空調システムおよびその制御方法
【課題】地中熱を熱源としたヒートポンプを利用した空調機の消費電力が最小となる空調システムおよびその制御方法を提供する。
【解決手段】空調システム１０は、地中熱を利用した熱交換器と、熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプ５０と、冷温水ポンプ５０の回転数を変化させるインバーター５２と、熱交換器を循環した冷温水を介して冷房又は暖房する空調機２０と、空調機２０の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、室内負荷、冷温水負荷、冷温水ポンプ５０の第１の消費電力と、空調機２０の第２の消費電力を算出してシステムＣＯＰを算出し、システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーター６２と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量のインバーター５２の周波数設定値で冷温水ポンプ５０を制御するコントローラー６４と、を備える。
【解決手段】空調システム１０は、地中熱を利用した熱交換器と、熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプ５０と、冷温水ポンプ５０の回転数を変化させるインバーター５２と、熱交換器を循環した冷温水を介して冷房又は暖房する空調機２０と、空調機２０の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、室内負荷、冷温水負荷、冷温水ポンプ５０の第１の消費電力と、空調機２０の第２の消費電力を算出してシステムＣＯＰを算出し、システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーター６２と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量のインバーター５２の周波数設定値で冷温水ポンプ５０を制御するコントローラー６４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用した空調システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素などの地球温暖化ガスの排出を抑制でき、一年を通じて約一定温度である地中熱を熱源としてヒートポンプを運転することでヒートポンプの消費エネルギーを削減できる技術を利用した空調システムがある。
【０００３】
このような地中熱ヒートポンプを利用した地中熱利用システムの運転方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の地中熱利用システムは、地中に埋設された地中熱交換器と、地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、ヒートポンプに接続された負荷機と、地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプを備えた地中熱利用システムの運転方法であって、循環ポンプの変流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地中熱ヒートポンプシステムでは、一般に運転中に冷温水を地中に搬送して地中から採熱又は排熱を行っている。このシステムでは、熱を搬送する冷温水のポンプ搬送動力がシステム全体に占める割合が大きいという問題があり、この搬送動力の低減を含めたシステム全体の消費電力の削減が求められている。
【０００６】
そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機の消費電力が最小となる空調システムおよびその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の空調システムは、地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーションを行うシミュレーターと、前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御するコントローラーと、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
この場合において前記シミュレーターは、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを有し、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数設定値を抽出するとよい。
【０００９】
この場合において前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであるとよい。
【００１０】
本発明の空調システムの制御方法は、地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、を備えた空調システムの制御方法であって、前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定し、前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御することを特徴としている。
【００１１】
この場合において前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定は、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースから、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて、抽出するとよい。
【００１２】
この場合において前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機を有する空調システムにおける冷温水ポンプと空調機の消費電力の合計を削減することができる。従って空調設備の効率的な運転、二酸化炭素の排出抑制などが可能となる。
またシステム全体に占める割合が大きな冷温水ポンプの搬送動力を効果的に低減し、システム全体の消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の空調システムの構成概略を示す図である。
【図２】冷温水ポンプのインバーター周波数の最適値の算出手順を示したフロー図である。
【図３】冷温水流量とシステムの消費電力の関係の概念図である。
【図４】テーブルデータから取得される最適値に基づいて空調システムを制御する制御手段の説明図である。
【図５】室内負荷、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５に対応したシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数の組み合わせを示す制御テーブルの説明図である。
【図６】消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の空調システムおよびその制御方法の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本実施形態の空調システムの構成概略を示す図である。本実施形態の空調システム１０は、空調機２０と、地中熱交換器３０と、前記空調機２０と地中熱交換器３０を接続する冷温水配管４０と、冷温水ポンプ５０と、インバーター５２と、制御手段６０と、を主な基本構成としている。本実施形態では地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調システム１０の運転方法について説明する。年間を通して温度が一定な地中に地中熱交換器３０を設置し、空調機２０用の冷温水を地中熱交換器３０に循環させ地中との間で熱交換を行い、冷温水を夏季の冷房使用時には冷却し、冬季の暖房使用時には加熱している。
【００１６】
空調機２０は、ケーシング内にヒートポンプ及び空調部（不図示）を備えたヒートポンプ式の空調機である。ヒートポンプは、後述する地中熱交換器と接続し、採放熱している。空調部は、室内を冷房又は暖房する空調設備である。
【００１７】
空調機２０は室内負荷を算出するために必要な第１の検出手段を備えている。具体的に第１の検出手段は、第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０を基本構成としている。
【００１８】
第１の温度センサー７０は、空調機２０の空調機吸い込み口の温度Ｔ１を測定するセンサーである。
第２の温度センサー７２は、空調機２０の空調機吐き出し口の温度Ｔ２を測定するセンサーである。
第１の湿度センサー７４は、空調機２０の空調機吸い込み口の湿度Ｒｈ１を測定するセンサーである。
第２の湿度センサー７６は、空調機２０の空調機吐き出し口の湿度Ｒｈ２を測定するセンサーである。
【００１９】
風速計７８は、空調機２０から排出される冷房又は暖房の風速Ｌを測定するセンサーである。
第１の電力計８０は、空調機２０の消費電力Ｗ１を測定可能に構成されている。
第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０は後述する制御手段６０へ測定値を送るように構成されている。
地中熱交換器３０は、地中に埋設された複数の杭もしくはボアホール（穴）にＵチューブ（配管）を挿入することで構成される。
【００２０】
地中熱交換器３０と空調機２０の間には冷温水配管４０が形成されている。
冷温水配管４０は、送り配管４２と戻り配管４４から構成されている。この構成により空調機２０内を通った冷温水は、冷温水配管４０の戻り配管４４を通った後、Ｕチューブを通り地中熱交換器３０によって熱交換され、送り配管４２から再び空調機２０に戻る。
【００２１】
冷温水配管４０の送り配管４２上には冷温水ポンプ５０を取り付けている。冷温水ポンプ５０の送り配管４２内では地中熱交換器３０から空調機２０へ冷温水を供給している。また戻り配管４４では空調機２０から地中熱交換器３０へ冷温水を供給している。
【００２２】
冷温水ポンプ５０にはインバーター５２が接続され、インバーター５２で周波数を変えることによりポンプの回転数を変えて冷温水の流量を変化させることができる。
空調システム１０は、冷温水の負荷を算出するための第２の検出手段を備えている。第２の検出手段は、第３−第５の温度センサー８２、８４、８５と流量計８６と、第２の電力計５４を主な基本構成としている。
【００２３】
第３及び第４の温度センサー８２、８４と流量計８６は、冷温水配管４０上に取り付けられている。
第３の温度センサー８２は、地中熱交換器３０の冷温水入口側の入口温度Ｔ３を測定するセンサーである。
第４の温度センサー８４は、地中熱交換器３０の冷温水出口側の出口温度Ｔ４を測定するセンサーである。
第５の温度センサー８５は、埋設された地中熱交換器３０の地中熱温度Ｔ５を測定するセンサーである。
【００２４】
流量計８６は、送り配管４２上の冷温水の流量を測定している。
冷温水ポンプ５０の消費電力はインバーター５２と電気的に接続する第２の電力計５４によって計測される。
第３−第５の温度センサー８２、８４、８５と流量計８６と第２の電力計５４は後述する制御手段６０へ測定値を送るように構成されている。
【００２５】
制御手段６０は、インバーター５２と電気的に接続しており、冷温水ポンプ５０のインバーター周波数の最適値を求めるシミュレーター６２と、冷温水ポンプ５０で求めたインバーター周波数の最適値を出力するコントローラー６４を主な基本構成としている。
シミュレーター６２は、制御手段６０による制御をシミュレーションして空調システム全体の消費電力などを算出するものである。
【００２６】
制御手段６０には、最適値を求めるために必要なシステム上の各種センサーの測定値が入力されている。具体的には空調機２０に接続している第１及び第２の温度センサー７０、７２および第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０で計測された空調機の吸い込み空気、吐き出し空気の温度Ｔ１、Ｔ２、湿度、風速Ｌ、消費電力Ｗ１の計測値が入力される。
【００２７】
また第３−第５の温度センサー８２、８４、８５、流量計８６で計測された地中熱交換器３０の冷温水入口温度と冷温水出口温度Ｔ３、Ｔ４、地中熱温度Ｔ５、冷温水配管の冷温水流量ＬＬ、冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２の測定値が入力される。
【００２８】
これらの入力された測定値に基づいて、制御手段６０のシミュレーター６２では冷温水ポンプ５０のインバーター周波数の最適値を求めている。コントローラー６４はインバーター周波数の最適値を冷温水ポンプ５０に出力してポンプのインバーター周波数を制御している。
【００２９】
上記構成による本実施形態の空調システムおよび制御方法について以下説明する。
図２は冷温水ポンプのインバーター周波数の最適値の算出手順を示したフロー図である。
第１の検出手段を構成する第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８により、空調機吸い込み温度Ｔ１、空調機吐き出し温度Ｔ２、空調機吸い込み湿度Ｒｈ１、空調機の吐き出し湿度Ｒｈ２、風速Ｌを測定する。また第２の検出手段を構成する第３−第５の温度センサー８２、８４、８５、流量計８６により、地中熱交換器３０の冷温水入口温度と冷温水出口温度Ｔ３、Ｔ４、地中熱温度Ｔ５、冷温水流量ＬＬを測定する。これらの測定値を制御手段６０に入力する。（ステップ１００）。
【００３０】
入力された測定値のうち空調機吸い込み温度Ｔ１、空調機吐き出し温度Ｔ２、空調機吸い込み口の湿度Ｒｈ１、空調機の吐き出し湿度Ｒｈ２、風速Ｌの測定値に基づいて、制御手段６０のシミュレーター６２により空調機２０にかかる室内負荷ＱＱを算出する（ステップ１２０）。
【００３１】
室内負荷ＱＱは数式１によって算出する。
【数１】
【００３２】
室内負荷ＱＱは空調機冷房運転時の冷風又は温風によって処理される。この冷風又は温風は空調機内で電力を消費して製造される。冷房運転時には空調機内で消費される電力に相当する熱量と室内負荷ＱＱに相当する熱量が空調機から冷温水に排出される。暖房運転時には、室内負荷ＱＱから空調機内で消費される電力に相当する熱量を除外した熱量が冷温水から採取される。これらの冷温水に排出又は冷温水から採取される熱量が地中熱交換器３０にかかる冷温水負荷Ｑとなる。
【００３３】
次に地中熱交換器３０にかかる冷温水負荷Ｑを算出する（ステップ１３０）。冷温水負荷Ｑは数式２によって算出する。
【数２】
【００３４】
次に算出した冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬと、その冷温水流量ＬＬにおける地中熱交換器出口温度Ｔ４をシミュレーター６２を用いて算出する（ステップ１４０）。
算出した冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４からヒートポンプ式空調機２０のＣＯＰ及び消費電力Ｗ１、冷温水消費電力Ｗ２を算出する。
【００３５】
ヒートポンプ式空調機２０の消費電力Ｗ１の演算方法について説明する（ステップ１６０）。Ｗ１の算出は、まずシミュレーター６２によって地中熱交換器３０の冷温水出口温度Ｔ４を演算し、その温度（Ｔ４）と冷温水流量（ＬＬ）を用いて、ヒートポンプ式空調機自体の既知の性能曲線から算出することができる。
【００３６】
冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２の演算方法について説明する（ステップ１８０）。Ｗ２の算出は実験によって流量を変化させながら冷温水ポンプを運転し、各流量に対応するインバーター周波数と消費電力を測定することで流量とインバーター周波数、流量と消費電力の近似曲線を求めることで得られる。これにより各流量に対応した冷温水ポンプの消費電力Ｗ２を算出する。
【００３７】
次にシステム全体の性能指数であるシステムＣＯＰを室内負荷ＱＱ、空調機２０の消費電力Ｗ１、冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２から算出する。
システムＣＯＰは数式３により算出される。
【数３】
ここで冷温水流量と消費電力の関係について説明する。図３は冷温水流量とシステムの消費電力の関係の概念図である。同図横軸は冷温水流量を示し、縦軸は消費電力を示している。図示のように冷温水流量が増加すると、空調機２０の消費電力は低下する。このとき冷温水ポンプ５０は冷温水を多く送るため冷温水ポンプ５０の消費電力は上昇する。そして空調機２０と冷温水ポンプ５０の消費電力の合計値は冷温水流量Ｖ０のとき消費電力が最小となる。
【００３８】
数式３に示すようにシステムＣＯＰと消費電力の合計値の関係は、消費電力の合計が小さいほどシステムＣＯＰは大きくなる。従って消費電力の合計の最小値の冷温水流量Ｖ０となるように冷温水ポンプ５０の流量を制御すれば、空調システム１０全体の合計消費電力が最小となり、最適値とすることができる。
【００３９】
冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４の組み合わせは複数考えられる。これらの組み合わせ、すなわち冷温水流量ＬＬを変更してシミュレーター６２を用いて１種類（冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４の組み合わせ）ずつ算出し、各種類のシステムＣＯＰを算出する（ステップ２００）。
【００４０】
算出結果の中からシステムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬを選定する（ステップ２２０）。
選定した冷温水流量ＬＬを冷温水ポンプ５０のインバーター周波数に換算する（ステップ２４０）。周波数換算は、流量を変化させながら冷温水ポンプを運転し、各流量に対応するインバーター周波数を測定することで予め流量とインバーター周波数の近似曲線を求めておき、この近似曲線を用いて得ることができる。
【００４１】
コントローラー６４からシステムＣＯＰが最大となるインバータ周波数を冷温水ポンプ５０のインバーター５２に出力する（ステップ２６０）。
以上、シミュレーションの算出結果により取得された最適値に基づいて、空調システムを制御する例について説明したが、種々の環境条件における最適値を予めテーブルデータとして記憶しておき、このテーブルから取得される最適値に基づいて空調システムを制御することができる。
【００４２】
図４はテーブルデータから取得される最適値に基づいて空調システムを制御する制御手段の構成例を示す図である。図示のように制御手段６０Ａは、シミュレーター６２とコントローラー６４と記憶部６６を備えている。
【００４３】
具体的にシミュレーター６２は、予め第１及び第２の検出手段の測定値と、室内負荷ＱＱと、冷温水負荷Ｑと、前述同様のシミュレーションの結果、システムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬ又はインバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを記憶した記憶部６６を有し、第２の検出手段で検出した測定値と、第１の検出手段で検出した測定値に応じてデータベースからインバーターの周波数設定値を抽出することができる。
【００４４】
またデータベースの一例として、システムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬ及び冷温水ポンプ５０のインバーター周波数を演算するシミュレーションの方法について、予めシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数と冷温水負荷Ｑ、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを算出しテーブル化した制御テーブルを使用する方法がある。
【００４５】
図５は前記システムＣＯＰが最大となる冷温水ポンプのインバーター周波数と、室内負荷ＱＱと、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを示す制御テーブルの説明図である。
【００４６】
シミュレーター６２により室内負荷ＱＱ、冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬ又は冷温水ポンプのインバーター周波数と、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱交換器出口温度Ｔ４、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを予め算出してテーブル化して記憶部６６に記憶しておく。前記Ｑ、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を入力値として、制御テーブルからシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数を参照する。
【００４７】
このようなデータベースを用いることにより、制御手段６０の算出負荷を軽減し、処理時間を短縮化することができる。
またヒートポンプ式空調機２０の形態は、パッケージエアコンを想定しているが、別の形態、例えば冷温水を製造するヒートポンプ式チラーであってもよい。
【００４８】
ヒートポンプ式空調機２０にヒートポンプ式チラーを用いる場合は、第３の温度センサー８２が計測するＴ３はヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の入口温度となり、第４の温度センサー８４が計測するＴ４は、ヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の出口温度となり、空調機２０の風量Ｌは、ヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の流量となる。
【００４９】
ヒートポンプ式チラーを用いる場合、ヒートポンプ式チラーにかかる熱負荷ＱＱは、数式４で算出される。
【数４】
ここでＬＬＬは冷温水（負荷側）流量、Ｃｗは冷温水比熱、ρｗは冷温水比重を示している。
【００５０】
以上のように図２に示すフロー図では、シミュレーター６２により、ヒートポンプを利用した空調機の消費電力Ｗ１と冷温水ポンプの消費電力Ｗ２とを算出して求める方法で説明した。ここで装置の経年劣化等の要因により、消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の間にずれが生じた場合、シミュレーションの精度が悪くなり最適運転が困難になることが考えられる。
【００５１】
そこでこの問題を回避するために、消費電力Ｗ１、Ｗ２についてシミュレーター６２による算出値と、第１及び第２の電力計８０、５４で測定した測定値を比較して算出値の補正を行う必要がある。
【００５２】
図６は消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の関係を示したグラフである。図中の横軸はシミュレーター６２で計算した消費電力Ｗ１、Ｗ２の合計値を示し、縦軸は計算値（算出値）に対応する第１及び第２の電力計８０、５４の実測値（測定値）の合計値をプロットしたものである。これらの算出値と測定値を予め記憶部６６に記憶しておき、図６中に示す算出値と測定値の間の関係式ｙ＝ａＸ＋ｂＹ（ａ，ｂは係数）を最小二乗法によって求め、シミュレーター６２での算出時に算出値と測定値の関係式による補正を行えばよい。具体的には図２に示すフロー図において、予めステップ１００の工程前に算出値と測定値の間の関係式ｙ＝ａＸ＋ｂＹ（ａ，ｂは係数）を最小二乗法によって求めておく。そしてステップ１００からステップ１８０の工程を同様に行う。次にステップ１８０の消費電力Ｗ２を算出した後、予め記憶部６６で記憶させた関係式により消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値の補正を行う工程を追加すればよい。以下ステップ２００以降の工程を同様に行う。この処理を行うことによって、シミュレーター６２によって算出される消費電力Ｗ１、Ｗ２を実測値に近づけることができ、シミュレーションの精度を向上させることができる。
【００５３】
また消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と測定値の関係式を用いて、図５に示すテーブルデータを修正して記憶部６６に保存し、データテーブルを随時更新すれば、シミュレーションを高精度に維持することができる。
【００５４】
このような本実施形態の空調システムおよび制御方法によれば、地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機を有する空調システムにおける冷温水ポンプと空調機の消費電力の合計を削減することができる。従って空調設備の効率的な運転が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１０………空調システム、２０………空調機、３０………地中熱交換器、４０………冷温水配管、４２………送り配管、４４………戻り配管、５０………冷温水ポンプ、５２………インバーター、５４………第２の電力計、６０、６０Ａ………制御手段、６２………シミュレーター、６４………コントローラー、６６………記憶部、７０………第１の温度センサー、７２………第２の温度センサー、７４………第１の湿度センサー、７６………第２の湿度センサー、７８………風速計、８０………第１の電力計、８２………第３の温度センサー、８４………第４の温度センサー、８５………第５の温度センサー、８６………流量計。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱を利用した空調システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化炭素などの地球温暖化ガスの排出を抑制でき、一年を通じて約一定温度である地中熱を熱源としてヒートポンプを運転することでヒートポンプの消費エネルギーを削減できる技術を利用した空調システムがある。
【０００３】
このような地中熱ヒートポンプを利用した地中熱利用システムの運転方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の地中熱利用システムは、地中に埋設された地中熱交換器と、地中熱交換器に循環させる熱媒を介して採放熱するためのヒートポンプと、ヒートポンプに接続された負荷機と、地中熱交換器に熱媒を循環させるための循環ポンプを備えた地中熱利用システムの運転方法であって、循環ポンプの変流量を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−６３２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
地中熱ヒートポンプシステムでは、一般に運転中に冷温水を地中に搬送して地中から採熱又は排熱を行っている。このシステムでは、熱を搬送する冷温水のポンプ搬送動力がシステム全体に占める割合が大きいという問題があり、この搬送動力の低減を含めたシステム全体の消費電力の削減が求められている。
【０００６】
そこで上記従来技術の問題点を解決するため、本発明は、地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機の消費電力が最小となる空調システムおよびその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の空調システムは、地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーションを行うシミュレーターと、前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御するコントローラーと、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
この場合において前記シミュレーターは、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを有し、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数設定値を抽出するとよい。
【０００９】
この場合において前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであるとよい。
【００１０】
本発明の空調システムの制御方法は、地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、を備えた空調システムの制御方法であって、前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定し、前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御することを特徴としている。
【００１１】
この場合において前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定は、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースから、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて、抽出するとよい。
【００１２】
この場合において前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであるとよい。
【発明の効果】
【００１３】
地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機を有する空調システムにおける冷温水ポンプと空調機の消費電力の合計を削減することができる。従って空調設備の効率的な運転、二酸化炭素の排出抑制などが可能となる。
またシステム全体に占める割合が大きな冷温水ポンプの搬送動力を効果的に低減し、システム全体の消費電力を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の空調システムの構成概略を示す図である。
【図２】冷温水ポンプのインバーター周波数の最適値の算出手順を示したフロー図である。
【図３】冷温水流量とシステムの消費電力の関係の概念図である。
【図４】テーブルデータから取得される最適値に基づいて空調システムを制御する制御手段の説明図である。
【図５】室内負荷、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５に対応したシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数の組み合わせを示す制御テーブルの説明図である。
【図６】消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の空調システムおよびその制御方法の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本実施形態の空調システムの構成概略を示す図である。本実施形態の空調システム１０は、空調機２０と、地中熱交換器３０と、前記空調機２０と地中熱交換器３０を接続する冷温水配管４０と、冷温水ポンプ５０と、インバーター５２と、制御手段６０と、を主な基本構成としている。本実施形態では地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調システム１０の運転方法について説明する。年間を通して温度が一定な地中に地中熱交換器３０を設置し、空調機２０用の冷温水を地中熱交換器３０に循環させ地中との間で熱交換を行い、冷温水を夏季の冷房使用時には冷却し、冬季の暖房使用時には加熱している。
【００１６】
空調機２０は、ケーシング内にヒートポンプ及び空調部（不図示）を備えたヒートポンプ式の空調機である。ヒートポンプは、後述する地中熱交換器と接続し、採放熱している。空調部は、室内を冷房又は暖房する空調設備である。
【００１７】
空調機２０は室内負荷を算出するために必要な第１の検出手段を備えている。具体的に第１の検出手段は、第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０を基本構成としている。
【００１８】
第１の温度センサー７０は、空調機２０の空調機吸い込み口の温度Ｔ１を測定するセンサーである。
第２の温度センサー７２は、空調機２０の空調機吐き出し口の温度Ｔ２を測定するセンサーである。
第１の湿度センサー７４は、空調機２０の空調機吸い込み口の湿度Ｒｈ１を測定するセンサーである。
第２の湿度センサー７６は、空調機２０の空調機吐き出し口の湿度Ｒｈ２を測定するセンサーである。
【００１９】
風速計７８は、空調機２０から排出される冷房又は暖房の風速Ｌを測定するセンサーである。
第１の電力計８０は、空調機２０の消費電力Ｗ１を測定可能に構成されている。
第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０は後述する制御手段６０へ測定値を送るように構成されている。
地中熱交換器３０は、地中に埋設された複数の杭もしくはボアホール（穴）にＵチューブ（配管）を挿入することで構成される。
【００２０】
地中熱交換器３０と空調機２０の間には冷温水配管４０が形成されている。
冷温水配管４０は、送り配管４２と戻り配管４４から構成されている。この構成により空調機２０内を通った冷温水は、冷温水配管４０の戻り配管４４を通った後、Ｕチューブを通り地中熱交換器３０によって熱交換され、送り配管４２から再び空調機２０に戻る。
【００２１】
冷温水配管４０の送り配管４２上には冷温水ポンプ５０を取り付けている。冷温水ポンプ５０の送り配管４２内では地中熱交換器３０から空調機２０へ冷温水を供給している。また戻り配管４４では空調機２０から地中熱交換器３０へ冷温水を供給している。
【００２２】
冷温水ポンプ５０にはインバーター５２が接続され、インバーター５２で周波数を変えることによりポンプの回転数を変えて冷温水の流量を変化させることができる。
空調システム１０は、冷温水の負荷を算出するための第２の検出手段を備えている。第２の検出手段は、第３−第５の温度センサー８２、８４、８５と流量計８６と、第２の電力計５４を主な基本構成としている。
【００２３】
第３及び第４の温度センサー８２、８４と流量計８６は、冷温水配管４０上に取り付けられている。
第３の温度センサー８２は、地中熱交換器３０の冷温水入口側の入口温度Ｔ３を測定するセンサーである。
第４の温度センサー８４は、地中熱交換器３０の冷温水出口側の出口温度Ｔ４を測定するセンサーである。
第５の温度センサー８５は、埋設された地中熱交換器３０の地中熱温度Ｔ５を測定するセンサーである。
【００２４】
流量計８６は、送り配管４２上の冷温水の流量を測定している。
冷温水ポンプ５０の消費電力はインバーター５２と電気的に接続する第２の電力計５４によって計測される。
第３−第５の温度センサー８２、８４、８５と流量計８６と第２の電力計５４は後述する制御手段６０へ測定値を送るように構成されている。
【００２５】
制御手段６０は、インバーター５２と電気的に接続しており、冷温水ポンプ５０のインバーター周波数の最適値を求めるシミュレーター６２と、冷温水ポンプ５０で求めたインバーター周波数の最適値を出力するコントローラー６４を主な基本構成としている。
シミュレーター６２は、制御手段６０による制御をシミュレーションして空調システム全体の消費電力などを算出するものである。
【００２６】
制御手段６０には、最適値を求めるために必要なシステム上の各種センサーの測定値が入力されている。具体的には空調機２０に接続している第１及び第２の温度センサー７０、７２および第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８、第１の電力計８０で計測された空調機の吸い込み空気、吐き出し空気の温度Ｔ１、Ｔ２、湿度、風速Ｌ、消費電力Ｗ１の計測値が入力される。
【００２７】
また第３−第５の温度センサー８２、８４、８５、流量計８６で計測された地中熱交換器３０の冷温水入口温度と冷温水出口温度Ｔ３、Ｔ４、地中熱温度Ｔ５、冷温水配管の冷温水流量ＬＬ、冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２の測定値が入力される。
【００２８】
これらの入力された測定値に基づいて、制御手段６０のシミュレーター６２では冷温水ポンプ５０のインバーター周波数の最適値を求めている。コントローラー６４はインバーター周波数の最適値を冷温水ポンプ５０に出力してポンプのインバーター周波数を制御している。
【００２９】
上記構成による本実施形態の空調システムおよび制御方法について以下説明する。
図２は冷温水ポンプのインバーター周波数の最適値の算出手順を示したフロー図である。
第１の検出手段を構成する第１及び第２の温度センサー７０、７２、第１及び第２の湿度センサー７４、７６、風速計７８により、空調機吸い込み温度Ｔ１、空調機吐き出し温度Ｔ２、空調機吸い込み湿度Ｒｈ１、空調機の吐き出し湿度Ｒｈ２、風速Ｌを測定する。また第２の検出手段を構成する第３−第５の温度センサー８２、８４、８５、流量計８６により、地中熱交換器３０の冷温水入口温度と冷温水出口温度Ｔ３、Ｔ４、地中熱温度Ｔ５、冷温水流量ＬＬを測定する。これらの測定値を制御手段６０に入力する。（ステップ１００）。
【００３０】
入力された測定値のうち空調機吸い込み温度Ｔ１、空調機吐き出し温度Ｔ２、空調機吸い込み口の湿度Ｒｈ１、空調機の吐き出し湿度Ｒｈ２、風速Ｌの測定値に基づいて、制御手段６０のシミュレーター６２により空調機２０にかかる室内負荷ＱＱを算出する（ステップ１２０）。
【００３１】
室内負荷ＱＱは数式１によって算出する。
【数１】
【００３２】
室内負荷ＱＱは空調機冷房運転時の冷風又は温風によって処理される。この冷風又は温風は空調機内で電力を消費して製造される。冷房運転時には空調機内で消費される電力に相当する熱量と室内負荷ＱＱに相当する熱量が空調機から冷温水に排出される。暖房運転時には、室内負荷ＱＱから空調機内で消費される電力に相当する熱量を除外した熱量が冷温水から採取される。これらの冷温水に排出又は冷温水から採取される熱量が地中熱交換器３０にかかる冷温水負荷Ｑとなる。
【００３３】
次に地中熱交換器３０にかかる冷温水負荷Ｑを算出する（ステップ１３０）。冷温水負荷Ｑは数式２によって算出する。
【数２】
【００３４】
次に算出した冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬと、その冷温水流量ＬＬにおける地中熱交換器出口温度Ｔ４をシミュレーター６２を用いて算出する（ステップ１４０）。
算出した冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４からヒートポンプ式空調機２０のＣＯＰ及び消費電力Ｗ１、冷温水消費電力Ｗ２を算出する。
【００３５】
ヒートポンプ式空調機２０の消費電力Ｗ１の演算方法について説明する（ステップ１６０）。Ｗ１の算出は、まずシミュレーター６２によって地中熱交換器３０の冷温水出口温度Ｔ４を演算し、その温度（Ｔ４）と冷温水流量（ＬＬ）を用いて、ヒートポンプ式空調機自体の既知の性能曲線から算出することができる。
【００３６】
冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２の演算方法について説明する（ステップ１８０）。Ｗ２の算出は実験によって流量を変化させながら冷温水ポンプを運転し、各流量に対応するインバーター周波数と消費電力を測定することで流量とインバーター周波数、流量と消費電力の近似曲線を求めることで得られる。これにより各流量に対応した冷温水ポンプの消費電力Ｗ２を算出する。
【００３７】
次にシステム全体の性能指数であるシステムＣＯＰを室内負荷ＱＱ、空調機２０の消費電力Ｗ１、冷温水ポンプ５０の消費電力Ｗ２から算出する。
システムＣＯＰは数式３により算出される。
【数３】
ここで冷温水流量と消費電力の関係について説明する。図３は冷温水流量とシステムの消費電力の関係の概念図である。同図横軸は冷温水流量を示し、縦軸は消費電力を示している。図示のように冷温水流量が増加すると、空調機２０の消費電力は低下する。このとき冷温水ポンプ５０は冷温水を多く送るため冷温水ポンプ５０の消費電力は上昇する。そして空調機２０と冷温水ポンプ５０の消費電力の合計値は冷温水流量Ｖ０のとき消費電力が最小となる。
【００３８】
数式３に示すようにシステムＣＯＰと消費電力の合計値の関係は、消費電力の合計が小さいほどシステムＣＯＰは大きくなる。従って消費電力の合計の最小値の冷温水流量Ｖ０となるように冷温水ポンプ５０の流量を制御すれば、空調システム１０全体の合計消費電力が最小となり、最適値とすることができる。
【００３９】
冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４の組み合わせは複数考えられる。これらの組み合わせ、すなわち冷温水流量ＬＬを変更してシミュレーター６２を用いて１種類（冷温水流量ＬＬと地中熱交換器出口温度Ｔ４の組み合わせ）ずつ算出し、各種類のシステムＣＯＰを算出する（ステップ２００）。
【００４０】
算出結果の中からシステムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬを選定する（ステップ２２０）。
選定した冷温水流量ＬＬを冷温水ポンプ５０のインバーター周波数に換算する（ステップ２４０）。周波数換算は、流量を変化させながら冷温水ポンプを運転し、各流量に対応するインバーター周波数を測定することで予め流量とインバーター周波数の近似曲線を求めておき、この近似曲線を用いて得ることができる。
【００４１】
コントローラー６４からシステムＣＯＰが最大となるインバータ周波数を冷温水ポンプ５０のインバーター５２に出力する（ステップ２６０）。
以上、シミュレーションの算出結果により取得された最適値に基づいて、空調システムを制御する例について説明したが、種々の環境条件における最適値を予めテーブルデータとして記憶しておき、このテーブルから取得される最適値に基づいて空調システムを制御することができる。
【００４２】
図４はテーブルデータから取得される最適値に基づいて空調システムを制御する制御手段の構成例を示す図である。図示のように制御手段６０Ａは、シミュレーター６２とコントローラー６４と記憶部６６を備えている。
【００４３】
具体的にシミュレーター６２は、予め第１及び第２の検出手段の測定値と、室内負荷ＱＱと、冷温水負荷Ｑと、前述同様のシミュレーションの結果、システムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬ又はインバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを記憶した記憶部６６を有し、第２の検出手段で検出した測定値と、第１の検出手段で検出した測定値に応じてデータベースからインバーターの周波数設定値を抽出することができる。
【００４４】
またデータベースの一例として、システムＣＯＰが最大となる冷温水流量ＬＬ及び冷温水ポンプ５０のインバーター周波数を演算するシミュレーションの方法について、予めシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数と冷温水負荷Ｑ、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを算出しテーブル化した制御テーブルを使用する方法がある。
【００４５】
図５は前記システムＣＯＰが最大となる冷温水ポンプのインバーター周波数と、室内負荷ＱＱと、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを示す制御テーブルの説明図である。
【００４６】
シミュレーター６２により室内負荷ＱＱ、冷温水負荷Ｑを処理可能な冷温水流量ＬＬ又は冷温水ポンプのインバーター周波数と、地中熱交換器入口温度Ｔ３、地中熱交換器出口温度Ｔ４、地中熱温度Ｔ５の組み合わせを予め算出してテーブル化して記憶部６６に記憶しておく。前記Ｑ、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５を入力値として、制御テーブルからシステムＣＯＰが最大となるインバーター周波数を参照する。
【００４７】
このようなデータベースを用いることにより、制御手段６０の算出負荷を軽減し、処理時間を短縮化することができる。
またヒートポンプ式空調機２０の形態は、パッケージエアコンを想定しているが、別の形態、例えば冷温水を製造するヒートポンプ式チラーであってもよい。
【００４８】
ヒートポンプ式空調機２０にヒートポンプ式チラーを用いる場合は、第３の温度センサー８２が計測するＴ３はヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の入口温度となり、第４の温度センサー８４が計測するＴ４は、ヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の出口温度となり、空調機２０の風量Ｌは、ヒートポンプ式チラーで製造する冷温水の流量となる。
【００４９】
ヒートポンプ式チラーを用いる場合、ヒートポンプ式チラーにかかる熱負荷ＱＱは、数式４で算出される。
【数４】
ここでＬＬＬは冷温水（負荷側）流量、Ｃｗは冷温水比熱、ρｗは冷温水比重を示している。
【００５０】
以上のように図２に示すフロー図では、シミュレーター６２により、ヒートポンプを利用した空調機の消費電力Ｗ１と冷温水ポンプの消費電力Ｗ２とを算出して求める方法で説明した。ここで装置の経年劣化等の要因により、消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の間にずれが生じた場合、シミュレーションの精度が悪くなり最適運転が困難になることが考えられる。
【００５１】
そこでこの問題を回避するために、消費電力Ｗ１、Ｗ２についてシミュレーター６２による算出値と、第１及び第２の電力計８０、５４で測定した測定値を比較して算出値の補正を行う必要がある。
【００５２】
図６は消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と実測値の関係を示したグラフである。図中の横軸はシミュレーター６２で計算した消費電力Ｗ１、Ｗ２の合計値を示し、縦軸は計算値（算出値）に対応する第１及び第２の電力計８０、５４の実測値（測定値）の合計値をプロットしたものである。これらの算出値と測定値を予め記憶部６６に記憶しておき、図６中に示す算出値と測定値の間の関係式ｙ＝ａＸ＋ｂＹ（ａ，ｂは係数）を最小二乗法によって求め、シミュレーター６２での算出時に算出値と測定値の関係式による補正を行えばよい。具体的には図２に示すフロー図において、予めステップ１００の工程前に算出値と測定値の間の関係式ｙ＝ａＸ＋ｂＹ（ａ，ｂは係数）を最小二乗法によって求めておく。そしてステップ１００からステップ１８０の工程を同様に行う。次にステップ１８０の消費電力Ｗ２を算出した後、予め記憶部６６で記憶させた関係式により消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値の補正を行う工程を追加すればよい。以下ステップ２００以降の工程を同様に行う。この処理を行うことによって、シミュレーター６２によって算出される消費電力Ｗ１、Ｗ２を実測値に近づけることができ、シミュレーションの精度を向上させることができる。
【００５３】
また消費電力Ｗ１、Ｗ２の算出値と測定値の関係式を用いて、図５に示すテーブルデータを修正して記憶部６６に保存し、データテーブルを随時更新すれば、シミュレーションを高精度に維持することができる。
【００５４】
このような本実施形態の空調システムおよび制御方法によれば、地中熱を熱源とするヒートポンプを利用した空調機を有する空調システムにおける冷温水ポンプと空調機の消費電力の合計を削減することができる。従って空調設備の効率的な運転が可能となる。
【符号の説明】
【００５５】
１０………空調システム、２０………空調機、３０………地中熱交換器、４０………冷温水配管、４２………送り配管、４４………戻り配管、５０………冷温水ポンプ、５２………インバーター、５４………第２の電力計、６０、６０Ａ………制御手段、６２………シミュレーター、６４………コントローラー、６６………記憶部、７０………第１の温度センサー、７２………第２の温度センサー、７４………第１の湿度センサー、７６………第２の湿度センサー、７８………風速計、８０………第１の電力計、８２………第３の温度センサー、８４………第４の温度センサー、８５………第５の温度センサー、８６………流量計。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中熱を利用した熱交換器と、
前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、
前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、
前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、
前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、
前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、
前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーションを行うシミュレーターと、
前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御するコントローラーと、
を備えたことを特徴とする空調システム。
【請求項２】
前記シミュレーターは、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを有し、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数設定値を抽出することを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
【請求項３】
前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであることを特徴とする請求項２に記載の空調システム。
【請求項４】
地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、を備えた空調システムの制御方法であって、
前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、
前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、
前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、
前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定し、
前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御することを特徴とする空調システムの制御方法。
【請求項５】
前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定は、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースから、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて、抽出することを特徴とする請求項４に記載の空調システムの制御方法。
【請求項６】
前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであることを特徴とする請求項５に記載の空調システムの制御方法。
【請求項１】
地中熱を利用した熱交換器と、
前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、
前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、
前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、
前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、
前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、
前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定するシミュレーションを行うシミュレーターと、
前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御するコントローラーと、
を備えたことを特徴とする空調システム。
【請求項２】
前記シミュレーターは、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースを有し、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて前記データベースから前記インバーターの周波数設定値を抽出することを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
【請求項３】
前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであることを特徴とする請求項２に記載の空調システム。
【請求項４】
地中熱を利用した熱交換器と、前記熱交換器に冷温水を循環させる冷温水ポンプと、前記冷温水ポンプの回転数を変化させるインバーターと、前記熱交換器を循環した前記冷温水を介して冷房又は暖房する空調機と、前記空調機の室内負荷を算出するための第１の検出手段と、前記熱交換器と前記空調機の間を循環する前記冷温水の冷温水負荷を算出するための第２の検出手段と、を備えた空調システムの制御方法であって、
前記第１の検出手段の測定値に基づいて前記室内負荷を算出し、
前記第２の検出手段の測定値に基づいて前記冷温水負荷と、前記冷温水ポンプの第１の消費電力と、前記空調機の第２の消費電力を算出し、
前記第１及び第２の消費電力と前記室内負荷に基づいてシステムＣＯＰを算出し、
前記冷温水の流量を変化させて算出した前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定し、
前記システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量の前記インバーターの周波数設定値で前記冷温水ポンプを制御することを特徴とする空調システムの制御方法。
【請求項５】
前記システムＣＯＰのうちで最大となる冷温水流量を選定は、予め前記第１及び第２の検出手段の測定値と、前記室内負荷と、前記冷温水負荷と、システムＣＯＰが最大となる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示すデータベースから、前記第２の検出手段で検出した測定値と、前記第１の検出手段で検出した測定値に応じて、抽出することを特徴とする請求項４に記載の空調システムの制御方法。
【請求項６】
前記データベースは、前記地中熱温度と、前記室内負荷と、前記熱交換器冷温水入口温度と、システム全体の消費エネルギーが最も小さくなる前記冷温水流量又は前記インバーターの周波数設定値の相対関係を示す制御テーブルであることを特徴とする請求項５に記載の空調システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２４７５６４（Ｐ２０１１−２４７５６４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２４１３４（Ｐ２０１０−１２４１３４）
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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