JPH10292942A

JPH10292942A - 空調設備の自動制御方法

Info

Publication number: JPH10292942A
Application number: JP9100699A
Authority: JP
Inventors: Sajiro Hayakawa; 佐二郎早川; Toshiko Kanbe; 利子神戸; Norio Kito; 則夫鬼頭; Takashi Takizawa; 隆史滝澤
Original assignee: Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd
Current assignee: Sanken Setsubi Kogyo Co Ltd
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JP3865861B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、熱交換器コイルに供給される水の
温度や配管内の圧力が変動した場合でも、熱交換器コイ
ルの熱出力を常に目標値になるように制御することがで
きる制御性能の高い空調設備の自動制御方法を提供する
ものである。【解決手段】熱交換器コイル11の入口水温と熱交換器
コイル11に供給される水の流量を直接検出し、入口水温
と流量に基づいてコイル特性によって設定される熱交換
器コイル11の現在の熱出力を求めるとともに、現在の室
温と目標温度の偏差値に応じて決定される制御要求量を
コイル特性によって設定される要求コイル熱出力に換算
し、現在のコイル熱出力が要求コイル熱出力になるよう
に流量制御弁18の開度を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調設備の自動制
御方法に関し、詳しくは、空気と供給源から供給される
水を熱交換器コイルで熱交換することにより、室内の温
度を制御する空調設備の自動制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、建物等の各室内の温度を調整す
る空調設備として水と空気を熱交換する熱交換器コイル
を用いることが知られており、この熱交換器コイルの水
ー空気間の交換熱量（以下、これを熱出力という）を制
御することにより、室温を目標温度に調整するようにな
っている。

【０００３】従来のこの種の熱交換器コイルを用いた空
調設備としては、例えば、図４に示すようなものが知ら
れている。図４において、１は熱交換器コイルであり、
この熱交換器コイル１は、室内から還流される空気と供
給源から供給される所定温度に設定された水を熱交換す
ることにより、室温が所定温度になるのに必要な熱量を
持った空気をダクト２から室内に出力するようになって
いる。

【０００４】この熱交換器コイル１によって熱交換され
てダクト２から室内に出力される空気と室内空調負荷が
加わった結果の室温は室内に設けられた温度センサ３に
よって検出されるようになっており、この温度センサ３
によって検出された室温は調節器４によって予め設定さ
れる室内温度と比較されるようになっている。この調節
器４はその比較結果に基づいて温度センサ３によって検
出された空気の温度と予め設定された温度を比較した
後、熱交換器コイル１の熱出力が室温を所定温度に保つ
のに必要な熱出力になるように流量制御弁５の弁開度を
調節して熱交換器コイル１に供給される水の流量を制御
するようになっている。

【０００５】なお、上述した熱交換器コイル１や流量制
御弁５は通常部屋毎に１組ずつ設けられており、特に、
小さな部屋では複数の部屋に対して１組、また、大きな
部屋ではその部屋に対して複数組設けられている。した
がって、１つの建物には多数の熱交換器コイル１と流量
制御弁５が設置されており、それらの部屋毎の利用状況
や室内負荷の性質等の条件によってグループ分けされて
いる。各グループは熱を供給する１組または複数組の熱
源を有しており、１台または複数台のポンプでその熱を
水を媒体として熱交換器コイル１や流量制御弁５に供給
される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の空調設備の制御方法にあっては、１組の熱源
の熱供給能力が段階的に切換制御されるようになってい
たため、その熱源から熱が供給される熱交換器コイル１
全体での必要熱量が能力段階に一致せずに切換点の中間
の量の場合には、その上下の能力段階で切換運転されて
しまい、その応答変動幅の間で水温が上下してしまっ
た。

【０００７】また、水量についても同様に、必要な水量
がポンプの能力段階の中間の量となる場合にはその応答
変動の幅で流量が変動してしまった。そして、水量と圧
力の間には一定の関係があることから、水量の変動が圧
力変動となってしまった。このため、ダクト２から出力
される空気を、室温を所定温度にするために必要な熱量
を持った空気に調整するために流量制御弁５の開度を調
整しても、管路内の圧力変動が生じる分だけ実際に熱交
換器コイル１に供給される水の流量が変動してしまい、
熱交換器コイル１の熱出力が変化してしまった。

【０００８】これに加えて、熱交換器コイル１全体での
要求熱量が熱源の能力段階とずれている場合には、熱交
換器コイル１に供給される水の温度も変化してしまうた
め、熱交換時に空気との温度差が変化してしまい、熱交
換器コイル１の熱出力が変化してしまった。これらの熱
出力の変化の影響は室温の温度変化としてしか捉えられ
ないため、熱容量の大きな部屋等にあっては、この熱出
力の変化の影響がなかなか表れず、熱出力を修正しよう
とする動作が遅れてしまい、室温を目標温度に調整する
ために熱交換器コイル１の熱出力の制御を安定して行な
うことができないという問題があった。

【０００９】そこで本発明は、熱交換器コイルに供給さ
れる水の温度や配管内の圧力が変動した場合でも、熱交
換器コイルの熱出力を常に目標値になるように制御する
ことができる制御性能の高い空調設備の自動制御方法を
提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するために、水と空気の流量、水と空気
の入口温度と出口温度およびコイルの構成によって決定
されるコイル特性を有し、空気と供給源から供給される
水を熱交換する熱交換器コイルを備え、室内の温度を検
出し、この室内の温度が目標温度になるように流量制御
弁によって熱交換器コイルに供給する水量を制御するよ
うにした空調設備の自動制御方法において、前記熱交換
器コイルに入力される水の温度を検出する入口温度セン
サを該熱交換器コイルの入口側に設置するとともに、熱
交換器コイルに供給される水の流量を検出する流量セン
サを設置し、前記入口温度センサおよび流量センサによ
って検出された入口水温と流量に基づいてコイル特性に
よって設定される熱交換器コイルの現在のコイル熱出力
を求めるとともに、現在の室温と目標温度の偏差値に応
じて決定される制御要求量を前記コイル特性によって設
定される要求コイル熱出力に換算し、前記現在のコイル
熱出力が前記要求コイル熱出力になるように前記流量制
御弁の開度を調整することを特徴としている。

【００１１】その場合、熱交換器コイルに供給される水
の温度や配管内の圧力が変動した場合でも、熱交換器コ
イルの熱出力を常に目標値になるように制御することが
でき、熱交換器コイルの制御性能を向上させることがで
きる。すなわち、目標温度になるように開度が調整され
た流量制御弁によって熱交換器コイルに水を供給したと
きに、熱交換器コイル全体での要求熱量が熱源の能力段
階と合わなかったり、全体での必要水量がポンプの能力
段階と合わなかったりした場合には、その熱供給系統ま
たは搬送系統に圧力変動や温度変動が発生して、室温を
目標温度に調整するために熱交換器コイルの熱出力の制
御を安定して行なうことができない。

【００１２】そこで本発明は、熱交換器コイルの入口水
温と熱交換器コイルに供給される水の流量を直接検出
し、入口水温と流量に基づいてコイル特性によって設定
される熱交換器コイルの現在のコイル熱出力を求めると
ともに、現在の室温と目標温度の偏差値に応じて決定さ
れる制御要求量をコイル特性によって設定される要求コ
イル熱出力に換算し、現在のコイル熱出力が要求コイル
熱出力になるように流量制御弁の開度を調整すること
で、熱交換器コイルに供給される水の温度や配管内の圧
力の変動に拘らず、熱交換器コイルの熱出力を常に目標
値になるように制御することができ、熱交換器コイルの
制御性能を向上させることができる。

【００１３】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るために、請求項１記載の発明において、前記コイル特
性のデータを参照し、前記入口温度センサおよび流量セ
ンサによって検出された入口水温と流量から前記熱交換
器コイルに流入された水が該熱交換器コイルで熱交換さ
れて出力されるときの水の温度を演算することを特徴と
している。

【００１４】その場合、誤差の少ない熱出力の演算を行
なうことができる。すなわち、熱交換器コイルの熱出力
の演算は、熱交換器コイルの出入口の温度差に熱交換器
コイルを通過する流量を掛けることにより求めるが、こ
の方法では、コイルの保有水量の分だけ出口水温の変化
が遅れる。具体的には、出口水温を計測しても、その出
口水温がいつの時点で熱交換器コイルに入力された水の
温度であるかが分からないため、その出口水温と入口水
温の温度差を用いて熱出力を計算した場合には演算誤差
が生じる。そして、この影響は、流量が減るほど大きく
なるが、流量が減れば熱交換器コイルの出入口の温度差
も大きくなるため、より大きな誤差となってしまう。

【００１５】そこで本発明は、予め求められたコイル特
性のデータを参照し、入口温度センサおよび流量センサ
によって検出された水温と流量から前記熱交換器コイル
に流入された水が該熱交換器コイルで熱交換されて出力
されるときの水の温度を演算することによって、誤差の
少ない熱出力の演算を行なうことができるようにしてい
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１〜３は本発明に係る空調設備の
自動制御方法の一実施形態を示す図である。なお、図１
はその自動制御方法を達成するための空調設備の概略構
成図、図２はコイル特性を示す図、図３は自動制御のフ
ローチャートである。

【００１７】まず、構成を説明する。図１において、11
は建物等の空調設備を構成し、通常部屋毎に１つ、小さ
な部屋では複数の部屋毎に１つ、また、大きな部屋の場
合には複数設けられた熱交換器コイルであり、この熱交
換器コイルには建物に設けられた供給源（熱源、ポンプ
等）から所定の温度に設定された水が供給されるように
なっている。

【００１８】この熱交換器コイル11は室内から還流され
る空気と供給源から配管13を通して供給される水を熱交
換して、室温が所定温度になるのに必要な熱量を持った
空気をダクト12から室内に出力（送風）するものであ
り、その形状、大きさ、材質は任意に設定されている。
また、熱交換後に熱交換器コイル11から出力される水は
配管14を介して供給源に還流されるようになっており、
この還流された水は供給源から配管13を通して熱交換器
コイル11に循環される。

【００１９】また、熱交換器コイル11の配管13には熱交
換器コイル11に供給される水の温度を検出する入口温度
センサ15が設けられており、この入口温度センサ15から
の検出情報は調節器16に出力されるようになっている。
また、配管14には流量計（流量センサ）17が設けられて
おり、この流量計17は熱交換器コイル11に供給される水
の量を検出し、この検出情報を調節器16に出力するよう
になっている。なお、この流量計17は配管13に設けられ
ても良い。

【００２０】また、配管13には流量制御弁18が設けられ
ており、この流量制御弁18は調節器16からの出力信号に
基づいて開度が可変制御されることにより、配管13を通
して熱交換器コイル11に供給される水の量を調整するよ
うになっている。また、室内には室温検出センサ19が設
けられており、この室温検出センサ19は室内の温度、す
なわち、ダクト12から出力される空気と室内空調負荷が
加わった結果としての室温を検出してこの検出情報を調
節器20に出力するようになっている。

【００２１】この調節器20は室温検出センサ19と使用者
が所望する温度に設定した目標温度との偏差を演算し、
この演算結果を調節器16に出力するようになっている。
そして、調節器16は調節器20からの出力信号、入口温度
センサ15と流量計17からの出力信号、および熱交換器コ
イル11の後述するコイル特性のデータに基づいて流量制
御弁18の開度を調整することにより、熱交換器コイル11
による熱出力を制御して室温が目標温度になるように調
整するようになっている。

【００２２】次に、本実施形態のコイル特性について説
明する。本実施形態のコイル特性は、水と空気の流量、
水と空気の入口温度と出口温度およびコイルの構成（形
状、大きさ、材質等）によって決定されるものであり、
これらのパラメータを用いて以下のように決定される。
以下、具体的に説明する。

【００２３】熱交換器コイル11の熱交換量は水と空気の
比率と入口温度の差に左右され、一方の流体の側からみ
れば、出入口の温度差に流量を乗じて得られるものであ
る。また、外部への損失分を除けば、どちらの流体から
求めても等しくなる筈である。すなわち、流量の比率と
温度変化の度合については、流量の大きい流体は温度変
化が小さく、逆に流量の小さい流体は温度変化が大き
い。なお、ここで言う流量とは、一般的に使用する単位
時間当りの体積または質量ではなく、単位時間当りの質
量に比熱を乗じた値（熱容量）を指す。

【００２４】この点を式を用いて説明する。流体１の質
量流量をＧ₁、流体２の質量流量をＧ₂、流体１の比熱を
Ｃ_P1、流体２の比熱をＣ_P2とすると、第１の流体の熱容量流量（Ｗ₁）＝Ｇ₁・Ｃ_P1 第２の流体の熱容量流量（Ｗ₂）＝Ｇ₂・Ｃ_P2となり、流
量比（熱容量）βは、 β₁＝Ｗ₁／Ｗ₂（但し、Ｗ₁＜Ｗ₂） β₂＝Ｗ₂／Ｗ₁（但し、Ｗ₁＞Ｗ₂）となる。

【００２５】一方、流量比と温度変化の関係性はコイル
毎に異なり、コイルの形状、大きさ、材質等のコイルの
構成から総合的に決まるものであり、コイルに限らず、
各種の形状の熱交換器についても流量比と温度変化に対
するコイルの大きさとの関係を実験的に求め、線図で表
している。また、温度変化の度合を表わすための指標と
して、両流体の入口温度の差に対する一方の流体の出入
口温度差の割合を用い、温度効率と称している。

【００２６】この点を式を用いて説明する。まず、流体
１の入口温度をｔ_1in、流体２の入口温度をｔ_2in、流体
１の出口温度をｔ_1out、流体２の出口温度をｔ_2outとす
ると、温度効率εは、 ε₁＝｜（ｔ_1out−ｔ_1in）／（ｔ_1in−ｔ_2in）｜ ε₂＝｜（ｔ_2out−ｔ_2in）／（ｔ_1in−ｔ_2in）｜コイルの平均熱貫流率をＵｍ、コイルの熱貫流面積を
Ａ、コイルの熱交換容量をＵｍＡとすると、コイルの熱
移動単位数ＮＴＵは、ＵｍＡ／Ｗ₁（但し、Ｗ₁＜Ｗ₂）ＵｍＡ／Ｗ₂（但し、Ｗ₁＞Ｗ₂）で表わされる。

【００２７】そして、上述した流量比β、温度効率εお
よびコイルの構成から導かれる熱移動単位数ＮＴＵから
図２に示す線図が導かれる。この図から明らかなよう
に、流量に対するコイルの大きさがある程度以上になる
と、流量比βが一定の場合を表す線がフラットになり、
流量比βと温度効率εの関係に対するコイルの大きさに
よる影響が小さくなることが分かる。本実施形態では、
この状態における流量比βと温度効率εの関係をコイル
特性という。

【００２８】そして、本実施形態では、このコイル特性
と入口温度センサ15および流量計17によって検出された
水温と流量に基づいて流量制御弁18の開度を調整するこ
とにより、熱交換器コイル11に供給される水の量を制御
することで、室温を目標温度に速やかに調整するのであ
る。以下、その制御を図３のフローチャートに基づいて
具体的に説明する。

【００２９】まず、室温が目標温度となるように設定さ
れると（ステップＰ1）、調節器20によってこの設定値
と室温検出センサ19によって検出された室温との偏差を
演算する（ステップＰ2）。次いで、この演算値をＰＩ
Ｄ演算して（ステップＰ3）、熱交換器コイル11で熱交
換が必要な制御要求量を演算する（ステップＰ4）。次
いで、この制御要求量と現在のコイルの熱出力との偏差
を演算し（ステップＰ5）、この演算結果をＰＩＤ演算
した後（ステップＰ6）、流量制御弁18の開度を変更す
る（ステップＰ7）。

【００３０】このように、配管13を通して熱交換器コイ
ル11に供給される水の量を制御して、熱交換器コイル11
で水と室内から還流される空気とを熱交換することによ
り、ダクト12から室温が所定温度になるように調整され
た空気を室内に送風する。ここで問題となるのは、室温
が目標温度になるように流量制御弁18の開度を調整して
熱交換器コイル11に水を供給したときに、熱交換器コイ
ル全体での要求熱量が熱源の能力段階と合わなかった
り、全体での必要水量がポンプの能力段階と合わなかっ
たりした場合には、その熱供給系統または搬送系統に圧
力変動や温度変動が発生してしまい、室温を目標温度に
調整するために熱交換器コイル11の熱出力の制御を安定
して行なうことができないことである。

【００３１】本実施形態では、流量制御弁18の開度が変
更されたときに、室温検出センサ19によって室温を検出
してステップＰ2にフィードバックし、さらに、流量計1
7によって熱交換器コイル11に流れた水の量を検出する
とともに（ステップＰ9）、入口温度センサ15によって
熱交換器コイル11に入力された水の温度を検出し（ステ
ップＰ10）、調節器16によってこの検出結果から図２に
示すコイル特性によって設定される熱交換器コイル11の
現在の熱出力を求める（ステップＰ11）。

【００３２】一方、ステップＰ10で検出された水の入口
温度の平均値が演算されるようになっており（ステップ
Ｐ14）、この平均値とコイル特性から熱交換器コイル11
の最大コイル熱出力を演算する。そして、この最大コイ
ル熱出力に対して、制御要求量をどの程度の熱出力にす
れば良いのかを換算して要求コイル熱出力を演算した後
（ステップＰ4）、現在の熱出力と要求熱出力の偏差を
演算することにより（ステップＰ5）、この演算結果を
ＰＩＤ演算して（ステップＰ6）、現在の熱出力が要求
熱出力になるように流量制御弁18の開度を調整する。

【００３３】このように本実施形態では、熱交換器コイ
ル11の入口水温と熱交換器コイル11に供給される水の流
量を直接検出し、入口水温と流量に基づいてコイル特性
によって設定される熱交換器コイル11の現在の熱出力を
求めるとともに、現在の室温と目標温度の偏差値に応じ
て決定される制御要求量をコイル特性によって設定され
る要求コイル熱出力に換算し、現在のコイル熱出力が要
求コイル熱出力になるように流量制御弁18の開度を調整
するようにしたため、熱交換器コイル11に供給される水
の温度や配管内の圧力の変動に拘らず、熱交換器コイル
11の熱出力を常に目標値になるように制御することがで
き、熱交換器コイルの制御性能を向上させることができ
る。

【００３４】また、本実施形態では、ステップＰ11で熱
交換器コイル11の現在の熱出力を演算するに際し、図２
に示すコイル特性データを参照し、入口水温と流量から
熱交換器コイル11に流入された水が熱交換器コイル11で
熱交換されて出力されるときの水の温度を演算している
ため、誤差の少ない熱出力の演算を行なうことができ
る。

【００３５】すなわち、熱交換器コイル11の熱出力の演
算は、熱交換器コイル11の出入口の温度差に熱交換器コ
イル11を通過する流量を掛けることにより求めるが、こ
の方法では、コイルの保有水量の分だけ出口水温の変化
が遅れる。具体的には、出口水温を計測しても、その出
口水温がいつの時点で熱交換器コイル11に入力された水
の温度であるかが分からないため、その出口水温と入口
水温の温度差を用いて熱出力を計算した場合には演算誤
差が生じる。そして、この影響は、流量が減るほど大き
くなるが、流量が減れば熱交換器コイル11の出入口の温
度差も大きくなるため、より大きな誤差となってしま
う。

【００３６】本実施形態では、図２に示すように予め求
められたコイル特性のデータを参照し、入口温度センサ
15および流量計17によって検出された水温と流量から熱
交換器コイル11に流入された水が熱交換器コイル11で熱
交換されて出力されるときの水の温度を演算することに
よって、誤差の少ない熱出力の演算を行なうことができ
る。

【００３７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、熱交換器
コイルに供給される水の温度や配管内の圧力が変動した
場合でも、熱交換器コイルの熱出力を常に目標値になる
ように制御することができ、熱交換器コイルの制御性能
を向上させることができる。請求項２記載の発明によれ
ば、誤差の少ない熱出力の演算を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る空調設備の自動制御方法の一実施
形態を示す図であり、その自動制御方法を達成するため
の空調設備の概略構成図である。

【図２】コイル特性を示す図である。

【図３】一実施形態の自動制御のフローチャートであ
る。

【図４】従来の空調設備の概略構成図である。

【符号の説明】

11 熱交換器コイル 15 入口温度センサ 17 流量計（流量センサ） 18 流量制御弁 19 室温検出センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者滝澤隆史東京都中央区日本橋蛎殻町１丁目35番８号三建設備工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水と空気の流量、水と空気の入口温度と出
口温度およびコイルの構成によって決定されるコイル特
性を有し、空気と供給源から供給される水を熱交換する
熱交換器コイルを備え、室内の温度を検出し、この室内の温度が目標温度になる
ように流量制御弁によって熱交換器コイルに供給する水
量を制御するようにした空調設備の自動制御方法におい
て、前記熱交換器コイルに入力される水の温度を検出する入
口温度センサを該熱交換器コイルの入口側に設置すると
ともに、熱交換器コイルに供給される水の流量を検出す
る流量センサを設置し、前記入口温度センサおよび流量センサによって検出され
た入口水温と流量に基づいてコイル特性によって設定さ
れる熱交換器コイルの現在のコイル熱出力を求めるとと
もに、現在の室温と目標温度の偏差値に応じて決定され
る制御要求量を前記コイル特性によって設定される要求
コイル熱出力に換算し、前記現在のコイル熱出力が前記
要求コイル熱出力になるように前記流量制御弁の開度を
調整することを特徴とする空調設備の自動制御方法。
【請求項２】前記コイル特性のデータを参照し、前記入
口温度センサおよび流量センサによって検出された入口
水温と流量から前記熱交換器コイルに流入された水が該
熱交換器コイルで熱交換されて出力されるときの水の温
度を演算することを特徴とする請求項１記載の空調設備
の自動制御方法。