JP2008281218A - 空気調和システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒ポンプ内におけるキャビテーション発生を回避可能な二次冷媒循環型空調システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】能力操作量を急激に増加するのではなく、図５（ｂ）に示すように制御閾値Ｋを設けて、過冷却度ΔＴｓが閾値Ｋより常に大きい値に維持されるように、段階的に増加していく。これにより冷媒温度Ｔｒは常に飽和温度Ｔｓ以下となり、冷媒ポンプ内において、冷媒はｐ−ｈ線図上の液相状態が維持されるため、キャビテーション回避が可能となる。
【選択図】図５

Description

本発明は、空調システム及びその制御方法に係り、特に冷媒ポンプ内におけるキャビテーション発生を回避することが可能な二次冷媒循環型空調システム及びその制御方法に関する。

従来、多階層建物等における空調システムに関する技術として、一次側冷水回路と二次側冷媒回路を組み合わせた空気調和システム（以下、二次冷媒循環型空調システムという）が開示されている（例えば特許文献１）。このような従来の二次冷媒循環型空調システム１００は、図７に示すように熱源機１０１、冷却水回路１０２、冷水回路１０３及び冷媒回路１０４を主要構成とする。冷水回路１０３は、熱源機１０１で発生させた冷水を建物内で循環する冷水配管１０３ａ、循環ポンプ１０３ｃを備えている。冷媒回路１０４は、二次冷媒ポンプユニット（以下、冷媒ユニットという）１１２、空調機（以下、ＡＨＵという）１０８及びこれらを結ぶ冷媒配管１１３を備えている。冷媒ユニット１１２は、冷媒回路側の排熱を冷水回路側に放熱する凝縮器１０５と、凝縮冷媒液を一旦蓄える冷媒タンク１０６と、冷媒循環用の冷媒ポンプ１０７と、を備えている。また、ＡＨＵ１０８は、蒸発器１０９、吹出ファン１１０を備えている。以上の構成により、二次冷媒循環型空調システム１００は凝縮器１０５で冷水と熱交換して凝縮した冷媒を冷媒ポンプ１０７で蒸発器１０９に搬送し、ここで室内空気から蒸発潜熱を奪って空調対象室内を冷房する。一方、蒸発器１０９で回収された排熱は、冷水回路１０３→熱源機１０１→冷却水回路１０２の順に搬送され、最終的に冷却塔１０２ｂを介して大気放出される。

このような二次冷媒循環型空調システム１００において熱負荷の増大があったときは、熱源機１０１の冷水発生容量を操作（例えば冷水温度低下、冷水流量増加等）して水／冷媒熱交換量を制御することにより、室温維持を図る。
特開平８−２６１５１７号公報

しかしながら、冷媒ポンプ吸込口における過冷却度が小さいときに、冷水温度を急激に下げるなど大きな能力操作量を与えると、冷媒ポンプ吸い込み口では圧力応答の方が温度応答より速いために過冷却度が一時的に小さくなり、キャビテーションが発生し易くなる。図６を参照して、キャビテーション発生メカニズムについて説明する。同図（ｂ）は能力操作量の時間的変化を示し、時刻τにおいて操作量（例えば冷水流量）を急激に増加させる例を示している。同図（ａ）は、このときのポンプ入口における冷媒温度Ｔｒ及び飽和温度Ｔｓ（飽和蒸気圧に相当する冷媒温度）の応答を示す。ΔＴｓ、ΔＴｓ’は過冷却度である。定常状態における過冷却度ΔＴｓが大きければ応答曲線はＴｒのように変化し、操作量の急激な増加に対しても飽和温度曲線Ｔｓより常に下側、すなわち過冷却の状態が維持される。しかし、定常状態における過冷却度ΔＴｓ’が小さい場合には、応答曲線はＴｒ’のように変化し、飽和温度曲線Ｔｓに達すると気液２相状態となり、ポンプ内でキャビテーションが発生しやすく問題となる。
本発明は、このような問題を解決するためのものであって、冷媒ポンプのキャビテーション回避を可能とする二次冷媒循環型空調システム及びその制御方法を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、
請求項１の発明は、熱源機と、熱源機で発生する冷水を建物内で循環する一次側冷水回路と、一次側冷水回路の冷水と熱交換する凝縮器と、冷媒タンクと、冷媒ポンプと、蒸発器と吹出ファンを含む空調機（ＡＨＵ）と、これらを結ぶ冷媒循環配管と、を備えた二次側冷媒回路と、を備えた二次冷媒循環型空調システムであって、さらに、冷媒ポンプ入口における飽和温度及び冷媒過冷却度を演算する手段と、冷媒過冷却度が常に所定の閾値以上となるように凝縮器熱交換能力を制御する能力制御手段と、を備えて成ることを特徴とする空調システムである。
本発明において、「冷水」とは必ずしも「水」に限定されるものではなく、一次冷媒（例えば、不凍液やフロン等を含む）を意味する概念である。
また「飽和温度」とは、飽和蒸気圧に相当する温度をいう。
また「熱源機」とは、冷水（冷媒）発生手段であり、例えばターボ冷凍機、吸収式冷凍機等を含む。

能力制御手段としては、熱源機の冷水発生容量を制御する手段とすることができ（請求項２）、また、冷水バイパス回路の冷水流量を制御する手段とすることもできる（請求項３）。

請求項４の発明は、上記空調システムにおいて、冷媒ポンプ入口における冷媒過冷却度が常に所定の閾値以上となるように、前記能力制御手段を制御することを特徴とする二次冷媒循環型空調システムのキャビテーション回避運転制御方法である。

図５を参照して本発明の作用を説明する。本発明においては、能力操作量を上述のように図６のように急激に立ち上げるのではなく、図５（ｂ）に示すように制御閾値Ｋを設けて、過冷却度ΔＴｓが常に閾値Ｋより大きい値に維持されるように、段階的に増加していく。これにより冷媒温度Ｔｒは常に飽和温度Ｔｓ以下となり、ポンプ内において冷媒はｐ−ｈ線図上の液相状態に該当するため、キャビテーション回避が可能となる。

上記各発明によれば、二次冷媒循環型空調システムにおいて冷媒ポンプのキャビテーション発生を回避することが可能となる。

以下、本発明に係る空調システムの各実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。重複説明回避のため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
図１、２を参照して本発明の第一の実施形態について説明する。図１は、本実施形態に係る二次冷媒循環型空調システム１を示す図である。二次冷媒循環型空調システム１は、冷水発生源である熱源機８、一次側冷水回路２、二次側冷媒回路３、冷却水回路４により構成されている。冷水回路２は、熱源機８で発生させた冷水を建物内で循環するための冷水配管２ａ、２ｂ及び循環ポンプ２ｃを備えている。
冷媒回路３は、二次冷媒ポンプユニット（冷媒ユニット）６、ＡＨＵ７、及びこれらを結ぶ冷媒配管３ａ、３ｂを主要構成として備えている。冷媒ユニット６は、冷媒回路側の排熱を冷水回路側に放熱する凝縮器６ａ、凝縮冷媒液を一旦蓄える冷媒タンク６ｂ、冷媒循環用の冷媒ポンプ６ｃを主要構成として備えている。また、ＡＨＵ７は、蒸発器７ａ及び吹出ファン７ｂを備えている。冷媒ポンプ６ｃの入口近傍には冷媒温度計測用の温度センサＳ１が配設されている。

冷却水回路４は、建物の屋上部等に配置される空冷式冷却塔４ｃ、冷却水配管４ａ、４ｂ及び冷却水循環ポンプ４ｄを主要構成として備え、熱源機８で回収したＡＨＵ７からの排熱を冷却塔４ｃにおいて大気放出するように構成されている。
空調システム１は制御部９を備えており、本実施形態において必要な制御は制御部９からの指令により行われる。また、制御部９には後述する冷媒の飽和温度、過冷却度等の演算に必要な冷媒ｐ−ｈ線図テーブルを格納している。
以上の構成により、冷媒回路３は、凝縮器６ａにおいて冷水に放熱して凝縮した冷媒を冷媒タンク６ｂに一旦蓄え、さらに冷媒ポンプ６ｃで蒸発器７ａに搬送し、室内空気から蒸発潜熱を奪い蒸発した冷媒を凝縮器６ａに戻す、という冷凍サイクルを構成する。
次に図２をも参照して、二次冷媒循環型空調システム１におけるキャビテーション回避運転制御フローについて説明する。

制御開始当初は、設定冷水温度Ｔｉで運転が継続されている（Ｓ１０１）。ＡＨＵ側からの冷房能力増大要求があると（Ｓ１０２）、制御部９は要求に対応する目標冷水温度Ｔｇの演算、温度センサＳ１の計測値に基づいて冷媒ポンプ入口における飽和温度Ｔｓの演算、及び冷媒過冷却度ΔＴｓの演算を行う（Ｓ１０３）。次いでΔＴｓと制御閾値Ｋとを比較する（Ｓ１０４）。ΔＴｓ＞Ｋのときは、キャビテーション発生のおそれなしと判定して設定冷水温度を１段階（ΔＴ）下げ、新たな設定冷水温度ＴｉにＴｉ−ΔＴの値を代入する（Ｓ１０５）。次いで新たな設定冷水温度Ｔｉが目標冷水温度Ｔｇ以下に至っているか否かを判定する（Ｓ１０６）。該当するときはその時点で本制御を終了する。目標冷水温度以上のときは（Ｓ１０６においてＮＯ）、タイマー設定された所定の時間後にＳ１０３以下の制御を繰り返し行う（Ｓ１０７）。なお、タイマー設定時間は冷媒循環サイクルに要する時間と比較して、十分短い時間に設定されている。

Ｓ１０４においてΔＴｓ≦Ｋのときは、キャビテーションを回避するためΔＴｓ＞Ｋとなるまで現状の設定冷水温度を維持する。
なお、本実施形態では能力制御手段として冷水温度制御を行う形態としたが、熱源機の冷水発生容量制御として冷水流量を制御する形態とすることもできる。

＜第二の実施形態＞
次に、図３、４を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図３を参照して、本実施形態に係る二次冷媒循環型空調システム２０の構成が上述の二次冷媒循環型空調システム１と異なる点は、冷水回路にバイパス回路２１及び三方弁２２を備えていることである。その他の構成については二次冷媒循環型空調システム１と同一であるので、重複説明を省略する。

次に図４をも参照して、二次冷媒循環型空調システム２０におけるキャビテーション回避運転制御フローについて説明する。制御開始当初は、設定流量比Ｒｉ（全冷水流量に対する熱交換器側流量の割合）で運転が継続されている（Ｓ２０１）。ＡＨＵ側からの冷房能力増大要求があると（Ｓ２０２）、制御部９は要求に対応する目標流量比Ｒｇの演算、温度センサＳ１の計測値に基づき冷媒ポンプ入口における飽和温度Ｔｓの演算、及び冷媒過冷却度ΔＴｓの演算を行う（Ｓ２０３）。次いでΔＴｓと制御閾値Ｋとを比較する（Ｓ２０４）。ΔＴｓ＞Ｋのときは、キャビテーション発生のおそれなしと判定して、バイパス側流量を絞ることにより設定流量比を１段階上げ、新たな設定流量比ＲｉにＲｉ＋ΔＲの値を代入する（Ｓ２０５）。次いで新たな設定流量比Ｒｉが目標流量比Ｒｇ以上に至っているか否かを判定する（Ｓ２０６）。該当するときはその時点で本制御を終了する。目標流量比未満のときは（Ｓ２０６においてＮＯ）、タイマー設定された所定の時間後にＳ１０３以下の制御を繰り返し行う。
Ｓ２０４においてΔＴｓ≦Ｋのときはキャビテーション回避のため、ΔＴｓ＞Ｋとなるまで現状の設定流量比を維持する。

本発明は、熱源、冷凍方式、一次及び二次側の冷媒種類、建物構造等を問わず分離型二次冷媒循環型の空調システムに広く適用可能である。

第一の実施形態に係る二次冷媒循環型空調システム１の構成を示す図である。 二次冷媒循環型空調システム１のキャビテーション回避運転制御フローを示す図である。 第二の実施形態に係る二次冷媒循環型空調システム２０の構成を示す図である。 二次冷媒循環型空調システム２０のキャビテーション回避運転制御フローを示す図である。 本発明によるキャビテーション回避制御原理を示す図である。 冷媒ポンプ内におけるキャビテーション発生メカニズムを示す図である。 従来の二次冷媒循環型空調システム１００の構成を示す図である。

符号の説明

１、２０・・・二次冷媒循環型空調システム
２・・・・冷水回路
３・・・・冷媒回路
３ａ、３ｂ・・・・冷媒配管
４・・・・冷却水回路
４ａ、４ｂ・・・冷却水配管
４ｃ・・・冷却塔
４ｄ・・・冷却水循環ポンプ
６・・・・冷媒ユニット
６ａ・・・凝縮器
６ｂ・・・冷媒タンク
６ｃ・・・冷媒ポンプ
７・・・・ＡＨＵ
７ａ・・・蒸発器
７ｂ・・・吹出ファン
８・・・・熱源機
９・・・・制御部
２１・・・冷水バイパス回路

Claims (4)

1. 熱源機と、
   熱源機で発生する冷水を建物内で循環する一次側冷水回路と、
   一次側冷水回路の冷水と熱交換する凝縮器と、冷媒タンクと、冷媒ポンプと、蒸発器と吹出ファンを含む空調機（ＡＨＵ）と、これらを結ぶ冷媒循環配管と、を備えた二次側冷媒回路と、を備えた二次冷媒循環型空調システムであって、さらに、
   冷媒ポンプ入口における、飽和温度及び冷媒過冷却度を演算する手段と、
   冷媒過冷却度が常に所定の閾値以上となるように、凝縮器熱交換能力を制御する能力制御手段と、
   を備えて成ることを特徴とする二次冷媒循環型空調システム。
2. 前記能力制御手段が、前記熱源機の冷水発生容量制御手段であることを特徴とする請求項１に記載の二次冷媒循環型空調システム。
3. 前記一次側冷水回路は、前記凝縮器をバイパスする冷水バイパス回路を、さらに備え、かつ、
   前記能力制御手段が、冷水バイパス側流量制御手段であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二次冷媒循環型空調システム。
4. 請求項１乃至３に記載の二次冷媒循環型空調システムにおいて、冷媒ポンプ入口における冷媒過冷却度が常に所定の閾値以上となるように、前記能力制御手段を制御することを特徴とする二次冷媒循環型空調システムのキャビテーション回避運転制御方法。
   

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