JP6002444B2 - 水冷式空調システム - Google Patents

Description

本発明は水冷式空調システムに係り、特に、地域熱供給等、熱源機により複数系統の空調を行うシステムに効果的な水冷式空調システムに関する。

従来、図７に示すように地域熱供給システム等、冷温水を複数系統に分岐して循環供給する空調システム１００の制御に関しては、熱源機１０１から供給される冷温水温度を一定に制御して、各系統１０５に配設される複数の空調機１０２側は、流量調整弁１０４の開度調節により熱交換器１０６通過水量を増減させて、室内１０３の室温Ｔｒ又は給気温度Ｔｂを一定に制御する方法が一般的である（例えば特許文献１）。
さらに、熱交換器出入りを結ぶバイパス配管を還水の一部を設け熱交換器入口側に戻して熱交換器熱量を制御可能とする技術が提案されている（例えば特許文献２）。

このような従来の制御方式では、空調機入口水温は全ての空調機についてほぼ同一温度となるため、例えば機械室空調と事務室空調を同一系統で空調するシステムでは、本来、温度管理条件が異なるにも拘らず室内温度や給気温度を個別に制御することは困難であった。また、空調機ごとに給気温度制御を行うためには、ボイラーや温水器等の熱源を別途設置する必要があった。

さらに、熱源機の冷房時における省エネ性についてみると、一般に熱源機出口水温が高いほど、また、出入口温度差（往還温度差）が大きいほど効率は向上する。しかしながら、従来システムでは空調機入口水温は機械室系統など冷房負荷の大きな空調機の運転が優先されるため、熱源機出口水温を低く設定する必要があり、また、空調機出口水温が成り行きになるため熱源機出口水温及び往還温度差の制御は困難であった。

特開２００４−１２５３１６ 特開平９−１６６３４６

本発明は上記課題を解決するためのものであって、冷温水を複数系統に分岐して循環供給する空調システムにおいて、特に熱源機の往還温度差が確保できない場合に、系統ごと、また、空調機ごとに温度制御が可能であり、さらに冷房負荷に対応して熱源機出口水温を制御可能とする制御技術を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、本発明に係る水冷式空調システムは、
（１）冷水発生源である熱源機（２ａ）と、熱源機（２ａ）で作られた冷水を往水側ヘッダー（２ｄ）に供給する熱源機出側配管（２ｃ）と、還水側ヘッダー（２ｅ）からの還水を熱源機（２ａ）に戻す熱源機入側配管（２ｆ）と、両ヘッダー間を直接結ぶバイパス配管（２ｇ）と、を備えた熱源機冷水系統（２）と、
往水側ヘッダー（２ｄ）及び還水側ヘッダー（２ｅ）と分岐・合流し、それぞれ空調機（５，６）に冷水を供給する分岐循環系統Ａと、分岐循環系統Ｂと、を備えて成り、
各空調機（５，６）は、冷水と空調対象室（７）の空気とを熱交換させて、冷風を室内に給気可能に構成し、
分岐循環系統Ａは、空調機（５）入り側に流量制御手段（３ｄ）と、空調機出側に出口温度計測手段（Ｓ１）と、を備え、
分岐循環系統Ｂは、空調機（６）出の還水を再度空調機（６）に戻す再循環配管（４ｅ）と、再循環配管経路中に再循環ポンプ（４ｃ）と、を備え、
往水側ヘッダーと還水側ヘッダーの温度差（往還温度差：ΔＴｈ）に対応して、
分岐循環系統Ａに属する空調機（５）について、給気温度を一定に制御する給気温度一定制御、
分岐循環系統Ｂについて、再循環ポンプ（４ｃ）を稼働させて空調機（６）出の還水を再度空調機（６）に戻す再循環運転制御、
分岐循環系統Ａに属する空調機（５）について、空調機出口水温を一定に制御する出口水温一定制御、又は、
熱源機（２ａ）の冷水温度を上昇させる熱源機冷水温度制御、
のいずれか、又は、これらを複合させて制御可能に構成したことを特徴とする。

一般に、流量制御弁を持つ系統（分岐循環系統Ａ（以下、系統Ａ又はＡ系統と略記することがある）：事務室空調が該当）と、流量制御弁を持たない系統（分岐循環系統Ｂ（以下、系統Ｂ又はＢ系統と略記することがある）：機械室空調が該当）と、を同一冷水系統で空調するシステムにおいて、熱源機の往還温度差が確保できない原因は、以下の通り分類できる。
（ａ−１）システム全体として大〜中程度の空調負荷である場合において、系統Ｂの中に冷房負荷が小さい系統が存在する。
（ａ−２）システム全体として中程度の空調負荷である場合において、系統Ａの中に入出温度差がとれない空調機が存在する。
（ｂ）システム全体として中〜小、又は小程度の空調負荷である場合において、往還ヘッダー間のバイパス量が多い。

それぞれのケースに対して、以下の対応が有効となる。
（ａ−１）のケースでは、系統Ｂについて還水を再循環することにより入口水温を上昇させ、還水温度を上昇させる。
（ａ−２）のケースでは、系統Ａについて流量制御弁の制御方式を変更して、空調機出口水温を上昇させ、還り水温を上昇させる。

また、（ｂ）のケースでは、
（ｂ−１）中〜小程度の空調負荷の場合は、系統Ａについて流量制御弁の開度制御により、空調機出口水温を低下させて循環水量還り水温を増加させバイパス量を減少させる。
（ｂ−２）小程度の空調負荷の場合は、冷凍機の出口水温を上昇させる。
これらの制御により、循環水量の減少及び／又は熱源機の冷水製造のための消費エネルギーの減少が可能となる。
但し、実際のシステムでは、１台の熱源機に１又は複数の冷水系統が接続されるとは限らず、複数熱源機が複数系統に接続される場合もあり、上記原因の特定は容易ではない。このため、以下の各発明を順次実施していくことが実際的であり、これにより効率的な運転制御が可能となる。以上をまとめると図５の通りである。

本発明に係る水冷式空調システムの運転制御方法は、
（２）上記（１）の水冷式空調システムにおいて、
制御開始時には、分岐循環系統Ａについて前記給気温度一定制御により運転し、
往還温度差（ΔＴｈ）が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態に至ったときは、全ての空調対象室（７）の室内温度（Ｔｒ）が所定の許容値内にあることを条件として、分岐循環系統Ｂについて前記再循環運転制御により運転する、
ことを特徴とする。

（３）上記（２）において、往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、分岐循環系統Ａにについて前記出口水温一定制御に移行し、かつ、
全ての空調対象室（７）の室内温度（Ｔｒ）が所定の許容値内にあることを条件として、流量制御手段（３ｄ）の制御により、出口水温設定値（Ｔws）を下限設定値（ＴWL）に至るまで下げて、往還温度差を大きくする制御を行う、
ことを特徴とする。

上記（３）の制御によっても、なお、往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、分岐循環系統Ａについて前記給気温度一定制御に戻し、
分岐循環系統Ａについて、空調機出口水温設定値（Ｔws）を下限設定値（Ｔｘ）に至るまで下げて、往還温度差を確保する制御を行うことを特徴とする水冷式空調システムにおける運転制御方法。

上記（４）の制御によっても、なお、往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、熱源機出口水温を段階的に上げていくことを特徴とする。

本発明によれば、従来、季節ごとに手動で行われている空調機出口水温制御を、往還温度差に応じて自動的に行うため、省エネ性向上及びメンテナンス作業負荷の軽減が可能になるという効果がある。

また、例えば機械室空調と事務室空調のように、温度管理条件が異なる空調対象を同一熱源機系統で行うシステムにおいても、それぞれの管理条件に合せた最適な温度制御が可能になるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る水冷式空調システム１の全体構成を示す図である。 系統Ａに属する空調機５の構成を示す図である。 水冷式空調システム１におけるステップ１の制御フローを示す図である。 同じくステップ２の制御フローを示す図である。 同じくステップ３、４の制御フローを示す図である。 往還温度差が取れない原因別対策と各ステップの対応を示す図である。 従来制御条件の場合の冷房負荷変化と熱交換器除去熱量と入口、出口水温との関係のシミュレーション結果を示す図である。 入出温度差拡大条件の場合の同上シミュレーション結果を示す図である。 入出温度差減少条件の場合の同上シミュレーション結果を示す図である。 入口水温上昇条件の場合の同上シミュレーション結果を示す図である。 従来の水冷式空調システム１００の構成を示す図である。

以下、本発明に係る空調システムの実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。各図において同一構成には同一符号を用いて示し、重複説明を省略する。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、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜システム構成＞
図１（ａ）を参照して、空調システム１は、熱源機冷水系統２と分岐循環系統３とにより構成されている。熱源機冷水系統２は、冷水発生源である熱源機２ａと、熱源機２ａで作られた冷水を往水側ヘッダー２ｄに供給する熱源機出口配管２ｃと、還水側ヘッダー２ｅからの還水を熱源機２ａに戻す熱源機入口配管２ｆと、両ヘッダー間を直接結ぶバイパス配管２ｇと、により構成されている。

分岐循環系統３は、タイプの異なる２つの系統Ａ、Ｂにより構成されている。
系統Ａは再循環回路を持たない系統であり往水側ヘッダー２ｄと空調機とを結び、空調機に冷水を供給する往水配管３ａと、空調機と還水側ヘッダー２ｅとを結び、還水を熱源機に戻す還水配管３ｂと、往水配管経路中に配設される流量制御弁３ｄと、還水配管経路中に配設される温度センサＳ１と、を備えて構成されている。後述するように、温度センサの計測値に基づいて流量制御弁の開度を調整可能に構成されている。

図１（ｂ）を参照して、空調機５は、熱交換器、送風機を備えたＡＨＵであり、冷水と室内空気を熱交換させて冷風を空調対象室７内に供給可能に構成されている。さらに、空調機出口における吹き出し温度（Ｔｂ）を計測する温度センサＳ２と、空調対象室７内に配設され室内温度を計測する温度センサＳ３と、を備えている。
なお、図１では系統Ａについて２つの系統を示しているが、さらに多くの系統を備えることもできる。また、２つの系統を独立して分岐する例を示したが、1系統から並列に分岐する態様とすることもできる。

系統Ｂは再循環回路を備えた系統であり、往水側ヘッダー２ｄと空調機６とを結び、空調機６に冷水を供給する往水配管４ａと、空調機６と還水側ヘッダー２ｅとを結んで還水を熱源機に戻す還水配管４ｂと、空調機６をバイパスして往水配管４ａと還水配管４ｂとを直結する再循環配管４ｅと、再循環配管４ｅ経路中に介装される再循環ポンプ（ブリードインポンプ）４ｃ及び再循環流量弁４ｄと、を備えて構成されている。なお、空調機６は、系統Ａの空調機５と同様の構成を備えている。

水冷式空調システム１は以上のように構成されており、次に図２乃至４も参照して、熱源機の往還温度差が所定の限度以下の場合の制御フローについて順次説明する。なお、以下のフローでは制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。また、本実施形態の制御指令は、不図示の制御部により実行される。

＜ＳＴＥＰ１＞
図２を参照して、制御開始時においては従来制御方式、すなわち、Ａ系統に属する各空調機５は給気温度（吹き出し温度）一定（例えば２０℃）となるように、流量制御弁の開度制御が行われる（Ｓ１０１）。制御開始時においては系統Ｂの再循環ポンプ４ｃは停止状態にある。

この状態で両ヘッダー間の水温度差（ΔＴｈ＝Ｔrh−Ｔsh）が計測され、この値が所定の下限閾値（ＴＬ）を下回ったか否かが判定される（Ｓ１０２）。閾値以上に維持されている場合には（Ｓ１０２においてＮ）、従来制御方式が維持される（Ｓ１０１）。

下限閾値（ＴＬ）を下回った場合には（Ｓ１０２においてＹ）、系統Ｂについて再循環ポンプ４ｃを起動させる（Ｓ１０３）。この操作により、還水配管４ｂ内の還水の一部が熱源機２ａに戻ることなく、往水配管４ａ内の冷水と混合して再度、空調機６側に供給されることになり、空調機６入り温度が上昇する。
その間、系統Ａ，Ｂの各空調対象室７の室温（Ｔｒ）が温度センサＳ３により計測され、各部屋の室温が許容温度範囲内（Ｔ２≧Ｔｒ≧Ｔ１）に維持されているか否かが判定される（Ｓ１０４）。

Ｓ１０４においてＴｒ＞Ｔ２又はＴｒ＜Ｔ１、すなわち一部の室が許容温度範囲から外れている場合には、再循環制御では室温制御不可の室が存在することを意味する。この場合には、リスク回避のため従来制御方式に戻され、再循環ポンプ４ｃは停止にする（Ｓ１０１）。

許容温度範囲内に維持されている場合には（Ｓ１０４においてＹ）、再循環ポンプ４ｃ運転制御により室温制御が円滑に行われていることを示していると判断される。この場合にはさらに、再度、両ヘッダー間の温度差ΔＴｈが計測され、この値が下限閾値（ＴＬ）を下回ったか否かが判定される（Ｓ１０５）。閾値以上の場合には（Ｓ１０５においてＮ）、再循環ポンプ４ｃ運転が有効であると判断され、再循環制御が維持される（Ｓ１０３）。
下限値（ＴＬ）を下回っている場合には（Ｓ１０５においてＹ）、再循環制御では往還温度差確保が困難と判定し、次のステップ（ＳＴＥＰ２）に移行する。

＜ＳＴＥＰ２＞
図３を参照して、本ステップでは系統Ａについて前ステップの給気温度一定制御（Ｓ１０１）から、空調機５の出口水温Ｔｗ一定（例えばＴｗ＝１３℃）とする制御（出口水温一定制御）に変更される（Ｓ２０１）。
制御中は系統Ａ，Ｂの各空調対象室７の室温（Ｔｒ）が許容温度範囲内（Ｔ２＋β≧Ｔｒ≧Ｔ２−β）に維持されているか否かが判定される（Ｓ２０２）。
許容温度範囲内に維持されている場合には（Ｓ２０２においてＹ）、出口水温制御（制御Ｂ）により室温制御が円滑に行われていることを示していると判断され、さらに該当する空調機について、流量制御弁３ｄの操作により出口水温設定値を＋１℃上昇させ（Ｓ２０３）、出口温度一定制御を継続する（Ｓ２０２へ）。
許容温度範囲から外れている場合には（Ｓ２０２においてＮ）、出口水温設定値が上限設定値（ＴｗＨ）に至るまでは（Ｓ２０４においてＮ）、出口水温設定値を１℃下げ（Ｓ２０５）、出口温度一定制御を継続する（Ｓ２０２へ）。
Ｓ２０４においてＹ、すなわち出口水温設定値が下限設定値（ＴｗＬ）に至った場合には、従来制御方式に戻して（Ｓ２０６）、さらに次のステップ（ＳＴＥＰ３）に移行する。

＜ＳＴＥＰ３，４＞
図４を参照して、本ステップでは、系統Ａについて前ステップの出口水温一定制御から、従来制御方式に変更される（Ｓ３０１）。これにより、系統Ａに属する各空調機５は給気温度一定となるように流量制御弁３ｄの開度制御が行われる。系統Ｂの再循環ポンプ４ｃは停止状態とする。
この状態で両ヘッダー間の温度差ΔＴｈが計測され、この値が下限閾値（ＴＬ）を下回ったか否かが判定される（Ｓ３０２）。閾値以上の場合には（Ｓ３０２においてＮ）、従来制御が維持される（Ｓ３０１）。
下限値（ＴＬ）を下回っている場合には（Ｓ３０２においてＹ）、従来制御では往還温度差確保が困難と判定し、出口水温設定値を設定下限値に至るまで１℃ずつ下げる操作を行う（Ｓ３０３、Ｓ３０４）。
出口水温設定値が下限設定値（Ｔｘ）に至った場合には（Ｓ３０３においてＹ）、本ステップを終了してさらに次のステップ（ＳＴＥＰ４）に移行する（Ｓ３０５）。

ＳＴＥＰ４では熱源機出口水温＋１℃上げて（Ｓ４０１）、ＳＴＥＰ１に戻り従来制御方式により、以下、上述の制御を繰り返し行う。但し、制御中に室温が許容範囲を外れた場合には、リスク回避のため出口水温を初期設定値に戻す。

以下、空調機の冷房負荷が小さい場合を想定したシミュレーション結果について説明する。熱交換器（コイル）に冷水を通過させ、コイル除去熱量を時間経過とともに減少させたときの消費電力量を比較した。（ΔＴ）は冷水通過量を調整することにより、出入り温度差を制御した。試験条件を表１に示す。

図５（ａ）〜５（ｄ）に各条件におけるコイル除去熱量の時間的推移を示す。また、表２に演算結果を示す。なお、演算に際しては、熱源機ＣＯＰ＝３．０、入出温度差が減少したときのＣＯＰ＝−２％、入口水温上昇したときのＣＯＰ＝＋３％ と想定した。

表２より、負荷減少時に水温を適切に制御することにより消費電力量を減少させることが可能なことが分かった。本発明の効果が実証された。

本発明は、熱源、冷媒、建築構造等の種類を問わず、水冷式空調システムに広く適用可能である。

１・・・・水冷式空調システム
２・・・・熱源機冷水系統
２ａ・・・熱源機
２ｄ・・・往水側ヘッダー
２ｅ・・・還水側ヘッダー
２ｆ・・・冷却水系統制御部
３・・・・分岐循環系統
３ｄ・・・流量制御弁
４ｃ・・・再循環ポンプ
４ｅ・・・再循環配管
５、６・・・・空調機
７・・・・空調対象室
Ｓ１〜Ｓ３・・・・温度センサ

Claims (5)

1. 冷水発生源である熱源機（２ａ）と、熱源機（２ａ）で作られた冷水を往水側ヘッダー（２ｄ）に供給する熱源機出側配管（２ｃ）と、還水側ヘッダー（２ｅ）からの還水を熱源機（２ａ）に戻す熱源機入側配管（２ｆ）と、両ヘッダー間を直接結ぶバイパス配管（２ｇ）と、を備えた熱源機冷水系統（２）と、
   往水側ヘッダー（２ｄ）及び還水側ヘッダー（２ｅ）と分岐・合流し、それぞれ空調機（５，６）に冷水を供給する分岐循環系統Ａと、分岐循環系統Ｂと、を備えて成り、
   各空調機（５，６）は、冷水と空調対象室（７）の空気とを熱交換させて、冷風を室内に給気可能に構成し、
   分岐循環系統Ａは、空調機（５）入り側に流量制御手段（３ｄ）と、空調機出側に出口温度計測手段（Ｓ１）と、を備え、
   分岐循環系統Ｂは、空調機（６）出の還水を再度空調機（６）に戻す再循環配管（４ｅ）と、再循環配管経路中に再循環ポンプ（４ｃ）と、を備え、
   往水側ヘッダーと還水側ヘッダーの温度差（往還温度差：ΔＴｈ）に対応して、
   分岐循環系統Ａに属する空調機（５）について、給気温度を一定に制御する給気温度一定制御、
   分岐循環系統Ｂについて、再循環ポンプ（４ｃ）を稼働させて空調機（６）出の還水を再度空調機（６）に戻す再循環運転制御、
   分岐循環系統Ａに属する空調機（５）について、空調機出口水温を一定に制御する出口水温一定制御、又は、
   熱源機（２ａ）の冷水温度を上昇させる熱源機冷水温度制御、
   のいずれか、又は、これらを複合させて制御可能に構成したことを特徴とする水冷式空調システム。
2. 請求項１に記載の水冷式空調システムにおいて、
   制御開始時には、分岐循環系統Ａについて前記給気温度一定制御により運転し、
   往還温度差（ΔＴｈ）が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態に至ったときは、全ての空調対象室（７）の室内温度（Ｔｒ）が所定の許容値内にあることを条件として、分岐循環系統Ｂについて前記再循環運転制御により運転する、
   ことを特徴とする水冷式空調システムにおける運転制御方法。
3. 請求項２において、
   往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、分岐循環系統Ａにについて前記出口水温一定制御に移行し、かつ、
   全ての空調対象室（７）の室内温度（Ｔｒ）が所定の許容値内にあることを条件として、流量制御手段（３ｄ）の制御により、出口水温設定値（Ｔws）を下限設定値（ＴWL）に至るまで下げて、往還温度差を大きくする制御を行う、
   ことを特徴とする水冷式空調システムにおける運転制御方法。
4. 請求項３の制御によっても、なお、往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、分岐循環系統Ａについて前記給気温度一定制御に戻し、
   分岐循環系統Ａについて、空調機出口水温設定値（Ｔws）を下限設定値（Ｔｘ）に至るまで下げて、往還温度差を確保する制御を行うことを特徴とする水冷式空調システムにおける運転制御方法。
5. 請求項４の制御によっても、なお、往還温度差が所定の閾値（ＴＬ）を下回る状態が継続する場合には、
   熱源機出口水温を段階的に上げていくことを特徴とする水冷式空調システムにおける運転制御方法。
   

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