空气调节系统的制作方法

1.本公开涉及使冷热水在室内循环而进行制冷制热的空气调节系统。


背景技术：

2.如公知那样，将冷热水作为热介质的空气调节系统通过利用泵将热源机进行温度调整后的冷热水输送到设置于空调对象空间的室内机，从而进行空气调节。
3.在这样的空气调节系统中，热源机以及泵的消耗电力根据从热源机向室内机的冷热水的送水温度的设定值而发生变化。例如，在制冷的情况下，当使热源机输送的冷水的温度进一步下降时，制冷环路的运转效率(cop)变低，所以热源机的消耗电力增大。另一方面，在室内机侧，冷水的温度低的情况下所需的水量变小，所以泵的消耗电力下降。即，针对送水温度，热源机的消耗电力和泵的消耗电力处于折衷的关系。
4.因而，例如在专利文献1中提出了如下方法：探测室内机的供气温度和热源机的送水温度，事先掌握它们的温度差与水流量的相关，从而以使热源机的消耗电力与泵的消耗电力的合计消耗电力成为最小的方式设定热源机的送水温度。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本专利第5977622号公报


技术实现要素：

8.然而，在谋求热源机与泵的合计消耗电力成为最小的送水温度运算的简化的前述的现有技术文献中，为了事先掌握供气温度和送水温度的温度差与水流量的相关，需要宽范围的运转条件下的试运转数据。为了存储该试运转数据、对这些数据进行整理以求出温度差与水流量的相关，需要巨大的运算处理，招致控制装置的高成本化。
9.本公开是为了解决如上所述的课题而完成的，提供能够使热源机与泵的合计消耗电力成为最小，并抑制成本的增加的空气调节系统。
10.为了达到上述目的，本公开提供一种空气调节系统，具备：热源机，生成冷热水且能够调整冷却能力或者加热能力；室内机，使所吸入的空气与所述冷热水进行热交换并将其吹出；水回路，以使所述冷热水在所述热源机和所述室内机中循环的方式连接送水管和回水管而构成；流量调整阀，设置于所述水回路，能够调整所述冷热水的流量；供气温度控制部，调整所述流量调整阀的流量；泵，设置于所述水回路，能够调整转速；泵控制部，调整所述泵的转速；回水温度传感器，探测流经所述回水管的冷热水的温度；送水温度传感器，探测流经所述送水管的冷热水的温度；送水温度控制部，以使所述送水温度传感器探测的送水温度成为目标送水温度的方式调整所述热源机的所述冷却能力或者所述加热能力；以及目标送水温度更新部，根据所述回水温度传感器探测的回水温度与所述送水温度的温度差使所述目标送水温度变化。
11.本公开的空气调节系统能够通过根据热源机的入口与出口的水温差来决定目标
送水温度的简易的运算处理使热源机与泵的合计消耗电力成为最小，所以能够抑制空气调节系统的成本的增加。
附图说明
12.图1是实施方式1的空气调节系统的概略结构图。
13.图2是示出实施方式1的空气调节系统的室内风量控制的例子的图。
14.图3是示出相对于实施方式1的空气调节系统的泵转速的旁通阀的开闭状态的图。
15.图4是示出在实施方式1的空气调节系统中旁通阀为关闭状态时的冷水的流动的图。
16.图5是示出在实施方式1的空气调节系统中旁通阀为打开状态时的冷水的流动的图。
17.图6是示出实施方式1的空气调节系统的热源机控制部的内部结构的框图。
18.图7是示出针对实施方式1的空气调节系统的外部气体温度与回水温度的温度差的三通阀的控制动作的图。
19.图8是示出不使冷水在实施方式1的空气调节系统的水-空气热交换器流通的状态的图。
20.图9是示出使冷水在实施方式1的空气调节系统的水-空气热交换器流通的状态的图。
21.图10是示出实施方式1的空气调节系统的室内机中的水温变化的情形的示意图。
22.图11是示出从图10所示的状态起使送水温度上升时的回水温度的变化的状态图。
23.图12是示出从图10所示的状态起使送水温度下降时的回水温度的变化的状态图。
24.图13是示出实施方式1的空气调节系统中的送水温度与水温差的关系的一个例子的曲线图。
25.图14是示出实施方式1的空气调节系统中的水温差与泵的消耗电力的关系的曲线图。
26.图15是示出针对实施方式1的空气调节系统中的送水温度的变化的热源机的消耗电力的变化特性的曲线图。
27.图16是示出实施方式1的空气调节系统中的消耗电力与水温差的关系的曲线图。
28.图17是示出用于在实施方式1的最佳水温差运算部中求出合计消耗电力成为最小的水温差的计算次序的图。
29.图18是示出实施方式1的空气调节系统的目标送水温度更新部的控制动作的流程图。
30.图19是示出实施方式1的空气调节系统的最佳水温差设定部的控制动作的流程图。
31.图20是实施方式2的空气调节系统的概略结构图。
32.图21是实施方式3的空气调节系统的概略结构图。
33.图22是实施方式4的空气调节系统的概略结构图。
34.(符号说明)
35.1：热源机；2：室内机；3：泵；4：压缩机；5：冷凝器；6：室外送风机；7：制冷剂-水热交
换器；8：膨胀阀；9：室内热交换器；10：室内送风机；11：二通阀；12：送水管；13：回水管；14：送水温度传感器；15：供气温度传感器；16：回气温度传感器；17：差压传感器；18：旁通路；19：旁通阀；20：自然冷却回路；21：水-空气热交换器；22：三通阀；23：回水温度传感器；24：外部气体温度传感器；25：水回路；31：热源机控制部；32：室内机控制部；33：泵控制部；41：信息读入部；42：三通阀控制部；43：目标送水温度更新部；44：最佳水温差设定部；45：送水温度控制部；46：最佳水温差运算部；100、101、102、103：空气调节系统。
具体实施方式
36.以下，根据附图，详细地说明实施方式的空气调节系统。
37.实施方式1.
38.图1是实施方式1的空气调节系统的概略结构图。如图1所示，空气调节系统100进行制冷运转，生成冷水的热源机1、室内机2以及泵3通过作为水配管的送水管12、回水管13被连接而形成水回路25。由泵3升压而在水回路25中循环的冷水在由热源机1冷却之后，通过送水管12输送到室内机2。输送到室内机2的冷水在与室内空气进行热交换之后，通过回水管13再次返回到泵3。
39.热源机1包括将压缩机4、冷凝器5、膨胀阀8、制冷剂-水热交换器7的制冷剂侧依次连接而成的制冷环路、自然冷却回路20以及热源机控制部31。压缩机4是转速可变型，能够连续地调整冷却能力。自然冷却回路20经由作为流路切换单元的三通阀22连接于制冷剂-水热交换器7的水侧入口，能够通过三通阀22选择是否通水到水-空气热交换器21。室外送风机6按照水-空气热交换器21、冷凝器5的顺序吹送外部气体。
40.另外，热源机1具备设置于冷水的出口侧的送水温度传感器14、设置于冷水的入口侧的回水温度传感器23以及设置于水-空气热交换器21侧的外部气体温度传感器24。热源机控制部31是具备处理器、存储器以及i/o端口等的微型计算机。热源机控制部31根据从送水温度传感器14、回水温度传感器23以及外部气体温度传感器24得到的温度信息进行压缩机4的转速控制以及三通阀22的流路控制。
41.室内机2的室内热交换器9以及二通阀11串联地连接于水回路25，利用室内送风机10使室内空气与流入到室内热交换器9的冷水进行热交换。二通阀11是能够连续地调整开度的流量调整阀，调整在室内机2中流通的水流量。
42.室内机控制部32是具备处理器、存储器以及i/o端口等的微型计算机。室内机控制部32根据从设置于室内空气的吸入口的回气温度传感器16以及设置于吹出口的供气温度传感器15得到的温度信息和由用户设定的回气温度目标值以及供气温度目标值，控制室内送风机10和二通阀11。室内机控制部32是控制二通阀11的开度的供气温度控制部。在并联地设置多台室内机2的情况下，室内机2分别具备室内机控制部32而控制室内送风机10以及二通阀11。
43.泵3配备于将热源机1、送水管12、室内机2、回水管13依次进行连接而构成的水回路25而使冷水循环。水回路25具备旁通路18，该旁通路18的一端连接于送水管12，另一端连接于泵3的入口侧的回水管13。旁通路18能够由旁通阀19进行开闭。另外，泵控制部33是具备处理器、存储器以及i/o端口等的微型计算机。泵控制部33以使探测泵3的前后差压的差压传感器17的检测值成为恒定的方式，进行泵3的转速控制和旁通阀19的开闭控制。
44.接着，说明实施方式1所示的空气调节系统100的控制动作。此外，热源机控制部31、室内机控制部32、泵控制部33既可以分别分开设置，也可以汇集成集中控制装置。
45.首先，参照图2，说明室内机2的风量控制。图2是示出针对由回气温度传感器16探测到的回气温度tar与目标回气温度tam的温度差δta的室内风量控制的一个例子的图。室内机控制部32运算回气温度tar与目标回气温度tam的温度差δta，以成为与温度差δta对应的送风量的方式控制室内送风机10。如图2所示，在温度差δta为2℃以上时，室内机控制部32将室内送风机10设为最大风量100％，在温度差δta为0℃以下时，以最小风量即30％的送风量进行运转。在温度差δta为0℃至2℃之间时，以使室内风量在30％至100％线性地变化的方式分配风量控制值。在温度差δta为－2℃以下的情况下，使室内送风机10停止而使冷却能力成为零。在室内送风机10停止之后，当温度差δta成为－1℃以上时，再次以最小风量30％使室内送风机10运转。
46.在实施方式1中，在回气温度tar过度地下降的情况下，使室内送风机10停止，从而将室内机2的冷却能力控制成零，但也可以在保持将室内送风机10设为30％风量运转的情况下关闭二通阀11。
47.接着，参照图3、图4以及图5，说明泵控制部33的控制动作。图3是示出相对于泵转速最小30％～最大100％的旁通阀19的开闭状态的图。图4是示出旁通阀19为关闭状态时的冷水的流动的图，图5是示出旁通阀19为打开状态时的冷水的流动的图。
48.在泵控制部33中，由用户预先设定例如300kpa左右的目标差压δpm。在空气调节系统100的运转开始阶段，旁通阀19如图4所示被关闭，流经送水管12的冷水全部在室内热交换器9流通。通过二通阀11而被减压的冷水经过回水管13返回到泵3，再次被升压。泵控制部33以使由差压传感器17探测的差压δp成为目标差压δpm的方式控制泵3的转速。
49.在即使泵3的转速成为最小转速而差压δp也超过目标差压δpm的情况下，泵控制部33如图5所示打开旁通阀19。当旁通阀19被打开时，流经送水管12的冷水分支到室内热交换器9和旁通路18而分别流通，所以差压δp变小。泵控制部33在如通过旁通阀19的打开而使泵转速超过50％那样的情况下，再次关闭旁通阀19。
50.接着，说明热源机1的控制。图6是示出热源机控制部31的内部结构的框图。热源机控制部31具有信息读入部41、三通阀控制部42、目标送水温度更新部43、送水温度控制部45、最佳水温差运算部46。在目标送水温度更新部43中包括最佳水温差设定部44。信息读入部41、三通阀控制部42、目标送水温度更新部43、最佳水温差设定部44、送水温度控制部45、最佳水温差运算部46是通过由热源机控制部31执行存储于存储器的程序而实现的功能部。
51.信息读入部41逐次收集从送水温度传感器14、回水温度传感器23以及外部气体温度传感器24得到的送水温度tws、回水温度twr以及外部气体温度tout的温度信息及三通阀22的动作状态以及旁通阀19的开闭状态。
52.参照图7、图8以及图9，说明三通阀控制部42的控制动作。图7是示出针对外部气体温度tout与回水温度twr的温度差的三通阀22的控制动作的图，图8示出了不使冷水在水-空气热交换器21流通的状态(a)，图9示出了使冷水在水-空气热交换器21流通的状态(b)。
53.三通阀控制部42从信息读入部41获取外部气体温度tout以及回水温度twr的温度信息，在外部气体温度tout比回水温度twr低5℃以上时，使三通阀22作为图9所示的状态(b)而通水到自然冷却回路20(即，进行自然冷却动作)。三通阀控制部42当在自然冷却回路
20中通水的过程中外部气体温度tout与回水温度twr的温度差比－2℃大时将三通阀22从图9所示的状态(b)切换到图8所示的状态(a)，使向自然冷却回路20的通水停止(即不进行自然冷却动作)。三通阀控制部42例如以3分钟的控制间隔重复基于三通阀22的流路切换控制。
54.图10是示出室内热交换器9中的水温变化的情形的示意图。横轴是冷水在室内热交换器9内行进的流动方向的距离，纵轴是针对所述距离的冷水的温度。在水回路25中循环的冷水以送水温度tws流入到室内热交换器9，成为回水温度twr而从室内热交换器9流出。此时，目标送水温度twsm是20℃，通过热源机1的冷却能力调整，送水温度传感器14探测的送水温度tws与目标送水温度twsm大致一致。另外，是由室内机控制部32将供气温度tas控制成恒定、由泵控制部33使差压δp与目标差压δpm大致一致的状态。
55.接着，参照图11以及图12，说明使送水温度tws从图10所示的状态变化时的响应。图11是示出使送水温度tws从图10所示的状态上升时的回水温度twr的变化的状态图，图12是示出使送水温度tws从图10所示的状态下降时的回水温度twr的变化的状态图。
56.当使送水温度tws从稳定状态上升时，首先在室内机2中供气温度tas上升，所以二通阀11的阀开度被控制成打开的方向。差压δp由于该二通阀11的动作而下降，所以泵控制部33使泵3的转速增大。在水回路25中循环的水流量由于泵3的转速增大而增加，但通过二通阀11的控制，室内机2的供气温度tas不变，所以冷却能力也不变。其结果，水温差δtw变小在水回路25中循环的水流量的增加量(参照图11)。
57.在使送水温度tws下降的情况下，与室内机2的供气温度tas下降对应地，二通阀11的阀开度被控制成关闭的方向。与差压δp的上升对应地进行泵3的转速控制。其结果，供气温度tas和差压δp与使送水温度下降之前相等，另一方面，在水回路25中循环的水流量减少，水温差δtw增加(参照图12)。
58.图13－图16是示出针对送水温度tws或者水温差δtw的泵3和压缩机4的消耗电力特性的曲线图。图13是示出送水温度tws与水温差δtw的关系的一个例子的曲线图。如在图11以及图12中也示出的那样，例如在送水温度tws为20℃时水温差δtw成为5℃的运转条件下，当使送水温度tws上升1℃时，水温差δtw下降约2℃，当使送水温度tws下降1℃时，水温差δtw上升约2℃。
59.图14是示出水温差δtw与泵3的消耗电力wpump的关系的曲线图。泵3以使差压δp成为恒定的方式被控制，所以泵3的消耗电力wpump与在水回路25中循环的水流量gw成比例(wpump
∝
gw)。另外，二通阀11以使室内机2的供气温度tas成为恒定的方式被控制，所以室内机2的冷却能力qc在使送水温度tws变化的前后不变化。冷却能力qc与水温差δtw与水流量gw之积成比例，所以水温差δtw与水流量gw以及泵3的消耗电力wpump成为反比例的关系。
60.图15是示出针对送水温度tws变化的热源机1的消耗电力wcomp的变化特性的曲线图。一般而言，已知制冷环路的运转效率相对于动作压力在饱和温度换算下变化1℃而变化3％左右。因而，在冷却能力qc不变的条件下，热源机1的消耗电力wcomp也相对于送水温度变化1℃而变化约3％。
61.图16是示出消耗电力与水温差δtw的关系的曲线图。将前述的关系进行整理，泵3的消耗电力wpump与热源机1的消耗电力wcomp之和相对于水温差δtw具有向下凸的特性。
即，可知存在合计消耗电力成为最小的最佳水温差δtwm(参照图16)。
62.图17是示出用于在实施方式1的最佳水温差运算部46中求出合计消耗电力成为最小的最佳水温差δtwm的计算次序的图。在此，所运算的最佳水温差δtwm作为第1阈值而交接给最佳水温差设定部44。另外，最佳水温差运算部46无需配备于热源机控制部31，也可以将在外部计算出的最佳水温差δtwm输入到最佳水温差设定部44。
63.s11是读入计算所需的信息的步骤，设定水的密度ρw以及比热容cpw、泵3的效率η与在泵控制部33中设定的目标差压δpm、热源机1的cop和针对送水温度变化1℃的cop变化率等设备特性值。s12是假定冷却能力qc的步骤，设定任意的值。当提供冷却能力qc时，在s13、s14中分别通过以下的式(1)以及式(2)求出热源机1的消耗电力wcomp和泵3的消耗电力wpump。在s13中计算的热源机1的消耗电力wcomp是固定值，但水温差δtw是未知数，所以在s14中计算的泵3的消耗电力wpump作为函数func(δtw)而求出。
64.wcomp＝qc/热源机cop
…
(1)
65.wpump＝δpm/(η
·
ρ
·
cpw)
·
qc/δtw
66.＝func(δtw)
…
(2)
67.s15是计算送水温度tws变化单位量(例如1℃)时的热源机1的消耗电力wcomp的变化量δwcomp和泵3的消耗电力变化量δwpump的步骤。如以下所示的式(3)那样，热源机1的消耗电力wcomp是固定值，所以热源机1的消耗电力变化量δwcomp也是固定值。相对于此，泵3的消耗电力wpump是水温差δtw的函数，所以泵3的消耗电力变化量δwpump也成为如式(4)所示的水温差δtw的函数。
68.δwcomp＝wcomp
×
cop变化率
…
(3)
69.δwpump＝func(δtw－1)－func(δtw+1)
70.…
(4)
71.s16是求出合计消耗电力成为最小的最佳水温差δtwm的步骤。在s16中，探索针对每个水温差δtw而计算的泵3消耗电力变化量δwpump与作为恒定值的热源机1消耗电力变化量δwcomp一致的δtw，将其作为最佳水温差δtwm。根据图17例示出的热源机cop＝4.0、cop变化率＝3％、δpm＝300kpa、泵效率η＝0.5这样的值，最佳水温差δtwm不论冷却能力qc如何都为约7.5℃。
72.图18是示出目标送水温度更新部43的控制动作的流程图。目标送水温度更新部43具有目标送水温度twsm的初始值，将该初始值作为空气调节系统100的运转开始时的目标送水温度twsm而读入(s21)。s22是从送水温度传感器14以及回水温度传感器23获取温度探测信息并计算水温差δtw的步骤，s23是从后述最佳水温差设定部44接收最佳水温差δtwm的步骤。在s24中，进行当前的水温差δtw与最佳水温差δtwm的比较，在水温差δtw比最佳水温差δtwm小时(s24：是)，使目标送水温度twsm下降0.5℃(s25)，在水温差δtw为最佳水温差δtwm以上时(s24：否)，使目标送水温度twsm上升0.5℃(s26)。s27是以使目标送水温度twsm不成为4℃～22℃的范围外的方式设定目标送水温度twsm的上限值22℃和下限值4℃的步骤。例如以1分钟的控制间隔重复上述控制(s28)。
73.在实施方式1中，以使水温差δtw与最佳水温差δtwm一致的方式使目标送水温度twsm下降或者上升，但仅凭在水温差δtw比最佳水温差δtwm小的情况下使目标送水温度twsm下降的步骤即s25、在水温差δtw为最佳水温差δtwm以上的情况下使目标送水温度
twsm上升的步骤即s26中的任意一方的步骤，也具有合计消耗电力变小这样的效果。
74.图19是示出最佳水温差设定部44的控制动作的流程图。s31是获取旁通阀19以及三通阀22的动作状态的步骤，在旁通阀19被打开时(s32：是)，将最佳水温差δtwm设定为第3阈值即0℃(s33)。第3阈值是比第1阈值小的值。另外，在旁通阀19关闭的情况(s32：否)，且通水到自然冷却回路20的情况下(s34：是)，将最佳水温差δtwm设定为第2阈值即30℃(s35)。第2阈值是比第1阈值大的值。在旁通阀19关闭(s32：否)、且未通水到自然冷却回路20的情况下(s34：否)，将最佳水温差δtwm设定为第1阈值即7.5℃(s36)。然后，所设定的最佳水温差δtwm被发送到目标送水温度更新部43(s37)。最佳水温差设定部44如上所述设定最佳水温差δtwm，从而目标送水温度更新部43不论水回路侧的动作状态如何，都仅凭最佳水温差δtwm与水温差δtw的大小关系就能够更新目标送水温度twsm。
75.这样，本公开的实施方式1的空气调节系统100能够通过根据热源机1的入口与出口的水温差δtw来决定目标送水温度twsm的简易的运算处理使热源机1与泵3的合计消耗电力成为最小，所以能够抑制空气调节系统100的成本的增加。
76.实施方式2.
77.图20是实施方式2的空气调节系统101的概略结构图。空气调节系统101进行制热运转，热源机1能够调整生成热水的加热能力。热源机1内置制冷环路，该制冷环路是依次连接压缩机4、作为冷凝器发挥功能的制冷剂-水热交换器7、膨胀阀8、作为蒸发器发挥功能的制冷剂空气热交换器105而成的。除此以外与实施方式1相同。
78.在图20中，由制冷剂-水热交换器7加热后的热水利用泵3送水到室内机2。室内机2使流入的热水和室内空气在室内热交换器9中进行热交换而进行制热运转。此时的泵3的消耗电力wpump以及热源机1的消耗电力wcomp与送水温度tws的关系与实施方式1相同。
79.在本实施方式的情况下，目标送水温度更新部43在水温差δtw比用作第1阈值的最佳水温差δtwm小时使目标送水温度twsm上升，在比最佳水温差δtwm大时使目标送水温度twsm下降。另外，目标送水温度更新部43在旁通路18被打开的情况下，在水温差δtw大于比用作第1阈值的7.5℃小的第3阈值0℃时使目标送水温度twsm下降。
80.例如，当前的目标送水温度twsm是45℃，将其更新为46℃时的热源机1的消耗电力变化量δwcomp增加通过式(1)计算出的热源机1的消耗电力wcomp的cop变化量。另外，泵3的消耗电力变化量δwpump也能够直接使用式(2)以及式(4)，针对每个δtw进行计算。另外，在制热运转中，泵3与热源机1的合计消耗电力成为最小的最佳水温差δtwm也是与实施方式1相同的7.5℃。
81.这样，本公开的实施方式2的空气调节系统101在进行制热运转的情况下也能够通过根据热源机1的入口与出口的水温差来决定目标送水温度的简易的运算处理使热源机1与泵3的合计消耗电力成为最小，所以该运算不需要高性能的运算装置，所以能够实现控制装置的低成本化。
82.实施方式3.
83.图21是实施方式3的空气调节系统102的概略结构图。空气调节系统102是通过在实施方式1或者实施方式2的空气调节系统100、101中将与送水管12、回水管13连接的热源机1和室内机2配备多台而构成的。多个热源机1a、1b、1c并联地连接于送水管12和回水管13，多个室内机2a、2b、2c也并联地连接于送水管12和回水管13。热源机控制部31分别设置
于多个热源机1a、1b、1c，单独地进行压缩机4以及三通阀22的控制。另外，室内机2a、2b、2c也分别具备室内机控制部32，单独地进行控制。
84.这样，在如本公开的实施方式3的空气调节系统102那样在空气调节系统100、101中连接多台热源机1以及室内机2的情况下，也能够通过根据热源机1a、1b、1c的入口与出口的水温差来决定目标送水温度的简易的运算处理使热源机1a、1b、1c与泵3的合计消耗电力成为最小，所以该运算不需要高性能的运算装置，所以能够实现控制装置的低成本化。
85.实施方式4.
86.图22是实施方式4的空气调节系统103的概略结构图。在空气调节系统103中，送水温度传感器14以及回水温度传感器23未包含于热源机1，在室内机2的入口侧设置有送水温度传感器14，在室内机2的出口侧设置有回水温度传感器23。在实施方式1至实施方式4中的水回路25中，如果除去来自水配管的吸放热损耗所致的些微的温度变化，冷水的温度发生变化的仅是热源机1的前后或者室内机2的前后。因而，送水温度传感器14也可以设置于从热源机1到室内机2的送水管12的任意部位，另外回水温度传感器23也可以设置于回水管13的任意部位。
87.这样，本公开的实施方式4的空气调节系统103能够通过根据室内机2的入口与出口的水温差来决定目标送水温度的简易的运算处理使热源机1与泵3的合计消耗电力成为最小，所以该运算不需要高性能的运算装置，所以能够实现控制装置的低成本化。
88.此外，以上的实施方式所示的结构表示本发明的内容的一个例子，既能够与其它公知的技术进行组合，还能够在不脱离本发明的要旨的范围对结构的一部分进行省略、变更。