| 【発明の名称】 |
水冷式空調装置の運転方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】石野 裕嗣
【氏名】中村 誠
【氏名】柴田 理
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| 【要約】 |
【課題】冷却水の冷凍機入口温度を可能な限り低く設定することにより、動力コストを節減する水冷式空調装置の運転方法を提供する。
【解決手段】運転開始（Ｓ０）されると、冷却水を予め設定された循環流量Ｇｏ、冷却塔のファン回転数を最大回転数Ｒｍに設定する（Ｓ１）。次いで大気湿球温度Ｔａにより決定される冷却水最低温度Ｔｍと、晶析安全温度Ｔｃとを比較し（Ｓ２）、Ｔｍ＞ＴｃであればＴｍを設定温度Ｔｓとし（Ｓ３）、Ｔｍ≦Ｔｃの場合はＴｃを設定温度Ｔｍとする（Ｓ３）。次に入口温度Ｔ１と設定温度Ｔｓとを比較し（Ｓ５）、Ｔ１＞ＴｓであればそのままＳ２ステップに戻り、Ｔ１がＴｓになるまで上記各ステップを繰り返す（Ｓ６）。Ｔ１≦Ｔｓの場合は、入口温度を上げる必要があるため、ファン回転数を一定割合で落とし（Ｓ７）、Ｓ２ステップに戻り、上記各ステップを繰り返す（Ｓ６）。る（Ｓ８）。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】冷凍機と冷却塔と冷却水回路とを備えた水冷式空調装置において、所定の冷房負荷に対して、冷却水の冷凍機入口温度を運転時の湿球温度により定まる最低温度と実質的に同一とするように、冷却塔能力を制御することを特徴とする水冷式空調装置の冷却水制御方法。
【請求項２】前記冷凍機は吸収式冷凍機であり、かつ、前記入口温度は少なくとも吸収溶液の晶析温度以上である、請求項１に記載の水冷式空調装置の冷却水制御方法。
【請求項３】前記入口温度は少なくとも２０℃以上であることを特徴とする請求項２に記載の水冷式空調装置の冷却水制御方法。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、さらに冷凍機入力エネルギーと冷却水搬送エネルギーとの合計値を最小とするように冷却水循環量を制御することを特徴とする水冷式空調装置の冷却水制御方法。
【請求項５】前記冷却水搬送エネルギーの算出に際し、前記冷却水回路のポンプ揚程を含んでなされていることを特徴とする請求項４に記載の水冷式空調装置の冷却水制御方法。
【請求項６】請求項４または５のいずれかにおいて、冷却水循環量は最大流量の約５０％を最低流量として制御することを特徴とする水冷式空調装置の冷却水制御方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水冷式空調装置の運転方法に係り、特に冷却水回路のエネルギー消費量を最適に制御する水冷式空調装置の冷却水制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０において、従来の水冷式空調装置５０では、冷凍機５１は冷房運転時に室内から汲み上げた熱および冷房サイクルの廃熱を、冷却水回路５２を介して冷却塔６０において外気に放熱している。冷却水回路５２中には冷却水ポンプ５３が設けられており、系統中の冷却水を強制循環している。冷却塔６０としては、水の蒸発潜熱を利用する開放式冷却塔が一般的である。
【０００３】従来、冷却水回路５２の定格流量は、冷凍機の定格（最大）能力に合わせて設定され、これに対応して冷却水ポンプ５３が選定されている。また、冷却水ポンプ５３の運転は、室内側の負荷や冷却水温度に関わらず常に定格流量で行われることが一般的である。このため、冷房負荷の小さな場合には冷却水ポンプ５３で無駄なエネルギーが消費されていた。
【０００４】このような問題を解決する方法として、特開昭６０−１６２７２では冷却水の出口温度、凝縮器の温度、凝縮器の圧力を制御情報として用い、また、特開平８−１５９５９６では高温再生器の溶液温度もしくは冷却水の流入温度を制御情報として用いて冷却水の変流量制御を行なうことが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これらの技術においては冷却水の冷凍機出口温度が低くなりすぎないように制御するのみであり、冷凍機の効率に大きく影響する冷却水の冷凍機入口温度については考慮されていない。実際の水冷式空調装置においては、夏期と中間期では外気の湿球温度が大きく異なり、冷房負荷の小さな中間期においては冷凍機入口温度を可能な限り下げることにより、冷凍機の効率をあげることができる。このことを考慮して冷却水回路の制御を行う必要がある。
【０００６】また、従来技術では、冷却水ポンプの揚程についても考慮されていない。実際の冷凍機においては一般に冷凍機と冷却塔の設置高さは同一ではない。例えば冷凍機は地下室に設置されているのに対し、冷却塔は屋上に設置されており高低差が数十ｍの場合もある。冷凍機と冷却塔の高低差による冷却水ポンプ動力の差を考慮する必要がある。
【０００７】本発明は、上記課題を解決するための手段であって、その目的とするところは、冷却水の冷凍機入口温度を可能な限り低く設定することにより、動力コストを節減する水冷式空調装置の運転方法を提供するものである。
【０００８】また、冷却水回路における冷却水ポンプのポンプ揚程を考慮することにより、動力コストを節減する水冷式空調装置の運転方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】課題を解決するための手段として請求項１の発明は、冷凍機と冷却塔と冷却水回路とを備えた水冷式空調装置において、所定の冷房負荷に対して、冷却水の冷凍機入口温度を運転時の湿球温度により定まる最低温度と同一とするように冷却塔能力を制御することを特徴とする水冷式空調装置の冷却水制御方法である。
【００１０】冷却水入口温度を下げることにより冷凍機熱交換器の熱交換効率を向上することができ、システムのエネルギー消費量を減らすことができる。
【００１１】請求項２の発明は、上記において冷凍機が吸収式であって、入口温度を少なくとも吸収溶液の晶析温度以上に制御するものである。
【００１２】冷凍機が吸収式である場合に吸収溶液の晶析を防止することができる。
【００１３】この場合、冷却水の冷凍機入口温度は２０℃を最低温度とすることが望ましい（請求項３）。請求項４に係る発明は、上記において、さらに冷凍機入力エネルギーと冷却水搬送エネルギーとの合計値を最小とするように冷却水循環量を制御することを特徴とするものである。
【００１４】この場合、冷却水搬送エネルギーの算出に際しては、冷却水回路のポンプ揚程を考慮することが望ましい（請求項５）。請求項６に係る発明は、請求項４または５において、冷却水循環量を定格流量の約５０％を最低流量として制御することを特徴とするものである。
【作用】図２は、冷房負荷および冷却水回路の循環流量を一定に保ち、冷却水の冷凍機入口温度（Ｔ１）を変化させた場合に、システム全体のエネルギー消費量がどのように変化するかを概念的に示したものである。
【００１５】まず、冷凍機本体のエネルギー消費量についてみると、Ｔ１が下がるにつれ、吸収器、凝縮器での吸収溶液又は冷媒蒸気と冷却水との対数平均温度差が大きくなるため、熱交換効率は向上する。これに伴い冷凍機ＣＯＰは向上し、冷凍機のエネルギー消費量（ａ１）は小さくなる。
【００１６】次に冷却塔の動力については、Ｔ１を下げるためにはファン回転数を大きくする必要があり、従って、冷却塔動力エネルギー（ａ２）は入口温度の低下とともに大きくなる。
【００１７】冷却水ポンプ動力（ａ３）については、循環流量が一定であるから一定である。 これら３つのエネルギー消費量の和がシステム全体のエネルギー消費量（ａ）となるが、冷凍機エネルギー消費量の寄与度が最も大きいため、入口温度が低いほど全エネルギー量は小さくなることになる。
【００１８】しかしながら、冷却塔において冷却水の温度は外気湿球温度Ｔａから数度低い温度Ｔｍまでしか下げることはできない。従って、最低温度Ｔｍが最適温度Ｔｅということになる。さらに、冷凍機として吸収式冷凍機を用いる場合には、Ｔｍが吸収溶液の晶析温度Ｔｃより低いと吸収溶液が晶析する恐れがあり、これ以下にすることはできない。この場合は、最適温度ＴｅとしてはＴｍ又はＴｃのいずれか高い温度ということになる。
【００１９】図３は、冷房負荷一定、かつ、入口温度Ｔ１を上述のＴｅに設定した状態で、冷却水循環流量Ｇを変化させた場合の、冷凍機、冷却塔、冷却水ポンプの各エネルギー消費量、および全エネルギー消費量の変化を概念的に示したものである。同図にはさらに出口温度Ｔ２の変化をも示している。
【００２０】冷房負荷一定、すなわち冷却水回路で放熱すべき熱量も一定であるから、Ｇが小さくなるに従い冷却水の冷凍機出口温度Ｔ２は高くなる。これに伴い、吸収溶液又は冷媒蒸気と冷却水との対数平均温度差が小さくなり、熱交換効率は低下する。従って、冷凍機のＣＯＰは低下し、冷凍機のエネルギー消費量（ｂ１）は大きくなる。
【００２１】次に、冷却塔動力については、Ｔ１が一定であるからＴ２が高くなるに従い冷却塔入出の温度差（Ｔ２−Ｔ１）は大きくなる。しかし循環流量Ｇが減少するため、冷却塔エネルギー消費量（ｂ２）はほぼ一定となる。
【００２２】冷却水ポンプ動力（ｂ３）については、一般にポンプのエネルギー消費量は流量の３乗に比例することが知られており、右上がりの曲線となる。
【００２３】これら３つのエネルギー消費量の和がシステム全体のエネルギー消費量（ｂ）となる。同図からわかるように合計エネルギー消費量を最小にする最適流量Ｇｅが存在することが分かる。
【００２４】さらに前述の通り、出口温度Ｔ２は循環流量Ｇの減少に伴い単調に増加するから、最適流量Ｇｅに対応するＴ２が１対１で定まる。この関係を用いることにより、全エネルギー消費量が最小となるときのＴ２* を予め知っていれば、最適流量Ｇｅを求めることが可能となる。具体的には、以下のように行う。
【００２５】冷房ＣＯＰをη、冷房負荷をＲ、冷凍機への入力をＩとすると、吸収式冷凍機からの放熱量Ｅは次式であらわされる。
【００２６】Ｅ＝Ｒ＋Ｉ＝（η＋１）Ｉ ……（１）
上式よりηとＩを予め知ることにより、必要放熱量Ｅを求めることができる。
【００２７】ηは一般にインプットの関数であるが、特に、吸収式の場合は負荷によらずほぼ一定と見做すことができ、また、予めηを測定することができる。
【００２８】また、Ｉは、例えば熱源のガス消費量を測定することにより知ることができる。
【００２９】さらに上記必要放熱量Ｅから次式により冷却水流量Ｇｅが計算される。
【００３０】Ｇｅ＝Ｅ／（Ｃｐ・ΔＴ）……（２）
ここにＣｐは冷却水の比熱、ΔＴは冷却水の冷凍機出口温度（Ｔ２*）と同入口温度（Ｔ１）の差（Ｔ２*−Ｔ１）である。
【００３１】
【実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明においては同一の構成には同一の符号を用いることとし、重複説明は省略する。
【００３２】図１は、第１の実施の形態を示す図である。本実施の形態は請求項１に対応するものである。同図において水冷式空調装置１は、吸収式冷凍機２、冷却塔３、冷却水往管５、冷却水戻管６、冷却水ポンプ４、制御部９を主要な構成要素としている。
【００３３】吸収式冷凍機２は、通常の二重効用吸収式冷凍機であり、高温再生器、低温再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器、高温熱交換器、低温熱交換器等を構成要素としている。このうち、高温再生器１０、吸収器１６、凝縮器１７を除いては図示を省略する。また、冷凍機本体の作動の説明についても省略する。
【００３４】高温再生器２は加熱源としてバーナ（図示せず）を備えており、燃料として都市ガス供給ライン１５から都市ガスが供給されている。都市ガス供給ライン１５の途中にはガス流量センサ１４が備えられている。
【００３５】冷却水往管５の冷凍機２出口近傍には温度センサ１２、冷却水戻管６の冷凍機２入口近傍には温度センサ１１が設けられており、それぞれ出口温度（Ｔ２）および入口温度（Ｔ１）を計測している。
【００３６】冷却塔３は屋外に設置されており、その本体外部には大気湿球温度（Ｔａ）センサ８を備えている。
【００３７】冷却水戻管６の経路中には冷却水ポンプ４が設けられており、制御部９からの指令に基づきインバータ制御され、冷却水流量可変に構成されている。
【００３８】制御部９は本体外部に設けられており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるコンピュータシステムである。制御部９は、ガス流量、出口温度Ｔ１、入口温度Ｔ２、大気湿球温度Ｔａ等のデータを取り込み、これらの情報を基に冷却水ポンプ４の回転数制御を行うよう構成されている。
【００３９】また、制御部９には、大気湿球温度Ｔａに対応する冷却水最低温度Ｔｍ、晶析安全温度Ｔｃ等のデータが備えられている。
【００４０】なお同図では、制御部９は冷凍機の外部に設けられているが、冷凍機２に内蔵されていてもよい。
【００４１】次に本実施の形態における冷却水回路の作動について説明する。吸収器２１、凝縮器２２において廃熱を回収した冷却水は、冷凍機出口で温度Ｔ２となり、冷却水往管５を経由して冷却塔３に達する。ここで大気によって温度Ｔ１に冷却され、冷却水ポンプ４の作用で冷却水戻管６を経由して冷凍機入口に戻される。
【００４２】次に、図４により制御部９で行われる冷却水の循環流量制御について説明する。
【００４３】運転開始（Ｓ０）されると、冷却水を予め設定された循環流量Ｇｏ、冷却塔のファン回転数を最大回転数Ｒｍに設定する（Ｓ１）。
【００４４】次いで大気湿球温度Ｔａにより決定される冷却水最低温度Ｔｍと、晶析安全温度Ｔｃとを比較し（Ｓ２）、Ｔｍ＞ＴｃであればＴｍを設定温度Ｔｓとし（Ｓ３）、Ｔｍ≦Ｔｃの場合はＴｃを設定温度Ｔｍとする（Ｓ４）。
【００４５】次に入口温度Ｔ１と設定温度Ｔｓとを比較し（Ｓ５）、Ｔ１＞ＴｓであればそのままＳ２ステップに戻り、Ｔ１がＴｓになるまで上記各ステップを繰り返す（Ｓ６）。
【００４６】Ｔ１≦Ｔｓの場合は、入口温度を上げる必要があるため、ファン回転数を一定割合で落とし（Ｓ７）、Ｓ２ステップに戻り、上記各ステップを繰り返す（Ｓ８）。このようにして冷却水入口温度Ｔ１をＴｓに維持することが可能となる。
【００４７】なお、本実施の形態においては冷凍機として吸収式冷凍機としたが、他の冷凍機を用いることも可能である。但し、この場合には晶析のおそれがないから上記においてＴｃを考慮する必要がないから、図４においてＳ２、Ｓ３のステップを省略することができる。
【００４８】また、冷凍機の熱源を都市ガスとしたが、灯油、電気、排熱等、他の熱源を用いることが可能である。
【００４９】次に、本発明に係る第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は請求項４に該当するものである。本実施の形態の構成は第一の実施の形態とほぼ同一である。本実施の形態の構成が第一の実施の形態と異なる点は、制御部９には、さらに吸収式冷凍機のＣＯＰ（η）、各冷房負荷に対する最適出口温度（Ｔ２*）のデータテーブルを備えていることである。
【００５０】本実施の形態における冷却水循環流量制御は以下のように行われる。
【００５１】最初に入口温度制御が行われるが、これは第一の実施形態と全く一であるので省略する。
【００５２】引き続き循環流量の設定が以下のように行われる。冷房負荷が流量センサ１４のガス消費量により計算され、その時の冷房負荷に対応するＴ２*が制御部９のデータテーブルから読み出される。そして前述の式（１）、（２）に基づいて冷却水の最適循環流量Ｇｅが計算される。流量がＧｅとなるように冷却水ポンプの回転数が制御される。以上のようにしてエネルギー消費量を最低とする循環流量の設定が実現される。
【００５３】なお、ポンプ揚程が異なるとエネルギー消費量が最低となる出口温度Ｔ２および最適流量Ｇｅの値も異なる。これに対応するため、各ポンプ揚程に対する最適流量Ｇｅの値を制御部９のテーブルに備えることもできる。
【００５４】上記に示した各実施の形態は本発明の例であって、本発明に係る制御方法は上記実施の形態に限られないことはいうまでもない。例えば制御ステップについても、本実施形態に限定されず、本発明を成立させる種々の制御ステップが含まれる。
【００５５】
【実施例】イ）実施例１図５は、冷却水入口温度Ｔ１を変化させた場合のシステムの全エネルギー消費量（Ｓ１）を測定した結果である。運転条件は、外気湿球温度１４．７℃、負荷率３０％である。これは中間期の代表的条件である。冷却水循環流量は冷凍トンあたり１ｍ３／ｈｒ、ポンプ揚程は４０ｍ（４００ＫＰａ）、ポンプ効率６０％である。冷却塔ファンの消費電力は冷凍トンあたり０．０３７Ｋｗである。
【００５６】同図において、縦軸は定格（１００％）冷却水流量の場合の全エネルギー消費量を１００として表わしたものである（以下の図においても同一である）。
【００５７】同図より、全エネルギー消費量Ｓ１は入口温度が低いほど小さくなっていることが分かる。外気湿球温度１４．７℃に対応する冷却水最低温度は約１９℃であり、 晶析安全温度２０℃より低いため、実際には２０℃で運転することが望ましい。
ロ）実施例２図６は、入口温度Ｔ１を２０℃に設定した状態で循環流量を変化させ、全エネルギー消費量（Ｓ２）を測定した結果である。運転条件は、冷却水循環流量を除いて（１）の実施例と同じである。冷却水循環流量は、冷凍トンあたり１ｍ３／ｈｒを最大として変化させている。同図より、循環流量が定格の５０％近傍で全エネルギー消費量Ｓ２が最小になっていることが分かる。
【００５８】図８は従来の循環流量制御方式の全消費エネルギー消費量を測定した結果である。本発明によるものと同様に循環流量が定格の５０％近傍で全エネルギー消費量Ｓ３が最小になっている。
【００５９】図８は、Ｓ２とＳ３を比較したものである。本発明の運転方法が全体に約１０％削減されていることが分かる。
ハ）実施例３図９は、冷凍機と冷却塔の設置高さが実施例２と異なる場合の全エネルギー消費量を測定した結果である。
【００６０】運転条件は、ポンプ揚程が１５ｍ（１５０ＫＰａ）である点が実施例２と異なっている。同図より循環流量が定格の７０％近傍で全エネルギー消費量Ｓ４が最小になっていることが分かる。これは、ポンプ揚程が４０ｍ（４００ＫＰａ）の実施例２では定格の５０％近傍で全エネルギー消費量Ｓ２が最小になっているのと異なっていることが分かる。
【００６１】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、冷却水の冷凍機入口温度を運転時の湿球温度により定まる最低温度と同一とするように制御できるため、冷凍機熱交換器の熱交換効率を向上することができ、冷凍機ＣＯＰの向上、ひいてはシステム全体のエネルギー消費量を減らすことが可能となった。
【００６２】請求項２の発明においては、入口温度を少なくとも吸収溶液の晶析温度以上に制御することにより、冷凍機の吸収溶液配管の晶析トラブルを回避できる。
【００６３】請求項３の発明においては、入口温度の最低温度を一律に設定したため、運転時の大気湿球温度、冷却水循環流量に関わらず簡易な制御が可能となった。
【００６４】請求項４の発明においては、冷却水回路全体のエネルギー消費量の最適制御が可能となった。
【００６５】請求項５の発明においては、ポンプ揚程まで含めたエネルギー消費量の最適制御が可能となった。
【００６６】請求項６の発明においては、冷却水循環量を極端に絞りすぎることによる冷却水回路への悪影響（例えば、配管内のスケール付着等）を防止することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００２２０２６２
【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年５月２８日（１９９９．５．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７４９０
【弁理士】
【氏名又は名称】杉原 鉄郎
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| 【公開番号】 |
特開２０００−３３７７２９（Ｐ２０００−３３７７２９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１２月８日（２０００．１２．８） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１４９５２６ |
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