WO2013046605A1 - 空調システム - Google Patents

Abstract

空調システムは、空気調和部（10,50）と、空気の温度と空気の湿度との双方に基づいて熱中症指数を求める導出部（43）と、導出部（43）で導出した熱中症指数に基づいて空気調和部（10,50）の能力を調節する制御部（44）とを備えている。

Description

空調システム

　本発明は、空気を調和する空調システムに関する。

　従来より、室内の空気を調和する空調システムが知られている。

　特許文献１に開示の空調システムは、いわゆる壁掛け式の空気調和機である。この空気調和機は、室内の壁面に設置される室内ユニットと、室外に設置される室外ユニットとを備えている。室内ユニットと室外ユニットとは、冷媒配管を介して互いに接続され、冷媒回路が構成される。室外ユニットの圧縮機が運転されると、冷媒回路で冷凍サイクルが行われる。例えば暖房時には、圧縮機で圧縮された冷媒が室内ユニット内の熱交換器で空気へ放熱し、室内空気が加熱される。また、冷房時には、膨張弁で減圧された後の冷媒が室内ユニット内の熱交換器で空気から吸熱し、室内空気が冷却される。

特開２０１０－０８５０７６号公報

　近年、夏季等において熱中症の発生件数が増大傾向にある。この熱中症は、室外よりも室内での発生率が比較的高く、特に高齢者（例えば６５歳以上）では、室内での熱中症の発生率が極めて高い傾向にある（例えば５０％以上）。

　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱中症の発生を抑制できる室内環境を得ることができる空調システムを提供することである。

　本発明は、熱中症指数に基づいて室内を空調することで、熱中症の発生を抑制できる室内環境を提供するものである。

　具体的に、第１の発明は、空調システムを対象とし、空気調和部（10,50）と、前記空気の温度と空気の湿度との双方に基づいて熱中症指数を求める導出部（43）と、該導出部（43）で導出した熱中症指数が目標値に近づくように、前記空気調和部（10,50）の能力を調節する制御部（44）とを備えていることを特徴とする。

　第１の発明では、導出部（43）が空気の温度及び湿度に基づき、熱中症指数を導出する。この「熱中症指数」は、人の周囲が熱中症を招き易い環境であるかのレベルを示す指標であり、例えば湿球黒球温度（Wet Bulb Globe Temperature：WBGT）や、熱指数（Heat Index Apparent Temperature）等が挙げられる。制御部（44）は、この熱中症指数に基づいて空気調和部（10,50）の能力を調節する。具体的に、制御部（44）は、導出部（43）で導出した熱中症指数がこの目標値に近づくように、空気調和部（10,50）の能力を調節する。これにより、室内は、熱中症を招きにくい環境に維持される。

　第２の発明は、第１の発明において、前記空気調和部（10,50）は、空気の顕熱を処理する顕熱処理部（10）と、空気の潜熱を処理する潜熱処理部（50）とを備えていることを特徴とする。

　第２の発明の空気調和部（10,50）は、顕熱処理部（10）と潜熱処理部（50）とを有する。顕熱処理部（10）は、空気を加熱又は冷却して、この空気の温度を調節する。潜熱処理部（50）は、空気を除湿又は加湿して、この空気の湿度を調節する。つまり、本発明の空調システムは、室内の顕熱と潜熱とをそれぞれ独立して処理するように構成される。

　第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記制御部（44）は、空気の温度が目標温度に近づくように前記空気調和部（10,50）の能力を調節する第１動作と、前記導出部（43）で導出した熱中症指数が目標値に近づくように前記空気調和部（10,50）の能力を制御する第２動作とを切り換えて実行させることを特徴とする。

　第３の発明では、制御部（44）によって第１動作と第２動作とが切り換えて実行される。第１動作は、室内の空気の温度を目標温度に近づけるものである。第１動作では、室内の温度が所望とする温度に収束していく。第２動作は、導出部（43）で導出した熱中症指数を目標値に近づけるものである。第２動作では、室内が熱中症を招きにくい環境に維持される。

　第４の発明は、第３の発明において、電力供給量及び電力需要量を示す情報を取得する取得部（45）を備え、前記制御部（44）は、前記第１動作中に、前記取得部（45）で取得した電力供給量に対する電力需要量の割合が所定値を越えると、該第１動作から前記第２動作へと運転を切り換えることを特徴とする。

　第４の発明では、取得部（45）が電力供給量及び電力需要量を示す情報を取得する。この情報において、電力供給量に対する電力需要量の割合が比較的高い場合、電力の削減要求が高いレベルにあり、電力消費量の低い運転が望まれる。このため、本発明では、第１動作（室内の温度調節を優先する運転）中において、電力供給量に対する電力需要量の割合が所定値を越えると、第１動作から第２動作（熱中症の発生の抑制を優先する運転）へと運転が切り換わる。その結果、例えば室内温度と、第１動作の目標温度に大きな差がある条件下において、電力消費量が極端に増大してしまうのを確実に回避できる。

　第５の発明は、第３の発明において、人の存在の有無を検知する人検知部（33）を備え、前記制御部（44）は、前記第２動作中に前記人検知部（33）によって人が存在しないことが検出されると、前記第２動作から前記第１動作へと運転を切り換えることを特徴とする。

　第５の発明では、人検知部（33）が室内に人が存在しないことを検知すると、第２動作から第１動作へと運転が切り換わる。その結果、室内に人が存在しない環境下において、熱中症よりも室内の目標温度を優先した空調がなされる。

　本発明によれば、熱中症指数を目標値に近づけるように、室内を空調しているため、熱中症の発生を抑制できる室内環境を維持でき、熱中症の発生を確実に抑制できる。

　第２の発明では、室内の顕熱と潜熱とを、顕熱処理部（10）及び潜熱処理部（50）で個別に処理することで、室内の熱中症指数を速やかに調節できる。また、熱中症指数は、特に人の周囲の湿度によって大きく変化する。人の周囲の湿度は、人の発汗、ひいては人の体温調節に大きく影響を与えるからである。本発明では、潜熱処理部（50）によって室内の湿度を個別に調節できるため、熱中症の発生を効果的に抑制できる。

　第３の発明では、室内の温度管理を優先する運転と、在住者の熱中症の予防を優先する運転とを任意に切り換えることができる。特に、第４の発明では、供給電力が不足する条件下において、第２動作を実行させて消費電力が過剰となるのを未然に回避できる。また、第２動作を自動的に実行することで、熱中症の発生を優先的に防止できる。さらに、第５の発明では、人が存在しない条件下において、熱中症を考慮した運転が継続されるのを回避できる。また、第１動作を自動的に実行することで、室内の温度を速やかに目標温度に近づけることができる。

実施形態１に係る空調システムの全体構成を示す概略の構成図である。 実施形態１に係るコントローラの概略の構成図である。 実施形態１に係る記憶部のデータテーブルの一例であり、ＷＢＧＴ値を目標ＷＢＧＴ値に近づけるための制御を説明するためのものである。 実施形態２に係る空調システムの全体構成を示す概略の構成図である。 実施形態２に係るコントローラの概略の構成図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

　《発明の実施形態１》
　本発明の実施形態１は、室内を空調する空調システム（S）である。図１に示すように、実施形態１の空調システム（S）は、空気調和部としての空調ユニット（10）を備える。空調ユニット（10）は、室内に設置される室内ユニット（20）と、室外に設置される室外ユニット（図示省略）とを備える。室内ユニット（20）と室外ユニットとは、連絡配管（11）を介して互いに接続される。これにより、空調システム（S）では、冷凍サイクルが行われる冷媒回路が構成される。室外ユニットには、圧縮機、室外熱交換器、四方切換弁等が収容される。空調ユニット（10）は、室内の温度を調節して室内の顕熱を処理する顕熱処理部である。

　室内ユニット（20）は、壁掛け式のルームエアコンを構成している。室内ユニット（20）は、ケーシング（21）と、該ケーシング（21）内に収容される室内熱交換器（25）及びファン（26）を備えている。また、室内ユニット（20）には、膨張弁（図示省略）が収容される。

　ケーシング（21）は、室内の壁面に固定される。ケーシング（21）には、前側上部に吸込口（22）が形成され、前側下部に吹出口（23）が形成される。ケーシング（21）の内部には、吸込口（22）から吹出口（23）までの間に、空気が流れる空気通路（24）が形成される。

　室内熱交換器（25）は、空気通路（24）に配置される。室内熱交換器（25）は、フィンアンドチューブ式の熱交換器であり、室内空気と冷媒とを熱交換させる。ファン（26）は、空気通路（24）における室内熱交換器（25）の下流側に配置される。室内熱交換器（25）で加熱又は冷却された空気は、ファン（26）によって搬送されて吹出口（23）より室内へ供給される。

　空調システム（S）は、温度センサ（31）と湿度センサ（32）と人検知センサ（33）とを備えている。温度センサ（31）は、吸込口（22）に配置され、室内からの吸込空気の温度を検出する。湿度センサ（32）は、吸込口（22）に配置され、室内からの吸込空気の湿度（相対湿度）を検出する。人検知センサ（33）は、ケーシング（21）の前面に固定される。人検知センサ（33）は、例えば赤外線式であり、室内の人体（H）の存在の有無を検知する人検知部を構成する。

　図１及び図２に示すように、空調システム（S）は、コントローラ（40）を備えている。コントローラ（40）には、温度センサ（31）、湿度センサ（32）、及び人検知センサ（33）で検知された検出値が適宜入力される。また、コントローラ（40）は、入力部（41）、記憶部（42）、導出部（43）、及び制御部（44）を備えている。

　入力部（41）は、空調ユニット（10）の運転モード、室内の設定温度、室内の設定湿度等をユーザが入力するものである。

　記憶部（42）には、熱中症指数となる、ＷＢＧＴ値を求めるためのデータが記憶されている。本実施形態の記憶部（42）には、室内の相対湿度Ｒr、室内の温度Ｔr、及びＷＢＧＴ値との関係を経験的に求めたデータがテーブルとして記憶されている（図３を参照）。ここで、「ＷＢＧＴ値」とは、湿球黒球温度（Wet Bulb Globe Temperature）を示し、人体の熱収支に影響の大きい湿球温度や黒球温度を考慮して、熱中症の発生のし易さを表した指数である。室内のＷＢＧＴ値は、一般的に以下の（１）式で求められる。

　室内のＷＢＧＴ＝０．７×湿球温度＋０．３×黒球温度・・・（１）
　一方、黒球温度を直接計測して上記（１）式によりＷＢＧＴ値を算出ようにすると、黒球温度を検出するセンサのコストが比較的高価となってしまう。そこで、本実施形態の導出部（43）は、黒球温度は計測せずに、室内の相対湿度Ｒｒと室内の温度Ｔｒとを求めて、上記のテーブルからＷＢＧＴ値を推定している。具体的に、導出部（43）は、温度センサ（31）で検知された室内の温度Ｔr、湿度センサ（32）で検知された室内湿度（相対湿度Ｒr）、及び記憶部（42）に記憶されたデータとを用いて、室内のＷＢＧＴ値を決定する。

　制御部（44）は、第１動作（温度優先動作）と第２動作（熱中症優先動作）とを切り換えて実行するように構成される。第１動作中の制御部（44）は、温度センサ（31）で検知された温度Ｔrが、入力部（41）に設定された目標温度Ｔsに近づくように、空調ユニット（10）の能力を制御する。第２動作中の制御部（44）は、導出部（43）で導出されたＷＢＧＴ値が目標値に近づくように、空調ユニット（10）の能力を制御する。本実施形態の目標値は、図３のテーブルデータのうち、熱中症の発生に対して警戒を要しない値（２４℃）に設定されている。

　また、コントローラ（40）には、電力需給情報取得部（45）で取得された電力供給量及び電力需要量を示す情報が入力される。この情報は、例えばインターネット回線を経由して送られる。本実施形態の電力需給情報取得部（45）からは、空調システム（S）が適用される地域における電力使用率Ｐが入力される。この電力使用率Ｐは、電力供給量Ｗｓに対する電力需要量Ｗｄの割合をパーセントで表したものである（Ｐ＝Ｗｄ／Ｗｓ×１００[%]）。

　制御部（44）は、第１動作中において、電力使用率Ｐが所定値を越えると、第１動作から第２動作へと運転を切り換えるように構成される。また、制御部（44）は、第２動作中において、人検知部（33）が室内で人（H）がいないことを検知すると、第２動作から第１動作へと運転を切り換えるように構成される。

　　－運転動作－
　空調システム（S）は、第１動作と第２動作とを切り換えて実行する。

　　〈第１動作〉
　第１動作では、室内の温度を所定の目標温度Ｔsに近づくように、空調ユニット（10）の能力が調節される。この空調ユニット（10）の能力は、冷媒回路の冷媒循環量（圧縮機の回転速度）によって調節される。この第１動作により、例えば冷房時には、室内熱交換器（25）で冷却された室内空気が室内へ供給され、室内の温度が目標温度Ｔsに維持される。

　　〈第２動作〉
　第２動作では、室内のＷＢＧＴ値が所定の目標値（目標ＷＢＧＴ値）に近づくように、空調ユニット（10）の能力が調節される。具体的に、まず導出部（43）は、温度センサ（31）で検出された室内空気の温度Ｔrと、湿度センサ（32）で検出された室内空気の相対湿度Ｒrとに基づき、記憶部（42）に記憶されたデータテーブルを用いてＷＢＧＴ値を導出する。図３に例示するように、空気の温度Ｔｒが３２℃であり、相対湿度Ｒｒが７０％であるとする。導出部（43）は、空気温度３２℃、空気湿度７０％に対応するＷＢＧＴ値をデータテーブルから導出する（ＷＢＧＴ値＝３１℃）。

　次いで、制御部（44）は、導出部（43）で導出されたＷＢＧＴ値（＝３１℃）が、設定された目標ＷＢＧＴ値（＝２４℃）に近づくように、空調ユニット（10）の能力を制御する。具体的に、制御部（44）は、相対湿度Ｒｒ＝７０％の条件下において、目標ＷＢＧＴ値（２４℃）を充足させる空気温度（＝２５℃）をデータテーブルを用いて決定する。制御部（44）は、現時点での空気の温度（Ｔ１＝３２℃）が、目標ＷＢＧＴ値に対応する空気の温度（Ｔ２＝２５℃）に近づくように、空調ユニット（10）の能力を調節する。その結果、室内は、相対湿度７０％空気温度２５℃に維持され、更には室内のＷＢＧＴ値が目標値（＝２４℃）に維持される。これにより、第２動作では、在室者（H）が熱中症になるのを確実に回避できる。

　　〈第１動作と第２動作の運転切換について〉
　上述した第１動作の実行中において、電力需給情報取得部（45）で取得された電力使用率Ｐが、所定値（９７％）を越えていたとする。この場合において、空調ユニット（10）の冷房能力が比較的大きい場合には、電力供給量が不足気味にも拘わらず、空調ユニット（10）の消費電力が比較的大きくなるので、節電のニーズの観点からすると好ましくない状況である。

　このため、第１動作において電力使用率Ｐが所定値を越えると、制御部（44）が第１動作から第２動作へと運転を切り換える。これにより、室内のＷＢＧＴ値を目標値に維持する運転に自動的に切り換えることができ、熱中症の発生を確実に抑制しつつ、冷房能力が過剰となることも防止できる。

　また、第２動作中において、人検知センサ（33）が室内に人（Ｈ）が存在しないことを検知すると、制御部（44）は、第２動作から第１動作へと運転を切り換える。つまり、室内に人（Ｈ）が存在しない場合、熱中症の発生を考慮する必要がない。そこで、この場合には、第２動作から第１動作へと自動的に運転を切り換えて、室内の温度を目標温度Ｔsに近づけるように運転を行う。

　　－実施形態１の効果－
　上記実施形態によれば、空気の温度と湿度とを用いて導出したＷＢＧＴ値が目標値に近づくように、空調ユニット（10）の能力を調節している。これにより、室内を、熱中症が発生しにくい環境に維持でき、在住者（H）が熱中症となるのを未然に回避できる。

　また、上記実施形態では、室内の温度管理を優先する第１動作と、熱中症の発生を抑制する第２動作とを切り換えて実行できるようにしている。これにより、運転条件やユーザーのニーズに合わせて、所望の運転を選択的に行うことができる。

　《発明の実施形態２》
　図４に示すように、実施形態２の空調システム（S）は、上述した空調ユニット（10）に加えて、空気調和部としての調湿ユニット（50）を備えている。調湿ユニット（50）は、室内の湿度を調節して室内の潜熱を処理する潜熱処理部を構成する。つまり、実施形態２の空調システム（S）は、顕熱処理部としての空調ユニット（10）と、潜熱処理部としての調湿ユニット（50）とによって、室内の顕熱と潜熱とが個別に処理される。

　調湿ユニット（50）は、天井裏に設置され、室外空気を取り込んで室内へ供給する外調機を構成する。調湿ユニット（50）は、上下に扁平な箱形のケーシング（51）と、ケーシング（51）に接続される第１と第２のダクト（52,53）とを有している。第１ダクト（52）の流入端は室外に開口し、第１ダクト（52）の流出端はケーシング（51）内の空気通路（54）に開口している。第２ダクト（53）の流入端は、空気通路（54）に開口し、第２ダクト（53）の流出端は、室内に開口している。

　ケーシング（51）内の空気通路（54）には、空気を除湿又は加湿する調湿部（55）が設けられる。調湿部（55）は、空気中の水分の吸着（収着）と、該水分の空気中への脱離とを行う吸着部材で構成される。吸着部材としては、空気が流通可能な直方体状の基材の表面に吸着剤が担持された吸着エレメントや、回転自在な円板状の基材の表面に吸着剤が担持された吸着ロータや、熱交換器の伝熱管やフィンの表面に吸着剤が担持され、冷媒によって吸着剤を加熱又は冷却する吸着熱交換器等、種々の方式を採用できる。また、調湿部（55）は、上記のような乾式の調湿部に限らず、例えば吸収液中に空気中の水分を吸収させる又は吸収液中の水分を空気へ放出させる、湿式の調湿部であってもよい。更に、調湿ユニット（50）は、室外空気を室内へ供給すると同時に、室内空気を室外へ排出する換気式であってもよい。

　実施形態２の空調システム（S）では、図５に示すように、コントローラ（40）からの制御信号により、空調ユニット（10）と調湿ユニット（50）との双方が制御されて、第２動作が実行される。具体的に、空調システム（S）の第２動作では、実施形態１と同様、室内の温度Ｔｒと室内の湿度Ｒｒとに基づいて、現時点での室内のＷＢＧＴ値が算出される。実施形態２では、このＷＢＧＴ値が目標ＷＢＧＴ値に近づくように、空調ユニット（10）の能力と、調湿ユニット（50）の能力とが個別に調節される。つまり、空調ユニット（10）が室内の温度を低下させるように能力が調節され、同時に、調湿ユニット（50）は、室内の湿度を低下させるように能力が調節される。これにより、実施形態２の空調システム（S）では、室内の温度を比較的高い状態としながら、室内のＷＢＧＴ値を目標ＷＢＧＴ値に近づけることができる。

　なお、このように空調システム（S）と調湿ユニット（50）との双方を運転させて、室内のＷＢＧＴ値を目標ＷＢＧＴ値に近づける場合には、調湿ユニット（50）での空気の湿度調節を優先して行うようにしてもよい。つまり、室内のＷＢＧＴ値は、特に室内の湿度によって大きく変化する。このため、調湿ユニット（50）での湿度調節を積極的に行うことで、室内のＷＢＧＴ値を速やかに目標ＷＢＧＴ値に近づけることができる。

　《その他の実施形態》
　上記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

　実施形態２の調湿システム（S）において、空調ユニット（10）を省略して調湿ユニット（50）のみで空気を調和するようにしてもよい。この場合の第２動作では、室内のＷＢＧＴ値が目標ＷＢＧＴ値に近づくように、空気の湿度のみを調湿ユニット（50）で調節する。この場合にも、室内のＷＢＧＴ値を目標ＷＢＧＴ値に近づけて、熱中症の発生を未然に回避できる。

　また、上記実施形態では、室内のＷＢＧＴ値に対応する空気の温度Ｔ１を、目標ＷＢＧＴ値に対応する空気の温度Ｔ２に近づけるように空調ユニット（10）を制御することで、結果的に、室内のＷＢＧＴ値を目標ＷＢＧＴ値に近づけている。しかしながら、上記のように求めたＷＢＧＴ値を、設定された目標ＷＢＧＴに直接的に近づけるように、空調ユニット（10）を制御してもよい。

　また、導出部（43）は、例えば上述した（１）式に基づいて、湿球温度と黒球温度とからＷＢＧＴ値を算出するようにしてもよい。また、導出部（43）は、データテーブル以外にも、室内の温度と室内の湿度とから、所定の経験式（近似式）を用いてＷＢＧＴ値を推定するようにしてもよい。

　更に、ＷＢＧＴ値以外の熱中症指数として、例えば熱指数を用いることができる。熱指数は、本来は、熱射病や熱疲労の発生のしやすさを、空気の温度と相対湿度とに基づいて表したものであるが、この熱指数を用いても熱中症の発生のし易さをある程度把握することができ、上記の第２動作に利用することができる。

　以上説明したように、本発明は、室内の空気を調和する空調システムについて有用である。

S　　空調システム
10　 空調ユニット（顕熱処理部、空気調和部）
33　 人検知センサ（人検知部）
43　 導出部
44　 制御部
45　 電力需給情報取得部（取得部）
50　 調湿ユニット（潜熱処理部、空気調和部）

Claims (5)

1. 　空気調和部（10,50）と、
   　空気の温度と空気の湿度との双方に基づいて熱中症指数を求める導出部（43）と、
   　前記導出部（43）で導出した熱中症指数が目標値に近づくように、前記空気調和部（10,50）の能力を調節する制御部（44）とを備えていることを特徴とする空調システム。
2. 　請求項１において、
   　前記空気調和部（10,50）は、空気の顕熱を処理する顕熱処理部（10）と、空気の潜熱を処理する潜熱処理部（50）とを備えていることを特徴とする空調システム。
3. 　請求項１又は２において、
   　前記制御部（44）は、空気の温度が目標温度に近づくように前記空気調和部（10,50）の能力を調節する第１動作と、前記導出部（43）で導出した熱中症指数が目標値に近づくように前記空気調和部（10,50）の能力を制御する第２動作とを切り換えて実行させることを特徴とする空調システム。
4. 　請求項３において、
   　電力供給量及び電力需要量を示す情報を取得する取得部（45）を備え、
   　前記制御部（44）は、前記第１動作中に、前記取得部（45）で取得した電力供給量に対する電力需要量の割合が所定値を越えると、該第１動作から前記第２動作へと運転を切り換えることを特徴とする空調システム。
5. 　請求項３において、
   　人の存在の有無を検知する人検知部（33）を備え、
   　前記制御部（44）は、前記第２動作中に前記人検知部（33）によって人が存在しないことが検出されると、前記第２動作から前記第１動作へと運転を切り換えることを特徴とする空調システム。
   　

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