(57)【要約】    【課題】セントラル方式の空気調和装置において、室内の温度と湿度を独立に制御する。    【解決手段】熱交換手段として少なくとも冷却コイルを設けた空気調和ユニットと、送風機と、熱源機と、搬送手段とを備え、前記搬送手段は前記熱源機で冷却された冷却体を前記冷却コイルに搬送し、前記冷却コイルは冷却体と空気とを熱交換させて空気を冷却し、冷却された空気を前記送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、室内の温度及び湿度の目標値に応じて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量の目標値を演算し、演算結果に基づいて熱源機と搬送手段と送風機を制御する。    【選択図】  図１
2007139241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換手段として冷却コイルだけを設けた空気調和ユニットと、送風機と、熱源機と、搬送手段とを備え、前記搬送手段は前記熱源機で冷却された冷却体を前記冷却コイルに搬送し、前記冷却コイルは冷却体と空気とを熱交換させて空気を冷却し、冷却された空気を前記送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、室内の温度及び湿度の目標値に応じて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の前記冷却体の搬送量と前記送風機の送風量を制御する制御手段を備えることを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
熱交換手段として少なくとも冷却コイルを設けた空気調和ユニットと、送風機と、熱源機と、冷却体の搬送手段とを備え、前記空気調和ユニットは冷房動作時に前記冷却コイルだけが熱交換を行うように構成され、前記搬送手段は前記熱源機で冷却された前記冷却体を前記冷却コイルに搬送し、前記冷却コイルは前記冷却体と空気とを熱交換させて空気を冷却し、冷却された空気を前記送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、室内の温度及び湿度の目標値に応じて前記熱源機の冷却体温度と、前記搬送手段の冷却体の搬送量と、前記送風機の冷却空気の送風量を制御する制御手段を備えることを特徴とする空気調和装置。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載の空気調和装置において、
外気の乾球温度を検出する外気温度検出手段と、外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、室内空気の乾球温度を検出する室内温度検出手段と、室内空気の湿度を検出する室内湿度検出手段と、演算手段と、制御手段とを備え、前記演算装置は、前記室内温度検出手段の検出値と予め設定した室内設定温度との差、及び前記室内湿度検出手段の検出値と予め設定した室内設定湿度との差、がそれぞれ所定値になるような前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量の各目標値を演算し、前記制御手段は前記演算手段の演算結果に基づいて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御することを特徴とする空気調和装置。
【請求項４】
熱源機で冷却され搬送手段にて搬送される冷却体と空気とを冷却コイルで熱交換し、冷却された空気を送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、顕熱負荷と潜熱負荷の割合に応じて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御する制御手段を備えることを特徴とする空気調和装置。
【請求項５】
請求項４に記載の空気調和装置において、
外気の乾球温度を検出する外気温度検出手段と、外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、室内空気の乾球温度を検出する室内温度検出手段と、室内空気の湿度を検出する室内湿度検出手段と、空気調和ユニットの出口空気の乾球温度を検出する給気温度検出手段と、前記空気調和ユニットの出口空気の湿度を検出する給気湿度検出手段と、演算手段と、制御手段とを備え、前記演算手段は、前記室内温度検出手段と前記室内湿度検出手段と前記給気温度検出手段と前記給気湿度検出手段の各検出値から顕熱負荷と潜熱負荷を演算すると共に、前記室内温度検出手段の検出値と予め設定した室内設定温度との差、及び前記室内湿度検出手段の検出値と予め設定した室内設定湿度との差、がそれぞれ所定値になるような前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量の各目標値を演算し、前記制御手段は前記演算手段の演算結果に基づいて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御することを特徴とする空気調和装置。
【請求項６】
請求項３または請求項５のいずれかに記載の空気調和装置において、
演算手段の演算結果を端末装置に表示し、前記端末装置に表示された情報に基づいて熱源機の冷却体温度と搬送手段の搬送量と送風機の送風量を制御することを特徴とする空気調和装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の空気調和装置において、
室内からの還気を空気調和ユニットに誘導するダクトに設けた還気ダンパの開度、外気を取り入れて前記空気調和ユニットに誘導するダクトに設けた外気ダンパの開度、前記冷却コイルで冷却された空気を室内に誘導するダクトに設けた給気ダンパの開度、送風機の回転数、の少なくとも１つを制御することで送風量を調節することを特徴とする空気調和装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の空気調和装置において、
熱源機と冷却コイルとを接続する配管に設けた弁の開度、または搬送手段の回転数、の少なくとも１つを制御することで冷却体の搬送量を調節することを特徴とする空気調和装置。
【請求項９】
請求項３または請求項５のいずれかに記載の空気調和装置において、
前記演算手段は空気調和装置のエネルギー消費量を演算する手段を備え、前記演算手段は、室内温度検出手段の検出値と予め設定した室内設定温度との差、及び室内湿度検出手段の検出値と予め設定した室内設定湿度との差、がそれぞれ所定値になるような熱源機の冷却体温度と搬送手段の搬送量と送風機の送風量の組み合わせの内、空気調和装置のエネルギー消費量が最小となる各目標値の組み合わせを演算して出力することを特徴とする空気調和装置。
【請求項１０】
請求項３に記載の空気調和装置において、
前記外気湿度検出手段及び室内湿度検出手段は、それぞれ空気の相対湿度、絶対湿度、露点温度、湿球温度のいずれかを検出することを特徴とする空気調和装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の空気調和装置において、
前記外気湿度検出手段と室内湿度検出手段及び給気湿度検出手段は、それぞれ空気の相対湿度、絶対湿度、露点温度、湿球温度のいずれかを検出することを特徴とする空気調和装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は空気調和装置に関し、特に顕熱負荷と潜熱負荷に応じて温度と湿度の独立制御が可能な空気調和装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
産業用空調においては、例えば半導体製造用クリーンルームのように、品質向上の観点から温度と湿度をそれぞれ厳しく管理するような空気調和が従来から行われている。ところが、事務所や居住環境の空調では、温度については設定値を定めて調節されるものの、湿度についてはなりゆきとなり、適正な管理が行われないことが多い。
【０００３】
人間の温熱感覚は、例えば温度が適正でも高湿の場合には不快に感じるといったように、温度だけでなく湿度にも大きく影響を受ける。一方、室内の相対湿度を４０％から６０％の範囲に調整することで、ウィルスやカビといった健康に対する悪性要因の影響を小さくできることがＡＳＨＲＡＥ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）で報告されている。このように、空気調和によって温度と湿度を適正な範囲に調整することは、快適な温熱環境の実現のみならず、健康な住環境にとっても重要である。
【０００４】
ところで、オフィスビルの中央式空調や工場空調など比較的大容量の空気調和装置で温度と湿度を個別に調節する方法として、以下のような方法が多用されている。すなわち、冷却コイルで取り入れ空気を一旦冷却した後に再熱コイルで空気を昇温するという方法である。図７はその一例を示す概略系統図である。空気調和ユニット１は冷却コイル２と再熱コイル１０を備えている。外部から取り入れた空気は室内からの還気と合流し、混合された空気は冷却コイル２で冷却されることによって冷却除湿された後、再熱コイル１０で加熱され、被空調エリア５０に送風される。冷却コイル２には冷凍機４で冷却された冷水などの冷却体が供給される。また、再熱コイル１０には温水又は蒸気などの熱媒体を供給し、空気を加熱する。
【０００５】
一旦冷却コイル２で冷却した空気を再熱コイル１０で加熱する主な理由は、室内に供給する空気の相対湿度を所定値に調整するためである。すなわち、潜熱負荷（水分量の増加）を処理するだけの冷却を冷却コイル２で行うと、顕熱負荷（乾球温度の上昇）に見合う分以上に空気の温度が下がってしまう場合がある。そこで、過度に下がった分を再熱コイル１０で昇温するのである。
【０００６】
しかしながら、このような方法は過度の冷却のために冷凍機４の負荷が増大するだけでなく、再熱のために温熱源を必要とするので、冷却と再熱で二重に無駄なエネルギーが消費されるといった問題点がある。
【０００７】
このような従来技術の問題点を解決する方法として、特許文献１には冷凍機での熱交換によって昇温した冷却水の一部を再熱コイルに供給して空気の再熱に利用する空気調和装置が開示されている。また、特許文献２には快適性を保持しつつ省エネルギー化を実現する空調制御装置が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３１６９８０号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前記の各従来技術には以下のような課題があった。
【００１０】
特許文献１に開示された構成は、再熱のための格別な熱源を必要としないものの、過度の冷却による冷凍機負荷の増大は小さくできないといった問題点がある。また、特許文献２に開示された構成は、人間の温熱感覚指標の１つであるＰＭＶ（Predicted Mean Vote）を用いた空調制御装置であるが、室内温度は制御するものの、湿度を調整する方法については考慮されていない。
【００１１】
ところで、取り入れた空気を冷却する冷却コイルは、コイル伝熱面の温度が空気の露点温度よりも低い湿りコイルの部分と、それ以外の乾きコイルの部分に分けられる。湿りコイルでは熱伝達と物質伝達が同時に起こる、すなわち空気の冷却と同時に凝縮が起こるので、顕熱負荷と潜熱負荷が同時に除去される。一方の乾きコイルでは、熱伝達だけが起こる、すなわち空気は冷却によって温度は下がるが凝縮は起こらないため、顕熱負荷のみが除去される。従って、乾きコイルと湿りコイルの割合を、顕熱負荷と潜熱負荷の割合に応じて変化させることができれば、過度の冷却や再熱をすることなく温度と湿度を独立に制御することが可能である。
【００１２】
本発明は、このような事情を鑑みなされたもので、顕熱負荷と潜熱負荷の割合に応じて、冷却コイルの湿りコイルと乾きコイルの割合を変化させることにより、冷却コイルの熱交換だけで室内の温度と湿度を独立に制御可能な空気調和装置を提供することにある。すなわち、再熱コイルを使用せずに、温度制御を実現できる空気調和装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、温度と湿度を独立に制御可能な空気調和装置を提供するために次の技術的手段を講じたものである。
【００１４】
すなわち、熱交換手段として冷却コイだけを設けた空気調和ユニットと、送風機と、熱源機と、搬送手段とを備え、前記搬送手段は前記熱源機で冷却された冷却体を前記冷却コイルに搬送し、前記冷却コイルは冷却体と空気とを熱交換させて空気を冷却し、冷却された空気を前記送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、室内の温度及び湿度の目標値に応じて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御する制御手段を備えることを主要な特徴とする。
【００１５】
さらに、外気の乾球温度を検出する外気温度検出手段と、外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、室内空気の乾球温度を検出する室内温度検出手段と、室内空気の湿度を検出する室内湿度検出手段と、演算手段と、制御手段とを備え、前記演算手段は、前記室内温度検出手段の検出値と予め設定した室内設定温度との差、及び前記室内湿度検出手段の検出値と予め設定した室内設定湿度との差、がそれぞれ所定値になるような前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量の各目標値を演算し、前記制御手段は前記演算手段の演算結果に基づいて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御することを特徴とする。
【００１６】
なお、空気調和ユニットは熱交換手段として少なくとも冷却コイルを設け、前記空気調和ユニットは冷房動作時に前記冷却コイルだけが熱交換を行うように構成されるようにしてもよい。
【００１７】
また、熱源機で冷却され搬送手段にて搬送される冷却体と空気とを冷却コイルで熱交換させ、冷却された空気を送風機で室内に供給して冷房を行う空気調和装置であって、顕熱負荷と潜熱負荷の割合に応じて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御する制御手段を備えることを第二の特徴とする。
【００１８】
また、外気の乾球温度を検出する外気温度検出手段と、外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、室内空気の乾球温度を検出する室内温度検出手段と、室内空気の湿度を検出する室内湿度検出手段と、空気調和ユニットの出口空気の乾球温度を検出する給気温度検出手段と、前記空気調和ユニットの出口空気の湿度を検出する給気湿度検出手段と、演算手段と、制御手段とを備え、前記演算手段は、前記室内温度検出手段と前記室内湿度検出手段と前記給気温度検出手段と前記給気湿度検出手段の各検出値から顕熱負荷と潜熱負荷を演算するとともに、前記室内温度検出手段の検出値と予め設定した室内設定温度との差、及び前記室内湿度検出手段の検出値と予め設定した室内設定湿度との差、がそれぞれ所定値になるような前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量の各目標値を演算し、前記制御手段は前記演算手段の演算結果に基づいて前記熱源機の冷却体温度と前記搬送手段の搬送量と前記送風機の送風量を制御することを特徴とする。
【００１９】
なお、演算手段が演算した結果を端末装置に表示し、前記端末装置に表示された情報に基づいて、熱源機の冷却体温度と搬送手段の搬送量と送風機の送風量を調節するようにしてもよい。
【００２０】
送風量の調節は、室内からの還気を冷却コイルに誘導するダクトに設けた還気ダンパの開度、外気を取り入れて前記冷却コイルに誘導するダクトに設けた外気ダンパの開度、前記冷却コイルで冷却された空気を室内に誘導するダクトに設けた給気ダンパの開度、送風機の回転数、の少なくとも１つを制御することで行うことが望ましい。
【００２１】
また、冷却体の搬送量の調節は、熱源機と冷却コイルとを接続する配管に設けた弁の開度、または搬送手段の回転数、の少なくとも１つを制御することで行うことが望ましい。
【００２２】
さらに、外気湿度検出手段、室内湿度検出手段、給気湿度検出手段は、それぞれ空気の相対湿度、絶対湿度、露点温度、湿球温度のいずれかを検出するのが望ましい。
【００２３】
なお、前記演算手段は空気調和装置のエネルギー消費量を演算する手段を備え、前記演算手段は、予め設定した室内設定温度と室内温度検出手段の検出値との差、及び予め設定した室内設定湿度と室内湿度検出手段の検出値との差、がそれぞれ所定値になるような熱源機の冷却体温度と搬送手段の搬送量と送風機の送風量の各目標値の組み合わせの内、空気調和装置のエネルギー消費量が最小となる目標値の組み合わせを演算して出力するように構成してもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の空気調和装置は、顕熱負荷と潜熱負荷の割合に応じて、冷却コイルに供給する冷却体の温度、冷却コイルの冷却体流量、及び空気の送風量を制御することにより、冷却コイルの乾きコイルと湿りコイルの割合を好適に調節し、冷却コイルの熱交換だけで室内の温度と湿度をそれぞれの目標値に調整することができるので、熱源機負荷の増大をなくすことができるという利点がある。
【００２５】
また、冷却コイルに供給する冷却体の温度、冷却コイルの冷却体流量、及び空気の送風量、の各目標値の組み合わせのうち、エネルギー消費量が最小となる組み合わせで運転することにより、空気調和装置全体の省エネルギー化を図ることができる。
【００２６】
さらに、再熱する必要がないため再熱コイルが不要となり、空気調和装置を小型化することができるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２８】
図１は本発明の第１の実施例を説明するための空気調和装置の構成を示すブロック図である。図１に示す実施例は、空気の回路と、冷却体である冷水の回路とで構成されている。空気の回路は、外気４０を取り入れる外気ダクト２０と、室内の空気を還流させるための還気ダクト２１と、外気ダクト２０及び環気ダクト２１に連接され空気調和ユニット１に外気又は環気を供給するための吸気ダクト２２と、冷却コイル２と送風機３を備えた空気調和ユニット１と、空気調和ユニット１からの排気を室内に導く給気ダクト２３と、室内に設けられた複数の吹出口２５と、室内の空気を室外に排気する排気ダクト２４から構成されている。
【００２９】
外気ダクト２０には外気ダンパ２８が、還気ダクト２１には還気ダンパ２７が、給気ダクト２３には給気ダンパ２６がそれぞれ設けられている。また、温度、湿度を検出する手段として、外気ダクト２０に外気温度センサ１１と外気湿度センサ１２が、室内温度センサ１３と室内湿度センサ１４が被空調エリア５０の内部にそれぞれ設けられている。
【００３０】
一方、冷水の回路は、熱源機４と、冷水送り配管６と、冷却コイル２と、冷水戻り配管７とが順に接続され、冷水送り配管６には、冷水を熱源機４や、冷却コイル２や各配管内を循環させる搬送手段である冷水ポンプ５が設けられて構成されている。
【００３１】
また、空気の回路や冷水の回路とは別に、外気温度センサ１１や外気湿度センサ１２や室内温度センサ１３や室内湿度センサ１４等の検出値を取り込んで空気調和ユニット等を制御するための演算装置３０やコントローラ３１が設けられている。
【００３２】
還気ダクト２１を経由した室内からの還気と、外気ダクト２０を経由して取り入れられた外気は、還気ダンパ２７と外気ダンパ２８の開度に応じた割合で混合され、吸気ダクト２２を通して冷却コイル２に送風される。送風された空気は前記冷却コイル２で冷却された後、送風機３により給気ダクト２３を経由して吹出口２５に送風され、室内に供給される。また、取り入れた外気量と同量の空気を排気ダクト２４より室外に排出する。
【００３３】
一方、冷却体である冷水は熱源機４で所定の温度に冷却され、冷水送り配管６を通して冷水ポンプ５により冷却コイル２に送水される。冷却コイル２では空気との熱交換により冷水は加熱され、加熱された冷水は冷水戻り配管７を経由して再び前記熱源機４に戻る。
【００３４】
ここで、空気の状態遷移を、図８を参照して説明する。図８は横軸を乾球温度、縦軸を絶対湿度で表した空気線図であり、空気調和装置の運転状態を空気線図上に示したものである。図８において、符号Ａ乃至Ｄはそれぞれ図１における符号Ａ乃至Ｄと対応している。図８の点Ｃは冷却コイル２の入口空気の状態点であり、取り入れ外気の状態点Ａと、室内からの還気の状態点Ｂとを結ぶ線分上にある。線分ＡＣと線分ＢＣとの比は、取り入れ外気の風量と還気の風量との比にほぼ等しくなる。点Ｄは空気調和ユニット１の出口空気の状態点である。線分ＢＤの傾きが室内の顕熱負荷（乾球温度の上昇）と潜熱負荷（水分量の上昇）の比に相当し、傾きがゼロの場合は潜熱負荷がない状態であり、線分ＢＤの傾きが大きくなるほど全負荷（顕熱負荷と潜熱負荷の合計）に対する潜熱負荷の割合が大きくなる。なお、線分ＢＣの傾きは、室内負荷と外気処理負荷を含む全冷房負荷の顕熱負荷と潜熱負荷の比に相当する。
【００３５】
次に、演算装置３０とコントローラ３１の動作について、図２及び図３を参照して説明する。図２は本発明の第１の実施例を説明するためのブロック図である。また、図３は本発明の動作を説明するためのフローチャートである。
【００３６】
図２に示す実施例において、演算装置３０は、外気温度センサ１１、外気湿度センサ１２、室内温度センサ１３、室内湿度センサ１４等の各センサの検出値を取り込んで、冷水送水温度、冷水流量、送風量の目標値を演算し、演算した結果をコントローラ３１に送信する。コントローラ３１は、熱源機の冷水送水温度制御部３１ａ、冷水ポンプ回転数制御部３１ｂ、送風機回転数制御部３１ｃを備えている。冷水送水温度制御部３１ａは熱源機４に制御指令を送信し、熱源機４の冷水送水温度を調節する。また、冷水ポンプ回転数制御部３１ｂは冷水ポンプ５に制御指令を送信し、冷水ポンプ５の回転数を制御して冷水流量を調節する。さらに、送風機回転数制御部３１ｃは送風機３に制御指令を送信し、送風機３の回転数を制御して送風量を調節する。
【００３７】
演算装置３０とコントローラ３１の処理手順について説明する。演算を開始すると、初めに演算条件の入力を行う（ステップ１０１）。ここで、演算条件とは、例えば、冷却コイル２の形状や寸法、冷水送水温度の調節可能な上下限値、冷水ポンプ回転数の上下限値、送風機回転数の上下限値、熱源機の冷水送水温度とエネルギー消費量の関係式、冷水ポンプの回転数とエネルギー消費量の関係式、送風機の回転数とエネルギー消費量の関係式、等である。次に、室内温度の目標値Ｔｓ、及び室内湿度の目標値Ｘｓを設定する（ステップ１０２）。続いて、室内温度センサ１３の計測値ＴＲＡ、及び室内湿度センサ１４の計測値ＸＲＡを取得する（ステップ１０３）。そして、室内温度の計測値ＴＲＡと目標値Ｔｓとの差ＤＴと、室内湿度の計測値ＸＲＡと目標値Ｘｓとの差ＤＸをそれぞれ計算する（ステップ１０４、１０５）。
【００３８】
温度偏差ＤＴ、及び湿度偏差ＤＸが共に、予め定めた所定の範囲、例えば、ＤＴが±０．５℃、ＤＸが相対湿度に換算して±５％、の範囲内にある場合には、室内の温度と湿度は共に目標値に調節されていると判断し、処理を終了する。ＤＴ、ＤＸの少なくとも一方が予め定めた所定の範囲外にある場合には、室内温度、及び室内湿度をそれぞれＴｓ、Ｘｓならしめる冷水送水温度、冷水流量、送風量の目標値を演算する(ステップ１０８)。そして、冷水流量、及び送風量を目標値に調節するための冷水ポンプの回転数目標値、及び送風機の回転数目標値を演算する（ステップ１０９）。以上の演算結果に基づいて、熱源機４の冷水送水温度、冷水ポンプ５の回転数、及び送風機３の回転数をそれぞれの目標値に制御する（ステップ１１０，１１１，１１２）。
【００３９】
ここで、演算装置３０で冷水送水温度、冷水流量、送風量の目標値を演算する手順について、図４及び図５を用いて詳細に説明する。図４及び図５は、本発明の演算手順を説明するためのフローチャートである。まず、室内の温度の目標値Ｔｓ、及び湿度の目標値Ｘｓを入力する（ステップ２０１）。続いて、外気の温度ＴＯＡ、湿度ＸＯＡをそれぞれ外気温度センサ１１、及び外気湿度センサ１２より取得する（ステップ２０２）。
【００４０】
次に、冷水送水温度、冷水流量、送風量、及び空調システム全体のエネルギー消費量の初期値Ｗ０を設定する（ステップ２０５、ステップ２０６）。冷水送水温度、冷水流量、送風量の初期値としては、例えば現在の冷水送水温度、冷水流量、送風量の値とする。また、エネルギー消費量の初期値としては、例えば、空調システムを構成する機器、すなわち、熱源機４、冷水ポンプ５、送風機３、の定格運転状態におけるエネルギー消費量の合計値とする。これらの初期値をパラメータとして、室内の温度ＴＲＡ、湿度ＸＲＡを計算する（ステップ２０７）。
【００４１】
計算の方法として、例えば以下に示す方法を用いることができる。図１に示す構成において、空気に関する質量保存の式、エネルギー保存の式、空気中の水分量に関する保存式、及び冷却コイル２における熱伝達と物質伝達に関する式は、数１乃至数１７の方程式で表すことができる。
【００４２】
ＨＯＡ＝ＣＡ・ＴＯＡ＋（ＣＶ・ＴＯＡ＋Ｌ）ＸＯＡ        ・・・（数１）
ＨＲＡ＝ＣＡ・ＴＲＡ＋（ＣＶ・ＴＲＡ＋Ｌ）ＸＲＡ        ・・・（数２）
ＨＩＡ＝ＣＡ・ＴＩＡ＋（ＣＶ・ＴＩＡ＋Ｌ）ＸＩＡ        ・・・（数３）
ＨＳＡ＝ＣＡ・ＴＳＡ＋（ＣＶ・ＴＳＡ＋Ｌ）ＸＳＡ        ・・・（数４）
ＨＷｉ＝ＣＡ・ＴＷｉ＋（ＣＶ・ＴＷｉ＋Ｌ）ＸＷｉ        ・・・（数５）
ＧＳＡ＝ＧＯＡ＋ＧＲＡ                                  ・・・（数６）
ＧＳＡ・ＨＩＡ＝ＧＯＡ・ＨＯＡ＋ＧＲＡ・ＨＲＡ          ・・・（数７）
ＧＳＡ・ＸＩＡ＝ＧＯＡ・ＸＯＡ＋ＧＲＡ・ＸＲＡ          ・・・（数８）
ＱＴ＝ＱＳ＋ＱＬ                                        ・・・（数９）
ＱＴ＝ＧＳＡ（ＨＲＡ−ＨＳＡ）                        ・・・（数１０）
ＱＬ＝ＧＳＡ（ＸＲＡ−ＸＳＡ）Ｌ                      ・・・（数１１）
ＱＲ＝Ｃｐｗ・ＧＷ・（ＴＷｏ−ＴＷｉ）                ・・・（数１２）
ＱＲ＝ＧＳＡ（ＨＩＡ−ＨＳＡ）                        ・・・（数１３）
ＱＲ＝ＧＳＡ（ＨＩＡ−ＨＷｉ）
×ＥＨ(ＧＷ，ＧＳＡ，ＨＷｉ)                      ・・・（数１４）
ＸＳＡ＝ＸＩＡ−（ＸＩＡ−ＸＷｉ）
×ＥＸ（ＧＷ，ＧＳＡ，ＨＷｉ）                  ・・・（数１５）
ＱＲ＝ＱＴ＋ＧＯＡ（ＨＯＡ−ＨＲＡ）                  ・・・（数１６）
ＧＳＡ（ＸＩＡ−ＸＳＡ）＝ＧＳＡ（ＸＲＡ−ＸＳＡ）
＋ＧＯＡ（ＸＯＡ−ＸＲＡ）    ・・・（数１７）
ただし、数１乃至数１７において、ＴＯＡ，ＸＯＡ，ＨＯＡはそれぞれ外気の乾球温度、絶対湿度、比エンタルピー、ＴＲＡ，ＸＲＡ，ＨＲＡはそれぞれ還気の乾球温度、絶対湿度、比エンタルピー、ＴＩＡ，ＸＩＡ，ＨＩＡはそれぞれ空気調和ユニット１の入口の乾球温度、絶対湿度、比エンタルピー、ＴＳＡ，ＸＳＡ，ＨＳＡはそれぞれ空気調和ユニット１の出口の乾球温度、絶対湿度、比エンタルピー、ＴＷｉ，ＴＷｏはそれぞれ熱源機４の冷水送水温度、冷水戻り温度（あるいは、冷却コイル２の入口、出口の水温）、ＸＷｉ，ＨＷｉはそれぞれ温度がＴＷｉである飽和空気の絶対湿度、比エンタルピー、ＱＴ，ＱＳ，ＱＬはそれぞれ室内の全冷房負荷、顕熱負荷、潜熱負荷、ＧＯＡ，ＧＲＡ，ＧＳＡはそれぞれ外気、還気、給気の風量（質量流量）、ＧＷは冷水流量、ＱＲは冷却コイル２の冷却負荷、である。また、ＣＡは乾き空気の定圧比熱、ＣＶは水蒸気の定圧比熱、Ｌは水の蒸発潜熱、Ｃｐｗは水の比熱、である。
【００４３】
数１乃至数５は、温度と絶対湿度から比エンタルピーを計算する式である。数６は、外気と還気の混合における風量の保存に関する式である。数７及び数８は、外気と還気の混合におけるエネルギー及び水分量の保存に関する式である。数９乃至数１１は室内の顕熱負荷及び潜熱負荷に関する式である。数１２は冷水側からみた冷却コイル２の冷却負荷に関する式である。数１３は空気側からみた冷却コイル２の冷却負荷に関する式である。数１４は冷却コイル２の熱伝達に関する式で、ＥＨは冷却コイル２のエンタルピー効率である。数１５は冷却コイル２の物質伝達に関する式で、ＥＸは冷却コイル２の絶対湿度に関する物質伝達効率である。数１６は、冷却コイル２の冷却負荷が室内負荷と外気処理負荷の和に等しいことを表す式である。また、数１７は空調システム全体における空気中の水分量の保存を表す式である。
【００４４】
数１乃至数１７において、乾き空気の定圧比熱ＣＡ、水蒸気の定圧比熱ＣＶ、水の蒸発潜熱Ｌ、水の比熱Ｃｐｗは温度による変化が小さいため、それぞれ定数とみなすことができる。したがって、数１乃至数１７において変数の個数は合計で２４個ある。これに対し、方程式の数は数１乃至１７の計１７個あるので、変数の数は２４と１７差、すなわち７個に減ぜられる。さらに、外気温度ＴＯＡ及び外気湿度ＸＯＡとしてステップ２０２で取得した値を用いることにすれば、変数の数は５個になる。そこで、パラメータを冷水送水温度ＴＷｉ、冷水流量ＧＷ、給気風量ＧＳＡの３つとし、室内の温度ＴＲＡと室内の湿度ＸＲＡの２つを未知数とすることにより、前記３つのパラメータの値を仮定して数１乃至数１７の連立方程式を解くことにより室内の温度ＴＲＡと湿度ＸＲＡを計算することができる。
【００４５】
冷却コイル２における熱伝達率、及び物質伝達率は、一般的に変数の非線形項を含むため、数１４のエンタルピー効率ＥＨ、及び数１５の絶対湿度に関する物質伝達効率ＥＸはそれぞれ非線形項を含む。すなわち、数１乃至数１７の連立方程式は非線形連立方程式となるため、同じＴＲＡとＸＲＡとなるパラメータの組み合わせが２つ以上存在する場合もあるし、反対に、パラメータの組み合わせが存在しない場合もある。
【００４６】
そこで、例えば、以下のような方法にて、どのパラメータの組み合わせを目標値とするかを決定する。上記の計算にて求められた室内温度の計算結果ＴＲＡと目標値Ｔｓとの差をＤＴ、室内湿度の計算結果ＸＲＡと目標値Ｘｓとの差をＤＸ求める（ステップ２０８）。次に、温度偏差ＤＴと湿度偏差ＤＸが予め定めた所定の範囲内にあるかどうかを判定する（ステップ２１０）。ＤＴとＤＸが共に所定の範囲内にある場合には、ステップ２０７の計算時のパラメータが制御目標値の候補となる。
【００４７】
次に、ステップ２１１以降の処理にて空気調和装置全体のエネルギー消費量が最小となるパラメータの組み合わせを求め、これを制御目標値とする。まず、冷水送水温度の値から熱源機４のエネルギー消費量ＷＲを(ステップ２１１）、冷水流量から冷水ポンプ５のエネルギー消費量ＷＰを（ステップ２１２）、送風量から送風機３のエネルギー消費量ＷＦを（ステップ２１３）計算し、これらを合計したエネルギー消費量ＷＴを求める（ステップ２１４）。各エネルギー消費量の計算式は、数１８乃至数２０のような関数として予めステップ１０１で与えておく。
【００４８】
ＷＲ＝Ｆ１（ＴＷｉ，ＧＷ，ＴＯＡ，ＸＯＡ）            ・・・（数１８）
ＷＰ＝Ｆ２（ＧＷ）                                    ・・・（数１９）
ＷＦ＝Ｆ３（ＧＳＡ）                                  ・・・（数２０）
このようにして求めたＷＴとＷ０を比較し（ステップ２１５）、ＷＴがＷ０よりも小さい場合は、ＷＴの値を新たなＷ０とする（ステップ２１６）。演算の終了条件が満足しているかどうかを判定し（ステップ２１７）、終了条件が満足されるまでパラメータの変更を行い（ステップ２２１）、ステップ２０７以降の処理を繰り返す。そして、最終的にエネルギー消費量の合計値が最も小さいパラメータの組み合わせを制御目標値とする（ステップ２１８）。
【００４９】
一方、ＤＴとＤＸの少なくとも一方が予め定めた所定の範囲外にある場合には、可変範囲内の全てのパラメータの組み合わせについて計算したかどうかを判定する（ステップ２１９）。全てのパラメータについて計算していない場合は、パラメータを変更（ステップ２２１）してステップ２０７以降の処理を繰り返す。しかし、冷水送水温度や冷水ポンプ回転数や送風機回転数の上下限値等の制約により、ＤＴとＤＸが共に所定の範囲内になるようなパラメータの組み合わせが存在しない場合には、各パラメータの組み合わせについて、ＤＴとＤＸにそれぞれ適当な重みを掛けたものの和を誤差と考え、この誤差が最小となるパラメータの組み合わせを演算し、このときのパラメータを制御目標値とする（ステップ２２０）。
【００５０】
図８に示す空気線図を用いて、本実施例における空気の状態変化について説明する。図８において、点Ａは外気の温湿度に対応する状態点、点Ｂは室内の目標温湿度に対応する状態点、点Ｃは空気調和ユニット１入口の温湿度に対応する状態点、点Ｄは空気調和ユニット１出口の温湿度に対応する状態点である。状態点Ｃは線分ＡＢ上にあり、送風量が決まると、状態点Ｃが定まると同時に、バイパスファクタＢＦやコンタクトファクタＣＦが定まる。ここで、バイパスファクタＢＦとは、冷却コイル２を流れる空気の内、冷却コイル２に全く触れないで素通りする空気の割合である。バイパスファクタＢＦは、送風量、及び冷却コイル２の空気側熱伝達率の関数であるが、熱伝達率が送風量の関数であるため、結果としてバイパスファクタＢＦは送風量の関数なる。一方、冷水送水温度と冷水流量が決まると、冷却コイル２の伝熱面代表温度に対応する状態点Ｓが定まる。冷水送水温度が高ければ、点Ｓは図８に示す空気線図の飽和線上を高温側に変化し、逆に冷水送水温度が低ければ低温側に変化する。また、同じ冷水送水温度でも、冷水流量が多ければ冷却コイル２の出入口の水温差が小さくなるので、状態点Ｓは低温側に変化し、逆に冷水流量が少なければ水温差が大きくなるので、状態点Ｓは高温側に変化することになる。そして、状態点Ｃと状態点Ｓを結ぶ線上で、線分ＳＣをＢＦ：１−ＢＦに分割する点の温度と湿度が空気調和ユニット１の出口における温湿度の計算結果となる。潜熱負荷が大きい場合には、線分ＣＤを延長して飽和線と交差する点Ｓが存在しない場合がある。この場合には、解が存在しないということになる。
【００５１】
なお、実際の冷却コイル２内での空気の状態は、図８に示すＰ２のような経路を通って変化すると考えられる。経路Ｐ２において、水平部分が乾きコイルで、それ以外の部分は凝縮が起こっている湿りコイルである。一方、再熱を必要とする空気調和装置の場合、冷却コイル内での空気の状態は、例えば図８に示すＰ１のような経路をたどり、冷却コイル出口の空気の状態点は点Ｅになる。すわなち、本実施例によれば、状態点Ｄと状態点Ｅの比エンタルピー差Δｈの分だけ熱源機４の負荷を減らすことができるため、それだけエネルギー消費量を小さくすることができる。
【００５２】
以上説明した第１の実施例を適用した場合の、室内温湿度制御の一例を、図６を用いて説明する。図６は、表１に示す条件において調節可能な室内温湿度の範囲を空気線図上に示したものである。
【００５３】
【表１】
2007139241.tif 000003
図６に示す太枠で囲まれた範囲が制御可能な室内温湿度である。すなわち、この範囲内であれば温度と湿度を独立に制御することができる。冷房時において人間が快適と感じる温湿度は、温度が２５〜２６℃、相対湿度が５０〜６０％の範囲と言われているが、図６に示す制御可能範囲はこの快適温湿度域を含む広い範囲にわたっている。従って、本発明の空気調和装置によれば、広い範囲にわたって室内の温度と湿度を独立に制御できると同時に、人間にとって快適な室内温湿度環境を提供することができる。
【００５４】
なお、図６に示す調節可能な範囲は、空気調和装置の構成や、表１に示す条件によって変わるものであり、第１の実施例に固有のものではない。
【実施例２】
【００５５】
本発明の第２の実施例を、図９乃至図１１を用いて説明する。図９は本発明の第２の実施例を説明するための空気調和装置の構成を示すブロック図である。図１０は本発明の第２の実施例を説明するためのブロック図である。また、図１１は本発明の第２の実施例において演算装置の処理方法を説明するためのフローチャートである。
【００５６】
図９に示す実施例において、図１に示す第１の実施例と異なる点は、空気調和ユニット１の出口空気の温度を検出する給気温度センサ１５と、空気調和ユニット１の出口空気の湿度を検出する給気湿度センサ１６を設けた点で、それ以外の構成については図１に示す構成と同じである。図１０に示す実施例において、図２に示す第１の実施例と異なる点は、演算装置３０が、給気温度センサ１５と給気湿度センサ１６の各検出値を取り込むように構成した点で、それ以外の構成については図２に示す構成と同じである。また、図１１に示す動作フローチャートにおいて、図４に示すフローチャートと異なる点は、給気温度センサ１５と給気湿度センサ１６の計測値を取得するステップ２０３と、顕熱負荷と潜熱負荷を演算するステップ２０４が追加されている点であり、それ以外の処理手順については図４と同じである。
【００５７】
本実施例において、現在の室内温度ＴＲＡ、及び湿度ＸＲＡをそれぞれ室内温度センサ１３、及び室内湿度センサ１４より取得し、さらに、現在の給気温度ＴＳＡ、及び湿度ＸＳＡをそれぞれ給気温度センサ１５、及び給気湿度センサ１６より取得することで、これらのデータから室内の顕熱負荷と潜熱負荷を以下に示す方法で算出することができる。
【００５８】
図８に示す空気線図において、現在の室内、及び空気調和ユニット１の出口空気の状態点をそれぞれ点ｂ、点ｄとすると、既に説明したように、状態点ｂと状態点ｄを結ぶ線分ｂｄの傾きが顕熱負荷と潜熱負荷の比に相当する。さらに、状態点ｂと状態点ｄとのエンタルピーの差が全負荷であるので、これらの情報から顕熱負荷と潜熱負荷を計算することができる。まず、状態点ｂ、ｄにおける比エンタルピーＨＲＡ、ＨＳＡをそれぞれ数２及び数４により計算する。次に、温度が状態点ｂの温度ＴＲＡに等しく、絶対湿度が状態点ｄの絶対湿度ＸＳＡに等しい状態点ｆにおける比エンタルピーＨｆを数２１により計算する。これらの計算結果から、顕熱負荷ＱＳ及び潜熱負荷ＱＬはそれぞれ数２２及び数２３にて求められる。なお、数２２及び数２３では、顕熱負荷ＱＳ及び潜熱負荷ＱＬの単位をエネルギーの単位とするために給気風量ＧＳＡを乗じているが、顕熱負荷ＱＳと潜熱負荷ＱＬの比だけを知りたい場合には、ＧＳＡを乗じる必要はない。
【００５９】
Ｈｆ＝ＣＡ・ＴＲＡ＋（ＣＶ・ＴＲＡ＋Ｌ）ＸＳＡ        ・・・（数２１）
ＱＳ＝ＧＳＡ（Ｈｆ−ＨＳＡ）                          ・・・（数２２）
ＱＬ＝ＧＳＡ（ＨＲＡ−Ｈｆ）                          ・・・（数２３）
一方、空調負荷の変化が小さければ、顕熱負荷と潜熱負荷の比は演算の前後でほぼ同じであるとみなしてよい。すわなち、演算において顕熱負荷ＱＳ及び潜熱負荷ＱＬは定数とみなしてよく、第１の実施例で示した数１乃至数１７の方程式群において方程式の個数と未知数の個数をそれぞれ２個減じることができ、計算処理量を減らすことができる。なお、図１１のステップ２０８以降の処理手順については、例えば、図５に示したフローチャートと同じ手順である。
【００６０】
以上説明した第１の実施例、及び第２の実施例において、送風量の調節は送風機３の回転数を制御することで行うとしたが、還気ダンパ２７、外気ダンパ２８、給気ダンパ２６の少なくとも１つの開度にて送風量を調節してもよく、その場合には、コントローラ３１は各ダンパに制御指令を送信し、ダンパの開度を制御して送風量を調節する。
【００６１】
また、冷水流量は、熱源機４と冷却コイル２とを接続する配管に設けた弁の開度を制御することで調節してもよい。
【００６２】
さらに、空調負荷や、室内温湿度の目標値の変動が小さい場合には、演算装置３０の演算結果を図示しない端末装置等に表示させるようにし、その表示結果に基づいて、例えば保守員が熱源機４の冷水送水温度、冷水ポンプ５の回転数、送風機３の回転数を手動で調節するようにしてもよいことは言うまでもない。
【００６３】
さらに、空気調和ユニットは複数台あってもよく、あるいは、１つの空気調和ユニットから複数の室内に送風するような構成としてもよい。
【００６４】
また、以上説明した第１の実施例、及び第２の実施例において、空気調和ユニット１は熱交換器として冷却コイル２だけを含む構成としているが、例えば再熱コイルといった他の熱交換手段が設けられていてもよい。この場合でも、冷房時において熱交換を行うのは冷却コイル２だけでよいので、例えば再熱コイルが設けられている場合でも、再熱コイル前後で空気の温湿度は同じとなる。また、空気と熱交換させる温熱源側の温度差がなくなり、再熱に要するエネルギーが削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】空気調和装置の構成を示すブロック図である。
【図２】空気調和装置の制御ブロック図である。
【図３】空気調和装置の制御動作を示すフローチャート図である。
【図４】目標値演算処理手順を示すフローチャート図である。
【図５】目標値演算処理手順を示すフローチャート図である。
【図６】温湿度制御範囲の一実施例を示すグラフである。
【図７】従来の空気調和装置の構成を示すブロック図である。
【図８】空気調和の状態線図を示すグラフである。
【図９】空気調和装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】空気調和装置の制御ブロック図である。
【図１１】目標値演算処理手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００６６】
１…空気調和ユニット、２…冷却コイル、３…送風機、４…熱源機、５…冷水ポンプ、１１…外気温度センサ、１２…外気湿度センサ、１３…室内温度センサ、１４…室内湿度センサ、１５…給気温度センサ、１６…給気湿度センサ、２６…給気ダンパ、２７…還気ダンパ、２８…外気ダンパ、３０…演算装置、３１…コントローラ。
【図１】
2007139241.tif 000004
【図２】
2007139241.tif 000005
【図３】
2007139241.tif 000006
【図４】
2007139241.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
2007139241.tif 000010
【図８】
2007139241.tif 000011
【図９】
2007139241.tif 000012
【図１０】
2007139241.tif 000013
【図１１】
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