JP2019168194A - 外気処理ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】空調機能と換気機能とを併せ持つ外気処理ユニットであって、両機能の運転を同じ風量で行いつつ高効率での運転が可能な外気処理ユニットを提供する。【解決手段】回転数可変の圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルと、外気を吸込んで凝縮器または蒸発器を通過させた後、室内に供給する一方、外気を吸込んだ分、室内空気を室外に排出するファン装置であって、外気の吸込み量である換気量を変更可能なファン装置と、ファン装置を制御して換気量を制御すると共に、室内温度と設定温度との温度差に対応する必要空調能力を、ファン装置の駆動により生じる室内の換気負荷を用いて補正した目標空調能力が得られるように、圧縮機の回転数を制御するコントローラとを備える。コントローラは、ファン装置と圧縮機との合計の総消費電力が最小となる換気量となるようにファン装置を制御する。【選択図】図３

Description

この発明は、室外から導入する外気を温度調整してから室内に吸気する外気処理ユニットに関するものである。

従来より、空調機と換気装置とを備えた空調換気システムが提案されている（特許文献１参照）。この空調換気システムにおいて、空調機の室内ユニットには、室内空気を吸込んだ後、温度調整して室内に吹出すという空気循環によって、室内の空気温度を所定値に制御する役割が与えられている。また、換気装置には、外気を室内に取り入れる役割が与えられ、設定風量で換気を行っている。このような空調換気システムでは、例えば冷房モード時に外気温度が室内温度よりも低いときには、外気を室内に導入することで空調負荷を下げることができる。よって、外気を積極的に室内に取り入れることで、空調機の消費電力量の低減が可能である。

しかしながら、外気導入によって空調機の消費電力量の低減が可能である一方、外気導入に要する換気装置の消費電力量が消費電力削減量よりも大きい場合、空調換気システム全体における消費電力の低減に繋がらない。したがって、特許文献１の空調換気システムでは、換気装置を運転することによって削減される空調機の消費電力削減量が、換気装置の消費電力量よりも大きいときに換気装置の運転を行うようにしている。これにより、空調機と換気装置との合計の消費電力量を削減できる空調換気システムを提供している。

特開２０１４−７０８２７号公報

特許文献１では、空調機の室内ユニットにおける風量制御について明確にされていないが、換気装置は設定風量で運転しており、空調機と換気装置とではそれぞれ独立した風量制御を行っているものと考えられる。

ところで、空調機能と換気機能とを備えたシステムには、室内空気ではなく外気を室内ユニットで吸込んで温度調整し、温度調整した空気を室内に吹出して室温調整すると共に、外気を吸込んだ分だけ室外に排気することで換気を行う外気処理システムがある。この外気処理システムでは、室温調整に用いられる風量が、いわば換気量となる。つまり、空調機能と換気機能とで用いられる風量が同じとなる。このため、外気処理システム全体としての消費電力を削減するにあたり、空調機と換気装置とでそれぞれ風量を独立に制御している特許文献１の技術を単純には適用できず、また、適用しても高効率で運転できない可能性がある。

この発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、空調機能と換気機能とを併せ持つ外気処理ユニットであって、両機能の運転を同じ風量で行いつつ高効率での運転が可能な外気処理ユニットを提供することを目的とする。

この発明に係る外気処理ユニットは、回転数可変の圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルと、外気を吸込んで凝縮器または蒸発器を通過させた後、室内に供給する一方、外気を吸込んだ分、室内空気を室外に排出するファン装置であって、外気の吸込み量である換気量を変更可能なファン装置と、ファン装置を制御して換気量を制御すると共に、室内温度と設定温度との温度差に対応する必要空調能力を、ファン装置の駆動により生じる室内の換気負荷を用いて補正した目標空調能力が得られるように、圧縮機の回転数を制御するコントローラとを備え、コントローラは、ファン装置と圧縮機との合計の総消費電力が最小となる換気量となるようにファン装置を制御するものである。

この発明によれば、室内温度と設定温度との温度差に対応する必要空調能力を、ファン装置の駆動により生じる換気負荷で補正した目標空調能力が得られるように圧縮機の回転数を制御すると共に、ファン装置と圧縮機との合計の総消費電力が最小となる換気量となるようにファン装置を制御する。このため、空調機能と換気機能との両機能の運転を同じ風量で行いつつ高効率での運転が可能である。

この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットと、その設置状況を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおけるモード選択の制御フローチャートを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットの冷房モードにおける制御動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおける外気と室内空気の空気状態を説明するための湿り空気線図である。 図３のフローチャートの処理で演算される各種データをまとめた表を示す図である。 図５の表に示した圧縮機入力、ファン入力および合計入力を、換気回数毎にプロットしたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が大の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が中の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が小の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が中の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が小の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。 この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットの暖房モードにおける制御動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る外気処理ユニットを示す概略構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットと、その設置状況を示す概略構成図である。
図１において、空調対象である住宅１に外気処理ユニットが配置されている。外気処理ユニットは、室外ユニット２と、室内ユニット３と、排気ユニット６とを備えている。室外ユニット２と室内ユニット３とは、接続配管４および接続配管５によって接続されている。

室外ユニット２には、回転数可変の圧縮機８と、冷房と暖房を切り替える四方弁９と、室外熱交換器１０と、膨張弁またはキャピラリーチューブなどで構成された減圧装置１１とが内蔵されている。室内ユニット３には、室内熱交換器１２および給気ファン１３が内蔵されている。そして、圧縮機８、四方弁９、室外熱交換器１０、減圧装置１１および室内熱交換器１２が順次連結されて一つの冷凍サイクルを構成している。冷凍サイクルが冷房に切り替えられている場合、室外熱交換器１０は凝縮器、室内熱交換器１２は蒸発器として機能し、暖房に切り替えられている場合、室外熱交換器１０は蒸発器、室内熱交換器１２は凝縮器として機能する。

排気ユニット６は、室内空気を住宅１外に排気する排気ファン６ａを備えている。

また、外気処理ユニットは、各種のセンサを備えている。具体的には、室内ユニット３は、外気温度および外気湿度を計測する第１温湿度センサ１４を備えている。また、排気ユニット６は、室内温度および室内湿度を計測する第２温湿度センサ１５を備えている。

外気処理ユニットはさらに、外気処理ユニット全体を制御するコントローラ７と、表示装置１６とを備えている。コントローラ７は、第１温湿度センサ１４および第２温湿度センサ１５の計測情報を統括し、室外ユニット２、室内ユニット３および排気ユニット６に対して運転制御指令を行う。コントローラ７は、その機能を実現する回路デバイスのようなハードウェアで構成することもできるし、マイコンまたはＣＰＵのような演算装置と、その上で実行されるソフトウェアとにより構成することもできる。表示装置１６は例えば液晶パネルなどで構成される。表示装置１６は、ユーザからの操作指示が入力される、例えば住宅１の壁面に設けられた操作パネル（図示せず）に設けてもよいし、外気処理ユニットの筐体２０の外面に取り付けてもよい。

以上のように構成されたこの外気処理ユニットの基本動作は、室内ユニット３が外気を吸込み、室内熱交換器１２によって温度調節したのちに住宅１内に吹出すことで室内の温度調整を行う。そして、その吸込んだ分だけ、排気ユニット６が室内空気を住宅１から排出することで換気を行う、というものである。このような空気の流れを形成するファン装置が、給気ファン１３と排気ファン６ａとで構成されている。給気ファン１３および排気ファン６ａはそれぞれ、風量を変更可能となっている。

コントローラ７には、ユーザから冷房設定温度として例えば２７℃が設定され、また、暖房設定温度として例えば２０℃が設定されている。また、給気ファン１３には、下限換気量として法定必要換気量［ｍ^３／ｈ］が設定されている。法定必要換気量は、１時間で住宅１の内部容積の半分を換気できる換気量であり、毎時必要換気回数（以下、換気回数という）で表現すると、０．５［回／ｈ］となる。また、給気ファン１３には、上限換気量も設定されており、具体的には、１時間で住宅１の内部容積の全部を換気できる換気量が設定されている。この換気量は、換気回数でいうと１．０［回／ｈ］となる。

以下、外気処理ユニットの動作について説明する。

図２は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおけるモード選択の制御フローチャートを示す図である。

（ステップＳ１０１）
外気処理ユニットの運転が開始されると、コントローラ７は、基本動作である換気モードとなって換気運転を行う。換気運転の開始時は、換気回数が０．５［回／ｈ］の換気運転を行う。

（ステップＳ１０２）
コントローラ７は、第２温湿度センサ１５から室内温度を取得すると共に、コントローラ７内部に設定された冷房設定温度と暖房設定温度とを取得する。

（ステップＳ１０３〜ステップＳ１０６）
コントローラ７は、室内温度と冷房設定温度と暖房設定温度とに基づいて、冷房モードおよび暖房モードのどちらに移行するかを判断する。すなわち、コントローラ７は、室内温度と冷房設定温度とを比較し（ステップＳ１０３）、室内温度が冷房設定温度よりも高ければ、換気モードから冷房モードに移行する（ステップＳ１０４）。室内温度が冷房設定温度以下であれば、コントローラ７は、続いて室内温度と暖房設定温度とを比較し（ステップＳ１０５）、室内温度が暖房設定温度よりも低ければ、換気モードから暖房モードに移行する（ステップＳ１０６）。一方、室内温度が暖房設定温度以上であれば、ステップＳ１０１に戻り、換気モードでの運転を継続する。

ここで、実施の形態１の外気処理ユニットにおける制御の概要について説明する。実施の形態１の外気処理ユニットは、いわば空調機能と換気機能とを併せ持つユニットであり、冷凍サイクルを駆動して室内温度を設定温度に保つ室温制御を行いつつ、下限換気量から上限換気量の間の換気量で換気を行う換気量制御を行うものである。外気処理ユニットは、上述したように、室内ユニット３で外気を吸込んだ分だけ、室外に排気するため、外気の吸込み量と換気量とは同じである。つまり、室温制御における風量と換気量制御における換気量とは同じであり、換気量が決まると、室内ユニット３における風量も決まる。

そして、実施の形態１は、室温制御における圧縮機の消費電力（以下、圧縮機入力という）と、換気量制御におけるファン装置の消費電力（以下、ファン入力という）とを合計した総消費電力（以下、合計入力という）が最小となる換気量を決定する点に特徴がある。合計入力が最小となる換気量を求めるにあたり、具体的には、換気回数に応じた圧縮機入力の変化を推定すると共に、換気回数に応じたファン入力の変化を推定する。そして、その推定結果同士を換気回数毎に加算して、合計入力が最小となる換気回数を求め、その換気回数から換気量を演算する。なお、ファン装置の消費電力とは、給気ファン１３と排気ファン６ａとの合計の消費電力である。

以下、室温制御および換気量制御について図３のフローチャートを参照して説明する。以下では、運転モードが冷房モードである場合を例に説明を行う。

図３は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットの冷房モードにおける制御動作を示すフローチャートである。図４は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおける外気と室内空気の空気状態を説明するための湿り空気線図である。図４において（ａ）は飽和線である。（ｂ）は比エンタルピ［ｋＪ／ｋｇ］を示している。図５は、図３のフローチャートの処理で演算される各種データをまとめた表を示す図である。図４および図５には、外気が室内空気よりも温度が低い場合の例を示している。なお、図５に示す数値は、いずれも単なる一例である。

冷房モードでは、冷凍サイクルを動作させ、室外から取り入れた外気を室内熱交換器１２で冷却してから室内に供給する。

（ステップＳ１１１）
コントローラ７は、第１温湿度センサ１４から外気温度と外気湿度とを取得すると共に、第２温湿度センサ１５から室内温度と室内湿度とを取得する。また、コントローラ７は内部に記憶されている冷房設定温度を取得する。

（ステップＳ１１２）
コントローラ７は、室内温度と冷房設定温度との温度差ΔＴに基づいて、温度差ΔＴをゼロにするための必要空調能力［Ｗ］を設定する。必要空調能力は、温度差ΔＴに応じて一意に決定される。すなわち、コントローラ７は、予め温度差ΔＴと必要空調能力とを対応付けた関係テーブルまたは関係式などを保持しており、その情報と温度差ΔＴとに基づいて必要空調能力を決定する。

（ステップＳ１１３）
コントローラ７は、取得した情報に基づいて各換気回数に応じた換気負荷を演算する。具体的には、換気回数を０．５［回／ｈ］から０．１［回／ｈ］ずつ１．０［回／ｈ］まで変化させた場合のそれぞれの換気負荷［Ｗ］を、室内外のエンタルピ差ΔＨを用いて以下の（１）式で演算する。

換気負荷＝換気量×ΔＨ×単位換算係数 ・・・ （１）
ここで、
換気量［ｍ^３／ｈ］＝換気回数［回／ｈ］×部屋の容積［ｍ^３］
ΔＨ［ｋＪ／ｋｇ］＝Ｈ１−Ｈ２
Ｈ１：外気のエンタルピ
Ｈ２：室内空気のエンタルピ

図４の空気線図に示すように、外気のエンタルピＨ１は、第１温湿度センサ１４の計測結果である、外気温度Ｔ１と外気湿度Ｘ１とから求められる。同様に、室内空気のエンタルピＨ２は、第２温湿度センサ１５の計測結果である、室内温度Ｔ２と室内湿度Ｘ２とから求められる。部屋の容積は予めコントローラ７に記憶されており、図５の例では８０［ｍ^３］である。換気負荷は、外気温度が室内温度よりも高い場合、正値となり、外気温度が室内温度よりも低い場合、負値となる。図５に示した表は、外気温度が室内温度よりも低い場合であるため、換気負荷が負値となっている。

（ステップＳ１１４）
コントローラ７は、換気負荷を考慮した目標空調能力を設定する。換気負荷が例えばマイナスの場合、つまり外気温度が室内温度よりも低い場合、換気量を増やして外気を積極的に室内に取り入れることで、室内の空調負荷が下がり、空調能力を低減することができる。このように、換気負荷に応じて、室内温度を冷房設定温度にするために必要な空調能力が変化する。これを踏まえ、ステップＳ１１４では、ステップＳ１１２で求めた必要空調能力を換気負荷で補正して目標空調能力を決定する。具体的には、次の（２）式に基づいて目標空調能力を得る。

目標空調能力＝必要空調能力＋換気負荷 ・・・ （２）

上記のステップＳ１１３では、換気回数を０．５［回／ｈ］から０．１［回／ｈ］ずつ１．０［回／ｈ］まで変化させた場合のそれぞれの換気負荷が演算されている。このため、目標空調能力も各換気回数に応じて演算されることになる。

なお、圧縮機入力は、上述したように換気負荷に応じた目標空調能力の変化の他、換気量による冷凍サイクルの成績係数（以下、サイクルＣＯＰという）変化の影響を受ける。すなわち、換気量はそのまま室内熱交換器１２での処理風量であるから、室内熱交換器１２の処理風量を増やすと、目標空調能力を得るために必要な、室内空気と吹き出し空気との温度差を小さくできる。これは、冷房運転時に冷媒の蒸発温度を高くできることと同義であり、サイクルＣＯＰは処理風量の増加と共に増大する。よって、圧縮機入力を演算するにあたっては、上述したように換気負荷による目標空調能力の変化の他、換気量によるサイクルＣＯＰ変化も考慮する必要がある。

（ステップＳ１１５）
コントローラ７は、目標空調能力が得られるように圧縮機８の運転容量を制御する際の圧縮機入力を、各換気回数のそれぞれについて演算すると共に、各換気回数のそれぞれに応じたファン入力を演算する。ファン入力は、換気回数と共に直接的に変化するので、換気回数とファン入力との関係式によって容易に演算できる。この関係式は予めコントローラ７に記憶されている。図５の例では、換気回数が１［回／ｈ］のときのファン入力が１００［Ｗ］の例を示している。

以下、圧縮機入力の演算について説明する。圧縮機入力は以下の（３）式で演算される。

圧縮機入力＝目標空調能力／サイクルＣＯＰ ・・・ （３）

サイクルＣＯＰは、以下の（４）式で演算される。（４）式の関数ｆは予めコントローラ７に記憶されている。

ＣＯＰ＝ｆ（ＥＴ，Ｔ１，ε） ・・・ （４）
ここで、
ＥＴ：蒸発温度
Ｔ１：外気温度
ε：圧縮機効率

圧縮機効率εは固定値であり、予めコントローラ７に記憶されている。よって、圧縮機入力を演算するにあたり、まず、目標空調能力に応じた冷媒回路の蒸発温度（以下、目標蒸発温度ＥＴ）を演算する。そして、演算した目標蒸発温度ＥＴを用いて、（４）式からサイクルＣＯＰを演算する。以下、目標蒸発温度ＥＴの演算について説明する。

空調能力は、以下の（５）式で演算される。

空調能力＝定数×換気量×（Ｈ１−Ｈ３） ・・・ （５）
ここで、Ｈ３：吹出し空気のエンタルピ（図４参照）

（５）式における定数はコントローラ７に予め記憶されている。また、外気のエンタルピＨ１は、上述したように外気温度および外気湿度から求められる。そして、（５）式の「空調能力」に、ステップＳ１１４で求めた目標空調能力を代入することで、吹出し空気のエンタルピＨ３が換気量の関数で表される。この関数に、０．５［回／ｈ］から０．１［回／ｈ］ずつ１．０［回／ｈ］まで換気回数を変化させた場合のそれぞれ換気量を代入し、各換気回数に応じた吹出し空気のエンタルピＨ３を演算する。そして、吹出し空気のエンタルピＨ３に対応する飽和曲線上の温度Ｔ３を吹出し空気の温度とし、この温度を目標蒸発温度ＥＴ［℃］とする。以上により、各換気回数に応じた目標蒸発温度ＥＴが得られる。図５に示した、外気温度が室内温度よりも低い例では、換気回数が多くなるにつれ、目標蒸発温度が上昇している。

以上により、各換気回数に応じた目標蒸発温度ＥＴが演算され、上記（４）から各換気回数に応じたサイクルＣＯＰが演算される。そして、各換気回数に応じたサイクルＣＯＰと目標空調能力とに基づいて上記（３）から圧縮機入力が演算される。

ここで、冷媒回路の蒸発温度を目標蒸発温度ＥＴにするための圧縮機回転数Ｒの演算について説明する。

空調能力［Ｗ］と圧縮機流量［ｋｇ／ｓ］とには、以下の（６）式の関係がある。

空調能力＝圧縮機流量×ΔＨｅｖａ ・・・ （６）
ΔＨｅｖａ［ｋＪ／ｋｇ］：蒸発器として機能する室内熱交換器１２の入口と出口との間のエンタルピ差であり、固定値として予めコントローラ７に記憶されている。図５の例では、ΔＨｅｖａは２４０［ｋＪ／ｋｇ］である。

圧縮機流量［ｋｇ／ｓ］は、次の（７）式で求められる。

圧縮機流量＝Ｒ×Ｖｓｒ×ρｒ ・・・ （７）
ここで、
Ｒ［ｒｐｓ］：圧縮機回転数
Ｖｓｒ［ｍ^３／ｒ］：押しのけ量
ρｒ［ｋｇ／ｍ^３］：冷媒吸入ガス密度

上記（６）式に（７）式を代入すると、次の（８）式となる。
空調能力＝Ｒ×Ｖｓｒ×ρｒ×ΔＨｅｖａ ・・・ （８）

押しのけ量Ｖｓｒは圧縮機８の機種によって決まった値であり、予めコントローラ７に記憶されている。また、冷媒吸入ガス密度ρｒは、蒸発温度に比例する冷媒の物性値であり、目標蒸発温度ＥＴから推定される。図５に示すように、換気回数が増えるにつれ、目標蒸発温度が上昇するため、冷媒吸入ガス密度もまた上昇する。目標蒸発温度ＥＴは、上述したように各換気回数に応じて得られるため、冷媒吸入ガス密度ρｒもまた、各換気回数に応じて得られる。そして、（８）式の「空調能力」に、ステップＳ１１４で求めた目標空調能力を代入すると共に、各換気回数に応じた冷媒吸入ガス密度ρｒを用いて演算することで、冷媒回路の蒸発温度を目標蒸発温度ＥＴにするための圧縮機回転数Ｒが演算される。言い換えれば、各換気回数に応じた圧縮機回転数Ｒが演算される。

以上のようにして算出された圧縮機回転数Ｒは、次のステップＳ１１６で圧縮機入力とファン入力との合計入力が最小となる換気回数が決まった後、最終的にコントローラ７から圧縮機８を制御する際の指示値として用いられる。

（ステップＳ１１６）
コントローラ７は、ステップＳ１１５で求めた、圧縮機入力とファン入力との合計入力が最小となるように、ファン装置（給気ファン１３および排気ファン６ａ）と圧縮機８を制御する。すなわち、コントローラ７は、ステップＳ１１５で求めた、圧縮機入力とファン入力とを換気回数毎に加算して、換気回数毎の合計入力を求める。そして、最も合計入力が小さくなる換気回数を決定し、決定した換気回数に応じた換気量となるように、ファン装置（給気ファン１３および排気ファン６ａ）を制御する。また、最も合計入力が小さくなる換気回数に対応した圧縮機回転数Ｒとなるように圧縮機８の回転数を制御する。

図６は、図５の表に示した圧縮機入力、ファン入力および合計入力を、換気回数毎にプロットしたグラフを示す図である。図６において横軸は換気回数［回／ｈ］、左縦軸は圧縮機入力［Ｗ］とファン入力［Ｗ］、右縦軸は合計入力［Ｗ］を示している。
この例では、合計入力が右下がりのグラフとなり、換気回数が１［回／ｈ］のときに、最も合計入力が小さくなる。よって、コントローラ７は、換気回数が１［回／ｈ］の場合の換気量は、図５より８０［ｍ^３／ｈ］である。よって、換気量が８０［ｍ^３／ｈ］となるようにファン装置（給気ファン１３および排気ファン６ａ）を制御する。また、コントローラ７は、圧縮機回転数が２９［ｒｐｓ］となるように圧縮機８を制御する。

（ステップＳ１１７、ステップＳ１１８）
そして、コントローラ７は、室内温度と冷房設定温度とを比較し（ステップＳ１１７）、室内温度が冷房設定温度以上であれば、冷房モードの運転を継続したままステップＳ１１１に戻る。一方、室内温度が冷房設定温度よりも低ければ、コントローラ７は、冷房運転をＯＦＦしてステップＳ１１１に戻る。

なお、図３のフローチャートには示していないが、外気処理ユニットは、現在の換気量に関する換気情報を表示装置１６に表示させるようにしている。換気情報の表示方法は任意であり、換気回数または換気量をそのまま表示してもよいし、上限換気量に対する外気導入量の比で表示してもよい。このような機能を備えることで、ユーザは、現在の換気量が多いのか少ないのかを確認できる。また、表示装置１６に表示する情報は、換気情報に限らず、例えば、図５に示した各種パラメータを適宜表示するようにしてもよいし、図５に示した各種パラメータを適宜用いて消費電力の削減具合を示す省エネ値を算出して表示するようにしてもよい。

以下、外気温度が室内温度よりも高い場合と、外気温度が室内温度よりも低い場合とのそれぞれにおいて、必要空調能力が大、中、小の３パターンに分けて、換気回数に対する合計入力特性の傾向を説明する。

以下の全てのパターンにおいて、予め設定されている固定条件は以下の通りである。
部屋の容積：８０［ｍ^３］
ΔＨｅｖａ：２４０［ｋＪ／ｋｇ］
換気回数１［回／ｈ］の時のファン入力：１００［Ｗ］

＜外気温度が室内温度よりも高い場合＞
図７は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が大の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。図８は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が中の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。図９は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が小の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。ここで、必要空調能力が大とは、２５００［Ｗ］、中とは１５００［Ｗ］、小とは５００［Ｗ］である。

外気温度が室内温度よりも高い場合、換気量が増えるにつれ、空調負荷が増大する。よって、図７〜図９に示すように、合計入力も換気量と共に単調に増加する。このため、換気量が小さい程、消費電力を削減できる。また、図６および図７では、換気量が増加するにつれ、圧縮機入力が減少する傾向が見られるが、これは、空調負荷が大きい程、換気量増加によるＣＯＰ向上効果の影響が強まることに寄る。

＜外気温度が室内温度よりも低い場合＞
上記図６は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が大の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。図１０は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が中の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。図１１は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットにおいて必要空調能力が小の場合の換気回数に応じた、圧縮機入力、ファン入力および合計入力の変化をまとめたグラフを示す図である。ここで、必要空調能力が大とは、２５００［Ｗ］、中とは１５００［Ｗ］、小とは５００［Ｗ］である。

外気温度が室内温度よりも低い場合、換気量が増えるにつれ、空調負荷が減少する。空調負荷が減少することで目標空調能力も減少するため、目標蒸発温度ＥＴが上昇し、圧縮機入力が減少する。また、換気量が増えるにつれ、室内熱交換器１２を通過する風量が増えることで、熱交換器性能が向上し、サイクルＣＯＰが向上するため、圧縮機入力は減少する。また、ファン入力は、換気量の増加によって増加する。したがって、換気回数が０．１〜１．０の間で、合計入力が最小となる換気回数が現れる。図６、図７および図８に示した例では、必要空調能力が大、中、小の順で、合計入力が最小となる換気回数は、０．５［回／ｈ］、１［回／ｈ］、０．８［回／ｈ］となる。

これまで、冷房モードの場合を例に説明したが、暖房モードでも同様にして制御すればよい。

図１２は、この発明の実施の形態１に係る外気処理ユニットの暖房モードにおける制御動作を示すフローチャートである。
暖房モードにおける各ステップＳ１２１〜ステップＳ１２８は、図３に示した冷房モードにおける各ステップＳ１１１〜ステップＳ１１８と略同様である。暖房モードが冷房モードと異なる点は、冷房設定温度に代えて暖房設定温度を用いる点、ステップＳ１２７において不等号の向きが逆になった点、ステップＳ１２８で冷房ではなく暖房をＯＦＦする点である。

以上のように、実施の形態１の外気処理ユニットによれば、換気量を変更することで生じる換気負荷の変化に伴う空調能力の変化と、換気量を変更することで生じる冷凍サイクル側での熱交換器性能変化との双方を考慮して圧縮機入力を演算している。そして、圧縮機入力とファン入力とを含めた合計入力が最小となる換気量を求め、その換気量で運転するため、常に消費電力が最も小さくなり、高効率な運転を行うことができる。

実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２に係る外気処理ユニットを示す概略構成図である。
上記実施の形態１の外気処理ユニットは、室外ユニット２と室内ユニット３とが筐体を別として構成されていた。これに対し、実施の形態２の外気処理ユニットは、室外ユニット２と室内ユニット３とが一つの筐体２０内にまとめて一体化された構成を有する。実施の形態２において、室温制御および換気量制御は実施の形態１と同様である。

以下、実施の形態２の外気処理ユニットの構成について具体的に説明する。外気処理ユニットは、圧縮機８と、冷房と暖房を切り替える四方弁９と、第１熱交換器２１と、膨張弁またはキャピラリーチューブ等で構成された減圧装置１１と、第２熱交換器２２とを備え、これらが筐体２０内に収納されている。そして、圧縮機８、四方弁９、第１熱交換器２１、減圧装置１１および第２熱交換器２２が順次連結されて一つの冷凍サイクルを構成している。第１熱交換器２１は、熱交換後の空気が室外に排出されるという点で実施の形態１の室外熱交換器１０に対応している。第２熱交換器２２は、熱交換後の空気が室内に供給されるという点で実施の形態１の室内熱交換器１２に対応している。

外気処理ユニットの筐体２０内には、外気を筐体２０内に吸込んだ後、室内に吹出す給気風路３０と、室内空気を筐体２０内に吸込んだ後、室外に排気する排気風路４０とを備えている。そして、給気風路３０に、上流側から順に、熱回収装置２５、給気ファン２３および第２熱交換器２２が配置されている。また、排気風路４０に、上流側から順に、熱回収装置２５、排気ファン２４および第１熱交換器２１が配置されている。熱回収装置２５は、給気風路３０を通過する外気と、排気風路４０を通過する室内排気とを熱交換する熱交換器である。

以上のように構成された外気処理ユニットは、実施の形態１と同様の効果が得られると共に、室外ユニット２と室内ユニット３とをまとめて一体化した構成としたことにより、以下の効果が得られる。すなわち、図１に示した接続配管４および接続配管５が不要となり、施工性の向上が可能となる。

また、熱回収装置２５を備え、外気を室内空気と熱交換した上で第２熱交換器２２を通過させて室内に供給するようにした。このため、例えば冷房モード時に、外気温度が設定温度よりも高い場合には、外気を直接、第２熱交換器２２に通過させてから室内に供給するよりも、換気負荷を低減できる。

また、排気風路４０を通過する室内排気を第１熱交換器２１の熱源として利用することができるので、実施の形態１のように外気を第１熱交換器２１の熱源として利用するよりも効率的な冷凍サイクル動作を実現することができる。具体的には例えば、冷房モード時、第１熱交換器２１は凝縮器として機能するため、外気よりも温度の低い室内排気を熱源とすることで、第１熱交換器２１における熱交換効率を上げることができる。

１ 住宅、２ 室外ユニット、３ 室内ユニット、４ 接続配管、５ 接続配管、６ 排気ユニット、６ａ 排気ファン、７ コントローラ、８ 圧縮機、９ 四方弁、１０ 室外熱交換器、１１ 減圧装置、１２ 室内熱交換器、１３ 給気ファン、１４ 第１温湿度センサ、１５ 第２温湿度センサ、１６ 表示装置、２０ 筐体、２１ 第１熱交換器、２２ 第２熱交換器、２３ 給気ファン、２４ 排気ファン、２５ 熱回収装置、３０ 給気風路、４０ 排気風路。

Claims (5)

1. 回転数可変の圧縮機、凝縮器、減圧装置および蒸発器を有する冷凍サイクルと、
   外気を吸込んで前記凝縮器または前記蒸発器を通過させた後、室内に供給する一方、前記外気を吸込んだ分、室内空気を室外に排出するファン装置であって、前記外気の吸込み量である換気量を変更可能なファン装置と、
   前記ファン装置を制御して前記換気量を制御すると共に、室内温度と設定温度との温度差に対応する必要空調能力を、前記ファン装置の駆動により生じる前記室内の換気負荷を用いて補正した目標空調能力が得られるように、前記圧縮機の回転数を制御するコントローラとを備え、
   前記コントローラは、前記ファン装置と前記圧縮機との合計の総消費電力が最小となる換気量となるように前記ファン装置を制御する外気処理ユニット。
2. 外気温度および外気湿度を計測する第１温湿度センサと、
   室内温度および室内湿度を計測する第２温湿度センサとを備え、
   前記換気負荷は、前記第１温湿度センサの計測結果から得られる外気のエンタルピと、前記第２温湿度センサの計測結果から得られる室内空気のエンタルピとを用いて演算される請求項１記載の外気処理ユニット。
3. 前記冷凍サイクルと前記ファン装置とが収納された筐体を備え、
   前記筐体は、外気を前記筐体内に吸込んだ後、室内に吹出す給気風路と、室内空気を前記筐体内に吸込んだ後、室外に排気する排気風路と、前記給気風路内の空気と前記排気風路内の空気とを熱交換する熱回収装置とを備えた請求項１または請求項２記載の外気処理ユニット。
4. 前記ファン装置は、外気を吸込んで前記凝縮器または前記蒸発器を通過させた後、室内に供給する給気ファンと、室内空気を室外に排出する排気ファンとを備えている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の外気処理ユニット。
5. 現在の換気量に関する換気情報を表示する表示装置を備えた請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の外気処理ユニット。

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