湿球温度によって変化する。例えば、外気湿球温度が15℃WBである場合、冷凍機21の負荷率が約58%のときにシステムCOPは最大値Y1になる。また、外気湿球温度が20℃WBである場合、冷凍機21の負荷率が約67%のときにシステムCOPは最大値Y2になる。
処理負荷算出部42aは、温度センサ31,32の検出値、及び流量センサ33の検出値に基づき、現在時刻において冷凍機21で処理されている負荷(処理負荷)を算出する。つまり、処理負荷算出部42aは、配管p3(図1参照)を通流する冷水の流量Q[m3/sec]と、温度センサ31の検出値TA[K]と、温度センサ32の検出値TBと、を用いて、以下の(数式1)に基づき冷凍機21の処理負荷q[kW]を算出する。なお、(数式1)においてC[kJ/kg・K]は水の比熱であり、ρ[kg/m3]は水の密度である。密度ρとして、例えば、温度TA,TBの平均温度における水の密度を用いることができる。
目標負荷算出部42bは、温湿度センサ34から入力される温湿度と、負荷特性DB41aから読み出した情報と、に基づいて、冷凍機21の目標負荷を算出する。ここで「目標負荷」とは、温湿度センサ34によって検出される外気の温湿度に対応して、システムCOPが最大となる場合の冷凍機21の処理負荷を意味している。
目標負荷算出部42bは、算出した目標負荷を比較部42cに出力する。
以下では、前記した蓄熱運転、追掛運転、及び放熱運転のうち、蓄熱運転を中心に説明する。図4は、コントローラによる蓄熱運転時の処理を示すフローチャートである。
コントローラ40は、比較的安価な夜間電力を使って蓄熱運転を行う。所定時刻になると、コントローラ40は蓄熱運転を開始する(START)。すなわち、コントローラ40は、送風機11a及び冷却水ポンプ12を駆動し、配管p1,p2を介して冷却水を循環させる。また、コントローラ40は、冷凍機21及び冷水一次ポンプ23を駆動し、配管p3,p4を介して一次側で冷水を循環させる。
ステップS102においてコントローラ40は、ステップS101で読み込んだ温湿度に基づいて、外気湿球温度を算出する。
ステップS104においてコントローラ40は、処理負荷算出部42a(図2参照)によって、ステップS103で読み込んだ冷水の温度TA,TB及び流量Qを(数式1)に代入して、冷凍機21の現在の処理負荷を算出する。
一方、冷凍機21の処理負荷が目標負荷に略一致していない場合(S106→No)、コントローラ40の処理はステップS107に進む。
ステップS107においてコントローラ40は、比較部42c(図2参照)によって、ステップS104で算出した冷凍機21の処理負荷が目標負荷よりも小さいか否かを判定する。冷凍機21の処理負荷が目標負荷よりも小さい場合(S107→Yes)、コントローラ40の処理はステップS108に進む。
ステップS108の処理を行った後、コントローラ40の処理はステップS101に戻る(RETURN)。
ステップS109においてコントローラ40は、制御信号生成部42d(図2参照)によって、冷水一次ポンプ23の流量を所定流量だけ減少させる(運転制御ステップ)。このように冷水一次ポンプ23の流量を減少させる分、蓄熱運転時における冷凍機21の処理負荷も減少する。これによって、冷凍機21の処理負荷を目標負荷に近づけ、システムCOPを高めることができる。
ステップS109の処理を行った後、コントローラ40の処理はステップS101に戻る(RETURN)。
本実施形態では、システムCOPを最大にする目標負荷に冷凍機21の処理負荷を近づけるように、冷水一次ポンプ23の流量を変更するようにした。このように、外気条件(外気湿球温度)に応じて冷凍機21の処理負荷をきめ細かく変化させることで、蓄熱運転に要するエネルギを低減し、省エネルギ化・低コスト化を図ることができる。
第2実施形態は、第1実施形態と比較してコントローラ40が実行する処理の内容が異なるが、蓄熱システムSの構成(図1参照)やコントローラ40の構成(図2参照)については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
ステップS107においてコントローラ40は、ステップS104で算出した冷凍機21の処理負荷が、ステップS105で算出した目標負荷よりも小さいか否かを判定する。冷凍機21の処理負荷が目標負荷よりも小さい場合(S107→Yes)、ステップS108においてコントローラ40は、冷水一次ポンプ23の流量を所定流量だけ増加させる。このようにコントローラ40は、冷凍機21の処理負荷を変更する際、冷凍機21の設定温度よりも冷水一次ポンプ23の流量を優先的に変更する。
また、ステップS110において配管p3を通流する冷水の流量が、冷水一次ポンプ23の流量の上限値に達していない場合(S110→No)、コントローラ40の処理はステップS101に戻る(RETURN)。この場合、コントローラ40は、冷凍機21の設定温度を変更しない。
ステップS112においてコントローラ40は、配管p3を通流する冷水の流量が、冷水一次ポンプ23の流量の下限値に達したか否かを判定する。前記した下限値は予め設定され、記憶部41(図2参照)に格納されている。
また、ステップS112において配管p3を通流する冷水の流量が、冷水一次ポンプ23の流量の下限値に達していない場合(S112→No)、コントローラ40の処理はステップS101に戻る(RETURN)。この場合、コントローラ40は、冷凍機21の設定温度を変更しない。
本実施形態によれば、冷水一次ポンプ23の流量を調整するのみではシステムCOPの最大値を与える目標負荷に達しない場合でも、冷凍機21の設定温度を変更することで、冷凍機21の処理負荷を目標負荷に近づける(略一致させる)ことができる。したがって、継続的にシステムCOPが高い状態で蓄熱運転を行うことができ、省エネルギ化・低コスト化を図ることができる。
また、流量の上限値・下限値の幅が比較的小さいポンプを冷水一次ポンプ23として用いても、冷凍機21の設定温度の変更することでシステムCOPを高めることができる。
第3実施形態は、第1実施形態と比較して、蓄熱槽22に設置される複数の温度センサ35(図6参照)を追加した点と、気象情報サーバWから翌日の気象情報を取得する点と、コントローラ40Aの構成(図7参照)と、が異なる。なお、その他の点については第1実施形態と同様である。したがって、第1実施形態と異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
図6は、本実施形態に係る蓄熱システムの構成図である。
気象情報サーバWは、例えば、気象庁から取得した気象情報を管理するサーバであり、ネットワークNを介してコントローラ40Aに接続されている。なお、前記した気象情報には、翌日の外気の温湿度予測値が含まれている。
図7は、コントローラの構成図である。図7に示すようにコントローラ40Aの演算処理部43は、気象情報取得部43aと、必要蓄熱量算出部43bと、目標負荷算出部43cと、スケジュール設定部43dと、制御信号生成部43eと、を備えている。
気象情報取得部43a(気象情報取得手段)は、施設Kを含む所定地域の気象情報を、気象情報サーバWから所定時間ごと(例えば、6時間ごと)に取得する。気象情報取得部43aは、取得した気象情報(外気の温湿度予測値を含む)を必要蓄熱量算出部43b及び目標負荷算出部43cに出力する。
制御信号生成部43eは、スケジュール設定部43dによって設定された運転スケジュールに従って、冷凍機21や冷水一次ポンプ23を制御するための制御信号を生成する。なお、制御信号生成部43eが実行する処理の詳細については後記する。
(1.運転スケジュールの設定)
図8は、蓄熱運転の開始前にコントローラが実行する処理を示すフローチャートである。
ステップS201においてコントローラ40Aは、気象情報取得部43a(図2参照)によって、気象情報サーバWから翌日の24時間ぶんの気象情報を取得する。前記したように、気象情報には、外気の温湿度予測値が含まれている。気象情報の取得時刻は、例えば、23:00である。
ステップS204においてコントローラ40Aは、必要蓄熱量算出部43b(図7参照)によって、蓄熱槽22を満蓄にするための必要蓄熱量q1を算出する。すなわち、コントローラ40Aは、ステップS203で読み込んだ冷水温度に基づき、現在の蓄熱槽22内の温度分布から満蓄にするための必要蓄熱量を算出する。
ステップS2061においてコントローラ40Aは、値m=1とする。ここで、値mは、ステップS2061〜S2067の処理を繰り返すたびに逐次インクリメントされる自然数である。また、コントローラ40Aは、ステップS2064,S2067で用いる暫定的な蓄熱量qproとして、図8のステップS204で算出した必要蓄熱量q1を設定する。
ステップS2064においてコントローラ40Aは、ステップS2063で算出した蓄熱量Δqを蓄熱量qproから減算することで、残りの蓄熱量qremを算出する。なお、初回の計算では蓄熱量qproとして必要蓄熱量q1が用いられるが(S2061)、後記するステップS2067で蓄熱量qproの値が逐次更新される(減少していく)。
ステップS2067においてコントローラ40Aは、暫定的な蓄熱量qproとしてステップS2064で算出した残りの蓄熱量qremを代入する。次に、ステップS2068においてコントローラ40Aは、値mをインクリメントし、ステップS2062の処理に戻る。
なお、図10では省略したが、図8のステップS206においてコントローラ40Aは、蓄熱運転を行った後の追掛運転及び放熱運転に関しても、その運転スケジュールを設定する。
次に、運転スケジュールに沿った蓄熱システムSAの動作について、簡単に説明する。
蓄熱運転の開始時刻tstart(例えば、午前3時)になった場合、コントローラ40Aは制御信号生成部43e(図7参照)によって、蓄熱運転を開始する。すなわち、コントローラ40Aは、冷却塔11及び冷却水ポンプ12を駆動し、配管p1,p2を介して冷却水を循環させる。
また、コントローラ40Aは、ステップS206で設定した運転スケジュールに基づき、冷凍機21及び冷水一次ポンプ23を駆動し、配管p3,p4を介して冷水を循環させる。
そして、コントローラ40Aは、冷凍機21の実際の処理負荷を目標負荷に近づけるように、冷水一次ポンプ23の流量及び冷凍機21の設定温度のうち少なくとも一つをリアルタイムで変更(修正)する。
本実施形態係る蓄熱システムSAによれば、蓄熱運転時の運転スケジュールを設定する際、コントローラ40Aは翌日の気象情報に基づき、冷凍機21のシステムCOPが最大となるように目標負荷を設定する(S205:図8参照)。これによって、システムCOPが高い状態で蓄熱運転を行うことができるため、蓄熱システムSAに要するエネルギコストを削減できる。
第4実施形態は、翌日の運転スケジュールを設定する際、蓄熱運転の終了時刻tendを可変にする点が第3実施形態と異なるが、その他の点(蓄熱システムSAの構成:図6、図7参照)は第3実施形態と同様である。したがって、第3実施形態と異なる部分について説明し、重複する部分については説明を省略する。
コントローラ40Aは、第3実施形態で説明したように、蓄熱運転の開始前に図8のステップS201〜S205の処理を実行した後、ステップS206において運転スケジュールを設定する。
ステップS2061aにおいて、コントローラ40Aは、m=1、n=1とし、暫定的な蓄熱量qproとして必要蓄熱量q1を設定し、蓄熱運転の暫定的な終了時刻tendとして時刻t1を設定する。m=1、qpro=q1については、第3実施形態(図10参照)で説明したステップS2061と同様である。
値nは、後記するステップS2074で逐次インクリメントされる自然数である。時刻t1は、夜間電力が適用される時間帯の終了時刻(例えば、午前7:00)である。
ステップS2065において必要蓄熱量q1が満たされている場合(S2065→Yes)、コントローラ40Aの処理はステップS2071に進む。ステップS2071においてコントローラ40Aは、時刻(tend−mΔt)が夜間電力料金の適用される時間帯(例えば、23:00〜翌日の7:00)に含まれているか否かを判定する。なお、時刻(tend−mΔt)は、蓄熱運転の暫定的な開始時刻である。
ステップS2072においてコントローラ40Aは、時刻(tend−mΔt)〜tendの各時刻におけるシステムCOP(最大値:図3、図9参照)の平均値COPave(n)を算出する。コントローラ40Aは、算出した平均値COPave(n)を、nの値に対応付けて記憶部41(図6参照)に格納する。
ステップS2074においてコントローラ40Aは、値nをインクリメントした後、ステップS2062の処理に戻る。当該処理によって、蓄熱運転の暫定的な終了時刻tendが時間Δtだけシフトする(時間的に遡る)。このように、コントローラ40Aは、必要蓄熱量q1が満たされる複数の時間帯に関して、それぞれの時間帯におけるシステムCOP(最大値)の平均値COPave(n)を算出する。
本実施形態によれば、蓄熱運転の終了時刻tendを時間Δtずつシフトさせて、システムCOP(最大値)の平均値COPave(n)が最も大きくなるように、蓄熱運転を行う時間帯を設定する。これによって、必要蓄熱量q1を満たしつつ、エネルギコストの最も小さい時間帯で蓄熱運転を行うことができる。したがって、本実施形態によれば、第3実施形態よりもさらに省エネ化・低コスト化を図ることができる。
以上、本発明に係る蓄熱システムS,SAについて各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、第1実施形態では、冷水一次ポンプ23の流量のみを変更する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷水一次ポンプ23の流量に代えて、冷凍機21の設定温度のみを変更するようにしてもよい。
具体的には、図4のステップS107において冷凍機21の処理負荷が目標負荷よりも小さい場合(S107→Yes)、コントローラ40は冷凍機21の設定温度を低くする。一方、冷凍機21の処理負荷が目標負荷よりも大きい場合(S107→No)、コントローラ40は冷凍機21の設定温度を高くする。このような制御によっても、蓄熱システムSのシステム効率を高めることができる。
また、各実施形態では、冷凍機21の処理負荷を目標負荷に一致させる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷凍機21の処理負荷を目標負荷に近づければよく、必ずしもこれらを一致させる必要はない。この場合でも、システムCOPを高くすることでエネルギコストを削減できる。
また、各実施形態では、図1に示す冷水循環システムSbを循環する冷媒が水である場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷熱を搬送可能であれば、水以外の冷媒を用いてもよい。
11 冷却塔
12 冷却水ポンプ
21 冷凍機
22 蓄熱槽
23 冷水一次ポンプ(冷媒ポンプ)
24 冷水二次ポンプ
25 室内機
31,32 温度センサ(第1温度検出手段)
33 流量センサ(流量検出手段)
34 温湿度センサ(外気温湿度検出手段)
35 温度センサ(第2温度検出手段)
40,40A コントローラ(制御装置)
41 記憶部
41a 負荷特性DB
42 演算処理部
42a 処理負荷算出部
42b 目標負荷算出部
42c 比較部
42d 制御信号生成部
43 演算処理部
43a 気象情報取得部(気象情報取得手段)
43b 必要蓄熱量算出部
43c 目標負荷算出部
43d スケジュール設定部
43e 制御信号生成部
N ネットワーク
W 気象情報サーバ
Claims (4)
- 外気の温湿度を検出する外気温湿度検出手段と、
冷媒を貯留して蓄熱する蓄熱槽と、
前記蓄熱槽から流入する冷媒に冷熱を与える冷凍機と、
前記蓄熱槽から前記冷凍機に向けて冷媒を圧送するとともに、前記冷凍機で冷熱が与えられた冷媒を前記蓄熱槽に戻す冷媒ポンプと、
前記冷凍機及び前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、
外気の温湿度予測値を含む気象情報を気象情報サーバから取得する気象情報取得手段と、
前記蓄熱槽に貯留されている冷媒の温度を検出する第2温度検出手段と、を備え、
前記制御装置は、
蓄熱運転の開始前に前記第2温度検出手段によって検出される温度に基づき、前記冷凍機によって冷熱が与えられた冷媒で前記蓄熱槽を満たすための必要蓄熱量を算出し、
前記気象情報取得手段によって取得される温湿度予測値に対応して、将来の各時刻においてシステム効率の最大値を与える前記冷凍機の処理負荷を目標負荷として算出し、
前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に一致させ、かつ、前記必要蓄熱量が満たされる複数の時間帯に関して、前記最大値の平均が最も大きい時間帯を特定し、当該時間帯で蓄熱運転を行うように運転スケジュールを設定し、
前記外気温湿度検出手段によって検出される外気の温湿度、及び前記運転スケジュールに基づいて、前記冷凍機の設定温度、及び、前記冷媒ポンプの流量のうち少なくとも一つを変更すること
を特徴とする蓄熱システム。 - 前記蓄熱槽から前記冷凍機に向かう冷媒の温度と、前記冷凍機から前記蓄熱槽に戻る冷媒の温度と、をそれぞれ検出する第1温度検出手段と、
前記冷媒ポンプによって圧送される冷媒の流量を検出する流量検出手段と、を備え、
前記制御装置は、
前記第1温度検出手段の検出値と、前記流量検出手段の検出値と、に基づいて、前記冷凍機の現在の処理負荷を算出し、
前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に近づけるように、前記冷凍機の設定温度、及び、前記冷媒ポンプの流量のうち少なくとも一つを変更すること
を特徴とする請求項1に記載の蓄熱システム。 - 前記制御装置は、
前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に近づける際、前記冷媒ポンプの流量を優先的に変更し、
前記冷媒ポンプの流量が上限値に達した場合、前記冷凍機の設定温度を低くすることで前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に近づけ、
前記冷媒ポンプの流量が下限値に達した場合、前記冷凍機の設定温度を高くすることで前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に近づけること
を特徴とする請求項2に記載の蓄熱システム。 - 外気の温湿度を検出する外気温湿度検出手段と、冷媒を貯留して蓄熱する蓄熱槽と、前記蓄熱槽から流入する冷媒に冷熱を与える冷凍機と、前記蓄熱槽から前記冷凍機に向けて冷媒を圧送するとともに、前記冷凍機で冷熱が与えられた冷媒を前記蓄熱槽に戻す冷媒ポンプと、前記冷凍機及び前記冷媒ポンプを制御する制御装置と、外気の温湿度予測値を含む気象情報を気象情報サーバから取得する気象情報取得手段と、前記蓄熱槽に貯留されている冷媒の温度を検出する第2温度検出手段と、を備える蓄熱システムの制御方法であって、
前記制御装置は、
前記外気温湿度検出手段によって外気の温湿度を検出する外気温湿度検出ステップと、
蓄熱運転の開始前に前記第2温度検出手段によって検出される温度に基づき、前記冷凍機によって冷熱が与えられた冷媒で前記蓄熱槽を満たすための必要蓄熱量を算出する必要蓄熱量算出ステップと、
前記気象情報取得手段によって取得される温湿度予測値に対応して、将来の各時刻においてシステム効率の最大値を与える前記冷凍機の処理負荷を目標負荷として算出する目標負荷算出ステップと、
前記冷凍機の処理負荷を前記目標負荷に一致させ、かつ、前記必要蓄熱量が満たされる複数の時間帯に関して、前記最大値の平均が最も大きい時間帯を特定し、当該時間帯で蓄熱運転を行うように運転スケジュールを設定する運転スケジュール設定ステップと、
前記外気温湿度検出ステップで検出される外気の温湿度、及び前記運転スケジュールに基づいて、前記冷凍機の設定温度、及び、前記冷媒ポンプの流量のうち少なくとも一つを変更する運転制御ステップと、を含むこと
を特徴とする蓄熱システムの制御方法。
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