JPH0331977B2

JPH0331977B2 -

Info

Publication number: JPH0331977B2
Application number: JP56006935A
Authority: JP
Inventors: Toyoji Tsuda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-01-20
Filing date: 1981-01-20
Publication date: 1991-05-09
Also published as: JPS57120042A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、蒸気・水四管式空気調和機に適用す
る空気調和機の制御方法に関するものである。

近年、地域冷暖房の普及により、それらの地域
の空気調和機には蒸気・水四管式のものが多用さ
れている。このような空気調和機の制御系の代表
的な構成例を第１図に示す。

第１図の空気調和機制御系には、排気ダンパ１
ａ、環気ダンパ１ｂおよび外気取入ダンパ１ｃが
設けられている。これらの各ダンパは外気取入量
制御装置２によつて開度制御が行われる。さらに
この空気調和機には冷却用冷水コイル３、加熱用
蒸気コイル４および加湿装置５が設けられてい
る。冷却コイル３および蒸気コイル４は、室温セ
ンサ−１０および室温設定器１２からの信号に基
づきコイル制御装置６を介して制御弁３ａないし
４ａにより温度制御のための冷水流量ないし蒸気
流量の制御が行われる。加湿装置５は室湿センサ
ー１１および室湿設定器１３からの信号に基づき
湿度制御装置７を介して制御弁５ａにより加湿制
御を行う。

室内への給気は給気用フアン８により、また室
内からの排気は排気用フアン９によりそれぞれ行
われる。なお、外気冷房を行う場合は、外気雰囲
気中に設けられたセンサー１４により外気エンタ
ルピまたは湿度を測定し、判定装置１５により外
気冷房の適否が判定される。これらの制御装置
中、湿度制御系は独立しているが、冷水コイル３
および蒸気コイル４を含む温度制御系はコイル制
御装置６により両コイルのうちのいずれか一方の
みが作動され、外気取入ダンパ１ｂを含む外気取
入系は判定装置１５の判定結果に基づいて温度制
御系と連動して制御される。

第１図の装置における従来の制御方式を、第２
図を参照して説明する。

まず室温センサー１０の検出温度および室温設
定器１２の設定温度の間の偏差ΔTの正負に従
い、コイル制御装置６により冷水コイル３または
蒸気コイル４が選択され、制御弁３ａまたは４ａ
のいずれかが開放制御される。室温と設定温度と
の間の偏差ΔTの正負および大きさに従、ΔT＞
０のときは冷水コイル用制御弁３ａが、またΔT
＜０のときは蒸気コイル用制御弁４ａがそれぞれ
図示の特性線ａまたはｂに従つて開度制御され
る。なお、図からも判る通り、ΔT＞０のとき制
御弁４ａは全閉、ΔT＜０のとき制御弁３ａは全
閉である。また、判定装置１５により外気冷房が
許可された場合は、制御弁３ａが開く前に外気取
入ダンパー１ｃが外気取入制御装置２を介して特
性線ｃに従つて開度制御される。外気冷房不許可
の場合は、比較的小さな一定の弁開度の特性線ｄ
に従つて外気取入ダンパー１ｃは一定量の外気を
確保する。

第２図の特性に従う制御方式は、外気冷房の可
能な条件にある場合はまず外気を取入れてバラン
ス点を探し、もし外気冷房不許可であれば、特性
線ｄに対応する或る一定量の所までは外気でまか
ない、その不足分を冷水コイルでまかなつて冷却
しようという考え方に基づく制御方式であり、必
ずしも最少エネルギーコストの制御方式とは言え
ない。特に外気エンタルピが、給気エンタルピ以
上で、しかも室内エンタルピ以下である場合は、
バランスをとりにくく、現在ではこの範囲では外
気冷房は出来ないとされている。さらに湿度制御
は、温度制御とは別の系統で、独立に行つている
ので、外気冷房時は実質的に湿度制御が出来ない
場合が多く、やはり一定の絶対湿度以下でなけれ
ば外気冷房不可としている。

したがつて本発明の目的は、特に夏期の高温多
湿時、すなわち日本の気候上出現頻度の多い気温
17〜26℃、相対湿度90〜50％程度の気候時にも外
気を有効に利用して出来るだけ低コストの運転を
行い得る空気調和機の制御方法を提供することに
ある。さらに本発明の目的は、上記時期のみなら
ず、通年空調における外気取入、冷却・加熱およ
び加湿を有機的に関連づけて制御し、総合エネル
ギーコストを最少とする空気調和機の制御方法を
提供することにある。

これらの目的を達成するため本発明は、外気お
よび還気の温度および湿度と、前記外気および還
気の混合率とから求まる最少外気における混合気
の絶対湿度を、設定室温における許容湿度範囲か
ら顕熱比線と飽和水蒸気曲線との交点で求められ
る許容絶対湿度範囲と比較し、この比較結果に基
づいて得られる複数の給気状態点でそれぞれ送風
コスト、冷却コストもしくは加熱コスト、および
加湿コストを計算し、これら各コストの総和が最
小となる給気状態点を求めて外気取入量、送風
量、冷却量もしくは加熱量、および加湿量を決定
するようにしたものである。

以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説
明する。

第３図は本発明の方法を実施するためのシステ
ム構成を示すものである。ここで第１図のものと
同一の符号は同一構成部分を示すものであり、そ
れらの説明は省略する。各種の制御装置は一体の
デイジタル制御装置２０としてまとめられ、各ダ
ンパ１ａ，１ｂ，１ｃ、制御弁３ａ，４ａ，５ａ
およびフアン風量制御装置８ａ，９ａを一括制御
する。フアン風量制御装置８ａ，９ａはそれぞれ
給気用フアン８ないし排気用フアン９の風量を制
御する。外気の温度および湿度はそれぞれ温度セ
ンサー１４ａないし湿度センサー１４ｂで測定さ
れ、給気の温度および湿度はそれぞれ温度センサ
ー１６ａないし湿度センサーによつて測定され、
それぞれデイジタル制御装置２０の内部でエンタ
ルピ変換される。

ところで、人間が感ずる快適な空調というのは
温度と湿度の組合せにより或る範囲をもつて決定
される。例えば、或る湿度の範囲内では、温度に
よつて決定される。このことを、湿り空気線図す
なわちｔ−ｘ線図を用いて第４図に基づき説明す
ると、範囲ｆで示される区域であれば快適性が維
持される。例えば、温度Ｐの設定点であれば、
P_nax〜P_nioの範囲に湿度が納まればよく、この範
囲から外れたときに初めて湿度制御をすればよい
ことになる。

なお、湿度の表現には絶対湿度と相対湿度の二
つがあるが、この明細書では特に相対湿度
（RH）と注釈を付けずに単に湿度と言つた場合
には絶対湿度を表わすものとする。

快適範囲の表現例としては、例えば相対湿度70
〜40％RHとか、絶対湿度0.015（Kg／KgDA）以下
とか、温度22〜26℃などがあり得る。

さて、最少コストの空調を行うには、 (1) 外気が利用できる場合はそれを最大限に利用
する。

(2) 外気の混合を行つた空気は絶対湿度を変えな
いで、つまり除湿しないで、使用する。

(3) 空調コストには送風コスト、冷却コスト、加
熱コスト、および加湿コストがあり、空調コス
トは、これら個々のコストの総和で決まる。

(4) 現在の給気、還気、温度および湿度、ならび
に送風量により、顕熱比（SHF）、熱負荷、給
気最大エンタルピ（冷風最小）および最小エン
タルピ（冷風最大）が求められる。

ものとする。これらの各要素を計算することによ
り最少コストの空調が可能となる。

現在の給気状態点をＣ（t_c、x_c、i_c）、還気状態
点をＲ（t_r、x_r、i_r）、室の設定状態点をＰ（t_p、
x_p、i_p）、想定する給気状態点をＸ（t_x、x_x、i_x）、
現在の送風量をF_c、最大送風量をF_nax、最少送風
量をF_nio、最大送風量の状態点をＡ（t_a、x_a、i_a）、
最少送風量の状態点をＢ（t_b、x_b、i_b）、さらに想
定する給気状態点の風量をF_xとすると、熱負荷
Q₁および顕熱負荷Q₂は次の通りになる。

Q₁＝（i_r−i_c）・F_c・Ｋ＝（i_p−i_x）・F_x・Ｋ Q₂＝（t_r−t_c）・F_c・Ｋ・C_air ＝（t_p−t_x）・F_x・Ｋ・C_air ここで、Ｋは空気の比容量、C_airは空気の比熱
である。

同じ熱負荷を処理するのに、最大風量、最少風
量を使用した場合について計算すると、給気の状
態点Ｘは次の範囲とされる。

i_p−i_r・β_nax＋i_c・β_nax≦i_x≦i_p−i_r・
β_nio＋i_c・β_nio t_p−t_r・β_nax＋t_c・β_nax≦t_x≦t_p−t_r・
β_nio＋t_c・β_nio ただし、β_nax＝F_c／F_nax、β_nio＝F_c／F_nioである。

制御内容として多少の湿度範囲を許容すること
になるので、上記i_x、t_xの範囲が給気範囲である
と考える。外気がこの範囲であればおそらく全外
気冷房が最少コストであろうし、室内は同じ顕熱
比によつてＹ（t_y、x_y、i_y）となるであろう。

次に、外気と還気の混合を行うものとすれば、
外気状態点を０点（t_p、x_p、i_p）、混合率αの混合
気状態点をＭ（t_n、x_n、i_n）として次のようにな
る。

t_n＝α・t_p＋（１−α）t_r x_n＝α・x_p＋（１−α）x_r i_n＝α・i_p＋（１−α）i_r 外気エンタルピが室エンタルピ（内気エンタル
ピ）よりも大である場合は、混合気の絶対湿度
x_nが前記の給気範囲i_x，t_x内にあれば減湿をしな
いで給気することができる。そうでない場合は減
湿を必要とする（第９図）。

また、最少外気混合率α_nioはCO₂濃度などによ
り変えることもあるが、居室を使用している間は
或る程度必要なので、外気が熱的に望ましくない
場合の混合率α_nioの混合気Ｎ（t_o、x_o、i_o）は次式
で求まる。

t_o＝α_nio・t_p＋（１−α_nio）・t_r x_o＝α_nio・x_p＋（１−α_nio）・x_r 一方、設定室温の湿度許容範囲最大値P_nax（t_p，
x_pnax，i_pnax）と顕熱比（SHF）および飽和水蒸
気曲線からP_nax以下とするための給気最大湿度は
飽和水蒸気曲線と次式との交点として求めること
ができる。

ｘ＝（SHF）・ｔ＋〔t_p−（SHF）・x_pnax〕（SHF）＝x_r−x_c／t_r−t_c この交点をＥ（t_enax、X_enax、i_enax）とする。な
お、飽和水蒸気曲線は、大気圧下ではほぼ一定と
考えられるので近似曲線を描けばよい。

前記の混合気の湿度x_oが、このx_enaxよりも大
である場合は少なくともＥ点までの冷却・除湿を
行う必要がある（第５図）。

室内の設定がＰ点（t_p、x_p、i_p）として現在の
過不足負荷を１回の換気（＝室の容積／換気風量
で表わされる時間）で除去するものと考えると、
前記の給気範囲はさらに現在の負荷を処理するた
めｋ（t_r−t_p）だけ下げる必要がある。ここでｋは
装置能力を考えた安全率であり、理論的には１で
ある。

（１＋ｋ）t_p−（ｋ＋β_nax）t_r＋β_nax・t_ct_x（１
＋ｋ）t_p−（ｋ＋β_nio）t_r＋β_nio・t_c 外気エンタルピが内気エンタルピよりも小であ
つて、しかも混合状態が給気範囲におさまる場合
は外気冷房のみで十分であろう（第７図）し、混
合気の湿度がこの範囲内であれば、冷却（第８
図）または加熱のみで所望の給気状態にすること
ができる。

外気エンタルピ、外気湿度が小さ過ぎ、最少外
気でもこの範囲よりなお小さく外れる場合は、許
容される湿度の下限で最適な給気範囲を探し、こ
の給気点になるように加熱・加湿する（第６図）
のが最少コストになるはずである。

また、安全率を考慮して給気湿度範囲をＥ点の
湿度x_e、および快適室温の下限点P_nio（t_pnio、
x_pnio、i_pnio）の湿度x_pnioをとつた方がより現実的
であり、制御が容易になる。

以上で、外気状態により混合気湿度が給気範囲
を超えた場合についての給気状態点の範囲、およ
び混合気で湿度を給気範囲内に納めることができ
た場合の給気範囲が求まつたことになる。

次に、この範囲内の給気で最少コスト点を見出
す方法について説明する。

空調コストは装置により異なるが、送風コス
ト、冷却コスト、加熱コストおよび加湿コストは
それぞれ搬送動力コストや熱交換コストなどの総
和であり、送風量、冷却・加熱熱量および加湿量
に相関しているものと考えられる。したがつて、
近似曲線を作成し、内挿法によつてコストを計算
することは可能である。

そこで、送風量F_xの場合のコストをG_f（F_x）、
冷却量ΔtのコストをG_c（Δt）、加熱量Δtのコスト
をG_h（Δt）、加湿量ΔxのコストをG_x（Δx）とし、
それぞれF_x、Δt，Δxから求まるものとする。こ
のようにすると、冷房・除湿時のコストは、G_f
（F_x）＋G_c（Δt）として、加熱・加湿時のコストは
G_h（Δt）＋G_x（Δx）＋G_f（F_x）として、それぞれ給
気状態点ｘとコイル入口混合気状態点Ｍが決まれ
ば求められる。

最適点の求め方としてはモンテカルロ法、山の
ぼり法、シンプレツクス法などが考えられるが、
ここではモンテカルロ法の場合について説明する
ことにする。

外気との混合気湿度が給気範囲を超えた場合は
湿度が決まるので、その絶対湿度上で温度を変え
てX₁₀点、X₂₀点……X_ip点（t_xi、x_xp、i_xip）および
風量F_xipから各コストを求め、その最少点をとれ
ばよい。

冷却の場合の総コスG_ip； G_ip＝G_f（F_xip）＋G_c｛（t_o−t_xi）｝加熱の場合の総コストG_ip； G_ip＝G_f（F_xip）＋G_h｛（t_xi−t_o）｝＋G_x｛（X_xip−X_o）｝外気との混合気の湿度が給気範囲内である場合
は、混合比を変えてM₁，M₂，M₃…M_j点をとつ
て同様な処理を行い、X₁₁点、X₁₂点…X_ij点
（t_xij、x_xij、i_xij）および風量F_xijから、総コストG_i
j
として、冷却時は G_ij＝G_f（F_xij）＋G_c｛（i_ni−i_xij）｝加熱時は G_ij＝G_f（F_xij）＋G_h｛（i_xij−i_ni）｝＋G_x｛（X_xij−X_ni）｝を求め、そのうち、最少の給気状態点X_ijを求め
ればよい。

このようにして、給気温度、絶対湿度、送風量
および外気取入量が決定され、各設定値になるよ
うに各ダンパーと制御弁の制御を行い、最少コス
トの空調を行うことができる。最近になつて空調
制御系は電子式からさらに発展してデイジタル化
され、ワンチツプ・マイクロ・コンピユータが利
用されてきているので、以上述べたような演算制
御はそのようなマイクロコンピユータにより十分
満足に実現することができる。

従来は、相互に関連しているはずのものである
にもかかわらず、制御装置側の都合で個々に制御
ループを組んでいた空気調和における除湿・加
湿、冷却・加熱、送風量および外気取入量の各制
御を、本発明はすべて加味し、最少コストによつ
て制御することを可能にし、除湿のための再加熱
による熱損失、および冷却し過ぎによる冷却損失
を無くし、外気取入ないし外気冷房を最大限に活
用するようにしたものである。

以上述べた例においては実用上の簡素化を考慮
して給気絶対湿度の範囲を室設定最大の場合の顕
熱比線と露点温度との交点および室設定最小の場
合の絶対湿度の範囲としたが、より厳密に計算
し、顕熱比線上および装置のコンタクトフアクタ
を考慮した冷却曲線で区切つてもよい。また、既
に述べたことであるが、許容給気範囲と制約条件
評価関数が判つているので、最適値探索はモンテ
カルロ法、山のぼり法、最大傾斜法など、その手
段としてどれを使用してもよい。コスト計算は単
純な近似曲線の内挿法によるものとしたが、各要
素との相関により保守費などを加えた関係式を求
めておいてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の空調機の制御系を示す系統図、
第２図は第１図の装置におけるダンパー用制御弁
の制御特性を示す線図、第３図は本発明を実施す
る空調機制御系の系統図、第４図は本発明を説明
するための湿り空気ｔ−ｘ線図、第５〜９図は本
発明に従つて制御を行つた状態をｔ−ｘ線図上に
示したものであつて、第５図は最少外気取入にも
かかわらず減湿を必要とする場合、第６図は最少
外気取入でも加熱および加湿を必要とする場合、
第７図は外気取入量制御により外気のみで冷房で
きる場合、第８図は外気取入制御および冷却制御
により最適給気となつた場合、第９図は外気取入
量制御に加えて減湿を必要とする場合をそれぞれ
示すものである。１ａ，１ｂ，１ｃ……排気、還気、外気取入ダ
ンパ、３……冷水コイル、４……蒸気コイル、５
……加湿装置、３ａ，４ａ，５ａ……制御弁、８
……給気フアン、９……排気フアン、２０……デ
イジタル空調制御装置、Ｒ……現在の還気状態
点、Ｐ……室温湿設定状態点、Ｏ……現在の外気
状態点、Ｍ……混合率αの外気・還気混合気の状
態点、Ｎ……取入外気最少の外気・還気混合気の
状態点、Ｃ……現在の給気状態点、Ｅ……P_nax点
の室内状態にするためのSHF上の露点の状態点、
Ｘ……求める給気の状態点、Ｙ……Ｘ点で給気し
た場合の室内の想定される状態点、P_nax……室温
を設定とした場合の快適状態点の上限、P_nio……
室温を設定とした場合の快適状態点の下限、Ｚ
（t_x）……快適性を維持するのに必要な給気温範
囲、Ｚ（X_x）……快適性を維持するのに必要な給
気湿度範囲、t_p……設定室温。

Claims

【特許請求の範囲】１外気および環気の温度および湿度と、前記外
気および環気の混合率とから混合気の絶対湿度を
求め、設定室温における許容湿度上限値から、顕熱比
線と飽和水蒸気曲線との交点で求められる絶対湿
度を上限値とし、前記設定室温における許容湿度
下限値を下限とした絶対湿度範囲を設定し、前記混合気の絶対湿度が上記絶対湿度範囲に入
る場合、その混合気の絶対湿度線上で、しかも現
在の給気および環気の温度および湿度と送風量と
から求められる最大および最小風量での給気温度
範囲内に入る複数の給気状態点を選定し、前記混合気をこれら複数の給気状態点まで温度
制御して給気する場合の、それぞれの送風コス
ト、冷却コスト、加熱コストを計算し、それらの
総和が最小となる給気状態点を求め、この給気状
態点を実現する外気取入量、送風量、冷却量もし
くは加熱量を決定する、ことを特徴とする空気調和機の制御方法。２外気および環気の温度および湿度と、前記外
気および環気の混合率とから混合気の絶対湿度を
求め、設定室温における許容湿度上限値から、顕熱比
線と飽和水蒸気曲線との交点で求められる絶対湿
度を上限値とし、前記設定室温における許容湿度
下限値を下限とした絶対湿度範囲を設定し、前記混合気の絶対湿度が上記絶対湿度範囲の上
限を越える場合、現在の給気および環気の温度お
よび湿度と送風量とから求められる最大および最
小風量での給気温度範囲内と、前記顕熱比線と飽
和水蒸気曲線との交点で求められた絶対湿度とで
区切られる飽和水蒸気曲線に沿う複数の給気状態
点を選定し、前記混合気をこれら複数の給気状態点まで減湿
して給気する場合の、それぞれの送風コスト、冷
却コスト、加熱コストを計算し、それらの総和が
最小となる給気状態点を求め、この給気状態点を
実現する外気取入量、送風量、冷却量もしくは加
熱量を決定する、ことを特徴とする空気調和機の制御方法。３外気および環気の温度および湿度と、前記外
気および環気の混合率とから混合気の絶対湿度を
求め、前記混合気の絶対湿度が、設定室温における許
容湿度下限値である下限絶対湿度より低い場合、
現在の給気および環気の温度および湿度と送風量
とから求められる最大および最小風量での吸気温
度範囲内に入り、前記下限絶対湿度線上での複数
の給気状態点を選定し、前記混合気をこれら複数の給気状態点まで加湿
し温度制御して給気する場合の、それぞれの送風
コスト、冷却コスト、加熱コスト、加湿コストを
計算し、それらの総和が最小となる給気状態点を
求め、この給気状態点を実現する外気取入量、送
風量、冷却量もしくは加熱量および加湿量を決定
する、ことを特徴とする空気調和機の制御方法。