JP3519552B2 - Ｖａｖ式空調システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＶＡＶ（Variable
Air Volume：可変風量）方式の空調システムおよびそ
の制御方法にかかり、特に汎用式のモータ駆動式ダンパ
を使用したＶＡＶ空調システムおよびその制御方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、個別空調と省エネルギー運転に優
れた空調システムとして、ＶＡＶ式空調システムが広く
採用されている。ＶＡＶ式空調システムは、同一のダク
ト系に複数のダンパを設置し、各ダンパごとに個別に風
量制御を行うことにより、ゾーンごとの個別空調と省エ
ネルギー運転の二つの目的を同時に実現しようとするも
のである。

【０００３】ところで、従来より、図６に示すように、
外部制御部（不図示）からの操作信号に応じてモータ調
整部１２を介して駆動モータ１４により羽根１６の開度
を調整し、ダクト１８内を通過する送風量を調整するこ
とが可能な、いわゆる汎用型のモータ駆動式ダンパ１０
が知られている。かかる汎用型のモータ駆動式ダンパ１
０は、廉価であり、設置スペースも小さく、施工やメン
テナンスが容易であり、操作性にも優れていることか
ら、多くのダクト設備に採用されている。

【０００４】しかしながら、上記のような汎用型のモー
タ駆動式ダンパを、ＶＡＶ式空調システムに適用するこ
とは従来より困難であった。すなわち、汎用型のモータ
駆動式ダンパは、各ダンパごとの静圧や風量などを個別
的にフィードバック制御できる機能を備えておらず、外
部制御部からの操作信号に応じて風量のオープンループ
制御を行う機能を有しているに過ぎない。そのため、同
一ダクト系に多数のダンパがあって、これらを同時に作
動させる必要があるＶＡＶ式空調システムに適用する
と、ダクト内の静圧が大きく変動し、空気量が大きく乱
れた場合に、個々の汎用型のモータ駆動式ダンパにおけ
る静圧制御、あるいは風量制御が上手く行かず、したが
ってゾーンごとの室温制御は難しく、さらに最小換気量
の確保も出来ないという問題があった。ましてや、これ
に省エネルギー機能を加えた場合の室温制御は、さらに
困難であった。

【０００５】もちろん、汎用型のモータ駆動式ダンパを
用いたＶＡＶ式空調システムの場合であっても、すべて
のダクト経路の圧損、送風機特性（風量−静圧−回転
数）、すべてのダンパ特性を算出し、複雑な収束計算に
よって、主ダクトの静圧変動に応じた各ダンパの最適な
開度を求めて、送風機の能力制御により、ゾーンごとの
個別空調を行うことが可能であるが、これには膨大な手
間と時間がかかり、ましてや、設置現場ごとに固有の制
御パラメータも算出せねばならず、実際には実現困難で
あった。

【０００６】したがって、従来より、下記のようなＶＡ
Ｖ式空調システム用の各種専用ダンパユニットが提案さ
れ使用されている。

【０００７】（１）スロットル型ユニット このスロットル型ユニット２０は、図７に示すように、
ダクト２２内に設けられたゴム製ベロー、スプリング等
の定風量機構２４によりダクト内静圧変動を吸収し、同
時に室内サーモスタット２６により検出された室内負荷
変動に追従して、制御部２８により定風量機構２４を操
作して通過風量を調節する。しかし、定風量機構に起因
する圧力損失が発生するため、搬送動力を消費してしま
う。

【０００８】（２）バイパス型ユニット このバイパス型ユニット３０は、図８に示すように、室
内サーモスタット３１により検出された室内負荷変動に
応じて、制御部３２により羽根３３を調整して、室内給
気経路３４を通じての空調ゾーンへの給気量とバイパス
路３５を通じての天井へのバイパス量を調節する。すな
わち、このバイパス型ユニット３０の場合には、空調ゾ
ーンへの給気は可変であるが、空調機処理風量を一定と
している。しかし、バイパス空気は、天井内を空調して
いることになり、その分はエネルギーロスとなる。

【０００９】（３）誘引型ユニット この誘引型ユニット４０は、図９に示すように、低温の
高圧一次空気で高温の室内空気を誘引し、負荷に見合っ
た混合比で室内に給気するものである。したがって、空
調ゾーンへの給気は一定である。しかし、このユニット
自体は定風量機能を備えていないため、一般的には上流
側に定風量装置（ＣＡＶ）を備えて使用する。この場
合、前記スロットル型ユニット同様に、圧損が発生す
る。

【００１０】（４）風速センサ内蔵型電子式ユニット 図１０に示す風速センサ内蔵型電子式ユニット５０は、
最も良く使用されているダンパであり、各ユニットごと
に風量調整装置５１を備えており、風量調整装置５１は
モータ調整部５２により駆動モータ５３を駆動して、羽
根５４の開度を調整することができる。その際に、風量
調整装置５１は、不図示のサーモスタットから空調ゾー
ンごとの負荷データおよび羽根５４の下流側に設けられ
た風速センサ５５から通過風量を入力として受け、羽根
５４の開度を調整するので、ダクト内の静圧の如何に拘
わらず、ダクトを通過する通過風量をフィードバック制
御することが可能である。

【００１１】以上、ＶＡＶ式空調システム専用のダンパ
ユニットのいくつかの例について説明したが、これらの
専用ユニットは、いずれも各ユニットごとに静圧や風量
を制御して空調ゾーンごとの温度を制御するフィードバ
ック制御機構を備えており、したがって高価であり、占
有スペースも大きいという問題を抱えていた。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来のＶＡＶ
式空調システムがかかえる上記のような問題点に鑑みて
成されたものであり、個別のフィードバック制御機構
（静圧調節機能、風量調節機能、室温調整機能など）を
備えた専用のダンパユニットを用いずに、廉価でありま
た占有スペースも小さな、オープンループ制御方式の汎
用のモータ駆動式ダンパユニットを用いて、しかも制御
パラメータを求めるための複雑な収束計算などの工程を
経ずにシステムを構築することが可能な、新規かつ改良
されたＶＡＶ式空調システムおよびその制御方法を提供
することをその目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第１の観点によれば、送風量を自動制御可
能な送風機を備えた空調機と、その空調機に連通して各
空調ゾーンに空調空気を送風する送風系と、その送風系
内に設置されて操作信号に応じて開度を調節可能な複数
のダンパとを備えたＶＡＶ式空調システムが提供され
る。そして、本発明にかかるＶＡＶ式空調システムは、
請求項１に記載のように、：送風系は、空調機に連通す
る主ダクトと、その主ダクトから分岐して各空調ゾーン
に至る複数の副ダクトとから構成され；ダンパは各副ダ
クト内に設置され；主ダクト内の任意の箇所に設置され
る静圧検出器と、各空調ゾーンごとに設置される温度検
出器とを備え；送風機は、静圧検出器において検出され
る主ダクト内の静圧検出値が所定の静圧設定値に追従し
うる能力制御手段を備え；ダンパは、各ユニットごとの
個別のフィードバック制御系を持たずに、中央制御装置
からの操作信号に応じてその開度をオープンループ制御
することが可能な汎用型のモータ駆動式ダンパであり、
温度検出器において検出される温度検出値が所定の設定
温度と追従するように、各空調ゾーンの温度検出値と主
ダクト内の静圧検出値とに基づいて、そのダンパを開度
制御する手段を備えていることを特徴としている。

【００１４】上記ＶＡＶ式空調システムにおいて、請求
項２に記載のように、送風機の能力制御による静圧制御
は第１の制御周期（静圧制御周期）で実行され、さら
に、各ダンパの開度制御に用いられる制御式のゲイン値
は主ダクト内の静圧検出値および現在の各ダンパの開度
状態に関する情報に応じて決定されるものであり、この
制御式のゲイン値は第２の制御周期（室温制御周期）ご
とに更新されることが好ましい。

【００１５】また、上記ＶＡＶ式空調システムにおい
て、請求項３に記載のように、各ダンパの開度情報およ
び静圧検出値に基づいて、静圧設定値が第３の制御周期
（設定静圧制御周期）で更新されることが好ましい。

【００１６】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムに
おいて、請求項４に記載のように、静圧検出器は、主ダ
クトの第１分岐点よりも上流側に設置されることが制御
の安定性を得る上で好ましい。

【００１７】上記課題を解決するために、本発明の第２
の観点によれば、送風量を自動制御可能な送風機を備え
た空調機と；その空調機に連通して各空調ゾーンに空調
空気を送風することが可能であり、空調機に連通する主
ダクトとその主ダクトから分岐して各空調ゾーンに至る
複数の副ダクトとから構成される送風系と；その送風系
の各副ダクト内に設置されて操作信号に応じて開度を調
節可能な複数のダンパと、ただし、前記各ダンパは、各
ユニットごとの個別のフィードバック制御系を持たず
に、中央制御装置からの操作信号に応じてその開度をオ
ープンループ制御することが可能な汎用型のモータ駆動
式ダンパであり；その送風系の主ダクト内の任意の箇所
に設置される静圧検出器と；各空調ゾーンごとに設置さ
れる温度検出器とを備えたＶＡＶ式空調システムの制御
方法が提供される。そして、本発明にかかるＶＡＶ式空
調システムの制御方法は、請求項５に記載のように：主
ダクト内の静圧設定値および各空調ゾーンの室内温度設
定値を初期条件として設定し；静圧検出器において検出
される主ダクト内の静圧検出値が所定の静圧設定値に追
従するように、送風機の能力制御を行う静圧制御を第１
の制御周期（静圧制御周期）で実行し；温度検出器にお
いて検出される各空調ゾーン内の温度検出値が所定の温
度設定値に追従するように、温度検出値と温度設定値と
の偏差および主ダクト内の静圧検出値および現在の各ダ
クトの開度状態に関する情報に基づいて、各ダンパの開
度制御を実行することを特徴としている。

【００１８】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項６に記載のように、各ダンパ
の開度制御は、主ダクト内の静圧検出値および現在の各
ダンパの開度状態に関する情報に応じて決定されるゲイ
ン値を有する制御式に基づいて行われるものであり、こ
の制御式のゲイン値は第２の制御周期（室温制御周期）
ごとに更新されることが好ましい。

【００１９】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項７に記載のように、各ダンパ
の開度制御を行うための制御式は：各ダンパの持ってい
る特性のうち、風量とダンパ開度の比がリニア特性であ
る範囲を用いて、その「風量」の変化割合を

【００２０】

【数３】

【００２１】の変化割合に置き換え；さらに、各ダンパ
が設置された送風経路の圧損を主ダクトの静圧検出値に
置き換え；

【００２２】

【数４】

【００２３】を制御式の出力Ｖとして求めるものであ
り；さらに、制御式の出力Ｖと主ダクトの静圧検出値に
基づいて、各ダンパの開度制御を行うために必要なダン
パ開度情報が決定されるように構成することが好まし
い。

【００２４】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項８に記載のように、各ダンパ
の開度制御を行うための制御式の制御パラメータは、所
定の空調空間モデル（例えば、空調面積１０００ｍ２以
下、好ましくは５００ｍ２以下の一般事務所ビルであっ
て、いわゆるコンパクトエアハンにより空調可能な空調
区間）に基づいて、予め設定されることが好ましい。

【００２５】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項９に記載のように、「風量」
の変化割合は、前記空調空間モデルに応じて決定され
る、「室内空気条件」、「外気空気条件」、「外気導入
割合」、「空調機からの吹出空気条件」から空調空間モ
デルの空調ゾーンの空気温度を１℃変更するために必要
な風量変化割合として求められることが好ましい。

【００２６】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項１０に記載のように、制御式
の制御パラメータであるゲイン値は、空調空間モデルの
空調ゾーンにおいて固有な値を持つ「無駄時間と時定数
の比」を用いて決定されることが好ましい。

【００２７】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムを
制御するに際して、請求項１１に記載のように、「無駄
時間と時定数の比」を求めるに際し、空調空間モデルの
空調ゾーン内の無駄時間を「吹出口からの空気が温度検
出器に到達するまでの時間」とみなし、その場合の最大
の無駄時間は室内空気の様相が「成層流」の場合とみな
し、空調空間モデルに応じて決定される「部屋の天井
高」、「温度検出器の設置高さ」、「空調面積当たりの
給気量」を与えることにより、最大無駄時間を求め；最
大無駄時間に対応する空調空間モデルの空調ゾーンの時
定数は、「他ゾーンや壁の影響は受けずに、熱容量は空
気のみである」ことを条件として、空調空間モデルにお
ける「部屋の天井高」、「温度検出器の設置高さ」を与
えることにより求め：求められた最大無駄時間と時定数
から、各空調ゾーンにおいて固有な値を持つ「無駄時間
と時定数の比」を求めることが好ましい。

【００２８】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムの
制御方法において、請求項１２に記載のように、各ダン
パに要求される最小換気量に応じて制御式の出力Ｖの最
小値を予め設定することが好ましい。

【００２９】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムの
制御方法において、請求項１３に記載のように、各ダン
パの開度情報および静圧検出値に基づいて静圧設定値を
更新する設定静圧制御を第３の制御周期（設定静圧制御
周期）で実行することが好ましい。

【００３０】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムの
制御方法において、請求項１４に記載のように、各ダン
パのうちいずれかの開度が予め設定された所定の範囲を
逸脱した場合に、静圧設定値は更新されることが好まし
い。

【００３１】さらにまた、上記ＶＡＶ式空調システムの
制御方法において、請求項１５に記載のように、静圧検
出器は、主ダクトの第１分岐点よりも上流側に設置され
ることがシステムの安定制御の上で好ましい。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しながら本
発明に基づいて構成されるＶＡＶ式空調システムの好適
な実施の形態について詳細に説明する。

【００３３】図１には、ＶＡＶ式空調システムの好適な
実施の形態のシステム構成が示されている。図示のＶＡ
Ｖ式空調システム１００は、熱交換器１０２ａおよび送
風機１０２ｂなどを備えた空調機１０２を備えている。
送風機１０２ｂの送風能力は、制御部１０４からの操作
信号に基づいて、例えば、インバータ制御盤などの送風
機調整部１０６により可変制御することが可能である。
送風機１０２ｂからの空調空気は、所定の送風系１１０
を介して、各空調ゾーンに送風される。なお、制御部１
０４は、コンピュータプログラムをインストールしたマ
イクロコンピュータであってもよいし、シーケンサであ
ってもよい。

【００３４】本実施の形態にかかる空調システムでは、
送風系１１０は、空調機１０２の送風機１０２ｂから分
岐点１１２に至る主ダクト１１４と、分岐点１１２から
各空調ゾーンに向かって分岐する副ダクト１１６（１１
６ａ、１１６ｂ、…、１１６ｎ）とから構成されてい
る。さらに、各副ダクト１１６には、それぞれダンパ１
１８（１１８ａ、１１８ｂ、…、１１８ｎ）が設置され
る。なお、図示の例では、五つの副ダクト１１６ａ〜１
１６ｅに対して、それぞれ、五つのダンパ１１８ａ〜１
１８ｅを設置する構成を示しているが、本発明はかかる
例に限定されず、任意の数の副ダクトおよび任意の数の
ダンパに適用することが可能である。また、本明細書に
おいて、副ダクト１１６はダンパ１１８が設置されてい
る送風経路であり、主ダクト１１４は、最も上流側のダ
ンパ１１８が設置される副ダクト１１６を分岐する分岐
点１１２よりも上流側の送風経路を言うものとする。

【００３５】各副ダクト１１６に設置されるダンパ１１
８は、設置されるダクト内の風量を可変制御することが
可能なのものであれば任意のものを使用することが可能
であるが、好ましくは、図６においてすでに説明したよ
うな、汎用型のモータ駆動式ダンパユニット１０が使用
される。このダンパユニット１０は、制御部１０４から
の操作信号に応じてモータ調整部１２を介して駆動モー
タ１４により羽根１６の開度を調整し、副ダクト１１６
内を通過する送風量を調整することが可能なものであ
る。後述するように、本実施の形態にかかるＶＡＶ式空
調システムによれば、従来のシステムでは使用すること
が困難であった汎用型のモータ駆動式ダンパユニット１
０を用いた場合でもシステムの最適な運転制御を行うこ
とが可能である。

【００３６】なお、本明細書で言及する汎用型のモータ
駆動式ダンパとは、図７〜図１０に関連して説明した専
用ダンパユニットとは異なり、各ダンパごとの静圧や風
量などを個別的にフィードバック制御できる機能を備え
ておらず、外部制御部からの操作信号に応じて風量のオ
ープンループ制御を行う機能を有しているに過ぎない
（すなわち、各ダンパごとに完結した静圧調整機能、風
量調整機能、室温調整機能を持たない）ようなモータ駆
動式ダンパを言うものとする。かかる汎用型のモータ駆
動式ダンパは、その制御機能が制限されている分だけ、
他の専用ダンパユニットに比較して廉価であり、設置ス
ペースが少なくて済み、また施工やメンテナンスも容易
であることを特徴としており、本発明の最大の目的は、
従来のような専用ダンパユニットを用いずに、このよう
な汎用型のモータ駆動式ダンパにより、従来のシステム
と同等またはそれ以上に個別空調特性および省エネルギ
ー性に優れたＶＡＶ式空調システムを構築することにあ
る。

【００３７】再び図１を参照すると、各空調ゾーン１２
０（１２０ａ、１２０ｂ、…、１２０ｎ）には、各ダン
パ１１８に対応した温度検出器１２２（１２２ａ、１２
２ｂ、…、１２２ｎ）が設置されており、各空調ゾーン
１２０無いの温度を検出して温度検出値を制御部１０４
に送ることが可能である。なお、図示の例では、五つの
空調ゾーン１２０ａ〜１２０ｅに対して五つの温度検出
器１２２ａ〜１２２ｅを設置した構成を示したが、本発
明はかかる例に限定されず、任意の数の空調ゾーンに対
して任意の数の温度検出器を設置することが可能である
ことは言うまでもない。

【００３８】さらに、本発明にかかるＶＡＶ式空調シス
テム１００において特徴的な点は、空調機１０２の送風
機１０２ｂと送風系１１０の分岐点１１２に至る主ダク
ト１１４内の任意の箇所に主ダクト１１４内の静圧を測
定するための静圧検出器１２４が設置される点である。
この静圧検出器１２４としては、主ダクト１１４内の静
圧を検出して制御部１０４に静圧検出値を送ることが可
能なものであれば任意なものを使用することが可能であ
るが、制御安定性の観点からは、主ダクト１１４の第一
分岐点１１２のできるだけ手前（上流側）に設置するこ
とが好ましい。

【００３９】なお、図示の構成では、主ダクト１１４か
ら副ダクト１１６への分岐は一つの分岐点１１２から行
われているが、主ダクトから各副ダクトへの分岐形状は
任意の形状で良く、分岐箇所は任意の数で構わない。し
かしながら、制御安定性の観点からは、図示の例のよう
に、主ダクト１１４から副ダクト１１６への分岐は一つ
の分岐点１１２で行われることが好ましい。さらに、各
ダンパ１１８から各空調ゾーン１２０に至るまでの各副
ダクト１１６の形状、分岐の有無、吹出口の個数は、任
意のもので良い。また送風機の吸込側のダクト形状につ
いても、任意の形状のもので良い。

【００４０】次に、上記のように構成されたＶＡＶ式空
調システムの制御方法について、図２に示すフローチャ
ートを参照しながら説明する。

【００４１】まず、全体の制御フローについて説明する
と、システムの運転を開始した後、ステップＳ１におい
て、主ダクトの設定静圧値および各空調空間の設定室内
温度に関する初期条件を確認する。初期条件としては、
設計条件に応じた設定値、予め設定した設定値、前回運
転時の設定値などを使用することができる。

【００４２】続いて、ステップＳ２において、主ダクト
の静圧、各空調空間の室内温度の現在値を検出した後、
静圧制御系（ステップＳ４）、室温制御系（ステップＳ
６）、設定静圧制御系（ステップＳ８）のそれぞれにつ
いて、所定の制御周期に達しているか否かの判定（ステ
ップＳ３、ステップＳ５、ステップＳ７）を行い、所定
の制御周期（静圧制御周期（ステップＳ３）、室温制御
周期（ステップＳ５）、設定静圧制御周期（ステップＳ
７））に達していた場合に、所定の制御系に入る。な
お、所定の制御周期、すなわち、静圧制御周期（ステッ
プＳ３）、室温制御周期（ステップＳ５）および設定静
圧制御周期（ステップＳ７）については、制御部１０４
において管理されている。また図示の例では、静圧制御
系（ステップＳ４）、室温制御系（ステップＳ６）、設
定静圧制御系（ステップＳ８）を順次行うように示され
ているが、本発明にかかるＶＡＶ式空調システムの制御
方法において特徴的な点は、各制御系をそれぞれ所定の
制御周期（静圧制御周期（ステップＳ３）、室温制御周
期（ステップＳ５）、設定静圧制御周期（ステップＳ
７））ごとに実行する点であり、したがって、各制御系
を実行するタイミングは、図２に示すフローの順番に限
定されず、各制御周期に応じた任意の順番で行うことが
可能である。

【００４３】以下に、本発明にかかるＶＡＶ式空調シス
テムの実施の一形態にかかる静圧制御系（ステップＳ
４）、室温制御系（ステップＳ６）、設定静圧制御系
（ステップＳ８）の各制御系の動作について詳細に説明
する。

【００４４】（１）静圧制御系（ステップＳ３、Ｓ４） 予め設定した所定の制御周期に達した場合（ステップＳ
３）に、静圧制御を行う。このように所定の制御周期
（静圧制御周期）を設け、その周期ごとに静圧制御を行
うことにより、ダクト形状・長さによる圧力伝播速度、
制御演算速度、静圧検出速度といったシステム毎に異な
る制御条件を緩和することができる。なお静圧制御の応
答性は比較的速いので、静圧制御周期は、後述する室温
制御周期よりも短い周期に設定することができる。

【００４５】この静圧制御の基本的動作は、主ダクト１
１４に設置された静圧検出器１２４からの静圧が設定静
圧値に追従するように、ＰＩ動作もしくはＰＩＤ動作に
より送風機１０２ｂの能力制御を行う点である。

【００４６】この制御における制御パラメータ（比例ゲ
イン、積分時間、微分時間）は、実測による算出が好ま
しいが、例えば、空調面積１０００ｍ２以下、好ましく
は５００ｍ２以下の一般的な事務所ビルを対象としたコ
ンパクトエアハンを想定することにより、下記の表１に
示した実測例を代用することができる。設計条件におけ
る給気側の機外静圧が２０ｍｍＡｑであれば、表１に示
す表の値を適用できる。なお、この数字は、主ダクトの
静圧を２０ｍｍＡｑと設定したときの「限界感度法」に
よって得た値である。

【００４７】

【表１】

【００４８】以上のように、本実施の形態にかかるＶＡ
Ｖ式空調システムの制御方法によれば、所定の制御周期
で周期的に行われる静圧制御により、汎用型のモータ駆
動式ダンパを使用することによって生じるダンパ同士の
相互干渉を効果的に防止することが可能である。

【００４９】（２）室温制御系（ステップＳ５、Ｓ６） 予め設定した所定の制御周期に達した場合（ステップＳ
５）、室温制御を行う。このように所定の制御周期（室
温制御周期）を設けることにより、機種によって異なる
モータダンパの動作速度による制御性への影響を緩和す
ることができる。なお、室温制御の応答性は、上記静圧
制御の応答性と比較すると遅いので、比較的長い制御周
期により室温制御を行うことができる。

【００５０】この室温制御の基本動作は、各空調ゾーン
１２０に設置された温度検出器１２２からの温度検出値
が要求される温度設定値に追従されるように、ダンパ開
度の制御を行う。ただし、この制御は、温度検出値と温
度設定値との偏差、および主ダクトの静圧値、さらには
現状の各ダンパの開度情報をもとに、ＰＩＤ動作によっ
て行う。また、このときの制御式及び制御パラメータ
（比例ゲイン、積分時間、微分時間）の算出法は以下
（ａ）〜（ｉ）に示す方法で行う。

【００５１】（ａ）まず、「ＺＩＧＥＲ ＆ ＮＩＣＯ
ＬＳの過渡応答法による最適値算出法」を採用する。下
記の表２に、「ＺＩＧＥＲ ＆ ＮＩＣＯＬＳの過渡応
答法による最適値算出法」を示す。

【００５２】

【表２】

【００５３】ただし、表２において ΔＶ：過渡応答法における開度（ダンパ開度等）操作量
であり、制御式における出力操作にあたる。 ΔＰＶ：過渡応答法における制御対象（室内温度等）の
変化量であり、制御式における入力変化量にあたる。 Ｔ：部屋の時定数 Ｌ：部屋の無駄時間 ＴＩ：積分時間 ＴＤ：微分時間

【００５４】（ｂ）さらに、図３に示すように、ダンパ
の持っている特性のうち、風量とダンパ開度の比がリニ
ア特性である範囲を用いて、「風量」の変化割合を

【００５５】

【数５】

【００５６】の変化割合に置き換える。乱流である送風
経路にリニア特性を持つダンパが設置されている場合、
下式が成立する。

【００５７】

【数６】

【００５８】（ｃ）次いで、各ダンパが設置された送風
経路の圧損を主ダクトの静圧検出値に置き換える。 ΔＰｉ=ＰＳ （ｉ=１，２，３…） ……（３） ＰＳ：主ダクトに設置された静圧検出器の静圧値 [ｍ
ｍＡｑ] ΔＰｉ：主ダクトの静圧検出器から室内に吹出す迄の各
送風経路の圧損（ｉ=１，２，３，…）

【００５９】（ｄ）次いで、一般事務所ビルの設計で使
われる室内空気条件、外気空気条件、外気導入割合、空
調機からの吹出空気条件などから算出できる、室内空気
温度を１℃変更するために必要な風量変化割合を求め
る。 ΔＧ／ΔＰＶ=α・Ｇ ……（４） Ｇ：現在の風量 [ｍ３／ｈ] ΔＧ：風量操作量 [ｍ３／ｈ] ΔＰＶ：室内空気変化量 [℃] α：室内温度を１℃変更するために必要な風量変化割合
（ΔＧ／Ｇ）[℃−１]

【００６０】（ｅ）次いで、（３）式を（２）式に代入
すると、下式が導かれる。

【００６１】

【数７】

【００６２】さらに、（４）式及び（５）式より、下式
が導かれる。

【００６３】

【数８】

【００６４】（ｆ）次いで、部屋の無駄時間を「吹出口
からの空気が温度検出器に到達するまでの時間」と考え
る。ここで、室内空気の様相を考える。最小の無駄時間
は、空気の様相が「完全拡散混合流」の場合であり、０
と考えることができる。また最大無駄時間は、空気の様
相が「成層流」の場合であり、図４に示すように、成層
流の方向により、温度検出器を基準とした部屋の容積の
上下左右いずれかの換気が行われる時間と考えることが
できる。

【００６５】ＶＳ：給気量 [ｍ３／ｈ] Ａｒｏｏｍ：部屋の床面積[ｍ２] Ｈｒｏｏｍ：天井高[ｍ] ＨＴ：温度検出器の高さ[ｍ] とおくと、最大無駄時間は下式で表現できる。

【００６６】

【数９】

【００６７】この最大無駄時間に対応する部屋の時定数
は、他ゾーンの影響を受けず、熱容量を空気のみと考え
た下式で表現できる。 Ｔ=Ａｒｏｏｍ・Ｈｒｏｏｍ／ＶＳ ……（８） それぞれの部屋で固有な値を持つ無駄時間と時定数の比
であるＬ／Ｔは、下式で表現できる。

【００６８】

【数１０】

【００６９】（７）下記の一般的な事務所ビルの設計条
件を使い、部屋に固有なＬ／Ｔを特定する。一般的な事
務所ビルの設計条件は次の通りである。 天井高：Ｈｒｏｏｍ=２．５ｍ 温度検出器の高さ：ＨＴ=１．５ｍ これを（９）式に代入して、下記の値が得られる。

【００７０】

【数１１】

【００７１】（ｈ）下記の一般的な事務所ビルの設計条
件を使い、部屋の無駄時間Ｌが取り得る範囲を特定す
る。 一般的な事務所ビルの設計条件 天井高：Ｈｒｏｏｍ=２．５ｍ 温度検出器の高さ：ＨＴ=１．５ｍ 空調面積当たりの給気量：ＶＳ／Ａｒｏｏｍ=１９．８
（ｍ３ｈ）／ｍ２ これを（７）式に代入して、無駄時間の取り得る範囲と
して下記の値が得られる。

【００７２】

【数１２】

【００７３】全てを統合すると、無駄時間の取り得る下
記の範囲が特定できる。 ０≦Ｌ≦２７０ｓｅｃ ……（１２）

【００７４】（ｉ）制御式における出力である

【００７５】

【数１３】

【００７６】また、（６）式および（１０）式を表２の
「ＺＩＧＥＲ＆ＮＩＣＯＬＳの過渡応答法による最適値
算出法」に代入することにより、比例ゲインを設定す
る。ただし、（１０）における三つの値のうち、Ｌ／Ｔ
=０．６の採用が比例ゲインにとって安全サイドである
ことにより、これを採用する。しかし、当然、部屋の天
井高と温度検出器の高さによって、Ｌ／Ｔの値を決定す
る方が、制御性の観点からは好ましい。

【００７７】さらに、（１２）式の値を表２の「ＺＩＧ
ＥＲ＆ＮＩＣＯＬＳの過渡応答法による最適値算出法」
に代入することにより、積分時間と微分時間を設定す
る。ただし、ＴＩ=ＴＤ×４が成立している状態では、
Ｌは６０ｓｅｃ〜４００ｓｅｃの範囲で同様の制御性で
あることを実験にて確認しており、ここではＬ=２７０
ｓｅｃを採用する。以上のようにして求めた、比例ゲイ
ン、積分時間、微分時間の算出結果を下表に示す。

【００７８】

【表３】

【００７９】本実施の形態にかかるＶＡＶ式空調システ
ムによれば、室温制御周期に達した際に（ステップＳ
５）、表３の制御パラメータを使ったＰＩＤ制御式によ
り、それぞれのダンパについて

【００８０】

【数１４】

【００８１】ここで、主ダクト１１４の静圧は、静圧検
出器１２４により随時検出されており、制御部１０４
は、主ダクト１１４の静圧検出値と上記方法（ａ）〜
（ｉ）により演算された出力Ｖに応じて、必要なダンパ
開度を求め、モータ調節部１２を介してモータ１４を駆
動し、ダンパの開度が調整される。ここで留意すべき
は、本実施の形態にかかるＶＡＶ式空調システムの制御
方法においては、室温制御系の室温制御周期に関係な
く、各ダンパ開度は、現状の出力Ｖおよび主ダクトの静
圧により、常時更新・制御される点である。

【００８２】すなわち、本実施の形態にかかるＶＡＶ式
空調システムの制御方法において、各ダンパ開度を制御
する際のＰＩＤ制御式においては、直接、制御対象であ
る「ダンパ開度」を出力とせずに、

【００８３】

【数１５】

【００８４】が制御式の出力Ｖとされ、この出力Ｖと主
ダクト１１４の静圧検出値に基づいて各ダンパの開度が
制御される。このように、ダンパの開度を制御するにあ
たり、主ダクト１１４の静圧が考慮されるので、設定静
圧の変化に伴う風量の変化も効果的に防止することがで
きる。また、各ダンパ開度を制御する際に使用されるＰ
ＩＤ制御式の比例ゲインは、実際の風量に適したものと
して所定の制御周期ごとに常時更新されるため、常に良
好なダンパ制御を行うことができる。さらに、各ダンパ
開度制御用のＰＩＤ制御式は、空調面積１０００ｍ２以
下、好ましくは５００ｍ２以下の一般事務所ビルを対象
としたものとして、予め設定されるので、上記のような
一般事務所ビルを対象とする限り、設備ごとに面倒な制
御パラメータを設定する手間を省くことが可能である。

【００８５】

【数１６】

【００８６】を演算するＰＩＤの制御式において、設計
風量時における出力は、

【００８７】

【数１７】

【００８８】であるので、設計時の風量に対する割合
（Ｃとする）を各ダンパに与え、下式を各制御式におけ
る出力の最小値とすることにより、各ダンパの最小換気
量が確保できる。

【００８９】

【数１８】

【００９０】以上のように、本実施の形態にかかるＶＡ
Ｖ式空調システムの制御方法によれば、各ダンパ開度制
御用のＰＩＤ制御式に、設計風量に対する最小換気割合
を予め設定しておくことにより、各ダンパごとに最小換
気量も確保することができる。

【００９１】（３）設定静圧制御 予め設定した所定の制御周期に達した場合（ステップＳ
７）、設定静圧制御を行う。設定静圧制御は、すべての
ダンパの中で最も開度が大きいダンパの開度に注目し、
それが常に所定の範囲内にあるよう設定静圧をカスケー
ド制御するものである。例えば、図５に示すような設定
静圧制御フローにおいては、ステップＳ１１において、
最大開度のダンパの開度が１００％であると判断された
場合には、ステップＳ１２において、設定静圧を０．２
×Ｐｓ分だけ上昇させ、最大開度のダンパの開度を絞る
ように操作を行う。これに対して、ステップＳ１１およ
びステップＳ１３において、最大開度のダンパの開度が
８０〜１００％であると判断された場合には、省エネル
ギー運転が行われているので、ステップＳ１４におい
て、設定静圧は現状のまま維持される。さらにステップ
Ｓ１３により、最大開度のダンパの開度が８０％未満で
あると判断された場合には、ステップＳ１２において、
設定静圧を０．２×Ｐｓ分だけ下降させ、最大開度のダ
ンパの開度を広げるように操作する。以上のように、す
べてのダンパの中で最も開度が大きいダンパの開度が、
常に８０〜１００％になるように制御することにより、
省エネルギー運転を実施することが可能である。

【００９２】なお、上記実施の形態では、最大開度のダ
ンパ開度を８０〜１００％になるように制御する構成を
示したが、本発明はかかる例に限定されないことは言う
までもない。また、上記実施の形態では、設定静圧操作
量は、現状の静圧検出値の２０％を操作するものとした
が、本発明はかかる例に限定されないことも言うまでも
ない。さらにまた、省エネルギー運転自体が不要であれ
ば、図２に示す制御フローから設定静圧制御系自体を削
除するように運転制御しても構わない。

【００９３】以上、添付図面を参照しながら、本発明に
基づいて構成されたＶＡＶ式空調システムおよびその制
御方法の好適な実施の形態について説明したが、本発明
はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求
の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の
変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、
それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するも
のと了解される。

【００９４】

【発明の効果】本発明にかかるＶＡＶ式空調システムお
よびその制御方法によれば、汎用型のモータ駆動式ダン
パを使うことによって生じるダンパ同士の相互干渉を、
静圧制御により効果的に防止することができる。また、
設定静圧の変化に伴う風量の変化は、ダンパ開度の制御
に静圧を取り入れたことにより防ぐことが出来る。ま
た、実際の風量に適した比例ゲインが常時更新されるた
め、常に良好なダンパの制御を行うことができる。さら
にまた、所定の空調空間モデル、たとえば空調面積１０
００ｍ２以下、好ましくは５００ｍ２以下の一般事務所
ビルに基づいて制御パラメータを予め求めておけば、面
倒な制御パラメータの設定が不要となる。さらには、各
ダンパにあらかじめ設計風量に対する最小換気割合を設
定することにより、各ダンパごとに最小換気量を確保で
きる。さらに、所定の周期で設定静圧制御を実行すれ
ば、従来のＶＡＶ式空気調和システムと同様の省エネル
ギー運転を実行することができる。

【００９５】以上説明したように、本発明によれば、従
来必要とされていた専用のダンパユニットを使うことな
く、汎用型のモータ駆動式ダンパを使用するだけで、低
コスト、省スペース、省エネルギーなＶＡＶ式空気調和
システムを構築することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるＶＡＶ式空調システムの好適な
実施の一形態の概略的な構成図である。

【図２】図１に示すＶＡＶ式空調システムの制御方法の
全体的な制御フローを示すフローチャートである。

【図３】本発明にかかるＶＡＶ式空調システムの制御方
法を理解するための説明図であり、各ダンパの開度比と
風量比とを示すグラフである。

【図４】本発明にかかるＶＡＶ式空調システムの制御方
法を理解するための説明図であり、各空調ゾーンの成層
流の動きを示している。

【図５】本発明にかかるＶＡＶ式空調システムの制御方
法における設定静圧制御のフローを示すフローチャート
である。

【図６】汎用型のモータ駆動式ダンパの概略構成を示す
構成図である。

【図７】従来のスロットル型ダンパユニットの概略構成
を示す構成図である。

【図８】従来のバイパス型ダンパユニットの概略構成を
示す構成図である。

【図９】従来の誘引型ダンパユニットの概略構成を示す
構成図である。

【図１０】従来の風速センサ内蔵型電子式ダンパユニッ
トの概略構成を示す構成図である。

【符号の説明】

１０ 汎用型のモータ駆動式ダンパユニット １２ モータ調節部 １４ 駆動モータ １６ 羽根 １８ ダンパ １００ ＶＡＶ式空調システム １０２ 空調機 １０２ａ 熱交換器 １０２ｂ 送風機 １０４ 制御部 １０６ 送風機調節部 １１０ 送風系 １１４ 主ダクト １１６ 副ダクト １１８ ダンパ １２０ 空調ゾーン １２２ 温度検出器 １２４ 静圧検出器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−187924（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−259350（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−5552（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−340048（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−20737（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−267858（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−332732（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−282007（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−317335（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 11/053

Claims (15)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送風量を自動制御可能な送風機を備えた
   空調機と、その空調機に連通して各空調ゾーンに空調空
   気を送風する送風系と、その送風系内に設置されて操作
   信号に応じて開度を調節可能な複数のダンパとを備えた
   ＶＡＶ式空調システムにおいて：前記送風系は、前記空
   調機に連通する主ダクトと、その主ダクトから分岐して
   各空調ゾーンに至る複数の副ダクトとから構成され；前
   記ダンパは各副ダクト内に設置され；前記主ダクト内の
   任意の箇所に設置される静圧検出手段と、前記各空調ゾ
   ーンごとに設置される温度検出手段とを備え；前記送風
   機は、前記静圧検出手段において検出される前記主ダク
   ト内の静圧検出値が所定の静圧設定値に追従しうる能力
   制御手段を備え；前記各ダンパは、各ユニットごとの個
   別のフィードバック制御系を持たずに、中央制御装置か
   らの操作信号に応じてその開度をオープンループ制御す
   ることが可能な汎用型のモータ駆動式ダンパであり、前
   記温度検出器において検出される温度検出値が所定の設
   定温度と追従するように、前記各空調ゾーンの前記温度
   検出値と前記主ダクト内の前記静圧検出値とに基づい
   て、そのダンパの開度を制御する手段を備え；たことを
   特徴とする、ＶＡＶ式空調システム。
2. 【請求項２】 前記送風機の能力制御による静圧制御は
   第１の制御周期で実行され、さらに、前記各ダンパの開
   度制御に用いられる制御式のゲイン値は前記主ダクト内
   の前記静圧検出値に応じて決定されるものであり、この
   制御式のゲイン値は第２の制御周期ごとに更新されるこ
   とを特徴とする、請求項１に記載のＶＡＶ式空調システ
   ム。
3. 【請求項３】 現在の各ダンパの開度状態に関する情報
   および前記静圧検出値に基づいて、前記静圧設定値が第
   ３の制御周期で更新されることを特徴とする、請求項１
   または２に記載の空調システム。
4. 【請求項４】 前記静圧検出器は、前記主ダクトの第１
   分岐点よりも上流側に設置されることを特徴とする、請
   求項１、２または３のいずれかに記載の空調システム。
5. 【請求項５】 送風量を自動制御可能な送風機を備えた
   空調機と；その空調機に連通して各空調ゾーンに空調空
   気を送風することが可能であり、前記空調機に連通する
   主ダクトとその主ダクトから分岐して各空調ゾーンに至
   る複数の副ダクトとから構成される送風系と；その送風
   系の各副ダクト内に設置されて操作信号に応じて開度を
   調節可能な複数のダンパと、ただし、前記各ダンパは、
   各ユニットごとの個別のフィードバック制御系を持たず
   に、中央制御装置からの操作信号に応じてその開度をオ
   ープンループ制御することが可能な汎用型のモータ駆動
   式ダンパであり；その送風系の前記主ダクト内の任意の
   箇所に設置される静圧検出器と；各空調ゾーンごとに設
   置される温度検出器とを備えたＶＡＶ式空調システムの
   制御方法であって：前記主ダクト内の静圧設定値および
   各空調ゾーンの室内温度設定値を初期条件として設定
   し；前記静圧検出器において検出される前記主ダクト内
   の静圧検出値が所定の静圧設定値に追従するように、前
   記送風機の能力制御を行う静圧制御を第１の制御周期で
   実行し；前記温度検出器において検出される前記各空調
   ゾーン内の温度検出値が所定の温度設定値に追従するよ
   うに、前記温度検出値と前記温度設定値との偏差および
   前記主ダクト内の静圧検出値および現在の各ダンパの開
   度状態に関する情報に基づいて、前記各ダンパの開度制
   御を実行する；ことを特徴とする、ＶＡＶ式空調システ
   ムの制御方法。
6. 【請求項６】 前記各ダンパの開度制御は、前記主ダク
   ト内の前記静圧検出値および現在の各ダンパの開度状態
   に関する情報に応じて決定されるゲイン値を有する制御
   式に基づいて行われるものであり、この制御式のゲイン
   値は第２の制御周期ごとに更新されることを特徴とす
   る、請求項５に記載のＶＡＶ式空調システムの制御方
   法。
7. 【請求項７】 前記各ダンパの開度制御を行うための前
   記制御式は：各ダンパの持っている特性のうち、風量と
   ダンパ開度の比がリニア特性である範囲を用いて、その
   「風量」の変化割合を 【数１】 の変化割合に置き換え；さらに、各ダンパが設置された
   前記送風経路の圧損を主ダクトの静圧検出値に置き換
   え； 【数２】 を前記制御式の出力Ｖとして求めるものであり；さら
   に、前記制御式の出力Ｖと主ダクトの静圧検出値に基づ
   いて、前記各ダンパの開度制御を行うために必要なダン
   パ開度情報が決定される；ことを特徴とする、請求項６
   に記載のＶＡＶ式空調システムの制御方法。
8. 【請求項８】 前記各ダンパの開度制御を行うための前
   記制御式の制御パラメータは、所定の空調空間モデルに
   基づいて、予め設定されることを特徴とする請求項６ま
   たは７に記載のＶＡＶ式空調システムの制御方法。
9. 【請求項９】 前記「風量」の変化割合は、前記空調空
   間モデルに応じて決定される、「室内空気条件」、「外
   気空気条件」、「外気導入割合」、「空調機からの吹出
   空気条件」から前記空調空間モデルの空調ゾーンの空気
   温度を１℃変更するために必要な風量変化割合として求
   められることを特徴とする、請求項８に記載のＶＡＶ式
   空調システムの制御方法。
10. 【請求項１０】 前記制御式の制御パラメータであるゲ
    イン値は、前記空調空間モデルの空調ゾーンにおいて固
    有な値を持つ「無駄時間と時定数の比」を用いて決定さ
    れることを特徴とする、請求項８または９に記載のＶＡ
    Ｖ式空調システムの制御方法。
11. 【請求項１１】 前記「無駄時間と時定数の比」を求め
    るに際し、 前記空調空間モデルの空調ゾーン内の無駄時間を「吹出
    口からの空気が温度検出器に到達するまでの時間」とみ
    なし、その場合の最大の無駄時間は室内空気の様相が
    「成層流」の場合であるとして、前記空調空間モデルに
    応じて決定される「部屋の天井高」、「温度検出器の設
    置高さ」、「空調面積当たりの給気量」を与えることに
    より、最大無駄時間を求め；最大無駄時間に対応する前
    記空調空間モデルの空調ゾーンの時定数は、「他ゾーン
    や壁の影響は受けずに、熱容量は空気のみである」こと
    を条件として、前記空調空間モデルにおける「部屋の天
    井高」、「温度検出器の設置高さ」を与えることにより
    求め；求められた最大無駄時間と時定数から、各空調ゾ
    ーンにおいて固有な値を持つ「無駄時間と時定数の比」
    を求める；ことを特徴とする、請求項１０に記載のＶＡ
    Ｖ式空調システムの制御方法。
12. 【請求項１２】 各ダンパに要求される最小換気量に応
    じて前記制御式の出力Ｖの最小値を予め設定することを
    特徴とする、請求項６、７、８、９、１０または１１の
    いずれかに記載のＶＡＶ式空調システムの制御方法。
13. 【請求項１３】 さらに、前記各ダンパの開度情報およ
    び前記静圧検出値に基づいて前記静圧設定値を更新する
    設定静圧制御を第３の制御周期で実行することを特徴と
    する、請求項６、７、８、９、１０、１１または１２の
    いずれかに記載のＶＡＶ式空調システムの制御方法。
14. 【請求項１４】 前記各ダンパのうちいずれかの開度が
    予め設定された所定の範囲を逸脱した場合に、前記静圧
    設定値は更新されることを特徴とする、請求項６、７、
    ８、９、１０、１１または１２のいずれかに記載のＶＡ
    Ｖ式空調システムの制御方法。
15. 【請求項１５】 前記静圧検出器は、前記主ダクトの第
    １分岐点よりも上流側に設置されることを特徴とする、
    ６、７、８、９、１０、１１、１２、１３または１４の
    いずれかに記載のＶＡＶ式空調システムの制御方法。