WO2022215392A1 - ファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法 - Google Patents

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WO2022215392A1
WO2022215392A1 PCT/JP2022/008806 JP2022008806W WO2022215392A1 WO 2022215392 A1 WO2022215392 A1 WO 2022215392A1 JP 2022008806 W JP2022008806 W JP 2022008806W WO 2022215392 A1 WO2022215392 A1 WO 2022215392A1
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temperature
fan coil
intake air
coil unit
water
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道生 鍵谷
勇夫 岡安
宗正 小林
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株式会社麹町エンジニアリング
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    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/50—Control or safety arrangements characterised by user interfaces or communication
    • F24F11/54—Control or safety arrangements characterised by user interfaces or communication using one central controller connected to several sub-controllers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
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    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2110/00—Control inputs relating to air properties
    • F24F2110/10—Temperature

Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling a fan coil unit installed in a perimeter zone and a method of calculating a heat transfer amount.
  • Air handling units, fan coil units, etc. are used in the central air conditioning system, which is the air conditioning equipment for medium-sized or large-sized buildings.
  • a large floor is generally divided into a window-side perimeter zone, which is susceptible to outside air, and an interior zone, which is hardly affected by outside air.
  • the fan coil unit is installed in a perimeter zone where the temperature cannot be controlled by the air handling unit alone.
  • the fan coil unit takes in room air, heat-exchanges it with cold or hot water in the heat exchange coil, and blows it out to control the temperature of the perimeter zone.
  • a common method for controlling a fan coil unit is to control the supply and stop of cold or hot water so that the indoor set temperature (design specification value) is constant throughout the cooling and heating periods. .
  • Such a control method does not consider the heat load of the perimeter zone at all, so the period during which cold water or hot water is wasted increases.
  • An embodiment of the present invention comprises heat exchange coils (11) installed in the perimeter zone, each supplied with cold or hot water, sucking in room air and passing it through said heat exchange coils (11) with said cold water.
  • a control method for a plurality of fan coil units configured to blow out indoors after exchanging heat with hot water, a first step of grouping a plurality of fan coil units based on the orientation of the installation location and predetermining a predetermined intake air set temperature (T3) for each group before operation of the plurality of fan coil units; , When the plurality of fan coil units are in operation, the intake air temperature (t3) is detected for each group, and the intake air temperature (t3) matches the intake air set temperature (T3) predetermined for each group.
  • a second step of controlling the supply and stop of the cold water or hot water to each fan coil unit so as to The first step is a third step of calculating the perimeter heat load (H L ) of the perimeter zone; and a fourth step of determining the intake air set temperature (T3) of each of the groups according to the calculated heat load (H L ).
  • said first step comprises determining said intake air set point temperature (T3) for each cooling and heating period.
  • said control method wherein said first step comprises determining said intake air setpoint temperature (T3) for each time of day, and
  • the second step includes operating the fan coil unit after setting the intake air set temperature (T3) for each predetermined time zone before operating the fan coil unit.
  • said first step comprises determining said intake air set point temperature (T3) for each day of different weather, and The second step includes operating the fan coil unit after setting the intake air set temperature (T3) predetermined according to the weather of the day before operating the fan coil unit.
  • said fourth step comprises: a step of calculating an indoor temperature change ( ⁇ T L ) due to the heat load (H L ); During cooling, set a temperature higher than the reference value of the air temperature (t4) blown out of the fan coil unit by the above-mentioned room temperature change ( ⁇ T L ). and determining a temperature lower by a temperature change ( ⁇ T L ) as the intake air set temperature (T3).
  • said first step comprises determining a set temperature (T1) of cold or hot water supplied to the fan coil unit.
  • Another aspect of the present invention is a method for calculating a heat transfer amount (H) from water flowing through a heat exchange coil to air in a fan coil unit to which the above control method is applied,
  • the first temperature difference ( ⁇ tw 0 );
  • the heat transfer amount (H) is calculated from the following formula.
  • Amount of heat transferred (H) amount of water (L) x specific heat of water ( ⁇ w) x first coefficient ( ⁇ w) x second temperature difference after change ( ⁇ Ti).
  • Yet another aspect of the present invention is a method for calculating a heat transfer amount (H) from water flowing through a heat exchange coil to air in a fan coil unit to which the control method is applied,
  • the first temperature difference ( ⁇ ta 0 ) which is the temperature change between the inlet and outlet of the fan coil unit, is calculated using the design specification value (H 0 ) of the heat transfer amount, the amount of air (Q), and the specific heat of the air ( ⁇ a).
  • a calculating step A step of calculating a second temperature difference ( ⁇ Ti 0 ), which is the difference between the design specification values (T1 0 , T3 0 ) of the water set temperature and the intake air set temperature; calculating a second coefficient ( ⁇ a) that is the ratio of the first temperature difference ( ⁇ ta 0 ) and the second temperature difference ( ⁇ Ti 0 );
  • heat consumption energy of cold water or hot water supplied to the fan coil unit is reduced by predetermining the intake air set temperature of the fan coil unit in consideration of the heat load in each direction of the perimeter zone. can do. Since the control method of the present invention is a simple method of appropriately changing the intake air set temperature from the design specification value and setting it, it can be easily applied to an existing fan coil unit control system.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the overall configuration of an air conditioning system including an FCU.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of an FCU.
  • FIG. 3(a) is a diagram schematically showing control of intake air temperature by cold water during cooling, and FIG. 3(b) by hot water during heating.
  • FIG. 4 is a graph showing temperature changes due to heat exchange between cold water and air in the FCU during cooling.
  • FIG. 5 is a graph showing temperature changes due to heat exchange between hot water and air in the FCU during heating.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a procedure of a method for calculating the amount of heat transferred from chilled water to air in the FCU during cooling.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the overall configuration of an air conditioning system including an FCU.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of an FCU.
  • FIG. 3(a) is a diagram schematically showing control of intake air temperature
  • FIG. 7 is a graph showing changes in the reduction rate of the amount of heat transfer calculated by the flow shown in FIG. 6 during cooling.
  • FIG. 8 is a graph similar to FIG. 7 during heating.
  • FIG. 9 is a flowchart schematically showing an example of a method of setting intake air set temperature for each FCU group for each azimuth.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of intake air set temperatures during cooling in the southeast direction.
  • FIG. 11 is a graph showing an example of intake air set temperatures during cooling in the northwest direction.
  • FIG. 12 is a graph showing an example of intake air set temperatures during heating in the southeast direction.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of intake air set temperatures during heating in the northwest direction.
  • FIG. 14 schematically shows an example of the operation flow of the FCU.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the overall configuration of a central air conditioning system including a fan coil unit (hereinafter sometimes abbreviated as "FCU").
  • FCU fan coil unit
  • One floor of the building shown in plan view in FIG. 1 is substantially rectangular, and has an interior zone and a perimeter zone surrounding it. The perimeter zone is susceptible to outside air.
  • a plurality of FCUs 10 are installed at predetermined intervals along the windows in the perimeter zone.
  • the air handling unit (AHU) 20 adjusts the temperature of the taken outside air by heat exchange with cold water or hot water, and supplies it to each floor as supply air.
  • the FCU 10 performs temperature control in perimeter zones where the AHU 20 alone cannot sufficiently control the temperature.
  • the FCU 10 sucks indoor air, heat-exchanges it with cold water or hot water, and then blows it indoors.
  • the FCU 10 only circulates room air.
  • simply "water” refers to both cold and hot water.
  • the multiple FCUs 10 installed in the perimeter zone are divided into multiple groups.
  • One or more FCUs in each group are located within the perimeter zone at locations subject to approximately the same degree of outside air influence.
  • all FCUs 10 are grouped based on the orientation of windows or walls adjacent to the location of each FCU 10 .
  • the azimuths may be divided into two azimuths, south and north, or, in another example, eight azimuths.
  • a plurality of FCUs 10 installed in one direction may be divided into several groups.
  • the control device 40 collectively controls the FCUs 10 in one group. Therefore, each FCU 10 in one group is similarly controlled based on the same setting value.
  • the heat source device 30 has a cold water source 31 and a hot water source 32 .
  • the FCU 10 is supplied with cold water or hot water as incoming water from the heat source device 30 . After the cold water or hot water exchanges heat with the air in the FCU 10, it returns to the heat source device 30 as return water.
  • the control device 40 controls the heat source device 30 so as to maintain the incoming water temperature t1 at the set temperature T1.
  • the return water temperature t2 is the temperature after heat exchange in the FCU 10 .
  • Appropriate pumps and valves indicated by reference numerals 33 and 34 are provided between the heat source device 30 and the FCU 10 .
  • the control device 40 controls the supply and stop of cold water or hot water to the FCU 10 by controlling these pumps and valves.
  • a temperature sensor 17 for detecting the intake air temperature t3 of the FCUs 10 included in each group is provided for each group. Detection data of the intake air temperature t3 is sent to the control device 40 .
  • the control device 40 compares the intake air temperature t3 with a preset intake air set temperature T3, and controls the supply and stop of cold water or hot water so that both match. After heat exchange within the FCU 10, the intake air leaves the FCU 10 as blown air having a temperature t4.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the fan coil unit 10.
  • FIG. The illustrated FCU 10 is of the floor-mounted type, but there is also a ceiling-embedded type.
  • the FCU 10 draws in air from the lower air inlet 14, passes the air through the heat exchange coil 11, and then blows out the air from above.
  • Outgoing water of temperature t1 enters from the inlet of the heat exchange coil 11, and return water of temperature t2 leaves from the outlet.
  • a temperature sensor 17 is provided at the air inlet 14 .
  • the configuration of such an FCU is well known.
  • Fig. 3(a) is a graph schematically showing the control of the intake air temperature t3 of the fan coil unit during cooling and (b) during heating.
  • the chilled water temperature t1 is controlled to a constant chilled water set temperature T1 (for example, 7° C.).
  • the control device intermittently switches between supplying and stopping cold water in order to set the intake air temperature t3 detected by the temperature sensor to the intake air set temperature T3 (for example, 26°C).
  • the hot water temperature t1 is controlled to a constant hot water set temperature T1 (eg, 50° C.).
  • the control device intermittently switches between supply and stop of hot water in order to set the intake air temperature t3 detected by the temperature sensor to the intake air set temperature T3 (for example, 22°C).
  • the intake air temperature t3 is controlled to be a constant intake air set temperature T3.
  • design specification values for multiple parameters are determined for each of cooling and heating.
  • FCU operation is controlled according to constant design specification values throughout the cooling or heating period.
  • the set water temperature T1 and the intake air set temperature T3 are also one of the parameters.
  • the set chilled water temperature T1 is 7°C and the set intake air temperature T3 is 26°C. °C.
  • these design specification values are not changed in the middle of a cooling period or a heating period over several months.
  • the present invention proposes to greatly reduce the heat energy consumption of water by appropriately changing these set temperatures T1, T3, which were conventionally fixed at design specification values.
  • Fig. 4 is a graph showing each temperature change due to heat exchange (countercurrent type) between cold water and air in the FCU during cooling.
  • heat exchange countercurrent type
  • Fig. 6 is a flow chart showing the procedure for calculating the amount of heat transferred from cold water to air in the FCU during cooling.
  • the flow on the left side of FIG. 6 is a method of calculation based on changes on the water side, and the flow on the right side is a method of calculation based on changes on the air side.
  • the results obtained using either flow are the same.
  • the calculation method of the amount of heat transfer during heating is substantially the same as in FIG. 6, so illustration is omitted.
  • the inlet chilled water temperature t1 is controlled to be equal to the set temperature T1, so T1 is always used for t1.
  • the intake air temperature t3 is set Since it is controlled to be equal to the temperature T3, T3 is always used for t3.
  • Cooling time (2-1) Cooling time (summer)
  • the calculation flow of the amount of heat transferred from cold water to air in the FCU during cooling (Heat consumption energy of cold water) will be described.
  • the following values are used as design specification values for each parameter of the FCU during cooling.
  • Each parameter of the design specification value is given a subscript "0", but the air quantity Q and the cold water quantity L are not given because they are not changed from the design specification value.
  • Step 1 Calculate the temperature difference ⁇ tw 0 , which is the temperature change of cold water at the inlet and the outlet, and the temperature difference ⁇ ta 0 , which is the temperature change of the air at the inlet and the outlet when the design specification values are used.
  • Step 3 When the cold water set temperature and intake air set temperature are changed from the design specification values T1 0 and T3 0 to other arbitrary values T1 and T3, the heat transfer amount H also changes from the design specification value H 0 accordingly. do. Also, the cold water temperature difference ⁇ tw and the air temperature difference ⁇ ta change from the design specification values ⁇ tw 0 and ⁇ ta 0 .
  • the concepts of a first coefficient ⁇ w and a second coefficient ⁇ a are introduced in order to easily calculate the heat transfer amount H, cold water temperature difference ⁇ tw, and air temperature difference ⁇ ta at arbitrary set temperatures T1 and T3. do.
  • the first coefficient ⁇ w and the second coefficient ⁇ a can be calculated using design specification values for each parameter.
  • the above steps 1 and 2 are preparatory steps for that purpose. A method of calculating the coefficients ⁇ w and ⁇ a will be described below.
  • the heat transfer amount H of cold water is equal to the heat transfer capacity H of the FCU and the heat transfer amount H of air. That is, the cooling heat amount of cold water is all transferred to the air via the FCU.
  • the temperature difference between cold water and air in the FCU is maximum (T3-T1) at the FCU inlet and minimum (t4-t2) at the FCU outlet.
  • the logarithmic average temperature difference ⁇ t m is used to represent the average temperature difference between water and air during passage through the FCU.
  • the logarithmic average temperature difference ⁇ tm is calculated by the following Fourier formula.
  • ⁇ tm ((T3-t2)-(t4-T1))/ln((T3-t2)/(t4-T1))
  • the chilled water temperature difference ⁇ t between the chilled water set temperature T1 and the return chilled water temperature t2 is proportional to the heat transfer amount H of chilled water ( ⁇ t ⁇ H), and the logarithmic average temperature difference ⁇ tm in the FCU is also proportional to the heat transfer capacity H ( ⁇ tm ⁇ H).
  • the heat transfer amount H of the cold water and the heat transfer capacity H of the FCU are equal, so the ratio ⁇ tw/ ⁇ tm is constant.
  • the air temperature difference ⁇ ta between the intake air set temperature T3 and the blowing air temperature t4 is proportional to the heat transfer amount H of the air ( ⁇ ta ⁇ H), and the logarithmic average temperature difference ⁇ tm in the FCU is also the heat transfer capacity. proportional to H ( ⁇ tm ⁇ H).
  • H of the air is equal to the heat transfer capacity H of the FCU, so the ratio ⁇ ta/ ⁇ tm is constant.
  • the inlet temperature difference ⁇ Ti is proportional to the heat transfer amount H of each of the cold water and air ( ⁇ Ti ⁇ H), and the logarithmic mean temperature difference ⁇ tm in the FCU is also proportional to the heat transfer capacity H ( ⁇ tm ⁇ H).
  • the heat transfer capacity H of the FCU is equal to the heat transfer amount H of the cold water and the air, so the ratio .DELTA.Ti/.DELTA.tm is constant.
  • Equation [10] shows that even if the cold water temperature difference ⁇ tw and the inlet temperature difference ⁇ Ti change, the ratio ⁇ w is always constant.
  • equation [11] indicates that the ratio ⁇ a is always constant even if the air temperature difference ⁇ ta and the inlet temperature difference ⁇ Ti change.
  • Step 4 Next, try changing the cold water set temperature and intake air set temperature to values T1 and T3 other than the design specification values T10 and T30.
  • 17.degree.
  • Step 6 The two coefficients ⁇ w and ⁇ a are always constant no matter how the set temperatures T1 and T3 are changed.
  • the heat transfer amount H after the change can be calculated using the formula [1] or [3].
  • the heat transfer amount H has the same value regardless of whether the first coefficient ⁇ w or the second coefficient ⁇ a is used.
  • ⁇ H (%) ((H - H 0 )/H 0 ) x 100 (%) [18]
  • ⁇ H ⁇ 10.6% (reduction is indicated here by negative values).
  • Fig. 5 is a graph showing temperature changes due to heat exchange between hot water and air in the FCU during heating. During passage through the FCU from inlet to outlet, the hot water cools and the air warms.
  • the calculation method of the hot water temperature difference ⁇ tw, the air temperature difference ⁇ ta, the heat transfer amount H, and the reduction rate ⁇ H when the design specification values T1 0 and T3 0 of the set temperature during heating are changed to different values T1 and T3 are shown in FIG. It is the same as the cooling time shown in 6.
  • the only difference between heating and cooling is that the hot water temperature difference ⁇ tw, the air temperature difference ⁇ ta, and the inlet temperature difference ⁇ Ti are considered to be positive values (steps 2 and 5).
  • the explanation given for cooling can also be applied to heating by replacing "cold water” with "hot water”.
  • FIG. 7 is a graph showing changes in the reduction rate ⁇ H of the heat transfer amount during cooling calculated according to the flow of FIG. 6 .
  • the horizontal axis represents the intake air set temperature T3, and the vertical axis represents the reduction rate ⁇ H of the heat transfer amount H with respect to the design specification value H0 .
  • Each straight line represents the change in the reduction rate ⁇ H when the cold water set temperature T1 is kept constant.
  • the heat transfer amount reduction rate ⁇ H negative absolute value
  • the heat transfer amount reduction rate ⁇ H increases as the chilled water set temperature T1 increases.
  • Fig. 8 is a graph similar to Fig. 7, but during heating.
  • the heat transfer amount reduction rate ⁇ H negative absolute value
  • the intake air set temperature T3 is made higher than the design specification value.
  • the heat transfer amount reduction rate ⁇ H increases as the hot water set temperature T1 decreases.
  • ⁇ Ti which is the difference between the hot water set temperature T1 and the intake air set temperature T3
  • the closer the temperatures of the water and air that exchange heat are the smaller the amount of heat transferred from the water to the air, and the smaller the heat consumption energy of the water.
  • the inlet temperature difference ⁇ Ti can be reduced by raising the cold water set temperature T1 and/or lowering the intake air set temperature T3 compared to the design specification value.
  • the inlet temperature difference ⁇ Ti can be reduced by lowering the hot water set temperature T1 and/or raising the intake air set temperature T3 compared to the design specification value.
  • FIG. 9 is a flow diagram schematically showing an example of a method of determining the intake air set temperature T3 for each FCU group classified by orientation.
  • the set water temperature T1 is constant. This determination flow is performed as a preparatory step before the actual FCU operation. For example, it is performed using past data and prediction data before the start of operation of the FCU in summer or winter.
  • Step 11 Calculate the heat load HL for each hour of the day in each direction of the perimeter zone for each of sunny weather and cloudy weather.
  • the heat load H L is the sum of the heat input H L1 from the window glass, the heat input H L2 from the wall, and the load H L3 from the room during cooling.
  • heat is outflow rather than heat inflow through windows and walls.
  • HL takes a positive value during cooling because heat penetration is large, and HL becomes a negative value during heating because heat outflow is large.
  • a method of calculating such a heat load HL is a known technique, and a standard "air conditioning load calculation table" is also widely used.
  • the reason why the heat load HL is calculated for both fine weather and cloudy weather is that the weather greatly affects the heat load HL .
  • Sunny weather and cloudy weather are examples of weather, and heat load may be calculated for more than two different weather conditions.
  • an average value of the heat load HL for each weather may be used.
  • the reason why the heat load HL is calculated for each time slot in a day is that the heat load HL changes depending on the time slot.
  • the length of the time slot may be, for example, one hour or two hours, and each time slot may not have the same length.
  • the same value may be used throughout the day, in which case the average value of the heat load HL for each time period may be used. is preferred.
  • the entire cooling or heating period may be divided into periods of, for example, one month, half a month, or one week, and the heat load HL calculated for each period may be used.
  • Step 12 Calculate the room temperature change ⁇ T L due to the heat load H L calculated in step 11 .
  • ⁇ T L H L /(Q ⁇ a) [21] (Q: FCU air volume (m 3 /h), ⁇ a: air specific heat)
  • Q FCU air volume (m 3 /h)
  • ⁇ a air specific heat
  • Step 13 Here, the indoor temperature change ⁇ T L calculated in step 12 is assumed to be equal to the difference between the FCU intake air set temperature T3 and the blowout air temperature t4.
  • ⁇ T L t4 ⁇ T3
  • the blown air temperature t4 is a temperature obtained as a result of heat exchange of the intake air in the FCU, so it is neither a set value nor a determinable value, but is selected here as a reference value for determining the set temperature T3. .
  • ⁇ ta 0 in the above formula [4] using the design specification value is 9.0 ° C., so subtract 9.0 ° C. from 26 ° C., which is the design specification value T3 0 of the intake air set temperature. and 17° C. is obtained as t4. At this point, this is selected as a reference value for the blown air temperature t4.
  • t4 as a reference value can also be changed later.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of the intake air set temperature T3 during cooling obtained according to the determination flow of FIG.
  • FIG. 10 shows the set temperature T3 for each time period for the southeast group when the FCUs in the perimeter zone are grouped into four directions (southeast, southwest, northwest, and northeast).
  • the left vertical axis is ⁇ T L
  • the right vertical axis is the intake air set temperature T3 calculated by the above equation [23] when 17° C. is selected as the blown air temperature t4.
  • the intake air set temperature T3 is made lower than the design specification value (26° C.)
  • the heat consumption energy of water can be reduced (here, the chilled water set temperature T1 is 7° C. constant).
  • the heat consumption energy can be reduced in most cases except for the time period when the heat load is large under fine weather.
  • FIG. 11 is a diagram similar to FIG. 10, but shows the intake air set temperature T3 for each time zone of the northwest group. Also in this case, it can be seen that the heat consumption energy can be reduced in most cases except for the time period when the heat load is large under fine weather.
  • FIG. 12 shows the intake air set temperature T3 for the southeast group as in FIG. 10, but is a graph showing an example during heating.
  • the vertical axis on the left side is ⁇ T L (negative value during heating), and the vertical axis on the right side is the intake air calculated by the above formula [23] when 26 ° C. is selected as the reference value for the outlet air temperature t4. This is the set temperature T3.
  • the heat consumption energy of water can be reduced by setting the intake air set temperature T3 higher than the design specification value (here, the hot water set temperature T1 is constant at 50°C).
  • the set intake air temperature T3 does not differ greatly from the design specification value, but at least the intake air set temperature T3 can be determined so as to reduce the heat consumption energy compared to the design specification value. be.
  • FIG. 13 is a diagram similar to FIG. 12, but shows the intake air set temperature T3 for each time zone of the northwest group.
  • FIGS. 12 and 13 it does not seem necessary to greatly change the intake air set temperature T3 from the design specification value, but this is just an example.
  • the method of the present invention can also be applied during heating, and depending on the conditions of the perimeter zone, changing the intake air set temperature T3 may greatly contribute to energy saving.
  • the method of determining the intake air set temperature T3 for each FCU group described above is an example. In a simple method, the same value can be used throughout the day without setting for each time period. In that case, it is preferable that the average value of the intake air set temperature T3 in each time period shown in FIGS. 10 to 13 is used as the intake air set temperature T3 for one day.
  • the water heat consumption energy in all FCUs can also be reduced by raising the water set temperature T1 from the design specification value during cooling and lowering it during heating.
  • the final determination of the set temperatures T3 and T1 is made in consideration of the balance between the reduction rate of heat consumption energy and the human experience.
  • FIG. 14 schematically shows an example of an FCU operation flow for cooling or heating throughout the day. It is assumed that the intake air set temperature T3 is predetermined according to the determination flow of FIG. 9, and the water set temperature T1 is also predetermined. Step 21: Check whether the weather is fine or cloudy (or closer to which) in the morning of the day when the FCU is to be put into operation.
  • Step 22 According to the confirmed weather, in the control device shown in FIG. 1, the intake air set temperature T3 of the FCU for each time period in each direction is set to a predetermined set temperature.
  • the intake air set temperature T3 set before operation is not changed during operation.
  • the set temperature T1 of water is also changed if it differs from the design specification value.
  • the operation of the FCU is started.
  • supply and stop of cold water or hot water to each FCU is controlled based on the intake air set temperature T3.
  • the intake air set temperature T3 may be set to the same value throughout the day for each azimuth, instead of being set for each time zone.
  • Step 23 After the end of operation, the amount of reduction in heat consumption energy for water can be evaluated based on the operation records of the heat source equipment and control device of the day.
  • the absolute value of the difference between the intake air set temperature T3 and the water set temperature T1 can be reduced in the direction and/or the time period set smaller than the design specification value. to confirm.
  • the intake air set temperature T3 and the water set temperature T1 which are set before operation, are not changed during operation. There is also Such can happen, for example, if the weather is unpredictable. However, when averaged over a somewhat long period of one week, half a month, one month, or one season, a significant reduction in heat energy consumption can be achieved compared to the case where the control method of the present invention is not employed.

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Abstract

ファンコイルユニットの制御方法であって、ペリメーターゾーンの熱負荷を考慮して冷水又は温水を効率的に使用することができ、かつ簡易な方法を提供する。　ペリメーターゾーンに設置されたファンコイルユニットの制御方法であって、設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループ毎に所定の吸込空気設定温度（T3）を予め決定する第１のステップと、前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に従って各ファンコイルユニットへの冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、前記第１のステップが、ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（HＬ）を算出する第３のステップと、算出された熱負荷（HＬ）に応じて、前記各グループ毎に前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含む。

Description

ファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法
　本発明は、ペリメーターゾーンに設置されたファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法に関する。
　中規模ないしは大規模の建物の空調設備であるセントラル空調方式では、エアハンドリングユニットやファンコイルユニットなどが用いられる。広いフロアは、一般的に、外気の影響を受けやすい窓側のペリメーターゾーンと、外気の影響をほとんど受けないインテリアゾーンに分けられる。ファンコイルユニットは、エアハンドリングユニットのみでは温度制御できないペリメーターゾーンに設置される。ファンコイルユニットは、室内の空気を吸い込み、熱交換コイルの冷水又は温水と熱交換して吹き出すことでペリメーターゾーンの温度調節を行う。
　一般的なファンコイルユニットの制御方法は、冷房と暖房の各期間の全体に亘って一定の室内設定温度（設計仕様値）となるように、冷水又は温水の供給と停止を制御する方法である。このような制御方法は、ペリメーターゾーンの熱負荷を全く考慮していないため冷水や温水が無駄に使用される期間が多くなる。
　特許文献１に記載のファンコイルユニットの運転制御方法では、室内設定温度と、室内温度センサで測定された実温度との差信号から求めた熱負荷に基づいて冷温水ポンプ等の運転をインバータ制御している。
特開２００４－３０９０３２号公報
　特許文献１のファンコイルユニットの運転制御方法では、リアルタイムのインバータ制御を行うため、高度な制御プログラムを備えた制御装置が必要であることに加え、既存のファンコイルユニットの制御装置にそのまま適用することはできない。
　以上の現状に鑑み、本発明は、ファンコイルユニットの制御方法であって、ペリメーターゾーンの熱負荷を考慮して冷水又は温水を効率的に使用することができかつ簡易な方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するべく本発明は、以下の構成を提供する。括弧内の数字は、後述する図面中の符号であり、参考のために付している。
－　本発明の態様は、ペリメーターゾーンに設置され、各々が冷水又は温水を供給される熱交換コイル（11）を備え、室内空気を吸い込みその吸込空気を前記熱交換コイル（11）で前記冷水又は温水と熱交換させた後に室内に吹き出すように構成された複数のファンコイルユニットの制御方法であって、
　設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループに対し所定の吸込空気設定温度（T3）をそれぞれ前記複数のファンコイルユニットの稼動前に予め決定する第１のステップと、
　前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に吸込空気温度（t3）を検知し、前記吸込空気温度（t3）が、各グループに予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に一致するように各ファンコイルユニットへの前記冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、
　前記第１のステップが、
　　ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（HＬ）を算出する第３のステップと、
　　算出された前記熱負荷（HＬ）に応じて前記各グループの前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含む。
－　好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、冷房と暖房の各々の期間について、前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含む。
－　好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、１日のうちの各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
　前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、予め決定された各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む。
－　好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、天候の異なる日の各々の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
　前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、当日の天候に応じて予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む。
－　好ましくは前記制御方法において、前記第４のステップが、
　　前記熱負荷(HＬ)による室内温度変化（ΔTＬ）を算出するステップと、
　　冷房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値から前記室内温度変化（ΔTＬ）だけ高い温度を、暖房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値よりも前記室内温度変化（ΔTＬ）だけ低い温度を、前記吸込空気設定温度（T3）として決定するステップとを含む。
－　好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、ファンコイルユニットに供給する冷水又は温水の設定温度（T1）を決定することを含む。
－　本発明の別の態様は、上記制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
　伝熱量の設計仕様値（H０）、冷水又は温水の水量（L）、水の比熱（ρw）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の水の温度変化である第１の温度差（Δtw０）を算出するステップと、
　水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1０, T3０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi０）を算出するステップと、
　前記第１の温度差（Δtw０）と前記第２の温度差（ΔTi０）の比である第１係数（γw）を算出するステップと、
　水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
　　伝熱量（H）＝水量（L）×水の比熱（ρw）×第１係数（γw）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。
－　本発明のさらに別の態様は、前記制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
　伝熱量の設計仕様値（H０）、空気量（Q）、空気の比熱（ρa）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の空気の温度変化である第１の温度差（Δta０）を算出するステップと、
　水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1０, T3０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi０）を算出するステップと、
　前記第１の温度差（Δta０）と前記第２の温度差（ΔTi０）の比である第２係数（γa）を算出するステップと、
　水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
　　伝熱量（H）＝空気量（Q）×空気の比熱（ρa）×第２係数（γa）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。
　本発明によれば、ペリメーターゾーンの各方位の熱負荷を考慮してファンコイルユニットの吸込空気設定温度を予め決定することによって、ファンコイルユニットに供給される冷水又は温水の熱消費エネルギーを削減することができる。本発明の制御方法は、吸込空気設定温度を設計仕様値から適切に変更して設定する簡易な方法であるので、既存のファンコイルユニットの制御システムにも容易に適用できる。
図１は、ＦＣＵを含む空調システムの全体構成の一例を概略的に示す図である。 図２は、ＦＣＵの一例を概略的に示す断面図である。 図３（ａ）は冷房時における冷水による、（ｂ）は暖房時における温水による、吸込空気温度の制御を模式的に示した図である。 図４は、冷房時のＦＣＵにおける冷水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。 図５は、暖房時のＦＣＵにおける温水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。 図６は、冷房時のＦＣＵにおける冷水から空気への伝熱量の算出方法の手順を示したフロー図である。 図７は、冷房時において、図６に示したフローにより算出される伝熱量の削減率の増減を示すグラフである。 図８は、暖房時における図７と同様のグラフである。 図９は、方位毎の各ＦＣＵグループに対する吸込空気設定温度の設定方法の一例を概略的に示すフロー図である。 図１０は、南東の方位における冷房時の吸込空気設定温度の一例を示すグラフである。 図１１は、北西の方位における冷房時の吸込空気設定温度の一例を示すグラフである。 図１２は、南東の方位における暖房時の吸込空気設定温度の一例を示すグラフである。 図１３は、北西の方位における暖房時の吸込空気設定温度の一例を示すグラフである。 図１４は、ＦＣＵの稼動フローの一例を概略的に示している。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（１）空調システムの全体構成
　図１は、ファンコイルユニット（以下、「ＦＣＵ」と略称する場合がある）を含むセントラル空調システムの全体構成の一例を概略的に示す図である。図１に平面図で示す建物の一フロアは略四角形であり、インテリアゾーンとそれを取り囲むペリメーターゾーンがある。ペリメーターゾーンは外気の影響を受けやすい。図示の例では、複数のＦＣＵ１０が、ペリメーターゾーンの窓際に沿って所定の間隔で設置されている。エアハンドリングユニット（ＡＨＵ）２０は、取り入れた外気を冷水又は温水との熱交換で温度調節し、給気として各フロアに供給する。ＦＣＵ１０は、ＡＨＵ２０のみでは十分に温度制御できないペリメーターゾーンにおいて温度制御を行う。ＦＣＵ１０は、室内空気を吸い込み、冷水又は温水と熱交換させた後、室内に吹き出す。ＦＣＵ１０は、室内空気を循環させるのみである。本明細書で単に「水」というときは、冷水と温水の双方を意味する。
　本発明では、ペリメーターゾーンに設置された複数のＦＣＵ１０を複数のグループに分けている。各グループに含まれる１又は複数のＦＣＵは、ペリメーターゾーン内でほぼ同程度の外気の影響を受ける場所に位置する。好ましくは、各ＦＣＵ１０の設置場所に隣接する窓又は壁の向く方位を基に、全てのＦＣＵ１０がグループ分けされる。この例では、方位１～４の４つのＦＣＵグループがある。例えば、東西南北の４方位である。方位の分け方、グループの数、及び一グループに含まれるＦＣＵの数は、ペリメーターゾーンの状況に応じて適宜決定できる。例えば、方位を南と北の２方位に分けてもよく、別の例では８方位に分けてよい。また、例えば一方位に設置された複数のＦＣＵ１０を幾つかのグループに分けてもよい。制御装置４０は、一グループ内のＦＣＵ１０をまとめて制御する。よって、一グループ内の各ＦＣＵ１０は、同じ設定値を基に同じように制御される。
　図１では、ペリメーターゾーン内の方位３に設置された６つのＦＣＵ１０についてのみ、冷水、温水、及び空気の流れ、並びに制御の流れを簡略的に示している。他の方位のグループについては図示していないが同様である。
　熱源装置３０は、冷水源３１と温水源３２とを有する。ＦＣＵ１０は、熱源装置３０からの往水として冷水又は温水を供給される。冷水又は温水は、ＦＣＵ１０内で空気と熱交換した後、還水として熱源装置３０へ戻る。制御装置４０は、往水温度ｔ１を設定温度Ｔ１に維持するように熱源装置３０を制御する。還水温度ｔ２は、ＦＣＵ１０で熱交換した後の温度である。熱源装置３０とＦＣＵ１０との間には符号３３、３４で示す適宜のポンプやバルブが設けられている。制御装置４０は、これらのポンプやバルブを制御することにより、ＦＣＵ１０への冷水又は温水の供給と停止を制御する。
　各グループ毎に、そのグループに含まれるＦＣＵ１０の吸込空気温度ｔ３を検知するための温度センサ１７が設けられている。吸込空気温度ｔ３の検知データは、制御装置４０に送られる。制御装置４０は、吸込空気温度ｔ３を、予め設定された吸込空気設定温度Ｔ３と比較し、両者が一致するように冷水又は温水の供給と停止を制御する。吸込空気は、ＦＣＵ１０内で熱交換した後、温度ｔ４の吹出空気としてＦＣＵ１０から出る。
　図２は、ファンコイルユニット１０の一例を概略的に示す断面図である。図示のＦＣＵ１０は床置き型であるが、天井埋込型のものもある。ＦＣＵ１０は、ファン１６を稼動させることによって、下部の空気入口１４から空気を吸い込み、熱交換コイル１１に空気を通過させた後、空気を上方から吹き出す。熱交換コイル１１の入口から温度ｔ１の往水が入り、出口から温度ｔ２の還水が出る。空気入口１４には、温度センサ１７が設けられている。このようなＦＣＵの構成は公知である。
　図３（ａ）は冷房時の、（ｂ）は暖房時の、ファンコイルユニットの吸込空気温度ｔ３の制御を模式的に示したグラフである。図３（ａ）に示すように、冷水温度ｔ１は一定の冷水設定温度Ｔ１（例えば７℃）に制御されている。制御装置は、温度センサにより検知された吸込空気温度ｔ３を吸込空気設定温度Ｔ３（例えば２６℃）とするために冷水の供給と停止を間欠的に切り替える。同様に、図３（ｂ）に示すように温水温度ｔ１は一定の温水設定温度Ｔ１（例えば５０℃）に制御されている。制御装置は、温度センサにより検知された吸込空気温度ｔ３を吸込空気設定温度Ｔ３（例えば２２℃）とするために温水の供給と停止を間欠的に切り替える。いずれにしても時間平均すると、吸込空気温度ｔ３は、一定の吸込空気設定温度Ｔ３となるように制御される。
　ＦＣＵの稼動制御においては、冷房及び暖房のそれぞれについて、複数のパラメータの設計仕様値が決められている。一般的に、冷房又は暖房を行う期間全体に亘って一定の設計仕様値に従ってＦＣＵの稼動制御が行われている。水の設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３もパラメータの一つである。例えば、冷房の設計仕様値では、冷水設定温度Ｔ１が７℃、吸込空気設定温度Ｔ３が２６℃であり、暖房の設計仕様値では、温水設定温度Ｔ１が５０℃、吸込空気設定温度Ｔ３が２２℃である。現状では、数ヶ月に亘る冷房期間又は暖房期間の途中でこれらの設計仕様値が変更されることはない。
　特にペリメーターゾーンでは外気による熱負荷の影響が大きいため、熱負荷の大小によって冷水又は温水の供給時間が変動し、その結果、ＦＣＵにおける熱交換による水から空気への伝熱量すなわち水の熱消費エネルギーが大きく変化する。発明者らは、往水設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３を常に一定とした場合、特に軽熱負荷となる期間において水の無駄な熱消費が多くなることを見出した。本発明は、従来は設計仕様値に固定されていたこれらの設定温度Ｔ１、Ｔ３を適切に変更することによって水の熱消費エネルギーを大きく低減することを提案する。
（２）ファンコイルユニットにおける伝熱量の算出方法
　水の設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値以外の値に変更すると、ＦＣＵにおける水から空気への伝熱量（水の熱消費エネルギー）がどのように変化するかを説明するために、先ず、ＦＣＵにおける冷水又は温水から空気への伝熱量Ｈの算出方法を説明する。
　図４は、冷房時のＦＣＵにおける冷水と空気の熱交換（向流型）による各々の温度変化を示したグラフである。ＦＣＵを入口から出口へと通過する間、冷水は温度が上昇し、空気は温度が低下する。図５は、暖房時における同様のグラフである。ＦＣＵを入口から出口へと通過する間、温水は温度が低下し、空気は温度が上昇する。
　図６は、冷房時のＦＣＵにおける冷水から空気への伝熱量の算出方法の手順を示したフロー図である。図６の左のフローは、水側の変化を基に算出する方法であり、右のフローは空気側の変化を基に算出する方法である。いずれのフローを用いても得られる結果は同じである。暖房時の伝熱量の算出方法は、図６と実質的に同じであるので図示を省略する。（なお、以下の各式において、入口の冷水温度ｔ１は、その設定温度Ｔ１と等しくなるように制御されているので、ｔ１については常にＴ１を用いる。同様に、吸込空気温度ｔ３は、その設定温度Ｔ３と等しくなるように制御されているのでｔ３については常にＴ３を用いる。）
（２－１）冷房時（夏季）
　図４及び図６を参照して、冷房時のＦＣＵの冷水から空気への伝熱量Ｈ（冷水の熱消費エネルギー）の算出フローを説明する。一例として、冷房時のＦＣＵの各パラメータの設計仕様値として、以下の各値を用いる。設計仕様値の各パラメータには下付の「０」を付しているが、空気量Ｑと冷水量Ｌは、設計仕様値から変更しないので付していない。
　　・伝熱量（冷却）Ｈ０：１３００ｋｃａｌ／ｈ
　　・空気量Ｑ：５００ｍ３／ｈ
　　・冷水量Ｌ：３６０ｋｇ／ｈ
　　・冷水設定温度Ｔ１０：７℃
　　・吸込空気設定温度Ｔ３０：２６℃
・ステップ１：設計仕様値のときの入口と出口の冷水の温度変化である温度差Δｔw０と、入口と出口の空気の温度変化である温度差Δｔａ０をそれぞれ算出する。
　冷水の温度差Δｔw（＝ｔ２－Ｔ１）を算出する一般式は以下の通りである。
　　　　　　　Δｔw＝Ｈ／（Ｌ×ρw）　　［１］
　　　　　　　　（ρwは水の比熱）
　［１］式より、設計仕様値のときの温度差Δｔw０の数値は以下の通りである。
　　　　　　Δｔw０＝１３００／(３６０×１）＝３．６℃　　［２］
　空気の温度差Δｔａ（＝ｔ４－Ｔ３）を算出する一般式は以下の通りである。
　　　　　　Δｔa＝Ｈ／（Ｑ×ρa）　　［３］
　　　　　　　　（ρaは空気の比熱）
　［３］式より、設計仕様値のときの温度差Δｔa０の数値は以下の通りである。
　　　　　　Δｔa０＝１３００／（５００×０．２８８）＝９．０℃　　［４］
・ステップ２：ここで、水の設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３の差を、「入口温度差ΔＴｉ」として、以下のように定義する。
　　　　　　ΔＴｉ＝｜Ｔ３－Ｔ１｜　　［５］
　（暖房時はΔＴｉ＝Ｔ１－Ｔ３であるので絶対値の符号を付している。）
　［５］式より、設計仕様値のときの入口温度差ΔＴｉ０の数値は以下の通りである。
　　　　　　ΔＴｉ０＝２６－７＝１９℃　　［６］
・ステップ３：冷水設定温度及び吸込空気設定温度を、設計仕様値Ｔ１０、Ｔ３０から別の任意の値Ｔ１、Ｔ３に変更したとき、それに伴って伝熱量Ｈも設計仕様値Ｈ０から変化する。また、冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaも設計仕様値Δｔw０、Δｔa０から変化する。本発明では、任意の設定温度Ｔ１、Ｔ３のときの伝熱量Ｈ、冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaの値を簡易に算出するために、第１係数γw及び第２係数γaという概念を導入する。第１係数γw及び第２係数γaは、各パラメータの設計仕様値を用いてそれぞれ算出できる。上記ステップ１及び２はそのための準備工程である。以下、係数γw、γaの算出方法を説明する。
　前提として、冷水の伝熱量Ｈは、ＦＣＵの伝熱能力Ｈ及び空気の伝熱量Ｈと等しいとする。すなわち、冷水の冷却熱量は、ＦＣＵを介して全て空気へ伝達される。ここで、ＦＣＵ内での冷水と空気の温度差は、ＦＣＵの入口で最大（Ｔ３－Ｔ１）、出口で最小（ｔ４－ｔ２）である。通常、ＦＣＵ内を通過する間の水と空気の温度差の平均を表す場合、対数平均温度差Δｔmが使用される。対数平均温度差Δｔmは、以下のフーリエの公式により算出される。
　Δｔm＝((Ｔ３－ｔ２)－(ｔ４－Ｔ１))／ｌｎ((Ｔ３－ｔ２)／(ｔ４－Ｔ１))
　上記の設計仕様値、式［１］［３］を用いて算出すると、
　Δｔm＝((２６－１０．６)－(１７－７)／ｌｎ((２６－１０．６)／(１７－７))
　　　　＝１２．５となる。
　フーリエの法則により、冷水設定温度Ｔ１と還冷水温度ｔ２の冷水温度差Δｔwは冷水の伝熱量Ｈに比例し（Δｔw∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、冷水の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比Δｔw／Δｔmは一定である。
　同様にフーリエの法則により、吸込空気設定温度Ｔ３と吹出空気温度ｔ４の空気温度差Δｔaは空気の伝熱量Ｈに比例し（Δｔa∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、空気の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比Δｔa／Δｔmは一定である。
　さらに、フーリエの法則により、入口温度差ΔＴｉは、冷水と空気の各々の伝熱量Ｈに比例し（ΔＴｉ∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、冷水と空気の各々の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比ΔＴｉ／Δｔmは一定である。
　以上をまとめると、Δｔw／Δｔm＝Ａ1　　［７］
　　　　　　　　　　Δｔa／Δｔm＝Ａ２　　 ［８］
　　　　　　　　　　ΔＴｉ／Δｔm＝Ａ３　 　［９］
　　　　　　　　　（Ａ１、Ａ２、Ａ３は定数）
　式［７］［９］より、Δｔmを消去すると、第１係数γwが得られる。
　　　　　　　　　Δｔw／ΔＴｉ＝Ａ１／Ａ３＝γw　　［１０］
　式［８］［９］より、Δｔmを消去すると、第２係数γaが得られる。
　　　　　　　　　Δｔa／ΔＴｉ＝Ａ２／Ａ３＝γa　　［１１］
　式［１０］は、冷水温度差Δｔwと入口温度差ΔＴｉがそれぞれ変化しても、その比γwは常に一定であることを示している。同様に、式［１１］は、空気温度差Δｔaと入口温度差ΔＴｉが変化しても、その比γaは常に一定であることを示している。
　上記の設計仕様値を用いて式［２］から得たΔｔw０及び式［６］から得たΔＴｉ０の値により、第１係数γwが以下のように算出される。
　　γw＝Δｔw０／ΔＴｉ０＝３．６／１９＝０．１９０　　［１２］
　また、上記の設計仕様値を用いて式［４］から得たΔｔa０及び式［６］から得たΔＴｉ０の値により、第２係数γaが以下のように算出される。
　　γa＝Δｔa０／ΔＴｉ０＝９．０／１９＝０．４７５　　［１３］
・ステップ４：次に、冷水設定温度及び吸込空気設定温度を、設計仕様値Ｔ１０、Ｔ３０以外の値Ｔ１、Ｔ３に変更してみる。
・ステップ５：先ず、変更後の入口温度差ΔＴｉを算出する。例えば、Ｔ１＝８℃、Ｔ３＝２５℃とすると、ΔＴｉ＝｜Ｔ３－Ｔ１｜＝１７℃である。
・ステップ６：２つの係数γw、γaは、各設定温度Ｔ１、Ｔ３をどのように変更しても常に一定である。ステップ５で算出したΔＴｉと、ステップ３で得た式［１２］［１３］のγw、γaの値をそれぞれ用いると、変更後の冷水温度差Δｔw及び空気温度差Δｔaは以下のように算出される。
　　Δｔw＝γw×ΔＴｉ＝０．１９０×１７＝３．２３℃　　［１４］
　　Δｔa＝γa×ΔＴｉ＝０．４７５×１７＝８．０８℃ 　　［１５］
　さらに、変更後の伝熱量Ｈは、式［１］又は［３］を用いて算出できる。
Ｈ＝Ｌ×ρw×Δｔw＝３６０×１×３．２３＝１１６３(ｋｃａｌ／ｈ) ［１６］
Ｈ＝Ｑ×ρa×Δｔa＝５００×０．２８８×８．０８＝１１６３(ｋｃａｌ／ｈ) ［１７］
　伝熱量Ｈは、第１係数γwと第２係数γaのどちらを用いても同じ値となる。
　さらに、伝熱量の設計仕様値Ｈ０に対する変更後の伝熱量Ｈの削減率ΔＨが、以下のように算出される。
　　　　ΔＨ（％）＝（（Ｈ－Ｈ０）／Ｈ０）×１００（％）　　［１８］
　この例の場合、ΔＨ＝－１０．６％となる（本明細書では、削減を負の値で示す）。
　このように、最初に設計仕様値から第１係数γwと第２係数γaを算出しておけば、設定温度Ｔ１、Ｔ３を設計仕様値以外の値に変更しても式［１４］又は［１５］を用いて直ちに冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaを算出することができ、さらに式［１６］又は［１７］を用いて伝熱量Ｈを算出し、削減率ΔＨを算出することができる。式［１４］～［１７］をまとめると、次のようになる。
　　　　　　Ｈ＝Ｌ×ρw×γw×ΔＴｉ　　［１９］
　　　　　　Ｈ＝Ｑ×ρa×γa×ΔＴｉ　　［２０］
（２－２）暖房時（冬季）
　暖房時のＦＣＵにおける各パラメータの設計仕様値は、一例として以下の通りである。
　　・伝熱量（加熱）Ｈ０：２４００ｋｃａｌ／ｈ
　　・空気量Ｑ：５００ｍ３／ｈ
　　・温水量Ｌ：１８０ｋｇ／ｈ
　　・温水設定温度Ｔ１０：５０℃
　　・吸込空気設定温度Ｔ３０：２２℃
　図５は、暖房時のＦＣＵにおける温水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。ＦＣＵを入口から出口へと通過する間、温水は温度が低下し、空気は温度が上昇する。
　暖房時の設定温度の設計仕様値Ｔ１０、Ｔ３０を別の値Ｔ１、Ｔ３に変更したときの温水温度差Δｔw、空気温度差Δｔa、伝熱量Ｈ、及び削減率ΔＨの算出方法は、図６に示した冷房時と同じである。暖房時が冷房時と異なる点は、温水温度差Δｔw、空気温度差Δｔa、入口温度差ΔＴｉが正の値となるように考慮する点のみである（ステップ２、５）。冷房時について述べた説明は、「冷水」を「温水」に置き換えることで、そのまま暖房時にも適用される。
　図７は、図６のフローに従って算出された冷房時の伝熱量の削減率ΔＨの増減を示すグラフである。横軸が吸込空気設定温度Ｔ３であり、縦軸が設計仕様値Ｈ０に対する伝熱量Ｈの削減率ΔＨを示している。各直線は、冷水設定温度Ｔ１を一定としたときの削減率ΔＨの変化を表している。グラフから判るように、冷水設定温度Ｔ１が一定のとき、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値に比べて低くするほど、伝熱量削減率ΔＨ（負の値の絶対値）は大きくなる。また、吸込空気設定温度Ｔ３が同じであるときは、冷水設定温度Ｔ１が高くなるほど、伝熱量削減率ΔＨは大きくなる。このことは、冷水設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３との差である入口温度差ΔＴｉが小さいほど、伝熱量削減率ΔＨが大きいことを示している。すなわち、熱交換する水と空気の温度が近い程、水から空気へ伝わる伝熱量が小さくなり、水の熱消費エネルギーが小さくなる。
　図８は、図７と同様のグラフであるが暖房時のものである。グラフから判るように、温水設定温度Ｔ１が一定のとき、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値に比べて高くするほど、伝熱量削減率ΔＨ（負の絶対値）は大きくなる。また、吸込空気設定温度Ｔ３が同じであるときは、温水設定温度Ｔ１が低くなるほど、伝熱量削減率ΔＨは大きくなる。このことは、温水設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３との差である入口温度差ΔＴｉが小さいほど、伝熱量削減率ΔＨが大きいことを示している。冷房時と同様に、熱交換する水と空気の温度が近い程、水から空気へ伝わる伝熱量が小さくなり、水の熱消費エネルギーが小さくなる。
（３）ファンコイルユニットの吸込空気設定温度Ｔ３の決定方法
　図７及び図８に示した知見によれば、ＦＣＵにおける水と空気の入口温度差ΔＴｉを小さくすることが、水の伝熱量Ｈの低減に寄与すると言える。この知見に基づいて、本発明は、ＦＣＵにおける水の設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３を適切に決定することによって、冷房時又は暖房時の水の熱消費エネルギーを低減することを提案する。
　冷房においては、設計仕様値に比べて冷水設定温度Ｔ１を上げる及び／又は吸込空気設定温度Ｔ３を下げることにより入口温度差ΔＴｉを小さくすることができる。一方、暖房においては、設計仕様値に比べて温水設定温度Ｔ１を下げる及び／又は吸込空気設定温度Ｔ３を上げることにより入口温度差ΔＴｉを小さくすることができる。
　吸込空気設定温度Ｔ３に関しては、複数のＦＣＵグループの各々に対し、それぞれ異なる吸込空気設定温度Ｔ３を適用することができる。一方、水の設定温度Ｔ１に関しては、１つの熱源機器から全てのＦＣＵに水を供給するので、全てのＦＣＵに対し同じ設定温度Ｔ１を適用することになる。
　図９は、方位別に分けられた各ＦＣＵグループに対する吸込空気設定温度Ｔ３の決定方法の一例を概略的に示すフロー図である。本例では、水設定温度Ｔ１は一定としている。この決定フローは、実際のＦＣＵの稼動前の準備工程として行われる。例えば、夏季又は冬季のＦＣＵの稼動開始前に過去のデータや予測データなどを利用して行われる。
・ステップ１１：晴天時及び曇天時の各々について、ペリメーターゾーンの各方位における１日のうちの各時間帯の熱負荷ＨＬを算出する。熱負荷ＨＬは、冷房時は窓ガラスからの熱浸入ＨＬ１、壁からの熱侵入ＨＬ２、及び室内からの負荷ＨＬ３の総和である。暖房時は、窓や壁からの熱浸入ではなく熱流出になる。通常、冷房時は熱侵入が大きいためＨＬは正値、暖房時は熱流出が大きいためＨＬは負値となる。このような熱負荷ＨＬの算出方法は公知技術であり、標準的な「空調負荷計算表」も広く利用されている。
　晴天時と曇天時の各々について熱負荷ＨＬの算出を行うのは、天候が熱負荷ＨＬに大きく影響するからである。晴天と曇天は天候の一例であり、２つより多い異なる天候について熱負荷を算出してもよい。しかしながら、簡易な方式では、天候毎の熱負荷ＨＬを用いることに替えて、各天候の熱負荷ＨＬの平均値を用いてもよい。
　１日のうちの各時間帯について熱負荷ＨＬの算出を行うのは、時間帯によって熱負荷ＨＬが変化するからである。時間帯の長さは例えば１時間又は２時間などであり、各時間帯が同じ長さでなくともよい。しかしながら、簡易な方式では、時間帯毎の熱負荷ＨＬを用いることに替えて、１日を通して同じ値を用いてもよく、その場合、各時間帯の熱負荷ＨＬの平均値を用いることが好ましい。
　また、冷房又は暖房の全期間を、例えば１か月、半月、又は一週間の期間に区切り、各期間毎に算出された熱負荷ＨＬを用いてもよい。
・ステップ１２：ステップ１１で算出された熱負荷ＨＬによる室内温度変化ΔＴＬを算出する。これは、上記の式［３］に準じて算出できる。
　　　　　　　　　　ΔＴＬ＝ＨＬ／（Ｑ×ρa）　　［２１］
　　　　　　（Ｑ：ＦＣＵの空気量(ｍ３／ｈ)、ρa：空気比熱）
　これにより、ペリメーターゾーンの各方位における各時間帯の熱負荷ＨＬによる室内温度変ＴＬが求められる。なお、冷房時はΔＴＬは正値、暖房時はΔＴＬは負値である。
・ステップ１３：ここで、ステップ１２で算出された室内温度変化ΔＴＬを、ＦＣＵの吸込空気設定温度Ｔ３と吹出空気温度ｔ４の差に等しいと見なす。
　　　　　　　　　　ΔＴＬ＝ｔ４－Ｔ３　　［２２］
　吹出空気温度ｔ４は、吸込空気がＦＣＵ内で熱交換した結果として得られる温度であるので、設定値でもなく確定できる値でもないが、ここでは設定温度Ｔ３を決定するための目安値として選択する。例えば、冷房の場合、設計仕様値を用いた上記の式［４］のΔｔａ０が９．０℃であるから、吸込空気設定温度の設計仕様値Ｔ３０の２６℃から９．０℃を引くとｔ４として１７℃が得られる。この時点では、これを吹出空気温度ｔ４の目安値として選択する。目安値としてのｔ４は、後で変更することもできる。
・ステップ１４：ステップ１２で求めたΔＴＬと、ステップ１３で選択したｔ４から、吸込空気設定温度Ｔ３を算出する。
　　　　　　　　　　Ｔ３＝ｔ４＋ΔＴＬ 　　［２３］
　これにより、ペリメーターゾーンの各方位における各時間帯の吸込空気設定温度Ｔ３が得られる。なお、冷房時はΔＴＬは正値、暖房時はΔＴＬは負値である。
　図１０は、図９の決定フローに従って得られた冷房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。図１０は、ペリメーターゾーンのＦＣＵを４つの方位（南東、南西、北西、北東）にグループ分けした場合の南東グループについての時間帯毎の設定温度Ｔ３である。左側の縦軸がΔＴＬであり、右側の縦軸が、吹出空気温度ｔ４として１７℃を選択したときの、上記の式［２３］により算出した吸込空気設定温度Ｔ３である。
　図７に示したように、冷房時は、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値（２６℃）より低くすると、水の熱消費エネルギーを低減することができる（ここでは冷水設定温度Ｔ１は７℃で一定）。図１０を見ると、晴天時の熱負荷の大きい時間帯を除いて、ほとんどの場合に熱消費エネルギーを削減できることが判る。
　図１１は、図１０と同様の図であるが、北西のグループの時間帯毎の吸込空気設定温度Ｔ３を示している。この場合も、晴天の熱負荷の大きい時間帯を除いて、ほとんどの場合に熱消費エネルギーを削減できることが判る。
　図１０又は図１１のグラフが得られたとき、熱消費エネルギーの削減が十分ではないと判断された場合は、図９のステップ１３に戻り、目安値としての吹出空気温度ｔ４を下げる（例えば１６℃にする）と、熱消費エネルギーを削減する方向に吸込空気設定温度Ｔ３がシフトする。
　図１２は、図１０と同様に南東グループの吸込空気設定温度Ｔ３を示しているが、暖房時の一例を示すグラフである。左側の縦軸がΔＴＬ（暖房時は負値）であり、右側の縦軸が、吹出空気温度ｔ４の目安値として２６℃を選択したときの、上記の式［２３］により算出した吸込空気設定温度Ｔ３である。
　図８に示したように、暖房時は、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値より高くすると水の熱消費エネルギーを低減することができる（ここでは温水設定温度Ｔ１は５０℃で一定）。図１２の例では、吸込空気設定温度Ｔ３は、設計仕様値との大きな差は無いが、少なくとも設計仕様値のときと比べて熱消費エネルギーを削減するように吸込空気設定温度Ｔ３を決定可能である。
　図１３は、図１２と同様の図であるが、北西グループの時間帯毎の吸込空気設定温度Ｔ３を示している。図１２、図１３に示した暖房時の例では、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値から大きく変更する必要がないように見えるが、これは一例である。本発明の方法は暖房時においても適用可能であり、ペリメーターゾーンの条件によって、吸込空気設定温度Ｔ３を変更することが省エネルギーに大きく寄与する場合もあり得る。
　以上に述べた、ＦＣＵのグループ毎に吸込空気設定温度Ｔ３を決定する方法は一例である。簡易な方式では、時間帯毎に設定せずに一日を通じて同じ値とすることもできる。その場合は、図１０～図１３に示した各時間帯の吸込空気設定温度Ｔ３の平均値が、１日の吸込空気設定温度Ｔ３として用いられることが好ましい。
　また、吸込空気設定温度Ｔ３の決定に加えて、水の設定温度Ｔ１を設計仕様値よりも、冷房時には上げ、暖房時には下げることによっても、全てのＦＣＵにおける水の熱消費エネルギーを削減できる。設定温度Ｔ３、Ｔ１の最終的な決定は、熱消費エネルギーの削減率と人間の体感とのバランスを勘案して行う。
（４）ファンコイルユニットの稼動フロー
　図１４は、一日を通して冷房又は暖房を行う際のＦＣＵの稼動フローの一例を概略的に示している。吸込空気設定温度Ｔ３は、図９の決定フローに従って予め決定されており、水の設定温度Ｔ１についても予め決定されていると想定する。
・ステップ２１：ＦＣＵを稼動させる当日の朝、天候が晴天であるか曇天であるか（あるいはどちらに近いか）を確認する。
・ステップ２２：確認した天候に応じて、図１に示した制御装置において、各方位における各時間帯のＦＣＵの吸込空気設定温度Ｔ３を、予め決定した設定温度に設定する。稼動前に設定した吸込空気設定温度Ｔ３は、稼動中には変更されない。水の設定温度Ｔ１についても、設計仕様値とは異なる場合は変更する。その後、ＦＣＵの稼動を開始する。図３に示したように、各ＦＣＵへの冷水又は温水の供給と停止が、吸込空気設定温度Ｔ３を基に制御される。なお、吸込空気設定温度Ｔ３を時間帯毎に設定せずに、方位毎に一日を通じて同じ値とすることもできる。
・ステップ２３：稼動終了後、当日の熱源機器や制御装置の稼働記録などにより、水の熱消費エネルギーの削減量を評価できる。吸込空気設定温度Ｔ３と水の設定温度Ｔ１の差の絶対値が、設計仕様値よりも小さく設定された方位及び／又は時間帯において、水（冷水又は温水）の伝熱量を削減できていることを確認する。
　本発明の制御方法では、稼動前に設定した吸込空気設定温度Ｔ３及び水の設定温度Ｔ１を稼動中に変更しないので、或一日のみに着目すれば熱消費エネルギーの削減量が十分ではないこともある。例えば天気が予想から外れた場合にはそのようなことが起こり得る。しかしながら、一週間、半月、１ヶ月、又は１シーズンというある程度長い期間に亘って平均した場合、本発明の制御方法を採用しない場合に比べて熱消費エネルギーの顕著な削減を実現することができる。
　ここで図示し、説明した各実施形態は一例であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、多様な変形形態が可能である。
　１０　ＦＣＵ
　１１　熱交換コイル
　１２　往水入口
　１３　還水出口
　１４　空気入口
　１５　空気出口
　１６　ファン
　１７　温度センサ

Claims (8)

  1. 　ペリメーターゾーンに設置され、各々が冷水又は温水を供給される熱交換コイル（11）とファン（16）とを備え、室内空気を吸い込みその吸込空気を前記熱交換コイル（11）で前記冷水又は温水と熱交換させた後に室内に吹き出すように構成された複数のファンコイルユニットの制御方法であって、
    　設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループに対し所定の吸込空気設定温度（T3）をそれぞれ前記複数のファンコイルユニットの稼動前に予め決定する第１のステップと、
    　前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に吸込空気温度（t3）を検知し、前記吸込空気温度（t3）が、各グループに予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に一致するように各ファンコイルユニットへの前記冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、
    　前記第１のステップが、
    　　ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（HＬ）を算出する第３のステップと、
    　　算出された前記熱負荷（HＬ）に応じて前記各グループの前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含む、ファンコイルユニットの制御方法。
  2. 　前記第１のステップが、冷房と暖房の各々の期間について、前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含む、請求項１に記載のファンコイルユニットの制御方法。
  3. 　前記第１のステップが、１日のうちの各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
    　前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、予め決定された各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む、請求項１又は２に記載のファンコイルユニットの制御方法。
  4. 　前記第１のステップが、天候の異なる日の各々の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
    　前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、当日の天候に応じて予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む、請求項１～３のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法。
  5. 　前記第４のステップが、
    　　前記熱負荷(HＬ)による室内温度変化（ΔTＬ）を算出するステップと、
    　　冷房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値から前記室内温度変化（ΔTＬ）だけ高い温度を、暖房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値よりも前記室内温度変化（ΔTＬ）だけ低い温度を、前記吸込空気設定温度（T3）として決定するステップとを含む、請求項１～４のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法。
  6. 　前記第１のステップが、ファンコイルユニットに供給する冷水又は温水の設定温度（T1）を決定することを含む、請求項１～５のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法。
  7. 　請求項１～６に記載のファンコイルユニットの制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
    　伝熱量の設計仕様値（H０）、冷水又は温水の水量（L）、水の比熱（ρw）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の水の温度変化である第１の温度差（Δtw０）を算出するステップと、
    　水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1０, T3０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi０）を算出するステップと、
    　前記第１の温度差（Δtw０）と前記第２の温度差（ΔTi０）の比である第１係数（γw）を算出するステップと、
    　水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
    　　伝熱量（H）＝水量（L）×水の比熱（ρw）×第１係数（γw）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。
  8. 　請求項１～６に記載のファンコイルユニットの制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
    　伝熱量の設計仕様値（H０）、空気量（Q）、空気の比熱（ρa）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の空気の温度変化である第１の温度差（Δta０）を算出するステップと、
    　水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1０, T3０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi０）を算出するステップと、
    　前記第１の温度差（Δta０）と前記第２の温度差（ΔTi０）の比である第２係数（γa）を算出するステップと、
    　水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
    　　伝熱量（H）＝空気量（Q）×空気の比熱（ρa）×第２係数（γa）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。
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