JP2018080905A - 温熱環境制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然換気と空調機との両方が同時作動することで、電気代を削減できる温熱環境制御装置を提供する。【解決手段】 本発明にかかる温熱環境制御装置１は、室内の冷房ができる空調機３と、室内に外気を取り込むことができる自然換気装置５ａ、５ｂとを備え、空調機３は室内温度Ｔ１を空調機の設定温度Ｔｓに近づけるように作動するものであり、（１）外気温度Ｔ２＜室内温度Ｔ１（２）外気温度Ｔ２＜設定温度Ｔｓ上記（１）及び（２）の条件を満たすときに、空調機３と自然換気装置５ａ、５ｂとを同時に作動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、室内温度を制御する温熱環境制御装置に関する。

特許文献１には、外気温度が所定値以下の場合には外気を室内に導入して室内の冷却を行い（自然換気）、外気温度が所定値を越える場合には空調機運転により冷房する技術が開示されている。

特開２０１５−９４５４２号公報

しかし、特許文献１の技術では自然換気と空調機運転のどちらか一方が作動すると、他方は作動しないものであった。
一方、自然換気の時間をできるだけ多くして電気代を削減することが求められていた。

そこで、本発明は、自然換気と空調機との両方が同時作動することで、電気代及び空調に要する消費エネルギーを削減できる温熱環境制御装置の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、室内の冷房ができる空調機と、室内に外気を取り込むことができる自然換気装置とを備え、空調機は室内温度を設定温度に近づけるように作動するものであり、
（１）外気温度＜室内温度
（２）外気温度＜設定温度
上記（１）及び（２）の条件を満たすときに、空調機と自然換気装置とを同時に作動させることを特徴とする温熱環境制御装置である。

請求項１に記載の発明によれば、（１）外気温度＜室内温度及び（２）外気温度＜設定温度の条件を満たすときに、空調機と自然換気装置とを同時に作動させることで、自然換気の時間をできるだけ多くして外気による室内の冷却を多くし、空調機の作動時間や負荷の低減を図ることにより、電気代及び空調に要する消費エネルギーを削減することができる。

本発明の第１実施の形態にかかる温熱環境制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施の形態にかかる温熱環境制御装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施の形態にかかる温熱環境制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施の形態にかかる温熱環境制御装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施の形態にかかる各モードの判定基準を示す図である。 本発明の第２実施の形態にかかる各モードにおける機器運転状況を示す図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明するが、まず図１及び図２を参照して第１実施の形態について説明する。
本発明の第１実施の形態にかかる温熱環境制御装置１は、図１に示すように、空調機（エアコン）３と、自然換気装置５ａ、５ｂと、これらの駆動を制御する制御部７と、コントローラ９とを備えている。
制御部７は、自然換気装置５ａ、５ｂの開閉アクチュエータ１１及び空調機３に接続されており、これらに駆動信号を発する。
また、制御部７は、室内温度検知部（室内温度センサ）１３、外気温度検知部（外気温度センサ）１５に接続されており、室内温度Ｔ１、外気温度Ｔ２を検知して、これらの室内温度Ｔ１、外気温度Ｔ２及びコントローラ９で設定された設定温度Ｔｓを比較部２３で比較して各種モード（後述する）を実行するようになっている。空調機３で設定される設定温度Ｔｓは室内温度Ｔ１以下の温度である。

空調機３は、室内を冷房ができるものであり、コントローラ９又は制御部７で設定された設定温度になるように駆動する。空調機３は、例えば、家庭用空調機のように、室内機及び室外機に冷媒を循環させて室内の熱を汲み上げて室外に放出することで室内を冷房するものや、冷水を循環させた熱交換器に室内空気を循環させるものが用いられる。空調機３は、室内の壁に限らず、天井に設けて壁や天井から室内に冷風を吹き出す。
また、空調機３は、室内の熱を汲み上げて室外に放出するヒートポンプ式のものに限らず、独自の熱源を有し、外気を導入して熱源で熱交換した後、熱交換した外気を室内に導入しても良い。この場合、外気導入に伴って室内空気を排気したり、室内温度検知部１３で検知した温度に基づいて室内に吹出す風量を調整するＶＡＶ（可変定風量）制御をしても良い。
空調機３は、地下室や機械室等の別の部屋に設けて、熱交換した風をダクトにより室内に導入するものであっても良い。

２つの自然換気装置５ａ、５ｂは、一方が給気用換気装置で、他方が排気用換気装置であり、各々アクチュエータ１１により開閉自在であり、２つの自然換気装置５ａ、５ｂを開いて室内に外気を取り込むようになっている。２つの自然換気装置５ａ、５ｂは、室内壁の対向する位置に設けてある。自然換気装置５ａ、５ｂとしては、所定角度開いて外気の採り込み量を変えるものや、バランスウエイトを設けて室内と室外との風圧差に応じて開閉角度が変わるもの（バランス式逆流防止窓）などがある。また、自然換気装置５ａ、５ｂとしては、内蔵の調整弁により換気スリットの換気口の巾を調整することで、風の影響を受け難くした定風量換気窓や、通過する風量に応じてバランス翼が回動量を変えることで、風の影響を受け難くした定風量換気窓を用いることができる。

コントローラ９は、室内温度を所定温度に設定する温度設定部２５と、設定した室内温度（設定温度）Ｔｓや室内温度検知部１３で検知した室内温度Ｔ１、外気温度検知部１５で検知した外気温度Ｔ２等の各種値を表示する表示部２７を備えている。

次に、図２を参照して第１実施の形態にかかる温熱環境制御装置１の制御方法について説明する。
ステップＳ１で、コントローラ９は温度設定部２５で室内の設定温度Ｔｓが入力されると、設定温度Ｔｓを制御部７に送信し、比較部２３では設定温度Ｔｓが記憶される。
ステップＳ２では、外気温度Ｔ２と室内温度Ｔ１とを比較すると共に外気温度Ｔ２と設定温度Ｔｓとを比較し、（１）外気温度Ｔ２が室内温度Ｔ１よりも小さく且つ（２）外気温度Ｔ２が設定温度Ｔｓよりも小さい場合には（（１）及び（２）の条件を満たす場合）、アクチュエータ１１を駆動して自然換気装置５ａ、５ｂを開き、同時に空調機３を作動させるハイブリッド運転モードを実行する。空調機は、室内温度Ｔ１が設定温度Ｔｓになるまで運転する。
一方、ステップＳ２で、（１）外気温度Ｔ２が室内温度Ｔ１よりも小さくなく且つ（２）外気温度Ｔ２が設定温度Ｔｓよりも小さくない場合には（（１）及び（２）の条件を満たさない場合）には、空調機３のみを作動させる空調運転モードを実行する。
尚、ハイブリッド運転モードが適用されるのは、例えば、室内温度Ｔ１は２２℃以上の温度であり、外気温度Ｔ２は１０℃〜２４℃の温度であり、設定温度Ｔｓは２５℃以上の温度である。

この第１実施の形態にかかる制御方法によれば、ステップＳ２で、外気温度Ｔ２＜室内温度Ｔ１で且つ外気温度Ｔ２＜設定温度Ｔｓの条件を満たすときに、ハイブリッド運転モードに基づいて、空調機３と自然換気装置５ａ、５ｂとを同時に作動させるので、自然換気の作動時間をできるだけ多くして外気による室内の冷却を多くできるから、空調機３の作動時間や負荷の低減により、電気代及び空調に要する消費エネルギーを削減することができる。

以下に本発明の他の実施の形態を説明するが、以下に説明する実施の形態において、上述した第１実施の形態と同一の作用効果を奏する部分には同一の符号を付することによりその部分の詳細な説明を省略し、以下の説明では第１実施の形態と主に異なる点を説明する。
図３〜図５を参照して第２実施の形態を説明する。
第２実施の形態にかかる温熱環境制御装置１は、図３に示すように、高層建築物（ビルディング）の各階のフロアに用いられるものである。
第２実施の形態では、空調機３はフロアに設けた機械室２９に設置してあり、外気ファン３１ａにより外気を取り込み、空調機３で熱交換して給気ダクト４ａに送り、室内の天井に設けた吹出し口３ａから室内に送風している。給気ダクト４ａには、風量調整ダンパ（ＶＡＶ）３３が設けてあり、室内に吹き出す風量を調整している。風量調整ダンパ３３は、ゾーンマネージ（ＺＭ）３７に通信により接続されており、ゾーンマネージャ３７から受けた制御信号により吹き出し風量が制御されている。また、この風量調整ダンパ３３には温度センサ１３が設けてあり、検知温度は制御部（ＤＤＣ）７に送信される。
更に、室内の天井には吸込み口３ｂが設けてあり、吸込み口３ｂから吸い込まれた室内空気は排気ダクト４ｂを通じて、排気ファン３１ｂにより、機械室２９から外に排出される。尚、排気ダクト４ｂの空気は一部が空調機３に還気されており、熱交換された外気と共に室内に送風されて戻されるようにしてある。また、排気ダクト４ｂには二酸化炭素センサ（ＣＯ２）３５が設けてある。この二酸化炭素センサ３５、上述した外気ファン３１ａ及び排気ファン３１ｂは制御部７に通信により接続されている。
室内には中央付近に室内温度センサ（Ｔ１）１３が設けてあるが、中央付近の他に、窓際の温度を検知する窓際温度センサ（Ｔ３）３９が設けてある。この室内温度センサ１３及び窓際温度センサ３９は、制御部７に通信により接続されている。

窓際に設けてある給気用の自然換気装置５ａは、コントローラ（Ｃ）４１ａを介して制御部７に通信により接続されている。自然換気装置５ａは、窓の下枠に室外と室内を連通する通風路が形成してあり、通風路内に内蔵された調整弁が風の強弱に応じて回動することで、定風量で換気を行うものである。
階段室上部には、排気用の自然換気装置５ｂが設けてあり、この自然換気装置５ｂはコントローラ４１ｂを介して制御部７に通信により接続されている。自然換気装置５ｂは、横軸回転窓の障子にウエイトが設けてあり、ウエイトとの関係で風圧に応じて障子が角度を変えて回動するようなっている。
ビルの屋上には、外気温度センサ１５の他に、降雨センサ４３、風速センサ４５が設けてあり、各外気温度センサ１５、降雨センサ４３及び風速センサ４５は、制御部７に通信により接続されている。尚、図示していないが、屋上には空調機３に冷水を送る冷却塔が設けてあり、他の階には冷凍機が設けてあり、冷却塔及び冷凍機は、空調機３に接続されている。

第２実施の形態では、制御部７の冷房期の運転について、６つのモードで温熱環境制御装置１を運転するプログラムがプログラム格納部２１（図１参照）に格納されており、外気温度、外部風速等の各基準値に基づいて所定のモードを判定して、所定のモードの運転を行なう。
図４〜図６を参照して、制御部７における冷房期の運転モード１〜モード６の判定及び各モードの運転状況について説明する。まず、各モードの判定について説明する。
図４に示すように、ステップＳ１で外気温度センサ１５が検出した外気温度Ｔ２が１２℃〜２２℃（外気設定温度Ｔｓ２）である場合にはステップＳ２に移行し、ＮＯの場合にはステップＦに移行する。ステップＦについては、後述する。
ステップＳ２では、風速センサ４５が検出した外部風速ＦＣが１０ｍ／ｓ（設定外部風速Ｆｓ）より少ない場合にはステップＳ３に移行し、１０ｍ／ｓ以上である場合にはモード４を実行する。
ステップＳ３では、降雨センサ４３が検出した降雨の有無が、降雨なしの場合にはステップＳ４に移行する。ステップＳ３で降雨ありの場合には、モード４を実行する。
ステップＳ４では、窓際温度センサ３９が検出した窓際温度Ｔ３が２４℃（窓際設定温度Ｔｓ３）よりも低い場合には、モード１を実行する。窓際温度Ｔ３が２４℃以上の場合には、ステップＳ５に移行する。

ステップＳ５では、室内温度センサ１３が検出した室内温度Ｔ１が２６℃（設定温度Ｔｓ）より小さい場合にはモード２を実行し、２６℃以上の場合にはモード３を実行する。
モード３を実行する条件では、（１）外気温度Ｔ２＜室内温度Ｔ１、（２）外気温度Ｔ２＜設定温度Ｔｓの関係を満たすものである。
一方、ステップＦでは、外部風速が１０ｍ／ｓより少なく（上述したステップＳ２がＹＥＳ）、降雨無しで（ステップＳ３がＹＥＳ）、窓際温度が２４℃以上で（ステップＳ４がＮＯ）、室内温度が２６℃以上（ステップＳ５でＮＯ）の場合にモード５を実行する。
上述したモード１〜５の各モードの判定基準は、図５に纏めて示す通りである。尚、モード４では、外部風速ＦＣが設定外部風速ＦＣｓ（１０ｍ／ｓ）以上又は降雨ありのいずれか一つが該当すれば、モード４に判定する。
モード６は、モード１〜モード３の場合において、コントローラ９（図１参照）に内蔵されているタイマーで設定した時間に作動するモードである。例えば、タイマーによりそのフロアの始業開始３時間前に設定されている場合には、その時間からモード６が３時間作動する。

次に、図１及び図６を参照して各モードの機器運転状況について説明する。
モード１は、自然換気であり、自然換気装置５ａ、５ｂによる自然換気が行われる。また、排気ファン３１ｂは停止し、外気ファン３１ａも停止する。
空調機３の運転は停止し、空調機３の運転に付随する空調機温度制御及び空調機送風量制御も停止する。更に、ペリメータ（窓際）及びインテリア（室内）の風量調整ダンパ（ＶＡＶ）３３はいずれも制御を停止する。外気冷房制御（後述する）及びＣＯ２制御（後述する）のいずれの制御も停止した状態である。即ち、モード１は外気温度Ｔ２が外気設定温度Ｔｓ２（１２〜２２℃）の範囲内にあり且つ降雨もない（外界条件満足状態）にあり、窓際温度Ｔ３も窓際設定温度Ｔｓ３（２４℃）よりも低い状態にあるので、自然換気のみで室温制御できている状態である。

モード２は、モード１に対して外気ファン３１ａを停止し、排気ファン３１ｂを駆動すること及びＣＯ２制御することが異なっている。排気ファン３１ｂの駆動は、窓際温度Ｔ３に基づいてインバータ（ＩＮＶ）制御する。インバータ制御は、例えば窓際温度Ｔ３に基づく比例制御である。このモード２は、室内温度Ｔ１は設定温度Ｔｓ（２６℃）よりも低く、室内温度Ｔ１は低い状態であるが、窓際温度Ｔ３は２４℃よりも高い為、自然換気のみでは窓際温度制御が十分でないため、排気ファン３１ｂを補助的に駆動して、熱がこもらないように換気を促す。ＣＯ２制御による要求風量の方が多い場合は、二酸化炭素センサ３５で検出したＣＯ２濃度に基づいて排気ファン３１ｂのインバータを比例制御する。

モード３は、自然換気と空調機運転とを実行するハイブリッド運転である。このモード３では室内温度Ｔ１が設定温度Ｔｓ（２６℃）以上であり、モード２の状態よりも高いので空調機３を運転する。空調機３では冷水機も補助的に動かす。空調機３の温度制御は１６℃に固定し、風量調整ダンパ（ＶＡＶ）３３を駆動して室内への吹き出し量を制御している。この温度制御では、ロードリセット制御をしない。ロードリセット制御とは、空調機３を運転するときに、室内のＣＯ２濃度が高くなったり、室内が冷えすぎないようにする為、吹出し温度を変化させて所定の風量を確保する制御である。モード３では、自然換気を併用して外気を取り込んでいるので、室内のＣＯ２濃度が高くなり過ぎたり室内が冷えすぎることがないためロードリセット制御はしない。
ペリメータ（窓際）のＶＡＶ制御及びインテリア（室内）のＶＡＶ制御では、各風量調整ダンパ３３が、ゾーンマネージャ３７から風量設定値信号を受けて、加重平均により、要求風量を算出する。
また、外気ファン３１ａは停止し、排気ファン３１ｂは、窓際温度Ｔ３に基づく要求風量及び風量調節ダンパ３３の要求風量を合算した風量になるようにインバータ制御される。万が一、室内のＣＯ２濃度が高くなった場合は、二酸化炭素センサ３５で検出したＣＯ２濃度に基づいて排気ファン３１ｂのインバータを比例制御する。

モード４は、上記のモード１〜３に対して特殊な気候の場合の運転モードであり、具体的には、外部風速ＦＣが設定外部風速ＦＣｓ（１０ｍ／ｓ）以上の場合や降雨の場合である。
このモード４は、自然換気を禁止するモードであり、自然換気装置５ａ、５ｂは閉じ、空調機３の運転を行なう。外気ファン３１ａ及び排気ファン３１ｂは、風量調整ダンパ３３の要求風量に基づくＩＮＶ制御を行う。
空調機温度制御では、給気温度はロードリセット制御を行い、総風量は風量調整ダンパ３３の要求風量に基づくＩＮＶ制御を行う。
更にモード４では、図６に示すように、ペリメータＶＡＶ制御、インテリアＶＡＶ制御、外気冷房制御及びＣＯ２制御を行う。外気冷房制御は、給気温度に基づいて外気ファン３１ａと排気ファン３１ｂとの比例制御である。ＣＯ２制御は、二酸化炭素センサ３５で検出したＣＯ２濃度に基づいて外気ファン３１ａ及び排気ファン３１ｂのインバータを比例制御する。

モード５は、空調運転モードであり、自然換気装置５ａ、５ｂを閉じ、外気ファン３１ａ、排気ファン３１ｂを駆動して、空調機３を運転する。このモード５では外気取り込みによる冷房（外気冷房制御）は行わずに、空調機３による冷房のみを行う。尚、外気ファン３１ａ及び排気ファン３１ｂは最小駆動にする。空調機３の給気温度制御は、ロードリセット制御を行う。空調機の総風量は、風量調整ダンパ３３の要求風量に基づいて制御する。

モード６は、設定した時間で、自然換気装置５ａ、５ｂによる通風を行い、その他の機器及び制御は全て停止する。このモード６では、冷房期（夏等）に夜間に換気を行い建物内の熱気を抜く運転である。
尚、図６において、外気ファン３１ａ、排気ファン３１ｂを記号「△」で示しているのは、雨や強風時は外気ファン３１ａ、排気ファン３１ｂによる外気冷房も可能としているためである。

上述した各モードの切り替えは、一日のうちの気温変化や天候の変化に対応して切り替わる。
例えば、午前の就業開始頃（午前８時〜９時頃）には、外気温度や窓際温度が低い為、モード１（自然換気）が実行され、その後昼近くには窓際温度が上昇する為、モード２（自然換気優先）が実行され、昼過ぎには室内温度が上昇する為、モード３（ハイブリッド運転）が実行され、午後３時頃には外気温度が上昇して、モード５（空調運転）が実行され、夕方近くになると外気温度が低下して再びモード３（ハイブリット運転）が実行され、夕方を過ぎると外気温度が下がるので、モード１（自然換気）が実行される。
そして、強風時や雨天時には自然換気装置５ａ、５ｂを閉鎖するモード４（自然換気禁止）を実行する。
また、夜間（始業前の早朝を含む）にはモード６（ナイトパージ）を実行することで換気を行い、建物内の熱気を抜く。

第２実施の形態によれば、上述した第１実施の形態と同様の作用効果を奏すると共に、外気温度Ｔ２、室内温度Ｔ１、窓際温度Ｔ３に基づいて、自然換気装置５ａ、５ｂによる自然換気のみ（モード１）をおこなったり、自然換気に加えて排気ファン３１ｂによる換気を補助したり（モード２）、自然換気と空調機運転を併用するハイブリッド運転（モード３）を行なうことで、室内を快適な温度に保つことができる。
更に、強風時や雨天時には自然換気装置５ａ、５ｂを閉鎖するモード４（自然換気禁止）を設けているので、天候等に対応した室内の温熱制御を図ることができる。
また、夜間等には建物内の熱気を抜くモード６（ナイトパージ）を設けて、建物の熱気を抜いておくことで、更に室内の冷却を高めて、空調機の作動時間や負荷の低減を図ることができる。

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。
第１実施の形態において、自然換気装置５ａ、５ｂと空調機３とを同時に作動させるハイブリッド運転モードや空調機３のみを作動させる空調運転モードのほか、自然換気装置５ａ、５ｂのみを作動させる自然換気モードを加えても良い。なお、自然換気モードでは、給気側は自然給気とし、排気側は自然排気又はファン等による機械排気として、強制的に室内の換気を行うようにして、室内温度、外気温度、又は風力に応じて自然換気モードを更に詳細に、換気ファンを駆動する場合と、換気ファンを駆動しない場合とに分けた運転モードにしても良い。
第２実施の形態において、排気用の自然換気装置５ｂは階段室上部に設けたが、これに限らず、給気用の自然換気装置５ａに対向する側であれば、いずれでも良い。
第２実施の形態のモードの判定基準において、外気設定温度Ｔｓ２は１０〜２４℃とし、設定外部風速ＴＣｓは２０ｍ／ｓとし、降雨は２ｍｍ／ｈ以下を雨無とし、設定温度Ｔｓは、２２℃以上の温度を判定基準値としても良い。

１ 温熱環境制御装置
３ 空調機
５ａ、５ｂ 自然換気装置
７ 制御部
１３ 室内温度検知部
１５ 外気温度検知部
２１ プログラム格納部
２５ 温度設定部
Ｔｓ 設定温度
Ｔ１ 室内温度
Ｔ２ 外気温度

Claims (1)

1. 室内の冷房ができる空調機と、室内に外気を取り込むことができる自然換気装置とを備え、空調機は室内温度を設定温度に近づけるように作動するものであり、
   （１）外気温度＜室内温度
   （２）外気温度＜設定温度
   上記（１）及び（２）の条件を満たすときに、空調機と自然換気装置とを同時に作動させることを特徴とする温熱環境制御装置。

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