JP5386199B2 - 熱源システム - Google Patents

Description

本発明は熱源システムに関し、特にシステム構成及び制御の複雑さを緩和したうえで安定した冷熱を供給することができる熱源システムに関する。

熱源系統を構成する冷凍機で生成された冷水を、空調機や生産機器等の負荷系統に供給することにより、建物内の冷房や生産機器の冷却等を行うシステムがある。このようなシステムは、負荷の変動に応じて適切な流量の冷水を生成可能なように熱源系統が複数の冷凍機で構成され、熱源系統と負荷系統とが往ヘッダ及び還ヘッダを介して接続されているものが多い。そして、冷凍機の起動直後は負荷系統が要求する設定温度の冷水を生成するのが困難であることに鑑みて、冷凍機で生成された冷水を負荷系統に供給せずに冷凍機に戻すバイパス管と、バイパス管に設けられた二方弁と、冷凍機と両（往、還）ヘッダとを接続するメイン配管に設けられた二方弁とを、熱源系統を構成する各冷凍機にそれぞれ設け、冷凍機で生成された冷水の温度が設定温度を上回る場合に、バイパス管の二方弁を開に、メイン配管の二方弁を閉にすることにより、設定温度を上回る温度の冷水が負荷系統に供給されることを回避するようにしたシステムがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３５３９８６号公報（段落００２７、図１等）

冷凍機は、一般に、保護装置として内部で凍結し得るような温度の冷水が導入された場合に運転を停止させる機能を有している。このため、保護装置を作動させないためには、負荷系統への送水温度の上昇を一部許容したうえで冷凍機から供給される冷水の温度が設定温度まで下がる前にバイパスを停止させていた。しかしながら、例えばクリーンルームのような精密空調が要求される負荷等では、負荷系統への送水温度の上昇が許容されない場合がある。このような場合、上述のシステムでは、設定温度を上回る温度の冷水を、負荷系統に供給することを回避するべくバイパスさせて冷凍機に戻す一方で、バイパスさせることにより比較的短時間に温度が低下した、負荷系統が要求するような低温度の冷水を、冷凍機に流入させないように、バイパス管及びメイン配管に設けられた二方弁を応答速度の速いものとしたうえで、両二方弁を厳密に制御する難しい制御が要求されていた。さらに、バイパス管及び２つの二方弁を各冷凍機がそれぞれ備えているため、システム構成及び制御が複雑になっていた。

本発明は上述の課題に鑑み、システム構成及び制御の複雑さを緩和したうえで、設定温度を上回る熱媒体が負荷側に送られることの回避と、熱媒体のショートサーキットに起因する冷凍機停止の回避とが両立する熱源システムを提供することを目的とする。

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、熱媒体Ｃを冷却する冷凍機が複数並列に配置された冷凍機群１００であって、第１の冷凍機１０１と、第１の冷凍機１０１に対して並列に配置された第２の冷凍機１０２と、を有する冷凍機群１００と；第１の冷凍機１０１で冷却された熱媒体Ｃである第１の被冷却熱媒体ＣＳ１を流す第１の被冷却熱媒体管１１であって、流路を遮断可能な第１の開閉弁１２を有する第１の被冷却熱媒体管１１と；第２の冷凍機１０２で冷却された熱媒体Ｃである第２の被冷却熱媒体ＣＳ２を流す第２の被冷却熱媒体管２１であって、流路を遮断可能な第２の開閉弁２２を有する第２の被冷却熱媒体管２１と；第１の被冷却熱媒体ＣＳ１と第２の被冷却熱媒体ＣＳ２とを、熱媒体ＣＳが保有する冷熱が利用される負荷系統９９に向けて送る前に集合させる往集合部６０と；負荷系統９９で利用されて温度が上昇した熱媒体ＣＲを冷凍機群１００に導入する前に集合させる還集合部６８と；往集合部６０と還集合部６８とを負荷系統９９を介さずに連通する連通管５５と；第１の開閉弁１２の上流側で第１の被冷却熱媒体管１１から第１の被冷却熱媒体ＣＳ１を抜き出す第１の抜出管１３と；第２の開閉弁２２の上流側で第２の被冷却熱媒体管２１から第２の被冷却熱媒体ＣＳ２を抜き出す第２の抜出管２３であって、第１の抜出管１３に接続された第２の抜出管２３と；第１の抜出管１３と第２の抜出管２３との接続部Ｐ３と、連通管５５とに接続されたバイパス管５３とを備える。

このように構成すると、第１の冷凍機及び第２の冷凍機のうち任意の冷凍機から導出された熱媒体を流す被冷却熱媒体管が有する開閉弁を閉じて該熱媒体の全部又は一部をバイパス管に流入させることができる。例えば、負荷系統が要求する温度になっていない熱媒体を導出する冷凍機に接続された方の被冷却熱媒体管が有する開閉弁を閉じて該熱媒体をバイパス管、連通管及び還集合部を介して該冷凍機に導入することができ、該熱媒体が負荷系統が要求する温度になった後は該開閉弁を開けて負荷系統に送ることが可能になり、ショートサーキットに起因する冷凍機の停止を回避しつつ負荷系統が求める温度の熱媒体を負荷系統に安定して供給することが可能になる。また、バイパス管を複数の冷凍機で共用でき、弁の数を削減できるので、システムを簡略化できて信頼性を向上させることができる。

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、第１の被冷却熱媒体管１１と第２の被冷却熱媒体管２１とが接続されて構成され；第１の被冷却熱媒体管１１と第２の被冷却熱媒体管２１との接続部Ｐ１と、往集合部６０とに接続された合流管５１をさらに備え；バイパス管５３が、第１の冷凍機１０１の下限流量及び第２の冷凍機１０２の下限流量のうち大きい方の流量に応じて決定された口径で構成され；合流管５１が、冷凍機群１００を構成する冷凍機のすべての定格流量を合計した合計流量から、バイパス管５３を流れる熱媒体ＣＳの設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径で構成されている。

このように構成すると、バイパス管及び合流管の総重量を必要最小限にすることができ、システム構築の省力化を図ることができる。

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２に示すように、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２において、熱媒体Ｃを外気との直接又は間接の熱交換により冷却する熱交換器８３と；熱交換器８３で冷却された熱媒体ＣＳである第３の被冷却熱媒体ＣＳ３を流す第３の被冷却熱媒体管３１であって、流路を遮断可能な第３の開閉弁３２を有する第３の被冷却熱媒体管３１と；第３の開閉弁３２の上流側で第３の被冷却熱媒体管３１から第３の被冷却熱媒体ＣＳ３を抜き出す第３の抜出管３３とを備え；第３の抜出管３３が、バイパス管５３、５３ａと連通して構成されている。

このように構成すると、外気の冷熱を有効利用することができ、冷凍機群の負荷を軽減することができる。例えば、外気で冷却された熱媒体が負荷系統の要求する温度である場合は該熱媒体を負荷系統に送ることができ、負荷系統の要求する温度でない場合は負荷系統に送らずに連通管を介して冷凍機群に導入することによって被冷却熱媒体の予冷に利用することができる。

本発明によれば、第１の冷凍機及び第２の冷凍機のうち任意の冷凍機から導出された熱媒体を流す被冷却熱媒体管が有する開閉弁を閉じて該熱媒体の全部又は一部をバイパス管に流入させることができる。例えば、負荷系統が要求する温度になっていない熱媒体を導出する冷凍機に接続された方の被冷却熱媒体管が有する開閉弁を閉じて該熱媒体をバイパス管、連通管及び還集合部を介して該冷凍機に導入することができ、該熱媒体が負荷系統が要求する温度になった後は該開閉弁を開けて負荷系統に送ることが可能になり、ショートサーキットに起因する冷凍機の停止を回避しつつ負荷系統が求める温度の熱媒体を負荷系統に安定して供給することが可能になる。また、バイパス管を複数の冷凍機で共用でき、弁の数を削減できるので、システムを簡略化できて信頼性を向上させることができる。

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。

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。

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、第１の冷凍機（以下「第１冷凍機１０１」ともいう）及び第２の冷凍機（以下「第２冷凍機１０２」ともいう）が並列に配置されて構成された冷凍機群１００と、各冷凍機１０１、１０２で製造された熱媒体としての冷水Ｃを集める往集合部６０と、負荷系統９９で熱が利用された後の冷水Ｃを集める還集合部６８と、往集合部６０と還集合部６８とを接続する連通管５５と、各冷凍機１０１、１０２で製造された冷水の一部を抜き出して連通管５５に合流させるバイパス管５３と、冷水Ｃを効果的に流動させる配管類（後に詳述する）とを備えている。

以下の説明においては、冷水Ｃに関し、便宜上次のように区別する場合がある。第１冷凍機１０１で製造された冷水Ｃを「第１往冷水ＣＳ１」と、第２冷凍機１０２で製造された冷水Ｃを「第２往冷水ＣＳ２」と、冷凍機を特定せずにいずれかの冷凍機で製造された冷水Ｃを単に「往冷水ＣＳ」という。負荷系統９９で冷熱が利用されて温度が上昇した冷水Ｃを「還冷水ＣＲ」といい、そのうち第１冷凍機１０１に導入される還冷水ＣＲを「第１還冷水ＣＲ１」と、第２冷凍機１０２に導入される還冷水ＣＲを「第２還冷水ＣＲ２」という。上記のような区別をせず単に冷熱を搬送するための熱媒体の意味を表す際は「冷水Ｃ」と総称する。

第１冷凍機１０１は、例えば空調用として用いられる水冷式の熱源装置であり、典型的には、ターボ冷凍機又は吸収式冷凍機が用いられる。第１冷凍機１０１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第１の被冷却熱媒体としての第１還冷水ＣＲ１から熱を奪う（冷却する）ことで第１往冷水ＣＳ１を製造する機器である。第１冷凍機１０１には、凍結防止の観点から、あらかじめ定められた温度（例えば７℃）以下の温度の第１還冷水ＣＲ１が導入されたときに運転を停止する保護装置が設けられている。また、第１冷凍機１０１には、冷水Ｃと熱交換をして蒸発した冷媒（不図示）を冷却して凝縮させるために、冷却水ＣＤが導入される。第１冷凍機１０１には、温度が低い冷却水ＣＤである往冷却水ＣＤＳを導入する、冷却水ポンプ４３が配設された冷却水往管４５と、冷水Ｃと熱交換して温度が上昇した冷却水ＣＤである還冷却水ＣＤＲを導出する冷却水還管４７とが接続されている。冷却水往管４５及び冷却水還管４７の他端には冷却塔４１が接続されており、冷却塔４１は、冷却水還管４７から導入した還冷却水ＣＤＲを大気と熱交換させて冷却して往冷却水ＣＤＳとして冷却水往管４５に流入させることができるように構成されている。

第１冷凍機１０１には、製造した第１往冷水ＣＳ１を導出する第１の被冷却熱媒体管としての第１冷水往管１１と、第１還冷水ＣＲ１を導入する第１冷水還管１８とが接続されている。第１冷水往管１１には、第１の開閉弁としての第１制御弁１２が挿入配置されている。また、第１冷凍機１０１と第１制御弁１２との間の第１冷水往管１１には、第１往冷水ＣＳ１の温度を検出する第１温度センサ１５が設けられている。第１制御弁１２は、アクチュエーターを有する電動弁であり、第１温度センサ１５で検出された温度に応じた電気信号を入力することにより弁の開度が調節されて第１冷水往管１１を流れる第１往冷水ＣＳ１の流量を調節することができるように構成されている。第１冷凍機１０１と第１制御弁１２との間の第１冷水往管１１には、第１往冷水ＣＳ１の一部又は全部を抜き出す第１抜出管１３が接続されている。第１抜出管１３には、抜き出した第１往冷水ＣＳ１の第１冷水往管１１への逆流を防ぐ第１逆止弁１４が挿入配置されている。第１冷水還管１８には、冷水Ｃを圧送する第１冷水ポンプ１９が挿入配置されている。第１冷水ポンプ１９は、第１冷凍機１０１が冷水Ｃの通過流量を変えることできる変流量型の場合は、インバータを有し、吐出流量を可変にすることができるように構成されている。なお、第１冷凍機１０１が変流量型の場合、第１冷凍機１０１にはあらかじめ設定された当該冷凍機固有の下限流量が存在することとなる。この下限流量は、凍結防止の観点から、運転中の冷凍機内に通過させる冷水Ｃの最小流量であり、通常は安全のための余裕分が見込まれている。運転中の冷凍機内を通過する冷水Ｃの流量が下限流量未満になると、例えば保護装置が作動して冷凍機の運転が停止する。

第２冷凍機１０２は、構造、機能、作用において、第１冷凍機１０１と同様に構成されている。本実施の形態では、第２冷凍機１０２の冷凍容量は、第１冷凍機１０１と同様に構成されている。また、第２冷凍機１０２まわりの配管及び冷却塔も第１冷凍機１０１と同様に設けられている。つまり、第２冷凍機１０２まわりには、第１冷凍機１０１における第１冷水往管１１、第１制御弁１２、第１抜出管１３、第１逆止弁１４、第１温度センサ１５、第１冷水還管１８、第１冷水ポンプ１９に対応する構成として、第２冷水往管２１、第２制御弁２２、第２抜出管２３、第２逆止弁２４、第２温度センサ２５、第２冷水還管２８、第２冷水ポンプ２９がそれぞれ設けられている。また、第２冷凍機１０２まわりには、第１冷凍機１０１における冷却塔４１、冷却水ポンプ４３、冷却水往管４５、冷却水還管４７に対応する構成として、冷却塔４２、冷却水ポンプ４４、冷却水往管４６、冷却水還管４８がそれぞれ設けられている。

第１冷水往管１１と第２冷水往管２１とは、供給接続部Ｐ１で接続されている。供給接続部Ｐ１は合流管５１の一端と接続されており、合流管５１の他端は、往集合部６０の構成要素の１つである１次往ヘッダ６１と接続されている。これにより、冷凍機群１００で製造された往冷水ＣＳを１次往ヘッダ６１に導入することができるようになっている。往集合部６０は、１次往ヘッダ６１と、２次往ヘッダ６２と、往ヘッダ接続管６３と、２次冷水ポンプ６４とを含んで構成されている。１次往ヘッダ６１よりも負荷系統９９側には、２次往ヘッダ６２が配設されている。２次往ヘッダ６２は、負荷系統９９を構成する複数の負荷機器９９ｍに往冷水ＣＳを分配するための管寄せである。１次往ヘッダ６１及び／又は２次往ヘッダ６２は、いわゆるヘッダの外観を呈しない、配管ヘッダとして構成されていてもよい。２次往ヘッダ６２には、複数の負荷機器９９ｍに往冷水ＣＳをそれぞれ供給する負荷配管９９ｐが複数接続されている。１次往ヘッダ６１と２次往ヘッダ６２とは、往ヘッダ接続管６３で接続されている。往ヘッダ接続管６３には、往冷水ＣＳを負荷系統９９に圧送する２次冷水ポンプ６４が挿入配置されている。図では１組の２次冷水ポンプ６４が配設された往ヘッダ接続管６３が示されているが、所望の台数制御が実現可能なように、典型的には２次冷水ポンプ６４が配設された往ヘッダ接続管６３の複数組が設けられている。また、１次往ヘッダ６１と２次往ヘッダ６２とは差圧調節管６５で接続されており、差圧調節管６５には開度を調節することにより１次往ヘッダ６１と２次往ヘッダ６２との間の差圧を所定の差圧にする差圧調節弁６６が挿入配置されている。１次往ヘッダ６１及び２次往ヘッダ６２が往ヘッダ接続管６３で接続されて、冷凍機群１００から供給される往冷水ＣＳが各冷水ポンプ１９、２９により供給され、負荷系統９９側へ送水される往冷水ＣＳが２次冷水ポンプ６４により流量調節されることにより、負荷系統９９の負荷変動に応じて往冷水ＣＳの供給流量を増減する制御が簡便になる。

還集合部６８は、各負荷機器９９ｍから導出された還冷水ＣＲを流す負荷配管９９ｐが接続された管寄せ６８ａと、管寄せ６８ａに導入された還冷水ＣＲを混合された状態で取り出す混合管６８ｂと、混合管６８ｂを流れた還冷水ＣＲを一旦蓄えるクッション管６８ｃとを有している。混合管６８ｂには流量計６８ｖが挿入配置されている。クッション管６８ｃには共通還管５８の一端が接続されており、共通還管５８の他端は第１冷水還管１８及び第２冷水還管２８に接続されている。これにより、還集合部６８から導出された還冷水ＣＲを、共通還管５８を介して第１冷水還管１８及び第２冷水還管２８に分配し、第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２に導入させることができるように構成されている。

１次往ヘッダ６１と還集合部６８とは連通管５５で接続されており、１次往ヘッダ６１に導入された往冷水ＣＳを、負荷系統９９を通過させずに還集合部６８に流入させることが可能に構成されている。還集合部６８に接続されている連通管５５は、典型的には流量計６８ｖよりも冷凍機群１００側の混合管６８ｂに接続されている。このように構成されていることで、連通管５５を介して還集合部６８に流入した往冷水ＣＳが共通還管５８に流入される前に、負荷系統９９から還された還冷水ＣＲと十分に混合されることとなる。第１抜出管１３と第２抜出管２３とは、抜出接続部Ｐ３で接続されている。抜出接続部Ｐ３はバイパス管５３の一端と接続されており、バイパス管５３の他端は連通管５５に接続されている。これにより、第１抜出管１３及び／又は第２抜出管２３から抜き出された往冷水ＣＳを連通管５５に流入させることができるようになっている。

バイパス管５３のサイズ（口径）は、冷凍機群１００を構成する各冷凍機の下限流量のうち、最も大きい流量に応じて決定された口径となっている。このように構成することで、冷凍機起動直後に下限流量で導出された冷水Ｃを、合流管５１を介さずにバイパス管５３を通して連通管５５に導くことが可能となる。本実施の形態では、第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が同じ構成（したがって下限流量も同じ）の冷凍機であるので、いずれかの下限流量に応じて決定される。「流量に応じて決定された口径」とは、典型的にはその流量の冷水Ｃを所定の設計条件（例えば単位摩擦損失３０ｍｍＡｑ／ｍ以下かつ管内流速２．０ｍ／ｓ以下）で流す場合に適した口径である。例えば、第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が変流量型で、下限流量が定格流量（これを１００％の流量とする）の５０％の場合は、この５０％の流量が所定の設計条件で流れる場合に適した口径に決定される。第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が定流量型の場合は、１００％の流量が所定の設計条件で流れる場合に適した口径に決定される。

合流管５１のサイズ（口径）は、冷凍機群１００を構成する各冷凍機の冷水Ｃの定格流量を合計した流量（合計流量）からバイパス管５３を流れる冷水Ｃの設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径となっている。「流量に応じて決定された口径」の意味は、バイパス管５３のサイズを決定する場合と同様である。本実施の形態では、冷凍機群１００が第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２で構成されているので、合流管５１のサイズは、第１冷凍機１０１から導出される冷水Ｃの定格流量及び第２冷凍機１０２から導出される冷水Ｃの定格流量の合計から、バイパス管５３を流れる冷水Ｃの設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径となっている。例えば、本実施の形態において第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が変流量型で、下限流量が定格流量の５０％の場合は、１５０％（１００％＋１００％−５０％）の流量が所定の設計条件で流れる場合に適した口径に決定される。第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が定流量型の場合は、１００％の流量が所定の設計条件で流れる場合に適した口径に決定され、本実施の形態ではバイパス管５３と同じ口径となる。

上述のようにバイパス管５３及び合流管５１の口径を選定することにより、バイパス管５３及び合流管５１の設計水量通水時の各々の全配管抵抗（流動抵抗）はほぼ同等となるが、配管経路の差異（例えば曲部の数の差異等）や配管口径の規格による制約で、合流管５１の全配管抵抗がバイパス管５３の全配管抵抗よりも大きくなる場合は、設計条件（例えば単位摩擦損失）の変更あるいは開度調節が可能な弁を設ける等の措置を施して、合流管５１の全配管抵抗がバイパス管５３の全配管抵抗よりも大きくならないようにすることが好ましい。

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。負荷系統９９の熱負荷が冷凍機１台分である場合、第１冷凍機１０１が運転している一方で第２冷凍機１０２は停止している。第１冷凍機１０１が運転しているときは、第１冷水ポンプ１９も連動して運転している。第１冷凍機１０１で製造された第１往冷水ＣＳ１が負荷系統９９側で要求される温度まで冷却されていると、第１制御弁１２は開となる。すると、第１冷凍機１０１から導出された第１往冷水ＣＳ１は、合流管５１及びバイパス管５３を、両者の流動抵抗が等しくなる流量配分で流れて１次往ヘッダ６１に流入する。

負荷系統９９側への往冷水ＣＳの供給は、２次冷水ポンプ６４の起動により行われる。２次冷水ポンプ６４が起動すると、１次往ヘッダ６１内の往冷水ＣＳが、往ヘッダ接続管６３及び２次往ヘッダ６２を介して負荷配管９９ｐに流入し、負荷機器９９ｍに向かって流れる。負荷機器９９ｍに供給された往冷水ＣＳは、冷熱が利用され温度が上昇して還冷水ＣＲとなり、負荷配管９９ｐを流れて還集合部６８に流入する。なお、１次往ヘッダ６１に流入する往冷水ＣＳの流量よりも負荷系統９９に供給される往冷水ＣＳの流量が少ない場合は、余剰分の往冷水ＣＳが連通管５５を流れて還集合部６８に流入して負荷系統９９から還ってきた還冷水ＣＲに合流する。還集合部６８内の還冷水ＣＲは、共通還管５８及び第１冷水還管１８を介して第１冷凍機１０１に流入し、負荷系統９９側で要求される温度まで冷却されて第１往冷水ＣＳ１となり、再び第１冷水往管１１及び合流管５１を流れて１次往ヘッダ６１に流入し、以降上述の作用を繰り返す。

上述のような、第１冷凍機１０１が運転し、第２冷凍機１０２が停止している状態で、負荷系統９９の熱負荷が増大した場合、第２冷凍機１０２が追従して起動される。第２冷凍機１０２が起動される際は、第２冷水ポンプ２９も連動して起動される。ところが冷凍機は、一般に、起動直後には所定温度（典型的には負荷系統９９側で要求される温度）の冷水Ｃが製造されず、一旦冷水Ｃの温度が下がり始めると急激に所定温度まで低下するという特性を有する。第２冷凍機１０２が起動直後の負荷系統９９側で要求される温度まで冷却されていない往冷水ＣＳが負荷系統９９に供給されると、適切な負荷処理ができず、特に負荷系統９９にクリーンルームの冷房のような精密空調がある場合は、不都合が大きい。そのため、第２冷凍機１０２が起動される際は、第２制御弁２２が閉にされる。第２制御弁２２が閉にされると、第２冷凍機１０２から導出された第２往冷水ＣＳ２は、第２冷水往管２１から第２抜出管２３に流入し、バイパス管５３を通って連通管５５に至る。他方、第１冷凍機１０１から導出された第１往冷水ＣＳ１は、合流管５１及びバイパス管５３の配管抵抗のバランスと、バイパス管５３内にはすべての第２往冷水ＣＳ２が流れることとが相俟って、特に第１抜出管１３を閉鎖しなくても、より合流管５１に流れやすくなっている。このようにして、負荷系統９９側で要求される温度まで冷却されている第１往冷水ＣＳ１は１次往ヘッダ６１に流入し、負荷系統９９側で要求される温度まで冷却されていない第２往冷水ＣＳ２は連通管５５に流入する。

１次往ヘッダ６１に流入した第１往冷水ＣＳ１は、負荷に応じて回転速度が調節される２次冷水ポンプ６４によって、適切な流量が負荷系統９９に送水される。１次往ヘッダ６１に流入した第１往冷水ＣＳ１が余剰となった場合は、余剰分が連通管５５を介して還集合部６８に送水される。負荷系統９９に供給された第１往冷水ＣＳ１は、上述のように、負荷機器９９ｍで冷熱が利用され温度が上昇して還冷水ＣＲとなった後に還集合部６８に流入する。他方、連通管５５に流入した第２往冷水ＣＳ２は、２次冷水ポンプ６４の吐出流量が１次往ヘッダ６１に流入する第１往冷水ＣＳ１の流量以下であることから、連通管５５を介して還集合部６８に流入する。

還集合部６８に流入した第２往冷水ＣＳ２は、負荷系統９９側から還ってきた還冷水ＣＲと混合する。その後還冷水ＣＲは、共通還管５８を流れた後に第１冷水還管１８と第２冷水還管２８とに分配され、第１還冷水ＣＲ１として第１冷凍機１０１に、及び第２還冷水ＣＲ２として第２冷凍機１０２に、それぞれ導入される。

本実施の形態では、第２冷凍機１０２が立ち上がって第２往冷水ＣＳ２の温度が急激に低下するようになった場合でも、負荷系統９９に供給されない第２往冷水ＣＳ２は、還集合部６８において還冷水ＣＲと混合されたうえで第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２に流入するので、負荷系統９９側で要求される温度に近い低温の冷水Ｃが各冷凍機１０１、１０２に導入されることを防ぐことができ、各冷凍機１０１、１０２が保護装置の作動で停止してしまうことを回避することができる。なお、温度が低い第２往冷水ＣＳ２が連通管５５を介して還集合部６８に流入することにより還冷水ＣＲの温度が低下した場合は、各冷凍機１０１、１０２における冷凍負荷が小さくなる。

第２冷凍機１０２から導出された第２往冷水ＣＳ２が負荷系統９９側で要求される温度まで下がるようになると、第２制御弁２２は開となる。第２制御弁２２が開になると、第２冷水往管２１を流れる第２往冷水ＣＳ２は、第２抜出管２３に流入する流れと合流管５１に向かう流れとに分配される。他方、第１冷水往管１１を流れる第１往冷水ＣＳ１は、第２往冷水ＣＳ２の一部が合流管５１に流入することに伴い、一部が第１抜出管１３を介してバイパス管５３に流入することとなる。このとき、第１往冷水ＣＳ１及び第２往冷水ＣＳ２の、合流管５１とバイパス管５３との分配比率は、特別な弁操作が行われることなく、１次往ヘッダ６１に至るまでの配管抵抗のバランスによって決まる。そして、２次冷水ポンプ６４の回転速度が負荷系統９９の冷熱負荷の増大に伴い増加されると、合流管５１を介して１次往ヘッダ６１に流入した往冷水ＣＳに加えて、バイパス管５３を流れる往冷水ＣＳの一部又は全部も１次往ヘッダ６１に流入して負荷系統９９に供給されるようになる。このように、バイパス管５３は、冷凍機の起動時はバイパス用の管として機能すると共に、定常運転時は冷水往管として機能することとなる。バイパス管５３がバイパス用と負荷系統９９側供給用との２つの機能を兼用することができると共に、定常運転時は合流管５１とバイパス管５３とを合わせて負荷系統９９に往冷水ＣＳを供給することができるように合流管５１及びバイパス管５３の口径を決定しているため、従来のように起動時用のバイパス管を専用に設ける場合に比べて、配管の重量及び切換弁の数を少なくすることができ、システム構築の簡略化（施工の省力化）及びイニシャルコストの低減を図ることができる。

上述のような、第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２が運転している状態で、負荷系統９９の熱負荷が減少して１台の冷凍機を停止させる場合は、２次冷水ポンプ６４の回転速度を減少させると共に停止させる冷凍機の系統の制御弁を閉にする。ここでは、第２冷凍機１０２を追いかけ起動させる前に運転されていた第１冷凍機１０１を停止させることとして説明する。つまり、第１制御弁１２が閉となる。すると、第２往冷水ＣＳ２が合流管５１及び１次往ヘッダ６１を介して負荷系統９９に供給される一方、第１往冷水ＣＳ１はバイパス管５３及び連通管５５を介して還集合部６８に導入されるようになる。第１制御弁１２を閉にしたら、第１冷凍機１０１内の冷凍サイクル（冷媒（不図示）の循環）を停止させる。このとき、第１冷水ポンプ１９は運転したままである。第１冷水ポンプ１９を運転させ、第１冷凍機１０１内の冷凍サイクルを停止（冷却水ＣＤを介した大気との熱交換の停止を含む）させると、第１冷凍機１０１から導出される第１往冷水ＣＳ１の温度が徐々に上昇する。しかしながら、第１往冷水ＣＳ１は負荷系統９９側に供給されることなくバイパス管５３及び連通管５５を介して冷凍機に循環されるため、負荷系統９９が要求するよりも温度が高い往冷水ＣＳが負荷系統９９に供給されることを回避することができる。第１冷凍機１０１から導出される第１往冷水ＣＳ１の温度が、第１冷凍機１０１内を循環する冷媒（不図示）の放熱が完了したと判断できる程度に上昇したら、第１冷水ポンプ１９を停止させ、第２冷凍機１０２の１台が運転している状態とする。

以上で説明したように、熱源システム１では、冷凍機の起動過程で急激に温度が低下した冷水が冷凍機に導入されること（ショートサーキット）に起因する冷凍機の意図しない停止を回避することができ、配管重量及び制御弁の数を削減できるためにシステム構築の省力化及びイニシャルコストの低減を図ることができる。さらに、熱源システム１では、制御弁が故障して開かなくなった場合であっても、バイパス管５３を介して負荷系統９９に往冷水ＣＳを供給することができ、バイパス管５３を制御弁故障時のバックアップルートとすることができるので、負荷系統９９への冷熱の供給という本来の目的を達成することが可能となる。

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（外気の冷熱を冷水Ｃの冷却に利用する方式）を可能にする構成を備えている点である。すなわち、熱源システム２の構成は、熱源システム１（図１参照）の構成に加えてさらに、冷凍機群１００に対して並列に配置された熱交換器８３と、冷却塔４２において外気と熱交換する熱媒体としての外気熱媒水ＣＦを熱交換器８３に導出入させる外気熱媒水往管８６及び外気熱媒水還管８８と、熱媒体としての冷水Ｃを効果的に流動させる配管類（後に詳述する）とを備えている。

熱交換器８３は、外気熱媒水ＣＦを介して間接に外気と冷水Ｃとで熱交換させる機器であり、プレート型熱交換器が好適に用いられる。熱交換器８３には、外気と熱交換して温度が低下した外気熱媒水ＣＦである往外気熱媒水ＣＦＳを導入する外気熱媒水往管８６の一端が接続されていると共に、熱交換器８３で冷水と熱交換して温度が上昇した外気熱媒水ＣＦである還外気熱媒水ＣＦＲを導出する外気熱媒水還管８８の一端が接続されている。外気熱媒水往管８６の他端は冷却水往管４６に接続され、外気熱媒水還管８８の他端は冷却水還管４８に接続されている。これにより、冷却水ポンプ４４を運転することで外気熱媒水ＣＦを熱交換器８３と冷却塔４２との間で循環させることができるように構成されている。なお、外気熱媒水ＣＦは、第２冷凍機１０２が運転される際は第２冷凍機１０２と冷却塔４２とを循環する冷却水ＣＤとして用いられる熱媒体であり、この冷却塔４２まわりの配管４６、４８、８６、８８には、第２冷凍機１０２の運転時は冷却水ＣＤが熱交換器８３に導入されず、フリークーリング運転時は外気熱媒水ＣＦが第２冷凍機１０２に導入されないように、開閉弁（不図示）が適切な場所に設けられている。

熱交換器８３は、冷水Ｃを導入し、冷却して導出するという作用及び機能において各冷凍機１０１、１０２と共通している。熱交換器８３まわりには、冷水Ｃの系統の配管類として、熱交換器８３が第１冷凍機１０１と同等の冷凍機であると仮定した場合において有するべき冷凍機まわりの配管類を有している。つまり、熱交換器８３まわりには、第１冷凍機１０１における第１冷水往管１１、第１制御弁１２、第１抜出管１３、第１逆止弁１４、第１温度センサ１５、第１冷水還管１８、第１冷水ポンプ１９に対応する構成として、第３冷水往管３１、第３制御弁３２、第３抜出管３３、第３逆止弁３４、第３温度センサ３５、第３冷水還管３８、第３冷水ポンプ３９がそれぞれ設けられている。

第３冷水往管３１は、供給接続部Ｐ２で第２冷水往管２１に接続されており、この場合は供給接続部Ｐ１と供給接続部Ｐ２とが第３冷水往管３１よりも太く合流管５１よりも細い準合流管５１ａで接続される。合流管５１の口径は、熱源システム１（図１参照）と同様、冷凍機群１００を構成する各冷凍機の冷水Ｃの定格流量を合計した流量（合計流量）からバイパス管５３を流れる冷水Ｃの設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径となっている。なお、第３冷水往管３１は、供給接続部Ｐ１に直接接続されていてもよい。第３抜出管３３は、抜出接続部Ｐ４で第２抜出管２３に接続されおり、この場合は抜出接続部Ｐ３と抜出接続部Ｐ４とが準バイパス管５３ａで接続される。このとき、バイパス管５３、準バイパス管５３ａ、第３抜出管３３は、同一口径となっている。なお、第３抜出管３３は、抜出接続部Ｐ３に直接接続されていてもよい。第３冷水還管３８は、第２冷水還管２８に接続されており、この場合は、共通還管５８と第１冷水還管１８との接続部と、第２冷水還管２８と第３冷水還管３８との接続部とが、共通還管５８よりも細く第３冷水還管３８よりも太い準共通還管５８ａで接続される。なお、第３冷水還管３８は、共通還管５８と第１冷水還管１８との接続部に接続されていてもよい。

引き続き図２を参照して、熱源システム２の作用を説明する。熱源システム２では、通常、第３制御弁３２が閉となっている。冷却塔４２まわりの外気湿球温度が、外気熱媒水ＣＦ及び冷水Ｃの熱交換効率を考慮しても還冷水ＣＲより低い温度となる場合（熱交換器８３における外気熱媒水ＣＦと冷水Ｃとの熱交換により冷水Ｃを冷却できる場合）であって、かつ第２冷凍機１０２を停止させていることができる場合は、冷却水ポンプ４４を起動して外気熱媒水ＣＦを冷却塔４２と熱交換器８３との間で循環させる。外気熱媒水ＣＦが、冷却塔４２において外気と熱交換することにより温度が低下し、熱交換器８３内に導入される第３還冷水ＣＲ３を冷却できる温度になったら、第３冷水ポンプ３９を起動して第３還冷水ＣＲ３を熱交換器８３に導入する。

熱交換器８３では往外気熱媒水ＣＦＳと第３還冷水ＣＲ３とで熱交換が行われ、往外気熱媒水ＣＦＳは温度が上昇して還外気熱媒水ＣＦＲとなり、第３還冷水ＣＲ３は温度が低下して第３往冷水ＣＳ３となる。還外気熱媒水ＣＦＲは、熱交換器８３から導出されると冷却塔４２に導かれ、外気と熱交換して冷却されて再び往外気熱媒水ＣＦＳとなり、熱交換器８３に導入される。他方、第３往冷水ＣＳ３は、熱交換器８３から導出されると、通常の第３制御弁３２が閉になっている場合は第３抜出管３３に流入し、第３温度センサ３５で検出された温度が負荷系統９９の要求する温度まで低下している場合は第３制御弁３２が開にされたうえで第３抜出管３３に流入するほか準合流管５１ａに向かって第３冷水往管３１を流れる。

第３温度センサ３５で検出された温度が負荷系統９９の要求する温度まで低下して第３制御弁３２が開になった場合、第３往冷水ＣＳ３は、準合流管５１ａ及び合流管５１並びに準バイパス管５３ａ及びバイパス管５３を、両者の流動抵抗が等しくなる流量配分で流れて往冷水ＣＳとして１次往ヘッダ６１に流入する。１次往ヘッダ６１に流入した往冷水ＣＳは、２次冷水ポンプ６４により負荷系統９９に供給され、負荷機器９９ｍにおいて冷熱負荷が処理されて温度が上昇して還冷水ＣＲとなった後に、還集合部６８を介して熱交換器８３に（第１冷凍機１０１が運転していない場合）又は第１冷凍機１０１と熱交換器８３とに導入され、再び冷却されて往冷水ＣＳとして導出される。他方、第３温度センサ３５で検出された温度が負荷系統９９の要求する温度まで低下せずに第３制御弁３２が閉の場合、第３抜出管３３に流入した第３往冷水ＣＳ３は、準バイパス管５３ａ及びバイパス管５３を介して連通管５５に流入し、負荷系統９９を経由せずに還集合部６８に導入され、負荷系統９９から還ってきた還冷水ＣＲに合流する。これにより、負荷系統９９から還ってきた還冷水ＣＲの温度が低下する。温度が低下した還冷水ＣＲは、第１冷凍機１０１及び熱交換器８３に流入する。このとき、第１冷凍機１０１に導入される還冷水ＣＲは、フリークーリング運転をしていない場合に比べて低温となるので、第１冷凍機１０１で処理する熱量が少なくなり、第１冷凍機１０１の効率を向上させることができる。なお、熱源システム２では、フリークーリング運転が行われていないときは、熱源システム１（図１参照）と同様の運転が行われる。

以上で説明したように、熱源システム２では、外気湿球温度が第３還冷水ＣＲ３を冷却可能な程度に低下したときに少なくとも１台の冷凍機を停止させて負荷系統９９の冷熱処理をすることができるので省エネルギーとなる。また、第３往冷水ＣＳ３が負荷系統９９の要求する温度まで低下し、負荷系統９９の冷熱負荷を処理するのに足りる流量となる場合は、冷凍機群１００を停止することができるのでさらなる省エネルギーとなる。他方、第３往冷水ＣＳ３が負荷系統９９の要求する温度まで低下しない場合であっても、冷凍機群１００に導入される還冷水ＣＲの予冷を行うことが可能となるため、フリークーリングを実施可能な時期が従来よりも拡大することとなり、より省エネルギーに資することとなる。

以上の熱源システム２の説明では、冷水Ｃが外気熱媒水ＣＦを介して間接に外気と熱交換されることとしたが、熱交換器８３を省略して第３還冷水ＣＲ３を直接冷却塔４２に導入して外気と直接熱交換させ、第３還冷水ＣＲ３を温度が低い第３往冷水として第３冷水往管３１に導出することとしてもよい。この場合は、冷水Ｃの配管経路内へのゴミやスケールの侵入防止及び水質管理の観点から、冷却塔４２を密閉式とすることが好ましい。

以上の説明では、説明を簡単にするために、冷凍機群１００が第１冷凍機１０１及び第２冷凍機１０２の２台の冷凍機で構成されていることとして説明したが、３台以上の冷凍機が並列に配列されて冷凍機群１００が構成されていてもよい。この場合、典型的には、並列に接続された冷凍機まわりのそれぞれに、開閉弁が設けられた冷水往管、逆止弁が設けられた抜出管、及び冷水ポンプが配設された冷水還管が設置されることとなる。そして、各抜出管を流れた往冷水ＣＳがバイパス管５３を介して連通管５５に流入するような配管の接続関係が構築される。なお、冷凍機は複数に分割されていてもよい。これを換言すれば、冷凍機が直列に配置されている場合は、直列に配置された冷凍機全体を、冷凍機群１００における１台の冷凍機と考えることとなる。

以上の説明では、第１往冷水ＣＳ１と第２往冷水ＣＳ２と（熱源システム２の場合は第３往冷水ＣＳ３も）が合流して合流管５１を介して１次往ヘッダ６１に流入することとしたが、合流させずに個別に１次往ヘッダ６１に流入するように構成されていてもよい。冷凍機群１００が３台以上の並列に配列された冷凍機を有する場合は、各冷凍機から導出された往冷水ＣＳのそれぞれを別個に又はいくつかのグループごとに、１次往ヘッダ６１に流入することとしてもよい。別個に流入させることとすると、配管抵抗が変わらない構成とすることができる。しかしながら、各往冷水ＣＳを合流させて流す合流管５１とすると、合流管５１の口径を、冷凍機群１００を構成する各冷凍機の冷水Ｃの定格流量を合計した流量（合計流量）からバイパス管５３を流れる冷水Ｃの設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径とすることができ、配管重量を小さくすることができる。

以上の説明において、各制御弁１２、２２、３２の開閉制御は、典型的には各温度センサ１５、２５、３５で検出された値に基づいて行われるが、冷凍機特性をあらかじめ把握して、起動から冷水Ｃが負荷系統９９側で要求される温度になるまでの時間に基づいて制御することとしてもよい。

１、２ 熱源システム
１１ 第１冷水往管
１２ 第１制御弁
１３ 第１抜出管
２１ 第２冷水往管
２２ 第２制御弁
２３ 第２抜出管
３１ 第３冷水往管
３２ 第３制御弁
３３ 第３抜出管
５１ 合流管
５３ バイパス管
５５ 連通管
６０ 往集合部
６８ 還集合部
８３ 熱交換器
９９ 負荷系統
１００ 冷凍機群
１０１ 第１冷凍機
１０２ 第２冷凍機
Ｃ 冷水
ＣＳ１ 第１往冷水
ＣＳ２ 第２往冷水
ＣＳ３ 第３往冷水
ＣＲ 還冷水
Ｐ１ 供給接続部
Ｐ３ 抜出接続部

Claims (2)

1. 熱媒体を冷却する冷凍機が複数並列に配置された冷凍機群であって、第１の冷凍機と、前記第１の冷凍機に対して並列に配置された第２の冷凍機と、を有する冷凍機群と；
   前記第１の冷凍機で冷却された熱媒体である第１の被冷却熱媒体を流す第１の被冷却熱媒体管であって、流路を遮断可能な第１の開閉弁を有する第１の被冷却熱媒体管と；
   前記第２の冷凍機で冷却された熱媒体である第２の被冷却熱媒体を流す第２の被冷却熱媒体管であって、流路を遮断可能な第２の開閉弁を有する第２の被冷却熱媒体管と；
   前記第１の被冷却熱媒体と前記第２の被冷却熱媒体とを、前記熱媒体が保有する冷熱が利用される負荷系統に向けて送る前に集合させる往集合部と；
   前記負荷系統で利用されて温度が上昇した前記熱媒体を前記冷凍機群に導入する前に集合させる還集合部と；
   前記往集合部と前記還集合部とを前記負荷系統を介さずに連通する連通管と；
   前記第１の開閉弁の上流側で前記第１の被冷却熱媒体管から前記第１の被冷却熱媒体を抜き出す第１の抜出管と；
   前記第２の開閉弁の上流側で前記第２の被冷却熱媒体管から前記第２の被冷却熱媒体を抜き出す第２の抜出管であって、前記第１の抜出管に接続された第２の抜出管と；
   前記第１の抜出管と前記第２の抜出管との接続部と、前記連通管とに接続されたバイパス管とを備え；
   前記第１の被冷却熱媒体管と前記第２の被冷却熱媒体管とが接続されて構成され；
   前記第１の被冷却熱媒体管と前記第２の被冷却熱媒体管との接続部と、前記往集合部とに接続された合流管をさらに備え；
   前記バイパス管が、前記第１の冷凍機の下限流量及び前記第２の冷凍機の下限流量のうち大きい方の流量に応じて決定された口径で構成され；
   前記合流管が、前記冷凍機群を構成する冷凍機のすべての定格流量を合計した合計流量から、前記バイパス管を流れる熱媒体の設計流量を差し引いた流量に応じて決定された口径で構成された；
   熱源システム。
2. 熱媒体を外気との直接又は間接の熱交換により冷却する熱交換器と；
   前記熱交換器で冷却された熱媒体である第３の被冷却熱媒体を流す第３の被冷却熱媒体管であって、流路を遮断可能な第３の開閉弁を有する第３の被冷却熱媒体管と；
   前記第３の開閉弁の上流側で前記第３の被冷却熱媒体管から前記第３の被冷却熱媒体を抜き出す第３の抜出管とを備え；
   前記第３の抜出管が、前記バイパス管と連通して構成された；
   請求項１に記載の熱源システム。

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