JP2009109060A - 空気調和装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷房運転における熱源機の水熱交換器の凍結パンクや、加熱運転における運転圧力異常上昇のリスクを低減することができる空気調和装置を提供する。
【解決手段】本空気調和装置は、水熱交換器を備える熱源機を複数台用い、各水熱交換器を並列に接続する水回路系を備え、さらに、水熱交換器の入口に入口水温センサと、出口に出口水温センサを設け、入口水温センサと出口水温センサからの水温情報に基づき、水熱交換器の出口水温を予測する演算機能を持つコントローラとを備え、熱源機の容量変化後に出口水温が運転不能な危険な温度に達すると予測される場合、容量変化を待機させる。
【選択図】 図１４

Description

本発明は空気調和装置に係り、特に水熱交換器を備える熱源機を複数台用い、その水熱交換器の水温制御を改良した空気調和装置に関する。

一般に大型の空気調和装置には熱源機が用いられ、この熱源機で冷却あるいは加熱される水を室内熱交換器に送り室内を空気調和する。

図６および図７に示すように、このような熱源機２２は水熱交換器２３、送風機２４、圧縮機２５、四方弁２６、膨張弁２７、空気熱交換器２８で構成され、それぞれの構成機器は冷媒配管にて接続されており、冷凍サイクル３０を形成している（例えば、特許文献１参照）。

大型の空気調和装置は、このような熱源機を複数台設置して用いている。

従来、大型の空気調和装置において、負荷変動に対応させるため、複数の熱源機の水回路を並列に配置し、負荷変動に合わせて、熱源機の群制御を行なう方法が広く用いられている。

例えば、図８に示すように、空気調和装置２１は複数台例えば４台の熱源機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを備え、各々熱源機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄには水熱交換器２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを含む水回路３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが並列に配置され、水回路３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは水回路系３２の一部をなす。

水回路３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄには、水熱交換器２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの入口に入口水温センサ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄが設けられ、出口には出口水温センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄが設けられ、入口水温センサ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄおよび出口水温センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄはコントローラ３５に接続される。

従来の熱源機の制御は、図９に示すような出口水温の変化で制御される。

水回路系３２の水温は例えば５℃に設定される。

熱源機２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの運転が開始されると、図９に示すように、水回路系３２からの水温（水熱交換器の入口水温）および水回路系３２への水温（水熱交換器の出口水温）はいずれも低下する。

図９の出口温度（５）で示す状態では、流入水温が１１．０７℃であり、図１０に示すように、熱源機２２ａ、２２ｂ、２２ｃを容量１００％で運転し、流出水温が出口水温センサ３４ａ、３４ｂ、３４ｃで検出される水温は４．０７℃となり、他の熱源機２２ｄを容量６７％で運転すると、出口水温センサ３４ｄで検知される流出水温は６．４０℃となり、水回路系３２の出口温度は４．６５℃となる。

水回路系３２の出口温度が設定温度５℃以下の４．６５℃になると、コントローラ３５により熱源機を制御して、容量を低下させる。

容量を低下させた図９の出口温度（６）で示す状態では、図１１に示すように、引き続き流入水温は１１．０７℃であり、熱源機２２ａ、２２ｂを容量１００％で運転し、流出水温が４．０７℃となり、他の熱源機２２ｃ、２２ｄを容量６７％で運転し、流出水温が６．４０℃となり、水回路系３２の出口温度は５．２３℃となる。

さらに、運転時間が経過し、図９に示すように、水回路系３２の水温が１０．４８℃に低下し、出口温度（７）で示す状態では、図１２に示すように、流入水温が１０．４８℃のとき、熱源機２２ａおよび熱源機２２ｂを容量１００％で運転し、流出水温が３．４８℃となり、他の熱源機２２ｃ、２２ｄを容量６７％で運転すると、流出水温が５．８２℃となり、水回路系３２の出口温度は４．６５℃となる。

水回路系３２の出口温度が設定温度５℃以下の４．６５℃になると、熱源機を制御して、容量を低下させる。

図９の出口温度（８）で示す状態では、図１３に示すように、流入水温が１０．４８℃のとき、熱源機２２ａを容量１００％で運転し、流出水温が３．４８℃となり、他の熱源機２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを容量６７％で運転すると、流出水温が５．８２℃となり、水回路系３２の出口温度は５．２３℃となる。

また、運転時間が経過し、図９に示すように、水回路系３２の水温は９．９０℃に低下し、出口温度（９）で示す状態では、図８に示すように、流入水温が９．９０℃のとき、熱源機２２ａを容量１００％で運転し、流出水温が２．９０℃となり、他の熱源機２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを容量６７％で運転すると、流出水温が５．２３℃となり、水回路系３２の出口温度は４．６５℃となる。

水回路系３２の出口温度が設定温度５℃以下の４．６５℃になると、熱源機を制御して、容量を低下させる。

図９の出口温度（１０）で示す状態では、図１４に示すように、流入水温が９．９０℃のとき、熱源機２２ａを容量１００％で運転し、流出水温が５．２３℃となり、他の熱源機２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを容量６７％で運転すると、流出水温が５．２３℃となり、水回路系３２の出口温度は５．２３℃となる。

上記のように、従来の水温制御において、負荷が減少してきたとき、フルロードで運転している熱源機をアンロードの運転に順次切り換えるか、また、さらに負荷が減少してきたとき、アンロードで運転している熱源機を順次停止させるような容量制御が行われている。

フルロードで熱源機の出入口温度差が７℃になるように設計された従来の空気調和装置において、入口水温が９．９０℃の時に、熱源機をフルロード１台、アンロード３台で運転している状態で、各熱源機から出た水が合流する水回路系３２の水温を目標温度（例えば、４．６５℃）になるように運転しようとすると、図８に示すように、フルロードで運転している熱源機２２ａの出口水温は非常に低くなり（例えば、２．９０℃）、水熱交換器２３ａが凍結パンクといった故障を招く可能性があった。
特開２００５−１０６３３７号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、冷房運転における熱源機の水熱交換器の凍結パンクや、加熱運転における運転圧力異常上昇のリスクを低減することができる空気調和装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る空気調和装置は、水熱交換器を各々設けた冷凍サイクルを備える熱源機を複数台用い、前記各水熱交換器を並列に接続する水回路系を備えた空気調和装置において、前記水熱交換器の入口に入口水温センサと、出口に出口水温センサを設けかつ、入口水温センサおよび出口水温センサに接続され、前記入口水温センサと前記出口水温センサからの水温情報に基づき、水熱交換器の出口水温を予測する演算機能を持つコントローラとを備え、前記熱源機の容量変化後に出口水温が運転不能な危険な温度に達すると予測される場合、容量生後に用いる出口水温の目標温度を変化させることを特徴とする。

本発明の空気調和装置によれば、冷房運転における熱源機の水熱交換器の凍結パンクや、加熱運転における運転圧力異常上昇のリスクを低減することができる空気調和装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置について図面を参照して説明する。

本発明の一実施形態に係る空気調和装置は、図６および図７に示すような一般的な熱源機を備える構成であるので、詳細な構成については説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る空気調和装置の概念図である。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る空気調和装置１は、複数台例えば４台の熱源機２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを備え、各々熱源機２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄには水熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを含む水回路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが並列に配置され、水回路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは水回路系５の一部をなす。

水回路４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄには、水熱交換器３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの入口に入口水温センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが設けられ、出口には出口水温センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられ、入口水温センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび出口水温センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄがコントローラ７に接続される。

このコントローラ７は、制御回路用ＭＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、入力手段から指令信号を受信する。さらに、コントローラ７は、入口水温センサ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄおよび出口水温センサ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが検知した水温の水温情報信号に基づいて、熱源機の容量（能力）を制御するためのプログラムが予め記憶されており、出口水温の予測機能を持つ。

本空気調和装置１はコントローラ７により、熱源機２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを制御することで冷房能力は制御されるが、その制御は以下に冷却運転時の具体例を示す。

現在の入口水温、出入口温度差、現在の容量、容量変更後の容量から、容量変更後の出口水温を（式１）により求める。

容量変更後の出口水温
＝現在の入口水温−（現在の出入口温度差 × 容量変更後の容量÷現在の容量）
…… （式１）

次に、本実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の制御の具体的例を示す。

本実施形態の空気調和装置に用いる熱源機は、図２に示すような出口温度の変化で制御される。

水回路系５の水温は例えば５℃に設定される。

熱源機の運転が開始されると、図２に示すように、水回路系５からの水温（水熱交換器の入口水温）および水回路系５への水温（水熱交換器の出口水温）はいずれも低下する。

図２の出口温度（１）で示す状態では、流入水温が１０．４８℃であり、図３に示すように、熱源機２ａ、２ｂを容量１００％で運転し、流出水温が出口水温センサ６ａ、６ｂで検出される水温は３．４８℃であり、他の熱源機２ｃ、２ｄを容量６７％で運転すると、出口水温センサ６ｃ、６ｄで検知される流出水温は５．８２℃であり、水回路系５の出口温度は４．６５℃となる。

水回路系５の出口温度が設定温度５℃以下の４．６５℃になると、熱源機を制御して、容量を低下させる。

容量を低下させた図２の出口温度（２）で示す状態では、図４に示すように、引き続き流入水温は１０．４８℃であり、熱源機２ａを容量１００％で運転し、流出水温が３．４８℃となり、他の熱源機２ｂ、２ｃ、２ｄを容量６７％で運転し、流出水温が５．８２℃となり、水回路系５の出口温度は５．２３℃となる。

さらに、運転時間が経過し、図２に示すように、水回路系５の水温が１０．２０℃に低下し、図２の出口温度（３）で示す状態では、図１に示すように、流入水温が１０．２０℃のとき、熱源機２ａを容量１００％で運転し、流出水温が３．２０℃となり、他の熱源機２ｂ、２ｃ、２ｄを容量６７％で運転すると、流出水温が５．５３℃となり、水回路系５の出口温度は４．９５℃となる。

水回路系５の出口温度が設定温度５℃以下の４．９５℃になると、熱源機を制御して、容量を低下させる。

容量を低下させた図２の出口温度（４）で示す状態では、図５に示すように、引き続き流入水温は１０．２０℃であり、熱源機２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを容量６７％で運転し、流出水温が５．５３℃となり、水回路系５の出口温度は５．５３℃となる。

従来の熱源機の制御では、図８に示すようなフルロードで運転している熱源機が１台、アンロードで運転している熱源機が３台のとき、各熱源機から出た水回路系５の水温を目標温度（例えば、４．６５℃）になるように運転しようとすると、フルロード運転で運転している熱源機２aの出口水温は危険な温度（例えば、２．９０℃）になると予測される。

これに対して、本実施形態の空気調和機に用いる熱源機では、図８に示す従来とは異なり、図１に示すように各熱源機から出た水回路系の水温が目標温度（例えば、４．９５℃）に変化させる。

これにより、図８に示す水熱交換器２３ａの出口水温のように例えば、２．９０℃となるのとは異なり、運転不能な危険な温度に達することなく、負荷変動に追従して容量を減少することができる。

また、容量を増加させる場合においては、式１により容量変更後の出口水温を予想することにより、容量を変化させる前に出口水温の目標温度を変化させる。

これにより運転不能な危険な温度に達することなく、負荷変動に追従して容量を増加することができる。

本実施形態の空気調和装置によれば、熱源機の容量変化後に水熱交換器の出口水温が運転不能な危険な温度に達すると予測することができるため、容量変化を待機させることができ、冷却運転においては、水熱交換器の凍結パンクのリスクを低減することができる。

また、四方弁を制御し、水熱交換器を凝縮器として機能させ、水を加熱する加熱運転においても、入口水温センサ、出口水温センサおよびコントローラの働きにより、冷却運転時と同様の制御を行い、運転圧力異常上昇のリスクを低減することができる。

本発明の一実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（３）の運転状態）。 本発明の一実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の運転時間と水温の関係を示す制御図。 本発明の一実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（１）の状運転態）。 本発明の一実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（２）の運転状態）。 本発明の一実施形態の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（４）の運転状態）。 一般的な熱源機の冷凍サイクル図。 一般的な熱源機の概念図。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（９）の運転状態）。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の運転時間と水温の関係を示す制御図。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（５）の運転状態）。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（６）の運転状態）。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（７）の運転状態）。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（８）の運転状態）。 従来の空気調和装置に用いる熱源機の概念図（出口温度（１０）の運転状態）。

符号の説明

１…空気調和装置、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…熱源機、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…水熱交換器、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ…水回路、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ…入口水温センサ、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ…出口水温センサ、７…コントローラ。

Claims (1)

1. 水熱交換器を各々設けた冷凍サイクルを備える熱源機を複数台用い、前記各水熱交換器を並列に接続する水回路系を備えた空気調和装置において、
   前記水熱交換器の入口に入口水温センサと、出口に出口水温センサを設けかつ、
   入口水温センサおよび出口水温センサに接続され、前記入口水温センサと前記出口水温センサからの水温情報に基づき、水熱交換器の出口水温を予測する演算機能を持つコントローラとを備え、
   前記熱源機の容量変化後に出口水温が運転不能な危険な温度に達すると予測される場合、容量制御に用いる出口水温の目標温度を変化させることを特徴とする空気調和装置。

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