JP6455722B2 - ガスヒートポンプ式空気調和システム - Google Patents

Description

本開示は、ガスヒートポンプ式空気調和システムに関する。

従来のガスヒートポンプ式空気調和システムでは、ガスエンジンで圧縮機が駆動される。しかし、空調負荷が低いときにはガスエンジンが低速回転になり、システムの効率が低下する。そのため、ガスエンジンからモータに切り替えて圧縮機を駆動することが提案されている（特許文献１）。また、空調負荷に応じて、圧縮機に必要な駆動力をガスエンジンとモータとの間で切り替える、又はガスエンジンとモータとを併用することも提案されている（特許文献２）。

図９は、特許文献１及び特許文献２に記載された従来のガスヒートポンプ式空気調和システムの構成を示している。ヒートポンプサイクルは、室内機１１５ａ、室内機１１５ｂ、膨張弁１１４、熱交換器１１３、複数の冷媒配管１１６及び圧縮機１１２で構成されている。圧縮機１１２は、プーリ１３０、プーリ１３１及びベルト１３２を介して、ガスエンジン１１１によって駆動される。クラッチ１３３を調整することによって、発電機１２０は、プーリ１３４、プーリ１３５及びベルト１３６を介して、ガスエンジン１１１によって駆動される。

特許文献１において、発電機１２０によって生成された電力は、蓄電池１２５に蓄えられる。空調負荷が高いときには、室内機１１５ａ及び室内機１１５ｂで必要とされる温熱又は冷熱が多い。そのため、圧縮機１１２を高回転で運転する必要がある。つまり、ガスエンジン１１１が高回転で運転される。発電機１２０で生成された電力は蓄電池１２５に蓄えられる。他方、空調負荷が低いときには、室内機１１５ａ及び室内機１１５ｂで必要とされる温熱又は冷熱が少ない。そのため、圧縮機１１２を低回転で運転する必要がある。ただし、ガスエンジン１１１を低回転で運転すると効率が悪い。従って、制御回路１２６は、圧縮機１１２が発電機１２０で駆動されるように制御を実行する。すなわち、発電機１２０は、蓄電池１２５の電力を使用してモータとして駆動され、クラッチ１３７、プーリ１３８、プーリ１３９及びベルト１４０を介して、圧縮機１１２を回転させる。

特許文献２において、発電機１２０をモータとして駆動させるための電力は、分電盤１２２及びインバータ１２１を介して、商用電源１２３から供給される。制御回路１２６は、圧縮機１１２をガスエンジン１１１で駆動する場合の運転コストと、圧縮機１１２を発電機１２０（モータ）で駆動する場合の運転コストとの総和が最小になるように制御を実行する。

特開２０１１−７３５６号公報 特許第４９５８４４８号公報

特許文献１及び２に開示された技術によれば、高負荷時の効率の改善は期待できない。

本開示は、室内の快適性を維持しつつ、ガスヒートポンプ式空気調和システムの効率を改善するための技術を提供する。

すなわち、本開示にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムは、
ガスを燃料として用いて圧縮機を駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンによって駆動される前記圧縮機及び室内空間に配置される少なくとも一つの熱交換器を含み、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行うヒートポンプサイクルと、
前記ガスエンジンによって駆動され、電力を生成する発電機と、
前記熱交換器と同一の室内空間に配置され、前記発電機によって生成された前記電力を使用して前記室内空間の空調を行う局所空調機器と、
前記室内空間の空調負荷に応じて、前記発電機及び前記熱交換器を制御する制御回路と、
を備えた、ものである。

上記の技術によれば、室内の快適性を維持しつつ、ガスヒートポンプ式空気調和システムの効率を改善できる。

本開示の実施形態１に係るガスヒートポンプ式空気調和システムの構成図 本開示の実施形態２に係るガスヒートポンプ式空気調和システムの構成図 ガスヒートポンプサイクルの効率特性を示す図 クラッチレベルと発電機の回転数との関係を示す図 発電機の回転数とガスエンジンで消費されるガス量との関係を示す図 発電機の回転数と発電量との関係を示す図 制御回路による制御を示すフローチャート 制御回路による制御を示すフローチャート 従来のガスヒートポンプ式空気調和システムの構成図 従来のガスヒートポンプ式空気調和システムの問題点を説明する図

（本開示の基礎となった知見）
図９に示す従来のガスヒートポンプ式空気調和システムにおいて、室内機１１５ａ及び１１５ｂは、天井に設置されている。そのため、空調が必要なエリアと空調が不要なエリアとが同じ部屋に存在する場合、それらのエリアの空調を選択的に行うことは容易ではない。その結果、空調エネルギー（ガス）が無駄になる。

ここで、空調負荷が高い場合及び空調負荷が低い場合のそれぞれについて説明する。室内空間の空調を行う場合には、空調エリアに任意の設定温度（目標温度）が設定される。空調エリアがその設定温度に到達するように空気調和システムが制御される。高負荷の事例として、空気調和システムの起動時であって、空調エリアの現状温度と設定温度との差が大きく、室内機で必要とされる温熱又は冷熱が大きい場合が挙げられる。空気調和システムが起動して運転が継続されると、空調エリアの現状温度と設定温度との差が次第に縮小し、室内機で必要とされる温熱又は冷熱も減少する。つまり、空調エリアは低負荷状態になる（いわゆる定常状態又は部分負荷状態）。

図１０に示すように、例えば、室内空間が通常空調エリア１６０と局所空調エリア１６１と空調不要エリア１６２とに分かれていると仮定する。通常空調エリア１６０は、通常の空調負荷を持った空調エリアである。局所空調エリア１６１は、高い空調負荷を持った空調エリアである。空調不要エリア１６２は、局所空調エリア１６１の上方のエリアである。通常空調エリア１６０では、居住者１７０が主に厚手着衣で立位作業を行っていると仮定する。局所空調エリア１６１では、居住者１７１が主に薄手着衣で着座作業を行っていると仮定する。局所空調エリア１６１で居住者１７１が着座作業を行っているので、局所空調エリア１６１の上方の空間は、居住者１７１の温感又は冷感に直接影響しない空間である。つまり、空調不要エリア１６２は、本来であれば空調を行うのに無駄な部分である。

快適性指標ＰＭＶ（Predicted Mean Vote：予測平均温冷感申告）の観点から、快適性を確保するために必要な温度は、居住者の着衣状態及び作業状況に基づいて決定される。例えば、暖房空調の場合には、局所空調エリア１６１で必要な温度は、通常空調エリア１６０で必要な温度よりも高い。つまり、図１０の例において、局所空調エリア１６１の空調負荷は通常空調エリア１６０の空調負荷よりも高い。さらに、局所空調エリア１６１及び空調不要エリア１６２の空調を室内機１１５ｂで行う必要がある。従って、局所空調エリア１６１は、通常空調エリア１６０に比べて極めて高負荷なエリアである。局所空調エリア１６１は高い空調負荷を持っているにもかかわらず、室内機１１５ｂからの気流が届きにくいなどの理由により、空調を十分に行うことができない可能性がある。この場合、満足できる快適性を居住者に提供できない。室内機１１５ｂから供給される温熱又は冷熱を増やせば増やすほど、空調不要エリア１６２に供給される無駄な温熱又は冷熱も増加し、結果的に空調エネルギー（ガス）の無駄が増える。

本開示の第１態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムは、
ガスを燃料として用いて圧縮機を駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンによって駆動される前記圧縮機及び室内空間に配置される少なくとも一つの熱交換器を含み、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行うヒートポンプサイクルと、
前記ガスエンジンによって駆動され、電力を生成する発電機と、
前記熱交換器と同一の室内空間に配置され、前記発電機によって生成された前記電力を使用して前記室内空間の空調を行う局所空調機器と、
前記室内空間の空調負荷に応じて、前記発電機及び前記熱交換器を制御する制御回路と、
を備えた、ものである。

第１態様によれば、局所空調機器は、発電機で生成された電力を使用して室内空間の局所的な空調を行う。室内空間の空調負荷に応じて、発電機及び室内機が制御される。高負荷の空調エリアで局所空調機器を使用することによって、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の負荷を軽減することができる。従って、高負荷時のガスヒートポンプ式空気調和システムの効率を改善できる。

局所空調機器は、室内機のように冷媒配管の制約で天井に固定的に設置する必要が無いものであることが望ましい。局所空調機器は、高負荷の空調エリアに設置されうる。局所空調機器は、例えば、高負荷の空調エリアに存在する居住者の近くに設置されうる。この場合、局所空調機器から空調が不要なエリアに温熱又は冷熱が供給されにくいので、空調エネルギー（ガス）の無駄を減らすことができる。また、居住者の近くに局所空調機器が設置される場合には、居住者の快適性も損なわれにくい。

局所空調機器としては、暖房時に電気で動作する温風ファンヒータが挙げられる。温風ファンヒータを居住者の足元に設置し、発電機で生成された電力で温風ファンヒータを動作させる。これにより、室内機を停止しても居住者の快適性を維持できる。また、室内機による暖房では、室内機と居住者との間の空調が不要なエリアも暖めざるを得ない。しかし、局所空調機器を使用すれば、空調が不要なエリアを暖める必要がないので、エネルギーを節約できる。また、室内機を停止すれば、圧縮機に加わる負荷を減らすことができる。つまり、圧縮機を高負荷で駆動することを回避できるので、ヒートポンプサイクルの効率が改善する。本発明者らは、上記知見に基づき、以下に説明する各態様の発明を想到するに至った。

本開示の第１態様は、特許文献１及び２に開示された技術に比して、以下の点で優れている。特許文献１及び２においては、発電機１２０をモータとして使用する。しかし、発電機１２０は、本来、発電する目的で設置されているため、モータとして使用した場合には十分な駆動力を発生することができない。低負荷時には発電機１２０をモータとして使用して圧縮機１１２を駆動できるものの、高負荷時には圧縮機１１２を相当な高回転で駆動する必要があるため、発電機１２０だけで圧縮機１１２を駆動することはできない。このため、特許文献１及び２に開示された技術は、高負荷時の効率を改善できない。

これに対し、本開示のガスヒートポンプ式空気調和システムによると、前記ガスエンジンで駆動される発電機と、前記発電機で生成された電力を使用して前記室内空間の空調を行う局所空調機器と、を備えている。そのため、高負荷の空調エリアで局所空調機器を使用することによって、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機の負荷を軽減することができる。従って、高負荷時のガスヒートポンプ式空気調和システムの効率を改善できる。

第２態様において、例えば、第１態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記制御回路は、前記制御回路は、前記熱交換器による空調が行われているときに前記発電機を停止させ、前記熱交換器による空調が停止しているときに前記発電機から前記局所空調機器に電力を供給してもよい。第２態様によれば、ヒートポンプサイクルに加わる負荷を軽減し、ヒートポンプサイクルの高負荷時の効率を改善できる。

第３態様において、例えば、第１態様又は第２態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記制御回路は、前記室内空間の前記空調負荷の大きさに応じて、前記熱交換器により前記室内空間の空調が行われる第１運転モードと、前記局所空調機器により前記室内空間の空調が行われる第２運転モードとを相互に切り替えてもよい。第３態様によれば、ヒートポンプサイクルに加わる負荷を軽減し、ヒートポンプサイクルの高負荷時の効率を改善できる。

第４態様において、例えば、第１態様又は第２態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの制御回路は、前記発電機及び前記熱交換器を制御して、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量が、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量よりも大きいとき、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行い、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量が、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量以下のとき、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行なってもよい。第４態様によれば、快適性を維持しつつ、ガスを確実に節約できる。

第５態様において、例えば、第１態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記制御回路は、前記熱交換器によって空調された単位時間当たりの前記室内空間の温度変化量が所定値以下のとき、前記発電機から前記局所空調機器に電力を供給させて、前記局所空調機器による空調を開始してもよい。

第６態様において、例えば、第５態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記制御回路は、前記熱交換器によって空調された単位時間当たりの前記室内空間の温度変化量が前記所定値を超えるとき、前記熱交換器により前記室内空間の空調が行われる第１運転モードに切り替え、前記熱交換器によって空調された単位時間当たりの前記室内空間の温度変化量が所定値以下のとき、前記局所空調機器により前記室内空間の空調が行われる第２運転モードに切り替えてもよい。

第７態様において、例えば、第１態様〜第６態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムは、複数の前記熱交換器を含み、前記制御回路は、前記複数の熱交換器から選ばれる少なくとも１つの前記熱交換器に代えて、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行ってもよい。第７態様によれば、ヒートポンプサイクルのオン／オフを極力回避できる。このことも、空気調和システムの効率の改善に寄与する。

第８態様において、例えば、第１態様〜第７態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムは、前記ガスエンジンの動力を前記発電機に伝達するクラッチをさらに備え、前記制御回路は、前記クラッチを制御することによって、前記発電機の回転数を制御してもよい。第８態様によれば、発電機で必要十分な量の電力が生成されるので、エネルギー（ガス）が無駄になりにくい。

第９態様において、例えば、第１態様〜第８態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記ヒートポンプサイクルは、複数の前記熱交換器を含み、複数の前記熱交換器は、第１熱交換器と第２熱交換器とを含み、前記室内空間は、複数の空調エリアを含み、前記複数の空調エリアは、前記第１熱交換器によって空調が行われる通常空調エリアと、前記第２熱交換器及び前記局所空調機器から選ばれる１つで空調が行われる局所空調エリアとを含んでいてもよい。複数の空調エリアのそれぞれに適した方法で空調を行えば、空気調和システムの効率を改善しやすい。

第１０態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムは、ガスを燃料として用い、前記圧縮機を駆動するガスエンジンと、圧縮機及び室内空間に配置される熱交換器を含み、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行うヒートポンプサイクルと、前記ガスエンジンによって駆動され、電力を生成する発電機と、前記発電機によって生成された前記電力を使用して前記室内空間の空調を行う局所空調機器と、を備え、前記空調負荷が高い空調エリアの空調を前記局所空調機器によって行い、それ以外の空調エリアの空調を前記熱交換器によって行うものである。

第１０態様によれば、第１態様と同じ効果が得られる。さらに、第１０態様によれば、室内機の数を減らせるとともに、複雑な制御が必要とされない。故に、初期投資コストを削減できる。

第１１態様において、例えば、第１０態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記ヒートポンプサイクルは、前記熱交換器によって前記室内空間の暖房を行い、前記局所空調機器は、室内空間の暖房を行い、前記熱交換器は前記室内空間の天井に配置され、前記局所空調機器は前記室内空間の床に配置された、請求項１０に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。

第１２態様において、例えば、第１態様〜第１０態様にかかるガスヒートポンプ式空気調和システムの前記ヒートポンプサイクルの前記局所空調機器は、持ち運び可能な電気式温風ファンヒータであってもよい。持ち運び可能であれば、局所空調機器を居住者の近くに容易に設置することができる。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。本明細書において、「空調」の語句は、冷房と暖房の両方の意味を含む。

（実施形態１）
図１に示すように、本実施形態のガスヒートポンプ式空気調和システム１００は、室外機１０、室内空間に配置される、熱交換器である第１室内機１５ａ、室内空間に配置される、熱交換器である第２室内機１５ｂ、制御回路５０及び局所空調機器８０を備えている。室外機１０は、圧縮機１２、熱交換器１３及び膨張弁１４を含む。圧縮機１２、熱交換器１３、膨張弁１４、第１室内機１５ａ及び第２室内機１５ｂは、複数の冷媒配管１６によって環状に接続されており、これにより、ヒートポンプサイクル１７が形成されている。

室外機１０は、さらに、ガスエンジン１１、動力伝達機構４０、クラッチ３３、動力伝達機構４１、発電機２０及びインバータ２１を含む。動力伝達機構４０は、プーリ３０、プーリ３１及びベルト３２によって構成されている。動力伝達機構４１は、プーリ３４、プーリ３５及びベルト３６によって構成されている。動力伝達機構４０及び４１は、ベルト伝達機構に限定されず、チェーン伝達機構、歯車伝達機構などの他の伝達機構であってもよい。圧縮機１２は、動力伝達機構４０を介して、ガスエンジン１１によって駆動される。クラッチ３３は、ガスエンジン１１の動力を発電機２０に伝達する。発電機２０は、クラッチ３３及び動力伝達機構４１を介して、ガスエンジン１１によって駆動される。クラッチ３３を制御することによって、ガスエンジン１１から発電機２０に伝達されるトルクを調整することができる。

発電機２０は、インバータ２１及び分電盤２２を介して、局所空調機器８０に接続されている。局所空調機器８０は、発電機２０で生成された電力によって運転される。

制御回路５０は、負荷検出部５１、切替判断部５２、定数設定部５３、クラッチ制御部５４及び室内機制御部５５を含む。負荷検出部５１は、室内空間の複数の空調エリアのそれぞれに設定された設定温度を検出し、各空調エリアの空調負荷を算出する。定数設定部５３には、ヒートポンプサイクル１７の特性を示す定数及び各空調エリアの空調負荷に影響する定数が格納されている。これらの定数は、空調負荷を算出する際に使用される。切替判断部５２は、各空調エリアの空調負荷の算出結果に基づき、局所空調機器８０を使用した局所空調の要否を判断する。室内機制御部５５は、切替判断部５２の判断を受けて、室内機１５ｂにＯＮ信号又はＯＦＦ信号を送信する。クラッチ制御部５４は、切替判断部５２の判断を受けて、発電機２０の必要な回転数を算出し、クラッチ３３に制御信号を送信する。

制御回路５０は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御回路は、集中制御を行う単独の制御回路で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御回路で構成されていてもよい（他の実施形態およびその変形例の制御回路においても同様）。記憶部には、空気調和システム１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。負荷検出部５１、切替判断部５２、定数設定部５３、クラッチ制御部５４及び室内機制御部５５の各機能は、ハードウェア上で実行されるソフトウェアによって提供されうる。制御回路５０は、室外機１０の中に配置されていてもよい。ＢＥＭＳ（Building Energy Management System）のように、制御回路５０は、ネットワークを通じて空気調和システム１００の各機器の制御を可能にする中央監視装置に設置されていてもよい。

図１に示すように、同じ部屋の中に複数の空調エリア６０，６１，６２が存在すると仮定する。本実施形態において、複数の空調エリア６０，６１，６２は、通常空調エリア６０と局所空調エリア６１と空調不要エリア６２とを含む。通常空調エリア６０は、通常の負荷を持った空調エリアである。局所空調エリア６１は、高い空調負荷を持った空調エリアである。空調不要エリア６２は、居住者が存在せず、空調が不要なエリアである。通常空調エリア６０の上方に第１室内機１５ａが設置されており、局所空調エリア６１の上方に第２室内機１５ｂが設置されている。局所空調エリア６１には局所空調機器８０も設置されている。通常空調エリア６０の空調は、第１室内機１５ａによって行われる。局所空調エリア６１の空調は、第２室内機１５ａ及び局所空調機器８０から選ばれる１つによって行われる。複数の空調エリアのそれぞれに適した方法で空調を行えば、空気調和システム１００の効率を改善しやすい。

通常空調エリア６０では、居住者７０が主として厚手着衣で立位作業を行っていると仮定する。局所空調エリア６１では、居住者７１が主として薄手着衣で着座作業を行っていると仮定する。暖房空調を行う場合、快適性指標ＰＭＶの観点から、局所空調エリア６１は、高負荷な空調エリアである。第１室内機１５ａから通常空調エリア６０に必要な温熱が供給され、第２室内機１５ｂから局所空調エリア６１に必要な温熱が供給される。

局所空調機器８０は、局所空調エリア６１に配置されている。局所空調機器８０には、発電機２０で生成された電力が電力線２４を通じて供給される。これにより、局所空調エリア６１に局所的に温熱又は冷熱が供給される。局所空調エリア６１には、ヒートポンプサイクル１７及び局所空調機器８０の両方から温熱又は冷熱が供給されうる。局所空調機器８０としては、電気式温風ファンヒータ、冷風扇などが挙げられる。局所空調機器８０は、人力で持ち運び可能な機器であることが望ましい。持ち運び可能であれば、局所空調機器８０を居住者の近くに容易に設置することができる。

制御回路５０は、第１室内機１５ａの設定温度ＴＬ（目標温度）、第２室内機１５ｂの設定温度ＴＨ（目標温度）、及び外気温度Ｔｏを取得する。設定温度ＴＬ、設定温度ＴＨ及び外気温度Ｔｏに基づき、制御回路５０は、局所空調エリア６１に局所空調機器８０による局所空調の効果があるかどうかを判断する。言い換えれば、制御回路５０は、局所空調機器８０によって局所空調を行うべきかどうかを判断する。制御回路５０は、第２室内機１５ｂに対して、第２室内機１５ｂをオン又はオフにする指令を出力する。制御回路５０は、クラッチ３３に対して、クラッチレベルＵを出力する。制御回路５０は、発電機２０の発電量Ｐｇを調整する。

次に、空気調和システム１００の運転を説明する。

制御回路５０の負荷検出部５１は、第１室内機１５ａが空調を行う空調エリアの負荷及び第２室内機１５ｂが空調を行う空調エリアの負荷を算出し、算出結果を切替判断部５２に送信する。負荷の算出方法の１つとして、室内機の設定温度Ｔ（Ｋ）及び外気温度Ｔｏから負荷Ｑ（Ｗ）を算出する方法が挙げられる。設定温度Ｔは、居住者によって室内機のリモコンに入力されうる。制御回路５０は、例えば、室内機のリモコンから無線通信によって室内機の設定温度Ｔを直接取得する。外気温度Ｔｏは、例えば、外気温度センサ（図示省略）から取得されうる。空調を行うべき空間の空間表面積をＡ（ｍ²）、空間表面積に対する熱貫流係数をｋ（Ｗ／（ｍ²・Ｋ））とすると、負荷Ｑは、下記式（１）で算出できる。

Q=(T-To)・k・A ・・・(1)

通常空調エリア６０の空調負荷をＱＬ、設定温度をＴＬ、空間表面積をＡＬ、熱貫流係数をｋＬとすると、負荷検出部５１は、下記式（２−１）にしたがって空調負荷ＱＬを算出する。同様に、局所空調エリア６１の空調負荷をＱＨ、設定温度をＴＨ、空間表面積をＡＨ、熱貫流係数をｋＨとすると、負荷検出部５１は、下記式（２−２）にしたがって空調負荷ＱＨを算出する。

QL=(TL-To)・kL・AL ・・・(2-1)
QH=(TH-To)・kH・AH ・・・(2-2)

空間表面積ＡＬ，ＡＨ及び熱貫流係数ｋＬ，ｋＨは、それぞれ、空気調和システム１００における設計値である。従って、これらの値は、定数設定部５３に予め格納され、必要に応じて負荷検出部５１によって定数設定部５３から取得され、式（２−１）及び式（２−２）の計算で使用される。

次に、制御回路５０の切替判断部５２は、負荷検出部５１から負荷Ｑを取得し、ヒートポンプサイクル１７の圧縮機１２を駆動するために必要なガス量Ｖｈｐ（ｍ³／分）を算出する。ガス量Ｖｈｐは、ヒートポンプサイクル１７の効率を示すＣＯＰ（coefficient of performance）（（分・Ｗ）／ｍ³）を使用して、下記式（３）で算出できる。

Vhp=Q/COP ・・・(3)

ここで、図３を参照して、ガスヒートポンプサイクルの効率特性を説明する。図３は、ヒートポンプサイクルの効率（ＣＯＰ）と負荷Ｑとの関係を示している。例えば、通常空調エリア６０の空調負荷ＱＬに対する効率は、ＣＯＰ_{_}Ｌである。この関係は、圧縮機１２などの機器の性能及びヒートポンプサイクル１７の構成によって決まる。一般的に、ガスヒートポンプサイクルにおいては、中間負荷と呼ばれる負荷で効率が最大となる。中間負荷よりも高い定格負荷及び更に高い負荷では、効率は低い。低負荷又は部分負荷と呼ばれる負荷の低い領域でも効率は低い。先に説明した特許文献１及び２は、低負荷又は部分負荷での効率を改善する技術を開示しているものの、高負荷での効率を改善する技術を開示していない。

効率ＣＯＰと負荷Ｑとの関係を考慮に入れて、第１室内機１５ａ及び第２室内機１５ｂで空調を行う際に必要となるガス量Ｖｈｐ_{_}ＡＬＬを算出する。第１室内機１５ａで空調が行われるエリアは通常空調エリア６０であり、その空調負荷はＱＬである。第２室内機１５ｂで空調が行われるエリアは、局所空調エリア６１及び空調不要エリア６２である。空調不要エリア６２は、居住者７１の温感又は冷感には直接影響しないが、第２室内機１５ｂが天井に設置されているため、やむを得ず空調が必要となるエリアである。空調不要エリア６２の負荷をＱＬｏｓｓとすると、第２室内機１５ｂの空調負荷はＱＨ＋ＱＬｏｓｓである。第１室内機１５ａ及び第２室内機１５ｂの空調負荷の総和は、ＱＬ＋ＱＨ＋ＱＬｏｓｓである。図３に示すように、ＱＬ＋ＱＨ＋ＱＬｏｓｓの負荷に対する効率がＣＯＰ_{_}ＡＬＬであるとき、ガス量Ｖｈｐ_ＡＬＬは、式（２−１）、式（２−２）及び式（３）を用い、下記式（４）で算出されうる。

Vhp_{_}ALL=(QL+QH+QLoss)/COP_{_}ALL
=((TL-To)・kL・AL+(TH-To)・kH・AH+QLoss)/COP_{_}ALL ・・・(4)

このように、負荷検出部５１で算出された負荷ＱＬ及びＱＨから、第１室内機１５ａ及び第２室内機１５ｂによって、全ての空調負荷を賄った場合に必要となるガス量Ｖｈｐ_{_}ＡＬＬを算出できる。言い換えれば、局所空調機器８０を使用せずにヒートポンプサイクル１７のみで空調負荷を賄った場合に必要となるガス量Ｖｈｐ_{_}ＡＬＬを算出できる。

次に、発電機２０で生成された電力Ｐｇ（Ｗ）で局所空調機器８０を動作させる場合にガスエンジン１１で必要となるガス量Ｖｇを算出する。

図４は、クラッチ３３におけるクラッチレベルと発電機２０の回転数との関係を示す図である。クラッチ３３の入力であるクラッチレベルをＵ（無次元）、発電機の回転数をＮ（ｒｐｍ）とすると、下記式（５）の関係が成り立つ。ここで、α１（ｒｐｍ）は定数である。クラッチレベルＵは、クラッチ３３への入力信号である。クラッチレベルＵを上げると、ガスエンジン１１から発電機２０に伝達される駆動力が増加し、発電機２０の回転数Ｎが増加する。回転数Ｎｍａｘは、クラッチ３３が動作してガスエンジン１１の動力が発電機２０に伝達されているときのガスエンジン１１の回転数であり、圧縮機１２に必要な回転数によって変化する。

N=α1・U ・・・(5)

図５は、発電機２０の回転数とガスエンジン１１で消費されるガス量との関係を示す図である。ガスエンジン１１で消費されるガス量をＶｇ、発電機の回転数をＮとすると、下記式（６）の関係が成り立つ。ここで、α２（ｍ³／（分・ｒｐｍ））は定数である。

Vg=α2・N ・・・(6)

図６は、発電機２０の回転数と発電量との関係を示す図である。発電機２０の発電量をＰｇ、発電機２０の回転数をＮとすると、下記式（７）の関係が成り立つ。ここで、α３（Ｗ／ｒｐｍ）は定数である。

Pg=α3・N ・・・(7)

式（５）〜（７）より、発電機２０の発電量Ｐｇと必要なガス量Ｖｇとの関係は、下記式（８）で表される。

Vg=(α2/α3)・Pg ・・・(8)

局所空調機器８０を動作させて負荷Ｑを賄った場合、必要とされる電力と負荷Ｑとの関係は、下記式（９）で表される。Ｐｉｎは商用電源２３からの買電量、Ｐｇは発電機２０の発電量、β（無次元）は局所空調機器８０の効率である。

Q=β・(Pg+Pin) ・・・(9)

通常、発電機２０の発電量Ｐｇは負荷Ｑを賄うのに十分な量である。この場合、商用電源２３からの買電量Ｐｉｎはゼロなので、発電量Ｐｇと負荷Ｑとの関係が下記式（１０）で表される。

Q=β・Pg ・・・(10)

第２室内機１５ｂに代えて、局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行って負荷ＱＨを賄った場合、ガスエンジン１１で必要となるガス量Ｖｇ_{_}Ｈは、式（８）及び式（１０）を用いて、下記式（１１）で算出できる。

Vg_H=(α2/α3)・Pg
=(α2/α3)・(QH/β)
=(α2/α3)・((TH-To)・kH・AH/β) ・・・(11)

局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行っている場合、第２室内機１５ｂは停止している。一方、通常空調エリア６０の空調は第１室内機１５ａで行われている。図３を参照して説明したように、負荷ＱＬに対する効率は、ＣＯＰ_{_}Ｌと関係付けられている。従って、負荷ＱＬを第１室内機１５ａで賄うために必要なガス量Ｖｈｐ_{_}Ｌは、式（３）及び式（４）を用いて、下記式（１２）で算出できる。

Vhp_L=QL/COP_L
=(TL-To)・kL・AL/COP_L ・・・(12)

局所空調機器８０を使用せず、第１室内機１５ａ及び第２室内機１５ｂのみで空調を行うときに必要なガス量はＶｈｐ_{_}ＡＬＬである。局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行い、第１室内機１５ａで通常空調エリア６０の空調を行うときに必要なガス量は（Ｖｇ_{_}Ｈ＋Ｖｈｐ_{_}Ｌ）である。

局所空調機器８０の使用がエネルギーの節約に有効であるのは、ガス量（Ｖｇ_{_}Ｈ＋Ｖｈｐ_{_}Ｌ）がガス量Ｖｈｐ_{_}ＡＬＬよりも少ない場合である。従って、下記式（１３）が成立する場合には、局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行う。他方、下記式（１３）が成立しない場合には、第２室内機１５ｂで局所空調エリア６１の空調を行う。

Vg_H+Vhp_L<Vhp_ALL ・・・(13)

制御回路５０の切替判断部５２は、式（１３）が成立するかどうか判断する。式（１３）が成立する場合には、切替判断部５２から室内機制御部５５に信号が送られ、室内機制御部５５から第２室内機１５ｂに室内機指令として停止信号が送られる。同時に、切替判断部５２からクラッチ制御部５４に信号が送られ、クラッチ制御部５４からクラッチレベルＵがクラッチ３３に送られる。局所空調機器８０に必要な電力Ｐｇを発電機２０で発生させることができるクラッチレベルＵ_{_}Ｈは、電力Ｐｇを発生させるために発電機２０に必要とされる回転数をＮ_{_}Ｈとして、式（２）、式（５）、式（６）及び式（１１）を用いて、下記式（１４）で算出されうる。

U_H=N_H/α1=Vg_H/(α1・α2)
=(1/(α1・α3・β))・QH
=(1/(α1・α3・β))・(TH-To)・kH・AH ・・・(14)

クラッチ制御部５４は、式（１４）で算出したクラッチレベルＵ_{_}Ｈをクラッチ３３に送る。クラッチ３３は、動力伝達機構４１を介して、ガスエンジン１１の動力を発電機２０に伝えることができる。その結果、局所空調機器８０が局所空調エリア６１の負荷Ｑ_{_}Ｈを賄うのに必要な最小の電力を発電機２０で発生させることができる。

式（１３）が成立しない場合には、局所空調機器８０の使用が有効でないと判断される。そのため、室内機制御部５５には信号が送られず、第２室内機１５ｂは停止せずに運転し続ける。切替判断部５２からクラッチ制御部５４にも信号が送られず、クラッチ３３にクラッチレベルＵが送られない。発電機２０は、局所空調機器８０のための発電を行わない。

このように、制御回路５０は、室内機１５ｂが運転されているときに発電機２０が停止し、第２室内機１５ｂが停止しているときに発電機２０が運転されて局所空調機器８０に電力が供給されるように、発電機２０の回転数及び第２室内機１５ｂのオン／オフを制御する。言い換えれば、制御回路５０は、室内空間の空調負荷の大きさに応じて、第２室内機１５ｂで室内空間（局所空調エリア６１）の空調が行われる運転モードと、局所空調機器８０で室内空間（局所空調エリア６１）の空調が行われる運転モードとを相互に切り替える。これにより、ヒートポンプサイクル１７に加わる負荷を軽減し、ヒートポンプサイクル１７の高負荷時の効率を改善できる。

より詳細には、制御回路５０は、第２室内機１５ｂで局所空調エリア６１の空調を行う場合にガスエンジン１１で必要とされるガス流量が局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行う場合にガスエンジン１１で必要とされるガス流量よりも大きいとき、局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調が行われるように発電機２０及び第２室内機１５ｂを制御する。また、制御回路５０は、第２室内機１５ｂで局所空調エリア６１の空調を行う場合にガスエンジン１１で必要とされるガス流量が局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行う場合にガスエンジン１１で必要とされるガス流量以下のとき、第２室内機１５ｂで局所空調エリア６１の空調が行われるように発電機２０及び第２室内機１５ｂを制御する。このようにすれば、快適性を維持しつつ、ガスを確実に節約できる。

本実施形態では、複数の室内機１５ａ及び１５ｂから選ばれる少なくとも１つの室内機１５ｂに代えて、局所空調機器８０で室内空間（局所空調エリア６１）の空調が行われる。他の室内機１５ａは、局所空調機器８０のオン／オフによらず、室内空間（通常空調エリア６０）の空調を行うように運転される。このようにすれば、ヒートポンプサイクル１７のオン／オフを極力回避できる。このことも、空気調和システム１００の効率の改善に寄与する。

局所空調機器８０で局所空調エリア６１の空調を行うとき、制御回路５０は、適切なクラッチレベルＵを出力する。これにより、発電機２０に適切なトルクが伝達される。つまり、制御回路５０は、クラッチ３３を制御することによって、発電機２０の回転数を制御する。このようにすれば、発電機２０で必要十分な量の電力が生成されるので、エネルギー（ガス）が無駄になりにくい。

なお、空調不要エリア６２の負荷ＱＬｏｓｓ、空調負荷（ＱＬ＋ＱＨ＋ＱＬｏｓｓ）に対応する効率ＣＯＰ_{_}ＡＬＬ、及び、空調負荷ＱＬに対応する効率ＣＯＰ_{_}Ｌは、それぞれ、空気調和システム１００における設計値である。従って、これらの値は、定数設定部５３に格納され、必要に応じて切替判断部５２によって定数設定部５３から取得され、式（４）及び式（１４）の計算で使用される。クラッチ３３の特性を示す定数α１、発電機２０とガスエンジン１１との関係を示す定数α２、発電機２０の特性を示す定数α３、及び、局所空調機器８０の効率βも、それぞれ、空気調和システム１００における設計値である。従って、これらの値は、定数設定部５３に格納され、必要に応じて切替判断部５２及びクラッチ制御部５４で使用される。

本実施形態によれば、高負荷である局所空調エリア６１において、発電機２０で生成された電力で局所空調機器８０を使用して空調が行われる。これにより、ヒートポンプサイクル１７に加わる負荷を軽減し、ヒートポンプサイクル１７の高負荷時の効率を改善できる。さらに、空調不要エリア６２の空調を行わない期間には、エネルギーの無駄をなくすことができる。その結果、エネルギー（ガス）を総合的に節約できる。低負荷時だけでなく高負荷時でも効率の良いガスヒートポンプ式空気調和システム１００を提供できる。

また、制御回路５０は、空調エリア（通常空調エリア６０及び局所空調エリア６１）の負荷を確認しながら、局所空調機器８０で空調を行うべきかどうか判断する。ヒートポンプサイクル１７の効率が高い場合には、空調の主体を第２室内機１５ｂから局所空調機器８０に切り替えず、全てのエリアの空調をヒートポンプサイクル１７（室内機１５ａ及び１５ｂ）で行うことも可能である。

また、局所空調機器８０は、発電機２０で生成された電力で動作できるため、設置の自由度が大きい。例えば、居住者７１の近くに局所空調機器８０を設置できるため、居住者の快適性は維持される。

（実施形態２）
図２に示すように、本実施形態のガスヒートポンプ式空気調和システム２００では、第２室内機１５ｂが省略されている。つまり、空気調和システム２００は、空調負荷が高い空調エリア（局所空調エリア６１）の空調を局所空調機器８０で行い、それ以外の空調エリア（通常空調エリア）の空調を室内機１５ａで行うように構成されている。

本実施形態では、実施形態１の式（１３）の不等式が常に成り立つことが前提である。式（１３）に式（４）、式（１１）及び式（１２）を代入すると、下記式（１５）が導かれる。

(α2/α3)・((TH-To)・kH・AH/β)+(TL-To)・kL・AL/COP_L
<((TL-To)・kL・AL+(TH-To)・kH・AH+QLoss)/COP_ALL ・・・(15)

式（１５）において、空調不要エリア６２の負荷ＱＬｏｓｓが非常に大きい場合には、設定温度ＴＬ、設定温度ＴＨ及び外気温度Ｔｏによらず、式（１５）の不等式が常に成立する。図３に示すように、高負荷時の効率が非常に悪い場合、つまり、ＣＯＰ_{_}ＡＬＬがＣＯＰ_{_}Ｌに比べて非常に小さい場合にも、式（１５）の不等式が常に成立する。

この場合には、局所空調エリア６１の空調を常に局所空調機器８０で行うことが効果的である。そのため、第２室内機１５ｂを省略できる。クラッチ３３は、ガスエンジン１１の駆動力の最大限を発電機２０に常に伝える。発電機２０で生成された電力は、全て、電力線２４を通じて、局所空調機器８０に供給される。従って、実施形態１の制御回路５０も省略できる。本実施形態によれば、第２室内機１５ｂ及び制御回路５０を省略できる。言い換えれば、室内機の数を減らせるとともに、複雑な制御が必要とされない。故に、初期投資コストを削減できる。

なお、局所空調機器８０で必要とされる電力に対して、発電機２０で生成された電力だけで不足する場合には、分電盤２２を通じて商用電源２３から電力を補うことができる。逆に、発電機２０で生成された電力が余った場合には、電力線２４を通じて、余った電力を屋内の他の電気機器（図示省略）に供給して使用することが可能である。このことは、実施形態１にも当てはまる。

（その他）
空調エリアは、２つ（通常空調エリア６０及び局所空調エリア６１）に限定されない。より多くの複数の空調エリアがある場合でも、室内機の数及び局所空調機器８０の数を増やすことができる。制御回路５０は、設定温度ＴＬ、設定温度ＴＨ及び外気温度Ｔｏに代えて、又は、これらの温度とともに、複数の空調エリアでの快適性指標ＰＭＶを検出（取得）するように構成されていてもよい。

制御回路５０は、熱交換器によって空調された単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ１以下のとき、発電機２０から局所空調機器８０に電力を供給させて、局所空調機器８０による空調を開始してもよい。

具体的な動作例として、制御回路５０は、図７に示すように、発電機２０及び局所空調機器８０を制御する。まず、制御回路５０は、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａを取得する（ステップＳ１）。制御回路５０は、室内空間に設置された温度センサにより検出された温度を取得し、当該温度に基づいて求められる。例えば、制御回路５０は、所定時刻における室内温度Ｔ１、及び当該所定時刻より所定時間Δｔ経過したときの室内温度Ｔ２を温度センサより取得して、｜Ｔ１−Ｔ２｜／Δｔを計算することにより、温度変化量Ｔａを求めることができる。そして制御回路５０は、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ２）。単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ１以下であるとき（ステップＳ２でＹｅｓ）、制御回路５０は、発電機２０から局所空調機器８０に電力を供給させて、局所空調機器８０による空調を開始する（ステップＳ３）。一方、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ１より大きいとき（ステップＳ２でＮｏ）、制御回路５０は、再びステップＳ１を行う。

また、制御回路５０は、熱交換器によって空調された単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａと、あらかじめ設定された所定値Ｃ２との関係により、運転モードを設定してもよい。例えば、制御回路５０は、熱交換器によって空調された単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ２を超えるとき、運転モードを、熱交換器により室内空間の空調が行われる第１運転モードに設定する。一方、制御回路５０は、熱交換器によって空調された単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ２以下のとき、運転モードを、局所空調機器８０により室内空間の空調が行われる第２運転モードに設定する。

具体的な動作例として、制御回路５０は、図８に示すように、発電機２０、局所空調機器８０、及び熱交換器を制御する。まず、制御回路５０は、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａを取得し（ステップＳ１１）、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ２を超えるか否かを判断する（ステップＳ１２）。単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ２を超えるとき（ステップＳ１２でＹｅｓ）、制御回路５０は、運転モードを、熱交換器により室内空間の空調が行われる第１運転モードに設定する（ステップＳ１３）。一方、単位時間当たりの室内空間の温度変化量Ｔａが所定値Ｃ２を超えないとき（ステップＳ１２でＮｏ）、制御回路５０は、運転モードを、局所空調機器８０により室内空間の空調が行われる第２運転モードに設定する（ステップＳ１４）。

本明細書に記載された技術によれば、居住者の快適性と高効率とを両立できる空気調和システムを提供できる。

１０ 室外機
１１ ガスエンジン
１２ 圧縮機
１３ 熱交換器
１４ 膨張弁
１５ａ 第１室内機
１５ｂ 第２室内機
１６ 冷媒配管
２０ 発電機
２１ インバータ
２２ 分電盤
２３ 商用電源
２４ 電力線
３０，３１，３４，３５ プーリ
３２，３６ ベルト
３３ クラッチ
４０，４１ 動力伝達機構
５０ 制御回路
５１ 負荷検出部
５２ 切替判断部
５３ 定数設定部
５４ クラッチ制御部
５５ 室内機制御部
６０ 通常空調エリア
６１ 局所空調エリア（高負荷エリア）
６２ 空調不要エリア
７０ 居住者（立位作業者、厚手着衣）
７１ 居住者（着座作業者、薄手着衣）
８０ 局所空調機器

Claims (7)

1. ガスを燃料として用いて圧縮機を駆動するガスエンジンと、
   前記ガスエンジンによって駆動される前記圧縮機及び室内空間に配置される少なくとも一つの熱交換器を含み、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行うヒートポンプサイクルと、
   前記ガスエンジンによって駆動され、電力を生成する発電機と、
   前記熱交換器と同一の室内空間に配置され、前記発電機によって生成された前記電力を使用して前記室内空間の空調を行う局所空調機器と、
   前記室内空間の空調負荷に応じて、前記発電機及び前記熱交換器を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、前記発電機及び前記熱交換器を制御して、
   前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量が、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量よりも大きいとき、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行い、
   前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量が、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行う場合に前記ガスエンジンで必要とされるガス流量以下のとき、前記熱交換器によって前記室内空間の空調を行なう、ガスヒートポンプ式空気調和システム。
2. 前記制御回路は、
   前記熱交換器による空調が行われているときに前記発電機を停止させ、
   前記熱交換器による空調が停止しているときに前記発電機から前記局所空調機器に電力を供給する、請求項１に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
3. 前記制御回路は、前記熱交換器により前記室内空間の空調が行われる第１運転モードと、前記局所空調機器により前記室内空間の空調が行われる第２運転モードとを相互に切り替える、請求項１又は２に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
4. 前記ヒートポンプサイクルは、複数の前記熱交換器を含み、
   前記制御回路は、前記複数の熱交換器から選ばれる少なくとも１つの前記熱交換器に代えて、前記局所空調機器によって前記室内空間の空調を行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
5. 前記ガスエンジンの動力を前記発電機に伝達するクラッチをさらに備え、
   前記制御回路は、前記クラッチを制御することによって、前記発電機の回転数を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
6. 前記ヒートポンプサイクルは、複数の前記熱交換器を含み、
   複数の前記熱交換器は、第１熱交換器と第２熱交換器とを含み、
   前記室内空間は、複数の空調エリアを含み、
   前記複数の空調エリアは、前記第１熱交換器によって空調が行われる通常空調エリアと、前記第２熱交換器及び前記局所空調機器から選ばれる１つで空調が行われる局所空調エリアとを含む、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
7. 前記局所空調機器は、持ち運び可能な電気式温風ファンヒータである、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスヒートポンプ式空気調和システム。
   
   

Images