JP6901643B1

JP6901643B1 - 空調システム

Info

Publication number: JP6901643B1
Application number: JP2021000775A
Authority: JP
Inventors: 昌裕浦田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-07-14
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: JP2022106063A

Abstract

【課題】空調システムを省エネルギー化する。【解決手段】空調システム１は、還気流路１４から分岐し、還気流路１４と第２混合空間５４とを連通させるバイパス流路１６と、還気流路１４におけるバイパス流路１６の分岐点よりも第１混合空間５２側に設けられ、第１混合空間５２に送られる還気である第１還気の風量を変更可能な第１ダンパー１８と、バイパス流路１６に設けられ、第２混合空間５４に送られる還気である第２還気の風量を変更可能な第２ダンパー２０と、第２混合空間５４で混合された第２混合気を空調対象空間５８に送出する給気ファン４８と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、空調システムに関する。

例えば、特許文献１には、外気と、空調の対象となる空調対象空間から戻る還気と、を混合して空調する空調システムが開示されている。

特開２０２０−４１７９６号公報

例えば、空調対象空間の環境によっては、空調対象空間に送出する給気の風量を一定に維持させたいことがある。この際、空調対象空間の空調負荷が変動しても、給気の風量を一定に維持させつつ、空調システム全体でみて省エネルギー化させることが望まれている。

本発明は、このような課題に鑑み、省エネルギー化が可能な空調システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の空調システムは、外気を取得する外気ファンの送風口が連通する第１混合空間と、空調の対象となる空調対象空間と第１混合空間とを連通させ、空調対象空間からの還気が流通する還気流路と、第１混合空間で混合された第１混合気と、冷凍機で冷却された冷水とを熱交換する冷却コイルと、冷却コイルを通過した第１混合気を加熱する加熱コイルと、加熱コイルを通過した第１混合気が導かれる第２混合空間と、還気流路から分岐し、還気流路と第２混合空間とを連通させるバイパス流路と、還気流路におけるバイパス流路の分岐点よりも第１混合空間側に設けられ、第１混合空間に送られる還気である第１還気の風量を変更可能な第１ダンパーと、バイパス流路に設けられ、第２混合空間に送られる還気である第２還気の風量を変更可能な第２ダンパーと、第２混合空間で混合された第２混合気を空調対象空間に送出する給気ファンと、第１還気の風量と第２還気の風量との比率に従って、給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する空調制御部と、を備え、空調制御部は、第２還気の風量の比率が相対的に大きくなるに従って、給気ファンを駆動するインバータの周波数を低くする。

また、空調制御部は、空調対象空間に送出される第２混合気の風量を示す給気風量が一定となるように、給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御するとしてもよい。

本発明によれば、空調システムの省エネルギー化が可能となる。

図１は、本実施形態に係る空調システム１の構成を示す概略図である。図２は、バイパス流路、第１ダンパーおよび第２ダンパーを備えていない比較例の空調システムの動作を説明する空気線図である。図３は、本実施形態の空調システムの動作を説明する空気線図である。図４は、制御条件の一例を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態の態様について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本実施形態に係る空調システム１の構成を示す概略図である。本実施形態の空調システム１は、空調ユニット１０、冷熱源ユニット１２、還気流路１４、バイパス流路１６、第１ダンパー１８、第２ダンパー２０および制御装置２２を含む。

空調ユニット１０は、例えば、エアーハンドリングユニット（ＡＨＵ）である。空調ユニット１０は、筐体３０、外気ファン３２および外気フィルタ３４を含む。筐体３０は、中空の箱状に形成されている。外気ファン３２は、筐体３０に接続されている。外気フィルタ３４は、外気ファン３２に接続されている。筐体３０内には、外気ファン３２側から順に、第１フィルタ４０、冷却コイル４２、加熱コイル４４、加湿器４６、給気ファン４８および第２フィルタ５０が収容されている。

第１フィルタ４０よりも外気ファン３２側には、第１混合空間５２が形成されている。加熱コイル４４と第２フィルタ５０との間には、第２混合空間５４が形成されている。第２フィルタ５０を間に挟んで第２混合空間５４とは反対側には、吹出口５６が形成されている。吹出口５６は、空調の対象となる空調対象空間５８と連通している。

外気ファン３２の送風口６０は、第１混合空間５２と連通している。外気ファン３２は、外気フィルタ３４を通じて空調ユニット１０の外部から外気（ＯＡ）を取得する。外気ファン３２は、取得した外気を、送風口６０を通じて第１混合空間５２に送出する。

還気流路１４は、空調対象空間５８と第１混合空間５２とを連通させる。還気流路１４には、空調対象空間５８から取得される還気（ＲＡ）が流通する。以後、還気流路１４を通じて第１混合空間５２に送られる還気を、第１還気と呼ぶ場合がある。

第１混合空間５２では、外気ファン３２によって取得された外気と、還気流路１４を通じて取得された第１還気とが混合されて、第１混合気が生成される。生成された第１混合気は、第１フィルタ４０を通過して異物が除去される。

冷却コイル４２は、冷熱源ユニット１２に接続される。冷熱源ユニット１２は、冷凍機７０、膨張タンク７２、冷水１次ポンプ７４、冷水２次ポンプ７６、冷却塔７８および冷却水ポンプ８０を含む。

冷凍機７０は、冷水が流通する冷水流路８２を通じて冷却コイル４２に接続される。冷水は、冷水流路８２を通じて冷凍機７０と冷却コイル４２との間で循環する。冷凍機７０は、冷却コイル４２から送られる使用後の冷水を冷却し、冷却後の冷水を冷却コイル４２に供給する。冷却コイル４２は、第１混合空間５２で混合されて第１フィルタ４０を通過した第１混合気と、冷凍機７０で冷却された冷水とを熱交換して、第１混合気を冷却する。

膨張タンク７２、冷水１次ポンプ７４および冷水２次ポンプ７６は、冷水流路８２の途中に設けられる。膨張タンク７２は、冷水のバッファとされる。冷水１次ポンプ７４は、冷却コイル４２で使用後の冷水を膨張タンク７２から冷凍機７０に引き込み、冷凍機７０で冷却後の冷水を膨張タンク７２に送る。冷水２次ポンプ７６は、冷凍機７０で冷却後の冷水を膨張タンク７２から冷却コイル４２に引き込み、冷却コイル４２で使用後の冷水を膨張タンク７２に送る。

冷却塔７８は、冷却水が流通する冷却水流路８４を通じて冷凍機７０に接続される。冷却水ポンプ８０は、冷却水流路８４の途中に設けられる。冷却水ポンプ８０は、冷却塔７８と冷凍機７０との間で冷却水を循環させる。冷凍機７０は、冷却水を利用して冷水を冷却する。冷却塔７８は、冷凍機７０から送られる使用後の冷却水を冷却し、冷却後の冷却水を冷凍機７０に供給する。

加熱コイル４４は、冷却コイル４２を通過した第１混合気を加熱する。加熱コイル４４を通過した第１混合気は、第２混合空間５４に導かれる。

バイパス流路１６は、還気流路１４の途中から分岐している。バイパス流路１６は、還気流路１４と第２混合空間５４とを連通させる。以後、バイパス流路１６を通じて第２混合空間５４に送られる還気を、第２還気と呼ぶ場合がある。

第２混合空間５４では、加熱コイル４４を通過した第１混合気と、バイパス流路１６を通じて取得された第２還気とが混合されて、第２混合気が生成される。第２混合空間５４の第２混合気は、第２フィルタ５０を通過して異物が除去される。

給気ファン４８の送風口６２は、第２フィルタ５０に向けられている。給気ファン４８は、第１混合空間の第１混合気を第２混合空間に引き込むとともに、第２混合空間５４で生成された第２混合気を、第２フィルタ５０および吹出口５６を通じて空調対象空間５８に送出する。第２混合気は、第２フィルタ５０を通過して異物が除去された後に、給気（ＳＡ）として空調対象空間５８に送出される。

加湿器４６は、第２混合空間５４の第２混合気の湿度が空調対象空間の目標湿度よりも低い場合に、第２混合気を加湿する。

第１ダンパー１８は、還気流路１４におけるバイパス流路１６の分岐点よりも第１混合空間５２側に設けられる。第１ダンパー１８は、不図示のアクチュエータによって任意の開度で開閉可能となっている。すなわち、第１ダンパー１８は、第１ダンパー１８の開度に応じて、第１還気の風量を変更可能となっている。

第２ダンパー２０は、バイパス流路１６に設けられる。第２ダンパー２０は、不図示のアクチュエータによって任意の開度で開閉可能となっている。すなわち、第２ダンパー２０は、第２ダンパー２０の開度に応じて、第２還気の風量を変更可能となっている。

また、空調システム１には、外気温センサ９０、温度センサ９２、湿度センサ９４が設けられている。外気温センサ９０は、外気温を検出する。温度センサ９２は、空調対象空間５８内の温度である対象空間温度を検出する。湿度センサ９４は、空調対象空間５８内の湿度である対象空間湿度を検出する。

制御装置２２は、中央処理装置、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。制御装置２２は、プログラムを実行することで空調制御部１００として機能する。

空調制御部１００は、外気温センサで検出された外気温、温度センサ９２で検出された対象空間温度、および、湿度センサ９４で検出された対象空間湿度を取得する。空調制御部１００は、対象空間温度が予め設定された目標温度となるとともに、対象空間湿度が予め設定された目標湿度となるように、空調システム１の各部を制御する。

例えば、空調制御部１００は、第１ダンパー１８の開度および第２ダンパー２０の開度を制御することで、第１還気の風量と第２還気の風量との比率である還気風量比率を制御する。また、空調制御部１００は、還気風量比率に基づいて、給気ファン４８を駆動するインバータの周波数、冷凍機７０の設定温度、および、加熱コイル４４の加熱設定温度を制御する。なお、冷凍機７０の設定温度は、冷凍機７０から送出される冷水の温度である冷水出口温度の目標値を示す。冷凍機７０の設定温度は、冷却コイル４２の冷却設定温度に関連する。

図２は、バイパス流路１６、第１ダンパー１８および第２ダンパー２０を備えていない比較例の空調システムの動作を説明する空気線図である。この比較例の空調システムでは、還気のすべてが第１混合空間５２に送られる。図２の実線Ａ１０は、相対湿度１００％を示す。

例えば、黒丸Ｂ１０で示すように、空調対象空間５８から取得される還気の温度の現在値が温度Ｔ１であり、空調対象空間５８から取得される還気の絶対湿度の現在値が絶対湿度Ｈ１であるとする。比較例の空調システムでは、外気と還気との混合気が第１混合空間で生成される。説明を簡略化するために、混合気の温度の現在値は温度Ｔ１であり、混合気の絶対湿度の現在値は絶対湿度Ｈ１であるとする。そして、黒丸Ｂ１２で示すように、空調対象空間５８の温度の目標値が温度Ｔ２であり、空調対象空間５８の絶対湿度の目標値が絶対湿度Ｈ２であるとする。

比較例の空調システムでは、外気と還気との混合気が冷却コイル４２で冷却される。そうすると、矢印Ｃ１０で示すように、混合気は、絶対湿度Ｈ１の状態で温度が低下していき、相対湿度１００％に対応する温度Ｔ３に到達する。この状態で混合気がさらに冷却されると、混合気中の水蒸気の一部が結露し、矢印Ｃ１２で示すように、相対湿度１００％の状態で温度が温度Ｔ３よりも低下していく。そして、混合気は、目標値である絶対湿度Ｈ２に対応する温度Ｔ４まで冷却コイル４２で冷却される。その後、冷却コイル４２を通過した混合気は、加熱コイル４４で加熱される。そうすると、矢印Ｃ１４で示すように、混合気は、絶対湿度Ｈ２の状態で温度が上昇していき、目標値である温度Ｔ２に到達する。

図３は、本実施形態の空調システム１の動作を説明する空気線図である。本実施形態の空調システム１は、上述の比較例の空調システムと比べ、バイパス流路１６、第１ダンパー１８および第２ダンパー２０を備えている。図３では、例えば、第１還気の風量と第２還気の風量との比率が１：１であるとする。なお、図３では、図２と同様に、黒丸Ｂ１０で示す温度Ｔ１および絶対湿度Ｈ１が現在値であり、黒丸Ｂ１２で示す温度Ｔ２および絶対湿度Ｈ２が目標値であるとする。また、本実施形態の空調システム１では、外気と第１還気との第１混合気が第１混合空間で生成される。説明を簡略化するために、第１混合気の温度の現在値は温度Ｔ１であり、第１混合気の絶対湿度の現在値は絶対湿度Ｈ１であるとする。また、第２還気の温度の現在値は温度Ｔ１であり、第２還気の絶対湿度の現在値は絶対湿度Ｈ１である。

本実施形態の空調システム１では、矢印Ｃ１０および矢印Ｃ２２で示すように、第１混合気の絶対湿度が、目標値である絶対湿度Ｈ２よりも低い仮目標値である絶対湿度Ｈ３となるように、第１混合気が冷却コイル４２で冷却される。つまり、第１混合気は、絶対湿度Ｈ２であり、かつ、相対湿度１００％である状態に対応する温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ５まで冷却コイル４２で冷却される。温度Ｔ５は、絶対湿度Ｈ３であり、かつ、相対湿度１００％である状態に対応する温度である。

冷却コイル４２で冷却後の第１混合気は、矢印Ｃ２４で示すように、目標値である温度Ｔ２よりも低い仮目標値である温度Ｔ６となるように、加熱コイル４４で加熱される。

そして、本実施形態の空調システム１では、黒丸Ｂ１４で示す温度Ｔ６および絶対湿度Ｈ３の第１混合気と、黒丸Ｂ１０で示す温度Ｔ１および絶対湿度Ｈ１の第２還気とが、第２混合空間で混合される。そうすると、矢印Ｄ１０、矢印Ｄ１２および黒丸Ｂ１２で示すように、第２混合気の温度が目標値である温度Ｔ２となるとともに、第２混合気の絶対湿度が目標値である絶対湿度Ｈ２となる。

このような第２混合気が給気として空調対象空間５８に送出されることで、空調対象空間５８内を温度および湿度が調整される。

本実施形態の空調システム１では、冷却コイル４２によって、第１混合気の温度を温度Ｔ４よりも低い温度Ｔ５にまで低下させている。このため、冷却コイルに供給する冷水の温度は、温度Ｔ４に対応する温度よりも低くされる。つまり、本実施形態の空調システム１では、図２の比較例の空調システムと比べ、冷水を冷却する冷凍機７０の効率が低下する。

しかし、本実施形態の空調システム１では、冷凍機７０の効率の低下よりも、他の構成要素、冷却熱量の低下や、給気ファン４８における消費電力の減少量を多くすることができ、空調システム１全体として省エネルギー化することができる。

図４は、制御条件の一例を説明する図である。図４では、第１条件、第２条件および第３条件の３個の制御条件を一例として示している。通常、空調対象空間５８に送出される給気の風量（給気風量）は、外気ファン３２で取得される外気の風量（外気風量）と、空調対象空間５８から空調ユニット１０に戻る還気の風量（還気風量）とを合計した値となる。なお、還気風量は、第１還気の風量と第２還気の風量とを合計した風量である。

ここで、空調対象空間５８の環境によっては、給気風量を一定に維持しなければならないことがある。例えば、空調対象空間５８で揮発性溶剤などを使用する場合、溶剤の乾燥を一定にするために、給気風量が一定に維持される。この際、外気風量も一定に維持させて、給気に含まれる外気の比率の変化を抑制することもある。図４では、空調対象空間５８の空調負荷が変動しても、給気風量および外気風量を一定に維持させる場合を例示する。

第１条件では、第１ダンパー１８の開度（第１ダンパー開度）が１００％であり、第２ダンパー２０の開度（第２ダンパー開度）が０％とする。この場合、例えば、第１還気の風量（第１還気風量）が２００ｍ^３／ｍｉｎであり、第２還気の風量（第２還気風量）が０ｍ^３／ｍｉｎであるとする。第１条件では、空調対象空間５８から取得される還気のすべてが第１還気となっているため、第１還気風量が相対的に多くなっている。

第１還気が混合された第１混合気は冷却コイル４２を通過するが、冷却コイル４２では、第１混合気と冷水とを効率よく熱交換させるために、第１混合気が通過可能な隙間が狭くなっている。

第１還気風量が多いと第１混合気風量も多くなるため、第１混合気が冷却コイル４２を通過する際の圧損が大きくなる。第１混合空間５２と第２混合空間５４との間の圧損が大きいと、第１混合気を第１混合空間５２から第２混合空間５４に引き込むには、大きな圧力差が必要となる。

そこで、第１条件では、給気ファン４８の引込力を大きくすることで、絶対値が大きな負圧（例えば、−１０００Ｐａ）を第１混合空間５２に発生させ、風量の多い第１混合気を第２混合空間に移動させる。給気ファン４８の引込力を大きくするためには、給気ファン４８の回転数を高くする。つまり、第１条件では、給気ファン４８を駆動するインバータの周波数（給気ファン周波数）を比較的高い値である５０Ｈｚとしている。なお、第１条件のときの給気ファン４８の電力（給気ファン電力）を１００％とする。

第２条件では、第１ダンパー開度が１００％であり、第２ダンパー開度が４０％とする。この場合、バイパス流路１６を第２還気が流通するようになる。そして、例えば、第１還気風量が１００ｍ^３／ｍｉｎとなり、第２還気風量が１００ｍ^３／ｍｉｎとなるとする。つまり、第２条件では、空調対象空間５８から取得される還気のうち半分が第２還気風量となり、残り半分が第１還気風量となる。

なお、還気風量比率は、第１混合空間５２の圧力と第２混合空間５４の圧力との圧力差などの影響によって、第１ダンパー開度と第２ダンパー開度との比率であるダンパー開度比率と一致するとは限らない。還気風量比率とダンパー開度比率との関係については、例えば、実測またはシミュレーションによってテーブルまたは関係式などを予め準備しておいてもよい。

第２条件では、第１条件と比べ、第１還気風量が減少している。このため、第２条件では、第１混合空間５２と第２混合空間５４との間の圧損が、第１条件よりも小さくなる。つまり、第２条件では、第１条件よりも給気ファン４８の引込力を減少させることができる。そこで、第２条件では、給気ファン周波数を第１条件よりも低い値である４８Ｈｚとしている。これにより、第２条件の給気ファン電力は、第１条件よりも小さくなり、例えば、第１条件の給気ファン電力の９０％に抑制できる。

第３条件では、第１ダンパー開度が２０％であり、第２ダンパー開度が１００％とする。この場合、例えば、第１還気風量が５０ｍ^３／ｍｉｎとなり、第２還気風量が１５０ｍ^３／ｍｉｎとなるとする。つまり、第３条件では、第１還気風量と第２還気風量との比率が１：３となり、第２還気風量が第１還気風量よりも多くなる。

第３条件では、第２条件と比べ、さらに第１還気風量が減少している。このため、第３条件では、第１混合空間５２と第２混合空間５４との間の圧損が、第２条件よりもさらに小さくなる。つまり、第３条件では、第２条件よりも給気ファン４８の引込力をさらに減少させることができる。そこで、第３条件では、給気ファン周波数を第２条件よりも低い値である４６Ｈｚとしている。これにより、第３条件の給気ファン電力は、第２条件よりもさらに小さくなり、例えば、第１条件の給気ファン電力の８１％に抑制できる。なお、電力の削減効果はファンの特性によるため、数値は参考例である。

このように、空調制御部１００は、還気風量における第１還気風量の比率が相対的に大きくなるに従って、給気ファン４８を駆動するインバータの周波数（給気ファン周波数）を高くする。また、空調制御部１００は、還気風量における第２還気風量の比率が相対的に大きくなるにしたがって、給気ファン４８を駆動するインバータの周波数（給気ファン周波数）を低くする。

また、空調制御部１００は、空調対象空間５８の空調負荷および外気温に基づいて、第１ダンパー開度、第２ダンパー開度および給気ファン周波数の組み合わせを制御することで、結果として還気風量比率を制御する。例えば、空調制御部１００は、除湿量が比較的低い場合には、第１還気風量の比率を相対的に小さくしてもよい。

制御装置２２には、例えば、条件テーブルが予め記憶される。条件テーブルは、空調負荷および外気温の組み合わせごとに、第１ダンパー開度、第２ダンパー開度、還気風量比率、冷凍機７０の設定温度および給気ファン周波数などの組み合わせが設定されている。条件テーブルは、予め測定された実測値を反映して作成される。空調制御部１００は、現在の空調負荷および外気温を条件テーブルに当てはめて、第１ダンパー開度、第２ダンパー開度、冷凍機７０の設定温度および給気ファン周波数などの指令値を導出する。空調制御部１００は、導出した指令値を各機器に送信する。

以上のように、本実施形態の空調システム１では、バイパス流路１６、第１ダンパー１８および第２ダンパー２０が設けられている。このため、本実施形態の空調システム１では、空調負荷に応じて第１還気の風量と第２還気の風量との比率を変化させることができる。そして、空調制御部１００は、第１還気の風量と第２還気の風量との比率に従って、給気ファン４８を駆動するインバータの周波数を制御する。

これにより、本実施形態の空調システム１では、空調負荷が変動しても、給気の風量を一定に維持させつつ、空調システム全体で省エネルギー化が可能となる。

また、本実施形態の空調システム１は、バイパス流路１６、第１ダンパー１８および第２ダンパー２０が設けられていない構成から、それらを後から改造によって取り付けて構成することができる。このため、本実施形態の空調システム１では、空調システム１の導入を容易に行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、２００空調システム
１４還気流路
１６バイパス流路
１８第１ダンパー
２０第２ダンパー
３２外気ファン
４２冷却コイル
４４加熱コイル
４８給気ファン
５２第１混合空間
５４第２混合空間
５８空調対象空間
６０送風口
７０冷凍機
１００空調制御部

Claims

外気を取得する外気ファンの送風口が連通する第１混合空間と、
空調の対象となる空調対象空間と前記第１混合空間とを連通させ、前記空調対象空間からの還気が流通する還気流路と、
前記第１混合空間で混合された第１混合気と、冷凍機で冷却された冷水とを熱交換する冷却コイルと、
前記冷却コイルを通過した前記第１混合気を加熱する加熱コイルと、
前記加熱コイルを通過した前記第１混合気が導かれる第２混合空間と、
前記還気流路から分岐し、前記還気流路と前記第２混合空間とを連通させるバイパス流路と、
前記還気流路における前記バイパス流路の分岐点よりも前記第１混合空間側に設けられ、前記第１混合空間に送られる還気である第１還気の風量を変更可能な第１ダンパーと、
前記バイパス流路に設けられ、前記第２混合空間に送られる還気である第２還気の風量を変更可能な第２ダンパーと、
前記第２混合空間で混合された第２混合気を前記空調対象空間に送出する給気ファンと、
前記第１還気の風量と前記第２還気の風量との比率に従って、前記給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する空調制御部と、
を備え、
前記空調制御部は、前記第２還気の風量の比率が相対的に大きくなるに従って、前記給気ファンを駆動するインバータの周波数を低くする空調システム。
前記空調制御部は、前記空調対象空間に送出される前記第２混合気の風量を示す給気風量が一定となるように、前記給気ファンを駆動するインバータの周波数を制御する請求項１に記載の空調システム。