(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却塔と、
蒸発器と凝縮器をそれぞれ有する第一冷凍機と第二冷凍機を含んで形成される冷凍機群と、
前記冷却塔からの冷却水を、前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する凝縮器に直列に供給する冷却水配管と、
前記冷却水配管において冷却水を圧送する冷却水ポンプと、
前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する蒸発器に対して、直列に且つ前記冷却水配管における冷却水の流れ方向と反対の流れ方向となるように冷水を供給する冷水配管と、
前記冷水配管において冷水を圧送する冷水ポンプと、を備え、熱供給先に冷水を介して熱エネルギーを供給する熱源システムであって、
前記熱源システムは、
前記熱源システムが熱供給先に供給すべき熱エネルギー量に基づいて、前記冷凍機群の出力負荷を算出する負荷算出部と、
前記第一冷凍機および前記第二冷凍機を経て前記冷水配管を介して熱供給先に供給する冷水の温度が、前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷にかかわらず所定供給温度となるように、該第一冷凍機および該第二冷凍機を制御する第一制御部と、
前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷が前記冷凍機群の定格出力負荷より小さくなるに従い、前記冷水配管を流れる冷水流量が、該定格出力負荷時に該冷水配管を流れる定格冷水流量と比べて増量するように前記冷水ポンプを制御する第二制御部と、
を更に備える、熱源システム。
【請求項２】
前記第一冷凍機および前記第二冷凍機において、それぞれの冷凍機が有する蒸発器へ流入する冷水の入口温度と該蒸発器から流出する冷水の出口温度の差である温度差と、前記第二制御部によって制御される前記冷水配管を流れる冷水流量に基づいて決定される、該第一冷凍機および該第二冷凍機のそれぞれの出力能力が、前記冷凍機群の定格出力負荷時における該第一冷凍機および該第二冷凍機の出力能力と同一となるように、該第二制御部は、該冷水配管を流れる冷水流量を決定する、
請求項１に記載の熱源システム。
【請求項３】
前記冷却水配管における前記冷凍機群への往配管と該冷凍機群からの還配管とを、該冷
凍機群を経ずに接続する冷却水往還バイパス配管と、
少なくとも前記熱源システムの外気温度に基づいて前記冷却水配管を流れる冷却水の設定温度を算出し、且つ該冷却水の設定温度に基づいて前記冷却水往還バイパス配管を流れる冷却水流量を制御する第三制御部と、
を更に備える、請求項１又は請求項２に記載の熱源システム。
【請求項４】
前記冷水配管での冷水の流れにおいて、冷水が前記第一冷凍機が有する蒸発器に流れ込まないように迂回させる冷水迂回手段と、
前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷が所定出力負荷以下のとき、前記第一冷凍機の稼動を停止させ、且つ前記冷水迂回手段により前記冷水配管での冷水の流れにおいて冷水を前記第二冷凍機が有する蒸発器にのみ供給する冷凍機稼動制御部と、を更に備える、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の熱源システム。
【請求項５】
前記第一制御部は、前記冷凍機稼動制御部により前記第一冷凍機の稼動が停止されているとき、停止している該第一冷凍機が仮に稼働状態にあるときに担うべき出力も前記第二冷凍機が担うように、該第二冷凍機をその定格出力負荷時の負荷よりも大きい過負荷状態で出力させる、
請求項４に記載の熱源システム。
【請求項６】
前記第二制御部は、前記冷凍機稼動制御部により前記第一冷凍機の稼動が停止されているとき、前記冷水配管を流れ前記第二冷凍機に供給されるべき冷水流量を前記定格冷水流量とする、
請求項５に記載の熱源システム。
【請求項７】
前記冷却水配管での冷却水の流れにおいて、冷却水が前記第一冷凍機が有する凝縮器に流れ込まないように迂回させる冷却水迂回手段を更に備え、
前記冷凍機稼働制御部は、前記第一冷凍機の稼動を停止するとき、前記冷却水迂回手段により前記冷却水配管において冷却水を前記第二冷凍機が有する凝縮器にのみ供給する、
請求項４から請求項６の何れか一項に記載の熱源システム。
【請求項８】
前記第二制御部は、前記冷却水配管を経て前記第二冷凍機に供給される冷却水の温度が、前記定格冷水流量に対応する所定の定格冷却水温度を超えるとき、前記冷水配管を流れ前記第二冷凍機に供給されるべき冷水流量を前記定格冷水流量より少ない流量とする、
請求項５に記載の熱源システム。
【請求項９】
前記所定出力負荷は、前記冷却水配管を経て前記第二冷凍機に供給される冷却水の温度に基づいて調整される、
請求項４から請求項８の何れか一項に記載の熱源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発器と凝縮器を有する冷凍機を利用して、熱供給先に熱エネルギーを供給する熱源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍機を利用した熱源システムにおいては、冷凍機の運転効率が熱源システム全体の消費エネルギーの変動に大きく影響を与えるため、冷凍機を如何に効率的に駆動するか、さらには熱源システムに備えられる冷凍機以外の機器を如何に効率的に駆動するか、様々な技術の開発が行われてきている。たとえば、特許文献１に示すように、冷水の流れに対して性能の異なる冷凍機を複数台直列に接続し、負荷の大きさに応じて冷凍機の運転台数を制御する技術が開示されている。なお、当該技術では、各冷凍機に供給される冷却水は、冷水とは異なり各冷凍機に対してそれぞれ、すなわち並列に供給されている。
【０００３】
また、複数の冷凍機を負荷に対して並列に設置し、それぞれの冷凍機からの冷水を供給可能となるように構成された熱源システムにおいて、冷凍機に流れ込む冷水の流量を、最大負荷時の冷水流量よりも多い過流量状態とすることで、システムの効率を向上させる技術が開示されている（たとえば、特許文献２を参照）。当該技術では、冷水流量を過流量状態とすることで、冷凍機での冷水の往還温度差が所定よりも小さくなった場合でも、外部負荷に対して冷凍機の上限能力まで熱供給ができ、以て熱源システムの効率改善を図ろうとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−９３５５０号公報
【特許文献２】特開２００４−２４５５６０号公報
【特許文献３】特開２００７−１９８６９３号公報
【特許文献４】特開平８−２９０１１号公報
【特許文献５】特開平１０−１９７０９８号公報
【特許文献６】特開２００６−１５２８２３号公報
【特許文献７】特開平１０−２３９４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冷凍機を利用した熱源システムにおいて、そのシステム効率を向上させるには冷凍機自体の運転効率が良好となる冷凍機の運転状態を維持するのが理想的である。冷凍機の具体的な構成にもよるが、例えば、冷凍機にかかる負荷が大きいほどのその効率が高くなる構成を有する冷凍機では、最大負荷である定格負荷状態（１００％負荷状態）で駆動を継続することで、熱源システムの効率改善を図ることが可能である。しかし、実際の熱源システムの熱供給先での熱消費の状況によって、冷凍機にかかる負荷は変動し、その多くの場合は、定格負荷状態より低負荷となる部分負荷状態となっている。そのため、冷凍機自体を、最善の効率状態で駆動し続けるのが難しい。
【０００６】
ここで、複数台の冷凍機を直列につなぐ構成を採用する熱源システムでは、従来では、一台の冷凍機にかかる負荷が部分負荷状態となると、当該冷凍機からの冷水出口温度を下げることで、当該冷凍機にかかる負荷を上昇させて冷凍機の運転効率を上げようとする手法が一般的に採用されている。しかし、この手法では、上記一台の冷凍機以外の冷凍機についてみると、その冷凍機にかかる負荷は下がってしまうことになるので、熱源システム
全体としては部分負荷状態に置かれているのには変わりなく、結果的にシステム効率の改善を図ることが難しいままである。
【０００７】
そこで、本発明では、上記問題に鑑み、複数台の冷凍機を直列につなぐ構成を採用する熱源システムにおいて、実質的なシステム効率の改善を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、上記の課題を解決するために、熱源システムにおいて、複数台の冷凍機を直列につなぐ構成を採用し、熱供給先に供給する冷水温度を所定温度とするように各冷凍機を制御するとともに、その際に各冷凍機に流れこむ冷水の流量を、熱供給先から要求される負荷の大きさに応じて過流量状態とする。すなわち、各冷凍機での冷水の温度落差（蒸発器に対する冷水の入口温度と出口温度の差）の変化、特に温度落差の低下に応じて、冷水流量を増量することで、冷凍機が発揮する出力能力を比較的高い状態に維持し、それにより冷凍機の運転効率を向上させようというものである。
【０００９】
具体的には、本発明は、冷却塔と、蒸発器と凝縮器をそれぞれ有する第一冷凍機と第二冷凍機を含んで形成される冷凍機群と、前記冷却塔からの冷却水を、前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する凝縮器に直列に供給する冷却水配管と、前記冷却水配管において冷却水を圧送する冷却水ポンプと、前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する蒸発器に対して、直列に且つ前記冷却水配管における冷却水の流れ方向と反対の流れ方向となるように冷水を供給する冷水配管と、前記冷水配管において冷水を圧送する冷水ポンプと、を備え、熱供給先に冷水を介して熱エネルギーを供給する熱源システムである。そして、前記熱源システムは、更に、該熱源システムが熱供給先に供給すべき熱エネルギー量に基づいて、前記冷凍機群の出力負荷を算出する負荷算出部と、前記第一冷凍機および前記第二冷凍機を経て前記冷水配管を介して熱供給先に供給する冷水の温度が、前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷にかかわらず所定供給温度となるように、該第一冷凍機および該第二冷凍機を制御する第一制御部と、前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷が前記冷凍機群の定格出力負荷より小さくなるに従い、前記冷水配管を流れる冷水流量が、該定格出力負荷時に該冷水配管を流れる定格冷水流量と比べて増量するように前記冷水ポンプを制御する第二制御部と、を備える。
【００１０】
本発明に係る熱源システムに備えられる冷凍機群においては、冷水と冷却水の流れが相互反対方向、すなわちカウンターフローの流れが形成されている。たとえば、冷水が第一冷凍機の蒸発器、第二冷凍機の蒸発器の順に流れるとき、冷却水は第二冷凍機の凝縮器、第一冷凍機の凝縮器の順に流れることになる。なお、冷凍機群における第一冷凍機と第二冷凍機の順については、たとえば、冷水の流れにおいて、どちらの冷凍機が上流側に配置されてもよいが、上記の一例では、第一冷凍機が上流側に配置されていることになる。このように、二台の冷凍機が直列に接続された冷凍機群において、冷水の流れと冷却水の流れがカウンターフローとなることで、それぞれの冷凍機内の凝縮器と蒸発器との間で行われる熱交換を効率的に実施でき、冷凍機の運転効率を改善できる。
【００１１】
ここで、上記熱源システムでは、負荷算出部によって冷凍機群が担うべき出力負荷の算出が行われる。なお、本明細書では、冷凍機群もしくはそこに含まれる冷凍機が担うべき出力負荷について、最大出力時の負荷を「定格出力負荷」もしくは１００％負荷と称し、以降出力負荷が低減したときの負荷を「部分負荷」もしくはその程度に応じた数値とともに％表示した負荷（たとえば、「８０％負荷」等）で表わすものとする。
【００１２】
そして、負荷算出部で算出された負荷に応じて、各冷凍機の制御と、各冷凍機に流れ込む冷水の流量の制御が行われる。すなわち、上記第一制御部は、第一冷凍機および第二冷凍機、すなわち冷凍機群を経て熱供給先に供給される冷水の温度が、所定供給温度となる
ように各冷凍機の制御を行う。この所定供給温度は、常時一定の温度でもよく、また熱供給先の要求に応じて、適宜変更されてもよい。肝要である点は、冷凍機群は、熱供給先に対して所定供給温度である冷水を供給するよう、第一制御部によって制御されることである。
【００１３】
そして、本発明に係る熱源システムでは上記第一制御部に加えて、冷水ポンプを制御して冷水流量を調整する第二制御部が備えられる。この第二制御部は、負荷算出部が算出した出力負荷が部分負荷状態となると、その部分負荷状態の程度に応じて、冷水配管を流れる冷水流量を定格冷水流量よりも増量するように冷水ポンプを制御する。すなわち、算出された出力負荷の、定格出力負荷からの低下量が大きくなるに従い、第二制御部は、冷水流量を定格冷水流量よりも増量、換言すると過流量状態とするように冷水ポンプの制御を行う。このように第一制御部によって供給される冷水温度が所定供給温度になるように冷凍機群が制御されている状態で、第二制御部によって冷水流量の過流量制御が行われることで、負荷算出部が算出した出力負荷が部分負荷状態であっても、冷凍機群を形成する各冷凍機が担うべき出力を、冷凍機の運転効率にとって好適な状態（たとえば、出力が低下することで運転効率が低下する状態を回避できる状態）とすることが可能となる。すなわち、当該出力負荷が部分負荷状態になることで、本来的には冷凍機群の為すべき仕事量が小さくなるところ、冷水流量が過流量状態に制御されることで、結果として冷凍機群の為すべき仕事量の低減を抑制することができる。そのため、当該出力負荷が部分負荷状態であっても、冷凍機群の担うべき出力を比較的高い状態に維持することができ、以て冷凍機群を形成する冷凍機の運転効率の低下を回避することが可能となる。
【００１４】
好ましくは、上記熱源システムにおいて、前記第一冷凍機および前記第二冷凍機において、それぞれの冷凍機が有する蒸発器へ流入する冷水の入口温度と該蒸発器から流出する冷水の出口温度の差である温度差と、前記第二制御部によって制御される前記冷水配管を流れる冷水流量に基づいて決定される、該第一冷凍機および該第二冷凍機のそれぞれの出力能力が、前記冷凍機群の定格出力負荷時における該第一冷凍機および該第二冷凍機の出力能力と同一となるように、該第二制御部は、該冷水配管を流れる冷水流量を決定するように構成されてもよい。このように構成することで、負荷算出部によって算出された出力負荷が部分負荷状態であっても、冷凍機群の担うべき出力を定格出力負荷時の出力能力に維持することになるため、冷凍機群の運転効率を定格出力負荷時の運転効率に維持することができる。一般に、冷凍機の運転効率は、定格出力負荷時の運転効率が最良であるため、したがって上記構成によれば、出力負荷が部分負荷状態であっても、冷凍機群の運転効率を最良の状態に維持することができる。
【００１５】
このように二台の冷凍機を直列につなぐ構成を採用する熱源システムにおいて、第一制御部と第二制御部を備える構成とすることで、冷凍機群の運転効率を向上させ、以て熱源システム全体のシステム効率も向上する結果となる。
【００１６】
ここで、上述までの熱源システムにおいて、前記冷却水配管における前記冷凍機群への往配管と該冷凍機群からの還配管とを、該冷凍機群を経ずに接続する冷却水往還バイパス配管と、少なくとも前記熱源システムの外気温度に基づいて前記冷却水配管を流れる冷却水の設定温度を算出し、且つ該冷却水の設定温度に基づいて前記冷却水往還バイパス配管を流れる冷却水流量を制御する第三制御部と、を更に備えるように構成してもよい。このように第三制御部が外気温度に基づいて冷却水往還バイパス配管を流れる冷却水流量または冷却塔送風機を制御することで冷却水温度を調整することができ、その結果、熱源システムの効率を最適化することが可能となる。特に、本発明に係る熱源システムは、二台の冷凍機を直列に接続する冷凍機群を備えており、後述するように冷凍機の稼働台数が変動する場合、一般に行われている冷凍機の並列接続の場合と比べて、冷却水の出口温度を低くすることができることから、熱源システムの効率化に大きく寄与する。
【００１７】
ここで、上述までの熱源システムにおいて、前記冷水配管での冷水の流れにおいて、冷水が前記第一冷凍機が有する蒸発器に流れ込まないように迂回させる冷水迂回手段と、前記負荷算出部によって算出された前記出力負荷が所定出力負荷以下のとき、前記第一冷凍機の稼動を停止させ、且つ前記冷水迂回手段により前記冷水配管での冷水の流れにおいて冷水を前記第二冷凍機が有する蒸発器にのみ供給する冷凍機稼動制御部と、を更に備えるように構成してもよい。この構成によれば、出力負荷が所定出力負荷以下となると、冷凍機群において直列に接続された冷凍機のうち第一冷凍機の稼働が停止されるとともに、冷水が、停止した第一冷凍機に流れ込まないように、その流路が制御されることになる。所定出力負荷とは、冷凍機群に含まれる第一冷凍機の稼働を停止したとき、残された第二冷凍機のみによって対応が可能な出力負荷の上限となる閾値の負荷である。そのため、冷凍機稼働制御部が、第一冷凍機の稼働を停止し冷水の迂回を行うことで、第二冷凍機にかかる負荷を可及的に高い状態とし、その運転効率が低下することを回避できるとともに、停止している冷凍機を迂回させて冷水を流すことで、冷水の圧送時に生じる冷水ポンプの圧損を低減、すなわち冷凍機の蒸発器による抵抗分を低減することが可能となり、以てシステム効率の向上を図ることが可能となる。
【００１８】
また、上記熱源システムにおいて、前記第一制御部は、前記冷凍機稼動制御部により前記第一冷凍機の稼動が停止されているとき、停止している該第一冷凍機が仮に稼働状態にあるときに担うべき出力も前記第二冷凍機が担うように、該第二冷凍機をその定格出力負荷時の負荷よりも大きい過負荷状態で出力させるように構成してもよい。第一冷凍機が停止している状態で、第二冷凍機を過負荷状態で稼働することで、稼働する第二冷凍機における運転効率を、定格出力負荷時よりも向上させることができる。なお、第二冷凍機における過負荷状態での運転は、該第二冷凍機の正常な運転に影響の無い範囲で行うのが好ましい。
【００１９】
また、第二冷凍機を過負荷状態で稼働している時、前記第二制御部は、前記冷凍機稼動制御部により前記第一冷凍機の稼動が停止されているとき、前記冷水配管を流れ前記第二冷凍機に供給されるべき冷水流量を前記定格冷水流量とすればよい。一方で、前記冷却水配管を経て前記第二冷凍機に供給される冷却水の温度が、前記定格冷水流量に対応する所定の定格冷却水温度を超えるとき、前記第二制御部は、前記冷水配管を流れ前記第二冷凍機に供給されるべき冷水流量を前記定格冷水流量より少ない流量とすればよい。すなわち、冷却水温度が定格冷却水温度を超える場合、第二冷凍機において過負荷状態での運転を行う余地が少ないと考えられるため、このような場合は冷水流量を絞り込むことで、第二冷凍機にかかる負荷を低減させる。
【００２０】
上述までの熱源システムにおいて、前記冷却水配管での冷却水の流れにおいて、冷却水が前記第一冷凍機が有する凝縮器に流れ込まないように迂回させる冷却水迂回手段を更に備える場合、前記冷凍機稼働制御部は、前記第一冷凍機の稼動を停止するとき、前記冷却水迂回手段により前記冷却水配管において冷却水を前記第二冷凍機が有する凝縮器にのみ供給してもよい。この構成により、第一冷凍機の稼働停止に伴い、冷水の迂回に加えて冷却水の迂回も行われる。その結果、冷却水の圧送時に生じる冷却水ポンプの圧損も低減、すなわち冷凍機の凝縮器の抵抗分も低減することが可能となり、以てシステム効率の向上を図ることが可能となる。
【００２１】
また、上述までの熱源システムにおいて、前記所定出力負荷は、前記冷却水配管を経て前記第二冷凍機に供給される冷却水の温度に基づいて調整されてもよい。すなわち、第二冷凍機の単独運転を行うための判断基準である所定出力負荷の値を、第二冷凍機の過負荷状態での運転の可能性を決定する冷却水温度と関連付けて変動させることで、効率的な熱源システムの運転をフレキシブルに実現できるようになる。
【００２２】
また、上述までの熱源システムにおいて、第一冷凍機と第二冷凍機の出力容量を同一としてもよく、また冷凍機群を、熱源システムによる熱供給能力を踏まえて異なる出力容量を有する冷凍機で構成してもよい。前者のように同一の冷凍機で冷凍機群を形成すると、熱源システムのメンテナンスが容易となるメリットがある。
【００２３】
ここで、本発明に係る熱源システムを、該熱源システムの建屋における配置の側面から捉えることも可能である。すなわち、本発明に係る熱源システムは、２台の冷凍機を直列に接続した冷凍機群を採用する構成である点に着目する。当該冷凍機群およびそれに対応する冷水ポンプおよび冷却水ポンプを一まとめとして、建屋内に形成される収容のための一区画に収める構成とする。
【００２４】
詳細には、本発明は、冷却塔と、蒸発器と凝縮器をそれぞれ有する第一冷凍機と第二冷凍機を含んで形成される冷凍機群と、前記冷却塔からの冷却水を、前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する凝縮器に直列に供給する冷却水配管と、前記冷却水配管において冷却水を圧送する冷却水ポンプと、前記冷凍機群のそれぞれの冷凍機が有する蒸発器に対して、直列に且つ前記冷却水配管における冷却水の流れ方向と反対の流れ方向となるように冷水を供給する冷水配管と、前記冷水配管において冷水を圧送する冷水ポンプと、を備え、熱供給先に冷水を介して熱エネルギーを供給する熱源システムにおいて、前記熱源システムが設置されるプラント建屋を支持する複数の支持部材で画定される、該熱源システムの構成を収容するための最小設置区画が、該プラント建屋内に複数設けられ、且つ該複数の最小設置区画のそれぞれの内側に、前記冷凍機群、および該冷凍機群に対応する前記冷水ポンプと前記冷却水ポンプが収容される構成を採用する。
【００２５】
このように本発明に係る熱源システムでは、最小設置区画内に、冷凍機群と冷水ポンプ、冷却水ポンプを収容することにより、該最小設置区画を画定する支持部材間の距離は、従来の設置方式で広く採用されている、支持部材間に一つの冷凍機とそれに対応する冷水ポンプ、冷却水ポンプを配置する方式と比べて比較的広くなる。好ましくは、最小設置区画における支持部材間の距離は、１０ｍ〜１１ｍ程度である。このように比較的広い支持部材間隔を採用することにより、熱源システムをコンパクトに収容でき、それ全体を収容するプラント建屋自体の大きさを減縮でき、支持部材間隔を広げることにより生じる構造強度の問題を顕在化させる可能性は少ない。一方で、冷凍機群と冷水ポンプ、冷却水ポンプをいわば密集して配置できるため、配管距離を短縮でき、このことは熱源システムの効率化に大きく寄与する。
【００２６】
また、上記熱源システムで、前記最小設置区画において、前記冷水配管の床面からの高さを前記冷凍機群の高さと同程度にするために、冷水を熱供給先に供給するため若しくは熱供給先から冷水を回収するための冷水集合管を、前記冷凍機群が設置される床面よりも低いピット領域に設置する構成を採用してもよい。この構成により、配管の短縮化や配管施工時の安全性等の確保が容易となる。
【発明の効果】
【００２７】
複数台の冷凍機を直列につなぐ構成を採用する熱源システムにおいて、実質的なシステム効率の改善を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る熱源システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す熱源システムに設けられた直列に接続された２台の冷凍機における、冷水温度と冷却水温度の変化を示す図である。
【図３】本発明に係る熱源システムにおいて実行される、システムの出力負荷に応じた冷水温度と冷水流量の設定値を示す図である。
【図４】従来の熱源システムにおいて実行される、システムの出力負荷に応じた冷水温度と冷水流量の設定値を示す図である。
【図５】本発明に係る熱源システムで実行される冷凍機の運転制御のフローチャートである。
【図６】図５に示す冷凍機運転制御が実行されたときの、冷凍機における運転効率を示す図である。
【図７】本発明に係る熱源システムと従来の熱源システムのシステム効率の比較結果を示す図である。
【図８】従来の熱源システムを格納するプラント設備の設計態様を示す第一の図である。
【図９】従来の熱源システムを格納するプラント設備の設計態様を示す第二の図である。
【図１０】従来の熱源システムを格納するプラント設備の設計態様を示す第三の図である。
【図１１】本発明に係る熱源システムを格納するプラント設備の設計態様を示す第一の図である。
【図１２】本発明に係る熱源システムを格納するプラント設備の設計態様を示す第二の図である。
【図１３】本発明に係る熱源システムを採用した40,000Rtプラントの配置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、図面を参照して本発明に係る熱源システムについて説明する。なお、以下の実施の形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。また、本明細書において使用する冷凍機の冷凍能力を表す単位であるRt（冷凍トン）は、「0℃の水2000ポンド（約906kg）を、24時間で0℃の氷に相転移させることができる」冷凍機の冷凍能力を１Rtと定義されるものであり、1Rt=3024kcal/h=3516Wとなる。
【００３０】
図１は、本発明に係る熱源システム１の概略構成を示す図である。熱源システム１は、図示しない外部負荷に対して、熱媒体である冷水を介して冷凍機を熱源として熱エネルギーの供給を行うシステムである。図１に示す熱源システムには、同じ冷凍能力を有する２台の冷凍機３、４で構成される冷凍機群が備えられており、各冷凍機は、蒸発器３ａ、４ａおよび凝縮器３ｂ、４ｂを有しており、各蒸発器には冷水が供給され、各凝縮器には冷却水が供給されることで、冷水と冷却水との間で熱交換が行われる。そして、熱源システム１では、冷凍機群に含まれる冷凍機３、４は、直列に接続され、且つ冷水と冷却水の流れが互いに反対となる、いわゆるカウンターフローの状態が形成される。なお、図１に示す熱源システム１には冷凍機群は１つ含まれているが、この冷凍機群が複数、且つ互いに並列に設けられることで熱源システム１の冷凍能力を増大させる構成を採用してもよい。
【００３１】
そこで、まず冷水の流れに着目して、当該冷水の流路の詳細について説明する。冷水を熱供給先に供給する往ヘッダ１１と、熱供給先で熱利用された冷水が戻る還ヘッダ１０との間をつなぐ冷水配管１２上に冷凍機群が設置され、冷水配管１２での冷水の流れにおいて、冷凍機３の蒸発器３ａが、冷凍機４の蒸発器４ａより上流側に位置している。すなわち、還ヘッダ１０に戻った冷水は、まず冷凍機３に供給され、その後冷凍機４に供給された後に、往ヘッダ１１から熱供給先に供給される。このとき、冷水の圧送を行うために、還ヘッダ１０と冷凍機３との間の冷水配管１２上に、一次冷水ポンプ５が設置されており、更に往ヘッダ１１上に二次冷水ポンプ６が設置されている。このように、冷水の流路においては二組の冷水ポンプが設けられることで、冷水の流量を制御することが可能となり、熱供給先と冷凍機群との間の冷水の圧送が適切に実行され得る。
【００３２】
さらに、冷水配管１２に対して、冷水が冷凍機３に流れ込まないように冷凍機３を迂回して冷凍機４に供給することを可能とする冷水バイパス配管１３が設置されている。この冷水バイパス配管１３の冷水取り込み口は、一次冷水ポンプ５の下流側に位置し、その冷水の吐き出し口は、冷凍機３と冷凍機４の間の冷水配管１２上に位置する。そして、冷水バイパス配管１３を介した冷凍機３への冷水供給を調整するために、流量調整バルブ１６、１８が、それぞれ冷凍機３の直前の冷水配管１２上と、冷水バイパス配管１３上に設けられている。
【００３３】
さらに、熱源システム１には、冷水の流れに関する補機類として、還ヘッダ１０上で冷水温度を検出するための水温計１４、冷水流量を検出するための流量計１５、冷水配管１２上で冷水温度を検出するための水温計１７、冷水流量を検出するための流量計１９、往ヘッダ１１上で冷水温度を検出するための水温計２０、冷水流量を検出するための流量計２１が設けられている。また、冷水を冷凍機群を経ずに還ヘッダ１０から往ヘッダ１１に迂回させるヘッダ間バイパス配管２２も設けられている。
【００３４】
次に、冷却水の流れに着目して、当該冷却水の流路の詳細について説明する。熱源システム１では、冷却水の放熱を行う冷却塔２から冷凍機群に冷却水を送る冷却水往配管３０と、冷凍機群から冷却水を冷却塔２に戻す冷却水還配管３２とが設けられ、さらに冷凍機群における冷凍機同士の間を冷却水配管３１がつないでいる。そして、冷却水配管３１での冷却水の流れにおいて、冷凍機４の凝縮器４ｂが、冷凍機３の凝縮器３ｂより上流側に位置している。すなわち、冷却塔２からの冷却水は、まず冷凍機４に供給され、その後冷凍機３に供給された後に、冷却塔２へと戻され、放熱処理される。このとき、冷却水の圧送を行うために、冷却水往配管３０上に冷却水ポンプ７が設置され、冷却水の流量が制御される。また、冷却水往配管３０と冷却水還配管３２とを直接接続し、冷却水を冷凍機３および冷凍機４に流し込まないようにする冷却水往還バイパス配管３９が設けられ、且つ該配管３９を流れる冷却水の流量を調整可能な流量調整バルブ３８が該配管３９上に設けられている。
【００３５】
さらに、冷却水配管３１に対して、冷凍機４からの冷却水が冷凍機３に流れ込まないように冷凍機３を迂回することを可能とする冷却水バイパス配管３３が設置されている。この冷却水バイパス配管３３の冷却水取り込み口は、冷凍機３と冷凍機４の間の冷却水配管３１上に位置し、その冷却水の吐き出し口は、冷凍機３の凝縮器３ｂの下流側に位置する。そして、冷却水バイパス配管３３を介した冷凍機３への冷却供給を調整するために、流量調整バルブ３５、３６が、それぞれ冷凍機３の直前の冷却水配管３１上と、冷却水バイパス配管３３上に設けられている。
【００３６】
さらに、熱源システム１には、冷却水の流れに関する補機類として、冷却水往配管３０上で冷却水温度を検出するための水温計３４、冷却塔で冷却水の放熱に使用する外気の温度を検出する外気温度計（湿球温度計）３７が設けられている。
【００３７】
また、熱源システム１にはシステムの制御を行うための制御部４０が設けられている。制御部４０は、熱源システム１の各構成要素（冷凍機３、４、各ポンプ、各流量調整弁等）と電気的に接続され、さらに熱源システム１に含まれる各補機類とも電気的に接続されることで、熱供給先への熱供給に必要な情報の取得および各種の処理が実行される。なお、制御部４０による各種の処理は、ＣＰＵ、メモリ、ハードディスク等を含む当該コンピュータ上で実行されるコンピュータプログラムにより実現され、その詳細は後述する。
【００３８】
図１に示すように、熱源システム１では、冷凍機群において、冷凍機３と冷凍機４とが直列に接続された状態となっており、且つ冷水と冷却水の流れがカウンターフローの状態
を形成している。本発明のように冷凍機の直列接続且つカウンターフロー状態の形成を採用する熱源システム１では、従来の熱源システムで一般的に採用されている冷凍機の並列接続の場合と比べて、システム効率が改善される。そこで、熱源システム１におけるシステム効率の改善について、図２に基づいて説明する。
【００３９】
図２は、２つのケース(a)、(b)において、熱源システム１のシステム効率を説明する上で必要な冷水温度および冷却水温度の推移を示す。両ケース(a)、(b)において、熱源システム１に要求される負荷は、定格負荷状態、すなわち100％負荷状態である。そして、ケース(b)は、ケース(a)よりも外気温度（湿球）が３℃高い条件下での、冷水温度等の推移を示す。
【００４０】
まず、ケース(a)について説明すると、冷凍機３の蒸発器３ａに流れ込む前の冷水温度（冷水入口温度）は13.4℃であり、該蒸発器３ａから出た直後の冷水温度（冷水出口温度）は8.9℃である。その後、冷水は冷凍機４の蒸発器４ａに送られ、該蒸発器４ａから出た直後の冷水温度（冷水出口温度）は4.4℃となる。一方で、冷却水については冷水と流れが反対となっており、冷凍機４の凝縮器４ｂに流れ込む前の冷却水温度（冷却水入口温度）は32.0℃であり、該凝縮器４ｂから出た直後の冷却水温度（冷却水出口温度）は35.0℃である。その後、冷却水は冷凍機３の凝縮器３ｂに送られ、該凝縮器３ｂから出た直後の冷却水温度（冷却水出口温度）は38.0℃となる。以上より、熱源システム１で採用された冷凍機群に含まれる各冷凍機での、冷却水出口温度と冷水出口温度の温度差は、冷凍機３については29.1℃、冷凍機４については30.6℃となり、その平均は29.9℃となる。
【００４１】
一方で、従来の冷凍機の並列接続を採用する熱源システムにおいて、上記と同様に、冷水温度と冷却水温度を推移させると、図２に示すように、１台の冷凍機において、冷水入口温度が13.4℃、冷水出口温度が4.4℃、冷却水入口温度が32.0℃、冷却水出口温度が38.0℃となる。その結果、１台の冷凍機について、冷却水出口温度と冷水出口温度の温度差は33.6℃となる。
【００４２】
ここで、本発明に係る熱源システム１での温度差と、従来の並列接続を採用する熱源システムでの温度差を比較すると、前者が約１１％小さくなっており、このことは熱源システム１の方が従来の熱源システムよりも運転効率が約１１％改善していることを意味する。すなわち、熱源システム１のように、２台の冷凍機を直列に接続し且つ冷水と冷却水の流れをカウンターフロー状態に置くことで、冷凍機の運転効率を大幅に向上することが可能であることが分かる。
【００４３】
このことはケース(b)のように外気湿球温度(WB)が高い場合でも同様である。ケース(b)においては、熱源システム１における各冷凍機の温度差の平均値は32.9℃であり、従来の熱源システムにおける冷凍機の温度差は36.6℃となるので、前者の温度差の方が約１０％小さく、以て熱源システム１の方がやはり１０％程度システム効率が良いことが窺える。
【００４４】
このように本発明に係る熱源システム１は、従来のものと比較してシステム効率が改善される構成を有しているが、このような構成であっても、熱源システム１に出力要求される負荷（一般には「出力負荷」、「負荷率」と称されるものであり、本実施例では、以降「出力負荷」と統一して表現する。）が部分負荷状態となると、冷凍機群の各冷凍機の運転状態が、高効率での運転を行えない状態となるため、すなわち各冷凍機において部分負荷状態で運転されることになるため、システム効率を改善する余地が残る。たとえば、熱源システムの出力負荷が９９％〜５０％程度の部分負荷であるときは、冷凍機３、４の何れかが部分負荷状態で運転をせざるを得ず、さらに当該出力負荷が７０％〜５０％程度であれば、部分負荷状態となる冷凍機においては、過少負荷出力に対応できないため、実質的には冷凍機の運転をOn/Off切り替えせざるを得ず、これらの冷凍機の運転制御では、熱
源システム１のシステム効率の低下は避けられない。
【００４５】
そこで、熱源システム１の出力負荷が部分負荷状態になったときの、熱源システム１における冷凍機の運転制御について、図３〜図６に基づいて説明する。図３は、本発明に係る熱源システム１における、各冷凍機の運転条件の推移を示す図であり、図４は、図３に示す運転条件の比較対象としての、冷凍機の運転条件の推移を示す図である。図３に示すように、熱源システム１の出力負荷が定格出力負荷状態（１００％負荷状態）であるときは、図２のケース(a)で示したように、冷水の流れにおいて上流側に位置する冷凍機３の冷水入口温度が13.4℃であり、冷水出口温度が8.9℃である。また、下流側に位置する冷凍機４については、冷水入口温度が8.9℃であり、冷水出口温度が4.4℃である。そしてこれらの冷凍機は直列に接続されているので、両冷凍機を流れる冷水の流量は同量の1680m3/hである。この１００％負荷状態のときの、各冷凍機における出力能力と流量を基準値として、以降各負荷状態での各冷凍機の出力能力と流量の比率を、「出力能力比」、「流量比」として算出する。なお、各冷凍機の出力能力は、冷水入口温度と出口温度の差と、流量との積に基づいて算出される値である。また、図４における運転条件の表記も、図３の標記に準ずる。
【００４６】
ここで、図４に示す冷凍機の運転条件は、システムのハード構成を図１に示すように２台の冷凍機の直列接続且つ冷水と冷却水のカウンターフロー状態の構成としたときに、システムの出力負荷が１００％負荷状態から低下するに従い、冷凍機群から熱供給先に供給される冷水の温度を4.4℃に維持した状態で、各冷凍機の冷水出口温度をシステムの出力負荷の低下に比例させて低下させる運転条件である。すなわち、それは、システムの出力負荷の部分負荷状態と、冷凍機３および冷凍機４の部分負荷状態が連動している運転条件であり、一般的に行われている制御であり、後述するように図３に示すような冷水流量を過流量状態とする制御や一つの冷凍機に対して冷水を迂回させる制御を行わない場合のものである。この図４に示す運転条件では、システムの運転状態の変動にかかわらず、冷凍機３および冷凍機４に流れる冷水の流量は、１００％負荷状態時の冷水流量と同じである。
【００４７】
以下、本発明に係る熱源システム１における冷凍機の運転条件の推移について、図４に示す比較例と比較しながら説明する。熱源システム１では、システムの出力負荷が部分負荷状態である９０％〜７０％であるときは、熱供給先に供給される冷水の温度を所定の供給温度（4.4℃）に維持しながら、各冷凍機の冷水出口温度を、システムの出力負荷の低下に比例させて低下させる。たとえば、１００％負荷時に冷凍機３での運転温度差は4.5℃であるが、９０％負荷時には4.05℃となるように冷水出口温度が調整される。したがって、各冷凍機の冷水出口温度の値については、図４に示す運転条件と同じである。
【００４８】
しかし、本発明に係る熱源システム１では、冷水流量をシステムの出力負荷の低下に反比例させて、過流量状態となるように増量する。この過流量状態とは、１００％負荷状態時の流量と比較して増量されていることを意味する。このように、熱源システム１の出力負荷が９０％〜７０％の部分負荷状態では、各冷凍機の冷水出口温度を低下させ、且つ冷水流量を増量するため、結果的に、各冷凍機の出力能力比が１００％に維持される。参考までに図４に示す運転条件では冷水流量は一定のため、各冷凍機の出力能力比は、システムの出力負荷の低下に連動して低下しており、熱源システム１で採用する運転条件とは大きく異なることが分かる。なお熱源システム１には、冷水配管１２に一次冷水ポンプ５が設置され、往ヘッダ１１に二次冷水ポンプ６が設置されているため、冷水流量の増量には適切に対応することが可能である。ただし、この場合一次側流量が二次ポンプ６の流量を上回らないように留意する。
【００４９】
このように冷水流量を過流量状態とすることで、熱源システム１の出力負荷が９０％〜
７０％の部分負荷状態では、冷凍機群の各冷凍機が部分負荷状態で運転されることを回避できる。なお、熱源システム１の出力負荷が部分負荷状態となったとき、各冷凍機の出力能力を１００％になるように冷水流量を調整するのが好ましいが、少なくとも冷水流量を１００％負荷状態時の流量よりも増量することで、各冷凍機の出力能力を１００％に近付けるように冷水流量が調整されればよい。
【００５０】
次に、熱源システム１の出力負荷が更に低下し、６０％程度の部分負荷状態となったときの、各冷凍機の運転条件について言及する。一般に熱源システム１の出力負荷が６０％程度まで下がる場合は、日本では中間期、夜間、冬季等、中東地域やアフリカでは乾季等の熱源システム１の冷却塔２が取り込む外気湿球温度が比較的低い時期であることが多い。そこでこの点を踏まえて、熱源システム１では、６０％程度の部分負荷状態となったときは各冷凍機に供給される冷却水温度が比較的に低温となることを見込み、冷凍機を過負荷状態（すなわち、１００％負荷状態時以上の出力能力が要求される負荷状態）で運転することが可能であると考える。
【００５１】
具体的には、図３に示すように、熱源システム１の出力負荷が６０％程度であるときは、冷水の流れにおいて上流側に位置する冷凍機３の稼働を停止する。それと同時に、冷水の流れを、冷水が冷凍機３の蒸発器３ａに流れ込まないように、蒸発器３ａを迂回して冷水バイパス配管１３に流れるように、流量調整弁１６、１８がＯＮ・ＯＦＦ制御される。この結果、還ヘッダ１０に戻った冷水は、冷凍機３を迂回して冷凍機４に供給され、その後往ヘッダ１１から熱供給先に供給されることになる。この状態において、稼働している冷凍機４においては、図３に示すように６０％負荷状態に対応した冷水入口温度が設定され（冷水出口温度については、所定の供給温度4.4℃に設定されている）、且つ流量は熱源システム１の出力負荷が１００％負荷状態時の流量と同じように設定される。この結果、冷凍機４は、冷凍機３が本来担うべきであった負荷まで担うことになるため、その出力能力比は１２０％となる。冷凍機４においては、冷却水温度の低下により生じる冷凍機の冷凍能力の余力（すなわち、出力能力比１００％を超える範囲での仕事）を利用することで、極めて高効率な運転を実現できる。
【００５２】
なお、上記過負荷状態での冷凍機４の運転が実現できない程度に外気湿球温度が変動している場合には、冷水流量を下げることで、冷凍機４の出力能力比を１００％程度に調整する。これにより、時々刻々と変動する外気湿球温度の影響を緩和することができる。このとき、稼働が停止されている冷凍機３については、その稼働停止状態は維持される。
【００５３】
このように、熱源システム１において６０％程度の部分負荷状態である場合には、稼働する冷凍機の台数を削減し、且つ稼働している冷凍機においては出力能力比が少なくとも１００％程度、好ましくは過負荷状態（たとえば出力能力比が１２０％程度）で運転されるため、熱源システム１のシステム効率を向上させるのに大きく寄与する。図４に示す比較例においては、２台の冷凍機をともに６０％の部分負荷状態で運転することになるため、図４に示すケースでのシステム効率は図３に示すケースよりも悪化するのは明らかである。
【００５４】
以上のように、熱源システム１においては、その出力負荷が部分負荷状態であっても、そこに含まれる冷凍機の運転状態を適切に調整することで、システム全体の効率を向上させる運転制御が行われる。そこで、当該冷凍機の運転制御について、更に詳細に図５に基づいて説明する。図５は、制御部４０によって実行される冷凍機運転制御のフローチャートである。以下に各処理の詳細を説明する。
【００５５】
まず、Ｓ１０１では、熱供給先からの要求に対応すべく熱源システム１の出力負荷ＰＬが算出される。具体的には、還水側の水温計１４の検出値と流量計１５の検出値を乗じた
値から往水側の水温計２０の検出値と流量計２１の検出値を乗じた値を差し引いた値を、熱源システム１が熱供給先に供給すべき熱エネルギー量相当として、それに基づいて出力負荷ＰＬの算出が行われる。当該算出は従来から実施されている処理であるので、その詳細な説明は割愛する。また、上記供給すべき熱エネルギーについては、水温計と流量計それぞれの検出値を乗じるのに代えて、機器内部で自動的に熱量を算出する熱量計を利用して算出するようにしてもよい。なお、本実施例における熱源システム１の出力負荷ＰＬは、冷凍機３の蒸発器３ａの冷水入口（冷水バイパス配管１３の冷水取り込み口の上流側）と冷凍機４の蒸発器４ａの冷水出口の温度差に、そこを流れる冷水の流量を乗じた値として定義されるものである。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００５６】
Ｓ１０２では、外気温度計３７の検出結果に基づいて冷却塔２から冷凍機４に供給される冷却水の最適温度である最適冷却水温度の算出が行われ、該最適冷却水温度での冷却水供給が可能となるように冷却塔２に指示が出されるとともに、該最適冷却水温度に基づいて流量調整バルブ３８の開度が調整され、以て冷却水往還バイパス配管３９を流れる冷却水の流量が制御される。この最適冷却水温度は、冷凍機４の冷却水入口温度として設定される値でもあり、したがって、後述するＳ１０５以降、Ｓ１０７以降、Ｓ１１２以降の処理は、この最適冷却水温度である冷却水の供給が前提となっている。最適冷却水温度は、熱源システム１の外気温度に基づいて熱源システム１の効率が向上するように所定の最適化方法に従って算出されるものであり、一般には、外気温度が低くなるに従い最適冷却水温度はより低い値として算出される。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
【００５７】
Ｓ１０３では、Ｓ１０１で算出された出力負荷ＰＬが、１００％≧ＰＬ＞６０％の範囲に属するか否かが判定される。すなわち、出力負荷ＰＬが、図３に示した９０％〜７０％の部分負荷状態での運転制御を行うべき状態にあるか否かが判定される。Ｓ１０３で肯定判定されるとＳ１０５以降の処理が行われ、否定判定されるとＳ１０４以降の処理が行われる。また、Ｓ１０４では、Ｓ１０１で算出された出力負荷ＰＬが、６０％≧ＰＬ＞５０％の範囲に属するか否かが判定される。すなわち、出力負荷ＰＬが、図３に示した６０％の部分負荷状態での運転制御を行うべき状態にあるか否かが判定される。Ｓ１０４で肯定判定されるとＳ１０７以降の処理が行われ、否定判定されるとＳ１１２以降の処理が行われる。以下、それぞれの処理を説明する。
【００５８】
まず、Ｓ１０３で肯定判定された後のＳ１０５以降の処理について説明する。Ｓ１０５では、算出された出力負荷ＰＬの値に応じて、冷水の流れにおいて上流側にある冷凍機３の冷水出口温度を設定する。すなわち、図３に示した出力負荷ＰＬが９０％〜７０％の部分負荷状態時のように、冷凍機３の冷水出口温度の温度を設定する。たとえば、出力負荷ＰＬが９０％、８０％、７０％のときは、それぞれ8.45℃、8.0℃、7.55℃に設定する。なお、冷凍機４の出口温度は、本実施例においては、所定の供給温度（4.4℃）に維持されている。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。
【００５９】
Ｓ１０６では、算出された出力負荷ＰＬの値に応じて、冷凍機３および冷凍機４に流れる冷水流量を過流量状態に増量する。すなわち、図３に示した出力負荷ＰＬが９０％〜７０％の部分負荷状態時のように、流量比を設定する。たとえば、出力負荷ＰＬが９０％、８０％、７０％のときは、それぞれ流量比を１１１％、１２５％、１４３％に増量する。
【００６０】
このようなＳ１０５およびＳ１０６の処理によれば、熱源システム１の出力負荷ＰＬが１００％を下回り６０％超までの範囲であれば、冷凍機３および冷凍機４をその出力能力比が１００％の状態で運転することになるため、出力負荷ＰＬの値にかかわらず各冷凍機の運転効率を比較的高く維持することが可能となる。特に、出力負荷ＰＬの低下に応じて冷凍機に係る負荷を下げていく従来技術による運転制御と比べると、冷凍機における運転効率の改善は顕著であり、以て熱源システム１としての効率も良好に改善される。
【００６１】
次に、Ｓ１０４で肯定判定された後のＳ１０７以降の処理について説明する。Ｓ１０７では、冷凍機群に供給される冷却水温度が、図３に基づいて示した冷凍機４の過負荷運転（すなわち、冷凍機３の稼働を停止して冷凍機４のみを稼働する運転）が可能な温度範囲に属しているか否かが判定される。なお、この冷却水温度は、Ｓ１０２における最適冷却水温度となるように流量調整バルブ３８の開度等が調整され、水温計３４によって検出される値である。上述したように、冷凍機４の過負荷運転を行うためには、冷凍機４が過負荷運転を行い得る環境下に置かれている必要があり、その一例として、冷凍機４に供給される冷却水が、１００％負荷状態時に想定されている冷却水温度（すなわち、定格冷却水温度）より低いことが求められる。冷却水温度が定格冷却水温度より低い場合には、冷凍機４は、想定されている定格負荷（１００％負荷）状態以上の過負荷状態での運転を安全に行うことが可能である。そこで、Ｓ１０７で肯定判定されるとＳ１０８以降の処理が行われ、そこでは図３に基づいて示した６０％の部分負荷状態での運転制御が実行される。またＳ１０７で否定判定されると、冷凍機３を停止して冷凍機４を過負荷運転することはできないため、上記Ｓ１０５以降の処理を行うこととする。
【００６２】
ここでＳ１０８では、冷凍機４の過負荷運転を行うべく、冷凍機３の稼働を停止する。これと同時に、上述したように、冷水の流れについて冷水が冷凍機３に流れ込まないように、流路調整弁１６、１８が制御される。また、冷却水の流れについても、同様に冷却水が稼働していない冷凍機３に流れ込まないように、その流路が切り替えられる。具体的には、冷却水が冷却水バイパス配管３３を流れて冷凍機３を迂回するように、流路調整弁３５、３６が制御される。以上より、熱源システム１において、冷水および冷却水は冷凍機４にのみ供給され、且つ冷凍機４のみが稼働し、上述した過負荷運転が開始される。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１０９へ進む。
【００６３】
Ｓ１０９では、Ｓ１０８の処理で稼働が停止された冷凍機が再稼働、再停止を繰り返すハンチングが生じないようにハンチング防止処理が行われる。ハンチングは、出力負荷ＰＬの値が閾値に近い値であるときに生じやすく、熱源システム１の安定性を損ねるものである。そこで、ハンチング防止処理として、Ｓ１０８で冷凍機３の稼働が停止された場合は、一定期間冷凍機３の再稼働を禁止する等の処理が行われる。また、Ｓ１０２での冷却水温度を最適冷却水温度とする処理により冷却水温度を比較的安定化させることが可能となり、その結果ハンチング防止処理を容易に行うことが可能となる。Ｓ１０９の処理が終了すると、Ｓ１１０へ進む。
【００６４】
Ｓ１１０では、冷凍機４が過負荷運転されている状態において、冷凍機４から熱供給先に供給されている冷水の温度が所定の供給温度（4.4℃）を維持できているか否かが判定される。当該判定は、外気湿球温度の変動に起因して冷却水温度が上昇し、冷凍機４が所定の過負荷運転を実現できなくなっているか否かを判定するものである。すなわち、所定の供給温度の冷水供給ができない場合は、冷凍機は所定の過負荷運転を実現できない状態にあり、その状態を継続すると冷凍機４に好ましくない影響が及ぼされる可能性がある。そこで、Ｓ１１０で否定判定されるとＳ１１１へ進み、冷凍機４の出力能力比が１００％程度になるように冷水流量の絞り込みが行われ、Ｓ１１０で肯定判定されるとＳ１１１の処理は行われない。なお、上述したようにＳ１０２での冷却水温度を最適冷却水温度とする処理により冷却水温度を比較的安定化させることが可能となるため、冷水温度の変動を小さく抑えることが可能である。冷水温度の変動が大きくなることでこのＳ１１０の判定結果がハンチングすると熱源システム１の効率に悪影響を与えることが考えられるが、上記Ｓ１０２の処理により、Ｓ１１０の判断およびそれに伴うＳ１１１の処理を的確に行うことが可能である。
【００６５】
このようなＳ１０７〜Ｓ１１１の処理によれば、稼働する冷凍機の台数を削減し、且つ
稼働している冷凍機の出力能力比を１００％以上、好ましくは過負荷状態とすることができるため、極めて高効率で冷凍機４の運転が実現されることになる。また、冷水および冷却水の流れにおいて、稼働していない冷凍機３が迂回されることで、冷水および冷却水の圧送の際に生じる各ポンプの圧損を軽減することが可能となり、熱源システム１としての効率は更に改善されることになる。
【００６６】
次に、Ｓ１０４で否定判定された後のＳ１１２以降の処理について説明する。Ｓ１０４で否定判定されることは、熱源システム１の出力負荷ＰＬが５０％以下であることを意味する。そこで、Ｓ１１２では、Ｓ１０８と同様に冷凍機３の稼働を停止し、また冷水および冷却水が冷凍機３を迂回して流れるように流量調整弁１６、１８、３５、３６が制御される。Ｓ１１２の処理が終了すると、Ｓ１１３へ進む。そして、Ｓ１１３では、実質的にＳ１０６と同様に、稼働状態にある冷凍機４に対して、算出された出力負荷ＰＬの値に応じて、冷水流量を過流量状態に増量し、冷凍機４の出力能力比を１００％とする。
【００６７】
このようなＳ１１２、Ｓ１１３の処理によれば、稼働する冷凍機の台数を削減し、且つ稼働している冷凍機４の運転効率を比較的高く維持できる。また、冷水および冷却水の流れにおいて、稼働していない冷凍機３が迂回されることで、冷水および冷却水の圧送の際に生じる圧損を軽減することが可能となり、熱源システム１としての効率は更に改善されることになる。
【００６８】
上述までのＳ１０１〜Ｓ１１３の処理が終了すると、Ｓ１１４において熱源システム１の運転を継続するか否かが判定される。当該運転の継続については、熱源システム１を管理する中央監視盤からの停止命令の有無等について判断される。ここで肯定判定されるとＳ１０１以降の処理が再度行われ、否定判定されると図５に示す冷凍機運転制御を終了する。なお、上記冷凍機運転制御では、強制的な冷凍機の稼働台数削減を行う（すなわち、Ｓ１１２の処理が行われる）熱源システム１の出力負荷の閾値は５０％であるが、この値は必ずしも固定値である必要はない。好ましくは、外気湿球温度に起因して冷却水温度が所定の温度以上である場合には、出力負荷ＰＬが５０％でも冷凍機３の稼働を停止しないように設定する。また、冷却水温度の値に応じて、強制的な冷凍機の稼働台数削減を行う出力負荷ＰＬの閾値を変動させてもよい。
【００６９】
そして、図６には、上記冷凍機運転制御が行われたときの各冷凍機の電力消費率(kW/Rt)の一例が示されている。これからも分かるように、冷却水温度が上昇するに従い、電力消費率は上昇し、冷凍機の運転効率は低下する傾向にある。しかし、熱源システム１の出力負荷ＰＬが２０％〜１００％の範囲で変動しても、冷凍機の電力消費率を、１００％負荷時の電力消費率に近い値に維持することができる。このことは、上記冷凍機運転制御によれば、熱源システム１の出力負荷ＰＬにかかわらず、冷凍機群の運転効率を比較的高い状態に維持できることを意味している。なお、図６中、太線で囲まれた領域は、冷凍機３の稼働が停止され、冷凍機４のみが稼働している状態での、該冷凍機４の電力消費率を表している。
【００７０】
また、図７には、上記冷凍機運転制御が行われる熱源システム１と、それ以外の熱源システムでのシステム効率の比較結果が示されている。なお、図７中に示す各制御方式については、冷水過流量制御は主に上記冷凍機運転制御でのＳ１０６の処理に該当し、冷凍機稼働停止制御は主に上記冷凍機運転制御でのＳ１０８の処理に該当する。また、二次冷水ポンプ変流量制御は、二次冷水ポンプ６の圧送能力を調整し冷水流量を制御するものであり、これは従来から行われている制御である。また、冷却水温度最適化制御は、上記冷凍機運転制御でのＳ１０２の処理に該当する。
【００７１】
図７中NO.1は、中近東において冷凍機が並列接続された通常の地域冷房プラント（熱源
システム）における消費電力の実測値であり、冷却水温度は25.0℃前後まで低めに運用されているものである。図７においては、このNO.1の消費電力を基準として、様々な条件の地域冷房プラントの省エネルギー率を比較している。NO.2は、冷凍機を並列接続にて冷却水温度最適化制御を行った場合をシミュレーションしたものであり、NO.1に対し１％の効率改善となっている。
【００７２】
NO.3は本発明に係る熱源システム１のように冷凍機を直列接続としたものであるが、冷水過流量制御、冷凍機稼動停止制御、冷却水温度最適化制御は採用されていない場合をシミュレーションしたものである。この場合の効率改善率はNO.1と比較して５％となった。NO.4は、NO.3のものに対して冷却水温度最適化制御を更に採用した場合をシミュレーションしたものであり、基準のNO.1に対し１０％、NO.3との比較では５％の消費エネルギーの改善を果たしている。すなわち、冷却水温度最適化制御を冷凍機の直列接続の態様に採用することで、従来の冷凍機並列接続の態様に対して、２倍程度の省エネ効果アップを得ることができる。また、NO.5は、NO.3のものに対して、冷水過流量制御、冷凍機稼働停止制御、冷却水温度最適化制御を採用した場合をシミュレーションしたものである。この場合は、基準のNO.1に対し１４％の消費エネルギー改善を、NO.4に対しても４％の消費エネルギーの改善となっている。
【００７３】
ここで、本発明のように冷凍機を直列に接続する態様における冷却水温度最適化制御の効果について、より具体的に説明する。従来の冷凍機並列接続においては、図２（ａ）に示すように、冷却水温度は冷凍機入口32.0℃、出口38.0℃である。一般に、冷凍機本体を警報停止させないための冷却水入口温度の下限値（すなわち冷却水温度最適化制御による調整可能な範囲での冷却水下限温度、以下同じ）は、22.0℃程度であり、この時出口温度は定格温度差の6.0deg℃を加えた28.0℃となる。この条件は、たとえ負荷が小さく運転されるべき冷凍機台数が少なくなった状況下においても変わらない。
【００７４】
これに対して本発明に係る熱源システム１では、図２（ａ）に示すように、冷凍機４の冷却水温度は入口32.0℃、出口35.0℃である。そして、この場合も、冷却水入口温度の下限値は同様に22.0℃程度である。従って、冷凍機稼動停止制御により冷凍機の稼働台数が１台とされると、冷却水入口温度の下限値が22.0℃程度であれば、出口温度は定格温度差3.0deg℃を加えた25.0℃となり、従来方式の28.0℃に比べて3.0℃低く運転ができる。すなわち、負荷が小さくなり冷凍機の稼働台数が１台となった運転状況下では、常に従来方式よりも冷却水温度を3.0℃程度低く運転が出来ることになる。そのため、冷水出口温度を4.4℃とした時の温度落差比は、20.6/23.6＝0.87となり13%程度冷凍機本体の効率を上昇させることができる。以上より、本発明に係る熱源システム１での冷凍機稼動停止制御と冷却水温度最適化制御のシステム効率の向上への寄与は、従来技術と比しても極めて顕著なものと言える。
【００７５】
＜熱源システム１の配置＞
次に、本発明に係る熱源システム１の具体的な配置について、図８〜図１３に基づいて説明する。本実施例では、上述のように熱源システム１がアラブ首長国連邦に構築されることを前提として以下の説明を行うが、これにより本発明が適用される地域を当該地域に限定する意図は無い。
【００７６】
アラブ首長国連邦での地域冷房用に本発明に係る熱源システム１を利用する場合、システム全体の冷房能力として20000Rt〜40000Rtが要求されると考えられ、すると一台の冷凍機の冷凍能力を一般的な2000Rt〜2500Rt程度とすると、熱源システム１としては８台〜２０台の冷凍機が必要となる。ここで、熱源システム１を実際に構築するためのプラント建設に言及する。一般に、熱源システム用のプラント建屋は、プラント専用の建物として構築されることが多く、従来、図８に示すように建物の柱間距離は6〜7.5m前後とされる例
が多い。なお図８は、熱源システムに８台の冷凍機を設置する場合の、従来から行われているその配列およびプラント建屋の柱位置を概略的に示した図である。
【００７７】
従来では、プラント設備の設計者（すなわち熱源システム１自体の設計者）とプラント建屋の建築設計者が異なっている場合が多い。そのためプラント設備の設計者から建築設計者に対して、冷凍機や冷却塔等の熱源システムの主要機器の設置に要する面積や必要階高、設計荷重等、いわばプラントの主な仕様値のみが伝達され、建築設計者はその値に従って、プラント建屋として必要な強度等が確保できるように建築設計を行うため、プラント建屋の設計および冷凍機等の配置が必ずしも適切な状態になっているとは言えなかった。したがって、上記柱間隔6〜7.5mについても、プラント建屋の床の設計荷重を一般的に採用される2.0〜3.0ton/m2としたときに得られる柱間隔の値であり、そこには熱源システムの構成要素（冷凍機等）同士の相関等が考慮されることはない。
【００７８】
そのため、従来のプラント建屋の建築設計では、図８に示すように柱１スパンに１台の冷凍機を設置する態様が一般的である。また、従来から広く普及している冷凍機を熱供給先に対して並列に接続する態様では、各冷凍機に冷水循環用の冷水ポンプと冷却水循環用の冷却水ポンプがそれぞれ必要になるため、これらのポンプ設置面積の確保、およびポンプや冷凍機のチューブ交換等のメンテナンス用スペースの確保の観点からも、柱１スパンに１台の冷凍機を設置するのが限度であると考えられる。
【００７９】
また、従来のプラント建屋の設計では、図９に示すように、冷水や冷却水用の配管、各配管が集合する集合管（往ヘッダや還ヘッダ等）、冷凍機等に配されるケーブル等は、比較的空間的余裕がある冷凍機の上部空間に敷設されることが一般的である。当該集合管については、熱源システムの冷凍能力が20000Rt程度である場合、その直径は900〜1000mm程度にもなり、そのため空間的余裕がある上記上部空間が広く利用されていると考えられる。このように上部空間を利用する場合、配管に関する機器（たとえば、制御弁等）のメンテナンス位置が高所に位置するため、メンテナンス時の作業負荷が大きくなり、また作業者の安全性の確保にも強く注意しなければならなくなる。
【００８０】
さらに、図９に示す配管等の配置を実現するためには、施工についても十分に配慮しなければならない。すなわち、冷凍機の上部空間に配管等の敷設を行うために、図１０で示すように配管、ヘッダやこれらの支持用のＨ型鋼等の重量物をチェーンブロックや門型油圧リフター等で揚重する必要があり、その際の安全性の確保には細心の注意を払う必要がある。このように従来のプラント建屋の設計では、熱源システムを配置するために必ずしも最適な構成とはなっていないと考えられる。
【００８１】
そこで、本発明に係る熱源システム１については、それが２台の冷凍機を直列に接続して冷凍機群を形成する構成となっている点に着目して、当該熱源システム１を収めるプラント建屋の構造を、図１１に示す構造とする。この場合、柱スパンを従来と比べて長く10〜11mとする。そして、その間隔で配置された４本の柱で画定される１区画内に、熱源システム１の冷凍機群を構成する２台の冷凍機を配置する。それと同時に、当該冷凍機群に対応する冷水ポンプと冷却水ポンプも、その１区画内に配置する。すなわち、熱源システム１においては、１つの冷凍機群に対して冷水ポンプ（図１で示す一次冷水ポンプ５）と冷却水ポンプ（図１で示す冷却水ポンプ７）が設置されるため、これらのポンプと冷凍機群を一まとめとして、比較的幅広に設定された柱スパンで形成される上記１区画内に収める構成とする。したがって、図１１に示す熱源システム１は、２台の冷凍機を直列に接続した冷凍機群を、並列に４群接続したものである。
【００８２】
図１１に示すプラント建屋の設計を行うことで、建屋内に冷凍機をコンパクトに収納することができ、換言すると冷凍機等の機器を集約して配置することができるため、図８に
示した従来の建屋設計の場合と比べても配管の必要な施工長さや、配管同士をつなぐ継ぎ手の数を低減することができ、更には冷凍機等の動力ケーブル長の短縮、ケーブル敷設工事量の低減も実現できる。また、本実施例では、冷凍機を２台直列に接続しているため、機器周りの配管の長さを低減することができる。ここで、配管の施工長さを低減することは、冷水ポンプや冷却水ポンプによる圧送時の圧損を低減することにもつながり、以て熱源システム１の効率改善を促進する結果となる。
【００８３】
なお、図１１に示すように柱スパンを従来よりも広げることで、プラント建屋の建築構造上、よりスラブ厚を大きくするか、あるいは途中に新たな梁を入れるか等、新たな建築構成が必要となる。しかし、熱源システム１を構成する冷凍機の設置に必要な延床面積を考慮すると、従来の設計形態である図８に示す形態では、８台の冷凍機設置に１６区画が必要であるが、本発明の設計形態である図１１に示す形態では、６区画が必要とされる。面積自体で比較すると、従来の設計形態では900m2必要とされるが、本発明の設計形態では必要面積を600m2に抑えることができる。したがって、プラント建屋自体の大きさを小さくできるため、建屋に必要とされる構造強度を大きくすることになるが、必要となる新たな建築構成の必要性を相殺できる可能性がある。
【００８４】
また、配管やヘッダ等の敷設については、図１２に示すように床に配管敷設用のピットを構築し、そこに配管やヘッダ等を敷設する。そのため、配管等の敷設位置が、冷凍機が設置されている床面に近い位置となる。これにより、重量物の揚重作業が必要なくなり、また配管等と冷凍機が近い高さに設置されることになるため、配管の施工長さの削減、配管やケーブルの敷設工事量の削減を図ることができる。
【００８５】
このような配管敷設用のピット構築は、上述したようにプラント建屋の柱スパンを拡大することで、より容易にそのピット構築のための空間を確保することができる。また、配管敷設用ピットを構築し、配管やヘッダ等を床面レベルに下ろすことで、熱源システムを格納する階高を従来よりも低くすることができる（図１２に示す例では、1m階高を圧縮している）。そのため、配管敷設用ピットによる床面の飛び出しと階高の圧縮とで概ね相殺できるため、図１２に示す構成を採用することによりプラント建屋の高さが徒に高くなることは回避できる。
【００８６】
また、本発明に係るプラント建屋の設計態様である、柱スパンの拡大および配管敷設用ピットの構築を採用することで、図１３に示すように冷凍機や配管、ヘッダ等を平面的に配置できるため、冷凍機やヘッダ間等の寸法を正確に測定できるようになる。その結果、配管等の加工工場や、プラント建屋の製造加工工場でのプレファブの加工精度を上げることができ、以てし損じ率を低減でき、プラント設備の工期を短縮することが可能となる。
【符号の説明】
【００８７】
１・・・・熱源システム
２・・・・冷却塔
３、４・・・・冷凍機
３ａ、４ａ・・・・蒸発器
３ｂ、４ｂ・・・・凝縮器
５・・・・一次冷水ポンプ
６・・・・二次冷水ポンプ
７・・・・冷却水ポンプ
１０・・・・還ヘッダ
１１・・・・往ヘッダ
１２・・・・冷水配管
１３・・・・冷水バイパス配管
３０・・・・冷却水往配管
３１・・・・冷却水配管
３２・・・・冷却水還配管
３３・・・・冷却水バイパス配管
４０・・・・制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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