JP2002048380A

JP2002048380A - 空気調和装置及びその方法

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Publication number: JP2002048380A
Application number: JP2000233228A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Saegusa; 隆晴三枝
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2000-08-01
Publication date: 2002-02-15
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP3966441B2

Abstract

(57)【要約】【課題】加湿器の気化冷却効果を冷房に活用して、冷
熱源でのガスや電気の消費量の削減、地球環境保護を図
る。【解決手段】加湿器１６の気化冷却効果を積極的に利
用し、制御装置２２は給気ダクト２３に設置された温度
センサ２４から得た給気の実測温度と温度設定値とから
気化冷却ＰＩＤを用いて気化冷却の制御出力を求め、こ
の制御出力によって温度設定値と実測温度を一致させる
ように加湿器１６の加湿弁１５を操作して、加湿器１６
に供給される上水の水量を比例制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器コイル及
び気化式加湿器を有し、温度と湿度の制御を同時に行う
空気調和制御装置及びその方法に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】従来、この種の空気調和方法を用
いた空気調和装置による室内温度の制御は、外気ダンパ
及び冷水コイルと温水コイルを有し、例えば外気ダン
パ、冷水弁、温水弁のＰＩＤ制御によって行っていた。
一方、上記空気調和装置では、加湿弁と気化式加湿器を
用いて、気化式加湿器をオン／オフ制御して室内（還
気）湿度制御を行っていることが多かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
空気調和装置において、冷水コイルを利用した冷却で
は、冷熱源である冷凍機で生成される冷水を使用してお
り、冷凍機はガスや電気を利用しているため、地球環境
に好ましくない。本発明は、上水を使用する気化式加湿
器の気化冷却効果を冷房に活用して、冷熱源でのガスや
電気の消費量を削減でき、地球環境保護を図ることがで
きる空気調和装置及びその方法を提供することを目的と
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、熱交換用コイルと加湿器を有し、熱交
換による温度制御と前記加湿器での加湿による湿度制御
を同時に行う空気調和装置において、前記加湿器の下流
側の給気通路に設置され、給気に伴う湿度を実測する湿
度センサと、前記加湿器に供給する水の水量を調整する
弁と、給気温度、室内温度又は還気温度のいずれかを実
測する温度センサと、制御設定温度（温度設定値）と前
記実測された温度（実測温度）とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤ
のいずれかを用いて気化冷却の制御出力を求め、前記弁
を操作する制御装置とを備えた空気調和装置が提供され
る。

【０００５】すなわち、加湿器の気化冷却効果を積極的
に利用し、例えば制御設定温度と実測温度とからＰ、Ｐ
Ｉ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出
力を求め、前記第１の制御出力によって加湿弁を操作し
て加湿器に供給する水の水量を調整し、制御設定温度と
実測温度を一致させる。また、本発明では、弁は、比例
弁又は時間比例制御される二位置弁から構成し、加湿器
に供給する水の水量を比例制御する。

【０００６】また、本発明では、例えば加湿器を通過す
る空気の温度と湿度の関係から前記気化冷却のプロセス
ゲインを求め、前記プロセスゲインに応じた制御ゲイン
を決定し、この決定した制御ゲインによりＰ、ＰＩ、Ｐ
ＩＤの制御パラメータを補正して、応答性を良くしてい
る。また、本発明では、例えば給気の実測湿度と予め求
めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制御出
力を求め、前記第１と第２の制御出力のうちの最小値の
制御出力によって加湿器に供給する水の水量を調整する
弁を操作して制御設定温度と実測温度とを一致させる。

【０００７】また、本発明では、例えば制御設定湿度
（湿度設定値）と室内又は還気の実測湿度とからＰ、Ｐ
Ｉ、ＰＩＤのいずれかを用いて第３の制御出力を求め、
請求項５の前記小さい制御出力と第３の制御出力のうち
の最大値の制御出力によって加湿器に供給する水の水量
を調整する弁を操作して制御設定温度と前記実測温度と
を一致させるようにして、例えば還気湿度が高湿時の気
化冷却効果の低下を防止して、加湿弁の開度制御を行
う。

【０００８】また、本発明では、空気調和方法は外気に
よって温度制御を行う外気冷房工程と、請求項３〜６の
いずれかの気化冷却効果によって温度制御を行う気化冷
房工程と、冷水コイルでの熱交換によって温度制御を行
う冷水冷房工程とからなり、前記工程順の優先順位で前
記制御設定温度と実測温度とを一致させるように冷房の
制御を行うことで、エネルギーコストの削減及び環境面
の改善を図る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明に係る空気調和制御方法及
びその装置の一実施形態を図１乃至図６の図面に基づい
て説明する。図１は、本発明に係る空気調和制御方法を
用いた空気調和システムの構成図である。図において、
空調機１０は、冷水弁１１を介して図示しない冷熱源か
ら冷水が供給される冷却コイル１２と、温水弁１３を介
して図示しない温熱源から温水が供給される加熱コイル
１４と、加湿弁１５を介して図示しない水道から上水が
供給される加湿器１６と、給気用ファン１７と、還気用
ファン１８と、外気、還気及び排気用の各ダンパ１９〜
２１を有して構成されている。上記冷水は、例えば冷熱
源よりポンプを介して冷水弁１１へ至り、冷却コイル１
２へ供給された後、再び冷熱源に戻る。上記温水は、例
えば温熱源よりポンプを介して温水弁１３へ至り、加熱
コイル１４へ供給された後、再び温熱源に戻る。また、
上記上水は、例えば水道より加湿弁１５へ至り、加湿器
１６へ供給され、不必要な上水は排出される。

【００１０】各ダンパ１９〜２１及び比例バルブからな
る冷水弁１１、温水弁１３、加湿弁１５は、その開度動
作が制御装置２２により制御され、給気用ファン１７に
よって吹き出される給気は空調機１０内から給気ダクト
２３を介して室内へ供給され、還気用ファン１８によっ
て取り込まれる還気は室内から還気ダクト２６を介して
空調機１０内へ供給される。

【００１１】また、給気ダクト２３には、空調機１０か
ら供給される給気の温度を検出する温度センサ２４と上
記給気の湿度を検出する湿度センサ２５が取り付けられ
ており、還気ダクト２６には、室内から取り込まれる還
気の湿度を検出する湿度センサ２７が取り付けられてお
り、制御装置２２には、室内からの還気の湿度設定値が
与えられ、実測湿度が湿度センサ２７から入力されてい
る。制御装置２２には、空調機１０からの給気の温度設
定値及び湿度設定値が与えられ、実測温度及び実測湿度
が温度センサ２４と湿度センサ２７から入力されてい
る。

【００１２】一方、空調機１０から室内へ供給された給
気は、室内に供給されており、還気された空気の一部
は、排気用ダンパ２１を介して外気ダクト２８から排出
されるが、その還気の残りは、還気用ダンパ２０を介し
て、空調機１０の給気側へ再循環される。そして、上記
再循環によって戻された還気は、外気ダクト２９から外
気用ダンパ１９を介して取り込まれた外気と所定の割合
で混合されるものとなる。

【００１３】また、外気ダクト２９には、取り込まれる
外気の温度及び湿度を検出する一体構成の温湿度センサ
３０が取り付けられており、外気冷房の有効／無効に用
いられる。本発明では、給気、室内又は還気のいずれか
の温度設定値と実測値と制御パラメータとから、コイル
冷却、コイル加熱、気化冷却及び外気冷房のＰ、ＰＩ、
ＰＩＤのいずれかを用いて制御出力を求め、この制御出
力によって冷水弁１１、温水弁１３、加湿弁１５及び各
ダンパ１９〜２１を制御して、上記温度設定値と実測値
を一致させている。また、本発明では、室内又は還気の
いずれかの湿度設定値と実測値と制御パラメータとか
ら、室内（還気）湿度のＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを
用いて制御出力を求め、この制御出力によって加湿弁１
５を制御して、上記湿度設定値と実測値を一致させてい
る。すなわち、冷却コイル１２への通水量、加熱コイル
１４への通水量、加湿器１６への通水量、外気取入量、
還気量、排気量等を制御する。

【００１４】本実施形態では、上記の一例として給気の
温度設定値と実測値とＰＩＤ制御パラメータとから、コ
イル冷却、気化冷却及び外気冷房のＰＩＤを用いて制御
出力を求め、この制御出力によって冷水弁１１、加湿弁
１５及び各ダンパ１９〜２１を制御し、還気の湿度設定
値と実測値とＰＩＤ制御パラメータとから、還気湿度の
ＰＩＤを用いて制御出力を求め、この制御出力によって
加湿弁１５を制御する場合を説明する。

【００１５】さらに、本実施形態では、エネルギーコス
トや環境面から、制御装置２２が外気冷房、加湿器での
気化冷却、冷水コイルでの熱交換の優先順位で冷房時の
温度制御を行うものとする。そして、冷房が必要な時に
は、先ず外気ダンパ１９を開き、開ききった後に加湿弁
１５を開き、さらには冷水弁１１を開いていく。但し、
外気と室内の空気状態より外気冷房が行えない条件（例
えば高温高湿又は低温低湿）の場合、すなわち温湿度セ
ンサ３０で検出した温度及び湿度がある設定値より高温
高湿の条件の場合、又は低温低湿の条件の場合には、外
気冷房は行わない。

【００１６】しかし、加湿器１６の入口の空気湿度が飽
和状態に近づいてくると、蒸発水分量が減少し、冷却効
果がなくなり、加湿器１６から排水量が増えることとな
り、上水も浪費される。従って、このような状態で気化
冷却するのは得策ではない。そこで、本実施形態では、
給気の相対湿度で給気の飽和状態を判断する。すなわ
ち、図２に示す給気湿度リミット開度テーブルによって
給気湿度から給気飽和時における加湿弁１５のリミット
開度を演算する。給気の実測湿度に対して上記テーブル
に示された加湿弁１５の開度がリミット開度に達した際
に、図３の制御状態遷移図に示すように冷水弁１１を開
く。なお、図３は、比例動作の場合の一例である。積分
や微分動作が加わると、各線がシフトしたり、途中で乖
離したりする。

【００１７】次に、図４の制御装置２２の制御プロセス
を示すフローチャートを用いて、詳細な制御動作を説明
する。制御装置２２は、冷房が必要になると、先ず外気
の条件（温湿度センサ３０で検出される外気温度、外気
湿度など）から外気冷房が可能かどうか判断し（ステッ
プ１０１）、可能であればインターロックの解除を行
い、外気冷房ＰＩＤを用いて入力する給気の温度設定値
と実測温度と外気ダンパ１９のＰＩＤ制御パラメータと
から、外気冷房ＰＩＤを用いて演算を行って（ステップ
１０２）、制御出力である外気ダンパの開度を示す外気
ダンパ指示出力を求め、上記外気ダンパ指示出力によっ
て外気ダンパ１９の開度制御を行う。

【００１８】なお、上記開度制御においては、外気ダン
パの最小開度と最大開度が予め設定されており、外気ダ
ンパが最大開度に至った場合又は外気の条件から外気冷
房が不可能な場合には、ステップ１０１において温度設
定値と給気の実測温度とから気化冷却が可能かどうか判
断する。ここで、気化冷却が可能な場合には、気化冷却
ＰＩＤを用いて入力する給気の実測温度、温度設定値及
び加湿弁１５のＰＩＤ制御パラメータとによって演算を
行って（ステップ１０３）、制御出力である加湿弁の開
度を示す加湿弁指示出力を求め、上記加湿弁指示出力を
行う。

【００１９】ところで、気化冷却のプロセスゲイン（供
給水量に対する冷却効果）は、加湿器１６の通過空気の
湿度によって大きく変わる。例えば、低湿の空気では気
化冷却効果が大きいが、高湿の空気では気化冷却効果が
小さい。このプロセスゲインの変動は、図５に示す公知
の空気線図より読み取ることができ、例えば一例として
温度２５℃の空気の冷却効果がどのように変化するかを
考察すると、加湿器１６が８０％相対湿度（以下、「％
ＲＨ」と記す）程度までの加湿能力であると考えた場合
に、加湿器入口の空気が４０％ＲＨの時には冷却効果が
温度差６〜７℃程度になるのに対して、７０％ＲＨの時
には温度差１．５℃程度まで低下してしまう。これだけ
の大きいプロセスゲインの変化に対して、制御のゲイン
が一定では、応答の良い温度制御は実現できない。

【００２０】そこで、本実施形態では、上記空気線図の
データを制御装置に記憶させておき、給気湿度に応じて
気化冷却制御のゲインを自動補正して行くことで安定し
た制御を実現できる。図６は、ゲイン補正の一例を示す
補正図である。なお、同様に気化冷却のプロセスゲイン
は、通過風量や入口乾球温度によっても変わるので、こ
れらの値に基づいて制御ゲインの補正を行えば、さらに
制御性を向上させることができる。

【００２１】また、制御装置２２には、給気の飽和状態
を判断するために、給気湿度リミット開度テーブルが作
成されている（図２参照）。制御装置２２は、給気の実
測湿度と給気湿度リミット開度テーブルとから、制御出
力である加湿弁の開度を示す加湿弁指示出力を求め（ス
テップ１０４）、上記加湿弁指示出力を行う。上記気化
冷却ＰＩＤと給気湿度リミット開度テーブルから求めた
加湿弁指示出力に対して、制御装置２２は、いずれか最
小値の加湿弁指示出力の選択を行う（ステップ１０
５）。なお、ここで気化冷却ＰＩＤからの出力の方が小
さい場合には、上記出力を選択し、また給気湿度リミッ
ト開度テーブルからの出力の方が小さい場合には、状態
としてリミット中である旨の出力を行い、ステップ１０
１におけるインターロック判断によってコイル冷却ＰＩ
Ｄのインターロックを解除して、コイル冷却ＰＩＤを用
いた冷水コイルでの熱交換による温度制御に移行する。

【００２２】さらに、制御装置２２は、予め定めた室内
（還気）湿度ＰＩＤを用いて入力する還気の実測湿度、
湿度設定値及び加湿弁のＰＩＤ制御パラメータとによっ
て演算を行って（ステップ１０６）、制御出力である加
湿弁の開度を示す加湿弁指示出力を求め、上記加湿弁指
示出力を行う。上記最小値選択によって選択された気化
冷却ＰＩＤからの加湿弁指示出力と室内（還気）湿度Ｐ
ＩＤからの加湿弁指示出力に対して、制御装置２２は、
いずれか最大値の加湿弁指示出力の選択を行う（ステッ
プ１０７）。なお、ここで気化冷却ＰＩＤからの出力の
方が大きい場合には、上記出力を選択し、また室内（還
気）湿度ＰＩＤからの出力の方が大きい場合には、加湿
器が温度制御によらず湿度制御される状態となるので、
状態として加湿中である旨の出力を行い、ステップ１０
１におけるインターロック判断によってコイル冷却ＰＩ
Ｄのインターロックを解除して、コイル冷却ＰＩＤを用
いた冷水コイルでの熱交換による温度制御に移行する。

【００２３】そして、制御装置２２は、最大値選択によ
って選択された加湿弁指示出力によって加湿弁１５を操
作する。また、制御装置２２は、ステップ１０５におい
て状態出力がリミット中になった場合又はステップ１０
７において状態出力が加湿中になった場合には、気化冷
却ＰＩＤを用いた温度制御が機能されないと判断して、
コイル冷却ＰＩＤを用いて給気の実測温度、温度設定値
及び冷水弁１１のＰＩＤ制御パラメータとによって演算
を行って（ステップ１０８）、制御出力である冷水弁１
１の開度を示す冷水弁指示出力を求め、上記冷水弁指示
出力によって冷水弁の開度制御を行う。

【００２４】このように、本実施形態では、加湿器の気
化冷却効果を利用し、温度設定値と実測温度とから気化
冷却ＰＩＤを用いて加湿弁指示出力を求めて、上記加湿
弁の開度制御を行って空気調和装置の温度制御を行うの
で、廉価で、かつ自然エネルギーにより環境への悪影響
もない温度制御を効率良く行うことができる。また、本
実施形態では、外気冷房、加湿器での気化冷却、冷水コ
イルの熱効果の優先順位で温度制御を行うので、エネル
ギーコストの削減及び環境面の改善が図られる。

【００２５】なお、本実施形態に係る加湿弁１５は、比
例弁で構成したが、本発明はこれに限らず、例えば開閉
二位置式バルブで構成することも可能である。この場合
には、制御装置２２は、加湿弁を時間比例制御（デュー
ティ制御）して、加湿器に供給される上水の水量を比例
制御することができる。本発明は、これら実施形態に限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々の変形実施が可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、上水
を使用する加湿器の気化冷却効果を、冷房の温度制御に
積極的に利用し、気化冷却Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれか
を用いて気化冷却の制御出力を求め、前記制御出力によ
って加湿弁を比例制御して前記制御設定温度と前記実測
温度を一致させるので、冷熱源でのガスや電気の消費量
を削減でき、地球環境保護を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空気調和制御方法を用いた空気調
和システムの構成図である。

【図２】給気湿度と加湿弁のリミット開度との関係を示
す給気湿度リミット開度テーブルを示す図である。

【図３】空気調和装置が行う各制御状態の遷移を示す制
御状態遷移図である。

【図４】図１に示した制御装置の制御プロセスを示すフ
ローチャートである。

【図５】プロセスゲインの変動を読み取るための空気線
図である。

【図６】ゲイン補正の一例を示す補正図である。

【符号の説明】

１０空調機１１冷水弁１２冷却コイル１３温水弁１４加熱コイル１５加湿弁１６加湿器１７，１８ファン１９〜２１ダンパ２２制御装置２３，２６，２８，２９ダクト２４温度センサ２５，２７湿度センサ３０温湿度センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換用コイルと加湿器を有し、熱交換
による温度制御と前記加湿器での加湿による湿度制御を
同時に行う空気調和装置において、前記加湿器の下流側の給気通路に設置され、給気に伴う
湿度を実測する湿度センサと、前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁と、給気温度、室内温度又は還気温度のいずれかを実測する
温度センサと、制御設定温度と前記実測された温度とからＰ、ＰＩ、Ｐ
ＩＤのいずれかを用いて気化冷却の制御出力を求め、前
記弁を操作する制御装置とを備えたことを特徴とする空
気調和装置。
【請求項２】前記弁は、比例弁又は時間比例制御され
る二位置弁からなることを特徴とする請求項１に記載の
空気調和装置。
【請求項３】温度及び湿度の実測値を設定値に近づけ
るように制御する空気調和方法において、制御設定温度と前記実測された温度とからＰ、ＰＩ、Ｐ
ＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求
め、前記第１の制御出力によって加湿器に供給する水の
水量を調整する弁を操作することを特徴とする空気調和
方法。
【請求項４】通過する空気の温度と湿度の関係から前
記気化冷却のプロセスゲインを求め、前記プロセスゲイ
ンに応じた制御ゲインを決定し、この決定した制御ゲイ
ンにより前記Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤの制御パラメータを補正
することを特徴とする請求項３に記載の空気調和方法。
【請求項５】前記空気調和方法にて、加湿器の下流側
の給気通路に設置された湿度センサからの実測湿度と予
め求めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制
御出力を求め、前記第１と第２の制御出力のうちの最小
値の制御出力によって加湿器に供給する水の水量を調整
する弁を操作することを特徴とする請求項３又は４に記
載の空気調和方法。
【請求項６】前記空気調和方法にて、制御設定湿度と
室内又は還気の実測湿度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいず
れかを用いて第３の制御出力を求め、請求項５の前記小
さい制御出力と第３の制御出力のうちの最大値の制御出
力によって加湿器に供給する水の水量を調整する弁を操
作ことを特徴とする請求項５に記載の空気調和方法。
【請求項７】温度及び湿度の実測値を設定値に近づけ
るように制御する空気調和方法において、前記空気調和方法は、外気によって温度制御を行う外気
冷房工程と、請求項３〜６のいずれかの気化冷却効果に
よって温度制御を行う気化冷房工程と、冷水コイルでの
熱交換によって温度制御を行う冷水冷房工程とからな
り、前記工程順の優先順位で前記制御設定温度と実測温
度とを一致させるように温度制御を行うことを特徴とす
る空気調和方法。