JP3656299B2 - 空気調和システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、冷凍機あるいは温水ボイラー等の熱源機器によって作られた冷水あるいは温水を室内側に循環させるために、複数台の送水ポンプを設けて、室内側の要求する水量によって、送水ポンプの運転台数を決定する制御を行う場合、送水ポンプの運転台数を決定するための指標である水量や圧力の指標値は、空気調和設備の方式による特性や、送水ポンプの性能、配管の抵抗特性等に関して、専門的な知識を有する人間が設定を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方式だと、制御装置に関する知識のみならず、空気調和システムや流体力学に関する知識が必要であり、経験を積んだ技術者でないと設定できないために、現場で設定、調整を行う人間に制約と負担を与えるという問題点があった。
本発明は、上述の問題点に鑑みて為されたもので、現場で設定、調整を行う人間に対する制約と負担が軽減される空気調和システムを提供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明では、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの設計流量、設計圧力及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数を変更するための指標となる圧力値を自動的に計算し、且つ現在の運転台数毎に、該台数から増減させるべき指標となる圧力値を計算して送水ポンプの運転台数を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００５】
請求項２の発明では、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その検出流量によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数を変更するための指標となる流量値を自動的に計算し、且つ現在の運転台数毎に、該台数から増減させるべき指標となる流量値を計算して送水ポンプの運転台数を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
請求項３の発明では、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つとともに、送水特性の調節範囲を越えて圧力の偏差が増大したときに、送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項４の発明では、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性を変化させる送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その流量によって送水ポンプの運転台数を変更し、且つ室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つ空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に変更する流量と送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項５の発明では、請求項４の発明において、室内側に設けた空気調和機から帰ってきた冷水又は温水を集める第１のヘッダーと、第１のヘッダーから出た冷水又は温水を１台乃至複数の熱源機器に分配する第２のヘッダーとを備えるとともに流量計を第１のヘッダーと第２のヘッダーとの間の配管に設け、熱源機器１３で作られた冷水又は温水は第３のヘッダーを介して送水ポンプへ送られ、送水ポンプから出た冷水又は温水は第４のヘッダーを介して空気調和機へ送られることを特徴とする。
【０００９】
而して各請求項の発明では、空気調和制御手段に、定められた数値を入力するだけで、制御のための各設定値がその空気調和システムに適応した値となるように計算されて自動的に設定され、適切な送水ポンプの制御が行える。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本実施形態は図１に示すように、室内側空調機器を循環して帰ってきた冷水或いは温水をヘッダー５を介して冷凍機あるいは温水ボイラー等の熱源機器群１に送り、この熱源機器群１によって冷却して作られた冷水あるいは加熱して作られた温水をまとめるヘッダー２に複数台の送水ポンプ３…を接続し、送水ポンプ３…により加圧された水をまとめるヘッダー４を介して室内側の各系統の配管を介して室内側空調機器へ送水するようになっている。空気調和制御装置ＤＣは送水ポンプ３…の運転制御及び後述の計算を行う空気調和制御手段を構成するものである。二方弁７は送水ポンプ３をバイパスする場合に開成されるものである。
【００１１】
次に送水ポンプ３の最大運転台数、送水ポンプ３の設計流量、設計圧力及び末端必要圧力から、送水ポンプ３の運転台数を変更するべき指標となる圧力の適正な数値を計算式によって求めることができることを説明する。
図１において、送水ポンプ３…の設計流量をＶ０、設計圧力をＰ０、送水ポンプ特性曲線上の任意の１点（設計流量、圧力とは別の１点）の流量をＶ１、圧力をＰ１とする。送水ポンプ３の流量と圧力の特性曲線を下記の２次式で近似するものとする。
【００１２】
Ｐ＝Ｋ１×Ｖ² ＋Ｋ２ …（式１）
ここでＰは圧力、Ｖは流量、Ｋ１は２次係数、Ｋ２は無次係数である。前述の送水ポンプ３…の設計圧力、流量、特性曲線上の圧力、流量が既知（既定値）であれば、Ｋ１、Ｋ２は以下の式によって求められる。
Ｋ１＝（Ｐ０−Ｐ１）／（Ｖ０² −Ｖ１² ） …（式２）
Ｋ２＝（Ｐ１×Ｖ０² −Ｐ０×Ｖ１² ）／（Ｖ０² −Ｖ１² ） …（式３）
また室内側の負荷が最大である（要求水量が最大）時の配管系の圧力抵抗曲線を下記の式で表す。
【００１３】
Ｐ＝Ａ×Ｖ² …（式４）
ここでＰは圧力（抵抗）、Ｖは流量Ａは２次係数である。送水ポンプ３…の選定が正しいとすると、この曲線は送水ポンプ３…の最大運転台数をＮとして、（Ｐ０、Ｎ×Ｖ０）の点を通るはずであるから、Ａは次式により求められる。
Ａ＝Ｐ０／（Ｎ×Ｖ０）² …（式５）
室内側の配管の末端で必要な圧力（以下末端必要圧力という）をｐとし、室内側の流量に拘わらず常にこの圧力を末端で確保するするための、流量と圧力の関係は（式４）の圧力抵抗曲線を基にして下記の式で表せる。
【００１４】
Ｐ＝Ａ×Ｖ² ＋ｐ …（式６）
送水ポンプ３…をｎ台運転しているときの送水ポンプ全体の性能曲線は（式１）より下記の式で表される。
Ｐ＝Ｋ１×（Ｖ／ｎ）² ＋Ｋ２ …（式７）
本実施形態では、送水ポンプ３の運転台数の変更は送水ポンプ３の吐出側の配管に設置した圧力センサ６によって検知する送水圧力を基準として判断する。送水ポンプ３を（ｎ−１）台運転しているとき１台起動して（ｎ段目増段という）ｎ台運転とすベき指標となる送水圧力Ｐnoは、（ｎ−１）台運転しているときの送水ポンプ３…全体の性能曲線と末端必要圧力を確保するための曲線との交点より求められる。すなわち以下のとおりである。
【００１５】
Ｐ＝Ａ×Ｖ² ＋ｐ …（式８）
Ｐ＝Ｋ１×〔Ｖ／（ｎ−１）〕² ＋Ｋ２ …（式９）
∴Ｐ_no＝（Ｋ２−Ｘ×ｐ）／（１−Ｘ） …（式１０）
但しＸ＝Ｋ１／〔Ａ×（ｎ−１）² 〕
またｎ台運転時に１台停止して（ｎ段目減段という）（ｎ−１）台運転とすべき送水圧力Ｐｎｓは、ｎ段目増段を行うときの流量Ｖ_noにおけるｎ台運転時の送水圧力と同じにするべきであるから（式６）と（式７）と（式１０）より下記の式で求められる。
【００１６】

而して上記の計算及び送水ポンプ３…の運転制御を空気調和制御装置ＤＣが行うことになる。
【００１７】
本実施形態における以上の関係を最大運転台数Ｎ＝４のときにグラフで表したものを図２に示す。
（実施形態２）
本実施形態２は、図３に示すように実施形態１に室内側を循環して帰ってきた冷水あるいは温水をまとめるヘッダー８を設け、全体の循環水量を検知するための流量計９を通じた後、熱源機器群１にヘッダー５により分配するようにした点で実施形態１と相違する。尚その他の構成は実施形態１と同じである。
【００１８】
而して本実施形態では、増減投の判断を室内側からの帰り配管に設置した流量計９によって検知される室内側の要求水量によって送水ポンプ３の運転台数を変更する。
実施形態１と同様に、流量に拘わらず末端必要圧力を確保するとして、ｎ段目増段流量は、末端必要圧力確保曲線と（ｎ−１）運転時のポンプ全体の性能曲線との交点から求められる。実施形態１と全く同様にｎ投目増段圧力Ｐ_noは以下の式で求められる。
【００１９】
Ｐ_no＝（Ｋ２−Ｘ×ｐ）／（１−Ｘ） …（式１３）
但し ＝Ｋ１／〔Ａ×（ｎ−１）² 〕
このＰ_noを（式８）に代入すればｎ段目増段流量Ｖ_noが求められ、次式の通りとなる。
Ｖ_no＝√〔（Ｋ２−ｐ）／（Ａ−Ａ×Ｘ）〕 …（式１４）
但しＸ＝Ｋ１／〔Ａ×（ｎ−１）² 〕
またｎ段目減段流量はｎ段目増段流量から−定流量を差し引いて求める。（一般的にはポンプ設計流量の２０％程度）
本実施形態における以上の関係を最大運転台数Ｎ＝４のときにグラフで表したものを図４に示す。
【００２０】
（実施形態３）
本実施形態は、図５に示すように送水ポンプ３に送水特性を変化させるインバータ等の送水特性変更装置１０を具備した点で、実施形態１と相違する。その他の構成は実施形態１と同じである。
而して本実施形態では、送水ポンプ３に送水特性を変化させる送水特性変更装置１０、例えばインバータを具備し、送水ポンプ３の吐出側の配管に設置した圧力センサ６によって検知される送水圧力を、送水ポンプ３の送水特性を調節することによって−定に保ち、送水特性を変化させるだけでは送水圧力を−定に保てない状態になったとき、すなわち送水圧力が目標値から−定量ずれたときに運転台数を変更する。
【００２１】
例えば（ｎ−１）台運転時の目標圧力Ｐ_n-1 は、末端必要圧力確保曲練と、ポンプを（ｎ−１）台建碑運転しているときのポンプ全体の性能曲線との交点の圧力となる。実施形態１の場合と同様に（式８）と（式９）より目標圧力Ｐ_n-1 は下記の式により求められる。
Ｐ_n-1 ＝（Ｋ２−Ｘ×ｐ）／（１−Ｘ） …（式１５）
但し ＝Ｋ１／〔Ａ×（ｎ−１）² 〕
送水ポンプ３の増減段は、送水特性を変化させる装置を調節することによって送水圧力を上記の目標圧力に保てなくなったときに行う。すなわち送水圧力が目標圧力から−定量（概ね目標圧力の２０％程度）以上高くなったときに減段、一定量（槻ね目標圧力の２０％程度）以上低くなったときに増投を行う。
【００２２】
本実施形態における以上の関係を最大運転台数Ｎ＝４のときにグラフで表したものを図６に示す。
（実施形態４）
本実施形態は、図７に示すように送水ポンプ３に送水特性を変化させる送水特性変更装置１０を具備した点で、実施形態２と相違する。その他の構成は実施形態２と同じである。
【００２３】
次に本実施形態では、、増減段の判断を室内側からの帰り配管に設置した流量計９によって検知される室内側の要求水量によって送水ポンプ３の運転台数を変更すると共に、その流量に応じた目標圧力を計算し、送水圧力から送水特性を変化させる装置を調節する。
本実施形態は実施形態２と全く同様にしてｎ段目増段流量Ｖ_noが求められ、次式の通りとなる。
【００２４】
Ｖ_no＝√〔（Ｋ２−ｐ）／（Ａ−Ａ×Ｘ）〕 …（式１６）
但しＸ＝Ｋ１／〔Ａ×（ｎ−１）² 〕
ｎ段目減段流量はｎ段目増段流量から一定流量を差し引いて求める。（一般的にはポンプ設計流量の２０％程度）
送水ポンプ３に送水特性を変化させる装置を調節するための目標圧力は、流量にかかわらず末端必要圧力を確保するとして、末端必要圧力確保曲線とその時点の室内側の要求水量より以下の式で求められる。この値は要求水量が常に変化するため、制御中は常に計算を実行して求める。
【００２５】
Ｐ＝Ａ×Ｖ² ＋ｐ …（式１７）
本実施形態における以上の関係を最大運転台数Ｎ＝４のときにグラフで表したものを図８に示す。
（実施形態５）
本実施形態５は実施形態４に対応する具体実施例を示し、４台の送水ポンプ３₁ …の吐出側にヘッダー４に設置した圧力センサ６、室内側に設けた空気調和機１２からの帰り配管をまとめるヘッダー８と、３台の熱源機器１₁ …に分配するヘッダー５との間に設置した流量計９の信号を空気調和制御手段である空気調和制御装置ＤＣに取り込み、空気調和制御装置ＤＣは予め入力されたポンプ最大運転台数、送水ポンプ３₁ …の流量、圧力特性値、末端必要圧力から上述した計算により求めた運転台数を変更流量値によって、送水ポンプ３₁ …の適正運転台数を決定し、流量値から求められる目標送水圧力と、現状送水圧力からインバータからなる送水特性変更装置１０₁ …を制御して送水ポンプ３₁ …の送水圧力を適正に保つ制御を行うのである。
【００２６】
尚図中１１…は二方弁、１３…は戻ってきた冷水或いは温水を熱源機器１₁ …へ送るためのポンプ、１４はヘッダーバイバス用弁を示す。
上記実施形態で送水特性変更装置１０を具備する送水ポンプ３は複数台であるが、１台の場合でも良い。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの設計流量、設計圧力及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数を変更するための指標となる圧力値を自動的に計算し、且つ現在の運転台数毎に、該台数から増減させるべき指標となる圧力値を計算して送水ポンプの運転台数を制御する空気調和制御手段を備えたので、また請求項２の発明は、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その検出流量によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたので、更に請求項３の発明は、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つとともに、送水特性の調節範囲を越えて圧力の偏差が増大したときに、送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたので、また更に請求項４の発明は、熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性を変化させる送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その流量によって送水ポンプの運転台数を変更し、且つ室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つ空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に変更する流量と送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたので、更にまた請求項５の発明は、請求項４の発明において、室内側に設けた空気調和機から帰ってきた冷水又は温水を集める第１のヘッダーと、第１のヘッダーから出た冷水又は温水を１台乃至複数の熱源機器１３に分配する第２のヘッダーとを備えるとともに上記流量計を第１のヘッダーと第２のヘッダーとの間の配管に設け、熱源機器１３で作られた冷水又は温水は第３のヘッダーを介して上記送水ポンプへ送られ、上記送水ポンプから出た冷水又は温水は第４のヘッダーを介して上記空気調和機へ送られるので、空気調和制御手段に、定められた数値を入力するだけで、制御のための各設定値がその空気調和システムに適応した値となるように計算されて自動的に設定され、適切な制御が行え、そのため現場で設定、調整を行う人間の負担が軽減されるとともに、間違った数値を設定してしまい、試運転調整時に各機器や配管に悪影響を及ぼしてしまう可能性も低くなり、また送水ポンプの台数や流量特性値が違っていても適用できる計算式で演算することが可能であるため、現場毎に計算のためのプログラムを変更する必要が無いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の概略構成図である。
【図２】同上の諸要素の関係を説明するグラフ図である。
【図３】実施形態２の概略構成図である。
【図４】同上の諸要素の関係を説明するグラフ図である。
【図５】実施形態３の概略構成図である。
【図６】同上の諸要素の関係を説明するグラフ図である。
【図７】実施形態４の概略構成図である。
【図８】同上の諸要素の関係を説明するグラフ図である。
【図９】実施形態５の構成図である。
【符号の説明】
１ 熱源機器群
２ ヘッダー
３ 送水ポンプ
４ ヘッダー
５ ヘッダー
６ 圧力センサ
７ 二方弁
ＤＣ 空気調和制御装置

Claims (5)

1. 熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの設計流量、設計圧力及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数を変更するための指標となる圧力値を自動的に計算し、且つ現在の運転台数毎に、該台数から増減させるべき指標となる圧力値を計算して送水ポンプの運転台数を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする空気調和システム。
2. 熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水ポンプを複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その検出流量によって送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数を変更するための指標となる流量値を自動的に計算し、且つ現在の運転台数毎に、該台数から増減させるべき指標となる流量値を計算して送水ポンプの運転台数を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする空気調和システム。
3. 熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つとともに、送水特性の調節範囲を越えて圧力の偏差が増大したときに、送水ポンプの運転台数を変更する空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする空気調和システム。
4. 熱源機器により作られた冷水又は温水を、空調する室内側に分配するために送水特性を変化させる送水特性変更装置を具備した送水ポンプを１台乃至複数台設置し、室内側の要求する水量を室内側からの戻り側の配管に設けた流量計により検出し、その流量によって送水ポンプの運転台数を変更し、且つ室内側の要求する水量により変化する送水圧力を送水ポンプの吐出側の配管に設けた圧力センサによって検出し、その検出圧力と目標圧力から送水ポンプの送水特性を調節して圧力を−定に保つ空気調和システムにおいて、送水ポンプの最大運転台数、送水ポンプの流量、圧力特性値及び末端必要圧力の既定値が設定されることによって、送水ポンプの運転台数毎に変更する流量と送水特性を調節するための目標圧力値を自動的に計算し、送水ポンプの運転台数、送水ポンプの送水特性を制御する空気調和制御手段を備えたことを特徴とする空気調和システム。
5. 室内側に設けた空気調和機から帰ってきた冷水又は温水を集める第１のヘッダーと、第１のヘッダーから出た冷水又は温水を１台乃至複数の熱源機器に分配する第２のヘッダーとを備えるとともに流量計を第１のヘッダーと第２のヘッダーとの間の配管に設け、熱源機器で作られた冷水又は温水は第３のヘッダーを介して上記送水ポンプへ送られ、送水ポンプから出た冷水又は温水は第４のヘッダーを介して空気調和機へ送られることを特徴とする請求項４記載の空気調和システム。

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