JP5062555B2

JP5062555B2 - 省エネ空調制御システム

Info

Publication number: JP5062555B2
Application number: JP2007124265A
Authority: JP
Inventors: 川井昌裕; 秋本学
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-05-09
Also published as: JP2008241231A

Description

本発明は、同一スペースに配置された複数の空調装置の空調負荷を執務環境を確保しつつ効率良く減少し、消費電力を低減する省エネ空調制御システムに関する。

一般の事務所ビルにおいては、電力使用量の約４０％が空調設備で消費されている。空調設備における消費電力量は、外部気象条件（外部気温、日射等）、建物の蓄熱状況（夜間、休日等）によって大きく変動し、特に夏季・冬季のピーク負荷時や休日開けの空調運転時に空調負荷が増大するので、これに伴い消費電力量も増大する。

従来の省エネ空調制御システムにおいて、最大負荷時のデマンド値を低減させるものとして、空調設備を通常の運転時間より早めに運転する予冷・予熱制御、さらに冷房または暖房の停止中に冷水または温水を冷温水循環用配管と空調機の熱交換器に循環させ、冷房または暖房の開始直前の冷温水循環用配管内の冷水または温水の温度と空調機の熱交換器の温度とを冷房中の冷水温度または暖房中の温水温度に近い温度に保持する運転方法などが考えられている（以下、「公知例１」という。）。また、本出願人の特許出願（以下、「公知例２」という。）において、マルチエアコンを複数のグループに分割した複数の系統により空調負荷に応じた省エネ分散制御を行うマルチエアコンの省エネ制御システムであって、空調負荷を演算するための情報を計測する計測手段と、前記計測手段により計測される計測情報に基づき予め設定された時刻での空調負荷を求め、該空調負荷レベルに対応したサーモオフ制御時間により前記複数の系統に対して所定の時間毎に所定の優先順に従ってサーモオフ制御を行う運転制御装置とを備え、前記運転制御装置は、前記空調負荷レベルが軽負荷になるほど前記サーモオフ制御時間を長くする省エネ空調制御システムを提案している。
特開２００４−１０８６５８号公報特開２００６−３８３３４号公報

しかし、前記公知例１の予冷・予熱制御では、室内環境を営業開始時間に適正値収束させることに主眼がおかれ、外気条件、室内温度、空調機能力など多くのパラメータを計算して運転時間を計算し、また、冷房または暖房の停止中に冷水または温水を循環させる方法では、空調機への熱媒体の出側または入側に設置された二方弁とその前後に連通するバイパス管に設置された開閉弁のいずれか一方または双方を冷房または暖房の停止中に開いて循環ポンプの運転を続けてなければならない。近年の空調機器は、軽負荷時にインバータ制御を行う機能を有するものがあるが、軽負荷時の成績効率が上がらないという問題がある。また、公知例２においては、執務環境を確保しつつ簡単な制御により空調設備の系統別運転制御を行って特に軽負荷時の成績効率を向上させ消費電力量を低減できるものである。しかし、同一スペースに配置された複数の空調装置は、その配置位置の各種条件により空調負荷が大きく相違することが実際の空調運転の結果判明し、同一スペースに配置された複数の空調装置を全てがサーモオフ制御（間歇制御）すると、空調設備の成績係数を高める点での限界が存在することが判明した。

本発明は、前記従来技術の持つ課題を解決するものであって、同一スペースに配置された複数の空調装置の空調負荷を執務環境を確保しつつ効率良く減少し、消費電力を低減することができる省エネ空調制御システムを提供することを目的とする。

本発明の省エネ空調システムは、前記課題を解決するために、同一スペースの各区画をそれぞれ空調する複数の空調装置を配置し、前記複数の空調装置をネットワークを介して制御装置に連結し、前記制御装置は前記複数の空調装置の配置された各区画毎の過去の季節、時間、日射量により変動する空調負荷実績データに基づき前記複数の空調装置のベース機、補助機への区分、セットバック時間およびセットバック温度からなる制御パターンを記憶する記憶手段を備え、前記ベース機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間に達するまで高負荷又は中負荷運転モードで運転し、セットバック時間経過後にセットバック温度に達するまで低負荷運転モード又は間歇運転モードで運転し、前記補助機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間まで高負荷又は中負荷運転し、セットバック時間経過後は送風運転モードで運転し、セットバック温度に達した後、前記ベース機及び前記補助機を所定時間送風モードで運転し、所定時間経過後、前記ベース機及び前記補助機を初期の運転モードで運転するように制御することを特徴とする。

また、本発明の省エネ空調システムは、中負荷運転、低負荷運転、間歇運転、オフ運転の各運転状態毎の電力負荷率の直近Ｎ分間における最大値、最小値、平均値、オフ回数、現在の電力負荷率のデータを複数回のサンプリングにより取得し、前記直近Ｎ分間で取得したデータと設定値との対比に基づき各運転状態における省エネ度がより向上するように前記空調装置を制御することを特徴とする。

また、本発明の省エネ空調システムは、省エネ度のランクを複数のモードに区分し、各モード毎に運転状態に応じてオフ運転への切り替え、オフ時間の長さの設定を異なるように設定することを特徴とする。

同一スペースの各区画をそれぞれ空調する複数の空調装置を配置し、前記複数の空調装置をネットワークを介して制御装置に連結し、前記制御装置は前記複数の空調装置の配置された各区画毎の過去の季節、時間、日射量により変動する空調負荷実績データに基づき前記複数の空調装置のベース機、補助機への区分、セットバック時間およびセットバック温度からなる制御パターンを記憶する記憶手段を備え、前記ベース機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間に達するまで高負荷又は中負荷運転モードで運転し、セットバック時間経過後にセットバック温度に達するまで低負荷運転モード又は間歇運転モードで運転し、前記補助機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間まで高負荷又は中負荷運転し、セットバック時間経過後は送風運転モードで運転し、セットバック温度に達した後、前記ベース機及び前記補助機を所定時間送風モードで運転し、所定時間経過後、前記ベース機及び前記補助機を初期の運転モードで運転するように制御する構成により、セットバック時間経過後は、ベース機のみ低負荷運転モード又はオン、オフ制御の間歇運転モードで運転するので、全ての空調装置を室内環境に基づいて制御するシステムに比較し、執務環境を保持しつつ空調負荷を効率良く減少し、消費電力を低減することができる。
また、ベース機、補助機に区分された空調装置のスタート、リスタート、高負荷運転、中負荷運転、低負荷運転、間歇運転、オフ運転の各運転状態毎の電力負荷率の直近Ｎ分間における最大値、最小値、平均値、オフ回数、現在の電力負荷率のデータを複数回のサンプリングにより取得し、前記直近Ｎ分間で取得したデータと設定値との対比に基づき各運転状態における省エネ度がより向上するように前記空調装置を制御する構成により、直近の各空調装置の運転状態に応じきめの細かい制御が可能となり、電力消費量をより低減することができる。
省エネ度のランクを複数のモードに区分し、各モード毎にオフ運転への切り替え、オフ時間の長さの設定を異なるように設定する構成により、要求される省エネ度に応じて効率良く省エネ運転制御が可能となる。

本発明の省エネ空調制御システムの実施形態を図により説明する。図１は、本発明の省エネ空調制御システムの一実施形態を説明するための建物の３階部分の図書室（空調面積５４４ｍ２）の同一スペースの各区画をそれぞれ空調する複数の空調装置１、２、３、４の空調区画を示す図である。空調装置１は、東南の区画を空調し、空調装置２は、北東の区画を空調し、空調装置３は、中央部の区画を空調し、空調装置４は、南西の区画を空調する。

図２は、本発明の省エネ空調制御システムの概念を示すブロック図である。空調装置１〜４は、制御装置５とネットワークを介して連結される。制御装置５には、各空調装置１〜４の周辺区画の室内の温度、湿度を計測する室内環境センサ６、外気の温度、湿度、日射量を計測する外気環境センサ７が接続される。また、制御装置５には、空調装置１〜４が駆動することにより消費される電力量を計測する電力計８が接続される。

制御装置５は、過去の室内環境、外気環境に応じた空調装置１〜４の制御パターンを記憶する記憶手段９を備えている。制御装置５は、運転開始時の各区画に配置された室内環境センサ６と、外気環境センサ７の計測データに基づき、記憶手段９に記憶された空調装置１〜４の制御パターンを設定する制御パターン設定手段１０と、設定された制御パターンで空調装置１〜４の運転を制御する運転制御手段１２を備える。

図３は、本発明の省エネ空調制御システムの制御パターンを示す図である。本発明の制御パターンでは、空調装置１、２をベース機１３とし、空調装置３，４を補助機１４とするように区分する（台数制御）。ベース機１３と補助機１４の区分は、過去の各空調装置１〜４の空調負荷実績データに基づき設定される。同一フロアの各区画を空調する空調装置１〜４の空調負荷は季節、時間、日射量により変動するので、室内環境、外気環境の変動によりベース機１３、補助機１４の区分及びベース機１３、補助機１４の台数、セットバック時間、セットバック温度からなる制御パターンも変動する。

本発明の制御パターンでは、ベース機１３は、図４に示されるようにセットバック時間に達するまで高負荷又は中負荷運転モードで運転し、セットバック時間経過後にセットバック温度に達するまで低負荷運転モード又はオン、オフ制御の間歇運転モードで運転するように制御し、前記補助機１４はセットバック時間まで高負荷又は中負荷運転し、セットバック時間経過後は送風運転モードで運転するように制御する。セットバック温度とセットバック時間は、過去の各空調装置１〜４の空調負荷実績データに基づき設定されるので、各種条件により変化する。空調装置１〜４をベース機１３と補助機１４に区分（台数制御）し、セットバック時間経過後は、ベース機１３のみ低負荷運転モード又はオン、オフ制御の間歇運転モードで運転するので、全ての空調装置１〜４を室内環境センサ６の計測データに基づいて間歇運転制御するシステムに比較し、執務環境を保持しつつ空調負荷を効率良く減少し、消費電力を低減することができる。

図５は、本発明の省エネ空調制御システムの動作を示すフローチャートである。同一フロアの各区画を空調する空調装置１〜４の制御パターンが、過去の空調負荷実績データに基づき、室内環境及び外気環境に対応して記憶手段９に記憶されている。空調装置１〜４の運転開始時、室内環境センサ６、外気環境センサ７により計測されたデータが制御装置５に入力される。制御装置５は、入力された計測データと記憶手段９に記憶され制御パターンを制御パターン設定手段１０により設定する。制御パターンは、空調装置１〜４のベース機１３、補助機１４への区分、セットバック時間およびセットバック温度の設定である。

各空調装置１〜４の運転が開始される。制御パターンで設定されたセットバック時間は、操作保持時間としてセットする。最初、操作保持時間に達するまで各空調装置１〜４は、ベース機１３、補助機１４の区分の相違に関わらず高負荷又は中負荷運転モードで運転する。操作保持時間が経過すると、各空調装置１〜４の内、補助機１４として設定された空調装置３、４は送風運転モードに切り替えて運転する。ベース機１３として設定された空調装置１、２は、操作保持時間経過後は、セットバック温度に達するまで低負荷運転モード又は間歇運転モードで運転するように制御する。セットバック時間経過後は、ベース機１３のみ低負荷運転モード又はオン、オフ制御の間歇運転モードで運転するので、全ての空調装置１〜４を室内環境に基づいて制御するシステムに比較し、執務環境を保持しつつ空調負荷を効率良く減少し、消費電力を低減することができる。

図６は、図１に示される同一フロアの各区画を空調する空調装置１〜４を、従来のようにそれぞれ個別制御（台数制御無し）で運転した場合とベース機１３、補助機１４に区分した制御パターン（台数制御有）の場合の室温の状態を示す図である。台数制御しても同一フロアの各区画の室温が執務環境に適した状態に維持されている。

図７は、図１に示される同一フロアの各区画を空調する空調装置１〜４を、従来のようにそれぞれ個別制御（台数制御無し）で運転した場合、とベース機１３、補助機１４に区分した制御パターン（台数制御有）の場合の消費電力を示す。台数制御することにより、台数制御しない個別制御の場合に比較し２０％の消費電力を低減することができた。

図８は、本発明の省エネ空調制御システムの他の実施形態を示す図である。この実施形態はより省エネ度をアップするため、ベース機、補助機に区分された空調装置の運転状態毎の電力負荷率を直近Ｎ分間で複数回サンプリングを実施してデータを取得し、そのデータに基づき省エネ度を向上するものである。

ベース機１３、補助機１４に区分された空調装置１〜４は、スタート、リスタート、オフ、間歇運転、高負荷運転、中負荷運転、低負荷運転の複数の運転状態で運転するように制御される。これら空調装置１〜４の直近のＮ分間における各運転状態毎の最大電力負荷率、最低電力負荷率、平均電力負荷率、オフ回数を複数回のサンプリングにより取得する。、オフ回数は、直近Ｎ分間で定格Ｘ（％）よりも小さかった回数である。直近のＮ分間は、各運転状態を全て含む必要があるので運転サイクルを考慮して設定する。

サンプリングした各運転状態の電力負荷率のある時間におけるデータが電力負荷率のピークに近い場合は（＋）とし、電力負荷率の谷に近い場合は（−）とし、最大電力負荷率Ａ、最小電力負荷率Ｂとし、サンプリング回数をＮとした場合、ある時間から電力負荷率が上昇するのか下降するのかを判断するため、ＳＬＯＰＥ＝（＋）ｏｒ（−）×（Ａ−Ｂ）／Ｎとして演算する。

図８に示されるように高負荷運転時、最大電力負荷率の設定値Ｈ１、最小電力負荷率の設定値Ｈ２、平均電力負荷率の設定値Ｈ３が設定される。高負荷運転時は、各設定値Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３以下になるよう空調装置１〜４の運転を制御する。

中負荷運転状態では、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３という設定値が設定され、中負荷運転時の最大電力負荷率がＭ１以下、Ｍ２以上になるように空調装置１〜４の運転を制御する。中負荷運転時の最小電力負荷率がＭ３より小さい場合、後述する省エネモードに応じて、前記記載のＳＬＯＰＥが下降傾向の場合はオフ運転に切り替える。

低負荷運転時では、設定値Ｌ１が設定され、低負荷運転時の電力負荷率が設定値Ｌ１以下の場合、後述する省エネモードに応じて、オフ運転に切り替える。

間歇運転状態では、オフ回数の設定値Ｍが設定され、間歇運転時のオフ回数が設定値Ｍより小さい場合には、後述する省エネモードに応じて、オフ時間を長くする。

オフ運転状態では、定格Ｘ（％）より小さかったオフ回数の設定値Ｎが設定され、オフ運転状態でオフ回数が設定値Ｎ以上の場合には、後述する省エネモードに応じて、オフ時間を長くする。

図８に示される直近Ｎ分間における各運転状態毎の最大電力負荷率、最低電力負荷率、平均電力負荷率、オフ回数のデータに基づき、省エネ度のランク別にインテリジェントモード、セービングモード、クールビズモードに区分し、各モード毎にオフ運転への切り替え、オフ時間の長さの設定を異なるように設定するものである。

インテリジェントモードでは、低負荷運転時に、電力負荷率が設定値Ｌ１以下の場合にオフ運転に切り替え、間歇運転時にオフ回数が設定値Ｍより小さい場合にオフ時間を長くし、オフ運転時に定格Ｘ（％）より小さかったオフ回数が設定値Ｎ以上の場合、オフ時間を長くする制御をする。

セービングモードでは、中負荷運転時の最小電力負荷率が設定値Ｍ３より小さい場合、ＳＬＯＰＥが下降傾向の場合はオフ運転に切り替え、低負荷運転時に、電力負荷率が設定値Ｌ１以下の場合にオフ運転に切り替え、間歇運転時にオフ回数が設定値Ｍより小さい場合にオフ時間を長くし、オフ運転時に定格Ｘ（％）より小さかったオフ回数が設定値Ｎ以上の場合、オフ時間を長くする制御をする。

クールビズモードでは、中負荷運転時の最小電力負荷率が設定値Ｍ３より小さい場合、ＳＬＯＰＥが下降傾向の場合はオフ運転に切り替え、低負荷運転時に、電力負荷率が設定値Ｌ１以下の場合にオフ運転に切り替え、間歇運転時にオフ回数が設定値Ｍより小さい場合にオフ時間を長くし、オフ運転時に定格Ｘ（％）より小さかったオフ回数が設定値Ｎ以上の場合、オフ時間を長くする制御をする。

各モードのオフ時間の長さを変えることにより、各モード毎の省エネ度の区分を明確とする。

本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。

符号の説明

１、２、３、４：空調装置、５：制御装置、６：室内環境センサ、７：外気環境センサ、８：電力計、９：記憶手段、１０：制御パターン設定手段、１２：運転制御手段、１３：ベース機、１４：補助機

Claims

同一スペースの各区画をそれぞれ空調する複数の空調装置を配置し、
前記複数の空調装置をネットワークを介して制御装置に連結し、
前記制御装置は前記複数の空調装置の配置された各区画毎の過去の季節、時間、日射量により変動する空調負荷実績データに基づき前記複数の空調装置のベース機、補助機への区分、セットバック時間およびセットバック温度からなる制御パターンを記憶する記憶手段を備え、
前記ベース機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間に達するまで高負荷又は中負荷運転モードで運転し、セットバック時間経過後にセットバック温度に達するまで低負荷運転モード又は間歇運転モードで運転し、前記補助機は記憶された制御パターンに基づきセットバック時間まで高負荷又は中負荷運転し、セットバック時間経過後は送風運転モードで運転し、セットバック温度に達した後、前記ベース機及び前記補助機を所定時間送風モードで運転し、所定時間経過後、前記ベース機及び前記補助機を初期の運転モードで運転するように制御することを特徴とする省エネ空調制御システム。
前記ベース機、前記補助機に区分された空調装置のスタート、リスタート、高負荷運転、中負荷運転、低負荷運転、間歇運転、オフ運転の各運転状態毎の電力負荷率の直近Ｎ分間における最大値、最小値、平均値、オフ回数、現在の電力負荷率のデータを複数回のサンプリングにより取得し、前記直近Ｎ分間で取得したデータと設定値との対比に基づき各運転状態における省エネ度がより向上するように前記空調装置を制御することを特徴とする請求項１に記載の省エネ空調システム。
省エネ度のランクを複数のモードに区分し、各モード毎に運転状態に応じてオフ運転への切り替え、オフ時間の長さの設定を異なるように設定することを特徴とする請求項２に記載の省エネ空調制御システム。