JP4975168B2 - 二次ポンプ方式熱源システム及び二次ポンプ方式熱源制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、二次ポンプ方式熱源システム及び二次ポンプ方式熱源制御方法に関する。

従来より、例えば大規模な工場やビルといった場所に複数台の室内機（ファンコイルユニット）が設置されている場合に、熱源機から熱源水（冷水、或いは温水）をこれらの室内機に供給して、複数の空調エリアを空調する熱源システムが利用されている。この熱源システムは、大きく熱源機側と負荷設備側（室内機側）とに別れ、それぞれは熱源機から負荷設備に対して熱源水を供給する送水管と負荷設備を通って再度熱源機に熱源水が戻る還水管によって接続され１つの回路を構成している。

例えば、熱源機内で熱交換された熱源水は送水管を通って、一次ポンプにより空気調和機やファンコイルといった負荷設備に送水される。この熱源水は負荷設備内で熱交換が行われ、還水管を通り二次ポンプに送られる。二次ポンプに送られた熱源水は、再度熱源機内を通過し回路内を循環する。ここで、熱源機側を流れる熱源水の量と、負荷設備側を流れる熱源水の量にアンバランスが生じる場合に対処するために熱源機側と負荷設備側との間にある送水管と還水管との間をバイパスするバイパス管が設けられるのが一般的である。

この際、負荷設備に供給される熱源水の温度を負荷設備における設定値にするため、或いは、熱源機をより高効率で運転するために熱源機側を流れる熱源水の量と、負荷設備側を流れる熱源水の量とを等しい量に調整することが望ましい。この熱源機側を流れる熱源水の量、或いは負荷設備側を流れる熱源水の量を計測するために、熱源機側と負荷設備側の両方（以下の特許文献１参照）、或いは負荷設備側にのみ流量計が設置されることが多い（以下の特許文献２参照）。

特開２００６−２７５３９７号公報 特開２００４−１０１１０４号公報

しかしながら、上述の特許文献１、或いは特許文献２に開示されている発明においては、いずれかの場所に流量計を設置する必要がある。この流量計の設置に当たっては、設置費用が掛かるのはもちろんのこと、熱源システムが大きくなるに伴って流量計も大きなものが必要となるため、高額な流量計によってシステム全体の設備費が嵩むという問題があった。

特許文献２に開示された発明では、上述したように流量計は負荷設備側にのみ設置されている。この点、設備費等の問題は多少緩和されるが、熱源水の流量と二次ポンプ、一次ポンプの能力との関係を熱源システムが設けられている現場ごとに調査し、その結果に基づいての運転しなければならない煩雑さがある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、流量計を設置することなく負荷設備側の変化に適切に対応するとともに、高効率な制御を行い省エネに資することのできる二次ポンプ方式熱源システム及び二次ポンプ方式熱源制御方法を提供することである。

本発明の実施の形態に係る第１の特徴は、二次ポンプ方式熱源システムにおいて、熱源水を生成する並列接続された複数の熱源機と、熱源水が流通する負荷設備と、熱源水を負荷設備に供給する一次ポンプと、熱源機の出口側と負荷設備とを接続する送水管と、各熱源機ごとに設けられ、負荷設備において熱交換された熱源水を熱源機へ供給する二次ポンプと、負荷設備の出口側と二次ポンプとを接続する還水管と、送水管と、還水管とを連通するバイパス管と、熱源水の温度を検出する水温センサと、水温センサの計測結果を個々の熱源機の運転特性に当て嵌めて熱源機側の流量及び負荷設備側を流れる熱源水の流量を算出し、この算出結果に基づいて二次ポンプの動作を制御する熱源機コントローラとを備える。

本発明の実施の形態に係る第２の特徴は、熱源水を生成する並列接続された複数の熱源機と、熱源水が流通する負荷設備と、熱源水を負荷設備に供給する一次ポンプと、熱源機の出口側と負荷設備とを接続する送水管と、各熱源機ごとに設けられ、負荷設備において熱交換された熱源水を各熱源機へ供給する二次ポンプと、負荷設備の出口側と二次ポンプとを接続する還水管と、送水管と還水管とを連通するバイパス管とを備えた二次ポンプ方式熱源制御方法において、熱源水の温度に基づき熱源機側を流れる熱源水の流量と、負荷設備側を流れる熱源水の流量とを算出するステップと、算出された熱源機側流量と負荷設備側流量に基づいて、熱源機側流量と負荷設備側流量との差異を小さくするように二次ポンプの台数の増減を決定し、制御するステップとを備える。

本発明によれば、流量計を設置することなく負荷設備側の変化に適切に対応するとともに、高効率な制御を行い省エネに資することのできる二次ポンプ方式熱源システム及び二次ポンプ方式熱源制御方法を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る二次ポンプ方式熱源システムを示す全体図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る熱源機コントローラの内部構成を示したブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る二次ポンプ方式熱源システムの制御方法に関する大まかな流れを示すフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態において負荷設備側を流れる熱源水の総流量を算出する流れを示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態において熱源機コントローラが負荷設備側を流れる熱源水の総流量と熱源機側を流れる熱源水の総流量を等しくするように熱源機を制御する流れを示すフローチャートである。 図６は、本発明の実施の形態において平均流量と運転周波数から揚程を求める際の、平均流量、運転周波数、揚程３者の関係を表わしたグラフである。 図７は、本発明の実施の形態において揚程と二次ポンプの運転台数を減少させた際における二次ポンプ１台当たりの流量から初期周波数を算出する場合の、揚程、平均流量、初期周波数３者の関係を表わしたグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る二次ポンプ方式熱源システムＳを示す全体図である。二次ポンプ方式熱源システムＳは、図１の破線で示すように大きく熱源機側Ａと負荷設備側Ｂとに分かれる。

熱源機側Ａには、熱源水を生成する熱源機１と、熱源機１に循環してきた熱源水を供給する二次ポンプ（熱源機側のポンプ）２が設けられている。熱源機１内には、図示しない圧縮機、四方弁、熱交換器、絞り機構、水熱交換器が設けられるとともにそれぞれが配管によって連結される。配管内には冷媒が充填されており、この冷媒が順次圧縮機、熱交換器、絞り機構、水熱交換器を循環することにより冷媒回路を構成する。

詳しくは、圧縮機は冷媒を吸入して圧縮し、高温高圧の冷媒を吐出する。この圧縮機の吐出側に一端に送風機を備える熱交換器が接続される。熱交換器では送風機による通風により冷媒が空気と熱交換を行う。熱交換器には、さらに絞り機構が接続され、絞り機構を通った冷媒は水熱交換器を通る。水熱交換器では、冷媒がこの水熱交換器に別途接続されている管内を流れる水との間で熱交換を行い熱源水が生成される。その後冷媒は再度圧縮機に入る。四方弁を反転することで冷媒の流れは逆転し、圧縮機の吐出冷媒は水熱交換器から絞り機構、熱交換器へと流れ、圧縮機へと戻るようになる。この結果、熱源機は冷房／冷却用の冷水と加熱／暖房用の温水のいずれかを発生させることができる。

熱源機１に熱源水を供給する二次ポンプ２は、各熱源機１ごとに設けられ、二次ポンプ用インバータ装置３に接続されており、後述する熱源機コントローラからの指示に基づき二次ポンプ用インバータ装置３によって可変速運転される。なお、各二次ポンプ２の仕様（入力―流量特性）は同一のものが使用されている。また、制御を簡素化するために運転中の二次ポンプ２の能力、すなわち二次ポンプ用インバータ装置３の出力は、同一となるように制御される。

熱源機１への入口、出口付近にはそれぞれ、熱源機１に供給される熱源水の温度を計測する熱源機入口水温センサ４と、熱源機１から出て負荷設備へ供給される熱源水の温度を計測する熱源機出口水温センサ５とが接続されている。

なお、熱源機１については図１において３台並列となるように接続されているが（以下、特に必要がない限りこれら熱源機をまとめて「熱源機１」と表わす）、この熱源機１の接続台数は少なくとも２台以上であれば何台接続されていても良い。また、熱源機１には必ず二次ポンプ２が接続されるため、熱源機１と二次ポンプ２の設置台数は同数である。さらに二次ポンプ２には二次ポンプ用インバータ装置３が接続されており、熱源機１には、上述したように熱源機入口水温センサ４、熱源機出口水温センサ５が接続されている。そこで以下適宜、熱源機１、二次ポンプ２、二次ポンプ用インバータ装置３、熱源機入口水温センサ４、熱源機出口水温センサ５をまとめて熱源機ユニットと表わす。

熱源機１において生成された熱源水は、その一端が熱源機１の出口に接続される送水管６を通して負荷設備側Ｂへと供給される。送水管６の他端には、さらに一次ポンプ（負荷側ポンプ）７と一次ポンプ７を制御する一次ポンプ用インバータ装置８が接続され、負荷設備９へと熱源水が送水される。

一次ポンプ７は一次ポンプ用インバータ装置８によって可変速駆動され、負荷設備９へ供給する熱源水の流量が制御される。一次ポンプ７の出力(流量)は、負荷設備９が要求する冷温熱能力に応じて熱源側の動作とは無関係に流量が制御されている。負荷設備９としては、例えば、ファンコイル等の空気調和機が該当する。なお、負荷設備９については図１において２台並列となるように接続されている（以下、特に必要がない限りこれら負荷設備をまとめて「負荷設備９」と表わす）が、この負荷設備９の接続台数は何台接続されていても良い。

負荷設備９において熱交換された熱源水は、負荷設備９の出口側に接続されている二方弁１０を介して還水管１１内を流れ、熱源機側Ａの二次ポンプ２に送られる。

熱源機１と一次ポンプ７との間には、送水管６内を流れる熱源水の温度を計測する送水温度センサ１２が設けられる。また、負荷設備９と二次ポンプ２との間において、還水管１１内を流れる熱源水の温度を計測する還水温度センサ１３が設けられている。熱源機１と送水温度センサ１２との間の送水管６と、還水温度センサ１３と二次ポンプ２との間の還水管１１とを連通するようにバイパス管１４が設けられている。

言い換えると、還水温度センサ１３は、還水管１１とバイパス管１４の接続部より負荷設備９側の還水管１１に取り付けられ、送水温度センサ１２は、送水管６とバイパス管１４の接続部より負荷設備９側の送水管６に取り付けられている。

熱源機コントローラ１５は、熱源機側Ａに設置された各機器を運転制御するためのコントローラである。図１において、例えば３台連結されている熱源機１は、熱源機コントローラ１５からの指示に基づいてそれぞれ運転制御される。また、送水温度センサ１２、還水温度センサ１３からの計測結果、或いは、熱源機入口水温センサ４、熱源機出口水温センサ５において計測された温度の情報については熱源機１を介して、それぞれ熱源機コントローラ１５に集められる。

図２は、熱源機コントローラ１５の内部構成を示すブロック図である。熱源機コントローラ１５は、受信手段１５ａと、記憶手段１５ｂと、算出手段１５ｃと、制御手段１５ｄと、指示作成手段１５ｅと、送信手段１５ｆとから構成される。

受信手段１５ａは、例えば、各温度センサ、すなわち送水温度センサ１２、還水温度センサ１３及び、熱源機１経由で各熱源機毎の熱源機入口水温センサ４、熱源機出口水温センサ５からの水温情報を受信する。記憶手段１５ｂは、例えば、後述する制御の対象となる熱源機１の個々の運転特性を表わす式を記憶する。算出手段１５ｃは、記憶手段１５ｂ内に記憶されている式に各温度センサから送信される計測結果を当て嵌めて熱源機側Ａを流れる熱源水の流量及び負荷設備側Ｂを流れる熱源水の流量を算出する。

制御手段１５ｄは、算出手段１５ｃによって算出された結果に基づいて各熱源機１や各二次ポンプ２に対する制御指示を行う。指示作成手段１５ｅは、制御手段１５ｄの指示に基づいて各熱源機１に対する実際の指示を作成する。送信手段１５ｆは、各熱源機１及び各二次ポンプ２のインバータ装置３に指示を送信する役割を果たす。

次に、熱源機コントローラ１５が本発明の実施の形態における二次ポンプ方式熱源システムＳの制御方法について、上述した熱源機コントローラ１５内の各手段の働きも併せて説明する。

図３は、二次ポンプ方式熱源システムＳの制御方法に関する大まかな流れを示すフローチャートである。二次ポンプ方式熱源システムＳの制御は、大きく２段階に分かれて行われる。すなわち、最初に負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量を算出するステップ（ＳＴ１）を経て、この算出された熱源機側Ａの流量と負荷設備側Ｂの流量に基づいて、熱源機側Ａ流量と負荷設備側Ｂ流量との差異を小さくするように熱源機コントローラ１５が二次ポンプ２の能力(流量)や台数の増減を決定し、２次ポンプ用インバータ装置３を制御するステップ（ＳＴ２）へと至る。

図４に示すフローチャートは、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量を算出する流れ（ＳＴ１）を詳細に説明するためのものである。ここではまず、各熱源機１の能力を算出する（ＳＴ１１）。設置される熱源機１は必ずしも同一形式の機器とは限らず、また、同一形式の熱源機１であっても個々の熱源機１ごとにその能力は微妙に異なることが多い。そこで、まず各熱源機１の能力を把握しておく。

詳しくは、各熱源機１を運転し、その運転時における飽和凝縮温度と飽和蒸発温度とから、冷凍、或いは加熱能力を導き出す。但し、熱源機１の運転の都度その熱源機１の能力を算出するのは効率的ではないので、予め実験的に熱源機１を運転させ、その時の運転能力と飽和凝縮温度と飽和蒸発温度との関係を求めて、例えば式に表わしておく。このような式を記憶手段１５ｂに記憶させておくことで、熱源機１の運転中、算出手段１５ｃは熱源機１からの飽和凝縮温度と飽和蒸発温度に関する情報を受信し、逐次その能力を算出することが可能となる。

熱源機１の能力が算出されると、以下の式を用いて各熱源機１を流れる熱源水の流量を算出する（ＳＴ１２）。すなわち、熱源機入口水温センサ４及び熱源機出口水温センサ５が計測した温度情報を受信手段１５ａが受信し、算出手段１５ｃに送信する。算出手段１５ｃは、記憶手段１５ｂに記憶されている式を熱源機１の運転状態に合わせて引き出し、熱源機入口水温センサ４及び熱源機出口水温センサ５が計測した温度情報を当てはめて熱源機１を流れる熱源水の流量を算出する。この流量の算出は二次ポンプ方式熱源システムＳに接続されている熱源機１（熱源機ユニット）ごとに行われる。従って、熱源機１（熱源機ユニット）ごとに流量を把握することができる。

なお、熱源機１が冷却運転を行う場合には、以下の「数１」に記載の式を用いる。一方、熱源機１が加熱運転を行う場合には、以下の「数２」に記載の式を用いる。また、ｑは熱源機１を流れる熱源水の量［l/min］、Ｗｃは熱源機１の冷凍能力［kW］、Ｗｈは熱源機１の加熱能力［kW］、Ｔｅは熱源機入口水温センサ４において計測された熱源機入口水温［℃］、Ｔｌは熱源機出口水温センサ５において計測された熱源機出口水温［℃］である。

なお、熱源機１は二次ポンプ２から送り込まれる還水を基に熱源水を生成する。これは熱源機１、二次ポンプ２のいずれもが運転されているからである。この場合にはその熱源機を流れる熱源水の流量を算出することができる。

但し、その時々の二次ポンプ方式熱源システムＳの運転状態によっては二次ポンプ２は運転されているが、熱源機１が運転されていない熱源機ユニットが存在する場合もある。このような状態は、負荷設備側Ｂの要求能力の低下が生じている場合に発生する。この場合には上述した「数１」、或いは「数２」の式を用いることができないため熱源機１を流れる熱源水の量を算出することができない。

そのためこのような状態の場合には、まず熱源機１、二次ポンプ２のいずれもが運転されている熱源機ユニットにおいて算出された流量ｑを合算する。その上で、この合算で求められた流量を熱源機１、二次ポンプ２のいずれもが運転されている熱源機ユニットの数で除することで、熱源機１、二次ポンプ２のいずれもが運転されている熱源機ユニットの熱源機１を流れる熱源水の平均流量を算出できる。この平均流量を二次ポンプ２は運転されているが、熱源機１が運転されていない熱源機ユニットにおける流量ｑとする。

ここで、すべての二次ポンプ２を同一仕様にするとともに運転中の二次ポンプ２を駆動するインバータ装置３の出力周波数を同一としている。従って、運転されている熱源機ユニットの熱源機１を流れる熱源水の平均流量によって二次ポンプ２は運転されているとし、この平均流量を熱源機１が運転されていない熱源機ユニットにおける流量と仮定しても大きな誤差は発生しない。

一方、熱源機１及び二次ポンプ２のいずれもが運転されていない熱源機ユニットについては、熱源水の流量ｑは０とする。

以上のような計算を経ることによって算出手段１５ｃが算出した熱源機１（熱源機ユニット）ごとの流量ｑは、さらに算出手段１５ｃにて合算され、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１が算出される（ＳＴ１３）。

次に、各熱源機１の入口水温、出口水温の各々の平均を算出する（ＳＴ１４）。これは熱源機入口水温センサ４及び熱源機出口水温センサ５が計測した入口水温、出口水温に関する情報を受信手段１５ａを介して算出手段１５ｃが受け取り、算出手段１５ｃが算出する。このように各熱源機１の入口水温、出口水温の各々を平均を算出するのは、流量計を用いず負荷設備側Ｂを流れる熱源水の流量を算出を算出するために必要となるからである。

ここで、使用される入口水温、出口水温は、熱源機１が運転されているか否かを問わず、二次ポンプ２が運転されている熱源機ユニットの熱源機入口水温センサ４及び熱源機出口水温センサ５が計測した温度に限られる。熱源機１が運転されているか否かに拘わらず二次ポンプ２が運転されていれば、熱源水は送水管６を流れて負荷設備側Ｂへと供給されるからである。

算出手段１５ｃが算出した各熱源機１の平均出口水温は、制御手段１５ｄに送信される。また、制御手段１５ｄには送水温度センサ１２が計測した送水温度に関する情報も集められる。制御手段１５ｄは、平均出口水温と送水温度とを比較する（ＳＴ１５）。

比較の結果、平均出口水温と送水温度とが等しい場合には（ＳＴ１６のＹＥＳ）、熱源機１をから出て送水管６を流れる熱源水（以下、適宜このような熱源水を「送水」と表わす）がそのまま一次ポンプ７を介して負荷設備９へと流れていると判断することができる。なぜならば、当然、送水と還水の温度には差が存在する（送水温度が還水温度よりも低い、或いは、送水温度が還水温度よりも高い）。このため、バイパス管１４を介して還水が送水管６に流れ込む場合（すなわち、図１に示すバイパス管１４を還水が右から左に向けて流れる場合）には、平均出口水温と送水温度との間に差が生ずることになるからである。

但し、平均出口水温と送水温度とが等しいことが常に熱源機側Ａを流れる熱源水の量と負荷設備側Ｂを流れる熱源水の量とが等しいということを示すものではない。熱源機側Ａを流れる熱源水の量と負荷設備側Ｂを流れる熱源水の量とが等しい場合の他、熱源機側Ａを流れる熱源水の量が負荷設備側Ｂを流れる熱源水の量よりも多い場合にも平均出口水温は送水温度と等しくなる。熱源機側Ａを流れる熱源水の量が負荷設備側Ｂを流れる熱源水の量よりも多い場合には、バイパス管１４を介して送水が還水管１１へと流れ込む（すなわち、図１に示すバイパス管１４を送水が左から右に向けて流れる）ことになる。

以上説明したように、平均出口水温と送水温度とが等しい場合には（ＳＴ１６のＹＥＳ）、以下の「数３」に示す式を用いて負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２を算出手段１５ｃが算出する（ＳＴ１７）。この場合には、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２は、熱源機側Ａの総流量Ｑ１とバイパス管１４を流れる熱源水の流量との差になる。また、熱源機１に還水管１１を介して流れる熱源水の温度、すなわち熱源機入口水温センサ４が計測する温度は、熱源機１が冷却(冷房)運転を行っている場合には還水温度センサ１３が計測する温度よりも低く、熱源機１が加熱(暖房)運転を行っている場合には還水温度センサ１３が計測する温度よりも高くなる。従って、以下「数３」に示すような式を用いる。

一方、平均出口水温と送水温度とが等しくない場合には（ＳＴ１６のＮＯ）、送水管６にバイパス管１４を介して還水管１１から還水が流れ込んでいることになり、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量が熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量よりも多いことを示す。従って、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２は、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１にバイパス管１４を流れる熱源水の量を加えたものとなる。

なお、平均出口水温と送水温度とが等しくない場合には、平均出口水温が送水温度よりも高い場合、或いは反対に平均出口水温が送水温度よりも低い場合のいずれも含まれる。前者の場合は、熱源機１が冷却（冷房）運転を行っている場合であり、後者は熱源機１が加熱（暖房）運転を行っている場合である。従って、算出手段１５ｃは記憶手段１５ｂから以下の「数４」に示す式を導きだし、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２を算出する（ＳＴ１８）。

以上の手順を踏むことによって、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２を算出することができる。

次に、熱源機コントローラ１５が負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２と熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１との差異を小さくするように熱源機コントローラ１５が二次ポンプ２の台数の増減を決定し、制御する方法について説明する。これは図３に示すステップ２の段階であり、詳しくは、図５のフローチャートに示す手順に従って行われる。

制御手段１５ｄは、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２と熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１とが等しいか否かをまず判断する（ＳＴ２１）。負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２と熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１とが等しい場合には（ＳＴ２１のＹＥＳ）、バイパス管１４を流れる熱源水もなく、二次ポンプ方式熱源システムＳの熱源機１は効率良く運転されていることになる。そこで、この状態を維持するように熱源機コントローラ１５は二次ポンプ２を制御する。

一方、負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量Ｑ２と熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１とが等しくない場合（ＳＴ２１のＮＯ）には、まず二次ポンプ２の運転台数を減らすために必要な条件を充足しているか否かを判断する（ＳＴ２２）。制御手段１５ｄが二次ポンプ２の運転台数を減らすために必要な条件（以下、この条件を「ポンプ台数減段条件」と表わす）を満たしていないと判断した場合には（ＳＴ２２のＮＯ）、今度は二次ポンプ２の運転台数を増やすために必要な条件を充足しているか否かを判断する（ＳＴ２３）。制御手段１５ｄが二次ポンプ２の運転台数を増やすために必要な条件（以下、この条件を「ポンプ台数増段条件」と表わす）を満たしていないと判断した場合には（ＳＴ２３のＮＯ）、二次ポンプ２の運転周波数、すなわち二次ポンプ用インバータ装置３の出力周波数を調整する（ＳＴ２４）。

二次ポンプ２の運転台数に関し、減段条件も増段条件も充足しない場合は、結局二次ポンプ２の運転台数の増減を行わずとも二次ポンプ２の運転周波数を調整するだけで熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量を負荷設備側Ｂを流れる熱源水の総流量と等しくすることができる、ひいては負荷設備９の要求に応じて効率かつ適切な熱源機１の運転を行うことが可能であることを示している。ここでも運転中の各二次ポンプ２のそれぞれの運転周波数は、同じとした上で二次ポンプ２の増減が行われる。

そこで、このような場合には、制御手段１５ｄは現在二次ポンプ２の運転に用いている二次ポンプ用インバータ装置３の出力周波数を基準に周波数調節を行う。この調節は１度では終了しない場合もあり（ＳＴ２５のＮＯ）、その場合は適切な周波数が決定されるまで繰り返し周波数の調整が行われる。ここでは、例えば、ＰＩＤ制御等が好適に用いられる。

一方、ポンプ台数減段条件が充足された場合には（ＳＴ２２のＹＥＳ）、制御手段１５ｄが現在運転されている二次ポンプ２の運転台数が複数あることを確認し（ＳＴ２６のＹＥＳ）、その上で算出手段１５ｃに対してポンプ台数を減段した後に各熱源機１を運転する際に用いる周波数（初期周波数）の算出を指示する（ＳＴ２７）。

ここで、現在運転されている二次ポンプ２の運転台数が複数あり、止めることのできる二次ポンプ２があることを確認するのは、二次ポンプ方式熱源システムＳにおいて完全に二次ポンプ２を止めることはできないからである。すなわち、二次ポンプ２を完全に止めてしまうと、熱源水が負荷設備側Ｂに流れなくなるとともに負荷設備側Ｂの運転条件を把握することができなくなり、負荷設備側Ｂの変化に応じて熱源機ユニットを的確に運転することができなくなってしまうからである。このため、現在運転されている二次ポンプ２の運転台数が、所定の台数、例えば１台以下の場合（ＳＴ２６のＮＯ）は、ポンプ台数減を行うことができないため、そのままの運転が継続される。

また、ポンプ台数減段条件とは、例えば、以下の条件を挙げることができる。例えば、二次ポンプ２は運転されているが熱源機１内の圧縮機が運転されておらず、熱源機１が止まっている熱源機ユニットが存在する、二次ポンプ２への指示周波数が運転可能な最低周波数に達し、熱源機１の１台当たりの流量がその熱源機１の最小流量となっている、といったものである。

まず、二次ポンプ２は運転されているが熱源機１が止まっている熱源機ユニットが存在する場合には、その二次ポンプ２は、流量を確保するためだけに運転を行っているので、停止させても問題はない。一方、二次ポンプ２への指示周波数が運転可能な最低周波数に達し、熱源機１の１台当たりの流量がその熱源機１の最小流量となっていなければ、ＳＴ２４にて二次ポンプ２の周波数を低減することで流量の低減が可能であるためである。

本発明の実施の形態においては、上述したポンプ台数減段条件充足の有無を判断する時点で複数の二次ポンプ２が運転されている、という条件とともに、２つのポンプ台数減段条件のいずれも充足した場合に、二次ポンプ２の台数を減段させる。なお、このポンプ台数減段条件はあくまでも例として挙げたものであり、二次ポンプ方式熱源システムＳに設置される二次ポンプの状態等によって任意に設定することが可能である。

ポンプ台数減段条件に合致した場合には、算出手段１５ｃがポンプ台数を減段した後に各熱源機１を運転する際に用いる周波数（初期周波数）の算出を行う。この初期周波数は、以下の手順に従って算出される。

まず、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１を算出時点で運転されている二次ポンプ２の運転台数で除する。これにより、運転されている二次ポンプ２の１台当たりの流量（平均流量ｑ０）が算出される。次に算出された平均流量ｑ０と算出時点での二次ポンプ２の運転周波数ｆ０とから、その熱源機１の揚程ｈ０を算出する。

図６は、平均流量ｑ０と運転周波数ｆ０から揚程ｈ０を求める際の、これら平均流量ｑ０と、運転周波数ｆ０と、揚程ｈ０との３者の関係を表わしたグラフである。図６のグラフは、縦軸に揚程を、横軸に流量を示している。なお、記憶手段１５ｂには、このグラフを描く近似式で記憶されていても、或いは、ステップ的に表形式のテーブルで記憶されていても良い。図６に示されるように、平均流量ｑ０と運転周波数ｆ０がわかればその熱源機１の揚程ｈ０が算出できる。

ここで初期周波数を算出する際に「揚程」を用いるのは、以下の理由からである。まず前提として、熱源機側Ａに設置される複数の二次ポンプ２は、いずれも同一周波数を用いて運転を行う。これは、二次ポンプ２ごとに運転周波数が異なるとその能力に差が生じ、制御が非常に難しく、滑らかな運転制御を行うことが困難となり、効率の悪い運転となってしまうからである。しかしながら、熱源機１の台数を増減させた場合に、それまでの運転周波数と同一の周波数を熱源機１の運転に用いたのでは、負荷設備側Ｂの変化に的確に対応した熱源水の供給を行うことはできない。

一方で、二次ポンプ２の運転台数を増減させても、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量は変化しない。熱源水の総流量が変化しないということは、送水管６、還水管１１内の抵抗も変化せず、二次ポンプ２に求められる揚程も変化しない。

従って、一旦初期周波数算出時における二次ポンプ２の揚程を求め、その上で二次ポンプ２の運転台数を増減させた場合に同一の揚程を維持できるような周波数を算出すれば、二次ポンプ２の運転台数を増減させても負荷設備側Ｂの運転変化に的確に対応できる周波数を用いて滑らかに二次ポンプ２の運転制御を行うことができる。図６に明らかなように、平均流量ｑ０がわかれば、運転周波数ｆ０との交わった点を基に熱源機１の揚程ｈ０が算出できる。

二次ポンプ２の運転台数が減った場合に、各二次ポンプ２を流れる熱源水の流量を算出する。ここでは、二次ポンプ２の運転台数が減る場合であるので、もともとの二次ポンプ２の運転台数から１を引いた運転台数を初期周波数を用いて運転する台数と設定する。具体的には、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１をもともとの二次ポンプ２の運転台数から１を引いた運転台数で除することによって、初期周波数を用いて運転される二次ポンプ２の１台当たりの流量ｑ１を求めることができる。

以上までの手順で、揚程ｈ０と二次ポンプ２の運転台数が減った場合の１台当たりの熱源水の流量ｑ１が求まるので、図７に示すグラフを用いて両者が交わる点を通る周波数を算出する。この周波数が初期周波数ｆ１に該当する。

このように二次ポンプ２の運転台数が減段された際に用いられる初期周波数ｆ１が算出手段１５ｃによって算出されると（ＳＴ２７）、制御手段１５ｄは運転を中止させる二次ポンプ２を決定してポンプの減段指示を該当の熱源機ユニットへと送信するように、指示作成手段１５ｅに指示する。この指示に基づいて指示作成手段１５ｅは送信手段１５ｆを介して該当の熱源機ユニットへ減段指示を送信する（ＳＴ２８）。

運転の中止される熱源機ユニット以外の熱源機ユニットに対しては、算出手段１５ｃによって算出された初期周波数ｆ１が制御手段１５ｄ、指示作成手段１５ｅ、送信手段１５ｆを介してそれぞれの二次ポンプ２のインバータ装置３へと送信される（ＳＴ２９）。二次ポンプ２は、この送信された初期周波数ｆ１で運転される。

ポンプ台数減段条件が充足されず、ポンプ台数増段条件が充足された場合には（ＳＴ２３のＹＥＳ）、制御手段１５ｄが二次ポンプ２の中で休止している二次ポンプ２が存在することを確認する（ＳＴ３０のＹＥＳ）。その上で制御手段１５ｄは算出手段１５ｃに対してポンプ台数を増段した後に各熱源機１を運転する際に用いる周波数（初期周波数）の算出を指示する（ＳＴ３１）。二次ポンプ２の中で休止している二次ポンプ２が存在しなければ、現在の運転がそのまま継続される（ＳＴ３０のＮＯ）。

休止している二次ポンプ２があることを確認するのは、休止中の二次ポンプ２がなければポンプ台数増段条件が充足されても二次ポンプ２の運転台数を増やすことはできないからである。

ポンプ台数増段条件とは、例えば、以下の条件を挙げることができる。例えば、二次ポンプ２が運転されている全ての熱源機１の運転容量が最高効率点を越えており、ポンプ台数が増えても熱源機１台当たりの熱源水の流量が最低流量を下回らない、二次ポンプ２への指示周波数が運転可能な最高周波数に達し、熱源機１の１台当たりの流量がその熱源機１の最大流量となっている、といったものである。

本発明の実施の形態においては、上述したポンプ台数増段条件充足の有無を判断する時点で少なくとも１台の二次ポンプ２が休止している、という条件とともに、２つのポンプ台数増段条件のいずれかが充足した場合に、二次ポンプ２の台数を増段させる。なお、このポンプ台数増段条件はあくまでも例として挙げたものであり、二次ポンプ方式熱源システムＳに設置される二次ポンプの状態等によって任意に設定することが可能である。

ポンプ台数増段条件に合致した場合には、算出手段１５ｃがポンプ台数を増段した後に各二次ポンプ２を運転する際に用いる周波数（初期周波数）の算出を行う。この初期周波数は、上述したポンプ台数減段条件における算出方法と同一である。

まず、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１を算出時点で運転されている二次ポンプ２の運転台数で除する。これにより、運転されている二次ポンプ２の１台当たりの流量（平均流量ｑ０）が算出される。次に算出された平均流量ｑ０と算出時点での二次ポンプ２の運転周波数ｆ０とから、その熱源機１の揚程ｈ０を算出する。

さらにポンプの台数が増えた場合における各二次ポンプ２を流れる熱源水の流量ｑ１を求める。具体的には、熱源機側Ａを流れる熱源水の総流量Ｑ１をもともとの二次ポンプ２の運転台数に１を加えた運転台数で除することによって、初期周波数を用いて運転される二次ポンプ２の１台当たりの流量ｑ１を求めることができる。揚程ｈ０と流量ｑ１とから二次ポンプ２の運転台数が増えた場合における各二次ポンプ２の運転に用いられる初期周波数ｆ１を算出する。

このように二次ポンプ２の運転台数が増段された際に用いられる初期周波数ｆ１が算出手段１５ｃによって算出されると（ＳＴ３１）、制御手段１５ｄは運転を開始させる熱源機ユニットを決定して二次ポンプ２の増段指示を該当の熱源機ユニットへと送信するように、指示作成手段１５ｅに指示する。この指示に基づいて指示作成手段１５ｅは送信手段１５ｆを介して該当の熱源機ユニットへと増段指示を送信する（ＳＴ３２）。

運転の開始される熱源機ユニットを含む熱源機ユニットに対しては、算出手段１５ｃによって算出された初期周波数ｆ１が制御手段１５ｄ、指示作成手段１５ｅ、送信手段１５ｆを介してそれぞれの二次ポンプ２のインバータ装置３へと送信される（ＳＴ３３）。二次ポンプ２は、この初期周波数ｆ１で運転される。

以上のような構成及び制御方法を用いることによって、高価な流量計を設置することなく負荷設備側の変化に適切に対応するとともに、高効率な制御を行い省エネに資することのできる二次ポンプ方式熱源システム及び二次ポンプ方式熱源制御方法を提供することができる。

特に、流量計を用いず温度センサのみから熱源機側と負荷設備側を流れる熱源水の流量を算出することができるので、システム全体を安価に構築することが可能となる。また、算出された熱源機側と負荷設備側を流れる熱源水の流量を用いて負荷設備側の変化に常に的確に対応可能な熱源機制御を行うことができるため、効率的でありながら省エネルギーに資する熱源機の運転を行うことができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、各部の具体的構成等は、適宜変更可能である。また、実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。本発明は、例えば大規模な工場やビルといった複数の空調エリアを空調する必要のある場所において使用される。

Claims (5)

1. 熱源水を生成する並列接続された複数の熱源機と、
   前記熱源水が流通する負荷設備と、
   前記熱源水を前記負荷設備に供給する一次ポンプと、
   前記熱源機の出口側と前記負荷設備とを接続する送水管と、
   前記各熱源機ごとに設けられ、前記負荷設備において熱交換された前記熱源水を前記熱源機へ供給する二次ポンプと、
   前記負荷設備の出口側と前記二次ポンプとを接続する還水管と、
   前記送水管と、前記還水管とを連通するバイパス管と、
   前記熱源水の温度を検出する水温センサと、
   前記水温センサの計測結果を個々の前記熱源機の運転特性に当て嵌めて前記熱源機側の流量及び前記負荷設備側を流れる前記熱源水の流量を算出し、この算出結果に基づいて前記二次ポンプの動作を制御する前記熱源機コントローラと、
   を備えることを特徴とする二次ポンプ方式熱源システム。
2. 前記水温センサは、前記熱源機と前記負荷設備との間において、前記送水管内を流れる前記熱源水の温度を計測する送水温度センサと、前記負荷設備と前記二次ポンプとの間において、前記還水管内を流れる前記熱源水の温度を計測する還水温度センサと、前記熱源機の入口において前記熱源機に供給される前記熱源水の温度を計測する熱源機入口水温センサと、前記熱源機の出口において前記熱源機から前記負荷設備に供給される前記熱源水の温度を計測する熱源機出口水温センサとからなり、
   前記熱源機コントローラは、
   制御する前記熱源機の個々の運転特性を記憶する記憶手段と、
   前記送水温度センサと、前記還水温度センサと、前記熱源機入口水温センサと、前記熱源機出口水温センサの計測結果を前記記憶手段内に記憶されている前記運転特性に当て嵌めて前記熱源機側の流量及び前記負荷設備側を流れる前記熱源水の流量を算出する算出手段と、
   前記算出手段によって算出された結果に基づいて前記二次ポンプの動作を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の二次ポンプ方式熱源システム。
3. 熱源水を生成する並列接続された複数の熱源機と、
   前記熱源水が流通する負荷設備と、
   前記熱源水を前記負荷設備に供給する一次ポンプと、
   前記熱源機の出口側と前記負荷設備とを接続する送水管と、
   前記各熱源機ごとに設けられ、前記負荷設備において熱交換された前記熱源水を前記各熱源機へ供給する二次ポンプと、
   前記負荷設備の出口側と前記二次ポンプとを接続する還水管と、
   前記送水管と前記還水管とを連通するバイパス管とを備えた二次ポンプ方式熱源制御方法において、
   前記熱源水の温度に基づき前記熱源機側を流れる熱源水の流量と、前記負荷設備側を流れる熱源水の流量とを算出するステップと、
   算出された前記熱源機側流量と前記負荷設備側流量に基づいて、前記熱源機側流量と前記負荷設備側流量との差異を小さくするように前記二次ポンプの台数の増減を決定し、制御するステップと、
   を備えることを特徴とする二次ポンプ方式熱源制御方法。
4. 前記負荷設備側を流れる熱源水の流量を算出するステップは、
   前記熱源機の個々の能力を算出するステップと、
   前記算出された前記熱源機の個々の能力と、前記熱源機の入口において前記熱源機に供給される前記熱源水の温度を計測する熱源機入口水温センサと前記熱源機の出口において前記熱源機から前記負荷設備に供給される前記熱源水の温度を計測する熱源機出口水温センサとから得られた結果を基に前記熱源機の流量を算出するステップと、
   前記算出された前記熱源機の流量を合わせて前記熱源機側を流れる熱源水の総流量を算出するステップと、
   全ての前記熱源機入口水温センサから得られた水温を平均し、全ての前記熱源機出口水温センサから得られた水温を平均するステップと、
   平均化された前記熱源機出口水温と、前記熱源機と前記一次ポンプとの間において、前記送水管内を流れる前記熱源水の温度を計測する送水温度センサによって計測された送水温度とを比較するステップと、
   平均化された前記熱源機出口水温と前記送水温度とが等しい場合には、前記熱源機側を流れる熱源水の総流量と、平均化された前記熱源機入口水温と、平均化された前記熱源機出口水温と、前記負荷設備と前記二次ポンプとの間において、前記還水管内を流れる前記熱源水の温度を計測する還水温度センサによって計測された還水温度とを用いて、前記負荷設備側を流れる熱源水の流量を求めるステップと、
   平均化された前記熱源機出口水温よりも前記送水温度が高い場合には、前記熱源機側を流れる熱源水の総流量と、平均化された前記熱源機入口水温と、平均化された前記熱源機出口水温と、前記送水温度と、前記還水温度とを用いて、前記負荷設備側を流れる熱源水の流量を求めるステップと、
   を備えることを特徴とする請求項３に記載の二次ポンプ方式熱源制御方法。
5. 前記熱源機コントローラが、周波数によって前記熱源水の供給能力を変化させる前記二次ポンプを制御するステップは、
   前記熱源機側を流れる熱源水の流量と前記負荷設備側を流れる熱源水の流量とが等しいか否かを判断するステップと、
   前記熱源機側を流れる熱源水の流量と前記負荷設備側を流れる熱源水の流量とが等しくない場合に、二次ポンプの台数を減段させるための条件を充足するか否かを判断するステップと、
   前記減段条件が充足される場合に、減段時における残りの前記二次ポンプを駆動するための周波数を算出するステップと、
   前記算出された減段時の周波数を用いて前記二次ポンプを駆動するステップと、
   前記減段条件が充足されない場合に、さらに前記二次ポンプの台数を増段させるための条件を充足するか否かを判断するステップと、
   前記増段条件が充足される場合に、休止している前記二次ポンプを確認するとともに増段時における前記二次ポンプを駆動するための周波数を算出するステップと、
   前記算出された増段時の周波数を用いて前記二次ポンプを駆動するステップと、
   前記減段条件及び前記増段条件が充足されない場合に、前記二次ポンプを駆動するための周波数を調整するステップと、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の二次ポンプ方式熱源制御方法。

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