JP6219160B2 - ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法に関するものである。

従来、ターボ冷凍機を用いた熱源システムの台数制御においては、ターボ冷凍機の定格能力に基づいて台数制御閾値を設定することが一般的に行われている。
しかしながら、冷水温度及び冷却水温度の条件によってターボ冷凍機の出力可能な能力は変動する。そこで、例えば、冷水温度及び冷却水温度に応じた能力表を予め用意し、この能力表と冷水温度及び冷却水温度とから台数制御閾値を可変に設定することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−８３５６号公報

ところで、特許文献１に開示されているような能力表を用いた従来の方法では、冷凍能力と冷水温度及び冷却水温度の関係を予めグラフ化して用意する必要がある。しかしながら、ターボ冷凍機は機器毎に仕様が異なり、これらを毎回グラフ化して用意することは時間と労力を要していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ターボ冷凍機が通常制御に用いる一般的な情報を用いて現在の運転点における最大負荷率を逐次的に算出することのできるターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法、並びに、この最大負荷率に基づいてターボ冷凍機の台数制御を行う熱源システム及びその台数制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置であって、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得手段と、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を記憶する記憶手段と、前記データ取得手段によって取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を前記最大負荷率演算式に用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算手段とを具備するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置である。

このような構成によれば、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機において、冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を予め記憶手段に記憶しておくので、この最大負荷率演算式にデータ取得手段によって取得されたターボ冷凍機の冷水出口設定温度及び冷却水出口温度を入力データとして用いることにより、容易に最大負荷率を得ることができる。これにより、ターボ冷凍機の制御に通常利用される一般的なデータを用いて、現在の運転点に応じた最大負荷率の逐次計算を実現することが可能となる。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、例えば、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された実機理想ＣＯＰに対して実際の環境下で発生する損失を補正値として与えた計画成績係数と、定格能力と、定格消費電力と、最大負荷率との間に成立する関係式を、前記最大負荷率について解くことにより導出された演算式として表される。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、前記圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、前記相対負荷率は、例えば、負荷率を相対設計風量係数で除した値で表されることとしてもよい。

これにより、最大負荷率に含まれる圧縮機の機器損失に相当する誤差を低減することが可能となる。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、前記相対負荷率は、例えば、負荷率を相対設計風量係数で除した値に、流量変数に応じた補正項を乗じた値で表される。

これにより、最大負荷率に含まれる圧縮機の機器損失に相当する誤差を低減することが可能となるとともに、設計点の違いによる誤差も解消することが可能となる。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記補正値は、熱交換器の機器特性によって決定される損失温度に相当する補正値を含むこととしてもよい。

これにより、熱交換器の損失温度に起因する誤差を低減させることが可能となる。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、オフセット項を含み、前記オフセット項は、例えば、該最大負荷率演算式が前提としている定格仕様条件の設定点における成績係数である第１計画成績係数を、現在適用されている定格仕様条件の設定点における成績係数である第２計画成績係数で除した項として表される。

これにより、定格仕様点の設計点が異なる場合であっても、定格仕様点の設計点が異なることによる誤差を低減させることが可能となる。これにより、定格仕様点の設計点が異なるターボ冷凍機にも幅広く適用することが可能となり、汎用性を高めることができる。

上記ターボ冷凍機の最大負荷率算出装置において、前記最大負荷率演算式は、計画消費電力と実測消費電力との比による補正項を含むこととしてもよい。

最大負荷率演算式に、計画消費電力と実測消費電力との比による補正値を含めることにより、ターボ冷凍機の性能劣化を反映した最大負荷率を算出することが可能となる。

本発明の第２態様は、複数のターボ冷凍機と、前記ターボ冷凍機の台数制御を行う台数制御手段とを備え、各前記ターボ冷凍機は、上記のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置をそれぞれ備えるとともに、算出した最大負荷率を前記台数制御手段に送信し、前記台数制御手段は、各前記ターボ冷凍機から通知される最大負荷率に基づいて台数制御を行う熱源システムである。

このような構成によれば、ターボ冷凍機の台数制御に用いる閾値を、逐次的に算出される各ターボ冷凍機の最大負荷率に応じて可変にすることができる。これにより、ターボ冷凍機の能力をより一層発揮させた台数制御を実現することができる。

本発明の第３態様は、可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出方法であって、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得工程と、前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式に、前記データ取得工程において取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算工程とを含むターボ冷凍機の最大負荷率算出方法である。

本発明の第４態様は、複数のターボ冷凍機を備える熱源システムの台数制御方法であって、上記のターボ冷凍機の最大負荷率算出方法を用いて、各前記ターボ冷凍機が出力可能な最大負荷率を算出し、各前記ターボ冷凍機について算出された前記最大負荷率に基づいて、台数制御を行う熱源システムの台数制御方法である。

本発明によれば、ターボ冷凍機が通常制御に用いる一般的な情報を用いて現在の運転点における最大負荷率の逐次計算を実現することができ、予め能力表を作成する手間や労力を不要とすることができるという効果を奏する。
また、本発明によれば、ターボ冷凍機の台数制御における閾値をその時々のターボ冷凍機の運転状態に応じて設定することができ、ターボ冷凍機の能力を可能な限り発揮させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱源システムの概略構成を示した図である。 図１に示した熱源システムの制御系の構成を概略的に示した図である。 図１に示したターボ冷凍機の概略構成を示した図である。 図３に示した冷凍機制御装置が備える最大負荷率算出機能を展開して示した機能ブロック図である。 補正値の特性を示した図である。 負荷率、冷却水入口温度、及び相対負荷率の関係を示した図である。 図５に示した補正値の特性において、相対負荷率が１以上の範囲における特性を近似して示した図である。 本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出方法の処理手順を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の台数制御について説明するための図である。 流体変数と圧力変数との関係を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について、図を用いて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱源システム１の構成を概略的に示した図である。熱源システム１は、例えば、ビルや工場設備に設置されており、空調機やファンコイル等の外部負荷６に供給する冷水を冷却する３台のターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃを備えている。ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃは、外部負荷６に対して並列に設置されている。ここで、図１では、３台のターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃを備える場合について例示しているが、ターボ冷凍機の設置台数については任意に決定することができる。

冷水流れからみた各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ３ａ、３ｂ、３ｃが設置されている。これら冷水ポンプ３ａ、３ｂ、３ｃによって、リターンヘッダ５からの冷水が各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃへと送られる。各冷水ポンプ３ａ、３ｂ、３ｃは、インバータモータ（図示略）によって駆動されるようになっており、これにより、回転数を可変とすることで可変流量制御される。

サプライヘッダ４には、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃを経由した冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ４に集められた冷水は、外部負荷６に供給される。外部負荷６にて空調等に供されて昇温した冷水は、リターンヘッダ５に送られる。冷水は、リターンヘッダ５において分岐され、上述の如く、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃに送られる。

また、サプライヘッダ５とリターンヘッダ４との間にはバイパス配管７が設けられている。バイパス配管７に設けられたバイパス弁８の開度を調整することにより、外部負荷６へ供給する冷水量を調整することができる。
なお、本実施形態においては、ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃは、冷水を冷却するものとして説明するが、冷水を加熱するものであってもよい。また、冷却機能と加熱機能とを兼ね備えるものであってもよい。また、冷水に代えて、ブラインなどの他の熱媒を冷却または加熱するようなシステムであってもよい。

図２は、本実施形態に係る熱源システム１の制御系の構成を概略的に示した図である。図２に示すように、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの制御装置である冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、上位制御装置２０と通信媒体２１を介して接続されており、双方向の通信が可能な構成とされている。上位制御装置２０は、例えば、熱源システム１全体を制御する制御装置であり、外部負荷６の要求負荷と、各冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃから逐次通知される最大負荷率とに基づいて、ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの台数制御を行う他、例えば、サプライヘッダ４とリターンヘッダ５との間の差圧（以下「ヘッダ差圧」という。）に基づくバイパス弁８の弁開度制御や、ポンプ３ａ、３ｂ、３ｃの回転数制御等を行う。

上位制御装置２０及び冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、例えば、コンピュータであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の主記憶装置、補助記憶装置、外部の機器と通信を行うことにより情報の授受を行う通信装置などを備えている。
補助記憶装置は、コンピュータ読取可能な記録媒体であり、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。この補助記憶装置には、各種プログラム（例えば、冷凍機制御装置であれば、最大負荷率算出プログラム、上位制御装置であれば、台数制御プログラム等）が格納されており、ＣＰＵが補助記憶装置から主記憶装置にプログラムを読み出し、実行することにより種々の処理を実現させる。

上記上位制御装置２０及び冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃによって実行される処理の詳細については、後述する。

次に、ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの構成について説明する。ターボ冷凍機２ａ、２、２ｃは同様の構成を有することから、以下、代表としてターボ冷凍機２ａの構成について説明する。

ターボ冷凍機２ａは、冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１によって圧縮された高温高圧のガス冷媒を凝縮する凝縮器１２と、凝縮器１２にて凝縮された液冷媒に対して過冷却を与えるサブクーラ１３と、サブクーラ１３からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁１４と、高圧膨張弁１４に接続されるとともに圧縮機１１の中間段および低圧膨張弁１５に接続される中間冷却器１６と、低圧膨張弁１５によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器１７とを備えている。

圧縮機１１は、例えば、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ２５によって回転数制御された電動モータ２７によって駆動される。インバータ２７は、冷凍機制御装置１０ａによってその出力が制御されている。圧縮機１１の冷媒吸入口には、吸入冷媒流量を制御するインレットガイドベーン（以下「ＩＧＶ」という。）２８が設けられており、ターボ冷凍機２ａの容量制御が可能となっている。

凝縮器１２には、凝縮圧力Ｐ_ｃを計測するための圧力センサ３１が設けられている。圧力センサ３１の出力は、冷凍機制御装置１０ａに送信される。
凝縮器１２及びサブクーラ１３には、これらを冷却するための冷却伝熱管１８が挿通されている。冷却伝熱管１８には、凝縮器１２から出力される冷却水の温度、すなわち、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯを検出するための温度センサ３２が設けられている。冷却水は、図示しない冷却塔において外部へと排熱された後に、再びサブクーラ３３及び凝縮器３２へと導かれるようになっている。

蒸発器１７には、蒸発圧力Ｐ_ｅを計測するための圧力センサ３３が設けられている。蒸発器１７において吸熱されることによって定格温度（例えば７℃）の冷水が得られる。蒸発器１７には、外部負荷６（図１参照）へ供給される冷水を冷却するための冷水伝熱管１９が挿通されている。なお、ターボ冷凍機２ａには、圧力センサ３１、３３、及び温度センサ３２以外にも、ターボ冷凍機２ａを運転するために必要となる各種パラメータを取得するための各種センサが設けられている。

なお、図３に示したターボ冷凍機２ａでは、凝縮器１２及びサブクーラ１３を設け、冷却水によって冷媒を冷却する場合について述べたが、例えば、凝縮器３２及びサブクーラ３３に代えて空気熱交換器を配置し、外気と冷媒との間で熱交換を行うような構成としてもよい。
また、図３に示したターボ冷凍機２ａの構成は一例であり、本発明に係るターボ冷凍機２ａは、この構成に限定されない。

冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃが性能上出し得る最大負荷率（以下、「最大負荷率」という。）を所定のサンプリング周期で算出する機能（最大負荷率算出装置）をそれぞれ備えている。各冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおいて逐次算出される最大負荷率は、上位制御装置２０へ送信される。

以下、冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃにおいて行われるターボ冷凍機の最大負荷算出方法について図を参照して説明する。なお、冷凍機制御装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃは同様の処理を実行することから、以下、冷凍機制御装置１０ａを例に挙げて説明する。

図４は、冷凍機制御装置１０ａが備える最大負荷算出機能を展開して示した機能ブロック図である。図４に示されるように、冷凍機制御装置１０ａは、データ取得部４１、記憶部４２、演算部４３を備えている。

データ取得部４１は、ターボ冷凍機２ａの冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、蒸発圧力Ｐ_ｅ、及び凝縮圧力Ｐ_ｃ等を入力データとして取得する。このうち、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯは、例えば、ユーザによって予め入力される値であり、後述する記憶部４２に予め等六されている情報であってもよい。また、冷凍機制御装置１０ａが運転状態に応じて、冷水出口設定温度を変動させる機能を有する場合には、冷凍機制御装置１０ａによって設定されている値を取得する。冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、蒸発圧力Ｐ_ｅ、及び凝縮圧力Ｐ_ｃについては、圧力センサ３１、３３及び温度センサ３２により検出される値を取得する。

記憶部４２には、例えば、現在の運転点においてターボ冷凍機２ａが性能上出し得る最大負荷率を算出するための最大負荷率演算式や演算に必要となる各種パラメータが格納されている。
以下、最大負荷率演算式について説明する。

まず、ターボ冷凍機２ａが性能上出し得る最大負荷率をＱｆ、現在の計画成績係数をＣＯＰ_ｃｔ、定格能力をＱ_ｒｔ、定格消費電力をＰ_ｒｔとし、最大負荷率Ｑｆのときに圧縮機１１において定格消費電力Ｐ_ｒｔが消費されると仮定すると、成績係数＝冷凍能力／消費電力の基本式から以下の（１）式が成り立つ。

ここで、計画成績係数ＣＯＰ_ｃｔとは、各運転点においてターボ冷凍機が性能上出し得る最大成績係数の値である。本実施形態において、計画成績係数ＣＯＰ_ｃｔは、実機と同じ冷凍サイクルにおいて、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された成績係数（以下、「実機理想成績係数」という。）に、実際の環境下で発生する損失を考慮することで求めることができる。
ここで、実機理想成績係数の特性は、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性とほぼ同じ特性を有している。したがって、本実施形態では、実機理想成績係数を表す演算式として、逆カルノーサイクルにおけるＣＯＰ特性の演算式を用い、この演算式に実際の環境下で発生する損失Ｃｆを補正値として加えることにより、計画成績係数の演算式としている。計画成績係数の演算式を（２）式に示す。

（２）式において、Ｔ_ＬＯは冷水出口設定温度、Ｔ_ＨＯは冷却水出口温度、Ｃｆは主に圧縮機１１による機器損失に相当する補正値であり、以下の（３）式に示すように、相対負荷率Ｑｆ_ｒを変数とした関数で表される。なお、補正値Ｃｆの詳細については、後述する。

Ｃｆ＝ｆ（Ｑｆ_ｒ） （３）

上記（１）式に（２）式を代入し、最大負荷率Ｑｆについてまとめると、以下の（４）式が得られる。

次に、補正値Ｃｆについて説明する。
補正値Ｃｆの関数に変数として含まれる相対負荷率Ｑｆ_ｒは、負荷率Ｑｆを相対設計風量係数Ｑ_ｒで除した値である。相対設計風量係数Ｑ_ｒは断熱ヘッドＨ_ａｄより一意的に決定され、断熱ヘッドＨ_ａｄは熱力学特性により現在の運転条件から与えられる。
相対負荷率Ｑｆ_ｒ、相対設計風量係数Ｑ_ｒ、断熱ヘッドＨ_ａｄは、それぞれ以下の（５）式〜（７）式で表される。

（７）式において、Ｐ_ｃは凝縮圧力[ＭＰａ]、Ｐ_ｅは蒸発圧力[ＭＰａ]であり、上述したデータ取得部４１により取得される情報である。

上記（５）式〜（７）式から、補正値Ｃｆは図５に示されるような特性となる。図５において、横軸は相対負荷率Ｑｆ_ｒ、縦軸は補正値Ｃｆである。上記（５）式〜（７）式からわかるように、補正値Ｃｆは、多項式で表され複雑である。しかし、例えば、最大負荷率Ｑｆは、常に１以上の値をとるといえ、さらに、図６に示すように、負荷率Ｑｆが１以上の範囲では、冷却水入口温度が変化しても相対負荷率Ｑｆ_ｒは、Ｑｆ_ｒ≧１の値しかとらない。したがって、補正値Ｃｆの関数をＱｆ_ｒが１以上の範囲に絞って近似し、低次関数（例えば、１次関数、２次関数等）として表すことにより、演算処理の負担を低減させることができる。本実施形態では、図７に示すように、補正値Ｃｆを相対負荷率Ｑｆ_ｒの１次関数に近似した演算式を用いる。これにより、簡略化された補正値Ｃｆ´の関数は、以下の（８）式で表される。

Ｃｆ´＝ａ×Ｑｆ_ｒ＋ｂ＝ａ×（Ｑｆ／Ｑ_ｒ）＋ｂ （８）

上記（８）式において、ａ、ｂは定数である。

上記（４）式に（８）式を代入し、最大負荷率Ｑｆについて再度整理すると、以下の（９）式が得られる。

（９）式において、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ[℃]、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]、相対設計風量係数Ｑ_ｒを算出するための演算式に変数として含まれる凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]及び蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]を除けば、全て定格値（Ｐ_ｒｔ：定格消費電力、Ｑ_ｒｔ：定格能力）または定数となる。したがって、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ[℃]、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]、凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]、蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]について、現在の運転条件を入力することで、冷凍機の最大負荷率Ｑｆを得ることができる。なお、２次式の解は、正と負の値が算出されるが、最大負荷率Ｑｆは正の値であるため、正の値を適用する。

以上から、（９）式で表される最大負荷率演算式及び（９）式に含まれる固定パラメータ及び定数について、記憶部４２に格納しておくことで、最大負荷率Ｑｆを逐次算出することが可能となる。

次に、ターボ冷凍機２ａの運転中において、冷凍機制御装置１０ａにより実行される最大負荷率Ｑｆの算出処理について図８を参照して説明する。
まず、記憶部４２には、最大負荷率Ｑｆを算出するのに必要となる情報、例えば上記（９）式で表される最大負荷率演算式、及び最大負荷率演算式で用いられる各種固定パラメータ及び定数等が予め記憶されている。

ターボ冷凍機２ａの運転中において、データ取得部４１は、所定のタイミングで、現在の冷水設定出口温度Ｔ_ＬＯ、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]、凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]、及び蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]を入力データとして取得し、これら入力データを演算部４３に出力する（図８のステップＳＡ１）。
演算部４３は、記憶部４２から最大負荷率演算式及びこれに付随する情報を読み出し、最大負荷率演算式にデータ取得部４１から入力された上記入力データを用いて、現在の運転点における最大負荷率Ｑｆを算出する（図８のステップＳＡ２）。
演算部４３において算出された最大負荷率Ｑｆは、上位制御装置２０に送信される（図８のステップＳＡ３）。
そして、上記ステップＳＡ１からＳＡ３の処理が繰り返し実行されることにより、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃにおける出力可能な最大負荷率Ｑｆが逐次算出され、その算出結果が上位制御装置２０に逐次送信されることとなる。

このようにして、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃからそれぞれ最大負荷率Ｑｆが上位制御装置２０へ送信されると、上位制御装置２０では、受信した最大負荷率Ｑｆに基づく台数制御が行われる。
例えば、上位制御装置２０は、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの定格能力［Ｒｔ］を予め保有しており、この定格能力に最大負荷率Ｑｆを乗じることで、各ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃにおけるその時点での出力可能能力［Ｒｔ］をそれぞれ算出する。そして、外部負荷６の要求負荷が、現在起動しているターボ冷凍機の出力可能能力の合計を超えているか否かを判定し、超えている場合には増段を行う。なお、増段の具体的な手法について、予め増段における優先順位を決定しておくなど、公知の技術を採用することができる。また、減段においても同様に行うことが可能である。

このように、ターボ冷凍機の出力可能能力に基づいて台数制御を行うことにより、例えば、定格能力を超えた能力をターボ冷凍機に発揮させることが可能となる。
例えば、ターボ冷凍機２ａ、２ｂ、２ｃの定格能力が１００Ｒｔである場合を仮定すると、通常であれば、図９に点線で示すように、要求負荷が１００Ｒｔを超えた時点で１台から２台へ増段し、更に、要求負荷が２００Ｒｔを超えた場合に２台から３台へ増段が行われる。これに対し、本実施形態に係る熱源システム１においては、例えば、図９に実線で示すように、ターボ冷凍機の出力可能能力が１２０Ｒｔであった場合には、要求負荷が１２０Ｒｔを超えた場合に、１台から２台へ増段が行われ、要求負荷が２４０Ｒｔを超えた場合に、２台から３台へ増段が行われる。

以上、説明してきたように本実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法によれば、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、蒸発圧力Ｐ_ｅ、及び凝縮圧力Ｐ_ｃを変数として含むとともに、定格消費電力Ｐ_ｒｔ及び定格能力Ｑ_ｒｔを固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を予め記憶部４２に記憶しておくので、この最大負荷率演算式に、データ取得部４１によって取得された各種入力データを用いることにより、容易に最大負荷率Ｑｆを得ることができる。これにより、冷凍機制御装置１０ａがターボ冷凍機２ａの制御に通常利用する一般的なデータを用いて、現在の運転点に応じた最大負荷率の逐次計算を実現することが可能となる。

また、この最大負荷率Ｑｆに基づいて台数制御を行うことにより、台数制御の閾値をその時々の運転点に応じて変動させることが可能となる。これにより、運転点に応じた適切な閾値による台数制御を行うことができる。この結果、ターボ冷凍機の能力を可能な限り発揮させることが可能となる。

なお、ターボ冷凍機の起動時など、過渡期においては最大負荷率Ｑｆが大きく変動する可能性がある。したがって、システムの運転の安定化を図るために、例えば、所定期間における最大負荷率Ｑｆの時間平均値を算出し、この平均値を閾値に基づいて台数制御を行うことが好ましい。また、時間平均値に代えて、例えば、事前に負荷が安定しているときの最大負荷率Ｑｆを代表値として記憶させておき、過渡期においては、負荷が安定しているときの最大負荷率Ｑｆを用いることとしてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
例えば、上述した最大負荷率演算式が前提としている設計点と異なる設計点（例えば、異なる冷水温度や冷却水温度）でターボ冷凍機を運転させる場合、上記（９）式を用いて最大負荷率を算出すると、設計点の違いによる誤差が生じる。

例えば、上記（９）式で示される最大負荷率演算式が、冷水出口温度７℃、冷却水入口温度３２℃を定格仕様点の設計点を前提として作成されていた場合、この最大負荷率演算式を、冷水出口温度５℃、冷却水入口温度３２℃の定格仕様点の設計点で運転させるターボ冷凍機に対して適用すると、定格仕様点の設計点の違いに起因する誤差が生じる。

したがって、本実施形態では、定格仕様点の設計点の違いによる誤差を補正するためのオフセット項を最大負荷率演算式に追加する。
オフセット項を含めた場合の最大負荷率演算式は、（１０）式で表される。

（１０）式〜（１３）式において、ＣＯＰ_ｃｔ´は、定格仕様点の設計点の違いによる誤差が反映された計画成績係数であり、（１１）式で表される。（１１）式において、成績係数ＣＯＰ_ctは、（１２）式を用いて逐次推定される計画成績係数であり、ＣＯＰ_dpは、（１３）式を用いて逐次推定される計画成績係数である。なお、（１２）式、（１３）式では、第１実施形態で用いていた補正値Ｃｆではなく、補正値Ｃｆ_１を採用している。なお、補正値Ｃｆ_１の詳細については後述する。

ＣＯＰ_rpは、定格能力Ｑ_ｒｔを消費電力Ｐ_ｒｔで除した値である。すなわち、ＣＯＰ_rp＝Ｑ_rt／Ｐ_rtで表される。
（１３）式において、Ｔ_ＨＯＳＰは定格仕様条件の設定点における冷却水出口温度、Ｔ_ＬＯＳＰは定格仕様条件の設定点における冷水出口設定温度である。

（１１）式に示すように、（１２）式を用いて逐次推定される計画成績係数ＣＯＰ_cｔに対して、計画成績係数ＣＯＰ_ｒｐを計画成績係数ＣＯＰ_dpで除した項（ＣＯＰ_rp／ＣＯＰ_dp）をオフセット項として乗じることにより、逆カルノーサイクルで定義される実機理想成績係数に含まれる誤差を低減させることができ、計画成績係数の算出精度を高めることが可能となる。

（１０）式に（１１）式を代入して整理すると、以下の（１４）式が得られる。

ここで、成績係数ＣＯＰは冷凍能力を消費電力で除算したものであるから、ＣＯＰ_rp＝Ｑ_rt／Ｐ_rtである。そうすると、上記（１４）式は、以下の（１５）式で表される。

第１実施形態で説明したように、補正値Ｃｆは相対負荷率Ｑｆ_ｒを変数とした関数で表されるが、本実施形態では、（１６）式に示すように、負荷率Ｑｆを相対設計風量係数Ｑ_ｒで除して、さらに、流量変数ＴＨで補正した値を相対負荷率Ｑｆ_ｒ´としている。なお、相対設計風量係数Ｑ_ｒについては、上記（６）式、（７）式に示した通りであるので、ここでの説明は省略する。

以下、流量変数ＴＨの補正項（ＴＨ_ｒｐ／ＴＨ_ｒｐｓ）について説明する。
図１０に示すように、横軸に流量変数、縦軸に圧力変数をとり、ターボ冷凍機に用いられている圧縮機の断熱効率の分布を表わしたマップから各圧力変数において最も断熱効率が高くなる点を結ぶことで、以下の（１７）式で示されるような流量変数と圧力変数の特性式が得えられる。なお、ここで、流量変数は圧縮機の風量に比例し、圧力変数はヘッドに比例する。

ＯＭ_ｔ＝ａ＊ＴＨ＋ｂ （１７）

上記（１７）式において、ＯＭ_ｔは圧力変数[−]、ＴＨは流量変数[−]、ａ，ｂは定数である。続いて、（１７）式から実際の運用時における定格仕様点の設計点と同一圧力変数でかつ最高効率線上にある流量変数ＴＨ_ｒｐを取得する。ここで、圧力変数は以下の（１８）式で表わされることから、（１８）式より算出されたＯＭ_ｔを（１７）式に採用する。

ＯＭ_ｔ＝ｇ＊Ｈ_ａｄ／Ａ^２ （１８）

続いて、流量変数は以下の（１９）式でも表されることから、（９）式に示した最大負荷率演算式を作成した時の定格仕様点の設計点における流量変数ＴＨ_ｒｐｓを（１９）式から取得する。

ＴＨ_ｒｐｓ＝｛（Ｑ_ｒｐ／ｑｌ）＊ｖ｝（Ａ＊Ｄ^２） （１９）

上記（１８）式、（１９）式において、ｇは重力加速度［ｍ／ｓ^２］、Ｈ_ａｄは圧縮機断熱ヘッド［ｍ］、Ａは音速［ｍ／ｓ］、Ｑ_ｒｐは定格冷凍能力［ｋＷ］、ｑｌは蒸発潜熱［ｋＪ／ｋｇ］、ｖは比体積[ｍ³/ｋｇ]、Ｄは羽根車外径[ｍ]である。

この補正値Ｃｆ_１＝ｆ（Ｑｆ_ｒ´）は、上述した第１実施形態と同様に、Ｑｆｒ´が１以上の範囲に絞って近似し、低次関数（例えば、１次関数、２次関数等）として表すことにより、簡素化することができる。簡素化した補正値Ｃｆ_１´は、以下の（２０）式で表される。

Ｃｆ_１´＝ａ×Ｑｆ_ｒ´＋ｂ＝ａ×（Ｑｆ／Ｑ_ｒ×（ＴＨ_ｒｐ／ＴＨ_ｒｐｓ））＋ｂ
（２０）

上記（２０）式において、ａ、ｂは定数である。（１５）式に（２０）式を代入して、最大負荷率Ｑｆについて再度整理すると、以下の（２１）式が得られる。

（２１）式において、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ[℃]、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]及び相対設計風量係数Ｑｒ並びに流量変数ＴＨを算出するための演算式に変数として含まれる凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]、蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]を除けば、全て固定パラメータ（Ｑ_ｒｔ：定格能力、Ｄ：羽根車外形[ｍ]、定格冷水設定出口温度Ｔ_ＬＯＳＰ[℃]、定格冷却水出口温度Ｔ_ＨＯＳＰ[℃]）または定数となる。したがって、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ[℃]、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]、凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]、蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]について、点在の運転条件を入力することで、冷凍機の最大負荷率Ｑｆを得ることができる。なお、２次式の解は、正と負の値が算出されるが、冷凍機の最大負荷率Ｑｆは正の値であるため、正の値を適用する。

以上から、冷水出口設定温度Ｔ_ＬＯ[℃]、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ[℃]、凝縮圧力Ｐ_ｃ[ＭＰａ]、及び蒸発圧力Ｐ_ｅ[ＭＰａ]を変数とする上記（２１）式の演算式及び（２１）式における固定パラメータ及び定数の情報について、記憶部４２に格納しておくことで、最大負荷率Ｑｆを逐次算出することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法によれば、最大負荷率演算式に、定格仕様点の設計点が異なることに起因する誤差を低減するためのオフセット項を含めたので、設計点に起因する誤差を低減させることができ、冷凍機制御装置に搭載させる最大負荷率演算式に、より高い汎用性を持たせることが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
上記第１または第２実施形態では、上記（２）式、（１２）式、（１３）式に示されるように、計画成績係数ＣＯＰ_ｃｔを算出するために、本来であれば凝縮温度や蒸発温度を採用しなければならないところ、これらに代えて冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、冷水出口設定温度Ｔ_Ｌ０を採用している。このため、熱交換時に熱損失が発生し、その誤差が含まれることとなる。そこで、本実施形態では、このような熱交換時の損失に起因する誤差を解消するために、以下の（２２）式に示すように、蒸発器や凝縮器の機器特性（例えば、サイズや製造元によって異なる）によって決定される損失相当温度差Ｔｄを計画成績係数ＣＯＰ_ｃｔの演算式に加えることにより、熱交換時の損失を補償する。具体的には、上記（２）式、（１２）式、（１３）式は、以下の（２´）式、（１２´）式、（１３´）式としてそれぞれ表される。

上記Ｔｄの値は、固定値であってもよいし、冷却水出口温度Ｔ_ＨＯ、冷水出口設定温度Ｔ_Ｌ０を変数として有する関数で表されてもよい。

このように、蒸発器や凝縮器の機器特性（例えば、サイズや製造元によって異なる）によって決定される損失相当温度差Ｔｄを計画成績係数の演算式に加えることにより、熱交換器の損失による誤差を低減させることができ、最大負荷率Ｑｆの算出精度を更に向上させることができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係るターボ冷凍機の最大負荷率算出装置及びその方法並びに熱源システム及びその台数制御方法について説明する。
例えば、上述した第１実施形態に係る熱源システム１において算出された最大負荷率Ｑｆは、理想的な運転状態での値であり、ターボ冷凍機２ａの性能劣化が反映されていない。従って、実際には、算出された最大負荷率Ｑｆまで能力が発揮できないおそれがある。そこで、本実施形態においては、上記（９）式で算出された最大負荷率Ｑｆを、現在の運転状況における計画消費電力（計画成績係数から算出）と実測消費電力との比によって補正し、性能劣化などの誤差要因を反映させることとしている。

すなわち、上記（１）式を、以下の（１´）式に示すように、計画消費電力Ｐ_ｄと、Ｐ_ａとを用いた補正値（Ｐ_ｄ／Ｐ_ａ）を（１）式の右辺に乗ずることで補正する。

上記（１´）式を用いて、上述した第１実施形態と同様の演算式の導出過程を進めていくと、結果的に、第１実施形態に係る（９）式は、係数ＣにＰ_ｄ／Ｐ_ａを乗じた結果となる。

従って、第１実施形態における（９）式の係数Ｃの式において、上記補正値Ｐ_ｄ／Ｐ_ａが反映された（２３）式を用いることにより、ターボ冷凍機２ａの性能劣化を反映した最大負荷率Ｑｆを算出することが可能となる。これにより、ターボ冷凍機２ａの性能劣化を考慮した台数制御を実施することが可能となる。

なお、本発明は、以上述べた実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。

１ 熱源システム
２ａ、２ｂ、２ｃ ターボ冷凍機
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 冷凍機制御装置
２０ 上位制御装置
４１ データ取得部
４２ 記憶部
４３ 演算部

Claims (10)

1. 可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置であって、
   前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得手段と、
   前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式を記憶する記憶手段と、
   前記データ取得手段によって取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を前記最大負荷率演算式に用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算手段と
   を具備するターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
2. 前記最大負荷率演算式は、機械損失等をなしとした理想的な環境下で計算された実機理想ＣＯＰに対して実際の環境下で発生する損失を補正値として与えた計画成績係数と、定格能力と、定格消費電力と、最大負荷率との間に成立する関係式を、前記最大負荷率について解くことにより導出された演算式である請求項１に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
3. 前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、前記圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、
   前記相対負荷率は、負荷率を相対設計風量係数で除した値で表される請求項２に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
4. 前記補正値は、相対負荷率を変数とした関数により算出される、圧縮機の機器損失に相当する補正値を含み、
   前記相対負荷率は、負荷率を相対設計風量係数で除した値に、流量変数に応じた補正項を乗じた値で表される請求項２に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
5. 前記補正値は、熱交換器の機器特性によって決定される損失温度に相当する補正値を含む請求項２から請求項４のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
6. 前記最大負荷率演算式は、オフセット項を含み、
   前記オフセット項は、該最大負荷率演算式が前提としている定格仕様条件の設定点における成績係数である第１計画成績係数を、現在適用されている定格仕様条件の設定点における成績係数である第２計画成績係数で除した項である請求項１から請求項５のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
7. 前記最大負荷率演算式は、計画消費電力と実測消費電力との比による補正項を含む請求項１から請求項６のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置。
8. 複数のターボ冷凍機と、
   前記ターボ冷凍機の台数制御を行う台数制御手段と
   を備え、
   各前記ターボ冷凍機は、請求項１から請求項７のいずれかに記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出装置をそれぞれ備えるとともに、算出した最大負荷率を前記台数制御手段に送信し、
   前記台数制御手段は、各前記ターボ冷凍機から通知される最大負荷率に基づいて台数制御を行う熱源システム。
9. 可変速の圧縮機を備えるターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出するターボ冷凍機の最大負荷率算出方法であって、
   前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を入力データとして取得するデータ取得工程と、
   前記ターボ冷凍機の冷水出口設定温度、冷却水出口温度、蒸発圧力、及び凝縮圧力を変数として含むとともに、定格消費電力及び定格能力を固定パラメータとして含む最大負荷率演算式に、前記データ取得工程において取得された前記冷水出口設定温度、前記冷却水出口温度、前記蒸発圧力、及び前記凝縮圧力を用いて、現在の運転点において前記ターボ冷凍機が出力し得る最大負荷率を算出する演算工程と
   を含むターボ冷凍機の最大負荷率算出方法。
10. 複数のターボ冷凍機を備える熱源システムの台数制御方法であって、
    請求項９に記載のターボ冷凍機の最大負荷率算出方法を用いて、各前記ターボ冷凍機が出力可能な最大負荷率を算出し、
    各前記ターボ冷凍機について算出された前記最大負荷率に基づいて、台数制御を行う熱源システムの台数制御方法。

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