JP2022106063A - 空調システム - Google Patents

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Abstract

【課題】空調システムを省エネルギー化する。【解決手段】空調システム1は、還気流路14から分岐し、還気流路14と第2混合空間54とを連通させるバイパス流路16と、還気流路14におけるバイパス流路16の分岐点よりも第1混合空間52側に設けられ、第1混合空間52に送られる還気である第1還気の風量を変更可能な第1ダンパー18と、バイパス流路16に設けられ、第2混合空間54に送られる還気である第2還気の風量を変更可能な第2ダンパー20と、第2混合空間54で混合された第2混合気を空調対象空間58に送出する給気ファン48と、を含む。【選択図】図1

Description

本発明は、空調システムに関する。
例えば、特許文献1には、外気と、空調の対象となる空調対象空間から戻る還気と、を混合して空調する空調システムが開示されている。
特開2020-41796号公報
例えば、空調対象空間の環境によっては、空調対象空間に送出する給気の風量を一定に維持させたいことがある。この際、空調対象空間の空調負荷が変動しても、給気の風量を一定に維持させつつ、空調システム全体でみて省エネルギー化させることが望まれている。
本発明は、このような課題に鑑み、省エネルギー化が可能な空調システムを提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の空調システムは、外気を取得する外気ファンの送風口が連通する第1混合空間と、空調の対象となる空調対象空間と第1混合空間とを連通させ、空調対象空間からの還気が流通する還気流路と、第1混合空間で混合された第1混合気と、冷凍機で冷却された冷水とを熱交換する冷却コイルと、冷却コイルを通過した第1混合気を加熱する加熱コイルと、加熱コイルを通過した第1混合気が導かれる第2混合空間と、還気流路から分岐し、還気流路と第2混合空間とを連通させるバイパス流路と、還気流路におけるバイパス流路の分岐点よりも第1混合空間側に設けられ、第1混合空間に送られる還気である第1還気の風量を変更可能な第1ダンパーと、バイパス流路に設けられ、第2混合空間に送られる還気である第2還気の風量を変更可能な第2ダンパーと、第2混合空間で混合された第2混合気を空調対象空間に送出する給気ファンと、を備える。
また、空調システムは、第1還気の風量と第2還気の風量との比率に従って、給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する空調制御部をさらに備えるとしてもよい。
また、空調制御部は、空調対象空間に送出される第2混合気の風量を示す給気風量が一定となるように、給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御するとしてもよい。
本発明によれば、空調システムの省エネルギー化が可能となる。
図1は、本実施形態に係る空調システム1の構成を示す概略図である。 図2は、バイパス流路、第1ダンパーおよび第2ダンパーを備えていない比較例の空調システムの動作を説明する空気線図である。 図3は、本実施形態の空調システムの動作を説明する空気線図である。 図4は、制御条件の一例を説明する図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、本実施形態に係る空調システム1の構成を示す概略図である。本実施形態の空調システム1は、空調ユニット10、冷熱源ユニット12、還気流路14、バイパス流路16、第1ダンパー18、第2ダンパー20および制御装置22を含む。
空調ユニット10は、例えば、エアーハンドリングユニット(AHU)である。空調ユニット10は、筐体30、外気ファン32および外気フィルタ34を含む。筐体30は、中空の箱状に形成されている。外気ファン32は、筐体30に接続されている。外気フィルタ34は、外気ファン32に接続されている。筐体30内には、外気ファン32側から順に、第1フィルタ40、冷却コイル42、加熱コイル44、加湿器46、給気ファン48および第2フィルタ50が収容されている。
第1フィルタ40よりも外気ファン32側には、第1混合空間52が形成されている。加熱コイル44と第2フィルタ50との間には、第2混合空間54が形成されている。第2フィルタ50を間に挟んで第2混合空間54とは反対側には、吹出口56が形成されている。吹出口56は、空調の対象となる空調対象空間58と連通している。
外気ファン32の送風口60は、第1混合空間52と連通している。外気ファン32は、外気フィルタ34を通じて空調ユニット10の外部から外気(OA)を取得する。外気ファン32は、取得した外気を、送風口60を通じて第1混合空間52に送出する。
還気流路14は、空調対象空間58と第1混合空間52とを連通させる。還気流路14には、空調対象空間58から取得される還気(RA)が流通する。以後、還気流路14を通じて第1混合空間52に送られる還気を、第1還気と呼ぶ場合がある。
第1混合空間52では、外気ファン32によって取得された外気と、還気流路14を通じて取得された第1還気とが混合されて、第1混合気が生成される。生成された第1混合気は、第1フィルタ40を通過して異物が除去される。
冷却コイル42は、冷熱源ユニット12に接続される。冷熱源ユニット12は、冷凍機70、膨張タンク72、冷水1次ポンプ74、冷水2次ポンプ76、冷却塔78および冷却水ポンプ80を含む。
冷凍機70は、冷水が流通する冷水流路82を通じて冷却コイル42に接続される。冷水は、冷水流路82を通じて冷凍機70と冷却コイル42との間で循環する。冷凍機70は、冷却コイル42から送られる使用後の冷水を冷却し、冷却後の冷水を冷却コイル42に供給する。冷却コイル42は、第1混合空間52で混合されて第1フィルタ40を通過した第1混合気と、冷凍機70で冷却された冷水とを熱交換して、第1混合気を冷却する。
膨張タンク72、冷水1次ポンプ74および冷水2次ポンプ76は、冷水流路82の途中に設けられる。膨張タンク72は、冷水のバッファとされる。冷水1次ポンプ74は、冷却コイル42で使用後の冷水を膨張タンク72から冷凍機70に引き込み、冷凍機70で冷却後の冷水を膨張タンク72に送る。冷水2次ポンプ76は、冷凍機70で冷却後の冷水を膨張タンク72から冷却コイル42に引き込み、冷却コイル42で使用後の冷水を膨張タンク72に送る。
冷却塔78は、冷却水が流通する冷却水流路84を通じて冷凍機70に接続される。冷却水ポンプ80は、冷却水流路84の途中に設けられる。冷却水ポンプ80は、冷却塔78と冷凍機70との間で冷却水を循環させる。冷凍機70は、冷却水を利用して冷水を冷却する。冷却塔78は、冷凍機70から送られる使用後の冷却水を冷却し、冷却後の冷却水を冷凍機70に供給する。
加熱コイル44は、冷却コイル42を通過した第1混合気を加熱する。加熱コイル44を通過した第1混合気は、第2混合空間54に導かれる。
バイパス流路16は、還気流路14の途中から分岐している。バイパス流路16は、還気流路14と第2混合空間54とを連通させる。以後、バイパス流路16を通じて第2混合空間54に送られる還気を、第2還気と呼ぶ場合がある。
第2混合空間54では、加熱コイル44を通過した第1混合気と、バイパス流路16を通じて取得された第2還気とが混合されて、第2混合気が生成される。第2混合空間54の第2混合気は、第2フィルタ50を通過して異物が除去される。
給気ファン48の送風口62は、第2フィルタ50に向けられている。給気ファン48は、第1混合空間の第1混合気を第2混合空間に引き込むとともに、第2混合空間54で生成された第2混合気を、第2フィルタ50および吹出口56を通じて空調対象空間58に送出する。第2混合気は、第2フィルタ50を通過して異物が除去された後に、給気(SA)として空調対象空間58に送出される。
加湿器46は、第2混合空間54の第2混合気の湿度が空調対象空間の目標湿度よりも低い場合に、第2混合気を加湿する。
第1ダンパー18は、還気流路14におけるバイパス流路16の分岐点よりも第1混合空間52側に設けられる。第1ダンパー18は、不図示のアクチュエータによって任意の開度で開閉可能となっている。すなわち、第1ダンパー18は、第1ダンパー18の開度に応じて、第1還気の風量を変更可能となっている。
第2ダンパー20は、バイパス流路16に設けられる。第2ダンパー20は、不図示のアクチュエータによって任意の開度で開閉可能となっている。すなわち、第2ダンパー20は、第2ダンパー20の開度に応じて、第2還気の風量を変更可能となっている。
また、空調システム1には、外気温センサ90、温度センサ92、湿度センサ94が設けられている。外気温センサ90は、外気温を検出する。温度センサ92は、空調対象空間58内の温度である対象空間温度を検出する。湿度センサ94は、空調対象空間58内の湿度である対象空間湿度を検出する。
制御装置22は、中央処理装置、プログラム等が格納されたROM、ワークエリアとしてのRAM等を含む半導体集積回路から構成される。制御装置22は、プログラムを実行することで空調制御部100として機能する。
空調制御部100は、外気温センサで検出された外気温、温度センサ92で検出された対象空間温度、および、湿度センサ94で検出された対象空間湿度を取得する。空調制御部100は、対象空間温度が予め設定された目標温度となるとともに、対象空間湿度が予め設定された目標湿度となるように、空調システム1の各部を制御する。
例えば、空調制御部100は、第1ダンパー18の開度および第2ダンパー20の開度を制御することで、第1還気の風量と第2還気の風量との比率である還気風量比率を制御する。また、空調制御部100は、還気風量比率に基づいて、給気ファン48を駆動するインバータの周波数、冷凍機70の設定温度、および、加熱コイル44の加熱設定温度を制御する。なお、冷凍機70の設定温度は、冷凍機70から送出される冷水の温度である冷水出口温度の目標値を示す。冷凍機70の設定温度は、冷却コイル42の冷却設定温度に関連する。
図2は、バイパス流路16、第1ダンパー18および第2ダンパー20を備えていない比較例の空調システムの動作を説明する空気線図である。この比較例の空調システムでは、還気のすべてが第1混合空間52に送られる。図2の実線A10は、相対湿度100%を示す。
例えば、黒丸B10で示すように、空調対象空間58から取得される還気の温度の現在値が温度T1であり、空調対象空間58から取得される還気の絶対湿度の現在値が絶対湿度H1であるとする。比較例の空調システムでは、外気と還気との混合気が第1混合空間で生成される。説明を簡略化するために、混合気の温度の現在値は温度T1であり、混合気の絶対湿度の現在値は絶対湿度H1であるとする。そして、黒丸B12で示すように、空調対象空間58の温度の目標値が温度T2であり、空調対象空間58の絶対湿度の目標値が絶対湿度H2であるとする。
比較例の空調システムでは、外気と還気との混合気が冷却コイル42で冷却される。そうすると、矢印C10で示すように、混合気は、絶対湿度H1の状態で温度が低下していき、相対湿度100%に対応する温度T3に到達する。この状態で混合気がさらに冷却されると、混合気中の水蒸気の一部が結露し、矢印C12で示すように、相対湿度100%の状態で温度が温度T3よりも低下していく。そして、混合気は、目標値である絶対湿度H2に対応する温度T4まで冷却コイル42で冷却される。その後、冷却コイル42を通過した混合気は、加熱コイル44で加熱される。そうすると、矢印C14で示すように、混合気は、絶対湿度H2の状態で温度が上昇していき、目標値である温度T2に到達する。
図3は、本実施形態の空調システム1の動作を説明する空気線図である。本実施形態の空調システム1は、上述の比較例の空調システムと比べ、バイパス流路16、第1ダンパー18および第2ダンパー20を備えている。図3では、例えば、第1還気の風量と第2還気の風量との比率が1:1であるとする。なお、図3では、図2と同様に、黒丸B10で示す温度T1および絶対湿度H1が現在値であり、黒丸B12で示す温度T2および絶対湿度H2が目標値であるとする。また、本実施形態の空調システム1では、外気と第1還気との第1混合気が第1混合空間で生成される。説明を簡略化するために、第1混合気の温度の現在値は温度T1であり、第1混合気の絶対湿度の現在値は絶対湿度H1であるとする。また、第2還気の温度の現在値は温度T1であり、第2還気の絶対湿度の現在値は絶対湿度H1である。
本実施形態の空調システム1では、矢印C10および矢印C22で示すように、第1混合気の絶対湿度が、目標値である絶対湿度H2よりも低い仮目標値である絶対湿度H3となるように、第1混合気が冷却コイル42で冷却される。つまり、第1混合気は、絶対湿度H2であり、かつ、相対湿度100%である状態に対応する温度T4よりも低い温度T5まで冷却コイル42で冷却される。温度T5は、絶対湿度H3であり、かつ、相対湿度100%である状態に対応する温度である。
冷却コイル42で冷却後の第1混合気は、矢印C24で示すように、目標値である温度T2よりも低い仮目標値である温度T6となるように、加熱コイル44で加熱される。
そして、本実施形態の空調システム1では、黒丸B14で示す温度T6および絶対湿度H3の第1混合気と、黒丸B10で示す温度T1および絶対湿度H1の第2還気とが、第2混合空間で混合される。そうすると、矢印D10、矢印D12および黒丸B12で示すように、第2混合気の温度が目標値である温度T2となるとともに、第2混合気の絶対湿度が目標値である絶対湿度H2となる。
このような第2混合気が給気として空調対象空間58に送出されることで、空調対象空間58内を温度および湿度が調整される。
本実施形態の空調システム1では、冷却コイル42によって、第1混合気の温度を温度T4よりも低い温度T5にまで低下させている。このため、冷却コイルに供給する冷水の温度は、温度T4に対応する温度よりも低くされる。つまり、本実施形態の空調システム1では、図2の比較例の空調システムと比べ、冷水を冷却する冷凍機70の効率が低下する。
しかし、本実施形態の空調システム1では、冷凍機70の効率の低下よりも、他の構成要素、冷却熱量の低下や、給気ファン48における消費電力の減少量を多くすることができ、空調システム1全体として省エネルギー化することができる。
図4は、制御条件の一例を説明する図である。図4では、第1条件、第2条件および第3条件の3個の制御条件を一例として示している。通常、空調対象空間58に送出される給気の風量(給気風量)は、外気ファン32で取得される外気の風量(外気風量)と、空調対象空間58から空調ユニット10に戻る還気の風量(還気風量)とを合計した値となる。なお、還気風量は、第1還気の風量と第2還気の風量とを合計した風量である。
ここで、空調対象空間58の環境によっては、給気風量を一定に維持しなければならないことがある。例えば、空調対象空間58で揮発性溶剤などを使用する場合、溶剤の乾燥を一定にするために、給気風量が一定に維持される。この際、外気風量も一定に維持させて、給気に含まれる外気の比率の変化を抑制することもある。図4では、空調対象空間58の空調負荷が変動しても、給気風量および外気風量を一定に維持させる場合を例示する。
第1条件では、第1ダンパー18の開度(第1ダンパー開度)が100%であり、第2ダンパー20の開度(第2ダンパー開度)が0%とする。この場合、例えば、第1還気の風量(第1還気風量)が200m/minであり、第2還気の風量(第2還気風量)が0m/minであるとする。第1条件では、空調対象空間58から取得される還気のすべてが第1還気となっているため、第1還気風量が相対的に多くなっている。
第1還気が混合された第1混合気は冷却コイル42を通過するが、冷却コイル42では、第1混合気と冷水とを効率よく熱交換させるために、第1混合気が通過可能な隙間が狭くなっている。
第1還気風量が多いと第1混合気風量も多くなるため、第1混合気が冷却コイル42を通過する際の圧損が大きくなる。第1混合空間52と第2混合空間54との間の圧損が大きいと、第1混合気を第1混合空間52から第2混合空間54に引き込むには、大きな圧力差が必要となる。
そこで、第1条件では、給気ファン48の引込力を大きくすることで、絶対値が大きな負圧(例えば、-1000Pa)を第1混合空間52に発生させ、風量の多い第1混合気を第2混合空間に移動させる。給気ファン48の引込力を大きくするためには、給気ファン48の回転数を高くする。つまり、第1条件では、給気ファン48を駆動するインバータの周波数(給気ファン周波数)を比較的高い値である50Hzとしている。なお、第1条件のときの給気ファン48の電力(給気ファン電力)を100%とする。
第2条件では、第1ダンパー開度が100%であり、第2ダンパー開度が40%とする。この場合、バイパス流路16を第2還気が流通するようになる。そして、例えば、第1還気風量が100m/minとなり、第2還気風量が100m/minとなるとする。つまり、第2条件では、空調対象空間58から取得される還気のうち半分が第2還気風量となり、残り半分が第1還気風量となる。
なお、還気風量比率は、第1混合空間52の圧力と第2混合空間54の圧力との圧力差などの影響によって、第1ダンパー開度と第2ダンパー開度との比率であるダンパー開度比率と一致するとは限らない。還気風量比率とダンパー開度比率との関係については、例えば、実測またはシミュレーションによってテーブルまたは関係式などを予め準備しておいてもよい。
第2条件では、第1条件と比べ、第1還気風量が減少している。このため、第2条件では、第1混合空間52と第2混合空間54との間の圧損が、第1条件よりも小さくなる。つまり、第2条件では、第1条件よりも給気ファン48の引込力を減少させることができる。そこで、第2条件では、給気ファン周波数を第1条件よりも低い値である48Hzとしている。これにより、第2条件の給気ファン電力は、第1条件よりも小さくなり、例えば、第1条件の給気ファン電力の90%に抑制できる。
第3条件では、第1ダンパー開度が20%であり、第2ダンパー開度が100%とする。この場合、例えば、第1還気風量が50m/minとなり、第2還気風量が150m/minとなるとする。つまり、第3条件では、第1還気風量と第2還気風量との比率が1:3となり、第2還気風量が第1還気風量よりも多くなる。
第3条件では、第2条件と比べ、さらに第1還気風量が減少している。このため、第3条件では、第1混合空間52と第2混合空間54との間の圧損が、第2条件よりもさらに小さくなる。つまり、第3条件では、第2条件よりも給気ファン48の引込力をさらに減少させることができる。そこで、第3条件では、給気ファン周波数を第2条件よりも低い値である46Hzとしている。これにより、第3条件の給気ファン電力は、第2条件よりもさらに小さくなり、例えば、第1条件の給気ファン電力の81%に抑制できる。なお、電力の削減効果はファンの特性によるため、数値は参考例である。
このように、空調制御部100は、還気風量における第1還気風量の比率が相対的に大きくなるに従って、給気ファン48を駆動するインバータの周波数(給気ファン周波数)を高くする。また、空調制御部100は、還気風量における第2還気風量の比率が相対的に大きくなるにしたがって、給気ファン48を駆動するインバータの周波数(給気ファン周波数)を低くする。
また、空調制御部100は、空調対象空間58の空調負荷および外気温に基づいて、第1ダンパー開度、第2ダンパー開度および給気ファン周波数の組み合わせを制御することで、結果として還気風量比率を制御する。例えば、空調制御部100は、除湿量が比較的低い場合には、第1還気風量の比率を相対的に小さくしてもよい。
制御装置22には、例えば、条件テーブルが予め記憶される。条件テーブルは、空調負荷および外気温の組み合わせごとに、第1ダンパー開度、第2ダンパー開度、還気風量比率、冷凍機70の設定温度および給気ファン周波数などの組み合わせが設定されている。条件テーブルは、予め測定された実測値を反映して作成される。空調制御部100は、現在の空調負荷および外気温を条件テーブルに当てはめて、第1ダンパー開度、第2ダンパー開度、冷凍機70の設定温度および給気ファン周波数などの指令値を導出する。空調制御部100は、導出した指令値を各機器に送信する。
以上のように、本実施形態の空調システム1では、バイパス流路16、第1ダンパー18および第2ダンパー20が設けられている。このため、本実施形態の空調システム1では、空調負荷に応じて第1還気の風量と第2還気の風量との比率を変化させることができる。そして、空調制御部100は、第1還気の風量と第2還気の風量との比率に従って、給気ファン48を駆動するインバータの周波数を制御する。
これにより、本実施形態の空調システム1では、空調負荷が変動しても、給気の風量を一定に維持させつつ、空調システム全体で省エネルギー化が可能となる。
また、本実施形態の空調システム1は、バイパス流路16、第1ダンパー18および第2ダンパー20が設けられていない構成から、それらを後から改造によって取り付けて構成することができる。このため、本実施形態の空調システム1では、空調システム1の導入を容易に行うことができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
1、200 空調システム
14 還気流路
16 バイパス流路
18 第1ダンパー
20 第2ダンパー
32 外気ファン
42 冷却コイル
44 加熱コイル
48 給気ファン
52 第1混合空間
54 第2混合空間
58 空調対象空間
60 送風口
70 冷凍機
100 空調制御部
上記課題を解決するために、本発明の空調システムは、外気を取得する外気ファンの送風口が連通する第1混合空間と、空調の対象となる空調対象空間と第1混合空間とを連通させ、空調対象空間からの還気が流通する還気流路と、第1混合空間で混合された第1混合気と、冷凍機で冷却された冷水とを熱交換する冷却コイルと、冷却コイルを通過した第1混合気を加熱する加熱コイルと、加熱コイルを通過した第1混合気が導かれる第2混合空間と、還気流路から分岐し、還気流路と第2混合空間とを連通させるバイパス流路と、還気流路におけるバイパス流路の分岐点よりも第1混合空間側に設けられ、第1混合空間に送られる還気である第1還気の風量を変更可能な第1ダンパーと、バイパス流路に設けられ、第2混合空間に送られる還気である第2還気の風量を変更可能な第2ダンパーと、第2混合空間で混合された第2混合気を空調対象空間に送出する給気ファンと、第1還気の風量と第2還気の風量との比率に従って、給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する空調制御部と、を備え、空調制御部は、第2還気の風量の比率が相対的に大きくなるに従って、給気ファンを駆動するインバータの周波数を低くする。

Claims (3)

  1. 外気を取得する外気ファンの送風口が連通する第1混合空間と、
    空調の対象となる空調対象空間と前記第1混合空間とを連通させ、前記空調対象空間からの還気が流通する還気流路と、
    前記第1混合空間で混合された第1混合気と、冷凍機で冷却された冷水とを熱交換する冷却コイルと、
    前記冷却コイルを通過した前記第1混合気を加熱する加熱コイルと、
    前記加熱コイルを通過した前記第1混合気が導かれる第2混合空間と、
    前記還気流路から分岐し、前記還気流路と前記第2混合空間とを連通させるバイパス流路と、
    前記還気流路における前記バイパス流路の分岐点よりも前記第1混合空間側に設けられ、前記第1混合空間に送られる還気である第1還気の風量を変更可能な第1ダンパーと、
    前記バイパス流路に設けられ、前記第2混合空間に送られる還気である第2還気の風量を変更可能な第2ダンパーと、
    前記第2混合空間で混合された第2混合気を前記空調対象空間に送出する給気ファンと、
    を備える空調システム。
  2. 前記第1還気の風量と前記第2還気の風量との比率に従って、前記給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する空調制御部をさらに備える請求項1に記載の空調システム。
  3. 前記空調制御部は、前記空調対象空間に送出される前記第2混合気の風量を示す給気風量が一定となるように、前記給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する請求項2に記載の空調システム。
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