JP4988682B2

JP4988682B2 - 空気調和装置用熱源機の制御装置及びその制御方法

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Publication number: JP4988682B2
Application number: JP2008252172A
Authority: JP
Inventors: 智弘小松; 忠克中島
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010084963A; WO2010038334A1

Description

本発明は、空気調和装置用熱源機の制御装置とその制御方法に関する。

従来、空気調和装置の省エネルギー化を図ることを目的として、各種の制御装置，制御方法が提案されている。

特許文献１には、複数の空調機の制御信号を入力として、冷凍機の出側冷温水温度の設定値を増減する冷凍機の運転装置が記載されている。

特許文献２には、室温と冷水出入口温度を計測し、軽負荷時に熱源機冷水出口温度を上げるビル空調システムが記載されている。

特開平３−８４５３号公報特開２００３−２２２３７８号公報

通常、空気調和装置では、装置を構成する熱源機，空調機，冷却塔が、離れた場所に設置されることが多い。例えば、ビルの空気調和装置の場合、冷却塔は屋上に設置され、熱源機は地下の機械室、空調機は各階の機械室に設置されている。そのため、空気調和装置の制御において、外気温度，室内温度，空調機の制御信号を入力とする場合、センサ類を設置し、それらセンサ類と空気調和装置の制御装置とを有線あるいは無線により接続することが必要であり、制御装置の導入においてセンサの設置に関するコストが少なくないという課題がある。

本発明の目的は、空気調和装置の熱源機を制御することで省エネルギー化を図ると共に、制御に用いる入力信号を制御対象である熱源機に集中させ、センサの設置コストを低減することで、安価な空気調和装置用熱源機の制御装置及び制御方法を提供することにある。

本発明は、少なくとも空気調和装置用熱源機の負荷側作動媒体の熱源機出入口温度と、放熱側作動媒体の出入口温度と、前記熱源機の動作状態を表す物理量を計測するセンサからの信号入力と、を用いて、熱源機の負荷側作動媒体の出口温度に関する制御目標値を算出し、算出した制御目標値を熱源機に出力する。

さらに、熱源機の負荷側出入口及び放熱側出入口に設置した差圧センサからの信号入力を用いて前記制御目標値を算出する。

本発明によれば、空気調和装置の熱源機の省エネルギー化を図ると共に、制御に用いるセンサの設置に関するコストを低減することができる顕著な効果がある。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本発明を適用した空気調和装置用制御装置の一実施例について、図１から図８を用いて説明する。

図１は、本発明による空気調和装置用制御装置１０の概略構成図である。本制御装置は、信号入力部１，演算部２，出力部３，データ記憶手段４，冷水／冷却水流量記憶手段５，冷却塔データベース６，空調機データベース７，冷房負荷データベース８から構成される。

図２は、本制御装置の制御対象であるセントラル方式空気調和装置の概略構成図である。空気調和装置は、熱源機である吸収式冷温水機３１，空調機３２，冷却塔３３，冷水ポンプ３４，冷却水ポンプ３５，冷水用三方弁３６，冷却水用三方弁３７，室内３８及び各要素を接続する冷水配管３９，冷却水配管４０及びダクト４１を備える。さらに、制御装置１０と、状態量を計測する計測手段１５とで構成される。

冷房時における空気調和装置の動作について簡単に説明する。吸収式冷温水機３１では、ガスや重油または蒸気などからの入熱を利用して、冷水から吸熱して冷水を冷却し、熱源及び冷水からの入熱を冷却水に放熱する。冷却された冷水は、冷水ポンプ３４によって空調機３２に送られ、吸収式冷温水機３１からの放熱によって加熱された冷却水は、冷却水ポンプ３５によって冷却塔３３に送られる。

空調機３２に送られた冷水（負荷側作動媒体）は、室内３８からのリターン空気と換気のために導入される外気との混合空気の冷却に用いられ、空気を冷却することで加熱された冷水は吸収式冷温水機３１へと戻る。空調機３２で冷却された空気は室内３８に供給され、室内３８の熱負荷、例えば人体からの発熱，照明等の機器からの発熱，壁や窓を通じて室外から伝えられる熱により温められ、一部は空調機３２に戻され、また一部は室外へ排気される。吸収式冷温水機３１から冷却塔３３に送られた冷却水（放熱側作動媒体）は、冷却塔３３において外気と直接熱交換して冷却され、吸収式冷温水機３１に戻る。

冷水用三方弁３６は、室内温度を一定に保つために空調機３２へ送られる冷水の流量調整に用いられる。また、冷却水三方弁３７は、吸収式冷温水機へ戻る冷却水温度を保つために冷却塔３３へ送られる冷却水の流量調整に用いられる。

図３は、空気調和装置の動作点を概念的に示したものである。システムの動作点は、空調装置の能力と室内の熱負荷がバランスする点である。外気温度や湿度の上昇により外気エンタルピが上昇した場合、冷却塔３３で空気へ放熱する冷却水の温度が上昇し熱源機における放熱が行われ難くなるため、冷却能力は低下する。また、室内の熱負荷は、室内の温度や湿度等の条件（室内空気エンタルピ）が一定であれば、外気エンタルピの上昇に伴い上昇する傾向を示す。尚、室内空気エンタルピを上げると熱負荷は小さくなる。

そのため、室内を同じ温度／湿度条件（同じエンタルピ）に保つ場合、外気エンタルピがａからｂへ上昇すると、熱負荷は点Ａから点Ｂに増加し、熱源機の入力量は８０％から１００％へと増加する。熱源機の入力量を固定した場合、熱源機の冷却能力が低下するため、室内の温度や湿度が上昇し、室内空気エンタルピの高い点Ｃで動作する。

図４は、空気調和装置の熱源機の運転特性を示したものである。図に示すように、冷水出口温度を変化させると熱源機の効率は変化し、冷水出口温度が上昇すると効率は上昇する（燃料消費率は減少する）傾向を示す。通常、熱源機では、冷水出口温度を一定に保つような制御が行われており、一般の空気調和装置用熱源機の場合、７℃に設定されている。そのため、冷水出口温度の制御目標値を負荷に応じて上げることで、熱源機の省エネルギー運転が可能となる。

尚、熱源機出口の冷水温度が変化した場合、空調機での除去可能な熱量が変化し、室内空気の温度／湿度も変化する。特に、冷水出口温度を上げた場合には、空気中の水蒸気を除去できなくなり、結果として室内空気の湿度の上昇を招くため、室内環境の快適性が維持できなくなる場合がある。そのため、熱源機の冷水出口温度の制御目標値を変更し、省エネルギー運転を行う場合、冷房負荷に応じた冷水出口温度の設定が必要となる。

本制御装置における冷水出口温度の制御目標値の決定方法を図５に示す。まず、センサ１５からの入力信号を読込み（Ｓ１０１）、冷水／冷却水流量記憶手段５から冷却水流量を読込み（Ｓ１０２）、冷却塔データベース６から空気風量などの仕様を読込む（Ｓ１０３）。次に、センサ１５からの入力信号，冷却水流量，冷却塔仕様から外気温度／湿度を算出する（Ｓ１０４）。

次に、空調機データベース７から空調機の仕様を読込み（Ｓ１０５）、冷房負荷データベース８から貫流熱負荷や外気導入量などの熱負荷計算に必要な諸量を読込み（Ｓ１０６）、冷水／冷却水流量記憶手段５から冷水流量を読込む（Ｓ１０７）。これらＳ１０５からＳ１０７で読込んだ値と、Ｓ１０４で算出した外気温度／湿度とを用いて、熱源機の冷水出口目標温度を算出し（Ｓ１０８）、出力部３から出力する（Ｓ１０９）。

Ｓ１０４における外気温度／湿度（温度及び湿度）の算出には、冷却塔における物質移動を伴う伝熱現象を解析的に求めれば良く、熱，物質収支に関わる基礎式を解けば良い。

ここで扱う基礎式について説明する。放熱量Ｑは、水流量Ｇ_W，比熱Ｃ_W，温度差ΔＴ_Wを用いて数式１で表される。

（数１）
Ｑ＝Ｇ_W・Ｃ_W・ΔＴ_W
空気風量Ｇ_A，出入口エンタルピ差Δｈ_Aを用いると、放熱量Ｑは数式２で表される。

（数２）
Ｑ＝Ｇ_A・Δｈ_A
また、空気エンタルピと、冷却水温度に等しい飽和湿り空気のエンタルピとのエンタルピ差Δｈａ_A-W、及び冷却塔の伝熱性能ＫＶを用いると、放熱量Ｑは数式３で表される。

（数３）
Ｑ＝ＫＶ・Δｈａ_A-W
さらに、空気の絶対湿度と、冷却水温度に等しい飽和湿り空気の絶対湿度との絶対湿度差ΔＸａ_A-W、及び冷却塔の水蒸気に関する物質伝達性能ＫＶ_Dを用いて、空気側の水蒸気量変化に関して数式４が成立する。

（数４）
Ｇ_A・ΔＸ_A＝ＫＶ_D・ΔＸａ_A-W
ここで、式中の空気風量Ｇ_A，熱通過率ＫＶ，物質伝達率ＫＶ_Dは、冷却塔の容量（型式）により決まるものであり、冷却塔の容量は冷温水機（熱源機）の能力に応じて選択されるため、予めデータベース化しておき、冷温水機の容量に対応する冷却塔の容量を選択すれば良い。尚、冷却水流量Ｇ_Wが必要となるが、この点については後述する方法を用いれば良い。

次に、外気エンタルピと外気湿度を求めるフローチャートを図６に示す。まず、冷却塔入口空気の状態量（エンタルピと絶対湿度）を仮定し（Ｓ２０１）、数式１，数式２，数式３を用いて出口空気のエンタルピ（交換熱量）を求める（Ｓ２０２）。次に、数式４を用いて冷却塔出口における絶対湿度（蒸発量）を算出し（Ｓ２０３）、収束を判定し（Ｓ２０４）、収束している場合は外気エンタルピ及び外気湿度を出力する（Ｓ２０５）。収束していない場合は偏差をもとに修正量を決め（Ｓ２０６）、再度冷却塔入口空気の状態量を仮定する。これにより、熱源機におけるセンサ１５からの入力信号のうち、冷却水出入口温度をもとに、外気エンタルピ及び外気湿度が求まる。

次に、図５のＳ１０８に示した冷水出口温度の制御目標値の決定方法について図７を用いて説明する。まず、図５のＳ１０４で算出した外気温度／湿度、Ｓ１０５からＳ１０７で各データベースから読込んだ値を計算条件として設定する（Ｓ３００）。次に、冷水出口目標温度を仮定し（Ｓ３０１）、室内空気状態量（温度，湿度）を仮定する（Ｓ３０２）。

仮定した状態量に基づいて冷房負荷を求め（Ｓ３０３）、数式１，数式２，数式３を用いて交換熱量を算出し（Ｓ３０４）、数式４を用いて除湿量を算出する（Ｓ３０５）。次に、熱収支，空気中の絶対湿度に関する物質収支に基づき収束判定を行い（Ｓ３０６）、収束していない場合には偏差に基づき修正量を決定する（Ｓ３０７）。Ｓ３０６で収束と判定した場合、室内空気の状態量から快適または法規制の範囲内にあるかを評価し（Ｓ３１０）、判定基準から外れている場合には基準との偏差から修正量を決定し（Ｓ３０９）、冷水出口温度の目標値を変更する。

Ｓ３１０で判定基準の範囲内にあると判断された場合には、熱源機の仕様から決まる冷水温度の設定範囲内であることを確認し（Ｓ３１１）、適宜修正を行い（Ｓ３１２，Ｓ３１３）、冷水出口温度の制御目標値を決定して出力する（Ｓ３１４）。Ｓ３１０における判断基準としては、一般に快適性の指標として用いられる新有効温度ＥＴ＊、建築物環境衛生管理基準などが挙げられる。快適性を重視する場合には新有効温度ＥＴ＊を、省エネ性を重視する場合には建築物環境衛生管理基準を用いることが望ましい。なお、両者の中間を用いるなど、用途に応じて上記以外の指標を用いても良い。

Ｓ３０３における冷房負荷の推算方法は、以下のように行う。冷房負荷には、外気導入による外気負荷，壁やガラス窓を通して進入する貫流熱負荷，ビル内に在室する人間からの発熱による人体負荷，照明や機器からの機器発熱，日射による日射負荷，壁や構造体での吸放熱による熱容量分があり、数式５の関係が成り立つ。

（数５）
Ｑ_冷房負荷＝Ｑ_外気負荷＋Ｑ_貫流熱＋Ｑ_日射負荷＋Ｑ_人体負荷＋Ｑ_機器発熱
＋Ｑ_熱容量
上記熱負荷のうち、冷水温度の変化に伴う室内温度／湿度の変化の影響を受ける負荷は、外気負荷と貫流熱負荷である。従って、冷水温度を変更する際には、これら２つの負荷の変化分を考慮して行う必要がある。

これら２つの負荷は、外気導入量Ｇ_OA，外気エンタルピｈ_外気，外気温度Ｔ_外気，建屋熱通過率ＫＡ_建屋，室内空気エンタルピｈ_室内，室内温度Ｔ_室内を用いて、数式６及び数式７で表される。

（数６）
Ｑ_冷房負荷＝Ｇ_OA×（ｈ_室内−ｈ_室内）

（数７）
Ｑ_貫流熱＝ＫＡ_建屋×（Ｔ_外気−Ｔ_室内）
ここで、外気導入量や建屋熱通過率は、設備設計段階で空気調和装置の必要能力を見積もる際に、一般的に用いられる数値を用いれば良く、これらを冷温水機（熱源機）の能力をもとにデータベース化しておき、熱源機の能力に応じた値を選択すれば良い。

室内温度／湿度が変化した場合の冷房負荷の変化ΔＱ_冷房負荷は、室内温度／湿度の変化ΔＴ_ROOM，エンタルピ変化Δｈ_ROOMを用いて、数式８で表される。

（数８）
ΔＱ_冷房負荷＝Ｇ_OA×Δｈ_ROOM＋ＫＡ_建屋×ΔＴ_ROOM
熱源機の冷水出口温度制御を変更する際、変更前における冷房負荷Ｑは、熱源機における冷水流量Ｇ_WB，比熱Ｃ_WB，冷水出入口温度差ΔＴ_WBを用いて、数式９から求まる。

（数９）
Ｑ_冷房負荷＝Ｇ_WB・Ｃ_WB・ΔＴ_WB
制御目標値の変更前については、通常の空調機における制御動作のもとにＳ３０２からＳ３０６で室内空気の状態量を求めることができ、算出した温度／湿度をもとに数式８を用いて冷房負荷の変化量を求めれば良い。

以上のようにして、熱源機冷水出口温度に対して室内温度／湿度を評価すると、図８に示すような結果となる。この結果の場合、快適性を示す指標であるＥＴ＊を判定基準としており、冷水出口温度を９℃以上にすると温度の推定値が上昇して基準外となることから、熱源機における冷水出口温度の目標値は９℃と決定できる。

尚、冷水／冷却水流量については、以下の方法で得ることができる。熱源機の冷水／冷却水系配管にはエア抜き用のバルブが設けてあり、ここに差圧センサを設置して、定格流量における出入り口圧力損失と差圧センサの計測値とを比較することで、各流量の概算値を得ることができ、この概算値を冷水／冷却水流量記憶手段５に格納しておけば良い。

また、熱源機のサイクルの動作状態を表わす物理量（例えば熱源機が吸収式冷温水機である場合には、高温再生器温度や圧力等の物理量）を計測する手段を設け、熱源機の運転時におけるデータをもとに特開２００７−１００２７１号公報に記載の方法を用いても、冷水／冷却水の流量を得ることが可能である。この方法では、冷水及び冷却水の流量を得ると同時に、熱源機の劣化状態を把握できるため、冷水出口温度の制御目標値を変更した場合における熱源機の運転状態を予め予測可能である。従って、熱源機に設けられた安全装置を動作させないような制御も実現できる。

以上、説明した方法により、熱源機に接続された冷水／冷却水の出入口温度、熱源機の動作状態を表す物理量を計測するセンサを設置し、本制御装置と接続するのみで、室内の快適性を損なわないことを考慮しつつ、熱源機の冷水出口温度の制御目標値を上げることが可能となり、熱源機の省エネ運転を実現できる。

本発明による空気調和装置用制御装置の一実施例の概略構成図。図１の制御装置を適用した空調システムの概略構成図。空気調和装置の動作を示す説明図。空気調和装置に用いられる熱源機の特性を示す説明図。図１の制御装置における処理を示すフロー図。図１の制御装置における外気状態量算出手順を示すフロー図。図１の制御装置における制御目標値の決定手順を示すフロー図。熱源機冷水出口温度と室内温度及び湿度との関係を示す図。

符号の説明

１信号入力部
２演算部
３出力部
４データ記憶手段
５冷水／冷却水流量記憶手段
６冷却塔データベース
７空調機データベース
８冷房負荷データベース
１０制御装置
３１吸収式冷温水機
３２空調機
３３冷却塔

Claims

空気調和装置用熱源機の制御装置であって、少なくとも前記熱源機の負荷側作動媒体の熱源機出入口温度と、放熱側作動媒体の出入口温度と、前記熱源機の動作状態を表す物理量を計測するセンサからの信号入力と、を用いて、前記熱源機の負荷側作動媒体の出口温度に関する制御目標値を算出し、算出した制御目標値を前記熱源機に出力する空気調和装置用熱源機の制御装置。
空気調和装置用熱源機の制御方法であって、少なくとも前記熱源機の負荷側作動媒体の熱源機出入口温度と、放熱側作動媒体の出入口温度と、前記熱源機の動作状態を表す物理量を計測するセンサからの信号入力と、を用いて、前記熱源機の負荷側作動媒体の出口温度に関する制御目標値を算出し、算出した制御目標値を前記熱源機に出力する空気調和装置用熱源機の制御方法。