JP6727446B2 - 空気調和システム及び空気調和方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1による空気調和システムが適用される建物2の内部例を説明するための斜視図である。建物2は住宅を示し、壁3に備えられた空気調和機11は壁掛型の空気調和機11である。太陽からの日射が建物2の窓4を通過し、床5や壁3に到達している。建物2は住宅に限定されず、オフィスビルなどにも本実施の形態の空気調和システムを設置することができる。なお、空気調和機11は壁掛型に限定されず、天井カセット型、ダクト接続型など、室内空気を調和する機器を空気調和機11として使用することができる。
S11では、日射の有無を判断する。その後、日射がある場合はS13へ、日射が無い場合はS12へ進む。日射の有無の判断方法の例を以下に示す。
窓熱性能学習部161は、室温Tzと外気温Taと窓ガラスの表面温度Tgとに基づいて窓ガラスの窓熱性能を学習する(S12)。具体的には、窓熱性能学習部161において、S11で日射がないと判断したときのデータを用いて窓ガラスの熱貫流抵抗Rを計算する。なお、窓熱性能は熱貫流抵抗Rに限定されず、熱抵抗に基づく性能を含んでもよい。
日射熱負荷推定部163において、S11で日射ありと判断したときのデータを用いて窓ガラスに吸収される日射量Iαを式3によって推定する(S13)。
窓光学性能学習部162は窓ガラスの日射吸収率αと日射熱取得率ηを計算する。なお、窓光学性能は日射吸収率αと日射熱取得率ηとに限定されず、日射に関連する他の性能を含んでもよい。地域別単位日射量171は地域の経度と緯度と日付とから計算する理論値を示す。日付は入力装置から入力することが可能であり、記憶装置17にタイマー機能があるものにおいてはタイマーの日付を用いる。
・単板ガラス:透明板ガラス、熱線吸収板ガラス、熱線反射ガラス
・合わせガラス:接着剤によって2枚の単板ガラスが接着されたガラス
(透明板ガラス+透明板ガラス、熱線吸収板ガラス+透明板ガラス、熱線反射ガラス+透明板ガラス)
・複層ガラス:中空層を有する2枚の単板ガラスによって構成されたガラス
(透明板ガラス+中空層+透明板ガラス、熱線吸収板ガラス+中空層+透明板ガラス、熱線反射ガラス+中空層+透明板ガラス)
の9種類であり、1枚のガラスの厚みが3mmから8mmまでのガラスを含んでいる。
日射熱負荷推定部163において、S13で推定した窓ガラスの吸収日射量Iαと、記憶装置17の窓光学性能175に格納された窓ガラスの日射吸収率αと、日射熱取得率ηとに基づいて、式5を用いて、日射熱負荷Qsを推定する(S15)。なお、式5において、Agは窓ガラスの面積を表す。窓面積Agは、例えば、入力装置から入力した窓面積値、表面温度検出装置から推定した窓面積値等を用いればよい。より具体的には、記憶装置17の窓面積173に格納されている窓面積Agの値を用いる。
制御装置19は、S15で推定した日射熱負荷Qsに基づき、空気調和機11の空気調和能力Qhvacの制御指令を決定する(S16)。その後、S11に戻る。
図7は、本発明の実施の形態2による空気調和システムの構成図の例である。実施の形態1との違いは、以下の通りである。
図9は、本発明の実施の形態2による空気調和システムの処理フローの例である。空気調和システム1の稼働中に実施する処理フローの例である。なお、日射熱負荷を推定する動作に関わる処理は、実施の形態1と同一である。具体的には、S31はS11に、S32はS12に、S34はS13に、S35はS14に、S36はS15に、S38はS16に、それぞれ相当するステップ(実施の形態1は10番代のステップ、実施の形態2は30番代のステップ)であり、同様の処理であるため詳細な説明は省略する。
S30では、室内発熱負荷推定部160において、建物2(居室)に人が存在する場合、照明やテレビなど発熱器具がONになっている場合などで、室内発熱負荷Qinを推定する。室内発熱負荷Qinは、人体発熱によるもの(人体熱負荷)、照明発熱によるもの(照明負荷)、器具発熱によるもの(器具発熱負荷)の合計である。なお、室内発熱負荷Qinは冷房時では負荷を増加するものであり、暖房時では負荷を減らすものである。
日射が無い場合、総熱損失係数学習部165において、S31で日射がないと判断したときの空気調和機11の室内機111の室温検出装置1111が検出した室温Tzと、空気調和機11の室外機112の外気温検出装置1121が検出した外気温Taと、空気調和能力QhvacとS30で室内発熱負荷推定部160において推定した室内発熱負荷Qinとを用いて式6群から総熱損失係数KAを学習する(S33)。ただし、冷房時は式6群の上段を用いて室内発熱負荷Qinがプラスに、暖房時は式6群の下段を用いて室内発熱負荷Qinがマイナスになる。
S36で日射熱負荷Qsを推定し、かつS33で総熱損失係数KAを学習した後に、空気調和負荷推定部166において、S30で推定した室内発熱負荷Qinと、S36で推定した日射熱負荷Qsと、記憶装置17の総熱損失係数176に格納された空気調和の対象となる建物2の総熱損失係数KAと、室温Tzと、外気温Taとに基づいて式7群を用いて、空気調和負荷Qを推定する(S37)。式7群では冷房時が上段に、暖房時が下段になっている。
制御装置19は、S37で推定した空気調和負荷Qに基づき、空気調和機11の空気調和能力Qhvacの制御指令を決定する(S38)。その後、S30に戻る。なお、制御指令は空気調和能力Qhvacに限定されず、空気調和機11の吹き出し温度の指令値、吹き出しの方向等を制御指令値として制御することもできる。
図10は、本発明の実施の形態3による空気調和システムの構成図の例である。実施の形態2との大きな相違点は、日射熱負荷Qsを推定するために窓熱性能と窓光学性能とを各々に学習するのではなく、窓ガラスの表面温度Tgと日射熱負荷Qsとの相関係数を学習し、窓ガラスの表面温度Tgから日射熱負荷Qsを推定することである。なお、窓負荷係数Hgは、窓熱性能と窓光学性能と窓面積Agとを含む係数である。
図11は、本発明の実施の形態3による空気調和システムの処理フローの例である。空気調和システム1の稼働中に実施する処理フローである。実施の形態2の処理フロー(図9)と対比すると、室内発熱負荷Qinを推定する動作に関わる処理S50はS30に、総熱損失係数KAを学習する動作に関わる処理は、S51はS31に、S53はS33に、それぞれ相当するステップであり、同様の処理であるため詳細な説明は省略する。さらに、窓熱性能を学習する処理S52はS32に、空気調和負荷Qを推定する処理S56はS37に、空気調和制御指令を決定する処理S57はS38に、それぞれ相当するステップであり、同様の処理であるため詳細な説明は省略する(実施の形態2は30番代のステップ、実施の形態3は50番代のステップ)。
窓負荷係数学習部167において、S51で日射があると判断したときの空気調和機11の室内機111の室温検出装置1111が検出した室温Tzと、空気調和機11の室内機111の表面温度検出装置1112が検出した窓ガラスの表面温度Tgと、空気調和機11の室外機112の外気温検出装置1121が検出した外気温Taと、室内発熱負荷推定部160で推定した室内発熱負荷Qinと、空気調和能力推定部164で推定した空気調和能力Qhvacと、記憶装置17の総熱損失係数176に格納している総熱損失係数KAと、を用いて、式13群から窓負荷係数Hgを算出する。式13群は、式8と式9から導くことができる。なお、式13群は、冷房時は上段を、暖房時は下段を用いる。
日射熱負荷推定部163において、S54で計算した、記憶装置17の窓負荷係数177に格納された窓負荷係数Hgと、窓ガラスの熱貫流抵抗Rと、窓ガラスの内表面熱伝達抵抗Riと、室温Tzと、外気温Ta、窓ガラスの表面温度Tgとを基に、式9を用いて日射熱負荷Qsの計算を行う(S55)。また、室温Tzの代わりに空気調和機11の設定温度Tsetを用いて日射熱負荷Qsを推定することもできる。
図12は、本発明の実施の形態4による空気調和システムの構成図の例である。実施の形態3とは異なり、実施の形態4では日射の有無の判断を行わない。また、実施の形態3では、日射熱負荷Qsを推定するために、総熱損失係数KAと、窓熱性能と、窓負荷係数Hgとを別々のステップで学習したが、実施の形態4は外気負荷係数Haと窓負荷係数Hgとを学習することで、空気調和負荷Qを推定する点が主要な相違点となる。なお、窓負荷係数Hgは、窓熱性能と窓光学性能と窓面積Agとを含む係数であり、外気負荷係数Haは総熱損失係数KAと窓負荷係数Hgとを含む係数である。
図13は、本発明の実施の形態4による空気調和システムの処理フローの例である。空気調和システム1の稼働中に実施する処理フローである。実施の形態3の処理フロー(図11)と対比すると、室内発熱負荷Qinを推定する動作に関わる処理S60はS50に、空気調和制御指令を決定する処理S63はS57に、それぞれ相当するステップ(実施の形態3は50番代のステップ、実施の形態4は60番代のステップ)であり、同様の処理であるため詳細な説明は省略する。
負荷係数学習部168において、空気調和機11の室内機111の室温検出装置1111が検出した室温Tzと、空気調和機11の室内機111の表面温度検出装置1112が検出した窓ガラスの表面温度Tgと、空気調和機11の室外機112の外気温検出装置1121が検出した外気温Taと、空気調和能力推定部164で推定した空気調和能力Qhvacと、室内発熱負荷推定部160で推定した室内発熱負荷Qinを用いて、式16群から外気負荷係数Haと窓負荷係数Hgとを学習する。式16群において外気負荷係数Haと窓負荷係数Hgとを未知数として連立方程式を立てて算出してもよいし、回帰分析を用いてもよい。なお、式16群は、冷房時は上段を、暖房時は下段を用いる。
空気調和負荷推定部166において、S60で推定した室内発熱負荷Qinと、S61で学習した外気負荷係数Haと窓負荷係数Hgと、空気調和機11の室内機111の室温検出装置1111が検出した室温Tzと、空気調和機11の室内機111の表面温度検出装置1112が検出した窓ガラスの表面温度Tgと、空気調和機11の室外機112の外気温検出装置1121が検出した外気温Taとに基づいて、式16群に従い空気調和負荷Qを推定する(S62)。ただし、冷房時は式16群の上段を、暖房時は式16群の下段を用いる。
Claims (11)
- 建物内の室温を検出する室温検出部と、
外気温を検出する外気温検出部と、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度とに基づいて前記窓ガラスの窓熱性能を学習する窓熱性能学習部と、
空気調和機から発生する熱量に基づいて空気調和能力を推定する空気調和能力推定部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記空気調和能力とに基づいて前記窓ガラスの窓負荷係数を学習する窓負荷係数学習部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記窓負荷係数とに基づいて前記窓ガラスから入射する日射による日射熱負荷を推定する日射熱負荷推定部と、
前記日射熱負荷に基づいて前記空気調和機を制御する制御部とを備えたことを特徴とする空気調和システム。 - 請求項1に記載の空気調和システムであって、
前記室温と前記外気温と前記空気調和能力とに基づいて前記建物の総熱損失係数を学習する総熱損失係数学習部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記窓負荷係数と前記総熱損失係数とに基づいて前記建物の空気調和負荷を推定する空気調和負荷推定部と、
前記空気調和負荷に基づいて前記空気調和機を制御する制御部とを備えたことを特徴とする空気調和システム。 - 建物内の室温を検出する室温検出部と、
外気温を検出する外気温検出部と、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出部と、
空気調和機から発生する熱量に基づいて空気調和能力を推定する空気調和能力推定部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記空気調和能力とに基づいて前記窓ガラスの窓負荷係数及び外気負荷係数を学習する負荷係数学習部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓負荷係数と前記外気負荷係数とに基づいて前記建物の空気調和負荷を推定する空気調和負荷推定部と、
前記空気調和負荷に基づいて前記空気調和機を制御する制御部とを備えたことを特徴とする空気調和システム。 - 建物内の室温を検出する室温検出部と、
外気温を検出する外気温検出部と、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出部と、
前記室温と前記外気温と前記表面温度とに基づいて前記窓ガラスの窓熱性能を学習する窓熱性能学習部と、
単位日射量及び前記窓ガラスの構成による窓光学性能関係式と前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能とに基づいて前記窓ガラスの窓光学性能を学習する窓光学性能学習部と、
前記窓ガラスの面積と前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記窓光学性能とに基づいて前記窓ガラスから入射する日射による日射熱負荷を推定する日射熱負荷推定部と、
前記日射熱負荷に基づいて空気調和機を制御する制御部とを備えたことを特徴とする空気調和システム。 - 請求項4に記載の空気調和システムであって、
前記窓熱性能は、熱貫流抵抗に基づく性能であり、
前記窓光学性能は、日射吸収率と日射熱取得率とに基づく性能であることを特徴とする空気調和システム。 - 請求項4または請求項5に記載の空気調和システムであって、
前記空気調和機から発生する熱量に基づいて空気調和能力を推定する空気調和能力推定部と、
前記室温と前記外気温と前記空気調和能力とに基づいて前記建物の総熱損失係数を学習する総熱損失係数学習部と、
前記室温と前記外気温と前記総熱損失係数と前記日射熱負荷とに基づいて前記建物の空気調和負荷を推定する空気調和負荷推定部とを備え、
前記制御部は、前記空気調和負荷に基づいて前記空気調和機を制御することを特徴とする空気調和システム。 - 請求項2、請求項3及び請求項6のいずれか1項に記載の空気調和システムであって、
前記空気調和負荷は、室内発熱負荷に基づいて推定されることを特徴とする空気調和システム。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の空気調和システムであって、
前記表面温度検出部は、前記空気調和機に備えられたものであることを特徴とする空気調和システム。 - 建物内の室温を検出する室温検出ステップと、
外気温を検出する外気温検出ステップと、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度とに基づいて前記窓ガラスの窓熱性能を学習する窓熱性能学習ステップと、
空気調和機から発生する熱量に基づいて空気調和能力を推定する空気調和能力推定ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記空気調和能力とに基づいて前記窓ガラスの窓負荷係数を学習する窓負荷係数学習ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記窓負荷係数とに基づいて前記窓ガラスから入射する日射による日射熱負荷を推定する日射熱負荷推定ステップと、
前記日射熱負荷に基づいて前記空気調和機を制御する制御ステップとを備えたことを特徴とする空気調和方法。 - 建物内の室温を検出する室温検出ステップと、
外気温を検出する外気温検出ステップと、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出ステップと、
空気調和機から発生する熱量に基づいて空気調和能力を推定する空気調和能力推定ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記空気調和能力とに基づいて前記窓ガラスの窓負荷係数及び外気負荷係数を学習する負荷係数学習ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓負荷係数と前記外気負荷係数とに基づいて前記建物の空気調和負荷を推定する空気調和負荷推定ステップと、
前記空気調和負荷に基づいて前記空気調和機を制御する制御ステップとを備えたことを特徴とする空気調和方法。 - 建物内の室温を検出する室温検出ステップと、
外気温を検出する外気温検出ステップと、
窓ガラスの前記建物の内側の表面温度を検出する表面温度検出ステップと、
前記室温と前記外気温と前記表面温度とに基づいて前記窓ガラスの窓熱性能を学習する窓熱性能学習ステップと、
単位日射量及び前記窓ガラスの構成による窓光学性能関係式と前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能とに基づいて前記窓ガラスの窓光学性能を学習する窓光学性能学習ステップと、
前記窓ガラスの面積と前記室温と前記外気温と前記表面温度と前記窓熱性能と前記窓光学性能とに基づいて前記窓ガラスから入射する日射による日射熱負荷を推定する日射熱負荷推定ステップと、
前記日射熱負荷に基づいて空気調和機を制御する制御ステップとを備えたことを特徴とする空気調和方法。
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