JP2010085009A - 空調方法及び空調システム並びに空調システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱槽を用いた空調であって、システム全体でのエネルギー効率を向上させることのできる空調方法及び空調システムを提供する。
【解決手段】空調システム１０は、空調負荷部１２に供給される冷水を冷却する複数の冷凍機１４と、冷凍機１４と空調負荷部１２の間に設けられ、冷凍機で冷却した冷水を貯留して空調負荷部１２に供給することによって冷熱を蓄熱する蓄熱槽１６と、蓄熱槽１６に蓄熱された冷熱量を検出するセンサ３４と、冷凍機１４を所定の負荷率で稼働させるとともにセンサ３４の測定値に基づいて冷凍機１４の稼働台数を制御する制御装置２０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調方法及び空調システム並びに空調システムの制御方法に係り、特に、クリーンルームやビル空調などにおける空調方法及び空調システム並びに空調システムの制御方法に関する。

クリーンルームやビル設備では一年を通じて冷房運転が行われる。このため、これらの設備の空調システムでは省エネが重要な課題となっている。近年では蓄熱槽を用いた空調システムが実施されている。

蓄熱槽を用いた空調システムは、電力料金が割安な夜間に冷凍機を稼働して冷熱を蓄熱槽に蓄熱し、この冷熱を昼に消費するシステムである。このようなシステムでは、空調の開始（たとえば朝の８時）と同時に、蓄熱槽からの冷熱の放出を開始する。そして、蓄熱槽内の冷熱を使い終わった際に、冷凍機の運転を開始する。または、蓄熱槽からの冷熱の放出だけでは冷却負荷変動に対応できなくなった際に、冷凍機を追いかけ運転させる（たとえば特許文献１参照）。
特開２００３−１２１０２４号公報

しかしながら、特許文献１の空調方法は、蓄熱槽が小容量の場合、負荷変動に十分に対応することができないという問題がある。また、特許文献１の空調方法は、蓄熱槽からの冷熱の放出が終わった後に冷凍機を長時間稼働させるが、その際のエネルギー効率が低いという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みて成されたもので、システム全体でのエネルギー効率を向上させることのできる空調方法及び空調システム並びに空調システムの制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は前記目的を達成するために、冷凍機で冷却した冷水を空調負荷部に循環供給する空調方法において、前記冷凍機を所定の負荷率で稼働させるとともに、前記冷凍機で冷却した冷水を冷水槽を介して前記被空調負荷部に供給することを特徴とする空調方法を提供する。

本発明の発明者は、「蓄熱槽からの冷熱の放出が終わった後に冷凍機を負荷変動に応じて稼働する」従来の空調システムよりも、「冷凍機を所定の負荷率で稼働させ続けるとともに、バッファ用の冷水槽を用いて負荷変動に対応する」空調システムの方が、システム全体でのエネルギー効率が良いという知見を得た。本発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、冷凍機を所定の負荷率で稼働させ続けるとともに、冷凍機で冷却した冷水を冷水槽を介して空調負荷部に供給するので、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。

また、本発明によれば、冷凍機と空調負荷部との間に冷水槽を設けたので、空調負荷部で負荷変動が発生した際、冷水槽で冷熱の放出と蓄熱が自動的に行われる。たとえば、冷凍機で生成した冷熱量よりも空調負荷部での負荷が小さい場合は、余剰分の冷熱量が冷水槽に蓄えられる。反対に冷凍機で生成した冷熱量よりも空調負荷部での負荷が大きい場合は、冷水槽から冷熱が放出され、不足分が補われる。

このように本発明によれば、冷凍機を所定の負荷率で稼働させるとともに冷凍機と空調負荷部との間に冷水槽を介在させるようにしたので、負荷変動に対応でき、且つ、システム全体でのエネルギー効率を向上させることができる。

本発明において、冷凍機の「負荷率」とは、稼働時の負荷を定格の（上限）負荷で割った値である。また、所定の負荷率とは、運転効率（ＣＯＰ）が高効率となる値であり、たとえば、ある負荷率で運転効率がピークとなる場合にはその負荷率である。このような負荷率で冷凍機を稼働させることによって、冷凍機を少ないエネルギーで稼働させることができる。

請求項２に記載の発明は請求項１の発明において、前記冷水槽内に蓄熱された冷熱量を検出し、該冷熱量に基づいて前記冷凍機の稼働台数を制御することを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機を所定の負荷率で稼働させ続けるとともに、その冷凍機の稼働台数を冷水槽内の冷熱量によって制御する。これにより、冷水槽内の冷熱量が過剰または不足することを防止でき、結果として空調負荷部での負荷変動に対応することができる。

請求項３に記載の発明は前記目的を達成するために、空調負荷部に供給される冷水を冷却する複数の冷凍機と、前記冷凍機と前記空調負荷部の間に設けられ、前記冷凍機で冷却した冷水を貯留し、該貯留した冷水を前記空調負荷部に供給することによって冷熱を蓄熱する冷水槽と、前記冷水槽に蓄熱された冷熱量を検出するセンサと、前記冷凍機を所定の負荷率で稼働させるとともに前記センサの測定値に基づいて前記冷凍機の稼働台数を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする空調システムを提供する。

本発明によれば、冷凍機を所定の負荷率で稼働させ続けるとともに、冷凍機と空調負荷部との間に冷水槽を設けたので、冷凍機を高効率で稼働してシステム全体のエネルギー効率を向上させることができるとともに、負荷変動時に冷水槽で冷熱の放熱と蓄熱が自動的に行われ、負荷変動に対応することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３の空調システムの制御方法であって、前記冷凍機の成績係数が極大となる負荷率になる台数、または、その負荷率で運転することを特徴とする。

本発明によれば、冷凍機を所定の負荷率で稼働させ続けるとともに、冷凍機と空調負荷部との間に冷水槽を設けたので、システム全体としてエネルギー効率を向上させることができるとともに、負荷変動に対応することができる。

以下、添付図面に従って本発明に係る空調方法及び空調システム並びに空調システムの制御方法の実施の形態について詳説する。

図１は本発明が適用された空調システムの構成を模式的に示すシステム図である。なお、同図において冷水槽１６は平面図を模式的に示している。

図１に示す空調システム１０は空調負荷部１２に冷熱を供給するシステムである。空調負荷部１２は冷熱を消費する部分であり、たとえばクリーンルーム（不図示）内の装置で発生した熱を処理する熱交換器や、クリーンルームのリターンエアの顕熱を処理するコイル、または、外気を空調する外調機のコイルである。

空調システム１０は主として、三台の冷凍機１４、冷水槽１６、冷却塔１８、制御装置２０で構成されている。なお、本実施形態は冷凍機１４を三台としたが、冷凍機１４の台数はこれに限定するものではなく、２台以下または４台以上であってもよい。

冷凍機１４の内部には、凝縮器２２と蒸発器２４が設けられており、凝縮器２２と蒸発器２４は冷媒の循環路（不図示）によって接続されている。冷媒の循環路には、圧縮機（不図示）が配設されており、この圧縮機を稼働させることによって冷媒が凝縮器２２と蒸発器２４との間で循環される。本実施の形態では、圧縮機としてインバータ制御可能な遠心式圧縮機が用いられる。この圧縮機は後述の制御装置２０に接続され、制御装置２０によって圧縮機の稼働開始および停止と、回転数が制御される。これにより、各冷凍機１４の稼働開始および停止を制御することができる。さらに、各蒸発器２４で冷却する冷水の温度（すなわち、流入側の冷水と流出側の冷水の温度差）を制御することができ、各冷凍機１４での負荷率を制御することができる。なお、負荷率とは、稼働時の冷凍機１４の負荷を定格の（上限）負荷で割った値であり、冷水の温度や流量を調節することによって制御することができる。

凝縮器２２は、冷却水の循環用配管Ｅを介して冷却塔１８に接続されている。冷却塔１８の内部には、塔内に外気の上昇気流を形成するファン１８Ａと、塔内に冷却水を散水する散水管１８Ｂと、散水された冷却水を集水する集水部（不図示）等が設けられている。散水管１８Ｂから散水された冷却水は、外気の上昇気流に接触し、一部が蒸発することによって冷却される。この冷却水が配管Ｅを介して凝縮器２２に送られることにより、凝縮器２２の内部で冷却水と冷媒が熱交換され、冷媒が冷却されて凝縮される。凝縮器２２で冷媒から熱を奪った冷却水は冷却塔１８の散水管１８Ｂに送られて再び散水される。なお、上述した実施形態では開放式の冷却塔１８の例で説明したが、密閉式の冷却塔を用いてもよい。また、上述した実施形態では、水冷式の冷凍機１４の例で説明したが、空冷式冷凍機を用いてもよい。

一方、冷凍機１４の蒸発器２４にはそれぞれ冷水流出用の配管ａが接続されており、三本の配管ａが合流して配管Ａとなり、この配管Ａが冷水槽１６に接続されている。冷水槽１６には冷水流出用の配管Ｂが接続され、この配管Ｂが分岐して三本の配管ｂとなり、各配管ｂが各蒸発器２４に接続される。したがって、全ての蒸発器２４が冷水槽１６に対して並列に接続されている。

各配管ｂにはポンプ２８が配設されており、このポンプ２８を駆動することによって、各蒸発器２４と冷水槽１６との間で冷水が循環される。これにより、蒸発器２４の内部で冷媒と冷水が熱交換され、冷媒が蒸発することによって冷水が冷却される。

ポンプ２８は制御装置２０に接続されており、この制御装置２０によってポンプ２８の回転数が制御される。これにより、各蒸発器２４に流れる冷水の流量を制御することができ、各冷凍機１４の負荷率を制御することができる。

各配管ａ、各配管ｂには開閉弁２６が配設されている。開閉弁２６は流路の連通、遮断を行うものであり、制御装置２０に電気的に接続されている。制御装置２０は開閉弁２６を選択して開閉操作し、これにより、冷水槽１６に連通される蒸発器２４を選択することができる。上述したように、制御装置２０は各冷凍機１４の圧縮機(不図示)にも接続されており、冷凍機１４の稼働開始と停止を制御するができる。したがって、制御装置２０によって、冷水槽１６に連通する冷凍機１４を選択でき、且つ、その冷凍機１４のみを稼働させることができる。すなわち、制御装置２０によって、冷凍機１４の稼働台数を制御することができる。

冷水槽１６は、冷凍機１４から空調負荷部１２に循環供給される冷水を一時的に貯留する槽であり、停電時や冷凍機１４の停止時に１０分〜１時間程度、空調負荷部１２に冷熱を賄える容量を有する。この冷水槽１６は、配管Ａ、Ｂを介して各冷凍機１４に接続されるとともに、配管Ｃ、Ｄを介して空調負荷部１２に接続されている。配管Ｃは空調負荷部１２へ冷水を送る配管であり、冷凍機１４からの冷水流入用の配管Ａと同じ側（図１の左側）に接続される。配管Ｄは、空調負荷部１２から冷水が戻る配管であり、冷凍機１４への冷水流出用の配管Ｂと同じ側（図１の右側）に接続される。

配管Ｃには、ポンプ３６が配設されており、このポンプ３６を駆動することによって冷水槽１６内の冷水が空調負荷部１２に循環供給される。また、配管Ｃには流量計３８が配設されており、この流量計３８によって配管Ｃ内の冷水の流量が測定される。流量計３８およびポンプ３６は、制御装置２０に電気的に接続されており、流量計３８の測定値に基づいてポンプ３６の回転数がフィードバック制御される。また、制御装置２０は、空調負荷部１２に電気的に接続されており、空調負荷部１２から負荷変動のデータが入力される。制御装置２０は、このデータから冷水の必要量を演算し、その演算値に応じてポンプ３６の回転数を制御する。

冷水槽１６の内部には、複数の仕切り板３２が設けられている。複数の仕切り板３２は、冷水槽１６の対向する側面に交互に接するように設けられている。すなわち、図１の上面に接する仕切り板３２と、下面に接する仕切り板３２とが交互に配置されている。これにより、冷水槽１６の内部には、図１の左側から右側に流れる一本の流路が形成される。

冷水槽１６には、冷水の温度を測定する複数の温度センサ３４が設けられている。この温度センサ３４は、仕切り板３２、３２同士で挟まれる空間ごとに設けられる。また、各温度センサ３４は、制御装置２０に接続されており、制御装置２０に温度センサ３４の測定値が出力される。制御装置２０は各温度センサ３４の測定値によって、冷水槽１６の冷熱の蓄熱量を把握することができる。たとえば、全ての温度センサ３４の測定値が低い温度で略一定になれば、冷水槽１６内の冷熱量が満杯になったことを意味し、逆に全ての温度センサ３４の測定値が高い温度で略一定になれば、冷水槽１６が空になったことを意味する。さらに、温度センサ３４の測定値が一定でない場合には、その温度分布によって冷熱の蓄熱度合いを把握することができる。

次に上記の如く構成された空調システム１０の運転方法について説明する。

制御装置２０は、各冷凍機１４が所定の負荷率となるように制御を行う。負荷率の制御は、制御装置２０によってポンプ２８の回転数や冷凍機１４内の圧縮機（不図示）の回転数を制御することによって行われる。たとえば、負荷率０．９に制御する場合は、ポンプ２８の回転数を制御することにより、定格の上限流量の９０％となるように流量を制御する。なお、蒸発器２４の流入側の冷水温度と流出側の冷水温度との差を調節することによって負荷率を制御するようにしてもよい。

ここで、所定の負荷率とは、運転効率（ＣＯＰ）が高くなるような負荷率の値（または範囲）であり、たとえば、運転効率がピークとなる負荷率の値（またはその値の±１０％の範囲）である。以下、図２の例をあげて説明する。

図２は、冷凍機１４における負荷率とＣＯＰとの関係の一例を示している。同図に示す例では、負荷率が大き過ぎるとＣＯＰが小さくなり、負荷率が小さ過ぎる場合もＣＯＰが小さくなる。したがって、ＣＯＰが最大となる負荷率の値Ｘが存在する。ここで、その負荷率の値Ｘを０．９とする。

制御装置２０は、この負荷率になるようにポンプ２８の回転数や冷凍機１４の圧縮機の回転数を制御する。これにより、冷凍機１４は、高い運転効率で稼働されることになり、エネルギー消費量を削減することができる。

また、本実施の形態では、制御装置２０が、温度センサ３４の測定値に基づいて、冷水槽１６に蓄熱された冷熱量を把握し、この冷熱量に基づいて冷凍機１４の稼働台数を制御する。たとえば、冷水槽１６の冷熱量が減少して下限の閾値Ｙ１（図３（ｂ）参照）を下回った際に冷凍機１４の稼働台数を増やし、逆に、冷水槽１６の蓄熱量が増加して上限の閾値Ｙ２（図３（ｂ）参照）を上回った際に冷凍機１４の稼働台数を減少させる。冷凍機１４の稼働台数の制御は、各開閉弁２６の開閉操作と、冷凍機１４の圧縮機（不図示）の稼働開始および停止を制御することによって行われる。このように、冷凍機１４の稼働台数を制御することによって、稼働する全ての冷凍機１４を所定の負荷率に制御しつつ、空調負荷部１２の負荷変動に対応することができる。以下、図３の例で説明する。

図３（ａ）は空調負荷部１２での（必要）負荷の経時変化の一例を示しており、図３（ｂ）はその際の冷水槽１６内の冷熱量の経時変化を示している。なお、図３（ａ）に示す空調負荷部１２での負荷は通常、外気温度（すなわちエンタルピー）の変動に相当する。また、図３（ａ）において、Ｚは「冷凍機１台を負荷率０．９で稼働させた際に賄える負荷」の値である。

図３に示す例では、時刻Ｔ１で冷房運転を開始している。このとき、１台の冷凍機１４を所定の負荷率０．９で稼働する。冷房開始当初は、空調負荷部１２の負荷が小さく、冷凍機１４で生成した冷熱量が過剰になる。このため、過剰分の冷熱量が冷水槽１６に蓄えられるので、図３（ｂ）に示すように、冷水槽１６内の冷熱量は増加する。

時刻Ｔ２になると、空調負荷部１２の負荷と、「冷凍機１台を負荷率０．９で稼働させた際に賄える負荷」とが釣り合う。そして、時刻Ｔ２以降になると、空調負荷部１２での負荷が大きくなり、冷凍機１４で生成した冷熱量だけでは冷熱量が不足する。このため、冷水槽１６から冷熱が放出され、不足分が補われる。したがって、冷水槽１６内の冷熱量は、図３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ２以降に低下する。

このように本実施の形態では、冷凍機１４と空調負荷部１２との間に冷水槽１６を設けたので、空調負荷部１２で負荷変動が発生した場合に、冷水槽１６からの冷熱の放熱と蓄熱が自動的に行われ、負荷変動に対応することができる。その際、冷凍機１４は常に所定の負荷率で稼働しているので、エネルギー効率を向上させることができる。

時刻Ｔ３では、冷水槽１６に蓄熱された冷熱が、予め設定された下限の閾値Ｙ１に達する。このとき、制御装置２０は、冷水槽１６内の冷熱量が減少したことを認識し、冷凍機１４の稼働台数を１台増やして２台にする。その際、新たに稼働させる冷凍機１４も所定の負荷率に制御する。これにより、冷凍機１４で生成される総冷熱量は２倍になるので、生成される総冷熱量は過剰になり、過剰分の冷熱量が冷水槽１６に蓄えられる。これにより、図３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ３以降は、冷水槽１６内の冷熱量が増加するので、冷熱量の不足を防止できる。

時刻Ｔ４では、冷水槽１６に蓄熱された冷熱量が、予め設定された上限の閾値Ｙ２に達する。このとき、制御装置２０は、冷水槽１６の冷熱量が増加したことを認識し、冷凍機１４の稼働台数を１台減らして１台にする。これにより、冷凍機１４で生成される総冷熱量は半分になるので、冷凍機１４による冷熱量だけでは空調負荷部１２に必要な冷熱量が不足する。そして、不足した分の冷熱量が冷水槽１６から放出される。よって、図３（ｂ）に示すように、時刻Ｔ４以降は、冷水槽１６内の冷熱量が減少するので、冷凍機１４の無駄な稼働を防止することができ、エネルギーの無駄を省くことができる。

時刻Ｔ５は時刻Ｔ２と同様に、空調負荷部１２の負荷と、「冷凍機１台を負荷率０．９で稼働させた際に賄える負荷」とが釣り合っている。したがって、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までは、空調負荷部１２での負荷が大きいので、冷凍機１４による冷熱量だけでは冷熱量が不足し、不足分の冷熱量が冷水槽１６から放出される。そして、時刻Ｔ５以降になると、空調負荷部１２での負荷が小さいので、冷凍機１４で生成した冷熱量が過剰になる。このため、過剰分の冷熱量が冷水槽１６に蓄えられ、冷水槽１６内の冷熱量が増加する。以下、同様の操作が繰り返し行われる。なお、図３（ａ）（ｂ）は二台の冷凍機１４を使用する例であるが、負荷が大きい場合には三台の冷凍機１４が使用される。

このように本実施の形態によれば、空調負荷部１２での負荷が小さい場合に、冷凍機１４で生成した冷熱の過剰分が冷水槽１６に自動的に蓄えられ、逆に空調負荷部１２の負荷が大きい場合は、冷凍機１４だけでは不足する冷熱が冷水槽１６から自動的に放出される。これにより、空調負荷部１２での負荷変動に自動的に対応することができる。

また、本実施の形態によれば、稼働する全ての冷凍機１４を所定の負荷率に制御するので、冷凍機１４の運転効率を向上させることができ、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。

さらに、本実施の形態によれば、冷水槽１６に蓄熱される冷熱量が低下して下限の閾値Ｙ１を下回った際は冷凍機１４の稼働台数を増加させ、逆に、冷水槽１６内の冷熱量が増加して上限の閾値Ｙ２を超えた場合は冷凍機１４の稼働台数を減少させるので、冷水槽１６内の冷熱量を安定させることができる。したがって、空調負荷部１２での負荷変動が大きい場合にも確実に対応することができる。

なお、上述した実施形態において、夜間などに冷凍機１４を稼働させて冷熱を上限まで蓄えるとともに、冷凍機１４を停止した状態で冷房運転を開始してもよい。この場合、冷房運転の開始によって冷水槽１６内の冷熱が減少し、下限の閾値Ｙ１に達した際に、１台目の冷凍機１４を稼働させるとよい。

また、上述した実施形態では、冷凍機１４を所定の負荷率で稼働させるようにしたが、負荷率が所定の範囲となるように稼働させてもよい。たとえば、運転効率がピークとなる負荷率の値に対して、その値の±１０％の範囲で負荷率を変動させるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、開閉弁２６の開閉制御によって冷凍機１４の切替を行うようにしたが、開閉弁２６を設けずにポンプ２８の停止によって切替を行うようにしてもよい。その場合、各系統に逆止弁を設けて逆流を防止することが好ましい。

なお、上述した実施形態は、空調負荷部１２での冷却負荷を賄う空調システム１０の例で説明したが、これに限定するものではなく、空調負荷部１２での加熱負荷に対応するシステムとしてもよい。この場合、冷凍機をヒートポンプに置き換え、冷水槽を温水槽に置き換えて、同様の運転を行うとよい。

本発明に係る空調システムの構成を模式的に示すシステム図 冷凍機の負荷率とＣＯＰとの関係を示す図 運転例を説明する図

符号の説明

１０…空調システム、１２…空調負荷部、１４…冷凍機、１６…冷水槽、１８…冷却塔、２０…制御装置、２２…凝縮器、２４…蒸発器、２６…開閉弁、２８…ポンプ、３２…仕切り板、３４…温度センサ

Claims (4)

1. 冷凍機で冷却した冷水を空調負荷部に循環供給する空調方法において、
   前記冷凍機を所定の負荷率で稼働させるとともに、前記冷凍機で冷却した冷水を蓄熱槽を介して前記被空調負荷部に供給することを特徴とする空調方法。
2. 前記冷水槽内に蓄熱された冷熱量を検出し、該冷熱量に基づいて前記冷凍機の稼働台数を制御することを特徴とする請求項１に記載の空調方法。
3. 空調負荷部に供給される冷水を冷却する複数の冷凍機と、
   前記冷凍機と前記空調負荷部の間に設けられ、前記冷凍機で冷却した冷水を貯留し、該貯留した冷水を前記空調負荷部に供給することによって冷熱を蓄熱する蓄熱槽と、
   前記蓄熱槽に蓄熱された冷熱量を検出するセンサと、
   前記冷凍機を所定の負荷率で稼働させるとともに前記センサの測定値に基づいて前記冷凍機の稼働台数を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする空調システム。
4. 請求項３の空調システムの制御方法であって、
   前記冷凍機の成績係数が極大となる負荷率になる台数、または、その負荷率で運転することを特徴とする空調システムの制御方法。

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