JP4031548B2 - 空調システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビルなどに用いられる比較的大規模の空調システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より提供されているこの種の空調システムの一例を図1に示す。図示する空調システムは、特開平8−313002号公報、特開平8−312999号公報などに開示されたものと同様のものであって、基本的には室外機10と室内機20との間で熱を運搬するように冷媒(たとえば、R134a)を循環させることにより、室内の冷暖房を可能とするものである。室外機10は冷房時と暖房時とで後述するように運転状態を切り換え、冷媒を冷却ないし加熱する。
【0003】
室外機10はすべての室内機20よりも上方に配置され、室外機10の下部に接続された冷媒液配管31および冷暖切換弁33を介して室内機20の下部が接続され、室内機20の上部は冷媒ガス配管32を介して室外機10の上部に接続される。また、すべての室内機20よりも下方には受液槽34が配置され、受液槽34の中の液状の冷媒はポンプ30および逆止弁35を通して室外機10に汲み上げられる。ポンプ30は受液槽34よりも下方に配置される。受液槽34の入口と逆止弁35の出口とは冷暖切換弁33の各端に接続される。
【0004】
冷房運転時には、冷暖切換弁33が開放され冷媒は室外機10で凝縮され、自重で冷媒液配管31を通り室内機20に流れ込んで室内機20で蒸発して室内から熱を奪う。また、蒸発した冷媒は、室外機10での凝縮圧力と室内機20での蒸発圧力との圧力差によって冷媒ガス配管32を上昇し室外機10に戻る。このような冷媒の自然循環により室内の冷房が行なわれる。すなわち、冷媒は自重を室外機10から室内機20に送るために、室外機10をすべての室内機20よりも高い位置に設けている。
【0005】
一方、暖房運転時には、冷暖切換弁33が閉じられ、受液槽34に溜められた液体状態の冷媒がポンプ30によって汲み上げられて冷媒液配管31を通して室外機10に送りこまれ室外機10で蒸発する。蒸発した冷媒は冷媒ガス配管を通して室内機20に送られ、室内機20で凝縮されることにより室内に熱を放出する。室内機20で凝縮された冷媒は受液槽34に溜められる。
【0006】
ところで、室内機20の熱負荷は各種要因によって変動するものであり、熱負荷に応じて冷媒の供給量を調節する必要がある。この調節のために、受液槽34を設けているのであって、室内機20で凝縮された冷媒を受液槽34に一旦回収することで冷媒の供給量を熱負荷の変動に追随させている。つまり、受液槽34に冷媒を溜めておくことにより熱負荷が大きくなれば受液槽34からの冷媒の供給量を増加させ、熱負荷が小さくなれば受液槽34からの冷媒の供給量を減少させることが可能になる。また、受液槽34には液面スイッチ36が設けられており、冷媒の液面が下がり過ぎないように監視している。
【0007】
各室内機20は、図2に示すように、コイルユニット21とファン22と膨張弁23とを備えるものであり、膨張弁23の開閉に応じて室内機20で授受する熱量が制御されるようになっている。したがって、膨張弁23を閉じることによって室内機20の運転を停止することができ、また膨張弁23を開閉することによって各部屋の室温を個別に調節することが可能になる。
【0008】
なお、室外機10、膨張弁23、ポンプ30、冷暖切換弁33の制御や液面スイッチ36の監視は図示しない制御回路により行なわれている。
ところで、各室内機20は、特開平9−26187号公報、特開平9−26188号公報などに記載されているように、コイルユニット21の前後に温度センサ24a,24bを備え、温度センサ24a,24bの温度差が設定された所定温度に保たれるように膨張弁23を開閉制御する。温度センサ24a,24bによる温度検出と、膨張弁23の開閉制御とは各室内機20に設けたコントローラ25により行なわれており、各室内機20ごとに負荷に応じた制御がなされるのである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
いま、暖房運転において、室内機20の運転台数が増加し負荷が急に増加すると、室内機20で凝縮される冷媒の量が急に増加することになる。このようなときに、冷媒ガス配管32の内部の圧力が急に低下して冷媒液配管31の内部の冷媒も気化することになる。その結果、ポンプ30の内部の冷媒までもガス化して、ポンプ30が正常に送液できないという不都合を生じる場合がある。
【0010】
また、室外機10で気化された冷媒の温度を冷媒ガス配管32において測定し、図7に示すように、冷媒の温度に応じて室外機10の加熱量を切り換えるような制御も考えられている。しかしながら、このような制御を行なっても室内機20の運転台数が急に増加したときに、必ずしも温度変化として反映されるものではないから、ポンプ30の内部のガス化を確実に防止することができないものである。
【0011】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、暖房運転において室内機の運転台数が急に増加しても正常に運転することができるようにした空調システムを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃焼手段の燃焼による熱エネルギを用いて冷媒を気化させる室外機を備え、室外機で気化させた冷媒を室内機で凝縮し、凝縮後の冷媒をポンプを介して室外機に戻す空調システムを前提構成としている。
【0013】
請求項1の発明は、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止することを特徴とするものである。この構成によれば、各室内機は従来構成と同様にそれぞれ独立して膨張弁を開閉することにより負荷量に応じた熱交換を行なうことになる。しかも、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間は膨張弁の開閉を禁止するから、室外機の燃焼手段の燃焼が開始され室外機から室内機に至る経路の圧力がある程度高くなるまでは膨張弁の開閉が行なわれず、膨張弁の開放による急激な圧力低下を防止することができる。禁止時間は膨張弁の開放による圧力低下によってポンプの内部の冷媒が気化しなくなる程度に設定される。
【0014】
請求項2の発明は、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室内機を複数台設けるとともに室内機の運転台数を検出する運転監視手段を設け、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出された時点で燃焼手段が燃焼中でなければ燃焼を開始させ、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出されたときには燃焼の開始から一定の強制運転時間は燃焼手段の燃焼を継続させるように室外機を制御し、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止することを特徴とするものである。この構成では、室内機の膨張弁の開放による圧力低下に室外機と室内機との両方で対応するから、ポンプ内の冷媒のガス化をより一層確実に防止することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本実施形態は配管系としては従来構成と同様の構成を有し、室外機10と室内機20との制御に特徴を有するものである。図1に示すように、室外機10、各室内機20、ポンプ30、冷暖切換弁33、液面スイッチ36はマイクロコンピュータよりなる制御回路40に信号線Lsを介して接続され集中的に監視制御される。制御回路40と各装置との間ではデータ通信により情報を授受するものであるが、この点については説明を省略する。また、室内機20は図2に示すように、従来構成と同様のものである。
【0016】
しかして、制御回路40では、どの室内機20が運転されているかを知ることができ(つまり、各室内機20に設けた運転スイッチの投入を検出する)、したがって室内機20の運転台数を知ることができる。つまり、制御回路40は運転監視手段として機能する。
制御回路40の動作については後述するものとし、まず本実施形態において用いる室外機10について説明する。本実施形態の室外機10は、冷房運転時には二重効用吸収冷凍機として知られた動作を行なう。この種の吸収冷凍機の冷房サイクルの原理図を図3に示す。吸収・蒸発室11内は減圧されており、冷却水が通る吸収器管11aと冷媒が通る蒸発器管11bとが互いに離れて配置され、吸収器管11aには散布器11cにより吸収剤の高濃度の水溶液が散布され、蒸発器管11bには散布器11dにより水が散布される。吸収器管11aに吸収剤が散布されると吸収・蒸発室11の内部圧力が低下し、蒸発器管11bに散布された水は蒸発器管11bを通る冷媒から熱を奪って蒸発し、吸収器管11aの吸収剤の水溶液に吸収される。このとき吸収熱が生じるが、吸収器管11aを通る水に吸収熱を渡す。つまり、吸収剤の水溶液の温度は比較的低く保たれる。蒸発器管11bで蒸発した水を吸収し薄くなった吸収剤の水溶液(希溶液)は溶液循環ポンプ12により低温熱交換器13に導入される。低温熱交換器13で熱交換された希溶液は2分岐され、一方は高濃度溶液と混合され他方は高温熱交換器14に導入される。
【0017】
高温熱交換器14を通して比較的高温になった希溶液は高温再生器15においてガスバーナ15aで加熱され沸騰する。したがって、水分が蒸発して吸収剤の水溶液は高温かつ高濃度(高温濃溶液)となり、高温熱交換器14において希溶液と熱交換するとともに、低温の希溶液の一部と混合されて中濃度の水溶液(中間濃溶液)となった後に、低温再生器16に導入される。低温再生器16では高温再生器15で得られた高温の水蒸気と中間濃溶液とが熱交換することにより中間濃溶液が加熱され、再び水分が蒸発して吸収剤の水溶液は高温濃溶液より低温かつ高濃度(低温濃溶液)になる。
【0018】
低温再生器16により得られた低温濃溶液は低温熱交換器13によって希溶液と熱交換され、さらに低温になって散布器11cに導入される。一方、低温再生器16で得られた水蒸気は凝縮器17に導入され冷却水管17aを通る冷却水により冷却されて凝縮し、高温再生器15で得られた水蒸気を低温再生器16で凝縮した水とともに散布器11dに送られる。このように、吸収・蒸発室11において冷媒を冷却するのに伴って吸収剤の水溶液濃度が低下すると、高温再生器15および低温再生器16により水と吸収剤とを分離し、吸収剤および水を再利用するのである。
【0019】
以上説明したように、吸収・蒸発室11の内部で蒸発器管11bに散布した水を吸収剤を用いて蒸発させることで気化熱を奪って蒸発器管11bを通る冷媒を冷却し、この際に希釈された吸収剤をガスバーナ15aなどを用いて濃縮し、再利用するように循環させるという動作が基本動作になる。
しかして、室外機10は実際には図3に示した各部構成を図4のように配置して構成されている。室外機10のハウジング18は略円筒形であって下部には吸収・蒸発室11が設けられ、上部の中心部には低温再生器16が形成され、上部の外周部には凝縮器17が形成されている。吸収・蒸発室11の吸収器管11aおよび凝縮器17の冷却水管17aはそれぞれハウジング18の上下方向の中心線の回りに巻回されており、かつ互いに連通している。蒸発器管14dは吸収器管11bの外周側に配置され、吸収器管11aと同様にハウジング18の上下方向の中心線の回りに巻回されている。散布器11c,11dはそれぞれ吸収器管11aおよび蒸発器管11bの上方に配置されている。
【0020】
吸収・蒸発室11の下部に溜まった希溶液はハウジング18外に設けたポンプ12により低温熱交換器13および高温熱交換器14を通して高温再生器15に導入される。高温再生器15はガスバーナ15aを備え直だき式に希溶液を加熱する。これによって希溶液は沸騰し、水蒸気と高温濃溶液とが揚液管15bを熱気泡ポンプの原理で同時に上昇して分離室15cに導入される。揚液管15bは分離室15cの開口は底面よりも上方に位置するから、分離室15cでは高温濃溶液は下部に溜まり、水蒸気は上昇することになる。分離室15cの下部に溜まった高温濃溶液は高温熱交換器14を通り、吸収・蒸発室11から低温熱交換器13を通った希溶液の一部と混合され、ハウジング18の上部の低温再生器16に送られる。また、分離室15cで分離された水蒸気は低温再生器16の内部に配管されている再生器管16aを通り、高温熱交換器14からの高温濃溶液と熱交換を行なって凝縮器17に導入される。こうして凝縮器17で凝縮された水の一部は散布器11dに直接戻り、残りは水比例弁17bを通して散布器11dに戻る。また、低温再生器16に導入された高温濃溶液は再生器管16aを通る水蒸気に加熱されて水蒸気を発生し、水蒸気は凝縮器17に導入され、水蒸気と分離されて濃度が高くなった吸収剤の水溶液は低温熱交換器13を通して散布器11cに戻るのである。
【0021】
ところで、暖房サイクルでは、冷暖房切換弁19を開放する。つまり、吸収・蒸発室11の底部と分離室15cとを連通させる。吸収剤の水溶液は高温再生器15においてガスバーナ15aで加熱されると、冷房サイクルと同様に揚液管15bを上昇し、分離室15cに導入された後に、冷暖房切換弁19を通して吸収・蒸発室11に至り、蒸発器管11bを通る冷媒との熱交換を行なって冷媒を加熱する。冷媒との熱交換を行なった水蒸気は凝縮されるから、吸収剤の高濃度の水溶液と混合され、その後、ポンプ12、低温熱交換器13、高温熱交換器14を通り高温再生器15に戻るのである。ここに、低温熱交換器13および高温熱交換器14ではとくに熱交換は行なわない。
【0022】
制御回路40は、図5、図6に示すように室外機10および室内機20を制御する。まず、室内機20の運転台数の増加が検出されたときに(S1)、室外機10のガスバーナ15aが燃焼中か否かを判断し(S2)、燃焼中であればそのまま燃焼を継続し、燃焼中でなければ強制運転信号を発生して、室外機10のガスバーナ15aを強制的に燃焼させる(強制燃焼モード)(S3)。室外機10のガスバーナ15aの燃焼を開始してから一定時間(禁止時間)t1 が経過するまでは(S4)、室内機20の膨張弁23の開閉を禁止する(弁制御禁止モード)(S5)。つまり、開放中の膨張弁23は開放状態に保ち、閉じている膨張弁23は閉じた状態に保つのである。上記禁止時間t1 の経過後には、弁制御禁止モードか否かを判断し(S6)、室内機禁止モードであれば弁制御禁止モードを解除する(S7)。ここに、弁制御禁止モードはガスバーナ15aの燃焼とともに開始されるのではなく、ガスバーナ15aの消火時点から開始される。さらに、室外機10のガスバーナ15aの燃焼が開始された時点から禁止時間t1 が経過するまで弁制御禁止モードが延長されるのである。また、室外機10のガスバーナ15aの燃焼を開始してから禁止時間t1 よりも長い強制運転時間t2 (>t1 )が経過すると(S8)、強制燃焼モードか否かを判断し(S9)、強制燃焼モードであれば強制燃焼モードを解除する(S10)。強制燃焼モードではなく、かつガスバーナ15aが燃焼中であれば燃焼を継続する。
【0023】
上述した手順で制御することにより、図6のような動作が行なわれる。図6(a)は室内機20の運転状態を示しており、ここでは4台の室内機20をそれぞれA〜Dとして表している。つまり、図6(a)は運転される室内機A〜Dの台数が1台ずつ順に増加することを表している。図6(b)〜(e)はそれぞれ室内機A〜Dの膨張弁23の開閉の状態を示している。各室内機A〜Dが運転を開始すると、図6(g)のようにそれぞれ一定時間(ここでは、強制運転時間t2 と等しく設定してある)の運転開始信号が発生する。
【0024】
ところで、室外機10のガスバーナ15aは、図6(h)のように、室内機20に供給すべき熱エネルギ(実際には室外機10の内部の温度や圧力)に応じて間欠的に燃焼されており、ガスバーナ15aが消火されている期間は室内機20の運転台数が多いほど短くなる(図示例では4台の室内機A〜Dが運転されると連続的に燃焼する状態になる)。室内機20の運転台数が変化しなければ、ガスバーナ15aの燃焼時間は室内機20の総負荷量に応じて決定されるのであるが、室内機20の運転台数が増加した直後では、ガスバーナ15aが燃焼中でなければ燃焼させ、またすでに燃焼中であって室内機20の総負荷量により決定される燃焼時間が強制運転時間t2 よりも短い場合であれば強制運転時間t2 は燃焼状態を継続させる。つまり、ガスバーナ15aの燃焼開始とともに強制運転時間t2 の時限を開始し、上述した運転開始信号が発生しなければ強制運転時間t2 には関係なくガスバーナ15aを制御し、運転開始信号が発生したときには強制運転時間t2 の終了まではガスバーナ15aの燃焼を継続させる。また、室内機20の総負荷量により決定される燃焼時間が強制運転時間t2 よりも長い場合には強制運転時間t2 が終了してもガスバーナ15aの燃焼を継続させる。
【0025】
一方、室内機20の膨張弁23は、室外機10のガスバーナ15aの燃焼が停止すると制御が禁止される。これは、室外機10から熱エネルギが供給されない状態で膨張弁23を制御すると、冷媒に適正な圧力がかからずにポンプ30の中の冷媒がガス化したり、あるいは室外機10から室内機20に供給される熱量が不足したりするからである。このように膨張弁23の制御が禁止されている状態が弁制御禁止モードであって、弁制御禁止モードは室外機10のガスバーナ15aが燃焼中であるときには解除してもよいが、本実施形態では、図6(f)のようにガスバーナ15aの燃焼開始から禁止時間t1 は弁制御禁止モードを延長している。弁制御禁止モードの時間延長は、室内機20の運転台数が増加するか否かにかかわわずガスバーナ15aの燃焼開始毎に行なわれる。これによって、室外機10でのガスバーナ15aの燃焼開始から室内機20に熱エネルギが供給される程度の時間が経過するまでは、膨張弁23の制御を行なわないことになり、結果的に、膨張弁23が開放された時点で室外機10の負荷変動を抑制することができる。つまり、ポンプ30から室外機10に至る経路(冷媒液配管31)の内部での冷媒のガス化を抑制することができ、室内機20の運転台数が増加したときのポンプ30内の冷媒のガス化を防止することができるのである。
【0026】
膨張弁23を上述のように制御することにより、各室内機A〜Dの膨張弁23は図6(b)〜(e)のように開閉されるのであって、図6(b)のように室内機Aの膨張弁23は開放された状態に保たれ、図6(c)のように室内機Bの膨張弁23は室内機Bの運転開始の指示(運転開始信号の立ち上がり)から禁止時間t1 の経過後に開放される。
【0027】
図示例では、室内機Bの運転が開始され室外機10のガスバーナ15aが燃焼している間に室内機Cの運転が指示されており、この場合には室内機Cの運転が指示された時点でガスバーナ15aが燃焼中であるから、ガスバーナ15aの燃焼がそのまま継続される。また、ガスバーナ15aの燃焼開始から強制運転時間t2 が経過しても室外機10に対する負荷に見合うまでに至らないから、さらにガスバーナ15aの燃焼は継続される。一方、室内機Cの膨張弁23はガスバーナ15aの燃焼開始から禁止時間t1 の経過後に開放されるのであり、図6(d)のように、室内機Cの運転指示から膨張弁23の開放までは若干遅延されることになる。
【0028】
室内機Dの運転開始もガスバーナ15aの燃焼中に指示されているが、室内機Dの運転開始時点はガスバーナ15aの燃焼開始から禁止時間t1 が経過した後になっているから、この場合には室内機Dの運転開始の指示が弁制御禁止モードではない期間に行なわれることになり、図6(e)のように、室内機Dの運転開始の指示と同時に膨張弁23が開放される。また、ガスバーナ15aは常時燃焼を継続することになる。
【0029】
以上のような動作により、膨張弁23の開放前に室外機10のガスバーナ15aの燃焼を開始させて冷媒ガス配管32の内部圧力を高めて、膨張弁23の開放に伴う圧力低下を抑制することができ、また、室内機20の運転台数の増加時に室外機10のガスバーナ15aを必ず燃焼させることによって負荷の増加に伴う冷媒ガス配管32の内部圧力の低下を抑制することができる。その結果、ポンプ30の内部の冷媒がガス化するのを防止して負荷変動時にも正常に運転できるのである。
【0030】
他の構成および動作は従来構成と同様である。
【0031】
【発明の効果】
請求項1の発明は、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止するものであり、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間は膨張弁の開閉を禁止するから、室外機の燃焼手段の燃焼が開始され室外機から室内機に至る経路の圧力がある程度高くなるまでは膨張弁の開閉が行なわれず、膨張弁の開放による急激な圧力低下を防止することができるという利点を有するものである。
【0033】
請求項2の発明は、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室内機を複数台設けるとともに室内機の運転台数を検出する運転監視手段を設け、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出された時点で燃焼手段が燃焼中でなければ燃焼を開始させ、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出されたときには燃焼の開始から一定の強制運転時間は燃焼手段の燃焼を継続させるように室外機を制御し、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止するものであり、室内機の膨張弁の開放による圧力低下に室外機と室内機との両方で対応するから、ポンプ内の冷媒のガス化をより一層確実に防止することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す概略構成図である。
【図2】同上の動作説明図である。
【図3】同上に用いる室外機の原理説明図である。
【図4】同上に用いる室外機の構成図である。
【図5】同上の動作説明図である。
【図6】同上の動作説明図である。
【図7】従来例の動作説明図である。
【符号の説明】
10 室外機
15a ガスバーナ
20 室内機
21 コイルユニット
23 膨張弁
30 ポンプ
40 制御回路
24a,24b 温度センサ
25 コントローラ
Claims (2)
- 燃焼手段の燃焼による熱エネルギを用いて冷媒を気化させる室外機を備え、室外機で気化させた冷媒を室内機で凝縮し、凝縮後の冷媒をポンプを介して室外機に戻す空調システムにおいて、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止することを特徴とする空調システム。
- 燃焼手段の燃焼による熱エネルギを用いて冷媒を気化させる室外機を備え、室外機で気化させた冷媒を室内機で凝縮し、凝縮後の冷媒をポンプを介して室外機に戻す空調システムにおいて、室内機に、冷媒と室内との熱交換を行なうコイルユニットと、コイルユニットの冷媒の通過を許可する状態と禁止する状態とを選択する膨張弁と、コイルユニットの前後で冷媒の温度を検出する温度センサと、温度センサの温度差をほぼ設定値に保つように膨張弁を開閉させるコントローラとを設け、室内機を複数台設けるとともに室内機の運転台数を検出する運転監視手段を設け、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出された時点で燃焼手段が燃焼中でなければ燃焼を開始させ、運転監視手段により室内機の運転台数の増加が検出されたときには燃焼の開始から一定の強制運転時間は燃焼手段の燃焼を継続させるように室外機を制御し、室外機の燃焼手段の燃焼開始から一定の禁止時間はコントローラによる膨張弁の開閉を禁止することを特徴とする空調システム。
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