JP6855160B2 - 熱源システムの台数制御装置及びその方法並びに熱源システム - Google Patents

Description

本発明は、熱源システムの台数制御装置及びその方法並びに熱源システムに関するものである。

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、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。

特開２０１３−１８１６７３号公報

特許文献１に記載の台数制御方法は、容量制御範囲が広い（例えば負荷率１００％〜２０％）熱源機を対象としており、増段又は減段により負荷が軽負荷（例えば負荷率５０％未満）となっても、熱源機は高効率で運転可能な負荷範囲を外れて効率の良い運転とはならないものの停止せずに運転を続ける。

しかしながら、熱源システムが備える熱源機が容量制御範囲の狭い（例えば負荷率１００％〜５０％）熱源機である場合、台数制御が行われた結果、負荷が軽負荷となると運転停止（以下「軽負荷停止」という。）してしまう。例えば、１台の熱源機が起動している状態において、要求負荷の増加により熱源機を１台増段した結果、均等に負荷を配分することによって２台とも軽負荷となった場合、２台の熱源機が共に停止することとなる。

このような場合、熱源システムは、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だけでなく、熱源システムそのものが停止することとなる。そして、要求負荷に応じて再び熱源システムが起動する。しかしながら、熱源機の負荷は軽負荷のままなので、熱源機が起動したとしても再び熱源機は停止するというように、熱源機が起動と停止を繰り返すので、熱源システムの運転が不安定となる。

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、台数制御を行うことによって熱源機が軽負荷となり停止することを防止できる、熱源システムの台数制御装置及びその方法並びに熱源システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱源システムの台数制御装置及びその方法並びに熱源システムは以下の手段を採用する。

本発明の第一態様に係る熱源システムの台数制御装置は、軽負荷で停止する複数の熱源機を備える熱源システムに適用され、各前記熱源機に対して起動指令及び停止指令を出力することにより、前記熱源機の台数制御を行う熱源システムの台数制御装置であって、起動中の前記熱源機に対して予め定められた上限値以上となる負荷が要求された場合、要求負荷に応じて前記熱源機を増段したと仮定して、増段後の各前記熱源機の負荷を演算する演算手段と、前記演算手段によって演算された増段後の各前記熱源機の負荷が、運転点がサージ範囲となる軽負荷において前記熱源機が停止する所定値である停止負荷値以下となる場合、前記熱源機の増段をしないと判定する判定手段と、備え、前記停止負荷値は、前記熱源機の運転条件に応じて変化する。

本構成に係る台数制御装置は、軽負荷で停止する複数の熱源機を備える熱源システムに適用され、各熱源機に対して起動指令及び停止指令を出力することにより、熱源機の台数制御を行う。ここで、軽負荷とは、例えば、熱源機の負荷率が５０％未満の場合をいう。

起動中の熱源機に対して予め定められた上限値を超える負荷が要求された場合、要求負荷に応じて熱源機を増段したと仮定して、演算手段によって増段後の各熱源機の負荷が演算される。演算された増段後の各熱源機の負荷が、熱源機が停止する所定値以下となる場合、判定手段によって熱源機の増段をしないと判定される。すなわち、増段によって熱源機の負荷が小さくなり、熱源機が停止する軽負荷となる場合には熱源機が増段されない。

従って、本構成によれば、台数制御を行うことによって熱源機が軽負荷となり停止することを防止できる。

上記第一態様では、前記判定手段によって前記熱源機の増段をしないと判定された場合、前記熱源機が、要求負荷を満たすように前記上限値を超えた運転を行ってもよい。

本構成によれば、熱源機の増段をしないと判定されても、要求負荷を満たすように熱源システムを運転することができる。

本発明の第二態様に係る熱源システムは、軽負荷で停止する複数の熱源機と、上記記載の台数制御装置と、を備える。

本発明の第二態様に係る熱源システムの台数制御方法は、軽負荷で停止する複数の熱源機を備える熱源システムに適用され、各前記熱源機に対して起動指令及び停止指令を出力することにより、前記熱源機の台数制御を行う熱源システムの台数制御方法であって、起動中の前記熱源機に対して予め定められた上限値を超える負荷が要求された場合、要求負荷に応じて前記熱源機を増段したと仮定して、増段後の各前記熱源機の負荷を演算する第１工程と、前記第１工程によって演算された増段後の各前記熱源機の負荷が、運転点がサージ範囲となる軽負荷において前記熱源機が停止する所定値である停止負荷値以下となる場合、前記熱源機の増段をしないと判定する第２工程と、を有し、前記停止負荷値は、前記熱源機の運転条件に応じて変化する。

本発明によれば、台数制御を行うことによって熱源機が軽負荷となり停止することを防止できる、という優れた効果を有する。

本発明の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に示した熱源機の詳細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。 本発明の実施形態に係る上位制御装置が備える台数制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。 従来の台数制御の問題点について説明するための図である。 本発明の実施形態に係る熱源機増段処理の流れを示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る熱源システムの台数制御装置及びその方法並びに熱源システムの一実施形態について、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、空調機や給湯機、工場設備等の外部負荷３に対して供給する冷水（熱媒）に対して冷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任意に決定することができる。

冷水流れからみた各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃの上流側には、それぞれ、冷水を圧送する冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設置されている。これら冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃによって、リターンヘッダ１４からの冷水が各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃへと送られる。各冷水ポンプ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ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１３には、各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃにおいて得られた冷水が集められるようになっている。サプライヘッダ１３に集められた冷水は、外部負荷３に供給される。外部負荷３にて空調等に供されて温度が変化した冷水は、リターンヘッダ１４に送られる。冷水は、リターンヘッダ１４において分岐され、各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃに送られる。

また、サプライヘッダ１３とリターンヘッダ１４との間にはバイパス配管１８が設けられている。バイパス配管１８に設けられたバイパス弁１９の開度を調整することにより、外部負荷３へ供給する冷水量を調整することができる。

なお、以下の説明において、各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃを区別する場合は、符号の末尾にａ〜ｃの何れかを付し、各熱源機１１ａ，１１ｂ，１１ｃを区別しない場合は、ａ〜ｃを省略する。

図２には、熱源機１１にターボ冷凍機を適用した場合の詳細構成が示されている。
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。

ターボ圧縮機３１は、遠心式の２段圧縮機であり、インバータ３８によって回転数制御された電動モータ３９によって駆動されている。インバータ３８は、熱源機制御装置１０ａによってその出力が制御されている。ターボ圧縮機３１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。）４０が設けられており、熱源機１１の容量制御が可能となっている。

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１０ａに送信される。
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。冷却水流量Ｆ２は流量計５４により、冷却水出口温度Ｔｃｏｕｔは温度センサ５５により、冷却水入口温度Ｔｃｉｎは温度センサ５６により計測されるようになっている。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。

中間冷却器３７には、中間圧力Ｐｍを計測するための圧力センサ５７が設けられている。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。蒸発器３６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３６には、外部負荷３（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４２が挿通されている。冷水流量Ｆ１は流量計５９により、冷水出口温度Ｔｏｕｔは温度センサ６０により、冷水入口温度Ｔｉｎは温度センサ６１により計測されるようになっている。
凝縮器３２の気相部と蒸発器３６の気相部との間には、ホットガスバイパス管４３が設けられている。そして、ホットガスバイパス管４３内を流れる冷媒の流量を制御するためのホットガスバイパス弁４４が設けられている。ホットガスバイパス弁４４によってホットガスバイパス流量を調整することにより、ＩＧＶ４０では制御が十分でない非常に小さな領域の容量制御が可能となっている。

また、図２に示した熱源機１１では、凝縮器３２及びサブクーラ３３を設け、冷媒により冷却塔において外部へと排熱した冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を温め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、空気熱交換器において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、本実施形態に適用される熱源機１１は、上述した冷房機能のみを有するターボ冷凍機に限定されず、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い。また、冷媒と熱交換される媒体は、水でも空気でもよい。また、熱源システム１を構成する熱源機１１は同一種類の熱源機１１で統一されていてもよいし、数種類の熱源機１１が混在していてもよい。

図３は、図１に示した熱源システム１の制御系の構成を概略的に示した図である。図３に示すように、各熱源機１１の制御装置である熱源機制御装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、上位制御装置（台数制御装置）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、熱源システム全体を制御する制御装置であり、例えば、外部負荷３の要求負荷に対して起動させる熱源機１１の台数制御を行う台数制御機能を有している。

上位制御装置２０、熱源機制御装置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（Random 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。

なお、以下の説明において、各熱源機制御装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃを区別する場合は、符号の末尾にａ〜ｃの何れかを付し、各熱源機制御装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃを区別しない場合は、ａ〜ｃを省略する。

図４は、本実施形態に係る上位制御装置２０が備える台数制御に関する機能を主に示した機能ブロック図である。図４に示すように、上位制御装置２０は、記憶部２２、負荷演算部２３、増段判定部２４、起動指示部２５、及び停止指示部２６を主な構成として備えている。

本実施形態では、新たに入力された外部負荷３の要求負荷が少なくとも増段条件を満たす場合に熱源機１１を増段し、新たに入力された外部負荷３の要求負荷が減段条件を満たす場合に熱源機１１を減段する。

増段条件は、例えば、「新たな要求負荷を満たすように、起動中の各熱源機１１を運転すると、起動中の熱源機１１の負荷率が予め設定されている負荷率範囲の上限値以上となる」と規定されている。

減段条件は、例えば、「新たな要求負荷を満たすように、起動中の各熱源機１１を運転すると、起動中の熱源機１１の負荷率が予め設定されている負荷率範囲の下限値以下となる」と規定されている。

なお、下記式（１）の増段条件及び下記式（２）の減段条件に示すように、要求負荷が、負荷率範囲の上限値に予め定められた起動時余裕率ｈ１（裕度）を乗算した値以上となった場合に増段、又は要求負荷が、負荷率範囲の下限値に予め定められた停止時余裕率ｈ２を乗算した値以下となった場合に減段するとしてもよい。
下記式（１），（２）においてＮは、熱源機１１の現在の運転台数である。

これにより、要求負荷が上記上限値又は上記下限値近辺の場合に、増段又は減段が繰り返されるハンチングが生じることが抑制される。

負荷率範囲は、詳細を後述する熱源機１１の容量制御範囲内であり、負荷率範囲の下限値は、熱源機１１が停止する所定値（以下「停止負荷値」という。）とされる。本実施形態に係る熱源機１１は、熱源機１１の運転条件に応じて停止負荷値が変動する。
負荷率範囲の上限値は、例えば、熱源機１１の成績係数（Coefficient Of Performance：ＣＯＰ）が所定値内となる負荷率の最大値とされる。

記憶部２２は、熱源機１１の容量制御範囲（負荷率範囲）を記憶している。なお、熱源機１１の容量制御範囲（負荷率範囲）は、熱源機制御装置１０が運転条件に応じて演算し、演算される度に熱源機制御装置１０から記憶部２２に取り込まれてもよい。

負荷演算部２３は、熱源システム１に対する新たな要求負荷に応じて、増段又は減段後の各熱源機１１の負荷を演算する。
より具体的には、負荷演算部２３は、起動中の熱源機１１に対して予め定められた上限値以上となる負荷が要求された場合、要求負荷に応じて熱源機１１を増段したと仮定して、増段後の各熱源機１１の負荷を演算する。なお、要求負荷は、増段後の複数の熱源機１１に対して均等に割り振られるものとする。

増段判定部２４は、負荷演算部２３によって演算された増段後の各熱源機１１の負荷が停止負荷値以下となる場合、熱源機１１の増段をしないと判定する。一方、増段後の各熱源機１１の負荷が停止負荷値以上となる場合、増段判定部２４は、熱源機１１の増段をすると判定する。

起動指示部２５は、新たな要求負荷が増段条件を満たし、かつ増段判定部２４によって熱源機１１の増段をすると判定された場合、熱源機１１を１台起動させる指示を停止中の熱源機１１を制御する熱源機制御装置１０に対して出力する。

停止指示部２４は、新たな要求負荷が減段条件を満たす場合に、熱源機１１を１台停止させる指示を起動中の熱源機１１を制御する熱源機制御装置１０に対して出力する。

増段又は減段される熱源機１１は、例えば、予め設定された順番に応じて決定される。

次に、本実施形態に係る熱源機増段処理について説明する。

ここで、本実施形態に係る熱源機１１の容量制御範囲は、運転条件（冷却水入口温度や冷水出口温度等）によって変化する。そして、熱源機１１は、ターボ圧縮機３１の運転点がサージ範囲となる軽負荷において停止（以下「軽負荷停止」という。）する。
軽負荷停止する熱源機１１は、容量制御範囲が例えば負荷率が１００％〜５０％の範囲である。一方、軽負荷でも停止しない熱源機１１は、容量制御範囲が例えば負荷率で１００％〜２０％である。すなわち、軽負荷とは、一例として負荷率が５０％以下の場合であり、軽負荷停止する熱源機１１は、一例として、負荷率が５０％以下となった場合に停止する。

例えば、図５に示すように、熱源機の負荷率範囲の下限値（停止負荷値）が５０％、負荷率範囲の上限値が８０％に設定され、１台の熱源機Ａが起動している場合において、新たな要求負荷９０％が入力されると仮定する。
この場合、要求負荷が負荷率範囲の上限値以上となるため、増段のために新たに熱源機Ｂが起動すると、熱源機Ａ，Ｂの負荷が停止負荷値以下の４５％となる。この結果、熱源機Ａ，Ｂは停止するので、熱源システム１が停止することとなる。

そこで、本実施形態に係る上位制御装置２０は、増段後の各熱源機１１の負荷が停止負荷値以下となる場合、熱源機１１の増段をしない。

図６は、本実施形態に係る熱源機増段処理の流れを示すフローチャートである。なお、ステップ１００からステップ１０６及びステップ１１０の処理は上位制御装置２０によって実行され、ステップ１０８，１１２の処理は、熱源機制御装置１０によって実行される。

まず、ステップ１００では、運転する熱源機１１の増段を必要とする新たな要求負荷が入力されたか否かを判定し、肯定判定の場合はステップ１０２へ移行する。

ステップ１０２では、増段後の各熱源機１１の負荷を演算する。

次のステップ１０４では、ステップ１０２で演算された各熱源機１１の負荷が停止負荷以下であるか否かを判定し、肯定判定の場合はステップ１０６へ移行する。一方、否定判定の場合はステップ１１０へ移行する。

ステップ１０６では、非増段指令と共に、入力された要求負荷に近づくように、起動中の熱源機１１の負荷を増加させる負荷増加指令が出力される。

次のステップ１０８では、非増段指令及び負荷増加指令が入力された熱源機制御装置１０が、起動中の熱源機１１の負荷を増加させる。すなわち、熱源機１１は、予め定められた上限値（本実施形態では負荷率範囲の上限）を超えて運転することとなる。すなわち、熱源機１１は、ＣＯＰが低下しても、要求負荷を満たすことを優先して運転されることとなる。
これにより、熱源機１１の増段をしないと判定されても、要求負荷に近づくように熱源システム１が運転される。
なお、ステップ１０８が終了した後、熱源機増段処理はステップ１００へ戻る。

一方、ステップ１１０では、増段指令が出力される。

次のステップ１１２では、増段指令が入力された熱源機制御装置１０が、熱源機１１を新たに起動させる。
なお、ステップ１１２が終了した後、熱源機増段処理はステップ１００へ戻る。

以上説明したように、本実施形態に係る上位制御装置２０は、起動中の熱源機１１に対して予め定められた上限値以上となる負荷が要求された場合、要求負荷に応じて熱源機１１を増段したと仮定して、増段後の各熱源機１１の負荷を演算する。そして、上位制御装置２０は、演算された増段後の各熱源機１１の負荷が停止負荷値以下となる場合、熱源機１１の増段をしないと判定する。

これにより、本実施形態に係る上位制御装置２０は、増段によって熱源機１１の負荷が小さくなり、熱源機１１が停止する軽負荷となる場合には熱源機１１を増段しない。従って、台数制御を行うことによって熱源機１１が軽負荷となり停止することが防止される。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記各実施形態では、熱源機１１の容量制御範囲の下限値である停止負荷値が運転条件に応じて変化する形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、熱源機１１の停止負荷値を運転条件に応じて変化しない固定値とする形態としてもよい。

また、上記実施形態で説明した熱源機増段処理の流れも一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

１ 熱源システム
２０ 上位制御装置
２２ 記憶部
２３ 負荷演算部
２４ 増段判定部
２５ 起動指示部
２６ 停止指示部

Claims (4)

1. 軽負荷で停止する複数の熱源機を備える熱源システムに適用され、各前記熱源機に対して起動指令及び停止指令を出力することにより、前記熱源機の台数制御を行う熱源システムの台数制御装置であって、
   起動中の前記熱源機に対して予め定められた上限値以上となる負荷が要求された場合、要求負荷に応じて前記熱源機を増段したと仮定して、増段後の各前記熱源機の負荷を演算する演算手段と、
   前記演算手段によって演算された増段後の各前記熱源機の負荷が、運転点がサージ範囲となる軽負荷において前記熱源機が停止する所定値である停止負荷値以下となる場合、前記熱源機の増段をしないと判定する判定手段と、
   を備え、
   前記停止負荷値は、前記熱源機の運転条件に応じて変化する熱源システムの台数制御装置。
2. 前記判定手段によって前記熱源機の増段をしないと判定された場合、前記熱源機は、要求負荷を満たすように前記上限値を超えた運転を行う請求項１記載の熱源システムの台数制御装置。
3. 軽負荷で停止する複数の熱源機と、
   請求項１または２に記載の台数制御装置と、
   を備える熱源システム。
4. 軽負荷で停止する複数の熱源機を備える熱源システムに適用され、各前記熱源機に対して起動指令及び停止指令を出力することにより、前記熱源機の台数制御を行う熱源システムの台数制御方法であって、
   起動中の前記熱源機に対して予め定められた上限値を超える負荷が要求された場合、要求負荷に応じて前記熱源機を増段したと仮定して、増段後の各前記熱源機の負荷を演算する第１工程と、
   前記第１工程によって演算された増段後の各前記熱源機の負荷が、運転点がサージ範囲となる軽負荷において前記熱源機が停止する所定値である停止負荷値以下となる場合、前記熱源機の増段をしないと判定する第２工程と、
   を有し、
   前記停止負荷値は、前記熱源機の運転条件に応じて変化する熱源システムの台数制御方法。

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