JP4173880B2 - 空気調和システムの除湿制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和システムの除湿制御方法に関し、特に機械室空調に好適な空気調和システムの除湿制御方法に関する。

従来、空気調和システムにおいては、冷房時に冷房運転と除湿運転を繰り返し行い、あるいは除湿後に再熱することにより室内空気の温度、湿度を制御することが行われている（例えば特許文献１）。除湿時には蒸発器表面で吸込み空気を結露させ、発生したドレンをドレン配管を介して屋外に排出する必要がある。しかし、例えば情報通信機器類を冷房する機械室空調においては、部屋の中央部に室内機を設置せざるを得ないことがあり、この場合にはドレン配管の施工は極めて困難である。また、除湿の際には凝縮潜熱に相当する冷熱が外部に捨てられることになるため、不必要な除湿は省エネの観点から望ましくない。さらに、情報通信機器室の空調方式として二重床空調方式が広く採用されているが、二重床内部で長期間結露を繰り返すことにより、床空間内の配線類や建築躯体等に悪影響を及ぼすおそれがある。

他方、機械室空調においては、過度な室内湿度の低下を防止するため、加湿装置を用いて調湿することがある。このような条件下において、空調機側が加湿装置と連動することなく成り行きで除湿を行うことは、省エネの観点上好ましいとはいえない。
特開平１０−１８５３５１号公報

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、ドレンを発生させない又は抑制する空気調和システムの除湿制御方法を提供するものである。

本発明は以下の内容をその要旨とする。すなわち、
請求項１の発明は、圧縮機と、蒸発器と室内機送風機とを備えた室内機と、を含む空気調和システムにおいて、蒸発器表面温度（Ｔｅ）と、冷房対象空気の露点温度（Ｔｗ）との差（ΔＴ＝Ｔｅ−Ｔｗ）が所定の開始条件である温度差（α）以下の状態が一定時間以上継続したときに、室内送風機風量増加、圧縮機回転数減少又は室外機送風機風量減少のいずれか一又は複数の組み合わせにより、冷媒蒸発圧力を高圧側に移行させて、蒸発器表面温度を冷房対象空気の露点温度以上に維持する除湿回避運転を行い、前記ΔＴが、所定の解除条件である温度差（β）以上の状態が一定時間以上継続したときに、除湿回避運転を解除する、ことを特徴とする空気調和システムの除湿制御方法である。

図３は本発明の作用をｐ‐ｈ線図（エンタルピー−圧力線図）上に示したものである。通常の冷凍サイクル（Ｒ）がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａであるのに対して、室内機送風機風量をアップさせて蒸発器における冷媒蒸発圧力を高圧側にシフト（Ｐ０→Ｐ１）することにより、冷凍サイクル（Ｒ’）はＡ’→Ｂ’→Ｃ→Ｄ’→Ａ’となる。また、両冷凍サイクルの冷媒蒸発温度Ｔ、Ｔ’を比較するとＴ’＞Ｔとなる。冷媒蒸発温度と蒸発器表面温度とは相関関係があるから、Ｔ’を冷房対象空気の露点温度以上に維持するように室内機送風機風量を制御（すなわち蒸発圧力を制御）することにより、無除湿制御を行うことが可能となる。

図５は、本発明の作用を空気線図により示したものである。同図において、ある時点における冷房対象空気（吸込み空気）の絶対湿度（Ｘ）と飽和線の交点Ｓから、冷房対象空気の露点温度Ｔｗを求めることができる。蒸発器表面温度ＴｅとＴｗの差、ΔＴ＝Ｔｅ−Ｔｗを０以上に維持すれば吸込み空気が蒸発器表面で結露することがない。すなわち、ドレン発生を回避できることになる。さらに吸込み空気の温度、湿度等の変動を考慮して、α≦ΔＴ≦βに制御するものである。

請求項２の発明は、請求項１において圧縮機回転数減少を行う場合において、圧縮機回転数が最低に至ってもΔＴがα以上にならないときは、圧縮機運転を停止するとともに、室内送風機風量を最小とすることを特徴とする。
請求項３の発明は、除湿回避運転を解除するときは、除湿回避運転開始直前の室内機温度制御及び風量制御条件に戻すことを特徴とする。

請求項４の発明は、圧縮機と室外機送風機とを備えた室外機と、蒸発器と室内機送風機とを備えた室内機と、加湿手段を含む空気調和システムにおいて、加湿手段稼動時は、室内送風機風量増加、圧縮機回転数減少又は室外機送風機風量減少のいずれか一又は複数の組み合わせにより、所望の除湿量を確保するために選定した除湿目標値に基づいて設定される所定の冷媒蒸発圧力範囲に維持する、除湿量制御運転を行うことを特徴とする。
請求項５の発明は、加湿手段からの運転開始又は停止信号を受けて除湿量制御運転を開始又は解除することを特徴とする。
請求項６の発明は、冷房対象空気温度が設定温度を超えているときは、除湿量制御運転を解除することを特徴とする。

上記各発明によれば、従来、除湿の際に外部に捨てられていた凝縮潜熱分の冷熱が生じないため、省エネ性に優れた空気調和システムの実現が可能となる。
また、本発明を二重床空調方式に用いることにより、二重床内部の結露のおそれを解消できる。
また、請求項１乃至３の各発明によれば、蒸発器表面温度を冷房対象空気の露点温度以上に維持するように制御するため、無除湿制御を行うことが可能となる。これにより、ドレン配管が困難な部屋への適用が容易となる。

また、請求項４乃至６の各発明によれば、冷房時に加湿する空気調和システムにおいて、除湿量を制御することが可能となる。

以下、本発明に係る無除湿運転制御方法の実施形態について、図１乃至５を参照してさらに詳細に説明する。重複を避けるため、各図において同一構成には同一符号を用いて示している。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

（第一の実施形態）
本実施形態は、主として請求項１乃至３に該当する。図１は、第一の実施形態に係る空気調和システム１を示す図である。空気調和システム１の空調制御は、二重床構造の通信機械室１０に設置される空調機２によってなされる。空調機２は、室内機４、室外機３、圧縮機５（後述）とこれらを結ぶ冷媒配管６を主要構成とし、後述する冷凍サイクルにより冷気を生成し、通信機械室１０に供給する。

通信機械室１０の床は床パネル１０ａにより区画され、二重床空間１１が形成されている。また、天井部は天井板１０ｂにより区画され、天井空間１２が形成されている。室内機４と二重床空間５とは、往き側ダクト１９を介して接続されている。また、天井空間１２と空調機２とは、戻り側ダクト１８を介して接続されている。通信機械室１０内には通信機械類を収納したラック１６ａ乃至１６ｃが設置されている。このうち、ラック１６ａは前面吸気タイプであり、また、ラック１６ｂは前面下部吸気タイプ、ラック１６ｃは下面吸気タイプである。ラック１６ａについてみると、機器前面から導入される冷気は、内部に搭載されている機器類を冷却した後に上部のファン（図示せず）からラック外に排出される。他のタイプのラックについても同様である。それぞれのラックの吸気面には温度、湿度を検出するセンサ１７ａ乃至１７ｃが取り付けられており、検出データは後述する制御部８に送信される。

図２は空調機２の詳細構成を示す図である。空調機２は、室外機３、室内機４、圧縮機５、膨張弁７、これらを結ぶ冷媒循環回路６ａ乃至６ｃ、及び空気調和システムの運転制御を司る制御部８を主要構成としている。

室内機４は、蒸発器４ａ、室内機送風機４ｂを備えており、吸い込んだ室内空気を蒸発器４ａで冷却し、室内機送風機４ｂにより通信機械室１０に送出する。吸込み空気の温度は、温度センサ４ｃにより検知される。冷媒循環回路６ａ乃至６ｃの内部にはフロン冷媒が充填されており、配管内を気相又は液相状態で循環するように構成されている。蒸発器４ａ表面には温度センサ４ｃが取り付けられている。

屋外に設置される室外機３は、圧縮機５、凝縮器３ａ、室外機送風機３ｂを内蔵しており、圧縮機５で高温高圧にされたガス冷媒を凝縮器３ａで外気と熱交換して冷却凝縮し、冷媒循環回路６ｂを介して室内機４に搬送する。空調機２の冷凍能力は、圧縮機５の回転数をインバータ制御することにより調整される。

制御部８は、いずれも不図示のＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、記憶部等を備え、各センサの検出値、室外機送風機３ｂ風量、室内機送風機４ｂ風量等に基づいて、ＲＯＭに格納されている所定のプログラムに従って後述の各制御を行うように構成されている。記憶部には湿り空気表データに該当するテーブルが格納されている。

空調機２は、この他にも四方弁、アキュムレーター、四方弁等の冷凍サイクルを構成する各種要素が含まれるが、図示を省略してある。
以上の構成により、蒸発器４ａで作られる冷気は、室内機送風機４ｂにより往き側ダクト１９を介して二重床空間１１に送出され、床パネル１０ａに複数設けられた吹出し口１４から室内に供給される。室内を冷房した後に上昇する空気は、天井板１０ｂに複数設けられた吸込口１５から天井空間１２に導かれ、さらに戻り側ダクト１８を介して室内機４に戻される。戻り側空気には外気導入ダクト２０を介して導入される外気が混和される。

次に図４をも参照して、空気調和システム１の無除湿運転制御フローについて説明する。なお、以下のフローでは制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。制御開始に伴い、運転継続時間（τ）のカウントが開始される（ステップＳ１０１）。運転開始時は通常の運転制御、すなわち、吸込み温度制御により行われ、除湿に関して成り行きとなる（ステップＳ１０２）。所定の時間経過後、蒸発器４ａ表面に取り付けられた温度センサ４ｃの検知温度（Ｔｅ）と、通信機械室１０室内の平均相対湿度から演算した露点温度（Ｔｗ）との差（ΔＴ＝Ｔｅ−Ｔｗ）が、開始条件温度差（α）を下回っているか否かが判定される（ステップＳ１０３）。なお、室内の平均相対湿度は、ラック１６ａ乃至１６ｃに取り付けられた温度・湿度センサ１７ａ乃至１７ｃの検出値に基づいて、湿り空気表テーブルを用いて演算される。ΔＴ＜αのときは、さらに当該条件が所定の時間（τ１）以上継続しているか否かが判定される（ステップＳ１０４）。これらの条件のいずれかに該当しないときは通常制御運転が継続される（Ｓ１０３又はＳ１０４においてＮＯ）。

両方の条件に該当するときは除湿回避運転制御に移行する。具体的には、室内機送風機４ｂの風量を最大にする（ステップＳ１０５）。次いで、圧縮機周波数（回転数）を下げる余地があるか否かが判定される（ステップＳ１０６）。圧縮機周波数が最低に至っていないときは、周波数を１段ダウンさせる（ステップＳ１０７）。最低に至っているときは圧縮機の運転を停止し（ステップＳ１１１）、さらに室内機送風機４ｂの風量を最低にする（ステップＳ１１２）。最低風量を維持するのは、サーモＯＦＦ状態で室温の検知を行うためである。

この状態で一定時間運転継続後、次に、蒸発器表面温度と露点温度の差、ΔＴ＝Ｔｅ−Ｔｗが解除温度差（β）を超えている（ΔＴ＞β）か否かが判定される（ステップＳ１０８）。ΔＴ≦βのときは、ステップＳ１０３以下の判定を繰り返す。ΔＴ＞βのときは、さらに当該条件が所定の時間（τ１）以上継続しているか否かが判定される（ステップＳ１０９）。該当するときは除湿回避運転を解除し、通常制御運転に復帰する（ステップＳ１１０）。τ１未満のときはステップＳ１０８に戻る。
なお、本実施形態では室内送風機風量増加と圧縮機回転数減少の組み合わせにより除湿回避運転を行う態様としたが、これに限らず室内送風機風量増加、圧縮機回転数減少、室外機送風機風量減少のいずれか一又は複数（二つ、ないし、三つ）の組み合わせによる形態とすることができる。
また、本実施形態においては室内の平均相対湿度の演算に際して、温度・湿度センサ１７ａ乃至１７ｃの検出値を用いているが、これに限らず他の検出値、例えば吸込み空気の湿度値を用いてもよい。

（第二の実施形態）
次に本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態は、請求項４乃至６に該当するものである。図６は、本実施形態に係る空気調和システム３０を示す図である。空気調和システム３０の構成が第一の実施形態に係る空気調和システム１と異なる点は、空気調和システム１に加えて加湿装置３１、及び加湿装置３１の運転信号を空調機２に伝送するための通信線３２を、さらに備えていることである。他の構成については第一の実施形態と同一であるので説明を省略する。

次に図７を参照して、空気調和システム３０の除湿運転制御フローについて説明する。なお、以下のフローでは制御の安定化を考慮して、各ステップは所定の時間間隔で行われるものとする。運転開始時は通常の運転制御、すなわち、吸込み温度制御により運転が行われ、除湿に関しては成り行き制御となる（ステップＳ２０１）。次いで、制御部８において加湿装置３１からの運転開始信号を受信したか否かが判定される（ステップＳ２０２）。受信していないときは、通常制御運転が継続される（Ｓ２０２においてＮＯ）。運転開始信号を受信したときは、さらに通信機械室１０の平均室温Ｔavが設定室温Ｔ０以下か否かが判定される（ステップＳ２０３）（なお、Ｔavはラック１６ａ乃至１６ｃに取り付けられている温度センサ１７ａ乃至１７ｃの検出値に基づいて演算される）。Ｔav＞Ｔ０のときは室温制御が優先され、通常制御運転が継続される（Ｓ２０３においてＮＯ）。

Ｔav≦Ｔ０のときは除湿量制御運転に移行する。具体的には、室内機送風機４ｂの風量を最大にする（ステップＳ２０４）。次いで、室外機送風機３ｂの風量が最小であるか否かが判定される（ステップＳ２０５）。風量が最小のときはステップＳ２０７に移行する。室外機送風機風量が最小でないときは、風量を１段ダウンさせる（ステップＳ２０６）。これらの操作により、蒸発器４における冷媒蒸発圧力（Ｐev）及び凝縮器３における冷媒凝縮圧力（Ｐcd）が上昇傾向となる。さらに、凝縮圧力上昇により圧縮機吐出圧が高圧異常防止のための吐出圧限界に至ったか否かが判定される（ステップＳ２０７）。吐出圧限界に至ったときは室外機送風機風量を１段アップさせ、凝縮圧力を下げる（ステップＳ２１２）。

吐出圧限界に達していないときは、次いで、冷媒蒸発圧力（Ｐev）を設定蒸発圧力範囲（Ｐａ≦Ｐev≦Ｐｂ）に維持するように以下の制御を行う。すなわち、まず設定蒸発圧下限値（Ｐａ）以上か否かが判定される（ステップＳ２０８）。下限値に達していない（Ｐev＜Ｐａ）ときは（Ｓ２０８においてＮＯ）、さらにステップＳ２０６以下の制御を繰り返す。下限値以上のときは（Ｐev≧Ｐａ）、次に設定蒸発圧上限値（Ｐｂ）以下か否かが判定される（ステップＳ２０９）。上限値を超えているときは室外機送風機風量を１段アップさせ、凝縮圧力を下げる（ステップＳ２１２）。さらにステップＳ２０７以下の制御を繰り返す。
上限値以下のときは、通信機械室１０の平均室温Ｔavが設定室温Ｔ０以下か否かが判定される（ステップＳ２０３）。Ｔav＞Ｔ０のときは室温制御が優先され、通常制御運転に復帰する（Ｓ２１１）。Ｔav≦Ｔ０のときはステップＳ２０８以下の制御が維持される。

図８は、本実施形態による除湿制御をｐ‐ｈ線図上に示したものである。通常の吸込み温度制御による冷凍サイクル（Ｒ）がＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ａであるのに対して、室内機送風機風量、室外機送風機風量を制御することにより、凝縮圧力（Ｐcd）及び蒸発圧力（Ｐev）を高圧側にシフトさせて、Ｐａ≦Ｐev≦Ｐｂに維持する。冷媒蒸発温度≒蒸発器表面温度であるから、冷媒蒸発温度を所望の除湿量とする温度に設定することにより所望の除湿制御が可能となる。
なお、Ｐａ、Ｐｂの設定に際しては、所望の除湿量を確保できるように選定することができる。
また、本実施形態では加湿装置を機械室上部に設ける形態としたが、床面に設置することとしてもよい。さらに、往き側ダクト内部に設置することとしてもよい。

本発明は、熱源、冷媒、空調方式、建築構造等の種類を問わず空気調和システムに広く適用可能である。

第一の実施形態に係る空気調和システム１を示す図である。 空調機２の詳細を示す図である。 無除湿制御時のエンタルピー−圧力線図（ｐ‐ｈ線図）を示す図である。 無除湿制御運転の作用を示す空気線図である。 無除湿制御運転フローを示す図である。 第二の実施形態に係る空気調和システム３０を示す図である。 第二の実施形態における除湿制御運転フローを示す図である。 除湿制御運転時のエンタルピー−圧力線図（ｐ‐ｈ線図）を示す図である。

符号の説明

１・・・・・空気調和システム
２・・・・・空調機
３・・・・・室外機
３ａ・・・・凝縮器
３ｂ・・・・室外機送風機
４・・・・室内機
４ａ・・・蒸発器
４ｂ・・・室内機送風機
４ｃ・・・温度センサ
５・・・・圧縮機
８・・・・制御部
１６ａ〜１６ｃ・・・ラック
１７ａ〜１７ｃ・・・湿度センサ
３１・・・加湿装置

Claims (6)

1. 圧縮機と、蒸発器と室内機送風機とを備えた室内機と、を含む空気調和システムにおいて、
   前記蒸発器表面温度（Ｔｅ）と、冷房対象空気の露点温度（Ｔｗ）との差（ΔＴ＝Ｔｅ−Ｔｗ）が所定の開始条件である温度差（α）以下の状態が一定時間以上継続したときに、室内送風機風量増加、圧縮機回転数減少又は室外機送風機風量減少のいずれか一又は複数の組み合わせにより、冷媒蒸発圧力を高圧側に移行させて、蒸発器表面温度を冷房対象空気の露点温度以上に維持する除湿回避運転を行い、
   前記ΔＴが、所定の解除条件である温度差（β）以上の状態が一定時間以上継続したときに、除湿回避運転を解除する、
   ことを特徴とする空気調和システムの除湿制御方法。
2. 圧縮機回転数減少を行う場合において、圧縮機回転数が最低に至っても、前記ΔＴが前記α以上にならないときは、圧縮機運転を停止するとともに、室内送風機風量を最小とすることを特徴とする請求項１に記載の空気調和システムの除湿制御方法。
3. 前記除湿回避運転を解除するときは、前記除湿回避運転開始直前の室内機温度制御及び風量制御条件に戻すことを特徴とする請求項１又は２に記載の空気調和システムの除湿制御運転方法。
4. 圧縮機と室外機送風機とを備えた室外機と、蒸発器と室内機送風機とを備えた室内機と、加湿手段を含む空気調和システムにおいて、
   室内送風機風量増加、圧縮機回転数減少又は室外機送風機風量減少のいずれか一又は複数の組み合わせにより、所望の除湿量を確保するために選定した除湿目標値に基づいて設定される所定の冷媒蒸発圧力範囲に維持する、除湿量制御運転を行うことを特徴とする空気調和システムの除湿制御方法。
5. 前記加湿手段からの運転開始又は停止信号を受けて、前記除湿量制御運転を開始又は解除することを特徴とする請求項４に記載の空気調和システムの除湿制御方法。
6. 冷房対象空気温度が設定温度を超えているときは、前記除湿量制御運転を解除することを特徴とする空気調和システムの除湿制御方法。

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