JP6971364B1 - 熱源システムの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源システム全体の消費電力を抑制し、省エネルギー化を図った熱源システムの制御方法を提供する。【解決手段】ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２との間にブラインを循環させ、ヒートポンプ１１で冷却されたブラインをヒーティングタワー１２で外気と熱交換させて加熱する熱源システム１０を最適に制御するための制御方法において、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度が外気乾球温度の一次式で表される設定値となるように、ヒーティングタワー１２のファン３１をインバータ制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプとヒーティングタワーを備えた空調用の熱源システムを最適に制御するための熱源システムの制御方法及び制御装置に関する。

地域冷暖房プラントや個別熱源プラント等では、ヒートポンプとヒーティングタワーとの間にブラインを循環させ、ヒートポンプで冷却されたブラインをヒーティングタワーで外気と熱交換させて加熱する熱源システムが利用されている。

従来、この種の熱源システムにおいて、ヒーティングタワーで外気と接触して希釈した不凍液を濃縮する際に、外気乾球温度の予測値と外気絶対湿度の予測値を用いて不凍液濃度が設定範囲となるように濃縮運転操作を制御する方法（例えば、特許文献１参照）や、水冷式ヒートポンプシステムのヒーティングタワーの除霜を簡便に行う方法（例えば、特許文献２参照）等が提案されている。

特開平４−２９５５２７号公報 特開２００５−３００１０６号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の方法では、不凍液の濃縮方法について最適に制御し、熱源システムを円滑に運転するための方法であり、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計動力を最小化する制御が行われていない。

また、上記した特許文献２に記載の方法では、デフロスト運転を簡便に行い、熱源システムを円滑に運転するための方法であり、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計動力を最小化する制御は行われていない。

したがって、特許文献１及び２に記載の方法では、熱源システム全体の消費電力を抑制することができないという問題がある。

本発明は、上記した課題を解決すべくなされたものであり、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計動力を最小化する制御を行い、熱源システム全体の消費電力を抑制し、省エネルギー化を図ることのできる熱源システムの制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するため、本発明は、ヒートポンプとヒーティングタワーとの間にブラインを循環させ、該ヒートポンプで冷却されたブラインを該ヒーティングタワーで外気と熱交換させて加熱する熱源システムを最適に制御するための制御方法において、前記ヒーティングタワーのブライン出口温度が外気乾球温度の一次式で表される設定値となるように、該ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、外気露点温度が０℃未満の時は前記ブライン出口温度が該外気露点温度を超え、該外気露点温度が０℃以上の時は該ブライン出口温度が０℃を超えるように、前記ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、前記一次式は、前記ブライン出口温度をＴ_Ｂ１、外気乾球温度をＴ_ＤＢ、ａ及びｂを定数とした場合に、Ｔ_Ｂ１＝ａ×Ｔ_ＤＢ＋ｂで表されることを特徴とする。

本発明は、ヒートポンプとヒーティングタワーとの間にブラインを循環させ、該ヒートポンプで冷却されたブラインを該ヒーティングタワーで外気と熱交換させて加熱する熱源システムを最適に制御するための制御装置において、前記ヒーティングタワーのブライン出口温度が外気乾球温度の一次式で表される設定値となるように、該ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御装置において、外気露点温度が０℃未満の時は前記ブライン出口温度が該外気露点温度を超え、該外気露点温度が０℃以上の時は該ブライン出口温度が０℃を超えるように、前記ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする。

本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御装置において、前記一次式は、前記ブライン出口温度をＴ_Ｂ１、外気乾球温度をＴ_ＤＢ、ａ及びｂを定数とした場合に、Ｔ_Ｂ１＝ａ×Ｔ_ＤＢ＋ｂで表されることを特徴とする。

本発明によれば、熱源システム全体の消費電力を抑制し、省エネルギー化を図ることができる等、種々の優れた効果を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る熱源システムを示す模式図である。 ヒーティングタワーの異なるブライン出口設定温度に対して、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力を試算した結果を示す図である。 様々な外気乾球温度とブライン出口設定温度とに対してヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力を求めた結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性をヒートポンプの負荷率別に示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱源システムにおけるデフロスト運転例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る熱源システムにおけるデフロスト運転の有無と外気露点温度及びブライン出口温度との関係性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法及び制御装置の消費電力量の試算結果を従来制御と比較して示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
（熱源システム１０の概要）
まず、図１を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０について説明する。ここで、図１は熱源システム１０を示す模式図である。

本発明の実施の形態に係る熱源システム１０は、ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２との間にブラインを循環させ、ヒートポンプ１１で冷却されたブラインをヒーティングタワー１２で外気と熱交換させて加熱するシステムである。

ヒートポンプ１１は、凝縮器１３、蒸発器１４、圧縮機１５、及び膨張弁１６を備えている。ヒートポンプ１１の凝縮器１３側には温水の循環路１７が形成され、温水の循環路１７に温水循環ポンプ１８が設けられている。

ヒートポンプ１１の蒸発器１４側とヒーティングタワー１２との間には、不凍液であるブラインの循環路１９が形成されており、ブラインの循環路１９には、循環ポンプ２０と膨張タンク２１が取り付けられている。また、ヒーティングタワー１２への入口近傍のブラインの循環路１９には、第１切替弁２２が取り付けられている。なお、図１は、第１切替弁２２が開放されている状態を示している。ヒーティングタワー１２からの出口近傍のブラインの循環路１９には、温度センサ２３が取り付けられており、この温度センサ２３によってヒーティングタワー１２から流出するブラインの出口温度が計測される。

ヒーティングタワー１２には、デフロスト運転を行うためのデフロスト設備２４が設けられている。デフロスト設備２４には、デフロスト循環路２５が形成されており、デフロスト循環路２５には、ヒータ２６、循環ポンプ２７、及び第２切替弁２８、が設けられている。なお、図１は、第２切替弁２８が閉鎖されている状態を示している。

熱源システム１０には、コントローラ３０が設けられている。コントローラ３０には、ヒーティングタワー１２のファン３１の回転数を制御するインバータ３２と、屋外に設置される外気温度センサ３３及び外気湿度センサ３４と、前記温度センサ２３とが接続されている。

コントローラ３０は、熱源システム１０における制御装置として機能し、熱源システム１０全体の動力を最小化する制御やデフロスト運転の時間を最適化する制御などを実行する。

（熱源システム１０全体の動力を最小化する制御）
次に、図２〜図５を参照して、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０全体の動力を最小化する制御の方法について説明する。ここで、図２は、ヒーティングタワーの異なるブライン出口設定温度に対して、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力を試算した結果を示す図、図３は、様々な外気乾球温度とブライン出口設定温度とに対してヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力を求めた結果を示す図、図４は、本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性を示す図、図５は、本発明の実施の形態に係る熱源システムの制御方法において、ヒートポンプとヒーティングタワーの合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性をヒートポンプの負荷率別に示す図である。

従来制御では、ヒーティングタワー１２のファン３１を最大周波数にして、できる限りブラインの温度を上げるように制御していたため、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度は成り行きとなっていた。

そこで、以下の試算条件に基づき、ブライン出口設定温度を変更した時のヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力をエネルギーシミュレーションによって求めた。

［試算条件］
１．機器仕様（外気乾球温度 ０℃の時）
（１）ヒートポンプ
・加熱能力：１，４４５ｋＷ
・定格消費電力：５１１．８ｋＷ
・温水出口温度：４８℃
・温水入口温度：４１．２℃
・ブライン入口温度：−７．６℃
・ブライン出口温度：−１０．４
（２）ヒーティングタワー
・定格消費電力：１１ｋＷ ×１２台
・ブライン出口温度：−８．５℃
・ブライン入口温度：−１１．０℃
２．ヒートポンプの負荷率：１００％
３．外気乾球温度：１０℃（中間期の３月、１１月頃を想定）

上記試算条件に基づくエネルギーシミュレーションの結果、図２に示すように、前記従来制御では、ブライン出口温度が約５．２℃となり、ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力は４６０ｋＷとなった。また、 ヒーティングタワー１２のファン３１の動力とヒートポンプ１１の消費電力にはブライン設定温度によるトレードオフの関係があり、ブライン設定温度が３℃の時にヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力が最小となることが分かった。

したがって、前記従来制御のようにヒーティングタワー１２のファン３１を常に最大周波数で運転するのではなく、ヒーティングタワー１２の最適なブライン出口設定温度で制御することによって、エネルギー削減効果を得ることができることが分かった。

そこで、上記試算条件と同じ条件で、外気乾球温度及びブライン出口設定温度を変えてヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力をエネルギーシミュレーションによって求めた。その結果、図３に示すように、各外気乾球温度においてヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力が最小となるブライン出口設定温度は、外気乾球温度が高いほど高くなる傾向が見られた。なお、図３において、各外気乾球温度における最小の消費電力を矩形太枠で囲って示している。

図４は、上記エネルギーシミュレーションの結果により得られたヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性を示している。なお、図４では、上記エネルギーシミュレーションに使用したヒートポンプ１１のブライン温度の受入れ上下限値が−１０℃から＋１５℃であったため、最適なブライン温度幅は余裕を見て、−９℃から１４℃とした。

図４によれば、ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性は、
ｙ＝１．２０７Ｘ−８．４４２
の一次式の形で表されることが分かった。

図５は、ヒートポンプ１１の負荷率を３０％から１００％の間で変化させて実施したエネルギーシミュレーションによって得られた、ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力が最小となる外気乾球温度とブライン出口設定温度との関係性を示す図である。図５によれば、負荷率が小さいほど、同じ外気乾球温度に対する最適なブライン出口設定温度は高くなるが、いずれの負荷率においても、最適なブライン出口設定温度は外気乾球温度の一次式で表されることが分かった。

これにより、最適なブライン出口設定温度は、次式（１）の一次式で表され、このブライン出口設定温度になるようにヒーティングタワー１２のファン３１をインバータ制御することにより、ヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力を最小にすることができることを見いだした。

［式（１）］
Ｔ_Ｂ１＝ａＴ_ＤＢ＋ｂ
Ｔ_Ｂ１：ブライン出口設定温度
Ｔ_ＤＢ：外気乾球温度
ａ，ｂ：定数

なお、上式（１）内の定数ａ，ｂ は、ヒートポンプ１１の負荷率や熱源システム１０の構成（ヒートポンプ１１の種類や数）によって変わるため、ヒートポンプ１１の負荷率や熱源システム１０が異なる場合には、それぞれの定数ａ，ｂを求める。

（デフロスト運転の時間を最適化する制御）
次に、図６及び図７を参照して、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０のデフロスト運転の時間を最適化する制御の方法について説明する。ここで、図６は本発明の実施の形態に係る熱源システムにおけるデフロスト運転例を示す模式図、図７は、本発明の実施の形態に係る熱源システムにおけるデフロスト運転の有無と外気露点温度及びブライン出口温度との関係性を示す図である。

一般的に、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０のような熱源システムでは、外気条件によってヒーティングタワー１２の熱交換部に霜が付着して外気の流れが阻害されることで熱交換量が減少すると、デフロスト（除霜）運転が必要になる。そして、ヒーティングタワー１２の熱交換部に霜が付着すると、熱交換部における差圧が大きくなるため、計測した差圧が予め設定した閾値を超えた時に、デフロスト運転を開始するようになっている。

図６は、４台のヒーティングタワー１２が並列に配置されている本発明の実施の形態に係る熱源システム１０において、最も右側の１台のヒーティングタワー１２のみがデフロスト運転している例を示している。したがって、最も右側の１台のヒーティングタワー１２では、第１切替弁２２が閉鎖され、第２切替弁２８が開放されているが、他の３台のヒーティングタワー１２では、第１切替弁２２が開放され、第２切替弁２８が閉鎖されている。この運転例では、計測した差圧に基づきデフロスト運転が必要であると判断されると、それぞれのヒーティングタワー１２で７分ずつ順番に第１切替弁２２及び第２切替弁２８が切り替えられてデフロスト運転が行われ、合計２８分（７分×４台）でデフロスト運転が完了する。

このように４台中１台のヒーティングタワー１２がデフロスト運転を行っていると、残りの３台のヒーティングタワー１２でヒートポンプ１１へ送るブラインの温度を上げなければならないため、デフロスト運転が行われていない時に比べてヒートポンプの効率が低下して消費電力が大きくなる。さらに、デフロスト運転時にはデフロスト用のヒータ２６と循環ポンプ２７を使用するため、ヒーティングタワー１２も余分な電力を消費する。

ヒーティングタワー１２のファン３１を最大周波数で運転してブライン出口温度をできる限り高くする従来制御と比較して、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０の制御では、ヒーティングタワー１２のブライン出口設定温度を、上式（１）の一次式で表されるブライン出口設定温度となるようにヒーティングタワー１２のファン３１をインバータ制御するため、ブライン出口温度が低くなる。そのため、着霜する頻度が増えて、ヒーティングタワー１２のデフロスト運転の時間が長くなる分、消費電力が増加する可能性がある。

そこで、ヒーティングタワー１２のデフロスト運転の時間をできるだけ短くするため、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０において、デフロスト運転の有無と、その時の外気条件やシステムの運用状況を調査分析した。その結果、図７に示すように、外気露点温度とブライン出口温度とによって、ヒーティングタワー１２のデフロスト運転の有無を判別できることが分かった。

図７は、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０におけるデフロスト運転の有無と外気露点温度及びブライン出口温度との関係性を示しており、１時間のうち１分でもいずれかのヒーティングタワー１２がデフロスト運転をしている場合はデフロスト運転（図中の黒丸）とし、デフロスト運転をまったく行っていない時間は通常運転（図中の白丸）とした。図７によれば、外気露点温度が０℃未満の場合には、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度が外気露点温度より低くなるとデフロスト運転となり、外気露点温度が０℃以上の場合には、ブライン出口温度が０℃以下でデフロスト運転となる傾向が見られた（図７中の補助線Ｌより下方部分）。これにより、デフロスト運転の有無と外気露点温度及びブライン出口温度との関係性は、次式（２）で表されることを見いだした。

［式（２）］
Ｔ_Ｂ２＝Ｔ_ＤＰ＋ｃ （Ｔ_ＤＰ＜０）
Ｔ_Ｂ２＝ｃ （Ｔ_ＤＰ≧０）
Ｔ_Ｂ２：ブライン出口設定温度
Ｔ_ＤＰ：外気露点温度
ｃ：任意の定数（具体的な設定例として、ｃ＝１）
なお、上式（２）内の定数ｃは安全側になるように追加している。

そして、ヒーティングタワー１２のブライン出口設定温度が上式（２）で表される外気露点温度以上となるようにヒーティングタワー１２を運転することにより、デフロスト運転の時間を前記従来制御と同等にすることができることが分かった。

（本発明の最適な制御方法）
上記したように、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度設定温度を、上式（１）のように外気乾球温度の一次式で表される設定値にすることで、ヒーティングタワー１２とヒートポンプ１１の合計の消費電力を最小にすることができる。

一方、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度設定温度を上式（１）で求めた設定値にすると、デフロスト運転の頻度が増加することから、デフロスト運転を前記従来制御と同程度に抑えるために、ブライン出口温度設定値を上式（２）で表される外気露点温度以上にする制御を加えることで、デフロスト運転の時間を削減できることが分かった。

すなわち、本発明の最適な制御方法は、ヒーティングタワー１２のブライン出口温度設定温度を、上式（１）と（２）の制御を加えた次式（３）で表される設定値で制御することであることを見いだした。

［式（３）］
Ｔ_Ｂ３＝ｍａｘ（Ｔ_Ｂ１，Ｔ_Ｂ２）
Ｔ_Ｂ３：ブライン出口設定温度

なお、実際に本発明の上記制御を導入する際には、ヒートポンプ１１のブラインの出入口温度条件に合わせて上下限値を設けるのが良い。例えば、上限値、下限値がそれぞれ、１５℃、−１０℃の場合には、上式（３）によって求められた設定温度が１５℃を超える時は１５℃とし、−１０℃未満の時は−１０℃とする。

（効果）
上記した熱源システム１０の制御方法及び制御装置を実際のシステムに導入した場合に、ヒーティングタワー１２のファン３１を最大周波数で運転してブライン出口温度をできる限り高くする前記従来制御と比較して、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０の制御がどの程度の効果があるかについて、以下の試算条件に基づき、試算した。

［試算条件］
１．機器仕様
（１）ヒートポンプ
・加熱能力：３，５１７ｋＷ
・定格消費電力：１，０８７ｋＷ
ヒートポンプ
・加熱能力：２，８９０ｋＷ
・定格消費電力：１０２３．６ｋＷ
ヒートポンプ
・加熱能力：１，４４５ｋＷ
・定格消費電力：５１１．８ｋＷ
ヒートポンプ
・加熱能力：１，４４５ｋＷ
・定格消費電力：５１１．８ｋＷ
（２）ヒーティングタワー
・定格消費電力：１１ｋＷ ×２６台
２．外気条件
・負荷条件：１１月〜３月の５か月間（３,６２４ｈ）の実測データを使用

図８は、本発明の実施の形態に係る熱源システム１０におけるヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力量の試算結果を、前記従来制御におけるヒートポンプ１１とヒーティングタワー１２の合計消費電力量と比較して示している。なお、図８中、本発明の制御（１）は、上式（１）で求められるブライン出口設定温度を設定値として熱源システム１０を制御するケースであり、本発明の制御（３）は、上式（３）で求められるブライン出口設定温度を設定値として熱源システム１０を制御するケースである。

この時、従来制御、本発明の制御（１）、本発明の制御（３）の３つのケースのデフロスト運転の予想時間を、ブライン出口設定温度の計算値が上式（２）の条件を下回る時間として求めた結果、従来制御の場合が２１７ｈ、本発明の制御（１）の場合が４５７ｈ、本発明の制御（３）の場合が２１４ｈとなった。そこで、このデフロスト運転の予想時間を基に、上記した３つのケースについて、デフロストに要する消費電力量を求め、図８中に、デフロスト運転による増加分（図８中のハッチング部分）として示した。

図８によれば、デフロスト運転に伴う消費電力量を考慮しない場合、本発明の制御（１）に比べて本発明の制御（３）の方が、消費電力量が大きくなり、従来制御に対する電力消費量の削減率は、本発明の制御（１）のケースで９．２％、本発明の制御（３）のケースで７．７％であった。

一方、デフロスト運転に伴う消費電力量を考慮した場合、本発明の制御（１）に比べて本発明の制御（３）の方が、消費電力量が小さくなり、従来制御に対する電力消費量の削減率は、本発明の制御（１）のケースで６．３％、本発明の制御（３）のケースで７．６％であった。これにより、本発明の制御（３）のケースにおいて、ブライン出口温度を最適に制御できることが確認された。

上記したように本発明の実施の形態に係る熱源システム１０の制御方法及び制御装置によれば、ヒーティングタワー１２の動力とヒートポンプ１１の動力のトレードオフの関係を考慮した制御を行うことで、熱源システム１０の運用を効率化する最適制御方法を提供することができ、従来制御に比べて大幅に消費電力を抑えることができる。

なお、上記した本発明の実施の形態の説明は、本発明に係る熱源システム１０の制御方法及び制御装置における好適な実施の形態を説明しているため、技術的に好ましい種々の限定を付している場合もあるが、本発明の技術範囲は、特に本発明を限定する記載がない限り、これらの態様に限定されるものではない。

１０ 熱源システム
１１ ヒートポンプ
１２ ヒーティングタワー
３１ ファン

Claims (6)

1. ヒートポンプとヒーティングタワーとの間にブラインを循環させ、該ヒートポンプで冷却されたブラインを該ヒーティングタワーで外気と熱交換させて加熱する熱源システムを最適に制御するための制御方法において、
   前記ヒーティングタワーのブライン出口温度が外気乾球温度の一次式で表される設定値となるように、該ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする熱源システムの制御方法。
2. 外気露点温度が０℃未満の時は前記ブライン出口温度が該外気露点温度を超え、該外気露点温度が０℃以上の時は該ブライン出口温度が０℃を超えるように、前記ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする請求項１に記載の熱源システムの制御方法。
3. 前記一次式は、前記ブライン出口温度をＴ_Ｂ１、外気乾球温度をＴ_ＤＢ、ａ及びｂを定数とした場合に、Ｔ_Ｂ１＝ａ×Ｔ_ＤＢ＋ｂで表されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源システムの制御方法。
4. ヒートポンプとヒーティングタワーとの間にブラインを循環させ、該ヒートポンプで冷却されたブラインを該ヒーティングタワーで外気と熱交換させて加熱する熱源システムを最適に制御するための制御装置において、
   前記ヒーティングタワーのブライン出口温度が外気乾球温度の一次式で表される設定値となるように、該ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする熱源システムの制御装置。
5. 外気露点温度が０℃未満の時は前記ブライン出口温度が該外気露点温度を超え、該外気露点温度が０℃以上の時は該ブライン出口温度が０℃を超えるように、前記ヒーティングタワーのファンをインバータ制御することを特徴とする請求項４に記載の熱源システムの制御装置。
6. 前記一次式は、前記ブライン出口温度をＴ_Ｂ１、外気乾球温度をＴ_ＤＢ、ａ及びｂを定数とした場合に、Ｔ_Ｂ１＝ａ×Ｔ_ＤＢ＋ｂで表されることを特徴とする請求項４又は５に記載の熱源システムの制御装置。

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