JP6586182B2 - 熱源システムに使用される制御装置、および該制御装置を備えた熱源システム - Google Patents

Description

本発明は、可変速のターボ圧縮機を有する可変速ターボ熱源機と、他のタイプの熱源機（例えば、固定速のターボ圧縮機を有する固定速ターボ熱源機）とを含んで構成される熱源システムに関する。特に、本発明は、そのような熱源システムに使用される制御装置に関する。

可変速ターボ冷凍機は、インバータなどの可変速装置によって可変速に構成されたターボ圧縮機を有したターボ冷凍機である。この可変速ターボ冷凍機は、特に冷却水温度が低下した場合の効率がよく、近年、広く採用されている。その一方で、可変速装置として一般的に使用されている周波数変換器（インバータ）、特に高電圧型のインバータは高価であるため、可変速ターボ冷凍機は、固定速のターボ冷凍機と併用されることが多い。

しかし、インバータを備えた可変速ターボ冷凍機では、図５に示すように、負荷に対する効率が冷却水温度により大きく変化する。すなわち、冷却水温度が高い（３０℃超の）場合は負荷（負荷率）が１００％に近づくほど効率がよくなるのに対して、冷却水温度が低い（１０℃台）場合では、負荷４０％前後において最も効率がよくなる。一方、固定速のターボ冷凍機では、図６に示すように、冷却水温度に拠らず、一般に、負荷（負荷率）が１００％に近づくほど効率がよくなる。ここで、冷却水は、冷媒サイクルにおいて冷媒を冷却する流体であり、言い換えれば冷媒によって加熱される流体である。

制御すべき熱源機が可変速機のみ、あるいは固定速機のみであれば、個々の熱源機の効率を最大化するように運転すればよい。しかしながらこのように、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機が混在して運転される場合、それぞれの最適な負荷は、冷却水温度に依存して異なり、冷凍機間での負荷分担の割合を最適に制御することが大きな課題としてあがっている。単純に効率のよりよい冷凍機の負荷を大きくしても、負荷分担割合が最適になるとは限らない。なぜなら、効率のよい冷凍機であっても、負荷が増えた場合に効率が大きく悪化して、かえって所要動力を増やしてしまうことがあるからである。

現在、よく用いられている方法は、各冷凍機の、運転可能範囲における冷却水温度による効率特性を数値化し、この効率特性に基づいて各々の運転状態における、さまざまな運転パターンでの消費電力を推定し、最も消費電力が少なくなるパターンで冷凍機を運転する方法である。この方法によれば、冷却水温度に対する効率特性を数値化できればどのような冷凍機の組み合わせでも、消費電力の推定および制御が可能である。

特開２０１２−１１７６９８号公報

しかしながら、上述の方法では、負荷の分担割合を適切に制御するための計算負荷が大きくなる。すなわち、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機の負荷の分担割合は、運転／停止のように二者択一ではなく、連続する多数の数値から選択しうるため、負荷の分担割合を正確に予測しようとすればその負荷の分担割合を変えながら消費電力を計算する必要がある。このため、膨大な計算が必要になり、負荷分担の最適な割合を簡単に決定することはできない。

また、冷凍機ごとに特性が異なることも多いため、効率特性を数値化し、これをデータ化するためには多大な労力を要する。また、この効率特性の数値化の精度が悪いと、最適な運転とならないこともある。したがって、簡便に最適な負荷割合を決定し、冷凍機の運転を制御する技術が求められている。

そこで、本発明は、可変速ターボ熱源機を含む複数のタイプの熱源機間で負荷の最適な分担割合を容易かつ正確に決定して、全体の効率を向上させることができる熱源システムの制御装置を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような制御装置を備えた熱源システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機とを備えた熱源システムに使用される制御装置であって、前記可変速ターボ熱源機の、負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、前記可変速ターボ熱源機を優先的に動かす場合において、前記可変速ターボ熱源機のすべてと前記第２の熱源機に対する負荷を最大としても、全負荷をまかなえないときは、前記第２の熱源機の運転台数を増やし、前記第２の熱源機への負荷と、前記可変速ターボ熱源機への負荷を合計し、前記第２の熱源機の運転台数を減らしても全負荷をまかなえる場合は、前記第２の熱源機の運転台数を減らし、前記熱源システムは、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間を冷水が循環するものであり、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、制御装置である。

本発明の他の態様は、可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機とを備えた熱源システムに使用される制御装置であって、前記可変速ターボ熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、前記第２の熱源機を優先的に動かす場合において、前記第２の熱源機をすべて起動しても全負荷をまかなえない場合に、前記可変速ターボ熱源機を順次起動し、前記熱源システムは、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間を冷水が循環するものであり、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、制御装置である。

本発明の他の態様は、可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機と、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間で冷水を循環させるための冷水管と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記可変速ターボ熱源機の、負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、前記可変速ターボ熱源機を優先的に動かす場合において、前記可変速ターボ熱源機のすべてと前記第２の熱源機に対する負荷を最大としても、全負荷をまかなえないときは、前記第２の熱源機の運転台数を増やし、前記第２の熱源機への負荷と、前記可変速ターボ熱源機への負荷を合計し、前記第２の熱源機の運転台数を減らしても全負荷をまかなえる場合は、前記第２の熱源機の運転台数を減らし、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、熱源システムである。
本発明の他の態様は、可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機と、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間で冷水を循環させるための冷水管と、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記可変速ターボ熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、前記第２の熱源機を優先的に動かす場合において、前記第２の熱源機をすべて起動しても全負荷をまかなえない場合に、前記可変速ターボ熱源機を順次起動し、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、熱源システムである。

本発明よれば、可変速ターボ冷凍機は目標負荷で運転される。よって、後で説明するように、冷凍システム全体の効率を従来よりも向上させることができる。

固定速のターボ冷凍機および可変速のターボ冷凍機の、負荷に対する消費動力の特性を示すグラフである。 ピンチ負荷（目標負荷）の運転点を示すグラフである。 複数の可変速ターボ冷凍機と複数の固定速ターボ冷凍機を備えた冷凍システム（熱源システム）を示す模式図である。 可変速ターボ冷凍機を示す模式図である。 可変速ターボ冷凍機における、負荷に対する効率を示すグラフである。 固定速ターボ冷凍機における、負荷に対する効率を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下では、冷凍機を用いて本発明を説明するが、本発明は冷凍機に限らず、ヒートポンプ機を含めた熱源機に適用可能である。

まず、本発明の原理について説明する。本発明では、固定速のターボ冷凍機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と略等しくなる目標負荷を予め記憶しておき、可変速のターボ冷凍機の負荷を該目標負荷に一致させた状態で可変速ターボ冷凍機を運転する。図１は、固定速ターボ冷凍機および可変速ターボ冷凍機の、負荷に対する消費動力の特性を示すグラフである。この図は、冷却水の温度が２２℃のときの負荷に対する消費動力の特性を示している。

図１から分かるように、固定速のターボ冷凍機の消費動力は、負荷に対してほぼ直線的に変化しているのに対し、可変速のターボ冷凍機は放物線的に変化している。これは、ターボ冷凍機の圧縮機が遠心力による圧縮を行っているための、可変速のターボ冷凍機独特の特性であり、本発明は、これらの特性に着目してなされたものである。なお、ここでは可変速のターボ熱源機以外のタイプの熱源機として、固定速のターボ冷凍機のみ例示しているが、それ以外にも容積式の圧縮式冷凍機（スクリュー圧縮機、レシプロ圧縮機、スクロール圧縮機等を用いる冷凍機）、吸収式の冷凍機、あるいはこれらのヒートポンプ機、暖房に限っては温水ボイラ等が挙げられる。これらの熱源機では、消費エネルギー（所要動力）が負荷に従ってほぼ直線的に変化する。なお、容積式圧縮機による圧縮は遠心力による圧縮ではないため、可変速であっても固定速機と同様に直線的な特性となる。

具体的に説明する。今、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機が、それぞれある運転点（図１に示す点ａおよび点ｂ）で運転していると仮定する。このとき、固定速のターボ冷凍機への負荷を増やした（点ａ→点Ａ）とすると、その分、可変速のターボ冷凍機への負荷が減少するので、可変速のターボ冷凍機の運転点も、点ｂ→点Ｂへと変化する。このとき、固定速のターボ冷凍機の負荷が増加することによる所要動力の増加よりも、可変速のターボ冷凍機の負荷が減少することによる所要動力の減少のほうが大きければ、冷凍システム全体としては省エネルギーとなることになる。

固定速のターボ冷凍機の負荷増減に対する消費動力の増減の比率（以下、動力増減率、または単に増減率という）が実質的に一定であるとみなせば、この増減率と可変速のターボ冷凍機の増減率が一致する運転点は、図１の点Ｐである。この運転点Ｐでの負荷（約６５％）よりも負荷の小さい場合は、可変速のターボ冷凍機の負荷を増やすことが望ましく、負荷が大きい場合は減少させることが望ましい。なぜなら、図１のように、固定速のターボ冷凍機の増減率と平行な接線（一点鎖線で示す）を引けば明らかなように、前者の場合は可変速ターボ冷凍機の動力増加は固定速ターボ冷凍機の動力増加を下回り、後者の場合は可変速ターボ冷凍機の動力減少が固定速ターボ冷凍機の動力減少を上回るからである。

したがって、可変速ターボ冷凍機の負荷が、この運転点Ｐでの負荷と一致するように可変速ターボ冷凍機を運転することが望ましいことになる。実務的には、可変速ターボ冷凍機の負荷が上記運転点Ｐでの負荷と一致するよう、固定速ターボ冷凍機の負荷を増減させる。本明細書では、この可変速ターボ冷凍機の動力増減率が固定速ターボ冷凍機の動力増減率と一致する負荷のことを「ピンチ負荷（または目標負荷）」と呼ぶ。

ピンチ負荷を求めるために、上記のような平行線による手法は煩雑である。そこで、次のようにしてピンチ負荷を求めるとよい。すなわち、求めるべきピンチ負荷は、可変速ターボ冷凍機の所要動力の増減率が、固定速ターボ冷凍機の増減率と一致する運転点での負荷である。したがって、負荷xでの可変速ターボ冷凍機の所要動力yをf(x)、固定速ターボ冷凍機の所要動力yをg(x)で表すと、ピンチ負荷xpを求めるということは、微分値であるf’(xp)とg’(xp)が等しくなる負荷を求めるということである。
すなわち、
f’(xp)=g’(xp)
f’(xp)-g’(xp)=0
f(xp)-g(xp)=極値
ここで、x<xpであるとき、f’(x)<g’(x)、すなわちf’(x)-g’(x)<0であるから、この極値は最小値となり、逆に、g(x)-f(x)は最大値となることは明らかである。微分値であるf’(xp)とg’(xp)は、関数y=f(x)，y=g(x)のピンチ負荷xpでの接線の傾きを表している。

以上の方法によりピンチ負荷を求めた例を図２に示す。図２には、種々の冷却水温度におけるg(x)-f(x)の値を計算してプロットしたものであり、図２に示す点１〜５は、各冷却水温度におけるピンチ負荷となる運転点である。なお、ここでf(x)とg(x)は、所要動力であり、効率（COP: Coefficient Of Performance）ではないことに注意すべきである。すなわち、直感的には可変速ターボ冷凍機を最も「効率」のよい点、あるいは、固定速のターボ冷凍機に対する可変速のターボ冷凍機の効率比（すなわち、省エネ率）が最大となる点で動作させればよいとも考えられるが、これは正しくない。

実際、図５に示すとおり、可変速ターボ冷凍機では冷却水温度が下がるに従い最高効率となる負荷は低負荷側に移動する。例えば、冷却水温度が１４℃では最高効率点は負荷４０％近辺にあるが、図２によれば同じ条件におけるピンチ負荷は８０％程度である。しかしながら、図２から分かるように、冷却水温度が下がるに従いピンチ負荷はむしろ高負荷側に移動する。また、同負荷で両冷凍機の効率比、すなわち省エネ率で考えた場合でも、上記ピンチ負荷を正しく求めることはできない。なぜなら、効率は負荷の変動そのものによる消費動力の増減を考慮していないため、本発明のように両冷凍機を異なる負荷で運転する場合は、最適な負荷が少負荷側にバイアスされてしまうからである。このため、従来は「低負荷で運転するほうが省エネルギーになる」という思い込みが散見され、実際には却って消費エネルギーを増大させることがあった。

本発明では、上記のように可変速のターボ冷凍機を運転すべき「ピンチ負荷」を決定することで、真に適切な点で運転できる、すなわち省エネルギー化を図ることができるのであり、これは本発明における新しい知見である。

ここでいう所要動力とは、冷凍機本体だけのものではなく、付随する冷水ポンプ、冷却水ポンプ、冷却塔などの設備側補機類の動力を加えた値としてもよい。冷水ポンプや冷却水ポンプの運転速度が、冷凍機の負荷とは無関係に制御される場合、加えるべき所要動力を計算するのは困難である。しかし、実際には負荷率に応じて所要動力は一意に決定できる場合が多い。例えば、変流量制御の一つとして、冷凍機の冷水（被冷却流体）の出入口温度差を一定とするように冷凍機を運転する方法がある。この場合、冷水流量は負荷率に比例することとなり、負荷率に基づいて一意に決めることができる。冷却水ポンプや冷却塔ファンについてもほぼ同様に考えてよく、これにより、補機動力も含めて所要動力の最小化を図ることが可能となる。

また、上述のようにピンチ負荷は冷却水温度により変化するため、冷却水温度ごとにピンチ負荷を予め決定しておき、運転中の冷却水温度に基づいてピンチ負荷を選択するのがよい。例えば下記のようにピンチ負荷が得られたとする。
冷却水温度／ピンチ負荷＝１２℃／８０％，２２℃／６５％，３２℃／６０％
このような場合は、現在の冷却水温度に対するピンチ負荷を補間により計算してもよく、または、ピンチ負荷は大きくは変化していないので、例えばピンチ負荷を６５％の固定値としてもよい。特に、冷却水温度が低い場合は消費エネルギー自体が少ないので、このような場合は温度が高い冷却水に対するピンチ負荷を重視して定めておくことが好ましい。

なお、このピンチ負荷は運転されている冷凍機の台数によって影響されない。なぜなら、負荷の増減分をΔＱとおいて、固定速のターボ冷凍機の台数をnf、可変速のターボ冷凍機の台数をnvとすると、
固定速のターボ冷凍機の動力の増減＝ΔＱ/nf/f’(xp’)×nf＝ΔＱ/f’(xp’)
可変速のターボ冷凍機の動力の増減＝ΔＱ/nv/g’(xp’)×nv＝ΔＱ/g’(xp’)
であり、両者が一致するのは、f’(xp’)=g’(xp’)となる点である。これは固定速の冷凍機と可変速の冷凍機がそれぞれ１台ずつの場合と同じである。

したがって、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機とも複数である場合では、次のような制御を行うことが望ましい。まず、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機のどちらを優先して動かすべきかを決定する。これは、冷却水温度がある設定値（２８℃程度）を超えたら固定速のターボ冷凍機を優先して動かし、そうでない場合は可変速のターボ冷凍機を優先して動かすのが最も簡単である。冷凍機によっては負荷割合により分界点となる冷却水温度が異なるが、その場合は、負荷率と冷却水温度の両方に基づいて優先すべき冷凍機を決定すればよい。

可変速のターボ冷凍機を優先的に動かす場合、可変速のターボ冷凍機を順次起動し、負荷をまかなうが、全機起動しても冷凍能力が不足している場合、次に固定速のターボ冷凍機を順次起動する。ここで、固定速のターボ冷凍機の運転台数は、できるだけ少ないほうがよい。なお、可変速のターボ冷凍機だけを運転している場合の負荷制御は、ターボ冷凍機の運転状態等から別途制御アルゴリズムにより決定するのが良い。たとえば、特開２０１２−１１７６９８号公報などに示されている方法がある。

全負荷をまかなうことができたら、次に、固定速のターボ冷凍機の負荷を調整する。すなわち、可変速のターボ冷凍機の負荷がピンチ負荷となるように、固定速のターボ冷凍機の負荷を増減する。ただし、すべての固定速のターボ冷凍機の負荷を最小としても可変速のターボ冷凍機の負荷がピンチ負荷未満である場合、あるいはすべての固定速のターボ冷凍機の負荷を最大としても可変速のターボ冷凍機の負荷がピンチ負荷を上回る場合でも、基本的には固定速のターボ冷凍機の運転台数は変化させない。上述したように、固定速のターボ冷凍機の運転台数は最小であるほうがよいからである。

固定速のターボ冷凍機の運転台数は、次のような条件の下で増減する。まず、固定速のターボ冷凍機と可変速のターボ冷凍機のすべての冷凍機に対する負荷を最大としても、全負荷をまかなえないときは、固定速のターボ冷凍機の運転台数を増やす。次に、固定速のターボ冷凍機への負荷と、可変速のターボ冷凍機への負荷を合計し、固定速のターボ冷凍機の運転台数を減らしても全負荷をまかなえる場合は、固定速のターボ冷凍機の運転台数を減らす。

一方、固定速のターボ冷凍機を優先して運転する場合は、前記とは逆に固定速のターボ冷凍機を順次起動する。固定速のターボ冷凍機をすべて起動しても全負荷をまかなえない場合に、可変速のターボ冷凍機を順次起動する。この場合、可変速のターボ冷凍機の運転台数は最小限とすべきであるが、可変速のターボ冷凍機の負荷はピンチ負荷に一致することが望ましい。すなわち、可変速のターボ冷凍機の負荷がピンチ負荷となるように、固定速のターボ冷凍機の負荷を増減させる。さらに具体的には、可変速のターボ冷凍機の負荷をピンチ負荷とした状態で運転しながら、固定速のターボ冷凍機の負荷を増減する。固定速ターボ冷凍機への負荷が最大となった場合、あるいは最小となった場合に、可変速のターボ冷凍機の負荷を増減することとするのが望ましい。

なお、上記説明では可変速のターボ冷凍機と固定速のターボ冷凍機を備えた冷凍システム（熱源システム）を運転する場合を例としたが、固定速のターボ冷凍機と似た特性、すなわち、冷却水温度によらず負荷に対する所要動力の変化率が一定である冷凍機であれば、本発明を用いて同様に制御できる。

以上の制御を実装した冷凍システムの一実施形態を以下に説明する。図３は、複数の可変速ターボ冷凍機と複数の固定速ターボ冷凍機を備えた冷凍システム（熱源システム）を示す模式図である。図３に示す実施形態では、２台の可変速ターボ冷凍機８と２台の固定速ターボ冷凍機９が設けられているが、本発明はこの実施形態に限定されない。例えば、冷凍システムは、１台の可変速ターボ冷凍機と１台の固定速ターボ冷凍機のみを備えてもよく、または３台以上の可変速ターボ冷凍機と３台以上の固定速ターボ冷凍機を備えてもよい。

図３に示すように、可変速ターボ冷凍機８と固定速ターボ冷凍機９は冷水管１０を介して還ヘッダ１１に接続されている。各冷水管１０には、冷水を送る冷水ポンプ１５が接続されている。可変速ターボ冷凍機８と固定速ターボ冷凍機９は、さらに冷水管１３を介して往ヘッダ１２に接続されている。還ヘッダ１１および往ヘッダ１２は負荷２５に接続されている。さらに、還ヘッダ１１と往ヘッダ１２は、バイパス管１６を通じて互いに連結されており、バイパス管１６にはバイパス弁１９が設けられている。可変速ターボ冷凍機８と固定速ターボ冷凍機９の運転、および冷水ポンプ１５の運転は制御装置２２によって制御される。負荷２５と冷凍機８，９との間を循環する冷水の流量は、冷水ポンプ１５によって制御される。

図４は、可変速ターボ冷凍機８を示す模式図である。図４に示すように、可変速ターボ冷凍機８は、冷媒ガスを圧縮するターボ圧縮機１と、圧縮された冷媒ガスを冷却水（被加熱流体）で冷却して凝縮させる凝縮器２と、凝縮された冷媒を減圧させる膨張弁４と、冷水（被冷却流体）から熱を奪って冷媒が蒸発し冷凍効果を発揮する蒸発器３とを備えている。膨張弁４は、凝縮器２と蒸発器３との間に配置される。図示しないが、ターボ圧縮機１は、モータに接続された羽根車を有しており、モータおよび羽根車の回転速度はインバータにより可変となっている。

ターボ圧縮機１、凝縮器２、膨張弁４、および蒸発器３は、冷媒が循環する冷媒配管５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄによって連結されている。より具体的には、ターボ圧縮機１と凝縮器２とは冷媒配管５Ａによって連結され、凝縮器２と膨張弁４とは冷媒配管５Ｂによって連結され、膨張弁４と蒸発器３とは冷媒配管５Ｃによって連結され、蒸発器３とターボ圧縮機１とは冷媒配管５Ｄによって連結されている。

図４に示すように構成された圧縮式冷凍機の冷凍サイクルでは、ターボ圧縮機１と凝縮器２と膨張弁４と蒸発器３とを冷媒が循環し、蒸発器３で得られる冷熱源で冷水が製造されて負荷に対応し、冷凍サイクル内に取り込まれた蒸発器３からの熱量および圧縮機１の仕事に相当する熱量が凝縮器２に供給される冷却水に放出される。

固定速ターボ冷凍機９は、図４に示す可変速ターボ冷凍機８と概ね同じ構成を有しているが、可変速のターボ圧縮機１に代えて、固定速のターボ圧縮機が設けられている点で異なっている。その他の構成は同じであるので、その図示を省略する。

本実施形態では、冷凍機８，９の負荷制御手段として、冷凍機８，９に供給する冷水流量を制御している。冷水流量は、冷水ポンプ１５によって制御される。冷凍機８，９の出力は、冷凍機８，９の冷却能力であり、熱量として表される。各冷凍機８，９の出力は、以下の式により求められる。
（冷水出口温度−冷水入口温度）×冷水流量×比熱
上記式における比熱は実質的に定数である。

冷水の出口温度は各冷凍機８，９が略一定に制御している。冷水の入口温度はすべての冷凍機８，９で同じであるため、各冷凍機８，９に供給する冷水流量を制御することで各冷凍機８，９に与える負荷を制御できる。なお、全負荷２５が冷凍機８，９の全出力を上回ると冷水の戻り温度（すなわち、還ヘッダ１１内の冷水温度）が上昇し、下回ると冷水の戻り温度が低下する。このため、制御装置２２は冷水の戻り温度を監視し、これに基づいて各冷凍機８，９に供給する冷水流量を制御することで、冷熱の需要と冷凍機８，９の出力とをバランスさせることができる。

各冷凍機８，９の冷水流量は、流量計により計測することが望ましいが、流量計は一般に高価である。そこで、本実施形態では冷凍機８，９の冷水側差圧を差圧センサにより計測し、冷凍機８，９の制御盤（図示せず）がその差圧から流量を推測する。推測した流量は通信により制御装置２２に伝送され、この推測した流量に基づいて流量制御が行われる。往ヘッダ１２と還ヘッダ１１の間に配置されたバイパス弁１９は、基本的にヘッダ１１，１２間の差圧を一定とするように制御される。

まず、冷却水（被加熱流体）の温度が十分に低く、可変速のターボ冷凍機８を優先的に起動すべき場合を説明する。この場合、２台の可変速のターボ冷凍機８が順次起動される。この２台だけで負荷２５をまかなうことができる場合、そのまま運転を継続すればよい。運転中は、各冷凍機８の冷水流量は、冷水の入口温度を定格値とするように制御される。すなわち、冷水の入口温度が定格値よりも低い場合は冷水の流量を減少させ、冷水の入口温度が定格値よりも高い場合は冷水の流量を増やす。このようにすると、バイパス管１６を流れる冷水の流量が多い場合は冷水の入口温度が下がるので流量が低下し、結果的にバイパス弁１９が閉となり、バイパス管１６を流れる冷水の流量は最終的にはゼロとなる。

負荷２５が２台の可変速ターボ冷凍機８の出力（冷凍能力）を上回ると、冷水入口温度は徐々に上昇する。このため、可変速ターボ冷凍機８の冷水流量は徐々に増加する。冷水流量が、最大値、あるいは予め定められた値（最大値の９０〜９８％程度がよい）を超えた場合、制御装置２２は出力不足と判断して固定速のターボ冷凍機９を起動する。このとき、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量はそのまま維持し、固定速のターボ冷凍機９の流量はできるだけ低くすることが好ましい。これは、設備側に流れる冷水温度の逸脱が少なくてすむからである。

起動した固定速のターボ冷凍機９は、徐々に冷水流量を増やしながら運転される。これにより、出力不足は徐々に解消され、ついには冷水入口温度が定格の温度まで回復する。ここまでの動作ステップは従来の台数制御および冷水流量制御と同等である。

本発明では冷凍機８，９を次のように制御する。可変速のターボ冷凍機８に関しては、制御装置２２に前述のピンチ負荷（目標負荷）が予め記憶されている。制御装置２２は、可変速のターボ冷凍機８の出力がこのピンチ負荷よりもある設定値以上高ければ「可変速機出力過剰」と判断し、ピンチ負荷よりもある設定値以上低ければ「可変速機出力過少」と判断する。

一方、固定速のターボ冷凍機９に対する負荷がほぼ上限値である（上限値の９０〜９８％程度）場合、制御装置２２は、「固定速機出力最大」と判断し、固定速のターボ冷凍機９に対する負荷が最小出力以下の場合、「固定速機出力最小」と判断する。なお、固定速のターボ冷凍機９では、実際の出力を固定速ターボ冷凍機９の出力とみなしてもよいが、ターボ冷凍機などの場合は冷媒ガスの流量を制御するベーンの開度、吸収式冷凍機の場合はダンパの開度などを出力とみなしてもよい。

より具体的な制御は次のようにして行われる。まず、固定速ターボ冷凍機９の冷水流量は、可変速のターボ冷凍機８の運転状態に拠らず、冷水入口温度のみをパラメータとして制御される。すなわち、冷水入口温度が定格値よりも低ければ冷水流量を減少させ、高ければ増加させる。冷水流量の減少量および増加量の計算は、所定の時間間隔（１〜１０分程度の間隔が好ましい）で冷水入口温度と定格値との差（正または負の数値を取りうる）に比例する値を現在の冷水流量に加算することによって行われる。ただし、冷水流量は予め定められた最小流量を下回るまでは変化させず、かつ予め定められた最大流量を超えて変化させない。すなわち、「固定速機最小流量」の場合は冷水流量を減少させず、「固定速機最大流量」の場合は冷水流量を増加させない。

一方、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量は次のように制御する。
（１）固定速ターボ冷凍機９の冷水流量が最小流量であって、かつ冷水入口温度が定格値未満の場合、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量を徐々に減少させる。冷水流量の減少量の計算は、固定速のターボ冷凍機９について説明した上記計算と同じように行うことができる。
（２）固定速ターボ冷凍機９の冷水流量が最大流量であって、かつ冷水入口温度が定格値超の場合、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量を徐々に増加させる。冷水流量の増加量の計算は、固定速のターボ冷凍機９について説明した上記計算と同じように行うことができる。
（３）固定速ターボ冷凍機９の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ「可変速出力過大」の場合、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量を徐々に減少させる。冷水流量の減少量は、固定値とするか、ピンチ負荷と可変速のターボ冷凍機８の負荷の差に比例した量とするのが好ましい。
（４）固定速ターボ冷凍機９の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ「可変速出力過少」の場合、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量を徐々に増加させる。冷水流量の増加量は、固定値とするか、ピンチ負荷と可変速のターボ冷凍機８の負荷の差に比例した量とするのが好ましい。

このようにすると、上記（１），（２）の場合の運転は、不足した、あるいは過剰な負荷をまかなうためにやむを得ないが、上記（３），（４）の場合、可変速のターボ冷凍機８の負荷はピンチ負荷に近づくとともに、固定速のターボ冷凍機９は残りの負荷を常に負担することとなり、消費エネルギーは最小化される。

なお、固定速のターボ冷凍機９の冷水流量、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量ともに最大値となった場合（すなわち、双方の出力が最大となった場合）は、当然、新たな固定速のターボ冷凍機９を追加して運転する。ただし、可変速のターボ冷凍機８と固定速のターボ冷凍機９ともに最小流量となった場合でも固定速のターボ冷凍機９は直ちには停止しない。この場合は、各冷凍機の出力を計算し、固定速のターボ冷凍機９を停止しても負荷２５をまかなえることを確認した後に、固定速のターボ冷凍機９を停止する。

次に、冷却水温度が高く、固定速のターボ冷凍機９を優先的に起動すべき場合について説明する。この場合、固定速のターボ冷凍機９から順次起動する。固定速のターボ冷凍機９のみで負荷２５をまかなえる場合は、そのまま運転を継続するが、負荷２５が大きい場合、可変速のターボ冷凍機８を順次起動する。なお、固定速のターボ冷凍機９だけを運転している場合、一般に冷凍機ごとの負荷率が高いほど効率がよくなるので、できるだけ運転台数を少なくするように運転するのが良い。この場合は、従来から広く行われている台数制御と同様の方法によるのがよい。具体的には、冷凍機の負荷率が規定値よりも低くなれば運転台数を減じ、負荷率が高くなれば運転台数を増すこととすればよい。

可変速ターボ冷凍機８の起動後は、前記の例と同様に、制御装置２２は可変速ターボ冷凍機８に割り当てる負荷を調整する。すなわち、固定速のターボ冷凍機９の冷水流量が最大でも最小でもない場合は、可変速のターボ冷凍機８の負荷をピンチ負荷に近づけるように運転し、固定速のターボ冷凍機９の冷水流量が最大または最小になった場合は、可変速のターボ冷凍機８の冷水流量を増加または減少させることで、負荷に出力を一致させる。ただし、冷凍機の運転台数を増やす、あるいは減らす場合は、可変速のターボ冷凍機８から行う。

以上のようにすることで、特性の異なる冷凍機が混在していても、適切に負荷を配分し、効率的な運転ができることとなる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ 蒸発器
４ 膨張弁
５ 冷媒配管
８ 可変速のターボ冷凍機
９ 固定速のターボ冷凍機
１０，１３ 冷水管
１１ 還ヘッダ
１２ 往ヘッダ
１５ 冷水ポンプ
１６ バイパス管
１９ バイパス弁
２２ 制御装置
２５ 負荷

Claims (4)

1. 可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機とを備えた熱源システムに使用される制御装置であって、
   前記可変速ターボ熱源機の、負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、
   前記可変速ターボ熱源機を優先的に動かす場合において、前記可変速ターボ熱源機のすべてと前記第２の熱源機に対する負荷を最大としても、全負荷をまかなえないときは、前記第２の熱源機の運転台数を増やし、
   前記第２の熱源機への負荷と、前記可変速ターボ熱源機への負荷を合計し、前記第２の熱源機の運転台数を減らしても全負荷をまかなえる場合は、前記第２の熱源機の運転台数を減らし、
   前記熱源システムは、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間を冷水が循環するものであり、
   前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、制御装置。
2. 可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機とを備えた熱源システムに使用される制御装置であって、
   前記可変速ターボ熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、
   前記第２の熱源機を優先的に動かす場合において、前記第２の熱源機をすべて起動しても全負荷をまかなえない場合に、前記可変速ターボ熱源機を順次起動し、
   前記熱源システムは、前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間を冷水が循環するものであり、
   前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、制御装置。
3. 可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、
   前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機と、
   前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間で冷水を循環させるための冷水管と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記可変速ターボ熱源機の、負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、
   前記可変速ターボ熱源機を優先的に動かす場合において、前記可変速ターボ熱源機のすべてと前記第２の熱源機に対する負荷を最大としても、全負荷をまかなえないときは、前記第２の熱源機の運転台数を増やし、
   前記第２の熱源機への負荷と、前記可変速ターボ熱源機への負荷を合計し、前記第２の熱源機の運転台数を減らしても全負荷をまかなえる場合は、前記第２の熱源機の運転台数を減らし、
   前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、熱源システム。
4. 可変速のターボ圧縮機を有する複数の可変速ターボ熱源機と、
   前記可変速ターボ熱源機とは異なるタイプの複数の第２の熱源機と、
   前記可変速ターボ熱源機および前記第２の熱源機と、負荷部との間で冷水を循環させるための冷水管と、
   制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記可変速ターボ熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率が、前記第２の熱源機の負荷の増減に対する所要動力の増減率と等しくなる目標負荷を記憶し、
   前記第２の熱源機を優先的に動かす場合において、前記第２の熱源機をすべて起動しても全負荷をまかなえない場合に、前記可変速ターボ熱源機を順次起動し、
   前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上高い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に減少させる、又は、前記第２の熱源機の冷水流量が最小流量よりも高くて最大流量よりも低く、かつ前記可変速ターボ熱源機の出力が前記目標負荷よりもある設定値以上低い場合に、前記可変速ターボ熱源機の冷水流量を徐々に増加させることで、前記可変速ターボ熱源機の負荷を該目標負荷に一致させる、熱源システム。

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