JP6466108B2

JP6466108B2 - 空調システムを制御する制御システムおよび空調システム

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Publication number: JP6466108B2
Application number: JP2014182988A
Authority: JP
Inventors: 山口　祥一; 祥一山口
Original assignee: Denso Aircool Corp
Current assignee: Denso Aircool Corp
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: JP2016056988A

Description

本発明は、空調システムの制御システムおよびその制御システムを含む空調システムに関するものである。

特許文献１には、省エネタイプの空調システムを提供することが記載されている。特許文献１の空調システムにおいては、補助空調システムは、屋内熱交換ユニットと屋外熱交換ユニットとを含み、屋内熱交換ユニットは、室内の天井に対し斜めに設置される屋内チューブを含み、ファンを含まず、屋内チューブが室内上部の高温の空気層に斜めに接し、屋内チューブの内部の冷媒が高温の空気層から受熱して沸騰気化し、高温の空気層が屋内熱交換ユニットを通過して下降し、屋外熱交換ユニットは、屋外の、屋内チューブよりも高い位置に設置される屋外チューブを含み、屋外チューブは連通管を介し、圧縮機を介さずに屋内チューブに接続され、屋内チューブで沸騰気化した冷媒を凝縮液化して屋内チューブに戻す。

特開２０１１−１５８１３５号公報

主空調システムと補助空調システムとを含むシステムにおいて、さらに効率よく、消費電力を抑制した条件で空調を行える空調システムが要望されている。

本発明の一態様は、空調システムを制御する制御システムである。空調システムは、第１の室内機を含む第１のシステムと、第１の室内機の下流に配置される第２の室内機を含む第２のシステムとを含み、第１のシステムは、さらに、回転数制御されるファンを含む室外機と、室外機および第１の室内機の間で冷媒を自然循環させる循環系とを含む。当該制御システムは、空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定する必要能力推定ユニットと、推定時の冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における第１のシステムの冷却可能能力と第１のシステムの消費電力との関係をファンの回転数に対して推定する冷却可能能力推定ユニットと、第１のシステムの冷却可能能力が必要冷却能力の範囲内で、ファンの回転数の領域に、冷却可能能力が第１のシステムの消費電力以上となる第１の回転数範囲があれば、その第１の回転数範囲で第１のシステムを稼働し、第１の回転数範囲がなければ第１のシステムを停止する第１の制御ユニットとを含む。

冷媒を自然循環する第１のシステムにおいては、冷却可能能力と消費電力との関係は、冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差に基づき推定できる。第１のシステムの消費電力には室外機および／または室内機に付属するファンの消費電力が含まれ、そのほとんどは必要冷却能力に含まれる。したがって、冷却可能能力が第１のシステムの消費電力以上となる条件（第１の条件）でのみ第１のシステムを駆動し、それ以外では駆動しないという条件判断を行うことにより、第１のシステムが無駄に稼働することを抑制でき、空調システムのエネルギー消費量をさらに低減できる。

制御システムは、さらに、第２の室内機の吸込み温度が目標吹出し温度より低ければ、第２のシステムを停止するユニットを含んでいてもよい。第１の室内機の下流に位置する第２の室内機における吸込み温度が目標吹出し温度より低ければ、第１のシステムのみで空調可能か、または、空調自体が不要なので第２のシステムを稼働させないことにより、消費電力を抑制できる。

制御システムは、さらに、吹出し温度に対する冷却対象の空気の温度の差が、所定の値よりも小さければ、第１のシステムおよび第２のシステムを停止するユニットを含んでもよい。冷却対象の空気の温度が高い場合でも、吹き出し温度との差が小さければ、機器からの発熱はなく、冷却対象の機器が稼働していないと判断できる。したがって、空調システムを停止することにより、さらに消費電力を抑制できる。

本発明の他の態様の一つは、上記の制御システムと、第１のシステムと、第２のシステムとを有する空調システムである。

この空調システムにおいては、第１の室内機の吹き出し口と第２の室内機の吸い込み口とを接続するダクトスペースと、ダクトスペース内で、第１の室内機をバイパスしてダクトスペースに冷却対象の空気を供給する第１のバイパス開口と第１の室内機の吹き出し口とを交互に開閉する第１のダンパーユニットとを有していてもよい。さらに、ダクトスペース内で、第１のバイパス開口よりも下側に配置され、第２の室内機をバイパスして冷気を放出する第２のバイパス開口を開閉する第２のダンパーユニットを有していてもよい。

第１および第２のダンパーユニットを有する空調システムの制御システムは、第１のダンパーユニットが第１のバイパス開口を閉じ、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を閉じる第１のモードと、第１のダンパーユニットが第１のバイパス開口を閉じ、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を開ける第２のモードと、第１のダンパーユニットが第１の室内機の吹き出し口を閉じる、または、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を開ける第３のモードとの少なくともいずれかを含むことが望ましい。

第１のモードにおいては、第１のシステムおよび第２のシステムを協調させ、トータルとして消費電力が低い条件で空調システムを運転できる。第２のモードにおいては、第１のシステムを低消費電力で運転でき、第１のシステムで空調した空気を、第２のシステムをバイパスして直接供給できる。第３のモードにおいては、第１のシステムをバイパスすることにより、第２のシステムを低消費電力で運転でき、その際、冷却対象の空気が第１のシステムを通過する際の圧力損失を防ぐことができるので、第２のシステムの消費電力をさらに抑制できる。

本発明の異なる他の態様の一つは、冷却対象の空気を排出する発熱機器が配置された部屋と、部屋の空気を空調する上記の空調システムとを有する建造物である。発熱機器の一例は、太陽光発電システムのパワーコンディショナーである。

本発明のさらに異なる他の態様の一つは、上記の空調システムを制御する方法である。この方法は、以下のステップを有する。
１．制御ユニットが、空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定すること。
２．推定時の冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における第１のシステムの冷却可能能力と第１のシステムの消費電力との関係をファンの回転数に対して推定すること。
３．冷却可能能力が必要冷却能力の範囲内で、ファンの回転数の領域に、冷却可能能力が第１のシステムの消費電力以上となる第１の回転数範囲があれば、その第１の回転数範囲で第１のシステムを稼働し、第１の回転数範囲がなければ、第１のシステムを停止すること。

この方法は、さらに、以下のステップを有していてもよい。
４．制御ユニットが、第２の室内機の吸込み温度が目標吹き出し温度より低ければ、第２のシステムを停止すること。
５．制御ユニットが、吹出し温度に対する冷却対象の空気の温度の差が、所定の値よりも小さければ、第１のシステムおよび第２のシステムを停止すること。

空調システムが、上記ダクトスペース、第１のダンパーユニットおよび第２のダンパーユニットを含む場合、この方法は、制御ユニットが、第１のダンパーユニットが第１のバイパス開口を閉じ、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を閉じることと、第１のダンパーユニットが第１のバイパス開口を閉じ、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を開けることと、第１のダンパーユニットが第１の室内機の吹き出し口を閉じる、または、第２のダンパーユニットが第２のバイパス開口を開けることとの少なくともいずれかを含むことが望ましい。

空調システムが導入された建造物の概要を示す断面図。空調システムを拡大して概要を示す斜視図。空調システムの概要を示す正面図。冷却可能能力および消費電力とファン回転数の関係を示す図。空調システムの制御を示すフローチャート。第１のシステムのみを稼働するモードを示す図。第２のシステムのみを稼働するモードを示す図。

図１に、空調システムが設置された建造物の概要を示している。建造物（建物、コンテナハウス、箱体）１は、太陽光発電システムにおいて太陽電池モジュールが発電した直流電力を交流電力に変換する電力制御ユニット（電力制御装置、パワーコンディショナー、ＰＣＳ）２と、太陽電池モジュールが発電した直流電力を一時的に蓄えるバッテリユニット３と、ＰＣＳ２で変換された電力を電送線路へ供給するＵＰＳユニット４とを含み、これらのユニット２、３および４がそれぞれ異なる部屋に配置されている。建造物１は、さらに、ＰＣＳ２が配置された部屋５の空気を空調（冷却、冷房）する空調システム１０を含む。建造物１は、固定されたものであってもよく、移動可能なものであってもよく、パッケージ型であってもよく、現地施工されたものであってもよい。また、建造物１は、ＰＣＳ２に限らず、サーバーあるいはその他の電子機器を収納するものであってもよく、用途もサーバールーム、データセンターなどであってもよい。

空調システム１０は、第１の室内機２１を含む第１のシステム（第１の空調システム、補助システム）２０と、第１の室内機２１の下流に配置される第２の室内機３１を含む第２のシステム（第２の空調システム、主システム）３０と、第１のシステム２０および第２のシステム３０を協調制御する制御システム５０とを含む。この明細書においては、室外に設置される場合であっても、室内の空気をハンドリングするユニットは室内機と呼ぶ。第１のシステム２０は、自然循環型（沸騰循環型）の冷却システム、以下「Ｓｅｌｆ−Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ−Ｒａｄｉａｔｏｒ」（ＳＣＲ）と称する、であり、コンプレッサを用いずに冷媒を循環するため消費電力は低く、外気温が室内の温度よりも低いという条件で動作する。第２のシステム３０は、コンプレッサにより強制的に冷媒を循環させるタイプの空調システム（クーラーユニット、ＡＣＵ）であり、外気条件に影響されずに冷却効果が得られる。また、ＡＣＵ３０は、冷房（冷却）のみならず、暖房も可能である。

空調システム１０は、部屋５の上部の空気６を吸引してＳＣＲ２０で冷却し、ＳＣＲ２０から出力された冷気７をＡＣＵ３０で冷却して所望の温度になった冷気８を部屋５に戻すことにより部屋５を空調する。

図２に、空調システム１０を抜き出して拡大し、斜視図により示している。図３に、空調システム１０の概略構成を模式的な断面図により示している。図３においては、制御システム５０の構成を示すためにＡＣＵ３０の上のスペースに制御システム５０を配置している。空調システム１０は、全体が建屋（建造物）１と一体感のある壁１ａで外気が流通する状態で囲われていてもよい。

空調システム１０は、ＰＣＳ２が配置された部屋５のいずれかの側壁５ａに接続あるいは隣接して配置される。空調システム１０は、１台のユニット化されたＳＣＲ（第１のシステム）２０と、１台のユニット化されたＡＣＵ（第２のシステム）３０とを含む。冷却対象の負荷により、組み合わされる台数は任意である。制御システム５０は、ＳＣＲ２０の側に設けられていてもよく、ＡＣＵ３０の側に設けられていてもよく、空調システム１０が複数のＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を含む場合は、複数の制御システム５０を備えていてもよく、共通の制御システム５０により複数のＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を制御してもよい。

ＳＣＲ（第１のシステム）２０は、第１のハウジング２９と、ハウジング２９の室内５に連通した室内機（第１の室内機）の空間（領域）２１と、ハウジング２９の建造物１の室外（屋外、外気）に連通した室外機（屋外機、第１の室外機）の空間（領域）２２とを含む。室内機の領域２１は仕切板２９ａにより室外機の領域２２と分離されている。室内機の領域２１には、室内熱交換器２３が設置され、必要に応じて室内ファンも設置される。室外機の領域２２には、外気ファン（屋外ファン、室外ファン）２５および室外熱交換器２４が設置される。さらに、ＳＣＲ２０は、室内機２１の熱交換器２３と室外機２２の熱交換器２４との間で冷媒を循環させる配管系（循環系）２６を含む。室内機（第１の室内機）の空間（領域）２１と、室外機（第１の室外機）の空間（領域）２２とは、室内機２１および室外機２２として独立したユニットであってもよい。

ＳＣＲ２０の室内機の領域２１は、壁面５ａの空気取入口（取込口、吸引口、吸込口）２１ａを介して部屋５と連通しており、下側の吹出口２１ｂを介してＡＣＵ３０と接続するダクトスペース（ダクト）４０に連通している。

ＡＣＵ（第２のシステム）３０は、第２のハウジング３９を含む。ハウジング３９は、ダクト４０によりＳＣＲ２０の室内機の領域（第１の室内機）２１に連通し、ＳＣＲ２０の室内機の領域（第１の室内機）２１の下流に配置される室内機の領域（第２の室内機）３１を含む。室内機の領域３１には、室内熱交換器３３と室内ファン３８とが配置され、下側のダクト１５を介してＰＣＲ２が配置された部屋５と連通している。

第２のハウジング３９は、さらに、室外と連通した室外機の領域（第２の室外機）３２を含む。室外機の領域３２は仕切板３９ａにより室内機の領域３１と分離されている。室外機の領域３２には、室外ファン３５、室外熱交換器３４、室内熱交換器３３および室外熱交換器３４の間で冷媒を循環させる循環系（不図示）、室内熱交換器３３から室外熱交換器３４に供給する冷媒を圧縮するコンプレッサ３６、室外熱交換器３４で熱交換された冷媒を減圧して室内熱交換器３３に供給する減圧器３７が配置されている。ＡＣＵ（第２のシステム）３０はハウジング３９によりユニット化されていなくてもよく、室内機（第２の室内機）の空間（領域）３１と、室外機（第２の室外機）の空間（領域）３２とは、室内機３１および室外機３２として独立したユニットであってもよい。

ＳＣＲ２０の室内機の領域２１の吹出口（供給口）２１ｂとＡＣＵ３０の室内機の領域３１の吸込口３１ａとを接続するダクト４０は、部屋５と連通する第１のバイパス開口４３および第２のバイパス開口４４と、第１のバイパス開口４３と第１の室内機２１の吹出口２１ｂとを交互に開閉する第１のダンパーユニット４１と、第２のバイパス開口４４を開閉する第２のダンパーユニット４２とを含む。第１のバイパス開口４３および第２のバイパス開口４４は上下に配置されていてもよく、左右に配置されていてもよい。

第１のバイパス開口４３は、第１のダンパーユニット４１によりオープンすることにより、ＳＣＲ２０の室内機の領域２１をバイパスして部屋５から冷却対象の空気６を供給するダクトスペース４０内に吸引し、ＡＣＵ３０に供給することができる。第２のバイパス開口４４は、第２のダンパーユニット４２によりオープンすることにより、ＳＣＲ２０の室内機の領域２１で冷却された空気（冷気）７を、ＡＣＵ３０をバイパスして部屋５へ出力することができる。第１のダンパーユニット４１および第２のダンパーユニット４２は、シャッターやゲートバルブのような機構であってもよい。

バイパス用の開口４３および４４、およびダンパーユニット４１および４２を設ける代わりに、稼働を停止したＳＣＲ２０を通過させて冷却対象の空気６をＡＣＵ３０に導いたり、ＳＣＲ２０で冷却した空気７を、稼働を停止したＡＣＵ３０を通過させて冷気８として部屋５へ供給してもよい。バイパス開口４３および４４を設けることにより、それぞれの熱交換器２３および３３を通過する際の圧力損失などの発生を抑制できる。

空調システム１０は、さらに、冷却対処の空気６の温度Ｔｓを検出する第１のセンサー１１と、空調システム１０から吹出される空気の温度Ｔｅを検出する第２のセンサー１２と、室外の温度Ｔａｍを検出する第３のセンサー１３と、ダクト４０を通過する空気の温度Ｔｄを検出する第４のセンサー１４とを含む。第１のセンサー１１は、冷却対象の部屋５の天井近くあるいは取込口２１ａ近傍に配置され、第２のセンサー１２は、冷却対象の部屋５の床近くのダクト１５の吹出口３１ｂ近傍に配置され、第３のセンサー１３は、ＳＣＲ２０の屋外ファン２５の近傍に配置され、第４のセンサー１４はダクト４０内のＡＣＵ３０の室内機の領域３１の吸込口３１ａ近傍に配置される。各センサー１１〜１４で検出されたデータは、有線または無線により制御システム５０で取得される。

制御システム５０は、ＣＰＵおよびメモリを含み、適当なプログラムをロードすることによりいくつかの機能を実現する。制御システム５０は、空調システム１０のＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０の冷却可能能力などを推定するシミュレータ５１と、シミュレータ５１の結果に基づき空調システム１０の各機器の動作を制御する機器制御ユニット５２とを含む。

シミュレータ５１は、空調システム１０の冷却対象の空気６の温度Ｔｓと目標吹き出し温度Ｔｔとから空調システム１０全体としての必要冷却能力Ｑｄ（Ｗ）を推定する必要能力推定ユニット５３と、推定時の冷却対象の空気の温度Ｔｓと外気温度Ｔａｍとの温度差ΔＴにおける、ＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓ（Ｗ）とＳＣＲ２０の消費電力Ｐｓとの関係を推定する冷却可能能力推定ユニット５４とを含む。ＳＣＲ２０の消費電力Ｐｓは、主に、室外ファン２５のファン動力である。

必要能力推定ユニット５３は、以下の式により必要冷却能力Ｑｄを算出する。
Ｑｄ＝Ｋｄ・（Ｔｓ−Ｔｔ）・・・（０）
ただし、Ｋｄは空調システム１０の能力係数（Ｗ／Ｔ）であり、空調システム１０の室内風量から略決定できる定数である。また、温度ＴｓおよびＴｔは摂氏（℃）または絶対温度（Ｋ）のいずれか一方の単位で統一される。

冷却可能能力推定ユニット５４は、以下の式によりＳＣＲ２０の冷却可能能力を算出する。
Ｑｓ＝Ｋｓ・（Ｔｓ−Ｔａｍ）・・・（１）
ただし、ＫｓはＳＣＲ２０の能力係数（Ｗ／Ｔ）であり、温度ＴｓおよびＴａｍは摂氏（℃）または絶対温度（Ｋ）のいずれか一方の単位で統一される。

Ｋｓは外気ファン２５の送風量の関数として以下の式により求められる。
Ｋｓ＝Ｋ_Ｎ・（Ｎｆ／Ｎ_Ｒ）・・・（２）
ただし、Ｋ_Ｎは外気ファン（室外ファン）２５のタイプ、仕様などにより決定される比例定数（Ｗ／Ｋ）であり、Ｎｆはファンの回転数（ｒｐｍ）、Ｎ_Ｒはファンの定格回転数（ｒｐｍ）である。

ＳＣＲ２０の消費電力（第１のシステムの消費電力）Ｐｓ（Ｗ）は、主に室外ファン２５の消費電力に依存し、以下の式により予測できる。
Ｐｓ＝Ｋｆ・（Ｎｆ／Ｎ_Ｒ）^３＋α ・・・（３）
ただし、Ｋｆは室外ファン２５のタイプ、仕様により決まる比例定数（Ｗ）であり、αはベース電力（Ｗ）である。

図４に、冷却可能能力推定ユニット５４の推定結果の一例を示している。ＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓは、推定時の冷却対象の空気の温度Ｔｓと外気温度Ｔａｍとの温度差ΔＴと、室外ファン２５の回転数Ｎｆとの関数となる。ＳＣＲ２０の消費電力Ｐｓは室外ファン２５の回転数Ｎｆの関数となる。温度差ΔＴが十分に大きければ、冷却可能能力Ｑｓは室外ファン２５の回転数Ｎｆの全範囲で消費電力Ｐｓを超え、ＳＣＲ２０は、全範囲でサービス可能である。一方、温度差ΔＴが小さすぎると、冷却可能能力Ｑｓは室外ファン２５の回転数Ｎｆの全範囲で消費電力Ｐｓを下回り、ＳＣＲ２０はサービス不可能である。温度差ΔＴによっては、室外ファン２５の回転数Ｎｆの一部の領域Ｃ１で冷却可能能力Ｑｓが消費電力Ｐｓを超え、ＳＣＲ２０を使用できる。

シミュレータ５１は、さらに、第１のシステムのＳＣＲ２０および第２のシステムのＡＣＵ３０をともに稼働させた際に、空調システム１０全体としての消費電力Ｐｄが最少となる協調運転ポイントを推定する協調運転ポイント推定ユニット５５を含む。協調運転ポイント推定ユニット５５は、ＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓおよび消費電力Ｐｓと、ＡＣＵ３０を稼働したときの冷却可能能力Ｑｃおよび消費電力Ｐｃとから、空調システム１０の消費電力Ｐｄ、すなわち、消費電力ＰｓとＰｃとの和が最少となる条件を算出する。協調運転ポイント推定ユニット５５は、連立方程式を解いたり、数値計算を行ったり、シミュレーテドアニーリングなどの最適化問題を解くアルゴリズムを採用したりすることにより協調運転ポイントを得る。協調運転ポイント推定ユニット５５は、消費電力Ｐｄが最少となる条件が複数存在する場合は、ＡＣＵ３０の消費電力Ｐｃが最少となる条件を選択する。メカ的な構成を多く含むＡＣＵ３０の稼働率を減らし、空調システム１０全体の長寿命化を図ることができる。

シミュレータ５１は、メモリあるいはライブラリに格納された上記の条件に基づき種々の推定を行う。シミュレータ５１は、クラウドで接続された外部のリソースを用いてシミュレーションを行ってもよく、空調システム１０の条件をシミュレータとしての能力を備えた外部のサーバーに提供してシミュレーションした結果を得るものであってもよい。

機器制御ユニット５２は、シミュレータ５１の結果を利用して空調システム１０を制御する。機器制御ユニット５２は、ＳＣＲ２０を制御するＳＣＲ制御ユニット５６と、ＡＣＵ３０を制御するＡＣＵ制御ユニット５７と、ダクト４０のダンパー４１および４２を制御するダンパー制御ユニット５８と、モード制御ユニット５９とを含む。ＳＣＲ制御ユニット５６は、冷却可能能力Ｑｓが必要冷却能力Ｑｄの範囲内で、冷却可能能力Ｑｓが第１のシステム２０の消費電力Ｐｓ以上となる条件（第１の条件）Ｃ１があればその条件Ｃ１でＳＣＲ２０を稼働し、条件Ｃ１がなければＳＣＲ２０を停止する第１の制御ユニットとしての機能を含む。モード制御ユニット５９およびＡＣＵ制御ユニット５７は、ＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓが必要冷却能力Ｑｄに達していなければ、ＡＣＵ３０を稼働する第２の制御ユニットとしての機能を含む。

モード制御ユニット５９は、ＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を協調運転する協調運転モード（第１のモード）Ｍ１と、ＳＣＲ２０を専用運転する（ＡＣＵ３０を停止する）ＳＣＲ運転モード（第２のモード）Ｍ２と、ＡＣＵ３０を専用運転する（ＳＣＲ２０を停止する）ＡＣＵ運転モード（第３のモード）Ｍ３と、ＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を停止する空調停止モード（第４のモード）Ｍ４とを含む。

モード制御ユニット５９は、ＡＣＵ３０の第２の室内機の領域３１の吸込み温度（ダクト温度）Ｔｄが目標吹出し温度Ｔｔより低ければＡＣＵ３０を停止するＳＣＲ専用運転モード（第２のモード）Ｍ２をセットする第１の停止ユニットとしての機能５９ａを含む。モード制御ユニット５９は、吹出し温度Ｔｅに対する冷却対象の空気６の温度Ｔｓの差が、所定の値よりも小さければ、ＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を停止するモード（第４のモード）Ｍ４をセットする第２の停止ユニットとしての機能５９ｂを含む。空調対象の部屋５においては、ＰＣＳ２が稼働していなければ、例えば太陽光等により部屋５の温度が上昇していても、空調システム１０を稼働する必要がない。このため、吹出し温度Ｔｅに対する冷却対象の空気６の温度Ｔｓの差が所定の値、たとえば、太陽光のみの熱負荷として予想される値よりも小さければ、モードＭ４をセットして空調システム１０を停止することにより、電力の消費をさらに抑えることができる。モードＭ４をセットするための温度差は、例えば、５℃、１０℃などの特定の値であってもよく、太陽電池などを照度計として利用して日照量から推定してもよい。

モード制御ユニット５９は、ＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓと、ＡＣＵ３０の冷却可能能力Ｑｃとが同じときに、ＳＣＲ２０の消費電力ＰｓとＡＣＵ３０の消費電力Ｐｃとを比較して消費電力の低い方を専用運転するモード（モードＭ２、モードＭ３）あるいは協調運転するモード（モードＭ３）を選択する機能５９ｃなどを含んでいてもよい。

ダンパー制御ユニット５８は、第１のモードＭ１が選択されると第１のダンパーユニット４１が第１のバイパス開口４３を閉じ、第２のダンパーユニット４２が第２のバイパス開口４４を閉じ、第２のモードＭ２が選択されると第１のダンパーユニット４１が第１のバイパス開口４３を閉じ、第２のダンパーユニット４２が第２のバイパス開口４４を開け、第３のモードＭ３が選択されると第１のダンパーユニット４１がＳＣＲ２０の吹出口２１ｂを閉じて第１のバイパス開口４３を開ける。第３のモードにおいては、第２のダンパーユニット４２により第２のバイパス開口４４を開けてもよい。

協調運転を行う第１のモードＭ１では、第１のバイパス開口４３および第２のバイパス開口４４を閉じることによりＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０が直列に繋がり、ＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０で冷却された冷気８が部屋５に供給される。ＳＣＲ専用運転の第２のモードＭ２においては、第２のバイパス開口４４を開放することにより、ＳＣＲ２０から出力された冷気７がＡＣＵ３０をバイパスして部屋５に供給される。したがって、ＡＣＵ３０の室内機器による圧力損失を防止できる。

ＡＣＵ専用運転を行う第３のモードＭ３においては第１のダンパーユニット４１が第１のシステム２０の吹出口２１ｂを閉じることにより第１のバイパス開口４３を開けるか、第２のダンパーユニット４２により第２のバイパス開口４４を開ける。これにより、ＳＣＲ２０をバイパスしてＡＣＵ３０に室内の冷却対象の空気６が供給される。ＳＣＲ２０の室内機器による圧力損失を防止できる。また、ＳＣＲ２０を結露防止のために停止する条件においては、ＳＣＲ２０をバイパスすることにより部屋５へ循環する空気が不要に除湿されるような事態を防止できる。

図５に、空調システム１０の制御ユニット（制御システム）５０による処理の概要をフローチャートにより示している。ステップ７１おいて、制御ユニット５０が、冷却対象の空気６の吸込み温度Ｔｓ、吹出し温度Ｔｅ、外気温度Ｔａｍ、およびダクト４０の空気の温度（第２の室内機３１の吸込み温度）Ｔｄを取得する。ステップ７２において、モード制御ユニット５９の機能５９ａが、ＡＣＵ３０の室内機の吸込み温度Ｔｄが目標吹出し温度Ｔｔよりも低いと判断すると、ステップ７３において、第２のモードＭ２をセットしてＡＣＵ３０を停止しＳＣＲ専用運転とする。同時にダンパー制御ユニット５８は第２のモードＭ２にダンパー４１および４２をセットする。

ステップ７４において、吹出し温度Ｔｅに対する冷却対象の空気の温度Ｔｓの差が、所定の値、例えば５℃よりも小さいと判断すると、ステップ７５において、モード制御機能（モード制御ユニット）５９の機能５９ｂは第４のモードＭ４をセットしてＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０を停止する。

ステップ７６において、シミュレータ５１の必要能力推定ユニット５３は、冷却対象の空気６の温度Ｔｓと目標吹き出し温度Ｔｔとから必要冷却能力Ｑｄ（Ｗ）を推定する。これと同時に、または前後して、冷却可能能力推定ユニット５４は、推定時の冷却対象の空気の温度Ｔｓと外気温度Ｔａｍとの温度差ΔＴにおけるＳＣＲ２０の冷却可能能力ＱｓとＳＣＲの消費電力Ｐｓとの関係を、式（１）〜（３）により推定し、ＳＣＲ２０を稼働できる条件Ｃ１を満たすファン回転数Ｎｆの範囲を算出する。

次に、ステップ７７において、ＳＣＲ２０を運転できる条件Ｃ１があれば、協調運転ポイント推定ユニット５５がＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０をともに稼働させた際に、空調システム１０全体としての消費電力Ｐｄが最少となる協調運転ポイントの有無、およびその運転条件を推定する。

ステップ８１において、協調運転を行う条件があれば、ステップ８２において、モード制御ユニット５９は、第１のモードＭ１を設定する。ダンパー制御ユニット５８が、図３に示すように、第１のダンパーユニット４１により第１のバイパス開口４３を閉じ、第２のダンパーユニット４２により第２のバイパス開口４４を閉じ、ＳＣＲ２０およびＡＣＵ３０が協調運転を開始する。

ステップ８１において、協調運転ポイントがなければ、ステップ８４において、シミュレータ５１は、ＳＣＲ２０を運転する条件Ｃ１におけるＳＣＲ２０の冷却可能能力Ｑｓおよび消費電力Ｐｓと、ＡＣＵ３０の冷却可能能力Ｑｃおよび消費電力Ｐｃとを比較し、ＳＣＲ２０の消費電力Ｐｓが低ければステップ８５において第２のモードＭ２をセットしＳＣＲ２０を運転しＡＣＵ３０を停止する。ダンパー制御ユニット５８は、第１のダンパーユニット４１でＳＣＲ２０の室内機の領域２１の出口（吹出口）２１ｂを開いて第１のバイパス開口４３を閉じ、第２のダンパーユニット４２で第２のバイパス開口４４を開いてＳＣＲ２０から出力される冷気７を部屋５へ供給する（図６参照）。

ＳＣＲ２０の消費電力Ｐｓが多ければ、ステップ８７において第３のモードＭ３をセットしＳＣＲ２０を停止しＡＣＵ３０を運転する。ダンパー制御ユニット５８は、第１のダンパーユニット４１でＳＣＲ２０の室内機の領域２１の出口２１ｂを閉じて第１のバイパス開口４３を開いてもよく、第２のダンパーユニット４２で第２のバイパス開口４４を開いてもよく、ＳＣＲ２０をバイパスして部屋５の空気６をＡＣＵ３０の室内機の領域３１へ供給する（図７参照）。

このように、空調システム１０においては、自然循環型のＳＣＲ（第１のシステム）２０と、コンプレッサにより冷媒を強制循環させるタイプの空調ユニットＡＣＵ（第２のシステム）３０とをそれぞれユニット化して組み合わせ、制御システム５０により、消費電力が最も低くなるようにそれぞれのシステムをオンオフおよび協調運転できる。また、ＳＣＲ２０をＡＣＵ３０に対して優先的に稼働することにより、メカ的な機構の多いＡＣＵ３０の稼働率を低下でき、空調システム１０全体として長寿命化を図ることができる。

１建造物
１０空調システム
２０ＳＣＲ（第１のシステム）
３０ＡＣＵ（第２のシステム）
５０制御システム

Claims

空調システムを制御する制御システムであって、
前記空調システムは、第１の室内機を含む第１のシステムと、
前記第１の室内機の下流に配置される第２の室内機を含む第２のシステムとを含み、
前記第１のシステムは、さらに、回転数制御されるファンを含む室外機と、前記室外機および前記第１の室内機の間で冷媒を自然循環させる循環系とを含み、
当該制御システムは、
前記空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定する必要能力推定ユニットと、
推定時の前記冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における前記第１のシステムの冷却可能能力と前記第１のシステムの消費電力との関係を前記ファンの回転数に対して推定する冷却可能能力推定ユニットと、
前記冷却可能能力が前記必要冷却能力の範囲内で、前記ファンの回転数の領域に、前記冷却可能能力が前記第１のシステムの消費電力以上となる第１の回転数範囲があれば、前記第１の回転数範囲で前記第１のシステムを稼働し、前記第１の回転数範囲がなければ、前記第１のシステムを停止する第１の制御ユニットとを含む、制御システム。
請求項１において、
前記第２の室内機の吸込み温度が前記目標吹出し温度より低ければ、前記第２のシステムを停止するユニットを含む、制御システム。
請求項１または２において、
吹出し温度に対する前記冷却対象の空気の温度の差が、所定の値よりも小さければ、前記第１のシステムおよび前記第２のシステムを停止するユニットを含む、制御システム。
請求項１ないし３のいずれかに記載の制御システムと、
前記第１のシステムと、
前記第２のシステムとを有する空調システム。
第１の室内機を含む第１のシステムと、
前記第１の室内機の下流に配置される第２の室内機を含む第２のシステムとを有し、
前記第１のシステムは、さらに、ファンを含む室外機と、前記室外機および前記第１の室内機の間で冷媒を自然循環させる循環系とを含む、空調システムであって、
さらに、当該空調システムを制御する制御システムを有し、
前記制御システムは、
前記空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定する必要能力推定ユニットと、
推定時の前記冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における前記第１のシステムの冷却可能能力と前記第１のシステムの消費電力との関係を推定する冷却可能能力推定ユニットと、
前記冷却可能能力が前記必要冷却能力の範囲内で、前記冷却可能能力が前記第１のシステムの消費電力以上となる第１の条件があれば、前記第１の条件で前記第１のシステムを稼働し、前記第１の条件がなければ、前記第１のシステムを停止する第１の制御ユニットとを含み、
当該空調システムは、さらに、
前記第１の室内機の吹き出し口と前記第２の室内機の吸い込み口とを接続するダクトスペースと、
前記ダクトスペース内で、前記第１の室内機をバイパスして前記ダクトスペースに前記冷却対象の空気を供給する第１のバイパス開口と前記第１の室内機の吹き出し口とを交互に開閉する第１のダンパーユニットとを有する空調システム。
請求項５において、
前記ダクトスペース内で、前記第１のバイパス開口よりも下側に配置され、前記第２の室内機をバイパスして冷気を放出する第２のバイパス開口を開閉する第２のダンパーユニットを有する空調システム。
請求項６において、
前記制御システムは、前記第１のダンパーユニットが前記第１のバイパス開口を閉じ、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を閉じる第１のモードと、
前記第１のダンパーユニットが前記第１のバイパス開口を閉じ、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を開ける第２のモードと、
前記第１のダンパーユニットが前記第１の室内機の吹き出し口を閉じる、または、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を開ける第３のモードとの少なくともいずれかを含む、空調システム。
前記冷却対象の空気を排出する発熱機器が配置された部屋と、
前記部屋の空気を空調する請求項５ないし７のいずれかに記載の空調システムとを有する建造物。
請求項８において、前記発熱機器が太陽光発電システムのパワーコンディショナーである、建造物。
空調システムを制御する方法であって、
前記空調システムは、第１の室内機を含む第１のシステムと、
前記第１の室内機の下流に配置される第２の室内機を含む第２のシステムとを含み、
前記第１のシステムは、さらに、回転数制御されるファンを含む室外機と、前記室外機および前記第１の室内機の間で冷媒を自然循環させる循環系とを含み、
前記空調システムは、さらに前記第１のシステムおよび前記第２のシステムを制御する制御ユニットを含み、
当該方法は、
前記制御ユニットが、前記空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定することと、
推定時の前記冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における前記第１のシステムの冷却可能能力と前記第１のシステムの消費電力との関係を前記ファンの回転数に対して推定することと、
前記冷却可能能力が前記必要冷却能力の範囲内で、前記ファンの回転数の領域に、前記冷却可能能力が前記第１のシステムの消費電力以上となる第１の回転数範囲があれば、前記第１の回転数範囲で前記第１のシステムを稼働し、前記第１の回転数範囲がなければ、前記第１のシステムを停止することとを有する、方法。
請求項１０において、
前記制御ユニットが、前記第２の室内機の吸込み温度が前記目標吹き出し温度より低ければ、前記第２のシステムを停止することを有する方法。
請求項１０または１１において、
前記制御ユニットが、吹出し温度に対する前記冷却対象の空気の温度の差が、所定の値よりも小さければ、前記第１のシステムおよび前記第２のシステムを停止することを有する、方法。
空調システムを制御する方法であって、
前記空調システムは、第１の室内機を含む第１のシステムと、
前記第１の室内機の下流に配置される第２の室内機を含む第２のシステムとを含み、
前記第１のシステムは、さらに、ファンを含む室外機と、前記室外機および前記第１の室内機の間で冷媒を自然循環させる循環系とを含み、
前記空調システムは、さらに前記第１のシステムおよび前記第２のシステムを制御する制御ユニットと、
前記第１の室内機の吹き出し口と前記第２の室内機の吸い込み口とを接続するダクトスペースと、
前記ダクトスペース内で、前記第１の室内機をバイパスして前記ダクトスペースに前記冷却対象の空気を供給する第１のバイパス開口と前記第１の室内機の吹き出し口とを交互に開閉する第１のダンパーユニットと、
前記ダクトスペース内で、前記第１のバイパス開口よりも下側に配置され、前記第２の室内機をバイパスして冷気を放出する第２のバイパス開口を開閉する第２のダンパーユニットとを含み、
当該方法は、
前記制御ユニットが、前記空調システムの冷却対象の空気の温度と目標吹き出し温度とから必要冷却能力を推定することと、
推定時の前記冷却対象の空気の温度と外気温度との温度差における前記第１のシステムの冷却可能能力と前記第１のシステムの消費電力との関係を推定することと、
前記冷却可能能力が前記必要冷却能力の範囲内で、前記冷却可能能力が前記第１のシステムの消費電力以上となる第１の条件があれば、前記第１の条件で前記第１のシステムを稼働し、前記第１の条件がなければ、前記第１のシステムを停止することとを含み、さらに、
前記制御ユニットが、前記第１のダンパーユニットが前記第１のバイパス開口を閉じ、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を閉じることと、
前記第１のダンパーユニットが前記第１のバイパス開口を閉じ、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を開けることと、
前記第１のダンパーユニットが前記第１の室内機の吹き出し口を閉じる、または、前記第２のダンパーユニットが前記第２のバイパス開口を開けることとの少なくともいずれかを含む、方法。
請求項１ないし４のいずれかにおいて、さらに、
前記第１の回転数範囲があれば、前記空調システムの消費電力が最少となる前記第１のシステムおよび前記第２のシステムの稼働条件を推定する協調運転ポイント推定ユニットを含む、制御システム。
請求項１０ないし１２のいずれかにおいて、さらに、
前記第１の回転数範囲があれば、前記空調システムの消費電力が最少となる前記第１のシステムおよび前記第２のシステムの稼働条件を推定することを含む、方法。