JP5820232B2 - 表面温度推定装置、表面温度推定方法および結露判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、チルドビームや放射パネル等に設けられた熱交換器の表面温度を推定する表面温度推定装置および表面温度推定方法、ならびに、その表面温度に基づいて熱交換器の結露の発生を判定する結露判定装置に関するものである。

従来より、熱処理された冷媒が供給される熱交換器を用いた空調装置が知られている。この種の空調装置は、冷媒を循環させるコイルや放射パネル等の熱交換器を各被制御空間の天井などに配設して、この熱交換器からの輻射と対流によって熱伝達をおこなうので、省エネルギー性に優れた空調技術として、近年注目を浴びている。このような空調装置のうち熱交換器を備えたチルドビームの一例を図４に示す。

図４において、チルドビーム３００は、天井裏に配設された熱交換器３０１と、この熱交換器３０１の上方に配設され、熱交換器３０１の周囲に向いた吹き出し口３０２ａを有するダクト３０２と、これらを覆う筐体３０３とから構成されている。このような構成を有するチルドビーム３００では、熱交換器３０１に、外部より冷却（または加熱）された冷媒が供給される一方、ダクト３０２に、外調機によって外気を一定レベルまでに熱処理された調和空気がファンで加圧され供給されている。この調和空気は、吹き出し孔３０２ａから筐体３０４の底面に設けられた通気口３０４に向けて吹き出される。このとき、周囲の空気を引き込んで送風するいわゆる誘引効果により、熱交換器３０１により冷却（または加熱）された空気が、吹き出し孔３０２ａから供給される調和空気により吸引され、互いに混合した状態で室内に供給される。

ところで、物理現象として、空気や物質の温度よりも露点温度が高くなると、結露や凝集が生じる。このため、上述したチルドビームにおいても、空気の露点温度が熱交換器の表面温度を超えると、結露が発生する可能性が高くなる。ところが、チルドビームや放射パネルといった空調装置は、その構造上、コイルや放射パネルといった熱交換器に結露した水を排出する機構を設けることを想定していない。このため、このような空調装置では、結露の発生を予測して、水滴が室内に滴下しないように給気や冷媒の温度を制御する必要がある。そこで、従来より、結露の発生を予測するための様々な方法が提案されている。

例えば、熱交換器に供給される冷媒の温度と、チルドビームが配設された被空調空間内の露点温度とを比較する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、熱交換器の表面温度が供給される冷媒の温度と同等であると仮定して、その冷媒の温度と露点温度とを比較することにより、結露の発生を予測している。ここで、冷媒の温度は、熱源の出口に設けられた温度センサにより測定されている。
また、別の方法として、熱交換器の表面に温度センサを取り付けて、この温度センサにより測定された温度とチルドビームが配設された被空調空間内の露点温度とを比較する方法も提案されている。

特開２００９−０３６５０６号公報 特開２０１１−０４１４３７号公報 特開平０９−１１３０６４号公報

しかしながら、上述した方法では、以下に示すような問題があった。

例えば、冷媒の温度と露点温度とを比較する方法では、熱源の出口で冷媒の温度を測定するので、この測定された温度と、実際に熱交換器に供給される冷媒の温度とが異なってしまう。これは、通常、チルドビームが被空調空間の天井、熱源が地下室や屋上に配設されるので、チルドビームと熱源との距離が離れてしまうため、熱源からチルドビームの熱交換器に送出される途中で冷媒に熱損失が生じてしまうからである。このように、実際の冷媒の温度を測定できなかったので、この冷媒の温度から導出する熱交換器の表面温度も実際の温度と異なるものとなってしまうため、結果として、結露の発生についても適切に予測することが困難であった。

また、熱交換器の表面に取り付けられた温度センサにより測定された温度と露点温度とを比較する方法では、その温度センサにより測定される温度が、実際の熱交換器の表面温度とはならない。これは、熱交換器においては対流による伝熱が大きいためであり、実験によるとその温度センサにより測定される温度が熱交換器の表面の実際の表面の温度よりも熱交換器の周囲における空気の温度に近い値になってしまう。このため、その温度センサでは熱交換器の実際の表面温度を測定できなかったので、結果として、結露の発生についても適切に予測することが困難であった。

このように、熱交換器に供給される冷媒の温度や熱交換器の表面温度について実際の温度を測定することが困難であるので、結露についても適切に予測することが困難であった。

なお、別の方法として、上述した２つの方法とは異なって熱源の出口や熱交換器の表面に温度センサを設けず、熱交換器の表面に結露スイッチを設ける方法も提案されている（例えば、特許文献２，３参照。）。ここで、結露スイッチとは、内部に湿度センサを備えたものであり、例えば９０％ＲＨ（Relative Humidity）など相対湿度が１００％ＲＨに近づくとＯＮとなり、結露が発生したこと示す装置である。ところが、この方法では、結露スイッチの設定等により検出精度が左右されるので、現時点においては、信頼性が高いものとは言えない。

そこで、本発明は、結露の発生を予測するのに適した熱交換器の表面温度を得ることができる表面温度推定装置、表面温度推定方法および結露判定装置を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る表面温度推定装置は、熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器の表面温度を推定する表面温度推定装置であって、熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１のセンサと、熱交換器の表面に配設されて温度を測定する第２のセンサと、第１のセンサにより測定された温度と第２のセンサにより測定された温度とに基づいて、熱交換器の表面の温度を推定する推定部とを備えたことを特徴とするものである。

上記表面温度推定装置において、推定部は、第１のセンサにより測定された温度と第２のセンサにより測定された温度とを加重平均することにより熱交換器の表面の温度を推定するようにしてもよい。

また、本発明に係る表面温度推定方法は、熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器の表面温度を推定する表面温度推定方法であって、熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１の測定ステップと、熱交換器の表面に配設されたセンサにより温度を測定する第２の測定ステップと、第１の測定ステップにより測定された温度と第２の測定ステップより測定された温度とに基づいて、熱交換器の表面の温度を推定する推定ステップとを有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る結露判定装置は、被空調空間に配設され、熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器への結露の発生を判定する結露判定装置であって、熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１のセンサと、熱交換器の表面に配設されて温度を測定する第２のセンサと、被空調空間の露点温度を測定する第３のセンサと、第１のセンサにより測定された温度と第２のセンサにより測定された温度とに基づいて、熱交換器の表面の温度を推定する推定部と、この推定部による推定結果と、第３のセンサにより測定された露点温度とに基づいて、熱交換器に結露が発生するか否かを判定する判定部とを備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、熱源から供給される冷媒の温度と、熱交換器の表面に配設された第２のセンサにより測定された温度とに基づいて、熱交換器の表面の温度を推定することにより、結露の発生を予測するのに適した熱交換器の表面の温度を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る空気調和システムの構成を模式的に示す図である。 図２は、図１における制御装置の構成を示すブロック図である。 図３は、熱交換器に関連する各位置における温度勾配を示す図である。 図４は、チルドビームの構成を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る空気調和システム１は、被空調空間１１ａ〜１１ｃの天井裏に配設されたチルドビーム１２ａ〜１２ｃと、これらのチルドビーム１２ａ〜１２ｃに外気を熱処理した調和空気および熱処理した冷媒（冷温水）を供給する外調機１３とから構成される。また、外調機１３には、熱源装置（図示せず）から外調機１３に導入される冷媒の量を調整するバルブ１４ａ，１４が設けられている。
一方、被空調空間１１ａ〜１１ｃには、被空調空間内の室内露点温度を測定する室内センサ１５ａ〜１５ｃが配設されている。また、チルドビーム１２ａの熱交換器１２１ａの表面には、温度を測定する表面温度センサ１６が配設されている。また、冷媒用配管１７１には、外調機１３から供給される冷媒の温度（以下、「送水温度」と言う。）を測定する出口温度センサ１７が配設されている。また、ダクト１８１には、外調機１３から供給される調和空気の温度を測定する給気センサ１８が設けられている。
このような空気調和システム１を制御する制御装置として、室内センサ１５ａ〜１５ｃ、表面温度センサ１６、出口温度センサ１７、給気センサ１８から取得する各種情報に基づいて外調機１３の運転およびバルブ１４ａ，１４ｂの開度を制御する制御装置１９が設けられている。
なお、図１において、同じ被空調空間１１ａ〜１１ｃに対応づけられた構成要素には、同じ添え字ａ〜ｃを付している。

ここで、チルドビーム１２ａ〜１２ｃは、背景技術の欄において図４を参照して説明したチルドビーム３００と同等の構成を有するものであり、熱交換器１２１ａ〜１２１ｃおよびダクト１２２ａ〜１２２ｃを備えている。このようなチルドビーム１２ａ〜１２ｃには、外調機１３から熱処理された冷媒が熱交換器１２１ａ〜１２１ｃに供給されるとともに、外調機１３から熱処理された調和空気がダクト１２２ａ〜１２２ｃを介して被空調空間１１ａ〜１１ｃに供給される。

外調機１３は、ボイラ等の熱源装置から供給される温水ＨＷにより外気を加熱する加熱コイル１３１と、冷却塔等の熱源装置から供給される冷水ＣＷにより外気を冷却する冷却コイル１３２と、加熱コイル１３１または冷却コイル１３２により熱処理が行われた外気（調和空気）を送出するファン１３３とを備えている。ここで、加熱コイル１３１または冷却コイル１３２を通過した温水ＨＷや冷水ＣＷからなる冷媒は、チルドビーム１２ａ〜１２ｃの熱交換器１２１ａ〜１２１ｃに供給されて循環する。また、ファン１３により送出された調和空気は、チルドビーム１２ａ〜１２ｃのダクト１２１ａ〜１２１ｃに供給される。

バルブ１４ａ，１４ｂは、制御装置１９からの制御信号に基づいて駆動して、その開度が調整される公知の流量制御弁から構成される。ここで、バルブ１４ａは、ボイラなどの加熱装置と外調機１３とを接続する配管に配設され、外調機１３の加熱コイル１３１に供給される温水ＨＷの量を制御する。一方、バルブ１４ｂは、冷却塔などの加熱装置と外調機１３とを接続する配管に配設され、外調機１３の冷却コイル１３２に供給される冷水ＣＷの量を制御する。

室内センサ１５ａ〜１５ｃは、対応する被空調空間１１ａ〜１１ｃ内部に配設され、その被空調空間１１ａ〜１１ｃの露点温度（以下、「室内露点温度」と言う。）を測定する公知の露点温度センサから構成される。室内センサ１５ａ〜１５ｃによる測定結果は、制御装置１９に送信される。

表面温度センサ１６は、チルドビーム１２ａの熱交換器１２１ａに配設されて温度を測定する公知の温度センサから構成される。表面温度センサ１６ａによる測定結果（以下、「測定表面温度」と言う。）は、制御装置１９に送信される。

出口温度センサ１７は、外調機１３とチルドビーム１２ａ〜１２ｃとを接続する冷媒用配管１７１における外調機１３近傍に配設され、その配管内を流れる冷温水の温度（以下、「出口温度」と言う。）を測定する公知の温度センサから構成される。このような出口温度センサ１７による測定結果は、制御装置１９に送信される。

給気センサ１８は、外調機１３とチルドビーム１２ａ〜１２ｃとを接続するダクト１８１に配設され、このダクト内部を流れる調和空気の温度（以下、「給気温度」と言う。）を測定する公知の温度センサから構成される。給気センサ１８による測定結果は、制御装置１９に送信される。

制御装置１９は、ＣＰＵなどの演算装置、メモリやハードディスクなどの記録装置等を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわち、ハードウェア装置とソフトウェアが協働することによって、上記ハードウェア資源がプログラムによって制御され、図２に示すように、Ｉ／Ｆ部１９１、推定部１９２、記憶部１９３、判定部１９４、駆動部１９５が実現される。

Ｉ／Ｆ部１９１は、外調機１３、バルブ１４ａ,１４ｂ、室内センサ１５ａ〜１５ｃ、表面温度センサ１６、出口温度センサ１７、給気センサ１８と電気的に接続されており、これらとの間で各種情報のやりとりを行うとともに、必要に応じてその各種情報を推定部１９２および駆動部１９５に送出する。

推定部１９２は、熱交換器１２１ａの表面に取り付けられた表面温度センサ１６ａにより測定された測定表面温度と、出口温度センサ１７により測定された出口温度とから、チルドビーム１２ａ〜１２ｃにおける熱交換器１２１ａ〜１２１ｃの表面温度の推定値を演算する。この熱交換器１２１ａ〜１２１ｃの表面温度を推定する原理について、以下に説明する。

図３は、熱交換器に関連する各位置における温度勾配を示す図である。この図３に示すように、外調機１３の出口における冷媒の温度（出口温度）や熱交換器の入口における冷媒の温度（入口温度）は、熱交換器の実際の表面温度（表面温度真値）よりも低い傾向がある。一方、温度センサにより測定した熱交換器の表面温度（測定表面温度）や被空調空間の温度（室内温度）は、表面温度真値よりも高い傾向にある。このように、表面温度真値は、出口温度と測定表面温度の間の値となる。そこで、本実施の形態では、それらの温度の間に表面温度真値が存在するとして、表面温度真値を推定する。具体的には、出口温度と測定表面温度とを加重平均することにより、表面温度を推定する。すなわち、下式（１），（２）に基づいて、推定表面温度を演算する。

推定表面温度＝出口温度×ａ＋測定表面温度×ｂ ・・・（１）
ａ＋ｂ＝１ ・・・（２）

ここで、重みａ，ｂの値は、用途等に応じて適宜自由に設定することができる。例えば、テナントビルなど一般的に管理が厳しい建造物では、結露が全く発生しないことが望ましい。このような建造物に適用する場合には、重みａの値を重みｂの値よりも大きくして、算出される推定表面温度が低くなるようする。これにより、判定部１９４により結露が発生すると判定される可能性が高くなり、給気温度が低く設定されるので、より確実に結露の発生を防ぐことができる。一方、自社ビルなど省エネルギー化を重視する建造物では、表面が湿る程度の結露が発生しても問題はない。このような建造物に適用する場合には、重みｂの値を重みａの値よりも大きくして、算出される推定表面温度が高くなるようにする。これにより、判定部１９４により結露が発生すると判定される可能性が低くなり、給気温度が高く設定されるので、消費エネルギーを削減することができる。

記憶部１９３は、推定部１９２により推定表面温度を演算するの用いる上記（１）、（２）や重みａ，ｂを予め記憶している。なお、この重みａ，ｂは、Ｉ／Ｆ部１９１を介して外部より適宜変更されるようにしてもよい。

判定部１９４は、推定部１９２により算出された推定表面温度と、室内センサ１５ａ〜１５ｃにより測定された室内露点温度とを比較することにより、チルドビーム１２ａ〜１２ｃのチルドビームに結露が発生するか否かを予測して判定する。この判定は、例えば、推定表面温度が室内露点温度以上または室内露点温度から所定の値だけ低い温度の範囲内にある場合、結露が発生すると判定する。すると、判定部１９４は、給気温度を降下させる旨の指示を駆動部１９５に送出する。一方、その室内露点温度から所定の値だけ低い温度よりも低い場合、結露が発生しないと判定する。すると、判定部１９４は、給気温度を上昇させる旨の指示を駆動部１９５に送出する。これにより、熱交換器１２１ａ〜１２１ｃに結露が発生するのを防ぐことができるとともに、省エネルギー化を実現することができる。

駆動部１９５は、室内センサ１５ａ〜１５ｃ、表面温度センサ１６、出口温度センサ１７、給気センサ１８から取得した情報に基づいて、外調機１３の駆動およびバルブ１４ａ，１４ｂの開度を制御する。ここで、外調機１３からの給気温度は、判定部１９４から送出される給気温度の上昇または降下に関する指示に基づいて、バルブ１４ａ，１４ｂの開度を制御することにより変更する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、出口温度センサ１７により測定された外調機１３から供給される冷媒の温度と、熱交換器１２１ａの表面に配設された表面温度センサ１６により測定された温度とに基づいて、熱交換器１２１ａの表面の温度を推定することにより、結露の発生を予測するのに適した熱交換器の表面温度を得ることができる。また、この取得した値と、室内センサ１５ａ〜１５ｃにより測定された室内露点温度とを比較してチルドビーム１２ａ〜１２ｃの熱交換器１２１ａ〜１２１ｃに結露が発生するか否かが判定されるので、結果として、より適切に結露を予測することができる。

なお、本実施の形態では、表面温度真値を、出口温度と測定表面温度とを加重平均することにより推定する場合を例に説明したが、表面温度真値が出口温度と測定表面温度との間の温度であるならば、表面温度真値を推定する方法は加重平均に限定されず、各種手法により推定することができる。
また、本実施の形態では、表面温度真値を加重平均により推定する場合を例に説明したが、その加重平均の一形態として重みａ，ｂをそれぞれ０．５とした単純平均から推定するようにしてもよいことは言うまでもない。

また、本実施の形態では、熱交換器の表面に取り付けられる表面温度センサ１６を、チルドビーム１２ａのみに設ける場合を例に説明したが、チルドビーム１２ａ〜１２ｃのそれぞれに設けるようにしてもよい。これにより、チルドビーム１２ａ〜１２ｃのそれぞれについて結露の発生を判定することが可能となる。

また、本実施の形態では、出口温度センサ１７により外調機１３近傍における冷媒の温度（出口温度）を測定する場合を例に説明したが、その出口温度の代わりに、例えばチルドビーム１２ａ〜１２ｃの入口温度を適用するようにしてもよい。これにより、チルドビームに供給される冷媒の温度をより正確に測定することができるので、チルドビームの表面温度についてもより実際の温度に近い値を推定でき、結果として、結露の発生もより適切に予測することができる。

また、本実施の形態では、熱交換器およびダクトを備えるチルドビームに適用した場合を例に説明したが、放射パネルを備える場合についても適用できることは言うまでもない。この場合には、対流による熱伝達が小さくなるので、測定表面温度と表面温度真値との際が小さくなるので、上式（１）における重みｂの値を大きくすることにより、より正確な表面温度を推定することができる。

本発明は、家屋やビルなど複数の部屋を備えた建造物に設けられた空気調和システムに適用することができる。

１…空気調和システム、１１ａ〜１１ｃ…被空調空間、１２ａ〜１２ｃ…チルドビーム、１３…外調機、１４ａ，１４ｂ…バルブ、１５ａ〜１５ｃ…室内センサ、１６…表面温度センサ、１７…出口温度センサ、１８…給気センサ、１９…制御装置、１２１ａ〜１２１ｃ…熱交換器、１２２ａ〜１２２ｃ…ダクト、１３１…加熱コイル、１３２…冷却コイル、１３３…ファン、１７１…冷媒用配管、１８１…ダクト、１９１…Ｉ／Ｆ部、１９２…推定部、１９３…記憶部、１９４…判定部、１９５…駆動部、３００…輻射冷暖房装置、３０１…熱交換器、３０２…ダクト、３０３…筐体。

Claims (3)

1. 熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器の表面温度を推定する表面温度推定装置であって、
   前記熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１のセンサと、
   前記熱交換器の表面に配設されて温度を測定する第２のセンサと、
   前記第１のセンサにより測定された温度と前記第２のセンサにより測定された温度とに基づいて、前記熱交換器の表面の温度を推定する推定部とを備え、
   前記推定部は、前記第１のセンサにより測定された温度と前記第２のセンサにより測定された温度とを加重平均することにより前記熱交換器の表面の温度を推定する
   ことを特徴とする表面温度推定装置。
2. 熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器の表面温度を推定する表面温度推定方法であって、
   前記熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１の測定ステップと、
   前記熱交換器の表面に配設されたセンサにより温度を測定する第２の測定ステップと、
   前記第１の測定ステップにより測定された温度と前記第２の測定ステップより測定された温度とに基づいて、前記熱交換器の表面の温度を推定する推定ステップとを有し、
   前記推定ステップは、前記第１の測定ステップにおいて測定した温度と前記第２の測定ステップにおいて測定した温度とを加重平均することにより前記熱交換器の表面の温度を推定するステップである
   ことを特徴とする表面温度推定方法。
3. 被空調空間に配設され、熱源から熱処理された冷媒が供給される熱交換器への結露の発生を判定する結露判定装置であって、
   前記熱源から供給される冷媒の温度を測定する第１のセンサと、
   前記熱交換器の表面に配設されて温度を測定する第２のセンサと、
   前記被空調空間の露点温度を測定する第３のセンサと、
   前記第１のセンサにより測定された温度と前記第２のセンサにより測定された温度とに基づいて、前記熱交換器の表面の温度を推定する推定部と、
   この推定部による推定結果と、前記第３のセンサにより測定された前記露点温度とに基づいて、前記熱交換器に結露が発生するか否かを判定する判定部とを備え、
   前記推定部は、前記第１のセンサにより測定された温度と前記第２のセンサにより測定された温度とを加重平均することにより前記熱交換器の表面の温度を推定する
   ことを特徴とする結露判定装置。

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