JP4794883B2 - 空調ユニット - Google Patents

Description

本発明は、ビル等の空調システムに組み込まれる空調機を構成する空調ユニットに関するものである。

従来より、特許文献１に開示されているように、冷温熱源機から冷温水（冷水または温水）を複数台の空調機に供給して複数の空調エリアを空調する空調システムが用いられている。なお、冷温熱源機とは、冷水を生成する冷凍機、冷水および温水を生成するヒートポンプ式熱源機、温水を生成するボイラ等をいう。

図３は、従来の変風量空調システムの構成図である。

複数台の空調機２は、それぞれ冷温水コイル３を備える。各空調機２の冷温水コイル３に、冷温水配管４を介して冷温水が供給される。冷温水配管４は、各空調機２に冷温水を送り込む冷温水供給管４ａと、各空調機２を通した冷温水を戻す冷温水還り管４ｂからなる。各空調機２の冷温水配管４の冷温水供給管４ａには、各空調機ごとに冷温水の流量を調整するための制御弁５１が設けられる。

各空調機２は例えば建物のフロアごとに設置され、それぞれ給気系統別の給気ダクト５が接続される（図３では各２系統）。各空調機２は給気ファン６を備え、給気ダクト５を通して空調された空気を各空調系統の空調エリアに送り込む。給気ダクト５の途中にはＶＡＶ（変風量）装置５２が設けられる。ＶＡＶ装置５２は、各給気ダクト５の途中にＶＡＶユニット５２ａを設けたものである。ＶＡＶユニット５２ａは、それぞれダンパ（不図示）を備え、ダンパの絞り制御により各給気系統の風量を調整する。なお、給気ファン６は、給気ダクト５の途中に共通に１台設ける場合もある。

冷温水は冷温熱源機８で生成される。冷温水は、一次冷温水ポンプ５３によって冷温熱源機８から一次ヘッダ５４に送られ、ここから二次冷温水ポンプ５５により二次ヘッダ５６を介して各空調機２へ供給される。

ところが、上記のような従来の変風量空調システムでは、冷温水制御およびＶＡＶ制御に関し、以下のような問題点があった。

先ず、冷温水制御について説明する。図３の空調システムでは、各フロアの空調機２に対して共通の二次冷温水ポンプ５５で最上階まで冷温水を循環させるため、二次冷温水ポンプ５５は最上階までのポンプ揚程を確保し、各フロアでの空調機２の圧力損失とともに制御弁５１の圧力損失をカバーするだけの送水圧力を必要とする。この場合、各フロアで、その上のフロアまで冷温水を供給するためには制御弁を絞る必要がある。従って、各フロアでの制御弁の圧力損失がエネルギー的に無駄になって、システムの運転に寄与しない無駄な消費電力を生じることになる。また、ポンプ揚程についてみると、高さ方向の配管抵抗のため、往き側の配管圧力と還り側の配管圧力の差は下層階ほど広がり、結局制御弁による絞り圧力損失とともに高さ方向配管の圧力損失をカバーできる消費電力の大きい大型の二次冷温水ポンプ５５が必要になる。

このような問題に対処するため、制御弁に代えて、各空調機ごとにローカルな冷温水ポンプ（以下ローカルポンプという）を設け、各ローカルポンプを制御することにより、必要量の冷温水を各空調機ごとに供給し、制御弁による無駄な消費電力をなくすことが、非特許文献１に開示されている。

しかしながら、これだけでは、単に個々のローカルポンプが要求されるままに動作するだけで、冷温熱源機も含めたシステムトータルで最大エネルギー効率を図ることはできない。更に、このような設備においては、例えば各フロアごとの空調機に、インバータを備えたローカルポンプを別に設けなければならず、各フロアにおける空調機周りの配管が複雑になるうえ、多くのスペースを必要とする。また、メンテナンスも面倒である。

次に、ＶＡＶ制御について説明する。図３の空調システムでは、ＶＡＶユニット５２ａのダンパ絞りにより風量を調整する。したがって、各給気ダクト５において圧力損失を生じ、エネルギーロスとなって無駄な電力消費となる。また、従来のＶＡＶ制御方法では、圧力損失をなるべく小さくするために、いずれかのＶＡＶユニットのダンパ開度がなるべく最大に近付き、更にいずれかのＶＡＶユニットのダンパ開度がなるべく必要最小換気量を確保できるようにファン回転数および給気温度が制御される。この場合、給気温度は冷温水の温度および流量に依存する。したがって、各空調機に備わる冷温水流量制御用の二方弁の開度が制御される。

しかしながら、このようなＶＡＶの制御方法では、各空調機ごとの消費電力を考慮した場合、それぞれ給気ファンの消費電力とともに二方弁に送水する二次側冷温水ポンプの消費電力が関与するため、給気ファンの電力を抑えてもそのシステム全体の消費電力を最小に抑え最大の省エネルギー効果を達成できない場合があった。これは、給気ファンと二次側冷温水ポンプの消費電力は、給気温度の高低に応じて、例えば冷房時、給気温度を高くすれば、風量を多く必要とするためファンの消費電力が大きくなり、一方、冷水量は少なくてすむためポンプの消費電力は小さくなるというトレードオフの関係にあるためである。更に、従来のＶＡＶ方式では、空調機と別体のＶＡＶユニットを給気ダクトの途中に設けるため、ダクト構造が複雑となりスペースを必要とするとともに、施工やメンテナンスが煩雑で面倒になる。
特開２００３−２１４６８５号公報 「省エネルギー」第５５巻第３号第１０５〜１１２頁 平成１５年２月２８日財団法人省エネルギーセンター発行

本発明は、上記従来技術を考慮してなされたものであり、無駄な消費電力を要することなく空調系統ごとに冷温水制御および風量制御が可能で、且つ一個所の空調系統に必要な空調設備をコンパクトに一体化した空調ユニットの提供を目的とする。

請求項１の発明は、冷温水を生成する冷温熱源機に複数台の変風量型空調機が接続された空調システムにおいて、前記各変風量型空調機には、前記冷温水が流通する冷温水コイルと、該冷温水コイルで熱交換された空気を送風する複数台の小型ファンとを備え、前記冷温水コイルと、前記小型ファン及び前記冷温水コイルに冷温水を供給するローカルポンプとを１つのケーシング内に収容一体化して空調ユニットを設け、前記小型ファンと前記ローカルポンプは同一の電装品で制御する構成とし、該空調システムにおいて、該空調ユニットごとに前記ローカルポンプで冷温水制御及び前記各小型ファンで風量制御を可能としたことを特徴とする空調ユニットを提供する。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、ファン、冷温水コイル、ローカルポンプ、フィルタおよび電装品について、それぞれ一定の能力で規格化された標準モジュールを形成し、標準モジュールを組み合わせて前記ケーシング内に組み込んだことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、ファンと冷温水コイルを組み合わせたファンコイル標準モジュールを形成し、必要とする空調負荷に応じた数のファンコイル標準モジュールをケーシング内に組み込んだことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１の発明において、各空調ユニットはそれぞれ別の給気ダクトを介して給気する複数の給気系統を有し、給気系統ごとにファンを備えたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、ファンおよびローカルポンプは、回転数を制御するためのインバータを備えたことを特徴とする。

請求項１の発明によると、一個所の空調系統に必要な空調設備を一体のケーシング内に納めることにより、配管やダクト等の施工が簡易になり、且つ配管スペースをコンパクトにできる。また、設備が一個所にまとめて納められるので、施工とともにメンテナンス時の手間が省ける。

更に、空調ユニットごとに冷温水の流量を制御するローカルポンプが設けられるため、無駄な電力を消費することなく、省エネルギー運転が可能である。

請求項２の発明によると、ファン、冷温水コイル、ローカルポンプ、フィルタおよび電装品について、それぞれの標準モジュールを適宜数だけ組み合わせてケーシング内に組み込んで１つの空調ユニットを作製することにより、ユニット各部が標準品として常に安定した動作を行い、製品間のばらつきがなく信頼性の高い機能が達成される。また、標準モジュールの使用により、品質の安定化とともに空調ユニットの設計および製造期間の短縮が図れる。また、操作やメンテナンスも容易になる。

請求項３の発明によると、ファンと冷温水コイルでファンコイル標準モジュールを形成し、空調ユニットの容量が大きくなるに従ってこの標準モジュールの数を増加することにより、要求される空調負荷に適応した容量の空調ユニットが得られる。これにより、設計や製作が短期間でできる。

請求項４の発明によると、給気系統別のダクトごとにファンが備わるため、各ダクトのファンの駆動力制御によりダクトごとに風量調整ができる。したがって、１台のファンで各ダクトに送風し各ダクトにダンパを設けてダンパ絞りで風量調整を行う従来のＶＡＶユニット構成のようなダンパの圧力損失がなくなり、エネルギー効率が高まり省電力が達成される。

請求項５の発明によると、ローカルポンプの回転数をインバータで制御することにより、バルブ絞り等による無駄な圧力損失を生じることなく必要な流量が得られるため、空調システム全体として最大効率で省エネルギー効果が得られる。また、給気系統ごとにファンの回転数をインバータで制御することにより、ダンパ絞りによる無駄な圧力損失を生じることなく必要な風量が得られる。

図１は本発明に係るローカルポンプ方式空調システムの全体構成図である。

空調機２は、例えば建物の各フロアごとに１台または複数台ずつ設けられる。各空調機２には、空調エリアごとの給気系統別の給気ダクト５が接続される。図１の例では、１台の空調機２に対して２系統の給気ダクト５が接続されている。給気系統ごとの給気ダクト５それぞれに対して、給気ファン６が備わる。各給気ファン６はインバータ６ａを有し、回転数をインバータ６ａで制御することにより風量が制御される。

各空調機２は冷温水コイル３を備える。各冷温水コイル３に冷温水配管４の往き側となる冷温水供給管４ａが接続される。各空調機２ごとに接続された冷温水供給管４ａに、それぞれローカルポンプ７が設けられる。このように空調機２ごとに設けられたローカルポンプ７は、それぞれ回転数制御用のインバータ７ａを備え、冷温水の流量がインバータ７ａにより制御される。

冷温水を生成する冷温熱源機８の出口側および入口側が、往き側の冷温水供給管４ａの根元部および冷温水還り管４ｂの根元部に接続される。根元部の冷温水供給管４ａと冷温水還り管４ｂは、バイパス管１７で連通する。冷温熱源機８で生成された冷温水は、一次冷温水ポンプ１５により冷温水供給管４ａに送り込まれる。一次冷温水ポンプ１５はインバータ１５ａを備え、インバータ１５ａによる回転数制御によって冷温水の流量が制御される。

このような空調システムにおいては、各空調機２ごとにローカルポンプ７を備えているので、制御弁の絞りによる無駄な圧力損失を生じることなく、個々の空調機２で要求される冷温水量を供給でき、効率よく電力を使用して省エネルギーを達成できる。

また、給気ダクト５ごとにファン６の回転数をインバータ６ａで制御することにより、従来のＶＡＶユニット５２aのダンパ絞りによる無駄な圧力損失を生じることなく必要な給気風量が得られる。

上記の空調システムにおいて、図１の二点鎖線で囲んだ部分が、本発明の空調ユニット１として一体に構成される。

図２は本発明の空調ユニットのローカルポンプ方式の例を示す構成図である。

空調ユニット１は、直方体の箱形ケーシング１０内に、ファン６と、冷温水コイル３と、ローカルポンプ７（または制御弁５１）と、動力制御盤２１と、フィルタ２２と、消音器２３を一体的に組み込んだものである。各部材は、予め一定の能力あるいは機能を有する規格化された標準モジュールとして形成され、標準モジュールを組み合わせて一台の空調ユニット１が組み立てられる。例えば、ファン６は１台または２台のファン６で１種類または２種類以上のファン標準モジュールを予め作製しておき、必要とする空調容量に合わせてファン標準モジュールの数を増やす。図２の例は、２台のファン６と１台の冷温水コイル３で１つのファンコイル標準モジュール２ａを形成し、３つのファンコイル標準モジュール２ａをケーシング１０内に組み込んだものである。

ファン６は、例えば１０００〜１５００立米／時程度の小型のものを用いる。ファン６は各々インバータ６ａを備え、インバータ６ａによって給気の風量が制御される。各ファン６は、それぞれ別の給気系統の給気ダクト５（図１）に接続される。図２の例では、ファンコイル標準モジュール２ａごとに２系統ずつの給気系統を有しているため、合計６個所の給気エリアへの給気を行うことができる。冷温水コイル３は、ケーシング１０内に設けられるファン６の性能に応じて、その風量を処理できる性能のものを用いる。

なお、ファン６は２台ごとにファン標準モジュールとして形成し、冷温水コイル３の標準モジュールと組み合わせて使用してもよい。

各冷温水コイル３に、冷温水を供給する冷温水配管４が接続される。図中、点線の矢印は、冷温水の流れを示す。冷温水配管４は、空調ユニット１の外部に設けた冷温熱源機８（図１）と配管接続され、ケーシング１０内の冷温水供給管４ａの基端部に設けたローカルポンプ７により、冷温水供給管４ａに冷温水が供給される。このローカルポンプ７は、例えば３００〜５００Ｌ／分程度の小型のラインポンプが用いられる。ローカルポンプ７はインバータ７ａを備え、インバータ７ａによって冷温水の流量が制御される。冷温水コイル３を通過した冷温水は、冷温水還り管４ｂから冷温熱源機８へ戻る。各々インバータ７ａ，６ａを備えたポンプ７およびファン６は、動力制御盤２１（請求項でいう電装品）により制御される。動力制御盤２１は、電源回路と制御回路により構成される。尚、流量制御の方法はインバータに限らず、モータの回転数を制御できるものであればよい。

図２において、白抜きの矢印は、空気の流れを示す。ケーシング１０の空気取入口（不図示）からケーシング１０内に流入した空気は、フィルタ２２を通過して塵埃等が取り除かれた後、冷温水コイル３を通して熱交換されて給気ダクトから各給気エリアへ送出される。フィルタ２２は、プレフィルタおよび中性能フィルタで構成される。ケーシング１０内に取り入れる空気は、室内の還気でもよいし、外気を取り入れるようにしてもよい。

騒音を低減させる必要がある場合には、ケーシング１０の上部に、例えば消音ダクト等からなる消音器２３が設けられる。消音器２３が必要ない場合には、設けなくてもよい。消音器２３は、ケーシング１０の上部全体に設けたチャンバ形式でもよいし、またはファンコイル標準モジュール２ａごとに、ファンの出口側に（この例では３個）設けてもよい。

暖房時に暖房とともに加湿を行う場合には、冷温水コイル３に対して空気の下流側、即ち図２において冷温水コイル３の上側に、スチーム噴射や高圧水スプレー等の手段による加湿器を設けることもできる。

１台の空調ユニット１に設置されるファンの台数や性能、および給気系統の数は、前述の例に限らないが、例えば前述のものを標準タイプとして製造し、空調ユニット１の設置台数を増減することにより、建物の規模や給気系統の数に対応することができる。また、ファンや冷温熱コイル等の構成機器の標準モジュールの性能を変えたものを組み合わせることにより、空調ユニット全体として異なる性能を有するものを容易に製造することができる。これらの構成機器は、規格品を用いることができるので、品質が安定し、工場での生産性もよい。こうして、建物の１フロアごとに１台ずつ、あるいは各部屋に１台ずつ等、それぞれの空調エリアに応じて、所定の性能を有する空調ユニットを設置する。

空調ユニット１は、例えば柱間に設置できるように、薄型のケーシング１０に納まるように構成されることが好ましい。

尚、冷温水供給管４ａと冷温水還り管４ｂに流れる冷温水の温度差を大きく設定することにより、冷温水の流量を少なくしても十分な熱負荷を与えることができる。そのため、冷温水配管４の径を小さくできるので、配管スペースを小さくまとめることができる。更に、配管に要するイニシャルコストを低く抑えるとともに、ローカルポンプ７の消費電力を少なくすることができる。

本発明は、ヒートポンプ式等の冷凍機やボイラ等の冷温熱源機を備えたあらゆる空調システムに利用でき、建物の規模の大小に関わらず、省エネルギーを実現する空調システムにおける空調ユニットとして利用可能である。

本発明に係る空調システムの構成図。 本発明の実施の形態を示す構成図。 従来の空調システムの構成図。

符号の説明

１：空調ユニット、２：空調機、２ａ：ファンコイル標準モジュール、３：冷温水コイル、４：冷温水配管、４ａ：冷温水供給管、４ｂ：冷温水還り管、５：給気ダクト、６：給気ファン、６ａ，７ａ，１２ａ，１５ａ，１６ａ：インバータ、７：ローカルポンプ、８：冷温熱源機、１０：ケーシング、１５：一次冷温水ポンプ、１７：バイパス管、２１：動力制御盤、２２：フィルタ、２３：消音器、５１：制御弁、５２：ＶＡＶ装置、５２ａ：ＶＡＶユニット、５３：一次冷温水ポンプ、５４：一次ヘッダ、５５：二次冷温水ポンプ、５６：二次ヘッダ。

Claims (5)

1. 冷温水を生成する冷温熱源機に複数台の変風量型空調機が接続された空調システムにおいて、
   前記各変風量型空調機には、前記冷温水が流通する冷温水コイルと、該冷温水コイルで熱交換された空気を送風する複数台の小型ファンとを備え、
   前記冷温水コイルと、前記小型ファン及び前記冷温水コイルに冷温水を供給するローカルポンプとを１つのケーシング内に収容一体化して空調ユニットを設け、
   前記小型ファンと前記ローカルポンプは同一の電装品で制御する構成とし、
   該空調システムにおいて、該空調ユニットごとに前記ローカルポンプで冷温水制御及び前記各小型ファンで風量制御を可能としたことを特徴とする空調ユニット。
2. ファン、冷温水コイル、ローカルポンプ、フィルタおよび電装品について、それぞれ一定の能力で規格化された標準モジュールを形成し、標準モジュールを組み合わせて前記ケーシング内に組み込んだことを特徴とする請求項１に記載の空調ユニット。
3. 前記ファンと冷温水コイルを組み合わせたファンコイル標準モジュールを形成し、必要とする空調負荷に応じた数のファンコイル標準モジュールを前記ケーシング内に組み込んだことを特徴とする請求項１に記載の空調ユニット。
4. 各空調ユニットはそれぞれ別の給気ダクトを介して給気する複数の給気系統を有し、給気系統ごとに前記ファンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の空調ユニット。
5. 前記ファンおよびローカルポンプは、回転数を制御するためのインバータを備えたことを特徴とする請求項４に記載の空調ユニット。
   

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