(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源機で生成した温水をポンプで空調器に循環し、室内に供給される空気を前記空調器で前記温水と熱交換させる冷凍空調装置において、
循環する前記温水の温度を検出する水温測定手段と、
前記熱源機の運転を制御し、前記水温測定手段で検出された温水温度が前記熱源機の停止基準として設定された第一の温水温度以上になれば前記熱源機を停止する熱源機制御部、
及び前記ポンプの運転を制御し、前記水温測定手段で検出された温水温度が前記第一の温水温度よりも高温で、システムの停止基準としての温水温度よりは低温の前記ポンプの停止基準としての第二の温水温度以上になれば前記ポンプの通常運転を停止させ、
且つ前記ポンプを停止後に前記水温測定手段で検出された温水温度が前記第一の温水温度未満になれば前記ポンプの通常運転を再開させるポンプ制御部を有するコントローラとを備えたことを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
ポンプ制御部は、停止した前記ポンプを一定周期で断続運転させることを特徴とする請求項1に記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
ポンプ制御部は前記ポンプの停止後、前記ポンプの通常運転再開前に、停止した前記ポンプを一定時間待機させた後に運転することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
水温測定手段を、前記熱源機の温水出口に設置したことを特徴とする請求項1あるいは請求項3のいずれか1項に記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はビルや病院などの建屋内の冷暖房を行なう冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷凍空調装置における運転制御では、ポンプ、バルブを対象とした流量制御、熱源機を対象とした容量制御、あるいは空調ファンを対象とした風量制御等により、室温調整を実施している。また、インバータを用いてポンプ、バルブ、熱源機、空調ファンなど制御対象機器全体を統括して制御し、エネルギー消費を最少にして省エネルギー化を図った空調運転も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2003-214685号公報（第４−５頁、第1図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の冷凍空調装置における暖房時の空調システムは、熱源機で生成した高温の温水を空調器に搬送する一次側サイクルと、室内の空気を空調器に搬送して温風を室内に供給する二次側サイクルとで構成し、一次側サイクルと二次側サイクルの間で空調器による熱交換を実施するのが一般的である。二次側サイクルでは他に外の空気を取り込んで空調器に搬送する構成もあるが、二次側サイクルの空気取り込みが室内／外気いずれの構成であっても、一次側サイクルの構成や運転手順は同様である。
【０００５】
一次側サイクルで熱源機から空調器に搬送した温水は、二次側サイクルが搬送する空気との熱交換により温度が低下する。空調器から排出した温水はポンプにより再度熱源機に供給され、高温化した後に一次側サイクルを再循環する。
【０００６】
空調器における熱交換処理は、一次側サイクル全体の温水温度の変化に影響を与える。二次側サイクルの冷たい空気を一次側サイクルの温水で温めるため、空気と温水の温度差が大きいほど熱交換量が大きくなり、空調器から排出される温水温度は低くなる。一方空調器で実施する熱交換量が小さくなると、温水は高い水温を維持したまま空調器から排出され、一次側サイクル全体の水温が上昇する。このときの空気と温水の温度差や熱交換量等を総括して空調器での「負荷」と称する。
尚、負荷の変動状況は、二次側サイクルの空気取り込み方式により差異が発生する。室内空気を取り組む構成では、室内温度と設定温度の温度差が負荷の主要因となる。運転開始時の負荷が最も大きく、暖房運転により室内温度が設定温度に近づくにつれて小さくなる。
一方外気を取り込む構成では、外気と設定温度の温度差が負荷の主要因となる。外気が高いほど負荷は小さくなるが、暖房運転により室内温度が上昇しても負荷には変動を与えない。
【０００７】
次に温水の温度変化に伴う従来の制御を説明する。熱源機で生成した温水（例えば55℃とする）は、空調器で熱交換を実施した後に約5℃低下して空調器から排出されてポンプにより熱源機に再供給されるが、外気との温度差が小さな場合や、暖房運転の継続に伴う室内温度の上昇で負荷が小さくなると熱交換による温度低下が5℃未満になり、一次側サイクル全体の温水温度が上昇するため、一定温度以上に上昇した場合には熱源機の運転を停止している。このときの停止処理を「サーモ停止」と称し、一次側サイクルの水温調整を図るために日常的に実施している。
熱源機が運転を停止すると一次側サイクルの水温は徐々に低下するため、一定の温度以下に低下した場合に熱源機の運転を再開する。
【０００８】
通常はサーモ停止により水温は低下していくが、負荷が殆どない場合には熱源機の運転停止後もポンプの発熱で水温が上昇する場合がある。通常の負荷状況では、熱交換で低下する温度の方がポンプ発熱で上昇する温度よりも大きいのだが、負荷が殆どない場合には熱交換による温度低下が少ないためにポンプ発熱により温度が徐々に上昇していく。空調システムでは温水温度の上昇に伴う機器への損傷を防止するために上限温度（例えば65℃）を設定しており、上限温度以上の水温を検出した場合には「温度異常」のアラームを発生させてポンプを緊急停止している。
【０００９】
ポンプ緊急停止後の復旧は、制御盤での手動によるアラーム解除により実施する。ただしアラーム解除には一次側サイクルの水温がシステム上限基準温度から十分に低下していること（例えば55℃以下になっている）が必要である。水温の低下時間はシステムにより異なるが、本例では一次側サイクルの水温が65℃から55℃まで10℃低下するのには約3時間を想定する。
【００１０】
尚、サーモ停止時にポンプも併せて運転停止することで、一次側サイクルの温度上昇を回避することが可能になると考えられるが、サーモ停止中ポンプは常時運転が一般的であり、熱源機と同時にポンプを停止することは行わない。
ポンプを常時運転する理由としては、温風を室内に供給する二次側サイクルが運転を継続しているため、水流を発生させて空調器に温水供給を継続する必要があること、及び温水温度が低下した時に熱源機の運転を再開する必要があり、一次側サイクル全体の水温を検知するために水流を発生する必要があることに因る。
【００１１】
従来技術による制御は上述したとおりであり、温水温度がシステム上限基準温度である65℃に達した場合にはポンプを緊急停止しており、一次側サイクルの水流が停止する。
ポンプ停止はアラーム発生に伴う動作であることから、手動で制御盤のアラームを解除してポンプ運転を再開する必要があるが、運転再開が可能な水温に低下していない場合にはアラームを解除できないため、定期的に水温を測定する必要がある。併せてポンプが停止している間は、熱源機の運転も再開できないために水温が低下するまでの約3時間（本例の想定時間）、暖房運転を再開できないという問題がある。
【００１２】
この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、一次側サイクルの温水温度をシステムの上限温度まで上昇させることなく、緊急停止のアラーム発生を回避することによりポンプと熱源機の自動再開を可能にすると共に、暖房運転再開までの待機時間の短縮を可能にする冷凍空調装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係る冷凍空調装置においては、熱源機の運転を制御し、熱源機の停止基準温度として設定した温水温度以上になれば熱源機を停止する熱源機制御部と、ポンプの運転を制御し、熱源機の停止基準温度よりは高温で、システム停止基準とする温度よりは低温のポンプ停止基準温度として設定した温水温度以上になればポンプを停止し、熱源機の停止基準温度未満になればポンプの運転を再開するポンプ制御部とを有するコントローラを備えたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、熱源機の停止基準温度よりは高温で、システム停止基準とする温度よりは低温のポンプ停止基準温度でポンプを停止し、熱源機の停止基準温度未満になればポンプの運転を再開させることにより一次側サイクルの温水温度の調整を可能にし、緊急停止アラームの発生を回避することができる。またポンプ停止を通常制御で実施することにより、ポンプ及び熱源機の自動運転を再開することが可能になる。さらに設備の上限温度よりも低い温度でポンプを制御するため、ポンプの停止時間を短縮して暖房運転再開までの待機時間を短縮することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施の形態１による冷凍空調装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明に係る冷凍空調装置の通常運転における各設備の水温の変動を示す図である。
【図３】この発明に係る実施の形態１のポンプ制御における水温範囲を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による冷凍空調制御装置の主要部構成を示すブロック図である。
【図５】この発明に係る実施の形態１の処理手順を示すフロー図である。
【図６】この発明の実施の形態２による冷凍空調制御装置の主要部構成を示すブロック図である。
【図７】この発明に係る実施の形態２の処理手順を示すフロー図である。
【図８】この発明の実施の形態３による冷凍空調制御装置の主要部構成を示すブロック図である。
【図９】この発明に係る実施の形態３の処理手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における冷凍空調装置全体のブロック図である。図１において一次側サイクル１は熱源機１１、ポンプ１２、空調器３を接続して構成しており、温水が循環している。二次側サイクル２は空調ファン２１、室内２２、空調器３を接続して構成しており、室内２２に空気を供給している。また水温検出手段１３を設置して温水温度を測定し、室内検出手段２３を設置して室内温度を測定する。水温検出手段１３、室温検出手段２３はいずれもコントローラ４に接続しており、コントローラ４は測定した水温、室温に基づいて熱源機１１、ポンプ１２、空調ファン２１を制御する。
【００１７】
次に動作について説明する。一次側サイクル１では熱源機１１で温水を生成した後、空調器３に温水を供給する。空調器３で温水の熱を二次側サイクル２の空気に熱交換した後、温度の低下した温水がポンプ１２により熱源機１１に供給されて再度高温の温水となり、一次側サイクル１を循環する。二次側サイクル２では、空調器３の熱交換で暖められた空気が空調ファン２１によって室内２２に供給され、室内２２の空気を取り込んだ後に再度空調器３に供給される。尚、二次側サイクル２では外気を取り込む構成もある。この場合には室外機２４を設け、外気を室外機２４から取り込む動作となるが、一次側サイクル１の構成や動作は同様である。
【００１８】
図２は一次側サイクル１の通常運転における各設備の水温の変動を示すものである。図２において、温水は熱源機１１で約55℃に高温化されて空調器３に供給される。空調器３での熱交換により約5℃水温が低下して排出され、ポンプ１２により熱源機１１に再供給されて一次側サイクル１を循環する。温水はポンプ１２通過時にポンプ１２の発熱により約1℃上昇するが、空調器３での熱交換で約5℃低下していることから、運転には影響していない。
尚、ポンプ発熱により１時間あたりに上昇する温水温度は以下の算出式で求めることが可能である。
上昇温度  デルタＴ＝（ポンプ入力（ｋＷ）×８６０）／保有水量（ｋｌ））
例えば、水量１．０ｔを保有するシステムで１５ｋＷの入力容量を有するポンプ１２を運転した場合、理論上１時間で約12.9℃の上昇温度を想定することができ、一次側サイクル１の循環時間を約5分と想定した場合、1回の循環で約1℃の温度上昇となる（但し、モータ力率や空気中への放熱等により、上昇する温度は算出値より幾分低くなる）。
【００１９】
図３はこの発明の実施の形態１によるポンプ制御における水温範囲を示すものである。図２に示したように、温水温度が55℃以下の場合には正常運転を実施しているが、空調器３の負荷状況によっては温水温度が55℃を超過して上昇する場合があり、熱源機１１やポンプ１２を停止させる必要が生じている。
熱源機１１の制御では、水温が55℃を超過した場合の停止基準温度（例えば56.5℃）を設定し、当該温度を検出した場合に熱源機１１を停止（サーモ停止）させ、当該温度から5℃以上低下した場合（例えば51.5℃）に運転を再開（サーモ復帰）している。他方ポンプ１２を対象とした水温制御を実施しない場合、水温が上昇してシステム停止基準温度である65℃になった場合にはアラームを発生させてポンプ１２は緊急停止されることになる。
【００２０】
この発明の実施の形態１ではサーモ停止後に、水温が熱源機１１の停止基準温度（56.5℃）を超えて上昇した場合のポンプ制御を追加する。システム停止基準温度（65℃）よりも低い温度にポンプ停止基準温度（例えば60℃）を設定し、当該温度になった場合にポンプ１２を停止する。ポンプ制御では、ポンプ１２停止後も水温検出手段１３による水温測定を継続し、例えば熱源機１１の停止基準温度（56.5℃）を下回る55℃をポンプ運転再開温度として設定した場合、水温が55℃以下に低下すればポンプ１２の通常運転を再開する。
【００２１】
図４はこの発明の実施の形態１における冷凍空調装置のコントローラ４におけるブロック図である。熱源機１１の制御を行なう熱源機制御部５とポンプ１２の制御を行なうポンプ制御部６で構成しており、熱源機制御部５はサーモ停止判定部５１と運転再開判定部５２を有し、ポンプ制御部６は停止判定部６１と運転再開判定部６２を有している。
各機能の動作を説明する。通常は熱源機制御部５が機能しており、サーモ停止判定部５１で熱源機１１の停止基準温度（56.5℃）を設定し、水温測定手段１３で測定する水温値が56.5℃以上になった場合に熱源機１１の運転を停止（サーモ停止）する。運転再開判定部５２ではサーモ停止後も継続して水温値を取り込み、熱源機１１の運転再開温度（51.5℃）以下になった場合に熱源機１１の運転を再開する（サーモ復帰）。一方水温が上昇してポンプ停止基準温度（60℃）以上になった場合には、ポンプ制御部６が機能する。
ポンプ制御部６では水温がポンプ停止基準温度（60℃）以上になったことにより、停止判定部６１でポンプ１２を停止する。運転再開判定部６２ではポンプ１２の停止後も継続して水温値を取り込み、ポンプ１２の運転再開温度（55℃）以下になった場合にポンプ１２の通常運転を再開する。
ポンプ１２の停止後は一次側サイクルの水流が停止するため、水温測定手段１３周辺のみの水温測定となるが、熱源機１１、ポンプ１２ともに運転を停止しており、一次側サイクル１全体がほぼ一様の温度変化となるため、水流のない状態での測定でも十分である。
【００２２】
図５はこの発明の実施の形態１における冷凍空調装置のコントローラ４における熱源機１１とポンプ１２の制御処理手順を示すフロー図である。ＳＴ１１からＳＴ１５までが熱源機制御に関するフローであり、ＳＴ２１、ＳＴ２２がポンプ制御に関するフローとなる。
図５のフロー図において、通常はＳＴ１１とＳＴ１２で温水温度の上昇状況を確認する。ＳＴ１２では、温水温度が熱源機１１の停止基準温度（56.5℃）に達していないかを判定し、56.5℃以上になった場合にはＳＴ１３に移行して熱源機１１の運転を停止する（サーモ停止）。
ＳＴ１３で熱源機１１がサーモ停止した後はＳＴ１４に移行し、温水温度が熱源機１１の運転再開温度（51.5℃）以下に低下していないかを判定、51.5℃以下になった場合にサーモ復帰する。一方51.5℃超過の場合にはＳＴ１５に移行し、ポンプ１２の停止基準温度（60℃）以上に上昇していないかを判定する。60℃以上になった場合にはＳＴ２１に移行してポンプ１２の運転を停止し、ＳＴ２２でポンプ１２の運転再開温度（55℃）以下に低下していないかを判定する。55℃以下になった場合にポンプ１２の通常運転を再開する。
尚、各設定温度は可変であり、システム状況に応じた値を設定する。
【００２３】
この実施の形態１によれば、温水温度がシステム停止基準温度（65℃）に達する前にポンプ１２を停止するために緊急停止アラームの発生を回避でき、水温が55℃以下になり次第ポンプ１２の通常運転を再開するために熱源機１１は自動的な運転再開が可能になる。また温水温度の上昇を60℃前後に抑えるため、ポンプ１２の運転再開までの待機時間を現在の約3時間から短縮することが可能である。
尚、ポンプの運転再開温度は55℃に限定したものではなく、システム運用状況により最適な温度に設定することで、効率的な運用が可能である。
【００２４】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２として、ポンプ１２の通常運転を再開する前に、ポンプ１２を一定周期で断続運転する場合の実施例を示す。ポンプ１２が停止した後、水温検出手段１３で測定する水温値がポンプ１２の停止基準温度（60℃）以下になった場合にポンプ１２を短時間（例えば5分間）運転させて一次側サイクル１全体に水流を発生させる機能を追加する。図６はこの発明の実施の形態２における冷凍空調装置のコントローラ４のブロック図であり、図７はこの発明の実施の形態２における冷凍空調装置のコントローラ４における熱源機１１とポンプ１２の制御処理手順を示すフロー図である。図７において図５と同一符号とした部分は、図５と同一または相当部分を示すものである。
【００２５】
図６において、ポンプ制御部６に断続運転判定部６３を追加し、断続運転判定部６３はタイマー７から時間データを取り込んで、ポンプ１２の断続運転を制御する。
【００２６】
図７において、ポンプ１２の運転停止後、ＳＴ２３で水温測定手段１３周辺の水温がポンプ１２の停止基準温度（60℃）以下になった場合にＳＴ２４でポンプ１２の断続運転を開始する。
ＳＴ２４でポンプの断続運転を開始後、ＳＴ２５で断続運転時間が5分経過あるいは60℃超過の場合にＳＴ２６に移行してポンプ１２を停止する。ポンプ１２の断続運転停止後、ＳＴ２９において一定時間（例えば10分）待機した後、水温が60℃以下であれば再度断続運転を実施する。併せてポンプ１２の運転再開温度（55℃）以下になっていないかを断続運転中にはＳＴ２７で、運転停止中にはＳＴ２８でそれぞれ判定し、55℃以下になった場合にはポンプ１２の運転状況とは関係なく通常運転を再開する。
尚、各設定温度と断続運転時間は可変であり、システム状況に応じた値を設定する。
【００２７】
この実施の形態２によれば、ポンプ１２を一時的に運転して水流を発生させることで一次側サイクル１全体の水温検出を可能とし、より正確な温水温度を検出して暖房運転再開後の安定性を向上することが可能である。ポンプ１２の断続運転に伴い、例えば5分間であれば約1℃の温度上昇が発生しうるが、運転間隔を十分に確保することで一次側サイクル１全体の水温上昇を回避することが可能である。またポンプ１２の運転状況に関係なく、水温が55℃以下になった場合にはポンプ１２の通常運転を再開するため、最短時間で暖房運転の再開が可能である。
尚、断続運転時の運転時間（本例では5分）、及び運転間隔時間（本例では10分）は限定されるものではなく、システム規模に合わせて最適な時間を設定することで、効率的な制御を実施することが可能である。
【００２８】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３として、ポンプ１２の通常運転再開までに一定の待機時間を設ける場合の実施例を示す。通常、システム停止基準温度（65℃）からポンプ１２の運転再開温度（55℃）への低下にはおよそ3時間（本例の想定時間）を要している。このためポンプ１２の停止後、ポンプの通常運転前にポンプ制御部６の処理開始を一定時間待機する機能を追加する。図８はこの発明の実施の形態２における冷凍空調装置のコントローラ４のブロック図であり、図９はこの発明の実施の形態３における冷凍空調装置のコントローラ４における熱源機１１とポンプ１２の制御処理手順を示すフロー図である。図９において図７と同一符号とした部分は、図７と同一または相当部分を示すものである。
【００２９】
図８において、ポンプ制御部６の運転再開判定部６２にタイマー７からの時間取込み機能を追加する。ポンプ１２の停止後、通常運転の再開処理までに一定時間（例えば3時間）の待機時間を設け、水温が明らかにポンプ１２の停止基準温度（60℃）を超過していると想定する間の再開判定及び断続運転を回避する。
【００３０】
図９において、ポンプ１２の運転停止後、ＳＴ３０で水温がポンプ１２の停止基準温度（60℃）以下であり且つポンプ１２停止後の時間が設定時間（例えば3時間）を経過した場合にポンプ１２の断続運転を実施する。
ただし並行してＳＴ３１ではポンプ１２の運転再開温度（55℃）以下になっていないかを継続して判定しており、時間経過に関係なく55℃以下になった場合にはポンプ１２の通常運転を再開する。
ポンプ１２の断続運転実施後は再度ＳＴ３０の処理に戻るが、ＳＴ３０の時間設定は可変であり、ポンプ１２停止後の待機時間（3時間）を断続運転の時間間隔（例えば10分間）に切り換えて、ポンプ１２の断続運転を実施する。
尚、ポンプ１２の通常運転再開までに一定の待機時間を設ける処理は、ポンプ１２の断続運転を実施しない場合においても有効である。
また、各設定温度と各設定時間は可変であり、システム状況に応じた値を設定する。
【００３１】
この実施の形態３によれば、水温が60℃以下で且つポンプ停止後3時間を経過した場合に再開判定処理を開始する。ポンプ１２の停止に伴い、65℃から55℃への水温低下には通常およそ3時間（本例の想定時間）を要していることから、明らかに水温が高い状況における処理を回避することで、不要な処理の実施を回避することが可能である。但し待機時間に関係なく、水温が55℃以下になった場合にはポンプ１２の通常運転を再開するため、最短時間で暖房運転の再開が可能である。
尚、待機時間は3時間に限定するものではなく、システム規模に応じて水温低下に最適な時間を設定することで、効率的な制御の実施が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ：  一次側サイクル
１１  ：  熱源機
１２  ：  ポンプ
１３  ：  水温検出手段
２  ：  二次側サイクル
２１  ：  空調ファン
２２  ：  室内
３  ：  空調器
４  ：  コントローラ
５  ：  熱源機制御部
６  ：  ポンプ制御部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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