JP2010002081A

JP2010002081A - 空調機およびその目標特性導出方法

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Publication number: JP2010002081A
Application number: JP2008159571A
Authority: JP
Inventors: Makoto Miyatsu; 信宮津; Sumio Shioji; 純夫塩地
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】確実に設置環境に適合し且つ基準の目標エネルギ消費量を満足する空調機を提供すること。
【解決手段】空調機の設置環境に関する熱負荷情報に基づいて熱負荷を算出する第１工程と、その第１工程とは別に、空調機の消費エネルギに関する基準に基づいて空調機の目標エネルギ消費量を導出する第２工程と、最適化手法を用いて、上記第２工程で算出した目標エネルギ消費量内で上記第１工程で算出した熱負荷を処理可能な上記空調機の目標特性を導出する第３工程とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調機およびその目標特性導出方法に関するものである。

建物等に設置する空調機の容量や種類を選定する方法として、例えば特許文献１に開示されている。上記特許文献１の自動空調設計装置では、先ず、建物の最大熱負荷が計算される。具体的に、自動空調設計装置では、予め用意された気象条件、建物構造および部屋別用途などのデータが表示部に表示される。そして、表示された各データを使用者が選択すると、最大熱負荷が算出される。次に、最大熱負荷が算出されると、予め用意された空調機データのうち、最大熱負荷を処理可能な容量を有する空調機データが表示される。そして、使用者が表示内容を確認しながら選択することで、適切な空調機が簡易に選定される。
特開平８−９４１５０号公報

ところで、近年、地球環境の保護およびエネルギの利用効率の観点から、空調設備も含めてエネルギコストやライフサイクルコストを評価し、建築物を設計する必要性が高まっている。これに伴い、法・規格等による建築物全体のエネルギ計算の実施、部材・設備に対する性能規制等が整備されるようになってきている。

そこで、上記特許文献１のような空調設計において、空調機のエネルギ消費量ないしライフサイクルコストを新たな要素として加味し、それが所定の基準・規制を満足するように空調機を選択することが行われている。例えば、図４に示す流れで空調機が選定される。先ず、ステップＳＴ１では空調機が設置される建物情報（例えば、気象データや建物構造、内部発熱、運用スケジュールなど）が入力され、引き続きステップＳＴ２では建物情報に基づいて熱負荷（例えば、年間の負荷状況）が算出される。続くステップＳＴ３では、算出した熱負荷を処理可能で、且つ、建物に対する設置条件を満足する空調方式が選択される。空調方式は、一般的には空調対象空間への熱搬送媒体により区分され、冷媒方式や全水方式、水−空気方式などがある。

一方、ステップＳＴ４では、予め各空調方式の空調機毎に入力された機器特性（例えば、定格仕様や温度特性、部分負荷特性など）の１つが選択される。続くステップＳＴ５では、選択された空調機の機器特性と熱負荷に基づいてエネルギシミュレーションが行われ、その空調機のエネルギ消費量が算出される。そして、算出されたエネルギ消費量が基準・規制（例えば、建築基準法やエネルギコードなどエネルギに関する基準・規制）で定められた目標エネルギ消費量を満足するか否かが判定される。そして、目標エネルギ消費量を満足する機器特性（空調機）が選択される。このように、建物情報や機器特性に基づいて空調機のエネルギ消費量が算出される。

ここで、上記空調機の機器特性の一例として、図５に示す温度特性が挙げられる。この温度特性は、冷房能力の室内吸込温度特性であり、室内吸込温度（湿球）に対する冷房能力の比（称呼能力との比）で示したものである。この温度特性では、一般に、外気温度３５℃（乾球）で室内吸込温度２７℃（乾球）／１９℃（湿球）の温度条件（以下、称呼温度という。）の下での能力を称呼能力として表しており、これは全世界でほぼ共通である。そして、温度特性は、算出した熱負荷との関係で称呼能力を基準に選択される。

ところが、上記温度特性は、室内吸込温度のみの関係で定められているだけで、実際の使用条件として入ってくる外気温度や負荷状況（部分負荷率）が考慮されていない。したがって、そのような温度特性に基づいてエネルギシミュレーションを行っても、算出されたエネルギ消費量が実際のものと合致しているかどうかを正しく判断することができない。その結果、実際のエネルギ消費量が基準等の目標エネルギ消費量を超える可能性があった。つまり、上記空調機の選定方法では、設置環境や使用状況に合致したものであって基準等を満足する空調機が選択されるとは必ずしもいえなかった。

一方、室内吸込温度だけでなく外気温度や負荷状況（部分負荷率）等も考慮した温度特性（機器特性）を予め用意することができればよいが、膨大な数の温度特性を用意しなければならず、労力および時間が莫大となり現実的には無理である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、労力や時間をそれほど費やすことなく、確実に設置環境や使用状況に適合し且つ基準等の目標エネルギ消費量を満足する空調機を提供することである。

第１の発明は、空調機の設置環境に関する熱負荷情報に基づいて熱負荷を算出する第１工程と、上記第１工程とは別に、空調機の消費エネルギに関する基準に基づいて空調機の目標エネルギ消費量を導出する第２工程と、最適化手法を用いて、上記第２工程で算出した目標エネルギ消費量内で上記第１工程で算出した熱負荷を処理可能な上記空調機の目標特性を導出する第３工程とを備えているものである。

上記の発明では、先ず、設置環境に関する熱負荷情報（建物構造情報、内部発熱情報、気象データ、運用スケジュール等）に基づいて処理しなければならない熱負荷（例えば、年間の熱負荷状況）が算出される。一方、建築基準法やエネルギコードなどの基準・規制に基づいて、その設置環境における目標エネルギ消費量が導出される。その後、上記で算出された熱負荷を処理するためのエネルギ消費量（上記熱負荷情報の運用スケジュールを考慮して算出）が目標エネルギ消費量内となるために必要な空調機の目標特性が最適化計算によって導出される。つまり、熱負荷と目標エネルギ消費量を基に、逆問題として解くことにより、設置環境に適合し且つエネルギ消費量を基準以内に抑えるための空調機の必要特性が得られる。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記目標特性は、空調機の吸込空気温度と冷房能力との関係である。

上記の発明では、図３に示すように、目標特性として室内吸込温度（湿球）と冷房能力との関係が導出される。この関係には、設置環境に関する熱負荷情報である気象データや運用スケジュール（使用状況）などが考慮されている。

第３の発明は、室外機（2）と室内機（3）を有する空調機であって、上記第１または第２の発明の目標特性導出方法により導出された目標特性を満たすように設計されたものである。

上記の発明では、設置環境に適合し且つエネルギ消費量が基準以内となるための目標特性に基づいて空調機が設計される。

以上のように、本発明によれば、設置環境の情報から算出した熱負荷と目標エネルギ消費量とから最適化計算によって空調機の目標特性を導出するようにした。つまり、本発明では、熱負荷と目標エネルギ消費量を基に、逆問題として解くことにより、空調機の目標特性を導出するようにした。したがって、設置環境に適合し且つエネルギ消費量が基準値内となるための必要な空調機の特性を定めることができる。これにより、この目標特性に基づいて空調機を設計すれば、確実に設置環境や使用状況に適合すると共にエネルギ消費量が基準以内となる空調機を提供することができる。しかも、予め膨大な数の特性を用意しなくてもよいため、労力および時間をそれほど費やさずにすむ。

また、目標の特性が定まることから、新たな空調機を研究開発する際、開発コストないし設計コストを効果的に削減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施形態では、図１に示すように、いわゆるビル用マルチエアコンである空調機（1）を設計対象としている。この空調機（1）は、建物（ビル）内の各部屋毎に設けられる複数の室内機（3）と、屋上等に設けられて各室内機（3）と冷媒配管で接続される室外機（2）とを備えているものである。

また、この空調機（1）は、図示しないが、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路を備えているもので、いわゆる冷媒方式のものである。冷媒回路には、圧縮機、室外機（2）の室外熱交換器や室内機（3）の室内熱交換器などが設けられている。なお、空調機（1）は、一次側の冷媒回路と二次側の水回路とを備えたタイプのものであってもよい。

次に、上記空調機（1）の設計手順について図２および図３を参照しながら説明する。先ず、図２に示す流れで、空調機（1）の目標とする特性（以下、目標特性という。）が導出される。なお、この目標特性の導出は、図示しない特性導出装置によって行われる。この特性導出装置は、建物情報入力部と、負荷計算部と、設備設計部と、基準・規制入力部と、目標エネルギ導出部と、最適化計算部と、目標特性作成部とが設けられている。

図２のステップＳＴ１１では、建物情報が建物情報入力部に入力される。建物情報としては、気象データ、建物構造、各部屋の内部発熱および運用スケジュールなどが挙げられる。気象データは、１時間単位の年間気象データ（例えば、温度、湿度および日射等）である。つまり、建物情報は設置環境に関する熱負荷情報を構成する。

続くステップＳＴ１２では、負荷計算部により、建物情報入力部の建物情報に基づいて例えば年間の熱負荷が算出される。つまり、気象データによる外気温度や運用スケジュールによる使用頻度・使用状況が考慮された熱負荷状況が算出される。

続くステップＳＴ１３では、設備設計部において空調方式が選択される。具体的に、設備設計部では、算出した熱負荷を処理可能で、且つ、建物に対する設置条件を満足する空調方式が選択される。空調方式としては、一般には空調対象空間への熱搬送媒体により区分され、冷媒方式や全水方式、水−空気方式などが挙げられる。

なお、上記ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３までの動作は、本発明に係る第１工程を構成している。

一方、上記ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１３までの動作とは別に、ステップＳＴ１４では、基準・規制入力部にエネルギに関する所定の基準等の情報が入力される。例えば、基準・規制としては、建築基準法、エネルギコードおよび性能指標などが挙げられる。

続くステップＳＴ１５では、目標エネルギ導出部によって、基準・規制入力部の情報から設置環境に応じた目標エネルギ消費量（即ち、空調機（1）のエネルギ消費量の目標値）が導出される。

なお、上記ステップＳＴ１４およびステップＳＴ１５の動作は、本発明に係る第２工程を構成している。

上記ステップＳＴ１１〜ステップＳＴ１５までの動作が終了すると、ステップＳＴ１６へ移行し、最適化計算部において最適化計算が行われる。最適化計算部では、負荷計算部で算出された熱負荷と目標エネルギ導出部の目標エネルギ消費量とに基づいてエネルギシミュレーションが行われる。具体的に、目標エネルギ消費量内で熱負荷を処理するために必要な空調機（1）の機器特性（目標特性式）が導出される。例えば一例として、目標特性式は、冷房能力が温度の関数として以下の通り表される。なお、この冷房能力は称呼能力（定格）に対する比率として算出される。

目標特性式＝a＋b(Twb,i)＋c(Twb,i)2＋d(Tdb,o)＋e(Tdb,o)2＋f(Twb,i)(Tdb,o)
ここに、a〜fは係数である。また、(Twb,i)は室内吸込温度（湿球温度）であり、(Tdb,o)は外気温度（外気の乾球温度）である。

上記最適化計算部には、予め仮の初期特性式が入力されている。そして、エネルギシミュレーションによって、初期特性式の各係数（ａ〜ｆ）の最適値が定められ、最終的に目標特性式が導出される。

目標特性式が導出されると、目標特性作成部において目標特性が線図化される（図３参照）。この目標特性は、室温設定である室内吸込温度（湿球）と冷房能力の比との関係を示している。図３に示すように、例えば設置環境に応じて、特性変化が比較的大きい目標特性（特性Ａ）や、特性変化が比較的小さい目標特性（特性Ｂ）などが定められる。特性変化とは、室内吸込温度に対する冷房能力の変化のことである。

例えば、室内吸込温度が比較的低い領域で空調機が使用される設置環境の場合、Ａのような目標特性ではなく、室内吸込温度が低い領域でも比較的能力が出るＢのような目標特性が導出される。逆に、室内吸込温度が比較的高い領域で使用される設置環境の場合、室内吸込温度が高いときに能力が出るＡのような目標特性が導出される。また、外気温度が高い設置環境で使用される場合、Ｂのような目標特性ではなく、外気温度が高いときに能力が出るＡのような目標特性が導出される。

このように、本実施形態では、室内吸込温度の使用領域や外気温度など設置環境に関する種々の情報を基に、エネルギシミュレーションを用いて逆問題として解くことにより、設置環境に適合し且つ目標エネルギ消費量内で運転可能な空調機（1）の特性が定められる。つまり、設置環境ごとに最適な空調機（1）の必要特性が定められる。そして、この目標特性を満足するように空調機（1）を設計することにより、最適な空調機（1）を提供することができる。

−実施形態の効果−
本実施形態では、設置環境の情報から算出した熱負荷と目標エネルギ消費量とから最適化計算によって空調機の目標特性を導出するようにした。つまり、本実施形態では、室内吸込温度や外気温度などの情報を考慮した熱負荷と目標エネルギ消費量とを基に、エネルギシミュレーションを用いて逆問題として解くことにより、空調機の目標特性を導出するようにした。したがって、設置環境に適合し且つ目標エネルギ消費量内で運転可能な空調機の特性を定めることができる。これにより、この目標特性に基づいて空調機を設計すれば、確実に設置環境や使用状況に適合すると共にエネルギ消費量が基準以内となる空調機を提供することができる。しかも、予め膨大な数の特性を用意しなくてもよいため、労力および時間をそれほど費やさずにすむ。

また、目標特性から、各空調機（1）に必要な制御特性や制御値の設定等も効果的に定めることができる。

《その他の実施形態》
上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

上記実施形態では、導出する目標特性の一例として、室内吸込温度と冷房能力の比との関係を挙げたが、本発明はこれ以外にも次のような目標特性が挙げられる。例えば、外気温度と冷暖房能力の比との関係や、室内吸込温度と消費電力との関係、外気温度と消費電力との関係、部分負荷率（冷房や暖房の部分負荷率）と消費電力との関係などが挙げられる。

また、上記実施形態では、複数の室内機（3）に対して１つの室外機（2）を接続する空調機（1）について説明したが、本発明はこれに限らず、複数の室内機（3）を複数グループに分けて、各グループ毎に１つの室外機（2）を接続する空調機（1）に対しても適用することができる。

なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

以上説明したように、本発明は、空調機の設計・開発について有用である。

図１は、空調機の構成および配置を概略的に示す断面図である。図２は、目標特性の導出工程を示す図である。図３は、目標特性の例を示す図である。図４は、従来の空調機の選定工程を示す図である。図５は、従来の機器特性の一例を示す図である。

符号の説明

1 空調機
2 室外機
3 室内機

Claims

空調機の設置環境に関する熱負荷情報に基づいて熱負荷を算出する第１工程と、
上記第１工程とは別に、空調機の消費エネルギに関する基準に基づいて空調機の目標エネルギ消費量を導出する第２工程と、
最適化手法を用いて、上記第２工程で算出した目標エネルギ消費量内で上記第１工程で算出した熱負荷を処理可能な上記空調機の目標特性を導出する第３工程とを備えている
ことを特徴とする空調機の目標特性導出方法。
請求項１において、
上記目標特性は、空調機の吸込空気温度と冷房能力との関係である
ことを特徴とする空調機の目標特性導出方法。
室外機（2）と室内機（3）を有する空調機であって、
上記請求項１または２の目標特性導出方法により導出された目標特性を満たすように設計された
ことを特徴とする空調機。