JP6785867B2 - 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。
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、40 CPU、41 ROM、42 RAM、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 (2)

  1. 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。
  2. 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、請求項に記載の空調システム。
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