WO2010113850A1

WO2010113850A1 - 熱源システムおよびその制御方法

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Publication number: WO2010113850A1
Application number: PCT/JP2010/055531
Authority: WO
Inventors: 憲治上田
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2010-10-07
Also published as: JP5404132B2; EP2416082A1; EP2416082A4; JP2010236728A; US20110283718A1; US8646284B2; CN102341656A; CN102341656B

Abstract

冷却塔の起動台数を適切に選択することによって熱源システム全体の効率向上を可能とした熱源システムを提供する。ターボ冷凍機と、冷却水ポンプと、冷却塔と、冷却塔ファンと、冷水ポンプと、これらを制御する制御部とを備え、冷却塔は、それぞれのターボ冷凍機の定格容量の合計容量に対応する冷却塔容量を有するように複数台設けられるとともに、複数のターボ冷凍機に対して共通して接続された熱源システムにおいて、予め、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係において、ターボ冷凍機、冷却水ポンプ、冷却塔ファン、及び冷水ポンプを考慮した熱源システム効率が高い冷却塔容量の関係が示された最適冷却塔容量関係を用意し、運転時における外気湿球温度とターボ冷凍機の部分負荷率に基づいて、最適冷却塔容量関係を参照して冷却塔の運転台数を決定する。

Description

熱源システムおよびその制御方法

　本発明は、熱源システム全体の効率向上を行う熱源システムおよびその制御方法に関するものである。

　半導体工場における冷水供給や地域冷暖房に用いられる熱源システムとして、外部負荷が要求する熱量に応じて起動停止が可能とされたターボ冷凍機を複数台備えたものが知られている。熱源システムとしては、ターボ冷凍機の他に、ターボ冷凍機の凝縮器に冷却水を供給するための冷却水ポンプと、凝縮器にて凝縮熱を回収して昇温した冷却水を外気と接触させて冷却する冷却塔と、ターボ冷凍機の蒸発器にて冷却された冷水を外部負荷へ供給する冷水ポンプとを備えている。また、冷却塔には、冷却塔内に外気を導入するための冷却塔ファンが設けられている。
　このような熱源システムに対して、下記特許文献１には、冷凍機単体だけでなく、冷却水ポンプ、冷却塔、冷水ポンプ等の補機も考慮した熱源システム全体の運転効率を高める発明が開示されている。具体的には、外気湿球温度と冷凍機負荷率との関係で熱源システム全体のＣＯＰを把握できる表を作成し、この表から熱源システム全体のＣＯＰが最も高くなる演算式に用いるパラメータを決定し、この演算結果に基づいて冷凍機の運転台数および出力と、冷却水の流量および温度を制御する。

特開２００８－１３４０１３号公報

　しかし、特許文献１に記載された熱源システムは、その図１に示されている通り、それぞれの冷凍機に対してそれぞれの冷却塔が独立して接続されている構成が前提とされている。
　これに対して、それぞれのターボ冷凍機に対して共通に接続された複数台の冷却塔を備えた熱源システムがある。このような熱源システムの場合、一部のターボ冷凍機が停止している場合には、運転しているターボ冷凍機に対応した容量よりも大きい冷却塔容量となるように冷却塔を複数台起動させることができる。
　例えば１つのターボ冷凍機のみが運転されている場合に、このターボ冷凍機に対応した容量の冷却塔だけでなく、さらに他の冷却塔を起動させると、冷却能力が増大するため冷却水温度が下がる。冷却水温度が下がると、ターボ冷凍機の消費電力が減少して効率が上昇することが期待される。一方で、起動する冷却塔を増台させると、冷却塔ファンの消費電力が大きくなるため、熱源システム全体としては効率が低下することも考えられる。あるいは、冷却塔ファンの消費電力の上昇分は相対的に小さく、むしろターボ冷凍機の消費電力が減少し、熱源システム全体として効率が上昇することも考えられる。
　このように、それぞれのターボ冷凍機に対して共通に接続された複数台の冷却塔を備えた熱源システムでは、冷却塔の起動台数を適切に選択することによって熱源システム全体として効率向上を図ることができると考えられる。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、冷却塔の起動台数を適切に選択することによって熱源システム全体の効率向上を可能とした熱源システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の熱源システムおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の第１の態様にかかる熱源システムは、電気駆動にて回転周波数可変とされて冷媒を圧縮するターボ圧縮機、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器、該凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を供給する電気駆動による冷却水ポンプと、該冷却水ポンプによって前記凝縮器から導かれた冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、該冷却塔に設けられ、該冷却塔内に外気を導く電気駆動による冷却塔ファンと、前記蒸発器にて熱交換を行うことによって冷却された冷水を外部負荷側へ供給する電気駆動による冷水ポンプと、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを制御する制御部とを備え、前記ターボ冷凍機は、複数台設けられ、前記冷却塔は、それぞれの前記ターボ冷凍機の定格容量の合計容量に対応する冷却塔容量を有するように複数台設けられるとともに、複数の前記ターボ冷凍機に対して共通して接続された熱源システムにおいて、前記冷却塔は、前記制御部により、前記冷却塔容量を変更し得るように運転台数が切り替え可能とされており、前記制御部には、予め、外気湿球温度と前記ターボ冷凍機部分負荷率との関係において、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを考慮した熱源システム効率が高い前記冷却塔の冷却塔容量の関係が示された最適冷却塔容量関係が格納されており、前記制御部は、運転時における外気湿球温度と前記ターボ冷凍機の前記部分負荷率に基づいて、前記最適冷却塔容量関係を参照して前記冷却塔の運転台数を決定する。

　複数台のターボ冷凍機に対して複数台の冷却塔が共通に接続された熱源システムでは、１台のターボ冷凍機の定格容量に対応する以上の冷却能力となる冷却塔を起動させることができる。例えば、１台のターボ冷凍機のみが運転されている場合に、複数台の冷却塔を運転させることによって、このような状態を実現することができる。このような状態では、冷却水温度が低下するのでターボ冷凍機の消費電力の減少が期待できる。一方、複数台の冷却塔を起動させると、多くの冷却塔ファンが起動されることになり、冷却塔ファンによる消費電力の増大が考えられる。したがって、ターボ冷凍機、冷却水ポンプ、冷却塔、冷却塔ファン、及び冷水ポンプを考慮した熱源システム全体として効率が高くなる運転領域が存在することになる。
　本発明者は、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率によって熱源システム効率が高くなる冷却塔の冷却塔容量（例えば起動する冷却塔の台数）が存在することを見出した。そこで、予め、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係において熱源システム効率が高い冷却塔容量を得ておき、これに基づいて運転することとした。これにより、熱源システム全体として効率の高い運転を実現することができる。
　また、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率を得るだけで冷却塔の運転台数を決定できるので、極めて簡便な運転制御が可能となる。
　外気湿球温度を得るには、例えば、湿度センサを用いることが好ましい。あるいは、湿度センサに代えて、乾球温度と相対湿度と外気圧で、外気湿球温度を出しても良い。

　さらに、本発明の第１の態様の熱源システムでは、前記制御部は、前記最適冷却塔容量関係に基づき、外気湿球温度が第１所定温度以下の場合には、運転中の前記ターボ冷凍機の定格容量よりも大きい第１容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する構成としてもよい。

　外部湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係で熱源システム効率の高い冷却塔容量を検討したところ、外気湿球温度が第１所定温度以下の場合には、運転中のターボ冷凍機の定格容量よりも大きい第１容量となるように冷却塔の運転台数を決定した方が熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、外気湿球温度が低い冬期や中間期に上記熱源システムの運転を行うと、高効率な運転が実現される。
　なお、ターボ冷凍機部分負荷率にかかわらず、熱源システム全体の効率が高くなる冷却塔容量が存在し、この状態の上限値として第１所定温度を設定すると、ターボ冷凍機部分負荷率とは無関係に外気湿球温度のみで冷却塔運転台数を決定できるので、簡便な運転制御が実現される。

　さらに、上記構成の熱源システムでは、前記制御部は、外気湿球温度が第２所定温度以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が所定負荷率以下の場合には、運転中の前記ターボ冷凍機の定格容量と同等の同等容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する構成としてもよい。

　外気湿球温度が第２所定温度以上でかつターボ冷凍機部分負荷率が所定負荷率以下の場合には、運転中のターボ冷凍機の定格容量と同等容量となるように冷却塔の運転台数を決定すると、熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、中間期のように、外気湿球温度が比較的高く外部負荷の要求熱量が小さいときに上記熱源システムの運転を行うと、高効率な運転が実現される。
　なお、上記構成の「第２所定温度」を、第１容量となるように冷却塔の運転台数を決定する際の閾値として用いた「第１所定温度」と同一値に設定すれば、この所定温度を閾値として冷却塔台数を変更するだけで済むので、さらに簡便な運転制御が実現される。

　さらに、上記構成の熱源システムでは、前記制御部は、外気湿球温度が前記第２所定温度以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が前記所定負荷率以上の場合には、前記第１容量以下でかつ前記同等容量以上となる第２容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する構成としてもよい。

　外気湿球温度が前記第２所定温度以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が前記所定負荷率以上の場合には、前記第１容量以下でかつ前記同等容量以上となるように冷却塔の運転台数を決定すると、熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、夏期のように外気湿球温度が比較的高く外部負荷の要求熱量が大きいときに上記熱源システムの運転を行うと、高効率な運転が実現される。
　また、外気湿球温度が第２所定温度以上の場合には、所定負荷率を閾値として、上記構成の第２容量か同等容量かを選択するだけで済むので、さらに簡便な運転制御が実現される。
　なお、上記構成の「第２所定温度」を、第１容量となるように冷却塔の運転台数を決定する際の閾値として用いた「第１所定温度」と同一値に設定すれば、第１所定温度（＝第２所定温度）および所定負荷率を閾値として、同等容量か、第１容量か、上記構成の第２容量かの３パターンのいずれかを選択するだけで済むので、さらに簡便な運転制御が実現される。

　さらに、上記いずれかの熱源システムでは、前記制御部は、前記冷却水ポンプの流量を、外気湿球温度および前記冷却塔の運転台数によらず、前記ターボ冷凍機部分負荷率に基づいて制御する構成としてもよい。

　冷却水ポンプは、流量が減少すると消費電力が減少して効率が向上することが期待される。一方、冷却水の温度が上昇するのでターボ冷凍機の消費電力が増加することが考えられる。本発明者は、熱源システム全体としての効率について冷却水流量を検討したところ、外気湿球温度および冷却塔の運転台数にそれほど依存せず、ターボ冷凍機部分負荷率に大きく依存することを見出した。そこで、冷却水ポンプの流量を、外気湿球温度および冷却塔の運転台数によらず、ターボ冷凍機部分負荷率に基づいて制御することとした。これにより、さらに簡便な運転制御が実現される。
　また、冷却塔の運転台数を効率の観点から最適に設定した上記の各構成と組み合わせることによって、さらに高効率にて熱源システムを運転することができる。

　また、本発明の第２の態様の熱源システムの制御方法は、電気駆動にて回転周波数可変とされて冷媒を圧縮するターボ圧縮機、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器、該凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を供給する電気駆動による冷却水ポンプと、該冷却水ポンプによって前記凝縮器から導かれた冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、該冷却塔に設けられ、該冷却塔内に外気を導く電気駆動による冷却塔ファンと、前記蒸発器にて熱交換を行うことによって冷却された冷水を外部負荷側へ供給する電気駆動による冷水ポンプと、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを制御する制御部とを備え、前記ターボ冷凍機は、複数台設けられ、前記冷却塔は、それぞれの前記ターボ冷凍機の定格容量の合計容量に対応する冷却塔容量を有するように複数台設けられるとともに、複数の前記ターボ冷凍機に対して共通して接続された熱源システムの制御方法において、前記冷却塔は、前記制御部により、前記冷却塔容量を変更し得るように運転台数が切り替え可能とされており、前記制御部には、予め、外気湿球温度と前記ターボ冷凍機部分負荷率との関係において、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを考慮した熱源システム効率が高い前記冷却塔の冷却塔容量の関係が示された最適冷却塔容量関係が格納されており、前記制御部は、運転時における外気湿球温度と前記ターボ冷凍機の前記部分負荷率に基づいて、前記最適冷却塔容量関係を参照して前記冷却塔の運転台数を決定する。

　本発明の熱源システムおよびその制御方法によれば、以下の効果を奏する。
　外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率に対して熱源システム全体として効率が高い冷却塔の冷却塔容量が示された関係に基づいて、冷却塔の運転台数を決定することとした。したがって、極めて簡便な運転制御によって、熱源システムの高効率運転が実現される。
　また、冷却水流量を減流量とすることで、さらに高効率とされた熱源システムの運転が実現される。

本発明の一実施形態にかかる熱源システムを示した概略構成図である。制御部に格納され、外気湿球温度およびターボ冷凍機部分負荷率との関係で最適な冷却塔容量を示したマップの概念図である。制御部に格納され、最適な冷却水ポンプ流量をターボ冷凍機部分負荷率との関係で示した概念図である。本発明の一実施形態にかかる熱源システムの制御方法を示したフローチャートである。冷却塔能力１００％及び３００％について、ターボ冷凍機部分負荷率に対するターボ冷凍機単体のＣＯＰのシミュレーション結果を示したグラフである。冷却塔能力１００％及び３００％について、ターボ冷凍機部分負荷率に対する熱源システム全体のＣＯＰのシミュレーション結果を示したグラフである。冷却塔能力１００％，２００％及び３００％について、最も熱源システム全体のＣＯＰが高くなる領域を示したグラフである。冷却水流量の減流量を行った場合のターボ冷凍機単体のＣＯＰのシミュレーション結果について、ターボ冷凍機部分負荷率に対して示したグラフである。冷却水流量の減流量を行った場合の熱源システム全体のＣＯＰのシミュレーション結果について、ターボ冷凍機部分負荷率に対して示したグラフである。冷却塔容量の増大と冷却水流量の減流量を組み合わせた場合のシステムＣＯＰのシミュレーション結果について、ターボ冷凍機部分負荷率に対して示したグラフである。

　以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１には、本発明の熱源システムの一実施形態が示されている。熱源システム１は、複数台（本実施形態では６台）が並列に設けられたターボ冷凍機３と、複数台（本実施形態では６台）が並列に設けられた冷却塔５とを備えている。
　ターボ冷凍機３は、冷媒を圧縮するターボ圧縮機７と、このターボ圧縮機７によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器９と、この凝縮器９によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁（図示せず）と、この膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器１１とを備えている。
　ターボ圧縮機７は、インバータ装置によって回転周波数可変とされた電動モータ１３によって駆動される。

　凝縮器９には、冷却水ポンプ１５によって供給された冷却水が導かれるようになっている。冷却水ポンプ１５は、本実施形態では２台並列に用いられており、それぞれがインバータ装置によって回転周波数可変とされた電動モータ（図示せず）によって駆動され、それぞれに一方のみを運転する場合に開閉する冷却水ポンプ切替弁(図示せず)が設けられている。なお、冷却水ポンプ１５の一方を固定速とし、他方のみをインバータ駆動による可変速としてもよい。
　各冷却水ポンプ１５は、冷却水還ヘッダ１７から導かれた冷却水を吸込み、凝縮器９側へ吐出する。凝縮器９側から吐出された冷却水は、冷却水往ヘッダ１９へと導かれる。冷却水還ヘッダ１７には、全てのターボ冷凍機３及び全ての冷却塔５が共通に接続されている。冷却水往ヘッダ１９にも、全てのターボ冷凍機３及び全ての冷却塔５が共通に接続されている。

　蒸発器１１には、冷水ポンプ２１によって供給された冷水が導かれるようになっている。冷水ポンプ２１は、本実施形態では２台並列に用いられており、それぞれがインバータ装置によって回転周波数可変とされた電動モータ（図示せず）によって駆動され、それぞれに一方のみを運転する場合に開閉する冷水ポンプ切替弁(図示せず)が設けられている。なお、冷水ポンプ２１の一方を固定速とし、他方のみをインバータ駆動による可変速としてもよい。
　各冷水ポンプ２１は、冷水還ヘッダ２３から導かれた冷水を吸込み、蒸発器１１側へ吐出する。蒸発器１１側から吐出された冷水は、冷水往ヘッダ２５へと導かれる。冷水還ヘッダ２３には、全てのターボ冷凍機３が共通に接続されている。冷水往ヘッダ２５にも、全てのターボ冷凍機３が共通に接続されている。
　冷水還ヘッダ２３及び冷水往ヘッダ２５は、図示しない外部負荷に接続されている。外部負荷には、蒸発器１１によって冷却された冷水（例えば７℃）が冷水往ヘッダ２５を介して供給され、外部負荷にて使用され昇温した冷水（例えば１２℃）は、冷水還ヘッダ２３を介して蒸発器１１側に戻される。

　冷却塔５は、冷却塔ファン３０と、散水ヘッダ３２と、冷却水貯留タンク３４とを備えている。
　冷却塔ファン３０は、冷却塔５内に外気を導入するために用いられ、電動モータ３６によって駆動される。この電動モータ３６としては、インバータ装置によって回転周波数可変としたものが好適に用いられる。
　散水ヘッダ３２は、上方から冷却水を散布し、散水ヘッダ３２の下部に設けられている表面積の大きな充填材（図示せず）上を沿って流下させ、外気と接触させることによって顕熱だけでなく蒸発潜熱をも用いて冷却水を冷却する。散水ヘッダ３２と冷却水往ヘッダ１９との間には冷却水往用開閉弁３８が設けられている。
　冷却水貯留タンク３４には、散布されて外気によって冷却された冷却後の冷却水が貯留される。冷却水貯留タンク３４内に貯留された冷却水は、冷却水還用開閉弁４０を介して冷却水還ヘッダ１７へと導かれる。
　冷却水往用開閉弁３８と冷却水還用開閉弁４０を開閉することによって冷却塔５の起動停止が行われる。これにより、冷却塔５の起動台数を変更することができる。
　冷却塔５には、湿度センサ（図示せず）が設けられている。この湿度センサによって、外気湿球温度が得られる。湿度センサの出力は、後述する制御部へと送られる。なお、湿度センサに代えて、乾球温度と相対湿度と外気圧で、外気湿球温度を出しても良い。

　熱源システムは、図示しない制御部を備えており、この制御部は、ターボ冷凍機３、冷却水ポンプ１５、冷却塔ファン３０、冷却水往用開閉弁３８、冷却水還用開閉弁４０、及び冷水ポンプ２１、冷水ポンプ切替弁（図示せず）、冷却水ポンプ切替弁（図示せず）の動作を制御する。

　全てのターボ冷凍機３の合計定格容量と、全ての冷却塔５の合計定格容量とは同等とされている。例えば、６台のターボ冷凍機のうち３台の定格容量が３７０Ｒｔとされ残りの３台の定格容量が７５０Ｒｔとされている場合、６台の冷却塔のうち３台の定格容量が３７０Ｒｔとされ残りの３台の定格容量が７５０Ｒｔとされている。ただし、それぞれの合計定格容量が同等とされていれば足り、それぞれのターボ冷凍機の定格容量に対して、必ずそれぞれの冷却塔が同一の定格容量を有している必要はない。

　制御部は、図２及び図３に示すようなマップないし関係式を、その記憶領域に備えている。
　図２は、横軸がターボ冷凍機の部分負荷率を示し、縦軸が熱源システム全体としての効率であるシステムＣＯＰを示している。このマップ（最適冷却塔容量関係）は、ターボ冷凍機部分負荷率と外気湿球温度との関係で、熱源システム全体として最も効率の高い冷却塔５の冷却塔容量を示したものである。
　同図における曲線Ｌ１は、閾値となる外気湿球温度（第１温度）を示している。この外気湿球温度よりも外気湿球温度が低い場合には、冷却塔容量は３００％が最も効率が高くなる（同図における上方領域）。ここで、冷却塔容量３００％とは、起動しているターボ冷凍機３の定格容量の合計の３倍（３００％）の合計容量となる冷却塔容量を意味する。

　同図における線Ｌ２は、閾値となるターボ冷凍機部分負荷率（所定負荷率）を示している。この負荷率よりも低い場合には、冷却塔容量は１００％が最も効率が高くなる（同図における左下領域）。また、この負荷率よりも高い場合には、冷却塔容量は２００％が最も高くなる（同図における右下領域）。
　同図には、参考のため、外気湿球温度の等温線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄが示されている。外気湿球温度は、Ｌａ，Ｌｂ，Ｌ１，Ｌｃ，Ｌｄの順に高くなる。

　図３には、冷却水ポンプ１５の流量とターボ冷凍機部分負荷率との関係が示されている。冷却水ポンプ流量の１００％とは、定格流量を示している。
　同図に示されているように、制御部は、外気湿球温度および冷却塔５の運転台数によらず、ターボ冷凍機部分負荷率のみに基づいて冷却水ポンプ流量を制御する。
　また、同図に示されているように、冷却水ポンプ流量とターボ冷凍機部分負荷率とを線形関係の一次式として表しておけば、極めて簡便な制御が実現される。

　次に、図４を用いて、上述した熱源システムの制御方法について説明する。
　まず、ステップＳ１にて、負荷と外気条件を得る。具体的には、制御部は、蒸発器１１に流入する冷水の冷水入口温度、蒸発器１１から流出した冷水出口温度を温度センサによって得る。そして、冷水ポンプ２１によって供給される冷水流量を流量計から得る。制御部は、温度センサから得られた冷水入口出口温度差と、冷水流量と、冷水の比熱と、冷水の比重を乗じることによって、外部負荷にて消費されている負荷を算出する。また、制御部は、冷却塔５に設けた湿度センサから外気湿球温度を得る。

　次に、ステップＳ２にて、ターボ冷凍機３の運転台数は、冷水入口温度が所定値以下となるように決定される従来どおりの運転手法(１)、または、冷水入口温度が所定値以下に維持可能でかつ、ターボ冷凍機単体でのＣＯＰが最も高い運転となるように決定（２）される（ここでの最高ＣＯＰ運転とは、特開２００９－２０４２６２に記載された運転手法を用いて運転台数を決定する運転を意味する）。このように、本実施形態では、ターボ冷凍機３の起動台数は、冷却塔５の起動台数とは無関係に、ターボ冷凍機単体として決定される。

　ステップＳ３にて、冷水ポンプ２１の流量を制御する。
　冷水ポンプ２１の冷水流量は、外部負荷の冷水需要に応じて決定される。このとき、ステップＳ４のように、冷水ポンプ２１の流量を、冷水需要を満足する程度に可能な限り減流量とすることによって、冷水ポンプ２１の消費電力を可及的に抑える。冷水の減流量は、冷水ポンプ２１を駆動する電動モータの回転周波数をインバータ装置によって減少させることによって行う。外部の冷水重要は、冷水水量需要の場合と、必要需要を送水できる冷水往ヘッダ２５と冷水還ヘッダ２３との差圧とする場合がある。

　ステップＳ５にて、冷却水ポンプ１５の流量を制御する。
　冷却水ポンプ１５の流量は、ステップＳ６にて、図３に示したように、予め得られた関係式から得られる。この関係式は、ターボ冷凍機部分負荷率に対する一次関数として記述されており、制御部の記憶領域に格納されている。具体的には、定格冷却水入出温度差が５℃の場合、ターボ冷凍機部分負荷率が１００％（定格）のときに冷却水流量が１００％となり、ターボ冷凍機部分負荷率が最低の２０％のときに冷却水流量が５０％となるように、ターボ冷凍機部分負荷率が減少するに従い冷却水流量が単調に減少するように制御する。このように、冷却水ポンプ１５の流量は、冷却塔の台数制御とは別個独立に制御される。

　ステップＳ７にて、冷却塔５の起動台数を決定する。
　外気湿球温度が１０℃未満の場合には、冷却塔５に対する要求容量ＱＣＴｄを３００％とする（ステップＳ８）。この場合、図２に示したマップの曲線Ｌ１よりも上の上方領域を要求することになる。ここで、要求容量ＱＣＴｄとは、運転中とされた１台のターボ冷凍機３の定格容量に相当する冷却塔の容量を１００％とした場合に要求する冷却塔容量を意味する。したがって、ＱＣＴｄ=３００％とは、運転中とされた１台のターボ冷凍機３の定格容量の３倍の冷却塔容量を冷却塔に要求することを意味する。
　外気湿球温度が１０℃以上でかつターボ冷凍機部分負荷率が６０％以上の場合には、冷却塔５に対する要求容量ＱＣＴｄを２００％とする（ステップＳ８）。この場合、図２に示したマップの曲線Ｌ１よりも下方でかつ線Ｌ２よりも右方の右下領域を要求することになる。
　外気湿球温度が１０℃以上でかつターボ冷凍機部分負荷率が６０％未満の場合には、冷却塔５に対する要求容量ＱＣＴｄを１００％とする（ステップＳ８）。この場合、図２に示したマップの曲線Ｌ１よりも下方でかつ線Ｌ２よりも左方の左下領域を要求することになる。

　次に、ステップＳ９に進み、運転中のターボ冷凍機３のそれぞれから要求された冷却塔５の要求容量の合計となる合計要求容量ΣＱＣＴｄを演算する。この合計要求容量ΣＱＣＴｄが、設置された冷却塔の合計容量（熱源システム１として備えている全ての冷却塔５の合計容量）となる設置冷却塔合計ΣＱＣＴｉ以下の場合には、ステップＳ１０へと進み、ステップＳ８にて要求された冷却塔の要求容量が採用される。
　一方、合計要求容量ΣＱＣＴｄが、設置冷却塔合計容量ΣＱＣＴｉを超える場合には、ステップＳ１１へと進み、合計要求容量ΣＱＣＴｄを設置冷却塔合計容量ΣＱＣＴｉに等しくなるように修正する。そして、運転中とされたターボ冷凍機３のうちの１台が要求可能な冷却塔能力ＱＣＴｄ’は、設置冷却塔合計容量ΣＱＣＴｉをターボ冷凍機３の運転台数Nで除した値となる（ステップＳ１２）。

　次に、図２及び図３に示したマップないし関係式の取得の方法について、以下に説明する。以下に説明する方法は、シミュレーションによって行う方法である。
　熱源システム１全体の効率を示す熱源システムＣＯＰは、式（１）のように，ターボ冷凍機が出力する熱量から冷水ポンプの熱入力を引いた熱量を、ターボ冷凍機、冷水ポンプ、冷却水ポンプ、冷却塔ファンのエネルギー消費量の和で除したものとする。

　以下に、各機器のエネルギー消費量に関する理論式を示す。
（i）熱源システム熱出力
　冷水には冷水ポンプによりηmp・Ｐｃｈｐを入熱として与えられるため、熱源システムの熱出力は，ターボ冷凍機の熱出力Ｑｔｂからηmp・Ｐｃｈｐを差し引いたものとなる。また、冷水ポンプの残りの（１－ηmp）・Ｐｃｈｐの熱量は大気に放出されるものとする。

（ii）ターボ冷凍機エネルギー消費量
　ターボ冷凍機の熱出力Ｑｔｂを、冷却水温度、ターボ冷凍機部分負荷率と性能特性から求めたＣＯＰｔｂで除し、エネルギー消費量Ｐｔｂを算定する。

（iii）冷水ポンプエネルギー消費量Ｐｃｈｐおよび冷却水ポンプエネルギー消費量Ｐｃｌｐ
　ポンプの吐き出し量をＱ[m³/s]、全揚程をＨ [m]、揚液の密度をρ[kg/ m³]、重力加速度をｇ[m/s²]とすれば、ポンプによって液体に与えられる動力Ｐw[kW]は、式（２）のようになる。

　式（２．１）に示したように、全揚程Ｈ [m]は高さ方向Ｈｅｖと、流動抵抗に相当する揚程Ｈｒの和である。なお、添え字のｒｐは定格を意味する。
　Ｐｗを水動力といい、ポンプの効率をηpとするとポンプの軸動力Ｐ[kW]は式（３）となる。

（iv）冷却塔ファンエネルギー消費量
　冷却塔ファン電力消費量Ｐｃｔ[kW]は、式（４）のように表わされる。回転数制御される冷却塔ファンの電力消費量は空気風量の３乗に比例し、空気風量はファン回転数の２乗に比例する。一般的な開放型冷却塔は塔頂にファンがあるため、蒸発して大気に放出される冷却水量を考慮する。式（４）では計算を簡略化するために空気の比体積を冷却塔の吸い込み条件とし、蒸発する水分量を加算する手法をとった。定格条件は乾球温度３５℃、湿球温度２７℃であり、排熱量から水の蒸発量を考慮している。

［冷却塔容量の増大］
　図５には、上述の条件の下、ターボ冷凍機単体での効率を示す冷凍機ＣＯＰについてのシミュレーション結果が示されている。同図において横軸はターボ冷凍機部分負荷率である。それぞれの外気湿球温度ごとにプロットされている。実線は冷却塔容量１００％を示し、破線は冷却塔容量３００％を示している。
　冷凍機ＣＯＰは、全ての湿球温度に対して、冷却塔容量を１００％から３００％に増大することによって増加している。ただし、２０～４０％程度の低負荷率の領域では、冷凍機ＣＯＰの改善幅が小さい。

　図６には、図５と同条件における熱源システム１の効率を示すシステムＣＯＰについてのシミュレーション結果が示されている。図５と同様に、実線は冷却塔容量１００％を示し、破線は冷却塔容量３００％を示している。
　システムＣＯＰは、外気湿球温度が８℃以下の場合には、全てのターボ冷凍機部分負荷率にて、冷却塔容量を１００％から３００％に増大することによって増加している。しかし、外気湿球温度が１２℃以上の場合には、ターボ冷凍機部分負荷率が大きい領域では冷却塔容量３００％の方が高いＣＯＰを示しているが、ターボ冷凍機部分負荷率が低い領域では、関係が逆転し、冷却塔容量１００％の方が高いＣＯＰを示している。このように、冷却塔容量３００％におけるシステムＣＯＰと冷却塔容量１００％におけるシステムＣＯＰの関係が逆転するターボ冷凍機部分負荷率は、外気湿球温度が高くなるほど高負荷側に移動する。

　図５と図６の関係から分かるように、ターボ冷凍機単体での効率だけでなく、図６のように熱源システム全体としての効率を考慮すると、冷却塔容量の最適値が外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係で得られることが分かる。そこで、冷却塔容量２００％の場合もシミュレーションを行い、最も高いＣＯＰを示す冷却塔容量の領域を示すと、図７のようになる。
　同図に示されているように、外気湿球温度が８℃を下回るとターボ冷凍機部分負荷率にかかわらず冷却塔容量３００％におけるＣＯＰが最も高い。また、外気湿球温度が８℃を上回る領域では、冷凍機負荷率が６０%を超える領域では冷却塔容量２００％におけるＣＯＰが良く、６０％以下では冷却塔容量１００％におけるＣＯＰが最も高くなる。
　したがって、冬期や中間期において外気湿球温度が低い場合には、ターボ冷凍機部分負荷率に関わらず冷却塔容量を３００％に増大することによって省エネルギー効果を得ることができる。しかし、外気湿球温度が高くターボ冷凍機部分負荷率が低い領域では、冷却塔容量の増大の効果は得られない。さらに、夏期など湿球温度が高い条件では、一定の冷凍機負荷率を超える領域において冷却塔容量の増大による効果が見込めるため、過剰とならない冷却塔容量２００％が良いと言える。

［冷却水流量の減流量］
　図８には、定格冷却水入出温度差が５℃の仕様であって、冷却水流量を定格の１００％から減少させた場合について、ターボ冷凍機単体での効率を示す冷凍機ＣＯＰについてのシミュレーション結果が示されている。同図において横軸はターボ冷凍機部分負荷率である。それぞれの外気湿球温度ごとにプロットされている。実線は冷却水の減流量を行わない場合（すなわち冷却水流量１００％）を示し、破線は冷却水流量を１００％から５％ずつ減じ、冷凍機ＣＯＰが最も高いときの冷却水流量における冷凍機ＣＯＰを示している。
　同図からわかるように、全ての外気湿球温度および全てのターボ冷凍機部分負荷率において冷凍機ＣＯＰが低下している。これは、冷却水流量の減少によって冷却水温度が上昇し、ターボ冷凍機の消費電力が増大したためと考えられる。

　図９には、図８と同条件における熱源システム１の効率を示すシステムＣＯＰについてのシミュレーション結果が示されている。図８と同様に、実線は冷却水の減流量を行わない場合を示し、破線は冷却水流量を１００％から５％ずつ減じ、システムＣＯＰが最も高いときの冷却水流量におけるシステムＣＯＰを示している。
　また、同図には、冷却水流量を減流量したときに最も高いシステムＣＯＰを示す冷却水流量の領域が点線で区切られて示されている。すなわち、ターボ冷凍機部分負荷率が大きい領域では冷却水流量９０％が最も高いシステムＣＯＰを示し、ターボ冷凍機部分負荷率が低下するに従い、８０％，７０％，６０％，５０％というように最高効率を示す冷却水流量が低下している。
　同図から分かるように、システムＣＯＰは、全ての外気湿球温度および全てのターボ冷凍機部分負荷率について向上している。これは、冷却水流量の減流量によって冷凍機ＣＯＰは低下した（図８参照）にもかかわらずシステムＣＯＰが増大したことを意味し、新たな知見といえる。
　システムＣＯＰの最高値を示す冷却水流量は、ターボ冷凍機部分負荷率が減少するに従い減少する。最小となるターボ冷凍機部分負荷率２０％では、冷却水流量は最小値の５０％となっている。この冷却水流量とターボ冷凍機部分負荷率との関係をさらに検討したところ、ターボ冷凍機部分負荷率に対する冷却水流量は、外気湿球温度による影響はそれほど大きくなく１０％程度であった。また、最小となる冷却水流量は、外気湿球温度に依存せず５０％であった。したがって、冷却水流量は、図３に示したように、ターボ冷凍機部分負荷率との関係のみで、しかも一次式で表せば十分であることが分かった。もちろん、外気湿球温度を考慮して、冷却水流量の１０％の誤差範囲を小さくする手法を採用しても良い。しかし、図３のように単純に冷却水流量をターボ冷凍機部分負荷率との関係で規定した方が、制御の点で簡便となり好ましい。

［冷却塔容量の増大＋冷却水流量の減流量］
　図１０には、冷却塔容量を増大させ、かつ、冷却水流量を減流量させた場合について、熱源システムの効率を示すシステムＣＯＰについてのシミュレーション結果が示されている。同図において横軸はターボ冷凍機部分負荷率である。それぞれの外気湿球温度ごとにプロットされている。実線は、最も高いシステムＣＯＰを示す点を示している。また、点線によって、最も高いシステムＣＯＰを示すときの冷却水流量の領域が区切られて示されている。さらに、図７と同様に、最も高いシステムＣＯＰを示す冷却塔能力の領域が示されている。
　最も高いシステムＣＯＰを示す冷却水流量は、定格冷却水入出温度差が５℃の仕様の場合、ターボ冷凍機部分負荷率が減少するに従い低下し、最小のターボ冷凍機部分負荷率２０％では最小の冷却水流量５０％となっている。この傾向は、図９と同様であり、最適な冷却水流量は、冷却塔容量の増大に対する影響は小さいことが分かる。したがって、図４のフローチャートに示したように、冷却水流量は、冷却塔の増大（ステップＳ７）とは別個に演算して得る（ステップＳ５）ことが妥当といえる。
　また、図１０と図７を比較すると、システムＣＯＰが増大していることがわかる。したがって、冷却塔容量の増大と冷却水流の減流量を組み合わせることによって、熱源システム全体としての効率向上を図ることができる。

　上述したシミュレーション結果を用いて、最も高いシステムＣＯＰを示すターボ冷凍機部分負荷率と外気湿球温度の組み合わせを図２に示したマップ（最適冷却塔容量関係）として予め得ておき、これに基づいて図４に示したステップＳ７～Ｓ１２に従い冷却塔の起動台数を決定する。
　また、冷却水流量の減流量についても、上述したシミュレーション結果を用いて、最も高いシステムＣＯＰを示す冷却水流量をターボ冷凍機部分負荷率との関係で図３のように関係式として予め得ておき、これに基づいて図４に示したステップＳ５～Ｓ６に従い冷却水の減流量を決定する。

　以上の通り、本実施形態にかかる熱源システム１およびその制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
　外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率によって熱源システム効率が最も高くなる冷却塔５の冷却塔容量が存在するという知見を得た。そこで、予め、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係において熱源システム効率が高い冷却塔容量を示したマップを得ておき、これに基づいて運転することとした。これにより、熱源システム全体として効率の高い運転を実現することができる。
　また、外気湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率を得るだけで冷却塔５の運転台数を決定できるので、極めて簡便な運転制御が可能となる。

　また、外部湿球温度とターボ冷凍機部分負荷率との関係で熱源システム効率の高い冷却塔容量を検討したところ、外気湿球温度が第１所定温度（図２の曲線Ｌ１が示す外気湿球温度）以下の場合には、運転中のターボ冷凍機の定格容量よりも大きい３００％（第１容量）となるように冷却塔５の運転台数を決定した方が熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、外気湿球温度が低い冬期や中間期にこの運転を行うと、高効率な運転が実現される。
　なお、冷却塔容量３００％の場合には、ターボ冷凍機部分負荷率にかかわらず、熱源システム全体の効率が高くなるので、ターボ冷凍機部分負荷率とは無関係に外気湿球温度のみで冷却塔運転台数を決定でき、簡便な運転制御が実現される。

　外気湿球温度が第１所定温度（図２の曲線Ｌ１が示す外気湿球温度）以上でかつターボ冷凍機部分負荷率が６０％（所定負荷率）以下の場合には、運転中のターボ冷凍機３の定格容量と同等の冷却塔容量１００％となるように冷却塔の運転台数を決定すると、熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、中間期のように、外気湿球温度が比較的高く外部負荷の要求熱量が小さいときにこの運転を行うと、高効率な運転が実現される。

　外気湿球温度が第１所定温度（図２の曲線Ｌ１が示す外気湿球温度）以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が６０％（所定負荷率）以上の場合には、冷却塔容量２００％となるように冷却塔５の運転台数を決定すると、熱源システム全体として効率が高くなることを見出した。したがって、夏期のように外気湿球温度が比較的高く外部負荷の要求熱量が大きいときにこの運転を行うと、高効率な運転が実現される。
　また、外気湿球温度が第１所定温度以上の場合には、ターボ冷凍機部分負荷率６０％を閾値として、冷却塔容量２００％か１００％かを選択するだけで済むので、さらに簡便な運転制御が実現される。また、第１所定温度以下となれば、冷却塔容量３００％を選択するだけで済むので、さらに簡便な運転制御が実現される。

　熱源システム全体としての効率について冷却水流量を検討したところ、外気湿球温度および冷却塔の運転台数にそれほど依存せず、ターボ冷凍機部分負荷率に大きく依存する知見を得たので、冷却水ポンプ１５の流量を、外気湿球温度および冷却塔５の運転台数によらず、ターボ冷凍機部分負荷率に基づいて制御することとした。これにより、さらに簡便な運転制御が実現される。
　また、冷却塔５の運転台数を効率の観点から最適に設定した場合と組み合わせることによって、さらに高効率にて熱源システムを運転することができる。

１　熱源システム
３　ターボ冷凍機
５　冷却塔
７　ターボ圧縮機
９　凝縮器
１１　蒸発器
１３　電動モータ
１５　冷却水ポンプ
１７　冷却水還ヘッダ
１９　冷却水往ヘッダ
２１　冷水ポンプ
２３　冷水還ヘッダ
２５　冷水往ヘッダ
３０　冷却塔ファン
３２　散水ヘッダ
３４　冷却水貯留タンク
３６　電動モータ
３８　冷却水往用開閉弁
４０　冷却水還用開閉弁

Claims

　電気駆動にて回転周波数可変とされて冷媒を圧縮するターボ圧縮機、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器、該凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、
　前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を供給する電気駆動による冷却水ポンプと、
　該冷却水ポンプによって前記凝縮器から導かれた冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、
　該冷却塔に設けられ、該冷却塔内に外気を導く電気駆動による冷却塔ファンと、
　前記蒸発器にて熱交換を行うことによって冷却された冷水を外部負荷側へ供給する電気駆動による冷水ポンプと、
　前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを制御する制御部と、
を備え、
　前記ターボ冷凍機は、複数台設けられ、
　前記冷却塔は、それぞれの前記ターボ冷凍機の定格容量の合計容量に対応する冷却塔容量を有するように複数台設けられるとともに、複数の前記ターボ冷凍機に対して共通して接続された熱源システムにおいて、
　前記冷却塔は、前記制御部により、前記冷却塔容量を変更し得るように運転台数が切り替え可能とされており、
　前記制御部には、予め、外気湿球温度と前記ターボ冷凍機部分負荷率との関係において、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを考慮した熱源システム効率が高い前記冷却塔の冷却塔容量の関係が示された最適冷却塔容量関係が格納されており、
　前記制御部は、運転時における外気湿球温度と前記ターボ冷凍機の前記部分負荷率に基づいて、前記最適冷却塔容量関係を参照して前記冷却塔の運転台数を決定する熱源システム。
　前記制御部は、前記最適冷却塔容量関係に基づき、外気湿球温度が第１所定温度以下の場合には、運転中の前記ターボ冷凍機の定格容量よりも大きい第１容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する請求項１に記載の熱源システム。
　前記制御部は、外気湿球温度が第２所定温度以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が所定負荷率以下の場合には、運転中の前記ターボ冷凍機の定格容量と同等の同等容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する請求項２に記載の熱源システム。
　前記制御部は、外気湿球温度が前記第２所定温度以上でかつ、前記ターボ冷凍機部分負荷率が前記所定負荷率以上の場合には、前記第１容量以下でかつ前記同等容量以上となる第２容量となるように、前記冷却塔の運転台数を決定する請求項３に記載の熱源システム。
　前記制御部は、前記冷却水ポンプの流量を、外気湿球温度および前記冷却塔の運転台数によらず、前記ターボ冷凍機部分負荷率に基づいて制御する請求項１から４のいずれかに記載の熱源システム。
　電気駆動にて回転周波数可変とされて冷媒を圧縮するターボ圧縮機、該ターボ圧縮機によって圧縮された冷媒を凝縮液化させる凝縮器、該凝縮器によって凝縮液化された冷媒を膨張させる膨張弁、及び、該膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器を備えたターボ冷凍機と、
　前記凝縮器にて熱交換を行うことによって冷媒を冷却する冷却水を供給する電気駆動による冷却水ポンプと、
　該冷却水ポンプによって前記凝縮器から導かれた冷却水を、外気と接触させることにより熱交換させて冷却する冷却塔と、
　該冷却塔に設けられ、該冷却塔内に外気を導く電気駆動による冷却塔ファンと、
　前記蒸発器にて熱交換を行うことによって冷却された冷水を外部負荷側へ供給する電気駆動による冷水ポンプと、
　前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを制御する制御部と、
を備え、
　前記ターボ冷凍機は、複数台設けられ、
　前記冷却塔は、それぞれの前記ターボ冷凍機の定格容量の合計容量に対応する冷却塔容量を有するように複数台設けられるとともに、複数の前記ターボ冷凍機に対して共通して接続された熱源システムの制御方法において、
　前記冷却塔は、前記制御部により、前記冷却塔容量を変更し得るように運転台数が切り替え可能とされており、
　前記制御部には、予め、外気湿球温度と前記ターボ冷凍機部分負荷率との関係において、前記ターボ冷凍機、前記冷却水ポンプ、前記冷却塔、前記冷却塔ファン、及び前記冷水ポンプを考慮した熱源システム効率が高い前記冷却塔の冷却塔容量の関係が示された最適冷却塔容量関係が格納されており、
　前記制御部は、運転時における外気湿球温度と前記ターボ冷凍機の前記部分負荷率に基づいて、前記最適冷却塔容量関係を参照して前記冷却塔の運転台数を決定する熱源システムの制御方法。