可変速ドライブが産業用冷凍・冷蔵で食品・医薬品を守る

Andy Pyeが、可変速ドライブが産業用冷凍・冷蔵アプリケーションで食品や医薬品などを冷やし続ける役割を解説します。

約200年にわたり、冷凍・冷蔵技術は以下のような不可欠な製品とサービスの提供を支えてきました：

• 食品保存
• 医療プロセス
• 地域冷暖房

有害な冷媒によるオゾン層破壊と地球温暖化への影響という、よく文書化された負の環境インパクトによって業界は傷つきました。モントリオール議定書と京都議定書の署名に続き、1988年から2005年にかけてCFC、HCFC、HFCの生産が90%削減されるなど、大きな進歩がありました。

しかし、世界人口が2050年までに90億人に達し、平均寿命が延びる見込みの中、冷凍・冷蔵関連プロセスに関わるあらゆるリソースの消費は大幅に増加します。

エネルギー消費の環境影響

エネルギー使用は通常、あらゆる冷凍・冷蔵プラントで最大のコストセンターです。すでに、冷凍・冷蔵機器のエネルギー消費は世界の電力使用量の15%（先進国ではしばしば20%以上）を占めています。ほとんどの国が依然として化石燃料で発電しているため、これは冷凍・冷蔵機器の使用による地球温暖化へのさらなる大きな影響を裏付けています。

したがって、以下が急務となっています：

• 冷凍・冷蔵機器の性能係数（COP）を改善する（すなわち、単位当たりの電力消費を削減する）。
• 建物全体のエネルギー消費をより統合的かつ高度に制御されたシステムで管理する。
• オゾン層を破壊せずCO2を排出しない新冷媒へ切り替える。
• ベストプラクティスを採用した高効率冷凍・冷蔵ソリューションのグローバルな普及を進める。

多くの冷凍・空調システムは、より効率的でコンパクト、環境に優しく、設置・保守が容易な信頼性の高いプロセスを必要としています。冷却要求は、周囲条件、占有・使用状況、照明などの要因により、日中や年間を通じて広範囲に変動します。

病院、IT・通信施設などでは、安定した精密な温湿度制御が必要な場合もあります。学校、レストラン、オフィスビルなどでは、日々の負荷変動に冷却システムが適応できることが重要です。

発酵、栽培トンネル、産業プロセスなどのプロセス冷却用途では、生産品質を確保するために精密な温度設定が必要です。

冷凍・空調・暖房システムにおける冷却能力の調整にはいくつかの方法があります。空調で最も一般的なのは：シンプルなオン/オフサイクル、ホットガスバイパス、液注入の使用（または不使用）、複数コンプレッサ構成、そしてインバータ技術です。

能力調整とは、冷却能力を冷却需要とアプリケーション要件に合わせることです。コンプレッサは異なるモータ速度で運転して冷却出力を調整するよう特別に設計されています。インバータがコンプレッサモータ速度を制御し、冷却能力を調整します。

可変速技術は、HVACR、精密空調、プロセス冷却用途、パッケージ型/セパレート型エアコン、ルーフトップ、チラー、精密冷却、VRF、凝縮ユニットに実装可能です。

高性能ドライブと永久磁石モータの組み合わせにより、産業用冷凍・冷蔵製品のエネルギー効率を最大化します。典型的な設置では、性能係数（COP）が約15%向上し、大幅な省エネとライフサイクルコスト削減、投資回収がしばしば12ヶ月未満で実現します。

コンプレッサとドライブは、専用アプリケーションで協調動作するよう適合認定される必要があります。ドライブはコンプレッサ速度を調整し、コンプレッサ動作限界外での運転を防止します。インバータ周波数ドライブは、暖房・換気・空調（HVAC）または冷凍・冷蔵専用に開発されたアルゴリズムを使用する必要があります。これにより、システムがアプリケーション制約内で運転されることを保証します。

可変冷媒流量（VRF）ユニットは、冷房専用または冷暖房両用システムとして非常に人気があります。ビルオーナーと占有者の双方に柔軟性を提供し、エネルギー効率、高い快適性、設置容易性を実現しながら、信頼性を損ないません。VRFシステムはインバータ技術を広範に使用します。

可変速ドライブによる省エネ事例

北アイルランドのポートダウンにある食品メーカーHenry Dennyの冷蔵室に、Unidrive SPシリーズの大型独立型可変速ACドライブを導入したことで、温度制御が改善され、年間電気代で約23,400ポンド（約350万円）の大幅削減、プラント全体の電力使用量を50%削減する見込みです。

同社はパイ、ソーセージロール、パスティ、コテージパイなど幅広い製品を製造しており、20室の冷蔵室複合施設には自社生産品だけでなく、北アイルランドの地域配送拠点として、ケリーグループの他社製品である数千個のチーズ、バター、ハム、ベーコンも保管されています。

カナダのカルガリーでは、食料品ビジネスの冷凍プラントで35%の省エネを達成しています。ここでは、2台の新コンプレッサと凝縮クーラーで構成される新冷却システムを導入し、運転コスト最小化が求められました。クーラーごとに1台の可変速Commander SK ACドライブで全ファンを同時制御し、ドライブをカスタム設計パネルに統合しています。

年間の大半で、凝縮器はフル容量の一部のみで運転されます。旧システムでは、凝縮器冷却制御に接触器を使用し、固定速度ファンをペアごとにオン/オフしていました。これによりファンが頻繁にサイクル運転し、必要な精密な温度制御ができませんでした。

圧力設定値が常にオーバーシュートしていたため、冷媒の過度な膨張と収縮が配管に機械的疲労を与え、長期的には配管やコネクタの故障につながる恐れがありました。

4台のモータを半速で運転する方が、2台を全速で運転するよりはるかに少ないエネルギーで済みます。さらに、ファン速度の滑らかな変更は繰り返し起動より少ないエネルギーですみます。このVFD制御システムでは、大幅な省エネに加え、圧力と温度が非常に精密に制御されるため、システム全体へのストレスが軽減されます。

適用法規制

適用される規格と法規制は、ISO 50001（エネルギーマネジメント規格）と季節性能部分負荷効率法規制（SEER）です。

ISO 50001:2011は、エネルギーマネジメントシステムの確立、実施、維持、改善の要求事項を規定します。その目的は、組織がエネルギー性能（エネルギー効率、エネルギー使用と消費）の継続的改善を達成するための体系的アプローチをとれるようにすることです。ISO 50001:2011は、組織が監視・影響可能なエネルギー性能に影響するすべての変数に適用されます。測定、文書化、報告、設備・システム・プロセス・要員の設計と調達慣行について、エネルギー性能に寄与するものとして要求事項を規定します。

欧州では、冷凍・冷蔵機器、チラー、エアコンの季節効率は、ユーロベント認証機関が定義する欧州季節エネルギー効率比（ESEER）で評価されることが多いです。英国では、冷凍・空調製品の季節エネルギー効率比（SEER）が、ESEERに類似していますが異なる負荷プロファイル重み付け係数を用い、建築基準パートL計算の簡易建物エネルギーモデル（SBEM）ソフトウェア内で、英国およびEUでの新築建物のエネルギー性能証明書（EPC）作成に使用されます。これらは欧州建物エネルギー性能指令（EPBD）の一環です。

SEERの式は以下のように表せます：
SEER = a (EER@25%負荷) + b (EER@50%負荷) + c (EER@75%負荷) + d (EER@100%負荷)
ここでa, b, c, dは、想定アプリケーションに関連する負荷プロファイル重み付け係数です。

米国でのESEERに類似した規格は、統合エネルギー効率比（IEER）です。

ESEERは、異なる季節の空気/水温度におけるフル負荷と部分負荷のエネルギー効率比（EER）を、適切な重み付け係数を含めて組み合わせて計算されます。