JP2005257221A

JP2005257221A - 冷凍機の冷却水制御方法

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Publication number: JP2005257221A
Application number: JP2004072225A
Authority: JP
Inventors: Tatsu Murasawa; 達村澤; Toshiaki Ogawa; 敏明小川
Original assignee: Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Current assignee: Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP4028502B2

Abstract

【課題】冷凍機の一次側冷却水系の冷却水ポンプや冷却塔ファン等の一次側設備及び二次側冷水系の冷水ポンプ及び冷凍機自体の消費電力を総合的に考慮して、システム全体の総合的なエネルギー効率を最大にするように冷却水循環系の機器を駆動制御することによりシステム全体の省エネルギーを有効に達成する冷凍機の冷却水制御方法を提供する。
【解決手段】冷却水が循環する冷凍機１の一次側（冷却水系１４）に冷却水ポンプ２及び冷却塔３を含む一次側設備が設けられ、冷水が循環する二次側（冷水系２９）に熱負荷となる二次側設備２８が設けられた冷凍機１の冷却水制御方法において、前記一次側設備（２，３）及び二次側設備２８を含む冷凍機システム全体の熱源総合ＣＯＰを、（冷凍機生産熱量÷熱源総合消費電力）により演算し、この熱源総合ＣＯＰに基づいて前記冷却水ポンプ２及び冷却塔３のファンを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷凍機の冷却水制御方法に関する。

一次側に冷却水を循環させ、二次側に冷水を循環させて熱源負荷を設けた冷凍機において、冷却水循環系には冷却水ポンプとともに冷却塔が設けられる。この冷却水流量は、通常、冷凍機の定格流量として一定流量で運転される。

図７は、従来の冷却水ポンプ及び冷却塔ファンの制御方法の説明図である。図示したように、冷凍機の冷却水出口温度にかかわらず、ポンプは一定の定格水量で冷却水を循環させる。冷却塔の冷却水出口温度が下降した場合は、冷却塔ファンの駆動台数を減らすことにより負荷減少や外気温度下降などによる冷却水温度の下降に対処して冷却水温度が下がりすぎないようにする。

しかしながら、このような一定の定格水量でポンプを運転するのでは、負荷によっては無駄な電力消費となり冷凍機を用いたシステム全体の運転効率が低下して総合的な消費電力が増加する場合がある。

一方、熱源負荷に応じて冷却水の流量を変える冷凍機の冷却水変流量装置が特許文献１に記載されている。この特許文献１に記載の冷却水変流量装置は、冷却水入口温度に応じて、冷却水出入口温度差一定制御モードと冷却水出口温度一定制御モードのうち省エネルギー効果の大きい制御モードを自動的に選択して冷却水ポンプによる循環流量を制御するものである。

しかしながら、この特許文献１の冷却水制御方法では、冷却水の出入口温度差から熱源負荷を算出し、この熱源負荷にのみ対応して制御モードを選択するため、総合的な熱エネルギーの効率となる成績係数（ＣＯＰ）をみた場合に必ずしも最適なエネルギー効率で運転しているとはいえない。すなわち、この特許文献１の方法では、冷却水ポンプの電力、冷却塔ファンの電力及び冷凍機自体の電力に加えて熱源負荷による消費電力を考慮した総合的な運転効率判断ができず、したがって、運転システム全体の最適な冷却水制御ができない。また、上記特許文献１では、冷却水ポンプによる流量制御のみを行うため、冷却塔ファンによるエネルギー効率が十分に反映されず、消費エネルギーの無駄を生じるおそれがある。

特許第３３５４８９６号公報

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、冷凍機の一次側冷却水系の冷却水ポンプや冷却塔ファン等の一次側設備及び二次側冷水系の冷水ポンプ及び冷凍機自体の消費電力を総合的に考慮して、システム全体の総合的なエネルギー効率を最大にするように冷却水循環系の機器を駆動制御することによりシステム全体の省エネルギーを有効に達成する冷凍機の冷却水制御方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１の発明では、冷却水が循環する冷凍機の一次側に冷却水ポンプ及び冷却塔を含む一次側設備が設けられ、冷水が循環する二次側に熱負荷となる二次側設備が設けられた冷凍機の冷却水制御方法において、前記一次側設備及び二次側設備を含む冷凍機システム全体の熱源総合ＣＯＰを、（冷凍機生産熱量÷熱源総合消費電力）により演算し、この熱源総合ＣＯＰに基づいて前記冷却水ポンプ及び冷却塔のファンを制御することを特徴とする冷凍機の冷却水制御方法を提供する。

請求項２の発明では、前記冷凍機生産熱量は、（冷水出口温度−冷水入口温度）×冷水流量に基づいて演算し、前記熱源総合消費電力は、（冷凍機電力＋冷水ポンプ電力＋冷却水ポンプ電力＋冷却塔ファン電力）に基づいて演算することを特徴としている。

請求項３の発明では、所定の周期で冷却水の設定温度を所定の温度差だけ上昇方向又は下降方向に変化させるとともに、前記熱源総合ＣＯＰを演算して前回演算した熱源総合ＣＯＰと比較し、増加した場合には、前記所定の温度差だけ設定温度を同じ方向に変化させ、減少した場合には前記所定の温度差だけ設定温度を逆方向に変化させることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、冷凍機システムの冷凍機生産熱量と総合消費電力に基づいてシステム全体の総合ＣＯＰを算出し、この総合ＣＯＰに基づいて一次側の冷却水ポンプ及び冷却塔ファンを駆動制御するため、システム全体の総合的なエネルギー効率が最大となるように各機器を駆動制御することができ、常に最適で十分な省エネルギー効果が得られる。また、システム稼動中のリアルタイムの運転データに基づいて総合ＣＯＰを演算することにより、機器の経年劣化や配管等の圧力損失変化などにかかわらず、常にほぼリアルタイムで運転状態や環境条件の変化に追従して最大エネルギー効率で冷却水制御ができる。

さらに説明すると、冷却水の最大流量及び冷却塔ファンの最大風量では、冷却水温度をシステム上で可能な限り冷やすことができるので、ポンプやファンの動力が増加して消費電力が大きくなるが、冷凍機の運転効率は高くなり冷凍機の消費電力は低下する。逆に冷却水量や風量を落とせばポンプやファンの動力が低下し消費電力は下がるが、冷却水温度が上がるので、冷凍機の運転効率は低くなり、冷凍機の消費電力は増加する。本発明は、冷却水ポンプや冷却塔ファンの運転効率を冷凍機の運転効率とともに全体的に考慮して、消費電力がシステム全体で最小に抑えられるように各機器を駆動制御するものである。これにより、省エネルギーによるランニングコストの低減が図られるとともに、地球環境保全及び炭酸ガス排出量の低減に寄与できる。

請求項２の発明によれば、冷凍機生産熱量は冷水の出入口温度差に基づいて算出され、熱源総合消費電力は、冷凍機電力、冷水ポンプ電力、冷却水電力及び冷却塔ファン電力に基づいて算出されるため、各値がセンサや電力計などで容易に確実に計測され状況変化に確実に追従して信頼性の高い冷却水制御が達成される。

請求項３の発明によれば、周囲の温度変化や熱負荷の変動に追従してほぼリアルタイムで冷却水ポンプ及び冷却塔ファンが駆動制御されるため、システム全体で常に最大エネルギー効率で冷凍機システムを制御して消費電力の軽減を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態の基本構成説明図である。
冷凍機１のエネルギー効率に影響してその消費電力を増減させる要素として冷凍機出口側冷却水の温度（冷却水出口温度）及び冷水出口温度がある。冷却水温度は低い程エネルギー効率が高く、冷却水量は多い程エネルギー効率が高い。このような冷却水出口温度及び冷水出口温度に応じて冷凍機１に電力が供給され、その消費電力（瞬時電力）が電力計８により計測される。

冷凍機１の一次側に接続された冷却水系（不図示）に冷却水ポンプ２及び冷却塔３が設けられる。冷却水ポンプ２のエネルギー効率に影響してその消費電力を増減させる要素として冷却水量がある。冷却水量は少ない程エネルギー効率が高い。この冷却水量に応じて冷却水ポンプ２に電力が供給されその消費電力（瞬時電力）が電力計９により計測される。

コントローラ４を介して冷却水出口温度が設定されると、それに応じて冷却塔ファン及び冷却水ポンプが駆動される。例えば、冷却塔ファン及び冷却水ポンプの回転数（電力）を上げて冷却水量及び風量を増やすと冷却水出口温度が下がる。

冷却塔３のファンのエネルギー効率に影響してその消費電力を増減させる要素として、ファンによる強制排気風量がある。風量は少ない程エネルギー効率が高い。この風量に応じて冷却塔３のファンに電力が供給されその消費電力（瞬時電力）が電力計１０により計測される。

冷凍機１、冷却水ポンプ２及び冷却塔３の冷水ポンプ消費電力の計測データはマイコンからなるコントローラ４に入力される。コントローラ４には、モニタ５が接続される。モニタ５にはコントローラ４による制御状況が表示されるとともに、キーボードなどからコントローラ４に対し、プログラムやメモリデータの変更あるいは制御用データの入力が可能である。

コントローラ４にはさらに、冷凍機の二次側に設けられた冷凍機生産熱量データ６が入力される。コントローラ４は、上記消費電力の計測データ、冷凍機生産熱量データ６等に基づき、熱源総合ＣＯＰ（成績係数）を算出し、この総合ＣＯＰに基づいて冷却水ポンプ２及び冷却塔３のファンを駆動制御する。

ここで、熱源総合ＣＯＰは、「冷凍機生産熱量（瞬時値）÷熱源総合消費電力」とする。冷凍機生産熱量（瞬時値）［ｋＷ］は、「（冷凍機出口冷水温度［℃］−冷凍機入口冷水温度［℃］）×冷水流量［ｌ／ｈｒ］÷８６０」で演算する。熱源総合消費電力は、「冷凍機消費電力［ｋＷ］＋冷水ポンプ消費電力［ｋＷ］＋冷却水ポンプ消費電力［ｋＷ］＋冷却塔ファン消費電力［ｋＷ］」で演算する。

演算した熱源総合ＣＯＰに基づいて、後述のように、この総合ＣＯＰが大きくなるように、冷却水ポンプ及び冷却塔ファンを、例えばインバータによる回転数制御により、ポンプ及びファンの回転数をそれぞれ制御して冷却水量及び風量を制御する。なお、インバータ制御方法に限らず、ポンプやファンのモータ軸動力を落としたり、運転台数を増減させることにより、冷却水量や風量及び水温を制御してもよい。

図２は、本発明に係る冷却水温度制御のブロック線図である。前述のように、熱源総合ＣＯＰに基づいて冷却塔ファン及び冷却水ポンプのインバータ１１を制御してファンやポンプその他のプラント１２のモータ回転数を制御する。このプラント１２の負荷による冷凍機冷却水出口温度は、外気湿球温度、冷水出口温度、二次側冷水負荷及び設備の性能劣化等の外乱に影響される。システム稼動中に冷凍機冷却水の出口温度を水温センサ１３で検出し、このデータをコントローラ４（図１）にフィードバックして冷凍機冷却水の出口設定温度を制御する。

図３は、本発明に係る冷凍機システムの全体構成図である。
冷凍機１の一次側に冷却水系１４が接続される。冷却水系１４上に冷却水ポンプ２及び冷却塔３が備わる。冷凍機１の出口側に冷却水温度センサ１５が備わる。冷却水ポンプ２及び冷却塔３のファンにはそれぞれインバータ１６，１７及び電力計１８，１９が備わる。冷凍機１に電力計３０が備わる。

冷凍機１の二次側に冷水系２９が接続される。冷水系２９上に冷水ポンプ２５、熱負荷となる空調機などの二次側設備２８及び冷水バイパス用の二方弁２７が備わる。冷水ポンプ２５に電力計２６が備わる。冷凍機１の出口側に冷水出口温度センサ２２が備わる。冷凍機１の入口側に冷水入口温度センサ２４及び流量センサ２３が備わる。

電力計１８，１９，２２，２７は熱源総合消費電力演算回路２０に接続される。この熱源総合消費電力演算回路２０は、コントローラ４に接続される。なお、熱源総合消費電力演算回路２０は、コントローラ４に内蔵されていてもよい。

冷水出入口の冷水温度センサ２４，２６及び冷水流量センサ２５は、冷凍機生産熱量演算回路２１に接続される。冷凍機生産熱量演算回路２１はコントローラ４に接続される。なお、冷凍機生産熱量演算回路２１は、コントローラ４に内蔵されていてもよい。

このような冷凍機システムにおいて、コントローラ４は、熱源総合ＣＯＰを、（冷凍機生産熱量演算回路２１で求めた冷凍機生産熱量）÷（熱源総合消費電力演算回路２０で求めた消費電力）により算出する。さらにコントローラ４は、熱源総合ＣＯＰが最大となるように、冷凍機出口側の冷却水温度センサ１５で検出した冷却水温度の設定値を変更するとともに、この変更後の冷却水温度設定値となるように、冷却水ポンプ２及び冷却塔３のファンのインバータ１６，１７を制御してポンプ及びファンの回転数を制御し、冷却水量及び冷却塔の風量が最適となるように制御する。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、冷却水ポンプ及び冷却塔ファンの回転数制御のパターン例を示すグラフである。

（Ａ）は、回転数を落として流量を絞る場合に先にファン風量を絞るパターンである。冷却水温度がｔ３以上の状態（ポンプ及びファンをそれぞれ定格１００％の運転状態）から温度がｔ３まで下がったとき、ポンプ流量は変えずにインバータ制御によりファンの風量を落とす。さらに温度がｔ２まで下がったらファンの風量をそこで維持したままインバータ制御によりポンプの流量を落として冷却水温をｔ１まで低下させる。なお、インバータによるポンプ及びファンの最低回転数は、それぞれ冷凍機が安定して稼動できる必要最低限の回転数以上に維持する。また、回転数の変化は図示したようにリニアに限らず曲線状に変化させてもよい。このような変化パターンは、制御マップとして予めコントローラに格納し、前述のように熱源総合ＣＯＰに基づいて冷却水出口設定温度が算出されたときに、その設定温度に応じてこのマップパターンに基づいてポンプ及びファンの回転数を制御する。

（Ｂ）は、回転数を落として流量を絞る場合に先にポンプ流量を絞るパターンである。冷却水温度がｔ６以上の状態（ポンプ及びファンをそれぞれ定格１００％の運転状態）から温度がｔ６まで下がったとき、ファン風量は変えずにインバータ制御によりポンプ流量を落とす。さらに温度がｔ５まで下がったらポンプ流量をそこで維持したままインバータ制御によりファン風量を落として冷却水温をｔ４まで低下させる。

（Ｃ）は、回転数を落として流量を絞る場合に、ポンプ流量とファン風量を同時に絞るパターンである。冷却水温度がｔ９以上の状態（ポンプ及びファンをそれぞれ定格１００％の運転状態）から温度がｔ９まで下がったとき、インバータ制御によりポンプ流量及びファン風量を同時に落とす。温度がｔ８まで下がったらポンプ流量をそこで維持したままさらにファン風量を落として冷却水温をｔ７まで低下させる。

（Ｄ）は、回転数を落として流量を絞る場合に、ポンプ流量とファン風量を同時に絞るパターンの別の例である。冷却水温度がｔ１１以上の状態（ポンプ及びファンをそれぞれ定格１００％の運転状態）から温度がｔ１１まで下がったとき、インバータ制御によりポンプ流量及びファン風量を同時に落として冷却水温度をｔ１０まで低下させる。

図５は、熱源総合ＣＯＰに基づいて冷却水温度設定値を定める方法を示す説明図である。
コントローラは、一定周期Ｆ（例えば１０分）で熱源総合ＣＯＰを算出し、そのＣＯＰが前回のＣＯＰより高ければ、前述の図４のいずれかのパターンにしたがって、ポンプ及びファンを前回と同じ方向に駆動する。逆に今回算出したＣＯＰが前回のＣＯＰより低ければ、ポンプ及びファンを前回と逆方向に駆動する。

図の例でさらに説明すると、時間ａ０，ａ１，ａ２のときの熱源総合ＣＯＰをそれぞれ、ＣＯＰ０，ＣＯＰ１，ＣＯＰ２とし、設定冷却水温度をＴ０，Ｔ１，Ｔ２とする。時間ａ０では、設定温度を一定量ΔＴだけ上げるようにファン及びポンプを駆動制御している。一定周期Ｆ後の時間ａ１でのＣＯＰ１が前回のＣＯＰ０より大きければ、ＣＯＰが高まる方向であるため、そのまま今回も設定温度をΔＴだけ上げる方向にインバータ制御を行う（図示した状態）。逆に今回（時間ａ１）でのＣＯＰ１が前回のＣＯＰ０より小さければ、ＣＯＰが低下する方向に進んでいるため、前回とは逆に設定温度をΔＴだけ下げる方向にインバータ制御を行う。同様に時間ａ２においてもＣＯＰ２を算出し、その前のＣＯＰ１と比較して上昇しているか下降しているかに応じて設定温度を変更する。すなわち、

ＣＯＰ１≦ＣＯＰ２かつＴ１＞Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１＋ΔＴ（１）
ＣＯＰ１≦ＣＯＰ２かつＴ１＜Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１−ΔＴ（２）
ＣＯＰ１＞ＣＯＰ２かつＴ１＞Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１−ΔＴ（３）
ＣＯＰ１＞ＣＯＰ２かつＴ１＜Ｔ０ならばＴ２＝Ｔ１＋ΔＴ（４）
と設定する。

以上のような熱源総合ＣＯＰに基づいてポンプ及びファンのインバータ制御により冷凍機冷却水出口温度のフィードバック制御を行うことにより、Ａ部で示されるように、冷却水温の上昇下降を繰り返しながら最適な冷却水温に定まる。また、外気の湿球温度や負荷の変動があったときには、Ｂ部に示されるように。負荷変動等に追従して最適な冷却水設定温度に定まる。

図６は、上記図５の時間ａ１及びａ２での熱源総合ＣＯＰを比較する方法のフローチャートであり、前述の式（１）〜（４）と同じ内容をフローで表したものである。

本発明は、冷却水が循環する冷凍機を備えたあらゆるシステムに利用でき、システム全体の運転効率を最大にして省エネルギーを有効に達成できる。

本発明の実施形態の基本構成説明図。本発明に係る冷却水温度制御のブロック線図。本発明に係る冷凍機システムの全体構成図。本発明に係る冷却水ポンプ及び冷却塔ファンの回転数制御のパターン例を示すグラフ。本発明に係る熱源総合ＣＯＰに基づいて冷却水温度設定値を定める方法を示す説明図。図５の時間ａ１及びａ２での熱源総合ＣＯＰを比較する方法のフローチャート。従来の冷却水ポンプ及び冷却塔ファンの制御方法の説明図。

符号の説明

１：冷凍機、２：冷却水ポンプ、３：冷却塔、４：コントローラ、
５：モニタ、６：冷凍機負荷熱量、７：外気乾球・湿球温度、
８，９，１０：電力計、１１：インバータ、１２：プラント、
１３：水温センサ、１４：冷却水系、１５：冷却水温センサ、
１６：インバータ、１７：インバータ、１８：電力計、１９：電力計、２０：熱源総合消費電力演算回路、２１：冷凍機生産熱量演算回路、
２２：冷水温度センサ、２３：冷水流量センサ、２４：冷水温度センサ、２５：冷水ポンプ、２６：電力計、２７：二方弁、２８：二次側設備、２９：冷水系、３０：電力計。

Claims

冷却水が循環する冷凍機の一次側に冷却水ポンプ及び冷却塔を含む一次側設備が設けられ、冷水が循環する二次側に熱負荷となる二次側設備が設けられた冷凍機の冷却水制御方法において、
前記一次側設備及び二次側設備を含む冷凍機システム全体の熱源総合ＣＯＰを、（冷凍機生産熱量÷熱源総合消費電力）により演算し、この熱源総合ＣＯＰに基づいて前記冷却水ポンプ及び冷却塔のファンを制御することを特徴とする冷凍機の冷却水制御方法。
前記冷凍機生産熱量は、（冷水出口温度−冷水入口温度）×冷水流量に基づいて演算し、前記熱源総合消費電力は、（冷凍機電力＋冷水ポンプ電力＋冷却水ポンプ電力＋冷却塔ファン電力）に基づいて演算することを特徴とする請求項１に記載の冷凍機の冷却水制御方法。
所定の周期で冷却水の設定温度を所定の温度差だけ上昇方向又は下降方向に変化させるとともに、前記熱源総合ＣＯＰを演算して前回演算した熱源総合ＣＯＰと比較し、増加した場合には、前記所定の温度差だけ設定温度を同じ方向に変化させ、減少した場合には前記所定の温度差だけ設定温度を逆方向に変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷凍機の冷却水制御方法。