JP6698312B2 - 制御装置、制御方法、及び熱源システム - Google Patents
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Description
下記特許文献1では、ターボ冷凍機を起動してから所定時間において冷却水流量を上昇させて、冷媒温度の増大に伴う凝縮圧力上昇による故障を防止する熱源システムが開示されている。
しかしながら、上記特許文献1の方法では、上述した原因に対処できず、凝縮器が十分に熱交換できないという問題を解決できなかった。
本発明は、冷媒と被熱交換媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器を具備する複数の熱源機を備える熱源システムに適用される制御装置であって、少なくとも一の前記熱源機が運転中であり、該熱源機以外の他の前記熱源機が運転していない条件で、運転中の前記熱源機の前記凝縮器の熱交換量が所定値以下になった場合に、運転中の前記熱源機に加え、他の前記熱源機のうち少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる凝縮器交換熱量依存運転台数制御を備えるとともに、前記熱源機において前記冷媒と熱交換後の前記被熱交換媒体の出口温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段により検出された前記出口温度が所定温度範囲を超えた場合に、他の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる制御装置を提供する。
熱源機が冷凍機の場合には、熱源機の運転台数が増加することにより、冷水を冷却する1台当たりの冷凍能力を分散させ、1台の熱源機に要求される排熱処理量を低減させることにより、凝縮器圧力上昇による故障停止を防止することができ、要求された冷凍能力を安定的に継続して出力できる。
また上記構成によれば、冷媒と熱交換後の熱源機出口の被熱交換媒体の温度の検出値によって、簡便に熱交換量を判断でき、凝縮器の圧力上昇を防ぐことができる。
熱源システムの要求負荷に応じて熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を、凝縮器交換熱量依存運転台数制御と併せて行うことができる。
また上記制御装置は、前記凝縮器交換熱量依存運転台数制御に関わらず、前記熱源システムの要求負荷に応じて前記熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を備えていてもよい。
熱源システムの要求負荷に応じて熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を、凝縮器交換熱量依存運転台数制御と併せて行うことができる。
また上記構成によれば、凝縮器の圧力検出値に基づいて、過剰に熱源機を運転させることを防止することができる。
熱源システムの要求負荷に応じて熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を、凝縮器交換熱量依存運転台数制御と併せて行うことができる。
以下に、本発明の第1実施形態に係る制御装置、制御方法、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、本発明の第1実施形態に係る熱源システムの構成を概略的に示した図である。図1に示すように、熱源システム1は、例えば、空調機や給湯機、工場設備等の外部負荷3に対して供給する熱媒(冷水または温水)に対して熱(冷熱または温熱)を与える複数の熱源機11a、11b、11cを備えている。図1では、3台の熱源機11a、11b、11cが設置されている場合について例示しているが、熱源機の設置台数については2台以上であればよく、任意に決定できる。また、特に明記しない場合には、熱源機は熱源機11と示す。なお、本実施形態においては、熱源機がターボ冷凍機である場合を例に挙げて説明する。
バイパス弁19の弁開度制御及びポンプ12a、12b、12cのインバータ制御は、上位制御装置(制御装置)20によって実施される。
冷却塔15a,15b,15cは、冷却水W1を冷却する。各冷却塔15a、15b、15cは、往き配管6を介して熱源機11a,11b,11cと接続され、熱源機11a,11b,11cで利用された冷却水W1が供給され、冷却塔15a,15b,15cで冷却された冷却水W1を還り配管7を介して接続される熱源機11a,11b,11cに供給する。還り配管7における冷却水流れの下流側には冷却水ポンプ8が設けられている。
往き配管6には、熱源機11a,11b,11cにおいて利用された冷却水W1の温度(以下「冷却水出口温度Tcout」という)を計測する温度センサ(温度検出手段)55が設けられている(図2参照)。
熱源機11aは、2段圧縮2段膨張サブクールサイクルを実現する構成となっている。このターボ冷凍機は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機31と、ターボ圧縮機31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32と、凝縮器32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33と、サブクーラ33からの液冷媒を膨張させる高圧膨張弁34と、高圧膨張弁34に接続されるとともにターボ圧縮機31の中間段および低圧膨張弁35に接続される中間冷却器37と、低圧膨張弁35によって膨張させられた液冷媒を蒸発させる蒸発器36とを備えている。
サブクーラ33は、凝縮器32の冷媒流れ下流側に、凝縮された冷媒に対して過冷却を与えるように設けられている。サブクーラ33の冷媒流れ下流側直後には、過冷却後の冷媒温度Tsを計測する温度センサ52が設けられている。
凝縮器32及びサブクーラ33には、これらを冷却するための冷却伝熱管41が挿通されている。流量計54は、冷却水出口における冷却水流量F2を計測する。計測結果は、熱源機制御装置10aに送信される。
温度センサ56は、凝縮器32の入口における冷却水入口温度Tinを計測する。計測結果は熱源機制御装置10aを介して上位制御装置20に送信される。
冷却水は、図1で示す冷却塔15において外部へと排熱された後に、再び凝縮器32及びサブクーラ33へと導かれるようになっている。
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。
判定部60は、温度センサ55により検出された冷却水出口温度Tcoutが所定温度範囲を逸脱したか否かを判定し、判定結果を制御部61に出力する。なお、判定部60は、冷却水出口温度Tcoutが所定温度範囲を一瞬でも超えた(または、下回った)場合に逸脱したものと判定してもよいが、冷却水出口温度Tcoutが所定温度範囲を所定期間超えた(または下回った)場合に逸脱したものと判定するとよい。
所定温度範囲は、上位制御装置20の記憶部62に記憶されている情報であり、例えば、熱源機11の定格条件+α[℃]から熱源機11の定格条件−β[℃]のような範囲で定められていてもよいし、或いは、熱源機11の故障停止条件が判断できる値+γ[℃]から故障停止条件が判断できる値+δ(ただし、γ>δ)[℃]のような範囲で定められてもよい。記憶部62は、不揮発性のメモリが適用され、停電時においても記憶内容が消滅されないようになっている。
熱源システム1の運転開始指令が入力されると、第1の熱源機として熱源機11aが起動される(図4のステップSA1)。熱源機11aは発停後、ハンチング防止のための数百秒程度の所定の待機期間(例えば、600秒)が設けられる(図4のステップSA2)。熱源機11aにおける冷媒と熱交換後の冷却水温度が温度センサ55により冷却水出口温度Tcoutとして計測され、その計測結果が上位制御装置20に出力される。
第1所定期間、冷却水出口温度Tcoutが定格条件+α[℃]を超えたと判定された場合には(図4のステップSA3のYes)、第2の熱源機として熱源機11bを起動させ、凝縮器交換熱量依存運転台数制御を行う(図4のステップSA5)。これにより、所定の冷凍能力に対して、熱源機11が1台増加し2台の熱源機11が運転されるので、1台当たりの熱源機11に要求される冷凍能力は低減することとなり、凝縮器圧力上昇の防止につながる。
図5は、横軸を時間とし、縦軸の上段は凝縮器交換熱量依存運転台数制御を用いた場合として、冷却水出口温度Tcout(ラインL1)の時間変化とそれに設定される所定温度範囲となる閾値とが示されており、図5の縦軸の下段は従来の制御方法の場合として、負荷(ラインL2)の時間変化とそれに設定される熱源機の増段減段の閾値とが示されており、それらに併せて熱源機の台数制御の様子が示されている。
これに対し、本実施形態においては、負荷の減段条件は満たしていても冷却水出口温度Tcoutが所定温度範囲の下限に設定される「故障停止条件が判断できる値+δ[℃]」以下になるまでは熱源機11の減段はせず、「故障停止条件が判断できる値+δ[℃]」を検出した時刻t4において第2の熱源機11bが停止される。
このように熱源機11が冷凍機の場合には、熱源機11の運転台数が増加することにより、冷水を冷却する1台当たりの熱源機11の冷凍能力を分散させ、1台の熱源機11に要求される排熱処理量を低減させることにより、凝縮器の圧力上昇による故障停止を防止することができ、要求された冷凍能力を安定的に継続して出力できる。これにより、熱源設備の安定した運用に繋がる。
なお、熱源機11a、11b、11cは同一種類の熱源機で統一されていてもよいし、数種類の熱源機が混在していてもよい。
熱源機11において冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。
上記第1実施形態においては、図2に示した熱源機11aでは、凝縮器32及びサブクーラ33を設け、冷却塔において外部へと排熱した冷却水と冷媒の間で熱交換を行う場合について述べたが、例えば、冷却塔を設けずに、外気と冷媒との間で熱交換を行う構成としてもよい。
外気と冷媒との間で熱交換する場合には、冷却塔15a,15b,15cは設けられず冷却水がないので冷却水出口温度Tcoutを計測することができない。そのため、冷却水出口温度Tcoutに代えて、圧力センサ51で計測した凝縮器32における凝縮冷媒圧力Pcを用い、凝縮器32の熱交換量を判定する。
判定部60は、凝縮冷媒圧力Pcと、記憶部62から読み出される所定圧力範囲の情報とに基づいて、凝縮冷媒圧力Pcが所定圧力範囲を逸脱しているか否かを判定し、判定結果を制御部61に出力する。
制御部61は、凝縮冷媒圧力Pcが所定圧力範囲を超えた場合に、運転中の熱源機以外の他の熱源機11のうち、少なくともいずれか一の熱源機11を運転させる。また、制御部61は、凝縮冷媒圧力Pcが所定圧力範囲を下回った場合に、運転中の熱源機11のうち、少なくともいずれか一の熱源機11の停止を許可する。
冷却水出口温度Tcoutに代えて、凝縮器32に圧力センサ51を設け、冷媒の飽和温度特性と凝縮冷媒圧力Pcとに基づいて凝縮器飽和温度を算出し、算出された凝縮器飽和温度と所定飽和温度範囲に基づいて凝縮器32の熱交換量を判定してもよい。
冷媒の飽和温度特性は、周知のモリエル線図(p−i線図)に表される。
記憶部62には、冷媒の飽和温度特性の情報が格納されている。
飽和温度検出部63は、凝縮器内の冷媒の飽和温度を検出する。具体的には、飽和温度検出部63は、冷媒の飽和温度特性と凝縮冷媒圧力Pcとに基づいて、凝縮器内の冷媒の飽和温度を算出する。
動作フローについては、前段で説明したように図4のステップSA3と図4のステップSA7が本変形例2の内容に置き換えられる。
制御部61は、冷媒の飽和温度が所定飽和温度範囲を超えた場合に、運転中の熱源機以外の他の熱源機11のうち、少なくともいずれか一の熱源機11を運転させる。また、制御部61は、冷媒の飽和温度が所定飽和温度範囲を下回った場合に、運転中の熱源機11のうち、少なくともいずれか一の熱源機11の運転停止を許可する。
上記第1実施形態においては、熱源機11が冷凍機能のみを有するターボ冷凍機である場合を例に挙げて説明していたが、これに限定されず、例えば、暖房機能のみ、或いは冷房機能及び暖房機能の両方を有しているものであってもよく、本変形例では熱源機11がヒートポンプである場合を例に挙げて説明する。
ヒートポンプで負荷側に温水を供給する場合には、蒸発器が熱源水から吸熱して蒸発した冷媒が圧縮機で圧縮されて温度が上昇され、高温の冷媒が凝縮器において水と熱交換されて水を昇温し、熱交換後の凝縮した冷媒が膨張弁にて膨張させられた後に蒸発器へと導かれる。これらは周知技術を採用することにより実現される。
そのため本変形例においては、熱源機11がヒートポンプ等の暖房機能を有するものである場合に、蒸発器の出口における熱源水出口温度が、第2所定温度範囲以下となったか否かを判定し、第2所定温度範囲以下となった場合には、ヒートポンプを追加して起動する。また、第2所定温度範囲は、要求される温水の温度条件等によって決定される所定温度範囲である。
なお、ヒートポンプは、凝縮器が大気と熱交換する空冷ヒートポンプであってもよい。
以下、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の熱源システムの熱源機が3台以上運転している点で第1実施形態と異なる。本実施形態の熱源システムについて、第1実施形態と共通する点については説明を省略し、図1及び図2を用いて異なる点について主に説明する。
以下、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態の熱源システムにおいて、排熱に関する補機が最大能力を出力しているか否かを加味する点で第1実施形態、第2実施形態と異なる。本実施形態の熱源システムについて、第1実施形態、第2実施形態と共通する点については説明を省略し、図1から図3及び図7を用いて異なる点について主に説明する。
図7のステップSA3において、熱源機の冷却水出口温度が定格条件+α℃を超えたか否かを判定し、超えていない場合には、熱源機の排熱に関する補機が最大出力になっているか否かを判定する(図7のステップSB1)。補機出力が最大であれば、負荷条件等に応じて熱源機の起動を制御し、補機出力が最大でない場合には、補機の出力を増大させ、図7のステップSA3に戻る(図7のステップSB2)。
なお、第1実施形態から第3実施形態を適宜組み合わせて実施してもよい。例えば、第1実施形態の構成に第2実施形態の構成を組み合わせてもよいし、第1実施形態の構成から第3実施形態の構成を組み合わせてもよい。
11a,11b,11c 熱源機
15a,15b,15c 冷却塔
20 上位制御装置(制御装置)
32 凝縮器
55 温度センサ
60 判定部(判定手段)
61 制御部
62 記憶部
63 飽和温度検出部(飽和温度検出手段)
Claims (14)
- 冷媒と被熱交換媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器を具備する複数の熱源機を備える熱源システムに適用される制御装置であって、
少なくとも一の前記熱源機が運転中であり、該熱源機以外の他の前記熱源機が運転していない条件で、
運転中の前記熱源機の前記凝縮器の熱交換量が所定値以下になった場合に、運転中の前記熱源機に加え、他の前記熱源機のうち少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる凝縮器交換熱量依存運転台数制御を備えるとともに、
前記熱源機において前記冷媒と熱交換後の前記被熱交換媒体の出口温度を検出する温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出された前記出口温度が所定温度範囲を超えた場合に、他の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる制御装置。 - 前記凝縮器交換熱量依存運転台数制御に関わらず、前記熱源システムの要求負荷に応じて前記熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を備える請求項1に記載の制御装置。
- 前記熱源機において前記冷媒と熱交換後の前記被熱交換媒体の出口温度を検出する温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出された前記出口温度が前記所定温度範囲を下回った場合に、運転中の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機の停止を許可する請求項1または請求項2に記載の制御装置。 - 3つ以上の前記熱源機が運転中である場合に、
複数の前記温度検出手段を備え、
複数の前記温度検出手段で検出された温度のうち、最も高い前記被熱交換媒体の前記出口温度に基づいて、他の前記熱源機の少なくともいずれか一つを運転させるか否かを判定する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の制御装置。 - 冷媒と被熱交換媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器を具備する複数の熱源機を備える熱源システムに適用される制御装置であって、
少なくとも一の前記熱源機が運転中であり、該熱源機以外の他の前記熱源機が運転していない条件で、
運転中の前記熱源機の前記凝縮器の熱交換量が所定値以下になった場合に、運転中の前記熱源機に加え、他の前記熱源機のうち少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる凝縮器交換熱量依存運転台数制御を備えるとともに、
前記凝縮器内の前記冷媒の飽和温度を検出する飽和温度検出手段を備え、
前記飽和温度検出手段により検出された前記凝縮器内の前記冷媒の前記飽和温度が所定飽和温度範囲を超えた場合に、他の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる制御装置。 - 前記凝縮器交換熱量依存運転台数制御に関わらず、前記熱源システムの要求負荷に応じて前記熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を備える請求項5に記載の制御装置。
- 前記凝縮器内の前記冷媒の飽和温度を検出する飽和温度検出手段を備え、
前記飽和温度検出手段により検出された前記凝縮器内の前記冷媒の前記飽和温度が所定飽和温度範囲を下回った場合に、運転中の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機の停止を許可する請求項5または請求項6に記載の制御装置。 - 3つ以上の前記熱源機が運転中である場合に、
複数の前記飽和温度検出手段を備え、
複数の前記飽和温度検出手段で検出された温度のうち、最も高い温度になる前記冷媒の前記飽和温度に基づいて、他の前記熱源機の少なくともいずれか一つを運転させるか否かを判定する請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の制御装置。 - 冷媒と被熱交換媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器を具備する複数の熱源機を備える熱源システムに適用される制御装置であって、
少なくとも一の前記熱源機が運転中であり、該熱源機以外の他の前記熱源機が運転していない条件で、
運転中の前記熱源機の前記凝縮器の熱交換量が所定値以下になった場合に、運転中の前記熱源機に加え、他の前記熱源機のうち少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる凝縮器交換熱量依存運転台数制御を備えるとともに、
前記凝縮器内の前記冷媒の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段により検出された前記凝縮器内の前記冷媒の前記圧力が所定圧力範囲を超えた場合に、他の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させ、
前記圧力検出手段により検出された前記凝縮器内の前記冷媒の前記圧力が所定圧力範囲を下回った場合に、運転中の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機の停止を許可する制御装置。 - 前記凝縮器交換熱量依存運転台数制御に関わらず、前記熱源システムの要求負荷に応じて前記熱源機を運転させる台数を制御する負荷依存運転台数制御を備える請求項9に記載の制御装置。
- 3つ以上の前記熱源機が運転中である場合に、
複数の前記圧力検出手段を備え、
複数の前記圧力検出手段で検出された圧力値のうち、最も高い前記冷媒の前記圧力値に基づいて、他の前記熱源機の少なくともいずれか一つを運転させるか否かを判定する請求項9または請求項10に記載の制御装置。 - 前記熱源機の排熱に関する補機が、最大能力を出力しているか否かを判定する判定手段を備え、
前記判定手段により、前記補機が最大能力を出力していないと判定された場合には、前記補機の出力を増大させる請求項1から請求項11のいずれかに記載の制御装置。 - 複数の熱源機と、
請求項1から請求項12のいずれかに記載の制御装置と
を具備する熱源システム。 - 冷媒と被熱交換媒体との間で熱交換して冷媒を凝縮させる凝縮器を具備する複数の熱源機を備える熱源システムに適用される制御方法であって、
少なくとも一の前記熱源機が運転中であり、該熱源機以外の他の前記熱源機が運転していない条件で、
運転中の前記熱源機の前記凝縮器の熱交換量が所定値以下になった場合に、運転中の前記熱源機に加え、他の前記熱源機のうち少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる凝縮器交換熱量依存運転台数制御を有し、
前記熱源機において前記冷媒と熱交換後の前記被熱交換媒体の出口温度を検出し、
検出された前記出口温度が所定温度範囲を超えた場合に、他の前記熱源機のうち、少なくともいずれか一の前記熱源機を運転させる制御方法。
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