JP4490396B2 - 空気調和システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和システム及びその制御方法に係り、特に、ダブルスキン構造を備え、かつ、機械室空調等に伴う排熱が発生する建物に適した空気調和システム及びその制御方法に関する。

従来、オフィスビル等においては、省エネ性等の観点からペリメータゾーンとセンターゾーンの空調負荷アンバランスが問題となっている。この問題に対応するため、建物の外壁部を複層構造に形成して断熱性を向上させる「ダブルスキン」が公知である。しかし、ダブルスキン構造の採用によっても、日射の強い夏季においてはダブルスキン空気層の温度が上昇し、室内空調に悪影響を及ぼすという問題がある。そこで、フロアごとにダブルスキンを区画する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。この技術は、図７に示すようにフロア１００ごとに区画したダブルスキン１０１の上・下部に通気口１０２、１０３及び連通切替機構１０４、１０５を設ける。そして、季節又は気候条件等に応じて連通切替機構１０４、１０５を適宜切り替え、ダブルスキン内の気流を調整することにより空調負荷の軽減を図るものである。具体的には、例えば、冬季は同図（ａ）に示すようにダブルスキン内に気流を生じさせずに断熱効果を高める。また、夏季には同図（ｂ）に示すように、ダブルスキン内部の換気を促進することにより温度上昇を防止するというものである。
特開２００２−２５６６３７号公報

しかしながら、この方式によっても冬季の日照がない条件ではペリメータゾーンにおいて暖房負荷が発生するという問題が完全には解消されない。また、フロアごとに区画、連通切替機構設置が必要となるため、ダブルスキンの構造が複雑となり、コストアップ要因ともなる。さらに、上記技術においては、近年増加している情報通信機器類を格納する機械室を有するビルにおける、機械室空調に伴う排熱の有効利用について考慮されていない、等の問題がある。

本発明はこのような問題を解決するためのものであって、ダブルスキン構造の建物において、機械室空調に伴う排熱の利用により、冬季の日照がない条件下でも従来の自然換気方式と比較して大幅に暖房負荷を削減することができ、かつ、夏季夜間・中間期等における躯体冷却を可能とする技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の内容を要旨とする。すなわち、
（１）第１の発明は、ダブルスキンを有する建物における空気調和システムであって、当該建物内又は外部で発生した排熱空気を、ダブルスキン下層部に導入する手段と、外気を導入する外気導入手段と、ダブルスキン内を上昇する排熱空気と導入外気とを熱交換させる熱交換手段と、を備えて成ることを特徴とする。

本発明によれば、冬季において機械室空調等の排熱空気によりオフィスフロア等のコールドドライブの抑制を行うことができるため、日照がない条件下でもペリメータゾーンの暖房負荷を大幅に減少させるという効果がある。
本発明により、ペリメータゾーンに放熱後の排熱空気が持つエンタルピーを換気用導入空気に与えることになり、排熱のカスケード利用が可能となり、さらなるビル空調の省エネ化が促進される。
本発明によれば、ペリメータゾーンにおいて過度の温度上昇をもたらすことなく、かつ、暖房負荷を大幅に減少させることができる。

（２）さらに、上記において、熱交換手段は、排熱空気と導入外気とを熱交換させることに替えて、排熱空気又は導入外気と室内空調循環空気とを熱交換させるものであることを特徴とする。
（３）さらに、上記において、換気用ボイド空間をさらに備えて成ることを特徴とする。
（４）さらに、上記において、ダブルスキン内に導入された排熱空気の流れを、ダブルスキン上層側、ボイド空間側、もしくは建物外部側、のいずれか一方向又は複数方向に誘導可能とする流路誘導手段を、さらに備えて成ることを特徴とする。
（５）さらに、上記において流路誘導手段は誘導排熱空気量を制御する手段を備えたことを特徴とする。
（６）さらに、上記において排熱空気が、建物の機械室フロアから排出される冷房排熱空気であることを特徴とする。
本発明により、機械室空調に伴う排熱の有効利用が可能となる。

（７）さらに、上記において外気導入手段と、熱交換手段とを、ダブルスキン最上部に設けたことを特徴とする。
（８）さらに、上記において外気導入手段と、熱交換手段とを、各フロアの空調ゾーンごとに設けたことを特徴とする。

（９）第９の発明は、（８）の空気調和システムにおいて、排熱空気をダブルスキン上層側に誘導して、熱交換手段により室内空調循環空気と熱交換させた後に再度ダブルスキン内に排気することにより、フロア室内温度（Ｔｒ）＞ダブルスキン内部温度（Ｔｄ）＞外気温度（Ｔｏ）となるように制御することを特徴とする空気調和システムの制御方法である。
本発明は、特に冬季に適した空調方法である。排熱空気を、これより高温の室内空調循環空気と熱交換させることによって、排熱空気を昇温することができる。昇温した排熱空気をダブルスキン内に再度排気することにより、単に排熱空気をダブルスキン内に導入するより断熱効果を高めることができる。

（１０）第１０の発明は、（８）の空気調和システムにおいて、排熱空気をボイド空間側に誘導し、かつ、外気をダブルスキンに取り入れた後に室内に導入することにより、
ボイド空間温度（Ｔｖ）＞Ｔｒ＞Ｔｄ≧Ｔｏ
となるように制御して、ボイド空間の排熱空気のドラフト効果により、室内換気後の空気をボイド空間に誘引することを特徴とする空気調和システムの制御方法である。
本発明を夏季のナイトパージとして用いることにより、ボイド空間を上昇する排熱空気のドラフト作用によりオフィスフロアへの外気導入が促進され、建物全体として躯体冷却効果を高めることができる。

（１０）第１１の発明は、（８）の空気調和システムにおいて、排熱空気を建物外部側に誘導し、かつ、導入外気を熱交換手段により室内空調循環空気と熱交換させた後にダブルスキン内に排気することにより、
Ｔｏ＞Ｔｄ＞Ｔｒ
となるように制御することを特徴とする空気調和システムの制御方法である。
本発明は、特に夏季昼間に適した空調方法である。導入外気を熱交換手段を用いて冷房中の室内空調循環空気と熱交換させることによって、導入した外気温度が低下する。これをダブルスキン内に排気することにより、従来の自然換気方式と比較してダブルスキン内温度を外気温度より低く保持することができる。これによりダブルスキンによる断熱効果の一層の向上を図ることができる。

上記各発明によれば、オフィスビル等の省エネ性向上に寄与するのみならず、快適化向上にも資する。
さらに、従来技術のようにフロアごとにダブルスキンを区画したり、連通切替機構の設置をしたりする必要がないため、メンテナンスの容易化が図れ、また、ダブルスキンの構造が簡単となるためコストダウンに資する。

以下、本発明に係る空気調和システムの遠隔診断方法の各実施形態について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）

図１は、本発明の一実施形態に係る空気調和システム１の冬季における空調制御方法を示す図である。図２は、同夏季夜間又は中間期における空調制御方法を示す図である。図３は、同夏季昼間における空調制御方法を示す図である。

図１を参照して、空気調和システム１は、建物２の外周部に設けられたダブルスキン３と、建物２の中央部に設けられた吹き抜け部（ボイド空間）６と、屋上部に設置された換気用の外気処理調和機（外調機）４を備えている。建物２は、低層階に配置された複数の機械室８と、上層階に配置された複数のオフィスフロア７と、中層階に配置された中間設備フロア９により構成されている。

各機械室８には、複数の通信機器類１２冷却のための空調機１０が設置されている。空調機１０は、室内機１０ａ、室外機１０ｂ及びこれらを結ぶ冷媒配管１０ｃを備えている。室内機１０ａは、いずれも不図示の蒸発器、室内機送風機を備えている。また、室外機１０ｂは不図示の凝縮器を備えている。

ダブルスキン３空間の中間設備フロア９近傍には流路切替ダンパ１１が配設されており、上昇する排熱空気の流路を外調機４側、ボイド空間６側又は外部側のいずれか一方又は複数方向に切替可能に構成されている。さらに、切替ダンパ１１には開度調整機構が設けられており、各方向への流出量を制御可能に構成されている。ダブルスキン３の流路切替ダンパ１１の上流側には、排熱空気を外部に排出するための排気用ダンパ３ｃが、下流側には外気導入用ダンパ３ｂが設けられている。

外調機４は熱交換器５を備えており、ダブルスキン空間３ａを上昇する排熱空気と、導入される外気とが熱交換するように構成されている。なお、図示を省略するが、オフィスフロア７には個別空調機が設置されており、主としてセンターゾーンの空調（冷房）を行っている。また、ダブルスキン空間３ａ内、オフィスフロア７内、外調機４出口近傍にはそれぞれ温度センサ１４〜１７が配設されており、ダブルスキン内温度Ｔｄ、室内温度Ｔｒ、外気温度Ｔｏ、熱交換後の導入外気温度Ｔａを計測可能に構成されている。

中間設備フロア９には、本システムの空調制御を司る中央制御部１８が設けられており、外部環境、各部温度等の情報に基づいて、ダンパ開度制御等、必要な操作を行うように構成されている。
（冬季における空調方法）

空気調和システム１は以上のように構成されており、次に空気調和システム１の冬季における空調方法について説明する。図１において、白抜き矢印は機械室８から排出される排熱空気の流路を示し、また、黒色矢印は換気又は空調（暖冷房）空気の流路を示している。なお、排熱空気等の流路は左側フロアのみ示し、右側フロアは省略してある（図２，３についても同様）。室内機１０ａは、天井空間８ｂから吸い込んだ室内空気を蒸発器で冷却して二重床空間８ａに送出する。送出された冷気はさらに機械室内に導入され、通信機器類１２を冷却後、暖気となって天井空間８ｂを経由して室内機１０ａに戻される。暖気は蒸発器において熱交換により冷媒に吸熱される。機械室排熱は、さらに冷媒蒸気の保有エンタルピーとして冷媒配管１０ｃを介して室外機１０ｂに運ばれ、凝縮器において外気に吸熱される形でダブルスキン３に排出される。排熱空気は、さらにドラフト作用によりダブルスキン３を上昇して切替ダンパ１１に至る。さらに、排熱空気の一部はオフィスゾーン７に沿って上昇し、外調機４の熱交換器５を経由して最終的に外部に放出される。なお、冬季において、外気導入用ダンパ３ｂ、排気用ダンパ３ｃは閉止されており、これらを経由して外気導入、排熱空気の排出が行われないように調整されている。

このように、排熱空気がダブルスキン３内に導入されることにより、Ｔｒ＞Ｔｄ＞Ｔｏとなる。このため、ダブルスキン３がバッファ（暖房負荷の低減）として機能することになる。排熱空気は、ダブルスキン３内をさらに上昇して外調機４の熱交換器５に至る。熱交換器５において、排熱空気は導入外気に熱を与えて最終的に外部に排出される。一方、排熱空気との熱交換により暖められた導入外気は、換気ダクト１３を経由してオフィスフロア７に導入される。さらに床空間７ａを経由して室内に供給され、天井空間７ｂから外部に排出される。本実施形態において、外調機４側に供給される排熱空気量は、導入外気温度をほぼ冷房吹き出し温度と同じに昇温させる流量に制御される。そして、これを超える分の排熱空気は、ボイド空間６側を経由して外部に排出される。排熱空気の流量分配は、温度センサ１４〜１７の計測温度に基づいて切替ダンパ１１の開度調整により行われる。

なお、本実施形態では排熱空気の熱源として機械室空調に伴う排熱としたが、これに限らず他の排熱源であってもよい。さらに、同一建物内の排熱源に限らず外部排熱を用いる形態とすることもできる。また、外調機４から供給される外気を、空調機とは独立してオフィスフロアに導入する形態としたが、個別空調機に外気導入する形態としてもよい。
なお、本実施形態ではオフィスフロアの換気は、天井換気によるものとしたが、これに限らず他の換気方式を採用することも可能である。
（夏季夜間・中間期における空調方法）

次に、図２を参照して空気調和システム１の夏季夜間・中間期における建物躯体冷却（ナイトパージ）方法について説明する。この形態が上述の冬季における空調方法と異なるのは、排熱空気が全てボイド空間６に導かれるように、切替ダンパ１１の開度方向が切り替えられている点である。さらに、外気導入ダンパ３ｂが開口されている点である。その他の構成は、冬季における空調方法と同一であるので重複説明を省略する。なお、同図において黒太矢印は導入外気の流路を示している。

次に、同図を参照して空気調和システム１の夏季夜間等における空調方法について説明する。機械室空調に伴う排熱空気は切替ダンパ１１に至り、中間設備フロア９に設けられた排熱空気流路を経由してボイド空間６に導かれる。排熱空気はドラフト作用によりボイド空間６を上昇し、これに伴ってオフィスフロア７からボイド空間６に排出される換気後空気が誘引される。このため、オフィスフロア７への外気導入が促進され、建物全体として冷却効果を高めることができる。さらに、外気導入ダンパ３ｂが開放されているため、ここからダブルスキン３内部に外気が導入され、オフィスフロア７のペリメータゾーンの冷却が促進される。
（夏季における空調方法）

さらに図３を参照して、空気調和システム１の夏季（昼間）における空調方法について説明する。上述の夏季夜間における空調方法と異なるのは、排熱空気が全て外部に導かれるように、排気用ダンパ３ｃが開口されている点である。なお、外気導入ダンパ３ｂは夏季夜間と同様に開放されている。その他の構成は、上述の空調方法における構成と同一であるので重複説明を省略する。

次に、空気調和システム１の夏季における空調方法について説明する。機械室空調に伴う排熱空気はダブルスキン３内を上昇して切替ダンパ１１に至り、排気用ダンパ３ｃから外部に導かれる。一方、外気導入ダンパ３ｂが開放されているため、ここからダブルスキン３内部に外気が導入され、ドラフト作用により上昇して最終的に外調機４を経由して外部に排出される。これにより、日射によるダブルスキン３内の空気が滞留して高温になることを防止することができる。さらに、外気導入ダンパ３ｂから取り込まれる外気の一部はボイド空間６側に導かれ、ボイド空間６内を上昇して外部に排出される。これにより換気効果を高めることができる。なお、排気用ダンパ３ｃと外気導入ダンパ３ｂとは、排出された排気空気が再流入しない位置に、相互に配置されている。

（第二の実施形態）
さらに、図４〜図６を参照して本発明の他の実施形態について説明する。
図４は、本発明の第二の実施形態に係る空気調和システム２０の冬季における空調制御方法を示す図である。図５は、同夏季夜間又は中間期における空調制御方法を示す図である。図６は、同夏季昼間における空調制御方法を示す図である。なお、図４〜図６では上層階のオフィスフロア部のみを示しており、下層階（機械室フロア及び中間設備フロア）部分については、図１と同様であるので図示を省略してある。また、左側フロア部のみ示し、右側フロア部については図示を省略してある。

図４を参照して、空気調和システム２０が上述の実施形態に係る空気調和システム１と異なる点は、外調機４に替えて各フロアの空調ゾーンごとに全熱交換器２１、空調機２２を備えていることである。また、各フロアの天井部７ｂとボイド部６を隔てる壁面には換気口２３が設けられていることである。さらに、ダブルスキン３及びボイド部６の頂部には換気口２４，２５が設けられていることである。その他の構成は、空気調和システム１と同一であるので重複説明を省略する。
（冬季における空調方法）

次に、空気調和システム２０の冬季における空調方法について説明する。本形態においては、換気口２３，２５は閉状態、換気口２４は最小開度状態に保持されている。同図において、白抜き矢印は機械室（図示せず）から排出される排熱空気の流路を示し、また、黒色矢印は換気又は空調（暖冷房）空気の流路を示している。

空調排熱空気は、切替ダンパ（図示せず）を通過後、ダブルスキン３を上昇してオフィスゾーン７外面に至る。ここで、排熱空気は全熱交換器２１に取り込まれ、空調機２２に還流する室内空気から受熱した後、ダブルスキン３内に再度排気される。この場合、例えば室内温度Ｔｒを２６℃程度、排熱空気温度を１０℃程度とすると、ダブルスキン３に再度排気される排気温度は１３℃程度に高められる。すなわち、Ｔｒ＞Ｔｄ＞Ｔｏとなる。このように、全熱交換器２１を通すことによって排熱空気を単にダブルスキン３に導入する場合に比べて、ダブルスキン内温度を高く保持することができる。これにより断熱効果の一層の向上を図ることができる。
（夏季夜間・中間期における空調方法）

さらに、図５を参照して空気調和システム２０の夏季夜間等における空調方法について説明する。同図において空調排熱空気は、切替ダンパ（図示せず）を通過後にボイド部６に導かれるように制御されている。また、ダブルスキン３には、外気が取り込まれるように外気導入ダンパ（図示せず）が制御されている。また、換気口２３，２５は開状態、換気口２４は閉状態に保持されている。

このような構成により、ダブルスキン３に取り込まれた外気は、空調機２２に取り込まれ、二重床７ａを経由して室内７に導入される。さらに、天井部７ｂから換気口２３を経てボイド部６に導かれる。夏季夜間・中間期においては、ボイド空間温度Ｔｖとすると、Ｔｖ＞Ｔａ＞Ｔｄ≧Ｔｏとなり、排熱空気のドラフト効果により、換気口２３からの換気が促進されることになる。これにより室内の冷却効果の向上が可能となる。
（夏季（昼間）における空調方法）

さらに、図６を参照して空気調和システム２０の夏季における空調方法について説明する。同図において空調排熱空気は、切替ダンパ（図示せず）の上流側の排気用ダンパ（図示せず）から外部に導かれ、上層階のダブルスキンには導入されないように制御されている。これに替えて外気が全熱交換器２１に直接取り込まれ、空調機２２に還流する室内空気と熱交換して冷却された後に、ダブルスキン３内に排気されるように構成されている。この場合、例えば室内温度Ｔｒを２６℃程度、導入する外気温度Ｔｏを３０℃程度とすると、全熱交換器２１からダブルスキン３内に排気される排気温度は２８℃程度となる。すなわち、Ｔｏ＞Ｔｄ＞Ｔｒとなり、全熱交換器２１を通すことによりダブルスキン内温度を外気温度より低く保持することができる。これによりダブルスキンによる断熱効果の一層の向上を図ることができる。

本発明は、建物構造を問わず、ダブルスキン構造を備えた建物の空気調和に広く適用可能である。

第一の実施形態に係る空気調和システム１の冬季における空調制御方法を示す図である。 同上の夏季夜間又は中間期における空調制御方法を示す図である。 同上の夏季昼間における空調制御方法を示す図である。 第二の実施形態に係る空気調和システム１の冬季における空調制御方法を示す図である。 同上の夏季夜間又は中間期における空調制御方法を示す図である。 同上の夏季昼間における空調制御方法を示す図である。 従来のダブルスキン構造における空調形態の一例を示す図である。

符号の説明

１、２０・・・・空気調和システム
２・・・・建物
３・・・・ダブルスキン
３ｂ・・・外気導入用ダンパ
３ｃ・・・排気用ダンパ
４・・・・外調機
５・・・・熱交換器
６・・・・ボイド空間
７・・・・オフィスフロア
８・・・・機械室
９・・・・中間設備フロア
１０・・・空調機
１１・・・流路切替ダンパ
１４〜１７・・・温度センサ
１８・・・中央制御部
２１・・・全熱交換器
２２・・・空調機
２３〜２５・・・換気口

Claims (9)

1. ダブルスキンと、換気用ボイド空間とを、を有する建物における空気調和システムであって、
   当該建物内又は外部で発生した排熱空気をダブルスキン下層部に導入する手段と、
   外気を導入する外気導入手段と、
   ダブルスキン内を上昇する排熱空気と導入外気とを熱交換させる熱交換手段と、
   前記ダブルスキン内に導入された排熱空気の流れを、前記ダブルスキン上層側、前記ボイド空間側、もしくは建物外部側、のいずれか一方向又は複数方向に誘導可能とする流路誘導手段と、を備えて成り、
   前記外気導入手段及び前記流路誘導手段を操作することにより、冬季には外気を導入することなく、排熱空気の一部を前記ダブルスキン上層側に導くとともに、残りの一部を前記ボイド空間側に導き、かつ、
   夏季夜間又は中間期には、外気を前記ダブルスキン上層側に導くとともに、排熱空気を全て前記ボイド空間側に導く、
   ことを可能に構成した、ことを特徴とする空気調和システム。
2. 請求項１において、前記熱交換手段は、排熱空気と導入外気とを熱交換させることに替えて、排熱空気又は導入外気と室内空調循環空気とを熱交換させるものであることを特徴とする空気調和システム。
3. 前記流路誘導手段は、さらに誘導排熱空気量を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和システム。
4. 前記排熱空気が、前記建物の機械室フロアから排出される冷房排熱空気であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の空気調和システム。
5. 前記外気導入手段と、前記熱交換手段とを、前記ダブルスキン最上部に設けたことを特徴とする請求項１又は３に記載の空気調和システム。
6. 前記外気導入手段と、前記熱交換手段とを、各フロアの空調ゾーンごとに設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の空気調和システム。
7. 請求項６に記載の空気調和システムにおいて、
   排熱空気を前記ダブルスキン上層側に誘導して、前記熱交換手段により室内空調循環空気と熱交換させた後に再度ダブルスキン内に排気することにより、
   フロア室内温度（Ｔｒ）＞ダブルスキン内部温度（Ｔｄ）＞外気温度（Ｔｏ）
   となるように制御することを特徴とする空気調和システムの制御方法。
8. 請求項６に記載の空気調和システムにおいて、
   排熱空気を前記ボイド空間側に誘導し、かつ、外気をダブルスキンに取り入れた後に室内に導入することにより、
   ボイド空間温度（Ｔｖ）＞Ｔｒ＞Ｔｄ≧Ｔｏ
   となるように制御して、ボイド空間の排熱空気のドラフト効果により、室内換気後の空気を前記ボイド空間に誘引することを特徴とする空気調和システムの制御方法。
9. 請求項６に記載の空気調和システムにおいて、
   排熱空気を建物外部側に誘導し、かつ、導入外気を前記熱交換手段により室内空調循環空気と熱交換させた後にダブルスキン内に排気することにより、
   Ｔｏ＞Ｔｄ＞Ｔｒ
   となるように制御することを特徴とする空気調和システムの制御方法。

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