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技術 熱源システム

出願人 三建設備工業株式会社
発明者 大立啓之
出願日 2008年10月3日 (12年1ヶ月経過) 出願番号 2008-258098
公開日 2010年4月15日 (10年7ヶ月経過) 公開番号 2010-085072
状態 特許登録済
技術分野 不可逆サイクルによる圧縮式冷凍機械 空調制御装置 空調制御装置1
主要キーワード 供給遮断弁 バイパス遮断弁 冬季モード 調節管 レトロフィット 各冷却塔 流量運転 圧力損失分
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔能力を有効に活用することができる熱源システムを提供すること。

解決手段

熱源システム1は、冷媒冷凍サイクルを行う冷凍機11と、冷却塔12と、吐出流量が可変冷却水ポンプ31と、冷凍機11から導出された冷却水CDを再び冷凍機11に流入させる循環管23と、循環管23を流れる冷却水CDCを流動させる循環ポンプ33と、冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDSを循環管23に導くバイパス管24とを備える。冷却塔12から導出される冷却水CDSの温度が冷凍機11に導入可能な下限温度よりも低い場合、冷凍機11が求める下限流量以上の冷却水CDを循環管23及び冷凍機11に循環させつつ下限温度よりも低い冷却水CDSを必要な流量に絞って循環管23に流入させるため、冷却水ポンプ31の動力が低減されて省エネとなる。

概要

背景

熱源機器として用いられることが多い冷凍機は、冷却水を導入し、冷凍サイクルを行う冷媒凝縮させ、冷凍サイクルを継続させる。冷凍機は、かつては一定流量の冷却水が導入されることを前提に製造されているものが多かったが、近年、より省エネルギーを求める気運の高まりを背景に、冷却水の流量を負荷に応じて可変としてポンプ動力を削減するという要求に応えるため、導入される冷却水を変流量とすることを前提として製造されるものが増えている。そして、このような冷却水変流量仕様の冷凍機を用いた熱源システムが多く構築されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2000−283527号公報(段落0008、図1等)

概要

冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔能力を有効に活用することができる熱源システムを提供すること。熱源システム1は、冷媒が冷凍サイクルを行う冷凍機11と、冷却塔12と、吐出流量が可変の冷却水ポンプ31と、冷凍機11から導出された冷却水CDを再び冷凍機11に流入させる循環管23と、循環管23を流れる冷却水CDCを流動させる循環ポンプ33と、冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDSを循環管23に導くバイパス管24とを備える。冷却塔12から導出される冷却水CDSの温度が冷凍機11に導入可能な下限温度よりも低い場合、冷凍機11が求める下限流量以上の冷却水CDを循環管23及び冷凍機11に循環させつつ下限温度よりも低い冷却水CDSを必要な流量に絞って循環管23に流入させるため、冷却水ポンプ31の動力が低減されて省エネとなる。

目的

本発明は上述の課題に鑑み、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができる熱源システムを提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

冷凍サイクルを行う冷媒蒸発する際に被冷却媒体を冷却し、蒸発した前記冷媒を凝縮させる冷却水を導入する冷凍機と;前記冷却水を大気熱交換させて冷却する冷却塔と;前記冷却塔で冷却された前記冷却水を前記冷凍機へ導く冷却水往管と;前記冷凍機で温度が上昇した前記冷却水を前記冷却塔へ導く冷却水還管と;前記冷却水往管に配設され、前記冷却水を前記冷凍機に向けて圧送する、吐出流量が可変冷却水ポンプと;前記冷凍機から導出された前記冷却水を、前記冷却塔をバイパスして前記冷凍機に流入させる循環管と;前記循環管に配設され、前記循環管を流れる前記冷却水を流動させる循環ポンプと;前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水を前記循環管に導くバイパス管とを備える;熱源システム

請求項2

前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水を、前記バイパス管に流入させずに前記冷凍機に流入させる流路と、前記冷凍機に流入させずに前記バイパス管に流入させる流路とを切り替え切替手段と;前記バイパス管との接続部よりも下流側の前記循環管を流れる前記冷却水の温度を検出する温度検出器と;前記冷却水ポンプで圧送された前記冷却水が前記冷凍機に流入せずに前記バイパス管に流入するときに、前記温度検出器で検出された温度が所定の温度になるように前記冷却水ポンプの吐出流量を調節する制御装置とを備える;請求項1に記載の熱源システム。

請求項3

前記循環ポンプが、前記冷却水を一定の流量で吐出するように構成された;請求項1又は請求項2に記載の熱源システム。

請求項4

前記冷凍機から導出された前記冷却水が前記循環管に流入するのを遮断する遮断弁を備え;前記循環ポンプが、前記冷却水ポンプを停止させると共に前記遮断弁を閉止して運転させたときに、前記冷却水を、前記循環管、前記冷凍機、及び前記冷却水還管を介して前記冷却塔に揚水できる揚程を有するように構成された;請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の熱源システム。

技術分野

0001

本発明は熱源システムに関し、特に冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔能力を有効に活用することができる熱源システムに関する。

背景技術

0002

熱源機器として用いられることが多い冷凍機は、冷却水を導入し、冷凍サイクルを行う冷媒凝縮させ、冷凍サイクルを継続させる。冷凍機は、かつては一定流量の冷却水が導入されることを前提に製造されているものが多かったが、近年、より省エネルギーを求める気運の高まりを背景に、冷却水の流量を負荷に応じて可変としてポンプ動力を削減するという要求に応えるため、導入される冷却水を変流量とすることを前提として製造されるものが増えている。そして、このような冷却水変流量仕様の冷凍機を用いた熱源システムが多く構築されている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2000−283527号公報(段落0008、図1等)

発明が解決しようとする課題

0003

近年では、工業製品の製造工程における冷房用として構築される熱源システムのように、冬季でも冷熱需要がある事例が増えている。冷却塔においては、冬季のように外気湿球温度が低いほど冷却水の温度を低下させることができる。そして、冷却水温度が低いほど冷凍機に導入する冷却水流量を少なくすることができる。しかしながら、冷却水変流量仕様の冷凍機といえども、最低限導入すべき冷却水流量、冷却水流量を変更する際の単位時間当たりの増減流量、冷却水の下限温度等の制約があり、外気条件から見ればより温度が低い冷却水を冷凍機に供給可能な場合であっても、冷凍機側の制約がこれを許さず、冷却塔の能力を有効に活用することが難しい場合があった。

0004

本発明は上述の課題に鑑み、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができる熱源システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0005

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る熱源システムは、例えば図1に示すように、冷凍サイクルを行う冷媒が蒸発する際に被冷却媒体pを冷却し、蒸発した前記冷媒を凝縮させる冷却水CDを導入する冷凍機11と;冷却水CDを大気熱交換させて冷却する冷却塔12と;冷却塔12で冷却された冷却水CDSを冷凍機11へ導く冷却水往管21と;冷凍機11で温度が上昇した冷却水CDRを冷却塔12へ導く冷却水還管22と;冷却水往管21に配設され、冷却水CDを冷凍機11に向けて圧送する、吐出流量が可変の冷却水ポンプ31と;冷凍機11から導出された冷却水CDを、冷却塔12をバイパスして冷凍機11に流入させる循環管23と;循環管23に配設され、循環管23を流れる冷却水CDCを流動させる循環ポンプ33と;冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDSを循環管23に導くバイパス管24とを備える。ここで「冷凍機」は、冷凍サイクルにより被冷却媒体を冷却することができればよく、別途流体を加熱する機能を有することを妨げるものではなく、例えばいわゆる冷温水発生機等も含まれる。

0006

このように構成すると、冷凍機側の条件を満たすように冷却水が循環管を流動するのに必要最小限の圧力で循環ポンプを運転し、冷却塔で冷却された冷却水を冷凍機側の条件の制約を受けずに必要な流量だけ循環管に流入するように冷却水ポンプを可変流量運転することが可能となり、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができて、省エネルギーとなる。換言すれば、冷凍機に供給される冷却水は、冷凍機の条件(例えば、下限流量、下限温度等)を満たすように循環ポンプで供給される一方(この場合、循環ポンプは循環流路圧力損失分吐出圧で運転すれば足りる)、冷却塔に循環される冷却水量を最小化することができる。

0007

また、本発明の第2の態様に係る熱源システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様に係る熱源システム1において、冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDSを、バイパス管24に流入させずに冷凍機11に流入させる流路と、冷凍機11に流入させずにバイパス管24に流入させる流路とを切り替え切替手段41、44と;バイパス管24との接続部よりも下流側の循環管23を流れる冷却水CDCの温度を検出する温度検出器53と;冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDSが冷凍機11に流入せずにバイパス管24に流入するときに、温度検出器53で検出された温度が所定の温度になるように冷却水ポンプ31の吐出流量を調節する制御装置50とを備える。

0008

このように構成すると、冷却水ポンプで圧送された冷却水が冷凍機に流入せずにバイパス管に流入するときに、温度検出器で検出された温度が所定の温度になるように冷却水ポンプの吐出流量を調節するので、冷凍機に導入される冷却水の温度を安定させることができ、冷凍機の高効率運転が可能となる。

0009

また、本発明の第3の態様に係る熱源システムは、例えば図1を参照して示すと、上記本発明の第1の態様又は第2の態様に係る熱源システム1において、循環ポンプ33が、冷却水CDCを一定の流量で吐出するように構成されている。

0010

このように構成すると、冷凍機に負荷変動があった場合の追従性を安定させることができる。また、冷却水が定流量であることを前提とした既存の冷凍機を用いて本発明に係る熱源システムを適用することができ、省エネルギー化を図ることができる。

0011

また、本発明の第4の態様に係る熱源システムは、例えば図1に示すように、上記本発明の第1の態様乃至第3の態様のいずれか1つの態様に係る熱源システム1において、冷凍機11から導出された冷却水CDRが循環管23に流入するのを遮断する遮断弁43を備え;循環ポンプ33が、冷却水ポンプ31を停止させると共に遮断弁43を閉止して運転させたときに、冷却水CDを、循環管23、冷凍機11、及び冷却水還管22を介して冷却塔12に揚水できる揚程を有するように構成されている。

0012

このように構成すると、冷却水ポンプが故障等により運転できなくなった場合であっても、冷却水を、冷却塔から冷却水往管、冷凍機、冷却水還管を介して再び冷却塔に流す際の冷却水ポンプの機能を循環ポンプが代替することができる。

発明の効果

0013

本発明によれば、冷凍機側の条件を満たすように冷却水が循環管を流動するのに必要最小限の圧力で循環ポンプを運転し、冷却塔で冷却された冷却水を冷凍機側の条件の制約を受けずに必要な流量だけ循環管に流入するように冷却水ポンプを可変流量運転することが可能となり、冷凍機側の条件を満たしつつ冷却塔の能力を有効に活用することができて、省エネルギーとなる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

0015

まず図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る熱源システム1を説明する。図1は、熱源システム1の模式的系統図である。熱源システム1は、冷凍機11と、冷却塔12と、冷凍機11と冷却塔12とを結ぶ冷却水往管21及び冷却水還管22と、冷却水CDを流動させる冷却水ポンプ31と、冷凍機11から導出された冷却水CDを再び冷凍機11へと導く循環管23と、循環管23内の冷却水CDを流動させる循環ポンプ33と、冷却水ポンプ31で圧送された冷却水CDを循環管23に導くバイパス管24とを備えている。冷却水に関し、以下の説明では、冷却塔12で冷却されて冷却塔12から導出された冷却水CD(典型的には冷凍機11に向けて供給される冷却水CD)を「往冷却水CDS」といい、冷凍機11等で熱交換が行われて温度が上昇し冷却塔12に向けて流れる冷却水CDを「還冷却水CDR」といい、冷凍機11から導出されて冷却塔12に向かわずに再び冷凍機11に導入される冷却水CDを「循環冷却水CDC」と呼称して区別する場合があるが、特に区別しない場合は単に「冷却水CD」と総称することとする。

0016

冷凍機11は、例えば空調用として用いられる水冷式熱源装置であり、典型的には、容量制御性に優れたターボ冷凍機又は吸収式冷凍機が用いられる。冷凍機11は、不図示の冷媒が冷凍サイクルを行い(蒸発と凝縮を交互に行う)、冷媒が蒸発する際に被冷却媒体としての冷水pから熱を奪うことで冷水pを冷却する機器である。冷凍機11には、冷水pと熱交換をして蒸発した冷媒を冷却して凝縮させるために、冷却水CDが導入される。一般に、冷凍機は、従来は導入する冷却水の流量が変わらないことを前提として製造されているもの(以下「定流量仕様」という。)が多かった。しかし、冷却負荷(冷却する冷水pの流量及び温度に依存する)が定格値よりも減少した場合、あるいは導入する往冷却水CDSの温度が低下した場合に、冷凍機の運転に支障ない範囲で導入する冷却水CDの流量を減少させることができる。このような事情を背景に、冷却水ポンプの動力削減を可能にすることを目的として、運転中に冷却水の流量が変化することに対応した冷凍機(以下「変流量仕様」という。)が製造されている。本実施の形態の冷凍機11は変流量仕様を採用していることとして説明する。変流量仕様の冷凍機は、一般に、定格流量に対して減少させることができる流量に下限があり(例えば定格流量の50%程度)、流量変化の割合(%/分)に上限があり、導入する冷却水の温度に下限がある、というような制約があるところ、冷凍機11も、導入する冷却水CDの下限流量、流量変化割合、下限温度に制約がある。

0017

冷却塔12は、冷凍機11で温度が上昇した還冷却水CDRを導入し、大気と熱交換をして再び冷凍機11に供給可能な温度に冷却する機器である。換言すれば、冷却塔12は、冷凍機11で冷水pから奪った熱を、冷却水CDを媒体として大気に放散する機器である。冷却塔12は、開放式であり、導入した還冷却水CDRを散布ノズル12sから散布して一部を蒸発させることにより、その一部の蒸発した冷却水CDの潜熱で残りの蒸発していない冷却水CDを冷却するように構成されている。冷却塔12は、大気との熱交換を促進させるために強制的に外気を取り込むファン12fを有している。また、冷却塔12は、インバータ13を有しており、ファン12fの回転速度を任意に変えることができるように構成されている。本実施の形態では、同様の構成の冷却塔12を2セット備えており、これらを区別する必要がある場合はそれぞれ異なる符号「12A」、「12B」を付すこととし、区別する必要がない場合は「冷却塔12」と総称する。なお、各冷却塔12A、12Bは、図では1台ずつが設置されているように示されているが、典型的には、それぞれ複数台の冷却塔が合わさって、総和の能力を有する1台の冷却塔のように作動するセクションとして構成されている。冷却塔12は、要求される能力に応じて、セクションとして構成され、あるいは単体の冷却塔として構成される。

0018

冷却水往管21は、冷却塔12で冷却された往冷却水CDSを冷凍機11へ供給するための配管である。冷却水往管21は、冷却塔12の冷却された往冷却水CDSが貯留される部分と、冷凍機11の冷却水入口11aとに接続されている。冷却水往管21には、冷却水ポンプ31が配設されている。冷却水ポンプ31は、インバータ31vを有しており、インバータ31vによって回転速度を変えることで吐出される往冷却水CDSの流量を変えることができるように構成されている。冷却水ポンプ31と冷却塔12との間の冷却水往管21には、往冷却水CDSの温度を検出する温度センサ51が設けられている。冷却水ポンプ31と温度センサ51との間の冷却水往管21と、冷却水ポンプ31の下流側の冷却水往管21とには、往冷却水CDSが冷却水ポンプ31を通過することを回避するための冷却水ポンプバイパス管26が接続されている。冷却水ポンプバイパス管26には、往冷却水CDSの流れを遮断するポンプバイパス遮断弁46が配設されている。冷却水往管21は、温度センサ51の上流側で、冷却塔12Aに接続された冷却水往管21Aと冷却塔12Bに接続された冷却水往管21Bとが接続されて1本の配管になっている。

0019

冷却水還管22は、冷凍機11で冷媒と熱交換して温度が上昇した還冷却水CDRを冷却塔12に戻すための配管である。冷却水還管22は、冷凍機11の冷却水出口11bと、冷却塔12の散布ノズル12sとに接続されている。冷却水還管22は、冷却塔12の近傍で2本の冷却水還管22A、22Bに分岐され、それぞれ冷却塔12A及び冷却塔12Bに接続されている。冷却水還管22Aには、還冷却水CDRの流路を遮断する還管遮断弁42Aが配設されている。冷却水還管22Bには、還冷却水CDRの流路を遮断する還管遮断弁42Bが配設されている。冷却水ポンプ31下流側の冷却水ポンプバイパス管26との接続位置よりも下流側の冷却水往管21と、冷却水還管22とは、往冷却水CDSの一部を冷却水還管22に導く調節管25で接続されている。調節管25には、内部を流れる往冷却水CDSの流量を調節する流量調整弁45が配設されている。

0020

循環管23は、冷凍機11と調節管25との間の冷却水還管22と、冷凍機11と調節管25との間の冷却水往管21とに接続されている。循環管23には、循環冷却水CDCの温度を検出する温度センサ53と、循環冷却水CDCを流動させる循環ポンプ33と、循環冷却水CDCの逆流を防ぐ逆止弁48とが、循環冷却水CDCの流れの向きにこの順で配設されている。本実施の形態では、循環ポンプ33は、冷却水ポンプ31が故障等により運転不能になった場合に備えて、冷却水ポンプ31と同程度の揚程を有している。また、循環ポンプ33は、インバータ33vを有しており、インバータ33vによって回転速度を変えることで循環管23を循環する循環冷却水CDCの流量を変えることができるように構成されている。

0021

バイパス管24は、冷却水往管21と循環管23とに接続されている。バイパス管24の、冷却水往管21への接続位置は、調節管25の接続部分と循環管23の接続部分との間になっている。他方、バイパス管24の循環管23への接続位置は、温度センサ53よりも上流側となっている。バイパス管24には、往冷却水CDSの流路を遮断するバイパス遮断弁44が配設されている。冷却水往管21の、バイパス管24の接続部分と循環管23の接続部分との間には、往冷却水CDSの流路を遮断する供給遮断弁41が配設されている。供給遮断弁41及びバイパス遮断弁44の一方を開、他方を閉とすることにより、往冷却水CDSを、バイパス管24に流入させずに冷凍機11に流入させるのと、冷凍機11に流入させずにバイパス管24に流入させるのとを切り替えることができるようになっている。すなわち、供給遮断弁41及びバイパス遮断弁44は、切替手段を構成する。なお、供給遮断弁41及びバイパス遮断弁44に代えて、バイパス管24の接続部分の冷却水往管21に切替手段としての三方弁を設けてもよい。循環管23の、バイパス管24との接続部分よりも上流側には、冷凍機11から導出された還冷却水CDRが循環管23に流入するのを遮断する循環遮断弁43が配設されている。

0022

温度センサ51、冷却塔12のインバータ13、還管遮断弁42A、42Bは、それぞれ信号ケーブルで制御装置50Aに接続されており、温度センサ51が検出した温度に応じてファン12fの回転速度及び/又は還管遮断弁42A、42Bの開閉動作が制御されるように構成されている。温度センサ53、冷却水ポンプ31のインバータ31v、流量調整弁45は、それぞれ信号ケーブルで制御装置50Bに接続されており、温度センサ53が検出した温度に応じて冷却水ポンプ31の回転速度及び/又は流量調整弁45の開度全開、全閉も含む)が制御されるように構成されている。供給遮断弁41及びバイパス遮断弁44、並びに外気湿球温度を検出する外気温度センサ59は、それぞれ信号ケーブルで制御装置50Cに接続されており、外気温度センサ59が検出した温度に応じて供給遮断弁41及びバイパス遮断弁44の開閉動作が制御されるように構成されている。循環ポンプ33のインバータ33vは、信号ケーブルで制御装置50Dに接続されており、冷凍機11の負荷に応じて循環ポンプ33の回転速度が制御されるように構成されている。制御装置50A、50B、50C、50Dは、典型的には1つの筐体に収容されているが、別々に構成されていてもよい。また、概念上は区別されているが、物理上は一体に構成されていてもよい(1つのコンピュータにまとめられていてもよい)。以下の説明では、各制御装置50A、50B、50C、50Dを総称して「制御装置50」と呼称する。

0023

引き続き図1を参照して、熱源システム1の作用を説明する。上述のように構成された熱源システム1は、特に冬季のように外気温度が低く、冷却塔12で冷却された往冷却水CDSの温度が冷凍機11の下限温度を下回る場合であっても、冷却塔12を冷凍機11側の条件に合わせた余力を残した運転とせずに、冷凍機11側の制約条件を満たしつつ冷却塔12の能力を可能な範囲で活用して、従来よりも省エネルギーを実現できるシステムである。熱源システム1は、冬季に冬季モードに切り替えることにより省エネルギーを実現できるようになっているが、まず、冬季モードではない通常モードの作用を説明する。

0024

通常モードの熱源システム1は、制御装置50により供給遮断弁41が開、バイパス遮断弁44が閉となっている。また、ポンプバイパス遮断弁46が閉、循環遮断弁43が開となっている。流量調整弁45は全閉となっている。そして、冷熱需要(冷凍機11が製造する冷水pの需要)が発生し、冷凍機11が起動する際に、冷却塔12及び冷却水ポンプ31も起動する。すると、冷却塔12で外気と熱交換して温度が低下した往冷却水CDSが、冷却水往管21を流れて冷凍機11に流入する。冷凍機11に流入した往冷却水CDSは、冷凍機11内で冷凍サイクルを行う冷媒と熱交換を行い、温度が上昇した還冷却水CDRとして冷凍機11から導出される。冷凍機11から導出された還冷却水CDRは、冷却水ポンプ31の圧力で、冷却水還管22を介して冷却塔12に揚水され、散布ノズル12sから散布される。散布ノズル12sから散布された還冷却水CDRは、その一部が蒸発する際の蒸発潜熱を残りの還冷却水CDRから奪うことにより、当該残りの還冷却水CDRが冷却されて往冷却水CDSとなり、再び冷凍機11に向けて冷却塔12から導出される。通常モード時は、循環管23内の冷却水CDは流動しない。

0025

通常モードの際、温度センサ51で検出された温度が通常モード時の所定の温度(例えば外気条件により13℃〜32℃程度のいずれかに設定される)となるように、インバータ13によりファン12fの回転速度が調節される。典型的には、温度センサ51で検出された温度に応じて両冷却塔12A、12Bのファン12fの回転速度が同調して調節され、インバータ13の出力(ファン12fの回転速度)が下限設定周波数(例えば5〜10Hz)となった場合に一方の冷却塔12Aが停止して当該冷却塔12Aに接続されている冷却水還管22Aの還管遮断弁42Aが閉止される減段が行われる。一方の冷却塔12Aが停止すると、典型的には他方の冷却塔12Bのファン12fの回転速度が上昇する。温度センサ51で検出された温度に応じて冷却塔12Bのファン12fの回転速度が調節され、インバータ13の出力(ファン12fの回転速度)が上限設定周波数(例えば40〜45Hz)になると、閉となっていた還管遮断弁42Aが開になると共に停止していた冷却塔12Aが再起動される。このように、冷却塔12は、容量制御(ファン12fの回転速度の制御)と台数制御とが併用され、冷凍機11に供給される往冷却水CDSの温度を安定させている。続いて冬季モードの作用を説明する。

0026

冬季モードには、外気温度センサ59が検出した温度が所定の温度以下の場合に切り替えられる。制御装置50は、外気温度センサ59が検出した温度が所定の温度以下となると、切替手段を構成する供給遮断弁41を閉じると共にバイパス遮断弁44を開にする。循環遮断弁43は開のままである。この状態で、冷凍機11が起動する際、冷却塔12及び冷却水ポンプ31の起動に加えて、循環ポンプ33も起動する。循環ポンプ33の起動により、循環冷却水CDCが循環管23及び冷凍機11を循環する。他方、冷却塔12で温度が低下した往冷却水CDSは、冷却水ポンプ31によって圧送され、冷却水往管21からバイパス管24を流れて循環管23に流入し、冷凍機11から導出された還冷却水CDRと混合して循環冷却水CDCとなる。往冷却水CDSが混合されることにより、循環冷却水CDCの温度は還冷却水CDRよりも低くなる。温度が低下した循環冷却水CDCは、冷凍機11に流入し、冷凍機11内で冷凍サイクルを行う冷媒と熱交換を行い、温度が上昇して冷凍機11から循環冷却水CDCとして導出される。冷凍機11から導出された還冷却水CDRは、循環管23に流入した往冷却水CDSに相当する分が冷却塔12に向かって冷却水還管22を流れ、残りは循環管23に流入する。循環管23に流入した還冷却水CDRは、上述のように往冷却水CDSが混合されることにより温度が低下した循環冷却水CDCとして冷凍機11に供給される。他方、冷却塔12に向かって冷却水還管22を流れる還冷却水CDRは、冷却塔12に揚水されて散布ノズル12sから散布され、冷却されて往冷却水CDSとなり、冷却塔12から導出される。

0027

冬季モードの際、循環ポンプ33は、冷凍機11の負荷に応じて(例えば温度センサ53で検出された温度と冷凍機11から導出された還冷却水CDRの温度(温度検出器は不図示)との差が所定の温度差となるように)インバータ33vで回転速度が制御される。このとき、循環ポンプ33の吐出圧力は、循環ライン圧力損失(冷凍機11、循環管23、冷却水往管21及び冷却水還管22のそれぞれ一部の圧力損失)分で足りる。すなわち、循環ポンプ33は、循環冷却水CDCの循環に必要な圧力で運転すれば足り、実揚程は不要となり、循環ポンプ33の動力は吐出流量の割に小さくなる。他方、冷却水ポンプ31は、温度センサ53で検出された温度が冬季モード時の所定の温度となるように、インバータ31vで回転速度が制御される。ここで、冬季モード時の所定の温度は、冷凍機11の成績係数COP)を向上させる観点から、典型的には、冷凍機11に供給可能な冷却水CDの下限温度を下回らない範囲でできるだけ低い温度であり、外乱が生じても下限温度を下回らないように下限温度から余裕分高い温度とするのが好ましい。循環管23に導入される往冷却水CDSは、典型的には冷凍機11に供給可能な冷却水CDの下限温度よりも低い温度となっている。循環管23に導入される往冷却水CDSの温度を、凍結温度を超える温度(例えば5℃以上)に維持しつつ、外気温度に応じて冷却塔12でできるだけ低い温度に冷却することにより、循環管23に導入される往冷却水CDSの流量をより小さくすることができ、その分冷却水ポンプ31の動力を低減することができる。

0028

このように、熱源システム1は、冬季モードの際、冷却塔12から導出される往冷却水CDSの温度(温度センサ51で検出される温度)を、凍結防止の観点から例えば5℃を下限としつつ、冷凍機11に供給可能な冷却水CDの温度(冷凍機11側の下限温度)に拘束されずにできるだけ低い温度とすることができるため、冷却塔12の能力に余力を残さずに有効に活用することができて、冷却水ポンプ31の動力と循環ポンプ33の動力との合計動力を、従来の変流量仕様の冷凍機を用いて冷凍機が許容する下限温度以上で運転する場合の動力よりも小さくすることができ、省エネルギーなシステムとなる。また、熱源システム1は、循環冷却水CDCの流量が、冷凍機11に導入される冷却水CDの下限流量及び流量変化割合の制約を担保することができるため、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた場合には実現することができなかった範囲まで冷却塔12の能力を有効に活用することができる。また、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた変流量制御では、冷却水の流量を減少させると冷却水出口温度が上昇し冷凍機の成績係数(COP)が低下して冷却水ポンプの動力削減分が冷凍機動力の増加分を上回ることができずに省エネルギーにならない場合があったが、熱源システム1では、このような場合(従来の変流量仕様の冷凍機を用いた変流量制御では冷却水流量の削減が省エネルギーにならない場合)であっても、循環冷却水CDCの流量とは別に冷却水ポンプ31が圧送する往冷却水CDSの流量を変流量とすることが可能となるので、従来の変流量仕様の冷凍機を用いた制御である冷凍機のCOP低下に配慮して条件に応じて変流量を抑制する場合に比べて、冷却水ポンプ31の動力を削減することができる場面が多くなり、より省エネルギーに寄与することとなる。

0029

なお、熱源システム1は、循環遮断弁43及びポンプバイパス遮断弁46を備え、循環ポンプ33が冷却水ポンプ31相当の揚程を有し、冷却水ポンプ31が稼働しているときには循環ポンプ33がインバータで抑制した運転をしている。このように構成されていると、冷却水ポンプ31が故障やメンテナンス等で動かせない場合であっても、循環遮断弁43を閉じ、ポンプバイパス遮断弁46を開け、循環ポンプ33を定格で運転することで、冷却塔12内の往冷却水CDSを、冷却水往管21、バイパス管24、循環管23を介して冷凍機11に導入し、冷凍機11から導出された還冷却水CDRを冷却水還管22を介して冷却塔12に戻す、通常モードと等価の運転を行うことができる。このように、循環遮断弁43及びポンプバイパス遮断弁46を操作するのは稀であるので、循環遮断弁43及びポンプバイパス遮断弁46は典型的には手動弁が用いられるが、自動弁としてもよい。

0030

次に図2を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る熱源システム2を説明する。図2は、熱源システム2の模式的系統図である。熱源システム2の、熱源システム1(図1参照)と異なる点は、フリークーリング用の設備を追加したことである。熱源システム2は、熱源システム1(図1参照)の構成に加えて、二次側配管69を流れる媒体としての冷水qと冷却水CDとの間で熱交換を行わせる熱交換器63と、熱交換器63に往冷却水CDSを導く冷却水供給往管61と、熱交換器63から導出された還冷却水CDRを冷却水還管22に導く冷却水供給還管62とを備えている。

0031

冷却水供給往管61は、その一端が冷却水ポンプ31と調節管25の分岐部との間の冷却水往管21に接続され、他端が熱交換器63の冷却水入口63aに接続されている。なお、図2では冷却水ポンプバイパス管26(図1参照)を省略しているが、冷却水ポンプバイパス管26(図1参照)が設けられる場合は冷却水ポンプバイパス管26(図1参照)の接続部よりも下流側に冷却水供給往管61の一端が接続される。冷却水供給往管61には、冷却水往管21を流れる往冷却水CDSを冷却水供給往管61に引き込んで熱交換器63に圧送するフリークーリングポンプ64が配設されている。フリークーリングポンプ64は、インバータ64vを有しており、インバータ64vによって回転速度を変えることで吐出される往冷却水CDSの流量を変えることができるように構成されている。インバータ64vは信号ケーブルで制御装置50に接続されており、制御装置50の指令によってフリークーリングポンプ64の回転速度が制御されるように構成されている。冷却水供給還管62は、一端が熱交換器63の冷却水出口63bに接続され、他端が調節管25の接続部より下流側の冷却水還管22に接続されている。このように、冷却塔12に対して熱交換器63と冷凍機11とは並列に接続されている。熱交換器63は、往冷却水CDSを導入する他に二次側配管69を介して冷水qを導入するように構成されており、導入した往冷却水CDSと冷水qとで熱交換を行わせて冷水qの温度を低下させることができるように構成されている。

0032

上述のように構成された熱源システム2は、通常モード時はフリークーリングポンプ64が停止している。これにより、熱交換器63に往冷却水CDSが供給されず、冷水qの冷却も行われない。すなわち、通常モード時はフリークーリングが行われない。この場合、二次側(熱源システムで製造された冷水が利用される機器で、例えばエアハンドリングユニットファンコイルユニット等)に供給される冷水は、典型的には冷凍機11で製造される。通常モードのときは、上述の熱源システム1(図1参照)における通常モードと同様の運転が行われる。

0033

冬季モードの熱源システム2は、上述の熱源システム1(図1参照)における冬季モードの運転に加えて、制御装置50によりフリークーリングポンプ64が起動される。すると、冷却水ポンプ31で圧送された往冷却水CDSは、一部が冷却水供給往管61を流れて熱交換器63に供給され、残りは引き続き冷却水往管21を流れた後バイパス管24に流入する。バイパス管24に流入した往冷却水CDSは、上述の熱源システム1(図1参照)における冬季モードと同様に、還冷却水CDRと混合して循環冷却水CDCとして冷凍機11に供給される。他方、熱交換器63に供給された往冷却水CDSは、冷水qとの間で熱交換が行われて温度が上昇し、冷却水供給還管62を介して冷却水還管22に流入する。熱交換器63から導出された還冷却水CDRと冷凍機11から導出された還冷却水CDRとは合流した後、冷却水還管22を介して冷却塔12に導かれ、冷却された後に再び冷却塔12から導出される。

0034

上述の熱源システム2によれば、冷却塔12の能力に余力があるときに(冷凍機11の冷却に必要な分よりも多くの冷熱がとれるときに)冷凍機11の冷却に加えて冷水をも製造することができるので、単位量当たりの冷水を製造するのに要するエネルギーがより少なくて済む。換言すれば、冷却塔12の能力をより活用することができ、一層の省エネルギー化を達成することができる。なお、上記の熱源システム2についての説明では、冷却塔12に対して熱交換器63と冷凍機11とは並列(パラレル)に接続されているとしたが、熱交換器63から導出された冷却水CDの温度が冷凍機11の冷却水として利用できる程低い温度である場合は、直列シリーズ)に接続されていてもよい。直列に接続される場合は、冷却水供給還管62の他端が、冷却水供給往管61の接続部と調節管25の接続部との間の冷却水往管21に接続されることとなる。また、冷却水供給還管62を2つに分岐させて冷却水往管21の所定の位置と冷却水還管22の所定の位置とにそれぞれ接続し、並列接続直列接続とを切り替えることができるように構成されていてもよい。

0035

以上の説明では、冷凍機11は、導入する冷却水CDの下限流量、流量変化割合、下限温度に制約があるとしたが、下限流量及び/又は流量変化割合の制約がない場合もありうる。また、冷凍機11が変流量仕様であるとして説明したが、定流量仕様であってもよい。既に設置され、稼働している熱源システム(空調システム)の中には、定流量仕様の冷凍機と冷却塔との組み合わせでシステムが構築されているものもある。このようなシステムに対して、循環ポンプ33が配設された循環管23及びバイパス管24等の、上述した本実施の形態に係る熱源システム1、2の構築に必要な部材を後付け(レトロフィット)することで、より省エネルギーなシステムとすることができる。

0036

以上の説明では、冷却塔12が開放式であるとしたが、密閉式であってもよい。密閉式とすると、冷却水ポンプ31の実揚程が不要となり、また、冷却水CDが外気によって汚染されることを防ぐことができる。他方、開放式とすると、冷却塔12の設置スペースを小さくすることができ、冷却塔12における圧力損失を低減することができ、外気との熱交換効率を向上させることができる。熱源システム1、2では、冬季モードの際に冷却水ポンプ31で圧送する冷却水CDの流量が小さくて済むので、開放式の冷却塔12とすることでより多くのメリットを享受することができる。

0037

以上の説明では、外気温度センサ59が外気湿球温度を検出することしたが、外気乾球温度を検出することとしてもよい。また、外気温度センサ59で検出した温度に応じて通常モードと冬季モードとを切り替えることとしたが、制御装置50がカレンダーを有し、このカレンダーのにしたがって通常モードと冬季モードとを切り替えることとしてもよい(例えば、12月〜2月を冬季モード、これ以外を通常モードとする等)。また、冬季に上述の冬季モードで運転することとしたが、冬季モードは冬季に限らず、例えば標高が高い地域のように冬季以外でも冷却塔12から導出される往冷却水CDSの温度が冷凍機11側の下限温度よりも低くなる時期がある場合は当該時期に冬季モードの運転をしてもよい。

0038

以上の説明では、循環ポンプ33が、吐出流量が可変に構成されているとしたが、吐出流量が一定になるように構成(又は設定)されていてもよい。循環ポンプ33の吐出流量を一定とすると、冷凍機11に導入される冷却水CDの流量が安定するので、冷凍機11に負荷変動があった場合の追従性を安定させることができる。このような用途は、二次側に送水される冷水の温度変動に対する許容幅が一般的に小さいプロセス用(工業製品の製造工程における用途)に特に適している。

0039

以上の説明では、循環ポンプ33が、冷却水ポンプ31と同程度の揚程を有しているとしたが、循環管23内の冷却水CDを循環させるのに必要最低限の揚程を有することとしてもよい。このようにすると、ポンプの容量を小さくすることができ、また、効率のよい運転点でポンプを運転させることができるので、省エネルギーに寄与することとなる。なお、循環ポンプ33に冷却水ポンプ31と同程度の揚程を持たせず、循環ポンプ33を冷却水ポンプ31のバックアップ用として用いない場合は、図2に例示したように、冷却水ポンプバイパス管26及び循環遮断弁43を設けなくてもよい。

図面の簡単な説明

0040

本発明の第1の実施の形態に係る熱源システムの模式的系統図である。
本発明の第2の実施の形態に係る熱源システムの模式的系統図である。

符号の説明

0041

1、2熱源システム
11冷凍機
12冷却塔
21冷却水往管
22 冷却水還管
23循環管
24バイパス管
31冷却水ポンプ
33循環ポンプ
41供給遮断弁
43循環遮断弁
44バイパス遮断弁
50制御装置
53温度センサ
CD 冷却水
CDS 往冷却水
CDR還冷却水
CDC 循環冷却水

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