JP4917468B2 - 冷凍機システム - Google Patents
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その一例を図7に基づいて説明する。
例えば、オフィスビルの中央式空気調和装置や半導体工場など比較的大容量の空気調和装置などの空気調和装置7の冷却コイル8に用いる冷水は、冷凍機1の蒸発器で冷却され、循環ポンプ2から矢印で示すように往きヘッダ5を経て冷水往き路で搬送される。空気調和装置7の冷却コイル8で暖められた冷水は、矢印で示すように冷水還り路から還りヘッダ6を経て冷凍機1に戻る。冷凍機1はその機内に、蒸発器〜圧縮機〜凝縮器〜膨張弁〜蒸発器という冷媒ガスの蒸発潜熱を利用する冷凍サイクルを構成するが、屋外に設置された冷却塔3から冷却水ポンプ4を介して矢印で示すように冷却水往き路で搬送される冷却水は、冷凍機1の凝縮器に導入されて冷凍サイクルの冷媒と熱交換されて加熱され、冷却水還り路により冷却塔3へ搬送される。そして、冷却塔3で大気と熱交換され冷却された冷却水は、矢印で示すように冷却水ポンプ4を介して冷却水往き路で搬送される。また、複数の冷凍機1と冷却塔3とを併用する場合には、各冷凍機1が往きヘッダ5と還りヘッダ6とに接続され、それぞれの冷凍機1の凝縮器に接続される冷却水往き路および冷却水還り路がそれぞれ複数の冷却塔に接続されたり、大型の集合冷却塔にまとめて接続されたりする。
本発明は斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、冷凍機システムの凝縮器側の冷却水系において、冷凍機と冷却塔とを冷却水槽を介することで、機器毎に分割独立させることによって、複数の冷凍機の中の1台、複数の冷却塔の中の1台、もしくは複数の冷却水ポンプの1台何れかの機器に不調が生じても、その他の同種の正常機器と他の機器とを組み換えてバックアップすることにより大きな出力不足には陥らず、かつメンテナンスを自由に行える冷凍機システムを提供することにある。
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2記載の冷凍機システムにおいて、熱交換器と循環ポンプとを有する熱交換器回路を、高温水用水槽と低温水用水槽との間に配してなることを特徴とする。
冷凍機は、夏期以外の時期では、冷却塔の能力アップや外気温の低下による凝縮器へ導入される冷却水温の低下に対して、圧縮機の能力を絞れることにより効率が上昇し、つまり、成績係数(COP)=蒸発器で奪う熱量(kcal)/(圧縮機に要する電力量(KW)×860(kcal/KW))が向上し、消費電力の削減がはかれる。
よって、本発明においては、夏期のピーク負荷時期以外の冷凍機負荷に対して高効率で冷凍機を稼動させるべく、冷却水系を密閉系ではなく冷却水槽を設置して冷却水を一旦集め、その水槽の冷却水温を管理するように冷却塔のファン停止と冷却水ポンプ停止とを含めた運転台数制御を行い、総合的に冷熱源機器の効率的運転が行え、エネルギーセービングが行える。
これに対し、本発明は、冷凍機システムの凝縮器側の冷却水系において、冷凍機と冷却塔とを冷却水槽を介することで、機器毎に分割独立させることによって、複数の冷凍機の中の1台、複数の冷却塔の中の1台、もしくは複数の冷却水ポンプの1台何れかの機器に不調が生じても、その他の同種の正常機器と他の機器とを組み換えてバックアップすることにより大きな出力不足には陥らず、かつメンテナンスを自由に行える冷凍機システムおよび冷却水槽を提供することにある。このため、冷却水ポンプを含んだ冷凍機群、冷却水ポンプを含んだ冷却塔群として扱えるため、各々の群に予備機が1台あれば、最大負荷時においても定期メンテナンスを仮に行っても、トータルで最大負荷容量分の機器を動作させることできちんと対応でき、出力不足にはならない。
本発明によれば、冷凍機と冷却塔とが配管で閉回路を形成して固定された対とならず、冷凍機群と冷却塔群とを別な配管系として形成できるので、型式・方式の異なる特性の違う冷却塔を組み合わせた冷却塔群を形成し、気象状況に応じて白煙防止や路面凍結防止対策を効率的に行うことができる。
図1〜図3は、本発明の一実施形態に係る冷凍機システム10および冷却水槽50を示す。
本実施形態に係る冷凍機システム10は、3つの冷凍機回路20a,20b,20cと、3つの冷却塔回路30a,30b,30cと、2つの熱交換器回路40a,40bと、低温水用水槽51、中温水用水槽52および高温水用水槽53に仕切った冷却水槽50とを備えている。
3つの冷却塔回路30a,30b,30cは、それぞれ冷却塔31,33,35と冷却塔ポンプ32,34,36とを有し、低温水用水槽51と高温水用水槽53との間に配されている。冷却塔ポンプ32,34,36はその流量を調整するために回転数制御可能であるインバータによる周波数制御モータによって駆動されていても良い。
低温水用水槽51は、冷却塔31,33,35で冷やされた冷却水(夏期の最大負荷時には冷却塔ポンプ32,34,36は定格水量で流し、冷却塔入口温37℃であれば冷却塔出口温度32℃にまで冷やされた冷却水であり、冬期には冷却塔ポンプの合計流量を絞りかつ外気温が低下するため、例えば冷却塔入口温度を37℃であれば冷却塔出口温度を27℃にまで冷やした冷却水である。)を受け入れ、かつ低温水用水槽内の水が混合されるので低温冷却水として低い温度に平均化され、中温水用水槽52との間の槽間隔壁54に設けられた開口55より二槽間の水位差を利用した滝状の落水にして中温水用水槽52に冷やされた冷却水を送水する。夏期や中間期の一部においては、低温水用水槽51内の冷却水温は冷却塔31,33,35の運転状態にて管理される。また、冬期等においては、高温水用水槽53から熱交換器回路40a,40bを通過した加熱源として利用され冷却されて還ってくる冷却水の受け入れ水槽でもある。この場合は、この熱交換器回路40a,40bからの還り水の温度や流量の状態も、低温水用水槽51内の冷却水温の管理用信号として利用される。
この冬期や中間期における開口55から落下する低温冷却水と、開口57を通って落下する高温冷却水とが発生するのは、冷凍機側の冷却水量は冷凍機の凝縮器の入口出口での温度差を5℃に保ったまま運転するのに対し、冷却塔31,33,35の入口出口の水温差は、外気温低下による冷却塔の能力アップおよび外気温低下による冷房負荷の低減から、定格の5℃差ではなく、例えば10℃差が取れることによる冷却塔ポンプ32,34,36の定格比半分以下の流量となることにより引き起こされる。冷凍機21,23,25の凝縮器を流れる冷却水は冷房負荷の減により定格よりは少なくても温度差が5℃であり、このときの冷凍機回路20a+20b+20cの合計流量を1とすると、冷却塔31,33,35の入口出口水温差が10℃で熱交換器回路40a,40bの流量がゼロならば、冷却塔回路30a+30b+30cの合計流量は0.5である。よって、冷凍機回路20a,20b,20cで中温水用水槽52から1の流量で汲みだして、高温水用水槽53へ移したところが、冷却塔回路20a,20b,20cで高温水用水槽53から0.5の流量で低温水用水槽51へ移すこととなり、残り0.5が高温水用水槽53に余剰となり、開口57を通って中温水用水槽52へ注ぎ落ちることとなる。中温水用水槽52には、低温水用水槽51からも冷却塔回路30a,30b,30cを搬送された0.5の流量の冷却水が開口55を注ぎ落ちて供給される。
高温水用水槽53は、冷凍機21,23,25の各凝縮器による冷凍サイクルの冷媒からの排熱を熱交換された高温冷却水を受け入れ、冷却塔回路30a,30b,30cの冷却塔ポンプ32,34,36により汲み上げられて冷却塔31,33,35に送水する高温冷却水の供給源となり、また、熱交換器回路40a,40bの循環ポンプ42,44により汲み上げられる冷凍機排熱を運ぶ高温冷却水を、温熱源として加熱負荷へ送水供給するための供給源となるものである。さらにまた、中間期や冬期に冷却塔31,33,35の能力が外気温低下と共に増加し、大きな冷却水温度差が生じ冷却塔31,33,35の運転台数が冷凍機運転台数に比して減じられた場合、中温水用水槽52との間の槽間隔壁56に設けられた開口57から二槽間の水位差を利用した滝状の落水にして中温水用水槽52に温かい冷却水を供給し、中温水用水槽52の水温調整と冷凍機21,23,25への送水量確保とを司る。
なお、冷凍機21,23,25は、図7に示す従来装置と同様に、冷水を空気調和装置の冷水コイルに供給できるように、冷凍機の蒸発器の入口出口に各々接続され、往きヘッダと還りヘッダとを連絡する配管路を備えている。
図4は、夏期の冷房ピーク負荷での通常運転を示す。
予備機のない図1および図4の冷凍機システムでは、3台の冷凍機21,23,25と3台の冷却塔31,33,35とが全てフルに稼働され、3つの冷凍機回路20a,20b,20cおよび3つの冷却塔回路30a,30b,30cとも、それぞれの冷却水ポンプと冷却塔ポンプは定格の流量で運転される。図4では、運転される回路は太線で示す。それによって、3つの冷凍機回路20a,20b,20cの冷却水ポンプ22,24,26により中温水用水槽52から汲み上げられた冷却水は、それぞれ冷凍機21,23,25の凝縮器を通って冷凍サイクルの冷媒と熱交換されて高温となり、高温水用水槽53に送り出される。この高温水用水槽53から3つの冷却塔回路30a,30b,30cの冷却塔ポンプ32,34,36により汲み上げられた冷却水は、それぞれ冷却塔31,33,35によって冷やされて低温水用水槽51に送り出される。ここで、夏のピーク負荷時には、外気の湿球温度が最高27℃程度まで上昇するため、冷凍機の凝縮器にて熱交換されて出てきた37℃の高温冷却水を冷却塔に導入して冷却するのだが、冷却塔では定格容量フルで外気と熱交換させても32℃までしか冷却できず、冷却塔の入口出口温度差は5℃となる。この冷却塔の出入口冷却水は、冷凍機の凝縮器の入口出口冷却水温差5℃とその絶対値32℃および37℃とほぼ等しくなる。よって、中温水用水槽52から冷凍機回路が汲み上げる冷却水量と、高温水用水槽53から冷却塔回路が汲み上げる冷却水量とが等しくなる。よって、高温水用水槽53の開口57から中温水用水槽52に向かう水流は発生せず、低温水用水槽51の開口55から中温水用水槽52に向かって滝となって落下する。
冷凍機21,23,25は、負荷に追従して容量制御され、冷却塔31,33,35は低温水用水槽51を32℃に保つように台数またはファンが制御される。
外気が低温となり、外気負荷や建屋負荷が減少し、冷却塔で熱交換する相手の外気が低温となることから冷却塔の能力が増大することで、例えば2台の冷凍機21,23と1台の冷却塔31とが稼働される。それによって、2つの冷凍機回路20a,20bの冷却水ポンプ22,24により中温水用水槽52の冷却水が汲み上げられ、それぞれ冷凍機21,23の凝縮器で冷凍サイクルの冷媒と熱交換されることによって加熱され37℃の高温冷却水となって高温水用水槽53に送り出される。この場合、冷凍機側の冷却水量は冷凍機の凝縮器の入口出口での温度差を5℃に保ったまま運転される。これに対し、冷却塔の入口出口の水温差は、外気温低下による冷却塔の能力アップにより、定格の5℃差ではなく、10℃差が取れるようになり、同じ冷却塔で倍の能力が発揮できるようになる。よって1つの冷却塔回路30aの冷却塔ポンプ32により高温水用水槽53の冷却水が汲み上げられ、冷却塔31によって冷やされて低温水用水槽51に送り出されることとなる。この低温水用水槽51に送られた冷却塔回路30aにより送られた冷却水は、開口55から中温水用水槽52に向かって滝となって落下する。ここで、冷却塔が夏のピーク負荷時の倍の冷却能力を発揮して、冷却塔ポンプ32の定格流量で温度差を5℃ではなく10℃で送れるようになるため、冷凍機回路20a,20bで中温水用水槽52から高温水用水槽に汲み上げた冷却水の内、冷却塔回路に汲み上げられなかった冷凍機回路1系統分の流量が、高温水用水槽53の開口57から中温水用水槽52に向かって滝となって落下する。
本実施形態によれば、外気温の低下とともに冷却塔の冷却能力が増大するため、冷凍機の凝縮器における排出熱量より冷却塔処理熱量が過大となるので、低温水用水槽51の計測温度による制御信号により、冷却塔31,33,35がそれぞれ備えるファンや、冷却塔ポンプ32,34,36の台数制御もしくは回転数制御が行われる(ファン、ポンプ動力セービングのため)。この低温水用水槽51の温度は、例えば27℃など、季節や負荷に応じて設定を変化させるものとする。
外気が低温となり、外気負荷や建屋負荷が減少し、冷却塔で熱交換する相手の外気が低温となることから冷却塔の能力が増大することで、例えば3台の冷凍機21,23,25と2台の冷却塔31,33とが稼働される。それによって、3つの冷凍機回路20a,20b,20Cの冷却水ポンプ22,24,26により中温水用水槽52の冷却水が汲み上げられ、それぞれ冷凍機21,23,25の凝縮器で冷凍サイクルの冷媒と熱交換されることによって加熱され37℃の高温冷却水となって高温水用水槽53に送り出される。この場合、冷凍機側の冷却水量は冷凍機の凝縮器の入口出口での温度差を5℃に保ったまま運転される。これに対し、冷却塔の入口出口の水温差は、外気温低下による冷却塔の能力アップにより、定格の5℃差ではなく、大きな温度差が取れるようになり、同じ冷却塔で夏のピーク負荷時より能力が発揮できるようになる。よって2つの冷却塔回路30a,30bの冷却塔ポンプ32,34により高温水用水槽53の冷却水が汲み上げられ、冷却塔31,33によって冷やされて低温水用水槽51に送り出されることとなる。この低温水用水槽51に送られた冷却塔回路30a、30bにより送られた冷却水は、開口55から中温水用水槽52に向かって滝となって落下する。ここで、冷却塔が夏のピーク負荷時よりも大きい冷却能力を発揮して、冷却塔ポンプ32の定格流量で温度差を5℃ではなく大温度差で送れるようになるため、冷凍機回路20a,20b,20cで中温水用水槽52から高温水用水槽に汲み上げた冷却水の内、冷却塔回路に汲み上げられなかった冷凍機回路1系統分の流量が、高温水用水槽53の開口57から中温水用水槽52に向かって滝となって落下する。
本実施形態によれば、外気温の低下とともに冷却塔の冷却能力が増大するため、冷凍機の凝縮器における排出熱量より冷却塔処理熱量が過大となるので、低温水用水槽51の計測温度による制御信号により、冷却塔31,33,35がそれぞれ備えるファンや、冷却塔ポンプ32,34,36の台数制御もしくは回転数制御が行われる(ファン、ポンプ動力セービングのため)。この低温水用水槽51の温度は、例えば27℃など、季節や負荷に応じて設定を変化させるものとする。
夏期、中間期、冬期ともに冷凍機21,23,25の凝縮器で熱交換された排熱を利用する場合、冷却塔31,33,35における外気への熱排出の一部を排熱利用部、つまり熱交換器回路40a,40bで消化するため、その分の冷却塔が停止し、冷却塔回路30a,30b,30c系の水量減となり、排熱利用系、つまり熱交換器回路40a,40bの水量が増大することとなるが、排熱利用系の利用温度差が定格の冷却塔出入口冷却水温度差5℃より大幅に大きな時、排熱利用系を流れる水量は減少することから、高温水用水槽53において冷却水量が余剰となるので、高温水用水槽53から中温水用水槽52への開口57を通じた流れが生じる(熱量は別)。この時、中温水用水槽52へは低温水用水槽51と高温水用水槽53との両方からの滝状の流れができる。大きく異なる水温の流れを短時間、小スペースで混合させることが必要となる。このため、開口55から落水する冷却塔ポンプ32,34の2台分の流量による落水の放物線が、安定した中温水用水槽52の水位と交わる点と、開口57から落水する冷却水ポンプ22の1台分の流量による落水の放物線が、安定した中温水用水槽52の水位と交わる点とがほぼ一致するように、槽間隔壁54と槽間隔壁56との距離を設定すれば、落下する異なる温度の落水水塊がうまく混合できて、混合や攪拌のしくみ、つまり開口55,57からの落水として供給される冷却水と中温水用水槽52中の溜められた水との衝突による波立ちや、落水水塊の位置エネルギによる溜められた水中への速度を伴う突入とそれによる対流発生や、その落下水塊の流入時発生する渦や水面の乱れにより同伴される空気により中温水用水槽52中の溜められた水中で発生する気泡による水の対流との速度差による攪拌効果が最大限発揮できる。
さらに本実施形態によれば、冷凍機21,23,25について、夏のピーク負荷時以外における高効率運転、つまり凝縮器へ導入される冷却水温の低下に対して、圧縮機の能力を絞れることにより効率が上昇し、つまり、成績係数(COP)=蒸発器で奪う熱量(kcal)/(圧縮機に要する電力量(KW)×860(kcal/KW))が向上し、消費電力の削減がはかれるように外気温度に応じて冷却水温を下げるべく冷却塔31,33,35の運転管理ができる。
夏のピーク負荷時以外において、外気湿球温度が低いとき冷却水温を低く設定でき、冷凍機21,23,25のCOPを高めての使用が可能となる。
冷凍機21,23,25、冷却塔31,33,35、ポンプ類、機器のトラブル発生時、各機器の組合せに融通性が大きくなる。また、メンテナンス時にも同様に融通性が出る。
冷凍機入口冷却水温の変動が小さくでき、冷凍機安定運転ができる。
また、冷凍機と冷却塔とが配管で閉回路を形成して固定された対とならず、冷凍機群と冷却塔群とを別な配管系として形成できるので、各機器の(冷凍機、冷却塔)方式、形式、特性などの色々のものの組合せが可能で、負荷状況、外気条件、環境対応(白煙防止)などにより適切な方法がとりやすい。
20a,20b,20c 冷凍機回路
21,23,25 冷凍機
22,24,26 冷却水ポンプ
30a,30b,30c 冷却塔回路
31,33,35 冷却塔
31,33,35 冷却塔ポンプ
40a,40b 熱交換器回路
41,43 熱交換器
42,44 循環ポンプ
50 冷却水槽
51 低温水用水槽
52 中温水用水槽
53 高温水用水槽
54,56 槽間隔壁
55,57 開口
Claims (3)
- 冷凍機システムの凝縮器側の冷却水系において、
冷凍機と冷却水ポンプとを有する冷凍機回路と、
冷却塔と冷却塔ポンプとを有する冷却塔回路と、
低温水用水槽、中温水用水槽および高温水用水槽に仕切った冷却水槽とを備え、
前記冷凍機回路は、前記中温水用水槽と前記高温水用水槽との間に配され、
前記冷却塔回路は、前記低温水用水槽と前記高温水用水槽との間に配され、
前記低温水用水槽と前記中温水用水槽とを仕切る槽間隔壁には、前記低温水用水槽と前記中温水用水槽との水位差を利用して前記低温水用水槽から前記中温水用水槽へ冷却水を落下する滝を形成する開口を設け、
前記中温水用水槽と前記高温水用水槽とを仕切る槽間隔壁には、前記高温水用水槽と前記中温水用水槽との水位差を利用して前記高温水用水槽から前記中温水用水槽へ冷却水を落下する滝を形成する開口を設けている
ことを特徴とする冷凍機システム。 - 請求項1記載の冷凍機システムにおいて、
前記低温水用水槽と前記中温水用水槽とを仕切る槽間隔壁に設けた開口は、前記高温水用水槽と前記中温水用水槽とを仕切る槽間隔壁に設けた開口より高所に位置する
ことを特徴とする冷凍機システム。 - 請求項1または請求項2記載の冷凍機システムにおいて、
熱交換器と循環ポンプとを有する熱交換器回路を、前記高温水用水槽と前記低温水用水槽との間に配してなる
ことを特徴とする冷凍機システム。
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