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JP2005140367A - 熱源送水温度制御方法および装置 - Google Patents

熱源送水温度制御方法および装置 Download PDF

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浩 小澤
Yuji Sugimoto
有司 杉本
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Abstract

【課題】省エネルギー(省コスト)と快適性とを両立させる。
【解決手段】送水温度決定装置(情報収集装置)5を設け、ハイブリッドエアコン(Hエアコン)1−1〜1−nから熱源水の送水温度twと室内温度tpvと設定室内温度tspを収集し、Hエアコンの1−1〜1−nの必要処理熱量Q1〜Qnを求める。そして、記憶されている電力データテーブルTBより、熱源水の送水温度を例えば0.5℃刻みで変化させた時の各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの必要処理熱量Q1〜Qnに対応する消費電力W1〜Wnを予測値として求める。求めた各送水温度時の消費電力の予測値W1〜Wnより、例えば30分間の各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの合計使用電力量の予測値ΣPを求める。合計使用電力量の予測値ΣPが最も小さい送水温度(運用コストが最も低い送水温度)を熱源水の設定送水温度TWとして決定する。
【選択図】 図1

Description

この発明は、ファンコイルユニットとヒートポンプ型エアコンとを組み合わせたハイブリッドエアコンを各部屋に備えたシステムにおける熱源送水温度制御方法および装置に関するものである。
ハイブリッドエアコン(以下、Hエアコンと呼ぶ)とは、ファンコイルユニット(FCU)とヒートポンプ型エアコンとを組み合わせた空調調和機であり、ハイブリッドFCUとも呼ばれている(例えば、類似した技術として特許文献1参照)。このHエアコンはホテルの客室などに設けられる。
図6にHエアコンの概略構成を示す。同図において、1はHエアコン、2はHエアコン1が設けられたホテルの客室である。Hエアコン1は、図示されていない熱源から熱源水の供給を受けて冷熱および温熱を生成する冷温水コイル1Aと、電力の供給を受けて熱媒を圧縮しこの圧縮した熱媒と熱源からの熱源水を使用して冷熱および温熱を生成するヒートポンプ型エアコン1Bと、ファン1Cと、マイクロコンピュータが内蔵されたコントローラ1Dとを備えている。
冷温水コイル1Aへの熱源水の供給通路には冷温水弁1Eが設けられている。また、冷温水コイル1Aへの熱源水は、冷温水弁1Eに至る前に分岐され、ヒートポンプ型エアコン1Bへも与えられる。また、Hエアコン1には、送水されてくる熱源水の温度(送水温度)を検出する送水温度センサ1Fが設けられている。
〔Hエアコンの動作〕
ホテルの客室2には温度センサ3と温度設定器4が設けられている。温度センサ2が検出する客室2の室内温度tpvと温度設定器4からの設定室内温度tspはHエアコン1のコントローラ1Dに与えられる。コントローラ1Dは、温度センサ3からの室内温度tpvと温度設定器4からの設定室内温度tspとが一致するように、冷温水弁1Eの開度(冷温水コイル1Aへの熱源水の供給量)、ヒートポンプ型エアコン1Bの発揮能力、ファン1Cの回転数を制御する。
このHエアコン1において、コントローラ1Dは、次のようなアルゴリズムで冷暖房動作を決定する。コントローラ1Dは、室内温度tpvと設定室内温度tspとを比較し、tpv=tspであれば、「微風モード(モード0)」とする。「微風モード」では、冷温水弁1Eを全閉、ヒートポンプ型エアコン1Bをオフとし、ファン1Cのみを低速で回転する
tpv<tspであれば、コントローラ1Dは、暖房を行う必要があると判断する。この場合、コントローラ1Dは、送水温度センサ1Fからの送水温度twに基づき、熱源からの熱源水が温水であるのか冷水であるのかを判断する。この例では、tw>25℃である場合を温水であると判断し、tw<25℃である場合を冷水であると判断する。
熱源からの熱源水が温水であると判断すれば、「通常暖房(モード1)」とし、冷温水弁1Eの開度を制御する。これによって、冷温水コイル1Aへの温水の供給量が調整され、冷温水コイル1Aが生成する温熱の量が調整される。また、コントローラ1Dは、この温熱量の調整と合わせて、ファン1Cの回転数を制御する。なお、この「通常暖房」では、ヒートポンプ型エアコン1Bはオフとする。
熱源からの熱源水が冷水であると判断すれば、「冷房時暖房(モード2)」とし、冷温水弁1Eを全閉として冷温水コイル1Aへの冷水の供給を遮断したうえ、ヒートポンプ型エアコン1Bを暖房モードでオンとする。これによって、ヒートポンプ型エアコン1Bの運転が開始され、コンプレッサによって圧縮される熱媒と熱源からの熱源水を使用して温熱の生成が行われる。また、コントローラ1Dは、この温熱の生成と合わせて、ファン1Cの回転数を制御する。なお、この場合、ヒートポンプ型エアコン1Bに供給される熱源からの熱源水は、液化された熱媒をガス化するための蒸発器で用いられる。
ステップ703において、tpv>tspであれば、コントローラ1Dは冷房を行う必要があると判断する。この場合、コントローラ1Dは、送水温度センサ1Fからの送水温度twに基づき、熱源からの熱源水が温水であるのか冷水であるのかを判断する。
熱源からの熱源水が冷水であると判断すれば(tw<25℃)、「通常冷房(モード3)」とし、冷温水弁1Eの開度を制御する。これによって、冷温水コイル1Aへの冷水の供給量が調整され、冷温水コイル1Aが生成する冷熱の量が調整される。また、コントローラ1Dは、この冷熱量の調整と合わせて、ファン1Cの回転数を制御する。なお、この「通常冷房」では、ヒートポンプ型エアコン1Bはオフとする。
熱源からの熱源水が温水であると判断すれば、「暖房時冷房(モード4)」とし、冷温水弁1Eを全閉として冷温水コイル1Aへの温水の供給を遮断したうえ、ヒートポンプ型エアコン1Bを冷房モードでオンとする。これによって、ヒートポンプ型エアコン1Bの運転が開始され、コンプレッサによって圧縮される熱媒と熱源からの熱源水を使用して冷熱の生成が行われる。また、コントローラ1Dは、この冷熱の生成と合わせて、ファン1Cの回転数を制御する。なお、この場合、ヒートポンプ型エアコン1Bに供給される熱源からの熱源水は、ガス化された熱媒を液化するための凝縮器で用いられる。
このように、Hエアコンを用いれば、熱源水として温水を用いる冬場であっても冷房を行うことができ、熱源水として冷水を用いる夏場であっても暖房を行うことができ、ホテルなどの客室における利用客の快適性を満足させることが可能となる。すなわち、FCUのみでは季節単位でしか冷房/暖房の切り替えを行うことができないが、Hエアコンでは通年いつでも冷房/暖房の切り替えを行うことができるので、外国人など多種多様の人が宿泊するホテルなどの客室において、利用客の要求に即座に応えることが可能となる。
特開平8−100959号公報
上述したように、Hエアコンは、冷房時暖房や暖房時冷房などを行うことができる点でFCUよりも優れている。しかしながら、Hエアコンはヒートポンプ型エアコンでの電力消費が大きく、ホテルなど従来の類似Hエアコンを各部屋に備えたシステムにおいてはその合計使用電力量が過大となり、運用コストの上昇を招いていた。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、Hエアコンを各部屋に設けたシステムにおいて、省エネルギー(省コスト)と快適性とを両立させることができる熱源送水温度制御方法および装置を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、Hエアコンを各部屋に設けたシステムにおいて、各Hエアコンから少なくともこのHエアコンへの熱源水の送水温度とこのHエアコンが設けられた部屋の室内温度と設定室内温度とを収集する工程(手段)と、収集された各Hエアコンからの熱源水の送水温度と室内温度と設定室内温度とに基づいて各Hエアコンの必要処理熱量を求める工程(手段)と、処理熱量と熱源水の送水温度とHエアコンの消費電力との関係を示すテーブルを記憶する工程(手段)と、熱源水の送水温度を所定温度刻みで変化させた時の各送水温度時の各ハイブリッドエアコンの必要処理熱量に対応する消費電力を予測値として前記テーブルより求める工程(手段)と、求められた各送水温度時の各Hエアコンの消費電力の予測値に基づいて各送水温度時の全Hエアコンの合計使用電力量の予測値を求め、この合計使用電力量の予測値が最も小さい送水温度を熱源水の設定送水温度として決定する工程(手段)と、決定された設定送水温度に基づいて熱源水の送水温度を制御する工程(手段)とを設けたものである。
この発明によれば、各部屋に設けられたHエアコンから熱源水の送水温度(tw)と室内温度(tpv)と設定室内温度(tsp)とが収集され、この収集された送水温度twと室内温度tpvと設定室内温度tspとに基づいて各Hエアコンの必要処理熱量が求められる。すなわち、Hエアコンが各部屋に1台、合計n台設けられているとすれば、各Hエアコンの必要処理熱量がQ1〜Qnとして求められる。そして、処理熱量と熱源水の送水温度とHエアコンの消費電力との関係を示すテーブルより、熱源水の送水温度を所定温度刻み(例えば、0.5℃刻み)で変化させた時の各送水温度時の各Hエアコンの必要処理熱量Q1〜Qnに対応する消費電力W1〜Wnが予測値として求められ、この求められた各送水温度時の各Hエアコンの消費電力の予測値W1〜Wnより、各送水温度時の全Hエアコンの例えば30分間の合計使用電力量の予測値ΣPが求められる。そして、この求められた合計使用電力量の予測値ΣPが最も小さい送水温度が熱源水の設定送水温度として決定される。
本発明によれば、処理熱量と熱源水の送水温度とHエアコンの消費電力との関係を示すテーブルより、熱源水の送水温度を所定温度刻みで変化させた時の各送水温度時の各Hエアコンの必要処理熱量に対応する消費電力が予測値として求められ、この求められた各送水温度時の各Hエアコンの消費電力の予測値より各送水温度時の全Hエアコンの合計使用電力量の予測値が求められ、この求められた合計使用電力量の予測値が最も小さい送水温度が熱源水の設定送水温度として決定される。これにより、システムに設けられたHエアコン全体としてその運転コストが最も低くなる送水温度が熱源水の設定送水温度とされ、Hエアコンを各部屋に設けたシステムにおいて、省エネルギー(省コスト)と快適性とを両立させることができるようになる。
以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明に係る熱源水温度制御方法が適用された空調システムの一実施の形態を示す図である。
同図において、1−1〜1−nはホテルの客室2−1〜2−nに各個に設けられたHエアコンである。客室2−1〜2−nには、検出した室内温度tpv1 〜tpvn をHエアコン1−1〜1−nへ送る温度センサ3−1〜3−nと、利用者からの設定室内温度tsp1 〜tspn をHエアコン1−1〜1−nへ送る温度設定器4−1〜4−nが設けられている。なお、この例では、n=200とし、客室2は200部屋、Hエアコン1は200台設けられているものとする。
Hエアコン1(1−1〜1−n)は、図2にその内部構成の概略を示すように、図6に示した従来のHエアコンと同構成とされている。すなわち、本実施の形態のHエアコン1も従来のHエアコンと同様に、冷温水コイル1Aと、ヒートポンプ型エアコン1Bと、ファン1Cと、マイクロコンピュータが内蔵されたコントローラ1Dとを備えており、冷温水コイル1Aへの熱源水の供給通路に冷温水弁1Eと送水温度センサ1Fが設けられている。また、冷温水コイル1Aへの熱源水が冷温水弁1Eに至る前に分岐され、ヒートポンプ型エアコン1Bへ与えられる構成とされている。
本実施の形態において、従来のシステムと異なる点は、Hエアコン1−1〜1−nが専用の通信回線Lを介して送水温度決定装置(情報収集装置)5に接続されている点にある。また、送水温度決定装置5において、Hエアコン1−1〜1−nから収集したデータに基づいてHエアコン1−1〜1−nへの熱源6からの熱源水の送水温度の最適値を決定し、この決定した送水温度の最適値を設定送水温度TWとして熱源コントローラ7に送るようにしている点にある。熱源コントローラ7は、送水温度決定装置5からの設定送水温度TWを受けて、熱源6からの熱源水の温度を設定送水温度TWに合致するように熱源6を制御する。
送水温度決定装置5は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して送水温度決定装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能として熱源水の送水温度の最適値を決定する最適送水温度決定機能を有している。以下、図3に示すフローチャートに従って、送水温度決定装置5が有する最適送水温度決定機能について説明する。
送水温度決定装置5は、制御周期を30分とし、図3に示したフローチャートに従う処理動作を繰り返し実行する。先ず、送水温度決定装置5は、制御周期内の0〜20分の間に、Hエアコン1−1〜1−nからデータを定周期で収集する(ステップ301)。本実施の形態では、Hエアコン1−1〜1−nへの熱源水の送水温度tw1〜twnと、温度センサ3−1〜3−nから送られてくる室内温度tpv1 〜tpvn と、温度設定器4−1〜4−nから送られてくる設定室内温度tsp1 〜tspn と、ファン1Cの実回転数Npvと、ファン1Cへの設定回転数Nspと、Hエアコン1−1〜1−nの運転状態と、故障などの異常情報をデータとして収集する。
次に、送水温度決定装置5は、制御周期内の20〜26分の間に、ステップ302〜309の処理動作を実行する。先ず、ステップ302において、Hエアコン1−1〜1−nから収集したデータに基づき、客室2−1〜2−nの室内温度tpv1 〜tpvn の平均値tpva1〜tpvanと、客室2−1〜2−nの設定室内温度tsp1 〜tspn の平均値tspa1〜tspanと、Hエアコン1−1〜1−nへの熱源水の送水温度tw1〜twnの平均値twa1 〜twan を算出する。
次に、この算出した客室2−1〜2−nの室内温度の平均値tpva1〜tpvanと、客室2−1〜2−nの設定室内温度の平均値tspa1〜tspanと、Hエアコン1−1〜1−nへの熱源水の送水温度の平均値twa1 〜twan とから、Hエアコン1−1〜1−nの必要処理熱量を以下のようにして求める(ステップ303)。
〔冷房時暖房の場合〕
熱源水の送水温度twがtw<25℃であり、室内温度の平均値tpvaが設定室内温度の平均値tspa に対しtpva <tspa であれば、冷房時暖房であると判断し、室内温度の平均値tpva と設定室内温度の平均値tspa との差と客室2の容積とからHエアコン1の暖房に要する必要処理熱量Qを求める。本実施の形態では、この暖房に要する処理熱量Qをマイナス(−)で表す。
〔暖房時冷房の場合〕
熱源水の送水温度twがtw>25℃であり、室内温度の平均値tpvaが設定室内温度の平均値tspa に対しtpva >tspa であれば、暖房時冷房であると判断し、室内温度の平均値tpva と設定室内温度の平均値tspa との差と客室2の容積とからHエアコン1の冷房に要する必要処理熱量Qを求める。本実施の形態では、この冷房に要する処理熱量Qをプラス(+)で表す。
次に、送水温度決定装置5は、予め定められている処理熱量と送水温度とHエアコンの消費電力との関係を示すテーブル(以下、このテーブルを電力データテーブルと呼ぶ)より、熱源水の送水温度を7℃から45℃、0.5℃刻みで変化させた時の各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの必要処理熱量Q1〜Qnに対応する消費電力W1〜Wnを予測値として求める。
図4に上述した電力データテーブルの一例を示す。この例では、送水温度として「7℃」、「10℃」、「20℃」、「25℃」、「35℃」、「45℃」しか示していないが、実際には7℃から45℃まで0.5℃刻みで送水温度は計算される。また、処理熱量はマイナス(−)が暖房に要する処理熱量を表し、プラス(+)が冷房に要する処理熱量を表している。この電力データテーブルTBにおいて、縦に羅列された処理熱量と横に羅列された送水温度との交点で特定される値がその時に必要なHエアコン1の消費電力(W)を示す。
〔送水温度によってHエアコンの消費電力が異なる理由〕
Hエアコン1では、主として、ヒートポンプ型エアコン1Bとファン1Cにおいて電力が消費される。ヒートポンプ型エアコン1Bは、電力の供給を受けて熱媒を圧縮し、この圧縮した熱媒と熱源6からの熱源水を使用して冷熱および温熱を生成する。冷房を行う場合には、ガス化された熱媒を液化するための凝縮器で熱源水を使用し、暖房を行う場合には、液化された熱媒をガス化するための蒸発器で熱源水を使用する。
ガス化された熱媒を液化するための凝縮器で熱源水を使用する場合、熱源水はその温度が低いほど、Hエアコン1での消費電力は小さくなる。液化された熱媒をガス化するための蒸発器で熱源水を使用する場合、熱源水はその温度が高いほど、Hエアコン1での消費電力は小さくなる。したがって、ヒートポンプ型エアコン1Bを使用する場合のHエアコン1の消費電力は、Hエアコン1の処理熱量だけではなく、熱源水の送水温度によっても変わってくる。本実施の形態では、このHエアコン1の処理熱量と熱源水の送水温度と消費電力との関係を前もって実験値として求め、電力データテーブルTBとして送水温度決定装置5に書き替え可能に記憶させている。
送水温度決定装置5は、上述したステップ304において、熱源水の送水温度を7℃から45℃、0.5℃刻みで変化させた時の各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの必要処理熱量Q1〜Qnに対応する消費電力W1〜Wnを電力データテーブルTBより予測値として求めた後、この求めた各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの消費電力の予測値W1〜Wnより、各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの30分間の消費電力量の予測値P1〜Pnを求める(ステップ305)。
そして、この求めた各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの消費電力量の予測値P1〜Pnより、各送水温度時のHエアコン1−1〜1−nの合計使用電力量の予測値ΣPを求め(ステップ306)、この求めた合計使用電力量の予測値ΣPをコスト(合計コスト)に換算する(ステップ307)。
そして、この合計コストのうち最もコストの低い送水温度を最適値として決定し(ステップ308)、この決定した送水温度の最適値を設定送水温度TWとして熱源コントローラ7に送る(ステップ309)。これは、合計使用電力量の予測値ΣPが最も小さい送水温度を最適値として決定し、この決定した送水温度の最適値を設定送水温度TWとして熱源コントローラ7に送っていることに他ならない。
熱源コントローラ7は、送水温度決定装置5から送られてきた設定送水温度TWに合致するように、熱源6からのHエアコン1−1〜1−nへの熱源水の温度を制御する。送水温度決定装置5は、熱源コントローラ7へ設定送水温度TWを送った後、制御周期の残りの26〜30分の間、効果待ち時間として待機し、ステップ301へ戻って上述した動作を繰り返す。
図5に各送水温度時の消費電力量の予測値Pと合計使用電力量ΣPおよび合計コストの一例を示す。この例では、送水温度として「7℃」、「10℃」、「20℃」、「25℃」、「35℃」、「45℃」しか示していないが、実際には7℃から45℃まで0.5℃刻みで送水温度は存在する。また、Hエアコン1の消費電力量の予測値PとしてP1〜P6の6つしか示していないが、すなわちHエアコン1−1〜1−6(図示せず)の消費電力量の予測値P1〜P6しか示していないが、実際にはHエアコン1は200台設けられており、この200台のHエアコン1に対応して各送水温度時の消費電力量の予測値Pが存在する。
図5の例では、送水温度が7℃の場合、Hエアコン1−1〜1−6の消費電力量の予測値P1〜P6を加算した値が合計使用電力量ΣP(=22kWh)となり、この合計使用電力量をコストに換算した「¥1,133」が合計コストとして得られる。以下、同様にして、送水温度が10℃の場合の合計コストとして「¥877」が、20℃の場合の合計コストとして「¥853」が、25℃の場合の合計コストとして「¥742」が、35℃の場合の合計コストとして「¥1,099」が、45℃の場合の合計コストとして「¥3,268」が得られる。この例では、合計コストが最も低い送水温度である25℃が最適値として決定され、これが設定送水温度TWとして送水温度決定装置5から熱源コントローラ7へ送られる。
なお、上述した実施の形態において、送水温度決定装置5における電力データテーブルTB(図4)内の消費電力のデータは固定値ではなく、必要に応じてその値を書き替えることができることは言うまでもない。
本発明に係る熱源水温度制御方法が適用された空調システムの一実施の形態を示す図である。 この空調システムに用いるHエアコンの内部構成の概略を示す図である。 この空調システムにおける送水温度決定装置が有する最適送水温度決定機能を説明するためのフローチャートである。 この空調システムにおける送水温度決定装置に記憶された電力データテーブルの一例を示す図である。 この空調システムにおける送水温度決定装置で求められる各送水温度時の消費電力量の予測値Pと合計使用電力量ΣPおよび合計コストの一例を示す図である。 従来のHエアコンの概略構成を示す図である。
符号の説明
1(1−1〜1−n)…ハイブリッドエアコン(Hエアコン)、1A…冷温水コイル、1B…ヒートポンプ型エアコン、1C…ファン、1D…コントローラ、1E…冷温水弁、1F…送水温度センサ、2(2−1〜2−n)…客室、3(3−1〜3−n)…温度センサ、4(4−1〜4−n)…温度設定器、5…送水温度決定装置(情報収集装置)、6…熱源、7…熱源コントローラ、L…専用の通信回線。

Claims (2)

  1. 熱源水の供給を受けて冷熱および温熱を生成する冷温水コイルと電力の供給を受けて熱媒を圧縮しこの圧縮した熱媒と前記熱源水を使用して冷熱および温熱を生成するヒートポンプ型エアコンとを備えたハイブリッドエアコンを各部屋に設けたシステムにおいて、
    前記各ハイブリッドエアコンから少なくともこのハイブリッドエアコンへの熱源水の送水温度とこのハイブリッドエアコンが設けられた部屋の室内温度と設定室内温度とを収集する工程と、
    前記収集された各ハイブリッドエアコンからの熱源水の送水温度と室内温度と設定室内温度とに基づいて前記各ハイブリッドエアコンの必要処理熱量を求める工程と、
    処理熱量と熱源水の送水温度とハイブリッドエアコンの消費電力との関係を示すテーブルを記憶する工程と、
    前記熱源水の送水温度を所定温度刻みで変化させた時の各送水温度時の前記各ハイブリッドエアコンの必要処理熱量に対応する消費電力を予測値として前記テーブルより求める工程と、
    前記求められた各送水温度時の各ハイブリッドエアコンの消費電力の予測値に基づいて各送水温度時の全ハイブリッドエアコンの合計使用電力量の予測値を求め、この合計使用電力量の予測値が最も小さい送水温度を前記熱源水の設定送水温度として決定する工程と、
    前記決定された設定送水温度に基づいて前記熱源水の送水温度を制御する工程と
    を備えたことを特徴とする熱源送水温度制御方法。
  2. 熱源水の供給を受けて冷熱および温熱を生成する冷温水コイルと電力の供給を受けて熱媒を圧縮しこの圧縮した熱媒と前記熱源水を使用して冷熱および温熱を生成するヒートポンプ型エアコンとを備え、各部屋に設けられたハイブリッドエアコンと、
    前記各ハイブリッドエアコンから少なくともこのハイブリッドエアコンへの熱源水の送水温度とこのハイブリッドエアコンが設けられた部屋の室内温度と設定室内温度とを収集する手段と、
    前記収集された各ハイブリッドエアコンからの熱源水の送水温度と室内温度と設定室内温度とに基づいて前記各ハイブリッドエアコンの必要処理熱量を求める手段と、
    処理熱量と熱源水の送水温度とハイブリッドエアコンの消費電力との関係を示すテーブルを記憶する手段と、
    前記熱源水の送水温度を所定温度刻みで変化させた時の各送水温度時の前記各ハイブリッドエアコンの必要処理熱量に対応する消費電力を予測値として前記テーブルより求める手段と、
    前記求められた各送水温度時の各ハイブリッドエアコンの消費電力の予測値に基づいて各送水温度時の全ハイブリッドエアコンの合計使用電力量の予測値を求め、この合計使用電力量の予測値が最も小さい送水温度を前記熱源水の設定送水温度として決定する手段と、
    前記決定された設定送水温度に基づいて前記熱源水の送水温度を制御する手段と
    を備えたことを特徴とする熱源送水温度制御装置。
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