冷却チラー: 入門書

チラーについて考えるとき、私たちは一般に、小売店、オフィスタワー、ショッピングモール、空港ターミナル、大学キャンパスなどの大規模施設を冷却するという重労働を行うように設計されたシステムを思い浮かべます。 チラーは主に冷却を目的としていますが、家庭用の温水や暖房などにも利用できる熱を生成します (多くの場合補助が必要です)。

簡単に言うと、チラーは冷媒と熱力学の原理を使用して、空調された空間から熱を除去します。 ただし、「チラー」は、さまざまなシステム構成、冷却技術、捕らえられた熱を排除する方法を含む広範な用語です。

冷却装置には主に 2 つのタイプがあります。 圧縮冷凍機は、機械システムを使用して冷媒の状態を変化させ、冷媒を移動させます。 吸収式冷凍機は、熱源を使用して冷凍サイクルを駆動します。

NEWS は最近、業界の専門家に、さまざまなチラー システムと技術、およびさまざまな種類のチラーの利点、制限、一般的な用途について説明するよう依頼しました。 彼らが言わなければならなかったことは次のとおりです。

使い方：ジョンソンコントロールズ社応用機器製品マーケティングディレクターのロブ・タナー氏は、圧縮冷凍機の主要コンポーネントは蒸発器、電動コンプレッサー、凝縮器、膨張弁であると述べた。

圧縮冷凍機は、冷媒ガスを機械的に絞り、圧縮冷凍サイクルに送ります。 「このサイクル内で、冷水は蒸発器内で生成され、建物全体に配置された空気処理ユニット (AHU) の冷却コイルを通って送られます」とタナー氏は述べています。

暑いときも寒いときも： YORK CYK ヒート ポンプは、チラーとヒート ポンプを組み合わせたもので、2 台の遠心圧縮機を使用して熱回収機能付きチラーと比較して高い水温を供給し、温水と冷水を同時に供給できます。 このユニットは、冷暖房のためにチラーとボイラーを組み合わせる場合に比べて、水の使用量と運用コストを節約できます。 (ジョンソンコントロールズ社提供)

空気が冷却コイルに吹き付けられ、AHU が冷却された空気を建物内に移動させ、不要な熱をチラーの水回路に戻します。 国立快適研究所（NCI）の南カリフォルニアトレーニングセンターのマネージャー、ジェフ・スタージョン氏によると、熱は熱交換器を流れる冷媒に吸収され、その後コンプレッサーに戻るという。

「熱の遮断が起こった後、冷水は凝縮器に戻り、サイクルを繰り返します」とタナー氏は語った。

圧縮冷凍機は、4 つの機械圧縮技術のいずれかを採用しています。

ダンフォスのシニア製品マネージャー、エディ・ロドリゲス氏によると、遠心コンプレッサーは回転するインペラを使用して冷媒に運動エネルギーを加えます。 「インペラは流体の速度を増加させ、エネルギーを加えて圧力を増加させます」と彼は言いました。

ロドリゲス氏によると、スクリュー、スクロール、レシプロコンプレッサーはすべて、冷媒の体積を減らすことで冷媒の圧力を高めます。 スクリューコンプレッサーは回転するヘリカルスクリューを使用し、スクロールコンプレッサーは固定スクロールと旋回スクロールを組み合わせて圧力を生成し、往復コンプレッサーはピストンシステムを使用します。 ロドリゲス氏によると、3つの技術はすべて「ポジティブ・ディスプレースメント」と呼ばれているという。

ターボコア: Danfoss Turbocor TGS380 遠心コンプレッサー。蒸気圧縮チラーに使用されます。 Turbocor テクノロジーは、オイルフリーの磁気ベアリング、可変速ドライブ、2 段階圧縮、永久磁石同期モーターを使用します。 (ダンフォス提供)

アプリケーション:圧縮冷凍機の冷却能力は、使用される圧縮技術の種類によって大きく異なります。 ロドリゲス氏によると、スクロール圧縮冷凍機と往復圧縮冷凍機は通常、小規模用途に使用され、スクリュー圧縮冷凍機は中規模用途に、遠心圧縮冷凍機は中規模から大規模用途に使用されます。

「蒸気圧縮冷凍機は、幅広い施設の需要と脱炭素化の目標を満たすように設計できる動的システムです」とタナー氏は述べています。

タナー氏によると、スクロールコンプレッサーを備えた空冷チラーの冷凍能力は15トンから35トンの間であり、大規模な用途では、それぞれ2台の遠心コンプレッサーを装備した一部のチラーモデルは最大6,000トンの冷凍能力を提供できるという。

「冷却負荷に応じて、複数のチラーをステージングする必要がある場合があります」とタナー氏は述べています。 「さらに、複数のタイプのチラーを組み合わせて、必要な負荷とパフォーマンスを実現できます。チラー システム設計の冗長性は、病院やデータセンターなどの重要な施設でもダウンタイムを最小限に抑えるために有利です。」

利点：タナー氏は、圧縮冷凍機の利点には、幅広い容量範囲と、大きな建物からの大きな冷却需要に対応できることが挙げられると述べた。

考慮事項:専門家らによると、欠点としては、レシプロ式冷凍機ではコンプレッサーの騒音が大きくなる可能性があること、機器を収容するために地下室や機械室にスペースが必要になること（冷却負荷が大きいほど、冷凍機の設置面積も大きくなる）などが挙げられるという。

使い方：吸収式冷凍機は、熱源または廃熱に依存して吸収式冷凍サイクルを開始します。 スタージョン氏によると、冷媒（通常は水）は、吸収剤として機能する別の溶液（通常は臭化リチウム、場合によってはアンモニア）と混合されるという。

タナー氏によると、混合物が加熱されると水は蒸気に変わるという。 「臭化リチウムは吸収室に戻り、水蒸気が凝縮器に上昇します」と同氏は述べた。 「その後、水蒸気は冷却塔に移動し、そこで凝縮して液体に戻り、低圧蒸発器に流れ込みます。この急激な圧力低下により、水は急激に冷却されて急激に低温になります。冷却された水は流れます。」建物内から不要な熱を運ぶ別の密閉水回路を経由します。」

アプリケーション:タナー氏によると、吸収式冷凍機は熱源に依存しているため、これまで用途が限られていたが、回収された廃熱の利用により用途が広がっているという。 同氏は、「米国エネルギー省は、吸収式冷凍機を、手頃な価格で信頼性が高く、排出量の少ないエネルギーを駆動するために必要な熱電併給（CHP）の主要システムの1つとして特定した」と述べた。

スタージョン氏によると、吸収式冷凍機のサイズは、最大2トンの冷却を提供する家庭用のガス焚き冷凍機から、最大5,000トンもの容量を持つ大型冷凍機までさまざまであるという。 これらは通常、キャンパスの建設だけでなく中規模および大規模の建物にも使用されていると彼は言いました。

利点：専門家によると、利点としては、圧縮冷却装置を使用する場合と比べて騒音レベルが低減されることが挙げられます。 特に廃熱を熱源として使用する場合の効率。 また、可動部品が少ないため、通常はメンテナンスコストが削減されます。

考慮事項:Tanner 氏によると、廃熱を利用する吸収式冷凍機には高品質の熱源が必要であることと、吸収剤として使用される臭化リチウム溶液が結晶化する危険性があることが限界であるとのことです。

チラーは空間を冷却しますが、チラー自体も冷却する必要があります。 つまり、捕らえられた熱をシステムから排除する必要があります。 これは、水、空気、蒸発によって行われます。

使い方：水冷では、通常は建物の屋上または隣にある屋外冷却塔内の凝縮器を水で冷却することにより、捕らえられた熱が建物から排除されます。 凝縮器の冷却に使用される水の一部は大気中に蒸発します。

アプリケーション:水冷は圧縮冷凍機または吸収冷凍機のいずれにも使用できますが、タナー氏は遠心圧縮冷凍機は主に水冷であると述べました。 水冷チラーはさまざまな規模の建物で使用できますが、大規模な施設でより一般的です。

利点：水冷は、最も高い熱除去能力でチラーからの熱を排除できます。 特に大きな冷却負荷に対して効率的です。 また、電動ファンの代わりに水を使用することで、空冷に比べてエネルギーコストが削減できるとタナー氏は述べています。

考慮事項:水冷チラーには継続的な水の供給が必要で、節水が義務付けられている地域では問題が生じる可能性があるとタナー氏は述べた。 水冷チラーはコンポーネントが多いため、設置コストとメンテナンスコストが高くつき、また、より大きなシステム設置面積も必要になるとロドリゲス氏は述べています。

使い方：「空冷チラーは、開いた凝縮器に強制的に送られる電動ファンの動作によって熱を大気中に分散させます」とタナー氏は述べた。

「アプリケーション負荷からの熱は、蒸発器と冷水のループから凝縮器内の冷媒に伝達されます」とロドリゲス氏は説明しました。 「凝縮器内の熱は、ファンを使用して大気中に排出されます。」

アプリケーション:空冷チラーはさまざまな用途に使用でき、小規模な建物でよく見られます。

利点：空冷チラーは、同様の容量の水冷チラーと比較して設置面積がコンパクトで、冷却塔が不要です。 「システムは多くの場合、屋上または地上に設置できます」とタナー氏は言います。 空冷チラーは水の使用量も少なく、メンテナンスと設置のコストも低くなります。

考慮事項:ただし、水冷チラーよりも冷却能力が低く、冷却ファンに電力を供給するために電力を使用するためエネルギー効率が低下するという制限があります。 スタージョン氏によると、外気温が上昇すると空冷チラーの能力と効率が低下するという。

使い方：スタージョン氏と、熱伝達装置の設計と製造を行うエバプコ社でトレーニングを管理するトロイ・ライネック氏は、蒸発冷却は水冷と空冷のハイブリッドだと説明できると述べた。

水冷または間接蒸発冷却には冷却塔での蒸発が含まれますが、「直接蒸発冷却では、空冷チラーの凝縮器コイルの入口での蒸発を利用して、周囲の空気条件が性能と効率に及ぼす影響を軽減します」とスタージョン氏は述べています。 。 「非常に高温の環境を採用し、それを部分的に正常化して効率と容量の損失を減らします。」

「熱源からの温水は周囲の冷たい空気と混合されます」とライネック氏は言う。 「水のごく一部が蒸発し、残った水から熱が奪われ、暖かい空気が大気中に放出されます。」

アプリケーション:気化冷却は、学校、集合住宅、オフィスなどのさまざまな施設に快適な冷却を提供するチラーに使用でき、大量の熱を必要とする産業プロセスでも使用されているとライネック氏は述べています。

利点： 「水は非常に効率的な熱伝達手段であり」、蒸発冷却は空冷ほど多くの空気の移動を必要としないとライネック氏は述べた。 「空気の移動を少なくする必要がある場合は、それほど多くのファンは必要ありません。」

考慮事項:ミネラル含有量を調整し、腐食を防ぐために、冷却システム内の水を維持する必要があります。 水使用規制がある地域や水の供給が限られている地域では問題が発生する可能性があります。

「一部の地域では、必要な量の水を提供できない、または提供できない」とライネック氏は言う。

吸収サイクル:吸収式冷凍機で使用される吸収式冷凍サイクルの簡略図。 (トレーン提供)

圧縮サイクル:チラー システムにおける蒸気圧縮冷凍サイクルの簡略図。 (トレーン提供)

マット・ジャックマンは、ACHR NEWS の法律編集者です。 彼はコミュニティ ジャーナリズムで 30 年以上の経験があり、デトロイトのウェイン州立大学で英語の学士号を取得しています。