(57)【要約】【課題】本発明の課題は、空調設備の規模やグレードに応じた最適な冷却水配管方式を容易かつ迅速に決定し、設計者の設計検討作業の省力化を達成し得る冷却水配管設計装置を提供することにある。【解決手段】本発明は、コンピュータにより熱源機の冷却水配管を設計する冷却水配管設計装置であって、配管条件設定部３８により設定された冷却水配管の設計条件、および、制御条件設定部３９により設定された冷却水搬送装置の制御条件、および、冷却塔条件設定部４０により設定された冷却塔の設計条件、および、管材データベース４１に記憶された特性情報に基づいて、冷却水配管方式ごとにバイパス管の最大流量および最小管径を算出する演算処理部３６を備えることを特徴とする。【選択図】    図１
2004287971.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータにより熱源機の冷却水配管を設計する冷却水配管設計装置であって、
冷却水配管の管材、管径、配管構成部材などの設計条件を設定する配管条件設定手段と、
冷却水搬送装置の制御条件を設定する制御条件設定手段と、
冷却塔の種別、実揚程などの設計条件を設定する冷却塔条件設定手段と、
冷却水配管の管材および配管構成部材の特性情報を記憶する管材データベースを含む記憶手段と、
前記配管条件設定手段により設定された冷却水配管の設計条件、および、前記制御条件設定手段により設定された冷却水搬送装置の制御条件、および、前記冷却塔条件設定手段により設定された冷却塔の設計条件、および、前記管材データベースに記憶された特性情報に基づいて、冷却水配管方式ごとにバイパス管の最大流量および最小管径を算出する演算処理手段と
を備えることを特徴とする冷却水配管設計装置。
【請求項２】
前記演算処理手段は、さらに、冷却水配管および配管構成部材の数量や価格に基づいて、冷却水配管方式ごとに配管コストを算出することを特徴とする請求項１に記載の冷却水配管設計装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調設備用冷却水配管の設計装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
空調設備の冷却水回路は、主に、冷凍機の凝縮器、冷凍機の凝縮器から出る高温冷却水を冷却する冷却塔、冷却水を冷却水回路内で循環させる冷却水ポンプ、冷却水往管、冷却水還管、冷却水往管と冷却水還管を連結するバイパス管、および、弁・継手類から構成される。
【０００３】
冷凍機の凝縮器に戻る冷却水の温度（冷却水入口温度）が所定値以下になると、冷凍機の過冷却防止装置の作用により冷凍機が停止する。また、冷却水出口温度が所定値以上になると、サージングや高圧異常により冷凍機が停止する。したがって、冷却水入口温度は必ず許容温度範囲内に制御される必要がある。
【０００４】
冷凍機負荷が高負荷となる時には、冷凍機の凝縮器から出た高温冷却水は全て冷却水還管を経由して冷却塔に搬送され、冷却塔内に導入される外気との熱交換処理によって低温冷却水に減温された後、冷却水往管を経由して再び凝縮器に戻される。
【０００５】
また、冷凍機負荷が低負荷となる時には、冷却水入口温度が所定値以上になるよう、冷凍機の凝縮器から出た高温冷却水の一部または全部がバイパス管に分流されるとともに、残りの高温冷却水が冷却水還管を経由して冷却塔に搬送された後、低温冷却水に減温される。バイパス管に分流された高温冷却水と冷却塔からの低温冷却水は冷却水往管で混合され、再び凝縮器に戻される。
【０００６】
バイパス管を有する冷却水配管システムは以下の三方式に大別される。各方式において、制御弁の開度は、冷却水入口温度が所定の温度設定値になるように自動制御される。
【０００７】
▲１▼三方弁方式
図３（ａ），（ｂ）は従来の三方弁方式を示す配管図である。図３（ａ），（ｂ）において、１１は冷凍機、１２は冷却塔、１３は冷却水還管、１４は冷却水往管、１５はバイパス管、１６は冷却水ポンプ、１７は三方弁（分流弁）、１８は三方弁（混合弁）であり、矢印は冷却水の流れ方向を表す。
【０００８】
これは、バイパス管１５の冷却水還管１３側端部または冷却水往管１４側端部に三方弁１７または１８が設けられる配管方式である。前者の場合には三方弁１７は分流弁として機能し、後者の場合には三方弁１８は混合弁として機能する。
【０００９】
▲２▼主管・バイパス二方弁方式
図４（ａ），（ｂ）は従来の主管・バイパス二方弁方式を示す配管図である。図４中、図３と同一部分は同一符号を付して説明する。図４（ａ），（ｂ）おいて、１９はバイパス二方弁、２０は主管二方弁である。
【００１０】
これは、バイパス管１５および冷却水還管１３、または、バイパス管１５および冷却水往管１４にそれぞれ二方弁１９または２０が設けられる配管方式である。
【００１１】
▲３▼バイパス二方弁方式
図５は従来のバイパス二方弁方式を示す配管図である。図５中、図３および図４と同一部分は同一符号を付して説明する。
【００１２】
これは、バイパス管１５にのみ二方弁１９が設けられる配管方式である。例えば、特開平８−２７８０９６号公報には、この方式を用いた冷却水温度制御装置が記載されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平８−２７８０９６号公報「冷却塔システムの制御方法」。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、空調設備の冷却水回路、特にバイパス管の設計検討作業においては、前述の冷却水配管方式の選定に関する客観的な採用基準が決まっておらず、設計者個々人の技術力や検討状況の相違による設計案のばらつきが大きかった。そのため、バイパス二方弁方式で十分な性能を発揮し得る設備に対して高価な三方弁方式を採用するなど、冷却水配管システムが時に要求性能に対して過剰仕様になるという問題があった。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、空調設備の規模やグレードに応じた最適な冷却水配管方式を容易かつ迅速に決定し、設計者の設計検討作業の省力化を達成し得る冷却水配管設計装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、コンピュータにより熱源機の冷却水配管を設計する冷却水配管設計装置であって、冷却水配管の管材、管径、配管構成部材などの設計条件を設定する配管条件設定手段と、冷却水搬送装置の制御条件を設定する制御条件設定手段と、冷却塔の種別、実揚程などの設計条件を設定する冷却塔条件設定手段と、冷却水配管の管材および配管構成部材の特性情報を記憶する管材データベースを含む記憶手段と、前記配管条件設定手段により設定された冷却水配管の設計条件、および、前記制御条件設定手段により設定された冷却水搬送装置の制御条件、および、前記冷却塔条件設定手段により設定された冷却塔の設計条件、および、前記管材データベースに記憶された特性情報に基づいて、冷却水配管方式ごとにバイパス管の最大流量および最小管径を算出する演算処理手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１７】
また、前記演算処理手段は、さらに、冷却水配管および配管構成部材の数量や価格に基づいて、冷却水配管方式ごとに配管コストを算出することを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施形態例に係る冷却水配管設計装置の構成を表す機能ブロック図である。冷却水配管設計装置３１は、ユーザー入出力部３２、および、ユーザー・インターフェイス３３を介して、データ入出力、演算処理、記憶等が実行されるコンピュータよりなるシステムである。ユーザー入出力部３２の入力手段には、例えば、キーボードやマウス等のデバイスが用いられ、ユーザー入出力部３２の出力手段には、例えば、ディスプレイ、プリンタ等のデバイスが用いられる。なお、ユーザー入出力部３２は前述のデバイスに限定されず、通信ネットワークなど、ユーザーおよびコンピュータ間でデータ授受が正しく行われるものであればその種類は問わない。冷却水配管設計装置３１に関するデータ入出力、演算処理、記憶等が実行されるコンピュータは、少なくとも、ユーザー・インターフェイス３３を介して種々のデータが入力・設定される入力設定部３４、各種データベースや設定値が格納される記憶部３５、冷却水配管設計に必要な演算や処理が実行される演算処理部３６、演算処理部３６の処理結果が表示・出力される表示出力部３７を備える構成となっている。
【００２０】
以下に、本発明の実施形態例に係る冷却水配管設計装置３１を構成するコンピュータに実装された主要各部の処理を説明する。
【００２１】
（１）入力設定部３４
入力設定部３４は、配管条件設定部３８、制御条件設定部３９、冷却塔条件設定部４０を含んで構成される。
【００２２】
配管条件設定部３８では、ユーザー入出力部３２からユーザー・インターフェイス３３を介して、冷却水配管、すなわち、冷却水往管、冷却水還管、バイパス管の配管設計条件に関する情報が設定される。主管に相当する冷却水往管および冷却水還管の配管設計条件には、管材種別、管径［ｍｍ］、流量［ｍ３／ｈ］が設定される。これらの配管設計条件は、熱源機（例えば冷凍機）の仕様に基づいて簡単に算出あるいは設定することができる。また、バイパス管の配管設計条件には、管材種別、直管長さ［ｍ］、配管構成部材、許容最大流速［ｍ／ｓ］、単位長さあたりの許容最大摩擦損失水頭［Ｐａ／ｍ］が設定される。配管構成部材には、例えば、弁類（制御弁や手動弁）、継手類（エルボ、チーズなど）、計器類が選択できる。
【００２３】
制御条件設定部３９では、ユーザー入出力部３２からユーザー・インターフェイス３３を介して、冷却水ポンプの制御条件に関する情報が設定される。設定される制御条件は、冷却水ポンプの制御方法（定速運転または可変速運転のいずれか）、および、可変速運転とする場合に冷却水ポンプに付設する可変流量制御装置（インバータ）の制御特性である。インバータの制御特性には、最大制御出力値［％］と最小制御出力値［％］を設定する。
【００２４】
冷却塔条件設定部４０では、ユーザー入出力部３２からユーザー・インターフェイス３３を介して、冷却塔の設計条件に関する情報が設定される。設定される設計条件は、冷却塔種別（密閉式冷却塔または開放式冷却塔のいずれか）、冷却塔実揚程［Ｐａ］、冷却塔装置抵抗［Ｐａ］、および、安全係数であり、下式により、冷却塔種別ごとに制限値が算出される。
【００２５】
冷却塔実揚程［Ｐａ］÷安全係数＝制限値［Ｐａ］（開放式の場合）    （１）
冷却塔装置抵抗［Ｐａ］÷安全係数＝制限値［Ｐａ］（密閉式の場合）    （２）
ここで、冷却塔実揚程とは、開放式冷却塔における冷却塔水面より冷却水（還）配管端までの高さを指す。また、安全係数は、バイパス管の設計検討作業に必要となる安全を見込んだ定数であり、必ず１以上の値とする。
【００２６】
なお、入力設定部３４に設定された情報は、冷却水配管設計装置３１内の記憶部３５に記憶され、後述する演算処理部３６における処理に利用される。
【００２７】
（２）記憶部３５
管材データベース（ＤＢ）４１は、主管およびバイパス管の管材や配管構成部材の各々について、特性情報データが記憶されたデータベースである。管材に関するデータ項目は、管径別の単価、管径・流量別の単位長さ当たりの摩擦損失水頭［Ｐａ／ｍ］である。管径・流量別の単位長さ当たりの摩擦損失水頭は、管材別の流量線図に基づいて設定される。また、配管構成部材に関するデータ項目は、管径別の単価および局部抵抗の相当長［ｍ］である。
【００２８】
なお、管材および配管構成部材の特性情報データを新規登録または修正する場合は、ユーザー入出力部３２からユーザー・インターフェイス３３を介した編集作業を実行することにより、管材データベース４１にデータを随時設定することができる。
【００２９】
（３）演算処理部３６
演算処理部３６は、演算部４２、比較処理部４３を含んで構成される。
【００３０】
（３−１）演算部４２
演算部４２では、前述した冷却水配管方式ごとに、バイパス管の最大流量・最小管径および配管コストを算出する。演算手順を以下に示す。
【００３１】
（３−１−１）バイパス管の最大流量の算出
バイパス管が最大流量となるのは、バイパス管に設けられた弁が最大開度になるときである。冷却水ポンプが可変速運転される場合、バイパス流が生じている限りインバータ制御出力値を下限まで低下させ得るものと仮定すれば、配管条件設定部３８において設定される主管流量と、制御条件設定部３９において設定されるインバータ最小制御出力値を乗算し、これをさらにインバータ最大制御出力値で除した値がバイパス管の最大流量となる。
【００３２】
一方、冷却水ポンプが定速運転される場合は、配管条件設定部３８において設定される主管流量がそのままバイパス管の最大流量となる。
【００３３】
（３−１−２）バイパス管の最小管径の算出
バイパス管の管径決定に際しては、バイパス管内流速を許容最大流速以下とし、かつ、単位長さあたりの摩擦損失水頭を単位長さあたりの許容最大摩擦損失水頭以下にする必要がある。すなわち、演算手順（３−１−１）において決定されるバイパス管の最大流量と、配管条件設定部３８において設定されるバイパス管の管材種別、直管長さ、配管構成部材と、管材データベース４１に記憶された特性情報（管径・流量別の単位長さ当たりの摩擦損失水頭）から流量線図を参照してバイパス管の最小管径を算定する。
【００３４】
（３−１−３）バイパス管の配管コストの算出
配管条件設定部３８において設定されるバイパス管の直管長さ、バイパス管構成部材の数量と、管材データベース４１に記憶され、演算手順（３−１−２）で算定されたバイパス管の管径に対応する部材単価から配管コストを算定する。
【００３５】
続いて、以下の手順で、バイパス管の配管摩擦損失水頭とバイパス管の許容最大摩擦損失水頭を算定する。
【００３６】
（３−１−４）バイパス管の単位長さあたりの摩擦損失水頭の算出
配管条件設定部３８で設定されたバイパス管設計条件（許容最大流速および単位長さあたりの許容最大摩擦損失水頭）と、演算手順（３−１−１）で算定されたバイパス管の最大流量と、演算手順（３−１−２）で算定されたバイパス管の最小管径と、記憶部３５に記憶された管径・流量別の単位長さ当たりの摩擦損失抵抗から、バイパス管の単位長さあたりの摩擦損失水頭を求める。
【００３７】
（３−１−５）バイパス管の摩擦損失水頭の算出
配管条件設定部３８で設定したバイパス管長およびバイパス管構成部材の数量と、演算手順（３−１−２）で算定されたバイパス管の最小管径と、記憶部３５に記憶された配管部材の相当長と、演算手順（３−１−４）で求められたバイパス管の単位長さあたりの摩擦損失水頭からバイパス管の摩擦損失水頭を算定する。
【００３８】
（３−１−６）バイパス管の許容最大摩擦損失水頭の算出
前掲の式（１）または（２）を用いて、冷却塔条件設定部４０で設定された冷却塔実揚程または冷却塔装置抵抗、および安全係数から、前述の制限値、すなわち、バイパス管の許容最大摩擦損失水頭を算定する。
【００３９】
（３−１−７）バイパス二方弁方式の採否の判定
演算手順（３−１−５）で算定されたバイパス管の摩擦損失水頭が、演算手順（３−１−６）で算定されたバイパス管の許容最大摩擦損失水頭以下であれば、バイパス二方弁方式は採用可能であると判定する。それ以外の場合は、バイパス弁全開時に冷却水が冷却塔に回り込むことになり、バイパス二方弁方式は採用不可能であると判定する。
【００４０】
（３−２）比較処理部４３
比較処理部４３では、演算部４２で冷却水配管方式ごとに算定された配管コストを比較し、最小の配管コストである方式を最適であると決定する。ただし、バイパス二方弁方式においては、演算部４２の判定処理部で採用可能であると判定された場合にのみ比較の対象となる。
【００４１】
（４）表示出力部３７
表示出力部３７では、冷却水配管方式ごとに、演算処理部３６で算定された配管コストと、各演算手順（３−１−１）〜（３−１−７）で算定されたバイパス管の流量およびバイパス管サイズを表示する。更に、バイパス二方弁方式の場合には、演算部４２の判定処理部での判定結果と、各演算手順（３−１−１）〜（３−１−７）で算定されたバイパス管の単位長さ当たりの摩擦損失水頭とバイパス管の配管摩擦損失水頭とバイパス管の許容最大摩擦損失水頭を表示する。更に、比較処理部４３で最適であると決定された方式の名称と配管方式ごとの配管コストの順位を表示する。
【００４２】
図２は本発明の実施形態例に係る表示出力部３７からの出力結果の一例を示した説明図である。図２において、材料費合計は、直管、エルボ、チーズ、二方弁もしくは三方弁、インバータなどの部材費および計装工事費を合計して算出する。なお、ＩＮＶはインバータを示す。
【００４３】
以上のように、本発明の装置は、空調設備の規模やグレードに応じた最適な冷却水配管方式を容易かつ迅速に決定し、設計者の設計検討作業の省力化を達成することができる。例えば、冷却水系統バイパス管の変更として、冷却水バイパス管の３００Ａ用三方弁（呼び径＝３００ｍｍ）を２５０Ａ用二方弁（呼び径＝２５０ｍｍ）に変更することができれば、三方弁のコスト１８０万円に比べ二方弁のコストが８０万円となり、１００万円のコスト削減が可能になる。
【００４４】
尚、上記実施形態例では、本発明の好適な実施形態例を説明したが、冷却配管設計装置の実施態様は前述した例に限定されるものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、空調設備の規模やグレードに応じた最適な冷却水配管方式を容易かつ迅速に決定し、設計者の設計検討作業の省力化を達成し得る冷却水配管設計装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る冷却水配管設計装置の構成を表す機能ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態例に係る表示出力部からの出力結果の一例を示した説明図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は従来の三方弁方式を示す配管図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は従来の主管・バイパス二方弁方式を示す配管図である。
【図５】従来のバイパス二方弁方式を示す配管図である。
【符号の説明】
３１  冷却水配管設計装置
３２  ユーザー入出力部
３３  ユーザー・インターフェイス
３４  入力設定部
３５  記憶部
３６  演算処理部
３７  表示出力部
３８  配管条件設定部
３９  制御条件設定部
４０  冷却塔条件設定部
４１  管材データベース（ＤＢ）
４２  演算部
４３  比較処理部
【図１】
2004287971.tif 000003
【図２】
2004287971.tif 000004
【図３】
2004287971.tif 000005
【図４】
2004287971.tif 000006
【図５】
2004287971.tif 000007