JP2010084951A - 空気調和装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 流量調整弁23a〜23eの開度を制御する弁開度制御手段24a〜24eとポンプ21の流量を制御するポンプ流量制御手段25とにより、ポンプ流量制御手段25は、流量調整弁23a〜23eの開度のうち最大となるものが全開とするように制御する最小抵抗制御を行うとともに、空調機22a〜22eの運転台数の変化に応じて、ポンプ流量を調節する。これにより、省エネルギーが実現でき、さらに空調負荷の変化に対して、短時間で安定した効率の良い温熱または冷熱供給が可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、上記のような課題を解決するために為されたものであり、負荷の変動が伴う場合であっても短時間で安定する効率のよい温熱または冷熱供給ができることを目的としている。
以下この発明の実施の形態1について説明する。図1はこの発明の実施の形態1に係わる空気調和装置の回路図である。図1に示すように、空気調和装置1は、第1の媒体である冷媒が循環する第1のサイクル10と、第2の媒体である利用側媒体が循環し、一部が複数の分岐路30a〜30eに分岐して構成される第2のサイクル20と、を備え、第1のサイクル10は、温熱または冷熱を生成して冷媒に供給する熱源機11と、冷媒の温熱または冷熱を利用側媒体に供給する熱交換器12と、を備え、第2のサイクル20は、熱交換器12と、利用側媒体を駆動させるポンプ21と、分岐路30a〜30eと、分岐路30a〜30eに対応して個別に設けられ、利用側媒体の温熱または冷熱を空気と熱交換する空調機(室内機)22a〜22eと、分岐路30a〜30eに対応して個別に設けられ空調機22a〜22eに流れる利用側媒体の流量を調整する複数の流量調整弁23a〜23eと、流量調整弁23a〜23eに対応して個別に設けられ、流量調整弁23a〜23eの開度を制御する複数の弁開度制御手段24a〜24eと、空調機22a〜22eの個別の運転状況に応じてポンプ21の流量を調節するポンプ流量制御手段25と、から構成されている。
また、空調機22a〜22eは、ファン26a〜26eと、このファン26a〜26eによって供給される室内の空気と第2のサイクル20内を流れる利用側媒体との間で熱交換する空気熱交換器27a〜27eと、から構成されている。
なお、利用側媒体は水でもブラインでもよい。
また、流量調整弁23a〜23eは二方弁であり、二方弁の開度が小さいと二方弁の流路抵抗が大、開度が大きいと二方弁の流路抵抗が小となり、開度に応じて流路抵抗が連続的に変化する。よって二方弁の開度による空調機22a〜22eの流量調整が可能である。なお、弁開度制御手段24a〜24eとポンプ流量制御手段25は伝送線で接続され、相互に情報が伝送可能になっている。(だから、ポンプ流量制御手段25は流量調整弁23a〜23eの開度がわかる)
また、熱源機11は、圧縮機11aと、四方弁11bと、室外熱交換器11cと、室外ファン11dと、減圧弁11eと、逆止弁11f、11g、11h、11iと、アキュムレータ11jとから構成される。
以下、冷熱を供給する場合(冷房運転)について説明する。
この空気調和装置1では、第1のサイクル10において、熱源機11によって生成された冷熱が、熱源機11内の圧縮機11aによって駆動される冷媒を介して熱交換器12に運ばれ、この熱交換器12で、熱交換により第2のサイクル2へ受け渡される。熱交換を終えた冷媒は再び熱源機1へ戻る。熱交換器12は例えばプレート熱交換器であり、熱源機11で生成された冷熱は、この熱交換器12によって冷媒から第2のサイクル20を流れる利用側媒体へと伝達される。第2のサイクル20では利用側媒体はポンプ21により駆動動力を得て流れ、分岐して各空調機22a〜22eに入る。各空調機22a〜22e にて利用側媒体が空気熱交換器27a〜27eを通過する際にファン26a〜26eにより搬送されて空気熱交換器27a〜27eを通過する空気と熱交換することで、冷熱は熱負荷である空気へと到達する。冷熱を伝達した後の利用側媒体は流量調整弁23a〜23eを通過し、集約して再び熱交換器12へ至る。流量調整弁23a〜23eの弁開度による流路抵抗により、各空調機22a〜22eの空気熱交換器27a〜27eを流れる利用側媒体の流量が定まる。
次に、熱源機11の内部の動作について説明する。四方弁11bは図中の実線で示すように接続され、圧縮機11aにより圧縮された高温高圧のガス冷媒が四方弁11bを介して室外熱交換器11cに至る。ここで、室外ファン11dにより搬送される外気と冷媒が熱交換され、外気の持つ冷熱が冷媒へ受け渡されて、室外熱交換器11cを出る時には低温高圧の液冷媒となる。その後、冷媒は減圧弁11eで減圧され低圧の二相冷媒となり、逆止弁11fを通過して熱交換器12で利用側媒体と対向流形式で熱交換され、冷媒が持つ冷熱が利用側媒体に受け渡される。熱交換器12を通過した冷媒は低圧ガス冷媒であり、逆止弁11g、四方弁11b、アキュームレータ11jを通過し、再び圧縮機11aに至る。圧縮機11aの回転数増減により冷媒の循環量が変化し、冷熱の生成量もこれに応じて増減する。
本実施の形態1では空調機を5台接続した場合を記載したが、5台でなくとも、複数台であれば良い。空調機22a〜22eと流量調整弁23a〜23eの順序は逆であっても良いし、熱交換器12とポンプ21の順序が逆でも良い。また、空気の代わりに水と熱交換させる温水器や冷水器であっても構わない。
まず、ユーザは空気調和装置1の図示しない電源スイッチを投入することにより、空気調和装置1が起動される。これにより、ポンプ流量制御手段25は、S101で熱源機11や空調機22a〜22eの起動やさまざまな初期設定を行う。次に、ポンプ流量制御手段25はS102で流量調整弁23a〜23eの初期開度、S103でポンプ21の初期回転数が設定され、S104でポンプ21が起動する。ポンプ流量制御手段25はS105で一定時間Tintが経過するまでは初期設定のまま運転を行い、一定時間Tintが経過すると次のステップへ進む。Tintは主に熱源機11の状態が安定に向う時間によって定まり、例えば10分である。次に、S106で弁開度制御手段24a〜24eが流量調整弁23a〜23eを並行して個別制御する。なお、この制御は運転中の空調機に対してのみ実施され、運転しない空調機に対応する流量調整弁23は弁開度制御手段24によって全閉もしくは全閉に近い状態に制御される。
S107からS115は、運転している空調機22aに関する制御であるが、他の運転している空調機についても同様である。弁開度制御手段24aはS107で空調機22aでユーザによって設定された目標温度aと、図示しない温度センサが検知する室内温度aより
(目標温度差a)=(室内温度a)-(目標温度a)
を演算する。次に、弁開度制御手段24aはS108で一定時間Tlが経過したか判定し、経過しない場合はS107へ戻り、経過した場合はS109へ進み目標温度差a(dTa)>0か判定する。S109での判定結果が真の場合、弁開度制御手段24aはS110で流量調整弁23aの開度を La←La-dLa に変更しS112へ進む。S109で偽の場合、弁開度制御手段24aはS112で流量調整弁23aの開度を La←La+dLa に変更しS112へ進む。なお、dLaは負の数である。
次に、弁開度制御手段24aはS112で流量調整弁23aの開度Laが最小開度Lmina以下か判定し、真の場合はS113でLaを最小開度Lminaに変更してS116へ進む。S112での判定結果が偽の場合はS114へ進み、流量調整弁23aの開度Laが最大開度Lmaxa以上か判定する。S114での判定結果が真の場合は、弁開度制御手段24aはS115で流量調整弁23aの開度Laを最大開度Lmaxaに変更してS116へ進み、S114における判定結果が偽の場合は、そのままS116へ進む。
S120での判定結果が真の場合、ポンプ流量制御手段25は、流量抵抗を減らすためにS121でポンプの回転数npを、np→np-dnpと低減させてS122へ進んだ後、ポンプの回転数の低減により能力が低下する分、流量調整弁の開度を増大させて補うためにS106へ進む。そして、最大の開度をもつ流量調整弁の開度(Lmax_i)が設定最大開度Lmax1より小さい間は、この動作を繰り返すことで、(Lmax_i)が設定最大開度Lmax1と一致するようになる。この結果、流量抵抗が最小となり、全体の能力は増大することになる。なお、dnpは回転数の調整量であり正の数である。S120での判定結果が偽の場合、ポンプ流量制御手段25はS123で(Lmax_i)が設定最大開度Lmaxより大きいか判定する。S123での判定結果が真の場合、このままでは(Lmax_i)が設定最大開度Lmaxを超えているため、制御不可能となる。そこで、ポンプ流量制御手段25は流量調整弁の開度が最大のもの(Lmax_i)を設定最大開度Lmaxに一致させるためにS124でポンプの回転数npを、np→np+dnpと増加させてS122へ進む。S123での判定結果が偽の場合はそのままS122へ進む。
なおLmax1≦Lmaxである。
次に、ポンプ流量制御手段25はS122で前回のΣQjoldに現在のΣQjを代入し、S106へ戻る。
なお、上記のLmax1に示すように、設定最大開度は、流量調整弁の設計上の上限開度である必要はなく、例えば上限開度の90%であってもよい。物理的に弁が全開、または、全閉となっていなくてもよく、弁の信頼性等を考慮して予め定めた全開、または、全閉に近い最大開度でよい。
S118での判定結果が偽の場合は空調機の運転台数が変化しており、ポンプ流量制御手段25はこれに応じでポンプ回転数npを変化させるために、S125へ進みポンプの回転数をΣQj/ΣQjoldに比例させる値とし(np→np×ΣQj/ΣQjold)、この後S122で前回のΣQjoldに現在のΣQjを代入し、S106へ戻る。
また流量調整弁の制御時間間隔と、ポンプ回転数の制御時間間隔が異なっているので、ハンチングなど制御安定性を阻害する要因を除去することができる。また、運転台数そのものでなく、Qj(能力)を基に回転数を変えることで、能力の大きい大型の室内機と、能力の小さい小型の室内機とで重み付けをすることができ、安定した制御が実現できる。
なお、図2のフローチャートにおけるdLa、dnpは固定値である必要はなく、運転状況等により変化させても良い。また、S125でΣQjに応じてポンプ回転数npを変化させるが、常に比例(np→np×ΣQj/ΣQjold)ではなく、現在のポンプ回転数npに応じて重み付けを付加しても良い(np→k(np)×np×ΣQj/ΣQjold ここで、k(np)は重み付け関数であり、k(np)は1近傍の値であるが、npに応じて変化する)。また、各室内機において、能力が不足しているかあるいは能力が余剰状態であるかの判定は、室内温度と目標温度との比較結果を基準としていたが、室内熱交換器の出入口温度差と目標温度差との比較結果を判定基準としても同様の効果が得られる。
また、本実施の形態では負荷の変動に応じて調整可能なポンプ流量を安定して実現し、熱源機11が生成した冷熱を適切に負荷側に供給することができるが、熱源機11での冷熱生成量自体は熱源機の制御、例えば熱交換器12における冷媒2の入口温度や出口温度を検知して圧縮機11aの回転数増減により冷媒の循環量を増減させることにより冷熱生成量を変化させる。このため、負荷の変化に対して熱源機の冷熱生成が追従できず、遅れる可能性がある。そこで、空調機の発停などの情報を熱源機にも伝達し、ポンプ21の回転数と同様に、熱源機11の図示しない制御手段の制御の下に圧縮機11aの回転数を増減させることにより、短時間で安定した冷熱供給が実現できる。
なお、本実施の形態は冷熱を供給する場合(冷房運転)について説明したが、温熱を供給する場合(暖房運転)についても同等の効果が得られる。この場合、四方弁11bは図中の破線で示すように接続され、室外ファン11dにより搬送される外気と冷媒が熱交換され、外気の持つ温熱が冷媒へ受け渡されて、室外熱交換器11cを出ると高温低圧のガス冷媒となる。そして、四方弁11b、アキュムレータ11jを介して、圧縮機11aに吸入され、電気入力による圧縮仕事によりさらなる温熱が冷媒へ受け渡され高温高圧のガス冷媒となる。圧縮機11aを出た冷媒は、四方弁11b、逆止弁11iを通過して熱交換器12で利用側媒体に対向流形式で熱交換され、冷媒が持つ温熱が利用側媒体に受け渡される。その後逆止弁11h、減圧弁11eを通過し、再び室外熱交換器11cへ至る。逆止弁11f〜11iにより、温熱供給(冷房運転)、温熱供給(暖房)どちらの場合であっても、熱交換器12において対向流形式で熱交換できる。また、暖房運転ではフローチャートS111、S112でのdLaは正の数である。
図3に示すように、分岐路30a〜30eの空気熱交換器22a〜22eの各々の入口側と出口側をバイパスするバイパス流路31a〜31eを設け、バイパス経路31a〜31eの一端を流量調整弁28a〜28eに接続する。この場合、流量調整弁28a〜28eとして三方弁が用いられる。三方弁の開度が小さいと、バイパス経路31a〜31eから熱交換器12へ至る経路の三方弁内流路抵抗よりも、空気熱交換器27a〜27eから熱交換器12へ至る経路の三方弁内流路抵抗の方が大きい。三方弁の開度が増加するに従い、前者の三方弁内流路抵抗は単調増加し、後者の三方弁内流路抵抗は単調減少し、流路抵抗の大小関係が逆転する。よって開度により室内機22a〜22eの流量調整が可能である。
Claims (8)
- 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
第2の媒体が循環する第2のサイクルと、を備え、
前記第1のサイクルは、温熱または冷熱を生成して前記第1の媒体に供給する熱源機と、
前記第1の媒体の温熱または冷熱を熱交換により前記第2の媒体に供給する熱交換器と、を備え、
前記第2のサイクルは、前記熱交換器と、
前記第2の媒体を駆動させるポンプと、
このポンプの流量を制御するポンプ流量制御手段と、を備え、
前記第2のサイクルの一部が複数の分岐路に分岐し、各分岐路は、
前記第2の媒体の温熱または冷熱を負荷側に供給する空調機と、
前記第2の媒体の前記空調機に流れる流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、を備え、
前記ポンプ流量制御手段は、前記複数の流量調整弁の開度のうち最大となるものを選択し、選択した流量調整弁の開度が所定の上限値となるように前記ポンプの流量を制御するとともに、前記空調機の運転台数の変化に応じて前記ポンプの流量を調節することを特徴とする空気調和装置。 - 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
第2の媒体が循環する第2のサイクルと、を備え、
前記第1のサイクルは、温熱または冷熱を生成して前記第1の媒体に供給する熱源機と、
前記第1の媒体の温熱または冷熱を熱交換により前記第2の媒体に供給する熱交換器と、を備え、
前記第2のサイクルは、前記熱交換器と、
前記第2の媒体を駆動させるポンプと、
このポンプの流量を制御するポンプ流量制御手段と、を備え、
前記第2のサイクルの一部が複数の分岐路に分岐し、各分岐路は、
前記第2の媒体の温熱または冷熱を負荷側に供給する空調機と、
前記第2の媒体の前記空調機に流れる流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、を備え、
前記ポンプ流量制御手段は、前記複数の流量調整弁の開度のうち最大となるものを選択し、前記選択した流量調整弁の開度が前記所定の上限値よりも小さい場合には、前記ポンプの流量を所定の調整量だけ低減し、
前記弁開度制御手段は、前記ポンプの流量を低減したことで発生する運転能力の低下分を補うために前記選択した流量調整弁の開度が前記所定の上限値に到達するまで前記複数の流量調整弁の開度を増大させることを特徴とする請求項1に記載の空気調和装置。 - 前記流量調整弁の制御時間間隔と、ポンプ回転数の制御時間間隔が異なることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の空気調和装置。
- 前記ポンプ流量制御手段は、前記ポンプの流量制御と同期して、前記熱源機の能力を増減させることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の空気調和装置。
- 前記流量調整弁は二方弁であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の空気調和装置。
- 前記分岐路は、前記空調機の入口と出口を接続するバイパスを備え、
前記流量調整弁が三方弁であり、一口が前記バイパスに接続されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の空気調和装置。 - 前記第2の媒体が水またはブラインであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の空気調和装置。
- 第1の媒体が循環する第1のサイクルと、
第2の媒体が循環する第2のサイクルと、を備え、
前記第1のサイクルは、温熱または冷熱を生成して前記第1の媒体に供給する熱源機と、
前記第1の媒体の温熱または冷熱を熱交換により前記第2の媒体に供給する熱交換器と、を備え、
前記第2のサイクルは、前記熱交換器と、
前記第2のサイクルの一部が複数の分岐路に分岐し、各分岐路は、
前記第2の媒体の温熱または冷熱を負荷側に供給する空調機と、
前記第2の媒体の前記空調機に流れる流量を調整する流量調整弁と、
前記流量調整弁の開度を制御する弁開度制御手段と、を備え、
前記第2の媒体は、二酸化炭素であり、
前記熱交換器は、前記第2の媒体の密度差を利用して前記第2の媒体を自然に循環させる自然循環方式において、前記第2の媒体の密度を変えることを特徴とする空気調和装置。
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