JP5476835B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムに関するものである。

複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムにおいて、往ヘッダの圧力を冷温水の流量に基づいて最適に制御する空調システムの制御装置は、特許文献１に技術開示がある。

図９は、直送方式による従来のセントラル空調システムの構成例を示す機能ブロック図である。説明の簡略化のため、熱源および熱源ポンプは２台構成を示しているが、熱源が３台以上でも同様の制御となる。

熱源１及び熱源２で熱交換された冷温水は、往ヘッダ３を通して空調機４へ送水される。空調機４は必要な熱量を熱交換し、熱交換された冷温水は循環して還ヘッダ５を通して熱源１、２側へ戻る。

熱源１及び熱源２の送水量は、熱源ポンプ６及び７で操作される。これら熱源ポンプ６及び７の回転数は、インバータ８及び９の周波数で制御される。インバータ８及び９の周波数は、熱源制御装置４０からの操作量ＭＶ１及びＭＶ２で調節される。

空調機４よりの冷温水は還流量センサ１０で測定され、その流量測定値ＰＶ１が熱源制御装置４０に入力される。往ヘッダ３の圧力は、圧力センサ１１で測定され、その圧力測定値ＰＶ２が熱源制御装置４０に入力される。

往ヘッダ３と還ヘッダ５間はバイパス管路１２で結ばれており、途中にバイパス弁１３が挿入されている。圧力コントローラ１４は、圧力センサ１１の測定値ＰＶ２が所定値となるようにバイパス弁１３の開度を調節する。このコントローラ１４は、往ヘッダ３の圧力異常上昇を防ぐため、圧力が上がり過ぎた場合はバイパス弁１３を開き還ヘッダ５側へ圧力を逃がす制御を行う。

往ヘッダ３の温度が、温度センサ１５で測定され、その測定値ＰＶ３が熱源制御装置４０に入力される。同様に、還ヘッダ５の温度が、温度センサ１６で測定され、その測定値ＰＶ４が熱源制御装置４０に入力される。

熱源制御装置４０において、熱量演算手段４１は、還流量の流量測定値ＰＶ１、往ヘッダ３の温度測定値ＰＶ３、還ヘッダ５の温度測定値ＰＶ４を入力して空調機４で熱交換される熱量Ｑを演算する。

空調機４で熱交換される熱量は、損失を０とすると、
熱量Ｑ＝（還ヘッダ温度ＰＶ４−往ヘッダ温度ＰＶ３）×還流量ＰＶ１ （式１）
で与えられる。この熱量演算値Ｑが運転台数切り替え手段４２に入力される。

空調機４で熱交換される熱量が増加して１台の熱源の仕様を超えると十分な空調効果が得られなくなる。運転台数切り替え手段４２は熱量Ｑの値を監視し、熱源１及び熱源２に運転指令Ｄ１及びＤ２を出力して運転台数を切替える。

運転台数切り替え手段４２は、空調機４で要求される熱量が、熱源の容量を超える少し手前に２台目の熱源および熱源ポンプの起動を行い熱源容量の確保を行う。また、空調機側から要求される熱量が減少し、熱源１台の容量で熱量を確保できる状態となったら、熱源および熱源ポンプ１台を停止する。即ち、要求熱量が少ない時は、ペアとなる熱源と熱源ポンプを停止し、運転台数を減少させることで省エネを図っている。

熱源ポンプ６、７にインバータが付いていないシステムの場合には、熱源ポンプは商用周波数による一定回転数で運転するため、省エネは熱源の台数制御のみとなる。熱源ポンプ６、７がインバータ８、９を備える場合には、このインバータの周波数制御により往ヘッダ３の圧力制御を実行する。

圧力コントローラ４３は、圧力センサ１１の圧力測定値ＰＶ１と熱源ポンプの最低流量を確保するための圧力設定値Ｐ１との偏差を制御演算し、操作量ＭＶをハイセレクタ４４、ＭＶ値分配手段４５を介して熱源ポンプ６、７のインバータ８、９に出力する。

システム起動時およびポンプ増段時は熱源の通過流量を確保するために、インバータ周波数を一定時間（最低流量保証時間Ｔ１）、商用周波数またはそれに準じる一定周波数とする必要がある。最低流量保証時間Ｔ１経過後、一定圧力制御へ移行する。

流量保証手段４６は、運転台数切り替え手段４２からの運転指令Ｄ１及びＤ２情報を入力し、ポンプの起動時及び増段時に最低流量保証時間Ｔ１の期間、ポンプ流量が最大となる操作量ＭＶをハイセレクタ４４に出力する。

図１０は、熱源ポンプ運転台数と圧力制御動作点の遷移を説明する特性図である。図１０（Ａ）は、流量Ｆと熱源ポンプ運転台数の関係を示す。ヒステリシスを省略すれば、ポンプ増段ポイントＰで、流量Ｆ１ｍａｘ以上で１台運転から２台運転に、流量Ｆ１ｍａｘ以下で２台運転から１台運転に切り替わる。

図１０（Ｂ）は、流量Ｆに対する往ヘッダの圧力特性を示し、Ｋ１は、ポンプ１台の圧力特性、Ｋ２はポンプ２台の圧力特性を示す。熱源には機器保護のために、最低流量値が定められている。このため、熱源ポンプにインバータを付けても、最低流量値を確保できるインバータ周波数より下げることはできない。

よって、往ヘッダの圧力設定値は、最低流量値を得られる周波数より高い圧力設定値Ｐ１が設定されなければならない。この圧力設定値Ｐ１は、２台運転時の圧力特性Ｋ２上でポンプの最大流量Ｆ２ｍａｘを得るＡ点の圧力Ｐ１で与えられる。

圧力コントローラ４３の圧力設定値がＰ１で一定のため、ポンプの動作点は、ポンプの運転台数には関係なく、圧力特性Ｋ２上のＡ点と、流量ゼロ時のＢ点間の直線上を遷移する。

図１１は、熱源ポンプの運転状態変化に対する操作量の保証動作を説明する波形図である。図１１（Ａ）は熱源ポンプ６の運転状態、（Ｂ）は熱源ポンプ７の運転状態、（Ｃ）は熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の操作量ＭＶ１の波形、（Ｄ）は熱源ポンプ７を駆動するインバータ９の操作量ＭＶ２の波形を示す。

時刻ｔ０でシステムが起動し、熱源ポンプ６が停止状態から運転状態になる。この時刻ｔ０から時刻ｔ１までの一定時間Ｔ１の期間、熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の操作量ＭＶ１を強制的に１００％に維持する。

時刻ｔ２でポンプ増段が発生すると、熱源ポンプ７が停止状態から運転状態になる。この時刻ｔ２から時刻ｔ３までの一定時間Ｔ１の期間、熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の操作量ＭＶ１及び熱源ポンプ７を駆動するインバータ９の操作量ＭＶ２を強制的に１００％に維持する。

時刻ｔ４でポンプ減段が発生すると、熱源ポンプ６が運転状態から停止状態になる。この場合には、インバータ８及びインバータ９に対する強制的な操作量の変更は実施されない。

図１２は、２次ポンプ方式による従来のセントラル空調システムの構成例を示す機能ブロック図である。図９の直送方式によるセントラル空調システムの構成との相違点は、
（１）往ヘッダは、１次往ヘッダ３１と２次往ヘッダ３２で構成され、往還ヘッダ間のバイパス管路１２には調節弁が付いていない。

（２）２次往ヘッダ３２へ送水する２次ポンプ１７を駆動するインバータ１８の制御は、熱源の台数制御とは独立しており、圧力センサ１１の測定値ＰＶ２を入力する圧力制御部１９により２次往ヘッダ３２の吐出圧力が一定となるように制御される。この制御系の詳細は特許文献１に開示されている。

（３）熱源制御装置４０は、共通の圧力設定値Ｐ１が設定される２台の圧力コントローラ４３ａ、４３ｂを備える。コントローラ４３ａは、熱源１の吐出圧力を測定する圧力センサ２０の測定値ＰＶ５と共通設定値Ｐ１の偏差を制御演算した操作量ＭＶ１１をハイセレクタ４４に入力する。

同様に、コントローラ４３ｂは、熱源２の吐出圧力を測定する圧力センサ２１の測定値ＰＶ６と共通設定値Ｐ１の偏差を制御演算した操作量ＭＶ１２をハイセレクタ４４に入力する。

（４）バイパス管路１２を１次往ヘッダ３１から還ヘッダ５に流れる流体Ｆａが熱源ポンプによる冷温水の循環ルート、還ヘッダ５から往ヘッダ３１に流れる流体Ｆｂが２次ポンプ１７による冷温水の循環ルートである。

Ｆａ＞Ｆｂのとき、バイパス管路１２を流れる冷温水は、矢印Ｆａ方向に流れる。Ｆｂ＞Ｆａのとき、冷温水は、矢印Ｆｂ方向に流れる。従来の空調システムでは、Ｆａ＞Ｆｂになるように制御する。

そうしないと、空調機への熱量（≒流量）が足りなくなるからである。しかしながら、空調システムではバイパス管路に冷温水を循環しても仕事にならず無駄となる。ここに省エネのポイントがある。

特開２００３−１０６７３１号公報

従来の空調システムでは、次のような問題がある。
（１）セントラル空調システムで省エネを行う場合、送水ポンプの変揚程制御という既知の技術がある。熱源ポンプを変揚程制御すると、熱源の最低流量値の制約があるために、例外（一部の熱源装置は、内部に負荷情報を直接コントローラに出力することで熱源ポンプの変揚程制御を可能とする機能を備える）を除き変揚程制御を行うことができない。

一般に、熱源は仕様により最低流量値を定められているため、省エネ制御のためにインバータを設置しても、全ての熱源の最低流量保証値の合計流量が得られる圧力値を下回らないようにポンプ側の回転数を制御する必要がある。

しかしながら、最低流量値が得られる最適な圧力設定値Ｐ１を決定することが難しく、その結果、マージンを大きく取らざるをえず、充分な省エネ効果を期待することが困難である。

（２）システム稼動時とポンプ増段時に必要となる最低流量保証時間は同じ一定時間Ｔ１が設定される。システム稼動時は圧力制御系の設定値は、測定値対して差が大きいため、制御が安定するまでの時間が長い。このため最低流量保証時間を長めに設定する必要がある。

これに対して、ポンプ増段時はその差が小さいので、制御が安定するまでの時間は短くて済む。この結果、ポンプ増段時は最低流量保証時間が余分に設定されることとなり、無駄が発生する。

（３）２次ポンプ方式では、圧力調節部１９による往ヘッダ吐出圧の圧力制御系と、熱源制御装置４０による熱源吐出圧の圧力制御系とが互いに独立している。１次往ヘッダ３１から還ヘッダ５方向に流れる熱源の１次冷温水Ｆａが、還ヘッダ５からバイパス管路１２を１次往ヘッダ３１方向に流れる２次冷温水Ｆｂと等しい時に最も省エネ効果が高くなる。しかしながら、熱源制御装置４０による熱源吐出圧の圧力制御系のみではこの理想状態を実現することが困難である。

本発明の目的は、熱源ポンプのインバータ制御により、従来手法より省エネ効果を更に高めることを可能とした空調システムを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムにおいて、
前記冷温水の還流量測定値に基づく管路抵抗圧力演算手段と、
前記熱源ポンプの運転台数に基づく最低流量値保証圧力演算手段と、
管路抵抗圧力演算手段の演算値と前記最低流量値保証圧力演算手段の演算値を入力するハイセレクタと、
このハイセレクタの選択出力を圧力設定値とし、前記往ヘッダの圧力測定値との偏差を制御演算して前記インバータへの操作量を出力する圧力コントローラと、
前記熱源ポンプの起動時及び増段時に対応して、前記インバータへの操作量を所定時間最大値に維持させる、流量保証時間演算手段と、
前記熱源ポンプの動作点が、前記管路抵抗圧力演算値より高い前記最低流量保証設定値にある期間に、前記往ヘッダより前記還ヘッダにバイパスする冷温水流量を調節するバイパス弁開度演算手段と、
を備えることを特徴とする空調システム。

（２）複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより１次往ヘッダ及び２次ポンプを備える２次往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムにおいて、
前記冷温水の還流量値に比例して前記インバータへの操作量を演算する還流量比例演算手段と、
前記熱源ポンプの運転台数に基づく最低流量値保証操作量を演算する最低流量値演算手段と、
前記還流量比例演算手段の演算値と前記最低流量値演算手段の演算値を入力し、前記インバータへの操作量を選択出力するハイセレクタと、
前記熱源ポンプの起動時及び増段時に対応して、前記インバータへの操作量を所定時間最大値に維持させる、流量保証時間演算手段と、
冷房運転時に前記２次往ヘッダの温度測定値が設定温度上限値を超える期間には前記インバータへの操作量を最大値に維持させると共に、暖房運転時に前記２次往ヘッダの温度測定値が設定温度下限値より低下する期間には、前記インバータへの操作量を最小値に維持させる冷温水温度補償手段と、
を備えることを特徴とする空調システム。

本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）空調機からの流量要求が少なく熱源ポンプの稼働台数が少ないときは、必要となる最低流量値も下がるので、従来の圧力設定値Ｐ１よりも設定圧力を下げることで省エネ効果を更に向上させることができる。

ポンプの軸動力は、流量の３乗に比例するので、ポンプの運転台数に合わせて個別に最低流量値を得られる圧力設定値を用意すれば、ポンプ動力で大きな省エネ効果を得ることができる。

（２）直送方式の場合、管路抵抗にあわせた変揚程制御を組み合わせることにより、更に高い省エネ効果を得ることができる。

（３）システム起動時用の最低流量保証時間Ｔ２と、ポンプ増段時の最低流量保証時間Ｔ３の２種類のタイマを使い分けることにより、ポンプ増段時の無駄を削除し、更に高い省エネ効果を得ることができる。

（４）２次ポンプ方式では、空調機からの還流量に基づいて熱源の流量をインバータ制御することにより、バイパス管路１２を１次往ヘッダ３１から還ヘッダ５方向に流れる熱源の１次冷温水Ｆａを、還ヘッダ５からバイパス管路１２を１次往ヘッダ３１方向に流れる２次冷温水Ｆｂと等しく操作することにより、バイパス管路１２を流れる無断な冷温水の循環をゼロとした省エネ運転か可能となる。

本発明を適用した直送方式による空調システムの一実施例を示す機能ブロック図である。 図１の、熱源制御装置の詳細を示す機能ブロック図である。 図１の、直送方式の熱源ポンプ運転台数と圧力制御動作点の遷移を説明する特性図である。 図１の、熱源ポンプの運転状態変化に対する制御出力の保証動作を説明する波形図である。 本発明を適用した２次ポンプ方式による空調システムの一実施例を示す機能ブロック図である。 図５の、熱源制御装置の詳細を示す機能ブロック図である。 図５の、２次ポンプ方式の熱源ポンプ運転台数と還流量に基づく操作量出力の動作点遷移を説明する特性図である。 図５の、往ヘッダ温度に対する制御出力の保証動作を説明する波形図である。 直送方式による従来のセントラル空調システムの構成例を示す機能ブロック図である。 熱源ポンプ運転台数と圧力制御動作点の遷移を説明する特性図である。 熱源ポンプの運転状態変化に対する制御出力の保証動作を説明する波形図である。 ２次ポンプ方式による従来のセントラル空調システムの構成例を示す機能ブロック図である。

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した直送方式による空調システムの一実施例を示す機能ブロック図である。図９で説明した従来の直送方式による空調システムと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

図１において、熱源と空調機周りの基本構成は図９の構成と同一である。相違点は、バイパス弁１３の制御が本発明を適用した熱源制御装置１００側の操作量ＭＶ３で開度制御される点である。

本発明空調システムは、熱源及び熱源ポンプの台数に制限はないが、説明の簡略ために仮に熱源及び熱源ポンプを従来空調システム（図９）と同様に２台として示している。本発明空調システムは、従来空調システムの熱源および熱源ポンプ台数制御が機能していることを前提とする。

熱源制御装置１００の機能構成を説明する。管路抵抗圧力演算手段１０１は、還流量センサ１０の測定値ＰＶ１を入力して圧力設定値Ｐｘを出力する。最低流量値保証圧力演算手段１０２は、上位のシステム（図示せず）により運転台数が管理される熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、最低流量保証圧力Ｐｎを出力する。

ハイセレクタ１０３は、圧力設定値Ｐｘ及び最低流量保証圧力Ｐｎを入力し、大の値を選択して設定値ＣＡＳを出力する。圧力コントローラ１０４は、往ヘッダ３の圧力センサ１１の測定値ＰＶ２とハイセレクタ１０３で選択された設定値ＣＡＳの偏差を制御演算し、操作量ＭＶを出力する。

流量保証時間演算手段１０５は、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、起動時と増段時を識別した操作量ＭＶを出力する。ハイセレクタ１０６は、圧力コントローラ１０４の操作量ＭＶと流量保証時間演算手段１０５の操作量ＭＶを入力し、大の値を選択する。

ハイセレクタ１０６で選択された操作量ＭＶは、ＭＶ値分配手段１０７でＭＶ１及びＭＶ２に分配され、熱源ポンプ６及び７を駆動するインバータ８及び９に出力される。バイパス弁開度演算手段１０８は、ハイセレクタ１０６で選択された操作量ＭＶを入力し、操作量ＭＶ３を出力し、バイパス管路１２に挿入されているバイパス弁１３の開度を制御する。

図２は、図１の、熱源制御装置１００の詳細を示す機能ブロック図である。管路抵抗圧力演算手段１０１は、還流量センサ１０の測定値ＰＶ１を入力して流量Ｆをパラメータとする所定の管路抵抗圧力曲線Ｒを演算し、与えられた流量Ｆに対する最適な圧力設定値Ｐｘを出力する。この管路抵抗圧力演算は周知の技術であり、特許文献１に開示がある。

最低流量保証圧力演算手段１０２は、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、ポンプ１台運転の時は最低流量保証圧力Ｐ１を、ポンプ１台運転の時は最低流量保証圧力Ｐ２を最低流量保証圧力Ｐｎとして出力する。このように、ポンプの運転台数に応じて最低流量保証圧力を変更する点が、従来の固定圧力設定の手法とは異なっている。

流量保証時間演算手段１０５は、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、操作量ＭＶを出力する。タイマ時間Ｔ２にセットされたシステム起動用タイマ１０５ａ及びタイマ時間Ｔ３にセットされた増段用タイマ１０５ｂを備え、Ｄ１，Ｄ２を入力する論理回路とＳＲフリップフロップにより、システム起動時には時間Ｔ２の操作量ＭＶを、増段時には時間Ｔ２の操作量ＭＶをハイセレクタ１０６に出力する。

バイパス弁開度演算手段１０８は、ハイセレクタ１０６で選択された操作量ＭＶを入力し、ポンプの動作点が管路抵抗圧力曲線Ｒより高い最低流量保証圧力設定値上にある時、熱源の最低流量を確保するための余剰流量を、往還ヘッダ間でバイパス制御するための操作量ＭＶ３を出力する。

図３は、図１の、直送方式の熱源ポンプ運転台数と圧力制御動作点の遷移を説明する特性図である。図３（Ａ）は、図１０（Ａ）と同様に、流量Ｆと熱源ポンプ運転台数の関係を示す。ヒステリシスを省略すれば、ポンプ増段ポイントＰで、流量Ｆ１ｍａｘ以上で１台運転から２台運転に、流量Ｆ１ｍａｘ以下で２台運転から１台運転に切り替わる。

図３（Ｂ）は、流量Ｆに対するポンプ１台の圧力特性Ｋ１、ポンプ２台の圧力特性Ｋ２、管路抵抗圧力曲線Ｒ、従来の最低流量保証圧力設定値Ｐ１、本発明で採用される最低流量保証圧力設定値Ｐ２及びＰ３の関係を示している。

ポンプ２台運転の最大流量Ｆ２ｍａｘは、２台運転の圧力特性Ｋ２と管路抵抗圧力曲線Ｒの交点Ａで決まり、このＡ点の圧力が従来システムの最低流量保証圧力設定値Ｐ１を決定している。

本発明では、２台運転時には、従来システムの最低流量保証圧力設定値Ｐ１よりも低い最低流量保証圧力設定値Ｐ２を設定し、１台運転時には、このＰ２よりも更に低い最低流量保証圧力設定値Ｐ３を設定することで、更なる省エネを実現する。

真夏の昼・厳冬期などの空調負荷ピーク時は、空調機側で消費される熱量が高くなるため流量が増大する。流量が最大のとき、動作点はＡ点となる。ピーク時間が過ぎ、熱負荷が下がると流量も下がる。従来システムによる吐出圧力一定制御の場合は、図１０（Ｂ）で説明したように、Ａ点からＢ点へ向けて直線上を動作点は移動する。

本発明による吐出圧力可変制御では、管路抵抗曲線Ｒにあわせて変揚程制御と、熱源ポンプの運転台数による最低流量保証圧力設定値Ｐ２，Ｐ３による最低流量保証制御を行うため、流量が下がると動作点は移動する。

管路抵抗曲線Ｒと設定値Ｐ２の交点をＣ点、ポンプ切り替え時の流量Ｆ１ｍａａｘでの管路抵抗曲線ＲをＦ点、管路抵抗曲線Ｒと設定値Ｐ３の交点をＧ点、流量ゼロ時の設定値Ｐ３をＤ点、Ｆ１ｍａａｘ時の最低流量保証圧力設定値Ｐ３をＨ点で示す。

流量減少時の動作点は、熱源ポンプの運転台数を考慮しない変揚程制御の場合、動作点はＡ→Ｃ→Ｅとなるが、本発明により熱源ポンプの運転台数を考慮することで、動作点はＡ→Ｃ→Ｄ→Ｆ→Ｇ→Ｈと遷移し、低流量時の設定圧力を大きく下げることが可能になり、熱源ポンプの電力削減が可能となる。

ポンプ動作点がＣ−Ｄ間またはＧ−Ｈ間にある時、即ち、ポンプの動作点が管路抵抗圧力曲線Ｒより高い最低流量保証圧力設定値上にある時、バイパス弁開度演算手段１０８は、熱源の最低流量を確保するために余剰流量を往還ヘッダ間でバイパス制御を行うための操作量ＭＶ３をバイパス弁１３に出力する。

図４は、流量保証時間演算手段２０４による、熱源ポンプの運転状態変化に対する制御出力の保証動作を説明する波形図である。図１１と同様に、図４（Ａ）は熱源ポンプ６の運転状態、（Ｂ）は熱源ポンプ７の運転状態、（Ｃ）は熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の操作量ＭＶ１、（Ｄ）は熱源ポンプ７を駆動するインバータ９の操作量ＭＶ２の波形を示す。

時刻ｔ０でシステムが起動し、熱源ポンプ６が停止状態から運転状態になる。この時刻ｔ０から時刻ｔ１までの一定時間Ｔ２の期間、熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の操作量ＭＶ１を強制的に１００％に維持する。

時刻ｔ２でポンプ増段が発生すると、熱源ポンプ７が停止状態から運転状態になる。この時刻ｔ２から時刻ｔ３までのＴ２よりは短い一定時間Ｔ３の期間、熱源ポンプ６を駆動するインバータ８の制御出力及び熱源ポンプ７を駆動するインバータ９の操作量ＭＶ２を強制的に１００％に維持する。

時刻ｔ４でポンプ減段が発生すると、熱源ポンプ６が運転状態から停止状態になる。この場合には、インバータ８及びインバータ９に対する強制的な操作量の変更は実施されない。

このように、システム起動時用の最低流量保証時間Ｔ２と、ポンプ増段時の最低流量保証時間Ｔ３の２種類のタイマを使い分けることにより、ポンプ増段時の無駄を削除することが可能となり、更なる省エネ効果を得ることができる。

図５は、本発明を適用した２次ポンプ方式による空調システムの一実施例を示す機能ブロック図である。２次ポンプ方式では、直送方式とは異なり、管路抵抗による圧力制御を行っていない。

直送方式では空調負荷の変動を熱源ポンプが受けるが、２次ポンプ方式では熱源空調負荷の変動による管路抵抗の変化の影響を受けるのは２次ポンプ１７であり、熱源ポンプは基本的に管路抵抗の変化が影響しないためである。

空調機周りの構成は、図１２に示した従来構成と同一である。本発明が適用される熱源制御装置２００は、空調機４からの還流量を還流量センサ１０で測定し、この還流量が熱源から出力される冷温水の流量と等しくなるように熱源ポンプ６，７を駆動するインバータ８，９の周波数を操作して還流量比例制御を実行する。

空調機４からの還流量と熱源１，２からの冷温水の流量が等しくなれば、バイパス管路を流れる流量は、Ｆａ＝Ｆｂとなり、バイパス管路に流れる冷温水の無駄はゼロとなり、熱源ポンプの省エネを図ることができる。

本発明で採用している還流量比例制御の考え方の基本は、還流量センサ１０によって流量瞬時値ＰＶ１を取り込み、その流量が得られる熱源ポンプ回転数を与える操作量ＭＶをインバータへ出力する。

流量∝回転数（＝インバータ周波数）なので、操作量ＭＶは流量瞬時値に比例したインバータ周波数になる。例えば、流量瞬時値＝800m3/h、熱源ポンプ定格流量＝500m3/h（50Hz）、ポンプ運転台数2台であれば、
インバータ周波数＝800/（500*2）=0.8=80%=50Hz*0.8=40Hz
これによりＦａ＝Ｆｂが実現され、バイパス管路１２に流れる流量は０となる。

ここでも制約事項として、熱源の最低流量値が問題となる。流量が０だからといって、インバータ周波数を０にすれば熱源に流れる流量が０になってしまう。従って、熱源ポンプの状態信号を取り込み、熱源ポンプの運転台数に応じた最低流量値を与えるインバータ周波数を決定し、この値と還流量比例制御のインバータ周波数とのハイセレクトをインバータへの操作量とする必要がある。

熱源制御装置２００の機能構成を説明する。還流量比例演算手段２０１は、還流量センサ１０の測定値ＰＶ１を入力し、還流量比例制御のための操作量ＭＶを出力する。最低流量値保証圧力演算手段２０２は、上位のシステム（図示せず）により運転台数が管理される熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、最低流量を保証する操作量ＭＶを出力する。

流量保証時間演算手段２０３は、図１の１０５と同一構成であり、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、起動時と増段時を識別した操作量ＭＶを出力する。

２次ポンプ方式では、空調機の露点温度制御等の必要条件から、冷温水の往温度を一定に保つ必要がある場合がある。本発明を適用した熱源制御装置２００では、２次往ヘッダ３２の温度測定値ＰＶ３を取り込み、往温度が設定範囲外となった場合に熱源ポンプの操作量を調整することで、往温度一定制御を行う。

冷温水温度補償手段２０４は、２次往ヘッダ３２の温度センサ１５の測定値ＰＶ３を入力し、温度が所定のアラームを超えて上昇または減少したときに冷温水の流量を規制する操作量ＭＶを出力する。

ハイセレクタ２０５は、還流量比例演算手段２０１、最低流量値保証圧力演算手段２０２、流量保証時間演算手段２０３、冷温水温度補償手段２０４から出力される操作量ＭＶを入力し、大の値を選択する。

ハイセレクタ２０５で選択された操作量ＭＶは、ＭＶ値分配手段２０６でＭＶ１及びＭＶ２に分配され、熱源ポンプ６及び７を駆動するインバータ８及び９に出力される。

図６は、熱源制御装置２００の詳細を示す機能ブロック図である。還流量比例演算手段２０１は、還流量センサ１０の測定値ＰＶ１を入力し、流量Ｆに比例した操作量ＭＶを演算してハイセレクタ２０５に出力する。比例係数はポンプ及びインバータの仕様で決定される。

最低流量値保証圧力演算手段２０２は、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、ポンプ１台運転の時は最低流量保証操作量ＭＶ１を、ポンプ２台運転の時は最低流量保証操作量ＭＶ２を最低流量保証操作量ＭＶとしてハイセレクタ２０５に出力する。

流量保証時間演算手段２０３は、熱源ポンプ６及び７の運転状態信号Ｄ１及びＤ２を入力し、操作量ＭＶを出力する。タイマ時間Ｔ２にセットされたシステム起動用タイマ２０３ａ及びタイマ時間Ｔ３にセットされた増段用タイマ２０３ｂを備え、Ｄ１，Ｄ２を入力する論理回路とＳＲフリップフロップにより、システム起動時には時間Ｔ２の操作量ＭＶを、増段時には時間Ｔ２の操作量ＭＶをハイセレクタ２０５に出力する。

冷温水送水温度補償手段２０４は、２次往ヘッダ３２の温度センサ１５の測定値ＰＶ３を入力し、冷房時に空調側の負荷が高まり往温度が上昇し設定温度上限値（ハイアラーム）を超えると、熱源ポンプの操作量ＭＶを１００％として空調機側への熱量の確保を行うことで往温度の補償制御を行う。

暖房時に空調側の負荷が高まり往温度が下降し設定温度下限値（ローアラーム）を超えると、熱源ポンプの操作量ＭＶを０％として空調機側への熱量の確保を行うことで往温度の補償制御を行う。

図７は、２次ポンプ方式の熱源ポンプ運転台数と還流量に基づく操作量出力の動作点遷移を説明する特性図である。図７（Ａ）は、図１０（Ａ）と同様に、流量Ｆと熱源ポンプ運転台数の関係を示す。ヒステリシスを省略すれば、ポンプ増段ポイントＰで、流量Ｆ１ｍａｘ以上で１台運転から２台運転に、流量Ｆ１ｍａｘ以下で２台運転から１台運転に切り替わる。図７（Ｂ）は、運転台数と還流量に基づく操作量出力の動作点遷移を示す。

熱源の最低流量値はメーカや仕様によって千差万別であるが、熱源の定格流量(=ポンプの定格流量）の５０％程度が一般である。しかしながら、熱源に付いている流量センサの精度は高くはなく、流量を５０％まで下げてしまうと保護回路が働き熱源が緊急停止してしまう可能性があるので、＋１５％くらいの余裕をもったところを制御上の最低流量値とする。そのため、図７（Ｂ）では、最低流量値を６５％として表記している。

（１）運転台数が１台の場合：
還流量Ｆの値を、Ｘ１軸で表示する。流量０％〜１００％変化に対して還流量比例演算手段２０１からの操作量ＭＶは、直線Ｇ１に従い０％〜１００％に変化する。流量が６５％〜１００％の領域ではＧ１に従い操作量ＭＶも６５％から１００％に比例的に増加する。

流量が６５％以下に領域では、Ｇ１に従わず、操作量ＭＶは最低流量を確保するために６５％に一定値に規制される。従って、動作点はＡ−Ｂ−Ｃと遷移する。

（２）運転台数が２台の場合：
還流量Ｆの値を、Ｘ２軸で表示する。流量０％〜１００％変化に対して還流量比例演算手段２０１からの操作量ＭＶは、直線Ｇ２に従い０％〜１００％に変化する。流量が６５％〜１００％の領域ではＧ２に従い操作量ＭＶも６５％から１００％に比例的に増加する。

流量が６５％以下に領域では、Ｇ２に従わず、操作量ＭＶは最低流量を確保するために６５％に一定値に規制される。従って、動作点はＤ−Ｅ−Ｆと遷移する。

図８は、往ヘッダ温度に対する制御出力の保証動作を説明する波形図である。図８（Ａ）は、２次往ヘッダ３２の温度測定値ＰＶ３の変化を示し、時刻ｔ１からｔ２の期間に設定温度上限値ＳＶＨをオーバーしている。

図８（Ｂ）は、冷房時における熱源ポンプのインバータ操作量ＭＶ１，ＭＶ２の遷移を示す。温度測定値ＰＶ３が設定温度上限値ＳＶＨをオーバーしている時刻ｔ１からｔ２に期間に、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は強制的に１００％に規制される。

冷房時において、温度測定値ＰＶ２が設定温度下限値ＳＶＬより低下する場合は図示されていないが、ＰＶ３が設定温度下限値ＳＶＬより低下する期間に、操作量ＭＶ１，ＭＶ２は強制的に０％に規制される。

流量保証時間演算手段２０３の構成は、図１の直送方式における流量保証時間演算手段１０５と同一構成である。従ってその動作特性は、図４で説明した動作特性と同一である。

以上説明した実施例の空調システムでは、説明の簡略ため熱源が２台の場合を示したが、本発明は３台以上の熱源を備える空調システムに適用することができ、熱源台数が多いほどより大きな省エネ効果を期待することができる。

１、２ 熱源
３ 往ヘッダ
４ 空調機
５ 還ヘッダ
６、７ 熱源ポンプ
８、９ インバータ
１０ 還流量センサ
１１ 圧力センサ
１２ バイパス管路
１３ バイパス弁
１００ 熱源制御装置
１０１ 管路抵抗圧力演算手段
１０２ 最低流量値保証圧力演算手段
１０３ ハイセレクタ
１０４ 圧力コントローラ
１０５ 流量保証時間演算手段
１０６ ハイセレクタ
１０７ ＭＶ値分配手段
１０８ バイパス弁開度演算手段

Claims (2)

1. 複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムにおいて、
   前記冷温水の還流量測定値に基づく管路抵抗圧力演算手段と、
   前記熱源ポンプの運転台数に基づく最低流量値保証圧力演算手段と、
   管路抵抗圧力演算手段の演算値と前記最低流量値保証圧力演算手段の演算値を入力するハイセレクタと、
   このハイセレクタの選択出力を圧力設定値とし、前記往ヘッダの圧力測定値との偏差を制御演算して前記インバータへの操作量を出力する圧力コントローラと、
   前記熱源ポンプの起動時及び増段時に対応して、前記インバータへの操作量を所定時間最大値に維持させる、流量保証時間演算手段と、
   前記熱源ポンプの動作点が、前記管路抵抗圧力演算値より高い前記最低流量保証設定値にある期間に、前記往ヘッダより前記還ヘッダにバイパスする冷温水流量を調節するバイパス弁開度演算手段と、
   を備えることを特徴とする空調システム。
2. 複数の熱源で熱交換された冷温水を、インバータの周波数で回転制御される複数の熱源ポンプにより１次往ヘッダ及び２次ポンプを備える２次往ヘッダを介して空調機に送水し、空調機で熱交換された前記冷温水を還ヘッダを介して前記熱源に循環させる空調システムにおいて、
   前記冷温水の還流量値に比例して前記インバータへの操作量を演算する還流量比例演算手段と、
   前記熱源ポンプの運転台数に基づく最低流量値保証操作量を演算する最低流量値演算手段と、
   前記還流量比例演算手段の演算値と前記最低流量値演算手段の演算値を入力し、前記インバータへの操作量を選択出力するハイセレクタと、
   前記熱源ポンプの起動時及び増段時に対応して、前記インバータへの操作量を所定時間最大値に維持させる、流量保証時間演算手段と、
   冷房運転時に前記２次往ヘッダの温度測定値が設定温度上限値を超える期間には前記インバータへの操作量を最大値に維持させると共に、暖房運転時に前記２次往ヘッダの温度測定値が設定温度下限値より低下する期間には、前記インバータへの操作量を最小値に維持させる冷温水温度補償手段と、
   を備えることを特徴とする空調システム。

Images