JP4383965B2 - 空気調和機などの運転監視装置および電力消費量積算システム - Google Patents

Description

本発明は、消費電力を低減するための電力節減システムを付設した空気調和機や冷凍・冷蔵機（以下、「空気調和機など」という）の運転監視装置およびこの運転監視装置により得られた計時データに基づき、消費された電力量を算出するようにした電力消費量積算システムに関する。

一般に室内の冷暖房を目的とする空気調和機などは、熱交換機を備える室内機と冷媒の圧縮機（コンプレッサー）を備える室外機とが離間した状態で設置されており、室内または室内機に備えたサーモセンサーから出力される信号に基づき、いわゆるオンオフ制御により室外機の圧縮機の作動・停止が繰り返され、室内が設定温度に保たれるようにしている。

図４は、サーモセンサーからの出力信号による圧縮機のオンオフ制御の動作態様の例を示すもので、上限設定温度の２５．５℃をサーモセンサーが検出したとき圧縮機が作動し、下限設定温度の２２．５℃をサーモセンサーが検出したとき圧縮機の作動が停止する状態を示す。

同図において、ある時刻ｔ１でサーモセンサーが下限設定温度２２．５℃を検知している場合、圧縮機は作動を停止しており、この停止状態が維持される。そして、室内の温度が次第に上昇し、時刻ｔ２で上限設定温度２５．５℃をサーモセンサーが検知すると、その出力信号で圧縮機が作動を開始する。これにより、室内機の熱交換機に冷媒が供給されて室内の温度が次第に降下し、サーモセンサーが再び下限設定温度２２．５℃を検出した時刻ｔ３で圧縮機の作動が停止される。以後、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの周期Ｃ１が周期Ｃ２・Ｃ３・・・へ連続して繰り返され、室内が設定温度に保たれることになる。なお、前記周期は、室外の温度の変動などによりサーモスタットの動作タイミングが変動し、各周期の幅は変動するものであるが、理解を容易とするため、周期の幅を同一としてある。

前述の制御態様において、圧縮機の停止期間が時刻ｔ１〜ｔ２（３分）であり、作動期間が時刻ｔ２〜ｔ３（６分）である場合、圧縮機の稼働率（Ｕ１）は、ＯＮ時間／ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間の計算式から求めることができ、Ｕ１＝６／６＋３の演算から稼働率は６６．６６％となる。この結果から明らかなように、空気調和機などの消費電力を低減するためには、圧縮機の作動時間を小さくすればよく、これを実現とするため、作動時間を室温の状態に関係なく一定時間毎に停止したり、あるいは空気調和機の稼働中に強制的に停止する方法が多く実施されている。また、このような方法で、空気調和機などへの負担をかけることなく、設定温度を維持しつつ稼働率を下げる方法として、サーモセンサーが上限設定温度を検知したとき、圧縮機の作動を強制的に遅延する方法が提案されており、図５にその基本構成の一例を示す。

同図は、室外機の圧縮機を作動するための電源回路の主要部を示すもので、室内機側に商用交流電源Ｅに接続された主電源スイッチ１を備えるとともに、室内の温度が設定値に達すると作動するサーモセンサー２を備える。このサーモセンサー２には応動スイッチ２ｂを備え、前記サーモセンサー２がオンとなったとき、その信号を室外機側のリモートスイッチ３へ送出し、このリモートスイッチ３の遅延装置３ｂを作動する。

リモートスイッチ３の遅延装置３ｂが作動されると、任意に設定した時間を経過した後、リモートスイッチ３の接点３ａが閉成され、前記サーモセンサー２の接点２ａが既に閉成されていることから、商用交流電源Ｅが圧縮機５の起動スイッチ４の励磁コイル４ｂに流れ、その励磁力により前記起動スイッチ４の接点４ａが閉成される。したがって、圧縮機５は、遅延装置３ｂに設定された遅延時間の経過後、作動を開始することになる。

図６は、図５の構成の空気調和機などを稼働した場合における圧縮機５のオンオフ制御の基本的な動作態様を示す図であり、同図において、ある時刻ｔ１でサーモセンサー２が下限設定温度２２．５℃を検知している場合、圧縮機は作動を停止しており、この停止状態が維持される。そして、室内の温度が次第に上昇し、時刻ｔ２で上限設定温度２５．５℃に達すると、サーモセンサー２の接点２ａが閉成され、その信号で室外機のリモートスイッチ３の遅延装置３ｂが起動される。

遅延装置３ｂが起動されてから設定された遅延時間ｔ３に達すると、遅延装置３の接点３ｂが閉成され、圧縮機５はこの時点から作動を開始する。なお、このようにして圧縮機５の作動が遅延されることから、室内の温度は上限設定温度より僅かに上昇するが、時刻ｔ３で圧縮機５が作動を開始するので室内の温度は次第に下降し始め、室内温度を大きく変動することがない。そして、室内の温度が下限設定温度２２．５℃に達した時刻ｔ４でサーモセンサー２の接点２ａが開成され、起動スイッチ４の励磁コイル４ｂへの通電が遮断されるので圧縮機５の作動が停止する。なお、このとき、サーモセンサー２の応動スイッチ２ｂからの信号でリモートスイッチ３の遅延装置３ｂの自己保持状態が解除され、接点３ａが開成される。このようにして、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの周期Ｃ１が周期Ｃ２・・・へ連続して繰り返され、室内が設定温度に維持されることになる。

前述の制御態様においては、圧縮機５の停止期間である時刻ｔ１〜ｔ２が３分であり、時刻ｔ２〜ｔ３までの遅延時間が３分である場合、圧縮機５が停止している時間の合計は６分となる。そして、圧縮機５の作動期間である時刻ｔ３〜ｔ４が７分であるとすると、この場合の圧縮機５の稼働率（Ｕ２）は、Ｕ２＝７／７＋６で演算され、稼働率は５３．８５％となる。したがって、圧縮機５を遅延作動しない場合の稼働率（Ｕ１）から前記稼働率（Ｕ２）を減算すると、１２．８１％が１回の調温制御サイクルにおいて稼働率を低減した値となる（例えば、特許文献１）。

また、図４に示す調温制御サイクルが一定と仮定して１２時間稼動した場合は、調温制御サイクルが８０回となるため、圧縮機５の作動時間の合計は４８０分となる。一方、図６に示す調温制御サイクルも一定と仮定して１２時間稼動した場合は、調温制御サイクルが約５５回となるため、圧縮機５の作動時間の合計は３８５分になる。したがって、図６に示すサイクルによる場合は、圧縮機５を９５分（１９．７８％）作動する電力が節減されることになる。
特開２００３−１３０４１８号公報

ところで、節電効果の大きい施設、例えば、大型店舗などでは空気調和機や冷蔵・冷凍機などに消費する電力はきわめて大きなものであり、前述したような方法による節電対策が多く実施されているが、節電状態を常に把握し、管理していることが重要である。このため、前述した電力節減システムにおいては、遅延時間と圧縮機の作動時間を室外機側に設けたモニターで表示し、日単位の積算値を一定期間（例えば、一週間単位）で累積した値から節電率を算出できるようにしている。

この日単位の積算値は、空気調和機などが２４時間内において実際に稼働した時間帯を対象としなければならない。図７は、前述の電力節減システムを採用した空気調和機などが２４時間で稼働する状態の一例を模式的に示したものであるが、空気調和機などの稼働時間が１２時間であり、停止時間が１２時間の例を示すもので、圧縮機の作動状態を時系列に示したものである。

同図において、時刻Ｔ０（例えば、午前９時）は、図５において主電源スイッチ１が投入され空気調和機などの運転が開始された状態であり、室内の温度が設定温度に達するまで連続して運転される。そして、設定温度に達した時刻Ｔ１以降は、前述したようにサーモセンサー２の働きにより圧縮機５の作動−停止が繰り返され、室内が設定温度に保たれる。このようにして、空気調和機などの運転が継続され、時刻Ｔ１２（例えば、午後９時）に運転を停止すべく主電源スイッチ１が遮断されると、再び主電源スイッチ１が投入される１２時間後の時刻Ｔ０まで圧縮機５の作動は全く停止する。

上記説明において、外気などの温度の変動を無視し、図６に示す調温制御サイクル、即ち、１３分の調温制御サイクルに変動がないものとした前提による単純計算によれば、１２時間で約５５周期を繰り返すことになる。この５５周期を圧縮機５の稼働率の計算式、ＯＮ時間／ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間に適用すると、３８５／３８５＋３３０＝５３．８５％となる。

ところが、通常、電力積算システムは、連続する時系列上の数値を累積することと、特定の時刻に関わりなく空気調和機などが運転または停止されても、これに対応できるようにしなければならないので、常時、入力準備状態としておくため、その電源を遮断することができない。このような状況において、図７に示す２４時間の周期が繰り返されると、時刻Ｔ１２〜Ｔ０までの空気調和機などが運転されていない時間帯（停止モード）にも拘わらず、圧縮機５が運転時間帯（運転モード）で停止しているものと見なしてしまうことになる。そして、電力積算システムは、このように圧縮機５が停止している時間を計算式上のＯＦＦ時間として加算してしまうことになり、前記稼働率の実際の演算が、３８５／３８５＋３３０＋７２０＝２６．８２％となるため、２７．０３％もの大きな誤差を生じてしまうことから、積算データが実質的に無意味なものとなり、高い精度の電力管理を望むことができなくなる。

また、前述した節電システムにおいて電力管理を行う場合、通常、室外機側に積算データを直接確認できるようにモニターを備えるようにしている。このモニターに表示する積算データは、圧縮機が作動した時間、圧縮機が停止した時間および圧縮機の作動を強制的に遅延させた時間であるが、これらの表示データにも自ずから誤差が生じてしまうことになる。

このような問題を解決するための簡易な方法として、空気調和機などの電源の入−切と同時に、積算データを記憶させつつ電力積算システムの電源または信号ラインを入−切する方法を考えることができるが、その都度、人為的作業を伴うこととなるため合理性を欠くものとなる。また、空気調和機などの主電源の入−切を検知するスイッチを備え、このスイッチ信号で電力積算システムへの積算データの入力を制御するようにしてもよいが、室内機から室外機への信号ケーブルの増設、そして、信号を授受するための装置の改良に多くの費用を要することになる。

本発明は、かかる従来の問題に鑑みなされたもので、信号ケーブルの増設などを必要とすることなく、簡易な構成で空気調和機などの運転状態を判断し、正確な積算データが得られるようにしたものであり、これにより高い精度の電力管理が可能となるようにしたものである。

そこで本発明は、以下に述べる各手段により上記課題を解決するようにした。即ち、請求項１記載の発明では、室内機側に運転操作手段ならびに温度検出手段を備えた空気調和機などにおいて、該空気調和機などの室外機側に設置された圧縮機を前記温度検出手段で定まる周期で作動し、且つ、前記圧縮機の作動を強制的に遅延することにより消費電力の低減が可能となるようにし、予め設定した単位時間毎に前記圧縮機の運転状況を監視することにより、当該空気調和機などの稼動状態の判断が可能となるような運転監視装置とする。

請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の空気調和機などの運転監視装置において、予め設定した単位時間内において圧縮機の作動が検知されたとき空気調和機などの運転モードと判断する一方、単位時間内において圧縮機の作動が検知されなかったときを空気調和機などの停止モードとする。

請求項３記載の発明では、室内機側に運転操作手段ならびに温度検出手段を備えた空気調和機などにおいて、室外機側に設置された圧縮機の作動時間および停止時間に基づいて空気調和機などの稼働率を算出するにあたり、空気調和機などが停止モードであると判断された時間帯の前記圧縮機の停止時間の計時データを除外して消費電力の稼働率を算出する空気調和機などの電力消費量積算システムとする。

請求項４記載の発明では、上記請求項３記載の空気調和機などの電力消費量積算システムにおいて、停止モードの時間帯に強制遅延時間を含むようにする。

請求項５記載の発明では、上記請求項３記載の空気調和機などの電力消費量積算システムにおいて、実時間で検出した室温データが演算処理に反映するようにする。

本発明の請求項１乃至請求項２記載の発明によれば、空気調和機などの室内機と室外機との間に信号ケーブルの増設を要することなく室外機の圧縮機の作動状態を監視して空気調和機などの運転状態を判断することが可能となる。これにより、既設の空気調和機などのシステムへの付設が容易となり、汎用性の高い空気調和機などの運転監視装置とすることができる。

また、本発明の請求項３乃至請求項５記載の発明によれば、空気調和機などが停止モードであると判断された時間帯の圧縮機の停止時間の計時データを除外して稼働率を算出するようにしたので、消費電力、節減電力を正確に算出することのできる電力消費量積算システムとすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図にもとづいて詳細に説明する。なお、従来の構成と同一の部分には同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明を実施した空気調和機などの運転監視装置の基本構成を示す図であり、室内機側に商用交流電源Ｅに接続された主電源スイッチ１を備えるとともに、室内の温度が設定値に達すると作動するサーモセンサー２を備える。このサーモセンサー２には応動スイッチ２ｂを備え、前記サーモセンサー２がオンとなったとき、信号を室外機側のリモートスイッチ３へ送出し、このリモートスイッチ３の遅延装置３ｂを作動する。

リモートスイッチ３の遅延装置３ｂが作動されると、任意に設定した時間を経過した後、リモートスイッチ３の接点３ａが閉成され、前記サーモセンサー２の接点２ａが既に閉成されていることから、商用交流電源Ｅが圧縮機５の起動スイッチ４の励磁コイル４ｂに流れ、その励磁力により前記起動スイッチ４の接点４ａが閉成される。したがって、圧縮機５は、遅延装置３ｂに設定された遅延時間の経過後、作動を開始することになる。

符号６は運転監視装置であり、その具体的構成を図２に示す。同図に示すように運転監視装置６は、起動スイッチ４の励磁コイル４ｂへの通電状態を検出するための検知器７からの信号、リモートスイッチ３の遅延装置３ｂからの信号、サーモセンサー２のオンオフに対応して動作する応動スイッチ２ｂからの信号を入力するようにしたもので、前記検知器７からの信号がデータ生成部８およびデータ制御部１１へ入力する。応動スイッチ２ｂからの信号は、データ制御部１１へ入力するとともに遅延装置３ｂへ入力して遅延作動を開始させるとともに、作動後の自己保持状態を解除する。そして、この遅延装置３ｂからの遅延時間を示す信号がデータ制御部１１へ入力する。

前記検知器７から出力される信号は、起動スイッチ４の励磁コイル４ｂへの通電状態、即ち、圧縮機５が作動している期間の計時データであり、図６における時刻ｔ３〜ｔ４（Ｂ１）に相当する。また、応動スイッチ２ｂから出力される信号は、サーモセンサー２に応動する期間の計時データであり、時刻ｔ１〜ｔ２（Ａ１）に相当する。そして、遅延装置３ｂから出力される信号は、その遅延時間の計時データであり、時刻ｔ２〜ｔ３（Ａ２）に相当する。

データ生成部８は、タイマー９から計時信号を同時に入力するようにしており、前記検知器７からの入力信号を単位時間毎に時分割して出力するようにしてある。判定部１０では、単位時間、例えば、３０分内における信号の発生の有無を判定し、信号が発生している場合は、空気調和機などが運転モードであると判定し、データ制御部１１におけるデータ処理作業を継続を支持する信号をデータ制御部１１へ送出する。一方、３０分内に信号の発生がない場合は、空気調和機などの運転が停止モードであると判定し、データ制御部１１におけるデータ処理作業の中断を指示する信号を送出する。

このようにして計時データＡ１・Ａ２・Ｂ１を入力したデータ制御部１１は、判定部１０から入力した制御信号にもとづき、運転モードにおける前記計時データＡ１・Ａ２・Ｂ１を演算処理部１２へ出力する。そして、この演算処理部１２では、遅延装置３ｂが遅延作動した期間の計時データＡ２の積算値、圧縮機５が作動した期間の計時データＢ１の積算値、稼働率の演算結果を表示制御部１３へ出力する。なお、前記稼働率（Ｕ２）は、前述した演算式、即ち、ＯＮ時間／ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間、により求めることができることから、前記計時データＡ１・Ａ２・Ｂ１により、Ｕ２＝Ｂ１／Ｂ１＋Ａ１＋Ａ２、と演算処理することにより求められる。

このようにして演算処理部１２へ入力した計時データＡ２の積算値、即ち、遅延装置３ｂによる遅延時間の積算値は表示部１４で表示され、圧縮機７が作動した期間の積算値は表示部１５で表示され、稼働率は表示部１６で表示されることになる。

図３は、上記処理の流れをフローチャートにより示したもので、ステップＳＴ１において圧縮機５の単位時間内における作動状態が判断され、圧縮機５が作動しなかった場合は待機ルーチンに入る。一方、圧縮機５が単位時間内で作動した場合は、ステップＳＴ２において計時データＡ１・Ａ２・Ｂ１の取り込みがなされる。そして、ステップＳＴ３において積算された遅延装置３ｂの遅延時間はステップＳＴ４において表示され、ステップＳＴ５において積算された圧縮機５の作動時間はステップＳＴ６において表示され、ステップＳＴ７において演算された稼働率はステップＳＴ８において表示される。

以上の処理の流れから明らかなように、各々の計時データは圧縮機７の作動状態を判断して取り込むようにしていることから、空気調和機などを稼動していない時間帯の計時データは入力することがないので、正確な数値を表示器に表示することができる。

なお、サーモセンサー２に実時間で室内の温度を検出する機能を備え、これによる室温データを応動スイッチ２ｂの信号ケーブルを介して運転監視装置６の演算処理部１２へ出力することにより、この演算処理部１２で行われる演算処理に前記室温データを反映させることができ、より正確な演算処理が可能となる。

本発明を実施した空気調和機など構成を示す図である。 本発明の運転監視装置の構成を示す図である。 本発明の処理の流れを示すフローチャートである。 従来の調温制御サイクルの例を示す図である。 本発明の実施の対象となる空気調和機などの構成を示す図である。 図５の調温制御サイクルの例を示す図である。 空気調和機などの稼動パターンを説明するための図である。

符号の説明

１・・・・・・主電源スイッチ
２・・・・・・サーモセンサー
２ｂ・・・・・応動スイッチ
３・・・・・・リモートスイッチ
３ｂ・・・・・遅延装置
４・・・・・・起動スイッチ
５・・・・・・圧縮機
６・・・・・・運転監視装置
７・・・・・・検知器
８・・・・・・データ生成部
９・・・・・・タイマー
１０・・・・・判定部
１１・・・・・データ制御部
１２・・・・・演算処理部
１３・・・・・表示制御部
１４・・・・・表示部（遅延時間）
１５・・・・・表示部（圧縮機作動時間）
１６・・・・・表示部（稼働率）
Ｅ・・・・・・商用交流電源

Claims (5)

1. 室内機側に運転操作手段ならびに温度検出手段を備えた空気調和機などにおいて、
   該空気調和機などの室外機側に設置された圧縮機を前記温度検出手段で定まる周期で作動し、且つ、前記圧縮機の作動を強制的に遅延することにより消費電力の低減が可能となるようにし、
   予め設定した単位時間毎に前記圧縮機の運転状況を監視することにより、当該空気調和機などの稼働状態の判断が可能となるようにしたことを特徴とする空気調和機などの運転監視装置。
2. 予め設定した単位時間内において圧縮機の作動が検知されたときを空気調和機などの運転モードと判断する一方、単位時間内において圧縮機の作動が検知されなかったときを空気調和機などの停止モードと判断するようにしたことを特徴とする請求項１記載の空気調和機などの運転監視装置。
3. 室内機側に運転操作手段ならびに温度検出手段を備えた空気調和機などにおいて、
   室外機側に設置された圧縮機の作動時間および停止時間に基づいて空気調和機などの稼働率を算出するにあたり、
   空気調和機などが停止モードであると判断された時間帯の前記圧縮機の停止時間の計時データを除外して消費電力の稼働率を算出するようにしたことを特徴とする空気調和機などの電力消費量積算システム。
4. 停止モードの時間帯に強制遅延時間を含むようにしたことを特徴とする請求項３記載の空気調和機などの電力消費量積算システム。
5. 実時間で検出した室温データが演算処理に反映するようにしたことを特徴とする請求項３記載の空気調和機などの電力消費量積算システム。

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