JPH0443239A - 蓄熱式水熱源空調システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱源機器の稼働によって蓄熱槽に冷温水を蓄
え、この冷温水を空調機に循環して建物内の空調を行な
う蓄熱式水熱源空調システムの運転方法に関する。

〔従来の技術〕

ビル空調に汎用されている水熱源空調システムは２周知
のように１例えば建物の地階に熱源水を蓄える蓄熱槽を
構築し、この蓄熱槽内の熱源水を各階の空調機例えばフ
ァンコイルユニットやヒートポンプユニットのコイルや
水側熱交換器に通水して冷暖房を行なうものであり、冷
温水の製造のための熱源機器が付設される。この熱源機
器としては冷水製造には冷凍機、温水製造にはボイラー
やヒートポンプが使用され、これらの熱源機器の稼働に
よる蓄熱運転が行われる。冷房を例にすると、省コスト
運転のために安価な夜間電力を利用して冷凍機を稼働し
て蓄熱槽に冷水を蓄え、−これを翌日の空調運転当日に
使用するのが最も一般的である。運転当日に蓄熱槽内の
冷水が不足するとＣ熱源水温度が上昇すると）冷房運転
と蓄熱運転（冷水製造運転）とを併用することも行われ
る。

蓄熱槽には高温槽と低温槽が設けられ、これらの間に連
通管式やもぐり堰方式を利用して温度成層が形成される
ようにした蓄熱用の槽が設けられるのが一般である。冷
房運転では低温槽から冷水が汲み上げられ空調機を経た
あと高温槽に戻される。また冷水蓄熱運転では高温槽か
ら熱源機器に汲み上げられ、低温槽に冷水が供給される
。暖房運転と温水蓄熱運転はその逆となる。いずれにし
ても蓄熱運転は、低温槽と高温槽の熱源水温度を検出し
続け、この検出温度が所定の温度（設定温度範囲）とな
るように熱源機器の発停を行なうのが一般であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記のように、蓄熱槽をもつ水熱源空調システムでの蓄
熱運転にさいして、低温槽と高温槽の熱源水温度が所定
の温度となるように熱源機器を起動・停止させることが
行われていたが、この方式では省コスト・省エネルギー
のための最適運転条件の判断ができないという問題があ
った。

例えば冷房シーズンにおいて冷房運転当日に使用する冷
水を前日夜間契約電力で冷凍機を稼働して製造する場合
を例とすると。

（ａ）、何度°Ｃの冷水を生産すれば、翌日の冷房負荷
を賄うことができるか。

（ト））、冷房運転開始時点の間際に必要な冷熱を蓄え
終えるようにして蓄熱保持時間を短くシ、これによって
熱損失を防ぐには、夜間電力契約時間内のいつから冷凍
機を起動すると必要最小源の冷熱を蓄えることができる
か （Ｃ）、夜間蓄えた冷熱をいつからいつまで利用すると
１日中での蓄熱運転を最小にできるが。

（ｄ）、冷房負荷の大きさに応して、何度°Ｃの冷水を
空調機に送水すればよいか （ｅ）、夜間の外気湿球温度に応じて、冷却塔の出口水
温を何度°Ｃに設定すればよいのか。

と言った省コスト・省エネルギーの最適運転制御を行な
うことは実質上できなかった。

本発明は、この問題の解決を目的としてなされたもので
ある。

〔問題点を解決する手段〕

本発明は、蓄熱槽内の熱源水を空調機に循環する空調運
転と、空調運転の前日夜間に蓄熱槽内の熱源水を熱源機
器に循環して蓄熱槽内に冷温水を蓄える蓄熱運転とを行
なう水熱源空調システムにおいて、当該システムの過去
の運転実績から一日の空調負荷の日積算値とその日の最
低気温または最高気温との相関を予め求めておき、空調
運転当日の最低気温と最高気温を該蓄熱運転の前に予測
したうえ、前記の予測された最低気温または最高気温か
ら空調運転当日の日積算値を前記の相関を用いて予測し
、この予測された目積Ｘ値から前日夜間に蓄熱すべき熱
量ひいては蓄熱槽に蓄える熱源水の温度を決定し、この
決定された温度の熱源水が得られるように前日夜間の蓄
熱運転を行なうことを自動制御する。そのさい、空調運
転当日の最低気温と最高気温の予測、空調運転当日の目
積算蓄熱槽の予測並びに蓄熱槽に蓄える熱源水の温度の
決定は、当該システムに備えられたコンピュータによっ
て行ない、当コンピュータは該決定に基づき熱源機器に
制御信号を出力する。

〔発明の詳述〕

以下に図面を参照しなから本発明の構成と作用を具体的
に説明する。

第１図は９本発明の運転方法を適用する空調システムの
代表例を示したものである。１は建物の地階に構築され
る蓄熱槽であり、高温槽２と低温槽３を備えており、こ
の高温槽２と低温槽３との間に温度成層を形成しなから
熱源水を蓄える水槽４が形成されている。５は建物内に
配置された空調機群であり、蓄熱槽内の熱源水がこの空
調機５に通水されることによって冷暖房が行われるが。

例として夏期の冷房シーズンにおける運転態様とそのた
めの機器類を第１図に示しである。

すなわち、冷房運転は低温槽３の冷水をメインポンプ群
６によって往管７を経て汲み上げ、空調機群５に通水し
たあと連管８を経て高温槽２に戻す。これにより、蓄熱
槽内では水槽４内を高温槽２から低温槽３に向けて温度
成層を形成しなから熱源水が流れる。この冷房運転時に
おいて、空調対象の部屋の温度を調節器付圧力計９で１
測しその設定温度になるように、空調機５のコイルを通
過する熱源水量を二方弁１０で制御する。これらの三方
弁１０の開度調整によって往管７内の送水圧が変化する
ので、往管７内の送水圧を調節器付圧力計１１で計測し
、メインポンプ６を台数制御するか、もしくは連続にイ
ンバータでポンプの回転数を制御する。また、往管７内
の送水温度を調節器付温度計１２で計測し、空調機５へ
の送水温度が低ずぎるときは、三方弁１３を制御して高
温槽２に通じている管路１４から温水を往管７内に一部
取入れて混合する。空！ｌｌｌ１群５を停止するときは
、Ｎ水防土用の弁１５を閉成する。

他方、夜間電力を利用しての冷水の製造は一台または数
台の冷凍機１７の駆動によって行なう、すなわち、高温
槽２から冷凍機１７に熱源水を熱源側ポンプ１８によっ
て汲み上げ、返り管１９を通じて低温槽３に戻す、冷凍
機１７の運転中は冷凍［１１７への入口水温をｉＩ１節
器付温度計２０で計測し、三方弁２１を制御して設定温
度となるように高温槽と低温槽の熱源水を混合する。冷
凍機１７で冷水を製造するために発生する高温の熱は冷
却水に熱交換したうえ冷却塔２３で大気に放熱する。こ
のとき、冷却塔出口水温をＩＡ節器付温度計２４で計測
し、この冷却塔出口水温が一定となるように冷却塔２３
のファンをオンオフ制御する。この冷凍機稼働による蓄
熱運転は、Ｎ熱槽の高温槽２に取り付けた！ＩＩ節器付
温度計２５で計測される水温が設定値を越えたときに起
動し、低温槽３に取り付けた調節器付温度計２６で計測
される水温が設定値を越えたときに停止する。このよう
な蓄熱槽内の熱源水を冷凍機１７に供給して蓄熱運転す
る態様のはかに、系内循環水を冷却することも必要に応
して行われる。第１図において、冷凍機１７ａ、冷却塔
２３ａ、ポンプ１８ａで示す機器類がこれに相当する。

これらの熱源機器を稼働して冷水を製造しなから冷房運
転を実施する運転を追い掛は運転と通称されるが、この
追い掛は運転は蓄熱用の熱源機器を用いても行なうこと
ができることは勿論である。

かような空調システムにおいては、その蓄熱運転にあた
って２図示のように夏期を例とすると蓄熱槽の高温槽と
低温槽の温度が設定値となるように自動的に冷凍機の発
停を行なうだけでは、前述したような最適運転制御の条
件（ａ）〜（ｅ）を満たすことはできず、真の省コスト
・省エネルギーを達成できない。

本発明においては、これを達成するために、先ず空調運
転当日の当該建物の空調負荷を周年を通じて予測する機
能と、熱源機器を最適な条件で運転制御する機能とを当
該建物の空調システムに付加する。付加する設備類とし
ては、気象条件を把握するための乾球温度計３０．絶対
湿度計３１．気圧計３２１日射計３３．風速計３４．気
象衛星からの雲量画像データの受信装置Ｆ３５とその送
信装置３６．更には、各計測針からの電気信号を受信し
これを計測データに変換するためのデータ集録機３７．
そして運転当日の空調付加を前日に予測するために必要
な演算・学習を行い且つ熱源機器を最適な条件で制御す
る制御信号を出力するコンピュータ３８を付設する。ま
た、コンピュータ３８の指令を受信して各熱源機器類を
制御するための複数の制御器４０ａ。

４０ｂ、４０ｃおよびそのための信号線３９を施設する
。

制御器４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、調節器付温度計２５
．２６．２４や調節器付圧力計１１の設定値をコンピュ
ータ３８からの指令を受けて調節し、この設定値が適切
に調節されることによって、冷凍機運転の発停、冷却塔
ファンの発停、ポンプ６の能力制御が行われることにな
る。

先ず、空調運転当日の空調負荷の予測について説明する
が、このために本発明では運転当日の最高気温と最低気
温を予測する。

乾球温度計３０．絶対湿度計３１．気圧計３２９日射計
３３．風速計３４．気象衛星からの雲量画像データの送
信装置３６から、少なくとも１時間毎にデータを集録機
３７に集め、集録機３７はこれらのデータをコンピュー
タ３８に送信する。コンピュータ３８では外気乾球温度
、外気絶対湿度９日射量、風速、気圧変化率および雲量
の１時間平均値を演算し、記憶する。さらに、外気絶対
湿度と外気乾球温度から求めた外気の水蒸気分圧と気圧
変化率と雲量で補正した日射量および雲量放射係数を演
算し、計測され且つ演算処理された外気乾球温度と風速
の１時間平均値とから２次式を用いて各項の学習係数を
決定し、夜間契約電力が使用できる少し前の時刻におけ
る外気乾球温度、外気絶対湿度１日射量、風速、気圧変
化率および雲量の実測値から翌日の最低気温と最高気温
を予測する。

ΔＴａ−ｂｏ＋ｂｌ・ΣＫ”／Ｖ　＋　ｂｔ　・Ｃｅ／
Ｖ　　ｂｚ　・ＥここでΔＴａは、夜間契約電力が使用
できる少し前の時刻の外気乾球温度を基準とした外気乾
球温度の変化を示す、Ｋ“は気圧変化率と雲量で補正し
た日射量、Ｖは風速、　Ｃｅは雲量放射量、Ｅは外気の
水蒸気分圧を示し、ｂｏ、ｂ、ｂｔ、ｂｓは各項の学習
係数である。これを用いて本発明者らが実際に予測した
最高気温予測値と最低気温予測値を実測値と比較した結
果の例を第２図（８月の例）と第３図（２月の例）に示
した。予測値と実測値には良い一致が見られることがわ
かる。

一方、当該建物における空調システムの運転実績から求
められ且ワ毎日ｌデータづり更新される少なくとも３０
個の過去の空調負荷の日積算値と最低気温・最高気温と
の相関をコンピュータの中で解析し、実測した今日の空
調負荷の目積算埴データを含めて翌日の空調負荷の日積
算値と最高気温・最低気温の回帰式を求める。なお、前
記の相関は、冬期では暖房負荷の目積ＪＥ値と最低気温
の相関を、また夏期では冷房負荷の白檀Ｘ値と最高気温
の相関を解析する。第４図は、実際の成る建物における
空調負荷の日積算値と最高気温との相関関係を示したも
のであり、直線関係を有している。

したがって、前記のようにして求めた翌日（空調運転当
日）の最高気温と最低気温の予測値を。

今日の回帰式に代入して計算すれば、運転当日の空調負
荷の日積算値が予測できる。

更に、運転当日の刻々の空調負荷の予測も次のようにし
て行なうことができる。第５図は空調負荷最大値と最高
気温との相関の例を示している。

この相関を利用すれば、予測した翌日の最低気温と最高
気温から、それぞれ最低空調負荷と最高空調負荷を予測
できる。したがって、実測した今日の最低空調負荷と最
高空調負荷の差と、予測した翌日の最低空調負荷と最高
空調負荷の差どの比率で、刻々の空調負荷を縮小または
拡大することによって、相似な形の翌日の刻々の空調負
荷を予測することができる。

以上のようにして、一連のコンピュータによる処理で、
運転当日（翌日）の−日の積電空調負荷（日積算値）が
予測でき、また翌日の刻々の空調負荷も予測できる。

この予測から、省コスト・省エネルギーのための当該シ
ステムの最適制御運転を行なうことができる。具体的に
は次のとおりである。

（１）運転当日の前夜に蓄熱すべき熱量の決定安価な夜
間契約電力を利用して、空調システムが消費するエネル
ギーを蓄熱槽で賄う熱量は、前記のようにして予測した
空調負荷の目積′Ｘ、値からコンピュータで計算される
。既に測定され、解析されている当該システムの蓄熱効
率と蓄熱の有効容積から、予測した空調負荷の日積算値
よりも。

どれだけ多く生産しなければならないかが決定される。

また、蓄熱槽の水の容積は決まっているので、翌日の空
調負荷のための蓄熱槽は実際には熱源水温度の設定値を
決めればよい。

例えば夏期において翌日の空調負荷の予測値が蓄熱槽の
蓄熱可能量より多い場合は、安価な夜間契約電力を利用
して、可能な限り低温の冷水を生産する。この時、冷？
ｊＩＩ！は部分負荷運転を避けて全負荷運転（全力運転
）する方が冷凍機効率（単位電力消費量当りの生産熱量
）が高い運転ができる。また翌日の空調負荷の予測値が
蓄熱槽の蓄熱可能量より少ない場合は、生産する冷水温
度を。

予測した空調負荷と蓄熱槽の蓄熱可能量の比率から演算
で決定する。

（２）冷凍機の起動時刻と停止時刻の決定安価な夜間契
約電力で翌日の空調負荷を賄うために冷凍機を運転する
時間は、予測した空調負荷の日積算値から計算される。

熱損失を最小にするためには、蓄熱状態で放置される時
間を最小にする必要がある。このため、夜間電力契約終
了時間を冷凍機の停止時刻に一致させる。空調負荷の日
積算値と蓄熱すべき冷水の設定水温が決まると冷凍機を
全負荷運転する時の運転時間がコンピュータで演算でき
る。冷凍機の停止時刻は決まっているので、冷凍機の運
転時間から冷凍機の起動時刻を決定することができる。

（３）日中の熱源機器の運転と蓄熱モード運転の制限 安価な夜間契約電力で夜間のうちに蓄えられた蓄熱の利
用時間または消費量は、刻々の空調負荷の予測があるの
で２日中の高価な電力で熱Ｓ機器を運転して生産する冷
熱量が最小になるように決定することができる。例えば
第６図に示すように蓄熱熱量が空調負荷の日積算値より
小さいために空調負荷のヘース部分を蓄熱熱量で賄う場
合は。

蓄熱量が一日の運転で丁度消費されるように、予測した
刻々の空調負荷から蓄熱熱量が担当する空調負荷を差し
引いた時間帯だけ、熱源機器を運転するように冷凍機の
起動と停止時刻を決定し、コンピュータから冷凍機の起
動・停止を制御する。

これにより２日中に蓄熱熱量が不足しても冷凍機を蓄熱
モードで追い掛は運転しないので、従来システムでは残
留熱量により、夜間に蓄熱すべき熱量まで日中の高価な
電力で生産していた不具合が解消される。

（４）空調機への送水温度の設定値制御最大空調負荷が
予測されているので、最大空調負荷を賄うことができる
熱源水温度が空調機の設備能力から計算でき、！！大空
調９荷時の熱源水の温度設定値が決定できる。例えば夏
期ｔこおいて冷水温度の冷水温度設定を高くすると、空
賀機系統のポンプ（第１図ではメインポンプ６）の電力
費は増加し、冷凍Ｉ！（第１図では冷凍１１１７ａ）の
消費電力費は減少する。この関係から、最大冷房負荷時
を餘く時刻は、予測された刻々の空調負荷と空調機の設
備能力から計算した冷水温度範囲内で空調機系統のポン
プ６の電力量と冷凍機１７ａの消費電力費の関係をコン
ピュータで解析し、経済最適な冷水温度を決定し、送水
温度を設定値を制御する。

（５）冷却塔出口水温の設定値制御 冷却塔出口水温は、冷凍機の運転に支障がない限り低く
設定する方が、冷凍機の運転効率は高くなる。外気乾球
温度と外気絶対湿度から演夏で求める外気の湿球温度に
応じて、冷却塔のファンをオンオフするための冷却塔出
口水温の設定を高くすると冷却塔のファン電力費は増加
し、冷凍機の消費電力費は減少する。この関係から、経
済最適な冷却塔出口水温をコンピュータで解析し、冷却
塔出口水温の設定値を制御する。

以上のようにして２本発明によれば気象データから翌日
の最高気温と最低気温を予測し、またこれを基にして翌
日の空調負荷の白檀算値と刻々の空調負荷パターンを学
習予測することによって。

前日夜間の安価な契約電力時間内に蓄積すべき熱量を判
断し、この判断に基いて夜間に熱源機器を運転する時間
および熱源機器の運転条件１例えば熱源水の温度設定、
冷却塔ファンのオンオフ温度設定、熱源機器の台数制御
のための負荷率設定などを決定することができるから９
空調負荷に応じた必要最小限の熱エネルギーを熱源機器
で生産して熱損失を防止すると共に、安価な夜間契約電
力を最大限に利用して蓄熱槽に蓄熱することが可能とな
り、蓄熱槽をもつ空調システムにおいてそのランニング
コストを最小することができる。

なお、実施例は夏期の冷房運転を行なう場合を例として
説明した。冬期の暖房運転を行なう場合には、冷凍機が
温水製造装置に変わることになるが、この温水製造装置
を熱源機器とする場合にも同様に本発明が実施できるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する空調システムの例を示す機器
配置系統図、第２図は本発明に従って予測した夏期の最
高気温と最低気温を実測値と比較した図、第３図は本発
明に従って予測した冬期の最高気温と最低気温を実測値
と比較した図、第４図は最高気温と空調負荷パターンと
の相関を示す図、第５図は最高気温と空調負荷最大値と
の相関を示す図、第６図は蓄熱熱量が不足する場合の冷
凍機運転時間を説明するための図である。 １・・蓄熱槽、　　　　　２・・高温槽。 ３・・低温槽、　　　　　５・・空調機。 ６・・メインポンプ、　　７・・熱源水往管。 ８・・熱源水連管、１５・・落水防止弁１７・・冷凍機
、２３・・冷却塔。 ９．１２，２０，２４．２５．２６・・調節器付温度計
。 １１・・調節器付圧力針。 ３０・・乾球温度計、３１・・ ３２・・気圧計、３３・・ ３４・・風速計、３５・・ −タ受信装置　　　　　３６・・ ３７・・データ集録機、３８・・ ３９・・信号線、４０・・ 絶対湿度計。 日射計。 気象衛星の雲量デ データ送信装置。 コンピュータ。 制御器。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）蓄熱槽内の熱源水を空調機に循環する空調運転と
   、空調運転の前日夜間に蓄熱槽内の熱源水を熱源機器に
   循環して蓄熱槽内に冷温水を蓄える蓄熱運転とを行なう
   水熱源空調ステムにおいて、当該システムの過去の運転
   実績から一日の空調負荷の日積算値と最低気温または最
   高気温との相関を予め求めておき、空調運転当日の最低
   気温と最高気温を該蓄熱運転の前に予測したうえ、前記
   の予測された最低気温または最高気温から空調運転当日
   の空調負荷の日積算値を前記の相関を用いて予測し、こ
   の予測された日積算値から前日夜間に蓄熱すべき熱量ひ
   いては蓄熱槽に蓄える熱源水の温度を決定することを特
   徴とする蓄熱式水熱源空調システムの運転方法。
2. （２）蓄熱槽内の熱源水を空調機に循環する空調運転と
   、空調運転の前日夜間に蓄熱槽内の熱源水を熱源機器に
   循環して蓄熱槽内に冷温水を蓄える蓄熱運転とを行なう
   水熱源空調システムにおいて、当該システムの過去の運
   転実績から一日の空調負荷の日積算値と最低気温または
   最高気温との相関を予め求めておき、空調運転当日の最
   低気温と最高気温を該蓄熱運転の前に予測したうえ、前
   記の予測された最低気温または最高気温から空調運転当
   日の空調負荷の日積算値を前記の相関を用いて予測し、
   この予測された日積算値から前日夜間に蓄熱すべき熱量
   ひいては蓄熱槽に蓄える熱源水の温度を決定し、この決
   定された温度の熱源水が得られるように前日夜間の熱源
   機器の運転時間を決定することを特徴とする蓄熱式水熱
   源空調システムの運転方法。
3. （３）蓄熱槽内の熱源水を空調機に循環する空調運転と
   、空調運転の前日夜間に蓄熱槽内の熱源水を熱源機器に
   循環して蓄熱槽内に冷温水を蓄える蓄熱運転とを行なう
   水熱源空調システムにおいて、当該システムの過去の運
   転実績から一日の空調負荷の日積算値と最低気温または
   最高気温との相関を予め求めておき、空調運転当日の最
   低気温と最高気温を該蓄熱運転の前に予測したうえ、前
   記の予測された最低気温または最高気温から空調運転当
   日の空調負荷の日積算値を前記の相関を用いて予測する
   と共に当日の空調負荷パターンを学習予測し、この予測
   値に基いて熱源機器の運転時間および熱源機器の運転条
   件を決定することを特徴とする蓄熱式水熱源空調システ
   ムの運転方法。
4. （４）空調運転当日の最低気温と最高気温の予測、空調
   運転当日の日積算蓄熱槽の予測、空調負荷パターンの学
   習予測は、当該システムに備えられたコンピュータによ
   って行なわれ、当コンピュータは蓄熱槽に蓄える熱源水
   温度の決定および熱源機器の運転条件を決定し、この決
   定に基いて該コンピュータが制御器に制御信号を出力し
   て蓄熱運転を自動制御する請求項１、２または３に記載
   の蓄熱式水熱源空調システムの運転方法。
5. （５）制御器は、設定器付温度計および設定器付圧力計
   の設定値を調節するものである請求項４に記載の蓄熱式
   水熱源空調システムの運転方法。