JP6785867B2

JP6785867B2 - 空調システム

Info

Publication number: JP6785867B2
Application number: JP2018543528A
Authority: JP
Inventors: 勇人堀江; 守濱田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: JPWO2018066089A1; WO2018066089A1

Description

本発明は、空調システムに関する。

冷却塔からの冷却水によって冷水を冷却し、冷水と空気との間で熱交換することによって空調するシステムにおいて、一定の条件の下、冷凍機を稼働させずに冷水を空調機等の負荷装置に供給するフリークーリングと呼ばれる技術が知られている。

フリークーリングは、外気温度が低いことが条件となるため、その利用期間は限定的である。そこで、フリークーリングの利用期間を延長する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、冷凍機に送る負荷側熱媒を、冷却塔との間で循環させる冷却用水と熱交換させて冷却する予冷用熱交換器を設け、冷凍機の運転に並行して予冷用熱交換器で負荷側熱媒を冷却する構成が開示されている。

特開２００４−１３２６５１号公報

しかし、上記の技術では、予冷用熱交換器が冷凍機の外側に設けられており、水回路が複雑になる上、熱交換ロスが発生する問題もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能な空調システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る空調システムは、
冷却塔と、冷凍機と、負荷装置と、制御装置とを備え、
前記冷凍機は、
冷媒回路と、
前記冷却塔との間で循環する第１循環水と前記冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器と、
前記負荷装置との間で循環する第２循環水と前記冷媒の熱交換を行う第２熱交換器と、
前記第１循環水の全てが前記第１熱交換器を通過する第１流路と、
前記第１循環水の全てが前記負荷装置を通過する第２流路と、
前記第１循環水の一部が前記第１熱交換器を通過すると共に、前記第１循環水の残りが前記第２循環水と混合する第３流路と、
前記第１循環水の流路を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つに切り替える切替手段と、
外部からの切替指令を受け付けると共に、前記切替指令で指定された流路に切り替えるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、を内部に備え、
前記制御装置は、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つの流路を指定した前記切替指令を前記冷凍機に送信する。

本発明によれば、冷凍機が、冷却塔との間で循環する第１循環水の一部が第１熱交換器を通過すると共に、第１循環水の残りが負荷装置との間で循環する第２循環水と混合する第３流路を備えるため、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る空調システムの構成を示す図冷凍機の構成を示すブロック図通常モード時の冷却水の流路を説明するための図第１フリークーリングモード時の冷却水の流路を説明するための図第２フリークーリングモード時の冷却水の流路を説明するための図空調機の構成を示すブロック図制御装置のハードウェア構成を示すブロック図制御装置の機能構成を示す図空調制御処理の手順を示すフローチャート他の実施形態における冷凍機の構成を示すブロック図他の実施形態における冷凍機の構成を示すブロック図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る空調システムの構成を示す図である。この空調システムは、工場、オフィスビル、集合住宅等の空調を行うシステムであり、冷却塔１と、冷凍機２と、空調機３と、制御装置４とから構成される。

冷却塔１は、配管７を介して冷凍機２と接続し、冷凍機２との間で配管７を介して循環する冷却水（第１循環水）を冷却する。冷却塔１は、外気を内部に供給する図示しないファンを備えており、冷凍機２から戻ってきた冷却水を外気と間接的に接触させて熱交換を行う冷却方式（密閉式）を採用する。ファンの運転は制御装置４からの指令に従って制御される。

冷却塔１によって冷却された冷却水は、ポンプ５によって冷凍機２に搬送される。ポンプ５は、インバータ回路を備え、制御装置４からの指令に従って駆動回転数が変更される。これにより、冷凍機２に搬送する冷却水の流量を変化させることができる。

冷凍機２は、上述のように配管７を介して冷却塔１と接続すると共に、配管８を介して空調機３と接続し、空調機３との間で配管８を介して循環する冷水（第２循環水）を冷却する。図２に示すように、冷凍機２は、圧縮機２０と、第１熱交換器２１と、膨張弁２２と、第２熱交換器２３と、三方弁２４，２５と、制御基板２６とを備える。圧縮機２０、第１熱交換器２１、膨張弁２２及び第２熱交換器２３は、環状に接続され、これにより、ＣＯ₂やＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）等の冷媒を循環させるための冷媒回路（冷凍サイクル回路ともいう。）が形成されている。

圧縮機２０は、冷媒を圧縮して温度及び圧力を上昇させる。圧縮機２０は、駆動周波数に応じて容量（単位当たりの送り出し量）を変化させることができるインバータ回路を備える。圧縮機２０の駆動周波数は、制御基板２６からの指令に従って変更される。

第１熱交換器２１は、凝縮器として機能し、冷却塔１から供給される冷却水（第１循環水）と圧縮機２０から吐出された冷媒の熱交換を行う、例えば、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器である。

膨張弁２２は、第１熱交換器２１から送られてきた冷媒を膨張させて温度及び圧力を下降させる。膨張弁２２は、例えば、ステッピングモータ（図示せず）によって絞りの開度を調整可能な電子膨張弁である。この他にも、膨張弁２２として、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁やキャピラリチューブ等を採用してもよい。膨張弁２２の開度は、制御基板２６からの指令に従って変更される。

第２熱交換器２３は、プレート式あるいは二重管式などの熱交換器であり、膨張弁２２から送られてくる冷媒と空調機３から戻された冷水の熱交換を行う。この熱交換により、冷媒は吸熱して蒸発し冷媒ガスへと相転移する。一方、冷水は放熱して温度が下降する。第２熱交換器２３により熱交換された冷水は、ポンプ６によって空調機３に搬送される。ポンプ６は、インバータ回路を備え、制御装置４からの指令に従って駆動回転数が変更される。

三方弁２４，２５（切替手段）は、冷却塔１からの冷却水の流路を切り替えるための電動式の周知の三方弁であり、制御基板２６（切替制御手段）からの指令に従って、各方向の弁開度が調整される。冷凍機２は、冷却水の流路として、第１〜第３流路が切り替え可能となるように構成されている。

第１流路とは、図３に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が第１熱交換器２１を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ及び弁２４ｂが開放され、弁２４ｃが閉止された状態となる。また、三方弁２５における弁２５ａが閉止され、弁２５ｂ及び弁２５ｃが開放された状態となる。

第２流路とは、図４に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が空調機３を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ及び弁２４ｃが開放され、弁２４ｂが閉止された状態となる。また、三方弁２５における弁２５ａ及び２５ｃが開放され、弁２５ｂが閉止された状態となる。

第３流路とは、図５に示すように、冷却塔１からの冷却水が第１熱交換器２１及び空調機３を通過する流路であり、この場合、三方弁２４における弁２４ａ〜２４ｃが開放され、三方弁２５における弁２５ａ〜２５ｃが開放された状態となる。

制御基板２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板２６は、圧縮機２０、膨張弁２２、三方弁２４，２５のそれぞれと図示しない通信線を介して通信可能に接続する。また、制御基板２６は、制御装置４と有線又は無線にて通信可能に接続する。

制御基板２６は、制御装置４からの指令に従って、圧縮機２０、膨張弁２２、三方弁２４，２５のそれぞれを制御する。

空調機３（負荷装置）は、いわゆるファンコイルユニットと呼ばれる空調機であり、冷凍機２からの冷水と室内の空気の熱交換を行うことで、室内の空気状態（温度や湿度）の調整を行う。図６に示すように、空調機３は、熱交換器３０と、ファン３１と、制御基板３２とを備える。

熱交換器３０は、冷凍機２から流入した冷水と室内の空気との間の熱交換を行う。ファン３１は、室内の空気を取り込む（吸い込む）と共に、熱交換後の空気を室内へ送出する。

制御基板３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信インタフェース、読み書き可能な不揮発性の半導体メモリなど（何れも図示せず）を含んで構成される。制御基板３２は、制御装置４と有線又は無線により通信可能に接続し、制御装置４からの指令に従い、ファン３１の駆動を開始し、又は、停止する。

制御装置４は、空調対象となる室内の出入口付近に設置される、いわゆる空調リモコンであり、図７に示すように、ＣＰＵ４０と、ＲＯＭ４１と、ＲＡＭ４２と、入力装置４３と、ディスプレイ４４と、通信インタフェース４５と、二次記憶装置４６とを備える。これらの構成部は、バス４７を介して相互に接続される。ＣＰＵ４０は、制御装置４を統括的に制御する。ＣＰＵ４０によって実現される機能の詳細については後述する。

ＲＯＭ４１は、複数のファームウェアやこれらのファームウェアの実行時に使用されるデータ等を記憶する。ＲＡＭ４２は、ＣＰＵ４０の作業領域として使用される。入力装置４３は、押しボタン、タッチパネル、タッチパッド等を備え、ユーザによる操作を受け付け、受け付けた操作に係る信号をＣＰＵ４０に送出する。

ディスプレイ４４は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の表示デバイスであり、ＣＰＵ４０の制御の下、室内の空調に関する操作画面や、室内の空気状態（温度、湿度）等の情報を表示する。通信インタフェース４５は、冷却塔のファン、冷凍機２の制御基板２６、空調機３の制御基板３２、ポンプ５，６と無線通信又は有線通信するためのネットワークカードを備える。

二次記憶装置４６は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、フラッシュメモリ等の読み書き可能な不揮発性の半導体メモリ等から構成される。二次記憶装置４６は、空調制御に関する１又は複数のプログラムやこれらのプログラムの実行時に使用されるデータ等を記憶する。

続いて、制御装置４の機能について説明する。制御装置４は、機能的には、図８に示すように、ユーザインタフェース処理部４００と、モード決定部４０１と、空調制御部４０２とを備える。これらの各機能部は、ＣＰＵ４０によって、二次記憶装置４６に記憶される空調制御に関するプログラムが実行されることで実現される。

ユーザインタフェース処理部４００は、入力装置４３及びディスプレイ４４を介したユーザインタフェース処理を行う。即ち、ユーザインタフェース処理部４００は、ユーザからの操作を入力装置４３を介して受け付ける。また、ユーザインタフェース処理部４００は、ユーザに提示するための情報をディスプレイ４４に出力する。

モード決定部４０１は、空調運転時において、冷却水を利用する際のモード（冷却水利用モード）の種別を決定する。この冷却水利用モードには、通常モード、第１フリークーリングモード及び第２フリークーリングモードの３種があり、これらの中から、モード決定部４０１は、外気温度や目標温度、空調機３を経て冷凍機２に戻ってくる第２循環水の温度等に基づいて何れか１つのモードを選択して決定する。

空調制御部４０２は、室内の空気温度がユーザにより設定された目標温度となるように、冷却塔１、冷凍機２、空調機３、ポンプ５，６のぞれぞれを制御する。また、空調制御部４０２は、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。

より詳細には、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が通常モードの場合、空調制御部４０２は、第１流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。また、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が第１フリークーリングモードの場合、空調制御部４０２は、第２流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。また、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別が第２フリークーリングモードの場合、空調制御部４０２は、第３流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令する。

以下、通常モード、第１フリークーリングモード及び第２フリークーリングモードのぞれぞれにおける空調システムの状態について説明する。

＜通常モード＞
冷却水を利用する際のモードが通常モードの場合、冷凍機２では、図３に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が第１熱交換器２１を通過する第１流路が選択される。この場合、空調機３の熱交換器３０で発生する負荷Ｑと、第２熱交換器２３で発生する熱量Ｑｅと、冷却塔１において冷却水が間接的に大気に放熱する熱量Ｑ＿ＣＴと、第１熱交換器２１で発生する熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。

Ｑ＝Ｑｅ（式１）

Ｑ＿ＣＴ＝Ｑｃ（式２）

＜第１フリークーリングモード＞
冷却水を利用する際のモードが第１フリークーリングモードの場合、冷凍機２では、図４に示すように、冷却塔１からの全ての冷却水が空調機３を通過する第２流路が選択される。このとき、制御基板２６は、圧縮機２０の稼働を停止させている。この場合、負荷Ｑと、熱量Ｑｅと、熱量Ｑ＿ＣＴと、熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。

Ｑ＝Ｑ＿ＣＴ（式３）

Ｑｅ＝Ｑｃ＝０（式４）

＜第２フリークーリングモード＞
冷却水を利用する際のモードが第２フリークーリングモードの場合、図５に示すように、冷却塔１からの冷却水が第１熱交換器２１及び空調機３を通過する第３流路が選択される。この場合、負荷Ｑと、熱量Ｑｅと、熱量Ｑ＿ＣＴと、熱量Ｑｃとの関係は下記のようになる。

Ｑ＝Ｑｅ＋Ｑ＿ＣＴ１（式５）

Ｑｃ＝Ｑ＿ＣＴ２（式６）

Ｑ＿ＣＴ＝Ｑ＿ＣＴ１＋Ｑ＿ＣＴ２（式７）

三方弁２４，２５における弁開度の調整により、Ｑ＿ＣＴ１、Ｑ＿ＣＴ２は変化する。即ち、第１熱交換器２１に流入する冷却水の流量が減少する程、Ｑ＿ＣＴ２が小さくなり、Ｑ＿ＣＴ１が大きくなる。

図９は、制御装置４によって実行される空調制御処理の手順を示すフローチャートである。空調制御処理は、入力装置４３を介して、ユーザにより冷房運転開始の操作が行われることで開始され、ユーザにより運転停止の操作が行われることで終了する。

モード決定部４０１は、冷却水利用モードの種別を決定する（ステップＳ１０１）。空調制御部４０２は、冷凍機２に運転の開始を指令すると共に、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを指令する（ステップＳ１０２）。

また、空調制御部４０２は、冷却塔に運転開始を指令する（ステップＳ１０３）。これにより、冷却塔１のファンが駆動を開始する。

また、空調制御部４０２は、空調機３に運転開始を指令する（ステップＳ１０４）。これにより、ファン３１が駆動を開始する。また、空調制御部４０２は、ポンプ５，６を稼働させる。

一定時間（例えば、１分）が経過すると（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）、モード決定部４０１は、冷却水利用モードの種別を決定する（ステップＳ１０６）。空調制御部４０２は、モード決定部４０１により決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２に指令する（ステップＳ１０７）。なお、空調制御部４０２は、モード決定部４０１により前回決定された冷却水利用モードの種別と今回決定された冷却水利用モードの種別とが異なる場合に限り、決定された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２に指令してもよい。

図９では、説明を省略しているが、空調制御処理では、上記の流路の切り替えの他、空調制御部４０２は、室内の空気温度が目標温度に近づくように、冷却塔１、冷凍機２、空調機３、ポンプ５，６の動作を制御する。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る空調システムでは、冷凍機２は、冷却塔１との間で循環する冷却水の一部が第１熱交換器２１を通過すると共に、冷却水の残りが空調機３の間で循環する冷水と混合する第３流路を備える。このため、複雑な構成に依らず、フリークーリングを利用した空調期間を延長させることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、冷却塔１は、冷凍機２から戻ってきた冷却水を外気と直接的に接触させて熱交換を行う冷却方式（開放式）を採用してもよい。この場合、冷却効率が高まるメリットがある反面、冷却水の水質が低下するデメリットもある。このため、開放式を採用する場合は、冷却塔１とポンプ５の間に汚れ取りフィルタを設けるようにしてもよい。

また、冷凍機２を暖房運転に対応できる構成にしてもよい。この場合、図１０に示すように、冷凍機２の冷媒回路に四方弁２７が設けられ、冷房運転の際には、図１０の実線で示すように切り替えられる。これにより、圧縮機２０、四方弁２７、第１熱交換器２１、膨張弁２２及び第２熱交換器２３の順序で冷媒が循環する。一方、暖房運転の際には、四方弁２７は、破線で示すように切り替えられる。これにより、圧縮機２０、四方弁２７、第２熱交換器２３、膨張弁２２及び第１熱交換器２１の順序で冷媒が循環する。

上記のようにすると、暖房運転では、高温及び高圧の冷媒を第２熱交換器２３に流入させることができるので、空調機３に温水を供給することが可能となる。

また、三方弁２４，２５に替えて、図１１に示すように電磁弁２８，２９を設けてもよい。

また、運転の安定性を確保するため、ガス抜き弁、バッファタンク等を適宜設けてもよい。

また、ポンプ５，６を冷凍機２の構成に含めるようにしてもよい。

また、ユーザが入力装置４３を介して冷却水利用モードの種別を指示し、空調制御部４０２が、ユーザにより指示された冷却水利用モードの種別に応じた流路への切り替えを冷凍機２の制御基板２６に指令してもよい。

上記の実施形態では、ＣＰＵ４０によって空調制御に関するプログラムが実行されることで、制御装置４の各機能部（図８参照）が実現された。しかし、制御装置４の機能部の全部又は一部が、専用のハードウェアで実現されるようにしてもよい。専用のハードウェアとは、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化されたプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、又は、これらの組み合わせ等である。

また、上記の実施形態において、制御装置４によって実行されるプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、光磁気ディスク（Magneto-Optical Disc）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、メモリカード、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納して配布することも可能である。そして、かかるプログラムを特定の又は汎用のコンピュータにインストールすることによって、当該コンピュータを上記の実施形態における制御装置４として機能させることも可能である。

また、上記のプログラムをインターネット等のネットワーク上のサーバが有するディスク装置等に格納しておき、当該プログラムがサーバからコンピュータにダウンロードされるようにしてもよい。

本発明は、広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能である。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、建物内の空調を行う空調システムに好適に採用され得る。

１冷却塔、２冷凍機、３空調機、４制御装置、５，６ポンプ、７，８配管、２０圧縮機、２１第１熱交換器、２２膨張弁、２３第２熱交換器、２４，２５三方弁、２６，３２制御基板、２７四方弁、２８，２９電磁弁、３０熱交換器、３１ファン、４０ＣＰＵ、４１ＲＯＭ、４２ＲＡＭ、４３入力装置、４４ディスプレイ、４５通信インタフェース、４６二次記憶装置、４７バス、４００ユーザインタフェース処理部、４０１モード決定部、４０２空調制御部

Claims

冷却塔と、冷凍機と、負荷装置と、制御装置とを備え、
前記冷凍機は、
冷媒回路と、
前記冷却塔との間で循環する第１循環水と前記冷媒回路を循環する冷媒の熱交換を行う第１熱交換器と、
前記負荷装置との間で循環する第２循環水と前記冷媒の熱交換を行う第２熱交換器と、
前記第１循環水の全てが前記第１熱交換器を通過する第１流路と、
前記第１循環水の全てが前記負荷装置を通過する第２流路と、
前記第１循環水の一部が前記第１熱交換器を通過すると共に、前記第１循環水の残りが前記第２循環水と混合する第３流路と、
前記第１循環水の流路を、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つの流路に切り替える切替手段と、
外部からの切替指令を受け付けると共に、前記切替指令で指定された流路に切り替えるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、を内部に備え、
前記制御装置は、前記第１流路と前記第２流路と前記第３流路の内の何れか１つの流路を指定した前記切替指令を前記冷凍機に送信する、空調システム。
前記制御装置は、外気の温度に基づいて、通常モードと第１フリークーリングモードと第２フリークーリングモードの内から何れか１つのモードを決定し、決定したモードが前記通常モードの場合は、前記第１流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信し、決定したモードが前記第１フリークーリングモードの場合は、前記第２流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信し、決定したモードが前記第２フリークーリングモードの場合は、前記第３流路を指定した切替指令を前記冷凍機に送信する、請求項１に記載の空調システム。