JP5280370B2 - 空気調和設備、放射空調システム及び放射空調システムの制御方法 - Google Patents
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Description
ここで、「パネル本体の表面温度」とは、パネル本体の両側表面のうち、被空調室の室内に臨む側の表面及び天井面に臨む側の表面の何れの表面温度であってもよいことを意味する。パネル本体は熱伝導率の良好なものが使用されるため、パネル本体の表面温度は一定になり、そのため、室内に臨む側の表面温度も天井面に臨む側の表面温度も変わらないからである。
また、「所定温度」とは、人間の発熱量からすると年間を通じて23℃とするのが好ましい。但し、「所定温度」は、23℃に限定されず、夏場の室温よりも少し低く、且つ、冬場の室温より少し高い温度であればよく、例えば、夏場の設定室温が28℃、冬場の設定室温が20℃の場合、22℃〜25℃の範囲の何れかの温度を、パネル本体の表面温度とすれば十分な快適感が得られる。
なお、「受熱」は、温熱の受熱のみならず冷熱の受熱をも意味するものとする。即ち、パネル本体が冷水又は温水等の熱媒体によって温められる場合だけでなく、冷やされる場合も、パネル本体が「受熱」すると表現することとする。また、「放射する」というのは、温熱のみならず冷熱についてもこのように表現することとする。即ち、厳密にいえば、パネル本体から冷熱が放射されるのではなく、例えば人間などから放射された熱が、温度の低いパネル本体に吸収されて反射されないために納涼感が生ずるのであるが、本明細書においては便宜上、冷熱についても「放射する」と表現することとする。
通常は、居住者はインテリアゾーンに存在しているので、インテリアゾーンに設置されている放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を所定温度になるように制御すれば、居住者は十分な快適感が得られることになる。
上記構成により、請求項3記載の放射空調システムの制御方法を実現できる。
先ず、具体的な構成を説明する前に、図1に基づいて本発明の概念について説明する。図1は本発明に係る放射空調システムの制御方法の原理を説明するための図である。本発明に係る放射空調システムは、後述する図3に示すように、熱媒体が流れる熱媒体流通経路を構成する熱媒体流通管6と該熱媒体流通管6内を流れる熱媒体から受熱してその熱を放射するパネル本体7とを備えた放射パネル1を、被空調室Rの天井に設置し、放射パネル1の熱放射により冷暖房を行う放射空調システムであって、その特徴とするところは、放射パネル1を構成するパネル本体7の表面温度を、年間を通じて所定温度(例えば23℃)になるように制御すると共に、パネル本体7の表面温度制御とは別個独立して室内温度(加えて室内湿度)を制御する空調システムである。室温は夏季28℃、冬季20℃になるように制御される。室内温度の制御方法としては、外気を導入する換気風量の熱交換の割合で室温度を制御する。より具体的な制御方法は、後述する実施の形態で詳述する。
ここで、被空調室R内には人間H(以下、居住者Hと称する場合もある。)が1人存在しており、定常状態が維持されているものと想定する。なお、冷房時には20℃の冷水を放射パネル1に流し、暖房時には25℃の温水を放射パネル1に流すものとする。
次いで、本発明の特徴であるパネル本体7の表面温度を23℃に維持することにより、冷房時に室内温度が28℃(暖房時に室内温度が20℃)の場合であっても居住者Hは快適に感じる理由について説明する。
一方、パネル本体7の表面温度を23℃に制御したときの人からの放射吸収熱量qwは以下の数式より求められる。
qw=A1・F・ε・Γ{(T1/100)4−(T2/100)4}
但し、A1=放射面の面積、F=形態計数、ε=放射率、Γ=ステファンボルツマン定数=5.67×108W/m2K、T1=放射面の表面温度=23+273=296K、T2=人間の表面温度=31+273=304K
qw=1×0.8×0.95×5.67×{(296/100)4−(304/100)4 }=−37W/m2hとなる。
図1の定常状態では室温が28℃であるので、壁面も28℃あるいはそれに近い値になっている。一方、人間Hの人体表面温度は、年間を通じて常に一定温度(31℃)に維持されていることが知られている。このような環境条件下では、パネル本体7の表面温度が23℃であると、人間Hから壁面に対して熱放射による熱の移動がなさると共に、人間Hから放射パネル1に対して熱放射による熱の移動がなさるので、室温が28℃であっても快適感が得られる。
そして、このような定常状態から、人の人数に変化が生じたりして冷房負荷が変化した場合には、パネル本体7の表面温度が23℃となるように制御されることにより、上記定常状態と同様な原理で快適感が得られる。
図1の定常状態では室温が20℃であるので、壁面も20℃あるいはそれに近い値になっている。このような環境条件下では、人間Hの人体表面温度が31℃であるので、人間Hから壁面に熱放射による熱移動がなされる。一方、パネル本体7の表面温度は23℃であるので、人間Hから放射パネル1に熱放射による熱移動がなされる。ここで、天井面に放射パネル1が設置されていない場合を想定すると、この場合には天井面が20℃となっており、人間Hから天井面に対して熱放射の移動が行われている。この場合、人間Hから天井面への熱放射による移動は、31−20=11℃の温度差に対応した熱が吸熱される。従って、このような環境下では、室温が20℃であっても、人間Hの発熱量の奪われる割合が大きすぎて、寒く感じてしまう。一方、天井に放射パネル1を設置した場合は、人間Hから放射パネル1への熱放射による移動は、31−23=8℃の温度差に対応した熱が吸熱される。従って、天井面に放射パネル1が設置されていない場合に比べて、人間Hから奪われる熱量が小さい。換言すれば、その分だけ発熱量の吸熱が抑制され、発熱量の一部が人間Hの表面に滞留することになり、室温が20℃であっても、心地よい暖かさを感じ、快適感が得られることになる。加えて、パネル本体7の表面温度が所定温度(23℃)に維持されていることから、パネル本体7の表面温度の頻繁な変化に伴う不快感の発生もない。このように、発熱量の吸熱が若干抑制されること及びパネル本体7の表面温度の頻繁な変化に伴う不快感の発生がないことにより、居住者Hは室温が20℃であっても、心地よい暖かさを感じ、快適感が得られることになる。
このような定常状態から、人の人数に変化が生じたりして暖房負荷が変化した場合には、パネル本体7の表面温度が23℃となるように制御されることにより、上記定常状態と同様な原理で快適感が得られる。
(実施の形態1)
図2は実施の形態1の空調システムの全体構成図である。なお、図2は実施の形態1の空調システムを冷凍機として冷房時に使用する例を示す。空調システムSは、放射パネル1と、冷暖房回路2と、パネル本体7の表面温度を所定温度(23℃)となるように冷暖房回路2を制御する制御装置70(後述する図5参照)とを備えている。なお、本実施の形態における被空調室R内は、外気の影響を受けない室内中心部であるインテリアゾーンと、外気の影響を受け、外気に接する壁側の5m以内の部分であるペリメータゾーンとで構成されている。放射パネル1は、インテリアゾーン及びペリメータゾーンの両者に亘って設置されている。また、放射パネル1を通過する熱媒体流通経路は、インテリアゾーンとペリメータゾーンとで共通の1系統とされており、放射パネル1のうちインテリアゾーンに設置されている放射パネル部分1aの表面温度を所定温度(23℃)になるように制御する。
なお、室内湿度は室内湿度制御用開閉弁66を制御して熱媒体コイル59の温度を制御することにより調整を行うが、全熱交換器53に備えられたダンパー54の開度を制御しても室内湿度を調整することが可能である。従って、弁66の単独制御であってもよく、弁66及びダンパー54の両者の制御であってもよい。但し、後者の場合、ダンパー54の開度を制御は調湿効果が低く、複数箇所(弁66とダンパー54)での制御は複雑になる。そのため、弁66の単独制御が好ましい。
本実施の形態では、外気の影響を受けない室内中心部であるインテリアゾーンにいる居住者Hに対して快適感が得られれば十分であることから、ペリメータゾーンの影響は無視するものとする。従って、インテリアゾーンに存在する放射パネル部分1aにおけるパネル本体7の表面温度を、年間を通じて常時所定温度(本実施の形態では23℃)になるように制御する。
冷房負荷に変化がない(例えば、人の人数が変化ない)定常状態における放射パネル制御処理は、以下の通りである。
顕熱処理用流路A1においては、圧縮機12で加圧された水蒸気は、凝縮器10で外部に熱を放出して凝縮し、液化して、連通管20を通じ圧力差により蒸発器11に送出され、蒸発器11で外部から熱を奪って蒸発し水蒸気となる冷凍サイクルを循環する。このとき、圧縮機12は蒸発器11で発生した水蒸気を吸い込みながら蒸発器11の真空度を19℃の飽和圧力2.2kPaに維持することで、蒸発器11から19℃の冷水が、ポンプP3、から熱交換器26に送出される。そして、熱交換器26において、潜熱処理用流B1の凝縮器13から送出される冷水と熱交換を行って20℃に昇温されて放射パネル1に連続的に供給される。なお、20℃の冷水は、放射パネル1を通過することにより23℃に上昇して放射パネル1から流出する。
人の人数に変化が生じたりして冷房負荷が増加した場合、放射パネル部分1aにおけるパネル本体7の表面温度を23℃になるように以下の制御処理が実行される。
冷房負荷の増加により、放射パネル部分1aにおけるパネル本体7の表面温度が23℃より上昇し、その上昇した温度が温度センサT1により検出され、その温度検出信号が制御装置70に与えられる。これにより、制御装置70は、検出温度に対応して、給水ポンプP3に周波数を増加する制御信号を出力する。これにより、20℃の冷水の放射パネル1を通過する流量が増加し、放射パネル部分1aにおけるパネル本体7の表面温度が下降して、所定温度(23℃)に制御される。なお、このとき、蒸発器11に戻る流量が増加するので、蒸発器11の真空度を19℃の飽和圧力2.2kPaに維持するため、圧縮機12の出力を大きくする必要がある。そこで、制御装置70は、検出温度に対応して、圧縮機12を駆動するモータM1の周波数を増加する制御信号を出力する。これにより、放射パネル1に供給される冷水温度は常に20℃に維持されることになる。また、20℃の冷水の流量増加に伴い、熱交換器26を介して凝縮器13に戻される冷水が冷却され過ぎるので、これに対応して圧縮機15が周波数制御され、冷媒体コイル49に供給される冷水温度は常に7℃に維持される。
こうして、少なくともインテリアゾーンに存在する放射パネル部分1a(放射パネル1のうちインテリアゾーンに存在する放射パネル部分)におけるパネル本体7の表面温度は23℃に維持される。この結果、放射パネル部分1aの熱放射により、室内温度が28℃の場合であってもインテリアゾーンにいる居住者Hは快適感が得られることになる。
室内温度及び室内湿度は以下のように制御される。
潜熱処理用流路B1においては、圧縮機15で加圧された水蒸気は、凝縮器13で外部に熱を放出して凝縮し、液化して、連通管21を通じ圧力差により潜熱処理用流路B1の蒸発器14に送出され、該蒸発器14で外部から熱を奪って蒸発し水蒸気となる冷凍サイクルを循環する。このとき、圧縮機15は、蒸発器14で発生した水蒸気を吸い込みながら蒸発器14の真空度を7℃の飽和圧力1.0kPaに維持することで7℃の冷水を熱媒体コイル59に連続的に供給する。蒸発器14で発生した水蒸気は圧縮機15で凝縮圧力の2.8kPa(飽和凝縮温度23℃)まで圧縮され、凝縮器13内に流入する。凝縮器13においては、凝縮して液化した水冷媒が飽和温度23℃で凝縮器13からポンプP4により熱交換器26に送出され、顕熱処理用流路A1の蒸発器11から送出される19℃の冷水と熱交換器26で熱交換を行って20℃に冷却されて凝縮器13に導入され(即ち配管13aの先端部のノズルから噴射され)、前記圧縮機15から流入してきた水蒸気がこの冷却水と直接接触することにより熱交換し凝縮して液化する。また、凝縮器13で凝縮した水は、前記したように連通管21を通じ圧力差により潜熱処理用流路B1の蒸発器14に送出される。
また、室内温度の変化があると、温度センサT3によりそのことが検出され、温度検出信号が制御装置70に与えられる。制御装置70は、検出温度に応じて温度制御用ダンパー61の開度を制御する。これにより、図4に示すように、調湿ユニット68により湿度が調整された空気が、顕熱交換器58を通過する流路63Aと、顕熱交換器58を通過しない流路流路63Bとに、温度制御用ダンパー61の開度に応じて分配されて、その後混合して導入配管63を介して室内空間に導入される。従って、温度制御用ダンパー61の開度を制御することにより、分配量が調整され、所望の温度に調整された空気を室内空間に導入することが可能となる。即ち、室内温度を所定温度(28℃)に制御することが可能となる。
このようにして、夏季の場合、外気風量により室内温度を28℃に制御すると共に、少なくともインテリアゾーンに存在する放射パネル部分1a(放射パネル1のうちインテリアゾーンに存在する放射パネル部分)におけるパネル本体7の表面温度を23℃になるように制御して放射パネル部分1aの熱放射により冷房を行うことが可能となる。
本空調システムSにおいては、冷凍機をヒートポンプとして使用して暖房運転を行う。暖房の場合、顕熱処理用流路A1の圧縮機12が回転方向を逆転させて運転され、凝縮器10は蒸発器として、蒸発器11は凝縮器としてそれぞれ機能して、冷却塔18に代えて熱源水を供給する手段(例えばヒーティングタワー)を用いることにより、顕熱処理用流路A1がヒートポンプサイクルを構成する。また、潜熱処理用流路B1の圧縮機15が回転方向を逆転させて運転され、凝縮器13は蒸発器として、蒸発器14は凝縮器としてそれぞれ機能する。そして、定常時には、顕熱処理用流路A1において所定温度(26℃)に調製された温水が凝縮器(冷房時の蒸発器11に相当)から熱交換器26に送出され、熱交換器26で熱交換されて所定温度(25℃)に調製された温水が放射パネル1に供給されるようになっている。また、潜熱処理用流路B1においては、所定温度(30℃)に調製された温水が熱媒体コイル59に供給されるようになっている。
先ず、室外の空気は、給気配管57により全熱交換器53に導かれる。そして、この空気は、全熱交換器53において、室内空気導入配管55により導かれる室内空間の空気との間で全熱交換を行う。室内空間の温度及び絶対湿度は、室外の空気よりも高い状態であるから、給気配管57により導かれた低温・低湿度の空気は、温度及び湿度共に高められる。
図6は実施の形態2に係る空調システムの全体構成図である。以下、同図に基づきこの実施の形態2に係る空調システムを説明するが、同図に示す実施の形態2において前記図2に示す実施の形態1と同様の部位には同一の符号を付しその説明は省略する。また、この実施の形態2は、前記実施の形態1と同様に、空調システムを冷凍機として冷房時に使用する例を示す。
図7は実施の形態3に係る空調システムの全体構成図、図8は実施の形態3に係る空調システムにおける冷房時の流路を示す構成図、図9は実施の形態3に係る空調システムにおける暖房時の流路を示す構成図である。以下、同図に基づきこの実施の形態3に係る空調システムを説明するが、同図に示す実施の形態3において前記図2に示す実施の形態1と同様の部位には同一の符号を付しその説明は省略する。この実施の形態3は、前記実施の形態1の空調システムにおいて、顕熱処理用流路A1に地下水を用いる構成である。
地面100には、二つの井戸101,102が、適宜距離Lを隔てて掘削されている。井戸101と井戸102との間には、配管103、熱交換器26、配管104、熱交換器105、及び配管106による循環流路が形成されている。
このように顕熱処理用流路A1に地下水を用いる構成によっても、放射空調システムを構成することができる。
(1)上記実施の形態では、パネル本体の表面温度を所定温度になるように、放射パネルを通過する熱媒体の流量を変化させたけれども、放射パネルに流入する熱媒体の入口温度を変化させるようにしてもよい。また、放射パネルを通過する熱媒体の流量及び放射パネルに流入する熱媒体の入口温度の両者を変化させるようにしてもよい。
1a:放射パネル1のうちインテリアゾーンに存在する放射パネル部分
7:パネル本体 12,15:圧縮機
50:調湿換気装置 53:全熱交換器
58:顕熱交換器 59:熱媒体コイル
54,61:ダンパー 66:室内湿度制御用開閉弁
70:制御装置
T1:温度センサ(表面温度検出手段)
T2:温度センサ(外気温度検出手段)
T3:温度センサ(室内温度検出手段)
T4:湿度センサ(室内湿度検出手段)
T10:温度センサ(第1の表面温度検出手段)
T11:温度センサ(第2の表面温度検出手段)
R:被空調室 P1〜P9:ポンプ
K1:第1熱媒体流通経路 K2:第1熱媒体流通経路
Claims (6)
- 熱媒体が流れる熱媒体流通経路を構成する熱媒体流通管と該熱媒体流通管内を流れる熱媒体から受熱してその熱を放射するパネル本体とを備えた放射パネルを、被空調室の天井に設置し、放射パネルの熱放射により冷暖房を行う放射空調システムの制御方法であって、
前記パネル本体の表面温度を検出する第1ステップと、
第1ステップの検出結果に基づき、前記パネル本体の表面温度を冷房時及び暖房時に拘らず常時所定温度になるように、放射パネルを通過する熱媒体の流量及び放射パネルに流入する熱媒体の入口温度の少なくとも一方を変化させる第2ステップと、
を備え、
前記被空調室がインテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成され、前記放射パネルはインテリアゾーンとペリメータゾーンの両ゾーンに亘って設置されており、放射パネルを通過する前記熱媒体流通経路が、インテリアゾーンに設置される放射パネル専用の第1熱媒体流通経路と、ペリメータゾーンに設置される放射パネル専用の第2熱媒体流通経路の独立した2系統に分離されており、
前記第1ステップ及び前記第2ステップが、インテリアゾーンとペリメータゾーン毎に個別に行われることを特徴とする放射空調システムの制御方法。 - インテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成される被空調室の天井に、インテリアゾーンとペリメータゾーンの両ゾーンに亘って放射パネルを設置し、この放射パネルは、熱媒体が流れる熱媒体流通経路を構成する熱媒体流通管と、該熱媒体流通管内を流れる熱媒体から受熱してその熱を放射するパネル本体とを備えると共に、前記熱媒体流通経路がインテリアゾーンとペリメータゾーンとで共通の1系統の熱媒体流通経路で構成されており、放射パネルの熱放射により冷暖房を行う放射空調システムの制御方法であって、
前記インテリアゾーンに設置されている放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を検出する第1ステップと、
第1ステップの検出結果に基づき、前記インテリアゾーンに設置されている放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を冷房時及び暖房時に拘らず常時所定温度になるように、放射パネルを通過する熱媒体の流量及び放射パネルに流入する熱媒体の入口温度の少なくとも一方を変化させる第2ステップと、
を備えたことを特徴とする放射空調システムの制御方法。 - 前記被空調室の室内温度の制御が、前記パネル本体の表面温度制御とは別個独立して行われることを特徴とする請求項1又は2に記載の放射空調システムの制御方法。
- 熱媒体が流れる熱媒体流通経路を構成する熱媒体流通管と該熱媒体流通管内を流れる熱媒体から受熱してその熱を放射するパネル本体とを備えた放射パネルを、被空調室の天井に設置し、放射パネルの熱放射により冷暖房を行う放射空調システムであって、
前記パネル本体の表面温度を検出する表面温度検出手段と、
前記表面温度検出手段の検出結果に基づき、前記パネル本体の表面温度を冷房時及び暖房時に拘らず常時所定温度になるように、放射パネルを通過する熱媒体の流量及び放射パネルに流入する熱媒体の入口温度の少なくとも一方を変化させる放射パネル制御手段と、
を備え、
前記被空調室がインテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成され、前記放射パネルはインテリアゾーンとペリメータゾーンの両ゾーンに亘って設置されており、放射パネルを通過する前記熱媒体流通経路が、インテリアゾーンに設置される放射パネル専用の第1熱媒体流通経路と、ペリメータゾーンに設置される放射パネル専用の第2熱媒体流通経路の独立した2系統に分離されており、
前記表面温度検出手段は、インテリアゾーンに設置される放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を検出する第1の表面温度検出手段と、ペリメータゾーンに設置される放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を検出する第2の表面温度検出手段とを備え、
前記放射パネル制御手段は、第1の表面温度検出手段の検出結果に基づき、インテリアゾーンに設置される放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を冷房時及び暖房時に拘らず常時所定温度になるように制御すると共に、第2の表面温度検出手段の検出結果に基づき、ペリメータゾーンに設置される放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を、冷房時及び暖房時に拘らず常時前記インテリアゾーン設置のパネル本体に関する所定温度と同一の所定温度になるように制御することを特徴とする放射空調システム。 - インテリアゾーンとペリメータゾーンとから構成される被空調室の天井に、インテリアゾーンとペリメータゾーンの両ゾーンに亘って放射パネルを設置し、この放射パネルは、熱媒体が流れる熱媒体流通経路を構成する熱媒体流通管と、該熱媒体流通管内を流れる熱媒体から受熱してその熱を放射するパネル本体とを備えると共に、前記熱媒体流通経路がインテリアゾーンとペリメータゾーンとで共通の1系統の熱媒体流通経路で構成されており、放射パネルの熱放射により冷暖房を行う放射空調システムであって、
前記インテリアゾーンに設置されている放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を検出する表面温度検出手段と、
前記表面温度検出手段の検出結果に基づき、前記インテリアゾーンに設置されている放射パネルにおけるパネル本体の表面温度を冷房時及び暖房時に拘らず常時所定温度になるように、放射パネルを通過する熱媒体の流量及び放射パネルに流入する熱媒体の入口温度の少なくとも一方を変化させる放射パネル制御手段と、
を備えたことを特徴とする放射空調システム。 - 前記被空調室の室内温度を検出する室内温度検出手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、
前記被空調室の室内湿度を検出する室内湿度検出手段と、
外気を所定温度に調整する温度調整手段及び外気を所定湿度に調整する湿度調整手段を備え、該温度調整手段及び該湿度調整手段により調整された外気を被空調室に導入する調湿換気装置と、
前記室内温度検出手段、外気温度検出手段及び室内湿度検出手段の検出結果に基づき、前記調湿換気装置の温度調整手段及び湿度調整手段を制御して室内温度及び室内湿度を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項4又は5に記載の放射空調システム。
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