JP4667496B2

JP4667496B2 - 空気調和装置

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Publication number: JP4667496B2
Application number: JP2008293474A
Authority: JP
Inventors: 正信馬場; 昌彦高木; 憲和石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-11-17
Also published as: CN101737867B; ES2539488T3; US20100125370A1; EP2336660B1; ES2554135T3; CN102705908A; EP2187141B1; EP2187141A2; EP2336660A1; JP2010121798A; EP2187141A3; CN101737867A; CN102705908B; US8306667B2

Description

この発明は、空気調和機を複数台設置する場合に、通常単独で動作するもの同士で通信を行うことで、省エネ性能・快適性の向上を図ることのできる空気調和装置に関する。

業務用の空気調和機は、大空間の事務所や店舗に設置されることが多く、複数台の空気調和機を１つのグループとして１つのリモコンで運転・制御することは従来から行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１６７５１９号

但し、この場合も１つのリモコンで運転停止の指示をして、冷房もしくは暖房により設定温度になるように、複数台の空気調和機が個別に運転されるにすぎない。

そのため、１つの部屋でも出入口や窓の近くといった比較的負荷が大きい場所に設置される空気調和機は能力を必要とされ、高能力で運転すると効率（＝能力／入力）は低下するため、個別に運転制御していると温度ムラによりグループ全体の効率は低下してしまう。

また、暖房運転時、外気温度が低い時は室外機の熱交換器に霜が発生・成長するため、ある一定の時間毎に除霜運転を行う必要がある。除霜運転は一般的に温風を室内へ送風する室内機を停止し、室外機のみを冷房サイクルで動かすことで行われるが、このときに暖房運転を一時的に停止するため室温が低下してしまう。さらに１つのグループは同時に運転開始されるため、ほぼ同時に除霜運転を迎えてしまうことが多く、部屋を暖めている空気調和機が一度に除霜運転になると、室温の低下による快適性の低下は深刻なものがある。

さらに、冷房低負荷運転時（温度はあまり高くないが、湿度が高いため不快指数の高い梅雨時等）には、空気調和機で冷房運転をしても蒸発温度が高く顕熱比（顕熱能力／全能力）が高い（除湿能力が低い）運転をしてしまい、部屋の除湿がされないため快適性は改善しない。そのため、部屋の設定温度を下げると、消費電力が上がったり、寒く感じるようになり快適性が低下してしまう。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数台の空気調和機が相互に通信を行うことで、温度ムラによる負荷のバラツキに影響されずに複数台の空気調和機が平準化した空調能力を発揮することで、消費電力を削減することを目的とする。

また、複数台の空気調和機が相互に通信を行うことで、暖房運転時に一度に複数台の空気調和機が除霜運転となることを防止し、室温の低下による快適性の悪化を避けることを目的とする。

また、冷房運転時に複数台の空気調和機が相互に通信を行うことで、全てが均等に低能力の高蒸発温度・高顕熱比の運転を行うのではなく、複数台の内数台は高能力で低蒸発温度・低顕熱比の運転を行い残りの数台は能力を絞って負荷調整を行うことにより、冷房低負荷時にも、部屋全体ではある程度の除湿能力を持ちつつも室温を下げない運転をすることを可能とし、快適性の向上を図ることを目的とする。

また、冷房運転時に複数台の空気調和機が相互に通信を行うことで、複数台の内数台は暖房運転をして、擬似的に再熱除湿運転を行うことが可能とすることを目的とする。

この発明に係る空気調和装置は、室内機と室外機とを有し、室内機と室外機とで完結した一つの冷凍サイクルを形成する複数台の空気調和機と、統制用の演算部とを備え、一つの空調エリアに複数台の室内機を配置し、統制用の演算部が、空気調和機間で相互に通信を行うことにより各空気調和機で検知した空調負荷に応じて、各空気調和機の空調能力を平準化するものである。

この発明に係る空気調和装置は、室内機と室外機とを有し、室内機と室外機とで完結した一つの冷凍サイクルを形成する複数台の空気調和機と、統制用の演算部とを備え、一つの空調エリアに複数台の室内機を配置し、統制用の演算部が、空気調和機間で相互に通信を行うことにより各空気調和機の能力を平準化する構成にしたので、平準化運転により消費電力の削減が可能となる。

実施の形態１．
図１、図２は実施の形態１を示す図で、図１は空気調和装置１００の構成図、図２は温度調節制御を示すフローチャートである。図３は一般的な空気調和機で使用されるインバータ駆動による圧縮機周波数に対する能力、入力及び運転効率を示すＣＯＰ（＝能力／入力）の特性を示す図である。

図１に示すように、空気調和装置１００は複数台の空気調和機を備え、複数台の室外機１ａ，１ｂ，…１ｘと、複数台の室内機２ａ，２ｂ，…２ｘと、室外機１ａ，１ｂ，…１ｘと室内機２ａ，２ｂ，…２ｘとのそれぞれを接続する配管・配線３と、室内機２ａ，２ｂ，…２ｘ間同士で通信する渡り線４と、リモコン５とで構成されている。配管・配線３の配管は冷媒配管であり、配線は電源及び通信用の配線である。

図１に示す例は、一つのワイヤードリモコンのリモコン５を、室内機２ｂに設けているがこれは一例であって、リモコン５はワイヤレスでもよいし、設置する数も任意でよい。

空気調和機は、例えば、天井埋め込み形空気調和機である。一般的に、天井埋め込み形空気調和機は、室内の天井に据え付けられる室内機と、この室内機に接続し屋外に設置される室外機とを備えるセパレート形の空気調和機である。そして、一つの完結した冷凍サイクルを室内機と室外機とで形成する。

図１に示す空気調和装置１００の複数台の空気調和機は、それぞれが一つの完結した冷凍サイクルを持つものであり、１台の室外機と複数台の室内機とを備える所謂マルチタイプとは異なる構成のものである。

室内機２ａ，２ｂ，…２ｘと室外機１ａ，１ｂ，…１ｘとはそれぞれの配管・配線３の内外通信線と渡り線４を通じ通信を行うことで室外機１ａ，１ｂ，…１ｘの圧縮機の運転周波数を把握することができる。

室外機１ａ，１ｂ，…１ｘの圧縮機は、インバータで駆動されるものである。そのため、運転周波数は一定ではなく、指令に基づいて変化する。圧縮機には、回転式圧縮機、スクロール圧縮機等が用いられる。

３台の空気調和機が、図１に示すように、接続される場合を想定する。室外機１ａが最大空調能力に対し８０％で運転し、室外機１ｂが最大空調能力に対し５０％で運転し、室外機１ｃが最大空調能力に対し５０％で運転していたら、平均を取り最大空調能力の６０％で３台ともに運転することで部屋の負荷に対し対応が可能となるため、室内機２ａ、２ｂ、２ｃ及び室外機１ａ、１ｂ、１ｃを図示しない演算部で、３台とも６０％の空調能力運転をするように調整を行う。

この統制用の演算部は、空気調和機の室外機１ａ，１ｂ，…１ｘ、室内機２ａ，２ｂ，…２ｘ、リモコン５のうちのいずれか１つに設けるか、もしくは別に統制用の演算部を持った機器を新たに追加して行うことでもよい。

具体的には、図２に示すように、定時間隔で各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの吸込み空気温度の平均値が、リモコン５で設定された設定温度になるよう各室外機機１ａ，１ｂ，…１ｘの運転周波数を平準化して追従させることで実施が可能である。

図２において、定時処理が開始されると（Ｓ１０）、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの吸込み空気温度を、それらの吸込み口に設置される図示しない温度検出器（例えば、サーミスタ）により測定し統計をとる（Ｓ１１）。

次に、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度と設定温度とを比較することにより冷房能力又は暖房能力が足りているか判定する（Ｓ１２）。吸込み口の吸込み空気の設定温度は、リモコン５でユーザが設定する温度である。

冷房運転の場合は、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度≦設定温度ならば、冷房能力は足りていると判断する（図２のＳ１２の※）。

また、暖房運転の場合は、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度≧設定温度ならば、暖房能力は足りていると判断する（図２のＳ１２の（）の中）。

Ｓ１２で空調能力（冷房能力又は暖房能力）が足りている場合は、そのままの空調能力を維持するか又は低下させる（Ｓ１３）。

空調能力が不足している場合（冷房運転では、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度＞設定温度、暖房運転では各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度＜設定温度）は、接続室外機一律で空調能力をアップさせる（Ｓ１４）。

以上で、定時処理を完了し（Ｓ１５）、以後同様の処理を繰り返す。

図３に一般的な空気調和機で使用されるインバータ駆動による圧縮機の周波数に対する、能力・入力と運転効率を示すＣＯＰ（成績係数＝能力／入力）の特性を示す。能力は、空調能力のことである。図３に示す例は、圧縮機の周波数を、２５〜９０Ｈｚの範囲で変化させたときの、圧縮機の周波数と、能力・入力及びＣＯＰとの関係を示している。

図３に示すように、高負荷に対応するよう圧縮機の周波数を上げるとＣＯＰは低下し、逆に圧縮機の周波数を下げるとＣＯＰは向上することがわかる。

圧縮機の周波数を変化させる場合、例えば、空調能力は周波数が最大では周波数が最小に対して約２．５倍に増加し、入力は周波数が最大では周波数が最小に対して約５倍に増加する。そのため、ＣＯＰ（成績係数＝空調能力／入力）は、周波数が最大では周波数が最小に対して約１／２に低下する。

以上のように、この実施の形態によれば、空気調和装置１００の複数台の空気調和機が相互に通信を行うことで、温度ムラによる負荷のバラツキに影響されずに複数台の空気調和機が平準化した空調能力を発揮することで、消費電力を削減することができる。

実施の形態２．
図１に示す空気調和装置１００の複数台の空気調和機は、暖房運転の場合、暖房運転を行っている各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘと各室外機１ａ，１ｂ，…１ｘはそれぞれの配管・配線３の内外通信線と渡り線４を通じ通信を行うことで各室外機１ａ，１ｂ，…１ｘの着霜の状態を把握することができる。各室外機１ａ，１ｂ，…１ｘの着霜の状態は、室外熱交換器の配管温度とその継続時間などから把握することができる。

図４は実施の形態を示す図で、除霜制御のフローチャートである。図４を参照しながら除霜制御について説明する。

暖房運転定時処理を開始したら（Ｓ２０）、各空気調和機の室外熱交換器温度を測定し、統計をとる（Ｓ２１）。室外熱交換器温度は、図示しない温度検出器（例えば、サーミスタ）を室外熱交換器に取り付けて測定する。

Ｓ２１で測定・統計をとった各空気調和機の室外熱交換器温度から、各空気調和機が除霜許可時間に近づいているか判定する（Ｓ２２）。

ここで、除霜許可時間とは、空気調和機が暖房運転を開始すると蒸発器である室外熱交換器温度は徐々に低下する。そして、室外熱交換器温度が、所定の「除霜許可温度Ｔｄｅｆ」（例えば、−５℃〜−２℃）以下になっている暖房運転の時間を積算する。この所定のマイナス温度（例えば、−５℃〜−２℃）以下になっている暖房運転の時間の積算時間の所定値（例えば、６０分）を「除霜許可時間」と定義する。

Ｓ２２で複数台の空気調和機が、室外熱交換器温度≦除霜許可温度Ｔｄｅｆを満たす暖房運転の積算時間が、所定の除霜許可時間に近づいている場合、現在除霜運転中の空気調和機はあるか判定する（Ｓ２３）。

Ｓ２３で現在除霜運転中の空気調和機がない場合は、最も除霜許可時間に近づいた空気調和機の除霜運転を開始する（Ｓ２５）。

そして暖房運転定時処理を完了し（Ｓ２７）、Ｓ２０へ戻る。

除霜運転は、温風を室内へ送風する室内機を停止し（送風機を停止する）、室外機のみを冷房サイクルで動かすことで行われる。このとき、室外機の室外熱交換器は、凝縮器として動作する。

Ｓ２３で現在除霜運転中の空気調和機がある場合は、室外熱交換器温度≦除霜許可温度Ｔｄｅｆを満たす暖房運転の積算時間が所定の除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が、強制除霜温度（例えば、−２０℃〜−１０℃）を下回っているか判定する（Ｓ２４）。

Ｓ２４で室外熱交換器温度≦除霜許可温度Ｔｄｅｆを満たす暖房運転の積算時間が所定の除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が強制除霜温度を下回っている場合は、その他に除霜運転中の空気調和機の有無に関係なく、強制除霜温度を下回った空気調和機の除霜運転を開始する（Ｓ２６）。

Ｓ２４で室外熱交換器温度≦除霜許可温度Ｔｄｅｆを満たす暖房運転の積算時間が所定の除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が強制除霜温度を下回っていない場合は、その他に除霜運転中の空気調和機があるので、さらに除霜運転を行う空気調和機が増えると空気調和装置１００全体としての暖房能力が低下するので、除霜運転は開始しないでＳ２１に戻る。

Ｓ２２で、室外熱交換器温度≦除霜許可温度Ｔｄｅｆを満たす暖房運転の積算時間が、所定の除霜許可時間に近づいている空気調和機がないか、１台のみある場合は、その１台の空気調和機の室外熱交換器の温度が強制除霜温度（例えば、−２０℃〜−１０℃）を下回っているか判定する（Ｓ２４）。

１台の空気調和機の室外熱交換器の温度が強制除霜温度（例えば、−２０℃〜−１０℃）を下回っている場合は、その空気調和機の除霜運転を開始する（Ｓ２６）。

Ｓ２４で１台の空気調和機の室外熱交換器の温度が強制除霜温度を下回っていない場合は、除霜運転は開始しないでＳ２１に戻る。

Ｓ２６の後、Ｓ２５と同様に暖房運転定時処理を完了し（Ｓ２７）、Ｓ２０へ戻る。

以上の処理は、実施の形態１と同様、統制用の演算部が行う。統制用の演算部は、空気調和機の室外機１ａ，１ｂ，…１ｘ、室内機２ａ，２ｂ，…２ｘ、リモコン５のうちのいずれか１つに設けるか、もしくは別に統制用の演算部を持った機器を新たに追加して行うことでもよい。

以上のように、暖房時低外気温の時に、他の空気調和機が除霜運転に入っている場合は、強制除霜温度を下回る場合以外は、除霜運転に入らない、もしくは同時に除霜運転となりそうな場合には、早めに除霜運転を開始するという調整を行うことにより、空気調和機が相互に通信を行うことで、暖房運転時に一度に複数台の空気調和機が除霜運転となることを極力防止し、空気調和装置１００の暖房能力不足により室温が低下し、快適性が悪化することを避けることができる。

実施の形態３．
図１に示す構成の複数台の空気調和機は、冷房運転を行っている各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘと各室外機１ａ，１ｂ，…１ｘはそれぞれの配管・配線３の内外通信線と渡り線４を通じ通信を行うことで、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの室内熱交換器温度（＝蒸発温度）を把握することができる。

室内（空調エリア）に居る人が除湿優先にする指令をリモコン５から行うと、複数台の空気調和機の内の何台かの空調能力を上げ蒸発温度を下げる運転を行い、残りの空気調和機は増えた空調能力を調整するため空調能力を低下もしくは冷房運転を停止し送風運転として、室温の下がり過ぎを防ぐ。

増えた空調能力を調整するため空調能力を低下するのは、設定温度に対し室内温度が下がらないように負荷調整を行う運転のことである。

図５は実施の形態３を示す図で、除湿制御を示すフローチャートである。具体的には、図５に示すように、リモコン５から除湿優先の設定をすると、接続している室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの台数の１０％〜５０％（所定の台数）を除湿能力アップ運転し、それ以外の室内機の空調能力を設定温度に近づくように追従させる。除湿能力アップ運転以外の室内機の運転を停止しても室温が低くなる場合は、除湿能力アップ運転をする空気調和機を停止して室温の下がりすぎを防ぐ。

冷房運転の蒸発温度を下げて顕熱比（顕熱能力／全能力）を下げた運転を、「除湿能力アップ運転」と定義する。

図５において、室内（空調エリア）に居る人が除湿優先にする指令をリモコン５から行うと（Ｓ３０）、接続している室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの台数の１０％〜５０％（所定の台数）を除湿能力アップ運転を行う。この場合、設定温度によらず圧縮機を高周波数で運転して、室内熱交換器温度の蒸発温度を下げる運転を行う（Ｓ３１）。

続いて定時処理を開始し（Ｓ３２）、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの吸込み空気温度を、それらの吸込み口に設置される図示しない温度検出器（例えば、サーミスタ）により測定し統計をとる（Ｓ３３）。

次に、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度と設定温度とを比較する（Ｓ３４）。

冷房運転の場合は、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度≦設定温度ならば、空調能力は足りていると判断する。

また、暖房運転の場合は、各室内機２ａ，２ｂ，…２ｘの平均吸込み空気温度≧設定温度ならば、空調能力は足りていると判断する。

Ｓ３４で空調能力が足りている場合は、空調能力オーバーかを判断する（Ｓ３５）。

その場合、除湿能力アップ運転以外の室内機の運転を停止し、かつ室内機の平均吸込み空気温度＜設定温度−Ｔｄｉｆならば、空調能力オーバーと判断する。ここで、Ｔｄｉｆは所定の温度差である。

空調能力オーバーの場合は、除湿能力アップ運転をする室内機の運転台数を減らし（Ｓ３８）、Ｓ３２に戻る。

空調能力オーバーでない場合は、空調能力を維持し（Ｓ３７）、定時処理を完了し（Ｓ３９）、Ｓ３２に戻る。

Ｓ３４で空調能力が不足している場合は、除湿能力アップ運転以外の室内機の空調能力をアップし（Ｓ３６）、空調能力を維持し（Ｓ３７）、定時処理を完了し（Ｓ３９）、Ｓ３２に戻る。

冷房能力を上げる空気調和機を固定すると室内機周辺に居る人が寒く感じるため、１０分から２０分おきに除湿能力を上げる空気調和機とその他の（温度）能力調整をするための空気調和機の役割をローテーションすることで、快適性の悪化を防ぐ。

図６は実施の形態３を示す図で、空気調和装置１００の構成図である。上述したものは、室内機２ａ，２ｂ，…２ｘに湿度を検知するセンサが無い場合に、蒸発温度を下げて定性的に除湿能力を上げるものであるが、図６に示すようにオプション等で１台に湿度センサ６を後付けし、湿度センサ６の検出値を所定の目標値となるように運転すればより快適性の向上につながる。

除湿をする際には、蒸発温度を下げた方が除湿能力大となるため、室内機の風量を低下させる。これにより室内機周辺に居る人が寒さを感じるのをできるだけ避けることもできる。風向についても同様に快適性を考慮し、できるだけ風量を低下させる向きとし、直接風が当たらないような角度に設定するのが望ましい。

実施の形態４．
実施の形態３で示したもので、室内に居る人が除湿優先のレベルをさらに上げる指令をリモコン５から行うと、複数台の空気調和機の内何台かを暖房運転とすることで、部屋全体の温度を下げずに除湿量を多くすることが可能となる。この場合も風量・風向について、快適性を考慮し、温風が直接人体に当たらないように設定するのが望ましい。

実施の形態１乃至４を示す図で、空気調和装置１００の構成図。実施の形態１を示す図で、温度調節制御を示すフローチャート図。一般的な空気調和機で使用されるインバータ駆動による圧縮機周波数に対する能力、入力及び運転効率を示すＣＯＰ（＝能力／入力）の特性を示す図。実施の形態２を示す図で、暖房時の室外機の除霜運転制御を示すフローチャート図。実施の形態３を示す図で、除湿制御を示すフローチャート図。実施の形態３を示す図で、空気調和装置１００の構成図。

符号の説明

１ａ,１ｂ, …２ｘ室外機、２ａ，２ｂ，…２ｘ室内機、３配管・配線、４渡り線、５リモコン、６湿度センサ、１００空気調和装置。

Claims

室内機と室外機とを有し、前記室内機と前記室外機とで完結した一つの冷凍サイクルを形成する複数台の空気調和機と、統制用の演算部とを備え、一つの空調エリアに複数台の前記室内機を配置し、前記統制用の演算部が、前記空気調和機間で相互に通信を行うことにより各空気調和機で検知した空調負荷に応じて、各空気調和機の空調能力を平準化するものであり、
暖房時、複数台の空気調和機が、室外熱交換器温度≦除霜許可温度を満たす暖房運転の積算時間が、所定の除霜許可時間に近づいている場合、現在除霜運転中の空気調和機はあるか判定し、
現在除霜運転中の空気調和機がない場合は、前記複数台の空気調和機の中の最も前記除霜許可時間に近づいた空気調和機の除霜運転を開始し、
現在除霜運転中の空気調和機がある場合は、室外熱交換器温度≦除霜許可温度を満たす暖房運転の積算時間が所定の除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が、強制除霜温度を下回っているか判定し、
室外熱交換器温度≦除霜許可温度を満たす暖房運転の積算時間が前記除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が前記強制除霜温度を下回っている場合は、その他に除霜運転中の空気調和機の有無に関係なく、前記強制除霜温度を下回った空気調和機の除霜運転を開始し、
室外熱交換器温度≦除霜許可温度を満たす暖房運転の積算時間が前記除霜許可時間に近づいている空気調和機の室外熱交換器の温度が前記強制除霜温度を下回っていない場合は、当該空気調和機の除霜運転は開始しないことを特徴とする空気調和装置。
一つの空調エリアに複数台が配置された前記室内機にそれぞれ設けられた吸込み空気温度検出器により測定され統計をとった平均吸込み空気温度とユーザが設定する設定温度との差に応じて、前記室内機に接続の室外機一律で空調能力を制御することを特徴とする請求項１記載の空気調和装置。