JP5375945B2 - 温度および湿度の調整を行う空調システム - Google Patents

Description

本発明は、温度および湿度の調整を行う空調システムに関する。

対象空間の温度を調整するだけではなく湿度も調整できる空調システムが、従来から存在している。例えば、特許文献１（特開２０１０−２４３００５号公報）には、半導体の製造工場等に設置される空調システムが開示されている。この空調システムでは、空調ユニットにおいて、チラーユニットから供給される冷水が熱媒体として流れる冷却熱交換器によって室内に供給される空気を冷却し、空気の冷却や除湿を行う。また、この空調システムでは、電気ヒータによる空気の加熱および散水器による空気の加湿も行うことができ、これらの冷却、除湿、加熱、加湿を組み合わせることによって、温度調整および湿度調整をしている。

上記の特許文献１（特開２０１０−２４３００５号公報）の空調システムでは、３０℃の空気を冷却熱交換器によって１０℃まで冷却して除湿を行い、冷却／除湿された空気を電気ヒータで加熱して室内空間に送風ファンによって供給する、いわゆる再熱除湿運転についても記述されている。除湿のために一旦空気を十分に冷却し、それでは目標温度を下回ることになるので電気ヒータで空気を再加熱するという再熱除湿運転は、除湿能力を確保しつつ温度調整も行うために必要な運転である。しかし、再熱除湿運転では、電気ヒータによる再加熱を行うため、消費電力が大きくなる。

本発明の課題は、温度および湿度の調整を行う空調システムにおいて、再熱量を小さく抑え、エネルギー消費量を低減することにある。

本発明の第１観点に係る空調システムは、対象空間の顕熱負荷および潜熱負荷を必要量だけ処理し、対象空間の温度および湿度を目標値に調整する空調システムである。この空調システムは、冷却熱交換器と、加熱器と、送風ファンと、制御部とを備えている。冷却熱交換器には、対象空間に吹き出す空気を冷却するための熱媒体が流れる。そして、冷却熱交換器は、熱媒体と空気との間で熱交換を行わせ、空気の冷却および除湿を行う。加熱器は、冷却熱交換器で冷却および除湿された空気を、加熱する。送風ファンは、冷却熱交換器および加熱器を経て対象空間へと吹き出される空気の流れを、生成する。制御部は、冷熱量調整部と、加熱量調整部と、送風量調整部とを有している。冷熱量調整部は、冷却熱交換器において熱媒体から空気へと供給される冷熱量を、調整する。加熱量調整部は、加熱器から空気に供給される加熱量を、調整する。送風量調整部は、送風ファンによる送風量を、調整する。送風ファンは、回転数を段階的に変化させることが可能なファンである。また、制御部は、送風ファンの回転数の段階ごとに、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理するために必要な冷熱量および加熱量を求め、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量および送風量の組合せの中から、送風量が最も小さくなる組合せを選択して冷熱量、加熱量および送風量を調整する。

この第１観点に係る空調システムでは、対象空間に吹き出される空気の冷却および除湿を冷却熱交換器が担い、加熱を加熱器が担う。冷却熱交換器において熱媒体から空気へと冷熱が供給されると、空気の温度が下がるとともに、空気に含まれる水分が結露することで空気の湿度が下がる。したがって、対象空間の潜熱負荷を必要量だけ処理するために空気の除湿を行ったことに付随して、対象空間の顕熱負荷を必要量以上に処理してしまい空気の温度が下がりすぎる現象が起こることがあるが、そのときには加熱器によって空気を再加熱し、対象空間の顕熱負荷および潜熱負荷を必要量だけ処理する。ここで、対象空間の潜熱負荷を必要量だけ処理することについて考えると、送風量が多い場合には冷却熱交換器における単位時間当たりの熱媒体から空気への冷熱量が少なくても大丈夫であるが、送風量が少ない場合には単位時間当たりの空気への冷熱量が多く必要となる。したがって、これまでは、制御に余裕を持たせるために、送風量をある程度確保する制御を採ることが多かった。しかし、送風量が多くなると、送風量が少ない場合に較べて、冷却熱交換器が処理する顕熱負荷および潜熱負荷の総量に対する顕熱負荷の処理量の割合（Sensible Heat Factor；以下、顕熱比という。）が大きくなり、潜熱負荷を処理したときに同時に処理される顕熱負荷の処理量が増えてしまう。そこで、本願の発明者は、送風量に着目し、送風ファンの回転数の段階ごとに必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理するために必要な冷熱量および加熱量を求め、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量および送風量の組合せの中から送風量が最も小さくなる組合せを選択して冷熱量、加熱量および送風量を調整することを考え出した。これにより、冷却熱交換器で空気の顕熱負荷を必要量以上に処理してしまう場合にも、その超過処理量を小さく抑えることができるようになり、その結果、加熱器による再加熱の加熱量が抑えられてシステムの省エネルギー化を図ることができるようになる。

なお、第２の組合せの冷熱量、加熱量および送風量を選択する方法としては、例えば、予め送風量および冷熱量による冷却熱交換器の顕熱処理量（冷却処理量）および潜熱処理量（除湿処理量）のモデル式又はデータを作成しておき、潜熱負荷に一致する処理量を実現できる第１の組合せの送風量よりも小さい送風量での冷媒量を計算することで実現する方法がある。

本発明の第２観点に係る空調システムは、第１観点に係る空調システムであって、制御部は、送風ファンの回転数の現在の段階の上下１段階について、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理するために必要な冷熱量および加熱量を求める。

本発明の第３観点に係る空調システムは、第１観点又は第２観点に係る空調システムであって、冷却装置と、熱媒体回路とをさらに備えている。冷却装置は、空気と熱交換した熱媒体を冷やす。熱媒体回路は、ポンプを有しており、冷却装置と冷却熱交換器との間で熱媒体を循環させる。そして、冷熱量調整部は、冷却装置による熱媒体の冷却量と、冷却熱交換器を流れる熱媒体の流量との少なくとも一方を変化させることで、冷却熱交換器において熱媒体から空気へと供給される冷熱量を調整する。また、熱媒体回路は、熱媒体の流量を調整できる流量調整弁をさらに有している。ポンプは、容量調整が可能である。加熱器は、出力を段階的に変化させることが可能な電気ヒータである。冷熱量調整部は、ポンプの容量および／または流量調整弁の開度を変化させることで、冷却熱交換器を流れる熱媒体の流量を調整する。加熱量調整部は、加熱器の出力を変化させることで、空気の加熱量を調整する。送風量調整部は、送風ファンの回転数を変化させることで、送風量を調整する。

送風量が比較的少なく加熱量が小さくなる組合せを選択したときには、冷熱量を増やすことで必要量の顕熱負荷および潜熱負荷の処理を行うことになるが、この第３観点に係る空調システムでは、冷却装置による熱媒体の冷却量および／または冷却熱交換器を流れる熱媒体の流量を増加させて、空気に供給する単位時間当たりの冷熱量を増やすことができる。例えば、熱媒体が水である場合、冷却熱交換器を流れる水温の上昇および／または水量の増加を実施して、単位時間当たりの冷熱量を増やすことができる。

また、第３観点に係る空調システムでは、容量調整が可能なポンプに加え、流量調整弁も備えているため、単位時間当たりに冷却熱交換器を流れる熱媒体の流量を容易に調整することができる。また、加熱器の出力を変化させるだけで加熱量の調整ができる。そして、比較的エネルギー効率が悪い電気ヒータを採用しているけれども、ここでは加熱器による再加熱の加熱量が抑えられるため、空調システム全体の省エネルギー化を図ることができる。

なお、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理する必要があるため、負荷がゼロでなければ、ある程度の送風量が必要である。送風量を絞った結果、負荷が処理できなくなったときには、送風量を増やすことになる。

本発明に係る空調システムによれば、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量および送風量の組合せの中から、送風量が最も小さくなる組合せを選択して冷熱量、加熱量および送風量を調整するため、除湿をするために冷却熱交換器で空気の顕熱負荷を必要量以上に処理してしまう場合にも、その超過処理量を小さく抑えることができるようになり、加熱器による再加熱の加熱量が抑えられてシステムの省エネルギー化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る空調システムの概略構成図。 空調システムのコントローラのブロック図。 各ＰＩＤの入力、出力を示す図。 各ＰＩＤの出力値の増分値の比較結果に基づく修正を示す図。 各ＰＩＤの出力値の増分値の比較結果に基づく修正を示す図。 冷房除湿運転のときの空気の冷却および除湿を示す湿り空気線図。 冷房加湿運転のときの空気の冷却および除湿を示す湿り空気線図。 除湿暖房運転のときの空気の冷却および除湿を示す湿り空気線図。 暖房加湿運転のときの空気の冷却および除湿を示す湿り空気線図。 （ａ）第１状況（除湿暖房運転）から第２状況（冷房加湿運転）への移行における従来の各出力値の時間変化を示す図。（ｂ）第１状況（除湿暖房運転）から第２状況（冷房加湿運転）への移行における従来の温度および湿度の時間変化を示す図。（ｃ）第１状況（除湿暖房運転）から第２状況（冷房加湿運転）への移行における各出力値の時間変化を示す図。（ｄ）第１状況（除湿暖房運転）から第２状況（冷房加湿運転）への移行における温度および湿度の時間変化を示す図。 （ａ）第２状況（冷房加湿運転）から第１状況（除湿暖房運転）への移行における従来の各出力値の時間変化を示す図。（ｂ）第２状況（冷房加湿運転）から第１状況（除湿暖房運転）への移行における従来の温度および湿度の時間変化を示す図。（ｃ）第２状況（冷房加湿運転）から第１状況（除湿暖房運転）への移行における各出力値の時間変化を示す図。（ｄ）第２状況（冷房加湿運転）から第１状況（除湿暖房運転）への移行における温度および湿度の時間変化を示す図。 定期的な冷却負荷推定処理および冷却ＰＩＤの冷却要求出力値を示す図。 風量の大小と再熱量との関係を示す湿り空気線図。

（１）空調システムの全体構成
本発明の一実施形態に係る空調システム１０は、室内空間ＲＭの顕熱負荷および潜熱負荷を必要量だけ処理し、室内空間ＲＭの湿度と温度とを調節することができるように構成されたシステムであり、半導体の製造工場などのクリーンルームに設置される。図１に示すように、空調システム１０は、室内空間ＲＭから室内空気ＲＡを取り込み、湿度や温度を調節した後の空気を、供給空気ＳＡとして室内空間ＲＡへ送る。空調システム１０は、主として、チラーユニット５０と空調ユニット２０とを備え、冷媒回路５１と放熱回路６０と熱媒体回路４０とを有している。

（２）空調システムの詳細構成
（２−１）冷媒回路
冷媒回路５１は、チラーユニット５０に含まれており、冷媒を循環させて蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行う閉回路である。冷媒回路５１には、圧縮機５２、放熱器５４、膨張弁５６、蒸発器５８などが接続されている。

圧縮機５２は、運転容量の調節が可能である。圧縮機５２のモータには、インバータを介して電力が供給される。インバータの出力周波数を変更すると、モータの回転数（回転速度）が変更され、圧縮機５２の運転容量が変わる。

放熱器５４は、冷媒回路５１と接続されている第１伝熱管と、放熱回路６０と接続されている第２伝熱管とを有しており、冷媒回路５１側の第１伝熱管を流れる冷媒と放熱回路６０側の第２伝熱管を流れる熱媒体との間で熱交換を行わせる。

蒸発器５８は、冷媒回路５１と接続されている第１伝熱管と、熱媒体回路４０と接続されている第２伝熱管とを有しており、冷媒回路５１側の第１伝熱管を流れる冷媒と熱媒体回路４０側の第２伝熱管を流れる熱媒体との間で熱交換を行わせる。

（２−２）放熱回路
放熱回路６０には、熱媒体としての水が充填されている。放熱回路６０には、上述した放熱器５４と水ポンプ６２とクーリングタワー７０とが接続されている。水ポンプ６２は、吐出流量の調節が可能であり、放熱回路６０の水を循環させる。クーリングタワー７０では、放熱回路６０を循環する水が冷却される。なお、図１において、水ポンプ６２に付した矢印は、放熱回路６０における水の流れる方向を意味している。

（２−３）熱媒体回路
熱媒体回路４０は、熱媒体としての水が充填された閉回路を構成している。熱媒体回路４０には、上述した蒸発器５８と循環ポンプ４２と空気冷却熱交換器２２とが接続されている。循環ポンプ４２は、容量調整が可能であって吐出流量を調節することができ、熱媒体回路４０の水を循環させる。蒸発器５８では、熱媒体回路４０を循環する熱媒体が冷却される。なお、図１において、循環ポンプ４２に付した矢印は、熱媒体回路４０における水の流通方向を意味している。

また、図１には、１つの空調ユニット２０とその空気冷却熱交換器２２とだけが示されているが、熱媒体回路４０は、複数の空調ユニットそれぞれの空気冷却熱交換器２２と蒸発器５８とを結んでおり、全体流量は循環ポンプ４２の吐出流量によって決まり、各空気冷却熱交換器２２に流す熱媒体の流量は流量調整弁４４の開度によって決まる。

（２−４）空調ユニットの構成
空調ユニット２０は、概ね直方体形状のケーシング２１を有している。ケーシング２１の内部には、空気が流通する空気通路が形成されている。空気通路の流入端には、吸込ダクト３２の一端が接続している。吸込ダクト３２の他端は室内空間ＲＭにつながっている。空気通路の流出端には、給気ダクト３１の一端が接続している。給気ダクト３１の他端は室内空間ＲＭにつながっている。

ケーシング２１内の空気通路には、上流側から下流側に向かって順に、空気冷却熱交換器２２、電気ヒータ２４、散水式加湿器２６、及び送風ファン２８が配備されている。電気ヒータ２４は、空気冷却熱交換器２２を通過した空気を加熱する。電気ヒータ２４は、空気の温度を上げるための機器であり、出力を段階的に変化させることが可能で、空気の加熱量を調節できる。散水式加湿器２６は、ケーシング２１の外部に設置されたタンク（図示省略）の水をノズルから空気中へ散布することで、ケーシング２１内を流れる空気を加湿する。散水式加湿器２６は、空気の湿度を高めるための機器であり、空気への加湿量を調節できる。送風ファン２８は、インバータ制御によって回転数を段階的に変化させることが可能で、送風量を調節できる送風機である。送風ファン２８は、空気冷却熱交換器２２、電気ヒータ２４および散水式加湿器２６を経て室内空間ＲＭへと吹き出される空気の流れを生成する。

空気冷却熱交換器２２は、空気を冷却して、空気の温度を下げたり空気を除湿して湿度を低めたりする機器である。すなわち、空気冷却熱交換器２２は、空気の冷却機能および除湿機能を併せ持っており、空気を露点温度以下まで冷却することができる。空気冷却熱交換器２２は、複数の伝熱フィンと、それらの伝熱フィンを貫通する伝熱管とを有する、フィンアンドチューブ式の熱交換器である。前述のように、空気冷却熱交換器２２の伝熱管には、熱媒体回路４０を循環する熱媒体である冷水が流れ、伝熱管および伝熱フィンを介して冷水の冷熱が空気に供給されることで空気が冷却される。

（２−５）空調システムコントローラの構成
空調システム１０は、制御手段としての空調システムコントローラ８０をさらに備えている。コントローラ８０については、後に詳述する。

（３）空調システムの基本動作
次に、空調システム１０の運転動作について説明する。空調システム１０は、空気の冷却と除湿を行う冷房除湿運転（図６参照）、空気の冷却と加湿を行う冷房加湿運転（図７参照）、空気の除湿と加熱とを行う除湿暖房運転（図８参照）および空気の加熱と加湿とを行う暖房加湿運転（図９参照）のいずれかを行うことで、例えば室内空間ＲＭの温度および湿度を、設定温度（目標温度）である２３℃および設定湿度（目標湿度）である５０％になるように空気調和を行う。

図６に示す冷房除湿運転では、圧縮機５２、水ポンプ６２、循環ポンプ４２、および送風ファン２８の運転が行われる。冷房除湿運転では、基本的には、電気ヒータ２４が停止状態となり、散水式加湿器２６の散水も停止状態となる。冷房除湿運転では、冷媒回路５１において冷凍サイクルが行われる。具体的に、圧縮機５２で圧縮された冷媒が、放熱器５４において、放熱回路６０を流れる水に放熱して凝縮する。放熱器５４で冷却された冷媒は、膨張弁５６で減圧された後に、蒸発器５８において、熱媒体回路４０を流れる水から吸熱して蒸発する。蒸発器５８で蒸発した冷媒は、圧縮機５２に吸入されて圧縮される。なお、放熱器５４で加熱された放熱回路６０を流れる水は、クーリングタワー７０において室外空気へ放熱する。熱媒体回路４０では、冷媒回路５１の蒸発器５８で冷却された水が、空気冷却熱交換器２２において、ケーシング２１内の空気通路を流れる空気を冷却する。空気冷却熱交換器２２を通過した水は、冷媒回路５１の蒸発器５８に戻って再び冷却される。熱媒体回路４０では、蒸発器５８において水が冷媒から得た冷熱が、空気冷却熱交換器２２に搬送され空気に供給される。空調ユニット２０では、吸込ダクト３２によって室内空間ＲＭから取り込まれた室内空気ＲＡが、ケーシング２１内の空気通路を流れる。この空気は、空気冷却熱交換器２２において熱媒体回路４０の水によって冷却されて除湿される。空気冷却熱交換器２２で冷却／除湿された空気は、給気ダクト３１を経由して、供給空気ＳＡとして室内空間ＲＭへ供給される。なお、室内空気の顕熱負荷および潜熱負荷が、空気冷却熱交換器２２による冷却／除湿によって必要量だけ丁度処理され、空気の再加熱や加湿が必要ない場合に、この冷房除湿運転が行われることになる。

図７に示す冷房加湿運転は、冷房除湿運転に加えて散水式加湿器２６の散水による加湿が行われる運転である。空気冷却熱交換器２２において熱媒体回路４０の水によって空気が冷却されて除湿されるまでは、上述の冷房除湿運転と同じであり、その冷却／除湿された空気に散水式加湿器２６による散水が行われる。この冷房加湿運転は、空気冷却熱交換器２２による冷却／除湿で、設定温度は達成されるが、冷却に伴う除湿効果によって室内空間ＲＭの湿度が設定湿度を下回るようなときに行われる運転である。

図８に示す除湿暖房運転は、再熱除湿運転とも呼ばれる運転で、空気冷却熱交換器２２による除湿／冷却で、設定湿度は達成されるが、除湿に伴う冷却効果によって室内空間ＲＭの温度が設定温度を下回るようなときに行われる運転である。この除湿暖房運転では、空気冷却熱交換器２２において除湿のために空気に供給された冷熱量が大きく、必要以上に空気が冷やされた場合に、電気ヒータ２４が作動して空気を再加熱する。

図９に示す暖房加湿運転では、電気ヒータ２４、散水式加湿器２６及び送風ファン２８の運転が行われる。一方、圧縮機５２、水ポンプ６２、及び循環ポンプ４２は、停止される。暖房加湿運転では、空調ユニット２０において、室内空間ＲＭから取り込まれた空気が、まず電気ヒータ２４によって加熱され、次に散水式加湿器２６によって加湿されて、供給空気ＳＡとして室内空間ＲＭへ供給される。

（４）空調システムのコントローラによる詳細制御
上述の空調システムの基本動作は、図２に示すコントローラ８０によって制御される。制御手段としての空調システム１０に備わるコントローラ８０は、具体的には、圧縮機５２、膨張弁５６、水ポンプ６２、循環ポンプ４２、流量調整弁４４、電気ヒータ２４、散水式加湿器２６、送風ファン２８、等を制御する。コントローラ８０は、空調ユニット２０や熱媒体回路４０の機器だけではなく、チラーユニット５０の冷媒回路５１や放熱回路６０の機器の制御も行うが、ここでは空調ユニット２０や熱媒体回路４０の機器の制御に焦点を当てて説明を行う。冷媒回路５１や放熱回路６０の機器の制御では、圧縮機５２、膨張弁５６、水ポンプ６２の出力や開度を調節して、熱媒体回路４０において蒸発器５８から流出する冷水の温度が目標値になるようにするが、ここでは冷水の温度を一定の目標値に制御しているという前提で説明を進める。

コントローラ８０は、図２に示すように、室内空間ＲＭの空気の温度を測る室内温度センサ９５、室内空間ＲＭの空気の湿度を測る室内湿度センサ９６、その他の各種センサからの入力を受けて、空調ユニット２０の電気ヒータ２４、散水式加湿器２６および送風ファン２８や熱媒体回路４０の循環ポンプ４２および流量調整弁４４の制御を行う。また、コントローラ８０は、記憶部としてのメモリ８１を有している。このメモリ８１には、ユーザーによって入力された室内空間ＲＭの設定温度や設定湿度が記憶されている。

コントローラ８０は、メモリ８１等に書き込まれているプログラムをＣＰＵが実行することにより各機器の制御を行うが、ＣＰＵがプログラムを実行することで、コントローラ８０は種々の機能を持つことになる。ここでは、それらのコントローラ８０の機能を、図２に示すように、冷熱量調整部８２、加熱量調整部８４、加湿量調整部８６、送風量調整部８８と称することにする。また、図２において、コントローラ８０を、２つのＰＩＤ調節器を含むものとして表現している。このうち、設定温度と室内温度センサ９５による室内温度の計測値とが入力され冷却要求出力値ＴｃＭＶや加熱要求出力値ＴｈＭＶを出力するものを温度ＰＩＤ調節器１０１と呼び、設定湿度と室内湿度センサ９６による室内湿度の計測値とが入力され除湿要求出力値ＨｃＭＶや加湿要求出力値ＨｈＭＶを出力するものを湿度ＰＩＤ調節器１０２と呼ぶ。温度ＰＩＤ調節器１０１は、加熱要求出力値ＴｈＭＶを出力する加熱ＰＩＤ１０１ａと、冷却要求出力値ＴｃＭＶを出力する冷却ＰＩＤ１０１ｂとを含んでいる。湿度ＰＩＤ調節器１０２は、除湿要求出力値ＨｃＭＶを出力する除湿ＰＩＤ１０２ａと、加湿要求出力値ＨｈＭＶを出力する加湿ＰＩＤ１０２ｂとを含んでいる。そして、冷熱量調整部８２は、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの大きなほうの値を、冷熱出力指示値として循環ポンプ４２および流量調整弁４４に送る。加熱量調整部８４は、加熱要求出力値ＴｈＭＶを、加熱出力指示値として電気ヒータ２４に送る。加湿量調整部８６は、加湿要求出力値ＨｈＭＶを、加湿出力指示値として散水式加湿器２６に送る。また、送風量調整部８８は、送風出力指示値を送風ファン２８に送る。

（４−１）温度ＰＩＤ調節器による冷却要求出力値および加熱要求出力値の決定
温度ＰＩＤ調節器１０１は、制御入力（ＰＶ）、設定入力（ＳＶ）および制御出力（ＭＶ）を備えるＰＩＤコントローラであって、標準的なＰＩＤ制御基本式による演算を行う機器である。制御入力（ＰＶ）として室内温度センサ９５による室内温度の計測値である現在温度ＰＶｔが入力され、設定入力（ＳＶ）としてメモリ８１に記憶されている設定温度ＳＶｔが入力され、制御出力（ＭＶ）として冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび加熱要求出力値ＴｈＭＶを出力する。

温度ＰＩＤ調節器１０１は、図３に示すように、室内温度センサ９５で計測された現在温度ＰＶｔと設定温度ＳＶｔとの偏差に基づき、比例動作（Ｐ動作）、積分動作（Ｉ動作）および微分動作（Ｄ動作）を組み合わせたＰＩＤ制御ロジックを用いて、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび加熱要求出力値ＴｈＭＶを演算する。ＰＩＤ制御ロジックには、下記の式１および式２が用いられる。式２はＰＩＤ動作の演算式である。
（式１）：
ｕ（ｎ）＝ｕ（ｕ−１）＋Δｕ（ｎ）
（式２）：
Δｕ（ｎ）＝Ｋｐ×［ｅ（ｎ）−ｅ（ｎ−１）］＋（Ｔ／Ｔｌ）×ｅ（ｎ）＋（ＴＤ／Ｔ）×［ｅ（ｎ）−２×ｅ（ｎ−１）＋ｅ（ｎ−２）］

ｕ（ｎ）は、今回の顕熱負荷計算で算出される出力値、ｕ（ｎ−１）は、前回の顕熱負荷計算で算出された出力値、Δｕ（ｎ）は、修正値、をそれぞれ表している。Ｋｐは、比例ゲイン、Ｔｌは、積分時間、ＴＤは、微分時間、Ｔは、タイムステップ、をそれぞれ表している。ｅ（ｎ）は、今回の顕熱負荷計算における室内温度センサ９５の計測値と設定温度との差、ｅ（ｎ−１）は、前回の顕熱負荷計算における室内温度センサ９５の計測値と設定温度との差、ｅ（ｎ−２）は、前々回の顕熱負荷計算における室内温度センサ９５の計測値と設定温度との差、をそれぞれ表している。

（４−２）湿度ＰＩＤ調節器による除湿要求出力値および加湿要求出力値の決定
湿度ＰＩＤ調節器１０２も、温度ＰＩＤ調節器１０１と同様のＰＩＤコントローラであって、制御入力（ＰＶ）として室内湿度センサ９６による室内湿度の計測値である現在湿度ＰＶｈが入力され、設定入力（ＳＶ）としてメモリ８１に記憶されている設定湿度ＳＶｈが入力され、制御出力（ＭＶ）として除湿要求出力値ＨｃＭＶおよび加湿要求出力値ＨｈＭＶを出力する。

湿度ＰＩＤ調節器１０２は、図３に示すように、室内湿度センサ９６で計測された現在湿度ＰＶｈと設定湿度ＳＶｈとの偏差に基づき、温度ＰＩＤ調節器１０１と同様のＰＩＤ制御ロジックを用いて、除湿要求出力値ＨｃＭＶおよび加湿要求出力値ＨｈＭＶを演算する。演算方法については、温度ＰＩＤ調節器１０１と同様であるため説明は省略する。

（４−３）冷熱量調整部による冷却要求出力値および除湿要求出力値の修正
冷熱量調整部８２は、空気冷却熱交換器２２において熱媒体から空気へと供給される冷熱量を調整するために設けられたコントローラ８０の機能部であり、冷熱出力指示値を循環ポンプ４２および流量調整弁４４に送り、空気冷却熱交換器２２を流れる熱媒体の流量を調節する。ここでは、熱媒体回路４０において蒸発器５８から流出する冷水の温度を一定の目標値に制御しているという前提なので、空気冷却熱交換器２２を流れる熱媒体（冷水）の流量に応じて冷却熱交換器２２における熱媒体から空気へと供給される冷熱量が変わる。

上述のように、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの大きなほうの値が、冷熱量調整部８２から循環ポンプ４２および流量調整弁４４に冷熱出力指示値として送られるが、その前に、冷熱量調整部８２は、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの修正を行う。

（４−３−１）加熱要求出力値および加湿要求出力値による修正
冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび加熱要求出力値ＴｈＭＶは、相反する要求に関する値であるため、一方がゼロではない値になっていれば他方はゼロになるように、冷熱量調整部８２による修正が行われる（図３〜図５参照）。

また、除湿要求出力値ＨｃＭＶおよび加湿要求出力値ＨｈＭＶは、相反する要求に関する値であるため、一方がゼロではない値になっていれば他方はゼロになるように、冷熱量調整部８２による修正が行われる。

（４−３−２）増分値の比較結果に基づく修正
上記のように、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび加熱要求出力値ＴｈＭＶは、一方がゼロにならなければ他方に値が入らないため、室内空間ＲＭの負荷変動によって除湿暖房運転から冷房加湿運転に移行するような場合に、加湿動作が遅れて室内空間ＲＭの湿度が設定湿度を大きく下回ってしまうことが想定される（図１０（ａ），（ｂ）参照）。また、逆に冷房加湿運転から除湿暖房運転に移行するような場合に、加熱動作が遅れて室内空間ＲＭの温度が設定温度を大きく下回ってしまうことが想定される（図１１（ａ），（ｂ）参照）。こうなってしまうと、加湿を行う散水式加湿器２６や加熱を行う電気ヒータ２４を余分に動かす必要が生じ、無駄なエネルギーを消費してしまうことになる。

このような事態を回避するために、ここでは、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロより大きく且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロ以下であるときに、除湿要求出力値ＨｃＭＶをゼロにする（図４参照）。さらに、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロ以下であり且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロより大きいときに、冷却要求出力値ＴｃＭＶをゼロにする（図５参照）。

また、ともに空気冷却熱交換器２２の制御パラメータである冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶについては、それらの増分値ΔＴｃＭＶおよび増分値ΔＨｃＭＶを監視することによって、冷却／除湿のどちらが支配的になるのかを判断できる。このような本願発明者の新しい知見に基づき、ここでは、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロより大きく且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロ以下であるときに、除湿要求出力値ＨｃＭＶをゼロにするという修正に加え、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値を新しい冷却要求出力値ＴｃＭＶにするという修正を、冷熱量調整部８２に行わせている。また、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロ以下であり且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロより大きいときに、冷却要求出力値ＴｃＭＶをゼロにするという修正に加え、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値を新しい除湿要求出力値にするという修正を、冷熱量調整部８２に行わせている。ここで、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値は、今の冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値、或いは、それよりも前回の冷却要求出力値ＴｃＭＶまたは除湿要求出力値ＨｃＭＶが大きければその値、である。

（４−３−３）定期的な冷却負荷推定処理，除湿負荷推定処理に基づく修正
以上のように、冷熱量調整部８２は、温度ＰＩＤ調節器１０１の冷却ＰＩＤ１０１ｂから出力される冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび湿度ＰＩＤ調節器１０２の除湿ＰＩＤ１０２ａから出力される除湿要求出力値ＨｃＭＶの修正を行う。これに加え、冷熱量調整部８２は、数秒単位の間隔（図１２の時間間隔Ｔｐを参照）で行われるＰＩＤ動作（演算）とは異なる、１分以上の数分単位の間隔（図１２の時間間隔Ｔｂを参照）で定期的に行われる冷却負荷推定処理および除湿負荷推定処理に基づく出力値修正も行っている。この冷却負荷推定処理および除湿負荷推定処理と、それに基づく出力値の修正について、図１２を参照しながら説明する。

冷熱量調整部８２は、定期的に、室内空間ＲＭの冷却負荷および除湿負荷を推定し、それらの推定負荷に基づき、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの変更が必要だと判断したときに、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶを書き換える。図１２に、室内空間ＲＭの冷却負荷の推定処理およびそれに基づく冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正（書き換え）の概要を示す。冷却負荷の推定処理は、数分の時間間隔Ｔｂで定期的に行われる。この推定処理では、まず冷却ＰＩＤ１０１ｂからＰＩＤ動作で演算された冷却要求出力値ＴｃＭＶを受信し、最適制御値Ｑｓｌｏａｄの計算を行う。この計算は、以下の計算式を用いて行われる。
（式３）：

Ｑｓｌｏａｄ（ｉ−１）は、前回の推定処理における最適制御値、Ｑｓｃは、空気冷却熱交換器２２の定格能力、をそれぞれ表している。定格能力Ｑｓｃについては、値を大きくしすぎると負荷増減量が大きくなりハンチングの要因になり、小さすぎると逆に応答性がわるくなるので、運転温湿度条件での顕熱能力値、潜熱能力値を用いる。もし空気冷却熱交換器２２やチラーユニット５０が過剰設計されている場合でも、その過剰に設計された設計値に基づいた顕熱能力値、潜熱能力値を用いる。

ＴｃＭＶｐｖ（ｉ）は、今回受信した冷却要求出力値ＴｃＭＶ、ＴｃＭＶｍｖ（ｉ−１）は、前回の推定処理で冷却ＰＩＤ１０１ｂに送信した最適制御値（書き換え後の前回の冷却要求出力値ＴｃＭＶ）、をそれぞれ表している。但し、前回の推定処理で冷却ＰＩＤ１０１ｂへの最適制御値の送信が行われなかったときには、ＴｃＭＶｍｖ（ｉ−１）は前回の推定処理で受信した冷却要求出力値ＴｃＭＶｐｖ（ｉ−１）となる。

また、（Ｇａｃ／Ｇａ）の０．５乗（平方根）は、送風ファン２８の風量による修正係数である。Ｇａｃは、送風ファン２８の定格風量、Ｇａは、現在の風量を、それぞれ表している。

以上のようにして求めた最適制御値Ｑｓｌｏａｄは、今回冷却ＰＩＤ１０１ｂから受信した冷却要求出力値ＴｃＭＶとの差が大きければ、冷却ＰＩＤ１０１ｂに送信されて冷却要求出力値ＴｃＭＶの書き換えが行われる。最適制御値Ｑｓｌｏａｄと冷却要求出力値ＴｃＭＶとの差が小さければ、冷却ＰＩＤ１０１ｂへの最適制御値Ｑｓｌｏａｄの送信は行われず、冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正（書き換え）も行われない。

なお、制御開始時においては、循環ポンプ４２のモータのインバータ周波数、流量調整弁４４の開度および熱媒体回路４０の配管モデルから空気冷却熱交換器２２に流れている水量と送水ヘッドを計算し、空調ユニット２０の入口条件（入口空気量、空気温湿度）や加熱、加湿の入力値から能力を計算して、それを現在の冷却負荷とする。制御開始時以外の前回のＱｓｌｏａｄ（ｉ−１）についても、例えば制御操作（送水圧）の時間遅れを考慮して、前回の流量調整弁４４の開度と現在の送水圧から同様の計算で求めることもある。例えば、前回に循環ポンプ４２へ負荷５ｋｗでの制御値を送信したが、送水圧が増加せず４ｋＷの能力しかでていないのに室内空間ＲＭの温度が下がりすぎて流量調整弁４４の開度を下げていくような場合があり、前回の５ｋＷから負荷増減分を引いても現在能力４ｋＷ以上となれば外乱要因になるため、前回の負荷を現在の送水圧での能力に置き換えて換えて再度計算することもある。

次に、室内空間ＲＭの除湿負荷の推定処理や除湿要求出力値ＨｃＭＶの修正であるが、上記の室内空間ＲＭの冷却負荷の推定処理や冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正と同様であるため、最適制御値Ｑｌｌｏａｄの計算式だけを以下に示す。
（式４）：

Ｑｌｌｏａｄ（ｉ−１）は、前回の推定処理における最適制御値、Ｑｌｃは、空気冷却熱交換器２２の定格能力、をそれぞれ表している。

ＨｃＭＶｐｖ（ｉ）は、今回受信した除湿要求出力値ＨｃＭＶ、ＨｃＭＶｍｖ（ｉ−１）は、前回の推定処理で除湿ＰＩＤ１０２ａに送信した最適制御値（書き換え後の前回の除湿要求出力値ＨｃＭＶ）、をそれぞれ表している。但し、前回の推定処理で除湿ＰＩＤ１０２ａへの最適制御値の送信が行われなかったときには、ＨｃＭＶｍｖ（ｉ−１）は前回の推定処理で受信した除湿要求出力値ＨｃＭＶｐｖ（ｉ−１）となる。

（４−４）冷熱量調整部による冷熱出力指示値の決定
上述のように、冷熱量調整部８２は、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの大きなほうの値を、冷熱出力指示値として循環ポンプ４２および流量調整弁４４に送る。これに応じて、循環ポンプ４２の吐出流量および流量調整弁４４の開度が調整され、空気冷却熱交換器２２を流れる熱媒体（冷水）の流量が調整される。

（４−５）加熱量調整部による加熱要求出力値の修正
加熱量調整部８４は、電気ヒータ２４から空気に供給される加熱量を調整するために設けられたコントローラ８０の機能部であり、加熱出力指示値を電気ヒータ２４に送る。

加熱量調整部８４は、加熱ＰＩＤ１０１ａから出力される加熱要求出力値ＴｈＭＶに基づいた加熱出力指示値を電気ヒータ２４に送るが、その前に、加熱要求出力値ＴｈＭＶの修正を行う。

（４−５−１）冷却要求出力値による修正
冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび加熱要求出力値ＴｈＭＶは、相反する要求に関する値であるため、一方がゼロではない値になっていれば他方はゼロになるように、加熱量調整部８４による加熱要求出力値ＴｈＭＶの修正（ゼロにする修正）が行われる（図３〜図５参照）。

（４−５−２）定期的な加熱負荷推定処理に基づく修正
加熱量調整部８４は、定期的に、室内空間ＲＭの加熱負荷を推定し、その推定負荷に基づき、加熱要求出力値ＴｈＭＶの変更が必要だと判断したときに、加熱要求出力値ＴｈＭＶを書き換える。

室内空間ＲＭの加熱負荷の推定処理や加熱要求出力値ＴｈＭＶの修正であるが、上記の室内空間ＲＭの冷却負荷の推定処理や冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正と同様であるため、最適制御値Ｅｌｏａｄの計算式だけを以下に示す。
（式５）：

Ｅｌｏａｄ（ｉ−１）は、前回の推定処理における最適制御値、Ｅｃは、電気ヒータ２４の定格能力、をそれぞれ表している。

ＴｈＭＶｐｖ（ｉ）は、今回受信した加熱要求出力値ＴｈＭＶ、ＴｈＭＶｍｖ（ｉ−１）は、前回の推定処理で加熱ＰＩＤ１０１ａに送信した最適制御値（書き換え後の前回の加熱要求出力値ＴｈＭＶ）、をそれぞれ表している。但し、前回の推定処理で加熱ＰＩＤ１０１ａへの最適制御値の送信が行われなかったときには、ＴｈＭＶｍｖ（ｉ−１）は前回の推定処理で受信した加熱要求出力値ＴｈＭＶｐｖ（ｉ−１）となる。

なお、電気ヒータ２４の加熱能力は送風ファン２８の風量による影響を殆ど受けないため、冷却負荷の推定処理で用いた（Ｇａｃ／Ｇａ）の０．５乗という修正係数は使用していない。

（４−６）加熱量調整部による加熱出力指示値の決定
加熱量調整部８４は、加熱ＰＩＤ１０１ａから出力される加熱要求出力値ＴｈＭＶを加熱出力指示値として電気ヒータ２４に送る。それに基づいて電気ヒータ２４の出力が自動的に調節され、電気ヒータ２４から空気に供給される加熱量が調整される。

（４−７）加湿量調整部による加湿要求出力値の修正
加湿量調整部８６は、散水式加湿器２６から空気に供給される加湿量を調整するために設けられたコントローラ８０の機能部であり、加湿出力指示値を散水式加湿器２６に送る。

加湿量調整部８６は、加湿ＰＩＤ１０２ｂから出力される加湿要求出力値ＨｈＭＶに基づいた加湿出力指示値を散水式加湿器２６に送るが、その前に、加湿要求出力値ＨｈＭＶの修正を行う。

（４−７−１）除湿要求出力値による修正
除湿要求出力値ＨｃＭＶおよび加湿要求出力値ＨｈＭＶは、相反する要求に関する値であるため、一方がゼロではない値になっていれば他方はゼロになるように、加湿量調整部８６による加湿要求出力値ＨｈＭＶの修正（ゼロにする修正）が行われる（図３〜図５参照）。

（４−７−２）定期的な加湿負荷推定処理に基づく修正
加湿量調整部８６は、定期的に、室内空間ＲＭの加湿負荷を推定し、その推定負荷に基づき、加湿要求出力値ＨｈＭＶの変更が必要だと判断したときに、加湿要求出力値ＨｈＭＶを書き換える。

室内空間ＲＭの加湿の推定処理や加湿要求出力値ＨｈＭＶの修正であるが、上記の室内空間ＲＭの冷却負荷の推定処理や冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正と同様であるため、最適制御値Ｋｌｏａｄの計算式だけを以下に示す。
（式６）：

Ｋｌｏａｄ（ｉ−１）は、前回の推定処理における最適制御値、Ｋｃは、散水式加湿器２６の定格能力、をそれぞれ表している。

ＨｈＭＶｐｖ（ｉ）は、今回受信した加湿要求出力値ＨｈＭＶ、ＨｈＭＶｍｖ（ｉ−１）は、前回の推定処理で加湿ＰＩＤ１０２ｂに送信した最適制御値（書き換え後の前回の加湿要求出力値ＨｈＭＶ）、をそれぞれ表している。但し、前回の推定処理で加湿ＰＩＤ１０２ｂへの最適制御値の送信が行われなかったときには、ＨｈＭＶｍｖ（ｉ−１）は前回の推定処理で受信した加湿要求出力値ＨｈＭＶｐｖ（ｉ−１）となる。

なお、散水式加湿器２６の加湿能力は送風ファン２８の風量による影響を殆ど受けないため、冷却負荷の推定処理で用いた（Ｇａｃ／Ｇａ）の０．５乗という修正係数は使用していない。

（４−８）加湿量調整部による加湿出力指示値の決定
加湿量調整部８６は、加湿ＰＩＤ１０２ｂから出力される加湿要求出力値ＨｈＭＶを加湿出力指示値として散水式加湿器２６に送る。それに基づいて散水式加湿器２６の散水量が自動的に調節され、散水式加湿器２６から空気に供給される加湿量が調整される。

（４−９）送風量調整部による送風出力指示値の決定
送風量調整部８８は、送風ファン２８による送風量を調整するために設けられたコントローラ８０の機能部であり、送風出力指示値を送風ファン２８に送り送風ファン２８の回転数を変化させることで、空気冷却熱交換器２２、電気ヒータ２４および散水式加湿器２６を経て室内空間ＲＭへと吹き出される空気の送風量を調整する。送風出力指示値を受けた送風ファン２８は、その指示値に応じてファンステップが調節される。

送風量調整部８８は、必要量の室内空間ＲＭの顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量、加湿量および送風量の組合せの中に、第１の組合せと、その第１の組合せよりも送風量が小さい第２の組合せとが存在するときに、第２の組合せを選択する。そのようにして決まった送風ファン２８の送風量を前提として、上記の冷熱量調整部８２、加熱量調整部８４および加湿量調整部８６は、冷却要求出力値ＴｃＭＶ、除湿要求出力値ＨｃＭＶ、加熱要求出力値ＴｈＭＶおよび加湿要求出力値ＨｈＭＶを求め、冷熱出力指示値、加熱出力指示値および加湿出力指示値を決定している。

具体的には、送風量調整部８８は、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量、加湿量および送風量の組合せの中から、送風量が最も小さくなる組合せを選択し、その送風量を前提として冷熱量、加熱量および加湿量を決めている。

これは、例えば、従来は次のような状況が生じていることに本願発明者が気づいて発明した送風量の決定方法である。その状況とは、クリーンルームの空調において、目標となる設定温度および設定湿度が２３℃／５０％であり、空気が２７℃／６０％であったときに、例えば所定風量のときには一旦空気を１２℃／９５％まで冷却することによって空気中に含まれる水分量を減らし、電気ヒータで再加熱して２３℃／５０％にするような状況である（２７℃で相対湿度６０％のときの水分量よりも１２℃で相対湿度９５％のときの水分量のほうが少ない）。この状況では、電気ヒータの消費エネルギーが空調システム全体の消費エネルギーに占める割合が２０％〜４０％にもなり、ヒートポンプに較べてエネルギー効率の悪い電気ヒータに高い出力を出させており、空調システム全体の消費エネルギーが大きい。

このような状況について本願発明者は、顕熱負荷および潜熱負荷に対する顕熱負荷の比である顕熱比（ＳＨＦ）から空気冷却熱交換器２２が処理する顕熱負荷および潜熱負荷の顕熱比が大きく外れるか小さく外れるかは、風量によって変わるということを見いだした。同一の冷却能力のときには、風量が大きいほど顕熱比が大きく、風量が小さいほど顕熱比が小さくなる。そして、本願発明者は、予め風量（送風量）および冷熱量による冷却熱交換器の顕熱処理量（冷却処理量）および潜熱処理量（除湿処理量）のモデル式又はデータを作成しておき、送風ファン２８のファンステップごとに負荷処理に必要となる冷熱量、加熱量および加湿量を求め、空気冷却熱交換器２２、電気ヒータ２４および散水式加湿器２６の能力の範囲で送風量を一番小さくできる冷熱量、加熱量および加湿量の組合せを算出することを発明している。

以上のように、送風量調整部８８およびコントローラ８０は、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる最も小さい送風量から送風出力指示値を決め、その送風量を前提として、上述の冷熱出力指示値、加熱出力指示値および加湿出力指示値を決めている。

なお、計算時間の短縮のため、全てのファンステップごとの計算ではなく、現在値のファンステップの上下１ステップのみの計算し、数回にかけて送風量を一番小さくできる冷媒量、加熱量および加湿量の組合せを算出および各指示値を決めてもよい。

また、同じ顕熱負荷および潜熱負荷に対する一つの送風ファンのファンステップにおける冷媒量、加熱量の組合せは、ただ１つでしかないので、送風出力指示値のみの変更ではなく、送風出力指示値を変更したときには必ず冷熱出力指示値および加熱出力指示値を変更することになる。

（５）空調システムの特徴
（５−１）
この空調システム１０では、空気の冷却および除湿の２つの動作を空気冷却熱交換器２２に担わせており、コントローラ８０は、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値に応じて、空気冷却熱交換器２２において熱媒体から空気へと供給される冷熱量を制御している。一方、冷却と加熱とは相反する動作であり、除湿と加湿とも相反する動作であるため、冷却要求出力値ＴｃＭＶがゼロでなければ加熱要求出力値ＴｈＭＶに応じた電気ヒータ２４による加熱は行われず、除湿要求出力値ＨｃＭＶがゼロでなければ加湿要求出力値ＨｈＭＶに応じた散水式加湿器２６による加湿は行われない。

このような空調システム１０において、もしも、上述のように冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶや除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶに基づいて冷却要求出力値ＴｃＭＶや除湿要求出力値ＨｃＭＶを強制的にゼロにする制御を行わなければ、室内空間ＲＭの負荷変動が起こり加熱と除湿とが要求される第１状況（除湿暖房運転）から冷却と加湿とが要求される第２状況（冷房加湿運転）に移行する必要があるときに、現実には加熱や加湿の動作に遅れが出てしまい、不要なエネルギー消費が生じてしまうことになる（図１０（ａ），（ｂ）参照）。なぜなら、第１状況から第２状況に至って除湿要求出力値ＨｃＭＶがゼロになってから加湿が行われるのでは、それまでの間に、除湿要求出力値ＨｃＭＶよりも大きくなった冷却要求出力値ＴｃＭＶに基づいて調整されている冷熱量が空気冷却熱交換器２２において熱媒体から空気へと供給されて除湿要求量以上の除湿動作が行われることがあり、その場合には加湿が開始される時点で既に室内空間ＲＭの湿度が目標湿度を大きく下回る状態になってしまうからである。また、図１１（ａ）に示すように、第２状況から第１状況に移行する必要がある負荷変動が起こった場合、冷却要求出力値ＴｃＭＶがゼロになってから加熱が行われるのでは、それまでの間に、冷却要求出力値ＴｃＭＶよりも大きくなった除湿要求出力値ＨｃＭＶに基づいて調整されている冷熱量が空気冷却熱交換器２２において熱媒体から空気へと供給されて冷却要求量以上の冷却動作が行われることがあり、その場合には加熱が開始される時点で既に室内空間ＲＭの温度が目標温度を大きく下回る状態になってしまうからである（図１１（ｂ）参照）。

このような不要なエネルギー消費が生じることを回避するために、空調システム１０では、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロより大きく且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロ以下であるときに、除湿要求出力値ＨｃＭＶをゼロにし（図４参照）、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロ以下であり且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロより大きいときに、冷却要求出力値ＴｃＭＶをゼロにしている（図５参照）。すなわち、空調システム１０では、空気の冷却および除湿の２つの動作を担う空気冷却熱交換器２２に対する冷熱量の制御を決める冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶについて、冷却と除湿との何れが支配的になっていくのかをコントローラ８０が判断し、支配的ではないほうの出力値をゼロにする制御を行っている。具体的には、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶを監視し、一方がゼロより大きく他方がゼロ以下であるときに、増分値がゼロ以下のほうの出力値を強制的にゼロに書き換えている。これにより、顕熱および潜熱の負荷変動への追従性が向上し、加熱や加湿の開始が遅れて不要なエネルギー消費が生じてしまうことが抑制される（図１０（ｃ），（ｄ）および図１１（ｃ），（ｄ）を参照）。

（５−２）
また、空調システム１０では、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロより大きく且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロ以下であるときに、除湿よりも冷却のほうが支配的になってきていると判断し、除湿要求出力値ＨｃＭＶを強制的にゼロに書き換えるとともに、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値を新しい冷却要求出力値ＴｃＭＶとして書き込む制御を行っている（図４参照）。このように、冷却と除湿のうち冷却が支配的になってきて除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値がゼロ以下になったときに、支配的になってきている冷却の動作が優先されるように冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶを書き換えるため、加湿の動作が遅れることが抑制されるとともに、冷却要求出力値ＴｃＭＶが適切に修正されて、顕熱および潜熱の負荷変動への追従性が向上している（図１０（ｃ），（ｄ）を参照）。

一方、冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロ以下であり且つ除湿要求出力値ＨｃＭＶの増分値ΔＨｃＭＶがゼロより大きいときには、冷却よりも除湿のほうが支配的になってきていると判断し、冷却要求出力値ＴｃＭＶを強制的にゼロに書き換えるとともに、冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶのうち大きいほうの出力値を新しい除湿要求出力値ＨｃＭＶとして書き込む制御を行っている（図５参照）。このように、冷却と除湿のうち除湿が支配的になってきて冷却要求出力値ＴｃＭＶの増分値ΔＴｃＭＶがゼロ以下になったときに、支配的になってきている除湿の動作が優先されるように冷却要求出力値ＴｃＭＶおよび除湿要求出力値ＨｃＭＶを書き換えるため、加熱の動作が遅れることが抑制されるとともに、除湿要求出力値が適切に修正されて、顕熱および潜熱の負荷変動への追従性が向上している（図１１（ｃ），（ｄ）を参照）。

（５−３）
この空調システム１０では、基本的には、設定温度および設定湿度に対する現在温度および現在湿度の偏差に基づいた出力値（加熱要求出力値ＴｈＭＶ、冷却要求出力値ＴｃＭＶ、除湿要求出力値ＨｃＭＶ、加湿要求出力値ＨｈＭＶ）の決定が温度ＰＩＤ調節器１０１や湿度ＰＩＤ調節器１０２で行われて、各機器（循環ポンプ４２、流量調整弁４４、電気ヒータ２４、散水式加湿器２６）の制御が行われる。ただ、更に潜熱負荷や顕熱負荷の推定精度を高めて適切な制御を行うために、空調システム１０では、定期的に室内空間ＲＭの冷却負荷、除湿負荷、加熱負荷および加湿負荷の推定が行われ、例えば冷却負荷推定処理においては、推定された最適制御値Ｑｓｌｏａｄと冷却ＰＩＤ１０１ｂから受信した冷却要求出力値ＴｃＭＶとの差が大きければ、冷却ＰＩＤ１０１ｂの冷却要求出力値ＴｃＭＶの修正（書き換え）が行われる。このように各負荷推定処理において、出力値（加熱要求出力値ＴｈＭＶ、冷却要求出力値ＴｃＭＶ、除湿要求出力値ＨｃＭＶ、加湿要求出力値ＨｈＭＶ）の修正が行われるため、単に温度ＰＩＤ調節器１０１や湿度ＰＩＤ調節器１０２だけを使って制御する場合に較べて、負荷に応じた適切な空調制御が行われることになる。

定期的な負荷推定処理は、１分以上の数分単位の間隔で行われるため、温度ＰＩＤ調節器１０１や湿度ＰＩＤ調節器１０２における数秒単位の間隔で行われるＰＩＤ動作では考慮できないことまで加味した推定が行われることになり、潜熱負荷や顕熱負荷の推定精度が高くなるというメリットが得られている。すなわち、温度ＰＩＤ調節器１０１や湿度ＰＩＤ調節器１０２での偏差に基づく出力値の決定では微小時間の変化だけしか考慮されていないという推定方法のデメリットが、定期的な負荷推定処理によって緩和され、結果として負荷の推定精度が向上し適切な空調制御が行われるようになっている。

なお、空調システム１０では、（Ｇａｃ／Ｇａ）の０．５乗（平方根）という送風ファン２８の風量による修正係数を用いて、冷却負荷の最適制御値Ｑｓｌｏａｄや除湿負荷の最適制御値Ｑｌｌｏａｄの計算を行っている。空気冷却熱交換器２２のように、熱媒体と空気との間で熱交換をさせるような機器では、通過する空気の風量によって能力が変わるが、ここでは風量による修正係数を用いているため、より適切な最適制御値が求まり、引いては適切な空調制御ができるようになっている。

（５−４）
空調システム１０では、室内空間ＲＭに吹き出される空気の冷却および除湿を空気冷却熱交換器２２が担い、加熱を電気ヒータ２４が担う。空気冷却熱交換器２２において熱媒体である冷水から空気へと冷熱が供給されると、空気の温度が下がるとともに、空気に含まれる水分が結露することで空気の湿度が下がる。したがって、室内空間ＲＭの潜熱負荷を必要量だけ処理するために空気の除湿を行ったことに付随して、室内空間ＲＭの顕熱負荷を必要量以上に処理してしまい空気の温度が下がりすぎる現象が起こることがあるが、そのときには電気ヒータ２４によって空気を再加熱し、室内空間ＲＭの顕熱負荷および潜熱負荷を必要量だけ処理する（図８参照）。ここで、室内空間ＲＭの潜熱負荷を必要量だけ処理することについて考えると、送風ファン２８による送風量が多い場合には空気冷却熱交換器２２における単位時間当たりの熱媒体から空気への冷熱量が少なくても大丈夫であるが、送風量が少ない場合には単位時間当たりの空気への冷熱量が多く必要となる。したがって、これまでは、制御に余裕を持たせるために、送風量をある程度確保する制御を採ることが多かった。

しかし、本願の発明者は、送風量が多くなると、送風量が少ない場合に較べて、空気冷却熱交換器２２が処理する顕熱負荷および潜熱負荷の総量に対する顕熱負荷の処理量の割合（Sensible Heat Factor；顕熱比）が大きくなり、潜熱負荷を処理したときに同時に処理される顕熱負荷の処理量が増えてしまうことに気づいた。そこで、本願の発明者は、送風量に着目し、必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる冷熱量、加熱量および送風量の組合せの中に、第１の組合せと、その第１の組合せよりも送風量が小さい第２の組合せとが存在するときに、第２の組合せを選択して冷熱量、加熱量および送風量を調整することを考え出した。これにより、空気冷却熱交換器２２で空気の顕熱負荷を必要量以上に処理してしまう場合にも、その超過処理量を小さく抑えることができるようになり、その結果、電気ヒータ２４による再加熱の加熱量が抑えられて空調システム１０の省エネルギー化を図ることができるようになっている。

例えば、図１３を参照すると、風量１、除湿量（冷却量）１、加熱量１という第１の組合せのときには電気ヒータ２４による再熱量が第１再熱量となる。一方、風量１よりも小さい風量２、除湿量（冷却量）２、加熱量２という第２の組合せのときには電気ヒータ２４による再熱量が第２再熱量となる。風量が少ない風量２の第２の組合せのときには、風量が少ない分だけ空気冷却熱交換器２２に流す冷水の量を増やす必要があるけれども、電気ヒータ２４による再熱量が、第１の組合せのときの第１再熱量よりも小さい第２再熱量になる。第２の組合せでは、冷水の量が増えるためにチラーユニット５０の消費電力が少し増えてしまうが、電気ヒータ２４の消費電力が減り、全体としては消費電力量が抑制される。ここでは、電気ヒータ２４の効率よりも、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うチラーユニット５０の効率のほうが高いためである。すなわち、比較的エネルギー効率が悪い電気ヒータ２４を採用していても、できるだけ送風ファン２８の送風量を絞る空調システム１０では、電気ヒータ２４による再加熱の加熱量が抑えられ、空調システム１０全体の省エネルギー化を図ることができている。

（６）変形例
（６−１）変形例１Ａ
上記の実施形態に係る空調システム１０では、熱媒体回路４０において蒸発器５８から流出する冷水の温度が一定に制御されているという前提で、冷熱量調整部８２の冷熱出力指示値に応じて循環ポンプ４２の吐出流量および流量調整弁４４の開度が調整され、空気冷却熱交換器２２を流れる熱媒体（冷水）の流量が調整されて、空気冷却熱交換器２２における熱媒体から空気へと供給される冷熱量の調整が行われるという説明をしている。

しかし、更に熱媒体回路４０において蒸発器５８から流出する冷水の温度というパラメータを使い、冷水の温度および冷水の流量によって空気冷却熱交換器２２における熱媒体から空気へと供給される冷熱量の調整を行うこともできる。この場合、冷水の温度を調整するときに、チラーユニット５０の圧縮機５２、膨張弁５６、水ポンプ６２の出力や開度が調節されることになり、チラーユニット５０の能力を上げて冷水の温度を低くして、さらに風量を絞ることで電気ヒータ２４の再熱量を抑制することができる。

（６−２）変形例１Ｂ
上記の実施形態に係る空調システム１０では、温度ＰＩＤ調節器１０１や湿度ＰＩＤ調節器１０２においてＰＩＤ制御ロジックを使っているが、このＰＩＤ制御ロジックの他に、ＰＩ制御やＩ−ＰＤなど派生的なＰＩＤ制御など、別の公知の制御ロジックを用いることも可能である。

（６−３）変形例１Ｃ
上記の実施形態に係る空調システム１０では、室内空間ＲＭから取り込まれた室内空気ＲＡが空調ユニット２０のケーシング２１内の空気通路を流れ、空気調和後に供給空気ＳＡとして室内空間ＲＭへ供給される形態を想定しているが、図１において破線で示すように、室外から取り込んだ室外空気ＯＡを外気取り入れダクト３３を介してケーシング２１内に取り込み、その空気を空気調和して室内空間ＲＭへ供給するように構成することもできる。また、室内空気ＲＡおよび室外空気ＯＡの両方を空調ユニット２０に取り入れて室内空間ＲＭへと供給する空調システムにおいても、本発明を適用することができる。

（６−４）変形例１Ｄ
上記の実施形態に係る空調システム１０では、電気ヒータ２４の加熱能力や散水式加湿器２６の加湿能力が送風ファン２８の風量による影響を殆ど受けないことに鑑み、定期的な負荷推定処理における最適制御値の計算において送風ファン２８の風量による修正係数を使っていないが、加熱器として温水コイル（空気加熱熱交換器）を使ったり加湿器として蒸気コイルを使ったりする場合には、冷却負荷の最適制御値Ｑｓｌｏａｄや除湿負荷の最適制御値Ｑｌｌｏａｄの計算と同様に送風ファン２８の風量による修正係数を使うことが望ましい。

１０ 空調システム
２２ 空気冷却熱交換器
２４ 電気ヒータ
２６ 散水式加湿器
２８ 送風ファン
４２ 循環ポンプ
４４ 流量調整弁
５０ チラーユニット（冷却装置）
８０ コントローラ（制御部）
８１ メモリ（記憶部）
８２ 冷熱量調整部
８４ 加熱量調整部
８６ 加湿量調整部
８８ 送風量調整部
９５ 室内温度センサ
９６ 室内湿度センサ
１０１ 温度ＰＩＤ調節器
１０２ 湿度ＰＩＤ調節器
ＨｃＭＶ 除湿要求出力値
ＨｈＭＶ 加湿要求出力値
ＴｃＭＶ 冷却要求出力値
ＴｈＭＶ 加熱要求出力値
ΔＨｃＭＶ 除湿要求出力値の増分値
ΔＴｃＭＶ 冷却要求出力値の増分値
Ｑｓｌｏａｄ 冷却負荷の最適制御値（冷却負荷）
Ｑｌｌｏａｄ 除湿負荷の最適制御値（除湿負荷）
Ｅｌｏａｄ 加熱負荷の最適制御値（加熱負荷）
Ｋｌｏａｄ 加湿負荷の最適制御値（加湿負荷）

特開２０１０−２４３００５号公報

Claims (3)

1. 対象空間（ＲＭ）の顕熱負荷および潜熱負荷を必要量だけ処理し、前記対象空間の温度および湿度を目標値に調整する空調システム（１０）であって、
   前記対象空間に吹き出す空気を冷却するための熱媒体が流れ、前記熱媒体と前記空気との間で熱交換を行わせ、前記空気の冷却および除湿を行う冷却熱交換器（２２）と、
   前記冷却熱交換器で冷却および除湿された前記空気を加熱する加熱器（２４）と、
   前記冷却熱交換器および前記加熱器を経て前記対象空間へと吹き出される前記空気の流れを生成する送風ファン（２８）と、
   前記冷却熱交換器において前記熱媒体から前記空気へと供給される冷熱量を調整する冷熱量調整部（８２）と、前記加熱器から前記空気に供給される加熱量を調整する加熱量調整部（８４）と、前記送風ファンによる送風量を調整する送風量調整部（８８）とを有する、制御部（８０）と、
   を備え、
   前記送風ファン（２８）は、回転数を段階的に変化させることが可能なファンであり、
   前記制御部（８０）は、
   前記送風ファン（２８）の回転数の段階ごとに、前記必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理するために必要な前記冷熱量および前記加熱量を求め、
   前記必要量の顕熱負荷および潜熱負荷が処理できる前記冷熱量、前記加熱量および前記送風量の組合せの中から、前記送風量が最も小さくなる組合せを選択して前記冷熱量、前記加熱量および前記送風量を調整する、
   空調システム。
2. 前記制御部（８０）は、前記送風ファン（２８）の回転数の現在の段階の上下１段階について、前記必要量の顕熱負荷および潜熱負荷を処理するために必要な前記冷熱量および前記加熱量を求める、
   請求項１に記載の空調システム。
3. 前記空気と熱交換した前記熱媒体を冷やす冷却装置（５０）と、
   ポンプ（４２）を有し、前記冷却装置と前記冷却熱交換器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体回路（４０）と、
   をさらに備え、
   前記冷熱量調整部は、前記冷却装置による前記熱媒体の冷却量と、前記冷却熱交換器を流れる前記熱媒体の流量との少なくとも一方を変化させることで、前記冷熱量を調整し、
   前記熱媒体回路（４０）は、前記熱媒体の流量を調整できる流量調整弁（４４）をさらに有し、
   前記ポンプ（４２）は、容量調整が可能であり、
   前記加熱器（２４）は、出力を段階的に変化させることが可能な電気ヒータであり、
   前記冷熱量調整部（８２）は、前記ポンプの容量および／または前記流量調整弁の開度を変化させることで前記冷却熱交換器を流れる前記熱媒体の流量を調整し、
   前記加熱量調整部（８４）は、前記加熱器の出力を変化させることで前記空気の加熱量を調整し、
   前記送風量調整部（８８）は、前記送風ファンの回転数を変化させることで前記送風量を調整する、
   請求項１又は２に記載の空調システム。

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