JP2009276004A - Free cooling effectiveness-determining method for free cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はクーリングシステムに係り、特に半導体製造工場等の冬期に冷房負荷がある工場等で用いられるフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法に関する。 The present invention relates to a cooling system, and more particularly to a free cooling validity / invalidity determination method of a free cooling system used in a factory having a cooling load in winter such as a semiconductor manufacturing factory.
半導体工場、電算機センター、大型店舗においては、冬期においても冷房負荷、冷却負荷がある。近年では、既設の冷却塔や、専用の冷却塔を追設し外気を利用し省エネルギー効果の大きいフリークーリングシステムが導入されている。フリークーリング有効/無効の判定は冷却塔の冷却水出口温度が設定温度に比べて高いか低いかによって決めていた(特許文献1、特許文献2参照)。
冷却水の入口温度(フリークーリング熱交換器への入口温度)が設定温度程度以上であったとしても,フリークーリング熱交換器において前記冷却水と熱交換する被冷却側冷水の温度が冷却水の温度を上回っていれば,冷却水で被冷却側冷水を冷却することができる状況にある。しかし,前述した従来の技術では、フリークーリングによる冷却能力が有効に存在するにも拘わらずフリークーリングは無効となってしまい,省エネルギー、省コストの機会を失うことになる。また,負荷が時間帯によって変動するものにあっては,時間帯単位のフリークーリングモードでの運転も的確に行えない問題がある。 Even if the inlet temperature of the cooling water (the inlet temperature to the free cooling heat exchanger) is about the set temperature or higher, the temperature of the cooled cold water that exchanges heat with the cooling water in the free cooling heat exchanger is If it is above the temperature, the cooled water can be cooled with the cooling water. However, in the conventional technology described above, the free cooling becomes invalid despite the effective cooling capacity by free cooling, and the opportunity for energy saving and cost saving is lost. In addition, when the load fluctuates depending on the time zone, there is a problem that the operation in the free cooling mode for each time zone cannot be performed accurately.
本発明の目的は,フリークーリング能力が存在する限り最大限に利用可能とするフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a free cooling effective / invalid determination method of a free cooling system that can be used to the maximum as long as free cooling capability exists.
本発明の他の目的は、負荷が時間帯によって変動する場合であっても,時間帯単位のフリークーリングモードでの運転を的確に行うことができるフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a free cooling effective / invalid determination method for a free cooling system capable of accurately performing operation in a free cooling mode in units of time zones even when the load varies with time zones. It is to provide.
上記目的を達成するため本発明の1番目は,冷却塔,冷凍機を有する2基以上の冷凍設備ユニットと,任意の一基に設けられ,冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において,前記冷却塔のフリークーリング能力に基づいて,フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とし,2番目の発明は,冷却塔,冷凍機を有する2基以上の冷凍設備ユニットと,任意の一基に設けられ,冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において,前記冷却塔の冷却水入口温度と外気湿球温度から求められるフリークーリング能力に基づいて,フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とし,3番目の発明は,請求項1において,冷却塔のフリークーリング能力は,冷却塔冷却水入口温度の代わりにフリークーリング熱交換器の被冷却側冷水入口温度から求めた値を用いることを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is a heat exchange between the cooling water of the cooling tower and the cooled water on the cooled side, provided in one or more refrigeration equipment units having a cooling tower and a refrigerator. In the free cooling effective / invalid determination method of the free cooling system including the free cooling heat exchanger, the cooling tower cooling water and the cooled side cooling water by the free cooling heat exchanger are determined based on the free cooling capacity of the cooling tower. The second invention is provided in any one of two or more refrigeration equipment units having a cooling tower and a refrigerator, and is used for cooling the cooling tower. In a free cooling effective / invalid determination method of a free cooling system having a free cooling heat exchanger for exchanging heat with water and cold water to be cooled, the cooling water inlet temperature of the cooling tower is determined. The third invention is characterized in that whether or not heat exchange between cooling tower cooling water and cooled side cooling water by a free cooling heat exchanger is performed based on the free cooling capacity obtained from the outside wet bulb temperature. In claim 1, the free cooling capacity of the cooling tower is characterized in that a value obtained from the cooled side cold water inlet temperature of the free cooling heat exchanger is used instead of the cooling tower cooling water inlet temperature. .
本発明は上記のように,フリークーリングの有効・無効の判定(フリークーリング熱交換器での冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かの選択)を,フリークーリング熱交換器に対する冷却水の入口温度または被冷却側冷水の入口温度と大気の湿球温度とに基づいて求められる冷却塔のフリークーリング能力で行っているため,冷却水が被冷却側冷水温度より低い温度になれば,冷却水による被冷却側冷水の冷却が可能となり,かつ,このときにおける冷却水の入口温度または被冷却側冷水の入口温度と大気の湿球温度とに基づいて求められる冷却塔のフリークーリング能力が0(零)を上回っていれば,フリークーリングが有効となる。要するに,冷却水の入口温度が被冷却側冷水の入口温度より低いかまたは所定温度以上低く,かつ冷却塔のフリークーリング能力が0(零)を上回っている場合に冷却水による被冷却側冷水の冷却が行われるので,フリークーリング能力が存在する限り,これを最大限に利用可能とする効果がある。これにより,負荷の変化だけでなく,1日の中での湿球温度の変化に対応してフリークーリングの有効・無効の判定が行なわれ,冷却水の入口温度に影響を与える大気温度が,被冷却側冷水温度に次第に近づいてくる中間季においても時間帯ごとにフリークーリングを利用可能とし,高い省エネルギー効果を発揮する効果がある。 As described above, the present invention determines whether free cooling is valid or invalid (selection of whether or not to perform heat exchange between cooling tower cooling water and cooled cold water in the free cooling heat exchanger). The cooling water is lower than the cooled-side cold water temperature because the cooling tower free cooling capacity is calculated based on the inlet temperature of the cooling water to the exchanger or the inlet temperature of the cooled cold water and the wet bulb temperature of the atmosphere. When the temperature reaches, the cooling-side cold water can be cooled by the cooling water, and the cooling tower can be obtained based on the inlet temperature of the cooling water or the inlet temperature of the cooling-side cold water and the atmospheric wet bulb temperature at this time. If the free-cooling capacity of exceeds 0 (zero), free-cooling is effective. In short, when the cooling water inlet temperature is lower than the inlet temperature of the cooled side cold water or lower than the predetermined temperature and the free cooling capacity of the cooling tower exceeds 0 (zero), Since cooling is performed, as long as free cooling capability exists, this has the effect of making the maximum use possible. This makes it possible to determine whether free cooling is effective or invalid in response to changes in wet bulb temperature throughout the day as well as changes in load, and the atmospheric temperature that affects the inlet temperature of the cooling water Even in the mid-season that gradually approaches the temperature of the chilled water on the cooled side, free cooling can be used in each time zone, and there is an effect of exhibiting a high energy saving effect.
以下、本発明を適用したフリークーリングシステムの制御装置の一例を図により説明する。 Hereinafter, an example of a control device of a free cooling system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
図1はフリークーリングシステムの系統図であり,一実施形態に係わるフリークーリングシステムは,第1冷却設備ユニット1,第2冷却設備ユニット2,第1冷却設備ユニット1だけに接続されているフリークーリング用の熱交換器3,供給側冷水ヘッダー4,戻り側冷水ヘッダー5,フリークーリング制御装置(以下単に制御装置と言う)6を備えている。図において,符号50は,被冷却空間に配置される1または複数の空調ユニットを示している。第1,第2の冷却設備ユニット1,2は,ほぼ同じ構成となっており,冷却水と大気との直接熱交換によってより低い温度の冷却水を生成する冷却塔11(21),吸収式冷凍機12(22)で構成され,吸収式冷凍機12(22)の構成は,一般に知られているので詳細な説明は省略するが,主要機器としは加熱源付きの再生器,凝縮器,蒸発器および吸収器を備えている。吸収式冷凍機の代わりに圧縮式冷凍機を利用することもでき,圧縮式冷凍機の場合は,圧縮機,凝縮器,膨張手段,蒸発器を備えている。冷却塔11(21)は,冷凍機12(22)の吸収器,凝縮器(圧縮式冷凍機の場合は凝縮器)と冷却水往き配管13(23),冷却水戻り配管14(24)を介して接続されている。供給側冷水ヘッダー4は,冷凍機12(22)の蒸発器(図示せず)の被冷却側冷水の出口側(本願では冷水出口側という)と往き冷水配管7(8)を介して接続され、戻り側冷水ヘッダー5は,冷凍機12(22)の蒸発器(図示せず)の被冷却側冷水の入口側(本願では冷水入口側という)と戻り冷水配管9(10)を介して接続されている。前記冷却水往き配管13(23)の途中にはポンプ15(25)が設置され,戻り冷水配管9(10)の途中にはポンプ16(26)が設置されている。
FIG. 1 is a system diagram of a free cooling system. A free cooling system according to an embodiment is a free cooling system connected only to a first cooling equipment unit 1, a second
フリークーリング用熱交換器3は,冷却水と被冷却側冷水(本願では冷水という)との間で熱交換するものであって,冷却水側配管31,冷水側配管32を有し、冷却水側配管31は,その入口側が往き冷却水配管13の途中(ポンプ15の出口側)に接続され,出口側が冷却水戻り配管14の途中にそれぞれ接続されている。冷水側配管32は,その入口側が戻り冷水配管9の途中(ポンプ16の出口側)に接続され,出口側が往き冷水配管7の途中にそれぞれ接続されている。冷却水側配管31の入口側および出口側には弁33,34が設置され,冷水側配管32の出口側には弁35が設置されている。前記往き冷却水配管13上の冷却水側配管31出口接続箇所と吸収式冷凍機12の吸収器(圧縮式冷凍機場合は凝縮器)との間の箇所に弁17が介在され、冷却水戻り配管14上の冷却水側配管31入口接続箇所と吸収式冷凍機12の凝縮器(圧縮式冷凍機場合は凝縮器)との間の箇所に弁18が介在され、戻り冷水配管9上の冷水側配管32の入口接続箇所と吸収式冷凍機12の蒸発器(圧縮式冷凍機場合は蒸発器)との間の箇所に弁19が介在されている。空調ユニット50は,供給側冷水ヘッダー4と二次往き冷水配管27を介して接続され,戻り側冷水ヘッダー5と二次戻り冷水配管28を介して接続されている。供給側冷水ヘッダー4と戻り側冷水ヘッダー5とは,途中に弁29を介在した配管で互いに連絡されている。前記弁17,34の代わりに三方切替弁(冷却水往き配管13と冷却水側配管31との接続部に配置)を用い,前記弁18,33の代わりに三方切替弁(冷却水戻り配管14と冷却水側配管31との接続部に配置)を用いることもできる。図において,符号40,41,42は,温度センサーであり,温度センサー40は,大気の湿球温度を計測し,温度センサー41は,冷却水戻り配管14の温度を計測し,温度センサー42は,戻り冷水配管9内を通る戻り冷水の温度(入口温度)を計測するものである。制御装置6は,第1冷却設備ユニットフリークーリング運転回路61,第1冷却設備ユニット冷凍機運転回路62,第2冷却設備ユニット冷凍機運転回路63,前記の温度センサー40,41,42から取込んだ各計測データに基づいて冷却塔11のフリークーリング能力Q,前記の弁17,18,19,33,34,35の開閉を制御する機能,前記の第1,第2冷却設備ユニットの冷凍機12,22の起動・停止,冷却能力調整の機能等を備えている。
The free-
冷却塔11のフリークーリング能力Qは,冷却水の冷却塔11の入口温度(温度センサー41による計測値)と大気の湿球温度(温度センサー40による計測値)に基づいて演算する。また,前記冷却水の冷却塔11の入口温度の代わりに戻り冷水配管9内を通る戻り冷水の温度(温度センサー42による計測値)から所定値(たとえば3℃)程度を減算した値に基づいて演算する。 The free cooling capacity Q of the cooling tower 11 is calculated based on the inlet temperature of the cooling water cooling tower 11 (measured value by the temperature sensor 41) and the wet bulb temperature of the atmosphere (measured value by the temperature sensor 40). Further, based on a value obtained by subtracting a predetermined value (for example, 3 ° C.) from the temperature of the return chilled water passing through the return chilled water pipe 9 (measured by the temperature sensor 42) instead of the inlet temperature of the cooling tower 11 of the cooling water. Calculate.
フリークーリングは,冷却塔11の冷却水は熱交換器3を介して、冷却水により冷水を冷却するために利用するものであり,冷却水の温度は,冷水より常に低い必要がある。つまり、冷却水で冷水を冷却するためには下記の(1),(2)式が必要条件となる。
In the free cooling, the cooling water in the cooling tower 11 is used for cooling the cold water with the cooling water via the
Twb<Tci<Tei ・・・・・・(1)
Q>0 ・・・・・・(2)
ここで Twb:大気(外気)湿球温度
Tci:熱交換器3から冷却塔11に流入する冷却水の入口温度
Tei:熱交換器3に入る冷水の冷水入口温度
Q:冷却塔のフリークーリング能力(QはTwbとTciによる関数)
Q(%)=0.2×{Tci-(-0.0001×Tci+0.0041)×Twb2-0.185×Twb-(0.76×Tci+0.2)}
Qは冷却塔の定格能力に対する能力比で特性図から求めた近似式
そこで,本実施形態では,第1冷却設備ユニット1は,上記(1)および(2)の条件を満足したときには,運転モードをフリークーリング運転モードとし,運転状態とし,上記(1)および(2)の一方または両方の条件を満足しないとき,運転モードを冷凍機運転モードとし,運転停止の状態とする。第2冷却設備ユニット2は,温度センサー42で計測される冷水入口温度が予め設定された基準値(基準値範囲の上限値)を上回ったときは,運転状態とし,基準値(基準値範囲の下限値)を下回ったときは,運転停止状態とする。また,第1冷却設備ユニット1がフリークーリング運転モードで運転中に,温度センサー42で計測される冷水入口温度が予め設定された基準値(基準値範囲の上限値)を上回ったときは,先に第2冷却設備ユニット2を運転し,第2冷却設備ユニット2の運転中に,冷水入口温度が予め設定された基準値(基準値範囲の上限値)を上回ったときは,第1冷却設備ユニット1を冷凍機運転モードで運転する。この状態で冷水入口温度が基準値(基準値範囲の下限値)を下回ったときは,第1冷却設備ユニット1,第2冷却設備ユニット2の順で運転を停止する。
Twb <Tci <Tei (1)
Q> 0 (2)
Where Twb: Air (outside air) wet bulb temperature
Tci: inlet temperature of cooling water flowing from the
Tei: Cold water inlet temperature of cold water entering the
Q: Free cooling capacity of cooling tower (Q is a function of Twb and Tci)
Q (%) = 0.2 × {Tci − (− 0.0001 × Tci + 0.0041) × Twb 2 −0.185 × Twb− (0.76 × Tci + 0.2)}
Q is an approximate expression obtained from a characteristic diagram by a capacity ratio with respect to the rated capacity of the cooling tower. Therefore, in the present embodiment, the first cooling equipment unit 1 operates in the operation mode when the conditions (1) and (2) are satisfied. Is set to the free cooling operation mode, and the operation state is set. When one or both of the conditions (1) and (2) are not satisfied, the operation mode is set to the refrigerator operation mode and the operation is stopped. When the chilled water inlet temperature measured by the
次に,第1冷却設備ユニット1の運転モードの選択のための制御を含めた詳細な動作を説明する。 Next, a detailed operation including control for selecting an operation mode of the first cooling equipment unit 1 will be described.
温度センサー40で計測される大気湿球温度Twb,温度センサー41で計測される冷却水入口温度Tci,温度センサー42で計測されるTeiに基づいて演算し,上記(1),(2)式の両方を満足するかどうかを判定し,上記(1)および(2)式の両条件を満足したときには,制御装置6の第1冷却設備ユニットフリークーリング運転回路61により,弁17,18,19を閉じ,弁33,34,35を開く。これにより冷却塔11で生成された冷却水は,冷却水往き配管13,ポンプ15,弁34,冷却水側配管31を通り,熱交換器3に入り,ここで冷水と熱交換した後,冷却水側配管31,弁33,戻り冷却水配管14を通り冷却塔11に戻る。一方,冷水は戻り側冷水ヘッダ5から戻り冷水配管9,ポンプ16,弁35,冷水側配管32を通り,熱交換器3に入り,ここで,冷却水と熱交換して冷却され,その後冷水側配管32,往き冷水配管7を通り,供給側冷水ヘッダー4に入り,ここから二次往き冷水配管27を介して空調ユニット50に送られ,被空調空間を空調(冷却)した後,二次戻り冷水配管28を介して戻り側冷水ヘッダー5に戻される運転すなわち,フリークーリング運転モードによるフリークーリングが行われる。このフリークーリング運転モードによる運転中に,たとえば空調負荷の増大により温度センサー42で計測される冷水入口温度が基準値(基準値範囲の上限値)を上回った場合には,第2冷却設備ユニット2が運転され,第1冷却設備ユニット1によるフリークーリング運転と第2冷却設備ユニット2による冷水冷却運転とが行なわれる。
Calculation is performed based on the atmospheric wet bulb temperature Twb measured by the
一方,温度センサー40で計測される大気の湿球温度の上昇,温度センサー41で計測される冷却水入口温度(大気温度の影響を受ける)の変化(上昇),温度センサー42で計測される冷水入口温度(空調負荷の影響を受ける)の変化(降下)によって,条件(1),(2)の少なくとも一方が満足しなくなると,第2冷却設備ユニット2の運転・停止の状態に関係なく,第1冷却設備ユニットフリークーリング運転回路61により,弁17,18,19を開き,弁33,34,35を閉じるとともに冷却塔11の運転も停止される。これによりフリークーリング運転モードは解消され,冷凍機運転モードとなる(運転モードは冷凍機運転モードとなるが運転は停止状態)。このとき,もし,温度センサー42で計測される冷水入口温度が基準値(基準値範囲の上限値)を上回った場合には,第2冷却設備ユニット2が運転される。
On the other hand, a rise in the wet bulb temperature of the atmosphere measured by the
次に,冷却塔のフリークーリング能力Qの演算に,冷水の入口温度Teiを用いた実施形態について説明する。 Next, an embodiment in which the cold water inlet temperature Tei is used to calculate the free cooling capacity Q of the cooling tower will be described.
前述したように、冷却塔のフリークーリング能力は使用する冷却塔11の仕様が決まると,大気湿球温度Twbと熱交換器3から冷却塔11に入る冷却水の入口温度Tciによって決まる。大気湿球温度Twbは大気の乾球温度と相対湿度から近似式を使い容易に求められる。ところが、フリークーリング運転モードによる運転時の冷却塔11への冷却水の入口温度Tciは,熱交換器3に冷水と冷却水を流し、冷却塔11を運転することで定常状態とった後に求められるが、定常状態となるためには一般的に10〜15分を要する。冷却水側配管31が長く保有水量が多い場合には30分程度を要することもある。さらに、冷却塔11が稼動している場合でも、冷凍機12の凝縮器を冷却する用途に使用している場合には冷却水温度を冷凍機保護のために一定値以上に保持するような手段を用いており、(例えば、冷却塔の送風量や冷却水量の抑制)、そのときの熱交換器3から冷却塔11に入る冷却水の入口温度Tciをフリークーリング能力Qを演算させるために用いるのは最適とは言えない。そこで,この実施形態においては,熱交換器3から冷却塔11に流入する冷却水の入口温度Tciの代わりに,熱交換器3に流入する冷水の入口温度Tei−Δtを用いるものである。
As described above, when the specification of the cooling tower 11 to be used is determined, the free cooling capacity of the cooling tower is determined by the atmospheric wet bulb temperature Twb and the inlet temperature Tci of the cooling water entering the cooling tower 11 from the
Δtは,熱交換器3の仕様に基づいて定めるもので,熱交換器3に入る冷却水の温度と熱交換器3に入る冷水の温度との差,たとえば3〜5℃程度が望ましい。
Δt is determined based on the specifications of the
この実施形態によれば,フリークーリング能力Qの演算の元となる冷却水の入口温度Tciの代わりに,冷却水と熱交換関係にある冷水の入口温度Teiの値を用いているので,冷水に温度変化が現れた段階,すなわち,冷却水の入口温度Tciの変化に反映される前に冷却水の入口温度Tciに相当する値を捕らえることができ,フリークーリング能力Qの変動をより速く捕らえ,フリークーリングの有効・無効の判定タイミングを的確に行うことができる。これにより,フリークーリングの有効・無効の判定タイミング遅れによる省エネルギーチャンスを失うのを防止できる。 According to this embodiment, since the value of the inlet temperature Tei of the cold water having a heat exchange relationship with the cooling water is used instead of the inlet temperature Tci of the cooling water which is the basis of the calculation of the free cooling capacity Q, The value corresponding to the cooling water inlet temperature Tci can be captured before the temperature change appears, that is, before being reflected in the change of the cooling water inlet temperature Tci, and the fluctuation of the free cooling capacity Q can be captured more quickly. It is possible to accurately determine the validity / invalidity of free cooling. As a result, it is possible to prevent losing an energy saving opportunity due to a delay in the determination timing of free cooling validity / invalidity.
1 第1冷却設備ユニット
2 第2冷却設備ユニット
3 フリークーリング熱交換器
4 供給側冷水ヘッダー
5 戻り側冷水ヘッダー
6 制御装置
7,8 往き冷水管
9,10 戻り冷水管
11,21 冷却塔
12,22 冷凍機
13,23 往き冷却水配管
14,24 戻り冷却水配管
15,25 ポンプ
16,26 ポンプ
17,18,19 弁
31 冷却水側配管
32 冷水側配管
33,34,35 弁
40 大気湿球温度計測用のセンサー
41,42 温度センサー
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