インバータエアコンの冷房時部分負荷特性と除湿能力について
細川隆行*1・林 徹夫*1・野村幸司*1(平成17年10月31日 受理)

Survey on Partial Load Characteristics of Household Air-conditioner andSeasonal Coefficient of Operational Performance Combined with Dynamic Heat
Load Calculation
Takayuki Hosokawa, Tetsuo Hayashi and Kouji Nomura†

E-mail of corresponding author: hosokawa@hrmbox.eee.kyushu-u.ac.jp

Now, 90% or more of the air conditioner used at home is an ability changeable type of theinverter method. However, only the performance in the state of ratings of JIS is described in the
catalog of the air conditioner, and the relation to the frequency of the inverter is uncertain. In thispaper, the partial load characteristic and the dehumidification ability of the ability changeable typeair conditioner of the inverter method are investigated. Moreover, a numeric computing model of ahousehold air conditioner is constructed based on the investigation result, and period COP of the air
conditioner is evaluated by the single room calculation.
Key words: Air-conditioner, Partial load characteristics, Dehumidification, Experiment

1. 緒

言

Table 1 Test condition of air-conditioning ability in JIS

ルームエアコンディショナ（以下，エアコン）による電力消費は，一般家庭の全電力使用量の24.4％を占めるといわれている1)。1997年に開催されたCOP3を受けて，1998年に「エネルギーの使用合理化に関する法

IndoorOutdoor律（省エネ法）」の大幅な改正が行われた。その際，Dry bulb
temperature[℃]2735

Wet bulb
temperature[℃]1924Table 2 Specification of air conditioner

エアコンを含む家電機器の一部や，自動車で省エネ基

Rated capacity

準の「トップランナー方式」が導入された。トップラ[W]

1997年の4.33から2004年には6.30に上昇している（いRated power
consumption
COP
Indoor air-flow[-][m3/h]

ずれも当時最もCOPが高い機種）。圧縮機のインバー

Rated capacity[W]

ンナー方式導入によるエアコンの性能改善は目覚まし

Cooling

く，冷房能力2.8kWクラスにおける冷暖房平均COPは

タ制御はその主因の一つで，現在日本で出荷されるエ
アコンの90%以上がインバータ制御による能力可変形となっている2)。しかし，エアコンのカタログ等には
JIS C 9612およびJIS B 8615-1で定められた定格状態

Heating

Rated power
consumption
COP
Indoor air-flow

[W]

[W]
[-]
[m3/h]

2800(700〜3500)
580(150〜1150)
4.83
640
3600
(700〜5100)
725(120〜1280)
4.97
675

（Table 1）での性能が記載されるのみで，インバータ
周波数との関連は不明である。

能の関係が不可欠である。

また，住宅の室内熱環境，空調負荷の予測・評価に

本研究ではエアコンの部分負荷特性および除湿能力

おいて，冷房時の室内温湿度を一定と仮定することがを考慮した数値計算を行うために，エアコンの制御ロ多い。しかし，現実には家庭用エアコンの冷房時の湿ジックを吸込空気温度，吹出空気温度，コイル表面温度制御は成り行きであり，インバータ周波数と除湿性

度，設定温度の関係を中心に実験より明らかにする。

*1

エネルギー環境共生工学部門

また，得られた実験結果を元に構築したエアコンの数
値計算モデルを用いて期間成績係数の試算を行う。

2. 実験の概要

Table 3 Air volume at each setting of air conditioner

Measured

Table 2に実験に用いたエアコンのカタログ値を示す。本エアコンには，定風量の強，弱，静，変風量のSetting

Ratio of air

Air volume

air volume

volume toafter correction[m3/h]

strong setting[m3/h]

自動の4つの風量設定がある。しかし，カタログには設
定毎の風量は記載されておらず，恐らく最大風量と思strong

633

1

640

われる値のみが記されていた。そこで実験に先立ち定

weak

428

0.677

433

風量運転時の風量を測定した。Table 3に設定毎の風量

silent

294

0.465

298

を示す。自動の風量については実験時に同時測定した。
Table 4 Experimental conditions

実験で得られた弱，静風設定の強風設定に対する風量の比率と，カタログ値640[m3/h]の積を弱，静の風量として用いた。自動風量は測定したものを15分ごとに平

No.

day

Setting ofPresetInlet

air-volum

temperaturetemperature

e

[°C]

[°C]

均して用いた。
エアコンの室内機を人工気候室内に，室外機をその

1

11/05

strong26

30→24

前室に設置し実験を行った。実験条件をTable 4に示す。

2

11/02

weak

26

30→24

室内機吸込空気温度が設定温度に対して+4℃から-2℃

3

11/01

silent2630→24までの範囲で3時間ごとに1℃ずつ上昇するように手

4

01/12

auto

26

30→24

動で調整した。測定時間間隔は1分とした。人工気候室

5

10/29

strong2832→26の設定湿度は相対湿度60％ とした。主な測定点 をTable 5 Main measurement point

Table 5に示す。室外機を設置した前室は空調を行っていない。また，測定時期は冬季であるため（Table 4），

Surface of coil

Temperature

室外機の吸込温度は低く，凝縮器はかなり効率のよい Indoor inlet air
状態にあったと考えられる（Fig. 1）。
Compressor

3. 冷房時運転特性
Fig. 2に実験4（風量自動，温度26℃設定）におけるTemperature, Humidity
Frequency of input current

Power consumption

Power consumption of air-conditioner

Indoor outlet air

Temperature, Humidity

圧縮機周波数，吸込空気およびコイル表面温度を示す。
吸込空気温度を段階的に変化させていくと，圧縮機周
周波数の値は異なっているが，すべての実験において同様の傾向が見られた。運転開始1時間が最も周波数が高い。吸込空気温度はその後2時間変わらないにも拘わらず，周波数は低下している。運転開始直後に室温を一気に下げてしまうように意図された制御と考えられる。また，吸込空気温度と設定温度の差が-2℃を下回ると圧縮機は停止する。コイル表面温度は圧縮機周波数に対応した段階的な変化をする。圧縮機の運転状況
を時間，風量設定，吸込空気温度と設定温度の差によInlet temperature[ ℃]

波数はある温度を境に大きく変化する。風量設定毎に

No.1
35
30
25
20
15
10
5
0
0

No.2

3

6

No.3

No.4

9

15

12

No.5

18

21 [h]

Fig. 1 Inlet temperature of Outdoor machineって6つに分類した（Table 6）。運転開始1時間の最大電力が0[W]になっているが，実際には室内機ファンが能力による運転時に吸込温度が設定温度を下回ると1稼働しており，電力は消費されているはずである。こ

時間以内でも周波数の低い運転に移行する。必ずしも6れは室内機ファンの電力消費が圧縮機に比べて非常に段階連続で変化するのではなく，風量設定で運転状況小さいために，測器の測定レンジの影響で値が検出さが 省 略 さ れ る こ と が あ る 。 圧 縮 機 周 波 数 は 110

れなかったと思われる。

〜290Hzの範囲で変動し，強風設定や自動設定ではFig. 4に風量設定毎の部分負荷率q（= 除去全熱量/

190Hzの時間帯が最も長い。このときの運転が定格運

定格冷房能力）と消費電力率e（= 消費電力/定格消費転と思われる。

電力）の関係を示す。空調負荷が小さく，断続運転に

Fig. 3に圧縮機周波数と処理熱量，エアコン全体のなっている時間帯の値は除いている。図中の直線は定消費電力を示す。圧縮機周波数とエアコン全体の消費

格冷房COP（カタログ値），二次曲線は全データの最電力はほぼ比例関係にある。圧縮機が停止すると消費

小二乗回帰したものである。

100

15
10
0

3

6

9

12

15

18

21[h]

Fig. 2 Electric current frequency, Inlet temperature andCoil surface temperature (No. 4)

1＜Ti −Ts0＜Ti −Ts≦1−1＜Ti −Ts≦0−2＜Ti −Ts≦-1
T i −Ts≦−2

No.2
16.0
290
3495
3.1
11.0
135
1996
6.2
11.0
135
1996
6.2
11.0
135
1996
6.2
9.0
110
1600
6.8
10.0

No.3
14.5
168
2186
4.5
11.5
116
1444
6.2
11.5
116
1444
6.2
11.5
116
1444
6.2
11.0
110
1290
5.6
7.5

No.4
13.0
290
5153
4.6
12.0
190
4085
6.7
9.5
138
2732
6.5
9.0
110
2032
8.5
9.0
110
2032
9.5
11.0

No.5
13.0
290
4077
4.0
11.5
190
3244
5.5
11.5
190
3244
5.5
9.0
145
2665
6.0
7.0
110
2013
8.8
7.5

※Ts: Preset temperature ,Ti: Inlet temperature※The numerical value in the table sequentially shows temperature difference
between inlet air and coil surface[°C], electric current frequency ofcompressor[Hz], Heat extraction rate[W] and COP[-]e = 0.648q 2 − 0.141q + 0.287(1)

すべての風量設定において部分負荷率が小さくなる

5

200

4
3
100

2
1

0

0

3

6

12

15

18

0
21

weak

silentauto

Qs=0.698Q

3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
All heat processing[kW]Fig. 5 Sensible heat ratio

strongweaksilentauto
2.5
e=0.648q2-0.141q+0.287
2.0
1.5
Rated COP
1.0
0.5
0

と，それ以上に消費電力率は小さくなり，効率が良くなる。また，最大出力での運転時を除けば，定格冷房

9strong
3.5

Power consumption rate[-]One hour after
driving begins

No.1
13.5
290
4201
3.4
11.5
190
3255
5.3
11.5
190
3255
5.3
11.5
190
3255
5.3
8.0
110
1901
7.9
7.0

6

Fig. 3 Electric current frequency，Quantity of heat
extraction，Electric power consumption (No. 4)

Table 6 Relation of inlet air and coil surface temperature，
electric current frequency of compressor，quantity of heat
extraction, COP

Condition

7

Electric power consumption or
Heat extraction rate [kW]

20

300

Sensible heat processing[kW]25Electric current frequency[Hz]

30

200

0

Electric current frequency
Electric power consumption
Heat extraction rate

Inlet temperature

Temperature[℃]

Electric current frequency[Hz]Electric current frequency
Coil Surface Temperature300

0.5 1.0 1.5 2.0
Partial load rate[-]

2.5

Fig. 4 Partial load characteristics

COPを示す直線よりも右下に分布しており，定格能力の値は除いた。顕熱比は全処理熱量が多くなると若干での運転に比べ効率がよい。風量設定で比較すると定小さくなる傾向があるが，その変化は小さく風量設定

格能力以上の運転をする場合は自動，強，弱の順に効や圧縮機の運転状況によらずほぼ一定になると考えて率がよい。自動が最もよかった原因は，室外機側の影もよい。図中の全データから最小二乗法によって求め響と考えられる。定格能力以下では風量設定の影響はた顕熱比は0.698であった。

小さい。
Fig. 5に全処理熱量と顕熱処理量の関係（顕熱比）
を示す。Fig. 4の部分負荷特性と同様に，断続運転時

Qs = 0.698Q(2)

ここにQは全処理熱量，Qsは処理顕熱量である。

4. 吹出温湿度の予測
Humidity [g/kg']

1節で述べたように家庭用エアコンの冷房時の湿度制御は成り行きである。エアコンで除湿される水分量
は吸込空気の温湿度，圧縮機の運転状況によってまちまちである。そこで，吹出湿度の予測が必要になる。
4.1.

吹出湿度

Fig. 6，Fig. 7，Fig. 8はそれぞれ実験1，実験2，実験3における吹出空気の絶対湿度，コイル表面の飽和絶Outlet
16
15
14
13
12
11
10
9
0
3

Surface of Coil

6

9

12

Inlet

15

18

Fig. 6 Comparison of inlet humidity andhumidity on surface of coil（strong）

21[h]saturated

対湿度，吸込空気の絶対湿度の関係を示す。すべてのHumidity[g/kg']

実験において，吹出絶対湿度とコイル表面の飽和絶対湿度は概ね一致している。運転開始1時間のコイル表面
温度が安定するまでの時間帯と断続運転時に若干の差が見られるが，圧縮機が連続稼働中については吹出絶
対湿度はコイル表面温度からその飽和絶対湿度を求めることにより予測が可能である。
Fig. 6，Fig. 7，Fig. 8において断続運転時に圧縮機が停止したとき，吹出湿度が吸込湿度よりも高くなることがある。コイル表面の水分が蒸発し，室内空気を

0

3

6

9

12

15

18

Fig. 7 Comparison of inlet humidity andhumidity on surface of coil（weak）

加湿していると思われる。しかし，再び圧縮機が動き

Humidity[g/kg']

出すと，除湿を行うため断続運転時の平均絶対湿度は吸込空気とほぼ一致している。
4.2.

16
15
14
13
12
11
10
9

コイル表面温度

吹出湿度を予測するにはコイル表面温度が必要になる。そこで，吹出温度Toutと吸込温度Tinからコイル表

16
15
14
13
12
11
10
9

0

3

6

9

12

15

18

21[h]
saturated

21[h]エアコンの除去顕熱量は，コイルと吸込空気の交換
熱量とファン発熱量Wが平衡するので次式で表される。

c ρV (Tin − Tout ) = k (Tin − Tcoil ) +W(3)

ここでcは空気の比熱，ρは空気の密度，Vは風量，kはコイルの顕熱交換率を表す。ファンの発熱量はエアコンの処理熱量に対して，非常に小さいのでW = 0として取り扱う。コイルの表面温度は式(4)で表される。

Tcoil =c ρV
(Tout − Tin ) + Tink(4)

Sensible heat exchange ratio [W/K]

面温度Tcoilを推定するために必要なパラメータを実験 Fig. 8 Comparison of inlet humidity and saturated humidity
on surface of coil（silent）
値から求める。

strong300

weaksilent

200

100

0

0

3

6

9

12

15

18

21[h]

Fig. 9 Sensible heat exchange rate at each air volume静）の結果を用いて各時刻の顕熱交換率kを計算した。
Fig. 9に風量別のコイルの顕熱交換率を示す。断続運
転時を除けば，顕熱交換率はほぼ一定値になった。断続運転時以外の0〜18[h]のデータから各風量におけるkの平均値を求め，風量との相関をとるとFig. 10になる。風量Vとコイルの顕熱交換率kの関係は次の一次関数で表すことができる。

k = 1188.4V − 13.27(5)

Sensible heatexchange ratio[W/K]

実験1（風量設定 強），実験2（同 弱），実験3（同250
k=1188.4V−13.227

200
150
100
50

0

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
Air volume[m 3/s]

Fig.10 Relation of air-flow and sensible heat exchange ratio

5. 期間成績係数の試算

Maximum Cooling Performance of Air
Conditioner（Table 2，Catalog value）

以上のデータをもとに動的熱負荷計算により家庭用
エアコンの期間積算除去熱量，期間積算消費電力，期Sensible heat calculation

間成績係数を試算する。
5.1.

除去潜熱量および消費電力の計算フロー

Indoor air

Sensible heat
顕熱量

Fig. 11 にエアコンの除去潜熱量および消費電力の計算フローを示す。まず，あらかじめカタログ値の定

Surface temperature of coil (Eq. (3))

除去顕熱量を算出しておく（(2)式）。
顕熱負荷計算を行い，顕熱負荷がエアコンの最大除去顕熱量を越えた場合，最大除去顕熱量分のみを処理し，処理できなかった負荷は室内空気温度（室温上昇）

Next step

格冷房能力にFig. 5で得られた顕熱比を乗じて，最大
Indoor outlet humidity＝ Saturated absolute humidity on coil
Moisture equilibrium of the indoor airに反映されるようにする。

Indoor air humidity

次にコイル表面温度の計算を行う。実験において圧縮機周波数の段階的な変化に伴い，コイル表面温度もLatent heat extraction

段階的な変化をしていたが，ここでは圧縮機周波数は
除去顕熱量に応じて変化すると仮定する。除去顕熱量

Total heat extractionと室内空気温度を式(4)に代入すれば，コイルの表面温度が得られる。この温度の飽和絶対湿度がエアコンのPower consumption，COP (Fig. 4)

吹出湿度となる。これを用いて室内空気の水分収支をFig. 11 Calculation flow latent heat extraction and Electric
power consumption

解き，室内湿度を求める。得られた室内湿度とエアコ
ンの吹出湿度から除去潜熱量を求める。
最後に，エアコンの全除去熱量と定格冷房能力から部分負荷率を求めて，(1)式に代入し得られた消費電力

1800

率に定格消費電力を乗じて消費電力を求める。
コイル表面温度の計算において除去顕熱量がエアコ

2800
1800

ンの最小除去顕熱量を下回った場合，コイル表面温度

4500

はエアコンの最小除去顕熱量から求める。ただし，除N

去顕熱量と最小除去顕熱量の比に応じて運転時間を減

3600

らし，断続運転を近似する。消費電力を求める際に全Fig. 12 Building for calculation

除去熱量がエアコンの最小除去熱量を下回る場合も，最小除去熱量での消費電力を求め，全除去熱量と最小Table 7 Construction of walls (show from inside)

除去熱量の比を乗じる。
5.2.

side wall
計算条件

計算対象はFig. 12に示す単室である。南面に1800
×1800mmの窓を設定し，室内への透過日射を考慮している。また，南面以外は隣室として計算した。隣室
温度は外気温と同一変動すると仮定する。Table 7に壁体の構成を示す。側壁については，壁体表面での吸放湿を考慮している3)。気象条件は福岡の標準気象デー
タを用いる。計算期間は夏季7月〜9月とし，計算時間
間隔は15分間である。
設置するエアコンは実験に用いたものと同一機種とする（Table 2）。空調時間は16時〜22時で，設定温度は27℃である。風量は640[m3/h]一定（強風設定）とする。前節で述べたエアコンの最小除去顕熱量は吸込

ceilingand floor
window

Calcium silicate board

10mm

Grass wool

100mm

siding board

10mm

Plywood

12mm

Grass wool

100mm

Plywood

12mm

Plane glass

6mm

温度とコイル表面温度の差が7℃になるように(2)式，(3)式から求める。最小除去熱量は得られた最小除去顕熱量に顕熱比を乗じた値（1986W）を用いる。
換気は換気回数1.0回/hとする。また，内部発熱や250Wを与える。室内の水蒸気発生として室内空気に毎時刻100gを与えた。

5.3.

計算結果

Table 8に計算期間中の除去熱量，消費電力の積算

Table 8 Removal heat quantity，power consumption and
COP of a Year

Sensible heat extraction [kWh]値，成績係数を示す。また，Fig. 13〜16に代表日8月1日と2日における室内空気温度，湿度，除去熱量，消費電力および冷房COPを示す。
期間成績係数は定格冷房COP（4.83）よりも低かった（Table 8）。除去熱量（Fig. 15）を見ると，空調

429

Latent heat extraction [kWh]98Total heat extraction [kWh]528Electric power consumption [kWh]104

COP [-]

5.10

開始2時間に最大能力による運転で，その後はエアコン

冷房COPは3.5程度であり，断続運転時の冷房COP5.2に比べてかなり低い。冷房COPが低い最大能力での運転 が 長 時 間 連続 し た た め 期間 成 績 係 数 が定 格 冷 房
COPよりも低くなったと考えられる。実験に使用したエアコンが開始1時間で最大能力運転から定格能力に

45
40
35
30
25
20
15

よる運転に切り替える要因になっていると思われる。

outdoor
8/1

0

6

Fig. 14の室内相対湿度は，空調開始に伴い室温が急能力が低下してまったと考えられる。Fig. 15の潜熱処
理熱量を見ても低負荷空調開始時に比べ，その後の除湿量は4〜5割程度である。

6. おわりに

Relative humidity[%]

荷運転になるとコイル表面温度が高くなるため，除湿

参考文献
1) 資源エネルギー庁：平成 15 年度 エネルギーに関する
年次報告，http://www.enecho.meti.go.jp/
2) 日本冷凍空調工業会：工業会調査による冷凍空調機器の統計データについて，http://www.jraia.or.jp/
3) 細川隆行，ほか：水分ポテンシャルに基づく壁体内表面における吸放湿の簡易法，日本建築学会環境系論文集，
No.573，pp.47-53，2003,11

Heat extraction[kW]態を考慮していない。今後の検討課題としたい。

0

6

12

18

0

outdoor18

0indoor

80
60
40
20
0

8/1
0

8/2
6

12

18

0

Sensible4812Latent

8/1

3

All

8/2

2
1
0

0

6

12

18

0

6

12

18

0

Fig. 15 Quantity of heat extraction

Electric power
consumption[W]

行った。本論文におけるエアコンの特性には屋外の状

18Fig. 14 Outdoor and indoor humidity

アコンの部分負荷特性を実験により明らかにした。ま度の算出方法について検討し，期間成績係数の試算を

12

100

本論文では特定機種についてではあるが，家庭用エ
た，実験から得られたデータに基づき，吹出空気温湿8/2

Fig. 13 Outdoor and indoor temperature

激に下降するため，35％から60％に上昇する。エアコ
ンが断続運転に入るとさらに65％まで上昇する。低負indoorElectric power

1.5
8/1

COP

8/2

1.0
0.5
0

0

6

12

18

0

6

12

18

Fig. 16 Electric power consumption and COP

0

7
6
5
4
3
2
1
0

COP[-]る。これに対応してFig. 16において空調開始2時間のtemperature[℃]の最小除去熱量を下回っており，断続運転になってい