JP2013036678A - 空調装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予冷又は予暖運転と在室時の空調運転との両運転を通じて低消費電力となる空調装置を提供する。
【解決手段】冷房又は暖房により空調する空調装置において、部屋使用者の在室前に予め予冷運転又は予暖運転を実施する制御装置を備え、制御装置は、部屋使用者の在室時間幅に応じて予冷運転又は予暖運転の運転時間及び運転容量を決定し、決定した運転時間及び運転容量に従って予冷運転又は予暖運転を実施するものであり、在室時間幅が長くなるほど、運転時間を長く且つ運転容量を低く決定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置に関するものであり、特に在室前に予冷・予暖を実施する空調装置に関するものである。

この種の空調装置として、予冷・予暖運転を最小電力量で行うようにした技術がある（特許文献１参照）。特許文献１では、予暖運転実施前の室内温度の低下状況から、室内の熱漏洩係数と温度低下係数を算出し、これらの係数を基に、指定時刻に室内温度を目標温度にするための消費電力量を計時単位毎に算出し、この消費電力量が最小となる時間に空調装置を起動して予暖運転を開始するようにしていた。

特開昭６３−２９１３５号公報（請求項１）

予冷・予暖運転終了後、部屋使用者が在室の間は、室内温度を設定温度に維持する空調が継続される。このため、空調装置の省エネ運転を考慮する場合、予冷・予暖運転時だけでなく、在室時の空調運転も含めて低消費電力量となる運転が求められる。しかし、従来の装置では、予冷・予暖運転時については考慮されているものの、部屋使用者の在室時間幅については何ら考慮されていないため、予冷・予暖運転時だけでなく在室時の空調運転も含めて消費電力量を低減する省エネ運転を実施したいという要望には応えられないという問題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、予冷・予暖運転と在室時の空調運転との両運転を通じて消費電力量を低減し、省エネ運転が可能な空調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空調装置は、冷房又は暖房により空調する空調装置において、部屋使用者の在室前に予め予冷運転又は予暖運転を実施する制御装置を備え、制御装置は、部屋使用者の在室時間幅に応じて予冷運転又は予暖運転の運転時間及び運転容量を決定し、決定した運転時間及び運転容量に従って予冷運転又は予暖運転を実施するものであり、在室時間幅が長くなるほど、運転時間を長く且つ運転容量を低く決定するものである。

本発明によれば、在室時間幅に応じて予冷又は予暖運転時の運転時間及び運転容量を決定し、躯体の熱負荷を適切に処理することで、空調装置の効率的な動作が可能となり、予冷又は予暖運転時と在室時の空調運転とを合わせて消費電力量を低減することができる。

本発明の一実施の形態に係る空調装置の構成図である。 在室時間幅に応じた制御特性を示す図である。 図２の制御特性に基づいて予冷を含む空調運転を行った場合の各部の温度変化を示した図である。 本発明の一実施の形態に係る空調装置の予冷・予暖運転時の制御動作を示すフローチャートである。

図１は、本発明の一実施の形態に係る空調装置の構成図である。図１において、空調装置Ａは室内空間Ｂを空調対象とする。空調装置Ａは、室内機１と室外機２を備え、室内機１より吹き出される冷風又は温風により冷暖房を行う。

空調装置Ａは蒸気圧縮式冷凍サイクルを搭載して空調を行うものであり、室内機１には室内熱交換器５が搭載され、室外機２には圧縮機６、室外熱交換器７、膨張弁８、四方弁９が搭載され、これらの機器を冷媒配管３により環状に接続して冷凍サイクルが構成される。室内機１は、冷凍サイクルを流れる冷媒より供給される冷温熱と室内空気とを室内熱交換器５で熱交換することにより冷暖房を行う。なお、圧縮機６はインバータで駆動され、空調状況に応じて運転容量が制御される。室内機１には更に、室内熱交換器５に空気を送風する室内ファン５ａが搭載され、室外機２には、室外熱交換器７に空気を送風する室外ファン７ａが搭載されている。

また室外機２には更に、空調装置Ａの制御を行う計測制御装置１０が搭載されている。計測制御装置１０は、通信線４により室内機１と通信可能に接続されている。計測制御装置１０は、室外機２内に設けた各種温度センサ（図示せず）や、室内機１に設けた温度センサ１１などの各種センサ情報や運転情報、更には使用者の設定情報を取得できるようになっており、これらの信号と予め搭載されている制御プログラムに基づいて、空調装置Ａを制御する。また、計測制御装置１０は、室内を設定温度に維持するように各部（圧縮機６、膨張弁８）を制御する通常運転と、部屋使用者の在室前に予め室内温度を設定温度まで下げる予冷運転と、在室前に予め室内温度を設定温度まで上げる予暖運転とを行う。本実施の形態は、部屋使用者の在室時間幅に応じて予冷運転及び予暖運転を制御する点に特徴があるが、この点については後に詳述する。

次に、空調装置Ａの制御動作を説明する。まず空調装置Ａの通常運転について説明する。まず、空調装置Ａは、部屋使用者の運転開始指令により運転開始する。運転開始指令には、冷房、暖房などの運転モードも同時に設定される。そして、空調装置Ａは室内温度として室内空間Ｂの代表温度を検知する温度センサ１１の計測値が、使用者により設定された設定温度となるように運転する。その際、室内温度が設定温度近傍で安定するように、室内温度と設定温度との温度差が大きい場合、圧縮機６の容量を大きく運転し、空調装置Ａの加熱・冷却能力を大きくなるようにして設定値への収束を早めるようにする。室内温度と設定温度との温度差が小さい場合には、圧縮機６の容量を小さく運転し、空調装置Ａの加熱・冷却能力を小さくして室内が過剰に加熱・冷却されることを回避し、室内温度の安定を図る。

次に、空調装置Ａの予冷・予暖運転時の制御動作を説明する。以下、予冷運転の例で空調装置Ａの制御動作を具体的に説明する。

図２は、在室時間幅に応じた制御特性を示す図である。予冷時間幅は、空調装置Ａの冷暖房能力や室内空間Ｂの広さ、予冷開始前の室内温度と空調時の設定温度との温度差などの熱負荷の状況によって決定されるが、基本的な特性として、在室時間幅が長いほど予冷開始時刻が早くなるように予冷時間幅が長く設定され、在室時間幅が短いほど予冷開始時刻が遅くなるように予冷時間幅が短く設定される。

また、予冷開始後の空調装置Ａの運転容量であるが、こちらも在室時間幅に応じて決定され、図２に示されるように、在室時間幅が長いほど空調装置Ａの運転容量は低く、在室時間幅が短いほど空調装置Ａの運転容量は高く設定される。この運転容量は予冷運転終了後の室内温度が設定温度と同程度となることを狙って設定される。従って予冷開始時刻を設定する時間幅に概ね反比例する容量に設定される。

以上のように予冷時間幅及び運転容量を設定する理由については後述する。

図３は、図２の制御特性に基づいて予冷を含む空調運転を行った場合の各部の温度変化を示した図である。すなわち、在室時間幅に基づいて図３の特性から予冷時間幅及び運転容量を決定し、その決定した予冷時間幅及び運転容量で予冷運転を行い、その後、通常運転（室内温度を設定温度に維持する運転）を行った場合の各部の温度変化を示した図である。図３には、室内の躯体の代表温度と、室内空気温度と、冷房運転時に蒸発器として機能する室内熱交換器５の冷媒温度とが示されている。図３（ａ）は、人の在室時間幅が短い場合の温度変化、図３（ｂ）は人の在室時間幅が長い場合の温度変化である。図３（ａ）、図３（ｂ）は、在室時間幅以外の条件（室内空間Ｂの設定温度、熱負荷の状況）が同じ条件の基での温度変化を示している。

ここで、温度変化を説明するに先立って、空調装置Ａの予冷運転に基づく冷却負荷の処理状況について説明する。一般に空調が行われる場合、熱負荷としては、室内を構成する躯体など（天井や壁など。室内にある家具なども含む）の熱容量に応じた熱負荷と、室外から室内への換気や熱伝達によって侵入する熱負荷とがある。昨今では、住宅の高気密、高断熱化が進んでおり、熱負荷の絶対量としては、躯体などの熱容量に応じた熱負荷の方が大きくなっている。従って、空調装置Ａの運転としては、主に躯体の熱容量分の冷却を行う運転がなされる。

このような状況で予冷を含む空調運転を行う際、空調装置Ａ内の冷媒温度は、室内温度より所定温度低い値に維持され、その温度の冷媒と室内空気とが熱交換することにより、まず、室内空気が冷却される。そして、冷却された室内空気は、室内の躯体部分と熱交換する。それにより室内の躯体の温度が低下していく。すなわち、空気の熱容量と躯体の熱容量とを比較すると、躯体の方が１０倍以上大きいため、各部の温度変化は、図３に示すように在室時間幅が短い場合も長い場合も、室内空気がまず冷却され、続いて躯体の温度が遅れて冷却される特性となる。

次に、在室時間幅が短い場合と、在室時間幅が長い場合とを、躯体温度の低下の観点から比較すると、在室時間幅が短い場合では、予冷時間及び使用者の在室時間幅が共に短いため、トータル的な空調時間が短く、図３（ａ）に示すように躯体温度の低下幅が少ない。一方、在室時間幅が長い場合では、予冷時間及び使用者の在室時間幅が共に長いため、トータル的な空調時間が長く、図３（ｂ）に示すように躯体温度の低下幅が大きい。在室時間幅が長くなるほど躯体温度の低下幅は大きくなり、図３（ｂ）には在室時間幅が十分に長く、躯体の熱量が全て取り去られた例を示している。

また、在室時間幅が短い場合には、空調装置Ａの予冷時の運転容量を高くして運転するため、室内空気と冷媒との熱交換量が増加する。よって、室内温度が急速に低下し、躯体温度と室内温度との温度差、並びに室内温度と冷媒温度との温度差は図３（ａ）に示すように大きくなる。一方、在室時間幅が長い場合には、空調装置Ａの予冷時の運転容量を低くして運転するため、熱交換量が低下する。よって、室内温度の低下は緩やかであり、躯体温度と室内温度との温度差、並びに室内温度と冷媒温度との温度差は図３（ｂ）に示すように小さくなる。

次に、図３に示した制御特性に従って予冷時間幅及び運転容量を設定することによる空調装置Ａの運転効率及び消費電力量の低減効果について以下に説明する。

空調装置Ａが処理する熱量（冷却熱量）は、主に躯体の温度低下分である。よって、逆に言えば、躯体の温度低下分が小さいと、空調装置Ａの冷却熱量も小さいということになる。空調装置Ａの消費電力量は空調装置Ａの冷却熱量に比例するので、冷却熱量の少ない運転の方が、より消費電力量が少なく省エネの運転となる。つまり、躯体の温度低下をできるだけ少なくする運転が省エネに有効となる。なお、室内空気の温度低下分による冷却熱量は躯体の温度低下分の冷却熱量に比べて無視できる程度に小さい。

躯体の熱容量は、上述したように空気に比べて１０倍以上大きく、室内空気がまず低下し、続いて躯体の温度が遅れて低下する特性がある。よって、予冷時間幅を短くすることで躯体の温度低下幅を少なくでき、より空調装置Ａの処理熱量を少なくでき、低消費電力量の省エネ運転を実現できる。

在室時間幅が短い場合は、上述したように予冷時間を短くしているため、躯体の温度低下量は小さく、消費電力量を低減した省エネ運転を実現できる。また、在室時間幅が短い場合は運転容量を高くすることにより、室内温度を急速に低下させ、その短い予冷時間内で室内温度を設定温度まで低下させている。

また、在室中は通常制御が実施されるが、在室時間幅が短いため、その在室時間幅内での躯体の温度低下量は少ない。よって、予冷運転と通常運転の両運転を通じて空調装置Ａの消費電力量を低減できる。

また在室時間幅が長い場合は、空調時間が長くなるため、躯体に蓄熱された熱量の低下幅は大きくなる。ここでは、在室時間幅が十分に長く、この間、空調運転が継続されることにより、躯体に蓄熱された熱量が全て取り去られる場合について検討する。この場合、予冷運転と通常運転の両運転を通じて躯体に蓄熱された熱量を全て取り去る点は、予冷運転を長くしても短くしても同じであるため、空調装置Ａが処理する冷却熱量は同じである。よって、言い換えれば、予冷時間幅を長くして運転容量を低くした場合も、予冷時間幅を短くして運転容量を高くした場合も、空調装置Ａが処理する冷却熱量は同じである。冷却熱量が同じとき、予冷運転と通常運転の両運転を通じて空調装置Ａの消費電力量を低くして省エネ運転とするには、空調装置Ａの運転効率を高くすればよい。

空調運転を行う際に、被冷却媒体である躯体と冷媒との温度差が小さいほど、熱交換に伴う不可逆損失を少なくでき、装置の運転効率は高くなる。躯体と冷媒との温度差を小さくするには、図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較して明らかなように、運転容量を低くして運転した図３（ｂ）の方が、躯体と冷媒との温度差を小さくできる。

以上より、在室時間幅が長い場合は、予冷運転と通常運転の両運転を通じて結果的に躯体の熱量が全て取り去られるという前提で低消費電力とするならば、予冷時間を長くして運転容量を低くする運転の方がより高効率の運転となり、低消費電力量の省エネ運転を実現できる。

また、予冷時間が長い場合、予冷時間が短い場合に比べて躯体温度の低下量が大きい。よって、在室中に躯体から室内に放熱される熱量が少なくなる。このため、在室中の運転容量を少なくでき、この点からも省エネ運転を実現できる。

図４は、本発明の一実施の形態に係る空調装置の予冷・予暖運転時の制御動作を示すフローチャートである。以下、予冷運転を例として図４を参照して空調制御動作を説明する。
空調装置Ａは、室内空間Ｂの在室情報を入手する（ステップＳ１）。在室情報は、使用者が在室を始める時刻、使用者が在室を続ける時間幅、又は不在となる時刻が該当する。これらの時刻・時間幅などによる在室情報は、予め使用者により設定される。

次に、在室情報に基づいて空調装置Ａの運転開始時刻（予冷開始時刻）を決定する（ステップＳ２）と共に、運転容量を決定する（ステップＳ３）。空調装置Ａは、予め図２に示した制御特性を記憶しており、この制御特性とステップＳ１で入手した在室情報の在室時間幅とに基づいて予冷開始時刻及び運転容量を決定する。

そして、空調装置Ａは、決定した予冷開始時刻になると、決定した運転容量で圧縮機６を運転し、空調装置Ａの予冷運転を開始する（ステップＳ４）。空調装置Ａは、使用者が在室を始める時刻より所定時間前、例えば１０分前となるまでの間（ステップＳ５）は、予冷運転を継続する（ステップＳ６）。そして、使用者が在室を始める時刻より所定時間前となると、前述した通常運転に移行し（ステップＳ７）、室内温度を設定温度に安定させる運転を行う。

予冷運転時の運転容量は、上述したように、予冷が終了し使用者が在室を始める時点での室内温度が設定温度となることを狙って決められているが、予め決められた特性に基づいて決定されているので、状況によっては室内温度と設定温度に乖離が生じる可能性がある。そこで、使用者が在室を始める直前には、室内温度を設定温度に収束させる運転に切り換え、使用者が在室開始時に室内温度と設定温度に偏差が生じている状況を回避し、使用者の快適性を維持する。

運転制御を予冷運転から通常運転に切り換えた後は、使用者が在室後もそのまま運転を継続し（ステップＳ８）、室内温度が設定温度になる状態を維持する。そして、使用者が不在になるなどのタイミングで出される空調装置Ａの停止指令によって（ステップＳ９）、空調装置Ａの運転が停止、終了となる（ステップＳ１０）。

以上のように、本実施の形態では、室内の在室時間幅の長短に応じた躯体の熱量の処理状況を考慮し、在室時間幅が短く、躯体の熱量を全量処理しなくても済む場合は、できるだけ躯体の処理熱量を少なくするように予冷時間幅を短く、且つその予冷時間幅で室内温度を設定温度まで下げるように、予冷時間幅が長い場合に比べて高い運転容量で運転する。また、在室時間幅が長い場合には、予冷時間幅を長く、且つ運転容量を低くし、装置の運転効率を高めて運転する。

このように、在室状況に応じた制御とすることにより、どのような在室状況であっても、その在室状況に見合った制御とすることができ、予冷運転、在室時の通常運転を通じて空調装置Ａの消費電力量を低減でき、より省エネの運転を実現できる。よって、本装置が広く例えば一般家庭に提供された場合にも、その家庭での在室状況に応じた省エネ制御を実施することができる。

なお、本実施の形態では、在室情報を予め使用者が設定するとしたが、使用者が設定する方法に限られない。例えば、室内空間Ｂに存在する機器、例えば空調装置Ａや照明などの機器の使用情報、赤外線の人感センサなどによる人検知情報、室内ドアの開閉情報、など使用者の生活パターンを収集しておき、それらの少なくとも一つの情報に基づいて設定してもよい。例えば、所定期間の平均的な空調装置Ａの使用時間又は前日の空調装置Ａの使用時間が、ＡＭ８：００〜ＰＭ１０：００までの場合、在室時間を１４時間と設定すればよい。

また、本制御手法では、室内の在室時間幅情報の高精度な入手が重要となるため、対象とする室内空間Ｂに関する情報だけでなく、家庭全体の生活パターンから在室情報を設定してもよい。例えば、家全体の機器の状態を監視するＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）を別途導入し、そのシステムにて在室情報を処理させる。そして、その在室情報を空調装置Ａに伝送し、本例の予冷・予暖運転に用いるようにしてもよい。

なお、本実施の形態では予冷運転時の制御方法、動作について説明したが、予暖運転についても同様の制御を行うことで、躯体の熱量の処理を適切に行うことができ、同様の効果を得ることができる。つまり、予暖運転では、在室時間幅が長くなるほど予暖運転時間を長くすると共に、空調装置Ａの運転容量を低く運転することになる。

１ 室内機、２ 室外機、３ 冷媒配管、４ 通信線、５ 室内熱交換器、５ａ 室内ファン、６ 圧縮機、７ 室外熱交換器、７ａ 室外ファン、８ 膨張弁、９ 四方弁、１０ 計測制御装置、１１ 温度センサ、Ａ 空調装置、Ｂ 室内空間。

Claims (3)

1. 冷房又は暖房により空調する空調装置において、
   部屋使用者の在室前に予め予冷運転又は予暖運転を実施する制御装置を備え、
   前記制御装置は、部屋使用者の在室時間幅に応じて予冷運転又は予暖運転の運転時間及び運転容量を決定し、決定した前記運転時間及び前記運転容量に従って予冷運転又は予暖運転を実施するものであり、前記在室時間幅が長くなるほど、前記運転時間が長く且つ前記運転容量が低く決定することを特徴とする空調装置。
2. 前記制御装置は、室内に存在する一又は複数の機器の使用情報を収集し、収集した情報に基づいて前記在室時間幅を取得することを特徴とする請求項１記載の空調装置。
3. 前記一又は複数の機器は、空調装置、照明、人感センサ及び室内ドアの開閉装置のうちの一又は複数であることを特徴とする請求項２記載の空調装置。

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