(57)【要約】  【課題】熱媒ポンプおよび熱媒機器の運転を外部負荷に見合う最適運転とすることにより消費電力の削減を図ると同時に、熱源機器の通水流量を確保し不安定化を回避する。  【解決手段】熱媒ポンプ3A〜3Cをポンプ揚程を変更可能とするとともに、外部負荷機器5の循環流量を測定する流量計10と、前記熱源機器2A〜2Cの通水量を測定する流量計11と、前記バイパス弁９を跨ぐ間の差圧を測定する差圧計12とを配設し、かつ前記循環流量に基づき熱媒ポンプ3A〜3Cの揚程を制御するとともに、熱源機器通水量を前記バイパス弁９の開度により制御し、前記熱媒ポンプ3A〜3Cの周波数変更の影響を打ち消すようにバイパス弁開度に修正を加えるとともに、バイパス弁開度変更の影響を打ち消すように熱媒ポンプ3A〜3Cの周波数に修正を加えることにより相互干渉を抑える制御装置15とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒を冷却又は加熱する１又は複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス路と、このバイパス路を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁とを備える１ポンプ方式熱源設備において、
前記熱媒ポンプを周波数制御によりポンプ揚程を変更可能とするとともに、前記外部負荷機器を循環する循環流量を測定するための流量計と、前記熱源機器の通水量を測定するための流量計と、前記バイパス弁を跨ぐ間の差圧を測定する差圧計とを配設し、
かつ前記循環流量に基づき熱媒ポンプの周波数変更によりポンプ揚程を制御するとともに、熱源機器通水量を前記バイパス弁の開度により制御し、さらに前記熱媒ポンプの周波数変更の影響を打ち消すようにバイパス弁開度に修正を加えるとともに、バイパス弁開度変更の影響を打ち消すように熱媒ポンプの周波数に修正を加えることにより相互干渉を抑えるように制御するための制御装置とを備えることを特徴とする１ポンプ方式熱源設備。
【請求項２】
前記相互干渉を抑える制御は、熱媒ポンプ及びバイパス弁基本特性に基づき、バイパス弁流量又はバイパス弁差圧が一定であることを条件として、前記熱媒ポンプの運転周波数とバイパス弁開度との関係から求めた非干渉制御モデルとする請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地域冷暖房施設等の熱源供給システムや、工場、一般ビルなどの熱源供給システムとして用いられる１ポンプ方式熱源設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷凍機や温水機等の複数の熱源機器群を備える１ポンプ方式熱源設備の増減段制御システムとして、図６に示されるものが知られている。
【０００３】
熱源システム５０は、熱媒を加熱又は冷却する第１〜第３の熱源機器５１Ａ〜５１Ｃ、及び各熱源５１Ａ〜５１Ｃで加熱又は冷却された熱媒を圧送する各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃ、各熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃで圧送された熱媒を集め、外部負荷機器５４に送る送りヘッダ５３と、外部負荷機器５４から還ってきた熱媒を各熱源機器５１Ａ〜５１Ｃに分配する戻りヘッダ５５と、前記送りヘッダ５３と戻りヘッダ５５とを繋ぐバイパス路５６とを備える構成となっている。そして、運転制御のための機器類として、前記バイパス路５６を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁５７と、送りヘッダ５３と戻りヘッダ５５との間の熱媒の差圧（ΔＰ）を計測する差圧計５８と、外部負荷機器５４に送られる熱媒の温度（往水温度ＴＳ）を検出する温度計５９と、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃに流入する熱媒の温度（熱源機器流入温度ＴＩ）を検出する温度計６０と、戻りヘッダ５５に戻される熱媒の流量を測定する流量計６１と、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの制御及びバイパス弁５７の開度制御を行う制御装置６２とを備える。
【０００４】
かかる熱源設備５０においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃにより圧送された熱媒は、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにより冷却又は加熱され、送りヘッダ５３において混合され、往水管路を介して外部負荷機器５４へ供給される。そして、外部負荷機器５４において熱交換された後、還水管路を介して戻りヘッダ５５に戻され、再び熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃによって圧送され循環する。この熱媒循環制御に当たり、前記制御装置６２は、送りヘッダ５３と戻りヘッダ５５との間の差圧（ΔＰ）を監視し、この差圧ΔＰを一定とするようにバイパス弁５７の開度、すなわちバイパス路５６を流れる熱媒の流量を制御するとともに、流量計６１が計測する負荷流量に応じて熱源機器５１Ａ〜５１Ｃ及び熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃの運転台数を制御する（下記特許文献１〜３等参照）。
【０００５】
また、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃの増減段制御は、例えば最初に１台の熱源機器５１Ａと、対応する１台の熱媒ポンプ５２Ａを稼働させる。この熱媒ポンプ５２Ａの稼働は定格流量で稼働させる。この状態で、例えば、熱媒は熱源機器５１Ａにおいて５℃に冷却され、外部負荷機器５４で熱交換され１４℃の熱媒となり、戻りヘッダ５５に戻される。
【０００６】
その後、外部負荷機器５４から要求される熱量が増えるに従って、増段閾値を超えた段階で、第２の熱源機器５１Ｂと、対応する熱媒ポンプ５２Ｂを稼働させる。さらに、増段閾値を超えた段階で第３の熱源機器５１Ｃと、対応する熱媒ポンプ５２Ｃを稼働させることにより、外部負荷機器５４の負荷熱量増減に対応するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−１８６８３号公報
【特許文献２】特開２００４−１８４０５２号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記１ポンプ方式熱源設備においては、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃを定格で稼働し、吐出圧を一定とすることで、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにおける流量を確保し、不安定化（ハンチング等）を回避するようにしているため、小負荷時においてもポンプ動力を低減することができないなどの問題があった。
【０００８】
また、前記熱源機器５１Ａ〜５１Ｃにおいては、所定の熱媒温度差（上記例では９℃）である場合に、その最大能力を発揮するようになっている。しかし、実際には、特に小負荷時において、水の往き還り温度差が低下する現象が発生している。この往き還り温度差の低下は、バルブの開け過ぎや圧力の掛かりすぎにより外部負荷機器５４に必要以上の冷水が流入していたり、外部負荷機器５４を通過する風量が不足していたり、熱交換器が劣化していたりする場合に起こることもあるし、或いは外部負荷機器５４をバイパスする末端バイパスを設けたことが原因していたり、更にはバイパス管５６を流れる熱媒の流量増大等、様々な原因で生じるものであるが、熱媒の往き還り温度差が低下することにより、熱媒ポンプ５２Ａ〜５２Ｃは定格稼働しているが、熱源機器５１Ａ〜５１Ｃは自己の冷却能力を絞った運転をしている状態となる。この状態で、外部負荷機器５４が要求する熱量が増大すると、第１の熱源機器５１Ａが絞り運転しているにも拘わらず、第２、第３の熱源機器５１Ｂ、５１Ｃへの増段が図られてしまうことになっていた。すなわち、各熱源機器５１Ａが最大能力を発揮する前に、第２、第３の熱源機器５１Ｂ、５１Ｃへの不要な増段が行われ、不経済な運転が行われていた。
【０００９】
そこで本発明の主たる課題は、熱媒ポンプおよび熱媒機器の運転を外部負荷に見合う最適運転とすることにより消費電力の削減を図ると同時に、熱源機器の通水流量を確保し、不安定化を回避するようにした１ポンプ方式熱源設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、熱媒を冷却又は加熱する１又は複数の熱源機器と、各熱源機器に対応して設けられるとともに、冷却又は加熱された熱媒を圧送する熱媒ポンプと、前記熱源機器からの熱媒を集約する送りヘッダと、この送りヘッダから熱媒を供給される外部負荷機器と、外部負荷機器で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器に分配する戻りヘッダと、前記送りヘッダ部又はその近傍と前記戻りヘッダ部又はその近傍とを繋ぐバイパス路と、このバイパス路を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁とを備える１ポンプ方式熱源設備において、
前記熱媒ポンプを周波数制御によりポンプ揚程を変更可能とするとともに、前記外部負荷機器を循環する循環流量を測定するための流量計と、前記熱源機器の通水量を測定するための流量計と、前記バイパス弁を跨ぐ間の差圧を測定する差圧計とを配設し、
かつ前記循環流量に基づき熱媒ポンプの周波数変更によりポンプ揚程を制御するとともに、熱源機器通水量を前記バイパス弁の開度により制御し、さらに前記熱媒ポンプの周波数変更の影響を打ち消すようにバイパス弁開度に修正を加えるとともに、バイパス弁開度変更の影響を打ち消すように熱媒ポンプの周波数に修正を加えることにより相互干渉を抑えるように制御するための制御装置とを備えることを特徴とする１ポンプ方式熱源設備が提供される。
【００１１】
上記請求項１記載の本発明では、従来は定格で稼働されていた熱媒ポンプを周波数制御（回転数）によりポンプ揚程を変更可能とする。そして、流量減少時にはポンプの吐出圧を下げることにより、往き還り温度差の低下を防止するとともに、ポンプ動力の低減を図るようにする。一方で、熱源機器には所定の通水量が確保されていないと、ハンチング等の不安定化を引き起こすことになるので、熱源機器通水量が一定となるようにバイパス弁を制御する。この際、ポンプ揚程変更の影響と、バイパス弁の開度変更の影響は互いに干渉し合う関係にあるため、ポンプ揚程が変化した時は、その影響を打ち消す動作をバイパス弁開度に修正を加える。また、バイパス弁開度が変化した時には、その影響を打ち消す動作をポンプ運転周波数に修正を加えることにより、相互の干渉を抑え、熱源機器通水流量を確保し、運転状態を安定させるようにする。
【００１２】
請求項２に係る本発明として、前記相互干渉を抑える制御は、熱媒ポンプ及びバイパス弁基本特性に基づき、バイパス弁流量又はバイパス弁差圧が一定であることを条件として、前記熱媒ポンプの運転周波数とバイパス弁開度との関係から求めた非干渉制御モデルとする請求項１記載の１ポンプ方式熱源設備が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
以上詳説のとおり本発明によれば、熱媒ポンプおよび熱媒機器の運転を外部負荷に見合う最適運転とすることにより消費電力の削減を図ると同時に、熱源機器の通水流量を確保し、不安定化を回避できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
【００１５】
〔熱源設備の構成〕
図１に示される１ポンプ方式熱源設備１は、熱媒を冷却又は加熱する複数の熱源機器２Ａ〜２Ｃと、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに対応して設けられるとともに、熱媒を圧送する熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃと、前記熱源機器２Ａ〜２Ｃからの熱媒を集約する送りヘッダ４と、送りヘッダ４から熱媒が供給される外部負荷機器５と、外部負荷機器５に設けられた空調負荷制御弁６と、外部負荷機器５で熱交換された熱媒が戻されるとともに、各熱源機器２Ａ〜２Ｃに分配する戻りヘッダ７と、前記送りヘッダ部４又はその近傍と戻りヘッダ部７又はその近傍とを繋ぐバイパス路８と、このバイパス路８を流れる熱媒の流量を調整するバイパス弁９とを備えるものであり、本制御のために、前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃを周波数制御によりポンプ揚程を変更可能とするとともに、前記外部負荷機器５を循環する循環流量を測定するための流量計１０と、熱源機器２Ａ〜２Ｃの通水量を測定するための流量計１１と、前記バイパス弁９を跨ぐ間の差圧を測定する差圧計１２と、往水温度を測定するための温度計１３と、熱源機器流入温度を測定するための温度計１４と、これら各計測器による測定値に基づいて熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数制御と、バイパス弁９の開度制御等を行う制御装置１５を備えている。なお、図１に破線で示すように、前記外部負荷機器５をバイパスする末端バイパス回路１６を設けるようにしてもよい。
【００１６】
具体的に前記制御装置１５は、外部負荷機器５からの要求に基づく熱媒の循環流量に基づいて、図５に示されるように、必要循環流量が多くなれば吐出圧（揚程）が多くなるように、また必要循環流量が少なくなれば吐出圧（揚程）が少なくなるように熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数（回転数）を比例制御することによりポンプ揚程を調整する。これによって、外部負荷機器５の小負荷時には、ポンプ運転周波数を下げることでポンプ揚程を下げ、低温の往き冷水が熱交換されずに戻りヘッダ７に入り込むことを防止するとともに、ポンプ動力の削減を図る。
【００１７】
また、ポンプ揚程の変化により熱源機器の通水量が変化するのを抑えるためにバイパス弁９の開度を制御する。この際に、ポンプ揚程（ポンプ運転周波数）の変更と、バイパス弁の開度変更とは互いに干渉し合う関係にあるため、前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数変更の影響を打ち消すようにバイパス弁９の開度に修正を加えるとともに、バイパス弁９の開度変更の影響を打ち消すように熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数に修正を加えることにより、相互干渉を抑えるように制御する。
【００１８】
前記制御装置１５における相互干渉を抑える制御は、熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの基本特性及びバイパス弁９の基本特性に基づき、バイパス弁流量又はバイパス弁差圧が一定であることを条件として、熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの運転周波数とバイパス弁９の開度との関係から求めた、下記非干渉モデル（その１）及び非干渉モデル（その２）により実行するものとする。
【００１９】
〔非干渉制御モデル〕
以下、前記熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数変更の影響を打ち消すようにバイパス弁９の開度に修正を加える非干渉制御モデル（その１）と、バイパス弁９の開度変更の影響を打ち消すように熱媒ポンプ３Ａ〜３Ｃの周波数に修正を加える非干渉制御モデル（その２）とについて詳述する。
【００２０】
(1)非干渉制御モデル（その１）
非干渉制御モデル（その１）は、バイパス弁差圧が変化してもバイパス流量が変化しないようにバイパス弁９の開度を補正するものである。
【００２１】
先ず、熱媒ポンプ３の基本特性として次式(1)〜(3)が成立する。
【００２２】
ポンプ揚程と運転周波数の関係式として次式(1)が成立する。
【００２３】
【数１】
2006220363.tif 000003
【００２４】
次いで、ポンプ流量とポンプ運転周波数との関係式として次式(2)が成立する。
【００２５】
【数２】
2006220363.tif 000004
【００２６】
さらに、ポンプ揚程とバイパス弁差圧との関係式として次式(3)が成立する。
【００２７】
【数３】
2006220363.tif 000005
【００２８】
運転周波数変更後のポンプ揚程変動幅（dPｎ＝Pｎ−Pｎ−１）は、上記(1)式及び(3)式より、下式(4)となる（図３参照）。
【００２９】
【数４】
2006220363.tif 000006
【００３０】
運転周波数変更後は、ポンプ揚程だけでなく流量も変動するが、その変動幅は小さいので無視しても良いと仮定する。
【００３１】
よって、運転周波数変更後のバイパス弁差圧（Pbｎ）は、次式(5)となる。
【００３２】
【数５】
2006220363.tif 000007
【００３３】
次に、バイパス弁差圧が変動しても、バイパス流量(Ｑｂ)は変動しないバルブ開度を算出する。
【００３４】
バイパス弁の流量（Ｑb）と、弁開度特性（Ｃv）と、弁差圧（Ｐb）との関係は次式(6)となる。
【００３５】
【数６】
2006220363.tif 000008
【００３６】
リニア特性の場合、任意バイパス弁開度時の流量係数は、次式(7)となる。
【００３７】
【数７】
2006220363.tif 000009
【００３８】
バイパス弁流量(Ｑb)について、上式(6)を解くと、運転周波数変更後のバイパス弁流量Ｑｂは、次式(8)となる。
【００３９】
【数８】
2006220363.tif 000010
【００４０】
運転周波数変更前のバイパス弁流量(Ｑｂ)は、次式(9)となる。
【００４１】
【数９】
2006220363.tif 000011
【００４２】
よって、バイパス弁流量(Ｑｂ)は変わらないので上式(7)〜(9)より、下式(10)が成立する。
【００４３】
【数１０】
2006220363.tif 000012
【００４４】
上式(10)をσｎについて解くと、下式(11)となる。
【００４５】
【数１１】
2006220363.tif 000013
【００４６】
従って、上式(11)により、ポンプ運転周波数変更の影響を打ち消すバイパス弁９の開度σｎを求めることができる。
【００４７】
(2)非干渉制御モデル（その２）
非干渉制御モデル（その２）は、バイパス流量Ｑｂが変化してもバイパス弁差圧Ｐｂが変化しないように、ポンプ運転周波数を補正するものである。
【００４８】
まず、上式(6)を用いてバイパス弁開度変更後のバイパス弁差圧Ｐｂについて解くと、下式(12)となる
【００４９】
【数１２】
2006220363.tif 000014
【００５０】
従って、バイパス弁開度変更前のバイパス弁差圧Ｐｂは、下式(13)となる。
【００５１】
【数１３】
2006220363.tif 000015
【００５２】
バイパス弁差圧Ｐｂは変わらないので、上式(7)、(12)、(13)より、下式(14)が成立する。
【００５３】
【数１４】
2006220363.tif 000016
【００５４】
バイパス弁開度変更後のバイパス流量Ｑbｎは、上式(14)より次式(15)となる。
【００５５】
【数１５】
2006220363.tif 000017
【００５６】
また、バイパス弁開度変更後のバイパス流量の変動幅(ｄＱbｎ=Ｑbｎ−Ｑbｎ−１)は、次式(16)となる。
【００５７】
【数１６】
2006220363.tif 000018
【００５８】
バイパス弁変更前のポンプ流量をＱｎ−１、バイパス弁開度変更後のポンプ流量をＱｎとすると、次式(17)が成立する（図４参照）。
【００５９】
【数１７】
2006220363.tif 000019
【００６０】
バイパス弁開度変更後は、ポンプ流量だけでなく揚程も変動するが、その変動幅は小さいので無視しても良いと仮定すると、ポンプの基本特性式上式(3)と(17)とにより、バイパス弁開度変更後のポンプ運転周波数ＩＮＶｎは、次式(18)となる。
【００６１】
【数１８】
2006220363.tif 000020
【００６２】
従って、上式(18)により、バイパス弁開度変更の影響を打ち消すポンプ運転周波数ＩＮＶｎを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る１ポンプ方式熱源設備１のブロック図である。
【図２】非干渉制御モデルの概念図である。
【図３】非干渉制御モデル（その１）のポンプ揚程変動状態図である。
【図４】非干渉制御モデル（その２）のバイパス流量変動状態図である。
【図５】ポンプ揚程と流量との相関概念図である。
【図６】従来の１ポンプ方式熱源設備５０のブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…１ポンプ方式熱源設備、２Ａ〜２Ｃ…熱源機器、３Ａ〜３Ｃ…熱媒ポンプ、４…送りヘッダ、５…外部負荷機器、６…空調負荷制御弁、７…戻りヘッダ、８…バイパス路、９…バイパス弁、１０・１１…流量計、１２…差圧計、１３・１４…温度計、１５…制御装置
【図１】
2006220363.tif 000021
【図２】
2006220363.tif 000022
【図３】
2006220363.tif 000023
【図４】
2006220363.tif 000024
【図５】
2006220363.tif 000025
【図６】
2006220363.tif 000026