JP6336295B2 - 熱源機の出口設定温度の設定方法及び熱源システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱源機が直列に接続された熱源システムに係り、特に、熱源機の出口設定温度の設定方法に関するものである。

従来、複数の熱源機を直列に接続して構成された熱源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このように、熱源機を直列に接続することにより、熱源システムの入口と出口の温度差を拡張させることができる。
このような熱源システムでは、例えば、システムの冷水入口温度と要求冷水出口温度との差を各熱源機に均等に割り付け、各熱源機の出口設定温度を設定する方法が用いられる。例えば、２台の熱源機が直列に接続されている場合であって、システムの冷水入口温度が１５℃、冷水要求出口温度が４℃の場合には、上位側の熱源機の冷水出口温度は、９．５℃（＝１５−（（１５−４）／２））に設定され、下位側熱源機の冷水出口温度は４［℃］に設定される。

特開２０１２−１４１０９８号公報 特開２０１１−３３３２８号公報

しかしながら、熱源システムの冷水入口温度と要求冷水出口温度との差を熱源機の台数で除算して各熱源機の出口設定温度を設定する従来の方法では、消費電力の面から必ずしも好ましい出口設定温度に設定されるとは限らなかった。

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、消費電力の面から好適な出口設定温度を設定することのできる熱源機の出口設定温度の設定方法及び熱源システムを提供することを目的とする。

本発明の参考例としての一態様は、直列に接続された複数の熱源機を備え、前記熱源機が固定速の熱源機のみ、または、可変速の熱源機のみで構成されている熱源システムにおいて、前記熱源機の出口設定温度を設定する出口設定方法であって、前記熱源システムの熱媒入口温度と熱媒要求出口温度との差を前記熱源機の定格冷凍能力比率に応じて配分し、この配分結果に基づいて前記熱源機の出口設定温度を設定する熱源機の出口設定方法である。

このような構成によれば、冷水出入口温度差を各熱源機に等分する従来の方法に比べて高効率で運用することができる。また、簡易な演算により、出口設定温度を設定することが可能となる。

本発明の第１態様は、固定速の熱源機と可変速の熱源機とが直列に接続された熱源システムにおいて、前記熱源機の出口設定温度を設定する出口設定方法であって、要求負荷が所定の第１閾値以上である高負荷帯において、前記固定速の熱源機に定格負荷を割り当てる第１手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定し、前記要求負荷が所定の第２閾値未満である低負荷帯において、前記固定速の熱源機に定格冷凍能力比率に応じた負荷を割り当てる第２手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定し、前記要求負荷が前記第２閾値以上前記第１閾値未満である中間負荷帯において、前記固定速の熱源機に、定格負荷以下、かつ、定格冷凍能力比率に応じて配分される負荷以上の負荷を割り当てる第３手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定する熱源機の出口設定方法である。

このように、負荷帯に応じて出口設定温度の設定手法を変更することにより、負荷帯に応じて最適な出口設定温度を設定することが可能となる。これにより、各熱源機を効率の良い運転領域で運転させることができ、消費電力を効果的に低減させることが可能となる。

上記熱源機の出口設定方法において、前記要求負荷が前記熱源システムの定格負荷を超える場合には、前記熱源機に定格負荷を割り当て、割り当てた前記負荷に基づいて前記熱源機の出口設定温度を設定することとしてもよい。

このように、要求負荷が熱源システムの定格負荷を超える場合には、各熱源機に定格負荷を割り当てるので、機器的負担の増大による機器故障等を回避することが可能となる。

本発明の第２態様は、上記熱源機の出口設定方法を用いて熱源機の出口設定温度が設定される熱源システムである。

本発明によれば、消費電力の低減を図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。 本発明の第１実施形態に係る上位側熱源機及び下位側熱源機の出口設定温度の一例を示した図である。 要求負荷５０［％］、冷却水入口温度３２［℃］の条件において、上位側熱源機の出口設定温度を変化させたときの消費電力の変化を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る上位側熱源機及び下位側熱源機の出口設定温度の一例を示した図である。 要求負荷が８０［％］の場合に、上位側熱源機の出口設定温度を変化させたときの消費電力の変化を示した図である。 要求負荷が熱源システムの定格能力を超えた場合における上位側熱源機及び下位側熱源機の出口設定温度の一例を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本発明に係る第１実施形態に係る熱源機の出口設定温度の設定方法及び熱源システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本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に示すように、熱源システム１は、直列に接続された複数の熱源機を有している。ここでは、２台の熱源機を図示しているが、熱源機の直列台数については特に限定されない。なお、本実施形態では、冷水流れにおいて上流側の熱源機を上位側熱源機２ａ、下流側の熱源機を下位側熱源機２ｂとする。熱源システム１は、熱源機に供給される冷水の流量を調整するための冷水ポンプ３が設けられている。
上位側熱源機２ａ、下位側熱源機２ｂはいずれも固定速の熱源機である。熱源機は、例えば、ヒートポンプ式熱源機であり、一例として、ターボ冷凍機、吸収式冷凍機、ヒートリカバリー機等が挙げられる。
このような熱源システム１において、冷房装置等の外部負荷４で利用されることにより暖められた冷水（例えば、９℃〜１５℃）は、上位側熱源機２ａ、下位側熱源機２ｂに供給されて所定の要求出口温度（例えば、４℃）まで冷却される。冷却された冷水は、外部負荷に供給されて、再び熱源システム１に戻され、冷却される。

熱源システム１において、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、システムの冷水入口温度と冷水要求出口温度との差を熱源機の定格冷凍能力比率に応じて配分し、この配分結果に基づいて決定される。この出口設定温度の設定は、例えば、図示しない上位制御装置により行われる。

例えば、上位側熱源機２ａの定格冷凍能力が２３６０[ＵＳＲｔ]であり、下位側熱源機２ｂの定格冷凍能力が２０４０[ＵＳＲｔ]であり、システムの冷水入口温度が１４[℃]、システムの冷水要求出口温度が４[℃]に設定されていた場合、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、以下の（１）式で算出される。
出口設定温度＝冷水要求出口温度＋（冷水出入口温度差／下位側熱源機の定格冷凍能力比率）＝４＋（（１４−４）／（２０４０／（２３６０＋２０４０）））≒８．６４[℃]
（１）

下位側熱源機２ｂの出口設定温度は、要求冷水出口温度がそのまま設定されるので、４［℃］となる。また、このときの上位側熱源機２ａにおける出入口温度差は、１４［℃］−８．６４［℃］＝５．３６［℃］であり、下位側熱源機２ｂにおける出入口温度差は８．６４［℃］−４［℃］＝４．６４［℃］となる。

図２に、本実施形態に係る上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂの出口設定温度の一例を示す。図２に示すように、上位側熱源機２ａと下位側熱源機２ｂとの定格冷凍能力比率に基づいて上位側熱源機２ａの出口設定温度が設定されている。図３は、要求負荷５０［％］、冷却水入口温度３２［℃］の条件において、上位側熱源機２ａの出口設定温度を変化させたときの消費電力の変化を示した図である。図３に示すように、定格冷凍能力比率に基づいて上位側熱源機２ａの出口設定温度を設定したときに、消費電力が最小となることがわかる。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源機の出口設定温度の設定方法によれば、熱源システムを構成する熱源機の定格冷凍能力比率に応じてシステムの冷水出入口温度差を配分して出口設定温度を設定する。これにより、図３に示すように、消費電力を効果的に削減することが可能となる。
なお、本実施形態においては、上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂがいずれも固定速の熱源機である場合について述べたが、これに代えて、上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂを可変速の熱源機としてもよい。この場合も上述の方法によって上位側熱源機２ａの出口設定温度が設定される。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る熱源機の出口設定温度の設定方法及び熱源システムについて説明する。本実施形態に係る熱源システムは、上述した第１実施形態とほぼ同様の構成を備えるが、可変速の熱源機と固定速の熱源機とを備える点で異なる。ここで、熱源機の一例として、上記第１実施形態と同様に、例えば、ターボ冷凍機、吸収式冷凍機、ヒートリカバリー機等が挙げられるが、吸収式冷凍機は概ね固定速機の特性を持つため、可変速の熱源機としては用いられない。
可変速の熱源機と固定速の熱源機とが混在している本実施形態に係る熱源システムにおいては、負荷に応じて熱源機の出口設定温度の設定方法を変更する。以下、図１において、上位側熱源機２ａが可変速の熱源機、下位側熱源機２ｂが固定速の熱源機である場合を例に挙げて説明する。

例えば、要求負荷が所定の第１閾値（例えば、７５［％］）を上回る高負荷帯では、固定速の熱源機である下位側熱源機２ｂに対して１００％負荷（定格冷凍負荷）を割り当て、その残りの負荷を可変速の熱源機である上位側熱源機２ａに割り当てる（第１手法）。
例えば、定格時における下位側熱源機２ｂの出入口温度差が５．１［℃］である場合、高負荷帯では下位側熱源機２ｂに対して出入口温度差５．１［℃］を割り当てる。
これにより、例えば、要求負荷が１００［％］、冷水入口温度が１５［℃］、冷水要求出口温度が４［℃］の場合には、可変速の上位側熱源機２ａの出口設定温度は、４［℃］＋５．１［℃］＝９．１［℃］に設定される。

また、要求負荷が７５［％］、冷水入口温度が１２．２５［℃］、冷水要求出口温度が４［℃］の場合には、可変速の上位側熱源機２ａの出口設定温度は、４［℃］＋５．１［℃］＝９．１［℃］となり、要求負荷１００［％］の場合と変わらない。
すなわち、高負荷帯では、要求負荷が小さくなるほど、可変速の熱源機である上位側熱源機２ａに割り当てられる負荷が低下することとなる。

また、要求負荷が所定の第２閾値（例えば、６０［％］）未満である低負荷帯では、上述した第１実施形態と同様に、熱源機の定格冷凍能力比率に応じてシステムの冷水出入口温度差が配分され、この配分に基づいて上位側熱源機２ａの出口設定温度が設定される（第２手法）。
例えば、要求負荷が５０［％］であり、冷水入口温度が９．５［℃］、冷水要求出口温度が４［℃］の場合には、上記（１）式から上位側熱源機２ａの出口設定温度は、約６．５５［℃］に設定される。

また、要求負荷が所定の第２閾値以上第１閾値未満の中間負荷帯では、低負荷帯と高負荷帯との間の負荷が固定速の熱源機に割り当てられる。すなわち、固定速の熱源機である下位側熱源機２ｂに対して、定格冷凍負荷以下、かつ、定格冷凍能力比率に基づいて配分される負荷以上の負荷が割り当てられる。
例えば、上位側熱源機２ａの定格冷凍負荷が２３６０[ＵＳＲｔ]であり、下位側熱源機２ｂの定格冷凍能力が２０４０[ＵＳＲｔ]である場合、中間負荷帯では４６[％]（＝２０４０／（２０４０＋２３６０））以上１００[％]以下の負荷が割り当てられる。具体的には、本実施形態では、１００［％］負荷と定格冷凍能力比率との中間の値に設定される。

例えば、要求負荷が６０［％］、冷水入口温度が１０．６［℃］、冷水要求出口温度が４［℃］の場合、高負荷帯の決め方、すなわち、第１手法に従うと、上位側熱源機２ａの出口設定温度は９．１［℃］となる。
一方、低負荷帯の決め方、すなわち、第２手法に従うと、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、７．０６［℃］となる。
したがって、要求負荷が６０［％］の場合の中間負荷帯における上位側熱源機２ａの出口設定温度は、（９．１＋７．０６）／２＝８．０８［℃］に設定される。

図４に、本実施形態に係る熱源機の出口設定温度の設定例を、図５にシステム負荷が８０［％］の場合に、上位側熱源機２ａの出口設定温度を変化させたときの消費電力の変化を示す。図５から、高負荷帯の場合には、上位側熱源機２ａの出口設定温度が高いほど、換言すると、固定速の熱源機である下位側熱源機２ｂの負荷を大きくするほど、効率が高く、消費電力が小さいことがわかる。ここで、図５の消費電力の計算が９．１℃までとなっているのは、９．１℃が下位側熱源機の定格負荷となる温度のためである。

以上説明したように、本実施形態に係る熱源機の出口温度設定方法によれば、負荷に応じて出口温度を設定する手法を変更する。これは、固定速の熱源機の性能特性と可変速の熱源機の性能特性とが負荷に応じて異なるからである。具体的には、固定速の熱源機は、負荷が減少するにつれてＣＯＰ（成績係数）が低下するが、可変速の熱源機の性能は、部分負荷にＣＯＰ（成績係数）のピークがあることから、部分負荷におけるＣＯＰが固定速の熱源機ほど低下しない。したがって、このような特性を分析し、負荷帯に応じて固定速の熱源機及び可変速の熱源機が効率よく運転できるような出口設定温度を設定することで、効果的に消費電力を低下させることが可能となる。

なお、高負荷、中間負荷、低負荷を判定するのに使用される第１閾値、第２閾値については、例えば、上述した３つの手法（第１手法〜第３手法）のそれぞれを用いて上位側熱源機２ａの出口設定温度を設定した場合の消費電力を全負荷帯について求め、これらの消費電力を比較することにより、消費電力が最も低くなるように第１閾値、第２閾値を決定すればよい。

なお、本実施形態では、上位側熱源機２ａを可変速の熱源機、下位側熱源機２ｂを固定速の熱源機としたが、これに代えて、上位側熱源機２ａを固定速の熱源機、下位側熱源機２ｂを可変速の熱源機としてもよい。この場合も、上記第１手法〜第３手法を用いて負荷帯毎に適切な上位熱源機２ａの出口設定温度を設定すればよい。
例えば、固定速の上位側熱源機２ａの定格冷凍能力が２３６０[ＵＳＲｔ]、可変速の下位側熱源機２ｂの定格冷凍能力が２０４０[ＵＳＲｔ]である場合、高負荷帯、低負荷帯、中間負荷帯の上位側熱源機２ａの出口設定温度は、以下の通りとなる。

まず、高負荷帯においては、上位側熱源機２ａに１００[％]負荷が配分されるので、このときの冷水出入口温度差が５．９[℃]であるとすると、冷水入口温度が１５[℃]の場合には、出口設定温度は１５−５．９＝９．１[℃]に設定され、冷水入口温度が１２．２５[℃]の場合には、出口設定温度は１２．２５−５．９＝６．３５[℃]に設定される。

また、低負荷帯の場合には、定格冷凍能力比率に応じた負荷が割り当てられることから、例えば、負荷５０[％]において冷水入口温度が９．５[℃]の場合には、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、約６．５５［℃］に設定される。

また、中間負荷帯の場合には、固定速の熱源機である上位側熱源機２ａに対して、定格冷凍能力比率５３［％］（＝２３６０／（２０４０＋２３６０））以上１００［％］以下の負荷が割り当てられる。具体的には、本実施形態では、１００［％］負荷と定格冷凍能力比率との中間の値に設定される。

例えば、要求負荷が６０［％］、冷水入口温度が１０．６［℃］、冷水要求出口温度が４［℃］の場合、高負荷帯の決め方、すなわち、第１手法に従うと、上位側熱源機２ａの出口設定温度は４．７［℃］（＝１０．６−５．９）となる。
一方、低負荷帯の決め方、すなわち、第２手法に従うと、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、７．０６［℃］となる。
したがって、要求負荷が６０［％］の場合の中間負荷帯における上位側熱源機２ａの出口設定温度は、（４．７＋７．０６）／２＝５．８８［℃］となる。

なお、上記各実施形態において、要求負荷が熱源システムの定格負荷を超える場合には、上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂにそれぞれ定格負荷を割り当て、割り当てた負荷に基づいて上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂの出口設定温度を設定することとしてもよい。例えば、上位側熱源機２ａの定格時における冷水出入口温度差が５．９［℃］、下位側熱源機２ｂの定格時における冷水出入口温度差が５．１［℃］である場合に、熱源機の定格負荷を超える２０［℃］の冷水が流入された場合には、上位側熱源機２ａの出口設定温度は、２０［℃］−５．９［℃］＝１４．１［℃］の出口設定温度とされ、下位側熱源機２ｂの出口設定温度は、１４．１［℃］−５．１［℃］＝９．１［℃］の出口設定温度とされる。このように、要求負荷が定格負荷を超える場合には、熱源システム１の上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂのそれぞれを定格負荷で運転させることにより、機器的負担の増大を回避でき、機器故障等を未然に防ぐことが可能となる。この場合の上位側熱源機２ａ及び下位側熱源機２ｂの出口設定温度は、例えば図６のように設定される。

本発明は、上述の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、種々変形実施が可能である。

１ 熱源システム
２ａ 上位側熱源機
２ｂ 下位側熱源機

Claims (3)

1. 固定速の熱源機と可変速の熱源機とが直列に接続された熱源システムにおいて、前記熱源機の出口設定温度を設定する出口設定方法であって、
   要求負荷が所定の第１閾値以上である高負荷帯において、前記固定速の熱源機に定格負荷を割り当てる第１手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定し、
   前記要求負荷が所定の第２閾値未満である低負荷帯において、前記固定速の熱源機に定格冷凍能力比率に応じた負荷を割り当てる第２手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定し、
   前記要求負荷が前記第２閾値以上前記第１閾値未満である中間負荷帯において、前記固定速の熱源機に、定格負荷以下、かつ、定格冷凍能力比率に応じて配分される負荷以上の負荷を割り当てる第３手法に従って、前記熱源機の出口設定温度を設定する熱源機の出口設定方法。
2. 前記要求負荷が前記熱源システムの定格負荷を超える場合には、前記熱源機に定格負荷を割り当て、割り当てた前記負荷に基づいて前記熱源機の出口設定温度を設定する請求項１に記載の熱源機の出口設定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱源機の出口設定方法を用いて熱源機の出口設定温度が設定される熱源システム。

Images