JP2007285579A - 空調制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】室内温度と室内湿度を両方制御して、居住者の快適性を犠牲にすることなく、季節に応じたきめ細かくて効果の大きい省エネ空調制御を実現する。
【解決手段】快適性指標ＰＭＶ目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段２と、算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択して決定する温度設定値・湿度設定値決定手段３ａと、決定された温度値および湿度値となるように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、居住空間の快適性を犠牲にすることなく、季節に応じたきめ細かくて効果の大きい省エネ空調制御を実現するようにした空調制御装置に関する。

現在、建築設備全体の消費エネルギーの約半分が空調関連のエネルギー消費で占められていると言われている。このため、空調制御面で省エネルギーを推進することは建築設備全体の省エネルギーに大きく貢献する。アメニティ空間としての事務所ビル等では、室内での居住者の温熱感覚、いわゆる快適性を満足することが要求されている。省エネルギーと快適性は相反する面を持つこともある。しかし、居住者の快適性の範囲内で過剰なエネルギー消費を抑えることにより、エネルギーの無駄を省くことが可能である。

その一例として、快適性指標ＰＭＶを使用した空調制御が知られている。

従来、快適性指標ＰＭＶを用いて省エネルギーと居住者の快適性を両立させるようにした快適空調制御は既に実用化されている。例えば、特許文献１参照。また、できる限り消費エネルギーを抑える空調の温度・湿度制御アルゴリズム等も発明されている。例えば特許文献２参照。
特開平０５ー１２６３８０号公報「空調制御装置」 特開平１０−２９２９４１号公報「空調制御装置」 ：東芝レビュー，Vol.59 No.4，P40-P43 (2004)「ビル快適空調制御システムの開発と実用化」

上記特許文献１に記載の装置では、快適性指標ＰＭＶが一定となるような温度設定値を自動で演算する方式が採用されている。この場合、湿度をコントロールしない理由は、通常の空調機では湿度を低下させるために一旦過冷却させた後、加温して温度を一定に保つ必要がある。例えば、夏期の冷房時に除湿制御を行うと、供給空気の再加熱が必要になってくる。

上記の理由から、従来の湿度制御では、温度のみを制御する方式に較べてエネルギーを過剰に消費してしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、室内温度と室内湿度を両方制御して、かつ省エネと居住者の快適を両立させる空調制御装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために本発明は、人間の温熱感覚を快適性指標として用いた空調制御装置であって、前記快適性指標の目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段と、この室内温度・室内湿度の組算出手段によって算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択して決定する温度設定値・湿度設定値決定手段と、この温度設定値・湿度設定値決定手段によって決定された温度値および室内値となるように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段とを具備することを特徴としている。

本発明によれば、室内温度と室内湿度を両方制御して、居住者の快適性を犠牲にすることなく、季節に応じたきめ細かくて効果の大きい省エネ空調制御を実現することができる。

〈快適性指標ＰＭＶについて〉
初めに、本発明で用いる快適性指標ＰＭＶについて以下に簡単に説明する。

人間の快適性を考えて、適正な室内温熱環境を確保するにあたっては、暑さ、寒さに対する人間の温熱感覚を考慮することが重要である。これに影響を与える変数として次のものがある。

(1) 空気温度 (2) 相対湿度 (3) 平均輻射温度 (4) 気流速度 (5) 活動量(人体の内部発熱量) (6) 着衣量
人の発熱量は対流による放射量、輻射による放熱量、人からの蒸発熱量、呼吸による放熱量および蓄熱量の合計で、これらの熱平衡式が成立している場合は、人体が熱的に中立であり、暑くも寒くもない快適状態である。逆に熱平衡式がくずれた場合に人体は暑さ寒さを感じる。デンマーク工科大学のFanger教授は1967年に快適方程式の導出を発表し、これを出発点として人体の熱負荷と人間の温冷感を、欧米人の多数の被験者のアンケートから統計分析して結び付け、ＰＭＶ( Predicted Mean Vote:予測平均回答)を提案した。これは近年ＩＳＯ規格にも取り上げられ最近よく用いられるようになった。温冷感の指標となるＰＭＶは、次の７段階評価尺度による数値として表す。

＋３:暑い
＋２:暖かい
＋１:やや暖かい
０:どちらでもない、快適
−１:やや涼しい
−２:涼しい
−３:寒い
なお、人間の快適な範囲は−０．５〜＋０．５である。

上記、(1)〜(6)に示した六つの変数のうち作業強度を表す活動量は通常、代謝量metで示し、着衣量はcloの単位を用いる。

・ｍｅｔ（メット）
代謝量を表す単位で，熱的に快適な状態における安静時代謝を基準とする。

１（ｍｅｔ）＝５８．２（Ｗ／ｍ^２）＝５０（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ）
・ｃｌｏ（クロ）
衣服の熱絶縁性を表す単位で，１ｃｌｏとは気温２１℃，相対湿度５０％，気流５ｃｍ／ｓ以下の室内で，体表面からの放熱量が１ｍｅｔの代謝と平衡するような着衣状態での値で，通常の熱抵抗値に換算すると
１（ｃｌｏ）＝０．１５５（ｍ^２・℃／Ｗ）＝０．１８（ｍ^２・ｈ・℃／ｋｃａｌ）
となる。

快適な範囲内（−０．５＜ＰＭＶ＜＋０．５）で冷房時はより暑い方向の側に、暖房時はより寒い方向の側にＰＭＶ目標値を設定することで空調負荷の軽減が図れ、省エネルギーを達成できる。

温冷感の指標となるＰＭＶと、ファンガの快適方程式から算出される人体熱負荷Ｌとの対応は、大勢の被験者によるデータから統計的に分析され、予測平均回答ＰＭＶとして、これを人体負荷Ｌおよび代謝量Ｍの関数として次式で与えている。

〔数１〕
ＰＭＶ＝（０．３５２・ｅｘｐ（−０．０４２・Ｍ／Ａ）＋０．０３２）・Ｌ
ここで、Ｍ：活動量（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ）
Ａ：人体表面積（ｍ^２）
Ｌ：人体熱負荷（ｋｃａｌ／ｍ^２・ｈ）
なお、ＰＭＶの詳しい内容は、“空気調和・衛生工学会(編)：空気調和・衛生工学便覧 I巻 第１編・第３章”に記載されている。

〈第１実施形態〉
次に本発明による空調制御装置の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態では快適性指標としてＰＭＶを用いることとする。また、実施形態での制御対象となる空調機は、消費エネルギーを抑えて室内温度と室内湿度を個別に制御できるシステムとする。

図１は本発明による空調制御装置の第１実施形態を示すブロック図である。

同図に示す空調制御装置１ａは、ＰＭＶ目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段２と、この室内温度・室内湿度の組算出手段２によって算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択して決定する温度設定値・湿度設定値決定手段３ａと、温度設定値・湿度設定値決定手段３ａによって決定された温度値および湿度値と一致するように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段４とを備え、空調機５を制御して室内６の温度および湿度を調節する。なお、図中の７は室内６の温度計、８は室内６の湿度計である。

室内温度・室内湿度の組算出手段２は、例えば季節毎にＰＭＶ目標値を定めて、これを満たす室内温度と室内湿度の組を求める。図２は、ＰＭＶ目標値に対する室内温度と室内湿度の組み合わせの一例を示している。図２の例では、対象が事務所ビルでＰＭＶ目標値としては、夏の冷房時期は快適範囲上限０．５近くの０．３を、冬の暖房時期は快適範囲下限−０．５近くの−０．３とした。

事務所ビルを想定した計算条件は、活動量：１．２ｍｅｔ、風速（気流速度ｖ）：０．１ｍ／ｓで、夏の着衣量は０．５ｃｌｏ、冬の着衣量は１．０ｃｌｏ である。なお、風速ｖ≦０．１ｍ／ｓではＰＭＶの値は風速ｖによって変化しない。
温度設定値・湿度設定値決定手段３ａは、前述の室内温度と室内湿度の無数の組から省エネとなる温度・湿度の値を一定周期毎に決定する。例えば、外気温度と外気湿度の計測値から公知の関係式によって演算される外気エンタルピーと、室内温度と室内湿度の計測値から公知の関係式によって演算される室内空気エンタルピーとの差が極小となる室内温度と室内湿度の値を選ぶ（請求項４に対応）。

温度・湿度制御手段４は、ＤＤＣ（ Direct Digital Controller）などで構成され、室内温度および室内湿度が温度設定値・湿度設定値決定手段３から一定周期毎に出力されてくる温度設定値および湿度設定値に一致するように空調機に流れる冷温水や空気配管のダンパ開度等の操作量を、室内温度計測値、室内湿度計測値に基づいて温度、湿度個別に自動制御する。

図３は、温度・湿度制御手段４で温度及び湿度が調整される空調機５の具体的なシステム構成を示している。

同図に示すように、空調機５は、外気を導入して冷媒により冷却あるいは加熱する直膨コイル１１と、この直膨コイル１１で冷却あるいは加熱された外気を冷水または温水により、冷却または加温して室内への給気温度を調節する冷温水コイル１２とを備え、冷温水コイル１２で温度調整された空気を給気ファン１３によって室内６に給気する。

直膨コイル１１には、冷媒を圧縮するコンプレッサ１４と、圧縮された冷媒を凝縮させる凝縮器１５と、凝縮された冷媒を膨張させるための膨張弁１６とがこの順番で接続され、これによって冷媒サイクルが構成されている。

冷温水コイル１２には中央熱源（図示せず）から制御弁１７を介して冷温水が供給されており、供給された空気が冷却または加温されて室内６に供給されるようになっている。冷温水コイル１２を冷却した後の冷水は還り冷水として凝縮器１５に供給され、この凝縮器１５を冷却した後、中央熱源へ戻される。

室内６からの還気（リターン空気）は還気ファン１８によりダンパ１９を介して排気される一方、還気の一部がダンパ２０、配管２１、配管２２を介して外気と混合された後、直膨コイル１１に供給されている。また、ダンパ２３、配管２４を介して直膨コイル１１出側の配管２５において直膨コイル１１で冷却された外気と還気とが混合された後、冷温水コイル１２に供給されるように成っている。

また、空調制御対象となる室内６には、温度計７と、湿度計８とが設置されている。温度計７で計測された室内温度信号は、温度・湿度制御手段４のＤＤＣ４１に接続されており、このＤＤＣ４１によって、冷温水コイル１２に冷温水を供給する制御弁１７の制御が実行されている。また、湿度計８で計測された室内湿度信号は、ＤＤＣ４２に接続されており、このＤＤＣ４２によって、直膨コイル１１に還気を供給するダンパ２０と、冷温水コイル１２に還気を供給するダンパ２３の制御が実行されている。

以上の構成において、ダンパ２６、配管２２を介して導入された外気は直膨コイル１１で冷却される。直膨コイル１１を構成する蒸発器の冷媒蒸発温度は５℃程度になるため、外気の湿分を除去することができる。室内湿度は、湿度計８で計測され、室内湿度を制御するため湿分除去量は、直膨コイル１１の蒸発器を通過させる外気と還気の混合比を調節する、すなわち、湿度計８で計測された湿度に基づきＤＤＣ４２によるダンパ２３及びダンパ２０の開度調節により行われる。

直膨コイル１１を通過した混合空気は、室内に戻す還気量（戻し空気量）から直膨コイル１１を通過した還気量を引いた量と再び混合され、冷温水コイル１２に導入される。室内６からの還気と混合することにより、直膨コイル１１で過冷却された空気が暖められる。室内６の温度は給気温度を調節して行う。この制御は冷温水コイル１２の冷水／温水流量を室内６の温度計７の信号に基づいてＤＤＣ４１が制御弁１７の弁開度を自動制御することにより行われる。
以上の実施形態によれば、上述のような手段を講じたことにより、室内温度と室内湿度を両方制御して、居住者の快適性を犠牲にすることなく、季節に応じたきめ細かくて効果の大きい省エネルギーの空調制御を実現することができる。

また、温湿度制御における室温調整の再加熱の余分なエネルギー消費を抑制することができ、省エネルギーを達成することができる。

〈第２実施形態〉
図４は本発明による空調制御装置の第２実施形態を示すブロック図である。なお、図４において、図１と同一構成部分には同一番号を付してその説明は省略する。

同図に示す空調制御装置１ｂは、ＰＭＶ目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段２と、着衣量設定値と活動量設定値とから現在のＰＭＶ値を算出するＰＭＶ現在値算出手段５１と、ＰＭＶ目標値と算出されたＰＭＶ現在値とがずれている場合に現在ＰＭＶ値を目標ＰＭＶ値に一致させるべく温度設定値を修正する温度設定値修正手段５２と、室内温度・室内湿度の組算出手段２によって算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択するとともに、温度設定値修正手段５２によって修正された温度設定値により修正済温度設定値を決定する温度設定値・湿度設定値決定手段３ｂと、温度設定値・湿度設定値決定手段３ｂによって決定された温度値および湿度値となるように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段４とを備えている。

現在ＰＭＶ値算出手段５１は、着衣量及び活動量設定値や温度、湿度等の計測値からＰＭＶ値を演算する。また、温度設定値修正手段５２は、ファジィ推論により修正値を演算して今回周期における温度設定値を求める。具体的な方法は、例えば、特許第３０４９２６６号（特開平５−１２６３８０号）公報や、特開平１０−１４１７３６号公報に詳述されている。

現在ＰＭＶ値算出手段５１および温度設定値修正手段５２の具体的な構成例を図５に示す。この例は、特許第３０４９２６６号公報に開示されたものである。

図５に示すように、現在ＰＭＶ値算出手段５１は、ニューラルネットワークＮＮを主要構成部とするニューロＰＭＶ演算部５３と、アンケートにより収集されたデータをニューラルネットワークＮＮに供給する設定部５４とを備えている。

ニューロＰＭＶ演算部５３は、ニューロＰＭＶを学習により求めるニューラルネットワークＮＮと、初期のＰＭＶをＰＭＶ演算式により求めるＰＭＶ演算部５５と、ニューラルネットワークＮＮの各層間の重みを演算する逆伝搬学習部５６と、学習時において設定部５４側に切り替わる切り替えスイッチ５７とを備え、着衣状態、活動状態、室内６の湿度、温度、平均輻射温度、気流速度の各変数を入力してニューロＰＭＶを演算する。このため、図４に示すように、室内６には、温度計７、湿度計８の他に、気流速度計６１と平均輻射温度計６２とが設けられ、その計測値である温度、平均輻射温度、気流速度、湿度の各変数がニューロＰＭＶ演算部５３に供給されている。なお、前記着衣状態と活動状態は、外部より設定される値である。

また、温度設定値修正手段５２は、演算されたニューロＰＭＶ値とＰＭＶ目標値との偏差Ｅpを求める偏差演算部７１と、偏差Ｅpの変化量ΔＥpを演算する変化量演算部７２と、偏差Ｅpと偏差Ｅpの変化量ΔＥpとを入力して室温設定値の変化量をファジィ推論により演算するファジィ演算部７３と、演算された室温設定値の変化量を累積加算して室温設定値を求める加算部７４とを備えている。

この場合、変化量演算部７２は、偏差演算部７１で求められたＰＭＶ値の偏差Ｅpを入力してその前回値との差を演算し偏差Ｅpの変化量ΔＥpをファジィ演算部７３に供給する。

ファジィ演算部７３には、ファジィ制御ルールテーブルと、メンバーシップ関数（何れも図示を省略する）が予め設定されており、これらファジィ制御ルールテーブルと各メンバーシップ関数とから温度設定値の変化量（補正量）が求められる。そして、加算部７４は、前回の温度設定値に温度設定値の変化量を加算して今回の温度温設定値を求めて温度設定値・湿度設定値決定手段３ｂに供給するのである。

以後の温度設定値・湿度設定値決定手段３ｂの動作および温度・湿度制御手段４の動作は図１に示した第１実施形態と同様である。

以上の実施形態によれば、上述のような手段を講じたことにより、室内温度と室内湿度を両方制御して、居住者の快適性を犠牲にすることなく、季節に応じたきめ細かくて効果の大きい省エネ空調制御を実現することができる。

〈他の実施形態）
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できるものである。

例えば、上述した各実施形態において、温度設定値・湿度設定値決定手段３は、室内温度と室内湿度の組（図２）から温度と湿度の値を選ぶ場合、湿度の下限制限値（例えば３０％）を設けるようにしても良い。これは人間の健康を考慮して、過乾燥状態を避けるためである。同様に、過湿度状態を避けるために、湿度の上限制限値（例えば７０％）を設けるようにしても良い（請求項５に対応）。

また、上述した各実施形態においては、快適性指標としてＰＭＶ値を用いたが、ＰＭＶ以外の快適性指標として“新有効温度”や“標準有効温度”を用いるようにしても良い。

さらに、第２実施形態において、温度設定値修正手段の構成（図５参照）としてファジイ演算を用いた例を示したがＰＩＤ演算などでも良い。

また、各実施形態は可能な限り組み合わせて実施することが可能であり、その場合には組み合わせによる効果が得られる。

本発明による空調制御装置の第１実施形態を示すブロック図。 ＰＭＶ目標値を満たす室内温度と室内湿度の組の例を示す説明図。 本発明が適用される直膨コイルと冷・温水コイルを用いた空調システムの一例を示すブロック図。 本発明による空調制御装置の第２実施形態を示すブロック図。 第２実施形態の現在ＰＭＶ値算出手段および温度設定値修正手段の詳細な構成を示すブロック図。

符号の説明

１ａ，１ｂ：空調制御装置
２：室内温度・室内湿度の組算出手段
３ａ，３ｂ：温度設定値・湿度設定値決定手段
４：温度・湿度制御手段
５：空調機
６：室内
７：温度計
８：湿度計
５１：現在ＰＭＶ値算出手段
５２：温度設定値修正手段
６１：気流速度計
６２：平均輻射温度計

Claims (5)

1. 人間の温熱感覚を快適性指標として用いた空調制御装置であって、
   快適性指標の目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段と、
   この室内温度・室内湿度の組算出手段によって算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択して温度設定値および湿度設定値を決定する温度設定値・湿度設定値決定手段と、
   この温度設定値・湿度設定値決定手段によって決定された温度値および室内値となるように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段と、
   を具備することを特徴とする空調制御装置。
2. 人間の温熱感覚を快適性指標として用いた空調制御装置であって、
   快適性指標の目標値に対応する室内温度と室内湿度との組み合わせを算出する室内温度・室内湿度の組算出手段と、
   この室内温度・室内湿度の組算出手段によって算出された室内温度・室内湿度の組み合わせの中から省エネルギーとなる室内温度と室内湿度の組み合わせを一定周期毎に選択して温度設定値および湿度設定値を決定する温度設定値・湿度設定値決定手段と、
   着衣量設定値および活動量設定値と、温度計測値および湿度計測値とから現在の快適性指標値を求める現在快適性指標演算手段と、
   この現在快適性指標演算手段によって求められた快適性指標現在値が前記快適性指標の目標値からずれているときは、前記温度設定値・湿度設定値決定手段で選択された温度設定値を修正することにより、快適性指標を目標値に一致させる温度設定値を求める温度設定値修正手段と、
   この設定値修正手段で修正された温度設定値および湿度設定値となるように室内温度および室内湿度を個別に制御する温度・湿度制御手段と、
   を具備することを特徴とする空調制御装置。
3. 請求項１または２に記載の空調制御装置において、
   前記快適性指標としてＰＭＶを用いることを特徴とする空調制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の空調制御装置において、
   前記温度設定値・湿度設定値決定手段は、室内温度と室内湿度で求められる室内空気エンタルピーと外気温度と外気湿度で求められる外気エンタルピーとの差が極小となる室内温度と室内湿度の値を選択することを特徴とする空調制御装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の空調制御装置において、
   前記温度設定値・湿度設定値決定手段で選択される室内湿度の値に上下限の制限範囲を設けて湿度設定値を決定することを特徴とする空調制御装置。

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