熱源インバータ制御を用いた空調システムの最適運用に関する研究 [ PDF

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(1)熱源インバータ制御を用いた空調システムの最適運用に関する研究. 住吉大輔表1. 第 1 章はじめに本研究には 2 つの目的がある。一つは、これまでファンやポンプに導入され大きな効果をあげてきたインバータ制御を、熱源機器に取り入れる熱源インバータ制御の省エネ効果を明らかにすることである。もう一. 実験対象熱源機器. 熱源機器A. 熱源機器B. 形式：空冷ヒートポンプチラー (全密閉スクロール式) 冷却能力：211.0MJ 加熱能力：241.2MJ 定格電力：23.7ｋW. 形式：空冷ヒートポンプチラー (全密閉レシプロ式) 冷却能力：168.1MJ 加熱能力：148.3MJ 定格電力：17.1ｋW. つは、より省エネルギーとなる空調システムの運用方. 表2. 対象建物概要. 策(最適運用)を提案し、その効果を試算することである。. 所在地. 本稿では、これら 2 つの目的を達成するため実験や実. 主要用途. オフィス・実験施設. 構造・階数. 鉄骨造・地上4階. 敷地面積. 効果を中心に調査した結果について報告する。. 4353.7m2. 建築面積. 703.97m2. 第 2 章熱源インバータ特性. 延べ床面積(対象床面積) 1697.05m2(741.76m2). 測調査、シミュレーションにより熱源インバータ制御. 東京都大田区. インバータ制御の熱源機器への導入は様々なメリッ. 場合、どの程度の効果が得られるのか把握するため冷. トを生むと推察されるが、実際に熱源機器に導入する. 房運転を対象に実測調査を実施した。期間は 2002 年. 場合、出力を落としすぎると熱源機器内の冷媒が循環. 10 月 14 日から 25 日、実施したのは東京都大田区のオ. しなくなるなど、機器に悪影響を与える危険性もある。. フィス兼実験施設である。対象建物概要を表 2 に、空. そこで、熱源機器にインバータ制御を導入した場合に. 調システム系統略図を図 3 に示す。. どのような挙動を示すか、また、生産熱量と消費電力. 3-1. の間にどのような関係があるかを明らかにするため、. (1) 実測概要. 蓄熱空調システムにおける実測調査. 仕様の異なる 2 台の熱源機器について実験を行った。. 対象空調システムで行われている通常の運用である. 表 1 に実験対象の熱源機器概要を、図 1、図 2 に得ら. caseA と、caseA に熱源インバータ制御、1 次ポンプイ. れた部分負荷率と電力消費率の関係（熱源インバータ. ンバータ制御、熱源冷水出口温度上昇の 3 つの運用方. 制御特性）、部分負荷率と熱源 COP の関係を示す。実. 策を導入した caseB とを実施した。. 験結果から冷房運転では部分負荷運転時において全負. <caseA> (14 日 22:00∼16 日 17:00). 荷運転時よりも効率の良い熱量生産が可能であること. 従来から対象空調システムで行われている運用で、. が明らかとなった。一方、暖房運転では部分負荷運転. 熱源機器(R-1)、1 次ポンプ(PCH-1)は共に全負荷運転. 時に機器効率が低下してしまいインバータ制御による. を行う。三方弁熱源出口温度、蓄熱基準温度の設定は. 省エネ効果は見られなかった。. 従来と同じである。. 第 3 章熱源インバータ制御運用実測. <caseB> (16 日 22:00∼18 日 18:00). ファン、ポンプ同様、熱源機器でも冷房運転時には. 1 次側の運用においては 1 次側 COP が高いほど効率. インバータ制御により機器効率の向上が図れた。そこ. がよいといえる。そこでこれまでに得られている機器. で次に、実際の運用に熱源インバータ制御を導入した. 特性から 1 次側 COP が最高となる点(最高効率点)を求. 1.2. 機器 A(暖房). 0.8 0.6 0.4. 機器 B(冷房). 0.2. 機器 A(冷房). 0.0. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 !"#$%[-]. 図2. 機器 A(冷房) 2次ポンプ PCH-4. 2.5. *+COP[-]. 1.0. &'()%[-]. 3.0. 往ヘッダー. 2.0. 機器 B(冷房). 1.0. 2階東空調機 2階西空調機 2階ﾌｧﾝｺｲﾙﾕﾆｯﾄ 3階東空調機 4階西空調機 4階東空調機. 2次ポンプ PCH-4 還ヘッダー往ヘッダー. 熱交換器 1次ポンプ PCH-2. AC-2E AC-2W FCU-2 AC-3E AC-3W AC-4E. 2階東空調機 2階西空調機 2階ﾌｧﾝｺｲﾙﾕﾆｯﾄ 3階東空調機 4階西空調機 4階東空調機. 還ヘッダー. バイパス. バイパス. 熱交換器 2次ポンプ PCH-3. 1.5. AC-2E AC-2W FCU-2 AC-3E AC-3W AC-4E. 熱交換器 HE-1. 熱源機器 R-1. 1次ポンプ PCH-1. 熱源機器 R-1. 1次ポンプ PCH-1. 三方弁. 0.5. 機器 A(暖房). 0.0. 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 !"#$%[-]. 熱源インバータ制御特性図 2. 熱源インバータ制御特性. 32-1. 蓄熱槽 <低温側>. <高温側>. a) 蓄熱空調システム. 図3. b) 非蓄熱空調システム. 空調システム系統略図.

(2) 表3. めた。その結果、最高効率点は両機器の部分負荷率が. 蓄熱空調システム実測結果. caseA caseB. 0.6 の時で、熱源機器のインバータ周波数が 27.4Hz、1. 462.2 522.5 161.0 15.4 115.8 311.9 3.25 2.96. 空調機処理熱量[MJ] 熱源機器生産熱量[MJ] 熱源機器電力消費量[kWh] 1次ポンプ電力消費量[kWh] 空調機電力消費量合計[kWh] システム電力消費量[kWh] 熱源COP[-] 1次側COP[-]. 次ポンプのインバータ周波数は 35.1Hz と算出された。そこで caseB では蓄熱運転、追いかけ運転をする際に熱源機器、1 次ポンプともインバータ制御により最高効率点で運転した。また、熱源機器を運転する際、熱源冷水出口温度が高いほど省エネとなる。caseB では熱源冷水出口温度を 2K 上昇させるため、関係する各設定値(三方弁熱源出口温度、蓄熱基準温度)を caseA. 1!"#$. (2) 実測結果熱源機器生産熱量、空調機除去熱量、電力消費量について、両ケースそれぞれの日積算平均値を求め、熱. 2. 1. 0. 源 COP、１次側 COP を算出した(表 3)。ただし算出に. '()[Hz]. 運転台数[台]. から 2℃上げて運転する。. 12. あたり、蓄熱開始からの積算値を比較するため、前日図4. 22 時からを 1 日として計算した。なお、16 日の 17 時から 22 時は運用の切り替えを行ったため、検討データ. 14 16 入口温度[℃]. 324.2 370.1 90.5 6.1 120.1 236.8 4.09 3.83 *+,-. 50 40 30 20 10 0 0. 2. 4. 6. 8 10 12. 2!"#$%&[m 3 /h]. 圧縮機台数制御図 5 流量と周波数の関係表 4 非蓄熱空調システム実測結果. caseA caseB. から除外した。. 空調機処理熱量[MJ] 熱源機器生産熱量[MJ] 熱源機器電力消費量[kWh] 1次ポンプ電力消費量[kWh] 空調機電力消費量合計[kWh] システム電力消費量[kWh] 熱源COP[-] 1次側COP[-]. caseA と比べ、 caseB では熱源 COP が 3.25 から 4.09 に向上し、１次側 COP は 2.96 から 3.83 に向上した。外気温が低いほど熱源機器の効率は上がるため、同一の気象条件下でないと厳密には比較できないが、それを考慮しても caseB での省エネ効果は顕著である。 caseA と caseB では 2 次側の運用は変更していないの. 93.5 90.3 116.3 107.9 38.2 30.5 18.3 5.7 117.1 125.5 181.8 170.4 3.04 3.54 2.06 2.98. で、システム全体を考えても熱源機器と 1 次ポンプの. 30Hz から 50Hz でインバータ制御され、流量を変化さ. 電力消費量の削減分は省エネが図られているといえる。. せる(図 5)。. 3-2. (2) 実測結果. 非蓄熱空調システムにおける実測調査. 熱源機器生産熱量、空調機除去熱量、電力消費量に. (1) 実測概要非蓄熱空調システムの実測でも蓄熱空調システムと. ついて、両ケースそれぞれの日積算平均値を求め、そ. 同様に 2 ケースを実施し、比較した。. の値から熱源 COP、１次側 COP を算出した(表 4)。た. <caseA> (21 日 0:00∼22 日 18:00). だし、caseB の値は 24 日に熱源機器がほとんど運転さ. 従来から対象空調システムにおいて行われている運. れなかったため、23 日と 25 日の値を平均し算出して. 用で、熱源機器では熱源冷水入口温度に応じて圧縮機. いる。なお、22 日の 18 時から 24 時は運用の切り替え. の運転台数を、 4 台稼動(出力 100％)、 4 台中 2 台稼動(出. を行ったため、検討データからは除外している。従来. 力 50％)、熱源機器停止(出力 0％)を切り替える圧縮機. 型運用と比べ、最適運用では熱源 COP が 3.04 から 3.54. 台数制御運転を行う(図 4)。. に向上し、１次側 COP は 2.06 から 2.98 に向上した。. <caseB> (23 日 0:00∼25 日 24:00). 同一の気象条件下でないと厳密には比較できないが、. 圧縮機台数制御に加えて、熱源インバータ制御を行. 非蓄熱空調システムにおいても熱源機器･1 次ポンプイ. う。熱源機器のインバータ周波数は 2 次ポンプの流量. ンバータ制御の省エネ効果は十分に確認された。. に応じて 25Hz から 50Hz で変化させる。2 次ポンプの. 第4章. シミュレーションによる検討. 流量と周波数の関係を図 5 に示す。2 次ポンプはイン. これまでの章では熱源インバータ制御の効果を明ら. バータ制御により、空調機の処理熱量に応じて流量を. かにすることを中心に実験や実測を行い、その効果を. 変化させるため、熱源機器もある程度負荷に応じて運. ある程度把握することができた。しかし､実験や実測は. 転される。1 次ポンプも 2 次ポンプの流量に応じて. 短い期間の限定された気候条件の中で実施しており、. 32-2.

(3) 熱源インバータ制御の年間での効果把握には至っていない。そこで本章ではシミュレーションプログラムを. !. 作成し、熱源インバータ制御を年間を通して使用した場合どの程度の省エネ効果が得られるのか検討した。さらに、本研究のもう一つの目的である最適運用につ. 蓄熱空調システム検討ケース. 1次ポンプ. 熱源機器全負荷運転. 熱源特性 −. A1 インバータにより熱源COPが最も高 A2 くなる部分負荷率でできるだけ運転全負荷運転. 熱源機器A. A3. 熱源機器A. 蓄熱量によりインバータ出力を制御. A4. 熱源機器B. 熱源機器B 出口温度により B0 全負荷運転 − インバータ制御 B1 インバータにより1次側COPが最も高くなる部分負荷熱源機器A B2 率でできるだけ運転熱源機器B. いての検討も行い、最適運用がどういったものか、どの程度の効果があるものなのか明らかにする。 4-1. 表5. case. 計算概要. B3. 計算の対象としたのは実測調査を行ったのと同様の建物である。計算時間間隔は 1 分であり、空調時間帯. 熱源機器A. 熱源出口水温によりインバータ出力を決定. B4. 熱源機器B. C1 case!の水温レベルを２K上昇 C2 case!の水温レベルを4K上昇. は 8:00∼19:00、土曜日、日曜日、祭日は運転しないも. D0 case!に外気冷房を導入 D1 caseB3に外気冷房を導入 D2 caseB4に外気冷房を導入. のとしている｡計算期間は 4 月∼11 月で冷房運転である。4、5、10、11 月を中間季、6~9 月を夏季とし、中間季には設定室温 24℃、夏季には 26℃とする。コスト. A2 と A4 を比較すると caseA2 は 8 月を除く月で効果. の算出には東京電力の『業務用季節別時間帯別電力』. が高い。8 月を除く月では熱源最高効率点で運転する. プランを使用した。ピーク時間(夏季 13:00~16:00)は. 時間が長いためと考えられる。したがって caseA1、A2. 15.9 円、昼間時間(平日 8:00~22:00；ピーク時間を除. の制御方法は最も負荷が高い時期には向かないが、そ. く)は夏季 14.7 円、中間季 13.65 円、夜間時間(その他. れ以外の時期では効果が高く、caseA3、A4 は年間を. の時間)は 6.05 円である。熱源機器の計算では、計算. 通して安定した効果が得られる運転方法といえる。. された熱源冷温水出口温度が熱源機器停止温度設定値. 4-2-2 1 次ポンプ制御方法の検討(caseB0∼B4) 1 次ポンプ変流量運転を導入した caseB0 で 1 次ポン. 4℃に達した場合は熱源機器を停止とする｡その際熱源機器は、15 分間停止したままとしている｡. プ電力消費量の削減が見られる。システム全体でみる. 4-2. と 1 次ポンプインバータ制御の導入効果は 2.3％であ. 蓄熱空調システムにおける検討. 検討ケースについて表 5 にまとめる。また、計算結. る。また、1 次ポンプインバータ制御と熱源インバー. 果として表 6 を示す。. タ制御とを併用する caseB1∼B4 では、熱源運転時間. 4-2-1. の増加にもかかわらず 1 次ポンプ電力消費量を削減で. 熱源制御方法の検討(caseA1∼A4). 従来型の運用を行う caseαに対して、熱源インバー. きている。当然、熱源機器でも電力削減効果が見られ. タを導入した caseA1∼A4 で熱源 COP の向上、熱源機. るため、1 次ポンプインバータ制御と熱源インバータ. 器電力消費量の削減が見られる。しかし、部分負荷運. 制御の併用による冷房期間通算での電力削減効果は. 転を行うことにより、蓄熱完了までの熱源運転時間の. 5~9％となっている。. 増加がおこり 1 次ポンプの電力消費量は増加している。. 4-2-3. 熱源出口水温の上昇は熱源機器の効率向上につなが. 冷房期間通算の合計電力消費量では熱源インバータ制. るため、caseC1、C2 の熱源 COP は caseαに比べ向上. 御を導入することで 2~4％の削減が図れている。case 表6 case. 熱源出口水温上昇の検討(C1、C2). 蓄熱空調システム計算結果. !. A1. A2. A3. A4. B0. B1. B2. B3. B4. C1. C2. D0. D1. D2. 空調機処理熱量[GJ]. 190. 190. 190. 190. 190. 190. 190. 189. 191. 191. 190. 190. 167. 167. 167. 熱源機器生産熱量[GJ]. 217. 228. 230. 229. 229. 212. 221. 221. 222. 220. 214. 213. 192. 196. 194. 熱源機器. 20.1. 18.3. 17.5. 18.7. 17.8. 19.7. 18.2. 16.8. 18.1. 17.1. 19.6. 19.4. 18.2. 16.5. 15.6. 1次ポンプ. 1.62. 2.30. 2.51. 2.19. 2.35. 1.09. 1.34. 1.30. 1.15. 1.22. 1.56. 1.50. 1.44. 1.01. 1.04. 電力消費量その他のポンプ 3.72 [MWh] 14.2 空調機合計. 3.77. 3.81. 3.72. 3.76. 3.73. 3.81. 3.80. 3.73. 3.80. 3.95. 4.52. 2.98. 2.99. 3.04. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.2. 14.3. 14.6. 14.2. 14.2. 14.2. 合計. 39.6. 38.6. 38.0. 38.8. 38.1. 38.7. 37.5. 36.1. 37.2. 36.3. 39.4. 40.1. 36.9. 34.7. 33.9. コスト[千円]. 488. 472. 467. 475. 469. 480. 462. 448. 463. 460. 489. 504. 467. 446. 439. 熱源COP[-]. 3.00. 3.46. 3.65. 3.41. 3.58. 2.99. 3.39. 3.66. 3.41. 3.58. 3.03. 3.05. 2.93. 3.30. 3.47. 1次側COP[-]. 2.77. 3.07. 3.20. 3.05. 3.16. 2.83. 3.16. 3.40. 3.21. 3.34. 2.81. 2.83. 2.72. 3.11. 3.25. システムCOP[-]. 1.33. 1.37. 1.39. 1.36. 1.39. 1.36. 1.40. 1.46. 1.42. 1.46. 1.34. 1.32. 1.26. 1.34. 1.37. 32-3.

(4) している。しかし、その向上率は低い。またシステム. 1 次ポンプインバータ制御との併用効果は大きいが、8. 全体の温度レベルを上げたことにより 2 次ポンプ流量. 月でも 15％程度の電力削減ができている。. やファン風量の増大が見られ、その結果ポンプ、ファ. 4-3-3. 熱源出口水温上昇の検討(G1、G2). 蓄熱空調システムでの検討と同様の傾向を示してお. ンの電力消費量が増えている。さらに､表には示していないが室内環境の悪化も見られ有効な手法ではない。. り、水温上昇による省エネ効果はほとんどない。. 4-3-4. 4-3-4. 外気冷房の検討(D0∼D2). 外気冷房の検討(H0∼H2). caseαに外気冷房を導入した caseD0 で 7％の電力削. 従来型の運用に外気冷房を導入する caseH0 で 6％. 減効果が得られる。さらに熱源インバータ制御、1 次. 電力消費量が削減されている。さらに熱源機器、1 次. ポンプインバータ制御を併用することで 12∼15％と. ポンプのインバータ制御と組み合わせることにより、. いう大きな効果が得られる。. 25％前後の非常に高い省エネ効果が得られる。. 4-3. 第5章. 非蓄熱空調システムにおける検討. 検討ケースについて表 7 にまとめる。また、計算結. おわりに. 本研究では熱源インバータ制御が冷房運転時には. 果として表 8 を示す。. 高効率な部分負荷運転を実現できることを明らかに. 4-3-1. した。さらに、熱源インバータ制御や 1 次ポンプイ. 熱源制御方法の検討(caseE1∼E4). ンバータ制御などの手法が年間を通してどの程度の. 蓄熱空調システムの場合と違い熱源インバータを導入しても 1 次ポンプ電力消費量の増大が見られない。1. 省エネ効果を有するのか計算により求めた。今後は、. 次ポンプは空調時間帯中、常に定流量運転をしている. 暖房運転時になぜ効果が現れないのか、熱源機器に. ためである。特に、2 次ポンプ流量によって熱源イン. よる熱源インバータ制御効果の違い等に取り組んで. バータ周波数を決める caseE3、E4 では 8∼10％もの. いく必要がある。. 省エネ効果が得られる。冷房期間を通して caseE3、E4. 表5. 非蓄熱空調システム検討ケース. case. の省エネ効果は高いといえる。ただし、システム全体の電力消費量に占める熱源電力消費量の割合が低下するため、4 月、１１月にその効果が下がる。. ,. 圧縮機台数制御. −. 熱源出口水温によりインバータ出力を決定全負荷運転. 熱源機器A. E3. 1 次ポンプインバータ制御を導入しただけの caseF0 でも 10％程度の電力削減効果が見られる。非蓄熱空調. E4. 2次ポンプ流量によりインバータ出力を決定. F0. 全負荷運転. F1. システムの従来型運用では空調時間帯中、常に 1 次ポ. F2 F3. ンプを全負荷運転しているため、1 次ポンプインバー. F4. タ制御により無駄な流量を削減することで、その効果が大きく現れている。さらに熱源インバータ制御を併. G1. caseβの水温レベルを２K上昇. G2. caseβの水温レベルを4K上昇 caseβに外気冷房を導入. caseF4 で 20∼22％という非常に大きな電力削減効果. H1. caseE3に外気冷房を導入. H2. caseE4に外気冷房を導入. 表6. 熱源機器A 熱源機器B. 2次ポンプ流量によりインバータ出力を決定. H0. case. 熱源機器B. − 出口温度により熱源機器A 熱源出口水温によりインインバータ制御バータ出力を決定熱源機器B. 用し 2 次ポンプ流量により周波数を制御した caseF３、が得られている。特に中間季に熱源インバータ制御と. 熱源特性. E1 E2. 4-3-2 1 次ポンプ制御方法の検討(caseF0∼F4). 1次ポンプ. 熱源機器. 熱源機器A 熱源機器B. 非蓄熱空調システム計算結果. ". E1. E2. E3. E4. F0. F1. F2. F3. F4. G1. G2. H0. H1. H2. 空調機処理熱量[GJ]. 194. 194. 194. 191. 191. 195. 193. 193. 191. 191. 193. 189. 169. 167. 167. 熱源機器生産熱量[GJ]. 223. 223. 222. 219. 219. 208. 208. 207. 202. 201. 221. 216. 197. 178. 177. 電力消費量 [MWh]. 熱源機器. 20.9. 19.4. 18.9. 18.3. 17.6. 20.0. 18.3. 18.2. 17.0. 16.3. 20.6. 19.8. 18.8. 15.3. 14.7. 1次ポンプ. 5.45. 5.45. 5.45. 5.45. 5.45. 1.87. 2.70. 2.76. 1.86. 1.88. 5.45. 5.45. 5.45. 1.81. 1.83. 2次ポンプ. 1.79. 1.83. 1.80. 1.62. 1.64. 1.79. 1.75. 1.74. 1.49. 1.50. 1.91. 2.15. 1.48. 1.24. 1.25. 空調機合計. 15.3. 15.3. 15.2. 14.5. 14.5. 15.5. 15.1. 15.0. 14.4. 14.4. 15.5. 16.9. 15.2. 14.4. 14.4. 合計. 43.5. 42.0. 41.3. 39.9. 39.2. 39.2. 37.9. 37.7. 34.7. 34.0. 43.5. 44.3. 40.9. 32.7. 32.2. コスト[千円]. 637. 616. 605. 583. 574. 575. 557. 554. 509. 500. 638. 649. 600. 481. 473. 熱源COP[-]. 2.96. 3.19. 3.27. 3.34. 3.46. 2.88. 3.15. 3.16. 3.30. 3.43. 2.98. 3.04. 2.91. 3.22. 3.34. 1次側COP[-]. 2.35. 2.49. 2.54. 2.57. 2.64. 2.64. 2.74. 2.75. 2.97. 3.08. 2.36. 2.38. 2.25. 2.88. 2.98. システムCOP[-]. 1.24. 1.28. 1.30. 1.33. 1.35. 1.38. 1.42. 1.42. 1.53. 1.56. 1.23. 1.18. 1.15. 1.42. 1.44. 32-4.

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