JP2012042129A - 空調システムの総合効率演算装置および方法 - Google Patents

空調システムの総合効率演算装置および方法 Download PDF

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Abstract

【課題】空調システムの省エネ性を正しく評価する。
【解決手段】制御対象室9の室内エンタルピと制御対象室9へ供給される調和空気の給気エンタルピと制御対象室9へ供給される調和空気の供給量とから室内負荷を算出する(室内負荷=|室内エンタルピ−室外エンタルピ|×給気風量)。算出した室内負荷と熱源機(熱源機1),熱源補機(1次ポンプ2)および空調機(空調機12)でのエネルギーの使用量の合計値(1次エネルギー換算値)とに基づいて空調システムの総合効率を演算する(空調システムの総合効率=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギーの使用量+熱源補機でのエネルギーの使用量+空調機でのエネルギーの使用量))。
【選択図】 図1

Description

この発明は、室内負荷から空調システムの総合効率を演算する空調システムの総合効率演算装置および方法に関するものである。
従来より、熱源のエネルギー消費量を評価する指標として、熱源の総合効率という指標が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。この熱源の総合効率は、下記の(1)式で表される。
熱源の総合効率(ζ)=熱源で処理した熱量/(熱源エネルギー使用量+熱源補機エネルギー使用量)・・・・(1)
なお、この(1)式において、熱源機をガス式とした場合、熱源エネルギー使用量は熱源機でのガスの消費量を1次エネルギーに換算した値とされ、熱源補機エネルギー使用量は熱源機・1次ポンプ・冷却水ポンプなどでの電気の消費量を1次エネルギーに換算した値とされる。
一方、最近のオフィスビルなどでは、OA機器の増加や断熱性能の向上により、冬期でも冷風を必要とする建物が多い。そこで、冬期や中間期など、外気を利用して冷房を行うことが考えられている。図10,図11に従来の空調システムの一例を示す。図10は外気冷房を実施することができない空調システムの一例であり、図11は外気冷房を実施することが可能な空調システムの一例である。
〔外気冷房を実施することができない空調システム〕
図10において、1は冷温水を生成するガス式の熱源機(冷温水機)、2は熱源機1の冷温水の循環通路に補機として設けられた1次ポンプ、3は往ヘッダ、4は往水管路、5は熱源機1から往ヘッダ3を介し往水管路4を通して送られてくる冷温水の供給を受けるFCU(ファンコイルユニット)、6は還水管路、7はFCU5において熱交換され還水管路6を通して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、8は往ヘッダ3と還ヘッダ7とを連通させるバイパス管路、9はFCU5からの調和空気の供給を受ける制御対象室、10は制御対象室10の室内温度を計測する温度センサ、11は空調制御装置である。FCU5は冷温水コイル5−1とファン5−2と冷温水弁5−3とを備えている。
この空調システムにおいて、1次ポンプ2により圧送された還水は、熱源機1により所要の温度の冷温水とされ、往ヘッダ3へ至り、往水管路4を通してFCU5へ送られる。そして、FCU5において、熱交換され、還水管路6を通して還ヘッダ7に戻され、再び1次ポンプ2によって圧送され、以上の経路を循環する。
また、空調制御装置11は、温度センサ10からの室内温度の計測値tpvを入力とし、この室内温度の計測値tpvを設定温度tspに一致させるように、FCU5における冷温水弁5−3の開度およびファン5−2へのインバータ出力(INV出力)を制御する。すなわち、冷温水コイル5−1に供給される熱源機1からの冷温水の量およびファン5−2の回転数を制御し、制御対象室9へ供給されるFCU5からの調和空気の温度(給気温度)および調和空気の供給量(給気風量)を制御する。また、現在の負荷状況に応じて、熱源機1に対して運転モードの指示(冷/温モードの指示)および起動/停止の指示を送る。1次ポンプ2は熱源機1と連動して起動/停止する。
〔外気冷房を実施可能な空調システム〕
図11において、12は空調機、13は冷温水弁、14は外気ダンパ、15は還気ダンパ、16は空調制御装置である。空調機12は冷温水コイル12−1とファン12−2とを備えている。空調機12には、外気ダンパ14を介して外気OAが取り込まれ、還気ダンパ15を介して制御対象室9から戻される還気RAが取り込まれる。なお、図10と同一符号は図10を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
この空調システムにおいて、1次ポンプ2により圧送された還水は、熱源機1により所要の温度の冷温水とされ、往ヘッダ3へ至り、往水管路4を通して空調機12へ送られる。そして、空調機12において、熱交換され、還水管路6を通して還ヘッダ7に戻され、再び1次ポンプ2によって圧送され、以上の経路を循環する。
また、空調制御装置16は、温度センサ10からの室内温度の計測値tpvを入力とし、この室内温度の計測値tpvを設定温度tspに一致させるように、冷温水弁13の開度およびファン12−2へのインバータ出力(INV出力)を制御する。すなわち、冷温水コイル12−1に供給される熱源機1からの冷温水の量およびファン12−2の回転数を制御し、制御対象室9へ供給される空調機12からの調和空気の温度(給気温度)および調和空気の供給量(給気風量)を制御する。
また、空調制御装置16は、外気の温度toutを入力とし、外気冷房が可能であるか否かを判断する。外気冷房が可能であると判断した場合、外気ダンパ14および還気ダンパ15の開度を制御することによって、空調機12への外気と還気との混合率を調整し、冷涼な外気を利用して冷房を行う。また、現在の負荷状況に応じて、熱源機1に対して運転モードの指示(冷/温モードの指示)および起動/停止の指示を送る。1次ポンプ2は熱源機1と連動して起動/停止する。
図10,図11に示した空調システムにおいて、上述した熱源の総合効率ζは、熱源で処理した熱量をQ、熱源エネルギー使用量(熱源機1でのガスの消費量(1次エネルギー換算値))をPW1、熱源補機エネルギー使用量(熱源機1・1次ポンプ2での電気の消費量(1次エネルギー換算値))をPW2とした場合、ζ=ΣQ/Σ(PW1+PW2)として求められる。
日本建築学会学術講演梗概集(東北)、2009年8月、"ソニーシティにおける高効率熱源システム構築"、杉山浩美、「8.空調運転運用改善・実績・評価の欄」。
しかしながら、熱源の総合効率ζは、あくまでも熱源のエネルギー消費量を評価するための指標であって、空調システムの評価指標としては適さない。
例えば、外気冷房を実施することができない図10に示した空調システムでは、冬期や中間期において冷水を用いて空調を行う場合、効率よく動く外気条件で熱源機(冷熱源)1を起動するため、年間の熱源の総合効率ζが高くなる。これに対して、外気冷房を実施可能な図11に示した空調システムでは、冬期や中間期において外気冷房により空調を行う場合、熱源機(冷熱源)1が停止していることが多い。このため、冬期や中間期での外気冷房は、年間の熱源の総合効率ζには加味されず、年間の熱源の総合効率ζが低くなる。
この結果、実際は外気冷房により空調を行う空調システムの方が省エネルギー(以下、省エネと略す)を実施できているにも拘わらず、年間の熱源の総合効率ζでの評価では、外気冷房を実施することができない空調システムの方が優れていると判断されてしまう。
すなわち、熱源の総合効率ζでは、評価指標自体が機器の運転を前提としており、この評価に基づくならば、省エネ対策は機器メーカ側の効率改善・機器運用改善に偏ることになり、機器の専門知識を有さないビルオーナや居住者ができることは少ないことになる。逆に、ビルオーナや居住者が積極的に熱源機(冷熱源)を停止して外気冷房を多く利用して省エネを図ったとしても、年間の熱源の総合効率ζが低下するような評価になるので、適切な省エネ行動を促進するための妨げにもなり得る。
図12〜図16に図11に示した空調システムにおける空調機12の処理熱量(空調機処理熱量)と制御対象室9の室内負荷との関係を示す。図12は夏期における空調機処理熱量と室内負荷との関係を示し、図13は中間期で外気冷房制御がない場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を示し、図14は中間期で外気冷房制御がありかつ冷水を用いての冷却がある場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を示し、図15は中間期で外気冷房制御がありかつ冷水を用いての冷却がない場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を示し、図16は冬期における空調機処理熱量と室内負荷との関係を示している。なお、図12〜図16においては、実際にはエンタルピ表記とすべきところであるが、説明の簡略化のため、外気・給気・室内の絶対湿度が等しいとして、温度表記としている。
夏期において、空調機処理熱量は、室内負荷と外気負荷との合計値となる(図12)。中間期において、外気冷房制御がない場合、外気冷熱が少ないため、空調機処理熱量は外気冷房制御する場合と比較して多くなる(図13)。中間期において、外気冷房制御があり、かつ冷水を用いての冷却がある場合、空調機処理熱量は室内負荷から外気冷熱を差し引いた残りとなる(図14)。中間期、外気冷房制御をしない場合(図13)と、外気冷房制御をする場合(図14)とを比較すると、外気冷房制御を導入していれば、還気を遮断し、冷涼な外気を多く取り入れることで、室内負荷が同じでも、空調機処理熱量を低減できる。中間期において、外気冷房制御があり、かつ冷水を用いての冷却がない場合、空調機処理熱量は0となる(図15)。この場合、外気温度が十分低いので、コイルでの冷却なしに、空調機のダンパコントロールのみで、室内負荷を処理することができる。冬期において、空調機処理熱量は、外気温度が低く、室内を冷やし過ぎてしまう分を補うための温熱量となる。なお、図13〜図16において、室内負荷は制御対象室9の内と外との間の貫流熱により、図12の状態よりも減少する。
このように、空調機処理熱量は、室内負荷が同じでも、外気冷房制御により変動する。この例では、空調機処理熱量を軽減するための省エネ対策として外気冷房制御を行うものとしているが、外気負荷削減制御(CO2制御(ピーク時外気導入量抑制制御))、全熱熱交換器設置などの省エネ対策が行われているような場合でも、空調機処理熱量は変動する。熱源の総合効率ζでは、このような省エネ対策によって変動する空調機処理熱量を考慮していないので、すなわち省エネ対策によって削減された空調機処理熱量を考慮していないので、空調システムの省エネ性を正しく評価することができない。したがって、熱源の総合効率ζは、空調システムの評価指標としては適さない。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、空調システムの省エネ性を正しく評価することが可能な空調システムの総合効率演算装置および方法を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、少なくとも制御対象室の室内温度と制御対象室へ供給される調和空気の温度と制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから制御対象室の室内負荷を算出し、この算出した室内負荷と熱源機,熱源補機および空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて空調システムの総合効率を演算するようにしたものである。
この発明によれば、省エネ対策の有無に影響されない室内負荷が算出され、この算出された室内負荷と熱源機,熱源補機および空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて空調システムの総合効率が演算される。例えば、制御対象室の室内エンタルピと制御対象室へ供給される調和空気の給気エンタルピと制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから室内負荷を算出し、この算出した室内負荷と熱源機,熱源補機および空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて空調システムの総合効率を算出する。
本発明において、制御対象室の室内エンタルピと制御対象室へ供給される調和空気の給気エンタルピと制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから室内負荷を算出する場合、例えば、制御対象室の室内温度と室内湿度とから室内エンタルピを求め、制御対象室へ供給される調和空気の温度と湿度とから給気エンタルピを求めるようにする。なお、エンタルピの演算が困難であれば、制御対象室の室内温度を室内エンタルピの代用として用い、制御対象室へ供給される調和空気の温度を給気エンタルピの代用として用いるようにしてもよい。また、制御対象室へ供給される調和空気の供給量は、必ずしも計測値でなくてもよく、空調機の定格風量×INV出力(%)などといったような式によって演算されたものを用いるようにしてもよい。
また、空調システム内に熱源機、熱源補機、空調機、制御対象室が複数存在する場合、制御対象室毎の室内負荷を積算して空調システム内の室内負荷の合計値を算出し、この算出した室内負荷の合計値と熱源機,熱源補機および空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて空調システムの総合効率を演算するようにする。また、熱源機がガス式であるような場合、熱源機で使用されるガス消費量(1次エネルギー換算値)を熱源機でのエネルギーの使用量とし、熱源機で使用される電気の消費量(1次エネルギー換算値)は熱源補機でのエネルギーの使用量に含めるようにしてもよく、熱源機で使用されるガスの消費量(1次エネルギー換算値)と電気の使用量(1次エネルギー換算値)とを合わせたものを熱源機でのエネルギーの使用量としてもよい。
また、本発明において、空調機の概念にはFCU(ファンコイルユニット)や外調機の他、単独の熱源を備えるパッケージ型空気調和器なども含まれるものとする。また、本発明において、室内温度および室内湿度の概念には、室内からの還気の温度および湿度、室内からの排気の温度および湿度なども含まれるものとする。
本発明によれば、省エネ対策の有無に影響されない制御対象室の室内負荷を算出し、この算出した室内負荷と熱源機,熱源補機および空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて空調システムの総合効率を演算するようにしたので、省エネ対策によって削減された空調機処理熱量を考慮に入れて、空調システムの省エネ性を正しく評価することが可能となる。
本発明に係る空調システムの総合効率演算装置を用いた空調システムの一実施の形態を示す計装図である。 この空調システムにおける総合効率演算装置での1日毎の室内負荷の算出処理を示すフローチャートである。 この空調システムにおける総合効率演算装置での1日毎のエネルギーの使用量の合計値の算出処理を示すフローチャートである。 この空調システムにおける総合効率演算装置での総合効率の演算処理を示すフローチャートである。 この空調システムにおける総合効率演算装置の機能ブロック図である。 月毎の空調システムの総合効率の推移を室内負荷,1次エネルギー消費,負荷熱量の推移と合わせて示す図である。 この空調システムの変形例1を示す計装図である。 この空調システムの変形例2を示す計装図である。 この空調システムの変形例3を示す計装図である。 従来の空調システムの一例として外気冷房を実施することができない空調システムを示す計装図である。 従来の空調システムの一例として外気冷房を実施することが可能な空調システムを示す計装図である。 夏期における空調機処理熱量と室内負荷との関係を説明する図である。 中間期で外気冷房制御がない場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を説明する図である。 中間期で外気冷房制御がありかつ冷水を用いての冷却がある場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を説明する図である。 中間期で外気冷房制御がありかつ冷水を用いての冷却がない場合の空調機処理熱量と室内負荷との関係を説明する図である。 冬期における空調機処理熱量と室内負荷との関係を説明する図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る空調システムの総合効率演算装置を用いた空調システムの一実施の形態を示す計装図である。同図において、図11と同一符号は図11を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。
この空調システムにおいて、空調機12からの制御対象室9への調和空気の供給路には、その調和空気の温度(給気温度)および湿度(給気湿度)を計測する温度センサ17および湿度センサ18と、その調和空気の風量(給気風量)を計測する風量センサ19とが設けられている。また、制御対象室9には、制御対象室9の室内温度を計測する温度センサ10に加え、制御対象室9の室内湿度を計測する湿度センサ20が設けられている。
また、熱源機(ガス式の熱源機)1には、熱源機1でのガスの消費量を計測するガス消費量計量計21と、熱源機1での電気の消費量を計測する電力計22とが設けられている。また、1次ポンプ2には、この1次ポンプ2での電気の消費量を計測する電力計23が設けられており、空調機12のファン12−2には、このファン12−2での電気の消費量を計測する電力計24が設けられている。
また、この空調システムには、本発明に係る総合効率演算装置の一実施の形態として総合効率演算装置25が付設されている。この総合効率演算装置25は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として総合効率演算機能を有している。以下、図2〜図4に示すフローチャートに従って、総合効率演算装置25が有する総合効率演算機能について説明する。
〔室内負荷の算出および積算(図2)〕
総合効率演算装置25は、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み(ステップS101,S102)、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める(ステップS103)。
また、温度センサ10からの室内温度の計測値tpvおよび湿度センサ20からの室内湿度の計測値hpvを取り込み(ステップS104,S105)、この取り込んだ室内温度の計測値tpvと室内湿度の計測値hpvとから室内エンタルピEPIを求める(ステップS106)。
そして、風量センサ19からの制御対象室9への給気風量Vを取り込み(ステップS107)、この取り込んだ給気風量VとステップS103で求めた給気エンタルピEPOとステップS106で求めた室内エンタルピEPIとから、下記(2)式を用いて現在の室内負荷LRRを算出する(ステップS108)。
LRR=|EPI−EPO|×V ・・・・(2)
総合効率演算装置25は、このステップS101〜S108の処理を繰り返しながら、ステップS108で得られた現在の室内負荷LRRを積算して行き(ステップS109)、1日の室内負荷LR(LR=ΣLRR)を求める。
以下同様にして、総合効率演算装置25は、ステップS101〜S109の処理を繰り返し、1日毎の室内負荷LRを求め、メモリに記憶させて行く。
〔エネルギーの使用量の合計値の算出および積算(図3)〕
総合効率演算装置25は、ガス消費量計量計21によって計測される熱源機1でのガスの消費量(瞬時値)、電力計22によって計測される熱源機1での電気の消費量(瞬時値)、電力計23によって計測される1次ポンプ2での電気の消費量(瞬時値)、電力計23によって計測される空調機12におけるファン12−2での電気の消費量(瞬時値)を取り込む(ステップS201〜S204)。
そして、ステップS201で取り込んだ熱源機1でのガスの消費量を1次エネルギーに換算し、この換算した1次エネルギーの値を熱源機での現在のエネルギーの使用量PW1Rとする(ステップS205)。また、ステップS201で取り込んだ熱源機1での電気の消費量とステップS203で取り込んだ1次ポンプ2での電気の消費量とを加算して1次エネルギーに換算し、この換算した1次エネルギーの値を熱源補機での現在のエネルギーの使用量PW2Rとする(ステップS206)。また、ステップS204で取り込んだ空調機12におけるファン12−2での電気の消費量を1次エネルギーに換算し、この換算した1次エネルギーの値を空調機での現在のエネルギーの使用量PW3Rとする(ステップS07)。
そして、この求めた熱源機でのエネルギーの使用量PW1Rと熱源補機でのエネルギーの使用量PW2Rと空調機でのエネルギーの使用量PW3Rとを加算して、現在のエネルギーの使用量の合計値PWR(PWR=PW1R+PW2R+PW3R)を求める(ステップS208)。
総合効率演算装置25は、このステップS201〜S208の処理を繰り返しながら、ステップS208で得られた現在のエネルギーの使用量の合計値PWRを積算して行き(ステップS209)、1日のエネルギーの使用量の合計値PW(PW=ΣPWR)を求める。
以下同様にして、総合効率演算装置25は、ステップS201〜S209の処理を繰り返し、1日毎のエネルギーの使用量の合計値PWを求め、メモリに記憶させて行く。
〔空調システムの総合効率の演算(図4)〕
オペレータは、空調システムの省エネ性を評価したい場合、評価期間を指定して、総合効率演算装置25に総合効率の演算指示を与える。例えば、年間の空調システムの省エネ性を評価したい場合、評価期間を1年として、総合効率演算装置25に総合効率の演算指示を与える。この例では、評価期間を1年とする。
総合効率演算装置25は、評価期間を指定して総合効率の演算指示が与えられると(ステップS301のYES)、その指定された評価期間内の1日毎の室内負荷LRを積算する(ステップS302)。また、その指定された評価期間内の1日毎のエネルギーの使用量の合計値PWを積算する(ステップS303)。
そして、ステップS302で求めた評価期間内の1日毎の室内負荷LRの積算値(ΣLR)をステップS303で求めた評価期間内の1日毎のエネルギーの使用量の合計値PWの積算値(ΣPW)で除して、その評価期間内の空調システムの総合効率η(η=ΣLR/ΣPW)を求める(ステップS304)。そして、この求めた評価期間内の空調システムの総合効率ηを、ディスプレイに表示する(ステップS305)。
図5に上述した処理動作を行う総合効率演算装置25の機能ブロック図を示す。同図において、25Aは給気エンタルピ算出部、25Bは室内エンタルピ算出部、25Cは現在の室内負荷算出部、25Dは1日毎の室内負荷積算部、25Eは熱源機での現在のエネルギーの使用量算出部、25Fは熱源補機での現在のエネルギーの使用量算出部、25Gは空調機での現在のエネルギーの使用量算出部、25Hは現在のエネルギーの使用量の合計値算出部、25Iは1日毎のエネルギーの使用量の合計値算出部、25Jは総合効率算出部である。
この機能ブロック図において、給気エンタルピ算出部25Aは、給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。室内エンタルピ算出部25Bは、室内温度の計測値tpvと室内湿度の計測値hpvとから室内エンタルピEPIを求める。現在の室内負荷算出部25Cは、給気エンタルピ算出部25Aからの給気エンタルピEPOと、室内エンタルピ算出部25Bからの室内エンタルピEPIと、制御対象室9への給気風量Vとを入力とし、現在の室内負荷LRRをLRR=|EPI−EPO|×Vとして算出する。1日毎の室内負荷積算部25Dは、現在の室内負荷算出部25Cによって算出された現在の室内負荷LRRを積算し、1日毎の室内負荷LRを求める。
熱源機での現在のエネルギーの使用量算出部25Eは、熱源機1でのガスの消費量を1次エネルギーに換算し、熱源機での現在のエネルギーの使用量PW1Rとする。熱源補機での現在のエネルギーの使用量算出部25Fは、熱源機1での電気の消費量と1次ポンプ2での電気の消費量とを1次エネルギーに換算し、熱源補機での現在のエネルギーの使用量PW2Rとする。空調機での現在のエネルギーの使用量算出部25Gは、ファン12−2での電気の消費量を1次エネルギーに換算し、空調機での現在のエネルギーの使用量PW3Rとする。現在のエネルギーの使用量の合計値算出部25Hは、熱源機でのエネルギーの使用量PW1Rと熱源補機でのエネルギーの使用量PW2Rと空調機でのエネルギーの使用量PW3Rとを加算し、現在のエネルギーの使用量の合計値PWRを求める。1日毎のエネルギーの使用量の合計値算出部25Iは、現在のエネルギーの使用量の合計値算出部25Hで算出された現在のエネルギーの使用量の合計値PWRを積算し、1日毎のエネルギーの使用量の合計値PWを求める。
総合効率算出部25Jは、評価期間を指定して総合効率の演算指示が与えられると、その指定された評価期間内の1日毎の室内負荷LRを1日毎の室内負荷積算部25Dより取得し、また、その指定された評価期間内の1日毎のエネルギーの使用量の合計値PWを1日毎のエネルギーの使用量の合計値算出部25Iより取得し、その評価期間内の空調システムの総合効率ηをη=ΣLR/ΣPWとして求める。
なお、この実施の形態では、瞬時値から求めた1日毎のエネルギーの使用量の合計値を評価期間内で積算してΣPWを求めるようにしたが、エネルギー計量積算値から評価期間内のエネルギーの使用量の合計値ΣPWを求めるようにしてもよい。
この空調システムの総合効率ηは、従来の熱源の総合効率ζと比較し、次のような特徴がある。空調システムの総合効率ηは、η=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギー使用量+熱源補機でのエネルギー使用量+空調機でのエネルギー使用量)として得られる。この場合、エネルギーの使用量に空調機でのエネルギーの使用量が加えられているので、空調システム全体の効率が計算されるものとなる。また、「熱源で処理した熱量」ではなく、「室内負荷」を演算に用いているので、外気冷房制御によって削減された空調機処理熱量を考慮に入れて、空調システムの省エネ性を正しく評価することができるようになる。
すなわち、空調システムの総合効率ηを算出する際、分母に「使ったエネルギー」、分子に「どれだけ空調をしたか」という値を入れることで、外気冷房制御(省エネ制御)を考慮した評価を行うことが可能となる。なお、外気冷房制御だけではなく、外気負荷削減制御(CO2制御(ピーク時外気導入量抑制制御))、全熱熱交換器設置などの省エネ対策を行っているような場合でも、その省エネ対策によって削減された空調機処理熱量を考慮に入れて、空調システムの省エネ性を正しく評価することができる。
空調システムにおいて、室内負荷は、外気冷房やCO2制御といった、外気可変させるシステムにおいても、その値が変わらないため、「どれだけ空調したか?」という値には、都合がよい。本実施の形態では、この室内負荷を(|室内エンタルピ−給気エンタルピ|×給気風量)」として、給気温度,給気湿度,室内温度,室内湿度,給気風量から求めている。なお、給気風量は、必ずしも計測値でなくてもよく、空調機12の定格風量(ファン12−2の定格風量)×INV出力(%)などといったような式によって演算されたものを用いるようにしてもよい。
また、エンタルピの演算が困難であれば、制御対象室9の室内温度を室内エンタルピの代用として用い、制御対象室9へ供給される調和空気の温度(給気温度)を給気エンタルピの代用として用いるようにしてもよい。すなわち、室内温度と給気温度との温度差をエンタルピ差として代用し、この温度差によって代用されるエンタルピ差から室内負荷を求めるようにしてもよい。一般オフィスなどは、室内に水分発生源が少ないため、温度差で代用しても問題ない建物は多くある。
このようにして、本実施の形態では、空調システムの評価指標として室内負荷から総合効率ηを求めることにより、機器の停止、積極的な外気冷房の利用といった管理者・居住者の省エネ努力が反映されるものとなり、オーナや管理者が省エネ推進の効果を確認でき、管理者・居住者の省エネ意欲を推進することができるようになる。例えば、外気冷房の切り換えがユーザインタフェースで行うことができるような空調システムにおいて、積極的に居住者が外気冷房利用を優先(努力&我慢)した場合、熱源の総合効率ζには反映されないが、空調システムの総合効率ηには反映され、きちんと評価されることになる。
図6に月毎の空調システムの総合効率ηの推移を例示する。同図では、折れ線のグラフIとして、月毎の総合効率ηの推移が示されている。なお、参考として示した棒グラフIIは室内負荷、棒グラフIIIは1次エネルギー消費(エネルギーの使用量の合計値)、棒グラフIVは負荷熱量の月毎の推移を示す。総合効率ηは、外気負荷を処理しなければならない夏期では低下するが、逆に外気により空調機処理熱量を軽減できる季節には、向上する。図6では、熱源機を停止し、空調機の運転だけで空調している12月〜3月に、総合効率ηが大きく向上していることが分かる。
〔空調システムの変形例1〕
図1には空調システムの単純な例を示した。図7に図1に示した空調システムの変形例(変形例1)を示す。この空調システムの変形例1では、空調機12に加湿器(水加湿)12−3が設けられており、加湿弁26を介して水分が加湿器12−3に供給される。空調制御装置16は、湿度センサ20からの制御対象室9の室内湿度の計測値hpvを入力とし、この室内湿度の計測値hpvを室内湿度の設定値hspに一致させるように、加湿弁26を介する加湿器12−3への水分の量を制御する。
また、この空調システムでは、熱源機1に対して冷却塔27が設けられており、冷却塔27によって生成される冷却水が冷却水ポンプ28によって熱源機1に供給される。冷却塔27には冷却ファン27−1が設けられており、温度センサ29によって計測される熱源機1への冷却水の温度tcpvを設定温度tcspとするように、コントローラ30によって冷却ファン27−1の回転数が制御される。また、冷却水ポンプ28は、熱源機1が冷熱源として起動された場合に、これに連動して起動される。
この空調システムにおいて、総合効率演算装置25は、総合効率ηをη=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギー使用量+熱源補機でのエネルギー使用量+空調機でのエネルギー使用量)として求めるが、熱源補機でのエネルギー使用量には、電力計31によって計測される冷却水ポンプ28での電気の使用量(1次エネルギー換算値)と、電力計32によって計測される冷却ファン27−1での電気の使用量(1次エネルギー換算値)とが加えられる。
〔空調システムの変形例2〕
図8に制御対象室9に対して可変風量調節器(VAV)が複数設けられている例を示す。この例では、制御対象室9に対してVAV33−1〜33−3が設けられ、VAV33−1によって制御対象室9内の左側のゾーンZ1への調和空気の供給が行われ、VAV33−2によって制御対象室9内の中央のゾーンZ2への調和空気の供給が行われ、VAV33−3によって制御対象室9内の右側のゾーンZ3への調和空気の供給が行われる。
この空調システムにおいて、ゾーンZ1には温度センサ10−1が設けられており、温度センサ10−1によって計測されるゾーンZ1内の室内温度tpv1を設定温度tsp1に一致させるように、VAV33−1によってゾーンZ1への調和空気の供給量(給気風量)が制御される。ゾーンZ2には温度センサ10−2が設けられており、温度センサ10−2によって計測されるゾーンZ2内の室内温度tpv2を設定温度tsp2に一致させるように、VAV33−2によってゾーンZ2への調和空気の供給量(給気風量)が制御される。ゾーンZ3には温度センサ10−3が設けられており、温度センサ10−3によって計測されるゾーンZ3内の室内温度tpv3を設定温度tsp3に一致させるように、VAV33−3によってゾーンZ3への調和空気の供給量(給気風量)が制御される。
また、この空調システムにおいて、ゾーンZ1,Z2,Z3への調和空気の供給路には、ゾーンZ1,Z2,Z3への調和空気の供給量を給気風量V1,V2,V3として各個に計測する風量センサ19−1,19−2,19−3が設けられている。また、制御対象室9からの空調機12への還気通路には、制御対象室9からの還気RAの湿度(還気湿度)を計測する湿度センサ34が設けられている。
この空調システムにおいて、総合効率演算装置25は、総合効率ηをη=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギー使用量+熱源補機でのエネルギー使用量+空調機でのエネルギー使用量)として求めるが、この時の室内負荷は、VAV33−1の担当エリアであるゾーンZ1の室内負荷LR1と,VAV33−2の担当エリアであるゾーンZ2の室内負荷LR2と,VAV32−3の担当エリアであるゾーンZ3の室内負荷LR3との加算値とする。
〔室内負荷LR1の算出〕
総合効率演算装置25において、VAV33−1の担当エリアであるゾーンZ1の室内負荷LR1の算出は、第1の室内負荷算出部25−1において行う。この場合、第1の室内負荷算出部25−1は、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ10−1からの室内温度の計測値tpv1および湿度センサ34からの還気湿度の計測値hrpvを取り込み、この取り込んだ室内温度の計測値tpv1と還気湿度の計測値hrpvとからゾーンZ1における室内エンタルピEP1Iを求める。そして、風量センサ19−1からのゾーンZ1への給気風量V1を取り込み、LR1=|EP1I−EPO|×V1としてゾーンZ1の室内負荷LR1を求める。
〔室内負荷LR2の算出〕
総合効率演算装置25において、VAV33−2の担当エリアであるゾーンZ2の室内負荷LR2の算出は、第2の室内負荷算出部25−2において行う。この場合、第2の室内負荷算出部25−2は、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ10−2からの室内温度の計測値tpv2および湿度センサ34からの還気湿度の計測値hrpvを取り込み、この取り込んだ室内温度の計測値tpv2と還気湿度の計測値hrpvとからゾーンZ2における室内エンタルピEP2Iを求める。そして、風量センサ19−2からのゾーンZ2への給気風量V2を取り込み、LR2=|EP2I−EPO|×V2としてゾーンZ2の室内負荷LR2を求める。
〔室内負荷LR3の算出〕
総合効率演算装置25において、VAV33−3の担当エリアであるゾーンZ3の室内負荷LR3の算出は、第3の室内負荷算出部25−3において行う。この場合、第3の室内負荷算出部25−3は、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ10−3からの室内温度の計測値tpv3および湿度センサ34からの還気湿度の計測値hrpvを取り込み、この取り込んだ室内温度の計測値tpv3と還気湿度の計測値hrpvとからゾーンZ3における室内エンタルピEP3Iを求める。そして、風量センサ19−3からのゾーンZ3への給気風量V3を取り込み、LR3=|EP3I−EPO|×V3としてゾーンZ3の室内負荷LR3を求める。
〔空調システムの変形例3〕
図9に制御対象室9に対して空調機が複数設けられている例を示す。この例では、制御対象室9に対して、空調機としてFCU5LとFCU5Rと外調機35とが設けられている。FCU5Lは制御対象室9の左側のゾーンZLに対して設けられており、FCU5Rは制御対象室9の右側のゾーンZRに対して設けられている。外調機35は制御対象室9の全体に対して設けられている。
この空調システムにおいて、ゾーンZLには温度センサ10Lが設けられており、温度センサ10Lによって計測されるゾーンZL内の室内温度tLpvを設定温度tLspに一致させるように、FCU5LからのゾーンZLへの調和空気の温度および風量(給気風量)が制御される。ゾーンZRには温度センサ10Rが設けられており、温度センサ10Rによって計測されるゾーンZR内の室内温度tRpvを設定温度tRspに一致させるように、FCU5RからのゾーンZRへの調和空気の温度および風量(給気風量)が制御される。
また、この空調システムにおいて、ゾーンZL,ZRへの調和空気の供給路には、ゾーンZL,ZRへの調和空気の供給量を給気風量VL,VRとして各個に計測する風量センサ19L,19Rが設けられている。また、制御対象室9からの外調機35からの調和空気の供給路には、制御対象室9への調和空気の温度および湿度を計測する温度センサ17および湿度センサ18と、その調和空気の風量を給気風量Vとして計測する風量センサ19とが設けられている。また、制御対象室9からの排気通路には、制御対象室9から排出される排気EXの温度(排気温度)および湿度(排気湿度)を計測する温度センサ36および湿度センサ37が設けられている。
なお、外調機35は冷温水コイル35−1とファン35−2とを備え、外気ダンパ14を介して外気OAを取り入れて、制御対象室9へ供給する外気の温度を調整する。本実施の形態では、この外調機35によって温度調整された外気OAも調和空気と呼ぶ。
また、外調機35には、ファン35−2での電気の消費量を計測する電力計38が設けられている。また、FCU5L,5Rは冷温水コイル5L1,5R1とファン5L2,5R2とを備えており、ファン5L2,5R2での電気の消費量を計測する電力計39L,39Rが設けられている。
この空調システムにおいて、総合効率演算装置25は、総合効率ηをη=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギー使用量+熱源補機でのエネルギー使用量+空調機でのエネルギー使用量)として求めるが、この時の室内負荷は、FCU5Lの担当エリアであるゾーンZLの室内負荷LRLとFCU5Rの担当エリアであるゾーンZRの室内負荷LRRと外調機35の担当エリアである制御対象室9全体の室内負荷LRLRとの加算値とする。
〔室内負荷LRLの算出〕
総合効率演算装置25において、FCU5Lの担当エリアであるゾーンZLの室内負荷LRLは、第1の室内負荷算出部25Lにおいて行う。この場合、第1の室内負荷算出部25Lは、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ10Lからの室内温度の計測値tLpvおよび湿度センサ37からの排気湿度の計測値hepvを取り込み、この取り込んだ室内温度の計測値tLpvと排気湿度の計測値hepvとからゾーンZLにおける室内エンタルピEPLIを求める。そして、風量センサ19LからのゾーンZLへの給気風量VLを取り込み、LRL=|EPLI−EPO|×VLとしてゾーンZLの室内負荷LRLを求める。
〔室内負荷LRRの算出〕
総合効率演算装置25において、FCU5Rの担当エリアであるゾーンZRの室内負荷LRRは、第2の室内負荷算出部25Rにおいて行う。この場合、第2の室内負荷算出部25Rは、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ10Rからの室内温度の計測値tRpvおよび湿度センサ37からの排気湿度の計測値hepvを取り込み、この取り込んだ室内温度の計測値tRpvと排気湿度の計測値hepvとからゾーンZRにおける室内エンタルピEPRIを求める。そして、風量センサ19RからのゾーンZRへの給気風量VRを取り込み、LRR=|EPRI−EPO|×VRとしてゾーンZRの室内負荷LRRを求める。
〔室内負荷LRLRの算出〕
総合効率演算装置25において、外調機35が担当する制御対象室9全体の室内負荷LRLRは、第3の室内負荷算出部25LRにおいて行う。この場合、第3の室内負荷算出部25LRは、温度センサ17からの給気温度の計測値tspvおよび湿度センサ18からの給気湿度の計測値hspvを取り込み、この取り込んだ給気温度の計測値tspvと給気湿度の計測値hspvとから給気エンタルピEPOを求める。また、温度センサ36からの排気温度の計測値tepvおよび湿度センサ37からの排気湿度の計測値hepvを取り込み、この取り込んだ排気温度の計測値tepvと排気湿度の計測値hepvとから制御対象室9全体における室内エンタルピEPIを求める。そして、風量センサ19からの制御対象室9への給気風量Vを取り込み、LRLR=|EPI−EPO|×Vとして制御対象室9全体の室内負荷LRLRを求める。
また、この空調システムにおいて、総合効率演算装置25は、総合効率ηをη=Σ室内負荷/Σ(熱源機でのエネルギー使用量+熱源補機でのエネルギー使用量+空調機でのエネルギー使用量)として求めるが、熱源補機でのエネルギー使用量には、電力計38によって計測される外調機35のファン35−2での電気の使用量(1次エネルギー換算値)と、電力計39L,39Rによって計測されるFCU5L,5Rにおけるファン5L2,5R2での電気の使用量(1次エネルギー換算値)とを加える。
なお、図9において、冷温水コイルを備えたFCU5L,5Rに代えて、単独の熱源を備えるパッケージ型空気調和器を設けるものとしてもよい。このようなパッケージ型空気調和器を設けた空調システムでは、そのパッケージ型空気調和器の熱源での電気の使用量を、総合効率ηを算出する際の熱源機でのエネルギー使用量に加えるようにする。
また、上述した実施の形態では、説明を簡単とするために空調システムを、図1や図7に示すようなタイプ(Aタイプ)と、図8に示すようなタイプ(Bタイプ)と、図9に示すようなタイプ(Cタイプ)とに分けて説明したが、高層ビルなどで採用されるセントラル空調システムなどではAタイプ,Bタイプ,Cタイプなど各種のタイプが混在する。このような空調システムでは、建物全体の室内負荷を計算するために、各VAV・各空調機・各外調機・各FCUなど、負荷側の機器すべてで室内負荷を求めて、積算するようにする。また、実際の空調システムには熱源機も複数設けられ、熱源補機や空調機でのエネルギーの使用量を求める場合と同様にして、熱源機すべてでエネルギーの使用量を求めて、積算するようにする。
また、上述した実施の形態では、熱源機1で使用されるガス消費量(1次エネルギー換算値)を熱源機1でのエネルギーの使用量とし、熱源機1で使用される電気の消費量(1次エネルギー換算値)を熱源補機でのエネルギーの使用量に含めるようにしたが、熱源機1で使用されるガスの消費量(1次エネルギー換算値)と電気の使用量(1次エネルギー換算値)とを合わせたものを熱源機1でのエネルギーの使用量としてもよい。また、上述した実施の形態では、熱源機1としてガス式の熱源機を用いるものとしたが、電気式の熱源機を用いるようにしてもよい。電気式の熱源機の場合、その熱源機で使用される電気の消費量(1次エネルギー換算値)が熱源機でのエネルギーの使用量となる。
また、上述した実施の形態では、総合効率演算装置25において、室内負荷の演算を行うようにしたが、空調制御装置16で室内負荷の演算を行うようにし、その演算した室内負荷を総合効率演算装置25へ送るようにしてもよい。この場合、総合効率演算装置25での機能の一部が空調制御装置16に分担された形となり、総合効率演算装置25と空調制御装置16とで本発明でいう総合効率演算装置が構成されるものとなる。
本発明の空調システムの総合効率演算装置および方法は、室内負荷から空調システムの総合効率を演算する空調システムの総合効率演算装置および方法として、セントラル空調システムなど各種の空調システムに利用することが可能である。
1…熱源機(冷温水機)、2…1次ポンプ、3…往ヘッダ、4…往水管路、5,5L,5R…FCU(ファンコイルユニット)、5−1,5L1,5R1…冷温水コイル、5−2,5L2,5R2…ファン、5−3…冷温水弁、6…還水管路、7…還ヘッダ、8…バイパス管路、9…制御対象室、10,10−1〜10−3,10L,10R…温度センサ、12…空調機、12−1…冷温水コイル、12−2…ファン、12−3…加湿器、13…冷温水弁、14…外気ダンパ、15…還気ダンパ、16…空調制御装置、17…温度センサ、18…湿度センサ、19,19−1〜19−3,19L,19R…風量センサ、20…湿度センサ、21…ガス消費量計量計、22,23,24…電力計、25…総合効率演算装置、25−1,25L…第1の室内負荷算出部、25−2,25R…第2の室内負荷算出部、25−3,25LR…第3の室内負荷算出部、25A…給気エンタルピ算出部、25B…室内エンタルピ算出部、25C…現在の室内負荷算出部、25D…1日毎の室内負荷積算部、25E…熱源機での現在のエネルギーの使用量算出部、25F…熱源補機での現在のエネルギーの使用量算出部、25G…空調機での現在のエネルギーの使用量算出部、25H…現在のエネルギーの使用量の合計値算出部、25I…1日毎のエネルギーの使用量の合計値算出部、25J…総合効率算出部、26…加湿弁、27…冷却塔、27−1…冷却ファン、28…冷却水ポンプ、29…温度センサ、30…コントローラ、31,32…電力計、33−1,33−2,33−3…可変風量調節器(VAV)、34…湿度センサ、35…外調機、35−1…冷温水コイル、35−2…ファン、36…温度センサ、37…湿度センサ、38,39L,39R…電力計、Z1〜Z3,ZL,ZR…ゾーン。

Claims (10)

  1. 冷温水を生成する熱源機と、この熱源機に対して補機として設けられた熱源補機と、前記熱源機からの冷温水の供給を受けて制御対象室に調和空気を供給する空調機とを備えた空調システムに用いられ、この空調システムの評価指標として総合効率を演算する空調システムの総合効率演算装置であって、
    少なくとも前記制御対象室の室内温度と前記制御対象室へ供給される調和空気の温度と前記制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから前記制御対象室の室内負荷を算出する室内負荷算出手段と、
    前記室内負荷算出手段によって算出された室内負荷と前記熱源機,前記熱源補機および前記空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて前記空調システムの総合効率を演算する総合効率演算手段と
    を備えることを特徴とする空調システムの総合効率演算装置。
  2. 請求項1に記載された空調システムの総合効率演算装置において、
    前記室内負荷算出手段は、
    前記制御対象室の室内エンタルピと前記制御対象室へ供給される調和空気の給気エンタルピと前記制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから前記制御対象室の室内負荷を算出する
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算装置。
  3. 請求項2に記載された空調システムの総合効率演算装置において、
    前記室内負荷算出手段は、
    前記制御対象室の室内温度と室内湿度とから前記室内エンタルピを求め、前記制御対象室へ供給される調和空気の温度と湿度とから前記給気エンタルピを求める
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算装置。
  4. 請求項2に記載された空調システムの総合効率演算装置において、
    前記室内負荷算出手段は、
    前記制御対象室の室内温度を前記室内エンタルピの代用として用い、前記制御対象室へ供給される調和空気の温度を前記給気エンタルピの代用として用いる
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算装置。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載された空調システムの総合効率演算装置において、
    前記空調システム内に前記熱源機、前記熱源補機、前記空調機、前記制御対象室が複数存在する場合、
    前記室内負荷算出手段は、
    前記制御対象室毎の室内負荷を積算して前記空調システム内の室内負荷の合計値を算出し、
    前記総合効率演算手段は、
    前記室内負荷算出手段によって算出された室内負荷の合計値と前記熱源機,前記熱源補機および前記空調機でのエネルギーの使用量の合計値とに基づいて前記空調システムの総合効率を演算する
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算装置。
  6. 冷温水を生成する熱源機と、この熱源機に対して補機として設けられた熱源補機と、前記熱源機からの冷温水の供給を受けて制御対象室に調和空気を供給する空調機とを備えた空調システムに適用され、この空調システムの評価指標として総合効率を演算する空調システムの総合効率演算方法であって、
    少なくとも前記制御対象室の室内温度と前記制御対象室へ供給される調和空気の温度と前記制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから前記制御対象室の室内負荷を算出する室内負荷算出ステップと、
    前記室内負荷算出ステップによって算出された室内負荷と前記熱源機,前記熱源補機および前記空調機で使用されたエネルギーの使用量の合計値とに基づいて前記空調システムの総合効率を演算する総合効率演算ステップと
    を備えることを特徴とする空調システムの総合効率演算方法。
  7. 請求項6に記載された空調システムの総合効率演算方法において、
    前記室内負荷算出ステップは、
    前記制御対象室の室内エンタルピと前記制御対象室へ供給される調和空気の給気エンタルピと前記制御対象室へ供給される調和空気の供給量とから前記制御対象室の室内負荷を算出する
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算方法。
  8. 請求項7に記載された空調システムの総合効率演算方法において、
    前記室内負荷算出ステップは、
    前記制御対象室の室内温度と室内湿度とから前記室内エンタルピを求め、前記制御対象室へ供給される調和空気の温度と湿度とから前記給気エンタルピを求める
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算方法。
  9. 請求項7に記載された空調システムの総合効率演算方法において、
    前記室内負荷算出ステップは、
    前記制御対象室の室内温度を前記室内エンタルピの代用として用い、前記制御対象室へ供給される調和空気の温度を前記給気エンタルピの代用として用いる
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算方法。
  10. 請求項6〜9の何れか1項に記載された空調システムの総合効率演算方法において、
    前記空調システム内に前記熱源機、前記熱源補機、前記空調機、前記制御対象室が複数存在する場合、
    前記室内負荷算出ステップは、
    前記制御対象室毎の室内負荷を積算して前記空調システム内の室内負荷の合計値を算出し、
    前記総合効率演算ステップは、
    前記室内負荷算出ステップによって算出された室内負荷の合計値と前記熱源機,前記熱源補機および前記空調機で使用されたエネルギーの使用量の合計値とに基づいて前記空調システムの総合効率を演算する
    ことを特徴とする空調システムの総合効率演算方法。
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