DHC設計・運転 tips

　既述のものも多いが、省エネおよび安定運転に関して、DHC設計段階や運転で配慮し、実行した方が有利であると思われる項目について断片的に見てみる。

○　水蓄熱槽を設置する場合は出来るだけ高さ方向のスペースを確保する。

　DHC設備はビルの顔ではないから、それ自体の必要充分なスペースの確保を主張することは贅沢なのかも知れないが、これから増嵩するであろうビル管理費を考慮しても、ある程度熱源の合理的運用の出来る設備にした方が有利である。
　例えば、成層蓄熱の場合は、層の安定的維持形成を期するためにも高さ方向のスペースは10m程度以上確保したい。
低いと上部空間および上下部デストリビューターまでのデッドスペースの比率が大きくなってその分成層の有効高さは制限され、高温低温層の混合が起こりやすく、蓄熱の利用効率(出力熱量／入力熱量)が低下する。
　「そこまでして蓄熱槽なんか要らない」と言うかもしれないが、そもそも蓄熱槽は「深夜電力の合理的利用をする、しない」と言うようなベースの問題ではなく、COPの高いターボを、高効率の定格近傍で運転するための緩衝装置であると見るべきである。すると省エネのためにはどうすればよいか見えてくる。下のビデオを見て欲しい。You'll know what to do．【パットン大戦車軍団、ジョージ・C・スコット】
　勿論、ターボは定格でベース運転、変動吸収は吸収式で(it's not an intentional joke．【シーウルフ、デビッド・ニーブン】)と言う方法はあるが、それでは次の項目はどうしよう。

○　熱源と需要家にスペース的な余裕があれば、ダブルバンドルの導入を指向する。

　温水は蓄熱槽だけでなく、蒸気に比べポンプ設備が増えるため、関連設備スペース的に不利かも知れないが、ダブルバンドルによる製造では製造費的に有利である。
　ビデオを見て欲しい。これは日毎のプラント総合COPを、吸収式COPの他に、その日の冷水熱交製造熱量と温水熱交製造熱量で見てみたものである。即ち自称4D相関図である。Your intelligence have got be more advanced and that means efficiency functioning on multiple levels and in multiple dimentions．【コンタクト、John Hurt】
　後2項は当然ターボによる製造であるが、夏場の温水の無い日、即ちダブルバンドル冷水専用運転の時期も含まれている。プラント総合COPは、当然ながら吸収式冷凍機COPに比例して上昇するが、更に冷水熱交製造熱量および温水熱交製造熱量が増えれば増えるほど良くなる。当然のことであるが目視に訴えるため作ってみたものである。




　ダブルバンドルによる温水製造は冷却水熱量の有効利用だから無料と考えてよい。
　冷却水を32℃→39℃に上げて冷却塔に捨てる代わりに、温水を例えば42℃→49℃に上げて蓄熱槽に貯める訳である。但しそのままではそこまで温度が上がらないので、凝縮機の圧力を、R134aなら冷却水の時の0.95MPaから温水製造時1.25MPaに上げてその飽和温度を取り出す。(実際は凝縮機取り出し温度が上がるから圧力が上がる。この辺はExcel 関数がある)
　更に冷却塔に捨てないから、冷却塔負荷の低減にもなる。

　厳密にはこの温水製造は無料ではなく、凝縮圧力が高くなったことにより冷水製造効率が低下するから、この低下分を温水製造コストと考えれば以下のようになる。

　数値の出所は「温水供給するところのメリット」にあるが、これは既に設置済みの同一ダブルバンドルでの比較である。もともとシングルバンドルだけで、さらにそれが当所の例のように定格を越えた高効率範囲で運転できるとすれば、それと比較した温水製造コストはもう少し大きく評価される。要するに「ダブルバンドルで温水製造などと余計な事をして冷水製造費が増加したから、その差は温水製造費として計上するよ」と言うことである。

　しかし何れの場合でも、温水製造蒸気量または蒸気そのものの 0.4ton/GJ、相当ガス量 27Nm3/GJ、相当CO2量 64CO2-kg/GJと比較して有利であることは間違いない。(原単位はかなりラフである)
　更に後者のダブル/シングルの比較は10年前の設備に於けるものであるが、最新の高性能の設備同士でも、ターボの効率について余程貪欲な取組みがないと実現しない比率である。通常の運転では前者と後者のちょうど中間あたりだろう。
　念のために再度ここでの温水製造コストの考え方を繰り返すと、「温水は冷却水と同等と考えて、廃物利用だから無料である」→「しかし、冷却水より高温なため、冷水製造効率が低下する」→「従って冷水で見ると本来フリーに製造した場合より製造コストが増える」→「この増分を温水製造コストとする」となる。
　勿論冷却塔の負荷も温水熱量だけ低減し、その分更に有利となり温水費は低下するはずだが、冷却塔動力は湿球温度に左右されるし、温水負荷増大時は冷却塔は左程厳しくないので、定量的算定はしにくい。

　***　温水と蒸気のスペース比較　***
①　tonあたり有効利用熱量比は蒸気が90倍
②　m2あたり有効利用熱量比は温水が3倍
③　冷水/温水のピーク時期が違う事、高効率運転などを考慮すると温水蓄熱槽が要る。昼間時間最大5GJ/hとして、この60%を蓄熱、残りは追い駆け運転でカバーするとして、蓄熱容量は30GJ、47℃/40℃として水量約1,200m3、高さ12mとして平面積10m×10m。
　但し、「ダブルバンドルは温水主体で運転し、出来た冷水は冷水負荷のベース配分」と言う場合は、運転しにくいだろうが温水蓄熱槽は無くてもいけるかも知れない。一般的事務所であれば、OA機器もあり冬季でも昼間は冷水需要はあるから(例35万m2、平日昼間23GJ/h外気温5℃・夜間3GJ/h、2.4℃・年末年始最低2.5GJ/h、4℃)。しかし夜間は低負荷率、従って低効率とならざるを得ない。
④　温水は供給側に循環ポンプが必要。需要側が高層なら加圧ポンプが必要。
⑤　蒸気は需要側にホットウエルタンク、還水返送ポンプが必要。但しtonあたり有効利用熱量比からそれ程大きくは無い。
⑥　導管スペースについては、m2あたり有効利用熱量比は温水が3倍だが、温水は往復で2本、蒸気は行き1本+還水のため保温も含めたら殆ど変らない。

○　蒸気・製造熱量・電力等の効率管理に関するデータの分解能は必要十分な桁数を確保する。

　「蒸気の測定精度はそれ程良くないから、この程度で良いんだ」と言うわけでもないんだろうが、分解能0.1ton/pulseと言うのが多い。すると通過蒸気量が例えば1ton/hであれば、時間内に1パルス入るか次に行くかで、±10%の誤差を生じることになる。
　給水流量も同様で、電力は10kw/pulseと言うのもある。これでは小型機または部分負荷時の効率管理には不十分である。
　瞬時値による積算値の補正という手も考えられるが、瞬時値表示も下1桁と言うのが多く、補正しても精度はその範疇を出ず意味をなさない。
　その他の数値による補正手段としては、ボイラー蒸気の場合、分解能のより大きいガス流量による補正という手も有りうるが、ある一定期間の比率一定を仮定することになり、ボイラー効率などを算定しようとすると、一部循環計算となる。ターボ電気量と製造熱量も (大きいCOPのものでは熱量側の分解能が大きくなるから、その様な補正が出来たとしても) 同様である。
　唯一補正が辛うじて考えられるのはボイラー補正蒸気量＝(蒸気量積算値＋(給水量積算値－ブロー量積算値)／２)位である。これは「パルスの行ったり来りは相殺されるだろう」と言う期待に基づいている。

○　蓄熱槽の蓄熱用配管と払出用配管は別系統とする。

　配管省力化だけでなく配管引き回しスペースが確保し難い事もあるかもしれないが、蓄熱槽の払出用配管と蓄熱用配管が一部併用されている。すると、ターボ冷水ポンプの流量以下の払い出し流量だと、ターボ起動時の暖かい冷水がそのまま、熱交に流入する。
払い出し流量が多くても、ターボ起動時の高温冷水と蓄熱槽下部温度の混合したものが熱交に流入する。
　すると次のような変動を来たし、場合によってはターボ冷水入り口温度低→出口温度低で停止に至る場合もある。
　　熱交2次出口温度高→熱交1次流量増→熱交1次出口温度低→ターボ冷水入り口温度低



　これを回避するためには、熱交温調手動介入などを要するし、負荷に対して熱交出力比率が大きければ、供給温度にも影響する。
　あるコンサルさんに問題を提起したら「配管の併用は有るが、そんな問題はついぞ耳にした事が無い」と言われた。

○　オペレーターの調節系への介入操作が予想される場合は、データ収集スピードは数秒以下とする。

　監視装置などからSVやMVを操作する場合、アンサーバックが20秒間見えないなどと言うのは怖くて操作できない。
　「そんな操作はやらなくても良いんだ」という主張も成り立つだろうが、手動介入の有無にかかわらず、緩やかな室温変化などをイメージしたスピード設計の空調監視システムの延長線上の監視装置を熱源監視まで適用しようと言うのは、完全にミスマッチの世界である。
現在の調節系のPIDの時定数などを見れば、自ずとわかって来るはずで、このへんを適正にアドバイスできないコンサルはシステムのダイナミックな特性を具体的にイメージできてないことになる。
　初期投資設備費で有利だからの選択かもしれないが、その差を2,3年で取り戻せる省エネ合理化の必要条件を、みすみす放棄している可能性が高い。
省エネ的には吸収式冷水流量を制御して高効率の部分負荷運転にするなど、細やかな操作が有効である場合が多い。
　吸収式COPの負荷率に関するビデオを見て欲しい。ポイントは負荷率がどの程度COPに効くかである。





　コンピューターが陳腐化して、トラブル時の交換部品が入手できないなどの状況になった場合は、高速化のチャンスであるが、その時はぜひ吸収式の冷水流量調節計SVの遠隔化と、高再または低再の温度圧力、ついでに濃溶液低温部温度も監視ポイントに入れて、結晶温度との余裕がわかるようにしたら省エネに結びつく。
　下のビデオのように結晶までの余裕が常時監視できる。勿論この部位を見てれば充分であると言うつもりは無い。他に心配なところがあれば同様に監視すればよい。

　また蒸気量等の分解能が低く、吸収式のCOPがフラつき他の係数との関係が捉えにくい場合でも、COPの代わりに溶液濃度等を指標にすると、相関がずっと良く関係が判り易くなる。

○　機器保温を充実させ、室温維持のための給排気ファン動力との差し引きを考慮する。

　ボイラー正面・吸収式高再低再廻りおよび配管、など5,60℃以上でもむき出しの部分は多い。これらを徹底的に保温し、また板金と内部の熱的接触がない(保温板金を高熱本体にくっつけない)ようにすれば、放熱量は極端に低下する。
　当所に於いて、弁グランドを含めた保温の徹底で殆ど給排気ファンは停止が可能になり、ボイラー側・高圧ガス側対応だけの若干の小型ファンの運転で、年間70万kwhのファン電力削減が出来た。
　とりあえず機器メーカー言い値の放熱があるとして給排気ファンの一巡目設計が出来たら、その動力との比較で、後どの程度保温に金を掛けても良いか算定できるだろう。給排気ファンルームスペースの減少なども考慮してね。
　またこの場合ボイラー則「ボイラー室は負圧にしない」高圧ガス則「自動的に換気出来る装置」に対応する最低限のファンを設置 (都の指導基準での最小換気量は当所では18,900m3/hとなるが常時運転の必要があるのか、ガス検知→自動起動は省エネ観点から不可なのか) しておけば、給排気動力を最低限に抑えられる。

○　ポンプの揚程に関するオーバースペックは極力削減する。

　ポンプ揚程のオーバースペックは、インバーターで逃げなければ、配管ルートに抵抗を入れて消化するだけだから始末におえない。当所で必要揚程計算結果35m→余裕を見て40mとなっていたが、実際の必要揚程はストレーナー最大差圧など大きめに評価しても25mであった。
　インペラーカットを計画したが、「流量を確保しながら揚程引下げ25mまでは対応できない。頑張って33m」と言う説明で、「何も既存のインペラーをカットして使うとは言ってない。新作するんだから、既存のケーシングを流用して最適のインペラー曲線が描けるはずだ。インペラーカットが今後省エネのメジャーになれるかどうかだから考えて欲しい」と言ったが、殆ど「何だ、素人の浅知恵で」位の受け止め。やむを得ず33mで手を打ったが、またもや製作誤差か余裕か何か知らないが、仕上がり35mで、モーター入力200kwh→180kwhに留まった。出口弁は相変わらず半閉である。
　このように一度取り込まれたポンプ揚程のオーバースペックは、インバーター以外に排除しようが無く、冷却水ポンプなら出口弁絞り下流側の配管を一生懸命削るだけになる。従ってこれがため、出口弁は半閉でも以前より少しはマシだろと、投資効果的には余り期待できないインペラーカットだが、同種ポンプ2台目も実施する計画である。

○　インバーターはノイズ対策を充分に行う。インバーターの設置場所は電気的にも空間的にも、冷凍機機側盤内マイコン等とは出来るだけ離すまたはノイズ進入防止対策を徹底する

　冷凍機機側盤内にマイコンを有する某社機器の電子部品を交換したら、蒸気が入り難くなった。停止中は蒸気調整弁も規定どおりに開くが、実際に運転すると80％程度の開度にしかならない。
　色々調べたら、溶液ポンプが廻ると開度が下がるようだ、インバーターが同じ盤に設置されているが、これが運転するとマイコン(と言うより付属のアナログ電流出力だから周辺機器DAコンバーターだが)の調整弁制御信号電流が下がると言う。
　ノイズならば、回転数の少ないときのほうが影響が大きいはずだと調べてもらったら正にその通り。部品交換で入力部の対ノイズ性が低下したか、出力部の電源平滑性能が低下したか、現在対策を検討中である。
　
　インバーターは一見省エネの打ち出の小槌である。適所に設置すれば、直ちに不要な電力を削減してくれる。しかし次のような観点での検討は必要である。
①　冷却水流量を負荷にあわせて絞ろうとする時は、冷却水を絞ったことによる効率の低下を定量的に把握し、省エネ量を精査すること。「電力が減ったバンザイ・バンザイ」だけで評価してはならない。
　　当所の例では、冷却水流量半減に伴うポンプ動力半減と、吸収式冷凍機効率低下(冷却水全量のまま負荷を半量にした時に比べて)はエネルギー費的にほぼ同等である。
　この場合インバーター化する意味も、それどころか冷却水ポンプを負荷に合わせて停止する意味も無い。これは極端な例だと思い、あるいはインバーター化のメリットを定量的に把握(ポンプのオーバースペックの解消だけなら、余程極端な場合に35％程度の削減が期待できる場合がある)しようとしたら、貴プラントでも調べてみる事だ。





②　冷却水流量を負荷にあわせて絞ろうとする時は、是非とも冷却水流速低下が、スライムおよびそれをバインダーとするスケール付着に悪影響を及ぼさないことを見極めておく。性能低下や緑青発生に繋がらないように。
③　インバーターは設置場所を精査し繊細な電子機器とは電気的にも空間的にも離す。またノイズ対策を充分に行う。ノイズ影響の評価はインバーター低負荷運転で見てみる。

○　冷却水系統の滞留の起こりやすい弁はボール弁やスルース弁の縦方向とし、できるだけ異物の溜まりにくい設置を心がける

　運転6年後、吸収式機側盤の上方、冷却水ストレーナー差圧検出入口側取り出元弁の弁本体真下側にピンホールが発生した。
「電気盤に降りかからなくて幸いだった。早く気付いて良かったね」と製作不良か偶然の事故(韓国語では有故ユゴと言うらしい。【大統領有故】と言う朴大統領暗殺の映画かあった)と済ませられない心にかかる物があった。即ち、
①　冷却水系統の末端に位置するストレーナーの入口である
②　弁本体の下側がそれも局部的に腐蝕減肉している
　念のために下のストレーナー出口元弁の内部を点検すると、同一部位に同様の腐蝕が進行していることが発見され、メーカー持ち込み調査した。

　調査結果・想定原因は別紙の通り
①　最大1mm/y程度の減肉スピードであり、異物の滞留の少ない出口側弁下部は、0.2mm/y程度の減肉スピードである
②　死に水により、内部に異物が滞留
③　酸素濃淡電池形成により、局部腐蝕が進行した
　
　当所では、冷却水系統の末端から2番目のストレーナー差圧入口弁なども注目している(電気品の近傍上部ではないので、漏れたらその時はその時)が、運転10年の今のところ進展は無い。
系統的には異物の多い、死に水になり易い部分が要注意であり、同様弁はボール弁やスルース弁を縦方向に配置するよう心がけて、異物の滞留が生じないようにしたほうが後顧の憂いを絶つ事になるでしょう。また電気盤の上方への設置は避けるなどの配慮も良いでしょう。

○　計装回路電源は許される限り100Vとする。

　低電圧では接触抵抗が出ると電圧ドロップによりリレーをドライブできないことがあるためリミットSWは低接触抵抗型にする必要がある。低接触抵抗型リミットSWは金メッキなど特殊であり高価である。
　交換しようとしても入手が不如意と言うこともある。(SWメーカー直接ならそんな事も無いかもしれないが、機器メーカー経由でやろうとすると偶にある)

○　調節弁作動中に、動作電流を測っておくと、弁のかじり傾向がわかる。

　高頻度の測定の必要は無い。クランプメーターで年に1回でも実施して、同タイプの弁同士比較しておけば、どの弁がかじり傾向にあるか判る。
当所にて需要家冷水調整弁が、設計2A、同機種の実際1.5A程度のもので、弁のかじり(一定の開度付近で特にかたい)により3Aのヒューズが頻繁に飛び、弁を交換した実例があり、その後同種弁を一斉点検した。

○　ドライブリレーの接点容量と、被ドライブ機器の電流がマッチしているかチェックしてみる。

　ボイラーガス遮断弁の開動作が悪く、調べたら遮断弁開時のモーター電流５アンペア弱を接点容量３アンペアのミニリレーで制御するシステム設計になっていた。とりあえずは動いていたかも知れないが、長期間開閉したら当然接点が荒れて接触抵抗は0.1～数Ω間をフラフラ。ラッチのかかる位置までモーターが駆動できず、遮断弁が途中で落ちていたのが判明した。
　メーカーに確認したら、営業曰く「当社は2～3年毎にリレーの交換を推奨しています。取説の17ページの13番『制御盤・接点部の消耗』の項目に『交換、整備時期の目安』として『１年』とちゃんと明記してあるじゃないですか」と言われた。ハハーッ。もうひれ伏すしかない。
　このような確信犯には自衛せざるを得ないから、もしガス遮断弁など比較的大きな被ドライブ機構の動作が不安定なら、ドライブリレーの接点容量との関係をチェックするのも手である。
　「そんなバカな話、有るはず無いだろう」って？誰でもそう思うでしょう？DHCに実績の多い某中堅メーカーの製品はそうなっているんです。