JP4579805B2

JP4579805B2 - 冷凍機の運転方法

Info

Publication number: JP4579805B2
Application number: JP2005273257A
Authority: JP
Inventors: 隆夫半澤; 泰志原田
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP2007085601A

Description

本発明は、冷凍、冷却または冷房用の設備に係り、特に、それに用いる複数の冷凍機の運転技術に関する。

従来、冷凍機を用いた設備としては、冷凍冷蔵設備や空調設備などがある。これらの設備中において冷凍機は、インバータ等電力変換装置から供給される電力によって駆動され、該設備中の負荷部に対して水等の所定温度の流体を供給するようになっている。従って、これら設備の省エネルギー化は、一般には、冷凍機の駆動電力の低減化によって図られる。
冷凍機の駆動電力の低減化に関する従来技術で、文献に記載されたものとしては例えば特開平９−１４５１７６号公報（特許文献１）に記載された技術がある。該公報には、複数台の冷凍装置を用いるシステムにおいて、該システム全体のエネルギー消費効率を最大限に引き出すために、システム全体が部分負荷となった時、該システム全体のエネルギー消費効率を最大にするポイントを演算し、該最大ポイントで各冷凍装置を運転するとした技術が記載されている。

特開平９−１４５１７６号公報

従来技術も含め、省エネルギー化を図るにおいては、何らかの設備のモデル化が必要とされる。上記従来技術では冷凍機の部分負荷特性のモデル化を行っているが、人手による分析等を経てシステム開発時に組み込まれるため、システム完成後のモデル見直しは行われにくい。また、モデル化の方法としては、カタログ値の使用や稼働実績データの使用等があり、該モデル化の方法により、得られる省エネルギー効果の精度も異なってくる。カタログ値を用いた場合は、理想値の特性であるため、実際の空調設備に組み込んでの稼働特性とは異なる場合が多い。例えば、一般に冬期の稼働においては定格以上の能力を発揮する運転状態となるため、その特性はカタログ値とはかなり異なっている。また、稼働実績データを元にした場合には、冷凍機の特性が、外気に触れる冷却水の影響で変化するため、初期モデルとの差が生じてしまう。また、必要とされるデータ全てについて計測値が得られない場合があり、このような場合には、計測できないデータは固定値等の定数を用いて演算で求めることになる。かかる演算に基づき求めたデータは、通常の場合誤差を含み、正確な値にならない場合が多い。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、冷凍、冷却または冷房用の設備に用いられる複数の冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、それぞれの冷凍機を各冷凍機の特性や外気条件など周囲の状況などに対応した制御状態で運転し、複数の冷凍機全体の消費電力を低減可能にすることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決して、上記冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、より一層の省電力化を図れる運転技術を提供することにある。

上記課題点を解決するために、本発明では、複数の冷凍機の運転技術として、複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を示す関係式を求め、該関係式に基づき、該複数の冷凍機の全体の消費電力を求め、該求めた全体の消費電力を小さくする場合の該複数の冷凍機の冷凍容量を設定し、該設定した冷凍容量で該複数の冷凍機を制御し、さらに、該複数の冷凍機の所定期間例えば１ヶ月間における稼動実績データから冷凍容量と消費電力との関係を示す所定点数のデータを抽出して保存し、該保存した所定点数のデータにつき、該データのデータ分布の重心を求め、該求めた重心と、前記所定期間よりも前の所定期間における重心との差分を算出し、該算出した差分に基づいて、前記求めた関係式を補正し、該補正した関係式に基づいて該複数の冷凍機を制御する。例えば、複数の冷凍機それぞれにおける１ヶ月単位の稼働実績データに着目し、冷却水入口温度の同じ条件で稼働実績データから部分負荷特性データ（冷凍容量と消費電力との関係を示す所定点数のデータ）を抽出して保存し、該所定点数のデータについて、該データのデータ分布の重心を求め、該求めた重心を、同じ抽出条件での１ヶ月前の重心と比較し、その差分を相対値として、その変化比率で、１ヶ月前の前記抽出した部分負荷特性データの関係式を補正し、該補正した関係式に基づいて該複数の冷凍機を制御する。

本願発明によれば、それぞれの冷凍機を各冷凍機の特性や外気温度など周囲条件などの実態に対応した制御状態で運転することができ、該運転条件下で複数の冷凍機全体の消費電力の低減を図ることができる。

以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図５は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の実施例としての冷凍用設備の構成図、図２は、図１の設備中の複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図、図３は、図１の設備中の複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図、図４は、図１の設備中の複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図、図５は、図１の設備中の複数の冷凍機の機器特性モデル補正の一例を示す図、図６は、図１の冷凍設備中の冷水２次ポンプの機器特性モデル補正の一例を示す図である。

図１において、１００は冷凍用設備、１は、複数の冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎを備えて成る冷凍機部、２は、冷凍機部１の運転を制御する運転制御部、３は負荷部、４は冷水槽、５は、冷水槽４から冷水を汲み上げる複数の冷水２次ポンプＰ_１、…、Ｐ_ｎを備えて成る冷水２次ポンプ部、６は、冷水の流量の調整を行う冷水ヘッダ、７は調相器、１１は第１の温度・流量監視点、１２は第２の温度・流量監視点、１３は、冷水ヘッダ６の冷水の圧力を監視するヘッダ圧力監視点、Ｔ_１は、第１の温度・流量監視点１１における冷水の温度、Ｑ_１は、第１の温度・流量監視点１１における冷水の送水量、Ｔ_２は、第２の温度・流量監視点１２における冷水の戻り温度、Ｈは、ヘッダ圧力監視点１３におけるヘッダ圧力である。冷凍機部１は、各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎが、駆動用電動機（図示なし）により冷媒を所定の流量・速度でそれぞれの冷凍機内を循環させるとともに、冷水槽４中の水を、該冷凍槽４との間で循環させながら該冷媒により冷却する。調相器７は例えばエアコンで構成される。上記構成において、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎはそれぞれ、運転制御部２により制御され、所定の条件すなわち所定の冷凍容量、所定の駆動用電動機入力、所定の消費電力などの運転条件とされる。該運転条件で運転された冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、…、Ｒ_ｎは、冷水槽４中の高温槽側の水の一部を汲み上げ、該汲み上げた水を冷媒により冷凍容量に対応して冷却し、再び冷水槽４中の冷温槽側に戻す。これが繰り返される。冷水２次ポンプ部５の各冷水２次ポンプＰ_１、…、Ｐ_ｎはそれぞれ、運転制御部２により制御され、冷水ヘッダ６のヘッダ圧力監視点１３のヘッダ圧力を一定の条件の下、第１の温度・流量監視点１１における流量（送水量）に見合った台数の各冷水２次ポンプＰ_１、…、Ｐ_ｎが、冷水槽４中の低温槽側の水の一部を汲み上げ、冷水ヘッダ６へ送水する。

冷水ヘッダ６の冷水は、第１の温度・流量監視点１１を通って負荷部３に供給される。ヘッダ圧力監視点１３ではヘッダ内の圧力が検出される。第１の温度・流量監視点１１では冷水の温度Ｔ_１と送水量Ｑ_１が検出される。負荷部３内では、冷水は調相器７に供給される。調相器７では、吸込んだ空気を該冷水の状態に対応して冷却し、冷凍用の空気として所定の対象空間に放出する。調相器７において空気からの熱を受け温度上昇した冷水は、第２の温度・流量監視点１２を経て、負荷部３から再び冷水槽４に戻される。第２の温度・流量監視点１２では冷水の温度Ｔ_２（Ｔ_２＞Ｔ_１）が検出される。第１の温度・流量監視点１１における温度と送水量検出結果の情報及び第２の温度・流量監視点１２における温度検出結果の情報、及びヘッダ圧力監視点１３におけるヘッダ圧力はともに、運転制御部２に入力される。運転制御部２は、該情報に基づき、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、・・・、Ｒ_ｎが所定の冷凍容量となるように該冷凍機部１を制御する。例えば、負荷部３が部分負荷となって、冷水流量が少なくてもよい場合は、各冷凍機Ｒ_１、・・・、Ｒ_ｎの全部または一部のものにつき、その冷凍容量を小さくするように制御する。また、運転制御部２は、各冷水２次ポンプＰ_１、・・・、Ｐ_ｎの運転周波数を可変として、少ない運転台数でかつ運転周波数を下げるように制御する。運転制御部２による冷凍機部１の制御は、基本的に、所定の冷凍容量ができるだけ少ない消費電力で達成されるようにする。このために、運転制御部２は冷凍機部１を以下のように制御する。すなわち、運転制御部２は、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ_１、・・・、Ｒ_ｎのうち運転されるものの所定の複数の組合せを設定し、負荷部の目標冷凍容量を、該組合せのそれぞれにおいて、該運転される冷凍機それぞれの定格冷凍容量に基づいて冷凍機毎に分配し、該配分冷凍容量を、冷凍容量と消費電力の関係を示す関係式に代入して、上記運転される冷凍機それぞれの消費電力を上記冷凍機の組合せの全てについて求め、さらに該求めた各消費電力の総和を上記組合せ毎に演算し、該総和値が最小となる組合せまたは他に比べて低い値となる組合せを選択して設定し、該設定した組合せの複数の冷凍機をそれぞれ、上記配分冷凍容量に等しい冷凍容量値またはこれに近い冷凍容量値で運転するように制御する。

さらに、運転制御部２による冷水２次ポンプ部５の制御は、所定の送水量に見合ってできるだけ少ない消費電力で達成されるようにする。このために、運転制御部２は冷水２次ポンプ部５を以下のように制御する。すなわち、運転制御部２は、同じ定格の各冷水２次ポンプＰ_１、・・・、Ｐ_ｎについて、１台からｎ台運転した場合、１台当たりの送水量に見合うポンプ回転数を割り出して、その１台当たりの消費電力から、１台からｎ台運転時の合計消費電力を比較して、最も消費電力の小さい運転台数と、その時のポンプ回転数で運転するように制御する。各冷水２次ポンプの送水量に見合うポンプ回転数は、各冷水２次ポンプが５０Ｈｚで運転されるときの機器特性（Ｑ−Ｈ特性）の値を使用する。

図２は、図１の設備中の複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図である。
図２において、
（１）先ず、運用制御部２により冷凍機部１と冷水２次ポンプ部５の制御動作がスタートする（ステップＳ２０１）。
（２）仕様の異なる各冷凍機の部分負荷特性や同一仕様の冷水２次ポンプの機器特性を示す関係式（近似式）のデータが予め保存されている。運転制御部２はこれらのデータを読み出して計算に使用するために、メモリ等へ常駐させる（ステップＳ２０２）。
（３）冷凍機の最適計算は、負荷側の現時点の需要を要求された冷凍の負荷として、複数冷凍機の運転組合せに冷凍負荷を配分した場合、最も省エネ（消費電力が小さい）運転パターンを冷凍機のモデルを用いて計算して決定する。また、冷水２次ポンプの最適計算では現時点の送水量をまかなうために、運転台数毎に１台当たりの送水量から、ポンプの回転数を、モデルを用いて算出し、その回転数から消費電力が導き出され、合計消費電力が最も小さい冷水２次ポンプの運転台数を決定する（ステップＳ２０３）。
（４）最適計算は定周期（例えば５分周期）で実行されて、冷凍機と冷水２次ポンプの計算結果がガイダンス表示されて、オペレータに知らしめる（ステップＳ２０４）。
（５）最適計算に必要になった各種設備の計測データや、設備状態をモニタしたデータは毎正時の単位で磁気ディスク等へ保存されて、別途トレンド表示等からの参照を可能にしている（ステップＳ２０５）。

図３は、図１の設備中の複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性を示す関係式の補正手順の説明図である。
以下の手順の制御は冷凍機１台に着目して実施するもので、同様な手順にて稼動中の複数の全ての冷凍機に対しても同様に制御する。また、以下の手順は定期的に例えば、１ヶ月スパンのデータで、１日ずつ開始日をずらして行うか、１週間開始日をずらすか、１ヶ月単位で行うか等で見直しを繰り返す。

（１）冷凍機１台の１ヶ月分の稼働実績から部分負荷特性データ（当該冷凍機の製造熱量とその消費電力）を、当該冷凍機が稼動した時の冷却水入口温度毎に分類して抽出保存する（ステップＳ３０２）。１ヶ月分のデータは、毎正時のデータを１点として、２４時×３１日分の７４４点のデータ量を対象としている。
（２）各冷却水入口温度毎に抽出分類されたデータの点数（標本数）が、評価に充分な点数かどうかを信頼係数と標準正規分布の数表の値と比べて判断する（ステップＳ３０３）。評価に値する十分な標本数があるものを次の処理対象とする。
（３）冷却水入口温度毎に分類抽出したデータから重心を求める。さらに、重心と各データ１点ずつを比較した標準偏差を求める。標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れているデータは、バッドデータとして評価対象のデータから除外して棄却検定とする。棄却検定後のデータを用いて再度重心を求めて、この重心を正とする（ステップＳ３０４）。
（４）上記（３）で求めた重心が偏ったデータかまたは一様に分布したデータかを調べて、その信頼性を確認する。信頼性の確認は、ブートストラップ法（元のデータベースから復元抽出を行い、評価したいパラメータや統計量の分布を推定するために必要なデータベースを作成し、推定した分布を用いてモデルの予測精度や安定性を検証する方法）にて行う。その手法は例えば、サンプルの２／３を部分集合としてその重心を求め、残りの１／３の部分集合で重心との標準偏差を求める、さらに、再度ランダム選択した部分集合から、同様に、重心と標準偏差を求めて複数回繰り返す。上記（３）で棄却検定した重心の信頼性を繰り返し求めた標準偏差の大小により判断する。上記（３）の棄却検定で求めた重心が信頼できる場合のみ保存して残す（ステップＳ３０５）。
（５）上記（３）及び上記（４）の処理を各冷却水入口温度のデータについて、繰り返す（ステップＳ３０６）。
（６）今月分と先月分から信頼性が高い重心を選択する。選択した中で同じ冷却水入口温度の重心があれば、その重心を比較し、その差分から部分負荷特性データの変化量を求める（ステップＳ３０７）。この変化量は、当該冷凍機の部分負荷特性を示す関係式（近似式）に反映され該関係式を補正する値となる。
（７）上記（６）で求めた変化量はまた、当該冷凍機の各冷却水入口温度を示す近似式にも反映され該近似式を補正する（ステップＳ３０８）。

図４は、図１の設備中の複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性を示す関係式の補正手順の説明図である。冷凍機と異なり、複数台の冷水２次ポンプは全て同一定格、同一仕様のモータから構成されるため、全ポンプの稼働実績であるＱ−Ｈ特性データを一緒に扱う。
図４において、
（１）冷水２次ポンプ全台の１ヶ月分の稼働実績から、Ｑ−Ｈ特性データをポンプ運転周波数毎に分類して抽出する（ステップＳ４０２）。データ点数は７４４点（正時×２４時×３１日）のポンプ台数倍となる。
（２）上記（１）で周波数毎に抽出したデータに対してさらにその時のヘッダ圧力毎に細分して保存する（ステップＳ４０３）。
（３）上記（２）で細分したデータ点数が、評価に充分な点数かどうかを信頼係数と標準正規分布の数表の値と比べて判断する（ステップＳ４０４）。評価に値する十分な標本数があるものを次の処理対象とする。
（４）細分したデータから重心を求める。さらに、重心と各データ１点ずつを比較した標準偏差を求める。標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れているデータは、バッドデータとして評価対象のデータから除外して棄却検定とする。棄却検定後のデータを用いて再度重心を求め、この重心を正とする（ステップＳ４０５）。
（５）ブートストラップ法にて重心と標準偏差を求めて、棄却検定後の重心の信頼性を確認し、棄却検定で求めた重心の使用可否を判断する（ステップＳ４０６）。
（６）当該周波数の他のヘッダ圧力のデータに対しても上記（４）、上記（５）を実施し、同様に他の周波数のヘッダ圧力毎の抽出データに対しても計算を繰り返す（ステップＳ４０７）。
（７）今月分の各周波数のヘッダ圧力毎の重心から、最も信頼性の高い重心を選択する。冷水２次ポンプの５０Ｈｚ特性（５０Ｈｚで運転される場合のＱ−Ｈ特性）を、同じ周波数と揚程にスライドさせ、該スライド後の特性における流量と、上記選択した重心における流量とを比較し、その差分から該冷水２次ポンプの５０Ｈｚ特性の変化量を求め、これを該冷水２次ポンプの５０Ｈｚ特性の近似式すなわち該冷水２次ポンプが５０Ｈｚで運転される場合のＱ−Ｈ特性を示す関係式に反映し該関係式を補正する（ステップＳ４０８）。

図５は、図１の設備中の複数の冷凍機における機器特性を示す関係式の補正の一例を示す図である。本図は、２ヶ月分の部分負荷特性データの重心を比較し、その差分を特性変化量として、複数の冷凍機における機器特性を示す関係式を補正する場合を示す。図中、Ａは、ある冷却水入口温度時の特性、Ｂは、上記変化量を反映させて上記関係式を補正した場合の特性すなわち補正後の関係式が示す機器特性である。

図６は、図１の設備中の冷水２次ポンプの機器特性（Ｑ−Ｈ特性）を示す関係式（近似式）の補正の一例を示す図である。図６では、ポンプのＱ−Ｈ特性として５０Ｈｚの場合の特性のみを示す（特性Ｃ）。重心を算出したときと同じ周波数にこの特性Ｃをスライドさせて特性Ｅとし、重心と同じヘッダ圧を示す揚程から該特性Ｅにおける流量を求める。重心における流量と特性Ｅにおける該流量とを比較して、その差分を特性Ｃの変化量とし、冷水２次ポンプの機器特性（Ｑ−Ｈ特性）としての該特性Ｃを示す関係式（近似式）を補正し、該補正後の関係式が示す補正特性Ｄを得る。

なお、上記実施例では、評価対象のデータを除外するにおいて、標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れていることを目安とするとして説明した。しかしながら、本発明の実施においては、この標準偏差の３σに限定されるものではなく、σや２σ等でもよく、適宜、選択するものであってもよい。
また、上記実施例では、重心と標準偏差を求めるにおいて、ブートストラップ法を用いるとして説明したが、これも、他の方法を用いてもよい。

本発明の実施例としての冷凍用設備の構成例図である。図１の設備における複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図である。図１の設備における複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性を示す関係式の補正手順の説明図である。図１の設備における複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性を示す関係式の補正手順の説明図である。図１の設備における複数の冷凍機の機器特性を示す関係式の補正の一例を示す図である。図１の設備における冷水２次ポンプの機器特性を示す関係式の補正の一例を示す図である。

符号の説明

１…冷凍機部、
２…運転制御部、
３…負荷部、
４…冷水槽、
５…冷水２次ポンプ部、
６…冷水ヘッダ、
７…調相器、
１１…第１の温度・流量監視点、
１２…第２の温度・流量監視点、
１３…ヘッダ圧力監視点、
１００…冷凍機用設備。

Claims

複数の冷凍機の運転方法であって、
前記複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を示す関係式を求める第１のステップと、
前記求めた関係式に基づき、前記複数の冷凍機の全体の消費電力を求める第２のステップと、
前記求めた全体の消費電力を小さくする場合の前記複数の冷凍機それぞれの冷凍容量を設定する第３のステップと、
前記設定した冷凍容量で前記複数の冷凍機を制御する第４のステップと、
前記複数の冷凍機の所定期間における稼動実績から冷凍容量と消費電力との関係を示す所定点数のデータを抽出して保存する第５のステップと、
前記保存した所定点数のデータから該データのデータ分布の重心としての冷凍容量値及び消費電力値を求める第６のステップと、
前記求めた重心としての冷凍容量値及び消費電力値と、前記所定期間よりも前の所定期間における重心としての冷凍容量値及び消費電力値との差分を算出する第７のステップと、
前記算出した差分に基づいて、前記第１のステップで求めた関係式を補正する第８のステップと、
前記補正した関係式に基づいて、前記第２のステップから前記第４のステップにより前記複数の冷凍機を制御する第９のステップと、
を有したことを特徴とする冷凍機の運転方法。
前記第６のステップでは、前記保存した所定点数のデータから前記重心としての冷凍容量値及び消費電力値を求め、該求めた重心に対する前記所定点数のデータそれぞれの偏差を求め、該偏差が予め設定した値以上のデータは除外し、除外されない残りのデータからデータ分布の重心としての冷凍容量値及び消費電力値を求める請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
前記第３のステップでは、前記複数の冷凍機の全体の消費電力を最小にするときの前記複数の冷凍機の冷凍容量をそれぞれ設定する請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
所定のタイミングで、前記第５のステップ、前記第６のステップ、前記第７のステップ、前記第８のステップにおいて、前記第１のステップで求めた前記関係式を補正する請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
前記第１のステップでは、前記関係式を、前記冷凍機が稼動したときの冷却水入口温度毎に求め、
前記第５のステップでは、前記冷凍容量と消費電力との関係を示す所定点数のデータを前記冷却水温度毎に抽出して保存し、
前記第６のステップから前記第８のステップでは、前記冷却水温度毎に前記求めた関係式を補正する
請求項１から４のいずれかに記載の冷凍機の運転方法。