JP6091615B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転と換気装置により取り込まれる外気による冷房運転とを併用する空調システムに関し、特に使用者の在室前に予冷を実施することができる空調システムに関するものである。

従来から、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転と換気装置により取り込まれる外気による冷房運転とを併用することが可能な空調システムが存在している。このような空調システムの中には、使用者の在室前に予冷を実施することができるものもある。

この種の空調システムとして、複数の空調運転の中から負荷を処理可能な運転を選択した後で、選択された運転の中で、もっとも消費エネルギが小さい運転を選択して実施するようにした技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２７１０９５号公報（例えば、請求項１、２２〜２６頁、図１０、図１１など）

特許文献１に記載された従来技術は、オフィスなどで空調運転が連続して実施されている中で、最も効率的な運転を選択するための技術である。例えば、家庭の室内空調用途などで、使用者がしばらく不在であり室内が設定温度よりも高温である状況で、使用者の在室開始時に合わせて、室内温度を設定温度まで低下させる予冷運転の状況については十分考慮できていなかった。

特許文献１では、各運転の効率をもとに実施する運転が選定されるため、例えば外気温度が室内温度よりも適度に低い場合、外気冷房運転の効率が高くなり、外気冷房運転が選択される。外気冷房運転実施後も、室内温度低下が遅く、外気温度が室内温度よりも適度に低い場合が継続される場合は、そのまま外気冷房運転が継続される。
一方で、予冷運転の場合は、使用者の在室開始時に合わせて、室内温度を設定温度まで低下させる必要があるため、ある程度外気冷房運転を継続後、室内温度低下が遅い場合は、使用者の在室開始時に室内温度を設定温度まで低下できるように途中でヒートポンプ空気調和装置による冷房運転に切り換えることになる。

このとき、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転に切り換えるタイミングが遅いと、短時間で室内温度を設定温度まで下げる必要があり、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転を高能力で運転する必要が生じる。ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転では、一般に運転能力が高いほど効率が悪化するため、空調システムの運転時の消費電力量が増加する。

従って、予冷運転で、外気冷房運転を実施後、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転を実施する場合、適度な時間で運転を切り換える必要があるが、特許文献１では、各運転の効率をもとに判定するだけであり、予冷時間の全体を通じて消費電力量を低減する省エネ運転を実現するという要望には応えられないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、予冷運転で、外気冷房運転を実施後、ヒートポンプ空気調和装置による冷房運転を実施する場合の消費電力量を低減し、省エネ運転が可能な空調システムを提供することを目的とする。

本発明に係る空調システムは、ヒートポンプ冷房運転を行う空調装置と、外気冷房運転を行う換気装置と、前記空調装置及び前記換気装置の運転を制御する統合コントローラを備え、前記統合コントローラによって空調対象空間の温度を使用者の在室前に予め設定温度まで下げる予冷運転を実行する空調システムであって、前記統合コントローラは、予め定められた予冷運転開始時間における外気温度が、その時点での前記空調対象空間の温度より低い場合に、前記換気装置を動作させて前記空調対象空間に外気を取り入れる外気冷房運転を行い、前記外気冷房運転の実施後に、使用者の在室開始の所定時間前の運転切換判定時間における前記空調対象空間の温度が、予め定められた運転切換判定温度と同等もしくは高い場合、前記換気装置による前記外気冷房運転から、前記空調装置によるヒートポンプ冷房運転に切り換え、前記運転切換判定時間が複数個設定されており、前記運転切換判定温度を複数個設定し、前記運転切換判定温度は、前記運転切換判定時間が遅くなるほど低く設定されるものである。

本発明に係る空調システムによれば、予冷運転を実施する際のヒートポンプによる冷房運転の消費電力量が少なくなるように、外気冷房運転、もしくはヒートポンプによる冷房運転が選択可能となり、予冷運転時に省エネとなる運転を実現できる。

本発明の実施の形態に係る空調システムの構成を概略化して示す構成図である。 本発明の実施の形態に係る空調システムの空調装置及び換気装置を連動した予冷運転時の制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に係る空調システムの制御ブロック図である。 図２で示した外気冷房運転とヒートポンプ冷房運転の切換方法、及びこの運転による室内温度の時間変化を示したグラフである。 外気冷房運転の運転時間に応じた室内温度、空調装置の冷房運転と外気冷房運転の処理熱量、空調装置の冷房運転時の冷房能力、空調装置の冷房運転時の運転効率、空調装置の冷房運転時の消費電力量の特性を表した図である。 外気冷房運転の実施時間に応じた室内温度低下状況と予冷運転全体における空調装置の冷房運転の消費電力量とを表した図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態に係る空調システム１００の構成を概略化して示す構成図である。図１に基づいて空調システム１００の構成について説明する。図１では、空調システム１００の構成とともに、空調システム１００の設置例も図示している。この空調システム１００は、ヒートポンプ空気調和装置（以下、空調装置Ａ）及び換気装置１１を備え、空調装置Ａによるヒートポンプ冷房運転と換気装置１１により取り込まれる外気による冷房運転とを併用することができ、また使用者の在室前に予冷を実施することができるものである。

［空調システム１００の構成］
図１に示すように、空調システム１００は、室内機１及び室外機２を備えた空調装置Ａと、換気装置１１と、統合コントローラ１２と、を備え、統合コントローラ１２が空調装置Ａ及び換気装置１１を制御することによって空調対象空間の一例である室内空間Ｂの空調を実施するようになっている。従って、空調装置Ａを構成する室内機１が室内空間Ｂに空調空気を供給できるような場所（たとえば、室内空間Ｂの天井裏等）に設置されている。また、換気装置１１が室内空間Ｂに外気を供給できるような場所（たとえば、室内空間Ｂの壁面等）に設置されている。

空調装置Ａは、室内機１より吹き出される冷風、温風により冷房運転、暖房運転を実施し、室内空間Ｂの空調を実施する。また、換気装置１１は、外気温度が室内空間Ｂの温度よりも低温である場合に、外気を室内空間Ｂに搬送し、室内空間Ｂの冷房運転を実施する。なお、以下の説明において、空調装置Ａによる空調運転をヒートポンプ空調運転と、換気装置１１による冷房運転を外気冷房運転と、それぞれ称する場合がある。

＜空調装置Ａ＞
空調装置Ａは、蒸気圧縮式冷凍サイクルを搭載してヒートポンプ空調運転を行うものである。空調装置Ａは、室内熱交換器５、圧縮機６、室外熱交換器７、膨張弁８、四方弁９を有しており、これらの機器を冷媒配管３により環状に接続されている。室内熱交換器５は、室内機１に搭載されている。圧縮機６、室外熱交換器７、膨張弁８、及び、四方弁９は、室外機２に搭載されている。これらの機器、つまり室内熱交換器５、圧縮機６、室外熱交換器７、膨張弁８、四方弁９が冷媒配管３により環状に配管接続されることで冷凍サイクルが構成される。

（室内機１）
室内機１は、冷凍サイクルを流れる冷媒より供給される冷熱又は温熱と、室内空気と、を室内熱交換器５で熱交換することにより冷房又は暖房を行う。なお、室内機１には、室内空間Ｂの空気を吸い込んで、この空気を室内熱交換器５を経由させた後、室内空間Ｂに吹き出す室内ファン５ａが搭載されている（図１に示す破線矢印）。

室内熱交換器５は、冷凍サイクルを流れる冷媒より供給される冷熱又は温熱と、室内空気と、の間で熱交換を行うものである。具体的には、室内熱交換器５は、冷房運転時には蒸発器として、暖房運転時には凝縮器（放熱器）として機能し、室内ファン５ａから供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、その冷媒を蒸発ガス化又は凝縮液化するものである。この室内熱交換器５で熱交換された室内空気が空調空気として室内空間Ｂに供給され、室内空間Ｂの冷房又は暖房が行われる。室内熱交換器５は、例えば、伝熱管と多数のフィンで構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。上述したように、室内熱交換器５には、室内ファン５ａによって室内空気が供給されるようになっている。

（室外機２）
室外機２は、室内機１に搬送する冷熱又は温熱を生成し、生成した冷熱又は温熱を蓄えた冷媒を室内機１に搬送するものである。なお、室外機２には、室外空間の空気を吸い込んで、この空気を室外熱交換器７を経由させた後、室外空間に吹き出す室外ファン７ａが搭載されている。

圧縮機６は、冷媒を圧縮して高温・高圧の冷媒とするものであり、インバータで駆動され、空調状況に応じて運転容量が制御されるようになっている。なお、図１においては、圧縮機６は１台のみとなっているが、これに限定されず、２台以上の圧縮機が並列もしくは直列に接続されたものであってもよい。

室外熱交換器７は、冷凍サイクルを流れる冷媒より供給される冷熱又は温熱と、室外空気と、の間で熱交換を行うものである。具体的には、室外熱交換器７は、冷房運転時には凝縮器（放熱器）として、暖房運転時には蒸発器として機能し、室外ファン７ａから供給される空気と冷媒との間で熱交換を行ない、その冷媒を凝縮液化又は蒸発ガス化するものである。室外熱交換器７は、例えば、伝熱管と多数のフィンで構成されたクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器で構成するとよい。上述したように、室外熱交換器７には、室外ファン７ａによって室外空気が供給されるようになっている。

膨張弁８は、室内熱交換器５と室外熱交換器７との間に接続され、冷媒配管３を流れる冷媒の圧力を減圧して膨張させるものである。なお、冷媒流量の調節等を行うことが可能なように、膨張弁８を、ステッピングモータ（図示せず）により絞りの開度が可変に制御可能なもの、例えば電子式膨張弁等で構成するとよい。

四方弁９は、圧縮機６の吐出側に接続され、空調装置Ａの運転（冷房運転、暖房運転）に応じて冷媒の流れを切り替えるものである。冷房運転時には、圧縮機６の吐出側と室外熱交換器７とを接続するとともに、圧縮機６の吸入側と室内機１との接続配管を接続するように冷媒流路を切り換える（図１に示す四方弁９の実線）。暖房運転時には、圧縮機６の吐出側と室内機１との接続配管を接続するとともに、圧縮機６の吸入側と室外熱交換器７とを接続するように冷媒流路を切り換える（図１に示す四方弁９の破線）。なお、四方弁９は、必須ではない。また、四方弁９の代用として、二方弁や三方弁を冷媒の流れを切り替えるようにしてもよい。

本実施の形態では、室内機１が１台の場合の構成を例に説明するが、室内機１の接続台数を特に限定するものではない。例えば、２台以上の室内機１を接続してもよい。また、複数の室内機１のそれぞれの容量が大から小まで異なっても、全てが同一容量でも良い。

（その他の構成）
室外機２には、更に、空調装置Ａの制御を行う計測制御装置１０が搭載されている。計測制御装置１０は、通信線４ａにより室内機１と通信可能に接続されている。計測制御装置１０は、室内機１に設けた室内温度センサ１３ａ、室外機２に設けた外気温度センサ１３ｂなどの各種センサ情報、運転情報、更には使用者の設定情報を取得できるようになっている。そして、計測制御装置１０は、各種センサ情報、運転情報、設定情報の信号と、予め搭載されている制御プログラムに基づいて、空調装置Ａを制御する。なお、通信線４ａは、有線、無線のいずれであってもよい。また、計測制御装置１０は、後述する統合コントローラ１２に接続されている。

計測制御装置１０は、室内空間Ｂを設定温度に維持するように各部（例えば、圧縮機６、膨張弁８）を制御する通常運転を行う。また、計測制御装置１０は、部屋などの室内空間Ｂを使用する使用者の在室前に予め室内空間Ｂの温度を設定温度まで下げる予冷運転を行うことができるようになっている。さらに、計測制御装置１０は、使用者の在室前に予め室内空間Ｂの温度を設定温度まで上げる予暖運転を行うことができるようになっている。加えて、空調システム１００では、換気装置１１の外気冷房運転と連動した予冷運転を実行できるようになっているが、この点については後に詳述する。

なお、計測制御装置１０は、空調システム１００の全体を統括制御できるようなマイクロコンピュータ等で構成し、四方弁９の切り替え制御、膨張弁８の開度制御の他、圧縮機６の駆動周波数制御や室内ファン５ａの回転数制御、室外ファン７ａの回転数制御等を制御することで、空調システム１００の運転を指令するようになっている。

室内温度センサ１３ａは、室内機１に搭載され、室内機１に吸い込まれた室内空気の温度を計測するものである。外気温度センサ１３ｂは、室外機２に搭載され、室外機２に吸い込まれた外気の温度を計測するものである。また、空調装置Ａに搭載される他の各種センサとしては、たとえば圧縮機６から吐出された冷媒の圧力を計測する圧力センサや、圧縮機６に吸入される冷媒の圧力を計測する圧力センサ、圧縮機６から吐出された冷媒の温度を計測する温度センサ、圧縮機６に吸入される冷媒の温度を計測する温度センサ等が考えられる。

＜換気装置１１＞
換気装置１１は、室内空間Ｂの例えば壁面などに設置され、外気を室内空間Ｂに搬送することで外気冷房運転を行うものである。換気装置１１には、外気を室内空間Ｂに搬送する換気ファン１１ａが搭載されている。また、換気装置１１には、制御装置１１ｂが搭載されている。制御装置１１ｂは、使用者の運転指令に基づいて、換気ファン１１ａの回転数を制御し、換気ファン１１ａの運転及び停止、換気風量の調整を実行する。なお、制御装置１１ｂは、後述する統合コントローラ１２に接続されている。

＜統合コントローラ１２＞
統合コントローラ１２は、空調装置Ａ及び換気装置１１の運転を統合してコントロールする制御装置である。統合コントローラ１２は、空調装置Ａの計測制御装置１０、及び換気装置１１の制御装置１１ｂとの間で、通信線４ｂ、通信線４ｃを介して通信可能に接続されている。

統合コントローラ１２は、空調装置Ａに搭載されている室内温度センサ１３ａ、外気温度センサ１３ｂの温度情報や、使用者が設定した室内設定温度などの設定情報を取得するとともに、空調装置Ａ及び換気装置１１の運転指令をそれぞれの制御装置に発信する。また、統合コントローラ１２は、使用者の在室情報を取得、もしくは設定可能となっており、この情報に基づいて使用者の在室開始時刻に室内温度が設定温度となるような予冷運転（又は、予暖運転）を実施する制御プログラムが実装されている。

＜冷媒＞
空調装置Ａの冷媒回路を循環させる冷媒の種類を特に限定するものではなく、任意の冷媒を用いることができる。空調装置Ａの冷媒回路に循環させる冷媒には、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）や炭化水素、ヘリウム等のような自然冷媒や、Ｒ４１０Ａはもちろん、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４Ａ等の代替冷媒等の塩素を含まない冷媒を採用してもよい。

＜その他＞
なお、本実施の形態では、四方弁９を設けて暖房運転と冷房運転とを切り換え可能な冷媒回路を構成する場合を説明するが、本発明はこれに限るものではない。例えば、四方弁９を設けずに、冷房運転のみ又は暖房運転のみを行うようにしてもよい。また、四方弁９の代用として、例えば、二方弁や三方弁を複数個用い、同じように冷媒の流れを切り換えられるように構成してもよい。

［空調システム１００の動作］
＜空調装置Ａの通常運転＞
まず、空調装置Ａの通常運転について説明する。空調装置Ａの計測制御装置１０は、室内空間Ｂの使用者からの運転開始指令を受けると、各部を制御することにより運転を開始する。運転開始指令には、冷房、暖房などの運転モードも同時に設定される。そして、空調装置Ａの計測制御装置１０は、室内温度として室内空間Ｂの代表温度を検知する室内温度センサ１３ａの計測値が、使用者により設定された設定温度となるように各部を制御して運転を継続する。

その際、室内温度が設定温度の近傍で安定するように、計測制御装置１０は、圧縮機６の容量制御を実行する。具体的には、室内温度と設定温度との温度差が大きい場合、計測制御装置１０は、圧縮機６の容量を大きく運転し、空調装置Ａの加熱又は冷却能力を大きくなるようにして設定値への収束を早めるようにする。一方、室内温度と設定温度との温度差が小さい場合には、計測制御装置１０は、圧縮機６の容量を小さく運転し、空調装置Ａの加熱又は冷却能力を小さくなるようにして室内空間Ｂが過剰に加熱又は冷却されることを回避し、室内温度の安定を図る。

＜空調装置Ａの予冷運転＞
次に、空調装置Ａ及び換気装置１１を連動した予冷運転動作について図２に基づいて説明する。図２は、空調システム１００の空調装置Ａ及び換気装置１１を連動した予冷運転時の制御の流れを示すフローチャートである。図３は、空調システム１００の制御ブロック図である。図３に示すように、統合コントローラ１２は、予冷運転開始時間設定手段１２ａ、温度比較手段１２ｂ、予冷運転開始決定手段１２ｃ、予冷運転選択手段１２ｄ、運転切換判定時間設定手段１２ｅ、運転切換手段１２ｆ、運転切換判定温度設定手段１２ｇを有し、それらによって図２に示すフローチャートを実行する。

まず、統合コントローラ１２は、予冷運転開始時間設定手段１２ａによって、取得した使用者の在室情報をもとに予冷運転開始時間を決定する（ステップＳ１０１）。この予冷運転開始時間は、例えば使用者の在室開始時間の所定時間前（例えば２時間前）の時間に設定される。次に、統合コントローラ１２は、温度比較手段１２ｂによって、予冷運転開始時間となったタイミング（ステップＳ１０２）で、室内温度（空調対象空間の温度）と使用者が設定した設定温度とを比較する（ステップＳ１０３）。

統合コントローラ１２の予冷運転開始決定手段１２ｃは、室内温度が設定温度よりも高い場合（室内温度が設定温度以上の場合も含む）に、予冷運転を開始する（ステップＳ１０３；Ｙ）。なお、統合コントローラ１２の予冷運転開始決定手段１２ｃは、室内温度が設定温度よりも低い場合（ステップＳ１０３；Ｎ）には、予冷運転を実施しない（ステップＳ１０４）。

次に、統合コントローラ１２は、予冷運転選択手段１２ｄによって、予冷運転開始時の運転方法を選択する。ここでは、統合コントローラ１２の予冷運転選択手段１２ｄは、外気温度と室内温度との比較から予冷運転開始時の運転方法を選択する（ステップＳ１０５）。統合コントローラ１２の予冷運転選択手段１２ｄは、外気温度と室内温度とを比較し、外気温度が室内温度よりも低い場合（ステップＳ１０５；Ｙ）は、換気装置１１を用いた外気冷房運転を実施する（ステップＳ１０７）。一方、統合コントローラ１２の予冷運転選択手段１２ｄは、外気温度と室内温度とを比較し、外気温度が室内温度以上の場合（ステップＳ１０５；Ｎ）は、空調装置Ａを用いたヒートポンプ冷房運転を実施する（ステップＳ１０６）。

以上の判定に基づき、統合コントローラ１２により空調装置Ａもしくは換気装置１１に運転指令が出される。ここでヒートポンプ冷房運転が選択された場合には、使用者の在室開始時間までヒートポンプ冷房運転を継続する。なお、予冷運転時の空調装置Ａの運転動作については後述する。

予冷運転開始時に、外気冷房運転を選択した場合には、統合コントローラ１２は、運転切換判定時間設定手段１２ｅによって、所定時間間隔（例えば２０分間隔）で運転切換判定時間を設定する（ステップＳ１０８）。そして、統合コントローラ１２の運転切換手段１２ｆは、運転切換判定時間が到来すると（ステップＳ１０９）、そのときの室内温度に応じて運転を切り換える（ステップＳ１１０）。

各運転切換判定時間では、運転切換判定温度設定手段１２ｇによって運転切換判定温度が設定される。運転切換判定温度は、設定温度及び外気温度よりも高く設定される。運転切換判定時間及び運転切換判定温度は、運転切換判定時間設定手段１２ｅ及び運転切換判定温度設定手段１２ｇによってそれぞれ複数個設定される。そして、運転切換判定温度は、後述する空調装置Ａでの予冷運転時の消費電力量の特性に基づき、消費電力量が少なくなるように空調装置Ａの運転特性、各温度条件などを用いて決定され、運転切換判定時間が遅いほど低い判定温度に設定される。

ステップＳ１１０において、統合コントローラ１２の温度比較手段１２ｂは、運転切換判定時間において、室内温度と運転切換判定温度を比較する。室内温度が運転切換判定温度と同等もしくは高い場合（ステップＳ１１０；Ｙ）は、統合コントローラ１２の運転切換手段１２ｆは、換気装置１１による外気冷房運転を終了し、空調装置Ａによるヒートポンプ冷房運転に切り換える（ステップＳ１１２）。そして、統合コントローラ１２の運転切換手段１２ｆは、使用者の在室開始時間までヒートポンプ冷房運転を継続する（ステップＳ１１３）。

一方、室内温度が運転切換判定温度よりも低い場合（ステップＳ１１０；Ｎ）は、統合コントローラ１２の運転切換手段１２ｆは、次の運転切換判定時間まで外気冷房運転を継続する（ステップＳ１１１）。

予冷運転時の空調装置Ａの運転は以下のように実施する。まず、空調装置Ａの設定温度は、統合コントローラ１２より指令された温度とし、その温度が実現されるように通常運転時と同様の圧縮機６の運転容量制御を実施する。統合コントローラ１２から指令される設定温度は時間経過毎に引き下げられ、空調装置Ａの予冷運転開始後の室内温度の時間変化が概ね一定となり、使用者の在室開始時刻にちょうど室内温度が使用者の設定温度となるように制御される。

図４は、図２で示した外気冷房運転とヒートポンプ冷房運転の切換方法、及びこの運転による室内温度の時間変化を示したグラフである。図４では、縦軸が室内温度を、横軸が時間を、それぞれ表している。図４に基づいて、図２で示した外気冷房運転とヒートポンプ冷房運転の切換方法、及びこの運転による室内温度の時間変化について説明する。なお、図４の黒塗り点は、各運転切換判定時間における運転切換判定温度を表す。図４の実線は、外気温度が高い場合の室内温度変化を表す。図４の点線は、外気温度が低い場合の室内温度変化を表す。

外気温度が室内温度よりも低いものの比較的高く、室内温度と外気温度との温度差が小さい場合には、外気冷房運転による冷却能力が低いため、室内温度の低下速度が低く、室内温度変化が緩やかとなる。従って、早い時間での運転切換判定時間において、室内温度が運転切換判定温度よりも高くなり（図４に示す点Ａ）、この時点で外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換える。

一方、外気温度が低い場合、外気冷房運転による冷却能力が高いため、室内温度の低下速度が高く、室内温度変化が急となる。従って、遅い時間での運転切換判定時間において、室内温度が運転切換判定温度よりも高くなり（図４に示す点Ｂ）、この時点で外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換える。
なお、常に室内温度が運転切換判定温度よりも低く、外気冷房運転により室内温度が設定温度まで引き下げられる場合は、そのまま外気冷房運転が継続される。

次に、上述した運転により、予冷運転の消費電力量を少なくできる理由について説明する。ここで、空調システム１００の予冷運転に基づく冷却負荷の処理状況について説明する。

一般に空調が行われる場合、熱負荷としては、室内を構成する躯体など（天井や壁など、室内にある家具なども含む）の熱容量に応じた熱負荷と、室外から室内への換気や熱伝達によって侵入する熱負荷とがある。昨今では、住宅の高気密、高断熱化が進んでおり、熱負荷の絶対量としては、躯体などの熱容量に応じた熱負荷の方が大きくなっている。従って、予冷運転では主に躯体の熱容量分の冷却を行う運転がなされ、予冷運転時に、空調運転により冷却処理が必要な熱量は、主に室内空間Ｂに存在する躯体の温度低下分となる。躯体の温度は、概ね室内温度と一致するため、予冷運転開始時の室内温度と設定温度との温度差に比例した量が、予冷運転全体を通じての必要冷却熱量となる。

また、各運転の冷却熱量であるが、各運転により引き下げる室内温度の低下幅に比例した量となる。例えば図４の実線の過程で室内温度が変化する場合、外気冷房運転による処理熱量は、予冷開始時の室内温度と点Ａの時点での室内温度との温度差に比例し、ヒートポンプ冷房運転による処理熱量は、点Ａの時点での室内温度と設定温度との温度差に比例した量となる。外気冷房運転を長く実施するほど室内温度は低下するため、外気冷房運転による処理熱量は増加し、ヒートポンプ冷房運転による処理熱量は減少する。

次に、空調装置Ａの冷房運転の冷房能力であるが、冷房能力は単位時間あたりの処理熱量であるため、空調装置Ａの冷房運転による処理熱量を、空調装置Ａの冷房運転の運転時間で割った値となる。空調装置Ａの冷房運転では在室開始時刻に室内温度を設定温度まで引き下げる運転とするため、運転時間は、外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換えた時刻から在室開始時刻までの時間となる。外気冷房運転を長く実施した場合、室内温度の低下により空調装置Ａの冷房運転による処理熱量は減少するが、空調装置Ａの冷房運転時間も短くなる。

外気冷房運転により、室内温度が在室開始時刻に設定温度となるように直線的に変化する場合、処理熱量の減少率と、冷房運転時間の短縮率は同じとなり、どのタイミングで外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換えても、冷房能力は同じとなる。一方、外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転による切換が必要となる場合、室内温度の低下速度は遅く、在室開始時刻には設定温度よりも高温となるような変化となる。従って、外気冷房運転実施時の処理熱量の減少率に対して、冷房運転時間の短縮率の方が大きくなる。そのため、空調装置Ａの冷房運転の冷房能力は、外気冷房運転を長く実施するほど増加する。

ヒートポンプの運転の一般的な特性として、運転能力が高能力であるほど運転効率は低下する。従って、外気冷房運転を長く実施するほど空調装置Ａの冷房運転時の効率は低下する。

次に、予冷運転実施時の空調システム１００の消費電力量について検討する。外気冷房運転では、駆動されるのは換気装置１１の換気ファン１１ａのみであり、その消費電力は空調装置Ａが動作する際に圧縮機６などを駆動するのに要する消費電力よりも小さくなる。そのため、予冷運転実施時の空調システム１００の消費電力量としては、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を考慮すればよい。空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量は、処理熱量÷運転効率で求められる。

外気冷房運転を長く実施するほど、空調装置Ａの冷房運転における処理熱量が低下する一方で、空調装置Ａの冷房運転時の運転効率も悪化する。処理熱量は外気冷房運転の運転時間に応じて概ね線形で減少していくが、運転効率は、冷房能力が空調装置Ａの冷房運転時間が短くなる（＝外気冷房運転時間が長くなる）につれ双曲線的に増加するという特性を受けて、上に凸の曲線となって、外気冷房運転の運転時間が長くなるにつれ低下する。

そのため、処理熱量÷運転効率で求められる空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量は下に凸の曲線となり、消費電力量が最小となる状態が存在することになる。外気冷房運転から、空調装置Ａの冷房運転に切り換える際に、この状態の近辺を狙って切り換えることで、消費電力量の少ない予冷運転を実現できる。

上述した消費電力量が決定される特性を図示すると図５のようになる。図５は、外気冷房運転の運転時間に応じた室内温度、空調装置Ａの冷房運転と外気冷房運転の処理熱量、空調装置Ａの冷房運転時の冷房能力、空調装置Ａの冷房運転時の運転効率、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量の特性を表した図である。

前述した通り、外気冷房運転が長くなるにつれ室内温度は低下し、室内温度変化に応じて外気冷房運転の処理熱量は増加し、空調装置Ａの冷房運転の処理熱量は減少する。空調装置Ａの冷房運転時の冷房能力は外気冷房運転が長くなると、空調装置Ａの冷房運転を実施できる時間が短くなるため増加傾向となり、冷房能力の増加に応じて空調装置Ａの冷房運転時の運転効率は低下する。空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量は処理熱量、運転効率の特性に応じて下に凸の曲線となり、外気冷房運転実施時間の中で消費電力量が最小となる状態（以下、最適状態と称する）が存在する。

次に図５の特性から、外気冷房運転による室内温度低下状況が変わった場合について検討する。例えば外気温度が図５の特性が得られる場合よりも低い場合は、外気冷房運転による冷却能力が増加するため、室内温度の低下速度が大きく、傾きが急となる。また、例えば外気温度が図４の特性が得られる場合よりも高い場合は、外気冷房運転による冷却能力が減少するため、室内温度の低下速度が小さく、傾きが緩やかとなる。

室内温度の低下速度が大きい場合、図５の最適状態の時間よりも外気冷房運転を長くすると、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を決定する要因のうち、空調装置Ａの冷房運転での処理熱量の低下幅が図４の特性が得られる場合よりも大きくなる。そのため、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量はさらに減少する特性となる。従って、外気温度が低く、室内温度の低下速度が大きい場合には、図５の最適状態の時間よりもさらに外気冷房運転を長くし、室内温度がさらに低下する状態まで外気冷房運転を実施し、運転を空調装置Ａの冷房運転に切り換えたときに、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を最小とする最適状態が生じる。

一方、室内温度の低下速度が遅い場合は、逆の特性となり、図５の最適状態の時間よりも外気冷房運転を短くすると、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を決定する要因のうち、空調装置Ａの冷房運転での処理熱量の増大幅が図４の特性が得られる場合よりも小さくなる。それと同時に、空調装置Ａの冷房運転での運転効率の増加幅は図４の特性と同程度に得られる。そのため、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量は減少する特性となる。従って、外気温度が高く、室内温度の低下速度が小さい場合には、図５の最適状態の時間よりも外気冷房運転を短くし、室内温度が図５の最適状態よりも低下していない状態まで外気冷房運転を実施し、運転を空調装置Ａの冷房運転に切り換えたときに、空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を最小とする最適状態が生じる。

以上の室内温度の低下状況と空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量の特性をまとめると、図６のように図示される。図６は、外気冷房運転実施時間に応じた室内温度低下状況と予冷運転全体における空調装置Ａの冷房運転の消費電力量とを表した図である。図６では、外気冷房運転の冷却能力に応じて３パターンの特性を示している。図６に示す点線（Ａ）は低外気温度、外気冷房による室内温度低下速度大の場合、実線（Ｂ）は中間外気温度、外気冷房による室内温度低下速度中の場合、一点鎖線（Ｃ）は高外気温度、外気冷房による室内温度低下速度小の場合の特性である。

図６において、各外気温度、室内温度低下速度の場合における空調装置Ａの冷房運転時の消費電力量を最小とする場合が図示されている。そのうち点線（Ａ）では、外気冷房運転時間がｔ３の場合に室内温度がＴ３となった時点で外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換えると消費電力量最小となる。実線（Ｂ）では、外気冷房運転時間がｔ２の場合に室内温度がＴ２となった時点で外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換えると消費電力量最小となる。一点鎖線（Ｃ）では、外気冷房運転時間がｔ１の場合に室内温度がＴ１となった時点で外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換えると消費電力量最小となる。

図６の特性より、運転状況を以下のように判断できる。例えば外気冷房運転実施時間がｔ２の場合の室内温度がＴ２と同じである場合にはその時点で外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換えることで、予冷運転の消費電力量最小となる最省エネ運転が実現される。一方、外気冷房運転実施時間がｔ２の場合の室内温度がＴ２よりも高い場合（一点鎖線（Ｃ）の特性の場合）、すでに予冷運転の消費電力量最小となる運転切換時間が経過しており、時間ｔ２よりも早期に切り換えた方が省エネとなる。また、外気冷房運転実施時間がｔ２の場合の室内温度がＴ２よりも低い場合（点線（Ａ）の特性の場合）、予冷運転の消費電力量最小となる運転切換時間はｔ２より以降にあり、ｔ２の時点ではそのまま外気冷房運転を継続した方が、省エネとなる。

従って、図６の予冷運転の消費電力量最小となる運転時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）、室内温度（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）の情報を予め機器特性及び温度条件に応じて試算して設定しておき、運転切換判定方法として使用する。そして、用意した運転時間のタイミングで最適運転となる室内温度と、その時点の室内温度を比較し、室内温度が同等、もしくは高い場合には外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換える。また、室内温度が低い場合には外気冷房運転をそのまま継続することで、外気冷房運転から空調装置Ａの冷房運転に切り換える予冷運転を行う際に消費電力量を最小とする最適な省エネ運転が実現される。

図２に示した制御フローにおける運転切換判定はこの考えに従って実施しているものであり、図２に示した制御フローにより、予冷運転での最省エネ運転が実現可能となる。

運転切換判定に用いる消費電力量を最小とする運転時間と室内温度の組み合わせは、全運転時間に定義できる。そのため、より最適な運転を行わせるには全運転時間のデータを予め式化するなどして用意し、室内温度などの温度情報を取得する運転タイミング毎に判定を実施し、その結果に応じて外気冷房運転を継続するか、空調装置Ａの冷房運転に切り換えるかを判定することが望ましい。ただし、運転の切換判定時間が多少前後してもほぼ消費電力量最小とする最適な運転が実現できるので、図２の制御フローに例示されるように適度な時間間隔で切換判定を行うようにし、制御仕様を簡素化することもできる。いずれの場合においても、判定時間と判定温度の相関として、より遅い判定時間であるほど判定温度は低く設定される。

以上のように、本実施の形態に係る空調システム１００では、外気冷房運転とヒートポンプ冷房運転を併用して予冷運転を行う場合において、室内温度の低下状況に応じて最適なタイミングで外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換えるようにしている。これにより、空調システム１００によれば、予冷運転における空調装置Ａの冷房運転での消費電力量を最小化し、より省エネとなる空調装置Ａの運転を実現できる。特に外気温度に応じて外気冷房運転による特性が変化する場合であっても、最適な判定を実施でき、多様な運転に対応可能な手法となる。

なお、運転切換判定時間及び運転切換判定温度については、空調装置Ａの能力に応じた運転効率や外気冷房運転での冷房能力を決定する換気装置１１の換気量などの機器特性に基づき決定するが、予冷運転開始時の温度条件によって随時補正してもよい。例えば、予冷運転開始時の室内温度と設定温度との温度差が予め想定した値よりも大きい場合には、運転切換判定温度を高く補正し、予冷運転開始時の室内温度と設定温度との温度差が予め想定した値よりも小さい場合には、運転切換判定温度を低く補正する。このように補正することで外気冷房運転が過度に長く、もしくは短くなることを防止し、より最適なタイミングで外気冷房運転からヒートポンプ冷房運転に切り換えることができ、より省エネとなる運転を実現できる。

また、使用者が設定した設定温度に応じて運転切換判定温度を補正してもよい。例えば、予め想定した基準となる設定温度よりも使用者の設定温度が高い場合には、運転切換判定温度を高く補正し、使用者の設定温度が低い場合には運転切換判定温度を低く補正する。

さらに、外気温度に応じて運転切換判定温度を補正してもよい。例えば、外気温度が予め想定した基準となる外気温度よりも高い場合、空調装置Ａの運転効率は悪化する傾向となるので、消費電力量最小となる運転切換判定時間が早くなる。そこで、運転切換判定温度を低く補正し、より早期に運転切換判定を行えるようにする。逆に、外気温度が予め想定した基準となる外気温度よりも低い場合、空調装置Ａの運転効率は良化するので、消費電力量最小となる運転切換判定時間が遅くなる。そこで、運転切換判定温度を高く補正し、より遅く運転切換判定が実施されるようにする。

なお、在室情報については、予め使用者が設定してもよいが、他の方法により取得してもよい。例えば、室内空間Ｂに存在する機器、例えば空調装置Ａや、照明などの機器の使用情報、赤外線の人感センサなどによる人検知情報、室内ドアの開閉情報など、使用者の生活パターンを収集しておき、それらの少なくとも一つの情報に基づいて設定してもよい。

また、対象とする室内空間Ｂに関する情報だけでなく、家庭全体の生活パターンから在室情報を設定してもよい。例えば、家全体の機器の状態を監視するＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）を別途導入し、そのシステムにて在室情報を処理させることもできる。また、ＨＥＭＳに統合コントローラ１２の機能を搭載し、ＨＥＭＳより空調装置Ａや換気装置１１に運転指令を出し、本実施の形態で説明した予冷運転を実施してもよい。

《空調システム１００の変形例》
本発明の内容を実施の形態において説明したが、例えば、冷媒の流路構成（配管接続）、圧縮機、熱交換器、膨張弁等の冷媒回路要素の構成等の内容は、各実施の形態で説明した内容に限定されるものではなく、本発明の技術の範囲内で適宜変更が可能である。

１ 室内機、２ 室外機、３ 冷媒配管、４ａ 通信線、４ｂ 通信線、４ｃ 通信線、５ 室内熱交換器、５ａ 室内ファン、６ 圧縮機、７ 室外熱交換器、７ａ 室外ファン、８ 膨張弁、９ 四方弁、１０ 計測制御装置、１１ 換気装置、１１ａ 換気ファン、１１ｂ 制御装置、１２ 統合コントローラ、１２ａ 予冷運転開始時間設定手段、１２ｂ 温度比較手段、１２ｃ 予冷運転開始決定手段、１２ｄ 予冷運転選択手段、１２ｅ 運転切換判定時間設定手段、１２ｆ 運転切換手段、１２ｇ 運転切換判定温度設定手段、１３ａ 室内温度センサ、１３ｂ 外気温度センサ、１００ 空調システム、Ａ 空調装置、Ｂ 室内空間。

Claims (3)

1. ヒートポンプ冷房運転を行う空調装置と、外気冷房運転を行う換気装置と、前記空調装置及び前記換気装置の運転を制御する統合コントローラを備え、前記統合コントローラによって空調対象空間の温度を使用者の在室前に予め設定温度まで下げる予冷運転を実行する空調システムであって、
   前記統合コントローラは、
   予め定められた予冷運転開始時間における外気温度が、その時点での前記空調対象空間の温度より低い場合に、前記換気装置を動作させて前記空調対象空間に外気を取り入れる外気冷房運転を行い、
   前記外気冷房運転の実施後に、使用者の在室開始の所定時間前の運転切換判定時間における前記空調対象空間の温度が、予め定められた運転切換判定温度と同等もしくは高い場合、前記換気装置による前記外気冷房運転から、前記空調装置によるヒートポンプ冷房運転に切り換え、
   前記運転切換判定時間が複数個設定されており、
   前記運転切換判定温度を複数個設定し、
   前記運転切換判定温度は、
   前記運転切換判定時間が遅くなるほど低く設定される
   空調システム。
2. 前記運転切換判定温度は、
   使用者によって設定される設定温度、前記予冷運転開始時の室内温度、もしくは外気温度の少なくともいずれか一つの温度に応じて補正される
   請求項１に記載の空調システム。
3. 前記運転切換判定時間は、
   使用者によって設定される設定温度、前記予冷運転開始時の室内温度、もしくは外気温度の少なくともいずれか一つの温度に応じて補正される
   請求項１に記載の空調システム。

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