(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換用コイルと加湿器を有し、熱交換による温度制御と前記加湿器での加湿による湿度制御を同時に行う空気調和装置において、
前記加湿器の下流側の給気通路に設置され、給気に伴う湿度を実測する湿度センサと、
前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁と、
給気温度、室内温度又は還気温度のいずれかを実測する温度センサと、
制御設定温度と前記温度センサにて実測された温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて前記加湿器における気化冷却の制御出力を求めて前記弁を操作する制御装置とを備え、
更に前記制御装置は、前記給気通路を通過する空気の温度と湿度の関係から気化冷却のプロセスゲインを求めると共に前記プロセスゲインに応じた制御ゲインを決定し、この決定した制御ゲインにより前記Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤの制御パラメータを補正する手段を備えたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項２】
熱交換用コイルと加湿器を有し、熱交換による温度制御と前記加湿器での加湿による湿度制御を同時に行う空気調和装置において、
前記加湿器の下流側の給気通路に設置され、給気に伴う湿度を実測する湿度センサと、
前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁と、
給気温度、室内温度又は還気温度のいずれかを実測する温度センサと、
制御設定温度と前記実測された温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求めると共に、前記湿度センサからの実測湿度と予め求めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制御出力を求め、前記第１の制御出力と前記第２の制御出力のうちの最小値の制御出力によって前記弁を操作する制御装置と
を備えたことを特徴とする空気調和装置。
【請求項３】
前記弁は、比例弁又は時間比例制御される二位置弁からなることを特徴とする請求項１または２に記載の空気調和装置。
【請求項４】
給気通路に設置した熱交換用コイルと加湿器とを用いて、温度及び湿度の実測値を設定値に近づけるように制御する空気調和方法において、
制御設定温度と実測された温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求め、前記第１の制御出力によって前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁を操作し、
前記給気通路を通過する空気の温度と湿度の関係から前記気化冷却のプロセスゲインを求めると共に、前記プロセスゲインに応じた制御ゲインを決定し、この決定した制御ゲインにより前記Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤの制御パラメータを補正することを特徴とする空気調和方法。
【請求項５】
給気通路に設置した熱交換用コイルと加湿器とを用い、前記加湿器への供給水量を調整して温度及び湿度の実測値を設定値に近づけるように制御する空気調和方法において、
制御設定温度と前記実測された温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求めると共に、
前記加湿器の下流側の給気通路に設置された湿度センサからの実測湿度と予め求めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制御出力を求め、
前記第１の制御出力と前記第２の制御出力のうちの最小値の制御出力によって前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁を操作することを特徴とする空気調和方法。
【請求項６】
給気通路に設置した熱交換用コイルと加湿器とを用い、前記加湿器への供給水量を調整して温度及び湿度の実測値を設定値に近づけるように制御する空気調和方法において、
制御設定温度と前記実測された温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求めると共に、
前記加湿器の下流側の給気通路に設置された湿度センサからの実測湿度と予め求めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制御出力を求め、
更に制御設定湿度と室内又は還気の実測湿度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第３の制御出力を求め、
前記第１の制御出力と前記第２の制御出力のうちの最小値の制御出力を選択すると共に、選択した前記制御出力と前記第３の制御出力のうちの最大値の制御出力によって前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁を操作ことを特徴とする空気調和方法。
【請求項７】
給気通路に設置した熱交換用コイルと加湿器とを用いて、温度及び湿度の実測値を設定値に近づけるように制御する空気調和方法において、
外気によって温度制御を行う外気冷房工程と、請求項４〜６のいずれかに記載の空気調和方法による前記加湿器での気化冷却効果によって温度制御を行う気化冷房工程と、前記熱交換用コイルでの熱交換によって温度制御を行う冷水冷房工程とを含み、
前記外気冷房工程、気化冷房工程、冷水冷房工程の優先順位で前記制御設定温度と実測温度とを一致させるように温度制御を行うことを特徴とする空気調和方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器コイル及び気化式加湿器を有し、特に気化式加湿器での気化冷却効果を利用して温度と湿度の制御を同時に行う空気調和制御装置及びその方法に関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来、この種の空気調和方法を用いた空気調和装置による室内温度の制御は、外気ダンパ及び冷水コイルと温水コイルを有し、例えば外気ダンパ、冷水弁、温水弁のＰＩＤ制御によって行っていた。一方、上記空気調和装置では、加湿弁と気化式加湿器を用いて、気化式加湿器をオン／オフ制御して室内（還気）湿度制御を行っていることが多かった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような空気調和装置において、冷水コイルを利用した冷却では、冷熱源である冷凍機で生成される冷水を使用しており、冷凍機はガスや電気を利用しているため、地球環境に好ましくない。
本発明は、上水を使用する気化式加湿器の気化冷却効果を冷房に活用して、冷熱源でのガスや電気の消費量を削減でき、地球環境保護を図ることができる空気調和装置及びその方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、熱交換用コイルと加湿器を有し、熱交換による温度制御と前記加湿器での加湿による湿度制御を同時に行う空気調和装置において、前記加湿器の下流側の給気通路に設置され、給気に伴う湿度を実測する湿度センサと、前記加湿器に供給する水の水量を調整する弁と、給気温度、室内温度又は還気温度のいずれかを実測する温度センサと、制御設定温度（温度設定値）と前記実測された温度（実測温度）とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の制御出力を求め、前記弁を操作する制御装置とを備え、特に前記制御装置においては、前記給気通路を通過する空気の温度と湿度の関係から気化冷却のプロセスゲインを求めると共に前記プロセスゲインに応じた制御ゲインを決定し、この決定した制御ゲインにより前記Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤの制御パラメータを補正するようにしたことを特徴としている。
【０００５】
また本発明に係る空気調和装置は、加湿器の気化冷却効果を積極的に利用するべく、制御設定温度と実測温度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の第１の制御出力を求めると共に、前記湿度センサからの実測湿度と予め求めた湿度飽和リミット特性から気化冷却の第２の制御出力を求め、前記第１の制御出力と前記第２の制御出力のうちの最小値の制御出力によって前記弁を操作して加湿器に供給する水の水量を調整し、制御設定温度と実測温度を一致させることを特徴としている。
好ましくは前記弁は、弁開度が調整される比例弁又は時間比例制御される二位置弁からなり、加湿器に供給する水の水量の比例制御に用いられる。
【０００７】
また、本発明では、例えば制御設定湿度（湿度設定値）と室内又は還気の実測湿度とからＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて第３の制御出力を求め、請求項５の前記小さい制御出力と第３の制御出力のうちの最大値の制御出力によって加湿器に供給する水の水量を調整する弁を操作して制御設定温度と前記実測温度とを一致させるようにして、例えば還気湿度が高湿時の気化冷却効果の低下を防止して、加湿弁の開度制御を行う。
【０００８】
また、本発明では、空気調和方法は外気によって温度制御を行う外気冷房工程と、請求項３〜６のいずれかの気化冷却効果によって温度制御を行う気化冷房工程と、冷水コイルでの熱交換によって温度制御を行う冷水冷房工程とからなり、前記工程順の優先順位で前記制御設定温度と実測温度とを一致させるように冷房の制御を行うことで、エネルギーコストの削減及び環境面の改善を図る。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る空気調和制御方法及びその装置の一実施形態を図１乃至図６の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る空気調和制御方法を用いた空気調和システムの構成図である。図において、空調機１０は、冷水弁１１を介して図示しない冷熱源から冷水が供給される冷却コイル１２と、温水弁１３を介して図示しない温熱源から温水が供給される加熱コイル１４と、加湿弁１５を介して図示しない水道から上水が供給される加湿器１６と、給気用ファン１７と、還気用ファン１８と、外気、還気及び排気用の各ダンパ１９〜２１を有して構成されている。上記冷水は、例えば冷熱源よりポンプを介して冷水弁１１へ至り、冷却コイル１２へ供給された後、再び冷熱源に戻る。上記温水は、例えば温熱源よりポンプを介して温水弁１３へ至り、加熱コイル１４へ供給された後、再び温熱源に戻る。また、上記上水は、例えば水道より加湿弁１５へ至り、加湿器１６へ供給され、不必要な上水は排出される。
【００１０】
各ダンパ１９〜２１及び比例バルブからなる冷水弁１１、温水弁１３、加湿弁１５は、その開度動作が制御装置２２により制御され、給気用ファン１７によって吹き出される給気は空調機１０内から給気ダクト２３を介して室内へ供給され、還気用ファン１８によって取り込まれる還気は室内から還気ダクト２６を介して空調機１０内へ供給される。
【００１１】
また、給気ダクト２３には、空調機１０から供給される給気の温度を検出する温度センサ２４と上記給気の湿度を検出する湿度センサ２５が取り付けられており、還気ダクト２６には、室内から取り込まれる還気の湿度を検出する湿度センサ２７が取り付けられており、制御装置２２には、室内からの還気の湿度設定値が与えられ、実測湿度が湿度センサ２７から入力されている。制御装置２２には、空調機１０からの給気の温度設定値及び湿度設定値が与えられ、実測温度及び実測湿度が温度センサ２４と湿度センサ２７から入力されている。
【００１２】
一方、空調機１０に取り込まれた外気は室内に供給されており、また室内から還気された空気の一部は、排気用ダンパ２１を介して外気ダクト２８から排出されるが、その還気の残りは、還気用ダンパ２０を介して、空調機１０の給気側へ再循環される。そして、上記再循環によって戻された還気は、外気ダクト２９から外気用ダンパ１９を介して取り込まれた外気と所定の割合で混合されるものとなる。
【００１３】
また、外気ダクト２９には、取り込まれる外気の温度及び湿度を検出する一体構成の温湿度センサ３０が取り付けられており、外気冷房の有効／無効に用いられる。
本発明では、給気、室内又は還気のいずれかの温度設定値と実測値と制御パラメータとから、コイル冷却、コイル加熱、気化冷却及び外気冷房のＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて制御出力を求め、この制御出力によって冷水弁１１、温水弁１３、加湿弁１５及び各ダンパ１９〜２１を制御して、上記温度設定値と実測値を一致させている。また、本発明では、室内又は還気のいずれかの湿度設定値と実測値と制御パラメータとから、室内（還気）湿度のＰ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて制御出力を求め、この制御出力によって加湿弁１５を制御して、上記湿度設定値と実測値を一致させている。すなわち、冷却コイル１２への通水量、加熱コイル１４への通水量、加湿器１６への通水量、外気取入量、還気量、排気量等を制御する。
【００１４】
本実施形態では、上記の一例として給気の温度設定値と実測値とＰＩＤ制御パラメータとから、コイル冷却、気化冷却及び外気冷房のＰＩＤを用いて制御出力を求め、この制御出力によって冷水弁１１、加湿弁１５及び各ダンパ１９〜２１を制御し、還気の湿度設定値と実測値とＰＩＤ制御パラメータとから、還気湿度のＰＩＤを用いて制御出力を求め、この制御出力によって加湿弁１５を制御する場合を説明する。
【００１５】
さらに、本実施形態では、エネルギーコストや環境面から、制御装置２２が外気冷房、加湿器での気化冷却、冷水コイルでの熱交換の優先順位で冷房時の温度制御を行うものとする。そして、冷房が必要な時には、先ず外気ダンパ１９を開き、開ききった後に加湿弁１５を開き、さらには冷水弁１１を開いていく。但し、外気と室内の空気状態より外気冷房が行えない条件（例えば高温高湿又は低温低湿）の場合、すなわち温湿度センサ３０で検出した温度及び湿度がある設定値より高温高湿の条件の場合、又は低温低湿の条件の場合には、外気冷房は行わない。
【００１６】
しかし、加湿器１６の入口の空気湿度が飽和状態に近づいてくると、蒸発水分量が減少し、冷却効果がなくなり、加湿器１６から排水量が増えることとなり、上水も浪費される。従って、このような状態で気化冷却するのは得策ではない。そこで、本実施形態では、給気の相対湿度で給気の飽和状態を判断する。すなわち、図２に示す給気湿度リミット開度テーブルによって給気湿度から給気飽和時における加湿弁１５のリミット開度を演算する。給気の実測湿度に対して上記テーブルに示された加湿弁１５の開度がリミット開度に達した際に、図３の制御状態遷移図に示すように冷水弁１１を開く。なお、図３は、比例動作の場合の一例である。積分や微分動作が加わると、各線がシフトしたり、途中で乖離したりする。
【００１７】
次に、図４の制御装置２２の制御プロセスを示すフローチャートを用いて、詳細な制御動作を説明する。制御装置２２は、冷房が必要になると、先ず外気の条件（温湿度センサ３０で検出される外気温度、外気湿度など）から外気冷房が可能かどうか判断し（ステップ１０１）、可能であればインターロックの解除を行い、外気冷房ＰＩＤを用いて入力する給気の温度設定値と実測温度と外気ダンパ１９のＰＩＤ制御パラメータとから、外気冷房ＰＩＤを用いて演算を行って（ステップ１０２）、制御出力である外気ダンパの開度を示す外気ダンパ指示出力を求め、上記外気ダンパ指示出力によって外気ダンパ１９の開度制御を行う。
【００１８】
なお、上記開度制御においては、外気ダンパの最小開度と最大開度が予め設定されており、外気ダンパが最大開度に至った場合又は外気の条件から外気冷房が不可能な場合には、ステップ１０１において温度設定値と給気の実測温度とから気化冷却が可能かどうか判断する。ここで、気化冷却が可能な場合には、気化冷却ＰＩＤを用いて入力する給気の実測温度、温度設定値及び加湿弁１５のＰＩＤ制御パラメータとによって演算を行って（ステップ１０３）、制御出力である加湿弁の開度を示す加湿弁指示出力を求め、上記加湿弁指示出力を行う。
【００１９】
ところで、気化冷却のプロセスゲイン（供給水量に対する冷却効果）は、加湿器１６の通過空気の湿度によって大きく変わる。例えば、低湿の空気では気化冷却効果が大きいが、高湿の空気では気化冷却効果が小さい。このプロセスゲインの変動は、図５に示す公知の空気線図より読み取ることができ、例えば一例として温度２５℃の空気の冷却効果がどのように変化するかを考察すると、加湿器１６が８０％相対湿度（以下、「％ＲＨ」と記す）程度までの加湿能力であると考えた場合に、加湿器入口の空気が４０％ＲＨの時には冷却効果が温度差６〜７℃程度になるのに対して、７０％ＲＨの時には温度差１．５℃程度まで低下してしまう。これだけの大きいプロセスゲインの変化に対して、制御のゲインが一定では、応答の良い温度制御は実現できない。
【００２０】
そこで、本実施形態では、上記空気線図のデータを制御装置に記憶させておき、給気湿度に応じて気化冷却制御のゲインを自動補正して行くことで安定した制御を実現できる。図６は、ゲイン補正の一例を示す補正図である。なお、同様に気化冷却のプロセスゲインは、通過風量や入口乾球温度によっても変わるので、これらの値に基づいて制御ゲインの補正を行えば、さらに制御性を向上させることができる。
【００２１】
また、制御装置２２には、給気の飽和状態を判断するために、給気湿度リミット開度テーブルが作成されている（図２参照）。制御装置２２は、給気の実測湿度と給気湿度リミット開度テーブルとから、制御出力である加湿弁の開度を示す加湿弁指示出力を求め（ステップ１０４）、上記加湿弁指示出力を行う。
上記気化冷却ＰＩＤと給気湿度リミット開度テーブルから求めた加湿弁指示出力に対して、制御装置２２は、いずれか最小値の加湿弁指示出力の選択を行う（ステップ１０５）。なお、ここで気化冷却ＰＩＤからの出力の方が小さい場合には、上記出力を選択し、また給気湿度リミット開度テーブルからの出力の方が小さい場合には、状態としてリミット中である旨の出力を行い、ステップ１０１におけるインターロック判断によってコイル冷却ＰＩＤのインターロックを解除して、コイル冷却ＰＩＤを用いた冷水コイルでの熱交換による温度制御に移行する。
【００２２】
さらに、制御装置２２は、予め定めた室内（還気）湿度ＰＩＤを用いて入力する還気の実測湿度、湿度設定値及び加湿弁のＰＩＤ制御パラメータとによって演算を行って（ステップ１０６）、制御出力である加湿弁の開度を示す加湿弁指示出力を求め、上記加湿弁指示出力を行う。
上記最小値選択によって選択された気化冷却ＰＩＤからの加湿弁指示出力と室内（還気）湿度ＰＩＤからの加湿弁指示出力に対して、制御装置２２は、いずれか最大値の加湿弁指示出力の選択を行う（ステップ１０７）。なお、ここで気化冷却ＰＩＤからの出力の方が大きい場合には、上記出力を選択し、また室内（還気）湿度ＰＩＤからの出力の方が大きい場合には、加湿器が温度制御によらず湿度制御される状態となるので、状態として加湿中である旨の出力を行い、ステップ１０１におけるインターロック判断によってコイル冷却ＰＩＤのインターロックを解除して、コイル冷却ＰＩＤを用いた冷水コイルでの熱交換による温度制御に移行する。
【００２３】
そして、制御装置２２は、最大値選択によって選択された加湿弁指示出力によって加湿弁１５を操作する。また、制御装置２２は、ステップ１０５において状態出力がリミット中になった場合又はステップ１０７において状態出力が加湿中になった場合には、気化冷却ＰＩＤを用いた温度制御が機能されないと判断して、コイル冷却ＰＩＤを用いて給気の実測温度、温度設定値及び冷水弁１１のＰＩＤ制御パラメータとによって演算を行って（ステップ１０８）、制御出力である冷水弁１１の開度を示す冷水弁指示出力を求め、上記冷水弁指示出力によって冷水弁の開度制御を行う。
【００２４】
このように、本実施形態では、加湿器の気化冷却効果を利用し、温度設定値と実測温度とから気化冷却ＰＩＤを用いて加湿弁指示出力を求めて、上記加湿弁の開度制御を行って空気調和装置の温度制御を行うので、廉価で、かつ自然エネルギーにより環境への悪影響もない温度制御を効率良く行うことができる。
また、本実施形態では、外気冷房、加湿器での気化冷却、冷水コイルの熱効果の優先順位で温度制御を行うので、エネルギーコストの削減及び環境面の改善が図られる。
【００２５】
なお、本実施形態に係る加湿弁１５は、比例弁で構成したが、本発明はこれに限らず、例えば開閉二位置式バルブで構成することも可能である。この場合には、制御装置２２は、加湿弁を時間比例制御（デューティ制御）して、加湿器に供給される上水の水量を比例制御することができる。
本発明は、これら実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、上水を使用する加湿器の気化冷却効果を、冷房の温度制御に積極的に利用し、気化冷却Ｐ、ＰＩ、ＰＩＤのいずれかを用いて気化冷却の制御出力を求め、前記制御出力によって加湿弁を比例制御して前記制御設定温度と前記実測温度を一致させるので、冷熱源でのガスや電気の消費量を削減でき、地球環境保護を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る空気調和制御方法を用いた空気調和システムの構成図である。
【図２】給気湿度と加湿弁のリミット開度との関係を示す給気湿度リミット開度テーブルを示す図である。
【図３】空気調和装置が行う各制御状態の遷移を示す制御状態遷移図である。
【図４】図１に示した制御装置の制御プロセスを示すフローチャートである。
【図５】プロセスゲインの変動を読み取るための空気線図である。
【図６】ゲイン補正の一例を示す補正図である。
【符号の説明】
１０  空調機
１１  冷水弁
１２  冷却コイル
１３  温水弁
１４  加熱コイル
１５  加湿弁
１６  加湿器
１７，１８  ファン
１９〜２１  ダンパ
２２  制御装置
２３，２６，２８，２９  ダクト
２４  温度センサ
２５，２７  湿度センサ
３０  温湿度センサ
【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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