JP2006275398A - 空調システムの変風量最適制御方法 - Google Patents

空調システムの変風量最適制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 複数の空調系統ごとに空調機を備えた空調システムにおいて、空調系統ごとに最大のエネルギー効率で運転可能な空調システムの変風量最適制御方法を提供する。
【解決手段】 冷温水を生成する冷温熱源機8と、給気ファン6を備えた複数台の空調機1と、前記冷温水を空調機1に供給する冷温水ポンプ16とを有する空調システムの変風量最適制御方法において、空調機1ごとに前記給気ファン6と冷温水ポンプ16の合計消費電力に基づいて、前記給気ファン6の給気設定温度を変更する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、空調システムの変風量最適制御方法に関する。
空調システムとして一般に変風量(VAV)方式が用いられる(例えば特許文献1参照)。VAV方式は、空調系統ごと(例えば各フロアごと)に1台又は複数台の空調機を備え、各空調機に対し1つ又は複数の給気系統のダクトを接続し、各ダクトに風量調整機能(以降ダンパー)をもつVAVユニットを設けた空調システムである。VAVユニットは各給気系統の送風量を調整して空調室内の温度を制御する。
図11は、現在一般に用いられているVAV方式を用いた空調システムの一例の構成図である。なお、本発明の制御方法は、後述のように、この図11の空調システムに対しても適用可能である。
複数台の空調機1は、それぞれ冷温水コイル2を備える。各空調機1の冷温水コイル2に冷温水配管3を通して冷温水が供給される。冷温水配管3は、各空調機1に冷温水を送り込む冷温水供給管3aと、各空調機1を通した冷温水を戻す冷温水還り管3bからなる。各空調機1の冷温水配管3の冷温水供給管3aには各空調機ごとに冷温水の流量を調整するための制御弁(例えば二方弁)4が設けられる。
各空調機1は空調系統ごと(例えば建物のフロアごと)に設置され、それぞれ給気系統ごとの給気ダクト5が接続される(図では2つの給気系統)。各空調機1は給気ファン6を備え、給気ダクト5を通して空調された空気を各給気系統の部屋あるいは空調エリアに送り込む。給気ダクト5の途中にはVAV(変風量)装置7が設けられる。VAV装置7は、各給気ダクト5の途中にVAVユニット7aを設けたものである。VAVユニット7aは、それぞれダンパ(不図示)を備え、ダンパの絞り制御により各給気系統の風量を調整する。なお、給気ファン6は、各給気ダクト5に対応してそれぞれ給気ダクトの途中に又は空調機内に設ける場合もある。
冷温水は冷温熱源機8で生成される。冷温水は一次冷温水ポンプ9で冷温熱源機8から一次ヘッダ10に送られ、ここから二次冷温水ポンプ11により二次ヘッダ12を介して各空調機1に供給される。なお、冷温熱源機とは、冷水を生成する冷凍機、冷水及び温水を生成するヒートポンプ式熱源機、温水を生成するボイラなどをいう。冷温水とは冷水又は温水である。
図12は、従来の変風量方式の空調システムの冷房時の制御方法を示すフローチャートである。
ステップP1:
複数あるVAVユニット7aのうち最大のダンパ開度のVAVユニットのダンパ開度が、予め設定した所定の最大開度(例えば95%)より大きいか否かを判別する。
さらに説明すると、VAVユニットでは圧力損失をなるべく小さくするために開度を最大開度に近づけるように制御する。また、各系統の必要な換気量を満たすために、必要最小限のダンパ開度を確保しておかなければならない。
このステップP1で、最大のダンパ開度が95%を越えているときは、例えば冷房の場合、さらに部屋の温度を低下させたい状態である。この場合には、給気ファンの回転数を高くして風量を増加する方法と給気温度を下げて室温を低下させる方法がある。いずれの方法を選ぶかは最小のダンパ開度の状態に基づいて選定する。これがステップP2である。
一方、ステップP1で、最大のダンパ開度が95%以下のときは、圧力損失をなるべく小さくするためにダンパを開く方向に制御する。この場合には、給気ファンの回転数を低くしてダンパを開く方法と、給気温度を高くして要求風量を増加させることによりダンパ開度を大きくする方法がある。いずれの方法を選ぶかは最小のダンパ開度(風量)の状態に基づいて選定する。これがステップP3である。
ステップP2:
複数あるVAVユニット7aのうち最小のダンパ開度のVAVユニットのダンパ開度が、予め設定した所定の最小開度(風量)(例えば30%)より小さいか否かを判別する。
ステップP3:
複数あるVAVユニット7aのうち最小のダンパ開度のVAVユニットのダンパ開度が、予め設定した所定の最小開度(風量)(例えば30%)より小さいか否かを判別する。
ステップP4:
給気ファンの回転数を例えば5%高くする。これにより全てのVAVユニットで最小風量が確保される。
ステップP5:
給気設定温度を例えば0.5°Cだけ下げる。すなわち、ここでは上記ステップP2で最小ダンパ開度(風量)が30%以上の状態であるため、給気温度を下げて風量を少なくする。
ステップP6:
上記ステップP1で最大となっているダンパの開度が95%以下の状態でかつ、最小となっているVAVユニットの開度(風量)が30%以下の状態であるため、給気設定温度を例えば0.5℃だけ上げる。冷房負荷に対処するためには風量を増加することが必要となり、VAVダンパが開いて風量が確保される。すなわち、すべてのVAVユニットで最小風量以上になるように制御される。
ステップP7:
上記ステップP1で最大となっているダンパの開度が95%以下の状態でかつ、最小となっているダンパの開度(風量)が30%以上の状態であるため、給気ファンの回転数を例えば5%低くする。冷房負荷に対処するためには風量を増加することが必要となり、VAVダンパが開いて風量が確保される。すなわち、いずれかのVAVユニットが最大開度になるように制御される。
以上のように、従来のVAV制御方法では、いずれかのVAVユニットのダンパ開度がなるべく最大に近付き、さらにいずれかのVAVユニットのダンパ開度がなるべく必要最小換気量を確保できるようにファン回転数及び給気温度が制御される。この場合、給気温度は冷温水の温度及び流量に依存する。したがって、各空調機に備わる冷温水流量制御用の二方弁の開度が制御される。
しかしながら、このようなVAVの制御方法では、各空調系統ごとの消費電力を考慮した場合、それぞれ給気ファンの消費電力とともに二方弁に送水する二次側ポンプの消費電力が関与するため、給気ファンの電力を抑えてもその空調系統の消費電力を最小に抑え最大の省エネルギー効果を達成できない場合があった。これは、ファンとポンプの消費電力は、給気温度の高低に応じて、例えば冷房時、給気温度を高くすれば、風量を多く必要とするためファンの消費電力が大きくなり、一方、冷水量は少なくてすむためポンプの消費電力は小さくなるというトレードオフの関係にあるためである。
特開平6−74545号公報
本発明は上記従来技術を考慮したものであって、複数の空調系統ごとに空調機を備えた空調システムにおいて、空調系統ごとの消費電力を考慮して系統ごとに最大のエネルギー効率で運転可能な空調システムの変風量最適制御方法の提供を目的とする。
前記目的を達成するため、請求項1の発明では、冷温水を生成する冷温熱源機と、給気ファンを備えた複数台の空調機と、前記冷温水を空調機に供給する冷温水ポンプとを有する空調システムの変風量最適制御方法において、空調機ごとに前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力に基づいて、前記給気ファンの給気設定温度を変更することを特徴とする空調システムの変風量最適制御方法を提供する。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、給気設定温度を一定温度だけ上昇又は下降方向に変更し、再び前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、設定温度変更前後の合計消費電力を比較して、変更後の合計消費電力が変更前の合計消費電力より小さい場合には同じ方向に設定温度を変更し、変更後の合計消費電力が変更前の合計消費電力より大きい場合には逆方向に設定温度を変更することを特徴とする。
請求項3は、請求項1の発明において、前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルの流量を制御するために空調機ごとに設けられた制御弁と、空調からの給気系統ごとに給気風量を制御するVAVユニットとを備えたことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルに冷温水を供給するために空調機ごとに設けられたローカルポンプと、空調機からの給気系統ごとに給気風量を制御するVAVユニットとを備えたことを特徴とする。
請求項5の発明は、請求項1の発明において、前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルの流量を制御するために空調機ごとに設けられた制御弁と、空調機からの給気系統ごとに設けられた給気ファンとを備えたことを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項1の発明において、前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルに冷温水を供給するために空調機ごとに設けられたローカルポンプと、空調機からの給気系統ごとに設けられた給気ファンとを備えたことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、複数の空調系統を有し、系統ごとに空調機を備えた空調システムにおいて、系統ごとに、空調機に備わる給気ファンとこの空調機に冷温水を供給する冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、この合計消費電力に基づいて給気温度を制御するため、複数の空調系統の各系統がそれぞれ消費電力を抑えて最大の省エネルギー効果が得られる。
請求項2の発明によれば、周囲の温度変化や熱負荷の変動に追従して給気の設定温度を調整し、リアルタイムで各空調系統を最小の消費電力で駆動することができる。
請求項3の発明によれば、空調系統ごとに設けられた空調機と、空調機ごとに備わる制御弁と、空調機からの給気系統ごとに備わるVAVユニットと、各給気系統のVAVユニットに給気を送る1台の共通の給気ファンからなる空調システムにおいて、各空調系統を最大エネルギー効率で運転することができる。
請求項4の発明によれば、空調系統ごとに設けられた空調機と、空調機ごとに備わるローカルポンプと、空調機からの給気系統ごとに備わるVAVユニットと、各給気系統のVAVユニットに給気を送る1台の共通の給気ファンからなる空調システムにおいて、各空調系統を最大エネルギー効率で運転することができる。
請求項5の発明によれば、空調系統ごとに設けられた空調機と、空調機ごとに備わる制御弁と、空調機からの給気系統ごとに備わる給気ファンからなる空調システムにおいて、各空調系統を最大エネルギー効率で運転することができる。
請求項6の発明によれば、空調系統ごとに設けられた空調機と、空調機ごとに備わるローカルポンプと、空調機からの給気系統ごとに備わる給気ファンからなる空調システムにおいて、各空調系統を最大エネルギー効率で運転することができる。
図1は、本発明に係る空調システムの全体構成図である。
空調機1が空調系統ごとに(例えば建物の各フロアごとに)設置される。各空調機1には、空調すべき部屋やエリアごとの給気系統別の給気ダクト5が接続される(図の例では2系統)。給気系統ごとの給気ダクト5のそれぞれに対し給気ファン6が備わる。各給気ファン6はインバータ6aを有し回転数をインバータ6aにより制御することにより風量が制御される。
各空調機1は冷温水コイル2を備える。各冷温水コイル2に冷温水配管3の往き側となる冷温水供給管3aが接続される。各空調機1ごとに接続された冷温水供給管3aにローカルポンプ16が設けられる。このように空調機ごとに設けられたローカルポンプ16は、それぞれ回転数制御用のインバータ16aを備え、流量がインバータ16aにより制御される。
図2は、本発明に係る変風量最適制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローは、空調システムの各空調系統ごとに、空調機による変風量給気を最適制御する。このフローは、例えば空調機の運転制御用コントローラに格納されたプログラムにより実行される。
このフローでいう「冷温水ポンプ」は、後述の図7,図9で示すローカルポンプ、もしくは図6,図7で示す制御弁に相当する水搬送動力を算出するために、図10の段落0048〜0050で説明する「共通の冷温水ポンプ」を各系統に割り振った仮想的なローカルポンプと考える。
この演算は、各空調機ごとに行う。
ステップS1:
各空調機に備わる給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出する。各消費電力は給気ファン及び冷温水ポンプのそれぞれに備わる電力計から求める。この場合、空調システムとして、1台の給気ファンから給気ダクトを給気系統別に分岐させてVAV装置により風量制御する方式及び給気系統ごとに複数台の給気ファンを備えて各給気ファンにより風量制御する方式のいずれの場合も適用可能である。また、冷温水ポンプについては、空調機ごとにローカルポンプを備え、ローカルポンプにより流量制御するローカルポンプ式空調システム及び共通の冷温水ポンプから冷温水配管を各空調機ごとに分岐して設け、各空調機に制御弁を設けて制御弁により流量制御する制御弁(仮想ローカルポンプ式)空調システムのいずれの場合も適用可能である。
ステップS2:
給気設定温度を一定温度だけ上げるか又は下げる。これにより、給気ファン及び冷温水ポンプの消費電力が変化する。
ステップS3:
給気設定温度を変更した後、再び給気ファン及び冷温水ポンプの合計消費電力を算出する。
ステップS4:
給気設定温度の変更前後の消費電力を比較する。消費電力が減少していたらステップS5に進み、増加していたらステップS6に進む。
ステップS5:
所定の周期(例えば10分)後に、給気設定温度を前回と同じ方向(上げる方向か又は下げる方向)に変更する。
ステップS6:
所定の周期(例えば10分)後に、給気設定温度を前回と逆方向(前回上げていたら下げる方向、前回下げていたら上げる方向)に変更する。
ステップS7:
空調システムの運転が終了するまで上記ステップS3〜S6を繰り返す。
図3は、本発明に係る空調システムにおける給気ファンと冷温水ポンプの消費電力の特性図である。
ここでいう「冷温水ポンプ」は、後述の図7,図9で示すローカルポンプ、もしくは、図6,図7で示す制御弁に相当する水搬送動力を算出するために、図10の段落0048〜0050で説明する「共通の冷温水ポンプ」を各系統に割り振った仮想的なローカルポンプと考える。
この演算は、各空調機ごとに行う。
例えば冷房運転の場合、図示したように、給気温度を高くすると、給気風量を多く必要とするため給気ファンの消費電力が増加する。一方、冷水量は少なくてすむため冷温水ポンプの消費電力は低下する。このように給気ファンと冷温水ポンプの消費電力はトレードオフの関係にあるが、本発明ではこれらの給気ファンと冷温水ポンプの両方の合計消費電力に基づいて給気温度を設定することにより、最小の消費電力で各空調系統を運転制御することができる。
図4は、本発明方法に基づいて給気設定温度を変更する手順を示す説明図である。
コントローラは、一定周期F(例えば10分)で給気温度を設定するとともに、給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、その合計消費電力が前回設定値の合計消費電力より増加したか減少したかに応じて次回の給気温度を設定する。
図の例でさらに説明すると、時間a0,a1,a2のときの合計消費電力をそれぞれ、kW0,kW1,kW2とし、設定給気温度をT0,T1,T2とする。時間a0では、設定温度を一定量ΔT(例えば0.5°C)だけ上げる。一定周期F後の時間a1でのkW1が前回のkW0より小さければ、消費電力が減少する方向であるため、そのまま今回も設定温度をΔTだけ上げる(図示した状態)。逆に今回(時間a1)でのkW1が前回のkW0より大きければ、消費電力が増加する方向に進んでいるため、前回とは逆に設定温度をΔTだけ下げる。同様に時間a2においても合計消費電力kW2を算出し、その前のkW1と比較して増加しているか減少しているかに応じて設定温度を変更する。すなわち、
kW1≦kW2かつT1>T0ならばT2=T1+ΔT (1)
kW1≦kW2かつT1<T0ならばT2=T1−ΔT (2)
kW1>kW2かつT1>T0ならばT2=T1−ΔT (3)
kW1>kW2かつT1<T0ならばT2=T1+ΔT (4)
と設定する。
以上のような合計消費電力に基づいて給気温度のカスケード制御を行うことにより、A部で示されるように、給気温度の上昇下降を繰り返しながら消費電力の少ない最適な給気温度に収束する。また、負荷の変動があったときには、B部に示されるように。負荷変動等に追従して自動的に最適な給気設定温度に定まる。
図5は、上記図4の時間a1及びa2での合計消費電力を比較する方法のフローチャートであり、前述の式(1)〜(4)と同じ内容をフローで表したものである。
図6〜図9は、本発明が適用される空調システムの第1〜第4実施例の要部構成図である。これらの例は、それぞれ1台の空調機を備えた1つの空調系統を示すものであり、前述の図1及び図11における各フロアごとに設けられた空調機1に対応する空調系統部分を示す。
図6の例は、前述の図11の空調システムである。空調機1は給気ファン6を備え、給気系統ごとに給気ダクト5を介して給気する。各給気ダクト5にVAVユニット7aが備わる。各給気系統の空調すべき部屋あるいはエリヤごとに温度計21が備わり、室温に応じてVAVユニット7aのダンパ開度が自動調整される。給気ファン6はインバータ6aを有し、インバータ6aにより回転数を制御することにより送風量が制御される。給気ファン6には電力計23が備わり、消費電力が検出される。
空調機1内に温度計22が備わり、給気ファン6で送風される給気温度を検出する。この給気温度に基づいて制御弁4が開度調整される。
図7の例は、上記図6の例の制御弁4に代えてローカルポンプ16を設けたものである。ローカルポンプ16はインバータ16aを備え、インバータ16aによる回転数制御により流量が制御される。ローカルポンプ16には電力計24が備わり、消費電力が検出される。その他の構成は上記図6の例と同様である。
図8の例は、上記図6の例の給気ファン6を給気系統ごとに(すなわち給気ダクト5ごとに)1台ずつ設けてそれぞれ給気ファン6により風量調整可能とし、VAVユニット7aを省略したものである。各給気ファン6はそれぞれインバータ6aを有し、インバータ6aにより回転数を制御することにより送風量が制御される。各給気ファン6にはそれぞれ電力計23が備わり、消費電力が検出される。その他の構成は図6の例と同様である。
図9の例は、上記図8の例の制御弁4に代えてローカルポンプ16を設けたものである。ローカルポンプ16はインバータ16aを備え、インバータ16aによる回転数制御により流量が制御される。ローカルポンプ16には電力計24が備わり、消費電力が検出される。その他の構成は上記図8の例と同様である。すなわち、この図9の例は、前述の図1の空調システムの構成である。
図10は、空調系統ごとに設けた空調機がそれぞれ制御弁(二方弁)を備えた空調システム(仮想ローカルポンプ式空調システム)(図6及び図8の構成)における各空調機の消費電力の演算方法の説明図である。すなわち、図6及び図8の空調システムでは、各空調機の冷温水流量をそれぞれの制御弁の開度により調整している。この場合、冷温水ポンプは、図11に示すように、各空調機に対し共通の二次冷温水ポンプ11として備わっている。本発明では各空調機ごとに最大効率で省エネルギーを図るために、各空調機で消費する冷温水ポンプの消費電力が請求項1,2で示した制御演算のために必要になる。そこで本発明では、共通の二次冷温水ポンプ11の消費電力を各空調機の冷温水流量に応じた割合で分配して各空調機の冷温水ポンプの消費電力として演算する。以下さらに詳しく説明する。
図示したように、空調系統ごとに空調機1が備わり、冷温水配管3が接続される。各空調機1の冷温水配管3に制御弁4及び流量計25が設けられる。冷温水配管3の根元部に共通の冷温水ポンプ11が備わる。冷温水ポンプ11はインバータ11aを有し、このインバータ11aによる回転数制御によって流量が調整される。冷温水ポンプ11には電力計26が備わり消費電力が検出される。
各空調機(AHUi i=1,2,3,・・・)に冷温水を供給するために必要な冷温水ポンプ11の消費電力(P_PE)は以下の数式(1)で表される。
Figure 2006275398
空調機1の合計消費電力Qは以下の数式(2)で表される。
Figure 2006275398
以上のような数式1及び2に基づいて各空調機に対する冷温水ポンプの消費電力が演算される。この冷温水ポンプの消費電力に基づいて、前述の図2で説明したように、各空調系統の消費電力が最小となるように給気設定温度が制御される。
本発明は、ヒートポンプ式の冷凍機及び冷凍サイクルのみの冷凍機やボイラを含む冷温熱源機で生成した冷温水を空調系統ごとの空調機に供給する冷温水ポンプ及び各給気系統に送風する給気ファンを備え、給気風量を可変とする空調システムに利用できる。
本発明に係る空調システムの構成図。 本発明の変風量最適制御方法のフローチャート。 給気温度に対する給気ファンと冷温水ポンプの消費電力特性図。 本発明の給気設定温度を変更する手順を示す説明図。 図4の時間a1及びa2での合計消費電力を比較する方法のフローチャート。 本発明が適用される空調システムの第1実施例の構成図。 本発明が適用される空調システムの第2実施例の構成図。 本発明が適用される空調システムの第3実施例の構成図。 本発明が適用される空調システムの第4実施例の構成図。 仮想ローカルポンプ式のポンプ消費電力の演算方法説明図。 本発明が適用可能な従来の空調システムの構成図。 従来のVAV装置の制御方法の説明図。
符号の説明
1:空調機、2:冷温水コイル、3:冷温水配管、3a:冷温水供給管、3b:冷温水還り管、4:制御弁、5:給気ダクト、6:給気ファン、6a:インバータ、7:VAV装置、7a:VAVユニット、8:冷温熱源機、9:一次冷温水ポンプ、10:一次ヘッダ、11:二次冷温水ポンプ、12:二次ヘッダ、13:冷却水配管、14:冷却塔、15:冷却水ポンプ、16:ローカルポンプ、16a:インバータ、17:バイパス管、18:一次冷温水ポンプ、18a:インバータ、19:冷却水ポンプ、19a:インバータ、20:冷却ファン、20a:インバータ、21:温度計、22:温度計、23:電力計、24:電力計、25:流量計、26:電力計。

Claims (6)

  1. 冷温水を生成する冷温熱源機と、
    給気ファンを備えた複数台の空調機と、
    前記冷温水を空調機に供給する冷温水ポンプとを有する空調システムの変風量最適制御方法において、
    空調機ごとに前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力に基づいて、前記給気ファンの給気設定温度を変更することを特徴とする空調システムの変風量最適制御方法。
  2. 前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、
    給気設定温度を一定温度だけ上昇又は下降方向に変更し、
    再び前記給気ファンと冷温水ポンプの合計消費電力を算出し、
    設定温度変更前後の合計消費電力を比較して、変更後の合計消費電力が変更前の合計消費電力より小さい場合には同じ方向に設定温度を変更し、変更後の合計消費電力が変更前の合計消費電力より大きい場合には逆方向に設定温度を変更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変風量最適制御方法。
  3. 前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルの流量を制御するために空調機ごとに設けられた制御弁と、空調機からの給気系統ごとに給気風量を制御するVAVユニットとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の空調システムの変風量最適制御方法。
  4. 前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルに冷温水を供給するために空調機ごとに設けられたローカルポンプと、空調からの給気系統ごとに給気風量を制御するVAVユニットとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の空調システムの変風量最適制御方法。
  5. 前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルの流量を制御するために空調機ごとに設けられた制御弁と、空調機からの給気系統ごとに設けられた給気ファンとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の空調システムの変風量最適制御方法。
  6. 前記空調機は、冷温水コイルと、該冷温水コイルに冷温水を供給するために空調機ごとに設けられたローカルポンプと、空調機からの給気系統ごとに設けられた給気ファンとを備えたことを特徴とする請求項1に記載の空調システムの変風量最適制御方法。
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