JP2006038343A - 空調設備の温度制御方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、ビル等に設置の空調設備において、熱交換率が減少せず、且つ、消費電力の減少を図ることができる温度制御方式を提供する。
【解決手段】 熱源装置１からの熱媒体を熱媒体ポンプ１５を介して、並列に複数台配置の熱交換器１０Ａ〜１０Ｆに送液し、熱交換器と熱交換するファン１９で送気して各室の温度調整を行う空調設備であって、熱交換器に送液する熱媒体を乱流域で流すものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ビル等に設置の空調設備の温度制御方式に関する。

従来、ビル等に設置の空調設備は、図３に示すように、同じ容量の熱交換器５０Ａ〜５０Ｆを複数台、並列接続して、温度制御を行っている。
具体的に説明すると、最大負荷に対応可能に、同じ容量の熱交換器５０Ａ〜５０Ｆを複数台設置してある。そして、これらの熱交換器５０Ａ〜５０Ｆはフィン付きチューブ形式であり、胴体内を熱源装置１からの熱媒体（暖房時には熱水又は温水、冷房時には冷水）が通って、熱交換器に付設のフィンを介して空気と熱交換をする。

そのために、各熱交換器５０Ａ〜５０Ｆの入口側には、熱源装置１で昇温又は冷却された熱媒体を、入口弁５２を介して、同じ流量となるように配管が施工してある一方、各熱交換器の出口には集合配管５５が設置してあり、空気と熱交換された熱媒体を熱源装置１に戻す戻り配管５５ａが施工してある。
そして、その熱媒体はタンク５４に貯留された後に熱媒体ポンプ５６で熱源装置に送液される。

一方、前記熱交換器５０Ａ〜５０Ｆはカバー５８で覆われ、カバー５８の前後には戻りダクト６０と排出ダクト６１が設けてある。
そして、ファン５９からの空気は、熱交換器５０Ａ〜５０Ｆと熱交換され、排出ダクト６１によって各室６３に搬送され、各室６３からの空気は戻りダクト６０を介して、前記ファン５９の入口側に戻されて循環路が形成してある。
又、熱交換器の出口の排出ダクト６１には温度検出器６４が設置してあり、温度制御装置６５によって、その空気温度Ｔが設定温度Ｔsになるように、入口弁５２の開度によって熱媒体の流量制御を行っている。
尚、前記構成の空調設備の温度制御方式は、よく知られたものであるので文献を提示しない。

前記空調設備の温度制御方式において、熱負荷が減少すると、熱媒体を送水する熱媒体ポンプ５６の循環量が減少するので、熱媒体ポンプ５６の動力は減少するが、熱交換器５０Ａ〜５０Ｆ内の熱媒体の流速が減少するので、熱交換率が悪化するという課題がある。
そこで、本発明は、かかる不都合である熱交換率が減少せず、且つ、消費電力の減少を図ることができる空調設備の温度制御方式を提供する。

請求項１の空調設備の温度制御方式は、熱源装置からの熱媒体を熱媒体ポンプを介して、並列に複数台配置の熱交換器に送液し、前記熱交換器と熱交換するファンで送気して各室の温度調整を行う空調設備に適用するものであり、熱交換器に送液する熱媒体を乱流域で流すものである。
又、請求項２の空調設備の温度制御方式は、熱交換器に流れる熱媒体を制御する熱媒体制御弁を設置する熱交換器と設置しない熱交換器の組合せであり、熱媒体制御弁を設置しない熱交換器は、最小負荷熱量Ｑmに対応するように選定することにより、最小負荷熱量Ｑmであっても、熱媒体制御弁による流量制御をしなくても、乱流域で流れるので熱効率の向上を図ることができる。
又、請求項３の空調設備の温度制御方式は、２台以上の熱交換器に熱媒体の流量を制御する熱媒体制御弁を設置し、一方の熱媒体制御弁を開又は閉状態にした後において、他方の熱媒体制御弁は予め設定された時間を経過しないと開又は閉状態にしないように制御することによって、円滑な制御を可能にする。

請求項１の空調設備の温度制御方式は、熱交換器に送液する熱媒体を乱流域で流すことによって、熱伝達効率の向上を図ることができる。
又、請求項２の空調設備の温度制御方式は、最小負荷熱量Ｑmのとき、熱媒体制御弁による流量制御をしなくても、乱流域で流れるので熱効率の向上を図ることができる。
又、請求項３の空調設備の温度制御方式は、２台以上の熱交換器に熱媒体の流量を制御する熱媒体制御弁を設置したときに円滑な制御を可能にする。

図１は、本発明の概念図であり、複数の熱交換器１０Ａ〜１０Ｆが並列に配置してある。この熱交換器１０Ａ〜１０Ｆはフィン付きチューブ形式であり、胴体内を熱源装置１からの熱媒体（暖房時には熱水又は温水、冷房時には冷水）が通り、フィンを介して空気との熱交換をする。
尚、前記熱交換器の台数は、最大負荷熱量ＱTに対し、熱交換器が設置可能な大きさ及び台数から、１台の熱交換器の伝熱面積Ｓ、熱媒体と空気との温度差δｔ、総括伝熱係数Ｕ、熱媒体の流量、熱交換器内を流れる流速等の条件から選定する。

尚、本発明では、前記条件を考慮し、更に、最小負荷熱量Ｑmに対して、熱交換器の胴体を流れる熱媒体が乱流となるように選定すると共に、最小負荷熱量Ｑm以上のときも、各熱交換器を流れる熱媒体が、原則として乱流となるように選定する。
この乱流域で熱媒体を流すと、熱交換器の胴体と外側の空気との熱伝達効率が上昇するためである。

そこで、一例として、図１に示す熱交換器１０Ａ〜１０Ｂの２台が、最小熱負荷Ｑmに対応して乱流で胴体内を流れ、最小熱負荷Ｑm以上の負荷のときであっても、熱交換器１０Ｃ〜１０Ｄ、熱交換器１０Ｅ〜１０Ｆにおいて、熱媒体は乱流で流れるように選定してある。
前記熱交換器１０Ａ〜１０Ｂの入口には、熱媒体入口弁を設置せず、直接、熱媒体ポンプ１５から熱媒体を受入れるが、熱交換器１０Ｃ、１０Ｄは熱媒体制御弁１１Ａ、熱交換器１０Ｅ、１０Ｆは熱媒体制御弁１１Ｂによって、流量制御される。

また、前記熱媒体は、タンク８に貯留され、熱媒体ポンプ１５を介して熱源装置１に送られて、昇温又は冷却された後に、前記熱交換器１０Ａ〜１０Ｂは直接に、前記熱交換器１０Ｃ、１０Ｄは熱媒体制御弁１１Ａを介して、熱交換器１０Ｅ、１０Ｆは熱媒体制御弁１１Ｂを介して胴体に送られ、フィンを介して空気と熱交換される。
そして、前記各熱交換器１０Ａ〜１０Ｆの胴体側の出口は、集合配管７に接続してあり、その集合配管７はタンク８に貯留された後に、熱媒体ポンプ１５で前記熱源装置１に送られる。
尚、前記熱源装置１は、冷房のときには冷水を作り、暖房のときには温水又は熱水を作り、熱媒体ポンプを介して前記分配管に送水する。

一方、前記熱交換器１０Ａ〜１０Ｆはカバー１８で覆われ、カバー１８の前後には戻りダクト２０と排出ダクト２１が設けてある。
そして、ファン１９からの空気は、熱交換器１０Ａ〜１０Ｆで熱交換され、排出ダクト２１によって各室２３に搬送され、各室２３からの空気は戻りダクト２０を介して、前記ファン１９の入口側に戻される循環路が形成してある。
又、熱交換器の出口の排出ダクト２１には、温度検出器２４が設置してあり、温度制御装置２５によって、その空気温度Ｔが設定温度Ｔsになるように、後記で詳述する制御方式によって、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂの開度調節によって熱媒体の流量制御を行っている。尚、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂは、「全開、全閉」の２値制御弁とする。

次に、前記構成の空調設備を使用して各室２３を暖房する温度制御方式について説明する。
先ず、ファン１９を起動して、所定量の風量を流すと、この空気は熱交換器１０Ａ〜１０Ｆのフィンと熱交換されて、排出ダクト２１を介して各室２３に送風され、各室２３からの空気は戻りダクト２０を介してファン１９に戻される。
尚、各室には風量設定器が設置してあり、予め設定値に対する風量は既知である。そこで、ダクトの摩擦損失を考慮して、前記空気量は、各室に設置の前記風量設定器からの設定値を加重平均して、風量を算出し、その値になるようにダンパー３０を制御する。
又、熱媒体ポンプ１５を起動するが、この熱媒体ポンプ１５の流量は、各熱交換器１０Ａ〜１０Ｆに流れる熱媒体が、乱流域を確保できるものである。
そして、熱媒体ポンプ１５の起動時には、何等、温度制御を行っていないので、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂは「閉」であり、熱媒体は熱交換器１０Ａ、１０Ｂにだけ流れ、それらの熱交換器１０Ａ、１０Ｂにおける熱媒体は乱流域で流れる。

次に、温度制御について、図２に示すフローに従って説明する。
先ず、Ｆ（フラグ）、Ｇ（フタグ）を０の初期化をする。このＦ、Ｇは、後記で詳述するが、タイマーが起動しているか否かの判断に使用する。
熱交換器の出口の検出温度Ｔが、設定温度Ｔsより低いか否かを判断し（Ｓ１）、低い場合には、Ｇを初期化し（Ｓ２）、Ｆが「１」か否かを判断する（Ｓ３）。前記「Ｇ」は、前記ステップ１において、「ＮＯ」のときのタイマーが起動か否かを示すフラグであり、このＧを初期化して、タイマーカウント中でないことを示す。
又、このＦが「１」のときには、熱媒体制御弁１１Ａが「開」になってからの時間を計測するタイマーがカウント中であることを示す。

そこで、Ｆが「０」のときには、熱媒体制御弁１１Ａが「開」であるか否かを判断し（Ｓ４）、熱媒体制御弁１１Ａが「閉」であるときには、熱媒体制御弁１１Ａを「開」にすると共に、Ｆを「１」にセットすると共に、Ｔｉの初期化をする（Ｓ５）。
これによって、熱交換器１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ〜１０Ｄが使用されるが、熱媒体量は各熱交換器において乱流域で流れ、伝熱面積が増大するので、空気との交換熱量が増加して、空気の昇温を図ることができる。

前記ステップ４において、熱媒体制御弁１１Ａが「開」であるときには、昇温するために、熱媒体制御弁１１Ｂを「開」にする（Ｓ１２）。これによって、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂが共に開き、昇温される。
前記ステップ３で、Ｆ＝１のときには、タイマＴｉに１を加算し（Ｓ１０）、予め設定戯れた時間Ｔｘになったか否かを判断する（Ｓ１１）。そして、タイマＴｉが時間Ｔｘ以上になったとき、熱媒体制御弁１１Ｂを「開」にする（Ｓ１２）。
前記この時間Ｔｘは、熱媒体制御弁１１Ａが「開」になった後に、直ぐに、熱媒体制御弁１１Ｂを「開」にすることを防ぐための時間である。即ち、熱媒体制御弁１１Ａが「開」になっても、直ちに、昇温の効果が表れず、時間Ｔｘ、経過後に昇温が安定するので、その時間Ｔｘが経過しても、なお、検出温度Ｔが設定温度Ｔsより低い場合に、熱媒体制御弁１１Ｂを「開」にする制御方式である。

以上によって、空気量は各室の風量設定器からの値によって設定し、何れの熱交換器を使用するかは、検出温度Ｔと設定温度Ｔsを比較して行うが、先ず、熱媒体制御弁１１Ａが「開」になった後においては、熱媒体制御弁１１Ａによる昇温効果が発揮する時間Ｔｘ、経過後に、熱媒体制御弁１１Ｂを「開」にするものである。
即ち、もし、この時間Ｔｘを採用しないと、熱媒体制御弁１１Ａを「開」にした後に、直ちに、熱媒体制御弁１１Ｂも「開」にする制御となり、熱媒体制御弁１１Ａと熱媒体制御弁１１Ｂを区別して制御する意味がない。

一方、熱交換器の出口の検出温度Ｔが設定温度Ｔsより高い場合には、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂを「閉」にする必要がある。
そこで、前記ステップＳ１で、「ＮＯ」となっときには、Ｆを初期化し（Ｓ２０）、Ｇが「１」か否かを判断する（Ｓ２１）。前記「Ｆ」は、前記ステップ１において、「ＹＥＳ」のときのタイマーが起動か否かを示すフラグであり、このＦを初期化して、タイマーカウント中でないことを示す。
又、このＧが「１」のときには、熱媒体制御弁１１Ｂが「閉」になってからの時間を計測するタイマーがカウント中であることを示す。

そこで、Ｇが「０」のときには、熱媒体制御弁１１Ｂが「開」であるか否かを判断し（Ｓ２２）、熱媒体制御弁１１Ｂが「開」であるときには、熱媒体制御弁１１Ｂを「閉」にすると共に、Ｇを「１」にセットすると共に、Ｔｉの初期化をする（Ｓ２３）。
又、前記ステップ２２において、熱媒体制御弁１１Ｂが「閉」であるときには、熱媒体制御弁１１Ａを「閉」にする（Ｓ２７）。
以上によって、検出温度Ｔが、設定温度Ｔsより高いときには、熱媒体制御弁１１Ｂを介して熱交換器１０Ｅ、１０Ｆを閉にし、更に温度が高いときには熱媒体制御弁１１Ａが熱交換器１０Ｃ、１０Ｄを閉にする。

又、前記ステップ２１で、Ｇ＝１のときには、タイマＴｉに１を加算し（Ｓ２５）、予め設定戯れた時間ＴYになったか否かを判断する（Ｓ２６）。そして、タイマＴｉが時間ＴY以上になったとき、熱媒体制御弁１１Ａを「閉」にする（Ｓ２７）。
前記この時間ＴYは、熱媒体制御弁１１Ｂが「閉」になった後に、直ぐに、熱媒体制御弁１１Ａを「閉」にすることを防ぐための時間である。
以上によって、熱交換器の出口の検出温度Ｔが、設定温度Ｔsより高い場合には、熱媒体制御弁１１Ｂを閉にし、更に、温度が高いときには、熱媒体制御弁１１Ａを「閉」にする制御方式である。

以上のように、熱負荷量を考慮して、各熱交換器を流れる熱媒体は、原則として乱流域で流れるように台数、伝熱面積等を考慮して選定してあるので、熱伝達効率の向上を図ることができると共に、熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂを制御することによって、動力源の消費電力の減少を図ることができる。
尚、前記熱媒体制御弁１１Ａ、１１Ｂは、「ＯＮ、ＯＦＦ」の２値制御であるが、適宜のバルブ開度にできる連続式制御弁で制御してもよいし、２台の熱交換器に対して１台の熱媒体制御弁の構成であるが、１台の熱交換器に対して１台の熱媒体制御弁、或は、１台の熱交換器に対して３台以上の熱媒体制御弁の構成であってもよい。

又、前記は暖房制御について記載したが、冷房の場合には、熱源装置１を冷水作成にすると共に、図３のステップ１における不等号を逆となる条件で実施すればよい。

本願発明の空調設備の概念図である。 制御フロー図である。 従来の空調設備の概念図である。

符号の説明

１ 熱源装置
１０Ａ〜１０Ｆ 熱交換器
１１Ａ、１１Ｂ 熱媒体制御弁
１５ 熱媒体ポンプ

Claims (3)

1. 熱源装置からの熱媒体を熱媒体ポンプを介して、並列に複数台配置の熱交換器に送液し、前記熱交換器と熱交換するファンで送気して各室の温度調整を行う空調設備の温度制御方式であって、
   前記各熱交換器に送液する熱媒体を乱流域で流すことを特徴とする空調設備の温度制御方式。
2. 熱交換器に流れる熱媒体を制御する熱媒体制御弁を設置する熱交換器と設置しない熱交換器の組合せであり、
   熱媒体制御弁を設置しない熱交換器は、最小負荷熱量に対応するように選定することを特徴とする請求項１の空調設備の温度制御方式。
3. ２台以上の熱交換器に熱媒体の流量を制御する熱媒体制御弁を設置し、一方の熱媒体制御弁を開又は閉状態にした後において、他方の熱媒体制御弁は予め設定された時間を経過しないと開又は閉状態にしないように制御することを特徴とする請求項１又は請求項２の空調設備の温度制御方式。
   
   

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