JP7258230B2 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents
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Description
本開示は、冷凍サイクル装置に関する。
従来、ヒートポンプなどの熱源機により冷水または温水を生成し、送水ポンプおよび配管で室内機へ搬送して室内の冷暖房を行なう間接式の空気調和装置が知られている。
このような間接式の空気調和装置は、利用側の熱媒体として水またはブラインを使用するので、近年、使用冷媒量を削減するために注目されている。
特開平06-307726号公報には、蒸発器により冷却された冷水を供給する複数台の冷水供給モジュールと、冷水供給モジュールから供給された冷水の温度を検出する温度センサと、該温度センサの出力を受けて冷水供給モジュールの台数制御および各冷水供給モジュールの冷凍サイクルの容量制御を行なうとともに予め装置起動時の冷水供給モジュールの運転台数を設定する手動設定手段を含んでなるコントローラとを含む冷水供給装置が開示されている。
特開平06-307726号公報においては、冷水供給モジュールの運転台数が調整されているが、冷水供給モジュールの始動台数が設定済みで無い場合には、全数の冷水供給モジュールを始動させた後で、運転台数を減少させていくため、過剰な運転台数となる期間があり、改善の余地がある。また、運転台数を1台ずつ変更していくため、最適台数となるために時間がかかる場合がある。
本開示の装置は、上記課題を解決するためになされたものであって、水又はブラインなどの熱媒体の温度を制御する複数台の冷凍サイクルユニットを有する冷凍サイクル装置において、過剰な運転台数となることを避けつつ目標時間に精度良く熱媒体の温度を目標温度に設定することができる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。
本開示の冷凍サイクル装置は、それぞれが冷媒を使用する互いに独立した冷媒回路を有し、共通する熱媒体の循環路に配置され、熱媒体の温度を制御する複数の冷凍サイクルユニットと、熱媒体の循環路における熱媒体の温度を検出する温度センサと、複数の冷凍サイクルユニットの運転台数を制御する制御装置とを備える。
制御装置は、冷凍サイクル装置が冷房運転または暖房運転を開始した第1時刻において運転台数を初期運転台数に設定する。
制御装置は、第1時刻において温度センサによって検出される熱媒体の温度と目標温度との差に基づいて、第1時刻よりも後の第2時刻における熱媒体の温度の中間目標変化量を決定する。
制御装置は、第2時刻よりも後の第3時刻において温度センサで検出される熱媒体の温度が目標温度に近づくように、温度センサで検出された第1時刻から第2時刻までに生じる熱媒体の温度変化量と中間目標変化量との差に応じて運転台数を調整する。
本開示の冷凍サイクル装置によれば、冷凍サイクルユニットの運転台数が過剰な運転台数となることを避けつつ目標時間に精度良く熱媒体の温度を目標温度に設定することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図1を参照して、冷凍サイクル装置1は、熱源機2と、負荷装置3と、配管4,5と、ポンプ6と、温度センサ8とを備える。熱源機2は、制御装置100と、n台(nは2以上の整数)の冷凍サイクルユニット200-1~200-nとを備える。n=2の場合には、熱源機2は、第1冷凍サイクルユニット200-1と第2冷凍サイクルユニット200-2とを備える。
図1は、実施の形態1に係る冷凍サイクル装置の構成を示す図である。図1を参照して、冷凍サイクル装置1は、熱源機2と、負荷装置3と、配管4,5と、ポンプ6と、温度センサ8とを備える。熱源機2は、制御装置100と、n台(nは2以上の整数)の冷凍サイクルユニット200-1~200-nとを備える。n=2の場合には、熱源機2は、第1冷凍サイクルユニット200-1と第2冷凍サイクルユニット200-2とを備える。
第1冷凍サイクルユニット200-1と第2冷凍サイクルユニット200-2の各々においては、冷媒の循環経路が形成されている。また、配管4,5およびポンプ6によって熱源機2と負荷装置3との間において熱媒体が循環する。温度センサ8は、配管4を通過する熱媒体の温度を検出する。以下の説明において、熱媒体として水を例示する。なお、熱媒体はブラインなどであっても良い。また、説明の簡単のため、熱媒体の温度を水温と記載することもある。
第1冷凍サイクルユニット200-1、第2冷凍サイクルユニット200-2、…第n冷凍サイクルユニット200-nは、水の循環経路に直列に接続され、ともに水に対する熱源または冷熱源として作動するように構成される。
第1冷凍サイクルユニット200-1は、圧縮機11と、四方弁12と、熱交換器13と、ファン14と電子膨張弁15と、熱交換器16とを含む。第2冷凍サイクルユニット200-2は、圧縮機21と、四方弁22と、熱交換器23と、ファン24と電子膨張弁25と、熱交換器26とを含む。
圧縮機11,21は、冷媒を圧縮する。圧縮機11,21は、各制御部によってインバータ制御されており、運転周波数が可変である。熱交換器13,23は、冷媒とファン14,24で送風される外気との間で熱交換を行なう。熱交換器16,26は、冷媒と水との間で熱交換を行なう。熱交換器16,26として、たとえば、プレート熱交換器を用いることができる。
図1には、四方弁12,22が暖房を行なうように設定されている場合が示される。この場合、第1冷凍サイクルユニット200-1および第2冷凍サイクルユニット200-2は、熱源として作用する。四方弁12,22を切替えて冷媒の循環方向を逆向きにすれば、冷房または除霜を行なう場合となり、第1冷凍サイクルユニット200-1および第2冷凍サイクルユニット200-2は冷熱源として作用する。
なお、冷凍サイクルユニット200-nも冷凍サイクルユニット200-1,200-2と同様な構成であるので、説明は繰返さない。
熱源機2と負荷装置3とは、水を流通させる配管4,5によって接続されている。負荷装置3は、室内機30と、室内機40と、室内機50とを含む。室内機30,40,50は、互いに並列的に配管4と配管5との間に接続されている。
室内機30は、熱交換器31と、室内空気を熱交換器31に送るためのファン32と、水の流量を調整する流量調整弁33とを含む。熱交換器31は、水と室内空気との熱交換を行なう。
室内機40は、熱交換器41と、室内空気を熱交換器41に送るためのファン42と、水の流量を調整する流量調整弁43とを含む。熱交換器41は、水と室内空気との熱交換を行なう。
室内機50は、熱交換器51と、室内空気を熱交換器51に送るためのファン52と、水の流量を調整する流量調整弁53とを含む。熱交換器51は、水と室内空気との熱交換を行なう。
なお、ポンプ6と、直列接続された熱交換器16,26などを含むn台の熱交換器と、互いに並列接続された熱交換器31、熱交換器41、熱交換器51と、によって水を利用した水回路が形成されている。また、本実施の形態においては2台の冷凍サイクルユニットと3台の室内機を有する空気調和装置を例に挙げている。ただし、室内機の数は3台以上であっても良く、1台であってもよい。
冷凍サイクルユニット200-1~200-nに分散配置された制御部7-1~7-nは、制御装置100と連携して動作する。制御装置100は、図示しないリモコン等からの設定と、圧力センサおよび温度センサの出力とに応じて制御部7-1~7-nを通じて圧縮機11,21、四方弁12,22、ファン14,24、電子膨張弁15,25を制御する。
また、負荷装置3は、室内機30,40,50にそれぞれ対応する制御部34,44,54を備える。制御部34,44,54は、流量調整弁33,43,53およびファン32,42,52をそれぞれ制御する。
なお、制御部7-1,7-2,34,44,54のいずれか1つが制御装置100として制御を行なっても良い。その場合制御装置100は、他の制御部が検出したデータに基づいて圧縮機11,21、四方弁12,22、ファン14,24、電子膨張弁15,25,ポンプ6、流量調整弁33,43,53およびファン32,42,52を制御してもよい。
図2は、空気調和装置の制御を行なう制御装置と制御装置を遠隔制御するリモコンの構成を示す図である。図2を参照して、リモコン300は、入力装置301と、プロセッサ302と、送信装置303とを含む。入力装置301は、ユーザーが室内機のON/OFFを切り替える押しボタン、設定温度を入力するボタン等を含む。送信装置303は、制御装置100と通信を行なうためのものである。プロセッサ302は、入力装置301から与えられた入力信号に従って、送信装置303を制御する。
制御装置100は、リモコンからの信号を受信する受信装置101と、プロセッサ102と、メモリ103とを含む。
メモリ103は、たとえば、ROM(Read Only Memory)と、RAM(Random Access Memory)と、フラッシュメモリとを含んで構成される。なお、フラッシュメモリには、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、各種のデータが記憶される。
プロセッサ102は、冷凍サイクル装置1の全体の動作を制御する。なお、図1に示した制御装置100は、プロセッサ102がメモリ103に記憶されたオペレーティングシステムおよびアプリケーションプログラムを実行することにより実現される。なお、アプリケーションプログラムの実行の際には、メモリ103に記憶されている各種のデータが参照される。受信装置101は、リモコン300との通信を行なうためのものである。複数の室内機がある場合には、受信装置101は複数の室内機の各々に設けられる。
なお、図1に示すように制御装置が複数の制御部に分割されている場合には、複数の制御部の各々にプロセッサが含まれる。このような場合には、複数のプロセッサが連携して冷凍サイクル装置1の全体制御を行なう。
図3は、冷凍サイクル装置の起動時のサーモオフの発生について説明するための図である。図3において、横軸には時間が示され、上から順に水温、圧縮機の合計周波数、ユニットの運転台数が示されている。
冷凍サイクルユニットを図1に示すように複数台直列接続した連結設置条件において、冷房を行なうように冷凍サイクル装置1を起動すると、時刻t51において全体の冷凍サイクルユニットのうち予め定められた台数が運転を開始し、水温が低下し始める。予め定められた台数が1台である例が図3に示される。
時刻t51~t52においては、1台の冷凍サイクルユニットが運転し、他の冷凍サイクルユニットは停止している。運転開始する冷凍サイクルユニットは、運転周波数を0から徐々に増加させる。いきなり1台あたりの上限周波数fmaxで圧縮機を回すと、運転開始時に圧縮機内に溜まっている冷媒が排出される際に、冷凍機油も圧縮機から排出されてしまい、圧縮機がその後潤滑不足に陥るおそれあるからである。そこで、圧縮機の運転開始時には、徐々に周波数を上げていく必要がある。運転周波数を増加させると、冷凍サイクルユニットの熱媒体を冷却する能力は増加する。
時刻t52において、運転中の冷凍サイクルユニットの圧縮機周波数が最大となっても目標水温に到達しない場合、冷凍サイクルユニットを追加で起動することによって、水温を目標水温に到達させる。図3の例では、時刻t52において水温T52は目標水温よりもまだ高いので、さらに2台運転が追加され時刻t52~t53では運転中の冷凍サイクルユニットの運転台数は3台となっている。
運転中となった3台のうち2台は、運転開始時である時刻t52以降、圧縮機の運転周波数が0から次第に増加する。3台の冷凍サイクル装置の熱媒体を冷却する能力の合計は、3台の圧縮機の運転周波数の合計で決まる。
時刻t53では、水温が目標水温まで低下し、サーモオフ状態となり、時刻t53以降は、運転台数がゼロになり、圧縮機の運転周波数の合計もゼロになっている。
このような起動方式では、最初に運転開始した冷凍サイクルユニットの圧縮機周波数が最大となるまでは、冷凍サイクルユニットの運転台数を増加しないので、目標水温に到達するまでの時間がかかる。また、追加で起動させるユニット台数は、それまでの水温変化を考慮せずに予め2台に決定されている。その結果、時刻t52以降は3台運転に固定されている。このため、ユニット運転台数が過剰となり、時刻t53において冷却しすぎによるサーモオフが発生してしまう。サーモオフにより圧縮機が停止されると水温が急激に上昇する。このような水温の変動は、冷房時のユーザーの快適性を損なう。
そこで、本実施の形態では、制御装置100は、時刻t52において温度センサ8が検出する水温と目標水温との差を見て、追加起動する冷凍サイクルユニットの運転台数を決める。
図4は、実施の形態1において制御装置100が実行する運転台数決定処理を説明するためのフローチャートである。制御装置100は、リモコン等から起動指令を受けた場合、タイマーで設定されている起動時刻になった場合などの冷凍サイクル装置1の起動時である場合(S1でYES)、ステップS2において冷凍サイクルユニットの運転台数を初期運転台数に設定する。初期運転台数は、n台の冷凍サイクルユニットの一部であれば何台でも良いが、図5以降の例では、1台である場合が示されている。
起動時でない場合(S1でNO)、制御装置は、起動時からの経過時間がΔTP1であるか否かを判断する。経過時間がΔTP1である場合(S3でYES)、制御装置100は、ステップS4において、必要ユニット台数Nを算出する。そして、制御装置100は、ステップS5において、運転台数がN台となるように冷凍サイクルユニットの運転台数を調整する。
経過時間がΔTP1ではない場合(S3でNO)、すなわち、起動時から経過時間がΔTP1に至る前と、経過時間がΔTP1よりも長い場合には、制御装置100は、現在運転中の冷凍サイクルユニットの運転台数を維持する。
図5は、実施の形態1において冷房運転が実行される場合におけるユニット台数の調整例を示す図である。図5には、上から圧縮機の運転周波数の合計の周波数Σf、水温Tw(t)、冷凍サイクルユニットの運転台数が示されている。
また中段の水温には、目標水温TwOと、その目標水温に至るまでの過程の各時刻における目標水温である中間目標水温TwmO(t)とが水温Tw(t)以外に示されている。なお、表記の簡単のために、各時刻t1,t2,t3における水温Tw(t1),Tw(t2),Tw(t3)をそれぞれTw1,Tw2,Tw3と記載している。
図1、図5を参照して、冷凍サイクル装置1は、それぞれが冷媒を使用する互いに独立した冷媒回路を有し、共通する熱媒体の循環路に配置され、熱媒体の温度を制御する複数の冷凍サイクルユニット200-1~200-nを備える。冷凍サイクル装置1は、さらに、熱媒体の循環路における熱媒体の温度を検出する温度センサ8と、複数の冷凍サイクルユニット200-1~200-nの運転台数を制御する制御装置100とを備える。
制御装置100は、冷凍サイクル装置1が冷房運転を開始した第1時刻t1において、運転台数を初期運転台数に設定する。図5の例では、初期運転台数は1台である。
制御装置100は、第1時刻t1において温度センサ8によって検出される熱媒体の温度Tw1と目標温度TwOとの差に基づいて、第1時刻t1よりも後の第2時刻t2における熱媒体の温度Twの中間目標変化量ΔTmO(=Tw2-TwmO)を決定する。
制御装置100は、第2時刻t2よりも後の第3時刻t3において温度センサ8で検出される熱媒体の温度Tw3が目標温度TwOに近づくように、温度センサ8で検出された第1時刻t1から第2時刻t2までに生じる熱媒体の温度変化量ΔT(=Tw1-Tw2)と中間目標変化量ΔTmOとの差に応じて運転台数を調整する。
制御装置100は、温度変化量ΔTと中間目標変化量ΔTmOとの差に基づいて、第2時刻t2における冷凍サイクルユニットの運転台数の変更台数を決定する。
制御装置100は、冷凍サイクルユニットの追加起動の可否判定を下式(1)に基づいて実施する。目標時間t3における目標水温TwOと起動前水温Tw1との差から求めた、経過時間に対応する目標温度TwmO(t)に対して、現在水温Tw2の方が高い場合は、制御装置100は、冷凍サイクルユニットの追加起動が可能と判断する。目標温度TwmO(t)は、図5では破線の直線で示されている。
Tw2>(TwO-Tw1)/(t3-t1)×(t2-t1)+Tw1 …(1)
言い換えると、以下のような関係が言える。温度センサ8は、第1時刻t1において第1温度Tw1を検出し、第1時刻t1から第1時間ΔTP1が経過した第2時刻t2において第2温度Tw2を検出する。
Tw2>(TwO-Tw1)/(t3-t1)×(t2-t1)+Tw1 …(1)
言い換えると、以下のような関係が言える。温度センサ8は、第1時刻t1において第1温度Tw1を検出し、第1時刻t1から第1時間ΔTP1が経過した第2時刻t2において第2温度Tw2を検出する。
制御装置100は、第2時刻t2において、第1時刻t1から第2時刻t2までに生じる熱媒体の温度変化量ΔTの大きさ|Tw2-Tw1|を算出する。制御装置100は、温度変化量ΔTの大きさ|Tw2-Tw1|が、中間目標変化量ΔTmOよりも小さい場合(矢印A1で示される)には、運転台数を初期運転台数よりも増加させる。
なお、図5においては|Tw2-Tw1|<ΔTmOの場合が示され、水温Tw2は直線で示されるTwmO(t2)よりも上に位置している。
より好ましくは、温度変化量ΔTの大きさ|Tw2-Tw1|が、中間目標変化量ΔTmOよりも大きい場合(矢印B1で示される)には、可能な場合には、運転台数を初期運転台数よりも減少させる。なお、図5に示した例では、運転台数を増加させる例を示しているが、|Tw2-Tw1|>ΔTmOの場合は、水温Tw2は直線で示されるTwmO(t2)よりも下に位置する。また、図5の例では初期運転台数が1台であるので、運転台数を減少させることはできないが、初期運転台数が複数台に設定されている場合には、運転台数を減少させることができる。
より好ましくは、中間目標変化量ΔTmOは、第1時刻t1から第3時刻t3に至る間、第1温度Tw1から目標温度TwOまで一定の温度勾配で熱媒体の温度が変化するとした場合の第2時刻t2における熱媒体の温度TwO(t2)まで、熱媒体の温度が第1温度Tw1から変化した変化量である。
上記の関係を図5から導出する。時刻t1~t2における熱媒体(水)の温度変化量は、(Tw2-Tw1)で示される。この変化が時刻t1~t2において圧縮機で使用されたエネルギーによるものであると考える。時刻t1~t2において圧縮機で使用されたエネルギーは、圧縮機の運転周波数の積分値に比例すると考える。
また、時刻t2~t3における熱媒体(水)の温度変化量は、(Tw3-Tw2)で示される。この変化が時刻t2~t3において圧縮機で使用されたエネルギーによるものであると考える。時刻t2~t3において圧縮機で使用されたエネルギーは、圧縮機の運転周波数の積分値に比例すると考える。すると、以下の関係が成立する。
(Tw2-Tw1):∫f(t1~t2)=(Tw3-Tw2):∫f(t2~t3) …(2)
式(2)において、∫f(t1~t2)は、時刻t1から時刻t2までの周波数fの積分値を示す。∫f(t2~t3)は、時刻t2から時刻t3までの周波数fの積分値を示す。
(Tw2-Tw1):∫f(t1~t2)=(Tw3-Tw2):∫f(t2~t3) …(2)
式(2)において、∫f(t1~t2)は、時刻t1から時刻t2までの周波数fの積分値を示す。∫f(t2~t3)は、時刻t2から時刻t3までの周波数fの積分値を示す。
式(2)を変形すると、以下の式(3)が得られる。
∫f(t2~t3)=∫f(t1~t2)×(Tw3-Tw2)/(Tw2-Tw1) …(3)
また、時刻t2~t3における圧縮機周波数の平均値をfaveとすると、以下の式(4)の関係がある。
fave=∫f(t2~t3)/(t3-t2) …(4)
ここで、時刻t2以降において運転すべき冷凍サイクルユニットの台数は下式(5)(6)に基づき算出できる。
N=fave/fm …(5)
式(3)(4)(5)から下式(6)が導かれる。
N=∫f(t1~t2)×(Tw3-Tw2)/(Tw2-Tw1)/(t3-t2)/fm …(6)
ただし、Nは整数であるので、小数点以下は切り上げとする。
∫f(t2~t3)=∫f(t1~t2)×(Tw3-Tw2)/(Tw2-Tw1) …(3)
また、時刻t2~t3における圧縮機周波数の平均値をfaveとすると、以下の式(4)の関係がある。
fave=∫f(t2~t3)/(t3-t2) …(4)
ここで、時刻t2以降において運転すべき冷凍サイクルユニットの台数は下式(5)(6)に基づき算出できる。
N=fave/fm …(5)
式(3)(4)(5)から下式(6)が導かれる。
N=∫f(t1~t2)×(Tw3-Tw2)/(Tw2-Tw1)/(t3-t2)/fm …(6)
ただし、Nは整数であるので、小数点以下は切り上げとする。
すなわち、目標水温差(=Tw3-Tw2)だけ水温を変化させるのに必要な起動ユニットの圧縮機周波数の合計値の積分値∫f(t2~t3)を時間で平均する。この平均した値を1ユニットの最大周波数fmで割ることで、目標時刻t3において目標水温TwOに到達させるために必要なユニット台数Nが求まる。
図6は、実施の形態1において暖房運転が実行される場合におけるユニット台数の調整例を示す図である。図6には、上から圧縮機の運転周波数の合計の周波数Σf、水温Tw(t)、冷凍サイクルユニットの運転台数が示されている。
また中段の水温には、目標水温TwOと、その目標水温に至るまでの過程の各時刻における目標水温である中間目標水温TwmO(t)とが水温Tw(t)以外に示されている。なお、表記の簡単のために、各時刻t11,t12,t13における水温Tw(t11),Tw(t12),Tw(t13)をそれぞれTw11,Tw12,Tw13と記載している。
図1、図6を参照して、制御装置100は、冷凍サイクル装置1が暖房運転を開始した第1時刻t11において運転台数を初期運転台数に設定する。図6の例では、初期運転台数は1台である。
制御装置100は、第1時刻t11において温度センサ8によって検出される熱媒体の温度Tw11と目標温度TwOとの差に基づいて、第1時刻t11よりも後の第2時刻t12における熱媒体の温度の中間目標変化量ΔTmOを決定する。
制御装置100は、第2時刻t12よりも後の第3時刻t13において温度センサ8で検出される熱媒体の温度Twが目標温度TwOに近づくように、温度センサ8で検出された第1時刻t11から第2時刻t12までに生じる熱媒体の温度変化量ΔT(=Tw11-Tw12)と中間目標変化量ΔTmOとの差に応じて運転台数を調整する。
制御装置100は、温度変化量ΔT(=Tw11-Tw12)と図6に示す中間目標変化量ΔTmOとの差に基づいて、第2時刻t12における冷凍サイクルユニットの運転台数の変更台数を決定する。
制御装置100は、冷凍サイクルユニットの追加起動の可否判定を下式(7)に基づいて実施する。目標時間t13における目標水温TwOと起動前水温Tw11との差から求めた、経過時間に対応する目標温度TwmO(t)に対して、現在水温Tw12の方が低い場合は、制御装置100は、冷凍サイクルユニットの追加起動が可能と判断する。目標温度TwmO(t)は、図6では破線の直線で示されている。
Tw12<(TwO-Tw11)/(t13-t11)×(t12-t11)+Tw11 …(7)
温度センサ8は、第1時刻t11において第1温度Tw11を検出し、第1時刻t11から第1時間ΔTP1が経過した第2時刻t12において第2温度Tw12を検出する。
Tw12<(TwO-Tw11)/(t13-t11)×(t12-t11)+Tw11 …(7)
温度センサ8は、第1時刻t11において第1温度Tw11を検出し、第1時刻t11から第1時間ΔTP1が経過した第2時刻t12において第2温度Tw12を検出する。
制御装置100は、温度変化量ΔTの大きさ|Tw12-Tw11|が、中間目標変化量ΔTmOよりも小さい場合(矢印A2で示される)には、運転台数を初期運転台数よりも増加させる。
なお、図6においては|Tw12-Tw11|<ΔTmOの場合が示され、水温Tw12は直線で示されるTwmO(t2)よりも下に位置している。
より好ましくは、制御装置100は、温度変化量ΔTの大きさ|Tw12-Tw11|が、中間目標変化量ΔTmOよりも大きい場合(矢印B2で示される)には、可能な場合には、運転台数を初期運転台数よりも減少させる。なお、図6に示した例では、運転台数を増加させる例を示しているが、|Tw2-Tw1|>ΔTmOの場合は、水温Tw12は直線で示されるTwmO(t2)よりも上に位置する。また、図6の例では初期運転台数が1台であるので、運転台数を減少させることはできないが、初期運転台数が複数台に設定されている場合には、運転台数を減少させることができる。
より好ましくは、中間目標変化量ΔTmOは、第1時刻t11から第3時刻t13に至る間、第1温度Tw11から目標温度TwOまで一定の温度勾配で熱媒体の温度が変化するとした場合の第2時刻t12における熱媒体の温度TwO(t12)まで、熱媒体の温度が第1温度Tw11から変化した変化量である。
上記の関係を図6から導出する。時刻t11~t12における熱媒体(水)の温度変化量は、(Tw12-Tw11)で示される。この変化が時刻t11~t12において圧縮機で使用されたエネルギーによるものであると考える。時刻t11~t12において圧縮機で使用されたエネルギーは、圧縮機の運転周波数の積分値に比例すると考える。
また、時刻t12~t13における熱媒体(水)の温度変化量は、(Tw13-Tw12)で示される。この変化が時刻t2~t3において圧縮機で使用されたエネルギーによるものであると考える。時刻t12~t13において圧縮機で使用されたエネルギーは、圧縮機の運転周波数の積分値に比例すると考える。すると、以下の関係が成立する。
(Tw12-Tw11):∫f(t11~t12)=(Tw13-Tw12):∫f(t12~t13) …(8)
式(8)において、∫f(t11~t12)は、時刻t1から時刻t2までの周波数fの積分値を示す。∫f(t12~t13)は、時刻t2から時刻t3までの周波数fの積分値を示す。
(Tw12-Tw11):∫f(t11~t12)=(Tw13-Tw12):∫f(t12~t13) …(8)
式(8)において、∫f(t11~t12)は、時刻t1から時刻t2までの周波数fの積分値を示す。∫f(t12~t13)は、時刻t2から時刻t3までの周波数fの積分値を示す。
式(8)を変形すると、以下の式(9)が得られる。
∫f(t12~t13)=∫f(t11~t12)×(Tw13-Tw12)/(Tw12-Tw11) …(9)
また、時刻t12~t13における圧縮機周波数の平均値をfaveとすると、以下の式(10)の関係がある。
fave=∫f(t12~t13)/(t13-t12) …(10)
ここで、時刻t12以降において運転すべき冷凍サイクルユニットの台数は下式(11)(12)に基づき算出できる。
N=fave/fm …(11)
式(9)(10)(11)から下式(12)が導かれる。
N=∫f(t11~t12)×(Tw13-Tw12)/(Tw12-Tw11)/(t13-t12)/fm …(12)
ただし、Nは整数であるので、小数点以下は切り上げとする。
∫f(t12~t13)=∫f(t11~t12)×(Tw13-Tw12)/(Tw12-Tw11) …(9)
また、時刻t12~t13における圧縮機周波数の平均値をfaveとすると、以下の式(10)の関係がある。
fave=∫f(t12~t13)/(t13-t12) …(10)
ここで、時刻t12以降において運転すべき冷凍サイクルユニットの台数は下式(11)(12)に基づき算出できる。
N=fave/fm …(11)
式(9)(10)(11)から下式(12)が導かれる。
N=∫f(t11~t12)×(Tw13-Tw12)/(Tw12-Tw11)/(t13-t12)/fm …(12)
ただし、Nは整数であるので、小数点以下は切り上げとする。
すなわち、目標水温差(=Tw13-Tw12)だけ水温を変化させるのに必要な起動ユニットの圧縮機周波数の合計値の積分値∫f(t12~t13)を時間で平均する。この平均した値を1ユニットの最大周波数fmで割ることで、目標時刻t13において目標水温TwOに到達させるために必要なユニット台数Nが求まる。
以上説明したように、実施の形態1では、目標時刻に熱媒体の温度をちょうど目標温度にするために、中間時刻において1度、冷凍サイクル装置に運転台数の適否を判断し、運転台数に過不足がある場合には、運転台数を調整する。このために、能力不足による目標温度の未達を避けつつ、過剰能力によって途中でサーモオフが発生することによる熱媒体の温度変動も避けることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、目標時間までに1度、運転台数の見直しを行なう例を説明した。これにより、負荷装置の状態を反映させて運転台数を調整し、サーモオフの発生を抑えることができる。実施の形態2では、初回の調整は同様に実行するが、その後も運転台数の調整を実行する例を説明する。なお、実施の形態2の冷凍サイクル装置の構成については、図1に示す構成と同様であるため、説明は繰返さない。
実施の形態1では、目標時間までに1度、運転台数の見直しを行なう例を説明した。これにより、負荷装置の状態を反映させて運転台数を調整し、サーモオフの発生を抑えることができる。実施の形態2では、初回の調整は同様に実行するが、その後も運転台数の調整を実行する例を説明する。なお、実施の形態2の冷凍サイクル装置の構成については、図1に示す構成と同様であるため、説明は繰返さない。
図7は、実施の形態2において制御装置100が実行する運転台数決定処理を説明するためのフローチャートである。図7のフローチャートは、実施の形態1の処理を示す図4のフローチャートに、ステップS6~S8の処理が追加されている。ステップS1~S5の処理については、図4で説明しているので、ここでは説明は繰り返さない。
ステップS3において、経過時間がΔTP1と一致しない場合(S3でNO)、制御装置100は、ステップS6において、経過時間がΔTP1よりも長いか否かを判断する。経過時間>ΔTP1である場合(S6でYES)、制御装置100は、ステップS7において水温が目標温度TwOに一度でも到達したことがあるか否かを判断する。
水温が目標温度TwOに一度でも到達したことがある場合(S7でYES)、制御装置100は、ステップS8に処理を進め、冷凍サイクル装置の運転台数の調整を完了する。この場合、このタイミング以降は、調整完了した台数固定で、目標時刻までの運転が実行される。
一方、水温が目標温度TwOに一度も到達したことがない場合(S7でNO)、制御装置100は、ステップS4に処理を進め、必要ユニット台数Nの算出を再び実行し、ステップS5において、N台の冷凍サイクルユニットが運転中となるように、運転台数を調整する。
なお、ステップS6において、経過時間がまだΔTP2に至る前であれば(S6でNO)、運転台数の調整は行なわれずに、初期運転台数のまま、冷凍サイクル装置の運転状態が維持される。
図8は、実施の形態2において冷房運転が実行される場合におけるユニット台数の調整例を示す図である。図8には、上から圧縮機の運転周波数の合計の周波数Σf、水温Tw(t)、冷凍サイクルユニットの運転台数が示されている。
また中段の水温には、目標水温TwOと、その目標水温に至るまでの過程の各時刻における目標水温である中間目標水温TwmO(t)とが水温Tw(t)以外に示されている。なお、表記の簡単のために、各時刻t21~t25における水温Tw(t21)~Tw(t25)をそれぞれTw21~Tw25と記載している。
制御装置100は、冷凍サイクル装置1が冷房運転を開始した第1時刻t21において、運転台数を初期運転台数に設定する。図8の例では、初期運転台数は1台である。
制御装置100は、第1時刻t21において温度センサ8によって検出される熱媒体の温度Tw21と目標温度TwOとの差に基づいて、第1時刻よりも後の第2時刻t22における熱媒体の温度の中間目標変化量ΔTmOを決定する。
制御装置100は、第2時刻t22よりも後の第3時刻t25において温度センサ8で検出される熱媒体の温度Twが目標温度TwOに近づくように、温度センサ8で検出された第1時刻t21から第2時刻t22までに生じる熱媒体の温度変化量ΔT(=Tw21-Tw22)と中間目標変化量ΔTmOとの差に応じて運転台数を調整する。
制御装置100は、温度変化量ΔT(=Tw21-Tw22)と中間目標変化量ΔTmOとの差に基づいて、第2時刻t22における冷凍サイクルユニットの運転台数の変更台数を決定する。この場合も、変更台数は、図5の場合と同様な方法で決定される。
言い換えると、以下のような関係が言える。温度センサ8は、第1時刻t21において第1温度Tw21を検出し、第1時刻t21から第1時間ΔTP1が経過した第2時刻t22において第2温度Tw22を検出する。制御装置100は、温度変化量ΔTの大きさ|Tw22-Tw21|が、中間目標変化量ΔTmOよりも小さい場合には、運転台数を初期運転台数よりも増加させる。
なお、図8においてはΔT=|Tw22-Tw21|<ΔTmOの場合が示され、水温Tw22は直線で示されるTwmO(t22)よりも上に位置している。
さらに好ましくは、図8に示すように、制御装置100は、第2時刻t22と第3時刻t25との間の中間時刻t23において、中間時刻t23に対応する中間目標変化量TwO(t23)を算出し、算出した中間目標変化量ΔTmO(t23)と中間時刻t23における熱媒体の温度Tw23とに基づいて運転台数を調整する。このとき、破線の直線で示された中間目標水温TwmOは更新され、グラフ上において点を(時刻,水温)で示すとき、(t22,Tw22)と(t25,TwO)を結ぶ破線の直線に変更される。
なお、図8においてはΔT=|Tw23-Tw22|<ΔTmO(t23)の場合が示され、水温Tw23は直線で示されるTwmO(t23)よりも上に位置している。その結果、制御装置100は、時刻t23において冷凍サイクルユニットの運転台数を2台から3台に増加させる。
また、次の更新時刻である時刻t24でも、破線の直線で示された中間目標水温TwmOは更新され、グラフ上において点を(時刻,水温)で示すとき、(t23,Tw23)と(t25,TwO)を結ぶ破線の直線に変更される。図8においては、ΔT=|Tw24-Tw23|=ΔTmO(t24)となっているため、ユニット台数は以降は3台に固定される。
なお、図5、図6、図8においては、運転台数が1台ずつ変更される例を示したが、本実施の形態によれば、冷房負荷または暖房負荷が大きく、時刻t2,t12,t22において、温度変化量ΔTと中間目標変化量ΔTmOとの差が開いた場合には、差に応じて増加台数がさらに増加され、運転台数の増加量は2台以上に変化する。
水温変化は、熱源機における冷却能力または暖房能力と水側負荷との差分が水に与えられることで生じる。目標時間で目標水温に到達するか否かは、本来これらの複雑な熱量バランスを解かないと分からない。しかし、実施の形態1および2では、水温変化量と圧縮機周波数合計値の積算値を用いることで、間接的に熱量バランスを考慮したうえで、必要なユニット台数を算出可能となる。
実施の形態1および2では、目標時間で目標水温に到達するのに必要な冷凍サイクルユニットの起動台数が分かるため、目標時間において水温をより目標水温に近づけることが可能となる。また、追加のユニット起動台数を適正台数とすることができ、水の過剰な冷却を防止し、快適性を確保できる。
なお、図1に示した構成では、熱源機2と負荷装置3とポンプ6と温度センサ8とに分かれている構成であるが、熱源機2のうち、熱交換器16,26を分離させ、ポンプ6および温度センサ8と合わせて中継機としてもよい。また、制御装置100は、熱源機2、負荷装置3のいずれにその主要部が配置されても良い。また、熱媒体が水である例を説明したが、熱媒体は熱を運ぶ媒体であれば他の物であっても良い。たとえば、水に変えてブラインなどを使用しても良い。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 冷凍サイクル装置、2 熱源機、3 負荷装置、4,5 配管、6 ポンプ、7,34,44,54 制御部、8 温度センサ、11,21 圧縮機、12,22 四方弁、13,16,23,26,31,41,51 熱交換器、14,24,32,42,52 ファン、15,25 電子膨張弁、30,40,50 室内機、33,43,53 流量調整弁、100 制御装置、101 受信装置、102,302 プロセッサ、103 メモリ、200-1~200-n 冷凍サイクルユニット、300 リモコン、301 入力装置、303 送信装置。
Claims (6)
- 冷凍サイクル装置であって、
それぞれが冷媒を使用する互いに独立した冷媒回路を有し、共通する熱媒体の循環路に配置され、前記熱媒体の温度を制御する複数の冷凍サイクルユニットと、
前記熱媒体の循環路における前記熱媒体の温度を検出する温度センサと、
前記複数の冷凍サイクルユニットの運転台数を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記冷凍サイクル装置が冷房運転または暖房運転を開始した第1時刻において前記運転台数を初期運転台数に設定し、
前記制御装置は、前記第1時刻において前記温度センサによって検出される前記熱媒体の温度と目標温度との差に基づいて、前記第1時刻よりも後の第2時刻における前記熱媒体の温度の中間目標変化量を決定し、
前記制御装置は、前記第2時刻よりも後の第3時刻において前記温度センサで検出される前記熱媒体の温度が前記目標温度に近づくように、前記温度センサで検出された前記第1時刻から前記第2時刻までに生じる前記熱媒体の温度変化量と前記中間目標変化量との差に応じて前記運転台数を調整する、冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記温度変化量と前記中間目標変化量との差に基づいて、前記第2時刻における前記運転台数の変更台数を決定する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記制御装置は、前記温度変化量の大きさが、前記中間目標変化量よりも小さい場合には、前記運転台数を前記初期運転台数よりも増加させる、請求項2に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記制御装置は、前記温度変化量の大きさが、前記中間目標変化量よりも大きい場合には、前記運転台数を前記初期運転台数よりも減少させる、請求項3に記載の冷凍サイクル装置。
- 前記温度センサは、前記第1時刻において第1温度を検出し、
前記中間目標変化量は、前記第1時刻から前記第3時刻に至る間、前記第1温度から前記目標温度まで一定の温度勾配で前記熱媒体の温度が変化するとした場合の前記第2時刻における前記熱媒体の温度まで、前記熱媒体の温度が前記第1温度から変化した変化量である、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。 - 前記制御装置は、前記第2時刻と前記第3時刻との間の中間時刻において、前記中間時刻に対応する中間目標変化量を算出し、算出した中間目標変化量と前記中間時刻における前記熱媒体の温度とに基づいて前記運転台数を調整する、請求項1に記載の冷凍サイクル装置。
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