JP3954447B2

JP3954447B2 - 温湿度制御システムおよび温湿度制御方法

Info

Publication number: JP3954447B2
Application number: JP2002174484A
Authority: JP
Inventors: 卯太郎平; 勇人三平
Original assignee: Azbil Corp; Topre Corp
Current assignee: Azbil Corp; Topre Corp
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-06-14
Also published as: JP2004020033A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、空調制御対象室内の温湿度を制御する温湿度制御システムおよび温湿度制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷却、加熱および加湿機能を備える空調装置を用いて空調制御対象室内の温湿度制御を行う場合、冷却，加熱，加湿機能の作用は温度と湿度（相対湿度）に関して図３に示した矢印の方向性を有し、冷却，加熱，加湿機能の能力を適宜に調節して温湿度を制御する。図３において、横軸は温度（℃）、縦軸は相対湿度（％RH）を示し、原点は仮に空調を行なって来なかったとした場合に自然条件に依存して変化して来たはずの温度湿度のその時刻での組み合わせに相当する。
【０００３】
すなわち、冷却機能は、温度を下げるとともに、温度を下げることで空気中の水蒸気を凝結させ除去して湿度を下げる。加熱機能は、温度を上げるとともに、温度を上げることで空気中の飽和蒸気量を増大させて湿度を下げる。加湿機能は、空気中に蒸気を供給して湿度を上げるとともに、加熱型の加湿器であれば若干ではあるが温度を上げるし、吸熱型の加湿器であれば若干ではあるが温度を下げる。加熱型の加湿器としては電極式，電熱式などがある。吸熱型の加湿器としては水噴霧式，気化式などがある。
【０００４】
そして、例えば加湿器が加熱型であるとして、図３で原点から、空調実施によってＡ点の温湿度に変化させる場合に、Ａ点を挟む加熱機能と加湿機能（加熱型）を使ってＡ点に到達したとすれば、用いたエネルギーは明らかに必要最小限である。また、同様に原点からＢ点に変化させる場合に、Ｂ点を挟む冷却機能と加熱機能を使ってＢ点に到達したとすれば、やはり用いたエネルギーは必要最小限である。更に、原点からＣ点に変化させる場合に、Ｃ点は加熱機能の矢印上に存在するので、加熱機能のみを使ってＣ点に到達したとすれば、やはり用いたエネルギーは必要最小限である。
【０００５】
ところが、従来の温湿度制御方法では、用いるエネルギーを上述したように必要最小限とすることは容易でなく、多くの場合には冷却機能、加熱機能、加湿機能の全てが同時に使われる結果となり、よって、これら三つの機能が夫々の効果を互いに打ち消し合うことによってエネルギーが無駄に使われ、省エネルギーとは程遠い状況であることが多かった。一方、後に言及する数理計画型モデル予測制御方法には、原点と到達すべき点の位置関係がどうなっていたとしても、先に述べたように最小限必要な二つの機能、あるいは、一つの機能のみを適切に選択してそれらだけを使うようにする自動メカニズムが備わっており、この作用が要因して数理計画型モデル予測制御方法は省エネルギー性に優れている。
【０００６】
図４に従来の温湿度制御システムの一例として、ヒートポンプ型熱源空調機と加湿器を用いた温湿度制御システムの要部を示す。同図において、１はヒートポンプ型熱源空調機、２はヒートポンプ型熱源空調機１からの温調空気の供給を受ける空調制御対象室、３は空調制御対象室２内に配置された室内温度センサ、４は空調制御対象室２内に配置された室内湿度センサ、５は空調制御対象室２内に蒸気を供給する加湿器、６は制御装置、７はヒートポンプ型熱源空調機１に設置された霜付着センサや、予め定められた稼働時間に対して一定時間霜取信号を出力する等の霜付着検出手段である。
【０００７】
ヒートポンプ型熱源空調機１は、１台のコンプレッサ１−６を用いて冷却コイル１−１および加熱コイル１−２が夫々に調節され、冷却コイル１−１により一旦所定の温度（冷却送風温度）まで冷却すると同時に除湿し、加熱コイル１−２で所定の温度（加熱送風温度）まで加熱した空気、すなわち所定の温度に調整された空気（温調空気）をファン１−３により送風することが可能な空調用装置であり、操作量指令として冷却送風温度と加熱送風温度を受け付ける。
【０００８】
また、冷却コイル１−１と加熱コイル１−２の熱バランスを調節するため、調整用熱交換器１−５とファン１−４が設けられており、冷房時は外気に放熱し、暖房時は外気より吸熱することにより熱バランスが調整される。なお、各コイルと調整用熱交換器とコンプレッサ間の冷媒配管は省略されているが、このようなヒートポンプ型熱源空調機と加湿器とを一体に組み合わせたものとしては、例えば特開２０００−１８７６６号公報に記載されている。
【０００９】
制御装置６は、室内温度センサ３からの室内温度ｔpvおよび室内湿度センサ４からの室内湿度ＲＨpvと、図示されていない温度設定器からの室内温度の設定値ｔspおよび湿度設定器からの室内湿度の設定値ＲＨspとを受け取り、冷水コイルおよび温水コイルならびに前記加湿器を用いた温湿度制御システムを想定した場合の冷水弁開度θＣ（％）および温水弁開度θＨ（％）ならびに加湿器稼働率Ｍ（％）を求める数理計画型モデル予測制御方法を用いて、冷水弁開度θＣおよび温水弁開度θＨならびに加湿器稼働率Ｍを求め、この冷水弁開度θＣおよび温水弁開度θＨならびに加湿器稼働率Ｍを冷却送風温度ＴＳＣ（℃），加熱送風温度ＴＳＨ（℃）に変換して、冷却送風温度ＴＳＣと加熱送風温度ＴＳＨをヒートポンプ型熱源空調機１に指令し、および加湿器稼働率Ｍを加湿器５に指令する。これにより、空調制御対象室２内へのヒートポンプ型熱源空調機１からの温調空気および加湿器５からの蒸気の供給量が調節され、空調制御対象室２内の温湿度が制御される。
【００１０】
また、制御装置６は、霜付着検出手段７からの霜付着検出信号を受けて、ヒートポンプ型熱源空調機１に霜取り運転を指令する。すなわち、特に冬季などは、ヒートポンプ型熱源空調機１に霜が付着することがある。この場合、霜取り運転が行われて、ヒートポンプ型熱源空調機１に付着した霜が取り除かれる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このヒートポンプ型熱源空調機と加湿器を用いた温湿度制御システムにおいて、霜取り運転中はヒートポンプ型熱源空調機１の冷却機能，加熱機能が著しく低下してしまう。すなわち、霜取り運転が行われてヒートポンプ型熱源空調機１の冷却機能，加熱機能が著しく低下すると、あるいは完全に失われると、冷却機能，加熱機能に備わった湿度を下げる機能が低下、あるいは消失するので、その結果として室内湿度ＲＨpvが上昇し、設定湿度ＲＨspを遙かにオーバして室内環境が悪化してしまう。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、霜取り運転中の室内湿度の変化を極力防止し、良好な湿度制御結果を得ることの可能な温湿度制御システムおよび温湿度制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために本発明は、冷却および加熱を同時に行い所定の温度に調整された空気を送風することの可能なヒートポンプ型熱源空調機と、蒸気を生成する加湿器とを備え、ヒートポンプ型熱源空調機に指令する冷却送風温度および加熱送風温度ならびに加湿器に指令する加湿器稼働率を調節することによって、ヒートポンプ型熱源空調機からの温調空気および加湿器からの蒸気の供給を受ける空調制御対象室内の温湿度を制御する温湿度制御システムにおいて、空調制御対象室内の温度を検出する温度検出手段と、空調制御対象室内の湿度を検出する湿度検出手段と、温度検出手段からの検出温度および湿度検出手段からの検出湿度と室内温度の設定値および室内湿度の設定値を用いて、予め定められている数理計画型モデル予測制御方法に従って、ヒートポンプ型熱源空調機に指令する冷却送風温度および加熱送風温度ならびに加湿器に指令する加湿器稼働率を求める演算手段と、ヒートポンプ型熱源空調機へ霜取り運転の指令を出す霜取り運転指令手段と、この霜取り運転指令手段によって霜取り運転の指令が出された場合、この霜取り運転の指令が解除されるまで、演算手段における少なくとも室内湿度の設定値を霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の予測される変化方向とは逆の方向に所定量変更する設定値変更手段とを設けたものである。
【００１４】
この発明によれば、霜取り運転の指令が出されると、この霜取り運転の指令が解除されるまで、少なくとも室内湿度の設定値が霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の予測される変化方向とは逆の方向に所定量変更される。これにより、霜取り運転中に本来ならば室内湿度（実績値）が急変するはずの場合であっても、室内湿度の設定値が変更されることによって、室内湿度（実績値）の急変が抑制される。
【００１５】
なお、霜取運転中の室内湿度の設定値の変更量（所定量）は、実験試行の結果などから経験的に決定する。この場合、室内湿度の設定値の変更量が実際の室内温度の変化を食いとめる効果としては、設定値の変更量よりも小さ目にしか現れないので、充分な効果を得るために、室内湿度の設定値の変更量は霜取り運転によって変化する室内温度の変動量として予測される量（変動予測量）よりも大きくするとよい。
また、室内湿度の設定値だけではなく、室内温度の設定値についても同様にして変更するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１はこの発明に係るヒートポンプ型熱源空調機と加湿器を用いた温湿度制御システムの一実施の形態の要部を示すブロック図である。このシステムでは、図４に示した制御装置６の代わりに、制御装置８を使用している。
【００１７】
制御装置８は、与えられた室内温度および室内湿度の設定値ｔsp，ＲＨspならびにこれらの実測値ｔpv，ＲＨpvとにより冷水弁開度θＣ，温水弁開度θＨおよび加湿器稼働率Ｍの演算を行う制御演算部８−１と、この制御演算部８−１からの冷水弁開度θＣ，温水弁開度θＨおよび加湿器稼働率Ｍを、冷却送風温度ＴＳＣおよび加熱送風温度ＴＳＨに変換する送風温度変換部８−２と、この送風温度変換部８−２からの冷却送風温度ＴＳＣ，加熱送風温度ＴＳＨを受け付けて、冷却送風温度ＴＳＣ，加熱送風温度ＴＳＨを操作量としてヒートポンプ型熱源空調機１へ指令するとともに、霜取り運転指令（開始指令および終了指令）を出す運転指令部８−３と、運転指令部８−３からの霜取り運転指令（開始指令および終了指令）に基づいて、制御演算部８−１へ伝える室内温度の設定値ｔspおよび室内湿度の設定値ＲＨspを管理する温湿度設定値管理部８−４とを備えている。
【００１８】
ここで、運転指令部８−３は、ヒートポンプ型熱源空調機１へ霜取り運転指令を与えるとともに、温湿度設定値管理部８−４へ霜取り運転の開始・終了を示す霜取り運転指令（開始指令信号・終了指令信号）を与える。
温湿度設定値管理部８−４は、運転指令部８−３からの霜取り運転指令（開始指令信号・終了指令信号）に基づき、ヒートポンプ型熱源空調機１が霜取り運転を行っていない場合、すなわちヒートポンプ型熱源空調機１が通常の運転を行っている場合、図示されていない温度設定器からの室内温度の設定値ｔspおよび湿度設定器からの室内湿度の設定値ＲＨspをそのまま制御演算部８−１へ送る。
【００１９】
温湿度設定値管理部８−４には、霜取り運転によって変化するであろう室内湿度（実績値）の予測される変化方向とは逆の方向を変更方向として、室内湿度の設定値ＲＨspを調整する変更量αが設定されている。霜取り運転が行なわれると、冷却機能，加熱機能が著しく低下してしまい、冷却機能，加熱機能に備わった湿度を下げる機能が低下するので、その結果として実際の室内湿度ＲＨpvは図２に点線で示すように上昇する。
【００２０】
本実施の形態では、このような室内湿度（実測値）の上昇を予測し、この室内湿度（実測値）の変化方向（上昇方向）とは逆の方向（下降方向）を室内湿度の設定値ＲＨspの変更方向として定め、室内湿度（実測値）の変動量として予測される量（変動予測量）ΔＲＨと等しいかそれ以上の変更量αを、本来の室内湿度の設定値ＲＨspから差し引いて制御演算部８−１に伝える。
【００２１】
制御演算部８−１は、室内温度センサ３からの室内温度ｔpvおよび室内湿度センサ４からの室内湿度ＲＨpvと、温湿度設定値管理部８−４からの室内温度の設定値ｔspおよび室内湿度の設定値ＲＨspとを受け取り、数理計画型モデル予測制御方法を用いて冷水弁開度θＣおよび温水弁開度θＨならびに加湿器稼働率Ｍを求め、冷水弁開度θＣおよび温水弁開度θＨならびに加湿器稼働率Ｍを送風温度変換部８−２へ引き渡すとともに、加湿器稼働率Ｍを加湿器５へ指令する。
【００２２】
なお、制御演算部８−１は、数理計画型モデル予測制御方法を用いて冷水弁開度θＣおよび温水弁開度θＨならびに加湿器稼働率Ｍを求める際、下記（１）式で示される目的関数を使用する。すなわち、制御演算部８−１は、この目的関数を所定の制約条件の下で最小化する冷水弁開度θＣ，温水弁開度θＨおよび加湿器稼働率Ｍを求める。この数理計画型モデル予測制御方法については、文献１（空気調和・衛生工学会学術講演会講演論文集（２００１．９．２６〜２８（京都）：省エネルギー型温湿度制御方法の新旧比較）に開示されているので、その詳しい説明については省略する。
【００２３】
目的関数＝Ｑ１・（ｔ−ｔsp）²＋Ｑ２・（ＲＨ−ＲＨsp）²＋Ｗ１・θＣ²＋Ｗ２・θＨ²＋Ｗ３・Ｍ² ・・・・（１）
なお、この（１）式において、Ｑ１，Ｑ２，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３は重みを示す係数である。
【００２４】
送風温度変換部８−２は、冷水弁開度θＣを冷却送風温度ＴＳＣに変換し、温水弁開度θＨと加湿器稼働率Ｍを加熱送風温度ＴＳＨに変換し、この変換した冷却送風温度ＴＳＣおよび加熱送風温度ＴＳＨを運転指示部８−３へ送る。運転指示部８−３は、送風温度変換部８−２からの冷却送風温度ＴＳＣおよび加熱送風温度ＴＳＨをヒートポンプ型熱源空調機１に指令する。
【００２５】
これにより、空調制御対象室２内へのヒートポンプ型熱源空調機１からの温調空気および加湿器５からの蒸気の供給量が調節され、空調制御対象室２内の温湿度が本来の設定値に制御される。
【００２６】
〔霜取り運転〕
ヒートポンプ型熱源空調機１の霜付着検出手段７から霜付着検出信号が出力されると、運転指示部８−３はヒートポンプ型熱源空調機１へ霜取り運転の開始指令を与える。これにより、ヒートポンプ型熱源空調機１は霜取り運転を開始する。この霜取り運転中はヒートポンプ型熱源空調機１のコンプレッサが低能力運転されるため冷却機能，加熱機能が著しく低下する。
【００２７】
この場合、運転指示部８−３は、ヒートポンプ型熱源空調機１へ霜取り運転の開始指令と同時に、温湿度設定値管理部８−４へ霜取り運転開始信号を与える。温湿度設定値管理部８−４は、運転指示部８−３からの霜取り運転開始信号を受けて、制御演算部８−１へ与える室内湿度の設定値ＲＨspを予め設定されている変更量αだけ下げる。
【００２８】
制御演算部８−１は、室内温度センサ３からの室内温度ｔpvおよび室内湿度センサ４からの室内湿度ＲＨpvと、温湿度設定値管理部８−４からの室内温度の設定値ｔspおよび変更された室内湿度の設定値ＲＨspとを受け取り、数理計画型モデル予測制御方法を用いて冷水弁開度θＣ，温水弁開度θＨおよび加湿器稼働率Ｍを求める。次いで、送風温度変換部８−２は、冷水弁開度θＣを冷却送風温度ＴＳＣに変換し、温水弁開度θＨと加湿器稼働率Ｍを加熱送風温度ＴＳＨに変換する。
【００２９】
この場合、霜取り運転中はヒートポンプ型熱源空調機１のコンプレッサが低能力運転されるため冷却機能，加熱機能が著しく低下してしまうことから、室内湿度の上昇が予測される。しかし、温湿度設定値管理部８−４からの室内湿度の設定値ＲＨspが元の設定値に比べて変更量αだけ低くしてあるので、これにより、通常のフィードバック制御の効果に加えて、室内湿度の設定値ＲＨspを低くしたフィードフォワード制御の効果が発揮されて、室内湿度ＲＨpvの急上昇が抑制される。
【００３０】
なお、変更量αは、実験試行の結果などから経験的に設定する。この場合、フィードフォワード制御による変更量αの効果は期待するよりも小さ目にしか現れないのが通常なので、充分な効果を得るために、変更量αは霜取り運転によって変化するであろう室内湿度（実測値）の変動予測量ΔＲＨよりも大きくするとよい。本実施の形態では、図２に示されるように、変更量αを変動予測量ΔＲＨよりも大きく設定している。
【００３１】
霜取りが終わり、霜付着検出手段７からの霜付着検出信号が消失すると、運転指示部８−３はヒートポンプ型熱源空調機１へ霜取り運転の終了指令を与える。これにより、ヒートポンプ型熱源空調機１でのコンプレッサが通常運転に復帰して、冷却機能，加熱機能が復活する。
【００３２】
また、運転指示部８−３は、ヒートポンプ型熱源空調機１への霜取り運転の終了指令と同時に、温湿度設定値管理部８−４へ霜取り運転終了信号を与える。温湿度設定値管理部８−４は、運転指示部８−３からの霜取り運転終了信号を受けて、制御演算部８−１への室内湿度の設定値ＲＨspを元の値に戻す。
【００３３】
なお、上述においては、室内湿度の設定値ＲＨspを霜取り運転によって変化するであろう室内湿度（実測値）の方向（増大方向）とは逆の方向（減少方向）に変更するようにしたが、室内湿度の設定値ＲＨspだけではなく、室内温度の設定値ｔspについても同様にして変更するようにしてもよい。すなわち、室内温度の設定値ｔspを霜取り運転によって変化するであろう室内温度（実測値）の方向（下降方向）とは逆の方向（上昇方向）に所定量変更するようにしてもよい。しかし、霜取り運転中は冷却機能，加熱機能がほゞ失われて加湿機能だけが生き残っている状況であるので、制御が可能なものは主に湿度の方であり、室内湿度の設定値ＲＨspのみを変更するようにすることが現実的と言える。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように本発明によれば、霜取り運転の指令が出されると、この霜取り運転の指令が解除されるまで、少なくとも室内湿度の設定値が霜取り運転によって変化するであろう室内湿度の変化方向とは逆の方向に所定量変更され、これにより、霜取り運転中に本来ならば室内湿度（実測値）が急上昇する場合であっても、室内湿度の設定値が小さくされることによって室内湿度（実測値）の急上昇が抑制されて、霜取り運転中の室内湿度の極端な変化を防ぎ、良好な湿度制御結果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートポンプ型熱源空調機と加湿器を用いた温湿度制御システムの一実施の形態の要部を示すブロック図である。
【図２】霜取り運転中に室内湿度の設定値ＲＨspが変更される様子を説明する図である。
【図３】温度と湿度（相対湿度）に関する冷却，加熱，加湿機能の作用を説明する図である。
【図４】従来のヒートポンプ型熱源空調機と加湿器を用いた温湿度制御システムの要部を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…ヒートポンプ型熱源空調機、２…空調制御対象室、３…室内温度センサ、４…室内湿度センサ、５…加湿器、７…霜付着検出手段、８…制御装置、８−１…制御演算部、８−２…送風温度変換部、８−３…運転指令部、８−４…温湿度設定値管理部。

Claims

冷却および加熱を同時に行い所定の温度に調整された空気を送風することが可能なヒートポンプ型熱源空調機と、蒸気を生成する加湿器とを備え、前記ヒートポンプ型熱源空調機の冷却送風温度および加熱送風温度、ならびに前記加湿器の稼動率を調節することによって、前記ヒートポンプ型熱源空調機からの温調空気および前記加湿器からの蒸気の供給を受ける空調制御対象室内の温湿度を制御する温湿度制御システムにおいて、
前記空調制御対象室内の温度を検出する温度検出手段と、
前記空調制御対象室内の湿度を検出する湿度検出手段と、
前記温度検出手段からの検出温度および前記湿度検出手段からの検出湿度、ならびに室内温度の設定値および室内湿度の設定値を用いて、予め定められている数理計画型モデル予測制御方法に従って、前記ヒートポンプ型熱源空調機に指令する冷却送風温度および加熱送風温度ならびに前記加湿器に指令する加湿器稼働率を求める演算手段と、
前記ヒートポンプ型熱源空調機へ霜取り運転の指令を出す霜取り運転指令手段と、
この霜取り運転指令手段によって霜取り運転の指令が出された場合、この霜取り運転の指令が解除されるまで、前記演算手段で用いる少なくとも室内湿度の設定値を、霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の予測される変化方向とは逆の方向に所定量変更する設定値変更手段と
を備えたことを特徴とする温湿度制御システム。
請求項１に記載された温湿度制御システムにおいて、
前記設定値変更手段における所定量は、前記霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の変動量として予測される量以上とすることを特徴とする温湿度制御システム。
冷却および加熱を同時に行い所定の温度に調整された空気を送風することが可能なヒートポンプ型熱源空調機と、蒸気を生成する加湿器とを備え、前記ヒートポンプ型熱源空調機の冷却送風温度および加熱送風温度、ならびに前記加湿器の稼動率を調節することによって、前記ヒートポンプ型熱源空調機からの温調空気および前記加湿器からの蒸気の供給を受ける空調制御対象室内の温湿度を制御する温湿度制御システムにおいて、
前記空調制御対象室内の温度を検出する第１のステップと、
前記空調制御対象室内の湿度を検出する第２のステップと、
前記第１のステップで検出された温度および前記第２のステップで検出された湿度、ならびに室内温度の設定値および室内湿度の設定値を用いて、予め定められている数理計画型モデル予測制御方法に従って、前記ヒートポンプ型熱源空調機に指令する冷却送風温度および加熱送風温度ならびに前記加湿器に指令する加湿器稼働率を求める第３のステップと、
前記ヒートポンプ型熱源空調機へ霜取り運転の指令が出された場合、この霜取り運転の指令が解除されるまで、前記第３のステップにおける少なくとも室内湿度の設定値を、霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の予測される変化方向とは逆の方向に所定量変更する第４のステップと
を有することを特徴とする温湿度制御方法。
請求項３に記載された温湿度制御方法において、
前記第４のステップにおける所定量は、前記霜取り運転によって変化するであろう実際の室内湿度の変動量として予測される量以上とすることを特徴とする温湿度制御方法。