JP2009041886A - 空調熱源設備の性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない測定点のデータによって、空調熱源設備の性能評価を正確に行うことができる空調熱源設備の性能評価装置を提供する。
【解決手段】空調熱源機器は、冷却塔２０で冷却した冷却水を吸収冷温水機１８に循環供給することによって、吸収冷温水機１８で冷水をつくり、負荷側に循環供給する。性能評価装置は、冷却塔２０の周囲の空気温湿度と、冷却塔２０から吸収冷温水機１８に供給される冷却水の温度と、吸収冷温水機１８から冷却塔２０に返送される冷却水の温度とを測定する測定手段と、測定手段の測定値に基づいて冷却塔２０の性能劣化指数を算出し、算出した性能劣化指数が閾値に達したことを判別する制御装置５４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調熱源設備の性能評価装置に係り、特に半導体製造工場や一般ビル空調などの空調設備で使用される空調熱源設備の性能評価装置に関する。

半導体製造工場などの空調設備では、空調熱源設備として、冷凍機や冷却塔を用いている。冷却塔は、ファンによって上昇気流を形成するとともに、その内部に水を散水することによって、冷却水をつくっている。そして、冷却塔でつくった冷却水を冷凍機に送ることによって冷水をつくり、この冷水を用いることによってエアを冷却して空調を行っている。

ところで、冷却塔などの空調熱源機器は、その性能が経時的に低下するという問題があり、従来は、空調熱源機器の性能が低下する前に、定期的にメンテナンスを行っている。このため、従来は空調熱源機器を必要以上の頻度でメンテナンスすることになり、空調熱源機器の性能を正確に把握し、適正な時期にメンテナンスしたいという要望がある。

特許文献１には、過去の運転履歴情報、現在監視情報、正常な運転管理情報によって、空調熱源設備が正常な状態で稼働しているか否かを、ある一定の条件で検出する装置が記載されている。
特開平１０−３００１６６号公報

しかしながら、近年では省エネ化技術開発に伴って、ポンプやファンなどのモータの回転数をインバータにより変化させたり、冷凍機の冷水流量、冷却水流量、冷水温度を変化させたりする制御を行っており、空調熱源設備は様々な条件で運転されるため、空調負荷や外気の温湿度の変化に追従させる運転を行うと、空調熱源機器の性能評価を正確に行うことが非常に困難になる。

さらに空調熱源機器の性能を正確に評価するためには、多くの測定点から計測されたデータが必要になり、データの管理や演算が煩雑になるとともに測定装置が多くなって費用が嵩むという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、少ない測定点のデータによって、空調熱源設備の性能評価を正確に行うことができる空調熱源設備の性能評価装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、冷却塔で冷却した冷却水を冷凍機に循環供給することによって前記冷凍機で冷水をつくり、負荷側に循環供給する空調熱源設備の性能評価装置において、前記冷却塔の周囲の空気温湿度と、前記冷却塔から前記冷凍機に供給される冷却水の温度と、前記冷凍機から前記冷却塔に返送される冷却水の温度とを測定する測定手段と、前記測定手段の測定値に基づいて前記冷却塔の性能劣化指数を算出し、該算出した性能劣化指数が閾値に達したことを判別する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、性能劣化指数（たとえばＵ／Ｎ）を求め、この性能劣化指数が閾値に達したことを判別することによって、空調熱源設備の性能が低下したことを正確に把握することができる。したがって、空調熱源設備を適切な時期にメンテナンスすることができ、メンテナンス頻度を下げることができる。

また、請求項１の発明は、測定手段の測定点が４項目だけであり、非常に少ないので、測定データの管理や演算が容易になるとともに、測定装置のコストを軽減することができる。なお、請求項１の４項目（冷却塔の周囲の空気温湿度、冷却塔から冷凍機に供給される冷却水の温度、冷凍機から冷却塔に返送される冷却水の温度）は、その条件を変化させることによりＵ／Ｎが大きく変化することが本発明者の実験により分かっており、この４項目を用いてＵ／Ｎを求めることによって、正確な評価を簡単に行うことができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記性能劣化指数の閾値は、前記性能劣化指数の減少分に対する前記冷凍機または空調システム全体のエネルギー消費量の増加分から求めることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、性能劣化指数の減少分に対するエネルギー消費量の増加分から、性能劣化指数の閾値を求めるので、性能劣化指数が閾値に達したか否かを監視することによって、エネルギー消費量の増加量が所定値に達したことを正確に把握することができる。

請求項３に記載の発明は請求項１または２の発明において、前記測定手段は、前記冷却水が循環する流量、前記冷却塔での送風量、前記冷却水や前記冷水を循環させるポンプまたは前記冷却塔で送風を行うファンのインバータ周波数、前記冷凍機のエネルギー消費量を測定し、前記制御手段は、前記測定手段の測定値に基づいて前記冷却塔の性能劣化指数を算出し、判別することを特徴とする。

請求項３の発明によれば、測定手段の測定点を増やしたので、より正確な性能評価を行うことができる。

請求項４に記載の発明は請求項１〜３のいずれか１の発明において、前記性能劣化指数をトレンドグラフ化する手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、少ない測定点のデータから性能劣化指数を求め、この性能劣化指数が閾値に達したことを判別するので、空調熱源設備の性能が低下した際にこれを正確に検知することができ、且つ、測定点を減らして測定データの管理や演算を容易に行うことができるとともに測定装置を減らしてコストを削減することができる。

以下添付図面に従って本発明に係る空調熱源設備の性能評価装置の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の性能評価装置が適用された空調システムを模式的に示す構成図である。

空調システム１０は主として、被空調室１２と、この被空調室１２に空調エアを給気する空調機１４と、被空調室１２の内部に設けられたファンコイルユニット１６と、空調機１４やファンコイルユニット１６の空調熱源設備である吸収冷温水機（冷凍機）１８及び冷却塔２０で構成される。

被空調室１２は、一定の温湿度に管理され、その内部には不図示の半導体製造装置等が設置される。被空調室１２の天井面には給気口１２Ａが設けられ、側面下部には排気口１２Ｂが設けられる。給気口１２Ａ、排気口１２Ｂはダクト２２Ａ、２２Ｂを介して空調機１４に接続されており、空調機１４で温湿度調節された空調エアが給気口１２Ａから被空調室１２に給気され、排気口１２Ｂから循環エアとして空調機１４に返送される。

空調機１４の内部にはファン２４及び冷却コイル２６が設けられ、ファン２４を駆動することによって外気や循環エアが吸引される。ファン２４は、インバータ２８により制御され、インバータ２８の周波数を制御することによって給気風量が調節される。冷却コイル２６は、吸収冷温水機１８でつくられた冷水が循環するように構成されており、この冷水が循環することによって空調機１４内に吸引されたエアが所定の温度まで冷却され、被空調室１２に給気される。

吸収冷温水機（吸収式冷凍機）１８の構成は、具体的な説明を省略するが、たとえば冷媒を低温低圧の蒸発器で蒸発させて冷水をつくり、その蒸発冷媒を吸収器で吸収液に吸収させ、さらに吸収液を再生器で熱を加えて冷媒を蒸発分離して再び吸収器に戻す一方で、冷媒を凝縮器で冷却して液化し、再び蒸発器に戻すように構成される。

吸収冷温水機１８には、つくった冷水を循環させるための往ライン３０Ａと還ライン３０Ｂが接続されており、往ライン３０Ａは往ヘッダ３２Ａを介して冷却コイル２６とファンコイルユニット１６に接続され、還ライン３０Ｂは環ヘッダ３２Ｂを介して冷却コイル２６とファンコイルユニット１６に接続される。還ライン３０Ｂには、インバータ３４が付いたポンプ３６が配設されており、このポンプ３６を駆動することによって、吸収冷温水機１８でつくられた冷水が冷却コイル２６とファンコイルユニット１６に循環供給される。また、往ライン３０Ａと還ライン３０Ｂにはそれぞれ、温度センサ３８Ａ、３８Ｂが設けられている。

また、吸収冷温水機１８には、必要な冷却水を冷却塔２０との間で循環させるための往ライン４０Ａと還ライン４０Ｂが接続されている。往ライン４０Ａにはポンプ４２が配設され、このポンプ４２を駆動することによって、冷却塔２０で冷却された冷却水が吸収冷温水機１８との間で循環される。また、往ライン４０Ａと還ライン４０Ｂにはそれぞれ温度センサ４４Ａ、４４Ｂが設けられており、冷却水の温度が測定される。以下、温度センサ４４Ａによって測定された温度を冷却水の往温度、温度センサ４４Ｂによって測定された温度を冷却水の還温度という。

なお、吸収冷温水機１８には、不図示のガス流量計と電力計が設けられており、冷媒のガス流量と、消費電力が測定できるようになっている。

冷却塔２０は、上面と側面下部に不図示の開口を有するとともに、上部にファン４６を備えており、このファン４６を駆動することによって、側面下部の開口からエア吸引されて上面の開口に吹き出され、上昇気流が形成される。ファン４６にはインバータ４８と不図示の電力計が取り付けられ、インバータ４８による回転数制御が行われるとともに、その際の電力量が電力計によって計測される。

冷却塔２０の上部には、散水管５０が設けられている。散水管５０は還ライン４０Ｂに接続されており、還ライン４０Ｂで返送された冷却水が散水管５０から冷却塔２０内に散水される。散水された冷却水は、不図示の充填材を経て、上昇気流と接触することによって冷却され、冷却塔２０の下部に貯留される。冷却塔２０の下部は、往ライン４０Ａが接続されており、冷却後の冷却水が往ライン４０Ａを介して吸収冷温水機１８に供給される。

冷却塔２０の周囲には、温度及び湿度を測定する温湿度センサ５２が設けられている。温湿度センサ５２は、冷却塔２０の側面下部の近辺に設けることが好ましい。なお、本実施形態では、開放式の冷却塔２０の例で説明したが、密閉式の冷却塔を用いてもよい。

上述した温度センサ４４Ａ、４４Ｂ、インバータ４８、ファン４６の電力計、温度センサ４４Ａ、温度センサ４４Ｂ、温湿度センサ５２、吸収冷温水機１８のガス流量計などの測定手段は、演算装置（制御手段）５４に接続されている。演算装置５４は、上述の測定手段から各種の測定データを所得できるようになっており、これらの測定データを用いて空調熱源機器の性能評価を行うように構成される。性能評価は、指標としてＵ／Ｎを用い、このＵ／Ｎによって以下のような制御を行う。なお、Ｕ／Ｎの計算方法は、ＪＩＳ Ｂ８６０９（強制通風式クーリングタワー性能試験方法）に基づいて行う。

図２は、性能評価のＰＡＤ図を示している。同図に示すように、まず、冷却塔２０の関連データ（冷却塔２０の入口温度・湿度・湿球温度・エンタルピー、冷却水の往温度と還温度、冷却水量、冷却塔の空気量）を測定し（ステップＳ１）、測定したデータからＵ／Ｎを求める（ステップＳ２）。そして、ある一定の条件でフィルターをかけ、トレンドグラフ化する（ステップＳ３）。

測定初期ではパラメータフィッティングを行い、測定周期のサイクルで測定した値を基にＵ／Ｎを計算する。そして、計算したＵ／Ｎが低下したときの冷却水の往温度を計算する（ステップＳ４）。

一般的に吸収冷温水機１８の効率（ＣＯＰ）は、冷却塔２０から吸収冷温水機１８に送水される冷却水の往温度が上昇すると、低下することが知られている。そこで、冷却塔２０の能力（Ｕ／Ｎ）が低下した際、冷却水の往温度を基にして、吸収冷温水機１８のエネルギー消費量と空調システム１０全体のエネルギー消費量を計算し、その計算結果を基にして増加分を予測する（ステップＳ５）。

予測される吸収冷温水機１８、空調システム１０全体のエネルギー消費量の増加分から、冷却塔２０の性能劣化Ｕ／Ｎの閾値を決める（ステップＳ６）。決めた閾値を基にして、空調システム１０全体のエネルギー消費量がどの程度大きくなったら、冷却塔２０のメンテナンスを行うかを決める。なお、閾値の決定は、ユーザーが行うほか、蓄積されたデータに基づいて自動的に行う方法を用いてもよい。

次いで、ある条件でＵ／Ｎの値の経過を観察し、メンテナンスの実施を決定する（ステップＳ７）。メンテナンスの実施決定の情報は、画像表示や音声によって作業者が確認できるようにしておくことが好ましい。また、Ｕ／Ｎが閾値に達した際に、メンテナンス会社に自動的に通知するように構成することが好ましい。

次に、冷却塔２０のＵ／Ｎと冷却水の往温度、エネルギー消費量の関係について説明する。図３は、ある条件での冷却塔２０のＵ／Ｎと冷却水の往温度との関係を示しており、図４は、Ｕ／Ｎと吸収冷温水機１８のエネルギー消費量の関係を示している。さらに、図５は、Ｕ／Ｎと空調システム１０全体のエネルギー消費量の関係を示している。

これらの図に示すように、Ｕ／Ｎが低くなるに連れて、冷却水の往温度が上昇し、それに伴って、吸収冷温水機１８のエネルギー消費量や空調システム１０全体のエネルギー消費量が増加しているのが分かる。したがって、吸収冷温水機１８や空調システム１０全体のエネルギー消費量の増加分をどの程度まで許容するかを決定しておくことによって、Ｕ／Ｎの閾値が決定する。そして、Ｕ／Ｎの変動を監視し、Ｕ／Ｎが閾値に達したことを判別することによって、吸収冷温水機１８や空調システム１０全体のエネルギー消費量が所定の増加分に達したことを検知することができる。これにより、適切なメンテナンス時期を把握することができ、吸収冷温水機１８や空調システム１０全体の効率を低下させることなく、メンテナンス頻度を減らすことができる。

このように本実施の形態によれば、冷却塔２０の性能劣化の指標としてＵ／Ｎを用い、このＵ／Ｎが閾値に達した際にメンテナンスを行うようにしたので、吸収冷温水機１８や空調システム１０全体の効率を低下させることなく、メンテナンス頻度を減らすことができる。

なお、上述した実施形態では、計測点として、冷却塔２０の入口温度・湿度・湿球温度・エンタルピー、冷却水の往温度と還温度、冷却水量、冷却塔の空気量を用いてＵ／Ｎを求めたが、測定点はこれに限定するものではなく、たとえば、計測点８項目（冷却塔２０の周囲の温度・湿度、冷却水の往温度・還温度・流量、エネルギー消費量、インバータ周波数、冷却塔２０の空気量）を用いてＵ／Ｎを求めてもよい。さらに、計測点４項目（冷却塔２０の周囲の温度・湿度、冷却水の往温度・還温度）だけでＵ／Ｎを求めてもよい。

図６は、上記の計測点４項目で求めたＵ／Ｎと計測点８項目で求めたＵ／Ｎとの関係を示している。同図に示すように、（４項目のＵ／Ｎ）／（８項目のＵ／Ｎ）の値は、ほとんどが１．０の近辺に収まっており、４項目Ｕ／Ｎであっても十分な信頼性が得られることが分かる。したがって、上記の計測点４項目でＵ／Ｎを求めて判別を行うことによって、冷却塔２０の性能が低下したことを正確に把握することができるとともに、計測点を削減して計測機器を減らすことができる。

本発明に係る性能評価装置が適用される空調システムを模式的に示す構成図 性能評価のＰＡＤ図 冷却塔のＵ／Ｎと冷却水の往温度の関係を示す図 冷却塔のＵ／Ｎと吸収冷温水機のエネルギー消費量増加分の関係を示す図 冷却塔のＵ／Ｎと空調システム全体のエネルギー消費量増加分の関係を示す図 削減項目の影響を示す図

符号の説明

１０…空調システム、１２…被空調室、１４…空調機、１６…ファンコイルユニット、１８…吸収冷温水機、２０…冷却塔、２２…ダクト、２４…ファン、２６…冷却コイル、２８…インバータ、３０…ライン、３２…ヘッダ、３４…インバータ、３６…ポンプ、３８…温度センサ、４０…ライン、４２…ポンプ、４４…温度センサ、４６…ファン、４８…インバータ、５０…散水管、５２…温湿度センサ、５４…演算装置

Claims (4)

1. 冷却塔で冷却した冷却水を冷凍機に循環供給することによって前記冷凍機で冷水をつくり、負荷側に循環供給する空調熱源設備の性能評価装置において、
   前記冷却塔の周囲の空気温湿度と、前記冷却塔から前記冷凍機に供給される冷却水の温度と、前記冷凍機から前記冷却塔に返送される冷却水の温度とを測定する測定手段と、
   前記測定手段の測定値に基づいて前記冷却塔の性能劣化指数を算出し、該算出した性能劣化指数が閾値に達したことを判別する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする空調熱源設備の性能評価装置。
2. 前記性能劣化指数の閾値は、前記性能劣化指数の減少分に対する前記冷凍機または空調システム全体のエネルギー消費量の増加分から求めることを特徴とする請求項１に記載の空調熱源設備の性能評価装置。
3. 前記測定手段は、前記冷却水が循環する流量、前記冷却塔での送風量、前記冷却水や前記冷水を循環させるポンプまたは前記冷却塔で送風を行うファンのインバータ周波数、前記冷凍機のエネルギー消費量を測定し、
   前記制御手段は、前記測定手段の測定値に基づいて前記冷却塔の性能劣化指数を算出し、判別することを特徴とする請求項１または２に記載の空調熱源設備の性能評価装置。
4. 前記性能劣化指数をトレンドグラフ化する手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の空調熱源設備の性能評価装置。

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