JP6528261B2 - 空調システム - Google Patents

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Description

本発明は、空調システムに関する。
従来、オフィスビル等の建物において、床面から床上の室内に向かって空気を吹き出すことで室内の空調を行う床吹き出し方式の空調システムが知られている(特許文献1参照)。
図8は、従来の空調システムの一例を示す図である。図8に示すように、従来の空調システム300は、天井チャンバ310、ダンパ311、床チャンバ312、蓄熱媒体であるコンクリートスラブ314及び空調機320を備えている。
図8に示す空調システム300では、夜間等の低負荷時に床チャンバ312内の空気を循環させ、蓄熱媒体であるコンクリートスラブ314を蓄熱する蓄熱運転を行う。そして、空調システム300は、昼間のオフィスアワー等に、ダンパを開けて空調機320からの空気を床チャンバ312から室313に供給する空調運転を行うことで、コンクリートスラブ314に蓄熱した熱を放出する。これにより、空調システム300では、日中等のピーク負荷時において、予め蓄熱運転でコンクリートスラブ314に蓄熱した熱を利用することで負荷のピークカットを行う。これにより、空調システム300は、熱源機の容量低減やランニングコストの軽減を図っている。
特許第3293010号公報
しかしながら、従来の空調システムでは、室内に供給する熱量と蓄熱媒体に蓄熱する熱量とが異なるため、コンクリートスラブ314に対する蓄熱と室内の空調とを同時に実施することができない。したがって、蓄熱運転時では、室内の空調運転を実施することができないため、室内の温度や湿度が変動し、不快な環境となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、室内の空調を行いつつ、蓄熱媒体に対する蓄熱を行う空調システムを提供することである。
本発明の一態様は、室の床から空気を上方に吹き出して前記室の空調を行う床吹き出しの空調システムであって、前記室の天井の上部に設けられた天井チャンバと、前記室の床の下部に設けられた床チャンバと、前記床チャンバの下部に接して形成された蓄熱媒体と、外部熱源設備から供給される熱媒と熱交換した空気を前記床チャンバに供給する空調機と、前記天井チャンバと前記空調機を連通する吸気ダクトと、前記床チャンバと前記空調機を連通するバイパスダクトと、前記吸気ダクトを通る空気の風量を調整する第1ダンパと、前記バイパスダクトを通る空気の風量を調整する第2ダンパと、制御対象日の昼間において、前記室の空調と同時に、前記蓄熱媒体に蓄熱させるように前記第1ダンパの開度と前記第2ダンパの開度とを連動して制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記制御対象日の前記室の温度が設定温度になるために必要な熱負荷を単位時間ごとに決定する負荷決定部と、前記制御対象日の昼間の第1の時間帯において削減する前記熱負荷の削減熱量を取得する削減負荷取得部と、前記制御対象日の昼間の時間帯であって前記第1の時間帯の前の第2の時間帯における各単位時間の前記熱負荷である第1の熱負荷に対して閾値を超えないように前記削減熱量を分配し、前記分配後の前記熱負荷である第2の熱負荷を、前記第2の時間帯における各単位時間の外部熱源設備の熱負荷として決定する補充熱量決定部と、前記第2の時間帯において、前記第1の熱負荷を前記室に放出すると同時に前記削減熱量に相当する熱量が前記蓄熱媒体に蓄熱されるように前記第1ダンパ及び前記第2ダンパの開度を前記第2の時間帯の単位時間ごとに決定することで、前記制御対象日の昼間において前記室の空調と前記蓄熱媒体への蓄熱とを同時に実行するダンパ開度決定部と、を備えることを特徴とする空調システムである。
また、本発明の一態様は、上述の空調システムであって、前記削減負荷取得部は、デマンドレスポンス要求として、前記第1の時間帯で削減する前記削減熱量を取得する。
以上説明したように、本発明によれば、室内の空調を行いつつ、蓄熱媒体に対する蓄熱を行う空調システムを提供することができる。
本実施形態における空調システム1の構成例を示すブロック図である。 本実施形態における制御装置100の構成例を示す図である。 本実施形態における負荷決定部110が決定した1日の熱負荷Q1の一例を示す図である。 本実施形態における削減負荷取得部120が取得した制御対象日の削減熱量Q2を示す図である。 本実施形態における補充熱量決定部130が決定した蓄熱量Q3及び蓄熱量Q3を床スラブ14に蓄熱する時間帯の一例を示す図である。 本実施形態における空調システム1の空気の流れを示す図である。 本実施形態における空調システム1の制御装置100の動作の流れを示す図である。 従来の空調システムの構成例を示すブロック図である。
以下、実施形態の空調システムを図面を参照して説明する。
図1は、本実施形態の空調システム1の構成例を示すブロック図である。本実施形態の空調システム1は、床コンクリートスラブ(蓄熱媒体)の蓄熱量を利用した床吹き出し空調システムである。図1において、室10の空調システム1は、第1ダンパ11、第2ダンパ12、空調機16、吸気ダクト17、吐出ダクト18、バイパスダクト19及び制御装置100を備えている。
室10の底部(床)には多数の給気孔を有する床部材31が配設されて形成されている。また、床部材31の下部に床チャンバ15が形成されている。すなわち、室10の床面が二重床構造のいわゆるOAフロアとして構成されている。OAフロア(床)の構造は、穴(給気孔)を有する床吹出し方式でもよいし、穴(給気孔)を有するOAフロアと通気性カーペットとを備える全面床吹き出し方式でもよい。
床チャンバ15の下部には、蓄熱媒体、例えば鉄筋コンクリート造の床スラブ14が形成されている。
室10の天井には、複数の排気孔を有する天井部材30が配設され形成されている。また、天井部材30の上部には天井チャンバ13が形成されている。
天井チャンバ13には、吸気ダクト17が接続されている。吸気ダクト17は、第1ダンパ11を介して空調機16に接続されている。
第1ダンパ11は、制御装置100からの制御信号に基づいて吸気ダクト17の風量を調節する。すなわち、第1ダンパ11は、室10から空調機16に供給される風量を調節する。
床チャンバ15には、吐出ダクト18の一端が接続されている。吐出ダクト18は、他端が空調機16に接続されている。
床チャンバ15には、バイパスダクト19が接続されている。バイパスダクト19は、第2ダンパ12を介して吸気ダクト17に接続されている。すなわち、床チャンバ15と空調機16とは、第2ダンパ12が介挿されたバイパスダクト19により接続されている。
よって、バイパスダクト19は、床チャンバ15と空調機16との間を連通する。
第2ダンパ12は、制御装置100からの制御信号に基づいてバイパスダクト19の風量を調節する。すなわち、第2ダンパ12は、床チャンバ15から空調機16に供給される風量を調節する。
空調機16は、吸気ダクト17又はバイパスダクト19から空気が供給され、供給された空気を予め設定された温度である設定温度まで冷却(又は加熱)する。そして、空調機16は、設定温度まで冷却した空気を吐出ダクト18を通して床チャンバ15に供給し、床チャンバ15の給気孔から室10に吹き出す。
空調機16は、熱交換器20及び給気用ファン23を備えている。
空調機16は、外部熱源設備40から熱交換器20へ供給される冷水等の熱媒と熱交換することで、空気の温度、湿度を調節する。そして、空調機16は、調節した空気(冷気)を、給気用ファン23を用いて床チャンバ15に供給する。
熱交換器20には、外部熱源設備40(例えば冷凍機)からの冷水往き管24と冷水還り管25とが接続されている。冷水往き管24には、冷水ポンプ21が接続されている。
冷水ポンプ21は、制御装置100からの制御信号を基づいて、冷水を冷水往き管24を介して熱交換器20に供給する。
図2は本実施形態における制御装置100の構成例を示す図である。
制御装置100は、負荷決定部110、削減負荷取得部120、補充熱量決定部130、ダンパ開度決定部140及び出力決定部150を備えている。
負荷決定部110は、制御対象日の室10の温度が設定温度になるために必要な室10の熱負荷Q1を制御時間毎に決定する。例えば、負荷決定部110は、モデル予測制御、ANN(Artificial Neural Network)及びカルマンフィルタ等の予測手法を用いて熱負荷Q1を決定してもよい。例えば、負荷決定部110は、図3に示す単位時間毎(例えば、1時間毎)に熱負荷Q1を予測する。図3は、負荷決定部110が決定した1日の熱負荷Q1の一例を示す図である。図3に示すように、横軸が時刻、縦軸が熱負荷を示す。
削減負荷取得部120は、制御対象日の外部熱源設備40の負荷を削減する熱量(以下、「削減熱量」という。)Q2を取得する。より具体的には、削減負荷取得部120は、所定の時間帯(以下、「第1の時間帯」という。)の外部熱源設備40の負荷の削減熱量Q2を取得する。この削減熱量Q2は、外部熱源設備40の負荷(例えば電力)を低減させる熱量である。削減負荷取得部120は、例えば、不図示のスマートグリッドや電力会社等からデマンドレスポンス(DR)要求として外部熱源設備40の負荷の削減熱量Q2を取得してもよい。例えば、削減負荷取得部120は、図4に示す外部熱源設備40の負荷に対する削減熱量Q2を取得したとする。すなわち、図4に示すように、空調システム1は、外部熱源設備40の負荷に対して、14:00から15:00の間で50kcal、15:00から16:00の間で40kcal、16:00から17:00の間で20kcalの削減熱量Q2を削減する。なお、第1の時間帯は、14:00から17:00までの時間帯となる。
補充熱量決定部130は、削減負荷取得部120で取得した第1の時間帯における削減熱量Q2に基づいて、床スラブ14に蓄熱する時間帯及び蓄熱量Q3を決定する。
補充熱量決定部130は、第1の時間帯の熱量Q1に対して削減熱量Q2を減算し、減算した熱量を外部熱源設備40の負荷Q4=Q1−Q2とする。補充熱量決定部130は、削減負荷取得部120で取得した熱負荷Q1の削減熱量Q2と略同一の熱量を床スラブ14に蓄熱する熱量(以下、「蓄熱量」という。)Q3とする。そして、補充熱量決定部130は、第2の時間帯の熱負荷Q1に対して、その熱負荷Q1が所定の負荷になるまで蓄熱量Q3を分配し、分配後の熱負荷Q1を外部熱源設備40の負荷Q4=Q1+Q3とする。なお、第2の時間帯とは、外部熱源設備40の負荷を削減する時間帯である第1の時間帯以前であり、床スラブ14に蓄熱する時間帯である。なお、所定の負荷とは、予め設定された外部熱源設備40の負荷の閾値であり、例えば買電電力の目標値である。図5は、補充熱量決定部130が決定した単位時間毎の外部熱源設備40の負荷を示す図である。
例えば、上述したように、負荷決定部110は、図3に示すように、熱負荷Q1を予測したとする。そして、削減負荷取得部120は、図4に示すように、14:00から17:00の間で110kcalの削減熱量Q2を取得したとする。したがって、補充熱量決定部130は、14:00から15:00の熱負荷Q1=120kcalから削減熱量Q2=50kcalを減算し、減算した熱負荷70kcalを14:00から15:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、15:00から16:00の熱負荷Q1=110kcalから削減熱量Q2=40kcalを減算し、減算した熱負荷70kcalを15:00から16:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、16:00から17:00の熱負荷Q1=90kcalから削減熱量Q2=20kcalを減算し、減算した熱負荷70kcalを16:00から17:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。
また、補充熱量決定部130は、110kcalの削減熱量Q2を蓄熱量Q3とし、9:00から14:00までの間の時間帯において、熱負荷Q1が所定の負荷(110kcal)を超えないように蓄熱量Q3を分配する。補充熱量決定部130は、9:00から10:00の熱負荷Q1=100kcalに蓄熱量Q3=10kcalを加算し、加算した熱負荷110kcalを9:00から10:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、10:00から11:00の熱負荷Q1=90kcalに蓄熱量Q3=20kcalを加算し、加算した熱負荷110kcalを10:00から11:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、11:00から12:00の熱負荷Q1=90kcalに蓄熱量Q3=20kcalを加算し、加算した熱負荷110kcalを11:00から12:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、12:00から13:00の熱負荷Q1=60kcalに蓄熱量Q3=50kcalを加算し、加算した熱負荷110kcalを12:00から13:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。補充熱量決定部130は、13:00から14:00の熱負荷Q1=100kcalに蓄熱量Q3=10kcalを加算し、加算した熱負荷110kcalを13:00から14:00の外部熱源設備40の負荷Q4とする。
このように、補充熱量決定部130は、負荷決定部110で取得した熱負荷Q1及び削減負荷取得部120で取得した削減熱量Q2に基づいて単位時間毎の外部熱源設備40の負荷Q4を決定する。なお、第2の時間帯は、9:00から14:00の時間帯である。
ダンパ開度決定部140は、補充熱量決定部130で決定された単位時間毎の外部熱源設備40の負荷Q4に基づいて、第1ダンパ11の開度及び第2ダンパ12の開度を単位時間毎に決定する。なお、第1ダンパ11の開度と第2ダンパ12の開度とは連動して動作する。例えば、第1ダンパ11の開度がy%である場合、第2ダンパ12の開度は、(1−y)%となる。そして、ダンパ開度決定部140は、第1ダンパ11及び第2ダンパ12に、それぞれ決定した開度に基づいた制御信号を出力する。
出力決定部150は、補充熱量決定部130で決定された単位時間毎の外部熱源設備40の負荷Q4に基づいて、熱負荷Q1、冷水ポンプ21の出力及び給気用ファン23の風量を単位時間毎に調整する。
次に、本実施形態における空調システム1において、床スラブ14に蓄熱しない場合(通常モード)の空気の流れを示す。なお、通常モードは、図5の8:00から9:00の時間帯での空調システム1の動作である。図6は、本実施形態における空調システム1の空気の流れを示す図である。また、図6において、第1ダンパ11又は第2ダンパ12が閉じている場合、黒丸で示し、空いている場合は白丸で示す。
図6(a)は、通常モードの場合の空調システム1の空気の流れを示す図である。通常モードの場合、第1ダンパ11の開度をy%(例えば、100%)に開き、第2ダンパ12の開度を閉じる。したがって、空調システム1は、空調機16からの空気を、吐出ダクト18を通して床チャンバ15に供給し、床チャンバ15の給気孔から室10に吹き出す。これにより、8:00から9:00に間において、熱負荷Q1(図5に示す120kcal)の空気が室10に放出される。そして、室10内を空調した空気は、天井チャンバ13及び吸気ダクト17を経由し、空調機16に循環される。なお、この際、外部熱源設備40の負荷Q4は、熱負荷Q1である。
次に、本実施形態における空調システム1において、床スラブ14に蓄熱する場合(蓄熱モード)の空気の流れを示す。なお、蓄熱モードは、図5の9:00から14:00の時間帯での空調システム1の動作である。
図6(b)は、蓄熱モードの場合の空調システム1の空気の流れを示す図である。蓄熱モードの場合、第1ダンパ11の開度をy(<y)%に開き、第2ダンパ12の開度を(1−y)%に開く。したがって、空調システム1は、空調機16からの空気を吐出ダクトを通して床チャンバ15に供給し、その供給した空気の一部、すなわち熱負荷Q1を床チャンバ15の給気孔から室10に供給する。そして、室10内を空調した空気は、天井チャンバ13及び吸気ダクト17を経由し、空調機16に循環される。また、空調システム1は、空調機16から床チャンバ15に供給した空気の他の一部をバイパスダクト19を介して、空調機16に循環する。その際、空調システム1は、床スラブ14に蓄熱量Q3を蓄熱する。例えば、図5の9:00から10:00の時間帯を例にとると、熱量100kcalの空気が室10に放出され、熱量10kcalが床スラブ14に蓄熱される。したがって、蓄熱モードの場合、空調システム1は、熱負荷Q1を室10に放出すると同時に、床スラブ14に蓄熱量Q3を蓄熱する。なお、この際、外部熱源設備40の負荷Q4は、熱負荷Q1+蓄熱量Q3となる。
次に、本実施形態における空調システム1において、床スラブ14に蓄熱された熱量を放出する場合(放熱モード)の空気の流れを示す。なお、放熱モードは、図5の14:00から17:00の時間帯での空調システム1の動作である。
図6(c)は、放熱モードの場合の空調システム1の空気の流れを示す図である。放熱モードの場合、第1ダンパ11の開度をy%(例えば、100%)に開き、第2ダンパ12の開度を閉める。また、空調システム1は、外部熱源設備40の負荷を下げる。
空調システム1は、空調機16からの空気を吐出ダクト18を通して床チャンバ15に供給し、その供給した空気の一部、すなわち熱負荷Q1−削減熱量Q2を床チャンバ15の給気孔から室10に吹き出す。そして、室10内を空調した空気は、天井チャンバ13及び吸気ダクト17を経由し、空調機16に循環される。また、この際、空調システム1は、床スラブ14に蓄熱した蓄熱量Q3を室10に放出する。例えば、図5の15::00から16:00の時間帯を例にとると、熱量110kcal(Q1−Q2=70kcal、Q3=50kcal)の空気が室10に放出される。そして、室10内を空調した空気は、天井チャンバ13及び吸気ダクト17を経由し、空調機16に循環される。なお、この際、外部熱源設備40の負荷Q4は、熱負荷Q1−削減熱量Q2となる。すわなち、空調システム1は、熱負荷Q1とともに床スラブ14に蓄熱した蓄熱量Q3を室10に放出することで、外部熱源設備40の負荷を削減熱量Q2分低減させながら、予め設定された熱負荷Q1分の熱量を室10に放出することができる。
次に、本実施形態における空調システム1の制御装置100の動作について説明する。図7は、本実施形態における空調システム1の制御装置100の動作の流れを示す図である。
ステップS201において、負荷決定部110は、モデル予測制御、ANN(Artificial Neural Network)及びカルマンフィルタ等の予測手法を用いて、制御対象日の室10の温度が設定温度になるために必要な室10の熱負荷Q1を決定する。
ステップS202において、削減負荷取得部120は、スマートグリッドや電力会社等からデマンドレスポンス(DR)要求として、制御対象日の所定の時間帯における外部熱源設備40の負荷の削減熱量Q2を取得する。
ステップS203において、補充熱量決定部130は、削減負荷取得部120で取得した熱負荷Q1の削減熱量Q2と略同一の熱量を床スラブ14に蓄熱する蓄熱量Q3とする。そして、補充熱量決定部130は、第2の時間帯の熱量Q1に熱量Q3を加算し、その加算値を第2の時間帯における外部熱源設備40の負荷Q4とする。また、補充熱量決定部130は、第1の時間帯の熱量Q1に対して削減熱量Q2を減算し、減算した値を第1の時間帯における外部熱源設備40の負荷Q4とする。
ステップS204において、ダンパ開度決定部140は、補充熱量決定部130で決定された単位時間毎の熱負荷Q1に基づいて、第1ダンパ11の開度及び第2ダンパ12の開度を単位時間毎に決定する。ダンパ開度決定部140は、第1ダンパ11及び第2ダンパ12に、それぞれ決定した開度に基づいた制御信号を出力する。
ステップS205において、出力決定部150は、補充熱量決定部130で決定された単位時間毎の外部熱源設備40の負荷Q4に基づいて、外部熱源設備40の出力を単位時間毎に調整する。
上述したように、本実施形態の空調システム1では、室内の空気を循環させる吸気ダクト17及び吸気ダクト17の風量を調整する第1ダンパ11と、床スラブ14に設けられた床チャンバ15内の空気を循環させるバイパスダクト19及びバイパスダクト19の風量を調整する第2ダンパ12とを備える。そして、空調システム1は、第1ダンパ11及び第2ダンパ12の開度を連動させて調整することで、蓄熱運転と空調運転とを同時に実施することができる。したがって、蓄熱運転時においても、室内の温度や湿度を設定値に保ち、室内の快適性を損なうことない。
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
上述の実施形態では、バイパスダクト19が吸気ダクト17に接続されているが、これに限定されない。例えば、バイパスダクト19は、空調機16に直接接続されてもよい。
1 空調システム
10 室
11 第1ダンパ
12 第2ダンパ
14 床スラブ
15 床チャンバ
16 空調機
17 吸気ダクト
18 吐出ダクト
19 バイパスダクト
20 熱交換器
21 冷水ポンプ
23 給気用ファン
40 外部熱源設備
100 制御装置

Claims (2)

  1. 室の床から空気を上方に吹き出して前記室の空調を行う床吹き出しの空調システムであって、
    前記室の天井の上部に設けられた天井チャンバと、
    前記室の床の下部に設けられた床チャンバと、
    前記床チャンバの下部に接して形成された蓄熱媒体と、
    外部熱源設備から供給される熱媒と熱交換した空気を前記床チャンバに供給する空調機と、
    前記天井チャンバと前記空調機を連通する吸気ダクトと、
    前記床チャンバと前記空調機を連通するバイパスダクトと、
    前記吸気ダクトを通る空気の風量を調整する第1ダンパと、
    前記バイパスダクトを通る空気の風量を調整する第2ダンパと、
    制御対象日の昼間において、前記室の空調と同時に、前記蓄熱媒体に蓄熱させるように前記第1ダンパの開度と前記第2ダンパの開度とを連動して制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、
    前記制御対象日の前記室の温度が設定温度になるために必要な熱負荷を単位時間ごとに決定する負荷決定部と、
    前記制御対象日の昼間の第1の時間帯において削減する前記熱負荷の削減熱量を取得する削減負荷取得部と、
    前記制御対象日の昼間の時間帯であって前記第1の時間帯の前の第2の時間帯における各単位時間の前記熱負荷である第1の熱負荷に対して閾値を超えないように前記削減熱量を分配し、前記分配後の前記熱負荷である第2の熱負荷を、前記第2の時間帯における各単位時間の外部熱源設備の熱負荷として決定する補充熱量決定部と、
    前記第2の時間帯において、前記第1の熱負荷を前記室に放出すると同時に前記削減熱量に相当する熱量が前記蓄熱媒体に蓄熱されるように前記第1ダンパ及び前記第2ダンパの開度を前記第2の時間帯の単位時間ごとに決定することで、前記制御対象日の昼間において前記室の空調と前記蓄熱媒体への蓄熱とを同時に実行するダンパ開度決定部と、
    を備えることを特徴とする空調システム。
  2. 前記削減負荷取得部は、デマンドレスポンス要求として、前記第1の時間帯で削減する前記削減熱量を取得する請求項1に記載の空調システム。
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