JPWO2015173868A1 - 空調装置 - Google Patents

Abstract

温度調整した空気を空調対象空間に送風する空調手段１６と、空調対象空間ａを構成する躯体の蓄熱量に基づく躯体性能を取得する躯体性能取得手段８０と、空調対象空間ａに人が不在となる不在時間を取得する不在情報取得手段５０と、不在開始から不在時間後の設定時刻までに空調対象空間ａに発生すると予測される空調負荷を演算する負荷予測手段７０と、設定時刻に設定温度になるように、不在時間に空調手段１６を運転させる不在制御を行う空調制御手段４０とを備え、空調制御手段４０は、負荷予測手段７０で得られた予測空調負荷と、躯体性能取得手段８０で取得された躯体性能とに基づいて不在制御を行う。

Description

本発明は、空調装置に関するものである。

従来、空調装置は使用者からの指示によって運転制御を実施していた。近年では在室前に前もって空調装置の運転を開始させ、予め設定した設定時刻（在室開始時刻）に室温が設定温度になるように予冷、予暖運転を実施し、快適性を向上させる制御（特許文献１参照）がある。また、空調対象の建物の躯体内の上下温度差を検知し、空調装置の圧縮機周波数と風量とを変更してその温度差を抑制し、在室時の快適性を向上させる制御（特許文献２参照）がある。

特公平７−１０７４５９号公報（請求項１） 特許４４７８０８２号公報明細書（請求項１）

上記の特許文献１において空調装置は、運転前の室内温度の変動に応じて空調装置の圧縮機周波数を設定し、設定時刻に設定温度に到達するようにしている。しかし、近年では住宅の断熱性能、気密性の向上から、室内の空気温度のみでは空調負荷を正確に想定できない状況が発生している。このため、室内の空調負荷を例えば実際よりも大きく想定した場合、過剰に圧縮機周波数を上げることになり省エネに反した結果となり、また、設定時刻に設定温度から離れた室温となり快適性を損ねる可能性があった。

特許文献２では、躯体内の上下温度差を空調制御に使用しており、躯体の熱負荷状態を考慮することで空調負荷を正確に把握することができ、省エネに効果的な空調制御が可能である。よって、特許文献２の制御を不在時の制御に適用した場合、ある程度、効果的であると思われる。しかし、不在時に空調装置の運転を停止した場合、在室開始時の室内の空調負荷は躯体性能に応じて変わってくるため、改善の余地があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、不在時に躯体性能を考慮した空調制御を行うことで、快適性を確保しながら空調消費電力を低減することが可能な空調装置を提供することを目的とする。

本発明に係る空調装置は、温度調整した空気を空調対象空間に送風する空調手段と、空調対象空間を構成する躯体の蓄熱量に基づく躯体性能を取得する躯体性能取得手段と、空調対象空間に人が不在となる不在時間を取得する不在情報取得手段と、不在開始から不在時間後の設定時刻までに空調対象空間に発生すると予測される空調負荷を演算する負荷予測手段と、設定時刻に設定温度になるように、不在時間に空調手段を運転させる不在制御を行う空調制御手段とを備え、空調制御手段は、負荷予測手段で得られた予測空調負荷と、躯体性能取得手段で取得された躯体性能とに基づいて不在制御を行うものである。

本発明によれば、快適性の確保と空調消費電力の低減とが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る空調装置の機器配置図である。 本発明の実施の形態１に係る空調装置の冷媒回路図である。 図１の空調装置の制御ブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る躯体性能ごとの空調負荷を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る空調装置の制御パターンを決定する要素（躯体性能、不在時間、在室開始時負荷）の分類を示す表である。 図１の空調装置の動作を示すフローチャートである。 図５の条件１−Ａ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件１−Ｂ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ａ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ｂ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件１−Ａ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件１−Ｂ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ａ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ｂ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件１−Ａ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件１−Ｂ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ａ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。 図５の条件２−Ｂ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。

実施の形態１．
［システム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る空調装置の機器配置図である。
空調装置は、熱源機１０と室内機２０とを備えている。熱源機１０と室内機２０とは配管１００で接続されており、冷媒が循環するように構成されている。また、熱源機１０と室内機２０とは伝送線１０１で接続されており、室内機２０と外部制御手段４１との間も伝送線１０１で接続されている。また、図１では室内機２０の接続台数は１台であるが、室外機能力、必要空調能力に応じて接続台数は任意であり、台数を限定するものではない。また、室内機２０は空調対象空間ａを冷房もしくは暖房しているが、室内機２０の給気をダクトで多数の空間に供給してもよく、室内機２０の空調範囲を限定するものではない。

室温検知手段１Ａは、空調対象空間ａの室温を検知する手段である。例えばセンサによる室温検知などを利用する他、空調対象空間ａに配置された機器のセンサ情報を利用してもよい。例えば、室温検知手段１Ａは、室内機２０内部に配置された吸込み温度センサでもよい。室温検知手段１Ａとして、室内に配置された機器のうち、温度センサを配置している機器の温度センサを用いる場合には、その温度センサで検知したセンサ値を、有線、無線通信を介して後述の外部制御手段４１に送信すればよい。このように、室温検知手段１Ａの配置場所、室温検知手段１Ａから外部制御手段４１へセンサ値を送信する通信手段を限定するものではない。

不在情報取得手段５０は、使用者の不在情報（不在時間）を得る手段であり、例えば空調対象空間ａに存在する一又は複数の機器の使用情報を収集し、収集した情報に基づいて不在時間を取得する。具体的には例えば、不在情報取得手段５０は、空調対象空間ａに存在する機器、例えば空調装置や照明などの機器の使用情報、赤外線の人感センサなどによる人検知情報、室内ドアの開閉情報、など使用者の生活パターンを収集しておく。そして、それらの少なくとも一つの情報に基づいて不在時間を取得してもよい。また、例えば、所定期間の平均的な空調装置の停止時間又は前日の空調装置の停止時間が、ＡＭ１０：００〜ＰＭ１７：００までの場合、不在時間を７時間として設定すればよい。また、外部機器との通信により不在時間を取得してもよいし、使用者の入力により不在時間を取得してもよい。また、使用者の在室情報を取得し、その在室情報に基づいて不在時間を取得してもよい。

容量検知手段６０は、熱源機１０に配置されている圧縮機１３（図２参照）の圧縮機周波数、消費電量などを検知し、使用上の最大容量に対する現状運転容量の情報を得る。容量検知手段６０は、圧縮機周波数以外にも空調装置の機器制御信号を取得して判定する他、設定温度と室温変動とから推定してもよく、検知方法、配置位置を限定するものではない。

負荷予測手段７０は、設定時刻（具体的には例えば在室開始時刻）における空調対象空間ａの空調負荷を予測演算する手段である。この空調負荷は空調装置の設定温度に対する熱負荷であり、ここでは、具体的には貫流負荷、換気負荷、日射負荷、躯体蓄熱負荷、人体発熱による負荷、空調対象空間ａ内に配置された熱源による負荷等の総和となる。そのため、負荷予測手段７０は、内外温度差、日射量、躯体温度、換気量、在室人数、室内配置機器の運転状態を取得もしくは事前に入力し、熱負荷を計算する。また、熱負荷総量が分かればよいため、個々の負荷量を計算する必要は必ずしも必要ない。よって、熱負荷総量は、過去の空調装置運転履歴と外気状態との関係から推定して検知することも可能であり、検知手段、方法を限定するものではない。

負荷予測手段７０は上記の内容も含めると、結局のところ以下の（１）〜（３）の方法で予測空調負荷（在室開始時の空調負荷、すなわち不在開始から在室開始時までに発生する空調負荷）を演算することができる。
（１）過去の時間ごとの空調装置運転データから予測空調負荷を演算する。
（２）室内温度変動と、室外温度変動、日射量変動、太陽光発電量及び外部より得られる天候変動情報のうち少なくとも一つとから予測空調負荷を演算する。
（３）外部より設定する。

躯体性能取得手段８０は、躯体の断熱性能、躯体の日射遮蔽性能等から躯体性能を取得する手段である。具体的には、空調対象空間ａを構成する躯体の蓄熱量に関する指標である躯体性能評価値に基づいて躯体性能を判別する手段である。蓄熱量が多いということは、簡単に冷えたり暖かくなったりしないということであり、躯体性能が高いということになる。

躯体性能取得手段８０は、以下の（１）〜（４）の何れかの方法によって躯体性能評価値を取得し、取得した躯体性能評価値を閾値判別することで、本実施の形態１では空調対象空間ａを構成する躯体が、「低」、「中」、「高」の３段階の何れの躯体性能に該当するかを判別する。

（１）空調対象空間ａの壁面の材質、厚み、断熱特性値の少なくとも一つを用いて演算して躯体性能評価値を取得する。
（２）外気温度、空調対象空間ａの外壁温度、日射量の何れかの時系列変動値と室内温度又は室内壁面温度の時系列変動とに基づいて演算して躯体性能評価値を取得する。
（３）過去の空調時の運転データと、過去の外気温度、日射量、外壁温度の少なくとも一つの変動値とに基づいて演算して躯体性能評価値を取得する。過去の空調時の運転データとは、例えば過去の空調運転の室外温度と室内温度と圧縮機周波数の変動履歴とが該当する。
（４）使用者の入力から躯体性能評価値を取得する。

躯体性能取得手段８０は、具体的には、室内壁面と室外壁面との時系列温度差（室温が壁面温度変動に対して遅れがあれば、躯体の断熱性能が高い）、室内温度、外気温度、日射量に基づいて熱負荷を計算することで躯体性能を検知することが可能となる。また、躯体そのものの基本性能自体は機器動作に対して変動するものではないので、躯体性能の判別に必要となる基本性能（住宅の壁面厚さ、部材の仕様等）を入力してもよく、躯体性能取得手段８０における検知方法、手段を限定するものではない。

ここで、躯体性能の判別に用いる閾値は室内の空調負荷の状態によって変化する。よって、同じ躯体であっても、空調負荷が高い夏には躯体性能が「中」と判別され、空調負荷が夏に比べて低い秋には躯体性能が「高」と判別されることがある。これは、夏であれば躯体性能が高いと判別するのには断熱材が厚い必要があり、それ故、「中」と「高」とを区別する閾値が高くなるためである。このように、同じ躯体であっても、躯体性能が「低」、「中」、「高」の何れとなるかは、空調負荷次第である。

この点についてさらに説明する。ここでは、躯体性能は、日本国内の空調負荷に対する躯体性能として定義する。夏期において例えば室内２７℃、室外３５℃の場合、室内外温度差が小さいため、空調負荷は日射による空調負荷が大部分となる。そのため、躯体の日射遮蔽能力が高いほど空調負荷が小さくなり、躯体性能は高性能である。

逆に冬期において例えば室内２０℃、室外５℃とした場合、室内外温度差が大きいため、空調負荷は換気負荷、貫流負荷が大部分となる。そのため、躯体の住宅気密性、断熱性が高いほど空調負荷は小さくなり、躯体性能は高性能である。また、躯体性能が高くなると、断熱材の使用量（厚み）が多くなる場合が多く、躯体の蓄熱量は断熱性能が高いほど多くなる傾向にある。そのため、躯体性能を評価（つまり、躯体性能の「低」、「中」、「高」の判断）する際には冷房時と暖房時とで異なる方法を用いてもよく、冷房時と暖房時のそれぞれでの評価結果は必ずしも同一としなくてもよい。また、冷房時と暖房時のそれぞれにおける評価方法は限定されたものではない。

ここで、どの程度の蓄熱性能の建物（住宅）が躯体性能取得手段８０によって「躯体性能：低」、「躯体性能：中」、「躯体性能：高」と判断されることになるのか、その目安について説明しておく。

［躯体性能：低］
断熱材を多く使用していない従来の住宅（目安としてＱ値（熱損失係数）が３．０程度、日射量の約１０％が熱負荷として住宅内に進入する）が「躯体性能：低」に該当する。「躯体性能：低」の躯体では、夏期冷房期（外気最高温度３５℃想定）には短時間（Ｔｔｈ以下）で躯体温度が外気温度以上になる。

［躯体性能：中］
断熱性を考慮し、断熱材を壁面に配置した住宅（Ｑ値が２．０程度、日射量の５％程度が熱負荷として住宅内に侵入する）が「躯体性能：中」に該当する。「躯体性能：中」の住宅の特性としては、夏期冷房期（外気最高温度３５℃想定）において、躯体温度が外気温度以上になるのにＴｔｈ以上の時間を必要とする。

［躯体性能：高］
外気、日射に基づく空調負荷が住宅内ではほとんど発生しない住宅（Ｑ値が１．０以下、日射量の５％以下が熱負荷として住宅内に発生する）が「躯体性能：高」に該当する。「躯体性能：高」の住宅の特性としては、夏期冷房期（外気最高温度３５℃想定）に躯体温度が外気温度以上になることが日照時間内ではほとんどない。

以上に説明した室温検知手段１Ａ、不在情報取得手段５０、容量検知手段６０、負荷予測手段７０、躯体性能取得手段８０は、空調装置内に組み込まれていても良いし、有線又は無線での通信手段を有し、情報取得、送信できるように構成されていてもよい。そして、これらの各手段は、通信手段を有するものであれば、一つの機器（例えばノートパソコン、インターネット通信機能付き携帯電話）内に構成されていてもよいし、複数の機器に分散して構成されていてもよいし、機器構成の個数を限定するものではない。

［冷媒回路構成］
図２は、本発明の実施の形態１に係る空調装置の冷媒回路図である。
熱源機１０は、冷媒を圧縮する圧縮機１３と、熱交換器１１と、送風手段１２と、絞り手段１４と、四方弁１５とを備えている。室内機２０は、熱交換器２１と、この熱交換器２１に向けて空気を送出する送風手段２２とを備えている。空気調和システムは、圧縮機１３、四方弁１５、熱交換器１１、絞り手段１４及び熱交換器２１を有し、冷媒が循環する冷媒回路を備えており、四方弁１５により冷媒の流れ方向を切り替えて冷房運転又は暖房運転が可能が冷凍サイクル１０００が構成されている。なお、圧縮機１３と、熱交換器１１と、送風手段１２、２２と、絞り手段１４と、四方弁１５とにより、温度調整した空気を空調対象空間ａに送風する、本発明に係る空調手段１６（後述の図３参照。なお、図３において熱交換器１１は省略）を構成している。

（圧縮機１３)
圧縮機１３は、運転容量（圧縮機周波数）を可変することが可能な圧縮機であり、インバータにより制御されるモータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機である。なお、本発明は圧縮機１３の台数を１台に限定するものではなく、２台以上の圧縮機が並列もしくは直列に接続されたものであってもよい。

（熱交換器１１、２１)
熱交換器１１、２１は、冷媒を凝縮させる凝縮器もしくは冷媒を蒸発させる蒸発器となるものである。熱交換器１１、２１は、伝熱管と多数のフィンとを備えたクロスフィン式のフィンアンドチューブ型熱交換器である。

（送風手段１２、２２)
送風手段１２は熱交換器１１に供給する空気の流量を可変することが可能なファンである。また、送風手段２２は熱交換器２１に供給する空気の流量を可変することが可能なファンである。送風手段１２、２２はＤＣファンモータなどのモータによって駆動される遠心ファンや多翼ファン等である。

（絞り手段１４)
絞り手段１４は、冷媒回路内を流れる冷媒の流量の調節等が行うことが可能であり、ステッピングモータ（図示せず）により絞りの開度を調整することが可能な電子膨張弁、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁又はキャピラリーチューブである。

（四方弁１５)
四方弁１５は、熱交換器１１、２１を流れる冷媒の方向を切り替えるための弁である。室内を冷房する際には四方弁１５は図２の点線側に切り替えられ、圧縮機１３、四方弁１５、熱交換器１１、絞り手段１４、及び熱交換器２１の順に冷媒が流れる冷媒回路を構成する。室内を暖房する際には四方弁１５は図２の実線側に切り替えられ、圧縮機１３、四方弁１５、熱交換器２１、絞り手段１４、及び熱交換器１１の順に冷媒が流れる冷媒回路を構成する。

（冷媒)
空調装置に用いられる冷媒は例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４０４ＡなどのＨＦＣ冷媒、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどのＨＣＦＣ冷媒、もしくは炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒などがある。

［冷媒回路センサ配置］
圧縮機１３の吐出側には吐出温度センサ１ａ、吸入側には吸入温度センサ１ｂを備える。また、空気調和システムは、熱交換器１１に流入する冷媒の温度を検出する温度センサ１ｃと、熱交換器１１から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ１ｄとを備える。また、空気調和システムは、熱交換器２１に流入する冷媒の温度を検出する温度センサ１ｅと、熱交換器２１から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ１ｆとを備える。空気調和システムはさらに、熱交換器１１の空気吸込み側に温度センサ１ｇを備え、また、熱交換器２１の空気吸込み側に温度センサ１ｈを備える。温度センサ１ｇで検出された温度は、以下の制御において外気温度として用いられる。

［冷凍サイクル１０００冷房動作］
図２で冷凍サイクル１０００の冷房動作を説明する。
圧縮機１３から吐出された冷媒は四方弁１５を通過して熱交換器１１へと流れる。熱交換器１１はこのとき凝縮器として作用し、冷媒は空気と熱交換する際に凝縮液化し、絞り手段１４へと流れる。冷媒は絞り手段１４で減圧された後、蒸発器として機能する熱交換器２１に流入し、冷媒は空気と熱交換して蒸発した後、四方弁１５を通過して再び圧縮機１３に吸入される。

［冷凍サイクル１０００暖房動作］
図２で冷凍サイクル１０００の暖房動作を説明する。圧縮機１３から吐出された冷媒は四方弁１５を通過して熱交換器２１へと流れる。熱交換器２１はこのとき凝縮器として作用し、冷媒は空気と熱交換する際に凝縮液化し、絞り手段１４へと流れる。冷媒は絞り手段１４で減圧された後、蒸発器として機能する熱交換器１１に流入し、冷媒は空気と熱交換して蒸発した後、四方弁１５を通過して再び圧縮機１３に吸入される。

［システム構成］
図３は、図１の空調装置の制御ブロック図である。
空調装置は、空調装置全体を制御する制御手段３０を備えている。制御手段３０は、例えばマイクロコンピュータで構成され、ＣＰＵ、ＲＡＭ及びＲＯＭ等を備えており、ＲＯＭには制御プログラムが記憶されている。そして、ＣＰＵと制御プログラムとにより、不在情報取得手段５０、容量検知手段６０、負荷予測手段７０、躯体性能取得手段８０及び空調制御手段４０が機能的に構成されている。また、室温検知手段１Ａを、室内に配置された他の機器で取得したセンサ値を取得する手段とする場合には、室温検知手段１Ａも同様に、ＣＰＵと制御プログラムとにより機能的に構成されたものに相当する。

空調制御手段４０は、室内に配置された外部制御手段４１と、熱源機１０に配置された熱源機制御手段４２と、室内機２０に配置された室内機制御手段４３とに分けて構成され、互いに連携処理して空調手段１６を制御する。

制御手段３０は、各温度センサ１ａ〜１ｈの検知温度と室温検知手段１Ａの検知温度とを取得できるように接続されている。制御手段３０は、空調対象空間ａを設定温度に維持するように各部を制御する通常制御（冷房、暖房）と、不在制御とを有している。不在制御は空調対象空間ａを使用する使用者の不在時間に行う空調制御であり、空調対象空間ａが設定時刻（在室開始時刻）に設定温度になるように空調手段１６を制御する運転である。なお、不在制御終了後（つまり不在時間完了以降）は通常制御に戻る。

本実施の形態１は、不在制御を、負荷予測手段７０で得られた在室開始時の空調負荷と、躯体性能取得手段８０で取得された躯体性能とに基づいて行う点に特徴があるが、この点については改めて説明する。

次に、通常制御について説明する。
空調装置は、使用者の運転開始指令により、所定周波数で圧縮機１３を運転開始する。運転開始指令では、冷房、暖房などの運転モードも同時に設定される。そして、空調装置は室温検知手段１Ａで検知された室温が、設定温度となるように運転する。その際、室温と設定温度との差温が大きい場合、圧縮機１３の周波数を高くして空調装置の冷却能力、加熱能力を増大させ、設定温度への収束を速めるようにする。一方、室内温度と設定温度との温度差が小さい場合、圧縮機１３の周波数を低くして空調装置の冷却能力、加熱能力を小さくし、室内が過剰に冷却、加熱されることを回避して室内温度の安定を図る。

そして、空調装置は、室温が設定温度に到達すると、圧縮機１３の運転を停止する。そして、室温と設定温度との温度差が所定温度（例えば１℃）以上となると、再び圧縮機１３を起動して運転を再開する。使用者が在室中（空調装置がＯＮ中）、この動作が繰り返し行われる。

次に不在制御について説明する。以下では、冷房時の例で説明する。一般に空調が行われる場合、熱負荷としては、室外から室内への換気等の熱伝達によって侵入する空気熱負荷の他、室内を構成する躯体など（天井や壁など。）の熱容量に応じた躯体熱負荷がある。そして、空調負荷はこれらの熱負荷に加えてさらに躯体性能の影響を受ける。

図４は、本発明の実施の形態１に係る躯体性能ごとの空調負荷を示す図である。
図４（Ａ）に示すように、ある時間内において設定温度Ｔｓｅｔの変更が無く、且つ、外気温度Ｔｏｕｔの変動（負荷変動もないと想定）もない場合について考える。この場合、図４（Ｂ）に示すように、躯体性能が高い方が空調負荷が少なくなる。また、消費電力も機器効率が同等であれば躯体性能が高い方が少なくなる。そのため、躯体性能が高ければ、負荷処理量が少なくて済むため、安定した条件下では省エネとなる。

このように空調負荷は躯体性能の影響を受けるため、不在時に圧縮機１３の運転を停止すると、躯体性能に応じて在室開始時の空調負荷が異なったものとなる。また、不在時間が長い場合には、不在開始時に圧縮機１３を停止させ、在室開始時からある程度前から圧縮機１３の運転を再開することで、在室開始時の空調負荷を効率良く負荷処理できる。しかし、不在時間が短い場合には、不在時間に圧縮機１３を停止させずにそのまま運転を継続した方が省エネに効果的である場合もある。よって、不在制御を行うにあたり、不在時間も考慮することが有効である。

そこで、本実施の形態１では、躯体性能と、不在時間と、在室開始時の空調負荷とを考慮して不在制御を行う。本実施の形態１では、不在時に運転再開するか、又は不在時にも連続運転することによって運転が高容量化することを回避し、機器効率と空調負荷削減との両立を実現する。具体的には、不在制御の制御パターンを３つ有し、躯体性能と、不在時間と、在室開始時の空調負荷との組み合わせに応じて該当の制御パターンを選択して不在制御を行う。

図５は、本発明の実施の形態１に係る空調装置の制御パターンを決定する要素（躯体性能、不在時間、在室開始時負荷）の分類を示す表である。図５において、第１制御パターンが選択される条件のセルには「○」を示し、第２制御パターンが選択される条件のセルには「△」を示し、第３制御パターンが選択される条件のセルには「□」を示している。

以下、図５における不在時間の長短、在室開始時の空調負荷の大小、躯体性能の高中低の判別方法について説明する。

［不在時間の長短］
不在時間が閾値Ｔｔｈ以下の場合を短時間、不在時間が閾値Ｔｔｈ以上の場合を長時間とする。なお、この閾値Ｔｔｈは、使用者が設定する固定値としてもよいし、外気温度、日射量などを考慮して設定してもよく、設定の方法を限定するものではない。例えば、以下のように設定してもよい。空調装置を停止後、室温は室外環境の影響を受けて上昇し、その後、温度変化が無い又はほとんどない状態を継続する平衡状態に至る。そこで、室温が平衡状態近くになるまでの時間を閾値Ｔｔｈに設定してもよい。

［在室開始時の空調負荷の大小］
在室開始時の空調負荷の大小は日射量、躯体蓄熱量及び外気温度によって決定する。具体的には、日射量、躯体蓄熱量及び外気温度に基づき在室開始時の室内温度を予測し、この予測室内温度が不在開始時の外気温度より高い場合、在室開始時の空調負荷が大きいと判断する。一方、予測室内温度が不在開始時の外気温度以下の場合、在室開始時の空調負荷が小さいと判別する。また、容量検知手段６０を用いて空調負荷を判定することも可能であり、具体的には設定温度に対する圧縮機１３の運転容量を検知し、最大圧縮機容量に対する容量比から空調負荷の大小を判定してもよく、空調負荷の大小の判定方法を限定するものではない。

［躯体性能の「低」、「中」、「高」］
躯体性能の「低」、「中」、「高」の判別は上述の通りである。

次に、第１制御パターン〜第３制御パターンについて説明する。
（１）第１制御パターン
第１制御パターンは、躯体性能が低又は高の場合に選択されるパターンであり、以下その内容について説明する。

第１制御パターンは、負荷予測手段７０で予測された予測空調負荷と圧縮機周波数ｆ１とに基づいて在室開始前の圧縮機１３の運転時間を決定し、在室時刻から運転時間を引いた時刻（運転再開時刻）に圧縮機周波数ｆ１で圧縮機１３を運転させる制御パターンである。この運転時間は、圧縮機１３を圧縮機周波数ｆ１で運転することにより予測空調負荷を負荷処理して在室開始時に設定温度Ｔｓｅｔにするのに要する運転時間に相当する。この圧縮機周波数ｆ１は、在室開始時の空調負荷を空調装置が高効率で負荷処理できる周波数である。圧縮機周波数ｆ１は従来制御（不在開始時に圧縮機１３の運転を停止し、在室開始時に圧縮機１３の運転を再開する制御）における、運転再開時の圧縮機周波数の半分程度を目処として設定される。

（２）第２制御パターン
第２制御パターンは、「躯体性能が中で、且つ、不在時間の長短の判別結果が長である場合」及び「躯体性能が中で、且つ、不在時間の長短の判別結果が長が短であり、さらに予測空調負荷の大小の判別結果が小の場合」に選択されるパターンであり、以下その内容について説明する。

第２制御パターンは、負荷予測手段７０で予測された予測空調負荷と圧縮機周波数ｆ２（＜ｆ１）とに基づいて在室開始前の圧縮機１３の運転時間を決定し、在室時刻から運転時間を引いた時刻（運転再開時刻）に圧縮機周波数ｆ２で圧縮機１３を運転させる制御パターンである。第２制御パターンは、第１制御パターンよりも低容量で長く運転するパターンとなる。

（３）第３制御パターン
第３制御パターンは、不在時間前に行っていた圧縮機１３の制御を不在時間中も継続して行う制御パターンである。この第３制御パターンは、躯体性能が中で、且つ、不在時間の長短の判別結果が短であり、さらに、予測空調負荷の大小の判別結果が大である場合に選択される。なお、第３制御パターンの場合の運転開始時刻は不在開始時刻に等しいということになる。

次に、上記構成の空調装置の動作を説明する。
図６は、図１の空調装置の動作を示すフローチャートである。
空調制御手段４０は不在情報取得手段５０から不在情報を取得する（Ｓ１）。また、空調制御手段４０は躯体性能取得手段８０から躯体性能を取得する（Ｓ２）。また、空調制御手段４０は負荷予測手段７０から在室開始時の空調負荷を取得する（Ｓ３）。そして、空調制御手段４０は空調対象空間ａを構成する躯体の躯体性能が「低」、「中」、「高」の何れであるのかをチェックし（Ｓ４）、「低」、「高」の場合には第１制御パターンを選択する（Ｓ５）。

空調制御手段４０は、ステップＳ４において躯体性能が「中」の場合、続いて不在時間が「短」で且つ在室開始時空調負荷が「大」であるかを判断し（Ｓ６）、ＮＯである場合、第２制御パターンを選択する（Ｓ７）。一方、空調制御手段４０は、ステップＳ６においてＹＥＳの場合、第３制御パターンを選択する（Ｓ８）。

空調制御手段４０は、不在開始時以前のタイミングで図６のフローチャートを実施して第１〜第３制御パターンの何れかを選択し、不在時間になると選択した制御パターンに従った制御を行う。

なお、図６のフローチャートを実施して第１〜第３制御パターンの何れかを選択するタイミングは、不在開始時以前のタイミングで行う。なお、不在時間中に、その時点で予測される予測空調負荷を用いて運転時間α１、α２を更新するようにしてもよい。

次に、本実施の形態１の不在制御（以下、本制御という）と従来制御とを比較して、本制御の消費電力が少ないことを図７〜図１８を参照して説明する。なお、従来制御とは、不在開始時に圧縮機１３の運転を停止し、在室開始時に圧縮機１３の運転を再開する制御であり、運転再開時の圧縮機周波数は室温Ｔと設定温度Ｔｓｅｔとの差温等から決定される。

以下、「躯体性能：低」、「躯体性能：中」、「躯体性能：高」の順に説明する。

［躯体性能：低］
図７は、図５の条件１−Ａ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図８は、図５の条件１−Ｂ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図９は、図５の条件２−Ａ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図１０は、図５の条件２−Ｂ−ａでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図７〜図１０において横軸は時間、縦軸は温度を示し、また、図７〜図１０において太点線は従来制御、太実線は本制御を示している。この点は、後述の図１１〜図１８も同様である。

（従来制御）
従来制御では、不在時の熱負荷により在室開始時の室温Ｔは不在開始時よりも上昇しており、不在時間が長い場合も短い場合も外気温度以上（外気温度近傍の場合もある）となっている。このように従来制御では在室開始時に室温Ｔが外気温度Ｔｏｕｔより高くなるため、空調装置の圧縮機周波数が上昇し、図７〜図１０の何れの場合も消費電力Ｗｏｌｄが急激に上昇しており、機器効率が低下する状況が発生する。

（本制御：第１制御パターン）
本制御では、在室開始よりも運転時間α１前から圧縮機１３の運転を再開しており、その際の圧縮機周波数ｆ１を従来制御時の半分程度が目処として設定されているため、機器の効率向上が可能となっている。

躯体性能が低い場合は不在時間の長短に関わらず、貫流負荷、換気負荷が発生して室内温度の変動が大きくなる。また、躯体蓄熱量は躯体性能が低い場合は少ないため、空調を停止後の再起動時に空調負荷が蓄熱負荷によって空調装置の高容量運転が長時間化することが少なく短時間で処理できる。在室開始前の運転時間α１は、室温と設定温度との差温と空間体積との関数で表現することが可能となる。また、不在時間に圧縮機１３の運転することは負荷処理総量の増加となる。従って躯体性能が低い場合に限っては、空調装置が高効率で処理できる圧縮機周波数よりも大きな周波数で運転時間αを演算してもよいとする。

［躯体性能：中］
［条件１−Ａ−ｂ；不在時間：長、在室開始時負荷：大］
図１１は、図５の条件１−Ａ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。

（従来制御）
躯体性能が中の住宅は、躯体性能が低の住宅と比較すると断熱性、気密性が改善されているため、不在時間が短い場合（図１３、図１４）の不在時間中の温度上昇幅は、躯体性能が低い場合（図９、図１０）の不在時間中の室温上昇幅よりも少ない。逆に不在時間が長い場合は、躯体性能が中の住宅（図１１、図１２）及び低の住宅（図７、図８）の両方共、不在時間中の室温上昇幅が不在時間の短い場合（図９、図１０、図１３、図１４）の温度上昇幅に比べて大きく、外気温度Ｔｏｕｔ以上となっている。

従来制御では不在時間中に圧縮機１３の運転を停止するため、在室開始時に室温Ｔが高くなる。このため、在室開始時の圧縮機周波数が上昇し、機器効率の低下する状況が発生する。これに加え、躯体性能が中の住宅は、低の住宅に比べて躯体蓄熱が大きいため、その躯体蓄熱が空調装置運転時の室温低下を阻害する。よって、図１１〜図１４と、図７〜１０とにおいて在室開始後の消費電力Ｗｏｌｄ同士を比較して明かなように、躯体性能が中の住宅では、低の住宅と比較して圧縮機１３を高容量で運転する運転時間が長期化して消費電力量が多くなっている。

（本制御：第２制御パターン）
躯体性能が中の住宅は、低の住宅に比べて躯体性能を改善しているため、時間当たりに躯体から室内へ流入する負荷は、躯体性能が低い住宅と比較して少ない。つまり、負荷予測手段７０で検知される空調負荷は、躯体性能が低の住宅よりも小さい。このため、図１１〜図１４と図９〜図１２とを比較して明らかなように、不在時間の運転時間α２が運転時間α１より長くなっているが、負荷処理量は少なくすることが可能である。従って、躯体性能が中の場合の不在時間には、躯体性能が低の場合よりも運転容量を低容量化して高効率で負荷処理することができる。また、在室開始前に圧縮機１３の運転を再開したことで在室開始後には躯体の蓄熱量が少なくなっているため、在室開始後から空調運転を開始する従来制御よりも、低容量化した高効率運転でも負荷処理が可能であり、省エネが可能となる。

［条件１−Ｂ−ｂ；不在時間：長、在室開始時負荷：小］
図１２は、図５の条件１−Ｂ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。

（本制御：第２制御パターン）
不在時間が長く、在室開始時の負荷が小さい場合も条件１−Ａ−ｂと同様に在室開始時刻の運転時間α２前から運転を再開することで、従来制御に比べて省エネが可能となる。この条件１−Ｂ−ｂの場合は、条件１−Ａ−ｂの場合（図１１）よりも在室開始時の空調負荷が小さいため、運転時間α２が条件１−Ａ−ｂの場合よりも短くなっており、さらに省エネとなっている。

［条件１−Ｂ−ｂ；不在時間：長、在室開始時負荷：小］
図１３は、図５の条件２−Ａ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。

（本制御：第３制御パターン）
不在時間が短く、在室開始時の空調負荷が大きい場合には、不在開始時でも圧縮機１３を停止せずに運転を継続する。このように、発生負荷に対して高効率化が可能な時間帯（不在開始時に近い時間）には空調負荷が増加しないように制御することによって機器効率の低下を抑制し、省エネ化が可能となる。

なお、不在時間の長短を区別するための閾値Ｔｔｈの設定方法が特定の方法に限定されない点は上述したが、不在時間の長短は躯体性能の他、機器効率変動などが密接に関わるため、躯体性能が中の住宅と低の住宅とでは、異なる閾値Ｔｔｈを用いることが望ましい。具体的には例えば、躯体性能が中の場合は、在室開始時の空調負荷が不在開始時の空調負荷以上となる場合で、不在時に空調装置の設定を変更せずに連続運転した場合の負荷処理量が、従来制御の処理する負荷量の９０％以内となる時間等を閾値Ｔｔｈと定義することが望ましい。

［条件２−Ｂ−ｂ；不在時間：短い、在室開始時負荷：小］
図１４は、図５の条件２−Ｂ−ｂでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。
（本制御：第３制御パターン）
不在時間が短い場合でも在室開始時の空調負荷が小さい場合は不在開始後に一度空調装置を停止させて不在時の処理負荷量を低減する。そして、図１４から明かなように、在室開始時より運転時間α２前の運転開始時刻から運転再開することで従来制御よりも省エネが達成されている。

［躯体性能：高］
図１５は、図５の条件１−Ａ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図１６は、図５の条件１−Ｂ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図１７は、図５の条件２−Ａ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。図１８は、図５の条件２−Ｂ−ｃでの本制御と従来制御とを、室温変動、消費電力変動で比較した図である。

（従来制御）
従来制御では不在開始時に圧縮機１３の運転を停止するため、不在時の熱負荷により在室開始時には室温が上昇するが、躯体性能が高いため、外気温度以上には室内温度は上昇しない。また、躯体の蓄熱分は室外と室内とで独立に近い状態となっており、一部蓄熱された熱量が空調負荷として発生する。

（本制御：第１制御パターン）
躯体性能が高い場合には在室開始時の空調負荷が躯体性能が中、低の場合よりも少ないため、運転時間α３は、運転時間α１、α２に比べて少なくなっている。そして、第１制御パターンでは、上述したように運転時間を、予測空調負荷と圧縮機周波数ｆ１とに基づいて決定しており、この圧縮機周波数ｆ１は従来制御時の半分程度を目処として設定されているため、機器の効率向上が可能となる。

また、躯体性能が高い場合は不在時間の長短に関わらず、貫流負荷、換気負荷が小さいため温度変動は小さくなる。また、躯体蓄熱量も外部とは独立に近い状態となるため、空調停止後の再起動時に負荷が蓄熱負荷によって空調装置の高容量運転がもともと発生しにくい。このため、在室開始時刻より運転時間α３から運転再開することによる省エネ効果は他の躯体性能のものに比べて少なくなるものの、従来制御よりも効果的であることに変わりはない。

また、本制御手法では、室内の不在室時間幅情報の高精度な入手が重要となるため、空調対象空間ａに関する情報だけでなく、家庭全体の生活パターンから在室情報を設定してもよい。例えば、家全体の機器の状態を監視するＨＥＭＳ（ホームエネルギーマネージメントシステム）を別途導入し、そのシステムにて在室情報を処理させる。そして、その在室情報を空調装置に伝送し、本例の不在制御に用いるようにしてもよい。

以上の実施の形態１では、冷房時の運転動作について説明したが、暖房運転時も同様に実施できる。暖房運転の場合は、外気温度低いもしくは日射が少ないほど空調負荷が多くなる状態と設定する。このように設定することで、外気低温の夜間などが負荷の大きい条件となり、躯体性能ごとに空調制御することで省エネ運用が可能となる。

［発明の効果］
以上説明したように、実施の形態１の空調装置は躯体性能、負荷状態から不在時の空調運転を制御することによって、空調消費電力を低減させながら、快適性を向上させることが可能となる。すなわち、室温だけでなく、躯体の蓄熱分を考慮して空調制御することで空調負荷が過剰になる時間を低減した結果、空調機器の運転が高容量化することを抑制可能となり、機器効率を向上するため、省エネが可能となる。

また、上記の不在制御を行うことによって空調装置の処理負荷が平準化されるため、消費電力のピークカットが可能となる。そのため、電力供給側より使用量抑制指示（デマンド）が発生した場合でも快適性を保ちながら空調を運転することが可能となる。

さらに、空調のピーク周波数を抑えることが可能になることから、圧縮機１３の必要容量を低減することが可能となることから、機器小型化、冷媒使用量の低減が可能となり、省コスト、低ＧＷＰ化が可能となる。

なお、上記では、不在開始時刻となると圧縮機１３の運転を停止するとしたが、本発明は不在開始時刻に圧縮機１３の運転を停止することに限られず、次の制御としてもよい。すなわち、不在開始時刻となると設定温度Ｔｓｅｔを制御手段３０主導で現在よりも強制的に下げることで圧縮機周波数を下げ、不在時の処理負荷量を低減した状態で圧縮機１３の運転を継続させるようにしてもよい。この場合も、第１制御パターンであれば在室開始時の運転時間前から圧縮機周波数ｆ１で圧縮機１３の運転を再開し、第２制御パターンであれば在室開始時の運転時間前から圧縮機周波数ｆ１で圧縮機１３の運転を再開すればよい。

１Ａ 室温検知手段、１ａ 温度センサ（吐出温度センサ）、１ｂ 温度センサ（吸入温度センサ）、１ｃ 温度センサ、１ｄ 温度センサ、１ｅ 温度センサ、１ｆ 温度センサ、１ｇ 温度センサ、１ｈ 温度センサ、１０ 熱源機、１１ 熱交換器、１２ 送風手段、１３ 圧縮機、１４ 絞り手段、１５ 四方弁、１６ 空調手段、２０ 室内機、２１ 熱交換器、２２ 送風手段、３０ 制御手段、４０ 空調制御手段、４１ 外部制御手段、４２ 熱源機制御手段、４３ 室内機制御手段、５０ 不在情報取得手段、６０ 容量検知手段、７０ 負荷予測手段、８０ 躯体性能取得手段、１００ 配管、１０１ 伝送線、１０００ 冷凍サイクル、ａ 空調対象空間。

本発明に係る空調装置は、温度調整した空気を空調対象空間に送風する空調手段と、空調対象空間を構成する躯体の蓄熱量に基づく躯体性能を取得する躯体性能取得手段と、空調対象空間に人が不在となる不在時間を取得する不在情報取得手段と、不在開始から不在時間後の設定時刻までに空調対象空間に発生すると予測される空調負荷を演算する負荷予測手段と、設定時刻に設定温度になるように、不在時間に空調手段を運転させる不在制御を行う空調制御手段とを備え、空調制御手段は、負荷予測手段で得られた予測空調負荷と、躯体性能取得手段で検知された躯体性能と、不在時間と、に基づいて不在制御を行うものである。

Claims (12)

1. 温度調整した空気を空調対象空間に送風する空調手段と、
   前記空調対象空間を構成する躯体の蓄熱量に基づく躯体性能を取得する躯体性能取得手段と、
   前記空調対象空間に人が不在となる不在時間を取得する不在情報取得手段と、
   不在開始から前記不在時間後の設定時刻までに前記空調対象空間に発生すると予測される空調負荷を演算する負荷予測手段と、
   前記設定時刻に設定温度になるように、前記不在時間に前記空調手段を運転させる不在制御を行う空調制御手段とを備え、
   前記空調制御手段は、前記負荷予測手段で得られた予測空調負荷と、前記躯体性能取得手段で検知された前記躯体性能とに基づいて前記不在制御を行う空調装置。
2. 前記空調制御手段は、前記不在制御の制御パターンを複数有し、前記躯体性能に基づいて前記複数の制御パターンの何れかを選択し、選択した前記制御パターンに従って前記不在制御を行う請求項１記載の空調装置。
3. 前記複数の制御パターンの一つは、前記躯体性能取得手段で検知された前記躯体性能が、躯体性能を低、中、高の３段階に分けたうちの低又は高の場合に選択される制御パターンであり、前記予測空調負荷と第１圧縮機周波数とに基づいて前記設定時刻前の運転時間を決定し、前記設定時刻から前記運転時間を引いた時刻に前記第１圧縮機周波数で前記空調手段の圧縮機を運転させる制御パターンである請求項１又は請求項２記載の空調装置。
4. 前記複数の制御パターンの一つは、「前記躯体性能取得手段で検知された前記躯体性能が、躯体性能を低、中、高の３段階に分けたうちの中であり、且つ、前記不在時間の長短の判別結果が長である場合」及び「前記躯体性能取得手段で検知された前記躯体性能が、躯体性能を低、中、高の３段階に分けたうちの中であり、且つ、前記不在時間の長短の判別結果が長が短であり、さらに前記予測空調負荷の大小の判別結果が小の場合」に選択される制御パターンであり、前記予測空調負荷と第２圧縮機周波数とに基づいて前記設定時刻前の運転時間を決定し、前記設定時刻から前記運転時間を引いた時刻に前記第２圧縮機周波数で前記空調手段の圧縮機を運転させる制御パターンである請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の空調装置。
5. 前記第２圧縮機周波数は前記第１圧縮機周波数よりも低い請求項３に従属する請求項４記載の空調装置。
6. 前記空調制御手段は、不在開始時に前記空調手段の圧縮機の運転を停止するか、又は不在開始時に前記不在時間前よりも前記圧縮機の圧縮機周波数を低下させて運転を続けており、前記設定時刻から前記運転時間を引いた前記時刻になると前記制御パターンに従った前記圧縮機周波数での運転に変更する請求項３〜請求項５の何れか一項に記載の空調装置。
7. 前記複数の制御パターンの一つは、前記躯体性能取得手段で検知された前記躯体性能が、躯体性能を低、中、高の３段階に分けたうちの中であり、且つ、前記不在時間の長短の判別結果が短であり、さらに、前記予測空調負荷の大小の判別結果が大である場合に選択される制御パターンであり、前記不在時間前に行っていた前記空調手段の圧縮機の制御を前記不在時間中も継続して行う制御パターンである請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の空調装置。
8. 前記躯体性能取得手段は、前記躯体の蓄熱量に関する指標である躯体性能評価値に基づいて躯体性能を判別して取得しており、
   「前記空調対象空間の壁面の材質、厚み、断熱特性値の少なくとも一つを用いて演算して前記躯体性能評価値を取得する」、
   「外気温度、前記空調対象空間の外壁温度、日射量の何れかの時系列変動値と室内温度又は室内壁面温度の時系列変動とに基づいて演算して前記躯体性能評価値を取得する」、
   「過去の空調時の運転データと過去の外気温度、日射量、外壁温度の少なくとも一つの変動値とに基づいて演算して前記躯体性能評価値を取得する」、
   「使用者の入力から前記躯体性能評価値を取得する」、
   のうち、何れかの方法によって前記躯体性能評価値を取得する請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の空調装置。
9. 前記不在情報取得手段は、前記空調対象空間に存在する一又は複数の機器の使用情報を収集し、収集した情報に基づいて前記不在時間を取得する請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の空調装置。
10. 前記不在情報取得手段は、
    「前記空調装置、照明、人感センサ及び室内ドアの開閉装置のうちの一又は複数の運転情報に基づいて前記不在時間を取得する」、
    「外部機器との通信により前記不在時間を取得する」、
    「使用者の入力により前記不在時間を取得する」、
    のうち、何れかの方法によって前記不在時間を取得する請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の空調装置。
11. 前記負荷予測手段は、
    「過去の時間ごとの空調装置運転データから前記予測空調負荷を演算する」、
    「室内温度変動と、室外温度変動、日射量変動、太陽光発電量及び外部より得られる天候変動情報のうち少なくとも一つとから前記予測空調負荷を演算する」、
    「外部より設定する」、
    のうち、何れかの方法によって前記予測空調負荷を演算する請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の空調装置。
12. 前記躯体性能取得手段は、冷房時と暖房時とでは異なる方法で前記躯体の蓄熱量に基づく指標である躯体性能評価値を取得し、前記躯体性能評価値に基づいて躯体性能を取得する請求項１〜請求項１１の何れか一項に記載の空調装置。

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