JP2006029683A

JP2006029683A - 空調システムの制御方法

Info

Publication number: JP2006029683A
Application number: JP2004209036A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Terawaki; 正文寺脇; Hiroichi Tashiro; 博一田代
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-15
Also published as: JP4498041B2

Abstract

【課題】１台のＶＡＶユニットが担当する熱負荷の大小によって空調機の制御が重大な影響を及ぼされず安定した制御が可能になる制御方式を提供することを課題としている。
【解決手段】空調する空間を複数のゾーンに分けて、各ゾーンに変風量制御装置を設け、空調機で調整した給気を該変風量制御装置によって各ゾーンに給気し、各ゾーンは給気に基づいて制御する空調システムの制御方法において、各ゾーンの要求風量を求めるステップと、各ゾーンの要求風量及び設計風量並びに各ゾーンパラメータから実効要求風量比率を求めるステップと、実効要求風量比率を利用してロードリセット修正幅を求めるステップと、ロードリセット修正幅で補正される目標給気温度と運転モードから空調機の制御を決定するステップとを含むことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

この発明は、空調機に複数個の変風量制御装置を接続した空調システムの制御方法の技術分野に属する。

従来から空調システムには、空調する空間を複数のゾーンに分けて、空調機の給気側と各ゾーンをダクトで接続し、各ゾーンの給気口に至る風路に変風量制御装置（以下、ＶＡＶユニットという）を設けて、各ゾーンを個別に制御すると共に各ゾーンの制御状態を考慮して空調機を制御するという制御方式が採用されている。即ち、各ゾーンでは個別に設定された室内温度設定値になるように給気量を調整する局所的な制御方法（いわゆる変風量単一ダクト方式）が採用されている。また、空調機の制御は各ゾーンの風量制御状況、室内温度制御状況を考慮して給気量と給気温度を制御する大域的制御方法が採用されている。しかし、この制御方式では、各ＶＡＶユニットの送風量の範囲は最大値と最小値が定まっており、空調機が送風する給気の温度によっては各ゾーンの温度を個別の目標設定温度に制御できない場合が生じる。このために、空調機が送風する給気温度を如何に制御するかが重要な問題となる。即ち、各ゾーンの室内温度制御状況を如何に把握して給気温度を決定するかが重要である。以下に、従来技術における制御方式について説明する。

従来は、各ゾーンにおける各ＶＡＶユニットの要求風量比率を求めて、各ゾーンにおける要求風量比率の最大値から空調機が送風する給気の目標給気温度を求めるロードリセット制御が利用されていた。この方法は制御方法の考え方が簡単で、制御が容易になるという点で優れている。しかし、要求風量比率の定義（定め方）がＶＡＶユニットの製造会社によって異なる場合もあり、また、同一の製造会社の同じ機種でも同一の負荷状況で要求風量比率が異なる場合もあり、要求風量比率では負荷状況を正確に把握できないという問題があった。この問題を解決するために、本出願人は、負荷状況を正確に把握できるパラメータを導入した新たな方法を提案し、既に出願している（特許文献１）。
公開特許公報、特開２００４−１２５２９６（空調機の給気温度制御装置）

また、上記のような問題を解決するために、全体の要求風量（各ＶＡＶユニットの要求風量の総和）に対して要求風量比率を求めて空調機の制御を行うという考え方が特許文献２に示されている。以下に、この考え方について図面を参照して簡単に説明する。図５はこの発明（従来技術）における考え方を示す実施例のフローチャートである。図５で、ステップＳ２１では数１の給気率Ｋ１を求める。

ここで、Ｑｒは各ゾーンの要求風量で、Ｑmin、Ｑmaxは各ゾーンのＶＡＶユニットで供給される風量の最小値、最大値を表す。なお、給気率Ｋ１の代わりに各ゾーンの目標給気量Ｑｔを利用して給気率Ｋ２を採用してもよい。ステップＳ２２では目標給気率Ｋｓとの偏差ΔＫ１＝Ｋ１−Ｋｓを求める。ステップＳ２３、Ｓ２６では偏差ΔＫ１が（−２、＋２）の範囲にあるかを判断し、該範囲外のときは運転モードが冷房か暖房かを判断する（ステップＳ２５，Ｓ３１）。ΔＫ１＞＋２で冷房のとき、又は、ΔＫ１＜−２で暖房のときは給気温度を０．５度下げる（ステップＳ２７）。ΔＫ１＞＋２で暖房のとき、又は、ΔＫ１＜−２で冷房のときは給気温度を０．５度上げる（ステップＳ３０）。ステップＳ２８では目標給気温度が、例えば（摂氏１６度、３３度）の範囲外になったときに目標給気率Ｋｓを所定のプログラム（例えば、文献の図３）に従って変更する。
公開特許公報、特開平８−１０５６４８（空気調和システム及び空気調和システムの制御方法）

上記実施例の効果として以下のように述べられている。最小の目標給気率Ｋｓを低めに設定すると給気ファンの送風量を小さくできるので電気消費量を低減でき、最小の目標給気率Ｋｓを高めに設定すると各ゾーンを素早く換気することができるのでクリーンな室内環境を提供できる。また、目標給気温度に応じて目標給気率Ｋｓを変更するようにしているので、空調機全体の負荷に応じた最適な空調処理可能となる。以上に記載した技術内容からも明らかなように、この従来発明では、給気率Ｋ１を目標給気率Ｋｓに一致させるように給気温度のロードリセットを行っている。また、目標給気率Ｋｓは目標給気率設定手段によって、この文献の図３に示すグラフで決定されている。しかし、給気率Ｋ１を目標給気率Ｋｓに一致した場合に給気温度の制御が適切に行われたのか否かに疑問がある。即ち、目標給気率Ｋｓが合理的に決定(設計)されているという保証はなく、給気率Ｋ１を目標給気率Ｋｓに一致させること自体に疑問がある。例えば、あるゾーンで空調を停止した場合にも目標給気率Ｋｓはどのように決定すべきかについても疑問がある。

また、この他にも空調システムの制御方法（又は制御装置）に関する提案は多くなされている。例えば、特許文献３に記載されている従来装置では、ゾーン(被制御室)に設けられたＶＡＶユニットのダンパー開度がＭＡＸ値で、室内設定温度と室内の測定温度との偏差が所定値を超えた場合、吹出給気温度の能力アップを促す「暖房能力増要求」または「冷房能力増要求」のロードリセット指令が空調機のコントローラに送信され、コントローラは温度制御モードを考慮してロードリセットを行う。この従来装置では、１個のＶＡＶユニットから発せられた指令でロードリセットを行うために、多数のＶＡＶユニットを設けたシステムではシステム全体を効率的に制御できないという問題点がある。
特許公報、特公平６−７６８５４（ＶＡＶ制御システムにおけるロードリセット値設定方法）

また、更に他の従来技術として、特許文献４、特許文献５に記載されているものがある。これらの文献に記載されている従来技術は何れも、各ゾーンのＶＡＶユニットから発生される制御ステータス（制御状態）から全体の制御ステータスを求め、これと他の条件に基づいて吹き出し給気温度を決定するものである。この制御ステータスは制御の状態空間を適当な尺度で複数のブロックに分割したものである。例えば、特許文献４では各ゾーンの室温を冷房設定温度、暖房設定温度とダンパー開度の折れ線を利用して５つの制御ステータスを決定している。また全体の制御ステータスは各ゾーンの制御ステータスの組合せから決定している。従って、制御の状態空間をブロックに分割しているために状態が不連続になるだけでなく、ブロック間の相違の意義が不明瞭であり、全体の制御ステータスの合理的決定が困難で構成が複雑になるという欠点がある。また、制御プログラムも複雑になるという欠点もある。
公開特許公報、特開平９−１７８２４９（ＶＡＶ制御システム）公開特許公報、特開平８−２８９４０（ＶＡＶ制御システム）

本願発明は各ゾーン(制御対象である室)の温度制御は従来技術と同様にＶＡＶユニットのダンパー開度を制御することによりゾーン内の温度を制御し、一方、空調機の給気温度を制御するために、目標給気温度を決定する際の入力パラメータとして空調システム全体の空調負荷を簡単に表現できる新たなパラメータを導入し、制御方法の考え方が簡明で、制御が容易になるという利点を維持した制御方式を提案することを１つの目的としている。即ち、本願は特許文献１に記載されている技術を改良、拡張し、特許文献４，５に記載されているような複雑な構成を排除して、各ゾーンの空間の大きさによって異なる要求風量の相違や、空調の重要性も容易に取り込める簡単で有効な空調機の制御方式を提案することを目的としている。従って、本願発明の課題は、制御方式が簡明であること、各ゾーンの相違を的確に反映していること、システム全体から判断して制御が有効であるという条件を具備した制御方式を提案することを１つの課題としている。
また、従来装置では、目標給気温度のロードリセット修正幅を一定の固定した温度（例えば、摂氏０．５度）だけ、増減させていた。本願発明では、ロードリセット修正幅を連続的に変化させ、ハンチングを起こすことなく、スムーズに目標給気温度に到達できる制御方式を提案することをもう１つの課題としている。

上記課題を解決するために本発明は以下の手段を採用している。即ち、
請求項１記載の発明は、空調する空間を複数のゾーンに分けて、前記各ゾーンに変風量制御装置を設け、空調機で調整した給気を該変風量制御装置により前記各ゾーンに給気し、前記各ゾーンは給気風量及び給気温度を制御して該ゾーン内の熱負荷を処理する空調システムの制御方法において、前記各ゾーンの要求風量を求めるステップと、前記各ゾーンの要求風量及び設計風量並びに前記各ゾーンパラメータから実効要求風量比率を求めるステップと、該実効要求風量比率を利用してロードリセット修正幅を求めるステップと、該ロードリセット修正幅で補正される目標給気温度と運転モードから前記空調機の制御を決定するステップとを含むことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、前記ゾーンパラメータは、前記各ゾーンに対する空調の重要性を示す重みパラメータと、該ゾーンの変風量制御装置のオン・オフ状態を示す状態パラメータを考慮して決定することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記実効要求風量比率は、各変風量制御装置の重み付設計風量の総和に対する各変風量制御装置の重み付要求風量の総和との比率とすることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記各変風量制御装置に対する重みパラメータは、標準的なゾーンに対しては１とし、空調が重要なゾーンに対しては１よりも大きな値とし、空調が重要でないゾーンに対しては１よりも小さな正数値又はゼロを指定することを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記各変風量制御装置に対する状態パラメータは、給気を停止しているゾーンに対しては０とし、給気を行っているゾーンに対しては１としたことを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記ロードリセット修正幅を求めるステップは、前記実効要求風量比率の主範囲の最小値と最大値の間の区間を３段階のモード区間に分割し、減少モード区間と増加モード区間でロードリセット修正幅を連続的に変化させ、中間モード区間ではロードリセット修正幅を一定としたことを特徴としている。

各ゾーンの要求風量及び最大設計風量並びに重要度を考慮してシステム全体の作用効果を適切に表現する実効要求風量比率を求めて給気温度を制御するようにしているので、システム全体、即ちゾーン全体の給気温度制御を有効に行えるという効果が得られる。また、請求項４記載の発明は、各ゾーンの重み付けは標準を１とし、重要なものを１より大きく、重要でないものを１より小さく指定するようにしているので、重み付けが容易に行えるという効果もある。さらに、請求項６記載の発明ではロードリセット修正幅を連続的に変化させているのでスムーズに目標給気温度に到達することができるという効果も得られる。

以下、本発明の実施形態について図を参照して説明する。図１は空調機の制御ブロック図を示す。図２は本発明を実施した空調システムの全体図を示す。図３はロードリセット修正幅を求めるグラフである。図４は目標給気温度を求めるフローチャートである。

図２において、空調機１１の給気ファン１２の上流側には、電動弁１３を介して冷水を供給するコイルＣ／Ｃと電動弁１４を介して温水を供給されるコイルＨ／Ｃが配置され、給気温度が制御される。給気ファン１２の給気側には給気ダクト１６が接続され、給気ダクト１６には複数個の分岐ダクト１７が設けられている。分岐ダクト１７に設けられたＶＡＶユニット（変風量制御装置）２０を介して給気口１８からゾーン１９の内部に給気が供給される。また、各ゾーン１９にはゾーン内部の空気温度を計測する温度センサ２１が設けられており、温度センサ２１の出力はＶＡＶユニット２０のコントローラ２０ａに接続されている。

各ゾーン１９には還気口２３が設けられており、各還気口２３は分岐ダクト２４を介して還気ダクト２５に接続され、還気ファン２６の吸い込み側に接続されている。還気は排出口２７より一部が外気に放出され、還気の一部が開閉弁２８を通って、図示の矢印のように、給気ファン１２の吸い込み側に還気される。放出された還気の一部を補うために、吸入口２９から吸入された外気が、図示の矢印のように、給気ファン１２の吸い込み側に供給される。

ＶＡＶユニット２０のコントローラ２０ａにはゾーン内の目標温度を設定する装置が設けられており、このコントローラは目標温度と温度センサ２１による計測温度との偏差を求めてＰＩ制御又は比例制御等の従来技術を利用して風量を決定し、温度偏差がゼロになるように制御する。この際の風量のデータが「要求風量」としてゾーンコントローラ３１に送信される。ＡＨＵコントローラ３３は、ゾーンコントローラ３１から送られてくる以下に説明する所定データと給気ダクト１６に設けられた給気温度センサ３２の計測温度に基づいて冷水バルブ１３、加熱バルブ１４を制御することによって給気温度を制御する。

図１はＡＨＵコントローラ３３の機能詳細を示す。図１において、ゾーンコントローラ３１には各ゾーン１９におけるＶＡＶユニット２０の要求風量の他に、各ＶＡＶユニット２０の定格最大風量が「設計風量」データとして、又各ＶＡＶユニット２０の作動又は停止を表す状態パラメータ、並びに各ゾーンにおけるＶＡＶユニット２０の制御の重要性を示す重みパラメータが入力される。重みパラメータは、例えば、標準的なゾーンに対しては「１」とし、空調が重要なゾーン（例えば、重役室、接客室等）は１よりも大きくし、空調が重要でないゾーンに対しては１よりも小さな正数値（又はゼロ）を付す。又状態パラメータは稼動中のＶＡＶユニット２０に対しては１とし、停止中のＶＡＶユニット２０に対しては０とする。なお、重みパラメータの代わりに各ゾーンの重みパラメータと状態パラメータの積を示すゾーンパラメータを入力してもよい。ゾーンコントローラ３１は上記の入力データから重み付総要求風量、重み付総有効設計風量、総要求風量を算出して、算出結果をＡＨＵコントローラ３３に送出する。

ｉ番目（ｉ＝１、２、・・ｎ）のゾーンに対するＶＡＶユニット２０に対するゾーンパラメータ（Ｘ（ｉ）、ｉ＝１，２，３、・・ｎ）を（ｉ番目のゾーンに対する重みパラメータ）と（ｉ番目のゾーンに対する状態パラメータ）との積で表すと、重み付総要求風量、重み付有効設計風量、総要求風量は数２〜数４のように記述できる。

数２〜数４において、「Ｑ（ｉ）」はｉ番目ゾーンのＶＡＶユニット２０の要求風量であり、「Ｑｏ（ｉ）」はｉ番目ゾーンのＶＡＶユニット２０の定格最大風量（又は設計風量）である。又、「Ｓ（ｉ）」はｉ番目ゾーンのＶＡＶユニット２０の状態パラメータである。

ＡＨＵコントローラ３３は、図１に示すように、演算部３４は、ゾーンコントローラ３１からの重み付総有効設計風量（式３）と重み付総要求風量（式２）とを利用して実効要求風量比率を数５のように定義する。

次に、演算部３５は図３に示すグラフを利用して、ロードリセット変化幅（ΔＴ）を求める。図３において、実線は冷房時のロードリセット変化幅（ΔＴ）を示し、点線は暖房時のロードリセット変化幅（ΔＴ）を示す。即ち、ロードリセット変化幅（ΔＴ）は、図３に示すように、実効要求風量比率の範囲について主範囲を定め、その最小値（Ｊｍｉｎ）と最大値（Ｊｍａｘ）との間の区間を３段階の区間、最小区間と最大区間（即ち、ロードリセットを必要とする増減モード区間）と中間区間（即ち、ロードリセットを必要としない一定区間）とに分割する。増減モード区間ではロードリセット変化幅（ΔＴ）を直線的に変化させ、一定モード区間ではロードリセット変化幅（ΔＴ）を一定（ゼロ）とする。なお、主範囲以外の区間ではロードリセット変化幅（ΔＴ）は最大値Ｄｍａｘ、又は最小値Ｄｍｉｎとする。

次に演算部３６は目標値に設定する給気温度Ｔｓｐを、図４に示すフローチャートに従って決定する。即ち、ステップＳ１１では、前回の目標給気温度（Ｔｓｐ）に演算部３５で求めたロードリセット変化幅（ΔＴ）を加算して新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’＝Ｔｓｐ＋ΔＴ）とする。ステップＳ１２では、新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’）と上限値と比較し、上限値より大きい場合は新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’）を上限値に置き換えて（Ｔｓｐ’＝上限値として）ステップＳ１６に進む。ステップＳ１２で、新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’）が上限値より小さい場合にはステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では目標給気温度（Ｔｓｐ’）を下限値と比較して、下限値より小さい場合は新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’）を下限値に置き換えて（Ｔｓｐ’＝下限値として）ステップＳ１６に進む。下限値より大きい場合は新しい目標給気温度（Ｔｓｐ’ ＝Ｔｓｐ＋ΔＴ）はそのままとしてステップＳ１６に進む。

演算部３７は演算部３６で求めた目標給気温度（Ｔｓｐ’）と温度センサ３２で計測した給気温度（Ｔｐｖ）との偏差を算出し、演算部３８は求めた偏差からＰＩ制御操作による制御量を算出する。この制御量に基づいて演算部３９、４０がバルブの開度を求めて、電動バルブ１３、１４の制御を行う。一方、演算部４１はゾーンコントローラ３１からの総要求風量に基づいて給気ファン１２の回転数を求め、インバータ１５を制御する。

以上に説明したように、本実施形態によれば、各ゾーンの要求風量及び最大設計風量並びに重要度を考慮してシステム全体の作用効果を適切に表現する実効要求風量比率を求めて給気温度を制御するようにしているので、システム全体、即ちゾーン全体の給気制御を有効に行えるという効果が得られる。また、各ゾーンの重み付けは標準を１とし、重要なものを１より大きく、重要でないものを１より小さく指定するようにしているので、重み付けが容易に行えるという効果もある。また、目標給気温度を連続的に変化させているために、給気温度のロードリセットをスムーズに行い、快適な環境を維持することができるだけでなく、無駄なエネルギーを節約できるために省エネにも役立つという効果も得られる。

以上、この発明の実施形態、実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、ゾーンは壁等で仕切られた部屋に対応させてもよいし、大きな部屋等の空間を仮想的に分割した場合であってもよい。また、本実施形態では還気を行っているが、還気を行わないでゾーンからそのまま外気等に排出する場合にも本発明は適用されるものである。また、２つのコントローラ（ゾーンコントローラとＡＨＵコントローラ）は区別して記載しているが、１つのコントローラとして構成してもよい。

空調機の制御ブロック図を示す。本発明を実施した空調システムの全体図を示す。ロードリセット変化幅を求めるグラフである。目標給気温度を求めるフローチャートである。従来装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１空調機
１２給気ファン
１３、１４冷水、加熱バルブ
１５インバータ
１６給気ダクト
１９ゾーン
２０ＶＡＶユニット（変風量制御装置）
２０ａコントローラ
２１温度センサ
２５還気ダクト
３１ゾーンコントローラ
３２温度センサ
３３ＡＨＵコントローラ
３４演算部（実効要求風量比率算出器）
３５演算部（給気温度設定値算出器）

Claims

空調する空間を複数のゾーンに分けて、前記各ゾーンに変風量制御装置を設け、空調機で調整した給気を該変風量制御装置により前記各ゾーンに給気し、前記各ゾーンは給気風量及び給気温度を制御して該ゾーン内の熱負荷を処理する空調システムの制御方法において、前記各ゾーンの要求風量を求めるステップと、前記各ゾーンの要求風量及び設計風量並びに前記各ゾーンパラメータから実効要求風量比率を求めるステップと、該実効要求風量比率を利用してロードリセット修正幅を求めるステップと、該ロードリセット修正幅で補正される目標給気温度と運転モードから前記空調機の制御を決定するステップとを含むことを特徴とする空調システムの制御方法。
前記ゾーンパラメータは、前記各ゾーンに対する空調の重要性を示す重みパラメータと、該ゾーンの変風量制御装置のオン・オフ状態を示す状態パラメータを考慮して決定することを特徴とする請求項１に記載の空調システムの制御方法。
前記実効要求風量比率は、各変風量制御装置の重み付設計風量の総和に対する各変風量制御装置の重み付要求風量の総和との比率とすることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか１に記載の空調システムの制御方法。
前記各変風量制御装置に対する重みパラメータは、標準的なゾーンに対しては１とし、空調が重要なゾーンに対しては１よりも大きな値とし、空調が重要でないゾーンに対しては１よりも小さな正数値又はゼロを指定することを特徴とする請求項２に記載の空調システムの制御方法。
前記各変風量制御装置に対する状態パラメータは、給気を停止しているゾーンに対しては０とし、給気を行っているゾーンに対しては１としたことを特徴とする請求項２に記載の空調システムの制御方法。
前記ロードリセット修正幅を求めるステップは、前記実効要求風量比率の主範囲の最小値と最大値の間の区間を３段階のモード区間に分割し、減少モード区間と増加モード区間でロードリセット修正幅を連続的に変化させ、中間モード区間ではロードリセット修正幅を一定としたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１に記載の空調システムの制御方法。