JP6685602B2

JP6685602B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP6685602B2
Application number: JP2016133105A
Authority: JP
Inventors: 小田根　昌弘; 昌弘小田根
Original assignee: Mitsubishi Electric Building Techno-Service Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Building Techno-Service Co Ltd
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: JP2018004190A

Description

本発明は、地中熱を利用した空調システムに関するものである。

従来において、地中熱を利用した空調システムとして、さまざまなものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。また、現状、ビル等の建物に設置されている複数の水冷式のＰＡＣに用いられる熱媒体としての水を地中に埋設されている熱交換用チューブによって熱交換するように構成されている空調システムでは、ＰＡＣが１台でも運転していれば、水を循環させる循環ポンプを動作させている。

特開平６−１７４３３３号公報特開２００２−０５４８５０号公報特開２００３−１３０４９４号公報特開２０１１−２４７５６４号公報

ここで、上記のように構成された空調システムにおいて、循環ポンプは、ＯＮ／ＯＦＦ式であって、最大負荷の場合を見越して選定されているので、ＰＡＣが１台のみ動作している場合であっても、ポンプの最大能力で循環ポンプを動作させる必要がある。このように、ＰＡＣの運転台数によらず、最大能力で循環ポンプを動作させているので、循環ポンプの電力が無駄に消費されるという問題がある。

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あり、循環ポンプの無駄な電力消費を抑制することができ、建物の省エネに貢献可能な空調システムを得ることを目的とする。

本発明における空調システムは、複数の空調機と、地中に埋設された複数の地中熱交換用チューブと、熱媒体を循環させる循環ポンプと、循環ポンプの回転数を変化させるインバータと、流入口側に各地中熱交換用チューブの流出口側が接続された合流配管と、合流配管の流出口側に接続された往側主配管と、合流配管へ流入する熱媒体の往温度を測定する往温度センサと、流出口側に各地中熱交換用チューブの流入口側が接続された分岐配管と、分岐配管の流入口側に接続された還側主配管と、分岐配管へ流入する熱媒体の還温度を測定する還温度センサと、循環ポンプによって循環する熱媒体の流量を測定する流量計と、各地中熱交換用チューブの流入口側に個別に設けられた複数のバルブと、各バルブの開閉およびインバータの動作を制御するコントローラと、を備え、コントローラは、各空調機を監視することで空調機の運転台数を取得し、往温度センサによって測定された往温度と、還温度センサによって測定された還温度と、流量計によって測定された流量とから、空調機の熱交換量を計算し、バルブの開バルブ数とインバータのインバータ出力と地中熱交換用チューブの熱交換量とを、空調機の運転台数ごとに関連付けた、あらかじめ設定された複数のテーブルから、取得した空調機の運転台数に対応するテーブルを選択し、選択したテーブルから、計算した空調機の熱交換量に最も近い値の地中熱交換用チューブの熱交換量に対応する開バルブ数およびインバータ出力を選択し、選択した開バルブ数に従って各バルブの開閉を制御し、選択したインバータ出力に従ってインバータの動作を制御するものである。

本発明によれば、循環ポンプの無駄な電力消費を抑制することができ、建物の省エネに貢献可能な空調システムを得ることができる。

本発明の実施の形態１における空調システムを示す構成図である。図１のコントローラによって用いられる空調機の運転台数ごとの複数のテーブルを示す説明図である。

以下、本発明による空調システムを、好適な実施の形態にしたがって図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明は、例えば、ビルに設置されている空調機に適用することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における空調システムを示す構成図である。図１における空調システムは、ｎ（ｎは２以上の整数）台の空調機１と、ｍ（ｍは２以上の整数）本の地中熱交換用チューブ２と、循環ポンプ３と、インバータ４と、合流配管５と、往側主配管６と、分岐配管７と、還側主配管８と、ｍ個のバルブ９と、往温度センサ１０と、還温度センサ１１と、流量計１２と、コントローラ１３とを備えている。

空調機１は、建物内に設置されており、水冷式のＰＡＣ（ＰａｃｋａｇｅｄＡｉｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ）によって構成される。空調機１は、暖房として機能する場合には、外気より高い温度の地中熱を熱源として暖房運転を行う。一方、空調機１は、冷房として機能する場合には、外気より低い温度の地中熱を排熱源として冷房運転を行う。

地中熱交換用チューブ２は、地中に埋設されており、地中に掘られたボアホールに挿入されているＵチューブによって構成される。また、地中に埋設されている各地中熱交換用チューブ２の径および長さは、同じになるように調整されている。

循環ポンプ３は、地中熱交換用チューブ２、合流配管５、往側主配管６、空調機１、還側主配管８および分岐配管７からなる系に熱媒体としての水を循環させる。すなわち、循環ポンプ３の動作によって、空調機１と地中熱交換用チューブ２との間を水が循環する。

インバータ４は、循環ポンプ３に接続されており、コントローラ１３による制御に従って、循環ポンプ３の電源の周波数を変化させることで、循環ポンプ３の回転数を変化させる。循環ポンプ３の回転数が変化すると、循環する水の流量が変化する。合流配管５は、流入口側に各地中熱交換用チューブ２の流出口側が接続されており、各地中熱交換用チューブ２から流れ込む水を合流させる。

往側主配管６は、合流配管５の流出口側に接続され、合流配管５から空調機１側へ水を流す。分岐配管７は、流出口側に各地中熱交換用チューブ２の流入口側が接続されており、還側主配管８から流れ込む水を分岐させる。還側主配管８は、分岐配管７の流入口側に接続され、空調機１側から分岐配管７へ水を流す。

バルブ９は、各地中熱交換用チューブ２の流入口側に個別に設けられており、コントローラ１３による制御に従って、開閉動作を行う。バルブ９と地中熱交換用チューブ２は、１対１対応している。バルブ９が開いている場合には、その開状態のバルブ９に対応する地中熱交換用チューブ２に分岐配管７から水が流れる。一方、バルブ９が閉まっている場合には、その閉状態のバルブ９に対応する地中熱交換用チューブ２に分岐配管７から水が流れない。

往温度センサ１０は、合流配管５に設けられており、各地中熱交換用チューブ２から合流配管５へ流入する水の温度、すなわち、各地中熱交換用チューブ２による熱交換後の水の温度を往温度として測定し、その測定値をコントローラ１３に出力する。

還温度センサ１１は、分岐配管７に設けられており、還側主配管８から分岐配管７へ流入する水の温度、すなわち、各地中熱交換用チューブ２による熱交換前の水の温度を還温度として測定し、その測定値をコントローラ１３に出力する。

流量計１２は、循環ポンプ３によって循環する水の流量を測定し、その測定値をコントローラ１３に出力する。

コントローラ１３は、例えば、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵと、システムＬＳＩ等の処理回路によって実現される。

コントローラ１３は、ｎ台の空調機１のうちの何台の空調機１が運転しているか各空調機１を監視することで、空調機１の運転台数を取得する。また、コントローラ１３は、循環ポンプ３の発停を制御する。

コントローラ１３は、取得した空調機１の運転台数と、往温度センサ１０から取得した水の往温度と、還温度センサ１１から取得した水の還温度と、流量計１２から取得した水の流量とから、各バルブ９の開閉を制御するとともに、インバータ４の動作を制御する。

次に、コントローラ１３による各バルブ９の開閉の制御およびインバータ４の動作の制御について、図２を参照しながらさらに説明する。図２は、図１のコントローラ１３によって用いられる空調機１の運転台数ごとの複数のテーブルを示す説明図である。なお、図２に示す複数のテーブルは、あらかじめ設定されるものである。

図２では、バルブ９の開バルブ数と、インバータ４のインバータ出力と、地中熱交換用チューブ２の熱交換量とを、空調機１の運転台数ごとに関連付けたテーブルが図示されている。

バルブ９の開バルブ数とは、開状態のバルブ９の数を意味している。インバータ４のインバータ出力とは、インバータ４によって変換される電源の周波数を意味し、変換可能な電源の周波数の最大値を１００％として、その最大値に対して百分率で相対的に示している。

地中熱交換用チューブ２の熱交換量とは、開状態のバルブ９に対応する地中熱交換用チューブ２によって熱交換される熱量を意味している。例えば、開バルブ数が２の場合には、２個の開状態のバルブ９に対応する２本の地中熱交換用チューブ２によって熱交換される合計の熱量が地中熱交換用チューブ２の熱交換量となる。

続いて、図２に示す複数のテーブルをあらかじめ設定する手法について説明する。まず、コントローラ１３による各バルブ９の開閉の制御およびインバータ４の動作の制御の前提として、図２に示す空調機１の運転台数ごとのテーブルをあらかじめ設定しておく必要がある。

空調機１の運転台数ごとのテーブルを設定するためには、空調機１の運転台数、開バルブ数、およびインバータ出力に対応する地中熱交換用チューブ２の熱交換量を求める必要がある。具体的には、空調システムを構築した後に、空調機１の運転台数、開バルブ数、およびインバータ出力のそれぞれの値を変化させながら、空調システムを稼働して、地中熱交換用チューブ２の熱交換量を求める。

例えば、図２に示すように、空調機１の運転台数を１台とし、開バルブ数を１とし、インバータ出力を１０％とする条件下で、空調システムを稼働する場合を考える。このような条件下で空調システムが稼働している間に、往温度センサ１０によって測定される水の往温度と、還温度センサ１１によって測定される水の還温度と、流量計１２によって測定される水の流量とを取得する。続いて、取得した水の流量と、取得した還温度と取得した往温度との温度差とを用いて、以下の式に従って、熱交換量を求める。

Ｑ＝ρ×ｑｖ×Ｃ×ΔＴ／６０
ただし、Ｑ［Ｊ／ｓ］は熱交換量であり、ρ［ｋｇ／ｄｍ^３］は水の密度であり、ｑｖ［ｄｍ^３／ｍｉｎ］は水の流量であり、Ｃ［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］は水の比熱であり、ΔＴ［℃］は水の還温度と水の往温度との温度差である。

このように、空調機１の運転台数、開バルブ数、およびインバータ出力のそれぞれの値を変化させながら、空調システムを稼働して、水の流量、水の還温度および水の往温度を実測することで、熱交換量を求め、図２に示すテーブルをあらかじめ設定しておく。

続いて、コントローラ１３による各バルブ９の開閉の制御およびインバータ４の動作の制御について説明する。コントローラ１３は、各バルブ９の開閉の制御およびインバータ４の動作の制御を行う場合、往温度センサ１０によって測定された往温度と、還温度センサ１１によって測定された還温度と、流量計１２によって測定された流量とから、上式を用いて、空調機１の熱交換量を計算する。空調機１の熱交換量とは、運転しているすべての空調機１によって熱交換される合計の熱交換量を意味する。

続いて、コントローラ１３は、図２に示すテーブル、すなわち、バルブ９の開バルブ数とインバータ４のインバータ出力と地中熱交換用チューブ２の熱交換量とを、空調機１の運転台数ごとに関連付けた、あらかじめ設定された複数のテーブルから、取得した空調機１の運転台数に対応するテーブルを１つ選択する。

続いて、コントローラ１３は、選択したテーブルから、計算した空調機１の熱交換量に最も近い値の地中熱交換用チューブ２の熱交換量に対応する開バルブ数およびインバータ出力を選択する。

続いて、コントローラ１３は、選択した開バルブ数に従って各バルブ９の開閉を制御する。すなわち、コントローラ１３は、すべてのバルブ９のうち、選択した開バルブ数の分だけバルブ９を開け、残りのバルブ９を閉める。

また、コントローラ１３は、選択したインバータ出力に従ってインバータ４の動作を制御する。すなわち、コントローラ１３は、選択したインバータ出力とインバータ４の出力とが一致するようにする。

このように、コントローラ１３は、取得した空調機１の運転台数と、往温度センサ１０から取得した水の往温度と、還温度センサ１１から取得した水の還温度と、流量計１２から取得した水の流量とから、各バルブ９の開閉を制御するとともに、インバータ４の動作を制御する。また、このような制御を行うことで、空調機１の運転台数によらず最大能力で循環ポンプ３を常に動作させなくても、空調機１の熱交換量と地中熱交換用チューブ２の熱交換量とをほとんど同じにすることができる。

なお、本実施の形態１では、熱媒体として水を用いる場合を例示しているが、これに限定されず、熱媒体として機能する液体であれば、どのようなものを用いてもよい。

なお、コントローラ１３は、稼働状況に応じて、あらかじめ設定された複数のテーブル（図２）を更新し、更新後の複数のテーブルから、取得した空調機の運転台数に対応するテーブルを選択するように構成されていてもよい。

以上、本実施の形態１によれば、各地中熱交換用チューブの流入口側に個別に設けられたバルブの開バルブ数と、熱媒体を循環させる循環ポンプの回転数を変化させるインバータのインバータ出力と地中熱交換用チューブの熱交換量とを、空調機の運転台数ごとに関連付けた、あらかじめ設定された複数のテーブルから、空調機の運転台数に対応するテーブルを選択するように構成されている。また、選択したテーブルから、計算した空調機の熱交換量に最も近い値の地中熱交換用チューブの熱交換量に対応する開バルブ数およびインバータ出力を選択し、その選択結果に従って、各バルブの開閉およびインバータの動作を制御するように構成されている。

上記のように構成することで、運転状態の空調機の熱交換量と開状態のバルブに対応する地中熱交換用チューブの熱交換量とをほぼ同じにした状態を実現可能とする開バルブ数とインバータ出力とを、空調機の運転台数に応じて適切に調整することができる。

したがって、空調機の運転台数によらずポンプの最大能力で循環ポンプを動作させる必要がなくなるので、循環ポンプの無駄な電力消費を抑制することができ、その結果、空調システムが構築されている建物の省エネに貢献可能となる。

１空調機、２地中熱交換用チューブ、３循環ポンプ、４インバータ、５合流配管、６往側主配管、７分岐配管、８還側主配管、９バルブ、１０往温度センサ、１１還温度センサ、１２流量計、１３コントローラ。

Claims

複数の空調機と、
地中に埋設された複数の地中熱交換用チューブと、
熱媒体を循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプの回転数を変化させるインバータと、
流入口側に各地中熱交換用チューブの流出口側が接続された合流配管と、
前記合流配管の流出口側に接続された往側主配管と、
前記合流配管へ流入する前記熱媒体の往温度を測定する往温度センサと、
流出口側に各地中熱交換用チューブの流入口側が接続された分岐配管と、
前記分岐配管の流入口側に接続された還側主配管と、
前記分岐配管へ流入する前記熱媒体の還温度を測定する還温度センサと、
前記循環ポンプによって循環する前記熱媒体の流量を測定する流量計と、
各地中熱交換用チューブの流入口側に個別に設けられた複数のバルブと、
各バルブの開閉および前記インバータの動作を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、
各空調機を監視することで前記空調機の運転台数を取得し、
前記往温度センサによって測定された前記往温度と、前記還温度センサによって測定された前記還温度と、前記流量計によって測定された前記流量とから、前記空調機の熱交換量を計算し、
前記バルブの開バルブ数と前記インバータのインバータ出力と前記地中熱交換用チューブの熱交換量とを、前記空調機の運転台数ごとに関連付けた、あらかじめ設定された複数のテーブルから、取得した前記空調機の運転台数に対応するテーブルを選択し、
選択した前記テーブルから、計算した前記空調機の熱交換量に最も近い値の前記地中熱交換用チューブの熱交換量に対応する前記開バルブ数および前記インバータ出力を選択し、
選択した前記開バルブ数に従って各バルブの開閉を制御し、選択した前記インバータ出力に従って前記インバータの動作を制御する
空調システム。
前記コントローラは、前記あらかじめ設定された複数のテーブルを更新し、更新後の複数のテーブルから、取得した前記空調機の運転台数に対応するテーブルを選択する
請求項１に記載の空調システム。