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設計用気象データを用いた連成計算による空調機器容量の自動調整

空調計算例

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内容

✠ 設計用気象データを用いて短時間で行う建物と設備の連成計算による空調設備機器容量の自動調整について説明する。
✠ また、その容量自動調整機能の応用として作用温度制御とPMV制御の時の室負荷を求める方法
について紹介する。
✠本計算例は202年空気調和衛生工学会大会にて外皮・躯体と設備・機器の総合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発その241 設計用気象データを用いた連成計算による空調機器容量の自動調整として報告したものである。
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１．連成計算による設備機器容量の自動調整について✠ 空調設備機器の容量を決める場合✠ まず室の最大負荷計算を行いその計算結果をもとに、室側の機器（室内機やVAV装置）、搬送系（空調機・ファンやポンプ）、熱源（室外機や中央熱源）の順に機器容量を決めていく。
✠ その際に、空調系統別にゾーン負荷の集計を行い、搬送系の機器の発熱や熱損失、省エネ機器や制御の効果、安全率などを加味していく作業が伴う。
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１．連成計算による設備機器容量の自動調整について✠ 連成計算による設備機器容量の自動調整は、まず設備モデルを構築（設備機器要素モジュールの配置と接続）しておき、運転スケジュールや目標温湿度、冷温水送水温度などの制御パラメータをセットし✠ 設備容量の自動調整モードでシミュレーションを実行
すると、✠ あとは機器要素モジュール自身が処理すべき負荷に見合う機器容量を増加調整（能力が不足していれば自身の容量を増加する）していくというものである。

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１．連成計算による設備機器容量の自動調整について✠ 設備モデルの構築は図１に示すような仮設調整テンプレートを利用すると簡単に作成でき、✠ 図の中にある個々の機器モジュール（室内機、室外機）がそれぞれの役割を果たすために必要な容量を自己調整していく仕組みとなっている。

図-1 分散型システムの仮設調整テンプレートの例
5空調計算例

the BEST Program テンプレートを用いた室外機の能力調整例
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✠ 図２に図1のテンプレートを用いた室外機の能力調整例を示す。
✠ ５分間隔の連成計算で2年間の調整計算を行ったもので、冷暖房の処理熱量と冷暖房能力の自動調整の状況（上段図）、自動調整で算定された機器特性に関わる補正係数の状況（中段図）、室温（下段図）を示す。
✠ 補正係数は、各計算時刻の運転条件下での能力を定格条件時の能力に補正する係数で、機器温度特性や冷媒配管長、室内外機の高低差などを考慮したものである。冷暖房の調整能力は、冷暖房処理熱量にこの補正係数を適用して定格能力として表示している。

図-2 調整計算例（2年計算、処理熱量、調整能力他）
6空調計算例

the BEST Program ２．設計用気象データによるBuilding Energy Simulation Tool

自動調整について✠ 設備機器容量の自動調整は連成計算で行う。
✠ 前節の例では計算時間間隔５分で２年間の計算を行っているが、２年目においても機器容量の増加調整が発生しており、調整の完了を確認するにはさらに計算期間を延長する必要がある。
✠ 連成計算は拡張アメダスの標準年気象データなど年間気象データを用いてシミュレーションを行う必要があった。
✠ ここでは最大負荷計算で使用する設計用気象データを用いた連成計算を行い、空調設備機器の自動容量調整を試みた
ので報告する。
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設計用気象データ✠ ここで使用する設計用気象データを表１に示す。
✠ 冷房負荷計算用に３種類（h-t基準、Jc-t基準、Js-t基準）✠ 暖房負荷計算用に２種類（t-x基準、t-Jh基準）

表-１

設計用気象データ

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主な計算条件表-2 基準階オフィスの主な計算条件

項目
気象

建物

空調

その他

内容
地点：東京
最大負荷計算用：拡張アメダス設計用気象データ
年間計算用：実在年 2006 年 1 分値データ
計算対象：オフィス基準階 南側室４ゾーン、北側室４ゾーン
空間主要寸法：天井高 2.7m、階高 4m、ペリメータ奥行 5m
外皮寸法：窓（連窓）高さ 2.7m、天井裏外壁高さ 1.3m
窓：窓面積率 68％、Low-E 複層ガラス＋明色ブラインド
外壁：断熱 25mm、隙間風：ペリメータに 0.2 回/h
ゾーン間換気（ゾーン境界単位長さあたり）250CMH/m
内部発熱（最大値）：照明 20W/㎡、在室者 0.15 人/㎡、機器 15W/㎡、家具顕熱容量：15J/lit・K、設計用季節係数（割増、割引係数）：
暖房設計用 0.3、冷房設計用 1.1
空調時間：最大負荷計算用 8:30-22:00（予冷熱 30 分）
外気導入時間：8:45-22:00、年間計算：週平日５日運転
空調設定温湿度と熱処理：
夏期（6-9 月）：26℃、60％（冷却除湿）
冬期（12-3 月）：22℃、50％（加熱加湿）
中間期（4,5,10,11 月）24℃
外気導入量 3.75CMH/㎡
計算時間間隔：1 分、5 分

9空調計算例

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計算対象のオフィス基準階平面図

図-3‘

計算対象のオフィス基準階平面図

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最大負荷計算の通常出力と計算過程

11✠表２に示す計算条件で図３に示す建物基準階の最大負荷計算結果で、南ペリメータゾーンの通常の計算結果出力を図４に、その計算過程を図５に示す。
✠図５の横軸は時間軸で計算開始からの計算日数で105日分（21日×５種）を表示している。最大負荷計算では、５種の設計用気象データに対してそれぞれ助走計算を20日間とし21日目の計算結果を採用するものとなっており、最初の４日間は無限に近い装置容量を仮定し、５日目から前日の予冷熱時間帯の負荷をもとに予冷熱用装置容量を仮定し計算を行う。
✠５種の設計用気象データは連続した計算で、計算例は冷房３種（h-t基準、Jc-t基準、Js-t基準）の後に暖房2種（t-x基準、t-Jh基準）の最大負荷計算を行ったものである。
✠図５の室顕熱負荷の図中の矢印は、５種類の気象データの21日目の計算日を指し、これらを切出し5日分を連続で出力したものが図４に示す通常の最大負荷計算結果となっている。

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計算対象の基準階の空調設備✠ 図３に示すように基準階の空調設備を南北の２系統のビル用マルチシステム（BM）とし、室外機２台と各ゾーンへビル用マルチの室内機モジ
ュール８台を配置接続し、室内機および室外機の容量の自動調整を設計
用気象データを用いた連成計算で行った。
✠ 計算時間間隔は１分、調整ステップ数は30ステップ（30分移動平均）、室内機用PID制御モジュールの操作量の最大値は1.1として容量の調整を行った。

図-3 計算対象のオフィス基準階平面図
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自動調整時の設計用気象データの順序✠ 目標温湿度は、冷房時は乾球温度26℃・湿度は成行きとし、暖房時は乾球温度22℃・相対湿度50％で加湿を行う。
✠ また、室内機は各ゾーンの外気負荷も処理するものとした。
✠ 図６は暖房から冷房の順で自動調整した場合、✠ 図７は冷房から暖房の順で自動調整した場合で、✠ 南側のペリメータゾーンの室内機の容量の調整状況を示す。

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暖房→冷房の順で連成計算した場合✠ 図６の暖房→冷房の順で連成計算した場合、調整が最初の3日程度（t-x基準の助走計算）で終わっている。これは計算開始時の室温が０℃から始まるため大きな暖房負荷が生じ、暖房時の目標室温となるよう室内機の運転容量を制御するPID制御モジュールからの操作量が容量調整時の最大値（=1.1）を連続して発信することとなり、これを受信した室内機が能力不足と判断し容量の増加調整を連続して行うためである。このケースでは冷房側の調整は発生せず終わっている。

図－6 設計用気象データを暖→冷で自動容量調整の例
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冷房→暖房の順で連成計算した場合✠ 図７の冷房→暖房の順で連成計算した場合は、室温が０℃から始まるため計算開始からしばらくは冷房負荷がなく、３日目から冷房負荷が発生し、冷房容量の増加調整が10日目まで行われている。暖房計算のt-Jh基準計算においても増加調整が行われている。図６と図７の調整状況を比較すると、図６の暖房→冷房の順で連成計算した場合は、過大な調整結果となっており、設計用気象データを用いた連成計算による自動容量調整は、冷房→暖房の順で行うのが良い。

図－7 設計用気象データを冷→暖で自動容量調整の例
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最大負荷計算と連成計算の比較✠図８に最大負荷計算と設計用気象データを用いた連成計算の5種の計算最終日について、南ペリメータの室の状態（乾球温度、相対湿度、作用温度、PMV）および室負荷（顕熱、全熱）を比較して示す。
✠連成計算はフィードバック制御を行っているため、空調時間帯の室温および相対湿度は目標値近辺で振動が生じ、最大負荷計算のように目標値で安定しているものではない。
✠連成計算のBMの冷房は乾球温度制御を行っており湿度は成り行きとなる。
✠連成計算の冷房時の相対湿度は目標湿度に対して高めとなっている。
✠室顕熱負荷は、最大負荷計算で得られた顕熱負荷と、連成計算による容量自動調整で処理した顕熱量がよくあっていることがわかる。

図－8 最大負荷計算と連成計算のBM自動容量調整との比較（室温湿度、作用温度、PMV、顕熱・全熱負荷）
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最大負荷計算と連成計算の比較✠暖房計算のt-x基準の室顕熱負荷のハンチングは、暖房計算時に冷却負荷が発生したことで動作が不安定となったためであり、今後対策する予定である。
✠連成計算の暖房時の加湿は目標相対湿度でほぼ制御できており、t-Jh基準の室全熱負荷は最大負荷計算時のものと同様に推移している。
✠暖房の外気導入開始時に室顕熱負荷が大きく振動しているのは、加湿器の動作による急激な負荷変動に対してPID制御モジュールが対応しているのが理由である。
✠５種の各21日間の計算で容量の調整ができているといえる。

図－8 最大負荷計算と連成計算のBM自動容量調整との比較（室温湿度、作用温度、PMV、顕熱・全熱負荷）
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３．作用温度制御、PMV制御時の熱負荷の算定✠ 多くの負荷計算プログラムは、室の目標温湿度を設定して熱負荷を計算する。
✠ 本ツールは室の作用温度やPMVを計算して出力している。
✠ 図８で最大負荷計算時と連成計算時の作用温度とPMVの例を示してあるが、室の乾球温度と湿度は空調運転時間帯では目標値で一定であるが、作用温度やPMVの値は変動するものとなる。

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作用温度,PMVを制御対象とした計算✠ 連成計算では、この作用温度やPMVを制御対象とした計算が可能で、✠ PID制御モジュールの制御対象を室の乾球温度から作用温度やPMVへ変更しその目標値を制御対象に応じた値に調整するだけでよい。
✠ 連成計算による設備容量の自動調整機能を利用す
ると作用温度制御時やPMV制御時の熱負荷を求めることが可能である。

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CRL容量調整モジュール✠ 対流熱量（C）、放射熱量（R）、潜熱量（L）を室の熱計算側に渡すCRL容量調整モジュールを新たに開発（改良を継続中）し、✠ これを用いて作用温度制御とPMV制御の容量調整（負荷計算）を行った。
✠ CRL容量調整モジュールは、対流熱容量（冷却・加熱）、放射熱容量（冷却・加熱）、潜熱容量（除湿・加湿）を制御する３個のPID制御モジュールを内蔵しており、運転モードの切り替えで個別にこれら６種類の容量調整を行う。
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作用温度制御の自動容量調整✠図９は設計用気象データを用いた連成計算で✠室の目標作用温度を冷房時26℃、暖房時22℃として作用温度制御で対流熱容量の自動調整し、✠潜熱容量は室の目標相対湿度を冷房時60％、暖房時50％として自動調整した南ペリメータのもので、最大負荷計算の結果と比較したものである。
✠暖房計算で冷房負荷が発生しているt-x基準を除き目標作用温度と目標相対湿度で制御されている。
✠作用温度制御では、目標乾球温度と相対湿度で求めた最大負荷計算結果による容量を増大する必要がある。

図-9 設計用気象データでCRL容量調整モジュールを用いた作用温度制御の自動容量調整例
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PMV制御の自動容量調整例✠図10は室の目標PMVを冷房時、暖房時ともに０としてPMV制御を行った南ペリメータの自動調整結果である。
✠ここでいうPMV制御は対流熱量を操作するものである。
✠潜熱容量は作用温度制御と同じ室の目標相対湿度で自動調整した。
✠冷房時は安定性に対する改善が必要であるが、暖房時に冷房負荷が発生しているt-x基準を除き目標のPMV値0に向かう制御がされている。
✠室の乾球温度は冷房時23.5℃程度、暖房時24℃程度であった。
✠目標PMVとするには、冷房と暖房ともに最大負荷計算結果による容量を増大する必要がある。

図－10

設計用気象データでCRL容量調整モジュールを用いたPMV制御の自動容量調整例
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まとめ

✠ 設計用気象データを使用した連成計算による空調設備機器容量の自動調整について報告した✠ この手法の応用としてCRL容量調整モジ
ュールを用いた作用温度制御やPMV制御を行う場合の室負荷を求める計算例を示した✠ 設計用気象データを使用した設備機器容量の自動調整については、改良および結果の検証を継続して行う予定である
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【参考文献】
1）二宮・村上・長井・石野・菰田・野原・品川・大西：外皮・躯体と設備・機器の総合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その84）仮設調整テンプレートを利用した空調設計，空気調和・衛生工学会大会
学術講演論文集2011年
2）二宮・村上・長井・石野・菰田・野原・品川・大西・長谷川・木本：外皮・躯体と設備・機器の総合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その103）仮説調整テンプレートの改良と換気計算用モジュールの開発,空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集2012年
3）二宮・村上・石野・長井・野原・長谷川：Simulation Method of HVAC
Systems Using Self-Adjusting Templates for the Building Energy
Simulation Tool, 2017 ASHRAE Winter Conference4）二宮・村上・長井・石野：外皮・躯体と設備・機器の総合エネルギーシミュレーションツール「BEST」の開発（その216）連成計算による設備容量の自動調整,空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集2018年

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