JP2022158377A - 空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】天井近傍の内壁面から床面に対して水平方向に送風する空調システムにおいて、暖房運転時に生じる上下温度差を解消することを目的とする。【解決手段】空調ユニット１１と、前記空調ユニット１１に取り込んだ空気を空調する空気調和機と、空調された空気を送風する送風機と、送風された空気を天井近傍の内壁面から吐出する吐出開口３３ｃと、開口より下方かつ床面より上方に空間の温度を検知する温度センサ１７ａとを備え、温度センサ１７ａが空間の暖房設定温度を検知した後には、少なくとも設定温度にプラス５度した温度以下の空気を前記空気調和機から吐出させ、天井近傍に溜まった高い温度の空気と熱交換しながら下方に低下させることにより、上下温度差を低減させる。【選択図】図２

Description

本発明は、空調システムに関するものである。

住宅に設置される、天井に埋め込まれ下方向に空気を吐出させる空調システムの、暖房運転時に生じる上下温度差を解消する運転方法が特許文献１に開示されている。暖房運転を停止させ、送風のみの運転を行いながら、回転機構を備えるルーバーの向きを変更することで空気の吐出方向を調整し循環を促す。

特開２０００－１０４９７９号公報

このような従来の空調システムは、例えばマンションなどの、天井裏に空気調和機を埋め込むために十分なスペースをとることのできない建物においては設置することが難しい。言い換えると、空調室で温調された空気を、ダクトを介して吐出口から空気を吐出する空調システムが、高さ方向における省スペース性の点で優れている。ただし、ダクトを利用した場合であっても、吐出口を天井面に設置した場合、吐出口より吐出された空気が在室者に直接当たることや、天井面の吐出口に回転機構を備えた場合、施工が複雑となり、またメンテナンスや配線トラブルの問題が懸念される。このことから、吐出口が天井近傍の内壁面に設置され、床面に対して水平方向のみに送風可能な空調システムが用いられることも多い。

このような、床面に対して水平方向にのみ送風可能な空調システムでは、空気の吐出方向を調整することができないため、上下温度差を十分に解消できないという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、床面に対して水平方向にのみ送風可能な空調システムにおいて、暖房運転時に生じる上下温度差を解消することができる空調システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明に係る空調システムは、空調ユニットの外郭を形成するユニット本体と、前記ユニット本体に取り込んだ空気の空調を行う空気調和機と、前記空気調和機で空調された空気を前記ユニット本体外へ送風する送風機と、前記複数の空間の内壁面に設置され前記送風機が送風する空気を吐出する開口と、前記空間の温度を検知する温度センサと、前記空気調和機と前記送風機の送風を制御する制御部と、を備え、前記開口は、前記空間の天井近傍にて前記空間の床面に対し水平方向に送風し、前記温度センサは、前記空間における前記開口より下方かつ床面より上方に位置し、前記制御部は、暖房時における制御で、前記設定温度よりも高い温度の空気を前記空気調和機から前記空間に吐出させ、前記温度センサにより検知した空間の温度が前記設定温度に到達した後には、少なくとも前記設定温度にプラス５度した温度以下の空気を前記空気調和機から前記空間に前記水平方向に吐出させるものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、水平方向への送風しかできない場合であっても、暖房運転時に生じる上下温度差を解消することができる空調システムを提供できる。

本発明の実施の形態に係る住宅の構成図 図１の住宅の構成を示す断面図 図１の空調ユニットの構成図 図１のシステムコントローラの構成図 上下温度差低減運転への切り替え手順を示すフローチャート 上下温度差低減運転の手順を示すフローチャート 上下温度差低減運転を用いた際の温度分布の一例

以下に説明する実施例は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示す。よって、以下の実施例で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、並びに、ステップ（工程）及びステップの順序などは、一例であって本開示を限定する主旨ではない。したがって、以下の実施例における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。

本開示の実施例を具体的に説明する前に、実施例の概要を説明する。本実施例は、複数の住宅が集合した集合住宅、例えばマンションに設けられ、１つの住宅に対する全館空調を実行する空調システムに関する。

図１は、住宅１の構成を示す見取り図である。住宅１は、集合住宅における一世帯であり、居住者がプライベートな生活を営む場として提供された住居である。ここで、図１の上側が北側であり、下側が南側であり、左側が西側であり、右側が東側である。住宅１は、図の左側と右側において別の住宅１（図示せず）に接する。そのため、住宅１の下側の壁、窓、扉である南面２が外部に面するとともに、住宅１の上側の壁、窓、扉である北面３が外部に面する。

住宅１には、ＬＤＫ４、キッチン５、第１洋室６、第２洋室７、第３洋室８、玄関９、廊下１０、空調ユニット１１が設置される空調室１２、トイレ１３、浴室１４が含まれる。廊下１０は第２洋室７、第３洋室８、玄関９およびＬＤＫ４に挟まれ、玄関９とＬＤＫ４を接続する通路になる。また、空調室１２の空気が搬送される空間は、ＬＤＫ４、キッチン５、第１洋室６、第２洋室７、第３洋室８、玄関９、廊下１０のみである。

また、空調システムは、排気口１５、排気口ダクト１６、温度センサ１７と総称される第１温度センサ１７ａから第４温度センサ１７ｄ、システムコントローラ１８、入出力端末１９、搬送ファン２０を含む。第１温度センサ１７ａはＬＤＫ４に設置される。第２温度センサ１７ｂは第１洋室６に設置される。第３温度センサ１７ｃは第２洋室７に設置される。第３温度センサ１７ｄは第３洋室８に設置される。外気導入ダクト２１、排気ダクト２２、給気ダクト２３、搬送ダクト２４と総称される第１搬送ダクト２４ａから第８搬送ダクト２４ｈ、排気口ダクト１６は、空気を運ぶ管、つまり風路である。第１温度センサ１７ａから第４温度センサ１７ｄはそれぞれ床面から約１１００ｍｍの高さの内壁面に設置される。

外気導入口２５から住宅１の内部に向かって外気導入ダクト２１が延びる。外気導入ダクト２１は、熱交換形換気扇２６に接続される。熱交換形換気扇２６には、排気ダクト２２も接続され、排気ダクト２２は南面２に向かって延びる。南面２には排気口２７が設置され、排気口２７には排気ダクト２２が接続される。また、熱交換形換気扇２６には、給気ダクト２３も接続される。

熱交換形換気扇２６には、外気導入ファン（図示せず）が設置され、外気導入ファンの回転により、外気導入口２５から外気２８が取り込まれ外気２８が外気導入ダクト２１を通って熱交換形換気扇２６に流入される。また、熱交換形換気扇２６には、住宅１の内部から換気ＲＡ（Ｒｅｔｕｒｎ Ａｉｒ：還気）２９が流入される。熱交換形換気扇２６は、これら外気２８と換気ＲＡ２９との間で熱交換を行う。熱交換形換気扇２６における熱交換には公知の技術が使用されればよいので、ここでは説明を省略する。熱交換形換気扇２６は、熱交換の結果、排気ファン３０の回転により排気ダクト２２を通って排気口２７から排気３１を排出する。また、熱交換形換気扇２６は、熱交換された給気を給気ダクト２３経由で空調ユニット１１に供給する。

空調ユニット１１には、給気ダクト２３から給気が流入される。また、空調ユニット１１には、住宅１の内部から循環ＲＡ３２が流入される。循環ＲＡ３２については後述するが、循環ＲＡ３２は、換気ＲＡ２９と同様に、住宅１内を移動した給気に相当する。空調ユニット１１は、給気と循環ＲＡ３２とを混合した空気に対して空調を実行する。例えば、空調ユニット１１では温度、湿度等が制御される。

空調ユニット１１には、第１搬送ダクト２４ａから第８搬送ダクト２４ｈが接続される。第１搬送ダクト２４ａは、第１洋室６に設置された第１吐出口３３ａに接続される。第２搬送ダクト２４ｂは、ＬＤＫ４に設置された第２吐出口３３ｂに接続され、第３搬送ダクト２４ｃは、ＬＤＫ４に設置された第３吐出口３３ｃに接続される。第４搬送ダクト２４ｄは、キッチン５に設置された第４吐出口３３ｄに接続される。第５搬送ダクト２４ｅは、第２洋室７に設置された第５吐出口３３ｅに接続される。第６搬送ダクト２４ｆは、玄関９に設置された第６吐出口３３ｆに接続される。第７搬送ダクト２９ｇは、第３洋室８に設置された第７吐出口３３ｇに接続され、第８搬送ダクト２４ｈは、第３洋室８に設置された第８吐出口３３ｈに接続される。

空調ユニット１１の搬送ファン２０は、空調された空気を第１搬送ダクト２４ａから第８搬送ダクト２４ｈ経由で第１洋室６、ＬＤＫ４、キッチン５、第２洋室７、玄関９、第３洋室８に搬送する。第１吐出口３３ａから第８吐出口３３ｈは天井近傍の内壁面に設置され、床面に対して水平方向にのみに送風される。なお、水平方向は床面に平行を意味するが、モノづくりの性格上、わずかな傾き、つまり０度～５度程度の上下方向への傾きは水平方向という事ができる。

トイレ１３の天井には排気口１５が設置されており、排気口１５には排気口ダクト１６が接続され、排気口ダクト１６は熱交換形換気扇２６の排気ファン３０に接続される。排気ファン３０が回転することにより、トイレ１３の空気は、排気口１５、排気ダクト２２を通って排気口２７から建物外に排出される。

図２は、ＬＤＫ４を代表とする住宅１の構成を示す断面図である。前述のごとく、住宅１の南面２には、外気導入口２５と排気口２７が設置される。外気導入口２５と排気口２７に接続される外気導入ダクト２１、排気ダクト２２、熱交換形換気扇２６、給気ダクト２３は天井裏３４に配置される。なお、マンションなどの集合住宅では、建物全体の高さが決まっているため各階の高さが制限される。しかしながら、各居住空間における床から天井までの高さを低くすると開放感が損なわれる。従って、居住空間ではない廊下１０のみ、高さを低くして天井裏３４（空間）を設け、天井裏３４にダクトを引き回すことで、開放感を損なうことなく全館空調を利用可能としている。空調室１２の天井には給気口３５が設置され、給気口３５には給気ダクト２３が接続される。給気口３５は、給気ダクト２３を介して熱交換形換気扇２６からの給気３６を空調室１２に吐出する。

空調室１２の廊下１０に接した面の上方には角穴と格子で構成されたガラリ３７が設置され、循環ＲＡ３２はガラリ３７を介して空調室１２の内部へ流入する。空調室１２の内部であり、空気調和機３８の上流、つまり給気口３５とガラリ３７の下流にて、循環ＲＡ３２と給気３６は混合される。

空調室１２には空調室温度センサ３９が設置され、空調室温度センサ３９は空調室１２の温度を取得する。空調室温度センサ３９は、無線通信等の通信機能を有し、取得した空調室１２の温度をシステムコントローラ１８に送信する。空調ユニット１１に接続された第３搬送ダクト２４ｃは、空調室１２から天井裏３４まで延びる。第３搬送ダクト２４ｃに接続された第３吐出口３３ｃは、ＬＤＫ４に設けられ、ＬＤＫ４に側面から空気を吐出する。他の搬送ダクト２４、吐出口３３についても同様に配置される。つまり、搬送ダクト２４は、少なくとも建物を構成する廊下１０の天井裏３４を通して配置される。

吐出口３３から空気が吐出されることによって、空気は扉４０等を超えて住宅１内を循環する。循環する空気の一部は循環ＲＡ３２として空調室１２に流入される。また、循環する空気の別の一部は換気ＲＡ２９として換気口４１から熱交換形換気扇２６に取り込まれる。

図３（ａ）－（ｂ）は、空調ユニット１１の構成を示す。図３（ａ）は、空調ユニット１１の正面図であり、図３（ｂ）は、空調ユニット１１の側面図である。空調ユニット１１は、搬送ファン２０、空気調和機３８、ＨＥＰＡ（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ａｉｒ）フィルタ４２、機器スイッチ４３を含む。空調ユニット１１の上段から順に空気調和機３８、ＨＥＰＡフィルタ４２、搬送ファン２０が配置される。

空気調和機３８は、エアーコンディショナーであり、空調室１２の空調を制御する。空気調和機３８は、空調室１２の空気の温度が設定された設定温度（空調室設定温度）となるように、空調室１２の空気を冷却または加熱する。空調室１２における空調室設定温度は、システムコントローラ１８により設定される。空気調和機３８は、加湿および除湿機能を有してもよい。ＨＥＰＡフィルタ４２は、エアフィルタであり、空気調和機３８において空調がなされた空気中からゴミ、塵埃などを取り除き、清浄された空気を出力する。

搬送ファン２０は、ＨＥＰＡフィルタ４２において清浄された空気を搬送ダクト２４経由で搬送する。搬送ファン２０の送風量は、システムコントローラ１８により設定される。機器スイッチ４３は、空調ユニット１１の電源をオン、オフするためのスイッチである。図１に戻る。

温度センサ１７は、空調対象空間、例えばＬＤＫ４に設置され、空調対象空間の温度を取得する。温度センサ１７は、無線通信等の通信機能を有し、取得した空調対象空間の温度をシステムコントローラ１８に送信する。

システムコントローラ１８は、空調システム全体を制御するコントローラである。システムコントローラ１８は、搬送ファン２０、空気調和機３８、温度センサ１７、空調室温度センサ３９と接続される。システムコントローラ１８は、温度センサ１７、空調室温度センサ３９のそれぞれから温度を受信する。システムコントローラ１８は、受信した温度をもとに空気調和機３８の温度を設定し、設定した温度を空気調和機３８に送信する。また、システムコントローラ１８は、受信した温度をもとに搬送ファン２０の送風量を設定し、設定した送風量を搬送ファン２０に送信する。このようにシステムコントローラ１８は、搬送ファン２０を制御する。

入出力端末１９は、システムコントローラ１８と通信可能に接続され、空調システムを構築するために必要な情報の入力を受けつけてシステムコントローラ１８に記憶させる。また、入出力端末１９は、空調システムの状態をシステムコントローラ１８から取得して表示する。入出力端末１９は携帯情報端末であり、例えば、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末である。

図４は、空調システムの機能構成を示す。システムコントローラ１８は、設定温度取得部４４、空調室温度制御部４５、温度・送風量決定部４６、ファン風量制御部４７を含む。空調ユニット１１は、搬送ファン２０、空気調和機３８を含む。設定温度取得部４４は、入出力端末１９により空調対象空間のそれぞれに設定された設定温度を取得する。

空調室温度制御部４５は、暖房期、つまり空調対象空間の室内温度が低く、空気調和機３８が暖房運転する場合であれば、空調室１２の温度が、設定温度取得部４４が取得した設定温度以上となるように、空気調和機３８を制御する。このような処理により、空調室温度制御部４５は、空調室１２の温度を制御する。

温度・送風量決定部４６は、設定温度取得部４４が取得した設定温度と、空調室温度制御部４５にて制御された空調室１２の温度と、温度センサ１７が取得した空調対象空間の室内温度とをもとに、搬送ファン２０の送風量と空気調和機３８の吐出温度を決定する。ファン風量制御部４７は、温度・送風量決定部４６が決定した送風量で搬送ファン２０の送風量を制御する。

図５、図６を参照して暖房運転する場合に空調対象空間の室内温度が設定温度に到達した場合の空気調和機３８の吐出温度の決定方法を説明する。図５は暖房運転時に上下温度差低減運転に切り替える手順を示すフローチャートである。

まず、通常の暖房運転を行っている際、温度センサ１７を用いて空調対象空間の室内温度を取得した（Ｓ０１）後に、空調対象空間の設定温度を取得する（Ｓ０２）。室内温度が設定温度より小さい場合（Ｓ０３のＮ）、通常の暖房運転を継続し、所定の時間間隔で（Ｓ０１）～（Ｓ０３）を繰り返す。室内温度が設定温度以上となった場合（Ｓ０３のＹ）、上下温度差低減運転へ変更する（Ｓ０４）。

図６は上下温度差低減運転の手順を示すフローチャートである。

まず、空気調和機３８の吐出温度を設定温度プラス５℃に設定し暖房運転を継続する（Ｓ０５）。所定の時間経過後に、温度センサ１７を用いて空調対象空間の室内温度を取得し（Ｓ０６）、空調対象空間の設定温度を取得する（Ｓ０７）。

室内温度が設定温度プラス１℃以上の場合（Ｓ０８のＮ）、暖房運転を停止する（Ｓ１０）。

室内温度が設定温度プラス１℃より小さい場合（Ｓ０８のＹ）のうち、室内温度が設定温度マイナス１℃より大きい場合（Ｓ０９のＮ）、上下温度差低減運転を継続し、所定の時間間隔で（Ｓ０６）～（Ｓ０９）を繰り返す。室内温度が設定温度マイナス１℃以下の場合（Ｓ０９のＹ）、通常暖房運転に変更する（Ｓ１１）。

図７（ａ）～（ｅ）はＬＤＫ４を主とした断面図において上下温度差低減運転の処理プロセスを用いた際の温度分布の一例を示した図である。

ＬＤＫ４内の天井近傍の室上部の空気の温度をＴｈ、温度センサ１７ａの設置される高さを含む室中央付近の空気の温度をＴｍ、床近傍の室下部の空気の温度をＴｌ、第３吐出口３３ｃから吐出する空気の温度をＴｉとする。冷気などの外部からの熱負荷を受ける場合、暖房運転により室温を維持または上昇させるためには第３吐出口３３ｃからの吐出温度Ｔｉは設定温度以上とする必要がある。より素早く室温を設定温度に近づける場合、吐出温度をより高くしなければならない。

例えば、ＬＤＫ４の設定温度を２４℃として通常暖房運転しているとする。図７（ａ）はＬＤＫ４の室温が設定温度に達したと認識されたときの温度分布の一例を示しており、温度センサ１７ａの設置される高さを含む室中央付近の空気の温度Ｔｍは２４℃である。この時、素早く設定温度に近づけるため、第３吐出口３３ｃからの吐出温度Ｔｉは室中央付近の空気より高い温度、例えば３３℃の空気を吐出している。このため、天井近傍には吐出空気の温度に近い温度の空気が溜まっており、上下温度差ができる。

図７（ａ）の後、空気調和機３８の吐出温度は設定温度プラス５℃である２９℃と変更され、暖房運転を継続する。空気調和機３８から吐出された空気は、搬送ダクト２４ｃを介して温度が低下し、第３吐出口３３ｃからの吐出温度Ｔｉは例えば２７℃となる（図７（ｂ））。

このとき、第３吐出口３３ｃからの吐出温度Ｔｉは天井近傍の空気の温度Ｔｈより温度が低いため、天井近傍の空気より密度が大きく、周辺の空気と熱交換しながら下方に低下する。つまり、天井近傍から下方に流れる下降気流４８が生成される。温度が低い空気と熱交換されることにより、天井近傍の空気の温度Ｔｈは徐々に低下する。これと同時に、下降気流４８により、室中央付近の空気の温度Ｔｍが徐々に上昇する。さらに下降気流４８はその流れの強さに応じて室中央付近からさらに下方に流れる下降気流４９を形成し、または下降気流４８の温度が室中央付近の温度よりもさらに低いことにより下降気流４９を形成する。これにより、下降気流４９によって室上部の高温の空気が室下部に流れ込み、室下部の空気の温度Ｔｌが上昇する（図７（ｃ））。この結果、上下温度差を低減することができる。

外部からの熱負荷が吐出口３３ｃからの吐出空気による投入熱量と比較して同等又は小さい場合、温度センサ１７ａの検知温度は徐々に上昇する。室温を設定温度から大きく逸脱させないために、温度センサ１７ａの検知温度が設定温度プラス１℃（例の場合２５℃）となった際に空気調和機３８の運転を停止させ、搬送ファン２０による送風のみを行うサーモオフ運転を行う（図７（ｄ））。このとき、暖房運転が停止されているため、送風される空気は熱源などにより制御されていない成り行きの温度で送風される。

外部からの熱負荷が吐出口３３ｃからの吐出空気による投入熱量より大きい場合、温度センサ１７ａの検知温度は天井近傍の空気の下降により最初は上昇する可能性があるが、やがて低下する。そのため、室温を設定温度から大きく逸脱させないために、温度センサ１７ａの検知温度が設定温度マイナス１℃（例の場合２３℃）となった際に、上下温度差低減運転を中止し、通常の運転方法へ変更する（図７（ｅ））。

以上本開示を、実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素あるいは各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明に係る空調システムは、水平方向にのみ送風可能である吐出口を有する場合に暖房運転時に生じる上下温度差を解消するものであり、住宅の複数の部屋を１つの空気調和機で空調することを可能にする住宅空調システム等として有用である。

１ 住宅
２ 南面
３ 北面
４ ＬＤＫ
５ キッチン
６ 第１洋室
７ 第２洋室
８ 第３洋室
９ 玄関
１０ 廊下
１１ 空調ユニット
１２ 空調室
１３ トイレ
１４ 浴室
１５ 排気口
１６ 排気口ダクト
１７ 温度センサ
１８ システムコントローラ
１９ 入出力端末
２０ 搬送ファン
２１ 外気導入ダクト
２２ 排気ダクト
２３ 給気ダクト
２４ 搬送ダクト
２５ 外気導入口
２６ 熱交換形換気扇
２７ 排気口
２８ 外気
２９ 換気ＲＡ
３０ 排気ファン
３１ 排気
３２ 循環ＲＡ
３３ 吐出口
３４ 天井裏
３５ 給気口
３６ 給気
３７ ガラリ
３８ 空気調和機
３９ 空調室温度センサ
４０ 扉
４１ 換気口
４２ ＨＥＰＡフィルタ
４３ 機器スイッチ
４４ 設定温度取得部
４５ 空調室温度制御部
４６ 温度・送風量決定部
４７ ファン風量制御部
４８、４９ 下降気流

Claims (5)

1. 複数の空間を空調する空調システムにおいて、
   外郭を形成するユニット本体と、
   前記ユニット本体に取り込んだ空気の空調を行う空気調和機と、
   前記空気調和機で空調された空気を前記ユニット本体外へ送風する送風機と、
   前記複数の空間の内壁面に設置され前記送風機が送風する空気を吐出する開口と、
   前記空間の温度を検知する温度センサと、
   前記空間の温度を設定温度に制御する制御部と、を備え、
   前記開口は、
   前記空間の天井近傍にて前記空間の床面に対し水平方向に送風し、
   前記温度センサは、
   前記空間における前記開口より下方かつ床面より上方に位置し、
   前記制御部は、暖房時における制御で、
   前記設定温度よりも高い温度の空気を前記空気調和機から前記空間に吐出させ、
   前記温度センサにより検知した空間の温度が前記設定温度に到達した後には、少なくとも前記設定温度にプラス５度した温度以下の空気を前記空気調和機から前記空間に前記水平方向に吐出させる、空調システム。
2. 前記制御部は、暖房時における制御で、
   前記温度センサにより検知した空間の温度が前記設定温度に到達した後さらに前記設定温度より所定の閾値以上高い温度に到達した場合に、前記空気調和機による空気の加熱を停止し前記送風機による送風を行う、請求項１記載の空調システム。
3. 前記開口は、
   ルーバーを備えず前記空間の床面に対し水平方向にのみ送風可能である請求項１または２に記載の空調システム。
4. 前記制御部は、暖房時における制御で、
   前記温度センサにより検知した空間の温度が前記設定温度に到達した後には、少なくとも前記設定温度以下の空気を前記空気調和機から前記空間に吐出させる、請求項１から３のいずれかに記載の空調システム。
5. 前記制御部は、
   前記暖房時における制御を、前記複数の空間のうちの所定の一つの空間に対してのみ行う請求項１から４のいずれかに記載の空調システム。

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