(57)【要約】  【課題】  空調設備における複数の冷凍機の運転技術として、省電力化技術の精度向上を図る。  【解決手段】  複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を各部の特性に対応してモデル化した近似式を求めかつ複数の冷凍機の稼働実績データの重心を比較し相対値の変化分に基づき該近似式を補正し、該補正した近似式に基づき複数の冷凍機の全体の消費電力を演算し、該演算した全体の消費電力を小さくする場合の各冷凍機の冷凍容量を設定し、該設定した冷凍容量で各冷凍機の運転状態を制御する。【選択図】  図３
2007085601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調設備における複数の冷凍機の運転方法であって、
上記複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を各部の特性に対応してモデル化した近似式を求める第１のステップと、
上記近似式に基づき、複数の冷凍機の全体の消費電力を求める第２のステップと、
上記求めた全体の消費電力を小さくする場合の各冷凍機の冷凍容量を設定する第３のステップと、
上記設定した冷凍容量で各冷凍機の運転状態を制御する第４のステップと、
を備え、上記各冷凍機を運転することを特徴とする冷凍機の運転方法。
【請求項２】
上記第１のステップでは、上記複数の冷凍機の稼働実績データの重心を比較し相対値の変化分に基づき上記近似式を補正する請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
【請求項３】
上記第１のステップでは、上記複数の冷凍機の稼働実績データの変化分を特性変化として上記近似式を補正する請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
【請求項４】
上記第３のステップでは、複数の冷凍機の全体の消費電力を最小にするときの各冷凍機の冷凍容量を設定する請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
【請求項５】
上記第１のステップでは、上記モデル化した近似式の定期的な見直しを行い、上記第２のステップでは、上記見直した近似式により複数の冷凍機の全体の消費電力を求める請求項１に記載の冷凍機の運転方法。
【請求項６】
冷凍機を用い、冷凍、冷却または冷房を行う設備であって、
冷凍、冷却または冷房用の流体の冷却を行う複数の冷凍機と、
上記複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を各部の特性に対応してモデル化した近似式を求めかつ複数の冷凍機の稼働実績データの重心を比較し相対値の変化分に基づき該近似式を補正し、該補正した近似式に基づき複数の冷凍機の全体の消費電力を演算し、該演算した全体の消費電力を小さくする場合の各冷凍機の冷凍容量を設定し、該設定した冷凍容量で各冷凍機の運転状態を制御する運転制御部と、
を備えて成ることを特徴とする設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍、冷却または冷房用の設備に係り、特に、それに用いる複数の冷凍機の運転技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷凍機を用いた設備としては、冷凍冷蔵設備や空調設備などがある。これらの設備中において冷凍機は、インバータ等電力変換装置から供給される電力によって駆動され、該設備中の負荷部に対して水等の所定温度の流体を供給するようになっている。従って、これら設備の省エネルギー化は、一般には、冷凍機の駆動電力の低減化によって図られる。
冷凍機の駆動電力の低減化に関する従来技術で、文献に記載されたものとしては例えば特開平９−１４５１７６号公報（特許文献１）に記載された技術がある。該公報には、複数台の冷凍装置を用いるシステムにおいて、該システム全体のエネルギー消費効率を最大限に引き出すために、システム全体が部分負荷となった時、該システム全体のエネルギー消費効率を最大にするポイントを演算し、該最大ポイントで各冷凍装置を運転するとした技術が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１４５１７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術も含め、省エネルギー化を図るにおいては、何らかの設備のモデル化が必要とされる。上記従来技術では冷凍機の部分負荷特性のモデル化を行っているが、人手による分析等を経てシステム開発時に組み込まれるため、システム完成後のモデル見直しは行われにくい。また、モデル化の方法としては、カタログ値の使用や稼働実績データの使用等があり、該モデル化の方法により、得られる省エネルギー効果の精度も異なってくる。カタログ値を用いた場合は、理想値の特性であるため、実際の空調設備に組み込んでの稼働特性とは異なる場合が多い。例えば、一般に冬期の稼働においては定格以上の能力を発揮する運転状態となるため、その特性はカタログ値とはかなり異なっている。また、稼働実績データを元にした場合には、冷凍機の特性が、外気に触れる冷却水の影響で変化するため、初期モデルとの差が生じてしまう。また、必要とされるデータ全てについて計測値が得られない場合があり、このような場合には、計測できないデータは固定値等の定数を用いて演算で求めることになる。かかる演算に基づき求めたデータは、通常の場合誤差を含み、正確な値にならない場合が多い。
本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、冷凍、冷却または冷房用の設備に用いられる複数の冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、それぞれの冷凍機を各冷凍機の特性や外気条件など周囲の状況などに対応した制御状態で運転し、複数の冷凍機全体の消費電力を低減可能にすることである。
本発明の目的は、かかる課題点を解決して、上記冷凍機（冷凍装置）の運転技術において、より一層の省電力化を図れる運転技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題点を解決するために本発明では、空調設備における複数の冷凍機の運転技術として、複数の冷凍機それぞれの冷凍容量と消費電力との関係を各部の特性に対応してモデル化した近似式を求め、該近似式に基づき、該複数の冷凍機の全体の消費電力を求め、該求めた全体の消費電力を小さくする場合の各冷凍機の冷凍容量を設定し、該設定した冷凍容量で各冷凍機の運転状態を制御する構成とする。上記モデルは、例えば、複数の冷凍機それぞれにおける１ヶ月単位の稼働実績データに着目し、冷却水入口温度の同じ条件で稼働実績データから抽出して、基準とするデータ（以下、これを重心という）を求め、該求めた重心を同じ抽出条件での１ヶ月前の重心と比較し、その差分を相対値として、その変化比率で近似式を補正する。また、重心を求めた抽出条件以外の他の冷却水入口温度の近似式にも上記変化分を適用して近似式を見直す。該モデルの見直し補正は、例えば１ヶ月分（毎正時２４点×３０または３１の個数）を単位として、自動的に繰り返す。見直しの周期は、開始日を１日ずつシフトしながら毎日行うか、１週間ずつシフトするか、月単位で行うか等、特性の変化量に応じて対応可能とする。
【発明の効果】
【０００６】
本願発明によれば、それぞれの冷凍機を各冷凍機の特性や外気温度など周囲条件などの実態に対応した制御状態で運転することができ、該運転条件下で複数の冷凍機全体の消費電力の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施例につき、図面を用いて説明する。
図１〜図５は、本発明の実施例の説明図である。図１は、本発明の実施例としての冷凍用設備の構成図、図２は、図１の設備中の複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図、図３は、図１の設備中の複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図、図４は、図１の設備中の複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図、図５は、図１の設備中の複数の冷凍機の機器特性モデル補正の一例を示す図、図６は、図１の冷凍設備中の冷水２次ポンプの機器特性モデル補正の一例を示す図である。
【０００８】
図１において、１００は冷凍用設備、１は、複数の冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎを備えて成る冷凍機部、２は、冷凍機部１の運転を制御する運転制御部、３は負荷部、４は冷水槽、５は、冷水槽４から冷水を汲み上げる複数の冷水２次ポンプＰ１、…、Ｐｎを備えて成る冷水２次ポンプ部、６は、冷水の流量の調整を行う冷水ヘッダ、７は調相器、１１は第１の温度・流量監視点、１２は第２の温度・流量監視点、１３は、冷水ヘッダ６の冷水の圧力を監視するヘッダ圧力監視点、Ｔ１は、第１の温度・流量監視点１１における冷水の温度、Ｑ１は、第１の温度・流量監視点１１における冷水の送水量、Ｔ２は、第２の温度・流量監視点１２における冷水の戻り温度、Ｈは、ヘッダ圧力監視点１３におけるヘッダ圧力である。冷凍機部１は、各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎが、駆動用電動機（図示なし）により冷媒を所定の流量・速度でそれぞれの冷凍機内を循環させるとともに、冷水槽４中の水を、該冷凍槽４との間で循環させながら該冷媒により冷却する。調相器７は例えばエアコンで構成される。上記構成において、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎはそれぞれ、運転制御部２により制御され、所定の条件すなわち所定の冷凍容量、所定の駆動用電動機入力、所定の消費電力などの運転条件とされる。該運転条件で運転された冷凍機部１の各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎは、冷水槽４中の高温槽側の水の一部を汲み上げ、該汲み上げた水を冷媒により冷凍容量に対応して冷却し、再び冷水槽４中の冷温槽側に戻す。これが繰り返される。冷水２次ポンプ部５の各冷水２次ポンプＰ１、…、Ｐｎはそれぞれ、運転制御部２により制御され、冷水ヘッダ６のヘッダ圧力監視点１３のヘッダ圧力を一定の条件の下、第１の温度・流量監視点１１における流量（送水量）に見合った台数の各冷水２次ポンプＰ１、…、Ｐｎが、冷水槽４中の低温槽側の水の一部を汲み上げ、冷水ヘッダ６へ送水する。
【０００９】
冷水ヘッダ６の冷水は、第１の温度・流量監視点１１を通って負荷部３に供給される。ヘッダ圧力監視点１３ではヘッダ内の圧力が検出される。第１の温度・流量監視点１１では冷水の温度Ｔ１と送水量Ｑ１が検出される。負荷部３内では、冷水は調相器７に供給される。調相器７では、吸込んだ空気を該冷水の状態に対応して冷却し、冷凍用の空気として所定の対象空間に放出する。調相器７において空気からの熱を受け温度上昇した冷水は、第２の温度・流量監視点１２を経て、負荷部３から再び冷水槽４に戻される。第２の温度・流量監視点１２では冷水の温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）が検出される。第１の温度・流量監視点１１における温度と送水量検出結果の情報及び第２の温度・流量監視点１２における温度検出結果の情報、及びヘッダ圧力監視点１３におけるヘッダ圧力はともに、運転制御部２に入力される。運転制御部２は、該情報に基づき、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎが所定の冷凍容量となるように該冷凍機部１を制御する。例えば、負荷部３が部分負荷となって、冷水流量が少なくてもよい場合は、各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎの全部または一部のものにつき、その冷凍容量を小さくするように制御する。また、運転制御部２は、各冷水２次ポンプＰ１、…、Ｐｎの運転周波数を可変として、少ない運転台数でかつ運転周波数を下げるように制御する。運転制御部２による冷凍機部１の制御は、基本的に、所定の冷凍容量ができるだけ少ない消費電力で達成されるようにする。このために、運転制御部２は冷凍機部１を以下のように制御する。すなわち、運転制御部２は、冷凍機部１の各冷凍機Ｒ１、…、Ｒｎのうち運転されるものの所定の複数の組合せを設定し、負荷部の目標冷凍容量を、該組合せのそれぞれにおいて、該運転される冷凍機それぞれの定格冷凍容量に基づいて冷凍機毎に分配し、該配分冷凍容量を、冷凍容量と消費電力の関係を示すモデル化した近似式に代入して、上記運転される冷凍機それぞれの消費電力を上記冷凍機の組合せの全てについて求め、さらに該求めた各消費電力の総和を上記組合せ毎に演算し、該総和値が最小となる組合せまたは他に比べて低い値となる組合せを選択して設定し、該設定した組合せの複数の冷凍機をそれぞれ、上記配分冷凍容量に等しい冷凍容量値またはこれに近い冷凍容量値で運転するように制御する。
【００１０】
さらに、運転制御部２による冷水２次ポンプ部５の制御は、所定の送水量に見合ってできるだけ少ない消費電力で達成されるようにする。このために、運転制御部２は冷水２次ポンプ部５を以下のように制御する。すなわち、運転制御部２は、同じ定格の各冷水２次ポンプＰ１、…、Ｐｎについて、１台からｎ台運転した場合、１台当たりの送水量に見合うポンプ回転数を割り出して、その１台当たりの消費電力から、１台からｎ台運転時の合計消費電力を比較して、最も消費電力の小さい運転台数と、その時のポンプ回転数で運転するように制御する。各冷水２次ポンプの送水量に見合うポンプ回転数は、各冷水２次ポンプが５０Ｈｚで運転されるときの機器特性（Ｑ−Ｈ特性）をモデル化した近似式を使用する。
【００１１】
図２は、図１の設備中の複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図である。
図２において、
（１）先ず、運用制御部２により冷凍機部１と冷水２次ポンプ部５の制御動作がスタートする（ステップＳ２０１）。
（２）仕様の異なる各冷凍機の部分負荷特性、同一仕様の冷水２次ポンプの機器特性を近似式として数式化したモデルデータが予め保存されている。運転制御部２はこれらのデータを読み出して計算に使用するために、メモリ等へ常駐させる（ステップＳ２０２）。
（３）冷凍機の最適計算は、負荷側の現時点の需要を要求された冷凍の負荷として、複数冷凍機の運転組合せに冷凍負荷を配分した場合、最も省エネ（消費電力が小さい）運転パターンを冷凍機のモデルを用いて計算して決定する。また、冷水２次ポンプの最適計算では現時点の送水量をまかなうために、運転台数毎に１台当たりの送水量から、ポンプの回転数をモデルを用いて算出し、その回転数から消費電力が導き出され、合計消費電力が最も小さい冷水２次ポンプの運転台数を決定する（ステップＳ２０３）。
（４）最適計算は定周期（例えば５分周期）で実行されて、冷凍機と冷水２次ポンプの計算結果がガイダンス表示されて、オペレータに知らしめる（ステップＳ２０４）。
（５）最適計算に必要になった各種設備の計測データや、設備状態をモニタしたデータは毎正時の単位で磁気ディスク等へ保存されて、別途トレンド表示等からの参照を可能にしている（ステップＳ２０５）。
【００１２】
図３は、図１の設備中の複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図である。
以下の手順の制御は冷凍機１台に着目して実施するもので、同様な手順にて稼動中の全ての冷凍機に対しても同様に制御する。また、以下の手順は定期的に例えば、１ヶ月スパンのデータで、１日ずつ開始日をずらして行うか、１週間開始日をずらすか、１ヶ月単位で行うか等で見直しを繰り返す。
【００１３】
（１）冷凍機１台の１ヶ月分の稼働実績から部分負荷特性データ（当該冷凍機の製造熱量とその消費電力）を、当該冷凍機が稼動した時の冷却水入口温度毎に分類して抽出保存する（ステップＳ３０２）。１ヶ月分のデータは、毎正時のデータを１点として、２４時×３１日分の７４４点のデータ量を対象としている。
（２）各冷却水入口温度毎に抽出分類されたデータの点数（標本数）が、評価に充分な点数かどうかを信頼係数と標準正規分布の数表の値と比べて判断する（ステップＳ３０３）。評価に値する十分な標本数があるものを次の処理対象とする。
（３）冷却水入口温度毎に分類抽出したデータから重心を求める。さらに、重心と各データ１点ずつを比較した標準偏差を求める。標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れているデータは、バッドデータとして評価対象のデータから除外して棄却検定とする。棄却検定後のデータを用いて再度重心を求めて、この重心を正とする（ステップＳ３０４）。
（４）上記（３）で求めた重心が偏ったデータかまたは一様に分布したデータを調べて、その信頼性を確認する。信頼性の確認は、ブートストラップ法（元のデータベースから復元抽出を行い、評価したいパラメータや統計量の分布を推定するために必要なデータベースを作成し、推定した分布を用いてモデルの予測精度や安定性を検証する方法）にて行う。その手法は例えば、サンプルの２／３を部分集合としてその重心を求め、残りの１／３の部分集合で重心との標準偏差を求める、さらに、再度ランダム選択した部分集合から、同様に、重心と標準偏差を求めて複数回繰り返す。上記（３）で棄却検定した重心の信頼性を繰り返し求めた標準偏差の大小により判断する。上記（３）の棄却検定で求めた重心が信頼できる場合のみ保存して残す（ステップＳ３０５）。
（５）上記（３）及び上記（４）の処理を各冷却水入口温度のデータについて、繰り返す（ステップＳ３０６）。
（６）今月分と先月分から信頼性が高い重心を選択する。選択した中で同じ冷却水入口温度の重心があれば、その重心を用いて、比較した差分から部分負荷特性データの変化量を求める（ステップＳ３０７）。この変化量は近似式に反映して補正する値となる。
（７）上記（６）で求めた変化量は、当該冷凍機の各冷却水入口温度の近似式にも反映して補正する（ステップＳ３０８）。
【００１４】
図４は、図１の設備中の複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図である。冷凍機と異なり、複数台の冷水２次ポンプは全て同一定格、同一仕様のモータから構成されるため、全ポンプの稼働実績であるＱ−Ｈ特性データを一緒に扱う。
図４において、
（１）２次ポンプ全台の１ヶ月分の稼働実績から、Ｑ−Ｈ特性データをポンプ運転周波数毎に分類して抽出する（ステップＳ４０２）。データ点数は７４４点（正時×２４時×３１日）のポンプ台数倍となる。
（２）上記（１）で周波数毎に抽出したデータに対してさらにその時のヘッダ圧力毎に細分して保存する（ステップＳ４０３）。
（３）上記（２）で細分したデータ点数が、評価に充分な点数かどうかを信頼係数と標準正規分布の数表の値と比べて判断する（ステップＳ４０４）。評価に値する十分な標本数があるものを次の処理対象とする。
（４）細分したデータから重心を求める。さらに、重心と各データ１点ずつを比較した標準偏差を求める。標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れているデータは、バッドデータとして評価対象のデータから除外して棄却検定とする。棄却検定後のデータを用いて再度重心を求め、この重心を正とする（ステップＳ４０５）。
（５）ブートストラップ法にて重心と標準偏差を求めて、棄却検定後の重心の信頼性を確認し、棄却検定で求めた重心の使用可否を判断する（ステップＳ４０６）。
（６）当該周波数の他のヘッダ圧力のデータに対しても上記（４）、上記（５）を実施し、同様に他の周波数のヘッダ圧力毎の抽出データに対しても計算を繰り返す（ステップＳ４０７）。
（７）今月分の各周波数のヘッダ圧力毎の重心から、最も信頼性の高い重心を選択にする。ポンプの５０Ｈｚ特性を同じ周波数と揚程にスライドさせた場合の流量と重心を比較して、差分から変化量を求め、これをポンプの５０Ｈｚ特性の近似式に反映して補正する（ステップＳ４０８）。
【００１５】
図５は、図１の設備中の複数の冷凍機における機器特性モデルの補正の一例を示す図である。本図は、２ヶ月分の部分負荷特性データの重心を比較し、その差分を変化量としてモデルの近似式を補正する場合を示す。図中、Ａは、ある冷却水入口温度時のモデル特性、Ｂは、上記変化量を反映して補正した場合の特性である。
【００１６】
図６は、図１の設備中の冷水２次ポンプの機器特性モデル補正の一例を示す図である。ポンプのＱ−Ｈ特性は５０Ｈｚの場合のモデル特性のみを示す（特性Ｃ）。重心を算出した同じ周波数にこの特性をスライドさせて（特性Ｅ）、同じヘッダ圧を示す揚程から流量を求める。重心の流量と特性の流量を比較して、差分を変化量として、ポンプのモデルを補正する（補正特性Ｄ）。
【００１７】
なお、上記実施例では、評価対象のデータを除外するにおいて、標準偏差の３σ（標準偏差×３）以上のかけ離れていることを目安とするとして説明した。しかしながら、本発明の実施においては、この標準偏差の３σに限定されるものではなく、σや２σ等でもよく、適宜、選択するものであってもよい。
また、上記実施例では、重心と標準偏差を求めるにおいて、ブートストラップ法を用いるとして説明したが、これも、他の方法を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例としての冷凍用設備の構成例図である。
【図２】図１の設備における複数の冷凍機と複数の冷水２次ポンプの運転動作手順の説明図である。
【図３】図１の設備における複数の冷凍機の最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図である。
【図４】図１の設備における複数の冷水２次ポンプの最適計算に用いる機器特性モデルの補正手順の説明図である。
【図５】図１の設備における複数の冷凍機の機器特性モデル補正の一例を示す図である。
【図６】図１の設備における冷水２次ポンプの機器特性モデル補正の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１…冷凍機部、
２…運転制御部、
３…負荷部、
４…冷水槽、
５…冷水２次ポンプ部、
６…冷水ヘッダ、
７…調相器、
１１…第１の温度・流量監視点、
１２…第２の温度・流量監視点、
１３…ヘッダ圧力監視点、
１００…冷凍機用設備。
【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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