JP4670935B2 - 空気調和装置の運転方法 - Google Patents

Description

この発明は、室内空気環境が例えば恒温・恒湿であることが要求される状況のような場合に、建物負荷に応じて最適な運転を行い、エネルギー消費の低減を図る空気調和装置の技術に関するものである。

従来、博物館、美術館、精密機械工場、印刷工場、収蔵庫、手術室、製薬工場、醸造等においては品質保持、歩留まり向上、生産性向上のため室内環境の温度，湿度が一定に保たれる必要がある。

そこで、室内の温湿度制御には恒温恒湿制御システムが用いられ、この従来の空気調和装置は、筐体内の風の流路には送風機、冷却器、加熱器その１（熱交換器）または加熱器その２（電気ヒータ）等を配置し、送風機により室内空気は吸込口から流入し、温度調節された風となって風吹出口より室内へ吹出す構造となっている。吸込口には吸込空気の乾球温度を検知する乾球温度センサと湿球温度を検知する湿球温度センサを設けている。（例えば特許文献１参照）

特開平３−１４８５８５号公報（第３図、第４図）

この構成では、運転が開始されると、まず送風機のみを運転する送風モード運転が開始され、この送風モード運転期間中、乾球温度センサおよび湿球温度センサで吸込空気温度と湿度を夫々検出する。この夫々の温度計測は１秒単位で数回行ってその平均乾球温度および平均湿球温度を夫々測るもので、１分のインターバルで前の空気の平均温度と後の平均乾球温度を比較して時間的温度変化傾向を検出して室内負荷状態を判定している。すなわち、１分のインターバルで前の平均乾球温度から後の平均乾球温度を減算し、その差が正、負または零のいずれであるかにより、室内負荷が暖房負荷、冷房負荷または零のいずれであるかを判定し、一方、後の方の平均乾球温度と設定乾球温度との比較を行い、その差が許容範囲かどうかを判定する。更に、平均温度から求めた吸込空気の相対湿度が許容湿球温度以下かどうかを判定する。このようにして求めた室内負荷の状態、設定乾球温度との差、許容湿球温度との比較に応じて、冷却運転、加熱運転、又は除湿運転を開始する。

従来の空気調和装置は、顕熱負荷のみの推定で、潜熱負荷である加湿負荷と除湿負荷を推定できないし、また加湿機能がないので加湿負荷が要求されても対応できないと言う等の問題があった。また従来の技術では温度と湿度の数値の演算を行い、且つ、個々のモード、しかも冷却、加熱、除湿に限られたモードの切り替えるだけの運転を行う考えで、目標に早く到達させようという考えが存在せず、設定精度の要求される恒温恒湿の用途に適用出来ず、更に安定した温度や湿度のコントロールが早く得られず、逆に到達速度や精度を求める場合は温度や湿度のハンチングが起こるなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で、組み合わされた運転モードの選定が容易にできる空気調和装置を提供することを目的とする。またこの発明は早く精度の良い温度や湿度が得られる省エネルギー性の高い空気調和装置および空気調和方法を提供することを目的とする。

本発明の空気調和装置の運転方法は、空気を冷却または加熱する熱交換器と水を加熱した蒸気により加湿する加湿器を設けた空気調和装置にて被空調域に送風を行い前記被空調域に空調を行い温度および湿度の設定許容範囲に到達した場合には前記空気調和装置の運転を停止するステップと、前記被空調域の空気の温度を検出しこの検出値の時間変化から、前記被空調域の温度が前記設定許容範囲へ到達する到達時刻を予測するステップと、前記到達時刻へ到達するまでの到達予測時間と前記加湿器の起動から前記水が加湿可能な温度に到達するまでの時間とを比較して前記到達予測時間の方が長い場合には前記加湿器を起動しないで同等程度もしくは前記到達予測時間の方が短い場合に前記被空調域の空気の温度が前記設定許容範囲へ到達する以前に前記加湿器を起動し、前記被空調域の温度が前記設定許容範囲へ到達した時は加湿できるステップと、を備えたものである。

以上のように本発明によれば、被空調域の温度と湿度の状態を無駄なく短時間で所望の状態にでき、且つ、維持できる空気調和装置、およびその運転方法が得られる。以上のように本発明によれば、制御精度が良く信頼性が高く運転費用の安い空調システムが得られる。

実施の形態１．
以下、図１、図２、図３に基づきこの発明の実施の形態の構成を詳細に説明する。図１はシステム構成図であり、図２、図３は別のシステム構成図である。

まず、図１のシステム構成図について説明する。被空調室９内に空調機本体１９に冷却器２、加熱器３および送風機を設け、加湿器６と除湿機７を室内床面に配置し、これらの機器を制御装置８にて制御して室内空調を行う。送風機１により室内空気は、温度調節された風となって冷却器２加熱器３とを内蔵する空調機本体１９から室内へ吹出す構造となっている。室内には室内空気の温度を検知する温度検出手段４と湿度を検知する湿度検出手段５を設けている。ここで冷却器２は冷水コイルまたは冷媒直膨、加熱器３は温水コイル、ヒーター、冷媒直膨などがあり、それぞれの構成で熱源器あるいは電源から供給される冷熱や温熱により空気との間で熱の授受を行えるものである。冷媒直膨の場合、冷凍サイクルの圧縮機などを含む熱源器は室外に配置され配管を介して冷媒を室内機である本体へ供給している。この冷凍サイクル使用の場合は、冷却器２と加熱器３はそれぞれ冷媒が流れるチューブにフィンをはめ込み空気との熱交換を行うもので、冷却器２と加熱器３が同一冷媒系統の場合、別系統の場合がある。冷却器２と加熱器３は図１では送風方向に直列に設けられ、一方が温熱を他方が冷熱を空気に供給する構成を示しているが、両方が温熱を供給する構成や両方が冷熱を供給する構成でも良いし、この冷却器２と加熱器３を送風に対し並列に配置し同様な温冷熱を供給する構成にしても良い。更に冷却器は冷凍サイクルによる冷熱を利用し、加熱器には電源から電力を供給したヒーターでも良い。室内の湿度は加湿器６、除湿機７によって湿度調整される。これらの構成要素は制御装置８によって有線、または無線によって一括して制御される。

図２はこれらの構成要素を本体２０である１つの筐体内に収めたものであり、筐体内の風の流路には冷却器２、加熱器３、加湿器１０を配置し、送風機１により室内空気は矢印で示すように吸込口１５から流入し、温湿度調節された風となって風吹出口１６より室内へ吹出す構造となっている。吸込口１５には吸込空気の温度を検知する温度検出手段４と湿度を検知する湿度検出手段５を設けている。ここで冷却器２は冷水コイルまたは冷媒直膨、加熱器３は温水コイル、ヒーター、冷媒直膨などがあり、冷媒直膨の場合、冷却器２と加熱器３が同一冷媒系統の場合、別系統の場合がある。加湿器１０は蒸気式、気化式、超音波式、吸着脱着式などが適用されるが、いずれの場合も貯水槽や水分吸着装置を別個設けてある。なお図１では加湿機６と制御装置８を空調機本体１９とは別個に独立させて設けていたが図２では筐体２０の中に加熱器３や冷却器２と一緒に設けてある。このため図１の加湿器６と図２の加湿器１０は、貯水や湿気保有材に熱を加え蒸気を発生させたり、貯水に超音波などを加え気化させたりするなどどのような構成の加湿機でも良いが、室内に加湿された空気を吹き出させる送風機は図１では別途加湿機６内に保有させる必要があり、一方図２の構成では加熱もしくは冷却された空気と一緒に送風機１にて室内に吹き出させるので、その分構成が簡単になる。なお制御装置８を筐体２０内に設けることにより個々の機器を個別に配置した場合に比べ配線の簡略化などとともに制御内容を簡単に操作できるようになる。

図２の構成では被空調室９内に筐体２０を設けるだけで図１の構成と同等な空調が可能になる。一方図３の構成では筐体２０の中には送風機１、冷却機２、加熱器３と温度センサ４、湿度センサ５を設ける構成で、加湿器は被空調室９内に独立して設けているものである。なお図２、図３にて別途室外に熱源器を設け、この筐体内の熱交換機２、３と冷媒を循環させるように接続すれば、冷却器２および加熱器３をそのまま両方とも冷却操作すれば冷房空調を行うことが出来、両方とも加熱させれば暖房空調を行うことができる。また熱源器より冷却と加熱を同時に行う様に冷媒を循環させれば除湿機としての役割を果たすことができる。ただし除湿機として使用する場合には、加熱と除湿を行う場合の加熱等運転条件に制約がある場合は別に加熱器を設けても良いが加熱器と冷却器の要領を得たい室内環境条件に設定できるものとすればよいことは当然である。

ここで、これらの構成機器を空調負荷に合わせてどのような運転モードを選択するかを次に説明する。その運転モードの判定原理を空気線図上で示したものが図４である。空気線図は横軸に温度、縦軸に絶対湿度を記載しあり、温度は左から右が高くなり、湿度は下から上が高くなる。中の破線矢印は空気調和装置が温熱冷熱を供給しておらずまた加湿除湿も行わない状態で、被空調室９内に対し他の機器の運転を停止させるサーモＯＦＦ状態で送風機１による送風運転のみを行っている時の、Δｔ間での温度センサ４の温度検出値と湿度センサ５の湿度検出値の温湿度変化傾向を示したものである。ここで、送風機１による送風運転のみとしたが、被空調室９の温度湿度変化が十分に検出できれば送風機１を停止しても良い。図２の構成のように温度センサ４と湿度センサ５が筐体２０に内蔵されている場合には確実に被空調室９の温度湿度を検出するため送風運転を行った方が良いが,図１のように温度センサ４と湿度センサ５が筐体２０から離れた被空調室９内にあり送風機１を運転しなくても被空調室９の温度湿度を検出できる場合には停止しても良い。温度湿度を計測している室内において、温度Ｔ（ｔ）、絶対湿度Ｘ（ｔ）の位置からＰ１への変化傾向であった場合は、温度が下がり、絶対湿度が下がるため加熱・加湿を必要とする負荷が発生している。Ｐ２への変化傾向であった場合は、温度が下がり、絶対湿度が上がるため加熱・除湿を必要とする負荷が発生している。Ｐ３への変化傾向であった場合は、温度が上がり、絶対湿度が上がるため冷却・除湿を必要とする負荷が発生している。Ｐ４への変化傾向であった場合は、温度が上がり、絶対湿度が下がるため冷却・加湿を必要とする負荷が発生している、このように、温度、湿度の経時変化から室内に発生している負荷が推定され、どのような空気調和が求められているかを判断することができる。この考え方で構成機器の操作を行うことにより室内を安定した空調状態に維持できる。

次に実際の動作について説明する。図５は、この空気調和装置が行う処理動作を示すフローチャートである。図６は空気線図上で設定許容範囲を説明する図である。被空調域の温度湿度が、室内温度設定値Ｔｒと室内絶対湿度設定値Ｘｒに対して、設定許容範囲として室内温度設定下限ＴＤ、室内温度設定上限ＴＵ、室内湿度設定下限ＸＤ、湿室内湿度設定限ＸＵで囲まれた設定許容範囲内に到達した場合、空気調和装置が運転停止する。いわゆるサーモＯＦＦ状態になる。このサーモＯＦＦ時に送風機１による送風運転を行う（ＳＴ１）。このとき、図１の温度検出手段４および湿度検出手段５により吸込空気の温度Ｔ（ｔ）、相対湿度Ｒ（ｔ）を夫々検出する（ＳＴ２）。その温湿度から絶対湿度Ｘ（ｔ）を演算する（ＳＴ３）。次に，ある一定時間Δｔ秒後の吸込空気の温度Ｔ（ｔ+Δｔ）、相対湿度Ｒ（ｔ+Δｔ）を夫々検出し（ＳＴ４）絶対湿度Ｘ（ｔ+Δｔ）を演算する（ＳＴ５）。このΔｔ秒間で温度と湿度の時間的変化傾向から室内負荷状態を判定する（ＳＴ６）。

すなわち，Δｔ秒で後の検出温度から前の検出温度を減算しその差Ｔ（ｔ+Δｔ）−Ｔ（ｔ）が正、負、または零のいずれかにより、温度が高くなる方向で室内負荷が冷却を必要とする冷却負荷、温度が低くなる方向に動き加熱を必要とする加熱負荷、温熱冷熱を必要としない零のいずれかを判定する。またΔｔ秒で後の検出絶対湿度から前の検出絶対湿度を減算しその差Ｘ（ｔ+Δｔ）−Ｘ（ｔ）が正、負、または零のいずれかにより，室内負荷が除湿を必要とする湿度が高くなる動きの除湿負荷、湿度が低くなる方向の加湿を必要とする加湿負荷、零のいずれかを判定し加熱加湿、加熱除湿、冷却除湿、冷却加湿、送風の各運転モードを決定し（ＳＴ７）、当該運転モードを実行する（ＳＴ８）。このような運転操作により室内にどのような負荷が存在し様と確実に設定された状態へ空調を行うことができる。

また、起動時においては、まだ設定温度Ｔｒと設定湿度Ｘｒに到達していない場合があるので、室内負荷状況の判定は、前記（ＳＴ２）の検出値Ｔ（ｔ）と前記（ＳＴ３）の演算値Ｘ（ｔ）と、設定温度Ｔｒ、設定湿度Ｘｒとの差に基づき、室内負荷状態を判定する。すなわちＴ（ｔ）−Ｔｒが正、負、または零のいずれかにより、温度が変わる方向から、室内負荷が冷却負荷、加熱負荷、零のいずれかを判定する。またＸ（ｔ）−Ｘｒが正、負、または零のいずれかにより、湿度が変わる方向から、室内負荷が除湿負荷、加湿負荷、零のいずれかを判定し運転モードを決定し（ＳＴ７）、当該運転モードを実行する（ＳＴ８）。

また、例えば起動時で冷却、除湿負荷と決定した運転モードであっても、この運転モードで運転し設定許容範囲に到達してから、温度検出センサおよび湿度検出センサの検出値が少なくとも1つが設定許容範囲内にある場合、送風機のみの運転を行い、検出値の温度、湿度の時間変化値と、変化方向を図５のフローで判断することができる。これにより数時間後に負荷状況が過渡的に変わった場合でも対応することが可能であり、建物の空調負荷に合った運転ができ温度湿度の収束性も向上する。

以上のように、本発明においては、空気調和装置の温度検出手段、湿度検出手段の温度、湿度検出値の時間変化、すなわち方向と値を知ることができるので，空調負荷の状態、すなわち必要とする空調の潜熱と顕熱の中身を推定でき、運転モードを潜熱と顕熱の組み合わせという簡単な構成で、容易に判定でき、また運転中に負荷状況が変動した場合にも適用できるので、被空調域の温度湿度の収束性も向上する。更に潜熱と顕熱の変化を同時に判断し室内に必要とされる負荷を求めるので、いちいち温度だけで判断し運転してから、次に湿度だけで判断し運転するなどの従来の技術よりも大幅に早く必要な負荷を室内に供給でき安定した状態に早く到達し、且つこれを確実に維持できる。

また、室内温度Ｔおよび室内湿度（相対湿度）Ｒを計測し、この計測した室内温度Ｔと室内湿度Ｒに基づいて現在の被空調域の絶対湿度Ｘを求めるようにしたが、湿度センサとして相対湿度センサではなく絶対湿度センサまたは露点温度センサを用いるようにして絶対湿度Ｘを直接求めるようにしてもよい。この場合、被空調域の相対湿度Ｒは、室内温度Ｔと絶対湿度Ｘとに基づいて求めることができる。

次に顕熱重視から潜熱重視運転への切り替えに付いてを説明する。上記では、室内の温度、湿度変化から空気調和装置の運転モードを決定するものであるが、次に各運転モードに入った後の空気調和装置の動作方法を説明する。室内温度設定値Ｔｒと室内絶対湿度設定値Ｘｒに対して、設定許容範囲として室内温度設定下限ＴＤ、室内温度設定上限ＴＵ、室内湿度設定下限ＸＤ、湿室内湿度設定限ＸＵで囲まれた範囲内に収束させるようにする。これを空気線図上に示したのが図６であり、上述の設定許容範囲を領域Ｅとする。空気調和装置の運転モードをたとえば図６のように設定する．温度ＴＤ以下、湿度ＸＵ以下を領域Ａ、湿度ＸＵ以上を領域Ｂ、温度ＴＵ以上、湿度ＸＵ以下を領域Ｃ、温度ＴＤ以上、温度ＴＵ以下、湿度ＸＤ以下を領域Ｄと定義する。図７はこの空気調和装置が行う特有の処理動作を示すフローチャートである。

空気調和装置は、図１および図２で示す温度センサ４からの現在の室内温度Ｔと湿度センサ５から図７で示す処理動作を行う。まず，現在の室内温度Ｔと室内湿度Ｒを検出する（ＳＴ１１）。室内湿度Ｒに基づいて被空調室における現在の絶対湿度Ｘを求め（ＳＴ１２）、この室内温度Ｔと絶対湿度Ｘとで定まる状態点が図６で示す空気線図における領域Ａ−Ｅのどの領域にあるかを求めるとともに室内温度Ｔと絶対湿度Ｘとで定まる状態点過を判断する。（ＳＴ１３、１４）。

求めた結果、被空調室の状態点が領域Ａ内にあるものとする。すなわち、室内温度Ｔが室内温度設定下限値ＴＤ以下であって室内絶対湿度Ｘが室内絶対湿度設定上限値ＸＵ以下で室内相対湿度が１００％以下である領域を領域Ａとし、この領域Ａ内に被空調室の状態点があるものとする。この場合、空気調和装置は、加熱制御により、状態点を室内温度設定値Ｔｒにするように、空気調和装置における取入空気を加熱器を使用して加熱する（ＳＴ１５）。

次に被空調室の状態点が領域Ｂ内にあるものとする。すなわち、室内絶対湿度Ｘが室内絶対湿度上限値ＸＵ以上で室内相対湿度が１００％以下である領域を領域Ｂとし、この領域Ｂ内に被空調室の状態点があるものとする。この場合、空気調和装置は、冷却・熱制御により、状態点を温度設定値Ｔｒ、絶対湿度設定値Ｘｒに位置させるように、冷却器を使用して空気調和装置における取入空気を絶対湿度Ｘｒに対応する露点温度まで冷却することによって除湿した後、この取入空気を加熱器を使用して室内温度設定Ｔｒまで加熱（再熱）する（ＳＴ１６）。

次に被空調室の状態点が領域Ｃ内にあるものとする。すなわち、室内温度Ｔが室内温度設定上限値ＴＵ以上であって室内絶対湿度Ｘが室内絶対湿度設定上限値ＸＵ以下である領域を領域Ｃとし、この領域Ｃ内に被空調室の状態点があるものとする。この場合、空気調和装置は、冷却制御により、状態点を室内温度設定値Ｔｒにするように、空気調和装置における取入空気を冷却器を使用して冷却する（ＳＴ１７）。

次に被空調室の状態点が領域Ｄ内にあるものとする。すなわち、室内温度Ｔが室内温度設定下限値ＴＤ以上であって室内温度設定上限値ＴＵ以下であって室内絶対湿度Ｘが室内絶対湿度設定下限値ＸＤ以下である領域を領域Ｄとし、この領域Ｄ内に被空調室の状態点があるものとする。この場合、状態点を室内設定絶対湿度Ｘｒにするように、空気調和装置における取入空気を加湿器を使用して加湿する（ＳＴ１８）。

次に被空調室の状態点が領域Ｅ内にあるものとする。すなわち、室内温度Ｔが室内温度設定下限値ＴＤ以上であって室内温度設定上限値ＴＵ以下であって室内絶対湿度Ｘが室内絶対湿度設定下限値ＸＤ以上であって室内絶対湿度設定上限値ＸＵ以下である領域を領域Ｅとし、この領域Ｅ内に被空調室の状態点があるものとする。この場合、前運転領域での運転方法を継続する（ＳＴ１９）。

絶対湿度Ｘが設定絶対湿度下限値よりも小さい時、つまり加熱・加湿、冷却・加湿の加湿負荷が存在するときは加湿器を起動する。空気調和装置の動作図である図８に示すように現在の室内温度、室内絶対湿度が設定許容範囲に入っていない場合、まず加熱、冷却により温度を設定許容範囲付近に操作し、加湿は温度が設定許容範囲に入った後行う。図８中の加湿して湿度を上昇させてから加熱または冷却するＲ１、Ｒ３のルートよりも温度が設定許容範囲に近づいた時点で加湿されるＲ２、Ｒ４のルートの方が湿度が設定許容範囲に入るまでの加湿量が抑えられるので、水道量の削減と加湿に必要なエネルギー削減になる。また加熱・加湿の場合には温度が高くなってから加湿するので、建物躯体への結露を防止することができる。

以上のように構成されているため、湿度制御は、室内温度Ｔが設定温度Ｔｒを中心として設定温度範囲内に収束したのち加湿器が起動され、所定の顕熱能力を保持して温度を保ちつつ、潜熱能力を増大するので、設定温湿度範囲に到達するまでの無駄な加湿が抑えられ、省エネ，ランニングコストの低減を図ることができる。

上記のように加熱加湿、加熱除湿、冷却除湿、冷却加湿等の運転モードを選択する構成と手法について説明したが、次に、空調負荷の顕熱負荷、潜熱負荷を推定する手法について説明する。

まず動作について説明する。図９はこの空気調和装置が行う処理動作を示すフローチャートであり、図１０はブロック図、図１１はシステム図である。まず、予め、被空調域の熱容量（ρ密度，Ｃｐ比熱，Ｖ容積）を入力しておく（ＳＴ２０）。そして、被空調域の温度湿度が、室内温度設定値Ｔｒと室内絶対湿度設定値Ｘｒに対して、設定許容範囲として室内温度設定下限ＴＤ、室内温度設定上限ＴＵ、室内湿度設定下限ＸＤ、湿室内湿度設定限ＸＵで囲まれた範囲内に到達した場合、空気調和装置が停止する、いわゆるサーモＯＦＦ状態になる。このサーモＯＦＦ時に図１および図２で示す、送風機１による送風運転を行う（ＳＴ２１）。このとき，図１および図２に示す温度検出手段４および湿度検出手段５により吸込空気の温度Ｔ（ｔ）、相対湿度Ｒ（ｔ）を夫々検出する（ＳＴ２２）。その温湿度から絶対湿度Ｘ（ｔ）を演算する（ＳＴ２３）。次に、所定の時間Δｔ秒を設け、その一定時間後の吸込空気の温度Ｔ（ｔ＋△ｔ)、相対湿度Ｒ（ｔ＋△ｔ)を夫々検出し（ＳＴ２４）絶対湿度Ｘ（ｔ＋△ｔ)を演算する（ＳＴ２５）。このΔt秒間で温度と湿度の時間的変化傾向から室内負荷である顕熱負荷、潜熱負荷を以下の式により推定する（ＳＴ２６）。
顕熱負荷ＳＨ＝ρＣｐＶ［Ｔ（ｔ＋△ｔ）−Ｔ（ｔ）］／△ｔ――――（１）
潜熱負荷ＬＨ＝ρＶＬｗ［Ｘ（ｔ＋△ｔ）−Ｘ（ｔ）］／△ｔ――――（２）
ここで、Ｌｗは水の蒸発潜熱を示す。すなわち、顕熱負荷ＳＨが正、負、または零のいずれかにより、室内負荷が冷却負荷、加熱負荷、零のいずれかを判定する。潜熱負荷ＬＨが正、負、または零のいずれかにより、室内負荷が除湿負荷、加湿負荷、零のいずれかを判定し運転モードを決定する（ＳＴ２７）。

ここで顕熱負荷ＳＨと顕熱負荷ＬＨが推定できるということは顕熱比ＳＨＦが次式で推定可能となる。
ＳＨＦ＝ＳＨ／（ＳＨ＋ＬＨ）――――（３）
ＳＨＦが判れば、当該運転モードを実行する際に、加熱、冷却、除湿、加湿の４つの操作量を調整しやすくなる。たとえば、ＳＨ＞０，ＬＨ＞０の冷却除湿の状態でＳＨＦが１に近いような室内負荷状況であったとすると、冷却器２の露点温度を高めに制御することにより、省エネルギーを図ることができることに加え、温度、湿度の設定許容範囲への収束性が良くなる。逆にＳＨＦが小さいときには露点温度を低めに設定すれば良い。また、ＳＨ＞０、ＬＨ＜０の冷却加湿の状態で、冷却器で除湿される除湿量と潜熱負荷から容易に推定される必要加湿量を足した値を加湿器にて加湿すれば過不足なく加湿させることができる（ＳＴ２８）。

また、例えば起動時で冷却、除湿負荷と決定した運転モードであっても数時間後に負荷状況が過渡的に変わった場合でも対応することが可能であり、建物の空調負荷に合った運転ができ温度湿度の収束性も向上する。

以上のような図９のフローチャートの動作を図１０、図１１のブロック図の構成にて行うことができる。図９の潜熱顕熱の負荷を推定する負荷推定手段２７二必要なデータは検出した温度と湿度以外に、予め、被空調域の熱容量（ρ密度，Ｃｐ比熱，Ｖ容積）を入力する熱容量入力手段からの熱容量であるが、この値は厳密な数値でなくとも良い。例えば恒温恒湿の空調を行う室の容積を複数段階で設定できるようにし、その内部の密度や比熱を含め、あらかじめ表もしくは数値として記憶させておくことで、簡単に選択して用いることでも十分精度の良い設定が得られる。あるいは図１１のごとく制御装置に標準的な被空調域の熱容量を設定しておき熱容量入力手段２３から補正や選択しなおしができるようにしておいても良い。以上のように本発明においては、空気調和装置の温度検出手段、湿度検出手段の温度、湿度検出値の時間変化によって、空調負荷の顕熱負荷、潜熱負荷を推定できるので、運転モードを簡単な構成で、容易に判定でき、加熱、冷却、加湿、除湿の操作量を調整しやすくなり過不足の無い運転ができ、温度、湿度の設定許容範囲への収束性が良くなり、省エネを図ることも可能となる。

次に、加湿負荷が発生する領域において図１および図２にて使用する加湿器の構成における運転方法について説明する。例えば加湿器が蒸気型加湿器の場合、起動後に加湿を行う貯水を貯める水槽内の水温の温度上昇に伴う加湿遅れがあるため加湿の応答遅れを補償する制御を行うことで温湿度の設定許容範囲への収束時間の短縮化が可能となる。

図１２はこの空気調和装置が蒸気型加湿器の場合の処理動作を示すフローチャートであり、図１３はその概念図を示すものである。空気調和装置は、図１および図２で示す温度センサ４から現在の室内温度Ｔと湿度センサ５から現在の相対湿度Ｒから絶対湿度Ｘを演算しその絶対湿度が設定絶対湿度以下である場合、加湿負荷と判断し、現在の室内温度Ｔ（０）を検出する（ＳＴ３１）。現在の室内温度と過去の室内温度検出値からｔ秒後の室内温度Ｔｒ（ｔ）を予測する（ＳＴ３２）。ｔ秒後の予測値Ｔｒ（ｔ）が設定室内温度範囲であればそのｔを設定温度範囲到達予測時間とし、そうでなければｔ＋１秒後の室内温度を予測する（ＳＴ３３）。一方、加湿器を現時点で起動させた場合、ｊ秒後の水槽内の水温Ｔａｖ（ｊ）を予測する（ＳＴ３４）。ｊ秒後の予測値Ｔａｖ（ｊ）が加湿可能な水温、たとえば水の沸点の１００゜Ｃ以上であればそのｊを加湿までのむだ時間とし、Ｔａｖ（ｊ）が１００゜Ｃ以下であればｊ＋1秒後の水温を予測する（ＳＴ３５）。

そして、設定温度範囲到達予測時間と加湿開始までのむだ時間を比較し判断（ＳＴ３６）が設定温度範囲到達予測時間が短い場合つまりｔ≦ｊのとき加湿器を起動する（ＳＴ３７）。設定温度範囲到達予測時間が長い場合つまりｔ＞ｊのとき加湿器を起動しない（ＳＴ３５）。すなわち蒸気型加湿器を使用している場合の加湿動作に関し図１３に記載されているように室内温度に関しては到達時刻を予測する。この一方加湿器の貯水から蒸発をはじめるまでの無駄時間、すなわち１００゜Ｃに到達するまでの時間Δｔ０をあらかじめ推測し、設定室内温度範囲に到達したときには加湿動作が行えるものに出来、エネルギーに無駄が無く精度の良い制御が最短時間で行える動作となる。

図１４にその加湿遅れを補償する制御実験データを示す。図は加熱・加湿負荷である場合であり、温度、湿度変化を見ると室内温度が設定温度Ｔｒの下限値（Ｔｒ−ΔＴ）に到達する時刻を予測して、室内温度が設定許容範囲に到達する以前に加湿器が起動され温度が設定温度Ｔｒの下限値（Ｔｒ−ΔT）に到達する時点で加湿器の水槽温度が１００゜Ｃなり加湿が開始されていることが確認できる。このように温度のコントロールを優先させ、これに付随させて湿度のコントロールを行うことによりエネルギーを最小に出来、且つ、最短での制御が可能になる。

以上のように加湿器のむだ時間を考慮して加湿運転を行うように構成したので、温度が設定許容範囲に到達した時は加湿を行えるようにでき過不足無く加湿することができる。また加熱・加湿の場合には温度が高くなってから加湿するので、建物躯体への結露を防止することができる。また、冷却・加湿の場合には温度が低くなってから加湿するので、冷却器で除湿される無駄な加湿を削減することができる。

複数加湿手段の切り替え運転に関する具体的な構成について次に説明する。図１５は、本発明の別の構成図である。筐体２０内の風の流路には第１の熱交換器１２、第２の熱交換器１３を備え、その前後に気化式加湿器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを配置する。気化式加湿器は切り替え弁１４ａ、１４ｂにより１１ａから１１ｃの加湿器の動作を任意にきりかえることができる。送風機1により室内空気（ＲＡ）は矢印で示すように吸込口１５から流入し。温湿度調節された風（ＳＡ）となって風吹出口１６より室内へ吹出す構造となっている。吸込口１５には吸込空気の温度を検知する温度検出手段４と湿度を検知する湿度検出手段５を設けている。ここで第１の熱交換器１２は冷水コイルまたは冷媒直膨、第２の熱交換器１３は温水コイル、ヒーター、冷媒直膨などがあり、第１の熱交換器１２と第２の熱交換器１３が同一冷媒系統の場合、別系統の場合がある。気化式加湿器１１ａから１１ｃは蒸気式、超音波式、吸着式などで代用することもできる。

次に冷却加湿に係わる動作について説明する。例えば，加湿の潜熱負荷ＬＨが大きい場合について図１６ないし図１９の機器の動作（ａ）と空気線図上の動き（ｂ）で説明する。図１６は潜熱負荷ＬＨが大きく、室内温度が低い場合である。第１の熱交換器１２は加熱器、第２の熱交換器１３は冷却器として動作させ、気化式加湿器は１１ｂのみ動作させる。図１６（ａ）における配管の実線が動作中で点線が不動作中である。気化式加湿器は空気線図上で言えば、等エンタルピー線上を湿度上昇と温度低下で表されるので、加湿を効果的に行うため、すなわち短時間で加湿量を増やすには、加湿器の吸込み空気側の温度を上げてやる必要がある。そこでＲＡを加熱器１２により昇温し、気化式加湿器１１ｂにより加湿し、その後冷却器１３により冷却し、ＳＡとして、室内に供給する。すなわち空気線図（ｂ）上の動きは空気の流れに応じて温度と絶対湿度がどのように変化するかを概念で表現している。吸い込み空気の状態から噴出し空気の状態に対して温度が冷却、すなわち低下し、湿度は高くなっていることがわかる。これにより必要な潜熱ＬＨが供給されたことになる。

図１７は加湿の潜熱負荷と顕熱負荷の両方が大きい場合である。この場合では、第１の熱交換器１２は冷却器、第２の熱交換器１３は加熱器として動作させ、気化式加湿器は１１ａのみ動作させる。既にＲＡが高い状態なので気化式加湿器１１ａにより加湿し、冷却器により冷却、あとは必要に応じて加熱器でＳＡを調整し目的とする吹き出し温度を得ることができる。気化式加湿器は温度が高い時あるいは乾燥している時に有効に気化が行われるので、温度が高い吸い込み空気に直接加湿を与える気化式加湿器１１ａを動作させ、加湿器を有効に動作させ、且つ、顕熱負荷に対する省エネを得ることができる。

図１８は顕熱負荷の大きい場合である。この場合では、第１の熱交換器１２は冷却器、第２の熱交換器１３は加熱器として動作させ、気化式加湿器は１１ｃのみ動作させる。冷却器により冷却後、加熱器により加熱、その後気化式加湿器１１ｃで加湿を行いＳＡとして室内に供給する。このように必要な加湿量が小さい場合、まず顕熱負荷対策を行ってからわずかな加湿を行う処理により確実な加湿を行うことができる。また，省エネを行いながらわずかな加湿を行う場合は、図１９のような動作でも実現は可能である。

以上のように構成されているので冷房加湿の条件で気化式加湿器を２つの熱交換器の前後に配置しこの加湿器を切り替えられるようにしたので、潜熱負荷が大きい場合、顕熱負荷が大きい場合、両者が大きい場合、それぞれに対応し確実な加湿動作が可能なため温度、湿度の収束性が良好となり、気化式加湿器の効果を上げることができる。更には省エネ効果を得ることもできる。なお上記説明では加湿器一つを動作させる例を示したが、同時に２つまたは３つの加湿器を動作させて加湿を行うことにより急速加湿を行っても良いことは当然である。

以上のように本発明はフルに準備された運転モードの選択を容易に行えるとともに早く精度よく実行できる空気調和装置で、送風手段、加湿手段、除湿手段、加熱手段、冷却手段から構成され、被空調域の温度検出手段、湿度検出手段を備え、起動時又は、温度検出手段，湿度検出手段の検出値が少なくとも1つ設定許容範囲内にある場合、送風手段のみの運転を行い、前記検出値の温度、湿度の時間変化を検知して加熱加湿、加熱除湿、冷却除湿、冷却加湿のいずれかの運転モードを選択する運転モード選択手段を設けたものである。これにより本発明は、常に温度と湿度の状態を設定されれた状態に維持でき、ナノテクノロジーなどのような超精密作業環境等に対応できる安定した精度の良い温度や湿度が得られる技術のシステムとすることができる。

以上のように本発明はフルに準備された運転モードの選択を簡単に行える空気調和装置でエネルギーの無駄のない運転が可能で、送風手段と加湿手段と、第１の熱交換器、第２の熱交換器から構成され、第１の熱交換器と前記第２の熱交換器はそれぞれ冷却、加熱が任意に選択でき、被空調域の温度検出手段、湿度検出手段を備え、起動時又は、温度検出手段、湿度検出手段の検出値が少なくとも1つ設定許容範囲内にある場合、送風手段のみの運転を行い、検出値の温度、湿度の時間変化を検知して加熱加湿、加熱除湿、冷却除湿、冷却加湿のいずれかの運転モードを選択する運転モード選択手段を設けたものである。

以上のように本発明は顕熱重視から潜熱重視を行うことにより無駄なエネルギーを排除できる空気調和装置で、送風手段、加湿手段、加熱手段、冷却手段、被空調域の温度検出手段、湿度検出手段を備え、冷却または加熱操作により温度検出手段の検出値が設定許容範囲内に収束させ、所定の顕熱量を保持しつつ、加湿操作により潜熱量を増大させ、湿度検出手段の検出値を設定許容範囲内に収束させるものである。

以上のように本発明は顕熱負荷、潜熱負荷の推定手段を有し短時間でその負荷を供給可能な空気調和装置で、起動時又は、温度検出手段、湿度検出手段の検出値が少なくとも1つ設定許容範囲内にある場合、送風機のみの運転を行い、検出値の温度、湿度の時間変化値と、被空調域の熱容量から、被空調域の顕熱負荷と潜熱負荷を演算する空調負荷演算手段を備えたものである。

以上のように本発明は冷却加湿の使い勝手の良い運転方法を有する空気調和装置で、冷却手段、除湿手段、のいずれか１つ以上が冷却除湿運転であり、加湿手段が加湿運転を行っている場合、加湿運転の加湿量が冷却除湿運転の除湿量以上になるようにしたものである。

以上のように本発明は蒸気型加湿器の応答遅れ補償制御を行い最短で所望の状態に到達できる空気調和装置で、温度検出手段の検出値の時間変化から、許容範囲への到達時刻を予測する到達時刻予測手段を備え、その到達時刻予測値に合わせて加湿が行われるように、加湿手段の起動から必要加湿量が得られるまでのむだ時間を考慮して加湿手段を到達時間からむだ時間遡って起動するものである。

以上のように本発明は複数加湿手段の切り替え運転によりエネルギーの少ない運転で所望の状態に到達できる空気調和装置で、第１の熱交換器、第２の熱交換器、送風手段を備え、第１と第２の熱交換器はそれぞれ冷却、加熱が任意にでき、第１と第２の熱交換器の前後に加湿手段を配置し、加湿手段を少なくとも２箇所以上有し、１つまたは複数の加湿源を有し、加湿手段が被空調領域の負荷の状態に応じて切り替えられるものである。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、送風運転モード中に、室内より空気調和装置に流入する空気の温度が時間とともに上昇するか下降するかによって室内負荷がそれぞれ冷却負荷か加熱負荷かを判定し、湿度が時間とともに上昇するか下降するかによって室内負荷がそれぞれ除湿負荷か加湿負荷かを判定することができる。この判定結果および該空気温度Ｔと設定温度Ｔｒの比較結果ならびに該空気湿度Ｒと設定湿度Ｒｒの比較結果に基づいて、複数のアクチュエータ要素を統合管理することによって、加熱・加湿運転、加熱・除湿運転、冷却・除湿運転、冷却・加湿運転、送風運転といずれかのモード運転を切り替えて行うので容量調節付き空気調和装置として、精度がよく制御性の高い運転ができるという効果がある。

また本発明では、冷却、加熱、除湿、加湿の構成要素を一つの筐体に収めたものであり、除湿を冷却器を使用することで行い、システムの小型化を図ることが出来る。

また本発明では、絶対湿度Ｘが設定絶対湿度下限値よりも小さい時、つまり加湿負荷が存在する場合、湿度制御手段は、室内温度Ｔの設定温度Ｔｒに対する差温が所定値になると加湿器が起動され、所定の顕熱能力を保持して潜熱能力を増大するので、設定温湿度範囲に到達するまでの無駄な加湿が抑えられ大きな省エネとなり、空調コストの低減を図ることができる。

また本発明では、空気調和装置の温度検出手段、湿度検出手段の温度、湿度検出値の時間変化によって、空調負荷の顕熱負荷、潜熱負荷を推定できるので、運転モードを簡単な構成で、容易に判定でき、加熱、冷却、加湿、除湿の操作量を調整しやすくなり過不足の無い運転ができ、温度、湿度の設定許容範囲への収束性が良くなり、省エネを図ることも可能となる。

また本発明では冷却加湿運転時に確実に加湿量を確保することができる。

また本発明では、加湿器起動時から加湿までの無駄時間を補償するため、設定許容範囲への到達時間が短縮化される。

また本発明では、冷却加湿運転時に負荷の状況に合わせて加湿位置を切り替えるので温度湿度の収束性が良好となる。

本発明の実施の形態１を示す空気調和装置のシステム構成図。 本発明の別の空気調和装置のシステム構成図。 本発明の別の空気調和装置のシステム構成図。 本発明の空気調和装置の空気線図における空調負荷判定方法を説明する図。 本発明の空気調和装置における空調負荷判定方法のフローチャート。 本発明の空気調和装置の空気線図上での運転動作決定方法を説明する図。 本発明の空気調和装置の運転動作決定方法を示すフローチャート。 本発明における加湿負荷が発生する場合の室内空気状態の変化を示す図。 本発明の空気調和装置の顕熱負荷と潜熱負荷を推定するフローチャート。 本発明の空気調和装置の顕熱負荷と潜熱負荷を推定するブロック図。 本発明の構成を示すシステム図。 本発明の空気調和装置の加湿器の起動可否を判定するフローチャート。 本発明の現象を説明する室内温度変化と加湿量の変化のトレンド図。 本発明の現象を説明する室内温度変化と加湿器水槽温度の実測結果を説明する図。 本発明の複数の加湿器を備えた空気調和装置のシステム構成図。 本発明の潜熱負荷が大きい場合の複数の加湿器を備えた空気調和装置の動作図。 本発明の顕熱負荷，潜熱負荷が共に大きい場合の複数の加湿器を備えた空気調和装置の動作図。 本発明の顕熱負荷が大きい場合の複数の加湿器を備えた空気調和装置の動作図。 本発明の顕熱負荷が大きい場合の複数の加湿器を備えた空気調和装置の動作図。

符号の説明

１ 送風機、 ２ 冷却器、 ３ 加熱器、 ４ 温度センサ、 ５ 湿度センサ、 ６ 加湿器、 ７ 除湿機、 ８ 制御装置、 ９ 被空調室、 １０ 加湿器、 １９ 空調機本体、 ２０ 筐体。

Claims (2)

1. 空気を冷却または加熱する熱交換器と、水を加熱した蒸気により加湿する加湿器を設けた空気調和装置であって、
   被空調域に送風を行うとともに空調を行い、
   加湿負荷があると判断された場合に、前記被空調域の空気の温度を検出し、この検出値の時間変化から、前記被空調域の温度が設定許容範囲へ到達するまでの到達予測時間を予測するステップと、
   前記到達予測時間と前記加湿器の起動から前記水が加湿可能な温度に到達するまでの無駄時間とを比較し、
   前記到達予測時間の方が長い場合には前記加湿器を起動せず、
   前記到達予測時間と前記無駄時間とが同等、もしくは前記到達予測時間の方が短い場合には前記加湿器を起動するステップと、
   前記被空調域の空気の温度および湿度が前記設定許容範囲に到達した場合に前記空気調和装置の運転を停止するステップと、
   を備えたことを特徴とする空気調和装置の運転方法。
2. 前記被空調域の温度が前記設定許容範囲より低い場合は前記温度が高くなってから前記加湿器より水を蒸発させて加湿し、前記被空調域の温度が前記設定許容範囲より高い場合は前記温度が低くなってから前記加湿器より水を蒸発させて加湿することを特徴とする請求項１に記載の空気調和装置の運転方法。

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