JP4951976B2 - 空気調和機群制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の空気調和機（空気調和機群）を制御する空気調和機群制御装置に関する。

空気調和機、特に、業務用の空気調和機として、圧縮機の駆動源に電動モータを使用した電気式ヒートポンプ空気調和機と、圧縮機の駆動源にガスエンジンを使用したガスヒートポンプ空気調和機とが存在する。前者はＥＨＰ（Electric Heat Pump）、後者はＧＨＰ（Gas engine driven Heat Pump）と呼ばれることが多い。

ＧＨＰは、一般に、エンジン排熱を利用した急速暖房や低外気暖房に優れる一方、空調負荷が小さい場合に効率の悪い回転数範囲でガスエンジンを駆動させなければならないといった問題点がある。

この問題点を低減するために、特許文献１では、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機と電動モータを駆動源とする圧縮機とを１つの冷凍サイクルの中に併存させ、それらの圧縮機を個々に駆動させたり組み合わせて駆動させたりするという技術を開示している。
特開２００３−５６９３１号公報（２００３年２月２６日公開）

上記の特許文献１に開示されている空気調和機では、大容量の圧縮機の駆動源にガスエンジンを採用し、小容量の圧縮機の駆動源に電動モータを採用した上で、それらを包含する空気調和機において選択的に圧縮機を駆動させたり同時に駆動させたりして、ＧＨＰの欠点をカバーするようにしている。

ただ、特許文献１は、あくまでも１つの冷凍サイクルにおいてガスエンジンを駆動源とする圧縮機と電動モータを駆動源とする圧縮機とを併存させるという発明であり、既存のビルなどに従来のＧＨＰあるいはＥＨＰが既に設置されている場合には、それを撤去して、ガスエンジンの圧縮機および電動モータの圧縮機を併せ持つ新しい空気調和機を設置することを想定したものである。

しかし、現実には、既存の空気調和機を継続使用しつつ別タイプの空気調和機を追加設置する場合や、従来のＧＨＰとＥＨＰとを併存させなければならない状況が生じる場合もある。そのような場合には、ＧＨＰとＥＨＰとが、それぞれ最適制御をすることになるが、両方式の空気調和機（ＧＨＰ，ＥＨＰ）を併用するビルにおいては、それがトータルとして最適制御になっているとは言えないことが多い。

本発明の課題は、被空調空間の空調にＧＨＰおよびＥＨＰの両方が係わるような場合に、それらの複数の空気調和機をトータルとして最適に制御することができる制御装置を提供することにある。

第１発明に係る空気調和機群制御装置は、第１指令部と、第２指令部と、バランス決定部とを備えている。第１指令部は、ガスヒートポンプ空気調和機に第１制御指令を送る。ガスヒートポンプ空気調和機は、ガスエンジンを駆動源とする第１圧縮機により冷媒を循環させて第１冷凍サイクルを形成し、被空調空間の空調を行うものである。第２指令部は、電気式ヒートポンプ空気調和機に第２制御指令を送る。電気式ヒートポンプ空気調和機は、電動モータを駆動源とする第２圧縮機により冷媒を循環させて第２冷凍サイクルを形成し、ガスヒートポンプ空気調和機とは独立して被空調空間の空調を行う。バランス決定部は、空調負荷の変動に応じて、ガスヒートポンプ空気調和機による空調と電気式ヒートポンプ空気調和機による空調とのバランスを決め、第１制御指令および第２制御指令を生成する。また、バランス決定部は、空調負荷を演算し、空調負荷が電力会社との契約電力量に相当する空調負荷でありデマンド時限毎の総電力使用量が契約電力量に収まる第２負荷以下のときに、ガスヒートポンプ空気調和機を作動させずに、電気式ヒートポンプ空気調和機だけを作動させる。また、バランス決定部は、空調負荷が第２負荷よりも大きいときに、第２負荷の分だけを処理するように電気式ヒートポンプ空気調和機を作動させ、第２負荷を超える分についてはガスヒートポンプ空気調和機を作動させる。

ここでは、ガスヒートポンプ空気調和機、および、それとは別の電気式ヒートポンプ空気調和機に、それぞれ制御指令が送られるように、空気調和機群制御装置を構成している。そして、この空気調和機群制御装置は、被空調空間の空調負荷や、被空調空間を空調するための負荷などの空調負荷に応じて、バランス決定部において各空気調和機による空調のバランスを決め、それを基にガスヒートポンプ空気調和機への第１制御指令および電気式ヒートポンプ空気調和機への第２制御指令を生成している。

一般に、ガスヒートポンプ空気調和機のガスエンジンは、電気式ヒートポンプ空気調和機の電動モータに較べて短寿命である。一方、電気式ヒートポンプ空気調和機は、部分的に能力を出すときにも比較的効率が良いという特性を持つ一方、電力使用量のピーク値を抑えて電力使用の平準化を図ることが望ましい。

これに鑑み、ここでは、電気式ヒートポンプ空気調和機による処理負荷が第２負荷を超えないように制御をして、電力使用量のピーク値を抑えて電力使用の平準化を図っている。また、それに加え、空調負荷が所定の第２負荷以下のときに、ガスヒートポンプ空気調和機を作動させずに、電気式ヒートポンプ空気調和機だけを作動させるようにして、ガスヒートポンプ空気調和機を過度に作動させ続けることを回避することによって、ガスエンジンの寿命を延ばしている。

このように、第１発明に係る空気調和機群制御装置によれば、被空調空間の空調にガスヒートポンプ空気調和機および電気式ヒートポンプ空気調和機の両方が絡む場合において、電力使用の平準化を図ることができるとともに、ガスエンジンの寿命を延ばすことができる。

第２発明に係る空気調和機群制御装置は、第１発明に係る制御装置であって、バランス決定部は、被空調空間の温度、外気温度、及び設定温度の少なくとも１つの情報に基づいて、空調負荷を演算する。

第３発明に係る空気調和機群制御装置は、第１指令部と、第２指令部と、バランス決定部とを備えている。第１指令部は、ガスヒートポンプ空気調和機に第１制御指令を送る。ガスヒートポンプ空気調和機は、ガスエンジンを駆動源とする第１圧縮機により冷媒を循環させて第１冷凍サイクルを形成し、被空調空間の空調を行うものである。第２指令部は、電気式ヒートポンプ空気調和機に第２制御指令を送る。電気式ヒートポンプ空気調和機は、電動モータを駆動源とする第２圧縮機により冷媒を循環させて第２冷凍サイクルを形成し、ガスヒートポンプ空気調和機とは独立して被空調空間の空調を行う。バランス決定部は、空調負荷の変動に応じて、ガスヒートポンプ空気調和機による空調と電気式ヒートポンプ空気調和機による空調とのバランスを決め、第１制御指令および第２制御指令を生成する。また、バランス決定部は、ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御と、電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御との切換を行うことができる。ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御では、空調負荷が所定の第１負荷以上のときに、ガスエンジンが最適効率で運転されるようにガスヒートポンプ空気調和機が作動するとともに、そのガスヒートポンプ空気調和機の作動で処理できない負荷の分については電気式ヒートポンプ空気調和機が作動する。また、ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御では、空調負荷が第１負荷未満のときに、ガスヒートポンプ空気調和機は作動せず、電気式ヒートポンプ空気調和機だけが作動する。電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御では、空調負荷が所定の第２負荷以下のときに、ガスヒートポンプ空気調和機が作動せず、電気式ヒートポンプ空気調和機だけが作動する。また、電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御では、空調負荷が第２負荷よりも大きいときに、第２負荷の分だけを処理するように電気式ヒートポンプ空気調和機が作動し、第２負荷を超える分についてはガスヒートポンプ空気調和機が作動する。

ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御では、トータルの効率を高く維持することと、ガスエンジンの寿命を延ばすこととの両方を実現できるようになり、電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御では、電力使用の平準化を図ることができるとともに、ガスエンジンの寿命を延ばすことができる。そして、ここでは、ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御と、電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御との切換を行うことができるため、両制御の利点を時と場合に応じて生かすようにすることが可能である。例えば、空調負荷、ガスヒートポンプ空気調和機の処理負荷能力、電気式ヒートポンプ空気調和機の使用電力の上限値などのパラメータの組み合わせ条件によって、いずれの制御を選択するかを決めることができる。

第４発明に係る空気調和機群制御装置は、第１発明から第３発明のいずれかの制御装置であって、バランス決定部は、立ち上げ連携制御を行うことができる。立ち上げ連携制御では、ガスヒートポンプ空気調和機および電気式ヒートポンプ空気調和機による空調の開始時に、まずガスヒートポンプ空気調和機を立ち上げ、次に電気式ヒートポンプ空気調和機を立ち上げる。

例えば、冬季の休日明けの朝に、オフィスビルなどの暖房を開始する場合には、ビルの躯体が冷え切っていることもあり、特に電気式ヒートポンプ空気調和機の立ち上げ時における使用電力量が突出して大きくなり使用電力の平準化に反する恐れがある。一方、比較的急速暖房に秀でるガスヒートポンプ空気調和機だけを使って暖房の立ち上げを行うことにしたのでは、ガスエンジンの負担が大きくなり、相対的に短寿命であるガスエンジンの寿命をさらに縮めることになってしまう。

このようなことに鑑み、ここでは、ガスヒートポンプ空気調和機および電気式ヒートポンプ空気調和機を違うタイミングで立ち上げる立ち上げ連携制御を設け、上記の問題点を回避することを可能としている。これにより、電力使用の平準化やガスエンジンの寿命を考慮した空調の立ち上げを行うことができるようになる。

また、立ち上げ時の高い負荷をガスヒートポンプ空気調和機で吸収することができ、立ち上げ時における電気式ヒートポンプ空気調和機の使用電力量の突出を抑えることができる。また、ガスヒートポンプ空気調和機の後に電気式ヒートポンプ空気調和機を立ち上げるため、途中から電気式ヒートポンプ空気調和機だけの作動に切り換えれば、ガスエンジンの寿命を縮めてしまうことを回避できる。

第５発明に係る空気調和機群制御装置は、第１発明から第４発明のいずれかの制御装置であって、被空調空間に、ガスヒートポンプ空気調和機から供給される空調空気の送出口と、電気式ヒートポンプ空気調和機から供給される空調空気の送出口とが、それぞれ設置されている。

ここでは、ガスヒートポンプ空気調和機からの空調空気の送出口と、電気式ヒートポンプ空気調和機からの空調空気の送出口とが、ともに被空調空間に設置されているため、例えば、ガスヒートポンプ空気調和機だけを作動させて電気式ヒートポンプ空気調和機を作動させないときにも、反対に電気式ヒートポンプ空気調和機だけを作動させてガスヒートポンプ空気調和機を作動させないときにも、被空調空間を空調できる。そして、例えば、ガスヒートポンプ空気調和機の室内機と電気式ヒートポンプ空気調和機の室内機とが、ビルの大きなフロアスペースの天井に交互に設置されるような構成を採る場合には、そのフロアスペース（被空調空間）の各場所における温度偏差を小さく抑えることもできる。

第６発明に係る空気調和機群制御装置は、第１発明から第４発明のいずれかの制御装置であって、ガスヒートポンプ空気調和機から供給される空調空気と、電気式ヒートポンプ空気調和機から供給される空調空気とが、共通の送出口を介して被空調空間に送られる。

ここでは、ガスヒートポンプ空気調和機からの空調空気と、電気式ヒートポンプ空気調和機からの空調空気とが、ともに被空調空間に供給されるため、例えば、ガスヒートポンプ空気調和機だけを作動させて電気式ヒートポンプ空気調和機を作動させないときにも、反対に電気式ヒートポンプ空気調和機だけを作動させてガスヒートポンプ空気調和機を作動させないときにも、被空調空間を空調できる。さらに、ガスヒートポンプ空気調和機からの空調空気と、電気式ヒートポンプ空気調和機からの空調空気とが、共通の送出口を介して被空調空間に送られるため、被空調空間の各場所における温度偏差が小さくなる。例えば、ガスヒートポンプ空気調和機からの空調空気と、電気式ヒートポンプ空気調和機からの空調空気とを、１つのダクトに集合させ、そのダクトを共通の送出口につなぐ構成を採ることができる。

なお、そのダクトにおいて両空調空気の混合調整を行うことができるダンパなどを設置した場合には、ガスヒートポンプ空気調和機および電気式ヒートポンプ空気調和機の両方を作動させているときにおける被空調空間のより均一な温熱環境提供を図ることも可能となる。

第７発明に係る空気調和機群制御装置は、第４発明に係る空気調和機群制御装置であって、立ち上げ連携制御では、設定温度と被空調空間の温度との差が予め設定された温度差設定値よりも小さくなった時点で電気式ヒートポンプ空気調和機を立ち上げる。

第１発明によれば、被空調空間の空調にガスヒートポンプ空気調和機および電気式ヒートポンプ空気調和機の両方が絡む場合において、電力使用の平準化を図ることができるとともに、ガスエンジンの寿命を延ばすことができる。

第３発明によれば、ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御の利点と電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御の利点とを時と場合に応じて生かすように制御することが可能となる。

第４発明によれば、立ち上げ時における電気式ヒートポンプ空気調和機の使用電力量の突出を抑えることができ、またガスエンジンの寿命を縮めてしまうことを回避できる。

＜空調システムの概略＞
本発明の一実施形態に係る総合空調コントローラ（空気調和機群制御装置）５０を備えるビル空調システムを、図１〜図３に示す。この空調システムは、図１に示すように、ビルＢの各階のフロアスペースを被空調空間Ｓとするものであり、各被空調空間Ｓの天井に室内機３２および室内機４２を設置している。室内機３２を含む電気式ヒートポンプ空気調和機３０（以下、実施形態においてＥＨＰという。）および室内機４２を含むガスヒートポンプ空気調和機（以下、実施形態においてＧＨＰという。）４０の他、空調システムは、それらの空気調和機３０，４０を総合的に制御する総合空調コントローラ５０を備えており、ＧＨＰ４０の寿命やＥＨＰ３０の使用電力の平準化に考慮した各種制御を行うことができる。

＜ＥＨＰの構成＞
ＥＨＰ３０は、圧縮機６１、室外熱交換器６２、室外ファン、四路切換弁６３などを含む室外機３１と、室内熱交換器３２ｂ、室内ファン、膨張弁３２ｃなどを含む複数の室内機３２とを備えている。また、ＥＨＰ３０では、圧縮機６１、室外熱交換器６２、四路切換弁６３、室内熱交換器３２ｂ、膨張弁３２ｃ、室外機３１と室内機３２とを結ぶ連絡冷媒配管などが、冷媒を循環させる冷凍サイクル３０ａを構成している。

圧縮機６１の駆動源は、圧縮機ケーシングの中に配置されている電動モータ６１ａであり、外部から供給される電力によって圧縮機６１が作動する。

このＥＨＰ３０は、ＧＨＰ４０とともに、あるいは単独で、被空調空間Ｓの冷房や暖房を行う。天井に設置された室内機３２の室内熱交換器３２ｂを通って冷やされた（あるいは暖められた）空気は、室内機３２の下面に形成されている吹出口（送出口）３２ａから被空調空間Ｓに送られる。

なお、ＥＨＰ３０の室内機３２と、下記のＧＨＰ４０の室内機４２とは、被空調空間Ｓの天井に交互に配置されている。

＜ＧＨＰの構成＞
ＧＨＰ４０は、圧縮機８１、室外熱交換器８２、室外ファン、四路切換弁８３などを含む室外機４１と、室内熱交換器４２ｂ、室内ファン、膨張弁４２ｃなどを含む複数の室内機４２とを備えている。また、ＧＨＰ４０では、圧縮機８１、室外熱交換器８２、四路切換弁８３、室内熱交換器４２ｂ、膨張弁４２ｃ、室外機４１と室内機４２とを結ぶ連絡冷媒配管などが、冷媒を循環させる冷凍サイクル４０ａを構成している。

圧縮機８１の駆動源は、圧縮機本体８１ｂに隣接するガスエンジン８１ａであり、外部から供給される燃料ガスによって圧縮機８１が作動する。圧縮機８１は、開放型圧縮機であり、圧縮機本体８１ｂとガスエンジン８１ａとは、直結、あるいはベルトを介して連結されている。

このＧＨＰ４０は、ＥＨＰ３０とともに、あるいは単独で、被空調空間Ｓの冷房や暖房を行う。天井に設置された室内機４２の室内熱交換器４２ｂを通って冷やされた（あるいは暖められた）空気は、室内機４２の下面に形成されている吹出口（送出口）４２ａから被空調空間Ｓに送られる。

なお、このＧＨＰ４０の電力消費量は少なく、本空調システムにおいて主として電力を消費する空気調和機はＥＨＰ３０である。消費電力については、電力会社の設置設備が備える取引用計器のパルス信号を検出する使用電力測定器９１によって測定され、図３に示すように、総合空調コントローラ５０のほうに送られる。

＜総合空調コントローラの構成＞
総合空調コントローラ５０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、メモリなどから成る記憶手段、外部との通信を行うインタフェースなどから構成されており、所定のプログラムによりＥＨＰ３０やＧＨＰ４０に対して各種制御指令を生成する。また、この総合空調コントローラ５０には、ＥＨＰ３０、ＧＨＰ４０から各種情報が入力され、使用電力測定器９１から、空調で使用した電力量あるいはビルＢ全体の電力使用量の入力が随時為されている。

図３に示すように、総合空調コントローラ５０は、主として、送受信部５１と制御部５２とを備える。

送受信部５１は、使用電力測定器９１から電力量の情報を受ける電力値受信部５１ａ、ＥＨＰ３０に制御指令を送るＥＨＰ指令部５０ｃ、ＧＨＰ４０に制御指令を送るＧＨＰ指令部５０ｂ、ＥＨＰ３０あるいはＧＨＰ４０から室内温度の情報を受ける室内温度受信部５１ｂ、ＥＨＰ３０あるいはＧＨＰ４０から設定温度の情報を受ける設定温度受信部５１ｃ、ＥＨＰ３０あるいはＧＨＰ４０から外気温度の情報を受ける外気温度受信部５１ｄなどの役割を果たすもので、ＥＨＰ３０の室外機３１の制御ユニット、ＧＨＰ４０の室外機４１の制御ユニット、使用電力測定器９１などと通信線５９により結ばれる。

制御部５２は、後述するデマンド制御部５２ａやバランス決定部５０ａの役割を果たすもので、ＣＰＵやメモリから成る。バランス決定部５０ａは、後述するＧＨＰベース制御やＥＨＰベース制御、さらには立ち上げ連携制御を行うことができる。ＧＨＰベース制御とＥＨＰベース制御とは、選択的に何れかが実施される。

制御部５２は、入力される各種情報から空調負荷を演算し、その空調負荷に応じてＥＨＰ３０による空調とＧＨＰ４０による空調とのバランスを決め、ＥＨＰ指令部５０ｃからＥＨＰ３０に制御指令を出すとともにＧＨＰ指令部５０ｂからＧＨＰ４０に制御指令を出す。

＜総合空調コントローラによる制御＞
〔制御の前提となるＥＨＰ、ＧＨＰの効率や寿命について〕
ＥＨＰ３０は、部分負荷時の効率（最大能力未満の運転時の効率）がよいのに対し、ＧＨＰ４０は、エンジン特性を概ね最大能力時に合わせており、部分負荷時の効率が悪い。

また、ＥＨＰ３０では、圧縮機６１の交換が容易であり、電動モータ６１ａも長寿命であるのに対し、ＧＨＰ４０では、ガスエンジン８１ａの寿命が電動モータ６１ａよりも短く、圧縮機８１のみの交換が困難である。

〔制御の前提となるＥＨＰ，ＧＨＰのエネルギーコストについて〕
電力料金、ガス料金とも、通常、基本料金と従量料金との和により決まる。

電力料金は、一般のビルにおいては、その基本料金が最大デマンド値より算出される。デマンド値は、刻々と変わる消費電力を３０分単位で計量して３０分単位の平均値として求めた値である。日本の電力会社のデマンド料金制度では、過去１年間における最大デマンド値により基本料金が決まる。最大デマンド値により変動はするが、電力の基本料金は、ガスの基本料金よりも高くなることが多い。一方、従量料金（ランニングコスト）については、電力の場合は一定である。

ガス料金は、契約形態（使用量依存）により異なるが、契約形態毎に基本料金が固定されている。従量料金については、ガス料金の場合は、基本料金が高い契約ほど単価は安くなる。

このようなエネルギーコストの特性より、空調に要するエネルギーと料金との関係は、図４に示すようになる。ＥＨＰ３０を使用する場合には、電力の基本料金Ｃ２に従量料金を加算した電力料金総額は、図４において点線で示すように比較的傾斜が緩い。ＧＨＰ４０を使用する場合には、ガスの基本料金Ｃ１に従量料金を加算したガス料金総額は、図４において実線で示すように比較的傾斜がきつい。この図４に示すように、ＥＨＰ３０では基本料金は高めであるが従量料金（単価）が安く、ＧＨＰ４０では基本料金は安いが従量料金が高い。そして、空調使用エネルギーが所定値ＥｂまでであればＧＨＰ４０がコスト的に有利であり、空調使用エネルギーが所定値Ｅｂを超えるとＥＨＰ３０のほうがコスト的に有利となる。

なお、電力料金については、最大デマンド値を抑えるようにし、負荷を平準化して使用すれば、基本料金が低く抑えられてコスト的に有利となる。

〔ＧＨＰベース制御〕
ＧＨＰベース制御は、上記の前提のうちＧＨＰ４０の効率や寿命を重視した制御である。

このＧＨＰベース制御を選択実行可能なバランス決定部５０ａは、まず、送受信部５１において受信した室内温度、外気温度、設定温度、使用電力値などの情報から、現在の空調負荷を演算する。空調負荷の予測方式としては、電力消費状況からのフィードバック方式や、気象予測を用いた負荷予測などが挙げられる。後者の場合には、公衆回線などを介して気象予測の情報を総合空調コントローラ５０で受信することになる。そして、ＧＨＰベース制御では、空調負荷が所定の負荷Ｌ１以上のときにガスエンジン８１ａが最適効率で運転されるようにＧＨＰ４０を作動させるとともに、そのＧＨＰ４０の作動で処理できない負荷の分についてはＥＨＰ３０を作動させる。また、バランス決定部５０ａは、ＧＨＰベース制御において、空調負荷が負荷Ｌ１未満のときに、ＧＨＰ４０を作動させず、ＥＨＰ３０だけを作動させる。すなわち、ＧＨＰベース制御では、基本的にＧＨＰ４０を作動させて空調負荷を処理するが、ＧＨＰ４０が最適効率を維持できない部分においてＥＨＰ３０を作動させる。このように、ＧＨＰベース制御では、ＧＨＰ４０の部分負荷特性の悪い部分を、部分負荷に強いＥＨＰ３０で制御することにより、トータルとしての効率化が図られるとともに、ＧＨＰ４０の運転時間を比較的短くできるため、ＧＨＰ４０の寿命を延ばすことができる。

このＧＨＰベース制御について、図５を参照して具体的に説明する。

図５の時刻Ｔ１〜Ｔ２および時刻Ｔ３〜Ｔ４では、空調負荷がＧＨＰ最適能力ラインに相当する負荷Ｌ１より少ないため、ＧＨＰ４０を停止しＥＨＰ３０のみの運転としている。時刻Ｔ２〜Ｔ３および時刻Ｔ４以降では、空調負荷が負荷Ｌ１以上であるため、ＧＨＰ４０を最適能力で運転させるとともに、負荷Ｌ１を超える空調負荷の部分についてはＥＨＰ３０に処理させている。図５から明らかなように、空調負荷の負荷変動部分については、部分負荷効率の良いＥＨＰ３０が処理するようになっている。

〔ＥＨＰベース制御〕
ＥＨＰベース制御は、上記の前提を全体的に考慮した制御である。すなわち、ＥＨＰベース制御では、最大デマンド値の抑制による基本料金の低減が効果的であって使用の平準化が望ましいというＥＨＰ３０の特性、および、寿命およびガス料金の観点から最大能力による最短時間で運転を行うことが望ましいというＧＨＰ４０の特性を考慮に入れている。

このＥＨＰベース制御を選択実行可能なバランス決定部５０ａは、まず、送受信部５１において受信した室内温度、外気温度、設定温度などの情報から、現在の空調負荷を演算する。そして、ＥＨＰベース制御では、その空調負荷が所定の負荷Ｌ２以下のときに、ＧＨＰ４０を作動させず、ＥＨＰ３０だけを作動させる。所定の負荷Ｌ２は、電力会社とのデマンド契約ライン（契約電力量）に相当する空調負荷値であり、デマンド時限毎の総電力使用量が契約電力量に収まるような値となっている。また、バランス決定部５０ａは、ＥＨＰベース制御において、空調負荷が負荷Ｌ２よりも大きいときに、負荷Ｌ２の分だけを処理するようにＥＨＰ３０を作動させ、負荷Ｌ２を超える分についてはＧＨＰ４０を作動させる。すなわち、ＥＨＰベース制御は、デマンド重視の制御であり、ＥＨＰ３０のエネルギーコストでは基本料金の占める割合が大きく使用量（従量料金）の割合が小さいことから、ＥＨＰ３０のエネルギーコストを最小化することを目的とし、ＥＨＰ３０の消費電力を可能な限り契約電力に一致するように運転を制御する。このため、ＥＨＰ３０の最大消費電力の抑制が実現できるとともに、ＧＨＰ４０の運転時間の短縮化も図ることができる。

このＥＨＰベース制御について、図６を参照して具体的に説明する。

図６の時刻Ｔ５〜Ｔ６および時刻Ｔ７以降では、空調負荷がデマンド契約ラインに相当する負荷Ｌ２よりも大きいため、負荷Ｌ２の分だけをＥＨＰ３０に処理させ、残りをＧＨＰ４０に処理させる。時刻Ｔ５以前および時刻Ｔ６〜Ｔ７では、空調負荷が負荷Ｌ２以下であるため、ＧＨＰ４０を停止させてＥＨＰ３０だけを運転させる。このように、ベースとなる負荷Ｌ２まではＥＨＰ３０で処理させることによりデマンド時限毎の総電力使用量が契約電力量に収まるようになるとともに、空調負荷が負荷Ｌ２を下回ったときにＧＨＰ４０を停止するためＧＨＰ４０の長寿命化が図れる。

〔ＧＨＰベース制御とＥＨＰベース制御との切換〕
バランス決定部５０ａは、上記のＧＨＰベース制御およびＥＨＰベース制御のうち何れかを選択し、ＥＨＰ指令部５０ｃからＥＨＰ３０へ、ＧＨＰ指令部５０ｂからＧＨＰ４０へ制御指令を送る。この選択は、初期設定入力などにより手動設定できるようにしてもよいが、ここでは、自動切換が行われている。

この自動切換は、ＧＨＰ４０の寿命およびトータルのエネルギーコストの両方が最適となるように行われ、具体的には、演算して求めた空調負荷、ＧＨＰ４０の最適能力値、デマンド契約の契約電力量の３つのパラメータによって決定される。

〔立ち上げ連携制御〕
冬季の最大デマンド値は、休日明けの朝に発生する場合が多い。この際の使用電力量が夏季の最大デマンド値を越える場合には、冬季のデマンド値によって電力の基本料金が高くなってしまうことになる。

一方、従来のＥＨＰ単独の空調システムでは、予熱制御によって電力使用のピークのシフトをずらすことが行われているが、ＥＨＰ３０およびＧＨＰ４０を併せ持つ本空調システムにおいて同様の制御を行ったのでは、使用する総エネルギー量で見たときにロスが大きくなる。ＥＨＰ３０およびＧＨＰ４０の混在システムで成行きの制御を行ったのでは、ＧＨＰ４０が効率の悪い部分負荷運転となってエネルギー効率の面でロスがあるからである。

そこで、本空調システムの制御部５２においては、以下に説明する立ち上げ連携制御が行われる。なお、立ち上げ連携制御時には、上記のＧＨＰベース制御やＥＨＰベース制御は適用されない。

立ち上げ連携制御は、冬季の立上げ時におけるＥＨＰ３０およびＧＨＰ４０の特性に合わせた最適な連携制御であり、最大デマンド値の低減と空気調和機の運転効率の向上を図る。特に、立ち上げ連携制御では、ＧＨＰ４０の寿命の観点よりＧＨＰ４０の運転時間を考慮している。

具体的には、図７に示すように、空調負荷フィードバックによる連携制御が行われている。ここでは、目標とする設定温度と現在の室内温度との差から空調負荷を予測し、最大デマンド値を超過しないレベルでＥＨＰ３０の能力を調整する。まず、立上げ時の運転は、ＧＨＰ４０で開始する。そして、ＧＨＰ４０による処理で設定温度と室内温度との差が予め設定された温度差設定値Ｄよりも小さくなった時点で、ＥＨＰ３０の運転に切り替える（図７の時刻Ｔｃの時点を参照）。このように、ＧＨＰ４０とＥＨＰ３０との立ち上げのタイミングをずらし、先にＧＨＰ４０によって設定温度と室内温度との差を小さくしてからＥＨＰ３０による処理に切り替えているため、ＧＨＰ４０の作動時間を短く抑えることができるとともにＥＨＰ３０の作動における最大デマンド値を所定レベルに迎えることができている。

（デマンド制御）
総合空調コントローラ５０では、上記のＧＨＰベース制御や立ち上げ連携制御と並行して、デマンド制御部５２ａによりデマンド制御を行う。

このデマンド制御では、使用電力測定器９１によって測定され電力値受信部５１ａにおいて受信された電力使用値を基に、デマンド時限毎の総電力使用量を予測し、その予測が契約電力量あるいは管理目標使用量を超過するおそれが生じた場合、あらかじめ設定されている制御方式に従ってＥＨＰ３０およびＧＨＰ４０を制御して、デマンド時限毎の総電力使用量を契約電力量あるいは管理目標使用量の範囲内に抑える。このデマンド制御として、具体的には、設定温度の変更や圧縮機の能力制御、ＥＨＰ３０，ＧＨＰ４０のＯＮ／ＯＦＦ制御などが行われる。

＜第１実施形態に係る空調システムの特徴＞
（１）
本空調システムでは、ＧＨＰ４０と、それとは別のＥＨＰ３０とに、それぞれ制御指令を送る総合空調コントローラ５０を設けている。そして、この総合空調コントローラ５０は、被空調空間Ｓの空調負荷に応じて、バランス決定部５０ａにおいて各空気調和機３０，４０による空調のバランスを決め、それを基にＧＨＰ４０やＥＨＰ３０への制御指令を生成している。

このため、電動モータ６１ａに較べて一般に短寿命であるガスエンジン８１ａをできるだけ短時間だけ使用するようにしてＥＨＰ３０を中心に被空調空間Ｓの空調を行うことができる。また、最大能力を出すときに較べて部分的に能力を出すときの効率が比較的悪いＧＨＰ４０と、部分的に能力を出すときにも比較的効率が良いという特性を持つ一方、最大デマンド値を抑えて電力使用の平準化を図ることが望ましいという性格を持つＥＨＰ３０とを、空調負荷に応じて、空気調和機３０，４０のトータルとして最適制御が為されるように、各々制御できるようになっている。

具体的に、本空調システムでは、トータルとしての最適制御によって、電力およびガスの基本料金と使用料金（従量料金）との和であるエネルギーコストの最適化と、ＧＨＰ４０の長寿命化の実現とを両立させている。

（２）
本空調システムでは、ＧＨＰ４０からの空調空気の吹出口４２ａと、ＥＨＰ３０からの空調空気の吹出口３２ａとを、ともに被空調空間Ｓに設置している（図２参照）。このため、ＧＨＰ４０だけを作動させてＥＨＰ３０を作動させないときにも、反対にＥＨＰ３０だけを作動させてＧＨＰ４０を作動させないときにも、被空調空間Ｓを空調できる。また、ＧＨＰ４０の室内機４２とＥＨＰ３０の室内機３２とを、ビルＢの大きなフロアスペース（被空調空間Ｓ）の天井に交互に設置しているため、そのフロアスペースの各場所における温度偏差を小さく抑えることができている。

（３）
ＧＨＰベース制御では、トータルの効率を高く維持することと、ガスエンジン８１ａの寿命を延ばすこととの両方を実現できるようになり、ＥＨＰベース制御では、電力使用の平準化を図って最大デマンド値を低減することができるとともに、ガスエンジン８１ａの寿命を延ばすことができる。そして、ここでは、ＧＨＰベース制御と、ＥＨＰベース制御との切換を行うことができるため、両制御の利点を時と場合に応じて生かすようにすることができる。

（４）
ビルＢの暖房を開始する場合には、ビルＢの躯体が冷え切っていることもあり、特にＥＨＰ３０の立ち上げ時における使用電力量が突出して大きくなり使用電力の平準化に反してしまう傾向がある。一方、比較的急速暖房に秀でるＧＨＰ４０だけを使って暖房の立ち上げを行うことにしたのでは、ガスエンジン８１ａの負担が大きくなり、相対的に短寿命であるガスエンジン８１ａの寿命をさらに縮めることになってしまう。

このようなことに鑑み、本空調システムの総合空調コントローラにおいては、ＧＨＰ４０をまず立ち上げ、その後に所定条件でＥＨＰ３０に切り替える立ち上げ連携制御を設け、上記の問題点を回避するようにしている。これにより、電力使用の平準化やガスエンジン８１ａの寿命を考慮した空調システムの立ち上げを行うことができるようになっている。

＜他の実施形態＞
（Ａ）
上記実施形態では、ＧＨＰ４０、ＥＨＰ３０とも室内空気循環式の空調を行うものを例示している（図２参照）が、以下に説明する図８のような構成の空調システムにおいても本発明の適用が可能である。

図８に示す空調システムでは、外気ＯＡを取り込んで空調し、その空調空気（外気）をダクトを介して室内の被空調空間Ｓに供給空気ＳＡとして供給する外気導入用の空気調和機として、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機１８１を有するＧＨＰ１４０を設置している。一方、室内空気ＲＡを取り込んで空調後に供給空気ＳＡとして室内に吹き出す室内空気循環式で被空調空間Ｓの天井に室内機が設置される空気調和機として、電動モータを駆動源とする圧縮機１６１を有するＥＨＰ１３０を設置している。この空調システムでも、ＥＨＰ１３０およびＧＨＰ１４０の両方を総合的に制御する総合空調コントローラ（図示せず）を設けることで上記実施形態と同様の各種連携制御が可能になるとともに、空調負荷のうち外気負荷と室内負荷とを切り分けて処理することができるようになる。

また、図８に示す空調システムにおけるＧＨＰ１４０およびＥＨＰ１３０の配置を反対にして、外気導入用の空気調和機としてＥＨＰを、室内空気循環式の空気調和機としてＧＨＰを設置する空調システムとすることもできる。

室内側の負荷変動をＥＨＰで吸収して外気処理をＧＨＰに任せるという考え方を採る場合には、前者の空調システム、外気処理は外気温度による負荷変動が大きいため部分負荷特性のよいＥＨＰで処理するという考え方を採る場合には、後者の空調システムとなる。何れを採るかは、用途や負荷によりパターンを使い分けることになる。

（Ｂ）
上記実施形態では、ＥＨＰ３０の室内機３２とＧＨＰ４０の室内機４２とを被空調空間Ｓの天井に単純に交互に配置する構成を採っているが、これに代えて、図９に示す次のような構成を採ることも可能である。

図９に示すように、ここでは、オフィス空間である被空調空間Ｓのうち、ペリメータゾーンＳ１にＥＨＰ２３０の室内機を、インテリアゾーンＳ２にＧＨＰ２４０の室内機を配置している。オフィス空間は、熱負荷の特性から、ペリメータゾーン（窓際ゾーン）とインテリアゾーン（室内ゾーン）とに分かれるが、ペリメータゾーンは、外気温や日射などの影響を受けて熱流が大きく変化するという特性があり、インテリアゾーンは、照明や人間の発熱によって生じる空調負荷が中心で変化が少ないという特性がある。ペリメータゾーンは、窓Ｗのガラス面からの放射熱や対流熱の影響を受ける範囲であり、窓Ｗから３〜５ｍ程度までの範囲である。

なお、ここでは、比較的温熱変化の少ないインテリアゾーンＳ２にＧＨＰ２４０を配置し、温熱変化の大きいペリメータゾーンＳ１には、部分負荷運転でも高い効率を維持できるＥＨＰ２３０を配置しているが、これに代えて、速暖性に優れるＧＨＰ２４０を温熱変化の激しいペリメータゾーンＳ１に配置する構成を採って快適性の向上を図ることも可能である。

（Ｃ）
上記実施形態の立ち上げ連携制御では、ＧＨＰ４０による処理で設定温度と室内温度との差が予め設定された温度差設定値Ｄよりも小さくなった時点で、ＥＨＰ３０の運転に切り替えているが、この切り替えのタイミングを予め用意されたスケジュール機能により行うこともできる。

この場合には、ＧＨＰ４０の起動タイミングとＥＨＰ３０の起動タイミングとをスケジュール制御することになるが、上記の立ち上げ連携制御と同様に、立上げ時の負荷をＧＨＰ４０で吸収することによって最大デマンド値を抑制する効果が得られる。

（Ｄ）
上記実施形態では、ＥＨＰ３０からの空調空気の吹出口３２ａとＧＨＰ４０からの空調空気の吹出口４２ａとを、ともに被空調空間Ｓに設置している（図２参照）が、このような構成に代えて、図１０に示すように、ＥＨＰ３３０から吹き出された空調空気とＧＨＰ３４０から吹き出された空調空気とを混合・調整した上で共通のダクト３９５ａおよび吹出口３９５ｂから被空調空間Ｓに供給するような構成を採ることもできる。

図１０に示す空調システムは、ＥＨＰ３３０による熱交換およびＧＨＰ３４０による熱交換を混合装置３９０内のダンパ３９１，３９２によりバランス制御し、能力調整時において均一な温熱環境の提供を実現するシステムである。ここでは、ＥＨＰ３３０から供給される空調空気ＳＡ１と、ＧＨＰ３４０から供給される空調空気ＳＡ２とが、混合装置３９０で合流した後、共通のダクト３９５ａおよび吹出口３９５ｂを介して被空調空間Ｓに供給空気ＳＡとして送られる。また、ビルの被空調空間Ｓから戻ってくる還気ＲＡは、外気混合装置３７０において必要に応じて外気と混合され、ＥＨＰ３３０やＧＨＰ３４０に送られる。外気混合装置３７０では、外気導入ダンパ３７１によって所定量の外気が取り入れられ、ビルに必要な換気量を確保する。

混合装置３９０では、電動モータを駆動源とする圧縮機３６１を有するＥＨＰ３３０、および、ガスエンジンを駆動源とする圧縮機３８１を有するＧＨＰ３４０からの空調空気ＳＡ１，ＳＡ２を、所定のパラメータに応じてダンパ３９１，３９２を開度調整することによって混合する。具体的には、ＥＨＰ３３０の熱交換器の温度、ＧＨＰ３４０の熱交換器の温度、運転モード、設定温度（目標温度）などを参照し、被空調空間Ｓへ吹き出す供給空気ＳＡの温度あるいは還気ＲＡの温度が一定となるように、図示しないコントローラによってダンパ３９１，３９２の開度調整が行われる。

なお、ＥＨＰ３３０、ＧＨＰ３４０、混合装置３９０、外気混合装置３７０などは、例えば、１つのユニット３９９としてビルの機械室などに設置することができる。

本発明の一実施形態に係る総合空調コントローラを有する空調システムの概略構成図。 総合空調コントローラを有する空調システムの概略構成図。 総合空調コントローラの概略構成図。 ＥＨＰ、ＧＨＰのエネルギーコストの特性 ＧＨＰベース制御における空調負荷に応じたＥＨＰ、ＧＨＰ作動のバランスを示す図。 ＥＨＰベース制御における空調負荷に応じたＥＨＰ、ＧＨＰ作動のバランスを示す図。 立ち上げ連携制御の温度と時間の条件を示す図。 他の実施形態（Ａ）に係る空調システムの概略図。 他の実施形態（Ｃ）に係る空調システムの概略図。 他の実施形態（Ｄ）に係る空調システムの概略図。

３０ ＥＨＰ（電気式ヒートポンプ空気調和機）
３０ａ 冷凍サイクル
３２ａ 吹出口
４０ ＧＨＰ（ガスヒートポンプ空気調和機）
４０ａ 冷凍サイクル
４２ａ 吹出口
５０ 総合空調コントローラ（空気調和機群制御装置）
５０ａ バランス決定部
５０ｂ ＧＨＰ指令部
５０ｃ ＥＨＰ指令部
６１ 圧縮機
６１ａ 電動モータ
８１ 圧縮機
８１ａ ガスエンジン
Ｓ 被空調空間
Ｌ１ ＧＨＰ最適効率相当負荷（第１負荷）
Ｌ２ デマンド契約相当負荷（第２負荷）

Claims (7)

1. ガスエンジン（８１ａ）を駆動源とする第１圧縮機（８１）により冷媒を循環させて第１冷凍サイクル（４０ａ）を形成し被空調空間（Ｓ）の空調を行うガスヒートポンプ空気調和機（４０）に第１制御指令を送る第１指令部（５０ｂ）と、
   電動モータ（６１ａ）を駆動源とする第２圧縮機（６１）により冷媒を循環させて第２冷凍サイクル（３０ａ）を形成し前記ガスヒートポンプ空気調和機とは独立して前記被空調空間（Ｓ）の空調を行う電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）に第２制御指令を送る第２指令部（５０ｃ）と、
   空調負荷の変動に応じて前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）による空調と前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）による空調とのバランスを決め、前記第１制御指令および前記第２制御指令を生成するバランス決定部（５０ａ）と、
   を備え、
   前記バランス決定部（５０ａ）は、
   前記空調負荷を演算し、
   前記空調負荷が、電力会社との契約電力量に相当する空調負荷でありデマンド時限毎の総電力使用量が契約電力量に収まる第２負荷（Ｌ２）以下のときに、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）を作動させずに、前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）だけを作動させ、
   前記空調負荷が前記第２負荷（Ｌ２）よりも大きいときに、前記第２負荷の分だけを処理するように前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）を作動させ、前記第２負荷を超える分については前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）を作動させる、
   空気調和機群制御装置（５０）。
2. 前記バランス決定部（５０ａ）は、前記被空調空間の温度、外気温度、及び設定温度の少なくとも１つの情報に基づいて、前記空調負荷を演算する、
   請求項１に記載の空気調和機群制御装置（５０）。
3. ガスエンジン（８１ａ）を駆動源とする第１圧縮機（８１）により冷媒を循環させて第１冷凍サイクル（４０ａ）を形成し被空調空間（Ｓ）の空調を行うガスヒートポンプ空気調和機（４０）に第１制御指令を送る第１指令部（５０ｂ）と、
   電動モータ（６１ａ）を駆動源とする第２圧縮機（６１）により冷媒を循環させて第２冷凍サイクル（３０ａ）を形成し前記ガスヒートポンプ空気調和機とは独立して前記被空調空間（Ｓ）の空調を行う電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）に第２制御指令を送る第２指令部（５０ｃ）と、
   空調負荷の変動に応じて前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）による空調と前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）による空調とのバランスを決め、前記第１制御指令および前記第２制御指令を生成するバランス決定部（５０ａ）と、
   を備え、
   前記バランス決定部（５０ｃ）は、
   ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御と、電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御との切換を行うことができ、
   前記ガスヒートポンプ空気調和機ベース制御では、
   前記空調負荷が、前記ガスエンジン（８１ａ）を最適効率で運転したときの処理可能負荷である第１負荷（Ｌ１）以上のときに、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）が作動するとともに、その前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）の作動で処理できない負荷の分については前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）が作動し、
   前記空調負荷が前記第１負荷（Ｌ１）未満のときに、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）が作動せずに、前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）だけが作動し、
   前記電気式ヒートポンプ空気調和機ベース制御では、
   前記空調負荷が、電力会社との契約電力量に相当する空調負荷である第２負荷（Ｌ２）以下のときに、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）が作動せずに、前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）だけが作動し、
   前記空調負荷が前記第２負荷（Ｌ２）よりも大きいときに、前記第２負荷の分だけを処理するように前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）が作動し、前記第２負荷を超える分については前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）が作動する、
   空気調和機群制御装置（５０）。
4. 前記バランス決定部（５０ｃ）は、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）および前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）による空調の開始時に、まず前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）を立ち上げ、次に前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）を立ち上げる立ち上げ連携制御を行うことができる、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の空気調和機群制御装置（５０）。
5. 前記被空調空間（Ｓ）に、前記ガスヒートポンプ空気調和機（４０）から供給される空調空気の送出口（４２ａ）と、前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）から供給される空調空気の送出口（３２ａ）とが、それぞれ設置されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の空気調和機群制御装置（５０）。
6. 前記ガスヒートポンプ空気調和機（３４０）から供給される空調空気と、前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３３０）から供給される空調空気とが、共通の送出口（３９５ｂ）を介して、前記被空調空間（Ｓ）に送られる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の空気調和機群制御装置（５０）。
7. 前記立ち上げ連携制御では、設定温度と前記被空調空間の温度との差が予め設定された温度差設定値よりも小さくなった時点で前記電気式ヒートポンプ空気調和機（３０）を立ち上げる、
   請求項４に記載の空気調和機群制御装置（５０）。

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