JP4505363B2 - 空調システムの冷温水制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調システムの冷温水制御方法に関する。

冷温熱源機から冷温水（冷水又は温水）を複数台の空調機に供給して複数の空調エリアを空調する空調システムが従来より用いられている。このような空調システムは、非特許文献１に開示されている。なお、冷温熱源機とは、冷水を生成する冷凍機、冷水及び温水を生成するヒートポンプ式熱源機、温水を生成するボイラなどをいう。

図８は従来の空調システムの構成図である。
複数台の空調機１は、それぞれ冷温水コイルを備える。各空調機１の冷温水コイルに冷温水配管３を通して冷温水が供給される。冷温水配管３は、各空調機１に冷温水を送り込む冷温水供給管３ａと、各空調機１を通した冷温水を戻す冷温水還り管３ｂからなる。各空調機１の冷温水配管３の冷温水供給管３ａには各空調機ごとに冷温水の流量を調整するための制御弁４が設けられる。

各空調機１は例えば建物のフロアごとに設置され、それぞれ空調系統別の給気ダクトが接続される。各空調機１は給気ファンを備え、給気ダクトを通して空調された空気を各空調系統の空調エリアに送り込む。

冷温水は冷温熱源機８で生成される。冷温水は一次冷温水ポンプ９で冷温熱源機８から一次ヘッダ１０に送られ、ここから二次冷温水ポンプ１１により二次ヘッダ１２を介して各空調機１に供給される。

図９は、図８の空調システムの圧力線図である。図中（イ）〜（ト）は、図８の同じ文字（イ）〜（ト）の位置の圧力を示す。ａ，ｂは各フロアでの空調機と制御弁による圧力損失を示す。

従来の空調システムでは、各フロアの空調機に対し共通の二次冷温水ポンプ１１で最上階まで冷温水を循環させるため、二次冷温水ポンプ１１は最上階までのポンプ揚程を確保し、各フロアでの空調機の圧力損失ａとともに制御弁の圧力損失ｂをカバーするだけの送水圧力を必要とする。この場合各フロアで、その上のフロアまで冷温水を供給するためには制御弁を絞る必要がある。したがって、各フロアでの制御弁の圧力損失がエネルギー的に無駄になって、システムの運転に寄与しない無駄な消費電力を生じることになる。また、ポンプ揚程についてみると、高さ方向の配管抵抗のため、往き側の配管圧力と還り側の配管圧力の差は下層階程広がり、結局制御弁による絞り圧力損失とともに高さ方向配管の圧力損失をカバーできる消費電力の大きい大型の二次冷温水ポンプが必要になる。

この場合、制御弁に代えて、各空調機ごとにローカルな冷温水ポンプ（以下ローカルポンプという）を設け、各ローカルポンプのインバータ制御により必要な量の冷温水を各空調機ごとに供給して制御弁による無駄な消費電力をなくすことが考えられる。しかしこれだけでは単に個々のローカルポンプが要求されるままに動作するだけで、冷温熱源機も含めたシステムトータルでの最大エネルギー効率を目指しているとはいえない。

「省エネルギー」第５５巻第３号第１０５〜１１２頁 平成１５年２月２８日財団法人省エネルギーセンター発行

本発明は上記従来技術を考慮したものであって、空調機ごとに制御弁を用いた冷温水の流量制御に代えて空調機ごとにローカルポンプを用いるとともに、空調システム全体の消費電力を考慮してシステム全体として最大のエネルギー効率で運転可能な空調システムの冷温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の発明は、複数の二次側設備と、各二次側設備にそれぞれ備わる二次冷温水を供給するためのローカルポンプと、冷温水を生成する冷温熱源機と、該冷温熱源機で生成された冷温水を前記ローカルポンプに供給する一次冷温水ポンプと、前記冷温熱源機の出口側から前記二次側設備へ冷温水を供給する冷温水供給管と、前記二次側設備から戻る冷温水を冷温熱源機の入口側に戻す冷温水還り管と、前記冷温水供給管と前記冷温水還り管との間に設けたバイパス管とを備えた空調システムの冷温水制御方法において、前記ローカルポンプの消費電力と、冷温熱源機の消費電力と、前記一次冷温水ポンプの消費電力とを合計してシステム消費電力を算出し、二次側設備側の冷温水合計流量及び前記冷温水供給管及び冷温水還り管の冷温水温度の温度差から二次側熱量を算出し、前記二次側熱量÷前記システム消費電力からシステムＣＯＰを算出し、該システムＣＯＰが最大となるように前記冷温熱源機の出口温度を設定することを特徴とする空調システムの冷温水制御方法を提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記一次冷温水ポンプ及びローカルポンプの各々は、回転数を制御するためのインバータを備え、二次側設備側の冷温水合計流量が前記冷温熱源機を通して生成される冷温水流量と等しくなるように前記一次冷温水ポンプの流量をインバータにより制御することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、所定の周期で冷温熱源機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、前記システムＣＯＰを演算して前回演算したシステム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４の発明は、請求項２又は３の発明において、いずれかのローカルポンプのインバータ出力がポンプの最大出力に近くなった場合（例えば９５％以上）には、前記冷温熱源機の出口設定温度を、冷水の場合には下げ、温水の場合には上げることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数台の空調機等の二次側設備の各々に対し、それぞれ従来の制御弁に代えてローカルポンプを設けて制御弁の絞りによる無駄な消費電力を削減するとともに、冷温熱源機及び一次冷温水ポンプの消費電力を含むシステム全体の消費電力を算出し、このシステム全体消費電力に対する二次側設備で消費される二次側熱量からシステムＣＯＰを求め、このシステムＣＯＰが最大となるように冷温熱源機の設定温度が制御されるため、システム全体として最大の省エネルギー効果が得られる。

請求項２の発明によれば、一次冷温水ポンプ及びローカルポンプはインバータにより回転数制御され、バルブ絞り等による無駄な圧力損失を生じることなく必要な流量が得られるため、最大効率で省エネルギー効果が得られる。また、二次側設備側の冷温水流量と冷温熱源機を流れる冷温水の流量を等しくすることにより、冷温熱源機から二次側設備へ冷温水を供給する冷温熱源機の入口及び出口の冷温水配管にヘッダを設ける必要がなくなる。これにより、配管構成が簡素化するとともに、ヘッダによる圧力損失がなくなり、さらに省エネルギー効果を高めることができる。

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冷温熱源機の設定温度を調整し、常にリアルタイムでシステム全体を最大効率で運転できる。

請求項４の発明によれば、ローカルポンプが最大出力付近（例えば９５％以上）で運転するようになって冷温水流量をそれ以上大きくできない場合であって、二次側設備がさらに熱負荷に対処する熱量を必要とする場合に、冷温水の流量を増やすことなく、二次側設備の熱負荷に対処することができる。

図１は、本発明に係る空調システムの全体構成図である。本発明に係る空調システムで用いる空調機は、冷温水コイルを備えていれば各種形式のものが使用可能である。例えば、変風量方式、定風量方式あるいはファンコイルシステム等のノンダクト方式にも用いられる。
空調機１が例えば建物の各フロアごとに設置される。各空調機１には、空調エリアごとの系統別の給気ダクトが接続される。

各空調機１は冷温水コイルを備える。各冷温水コイルに冷温水配管３の往き側となる冷温水供給管３ａが接続される。各空調機１ごとに接続された冷温水供給管３ａにローカルポンプ１６が設けられる。このように空調機ごとにローカルに設けられたローカルポンプ１６は、それぞれ回転数制御用のインバータ１６ａを備え、流量がインバータにより制御される。

冷温水を生成する冷温熱源機８の出口側及び入口側が、往き側の冷温水供給管３ａの根元部（最下層部）及び冷温水還り管３ｂの根元部に接続される。根元部の冷温水供給管３ａと冷温水還り管３ｂは、バイパス管１７で連通する。冷温熱源機８で生成された冷温水は、一次冷温水ポンプ１８により冷温水供給管３ａに送り込まれる。一次冷温水ポンプ１８は、インバータ１８ａを備え、インバータによる回転数制御により流量が制御される。

図２は、図１の空調システムの圧力線図である。図中（イ）〜（ト）は、図１の同じ文字（イ）〜（ト）の位置の圧力を示す。ａは各フロアでの空調機による圧力損失を示す。

図から分かるように、本発明の空調システムにおいては、各フロアの空調機ごとにローカルポンプ１６（図１）を備え、空調機による個々の圧力損失をそれぞれローカルポンプの送水圧力（揚程）でカバーすることにより、従来個々に設けられていた制御弁を省き、制御弁の絞りによる無駄な圧力損失をなくして効率よく省エネルギーを達成できる。

図３は、本発明に係る空調システムの冷温水制御系の構成図である。
二次側設備である各空調機１にそれぞれローカルポンプ１６及びその回転数制御を行うインバータ１６ａが備わるとともに、電力計２１が備わる。冷温水還り管３ｂの根元部に全ての空調機の合計冷温水量を計測する流量計２２が設けられる。冷温水供給管３ａ及び冷温水還り管３ｂの根元部にはそれぞれ温度計２５，２６が設けられる。

バイパス管１７より冷温熱源機８側の冷温水配管３２に設けられた一次冷温水ポンプ１８にはインバータ１８ａとともに電力計２３が備わる。この冷温水配管３２に、冷温熱源機８を通して循環する冷温水流量を計測するための流量計２４が備わる。冷温熱源機８には、生成する冷温水の温度（出口側温度）を設定する温度設定装置３０及び電力計３１が備わる。

ローカルポンプ１６の電力計２１、一次冷温水ポンプ１８の電力計２３及び冷温熱源機８の電力計３１は、システム消費電力演算装置２８に接続される。二次側の冷温水配管３の流量計２２及び温度計２５，２６は、二次側熱量演算装置２７に接続される。二次側熱量演算回路２７及びシステム消費電力演算回路２８は、コントローラ２９に接続される。コントローラ２９は、一次冷温水ポンプ１８のインバータ１８ａ及び冷温熱源機８の温度設定装置３０に接続される。

次に上記構成の冷温水制御系による冷温水制御方法について説明する。
二次側熱量演算装置２７は、温度計２５，２６で検出された二次側冷温水供給管３ａ及び還り管３ｂの冷温水温度Ｔ１及びＴ２の温度差（Ｔ２−Ｔ１）［°Ｃ］と、流量計２２で検出された二次側の冷温水流量Ｆ［Ｌ／ｈ］とから二次側熱量Ｑ［ｋＷ］を演算する。
Ｑ＝Ｆ・（Ｔ２−Ｔ１）／８６０

システム消費電力演算装置２８は、空調機ごとに設けられたローカルポンプ１６の電力計２１の合計電力と、一次冷温水ポンプ１８の電力計２３の電力と、冷温熱源機８の電力計３１の電力を合計してシステム消費電力Ｑ０［ｋＷ］を算出する。
コントローラ２９は、システム消費電力Ｑ０と二次側熱量Ｑとから
システムＣＯＰ＝Ｑ÷Ｑ０
を算出する。コントローラ２９は、システムＣＯＰが最大となるように冷温熱源機８の設定温度（出口温度）を変更する。これにより、各ローカルポンプ１６により制御弁の無駄な絞り損失を発生することなく冷温水温度に応じて効率よく各フロアの二次側設備の熱負荷を処理できるとともに、システム全体の電力を考慮してシステム全体として最大の省エネルギー効果が得られる。

いずれかのローカルポンプのインバータ出力が例えば９５％以上になっている場合は、出口設定温度を下げる（温水の場合は上げる）。すなわち、いずれかのローカルポンプがほぼ最大流量（９５％以上）で運転されているときは、その系統の二次側設備（空調機）の熱負荷が大きい場合であって、この熱負荷に対処するためにさらに冷水（冷房時の場合）を必要とする状況である。しかしローカルポンプはこれ以上冷水量を増やせないため、熱源機の冷水設定温度を下げて熱負荷に対処する。暖房時の場合は、その逆であり、温水流量を増やす代わりに熱源機での温水の設定温度を上げて熱負荷に対処する。

さらにコントローラ２９は、冷温水還り管３ｂの流量計２２の流量が一次側の冷温水配管３２の流量計２４の流量と等しくなるように一次冷温水ポンプ１８のインバータ１８ａを制御する。これにより、冷温熱源機８を通して温度制御される冷温水流量が二次側設備を循環する冷温水流量と等しくなって、冷温熱源機８の能力が最大に発揮されエネルギー効率が高まるとともに、冷温熱源機８の入口側及び出口側のヘッダが不要になり、配管構成の簡素化及び圧力損失の低減が図られる。ただし、一次冷温水ポンプ１８により熱源機８の最低流量は確保する。この場合、最低流量が還り管３ｂの流量より大きいときにはバイパス管１７を冷温水が流れる。

図４は、本発明の空調システムにおける冷温熱源機と冷温水ポンプの消費電力を示すグラフである。
図示したように、冷水（温水）温度が高く（低く）なれば冷温熱源機（冷水の場合冷凍機）の消費電力は少なくなる。この場合、冷水（温水）量が多く必要になるため冷温水ポンプの消費電力は逆に大きくなる。このように冷温熱源機と冷温水ポンプの消費電力はトレードオフの関係にあるが、本発明では、システム全体の消費電力を考慮して最大のエネルギー効率で冷温熱源機及び冷温水ポンプを運転することができる。

図５は、冷温水ポンプとシステム全体の消費電力を示すグラフである。
前述のように、冷水（温水）温度が高く（低く）なると、冷温熱源機の消費電力はグラフａで示すように低下する。一方、この場合、一次冷温水ポンプ及びローカルポンプの消費電力は冷水（温水）量が多く必要になるため消費電力はグラフｂ，ｃで示すように大きくなる。これらの冷温熱源機の消費電力（グラフａ）及び一次冷温水ポンプ及びローカルポンプの消費電力（グラフｂ、ｃ）の合計がグラフｄで示す合計消費電力である。図から分かるように、システム全体の消費電力（グラフｄ）は、温度Ｔ０で最小値となる。この最小値の冷温水温度Ｔ０となるように冷温熱源機８（図３）の設定温度を制御する。すなわち、冷温熱源機の設定温度をＴ０とすることによりシステムの合計消費電力が最小になる。

図６は、前記システムＣＯＰに基づいて冷温水設定温度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）で冷温水出口温度を設定するとともに、システムＣＯＰを算出し、そのシステムＣＯＰが前回設定値のシステムＣＯＰより高いか低いかに応じて次回の設定値を決定する。

図の例でさらに説明すると、時間ａ０，ａ１，ａ２のときのシステムＣＯＰをそれぞれ、ＣＯＰ０，ＣＯＰ１，ＣＯＰ２とし、設定温度を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（下げる）。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（下げる）（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（上げる）。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。温水の場合は各式の＋と−が逆になる。

以上のようなＣＯＰに基づいて冷温水出口温度のカスケード制御を行うことにより、Ａ部で示されるように、冷温水温度の上昇下降を繰り返しながら最適な水温に定まる。また、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設定温度に定まる。

図７は、上記図６の時間ａ１及びａ２での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、ヒートポンプ式の冷凍機及び冷凍サイクルのみの冷凍機やボイラを含む冷温熱源機を備えたあらゆる空調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。

本発明に係る空調システムの構成図。 図１の空調システムの圧力線図。 図１の空調システムの冷温水制御系の構成図。 本発明の空調システムの冷温熱源機と冷温水ポンプの消費電力の説明図。 本発明の合計消費電力の説明図。 本発明のシステムＣＯＰに基づいて冷温水設定温度を定める方法を示す説明図。 図６の時間ａ１及びａ２でのＣＯＰを比較する方法のフローチャート。 従来の空調システムの構成図。 従来の空調システムの圧力線図。

符号の説明

１：空調機、３：冷温水配管、３ａ：冷温水供給管、３ｂ：冷温水還り管、４：制御弁、８：冷温熱源機、９：一次冷温水ポンプ、１０：一次ヘッダ、１１：二次冷温水ポンプ、１２：二次ヘッダ、１６：ローカルポンプ、１６ａ：インバータ、１７：バイパス管、１８：一次冷温水ポンプ、１８ａ：インバータ、２１：電力計、２２：流量計、２３：電力計、２４：流量計、２５：温度計、２６：温度計、２７：二次側熱量演算装置、２８：システム消費電力演算装置、２９：コントローラ、３０：温度設定装置、３１：電力計、３２：冷温水配管。

Claims (4)

1. 複数の二次側設備と、
   各二次側設備にそれぞれ備わる二次冷温水を供給するためのローカルポンプと、
   冷温水を生成する冷温熱源機と、
   該冷温熱源機で生成された冷温水を前記ローカルポンプに供給する一次冷温水ポンプと、
   前記冷温熱源機の出口側から前記二次側設備へ冷温水を供給する冷温水供給管と、
   前記二次側設備から戻る冷温水を冷温熱源機の入口側に戻す冷温水還り管と、
   前記冷温水供給管と前記冷温水還り管との間に設けたバイパス管とを備えた空調システムの冷温水制御方法において、
   前記ローカルポンプの消費電力と、冷温熱源機の消費電力と、前記一次冷温水ポンプの消費電力とを合計してシステム消費電力を算出し、
   二次側設備側の冷温水合計流量及び前記冷温水供給管及び冷温水還り管の冷温水温度の温度差から二次側熱量を算出し、
   前記二次側熱量÷前記システム消費電力からシステムＣＯＰを算出し、
   該システムＣＯＰが最大となるように前記冷温熱源機の出口温度を設定することを特徴とする空調システムの冷温水制御方法。
2. 前記一次冷温水ポンプ及びローカルポンプの各々は、回転数を制御するためのインバータを備え、二次側設備側の冷温水合計流量が前記冷温熱源機を通して生成される冷温水流量と等しくなるように前記一次冷温水ポンプの流量をインバータにより制御することを特徴とする請求項１に記載の空調システムの冷温水制御方法。
3. 所定の周期で冷温熱源機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、前記システムＣＯＰを演算して前回演算したシステム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に記載の空調システムの冷温水制御方法。
4. いずれかのローカルポンプのインバータ出力がポンプの最大出力に近くなった場合には、前記冷温熱源機の出口設定温度を、冷水の場合には下げ、温水の場合には上げることを特徴とする請求項２又は３に記載の空調システムの冷温水制御方法。
   

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