(57)【要約】【課題】冷凍機電力を制御装置で予測し、冷凍機電力が最小になるように冷水ポンプの冷水負荷率（冷水流量）を制御し、高い省エネを実現する冷凍機の冷水負荷率制御装置を得る。【解決手段】複数の冷凍機２３を用いた冷水製造システムにおいて、冷凍機入口の冷却水温度を測定する冷却水温度測定手段２７を設け、制御装置２６に冷却水温度毎の冷水負荷率と冷凍機電力の関数である部分負荷特性を入力し、制御装置は、還路側冷水温度計１５と還路側流量計１３により還路側の冷水温度と冷水流量を計測し、これを基に冷水総熱量を計算し、冷却水温度測定手段により冷凍機入口冷却水温度を計測し、部分負荷特性から負荷率毎の各冷凍機電力を計算し、それから冷水総熱量に対して必要な冷凍能力を満足し、電力の合計が最小となる負荷率の組み合わせを予測し、予測した負荷率となるように冷水ポンプの回転数を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷水のユースポイントである冷水負荷と、冷水負荷の入口側に設けられた往路側冷水ヘッダーと、冷水負荷の出口側に設けられた還路側冷水流量計と、往路側ヘッダー温度計と、還路側冷水温度計と、還路側冷水ヘッダーと、冷凍機出口流量計と、複数台の１次冷水ポンプと、冷凍機出口温度計と、冷凍機入口温度計と、複数台のターボ冷凍機と、複数台の冷却水ポンプと、複数台の冷却塔と、制御装置とを備え、各ターボ冷凍機で製造された冷水を、各１次冷水ポンプにて、往路側冷水ヘッダーを通して冷水負荷に送水し、冷水負荷で熱交換後、還路側冷水ヘッダーを通して各ターボ冷凍機に戻るように構成された複数台の冷凍機を用いた冷水製造システムにおいて、
冷凍機入口の冷却水温度を測定する冷却水温度測定手段を設け、前記制御装置に冷却水温度毎の冷凍機冷水負荷率と冷凍機電力の関数である部分負荷特性を入力し、前記制御装置は、前記還路側冷水温度計と還路側流量計により還路側の冷水温度並びに冷水流量を計測し、これらの計測値を基に冷水総熱量を計算し、さらに、前記冷却水温度測定手段により冷凍機入口冷却水温度を計測し、前記部分負荷特性から冷水負荷率毎の各冷凍機電力を計算し、その結果から冷水総熱量に対して必要な冷凍能力を満足し、かつ、電力の合計が最小となる負荷率の組み合わせを予測し、予測した負荷率となるように前記冷水ポンプの回転数を制御することを特徴とする冷凍機の冷水負荷率制御装置。
【請求項２】
制御装置は、経年劣化による冷凍機の効率の低下により、部分負荷特性が変動した場合実際の冷凍機電力を計測し、制御装置の部分負荷特性を更新することを特徴とする請求項１記載の冷凍機の冷水負荷率制御装置。
【請求項３】
部分負荷特性として、冷却水温度毎の冷凍機冷水負荷率と冷凍機電力の関数に代えて、冷却水温度毎の冷凍機冷水負荷率と冷凍機成績係数（ＣＯＰ）の関数を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷凍機の冷水負荷率制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数台の冷凍機を用いた冷水製造システムにおいて、冷凍機の効率が最適になるように冷水負荷を分担させる冷凍機の冷水負荷率制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷水製造システムは、工場、病院、ビルにおける空調や装置冷却等、幅広い分野で使用されているが、大量のエネルギーを消費するため、省エネを考慮したシステム構築が必要不可欠なものとなっている。
【０００３】
図２に従来の一般的な冷水製造システムを示す。図において、１１は空調機、熱交換器等からなる冷水負荷で、冷水のユースポイントである。１２は冷水負荷１１の入口側に設けられた往路側冷水２次ヘッダー、１３は冷水負荷１１の出口側に設けられた還路側冷水流量計、１４は往路側冷水２次ヘッダー１２に取り付けられた往路側ヘッダー温度計、１５は還路側冷水温度計、１６は複数台（図では３台）の２次冷水ポンプで、２次冷水ポンプ１〜３である。１７は往路側冷水１次ヘッダー、１８は還路側冷水１次ヘッダー、１９は冷凍機出口流量計、２０は複数台（図では２台）の１次冷水ポンプで、１次冷水ポンプ１及び１次冷水ポンプ２である。２１は冷凍機出口温度計、２２は冷凍機入口温度計、２３は複数台（図では２台）のターボ冷凍機で、ターボ冷凍機１及びターボ冷凍機２である。２４は複数台（図では２台）の冷却水ポンプで、冷却水ポンプ１及び冷却水ポンプ２である。２５は複数台（図では２台）の冷却塔で、冷却塔１及び冷却塔２である。２６は制御装置である。
このシステムでは、ターボ冷凍機２３を２台配置し、それぞれに１次冷水ポンプ２０、冷却水ポンプ２４、冷却塔２５を備えている。また、ユースポイントである空調機コイル、熱交換器等の冷水負荷１１への送水用として２次冷水ポンプ１６を採用している。各ターボ冷凍機２３で製造された冷水は、各１次冷水ポンプ２０にて、往路側冷水１次ヘッダー１７に送水され、合流した後、２次冷水ポンプ１６によって往路側冷水２次ヘッダー１２を通してユースポイントである冷水負荷１１に送水される。送水された冷水は、熱交換後、還路側冷水１次ヘッダー１８に戻り、各ターボ冷凍機２３に戻る仕組みになっている。
【０００４】
図２のシステムは、ユースポイントである空調機コイル、熱交換器等の負荷（熱量）に応じて、ターボ冷凍機２３の運転台数をコントロールしている。冷水１次ヘッダー１８の入口側に取り付けた冷水温度計１５、冷水流量計１３により、還路側の冷水温度並びに２次冷水流量を計測する。これらの計測値を基に制御装置２６は、冷水総熱量を計算し、ターボ冷凍機２３の運転台数を決定する。
【０００５】
また、図２のシステムは、１次冷水流量と２次冷水流量の比率に応じて、１次冷水ポンプ２０の回転数制御を行っている。また、制御装置２６は、各ターボ冷凍機２３の出口に取り付けた冷凍機出口流量計１９により１次冷水流量を計測し、合計する。その結果と上記２次冷水流量を比較し、２次冷水流量＝１次冷水流量となるように１次冷水ポンプ２０の流量を決定し、それらの定格流量比（＝冷凍機の定格容量比）で各々の回転数を制御している。
【０００６】
また、従来技術として、冷温熱媒体を循環供給して空調を行う空調設備において、空調設備を構成する冷温熱発生機、ポンプ等の機器のシミュレーションモデルを備え、シミュレーションにより評価関数を最小或いは最大とする最適制御目標値を決定し、最適制御目標値で空調設備を運転するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１３４１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の冷水製造システムは、以上のような制御を実施しているため、冷水負荷（熱量）は、冷凍機の効率に関係なく、冷水ポンプの定格流量比で均等配分されるので、最も効率の高い冷凍機の能力が十分発揮されておらず、無駄な電力を消費している。冷凍機の電力が最小となるように、それらの冷水負荷率（冷水流量）をコントロールすれば、より高い省エネ効果を生むことになる。
【０００９】
また、特許文献１記載の空調設備は、空調設備を構成する冷温熱発生機、ポンプ等の機器のシミュレーションモデルを備え、シミュレーションにより評価関数を最小或いは最大とする最適制御目標値を決定し、最適制御目標値で空調設備を運転するものであり、冷凍機の効率が最適になるように冷水負荷を分担させるものではない。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷凍機の電力を制御装置で随時予測し、冷凍機の電力が最小になるように冷水ポンプの冷水負荷率（冷水流量）を制御して、より高い省エネを実現する冷凍機の冷水負荷率制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る冷凍機の冷水負荷率制御装置においては、冷水のユースポイントである冷水負荷と、冷水負荷の入口側に設けられた往路側冷水ヘッダーと、冷水負荷の出口側に設けられた還路側冷水流量計と、往路側ヘッダー温度計と、還路側冷水温度計と、還路側冷水ヘッダーと、冷凍機出口流量計と、複数台の１次冷水ポンプと、冷凍機出口温度計と、冷凍機入口温度計と、複数台のターボ冷凍機と、複数台の冷却水ポンプと、複数台の冷却塔と、制御装置とを備え、各ターボ冷凍機で製造された冷水を、各１次冷水ポンプにて、往路側冷水ヘッダーを通して冷水負荷に送水し、冷水負荷で熱交換後、還路側冷水ヘッダーを通して各ターボ冷凍機に戻るように構成された複数台の冷凍機を用いた冷水製造システムにおいて、冷凍機入口の冷却水温度を測定する冷却水温度測定手段を設け、制御装置に冷却水温度毎の冷凍機冷水負荷率と冷凍機電力の関数である部分負荷特性を入力し、制御装置は、還路側冷水温度計と還路側流量計により還路側の冷水温度並びに冷水流量を計測し、これらの計測値を基に冷水総熱量を計算し、さらに、冷却水温度測定手段により冷凍機入口冷却水温度を計測し、部分負荷特性から負荷率毎の各冷凍機電力を計算し、その結果から冷水総熱量に対して必要な冷凍能力を満足し、かつ、電力の合計が最小となる負荷率の組み合わせを予測し、予測した負荷率となるように冷水ポンプの回転数を制御するものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、冷凍機の電力が最小になり、高い省エネ効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における冷凍機の冷水負荷率制御装置を示すシステム構成図である。
図において、１１は空調機、熱交換器等からなる冷水負荷で、冷水のユースポイントである。１２は冷水負荷１１の入口側に設けられた往路側冷水２次ヘッダー、１３は冷水負荷１１の出口側に設けられた還路側冷水流量計、１４は往路側冷水２次ヘッダー１２に取り付けられた往路側ヘッダー温度計、１５は還路側冷水温度計、１６は複数台（図では３台）の２次冷水ポンプで、２次冷水ポンプ１〜３である。１７は往路側冷水１次ヘッダー、１８は還路側冷水１次ヘッダー、１９は冷凍機出口流量計、２０は複数台（図では２台）の１次冷水ポンプで、１次冷水ポンプ１及び１次冷水ポンプ２である。２１は冷凍機出口温度計、２２は冷凍機入口温度計、２３は複数台（図では２台）のターボ冷凍機で、ターボ冷凍機１及びターボ冷凍機２である。２４は複数台（図では２台）の冷却水ポンプで、冷却水ポンプ１及び冷却水ポンプ２である。２５は複数台（図では２台）の冷却塔で、冷却塔１及び冷却塔２である。２６は制御装置である。
このシステムでは、ターボ冷凍機２３を２台配置し、それぞれに１次冷水ポンプ２０、冷却水ポンプ２４、冷却塔２５を備えている。また、ユースポイントである空調機コイル、熱交換器等の冷水負荷１１への送水用として２次冷水ポンプ１６を採用している。各ターボ冷凍機２３で製造された冷水は、各１次冷水ポンプ２０にて、往路側冷水１次ヘッダー１７に送水され、合流した後、２次冷水ポンプ１６によって往路側冷水２次ヘッダー１２を通してユースポイントである冷水負荷１１に送水される。送水された冷水は、熱交換後、還路側冷水１次ヘッダー１８に戻り、各ターボ冷凍機２３に戻る仕組みになっている。
以上の構成は従来の構成と同一である。
【００１４】
この発明の特徴とするところは、冷凍機入口の冷却水温度を測定する手段としての冷凍機入口冷却水温度計２７を設けた点である。また、制御装置２６に冷凍機２３の部分負荷特性を予めインプットする手段を設ける。部分負荷特性とは、冷却水温度毎の冷凍機冷水負荷率と冷凍機電力を表わした関数である。また、制御装置２６は、還路側冷水１次ヘッダー１８の入口に取り付けた温度計１５と流量計１３により還路側の冷水温度並びに２次冷水流量を計測し、これらの計測値を基に冷水総熱量を計算する手段を設ける。これにより、制御装置２６は必要冷凍能力を決定する。更にまた、制御装置２６は、冷凍機入口冷却水温度計２７により冷凍機入口冷却水温度を計測し、上記部分負荷特性から冷水負荷率毎の各冷凍機電力を計算する手段、及びその結果から冷水総熱量に対して必要な冷凍能力を満足し、かつ、電力の合計が最小となる負荷率の組み合わせを予測する手段を設ける。そして、予測した負荷率となるように冷水ポンプの回転数を制御する。また、制御手段２６は、経年劣化による冷凍機の効率の低下等により、部分負荷特性が変動した場合を考慮し、上記制御を実施後、実際の冷凍機電力を計測し、制御装置２６の部分負荷特性を更新する手段を設ける。
なお、ターボ冷凍機２３の定格冷凍能力は２台とも２６３７ＫＷである。
【００１５】
次に、この発明の具体的な実施例について図１及び表１〜表４に基づいて説明する。
冷凍機の部分負荷特性により、冷却水温度１℃刻みの冷凍機冷水負荷率と冷凍機電力の関数を作成し、制御装置２６にインプットする。表１、表２は冷却水温度毎の負荷率と冷凍機電力の関数である。但し、冷凍機の特性上、負荷率２０％以下の運転は不可である。また、ターボ冷凍機２３の冷却水は、インバータ機で１３℃〜３２℃、定速機で２０℃〜３２℃になるように制御されるので、この範囲以外のデータは使用しない。
【００１６】
【表１】
2007127321.tif 000003
【００１７】
【表２】
2007127321.tif 000004
【００１８】
次に、往路側冷水２次ヘッダー１２に取り付けられた往路側ヘッダー温度計１４、還路側冷水１次ヘッダー１８の入口側に設けられた還路側冷水温度計１５及び還路側冷水流量計１３により往路側の冷水温度、還路側の冷水温度並びに２次冷水流量を計測する。制御装置２６は、これらの計測値を基に冷水総熱量を計算する。図１の場合は、往路側ヘッダー温度＝７℃、還路側ヘッダー温度＝１７℃、２次冷水流量＝３１８．３ｍ３／ｈであるので、冷水総熱量（ＫＷ）＝（１７−７）×３１８．３×１．１６＝３６９２ＫＷとなる。
【００１９】
さらに、運転中のターボ冷凍機の入口冷却水温度を計測し、上記の部分負荷特性関数から各冷凍機の電力を負荷率２０％〜１００％で１％毎に計算する。その結果を基に、冷水総熱量に対して必要な冷凍能力を満足し、かつ、電力の合計が最小となる負荷率の組み合わせを予測する。
冷水総熱量＝３６９２ＫＷを満足するためには、ターボ冷凍機１とターボ冷凍機２の負荷率の合計が１４０％必要である。冷却水測定温度が２２℃であるので、冷却水温度２２℃時の部分負荷特性から各冷凍機の電力を負荷率２０％〜１００％で１％毎に計算する。ここでは、説明の便宜上、１０％刻みの結果を表３に示す。組み合わせ結果から、冷凍機１を６０％、冷凍機２を８０％で運転した時が４９７ＫＷとなり、電力が最小となる。
【００２０】
【表３】
2007127321.tif 000005
【００２１】
上記で計算した負荷率を基に各１次冷水ポンプ１０の必要冷水量（＝上記で予測した冷凍機の負荷率×定格冷水量）を決定し、１次冷水ポンプの性能特性（表４に示す各１次冷水ポンプの流量と周波数の関数）から各１次冷水ポンプの周波数を予測する。但し、冷凍機の特性上、流量５０％以下または１１０％以上の運転は不可のため、この範囲のデータは使用しない。
冷凍機１を６０％、冷凍機２を８０％で運転する組み合わせを選択したので、表４より、１次冷水ポンプ１の運転周波数は３１．３Ｈｚとなり、また、１次冷水ポンプ２の運転周波数は３８．３Ｈｚとなる。この周波数により１次冷水ポンプの回転数制御を実施する。
【００２２】
【表４】
2007127321.tif 000006
上記制御を実施後、冷凍機の電力、冷却水温度の計測を実施し、制御装置２６にデータを蓄積する。そして、蓄積したデータにより、自動的に部分負荷特性を補正する。
【００２３】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、部分負荷特性は冷却水温度毎の冷水負荷率と冷凍機電力の関数を使用したが、冷却水温度毎の冷水負荷率と冷凍機成績係数（ＣＯＰ）の関数を用いることもできる。ＣＯＰは、冷水熱量（＝負荷率×定格冷凍能力）／冷凍機電力で表わされ、電力による関数と全く同様の結果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の実施の形態１における冷凍機の冷水負荷率制御装置を示すシステム構成図である。
【図２】従来の一般的な冷水製造システムを示すシステム構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１１  冷水負荷（冷水のユースポイント）
１２  往路側冷水２次ヘッダー
１３  還路側冷水流量計
１４  往路側ヘッダー温度計
１５  還路側冷水温度計
１６  ２次冷水ポンプ
１７  往路側冷水１次ヘッダー
１８  還路側冷水１次ヘッダー
１９  冷凍機出口流量計
２０  １次冷水ポンプ
２１  冷凍機出口温度計
２２  冷凍機入口温度計
２３  ターボ冷凍機
２４  冷却水ポンプ
２５  冷却塔
２６  制御装置
２７  冷凍機入口の冷却水温度を測定する手段（冷凍機入口冷却水温度計）
【図１】
2007127321.tif 000007
【図２】
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