JP2017003179A - 空調システム及び空調システム用プログラム - Google Patents

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達也 中田
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達也 中田
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Abstract

【課題】 空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、ポンプの消費動力を低減することが可能な空調システムを提供する。【解決手段】 室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び空調装置1の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて目標末端圧Pteを決定する。これにより、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、目標末端圧Pteを低下させることが可能となる。つまり、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、二次ポンプP2等の消費動力を低減することが可能となる。【選択図】 図3

Description

本発明は、空調システム及び空調システム用プログラムに関する。
例えば、特許文献1に記載の空調システムでは、室内空調機の負荷状況に応じて冷温水の流量を可変制御している。
特許第3652974号明細書
冷温水等の流体を介した空調システムでは、当該流体を循環させる必要がある。このため、流体の流通回路のうち予め設定された箇所(例えば、ポンプから最も離れた箇所)での流体圧(以下、末端圧という。)が予め設定された固定値となるようにポンプが制御される。以下、末端圧一定型給水方式ともいう。
末端圧一定型給水方式における上記の「固定値」とは、「空調負荷が予め設定された範囲内であれば、いずれの室内空調機にも定格流量以上の流体を循環させることが可能な末端圧」である。「定格流量」とは、予め設定された空調能力を確保するに必要な流量であって、予め設定された信頼性(安全率)を担保することができ得る流量をいう。
このため、データセンター用空調システム等のように高い信頼性(安全率)が要求される場合には、「定格流量」が大きくなるため、上記の「固定値」も高い値となる。そして、末端圧を高い圧力に維持するには、ポンプの吐出圧も高い圧力に維持する必要があるため、ポンプの消費動力も大きくなる。
本発明は、上記点に鑑み、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、ポンプの消費動力を低減することが可能な空調システムを提供することを目的とする。
本願では、室内空調に利用される冷熱又は温熱を生成する熱源機(7A)、室内に供給される空気を冷却又は加熱する少なくとも1つの室内空調機(5)、及び熱源機(7A)により生成された熱を輸送するための流体を室内空調機(5)に圧送するポンプ装置(P2)を有する空調装置(1)と、ポンプ装置(P2)の作動を制御する制御装置(10、10B)とを備え、制御装置(10、10B)は、流体の流通回路のうち予め設定された箇所での流体圧(以下、末端圧という。)を目標とする圧力(以下、目標末端圧(Pte)という。)以上となるようにポンプ装置(P2)を制御する圧力制御処理、並びに目標末端圧(Pte)を決定する決定処理であって、室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び空調装置(1)の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて当該目標末端圧(Pte)を決定する決定処理を実行可能である。
これにより、本願発明では、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、目標末端圧(Pte)を低下させることが可能となる。つまり、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、ポンプ装置(P2)の消費動力を低減することが可能となる。
因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段等に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係る空調システムの概念図である。 末端圧力制御を示すフローチャートである。 目標末端圧決定処理を示すフローチャートである。
以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、少なくとも符号を付して説明した機器は、「複数」や「2つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも1つ設けられている。
(第1実施形態)
1.空調システムの概要
本実施形態は、通信機器室やサーバ室等の空調を行う空調システムに本発明に係る空調システムを適用したものである。すなわち、本実施形態に係る空調システムは、サーバ室に設置された情報通信技術用機器(以下、ICT機器という。)等の発熱機器に冷却用の空気を供給することにより、複数のICT機器等を冷却する。
空調システムは、図1に示すように、熱源機7A及び室内空調機5等を有している。熱源機7Aは、室内空調に利用される熱(本実施形態では、冷熱)を生成する。熱源機7Aで生成された熱は、水等の流体(以下、熱媒体という。)を介して室内に供給される。
熱媒体は、一次ポンプP1及び二次ポンプP2等のポンプ装置により室内空調機5に輸送される。以下、熱源機7A、一次ポンプP1及び二次ポンプP2を総称して熱源装置7という。熱源装置7及び室内空調機5等を総称するときは空調装置1という。なお、本実施形態に係る熱源機7Aは蒸気圧縮式冷凍機である。当該熱源機7Aは、高圧冷媒を外気にて冷却する空冷式である。
2.空調システムの構成
2.1 空調システム構成の概要
室内空調機5はICT機器側に供給される冷却風を生成する。複数のICT機器が設置されたサーバ室等には、少なくとも1台(図1では、4台)の室内空調機5が設置されている。
各室内空調機5は、室内熱交換器5A、流量調整弁5B及び室内送風機5C等を有するエアーハンドリングユニット(AHU)にて構成されている。室内熱交換器5Aは、熱源装置7から供給される冷水と室内に供給される空気とを熱交換する。
熱源機7Aは冷熱を生成する。当該冷熱は熱媒体をなす冷水により室内熱交換器5Aに供給される。冷水は、一次ポンプP1及び二次ポンプP2により各室内熱交換器5A(室内空調機5)に供給される。
各室内空調機5には流量調整弁5Bが設けられている。各流量調整弁5Bは、各室内熱交換器5Aに供給する冷水の循環水量を調節する。室内送風機5Cは、ICT機器側に冷風を供給するとともに、その風量を調節可能な送風機である。
熱源機7Aは室外に設置されている。熱源機7Aにて生成された冷水は、一次ポンプP1にて室内(室内空調機5)側に供給された後、二次ポンプP2にて各室内空調機5に分配供給される。バイパス流路L1は、一次ポンプP1の吐出流量と二次ポンプP2の吐出流量とが相違する際に、その流量差を吸収する冷水回路である。
2.2 空調装置の能力調整
室内熱交換器5Aで発生する空調能力、つまり室内熱交換器5Aで発生する冷却能力は、流量調整弁5Bの開度、室内送風機5Cの送風量、室内熱交換器5Aに供給される冷水量(二次ポンプP2の送水量)、及び当該冷水の温度(熱源機7Aで発生する冷凍能力)によって変化する。
空調装置1を構成する熱源機7A及び各室内空調機5等の作動は、統合制御装置10により制御されている。統合制御装置10は、空調機制御部10A、二次ポンプ制御部10B、一次ポンプ制御部10C及び熱源制御部10Dを介して空調装置1を間接的に制御する。
空調機制御部10Aは、室内空調機5、つまり流量調整弁5B及び室内送風機5C等の作動を制御する。二次ポンプ制御部10Bは、二次ポンプP2の作動を制御して室内空調機5に供給する冷水量及びその吐出圧力を制御する。一次ポンプ制御部10Cは一次ポンプP1の作動を制御する。熱源制御部10Dは、熱源機7A、つまり圧縮機の回転数及び膨張弁の開度等を制御する。
なお、統合制御装置10及び各制御部10A〜10Dは、CPU、ROM及びRAM等を有するコンピュータにて構成されている。制御を実行するためのプログラムは、統合制御装置10及び各制御部10A〜10Dそれぞれに設けられたROM等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。
3.統合制御装置等による制御作動
3.1 制御の概要
<各制御部の自律制御>
統合制御装置10は、各制御部10A〜10Dに制御指令信号を発する。各制御部10A〜10Dは、その制御対象を駆動する駆動回路等を有するとともに、当該制御対象を直接的に制御する。つまり、各制御部10A〜10Dは、統合制御装置10からの制御指令信号を受信した後、その制御指令信号の内容を実現するための具体的な制御を自律的に実行する。
例えば、各室内空調機5には吹出空気温度センサS1が設けられている。吹出空気温度セサS1は、室内空調機5から室内に供給される空気、つまり室内熱交換器5Aにて冷却された空気の温度(以下、熱交換後温度という。)を検出する。
空調機制御部10Aは、吹出空気温度センサS1にて検出された熱交換後温度が、統合制御装置10により設定された「目標とする熱交換後温度(以下、目標吹出温度Taoという。)」となるように、流量調整弁5B及び室内送風機5Cを制御する。
つまり、空調機制御部10Aは、新たな目標吹出温度Taoが統合制御装置10により設定されない限り、現時の目標吹出温度Taoとなるように室内空調機5の作動を自律的に制御する。
一次ポンプ制御部10C及び二次ポンプ制御部10Bは、予め設定された流量(以下、目標冷水循環量Wroという。)の冷水が循環するように一次ポンプP1、二次ポンプP2を自律的に制御する。
そして、一次ポンプ制御部10C及び二次ポンプ制御部10Bは、統合制御装置10からの流量変更指令を受信したときには、その受信した新たな循環量を目標冷水循環量Wroとして、一次ポンプP1、二次ポンプP2を自律的に制御する。なお、本実施形態では、主に二次ポンプP2の回転数を変動させることにより冷水循環量を制御している。
二次ポンプP2の回転数が大きくなると、これに応じて二次ポンプP2の吐出圧力及び冷水循環量が増大する。そこで、本実施形態では、統合制御装置10は、指令目標冷水循環量Wroに対応する目標吐出圧力Psetを二次ポンプ制御部10Bに送信する。
二次ポンプ制御部10Bは、目標吐出圧力Psetに従った吐出圧制御、及び末端圧力制御を実行する。吐出圧制御は、現実の吐出圧力Ppvが目標吐出圧力Psetとなるように二次ポンプP2の回転数を制御する。現実の吐出圧力Ppvは、二次ポンプP2の吐出側に設けられた第1圧力センサS3により検出される。
末端圧力制御は、末端圧力Peが目標末端圧Pte以上となるように二次ポンプP2の回転数を制御する。つまり、目標吐出圧力Psetが低くなると、これに応じて末端圧力Peも低下する。
しかし、目標吐出圧力Psetが低くなっても末端圧力Peが目標末端圧Pte未満となる場合には、二次ポンプP2の回転数は吐出圧力Ppvが目標吐出圧力Psetになるまで低下せず、当該回転数は、末端圧力Peが目標末端圧Pte以上を維持可能な回転数に止まる。
末端圧力Peとは、冷水の流通回路のうち予め設定された箇所での冷水圧力をいう。本実施形態では、複数の室内空調機5(室内熱交換器5A)のうち流通回路の最下流に位置する室内熱交換器5Aの冷水出口での冷水圧を末端圧力Peという。
目標末端圧Pteは、統合制御装置10にて実行される目標末端圧決定処理により決定される。二次ポンプ制御部10Bは、第2圧力センサS4を介して現実の末端圧力Peを取得するとともに、当該末端圧力Peと統合制御装置10により設定された目標末端圧Pteとを比較して二次ポンプP2の回転数を制御する。
なお、第1圧力センサS3により検出された圧力(現実の吐出圧力Ppv)及び第2圧力センサS4(現実の末端圧力Pe)を示す信号は、二次ポンプ制御部10Bを介して統合制御装置10にも入力される。
一次ポンプP1又は二次ポンプP2(本実施形態では、一次ポンプP1)の吐出側には、冷水の温度を検出する冷水温度センサS2が設けられている。熱源制御部10Dは、冷水温度センサS2にて検出された冷水温度が、統合制御装置10により設定された「目標とする冷水吐出温度(以下、目標吐出冷水温度Twoという。)」となるように熱源機7Aを制御する。
つまり、熱源制御部10Dは、新たな目標吐出冷水温度Twoが統合制御装置10により設定されない限り、現時の目標吐出冷水温度Twoとなるように熱源機7Aの作動を自律的に制御する。
なお、目標吹出温度Tao、目標吐出圧力Pset、目標吐出冷水温度Two及び目標末端圧Pte等の制御目標値は、当該制御目標値を中心値として予め設定された範囲を含む目標範囲である。
<余裕度制御モード>
余裕度制御モードでは、余裕度Aが予め決められた値(以下、下限余裕度Acという。)以上に維持されるように空調装置を構成する各機器が制御される。当該余裕度制御モードは、空調装置の稼働時において実行される。
余裕度Aとは、空調装置(空調システム)で発揮可能な最大空調能力と現時の空調能力との差に関するパラメータをいう。例えば、室内空調機5についての余裕度Aは、下記のいずれかにより定義される。
(1)1−(複数の流量調整弁5Bの平均開度)
(2)1−{(現実の室内送風機5Cの回転数/室内送風機5Cの最大回転数)の平均}
最大回転数:各室内送風機5Cの上限回転数
(3)1/{(吹出空気温度−目標吹出温度Tao)の平均}
(4)1−{(吹出空気温度−目標吹出温度Tao)の平均}/n
n:(吹出空気温度−目標吹出温度Tao)に相当する値であって、予め設定された値、つまり、nは許容温度差(許容乖離温度)を意味する。
(5)1/{(冷水吐出温度−目標吐出冷水温度Two)の平均}
(6)1−{(冷水吐出温度−目標吐出冷水温度Two)の平均}/n
n:(冷水吐出温度−目標吐出冷水温度Two)に相当する値であって、予め設定された値、つまり、nは許容温度差(許容乖離温度)を意味する。
そして、統合制御装置10は、余裕度制御モードの実行時においては、室内環境を予め設定された環境(以下、設定環境という。)に維持可能、かつ、余裕度Aが下限余裕度Ac以上に維持可能な範囲で、例えば、目標吐出冷水温度Twoを上昇させながら、目標冷水循環量Wroを低下させる制御を実行する。
これにより、流量調整弁5Bの開度が大きくなって当該流量調整弁5Bでの圧力損失を低下させながら、一次ポンプP1又は二次ポンプP2の消費動力を低下させることが可能となる。
統合制御装置10は、余裕度Aが下限余裕度Ac未満の場合には、余裕度制御モード及目標末端圧決定処理を実行せず、各制御部10A〜10Dの自律制御を利用した通常空調運転を実行する。その理由は、余裕度Aが下限余裕度Ac未満の場合には、「サーバ室内の空調環境が設定環境から逸脱する」可能性が高いからである。
つまり、余裕度Aが小さいと、ICT機器等の発熱量が急増した際に、空調装置から供給する冷熱が過渡的に不足する可能性が高く、ICT機器に熱障害が発生する可能性が高くなるからである。
3.2 目標末端圧決定処理等
<目標末端圧決定処理の概要>
目標末端圧決定処理は目標末端圧Pteを決定するための処理であって、統合制御装置10にて実行される。
当該目標末端圧決定処理では、室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び空調装置1の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて目標末端圧Pteを決定する。なお、目標末端圧Pteは、少なくとも予め決められた最小末端圧力以上の圧力から選択される。
上記「指標」には、少なくとも以下の情報が含まれる。下記の情報を示す信号は統合制御装置10に入力される。
(a)余裕度A
(b)空調装置1を構成する複数の機器のうち故障状態にある機器が予め設定された数以下であるか否かを示す情報
(c)室内で発生する熱量の増加率が予め設定された増加率を越えているか否かを示す情報
(d)空調装置1が予め設定された非常時状態に該当するか否かを示す情報
(e)空調装置1の作動状態を検知するセンサが予め設定された故障状態に該当するか否かを示す情報
(f)室内空調機5から供給される空気の温度が予め設定された第1温度範囲以内である否かを示す情報
(g)室内空気の温度が予め設定された第2温度範囲以内である否かを示す情報
(h)熱源機7Aにて冷却冷水の温度が予め設定された第3温度範囲以内である否かを示す情報
(i)室内空気の相対湿度が予め設定された湿度範囲以内である否かを示す情報
なお、本実施形態では、第1温度範囲の上限温度は第2温度範囲の上限温度より低い温度である。第3温度範囲の上限温度は第1温度範囲の上限より低い温度である。
<末端圧力制御の詳細>
図2は末端圧力制御の詳細を示す制御フローの一例である。当該制御フローを実行するためのプログラムはROM等の不揮発性記憶部に記憶されている。当該プログラムは、空調システムの起動と共に起動し、統合制御装置10にて実行される。
当該プログラムが起動されると、末端圧力Peが目標末端圧Pte未満であるか否かが判定される(S1)。末端圧力Peが目標末端圧Pte未満であると判定された場合には(S1:YES)、吐出圧力Ppvが二次ポンプP2の吐出可能上限圧以下の範囲で予め決められた上昇幅ΔPだけ上昇させられる(S3)。
末端圧力Peが目標末端圧Pte以上であると判定された場合には(S1:NO)、吐出圧力Ppvが二次ポンプP2の吐出可能下限圧以上の範囲で予め決められた降下幅ΔPだけ降下させられる(S5)。
<目標末端圧決定処理の詳細>
図3は目標末端圧決定処理の詳細を示す制御フローの一例である。当該制御フローを実行するためのプログラムはROM等の不揮発性記憶部に記憶されている。当該プログラムは、空調システムの起動と共に起動し、統合制御装置10にて実行される。
当該プログラムが起動されると、(a)〜(i)で示されるいずれかの指標が設定された範囲を逸脱したか否か判定される(S11)。例えば、「空調装置1が非常時状態に該当する場合」や「空調装置1の作動状態を検知するセンサが故障状態に該当する場合」等には、指標が設定された範囲を逸脱したと判定される。
そして、指標が設定された範囲を逸脱したと判定された場合には(S11:YES)、目標末端圧Pteが予め決められたΔPだけ上昇変更される(S13)。指標が設定された範囲を逸脱していないと判定された場合には(S11:NO)、目標末端圧Pteが予め決められたΔPだけ降下変更される。
4.本実施形態に係る空調システムの特徴
本実施形態では、室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び空調装置1の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて目標末端圧Pteを決定するので、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、目標末端圧Pteを低下させることが可能となる。つまり、空調システムの信頼性を大きく損なうことなく、二次ポンプP2等の消費動力を低減することが可能となる。
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、二次ポンプP2を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一次ポンプP1に対しても本発明を適用可能である。
本発明に係る指標の具体例は、上述の実施形態に示す情報に限定されるものではなく、その他の情報であってもよい。
上述の実施形態に係る熱源機7Aは空冷式であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、水冷式の熱源機7Aであってもよい。
上述の実施形態に係る熱源機7Aは、蒸気圧縮式冷凍機であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、吸収式冷凍機であってもよい。
上述の実施形態に係る空調システムは、ICT機器が設置されたサーバ室の空調を行う空調システムであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の空調システムにも適用可能である。
上述の実施形態は冷熱を利用した空調システムであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、熱源機7Aにて温熱を生成し、当該温熱を利用した空調システムであってもよい。
上述の実施形態では、末端圧力Peを第2圧力センサS4にて実測したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、末端圧力Peを吐出圧力Ppvを利用して推測(演算)してもよい。
上述の実施形態では、制御対象となる末端圧力Peは1箇所であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば制御対象となる末端圧力Peの箇所を複数としてもよい。
なお、制御対象となる末端圧力Peの箇所を複数箇所とした場合には、(a)それら複数の末端圧力Peのうち最も厳しい要件(環境指標や、末端圧現在値と目標末端圧の乖離値等)にて目標末端圧Pteを決定し、それら複数の末端圧力Pe全てをその目標末端圧Pteとする制御、又(b)各末端圧力Pe毎に目標末端圧Pteを決定して末端圧力Peを制御する等の構成を採用してもよい。
また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。
1… 空調装置
5… 室内空調機
5A… 室内熱交換器
5B… 流量調整弁
5C… 室内送風機
7A… 熱源機
7… 熱源装置
10… 統合制御装置
10A… 空調機制御部
10B… 二次ポンプ制御部
10C… 一次ポンプ制御部
10D… 熱源制御部
P1… 一次ポンプ
P2… 二次ポンプ

Claims (11)

  1. 室内空調を実行する空調装置であって、「室内空調に利用される冷熱又は温熱を生成する熱源機」、「室内に供給される空気を冷却又は加熱する少なくとも1つの室内空調機」、及び「前記熱源機により生成された熱を輸送するための流体を前記室内空調機に圧送するポンプ装置」を有する空調装置と、
    前記ポンプ装置の作動を制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    前記流体の流通回路のうち予め設定された箇所での流体圧(以下、末端圧という。)を目標とする圧力(以下、目標末端圧という。)以上となるように前記ポンプ装置を制御する圧力制御処理、並びに
    前記目標末端圧を決定する決定処理であって、室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び前記空調装置の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて当該目標末端圧を決定する決定処理
    を実行可能であることを特徴とする空調システム。
  2. 前記指標には、前記空調装置で発揮可能な最大空調能力と現時の空調能力との差に関するパラメータである「余裕度」が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の空調システム。
  3. 前記指標には、前記空調装置を構成する複数の機器のうち故障状態にある機器が予め設定された数以下であるか否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1又は2に記載の空調システム。
  4. 前記環境指標には、室内で発生する熱量の増加率が予め設定された増加率を越えているか否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の空調システム。
  5. 前記指標には、前記空調装置が予め設定された非常時状態に該当するか否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の空調システム。
  6. 前記指標には、前記空調装置の作動状態を検知するセンサが予め設定された故障状態に該当するか否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の空調システム。
  7. 前記指標には、前記室内空調機から供給される空気の温度が予め設定された第1温度範囲以内である否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の空調システム。
  8. 前記指標には、室内空気の温度が予め設定された第2温度範囲以内である否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の空調システム。
  9. 前記指標には、前記熱源機にて冷却又は加熱された流体の温度が予め設定された第3温度範囲以内である否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の空調システム。
  10. 前記指標には、室内空気の相対湿度が予め設定された湿度範囲以内である否かを示す情報が含まれていることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の空調システム。
  11. 室内空調を実行する空調装置であって、「室内空調に利用される冷熱又は温熱を生成する熱源機」、「室内に供給される空気を冷却又は加熱する少なくとも1つの室内空調機」、及び「前記熱源機により生成された熱を輸送するための流体を前記室内空調機に圧送するポンプ装置」を有する空調装置と、
    前記ポンプ装置の作動を制御する制御装置とを備える空調システムに適用され、前記制御装置に組み込まれる空調システム用プログラムにおいて、
    前記制御装置を、
    前記流体の流通回路のうち予め設定された箇所での流体圧(以下、末端圧という。)を目標とする圧力(以下、目標末端圧という。)となるように前記ポンプ装置を制御する圧力制御処理部、並びに
    前記目標末端圧を決定する決定処理であって、室内の空調環境を直接的又は間接的に示す指標、及び前記空調装置の作動状態を示す指標のうち少なくとも一方の指標を用いて当該目標末端圧を決定する決定処理部
    として機能させることを特徴とする空調システム用プログラム。
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