JP7455627B2 - 熱源システム - Google Patents

Description

実施形態は、熱源システムに関する。

複数の熱源機と、複数の空気熱交換器を備え、空気熱交換器が設置された室内空間の温度を調整する熱源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開２０１５／１２５８６３号

複数の熱源機を用いて多数の室内空間の温度を調整する場合、一般に各室内空間に設置される１又は複数の空調装置等の負荷側装置にはそれぞれコントローラが対応付けて設けられる。そして、多数の室内空間を管理する管理装置が、各コントローラと通信を行うことにより空気熱交換器が設置されている室内空間の温度等を取得し、この取得した温度等に基づいて複数の熱源機に指示を送信することにより、熱源機から空調装置に流れる媒体の温度や流量を流量調整弁により調整し、各室内空間の温度を調整していた。このため、熱源機と、空調装置とをつなぐ配管に空調装置に流入する水の流量を調整する流量調整弁を設ける必要があった。このように流量調整弁を設けるため、流量調整弁を設けるコスト、及び流量調整弁を管理するためのコストがかかっていた。

本発明の目的は、コストを低減することができる熱源システムを得ることにある。

一実施形態に係る、熱源システムは、運転周波数の上限周波数と下限周波数が予め設定されたポンプを備え、液体を送水設定温度に加熱または冷却する複数の熱源機と、前記複数の熱源機と液体を循環させる配管で接続される複数の負荷側装置と、を含む。さらに、熱源システムは、前記複数の熱源機の動作を制御する第１制御部と、前記複数の負荷側装置の負荷の状態を管理する第２制御部と、前記第２制御部と直接又は間接的に接続され、前記負荷側装置の負荷温度を検出する温度センサと、を備える。前記第２制御部は、前記第１制御部の要求に応じて、前記温度センサが取得する前記負荷温度を取得し、当該取得した温度を前記第１制御部に送信する。前記第１制御部は、前記第２制御部から取得した前記温度に応じて、前記複数の熱源機の段数を制御すると共に前記ポンプの前記運転周波数を変更して前記配管を流れる液体の流量を制御し、前記運転周波数が前記上限周波数を超えた場合、前記送水設定温度を上げると共に前記運転周波数を下げ、前記運転周波数が前記下限周波数を下回った場合、前記送水設定温度を下げると共に前記運転周波数を上げて、前記負荷温度を目標温度となるように調整する。

実施形態に係る熱源システムの構成の一例を示す図。 同実施形態に係る熱源機のコントローラが実行する処理の一例を示すフローチャート。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、以下の実施形態に記載した内容により発明が限定されるものではない。当業者が容易に想到し得る変形は、当然に開示の範囲に含まれる。説明をより明確にするため、図面において、各部分のサイズ、形状等を実際の実施態様に対して変更して模式的に表す場合もある。複数の図面において、対応する要素には同じ参照数字を付して、詳細な説明を省略する場合もある。

図１は、実施形態の熱源システム１０１の構成の一例を示す図である。なお、熱源システム１０１は、熱媒体の液体として水を用いる場合について説明する。

図１に示すように、熱源システム１０１は、複数の熱源機１０２、複数の負荷側装置１０３（１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）、熱源機１０２と複数の負荷側装置１０３との間で水を循環させるための送水管１０４および還水管１０５、送水管１０４において熱源機１０２側と複数の負荷側装置１０３側との間に設けられている送水側ヘッダ１０７、還水管１０５において熱源機１０２側と複数の負荷側装置１０３側との間に設けられている還水側ヘッダ１０８、還水管１０５を還流する水に圧力を加えるための膨張タンク１０９等が設けられている。

また、熱源システム１０１は、各熱源機１０２に設けられる一次ポンプ１１１と、送水側ヘッダ１０７に複数設けられる二次ポンプとによって水を循環させるように構成された複式ポンプ式の熱源システムとなっている。

このような熱源システム１０１は、熱源機１０２によって所定の送水設定温度に調整した水を、送水管１０４を介して、複数の負荷側装置１０３側に送るとともに、複数の負荷側装置１０３側からの水が還水管１０５を通って熱源機１０２側に環流する構成となっている。

また、白抜きの矢印Ｗ１は、熱源機１０２から送水管１０４を介して送水側ヘッダ１０７に流れ込む水の流れを示している。さらに、白抜きの矢印Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３は、送水側ヘッダ１０７から各負荷側装置１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃにそれぞれ流れ込む水の流れを示している。この矢印Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３は、例えば、配管長等を考慮したうえで配管の直径を調整し、それぞれ同一流量となるように設計されている。つまり、Ｗ２１＝Ｗ２２＝Ｗ２３である。このように、本実施形態の熱源システム１０１においては、負荷側装置１０３に流入する水を調整する調整弁（バルブ）を設けなくても、負荷側装置１０３に送水される水の流量（Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３）は、同一となるように構成されている。そして、負荷側装置１０３を通過した水は、それぞれ還水側ヘッダ１０８に流れ込む。白抜きの矢印Ｗ３は、還水側ヘッダ１０８から複数の熱源機１０２に流れ込む水の流れを示している。

また、複数の負荷側装置１０３は、例えばビルを空調する空調装置や工場に設置される洗浄装置、乾燥装置、外気を取り込む外気装置などであり、本実施形態では、複数の負荷側装置１０３は、室内空調装置である。なお、本実施形態では、複数の負荷側装置１０３は、１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの３台の場合で説明するが、これに限るものではなく、空調の対象となる空間に応じて適宜設定される。

熱源機１０２は、要求される仕様に基づいて、また、故障した際にバックアップが可能となるように、例えば２台から十数台程度の複数台が設置されている。各熱源機１０２は、熱処理部１１０、一次ポンプ１１１、水熱交換器１１１ａ、熱源機１０２を個別に制御するユニットコントローラ１１２等を備えている。

熱処理部１１０は、本実施形態では各熱源機１０２に複数個が設けられており、例えば水と冷媒との間で熱交換を行う冷凍サイクル装置であって、水熱交換器１１１ａに供給される水を冷却および／または加熱する。なお、熱処理部１１０としては、いわゆる温水を生成可能なもの、いわゆる冷水を生成可能なもの、温水および冷水のいずれも生成可能なものを目的に応じて適宜採用することができる。

一次ポンプ１１１は、図示しないインバータによって制御されるものであり、水熱交換器１１１ａの入口側において還水管１０５に接続されている。この一次ポンプ１１１は、還水管１０５を流れる水を所定の圧力に調整した後に水熱交換器１１１ａに送っている。これにより、水熱交換器１１１ａに一定の圧力で水が送られるようになり、水熱交換器１１１ａにおいて適切な熱交換を行うことが可能になる。

ユニットコントローラ１１２は、熱源機１０２を個別に制御するものであり、水熱交換器１１１ａ内を流れる水の流量の制御等を行っている。このユニットコントローラ１１２は、熱源システム１０１全体を制御するモジュールコントローラ（第１制御部）１１３に接続されている。

モジュールコントローラ１１３は、本実施形態では複数台設置されている熱源機１０２のうちの１台に内蔵されており、熱源システム１０１を制御するための制御指令を各熱源機１０２に出力するとともに、各熱源機１０２の運転状態を取得する。

複数の負荷側装置１０３（１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）は、例えば体育館のようなある程度容量の大きな所定空間である空調対象空間Ａ内に設置される。また、本実施形態では、負荷側装置１０３は、当該空調対象空間Ａ内に設置される室内空調装置である。この複数の負荷側装置１０３を動作させ、空調対象空間Ａ内の空気と、負荷側装置１０３を通過する水との熱交換を実行することにより、空調対象空間Ａ内の空調を調整する。

負荷側装置１０３（１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ）は、それぞれ、ユニットコントローラ１２１（１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ）、温度センサ１２２（１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ）、給気ダクト１２３（１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ）を有している。ユニットコントローラ１２１は、自身が設けられる負荷側装置１０３を制御するコントローラである。つまり、負荷側装置１０３の動作を制御する。また、ユニットコントローラ１２１には、温度センサ１２２が接続されており、この温度センサ１２２は、給気ダクト１２３にそれぞれ設けられる。温度センサ１２２は、例えば、給気温度測定用のサーミスタである。このように温度センサ１２２が設けられるため、ユニットコントローラ１２１は、自身が設けられる負荷側装置１０３の給気ダクト１２３の温度を温度センサ１２２によりそれぞれ検出することが可能である。

また、負荷側装置１０３ａには、モジュールコントローラ（第２制御部）１２０が設けられている。モジュールコントローラ１２０は、ユニットコントローラ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃと接続されており、ユニットコントローラ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃからそれぞれ情報を取得できるようになっている。本実施形態では、ユニットコントローラ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃから温度センサ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃが検出する温度（つまり、給気ダクト１２３の温度）を取得できるようになっている。なお、本実施形態では、温度センサ１２２は、モジュールコントローラ１２０と間接的に接続される場合で説明するが、温度センサ１２２が体育館（所定空間）Ａ内の任意の位置に設置される場合には、温度センサ１２２は、モジュールコントローラ１２０と直接接続されるように構成してもよい。

さらに、モジュールコントローラ１２０は、熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３と通信回路Ｎ１により接続されている。この通信回線Ｎ１を介して、熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３と、負荷側装置１０３のモジュールコントローラ１２０とは、互いに情報を送受信することができるようになっている。

次に、熱源システム１０１で実行される処理について説明する。図２は、モジュールコントローラ１１３が実行する処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態では、所定の起動時間に空調対象空間Ａ内の空調が所定の目標温度となるようにスケジュールがされており、当該スケジュールに沿って、モジュールコントローラ１１３が熱源機１０２を制御する場合で説明する。

図２に示すように、モジュールコントローラ１１３は、熱源機１０２の起動時間か否かを判定する（ＳＴ１０１）。熱源機１０２の起動時間でないと判定した場合（ＳＴ１０１：ＮＯ）、モジュールコントローラ１１３は、ステップＳＴ１０１の判定処理を繰り返す。つまり、熱源システム１０１は、待機状態となる。なお、本実施形態では、熱源機１０２が起動時間になった場合に、本処理が実行される場合で説明するが、空調対象空間Ａ（所定空間）内のいずれかの箇所に操作部を設け、当該操作部の操作を受付けた場合に本処理を実行するようにしてもよい。

一方、熱源機１０２の起動時間であると判定した場合（ＳＴ１０１：ＹＥＳ）、モジュールコントローラ１１３は、熱源機１０２を起動する（ＳＴ１０２）。次に、モジュールコントローラ１１３は、複数の負荷側装置１０３をそれぞれ起動する（ＳＴ１０３）。このように負荷側装置１０３が起動すると、熱源システム１０１は、空調を開始する（ＳＴ１０４）。より詳細には、各熱源機１０２が動作し、熱源機１０２から送水設定温度に調整された水が送水管１０４を流れ、各負荷側装置１０３を通過した後、還水管１０５を通って熱源機１０２へ還水されるようになる。

次に、熱源機１０２から負荷側装置１０３へ温度取得を指示する（ＳＴ１０５）。具体的には、熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３は、通信回線Ｎ１を介して負荷側装置１０３ａのモジュールコントローラ１２０へ、各負荷側装置１０３の温度センサ１２３ａが検出している温度を取得するように指示を送信する。負荷側装置１０３ａのモジュールコントローラ１２０が当該指示を受信すると、モジュールコントローラ１２０は、ユニットコントローラ１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃから温度センサ１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃがそれぞれ検出している給気ダクトの給気ダクト温度をそれぞれ取得する。また、モジュールコントローラ１２０は、このように取得した給気ダクト温度を、熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３へ送信する。

そして、熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３は、負荷側装置１０３ａのモジュールコントローラ１２０から各負荷側装置１０３の給気ダクト温度を取得する（ＳＴ１０６）。これにより、モジュールコントローラ１１３は、空調対象空間Ａ内の所定位置に設置されている負荷側装置１０３の給気ダクト温度を取得することができる。

次に、モジュールコントローラ１１３は、空調対象空間Ａ内がスケジュールされている目標温度となるように、稼働する熱源機１０２の段数、及び流量を変更する（ＳＴ１０７）。より詳細には、空調対象空間Ａ内の温度が目標温度となるように、加熱機１０２内の段数（稼働台数）、及び送水される水の流量が調整され、調整された水が送水管１０４を介して各負荷側装置１０３に流れる。そして、各負荷側装置１０３を通過した水は、還水管１０５を通って複数の熱源機１０２に還水される。この際、複数の負荷側装置１０３により空調対象空間Ａ内の空気と、負荷側装置１０３を通過する水との熱交換が実行される。

次に、モジュールコントローラ１１３は、所定時間が経過したか否かを判定する（ＳＴ１０８）。モジュールコントローラ１１３により所定時間が経過したと判定された場合（ＳＴ１０８：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ１０５の処理へ戻る。これにより、所定時間が経過する毎に、各負荷側装置１０３の給気ダクトの温度が取得され、その取得した温度と、目標温度とから熱源機１０２の動作が決定される。このような処理が行われるため、空調対象空間Ａの空気の温度が徐々に目標温度に近づいていく。ここで、所定時間は、スケジュールを設定する際に、熱源システム１０１の管理者が任意に設定すればよい。

一方、所定時間が経過していないと判定した場合（ＳＴ１０８：ＮＯ）、モジュールコントローラ１１３は、終了時刻か否かを判定する（ＳＴ１０９）。終了時刻は、スケジュールとして予め設定されており、終了時刻は、例えば、空調対象空間Ａの利用時間の終了時刻である。モジュールコントローラ１１３が終了時刻でないと判定した場合（ＳＴ１０９：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１０８の処理へ戻り、終了であると判定した場合（ＳＴ１０９：ＹＥＳ）、この処理を終了する。つまり、モジュールコントローラ１１３は、熱源機１０２、及び各負荷側装置１０３の動作を停止する処理を実行する。

以上のように説明した熱源システム１０１によると、モジュールコントローラ１１３は、モジュールコントローラ１２０から取得した各負荷側装置１０３の温度センサ１２３が検出した温度に応じて、複数の熱源機１０２の段数（稼働する台数）及び送水管１０４へ送水する水の流量を制御し、空調対象空間Ａ内の室内温度を目標温度となるように調整することができる。したがって、熱源機１０２内の一次ポンプ１１の変流量制御により空調対象空間Ａ内の室内温度を制御するために負荷側装置１０３に送水管１０４から流入する水を調整する流量調整弁を設ける必要がなく、熱源システム１０１のコストを低減することができる。

これに伴って、熱源システム１０１は、熱源システム１０１の配管システムの負荷が減少したときに流量調整弁の開度が小さくなった時の閉塞運転を防止するためのバイパス配管（送水側ヘッダ１０７より上流側、かつ還水側ヘッダ１０８より下流側で負荷側装置１０３と並行に配置される配管）、バイパス配管の流量を調整するバイパス流量調整弁、負荷側装置１０３側に配置される差圧計、負荷側装置１０３側で負荷側流量を検出するための流量計、往水・還水温度センサを設ける必要がなくなり、熱源機１０２を含むシステム、及び複数の負荷側装置１０３を含むシステムを統合するための環境を整備するためのコストや施工コストを不要とすることができる。

また、上記実施形態では、温度センサ１２３を負荷側装置１０３の給気ダクトに設置することとしたが、これに限るものではない。例えば、空調対象空間Ａ（上記実施形態では例えば、体育館）内の所定位置（例えば、負荷側装置１０３）に温度センサを設置し、当該温度センサが検出する温度を熱源機１０２のモジュールコントローラ１１３が負荷側装置１０３ａのモジュールコントローラ１２０から取得するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、熱源機１０２から負荷側装置１０３へ送水される送水設定温度を変更する制御については言及していないが、以下のように送水設定温度の制御を実行するようにしてもよい。すなわち、モジュールコントローラ１１３が一次ポンプ１１を運転する運転周波数に対して周波数の閾値（上限周波数、及び下限周波数）を予め設定しておく。そして、一次ポンプ１１の運転周波数が閾値を超えた場合に、モジュールコントローラ１１３が熱源機１０２の送水設定温度を変更するようにする。具体的には、モジュールコントローラ１１３は、上限周波数を超えた場合は、送水設定温度を上げると共に運転周波数を下げ、下限周波数を下回った場合は、送水設定温度を下げると共に運転周波数を上げる。また、上記実施形態では、体育館のようなある程度大きな空調対象空間としたが、これに限るものではない。例えば、複数に区画された小空間を合わせた空調対象空間でもよい。この場合、それぞれの小空間の熱負荷に対して対応する台数の負荷側装置を設置しても良い。

このように構成すると、負荷の増減によって一次ポンプ１１の運転周波数が上限周波数、又は下限周波数に到達した場合、送水設定温度が変化し、熱源機１０２の揚程の最高周波数、又は最低周波数で運転させないようにすることができる。したがって、熱源機１０２内の一次ポンプ１１での変流量制御による温度制御ができない状態となり、熱源機１０２の運転範囲が狭くなってしまうという事態を回避することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１…熱源システム、１０２…熱源機、１０３，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ…負荷側装置、１０４…送水管、１０５…還水管、１０７…送水側ヘッダ、１０８…還水側ヘッダ、１１２…ユニットコントローラ（熱源機）、１１３…モジュールコントローラ（熱源機）、１２０…モジュールコントローラ（負荷側装置）、１２１、１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ…ユニットコントローラ（負荷側装置）、１２２、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ…温度センサ、１２３、１２３ａ，１２３ｂ，１２３ｃ…給気ダクト

Claims (3)

1. 運転周波数の上限周波数と下限周波数が予め設定されたポンプを備え、液体を送水設定温度に加熱または冷却する複数の熱源機と、
   前記複数の熱源機と、液体を循環させる配管で接続される複数の負荷側装置と、
   を含む熱源システムであって、
   前記複数の熱源機の動作を制御する第１制御部と、
   前記複数の負荷側装置の負荷の状態を管理する第２制御部と、
   前記第２制御部と直接又は間接的に接続され、前記負荷側装置の負荷温度を検出する温度センサと、
   を備え、
   前記第２制御部は、前記第１制御部の要求に応じて、前記温度センサが取得する前記負荷温度を取得し、当該取得した温度を前記第１制御部に送信し、
   前記第１制御部は、前記第２制御部から取得した前記温度に応じて、前記複数の熱源機の段数を制御すると共に前記ポンプの前記運転周波数を変更して前記配管を流れる液体の流量を制御し、前記運転周波数が前記上限周波数を超えた場合、前記送水設定温度を上げると共に前記運転周波数を下げ、前記運転周波数が前記下限周波数を下回った場合、前記送水設定温度を下げると共に前記運転周波数を上げて、前記負荷温度を目標温度となるように調整する、
   熱源システム。
2. 前記負荷側装置は所定空間内の空調を調整する空調装置であって、前記温度センサは、前記空調装置の給気ダクト又は前記所定空間内の任意の位置に設けられる、
   請求項１に記載の熱源システム。
3. 前記複数の負荷側装置にそれぞれ送られる前記液体の流量は、同一流量である、
   請求項１又は２に記載の熱源システム。

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