JP2617444B2 - 蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測運転方法に
係り、特に、例えばヒートポンプ式チラーユニットと蓄
熱槽とを備えた熱源装置の空調負荷予測運転を行うのに
好適な蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測運転方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

近年、電力需要の増大にともなって、電力負荷の昼夜
間格差が拡大する傾向にあり、電力需要の平準化対策と
して有効な蓄熱式空調システムの開発が、重要な技術課
題として進められている。

例えば、日立評論VOL.66,No.6（1984−６月）p.17〜2
0には、小栗正裕ほかにより「ユニット式氷蓄熱冷暖房
システム」という技術レポートが掲載されている。

当該レポートの空冷ヒートポンプ式チラーユニット
は、昼間に冷温水を作る水側熱交換器、夜間に氷（夏
季）または温水（冬季）を作る蓄熱槽内の製氷用熱交換
器、外気と熱の授受を行う空気側熱交換器の三つの熱交
換器と受液器，アキュムレータ，圧縮機などで構成され
たものである。

このような蓄熱式空調装置において、従来、空調負荷
予測運転を行うには、コンピュータを利用して複雑な予
測シミュレーションを行うか、実負荷に無関係に予め設
定されたスケジュールによって運転するかのどちらかと
なり、前者は大規模なプログラミングを必要とし、後者
は実負荷にうまく適合しないという問題があった。

例えば、特開昭49−83246号公報記載の空調予測制御
装置には、夜間電力使用時間帯の午前１時,3時,6時等に
外気温度と外気湿度から外気エンタルピーを算出し、所
定の相関関係により上記エンタルピーから当日の所要空
調負荷を予測し、夜間電力を使用して蓄熱槽に必要熱量
を貯えることが開示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記特開昭49−83246号公報記載の技術は、外気エン
タルピーから一義的にその日の所要空調負荷を予測する
もので、その日の負荷の総量を予測できるが、どの時間
帯でどのくらいの負荷があるかという負荷パターンの予
測については配慮されていなかった。また、外気負荷の
ほか、建物など空調すべき対象となる躯体の保有してい
る蓄熱負荷も空調負荷の大きな要素があることについて
配慮されていなかった。

本発明は、前述の従来技術の実状に鑑みてなされたも
ので、安価で、しかも外気負荷と躯体の蓄熱負荷とを配
慮した精度の高い空調負荷予測を行い、熱源機器の効率
的な運転を可能とし、負荷の実態に応じた運転モードの
切り換えを適正な予測のもとに、タイムスケジュールに
よって行うことのできる蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測
運転方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る蓄熱冷暖房
装置の空調負荷予測運転方法の構成は、熱源機器と、こ
の熱源機器および負荷側機器に接続する蓄熱槽と、これ
らを制御する手段と、外気温度、外気湿度および負荷側
の室内温度を検知する各検知手段とを備え、上記検知手
段が検知する外気温度、外気湿度から外気エンタルピを
演算し、この外気エンタルピと室内温度とから空調負荷
を予測して熱源機器の運転制御を行う蓄熱冷暖房装置の
空調負荷予測運転方法において、気象データを基に、予
め空調負荷予測テーブルを設定するに際し、空調開始時
点から所定時間は躯体の蓄熱負荷と外気負荷の平均的パ
ターンとを加えたもので、その後は外気負荷の平均的パ
ターンとその他の負荷の平均的パターンとを加えたもの
で各時刻の空調負荷を求め、それを合計した一日の空調
負荷の値を外気エンタルピと室内温度との関係で表示し
た空調負荷予測テーブルを演算制御手段に記憶し、空調
運転すべき当日の外気エンタルピから予測できる外気負
荷と、前記室内温度検知手段が検知した当日の室内温度
とから前記空調負荷予測テーブルを用いて当日の全体の
空調負荷を予測し、その全体の空調負荷とそのときの前
記蓄熱槽の蓄熱量とから前記熱源機器の当日の所要負荷
を予測して運転するようにしたものである。

〔作用〕

本発明を開発した考え方と、上記技術的手段による働
きを合わせて述べる。

空調負荷の大きな要素のうち、日々変動するものとし
ては、外気負荷と、建物など空調すべき対象となる躯体
の保有している蓄熱負荷とがある。その他、人や機器等
の負荷もあるが、外気負荷と躯体の蓄熱負荷が主となる
ものと考えてよい。

一日の空調負荷は、一般的に各負荷対象において、何
時頃はどの程度の負荷であるといった概ね一定のパター
ンをたどるものであるから、空調開始時に、外気温度，
外気湿度から外気エンタルピを知ることにより一日の外
気負荷を推測し、また、室内温度を知ることで躯体の蓄
熱負荷を推測することができる。

そこで、本発明では、気象データを基に空調負荷予測
テーブルを設定するに際し、空調開始後の所定時間は躯
体の蓄熱負荷を主体として予測し、その後は外気負荷を
主体として予測するようにして、負荷をパターン化して
設定した空調負荷予測テーブルと、例えばヒートポンプ
式チラーユニットのチラー能力、蓄熱槽の蓄熱容量など
熱源機器容量を予めマイクロコンピュータなどに入力し
ておく。

そして、当日の外気温度、外気湿度から算出できる外
気エンタルピから予測できる外気負荷と、室内温度から
予測できる躯体の蓄熱負荷とをパラメータとして、前記
空調負荷予測テーブルを用い、当日の熱源機器、例えば
チラーユニットの最適運転時間割付け、すなわち、タイ
ムスケジュールを決めることができる。

〔実施例〕

まず、空調負荷予測運転を行うヒートポンプ式蓄熱冷
暖房装置の一例を第４図を参照して説明する。

第４図は、本発明の一実施例に係る空冷ヒートポンプ
式氷蓄熱冷暖房装置の熱源装置部の系統図である。

第４図において、２点鎖線で囲って示した１は空冷ヒ
ートポンプ式チラーユニット（以下単にチラーユニット
という）、２は、このチラーユニット１に設けたブライ
ン熱交換器15から得られる低，高温ブラインにより製氷
蓄熱，温水蓄熱を行う蓄熱槽、３は、前記ブライン熱交
換器15から得られる低，高温ブラインにより冷，温水を
得るためのブライン／水熱交換器、４は、前記ブライン
熱交換器15と前記ブライン／水熱交換器３とを接続する
ブライン配管に配設された、ブラインを循環させるため
のブラインポンプ、５は、前記ブライン／水熱交換器３
と負荷側（例えば空気調和機のファンコイルユニットな
ど）とを接続する配管に配設された冷温水ポンプ、６
は、これら各機器を制御するための制御盤である。

チラーユニット１において、７は圧縮機、８は四方
弁、９は空気側熱交換器、10は受液器、11は電磁弁、12
は膨張弁、13は逆止弁、14はキャピラリチューブ、15は
ブライン熱交換器、16はアキュムレータであり、これら
機器部品を冷媒配管で接続している。ブライン熱交換器
15は、シエル15a内に冷媒配管のチューブ15bを組込んだ
もので、シエル15a側にブライン、チューブ15b側に冷媒
を流通させて熱交換を行うように構成されている。

チラーユニット外の配管係において、17は電磁弁、18
は逆止弁、19は三方弁を示している。

蓄熱槽２は、合成樹脂と断熱材で形成された槽体20内
に、例えばポリエチレンチューブを蛇管状に成形してな
る製氷用熱交換器21を組込んだものである。この製氷用
熱交換器21のチューブは、ブライン熱交換器15に連通す
るブライン配管に接続されている。

22は温度センサ、23は水位計、24は氷センサでいずれ
も蓄熱の状態を制御するための検知手段である。25は氷
は融かすための散水手段を示す。

ブライン／水熱交換器３は、シエル3a内に水配管のチ
ューブ3bを組込んだもので、シエル3a側にブラインを流
し、チューブ3b側に水を流通させ熱交換を行うように構
成されている。

このような構成の冷熱源装置部の作用を代表的な運転
モードについて説明する。

蓄氷運転時には、冷媒，ブラインは二重実線矢印の方
向に流れる。

チラーユニット１内では、圧縮機７から吐出される高
温高圧の冷媒ガスは、四方弁８を経て空気側熱交換器９
に入り、空気に放熱して凝縮される。

液化した冷媒は、受液器10を経たのち、膨張弁12−１
を介して断熱膨張され、低圧低温の冷媒液の状態でブラ
イン熱交換器15のチューブ15bに流入する。ここで、冷
媒液はブラインと熱交換して蒸発し、低温低圧の冷媒ガ
スとなり四方弁８、アキュムレータ16を経て圧縮機７に
吸入され、以下同じサイクルを繰り返す。

ブライン熱交換器15で得られた低温ブラインは、二重
実線矢印に示すように、蓄熱槽２の製氷用熱交換器21と
ブライン熱交換器15のシエル15a内とを結ぶブライン配
管をブラインポンプ４を介して循環し、蓄熱槽２の槽体
20内の水を冷却して、製氷用熱交換器21のチューブ外周
に着氷を生ぜしめる。

この蓄氷運転は、基本的には夜間、電力消費の少ない
時間に行なって蓄氷し、昼間の空調負荷の大きいときに
解氷放熱するものである。

蓄氷運転は、スケジュールタイマーで時間管理がなさ
れ、蓄熱量の管理は、製氷過程で生じる水の体積変化
（水位計23による検知）や、蓄熱槽水温の管理（温度セ
ンサー22による検知）などが行われる。

次に、冷却運転（冷房運転）時には、冷媒，ブライン
は実線矢印の方向に流れる。

チラーユニット１内での冷媒の流れは、前述の蓄熱運
転に準じているが、異なる点は、膨張弁12−２を介して
いることである。

ブライン熱交換器15で得られた低温ブラインは、実線
矢印に示すようにブライン配管を流れ、ブライン／熱交
換器３のシエル3a内を流れて、チューブ3bに入ってくる
負荷側からの還り水を冷却するように構成されている。

ブラインは、蓄熱槽２をバイパスし、ブラインポンプ
４を介してチラーユニット１のブライン熱交換器15に戻
り、以下循環する。一方、ブライン／水熱交換器３で冷
却された水は、三方弁19、温度調節弁26により、一部は
蓄熱槽へ流れ、一部は直接負荷側に流れるよう制御さ
れ、一定温度の冷水が冷温水ポンプ５を介して負荷側、
たとえば空気調和機のフアンコイルユニット（図示せ
ず）に供給される。

冷却運転中の制御は、予想負荷量と、蓄熱量およびチ
ラーユニット冷却能力の比較にもとづいてチラーユニッ
ト１を制御し、負荷に対応するものである。

次に、加熱運転時には、まずチラーユニット１内での
冷媒の流れは、破線矢印の方向になる。圧縮機７から吐
出される高温高圧の冷媒ガスは、四方弁８を経てブライ
ン熱交換器15のチューブ15b内に入りブラインと熱交換
して凝縮される。液化した冷媒は、受液器10を経たの
ち、キャピラリチューブ14を介して断熱膨張され、低圧
低温の冷媒液の状態で空気側熱交換器９に流入する。こ
こで、冷媒液は外気と熱交換して蒸発し、低温低圧の冷
媒ガスとなり四方弁８、アキュムレータ16を経て圧縮機
７に戻り、以下同じサイクルを繰り返す。

チラーユニット１外の配管系におけるブラインの流れ
は、加熱蓄熱運転のときは破線矢印で示すようになる。
すなわち、ブライン熱交換器15で得られた高温ブライン
は蓄熱槽２の製氷用熱交換器21を流れて槽体20内の水を
加熱する。

加熱空調、すなわち暖房運転のときは、ジクザグ矢印
で示すように、ブラインは、ブライン熱交換器15とブラ
イン／水熱交換器３との間を循環する。ブライン熱交換
器15で得られた高温ブラインは、ブライン／水熱交換器
３でシエル3a内を流れ、チューブ3bに入ってくる負荷側
からの還り水を加熱し、冷温水ポンプ５によって負荷側
に温水を供給する。

このような熱源装置の一般的な制御手段について説明
する。

蓄熱運転の場合、現在の蓄熱量が予め設定してある蓄
熱量に達しているか、いないかを判定し、達していれ
ば、チラーユニット1,ブラインポンプ４は停止する。達
していなければ、チラーユニット1,ブラインポンプ４は
運転する。蓄熱量が設定値に達するまで運転を継続す
る。

空調運転の場合、例えば冷房運転では、まず冷温水ポ
ンプ５が起動する。次いで、蓄熱槽２の温度が設定値よ
り高くなったらチラーユニット１を起動させる。設定値
まで達していない場合は、測定している蓄熱残量と、予
め設定した予測負荷を比較し、蓄熱残量が不足していれ
ばチラーユニット１が運転され、蓄熱残量が充分であれ
ばチラーユニット１は停止する。

次に、前述の空冷ヒートポンプ式氷蓄熱冷暖房装置の
熱源装置において、空調負荷予測運転を行うための構成
と手順を第１図ないし第３図を参照して説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る空冷ヒートポンプ
式氷蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測制御部の構成を示す
ブロック図、第２図は、対象負荷の特性を求めるための
負荷予測テーブルの作成手順を示すフローチャート、第
３図は、その負荷予測テーブルの様式を示す説明図であ
る。

第１図において、31は、空調対象となる室内の温度を
検知する検知手段に係る室内温度センサー、32は、外気
温度を検知する検知手段に係る外気温度センサー、33
は、外気湿度を検知する検知手段に係る外気湿度センサ
ー、34は、演算制御手段に係るマイクロコンピュータ
で、第１図にマイクロコンピュータ34の枠内に示した各
ブロックは、本実施例におけるマイクロコンピュータ34
の機能を表わしたものである。35は、先に第４図で説明
した空冷ヒートポンプ式氷蓄熱冷暖房装置の熱源装置部
の熱源機器である。

さて、空調負荷を予測するためには、先に述べたよう
に外気負荷と建物など空調すべき対象となる躯体の保有
している蓄熱負荷（以下躯体負荷という）とを予測しな
ければならない。そして、外気負荷を予測するためには
外気エンタルピを知る必要がある。

外気エンタルピは、下記のとおりマイクロコンピュー
タで演算する。

ｉ＝（597.3＋0.441T）×ｘ＋0.24T Ｈ ：検出した外気相対湿度 ％RH Ｔ ：検出した外気温度 ℃ hs ：水蒸気分圧 mmHg ｘ ：絶対湿度 kg/kg′ ｉ ：外気エンタルピ kcal/kg 負荷予測は、第２図に示すような手順により負荷対象
のパターン特性を分析して負荷予測テーブルを作成す
る。

まず、負荷計算に使われる空気調和衛生工学会が開発
したプログラムであって、一般化された気象データを用
いた動的熱負荷計算プログラム「マイクロHASP」により
時刻負荷Ａ（Ｉ）を求める。この時刻負荷Ａ（Ｉ）は、
単位時間当りの合計負荷すなわち全体負荷である。この
全体負荷を外気負荷Ｂ（Ｉ）とその他の負荷Ｃ（Ｉ）に
区分する。その他の負荷は空調対象となる建家の躯体負
荷や人、機械などの負荷であるが、躯体負荷が主となる
ものである。

「マイクロHASP」から求めた一般化されたデータを、
本空冷ヒートポンプ式氷蓄熱冷暖房装置が対象とする現
実の負荷対象に適用できるデータにする必要がある。そ
こで、前記外気負荷Ｂ（Ｉ）とその他の負荷Ｃ（Ｉ）を
１週間プロットして平均的パターンを求める。外気負荷
Ｂ（Ｉ）の平均的パターンをＤ（Ｉ）、その他の負荷Ｃ
（Ｉ）の平均的パターンをＥ（Ｉ）とする。

次に躯体負荷と空調開始時室温との関係を求める。建
家などの躯体はあたたまっていて、朝の空調開始時に蓄
熱負荷を保有しているので、躯体負荷は起動時に大きく
効いてくる要素であるから、室温ｔのときの躯体負荷を
Q1＝ｆ（ｔ）の関数関係で表わす。これは、起動後２時
間の負荷と考える。

そこで毎時合計負荷は、起動を８時として８時から10
時までの２時間の間は、躯体負荷Q1と外気負荷の平均的
パターンＤ（Ｉ）とを加えたもので表わされる。すなわ
ち、 Ｑ（Ｉ）＝Q1＋Ｄ（Ｉ） また、起動後２時間を過ぎたのち、10時から、運転を
停止する18時までの合計負荷は、外気負荷の平均的パタ
ーンＤ（Ｉ）とその他負荷の平均的パターンＥ（Ｉ）と
を加えたものと考えてよい。すなわち、 Ｑ（Ｉ）＝Ｄ（Ｉ）＋Ｅ（Ｉ） これら各時間を一日の合計負荷として加算し、外気エ
ンタルピーと室内温度との関係で表示したものが第３図
の負荷予測テーブルである。

第３図において、欄内に負荷予測の数値が入るべきも
ので、例えば外気エンタルピーが18.0kcal/kg、室内温
度28℃のときの負荷予測は長円印を付した欄に示される
ものである。そして、第３図に示す全ての欄、各外気エ
ンタルピーと各室内温度に対応する各欄には前述と同様
にして得られた一日の空調負荷予測の数値が書き込まれ
る。

このように、空調負荷予測テーブルは、外気負荷、躯
体の蓄熱負荷を主体とする負荷をパターン化して各時刻
の空調負荷を求め、それを合計した一日の空調負荷の値
を、外気エンタルピと室内温度との関係で表示したもの
で、季節的な補正は補正係数を掛けて行うことができ
る。この空調負荷予測テーブルは、マイクロコンピュー
タ34に予め入力し記憶部に記憶させるものである。

マイクロコンピュータ34の記憶部には、チラーユニッ
ト１のチラー能力や蓄熱槽２など熱源装置の機器、すな
わち熱源機器35の容量も予め入力しておく。

そこで、空調運転すべき当日の、例えば朝など空調開
始時に、外気温度センサー32が検知した外気温度、外気
湿度センサー33が検知した外気湿度から演算される外気
エンタルピｉと、室内温度センサー31が検知した室内温
度ｔとをパラメータとして、予め設定して入力された前
記空調負荷予測テーブルおよび熱源機器容量の入力デー
タを用いて、前記熱源機器の一日の運転時間のタイムス
ケジュールを演算して決める。すなわち、当日の外気エ
ンタルピｉと、当日の室内温度ｔとから前記空調負荷予
測テーブルを用いて当日の全体の空調負荷を予測し、そ
の全体の空調負荷から空調開始時の前記蓄熱槽２の蓄熱
量を差し引いて、熱源機器であるチラーユニット１の当
日の所要負荷を予測し、前記チラーユニット１の当日の
運転時間のタイムスケジュールを決め、その決められた
タイムスケジュールに従って、例えば、チラーユニット
の運転，停止、蓄熱運転、冷却運転など運転モードの切
換えの運転制御信号が、マイクロコンピュータ34の出力
部から出力され、適正で効率的な空調負荷予測運転が行
われる。

本実施例の空冷ヒートポンプ式氷蓄熱冷暖房装置によ
れば、気象データを基にした、簡易なプログラムによ
り、安価で、しかも外気負荷と躯体の蓄熱負荷とを配慮
した、精度の高い空調負荷予測を行うことができ、氷蓄
熱式の蓄熱槽を利用した熱源機器の最適運転時間割付け
がなされ、ピークシフト運転など熱源機器35を効率的に
運転することができる。例えば、夏季の運転パターンと
しては、夜間、電力消費の少ない時間に蓄氷運転にによ
って蓄熱槽２に蓄えられた熱量を、昼間の電力需要のピ
ーク時に放出するピークカット、ピークシフト運転を適
切な空調負荷予測運転で実施できる。

また、負荷の実態に応じ、蓄氷運転、冷却運転など運
転モードの切換えが適正な予測のもとにタイムスケジュ
ールによって行うことができる。

なお、上記の実施例では、ブライン熱交換器15,ブラ
イン／水熱交換器３を介在させて蓄氷を行う空冷ヒート
ポンプ式氷蓄熱冷暖房装置の熱源装置の例を説明した
が、本発明は、これに限るものではなく、ブラインを用
いない空冷ヒートポンプ式氷蓄熱冷暖房装置、あるいは
水蓄熱などの蓄熱手段を備えた他の熱源装置についても
汎用的に適用できるものである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、安価
で、しかも外気負荷と躯体の蓄熱負荷とを配慮した精度
の高い空調負荷予測を行い、熱源機器の効率的な運転を
可能とし、負荷の実態に応じた運転モードの切り換えを
適正な予測のもとに、タイムスケジュールによって行う
ことのできる蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測運転方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る空冷ヒートポンプ式
氷蓄熱冷暖房装置の空調負荷予測制御部の構成を示すブ
ロック図、第２図は、対象負荷の特性を求めるための負
荷予測テーブルの作成手順を示すフローチャート、第３
図は、その負荷予測テーブルの様式を示す説明図、第４
図は、本発明の一実施例に係る空冷ヒートポンプ式氷蓄
熱冷暖房装置の熱源装置部の系統図である。 １……空冷ヒートポンプ式チラーユニット、２……蓄熱
槽、31……室内温度センサー、32……外気温度センサ
ー、33……外気湿度センサー、34……マイクロコンピュ
ータ、35……熱源機器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳原 隆司 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 坪田 祐二 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東京電力株式会社内 (72)発明者 小野田 利介 土浦市神立町603番地 株式会社日立製 作所土浦工場内 (72)発明者 杉本 滋郎 土浦市神立町603番地 株式会社日立製 作所土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭49−83246（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−46653（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱源機器と、この熱源機器および負荷側機
   器に接続する蓄熱槽と、これらを制御する手段と、外気
   温度、外気湿度および負荷側の室内温度を検知する各検
   知手段とを備え、 上記検知手段が検知する外気温度、外気湿度から外気エ
   ンタルピを演算し、この外気エンタルピと室内温度とか
   ら空調負荷を予測して熱源機器の運転制御を行う蓄熱冷
   暖房装置の空調負荷予測運転方法において、 気象データを基に、予め空調負荷予測テーブルを設定す
   るに際し、空調開始時点から所定時間は躯体の蓄熱負荷
   と外気負荷の平均的パターンとを加えたもので、その後
   は外気負荷の平均的パターンとその他の負荷の平均的パ
   ターンとを加えたもので各時刻の空調負荷を求め、それ
   を合計した一日の空調負荷の値を外気エンタルピと室内
   温度との関係で表示した空調負荷予測テーブルを演算制
   御手段に記憶し、 空調運転すべき当日の外気エンタルピから予測できる外
   気負荷と、前記室内温度検知手段が検知した当日の室内
   温度とから前記空調負荷予測テーブルを用いて当日の全
   体の空調負荷を予測し、その全体の空調負荷とそのとき
   の前記蓄熱槽の蓄熱量とから前記熱源機器の当日の所要
   負荷を予測して運転することを特徴とする蓄熱冷暖房装
   置の空調負荷予測運転方法。