特許 7100915 ファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-06

(45)【発行日】2022-07-14

(54)【発明の名称】ファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法

(51)【国際特許分類】

   F24F 11/76 20180101AFI20220707BHJP

   F24F 5/00 20060101ALI20220707BHJP

   F24F 11/54 20180101ALI20220707BHJP

   F24F 11/83 20180101ALI20220707BHJP

【ＦＩ】

F24F11/76

F24F5/00 101

F24F11/54

F24F11/83

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021064690

(22)【出願日】2021-04-06

【審査請求日】2021-05-25

【審判番号】

【審判請求日】2022-02-10

【早期審理対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】512134886

【氏名又は名称】株式会社麹町エンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】100095267

【弁理士】

【氏名又は名称】小島 高城郎

(72)【発明者】

【氏名】鍵谷 道生

(72)【発明者】

【氏名】岡安 勇夫

(72)【発明者】

【氏名】小林 宗正

【合議体】

【審判長】松下 聡

【審判官】田村 佳孝

【審判官】槙原 進

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２２０６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１９７３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１７５９５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－３００３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２９６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１４９４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

F24F 5/00

F24F11/00 - 11/89

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ペリメーターゾーンに設置され、各々が冷水又は温水を供給される熱交換コイル（11）とファン（16）とを備え、室内空気を吸い込みその吸込空気を前記熱交換コイル（11）で前記冷水又は温水と熱交換させた後に室内に吹き出すように構成された複数のファンコイルユニットの制御方法であって、
設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループに対し所定の吸込空気設定温度（T3）をそれぞれ前記複数のファンコイルユニットの稼動前に予め決定する第１のステップと、
前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に吸込空気温度（t3）を検知し、前記吸込空気温度（t3）が、各グループに予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に一致するように各ファンコイルユニットへの前記冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、
前記第１のステップが、
ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（H_Ｌ）を算出する第３のステップと、
算出された前記熱負荷（H_Ｌ）に応じて前記各グループの前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含み、かつ、
前記第４のステップが、
前記熱負荷(H _Ｌ )による室内温度変化（ΔT _Ｌ ）を算出するステップと、
冷房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値から前記室内温度変化（ΔT _Ｌ ）だけ高い温度を、暖房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値よりも前記室内温度変化（ΔT _Ｌ ）だけ低い温度を、前記吸込空気設定温度（T3）として決定するステップとを含む、ファンコイルユニットの制御方法。

【請求項2】

前記第１のステップが、冷房と暖房の各々の期間について、前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含む、請求項１に記載のファンコイルユニットの制御方法。

【請求項3】

前記第１のステップが、１日のうちの各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、予め決定された各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む、請求項１又は２に記載のファンコイルユニットの制御方法。

【請求項4】

前記第１のステップが、天候の異なる日の各々の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、当日の天候に応じて予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む、請求項１～３のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法。

【請求項5】

前記第１のステップが、ファンコイルユニットに供給する冷水又は温水の設定温度（T1）を決定することを含む、請求項１～４のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法。

【請求項6】

請求項１～５のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
伝熱量の設計仕様値（H_０）、冷水又は温水の水量（L）、水の比熱（ρw）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の水の温度変化である第１の温度差（Δtw_０）を算出するステップと、
水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1_０, T3_０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi_０）を算出するステップと、
前記第１の温度差（Δtw_０）と前記第２の温度差（ΔTi_０）の比である第１係数（γw）を算出するステップと、
水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
伝熱量（H）＝水量（L）×水の比熱（ρw）×第１係数（γw）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。

【請求項7】

請求項１～５のいずれかに記載のファンコイルユニットの制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
伝熱量の設計仕様値（H_０）、空気量（Q）、空気の比熱（ρa）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の空気の温度変化である第１の温度差（Δta_０）を算出するステップと、
水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1_０, T3_０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi_０）を算出するステップと、
前記第１の温度差（Δta_０）と前記第２の温度差（ΔTi_０）の比である第２係数（γa）を算出するステップと、
水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
伝熱量（H）＝空気量（Q）×空気の比熱（ρa）×第２係数（γa）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ペリメーターゾーンに設置されたファンコイルユニットの制御方法及び伝熱量算出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

中規模ないしは大規模の建物の空調設備であるセントラル空調方式では、エアハンドリングユニットやファンコイルユニットなどが用いられる。広いフロアは、一般的に、外気の影響を受けやすい窓側のペリメーターゾーンと、外気の影響をほとんど受けないインテリアゾーンに分けられる。ファンコイルユニットは、エアハンドリングユニットのみでは温度制御できないペリメーターゾーンに設置される。ファンコイルユニットは、室内の空気を吸い込み、熱交換コイルの冷水又は温水と熱交換して吹き出すことでペリメーターゾーンの温度調節を行う。

【0003】

一般的なファンコイルユニットの制御方法は、冷房と暖房の各期間の全体に亘って一定の室内設定温度（設計仕様値）となるように、冷水又は温水の供給と停止を制御する方法である。このような制御方法は、ペリメーターゾーンの熱負荷を全く考慮していないため冷水や温水が無駄に使用される期間が多くなる。

【0004】

特許文献１に記載のファンコイルユニットの運転制御方法では、室内設定温度と、室内温度センサで測定された実温度との差信号から求めた熱負荷に基づいて冷温水ポンプ等の運転をインバータ制御している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００４－３０９０３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１のファンコイルユニットの運転制御方法では、リアルタイムのインバータ制御を行うため、高度な制御プログラムを備えた制御装置が必要であることに加え、既存のファンコイルユニットの制御装置にそのまま適用することはできない。

【0007】

以上の現状に鑑み、本発明は、ファンコイルユニットの制御方法であって、ペリメーターゾーンの熱負荷を考慮して冷水又は温水を効率的に使用することができかつ簡易な方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するべく本発明は、以下の構成を提供する。括弧内の数字は、後述する図面中の符号であり、参考のために付している。
－ 本発明の態様は、ペリメーターゾーンに設置され、各々が冷水又は温水を供給される熱交換コイル（11）を備え、室内空気を吸い込みその吸込空気を前記熱交換コイル（11）で前記冷水又は温水と熱交換させた後に室内に吹き出すように構成された複数のファンコイルユニットの制御方法であって、
設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループに対し所定の吸込空気設定温度（T3）をそれぞれ前記複数のファンコイルユニットの稼動前に予め決定する第１のステップと、
前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に吸込空気温度（t3）を検知し、前記吸込空気温度（t3）が、各グループに予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に一致するように各ファンコイルユニットへの前記冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、
前記第１のステップが、
ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（H_Ｌ）を算出する第３のステップと、
算出された前記熱負荷（H_Ｌ）に応じて前記各グループの前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含み、かつ、
前記第４のステップが、
前記熱負荷(H _Ｌ )による室内温度変化（ΔT _Ｌ ）を算出するステップと、
冷房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値から前記室内温度変化（ΔT _Ｌ ）だけ高い温度を、暖房時はファンコイルユニットの吹出空気温度（t4）の目安値よりも前記室内温度変化（ΔT _Ｌ ）だけ低い温度を、前記吸込空気設定温度（T3）として決定するステップとを含む。
－ 好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、冷房と暖房の各々の期間について、前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含む。
－ 好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、１日のうちの各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、予め決定された各時間帯の前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む。
－ 好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、天候の異なる日の各々の前記吸込空気設定温度（T3）を決定することを含み、かつ、
前記第２のステップが、ファンコイルユニットを稼動させる前に、当日の天候に応じて予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に設定した後、ファンコイルユニットを稼動させることを含む。
－ 好ましくは前記制御方法において、前記第１のステップが、ファンコイルユニットに供給する冷水又は温水の設定温度（T1）を決定することを含む。

【0009】

－ 本発明の別の態様は、前記制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
伝熱量の設計仕様値（H_０）、冷水又は温水の水量（L）、水の比熱（ρw）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の水の温度変化である第１の温度差（Δtw_０）を算出するステップと、
水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1_０, T3_０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi_０）を算出するステップと、
前記第１の温度差（Δtw_０）と前記第２の温度差（ΔTi_０）の比である第１係数（γw）を算出するステップと、
水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
伝熱量（H）＝水量（L）×水の比熱（ρw）×第１係数（γw）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。

【0010】

－ 本発明のさらに別の態様は、前記制御方法を適用されるファンコイルユニットにおける、熱交換コイルを流れる水から空気への伝熱量（H）の算出方法であって、
伝熱量の設計仕様値（H_０）、空気量（Q）、空気の比熱（ρa）を用いてファンコイルユニットの入口と出口の空気の温度変化である第１の温度差（Δta_０）を算出するステップと、
水の設定温度と吸込空気設定温度の設計仕様値（T1_０, T3_０）を用いて、それらの差である第２の温度差（ΔTi_０）を算出するステップと、
前記第１の温度差（Δta_０）と前記第２の温度差（ΔTi_０）の比である第２係数（γa）を算出するステップと、
水の設定温度及び吸込空気設定温度のいずれか又は双方を、設計仕様値以外の値（T1，T3）に変更したとき、以下の式から伝熱量（H）を求めるステップとを有する伝熱量算出方法。
伝熱量（H）＝空気量（Q）×空気の比熱（ρa）×第２係数（γa）×変更後の第２の温度差（ΔTi）。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ペリメーターゾーンの各方位の熱負荷を考慮してファンコイルユニットの吸込空気設定温度を予め決定することによって、ファンコイルユニットに供給される冷水又は温水の熱消費エネルギーを削減することができる。本発明の制御方法は、吸込空気設定温度を設計仕様値から適切に変更して設定する簡易な方法であるので、既存のファンコイルユニットの制御システムにも容易に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、ＦＣＵを含む空調システムの全体構成の一例を概略的に示す図である。

【図2】図２は、ＦＣＵの一例を概略的に示す断面図である。

【図3】図３（ａ）は冷房時における冷水による、（ｂ）は暖房時における温水による、吸込空気温度ｔ３の制御を模式的に示した図である。

【図4】図４は、冷房時のＦＣＵにおける冷水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。

【図5】図５は、暖房時のＦＣＵにおける温水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。

【図6】図６は、冷房時のＦＣＵにおける冷水から空気への伝熱量Ｈの算出方法の手順を示したフロー図である。

【図7】図７は、冷房時において、図６に示したフローにより算出される伝熱量の削減率ΔＨの増減を示すグラフである。

【図8】図８は、暖房時における図７と同様のグラフである。

【図9】図９は、方位毎の各ＦＣＵグループに対する吸込空気設定温度Ｔ３の設定方法の一例を概略的に示すフロー図である。

【図10】図１０は、南東の方位における冷房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。

【図11】図１１は、北西の方位における冷房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。

【図12】図１２は、南東の方位における暖房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。

【図13】図１３は、北西の方位における暖房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。

【図14】図１４は、ＦＣＵの稼動フローの一例を概略的に示している。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。
（１）空調システムの全体構成
図１は、ファンコイルユニット（以下、「ＦＣＵ」と略称する場合がある）を含むセントラル空調システムの全体構成の一例を概略的に示す図である。図１に平面図で示す建物の一フロアは略四角形であり、インテリアゾーンとそれを取り囲むペリメーターゾーンがある。ペリメーターゾーンは外気の影響を受けやすい。図示の例では、複数のＦＣＵ１０が、ペリメーターゾーンの窓際に沿って所定の間隔で設置されている。エアハンドリングユニット（ＡＨＵ）２０は、取り入れた外気を冷水又は温水との熱交換で温度調節し、給気として各フロアに供給する。ＦＣＵ１０は、ＡＨＵ２０のみでは温度制御ができないペリメーターゾーンにおいて温度制御を行う。ＦＣＵ１０は、室内空気を吸い込み、冷水又は温水と熱交換させた後、室内に吹き出す。ＦＣＵ１０は室内空気を循環させるのみである。本明細書で単に「水」というときは、冷水と温水の双方を意味する。

【0014】

本発明では、ペリメーターゾーンに設置された複数のＦＣＵ１０を複数のグループに分けている。各グループに含まれる１又は複数のＦＣＵは、ペリメーターゾーン内でほぼ同程度の外気の影響を受ける場所に位置する。好ましくは、各ＦＣＵ１０の設置場所に隣接する窓又は壁の向く方位を基に、全てのＦＣＵ１０がグループ分けされる。この例では、方位１～４の４つのＦＣＵグループがある。例えば、東西南北の４方位である。方位の分け方、グループの数及びグループ内に含まれるＦＣＵの数は、ペリメーターゾーンの状況に応じて適宜決定できる。例えば、方位を南と北の２方位に分けてもよく、別の例では８方位に分けてよい。また、例えば一方位に設置された複数のＦＣＵ１０を幾つかのグループに分けてもよい。制御装置４０は、グループ内のＦＣＵ１０をまとめて制御する。よって、一グループ内の各ＦＣＵ１０は、同じ設定値を基に同じように制御される。

【0015】

図１では、ペリメーターゾーン内の方位３に設置された６つのＦＣＵ１０についてのみ、冷水、温水、及び空気の流れ、並びに制御の流れを簡略的に示している。他の方位のグループについては図示していないが同様である。

【0016】

熱源装置３０は、冷水源３１と温水源３２とを有する。ＦＣＵ１０は、熱源装置３０からの往水として冷水又は温水を供給される。冷水又は温水は、ＦＣＵ１０内で空気と熱交換した後、還水として熱源装置３０へ戻る。制御装置４０は、往水温度ｔ１を設定温度Ｔ１に維持するように熱源装置３０を制御する。還水温度ｔ２は、ＦＣＵ１０で熱交換した後の温度である。熱源装置３０とＦＣＵ１０との間には符号３３、３４で示す適宜のポンプやバルブが設けられている。制御装置４０は、これらのポンプやバルブを制御することにより、ＦＣＵ１０への冷水又は温水の供給と停止を制御する。

【0017】

各グループ毎に、そのグループに含まれるＦＣＵ１０の吸込空気温度ｔ３を検知するための温度センサ１７が設けられている。吸込空気温度ｔ３の検知データは、制御装置４０に送られる。制御装置４０は、吸込空気温度ｔ３を、予め設定された吸込空気設定温度Ｔ３と比較し、両者が一致するように冷水又は温水の供給と停止を制御する。吸込空気は、ＦＣＵ１０内で熱交換した後、温度ｔ４の吹出空気としてＦＣＵ１０から出る。

【0018】

図２は、ファンコイルユニット１０の一例を概略的に示す断面図である。図示のＦＣＵ１０は床置き型であるが、天井埋込型のものもある。ＦＣＵ１０は、ファン１６を稼動させることによって、下部の空気入口１４から空気を吸い込み、熱交換コイル１１に空気を通過させた後、空気を上方から吹き出す。熱交換コイル１１の入口から往水が入り、出口から還水が出る。空気入口１４には、温度センサ１７が設けられている。このようなＦＣＵの構成は公知である。

【0019】

図３（ａ）は冷房時の、（ｂ）は暖房時の、ファンコイルユニットの吸込空気温度ｔ３の制御を模式的に示したグラフである。図３（ａ）に示すように、冷水温度ｔ１は一定の冷水設定温度Ｔ１（例えば７℃）に制御されている。制御装置は、温度センサにより検知された吸込空気温度ｔ３を吸込空気設定温度Ｔ３（例えば２６℃）とするために冷水の供給と停止を間欠的に切り替える。同様に、図３（ｂ）に示すように温水温度ｔ１は一定の温水設定温度Ｔ１（例えば５０℃）に制御されている。制御装置は、温度センサにより検知された吸込空気温度ｔ３を吸込空気設定温度Ｔ３（例えば２２℃）とするために温水の供給と停止を間欠的に切り替える。いずれにしても時間平均すると、吸込空気温度ｔ３は、一定の吸込空気設定温度Ｔ３となるように制御される。

【0020】

ＦＣＵの稼動制御においては、冷房及び暖房のそれぞれについて、複数のパラメータの設計仕様値が決められている。一般的に、冷房又は暖房を行う期間全体に亘って一定の設計仕様値に従ってＦＣＵの稼動制御が行われている。水の設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３もパラメータの一つである。例えば、冷房の設計仕様値では、冷水設定温度Ｔ１が７℃、吸込空気設定温度Ｔ３が２６℃であり、暖房の設計仕様値では、温水設定温度Ｔ１が５０℃、吸込空気設定温度Ｔ３が２２℃である。現状では、数ヶ月に亘る冷房期間又は暖房期間の途中でこれらの設計仕様値が変更されることはない。

【0021】

特にペリメーターゾーンでは外気による熱負荷の影響が大きいため、熱負荷の大小によって冷水又は温水の供給時間が変動し、その結果、ＦＣＵにおける水から空気への伝熱量すなわち水の熱消費エネルギーが大きく変化する。発明者らは、往水設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３を常に一定とした場合、特に軽熱負荷となる期間において水の無駄な熱消費が多くなることを見出した。本発明は、従来は設計仕様値に固定されていたこれらの設定温度Ｔ１、Ｔ３を適切に変更することによって水の熱消費エネルギーを大きく低減することを提案する。

【0022】

（２）ファンコイルユニットにおける伝熱量の算出方法
水の設定温度Ｔ１及び吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値以外の値に変更すると、ＦＣＵにおける水から空気への伝熱量がどのように変化するかを説明するために、先ず、ＦＣＵにおける冷水又は温水から空気への伝熱量Ｈの算出方法を説明する。

【0023】

図４は、冷房時のＦＣＵにおける冷水と空気の熱交換（向流型）による各々の温度変化を示したグラフである。ＦＣＵを入口から出口へと通過する間、冷水は温度が上昇し、空気は温度が低下する。図５は、暖房時における同様のグラフである。

【0024】

図６は、冷房時のＦＣＵにおける冷水から空気への伝熱量の算出方法の手順を示したフロー図である。暖房時の伝熱量の算出方法は、図６と実質的に同じであるので図示を省略する。（なお、以下の各式において、入口の冷水温度ｔ１は、その設定温度Ｔ１と等しくなるように制御されているので、ｔ１については常にＴ１を用いる。同様に、吸込空気温度ｔ３は、その設定温度Ｔ３と等しくなるように制御されているのでｔ３については常にＴ３を用いる。）

【0025】

（２－１）冷房時（夏季）
図４及び図６を参照して、冷房時のＦＣＵの冷水から空気への伝熱量Ｈ（冷水の熱消費エネルギー）の算出フローを説明する。一例として、冷房時のＦＣＵの各パラメータの設計仕様値として、以下の各値を用いる。設計仕様値の各パラメータには下付の「０」を付しているが、空気量Ｑと冷水量Ｌは、設計仕様値から変更しないので付していない。
・伝熱量（冷却）Ｈ_０：１３００ｋｃａｌ／ｈ
・空気量Ｑ：５００ｍ^３／ｈ
・冷水量Ｌ：３６０ｋｇ／ｈ
・冷水設定温度Ｔ１_０：７℃
・吸込空気設定温度Ｔ３_０：２６℃

【0026】

・ステップ１：設計仕様値のときの入口と出口の冷水の温度変化である温度差Δｔw_０と、入口と出口の空気の温度変化である温度差Δｔａ_０をそれぞれ算出する。
冷水の温度差Δｔw（＝ｔ２－Ｔ１）を算出する一般式は以下の通りである。
Δｔw＝Ｈ／（Ｌ×ρw） ［１］
（ρwは水の比熱）
［１］式より、設計仕様値のときの温度差Δｔw_０の数値は以下の通りである。
Δｔw_０＝１３００／(３６０×１）＝３．６℃ ［２］

【0027】

空気の温度差Δｔａ（＝ｔ４－Ｔ３）を算出する一般式は以下の通りである。
Δｔa＝Ｈ／（Ｑ×ρa） ［３］
（ρaは空気の比熱）
［３］式より、設計仕様値のときの温度差Δｔa_０の数値は以下の通りである。
Δｔa_０＝１３００／（５００×０．２８８）＝９．０℃ ［４］

【0028】

・ステップ２：ここで、水の設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３の差を、「入口温度差ΔＴｉ」として、以下のように定義する。
ΔＴｉ＝｜Ｔ３－Ｔ１｜ ［５］
（暖房時はΔＴｉ＝Ｔ１－Ｔ３であるので絶対値の符号を付している。）
［５］式より、設計仕様値のときの入口温度差ΔＴｉ_０の数値は以下の通りである。
ΔＴｉ_０＝２６－７＝１９℃ ［６］

【0029】

・ステップ３：冷水設定温度及び吸込空気設定温度を、設計仕様値Ｔ１_０、Ｔ３_０から別の任意の値Ｔ１、Ｔ３に変更したとき、それに伴って伝熱量Ｈも設計仕様値Ｈ_０から変化する。また、冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaも設計仕様値Δｔw_０、Δｔa_０から変化する。本発明では、任意の設定温度Ｔ１、Ｔ３のときの伝熱量Ｈ、冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaの値を簡易に算出するために、第１係数γw及び第２係数γaという概念を導入する。第１係数γw及び第２係数γaは、各パラメータの設計仕様値を用いてそれぞれ算出できる。上記ステップ１及び２はそのための準備工程である。以下、係数γw、γaの算出方法を説明する。

【0030】

前提として、冷水の伝熱量Ｈは、ＦＣＵの伝熱能力Ｈ及び空気の伝熱量Ｈと等しいとする。すなわち、冷水の冷却熱量は、ＦＣＵを介して全て空気へ伝達される。ここで、ＦＣＵ内での冷水と空気の温度差は、ＦＣＵの入口で最大（Ｔ３－Ｔ１）、出口で最小（ｔ４－ｔ２）である。通常、ＦＣＵ内を通過する間の水と空気の温度差の平均を表す場合、対数平均温度差Δｔmが使用される。対数平均温度差Δｔmは、以下のフーリエの公式により算出される。
Δｔm＝((Ｔ３－ｔ２)－(ｔ４－Ｔ１))／ｌｎ((Ｔ３－ｔ２)／(ｔ４－Ｔ１))
上記の設計仕様値、式［１］［３］を用いて算出すると、
Δｔm＝((２６－１０．６)－(１７－７)／ｌｎ((２６－１０．６)／(１７－７))
＝１２．５となる。

【0031】

フーリエの法則により、冷水設定温度Ｔ１と還冷水温度ｔ２の冷水温度差Δｔwは冷水の伝熱量Ｈに比例し（Δｔw∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、冷水の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比Δｔw／Δｔmは一定である。

【0032】

同様にフーリエの法則により、吸込空気設定温度Ｔ３と吹出空気温度ｔ４の空気温度差Δｔaは空気の伝熱量Ｈに比例し（Δｔa∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、空気の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比Δｔa／Δｔmは一定である。

【0033】

さらに、フーリエの法則により、入口温度差ΔＴｉは、冷水と空気の各々の伝熱量Ｈに比例し（ΔＴｉ∝Ｈ）、かつ、ＦＣＵにおける対数平均温度差Δｔmも伝熱能力Ｈに比例する（Δｔm∝Ｈ）。上記前提により、冷水と空気の各々の伝熱量ＨとＦＣＵの伝熱能力Ｈは等しいから、比ΔＴｉ／Δｔmは一定である。

【0034】

以上をまとめると、Δｔw／Δｔm＝Ａ₁ ［７］
Δｔa／Δｔm＝Ａ_２ ［８］
ΔＴｉ／Δｔm＝Ａ_３ ［９］
（Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３は定数）
式［７］［９］より、Δｔmを消去すると、第１係数γwが得られる。
Δｔw／ΔＴｉ＝Ａ_１／Ａ_３＝γw ［１０］
式［８］［９］より、Δｔmを消去すると、第２係数γaが得られる。
Δｔa／ΔＴｉ＝Ａ_２／Ａ_３＝γa ［１１］

【0035】

式［１０］は、冷水温度差Δｔwと入口温度差ΔＴｉがそれぞれ変化しても、その比γwは常に一定であることを示している。同様に、式［１１］は、空気温度差Δｔaと入口温度差ΔＴｉが変化しても、その比γaは常に一定であることを示している。

【0036】

上記の設計仕様値を用いて式［２］から得たΔｔw_０及び式［６］から得たΔＴｉ_０の値により、第１係数γwが以下のように算出される。
γw＝Δｔw_０／ΔＴｉ_０＝３．６／１９＝０．１９０ ［１２］

【0037】

また、上記の設計仕様値を用いて式［４］から得たΔｔa_０及び式［６］から得たΔＴｉ_０の値により、第２係数γaが以下のように算出される。
γa＝Δｔa_０／ΔＴｉ_０＝９．０／１９＝０．４７５ ［１３］

【0038】

・ステップ４：次に、冷水設定温度及び吸込空気設定温度を、設計仕様値Ｔ１_０、Ｔ３_０以外の値Ｔ１、Ｔ３に変更してみる。

【0039】

・ステップ５：先ず、変更後の入口温度差ΔＴｉを算出する。例えば、Ｔ１＝８℃、Ｔ３＝２５℃とすると、ΔＴｉ＝｜Ｔ３－Ｔ１｜＝１７℃である。

【0040】

・ステップ６：２つの係数γw、γaは、各設定温度Ｔ１、Ｔ３をどのように変更しても常に一定である。ステップ５で算出したΔＴｉと、ステップ３で得た式［１２］［１３］のγw、γaの値をそれぞれ用いると、変更後の冷水温度差Δｔw及び空気温度差Δｔaは以下のように算出される。
Δｔw＝γw×ΔＴｉ＝０．１９０×１７＝３．２３℃ ［１４］
Δｔa＝γa×ΔＴｉ＝０．４７５×１７＝８．０８℃ ［１５］

【0041】

さらに、変更後の伝熱量Ｈは、式［１］又は［３］を用いて算出できる。
Ｈ＝Ｌ×ρw×Δｔw＝３６０×１×３．２３＝１１６３(ｋｃａｌ／ｈ) ［１６］
Ｈ＝Ｑ×ρa×Δｔa＝５００×０．２８８×８．０８＝１１６３(ｋｃａｌ／ｈ)
［１７］
伝熱量Ｈは、第１係数γwと第２係数γaのどちらを用いても同じ値となる。

【0042】

さらに、伝熱量の設計仕様値Ｈ_０に対する変更後の伝熱量Ｈの削減率ΔＨが、以下のように算出される。
ΔＨ（％）＝（（Ｈ－Ｈ_０）／Ｈ_０）×１００（％） ［１８］
この例の場合、ΔＨ＝－１０．６％となる（本明細書では、削減を負の値で示す）。

【0043】

このように、最初に設計仕様値から第１係数γwと第２係数γaを算出しておけば、設定温度Ｔ１、Ｔ３を設計仕様値以外の値に変更しても式［１４］［１５］を用いて直ちに冷水温度差Δｔw、空気温度差Δｔaを算出することができ、さらに式［１６］［１７］を用いて伝熱量Ｈを算出し、削減率ΔＨを算出することができる。式［１４］～［１７］をまとめると、次のようになる。
Ｈ＝Ｌ×ρw×γw×ΔＴｉ ［１９］
Ｈ＝Ｑ×ρa×γa×ΔＴｉ ［２０］

【0044】

（２－２）暖房時（冬季）

【0045】

暖房時のＦＣＵにおける各パラメータの設計仕様値は、一例として以下の通りである。
・伝熱量（加熱）Ｈ_０：２４００ｋｃａｌ／ｈ
・空気量Ｑ：５００ｍ^３／ｈ
・温水量Ｌ：１８０ｋｇ／ｈ
・温水設定温度Ｔ１_０：５０℃
・吸込空気設定温度Ｔ３_０：２２℃

【0046】

図５は、暖房時のＦＣＵにおける温水と空気の熱交換による各々の温度変化を示したグラフである。ＦＣＵを入口から出口へと通過する間、温水は温度が低下し、空気は温度が上昇する。

【0047】

暖房時の設定温度の設計仕様値Ｔ１_０、Ｔ３_０を別の値Ｔ１、Ｔ３に変更したときの温水温度差Δｔw、空気温度差Δｔa、伝熱量Ｈ、及び削減率ΔＨの算出方法は、図６に示した冷房時と同じである。暖房時が冷房時と異なる点は、温水温度差Δｔw、空気温度差Δｔa、入口温度差ΔＴｉが正の値となるように考慮する点のみである（ステップ２、５）。冷房時について述べた説明は、「冷水」を「温水」に置き換えることで、そのまま暖房時にも適用される。

【0048】

図７は、図６のフローに従って算出された冷房時の伝熱量の削減率ΔＨの増減を示すグラフである。横軸が吸込空気設定温度Ｔ３であり、縦軸が設計仕様値Ｈ_０に対する伝熱量Ｈの削減率ΔＨを示している。各直線は、冷水設定温度Ｔ１を一定としたときの削減率ΔＨの変化を表している。グラフから判るように、冷水設定温度Ｔ１が一定のとき、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値に比べて低くするほど、伝熱量削減率ΔＨ（負の絶対値）は大きくなる。また、吸込空気設定温度Ｔ３が同じであるときは、冷水設定温度Ｔ１が高くなるほど、伝熱量削減率ΔＨは大きくなる。このことは、冷水設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３との差である入口温度差ΔＴｉが小さいほど、伝熱量削減率ΔＨが大きいことを示している。すなわち、熱交換する水と空気の温度が近い程、水から空気へ伝わる伝熱量が小さくなり、水の熱消費エネルギーが小さくなる。

【0049】

図８は、図７と同様のグラフであるが暖房時のものである。グラフから判るように、温水設定温度Ｔ１が一定のとき、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値に比べて高くするほど、伝熱量削減率ΔＨ（負の絶対値）は大きくなる。また、吸込空気設定温度Ｔ３が同じであるときは、温水設定温度Ｔ１が低くなるほど、伝熱量削減率ΔＨは大きくなる。このことは、温水設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３との差である入口温度差ΔＴｉが小さいほど、伝熱量削減率ΔＨが大きいことを示している。冷房時と同様に、熱交換する水と空気の温度が近い程、水から空気へ伝わる伝熱量が小さくなり、水の熱消費エネルギーが小さくなる。

【0050】

（３）ファンコイルユニットの吸込空気設定温度Ｔ３の決定方法
図７及び図８に示した知見によれば、ＦＣＵにおける水と空気の入口温度差ΔＴｉを小さくすることが、水の伝熱量Ｈの低減に寄与すると言える。この知見に基づいて、本発明は、ＦＣＵにおける水の設定温度Ｔ１と吸込空気設定温度Ｔ３を適切に決定することによって、冷房時又は暖房時の水の熱消費エネルギーを低減することを提案する。

【0051】

冷房においては、設計仕様値に比べて冷水設定温度Ｔ１を上げる及び／又は吸込空気設定温度Ｔ３を下げることにより入口温度差ΔＴｉを小さくすることができる。一方、暖房においては、設計仕様値に比べて温水設定温度Ｔ１を下げる及び／又は吸込空気設定温度Ｔ３を上げることにより入口温度差ΔＴｉを小さくすることができる。

【0052】

吸込空気設定温度Ｔ３に関しては、複数のＦＣＵグループの各々に対し、それぞれ異なる吸込空気設定温度Ｔ３を適用することができる。一方、水の設定温度Ｔ１に関しては、１つの熱源機器から全てのＦＣＵに水を供給するので、全てのＦＣＵに対し同じ設定温度Ｔ１を適用することになる。

【0053】

図９は、方位別に分けられた各ＦＣＵグループに対する吸込空気設定温度Ｔ３の決定方法の一例を概略的に示すフロー図である。本例では、水設定温度Ｔ１は一定としている。この決定フローは、実際のＦＣＵの稼動前の準備工程として行われる。例えば、夏季又は冬季のＦＣＵの稼動開始前に過去のデータや予測データなどを利用して行われる。

【0054】

・ステップ１１：晴天時及び曇天時の各々について、ペリメーターゾーンの各方位における１日のうちの各時間帯の熱負荷Ｈ_Ｌを算出する。熱負荷Ｈ_Ｌは、冷房時は窓ガラスからの熱浸入Ｈ_Ｌ１、壁からの熱侵入Ｈ_Ｌ２、及び室内からの負荷Ｈ_Ｌ３の総和である。暖房時は、窓や壁からの熱浸入ではなく熱流出になる。通常、冷房時は熱侵入が大きいためＨ_Ｌは正値、暖房時は熱流出が大きいためＨ_Ｌは負値となる。このような熱負荷Ｈ_Ｌの算出方法は公知技術であり、標準的な「空調負荷計算表」も広く利用されている。

【0055】

晴天時と曇天時の各々について熱負荷Ｈ_Ｌの算出を行うのは、天候が熱負荷Ｈ_Ｌに大きく影響するからである。晴天と曇天は天候の一例であり、２つより多い異なる天候について熱負荷を算出してもよい。しかしながら、簡易な方式では、天候毎の熱負荷Ｈ_Ｌを用いることに替えて、各天候の熱負荷Ｈ_Ｌの平均値を用いてもよい。

【0056】

１日のうちの各時間帯について熱負荷Ｈ_Ｌの算出を行うのは、時間帯によって熱負荷Ｈ_Ｌが変化するからである。時間帯の長さは例えば１時間又は２時間などであり、各時間帯が同じ長さでなくともよい。しかしながら、簡易な方式では、時間帯毎の熱負荷Ｈ_Ｌを用いることに替えて、１日を通して同じ値を用いてもよく、その場合、各時間帯の熱負荷Ｈ_Ｌの平均値を用いることが好ましい。

【0057】

また、冷房又は暖房の全期間を、例えば１か月、半月、又は一週間の期間に区切り、各期間毎に算出された熱負荷Ｈ_Ｌを用いてもよい。

【0058】

・ステップ１２：ステップ１１で算出された熱負荷Ｈ_Ｌによる室内温度変化ΔＴ_Ｌを算出する。これは、上記の式［３］に準じて算出できる。
ΔＴ_Ｌ＝Ｈ_Ｌ／（Ｑ×ρa） ［２１］
（Ｑ：ＦＣＵの空気量(ｍ^３／ｈ)、ρa：空気比熱）
これにより、ペリメーターゾーンの各方位における各時間帯の熱負荷Ｈ_Ｌによる室内温度変Ｔ_Ｌが求められる。なお、冷房時はΔＴ_Ｌは正値、暖房時はΔＴ_Ｌは負値である。

【0059】

・ステップ１３：ここで、ステップ１２で算出された室内温度変化ΔＴ_Ｌを、ＦＣＵの吸込空気設定温度Ｔ３と吹出空気温度ｔ４の差に等しいと見なす。
ΔＴ_Ｌ＝ｔ４－Ｔ３ ［２２］
吹出空気温度ｔ４は、吸込空気がＦＣＵ内で熱交換した結果として得られる温度であるので、設定値でもなく確定できる値でもないが、ここでは設定温度Ｔ３を決定するための目安値として選択する。例えば、冷房の場合、設計仕様値を用いた上記の式［４］のΔｔａ_０が９．０℃であるから、吸込空気設定温度の設計仕様値Ｔ３_０の２６℃から９．０℃を引くとｔ４として１７℃が得られる。この時点では、これを吹出空気温度ｔ４の目安値として選択する。目安値としてのｔ４は、後で変更することもできる。

【0060】

・ステップ１４：ステップ１２で求めたΔＴ_Ｌと、ステップ１３で選択したｔ４から、吸込空気設定温度Ｔ３を算出する。
Ｔ３＝ｔ４＋ΔＴ_Ｌ ［２３］
これにより、ペリメーターゾーンの各方位における各時間帯の吸込空気設定温度Ｔ３が得られる。なお、冷房時はΔＴ_Ｌは正値、暖房時はΔＴ_Ｌは負値である。

【0061】

図１０は、図９の決定フローに従って得られた冷房時の吸込空気設定温度Ｔ３の一例を示すグラフである。図１０は、ペリメーターゾーンのＦＣＵを４つの方位（南東、南西、北西、北東）にグループ分けした場合の南東グループについての時間帯毎の設定温度Ｔ３である。左側の縦軸がΔＴ_Ｌであり、右側の縦軸が、吹出空気温度ｔ４として１７℃を選択したときの、上記の式［２３］により算出した吸込空気設定温度Ｔ３である。

【0062】

図７に示したように、冷房時は、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値（２６℃）より低くすると、水の熱消費エネルギーを低減することができる（ここでは冷水設定温度Ｔ１は７℃で一定）。図１０を見ると、晴天時の熱負荷の大きい時間帯を除いて、ほとんどの場合に熱消費エネルギーを削減できることが判る。

【0063】

図１１は、図１０と同様の図であるが、北西のグループの時間帯毎の吸込空気設定温度Ｔ３を示している。この場合も、晴天の熱負荷の大きい時間帯を除いて、ほとんどの場合に熱消費エネルギーを削減できることが判る。

【0064】

図１０又は図１１のグラフが得られたとき、熱消費エネルギーの削減が十分ではないと判断された場合は、図９のステップ１３に戻り、目安値としての吹出空気温度ｔ４を下げる（例えば１６℃にする）と、熱消費エネルギーを削減する方向に吸込空気設定温度Ｔ３がシフトする。

【0065】

図１２は、図１０と同様に南東グループの吸込空気設定温度Ｔ３を示しているが、暖房時の一例を示すグラフである。左側の縦軸がΔＴ_Ｌ（暖房時は負値）であり、右側の縦軸が、吹出空気温度ｔ４の目安値として２６℃を選択したときの、上記の式［２３］により算出した吸込空気設定温度Ｔ３である。

【0066】

図８に示したように、暖房時は、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値より高くすると水の熱消費エネルギーを低減することができる（ここでは温水設定温度Ｔ１は５０℃で一定）。図１２の例では、吸込空気設定温度Ｔ３は、設計仕様値との大きな差は無いが、少なくとも設計仕様値のときと比べて熱消費エネルギーを削減するように吸込空気設定温度Ｔ３を決定可能である。

【0067】

図１３は、図１２と同様の図であるが、北西グループの時間帯毎の吸込空気設定温度Ｔ３を示している。図１２、図１３に示した暖房時の例では、吸込空気設定温度Ｔ３を設計仕様値から大きく変更する必要がないように見えるが、これは一例である。本発明の方法は暖房時においても適用可能であり、ペリメーターゾーンの条件によって、吸込空気設定温度Ｔ３を変更することが省エネルギーに大きく寄与する場合もあり得る。

【0068】

以上に述べた、ＦＣＵのグループ毎に吸込空気設定温度Ｔ３を決定する方法は一例である。簡易な方式では、時間帯毎に設定せずに一日を通じて同じ値とすることもできる。その場合は、図１０～図１３に示した各時間帯の吸込空気設定温度Ｔ３の平均値が、１日の吸込空気設定温度Ｔ３として用いられることが好ましい。

【0069】

また、吸込空気設定温度Ｔ３の決定に加えて、水の設定温度Ｔ１を設計仕様値よりも、冷房時には上げ、暖房時には下げることによっても、全てのＦＣＵにおける水の熱消費エネルギーを削減できる。設定温度Ｔ３、Ｔ１の最終的な決定は、熱消費エネルギーの削減率と人間の体感とのバランスを勘案して行う。

【0070】

（４）ファンコイルユニットの稼動フロー
図１４は、一日を通して冷房又は暖房を行う際のＦＣＵの稼動フローの一例を概略的に示している。吸込空気設定温度Ｔ３は、図９の決定フローに従って予め決定されており、水の設定温度Ｔ１についても予め決定されていると想定する。
・ステップ２１：ＦＣＵを稼動させる当日の朝、天候が晴天であるか曇天であるか（あるいはどちらに近いか）を確認する。

【0071】

・ステップ２２：確認した天候に応じて、図１に示した制御装置において、各方位における各時間帯のＦＣＵの吸込空気設定温度Ｔ３を、予め決定した設定温度に設定する。水の設定温度Ｔ１についても、設計仕様値とは異なる場合は変更する。その後、ＦＣＵの稼動を開始する。図３に示したように、各ＦＣＵへの冷水又は温水の供給と停止が、吸込空気設定温度Ｔ３を基に制御される。なお、吸込空気設定温度Ｔ３を時間帯毎に設定せずに、方位毎に一日を通じて同じ値とすることもできる。

【0072】

・ステップ２３：稼動終了後、当日の熱源機器や制御装置の稼働記録などにより、水の熱消費エネルギーの削減量を評価できる。吸込空気設定温度Ｔ３と水の設定温度Ｔ１の差の絶対値が、設計仕様値よりも小さく設定された方位及び／又は時間帯において、水（冷水又は温水）の伝熱量を削減できていることを確認する。

【0073】

ここで図示し、説明した各実施形態は一例であって、本発明はこれらに限定されるものではなく、多様な変形形態が可能である。

【符号の説明】

【0074】

１０ ＦＣＵ
１１ 熱交換コイル
１２ 往水入口
１３ 還水出口
１４ 空気入口
１５ 空気出口
１６ ファン
１７ 温度センサ

【要約】

【課題】ファンコイルユニットの制御方法であって、ペリメーターゾーンの熱負荷を考慮して冷水又は温水を効率的に使用することができかつ簡易な方法を提供する。
【解決手段】ペリメーターゾーンに設置されたファンコイルユニットの制御方法であって、設置場所の方位を基に複数のファンコイルユニットをグループ分けし、各グループ毎に所定の吸込空気設定温度（T3）を予め決定する第１のステップと、前記複数のファンコイルユニットの稼動時に、各グループ毎に予め決定された前記吸込空気設定温度（T3）に従って各ファンコイルユニットへの冷水又は温水の供給と停止を制御する第２のステップとを有し、前記第１のステップが、ペリメーターゾーンの方位毎の熱負荷（H_Ｌ）を算出する第３のステップと、算出された熱負荷（H_Ｌ）に応じて、前記各グループ毎に前記吸込空気設定温度（T3）を決定する第４のステップとを含む。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】