WO2020203849A1 - 冷凍サイクル予測制御 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a refrigeration cycle, specifically a refrigeration cycle, an air conditioning system, and a method for controlling the refrigeration cycle.
- VRF multi air conditioner for buildings
- Patent Document 1 which is a prior art, the number of rotations of the fan motor is such that the total value of the power consumption of the compressor and the power consumption of the fan motor for the condenser is minimized during the cooling operation. Discloses how to increase and / or decrease.
- the method of the prior art is effective under the condition that the cooling capacity of the air conditioner is constant, but the control when the capacity of the air conditioner changes in response to the change in the air conditioning load is not clearly disclosed. ..
- the compressor input can be measured by the current value, but the capacity of the air conditioner is not measured and the capacity change itself cannot be detected. Further, even if the capacity generated by the air conditioner can be detected, it is not possible to find the optimum point in the operating state of the air conditioner when the capacity changes by the method of the prior art.
- a refrigeration cycle comprising an outdoor unit and an indoor unit.
- This refrigeration cycle Includes a controller that controls the compressor and outdoor fan to minimize the total power consumption of the air conditioning system, and an inverter that predicts and controls the outdoor fan speed from the capacity of the air conditioner obtained from the operation mode and sensor values. , The controller obtains the capacity of the air conditioner and controls the rotation speed of the outdoor fan according to the required capacity.
- the capacity when the capacity is predicted to change, the capacity is predicted using the air enthalpy method in the heating mode or the compressor curve method in the cooling mode.
- the controller determines the rotation speed of the outdoor fan so as to minimize the total power consumption of the compressor and the outdoor fan.
- the capacity prediction is carried out by the history of changes in the power consumption of the compressor and the history of the air conditioning load.
- the rotation speed of the outdoor fan is determined using the history of the total ratio of the predicted capacity and the power consumption.
- an air conditioning system that includes an outdoor unit and an indoor unit.
- This air conditioning system A controller that controls the compressor and outdoor fan to minimize the total power consumption of the air conditioning system, and the outdoor fan at the selected speed predicted from the air conditioning load in the air conditioning space depending on the operating mode and sensor values.
- Includes an inverter to control The controller predicts the air conditioning load and controls the rotation speed of the outdoor fan according to the capacity based on the predicted capacity.
- a method for controlling the refrigeration cycle including the outdoor unit and the indoor unit is provided.
- This method Controlling the compressor and outdoor fans to minimize the total power consumption of the air conditioning system, Control the outdoor fan at the selected rotation speed predicted from the air conditioning load of the air conditioning space according to the operation mode and sensor value, and predict the air conditioning load and the outdoor fan according to the capacity based on the predicted air conditioning load. Includes controlling the number of revolutions of.
- a tangible CPU executable program is provided in the storage device.
- This CPU executable program Controlling the compressor and outdoor fans to minimize the total power consumption of the air conditioning system, Control the outdoor fan at the rotation speed predicted from the air conditioning load of the air conditioning space according to the operation mode and sensor value, and predict the air conditioning load, and the outdoor fan according to the capacity of the air conditioner based on the predicted air conditioning load.
- the CPU is made to execute a process including controlling the number of rotations of the air conditioner.
- the present invention it is possible to provide a refrigeration cycle, an air conditioning system, and a method for controlling the refrigeration cycle, and it is possible to reduce the power consumption during operation under a partial load and the annual power consumption.
- FIG. 5 is a diagram showing a data structure stored as a search table in a ROM 320 according to the present invention, preferably used to control a fan motor 114 by an inverter 117.
- FIG. 5 is a diagram showing a data structure stored as a search table in a ROM 320 according to the present invention, which is preferably used to control a compressor 115 by an inverter 118.
- FIG. 6A It is a schematic diagram of the power consumption of the air conditioning system by this invention. It is a figure which shows the power consumption characteristic in two dimensions on the equal capacity plane Q1 of FIG. 6A. It is a figure which shows the power consumption characteristic in two dimensions on the equal capacity plane Q2 of FIG. 6A. It is a flowchart of the process of one Embodiment by this invention. It is a detailed flowchart of the prediction of the ability Q by this invention by one Embodiment. It is a flowchart of the process of one Embodiment steady state control by this invention. According to the present invention. It is a figure which shows the whole embodiment control cycle graphically.
- FIG. 1 shows an air conditioning system cycle as an embodiment including a refrigerant.
- An exemplary air conditioning system may be embodied as an air conditioner, more preferably as a VRF system, a PAC system, a RAC system, a refrigeration system, and the like.
- the refrigeration cycle was constructed as a VRF (multi-air conditioning system for buildings) system including an outdoor unit 110 and a plurality of indoor units (IDUs) 130-1, 130-2, and 130-3. It is supposed to be installed in an air conditioning system.
- the plurality of IDUs 130-1, 130-2, and 130-3 are cooperatively controlled by the shared outdoor unit 110.
- the outdoor unit 110 is placed in an outdoor space, and the IDUs 130-1, ..., 130-3 are placed in an indoor space 120 such as an office building or an apartment house.
- the outdoor unit 110 controls a plurality of indoor units 130-1, 130-2, and 130-3 for supplying air conditioning to the space of the building and also for coping with the air conditioning load.
- IDU air-conditions the room according to the air-conditioning load.
- the three indoor units 130-1, ..., 130-3 are illustrated in FIG. 1, but the number of indoor units can be selected according to the specific air conditioning load in the building. .. Further, IDUs 130-1, ..., 130-3 may be placed together in one large room, or each IDU may be placed in a separate room, not limited to: However, the combination of the number of IDUs and the arrangement of rooms is not limited to the illustrated embodiment and can vary depending on the specific air conditioning load.
- IDU 130-1, ..., the 130-3, the temperature sensor IDT 131-1 including the T i sensor and T o sensor respectively, ..., 131-3 are provided, IDU 130-1, ⁇ ..., it detects the input temperature T i values to each of 130-3, also, IDUs130-1, ⁇ , to detect the output temperature T o values from each of the 130-3.
- These temperature values are transmitted to the outdoor unit 110 through the transmission line 150 and may be used to determine the air conditioning load in the indoor space 120, but not limited to, to detect changes in the air conditioning load.
- Other sensors can be provided separately at IDU 130-1, ..., 130-3, depending on the specific application.
- the outdoor unit 110 and IDU 130-1, ..., 130-3 are fluidly connected to each other and also to the outdoor unit 110 by a pipe 140 to circulate the refrigerant.
- the outdoor unit 110 and IDU 130-1, ... ..., 130-3 is connected to the communication line 150.
- FIG. 2 shows an array of hardware for an air conditioning system of one embodiment, where the outdoor unit 110 includes a compressor 115, a heat exchanger 112, and an outdoor fan 113 driven by a fan motor 114.
- the compressor 115 is formed as a scroll type compressor and can compress the refrigerant for the purpose of air conditioning.
- the heat exchanger unit 112 carries out heat exchange of the refrigerant flowing to and from IDU 130-1, 130-2 and the like through the four-way valve 111.
- the flow path of the four-way valve 111 is marked with a solid line and a dotted line, respectively, where the solid line indicates the flow path used for the cooling mode and the dotted line indicates the flow path used for the heating mode.
- the outdoor fan 113 blows outdoor air onto the heat exchanger 112 in order to control the temperature of the heat exchanger 112 in order to improve the efficiency of air conditioning.
- the outdoor unit 110 further includes a controller 116 to control the operation of the compressor 115 and the fan 112 via the inverters 117, 118 to achieve proper air conditioning.
- the outdoor unit 110 further includes various sensors, for example Pd 119-1, Ps 119-2, Ts 119-3 , and T liq 119-4 and the like. These sensors are used to predict the capacity of air conditioning in the near future from the parameters of the refrigerant circulating in the air conditioning system. The functions of the sensor are described below.
- the sensor Pd 119-1 detects the discharge pressure of the refrigerant;
- the sensor Ps 119-2 detects the suction pressure of the compressor 115;
- the sensor Ts 119-3 detects the suction temperature;
- the sensor T liq 119- 4 detects the temperature of the refrigerant at a position adjacent to the heat exchanger 112.
- the outdoor unit 110 is connected to the IDU via piping and appropriate valves 120-1, 120-2, 131-1, and 131-2, such as an expansion valve, thereby controlling the refrigerant in the outdoor unit 110. Circulates to IDU 130-1 and 130-2 respectively to supply the required air conditioning.
- the controller 116 controls the operation of the compressor 115 and the outdoor fan 113 via the inverters 117, 118, depending on the predicted air conditioning capacity.
- FIG. 3 shows the hardware architecture of controller 116.
- the controller is mounted as a controller board on which various electronic devices are mounted, and the controller board can be provided inside the outdoor unit 110.
- external devices such as inverters 117, 118, fan motor 114 and compressor 115, and IDU 130-m (where m is a natural number) are illustrated for illustration purposes.
- the controller 116 includes a RAM 310, a ROM 320, and a CPU 330.
- the RAM 310 is a transient memory for storing various data and provides a working space for the CPU 330.
- the RAM 310 may be mounted as a semiconductor module of the CPU 330 as shown in FIG. 3, in which case the register memory mounted on the CPU 330 can be used in place of and / or together with the RAM 310. ..
- the ROM 320 is a non-volatile memory mounted as a semiconductor module of the CPU 330, and stores various programs and data for performing air conditioning processing.
- the RAM 310 and ROM 320 may be mounted inside a module of the CPU 330, but in another embodiment the RAM 310 and ROM 320 may be provided separately from the CPU 330.
- the CPU 330 may be implemented as a microprocessor, and in order to execute control of the air conditioning system, data from IDU 130-1, ..., 130-m is transmitted to the CPU 330 via the communication line 150. , Is input via the input interface 340 and further via the I / O bus 360.
- the data transmitted from IDU 130-1, ..., 130-m can be the input temperature and output temperature of each IDU, but other data can be IDUs130-1 depending on the specific application. , ..., Can be transmitted from 130-m.
- CPU 330 is a applies various processing to the input data, the output result of the processing
- the output interface 350 is applied to the inverters 117 and 118.
- the CPU 330 executes various programs for executing control, and FIG. 4 illustrates the functional architecture of the CPU 330.
- the CPU 330 provides various functional units and functions, which are illustrated as a capability monitoring unit 401, a compressor drive unit 402, and a fan drive unit 403.
- the capability monitor unit 401 monitors the operating state of IDU 130-1, ..., 130-m from the temperature signals transmitted from IDU 130-1, ..., 130-m.
- the temperature signal includes the input temperature value and the output temperature value of each IDU, and from each of IDU 130-1, ..., 130-m at a predetermined sampling interval in order to predict the capacity change in the near future. Will be sent.
- the term "near future" as used herein means a time lag in which the capacity of an air conditioner is fed back to at least a mechanical device such as a compressor 115.
- the compressor drive unit 402 controls the compressor 115 by outputting an I Comp such as a drive step command to the inverter 118 for driving the compressor 115, for example.
- the fan drive unit 403 controls the fan motor 114 and the fan 113 by selecting, for example, an IFan such as a drive step command to the inverter 117 for driving the fan motor 114, and then outputting the fan.
- the rotation speed of the motor 114 is controlled.
- the CPU 330 further functions as a capacity prediction unit 404, a fan speed prediction unit 405, and a steady state control unit 406.
- the capacity prediction unit 404 predicts the air conditioning load from the data of the sensors 119-1 to 119-4 and the temperature sensors provided for each of the IDUs 130-1, ..., 130-m.
- the fan rotation speed prediction unit 405 predicts the fan rotation speed according to the prediction of the air conditioning load by the prediction unit 404 for achieving the prediction control of the air conditioning system for power saving.
- Steady state control unit 406 stabilizes the air conditioning system so as to further optimize the power consumption of the air conditioning system by searching for the optimum rotation speed of the fan motor 114 under conditions where the air conditioning load is relatively stable. Control during state operation.
- the functional units illustrated in FIG. 4 are interconnected by a system bus line 407, whereby in one embodiment, these functional units can communicate with each other to cause the CPU 330 to perform air conditioning control. In order to control the external device in response to the instruction from the CPU 330, the processing result of the CPU 330 is output to the external device via the I / O bus 360.
- register memory can be implemented in CPU 330 rather than having independent RAM 310 allocated.
- the CPU 330 can be implemented as an ASIC (application specific integrated circuit) in which the functions of the inverters 117 and 118 and other functions are mounted.
- FIG. 5A shows a data structure stored in ROM 320 as a search table preferably used to control the fan motor 114 using the inverter 117, but the embodiment shown in FIG. 5A is merely an example.
- the data structure of FIG. 5A can have any format and implementation as long as the data is available to the CPU 330.
- the inverter 117 and the inverter 118 can be formed as a microcomputer or a semiconductor device capable of controlling the rotation speed or step of the fan via a command transmitted by the CPU 330.
- FIG. 5A corresponds to a data structure for controlling the rotation speed of a fan motor 114 that controls the amount of air blown by the outdoor fan 113 with respect to the heat exchanger 112.
- the fan motor 114 may be controlled at multiple levels, as shown in FIG. 5A, and when the operating step is increased by one step, the fan speed in revolutions per second. However, it increases by a predetermined considerable amount.
- the power consumption of the fan motor 114 can be predicted by the operating step values listed in FIG. 5A.
- the power consumption value W Fan in watts can be stored in association with the operation step to calculate the power consumption of the fan motor 114.
- the power consumption of the fan motor 114 can be actually measured and the total power consumption can be calculated by an appropriate sensor.
- FIG. 5B shows a data structure stored in the ROM 320, preferably as a search table used to control the compressor 115 by the inverter 118.
- the inverter 118 may also be formed as a microcomputer or semiconductor device that can control the state or step of rotation via instructions generated by the CPU 330.
- the system is provided with a sensor for detecting the discharge pressure (Pd), suction pressure (Ps), suction temperature (Ts), or discharge temperature (Td) of the refrigerant, so that the power consumption is reduced.
- Pd discharge pressure
- Ps suction pressure
- Ts suction temperature
- Td discharge temperature
- FIG. 5B corresponds to a data structure for controlling the rotational state of the compressor 115, which controls the power consumption of the compressor 115.
- the compressor 115 can be controlled at multiple levels as shown in FIG. 5B, which is likely to be in the fan motor 114. Similar to the fan motor 114, the rotational speed of the compressor 115 increases by a predetermined equivalent speed as the operating step increases by one step.
- the power consumption of the compressor 115 can be calculated from the operating step values listed in FIG. 5B.
- the power consumption value W Comp in watts can be stored in association with the operating step to estimate or predict the power consumption of the fan motor 114.
- the power consumption of the compressor 115 can be actually measured to calculate the total power consumption.
- the CPU 330 searches the data structure while searching the compressor 115 and the fan.
- the total power consumption of the motor 114 can be calculated and predicted so that the CPU 330 can calculate and predict the compressor 115 and the compressor 115 and without other sensors for detecting the power consumption of the fan motor 114.
- the total power consumption of the fan motor 114 can be predicted.
- the CPU 330 can obtain measured power consumption of the compressor 115 and the fan motor 114 to feed back the detected values to the control process, depending on the specific requirements.
- FIG. 6A shows a schematic diagram of the power consumption of the air conditioning system.
- the vertical axis represents power consumption in watts (W) and extends perpendicular to the plane defined by the Q (capacity) and rotation axes of the compressor 115 and / or the outdoor fan motor 114. There is.
- control variable the rotation axis of the compressor 115 and / or the outdoor fan motor 114 is simply referred to as a "control variable" axis. This means that the rotational speed is selected as a variable that is controlled to optimize the total power consumption.
- the lower curve line shows the characteristics of the compressor at a given operating step
- the upper curve plane shows the total power consumption of the compressor 115 and the outdoor fan 114.
- the horizontal axis is expressed in watts (W) for convenience of description, but this horizontal axis is replaced by the addition of control values, such as the operation steps for I Comp of compressor 115 and I Fan of fan motor 114.
- one embodiment can predict the power consumption of the compressor 115 and the outdoor fan 114 from their operating steps.
- T W (rot) constant _1 * I Comp + constant _2 * I Fan (constant _1 and constant _2 are constants having the proper physical dimensions) and constants having the proper size, shown as At the same time, the total power consumption can be expressed.
- the rotational state of the outdoor fan 114 is actively controlled as a control variable to optimize power consumption. Therefore, the function Tw (rot) is an objective function that is minimized by controlling the compressor 115 and / or the outdoor fan 114 rotation speed, that is, the fan motor 113.
- the outdoor heat exchanger functions as a condenser.
- the performance of the condenser decreases. Therefore, the discharge pressure increases, the pressure difference between Pd and Ps becomes large, and therefore the compressor load and power consumption increase.
- the outdoor heat exchanger functions as an evaporator.
- the suction pressure decreases, the pressure difference between Pd and Ps becomes large, and therefore the compressor load and power consumption increase.
- the sum T W of the generated power (rot) is a plan of the concave for the control variables.
- two equal capacity planes Q1 and Q2 are illustrated as virtual planes parallel to the paper surface of FIG. 6A.
- the arrow "A” outlines a predictive control strategy according to one embodiment that is executed when a change in ability is expected to be relatively large.
- the arrow “B” outlines a steady-state control strategy that is implemented when the change in capability is not expected to be relatively large.
- the operation control is performed so as to decrease the fan rotation in response to the increase in the compressor input, or the fan rotation is decreased in response to the increase in the compressor input.
- the rotational speed of the outdoor fan 113 may be set to balance changes in demand with the compressor input, because there is a time lag in controlling the refrigeration cycle. This is because the control of the outdoor fan 113 can be relatively straightforward.
- FIGS. 6B and 6C show the power consumption characteristics shown in the two-dimensional profile on the equal capacity plane Q1 of FIG. 6A.
- the power consumption W Comp 1 of the compressor increases as the fan rotation decreases. Therefore, the total power consumption caused by the function T W (rot) shows a concave curve having a minimum point.
- FIG. 6C shows the power consumption characteristics shown in the two-dimensional profile on the equal capacity plane Q2 of FIG. 6A.
- the compressor consumes a lot of power, which increases even more rapidly as illustrated in FIG. 6C.
- Fan rotation decreases to the same extent, but it happens because the discharge pressure increases more rapidly.
- the optimization process using the fan rotation as the control variable, the target hence optimization is to explore fan speed to function T W a (rot) to a minimum.
- FIG. 7A shows a flowchart for processing one embodiment.
- This process is executed by a functional unit generated by a program executed by the CPU 330.
- This process starts from step S100, and in step S101, the capability monitoring unit 401 sends signals transmitted from IDU130-1, ..., 130-m in order to predict the air conditioning load in the near future. Monitor. If the air conditioning load is not expected in the near future based on the signals transmitted from IDU130-1, ..., 130-mt (step S102; Yes), the process shifts to step S106, and the steady state control unit 406 is the air conditioning system.
- a predetermined threshold may be set in the temperature signal to determine the change in capacity.
- Such a threshold may be set for each of the temperature signals, or may be set for the sum of the input or output temperature values transmitted from each IDU.
- the threshold value is the rotation speed according to the specific demand for the power consumption of the outdoor fan 114 and the range of variables. Can be determined by.
- Steady state control searches for the minimum in-plane point on the equal capacity plane at the current capacity, such as Q1 and Q2 shown in FIG. 6A. The process then proceeds to step S107 and waits for the timer to expire.
- Timers are used to deal with time lags in the physical system caused by the circulation of refrigerants and the like.
- the hours can be approximately several minutes or the like, but the hours are not limited to specific values as long as the hours can cope with the time lag of the actual air conditioning system.
- step S107 When the timer expires (S107: Yes), the process returns to step S101 to reexamine the air conditioning load, and when the timer does not expire, the process returns to step S106 to continue steady state control.
- the CPU 330 continues to search for the smallest point on the equal capacity plane. Details of steady-state control will be described later.
- step S102 When the determination in step S102 returns to a positive result (step S102: Yes), the ability changes beyond the threshold value. Therefore, the process proceeds to step S103 to predict the ability, in other words, "guess". While doing it.
- the prediction of the capacity in step S103 will be described in detail, and this process is executed by the capacity prediction unit 404. If the air conditioning load is expected to change from the sensor values obtained from IDU 130-1, ..., 130-m, the capacity will be determined using the history of COP (coefficient of performance) values given by equation (1). Forecasts may be made.
- n is a natural number
- W Comp (n) is the current power consumption
- W Comp (n-1) is the immediately preceding power consumption.
- the current compressor inputs W Comp (n) and W Comp (n-1) may be used to obtain a power valley.
- the valley W Comp (n-1) may be stored as a reference value in an appropriate storage device such as the register memory of the CPU 330 or the RAM 310.
- the prediction process starts and first determines whether the operating mode of the air conditioning system is the heating mode, for example, an appropriate data structure such as a flag that records the current operating mode of the system. Judgment by searching for.
- the operation mode is the heating mode (step S201: Yes)
- the capacity is calculated by the method 1 using the equation (2), the so-called air enthalpy method, in step S202.
- T i is the input temperature value detected by the transmitted sensor from IDU
- T o is still detected output temperature value by transmitted sensor from IDU
- V is air blowing rate (M 3 / sec)
- ⁇ is the density of air
- C p is the specific heat (kJ / kg ⁇ K).
- Q may be predicted by using the following equation (3) in the air enthalpy method.
- the air enthalpy method is not suitable for predicting capacity due to the loss of latent heat.
- the value of Q can be calculated by the sensor value of T o sensors, the implementation of T o sensor, specifically, the approximate value of Q can be achieved in accordance with embodiments. Therefore, in step S203, the capacity can be calculated from the equation (4), the so-called CC (compressor curve) method (method 2).
- the CC method uses the circulating amount of the refrigerant and the specific enthalpy of the refrigerant.
- the compressor rotation is the rotation speed of the compressor 115
- Vth is the pumping volume
- ⁇ is the density of the refrigerant
- ⁇ H is the specific enthalpy obtained from the Moriel diagram of the refrigerant
- ⁇ H It is given by (H 1 -H 3).
- H 1 is the specific enthalpy calculated from the detection value of the sensor Ps119-2 and Ts119-3
- H 3 is the specific enthalpy calculated from the detection value of the sensor Pd119-1 and T liq 119-4 .
- the Q calculated by the CC method can be given as the following equation (5).
- the capabilities of each IDU may be predicted individually, and each of the predicted capabilities is added up to give the sum of the capabilities of the system. Can be predicted.
- the actual power consumption of the compressor 115 may be measured by the sensor, depending on the specific requirements, and the measured power consumption value RW, which is the actually detected power consumption.
- the history of Comp is stored in the storage device in time series, and the ability Q can be calculated by the CC method.
- step S104 the fan rotation speed as the objective function is calculated by the fan rotation prediction unit 405.
- the fan rotation speed as the objective function can be calculated by using the following equation (6) in the cooling mode and the equation (7) in the heating mode using the history of values.
- the fan rotation speed (n) is the fan rotation speed as the objective function
- the fan rotation speed (n-1) is the rotation speed of the immediately preceding outdoor fan 114.
- the target fan input I Fan_target can be determined in step S105 using the data structure shown in FIG. 5A by the fan drive unit 403. For example, once the fan speed (n) has been calculated, the fan drive unit 403 selects an operation step I Fan that brings the fan speed closest to the target fan input I Fan_target . Next, the fan drive unit 403 transmits the determined IFan_target to the inverter 117, and controls the fan motor 114 according to the target rotation speed.
- steady state control is the control when the capacity of an air conditioning system is not expected to change or is expected to be near constant, i.e., the capacity generated is considered to be near constant.
- T W rot
- ESC Extremum Men Seeking Women control
- step S301 the steady state control unit 406 reduces the fan step step by step.
- step S302 the steady state control unit 406, consumption calculated power T W (rot), then in step S303, while comparing the power of the immediately preceding tapering operation step, whether the power consumption is reduced decide.
- step S303: Yes When the power consumption after the gradual decrease of the operation step of the fan motor 114 decreases (S303: Yes), the process returns to step S301, and the fan rotation speed is decreased again by yet another step. These processes will be repeated until the decision in step S303 returns a negative result (step S303: No), because this decision is either the total power consumption has been increased beyond the threshold or has been increased. This is because it means that it was maintained by gradually reducing the fan operating speed. If the decision in step S303 returns a negative result (S303: No), the process proceeds to step S304 to determine whether the power consumption is increasing due to the gradual decrease in the operation step. When the power consumption is increased (step S304: Yes), the process returns the fan rotation speed to the value immediately before the tapering of the operation step in step S305. After that, the process returns to step S301 and repeats the processes from step S301 to step S305.
- step S304 If the decision in step S304 returns a negative result (S304: No), the power consumption remains unchanged within a predetermined threshold in the current operating step of the fan motor 114, and thus the fan.
- the current operating step of the motor 114 is maintained in step S306. After that, the process shifts the control to step S107 and continues the fan operation in the current operation step until the timer expires.
- FIG. 8 shows the entire control cycle of the embodiment according to the present invention as a schematic diagram.
- the air conditioning system implements predictive control that predicts capacity from values detected by the sensor according to the first strategy.
- the air conditioning system implements steady state control using the ESC method according to the second strategy.
- the program in the described embodiment may be coded in any programming language, such as assembler language, C language, C ++ language, or other programming language adapted for network communication including PYTHON, browser software, and the like.
- the air conditioning system is a network connected through wireless communication between the outdoor unit 110 and the IDU 130-1, ..., 130-3, and the server, rather than a wired communication line. It can be implemented as a system.
- controller 116 may be implemented as a separate computer, the so-called server, to manage large refrigeration cycles, such as skyscrapers or intelligent city air conditioning systems. In such places, the air conditioning demand for houses or buildings is provided by the refrigeration cycle of the present invention.
- the server may be networked with the indoor unit and the outdoor unit via a wireless transmission network, and the server controls the outdoor unit so as to control the air conditioning capacity and supply the air conditioning demand. ..
- the compressor 115 and the outdoor fan 113 have two independent control strategies based on the forecast of air conditioning demand, and their optimum power consumption conditions. , Can be controlled automatically. Even if the capacity changes significantly, the optimum conditions may be searched for and the outdoor fan may be optimally adjusted, which reduces the power consumption during operation at partial load and also suppresses the annual power consumption. be able to.
- a refrigeration cycle, an air conditioning system, and a refrigeration cycle capable of reducing the power consumption during operation under a partial load and the annual power consumption can be obtained. It can provide a method for control and has sufficient industrial utility.
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Abstract
【課題】 冷凍サイクル、空調システム、および冷凍サイクルを制御するための方法を提供すること。 【解決手段】本発明の冷凍サイクルは、室外ユニット110および室内ユニット130-1,...を含み、この冷凍サイクルは、空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機115および室外ファン113を制御するコントローラ116と、運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で室外ファン113を制御するインバータ117とを含み、コントローラ116は、空調負荷を予測し、予測された能力に基づく能力に応じて室外ファン113の回転数を制御する。
Description
本発明は、冷凍サイクルに関するものであり、具体的には、冷凍サイクル、空調システム、および冷凍サイクルを制御するための方法に関する。
VRF(ビル用マルチエアコン)など、建物などの空調を実施するための複数のパッケージ化された空調ユニットシステムが知られている。そのようなVRFは、複数の室内ユニットを共有の室外ユニットによって制御するものであり、建物の空気調節器に普及しつつある。VRFは、建物の空調に効果的に役立つ場合はあるが、室外ファンおよび圧縮機を最適に制御する際には困難がある。
空気調節器への入力は、ファン入力と圧縮機入力との合計値によって決まり得ることから、トレードオフの関係が存在し、そこでは、室外ファン送風量の増加によって、圧縮機入力が低減される。そのため、室外ファンの回転数を上下させることにより最適な制御条件を得るための研究がこれまで続けられてきた。
例えば、先行技術である特許文献1は、冷房運転の間に圧縮機の消費電力と凝縮器用のファン・モータの消費電力との合計値が最小となってゆくように、ファン・モータの回転数を増加および/または減少させる方法を開示している。
先行技術の手法は、空調機の冷房能力が一定であるという条件下では有効であるが、空調負荷変化に対応して空調機の能力が変化する際の制御は、明確には開示されていない。先行技術の手法では、圧縮機入力は電流値によって計測できるものの、空調機の能力は計測されず、能力変化自体も検出できない。さらに、空調機が発生した能力を検知できても、先行技術の手法では、能力変化すると、空調機運転状態が最適となる点を見つけることができない。
先行技術の手法にある上記の課題を鑑みて、本発明は、冷凍サイクル、空調システム、および冷凍サイクルを制御するための方法を提供することを目的とする。
一実施形態によれば、室外ユニットおよび室内ユニットを含む冷凍サイクルが提供される。この冷凍サイクルは、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値から求まる空調機の能力から室外ファン回転数を予測し、制御するインバータ
を含み、
上記コントローラは、空調機の能力を求め、求めた能力に応じて室外ファンの回転数を制御する。
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値から求まる空調機の能力から室外ファン回転数を予測し、制御するインバータ
を含み、
上記コントローラは、空調機の能力を求め、求めた能力に応じて室外ファンの回転数を制御する。
一実施形態では、前記能力に変化があることが予測される場合に、能力の予測は、空気エンタルピー法を暖房モードで用いるか、またはコンプレッサーカーブ法を冷房モードで用いて実施される。
一実施形態では、前記能力がほぼ一定となることが予測される場合に、コントローラは、圧縮機および室外ファンの消費電力の合計値を最小にするように室外ファンの回転数を決定する。
一実施形態では、能力の予測は、前記圧縮機の消費電力の変化の履歴および空調負荷の履歴によって実施される
一実施形態では、室外ファンの回転数は、予測された能力と消費電力との合算の比の履歴を用いて決定される。
別の態様では、室外ユニットおよび室内ユニットを含む空調システムが提供される。この空調システムは、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される選択された回転数で室外ファンを制御するインバータ
を含み、
上記コントローラは、空調負荷を予測し、予測された能力に基づく能力に応じて室外ファンの回転数を制御する。
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される選択された回転数で室外ファンを制御するインバータ
を含み、
上記コントローラは、空調負荷を予測し、予測された能力に基づく能力に応じて室外ファンの回転数を制御する。
さらに別の態様では、室外ユニットおよび室内ユニットを含む冷凍サイクルを制御するための方法が提供される。この方法は、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される選択された回転数で室外ファンを制御すること、ならびに
空調負荷を予測し、予測された空調負荷に基づく能力に応じて室外ファンの回転数を制御すること
を含む。
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される選択された回転数で室外ファンを制御すること、ならびに
空調負荷を予測し、予測された空調負荷に基づく能力に応じて室外ファンの回転数を制御すること
を含む。
さらに別の態様では、記憶装置でタンジブルなCPU実行可能なプログラムが提供される。このCPU実行可能なプログラムは、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で室外ファンを制御すること、ならびに
空調負荷を予測し、予測された空調負荷に基づく空調機の能力に応じて室外ファンの回転数を制御すること
を含む処理をCPUに実行させる。
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で室外ファンを制御すること、ならびに
空調負荷を予測し、予測された空調負荷に基づく空調機の能力に応じて室外ファンの回転数を制御すること
を含む処理をCPUに実行させる。
本発明によれば、冷凍サイクル、空調システム、および冷凍サイクルを制御するための方法を提供することができ、部分負荷での運転下の消費電力、ならびに年間の消費電力を低減することができる。
以下に本発明の具体的な実施形態を、添付の図面を参照して記載する。しかし、この発明は、数多くの形態で具現化されることがあることから、本明細書に定められた実施形態制限されるものと解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、この開示が徹底的かつ完全なものとなるように提供されるのであって、当業者に本発明の範囲を余すところなく伝えるものとなる。添付の図面に説明される実施形態に関する詳細な記載に使用される用語は、本発明を限定することを意図するものではない。
図1は、冷媒を含む一実施形態としての空調システムサイクルを示す。例示的な空調システムは、空調装置として具現化されることがあり、さらに好ましくは、VRFシステム、PACシステム、RACシステム、および冷凍冷蔵システムなどとして具現化されることができる。この記載では、記載の便宜上、冷凍サイクルは、室外ユニット110と複数の室内ユニット(IDU)130-1、130-2、および130-3とを含むVRF(ビル用マルチエアコン)システムとして構築された空調システムに実装されるものと想定される。複数のIDU 130-1、130-2、および130-3は、共有の室外ユニット110によって協働的に制御される。室外ユニット110は、室外空間に置かれ、IDU 130-1、・・・、130-3は、オフィスビルやアパート家屋などの室内空間120に置かれる。
室外ユニット110は、建物の空間に空調を供給するための、およびまた空調負荷に対処するための、複数の室内ユニット130-1、130-2、および130-3を制御する。IDUは、空調負荷に応じて部屋の空調を実施する。3つの室内ユニット130-1、・・・、130-3は、図1に図説されているが、室内ユニットの数は、建物内での具体的な空調負荷に応じて選択されることができる。さらに、IDU 130-1、・・・、130-3は、1つの大きな部屋に一緒に置かれることができるか、あるいは、各IDUは、個別の部屋に置かれることがあり、以下に限定されないが、IDUの数と部屋の配列との組合せは、図説された実施形態に限定されず、具体的な空調負荷に応じて変わることができる。
IDU 130-1、・・・、130-3には、それぞれTiセンサとToセンサとを含む温度センサIDT 131-1、・・・、131-3が設けられ、IDU 130-1、・・・、130-3のそれぞれへの入力温度Ti値を検出し、また、IDUs130-1、・・・、130-3のそれぞれからの出力温度To値を検出する。これらの温度値は、伝達ライン150を通じて室外ユニット110に伝達され、室内空間120における空調負荷を決定するために使用されることがあり、以下に限定されないが、空調の負荷の変化を検出するための他のセンサが、具体的な適用に応じてIDU 130-1、・・・、130-3に別々に設けられることができる。
室外ユニット110およびIDU 130-1、・・・、130-3は、冷媒を循環させるために配管140によって、互いに、また室外ユニット110にも、流体で接続される。一実施形態による建物内で適正な空調を提供するように複数のIDU 130-1、・・・、130-3の空調性能を制御するため、順番に、室外ユニット110およびIDU 130-1、・・・、130-3が、連通ライン150に接続される。
図2は、一実施形態の空調システムのハードウェアの配列を示し、室外ユニット110は、圧縮機115、熱交換器112、およびファン・モータ114によって駆動される室外ファン113を含む。圧縮機115は、スクロール型の圧縮機として形成されて、空調の目的で冷媒を圧縮することができる。熱交換器ユニット112は、IDU 130-1、130-2などへおよびそれらから四方弁111を通じて流れる冷媒の熱交換を実施する。四方弁111の流路は、実線および点線で標示されており、それぞれ、実線は、冷房モードに用いる流路を標示し、点線は、暖房モードに用いる流路を標示する。
室外ファン113は、空調の効率を向上させるべく熱交換器112の温度を制御するために、熱交換器112に対し室外空気を吹きつける。室外ユニット110は、適正な空調を達成するようにインバータ117、118を介して圧縮機115およびファン112の運転を制御するために、コントローラ116をさらに含む。
室外ユニット110は、様々なセンサ、例えばPd 119-1、Ps 119-2、Ts 119-3、およびTliq 119-4などをさらに含む。これらのセンサを使用して、空調システムを循環する冷媒のパラメータから、近い未来の空調の能力を予測する。センサの機能を以下に記載する。センサPd 119-1は、冷媒の吐出圧を検出し;センサPs 119-2は、圧縮機115の吸引圧を検出し;センサTs 119-3は、吸引温度を検出し;センサTliq 119-4は、熱交換器112に隣接する位置で冷媒の温度を検出する。
室外ユニット110は、配管ならびに適正なバルブ120-1、120-2、131-1、および131-2、例えば膨張弁などを介してIDUに接続され、それにより、室外ユニット110で制御される冷媒は、必要とされる空調を供給するためにIDU 130-1および130-2のそれぞれに循環する。一実施形態では、コントローラ116は、予測された空調能力に応じて、インバータ117、118を介して圧縮機115および室外ファン113の運転を制御する。
図3は、コントローラ116のハードウェア・アーキテクチャを示す。一実施形態では、コントローラは、様々な電子機器が上に実装されるコントローラ・ボードとして実装され、コントローラ・ボードは、室外ユニット110の内部に設けられることができる。図3では、説明を目的として、外部デバイス、例えばインバータ117、118、ファン・モータ114および圧縮機115、ならびにIDU 130-m(ここでmは自然数である)が図示されている。
コントローラ116は、RAM310、ROM320、およびCPU330を含む。RAM310は、様々なデータを記憶するための一過性メモリであり、CPU330の作業空間を提供する。RAM310は、図3に図示されるようにCPU330の半導体モジュールとして実装されることがあり、この場合、CPU330に実装されたレジスタ・メモリは、RAM310の代わりにおよび/または共に使用されることができる。ROM320は、CPU330の半導体モジュールとして実装される不揮発性メモリであり、空調処理を実施するための様々なプログラムおよびデータを記憶する。本明細書に記載されるように、RAM310およびROM320は、CPU330のモジュールの内部に実装されることがあるが、RAM310およびROM320は、別の実施形態では、CPU330とは別に設けられることができる。CPU330は、マイクロプロセッサとして実装されることがあり、空調システムの制御を実行するために、CPU330内には、IDU 130-1、・・・、130-mからのデータが、通信ライン150を介し、入力インターフェース340およびさらにI/Oバス360を介して入力される。
IDU 130-1、・・・、130-mから送信されるデータは、各IDUの入力温度および出力温度とすることができるが、具体的な適用に応じて、他のデータが、IDUs130-1、・・・、130-mから送信されることができる。CPU330から発行されるICompおよびIFanとして図説される命令または入力に従ってファン・モータ114および圧縮機115を動かすために、CPU330は、様々な処理を入力データに適用し、その処理の出力結果を出力インターフェース350によりインバータ117、118に適用する。
CPU330は、制御を実施するための様々なプログラムを実行するが、図4は、CPU330の機能アーキテクチャを図示する。CPU330は様々な機能部および機能を与え、それらは能力モニター部401、圧縮機駆動部402、およびファン駆動部403として図示される。能力モニター部401は、IDU 130-1、・・・、130-mから送信された温度シグナルから、IDU 130-1、・・・、130-mの運転状態をモニタリングする。温度シグナルは、各IDUの入力温度値および出力温度値を含み、近い未来の能力変化を予測するために、予め決定されたサンプリング間隔でIDU 130-1、・・・、130-mのそれぞれから送信される。用語「近い未来」とは、本明細書では、空調機の能力を少なくとも圧縮機115などの機械デバイスにフィードバックするタイムラグを意味する。
圧縮機駆動部402は、例えば圧縮機115を駆動させるためのインバータ118への駆動ステップ命令などのICompを出力することによって、圧縮機115を制御する。ファン駆動部403は、例えばファン・モータ114を駆動させるためのインバータ117への駆動ステップ命令などのIFanを選択し、次いで出力することによって、ファン・モータ114ならびにファン113を制御してファン・モータ114の回転数を制御する。
CPU330は、能力予測部404、ファン回転数予測部405、および定常状態制御部406としてさらに機能する。能力予測部404は、センサ119-1~119-4と、IDU 130-1、・・・、130-mのそれぞれに対し設けられた温度センサとのデータから、空調負荷を予測する。ファン回転数予測部405は、省電力用に空調システムの予測制御を達成するための予測部404による空調負荷の予測に応じて、ファン回転数を予測する。定常状態制御部406は、空調負荷が比較的安定である条件下でファン・モータ114の最適な回転数を探ることによって、空調システムの消費電力をさらに最適化するように、空調システムをその定常状態運転の間に制御する。
図4に図示された機能部は、システムバスライン407によって相互接続され、それにより、一実施形態では、これらの機能部は互いに通信して、CPU330に空調制御を実施させることができる。CPU330からの命令に応答して外部デバイスを制御するために、CPU330の処理結果は、I/Oバス360を介して外部デバイスに出力される。別の実施形態では、独立したRAM310が配されるよりも、レジスタ・メモリがCPU330に実装されることができる。さらに別の実施形態では、インバータ117、118の機能ならびに他の機能を実装されたASIC(特定用途向け集積回路)として、CPU330が実装することができる。
図5Aは、好ましくはインバータ117を用いてファン・モータ114を制御するために使用される検索テーブルとしてROM320に記憶されるデータ構造を示すが、図5Aに示される実施形態は例に過ぎず、データをCPU330によって使用できる限り、図5Aのデータ構造は、任意のフォーマットおよび実装を有することができる。インバータ117ならびにインバータ118は、CPU330により送信された命令を介してファンの回転数またはステップを制御できる、マイクロコンピュータまたは半導体デバイスとして形成されることができる。
図5Aに示される一実施形態は、熱交換器112に対する室外ファン113の空気送風量を制御するファン・モータ114の回転数を制御するためのデータ構造に対応する。一実施形態では、ファン・モータ114は、図5Aに示されるように複数のレベルで制御されることがあり、運転ステップが1ステップ増加される際には、毎秒回転数単位でのファン回転速度が、予め決定された相当量増加する。特定の一実施形態では、ファン・モータ114の消費電力は、図5Aに挙げられた運転ステップ値によって予測されることができる。特定の一実施形態では、ワット単位での消費電力値WFanを運転ステップと関連して記憶させて、ファン・モータ114の消費電力を算出することができる。さらに別の実施形態では、ファン・モータ114の消費電力を実際に計測して、適正なセンサによって消費電力の合計値を計算することができる。
図5Bは、好ましくはインバータ118によって圧縮機115を制御するために使用される検索テーブルとしてもROM320に記憶されるデータ構造を示す。インバータ118は、CPU330によって生成される命令を介して回転の状態またはステップを制御できる、マイクロコンピュータまたは半導体デバイスとして形成されることもある。具体的な一実施形態では、冷媒の吐出圧(Pd)、吸引圧(Ps)、吸引温度(Ts)、または吐出温度(Td)を検出するためのセンサがシステムに設けられるため、消費電力をさらに正確に予測するように、そのようなパラメータは、容易にルックアップ・テーブルに組み込むことができる。
図5Bに示される一実施形態は、圧縮機115の消費電力を制御する圧縮機115の回転状態を制御するためのデータ構造に対応する。一実施形態では、圧縮機115は、ファン・モータ114にありそうな図5Bに示されるような複数のレベルで制御されることができる。ファン・モータ114と同様に、運転ステップが1ステップ増加する際に、圧縮機115の回転速度は、予め決定された相当速度増加する。特定の一実施形態では、圧縮機115の消費電力は、図5Bに挙げられた運転ステップ値によって算出されることができる。別の具体的な実施形態では、ワット単位での消費電力値WCompを運転ステップと関連して記憶させて、ファン・モータ114の消費電力を推定または予測することができる。さらに別の実施形態では、圧縮機115の消費電力を実際に計測して、総消費電力を計算することができる。
圧縮機115およびファン・モータ114の消費電力値が、図5Aおよび図5Bに示されるような制御データとしてそれぞれ記憶される実施形態では、CPU330は、データ構造を検索しながら、圧縮機115およびファン・モータ114の消費電力の総量を算出および予測することができ、それにより、CPU330は、圧縮機115およびファン・モータ114の消費電力を検出するための他のセンサがなくとも、圧縮機115およびファン・モータ114の総消費電力を予測することができる。他の実施形態では、具体的な要求に応じて、CPU330は、検出された値を制御処理にフィードバックするための圧縮機115およびファン・モータ114の消費電力の実測値を得ることができる。
さて、図6A~図6Cを参照すると、一実施形態の制御処理が記載されるが、以後記載されている実施形態に限定されず、実施形態の利点を達成できる限り、本発明は、異なる形態、デバイス、および/または構成で実装されることができる。図6Aは、空調システムの消費電力の模式図を表す。図6Aでは、垂直軸は、ワット(W)での消費電力を表し、圧縮機115および/または室外ファン・モータ114のQ(能力)軸および回転軸により画定された平面に対し垂直に延びている。以後、記載の便宜上、圧縮機115および/または室外ファン・モータ114の回転軸を、単純に「制御変数」軸と称する。これは、消費電力の合計値を最適化するように制御される変数として回転速度が選択されることを意味する。
図6Aにおいて、下方の湾曲線は、所与の運転ステップでの圧縮機の特性を示し、上方の湾曲平面は、圧縮機115および室外ファン114の消費電力の合計値を示す。水平軸は、記載の便宜上、ワット単位(W)で表されるが、この水平軸は、例えば圧縮機115のICompおよびファン・モータ114のIFanに対する運転ステップなど、制御値の加算に置き換えられることができる。
図5Aおよび図5Bを参照して先に記載されたように、一実施形態は、圧縮機115および室外ファン114の消費電力を、それらの運転ステップから予測することができる。圧縮機115および室外ファン114の消費電力の合計値は、関数TW(rot)=WComp+WFanによって算出されることができる。この関数はワット単位のものに限定されないことを留意すべきであり、消費電力の状態を標示するための物理的な大きさを用いずにICompやIFanなどの他のパラメータを使用して、TW(rot)=定数_1*IComp+定数_2*IFan(定数_1および定数_2は、適正な物理的な大きさを有する定数である)として示される適正な大きさを有する定数と併せて、総消費電力を表すことができる。この定義の下では、および本実施形態によれば、室外ファン114の回転状態は、制御変数として消費電力を最適化するために能動的に制御される。そのため、関数Tw(rot)は、圧縮機115および/または室外ファン114回転速度、すなわちファン・モータ113を制御することによって最小化される、目的関数とされる。
図6Aを参照すると、同じ能力Q1に関して、ファン回転が減少すると、圧縮機の消費電力が増加する。冷房モードでは、室外熱交換器は凝縮器として機能する。ファン回転が減少するにつれて、凝縮器の性能は下がってゆく。そのため、吐出圧が増加し、PdとPsとの間の圧力差は大きなものとなってゆき、それゆえ圧縮機負荷および消費電力が増加する。そして暖房モードでは、室外熱交換器は蒸発器として機能する。ファン回転が減少するにつれて、蒸発器の性能は低下する。そのため、吸引圧が減少し、PdとPsとの間の圧力差は大きなものとなってゆき、それゆえ圧縮機負荷および消費電力が増加する。最小点が圧縮機115およびファン・モータ114の運転条件について変わるものとなることに留意されたい。生成された消費電力の合計値TW(rot)は、制御変数について凹形の平面を示す。実施形態を理解するための便宜上、図6Aの紙面に平行な仮想平面として、2つの等能力平面Q1およびQ2を図示する。
矢印「A」は、能力の変化が比較的大きいことが予想される際に実行される一実施形態による予測制御ストラテジーの概略を標示する。矢印「B」は、能力の変化が比較的大きくないことが予想される際に実行される定常状態制御ストラテジーの概略を標示する。
一実施形態によれば、空調負荷が変化する際には、能力の増加と圧縮機入力の増加との間に、および/または能力の減少と圧縮機入力の減少との間に相関がある。この相関では、容量制御側の特性にタイムラグが起こる。そのため、一実施形態では、圧縮機入力の増加に応答してファン回転を減少するように運転制御を実施するか、あるいは、圧縮機入力の増加に応答してファン回転を減少する。さらに、一実施形態では、室外ファン113の回転速度を、需要の変化と圧縮機入力とをバランスさせるために設定してもよく、それはなぜなら、冷凍サイクルの制御にタイムラグがあるのに対して、室外ファン113の制御を比較的端的とすることができるためである。
これらの2つの制御ストラテジーを、図6Aに示される切り取られた3次元空間と併せて図6Bおよび図6Cを用いて、後に詳説する。図6Bおよび図6Cの黒丸は、それぞれ等能力平面Q1およびQ2の黒丸に対応する。図6Bは、図6Aの等能力平面Q1上の2次元プロファイルに示された消費電力特性を示す。先に記載されたように、ファン回転が減少するにつれて、圧縮機の消費電力WComp1は増加する。そのため、関数TW(rot)によってもたらされる総消費電力は、最小点を有する凹形の曲線を示す。
図6Cは、図6Aの等能力平面Q2上の2次元プロファイルに示された消費電力特性を示す。高い能力では、圧縮機が多くの電力を消費し、消費電力は、図6Cに図説されるようにさらに急速に増加する。ファン回転は同程度に減少するが、吐出圧がさらに急速に増加するために、それが起こる。これに応じて、室外ファン113はその回転速度を減少して能力Q2=一定を維持し、それゆえに関数TW(rot)上の最小点は、さらに高い室外ファン113の回転速度へシフトする。一実施形態では、最適化処理は、ファン回転を制御変数として使用し、それゆえ最適化の目標は、関数TW(rot)を最小にするファン回転速度を探ることである。
これより図7A~図7Cを参照して、冷凍サイクルの消費電力を低下させる制御方法の一実施形態を詳説する。図7Aは、一実施形態の処理のためのフローチャートを示す。この処理は、CPU330により実行されるプログラムにより生成される機能部によって実行される。この処理は、ステップS100から開始し、ステップS101では、能力モニター部401が、近い未来での空調負荷を予測するためにIDU130-1、・・・、130-mのそれぞれから送信されるシグナルをモニタリングする。IDU130-1、・・・、130-mtから送信されるシグナルに基づき、近い未来に空調負荷が予想されない場合(ステップS102;Yes)、処理はステップS106に転じ、定常状態制御部406は空調システムに対し定常状態制御を開始するが、それはなぜなら、空調能力は、大きくは変化せず、室外ファン114の回転速度を変化させることで関数TW(rot)の最小点を探ることによって首尾良く制御されることができるためである。ステップS102における決定を実施するために、能力の変化を決定するように、予め決定された閾値を温度シグナルに設定してもよい。そのような閾値は、温度シグナルのそれぞれに設定されてもよいし、各IDUから送信された入力温度値または出力温度値の合計値に設定されてもよい。閾値は、室外ファン114の消費電力の具体的な要求および変数の範囲に応じて、回転速度.によって決定されることができる。
定常状態制御は、図6Aに示されたQ1およびQ2など、現在の能力での等能力平面上で面内最小点を探る。次いで、処理はステップS107に進み、タイマーの満了を待つ。タイマーは、冷媒などの循環に起因する物理系にあるタイムラグに対処するために使用される。具体的な実施形態では、時間分はほぼ数分などであることができるが、時間分が実際の空調システムのタイムラグに対処できる限り、時間分は具体的な値に限定されない。
タイマーが満了した場合(S107:Yes)、処理はステップS101に戻って空調負荷を再度検討し、タイマーが満了しない場合、処理はステップS106に戻って定常状態制御を継続する。定常状態制御の間、CPU330は等能力平面上の最小点を引き続き探る。定常状態制御の詳細を後に記載する。
ステップS102での判定が肯定的な結果に戻る場合(ステップS102:Yes)、能力が閾値を越えて変化するものとなることから、処理はステップS103に進んで能力の予測を、言い換えれば「推測しながら」実行する。ここで、ステップS103における能力の予測を詳述するが、この処理は、能力予測部404によって実行される。空調負荷がIDU 130-1、・・・、130-mから得たセンサ値から変化することが予想される場合、式(1)によって与えられるCOP(成績係数)値の履歴を用いて能力の予測を実施してもよい。
ここで図7Bを参照して、能力Qの予測の詳細を記載する。制御がステップS102から伝えられると、予測処理が開始し、まず、空調システムの運転モードが暖房モードであるか否かを、例えば、システムの現在の運転モードを記録するフラッグなどの適正なデータ構造を検索することによって判定する。運転モードが暖房モードである場合(ステップS201:Yes)、ステップS202では式(2)を用いた方法1、いわゆる空気エンタルピー法によって、能力が算出される。
あるいは、空調システムの運転モードが暖房モードというより冷房モードである場合(ステップS201:No)、空気エンタルピー法は、潜熱の損失があるために、能力を予測するのに適正ではない。Qの値はToセンサのセンサ値によって算出することができ、Toセンサの実装によって、具体的には、実施形態に従ってQの値の概算が達成される。そのため、ステップS203では式(4)、いわゆるCC(コンプレッサーカーブ)法(方法2)から、能力が算出することができる。CC法は、冷媒の循環量と冷媒の比エンタルピーとを用いる。
一実施形態では、VRFシステムなどの空調システムにおいて複数のIDUが接続される場合、各IDUの能力は個々に予測されてもよく、予測された能力のそれぞれが合算されてシステムの能力の総和が予測されることができる。
あるいは、別の実施形態では、具体的な要求に応じて、圧縮機115の実際の消費電力がセンサによって計測されることがあり、実際に検出される消費電力である計測された消費電力値RWCompは、時系列で記憶装置に履歴を記憶され、CC法にて能力Qが算出されることができる。ステップS202またはステップS203の予測が完了すると、処理はステップS104に進み、処理を図7AのステップS104に戻す。
そして、図7Aを再度参照すると、ステップS104では、目的関数とするファン回転速度がファン回転予測部405によって算出される。この目的関数とするファン回転速度は、値の履歴を用いて、冷房モードでは以下の式(6)を、暖房モードでは式(7)を用いることによって、算出されることができる。
計算されたファン回転数(n)から、ファン駆動部403による図5Aに示されるデータ構造を用いて、ステップS105で、目的とするファン入力IFan_targetを決定することができる。例えば、ファン回転数(n)が一度算出されている際に、ファン駆動部403は、目的とするファン入力IFan_targetに最も近いファン回転数をもたらす運転ステップIFanを選択する。次いで、ファン駆動部403は、決定されたIFan_targetをインバータ117に送信して、目的とする回転数に従ってファン・モータ114を制御する。
図7Cを参照して、定常状態の制御の処理を説明する。用語「定常状態制御」とは、空調システムの能力が変化することを予想されないかまたはほぼ一定であることが予想される、すなわち、生成された能力がほぼ一定であるものと考えられる際の制御を意味し、TW(rot)は、ESC(Extremum Seeking 制御)法を用いたファン入力IFanでの制御によってのみ最適化される。
処理は、制御がステップS102またステップS107から移行される際に開始し、ステップS301では、定常状態制御部406が、ファンステップを1ステップずつ減少させる。ステップS302では、定常状態制御部406が、消費電力TW(rot)を算出し、次いでステップS303では、運転ステップの漸減の直前の消費電力と比較しながら、消費電力が減少するか否かを決定する。
ファン・モータ114の運転ステップの漸減の後の消費電力が減少する場合(S303:Yes)、処理は、ステップS301に戻り、さらに別の1ステップによってファン回転数を再び減少させる。これらの処理は、ステップS303の決定が負の結果を返すまで(ステップS303:No)繰り返されるものとなるが、なぜなら、この決定は、消費電力の合計値が閾値を超えて増加されたか、またはファン運転速度の漸減によって維持されたことを意味するためである。ステップS303での決定が負の結果を返す場合(S303:No)、処理はステップS304に進んで、運転ステップの漸減により消費電力が増加しているか否かを決定する。消費電力が増加されている場合(ステップS304:Yes)、処理は、ステップS305で、運転ステップの漸減の直前の値にファン回転速度を戻す。その後、処理は、ステップS301に戻り、ステップS301からステップS305までの処理を繰り返す。
ステップS304での決定が負の結果を返す場合(S304:No)、消費電力は、ファン・モータ114の現在の運転ステップで予め決定された閾値内で変化せずに保たれることから、ファン・モータ114の現在の運転ステップは、ステップS306で保たれる。その後、処理は、制御をステップS107に移行して、タイマーが終了するまで現在の運転ステップでファン運転を継続する。
図8は、本発明による実施形態の制御サイクル全体を模式図として示す。比較的大きな能力変化の下での運転期間中、空調システムは、第1のストラテジーに従いセンサによる検出値から能力を予測する、予測制御を実施する。一方、大きな能力変化のない運転期間中、空調システムは、第2のストラテジーに従いESC法を用いて定常状態制御を実施する。
記載された実施形態におけるプログラムは、任意のプログラミング言語、例えばアセンブラ言語、C言語、C++言語、またはPYTHONを含めてネットワーク通信に適応された他のプログラミング言語、ブラウザソフトウェアなどによってコードされてもよい。別の具体的な実施形態では、空調システムは、有線の通信ラインよりも、室外ユニット110とIDU 130-1、・・・、130-3、ならびにサーバとの間の無線通信を通じて接続されたネットワークシステムとして、実装されることができる。
さらに別の実施形態では、コントローラ116は、別個のコンピュータ、いわゆるサーバとして、例えば、超高層ビルまたは知的都市の空調システムなどの大規模な冷凍サイクルを管理するために実装されることがあり、そのような場所では、家屋または建造物などの空調需要は、本発明の冷凍サイクルによって供給される。この実施形態では、サーバは、無線伝送ネットワークを介して室内ユニットおよび室外ユニットとネットワーク形成されることがあり、サーバは、空調能力を制御して空調需要を供給するように、室外ユニットを制御する。
そのため、システムの効率的かつ経済的な運転が達成されるように、圧縮機115および室外ファン113は、空調需要の予測に基づき、2つの独立した制御ストラテジーで、それらの最適な消費電力条件下、自動的に制御されることができる。能力が大きく変化するとしても、最適な条件が探索され、室外ファンも最適に調整されることがあり、それによって、部分負荷での運転下の消費電力が低減され、年間の消費電力も抑制することができる。
これまで明記されたように、本発明の好適な実施形態が説明されてきたが、本発明は、具体的に関連する実施形態に限定されるべきではなく、様々な改変および変更が、本発明の範囲を逸脱することなく当業者によって行われることがあり、真の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ決定されるべきである。
以上説明したとおり、本発明によれば、本発明によれば、部分負荷での運転下の消費電力、ならびに年間の消費電力を低減することが可能な、冷凍サイクル、空調システム、および冷凍サイクルを制御するための方法を提供することができ、十分に産業の利用性を有する。
Claims (18)
- 室外ユニットおよび室内ユニットを含む冷凍サイクルにおいて、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値から空調機の能力を求め、室外ファン回転数を予測し制御するインバータ
を含み、
前記コントローラは、前記空調機の能力を求め、前記能力に応じて前記室外ファンの回転数を制御する、冷凍サイクル。 - 前記能力に変化があることが予測される場合に、前記能力の予測は、空気エンタルピー法を暖房モードで用いるか、またはコンプレッサーカーブ法を冷房モードで用いて実施される、請求項1に記載の冷凍サイクル。
- 前記能力がほぼ一定となることが予測される場合に、前記コントローラは、前記圧縮機および前記室外ファンの消費電力の合計値を最小にするように前記室外ファンの回転数を決定する、請求項1に記載の冷凍サイクル。
- 前記能力の予測は、前記圧縮機の消費電力の変化の履歴および空調負荷の履歴によって実施される、請求項1に記載の冷凍サイクル。
- 前記予測された能力と消費電力との合算の比の履歴を用いて室外ファンの回転数が決定される、請求項1に記載の冷凍サイクル。
- 室外ユニットおよび室内ユニットを含む空調システムであって、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御するコントローラ、および
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で室外ファンを制御するインバータ、
を含み、
前記コントローラは、前記空調負荷を予測し、前記予測された能力に基づく能力に応じて前記室外ファンの回転数を制御する、空調システム。 - 前記能力に変化があることが予測される場合に、前記能力の予測は、空気エンタルピー法を暖房モードで用いるか、またはコンプレッサーカーブ法を冷房モードで用いて実施される、請求項6に記載の空調システム。
- 前記能力がほぼ一定となることが予測される場合に、前記コントローラは、前記圧縮機および前記室外ファンの消費電力の合計値を最小にするように前記室外ファンの回転数を決定する、請求項6に記載の空調システム。
- 前記能力の予測は、前記圧縮機の消費電力の変化の履歴および空調負荷の履歴によって実施される、請求項6に記載の空調システム。
- 前記予測された能力と消費電力との合算の比の履歴を用いて室外ファンの回転数が決定される、請求項6に記載の空調システム。
- 前記空調システムは、共有の室外ユニットによって制御される複数の室内ユニットを含む、請求項6に記載の空調システム。
- 室外ユニットおよび室内ユニットを含む冷凍サイクルを制御するための方法であって、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で前記室外ファンを制御すること、ならびに
前記空調負荷を予測し、前記予測された能力に基づく能力に応じて前記室外ファンの回転数を制御すること
を含む方法。 - 前記能力に変化があることが予測される場合に、前記能力の予測は、空気エンタルピー法を暖房モードで用いるか、またはコンプレッサーカーブ法を冷房モードで用いて実施される、請求項12に記載の冷凍サイクルを制御する方法。
- 前記能力がほぼ一定となることが予測される場合に、前記室外ファンの回転数は、前記圧縮機および前記室外ファンの消費電力の合計値を最小にするように決定される、請求項12に記載の冷凍サイクルを制御する方法。
- 前記能力の予測は、前記圧縮機の消費電力の変化の履歴および空調負荷の履歴によって実施される、請求項12に記載の冷凍サイクルを制御する方法。
- 前記室外ファンの回転数は、予測される能力と消費電力との合算の比の履歴を用いて決定される、請求項12に記載の冷凍サイクルを制御する方法。
- 前記空調システムは、共有の室外ユニットによって制御される複数の室内ユニットを含む、請求項12に記載の冷凍サイクルを制御する方法。
- 記憶装置でタンジブルなCPU実行可能なプログラムであって、
空調システムの消費電力の合計値を最小にするように圧縮機および室外ファンを制御すること、
運転モードおよびセンサ値に応じて空調空間の空調負荷から予測される回転数で前記室外ファンを制御すること、ならびに
前記空調負荷を予測し、前記予測された能力に基づく能力に応じて前記室外ファンの回転数を制御すること
を含む処理をCPUに実行させる、CPU実行可能なプログラム。
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