JP5451566B2 - 空調制御装置、空調制御システムおよび空調制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調制御システムを制御する空調制御装置および空調制御方法に関するものである。

従来より、被制御エリアの風量を可変制御するＶＡＶ（Variable Air Volume）ユニット（以下、変風量ユニットという）を用いて制御する空調システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。このような空調システムの一例を図３に示す。

図３に示す空調システムは、外部より取り込んだ外気と排気の一部とを混合して調和空気（給気）を生成する空調機１と、この空調機１から供給される給気が変風量ユニット４５−１〜４５−３によりそれぞれ供給される被制御エリア２−１〜２−３と、空調機１の動作を制御する制御装置３と、排気ダクト５１に設けられ、複数の被制御エリア２−１〜２−３から排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサ４とを備えている。

空調機１は、外気ダクト４１および外気ダンパ４２を介して取り込まれる外気からダストを除去するエアフィルタ１１と、電動弁１２を介して冷水が供給されエアフィルタ１１を通過した外気を冷却する冷却コイル１３と、電動弁１４を介して温水が供給されエアフィルタ１１を通過した外気を加熱する加熱コイル１５と、ファン１６ａおよびインバータ１６ｂから構成され、冷却コイル１３または加熱コイル１５により冷却または加熱された外気（以下、給気という）を給気ダクト４３に送出する給気送風機１６とから構成される。なお、排気の一部は、還気調整用ダンパ５４を介し還気として空調機１へ戻される。

このような空調機１から給気ダクト４３に送出された給気は、給気ダクト４３から分岐された分岐ダクト４４−１〜４４−３および分岐ダクト４４−１〜４４−３それぞれに設けられた変風量ユニット４５−１〜４５−３を介して被制御エリア２−１〜２−３に供給される。被制御エリア２−１〜２−３からの排気は、排気ダクト５１に取り込まれ、ファン５２ａおよびインバータ５２ｂから構成される排気送風機５２により排気ダンパ５３を介して外部に排出される。

制御装置３は、電動弁１２、冷却コイル１３、電動弁１４、加熱コイル１５、給気送風機１６、外気ダンパ４２、変風量ユニット４５−１〜４５−３、排気送風機５２、外気ダンパ５３および還気調整用ダンパ５４、並びに、給気温センサ４６、排気温センサ５５および被制御エリア２−１〜２−３それぞれに設置された室温センサ（図示せず）に接続されている。これにより、制御装置３は、給気温センサ４６、排気温センサ５５および室温センサより取得する給気温度、排気温度、室温に基づいて、取り込む外気の量（以下、外気量という）、給気送風機１６の風量（以下、ファン風量という）、変風量ユニット４５−１〜４５−３により被制御エリア２−１〜２−３に送出する風量（以下、ＶＡＶ風量という）および空調機１から送出する給気温度の目標値を演算し、この目標値に基づいて、電動弁１２、冷却コイル１３、電動弁１４、加熱コイル１５、給気送風機１６、外気ダンパ４２、変風量ユニット４５−１〜４５−３、排気送風機５２、外気ダンパ５３および還気調整用ダンパ５４の動作を制御することにより、被制御エリア２−１〜２−３の空調を制御する。

特開平８−２７１０２７号公報

上述したような空調制御システムでは、通常、空気質を維持するために、被制御エリア内の空気が給気と入れ替わって換気が行われるよう、ＶＡＶ風量に最小風量が設定されている。この最小風量は、例えば変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定された定格風量の４０％など、在室人員密度が高く空気質が悪い場合を想定して固定値として設定されている。したがって、ＶＡＶ風量の制御範囲は、最小風量以上の範囲に限定されることとなる。例えば、ＶＡＶ風量の最小風量を定格風量の４０％とすると、ＶＡＶ風量の制御範囲は、定格風量の４０〜１００％の範囲となる。

このため、例えば、被制御エリア２−１〜２−３のうち被制御エリア２−１の室内負荷が小さくなり、ＶＡＶ風量が定格風量の４０％未満でその室内負荷を賄えるとともに、室内人員密度が低く空気質が良い場合であっても、ＶＡＶ風量は、固定された最小風量である定格風量の４０％よりも下げることができない。すると、被制御エリア２−１では、風量が多すぎるために室温が下がり過ぎてしまう。このような場合、従来では、給気温度を上昇させる給気温度リセット制御を実施することにより、被制御エリア２−１の室温の下がり過ぎを防止していた。

ところが、給気温度リセット制御により給気温度を上昇させると、室内環境が良好であった被制御エリア２−２，２−３に対する風量が増加するので、ファン風量も増大することとなり、結果として、エネルギー消費量が増大していた。

そこで、本願発明は、エネルギー消費量の増大を防ぐことができる空調制御装置、空調システムおよび空調制御方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る空調制御装置は、排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、外部より取り込んだ外気と排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、この空調機から供給される調和空気を被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットとを備えた空調システムにおいて変風量ユニットの風量を制御する制御装置であって、複数の制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、空調機において生成される調和空気に混合する外気の量である必要外気量を算出する外気量算出手段と、被制御エリアに対して予め設定された設計外気量と、外気量算出手段により算出された必要外気量の削減比率を、変風量ユニットに予め設定された初期設定最小風量値に乗じて空気質の状態の合わせた変風量ユニットの最小風量を算出する最小風量算出手段と、この最小風量算出手段により算出された最小風量から変風量ユニットに予め設定された最大風量までの範囲内で変風量ユニットの風量を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

上記空調制御装置において、最小風量算出手段は、空調機の定格風量に対する設計外気量と必要外気量との差の比率を求める第１の演算手段と、この比率を変風量ユニットの初期設定最小風量値を乗じて変風量ユニットの空気質の状態に合わせた最小風量を算出する第２の演算手段とを備えるようにしてもよい。

また、本発明に係る空調制御システムは、排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、外部より取り込んだ外気と排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、この空調機から供給される調和空気を被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットと、この変風量ユニットの風量を制御する制御装置とを備え、制御装置は、上記空調制御装置であることを特徴とするものである。

また、本発明に係る空調制御方法は、排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、外部より取り込んだ外気と排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、この空調機から供給される調和空気を被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットとを備えた空調システムの制御方法であって、複数の制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、空調機において生成される調和空気に混合する外気の量である必要外気量を算出する外気量算出ステップと、被制御エリアに対して予め設定された設計外気量と、外気量算出ステップにより算出された必要外気量の削減比率を、変風量ユニットに予め設定された初期設定最小風量値に乗じて、空気質の状態に合わせた変風量ユニットの最小風量を算出する最小風量算出ステップと、この最小風量算出ステップにより算出された最小風量から変風量ユニットに予め設定された最大風量までの範囲内で変風量ユニットの風量を制御する制御ステップとを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、空調機において生成される調和空気に混合する外気の量である必要外気量を算出し、被制御エリアに対して予め設定された設計外気量と、算出された必要外気量の削減比率を、変風量ユニットに予め設定された初期設定最小風量値に乗じて、空気質の状態に合わせた変風量ユニットの最小風量を算出し、算出された最小風量から変風量ユニットに予め設定された最大風量までの範囲内で変風量ユニットの風量を制御することにより、最小風量をさらに小さくすることができるので、従来よりも給気の風量の制御範囲を広くすることが可能となる。これにより、被制御エリアの冷やしすぎ、および、給気温度リセット制御による給気温度の上昇を防ぐことができるので、エネルギー消費量の増大を防ぐことができる。

（ａ）本発明に係る空調システムの構成を示す図、（ｂ）制御装置の構成を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 従来の空調システムの構成を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態において、図３を参照して背景技術の欄で説明した空調制御システムと同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

［空調システムの構成］
図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る空調システムは、外部より取り込んだ外気と排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機１と、この空調機１から供給される調和空気が変風量ユニット４５−１〜４５−３によりそれぞれ供給される被制御エリア２−１〜２−３と、空調機１の動作を制御する制御装置３と、排気ダクト５１に設けられ、複数の被制御エリア２−１〜２−３から排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサ４とを備えている。

＜制御装置３の構成＞
制御装置３は、電動弁１２、冷却コイル１３、電動弁１４、加熱コイル１５、給気送風機１６、外気ダンパ４２、変風量ユニット４５−１〜４５−３、排気送風機５２、外気ダンパ５３および還気調整用ダンパ５４、並びに、ＣＯ₂センサ４、給気温センサ４６、排気温センサ５５および被制御エリア２−１〜２−３それぞれに設置された室温センサ（図示せず）に接続されている。これにより、制御装置３は、給気温センサ４６、排気温センサ５５および室温センサより取得する給気温度、排気温度、室温に基づいて、取り込む外気の量（以下、必要外気量という）、給気送風機１６の風量（以下、ファン風量という）、変風量ユニット４５−１〜４５−３により被制御エリア２−１〜２−３に送出する風量（以下、ＶＡＶ風量という）および空調機１から送出する給気温度の目標値を演算し、この目標値に基づいて、電動弁１２、冷却コイル１３、電動弁１４、加熱コイル１５、給気送風機１６、外気ダンパ４２、変風量ユニット４５−１〜４５−３、排気送風機５２、外気ダンパ５３および還気調整用ダンパ５４の動作を制御することにより、被制御エリア２−１〜２−３の空調を制御する。このような制御装置３は、図１（ｂ）に示すように、ＶＡＶ要求風量算出部３１、必要外気量算出部３２、最小風量設定部３３、ＶＡＶ風量設定部３４、動作制御部３５および記憶部３６を少なくとも備えている。

ＶＡＶ要求風量算出部３１は、被制御エリア２−１〜２−３の設定温度と室温とに基づいて、被制御エリア２−１〜２−３それぞれへの供給を要求するＶＡＶ風量（以下、ＶＡＶ要求風量という）を算出する。

必要外気量算出部３２は、ＣＯ₂センサ４により計測された排気のＣＯ₂濃度、ＣＯ₂濃度の設定値、および、予め設定された外部から導入する外気量の上下限値に基づいて、空調機１が外部から導入する必要な外気量（必要外気量）を算出する。

最小風量設定部３３は、設計外気量から必要外気量算出部３２により算出された必要外気量の減少比率を、変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定された最小風量（以下、「初期設定最小風量」という）に乗じて、各変風量ユニット４５−１〜４５−３のＶＡＶ風量の最小値を算出し、これをＶＡＶ最小風量として設定する。

ＶＡＶ風量設定部３４は、ＶＡＶ要求風量算出部３１により設定されたＶＡＶ要求風量と、最小風量設定部３３により算出されたＶＡＶ最小風量とに基づいて、各被制御エリア２−１〜２−３に実際に供給する給気のＶＡＶ風量を設定する。

動作制御部３５は、必要外気量算出部３２により算出された必要外気量と、ＶＡＶ要求風量設定部３５により設定された被制御エリア２−１〜２−３それぞれのＶＡＶ風量とに基づいて、電動弁１２、冷却コイル１３、電動弁１４、加熱コイル１５、給気送風機１６、外気ダンパ４２、変風量ユニット４５−１〜４５−３、排気送風機５２、外気ダンパ５３および還気調整用ダンパ５４の動作を制御する。

記憶部３６は、ＶＡＶ要求風量算出部３１、必要外気量算出部３２、減少比率算出部３３、最小風量設定部３３、ＶＡＶ風量設定部３４、および、動作制御部３５による各種演算、設定、動作制御等に必要な各種情報を記憶する。

制御装置３は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ/Ｆ装置と、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）またはＦＥＤ（Field Emission Display）等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述したＶＡＶ要求風量算出部３１、必要外気量算出部３２、最小風量設定部３３、ＶＡＶ風量設定部３４、動作制御部３５および記憶部３６が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

＜変風量ユニットの構成＞
変風量ユニット４５−１〜４５−３は、公知のＶＡＶユニットから構成されており、被制御エリア２−１〜２−３の室温の設定値に室温の計測値が近づくように、制御装置３から被制御エリア２−１〜２−３に供給するＶＡＶの給気の量（ＶＡＶ風量）を制御する。

＜制御装置の動作＞
次に、本実施の形態に係る空調システムにおける制御装置３の動作について、図２を参照して説明する。

まず、必要外気量算出部３２は、ＣＯ₂濃度の設定値と、排気のＣＯ₂濃度と、外部から導入する外気の量の上下限値とに基づいて、空調機１が実際に外部から導入する外気の量、すなわち必要外気量を算出する（ステップＳ１）。

必要外気量が算出されると、最小風量設定部３３は、その必要外気量と、設計外気量の比率を、変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定された初期設定最小ＶＡＶ風量に乗じて各変風量ユニット４５−１〜４５−３のＶＡＶ最小風量を設定する（ステップＳ２）。具体的には、ＶＡＶ最小風量は、下式（１）により算出される。ここで、設計外気量とは、被制御エリア２−１〜２−３の大きさや設計条件である想定人員に基づいて設計段階に予め設定される空調機１が取り込む外気の量である。また、下式（１）は、被制御エリア２−１〜２−３毎に適用される。

ＶＡＶ最小風量＝必要外気量／設計外気量・定格最小ＶＡＶ風量
・・・（１）
ＶＡＶ最小風量（下限値）＜ＶＡＶ最小風量（１）＜ＶＡＶ最小風量（最大値）
・・・（２）

上式（１）により算出されるＶＡＶ最小風量は、上式（２）の通り、変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定されたＶＡＶ風量の下限値から設計風量までの間で可変となる。この値が各被制御エリア２−１〜２−３におけるＶＡＶ最小風量として設定される。なお、必要外気量が設計外気量と等しい場合には、ＶＡＶ最小風量としては、ＶＡＶ最小風量の最大値が設定される。このＶＡＶ最小風量の最大値は、一般的に定格の４０％程度の値である。

一方、ＶＡＶ要求風量算出部３１は、被制御エリア２−１〜２−３の設定温度と、被制御エリア２−１〜２−３の室温とに基づいて、被制御エリア２−１〜２−３それぞれのＶＡＶ要求風量を算出する（ステップＳ３）。ここで、ＶＡＶ要求風量算出部３１は、被制御エリア２−１〜２−３それぞれに設けられたコントローラ等から設定温度を、被制御エリア２−１〜２−３それぞれに設けられた室温センサから室温を取得する。

ＶＡＶ要求風量が算出されると、ＶＡＶ風量設定部３４は、そのＶＡＶ要求風量と最小風量設定部３３により設定されたＶＡＶ最小風量とに基づいて、被制御エリア２−１〜２−３のＶＡＶ風量を設定する（ステップＳ４）。具体的には、ＶＡＶ最小風量とＶＡＶ要求風量とを比較し、ＶＡＶ要求風量の値がＶＡＶ最小風量の値以上である場合、ＶＡＶ風量には、ＶＡＶ要求風量の値が設定される。一方、ＶＡＶ要求風量の値がＶＡＶ最小風量の値よりも小さい場合、ＶＡＶ風量には、ＶＡＶ最小風量の値が設定される。

このように、本実施の形態では、排気のＣＯ₂濃度に基づく空調機１の必要外気量を求め、その必要外気量と定格外気風量との比率を変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定された初期設定最小ＶＡＶ風量に乗じて状態監視ＶＡＶ最小風量を設定するので、例えば被制御エリア２−１〜２−３に存在する人数が少ない場合などＣＯ₂濃度が低い場合には、排気のＣＯ₂濃度が低くなるので、最小風量を予め設定したＶＡＶ風量の下限値まで小さくすることができる。図３で示したような従来の場合には、ＶＡＶ風量に定格風量の４０％の最小風量が設定されており、定格風量の４０％〜１００％の範囲内のみしかＶＡＶ風量を制御できなかった。このため、室温の下がりすぎや給気温度およびファン風量の増大を招いていた。これに対して本実施の形態では、最小風量を従来よりも小さくすることができるので、ＶＡＶ風量での温度制御範囲を拡げることが可能となり、結果として、室温の下がり過ぎや給気温度上昇に伴うファン風量の増大を防ぐことができる。

最小風量が設定されると、動作制御部３５は、ＶＡＶ風量設定部３５により設定されたされた被制御エリア２−１〜２−３のＶＡＶ風量に基づいて、変風量ユニット４５−１〜４５−３の開度等を調整する（ステップＳ５）。この設定に基づいて、空調機１のインバータの出力を決定し、空調機１から供給する給気のファン風量が決定される。これにより、被制御エリア２−１〜２−３には、それぞれの負荷に応じた給気が供給される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、必要外気量算出部３２により複数の被制御エリア２−１〜２−３から排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、空調機１において生成される給気に混合する外気の量である必要外気量を算出し、最小風量設定部３３により、予め設定された設計外気量と、必要外気量算出部３２により算出された必要外気量と、空調機１の定格風量と、変風量ユニット４５−１〜４５−３の定格風量とに基づいて、変風量ユニット４５−１〜４５−３の最小風量を算出し、動作制御部３５により、最小風量設定部３３で算出された最小風量から変風量ユニット４５−１〜４５−３に予め設定された最大風量までの範囲内で変風量ユニット４５−１〜４５−３の風量を制御する。従来と比べて、ＶＡＶ最小風量をさらに小さくすることができるので、ＶＡＶ風量の制御範囲を広くすることが可能となる。これにより、被制御エリア２−１〜２−３の冷やしすぎ、および、給気温度リセット制御による給気温度の上昇を防ぐことができるので、エネルギー消費量の増大を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、システムの構成要素が、図３で示した従来の空調システムで用いられているＣＯ₂センサで測定された排気のＣＯ₂濃度に基づいてＶＡＶ最小風量を設定するので、各制御エリアのＣＯ₂濃度を計測するためのセンサが不要となり、結果として、既存の建造物にも容易に導入することができるとともに、初期コストを抑制することができる。

なお、本実施の形態において、空調機１により給気を供給する被制御エリアとして３つの被制御エリア２−１〜２−３を設けた場合を例に説明したが、被制御エリアの数量はこれに限定されず、建造物等の構造に応じて適宜自由に設定することができる。

本発明は、ＶＡＶ制御を行う各種空調システムに適用することができる。

１…空調機、２−１〜２−３…被制御エリア、３…制御装置、４…ＣＯ₂センサ、１１…エアフィルタ、１２…電動弁、１３…冷却コイル、１４…電動弁、１５…加熱コイル、１６…給気送風機、１６ａ…ファン、１６ｂ…インバータ、３１…ＶＡＶ要求風量算出部、３２…必要外気量算出部、３３…最小風量設定部、３４…ＶＡＶ風量設定部、３５…動作制御部、３６…記憶部、４１…外気ダクト、４２…外気ダンパ、４３…給気ダクト、４４−１〜４４−３…分岐ダクト、４５−１〜４５−３…変風量ユニット、４６…給気温センサ、５１…排気ダクト、５２…排気送風機、５２ａ…ファン、５２ｂ…インバータ、５３…外気ダンパ、５４…還気調整用ダンパ、５５…排気温センサ。

Claims (4)

1. 排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、外部より取り込んだ外気と前記排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、この空調機から供給される調和空気を前記被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットとを備えた空調システムにおいて前記変風量ユニットの風量を制御する制御装置であって、
   複数の制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、前記空調機において生成される調和空気に混合する外気の量である必要外気量を算出する外気量算出手段と、
   前記被制御エリアに対して予め設定された設計外気量と、前記外気量算出手段により算出された前記必要外気量の削減比率を、前記変風量ユニットに予め設定された初期設定最小風量値に乗じて空気質の状態の合わせた前記変風量ユニットの最小風量を算出する最小風量算出手段と、
   この最小風量算出手段により算出された前記最小風量から前記変風量ユニットに予め設定された最大風量までの範囲内で前記変風量ユニットの風量を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする空調制御装置。
2. 請求項１に記載された空調制御装置において、
   前記最小風量算出手段は、
   前記空調機の定格風量に対する前記設計外気量と前記必要外気量との差の比率を求める第１の演算手段と、
   この比率を前記変風量ユニットの初期設定最小風量値を乗じて前記変風量ユニットの空気質の状態に合わせた最小風量を算出する第２の演算手段と
   を備えることを特徴とする空調制御装置。
3. 排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、
   外部より取り込んだ外気と前記排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、
   この空調機から供給される調和空気を前記被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットと、
   この変風量ユニットの風量を制御する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、請求項１または請求項２に記載された空調制御装置である
   ことを特徴とする空調制御システム。
4. 排気ダクトに設けられ、複数の被制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度を測定するセンサと、外部より取り込んだ外気と前記排気の一部とを混合して調和空気を生成する空調機と、この空調機から供給される調和空気を前記被制御エリアにそれぞれ供給する変風量ユニットとを備えた空調システムの制御方法であって、
   複数の制御エリアから排出される排気のＣＯ₂濃度に基づいて、前記空調機において生成される調和空気に混合する外気の量である必要外気量を算出する外気量算出ステップと、
   前記被制御エリアに対して予め設定された設計外気量と、前記外気量算出ステップにより算出された前記必要外気量の削減比率を、前記変風量ユニットに予め設定された初期設定最小風量値に乗じて、空気質の状態に合わせた前記変風量ユニットの最小風量を算出する最小風量算出ステップと、
   この最小風量算出ステップにより算出された前記最小風量から前記変風量ユニットに予め設定された最大風量までの範囲内で前記変風量ユニットの風量を制御する制御ステップと
   を有することを特徴とする空調制御方法。

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