JP5869297B2 - 空調システム、空調システム制御プログラム及び空調システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の空調機により冷房対象空間を冷却する空調システムの制御方法に係り、特にいずれかの空調機が故障した場合のグループ補完制御方法に関する。

従来、空冷パッケージエアコンのような個別分散方式の空調機を用いて、一定以上の広さを有する空間を冷房する場合に、故障停止した空調機が発生しているにも関わらず、その近傍の空調機が部分負荷運転やサーモオフ停止状態を継続するケースが生じる。このような問題は、個別分散式の各空調機が個々の温度検知に基づいて、個別に能力制御を行うことにより生じるものである。
この問題の解決手段として、これらの空調機群を統合する制御部を設けて集中管理する統合制御方式が提案されている（例えば、特許文献１）。
同文献の技術は、複数の個別分散空調機の一部を予備空調機として待機させておき、さらに、局所空調機異常時に代替すべき予備空調機を、局所空調機ごとに予め優先順位を付して複数登録しておく。そして、いずれかの空調機に故障が発生したときに、統合制御部は優先順位に従って代替すべき予備空調機に運転指令するものである。

特開２０１０−２１６７７６号公報

しかしながら、一般に統合制御方式によれば以下のような課題がある。
まず、通信トラフィック上の制約により、統合制御装置は配下の空調機が保持する全ての情報を取得することはできない。
また、統合制御装置が故障した場合には、空調システム全体の制御健全性が損なわれるという信頼性上の問題がある。
また、空調機の増減設、リプレース等の都度、制御内容変更に伴い、統合制御装置の制御プログラム変更の必要が生じる。
また、各空調機の制御部に加えて統合制御装置が重畳的に必要となるため、コストアップが避けられない。さらに、文献１のシステムにおいては予備空調機を持つことによる設備コストアップもある。

本発明は上記課題を解決するための技術であって、以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る空調システムにおけるグループ補完制御方法は、
（１）冷房対象空間を複数の空調機により冷却する空調システムにおいて、
（ａ）各空調機が、
（ａ−１）自己の運転状態の経時的履歴を保存するステップと、
（ａ−２）いずれかの空調機に故障が発生した場合に、当該空調機（以下、故障空調機という）が、故障情報を他の正常運転状態の空調機（以下、健全空調機という）に送信するステップと、
（ｂ）故障情報を受けた各健全空調機が、
（ｂ−１）自己の運転履歴に基づいて故障発生前後の冷房能力変化度を求めるステップと、
（ｂ−２）該冷房能力変化度に基づいて、自己と故障空調機との空調関連度（Ｒij）を求めるステップと、
（ｂ−３）該空調関連度（Ｒij）に基づいて、冷房出力を変更するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明において、「冷房出力を変更」とは、電源ＯＦＦ→ＯＮ、サーモＯＦＦ→ＯＮ、風量変更等を含む概念である。

（２）上記発明において、さらに、
（ｃ）各健全空調機が、自己の空調関連度情報を他の健全空調機に送信するステップと、
（ｄ）他の健全空調機の空調関連度情報を受けた各健全空調機が、それぞれ、
（ｄ−１）自己の空調関連度と他の健全空調機の空調関連度を比較して、故障発生機の冷房能力補完優先度を求めるステップと、
（ｄ−２）該補完優先度に対応して冷房出力を変更するステップと、
を含むことを特徴とする。

（３）上記各発明において、前記冷房能力変化度が吸い込み温度変化率に基づくものであることを特徴とする。

（４）上記各発明において、前記冷房能力変化度が、前記故障空調機の故障発生前後の冷房出力変化率に基づくものであることを特徴とする。

（５）上記各発明において、前記優先度を求めるに際して、前記健全空調機の定格冷房能力に対する出力余裕度を考慮することを特徴とする。

（６）上記各発明において、（ｄ−２）における冷房出力の変更が、前記健全空調機の吹き出し温度設定値の変更であることを特徴とする。

（７）上記各発明において、前記吹き出し温度設定値の変更に際して、前記故障空調機の出力低下率Ｄｉを考慮することを特徴とする。

（８）上記各発明において、前記故障情報は、当該故障空調機が能力上限に達しているため能力上昇要求に対応不可状態、又は、圧縮機の高圧圧力が所定の閾値を超えた状態、を示す情報を含むことを特徴とする。

（９）上記各発明において、前記空調システムは各空調機と通信可能な統合制御部を備え、かつ、（ａ）、（ｂ）又は（ａ）乃至（ｄ）の各ステップを該統合制御部を介して、又は、該統合制御部において実行する、ことを特徴とする。

また、本発明に係る空調システムは、
冷房対象空間を複数の空調機により冷却する空調システムであって、
各空調機が、自己の運転状態の経時的履歴を保存する手段と、いずれかの空調機に故障が発生した場合に、当該空調機（以下、故障空調機という）が、故障情報を他の正常運転状態の空調機（以下、健全空調機という）に送信する手段と、故障情報を受けた各健全空調機が、自己の運転履歴に基づいて故障発生前後の冷房能力変化度を求める手段と、該冷房能力変化度に基づいて、自己と故障空調機との空調関連度（Ｒij）を求める手段と、該空調関連度情報を他の健全空調機に送信する手段と、他の健全空調機の空調関連度情報を受けた各健全空調機は、自己の空調関連度と他の健全空調機の空調関連度を比較して、故障発生機の冷房能力補完優先度を求める手段と、該補完優先度に対応して冷房出力を変更する手段と、
を備えて成ることを特徴とする。

本発明によれば、各空調機が個別に最適な制御内容を決定できるため、個々の空調機のみが保持する詳細な運転履歴等の情報に基づいて、空調機故障による能力減少を健全空調機で適切に補完することができ、室温維持についての信頼性向上・省エネルギー性向上に資するという効果がある。
また、空調機の増減設等の都度、制御プログラム変更の必要がなく、メンテナンスが簡易化できるという効果がある。
また、分散制御方式を採用するシステムにあっては、統合制御部を必要としないため設備コストダウンが可能となり、また、統合制御部故障時のシステム脆弱性の問題が解消されるという効果がある。

第一の実施形態に係る空調制御システム１の構成を示す図である。 故障空調機との空調関連度Ｒijの導出方法を示す図である。 第一の実施形態におけるグループ補完制御フローを示す図である。 第二の実施形態におけるグループ補完制御フローを示す図である。 第三の実施形態におけるグループ補完制御フローを示す図である。 第四の実施形態におけるグループ補完制御フローを示す図である。 空調関連度−設定温度変更値テーブルを概念的に示す図である。

以下、本発明に係るグループ補完制御方法の実施形態について、図１（ａ）乃至図４（ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。重複説明を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の各実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１（ａ）を参照して、本実施形態に係る空調制御システム１は、冷房対象空間（例えば情報通信機械室）５内に収容される複数の冷房対象（例えばサーバラック）２を、複数の空調機Ａｉ（ｉ＝１−ｎ）により冷却するシステムである。

各空調機Ａｉの運転制御は制御部Ｃｉにより行われる。制御部Ｃｉは、空調機能力制御のための指令を行う中央制御部（図示せず。以下、同様）、運転履歴を随時保存するデータ格納部、演算処理を行う演算処理部、他の空調機との信号授受を行う通信Ｉ／Ｆ、等を主要構成として備えている。なお、制御部Ｃｉは、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装可能である。
各空調機のデータ格納部には、後述する優先順位−設定温度変更値関係テーブルが格納されている。

各空調機Ａｉの吸込部、吹き出し部近傍にはそれぞれ温度センサＳａｉ、Ｓｂｉが配設されており、それぞれ吸込温度Ｔａｉ、吹き出し温度Ｔｂｉを計測している。
各空調機の制御部間は通信線３により接続されており、後述するグループ補完制御に必要な情報の授受を可能に構成されている。

空調制御システム１は以上のように構成されており、次に図１（ｃ）を参照して、空調制御システム１におけるグループ補完制御方法の具体的内容について説明する。
通常状態において空調機Ａｉ（ｉ＝１−ｎ）は通常時運転モード，すなわち吸い込み温度Ｔａｉに基づく能力制御、により運転されている（Ｓ１０１）。運転中、所定の時間（例えば３０ｓｅｃ）ごとに、運転条件データ（時刻、圧縮機周波数、吸い込み温度、吹き出し温度 等）が計測されており、計測値はデータ格納部に取り込まれ、運転履歴情報として保存される（Ｓ１０２）。

運転中、いずれかの空調機Ａｊに故障が発生した場合（Ｓ１０３においてＹＥＳ）、当該空調機Ａｊは他の健全空調機Ａｉ（ｉ≠ｊ）に対して故障発生情報（発生時刻ｔ０、故障原因）を送信する（Ｓ１０４）。

故障発生情報を受けた各健全空調機Ａｉは、故障発生による故障空調機と当該健全空調機との空調関連度Ｒijを定量的に判定する（Ｓ１０５）。具体的には、データ格納部に蓄積されている自己の運転履歴を用いて、故障時刻前後の冷房出力Ｗi、Ｗi’を求め、さらに両者の比Ｒij
Ｒij（Ｗ）＝Ｗi’／Ｗｉ ・・・・・（１）
を以って空調関連度として定義する。

Ｗｉ、Ｗi’としては、例えば故障時刻ｔ０前後Δｔ（例えば５分間）の冷房出力平均値、又は、出力の変化率が所定の閾値以下となった時点の値を用いることができる（図１（ｂ）参照）。同図の例では、Ｒij（Ｗ）＞Ｒkj（Ｗ）となるから、空調機Ａｉは空調機Ａｋと比較して空調関連度が高いことになる。
なお、平均値に替えて、冷房出力に替えて故障前後の吸い込み温度Ｔi変化に基づいて、
Ｒij（Ｔ）＝Ｔi’／Ｔｉ ・・・・・（２）
を以って、空調関連度として定義してもよい。さらに、Ｒij（Ｗ）、Ｒij（Ｔ）の平均値をＲijとして用いることもできる。

各健全空調機Ａｉは、求めた自己の空調関連度Ｒij値を、他の健全空調機Ａｋに送信する（Ｓ１０６）。また、他の健全空調機Ａｋから当該空調機の空調関連度Ｒkjを受信する（Ｓ１０７）、各健全空調機Ａｉは、さらに空調機間の空調関連度の値を比較し、故障空調機を除く（ｎ−１）台中の順位付け（優先順位）Ｐｉ（ｉ＝１〜（ｎ−１））を行う（Ｓ１０８）。

表１は、以上のフローをｎ＝６の空調システムを例に示したものである（空調機Ａ４が故障発生した想定）。簡単のため、各空調機の定格出力を同一値（２０ｋＷ）とした。表１の場合、関連度Ｒijの大きさは Ａ５＞Ａ１・Ａ６＞Ａ２＞Ａ３の順となり、この順に優先順位が設定されることになる。

次に、各空調機は自己の優先順位に従って吹き出し温度Ｔｂｉの設定値変更を行う。具体的には、表２に示す優先順位−設定温度変更値テーブルに基づいて、吹き出し設定温度変更値（ΔＴｃ）を決定する（Ｓ１０９）。

各空調機は、補完制御として設置温度を変更値分低く設定して運転を継続する（Ｓ１１０）。以上のフローを空調機Ａｉの故障復旧に至るまで（Ｓ１１１においてＹ）繰り返し行う。

なお、本実施形態では故障空調機が1台の例を示したが、故障空調機が２台以上の場合にも、例えば各故障空調機の出力変化率を考慮することにより、同様の制御で補完対応が可能である。以下の各実施形態についても同様である。

また、本実施形態ではＳ１０１−Ｓ１１１のステップを各空調機が個別に分散して実行する例を示したが、これに限らず、これらのステップを集中制御する統合制御装置を設けて、統合制御装置自身又はその指令に基づいて実行する形態とすることも可能である。

＜第二の実施形態＞
次に、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は故障前後の故障空調機の冷房能力低下度をも考慮して、健全空調機の補完制御内容を決定する態様に関する。本実施形態の構成は第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

図２（ａ）を参照して、本実施形態における補完制御内容について説明する。Ｓ２０１−Ｓ２０３までは第一の実施形態のＳ１０１−Ｓ１０３と同様である。
運転中、空調機Ａｊに故障が発生した場合（Ｓ２０３においてＹＥＳ）、当該空調機Ａｊは故障前後の出力低下率Ｄｊを演算して（Ｓ２０４ａ）、他の健全空調機Ａｉ（ｉ≠ｊ）に対して故障発生信号に加えて出力低下率情報を送信する（Ｓ２０４ｂ）。出力低下率Ｄｊは、次式により求めることができる。
Ｄｊ＝１−（Ｗｊ’／Ｗｊ） ・・・・・（３）
表３の場合、空調機Ａ４の出力低下率Ｄ４＝１−（８／１５）＝０．４７となる。

故障発生情報を受けた各健全空調機Ａｉは、上述の実施形態と同様の手順に従い空調関連度Ｒijの演算を行う（Ｓ２０５）。
各健全空調機Ａｉは、他の健全空調機Ａｋに対して自己の空調関連度情報を送信し（Ｓ２０６）、次いで他の健全空調機Ａｋの空調関連度情報を受信する（Ｓ２０７）。さらに、各健全空調機Ａｉは上述の実施形態と同様の手順に従い、自己の優先順位付けを行う（Ｓ２０８）。
次に、上述の表２により補完制御条件である設定温度変更値（ΔＴｃ）を求め、さらに、故障空調機Ａｊの出力低下率Ｄｉを考慮して、次式により修正設定温度変更値（ΔＴ’ｃ）を決定する（Ｓ２０９）。
ΔＴ’ｃ＝Ｄｉ×ΔＴｃ ・・・・・（４）

各空調機は吹き出し温度をΔＴ’ｃに設定変更して、補完制御運転を行う（Ｓ２１０）。以上のフローを空調機Ａｉの故障復旧に至るまで（Ｓ２１１においてＹ）、繰り返し行う。

＜第三の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、健全空調機の出力余裕度をも考慮して、補完制御内容を決定する態様に関する。本実施形態の構成についても第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。

図３を参照して、本実施形態における補完制御内容について説明する。Ｓ３０１−Ｓ３０８までは第一の実施形態のＳ１０１−Ｓ１０８と同様である。
Ｓ３０８において優先順位決定後、さらに次式により余裕度Ｍｉの演算を行う（Ｓ３０９）。
Ｍｉ＝（１−現在出力／定格出力） ・・・・・（５）

さらに、余裕度と優先順位を考慮して修正優先順位を決定する。具体的には、Ｍｉに閾値を設定し、閾値以下の空調機については優先順位から除外し、残りの空調機について余裕度と優先順位の比（Ｍｉ／Ｐｉ）の値の大きい順に修正優先順位とする。表４の例では、閾値＝０．１とし、Ｍｉ＜０．１である空調機Ａ５、Ａ６については、優先順位に関わらず補完制御対象から除外する。残りの空調機Ａ１−Ａ３について改めて修正優先順位を付ける。

その後は第一の実施形態と同様に、各空調機は自己の優先順位に従って表２に示す優先順位−設定温度変更値テーブルに基づいて、吹き出し設定温度変更値（ΔＴｃ）を決定する（Ｓ３１０）。各空調機は設置温度を変更後の値に設定して運転を継続する（Ｓ３１１）。
以上のフローを空調機Ａｉの故障復旧に至るまで（Ｓ３１２においてＹ）繰り返し行う。

なお本実施形態では、余裕度が閾値以上の空調機について関連度Ｒijのみに基づいて修正優先順位を決定する例を示したが、該当する空調機の余裕度及び優先順位を考慮して修正優先順位を決定する態様としてもよい。このばあい、例えば余裕度と優先順位の比（Ｍｉ／Ｐｉ）を演算して、その値の大きいものから修正後優先順位とすることができる。

＜第四の実施形態＞
さらに、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、故障空調機との空調関連度を求めた健全空調機が、他の健全空調機と優先順位を考慮することなく、空調関連度のみに基づいて補完制御内容を決定することである。本実施形態の構成についても第一の実施形態と同一であるので、重複説明を省略する。
図４（ａ）を参照して、本実施形態における補完制御内容について説明する。Ｓ４０１−Ｓ４０５までは第一の実施形態のＳ１０１−Ｓ１０５と同様である。

次に、各空調機は自己の優先順位に従って吹き出し温度Ｔｂｉの設定値変更を行う。具体的には、図４（ｂ）に例示する空調関連度−設定温度変更値テーブルに基づいて、吹き出し設定温度変更値（ΔＴｃ）を決定する（Ｓ４０６）。各空調機は、補完制御として設置温度を変更値分低く設定して運転を継続する（Ｓ４０７）。以上のフローを空調機Ａｉの故障復旧に至るまで（Ｓ４０８においてＹ）繰り返し行う。

本発明は、空調機の熱源・冷媒・空調方式等、建築構造等、被空調対象を問わず、同一室内空間に複数の空調機を備えた空調システムのグループ補完制御に広く適用可能である。

１・・・・空調制御システム
５・・・・冷房対象空間
Ａｉ、Ａｋ・・・・健全空調機
Ａｊ・・・・故障空調機
Ｃｉ・・・・制御部
Ｄｉ、Ｄｉ’・・・・出力低下率
Ｍｉ・・・・出力余裕度
Ｐｉ、Ｐｉ’・・・・優先順位
Ｒij・・・・空調関連度

Claims (10)

1. 冷房対象空間を複数の空調機により冷房する空調システムにおいて、
   前記複数の空調機それぞれに設けられた制御部であって、少なくとも当該空調機の冷房出力を制御する制御部と、
   前記複数の空調機それぞれに設けられたデータ格納部であって、所定時間毎に当該空調機の運転条件を示す計測データが運転履歴情報として保存されるデータ格納部とを備え、
   前記制御部それぞれは、
   自己が制御する空調機に故障が発生した場合に、他の空調機（以下、健全空調機という。）に対して、少なくとも故障発生時刻を含む故障発生情報を送信する送信処理、
   前記データ格納部に保存されている計測データのうち前記故障発生時刻前後の計測データを利用して、当該故障発生時刻前後における運転条件の変化（以下、空調関連度という。）を求める関連度算出処理、並びに
   前記関連度算出処理にて求められた空調関連度に基づいて、自己が制御する空調機の冷房出力増大量（以下、補完量という。）を決定した後、当該空調機の冷房出力を増大させる補完処理
   が実行可能であることを特徴とする空調システム。
2. 前記制御部それぞれは、自己が算出した空調関連度を他の健全空調機に送信する第２の送信処理が可能であり、
   前記補完処理それぞれでは、
   自己の空調関連度、及び前記第２の送信処理により送信されてきた他の空調関連度を利用して各健全空調機を順位付けする優先順位付け処理が実行された後、
   予め設定された「優先順位と前記補完量と関係」に基づいて、自己が制御する空調機の前記補完量が決定されて当該空調機の冷房出力が増大されることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記補完処理それぞれでは、
   予め設定された「空調関連度と前記補完量と関係」に基づいて、自己が制御する空調機の前記補完量が決定されて当該空調機の冷房出力が増大されることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
4. 前記制御部それぞれは、自己が制御する空調機から吹き出す空気の温度（以下、吹き出し温度という。）を制御することにより、当該空調機の冷房出力を制御しており、
   さらに、前記補完処理それぞれは、前記吹き出し温度を低下させることにより、当該空調機の冷房出力を増大させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空調システム。
5. 前記「空調機の運転条件を示す計測データ」には、当該空調機に吸い込まれる空気の温度（以下、吸い込み温度という。）が含まれており、
   前記空調関連度は、前記故障発生時刻前後における前記吸い込み温度の変化率に基づくものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の空調システム。
6. 前記関連度算出処理では、前記「空調機の運転条件を示す計測データ」を利用して故障発生時刻前後の冷房出力が求められ、
   前記空調関連度は、前記故障発生時刻前後における前記冷房出力の変化率に基づくものであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の空調システム。
7. 前記空調機の定格冷房出力と現在の冷房出力との差を当該定格冷房出力で除した値を出余裕度とし、複数の空調機のうち前記出余裕度が予め設定された値以上の空調機を補完対象空調機としたとき、
   前記補完処理では、複数の前記健全空調機のうち前記補完対象空調機に対して当該補完処理が実行されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の空調システム。
8. 前記補完処理では、故障発生時刻前後における当該故障が発生した空調機の冷房出力低下率を算出する低下率算出処理が実行された後、当該冷房出力低下率が利用されて前記補完量が決定されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の空調システム。
9. 冷房対象空間を冷房する複数の空調機と、
   前記複数の空調機それぞれに設けられた制御部であって、少なくとも当該空調機の冷房出力を制御する制御部と、
   前記複数の空調機それぞれに設けられたデータ格納部であって、所定時間毎に当該空調機の運転条件を示す計測データが運転履歴情報として保存されるデータ格納部とを備える空調システムに利用され、前記制御部それぞれに組み込まれる空調システム制御プログラムにおいて、
   前記各制御部を
   自己が制御する空調機に故障が発生した場合に、他の空調機（以下、健全空調機という。）に対して、少なくとも故障発生時刻を含む故障発生情報を送信する送信手段、
   前記データ格納部に保存されている計測データのうち前記故障発生時刻前後の計測データを利用して、当該故障発生時刻前後における運転条件の変化（以下、空調関連度という。）を求める関連度算出手段、並びに
   前記関連度算出処理にて求められた空調関連度に基づいて、自己が制御する空調機の冷房出力増大量を決定した後、当該空調機の冷房出力を増大させる補完手段
   として機能させることを特徴とする空調システム制御プログラム。
10. 冷房対象空間を冷房する複数の空調機と、
    前記複数の空調機それぞれに設けられた制御部であって、少なくとも当該空調機の冷房出力を制御する制御部と、
    前記複数の空調機それぞれに設けられたデータ格納部であって、所定時間毎に当該空調機の運転条件を示す計測データが運転履歴情報として保存されるデータ格納部とを備える空調システムの制御方法において、
    前記各制御部は
    自己が制御する空調機に故障が発生した場合に、他の空調機（以下、健全空調機という。）に対して、少なくとも故障発生時刻を含む故障発生情報を送信する送信処理、
    前記データ格納部に保存されている計測データのうち前記故障発生時刻前後の計測データを利用して、当該故障発生時刻前後における運転条件の変化（以下、空調関連度という。）を求める関連度算出処理、並びに
    前記関連度算出処理にて求められた空調関連度に基づいて、自己が制御する空調機の冷房出力増大量を決定した後、当該空調機の冷房出力を増大させる補完処理
    を有することを特徴とする空調システムの制御方法。

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