JP2011196599A - Air conditioner and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、空気調和機および空気調和機の制御方法に関するものである。 The present invention relates to an air conditioner and an air conditioner control method.
従来、空気調和機の冷凍サイクルの制御方法として、熱交換器の出口部分の温度を計測することにより、湿り状態もしくは出口部分の過熱度をある範囲内へと制御するものがある(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a method for controlling the refrigeration cycle of an air conditioner, there is a method of controlling the wet state or the degree of superheat of the outlet portion within a certain range by measuring the temperature of the outlet portion of the heat exchanger (for example, a patent) Reference 1).
また、流速センサと圧力センサを設置して、熱交換器の出口部分の湿り度を直接計測するものがある(例えば、特許文献2参照)。 Moreover, there exists what installs a flow rate sensor and a pressure sensor, and measures the wetness of the exit part of a heat exchanger directly (for example, refer patent document 2).
しかし、前記特許文献1に記載の技術は、熱負荷が大きく変動した場合や、起動時などの熱負荷が非常に大きい場合は、管内の冷媒流量が大きく変動するため、放熱係数が変化し、正確な湿り度を得ることができない。また、熱負荷は季節の変動や気象条件、使用者の運用の変化、設備状況の変化などによっても、大きく変動する。
また、蒸発器の出口だけの温度・圧力を検知して過熱度を制御する方式は、出口のみの状態を規定するのみであり、蒸発器の内部の状態がどのようになっているかまでは、考慮することができない。
このように、空調に係わる熱負荷は常に変動があるため、一般的な空気調和機においては、ある程度の尤度として、過熱度を2〜10℃程度の余裕をもって制御を行っているが、これは熱交換器の熱交換面積の有効利用の観点からは好ましくなく、空気調和機の消費エネルギー効率が低下する、という問題点があった。
また、熱負荷の変動は、設置された場所や使用者の運用形態に大きく影響を受けるため、これらの尤度を事前に設定することは不可能である。
However, in the technique described in
In addition, the method of controlling the degree of superheat by detecting the temperature and pressure only at the outlet of the evaporator only regulates the state of the outlet only, until the internal state of the evaporator is Cannot be considered.
As described above, since the heat load related to air conditioning is constantly fluctuating, in a general air conditioner, the degree of superheat is controlled with a margin of about 2 to 10 ° C as a certain degree of likelihood. Is not preferable from the viewpoint of effective use of the heat exchange area of the heat exchanger, and there is a problem that the energy consumption efficiency of the air conditioner is lowered.
Moreover, since the fluctuation | variation of a heat load is influenced greatly by the installation place and the user's operation form, it is impossible to set these likelihoods in advance.
また、前記特許文献2に記載の技術では、追加のセンサが必要であり、また、このようなセンサを配管内に設置することは、圧力損失の増大を招き、エネルギー効率とコストの観点から好ましくない、という問題点があった。 Further, the technique described in Patent Document 2 requires an additional sensor, and installing such a sensor in the pipe causes an increase in pressure loss, which is preferable from the viewpoint of energy efficiency and cost. There was a problem of not.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、消費エネルギー効率を向上することができる空気調和機および空気調和機の制御方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain an air conditioner and an air conditioner control method capable of improving energy consumption efficiency.
この発明に係る空気調和機は、圧縮機、凝縮器、冷媒流量調整手段、蒸発器を順次配管で接続し冷媒を循環させる冷媒回路を備えた空気調和機において、前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算手段と、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも1つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御手段とを備えたものである。 The air conditioner according to the present invention is an air conditioner including a refrigerant circuit that circulates a refrigerant by sequentially connecting a compressor, a condenser, a refrigerant flow rate adjusting unit, and an evaporator with piping, and based on an operating state of the refrigerant circuit. Gas-liquid two-phase region calculation means for obtaining the degree of dryness of the evaporator outlet and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator, the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the amount of air blown to the condenser, And a control means for controlling the ratio of the gas-liquid two-phase region while controlling at least one of the amount of air blown to the evaporator so that the degree of dryness of the evaporator outlet is not less than a predetermined value. .
この発明は、蒸発器出口の乾き度、および蒸発器内部における気液二相領域の割合を求め、蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御する。このため、蒸発器内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。 This invention obtains the degree of dryness of the evaporator outlet and the ratio of the gas-liquid two-phase area inside the evaporator, and controls the ratio of the gas-liquid two-phase area while setting the degree of dryness of the evaporator outlet to a predetermined value or more. For this reason, without providing an additional sensor for detecting the refrigerant state inside the evaporator, it is possible to control the ratio of the gas-liquid two-phase region while increasing the dryness of the evaporator outlet to a predetermined value or more, and the energy consumption efficiency Can be improved.
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1について説明する。図1はこの発明の実施の形態1における空気調和機の冷媒回路図である。図1において、1は室外機送風機、2は凝縮器、3は開閉手段で例えば逆止弁、4は圧縮機、5は冷媒貯留手段で例えばアキュムレータ、6は蒸発器、7は室内機送風機、8は冷媒流量調整手段で例えば電子膨張弁、9−1、9−2、9−3、9−4、9−5は温度検知手段、10−1、10−2、10−3は圧力検知手段、11は制御コントローラ、12は信号線、14は液配管、15はガス配管を示す。16は室内機の構成を示し、17は室外機の構成を示す。特に冷房時においては、温度検知手段9のうち、9−1、9−2は冷媒気相温度、9−3は冷媒液相温度、9−5は室内温度もしくは室内機16の吸い込み温度、9−4は外気温度もしくは凝縮器2の周囲温度を計測する。
制御コントローラ11には、データ蓄積装置および気液二相領域演算手段が設けられている。気液二相領域演算手段は、冷媒回路の動作状態に基づき、蒸発器6出口の乾き度および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求める。詳細は後述する。また、データ蓄積装置には、圧縮機4、冷媒流量調整手段8、凝縮器2、および蒸発器6の物理状態を模擬する物理モデル式の情報がそれぞれ記憶される。また、冷媒回路の運転データの実績値の情報が記憶される。なお、運転データは、例えば、圧縮機4、冷媒流量調整手段8、凝縮器2、および蒸発器6の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、圧縮機4の回転数、冷媒流量調整手段8の開度、凝縮器2に対する送風量、および蒸発器6に対する送風量の情報とを有する。なお、この制御コントローラ11は、空調機器の制御盤上に実装しても良いし、室内機16のリモートコントローラに実装しても良い。
The
なお、制御コントローラ11は、本発明における「制御手段」に相当し、データ蓄積装置は、本発明における「データ蓄積手段」および「記憶手段」に相当する。
The
温度検知手段9−1、9−2、9−3、9−4、9−5、圧力検知手段10−1、10−2、10−3、圧縮機4、室外機送風機1、室内機送風機7、冷媒流量調整手段8は、それぞれ信号線12で制御コントローラ11へ接続されており、計測値および制御値などの運転データをデータ蓄積装置に逐次蓄積している。また、制御対象機器である圧縮機4、室外機送風機1、室内機送風機7、冷媒流量調整手段8は制御コントローラ11からの制御信号により常時制御されている。なお、図中では1つの室外機17に対して1つの室内機16が対応しているが、複数の室内機16に対応する構成でも同様に計測値を取得し、蓄積し、制御する機能は同じである。それぞれの機器は液配管14もしくはガス配管15によって接続され、冷媒はこの空気調和機を循環する。また、この図は主に冷房時の冷媒回路構成となっているが、冷媒切り替え装置例えば四方弁などを用いて、冷媒流れ方向を変えることにより暖房サイクルとして使用することも可能である。
Temperature detection means 9-1, 9-2, 9-3, 9-4, 9-5, pressure detection means 10-1, 10-2, 10-3,
図2は蒸発器6が過度に乾いている状態を説明する概念図である。図2では、蒸発器6において、内部の冷媒が過剰に気化している運転状態を示している。蒸発器6の入り口から気化が始まる箇所20(液相と気液二相の境界面)までの液冷媒領域19においては、乾き度0すなわち液体で流入してくる冷媒は、蒸発器6を通過する間に壁面と冷媒間において熱の交換が行われる。このとき、乾き度が0以上となる箇所20から気化が始まり、乾き度が1となる箇所21(気液二相と気相の境界面)までの領域22では、気液二相状態となる。この図においては、蒸発器6の熱交換能力に比べて冷媒の温度が高いもしくは流速が小さいなどの理由で、熱交換が過剰に行われ、配管途中で冷媒が完全気化していることを示している。熱交換能力については、壁面と冷媒との相状態によって大きく変わることが知られており、特に壁面に冷媒の液相がある場合と無い場合では、液相がある場合の方が非常に大きい熱交換が可能である。従って、気液二相かつ壁面に液膜が発生している領域すなわち領域22を最大化させることが熱交換効率の向上に有効である。また、この図のように蒸発器6出口側で完全に気化している状態は、冷媒のガス流速が非常に大きくなるため、蒸発器6出口に接続しているガス配管15における圧力損失増大の問題がある。
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a state where the
一方、図3は蒸発器6が過度に湿っている状態を説明する概念図である。蒸発器6の入り口から乾き度0の液体が流入している。この図においては、蒸発器6の熱交換能力に比べて冷媒の温度が低いもしくは流速が速いなどの理由で、液冷媒領域19が蒸発器6の大半を占める状態である。このとき、液面と管壁の接触面積は大きいため、熱交換効率は非常に高い状態にある。しかし、蒸発器6内のほとんどが液領域で覆われているため、蒸発器6内の圧力損失が非常に高い問題がある。また、蒸発器6から送出された気液二相冷媒は、ガス配管15を通じて、冷媒貯留装置へと戻るが、このとき冷媒の液量が多い場合は、圧縮機4に液冷媒が混入する可能性がある。圧縮機4へ液状態の冷媒が混入すると、圧縮行程中に液圧縮が発生し、水撃作用によって圧縮機4の破損などの重大な故障へと繋がる可能性がある。また、水撃作用による騒音も問題となる。
On the other hand, FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a state where the
図4は蒸発器6が好適に湿っている状態を説明する概念図である。この状態では、蒸発器6出口において冷媒が完全に気化しており、圧縮機4への液混入を防ぐ。さらに、液体領域と気液二相領域の組み合わせとして、気液領域の増大による熱交換能力の向上分と圧力損失の増減分を考慮し、消費エネルギー効率が最大となる組み合わせを選択したものである。このとき、消費エネルギー効率とは、投入エネルギーに対する空調機システムが行った仕事量である。
FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a state where the
図5はこの発明の実施の形態1における制御動作を示すフローチャートである。通常の空気調和機においては、蒸発器6の出口部分における過熱度もしくは乾き度を検出および制御しているため、蒸発器6の内部の冷媒状態の詳細までは考慮されておらず、図3に示すように蒸発器6が有効に利用されていない可能性がある。このとき、蒸発器6を有効利用するためには、蒸発器6の管内の内壁に冷媒が液相状態で接触している必要がある。図5においては、この内壁に液相が存在している気液二相領域が最大限大きくなるように好適に制御された状態を示している。
FIG. 5 is a flowchart showing the control operation in the first embodiment of the present invention. In a normal air conditioner, since the degree of superheat or dryness at the outlet of the
以下、順を追って説明する。ST1のステップでは、制御コントローラ11は、通常の空調制御シーケンスを行う。これは、空調機の通常の制御内容を意味する。通常の制御内容とは、例えば、リモートコントローラなどによるユーザーの設定温度指示値を用いて、現在の制御対象室内温度や室内機吸い込み温度(9−5)との温度差、および室外の温度(9−4)などから、熱負荷を計算し、その熱負荷に合うように圧縮機4の回転数、室外機送風機1の回転数、室内機送風機7の回転数、冷媒の流量などを決定する方式などを指す。これらの制御方式には種々の方法があり、任意の制御手法を適用することができる。つまり、本実施の形態における制御方式は、これらの通常の空調制御方式へ追加が可能な形態を想定している。
In the following, description will be given in order. In step ST1, the
ST2のステップでは、制御コントローラ11は、熱負荷が安定しているかどうかを判定する。これは、起動時や負荷の大きな変動時は、空調機においては、油戻しなどの特殊な制御が実施されるためであり、このような制御条件時は、以降の最適制御をスキップする。熱負荷が安定している条件とは、機器構成によって変動するが、例えば、一定時間の間、吸い込み温度(9−5)が変動しない場合をもって熱負荷が安定していると判断することができる。
In step ST2, the
ステップST3では、制御コントローラ11の気液二相領域演算手段は、蒸発器6の出口乾き度を演算する。蒸発器6の出口乾き度の演算方法は実施の形態2にて説明する。
In step ST3, the gas-liquid two-phase region calculation means of the
ST4のステップでは、制御コントローラ11は、ST2において計算した蒸発器6の出口側の乾き度を用いて、出口側に液状態の冷媒が発生していないことを保証する。基準値以下の場合は、蒸発器6の出口側において気化が完了しておらず、圧縮機4への液混入の恐れがあるため、ST5にて乾き度を増加させる操作を実施する。基準値は通常0.95〜1程度の乾き度が選ばれる。乾き度を低減させる方法としては例えば、冷媒流量を減少させる、蒸発器6に対する送風量、すなわち室内機送風機7の風量を減少させるなどの方法がある。
In step ST4, the
ST4にて乾き度が基準値以上であれば、圧縮機4への液混入の恐れが無いものとして次の制御ステップへ進む。
If the dryness is equal to or higher than the reference value in ST4, the process proceeds to the next control step on the assumption that there is no risk of liquid mixing into the
ST6では、制御コントローラ11は、機器の制御組み合わせに用いられる制約条件をデータ蓄積装置などから読み込む。このときの制約条件とは、例えば、圧縮機4の最大および最小動作周波数であったり、冷媒流量調整手段8の弁開度の最大変化率や最大値や最小値であったり、室外機送風機1や室内機送風機7の回転数の最大変化率や最小値や最大値であったり、使用している冷媒の温度、圧力、エンタルピーなどの範囲であったり、消費エネルギーを最小化するための拘束式や評価関数などである。
In ST6, the
ST7では、制御コントローラ11は、乾き度が基準値以上となる機器制御組み合わせの中から、制約条件を満たす組み合わせを探索する。例えば、制約条件に「消費エネルギー効率最大化」が選ばれれば、乾き度が基準値以上となる機器制御値組み合わせの中から、消費エネルギーの効率が最大となるような気液二相領域と液相領域、完全気体領域の組み合わせを探索することになる。つまり、蒸発器6出口の乾き度が基準値以上となる制御値の組み合わせのうち、蒸発器6内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組み合わせを探索する。ここで言う機器制御組み合わせとは、例えば、圧縮機4の回転数制御目標値、室外機送風機1の回転数制御目標値、室内機送風機7の回転数制御目標値、冷媒流量調整手段8の弁開度制御目標値などの制御値の組み合わせを言う。
In ST7, the
解の探索方法は種々の方法があるが、機器の制御値が連続値であるか離散値であるか、機器の制御モデルが線形であるか非線形であるかなどを考慮して適宜選ばなければならない。例えば、制御値が連続値に表現可能であり、制御モデルが線形化可能であれば、線形計画法や二次計画法などの最適化手法が適用可能であるし、制御値が離散値で制御モデルが非線形であれば分岐限定法や整数計画法などの最適化手法が適用可能である。 There are various ways to search for a solution, but it must be selected appropriately considering whether the control value of the device is a continuous value or a discrete value, whether the control model of the device is linear or non-linear. Don't be. For example, if the control value can be expressed as a continuous value and the control model can be linearized, an optimization method such as linear programming or quadratic programming can be applied, and the control value is controlled by a discrete value. If the model is non-linear, optimization methods such as branch and bound and integer programming can be applied.
ST8では、制御コントローラ11は、ST7にて求められたそれぞれの機器、例えば、圧縮機4の回転数、室外機送風機1の回転数、室内機送風機7の回転数、冷媒流量調整手段8の弁開度、などの制御値の最適値をそれぞれの機器へ送信する。なお、この1サイクルの制御単位時間は、解探索にかかる時間や系の時定数を考慮して適宜決めなければならない。熱負荷の変動が少ない場合については、この時間単位を1〜数分程度としても良い。
In ST8, the
以上のように本実施の形態においては、圧縮機4、冷媒流量調整手段8、凝縮器2に対する送風量、および蒸発器6に対する送風量の少なくとも1つを制御して、蒸発器6出口の乾き度を基準値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御する。このため、蒸発器6内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器6出口の乾き度を基準値以上に保証しつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。
As described above, in the present embodiment, the outlet of the
また、蒸発器6出口の乾き度が基準値以上となる制御値の組み合わせのうち、蒸発器6内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組み合わせを探索して、各機器を制御する。このため、制約条件のもとで蒸発器6の熱交換能力を向上させる制御を行うことにより空気調和機の消費エネルギー効率を向上させることが可能となる。
In addition, among combinations of control values in which the degree of dryness at the outlet of the
実施の形態2.
本実施の形態2では、制御コントローラ11の気液二相領域演算手段による、蒸発器6出口の乾き度、および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求める演算動作について説明する。
Embodiment 2. FIG.
In the second embodiment, a calculation operation for obtaining the dryness of the outlet of the
図6はこの発明の実施の形態2における演算動作を示すフローチャートである。
ST9のステップでは、制御コントローラ11のデータ蓄積装置などから演算用の物理モデルの情報を読み込む。物理モデルの情報とは、機器の状態を記述する状態方程式や入出力の状態遷移を規定する伝達関数などであり、例えば、冷媒流量調整手段8の弁開度と、温度検知手段9−2から得られる通過前の冷媒温度、温度検知手段9−3から得られる通過後の冷媒の温度、圧力検知手段10−2、10−3から得られる圧力を元に、冷媒流量調整手段8を通過した冷媒の流量を計算する式などを指す。
FIG. 6 is a flowchart showing the calculation operation in the second embodiment of the present invention.
In step ST9, information on the physical model for calculation is read from the data storage device of the
ST10のステップでは、制御コントローラ11のデータ蓄積装置から各種のセンサデータを取得する。センサデータとは例えば、図1に記載の温度検知手段9−1、9−2、9−3、9−4、9−5から計測された温度、圧力検知手段10−1、10−2、10−3によって計測された圧力、などを指す。制御コントローラ11のデータ蓄積装置には、空調機システム内に設置されている上記のようなセンサから計測値がデータとして適宜蓄積されている。
In step ST10, various sensor data are acquired from the data storage device of the
ST11のステップでは、制御コントローラ11のデータ蓄積装置から、制御対象機器の制御値の現在値を取得する。制御対象機器とは、例えば圧縮機4や冷媒流量調整手段8や室外機送風機1、室内機送風機7などである。これらの機器の制御値としては、例えば、圧縮機4が回転型圧縮機であればその周波数、冷媒流量調整手段8が電子膨張弁であれば弁の開度、室外機送風機1、室内機送風機7であれば回転数などである。なお、これらのデータ形式は、電流値であったり、単位時間当たりのパルスカウントであったり印加電圧などの種々の形式があるが、それらは回転数や弁の開度などに一義的に関係づけられるため、どのような形式であっても良い。
In step ST11, the current value of the control value of the control target device is acquired from the data storage device of the
ST12のステップでは、制御コントローラ11の気液二相領域演算手段は、温度検知手段9−1、9−2から得られる温度と、圧力検知手段10−1、10−2から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式3と、冷媒質量流量の液相部分を求める式4と、圧縮機4の状態を表現する物理モデル式とから、圧縮機4を通過した冷媒の状態式を得る。同様に、温度検知手段9−2、9−3から得られる温度と、圧力検知手段10−2、10−3から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式3と、冷媒質量流量の液相部分を求める式4と、冷媒流量調整手段8の状態を表現する物理モデル式とから、冷媒流量調整手段8を通過した冷媒の状態式を得る。また同様に、温度検知手段9−2、9−3、9−5から得られる温度と、圧力検知手段10−2、10−3から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式3と、冷媒質量流量の液相部分を求める式4と、蒸発器6の状態を表現する物理モデル式とから、蒸発器6を通過した冷媒の状態式を得る。また同様に、温度検知手段9−1、9−3、9−4から得られる温度と、圧力検知手段10−1、10−3から得られる圧力と、冷媒質量流量の気相部分を求める式3と、冷媒質量流量の液相部分を求める式4と、凝縮器2の状態を表現する物理モデル式とから、凝縮器2を通過した冷媒の状態式を得る。
In step ST12, the gas-liquid two-phase region calculation means of the
なお、添え字gは気相を示し、添え字lは液相を示す。 The subscript g indicates the gas phase, and the subscript l indicates the liquid phase.
これらの機器は連結しているため、冷媒の質量流量と冷媒の運動量とのエネルギーは保存される。従って、上記で求められた冷媒の状態式に対して、質量保存の法則式である式1と、運動量保存の法則式である式2、およびエネルギー保存の法則式である式5が成り立つ。よって、制御コントローラ11の気液二相領域演算手段は、各機器を通過した冷媒の状態式を、質量保存の法則式である式1、運動量保存の法則式である式2、エネルギー保存の法則式である式5に代入し、この代入した式が常に成り立つようにシステム同定による未知数の同定を行う。
Since these devices are connected, the energy of the mass flow rate of the refrigerant and the momentum of the refrigerant is stored. Therefore, with respect to the refrigerant state equation obtained above,
このとき、最低限必要となる未知数は通常は乾き度であるが、同様に未知数となっている熱交換器(凝縮器2、蒸発器6)の入り口および出口のエンタルピーや温度、蒸発器6内の気液二層領域の長さ(冷媒流れ方向の長さ)なども同定可能である。
つまり、蒸発器6内の気液二層領域の冷媒流れ方向の長さを求めることで、蒸発器6の冷媒流れ方向の長さは既知であるので、蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求めることができる。
At this time, the minimum required unknown is usually the dryness, but the enthalpy and temperature of the inlet and outlet of the heat exchanger (condenser 2 and evaporator 6), which are similarly unknown, It is possible to identify the length of the gas-liquid two-layer region (length in the refrigerant flow direction).
That is, since the length in the refrigerant flow direction of the
未知数を同定する手法は種々の手法があるが、自己回帰移動平均の最小自乗法や予測誤差修正法などの方法を使っても良い。 There are various methods for identifying the unknown, but methods such as the least square method of the autoregressive moving average and the prediction error correction method may be used.
機器の物理モデルにはそれぞれ、空調機システムで重要となる物理状態値の項目があり、例えば冷媒流量や圧力、温度、乾き度、圧縮機4の有効体積などが含まれている。
Each physical model of the device has items of physical state values that are important in the air conditioner system, and includes, for example, refrigerant flow rate, pressure, temperature, dryness, and effective volume of the
このように、空気調和機の各機器の状態を連結して、空気調和機全体の動作を模擬し、どの部分にどの程度の冷媒が偏っているかを把握することで、蒸発器6出口の乾き度、および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求めることが可能となる。
In this way, the state of each device of the air conditioner is connected, the operation of the entire air conditioner is simulated, and by grasping which part of the refrigerant is biased in which part, the outlet of the
以上のように本実施の形態においては、冷媒回路の運転データと各物理モデル式とに基づき、蒸発器6出口の乾き度および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求める。このため、制御対象となる蒸発器6出口の乾き度および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を、追加のセンサを必要とすることなく得ることができる。
As described above, in the present embodiment, the degree of dryness at the outlet of the
また、気液二相領域演算手段は、各機器を通過した冷媒の状態式と、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、蒸発器6出口の乾き度、および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求める。蒸発器6出口の乾き度および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を、追加のセンサを必要とすることなく、精度良く、得ることができる。
Further, the gas-liquid two-phase region calculation means is based on the state equation of the refrigerant that has passed through each device, the refrigerant mass conservation law, the momentum conservation law, and the energy conservation law. 6 Determine the ratio of the gas-liquid two-phase region inside. The dryness of the outlet of the
実施の形態3.
本実施の形態3では、制御コントローラ11により、物理モデル式をシステム同定し、随時そのパラメータ等を更新していくことにより、空調運転の最適化を図る動作について説明する。
In the third embodiment, an operation for optimizing the air conditioning operation by system identification of a physical model expression by the
なお、本実施の形態における制御コントローラ11は、本発明における「更新演算手段」に相当する。
The
図7はこの発明の実施の形態3における物理パラメータの同定方法を示すフローチャートである。
ST13のステップでは、制御コントローラ11のデータ蓄積装置から過去の空調システムの運転データを取得する。運転データとは、空調システムの回路内における、設置されたセンサの計測値や制御機器の状態値である。この運転データは、例えば、圧縮機4、冷媒流量調整手段8、凝縮器2、および蒸発器6の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、圧縮機4の回転数、冷媒流量調整手段8の開度、凝縮器2に対する送風量、および蒸発器6に対する送風量の情報とを有する。
FIG. 7 is a flowchart showing a physical parameter identification method according to
In step ST13, past operation data of the air conditioning system is acquired from the data storage device of the
例えば、圧縮機4の物理モデルを更新する場合は、温度検知手段9−1、9−2と、圧力検知手段10−1、10−2と、圧縮機4の制御値(回転数など)のデータとを用いる。また、冷媒流量調整手段8の物理モデルを更新する場合は、温度検知手段9−2、9−3と、圧力検知手段10−2、10−3と、冷媒流量調整手段8の制御値(弁開度など)のデータを用いる。また、蒸発器6のモデルを更新する場合は、温度検知手段9−2、9−3、9−5と、圧力検知手段10−2、10−3と、室内機送風機7の制御値(回転数など)を用いる。また、凝縮器2のモデルを更新する場合は、温度検知手段9−1、9−3、9−4と、圧力検知手段10−1、10−3と、室外機送風機1の制御値(回転数など)を用いる。
For example, when the physical model of the
ST14のステップでは、データ蓄積装置から現状の物理モデル式を取得する。現状の物理モデル式とは、システム同定された最新版の機器の物理モデル式を指す。 In step ST14, the current physical model formula is acquired from the data storage device. The current physical model formula refers to the physical model formula of the latest version of the device that has been system-identified.
ST15のステップでは、ST14で取得した最新の物理モデル式に、適当な期間の過去の運用データを代入し、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態(運転状態)を模擬する。適当な期間とは、運転データが良く模擬できる期間であり、例えば過去1日〜7日程度を使用すると好適である。 In step ST15, past operation data for an appropriate period is substituted into the latest physical model equation obtained in ST14, and each device is subject to the constraints of the refrigerant mass conservation law, momentum conservation law, and energy conservation law. Simulate the physical state (operating state). The appropriate period is a period during which the operation data can be simulated well. For example, it is preferable to use the past one to seven days.
ST16では、過去データを用いて模擬された仮想空調運転データと、実際に計測された運転データとの残差が最小となるように、物理モデル式のパラメータを同定し、物理モデル式を更新する。なお、残差を最小とする方法は、最尤法や最小自乗法などの手法を用いても良い。 In ST16, the parameters of the physical model formula are identified and the physical model formula is updated so that the residual between the virtual air conditioning operation data simulated using the past data and the actually measured operation data is minimized. . As a method for minimizing the residual, a method such as a maximum likelihood method or a least square method may be used.
このように、物理モデルを最新版へと常に更新し続けることにより、空調システムの熱負荷として、季節変動や場所や使用者の変動があった場合にも、制御のパラメータを最適化することが可能となる。 In this way, by constantly updating the physical model to the latest version, it is possible to optimize the control parameters even when there are seasonal fluctuations and changes in location and user as the heat load of the air conditioning system. It becomes possible.
以上のように本実施の形態においては、データ蓄積装置に記憶された運転データの実績値を、各機器の物理モデル式に代入し、冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬し、模擬した物理状態と運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する。このため、蒸発器6出口の乾き度、および蒸発器6内部における気液二相領域の割合を求める演算に用いるための各機器の物理状態モデルを、精度良く求めることができる。よって、蒸発器6内部の冷媒状態を検知する追加のセンサを設けることなく、蒸発器6出口の乾き度を基準値以上にしつつ、気液二相領域の割合を制御することができ、消費エネルギー効率を向上することができる。
As described above, in the present embodiment, the actual value of the operation data stored in the data storage device is substituted into the physical model equation of each device, and the refrigerant mass conservation law, momentum conservation law, and energy conservation law restrictions Under the conditions, the physical state of each device is simulated, and the physical model formula is updated so that the residual between the simulated physical state and the actual value of the operation data becomes small. For this reason, the physical state model of each apparatus used for the calculation which calculates | requires the dryness of the
1 室外機送風機、2 凝縮器、3 開閉手段、4 圧縮機、5 冷媒貯留手段、6 蒸発器、7 室内機送風機、8 冷媒流量調整手段、9 温度検知手段、10 圧力検知手段、11 制御コントローラ、12 信号線、13 計測信号搬送手段、14 液配管、15 ガス配管、16 室内機、17 室外機、18 熱交換器電熱交換面、19 液相領域、20 箇所、21 箇所、22 領域。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算手段と、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも1つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする空気調和機。 In an air conditioner equipped with a refrigerant circuit that circulates a refrigerant by connecting a compressor, a condenser, a refrigerant flow rate adjusting means, and an evaporator sequentially by piping,
A gas-liquid two-phase region calculation means for determining the degree of dryness of the outlet of the evaporator and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator, based on the operating state of the refrigerant circuit;
Controlling at least one of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the amount of air blown to the condenser, and the amount of air blown to the evaporator, and setting the dryness of the outlet of the evaporator to a predetermined value or more, the gas-liquid An air conditioner comprising a control means for controlling the ratio of the two-phase region.
少なくとも、前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の制御値の組合せのうち、前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せを求め、
該制御値の組合せのうち、前記蒸発器内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せに基づき、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも1つを制御する
ことを特徴とする請求項1記載の空気調和機。 The control means includes
The dryness at the outlet of the evaporator is a predetermined value among combinations of control values of at least the rotation speed of the compressor, the opening of the refrigerant flow rate adjusting means, the air flow rate to the condenser, and the air flow rate to the evaporator. Find the combination of control values
Based on the combination of control values in which the ratio of the gas-liquid two-phase region in the evaporator is maximized among the combinations of the control values, the amount of air blown to the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the condenser, and the The air conditioner according to claim 1, wherein at least one of the airflows to the evaporator is controlled.
前記気液二相領域演算手段は、
前記冷媒回路の運転データと前記各物理モデル式とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項1または2記載の空気調和機。 At least storage means storing physical model equation information that simulates the physical state of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the condenser, and the evaporator,
The gas-liquid two-phase region calculation means is
3. The dryness at the outlet of the evaporator and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator are obtained based on the operation data of the refrigerant circuit and the physical model equations. Air conditioner.
前記圧縮機の吸入側の冷媒温度および圧力、並びに吐出側の冷媒温度および圧力と、前記圧縮機の回転数と、前記圧縮機の物理モデル式とに基づき、前記圧縮機を通過した冷媒の状態式を求め、
前記凝縮器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記凝縮器に対する送風量と、前記凝縮器の物理モデル式とに基づき、前記凝縮器を通過した冷媒の状態式を求め、
前記冷媒流量調整手段の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記冷媒流量調整手段の開度と、前記冷媒流量調整手段の物理モデル式とに基づき、前記冷媒流量調整手段を通過した冷媒の状態式を求め、
前記蒸発器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記蒸発器に対する送風量と、前記蒸発器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器を通過した冷媒の状態式を求め、
前記各状態式と、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項3記載の空気調和機。 The gas-liquid two-phase region calculation means is
The state of the refrigerant that has passed through the compressor based on the refrigerant temperature and pressure on the suction side of the compressor, the refrigerant temperature and pressure on the discharge side, the rotational speed of the compressor, and the physical model equation of the compressor Find the formula
The state of the refrigerant that has passed through the condenser based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the condenser, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the amount of air blown to the condenser, and the physical model equation of the condenser Find the formula
Based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the refrigerant flow rate adjusting means, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the opening degree of the refrigerant flow rate adjusting means, and the physical model formula of the refrigerant flow rate adjusting means, the refrigerant flow rate Find the equation of state of the refrigerant that passed through the adjusting means,
The state of the refrigerant that has passed through the evaporator based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the evaporator, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the amount of air blown to the evaporator, and the physical model equation of the evaporator Find the formula
The degree of dryness at the outlet of the evaporator and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator are obtained based on the state equations and the mass conservation law, momentum conservation law, and energy conservation law of the refrigerant. The air conditioner according to claim 3.
前記データ蓄積手段に記憶された前記運転データの実績値を、前記記憶手段に記憶された各機器の物理モデル式に代入し、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬し、
模擬した物理状態と前記運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する更新演算手段と
を備えたことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の空気調和機。 Data storage means for storing information on the actual value of the operation data of the refrigerant circuit;
Substituting the actual value of the operation data stored in the data storage means into the physical model formula of each device stored in the storage means, and the constraint conditions of the refrigerant mass conservation law, momentum conservation law and energy conservation law To simulate the physical state of each device,
The update calculation means which updates the said physical model formula so that the residual of the simulated physical state and the actual value of the said operation data may become small is provided, The any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. Air conditioner as described in.
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器、および前記蒸発器の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、
前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の情報とを有する
ことを特徴とする請求項3または5記載の空気調和機。 The operation data is
Information on refrigerant temperature and pressure on the inlet side and outlet side of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the condenser, and the evaporator; and
6. The air conditioner according to claim 3, wherein the air conditioner has information on rotation speed of the compressor, opening degree of the refrigerant flow rate adjusting means, air flow rate to the condenser, and air flow rate to the evaporator. .
前記冷媒回路の動作状態に基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める気液二相領域演算ステップと、
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも1つを制御して、前記蒸発器出口の乾き度を所定値以上にしつつ、前記気液二相領域の割合を制御する制御ステップと
を有することを特徴とする空気調和機の制御方法。 A control method for an air conditioner including a refrigerant circuit for circulating a refrigerant by connecting a compressor, a condenser, a refrigerant flow rate adjusting unit, and an evaporator sequentially by piping,
A gas-liquid two-phase region calculation step for determining the dryness of the outlet of the evaporator and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator, based on the operating state of the refrigerant circuit;
Controlling at least one of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the amount of air blown to the condenser, and the amount of air blown to the evaporator, and setting the dryness of the outlet of the evaporator to a predetermined value or more, the gas-liquid And a control step for controlling the ratio of the two-phase region.
少なくとも、前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の制御値の組合せのうち、前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せを求めるステップと、
前記蒸発器出口の乾き度が所定値以上となる制御値の組合せのうち、前記蒸発器内部における気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せを求めるステップと、
気液二相領域の割合が最大となる制御値の組合せに基づき、前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の少なくとも1つを制御するステップと
を有することを特徴とする請求項7記載の空気調和機の制御方法。 The control step includes
The dryness at the outlet of the evaporator is a predetermined value among combinations of control values of at least the rotation speed of the compressor, the opening of the refrigerant flow rate adjusting means, the air flow rate to the condenser, and the air flow rate to the evaporator. Obtaining a combination of control values as described above;
Of the combination of control values at which the degree of dryness at the outlet of the evaporator becomes a predetermined value or more, obtaining a combination of control values that maximizes the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator;
A step of controlling at least one of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the amount of air blown to the condenser, and the amount of air blown to the evaporator based on a combination of control values that maximizes the ratio of the gas-liquid two-phase region; The method for controlling an air conditioner according to claim 7, wherein:
前記冷媒回路の運転データと、各機器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求める
ことを特徴とする請求項7または8記載の空気調和機の制御方法。 The gas-liquid two-phase region calculation step includes:
8. The dryness of the evaporator outlet and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator are obtained based on the operation data of the refrigerant circuit and the physical model formula of each device. The control method of the air conditioner of Claim 8.
前記圧縮機の吸入側の冷媒温度および圧力、並びに吐出側の冷媒温度および圧力と、前記圧縮機の回転数と、前記圧縮機の物理モデル式とに基づき、前記圧縮機を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記凝縮器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記凝縮器に対する送風量と、前記凝縮器の物理モデル式とに基づき、前記凝縮器を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記冷媒流量調整手段の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記冷媒流量調整手段の開度と、前記冷媒流量調整手段の物理モデル式とに基づき、前記冷媒流量調整手段を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記蒸発器の入口側の冷媒温度および圧力、並びに出口側の冷媒温度および圧力と、前記蒸発器に対する送風量と、前記蒸発器の物理モデル式とに基づき、前記蒸発器を通過した冷媒の状態式を求めるステップと、
前記各状態式と、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則とに基づき、前記蒸発器出口の乾き度、および前記蒸発器内部における気液二相領域の割合を求めるステップと
を有することを特徴とする請求項9記載の空気調和機の制御方法。 The gas-liquid two-phase region calculation step includes:
The state of the refrigerant that has passed through the compressor based on the refrigerant temperature and pressure on the suction side of the compressor, the refrigerant temperature and pressure on the discharge side, the rotational speed of the compressor, and the physical model equation of the compressor Obtaining an expression; and
The state of the refrigerant that has passed through the condenser based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the condenser, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the amount of air blown to the condenser, and the physical model equation of the condenser Obtaining an expression; and
Based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the refrigerant flow rate adjusting means, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the opening degree of the refrigerant flow rate adjusting means, and the physical model formula of the refrigerant flow rate adjusting means, the refrigerant flow rate Obtaining a state equation of the refrigerant that has passed through the adjusting means;
The state of the refrigerant that has passed through the evaporator based on the refrigerant temperature and pressure on the inlet side of the evaporator, the refrigerant temperature and pressure on the outlet side, the amount of air blown to the evaporator, and the physical model equation of the evaporator Obtaining an expression; and
Based on the state equations and the refrigerant mass conservation law, momentum conservation law, and energy conservation law, determining the dryness of the evaporator outlet and the ratio of the gas-liquid two-phase region inside the evaporator; The method of controlling an air conditioner according to claim 9, comprising:
前記運転データの実績値を、各機器の物理モデル式に代入し、前記冷媒の質量保存則、運動量保存則およびエネルギー保存則の制約条件のもと、各機器の物理状態を模擬するステップと、
模擬した物理状態と前記運転データの実績値との残差が小さくなるように、当該物理モデル式を更新する更新演算ステップと
を有することを特徴とする請求項7〜10の何れか1項に記載の空気調和機の制御方法。 A data accumulation step for storing information on the actual value of the operation data of the refrigerant circuit;
Substituting the actual value of the operation data into the physical model formula of each device, and simulating the physical state of each device under the constraints of the refrigerant mass conservation law, momentum conservation law and energy conservation law;
The update calculation step of updating the physical model formula so as to reduce a residual between the simulated physical state and the actual value of the operation data. The air conditioner control method described.
前記圧縮機、前記冷媒流量調整手段、前記凝縮器、および前記蒸発器の入口側並びに出口側の冷媒温度および圧力の情報と、
前記圧縮機の回転数、前記冷媒流量調整手段の開度、前記凝縮器に対する送風量、および前記蒸発器に対する送風量の情報とを有する
ことを特徴とする請求項9または11記載の空気調和機の制御方法。 The operation data is
Information on refrigerant temperature and pressure on the inlet side and outlet side of the compressor, the refrigerant flow rate adjusting means, the condenser, and the evaporator; and
The air conditioner according to claim 9 or 11, comprising information on a rotation speed of the compressor, an opening degree of the refrigerant flow rate adjusting unit, an air flow rate to the condenser, and an air flow rate to the evaporator. Control method.
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