JP2005055102A - 機器コントロール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エアコンと床暖併用の空調を行う場合、それぞれの機器が独立して制御を行うため、床暖の設定温度や設定室温が高くなりすぎ、省エネ性や快適性を損なう場合がある。
【解決手段】機器コントロール装置によって、試運転で行われる床温センサを用いた床温度上昇確認の際に、部屋の熱的特性を把握することによって、床の表面温度を予測し、ネットワークに接続した床暖とエアコンを併用した場合に、快適性を損なわない範囲で、省エネルギーまたは、低コスト、または低ＣＯ２排出量になる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネットワークにより機器を制御し、快適性と利便性、省エネルギーを実現する機器コントロール装置、特に、給湯器、エアコンを制御することを目的とした機器コントロール装置に関するものである。

従来、給湯器は、入浴の際に瞬間的にお湯を生成する機能だけを有するのものであったが、今日、給湯器も様々な構成、機能を有するものが増えてきている。

その一つに、給湯器で生成される湯を用いた床暖房があり、近年では、床暖を設置する家庭も多く、新築分譲マンションでの採用率は８０％に上っている。室内の快適性に影響を及ぼす要因には、室温と湿度、輻射、気流、人体の状態があり、特に、室温以外には、輻射が大きく影響してくる。そのため、輻射熱を放射する床暖は快適性を高めるには有効な手段であるといえる。現在のガス給湯による温水床暖房のほとんどは、床面より離れた位置に設置されているリモコン内部に付属の温度センサを用いて室温を検出し、ユーザの決定する暖房レベルによって予め決定しておいた目標温度との差により、床下に流す温水の時間を間欠制御したり、ガスの燃焼時間を間欠制御したりする方法を取っている。これにより床の表面温度が一定になるように制御している。実際の床暖房使用においては、エアコン等の他の空調機器が併用されることが多い。その理由の一つは、床暖房の温度の立ち上がりが緩やかであることから、暖房開始時に空調機器により急速に室温を上げるためであり、他の理由として、空調機器単独運転の場合に比べて床暖を併用することにより、足元の冷えが防止されることと、床暖房の輻射により空調機器の設定温度を下げても快適性が損なわれないため、空調機器の省エネルギーを実現できることがある。空調機器を併用した場合の制御方法には、床の表面温度をセンシングすることにより床暖房の運転状況を判断し、空調機器の温度設定を一定温度変更する方法がある（例えば特許文献１参照。）。また、設定した床温にするために、予めニューラルネットワークを用いて学習した温度と温水制御時間の関係を用いる方法（例えば特許文献２参照。）がある。

一方、深夜の安価な電力やガスを利用して貯湯タンクを有する貯湯式給湯器も多く見られるようになってきている。これらの給湯器では、湯切れを防止するため、一般家庭における最大の貯湯量を想定し、季節や設置家庭の使用状況とは無関係に一定量を貯湯する方法をとっている。万一、湯がなくなった場合は、追い炊きを行っている。

また、湯張りをタイマーにより行う機能は一般的に付属している。また、生活パターンを学習しパターンに学習したパターンによって行う機器動作をコントロールする機能も考案されている。
特許第２９４０７４４号公報 特開２０００−３０４２８６号公報

従来における床暖の制御を行った場合、ある程度は快適性を維持しつつ空調機器の省エネルギーを実現することは可能であるが、輻射センサ等により床温を計測する必要があるため、システムのコストアップにつながる。輻射センサを用いずに、予めニューロで学習した温水制御モデルを用いて床温度を制御する方法もあるが、暖房機器の効率は個々の住宅性能により異なってくるため、予め学習した結果を使用するのでは必ずしも正しいものにはならず、快適性を維持した省エネ制御にはならない可能性がある。

また、貯湯タンクを有する給湯器においては、季節や使用状況に関わらず一定の湯を生成するため、残り湯が生じ、エネルギーのロスが発生する。しかも、残湯量が少なくなった場合は、追い炊きをするため経済的にもロスのある運転をしている。

加えて、給湯器が多機能になっているにも拘わらず、湯張り等の動作をさせる場合は、浴室内や、例えば、台所等の離れた場所にあるリモコンを手動で操作しなければならない状況になっている。この手間を省くための予め決めておいた時間や学習した生活パターンによる機器コントロールでは、毎日決まったスケジュールで生活をすることが前提となっているが、同じパターンで行動をすることはあっても、全く同じ時間に行動することはありえないため、この方法は現実的ではない。

本発明は、このような課題を解決するため、センサと機器、ネットワークを用いて、省エネルギーで快適、便利な機能を提供することを目的とする。

第１の発明にかかる機器コントロール装置において、試運転でのみ行われる床温センサを用いた床温度上昇確認の際に、部屋の熱的特性を把握することによって、床の表面温度を予測し、ネットワークに接続した床暖とエアコンを併用した場合に、快適性を損なわない範囲で、省エネルギーまたは、低コスト、または低ＣＯ２排出量になる制御を行う。

第２の発明にかかる機器コントロール装置において、給湯時の外気温センサ、水量センサのモニタリングから個人の湯使用量を予測し、残湯量が少なくなった場合に、追い炊きをする量を減らすため、入浴方法をアドバイスする。

第３の発明にかかる機器コントロール装置において、給湯を開始するきっかけとなる動作と、動作する機器、機能を設定し、設定された動作が行われたことを検出して設定された機器のコントロールを行う。

以上の発明により、個別に制御を行っていた各機器を、新たなセンサを付加することなく、各機器が既に装備しているセンサからの情報を解析することで、使用状況を判断してコントロールをすることにより、省エネルギーで快適、便利な生活を提供することができる。

以下図面に基づき本発明の実施の形態を示す。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１の床暖とエアコンを併用した場合の制御を行うコントロール装置、及び、ネットワークにより接続された機器の構成を示す図である。本実施の形態において接続した機器は、床暖給湯器とエアコンである。１は本実施の形態における機器コントロール装置、２はネットワークにより機器コントロール装置に接続された床暖付き給湯器、３はネットワークにより機器コントロール装置に接続されていたエアコンである。

まず、床の表面温度と部屋の熱損失係数、壁・天井の熱容量を求めるため、床暖設置後の試運転時に、情報送受信部１６を用いて、床暖２の床暖運転条件取得部２３が有する、床温度センサ、室温センサにより、床表面温度、室内温度の時間変化情報を床暖情報送受信部から、部屋の床面積、天井高情報を部屋条件取得部１１から取得する。床面積、天井高は、ユーザの入力による。図２は床暖単体による暖房時の各部位の数時間に亘る温度変化を示している。試運転時に取得する時系列の温度変化に該当する部分は、温度が急激に上昇する３０分程度の時間である。ここでの床温度センサは、施工チェックと、運転条件の取得のために試運転時には用いるが、ユーザの実際の使用では取り外す。

次に、予測処理部１２内の部屋特性予測部１２１により、部屋の熱損失係数を算出する。図３は、部屋特性予測部１２１に用いたニューラルネットワークの概念図を示すものである。ニューラルネットワークはニューロン３０１の集合である入力層、ニューロン３０２の集合である１層の中間層、ニューロン３０３の集合である出力層の三層を持つ階層型ネットワークを用い、入力層へ与えるデータは、外気温、室内温度の時系列情報、投入熱量、床面積、天井高とし、出力層で得られるデータは熱損失係数、壁・天井の熱容量とした。投入熱量は床表面から室内へ与えられた熱量で、床面積と床表面温度の積とした。教師データには、予め、熱流体解析ソフトを使用して計算した結果を与え、各ニューロンの結びつきの重みを学習させた。この学習させたニューロモデルに情報送受信部１６、部屋条件取得部１１からの取得情報を入力し、熱損失係数、壁・天井の熱容量を得る。

次に、予測処理部１２内の床表面温度予測部１２２により、床表面温度を算出する。図４は、床表面温度予測部１２２に用いたニューラルネットワークの概念図を示すものである。ニューラルネットワークはニューロン４０１の集合である入力層、ニューロン４０２の集合である１層の中間層、ニューロン４０３である出力層の三層を持つ階層型ネットワークを用い、入力層へ与えるデータは、熱損失係数、壁・天井の熱容量、外気温の時系列情報、室内温度の時系列情報、床面積、天井高、エアコン投入熱量、床暖投入熱量とし、出力層には床表面温度とした。教師データには、予め、熱流体解析ソフトを使用して計算した結果を与え、各ニューロンの結びつきの重みを学習させた。この学習させたニューロモデルに、部屋特性予測部１２１で求めた、熱損失係数、壁・天井の熱容量と、情報送受信部１６により受信するエアコン３のエアコン運転条件取得部３３が有する温度センサが取得した外気温、室内温度の時系列情報、エアコン制御部３２から得たエアコン投入熱量、床暖制御部２２から得た床暖投入熱量と、部屋条件取得部１１から得た床面積、天井高と、計算によって求めた床暖伝導率とを入力し、床表面温度を得る。

入力層に与えるデータのうち、床暖伝導率は試運転時に得られた床の表面温度により得る。図５は温水温度と床表面温度の温度推移を示す図である。図中のｔ０からｔ１の間で、温水から床材への単位時間あたりの熱の伝わり易さを示す床暖伝導率を得る。次式は、床暖伝導率を求める式である。

ｋ＝Ｑ／（Ｔ１−Ｔ０）
Ｑ：時刻ｔ０からｔ１間の投入熱量の積
Ｔ０：時刻ｔ０の床表面温度
Ｔ１：時刻ｔ１の床表面温度
ｋ：床暖伝導率
この床表面温度予測部１２２は、熱損失係数等の部屋の熱特性や部屋内外の時系列の温度情報を入力値として用いるため、床暖、エアコンがついてない状態でも予測することが可能である。

次に、床表面温度予測部１２２と部屋特性予測部１２１によって得られた情報から、制御方法決定部１３の有する快適性評価部１３１により、室内の快適性の評価を行う。快適性の評価には、国際規格ＩＳＯ７７３０で規定されている評価指標ＰＭＶを用いた。ＰＭＶ算出式は以下のように定義されている。

ただし、Ｔｃｌ、Ｈｃ、Ｆｃｌは次のように求めることが出来る。

次に使用している各記号の意味を示す。

Ｍ：体表面積の新陳代謝量（１ｍｅｔ＝５８Ｗ／ｍ２）
Ｗ：外部仕事（ほとんどの活動では０）［Ｗ／ｍ２］
Ｉｃｌ：衣服の熱抵抗［ｍ２・℃／Ｗ］
Ｆｃｌ：裸体時皮膚表面積に対する着衣時の皮膚露出表面積の割合
Ｔａ：空気温度［℃］
Ｔｒ：平均輻射温度［℃］
Ｖａｒ：相対風速［ｍ／ｓ］
Ｐａ：水蒸気分圧［Ｐａ］
Ｈｃ：対流熱伝達率［Ｗ／（ｍ２・℃）］
Ｔｃｌ：衣服の表面積率［℃］
本実施の形態においては、これらの評価要素のうち、Ｍ（体表面の新陳代謝量）、Ｗ（外部仕事）、Ｉｃｌ（衣服の抵抗値）、Ｐａ（水蒸気分圧）は、室内の作業、季節的を考慮した値を予め設定し、ＨｃとＴｃｌについては、反復法によって求めた。Ｔａ（空気温度）とＶａｒ（相対風速）は情報送受信部１６を用いて、エアコン運転条件取得部３３の有する室温センサ、風速センサにより得た。Ｔｒ（平均輻射温度）は床表面温度予測部１２１の予測した床表面温度から値に係数をかけ使用した。その後、優先項目入力部１４で選択される、消費エネルギー、または、ランニングコスト、または、ＣＯ２排出量のいずれかの項目が最小になり、かつ、ＰＭＶが０に近い値を取るような運転パターンを、エネルギー源情報保持部が保持しているガス、電気の単価、エネルギー効率、ＣＯ２排出量を基に、制御方法決定部１３により決定し、情報送受信部１６から、床暖情報送受信部２１と、エアコン情報送受信部３１を用いて、床暖制御部２２、エアコン制御部３２へ制御方法を送信することにより、ネットワークに接続された床暖、エアコンの制御を行う。

本実施の形態において、試運転時に得られる各運転条件を用いて、予測処理部１２で部屋特性、床表面温度を予測し、床暖、エアコンの出力を同時に制御することにより、従来では不可能であった住宅性能に合う、快適で省エネルギーを実現する空調制御を行うことが可能になった。

（実施の形態２）
実施の形態２では、接続する機器は、貯湯タンク付き給湯器と画像表示装置である。図６は、実施の形態２に係る個人使用湯量を予測することにより、貯湯量制御、入浴アドバイス表示を行うコントロール装置、及び、ネットワークにより接続された機器の構成を示す図である。４は、貯湯タンク付き給湯器であり、５は、画像情報、文字情報を表示する表示装置である。まず、家族が入浴する際、誰が入浴するかをボタン操作によって入浴者入力部２０で入力を行う。この入力は、入浴の度に押す必要はなく、初回入浴、または、個人毎の予測を改めて行いたい場合に行えばよい。次に、情報送受信部１６を用いて、貯湯タンク付き給湯器４の有する室温センサ、外気温センサ、水量センサにより、室温情報と外気温情報、水温情報、水量情報と、給湯器の運転状況を貯湯タンク付き給湯器４から、取得し、データ蓄積部１７へデータを日々蓄える。次に、データ蓄積部１７に蓄えられたデータを用いて、予測処理部１２内の個人使用湯量予測部１２３により、家族個人の使用する湯量を予測する。図７に湯使用の例を示す。ここでの湯は、浴室内で使用した給湯量を示しており、横軸に時間、縦軸に温水使用量をとっている。湯の使用形態は、シャワーの強さ、好みの湯温、体を洗う順等、個人によって異なってくるため、日々の使用形態を学習することにより、個人の入浴における湯の使用量を特定することができる。本実施の形態では、個人使用湯量予測部１２３において、ニューラルネットワークの応用アルゴリズムであるＳＯＭ（Ｓｅｌｆ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｐ）を用い、入力データを入浴開始時間（Ｐ１）、入浴所要時間（Ｐ２）、単位時間あたりの湯の流量（Ｐ３）、給湯回数（Ｐ４）、一給湯あたりの給湯時間（Ｐ５）、温水温度（Ｐ６）の６次元のベクトルとし、湯使用量を休日、平日に分けてクラスタリングすることで測定する。入浴者入力部２０で入力した個人と、入浴パターンを結びつけるには、クラスタ中に含まれる、入浴者入力部２０で入力した個人の識別により行う。情報送受信部１６を用いて得る残湯量情報により残湯量が少ないことを検知した場合、個人使用湯量予測１２３で予測した結果から、入浴回数予測部１２４により入浴可能な回数と、入浴方法を予測する。最後に、予測した結果を画像表示装置へ表示するために、情報送受信部１６を用いて、表示装置５の表示情報送受信部５１へ予測結果を送信する。画像表示装置へは、例えば、残湯量を示す図とともに「お父さんの入り方なら２人入れます」といった文字情報も示す。これにより、不意に大量の湯が必要になった場合に、深夜に蓄える湯に比べてコストが割高になる追い炊きを減らすため、入浴に対する使用実態に即したアドバイスを行うことが出来、ユーザの利便性を向上させることができる。また、個人毎の使用湯量を表示することで家族内で比較してエネルギー使用の多い個人を特定でき、省エネルギーの意識を啓発することができる。なお、今回、入浴者入力部では、ボタン操作によって個人の入力を行ったが、画像認識、指紋認証、虹彩認証等の手段を用いても良い。

（実施の形態３）
実施の形態３では、接続する機器は給湯器とコンロである。図８は、実施の形態３に係る機器の操作を検出することにより、関連づけられた機器の制御を行うコントロール装置、及び、ネットワークにより接続された機器の構成を示す図である。５−１から５−ｎはＮ個のネットワークに接続された機器で、６は、給湯器である。

まず、予め、トリガ設定部１８でトリガとする操作とコントロールの対象とする機器と機能を設定する。次に、情報送受信部１６で受信されるネットワークに接続された機器５−１から機器５−ｎの操作情報、センサ情報等からトリガ検出部１９により、ガスコンロのトリガとなる操作が検出された場合、制御方法決定部１３では、トリガ情報とトリガ機器の組み合わせから制御対象の機器と機能、制御時間を選択し、情報送受信部１６と機器情報送受信部６１を用いて、機器制御部６２へその機能を送信する。例えば、調理行動が送信された場合、具体的な行動はガスコンロを連続して２０分間使用された場合であるが、行動開始から６０分後に給湯の湯張りが開始される。実施の形態３では、既にあるボタン押下装置を用いた操作情報をトリガとしたが、カメラからの画像を処理して得られる行動や、センサ情報から得られる行動をトリガとすることでも実施は可能である。これらにより、決まった順序で行動する場合に、コントロール装置が次の行動の準備をすることでユーザの利便性を向上させることができる。

本発明にかかる機器コントロール装置は、ネットワークに接続された機器を省エネ性、快適性等の点で効率よく運用するという効果を有し、家庭内の集中管理装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態における構成を示す図 同実施の形態における床暖単体における各部位の温度推移の例を示す図 同実施の形態における部屋特性予測部のニューラルネットワークの概念を示す図 同実施の形態における床表面温度予測部のニューラルネットワークの概念を示す図 同実施の形態における床暖伝導特性を求める際のデータ取得を示す図 本発明の第２の実施の形態における構成を示す図 同実施の形態における湯使用の例を示す図 本発明の第３の実施の形態におけるコントローラの構成を示す図

符号の説明

１ コントロール装置
２ 床暖機能付き給湯器
３ エアコン
１１ 部屋条件取得部
１２ 予測処理部
１３ 制御方法決定部
１４ 優先項目入力部
１５ エネルギー源情報保持部
１６ 情報送受信部
２１ 床暖情報送受信部
２２ 床暖制御部
２３ 床暖運転条件取得部
３１ エアコン情報送受信部
３２ エアコン制御部
３３ エアコン運転条件取得部
１２１ 部屋特性予測部
１２２ 床表面温度予測部
１３１ 快適性評価部

Claims (8)

1. ネットワークに接続する機器を制御する機器コントロール装置において、
   前記ネットワークに接続する機器が運転のために取得する情報を受信し、機器コントロール装置が算出する機器の運転制御情報を前記ネットワークに接続する機器へ送信する情報送受信部と、
   室内の床面積と天井高さの情報を取得する部屋条件取得部と、
   前記情報送受信部及び部屋条件取得部で取得した情報に基づき前記室内の熱損失係数を算出する部屋特性予測部と、
   前記算出した熱損失係数に基づき室内の床表面温度を算出する床表面温度予測部と、
   を備えた機器コントロール装置。
2. 前記情報送受信部で受信する情報は、受信する時点での外気温、室温、水温、床表面温度、前記接続する機器の運転状態、とそれらの履歴であることを特徴とする請求項１記載の機器コントロール装置。
3. 前記床表面温度予測部の算出した床表面温度と前記情報送受信部で取得した室温に基づき、快適性を評価する快適性評価部と、
   前記機器を制御する優先項目を選択する優先項目入力部と、
   前記快適性と前記優先項目に基づき前記機器を制御する制御方法決定部とを
   備えた請求項２記載の機器コントロール装置。
4. 前記機器は、室内の温度を調節する空気調和機又は床暖房を行う床暖房付き給湯器であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の機器コントロール装置。
5. 貯湯タンク付き給湯器を制御する機器コントロール装置において、
   外気温情報と、水温情報、水量情報、水位情報、残湯量情報を受信し、前記貯湯タンク付き給湯器へ運転制御情報を送信する情報送受信部と、
   前記情報送受信部が受信する情報を保持するデータ蓄積部と、
   前記データ蓄積部のデータに基づき個人毎の使用する湯量を予測する個人使用湯量予測部と、
   前記個人湯量予測部から予測された湯量に基づき貯湯量を決定する貯湯量決定部とを備えた機器コントロール装置。
6. 前記個人湯量予測部の予測湯量に基づき入浴可能回数を表示する表示部を備えたことを特徴とする請求項５記載の機器コントロール装置。
7. ネットワークに接続する複数の機器を制御する機器コントロール装置において、
   前記機器の制御トリガ情報を保持するトリガ設定部と、
   前記機器からの情報を受信し、運転制御情報を前記機器へ送信する情報送受信部と、
   前記機器からの前記情報送受信部が受信する情報からトリガ情報を検知し、前記トリガ検知部で検知した機器と連動する機器をトリガ設定部から取得するトリガ検出部と、
   前記連動する機器を制御する機器制御部とを備えたことを特徴とする機器コントロール装置。
8. 前記ネットワークに接続する機器は、コンロであり、前記送受信する情報は、機器操作情報である請求項７記載の機器コントロール装置。

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