JP5375786B2 - 全館空調システム - Google Patents

Description

本発明は、一つの空調ユニットで家屋の複数の部屋を空調する全館空調システムに関する。

従来の全館空調では、乾球温度（空気温度）を検出するサーミスタなどの温度センサを備えたサーモスタットにより、ユーザーが設定した設定温度となるように温度制御する。
近年、ファンガー（Fanger）氏が発表した快適方程式によりPMV（予測温冷感申告：ISO7730に規定）値を導き、快適性（体感）を考慮した空調制御を行うことが知られている（例えば特許文献１）。

特許第３０９７６３３号公報

上記PMV値を上記快適方程式では、６つの変数（温度、湿度、平均輻射温度、気流速度、着衣量、人の活動量）を用いており、そのため、複数種のセンサが必要で、多くの詳細な設定や調整が必要となり、空調制御装置のコストが高くなったり、実際の設置作業員やユーザーの設定や調整の負荷が増えてしまう。

そこで、本発明は、少ない種類のセンサで、しかも設置作業者やユーザーの設定・調整の負担を軽減しつつ、快適性を満足できる全館空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１においては、ユーザーによる温度設定入力が可能な温度設定手段、部屋の空気温度を検出する部屋内空気温度センサ、ユーザーによって操作され当該ユーザーが所望する涼しさ増加度合いや暖かさ増加度合いの体感度数ｎ（ｎは−Ｎ≦ｎ≦Ｎ、Ｎは正の整数、ｎは０を含む整数）を入力する体感度数入力手段を備え、さらに、部屋内の輻射熱源の表面温度を検出する表面温度センサを備え、前記体感度数入力手段が操作されたときに、目標温度Ｔｔ［℃］を下記（ａ）式、
Ｔｔ＝（Ｔｓ−α×Ｔｈ／２）＋（Ｔｓ−β×Ｔｃ／２） ・・・（ａ）
により設定し、そして、温度制御手段により、前記部屋内空気温度センサによる検出温度Ｔａが当該目標温度Ｔｔとなるように前記空調ユニットを制御するようにした。

ただし、α＝１−ｎ／Ｎ β＝１＋ｎ／Ｎ とする。
本発明者は、次の経緯を経て、上記式（ａ）を案出した。まず、全館空調システムにおいて、次の点に着目した。全館空調システムは、一つの部屋に、温度設定スイッチ及び体感度数入力スイッチを備えると共に空気温度を検出する温度センサを備え、ユーザーが前記温度設定スイッチにより設定した温度となるように、空調ユニットの運転能力を調整し或いは空調送風量を制御して温度制御するようにした構成である。

今、空調されている部屋にいるユーザーが暑いとか寒いと感じる場合、その部屋の温度（空気温度）を感じる以外に、熱源からの輻射熱を感じる。この熱源としては、家庭電器機器が動作することによる輻射熱であったり、日射や外気温によって温度変化した壁面からの輻射熱であったりする。ここで平均的な部屋内温度は
（熱源温度+室内空気温度）×１／２
となることが判った。「１／２」は「熱源温度+室内空気温度」の平均をとる意味で１／２である。前記熱源温度としては最高温度Ｔｈ［℃］と最低温度Ｔｃ［℃］とがある。これを一つの熱源としてとらえると、熱源温度は（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２ となる。部屋内空気温度をＴａ［℃］とすると、部屋内温度をひとくくりで表すと、
部屋内温度＝｛（Ｔｈ／２＋Ｔｃ／２）＋Ｔａ｝／２
＝（Ｔｈ／２＋Ｔｃ／２＋Ｔａ）／２ となる。

ここでユーザーは、体感温度として暑い（涼しくしたい）と感じたり、又体感温度として寒い（暖かくしたい）と感じる場合には、輻射熱による影響、つまり高温側（最高温度Ｔｈ側）の影響と、低温側（最低温度Ｔｃ側）の影響が影響している。

上記影響分を最高温度Ｔｈ、最低温度ｔｃに反映させると、
体感温度は
体感温度＝α×Ｔｈ／２＋β×Ｔｃ／２＋Ｔａ）／２ となる。

ユーザーが体感度数入力手段により体感度数ｎとして例えば「１段階涼しくしたい」の趣旨である「−１」を入力する場合、そのユーザーに対して最高温度Ｔｈからの体感効果（影響）が大きく作用している。このため、その体感効果を前記最高温度Ｔｈに大きく反映させたほうが良く、逆に、最低温度Ｔｃからの体感効果は小さく作用（影響）しているから、前記最低温度Ｔｃに小さく反映させたほうが良いことが判った。又、ユーザーが逆にｎとして例えば「１段階暖かくしたい」の趣旨である「１」を入力する場合、最低温度Ｔｃからの体感効果が大きく作用し、最高温度Ｔｃからの体感効果は小さい。このため、体感効果を前記最低温度Ｔｃに大きく反映させ、又、最高温度Ｔｈに対する体感効果は小さく反映させたほうが良いことが判った。このために、この体感効果を上述の輻射放射係数α、βで補正している（体感効果を反映させている）。

α＝１−ｎ／Ｎ β＝１＋ｎ／Ｎ とする。
この輻射放射係数α、βは、涼しくしたい度合い、暖かくしたい度合いの相対的割合の目安である。
この輻射放射係数αは、体感が「涼しくしたい」ときには最高温度Ｔｈの影響が大きい趣旨であるから「Ｔｈ／２」の係数とし、輻射放射係数βは体感が「暖かくしたい」ときには最低温度Ｔｃの影響が大きい趣旨であるから「Ｔｃ／２」の係数とする。

そして、輻射放射係数αが反映された「α×Ｔｈ／２」を設定温度Ｔｓに反映させたものと、輻射放射係数βが反映された「β×Ｔｃ／２」を設定温度Ｔｓに反映させたものとを合わせることにより目標温度Ｔｔを設定する（前述の（ａ）式参照）と、ユーザーの体感が反映された目標温度Ｔｔを得ることができた。
従って、ユーザーが体感度数入力手段により体感度数ｎを入力したときに、部屋内の空気温度及び輻射熱温度を考慮し、且つ当該体感度数ｎも考慮した目標温度Ｔｔを設定でき、快適性が高い空調運転を実行できる。

さらに、前記α及びβには「涼しくしたい」場合の体感効果と、「暖かくしたい」場合の体感効果が反映されているから、涼しくする方向、暖かくする方向のいずれにも速く温度制御することができる。

そして、センサ類として、部屋内空気温度センサ及び表面温度センサといった２種類の温度センサで済み、ファンガー氏の快適方程式を採用した全館空調システムにとは違って、センサ類を少なくでき、設置作業者やユーザーの設定・調整の負担も軽減できる。

本発明の一実施形態の全館空調システムを示す概略構成図 コントローラが設置された部屋の正面図 電気的構成のブロック図 制御内容のフローチャート 目標温度の設定例を示す図

以下、本発明の一実施形態について図１ないし図５を参照して説明する。全館空調システム１は、図１に示すように、複数の部屋Ａ、部屋Ｂ、部屋Ｃ及び部屋Ｄを有する家屋２に設けられている。ここでは説明の簡単化のために４つの部屋を有する家屋２を例にとって説明するが、部屋数や部屋構成はこの家屋２には限定されるものではない。

全館空調システム１は、空調ユニット３と、給気ダクト４〜７と、回収ダクト８〜１１と、コントローラ１２（図２参照）と、制御装置１３（図３参照）とを有して構成されている。

前記空調ユニット３は、ヒートポンプを用いた冷風生成機と、ガスや石油を燃料として用いた燃料燃焼式温風生成機とを備えており、ヒートポンプのコンプレッサの回転数を変更することにより冷風生成運転の能力が可変（冷風温度の調整が可変）で、また、燃料燃焼式温風生成機の火力を調整することにより温風生成運転の能力が可変（温風温度の調整が可変）である。なお、冷風生成及び温風生成の双方をヒートポンプで担うようにしても良い。

各部屋Ａ〜Ｄの任意の側壁の上部には、冷風又は温風の吹き出し口１４〜１７が形成されており、これら吹き出し口１４〜１７は前記給気ダクト４〜７を介して前記空調ユニット３に接続されている。又、各部屋Ａ〜Ｄにおいて、前記吹き出し口１４〜１７が存在する側壁と対向する側壁の下部には冷風又は温風の回収口１８〜２１が形成されており、これら回収口１８〜２１は前記回収ダクト８〜１１を介して前記空調ユニット３に接続されている。

前記コントローラ１２は、前記部屋Ａ〜Ｄのうち、例えば居間などのように人の利用が多い部屋Ａに設置されており、このコントローラ１２には、図３に示す冷房運転及び暖房運転を切替える運転切替スイッチ２２、運転停止兼スタートスイッチ２３、各運転の制御温度を設定するための温度設定手段としての温度設定スイッチ２４、設定温度などを表示する表示器２５、及び部屋の空気温度を検出する部屋内空気温度センサ２６が設けられている。この部屋内空気温度センサ２６は例えばサーミスタから構成されている。

さらに、前記コントローラ１２には、体感度数入力手段として体感度数入力スイッチ２７が設けられている。この体感度数入力スイッチ２７は、体感が「ちょうどいい」場合にユーザーによりオン操作されるゼロスイッチ部と、体感が暑くて涼しくしたいときにオン操作されるマイナススイッチ部と、体感が涼しくて暖かくしたいときにオン操作されるプラススイッチ部とが含まれている。この場合、前記ゼロスイッチ部は制御装置１３に「ｎ＝０」を入力するためのものであり、又、マイナススイッチ部はその操作回数に応じて「ｎ＝−１、−２、・・・−Ｎ」のいずれかを入力するためのものであり、そして、プラススイッチ部はその操作回数に応じて「ｎ＝１、２、・・・Ｎ」のいずれかを入力するためのものである。

さらに前記部屋Ａには、図２に示すように表面温度センサ２８が設けられている。この表面温度センサ２８は例えば各壁面方向を指向する複数の夫々赤外線センサからなる６つの個別表面温度センサを備えて構成されており、部屋Ａ内の各種熱源（壁面や電気機器）から輻射温度（表面温度）を検出することが可能である。なお、この個別表面温度センサは、例えば部屋において表面温度が高くなる部位が予め予測され、又表面温度が低くなる部位が予め予測されている場合には、それらの部位に指向した表面温度センサであれば、２つで良く、必要に応じた数とすれば良い。

図３に示す前記制御装置１３はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えたマイクロコンピュータから構成されており、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って全館空調システム１を総括的に制御するものであり、目標温度設定手段及び温度制御手段としても機能する。

又、この制御装置１３は、前記表面温度センサ２８が検出した表面温度（輻射温度）の中から、最高温度Ｔｈ［℃］と最低温度Ｔｃ［℃］とを取得する。さらに、温度設定スイッチ２４が操作されたときに設定温度Ｔｓ［℃］を記憶手段たるＲＡＭに記憶し、前記部屋内空気温度センサ２６が検出した部屋内空気温度Ｔａを取得してＲＡＭに記憶する。

さらに又、前記制御装置１３は、記憶手段であるＲＯＭに下記式
Ｔｔ＝（Ｔｓ−α×Ｔｈ／２）＋（Ｔｓ−β×Ｔｃ／２）・・・（ａ）
を記憶している。

この場合、α＝１−ｎ／Ｎ ・・・（ｂ）
β＝１＋ｎ／Ｎ ・・・（ｃ）
上記輻射放射係数α、βは、涼しくしたい度合い、暖かくしたい度合いの相対的割合の目安である。この輻射放射係数αは、体感が「涼しくしたい」ときには最高温度Ｔｈの影響が大きい趣旨であるから「Ｔｈ／２」の係数とし、輻射放射係数βは体感が「暖かくしたい」ときには最低温度Ｔｃの影響が大きい趣旨であるから「Ｔｃ／２」の係数とする。

そして、輻射放射係数αが反映された「α×Ｔｈ／２」を設定温度Ｔｓに反映させたものと、輻射放射係数βが反映された「β×Ｔｃ／２」を設定温度Ｔｓに反映させたものとを合わせることにより目標温度Ｔｔを設定する（前述の（ａ）式参照）と、ユーザーの体感が反映された目標温度Ｔｔを得ることができる。

さて、前記制御装置１３は、前記温度設定スイッチ２４により温度設定がされたときにはこの設定温度Ｔｓを目標温度Ｔｔとして前記空調ユニット３を制御して温度制御し、前記体感度数入力スイッチ２７により度数が入力されたときに前記（ａ）式を用いて目標温度Ｔｔを設定し、前記部屋内空気温度センサ２６による検出温度Ｔａが当該目標温度Ｔｔとなるように前記空調ユニット３を制御して温度制御する。

ここで、上記目標温度Ｔｔ設定の制御内容について図４を参照して説明する。ステップＳ１では、温度設定スイッチ２４が操作されたか否かを判断し、操作されたと判断されれば、ステップＳ２で設定温度Ｔｓを取得する。
ステップＳ１で「ＮＯ」であれば、ステップＳ３に移行して、体感度数入力スイッチ２７が操作されたか否かを判断する。操作されたと判断されれば、ステップＳ４に移行して、体感度数ｎを取得する。なお、本実施形態ではＮを３としている。従って、−３≦ｎ≦３、つまり−３、−２、−１、０、１、２、３のいずれかとなる。

次のステップＳ５では、表面温度のうちの最高温度Ｔｈ［℃］、同じく表面温度のうちの最低温度Ｔｃ［℃］を取得する。
そして、ステップＳ６に移行して、輻射放射係数α、βを前記（ｂ）式、（ｃ）式から求める（取得する）。

この後、ステップＳ７に移行して、最終的に目標温度Ｔｔを前記式（ａ）により求める。
なお、図５に示すように、設定温度Ｔｓ、最高温度Ｔｈ、最低温度Ｔｃ、ユーザーにより入力された体感度数ｎを夫々例１〜８のようにした場合、目標温度Ｔｔは当該図５に示すようになる。

以上説明したように本実施形態によれば、ユーザーが体感度数入力スイッチ２７により体感度数ｎを入力したときに、輻射熱温度Ｔｈ、Ｔｃを考慮し、且つ当該体感度数ｎも考慮して、目標温度Ｔｔを設定でき、検出温度（室内空気温度Ｔａ）が当該目標温度Ｔｔとなるように空調ユニット３を制御することにより温度制御する。よって、快適性が高い空調運転を実行できる。
さらに、前記α及びβには「涼しくしたい」場合の体感効果と、「暖かくしたい」場合の体感効果が反映されているから、涼しくする方向、暖かくする方向のいずれにも速く温度制御することができる。

そして、本実施形態によれば、センサ類として、部屋内空気温度センサ２６及び表面温度センサ２７といった２種類の温度センサで済み、ファンガー氏の快適方程式を採用した全館空調システムにとは違って、センサ類を少なくでき、設置作業者やユーザーの設定・調整の負担も軽減できる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。

図面中、１は全館空調システム、２は家屋、Ａ〜Ｄは部屋、３は空調ユニット、１２はコントローラ、１３は制御装置（目標温度設定手段、温度制御手段）、２４は温度設定スイッチ（温度設定手段）、２６は部屋内空気温度センサ、２７は体感度数入力スイッチ（体感度数入力手段）、２８は表面温度センサを示す。

Claims (1)

1. 空調ユニットと、
   この空調ユニットと家屋の複数の部屋とを夫々接続し冷風又は温風を前記各部屋に供給するダクトと、
   前記複数の部屋のいずれかに設置され、ユーザーによる温度設定入力が可能な温度設定手段、部屋の空気温度を検出する部屋内空気温度センサ、ユーザーによって操作され当該ユーザーが所望する涼しさ増加度合いや暖かさ増加度合いの体感度数ｎ（ｎは−Ｎ≦ｎ≦Ｎ、Ｎは正の整数、ｎは０を含む整数）を入力する体感度数入力手段を有するコントローラと、
   前記コントローラが設定された部屋内の輻射熱源の表面温度を検出する表面温度センサと、
   前記温度設定手段により温度設定がされたときにはこの設定温度を目標温度とし、又、前記体感度数入力手段により度数が入力されたときに下記（ａ）式により目標温度を設定する目標温度設定手段と、
   前記部屋内空気温度センサによる検出温度が当該目標温度となるように前記空調ユニットを制御して温度制御する温度制御手段と、を備えてなる全館空調システム。
   前記設定温度をＴｓ［℃］とし、前記表面温度センサにより検出された表面温度のうち最高温度をＴｈ［℃］とし最低温度をＴｃ［℃］とし、目標温度をＴｔ［℃］としたとき、
   Ｔｔ＝（Ｔｓ−α×Ｔｈ／２）＋（Ｔｓ−β×Ｔｃ／２） ・・・（ａ）
   とする。
   ただし、α、βは、輻射放射係数であり、
   α＝１−ｎ／Ｎ β＝１＋ｎ／Ｎ とする。

Images