(57)【要約】【課題】  調湿器と外気冷房とを併用し、かつ、消費エネルギーを低減する温湿度制御システムを提供する。【解決手段】  温度制御用ＰＩＤ調節器１０１は、温度センサ１１によって測定された温度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、排気用ダンパ２１、還気用ダンパ４１および外気導入用ダンパ３１に適用する操作量を算出する。湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２は、湿度センサ１２によって測定された湿度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、加湿用バルブ８１に適用する操作量を算出する。不感帯制御部１１０は、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２に対して、設定した条件において、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２のＰ項、Ｉ項、Ｄ項から算出された３つの操作量のうち、いずれか１つ以上の操作量出力を止める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御対象空間内の温度を測定する温度センサと、
前記制御対象空間内の湿度を測定する湿度センサと、
前記制御対象空間から排出する空気のうち外部に排出する風量を調整する排気用ダンパと、
前記制御対象空間から排出する空気のうち前記制御対象空間に戻す還気風量を調整する還気用ダンパと、
外部から導入する風量を調整する外気導入用ダンパと、
前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパを通過した空気の湿度を調整する加湿器を含み、該加湿器により湿度調整された空気を前記制御対象空間内に戻す空気供給手段と、
前記加湿器に供給する水の量を調整する加湿用バルブと、
前記温度センサによって測定された温度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、前記排気用ダンパ、前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパに適用する操作量を算出する温度制御用ＰＩＤ調節器と、
前記湿度センサによって測定された湿度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、前記加湿用バルブに適用する操作量を算出する湿度制御用ＰＩＤ調節器と、
制御量が設定値の上下限値内にある条件において、前記温度制御用ＰＩＤ調節器および前記湿度制御用ＰＩＤ調節器のＰ項、Ｉ項、Ｄ項から算出された３つの操作量のうち、いずれか１つ以上の操作量出力を止める不感帯制御手段と
を具備することを特徴とする温湿度制御システム。
【請求項２】
前記温度制御用ＰＩＤ調節器および前記湿度制御用ＰＩＤ調節器は、各々速度形または位置形のＰＩＤ調節器であり、前記不感帯制御手段は、温度または湿度の制御量が上下限値内にある場合、Ｐ項とＤ項の出力を止めることを特徴とする請求項１に記載の温湿度制御システム。
【請求項３】
前記不感帯制御手段は、
前記温度センサにより測定された温度が、予め設定された上下限値を越え、または前記湿度センサにより測定された湿度が、予め設定された上下限値を越えている状態において、
前記排気用ダンパ、前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパに適用する操作量が上限値または下限値であり、かつ、前記加湿用バルブに適用する操作量が上限値でも下限値でもない場合に、前記湿度制御用ＰＩＤ調節器の不感帯を解除し、
前記排気用ダンパ、前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパに適用する操作量が上限値でも下限値でもなく、かつ、前記加湿用バルブに適用する操作量が上限値または下限値である場合に、前記温度制御用ＰＩＤ調節器の不感帯を解除することを特徴とする請求項１または２に記載の温湿度制御システム。
【請求項４】
前記空気供給手段から前記制御対象空間に供給される空気の温度制御を行う補助熱源をさらに具備し、
前記不感帯制御手段は、前記温度センサにより測定された温度が、予め設定された上下限値を越え、または前記湿度センサにより測定された湿度が、予め設定された上下限値を越えるとともに、前記排気用ダンパ、前記還気用ダンパ、前記外気導入用ダンパおよび前記加湿用バルブに適用する操作量の全てが上限値または下限値である状況が所定時間以上継続した場合に、前記補助熱源を起動することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の温湿度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンピュータルーム等の制御対象空間の温度および湿度を制御する温湿度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の技術を開示した文献として特許文献１がある。同文献に開示のシステムでは、冷凍機等の冷熱源機器に加えて外気冷房手段を併用することにより室内の温度を設定値に一致させる制御を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−７８２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
室内の温湿度制御において、その消費エネルギーを低減するためには、特許文献１に開示されているように、冷凍機等の冷熱源機器に加えて外気冷房を導入した温湿度制御が望まれる。しかし、外気冷房を導入した温湿度制御を行うためには、排気用および外気導入用のファンを動作させる他、排気量や外気導入量を調整するためのダンパを制御する必要がある。しかし、特許文献１に開示の技術では、温度と目標値とを一致させる制御が行われるようになっているため、ダンパ類の操作量の更新が頻繁に行われ、温湿度制御のための消費エネルギーが大きくなる問題があった。しかしながら、コンピュータルーム等では、温度や湿度を厳密に目標値に一致させる必要はなく、温度や湿度がある上限値と下限値との間に収まっていれば空調の目的は十分に達成される。従って、温度や湿度を目標値に厳密に一致させるために、温湿度制御のためのダンパ類の操作を過剰に行うことは、無駄にエネルギーを消費していることになる。この課題に対する対策の一つとして，これまでにモデル予測制御が適用されている。この制御手法は、操作量や制御量を上下限値の範囲内に収めつつ、制御量と目標値との誤差と、操作量の変化量を最小化する制御である。しかしながら、このモデル予測制御は、制御系のモデリングおよびコントローラの設計にエンジニアリング工数がかかるため、莫大な費用がかかるという問題がある。さらに、モデル予測制御技術を理解する、限られた技術者のみが制御系設計、運用が可能であるという問題もある。
【０００５】
この発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、冷凍機等の冷熱源機器と外気冷房とを併用し、かつ、省エネルギーを実現する温湿度制御システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、制御対象空間内の温度を測定する温度センサと、前記制御対象空間内の湿度を測定する湿度センサと、前記制御対象空間から排出する空気のうち外部に排出する風量を調整する排気用ダンパと、前記制御対象空間から排出する空気のうち前記制御対象空間に戻す還気風量を調整する還気用ダンパと、外部から導入する風量を調整する外気導入用ダンパと、前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパを通過した空気の湿度を調整する加湿器を含み、該加湿器により湿度調整された空気を前記制御対象空間内に戻す空気供給手段と、前記加湿器に供給する水の量を調整する加湿用バルブと、前記温度センサによって測定された温度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、前記排気用ダンパ、前記還気用ダンパおよび前記外気導入用ダンパに適用する操作量を算出する温度制御用ＰＩＤ調節器と、前記湿度センサによって測定された湿度を制御量とし、この制御量と目標値との偏差に基づいて、前記加湿用バルブに適用する操作量を算出する湿度制御用ＰＩＤ調節器と、制御量が設定値の上下限値内にある条件において、前記温度制御用ＰＩＤ調節器および前記湿度制御用ＰＩＤ調節器のＰ項、Ｉ項、Ｄ項から算出された３つの操作量のうち、いずれか１つ以上の操作量出力を止める不感帯制御手段とを具備することを特徴とする温湿度制御システムを提供する。
【０００７】
かかる発明によれば、冷凍機等の冷熱源機器と外気冷房を併用して、制御対象空間内の温湿度の制御を行うので、消費エネルギーを低減し、効率的に温湿度制御を行うことができる。また、不感帯制御手段は、制御量が設定値の上下限値内にある条件において、前記温度制御用ＰＩＤ調節器および前記湿度制御用ＰＩＤ調節器のＰ項、Ｉ項、Ｄ項から算出された３つの操作量のうち、いずれか１つ以上の操作量出力を止めるので、僅かな偏差に反応して排気用ダンパ、外気導入用ダンパ、還気用ダンパまたは加湿用バルブが過剰に操作されるのを防止し、消費エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の第１実施形態である温湿度制御システムの構成を示す図である。
【図２】同実施形態に利用可能な速度形ＰＩＤ調節器の構成例を示すブロック図である。
【図３】同実施形態に利用可能な位置形ＰＩＤ調節器の構成例を示すブロック図である。
【図４】同実施形態における制御系の構成を示すブロック図である。
【図５】同実施形態の不感帯制御部の処理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
【００１０】
＜第１実施形態＞
図１はこの発明の第１実施形態である温湿度制御システムの構成を示す図である。この温湿度制御システムは、サーバ室１０内の空間を制御対象空間とし、この制御対象空間内の温度および湿度を設定範囲内に制御するシステムである。この温湿度制御システムには、空気の流路２０、３０、４０および５０と、水の流路６０および８０が設けられている。
【００１１】
排気ファン２２は、サーバ室１０から流路２０を介して空気を取り出して屋外に排気する装置である。流路２０における排気ファン２２の上流には排気ファン２２により外部に排出される排気量を調整するための排気用ダンパ２１が設けられている。
【００１２】
流路４０は、流路２０の途中から分岐してエアハンドリングユニット（空気供給手段）７０に至っている。このエアハンドリングユニット７０は、サーバ室１０内に導入する空気を調整する装置である。流路４０は、サーバ室１０から排気流路２０に排出された空気のうちエアハンドリングユニット７０を介してサーバ室１０内に戻す還気の流路である。この流路４０の途中には、還気風量を調整するための還気用ダンパ４１が設けられている。
【００１３】
流路３０は、外気導入ファン３２によって屋外から導入された外気をエアハンドリングユニット７０に供給する流路である。この流路３０の途中には、外気導入ファン３２を介して屋外から導入する外気導入量を調整するための外気導入用ダンパ３１が設けられている。
【００１４】
エアハンドリングユニット７０は、加湿器７１を有している。この加湿器７１は、流路３０および４０を介してエアハンドリングユニット７０内に導入される空気を加湿することにより、湿度調整された空気を生成する。この湿度調整された空気は、流路５０を介して供給され、サーバ室１０に設けられた吹き出し口からサーバ室１０内に供給される。加湿用バルブ８１は、流路８０を介してエアハンドリングユニット７０内の加湿器７１に導入する水の流量を調整するための装置である。
【００１５】
流路６０は、補助熱源６２およびエアハンドリングユニット７０内を通過する流路である。補助熱源６２は、流路６０を介して供給する水を冷却する装置である。エアハンドリングユニット７０は、流路６０を介して供給される冷却水により、サーバ室１０に供給する空気を冷却する。流路６０には、エアハンドリングユニット７０に供給する冷却水の流量を調整するためのバルブ６１が設けられている。
【００１６】
サーバ室１０内には、エアハンドリングユニット７０から吹き出し口を介して導入される空気の温度および湿度を測定する温度センサ１１および湿度センサ１２が設置されている。
【００１７】
温度制御用ＰＩＤ調節器１０１は、温度センサ１１によって測定された温度ＴＰＶを制御量とし、この制御量と目標値ＴＳＶとの偏差ＴＳＶ−ＴＰＶに基づいて、排気用ダンパ２１、還気用ダンパ４１および外気導入用ダンパ３１に適用する操作量ＭＶＴを算出する装置である。さらに詳述すると、本実施形態では、操作量ＭＶＴが排気用ダンパ２１および外気導入用ダンパ３１の開度を指示し、１００％−ＭＶＴが還気用ダンパ４１の開度を指示する。
【００１８】
また、湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２は、湿度センサ１２によって測定された湿度ＸＰＶを制御量とし、この制御量と目標値ＸＳＶとの偏差ＸＳＶ−ＸＰＶに基づいて、加湿用バルブ８１の開度を指示する操作量ＭＶＸを算出する装置である。
【００１９】
不感帯制御部１１０は、制御量が設定値の上下限値内にある条件において、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２のＰ項、Ｉ項、Ｄ項から算出された３つの操作量のうち、いずれか１つ以上の操作量出力を止める装置である。
以上が本実施形態による温湿度制御システムの概略である。
【００２０】
図２は温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２の第１の構成例である速度形ＰＩＤ調節器１０１Ａ（１０２Ａ）を示すブロック図である。この速度形ＰＩＤ調節器１０１Ａ（１０２Ａ）は、下記式（１）に従い、排気用ダンパ２１、還気用ダンパ４１および外気導入用ダンパ３１に適用する操作量ＭＶＴを算出し、あるいは加湿用バルブ８１に適用する操作量ＭＶＸを算出する。
【数１】
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【００２１】
上記式（１）において、ｋは現ステップを意味するインデックス、ｅｋは現ステップにおける制御量ＰＶｋと目標値ＳＶとの偏差、ｅｋ−１は１ステップ前における制御量ＰＶｋ−１と目標値ＳＶとの偏差、ｅｋ−２は２ステップ前における制御量ＰＶｋ−２と目標値ＳＶとの偏差、ΔＭＶkは現ステップｋにおける操作差分出力、ΔＭＶＤｋ−１は現ステップの１つ前のステップｋ−１における操作差分出力、ＰＢは比例帯［％］、Ｔｉは積分時間［s］、Ｔｄは微分時間［s]、ＤＴはステップの周期であるサンプリング周期[s］、ｄａは微分係数である。
【００２２】
図３は温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２の第２の構成例である位置形ＰＩＤ調節器１０１Ｂ（１０２Ｂ）を示すブロック図である。この位置形ＰＩＤ調節器１０１Ｂ（１０２Ｂ）は、下記式（２）に従い、排気用ダンパ２１、還気用ダンパ４１および外気導入用ダンパ３１に加える操作量ＭＶＴを算出し、あるいは加湿用バルブ８１に加える操作量ＭＶＸを算出する。
【数２】
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【００２３】
本実施形態における温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２は、通常のＰＩＤ調節器の構成に加えて、図２および図３に示すように、所定の条件でＰＩＤ調節器のＰ項（比例項）の出力を止める不感帯形成部１１１と、所定の条件でＤ項（微分項）の出力を止める不感帯形成部１１２とを有している。
【００２４】
ここで、不感帯形成部１１１は、制御量ＰＶｋと目標値ＳＶとの偏差ＳＶ−ＰＶｋに対して、不感帯制御部１１０から供給される係数ＤＢ＿Ｐを乗算したものをＰ項の入力値とする。また、不感帯形成部１１２は、制御量ＰＶｋと目標値ＳＶとの偏差ＳＶ−ＰＶｋに対して、不感帯制御部１１０から供給される係数ＤＢ＿Ｄを乗算したものをＤ項の入力値とする。係数ＤＢ＿ＰおよびＤＢ＿Ｄは、不感帯において０とされ、不感帯から外れた領域では１とされる。如何なる領域を不感帯とするかは不感帯制御部１１０が決定する。
【００２５】
図４は本実施形態による温湿度制御システムの制御系の構成を示すブロック図である。なお、図４において、プラントとは図１におけるサーバ室１０およびこのサーバ室１０の温度と湿度の制御のために設けられた各種の設備の総体である。
【００２６】
図４において不感帯制御部１１０は、温度の上限値ＴＵＬおよび下限値ＴＬＬ、湿度の上限値ＸＵＬおよび下限値ＸＬＬの設定を受け付ける機能を有している。
【００２７】
そして、不感帯制御部１１０は、温度の上下限値ＴＵＬ、ＴＬＬと制御量ＰＶＫを比較し、比較結果に基づき温度制御用ＰＩＤ調節器１０１に供給する係数ＤＢ＿ＰＴおよびＤＢ＿ＤＴを１とするか０とするかを決定する。また、湿度の上下限値ＸＵＬ、ＸＬＬと制御量ＰＶＫを比較し、比較結果に基づき湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２に供給する係数ＤＢ＿ＰＸおよびＤＢ＿ＤＸを１とするか０とするかを決定する。
【００２８】
図５は本実施形態における不感帯制御部１１０が実行する処理を示した図である。不感帯制御部１１０は、この図に示す処理を所定周期で繰り返し実行する。
【００２９】
この周期的に実行する処理内容について説明すると、まず、不感帯制御部１１０は、温度と湿度の制御量ＴＰＶ、ＸＰＶ、操作量ＭＶＴ、ＭＶＸと、予め設定した上下限値の情報から、条件１〜４の真偽を判断する。ここで、
条件１：ＴＬＬ≦ＴＰＶ≦ＴＵＬ
条件２：ＭＶＴ＝０またはＭＶＴ＝１００
条件３：ＸＬＬ≦ＸＰＶ≦ＸＵＬ
条件４：ＭＶＸ＝０またはＭＶＸ＝１００
である。
【００３０】
そして、不感帯制御部１１０は、各条件の真偽の組合わせに合致した条件の不感帯係数値ＤＢ＿ＰＴ、ＤＢ＿ＤＴ、ＤＢ＿ＰＸ、ＤＢ＿ＤＸ、および補助熱源６２に対する起動指令δｈの値を決定する。具体的には次の通りである。
（１）条件１が真、条件３が真である場合、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２においてＰ項とＤ項の出力を止める。
（２）条件１が真、条件３が偽、条件４が偽である場合、条件１が偽、条件２が偽、条件３が真である場合は、上下限値を越えたＰＩＤ制御器においてＰ項とＤ項を出力させる。
（３）条件１が真、条件３が偽、条件４が真である場合、条件１が偽、条件２が真、条件３が真である場合、条件１が偽、条件３が偽、条件４が偽である場合、条件１が偽、条件２が偽、条件３が偽である場合、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２においてＰ項とＤ項を出力させる。
（４）条件１が偽、条件２が真、条件３が偽、条件４が真である場合、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２においてＰ項とＤ項を出力させ、かつ、補助熱源６２を起動する。
【００３１】
また、条件１と条件３の温度及び湿度の上下限値に、閾値αを設定する。具体的には、制御量が上限値を越えた場合には上限値を閾値αだけ減少させ、制御量が上限値を下回った場合が上限値を閾値αだけ増加させる。下限値についても同様である。このように制御量と上下限値との比較動作にヒステリシス特性を持たせることにより、制御量が上下限値近傍にある場合、頻繁に不感帯係数値が変動するのを回避することができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、加湿器７１を用いるのみならず、外気冷房を併用することによりサーバ室１０内の温湿度制御を行っているので、温湿度制御のために消費するエネルギーを低減することができる。また、本実施形態では、温度ＴＰＶの上下限値以内となる領域は、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１のＰ項およびＤ項に関して不感帯が有効となり、温度制御用ＰＩＤ調節器１０１ではＩ項のみに温度ＴＰＶと目標値ＴＳＶとの偏差が与えられ、操作量ＭＶＴが算出される。従って、温度ＴＰＶの上下限値以内になる領域では、操作量ＭＶＴの過剰な変動を抑制して、排気用ダンパ２１、還気用ダンパ４１および外気導入用ダンパ３１の駆動の頻度を減らし、温湿度システムの消費エネルギーを低減することができる。また、本実施形態において、温度ＴＰＶの上下限値を越える領域は、上記不感帯が解除され、Ｐ項、Ｉ項、Ｄ項の全ての項を足し合わせた操作量ＭＶＴが算出される。湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２による湿度制御についても同様である。
【００３３】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば上記実施形態では、不感帯制御部１１０を温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２の外部に設けたが、この不感帯制御部１１０に相当するものを温度制御用ＰＩＤ調節器１０１および湿度制御用ＰＩＤ調節器１０２の各々の内部に設けてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１０１…温度制御用ＰＩＤ調節器、１０２…湿度制御用ＰＩＤ調節器、１０…サーバ室、２０，３０，４０，５０，６０，８０…流路、７０…エアハンドリングユニット、７１…加湿器、２１…排気用ダンパ、４１…還気用ダンパ、３１…外気導入用ダンパ、８１…加湿用バルブ、１１…温度センサ、１２…湿度センサ、１１１，１１２…不感帯形成部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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