JP7116528B2 - 冷却水送水制御システム及び冷却水送水制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷却水送水制御システム及び冷却水送水制御方法に関する。

施設内に設置される複数の厨房用冷蔵庫に要求される負荷は、扉の開閉頻度及び周囲温度等の各種条件に応じて変動する。また、各厨房用冷蔵庫を冷却する冷凍機の負荷も、それぞれの厨房用冷蔵庫の要求負荷に伴って変動する。このため、既定の流量の冷却水を送水し続けた場合、冷却水ポンプの搬送動力は無駄になる。一方、空調システムについては、送水量を調整する流量調整弁の開度又は送水される冷却水の温度等を検出して送水量を制御し、消費電力を低減する技術が提案されている（例えば、特許文献１から４を参照）。

特許第４４２２５７２号公報 特許第４５９４２７６号公報 特許第４４０６７７８号公報 特許第４７４８１７５号公報

空調システムに要求される負荷は、主に周囲の温度に応じて変動する。これに対し、厨房用冷蔵庫は、当該厨房用冷蔵庫を使用する店舗の営業時間、混雑度等に応じて扉の開閉頻度が変動する。即ち、厨房用冷蔵庫を冷却する冷凍機に要求される負荷は、周囲の温度だけでなく、扉の開閉頻度の影響も受けるため、空調システムよりも大きく変動することが考えられる。また、厨房用冷蔵庫ごとに使用状況が異なるため、それぞれの冷凍機に要求される負荷は様々である。さらに、外食テナントが多数入居しているビルでは厨房用冷蔵庫が多数設置されるため、室外機を設置しない水冷式冷凍機が採用されることが想定される。したがって、冷却水ポンプの容量を各冷凍機の設計水量の合算により決定した場合、冷却水ポンプの容量が増大し、初期費用及び運用コストは増加することが考えられる。

そこで、本発明は、厨房用冷蔵庫の冷凍機に供給する冷却水量を負荷に応じて制御することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、冷凍機が有する凝縮器の凝縮圧力に応じて開度が変化する制水弁を冷却水配管上に設けることにした。

詳細には、本発明は、冷却水送水制御システムであって、凝縮器を有する複数の冷凍機と、各冷凍機に接続される冷却水配管上に設けられ、各冷凍機の凝縮器の凝縮圧力に応じて開度が変化する制水弁と、受水槽から汲み上げた冷却水を複数の冷凍機に送水するポンプユニットと、を備える。

上記の冷却水送水制御システムであれば、凝縮器の凝縮圧力に応じて、冷却水の流量は負荷設備から要求される流量に制限されるため、ポンプユニットが受水槽から汲み上げて冷凍機に送水する冷却水量は抑制される。このため、ポンプユニットの消費電力は減少し、冷却水送水制御システムの運転コストは削減される。凝縮器の凝縮圧力は、冷媒圧力と
もいう。

なお、ポンプユニットは、インバータと圧力センサとを備え、インバータの周波数を制御することにより、圧力センサで検知される冷却水の吐出圧力が所定の圧力に保たれるように制御するものであってもよい。このようなポンプユニットであれば、要求される冷却水の流量に応じて、ポンプユニットにより送水される冷却水の吐出圧力が制御される。不要な冷却水の送水が抑制されるため、ポンプユニットの消費電力も抑制され、冷却水送水制御システムの運転コストは削減される。所定の圧力は、冷却水送水制御システムが備える冷凍機の台数又は各冷凍機に送水される冷却水の流量の平均値等に応じて設定される圧力である。

また、ポンプユニットは、複数のポンプを備え、圧力センサで検知される冷却水の吐出圧力が所定の圧力に近づくように、複数のポンプの運転台数を制御するものであってもよい。このようなポンプユニットであれば、冷却水送水制御システムが備える冷凍機の台数や稼働台数の増減に対して、ポンプユニットによる吐出圧力を適切に制御することができる。

また、制水弁は、冷却水配管上の凝縮器の出口側に設けられるものであってもよい。このような制水弁であれば、凝縮器の凝縮圧力が所定値を超えると故障防止のために冷凍機２０の運転を停止する高圧カットを抑制することができる。

なお、本発明は、方法の側面から捉えることもできる。例えば、本発明は、凝縮器を有する複数の冷凍機と、各冷凍機に接続される冷却水配管上に設けられる制水弁と、ポンプユニットとを備える冷却水送水制御システムの冷却水送水制御方法であって、各冷凍機の凝縮器の凝縮圧力に応じて制水弁の開度を変化させ、ポンプユニットにより受水槽から汲み上げた冷却水を複数の冷凍機に送水するものであってもよい。

本発明によれば、厨房用冷蔵庫の冷凍機に供給する冷却水量を負荷に応じて制御することが可能となる。

図１は、実施形態に係る冷却水送水制御システムの構成を例示する図である。 図２は、制水弁を制御する冷却水系統及び冷媒系統を説明する図である。 図３は、ポンプユニットのフィードバック制御のブロック線図を例示する図である。 図４Ａは、ポンプユニットの構成を例示する正面図である。 図４Ｂは、ポンプユニットの構成を例示する平面図である。 図５は、比較例に係る冷却水送水システムの構成を例示する図である。

以下、本願発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様を例示したものであり、本願発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る冷却水送水制御システムの構成を例示する図である。冷却水送水制御システム１は、ポンプユニット１０、冷凍機２０Ａから冷凍機２０Ｉ（以下、冷凍機２０ともいう）、制水弁２２Ａから制水弁２２Ｉ（以下、制水弁２２ともいう）、受水槽３０、及び吸込口４０を備える。図１の例では、冷却水送水制御システム１は、９台の冷凍機２０Ａから冷凍機２０Ｉを含むが、台数に制限はなく１台以上であればよい。ポン
プユニット１０が備えるポンプ１１の定格出力は、冷凍機２０の台数及び各冷凍機２０の定格流量に応じて決定される。また。冷却水送水制御システム１は、複数のポンプユニット１０を備えるものであってもよい。

ポンプユニット１０は、ポンプ１１、圧力センサ１２、及びインバータ１３を備える。ポンプ１１は、複数のポンプであってもよい。ポンプ１１は、受水槽３０に貯留される水を吸込口４０から吸い込み、各冷凍機２０に送水する。圧力センサ１２は、ポンプ１１の吐出圧力を検知する。インバータ１３は、ポンプ１１からの吐出圧力が一定となるように周波数を制御する。

冷凍機２０Ａから冷凍機２０Ｉは、それぞれ凝縮器２１Ａから凝縮器２１Ｉ（以下、凝縮器２１ともいう）を備える。各冷凍機２０は、ポンプ１１によって受水槽３０から矢印ａの向きに送水される水（以下、冷却水ともいう）を、凝縮器２１によって凝縮し、負荷設備に送水する。

制水弁２２Ａから制水弁２２Ｉは、それぞれ冷凍機２０Ａから冷凍機２０Ｉに送水される冷却水が流れる冷却水配管上に設置される。制水弁２２は、凝縮器２１の凝縮圧力が一定に保持されるように冷却水量を調節する。凝縮圧力の上昇に伴って弁の開度は徐々に大きくなり、冷却水量は増加する。反対に、凝縮圧力の低下に伴って弁の開度は徐々に小さくなり、冷却水量は減少する。制水弁２２は、好ましくは凝縮器２１の出口側に取り付けられる。制水弁２２を入口側に取り付けた場合、凝縮圧力が所定値を超えると故障防止のために冷凍機２０の運転を停止する高圧カットを生ずる可能性があるためである。

受水槽３０は、負荷設備、例えば厨房用冷蔵庫を冷却し、矢印ｂの向きに流れて戻ってくる水（以下、冷水ともいう）を貯留する。吸込口４０は、受水槽３０に貯留される水を吸い込み、吸い込まれた水は、冷却水としてポンプ１１によって冷凍機２０に送水される。また、受水槽３０には、矢印ｅで示すように新しい補給水が投入される。そして、受水槽３０に貯留される水は、矢印ｆで示すようにポンプ等によって吸水され、雑用水としても使用される。受水槽３０には常に新しい補給水が投入されるため、受水槽３０内の水は、負荷設備を冷却して暖められた冷水が戻ってきても、水温が上昇することなく所定の温度に保たれる。

＜フィードバック制御＞
図２は、制水弁を制御する冷媒系統及び冷却水系統を説明する図である。点線で示す冷媒系統において、凝縮器２１の冷媒圧力の変化に応じて、制水弁２２の開度は変化する。具体的には、負荷設備（例えば、厨房用冷蔵庫）からの要求負荷が増加すると凝縮器２１の冷媒圧力は上昇し、制水弁２２の開度は大きくなる。一方、負荷設備からの要求負荷が減少すると凝縮器２１の冷媒圧力は低下し、制水弁２２の開度は小さくなる。制水弁２２の開度が変化することにより、実線で示す冷却水系統において、冷却水の流量が制御される。制水弁２２としては、例えば、鷺宮製作所製の製ＡＷＲ形圧力式制水弁を使用することができる。当該制水弁を凝縮器２１の水回路に取付け、冷却水量を調節することにより、冷媒圧力は設定圧力に保持されるように制御され、安定した運転が可能となる。

図３は、ポンプユニットのフィードバック制御のブロック線図を例示する図である。まず、ポンプユニット１０に対し、目標とする冷却水の吐出圧力（以下、目標吐出圧力ともいう）が設定される。インバータ１３は、冷却水の吐出圧力が目標吐出圧力に近づくように周波数を制御することで、ポンプ１１の吐出圧力を制御する。制御されたポンプ１１の吐出圧力は、圧力センサ１２により検出される。インバータ１３は、検出された吐出圧力が、目標吐出圧力に近づくように周波数を制御し、ポンプ１１の吐出圧力を制御する。目標吐出圧力は、「所定の圧力」の一例である。

＜実施形態の作用効果＞
本実施形態の冷却水送水制御システム１によれば、凝縮器２１の凝縮圧力に応じて、冷却水の流量が制水弁２２によって制限され、冷凍機２０に送水する冷却水量は抑制される。冷凍機２０に送水する冷却水量が抑制されることで、ポンプユニット１０による冷却水の送水量も抑制され、ポンプユニット１０の消費電力は減少し、冷却水送水制御システム１の運転コストは削減される。

また、ポンプユニット１０が複数のポンプ１１を備える場合、冷却水の吐出圧力が所定の圧力に近づくように複数のポンプ１１の運転台数を制御することで、冷凍機２０の台数又は稼働状況に応じて、ポンプユニット１０による吐出圧力を適切に制御することができる。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はその要旨を逸脱しない限り、下記の実施例に限定されるものではない。

本実施例において、外食テナントが入居するビルの厨房冷蔵庫用冷凍機に対する送水量を制御することによるコスト削減の効果を以下の方法で評価した。

＜実施例＞
図１に示す冷却水送水制御システム１により実施例を説明する。厨房用冷蔵庫は、テナントの営業時間や混雑度等に応じて要求される負荷が異なる。このため冷凍機２０ごとに求められる冷却水量を計測した。冷凍機２０Ａから冷凍機２０Ｉの流量は、それぞれ４０Ｌ／ｍｉｎ、６０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎ、４０Ｌ／ｍｉｎ、６０Ｌ／ｍｉｎ、６０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎ、４０Ｌ／ｍｉｎであった。

〔ポンプユニット〕
各冷凍機２０の流量の計測結果より、ポンプ１１の容量は３６０Ｌ／ｍｉｎ以上であればよい。ポンプユニット１０として、容量３６０Ｌ／ｍｉｎ、圧力（揚程）５１ｍ、出力３．７ｋＷのポンプ１１を２台備える自動給水装置エバラフレッシャー３１００ ４０ＢＮＢＭＥ（荏原製作所製）を用いて、吐出圧力を制御した。

図４Ａは、ポンプユニットの構成を例示する正面図である。また、図４Ｂは、ポンプユニットの構成を例示する平面図である。ポンプユニット１０は、２台のポンプ１１Ａ及び１１Ｂを備える。ポンプ１１Ａ及び１１Ｂは、受水槽３０からの水を吸い込むための吸込口１１１Ａ及び吸込口１１１Ｂをそれぞれ有する。ポンプ１１Ａ及び１１Ｂは、要求される吐出圧力に応じて、単独で又は並列で運転される。吸込口１１１Ａ又は吸込口１１１Ｂから吸い込まれた水は、吐出口１１２から冷凍機２０に送水される。吐出口１１２から送水される水の吐出圧力は、圧力センサ１２によって検知される。ポンプユニット１０は、インバータ１３を含む制御盤１４を備え、圧力センサ１２によって検知される吐出圧力が、制御盤１４で設定される所定の圧力となるように吐出圧力を制御する。図４Ｂに示すように、ポンプユニット１０は、ポンプ１１Ａ及び１１Ｂをそれぞれ駆動するモータ１５Ａ及びモータ１５Ｂを備える。モータ１５Ａ及びモータ１５Ｂは、インバータ１３による周波数の制御によって回転数が変化し、吐出口１１２からの吐出圧力が所定の圧力となるように制御される。

〔制水弁〕
時間帯に応じて厨房冷蔵庫の開閉頻度は変動し、冷凍機２０に求められる冷却水量も変動するため、各冷凍機２０に圧力式の制水弁２２（例えば、鷺宮製作所製ＡＷＲ形圧力式
制水弁）を設置し、冷凍機２０が備える凝縮器２１の凝縮圧力に応じて冷却水の流量を制御した。

〔計測結果〕
冷却水送水制御システム１において、所定の時刻に吐出圧力、電圧、電流を計測し、年間を通して使用される電力量を推定する。表１は、各計測日時に計測されたポンプ１１の吐出圧力、電圧、電流の値を示す。なお、冷却水の流量は、ポンプ１１の性能に基づいて算出される値である。ポンプ１１は、予備機としてもう１台のポンプを備えるが、表１に示す稼働率は、２台のポンプのうち運転中の１台のポンプの稼働率を示す。

電圧、電流、流量の平均値は、それぞれ約４３０Ｖ、約４．０Ａ、約１７８Ｌ／ｍｉｎである。負荷の変動によるポンプ１１の稼働率の変化を考慮し、年間を通しての電流の平均値を１．５倍の６．０Ａとすると、冷却水送水制御システム１の年間の消費電力量（三相交流電力量）は、以下の（式１）により推定される。

＜比較例＞
図５は、比較例に係る冷却水送水システムの構成を例示する図である。冷却水送水システムＰ１により比較例を説明する。

比較例に係る冷却水送水システムＰ１は、ポンプＰ１０、９台の冷凍機Ｐ２０、受水槽Ｐ３０、及び吸込口Ｐ４０を備える。ポンプＰ１０は、受水槽Ｐ３０に貯留される水を吸込口Ｐ４０から吸い込み、各冷凍機Ｐ２０に送水する。各冷凍機Ｐ２０は、それぞれ凝縮器Ｐ２１を備える。各冷凍機Ｐ２０は、ポンプＰ１０によって受水槽Ｐ３０から矢印ｃの向きに送水される冷却水を凝縮器Ｐ２１によって凝縮し、負荷設備に送水する。受水槽Ｐ３０は、負荷設備、例えば厨房用冷蔵庫を冷却し、矢印ｄの向きに流れて戻ってくる冷水を貯留する。冷却水送水システムＰ１は、定格水量が６０Ｌ／ｍｉｎの冷凍機Ｐ２０を９台備える。冷却水送水システムＰ１では、冷却水の送水量は制御されないため、容量５４０Ｌ／ｍｉｎ、圧力（揚程）７１ｍ、出力１８．５ｋＷのポンプＰ１０を用いて、各冷凍機のそれぞれに６０Ｌ／ｍｉｎで送水した。この場合、ポンプＰ１０の電流値は３３Ａ、電圧は４３０Ｖであった。冷却水送水システムＰ１の年間の消費電力量（三相交流電力量
）は、以下の（式２）により推定される。

式（１）で推定される冷却水送水制御システム１の年間の消費電力量は、式（２）で推定される比較例の冷却水送水システムＰ１の年間の消費電力量と比較して、約１７万６千ｋＷ削減されることが示された。

１・・冷却水送水制御システム：１０・・ポンプユニット：１１，１１Ａ，１１Ｂ・・ポンプ：１２・・圧力センサ：１３・・インバータ：２０・・冷凍機：２１・・凝縮器：２２・・制水弁：３０・・受水槽：４０・・吸込口

Claims (3)

1. 凝縮器を有する複数の冷凍機と、
   各冷凍機に接続される冷却水配管上に設けられ、前記各冷凍機の前記凝縮器の凝縮圧力に応じて開度が変化する制水弁と、
   受水槽から汲み上げた冷却水を前記複数の冷凍機に送水するポンプユニットと、を備え、
   前記受水槽には、前記冷凍機を通過して熱交換されて昇温した冷却水が戻ると共に該冷却水とは別の水であって該冷却水よりも温度の低い水が常に流入し、
   前記受水槽からは、前記受水槽の水が前記ポンプユニットにより冷却水として汲み上げられると共に、前記受水槽の水が用水として吸水され、
   前記ポンプユニットは、
   該ポンプユニットから吐出される冷却水の吐出圧力を検知する圧力センサと、
   前記圧力センサの出力に基づいて周波数を制御するインバータと、を有し、
   前記制水弁が圧力式制水弁であり、前記冷却水配管上の前記凝縮器の出口側に設けられ、
   前記各冷凍機の凝縮器に送られる冷却水の流量は、当該凝縮器の凝縮圧力に応じて前記圧力式制水弁によって制御されて各冷凍機から要求される流量に制限され、
   前記ポンプユニットによる冷却水の吐出圧力は、所定の圧力となるように前記インバータで制御される、
   冷却水送水制御システム。
2. 前記ポンプユニットは、複数のポンプを備え、前記圧力センサで検知される前記冷却水の吐出圧力が前記所定の圧力に近づくように、前記複数のポンプの運転台数を制御する、
   請求項１に記載の冷却水送水制御システム。
3. 冷却水送水制御システムの冷却水送水制御方法であって、
   前記冷却水送水制御システムは、
   凝縮器を有する複数の冷凍機と、
   各冷凍機に接続される冷却水配管上に設けられる制水弁と、
   受水槽から汲み上げた冷却水を前記複数の冷凍機に送水するポンプユニットと、を備
   え、
   前記受水槽には、前記冷凍機を通過して熱交換されて昇温した冷却水が戻ると共に、該冷却水とは別の水であって該冷却水よりも温度の低い水が常に流入し、
   前記受水槽からは、前記受水槽の水が前記ポンプユニットにより冷却水として汲み上げられると共に、前記受水槽の水が用水として吸水され、
   前記ポンプユニットは、
   該ポンプユニットから吐出される冷却水の吐出圧力を検知する圧力センサと、
   前記圧力センサの出力に基づいて周波数を制御するインバータと、を有し、
   前記制水弁が圧力式制水弁であり、前記冷却水配管上の前記凝縮器の出口側に設けられ、
   前記各冷凍機の前記凝縮器の凝縮圧力に応じて当該凝縮器に接続される配管上に設けられた前記圧力式制水弁の開度を変化させて前記凝縮器に送られる冷却水の流量を制御されて各冷凍機から要求される流量に制御され、
   前記ポンプユニットにより前記受水槽から汲み上げられ前記複数の冷凍機に送水される冷却水の吐出圧力が所定の圧力となるように前記インバータで制御する、
   冷却水送水制御方法。

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