JP5538191B2 - 冷温水システム及び冷温水システムのポンプ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷温水システム及び冷温水システムのポンプ制御方法に関するものである。特にＣＯＰの向上を目的として熱源機圧縮機の容量制御に合わせて冷温水ポンプの容量をインバーター制御することに関する。

オフィスビルなどの建物において各部屋に熱負荷源として空気調和機が設けられ、これらの空気調和機に冷温熱源機から冷温水が供給される場合が多い。ここで、冷温熱源機とは、ヒートポンプ式冷凍サイクルの熱交換器を用いて冷水または温水を生成するものを言い、冷温水とは冷温熱源機によって生成される冷水または温水を言う。
このような冷温水供給システムにおいて、空調用ファンの風量および循環ポンプの流量をダンパーおよびバルブによって制御する手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、熱負荷源のバイパス量を制御するとともに熱源機の台数制御を行うものが知られている（例えば非特許文献１参照）。

特開２０００−３５８３９９号公報

空気調和・衛生工学会議「空気調和・衛生工学便覧」第１３版汎用機器・空調機器編第６３３頁〜６３４頁

上記特許文献１に示された従来熱源機では、空調用ファンの風量および循環ポンプの流量をダンパーおよびバルブによって制御する方法は消費電力の削減には適さないという問題点があった。
また、上記非特許文献１に示される従来の熱源機では、冷温水ポンプは負荷が小さいときでも冷温水流量（周波数）を一定として運転していた。このため、無駄な消費電力が多くなりシステムの効率が悪いという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するために為されたものであり、熱源機の容量制御による能力減少に応じてポンプの消費電力を少なくし、システム全体の効率向上を図る冷温水システムおよび冷温水システムのポンプ制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係る冷温水システムは、複数の熱負荷源と、圧縮機を含むヒートポンプ冷凍サイクルを有し、熱負荷源の各々を通過する冷温水を加熱または冷却する複数の冷温熱源機と、各冷温熱源機に対応して設けられた冷温水ポンプと、各冷温水ポンプに対応して設けられ、この冷温水ポンプを駆動するインバーターと、圧縮機の周波数の、圧縮機定格周波数に対する周波数比を算出し、算出した周波数比と略同じ比率になるように冷温水ポンプの運転周波数をこの冷温水ポンプの定格周波数から算出し、算出した運転周波数に基づいて冷温水ポンプを運転するようにインバーターを制御する制御部と、を備えたものである。

本発明によれば、負荷が小さくなると冷温水ポンプの周波数を減少し、流量を少なくするので、ポンプの消費電力が少なくなり、システム全体の効率（成績係数ＣＯＰ）が向上する。

本発明の実施の形態１における冷温水システムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態１における制御部の動作を示すフローチャートである。 従来における熱源機の冷房能力比とＣＯＰの関係を示す図である。 本発明における熱源機の冷房能力比とＣＯＰの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２における冷温水システムを示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２における制御部および総合制御部の動作を示すフローチャート図である。

実施の形態1．
図１は、本発明の実施の形態１における冷温水システムを示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施の形態１における冷温水システムは、空気調和機などの複数の熱負荷源（図示せず）の各々を通過する冷温水を加熱または冷却する熱源機１１、２１、３１と、各熱源機１１、２１、３１に対応して設けられ、冷温水を循環供給する冷温水ポンプ１２、２２、３２とから構成されている。なお、図１では、３台の構成について説明しているが、これに限る必要はなく、１台でも２台でも４台以上でも適用可能である。
以下、３台の構成はすべて同じため、説明を簡単にするために、１台についてのみ説明する。熱源機１１は、容量制御可能な圧縮機１５と、冷温水と冷媒を熱交換することで冷温水を加熱または冷却する熱交換器１６とを具備するヒートポンプ冷凍サイクル１４と、圧縮機１５の周波数を変更可能なインバーター１７と、これらを制御する制御部１３とを備えている。
また、冷温水ポンプ１２は、冷温水ポンプ用インバーター１８によって周波数可変に駆動され、図示しない熱負荷源を通過する冷温水を熱源機１１に循環供給する。

図２は本実施の形態１における制御部の動作を示すフローチャートである。
次に本実施の形態１における制御部の動作について図１および図２を用いて説明する。
例えば熱源機１１、２１、３１内の圧縮機１５、２５、３５を定格圧縮機周波数比１００％で運転したときの周波数を１００Ｈｚとする。負荷が半分の時、熱源機の能力は半分となり、圧縮機周波数も半分の５０Ｈｚで圧縮機１５、２５、３５が運転する。

以下、３台の熱源機１１、２１、３１における制御部１３、２３、３３の動作はすべて同じである。従って、１台のみに代表させて動作を説明する。
熱源機１１内の制御部１３は、まず圧縮機１５の周波数を測定する（ステップＳ２０１）。ここで、圧縮機１５の周波数は、測定して取得することもできるが、設定温度と現在の温度による温度差に基づいて作成する周波数指令を用いてもよい。また周波数の測定は、速度検出器を用いて行っても良いし、インバーター１７の出力電流および直流電流を検出器によって検出し、これらの検出器の出力に基づいて圧縮機１５の周波数を推定しても良い。次に制御部１３は、圧縮機１５の定格周波数を１００％とした時の定格周波数に対する周波数の比率（以下、周波数比と呼ぶ）を算出する（ステップＳ２０２）。ここでは定格周波数比５０％となる。

次に制御部１３は、冷温水ポンプ用インバーター１８を制御して冷温水ポンプ１２の周波数を変えて運転させる。この時、冷温水ポンプ１２を駆動する新たな周波数は、ステップＳ２０２で算出した圧縮機１５の周波数比と同じ比率を冷温水ポンプ１２の定格周波数に乗算して得られた周波数を用いる。
他の２台については、上記と同様であるため、動作説明を省略する。

この制御により、周波数比が５０％になると冷温水ポンプ１２、２２、３２の定格消費電力を１００％とした時の定格消費電力に対する消費電力比は約２５％になる。
このように、負荷が小さくなるとこれに合わせて冷温水ポンプ１２、２２、３２の周波数を減少し、流量を少なくする。これにより冷温水ポンプ１２、２２、３２の消費電力が少なくなり、システム全体の効率が向上する。

図３に従来の制御を行なった時、熱源機８台の合計圧縮機周波数の定格周波数に対する周波数比とシステムＣＯＰ（成績係数）の例を示す。また、図４に本制御を行なった時、熱源機８台の合計圧縮機周波数を１００％とした時の定格周波数に対する周波数比とシステムＣＯＰ（成績係数）の例を示す。
図３に示す従来例では圧縮機の消費電力を１００％とした時の定格圧縮機消費電力に対する圧縮機消費電力比１０％の消費電力を冷温水ポンプの消費電力とした場合を示す。この例では、熱負荷が小さくなり周波数比が下がった場合、冷温水ポンプの消費電力は一定のため、ＣＯＰ（成績係数）は最大約３．２にとどまっている。
一方、図４に示す本発明では負荷が小さくなり周波数比が下がった場合、定格の冷温水ポンプ消費電力を１００％とした時の冷温水ポンプの消費電力比を本制御によって変化させることにより、ＣＯＰは４．４となり約３８％向上する。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２における冷温水システムを示す概略構成図である。同図において、図１と同符号は同一または相当部分を示す。図５において、図１と異なる点は、総合制御部１９が追加されていることである。この総合制御部１９は制御部１３、２３、３３とローカルバスを介して接続されている。また、図１では、冷温水ポンプ用のインバーター１８、２８、３８はそれぞれ制御部１３、２３、３３に接続されていたが、図５では、冷温水ポンプ用のインバーター１８、２８、３８は制御部１３、２３、３３に接続されておらず、すべてローカルバスを介して総合制御部１９に接続されている。

また、図６は本実施の形態２における制御部および総合制御部の動作を示すフローチャートである。
次に本実施の形態２における制御部および総合制御部の動作について図５および図６を用いて説明する。なお、本フローチャートでは、制御部１３、２３、３３を総合制御部１９と区別するために、熱源機制御部と呼ぶ。
例えば熱源機１１、２１、３１内の圧縮機１５、２５、３５を定格圧縮機周波数比１００％で運転したときの周波数を１００Ｈｚとする。負荷が半分の時、熱源機の能力は半分となり、圧縮機周波数も半分の５０Ｈｚで圧縮機１５、２５、３５が運転する。

熱源機制御部１３、２３、３３はステップＳ２０１において、図１のステップＳ２０１と同様に動作する。即ち、熱源機制御部１３は圧縮機１５の周波数を測定し、熱源機制御部２３は圧縮機２５の周波数を測定し、熱源機制御部３３は圧縮機３５の周波数を測定する。

次にステップＳ６０１において、総合制御部１９は、それぞれの圧縮機１５、２５、３５の周波数を熱源機制御部１３、２３、３３から取得し、これらの合計周波数を算出する。この例では３台だから、５０Ｈｚ×３＝１５０Hzとなる。

次に総合制御部１９は、３台の圧縮機の定格周波数の合計を１００％とした時の定格周波数に対する周波数比を算出する（ステップＳ６０２）。ここでは定格周波数比５０％となる。
なお、この例では３台の圧縮機の定格周波数の合計としたが、接続されている熱源機の数が増えれば、それに応じて合計する台数も増えるのはいうまでもない。

次に総合制御部１９は冷温水ポンプ１２、２２、３２を冷温水ポンプ用のインバーター１８、２８、３８により周波数を変えて運転させる（ステップＳ６０３）。この時、冷温水ポンプ１２、２２、３２を駆動する新たな周波数は、ステップＳ６０２で算出した圧縮機の周波数比とほぼ同じ比率を冷温水ポンプ１２、２２、３２の定格周波数に乗算して得られた周波数を用いる。

以上の制御により、周波数比が５０％になると冷温水ポンプ１２、２２、３２の消費電力比は約２５％になる。このように、負荷が小さくなると冷温水ポンプの周波数を減少し、流量を少なくする。これによりポンプの消費電力が少なくなり、システム全体の効率が向上する。

１１ 熱源機、１２ 冷温水ポンプ、１３ 制御部（熱源機制御部）、１４ ヒートポンプ冷凍サイクル、１５ 圧縮機、１６ 水冷媒熱交換器、１７ 圧縮機用インバーター、１８ 冷温水ポンプ用インバーター、１９ 総合制御部、２１ 熱源機、２２ 冷温水ポンプ、２３ 制御部（熱源機制御部）、２４ ヒートポンプ冷凍サイクル、２５ 圧縮機、２６ 水冷媒熱交換器、２７ 圧縮機用インバーター、２８ 冷温水ポンプ用インバーター、３１ 熱源機、３２ 冷温水ポンプ、３３ 制御部（熱源機制御部）、３４ ヒートポンプ冷凍サイクル、３５ 圧縮機、３６ 水冷媒熱交換器、３７ 圧縮機用インバーター、３８ 冷温水ポンプ用インバーター。

Claims (4)

1. 複数の熱負荷源と、
   圧縮機を含むヒートポンプ冷凍サイクルを有し、前記熱負荷源の各々を通過する冷温水を加熱または冷却する複数の冷温熱源機と、
   各冷温熱源機に対応して設けられた冷温水ポンプと、
   各冷温水ポンプに対応して設けられ、この冷温水ポンプを駆動するインバーターと、
   前記圧縮機の周波数の、圧縮機定格周波数に対する周波数比を算出し、算出した周波数比と略同じ比率になるように前記冷温水ポンプの運転周波数をこの冷温水ポンプの定格周波数から算出し、前記算出した運転周波数に基づいて前記冷温水ポンプを運転するように前記インバーターを制御する制御部と、を備えたことを特徴とする冷温水システム。
2. 複数の熱負荷源と、
   圧縮機を含むヒートポンプ冷凍サイクルを有し、前記熱負荷源の各々を通過する冷温水を加熱または冷却する複数の冷温熱源機と、
   各冷温熱源機に対応して設けられた冷温水ポンプと、
   各冷温水ポンプに対応して設けられ、この冷温水ポンプを駆動するインバーターと、
   前記冷温熱源機の各々に対応して設けられ、この冷温熱源機の圧縮機の周波数の、圧縮機定格周波数に対する周波数比を算出する制御部と、
   各制御部が個別に算出した各熱源機の圧縮機の周波数の合計を算出し、算出した周波数の合計の、圧縮機定格周波数の合計に対する周波数比を算出し、算出した周波数比と略同じ比率になるように前記冷温水ポンプの運転周波数をこの冷温水ポンプの定格周波数から算出し、前記算出した運転周波数に基づいて前記冷温水ポンプを運転するように前記インバーターを制御する総合制御部と、を備えたことを特徴とする冷温水システム。
3. 制御部が冷温水熱源機の圧縮機の周波数の、定格周波数に対する周波数比を算出する第１のステップと、
   前記制御部が、前記第１のステップで算出した圧縮機の周波数比と略同じ比率になるように冷温水ポンプの運転周波数をこの冷温水ポンプの定格周波数から算出する第２のステップと、
   前記制御部が、前記第２のステップで算出した冷温水ポンプの運転周波数に基づいて前記冷温水ポンプを駆動するように冷温水ポンプ用のインバーターを制御する第３のステップと、を備えたことを特徴とする冷温水システムのポンプ制御方法。
4. 総合制御部が複数の熱源機の制御部からそれぞれの圧縮機の周波数を取得する第１のステップと、
   前記総合制御部が前記冷温水熱源機の圧縮機の周波数の合計を算出する第２のステップと、
   前記総合制御部が算出した前記圧縮機の周波数の合計を定格周波数の合計に対する周波数比を算出する第３のステップと、
   前記総合制御部が、前記第３のステップで算出した圧縮機の周波数比と略同じ比率になるように各熱源機に対応する冷温水ポンプの周波数をこの冷温水ポンプの定格周波数から算出する第４のステップと、
   前記総合制御部が、前記第４のステップで算出した冷温水ポンプの運転周波数に基づいて前記冷温水ポンプを駆動するように冷温水ポンプ用のインバーターを制御する第５のステップと、を備えたことを特徴とする冷温水システムのポンプ制御方法。

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