JPWO2011104827A1 - 空気調和システム及び空気調和システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一般的に、この空気調和システムは、例えば、暖房時は35℃の温水が室内熱交換器へ供給され、冷房時は16℃の冷水が室内熱交換器へ供給されるというように、空調負荷によらず水温を一定にする方式である。この方式では、季節の中間期等の空調負荷が小さい場合、室温が設定値になると熱源装置を停止するという制御、あるいは、三方弁等を制御することで室内熱交換器への送水を停止するという制御が行われる。そのため、暖房運転や冷房運転が断続的に行われることになり、使用者の快適性が損なわれるとともに、運転効率が低下する。
この発明は、使用者の快適性を損なうことなく、高い運転効率を実現することを目的とする。
流体を加熱又は冷却する熱源装置と、前記熱源装置で加熱又は冷却された流体と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器とを備える空気調和システムであり、
前記室内空気の温度である室内温度を計測する室内温度計測部と、
外気温度を計測する外気温度計測部と、
前記室内温度計測部が計測した室内温度と、前記外気温度計測部が計測した外気温度との差である室内外温度差が大きくなるほど、前記熱源装置から前記室内熱交換器へ供給する流体の目標温度の変化率が小さくなるように、前記目標温度を決定する目標温度決定部と、
前記目標温度決定部が決定した目標温度に応じて、前記熱源装置を制御する制御部と
を備えることを特徴とする。
図1は、空気調和システム1の構成図である。
空気調和システム1は、冷媒回路4を備える熱源装置である室外機2と、室内熱交換器12を備える室内機3とを備える。室外機2は室外に設置され、室内機3は室内に設置される。室外機2と室内機3とは、水回路10により接続される。水回路10は、水ポンプ11により、水が循環する回路である。
なお、水回路10は、冷媒回路4に接続された中間熱交換器9に接続されている。そのため、冷媒回路4を循環する冷媒と、水回路10を循環する水とは、中間熱交換器9で熱交換される。
また、室外熱交換器7は、地中に埋められ、地熱を熱源として利用する熱交換器であってもよい。地熱は、年間を通じて安定した熱源となる。また、室外熱交換器7は、プレート熱交換器であってもよい。この場合、水や不凍液等が熱源として利用される。
また、膨張機構8は、キャピラリのような開度が固定の絞り装置を複数並列に並べて構成してもよい。
また、中間熱交換器9として、二重管式や満液式の熱交換器を用いてもよい。
また、水ポンプ11は、回転速度が一定のポンプと、開度が変更可能な容量制御弁とを組合せて構成してもよい。この場合、容量制御弁の開度を調整することで水回路10を循環する水の流量を変更することができる。
水回路10を循環する水の流量を変更しない場合には、水ポンプ11は回転速度が一定のポンプであってもよい。
また、室内熱交換器12は、ラジエータに限らず、ファンコイルユニットや、床暖房パネル等であってもよい。
また、室内機3は、室内温度検出器24(室内温度検出部)を備える。室内温度検出器24は、室内温度を検出する。
設定温度決定装置31は、室外温度検出器21、入口水温検出器22、出口水温検出器23、室内温度検出器24が検出した温度に基づき、室外機2から流出する水の目標温度を決定する。
制御装置32は、設定温度決定装置31が決定した目標温度に応じて、圧縮機5へ指令を出し、圧縮機5の回転速度を制御して、室外機2から流出する水の温度が目標温度になるようにする。また、制御装置32は、膨張機構8を制御して、冷媒回路4を循環する冷媒の流量を調整する。また、制御装置32は、水ポンプ11を制御して、水回路10を循環する水の流量を調整する。
なお、設定温度決定装置31と制御装置32とは、マイクロコンピュータ等のコンピュータである。図1では、設定温度決定装置31と制御装置32とを別のコンピュータとして示しているが、設定温度決定装置31と制御装置32とは1つのコンピュータにより実現されていてもよい。
設定温度決定装置31は、室外機2の能力である中間熱交換器9の熱交換量Qwと、室内空気と外気との熱交換量Qioで表される室内負荷との熱バランスの関係から、空気調和システム1の使用者により設定された設定温度に室内温度をするための目標流出温度を決定する。
<式1>
Qw=Gw×Cpw×(Two−Twi)
<式2>
Qio=AKio×(Tai−Tao)
Gw×Cpw×(Two−Twi)=AKio×(Tai−Tao)
この式を変形すると、次のような式になる。
(Two−Twi)=(AKio/(Gw×Cpw))×(Tai−Tao)
ここで、(AKio/(Gw×Cpw))をC1と置き換えれば、流入温度Twi、流出温度Two、室内温度Tai、室外温度Taoの関係を式3で表すことができる。なお、C1は、水の流量Gw、水の比熱Cpw、建物の熱交換性能AKioで決定される定数である。
<式3>
(Two−Twi)=C1×(Tai−Tao)
<式4>
(Twom−Twi)=C1×(Taim−Tao)
C1=(Two−Twi)/(Tai−Tao)
同様に、式4からC1を次のように表せる。
C1=(Twom−Twi)/(Taim−Tao)
したがって、この2つの式から次の式が得られる。
(Two−Twi)/(Tai−Tao)=(Twom−Twi)/(Taim−Tao)
この式を変形すると、流入温度Twi、流出温度Two、室内温度Tai、室外温度Tao、目標室内温度Taim、流出温度Twomの関係は式5で表すことができる。
<式5>
(Twom−Twi)/(Two−Twi)=(Taim−Tao)/(Tai−Tao)
<式6>
Twom=Two+((Two−Twi)/(Tai−Tao))×(Taim−Tai)
<式1’>
Qw=Gw×Cpw×(Twi−Two)
<式2’>
Qio=AKio×(Tao−Tai)
<式3’>
(Twi−Two)=C1×(Tao−Tai)
<式4’>
(Twi−Twom)=C1×(Tao−Taim)
式3’と式4’とから、式5に対応する式5’は次のようになる。
<式5’>
(Twi−Twom)/(Twi−Two)=(Tao−Taim)/(Tao−Tai)
<式6’>
Twom=Two+((Two−Twi)/(Tao−Tai))×(Tai−Taim)
同様に、冷房運転時の目標流出温度Twomを表す式6’におけるTwoは、現在の流出温度である。式6における(Tao−Tai)は、室外温度Taoと室内温度Taiとの差である室内外温度差を表す。式6における(Two−Twi)は、流出温度Twoと流入温度Twiとの差である出入口温度差(前後温度差)を表す。式6における(Tai−Taim)は、目標室内温度Taim(設定温度)と室内温度Tai(現在の室内温度)との差である設定温度差を表す。
したがって、式6と式6’とはいずれも、式7のように表すことができる。
<式7>
目標流出温度=現在の流出温度+((出入口温度差/室内外温度差)×設定温度差)
式7から分かるように、設定温度決定装置31は、室内外温度差に反比例させて目標流出温度を決定する。つまり、設定温度決定装置31は、室内外温度差が大きくなるほど目標流出温度の変化率が小さくなるように、室内外温度差が小さくなるほど目標流出温度の変化率が大きくなるように、目標流出温度を決定する。
また、式7から分かるように、設定温度決定装置31は、出入口温度差に比例させて目標流出温度を決定する。つまり、設定温度決定装置31は、出入口温度差が大きくなるほど目標流出温度の変化率が大きくなるように、出入口温度差が小さくなるほど目標流出温度の変化率が小さくなるように、目標流出温度を決定する。
また、式7から分かるように、設定温度決定装置31は、設定温度差に比例させて目標流出温度を決定する。つまり、設定温度決定装置31は、設定温度差が大きくなるほど目標流出温度の変化率が大きくなるように、設定温度差が小さくなるほど目標流出温度の変化率が小さくなるように、目標流出温度を決定する。
(S1)では、設定温度決定装置31は、空気調和システム1は運転が開始されると、暖房運転であるか、冷房運転であるかを判定する。暖房運転であれば、予め記憶装置に記憶された式6を読み出す。一方、冷房運転であれば、予め記憶装置に記憶された式6’を読み出す。
室内温度と設定温度とが等しい場合には、設定温度決定装置31は目標流出温度の変更はせず、所定時間経過後に再び室内温度と設定温度とが等しいか否かを判定する。一方、室内温度と設定温度とが異なる場合、設定温度決定装置31は(S3)へ処理を進める。
室内温度が設定温度よりも低い場合には、補正値1は通常正の値となる。その結果、目標流出温度は、現在の流出温度よりも高くなる。暖房運転の場合であれば、制御装置32は、圧縮機5の回転速度を速くして、中間熱交換器9での熱交換量Qwを多くする。これにより、中間熱交換器9における水への加熱が促進され、室外機2から流出する水の温度が高くなる。
一方、室内温度が設定温度よりも高い場合には、補正値1は通常負の値となる。その結果、目標流出温度は、現在の流出温度よりも低くなる。暖房運転の場合であれば、制御装置32は、圧縮機5の回転速度を遅くして、中間熱交換器9での熱交換量Qwを少なくする。これにより、中間熱交換器9における水への加熱が抑えられ、室外機2から流出する水の温度が低くなる。
図5は、目標流出温度の算出における室内外温度差の影響の説明図である。図5において、横軸は外気温を示し、縦軸は室外機2の能力を示す。
ここでは、室内温度が18℃、設定温度が20℃であるとする。この場合に、外気温が0℃の場合と、10℃の場合とで、目標流出温度の算出にどのような影響があるかを説明する。
室内温度を設定温度である20℃にするのに必要な室外機2の能力と、室内温度を現在の室内温度である18℃にするのに必要な室外機2の能力との比について、外気温が0℃の場合と、外気温が10℃の場合とで比較する。
外気温が0℃の場合における室外機2の能力の比は、(18℃―0℃)/(20℃―0℃)×100=90%である。つまり、外気温が0℃の場合、10%程度の能力が不足していることになる。すなわち、外気温が0℃の場合、10%程度の能力増加に相当する目標流出温度の上昇により、室内温度18℃が設定温度20℃になると言える。
一方、外気温が10℃の場合における室外機2の能力の比は、(18℃―10℃)/(20℃―10℃)×100=80%である。つまり、外気温が10℃の場合、20%程度の能力が不足していることになる。すなわち、外気温が10℃の場合、20%程度の能力増加に相当する目標流出温度の上昇により、室内温度18℃が設定温度20℃になると言える。
外気温が0℃の場合は、外気温が10℃の場合に比べ、目標流出温度の変化率は小さい。つまり、設定温度と室内温度の差である設定温度差が同じであっても、室内外温度差が大きい場合、目標流出温度の変化率は小さく、室内外温度差が小さい場合、目標流出温度の変化率は大きい。
ここでは、流入温度が30℃である場合に、流出温度が40℃の場合と、35℃の場合とで、目標流出温度の算出にどのような影響があるかを説明する。
(Twom−Twi)=((Taim−Tao)/(Tai−Tao))×(Two−Twi)
(Taim−Tao)/(Tai−Tao)をαと置き換えれば、目標流出温度Twomと流入温度Twiとの差を式8のように表すことができる。
<式8>
(Twom−Twi)=α×(Two−Twi)
(Twom−Twi)=α×(40℃−30℃)
したがって、この場合の目標流出温度Twomは、式9のようになる。
<式9>
Twom=α×10℃+30℃
(Twom−Twi)=α×(35℃−30℃)
したがって、この場合の目標流出温度Twomは、式10のようになる。
<式10>
Twom=α×5℃+30℃
すなわち、設定温度と室内温度の差である設定温度差が同じであっても、出入口温度差が大きい場合、目標流出温度の変化率は大きく、出入口温度差が小さい場合、目標流出温度の変化率は小さい。
そこで、設定温度決定装置31は、建物の熱容量に応じて、新たな目標流出温度を設定するまでの時間間隔を変更してもよい。例えば、設定温度決定装置31は、建物の熱容量が大きく室内温度変化が遅い場合は、新たな目標流出温度を設定するまでの時間間隔を長くする。これにより、室内温度が変化している最中に目標流出温度を変更し、流出温度が必要以上に高く(あるいは低く)なることを防止できる。その結果、室内温度が設定温度以上に高く(あるいは低く)なることを防止できる。
したがって、さらに、使用者の快適性が向上し、運転効率も向上する。
なお、所定の間隔で室内温度検出器24が検出した温度を記憶装置に記憶しておき、室内温度と現在の室内温度の温度変化幅から建物の熱容量を計測してもよい。
そこで、制御装置32は、室外機2で使用される電力に比例させて、水ポンプ11の流量を変化させてもよい。つまり、空気調和システム1全体で使用される電力に対する水ポンプ11で使用される電力が一定にしてもよい。これにより、運転効率が向上する。
実施の形態2では、目標流出温度が必要以上に高く(あるいは低く)設定され、室内温度が設定温度以上に高く(あるいは低く)なることを防止する方法について説明する。
なお、実施の形態2では、実施の形態1と異なる部分のみ説明する。
実施の形態2では、新たに補正値2を定義する。そして、設定温度決定装置31は、現在の流出温度に補正値1と補正値2とを加算して、目標流出温度を計算する。
ここで、補正値2は、室内温度が設定温度以上に高く(あるいは低く)ならないように、目標流出温度が必要以上に高く(あるいは低く)設定されることを防止するように補正する値である。
<式11>
補正値2=((Two−Twi)/(Tai(∞)−Tao))×(Taim−Tai(∞))
<式11’>
補正値2=((Two−Twi)/(Tao−Tai(∞)))×(Tai(∞)−Taim)
つまり、補正値1は「(出入口温度差/室内外温度差)×設定温度差」であるのに対して、補正値2は「(出入口温度差/予想内外温度差)×予想設定温度差」である。なお、補正値1は緩和係数K1を用いて、「((出入口温度差/室内外温度差)×設定温度差)×K1」としてもよいと説明した。同様に、補正値2も緩和係数K2を用いて、「((出入口温度差/予想内外温度差)×予想設定温度差)×K2」としてもよい。ここで、緩和係数K2は、緩和係数K1と同様に、1よりも小さい値である。
また、補正値2は、予想設定温度差に比例して決定される。つまり、補正値2は、予想設定温度差が大きくなるほど大きくなり、予想設定温度差が小さくなるほど小さくなる。
現在の室温は設定温度よりも低いが、到達予想温度は設定温度よりも高いという場合が考えられる。この場合には、通常補正値1は正の値となり、通常補正値2は負の値となる。つまり、補正値1は、現在の室温が設定温度よりも低いため、目標流出温度を高くして、暖房能力を高くする方向に働く。一方、補正値2は、到達予想温度が設定温度よりも高いため、目標流出温度を低くして、暖房能力を低くする方向に働く。
このように、補正値2を用いて目標流出温度を計算することにより、室内温度が設定温度以上に高く(あるいは低く)ならないように、目標流出温度が必要以上に高く(あるいは低く)設定されることが防止される。
図7では、時刻t1までは、補正値1のみで目標流出温度を決定した場合と、補正値1と補正値2とを用いて目標流出温度を決定した場合とで同一の目標流出温度が計算されていた。そのため、どちらの場合も同じ室内温度となった。しかし、時刻t1以降は、現在の室温は設定温度よりも低いが、到達予想温度は設定温度よりも高い状態となった。そのため、補正値2が目標流出温度を低くして、暖房能力を低くする方向に働いた。その結果、補正値1のみで目標流出温度を決定した場合には、時刻t2を過ぎると、室内温度が目標室内温度を若干超えてしまった。一方、補正値1と補正値2とを用いて目標流出温度を決定した場合には、室内温度が目標室内温度へ近づくまでに時間はかかるものの、室内温度が目標室内温度を超えることがなかった。
Claims (13)
- 流体を加熱又は冷却する熱源装置と、前記熱源装置で加熱又は冷却された流体と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器とを備える空気調和システムであり、
前記室内空気の温度である室内温度を検出する室内温度検出部と、
外気温度を検出する外気温度検出部と、
前記室内温度検出部が検出した室内温度と、前記外気温度検出部が検出した外気温度との差である室内外温度差が大きくなるほど、前記熱源装置から前記室内熱交換器へ供給する流体の目標温度の変化率が小さくなるように、前記目標温度を決定する目標温度決定部と、
前記目標温度決定部が決定した目標温度に応じて、前記熱源装置を制御する制御部と
を備えることを特徴とする空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、さらに、
前記熱源装置で加熱又は冷却される前の流体の前温度を検出する前温度検出部と、
前記熱源装置で加熱又は冷却された後の流体の後温度を検出する後温度検出部と
を備え、
前記目標温度決定部は、さらに、前記前温度検出部が検出した前温度と、前記後温度検出部が検出した後温度との差である前後温度差が大きくなるほど、前記目標温度の変化率が大きくなるように、前記目標温度を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、さらに、
予め設定された前記室内空気の到達目標温度である設定室温を取得する設定室温取得部
を備え、
前記目標温度決定部は、さらに、前記室内温度検出部が検出した室内温度と、前記設定室温取得部が取得した設定室温との差である設定温度差が大きくなるほど、前記目標温度の変化率が大きくなるように、前記目標温度を決定する
ことを特徴とする請求項2に記載の空気調和システム。 - 前記目標温度決定部は、「(前記前後温度差/前記室内外温度差)×前記設定温度差」に基づき補正値1を計算して、現在設定されている目標温度に前記補正値1を加算して、新たな目標温度とする
ことを特徴とする請求項3に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、さらに、
現在設定されている目標温度に基づき、前記制御部が前記熱源装置を制御した場合において、所定の時間経過後における前記室内空気の温度が到達する到達予想温度を計算する予想温度計算部
を備え、
前記目標温度決定部は、前記予想温度計算部が計算した到達予想温度と、前記外気温度検出部が検出した外気温度との差である予想内外温度差と、前記到達予想温度と、前記設定室温取得部が取得した設定室温との差である予想設定温度差を用いて、「(前記前後温度差/前記予想内外温度差)×前記予想設定温度差」に基づき補正値2を計算して、設定されている目標温度に前記補正値1と前記補正値2とを加算して、新たな目標温度とする
ことを特徴とする請求項4に記載の空気調和システム。 - 前記目標温度決定部は、「((前記前後温度差/前記室内外温度差)×前記設定温度差)×所定の緩和係数K1」により補正値1を計算し、「((前記前後温度差/前記予想内外温度差)×前記予想設定温度差)×所定の緩和係数K2」により補正値2を計算する
ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和システム。 - 前記予想温度計算部は、複数の過去の時点における室内温度に基づき、前記到達予想温度を計算する
ことを特徴とする請求項5に記載の空気調和システム。 - 前記熱源装置は、圧縮機と、第1熱交換器と、膨張機構と、第2熱交換器とが順次配管により接続され、冷媒が循環する冷媒回路を備えるヒートポンプ式の熱源装置であり、前記第1熱交換器で冷媒と流体とを熱交換させて流体を加熱又は冷却し、
前記制御部は、前記目標温度に応じて前記圧縮機を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記目標温度決定部は、室内の熱容量に応じて、目標温度を新たに決定するまでの間隔を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、さらに、
前記室内温度検出部が検出した室内温度を記憶装置に記憶する室内温度記憶部と、
前記室内温度記憶部が記憶した室内温度から室内温度の変化速度を計算する変化速度計算部と
を備え、
前記目標温度決定部は、前記変化速度計算部が計算した変化速度に応じて、目標温度を新たに決定するまでの間隔を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、さらに、
前記熱源装置と前記室内熱交換器とを接続し、流体が循環する流体回路
を備え、
前記制御部は、さらに、前記熱源装置の制御に応じて、前記流体回路を循環する流体の循環量を制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 前記空気調和システムは、複数の部屋の各部屋に設置された複数の室内熱交換器を備え、
前記室内温度検出部は、前記複数の室内熱交換器のうちの所定の室内熱交換器が設置された部屋の室内空気の温度を前記室内温度として検出する
ことを特徴とする請求項1に記載の空気調和システム。 - 流体を加熱又は冷却する熱源装置と、前記熱源装置で加熱又は冷却された流体と室内空気との熱交換を行う室内熱交換器とを備える空気調和システムの制御方法であり、
前記室内空気の温度である室内温度を検出する室内温度検出ステップと、
外気温度を検出する外気温度検出ステップと、
前記室内温度検出ステップで検出した室内温度と、前記外気温度検出ステップで検出した外気温度との差である室内外温度差が大きくなるほど、前記熱源装置から前記室内熱交換器へ供給する流体の目標温度の変化率が小さくなるように、前記目標温度を決定する目標温度決定ステップと、
前記目標温度決定ステップで決定した目標温度に応じて、前記熱源装置を制御する制御ステップと
を備えることを特徴とする空気調和システムの制御方法。
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