熱源システム

【課題】システム全体の消費電力が最小となる熱源システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】熱源システム１０は、ヒートポンプと、地中熱熱交換器２０と、冷却塔３０と、熱源水ポンプと、前記冷却塔と前記熱交換器をいずれか一方又は並列又は直列の運転モードで切り替えて接続する切り替え手段と、ヒートポンプ負荷と熱源水負荷を算出し、前記熱源水負荷以上となる冷却能力若しくは加熱能力の前記運転モードを選択し、前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファン３２の風量比を変化させて算出した前記システム消費電力のうちで最小となる前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファンの風量比の最適値を算出するシミュレーター８２と、最小となる前記システム消費電力に基づいて前記冷却塔又は前記熱交換器の流量比、前記冷却塔ファンの風量比に制御する制御手段８０と、を備える。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用して省エネルギー化を図る地中熱利用ハイブリッド型の熱源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素などの地球温暖化ガスの排出を抑制でき、一年を通じて約一定温度である地中熱を熱源として、消費エネルギーを削減しながら冷水を製造できる空調システムがある。近年、省エネルギー、環境負荷低減の観点から地中熱を熱源とする空調システムの普及が進められている。
【０００３】
このような空調システムにおいて、効率の高さを基準として地中熱と外気熱の利用を使い分けたＣＯＰの高い空調システムが特許文献１に開示されている。
特許文献１の空調システムは、地中熱利用ヒートポンプに空気熱交換器を組み込み、夏季の冷房利用では、地中温度が外気温度よりも高い場合に、冬季の暖房利用では、地中温度が外気温度より低い場合に、地中熱源側の循環を停止し、空気熱源側ヒートポンプとして運転している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５０５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の地中熱利用ヒートポンプシステムでは、地中熱交換器での交換熱量が小さいため負荷に応じて、従来の外気使用との切り替えや、外気と地中熱の併用など運転方法を切り替える必要がある。このとき空調機以外の空気熱源機器、供給ポンプなどの補機を稼働させる消費エネルギーが存在するため、一部の消費エネルギー化ではなく、システム全体の消費エネルギー化を考慮する必要がある。
そこで本発明は、システム全体の消費電力が最小となる熱源システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱源システムは、ヒートポンプと、地中熱と熱交換して前記ヒートポンプに供給する熱源水を製造する熱交換器と、冷却塔ファンで外気と熱交換を行い前記ヒートポンプに供給する前記熱源水を製造する冷却塔と、前記熱源水を前記ヒートポンプに供給する熱源水ポンプと、前記ヒートポンプに対して前記冷却塔と前記熱交換器をいずれか一方又は並列又は直列の運転モードで切り替えて接続する切り替え手段と、ヒートポンプ負荷と熱源水負荷を算出し、前記熱源水負荷以上となる冷却能力若しくは加熱能力の前記運転モードを選択し、前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファンの風量比を変化させて算出した前記システム消費電力のうちで最小となる前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファンの風量比の最適値を算出するシミュレーターと、最小となる前記システム消費電力に基づいて前記冷却塔又は前記熱交換器の流量比、前記冷却塔ファンの風量比に制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
この場合において、前記切り替え手段は、前記冷却塔と前記熱交換器の間で前記熱源水を循環させて熱交換するとよい。
前記ヒートポンプは、冷水を製造するヒートポンプ式冷凍機と、前記冷水を搬送する冷水ポンプと、を備えているとよい。
また前記シミュレーターは、予め作成したデータベースを有し、冷水に放熱された熱量、外気湿球温度、前記熱交換器の地中温度に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数、及び熱原水流量比、冷却塔風量比を抽出するとよい。
【０００８】
また前記データベースは、前記冷水に放熱された熱量、外気湿球温度、前記熱交換器の地中温度に応じて、前記インバーター設定値の相対関係を示す制御テーブルであり、あらかじめ想定した冷水に放熱された熱量、外気湿球温度に対して、前記熱交換器の地中温度、熱交換器の熱源水入口温度、熱源水流量、冷却塔風量を変更して繰り返し計算を行い、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなるインバーター周波数、及び熱原水流量比、冷却塔風量比が設定値として設けられているとよい。
この場合において、前記データベースは、湿球温度と、冷水負荷と、地中温度と、運転モードの相対関係を示す制御テーブルであるとよい。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成による本発明の熱源システムによれば、冷凍機に対する冷却塔と熱交換器の複数の接続形態を選択可能とし、シミュレーションにより構成機器の動作範囲であり、かつ熱源システム全体の消費電力が最小となる運転モードの選定と冷却水ポンプ、冷却塔ファンのインバーター周波数、バルブの開閉を決定し、その最適値で制御している。このため、システムを構成する冷却水ポンプ、冷却塔ファン、冷凍機の消費電力の合計を削減し、システム全体の省エネルギー化を図ることができる。
【００１０】
また冷却塔と熱交換器の間で冷却水を循環させることにより、熱交換器で放熱が過剰に行われ、熱交換器外部に放熱を行う必要が生じた場合に冷却塔との間で熱交換を行うことで熱交換器の性能を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱源システムの構成概略を示す図である。
【図２】熱源システムの運転モード１の説明図である。
【図３】熱源システムの運転モード２の説明図である。
【図４】熱源システムの運転モード３の説明図である。
【図５】熱源システムの運転モード４の説明図である。
【図６】熱源システムの運転モード５の説明図である。
【図７】本発明の熱源システムの制御方法の処理フローである。
【図８】熱源システムの運転方法テーブルの説明図である。
【図９】熱源システムの設定値テーブルの説明図である。
【図１０】熱源システムの設定値テーブルの説明図である。
【図１１】熱源システムの変形例の構成概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の熱源システムを添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
図１は本発明の熱源システムの構成概略を示す図である。図示のように本発明の熱源システム１０は、冷凍機２０と、冷却塔３０と、熱交換器４０と、第１及び第２冷却水供給手段５０、６０と、冷水供給手段７０と、制御手段８０とを主な基本構成としている。なお本実施形態ではヒートポンプの一例として冷凍機を用いて以下説明する。
【００１３】
冷凍機２０は、凝縮器、蒸発器、圧縮機、減圧室から構成されている。圧縮機によって圧力を高めた気体の冷媒は、凝縮器に押し込められる。そして凝縮器は加圧された冷媒から熱を奪う。凝縮器を流れる冷却水は、熱を奪って流出することにより高温となる。一方、蒸発器では冷媒が蒸発する際に冷水の熱を奪う。
【００１４】
冷凍機２０内の凝縮器（不図示）を冷却して温度上昇した冷却水は、温度を下げるために、本発明では、冷却塔３０もしくは熱交換器４０を用いて冷却している。
冷却塔３０は、冷却塔ファン３２を備えている。冷却塔３０は冷却水と外気を接触させることにより、冷却水自身が蒸発し、その際に蒸発潜熱によって周囲の水から熱を奪って冷却水の温度を下げることができる。図１に示す冷却塔３０は開放式であり、外気との間で熱交換を行って冷却水を製造している。
【００１５】
熱交換器４０は、地中に埋設された鋼管杭内部にＵチューブ４２と呼ばれる配管を挿入し、地中との伝熱を行うための熱媒体（冷却水等）を杭とＵチューブ４２の間隔部に充填することで構成される。年間を通して温度が一定な地中に熱交換器４０を設置することでヒートポンプ（以下ＨＰと略す）式冷凍機用の冷却水を熱交換器４０に循環させ地中との間で熱交換を行って冷却水を製造している。
【００１６】
本発明の熱源システム１０は、熱源水となる冷却水が冷凍機２０と冷却塔３０の間を流れる第１冷却水供給手段５０と、冷却水が冷凍機２０と熱交換器４０の間を流れる第２冷却水供給手段６０を形成している。
第１冷却水供給手段５０は、第１送り配管５２と、第１戻り配管５４と、冷却水ポンプ５６を主な基本構成としている。
【００１７】
第１送り配管５２は、冷凍機２０の冷却水出口と、冷却塔３０の冷却水入口を繋ぐ配管であり、配管途中に冷却水ポンプ５６と、第１流量計５７と、第１温度計９１と、第１及び第２二方弁１０１、１０２を備えている。第１二方弁１０１は、冷凍機２０の冷却水出口側に取り付けている。第１二方弁１０１は配管を閉塞又は開放して冷却水の供給を制御することができる（以下の第２〜第９開放弁１０２〜１０９も同じ）。第２二方弁１０２は、冷却塔３０の冷却水入口側に取り付けている。第１送り配管５２は、第１及び第２二方弁１０１、１０２の間に冷凍機２０側から第１温度センサー９１、冷却水ポンプ５６、第１流量計５７を取り付けている。冷却水ポンプ５６は、周波数を任意に調整可能な第１インバーター５８と、第１インバーター５８の消費電力を測定可能な第１電力計５９を備えている。冷却水ポンプ５６は冷凍機２０から冷却塔３０へ冷却水を供給するように構成し、第１流量計５７は、第１送り配管５２を流れる冷却水の流量を測定することができる。第１温度計９１は冷凍機２０の冷却水出口温度を測定することができる。
【００１８】
第１戻り配管５４は、冷却塔３０の冷却水出口と冷凍機２０の冷却水入口を繋ぐ配管であり、配管途中に第３〜第５二方弁１０３、１０４、１０５と、第２及び第３温度センサー９２、９３を備えている。第１送り配管５２及び第１戻り配管５４には、両者を繋ぐ第１バイパス管５３を取り付けている。具体的に第１バイパス管５３は第１二方弁１０１と冷却水ポンプ５６の間の第１送り配管５２と、第４及び第５二方弁１０４、１０５の間の第１戻り配管５４と接続している。第１バイパス管５３には第６二方弁１０６を取り付けている。第２温度センサー９２は冷却塔３０の冷却水出口温度を測定することができる。第３温度計９３は、冷凍機２０の冷却水入口温度を測定することができる。
【００１９】
第２冷却水供給手段６０は、第２送り配管６２と、第２戻り配管６４を主な基本構成としている。
第２送り配管６２は、第１流量計５７と第２二方弁１０２の間の第１送り配管５２と、熱交換器４０の冷却水入口を繋ぐ配管であり、電磁二方弁６６と、第７二方弁１０７と、第２流量計６７と第４温度計９４を備えている。電磁二方弁６６は第１送り配管５２から第２送り配管６２へ流れ込む冷却水の流量を後述する制御手段８０の制御信号に基づいて調整することができる。第２流量計６７は、第２送り配管６４を流れる冷却水の流量を測定することができる。第４温度センサー９４は、熱交換器４０の冷却水入口温度を測定することができる。
【００２０】
第２戻り配管６４は、熱交換器４０の冷却水出口と、第４二方弁１０４と第１バイパス管５３の接続箇所の間の第１戻り配管５４を繋ぐ配管であり、第８二方弁１０８を備えている。
【００２１】
第１及び第２冷却水供給手段５０、６０には、第１戻り配管５４と第２送り配管６２を繋ぐ第２バイパス管６８を取り付けている。具体的に第２バイパス管６８は、第３及び第４二方弁１０３、１０４の間の第１戻り配管５４と、第７二方弁１０７と第２流量計６７の間の第２送り配管６２に接続している。第２バイパス管６８は第９二方弁１０９を取り付けている。
【００２２】
冷凍機２０の蒸発器（不図示）には、冷水供給手段７０が接続している。冷水供給手段７０は、第３送り配管７２と、第３戻り配管７４と、冷水ポンプ７６を主な基本構成としている。
【００２３】
第３送り配管７２は、冷凍機２０の冷水出口と接続し、配管途中に第５温度センサー９５を取り付けている。第５温度センサー９５は、冷凍機２０の冷水出口温度を測定することができる。第３戻り配管７４は、冷凍機２０の冷水入口温度と接続し、配管途中に冷水ポンプ７６と、第３流量計７７と、第６温度計９６を取り付けている。冷水ポンプ７６は、周波数を任意に調整可能な第２インバーター７８と、第２インバーター７８の消費電力を測定可能な第２電力計７９を備えている。冷水ポンプ７６は外部から冷凍機２０へ冷水を供給するように構成し、第３流量計７７は、第３戻り配管７４を流れる冷水の流量を測定することができる。第６温度計９６は冷凍機２０の冷水入口温度を測定することができる。
【００２４】
前記冷却塔ファン３２には第３インバーター３３と第３電力計３４を取り付けている。冷凍機２０には第４電力計２２を取り付けている。熱交換器４０には、地中温度を測定可能な第７温度センサー９７を取り付けている。熱源システム１０には、外気の温度を測定可能な第８温度センサー９８と、外気の湿度を測定可能な湿度センサー９９を屋外に取り付けている。
【００２５】
制御手段８０は、第１〜第８温度センサー９１〜９８と、湿度センサー９９と、第１〜第３インバーター５８、７８、３３と、第１〜第９二方弁１０１〜１０９と、電磁二方弁６６と、第１〜第３流量計５７、６７、７７と、第１〜第４電力計５９、７９、３４、２２と、電気的に接続（不図示）しており、冷却塔３０の冷却水流量比と熱交換器４０の冷却水流量比と冷却塔ファン３２の風量比の最適値を求めるシミュレーター８２と、シミュレーター８２で求めた冷却塔３０の冷却水流量比と熱交換器４０の冷却水流量比と冷却塔ファン３２の風量比の最適値を出力するコントローラー８４と、記憶回路８６とを主な基本構成としている。
【００２６】
シミュレーター８２は、制御手段８０による制御をシミュレーションして熱源システム１０全体の消費電力などを算出するものである。
制御手段８０には、冷却塔３０の冷却水流量比と熱交換器４０の冷却水流量比と冷却塔ファン３２の風量比の最適値を求めるために必要なシステム上の各種センサーの測定値が入力される。具体的には第１〜第８温度センサー９１〜９８の測定温度、湿度センサー９９の測定湿度、第１〜第４電力計５９、７９、３４、２２の測定消費電力、第１〜第３流量計５７、６７、７７の測定流量が入力される。
【００２７】
次に上記構成による本発明の熱源システム１０の運転モードについて以下説明する。
図２は熱源システムの運転モード１の説明図である。
熱源システム１０の運転モード１は、冷凍機２０の冷却水を冷却塔３０のみ供給している。具体的には第１〜第５二方弁１０１〜１０５を開放し、第６〜第９二方弁１０６〜１０９と、電磁二方弁６６を閉止している。このような構成による熱源システム１０は、冷凍機２０で加熱された冷却水は、第１冷却水供給手段５０の第１送り配管５２から冷却塔３０の冷却水入口へ供給される。冷却塔３０で冷却された冷却水は、第１戻り配管５４から冷凍機２０の冷却水入口へ供給される。この運転モードは外気温度が低下した場合に適用することができる。
【００２８】
図３は熱源システムの運転モード２の説明図である。
熱源システム１０の運転モード２は、冷凍機２０の冷却水を熱交換器４０のみ供給している。具体的には第１、第７、第８、第５二方弁１０１、１０７、１０８、１０５と、電磁二方弁６６を開放し、第２、第３、第４、第６、第９二方弁１０２〜１０４、１０６、１０９を閉止している。このような構成による熱源システム１０は、冷凍機２０で加熱された冷却水は、第１冷却水供給手段５０の第１送り配管５２から第２送り配管６２を経由して熱交換器４０の冷却水入口へ供給される。熱交換機４０で冷却された冷却水は、第２戻り配管６４から第１戻り配管５４を経由して冷凍機２０の冷却水入口へ供給される。この運転モードは外気よりも地中温度が低い場合に適用することができる。
【００２９】
図４は熱源システムの運転モード３の説明図である。
熱源システム１０の運転モード３は、冷凍機２０の冷却水を冷却塔３０及び熱交換器４０へ並列に供給している。具体的には第６、第９二方弁１０６、１０９を閉止し、それ以外の二方弁１０１〜１０５、１０７、１０８と、電磁二方弁６６を開放している。このような構成による熱源システム１０は、冷凍機２０で加熱された冷却水は、第１冷却水供給手段５０の第１送り配管５２から冷却塔３０の冷却水入口へ供給される。冷却塔３０で冷却された冷却水は、第１戻り配管５４から冷凍機２０の冷却水入口へ供給される。また冷凍機２０で加熱された冷却水は、第１冷却水供給手段５０の第１送り配管５２から第２送り配管６２を経由して熱交換器４０の冷却水入口へ供給される。熱交換機４０で冷却された冷却水は、第２戻り配管６４から第１戻り配管５４を経由して冷凍機２０の冷却水入口へ供給される。このように熱交換器４０と冷却塔３０にそれぞれ冷却水が流れる並列運転を行うことができる。このとき電磁流量弁６６の開度を調整することで熱交換器４０と冷却塔３０に分岐する流量比率を制御することが可能である。
【００３０】
図５は熱源システムの運転モード４の説明図である。
熱源システム１０の運転モード４は、冷凍機２０の冷却水を冷却塔３０及び熱交換器４０へ直列に供給している。具体的には第４、第６、第７二方弁１０４、１０６、１０７と電磁二方弁６６を閉止し、それ以外の二方弁１０１〜１０３、１０５、１０８、１０９を開放している。このような構成による熱源システム１０は、冷凍機２０で加熱された冷却水は、第１冷却水供給手段５０の第１送り配管５２から冷却塔３０の冷却水入口へ供給される。冷却塔３０で冷却された冷却水は、第１戻り配管５４から第２バイパス管６８を経由して第２送り配管６２から熱交換器４０の冷却水入口へ供給される。熱交換機４０で冷却された冷却水は、第２戻り配管６４から第１戻り配管５４を経由して冷凍機２０の冷却水入口へ供給される。このように冷却水が冷却塔３０から熱交換器４０へ流れる直列運転を行うことができる。運転モード３は冷却水の温度を最も効率的に低下させることができる。
【００３１】
図６は熱源システムの運転モード５の説明図である。
熱源システム１０の運転モード５は、冷凍機２０の冷却水の供給を停止して冷却水を冷却塔３０及び熱交換器４０の間で循環させている。具体的には第１、第４、第７、第５二方弁１０１、１０４、１０７、１０５と電磁二方弁６６を閉止し、それ以外の二方弁１０２、１０３、１０６、１０８、１０９を開放している。このような構成による熱源システム１０は、冷却塔３０で冷却された冷却水は、第１戻り配管５４から第２バイパス管６８を経由して第２送り配管６２から熱交換器４０の冷却水入口へ供給される。熱交換機４０で加熱された冷却水は、第２戻り配管６４から第１戻り配管５４へ供給され、第１バイパス管５３を経由して第１送り配管５２から冷却塔３０の冷却水入口へ供給される。このような運転モード５は、熱交換器４０で放熱が過剰に行われ、熱交換器４０外部に放熱を行う必要が生じた場合に冷却塔３０との間で熱交換を行うことで熱交換器４０の性能を回復するというもので、主に熱交換器４０の性能劣化時に活用できる。
【００３２】
本実施形態では冷凍機２０に対して前記冷却塔３０と前記熱交換器４０をいずれか一方又は並列又は直列の運転モードで切り替えて接続する切り替え手段として第１〜第９二方弁１０１〜１０９と、電磁開放弁６６を用いている。
本発明では制御手段８０により運転モード１〜４の運転方法を消費電力が最も小さくなるように切り替え、熱交換器４０の性能回復時に運転モード５に切り替えている。
【００３３】
次に地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した熱源システム１０の運転方法について以下説明する。図７は本発明の熱源システム１０の制御運転の処理フローを示したものである。
【００３４】
まず第１〜第３流量計５７、６７、７７で冷却水流量ＬＬ１、ＬＬ２、冷水流量Ｌと、第６及び第５温度センサー９６、９５で冷凍機冷水入口温度Ｔｃｗ１、冷凍機冷水出口温度Ｔｃｗ２と、第３及び第１温度センサー９３、９１で冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１、冷凍機冷却水出口温度Ｔｃｗｄ２と、第８温度センサー９８、湿度センサー９９で外気温度Ｔａ、外気湿度ＲＨと、第７温度センサー９７で地中温度Ｔｓと、を計測する。
【００３５】
これらの計測値は制御システム８０に入力されてシミュレーター８２で冷水負荷Ｑ１、冷却水負荷Ｑ２が算出される（ステップ１）。
冷水負荷Ｑ１は、測定された冷水流量Ｌ、冷凍機冷水入口温度Ｔｃｗ１、冷凍機冷水出口温度Ｔｃｗ２と、Ｃｗ（冷水比熱）、ρｗ（冷水密度）を用いて次式により算出することができる。
【００３６】
【数１】

【００３７】
冷却水負荷Ｑ２は、測定された冷却水流量ＬＬ１、冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１、冷凍機冷却水出口温度Ｔｃｗｄ２と、Ｃｗ（冷水比熱）、ρｗ（冷水密度）を用いて次式により算出することができる。
【００３８】
【数２】

【００３９】
次に上記の算出値からシミュレーター８２を用いて最適な運転モードを選択する（ステップ２）。
本発明における運転モードは５種類あり、図２〜図６に示すように本実施形態では運転モード１：冷却塔運転、運転モード２：熱交換器運転、運転モード３：冷却塔と熱交換器の並列運転、運転モード４：冷却塔と熱交換器の直列運転、運転モード５：冷却塔と熱交換器の冷却水循環運転としている。
【００４０】
運転モードの判定に関しては、上記冷却水負荷Ｑ２と、冷却水流量ＬＬ１、ＬＬ２と、冷凍機冷却水出口温度Ｔｃｗｄ２と、地中温度Ｔｓと、外気温度Ｔａと、外気湿度ＲＨとを用いて、冷却水ポンプ５６及び冷却塔ファン３２が定格運転したときの運転モードの処理能力（冷却能力）を計算する（ステップ３）。
【００４１】
この計算は運転モード１〜５について行う（ステップ４）。
そして処理能力が冷却水負荷Ｑ２以上であり、かつ最も消費電力が小さい運転モードを決定する（ステップ５）。
運転モードを決定した後、コントローラー８４を介して第１〜第９二方弁１０１〜１０９又は電磁二方弁６６を開閉し運転方法を切り替える。
【００４２】
次に各運転モードにおける最適値制御について以下説明する。
運転モード１の冷却塔運転では、冷却塔３０の冷却水流量比と冷却塔ファン３２の風量比を数パーセントずつ変化させながら、冷却塔冷却水出口温度を計算する。
【００４３】
運転モード２の熱交換器運転では、熱交換器４０の冷却水流量比を数パーセントずつ変化させながら熱交換器冷却水出口温度を計算する。
運転モード３の冷却塔と熱交換器の並列運転では、冷却塔３０の冷却水流量比と、熱交換器４０の冷却水流量比と、冷却塔ファン３２の風量比を数パーセントずつ変化させながら、冷却塔冷却水出口温度と熱交換器冷却水出口温度を計算する。
【００４４】
運転モード４の冷却塔と熱交換器の直列運転では、冷却塔運転では冷却塔３０の冷却水流量比（＝熱交換器４０の冷却水流量比）と冷却塔ファン３２の風量比を数パーセントずつ変化させながら、熱交換器冷却水出口温度を計算する。
【００４５】
運転モードを決定した後、上記の方法で、冷却塔３０の冷却水流量比と、熱交換器４０の冷却水流量比と、冷却塔ファン３２の風量比を数パーセントずつ変化させながら（ステップ６）、最適値を計算する（ステップ７）。
【００４６】
そして冷凍機２０の冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１を計算する（ステップ８）。
運転モード１，２，４では計算した冷却塔冷却水出口温度もしくは熱交換器冷却水出口温度が冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１となる。
【００４７】
運転モード３の冷却塔３０と熱交換機４０の並列運転を行った場合の冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１は、冷却塔側冷却水流量ＬＬ_ＣＴ、冷却塔側冷却水出口温度Ｔｏｕｔ_ｃｔ、熱交換器側冷却水流量ＬＬ_ＨＥＸ、熱交換器側冷却水出口温度Ｔｏｕｔ_ｈｅｘを用いて次式により算出することができる。
【００４８】
【数３】

【００４９】
その冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１と冷水負荷Ｑ１に対応した冷凍機ＣＯＰを計算する（ステップ９）。冷却水温度と負荷Ｑ１と冷凍機ＣＯＰの関係については、冷凍機自体の既知の性能曲線をもとに推算する。
そして冷凍機ＣＯＰと冷水負荷Ｑ１から冷凍機消費電力Ｗ０を次式により計算する。
【００５０】
【数４】

【００５１】
この冷凍機消費電力Ｗ０に冷水ポンプ消費電力Ｗ１と、冷却水ポンプ消費電力Ｗ２と、冷却塔ファン消費電力Ｗ３を加えたシステム消費電力ＷｓｙｓとシステムＣＯＰ（ＳＣＯＰ）を次式により求める。
【００５２】
【数５】

【００５３】
【数６】

【００５４】
このＷｓｙｓとシステムＣＯＰを冷却塔３０の冷却水流量比と、熱交換器４０の冷却水流量比、冷却塔ファン３２の風量比について毎回計算を行い、Ｗｓｙｓが最小（システムＣＯＰが最大）となる各流量比及び風量比を算出する（ステップ１０）。
【００５５】
そして上記の比率をシミュレーター８２によって次式を用いて冷却水ポンプ５６のインバーター周波数ｆ_ｐｕｍｐ、冷却塔ファン３２のインバーター（ＩＮＶ）周波数ｆ_ｆａｎに換算する。
【００５６】
ここで運転モード１では
【数７】

となる。
【００５７】
運転モード２，４では
【数８】

となる。
【００５８】
冷却水ポンプ５６のインバーター周波数ｆ_ｐｕｍｐは
【数９】

【００５９】
冷却塔ファン３２のインバーター（ＩＮＶ）周波数ｆ_ｆａｎは
【数１０】

と表すことができる。
【００６０】
ここで、Ｆは定格周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）、ｒａｔｅ_ｐｕｍｐは冷却水ポンプ流量比、ｒａｔｅ_ｆａｎは冷却塔ファン風量比、ＬＬ０は定格周波数時の冷却水ポンプ流量を示している。
【００６１】
これらの周波数をコントローラー８４を介して出力し、ポンプ、ファンを運転する。運転モード３の並列運転のように系統が分岐する場合には、電磁二方弁によって、上記で計算した冷却塔３０の冷却水流量比と、熱交換器４０の冷却水流量比になるように制御を行う（ステップ１１）。
【００６２】
図７に示す熱源システムの制御運転の処理フローの計算を予め想定される湿球温度（外気温度と外気湿度から換算する）と、地中温度と負荷について行い、得られた運転モードと最適値をテーブル化することにより制御方法の処理を低減することができる。
【００６３】
図８は熱源システムの運転方法テーブルの説明図である。具体的に図８は縦軸に冷水負荷を示し、横軸に湿球温度を示しており、各冷水負荷、湿球温度に基づいて最適値となる運転モード１〜５を示したデータベースである。
【００６４】
図８に示すテーブルは任意の地中温度に対して作成されたデータである。このようなテーブルは任意の地中温度毎に作成することができる。
図９、図１０は熱源システムの設定値テーブルの説明図である。具体的に図９、図１０の縦軸に冷水負荷を示し横軸に湿球温度を示している。
【００６５】
各冷水負荷、湿球温度、熱交換器４０の地中温度に基づいて、図９に冷却水ポンプインバーター周波数（Ｈｚ）、冷却塔ファンインバーター周波数（Ｈｚ）、図１０に熱交換器冷却水流量比（％）、冷却塔冷却水流量比（％）、冷却塔風量比（％）、冷凍機冷却水入口温度Ｔｃｗｄ１（℃）、冷却塔冷却水出口温度（℃）、熱交換器冷却水出口温度（℃）を示したデータベースである。
ここで、熱交換器冷却水流量比（％）、冷却塔冷却水流量比（％）はそれぞれの流量を冷却水ポンプ５６の定格流量（定格周波数時の流量）で除算したものである。
【００６６】
図１０の熱交換器流量比（％）、冷却塔冷却水流量比（％）は、図８の運転モードに対応している。つまり運転モードが１の場合、熱交換器に冷却水は流れないため熱交換器冷却水流量比は０となる。運転モードが２の場合は、冷却塔に冷却水が流れないため、冷却塔冷却水流量比は０となる。運転モードが３の場合は、熱交換器、冷却塔に並列して流れているため、それぞれに流れる流量の比率が記載されている。運転モード４の場合は、熱交換器、冷却塔に直列して流れているため、それぞれに流れる流量の比率は等しく、その比率が記載されている。
なお、図９、図１０の制御テーブルはある１つの地中温度に対して作成されたものであり、複数の地中温度に対して、上記の制御テーブルが存在する。
【００６７】
あらかじめ図７の計算フローに基づいてシミュレーションを行い、図８、９、１０に示すような最適値をデータベース（テーブル化）として制御手段８０の記憶回路８６を格納する。このようなデータベースにより計測値から算出された冷水負荷ＱＱ１、外気湿球温度Ｔ_ＷＢ、地中温度Ｔｓに応じた冷却水流量、冷却塔ファン流量の最適値を記憶回路８６に格納したテーブルから読み取り、インバーター周波数（冷却塔ファン３２、冷却水ポンプ５６）をシミュレーター８２によって計算する。そしてコントローラー８４を介して冷水ポンプ７６のインバーター７８、電磁二方弁６６、冷却水ポンプ５６のインバーター５８、冷却塔ファン３２のインバーター３３に出力して、また電磁二方弁６６の開閉によって熱交換器冷却水流量比（％）、冷却塔冷却水流量比（％）、冷却塔風量比（％）をテーブルから読み取った比率になるように制御することで最も消費電力が小さい運転を行うことができる。
【００６８】
なお第１〜第４電力計５９、７９、３４、２２はシミュレーター８２で予測する冷凍機２０、冷却水ポンプ５６、冷水ポンプ７６、冷却塔ファン３２の消費電力の実測値を測定している。この実測値と計算値を用いて計算時の補正係数を求めることができる。その補正係数をシミュレーター８２での最適値計算やテーブルデータ等の作成時に反映させることでシミュレーター８２での計算精度を高めることが可能になる。
【００６９】
ここで冷却塔は、経年劣化等の影響で計算値と実測値との間に誤差が生じる場合がある。そのため計算精度を上げるための補正係数を求めるために、温度センサー９２を冷却塔出口に設置し、出口温度を計測している。
【００７０】
また図１に示す熱源システム１０は開放式の冷却塔３０を使用している場合、冷却塔３０通過時に冷却水が大気開放される。しかし冷却水に大気開放による大気への拡散を避ける必要がある媒体を用いる場合、（一例として凍結防止のために凝固点が０℃未満である不凍液は、水以外の液体、もしくは水に添加物を加えて生成した液体であり、大気への拡散が好ましくない場合があり）は、開放式に換えて密閉式の冷却塔を用いることができる。
【００７１】
次に本発明の熱源システム１０の変形例について説明する。図１１は熱源システムの変形例の構成概略を示す図である。図示のように変形例の熱源システム１００は熱源システム１０の開放式の冷却塔３０に熱交換手段１２０、冷却水ポンプ１２２、配管１３０を加えた場合である。その他の構成は図１に示す熱源システム１０と同一の構成でありその詳細な説明を省略する。
【００７２】
冷凍機２０の冷却水に不凍液を用いる場合、冷凍機２０と熱交換器４０と熱交換手段１２０の第１及び第２冷却水供給手段５０、６０では不凍液を用いる。一方、開放式の冷却塔３０と熱交換手段１２０、冷却水ポンプ１２２、配管１３０の経路では冷却水を循環させて冷却塔３０で冷却水を製造する。そして冷却水は熱交換手段１２０で不凍液（冷凍機冷却水）と熱交換を行い冷却する。
【００７３】
このような変形例の熱源システム１００によれば不凍液は大気開放することなく冷却することができる。なお変形例の熱源システム１００に対しても運転モード１〜５を適用することができる。
本発明の熱源システムは、冷凍機のみならず、熱媒体を用いた熱移動可能なヒートポンプを備えた他の熱交換手段であっても適用することができる。
【符号の説明】
【００７４】
１０………熱源システム、２０………冷凍機、２２………第４電力計、３０………冷却塔、３２………冷却塔ファン、３３………第３インバーター、３４………第３電力計、４０………熱交換器、４２………Ｕチューブ、５０………第１冷却水供給手段、５２………第１送り配管、５３………第１バイパス管、５４………第１戻り配管、５６………冷却水ポンプ、５７………第１流量計、５８………第１インバーター、５９………第１電力計、６０………第２冷却水供給手段、６２………第２送り配管、６４………第２戻り配管、６６………電磁二方弁、６７………第２流量計、６８………第２バイパス管、７０………冷水供給手段、７２………第３送り配管、７４………第３戻り配管、７６………冷水ポンプ、７７………第３流量計、７８………第２インバーター、７９………第２電力計、８０………制御手段、８２………シミュレーター、８４………コントローラー、８６………記憶回路、９１………第１温度センサー、９２………第２温度センサー、９３………第３温度センサー、９４………第４温度センサー、９５………第５温度センサー、９６………第６温度センサー、９７………第７温度センサー、９８………第８温度センサー、９９………湿度センサー、１０１………第１二方弁、１０２………第２二方弁、１０３………第３二方弁、１０４………第４二方弁、１０５………第５二方弁、１０６………第６二方弁、１０７………第７二方弁、１０８………第８二方弁、１０９………第９二方弁。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートポンプと、
地中熱と熱交換して前記ヒートポンプに供給する熱源水を製造する熱交換器と、
冷却塔ファンで外気と熱交換を行い前記ヒートポンプに供給する前記熱源水を製造する冷却塔と、
前記熱源水を前記ヒートポンプに供給する熱源水ポンプと、
前記ヒートポンプに対して前記冷却塔と前記熱交換器をいずれか一方又は並列又は直列の運転モードで切り替えて接続する切り替え手段と、
ヒートポンプ負荷と熱源水負荷を算出し、前記熱源水負荷以上となる冷却能力若しくは加熱能力の前記運転モードを選択し、前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファンの風量比を変化させて算出した前記システム消費電力のうちで最小となる前記冷却塔の熱源水流量比と前記熱交換器の熱源水流量比と前記冷却塔ファンの風量比の最適値を算出するシミュレーターと、
最小となる前記システム消費電力に基づいて前記冷却塔又は前記熱交換器の流量比、前記冷却塔ファンの風量比に制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする熱源システム。
【請求項２】
前記切り替え手段は、前記冷却塔と前記熱交換器の間で前記熱源水を循環させて熱交換することを特徴とする請求項１に記載の熱源システム。
【請求項３】
前記ヒートポンプは、
冷水を製造するヒートポンプ式冷凍機と、
前記冷水を搬送する冷水ポンプと、
を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱源システム。
【請求項４】
前記シミュレーターは、予め作成したデータベースを有し、前記冷水に放熱された熱量、外気湿球温度、前記熱交換器の地中温度、に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数、及び熱原水流量比、冷却塔風量比を抽出することを特徴とする請求項３に記載の熱源システム。
【請求項５】
前記データベースは、前記冷水に放熱された熱量、外気湿球温度、前記熱交換器の地中温度に応じて、前記インバーター設定値の相対関係を示す制御テーブルであり、あらかじめ想定した冷水に放熱された熱量、外気湿球温度に対して、前記熱交換器内の地中温度、前記熱交換器の熱源水入口温度、熱源水流量、冷却塔風量を変更して繰り返し計算を行い、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなるインバーター周波数、及び熱原水流量比、冷却塔風量比が設定値として設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱源システム。
【請求項６】
前記データベースは、湿球温度と、冷水負荷と、地中温度と、運転モードの相対関係を示す制御テーブルであることを特徴とする請求項４に記載の熱源システム。

【図１】