JP6716306B2 - 熱源システムの設定温度制御装置、及びそれを備えた熱源システム、並びに熱源システムの設定温度制御方法 - Google Patents
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Description
複数の熱源機を備える熱源システムにおける熱源機の台数制御方法として、例えば、下記特許文献1には、現在の運転状態が増段条件を満たす場合に、現在の運転台数を1台増段した際に減段条件を満たすか否かを判定し、減段条件を満たさないと判定した場合に、熱源機を1台起動させることが開示されている。これにより、熱源機の発停が頻繁に繰り返される、所謂ハンチングが防止される。
しかしながら、上記特許文献1の方法は、熱源機の運転台数を減段した際に増段条件が満たされると判定されると減段しないので、現在の要求負荷に対して運転中の熱源機で均等に負荷を配分することで運転中の全ての熱源機が軽負荷となった場合、全ての熱源機が停止することとなり、軽負荷停止によって要求された能力を出力できなくなるという問題があった。また、上記特許文献1の方法は、熱源機の運転台数を増段した際に減段条件が満たされると判定されると増段しないので、現在運転中の熱源機に過剰な運転を強いることがあった。
本発明は、冷媒を蒸発させるとともに前記冷媒と熱源媒体とを熱交換する蒸発器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を熱媒によって凝縮させる凝縮器とを有し、前記凝縮器によって前記熱媒を所定の出口設定温度に加熱して外部負荷に供給する熱源機を複数備える熱源システムの設定温度制御装置であって、最小加熱能力は、前記熱源機が軽負荷停止に移行する出力能力であり、前記熱源機の出口温度に基づき決定され、運転中の前記熱源機の第1負荷と、前記最小加熱能力となる第2負荷との差を算出する負荷演算手段と、前記負荷演算手段によって算出された前記差が第1所定値以下となる場合に、第1所定割合で前記熱源機の前記出口設定温度を初期値よりも下降させて前記最小加熱能力を小さくする設定温度変更手段と、を具備する熱源システムの設定温度制御装置を提供する。
このように、熱源機の出口設定温度を低下させることにより、軽負荷に移行する最小加熱能力を小さくでき、軽負荷停止しない運転可能領域を大きくすることができる。これにより、運転中の熱源機の第1負荷と熱源機が軽負荷停止に移行する最小加熱能力となる第2負荷との差が所定値以下となっても熱源機の出口設定温度を低下させる制御をしない場合と比較して、熱源機の増段(例えば、熱源機1台から2台)を早める、又は熱源機の減段(例えば、熱源機2台から1台)を遅らせることができる。これにより、熱源機に過剰な運転を強いることなく、かつ、軽負荷停止を防ぎつつ、要求に近い出口設定温度(温水送水温度)の温水を供給することができる。
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に対して供給する温水(熱媒)に対して熱を与える複数の熱源機11a,11b,11cを備えている。熱源機11a,11b,11cは、外部負荷3に対して並列に設置されている。
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特に限定されない。
熱源機11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の中間段及び低圧膨張弁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。
蒸発器36は、熱源水伝熱管42内を流通する熱源水と熱交換器内の冷媒とを熱交換させ、熱源水から与えられる熱によって熱交換器内の冷媒を蒸発させ、ターボ圧縮機31に吸い込ませる。こうして蒸発器36において、熱源水の熱量が冷媒に移る(吸熱)。
蒸発器36には、蒸発圧力Peを計測するための圧力センサ58が設けられている。
熱源水は、外部で吸熱した後に、再び蒸発器36に導かれるようになっている。
ターボ圧縮機31に吸い込まれ圧縮され、中間冷却器37からの冷媒ガスによって冷却された後、さらに圧縮された冷媒は、凝縮器32に送られる。
凝縮器32には、凝縮冷媒圧力Pcを計測するための圧力センサ51が設けられている。圧力センサ51の出力は、熱源機制御装置10に送信される。
一方、液の蒸発により冷却された残りの液冷媒は、低圧膨張弁35でさらに減圧されて蒸発器36に入り、再度蒸発する。
凝縮器32及びサブクーラ33には、温水伝熱管41が挿通されている。凝縮器32内の高温、高圧の冷媒ガスは、それより低温の温水によって冷却され、凝縮器32内の圧力に相当する温度で凝縮する。その際、温水は冷媒から熱量を奪うので、これにより熱源水の熱量が温水に移動する。
熱源機制御装置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。また、熱源機制御装置10a,10b,10cは熱源機11の運転で得られる各種情報(例えば、温水流量F2、温水出口温度Tcout、温水入口温度Tcin、中間圧力Pm、熱源水流量F1、熱源水出口温度Tout、熱源水入口温度Tin、蒸発圧力Pe等)の計測値を上位制御装置20に出力する。
なお、通信媒体21は、無線、有線を問わない。また、通信媒体21に代えて信号線であってもよい。
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、各熱源機11の起動及び停止を制御するとともに、外部負荷3の要求温水負荷に応じて、起動させる熱源機11の制御を行う。
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。
記憶部22は、熱源機11の負荷率範囲を記憶している。なお、熱源機11の負荷率範囲は、各熱源機11の所定の運転条件(例えば、出口設定温度が初期値として「80℃」に設定される運転条件)に応じて決定される基準負荷率範囲と、設定温度変更部24(詳細は後述する)によって変更される凝縮器32の出口設定温度に応じて演算され記憶される、演算結果に応じた温度変更後負荷率範囲とを含む。また、記憶部22は、後述する出口設定温度の下限値及び上限値、所定値C,B,A、初期値、第1所定割合D、第2所定割合E等の情報を記憶している。
具体的には、負荷演算部23は、外部負荷3の要求温水負荷に応じた要求運転台数Nreqを決定し、決定した要求運転台数Nreqを用いて第1負荷率と第2負荷率との差を算出する。ここで、外部負荷3の要求温水負荷とは、熱源機11の凝縮器32の温水出口における出口設定温度(温水送水温度)の負荷である。
要求運転台数Nreqは、凝縮器32の温水出口における出口設定温度を制御するためのパラメータであり、実運転台数とは異なり、主に熱源機11の増段時に機能するものである。要求運転台数Nreqは、実際の熱源機11が増段するよりも先行して増加する値である。
(a)熱源機11の運転台数Nが変化した場合
(b)外部負荷3の要求負荷が増大したことにより要求運転台数Nreqを1つ増加させる制御
(c)外部負荷3の要求負荷が減少したことにより要求運転台数Nreqを1つ低減させる制御
上記(b)においては、要求負荷Q[kW]が、運転中の熱源機11のそれぞれの最大加熱能力Qhmax[kW]の総和と、温水出口の出口設定温度を下げるタイミングを調整するための余裕率αとの和以上となった場合に、要求運転台数Nreqを「+1」(1つ増加)する(下記(1)式参照)。ここで、αは、上記タイミングを調整する裕度を示しており、正負どちらの数値であってもよい。
上記(1)式の右辺の第2項は、各熱源機11の最大加熱能力Qhmaxの平均値を用いて余裕率を決めていたが、上記に限らず、{いずれか1つの熱源機11の最大加熱能力の最大値max(Qhmax)×α/100}等の式で余裕率を与えてもよい。
図5に示されるように、要求負荷Qが、上記(1)式の右辺以上であると検出された場合に、要求運転台数Nreqを「+1」し、要求負荷Qが、上記(2)式の右辺以上であると検出された場合に、要求運転台数Nreqを「−1」する。ここで、余裕率をαと、αより小さいβの複数設けることによって、ヒステリシスを持たせ、要求運転台数Nreqの値にハンチングが生じるのを防いでいる。
具体的には、運転中の熱源機11の負荷率Qrの総和を、要求運転台数Nreqで除算した値と、最小加熱能力Qhmin[%]の最大値との差(出力余裕度)を求める(下記(3)式参照)。ここで、負荷率Qrは、負荷率Qr=温水生成能力Qout[kW]/最大加熱能力Qhmax[kW]によって求める。
設定温度変更部24は、負荷演算部23によって算出された差(出力余裕度)に応じて、熱源機11の出口設定温度を調整する。
具体的には、設定温度変更部24は、負荷演算部23によって算出された差(出力余裕度)が、所定期間(例えば、10秒以上)、所定値C(第1所定値)(例えば、50[kW])以下となる場合に、熱源機11の出口設定温度を初期値(例えば、80℃)よりも第1所定割合D(例えば、0.01℃/秒)で下降させる(図6の所定値C)。
また、設定温度変更部24は、出口設定温度を第1所定割合Dで下降させることにより、差(出力余裕度)が所定値Cより徐々に大きくなり、差(出力余裕度)が、所定値Cよりも大きい所定値B(第2所定値)以上となる場合に、出口設定温度を現在値で維持(ホールド)する(図6の所定値B)。また、出口設定温度を維持していてもその後、差(出力余裕度)が所定値Cよりも小さくなる場合には、設定温度変更部24は、第1所定割合D(例えば、0.01℃/秒)で出口設定温度を下降させる。
起動指示部25は、要求負荷Qまたは外部負荷3側の流量、外部負荷3側の温水入口温度(熱源機11の出口設定温度)等を勘案し、熱源機11を増段させたり、減段させたりする。
記憶部22には、図9に示されるような熱源機の運転台数に対する負荷率範囲が対応付けられる基準負荷率範囲(網掛け矢印)が記憶されている。横軸の全体負荷[%]は、出口設定温度80℃の負荷から換算したものであり、横軸の全体負荷[kW]は、出口設定温度75℃と80℃の各々の条件で算出したものとする。
図9の基準負荷率範囲では、出口設定温度が80℃に設定され、熱源機11の運転台数が1台の場合には、全体負荷は260〜390[kW]、20〜30[%]で運転可能とし、熱源機11の2台目は520〜850[kW]、40〜65[%]で運転可能とし、熱源機11の3台目は780〜1300[kW]、60〜100[%]で運転可能とする。
要求運転台数Nreqの制御フローを開始し、熱源機11の実運転台数Nが変化したか否かが判定され(図7のステップSA1)、熱源機11の実運転台数Nの変化が検出された場合には、要求運転台数Nreq=Nとし(図7のステップSA2)、図7のステップSA1に戻る。熱源機11の実運転台数Nの変化が検出されない場合には、要求運転台数Nreq=Nか否かが判定され(図7のステップSA3)、要求運転台数Nreq=Nである場合には、上記(1)式を満たすか否かが判定される(図7のステップSA4)。
一方、熱源機11の実運転台数Nの変化が検出されず、要求運転台数Nreq=Nでない場合には、上記(2)式を満たすか否かが判定される(図7のステップSA6)。上記(2)式を満たす場合には、要求運転台数Nreq=Nreq−1とし(図7のステップSA7)、図7のステップSA1に戻る。上記(2)式を満たさない場合には、図7のステップSA1に戻る。
このように、要求負荷Q[kW]と運転中の熱源機11の最大加熱能力Qhmax[kW]等の情報に基づいて、要求運転台数Nreqが適宜求められる。
Nreq=Nreq+1(つまり、熱源機2台)となると、上記(3)式の第1項が、第2項よりも小さな値となる。
運転中の熱源機11があるか否かが判定され(図8のステップSB1)、運転中の熱源機11がないと判定された場合には、出口設定温度(送水温度設定値)を初期値に設定し(図8のステップSB2)、図8のステップSB1に戻る。運転中の熱源機11があると判定された場合には、要求運転台数Nreqの値を用いて出力余裕度が演算され、出力余裕度が所定値A以下か否かが判定される(図8のステップSB3)。出力余裕度が、所定値A以下と判定された場合には、続いて、出力余裕度が一定時間以上、所定値C以下か否かが判定される(図8のステップSB4)。出力余裕度が、一定時間以上、所定値C以下であると判定された場合には、出口設定温度を第1所定割合Dで下降させ(図8のステップSB5)、図8のステップSB1に戻る。
そして、出口設定温度の下限値を75℃に設定している場合には、第1所定割合Dの下降が75℃まで継続され、75℃になると下降を停止させ、出口設定温度が75℃で維持される。
また、負荷率範囲が基準負荷率範囲から徐々に変更され、温度変更後負荷率範囲が更新されると、最小加熱能力Qhminが徐々に小さくなる。
例えば、熱源機11を1台運転させており、2台目を運転開始するか否かの判定においては、要求負荷Qが温度変更後負荷率範囲の左端に入り、かつ、ハンチング防止の補正値を勘案した値となるまで1台目の熱源機11aのみによって運転をさせる。その後、要求負荷Qが温度変更後負荷率範囲の左端に入り、ハンチング防止の補正値を勘案した値に到達したことが検出されると2台目の熱源機11bを起動させる。
2台目の熱源機11の出口設定温度が第1所定割合Dで75℃まで下降した場合には、全体負荷が35[%]、490[kW]まで能力出力範囲を広げることができる。出口設定温度が80℃の場合には、全体負荷が30〜40[%]のときに2台目の熱源機11を起動して負荷を均等に按分すると2台とも軽負荷停止となっていたが、出口設定温度を75℃に下降させることによって、軽負荷停止の範囲が全体負荷の30〜35[%]となり、軽負荷停止の範囲(間隔)を狭めることができ、過負荷停止を可及的に防ぐ。
出力余裕度が、所定値Bより大きい場合、或いは、出力余裕度が所定値B以下であり、出口設定温度を下降させる制御中でない場合には、出口設定温度の設定値を維持(ホールド)させ(図8のステップSB8)、図8のステップSB1に戻る。
図8のステップSB3において、出力余裕度が所定値A以下か否かが判定され、出力余裕度が所定値Aより大きい場合には、出口設定温度が初期値か否かが判定される(図8のステップSB9)。出口設定温度が初期値または温度制御の上限値であれば、図8のステップSB1に戻る。出口設定温度が初期値に到達していなければ、出口設定温度を第2所定割合Eで上昇させる(図8のステップSB10)。
また、第1負荷率と第2負荷率との差に対する閾値(所定値)を複数設け、第1負荷率と第2負荷率との差が所定値C,B,A以下であれば出口設定温度の下降及び維持を制御して、熱源機11の軽負荷停止に到達しにくくし、第1負荷率と第2負荷率との差が所定値A以上であれば出口設定温度の上昇を制御して要求の出口設定温度まで戻すことができる。
上記実施形態においては、熱源機11の負荷率Qrは、負荷率Qr=温水生成能力Qout[kW]/最大加熱能力Qhmax[kW]によって求めていたが、これに限定されず、熱源機11側の熱源機制御装置10において負荷率Qrの情報を演算して出力可能であれば、通信媒体21や信号線等を介して負荷率Qrの情報を熱源機11から上位制御装置20に出力させてもよい。
また、熱源機11の温水生成能力Qout[kW]は、通信線或いは信号線等を用いて熱源機制御装置10から上位制御装置20に出力してもよいし、当該熱源機11における「(出口設定温度−入口設定温度)×温水流量×係数」の演算式により演算で求めても良い。
10 熱源機制御装置
11a,11b,11c 熱源機
20 上位制御装置(設定温度制御装置)
22 記憶部
23 負荷演算部(負荷演算手段)
24 設定温度変更部(設定温度変更手段)
Claims (6)
- 冷媒を蒸発させるとともに前記冷媒と熱源媒体とを熱交換する蒸発器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を熱媒によって凝縮させる凝縮器とを有し、前記凝縮器によって前記熱媒を所定の出口設定温度に加熱して外部負荷に供給する熱源機を複数備える熱源システムの設定温度制御装置であって、
最小加熱能力は、前記熱源機が軽負荷停止に移行する出力能力であり、前記熱源機の出口温度に基づき決定され、
運転中の前記熱源機の第1負荷と、前記最小加熱能力となる第2負荷との差を算出する負荷演算手段と、
前記負荷演算手段によって算出された前記差が第1所定値以下となる場合に、第1所定割合で前記熱源機の前記出口設定温度を初期値よりも下降させて前記最小加熱能力を小さくする設定温度変更手段と、
を具備する熱源システムの設定温度制御装置。 - 前記設定温度変更手段は、前記出口設定温度を下降させたときの下限値を備え、前記出口設定温度が前記下限値に到達した場合に、前記出口設定温度の下降を停止し、前記出口設定温度を維持する請求項1に記載の熱源システムの設定温度制御装置。
- 前記差が、前記第1所定値よりも大きい第2所定値以上となる場合に、前記出口設定温度を現在値で維持する請求項1または請求項2に記載の熱源システムの設定温度制御装置。
- 前記差が、前記第2所定値よりも大きい第3所定値以上となる場合に、第2所定割合で前記熱源機の前記出口設定温度を上昇させ、前記出口設定温度が、前記初期値または温度制御の上限値になると上昇を停止する請求項3に記載の熱源システムの設定温度制御装置。
- 軽負荷で停止する複数の熱源機と、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の熱源システムの設定温度制御装置とを備える熱源システム。 - 冷媒を蒸発させるとともに前記冷媒と熱源媒体とを熱交換する蒸発器と、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を熱媒によって凝縮させる凝縮器とを有し、前記凝縮器によって前記熱媒を所定の出口設定温度に加熱して外部負荷に供給する熱源機を複数備える熱源システムの設定温度制御方法であって、
最小加熱能力は、前記熱源機が軽負荷停止に移行する出力能力であり、前記熱源機の出口温度に基づき決定され、
運転中の前記熱源機の第1負荷と、前記最小加熱能力となる第2負荷との差を算出する第1工程と、
前記第1工程によって算出された前記差が第1所定値以下となる場合に、第1所定割合で前記熱源機の前記出口設定温度を初期値よりも下降させて前記最小加熱能力を小さくする第2工程と、
を有する熱源システムの設定温度制御方法。
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