JP5495526B2 - 熱源システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱源システムおよびその制御方法に関するものである。

半導体製造設備等を備えた工場（例えばクリーンルーム）には、一定温度の冷水を供給可能とする熱源システムが設けられている。熱源システムとしては、例えば特許文献１に示すように、複数台のターボ冷凍機を備えたものがある。
また、半導体製造設備を備えた工場には、冷水以外に、半導体製造設備にて洗浄水として用いられる６０〜７０℃程度の高温水や、暖房用の３２〜４５℃程度の中温水が要求される。

このような高温水および中温水を供給する熱源システムとして、図７に示すように、ターボ冷凍機１０１にボイラ１２９を組み合わせたものが知られている。
同図に示されているように、ターボ冷凍機１０１は、電動モータ１０３によって駆動され、冷媒を圧縮するターボ圧縮機１０５と、ターボ圧縮機１０５によって圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１０７と、凝縮器１０７によって凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁（図示せず）と、膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる蒸発器１０９とを備えている。
蒸発器１０９には、冷水が流れる冷水配管１１０が接続されており、蒸発器１０９にて蒸発する冷媒の蒸発潜熱によって冷水が冷却されるようになっている。冷水配管１１０には、冷水ポンプ１１２が設けられており、この冷水ポンプ１１２によって半導体製造設備等の冷水を使用する外部負荷（図示せず）と蒸発器１０９との間で冷水が循環供給されるようになっている。
凝縮器１０７には、冷却水が流れる冷却水配管１１４が接続されており、凝縮器１０７にて凝縮する冷媒の凝縮潜熱を冷却水が排熱するようになっている。冷却水配管１１４には、冷却水ポンプ１１６が設けられており、この冷却水ポンプ１１６によって冷却塔１１８と凝縮器１０７との間で冷却水が循環供給されるようになっている。冷却塔１１８は、冷却水を散水部１２０にて外気に散水して冷却する方式となっており、散水された冷却水を冷却するためのファン１１９を備えている。

凝縮器１０７と冷却塔１１８との間の冷却水配管１１４には、中温水用熱交換器１２１が設けられている。この中温水用熱交換器１２１には、中温水ポンプ１２３から供給される温水を導く中温水配管１２５が設けられている。中温水配管１２５を通り、中温水用熱交換器１２１にて冷却水から温熱を得た中温水は、中温水供給配管１２７へと導かれ、暖房の熱源として用いられる。

高温水を供給するために、ターボ冷凍機１０１とは別に、ボイラ１２９が設けられている。ボイラ１２９には、ボイラ給水ポンプ１３０から供給される給水を導く高温水配管１３２が設けられている。高温水配管１３２を流通する給水は、ボイラ１２９にて加熱され、６０〜７０℃程度の高温水として高温水供給配管１３４へと導かれる。高温水供給配管１３４によって供給される高温水は、半導体設備の高温洗浄水の加熱源として用いられる。なお、符号１３６は、高温水配管１３２と中温水供給配管１２７とを接続し、中温水のバックアップとして高温水を供給するために用いられるバックアップ用配管である。

図８には、図７の凝縮器１０７にヒートリカバリー機を適用した熱源システムが示されている。すなわち、図８において、凝縮器１０７には、中温水配管１２５が接続され、凝縮器１０７内の中温水熱交換器（図示せず）によって加熱されるようになっており、これにより、凝縮器１０７から熱を得る構成となっている。したがって、図８に示した熱源システムは、図７に示した中温水用熱交換器１２１が省略されている。その他の構成は図７に示した熱源システムと同様なので、同一符号を付しその説明を省略する。

特開２００５−１１４２９５号公報

しかし、図７及び図８に示した従来技術のように、ボイラを用いて高温水を得る方法は、エネルギー効率の観点から得策とはいえない。なぜなら、化石燃料の燃焼熱によって給水を加熱するボイラでは効率が１以下となってしまい、ヒートポンプを用いた場合に比べて不利だからである。つまり、ヒートポンプを用いた場合、COPは３以上が期待でき省エネルギーに資するとともに、１次エネルギー換算したとしても、ボイラよりもCO2の排出量を少なくできる。
したがって、高温水を得るために、熱源システムの高段側としてヒートポンプを用いることが有利と考えられる。しかし、高温水を得る高段側にヒートポンプを用いたとしても、さらなる省エネルギーの実現には、冷水を得る低段側の冷凍機と組み合わせた熱源システム全体としての省エネルギーを考慮する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、さらなる省エネルギーを実現できる熱源システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱源システムおよびその制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる熱源システムは、冷媒の蒸発熱によって冷水を冷却する低段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱を冷却水に排熱する低段側凝縮器とを有し、前記低段側蒸発器にて冷却された冷水を外部負荷へ出力する冷水主制御ヒートポンプと、前記低段側凝縮器から排熱を得た冷却水と熱交換するための中温水用熱交換器によって加熱された中温水、又は、前記低段側凝縮器内に設けた中温水用熱交換器によって加熱された中温水から熱が与えられて冷媒が蒸発する高段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱によって高温水を加熱する高段側凝縮器とを有し、該高段側凝縮器にて加熱された高温水を外部負荷へ出力する温水主制御ヒートポンプと、を備えた熱源システムにおいて、前記冷却水を外気に散水して冷却する冷却塔を備え、該冷却塔は、冷却水温度を調整する冷却水温度調整手段を有し、前記高温水の設定温度に基づいて、前記冷却水の下限温度が設定され、前記温水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷に対する前記冷水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷の割合が所定値以上となった場合に、前記冷却水の設定温度として前記下限温度が用いられることを特徴とする。

冷水主制御ヒートポンプは、冷却水温度が低いほど高効率にて運転できるので、可能な限り冷却水温度を低くするように要求する。一方、温水主制御ヒートポンプでは、要求される温度の高温水を出力するために最低限必要な蒸発器側温度すなわち中温水温度がある。そこで、所望の高温水温度を得るために必要な中温水温度を確保するように、冷却水温度の下限値を設けることとし、必要量の低段側凝縮器排熱を中温水に与えることができるようにした。したがって、熱源システムは、下限値を下回らない冷却水温度にて運転されることになる。このように、本発明では高温水の設定温度に基づいて冷却水の下限温度が定められるので、冷水主制御ヒートポンプが低温の冷却水温度を要求した場合であってもこれを制限し、所望温度の中温水を確保することによって、温水主制御ヒートポンプにて所望温度の高温水を外部負荷へ出力することができる。換言すると、所望温度の高温水および冷水を得ることができるだけでなく、温水主制御ヒートポンプからみて効率的な中温水温度と、冷水主制御ヒートポンプからみて効率的な冷却水温度とを両立させ、熱源システム全体として高いエネルギー効率を実現することができる。
冷却水の下限温度は、より具体的には、要求される高温水温度を温水主制御ヒートポンプによって実現することができる最低限必要な温度とされる。
中温水は、低段側凝縮器から排熱を得た冷却水と熱交換するための中温水用熱交換器によって排熱を間接的に得るようにしてもよいし、低段側凝縮器内に設けた中温水用熱交換器によって排熱を直接得る（いわゆるヒートリカバリー機）ようにしても良い。
冷水は、例えば、５〜１０℃程度とされ、半導体製造設備の冷却水や、半導体製造設備が設置された工場（例えばクリーンルーム）の冷房に用いられる。
高温水は、例えば、６０〜７０℃程度とされ、半導体製造設備の洗浄水の加熱に用いられる。
なお、冷水主制御ヒートポンプ及び温水主制御ヒートポンプとしては、例えば、ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機を用いることが好ましい。
また、冷水主制御ヒートポンプ及び温水主制御ヒートポンプは、それぞれ、１台に限定されるものではなく、それぞれを複数台備えた熱源システムであってもよい。
また、冷水主制御ヒートポンプの凝縮器を「低段側凝縮器」と表現し、温水主制御ヒートポンプの凝縮器を「高段側凝縮器」と表現しているが、これは、冷水主制御ヒートポンプの方が温水主制御ヒートポンプよりも外部負荷へ出力する媒体（水）の温度が低いので区別のために便宜上「低段側」と表現しているにすぎず、それ以上の意味に限定を行うものではない。したがって、「低段側蒸発器」と「高段側蒸発器」との関係も同様であり、また、本明細書では同様の意味で「低段側」と「高段側」という用語が用いられる。

さらに、本発明にかかる熱源システムは、前記中温水を外部負荷へ出力する中温水出力手段を備え、該中温水出力手段に要求される中温水設定温度範囲内で、前記冷却水の運転温度が設定されることを特徴とする。

中温水出力手段によって、熱源システム外部へと中温水が出力される。中温水は、例えば、３２〜４５℃程度とされ、半導体製造設備が設置された工場（例えばクリーンルーム）の暖房に用いられる。
中温水は、凝縮器の排熱によって加熱されるので、低段側凝縮器の排熱を奪う冷却水の温度に大きく依存する。そこで、要求される中温水の設定温度範囲を満たすように運転温度を設定し、かつ冷却水の下限温度よりも高い温度で運転することにより、中温水だけでなく高温水をも所望の温度範囲にて出力することができる。
したがって、冷水主制御ヒートポンプが要求する冷却水運転温度と温水主制御ヒートポンプが要求する冷却水運転温度が一致したとしても、この運転温度が中温水設定温度範囲内でなければ、この運転温度は用いられず、中温水設定温度範囲内で両ヒートポンプの運転が最も効率的に運転できる（例えば最も消費電力が少ない運転となるように）冷却水温度に運転温度が設定される。

さらに、本発明にかかる熱源システムは、前記中温水出力手段に対する出力要求がない場合には、前記中温水設定温度範囲にかかわらず、前記冷却水の前記運転温度が設定されることを特徴とする。

中温水の出力要求がない場合には、中温水の設定温度範囲を考慮する必要がないので、中温水設定温度範囲にかかわらず（即ち中温水設定温度範囲を外れても）、冷却水の運転温度を定めることにより、効率的な運転が実現される。

さらに、本発明にかかる熱源システムは、前記冷水主制御ヒートポンプが消費する電力と前記温水主制御ヒートポンプが消費する電力との和が略最小となるように、前記冷却水の運転温度が設定されることを特徴とする。

冷水に要求される熱量が大きい夏期のような場合には、冷水主制御ヒートポンプの熱負荷（ひいては消費電力）が温水主制御ヒートポンプに比べて大きくなる。この場合には、冷却水温度を下げて冷水主制御ヒートポンプの消費電力を抑えることが好ましい。
一方、冷水に要求される熱量が小さい冬期のような場合には、冷水主制御ヒートポンプの熱負荷（ひいては消費電力）が小さくなり、温水主制御ヒートポンプの消費電力がむしろ大きくなる場合がある。この場合には、冷却水温度を上げて温水主制御ヒートポンプの消費電力を抑えることが好ましい。
そこで、冷水主制御ヒートポンプと温水主制御ヒートポンプの消費電力の和を考慮して、冷却水の運転温度を設定することとし、熱源システム全体としての省エネルギー運転を実現する。

さらに、本発明に係る熱源システムは、前記冷却水を外気に散水して冷却する冷却塔を備え、該冷却塔は、冷却水温度を調整する冷却水温度調整手段を有していることを特徴とする。

冷却水温度は、冷却塔に設けられた冷却水温度調整手段によって所望温度に設定される。
冷却水温度調整手段としては、例えば、冷却水を冷却するファンの回転数を可変制御する回転数可変制御手段、ファンの発停を制御するファン発停制御手段、ファンによって冷却される熱交換部（散水部）をバイパスする冷却水流量を調整する制御弁、冷却水を供給する冷却水ポンプの流量を制御する流量制御手段等が挙げられる。

また、本発明にかかる熱源システムの制御方法は、冷媒の蒸発熱によって冷水を冷却する低段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱を冷却水に排熱する低段側凝縮器とを有し、前記低段側蒸発器にて冷却された冷水を外部負荷へ出力する冷水主制御ヒートポンプと、前記低段側凝縮器から排熱を得た冷却水と熱交換するための中温水用熱交換器によって加熱された中温水、又は、前記低段側凝縮器内に設けた中温水用熱交換器によって加熱された中温水から熱が与えられて冷媒が蒸発する高段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱によって高温水を加熱する高段側凝縮器とを有し、該高段側凝縮器にて加熱された高温水を外部負荷へ出力する温水主制御ヒートポンプと、を備えた熱源システムの制御方法において、前記熱源システムは、前記冷却水を外気に散水して冷却する冷却塔を備え、該冷却塔は、冷却水温度を調整する冷却水温度調整手段を有し、前記高温水の設定温度に基づいて、前記冷却水の下限温度が設定され、前記温水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷に対する前記冷水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷の割合が所定値以上となった場合に、前記冷却水の設定温度として前記下限温度を用いることを特徴とする。

冷水主制御ヒートポンプは、冷却水温度が低いほど高効率にて運転できるので、可能な限り冷却水温度を低くするように要求する。一方、温水主制御ヒートポンプでは、要求される温度の高温水を出力するために最低限必要な蒸発器側温度すなわち中温水温度がある。そこで、所望の高温水温度を得るために必要な中温水温度を確保するように、冷却水温度の下限値を設けることとし、必要量の低段側凝縮器排熱を中温水に与えることができるようにした。したがって、熱源システムは、下限値を下回らない冷却水温度にて運転されることになる。このように、本発明では高温水の設定温度に基づいて冷却水の下限温度が定められるので、冷水主制御ヒートポンプが低温の冷却水温度を要求した場合であってもこれを制限し、所望温度の中温水を確保することによって、温水主制御ヒートポンプにて所望温度の高温水を外部負荷へ出力することができる。換言すると、所望温度の高温水および冷水を得ることができるだけでなく、温水主制御ヒートポンプからみて効率的な中温水温度と、冷水主制御ヒートポンプからみて効率的な冷却水温度とを両立させ、熱源システム全体として高いエネルギー効率を実現することができる。

本発明の熱源システムおよびその制御方法によれば、高温水の設定温度に基づいて冷却水の下限温度を定めることとしたので、温水主制御ヒートポンプからみて効率的な中温水温度と、冷水主制御ヒートポンプからみて効率的な冷却水温度を実現し、熱源システム全体として高いエネルギー効率を実現することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されているように、熱源システムは、低段側に設けられた冷水主制御ヒートポンプ１と、高段側に設けられた温水主制御ヒートポンプ５１とを備えている。
各ヒートポンプ１，５１には、ターボ圧縮機を備えたターボ冷凍機（又はターボヒートポンプ）が用いられている。

冷水主制御ヒートポンプ１は、周波数可変とされたインバータ制御による電動モータ３によって駆動され、冷媒を圧縮する低段側ターボ圧縮機５と、低段側ターボ圧縮機５によって圧縮された冷媒を凝縮させる低段側凝縮器７と、低段側凝縮器７によって凝縮された冷媒を膨張させる低段側膨張弁（図示せず）と、低段側膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる低段側蒸発器９とを備えている。

低段側蒸発器９には、冷水が流れる冷水配管１０が接続されており、低段側蒸発器９にて蒸発する冷媒の蒸発潜熱によって冷水が冷却されるようになっている。冷水配管１０には、冷水ポンプ１２が設けられており、この冷水ポンプ１２によって半導体製造設備等の冷水を使用する外部負荷（図示せず）と低段側蒸発器９との間で冷水が循環供給されるようになっている。冷水温度としては、５〜１０℃程度とされる。

低段側凝縮器７には、冷却水が流れる冷却水配管１４が接続されており、低段側凝縮器７にて凝縮する冷媒の凝縮潜熱を冷却水が排熱するようになっている。冷却水配管１４の中途位置には、冷却水ポンプ１６が設けられており、この冷却水ポンプ１６によって冷却塔１８と低段側凝縮器７との間で冷却水が循環供給されるようになっている。冷却水ポンプ１６は、インバータ付きモータによって回転数可変とされており、冷却水流量を適宜調整して冷却水温度を制御できるようになっている。
冷却塔１８は、冷却水を散水部２０にて大気中に散水して冷却する方式となっており、散水された冷却水を冷却するためのファン１９を備えている。ファン１９は、インバータ付きモータによって回転数可変とされており、冷却水温度を制御できるようになっている。
冷却水ポンプ１６及びファン１９は、冷却塔１８の制御部（図示せず）の指示に従い所定回転数にて動作する。
なお、さらに、冷却水が散水部２０をバイパスするように冷却水バイパス配管を設け、この冷却水バイパス配管の流量を制御することによって冷却水温度を制御するようにしても良い。

低段側凝縮器７と冷却塔１８との間の冷却水配管１４には、中温水用熱交換器２１が設けられている。この中温水用熱交換器２１には、中温水ポンプ２３から供給される温水を導く中温水配管２５が設けられている。中温水配管２５を通り、中温水用熱交換器２１にて冷却水から温熱を得た中温水は、中温水供給配管（中温水出力手段）２７へと導かれ、暖房の熱源として用いられる。中温水温度としては、３２〜４５℃程度とされる。

また、冷水主制御ヒートポンプ１の運転動作を制御する低段側制御部３０が設けられている。低段側制御部３０は、冷水温度が設定値を維持するように、例えば、電動モータ３の回転数、ターボ圧縮機５に設けられたインレットガイドベーン（容量制御弁）の開度等を制御する。また、低段側制御部３０は、運転状態に応じた適切な冷却水温度を、冷却塔１８の制御部（図示せず）に出力する。

温水主制御ヒートポンプ５１は、周波数可変とされたインバータ制御による電動モータ５３によって駆動され、冷媒を圧縮する高段側ターボ圧縮機５５と、高段側ターボ圧縮機５５によって圧縮された冷媒を凝縮させる高段側凝縮器５７と、高段側凝縮器５７によって凝縮された冷媒を膨張させる高段側膨張弁（図示せず）と、高段側膨張弁によって膨張された冷媒を蒸発させる高段側蒸発器５９とを備えている。

高段側蒸発器５９には、中温水供給配管２７から中温水を導く中温水導入配管６０が接続されている。この中温水導入配管６０から高段側蒸発器５９内に導かれた中温水が冷媒に蒸発潜熱を与え、蒸発させるようになっている。中温水導入配管６０の中途位置には、中温水ポンプ６２が設けられており、この中温水ポンプ６２によって、中温水供給配管２７から中温水の一部が高段側蒸発器５９側へと導かれる。

高段側凝縮器５７には、高温水が流れる高温水配管６４が接続されており、高段側凝縮器５７にて凝縮する冷媒の凝縮潜熱によって高温水が加熱されるようになっている。高温水配管６４の中途位置には、高温水ポンプ６６が設けられており、この高温水ポンプ６６によって外部負荷（例えば半導体製造装置の洗浄水加熱部）と凝縮器５７との間で高温水が循環供給されるようになっている。高温水温度としては、６０〜７０℃程度とされる。

また、温水主制御ヒートポンプ５１の運転動作を制御する高段側制御部７０が設けられている。高段側制御部７０は、高温水温度が設定値を維持するように、例えば、電動モータ５３の回転数、ターボ圧縮機５５に設けられたインレットガイドベーン（容量制御弁）の開度等を制御する。
高段側制御部７０と低段側制御部３０とは互いにデータ通信が可能とされている。高段側制御部７０は、運転状態に応じて、設定された高温水温度を実現する要求中温水温度を、低段側制御部３０に出力する。ただし、要求中温水温度は、後述するように、暖房を行う外部負荷から要求される温度範囲（例えば３２〜４５℃）内に設定される。

低段側制御部３０では、高段側制御部７０から要求中温水温度を受信し、要求中温水温度に対応した高段側要求冷却水温度を演算し、この高段側要求冷却水温度と、冷水主制御ヒートポンプ１が要求する低段側要求冷却水温度とを考慮して冷却水温度を演算する。このように演算される冷却水温度は、図２に示したグラフのように設定される。

図２の横軸は、温水主制御ヒートポンプ５１の熱負荷（温熱）に対する冷水主制御ヒートポンプ１の熱負荷（冷熱）の割合であり、「冷熱／温熱」として表記されている。横軸が大きくなるに従い冷熱の割合が増加するので夏期での運転を意味し、横軸が小さくなるに従い温熱の割合が増加するので冬期での運転を意味する。図２の縦軸は、低段側制御部３０によって冷却塔１８の制御部（図示せず）へと出力される設定冷却水温度を示している。

同図に示されているように、冷熱の割合が大きい場合には設定冷却水温度に下限値となる下限温度Ｔ１を設けている。このように下限温度Ｔ１を設ける理由は以下の通りである。
冷水主制御ヒートポンプ１は、冷却水温度が低いほど高効率にて運転できるので、可能な限り冷却水温度を低くするように要求する。特に、冷熱の割合が大きい夏期では、１１〜１３℃程度の冷却水温度を要求する。ただし、温水主制御ヒートポンプ５１では、要求される温度の高温水（例えば６０〜７０℃）を出力するために最低限必要な高段側蒸発器５７の飽和圧力（飽和温度）すなわち中温水温度が存在する。そこで、所望の高温水温度を得るために必要な中温水温度を確保するために、温水主制御ヒートポンプ５１の能力を考慮して、冷却水温度の下限値を設ける必要がある。

一方、温熱の割合が大きい場合には、冷却水温度が高いほど温水主制御ヒートポンプ５１は高効率にて運転できる。ただし、冷却水温度が高くなると、機器の故障に至るおそれがあるので、設定冷却水温度に上限値となる上限温度Ｔ２が定められている。

冷却水温度の下限温度Ｔ１と上限温度Ｔ２との間の「冷熱／温熱」の中間領域では、以下のように冷却水温度が設定される。
図３には、所定の熱負荷における、冷却水温度に対する消費電力が示されている。破線Ｌ１は冷水主制御ヒートポンプ１の消費電力を示し、細実線Ｌ２は温水主制御ヒートポンプ５１の消費電力が示されている。太実線Ｌ３は、各ヒートポンプ１，５１の消費電力の和が示されている。
破線Ｌ１からわかるように、冷水主制御ヒートポンプ１では、同じ熱負荷でも、冷却水温度が低いほど高効率となり消費電力が低下する。一方、細実線Ｌ２からわかるように、温水主制御ヒートポンプ５１では、同じ熱負荷でも、冷却水温度が高いほど高効率となり消費電力が低下する。したがって、太実線Ｌ３からわかるように、各ヒートポンプ１，５１の消費電力の和には、最小値となる冷却水温度が存在する。低段側制御部３０では、この消費電力の和の最小値を示す冷却水温度を演算する。
破線Ｌ１及び細実線Ｌ２は、複数の値の冷熱負荷および温熱負荷に応じて予め用意されており、マップ又は数値テーブルとして低段側制御部３０のメモリに格納されている。

図４には、消費電力を最小化する冷却水温度を演算する際のフローチャートが示されている。
先ず、現在時刻の時間ステップＳｉにおける冷却水温を決定する（ステップＳ０）。
冷却塔１８が散水式となっているので、外気温度（乾球温度）センサおよび相対湿度センサから（ステップＳ１）、湿球温度を演算し（ステップＳ２）、初期値となる冷却水温度Ｔ０を演算する（ステップＳ３）。
次に、冷水主制御ヒートポンプ１の冷水出口設定温度から（ステップＳ４）、冷却水温度の上限値である上限温度Ｔ２を得る（ステップＳ５）。同様に、温水主制御ヒートポンプ５１の温水出口設定温度から（ステップＳ６）、冷却水温度の下限値である下限温度Ｔ１を得る（ステップＳ７）。

次に、下限温度Ｔ１から上限温度Ｔ２までの範囲において、所定刻みの温度Ｔごと（たとえば１℃ピッチ）に、冷水主制御ヒートポンプ１の消費電力ｇｌ（Ｔ）と温水主制御ヒートポンプ５１の消費電力ｇｈ（Ｔ）とを求め、低段側制御部３０のメモリに格納する。
冷水主制御ヒートポンプ１の消費電力ｇｌ（Ｔ）は、冷水主制御ヒートポンプ１の負荷Ｑｌを用いて、負荷率ｘｌの例えば二次式として、以下のようにして求める。
ｇｌ（ｘｌ，Ｔ）＝{ａｌ（Ｔ）・ｘｌ^２＋ｂｌ（Ｔ）・ｘｌ＋ｃｌ（Ｔ）}・Ｑｌ
ここで、負荷率ｘｌとは、冷水主制御ヒートポンプ１の定格負荷に対する割合を意味し、０から１．２程度の値となる。また、ａｌ，ｂｌ，ｃｌといった係数は、各温度Ｔに応じた変数となっており、予め事前運転や設計条件によって設定されている。
温水主制御ヒートポンプ５１の消費電力ｇｈ（Ｔ）についても同様に、温水主制御ヒートポンプ５１の負荷Ｑｈを用いて、負荷率ｘｈの例えば二次式として、以下のようにして求める。
ｇｈ（ｘｈ，Ｔ）＝{ａｈ（Ｔ）・ｘｈ^２＋ｂｈ（Ｔ）・ｘｈ＋ｃｈ（Ｔ）}・Ｑｈ
ここで、負荷率ｘｈとは、温水主制御ヒートポンプ５１の定格負荷に対する割合を意味し、０から１．２程度の値となる。また、ａｈ，ｂｈ，ｃｈといった係数は、各温度Ｔに応じた変数となっており、予め事前運転や設計条件によって設定されている。

そして、合計消費電力となるｇｔｏｔａｌ（Ｔ）を、下式によって求める（ステップＳ８）。
ｇｔｏｔａｌ（Ｔ）＝ｇｌ（ｘｌ，Ｔ）＋ｇｈ（ｘｈ，Ｔ）
上式による演算結果は、低段側制御部３０のメモリに格納される。この演算結果を用いて各温度Ｔにおけるｇｔｏｔａｌ（Ｔ）を比較することにより、最小の消費電力となるＴ＝Ｔｍ（ステップＳ９）を決定する。次に、ステップ１０へ進み、求められたＴｍがＴｍ≧Ｔ０であればＴ＝Ｔｍを最適値とする（ステップＳ１１）。ＴｍがＴｍ＜Ｔ０であればＴ＝Ｔ０を最適値とする（ステップＳ１２）。ただし、Ｔ０＜Ｔ１の場合、Ｔ１〜Ｔ２の範囲でＴｍを求め、Ｔ２＜Ｔ０の場合、Ｔ１〜Ｔ２の範囲でＴｍを求め、Ｔ１＜Ｔ０＜Ｔ１の場合、Ｔ０〜Ｔ２の範囲でＴｍを求めることとする。
このように求めた最適値が現在の時間ステップ（ｉ）における最適冷却水温度Ｔｍとなる。そして、次の時間ステップＳｉ＋１での最適値を求めるように（ステップＳ１３）、ステップＳ０から同様の演算を繰り返す。
以上のように求められた最適冷却水温度Ｔｍを、制御目標値として設定冷却水温度とする。
このように決定された設定冷却水温度は、冷却塔の制御部（図示せず）へと送信され、設定冷却水温度が満たされるようにファン１９の回転数や冷却水ポンプ１６の回転数が制御される。

以上の最適冷却水温度Ｔｍの設定は、外部負荷から要求される中温水設定温度範囲を満たすように行わなければならない。すなわち、消費電力を最小にするためには冷却水温度を所定値まで低下させることが好ましい場合であっても、中温水設定温度範囲を実現できない場合にはこの最適冷却水温度Ｔｍは採用されない。
ただし、暖房が必要ない場合といった外部負荷から中温水設定範囲の要求がない場合には、中温水設定温度範囲にかかわらず、各ヒートポンプ１，５１の消費電力が最小となるように決定する。
このような冷却水温度の設定方法は、図５に示すように、中温水の出力が要求されない熱源システムに対しても有効である。図５の熱源システムでは、図１に示した中温水熱交換器２１、中温水供給配管２７等が省略されている。そして、低段側凝縮器７にて排熱を奪った冷却水の一部を中温水抽出配管７３によって抽水し、高段側蒸発器５９へと導き、高段側蒸発器５９に温熱を与えた後に、冷却水ポンプ１６の上流側の冷却水配管１４へと返送するようになっている。なお、図１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
所望の高温水温度を得るために必要な中温水温度を確保するように、冷却水温度の下限値を設けることとし、必要量の低段側凝縮器７排熱を中温水に与えることができるようにした。したがって、熱源システムは、下限値を下回らない冷却水温度にて運転されることになる。このように、高温水の設定温度に基づいて冷却水の下限温度が定められるので、冷水主制御ヒートポンプ１が低温の冷却水温度を要求した場合であってもこれを制限し、所望温度の中温水を確保することによって、温水主制御ヒートポンプ５１にて所望温度の高温水を出力することができる。換言すると、所望温度の高温水および冷水を得るだけでなく、温水主制御ヒートポンプ５１からみて効率的な中温水温度と、冷水主制御ヒートポンプ１からみて効率的な冷却水温度とを両立させ、熱源システム全体として高いエネルギー効率を実現することができる。

冷水主制御ヒートポンプ１と温水主制御ヒートポンプ５１の消費電力の和を考慮して、冷却水の運転温度を設定することとしたので、熱源システム全体としての省エネルギー運転を実現することができる。

なお、図１の熱源システムに代えて、図６に示すように、低段側凝縮器７にヒートリカバリー機を採用したものとしてもよい。凝縮器７には、中温水配管２５が接続され、凝縮器７内の中温水熱交換器（図示せず）によって加熱されるようになっており、これにより、凝縮器７から熱を得る構成となっている。また、同図において、図１と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
また、本実施形態では、一つの熱源システムについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１，図５及び図６に示した熱源システムを複数組み合わせたものでも良い。この場合には、各熱源システムに共通とされた冷却塔を備えていることが好ましい。
また、本実施形態では、設定冷却水温度の演算を低段側制御部３０で演算することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、高段側制御部７０で演算することとしても良いし、別個独立した制御部を設けてもよい。
また、本実施形態では図４のグラフの元データとしてマップや数値テーブルをメモリに格納することとしたが、各負荷に応じて冷却水温度から消費電力が得られる所定の演算式をメモリに格納し、この演算式から冷却水温度を導くようにしても良い。

本発明の熱源システムを示した概略構成図である。 冷却水温度の設定方法を示したグラフである。 冷却水温度に対する消費電力の変化を示したグラフである。 消費電力を最小とする冷却水温度の設定方法を示したフローチャートである。 中温水の出力を行わない熱源システムを示した概略構成図である。 低段側凝縮器にヒートリカバリー機を採用した熱源システムを示した概略構成図である。 従来の熱源システムを示した概略構成図である。 図７の熱源システムに対してヒートリカバリー機を採用した熱源システムを示した概略構成図である。

符号の説明

１ 冷水主制御ヒートポンプ
５ 低段側ターボ圧縮機
７ 低段側凝縮器
９ 低段側蒸発器
１０ 冷水配管
１４ 冷却水配管
１６ 冷却水ポンプ
１８ 冷却塔
２１ 中温水用熱交換器
２７ 中温水供給配管（中温水出力手段）
５１ 温水主制御ヒートポンプ
５５ 低段側ターボ圧縮機
５７ 高段側凝縮器
５９ 高段側蒸発器
６４ 高温水配管

Claims (5)

1. 冷媒の蒸発熱によって冷水を冷却する低段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱を冷却水に排熱する低段側凝縮器とを有し、前記低段側蒸発器にて冷却された冷水を外部負荷へ出力する冷水主制御ヒートポンプと、
   前記低段側凝縮器から排熱を得た冷却水と熱交換するための中温水用熱交換器によって加熱された中温水、又は、前記低段側凝縮器内に設けた中温水用熱交換器によって加熱された中温水から熱が与えられて冷媒が蒸発する高段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱によって高温水を加熱する高段側凝縮器とを有し、該高段側凝縮器にて加熱された高温水を外部負荷へ出力する温水主制御ヒートポンプと、
   を備えた熱源システムにおいて、
   前記冷却水を外気に散水して冷却する冷却塔を備え、
   該冷却塔は、冷却水温度を調整する冷却水温度調整手段を有し、
   前記高温水の設定温度に基づいて、前記冷却水の下限温度が設定され、
   前記温水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷に対する前記冷水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷の割合が所定値以上となった場合に、前記冷却水の設定温度として前記下限温度が用いられることを特徴とする熱源システム。
2. 前記中温水を外部負荷へ出力する中温水出力手段を備え、
   該中温水出力手段に要求される中温水設定温度範囲内で、前記冷却水の運転温度が設定されることを特徴とする請求項１に記載の熱源システム。
3. 前記中温水出力手段に対する出力要求がない場合には、前記中温水設定温度範囲にかかわらず、前記冷却水の前記運転温度が設定されることを特徴とする請求項２に記載の熱源システム。
4. 前記冷水主制御ヒートポンプが消費する電力と前記温水主制御ヒートポンプが消費する電力との和が略最小となるように、前記冷却水の運転温度が設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱源システム。
5. 冷媒の蒸発熱によって冷水を冷却する低段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱を冷却水に排熱する低段側凝縮器とを有し、前記低段側蒸発器にて冷却された冷水を外部負荷へ出力する冷水主制御ヒートポンプと、
   前記低段側凝縮器から排熱を得た冷却水と熱交換するための中温水用熱交換器によって加熱された中温水、又は、前記低段側凝縮器内に設けた中温水用熱交換器によって加熱された中温水から熱が与えられて冷媒が蒸発する高段側蒸発器と、冷媒の凝縮熱によって高温水を加熱する高段側凝縮器とを有し、該高段側凝縮器にて加熱された高温水を外部負荷へ出力する温水主制御ヒートポンプと、
   を備えた熱源システムの制御方法において、
   前記熱源システムは、前記冷却水を外気に散水して冷却する冷却塔を備え、
   該冷却塔は、冷却水温度を調整する冷却水温度調整手段を有し、
   前記高温水の設定温度に基づいて、前記冷却水の下限温度が設定され、
   前記温水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷に対する前記冷水主制御ヒートポンプが出力する熱負荷の割合が所定値以上となった場合に、前記冷却水の設定温度として前記下限温度を用いることを特徴とする熱源システムの制御方法。

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