JPH07104017B2 - 地域冷暖房の熱媒搬送制御方法および熱媒搬送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地域に設けられた複数
の熱媒受入設備（後続の空調機等に連結するもの）に、
複数のポンプと熱源機器（冷凍機やヒートポンプ・熱交
換器等）とを備える熱源プラントより熱媒（冷水や温水
・蒸気など）を循環（供給および回収）させる、地域冷
暖房（地域熱供給ともいう）のための熱媒搬送に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市部の一部では、複数のビルに
対して冷水や温水・蒸気などを一箇所から集中的に供給
し、都市機能を高度化するとともにエネルギーの有効利
用を図るという地域冷暖房システムが施されている。

【０００３】一般に、地域冷暖房システムは、熱源機器
である冷凍機やヒートポンプ・熱交換器などが、熱媒用
のポンプとともに熱源プラント内に組み込まれ、それら
が、各ビル内の受入設備につながる地域配管と接続され
て構成される。熱媒の循環系統としては、一部が蓄熱槽
などに連結されて熱媒が一たん大気に開放される開放系
と、大気への開放部分がない密閉系とがある。しかし開
放系の場合には、大気圧からの熱媒の押し上げ揚程が必
要なためポンプ動力が大きくなるうえ、大気開放部にお
いて熱媒が空気に接して多くの酸素を含み、配管等に腐
食が起こりやすいことから、そのような不都合のない密
閉系が多く採用される。

【０００４】熱源プラント内には、複数の熱源機器や複
数のポンプがそれぞれ並列に設置されるのが普通であ
る。これは、一台のみでは地域の熱媒需要に応えにくい
ためでもあるが、主として、季節的な需要の変化に対応
しやすくしたためである。すなわち、地域冷暖房システ
ムの最大熱負荷は夏または冬に生じ、それによって熱源
プラントの設備能力が決まるが、中間季（春・秋）や夜
間には熱負荷（需要）が低いため、運転する機器の台数
を減らして省エネルギーを図れるようにしたのである。
中間季や夜間の熱負荷は上記の最大熱負荷に比べて極め
て小さく、しかもそのような期間は長いことから、この
期間中、やり方しだいでは消費エネルギーを大幅に低減
できる。とくに、熱媒が水（冷水や温水）である場合に
は大きな搬送動力が必要なため、熱源機器での熱エネル
ギーだけでなく、ポンプの動力エネルギーを削減するこ
とにも重要な意味がある。

【０００５】図５に、従来の代表的な地域冷暖房システ
ムの系統図を示す。熱源プラントＡのうちに、冷凍機
（熱源機器）１やポンプ２などが複数組（ｎ組。各組に
₁・₂・…・_n の添字を付している）並列に接続されて
おり、プラントＡ内の集合配管Ａ１を介して、複数（ｍ
組。同様に添字を付す）の受入設備１０が並列に接続さ
れた地域Ｂの配管Ｂ１とつながっている。符号Ａ２は、
プラントＡによる冷水（熱媒）の供給流量と地域Ｂの側
の使用流量との差を調節するためのバイパス配管で、符
号６は、地域Ｂより戻った冷水の圧力を一定に維持する
ための加圧タンクである。

【０００６】図５のようなシステムでは、冷水の温度制
御が容易である等の理由で通常は冷凍機１とポンプ２と
が定格流量で運転され、プラントＡ側の冷水流量は個々
の定格流量の合計となる。一方、地域Ｂには冷房需要に
見合った流量のみが循環するので、熱源プラントＡの側
の流量との差は、バイパス配管Ａ２内をバイパス流量と
して流れる。各受入設備１０において必要な圧力（利用
差圧）を確保する目的で、バイパス配管Ａ２には流量
（開度）調節弁９を設け、その開度はつぎのように制御
している。すなわち、冷水の供給地点であるプラントＡ
内の配管Ａ１（または地域配管Ｂ１のうちのプラントＡ
寄りの箇所）において、往き・戻りの両地点にそれぞれ
圧力計７・８を設け、両者の検知圧力の差（供給元の地
点での差圧ゆえ、以下、供給差圧という）が一定になる
よう、圧力コントローラ１１にて調節弁９を操作する。
地域Ｂより戻った冷水の圧力は加圧タンク６にて一定に
維持されるので、圧力計７による往きの圧力（供給圧力
または送水圧力）のみに基づいて制御することもある。

【０００７】地域Ｂにおける冷水需要が低い場合には、
冷凍機１およびポンプ２の運転組数を減らし、中間季な
どには、冷凍機１・ポンプ２の一組のみを定格流量運転
しながら、上記と同様にバイパス流量を調節して需・給
のバランスをとる。さらに、バイパス流量をフルに調節
してもなおプラントＡによる流量が地域Ｂの需要を超え
るときには、流量計３および流量コントローラ４ｃの作
用でポンプ吐出弁４を操作し、供給差圧（または供給圧
力）が一定になるようにその開度を調整する。このよう
な制御方法は、特開昭６２−１１６８４６号公報にも記
載がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】密閉系の循環系統を有
する地域冷暖房システムにおいて熱媒の需給量を以上の
ように調整する従来の方法には、つぎのような不都合が
ある。

【０００９】イ) 地域の熱媒需要が非常に小さい時に
も、少なくとも一台はポンプを定格流量運転するため、
ポンプに要する動力が大きい。つまり、熱媒需要がどん
なに小さくても、ポンプ一台分の動力消費が必ず発生す
るため、省エネルギーが十分になされたとは言えない。
熱媒需要の小さい期間は前述のようにかなりの長期に及
ぶことから、このようなロスは無視できない。

【００１０】ロ) ポンプ吐出弁を絞ることによって熱源
プラント側の流量を減らす（前掲の特開昭６２−１１６
８４６号公報参照）としても、ポンプ動力の削減の面で
はあまり効果的でない。ポンプ動力は、ポンプ効率を一
定とすれば容量（流量）と揚程の積に比例するが、ポン
プ吐出弁によって容量を絞ったとき、揚程については逆
に若干上昇するからである。

【００１１】なお、密閉系の循環系統のうちには、図５
に紹介したように熱源プラント側の循環と地域側の循環
とを共通のポンプで賄う一ポンプ方式のほかに、熱源プ
ラント側と地域側とにそれぞれポンプを設ける二ポンプ
方式（図示省略）があるが、後者の場合にも、熱源プラ
ント側の一次のポンプについて上記イ)・ロ)の不都合がと
もなうことに変わりはない。そればかりか、ポンプの台
数が多いため、設備費が高いという新たな不都合が付随
する。

【００１２】本発明は、地域冷暖房の熱媒搬送に関し
て、低負荷時のポンプ動力を従来以上に削減することの
できる制御方法と装置とを提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の熱媒搬送制御方
法（請求項１）は、地域冷暖房のため、熱源機器とポン
プとをそれぞれ複数並列に接続（うち運転台数は地域の
需要に応じて決める）した熱源プラントより、大気開放
部分を経由させずに（つまり密閉系の循環系統で）地域
配管を介して複数の受入設備へ熱媒を循環させるに関
し、プラント側・地域側間の熱媒需給量を調整する制御
方法であって、下記A)・B)を特徴とする。すなわち、 A) 上記ポンプのうち一台以上を変速駆動可能とし、 B) 地域配管の末端寄りにある受入設備の利用差圧（前
述の供給差圧に対し、以下これを末端差圧という）を一
定にするよう、a)高負荷時には、ポンプ（のうち適当台
数）を定速で運転するとともに、地域配管を経由しない
バイパス流量を調節し、b)低負荷時には、上記の変速駆
動可能なポンプのみを運転してその回転数を調整する。

【００１４】また本発明の熱媒搬送装置（請求項２）
は、熱源機器とポンプとをそれぞれ複数並列に接続（運
転台数は地域の需要に応じて決める）した熱源プラント
と、複数の熱媒受入設備を接続した地域配管とを、大気
開放部分を設けずに（つまり密閉系として）、かつ、地
域配管を経由しないバイパス配管を一部に設けて接続し
た装置であって、下記〜を特徴とする。すなわち、 地域配管の末端寄りに受入設備の利用差圧（つまり
末端差圧）の検知手段を配置し、 熱源プラント内のポンプのうち一台以上をインバー
タモータ駆動とし、 上記の検知手段の出力に応じたバイパス配管の流
路開度の調節と、同じの出力に応じた上記インバータ
モータの回転数制御とを選択的に行う制御手段を設け
た。

【００１５】請求項３の熱媒搬送装置は、さらに、 並列のポンプを一括に接続して集合配管にするとと
もに、並列の熱源機器を一括に接続して集合配管とし、
両集合配管を接続した−ものである。

【００１６】

【作用】本発明の制御方法（請求項１）は、高負荷時、
すなわち地域側の熱媒需要が高い場合には、上記B)のa)
に記載したとおり、バイパス流量を調節しながら、需要
に応じた台数のポンプを定速運転する。このことは、B)
の初めに記載したように地域配管の末端差圧を一定にす
る点では供給差圧を一定にする従来（図５）のやり方と
異なるものの、ポンプの駆動やその動力消費の点で差異
はない。

【００１７】しかし低負荷時、すなわち地域側の熱媒需
要が低くて、定格運転のポンプを変速駆動可能なものの
み（たとえば一台）にしてもなお熱源プラント側の熱媒
供給が上回る場合、本方法では、ポンプ動力を極めて有
効に削減することができる。

【００１８】ポンプ動力の削減ができる第一の理由は、
上記A)のとおり変速駆動可能にしたポンプを上記B)のb)
のように回転数調整することによって、熱媒流量を制御
（変流量制御）している点にある。すなわち、ポンプ吐
出弁を絞るのではないため、揚程の上昇がない。また、
一般にポンプの動力は回転数の三乗に比例するので、回
転数を下げて流量を減らすと動力は大幅に削減できるこ
とになる。

【００１９】動力削減のできる第二の理由は、上記のよ
うな流量制御を、B)に記載したとおり地域配管における
末端差圧が一定になるように行うことである。受入設備
の部分で必要な利用差圧は、前記（図５の例）のように
供給差圧を基準とする制御によっても確保できるが、そ
の場合は、配管等での圧力損失（圧損）が低くなる低流
量時にも同じ供給差圧を保つ。そうすると、末端寄りに
接続された受入設備には低流量時に、高流量時よりもむ
しろ高い、いわば必要以上の利用差圧をかけることにな
る。それに対し、上記のように末端差圧を基準に制御す
れば、末端寄りの受入設備に対する利用差圧を一定に確
保しながら、配管等の圧損が低いときにはその分だけ供
給地点の圧力を下げるので、必要以上にポンプの動力を
消費することがない。

【００２０】本発明の熱媒搬送装置（請求項２）は、上
記した制御方法の実施に直接使用することができる。す
なわち、まず高負荷時には、に記載した制御手段によ
ってバイパス配管の流路開度の調節（つまりバイパス流
量の調節）を行いながら、必要台数のポンプを定速運転
する。そして、ポンプの運転台数を減らし、のインバ
ータモータ駆動のもののみに減らしたのちは、の制御
手段を切り換え、の検知手段で検知する末端差圧を一
定にするようインバータ（周波数の変更）にてそのポン
プの回転数制御をし、それによってポンプ動力を削減す
るのである。

【００２１】請求項３に記載の熱媒搬送装置では、上記
に加え、低負荷時に運転する熱源機器を任意に選べると
いう利点がある。つまり、この装置のように複数のポン
プと複数の熱源機器とが集合配管を介して接続されてい
ると、ポンプの運転台数を減らしてインバータモータ駆
動のものだけにした場合にも、運転する熱源機器を、複
数台のうちから自由に選択することができる。このこと
は、ポンプと熱源機器とがそれぞれ一対一に対応づけて
接続されている場合には行い得ないもので、熱源機器の
運転が低負荷時にも特定のものに偏らないため同機器の
寿命上このましいほか、同機器のいずれかが故障した場
合にも運転を継続できるというメリットもある。

【００２２】

【実施例】本発明の第一実施例として、図１に冷水のポ
ンプシステムを示す。符号Ａの部分（図において配管の
中間省略箇所より左方の部分）が熱源プラントで、冷凍
機（吸収冷凍機やターボ冷凍機など）１や冷水ポンプ２
のほか、戻り圧力維持のための加圧タンク６などが配置
されている。冷凍機１と冷水ポンプ２とは、流量計３や
流量調整弁（ポンプ吐出弁）４・流量コントローラ４ｃ
を含めてそれぞれ一対一に対応して接続され、それらが
ｎ組（各組の機器に ₁・₂・…・_nの添字を付している）
だけ並列に接続されている。

【００２３】各冷水ポンプ２は、対応する冷凍機１の定
格流量をカバーできる能力を備え、冷凍機１の起動・停
止シーケンスにより冷凍機１と同時に制御される。ま
た、冷凍機台数制御の信号により自動発停されることも
ある。この台数制御は、冷暖房対象地域Ｂ（ｍ個の受入
設備１０₁・１０₂・…・１０_m が並列配置されている）
に供給する冷水の流量と温度、ならびに地域Ｂから戻っ
た冷水の温度を計測し、地域Ｂに供給する熱量と流量の
両方が不足しないように熱源プラントＡの冷凍機１と冷
水ポンプ２を自動発停させるものである。また、熱負荷
の予測システムと組み合わせた台数制御も可能である。

【００２４】本システムでは、ｎ台の冷水ポンプ２のう
ち１台（Ｎｏ．１冷水ポンプ２_１）をインバータモータ
５で駆動し、他は通常の誘導モータで駆動する。上記の
台数制御においてＮｏ．１冷凍機１_１とＮｏ．１冷水ポ
ンプ２_１の運転を第一優先とし、プラントＡの運転時に
は両者が常に起動されるようにする。符号９は、バイパ
ス配管Ａ２に設けた冷水流量調節弁であり、地域配管Ｂ
１の末端部に設置した圧力計７・８による信号の差（す
なわち末端差圧。末端部の受入設備１０のための利用差
圧に相当する）に基づき、圧力コントローラ１１および
切替器１２を介して熱源プラントＡ側の冷水循環量と地
域Ｂ側の冷水循環量との差を調節する。

【００２５】地域Ｂの冷房負荷が高いときは、台数制御
の信号により冷凍機１と冷水ポンプ２のセットを負荷に
見合った台数で運転し、各冷凍機１の冷水量はＮｏ．１
冷凍機１_１を含めて定格流量とする。つまり、Ｎｏ．１
冷水ポンプ２_１のインバータモータ５の回転数も一定と
する。このとき、バイパス配管Ａ２の流量は、地域配管
Ｂ１の上記末端差圧が一定（約１．５キロ）になるよ
う、前記のように調節弁９によって制御される。

【００２６】図２に、熱源プラントＡと地域Ｂとにおけ
る配管Ａ１・Ｂ１内の圧力バランスを示す。この図で
は、熱源プラントＡおよび地域Ｂが各同一レベルの平面
上に設置される場合を比較しており、横軸に示す丸囲み
数字・・…は、それぞれ冷水ポンプ２・調節弁４・
冷凍機１・調節弁９（バイパス配管Ａ２部）、および末
端の受入設備１０_ｍの各箇所を表す。本図において、ま
ず破線は、最高負荷時の状態を示している。

【００２７】地域Ｂの負荷が低下し、台数制御の信号に
より第１優先であるＮｏ．１冷凍機１_１とＮｏ．１冷水
ポンプ２_１のみの運転となれば、流量調整のための機
器、すなわち図１における前述の圧力計７・８や圧力コ
ントローラ１１・切替器１２・流量調節弁９を含む、い
わば選択機能つきの制御手段が、それに連動する。つま
り、切替器１２を切り替え、地域配管Ｂ１の末端差圧の
信号を一定（約１．５キロ）にするよう、Ｎｏ．１冷水
ポンプ１_１のインバータモータ５の回転数制御を行い、
熱源プラントＡの側を変流量制御する。この時、バイパ
ス流量調節弁９は全閉あるいは微開とする（微開とすれ
ば、地域Ｂ側の冷水の流量急増時にも対応できる）。ま
た、ポンプ２_１の吐出側の流量調整弁４_１は、冷水流量
が減少するため自動的に全開となる。この時の圧力のバ
ランスを図２の実線で示す。

【００２８】従来のように（前掲の特開昭６２−１１６
８４６号公報参照）定速ポンプを使用して、流量を流量
調整弁４で絞る場合の圧力バランスを、同じ図２に一点
鎖線で示す。末端差圧を一定にすべく制御するとして
も、流量調整弁４での圧力損失が大きいためポンプ２_１
に必要な揚程は高くなる。

【００２９】また、熱源プラントＡから地域Ｂに供給す
る地点での冷水差圧（供給差圧）の信号を計測し、それ
を一定にしながら（ここまでは図５の例と同じ）冷水ポ
ンプ２_１をインバータモータ５で速度制御する方法につ
いては、低負荷時の圧力バランスは図２において二点鎖
線のようになり、冷水ポンプ２_１の揚程を本実施例ほど
には下げることができない。この場合、配管内の圧力損
失が小さいにも拘わらず、冷水の供給地点（図２のの
箇所）の差圧を最高負荷時のものと同じにするので、末
端の受入設備１０_ｍにはかなり高い（必要とされる約
１．５キロの倍ほどの）利用差圧を与えることになる。
ポンプ２_１においては、容量（流量）を減らすものの揚
程（圧力）をあまり減らし得ないので、図３に示すポン
プ特性からわかるように（やはり二点鎖線で示す）、イ
ンバータモータ５およびポンプ２_１の回転数を大幅には
下げることができない。このため、ポンプ動力の低減幅
は小さく、省エネの効果は顕著ではない。

【００３０】その点、本実施例の方法では、低負荷時
に、冷水ポンプ２_１の容量だけでなく揚程をも大幅に下
げることができる（図２参照）ため、図３（太い実線）
のようにポンプ２_１の回転数はかなり（定格の７０％程
度に）下げられる。一般に、ポンプ動力は回転数の３乗
に比例するため、この場合の省エネ効果は極めて大きく
なる。

【００３１】つづいて図４に、本発明の第二の実施例を
示す。図１のシステムでは、低負荷時は常にＮｏ．１冷
凍機１_１を運転することになり、配管系統を変えないま
ま低負荷時にどの冷凍機１でも運転できるようにするた
めには、全ての冷水ポンプ２をインバータモータ５で駆
動する必要があって相当なコストアップとなる。図４の
実施例は、この点を改善したものである。

【００３２】図４のシステムでは、冷凍機１と一対一に
対応しない冷水ポンプ２をまとめてｋ台（２₁・２₂・…
・２_ｋ）設置し、このうち１台のポンプ２_１をインバー
タモータ５による駆動としたうえ、これらとｎ台の冷凍
機１₁・１₂・…・１_ｎとは集合配管Ａｘを介して接続し
ている。そしてこれらの台数制御については、冷凍機１
の能力分割に見合った冷凍機１の台数制御と、ポンプ２
の能力分割に見合ったポンプ２の台数制御とする。この
方法では、冷凍機１の台数制御の運転優先順位の設定を
変えることにより、全ての冷凍機１のうちから任意のも
のを低負荷時に運転することが可能となる。なお図４の
実施例は、以上の点を除いて図１の実施例と特別な差異
はないため、共通する部分に図１と同じ符号を付して説
明を省略する。

【００３３】以上、二つの実施例を紹介したが、本発明
がこれらのみに限定されるものでないことは言うまでも
ない。すなわち本発明は、たとえば下記のようにも実施
することが可能である。

【００３４】イ) 受入設備の利用差圧の検知は、必ずし
も地域配管の最末端において行わねばならないわけでは
ない。末端部に近いほど効果は高いが、たとえば中間的
な箇所にある受入設備について検知しても、熱源プラン
トに近い箇所のいわゆる供給差圧を検知して制御する場
合よりも顕著な効果が期待できる。

【００３５】ロ) 冷凍機の冷水を定格流量に比べてあま
りに低流量にすると冷水の凍結が心配されるため、イン
バータモータの制御の応答性や出力の下限値を設定する
などの手段をとるのもよい。

【００３６】ハ) ポンプや冷凍機などの接続は、図１等
の順番に限らず、冷凍機にかかる圧力を下げる必要があ
る場合などは、流量計３・冷凍機１・冷水ポンプ２・流
量調整弁４を、熱媒の流れ方向に沿ってこの順番で連絡
することもある。

【００３７】ニ) 以上では冷水のポンプシステムについ
て述べたが、温水のポンプシステムについても同様であ
る。後者のシステムでは、図１や図４における冷凍機１
がヒートポンプや温水熱交換器などに置き換わるが、ほ
かに大きな相違はない。一般的な地域冷暖房システムで
は、以上のような冷水ポンプシステムと温水ポンプシス
テムとが並列的に併設されている。

【００３８】

【発明の効果】本発明（請求項１・２の方法および装
置）には以下のような効果がある。すなわち、 1) 低負荷時、つまり地域における需要が低い場合のポ
ンプ動力を、大幅に削減することができる。しかも、従
来に比べて特別高価な設備・機器等を必要としないの
で、わずかの投資で大きな省エネ効果を上げることがで
きる。

【００３９】2) 受入設備に対して、適正な利用差圧を
常に確保できるため、熱媒の安定供給が可能である。

【００４０】3) 熱源機器（冷凍機やヒートポンプ・温
水熱交換器など）を出る熱媒の温度制御について、従来
の制御手段がそのまま利用できる。

【００４１】請求項３の装置では、さらに、 4) 地域の負荷が低いとき、運転する熱源機器を任意に
選べるので、同機器の寿命およびトラブル対策について
利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例としての冷水ポンプシステ
ム（熱媒搬送装置）を示す系統図である。

【図２】図１のシステムにおける各箇所での圧力バラン
スを、他のシステムにおけるものと比較して示す線図で
ある。

【図３】ポンプの特性曲線上に、図１のシステムにおけ
るポンプの使用条件および他の場合のポンプの使用条件
を重ねて示す線図である。

【図４】本発明の第二実施例としての冷水ポンプシステ
ム（熱媒搬送装置）を示す系統図である。

【図５】従来の冷水ポンプシステム（熱媒搬送装置）を
示す系統図である。

【符号の説明】

Ａ 熱源プラント Ａ２ バイパス配管 Ａｘ 集合配管 Ｂ 地域 Ｂ１ 地域配管 １ 冷凍機（熱源機器） ２ ポンプ ５ インバータモータ １０ 受入設備

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地域冷暖房のため、熱源機器とポンプと
   をそれぞれ複数並列に接続した熱源プラントより、大気
   開放部分を経由させずに地域配管を介して複数の受入設
   備へ熱媒を循環させる熱媒搬送の制御方法であって、 上記ポンプのうち一台以上を変速駆動可能とし、 地域配管の末端寄りにある受入設備の利用差圧を一定に
   するよう、a)高負荷時には、ポンプを定速で運転すると
   ともに、地域配管を経由しないバイパス流量を調節し、
   b)低負荷時には、上記の変速駆動可能なポンプのみを運
   転してその回転数を調整することを特徴とする地域冷暖
   房の熱媒搬送制御方法。
2. 【請求項２】 地域冷暖房のため、熱源機器とポンプと
   をそれぞれ複数並列に接続した熱源プラントと、複数の
   熱媒受入設備を接続した地域配管とを、大気開放部分を
   設けずに、かつ、地域配管を経由しないバイパス配管を
   一部に設けて接続した熱媒搬送装置であって、 地域配管の末端寄りに受入設備の利用差圧の検知手段を
   配置し、かつ、熱源プラント内の上記ポンプのうち一台
   以上をインバータモータ駆動としたうえ、 上記検知手段の出力に応じたバイパス配管の流路開度の
   調節と、同じ出力に応じた上記インバータモータの回転
   数制御とを選択的に行う制御手段を設けたことを特徴と
   する地域冷暖房の熱媒搬送装置。
3. 【請求項３】 並列のポンプを一括に接続して集合配管
   にするとともに、並列の熱源機器を一括に接続して集合
   配管とし、両集合配管を接続した請求項２に記載の地域
   冷暖房の熱媒搬送装置。