JP2018173221A - 空調システム - Google Patents
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図1は、空調システム100の設置態様を概略的に示した模式図である。空調システム100は、セントラル空調方式の空調システムであり、家屋、ビル、工場、公共施設等の建築物内に含まれる対象空間SPにおいて空気調和を実現する。本実施形態において、空調システム100は、複数(ここでは3つ)の対象空間SP(SP1、SP2、SP3)を含む建物BLに適用されている。
図2は、空調システム100の構成態様を概略的に示した模式図である。空調システム100は、主として、チラーユニット20と、エア・ハンドリングユニット(以下、「エアハンユニット」と記載)30と、ダクトD1と、複数のリモコン80と、システム制御部90と、を有している。空調システム100は、運転中、エアハンユニット30において外気OAを取り込み、冷却若しくは加熱、又は除湿若しくは加湿して、ダクトD1を介して給気SAとして対象空間SPに供給する。
「熱源装置」の一例であるチラーユニット20は、冷媒回路C2において冷凍サイクルを行うことで、水回路C1内の水の冷却又は加熱を行い、冷却又は加熱後の水(W)を吐出して運転中のエアハンユニット30に送る。チラーユニット20は、主として、圧縮機21、水熱交換器22、膨張弁23、室外熱交換器24、四路切換弁25、室外ファン26及び水ポンプPaを有する。
「空気調和装置」の一例であるエアハンユニット30は、外気OAの冷却、除湿、加熱、及び/又は加湿を行う。エアハンユニット30は、室外(対象空間SP外)に配置されている。
ダクトD1は、給気SAの流路を形成する部材である。ダクトD1は、給気ファン38が駆動することでエアハンユニット30から吐出される給気SAが各対象空間SPに送られるように、その一端がエアハンユニット30に接続され、他端が対象空間SPに形成された給気口H1に接続されている。より詳細には、ダクトD1の他端は、複数(対象空間SPの数と同数)に分岐しており、各分岐先において対応する対象空間SPの給気口H1に接続されている。給気口H1は、各対象空間SPにおいて、壁、天井又は床等の部材に形成されている。
リモコン80は、ユーザが空調システム100の運転状態(エアハンユニット30の発停、運転種別、設定温度、設定湿度、設定風量等)を個別に切り換える各種コマンドを入力するための入力装置である。また、リモコン80は、所定の情報(例えば空調システム100の運転状態、内気IAの温度や湿度、又は外気OAの温度や湿度等)を表示するための表示装置としても機能する。
システム制御部90は、空調システム100の動作を統括的に制御する機能部であり、具体的にはメモリやCPU等で構成されるコンピュータである。本実施形態において、システム制御部90は、チラーユニット20及びエアハンユニット30等にそれぞれ配置される各マイクロコンピュータや各電装品が互いに電気的に接続されることで構成されている。システム制御部90の詳細については、後述する。
空調システム100の運転時には、通常、水ポンプPaが駆動し、水回路C1において水が循環する。また、圧縮機21が駆動し、冷媒回路C2において冷媒が循環する。
図3は、システム制御部90、及びシステム制御部90に接続される各部を模式的に示したブロック図である。システム制御部90は、空調システム100に含まれる各機器と配線を介して接続されている。システム制御部90は、各機器(21、23、25、26、35、38、Pa等)に対して所定の制御信号を送信することで各機器の動作を制御する。また、システム制御部90は、各センサ(S1−S6)の検出値を取得する。また、システム制御部90は、配線を介してリモコン80と電気的に接続されており信号の送受信を行う。
記憶部91は、RAM、ROM、フラッシュメモリ等の各種メモリによって構成され、複数の記憶領域が含まれている。例えば、記憶部91には、プログラム記憶領域911、コマンド記憶領域912、状態記憶領域913、及び現地情報記憶領域914等が含まれている。
取得部92は、制御プログラムに沿って、所定のタイミングで、他の機器から所定の情報(例えば各種センサの検出値等)を取得する。
運転状態制御部93は、制御プログラムに沿って、状況に応じて空調システム100の運転状態を制御する。具体的に、運転状態制御部93は、記憶部91に記憶されている各種情報に基づき、各機器の制御に係るパラメータを設定する。例えば、運転状態制御部93は、変化する熱負荷に応じて目標水温Tw,upを設定する。
機器制御部94は、制御プログラムに沿って、運転状態制御部93の決定内容に応じて、各機器に対して所定の駆動信号(駆動電圧)を出力する。なお、機器制御部94は、複数のインバータ(図示省略)を含み、所定の機器に対しては、対応するインバータを介して駆動信号を出力する。
図5は、システム制御部90の処理の流れの一例を示したフローチャートである。システム制御部90は、例えば以下のような流れで、空調システム100の運転を制御する。なお、図5に示す処理の流れは、一例であり適宜変更可能である。例えば、矛盾のない範囲でステップの順序が変更されてもよいし、一部のステップが他のステップと並列的に実行されてもよいし、他のステップが新たに追加されてもよい。
(6―1)外気温度及び目標給気温度を用いた目標水温の設定
(6―1−1)
従来における目標水温の設定については、基本的に、冷房運転時には外気温度が高いほど目標水温が低く設定され、暖房運転時には外気温度が低いほど目標水温が高く設定される、という方法が採用されていた。しかし、セントラル空調方式の空調システムでは、接続するエアハンドリングユニット及びファンコイルユニット毎に負荷率が異なるため要求水温にばらつきがあり、また要求水温を推定することも容易ではなく、外気条件による目標水温の設定を適切に行うことが難しかった。これに関連して、チラーユニット(熱源装置)のCOP向上が難しく、ひいては空調システム100の省エネ性向上を図ることが難しかった。
具体的に、空調システム100においては、例えば以下の式1が用いられ、目標給気温度Tsa、外気温度Toa及び空気熱交換器33の熱交換器特性値(a,b,c)に基づいて目標水温Tw,upが算出される。
図6は、冷房運転時における負荷と水温の関係を模式的に示したグラフである。図6において横軸は負荷の大きさを表わしており、縦軸はチラーユニット20から吐出される水の温度を表わしている。また、図6において一点鎖線X1は、空気熱交換器33において負荷を処理できる水温の上限値を示している。また、図6において二点鎖線X2は、空気熱交換器33において負荷を処理できる水温の下限値を示している。また、一点鎖線X1及び二点鎖線X2によって形成される略台形状の領域Z1(ハッチング部分)は、負荷を適切に処理可能な水温の範囲を示している。
空気熱交換器33における水と外気OAとの熱交換量Qpv(すなわち負荷の処理能力)については、高温側の空気温度Tair(外気温度Toa)と、低温側の冷水温度Twaterと、の温度差をタスクフォースとして、空気と冷水の水当量の小さい側の水当量Hmin(一般的に空気側の水当量)及び空気熱交換器33の温度効率εを用いて、以下の式2のように表わされる。
水量を制御することで温度効率εが制御され、結果として能力(熱交換量)Qpvが負荷と一致するように、目標水温Tw,upが設定される。一方で、負荷Qloadが変化した時に、各負荷での上限目標水温Tw,upは、水量が最大の時の温度効率ε’を用いて(この温度効率ε’が変化しないと仮定して)以下の式3のように表される。冷房運転時には、上限目標水温Tw,upは、負荷に比例して低下する。
なお、負荷Qloadについては、以下の式4のように、外気温度Toaが所定値以上(外気負荷が発生する外気温度Toa,load)となったときに生じ、外気温度Toaに比例する以下のモデルが存在する。
外気温度、目標給気温度、上限水温の関係については、空気と冷水の水当量の小さい側の水当量Hminが空気側の水当量Hairとして、式6のようになる。冷房運転時には、目標水温Tw,upは、目標給気温度Tsaに比例して増加し、空気温度Tair(外気温度Toa)に比例して低下する。
例えば、空気熱交換器33が、外気温度Toaが35℃の場合に給気SAの温度が16℃となり水温が7℃から12℃に変化するような特性を有するものであれば、熱交換器特性ε’については式7のように算出される。
上述したような熱交換器特性(ε’=0.5〜0.8)によれば、式1において、aは1以上、bは0.25〜1である。cは物件ごとの負荷特性による修正項である。なお、目標給気温度Tsaについては、可変制御とした場合でも大きな変更はないので、平均値を用いてもよい。
冷房運転時には、目標水温Tw,upは、外気温度Toaが高いほど目標水温Tw,upが低くなる線形一次式で表わされるが、以下の表2に示すように外気温度Toaによってステップ上に変化させて各ステップ値に変更してから一定時間が経過するまでは変更しないようにしてもよい。表2において横軸は外気温度Toaを表しており、縦軸は目標水温Tw,upを表している。なお、外気湿度Xoaが高い時は、変水温としない領域を設けてもよい。また、室内の温湿度環境や水ポンプPaの運転状態(変流量ポンプのインバータ周波数が上限近くである場合等)等に応じて、目標水温Tw,upを変化させてもよい。
(6―2―1)
また、空調システム100においては、例えば以下の式9が用いられ、給気温度Tsa、外気温度Toa、目標給気湿度Xsa、外気湿度Xoa及び空気熱交換器33の熱交換器特性値(a1,a2,b,d)に基づいて目標水温Tw,upが算出される。
暖房運転時において加湿有りの場合(すなわち加湿器35を運転させる場合)には、給気SAの温度は、外気湿度Xoaが低いほど、目標給気湿度Xsaが高いほど、目標給気温度Tsaが高いほど、高くなる。よって、目標水温Tw,upも目標給気温度Tsaに比例する。
そして、目標水温Tw,upは、空気熱交換器33を通過した空気の温度Toutを用いて以下の式11のように設定される。なお、熱交換器特性(ε’=0.5〜0.8)に関連して、a1は1以上、a2は2500以上、bは0.25〜1であり、dは物件ごとの負荷特性による修正項である。
なお、冷房運転時の目標水温Tw,upと同様に、暖房運転時の目標水温Tw,upを外気湿度Xoaによってステップ上に変化させて各ステップ値に変更してから一定時間までは変更しないようにしてもよい。
また、空調システム100においては、例えば以下の式12が用いられ、風量に基づいて目標水温Tw,upが算出(補正)される。なお、Ga,i,Cはエアハンユニット30の中で最も風量比が小さいi番目の定格風量であり、Ga,iはエアハンユニット30の中で最も風量比が小さいi番目の変風量である。
室内温度の目標値Tra、定格室内温度Tra,c、定格水温Tw,c、空気温度Tair、定格外気温(設計点)Tair,c、外気負荷が発生する空気温度Tair,loadを用いると、冷房運転時における目標水温Tw,upは式13のように表わされる。
(7−1)
上記実施形態に係る空調システム100では、システム制御部90によって、空気熱交換器33を通過した空気の温度の目標値(目標給気温度Tsa)と、外気温度Toaと、に基づいて、目標水温Tw,upが設定される。すなわち、チラーユニット20における目標水温Tw,upが、状況に応じて変化する外気温度Toaと、エアハンユニット30の空気熱交換器33の特性と、に基づき設定される。これに関連して、チラーユニット20から吐出される水の温度が最適値に設定されやすくなる。このため、チラーユニット20のCOP向上が促進されている。ひいては、空調システム100の省エネ性向上が促進されている。
また、上記実施形態に係る空調システム100では、システム制御部90によって、目標給気湿度Xoa(空気熱交換器33を通過した空気の湿度の目標値)と、外気湿度Xoaと、に基づいても、目標水温Tw,upが設定される。すなわち、目標水温Tw,upが、状況に応じて変化する外気温度Toa及び外気湿度Xoaと、エアハンユニット30の空気熱交換器33の特性と、に基づき設定される。これに関連して、チラーユニット20から吐出される水の温度が最適値に設定されることが精度よく促進されている。このため、チラーユニット20のCOP向上が促進され、特に対象空間SPに加湿した空気を送る加湿運転や除湿した空気を送る除湿運転を行う空調システム100において省エネ性向上が促進されている。
上記実施形態に係る空調システム100では、システム制御部90によって、空気熱交換器33の特性に基づいて、目標水温Tw,upが設定される。すなわち、目標水温Tw,upが、直接的に空気熱交換器33の特性に基づいて設定される。例えば、目標水温Tw,upに関して、予め導出されている空気熱交換器33の特性を考慮して、状況別にモデル化或いは補正することが可能となっている。これに関連して、チラーユニット20から吐出される水の温度が最適値に設定されることが精度よく促進されている。このため、チラーユニット20のCOP向上が促進されている。
上記実施形態に係る空調システム100では、システム制御部90によって、給気ファン38の風量に基づいても、目標水温Tw,upが設定される。すなわち、目標水温Tw,upに関し、状況に応じて変化する外気温度Toaと、エアハンユニット30の空気熱交換器33の特性と、に基づき算出される目標水温Tw,upが、空気熱交換器33を通過する風量に応じてモデル化若しくは補正されうるようになっている。これに関連して、チラーユニット20から吐出される水の温度が最適値に設定されることが精度よく促進されている。このため、チラーユニット20のCOP向上がさらに促進されている。
上記実施形態は、以下の変形例に示すように適宜変形が可能である。なお、各変形例は、矛盾が生じない範囲で他の変形例と組み合わせて適用されてもよい。
空調システム100は、図7及び図8に示すような空調システム100aのように構成されてもよい。以下、空調システム100aの、空調システム100とは異なる部分について説明する。
また、上記変形例1に係る空調システム100aは、図10及び図11に示すような空調システム100bのように構成されてもよい。以下、空調システム100bの、空調システム100aとは異なる部分について説明する。
上記実施形態における空調システム100は、暖房運転を行わないように構成されてもよい。すなわち、チラーユニット20がヒートポンプ式でなくてもよい。
上記実施形態では、空調システム100が3つの対象空間SPを形成される建物BLに適用される場合について説明した。しかし、空調システム100の設置環境については特に限定されない。例えば空調システム100は、4つ以上の対象空間SPを形成される建物に適用されてもよい。また、例えば空調システム100は、2つ以下(1つを含む)の対象空間SPを形成される建物に適用されてもよい。係る場合、エアハンユニット30の台数については対象空間SPの数に応じて適宜変更されてもよい。また、1つの対象空間SPに複数台のファンコイルユニットが配置されてもよい。
上記実施形態では、空調システム100は、1台のチラーユニット20と、1台のエアハンユニット30とを有していた。しかし、空調システム100が有するチラーユニット20及びエアハンユニット30の台数については必ずしも1台には限定されず、設置環境や設計仕様に応じて適宜変更が可能である。すなわち、空調システム100は、チラーユニット20、及び/又はエアハンユニット30をそれぞれ複数有していてもよい。なお、チラーユニット20及びエアハンユニット30の台数は、必ずしも同数である必要はない。
上記実施形態では、エアハンユニット30が導入空気が全外気である場合について説明した。しかし、エアハンユニット30における導入空気については特に限定されない。例えばエアハンユニット30においては、導入空気が外気と還気の混合又は全内気等であってもよい。
上記実施形態において構成される冷媒回路(C2)の構成態様については、設置環境や設計仕様に応じて適宜変更が可能である。例えば暖房運転について省略される場合には四路切換弁25については省略されてもよい。また、室外熱交換器24の代わりに水熱交換器を配置し、水熱交換器において冷媒と水とを熱交換させることで、冷媒の冷却又は加熱が行われるように構成されてもよい。また、エアハンユニット30において構成される水回路C1の構成態様についても設置環境や設計仕様に応じて適宜変更が可能である。
上記実施形態における冷媒回路(C2)を循環する冷媒としては、R32やR410AのようなHFC冷媒が想定されるが、必ずしもHFC冷媒である必要は無く、他の冷媒(例えばHFO1234yf、HFO1234ze(E)やCO2やアンモニア等)が用いられてもよい。また、水回路C1において循環する熱媒体についても必ずしも水である必要はなく、他の流体が採用されてもよい。
空調システム100に含まれる各種センサの配置位置は、上記実施形態における態様に必ずしも限定されず、適宜変更が可能である。例えば、外気温度センサS1、外気湿度センサS2、及び給気温度センサS3は、必ずしもエアハンユニット30に配置される必要はなく、他のユニットに配置されてもよいし、独立して配置されてもよい。また、室内温度センサS4、室内湿度センサS5、及び/又は二酸化炭素濃度センサS6は、必ずしもリモコン80に配置される必要はなく、他のユニットに配置されてもよいし、独立して配置されてもよい。
上記実施形態では、システム制御部90の設置態様について特に説明していなかったが、システム制御部90の設置態様については適宜選択が可能である。例えば、システム制御部90は、建物BLの管理室に配置されてもよいし、WANやLANで通信可能に接続された遠隔地に設置されてもよい。
目標水温Tw,upの設定態様については、必ずしも上記実施形態において説明したものには限定されず、目標水温Tw,upが外気温度Toaとエアハンユニット30の空気熱交換器33の特性とに基づき設定されることでチラーユニット20のCOP向上を促進させるものである限り、設計仕様や設置環境に応じて適宜変更が可能である。例えば、上記「(6)目標水温の設定について」において説明したいずれかの内容については、より最適化を図るべく変更されてもよいし、適宜省略されてもよい。また、各式や用いられる変数についても適宜変更可能である。
21 :圧縮機
22 :水熱交換器
23 :膨張弁
24 :室外熱交換器
25 :四路切換弁
26 :室外ファン
30 :エアハンドリングユニット(空気調和装置)
30a、30b:ファンコイルユニット(空気調和装置)
33 :空気熱交換器(熱交換器)
35 :加湿器
38 :給気ファン(空調ファン)
80 :リモコン
90 :システム制御部(制御部)
91 :記憶部
92 :取得部
93 :運転状態制御部
94 :機器制御部
100、100a、100b:空調システム
BL :建物
C1 :水回路
C2 :冷媒回路
CL :天井
D1、D2 :ダクト
FP、FP´:空気流路
H1 :給気口
H2 :吸気口
IA :内気
OA :外気
P1 :第1配管
P2 :第2配管
P3 :第3配管
Pa :水ポンプ
S1 :外気温度センサ
S2 :外気湿度センサ
S3 :給気温度センサ
S4 :室内温度センサ
S5 :室内湿度センサ
S6 :二酸化炭素濃度センサ
SA :給気
SP :対象空間
W :水(吐出水)
Claims (4)
- 水を加熱又は冷却して吐出する熱源装置(20)と、
通過する空気(OA、IA)と前記熱源装置から吐出される吐出水(W)とを熱交換させる熱交換器(33)を有し、前記熱交換器を通過した空気(SA)を対象空間(SP)に送る空気調和装置(30、30a、30b)と、
前記吐出水の温度の目標値である目標水温を設定する制御部(90)と、
を備え、
前記制御部は、前記熱交換器を通過した空気の温度の目標値と、外気温と、に基づいて前記目標水温を設定する、
空調システム(100、100a、100b)。 - 前記制御部は、さらに前記熱交換器を通過した空気の湿度の目標値と、外気湿度と、に基づいて、前記目標水温を設定する、
請求項1に記載の空調システム(100、100a、100b)。 - 前記制御部は、さらに前記熱交換器の特性に基づいて前記目標水温を設定する、
請求項1又は2に記載の空調システム(100、100a、100b)。 - 前記空気調和装置は、前記熱交換器を通過して前記対象空間へ流出する空気流を生成する空調ファン(38)をさらに有し、
前記制御部は、さらに前記空調ファンの風量に基づいて、前記目標水温を設定する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の空調システム(100、100a、100b)。
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