WO2012081301A1 - 冷却システム - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a cooling system that cools a heat medium using solar heat, and more particularly, to a cooling system capable of optimal control in consideration of energy saving and low operation cost.
- Patent Document 1 and Patent Document 2 There are technologies shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 as a heat collection system using solar heat.
- a solar heat collector that collects solar heat energy and applies the collected solar energy to a heat medium, a heat medium that has become a high temperature due to heat collection by the solar heat collector, and a water supply tank Heat exchange is performed between the first heat exchanger that performs heat exchange with the feed water to be transferred, and the feed water that has become hot due to heat exchange in the heat exchanger and the hot working medium.
- a second heat exchanger for generating steam for the process.
- Patent Document 1 solar heat is used in the daytime to generate process steam, and hot water is made by a hot water boiler during bad weather or at night.
- Fuel (gas) of the hot water boiler Although the cost is reduced, it does not depend on the optimal control for reducing the operating cost of the entire system, which is the sum of the fuel cost and the power cost of the pump and the like.
- Patent Document 2 since an absorption liquid such as lithium bromide is used as a heat medium to flow and heat in the pipe, a large amount of the absorption liquid is required, which is troublesome to handle and manage, and costs increase. Also, if boiling occurs in the absorbing solution during heating, the pressure may increase abnormally and cause a back flow, making temperature management difficult. And when the temperature of the absorption liquid heated with the solar heat collecting tube is low like patent document 1, it heats with heat sources, such as a burner, but the system which totaled fuel costs, such as a burner, and electric power expenses, such as a pump It does not depend on optimal control to reduce overall operating costs.
- heat sources such as a burner
- the present invention provides a cooling system that minimizes operating costs when cooling a heat medium using solar heat as an energy source.
- the present invention provides a cooling system for cooling a heat medium load.
- a solar collector that collects solar thermal energy;
- An absorption refrigerator that uses the heat collected by the solar heat collector as drive energy;
- An outside air condition detecting means for detecting an outside air condition such as a specific enthalpy of outside air or a wet bulb temperature of outside air;
- Direct solar radiation amount detecting means for detecting the direct solar radiation amount of the sun;
- a load detecting means for detecting the cooling load of the heat medium;
- Collector pressure detecting means for detecting the pressure of the solar collector,
- Collector pressure adjusting means for adjusting the pressure in the solar collector,
- a control device for controlling each of the above parts is provided, The said control apparatus changes the pressure in a solar-heat collector according to the external air condition detected above, the solar direct solar radiation amount, and the cooling load.
- control device repeatedly calculates by changing the control target value using simulation, obtains the pressure in the solar heat collector that minimizes the operating cost of the entire system, The pressure in the heat collector is controlled.
- control device has a database created in advance, and stores the pressure in the solar heat collector obtained using simulation as a set value in the database. To do.
- the database is a control table that obtains at least a set value of the pressure in the solar heat collector when the outdoor air condition, the amount of direct solar radiation and the cooling load are determined. To do.
- control device is configured to set a pressure value in the solar heat collector from the control table according to the detected outside air condition, the amount of direct solar radiation and the cooling load. And the pressure in the solar heat collector is controlled.
- the database is an absorption that minimizes the operating cost of the entire system by repeatedly calculating by changing the outdoor air condition, the direct solar radiation amount of the sun, and the control target value of the cooling load using simulation.
- the number of operating refrigerators and the pressure in the solar heat collector are stored as set values.
- the cooling system further includes a cooling tower that cools cooling water to the absorption chiller, and a cooling water pump that is driven by an inverter or a cooling tower fan that is driven by an inverter.
- the database further stores the number of operating absorption chillers and the frequency of each inverter as set values that minimize the operating cost of the entire system.
- 1 is a system configuration diagram of an embodiment of the present invention. It is the image figure which calculates
- FIG. 1 is a system configuration diagram of a cooling system according to an embodiment.
- Reference numeral 1 denotes a solar heat collector, in which water flows as a heat medium, water introduced from a lower inlet is heated by solar heat, and a liquid (hot water) and a gas (steam) are mixed from the upper outlet. Is derived. The mixed fluid of liquid and gas flows into the gas-liquid separator 2 and is separated into liquid and gas.
- Reference numeral 80 denotes a control device that executes the control described below for the entire system.
- the temperature sensor 212 is a sensor that measures the temperature at the outlet of the solar heat collector 1
- the pressure sensor 232 is a sensor that measures the pressure at the outlet of the solar heat collector 1.
- the pressure adjustment valve 272 is a pressure adjustment valve that controls the pressure at the outlet of the solar heat collector 1 to be a command value from the control device 80. The pressure adjustment valve 272 is adjusted by the PID controller 252 according to the measurement value of the pressure sensor 232 and the command of the control device 80. Thereby, the steam pressure in the solar heat collector 1 is controlled.
- the amount of solar heat collected by the solar heat collector 1 is calculated based on the measured values of the temperature sensors 201 and 202 and the pressure sensor 231.
- a direct solar radiation meter (direct solar radiation amount detecting means) for measuring the direct solar radiation amount of the sun (the amount of solar radiation measured from the range of the sun's photosphere and the direct sunlight).
- the direct solar radiation amount may be estimated from the total solar radiation amount measured by the global solar radiation meter.
- the 3 is a pump that sends liquid water (heat medium) separated by the gas-liquid separator 2 to the solar heat collector 1 and is driven by the inverter 103.
- the flow rate of the heat medium flowing through the solar heat collector 1 is controlled by changing the frequency of the inverter 103.
- the heat medium flowing through the solar heat collector 1 is controlled so as to efficiently take in the heat amount so that the flow rate is increased when the heat collection amount is large and the flow rate is decreased when the heat collection amount is small.
- 31, 32, 33 are absorption refrigerators, and the steam separated by the gas-liquid separator 2 is used as driving energy.
- 4 is a boiler 4 that generates steam from fuel (gas) and operates when the amount of steam generated by solar heat is less than the amount of steam required by the absorption chillers 31 to 33, and generates insufficient steam.
- 10 is a cooling tower installed side by side, which cools the cooling water of the absorption chillers 31-33.
- 10a is a fan of each cooling tower.
- 21 to 23 are cooling water pumps that send cooling water to the absorption chillers 31 to 33, respectively, and are driven by inverters 121 to 123 that change the flow rate of each cooling water.
- 41, 42, and 43 are chilled water pumps that send chilled water from the chilled water tank 50 (described later) to the absorption chillers 31 to 33, respectively, and the chilled water flow rate of each pump is controlled by inverters 141 to 143, respectively.
- Reference numeral 50 denotes a cold water tank in which cold water cooled by the absorption refrigerators 31 to 33 is stored.
- the cold water in the cold water tank 50 is sent to the load 70 which is a heat medium by the cold water secondary pump 60, and returns to the cold water tank 50 while being heated by the consumption of the cold heat in the load 70.
- 203 and 204 are temperature sensors at the inlet and outlet of the load 70, respectively, and 221 is a flow rate sensor. Based on the measurement values of the temperature sensors 203 and 204 and the flow rate sensor 221, the cooling load of the load 70 is calculated.
- Connected to the cold water secondary pump 60 is an inverter 160 that changes the flow rate of the cold water sent to the load 70.
- the cold water secondary pump 60 is driven and controlled so that the temperature difference between the temperature sensor 203 and the temperature sensor 204 becomes constant according to the frequency of the inverter 160. Further, the inverters 141 to 143 are controlled so that the total flow rate of cold water sent to the absorption chillers 31 to 33 is the same as the flow rate of cold water sent to the load 70 by the cold water secondary pump 60. Since the frequency of the inverters 141 to 143 and the flow rate of the chilled water sent to the absorption chillers 31 to 33 have a certain relationship (substantially proportional relationship), the relationship is obtained in the control device 80 during the trial operation. The frequency is controlled based on the relationship. At that time, the relationship between the frequency of the inverters 141 to 143 and the power consumption of the chilled water pumps 41 to 43 is also obtained in the controller 80.
- the wet bulb temperature (outside air condition) of the outside air is calculated.
- the wet bulb temperature is described here, since the wet bulb temperature and the specific enthalpy have a certain relationship, the specific enthalpy may be used for the outside air condition instead of the wet bulb temperature.
- the heat collection amount of the solar heat collector 1 is detected from the measurement values of the temperature sensor 201, the temperature sensor 202, the pressure sensor 231, and the flow rate sensor 222, and the measurement values of the temperature sensor 203, the temperature sensor 204, and the flow rate sensor 221.
- Is used to detect the cooling load and the wet bulb temperature of the outside air is detected from the measured values of the temperature sensor 205 and the humidity sensor 211.
- the solar heat collector 1 is stored from a database (control table or approximate curve) 80a stored in advance in the control device 80. Pressure, the number of operating absorption chillers 31, 32, and 33, the frequency of the inverter 110 of the cooling tower 10 fan, and the frequency of the inverters 121 to 123 of the cooling water pumps 21 to 23 are obtained. Feed control.
- Fig. 7 shows the relationship between the vapor pressure of the absorption chillers 31 to 33 and the maximum refrigeration capacity.
- the absorption refrigerators 31 to 33 have a characteristic that the maximum refrigeration capacity increases as the vapor pressure increases. This is because the higher the steam pressure, the higher the steam temperature, so that a large amount of heat can be exchanged in the heat exchanger of the regenerator of the absorption chillers 31 to 33.
- FIG. 8 shows the relationship between the steam pressure of the solar heat collector 1 and the heat collection efficiency.
- the solar heat collector 1 since the steam temperature is higher as the steam pressure is higher, the surface temperature of the solar heat collector 1 is higher, the amount of heat released to the outside is increased, the loss is increased, and the heat collection efficiency is lowered. Therefore, the lower the vapor pressure, the higher the heat collection efficiency of the solar heat collector 1, and the greater the amount of solar heat collected.
- an optimum steam pressure is calculated by simulation, and the cooling system is controlled by the set value.
- a method for calculating the optimum vapor pressure using simulation will be described later.
- Fig. 2 is a diagram showing an image for extracting set values.
- the outside wet bulb temperature (Y-axis), the cooling load (X-axis), and the amount of direct solar radiation (Z-axis) are determined, the set values of the black circles at the intersections of the broken lines are determined, and the cooling system is controlled by these values.
- FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration of the control table 80a.
- the control table 80a is a table in which the set value is determined when the outdoor wet bulb temperature, the cooling load, and the amount of direct solar radiation are determined.
- the horizontal axis represents the outside wet bulb temperature (outside air specific enthalpy) and the cooling load, the vertical axis represents the amount of direct solar radiation, and three types of set values 80b are provided at the intersections.
- the three set values 80b are the number of operating the absorption chillers 31 to 33, the frequency of the inverter 110 of the fan of the cooling tower 10, the frequency of the inverters 121 to 123 of the cooling water pumps 21 to 23, and the solar heat collector 1 Of the steam pressure.
- the set value 80b is not an intermediate set value for controlling the system, but is a final set value that can directly control the system. Accordingly, since the extracted set value can be directly controlled without converting the set value, the control response is good.
- the set value 80b is calculated in advance by calculating the power consumption and gas consumption of the entire system when the amount of solar heat collection, the outside wet bulb temperature (outside air conditions), and the cooling load are changed by simulation calculation described later. A value that minimizes the operating energy cost (running cost) is required from the consumption and unit price.
- FIG. 4 is a flowchart showing a method for generating the control table 80a.
- the flowchart of FIG. 4 is a flowchart for determining a set value for one point of the black circle shown in FIG. 2 or one point (one intersecting section) shown in FIG. 3. By repeatedly calculating this flowchart, all points (sections) are determined. Decide the setting value.
- the operation energy cost is described as the evaluation function, but other evaluation functions may be used.
- step 401 in FIG. 3 the amount of direct solar radiation corresponding to one point to be determined in the control table 80a, the wet bulb temperature of the outside air, and the cooling load are input.
- steps 402 to 405 the steam pressure of the solar heat collector 1, the number of operating absorption refrigerators 31 to 33, the frequency of the inverter 110 of the cooling tower 10, and the inverter 121 of the cooling water pumps 21 to 23 are obtained.
- the combinations of frequencies of 123 to 123 are sequentially set and calculation of all the combinations is completed, the process proceeds from step 405 to step 407. Note that the frequencies of the inverters 110 and 121 to 123 are values at certain constant intervals.
- step 403 the direct solar radiation amount, the wet bulb temperature of the outside air, the cooling load, the number of operating refrigerators, the frequency of the inverter 110 of the cooling tower 10, and the frequency of the inverters 121 to 123 of the cooling water pumps 21 to 23 are inputted and simulated. Calculate the power consumption and gas consumption of the entire system. The simulation calculation method in step 403 will be described later.
- the evaluation function is calculated and compared.
- the operating cost which is an evaluation function
- the evaluation functions are compared. If the value of the evaluation function is not stored (first calculation), the combination of the number of operating refrigerators at that time, the frequency of the inverters 110 and 121 to 123, and the value of the evaluation function are stored.
- the value of the evaluation function is stored (from the second time on), if the value of the evaluation function calculated this time is small compared to the stored evaluation function, the number of operating refrigerators and the inverter at that time
- the frequency combinations 110 and 121 to 123 and the value of the evaluation function are updated and stored, and if they are large, they are left as they are (not updated and stored).
- step 407 When the calculation of all settings is completed, the number of operating refrigerators and the frequency of inverters 110 and 121 to 123 when the evaluation function compared in step 404 is minimized (running cost is minimized) in step 407 are calculated.
- the combination and the steam pressure of the solar heat collector 1 are stored in the control table 80a of FIG.
- FIG. 5 is a simulation flowchart illustrating in detail step 403 in FIG. The power consumption and gas consumption are obtained by the simulation of FIG. 5, and the running cost is calculated using the unit price of power and gas.
- step 500 the amount of direct solar radiation, the outside air wet bulb temperature, the cooling load, the number of operating refrigerators, the frequency of the inverter 110 of the cooling tower 10, the frequency of the inverters 121 to 123 of the cooling water pumps 21 to 23, the solar heat
- the steam pressure in the heat collector 1 is input.
- step 501 the amount of solar heat collected is calculated from the amount of direct solar radiation of the sun and the steam pressure of the solar heat collector 1.
- FIG. 7 shows the steam pressure and the heat collection efficiency of the solar heat collector. For the calculation in step 501, such a relationship (the heat collection efficiency of the solar heat collector 1 decreases as the vapor pressure increases. ) Is also used.
- step 502 the power consumption of the cold water pump is calculated.
- the flow rate of the chilled water pumps 41 to 43 is obtained from the cooling load and the number of operating refrigerators 31 to 33, the frequency of the inverters 141 to 143 is obtained from these flow rates, and the power consumption of the chilled water pumps 41 to 43 is obtained from these frequencies.
- step 503 the power consumption and cooling water flow rate of the cooling water pump are calculated. From the operating number of the refrigerators 31 to 33 and the frequency of the inverters 121 to 123, the flow rate of the cold water flowing through the refrigerators 31 to 33 and the power consumption of the cooling water pumps 21 to 23 are calculated. Since there is a fixed relationship between the inverter frequency, flow rate, and power consumption, it is obtained during trial operation. Alternatively, the characteristic curve of the pump and the resistance characteristic of the flow path, and the flow rate, the head, and the power of the pump may be obtained using a law that is proportional to the first, second, and third power of the inverter frequency, respectively.
- the calculation of the inverter frequency, flow rate, power consumption, etc. of the pump is performed in the same manner, and the description is omitted.
- step 504 the forward temperature of the cooling water is set.
- the cooling water going temperature is the lower temperature of the cooling water, and the higher temperature is called the cooling water return temperature.
- step 505 the steam consumption, power consumption, and cooling water return temperature of the absorption refrigerators 31 to 33 are obtained.
- the steam consumption of the absorption chillers 31 to 33 is determined by the cooling water flow temperature, the cooling water flow rate, the cooling load, the chilled water flow temperature, and the chilled water flow rate.
- This relational expression is obtained by cycle simulation, and calculation is performed using this relational expression. Or, if the manufacturer of the absorption chiller has released the relational expression, the relational expression is used. Alternatively, the relational expression may be actually obtained by measurement. Since power consumption is almost constant, it is measured during the trial run and used. Then, the return temperature of the cooling water is obtained from the heat balance.
- step 506 the power consumption of the cooling tower 10 and the temperature of the cooling water are calculated.
- the air volume and power consumption of the cooling tower fan are calculated from the frequency of the inverter 110. Since these have a certain relationship, they are obtained in advance during the trial run. Alternatively, it may be calculated from a law in which the air volume, power consumption, air volume, and power at the rated inverter frequency are approximately proportional to the first and third powers of the inverter frequency, respectively.
- the forward temperature of the cooling water is calculated from the return temperature of the cooling water calculated in step 505, the flow rate of the cooling water calculated in step 504, the wet bulb temperature of the outside air, and the air volume of the cooling tower fan. Since the calculation method using the enthalpy standard general volume heat transfer coefficient is described in the literature such as the handbook, the description is omitted here.
- step 507 a convergence determination is performed.
- step 508 the gas consumption in the boiler is calculated.
- the difference between the amount of steam required for the absorption refrigerator calculated in step 505 and the amount of steam that can be generated from the amount of solar heat collected is calculated, and the amount of steam generated by the boiler is calculated. Then, the gas consumption necessary to generate the steam amount is calculated.
- step 509 the power consumption of the pumps 3 and 5 and the cold water secondary pump 60 is calculated. Since the flow rate of water sent by the pump 5 can be calculated from the amount of steam, the inverter frequency and power consumption at that time are calculated. Moreover, since the flow volume of the water sent to the solar heat collector 1 is obtained from the amount of collected solar heat, the flow volume, inverter frequency, and power of the pump 3 at that time are calculated. Further, since the flow rate of the chilled water secondary pump 60 is obtained from the cooling load, the inverter frequency and power consumption at that time are calculated.
- step 510 the power consumption and gas consumption calculated in steps 502 to 509 are totaled. From the above, the operating energy consisting of the power consumption and gas consumption of the entire system can be calculated.
- the steam pressure, the number of operating units, and the inverter frequency can be set so that the running cost (operating energy cost) of the entire system is minimized according to the state of the outside air, the sun, and the load.
- each said part comprises the direct solar radiation amount detection means which detects the direct solar radiation amount.
- the control device 80 controls the operation of the cooling system based on the control table 80a generated by the flowcharts of FIGS.
- FIG. 6 is an operation flowchart showing optimization control of the entire system based on the set value 80b of the control table 80a.
- the measurement values of the direct solar radiation meter 250, the temperature sensors 201, 202, 203, 204, 205, 212, the flow rate sensors 221, 222, the humidity sensor 211, and the pressure sensor 231 are acquired by the control device 80. (Step 730).
- the direct solar radiation amount is held by the control device 80, the cooling load is calculated from the measured values of the temperature sensor 203, the temperature sensor 204, and the flow rate sensor 221, and the humidity of the outside air is calculated from the measured values of the temperature sensor 205 and the humidity sensor 211.
- the sphere temperature is calculated (step 731).
- each set value 80b corresponding to the wet bulb temperature, the cooling load, and the amount of direct solar radiation obtained in the step 731 is extracted.
- the set values include the number of operating absorption chillers 31 to 33, the frequency of the inverter 110 of the fan 10a of the cooling tower 10, the frequency of the inverters 121 to 123 of the cooling water pumps 21 to 23, and the steam pressure of the solar heat collector. Extract (step 732). Then, the extracted setting values 80b are sent to each device to control the operation of the system (step 733).
- a predicted value may be created from the time series data so far and used.
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Abstract
太陽熱集熱器と吸収式冷凍機を組み合わせた太陽熱冷熱源システムのランニングコストを減らす。 熱媒体を冷却する冷却システムにおいて，少なくとも太陽の熱エネルギーを集熱する太陽熱集熱器と吸収式冷凍機と外気の比エンタルピあるいは外気の湿球温度を検出する手段と太陽の直達日射量を検出する手段と冷却する熱媒体の冷却負荷する検出する手段と太陽熱集熱器内の圧力を検出する計測する手段と太陽熱集熱器内の圧力を調整する圧力調整手段とを備え外気の比エンタルピあるいは外気の湿球温度と太陽の直達日射量と冷却する熱媒体の冷却負荷に応じて太陽熱集熱器内の圧力を変更することにより解決できる。
Description
本発明は、太陽熱を利用した熱媒体を冷却する冷却システムに係り、特に、省エネルギー、低運転コストに配慮した最適制御が可能な冷却システムに関する。
太陽熱を利用した集熱システムとして特許文献１と特許文献２に示す技術がある。特許文献１の技術では、太陽熱エネルギーを集熱し、この集熱した太陽エネルギーを熱媒体に与える太陽熱集熱装置と、太陽熱集熱装置での集熱により高温となった熱媒体と、給水タンクから移送される給水との熱交換を行なう第１の熱交換器と、この熱交換器での熱交換で高温となった給水と高温の作動媒体との熱交換を行い、当該作動媒体により給水を加熱してプロセス用の蒸気を発生させる第２の熱交換器とを備えている。
また、特許文献２の技術では、太陽熱を吸収液の加熱、濃縮に直接利用することによって、バーナ等の再生器を加熱する熱源を必要とせずに運転することができるとともに、天候の状況等により変化する太陽熱による吸収液の加熱状況を検知し、自動的に補助再生器を作動させることにより安定した空調効果と、小型化を図るため、希釈された吸収液を直接導入し加熱する太陽熱集熱管、該太陽熱集熱管で加熱された吸収液をフラッシングさせることにより濃縮するフラッシング再生器を有する吸収式冷暖房装置が示されている。
しかしながら、特許文献１では、プロセス用の蒸気を発生させるため、昼間の太陽熱を利用しているものであり、悪天候時や夜間には温水ボイラによって温水を作っており、温水ボイラの燃料（ガス）費を節減しているものであるが、燃料費とポンプ等の電力費を合計したシステム全体の運転コストの節減のための最適制御にかかるものではない。
また、特許文献２では、臭化リチウム等の吸収液を熱媒体として配管内を流して加熱するため、吸収液を多量に必要として取扱及び管理が面倒であり、コストが高くなる。また、加熱時に吸収液に沸騰が起こると圧力が異常に高まって逆流を起こすおそれがあり、温度管理が難しくなる。そして、特許文献１と同様に太陽熱集熱管で加熱された吸収液の温度が低い場合、バーナ等の熱源で加熱するものであるが、バーナ等の燃料費とポンプ等の電力費を合計したシステム全体の運転コストの節減のための最適制御にかかるものではない。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、太陽熱をエネルギー源として熱媒体を冷却する際に、稼動コストを最小限にした冷却システムを提供するものである。
本発明は上記課題を解決するため、熱媒体負荷を冷却する冷却システムにおいて、
太陽の熱エネルギーを集熱する太陽熱集熱器と、
太陽熱集熱器で集熱した熱を駆動エネルギーとする吸収式冷凍機と、
外気の比エンタルピあるいは外気の湿球温度の外気条件を検出する外気条件検出手段と、
太陽の直達日射量を検出する直達日射量検出手段と、
熱媒体の冷却負荷する検出する負荷検出手段と、
上記太陽熱集熱器の圧力を検出する集熱器圧力検出手段と、
上記太陽熱集熱器内の圧力を調整する集熱器圧力調整手段と、
上記各部を制御する制御装置を備え、
上記制御装置は、上記で検出された外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷に応じて、太陽熱集熱器内の圧力を変更することを特徴とする。
太陽の熱エネルギーを集熱する太陽熱集熱器と、
太陽熱集熱器で集熱した熱を駆動エネルギーとする吸収式冷凍機と、
外気の比エンタルピあるいは外気の湿球温度の外気条件を検出する外気条件検出手段と、
太陽の直達日射量を検出する直達日射量検出手段と、
熱媒体の冷却負荷する検出する負荷検出手段と、
上記太陽熱集熱器の圧力を検出する集熱器圧力検出手段と、
上記太陽熱集熱器内の圧力を調整する集熱器圧力調整手段と、
上記各部を制御する制御装置を備え、
上記制御装置は、上記で検出された外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷に応じて、太陽熱集熱器内の圧力を変更することを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、上記制御装置は、シミュレーションを用いて制御目標値を変更して繰り返し計算し、システム全体の稼動コストが最も小さくなる太陽熱集熱器内の圧力を求め、太陽熱集熱器内の圧力を制御することを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、上記制御装置は、予め作成したデータベースを有すると共に、シミュレーションを用いて求められた太陽熱集熱器内の圧力を設定値として上記データベースに記憶することを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、上記データベースは、外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷が決まると、少なくとも太陽熱集熱器内の圧力の設定値が求まる制御テーブルであることを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、上記制御装置は、上記で検出された外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷に応じて、上記制御テーブルから上記太陽熱集熱器内の圧力の設定値を抽出し、太陽熱集熱器内の圧力を制御することを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、上記データベースはシミュレーションを用いて外気条件、太陽の直達日射量、冷却負荷の制御目標値を変更して繰り返し計算し、システム全体の稼動コストが最も小さくなる吸収式冷凍機の運転台数および太陽熱集熱器内の圧力が設定値として記憶されることを特徴とする。
また、上記に記載の冷却システムにおいて、冷却システムはさらに上記吸収式冷凍機への冷却水を冷却する冷却塔と、インバータで駆動される冷却水ポンプまたはインバータで駆動される冷却塔のファンを備え、上記データベースには、さらにシステム全体の稼動コストが最も小さくなる上記吸収式冷凍機の運転台数、上記各インバータの周波数が設定値として記憶されたことを特徴とする。
本発明によれば、太陽熱をエネルギー源として熱媒体を冷却する冷却システムの稼動時の消費エネルギーコストを削減することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、実施例である冷却システムのシステム構成図である。１は太陽熱集熱器で内部には熱媒体として水が流れ、下方の入口から導入された水が太陽熱で加熱され、上方の出口からは液体（温水）と気体（蒸気）の混合流体となって導出される。液体と気体の混合流体は、気液分離器２に流入して液体と気体に分離される。８０はシステム全体について、以下に説明する制御を実行する制御装置である。
温度センサ２１２は太陽熱集熱器１の出口の温度を計測するセンサで、圧力センナ２３２は太陽熱集熱器１出口の圧力を計測するセンサである。圧力調整弁２７２は太陽熱集熱器１の出口の圧力が制御装置８０からの指令値になるように制御する圧力調整弁である。圧力調整弁２７２は圧力センサ２３２の計測値および制御装置８０の指令に従い、ＰＩＤコントローラ２５２で調整される。これにより太陽熱集熱器１内の蒸気圧力が制御される。
２０１は分離された気体の温度センサ、２３１は分離された気体の圧力センサ、２０２は吸収式冷凍機（後述）の戻り液体の温度センサである。制御装置８０では、温度センサ２０１、２０２、圧力センサ２３１の計測値に基づいて、上記太陽熱集熱器１での太陽熱の集熱量を算出する。
２５０は太陽の直達日射量（太陽の光球の範囲からのみの日射量、直射日光を測定したもの）を計測する直達日射計（直達日射量検出手段）である。なお、全天日射計で計測した全天日射量から直達日射量を推定してもよい。
３は気液分離器２で分離した液体の水（熱媒体）を上記太陽熱集熱器１に送るポンプで、インバータ１０３によって駆動される。インバータ１０３の周波数を変更することで太陽熱集熱器１に流れる熱媒体の流量が制御される。太陽熱集熱器１に流れる熱媒体は、集熱量が大きいときは流量を大きくし、集熱量が小さいときは流量を小さくするよう効率良く熱量を取込むように制御される。
３１、３２、３３は吸収式冷凍機であり、上記気液分離器２で分離された蒸気が駆動エネルギーとして利用される。４は燃料（ガス）で蒸気が作られるボイラ４で、吸収式冷凍機３１～３３で必要な蒸気量よりも、太陽熱で作られる蒸気量が少ないときに動作し、不足分の蒸気を作る。
１０は複数並べて設置された冷却塔であり、上記吸収式冷凍機３１～３３の冷却水を冷却する。１０ａは各冷却塔のファンであり、回転数をインバータ１１０によって変えることにより、風量が変化して冷水の温度が制御される。
２１～２３は、それぞれ上記吸収式冷凍機３１～３３に冷却水を送る冷却水ポンプで、各冷却水の流量を変更するインバータ１２１～１２３によって駆動される。
４１、４２、４３は、冷水槽５０（後述）からそれぞれ上記吸収式冷凍機３１～３３に冷水を送る冷水ポンプであり、各ポンプはそれぞれインバータ１４１～１４３によって冷水流量が制御される。
５０は上記吸収式冷凍機３１～３３で冷却された冷水が蓄えられる冷水槽である。この冷水槽５０の冷水は、冷水二次ポンプ６０により熱媒体である負荷７０へ送られ、負荷７０での冷熱の消費により加熱された状態で、冷水槽５０へ戻る。２０３、２０４はそれぞれ負荷７０の入口と出口の温度センサで、２２１は流量センサである。上記温度センサ２０３、２０４と流量センサ２２１の計測値に基づいて、負荷７０の冷却負荷が計算される。冷水二次ポンプ６０には負荷７０に送る冷水の流量を変えるインバータ１６０が接続されている。
インバータ１６０の周波数により、温度センサ２０３と温度センサ２０４の温度差が一定になるように、冷水二次ポンプ６０が駆動制御される。また、インバータ１４１～１４３は、吸収式冷凍機３１～３３に送られる冷水の合計流量が、冷水二次ポンプ６０で負荷７０へ送る冷水の流量と同じになるように制御される。なお、インバータ１４１～１４３の周波数と、吸収式冷凍機３１～３３に送られる冷水の流量とは、一定の関係（ほぼ比例関係）があるため、試運転の時にその関係を制御装置８０内に求めておき、その関係で周波数を制御する。また、その時、インバータ１４１～１４３の周波数と冷水ポンプ４１～４３の消費電力との関係も制御装置８０内に求めておく。
２０５は外気の温度を計測する温度センサであり、２１１は外気の湿度を計測する湿度センサである。温度センサ２０５と湿度センサ２１１の計測値に基いて、外気の湿球温度（外気条件）が算出される。なお、ここでは湿球温度で説明するが、湿球温度と比エンタルピは一定の関係があるため、湿球温度の代わりに比エンタルピを外気条件に用いてもよい。
本実施例では、温度センサ２０１、温度センサ２０２、圧力センサ２３１及び流量センサ２２２の計測値により太陽熱集熱器１の集熱量を検出し、温度センサ２０３と温度センサ２０４と流量センサ２２１の計測値により冷却負荷を検出し、温度センサ２０５と湿度センサ２１１の計測値により外気の湿球温度を検出する。そして、検出された直達日射量、外気の湿球温度（外気条件）、冷却負荷に従って、制御装置８０に予め記憶されているデータベース（制御テーブルまたは近似曲線等））８０ａから、太陽熱集熱器１の圧力、吸収式冷凍機３１、３２、３３の運転台数、冷却塔１０のファンのインバータ１１０の周波数、および冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数を求め、その値を各機器に送り制御する。
図７に吸収式冷凍機３１～３３の蒸気圧力と最大冷凍能力の関係を示す。吸収式冷凍機３１～３３は、蒸気圧力が高ければ高い程、最大冷凍能力が大きくなるという特性を有している。これは蒸気圧力が高いほど蒸気温度が高いため、吸収式冷凍機３１～３３の再生器の熱交換器で多くの熱量が熱交換できるためである。
また、図８に太陽熱集熱器１の蒸気圧力と集熱効率の関係を示す。太陽熱集熱器１では、蒸気圧力が高いほど蒸気温度が高いため、太陽熱集熱器１の表面温度が高くなり、外部への放熱量が増加して損失が大きくなり、集熱効率が低くなる。従って、蒸気圧力が小さいほど太陽熱集熱器１の集熱効率が高いため、太陽熱の集熱量が大きくなる。
しかし、前述のように蒸気圧力が小さいほど、吸収式冷凍機３１～３３の最大冷凍能力が小さくなるため、吸収式冷凍機３１～３３で利用できる蒸気の熱量が小さくなる。そのため、吸収式冷凍機３１～３３で利用できる蒸気の熱量の最大量より、太陽熱集熱器１で発生する蒸気の熱量のほうが大きい場合、蒸気を捨てる必要がある。
本実施例は、このようなことを考慮して無駄のない蒸気圧力を設定するべく、シミュレーションにより最適な蒸気圧力を計算し、その設定値で冷却システムを制御する。シミュレーションを用いた最適な蒸気圧力の計算方法については後述する。
図２は設定値を抽出するイメージを示した図である。外気湿球温度（Ｙ軸）、冷却負荷（Ｘ軸）、太陽の直達日射量（Ｚ軸）が決まったら、破線の交点の黒丸部分の設定値が決まり、その値で冷却システムを制御する。
図３は制御テーブル８０ａの具体構成を示した図である。制御テーブル８０ａは，外気湿球温度，冷却負荷，直達日射量が決まると設定値が決まるようなテーブルである。横軸に外気湿球温度（外気の比エンタルピ）と冷却負荷をとり、縦軸に太陽の直達日射量がとってあり、その交点に３種類の設定値８０ｂが設けられている。
３種類の設定値８０ｂは、吸収式冷凍機３１～３３の運転台数、冷却塔１０のファンのインバータ１１０の周波数、冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数、および太陽熱集熱器１の蒸気圧力である。上記設定値８０ｂは、システムを制御する中間的な設定値ではなく、システムを直接的に制御できる最終的な設定値となっている。したがって、抽出された設定値は変換することなく、直接的にインバータや圧力調整弁を制御することができるので、制御のレスポンスが良い。
上記設定値８０ｂは、予め、後述するシミュレーション計算により、太陽熱集熱量・外気湿球温度（外気条件）・冷却負荷を変化させたときのシステム全体の消費電力とガス消費量を計算して、その消費量と単価から稼動エネルギーコスト（ランニングコスト）が最小となるような値が求められている。
図４は制御テーブル８０ａの生成方法を示したフローチャートである。図４のフローチャートは図２に示す黒丸の一点，あるいは図３に示す一点（交差する１区画）の設定値を決めるフローチャートであり，このフローチャートを繰り返し計算を行なうことによりすべての点（区画）の設定値を決めていく。本実施例では，評価関数として稼動エネルギーコストで説明しているが，その他の評価関数を用いても良い。
図３でステップ４０１では，制御テーブル８０ａの決めたい一点に対応する直達日射量と外気の湿球温度と冷却負荷を入力する。次いで、ステップ４０２～ステップ４０５により，太陽熱集熱器１の蒸気圧力，運転可能な吸収式冷凍機３１～３３の運転台数，冷却塔１０のインバータ１１０の周波数，冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数の各組み合わせが順次設定され，すべての組み合わせの計算が終了したら、ステップ４０５からステップ４０７に移る。なお，インバータ１１０，１２１～１２３の周波数はある一定の刻み毎の値とする。
ステップ４０３では，直達日射量，外気の湿球温度，冷却負荷，冷凍機の運転台数，冷却塔１０のインバータ１１０の周波数，冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数を入力とし，シミュレーション計算によりシステム全体の消費電力とガス消費量を計算する。ステップ４０３内のシミュレーション計算方法については後述する。
ステップ４０４では，評価関数の計算と比較を行なう。まず，電力単価とガス単価を使用して評価関数である稼動コストを計算する。次に評価関数の比較を行なう。評価関数の値が記憶されていない場合（１回目の計算）は，その時の冷凍機の運転台数とインバータ１１０，１２１～１２３の周波数の組み合わせと評価関数の値を記憶する。評価関数の値が記憶されている場合（２回目以降）は，記憶されている評価関数と比較して，今回計算した評価関数の値が小さい場合には，その時の冷凍機の運転台数とインバータ１１０，１２１～１２３の周波数の組み合わせと評価関数の値を更新記憶し，大きい場合にはそのままにしておく（更新記憶しない）。
すべての設定の計算が終了したら，ステップ４０７でステップ４０４で比較された評価関数を最も小さくする（ランニングコストを最も小さくする）ときの、冷凍機の運転台数とインバータ１１０，１２１～１２３の周波数の組み合わせ、および太陽熱集熱器１の蒸気圧力を図３の制御テーブル８０ａに記憶する。
図５は、図４のステップ４０３内を詳細に説明したシミュレーションのフローチャートである。図５のシミュレーションにより消費電力とガス消費量を求め，電力とガスの単価を用いてランニングコストを計算する。
図５においてステップ５００では，直達日射量，外気の湿球温度，冷却負荷，冷凍機の運転台数，冷却塔１０のインバータ１１０の周波数，冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数、太陽熱集熱器１内の蒸気圧力を入力する。
ステップ５０１では，太陽の直達日射量と太陽熱集熱器１の蒸気圧力から太陽熱の集熱量を計算する。図７に太陽熱集熱器の蒸気圧力と集熱効率を示すが、ステップ５０１での計算には、このような関係（太陽熱集熱器１は，蒸気圧力が高くなればなるほど集熱効率が小さくなる。）も用いる。
ステップ５０２では冷水ポンプの消費電力を計算する。冷却負荷と冷凍機３１～３３の運転台数から冷水ポンプ４１～４３の流量を求め、これらの流量からインバータ１４１～１４３の周波数を求め、これらの周波数から冷水ポンプ４１～４３の消費電力を求める。
ステップ５０３では，冷却水ポンプの消費電力と冷却水流量を計算する。冷凍機３１～３３の運転台数とインバータ１２１～１２３の周波数から、冷凍機３１～３３に流れる冷水の流量と冷却水ポンプ２１～２３の消費電力を計算する。なお，インバータ周波数と流量，消費電力には一定の関係があるため試運転の時に求めておく。あるいは，ポンプの特性曲線と流路の抵抗特性，およびポンプの流量，揚程，電力がそれぞれインバータ周波数の１乗，２乗，３乗に比例する法則を使って求めてもよい。以下，ポンプのインバータ周波数，流量，消費電力等の計算では同様の方法で計算するため，説明を省略する。
ステップ５０４では，冷却水の往温度を設定する。ここで冷却水の往温度は冷却水の温度が低いほうの温度で，高いほうの温度を冷却水の還温度と呼ぶこととする。
ステップ５０５では吸収式冷凍機３１～３３の蒸気消費量と消費電力，冷却水の還温度を求める。吸収式冷凍機３１～３３の蒸気消費量は，冷却水の往温度，冷却水流量，冷却負荷，冷水往温度，冷水流量で決まる。この関係式をサイクルシミュレーションで求めておいて，この関係式を利用して計算する。あるいは，吸収式冷凍機のメーカが関係式を公開している場合はその関係式を用いる。あるいは，実際に計測により関係式を求めておいてもよい。消費電力についてはほぼ一定のため，試運転の時に計測しておきその値を用いる。そして，熱収支から冷却水の還温度を求める。
ステップ５０６では冷却塔１０の消費電力と冷却水の往温度の計算を行なう。まず，インバータ１１０の周波数から冷却塔ファンの風量と消費電力を計算する。これらは一定の関係があるため、予め試運転の時に求めておく。あるいは，定格のインバータ周波数の時の風量，消費電力と風量，電力がそれぞれインバータ周波数の１乗，３乗にほぼ比例する法則から計算してもよい。
次にステップ５０５で計算された冷却水の還温度と、ステップ５０４で計算された冷却水の流量と、外気の湿球温度と冷却塔ファンの風量とから，冷却水の往温度を計算する。エンタルピ基準総括容積熱伝達係数を利用した計算方法で便覧等の文献に記載されているためここでは説明を省略する。
ステップの５０５，５０６は何回か繰り返し計算すると冷却水の往温度，還温度が変わらなくなり収束するため，ステップ５０７では収束判定を行い，収束したらステップ５０８に移る。
ステップ５０８ではボイラでのガス消費量を計算する。ステップ５０５で計算された吸収式冷凍機で必要とする蒸気量と、太陽熱の集熱量から生成できる蒸気量の差をとり，ボイラで生成する蒸気量を計算する。そしてその蒸気量を生成するのに必要なガス消費量を計算する。
ステップ５０９では，ポンプ３，５と，冷水二次ポンプ６０の消費電力を計算する。蒸気量からポンプ５で送る水の流量が計算できるため、その時のインバータ周波数と消費電力を計算する。また，太陽熱の集熱量から太陽熱集熱器１に送る水の流量が求まるため，その時のポンプ３の流量，インバータ周波数，電力を計算する。また，冷却負荷から冷水二次ポンプ６０の流量が求まるため，その時のインバータ周波数と消費電力を計算する。
ステップ５１０では，ステップ５０２から５０９で計算した消費電力とガス消費量のそれぞれを合計する。以上により，システム全体の消費電力とガス消費量からなる稼動エネルギーが計算できる。
本実施例によれば，外気と太陽と負荷の状態に応じて，システム全体のランニングコスト（稼動エネルギーコスト）が最小になるような、蒸気圧力，運転台数，インバータ周波数を設定することができる。
また，本実施例は直達日射計がある場合について説明したが，直達日射計がない場合は，流量センサ２２２，温度センサ２０１，２０２，圧力センサ２３１により，太陽熱集熱器１の集熱量を求め，圧力センサ２３２から太陽熱集熱器１の出口の蒸気圧力を計測し，これらの値と図７の太陽熱集熱器の集熱効率の特性を基に直達日射量を計算してもよい。この場合、上記各部が直達日射量を検出する直達日射量検出手段を構成する。
制御装置８０は、図４、図５のフローチャートによって生成された制御テーブル８０ａに基づいて冷却システムを動作制御する。図６は上記制御テーブル８０ａの設定値８０ｂに基いてシステム全体の最適化制御を示した動作フローチャートである。
まず、稼動中のシステムについて、直達日射計２５０、温度センサ２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２１２、流量センサ２２１、２２２、湿度センサ２１１および圧力センサ２３１の計測値を制御装置８０に取得する（ステップ７３０）。
次に、制御装置８０で直達日射量を保持すると共に、温度センサ２０３と温度センサ２０４と流量センサ２２１の計測値により冷却負荷を計算し、温度センサ２０５と湿度センサ２１１の計測値により外気の湿球温度を計算する（ステップ７３１）。
次に、図３の制御テーブル８０ａを参照して、前記ステップ７３１で得られた外気の湿球温度、冷却負荷および太陽の直達日射量に対応する各設定値８０ｂを抽出する。設定値としては、吸収式冷凍機３１～３３の運転台数、冷却塔１０のファン１０ａのインバータ１１０の周波数、冷却水ポンプ２１～２３のインバータ１２１～１２３の周波数および太陽熱集熱器の蒸気圧力を抽出する（ステップ７３２）。そして、抽出された各設定値８０ｂを各機器に送出してシステムを動作制御する（ステップ７３３）。
この制御により、システム全体はランニングコストが最小となる運転が実行される。
なお、太陽熱の集熱量、外気の湿球温度、及び冷却負荷については、これまでの時系列データから予測値を作成して、それを用いてもよい。
１…太陽熱集熱器、２…気液分離機、４…ボイラ、１０…冷却塔、１０ａ…冷却塔のファン、２１～２３…冷却水ポンプ、３１～３３…吸収式冷凍機、７０…冷却負荷、８０…制御装置、８０ａ…制御テーブル、８０ｂ…設定値、１１０…ファンのインバータ、１２１～１２３…冷却水ポンプのインバータ、２０１…分離された気体の温度センサ、２０２…吸収式冷凍機から戻る液体の温度センサ、２３１…分離された気体の圧力センサ、２０１、２０２、２２２、２３１…集熱量検出手段、２０５、２１１…外気条件検出手段、２１２…集熱器温度センサ、２０３、２０４、２２１…負荷検出手段、２３２…集熱器圧力検出手段、２５０…直達日射計（直達日射量検出手段）、２７２…集熱器圧力調整手段。
Claims (7)
- 熱媒体負荷を冷却する冷却システムにおいて、
太陽の熱エネルギーを集熱する太陽熱集熱器と、
太陽熱集熱器で集熱した熱を駆動エネルギーとする吸収式冷凍機と、
外気の比エンタルピあるいは外気の湿球温度の外気条件を検出する外気条件検出手段と、
太陽の直達日射量を検出する直達日射量検出手段と、
熱媒体の冷却負荷する検出する負荷検出手段と、
上記太陽熱集熱器の圧力を検出する集熱器圧力検出手段と、
上記太陽熱集熱器内の圧力を調整する集熱器圧力調整手段と、
上記各部を制御する制御装置を備え、
上記制御装置は、上記で検出された外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷に応じて、太陽熱集熱器内の圧力を変更することを特徴とする冷却システム。 - 請求項１に記載の冷却システムにおいて、
上記制御装置は、シミュレーションを用いて制御目標値を変更して繰り返し計算し、システム全体のランニングコストが最も小さくなる太陽熱集熱器内の圧力を求め、太陽熱集熱器内の圧力を制御することを特徴とする冷却システム。 - 請求項２に記載の冷却システムにおいて、
上記制御装置は、予め作成したデータベースを有すると共に、シミュレーションを用いて求められた太陽熱集熱器内の圧力を設定値として上記データベースに記憶することを特徴とする冷却システム。 - 請求項３に記載の冷却システムにおいて、
上記データベースは、外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷が決まると、少なくとも太陽熱集熱器内の圧力の設定値が求まる制御テーブルであることを特徴とする冷却システム。 - 請求項４に記載の冷却システムにおいて、
上記制御装置は、上記で検出された外気条件、太陽の直達日射量および冷却負荷に応じて、上記制御テーブルから上記太陽熱集熱器内の圧力の設定値を抽出し、太陽熱集熱器内の圧力をこの設定値に制御することを特徴とする冷却システム。 - 請求項３～５のいずれかに記載の冷却システムにおいて、
上記データベースはシミュレーションを用いて外気条件、太陽の直達日射量、冷却負荷の制御目標値を変更して繰り返し計算し、システム全体の稼動コスト最も小さくなる前記吸収式冷凍機の運転台数および太陽熱集熱器内の圧力が設定値として記憶されることを特徴とする冷却システム。 - 請求項６に記載の冷却システムにおいて、
冷却システムはさらに上記吸収式冷凍機への冷却水を冷却する冷却塔と、インバータで駆動される冷却水ポンプまたはインバータで駆動される冷却塔のファンを備え、上記データベースには、さらにシステム全体の稼動コストが最も小さくなる上記吸収式冷凍機の運転台数、上記各インバータの周波数が設定値として記憶されることを特徴とする冷却システム。
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