JP2016085013A

JP2016085013A - 空気調和システム

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Publication number: JP2016085013A
Application number: JP2014219819A
Authority: JP
Inventors: 木村　恵一; Keiichi Kimura; 恵一木村; 森田　満津雄; Matsuo Morita; 満津雄森田; 浦野　勝博; Katsuhiro Urano; 勝博浦野; 後藤　和也; Kazuya Goto; 和也後藤
Original assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Current assignee: Kimura Kohki Co Ltd
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: US20160123638A1; MY178472A; CN105571023A; CN105571023B; JP5869648B1; CN205014533U; KR20160051596A

Abstract

【課題】省エネ性と快適性を両立できる空気調和システムを得る。
【解決手段】空調機１と、熱交換用水の温度を調整し切換信号によって低エクセルギーの第１設定水温と高エクセルギーの第２設定水温とに熱交換用水の温度を切換える熱源装置２と、制御装置５と、を備える。空調機１が、熱交換用水が流れる熱交換器３と、熱交換器３に流れる熱交換用水の水量を増減して熱交換器３を流れる前と流れた後の熱交換用水の水温度差と空調用空気の給気温度とを調整する水量調整弁６と、を備える。制御装置５が、屋内温度が設定屋内温度の場合は第１設定水温への切換信号を出力しかつ熱交換用水の水温度差が設定水温度差になるように制御すると共に屋内温度が設定屋内温度外の場合は第２設定水温への切換信号を出力しかつ給気温度が設定給気温度になるように制御する切換制御部１３を、備える。
【選択図】図１

Description

本発明は空気調和システムに関するものである。

熱交換用水を空調エネルギーとして用いる空気調和システムは、熱交換用水の温度を調整する熱源装置と、熱交換用水が流れる熱交換器で空調用空気の給気温度を調整して屋内の空調を行う空調機と、空調機および熱源装置に熱交換用水を循環させる水循環機器などにて構成している。

特開２０１３−５３８３６号公報

熱源装置にはヒートポンプ式チラーや吸収式冷凍機などがあり、空調機の熱交換器で空調用空気に対して吸熱または放熱して設定水温から外れた熱交換用水を、熱源装置で冷却または加熱することで設定水温に調整している。そのため、熱交換用水が冷水の場合は設定水温が高くなるほど熱源装置のエネルギー消費量が減り、熱交換用水が温水の場合は設定水温が低くなるほど熱源装置のエネルギー消費量が減る。この設定水温は空調負荷が最大のときを基準にして常時一定になるようにしているため、屋内温度が設定屋内温度で安定しているときや中間期などのように空調負荷が小さくなると無駄にエネルギーを消費する。しかも、年間を通して考えると空調負荷が最大でない時間が大半であるため、浪費する熱源装置のエネルギー消費量が膨大になる問題があった。

本発明は上記課題を解決するため、空調用空気の給気温度を熱交換用水で調整すると共に前記空調用空気を屋内へ送風することで空調する空調機と、前記熱交換用水の温度を調整すると共に切換信号によって予め設定した低エクセルギーの第１設定水温と予め設定した高エクセルギーの第２設定水温とに前記熱交換用水の温度を切換える熱源装置と、制御装置と、を備え、前記空調機が、前記熱交換用水が流れる熱交換器と、前記熱交換器に流れる前記熱交換用水の水量を増減して前記熱交換器を流れる前と流れた後の前記熱交換用水の水温度差と前記空調用空気の前記給気温度とを調整する水量調整弁と、を備え、前記制御装置が、屋内温度が予め設定した設定屋内温度の場合は前記第１設定水温への切換信号を出力しかつ前記水量調整弁を操作して前記熱交換用水の前記水温度差が予め設定した設定水温度差になるように制御すると共に前記屋内温度が前記設定屋内温度外の場合は前記第２設定水温への切換信号を出力しかつ前記水量調整弁を操作して前記給気温度が予め設定した設定給気温度になるように制御する切換制御部を、備えたことを最も主要な特徴とする。

請求項１の発明によれば、
屋内温度が設定屋内温度となって空調負荷が小さくなる場合などにおいて、熱交換用水を低エクセルギーの第１設定水温として熱源装置のエネルギー消費量を大幅削減できる。このエクセルギーとは「ある系が周囲と平衡状態に達するまでに取り出すことのできる最大の仕事量（エネルギー）のこと」であり、水温を比較した場合、熱交換用水が冷水の場合は第１設定水温＞第２設定水温、熱交換用水が温水の場合は第１設定水温＜第２設定水温となるので、熱源装置のエネルギーの浪費を大幅削減できる。
同時に、熱交換器を流れる前と流れた後の熱交換用水の水温度差を制御して一定（設定水温度差）にすることで、熱源装置による熱交換用水への急冷却や急加熱などの繰り返しを防止してエネルギー浪費を削減することができ、かつ、設定水温度差を通常より倍以上（例えば５℃から１０℃）に大きくすることで、熱交換器を流れる熱交換用水の水量を半分以下にして熱交換用水の送水エネルギー消費量の大幅削減も図れる。
また、屋内温度が設定屋内温度外となって空調負荷が大きくなる場合などにおいて、熱交換用水を高エクセルギーの第２設定水温とすることで、大能力で効率良く屋内温度変動を最小限に抑えながら迅速に設定屋内温度にして安定性と快適性に優れた空調ができ、かつ、給気温度を制御して通常よりも給気風量が少なくなる設定給気温度（例えば冷房時１３℃）にすることで、送風エネルギー消費量の大幅削減も図れる。

請求項２の発明によれば、
屋内温度が設定屋内温度となってから設定時間（例えば３０分以上）を過ぎても設定屋内温度許容範囲にあれば頻繁な空調負荷変動が無いとみなせるため、熱交換用水の温度切換が頻発するチャタリングを引き起こすような切換信号の出力を簡易に防止でき、熱源装置の信頼性と耐久性が向上する。
かつ、熱源装置の熱交換用水の温度切換にともなう空調能力の過大な変動（過冷却や過加熱）を、設定屋内温度許容範囲を設けることで緩和して、屋内温度のオーバーシュート・アンダーシュートを簡易に抑制でき、安定性と快適性に優れた空調を行える。

請求項３の発明によれば、
熱源装置のエネルギー消費量を削減するために熱交換用水が冷水の場合は第１設定水温を９〜１１℃かつ第２設定水温を６〜８℃に設定するのが最適で、同様に熱交換用水が温水の場合は熱交換用水の第１設定水温を３４〜３６℃かつ第２設定水温を３９〜４１℃に設定するのが最適となる。屋内温度が設定屋内温度の場合に熱交換器を流れる前と流れた後の熱交換用水の設定水温度差は、送水エネルギー及び熱源装置のエネルギー消費量を削減するために９〜１１℃に設定するのが最適となる。

請求項４の発明によれば、
１つの熱交換器で冷房と暖房を自由に切換えでき、冷房専用と暖房専用の２つの熱交換器を空調機に設けて使用する場合と比べて、送風動力を削減できて省エネとなり、空調機がコンパクト化となる。中間期などの低負荷時に、冷やし過ぎ温め過ぎを無くし、快適性を確実に保障することができる。

請求項５の発明によれば、
通風抵抗が小さくて圧力損失が減少し、かつ、熱交換器と空調用空気との接触面積（伝熱面積)が増して、一層熱交換効率が良好となり省エネ性が向上する。

図１は、本発明の空気調和システムの一実施例を示しており、この空気調和システムは、空調用空気を熱交換用水で冷却又は加熱してその給気温度を調整すると共に空調用空気を屋内へ送風することで空調する空調機１と、熱交換用水の温度を調整すると共に切換信号によって予め設定した低エクセルギーの第１設定水温と予め設定した高エクセルギーの第２設定水温とに熱交換用水の温度を切換えるヒートポンプ式チラー等の熱源装置２と、熱交換用水を熱源装置２と空調機１の熱交換器３との間で循環させる水循環機器４と、制御装置５と、を備えている。

空調機１は、ケーシング内に、熱交換用水が流れる１つの熱交換器３と、熱交換器３に流れる熱交換用水の水量を増減して熱交換器３を流れる前と流れた後の熱交換用水の水温度差と空調用空気の給気温度とを調整する比例式の水量調整弁６と、空調用空気をケーシング内に取入れて熱交換器３を介してケーシング外へ送風するファン７と、を少なくとも備えている。熱交換器３で熱交換された空調用空気は冷風又は温風となって、図示省略のダクトや吹出口を介して、屋内の被空調空間に給気される。なお、図例では省略したが加湿器やフィルタをケーシング内に設けたり、水量調整弁６をケーシング外に設けるも自由である。

熱交換器３は、プレートフィンコイルと呼ばれるもので詳細な図示は省略するが、通風自在に設けられた多数の伝熱板に多数の伝熱管を挿着して成り、伝熱管内を流れる熱交換用水と熱交換器３を通過する空調用空気が伝熱管及び伝熱板を介して熱交換する。この伝熱管は楕円管にするのが好ましいが円形管でもよい。

熱源装置２は、空調用空気に対して空調機１の熱交換器３で吸熱または放熱して設定水温から外れた熱交換用水を冷却または加熱することで設定水温に調整すると共に、冷水の熱交換用水の温度調整と温水の熱交換用水の温度調整を同時に行う。水循環機器４は、冷水の熱交換用水が流れる冷水循環路８と、温水の熱交換用水が流れる温水循環路９と、冷水循環路８と温水循環路９と熱交換器３とを連結すると共に熱交換器３を流れる熱交換用水を冷水と温水に切換える水循環路切換機構１０と、送水ポンプ１１と、を備え、これらを配管接続して構成する。

水循環路切換機構１０は、第１の三方切換弁１２ａを介して冷水循環路８の冷水往部と温水循環路９の温水往部と熱交換器３を連結すると共に、第２の三方切換弁１２ｂを介して冷水循環路８の冷水復部と温水循環路９の温水復部と熱交換器３を連結して構成する。なお、図例では複数の空調機１に対して１つの水循環路切換機構１０を設けているが、水循環路切換機構１０を各々の空調機１毎に設けてもよい。さらに、熱交換用水の循環路は冷水と温水を同時に流す４管式を示したが、冷水と温水を切換えて流す２管式とするも自由である。

制御装置５は、図示省略の熱交換用水の往復温度検出器、屋内温度検出器及び給気温度検出器と、屋内温度が予め設定した設定屋内温度の場合は第１設定水温への切換信号を出力しかつ水量調整弁６を操作して熱交換用水の水温度差が予め設定した設定水温度差になるように制御すると共に屋内温度が設定屋内温度外の場合は第２設定水温への切換信号を出力しかつ水量調整弁６を操作して給気温度が予め設定した設定給気温度になるように制御する切換制御部１３と、屋内温度が予め設定された設定屋内温度許容範囲を外れた場合は第２設定水温への切換信号を出力すると共に屋内温度が設定屋内温度に到達して予め設定した設定時間経過後に屋内温度が設定屋内温度許容範囲を維持している場合は第１設定水温への切換信号を出力する緩衝制御部１４と、設定部１５と、を備えている。これらは、センサやマイコン等にて構成する。

熱交換用水が冷水の場合は第１設定水温を９〜１１℃かつ第２設定水温を６〜８℃とし、熱交換用水が温水の場合は熱交換用水の第１設定水温を３４〜３６℃かつ第２設定水温を３９〜４１℃とする。屋内温度が予め設定した設定屋内温度の場合に熱交換器３を流れる前と流れた後の熱交換用水の設定水温度差は９〜１１℃とする。設定給気温度は１３〜１６℃とし、設定時間は２０〜４０分とし、設定屋内温度許容範囲は、熱交換用水が冷水のときが設定屋内温度からプラス１〜２℃までとし、熱交換用水が温水のときが設定屋内温度からマイナス１〜２℃までとする。上述の設定値は設定部１５にて予め設定する。

図２は空調運転の一例を示し、空調運転開始後、第２設定水温への切換信号を出力し、屋内温度が設定屋内温度の場合は経過時間をゼロリセットして経過時間の計測を開始する。その経過時間が設定時間を超えていれば第１設定水温への切換信号を出力し、超えていなければ水温度差が設定水温度差になるように水量調整弁６で制御し、屋内温度が設定屋内温度許容範囲を外れるまで繰り返す。屋内温度が設定屋内温度許容範囲を外れた場合は第２設定水温への切換信号を出力し、空調運転開始後の第２設定水温切換信号出力から以後の処理を、空調運転を停止するまで繰り返す。なお、上述の空調運転は一例であって、その順序や処理内容の変更は自由である。

本発明は上述の実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更自由で、たとえば、空調機１に取入れる空調用空気は外気（屋外空気）、還気（屋内空気）、外気と還気の混合空気の何れであっても良く、空調機１の数の増減は自由である。また、図例では単独の制御装置５で複数の空調機１を一括して制御する例を示したが、制御装置５を各々の空調機１毎に設けて個々に制御するも自由である。

本発明の空気調和システムの全体構成を示す簡略説明図である。空調運転の一例を示すフローチャートである。

１空調機
２熱源装置
３熱交換器
４水循環機器
５制御装置
６水量調整弁
８冷水循環路
９温水循環路
１０水循環路切換機構
１３切換制御部
１４緩衝制御部

制御装置５は、図示省略の熱交換用水の往復温度検出器、屋内温度検出器及び給気温度検出器と、屋内温度が予め設定した設定屋内温度の場合は第１設定水温への切換信号を出力しかつ水量調整弁６を操作して熱交換用水の水温度差のみが予め設定した設定水温度差になるように制御すると共に屋内温度が設定屋内温度外の場合は第２設定水温への切換信号を出力しかつ水量調整弁６を操作して空調用空気の給気温度のみが予め設定した設定給気温度になるように制御する切換制御部１３と、屋内温度が予め設定された設定屋内温度許容範囲を外れた場合は第２設定水温への切換信号を出力すると共に屋内温度が設定屋内温度に到達して予め設定した設定時間経過後に屋内温度が設定屋内温度許容範囲を維持している場合は第１設定水温への切換信号を出力する緩衝制御部１４と、設定部１５と、を備えている。これらは、センサやマイコン等にて構成する。

Claims

空調用空気の給気温度を熱交換用水で調整すると共に前記空調用空気を屋内へ送風することで空調する空調機（１）と、前記熱交換用水の温度を調整すると共に切換信号によって予め設定した低エクセルギーの第１設定水温と予め設定した高エクセルギーの第２設定水温とに前記熱交換用水の温度を切換える熱源装置（２）と、制御装置（５）と、を備え、
前記空調機（１）が、前記熱交換用水が流れる熱交換器（３）と、前記熱交換器（３）に流れる前記熱交換用水の水量を増減して前記熱交換器（３）を流れる前と流れた後の前記熱交換用水の水温度差と前記空調用空気の前記給気温度とを調整する水量調整弁（６）と、を備え、
前記制御装置（５）が、屋内温度が予め設定した設定屋内温度の場合は前記第１設定水温への切換信号を出力しかつ前記水量調整弁（６）を操作して前記熱交換用水の前記水温度差が予め設定した設定水温度差になるように制御すると共に前記屋内温度が前記設定屋内温度外の場合は前記第２設定水温への切換信号を出力しかつ前記水量調整弁（６）を操作して前記給気温度が予め設定した設定給気温度になるように制御する切換制御部（１３）を、備えたことを特徴とする空気調和システム。
制御装置（５）が、屋内温度が予め設定された設定屋内温度許容範囲を外れた場合は第２設定水温への切換信号を出力すると共に前記屋内温度が設定屋内温度に到達して予め設定した設定時間経過後に前記屋内温度が前記設定屋内温度許容範囲を維持している場合は第１設定水温への切換信号を出力する緩衝制御部（１４）を、備えた請求項１記載の空気調和システム。
熱交換用水が冷水の場合は第１設定水温９〜１１℃をかつ第２設定水温を６〜８℃とし、前記熱交換用水が温水の場合は前記熱交換用水の前記第１設定水温を３４〜３６℃かつ前記第２設定水温を３９〜４１℃とし、屋内温度が設定屋内温度の場合に前記熱交換用水の設定水温度差を９〜１１℃とした請求項１又は２に記載の空気調和システム。
冷水の熱交換用水の温度調整と温水の熱交換用水の温度調整を同時に行える熱源装置（２）と、前記熱交換用水を前記熱源装置（２）と熱交換器（３）との間で循環させる水循環機器（４）と、を備え、
空調機（１）に１つの前記熱交換器（３）を設け、前記水循環機器（４）が、前記冷水の前記熱交換用水が流れる冷水循環路（８）と、前記温水の前記熱交換用水が流れる温水循環路（９）と、前記冷水循環路（８）と前記温水循環路（９）と前記熱交換器（３）とを連結すると共に前記熱交換器（３）に流れる前記熱交換用水を前記冷水と前記温水に切換える水循環路切換機構（１０）と、を備えた請求項１から３のいずれかに記載の空気調和システム。
熱交換器（３）の伝熱管を楕円管にした請求項１から４のいずれかに記載の空気調和システム。