水冷スクリューチラーのサプライヤーとして、私はこれらのチラーの制御ロジックがエネルギー使用をどのように最適化できるかについてお話しすることに興奮しています。ご存知のとおり、最近ではエネルギー効率が非常に重視されており、単にお金を節約するだけでなく、環境に貢献することも目的としています。
1. 制御ロジックの中心的な目的
水冷スクリューチラーの制御ロジックは通常、次の目的に重点を置いています。
冷却負荷要件を満たす：冷水の供給温度または戻り温度を設定範囲内に保ちます。
動作の安全性を確保する: 頻繁なコンプレッサーの始動/停止サイクル、液体のスラッギング、異常な油圧、過剰な吐出温度、モーターの過負荷、その他の問題を避けてください。
蒸発温度と凝縮温度を最適化する：プロセスと快適性の要件を満たしながら、可能な限り蒸発温度を上げ、凝縮温度を下げてCOPを向上させます。
ロードマッチングを実現: 実際の冷却負荷に応じてコンプレッサーの容量を調整し、「小さな負荷に対する過大化」を回避します。
水側と空側の機器を調整する: 冷水ポンプ、復水器水ポンプ、冷却塔ファン、バルブ、その他のコンポーネントは、連携して制御される必要があります。
グループ制御とリモート管理をサポート: 複数のチラーは、ローテーション、ステージング、障害切り替え、データのアップロード、およびリモート診断が可能である必要があります。
2. 負荷マッチングとコンプレッサー容量制御
チラーの冷却負荷は一定ではありません。屋外の温度、屋内の占有率、機器の熱利得、プロセスの生産リズム、建物の向き、日陰の条件はすべて負荷に影響します。制御ロジックは負荷の変化をリアルタイムで感知し、コンプレッサーの出力を調整する必要があります。
水冷スクリューコンプレッサーの一般的な容量制御方法は次のとおりです。
無段階スライドバルブ制御：スライドバルブによりローターの有効圧縮長が変化し、約25％～100％の範囲で無段階に容量制御が可能です。これは、従来のスクリューチラーで最も一般的に使用される方法です。
可変速ドライブ（VSD）: コンプレッサー速度を変更することでコンプレッサー容量を調整します。部分負荷効率が高く、負荷変動が大きいアプリケーションに特に適しています。
ハイブリッド制御：可変周波数とスライドバルブ制御の組み合わせにより、広い負荷範囲と良好な部分負荷効率を両立します。
注意すべき点は、すべての水冷スクリューチラーに VSD が装備されているわけではありません。 VSD を使用するかどうかは、モデルの位置付け、負荷特性、投資予算、エネルギー効率の要件によって異なります。したがって、より正確な表現は、制御ロジックが、冷水温度の偏差と変化率に基づいて、スライド バルブ、可変周波数、またはハイブリッド方式を通じてコンプレッサーの容量を調整するということです。
制御ロジックでは、コンプレッサーの頻繁なロード/アンロードや頻繁な起動/停止サイクルを回避するために、適切なロード/アンロードのデッドバンド、時間遅延、レート制限も設定する必要があります。マルチコンプレッサーヘッドのスクリューチラーの場合、始動/停止シーケンスとヘッド間の負荷分散も最適化する必要があります。
3. 冷水ループ制御
冷水ループは、蒸発器で生成された冷却能力を空調ターミナルまたはプロセス装置に輸送します。制御ロジックは通常、冷水の供給温度、戻り温度、流量、および差圧を監視します。
一般的な制御戦略には次のものがあります。
給水温度制御: 冷水供給温度を主制御変数として使用し、それを設定値付近に維持します。供給温度が設定値を下回っている場合は、コンプレッサーの容量を下げます。設定値を超えている場合は、容量を増やしてください。
戻り水温度制御: 戻り水の温度または供給と戻りの温度差を基準として使用して、端子負荷の変化を判断します。
温度差制御と流量調整: 可変流量システムでは、供給と戻りの温度差と最も不利なループの差圧に基づいて冷水ポンプの周波数を調整します。
差圧制御: 過度のバルブ絞りを避けるために、最も不利なターミナルに必要な差圧を維持します。
バイパス制御: 末端流量がチラーに必要な最小流量よりも低い場合は、バイパスバルブを開いて蒸発器を通る水側流量を最小限に抑えます。
冷水温度リセット: 湿度要件が許せば、冷水供給温度を適切に上げてください。これにより、蒸発温度が上昇し、チラーの COP が向上します。具体的な増加量は、モデル、冷媒、および動作条件によって異なります。
冷水制御の鍵は次のとおりです。ターミナルの除湿と快適性の要件を満たしながら、冷水供給温度を可能な限り高め、最小限の水側流量と安定した差圧を確保します。
4. 復水器水ループ制御
凝縮器水ループは、凝縮器から凝縮器の熱を除去します。その制御品質は、凝縮温度とチラー効率に直接影響します。凝縮水温度が低いほど、一般に凝縮温度も低くなり、コンプレッサーの消費電力が低くなり、チラーの COP が高くなります。ただし、凝縮水温度が低くなりすぎると、潤滑油の粘度変化や冷媒の移動などの原因となるため、総合的な管理が必要です。
一般的な制御戦略には次のものがあります。
復水器給水温度制御: 冷却塔ファン可変周波数制御により、凝縮器給水温度を設定範囲内に維持します。
アプローチ温度制御：冷却塔出口水温と屋外湿球温度との接近を制御します。アプローチが小さいほど、冷却塔の効率は高くなりますが、ファンのエネルギー消費量も増加します。
冷却塔ファン可変周波数制御: 凝縮水温度または凝縮圧力に基づいてファン速度を調整します。これは、復水器の水側における最も一般的で最も安全な省エネ方法です。
凝縮水可変流量制御: 復水器の最小流量と最小速度を満たすことを前提として、熱負荷と温度差に応じて復水器の水ポンプ周波数を調整できます。ただし、注意しなければならないのは、凝縮器の水流量を減らすだけではエネルギーを節約することはできません。流量が少なすぎると、熱交換チューブ内の流速が不足して乱流が弱まり、汚れのリスクが高まるほか、凝縮温度が上昇してかえってコンプレッサーの消費電力が増加する場合があります。
凝縮温度リセット: 屋外の湿球温度と冷却装置の負荷に基づいて、凝縮温度目標を動的に調整します。
フリークーリングと自然冷却：低温期や高緯度地域では、冷却塔やドライクーラーを使用して直接冷却することができ、コンプレッサーの運転時間を短縮できます。
したがって、復水器の水側のエネルギー節約を優先する必要があります。冷却塔ファンの可変周波数制御、凝縮器水温のリセット、凝縮圧力の最適化、ポンプの可変周波数制御と最小限の流量保護の組み合わせ。
5. 環境条件と予測制御
環境条件は、水冷スクリューチラーの効率に大きな影響を与えます。屋外の湿球温度が低いほど、冷却塔出口水温が低くなり、凝縮温度が低くなり、チラー効率が高くなります。制御ロジックは、屋外の温度と湿度、冷却塔の性能、冷却装置の負荷に基づいて凝縮器の水の温度を動的に最適化する必要があります。
一部の高度な制御システムでは、予測制御またはモデル予測制御 (MPC) も使用されます。基本的な考え方は次のとおりです。
過去の稼働データ、天気予報、建物の占有率、生産計画、その他の情報を収集します。
負荷予測モデルを確立します。
チラーのロード/アンロード、冷水温度、凝縮器水温度、冷却塔ファン回転数を事前に調整します。
負荷の急激な変化によるエネルギー消費のピークや頻繁な機器の起動停止を回避します。
ただし、予測制御はすべてのチラーで利用できるわけではありません。それには、高品質のセンサー、安定した通信、十分なデータ、合理的なモデル、システム統合が必要です。通常のプロジェクトの場合、より現実的なアプローチは、PID 制御、温度リセット、チラーのステージング制御、および機器のインターロックを適切に実行することです。
6. システムレベルの省エネとグループ制御戦略
単一チラーの制御を最適化することは最初のステップにすぎません。複数の水冷スクリューチラーを備えた工場室では、多くの場合、システムレベルのグループ制御により、より大きなエネルギー節約の可能性が得られます。
一般的なグループ制御戦略には次のものがあります。
チラーステージング制御: 合計冷却負荷と各チラーの効率的な動作範囲に基づいて、起動するチラーの数を決定します。
回転動作: 全体的な耐用年数を延ばすために、チラー間の稼働時間をバランスさせます。
負荷分散: ベース負荷には高効率チラーを優先し、ピークカットには低効率チラーを優先します。
冷水、凝縮水温度リセット: 屋外の湿球温度と端末の需要に基づいて、温度設定値を動的に調整します。
ポンプと冷却塔の連動：冷水ポンプ、復水ポンプ、冷却塔ファンを個別に制御するのではなく、全体として最適化します。
障害切り替えとスタンバイ: システムの信頼性と継続性を確保します。
データモニタリングとエネルギー効率分析: COP、IPLV、NPLV、凝縮温度、蒸発温度、過熱度、接近温度、その他の指標を継続的に追跡します。
水冷スクリューチラーのエネルギー効率を評価するときは、全負荷時の COP だけを見てはいけません。実際の動作では、チラーはほとんどの時間部分負荷で動作します。したがって、次のことに重点を置く必要があります。
警官: 定格条件における成績係数。
IPLV: 部分負荷の積分値。
NPLV：標準外の部分荷重値。
凝縮温度と蒸発温度: 実際の運用効率に直接影響します。
接近温度: 熱交換器の清浄度とパフォーマンスを反映します。
7. メンテナンスと信頼性
どんなに高度な制御ロジックを備えていても、適切なメンテナンスがなければ機能しません。水冷スクリューチラーを長期にわたって効率的に運用するには、次のことが必要です。
コンプレッサーのオイルレベル、オイルの品質、油圧、およびオイルの温度を定期的にチェックしてください。
スケールや汚れを防ぐために凝縮器と蒸発器を清掃します。
凝縮水および冷水に対して適切な水処理を行う。
温度、圧力、流量センサーを校正します。
冷却塔の水の分配、充填、ファンを検査します。
バルブ、バイパス、および可変周波数ドライブの動作を確認します。
稼働データを分析し、時間の経過とともに異常な傾向を特定します。
8. 結論
水冷スクリューチラーの制御ロジックは、実際のエネルギー効率、信頼性、耐用年数を直接決定します。専門的な管理戦略では次のことを行う必要があります。
冷水温度の偏差と変化率に基づいて、スライドバルブ、可変周波数、またはハイブリッド方式によりコンプレッサーの容量を調整します。
最小限の流量と差圧を確保しながら、冷水と復水器の水ループを最適化します。
冷却塔ファンの可変周波数制御と凝縮温度のリセットにより、凝縮温度の低下を優先します。
凝縮器の水流量を単純に減らすことは避けてください。熱交換の悪化やエネルギー消費のリバウンドを引き起こす可能性があります。
環境条件、負荷予測、およびグループ制御戦略を組み合わせて、システムレベルのエネルギー節約を実現します。
COP、IPLV、NPLV、接近温度などの主要な指標を継続的に監視します。
水冷スクリューチラーを選択または最適化する場合は、コンプレッサーのブランドと全負荷パラメータだけでなく、制御ロジック、部分負荷効率、水側インターロック戦略、およびアフターサポートにも重点を置くことをお勧めします。水冷スクリューチラーのサプライヤーとして、当社はカスタマイズされた選択、制御スキームの最適化、運用とメンテナンスの推奨事項を提供し、お客様の冷却システムが年間を通じて効率的、安定的、信頼性を維持できるように支援します。
お客様のプロジェクトに適した水冷スクリューチラーおよび省エネ制御ソリューションについてご相談いただくために、お気軽にお問い合わせください。
参考文献
アシュラエハンドブック。暖房、換気、空調 - 空調システムおよび機器。米国暖房冷凍空調技術者協会。
Dossat、RJ 冷凍の原理。プレンティス - ホール株式会社