(57)【要約】【課題】中間季においても時間帯ごとにフリークーリングを利用可能とし，高い省エネルギー効果を発揮すること。【解決手段】冷却塔１１,２１，冷凍機１２，２２を有する２基以上の冷凍設備ユニット１，２と，任意の一基に設けられ，冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器３とを備えたフリークーリングシステムであって，前記冷却塔１１への冷却水の入口温度Ｔciまたは熱交換器３の冷水入口温度Ｔei−Δｔと大気湿球温度Ｔwbから求められるフリークーリング能力Ｑに基づいて，フリークーリング熱交換器３による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定する。【選択図】図１
2009276004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却塔，冷凍機を有する２基以上の冷凍設備ユニットと，任意の一基に設けられ，冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において，前記冷却塔のフリークーリング能力に基づいて，フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とするフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法。
【請求項２】
冷却塔，冷凍機を有する２基以上の冷凍設備ユニットと，任意の一基に設けられ，冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において，前記冷却塔の冷却水入口温度と大気湿球温度から求められるフリークーリング能力に基づいて，フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とするフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法。
【請求項３】
前記冷却塔のフリークーリング能力は，冷却塔冷却水入口温度の代わりにフリークーリング熱交換器の被冷却側冷水入口温度から求めた値を用いることを特徴とする請求項１に記載のフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクーリングシステムに係り、特に半導体製造工場等の冬期に冷房負荷がある工場等で用いられるフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体工場、電算機センター、大型店舗においては、冬期においても冷房負荷、冷却負荷がある。近年では、既設の冷却塔や、専用の冷却塔を追設し外気を利用し省エネルギー効果の大きいフリークーリングシステムが導入されている。フリークーリング有効/無効の判定は冷却塔の冷却水出口温度が設定温度に比べて高いか低いかによって決めていた（特許文献１、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１３２６５１公報
【特許文献２】特開２００４−３４０４９２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
冷却水の入口温度（フリークーリング熱交換器への入口温度）が設定温度程度以上であったとしても，フリークーリング熱交換器において前記冷却水と熱交換する被冷却側冷水の温度が冷却水の温度を上回っていれば，冷却水で被冷却側冷水を冷却することができる状況にある。しかし，前述した従来の技術では、フリークーリングによる冷却能力が有効に存在するにも拘わらずフリークーリングは無効となってしまい，省エネルギー、省コストの機会を失うことになる。また，負荷が時間帯によって変動するものにあっては，時間帯単位のフリークーリングモードでの運転も的確に行えない問題がある。
【０００４】
本発明の目的は，フリークーリング能力が存在する限り最大限に利用可能とするフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法を提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、負荷が時間帯によって変動する場合であっても，時間帯単位のフリークーリングモードでの運転を的確に行うことができるフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明の１番目は，冷却塔，冷凍機を有する２基以上の冷凍設備ユニットと，任意の一基に設けられ，冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において，前記冷却塔のフリークーリング能力に基づいて，フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とし，２番目の発明は，冷却塔，冷凍機を有する２基以上の冷凍設備ユニットと，任意の一基に設けられ，冷却塔の冷却水と被冷却側冷水と熱交換するフリークーリング熱交換器とを備えたフリークーリングシステムのフリークーリング有効・無効判定方法において，前記冷却塔の冷却水入口温度と外気湿球温度から求められるフリークーリング能力に基づいて，フリークーリング熱交換器による冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かを判定することを特徴とし，３番目の発明は，請求項１において，冷却塔のフリークーリング能力は，冷却塔冷却水入口温度の代わりにフリークーリング熱交換器の被冷却側冷水入口温度から求めた値を用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は上記のように，フリークーリングの有効・無効の判定（フリークーリング熱交換器での冷却塔冷却水と被冷却側冷水との熱交換を行うか否かの選択）を，フリークーリング熱交換器に対する冷却水の入口温度または被冷却側冷水の入口温度と大気の湿球温度とに基づいて求められる冷却塔のフリークーリング能力で行っているため，冷却水が被冷却側冷水温度より低い温度になれば，冷却水による被冷却側冷水の冷却が可能となり，かつ，このときにおける冷却水の入口温度または被冷却側冷水の入口温度と大気の湿球温度とに基づいて求められる冷却塔のフリークーリング能力が０（零）を上回っていれば，フリークーリングが有効となる。要するに，冷却水の入口温度が被冷却側冷水の入口温度より低いかまたは所定温度以上低く，かつ冷却塔のフリークーリング能力が０（零）を上回っている場合に冷却水による被冷却側冷水の冷却が行われるので，フリークーリング能力が存在する限り，これを最大限に利用可能とする効果がある。これにより，負荷の変化だけでなく，１日の中での湿球温度の変化に対応してフリークーリングの有効・無効の判定が行なわれ，冷却水の入口温度に影響を与える大気温度が，被冷却側冷水温度に次第に近づいてくる中間季においても時間帯ごとにフリークーリングを利用可能とし，高い省エネルギー効果を発揮する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を適用したフリークーリングシステムの制御装置の一例を図により説明する。
【０００９】
図１はフリークーリングシステムの系統図であり，一実施形態に係わるフリークーリングシステムは，第１冷却設備ユニット１，第２冷却設備ユニット２，第１冷却設備ユニット１だけに接続されているフリークーリング用の熱交換器３，供給側冷水ヘッダー４，戻り側冷水ヘッダー５，フリークーリング制御装置（以下単に制御装置と言う）６を備えている。図において，符号５０は，被冷却空間に配置される１または複数の空調ユニットを示している。第１，第２の冷却設備ユニット１，２は，ほぼ同じ構成となっており，冷却水と大気との直接熱交換によってより低い温度の冷却水を生成する冷却塔１１（２１），吸収式冷凍機１２（２２）で構成され，吸収式冷凍機１２（２２）の構成は，一般に知られているので詳細な説明は省略するが，主要機器としは加熱源付きの再生器，凝縮器，蒸発器および吸収器を備えている。吸収式冷凍機の代わりに圧縮式冷凍機を利用することもでき，圧縮式冷凍機の場合は，圧縮機，凝縮器，膨張手段，蒸発器を備えている。冷却塔１１（２１）は，冷凍機１２（２２）の吸収器，凝縮器（圧縮式冷凍機の場合は凝縮器）と冷却水往き配管１３（２３），冷却水戻り配管１４（２４）を介して接続されている。供給側冷水ヘッダー４は，冷凍機１２（２２）の蒸発器（図示せず）の被冷却側冷水の出口側（本願では冷水出口側という）と往き冷水配管７（８）を介して接続され、戻り側冷水ヘッダー５は，冷凍機１２（２２）の蒸発器（図示せず）の被冷却側冷水の入口側（本願では冷水入口側という）と戻り冷水配管９（１０）を介して接続されている。前記冷却水往き配管１３（２３）の途中にはポンプ１５（２５）が設置され，戻り冷水配管９（１０）の途中にはポンプ１６（２６）が設置されている。
【００１０】
フリークーリング用熱交換器３は，冷却水と被冷却側冷水（本願では冷水という）との間で熱交換するものであって，冷却水側配管３１，冷水側配管３２を有し、冷却水側配管３１は，その入口側が往き冷却水配管１３の途中（ポンプ１５の出口側）に接続され，出口側が冷却水戻り配管１４の途中にそれぞれ接続されている。冷水側配管３２は，その入口側が戻り冷水配管９の途中（ポンプ１６の出口側）に接続され，出口側が往き冷水配管７の途中にそれぞれ接続されている。冷却水側配管３１の入口側および出口側には弁３３，３４が設置され，冷水側配管３２の出口側には弁３５が設置されている。前記往き冷却水配管１３上の冷却水側配管３１出口接続箇所と吸収式冷凍機１２の吸収器（圧縮式冷凍機場合は凝縮器）との間の箇所に弁１７が介在され、冷却水戻り配管１４上の冷却水側配管３１入口接続箇所と吸収式冷凍機１２の凝縮器（圧縮式冷凍機場合は凝縮器）との間の箇所に弁１８が介在され、戻り冷水配管９上の冷水側配管３２の入口接続箇所と吸収式冷凍機１２の蒸発器（圧縮式冷凍機場合は蒸発器）との間の箇所に弁１９が介在されている。空調ユニット５０は，供給側冷水ヘッダー４と二次往き冷水配管２７を介して接続され，戻り側冷水ヘッダー５と二次戻り冷水配管２８を介して接続されている。供給側冷水ヘッダー４と戻り側冷水ヘッダー５とは，途中に弁２９を介在した配管で互いに連絡されている。前記弁１７，３４の代わりに三方切替弁（冷却水往き配管１３と冷却水側配管３１との接続部に配置）を用い，前記弁１８，３３の代わりに三方切替弁（冷却水戻り配管１４と冷却水側配管３１との接続部に配置）を用いることもできる。図において，符号４０，４１，４２は，温度センサーであり，温度センサー４０は，大気の湿球温度を計測し，温度センサー４１は，冷却水戻り配管１４の温度を計測し，温度センサー４２は，戻り冷水配管９内を通る戻り冷水の温度（入口温度）を計測するものである。制御装置６は，第１冷却設備ユニットフリークーリング運転回路６１，第１冷却設備ユニット冷凍機運転回路６２，第２冷却設備ユニット冷凍機運転回路６３，前記の温度センサー４０，４１，４２から取込んだ各計測データに基づいて冷却塔１１のフリークーリング能力Ｑ，前記の弁１７，１８，１９，３３，３４，３５の開閉を制御する機能，前記の第１，第２冷却設備ユニットの冷凍機１２，２２の起動・停止，冷却能力調整の機能等を備えている。
【００１１】
冷却塔１１のフリークーリング能力Ｑは，冷却水の冷却塔１１の入口温度（温度センサー４１による計測値）と大気の湿球温度（温度センサー４０による計測値）に基づいて演算する。また，前記冷却水の冷却塔１１の入口温度の代わりに戻り冷水配管９内を通る戻り冷水の温度（温度センサー４２による計測値）から所定値（たとえば３℃）程度を減算した値に基づいて演算する。
【００１２】
フリークーリングは，冷却塔１１の冷却水は熱交換器３を介して、冷却水により冷水を冷却するために利用するものであり，冷却水の温度は，冷水より常に低い必要がある。つまり、冷却水で冷水を冷却するためには下記の(１)，(２)式が必要条件となる。
【００１３】
Ｔwb＜Ｔci＜Ｔei        ・・・・・・(１)
Ｑ＞０                  ・・・・・・(２)
ここで    Ｔwb：大気(外気)湿球温度
Ｔci：熱交換器３から冷却塔１１に流入する冷却水の入口温度
Ｔei：熱交換器３に入る冷水の冷水入口温度
Ｑ：冷却塔のフリークーリング能力（ＱはＴｗｂとＴｃｉによる関数）
Ｑ(%)＝0.2×{Tci-(-0.0001×Tci+0.0041)×Twb２-0.185×Twb-(0.76×Tci+0.2)}
Ｑは冷却塔の定格能力に対する能力比で特性図から求めた近似式
そこで，本実施形態では，第１冷却設備ユニット１は，上記（１）および(２)の条件を満足したときには，運転モードをフリークーリング運転モードとし，運転状態とし，上記（１）および(２)の一方または両方の条件を満足しないとき，運転モードを冷凍機運転モードとし，運転停止の状態とする。第２冷却設備ユニット２は，温度センサー４２で計測される冷水入口温度が予め設定された基準値（基準値範囲の上限値）を上回ったときは，運転状態とし，基準値（基準値範囲の下限値）を下回ったときは，運転停止状態とする。また，第１冷却設備ユニット１がフリークーリング運転モードで運転中に，温度センサー４２で計測される冷水入口温度が予め設定された基準値（基準値範囲の上限値）を上回ったときは，先に第２冷却設備ユニット２を運転し，第２冷却設備ユニット２の運転中に，冷水入口温度が予め設定された基準値（基準値範囲の上限値）を上回ったときは，第１冷却設備ユニット１を冷凍機運転モードで運転する。この状態で冷水入口温度が基準値（基準値範囲の下限値）を下回ったときは，第１冷却設備ユニット１，第２冷却設備ユニット２の順で運転を停止する。
【００１４】
次に，第１冷却設備ユニット１の運転モードの選択のための制御を含めた詳細な動作を説明する。
【００１５】
温度センサー４０で計測される大気湿球温度Ｔwb，温度センサー４１で計測される冷却水入口温度Ｔci，温度センサー４２で計測されるＴｅｉに基づいて演算し，上記（１），(２)式の両方を満足するかどうかを判定し，上記（１）および(２)式の両条件を満足したときには，制御装置６の第１冷却設備ユニットフリークーリング運転回路６１により，弁１７，１８，１９を閉じ，弁３３，３４，３５を開く。これにより冷却塔１１で生成された冷却水は，冷却水往き配管１３，ポンプ１５，弁３４，冷却水側配管３１を通り，熱交換器３に入り，ここで冷水と熱交換した後，冷却水側配管３１，弁３３，戻り冷却水配管１４を通り冷却塔１１に戻る。一方，冷水は戻り側冷水ヘッダ５から戻り冷水配管９，ポンプ１６，弁３５，冷水側配管３２を通り，熱交換器３に入り，ここで，冷却水と熱交換して冷却され，その後冷水側配管３２，往き冷水配管７を通り，供給側冷水ヘッダー４に入り，ここから二次往き冷水配管２７を介して空調ユニット５０に送られ，被空調空間を空調（冷却）した後，二次戻り冷水配管２８を介して戻り側冷水ヘッダー５に戻される運転すなわち，フリークーリング運転モードによるフリークーリングが行われる。このフリークーリング運転モードによる運転中に，たとえば空調負荷の増大により温度センサー４２で計測される冷水入口温度が基準値（基準値範囲の上限値）を上回った場合には，第２冷却設備ユニット２が運転され，第１冷却設備ユニット１によるフリークーリング運転と第２冷却設備ユニット２による冷水冷却運転とが行なわれる。
【００１６】
一方，温度センサー４０で計測される大気の湿球温度の上昇，温度センサー４１で計測される冷却水入口温度（大気温度の影響を受ける）の変化（上昇），温度センサー４２で計測される冷水入口温度（空調負荷の影響を受ける）の変化（降下）によって，条件(１)，(２)の少なくとも一方が満足しなくなると，第２冷却設備ユニット２の運転・停止の状態に関係なく，第１冷却設備ユニットフリークーリング運転回路６１により，弁１７，１８，１９を開き，弁３３，３４，３５を閉じるとともに冷却塔１１の運転も停止される。これによりフリークーリング運転モードは解消され，冷凍機運転モードとなる（運転モードは冷凍機運転モードとなるが運転は停止状態）。このとき，もし，温度センサー４２で計測される冷水入口温度が基準値（基準値範囲の上限値）を上回った場合には，第２冷却設備ユニット２が運転される。
【００１７】
次に，冷却塔のフリークーリング能力Ｑの演算に，冷水の入口温度Ｔeiを用いた実施形態について説明する。
【００１８】
前述したように、冷却塔のフリークーリング能力は使用する冷却塔１１の仕様が決まると，大気湿球温度Ｔwbと熱交換器３から冷却塔１１に入る冷却水の入口温度Ｔciによって決まる。大気湿球温度Ｔwbは大気の乾球温度と相対湿度から近似式を使い容易に求められる。ところが、フリークーリング運転モードによる運転時の冷却塔１１への冷却水の入口温度Ｔciは，熱交換器３に冷水と冷却水を流し、冷却塔１１を運転することで定常状態とった後に求められるが、定常状態となるためには一般的に１０〜１５分を要する。冷却水側配管３１が長く保有水量が多い場合には３０分程度を要することもある。さらに、冷却塔１１が稼動している場合でも、冷凍機１２の凝縮器を冷却する用途に使用している場合には冷却水温度を冷凍機保護のために一定値以上に保持するような手段を用いており、（例えば、冷却塔の送風量や冷却水量の抑制）、そのときの熱交換器３から冷却塔１１に入る冷却水の入口温度Ｔciをフリークーリング能力Ｑを演算させるために用いるのは最適とは言えない。そこで，この実施形態においては，熱交換器３から冷却塔１１に流入する冷却水の入口温度Ｔciの代わりに，熱交換器３に流入する冷水の入口温度Ｔei−Δｔを用いるものである。
【００１９】
Δｔは，熱交換器３の仕様に基づいて定めるもので，熱交換器３に入る冷却水の温度と熱交換器３に入る冷水の温度との差，たとえば３〜５℃程度が望ましい。
【００２０】
この実施形態によれば，フリークーリング能力Ｑの演算の元となる冷却水の入口温度Ｔciの代わりに，冷却水と熱交換関係にある冷水の入口温度Ｔeiの値を用いているので，冷水に温度変化が現れた段階，すなわち，冷却水の入口温度Ｔciの変化に反映される前に冷却水の入口温度Ｔciに相当する値を捕らえることができ，フリークーリング能力Ｑの変動をより速く捕らえ，フリークーリングの有効・無効の判定タイミングを的確に行うことができる。これにより，フリークーリングの有効・無効の判定タイミング遅れによる省エネルギーチャンスを失うのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るフリークーリングシステムの系統図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るフリークーリングシステムの制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    第１冷却設備ユニット
２    第２冷却設備ユニット
３    フリークーリング熱交換器
４    供給側冷水ヘッダー
５    戻り側冷水ヘッダー
６    制御装置
７，８  往き冷水管
９，１０  戻り冷水管
１１，２１  冷却塔
１２，２２  冷凍機
１３，２３  往き冷却水配管
１４，２４  戻り冷却水配管
１５，２５  ポンプ
１６，２６  ポンプ
１７，１８，１９  弁
３１  冷却水側配管
３２  冷水側配管
３３，３４，３５  弁
４０  大気湿球温度計測用のセンサー
４１，４２  温度センサー
【図１】
2009276004.tif 000003
【図２】
2009276004.tif 000004