JP5485114B2 - 空調システム - Google Patents
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Description
ここで、前記空調システムは、前記空調機を複数備える構成とすることができる。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る空調システム1は、施設の屋内の冷暖房を行うためのシステムであり、冷却塔10と、ファン20と、温熱源30と、ポンプ40と、施設の室ごとに設けられた複数の空調機100と、三方弁50と、制御装置60と、を備える。制御装置60以外の各装置は、流体が流通可能なパイプによって互いに接続され、図1に示すような回路を構成している。
冷却塔10は、施設の屋外(例えば、屋上)に設けられており、その内部には、流体(本実施形態では、水)が貯留されている。この冷却塔10は、冷房運転時において複数の空調機100へ流体を供給する供給源である。
ファン20は、制御装置60による制御に基づいて、冷却塔10に貯留された流体に送風することによって、当該流体を冷却する冷却装置である。このファン20は、インバータ制御可能に構成されている。なお、冷却装置は、前記したファン20に限定されず、空冷式冷却装置(冷凍機)等であってもよい。
温熱源30は、冷却塔10に対して並列に設けられており、暖房運転時に、制御装置60による制御に基づいて、流体を加熱するヒータである。この温熱源30は、暖房運転時において複数の空調機100へ温熱(加熱された流体)を供給する供給源であり、負荷制御可能に構成されている。なお、温熱源30は、前記したヒータに限定されず、ヒートポンプ式温水供給装置等であってもよい。
ポンプ40は、冷却塔10及び温熱源30の下流側、すなわち、冷却塔10から排出された流体と、温熱源30から排出された流体と、が合流した後に設けられており、制御装置60による制御に基づいて、流体を複数の空調機100へ供給するための流れを生成する。このポンプ40は、インバータ制御可能に構成されている。
複数の空調機100は、施設の屋内に、互いに並列に設けられており、冷却塔10又は温熱源30から供給された流体を用いて施設の屋内の各空調エリア(各室)の冷暖房を行う。空調機100の詳細な構成に関しては、後に説明する。
三方弁50は、冷却塔10及び温熱源30の上流側、すなわち、複数の空調機100と、冷却塔10及び温熱源30と、の間に設けられており、制御装置60による制御に基づいて、複数の空調機100から排出された流体の冷却塔10への流通を許容するとともに温熱源30への流通を遮断する状態と、複数の空調機100から排出された流体の冷却塔10への流通を遮断するとともに温熱源30への流通を許容する状態と、を切換可能な弁である。
制御装置60は、キーボード、マウス等からなる入力部と、ディスプレイ等からなる出力部と、CPU等からなる制御部と、を備える、いわゆるコンピュータであり、ユーザによる入力部の操作によって入力された冷暖房の目標温度等に基づいて、ファン20、温熱源30及びポンプ40の駆動を制御する。
また、空調システム1は、各種センサとして、第一の流体温度センサ71と、第二の流体温度センサ72と、第三の流体温度センサ73と、外気温度センサ74と、外気湿度センサ75と、流量センサ76と、を備える。
続いて、空調機100の詳細な構成について、冷房運転時の機能を中心に、図2を参照して説明する(適宜図1参照)。図2に示すように、空調機100は、圧縮機110と、冷媒−流体熱交換器120と、膨張弁130と、空気−冷媒熱交換器140と、空気−流体熱交換器150と、送風機160と、シャッタ部170と、四方弁180と、三方弁191,192と、絞り弁200と、室温センサ210と、制御部220と、を備える。なお、空調機100内には、空気の吸込口から吹出口へと繋がる通風路Rが形成されており、当該通風路Rには、空気−冷媒熱交換器140、空気−流体熱交換器150、送風機160及びシャッタ部170が設けられている。
圧縮機110は、制御装置60による制御に基づいて、空調機100内を循環する冷媒を圧縮する。この圧縮機110は、インバータ制御可能に構成されている。圧縮された冷媒は、四方弁180を介して冷媒−流体熱交換器120へ供給される。
冷媒−流体熱交換器120は、圧縮機110の下流側に冷媒流通可能に接続されており、圧縮機110によって圧縮された冷媒と、冷却塔10から供給された流体と、を熱交換することによって、冷媒を冷却する。冷却された冷媒は、膨張弁130へ供給される。
膨張弁130は、冷媒−流体熱交換器120の下流側に冷媒流通可能に接続されており、冷媒を膨張させて空気−冷媒熱交換器140へ供給する。かかる膨張弁130は、暖房運転時には、空気−冷媒熱交換器140から供給された冷媒を膨張させて冷媒−流体熱交換器120へ供給する。
空気−冷媒熱交換器140は、膨張弁130の下流側に冷媒流通可能に接続されており、吸込口から通風路Rに吸い込まれた室内の空気と、冷媒−流体熱交換器120によって冷却されて膨張弁130によって膨張された冷媒と、を熱交換することによって、空気を冷却する。本実施形態において、冷媒はコイル状の冷媒流路内を流通しており、空気は、冷媒流路外を流通する際に冷却される。熱交換された冷媒は、四方弁180を介して圧縮機110へ供給され、再度圧縮される。
空気−流体熱交換器150は、空気−冷媒熱交換器140と並列に設けられており、吸込口から通風路Rに吸い込まれた室内の空気と、冷却塔10から供給された流体と、を熱交換することによって、空気を冷却する。本実施形態において、流体はコイル状の流体流路内を流通しており、空気は、流体流路外を流通する際に冷却される。熱交換された流体は、三方弁50を介して、冷却塔10へ供給される。
送風機160は、室内の空気を吸込口から通風路Rへと吸い込み、空気−冷媒熱交換器140又は空気−流体熱交換器150によって冷却された空気を吹出口から室内へ送風する。
シャッタ部170は、空気−冷媒熱交換器140への室内の空気の流通を許容しつつ空気−流体熱交換器150への室内の空気の流通を遮断する第一の状態(図2参照)と、空気−冷媒熱交換器140への室内の空気の流通を遮断しつつ空気−流体熱交換器150への室内の空気の流通を許容する第二の状態(図4参照)と、を切換可能なシャッタであり、本実施形態では、第一のシャッタ171と、第二のシャッタ172と、を備える。
第一のシャッタ171は、空気−冷媒熱交換器140に対応して設けられており、本実施形態では、空気−冷媒熱交換器140と送風機160との間に設けられている。第一のシャッタ171は、制御部220によって開閉可能に構成された機械式シャッタである。制御部220は、制御装置60から出力された第一の流体温度センサ71の検出結果が、流体温度が上昇して所定温度(第一の所定温度。例えば、22℃)以上となった場合には、第一のシャッタ171を開いて空気の流通を許容し、流体温度が低下して所定温度(第一の所定温度以下の第二の所定温度。例えば、20℃)未満となった場合には、第一のシャッタ171を閉じて空気の流通を遮断するように第一のシャッタ171の状態を切り換える。
第二のシャッタ172は、空気−流体熱交換器150に対応して設けられており、本実施形態では、空気−流体熱交換器150と送風機160との間に設けられている。第二のシャッタ172は、制御部220によって開閉可能に構成された機械式シャッタである。制御部220は、制御装置60から出力された第一の流体温度センサ71の検出結果が所定温度(第一の所定温度。例えば、22℃)以上となった場合には、第二のシャッタ172を閉じて空気の流通を遮断し、所定温度(第一の所定温度以下の第二の所定温度。例えば、20℃)未満となった場合には、第二のシャッタ172を開いて空気の流通を許容するように第二のシャッタ172の状態を切り換える。
四方弁180は、圧縮機110と、冷媒−流体熱交換器120及び空気−冷媒熱交換器140と、の間に設けられており、制御部220による制御に基づいて、圧縮機110によって圧縮された冷媒の供給先を、冷媒−流体熱交換器120及び空気−冷媒熱交換器140のいずれかに切り換える弁部である。
三方弁191は、ポンプ40と、冷媒−流体熱交換器120の流体流路上流端及び空気−流体熱交換器150の流体流路上流端と、の間に設けられており、制御部220による制御に基づいて、ポンプ40から排出された流体の冷媒−流体熱交換器120への流通を許容するとともに空気−流体熱交換器150への流通を遮断する状態と、冷媒−流体熱交換器120への流通を遮断するとともに空気−流体熱交換器150への流通を許容する状態と、を切換可能な弁部である。
絞り弁200は、三方弁191と空気−流体熱交換器150との間に設けられており、制御部220による制御に基づいて、空気−流体熱交換器150へ供給される流体の流量を調節することが可能な弁部である。
室温センサ210は、空調機100が設けられた室内の室温を検出するセンサである。検出結果は、制御部220へ出力される。
制御部220は、室温センサ210の検出結果に基づいて、圧縮機110及び送風機160をインバータ制御したり、第一のシャッタ171及び第二のシャッタ172を開閉制御したり、四方弁180及び三方弁191,192(図2参照)を切り換えたり、絞り弁200を制御したりする。かかる制御部220は、制御装置60とともに特許請求の範囲における「制御装置」を構成する。
続いて、空調システム1の動作例について、図1〜図4を参照し、暖房運転、第一の冷房運転、第二の冷房運転の順に説明する。以下の動作例は、冷房運転(第一の冷房運転又は第二の冷房運転)から暖房運転への切換を行う室内温度が22℃、暖房運転から冷房運転(第一の冷房運転又は第二の冷房運転)への切換を行う室内温度が26℃である場合の動作例である。なお、空調システム1は、当該システム1の起動時において室温センサ210によって検出された室温が第四の所定温度(例えば、22℃)以上第三の所定温度(例えば、26℃)未満である場合には、冷房運転及び暖房運転のいずれも行わず、室温が第四の所定温度未満となった場合に暖房運転を開始するか、室温が第三の所定温度以上となった場合に冷房運転を開始する。
まず、暖房運転について、図3を参照して説明する(適宜図1参照)。制御部220は、室温センサ210によって検出された室温が、所定温度(第四の所定温度。例えば、22℃)未満である場合には、暖房運転を行うと判定し、判定結果を制御装置60へ出力する。制御装置60は、三方弁50を所定の状態に切り換えるとともに、ファン20を停止させ、温熱源30及びポンプ40を駆動させる。また、制御部220は、四方弁180及び三方弁191,192を所定の状態に切り換えるとともに、第一のシャッタ171を開きつつ第二のシャッタ172を閉じ、圧縮機110及び送風機160を駆動させる。
続いて、第一の冷房運転について、図2を参照して説明する(適宜図1参照)。制御部220は、室温センサ210によって検出された室温が、所定温度(第四の所定温度以上に設定された第三の所定温度。例えば、26℃)以上である場合には、冷房運転を行うと判定し、判定結果を制御装置60へ出力する。制御装置60及び制御部220は、冷房運転時において、第一の流体温度センサ71によって検出された流体温度が所定温度(第一の所定温度。例えば、22℃)以上である場合には、第一の冷房運転を行う。すなわち、制御装置60は、三方弁50を所定の状態に切り換えるとともに、温熱源30を停止させ、ファン20及びポンプ40を駆動させる。また、制御部220は、四方弁180及び三方弁191,192を所定の状態に切り換えるとともに、第一のシャッタ171を開きつつ第二のシャッタ172を閉じ、圧縮機110及び送風機160を駆動させる。
続いて、第二の冷房運転について、図4を参照して説明する(適宜図1参照)。制御部220は、室温センサ210によって検出された室温が、所定温度(例えば、26℃)以上である場合には、冷房運転を行うと判定し、判定結果を制御装置60へ出力する。制御装置60は、冷房運転時において、第一の流体温度センサ71によって検出された流体温度が所定温度(第一の所定温度以下の第二の所定温度。例えば、20℃)未満である場合には、第二の冷房運転を行う。すなわち、制御装置60は、三方弁50を所定の状態に切り換えるとともに、温熱源30を停止させ、ファン20及びポンプ40を駆動させる。また、制御部220は、四方弁180及び三方弁191,192を所定の状態に切り換えるとともに、第一のシャッタ171を閉じつつ第二のシャッタ172を開き、絞り弁200を制御して当該絞り弁200を通過する流体の流量を調節するとともに、圧縮機110を停止させ、送風機150を駆動させる。
なお、かかる空調システム1は、一の空調機100が冷房運転を行いつつ他の空調機100が暖房運転を行うことも可能である。
3つの空調機100を備えた空調システム1の制御例について、図5を参照して説明する。ここで、空調システム1において、3つの空調機100は、各室が所定温度(例えば、24℃)となるように冷暖房運転を行い、3つの空調機100のうち、空調機Aは、室内の発熱機器が少ないため冷房負荷が比較的小さく、空調機Bは、室内の発熱機器が中程度であるため冷房負荷が比較的中程度であり、空調機Cは、データセンタ等のように室内の発熱機器が多いため冷房負荷が比較的大きいものとする。
制御装置60は、外気温度センサ74によって検出された外気温度(乾球温度)と、外気湿度センサ75によって検出された外気湿度と、に基づいて、外気湿球温度を算出し、算出された外気湿球温度に基づいて、ファン20、温熱源30、ポンプ40及び三方弁50の駆動を制御する。
また、制御装置60及び制御部220は、第一の流体温度センサ71によって検出された往路の流体温度と、第二の流体温度センサ72によって検出された復路の流体温度と、に基づいて、システム全体の消費電力が最小となるように、ファン20、温熱源30、ポンプ40、圧縮機110及び絞り弁200の駆動を制御する。
10 冷却塔
20 ファン(冷却装置)
40 ポンプ
60 制御装置
71 第一の流体温度センサ
72 第二の流体温度センサ
74 外気温度センサ
76 流量センサ
100 空調機
110 圧縮機
120 冷媒−流体熱交換器
140 空気−冷媒熱交換器
150 空気−流体熱交換器
160 送風機
170 シャッタ部
171 第一のシャッタ
172 第二のシャッタ
191 三方弁(弁部)
192 三方弁(弁部)
210 室温センサ
220 制御部
Claims (4)
- 空調機と、
屋外に設けられた、前記空調機への流体の供給源である冷却塔と、
前記冷却塔に貯留された前記流体を冷却する冷却装置と、
前記冷却塔に貯留された前記流体を前記空調機へ供給するポンプと、
前記空調機、前記冷却装置及び前記ポンプの駆動を制御する制御装置と、
前記冷却塔から前記空調機へ供給される前記流体の流体温度を検出する第一の流体温度センサと、
を備える空調システムであって、
前記空調機は、
前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を、前記流体を用いて冷却する冷媒−流体熱交換器と、
空気を、前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒を用いて冷却する空気−冷媒熱交換器と、
空気を、前記流体を用いて冷却する空気−流体熱交換器と、
前記空気−冷媒熱交換器又は前記空気−流体熱交換器によって冷却された前記空気を送風する送風機と、
前記空気−冷媒熱交換器への前記空気の流通を許容しつつ前記空気−流体熱交換器への空気の流通を遮断する第一の状態と、前記空気−冷媒熱交換器への前記空気の流通を遮断しつつ前記空気−流体熱交換器への空気の流通を許容する第二の状態と、を切換可能なシャッタ部と、
前記冷却塔と、前記冷媒−流体熱交換器及び前記空気−流体熱交換器と、の間に設けられ、前記供給源から供給された前記流体の流れる方向を切り換える弁部と、
前記冷却塔が設けられた前記屋外の外気温度を検出する外気温度センサと、
を備え、
前記シャッタ部は、
前記空気−冷媒熱交換器に対応して設けられた第一のシャッタと、
前記空気−流体熱交換器に対応して設けられた第二のシャッタと、
を備え、
前記制御装置は、
前記第一の流体温度センサによって検出された前記流体温度が第一の所定温度以上となった場合には、前記圧縮機、前記冷却装置及び前記ポンプを駆動させ、前記冷媒−流体熱交換器への前記流体の流通を許容しつつ前記空気−流体熱交換器への前記流体の流通を遮断するように前記弁部を制御し、前記第一のシャッタ部及び前記第二のシャッタ部を前記第一の状態とするとともに、前記外気温度センサによって検出された前記外気温度、及び、前記圧縮機の負荷率に基づいて、当該空調システムの消費電力が最小となるように、前記圧縮機、前記冷却装置及び前記ポンプの駆動を制御し、
前記第一の流体温度センサによって検出された前記流体温度が前記第一の所定温度以下の第二の所定温度未満となった場合には、前記冷却装置及び前記ポンプを駆動させ、前記圧縮機を停止させ、前記冷媒−流体熱交換器への前記流体の流通を遮断しつつ前記空気−流体熱交換器への前記流体の流通を許容するように前記弁部を制御するとともに、前記第一のシャッタ部及び前記第二のシャッタ部を前記第二の状態とする
ことを特徴とする空調システム。 - 前記空調機へ供給される前記流体の流量、又は、前記空調機から排出される前記流体の流量を検出する流量センサと、
前記空調機から排出される前記流体の流体温度を検出する第二の流体温度センサと、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記圧縮機の負荷率に関連する数値として、前記流量センサによって検出された流量、前記第一の流体温度センサによって検出された流体温度、及び、前記第二の流体温度センサによって検出された流体温度に基づいて、前記圧縮機、前記冷却装置及び前記ポンプの駆動を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の空調システム。 - 前記空調機は、
当該空調機が設けられた室内の室温を検出する室温センサと、
前記圧縮機によって圧縮された前記冷媒の流れる方向を、冷房運転時には前記冷媒−流体熱交換器、暖房運転時には前記空気−冷媒熱交換器、に切り換える四方弁と、を備え、
前記制御装置は、
前記室温センサによって検出された室温が第三の所定温度以上となった場合には、前記四方弁を切り換えることによって前記空調機に冷房運転を行わせ、
前記室温センサによって検出された室温が前記第三の所定温度以下の第四の所定温度未満となった場合には、前記四方弁を切り換えることによって前記空調機に暖房運転を行わせる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の空調システム。 - 前記空調機を複数備える
ことを特徴とする請求項3に記載の空調システム。
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