三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008

40

特集論

高効率ターボ冷凍機と氷蓄熱システムを組み合わせた海外地域冷房プラント

文District Cooling Plant with High Efﬁciency
Chiller and Ice Storage System
飛 田 善 徳＊1

澁 谷 誠 司＊2

Yoshinori Hida

Seiji Shibutani

天 野 松 幸Matsuyuki Amano＊3

前 原 則 保＊4
Noriyasu Maehara

当社は Singapore District Cooling Pte, Ltd より，冷水出力 59 MW（16 800RT）の地域冷房プラントを受注した．本プロジェクトは，設計・製作・調達・建設・試運転調整を含む EPC（Engineering,Procurement and Construction）契約であり，年間冷房需要の高い東南アジア地区において今後のモデルとなる高効率地域冷房プラントの実現を目指して遂行された．営業運転後１年を経過した現在，本プラントは当初の想定を超える高効率で運用されている．本報では，高効率化のために導入したターボ冷凍機，氷蓄熱システムなどの性能向上技術について紹介する．

1．はじめ

電気計装設備・建築付帯設備などの全情報を入力し，にプラント空間における配置を最適化することにより，シンガポール政府は，マリーナサウス地区を地域冷現地工事のスムーズな進捗に努めた．また，各機器・房施設及び高度通信インフラストラクチャーをもった配管類の操作性，メンテナンス性についても事前に検先進的エリアとして開発し，このエリアはシンガポー討することにより，客先引渡し後のメンテナンスなどルのビジネスセンターとしての機能を持った街並としの ト ラ ブ ル 防 止 に 努 め た． ま た，3D CAD シ ス テてその姿を現しつつある．

ムを用いて，プラント配管加工用のアイソメ図を自

当 社 は， こ の 街 の 最 初 の 地 域 冷 房 プ ラ ン ト を(注)

Singapore District Cooling Pte, Ltd（SDC）

動作図することで，詳細設計費用の削減を図った．

より
表１受注し，高効率技術を導入した地域冷房プラントとして 2007 年に納入引き渡した．

No.1 プラント熱源機器構成
冷凍機

1期完成時

本プロジェクトは，国際競争入札における他社とのシングル型冷水ターボ冷凍機（3 MW/台）

1台1台激しい競争において，プラントのコストと性能に関すパラレル型冷水ターボ冷凍機（7 MW/台）

2台4台る当社の優位性を評価されたことが受注につながっ

氷蓄熱システム
コンパウンド型製氷ターボ冷凍機＋氷蓄熱槽（20 MW/基）2基6基た．マリーナサウス地区では，５つの地域冷房プラン

プラント冷水供給熱量

トの建設が計画されており，当社はそのうちの No.1

57 MW
151 MW（16 210 RT）（42 943 RT）

プラント（プラント総容量 151 MW（42 943 RT）における第１期工事分 57 MW（16 210RT）を納入した．

3．ターボ冷凍機

第１期工事ではプラント近傍のオフィスビル２棟と3．1商業施設１棟に冷水を供給する．
注：客先 SDC は，Singapore Power 社 とフランスによるジョイントベンチャー企業

ターボ冷凍機の圧縮機は高効率機 NART シリーズ

Dalkia 社

2．プラント設備の概要
No.1 プラントの熱源機器構成を表１に示す．第１期工事では，３MW ターボ冷凍機×１台，７MW ターに採用している信頼性のあるものを採用している．本
圧縮機は高効率空力プロファイルの採用，機械損失の最小化により非常に高い圧縮機効率を達成している．
また，熱交換器はチューブの形状及び配列に最適化技( )術を適用し，伝熱性能を向上させている 1 ．
3．2

ボ冷凍機×２台，20 MW 氷蓄熱システム×２基を納入する．プラントの設計に当たっては，3D CAD を用
冷熱事業本部大型冷凍機部熱源ソリューショングループ
冷熱事業本部大型冷凍機部熱源ソリューショングループ主席＊3
冷熱事業本部資材部購買課＊2

本プロジェクトでの適用技術（1）熱交換器の構成変更

いてプラント内に設置する機器・配管・空調ダクト・＊1

高効率ターボ冷凍機

７MW の冷水ターボ冷凍機は，２台の圧縮機を＊4（株）
関電エネルギーソリューション ソリューション事業部
エンジニアリンググループ

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008

当社従来機

41

適用冷凍機

凝縮器

30℃

凝縮器

30℃
35.8℃

35.8℃
4.5℃

4.5℃

13℃

蒸発器

13℃

蒸発器
熱交換器仕切り図1

パラレル型冷凍機における熱交換器の比較

縦割型の熱交換器を採用することにより，２台の独立した冷凍機がシリーズにつながる構造とした．

持つパラレルタイプの冷凍機である．本プロジェク

縮機は，必要圧縮比の大きい製氷モードに合わせてトでは，蒸発器及び凝縮器を２分割の縦割り型とし，選定し回転数設定を行うため，圧縮比の小さい冷水２台の独立した冷凍機がシリーズにつながる構造に追掛運転時の性能は犠牲にされる傾向にある．当社

することにより冷凍機性能の向上を計った．図１及従来機のフローを図３に示す．

び表２に当社従来機との比較，図２に７MW パラ
レル型冷水ターボ冷凍機の外観を示す．
（2）運転モードに応じた圧縮機運転台数の切替え

これに対して，冷凍機の圧縮機を３台構成とし，圧縮比の大きい製氷運転時は低段圧縮機２台＋高段圧縮機１台運転，圧縮比の小さい冷水追掛運転時は当社は圧縮機を３台搭載した氷蓄熱用製氷ターボ

低段圧縮機２台運転とすることにより，製氷及び冷冷凍機を本プロジェクトで初めて採用したが，運転水追掛運転の両モードに対して効率の良い運転を可モード（製氷・冷水追掛）により圧縮機運転台数を能とした．

切り替えることで，性能を当社従来機に比べ向上さ【製氷モード】せた．製氷ターボ冷凍機は，運転モード（製氷・冷製氷モードの冷凍機運転フローを図４に示す．

水追掛）によりブライン出口温度が異なるため，冷No.1 及び No.2 の低段圧縮機により冷水追掛媒の圧縮比が異なる．通常，製氷ターボ冷凍機の圧
No1 圧縮機

表２

７MW パラレル型冷水ターボ冷凍機性能向上値比較
当社従来機

適用冷凍機
（熱交換器縦割型）

冷水出力

7 MW（2000 RT）

7 MW（2000 RT）

冷水条件

入口 13℃／出口 4.5℃

入口 13℃／出口 4.5℃

冷却水条件

入口 30℃／出口 35.8℃

入口 30℃／出口 35.8℃

1 240 kW
5.67

1 074 kW
6.55

項目

消費電力
COP

＊1
No2 圧縮機
蒸発器

＊2

凝縮器

ブライン

冷却水
＊1
エコノマイザ 1
サブクーラ＊2
エコノマイザ 2

図３

製氷ターボ冷凍機（当社従来機）のフロー

No 1 圧縮機＊1

No 2 圧縮機

ブライン

蒸発器
−1.7℃
−5℃

No 3 圧縮機

＊2

凝縮器

＊1
エコノマイザ 1＊2
エコノマイザ 2

図２

７MW パラレル型冷水ターボ冷凍機

７MW パラレル型冷水ターボ冷凍機の 3D モデルを示す．

図４

冷却水

サブクーラ
エコノマイザ 3

コンパウンド型製氷ターボ冷凍機フロー（製氷運転）

圧縮比の高い製氷運転時は，No.1，No.2 低段圧縮機により中間圧まで圧縮後，No.3 高段圧縮機により昇圧する．

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008

42モード相当の中間圧まで圧縮したのち No.3 高段圧縮機にて必要圧力まで昇圧する．

4．氷蓄熱システム
氷蓄熱システムは，ターボ冷凍機とともに地域冷房【冷水追掛モード 】
冷水追掛モードの冷凍機運転フローを図５に示プラントの性能及び経済性を左右する重要なシステム

す．冷水追掛モードは，製氷モードに対して圧縮である．氷蓄熱システムは，様々な方式が開発適用さ比が小さいため，No.1 及び No.2 の低段圧縮機のれているが，アイスボール方式とアイスオンコイル方みによる運転となる．表３に当社従来機との比較式が多く採用されている．本プラントでは，両者を比を，図６に 10 MW コンパウンド型製氷ターボ冷較検討した結果，下記理由によりアイスオンコイル方凍機の外観を示す．

式を採用した．尚，コイルは当社で開発を行った製品を使用した．
【アイスオンコイル選定理由 】

No 1 圧縮機＊1No 2 圧縮機
蒸発器
11.5℃
ブライン
7.25℃

①アイスオンコイル方式の蓄熱温度は平均−３℃程＊2＊1度であり，アイスボール方式より蓄熱温度を高くNo 3 圧縮機設定できるため，冷凍機の運転動力を低減できる．

凝縮器
冷却水

エコノマイザ 1②アイスオンコイル方式は，アイスボール方式に対して，製氷用の熱媒体として使用するエチレング＊2リコールの量が少なく，初期投資費用の面で有利

サブクーラ
エコノマイザ 2

図５となる．

エコノマイザ 3

コンパウンド型 製氷ターボ冷凍機フロー（冷水追掛運転）

圧縮比の低い冷水追掛運転時は，No.1，No.2 低段圧縮機のみによる運転となる．

4．1

本プロジェクトに適用するアイスオンコイル

アイスオンコイルは当社で開発を行った製品を使用した．その特徴を下記に示す．
（1）氷蓄熱システム設置スペースの最小化

表３

蓄熱密度の指標である氷充填率（IPF）が 90 ％10 MW 製氷ターボ冷凍機 性能向上値比較

項目

当社従来機

適用冷凍機
（圧縮機コンパウンド型）

1. 冷水追掛モード
冷水出力
ブライン温度
消費電力
COP

2800 RT
入口11.5℃／出口3.0℃
2 014 kW
4.89

2800 RT
入口11.5℃／出口7.25℃
1 563 kW
6.29

2. 製氷モード
冷水出力
ブライン温度
消費電力
COPと高く，設置スペースが小さくできる
図７に製氷時のイメージと実際の製氷状態を示す．

氷2150 RT
2150 RT
入口−1.7℃／出口−5.0℃ 入口−1.7℃／出口−5.0℃
2 020 kW
1 801 kW
3.74
4.20

チューブ

図７

氷蓄熱コイルの製氷状態

製氷完了時における氷蓄熱コイル周囲の氷付着状況を示す．

（2）縦型チューブ配列の採用
解氷時にはエアバブリングを行うことにより氷からチューブへの伝熱を促進させるが，縦型のチューブ配列とすることにより，チューブと氷の間に生成した水の中を気泡が上昇しながら撹拌する効果が得られ，伝熱性能を向上させた．図８に解氷時のイメージを示す．
（3）コイル寸法・配置
図６10 MW コンパウンド型製氷ターボ冷凍機

10 MW コンパウンド型製氷ターボ冷凍機の外観（工場組立状況）を示す．

本プロジェクトに納入したコイルの外形及び氷蓄熱槽内の配置を図９，図 10，氷蓄熱システムの諸データを表４に示す．氷蓄熱槽はコンクリート製で

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008
ブライン入口43

ブライン出口
チューブ

融解水

気泡
氷エアブロア

図８

解氷時のエアによる撹拌状況

気泡上昇通路氷蓄熱コイルの解氷状態

解氷時はエアバブリングを行い，コイル周囲の融解水中を気泡が上昇しながら攪拌するため，伝熱性能が向上する．

12.5m

5.7m

27m

6 段積み氷蓄熱コイル

図 10

氷蓄熱タンク ( 断面／平面 )氷蓄熱タンクはコンクリート製であり，内部に６段積みのコイルを合計 204 個（102 個× 2 槽）設置する．

表４項

氷蓄熱システムデータ

目

蓄熱槽

図９

仕様角型コンクリートタンク
コンクリート厚さ 475 mm
幅 5.7 m×長さ27 m×深さ12.5 m×2 槽

氷蓄熱コイル寸法：長さ4.6 m×幅1.475 m×高さ1.8 m

コイル個数

102 個／槽×２槽

氷蓄熱コイル外形

蓄熱容量

74 MWh／槽×２槽

氷蓄熱コイル重量

314 t／槽×２槽＝628 t

氷蓄熱コイルの外形を示す．コイルはエアバブリング時の解氷特性の良い縦型チューブ配列を採用した．

蓄熱コイルチューブ総延長

289.6 km／槽×２槽＝579.2 km

あり，１槽当たり 102 個のコイルを縦に６段積みとした．氷蓄熱槽としては世界最大規模であり，コイする．この水位変化を計測することにより，氷蓄熱ルチューブの総延長は 579.2 km，チューブ溶接箇システムの蓄熱量を算出し，システムの制御に利用所は 10 万箇所に及ぶ長大なものである．コイル単している．

体寸法は，現地での施工性向上・工事費低減の観点（2）解氷運転から極力大きくすることが望ましいが，コイルの防解氷運転時は，製氷ターボ冷凍機と氷蓄熱槽を錆処理を行う溶融亜鉛メッキ槽の大きさに制約があシリーズにつなぎ，製氷ターボ冷凍機の冷水追掛運るため，シンガポール近隣のアジア地区に存在する転モードでブラインを 11 ℃から 7.25 ℃まで冷却しメッキ槽の最大寸法により決定した．

た後，氷蓄熱槽の解氷運転により，氷の融解潜熱で4．2

氷蓄熱システムの運用（1）製氷運転ある０℃の低温エネルギーを利用し，ブラインを7.25 ℃から３℃まで冷却する．これにより，上流側

氷蓄熱システムの製氷完了時には蓄熱槽内部に約の製氷ターボ冷凍機は高いブライン出口温度での高700 トンの氷が形成され，水から氷に変化する際の効率な運転が可能となり，蓄熱システム全体として体積膨張により，氷蓄熱槽の水位は約 450 mm 上昇の効率向上を図った．本システムの採用により，製

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008

44

氷ターボ冷凍機単独の冷水追掛運転に対して，約4．3

氷蓄熱システムの性能120 kW の電力消費量削減が可能となり省エネルギー

図 12 に製氷運転時の性能計測データを示す．

運転を実現した．図 11 にこのシステムフローを示す．

製氷ターボ冷凍機の COP は，製氷完了時においても設計仕様値 4.2 以上を維持しており，高効率な運転となっている．また，冷凍機のブライン出口平均温度

M

11.5℃ M
11.5℃度で運転されていることから，製氷ターボ冷凍機の電力消費量削減に寄与している．

F

13℃

7.25℃

4.5℃ F

5．プラント運用実績データ

熱交換器 3℃F

5．1

ブラインポンプ

要

マリーナサウス地域冷房プラントは，プラント運用3℃

開始から１年以上経過しており，これまでのプラント運用実績について，下記にまとめる．

氷蓄熱タンク本プラントユーザーの冷水負荷は， ピーク時 で氷蓄熱システム運転フロー（追掛＋解氷）

製氷ターボ冷凍機の追掛運転と氷蓄熱槽の解氷運転をシリーズにつなげることにより氷蓄熱システム全体のCOP 向上を図った．

17 MW（4 834 RT）程度である．
図 13 に代表日（2007 年 10 月１日）の冷水負荷及10.0

冷凍機出力（MW）

8.0

冷凍機 COP

6.0
冷凍機消費電力（MW）

4.0
2.0

蓄熱時間

0.0
0：00

1：12

2：24

3：36

4：48

6：00

7：12

8：24

9：36

−2.0
−4.0

ブライン入口温度（℃）

ブライン出口温度（℃）

−6.0
−8.0

図 1210 MW 製氷ターボ冷凍機 製氷運転時の性能特性
製氷モード運転時の性能特性データを示す．

冷水製造及び氷生成状況
20 000

氷蓄熱解氷

7 MW
冷水ターボ冷凍機

16 0003 MW
冷水ターボ冷凍機
7 MW
冷水ターボ冷凍機

10 000
5 000−10 000−15 000

10 MW 製氷ターボ冷凍機
製氷運転

17 00
：0
18 0：019 0：020 0：
0
21 0：
22 00
：
0
23 0：
00

00

：

5：

：
14 00
：
0
1 00
03 0：
00
04：
05 00
：
006 0：
0
07 0：
00
08
：
09 00
：
0
10 0：
0
11 0：
0
12 0：
13 00

：
02

−5000

：

00

001

冷熱出力（kW）

性能計測データ

図 11

概16

冷水ポンプ

は− 4.3 ℃であり，製氷時の仕様値−５℃より高い温製氷ターボ冷凍機

M

10 MW 製氷ターボ冷凍機
冷水追掛運転−20 000

図 13

代表日の熱源機運転状況

代表日（2007 年 10 月１日）における冷熱出力及び熱源機運転状況を示す．

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 2008

び熱源機の運転データを示す．熱源機の運用は下記のとおりとなっている．

45

これによると冷凍機はほぼ所定の性能を満足していることが分かる．
5．3

夜間負荷（20:00 〜 8:00）

10 MW 製氷ターボ冷凍機

10 MW 製氷ターボ冷凍機は，夜間は製氷運転，昼：７MW ターボ冷凍機による冷水供給

間は冷水追掛運転となる．いずれの運転モードでも，昼間負荷（8:00 〜 20:00）：10 MW 製 氷 タ ー ボ 冷 凍 機 冷 水 追 掛 ＋ 解 氷 シ

製氷ターボ冷凍機は出力 100 ％の状態で運転する．

リーズ運転及び３MW 冷水ターボ冷凍機運転2007 年 10 月１日の製氷ターボ冷凍機の COP 実測値
データを図 16 に示す．これによると，夜間製氷運転

夜間製氷（23:00 〜 8:00）：10 MW 製氷ターボ冷凍機製氷運転

時の COP は約 5.1，昼間冷水追掛運転時の COP は 7.0

図 14 に代表日（2007 年 10 月 1 日）のプラント電力消費量データを示す．夜間の製氷ターボ冷凍機運転以上となっており，計画値以上の高効率で運転されていることが分かる．と昼間の氷蓄熱槽解氷運転を行うことにより，電力料金単価の高い昼間から料金単価の安い夜間へ，電力消8.0

費量がシフトしていることが分かる．

7.0

2 号機製氷運転
COP 約 5.1：2系統 (22 kV)：1系統 (22 kV)
：契約電力

4 000
電力消費量（kWe）

COP（-）

6.0

3 000

1 号機
製氷運転
1 号機冷水追掛運転
COP 約 7.0

5.0
4.0

：1号機
：2号機

3.0
2.0

2 000

1.0

1 000

0.0
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:0016:0018:00 20:0022:00

図 14

5．200

23:00

21:00:0

190:0
17

刻:00時

15013:00:0
110:009007:00:005:00301:00時0図 16

代表日のプラント電力消費量

代表日（2007 年 10 月１日）におけるプラント電力消費量を示す．

5．4

刻10 MW 製氷ターボ冷凍機計測データ

代表日（2007 年 10 月１日）における 10 MW 製氷ター
ボ冷凍機の COP 計測データを示す．

プラント総合効率

７MW パラレル型冷水ターボ冷凍機

マリーナサウス地域冷房プラントでは，プラント

７MW ターボ冷凍機は，冷水負荷による圧縮機２の電力供給ラインの電力消費量を計測するとともに，台の台数制御を行い，冷水ポンプにインバータ回転数ユーザへの冷水販売熱量を計測しており，日々の電力制御を採用しているため，幅広い負荷範囲で高効率に消費量と冷水販売熱量からプラントの総合 COP を算運用されている．2007 年１月から 10 月における冷凍出し管理している．電力消費量には，熱源機器，補機，機冷水出力と COP 実測値の関係を図 15 に示す．

空調換気設備，照明など，プラントで使用したすべての電力消費量が含まれている．図 17 に 2007 年２月

AART-200 PL 7 MW（2000 RT）
冷凍機出力と COP 実測値（30 分平均データ）

7.0

COP（-）

ため，プラント総合 COP には曜日の依存性があり，

5.0

冷房負荷の高い平日にはプラント総合 COP は上昇

圧縮機2 台運転し，冷房負荷の低い休日にはプラント総合 COP は低4.0

下する．2007 年 10 月時点での平日におけるプラント

3.0
1 000

総合 COP は約 3.7 である．これは氷蓄熱システムを
2 000

3 000

4 000

5 000

6 000

7 000

8 000

冷凍機出力（kW）

図 15

データを示す．
本プラントのユーザはオフィスビルが主体である

圧縮機1 台運転

6.0

から 2007 年 10 月におけるプラント総合 COP の実測

７MW 冷水ターボ冷凍機 COP

７MW パラレル型冷水ターボ冷凍機の COP 計測デー
タを示す．

導入した地域冷房プラントの平均的なプラント総合
COP 3.0 を大きく上回っており，プラントのライフサイクルコスト低減に貢献していると考えられる．

三菱重工技報 VOL.45 NO.2: 200846

シンガポールマリーナサウス地冷プラント総合 COP 実績

4.5

プラント総合 COP（-）

4.0

3.5

3.0

2.5

：プラント総合 COP

2.0

2020 07/
0 2/
20 7/2 907 /16
20 /2/2
0 3
20 7/3/20 07/ 207 3/9
20 /3
0 /1
20 7/3 607 /23
20 /3/3
20 07/ 0
0 4/
20 7/4 60 /1
20 7/4 307 /20
20 /4/2
20 07/ 7
0 5/
20 7/5 40 /1
20 7/5 107 /18
20 /5/2
0 5
20 7/6/20 07/ 10 6
20 7/6 /80 /1
20 7/6 507 /2220 /6/2
20 07/ 90 7/
20 7/7 60 /1
20 7/7 307 /20
20 /7/
0 2
20 7/8 7
07 /3
20 /80 /1
20 7/8 00 /1
20 7/8 7
07 /2420 /8/3
20 07/ 10 9/
20 7/9 7
07 /1420 /90 /2
20 7/9 1/20 07/ 28
07 10/1 /50/
121.5

日付

図 176．まとプラント総合 COP

2007 年２月から 10 月までのプラント総合 COP 計測データを示す．

め

マリーナサウス地域冷房プラント第１期工事では，

参 考 文 献（1）関 亘ほか，高効率ターボ冷凍機（NART シリーズ），三菱重工技報 Vol.39 No.2（2002）p.88

当社の有する最新の高効率ターボ冷凍機及び氷蓄熱システム技術を導入した．今後マリーナサウス地区の開発に伴い，本プラントのテナントユーザは増加していくことが予想され，当社のターボ冷凍機についても受注台数の増加が見込まれている．
シンガポールという赤道直下の立地条件において，冷凍機が COP 7.0 以上の高効率で稼動している状況
は，国内及び海外の冷凍機ユーザの注目を集めている．

飛田善徳

前原則保澁谷誠司

天野松幸