JP2006046726A - 空気調和制御システム、空気調和装置、遠隔監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気調和装置制御システムは、時々刻々の気象条件、室内の負荷条件の変化に対応した制御ができず、気象条件、負荷条件によらず、常に室内の快適性を保って省エネ運転が行うということができないという問題点があった。
【解決手段】 本発明の空気調和装置制御システムは、室外機２と室内機１とを冷媒配管３で接続して冷凍サイクルを構成し、冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラ６と、外部コントローラ８とを有し、内蔵コントローラ６と外部コントローラ８とで連携制御を行うことで、空気調和装置７を常時最適な運転状態に保ち、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように制御するようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和装置、空気調和装置を制御する空気調和制御システム、空気調和制御システムを遠隔監視する遠隔監視装置に関するものである。

特許文献１に記載された従来の空気調和制御システムにおいては、気象予報を使用し、空調機の目標能力を設定することで能力を適切に設定するようにして運用することがなされていた。

また、特許文献２に記載された従来の空気調和制御システムにおいては、室内機の設定温度を１℃だけシフトし、１５分以内に設定温度を元に戻すように制御されていた。

特開２００２−１７６７２８号公報（第１図〜第２図、第１２図） 特開平１１−１１８２２５号公報（第３図）

従来の空気調和制御システムでは、気象予報により空調負荷を予測し、ほぼ適切に設定することはできるが、気象予報がはずれた場合に適切な冷房能力あるいは暖房能力を供給できなくなるという問題点があった。

また、長期気象予報に基づいた制御であるため、時々刻々の気象条件、室内の負荷条件の変化に対応した制御ができないという問題点があった。

また、設定温度のシフト時間を一定としているため、室内の負荷条件が異なるものに対し、同一のアルゴリズムを適用すると室内の快適性を損ねてしまう場合があるという問題点があった。

また、そのため、アルゴリズムを汎用的なものにすることができないという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたのもので、本発明の目的は、気象条件、負荷条件によらず、常に最適な冷房能力、暖房能力を供給できるシステムを得ることである。

またこの発明は、時々刻々の気象条件、室内の負荷条件の変化に対応し、常に室内の快適性を保った状態で省エネ運転が行えるシステムを得ることを目的としている。

またこの発明は、室内の負荷条件が異なるものに対し、同一のアルゴリズムを適用しても、室内の快適性を損なわず、省エネ運転が行えるシステムを得ることを目的としている。

またこの発明は、どんなものにも同一のアルゴリズムが適用できる、汎用的なアルゴリズムを得ることを目的としている。

本発明の空気調和制御システムは、室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、空気調和装置の外部に設置され、空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、空気調和装置の制御アクチュエータの制御範囲を内蔵コントローラへ送信し、内蔵コントローラと連携制御を行うことで、空気調和装置を常時最適な運転状態に保つ外部コントローラとを備えたものである。

この発明は、時々刻々の気象変化、室内の空調負荷変化に対応し、常に適切な冷房能力、暖房能力を供給するもので、空気調和装置を省エネに運用することができるようになる。また、空気調和装置本体の制御と独立した形態をとることで、複雑な制御を外部に持たせることで、制御に汎用性を持たせ、制御を安定にさせることができるようになる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の構成について図１〜図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態の全体概念を示すブロック図である。同図より、１は室内機、２は室外機、３は冷媒配管、４はリモコン、５は伝送線、６は内蔵コントローラであって、これらで７の空気調和装置を構成し、８は外部コントローラである。空気調和装置７は、１台もしくは複数台の室内機１と室外機２とが冷媒配管３にて接続されて冷凍サイクルを構成し、室内機１、室外機２、リモコン４、内蔵コントローラ６とが、伝送線５を介してデータの送受信が可能なように結線されている。

外部コントローラ８は、伝送線５の接続経路のいずれかの位置に接続され、内部コントローラ６とデータの送受信を行うことが可能である。なお、外部コントローラ８は、伝送線５に直接接続されていなくてもデータの送受信ができる構成になっていればよく、例えば無線で接続してもよく、あるいはモデムやインターネットを介して遠隔に設置されていても構わない。また、１台の外部コントローラ８を、複数の空気調和装置７に接続して運用するように構成しても構わない。

図２は、本実施の形態に係る空気調和装置７の詳細構成を示すブロック図である。同図より、１１は圧縮機、１２は室外熱交換器、１３は膨張弁、１４は室内熱交換器、１５は四方弁などの流路切替手段、１６はアキュムレータであり、これらが配管３で接続され、内部に冷媒を流通させ、冷凍サイクルを構成している。２１は室外送風機、２２は室内送風機で、それぞれ室外熱交換器１２、室内熱交換器１４へ送風し、冷媒と周囲空気との熱交換を促進させる作用をする。圧縮機１１、膨張弁１３、室内熱交換器１４は１つまたは複数個設置されており、室外機２は例えば屋外などに設置され、室内機１は例えば事務所の天井などに設置されている。なお、圧縮機１１または送風機２１，２２が、制御アクチュエータである。

３１は高圧検出手段、３２は低圧検出手段であって、圧縮機１１の出口側および入口側の冷媒の圧力を検出し、３３はガス側冷媒温度検出手段、３４は液側冷媒温度検出手段であって、例えばサーミスタを使用し、配管の外部に接触させて冷媒の温度を検出している。３５は吸込空気温度測定手段、３６は外気温測定手段であって、それぞれ室温および外気温を検出している。これも、例えばサーミスタが使用される。各検出手段および圧縮機１１、送風機２１および２２、膨張弁１３、四方弁１５の各制御アクチュエータは、室外側内蔵コントローラ６ａおよび室内側内蔵コントローラ６ｂのいずれかから制御可能なように配線されており、室外側内蔵コントローラ６ａと室内側内蔵コントローラ６ｂとは伝送線５にて接続され、データの送受信ができるように構成されている。

次に、空気調和装置の冷凍サイクルの動作について説明する。冷房運転においては、冷媒は、圧縮機１１にて圧縮されて高温高圧のガス冷媒になり、四方弁１５を介して、室外熱交換器１２へ流入する。室外熱交換器１２は凝縮器として作用し、室外送風機２１の作用によって、周囲空気に放熱して凝縮液化し、高温高圧の液冷媒になり、室外機２を出て各室内機１へ振り分けられる。各室内機１においては、膨張弁１３の作用により減圧され低温低圧の二相冷媒になり、室内熱交換器１４へ流入する。室内熱交換器１４は蒸発器として作用し、室内送風機２２の作用により、周囲空気より吸熱して室内の冷房を行い、蒸発して低温低圧のガス冷媒になり、室内機１を出て室外機２へ戻り、四方弁１５およびアキュムレータ１６を経て、再び圧縮機１１へ吸入される。

暖房運転においては、圧縮機１１にて圧縮されて高温高圧のガス冷媒になった冷媒は、四方弁１５を介して、室外機２を出て各室内機１へ振り分けられ、各室内熱交換器１４へ流入する。室内熱交換器１４は凝縮器として作用し、室内送風機２２の作用によって、周囲空気に放熱して室内の暖房を行い、凝縮液化して高温高圧の液冷媒になり、膨張弁１３の作用により減圧され低温低圧の二相冷媒になり、室内機１を出て室外機２へ戻り、室外熱交換器１２へ流入する。室外熱交換器１２は蒸発器として作用し、室外送風機２１の作用により、周囲空気より吸熱し、蒸発して低温低圧のガス冷媒になり、四方弁１５およびアキュムレータ１６を経て、再び圧縮機１１へ吸入される。

次に、空気調和装置の通常の制御動作について説明する。室外側内蔵コントローラ６ａ、室内側内蔵コントローラ６ｂ、リモコン４は、それぞれ伝送線５に接続され、相互にデータの送受信ができるように構成されている。各コントローラ（リモコン含む）には、それぞれ別々のアドレスが設定され、お互いを認識する。例えば、室内側内蔵コントローラ６ｂはアドレス１および２、室外側内蔵コントローラ６ａはアドレス５１、リモコン４はアドレス６１のように設定される。リモコン４には対応する室内側内蔵コントローラ６ｂのアドレスを設定し、室内側内蔵コントローラ６ｂは接続されているリモコン４および室外側内蔵コントローラ６ａのアドレスを設定もしくは自動認識し、室外側内蔵コントローラ６ａは接続されている各室内側内蔵コントローラ６ｂのアドレスを設定もしくは自動認識する。

ユーザーがリモコン４にて、または集中コントローラが、暖房、冷房の運転モードや設定温度などを設定すると、その情報は伝送線５を経由して、対応する室内側内蔵コントローラ６ｂ、室外側内蔵コントローラ６ａへ送られる。室外側内蔵コントローラ６ａは四方弁１５を該当運転モードに切り替え、室内側内蔵コントローラ６ｂは入力された設定温度を内部のメモリに書き込み、室内機１の運転を開始する。室内機１のうち１台でも運転を開始すると、圧縮機１１および室外送風機２１が運転を開始する。

室内側内蔵コントローラ６ｂ内には、あらかじめ室内機１内の制御アクチュエータの制御アルゴリズムが書き込まれており、それに基づいて既定の制御動作を行う。膨張弁１３は、冷房運転においては、ガス側冷媒温度検出手段３３にて検出した温度と液側冷媒温度検出手段３４にて検出した温度との温度差で求められるスーパーヒートを目標値に近づけるよう制御される。暖房運転においては、高圧検出手段３１にて検出した圧力から求めた飽和温度すなわち凝縮温度と液側冷媒温度検出手段３４にて検出した温度との温度差で求められるサブクールを目標値に近づけるよう制御される。

また、室外送風機２１および圧縮機１１は、高圧検出手段３１にて検出した高圧から求めた飽和温度である凝縮温度および低圧検出手段３２にて検出した低圧から求めた飽和温度である蒸発温度を目標値に近づけるよう制御される。室外送風機２１と圧縮機１１とが相互に関連した制御方法も想定されるが、一般的には、冷房時は室外送風機２１により凝縮温度を、圧縮機１１により蒸発温度を、暖房時には室外送風機２１により蒸発温度を、圧縮機１１により凝縮温度を制御する。すなわち、圧縮機１１は例えばインバータにより周波数を可変することで能力調整をして蒸発温度を目標値に制御し、室外送風機２１は例えば位相制御にて回転数を変化させ凝縮温度を目標値に制御する。なお、圧縮機１１はインバータ、室外送風機２１は位相制御にて、回転数を可変とするのが一般的であるが、これに限るものではなく、回転数を制御可能であれば、どのような方式でも凝縮温度、蒸発温度を制御でき、構わない。

以降、冷房運転の場合を例に話を進めるが、暖房運転についても同様のことが言える。室内熱交換器１４における熱交換量Ｑｅは、室内熱交換器１４の伝熱面積をＡ、熱通過率をＫ、吸込空気温度をＴａ、内部を流れる冷媒の飽和温度である蒸発温度をＴｅとすると、概略次式で表される。

すなわち、室内熱交換器１４での熱交換量は、吸込温度検出手段３５にて検出した周囲空気の吸込温度と室内熱交換器１４の内部を流れる冷媒の蒸発温度との温度差に依存する。

室外機２と室内機１との間を接続する延長配管は、設置形態により、長いものから短いものまで多種の形態が想定される。延長配管の長さが長いと、配管での圧力損失が大きく、実際の室内機１での圧力（飽和温度）と高圧検出手段３１または低圧検出手段３２による検出値との間のずれが大きくなる。したがって、低圧検出手段３２にて検出した低圧を一定値に保ったとしても、延長配管の長さによって、圧力損失が異なり、室内熱交換器１４内の冷媒の蒸発温度を一定値に保つことはできない。

また、室内にどの程度の熱量を供給すべきかは、室内の熱負荷によって異なる。室内の熱負荷を図３に示す。熱負荷の種類としては、日射が窓を透過する垂直面日射量Ｑｔ、外気による壁を通した熱侵入である壁体通過熱量Ｑｈ、隙間やドアの開閉による換気負荷であるＱａ、照明の発熱量Ｑｓ、人体の発熱量Ｑｍ、パソコンなどの機器の発熱量Ｑｋ、などいろいろある。空調機の能力とこれらの熱負荷とがバランスして始めて室温が一定に保たれるが、熱負荷は、外気温、日射量、在室人数などにより時々刻々と変化するため、空調機の発揮すべき冷房能力、すなわち冷媒の蒸発温度を一意に決めるのは難しい。

そこで、通常は、最大長の延長配管と室内の最低設定温度を想定して、空気調和装置７の目標蒸発温度を設定し、それを目標に制御アクチュエータの制御が行われる。しかし、室内に供給する冷房能力と室内の熱負荷とがバランスしないと室温を一定値に保つことはできない。最大長の延長配管と室内の最低設定温度を想定して空気調和装置７の目標蒸発温度を決める場合は、例えば０℃のようなかなり低い蒸発温度を目標値として設定することになり、（１）式より非常に大きな冷房能力が得られるため、冷房能力が室内の熱負荷に勝り、室温は低下する。そこで、室温を一定値に保つため、通常は室内側内蔵コントローラ６ｂは、吸込空気温度検出手段３５によって検出した吸込空気温度Ｔａ、すなわち室温、と室内側内蔵コントローラ６ｂ内に記憶された設定温度Ｔｏとの温度差によって、次式に基づき、該当する室内機１への冷媒の流れの有無を切り替える。

なお、サーモオフとは該当室内機１への冷媒の流れを遮断した状態で室内送風機２２のみが動作しており、サーモオンとは室内機１に冷媒を流した状態で冷房を行っている状態のことを意味する。冷媒の流れの遮断は、膨張弁１３を全閉あるいはそれに近い状態にして行う場合や、膨張弁１３の前あるいは後ろに電磁弁などの開閉弁を設け、それにより行う場合が考えられる。

このように、室内機１への冷媒の流れの有無を切り替えることにより、（２）式で定義される範囲、すなわち、吸込空気温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの温度差を、ほぼ０℃から１℃の間に制御することができる。しかし、この場合、冷凍サイクルとしては、運転している時は必要以上の過大な冷房能力を供給しており、あまり効率のよい運転ではない。また、サーモオン、サーモオフの度に、室内熱交換器１４の合計容量が変化するため、その度に冷凍サイクルの運転状態を変化させる必要があり、冷凍サイクルは定常状態にならず常に過渡状態になっており、これも効率を阻害する要因となる。また、室温が常に変化しており、快適性上も好ましくはない。

冷凍サイクルとして、最適な運転状態、すなわち効率がよい状態は、圧縮機１１をなるべく低い周波数にて運転させ、圧縮機１１の仕事量を減らしてやることである。さらに、圧縮機１１を低い周波数で運転させ、冷房能力と室内の熱負荷とがバランスすれば、室温の変化も小さくなり、快適性の面からも好ましい。

しかし、先に述べたように、室内の熱負荷は時々刻々と変化する。そこで、本実施の形態では、熱負荷の量を学習し、それを蒸発温度に反映することで、冷房能力と熱負荷とをバランスさせることを考えた。すなわち、（１）で定まる冷房能力が熱負荷より小さければ室温（吸込温度）Ｔａが上昇し、冷房能力が熱負荷よりも大きければ室温Ｔａが下がる。したがって、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの温度差をゼロに近づけるように蒸発温度を変化させることで、冷房能力と熱負荷とがバランスした状態を実現できる。そのためには、蒸発温度の目標値Ｔｅｍを、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差が小さくなる方向に変化させればよく、例えば、定数ｋｐ（蒸発温度制御ゲイン）を用い、次式にて、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差を逐次学習し、蒸発温度目標Ｔｅｍを補正する方法が考えられる。

ここで、ΔＴｅｍは蒸発温度目標の補正量である。このようにすれば、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差が大きい場合は、その温度差が蒸発温度に反映され、蒸発温度を低くすることができるため、（１）式により室内へ供給する冷房能力が大きくなり、室温（吸込温度）が下がる。そして、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差が小さくなると、蒸発温度目標の補正量ΔＴｅｍが小さくなり、ちょうど冷房能力と熱負荷とがバランスする蒸発温度に制御することができる。

しかし、（３）式による制御では、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差がそのまま蒸発温度目標Ｔｅｍに反映され、ノイズの影響も受けやすくかつ過渡変化時の制御のハンチングも起きやすく、制御の安定性に欠ける。そこで、制御の安定性を改善する方法として、（３）式の代わりに、次式を使用することを考える。

ここで、Δｔは制御時間間隔、Ｔｉは定数（積分時間）、Ｔｏ_ｍｉｎは運転している室内機１の最低温度、（Ｔａ−Ｔｏ）_ｍａｘは運転している室内機１の吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの温度差の最大値である。これは古典制御の有名な一手法であるＰＩ制御に基づく補正方法であり、定数Ｔｉを含む吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差の積分項が制御を安定させる働きをする。そして、吸込温度Ｔａと設定温度Ｔｏとの偏差がゼロになるように補正が続けられるため、制御が終わった段階では冷房負荷と熱負荷とがバランスした状態の蒸発温度を得ることができる。

次に、蒸発温度Ｔｅを蒸発温度目標Ｔｅｍに近づけるように、制御アクチュエータすなわち圧縮機１１の周波数ｆを変化させる制御について説明する。圧縮機１１の周波数Ｆは例えば次式に基づいて制御される。

ここでＧｓは定数（周波数制御ゲイン）、ΔＦは周波数の補正量、ΣＱｊは運転している室内機１の合計能力の能力コードである。（５）式に基づけば、蒸発温度Ｔｅが蒸発温度目標Ｔｅｍよりも高い時は圧縮機１１の周波数を上げ、低い時は周波数を下げるように動作し、蒸発温度Ｔｅと蒸発温度目標Ｔｅｍが一致したところで制御が終了する。この時、定数Ｋｆを大きくしすぎると制御がハンチングするので、適切な値に設定する必要があり、経験的に２回から３回で目標に到達する程度の値が望ましいことが分かっている。また、室内機１の運転台数が少ない時は周波数変化の影響を大きく受けてしまうので、周波数は能力コードΣＱｊに比例するようにした。

制御の流れを図４のフローチャートにより説明する。本フローチャートは内部タイマーにより一定時間ｄｔ毎に呼び出される。制御が開始されると、データを測定し（ＳＴ１）、圧縮機１１が停止している場合は（ＳＴ２）フローチャートを終え、そうでない場合は運転モードが冷房か暖房かを判断し（ＳＴ３）、室内機運転容量合計値の能力コードΣＱｊに係数ｋ０Ｒ、ｋ０Ｄをかけた値をＦｉとおく（ＳＴ４、ＳＴ５）。次に、圧縮機１１が起動直後かあるいはΣＱｊに変化がありかつ現在の周波数Ｆが先に計算したＦｉよりも大きい場合は（ＳＴ６）、ＦｉをＦに設定し、タイマー変数ｔｋを０にリセットし（ＳＴ７）、Ｆを出力し（ＳＴ８）、フローチャートを終える。

そうでない場合は、ｔｋに時間間隔ｄｔを加算し（ＳＴ９）、運転モードを判断し（ＳＴ１０）、冷房の場合でありｔｋが規定時間であるｔｋｄに達した場合は（ＳＴ１１）、運転室内機１の吸込温度Ｔａから設定温度Ｔｏを減じた値の最大値および運転室内機１の設定温度Ｔｏの最低値を計算し（ＳＴ１２、ＳＴ１３）、（４）式により蒸発温度目標Ｔｅｍを計算する（ＳＴ１３、ＳＴ１４）。そして、（５）式により圧縮機１１の周波数Ｆを計算し（ＳＴ１５〜ＳＴ１７）、Ｆを新しい周波数として室外側内蔵コントローラ６ａに出力する（ＳＴ８）。また、暖房時は、（４）式および（５）式の代わりに、（６）式および（７）式を用いて、凝縮温度目標Ｔｃｍおよび圧縮機周波数Ｆを計算する（ＳＴ１８〜ＳＴ２２、ＳＴ１６、ＳＴ１７）。

なお、本フローチャートにおいては、圧縮機周波数Ｆを出力するタイミングと蒸発温度目標Ｔｅｍを更新するタイミングが同時である場合を示したが、これは主に制御時間間隔が、例えば５分のように長い場合に適用される。空気調和装置においては、冷媒が冷凍サイクル内を循環しているため、制御を行ってからその応答が状態量に現れるまでに多少、例えば３分、の時間遅れがある。そこで、制御時間間隔が短い場合は、例えば圧縮機周波数の制御タイミングを１分、蒸発温度目標の更新タイミングを３分のように、圧縮機周波数の制御タイミングの方を短くし、蒸発温度目標の更新タイミングは冷凍サイクルの時定数以上にする方が望ましい。その場合は、本フローチャートに別のタイマー変数を追加し、タイミングをずらす必要がある。

また、制御のハンチングを少なくする方法としては、例えば現在、ｄｔ時間前、２×ｄｔ時間前の蒸発温度からｄｔ時間後の蒸発温度Ｔｅｓを予測し、（５）式の蒸発温度Ｔｅの代わりに、蒸発温度予測値Ｔｅｓを使う方法も考えられる。

なお、本フローチャートに基づき、出力、制御されるのは圧縮機周波数Ｆだけで、その他の制御アクチュエータの動作は、空気調和装置内に記憶されている標準の制御アルゴリズムに基づいて行われ、例えば、室外熱交換器１２内の冷媒の飽和温度すなわち凝縮温度は、室外送風機２１によって逐次目標値に制御されている。

以上の制御を逐次行うことで、常に冷房能力と熱負荷がバランスし、室温（吸込温度）と設定温度とがほぼ等しい状態を実現することができ、効率のよい、空気調和装置を得ることができる。また、室温の頻繁な変動を防ぎ、常にほぼ一定の温度に保つことができるようになり、快適性も向上させることができる。

図５に、内蔵コントローラ６に記憶されている標準の制御アルゴリズムに基づく制御結果と、本実施の形態の制御アルゴリズムに基づく制御結果の比較を示す。本実施の形態の制御アルゴリズムでは、熱負荷に対し、冷房能力が適切に制御され、室温が一定値に制御され、圧縮機入力が少なくなり、省エネになっているのが分かる。

なお、本実施の形態の制御アルゴリズムは、内蔵コントローラ６に記憶させておくこともできるが、図１に示したように、外部コントローラ８に記憶させ、内蔵コントローラ６には別の標準の制御を記憶させておき、伝送線５を介した通信により連携制御を行うように構成することもできる。このように、内蔵コントローラ６と外部コントローラ８とで別々の制御アルゴリズムを持っておくことで、制御プログラムの煩雑化をさけながら、用途に応じた最適な制御をさせることができるようになる。すなわち、通常の室内に人が居住あるいは働いているような環境では、ここで述べた制御アルゴリズムが有効に働き、省エネ運転を行うことができる。

しかし、例えば食品加工場においては、工場内の排気を循環させると衛生面で問題があるため、排気を循環させず、常に外気から一定温度に保たれた新鮮な空気を工場内に吸気する、いわゆるオールフレッシュ空調を行う必要がある。オールフレッシュ空調において最も大事なことは、大風量の新鮮外気を一定温度に即座に冷却し、工場内に供給することである。すなわち、室内熱交換器１４の吹出側に温度検出手段を持ち、吹出温度制御をしなければならない。本実施の形態の制御アルゴリズムは、室温と設定温度との温度差を学習して冷房能力を調整する方法であり、空気を循環させる空調には向いているが、オールフレッシュ空調における吹出温度制御には、制御速度および制御精度の面で不向きである。

また、氷蓄熱を使ったシステムにおいては、蒸発温度は氷を生成できる低い温度に保たなければならず、負荷を学習し、蒸発温度を高く設定する本制御アルゴリズムをそのまま使用することはできない。

食品工場のオールフレッシュ空調と氷蓄熱とは、圧縮機１１の周波数をなるべく大きく保ち、空調装置の持っている能力を最大限に発揮させた方が望ましい点は共通しており、かなりの部分は共通の制御アルゴリズムにすることができる。しかし、内蔵コントローラ６に本実施の形態の制御アルゴリズムも含めた複数の制御アルゴリズムを記憶させておき、用途によって制御アルゴリズムを使い分けるようにすると、プログラムが煩雑化し、大きな記憶容量も必要になる。そこで、本実施の形態の制御アルゴリズムは、別置の外部コントローラ８に記憶させ、内蔵コントローラ６に記憶された標準の制御アルゴリズムと連携させる構成にすると、常に適用対象に最適な制御アルゴリズムを選択することができるようになる、という利点がある。

また、更に省エネになる制御アルゴリズムを考案した場合に、その拡張も行いやすい。また、外部コントローラ８に本実施の形態の制御アルゴリズムを入れておけば、古い制御アルゴリズムしか入っていない既存の設備に対しても、新しい省エネ制御アルゴリズムを適用することができるという利点もある。

また、内蔵コントローラ６には各種保護制御が記憶されており、外部コントローラ８から制御アルゴリズムを指令するように構成すると、外部からの指令よりも保護制御の方が優先するように制御系を構成しておくことができ、安定した制御をすることができるようになる。

空気調和装置７は、能力セーブ用に、外部コントローラ８から圧縮機周波数の最大値を制御できるような機能を搭載している場合が多い。本実施の形態の制御アルゴリズムを外部コントローラ８に記憶させておく場合、圧縮機周波数Ｆを圧縮機１１の最大周波数Ｆｍａｘと読み替えて、外部コントローラ８から内蔵コントローラ６へＦｍａｘを出力、制御するようにすることもできる。圧縮機１１の最大周波数Ｆｍａｘを制御した場合でも、圧縮機周波数Ｆを直接制御する場合には劣るが、標準の制御アルゴリズムよりも省エネにすることができる。また、外部コントローラ８からの圧縮機周波数直接制御は、機能上できない空気調和装置もあるが、圧縮機最大周波数の制御であれば、どの空気調和装置にもついているため、汎用的なアルゴリズムになるという効果もある。

なお、ここでは、圧縮機１１の周波数を、外部コントローラ８などから標準の制御アルゴリズムとは別の制御アルゴリズムによって制御し送風機の回転数は標準の制御アルゴリズムで制御される場合を例に説明を行ったが、送風機の回転数を外部コントローラ８などから制御し、圧縮機１１の周波数は標準の制御アルゴリズムによって制御されるように構成してもよく、同様の効果を奏する。また、送風機の回転数を指令する場合は、送風機の回転数直接制御または送風機の最低回転数を通信により出力することで省エネ化を図ることができる。

また、圧縮機周波数あるいは圧縮機最大周波数の指令を外部コントローラ８などから出力する場合を例に説明を行ったが、蒸発温度目標あるいは蒸発温度目標を通信によって出力して内蔵コントローラ６での制御目標である演算値あるいは設定値を書き換え、内蔵コントローラ６はその値を用い標準制御アルゴリズムに基づいて圧縮機周波数あるいは圧縮機最大周波数を制御するように構成してもよい。また、圧縮機吸入圧力または圧縮機吐出圧力を通信出力し、内蔵コントローラ６にてそれを蒸発温度または凝縮温度に換算し、制御目標とするように構成することもできる。

また、膨張弁の制御目標値である凝縮冷媒のサブクールもしくは蒸発冷媒のスーパーヒートを通信によって出力して内蔵コントローラ６での制御目標である演算値あるいは設定値を書き換えるように構成することもできる。

図６は、別の制御アルゴリズムのフローチャートであり、ここでは各室内機１の設定温度を順次外部から出力、設定し、ローテーションしている。本フローチャートも内部タイマーにて時間間隔ｄｔ毎に入るものとする。まず、圧縮機１１のＯＮ／ＯＦＦを判断し（ＳＴ３０）、圧縮機１１がＯＦＦであればフローチャートを抜ける。次に、制御すべき室内機番号を検索する（ＳＴ３１〜ＳＴ３４）。ｉは室内機１の番号を表し、ｄｆｌａｇには本制御による設定温度制御の実施状況が格納されており、ｄｆｌａｇ＝０は未設定、ｄｆｌａｇ＝１は制御中、ｄｆｌａｇ＝２は制御終了で、ｄｆｌａｇ＝３は制御しない室内機１を表している。従って、ＳＴ３１〜ＳＴ３４では、未設定か制御中の室内機１のうち最も番号の小さいものを検索している。そして、検索した室内機１が制御中であれば（ＳＴ３５）何もせず、制御中でなければ、設定温度のベース温度をＴｏ１、温度偏差をΔＴｏ、設定温度をＴｏとし、運転モードにより（ＳＴ３６）、（９）式により設定温度を計算する（ＳＴ３７、ＳＴ３８）。

そして、該当室内機１のｄｆｌａｇを制御中とし（ＳＴ３９）、設定温度Ｔｏを室内側内蔵コントローラ６ｂに出力する。次に、タイマー変数ｔｄにｄｔを加算し（ＳＴ４１）、ｔｄが設定時間Δｔｄ１に達しているかを判断し（ＳＴ４２）、達していた場合は、設定温度Ｔｏをベース温度Ｔｏ１に戻し、ｄｆｌａｇを制御終了とし、ｔｄをクリアし、設定温度Ｔｏを出力する（ＳＴ４４〜ＳＴ４６）。また、ｔｄがΔｔｄ１に達していない場合、ｔｄがΔｔｄ２に達しており、かつ該当室内機１の吸込温度Ｔａがベース温度Ｔｏ１にΔｔ１を加算した値以上であった場合、設定温度Ｔｏをベース温度Ｔｏ１に戻し、ｄｆｌａｇを制御終了とし、ｔｄをクリアし、設定温度Ｔｏを出力する（ＳＴ４４〜ＳＴ４６）。ＳＴ３１〜ＳＴ３４での制御すべき室内機番号の検索の結果、ｉが最大室内機番号ｉｍａｘよりも大きい（ＳＴ３３）、すなわち制御すべき室内機１が見つからなかった場合は、設定しない室内機１を除き、すべての室内機１を未制御状態に戻し（ＳＴ４７〜ＳＴ５０）、フローチャートを終える。

具体的な数値にて、更に説明する。冷房運転においては、例えば、Ｔｏ１＝２５℃、ΔＴｏ＝２℃、Δｔｄ１＝２０分、Δｔｄ２＝１０分、Δｔ１＝１．５℃のように設定される。すなわち、室内機１の設定温度を２７℃に設定し、２０分経過するか、または１０分経過しかつ吸込温度Ｔａが２６．５℃に達した場合に制御を終了する。室内機１は先に述べた通り、（２）式に基づいて１℃の範囲でサーモオン・サーモオフの制御がなされている。従って、室内機１の設定温度をＴｏ１（２５℃）にて運転している状態から、ΔＴｏ（２℃）偏差させる（Ｔｏを２７℃にする）と、正常に制御されている場合、吸込温度Ｔａは設定温度Ｔｏよりも低い値になり、該当室内機１はサーモオフ状態になる。室内機１がサーモオフ状態になれば、該当室内機１への冷媒流路が遮断されるため、冷凍サイクルの循環流量を減らして同一蒸発温度を保つべく、圧縮機１１の周波数が低下するため、圧縮機１１の入力が減少する。そして、一定時間後、設定温度を元に戻すと再び圧縮機１１の周波数が上がるが、一定時間低い周波数で運転していたため、一定時間の平均周波数としては低い値になり、省エネになる。

しかし、一定時間設定温度を高くするだけでは、室温が上がり、快適性が損なわれる。そこで、快適性を損ねないため、室温がΔｔ１上昇した場合は、制御終了時間Δｔｄ１になっていなくても制御を終了させる。ここで、室温上昇は許容幅Δｔ１としては、１．５℃以下を設定するのが望ましい。室内の快適性を表す指標として有名なＰＭＶ指標がある。ＰＭＶは、温度、湿度、放射温度、着衣量、活動量などから計算されるが、室温が１．５℃変化すると、ＰＭＶは０．５弱変化する。一般に、ＰＭＶが０．５以上変化すると、快適性を損ねると言われており、それ以内の温度変化とするのが望ましいためである。

また、ノイズの影響を排除して確実に省エネ効果を得るため、設定シフト時間がΔｔｄ２に至るまでは、温度設定の変更を解除しないようにしている。Δｔｄ２としては、一般的な室内の熱負荷と冷房能力の関係から、１０分以上とする方が、省エネ効果が大きいことが分かっている。

なお、図４の制御は室外側内蔵コントローラ６ａへの操作、図６の制御は室内側内蔵コントローラ６ｂへの操作であり、お互い独立したものとなっている。すなわち、図４の制御のみを行うこともできるし、図６のみの制御を行うこともできるし、図４の制御と図６の制御の双方を同時に設定、実施させることもできる。

また、図４の制御と図６の制御を自動的に切り替えるようにしてもよい。図４の制御は室内の負荷の大きい場合により省エネ効果が大きく、図６の制御は室内の熱負荷が小さい場合により省エネ効果が大きいことが、実験により分かっている。そこで、圧縮機１１の運転周波数から、室内の負荷の大小を判断し、負荷が大きいときは図４の制御、負荷が小さいときは図６の制御という風に、自動的に制御を切り替えるように制御系を構築してもよく、より省エネ効果が大きくなる効果がある。

また、外部コントローラ８と内蔵コントローラ６の接続は、有線での接続である必要はなく、データの送受信が可能になっていればよく、無線やその他の通信手段で接続されていてもよい。

外部コントローラ８は、空気調和装置７の近くに設置してもよいし、図７に示すようにインターネットや電話回線を介して遠隔に設置してもよい。図１のように空気調和装置７の近くに設置すると、制御速度を向上させることができ、安定性のよい制御システムを得ることができるし、図７のように遠隔に設置すると、現地のコントローラ設置スペースの削減になり、また、一台の外部コントローラ８で複数の空気調和装置を制御するのも容易になる。

また、図７に示すように、外部コントローラ８にインターネットや電話回線を介して遠隔監視装置９を接続するように構成することもできる。実際の機器の設置場所の熱負荷はさまざまである。本実施の形態の省エネ制御アルゴリズムは熱負荷を学習するためどのような熱負荷に対しても対応は可能である。しかし、設置先の負荷によっては、もっと制御の収束性を高めるために制御ゲインを大きくした方がよい場合や、逆に熱負荷が小さすぎ標準の制御ゲインでは大きすぎて安定性に欠ける場合も考えられる。そこで、外部コントローラ８に遠隔監視装置９を接続し、運用状況を見て、制御ゲインなどの値をインターネットあるいは電話回線を介して送信し記憶しなおすようにすることで、どんな熱負荷に対しても、常に安定して制御することができる制御システムを得ることができる。

なお、空気調和装置７の冷凍サイクル内を循環する冷媒は、どんなものでもよく、二酸化炭素、炭化水素、ヘリウムのような自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７Ｃなどの代替冷媒など、塩素を含まない冷媒、もしくは既存の製品に使用されているＲ２２、Ｒ１３４ａなどのフロン系冷媒のいずれでもよい。

また、圧縮機１１は、レシプロ、ロータリー、スクロール、スクリューなどの各種タイプのいずれのものを用いてもよく、回転数可変可能であればよい。

また、遠隔監視装置９は、パソコンでもよいし、携帯電話やモバイルのような移動用の監視装置を使用し、サービスマンが常に移動しながら監視できるようにしても良いことは当然である。

以上のように本実施の形態の空気調和制御システムは、外部コントローラ８に、内蔵コントローラ６に記憶された制御アルゴリズムとは別の制御アルゴリズムを記憶させ、制御アクチュエータの制御範囲や制御目標を内蔵コントローラ６へ送信して、内蔵コントローラ６と連携制御を行うことで、既存の機器にも接続可能な汎用的な省エネ制御システムを得ることができる。また、ノイズにも強い、安定した制御系を構築することができる。

また、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記制御アクチュエータの制御範囲または制御目標の設定を、一定時間毎に自動的に更新する機能を有しており、気象条件、負荷条件によらず、常に最適な冷房能力、暖房能力を供給することができる。また、熱負荷の変化に即座に対応し、最適な運転状態に移行できるため、常に室内の快適性を保った状態で省エネ運転を行うことができる。

実施の形態１に係る空気調和制御システムの全体概念を示すブロック図である。 実施の形態１に係る空気調和装置の詳細構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る室内の熱負荷の詳細説明を示す図である。 実施の形態１に係る空気調和制御システムの制御フローチャートである。 実施の形態１に係る空気調和制御システムの制御効果を示す図である。 実施の形態１に係る空気調和制御システムの別の制御フローチャートである。 実施の形態１に係る空気調和制御システムの別の構成を示すブロック図である。 実施の形態１に係る空気調和制御システムの別の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 室内機、 ２ 室外機、 ３ 冷媒配管、 ４ リモコン、 ５ 伝送線、 ６ 内蔵コントローラ、 ６ａ 室外側内蔵コントローラ、６ｂ 室内側内蔵コントローラ、７ 空気調和装置、８ 外部コントローラ、９ 遠隔監視装置、１１ 圧縮機、 １２ 室外熱交換器、 １３ 膨張弁、 １４ 室内熱交換器、 １５ 四方弁などの流路切替手段、１６ アキュムレータ、２１ 室外送風機、２２ 室内送風機、３１ 高圧検出手段、３２ 低圧検出手段、３３ ガス側冷媒温度検出手段、３４ 液側冷媒温度検出手段、３５ 吸込空気温度測定手段、３６ 外気温測定手段。

Claims (16)

1. 室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、
   前記空気調和装置の外部に設置され、前記空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、前記空気調和装置の制御アクチュエータの制御範囲を前記内蔵コントローラへ送信し、前記内蔵コントローラと連携制御を行うことで、空気調和装置を常時最適な運転状態に保つ外部コントローラとを備えたことを特徴とする空気調和制御システム。
2. 前記内部コントローラと前記外部コントローラの少なくとも一方は、前記空気調和装置の運転状態に基づき、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記制御アクチュエータの制御範囲の設定を、一定時間毎に自動的に更新する機能を有したこと特徴とする請求項１記載の空気調和制御システム。
3. 前記制御アクチュエータは、圧縮機または送風機であり、前記圧縮機の最大周波数または前記送風機の最低回転数を前記制御範囲として送信、設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の空気調和制御システム。
4. 室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、
   前記空気調和装置の外部に設置され、前記空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、前記空気調和装置の制御アクチュエータの制御目標を前記内蔵コントローラへ送信し、前記内蔵コントローラと連携制御を行うことで、空気調和装置を常時最適な運転状態に保つ外部コントローラとを備えたことを特徴とする空気調和制御システム。
5. 前記制御アクチュエータは、圧縮機または送風機であり、前記冷凍サイクルの凝縮温度または蒸発温度または圧縮機吸入圧力または圧縮機吐出圧力の制御目標値を、前記内蔵コントローラへ送信し、前記内蔵コントローラ内の制御目標として設定することを特徴とする請求項４記載の空気調和制御システム。
6. 前記制御アクチュエータは、膨張弁であり、凝縮冷媒のサブクールもしくは蒸発冷媒のスーパーヒートを前記制御目標として送信、設定することを特徴とする請求項４記載の空気調和制御システム。
7. 前記内部コントローラと前記外部コントローラの少なくとも一方は、前記空気調和装置の運転状態に基づき、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記制御アクチュエータの制御目標の設定を、一定時間毎に自動的に更新する機能を有したことを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載の空気調和制御システム。
8. 圧縮機を内蔵する室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、
   前記空気調和装置の外部に設置され、前記空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、前記圧縮機の周波数を前記内蔵コントローラへ送信し、前記内蔵コントローラと連携制御を行うことで、空気調和装置を常時最適な運転状態に保つ外部コントローラとを備えたことを特徴とする空気調和制御システム。
9. 前記内部コントローラと前記外部コントローラの少なくとも一方は、前記空気調和装置の運転状態に基づき、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記圧縮機の周波数設定を、一定時間毎に自動的に更新する機能を有したことを特徴とする請求項８記載の空気調和制御システム。
10. 室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、
    前記空気調和装置の外部に設置され、前記空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、前記空気調和装置の設定温度を前記内蔵コントローラへ送信する機能を有した外部コントローラとを備え、
    前記内部コントローラと前記外部コントローラの少なくとも一方は、前記設定温度を第一の設定温度に設定し、第一の設定時間が経過した場合、および第二の設定時間が経過しかつ室温が許容幅以上の温度変化をした場合に、前記設定温度を第二の設定温度に設定する機能を有したことを特徴とする空気調和制御システム。
11. 室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成し、室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを有した空気調和装置と、
    前記空気調和装置の外部に設置され、前記空気調和装置と有線もしくは無線にて接続され、前記空気調和装置の制御アクチュエータの制御範囲または前記制御アクチュエータの制御目標または前記空気調和装置の設定温度のいずれかを前記内蔵コントローラへ送信し、前記内蔵コントローラと連携制御を行うことで、空気調和装置を常時最適な運転状態に保つ外部コントローラとを備え、
    前記内部コントローラと前記外部コントローラの少なくとも一方は、前記空気調和装置の運転状態に基づき、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記制御アクチュエータの制御範囲の設定または制御目標の設定を、一定時間毎に自動的に更新する第一の機能と、
    前記設定温度を第一の設定温度に設定し、第一の設定時間が経過した場合、および第二の設定時間が経過しかつ室温が許容幅以上の温度変化をした場合に、前記設定温度を第二の設定温度に設定する第二の機能とを自動的に切り替えることを特徴とする空気調和制御システム。
12. 前記外部コントローラから送信、設定した値に基づく制御よりも、前記内蔵コントローラ内の保護制御を優先させるように構成したことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の空気調和制御システム。
13. 周波数可変型の圧縮機を内蔵した室外機と複数の室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した空気調和装置であって、
    室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラと、
    前記室内機の吸込温度検知手段と、
    前記室内機の設定温度設定手段とを備え、
    前記内蔵コントローラは、前記室内機内を流れる冷媒の飽和温度の目標値を学習し、前記室内機内を流れる冷媒の飽和温度が前記飽和温度目標値に近づくように前記圧縮機の周波数を制御する機能を有したことを特徴とする空気調和装置。
14. 前記内蔵コントローラは、前記空気調和装置の運転状態に基づき、室温をほぼ一定に保ちかつ省エネになるように、前記圧縮機の周波数設定を、一定時間毎に更新する機能を有したことを特徴とする請求項１３に記載の空気調和装置。
15. 室外機と室内機とを冷媒配管で接続して冷凍サイクルを構成した空気調和装置であって、
    室外機または室内機内に前記冷凍サイクルの運転状態を制御する内蔵コントローラを備え、
    前記内蔵コントローラは、室内機の設定温度を変更する機能を有し、前記設定温度を第一の設定温度に設定し、第一の設定時間が経過した場合、および第二の設定時間が経過しかつ室温が許容幅以上の温度変化をした場合に、前記設定温度を第二の設定温度に設定する機能を有したことを特徴とする空気調和装置。
16. 請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の空気調和制御システムを遠隔制御する遠隔監視装置であって、
    前記内蔵コントローラまたは前記外部コントローラに、電話回線またはインターネットを介して遠隔に接続され、前記制御アクチュエータの制御範囲または前記制御アクチュエータの制御目標または前記圧縮機の周波数または前記第一もしくは第二の設定温度または前記室温の許容幅のいずれかを設定する機能を有したことを特徴とする遠隔監視装置。

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