JP6170541B2 - 空調機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、セントラル空調方式の空調機の制御方法に関する。

中規模ないしは大規模の建物の空調設備には、セントラル空調方式が採用されている。近年では、地域冷暖房システムも普及してきており、地域で共有する冷熱源から温水及び冷水が各建物に供給されている。各建物にそれぞれ設定された空調機は、外気を取り入れてその温度を冷水又は温水を用いて調節し、当該建物内の冷房又は暖房の空調を行う。一般的な空調機は、季節による外気の変化に関わらず室内温度を常に一定に維持する制御を行っている。そこで、外気の条件に応じて空調機において種々の制御を行い、冷水や温水に使用量をできるだけ低減して省エネルギーを図るための技術が提案されている。

特許文献１に記載された空調制御システムでは、空調機とは別に設置された喚起システムにおいて外気と排気の全熱交換を行うことにより、外気温度を調整して空調設備の省エネルギーを図っている。
特許文献２に記載された外気冷房システムでは、還気を加湿して外気と混合し、その際に混合空気の温度が給気温度となるように混合量を制御することにより、冷水コイルを停止して省エネルギーを図っている。

特開２０１４−５９１２４号公報 特許３９９０１４３号公報

四季によって外気温度は大きく変化するが、このような外気温度の変化に応じて年間を通し省エネルギーを実現できる空調機制御方法であって、かつ、既存のシステム構成を大きく変更することなく簡易に実施できる制御方法は未だ提示されていない。

現状では、一般的なビル空調設備では、春期も冬期の設定のまま維持し、秋期も夏期の設定のまま維持するという制御を行っている。またその設定は、例えば外気と排気の全熱交換効率や、給気（外気と還気からなる）における外気量比率を常に一定とするものである。この結果、外気と還気を混合した混合空気の温度が、一定に設定された給気温度より高くなった場合や低くなった場合は、混合空気の温度を給気温度に冷却又は加熱するために、冷却コイルにおいて冷水を使用し、又は、加熱コイルにおいて温水を使用している。

春秋の中間期は、屋外が快適な外気条件ではあるが、外気をそのまま室内に導入しただけでは、変動しやすい外気温度と室内発生熱の存在により常に室内を快適に維持（即ち一定の給気温度を維持）することは困難である。従って、中間期にも冷水・温水の供給調整が頻繁に行われているのが現状であり、エネルギー消費量を大きくしている。これは、中間期においても、全熱交換効率及び外気量比率を冬期や夏期と同じ設定としていることが大きな要因である。

また、冬期においても、同様にして冷水を使用することがしばしば発生するため、エネルギーの無駄となっている。なお、夏期においては冷水を大量に使用せざるを得ないが、できるだけその使用量を低減することが望ましいことはいうまでもない。

年間を通して冷水も温水も使用せずに一定の給気温度を維持できれば理想的である。そのためには、少なくとも全熱交換効率と外気量比率をリアルタイムに所望する値に制御することが必要となる。しかしながら、一般的なシステムの全熱交換器は停止（全熱交換効率が零）と稼働（全熱交換効率が一定値）の２値の制御のみが可能である。また、外気量比率も、外気ダンパの開度の機械的な調整によるので、現状では２段から３段程度の段階的な制御のみが可能となっている。

従って、現実的には、中間期及び冬期については、冷水を使用せず温水使用量をできるだけ少なく使用するような制御方法、また夏期については、冷水使用量をできるだけ少なくするような制御方法を実現するだけでも、現状よりも大きな省エネルギー効果が得られると期待される。

以上の現状に鑑み、本発明は、空調機の制御方法において、既存のシステム構成を大きく変更することなく簡易に実施可能であり、春秋の中間期、冬期及び夏期のいずれの季節においても省エネルギー効果を上げることができる制御方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を提供する。なお、括弧内の記号は、後述する図面中の符号であり参考のために付するものである。

本発明の第１の態様は、所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
中間期（N）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
（ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
（ｂ）全熱交換効率を零に決定するステップと、
（ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
（ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
（ｅ）中間期（N）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より低い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（N1, N2, N3）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の第２の態様は、所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
冬期（W）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
（ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
（ｂ）全熱交換効率を一定値に決定するステップと、
（ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
（ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
（ｅ）冬期（W）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より低い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（W1, W2）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする。

本発明の第３の態様は、所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
夏期（S）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
（ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
（ｂ）全熱交換効率を一定値に決定するステップと、
（ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
（ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
（ｅ）夏期（S）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より高い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（S1, S2）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする。

上記いずれかの態様において、前記設定維持範囲の各々に対し月単位又は日単位の実際の期間を対応付けておき、実際の期間において、対応する設定維持範囲の全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の設定を維持して空調機を制御することが、好適である。

本発明による空調機の制御方法は、季節毎の全熱交換効率と外気量比率の設定値を決める工程に特徴がある。全熱交換効率については、季節毎に零又は一定値とする。外気量比率については、季節毎に先ず２以上の段階的な数値を選択し、各数値について外気温度と混合空気温度との関係を示す一次関数を用いて、混合空気温度が一定の給気温度にできる限り近くなるように、当該数値を維持する外気温度範囲を決定する。この結果、中間期及び冬期においては、冷水の使用を回避し、温水使用量も少なくすることができる。また、夏期においても冷水の使用を低減することができる。よって本発明によれば、年間を通して温水及び冷水の使用による消費熱量を低減でき、省エネルギーを実現できる。

図１は、本発明による空調機（空気調和機）の制御方法を適用される空調システムの全体構成を概略的かつ模式的に示した図である。 図２は、所定の設計条件による空調機の制御状況の一例を湿り空気線図上に表したものである。 図３は、［式３］のＴｒ、η、αの定数を所定の設計条件の数値とし、外気温度Ｔｏ及び混合空気温度Ｔｍを、それぞれｘ軸及びｙ軸の変数として示したグラフである。 図４は、本発明による中間期Ｎにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの設定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。 図５は、本発明による冬期Ｗにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの設定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。 図６は、本発明による夏期Ｓにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの設定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。 図７は、図４、図５、図６に示した各季節毎の全熱交換効率及び外気量比率の設定例おいて、各季節における各設定維持期間に実際の期間を対応付けた適用例を示した表である。 図８は、中間期又は冬期における制御方法のフローを概略的に示す流れ図である。 図９は、夏期における制御方法のフローを概略的に示す流れ図である。

以下、本発明の実施例を示した図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（１）システム構成の概要
図１は、本発明による空調機（空気調和機）の制御方法を適用される空調システムの全体構成を概略的かつ模式的に示した図である。本発明は、セントラル空調方式の空調機に適用される。

セントラル空調方式における空調機１は、エアハンドリングユニットとも称され、基本的に建物毎に設けられている。インテリアゾーン２は、建物内の空調対象となる各室を代表的に示したものである。空調機１には、外気ダンパ１５から外気ＯＡが取り込まれ、インテリアゾーン２からの還気ＲＡと混合されて混合空気Ｍとなり、加熱コイル１１又は冷却コイル１２を通過する際に必要に応じて熱交換により加熱又は冷却される。

空調機１の熱源である温水及び冷水は、建物毎に作られる場合と、一定地域内で１つの熱源プラントから複数の建物に供給される場合がある。加熱又は冷却された混合空気は、さらに加湿器１３で必要に応じて加湿され、給気ＳＡとしてインテリアゾーン２に送られる。インテリアゾーン２から空調機１へ戻る空気は、還気ＲＡと排気ＥＡからなる。排気ＥＡは、還気ＲＡとは分岐して全熱交換器１４を通過し、必要に応じて外気ＯＡとの間で全熱交換を行った後、排気される。

空調機１には、上記の内部機器類を制御するための制御部１６が設けられている。図１では、制御部１６による主な制御の流れを模式的に点線で示している。空調設計では、一定の給気温度Ｔｓが設定されている。一定の給気温度Ｔｓを維持するために、加熱コイル１１の温水量調整弁１１ａ又は冷却コイル１２の冷水量調整弁１２ａを制御する（点線Ｃ１参照）。また、空調設計では、一定の室内相対湿度も設定されており、加湿器１３を制御して給気ＳＡの湿度を制御する（点線Ｃｈ参照）。さらに、全熱交換器の停止と稼働の制御（点線Ｃ２参照）、及び、外気ダンパ１５の開度の制御（点線Ｃ３参照）も行っている。これらは、それぞれ一般的な制御方法であるので、詳細説明を省略する。

本発明の制御方法の特徴は、季節毎の全熱交換器１４における全熱交換効率ηと、給気ＳＡに占める外気ＯＡの割合である外気量比率αの設定工程にある。

全熱交換効率ηは、基本的には、全熱交換器１４を稼働させる（一定値η）か、停止させる（零）かの２値制御となる。全熱交換効率ηの数値は、通常、全熱交換器１４により決まっており、例えば５０％である。全熱交換後の外気温度Ｔｏｘは、後述する［式１］で表される。全熱交換器１４が停止しているときは、Ｔｏｘは外気温度Ｔｏと同じである。

外気量比率αは、主として外気ダンパ１５の開度により制御する。給気ＳＡの量Ｑｓは、空調設計により一定値に設定され、常に一定に維持される。外気量比率αが増すと、給気ＳＡに占める外気ＯＡの量Ｑｏが増え、還気ＲＡの量Ｑｒが減る（その分、排気ＥＡの量が増える）。α（％）、Ｑｓ、Ｑｏ、Ｑｒの関係は次のようになる。
Ｑｓ（一定）＝Ｑｏ＋Ｑｒ
α／１００ ＝Ｑｏ／Ｑｓ

外気量比率αの調整により、混合空気温度Ｔｍを調整することができる。混合空気温度Ｔｍの算出式は、後述する［式２］で表される。

（２）制御方法の基本説明
先ず、本発明の制御方法の説明に先立って、前提となる基本原理を説明するとともに、従来の制御方法において中間期（春秋）及び冬期に生じやすい問題点も併せて説明する。

一例として、従来の中間期及び冬期における一般的な空調機の設計条件を用いる。従来の一般的な制御では、中間期及び冬期を通して全熱交換器は常に稼働（全熱交換効率ηは一定）させており、かつ、外気量比率αも常に一定とされている。給気温度Ｔｓは一定の設計値である。還気温度（室内温度）Ｔｒは、中間期及び冬期では経験的に給気温度Ｔｓ＋２℃程度であり、これを設計値とする（但しこれに限定しない）。制御の基本は、給気温度Ｔｓを常に設計値とするように、温水及び冷水を制御することである。

＜従来の中間期及び冬期の設計条件＞
・給気温度Ｔｓ ：２０℃（設計値）
・還気温度（＝室内温度）Ｔｒ ：２２℃（設計値）
・全熱交換効率η ：５０％（一定）
・外気量比率α ：３３％（一定）

図２は、上記の設計条件による空調機の制御状況の一例を湿り空気線図上に表したものである。この例は、外気温度Ｔｏが１５℃のときのものである。外気ＯＡ及び還気ＲＡの値を図上に示している。還気ＲＡの点を通り、顕熱比線ＳＨＦ（図示せず）に平行な線と、給気温度Ｔｓの設計値２０℃との交点が給気ＳＡとなる。全熱交換後の外気ＯＸは、ＲＡとＯＡを結ぶ直線上に位置する。全熱交換後の外気ＯＸの温度Ｔｏｘは、以下の［式１］から算出され、この場合は１８．５℃となる。

・全熱交換後の外気温度Ｔｏｘの算出式：
［式１］ Ｔｏｘ＝Ｔｏ＋（Ｔｒ−Ｔｏ）η’ （但し、η’＝η／１００）

さらに、全熱交換後の外気ＯＸと還気ＲＡが、外気量比率αで混合されると、混合空気Ｍは、ＲＡとＯＸを結ぶ直線上に位置する。混合空気温度Ｔｍは、以下の［式２］から算出され、この場合は２０．８５℃となる。

・混合空気温度Ｔｍの算出式：
［式２］ Ｔｍ＝Ｔｒ−（Ｔｒ−Ｔｏｘ）α’ （但し、α’＝α／１００）

図２の例では、混合空気Ｍを給気ＳＡとするには、混合空気温度Ｔｍを給気温度Ｔｓまで冷却する必要がある（黒矢印参照）。このために冷却コイルにおいて冷水との熱交換が行われる。なお、湿度については、加湿器により混合空気Ｍの湿度から給気ＳＡの湿度まで加湿される（白矢印参照）。このように、中間期でありながら冷水が使用されるというエネルギーの無駄が生じる。実際の還気温度Ｔｒは、上記の設計値より高くなることもあり、さらに多くの冷水が使用されることになる。

ここで、混合空気温度Ｔｍは、冷水又は温水の使用量に直接的に関係するので、混合空気温度Ｔｍと他の要素との関係を把握することが重要である。上記［式１］及び［式２］から、混合空気温度Ｔｍを外気温度Ｔｏの関数として表すと、以下の［式３］のようになる。

・外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの関係式：
［式３］ Ｔｍ＝（1−η’）α’Ｔｏ＋（１−（１−η’）α’）Ｔｒ

特に、全熱交換器を停止させる場合（η＝０（η’＝０））は、以下の［式３Ａ］のようになる。
・外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの関係式：
［式３Ａ］ Ｔｍ＝α’Ｔｏ＋（１−α’）Ｔｒ

上記［式３］は、外気温度Ｔｏをｘ変数とし、混合空気温度Ｔｍをｙ変数とした傾きが（1−η’）α’で切片が（１−（1−η’）α’）Ｔｒの一次関数である（［式３Ａ］も同様）。従って、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの関係は、ｘｙ平面上に直線で表すことができる。

［式３］の一次関数は、定数であるη’及びα’（すなわちη及びα）が異なると、その傾きと切片が変わるが、ｘｙ平面上の直線は、必ずｘ＝Ｔｒ，ｙ＝Ｔｒという一点を通るという性質がある。中間期Ｎ及び冬期Ｗの外気温度Ｔｏの範囲は、設計上、還気温度Ｔｒ（中間期と冬期は２２℃）よりも低い範囲に想定される。従って、中間期Ｎ及び冬期Ｗの外気温度Ｔｏの範囲では、η及びαの異なる各直線は互いに交差することがない（［式３Ａ］も同様）。このことは、後述する中間期Ｎ及び冬期Ｗにおける本発明による外気量比率αの決定工程を可能とする。

図３は、上記［式３］のＴｒ、η、αの定数を上記設計条件の数値としたときの外気温度Ｔｏ（ｘ軸）と混合空気温度Ｔｍ（ｙ軸）の一次関数を示したグラフである。点Ｐが図２に示した外気温度Ｔｏが１５℃のときである。混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより低い領域は、温水による加熱が必要な領域であり、これを「加熱領域」と称する。混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより高い領域は、冷水による冷却が必要な領域であり、これを「冷却領域」と称する。

図３では、上記［式３］の直線が給気温度Ｔｓと交わる点の外気温度Ｔｏである１０℃を、便宜上、冬期Ｗと中間期Ｎの境界としている。従来は、冬期Ｗ及び中間期Ｎを通して全熱交換効率η及び外気量比率αの双方を一定としていたため、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍはこの一次関数の直線に沿って推移していた。直線に沿った白矢印及び黒矢印はそれぞれ、外気温度Ｔｏが上昇及び低下していくときの混合空気温度Ｔｍの変化を示している（以下の同様の図においても同じ）。従って、外気温度Ｔｏが１０℃より低下すればするほど、加熱のための温水量が増加し、一方、外気温度Ｔｏが１０℃より上昇すればするほど、冷却のための冷水量が増加することとなる。

ここで、外気温度１５℃の場合に、上記［式３］を用いてＴｍ＝Ｔｓの理想的条件とするための全熱交換効率ηと外気量比率αの値を求めてみる。全熱交換効率ηが５０％の場合と、０％の場合の２つの例を以下に示す。
＜例１＞ 全熱交換効率η＝５０％の場合
上記［式３］で、Ｔｍ＝２０℃（＝Ｔｓ）、η’＝０．５、Ｔｏ＝１５℃、Ｔｒ＝２２℃とすると、α’＝０．５７すなわち外気量比率αは５７％となる。
＜例２＞ 全熱交換効率η＝０％の場合
上記［式３］で、Ｔｍ＝２０℃（＝Ｔｓ）、η’＝０、Ｔｏ＝１５℃、Ｔｒ＝２２℃とすると、α’＝０．２９すなわち外気量比率αは２９％となる。

これらの例から、仮に外気量比率αを５７％又は２９％に調整したとすれば、加熱も冷却も必要なく、最も省エネルギーの制御を行うことが可能である。しかしながら、上述した通り、実際には外気ダンパの開度を自在に調整して外気量比率αを連続的に制御して所望する値に設定することは困難である。特に、既存のシステムをこのように制御することは不可能といえる。

（３）本発明による中間期の制御方法
本発明は、外気量比率αを、連続値ではなく段階的な２以上のレベルで設定することによる空調機の制御方法を提示する。現状の外気ダンパにおいても、２段階又は３段階程度の開度の制御は可能である。本発明では、中間期（春秋）、冬期、夏期の３つの季節の各々において、それぞれ所定の設計条件を基に制御を行う。先ず、中間期の制御方法について説明する。

図４は、本発明による中間期Ｎにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの決定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。参考のために冬期Ｗの一部も示している。各季節の外気温度Ｔｏの範囲は、経験上のおおよその目安として設定しておく。従って、中間期Ｎの外気温度Ｔｏの高温側及び低温側の境界値、冬期Ｗの高温側の境界値、並びに、夏期Ｓの低温側の境界値は厳密に決定しておく必要はない。なお、図示の例では、中間期Ｎと冬期Ｗが外気温度Ｔｏにおいて連続しているが、両季節の外気温度範囲の間に、別の制御方法を適用する移行期間の外気温度範囲を設けてもよい（後述する夏期Ｓと中間期Ｎの境界も同様）。

本発明では、中間期（春秋）、冬期、夏期の各季節の全熱交換効率ηは零又は一定値に設定する。全熱交換効率ηは、一般的にこれらの２値しか選択できないため、経験的に好ましい方の値に固定することが簡易である。中間期Ｎについては、全熱交換器を停止させて全熱交換効率ηを０％に設定する。中間期の外気温度Ｔｏの範囲を考慮すると、還気との熱交換はほぼ不要のためである。

外気量比率αについては、各季節の外気温度Ｔｏの範囲内で段階的な２以上のレベルを切り替えて適用する。従って、先ず、段階的な２以上のレベルの数値を選択する。図示の例では、中間期Ｎの外気温度Ｔｏの範囲内において外気量比率αを３段階のレベルで切り替えている。一例として３段階のレベルを、２０％、３３％、５０％とする。

次に、外気量比率αの３段階の各レベルを適用する外気温度Ｔｏの各範囲を決定する。各レベルを適用する外気温度Ｔｏの各範囲内では、外気量比率αを一定に維持（全熱交換効率ηも当然一定に維持）するので、この外気温度Ｔｏの各範囲を本明細書では「設定維持範囲」と称することとする。

中間期Ｎの各設定維持範囲を決定するために、先ず、外気量比率αの各レベルについて、上記［式３Ａ］の外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数を導出する。中間期Ｎの設計条件は、上述したものと同じく以下の通りとする。
・給気温度Ｔｓ ：２０℃（設計値）
・還気温度（＝室内温度）Ｔｒ ：２２℃（設計値）

外気量比率αの各レベルについての一次関数は、次の通りとなる。
・η＝０％、α＝２０％の場合（図４のＮ１）
Ｔｍ＝０．２Ｔｏ＋１７．６
・η＝０％、α＝３３％の場合（図４のＮ２）
Ｔｍ＝０．３３Ｔｏ＋１４．７４
・η＝０％、α＝５０％の場合（図４のＮ３）
Ｔｍ＝０．５Ｔｏ＋１１
外気量比率αの各レベルの一次関数は、それぞれ図４の直線Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３のようになる。（以下、符号Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は、一次関数又はその直線を示す場合と、当該一次関数に対応する外気温度Ｔｏの設定維持範囲を示す場合がある。）

続いて、中間期Ｎの外気温度Ｔｏの範囲内における３つのレベルの各設定維持範囲を決定する。先ず、一次関数の各々について混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより低い範囲すなわち加熱領域（Ｔｍ＜Ｔｓ）を対象とする。次に、各一次関数の混合空気温度Ｔｍが、他の一次関数のそれに比べて給気温度Ｔｓに最も近くなる範囲を見出す。その範囲を、当該一次関数の外気量比率αの設定を維持する設定維持範囲Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３としてそれぞれ決定する。

外気温度Ｔｏが１０℃〜１２℃では、全ての直線が加熱領域にあるが、直線Ｎ１が最もＴｓに近い。これを外気量比率２０％の設定維持範囲Ｎ１とする。設定維持範囲Ｎ１では、外気量比率２０％を維持することにより、他の外気量比率に設定した場合に比べて温水の使用量が最も少なくなる（図４の点ｃと点ｄの間）。（なお、この例では１０℃を中間期Ｎの低温側の境界値としているが、この低温側の境界値の決定は本発明の方法と直接関係するものではない。）

外気温度Ｔｏが１２℃を超えると、直線Ｎ１は冷却領域に入るので対象外となる。外気温度Ｔｏ１２℃〜１６℃では、直線Ｎ２とＮ３が加熱領域にあるが、直線Ｎ２が最も給気温度Ｔｓに近い。これを外気量比率３３％の設定維持範囲Ｎ２とする。従って、外気温度Ｔｏ＝１２℃で直線Ｎ２に対応する外気量比率３３％に切り換える（図４の点ｄ→点ｅ）。設定維持範囲Ｎ２では、外気量比率３３％に維持することにより、他の外気量比率に設定した場合に比べて温水の使用量が最も少なくなる（図４の点ｅと点ｆの間）。

外気温度Ｔｏが１６℃を超えると直線Ｎ２も冷水領域に入るので対象外となる。外気温度Ｔｏ１６℃〜１８℃では、直線Ｎ３のみが加熱領域にある。これを外気量比率５０％の設定維持範囲Ｎ３とする。従って、外気温度Ｔｏ＝１６℃で直線Ｎ３に対応する外気量比率５０％に切り換える（図４の点ｆ→点ｇ）。設定維持範囲Ｎ３では、外気量比率５０％に維持することにより、他の外気量比率に設定した場合に比べて温水の使用量が最も少なくなる（図４の点ｇと点ｈの間）。

外気温度Ｔｏが１８℃を超えると直線Ｎ３も冷却領域に入る。これ以上の外気温度Ｔｏの範囲については、夏期Ｓ（又は任意の移行期間）の別の設計条件による制御を適用する。よって、この例では外気温度１８℃が中間期の高温側の境界として決定される。

なお、夏から秋となり、外気温度Ｔｏが低下してくると、外気温度Ｔｏ１８℃で夏期Ｓ（又は任意の移行期間）の制御から中間期Ｎの制御に切り換える。上記とは逆の経路を辿り、外気温度Ｔｏの低下に伴って、外気量比率αを、設定維持範囲Ｎ３の５０％、設定維持範囲Ｎ２の３３％、設定維持範囲Ｎ１の２０％と、順次切り替えていく。

以上のように、中間期Ｎにおいては、外気温度Ｔｏの３レベルの設定維持範囲Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３に従って外気量比率αを段階的に切り換えることにより、図３のように中間期Ｎを通して同じ外気量比率を維持した場合に比べて、冷水を使用せずかつ温水使用量を大きく低減することができる。

なお、図４に示す冬期Ｗの直線Ｗ２は、図３と同じものであるが、外気温度Ｔｏが１０℃を超えると冷却領域（Ｔｍ＞Ｔｓ）に入り冷水の使用が生じる。一方、中間期Ｎの３つの直線は、外気温度Ｔｏが１０℃以上でも加熱領域（Ｔｍ＜Ｔｓ）にある。そこでこの例では、Ｔｏ＝１０℃を冬期Ｗと中間期Ｎの境界としている。すなわち、外気温度Ｔｏが１０℃を超えるときに冬期Ｗの制御から中間期Ｎの制御に切り換える（図４の点ｂ→点ｃ：冬から春への移行）。逆に、Ｔｏが１０℃以下となるときに中間期Ｎの制御から冬期Ｗの制御へに切り換える（図４の点ｃ→点ｂ：秋から冬への移行）。

（４）本発明による冬期における制御方法
図５は、本発明による冬期Ｗにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの決定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。参考のために図４に示した中間期Ｎの一部も示している。

冬期Ｗでは、全熱交換器を稼働させる（高温の還気を無駄にしないため）。従って、全熱交換効率ηは一定値であり、一例として５０％とする。

外気量比率αについては、一例として２段階のレベル制御を行うこととし、それらの数値として、この例では２０％、３３％を選択する。

次に、外気量比率の２段階の各レベルについて、上記［式３］の外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数を導出する。冬期Ｗの設計条件は、中間期Ｎと同じであり以下の通りである。
・給気温度Ｔｓ ：２０℃（設計値）
・還気温度（＝室内温度）Ｔｒ ：２２℃（設計値）

外気量比率の各レベルについての一次関数は、次の通りとなる。
・η＝５０％、α＝２０％の場合（図５のＷ１）
Ｔｍ＝０．１Ｔｏ＋１９．８
・η＝５０％、α＝３３％の場合（図５のＷ２）
Ｔｍ＝０．１６５Ｔｏ＋１８．３７
外気量比率αの各レベルについての一次関数の直線は、それぞれ図５のＷ１、Ｗ２のようになる。（以下、符号Ｗ１、Ｗ２は、一次関数又はその直線を示す場合と、当該一次関数に対応する外気温度Ｔｏの設定維持範囲を示す場合がある。）

続いて、冬期Ｗの範囲内の２段階の各設定維持範囲を決定する。その方法は、上述した中間期Ｎの場合と同じである。先ず、一次関数の各々について混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより低い範囲すなわち加熱領域（Ｔｍ＜Ｔｓ）を対象とする。次に、各一次関数の混合空気温度Ｔｍが、他の一次関数のそれに比べて給気温度Ｔｓに最も近くなる範囲を見出す。その範囲を、当該一次関数の外気量比率αの設定を維持する設定維持範囲Ｗ１、Ｗ２としてそれぞれ決定する。

外気温度Ｔｏが２℃より低い範囲では、直線Ｗ１、Ｗ２のいずれも加熱領域にあるが、直線Ｗ１の方が給気温度Ｔｓに近い。これを設定維持範囲Ｗ１とする。設定維持範囲Ｗ１では、外気量比率２０％に維持することにより温水の使用量が最も少なくなる（図５の点ｐと点ｑの間。但し低温側の点ｑは特定の点ではない）。

外気温度Ｔｏが２℃〜１０℃の範囲では、直線Ｗ２のみが加熱領域にある。これを設定維持範囲Ｗ２とする。従って、外気温度Ｔｏ＝２℃で直線Ｗ１から直線Ｗ２に対応する外気量比率３３％に切り換える（図５の点ｐ→点ａ）。設定維持範囲Ｗ２では、外気量比率３３％に維持することにより温水の使用量が最も少なくなる（図５の点ａと点ｂの間）。

なお、図５に示す中間期Ｎの直線Ｎ１は、図４と同じものであるが、外気温度Ｔｏが１０℃より低下すると、冬期Ｗの直線Ｗ２の方が、ＴｍがＴｓにより近くなる。そこで、１０℃より低下するときに中間期Ｎから冬期Ｗの制御に切り換える（図５の点ｃ→点ｂ：秋から冬への移行）。

（５）本発明による夏期における制御方法
図６は、本発明による夏期Ｓにおける全熱交換効率η及び外気量比率αの決定工程を、外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数により示したグラフである。

夏期Ｓでは、全熱交換器を稼働させる（低温の還気を無駄にしないため）。従って、全熱交換効率ηは一定値であり、一例として５０％とする。

外気量比率αについては、一例として２段階のレベル制御を行うこととし、それらの数値として、この例では３３％、２０％を選択する。

次に、外気量比率の２段階の各レベルについて、上記［式３］の外気温度Ｔｏと混合空気温度Ｔｍの一次関数を導出する。夏期の設計条件は、以下の通りである。
・給気温度Ｔｓ ：１４℃（設計値）
・還気温度（＝室内温度）Ｔｒ ：２６℃（設計値）

外気量比率の各レベルについての一次関数は、次の通りとなる。
・η＝５０％、α＝３３％の場合（図６のＳ１参照）
Ｔｍ＝０．１６５Ｔｏ＋２１．７１
・η＝５０％、α＝３３％の場合（図６のＳ２参照）
Ｔｍ＝０．１Ｔｏ＋２３．４
外気量比率αの各レベルについての一次関数の直線は、それぞれ図６のＳ１、Ｓ２のようになる。（以下、符号Ｓ１、Ｓ２は、一次関数又はその直線を示す場合と、当該一次関数に対応する外気温度Ｔｏの設定維持範囲を示す場合がある。）

続いて、夏期Ｓの範囲内の各設定維持範囲を決定する。夏期Ｓでは、いずれの直線も冷却領域にあり、冷水のみを使用することになる。従って、一次関数の各々について混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより高い範囲すなわち冷却領域（Ｔｍ＞Ｔｓ）を対象とする。次に、各一次関数の混合空気温度Ｔｍが、他の一次関数のそれに比べて給気温度Ｔｓに最も近くなる範囲を見出す。その範囲を、当該一次関数の外気量比率αの設定を維持する設定維持範囲Ｓ１、Ｓ２としてそれぞれ決定する。

外気温度Ｔｏが１８℃〜２６℃の範囲では、直線Ｓ１の方がＴｍがＴｓに近いので、これを設定維持範囲Ｓ１とする。設定維持範囲Ｓ１では外気量比率３３％に維持する（図６の点ｉと点ｊの間）。

外気温度Ｔｏが２６℃を超えると、直線Ｓ２の方がＴｍがＴｓに近くなるので、これを設定維持範囲Ｓ２とする。外気温度２６℃で外気量比率２０％に切り替える（点ｊ）。設定維持範囲Ｓ２では外気量比率２０％を維持することにより冷水使用量を低減できる（図６の点ｊと点ｋの間。但し、高温側の点ｋは特定の点ではない。）。

図６では、外気温度Ｔｏ１８℃を中間期Ｎと夏期Ｓの境界としている。しかしながら、中間期Ｎと夏期Ｓは設計条件が大きく異なるため、実際にはこの間に一定の移行期間を設ける方が望ましい。このような移行期間については、本発明の対象ではないため説明を省く。

（６）本発明の制御方法の適用方法
上述した本発明の制御方法における外気量比率αの決定工程に用いた外気温度Ｔｏは、設計上の外気温度Ｔｏである。実際の外気温度Ｔｏは、当然に一日の間で変動し、また、一日毎に平均気温が単調に上昇又は低下していくものでもない。還気温度Ｔｒについても設計通りではなく変化する。従って、中間期や冬期の場合、上記のように加熱領域となるように設定していても、実際には一日の中で冷水を使用する時間帯があったり、冷水使用量の方が多い日があったりする。しかしながら、設計上の外気温度Ｔｏは、例えばオフィスビルでの昼間の平均的な外気温度にほぼ相当することを想定している。従って、１日を通してあるいは数日間を通して平均的にみれば、本発明が目標とする冷水及び温水の使用態様を実現することができる。これは、実際のビルで年間を通して行った試験でも確認されている。

本発明の制御方法では、上記のように外気量比率の設定維持範囲を決定した後、各設定維持範囲に対し実際の期間を対応付ける。すなわち、設計上の冬期Ｗ、中間期Ｎ、夏期Ｓの各設定維持範囲に対し、実際の月単位又は日単位の所定の期間をそれぞれ対応付ける。その後、実際の各期間において、対応する設定維持範囲の設定値に従って空調機を制御する。このような制御を行うことにより、特に中間期Ｎの設定については、冬期Ｗや夏期Ｓと同じまま維持していた従来制御に比べて大きく冷水／温水の使用量を低減することができる。

図４に示した中間期Ｎの場合、３段階の外気量比率の設定に対応する第１、第２、第３の設定維持範囲Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３に対し、実際の月単位又は日単位の期間をそれぞれ対応付けておく。各期間内では対応する各設定値を維持して空調機を制御する。このように制御することにより、中間期Ｎ全体を通して同じ外気量比率を維持した場合に比べて大きく冷水／温水の使用量を低減することが可能である。

図５に示した冬期Ｗの場合も、２段階の外気量比率の設定に対応する設定維持範囲Ｗ１、Ｗ２に対し、実際の月単位又は日単位の所定の期間をそれぞれ対応付けておく。各期間内では対応する各設定値を維持して空調機を制御する。このように制御することにより、冬期Ｗ全体を通して同じ外気量比率を維持した場合に比べて大きく冷水／温水の使用量を低減することが可能である。

図６に示した夏期Ｓの場合も、２段階の外気量比率の設定に対応する設定維持範囲Ｓ１、Ｓ２に、実際の月単位又は日単位の所定の期間をそれぞれ対応付けておく。各期間内では対応する各設定値を維持して空調機を制御する。このように制御することにより、夏期Ｓ全体を通して同じ外気量比率を維持した場合に比べて、冷水使用量を低減することができる。

図７は、図４、図５、図６に示した各季節毎の全熱交換効率及び外気量比率の設定例おいて、各季節における各設定維持期間に実際の期間を対応付けた適用例を示した表である。実際の期間の対応付けは、実際の期間の過去の外気温度の記録、天気予報等により予想される外気温度、あるいは経験的なデータを基に、設計上の外気温度Ｔｏの範囲とできるだけ重なるようにすることが好ましい。なお、この対応付けは、空調機制御の観点によるものであるので、一般的な季節区分とはずれを生じる場合がある。

（７）空調機の制御方法のフロー
以上に述べた、本発明による空調機の制御方法のフローをまとめて示す。本発明の制御方法は、各季節に対して独立して適用されるものである。

図８は、中間期（又は冬期）における制御方法のフローを概略的に示す流れ図である。
先ず、中間期（又は冬期）の設計上の給気温度Ｔｓ及び還気温度Ｔｒをそれぞれ決定する（ステップＳ１１）。次に、全熱交換効率ηを、零又は一定値の２値から決定する（ステップＳ１２）。中間期は零に決定し、冬期は一定値（例えば５０％）に決定する。

外気量比率αは、段階的な２以上のレベルの数値を選択する（ステップＳ１３）。例えば、中間期は２０％、３３％、５０％の３段階のレベルとする。冬期は２０％、３３％の２段階のレベルとする。但し、外気量比率αのレベル数は、２段階又は３段階に限定されない。またレベルの数値も、例示した数値に限定されない。

続いて、外気量比率αの各レベルについて、決定した各数値を上記［式３］又は［式３Ａ］に適用することにより、外気温度Ｔｏをｘ変数とし、混合空気温度Ｔｍをｙ変数とする一次関数をそれぞれ導出する（ステップＳ１４）。

外気量比率αの各レベルについて導出した各一次関数について、混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより低い範囲（加熱領域）でありかつ他の一次関数と比べて混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓに最も近くなる範囲を決定することにより、中間期（又は冬期）における各外気量比率の設定維持範囲をそれぞれ決定する（ステップＳ１５）。これにより、中間期（又は冬期）の外気温度Ｔｏの全範囲内に、外気量比率のレベル数と同じ数の設定維持範囲がそれぞれ決まる。１つの設定維持範囲内では、当該一次関数に対応する外気量比率αのレベルを維持するものとする。

ここまでのステップで、設計上の外気温度Ｔｏの範囲内において複数の設定維持範囲が決定される。その後、各設定維持範囲に対して、月単位又は日単位の実際の期間を対応付ける（ステップＳ１６）。

実際の期間においては、当該期間に対応する設定維持範囲の全熱交換効率η及び外気量比率αとなるように全熱交換器及び外気ダンパを調整し、これを維持する。当該期間中は、全熱交換効率η及び外気量比率αを一定に維持した上で、温水又は冷水による空調機の制御を行う（ステップＳ１７）。１つの設定維持範囲から次の設定維持範囲に移行するときに、外気量比率αを切り替える。１つの季節から次の季節に移行するときは、全熱交換効率η及び外気量比率αを切り替える。

図９は、夏期における制御方法のフローを概略的に示す流れ図である。
ステップＳ２１〜Ｓ２４及びステップＳ２６〜Ｓ２７については、図８に示した中間期（又は冬期）のステップＳ１１〜Ｓ１４及びステップＳ１６〜Ｓ１７と基本的に同じである。夏期では、全熱交換効率は一定値（例えば５０％）に決定する。

夏期の場合、外気量比率αの各レベルについて決定した各一次関数について、混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓより高い範囲でありかつ他の一次関数と比べて混合空気温度Ｔｍが給気温度Ｔｓに最も近くなる範囲を決定することにより、夏期における各外気量比率の設定維持範囲をそれぞれ決定する（ステップＳ２５）。

１ 空調機
２ インテリアゾーン
１１ 加熱コイル
１２ 冷却コイル
１３ 加湿器
１４ 全熱交換器
１５ 外気ダンパ
１６ 制御部
Ｔｏ 外気温度
Ｔｏｘ 全熱交換後の外気温度
Ｔｍ 混合空気温度
Ｔｓ 給気温度
Ｔｒ 還気温度
η 全熱交換効率
α 外気量比率
ＯＡ 外気
ＳＡ 給気
ＲＡ 還気
ＥＡ 排気
Ｍ 混合空気
Ｎ 中間期
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ 中間期の設定維持範囲（各外気量比率の一次関数又はその直線）
Ｗ 冬期
Ｗ１、Ｗ２ 冬期の設定維持範囲（各外気量比率の一次関数又はその直線）
Ｓ 夏期
Ｓ１、Ｓ２ 夏期の設定維持範囲（各外気量比率の一次関数又はその直線）

Claims (4)

1. 所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
   中間期（N）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
   （ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
   （ｂ）全熱交換効率を零に決定するステップと、
   （ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
   （ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
   （ｅ）中間期（N）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より低い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（N1, N2, N3）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする
   空調機の制御方法。
2. 所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
   冬期（W）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
   （ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
   （ｂ）全熱交換効率を一定値に決定するステップと、
   （ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
   （ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
   （ｅ）冬期（W）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より低い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（W1, W2）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする
   空調機の制御方法。
3. 所定の全熱交換効率（η）にて排気（EA）と全熱交換可能な所定の外気温度（To）の外気（OA）を、所定の外気量比率（α）にて所定の還気温度（Tr）の還気（RA）と混合することにより混合空気（M）とし、混合空気温度（Tm）が一定の給気温度（Ts）と異なる場合は混合空気（M）を冷却又は加熱して一定の給気温度（Ts）の給気（SA）を送出する空調機の制御方法であって、
   夏期（S）における全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の決定工程において、
   （ａ）一定の設計値である給気温度（Ts）及び還気温度（Tr）を決定するステップと、
   （ｂ）全熱交換効率を一定値に決定するステップと、
   （ｃ）段階的な２以上の外気量比率（α）のレベルを選択するステップと、
   （ｄ）前記外気量比率（α）の各レベルについて、前記還気温度（Tr）及び前記全熱交換効率（η）を用いて、外気温度（To）と混合空気温度（Tm）の関係を示す一次関数をそれぞれ導出するステップと、
   （ｅ）夏期（S）の外気温度（To）の範囲内であって前記一次関数の各々について混合空気温度（Tm）が前記給気温度（Ts）より高い範囲を対象とし、各一次関数の混合空気温度（Tm）が他の一次関数のそれに比べて前記給気温度（Ts）に最も近くなる範囲を、当該一次関数の外気量比率（α）の設定を維持する設定維持範囲（S1, S2）としてそれぞれ決定するステップと、を有することを特徴とする
   空調機の制御方法。
4. 前記設定維持範囲の各々に対し月単位又は日単位の実際の期間を対応付けておき、実際の期間において、対応する設定維持範囲の全熱交換効率（η）及び外気量比率（α）の設定を維持して空調機を制御することを特徴とする
   請求項１〜３のいずれかに記載の空調機の制御方法。

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