JP2008075973A - 空調用センサーシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、限られた数のセンサーを用いて、室内の空調の制御対象となる位置における環境状態を推定することのできる空調用センサーシステムを提供することにある。
【解決手段】室内に環境状態を測定するためn個の温度センサーが設けられ、室内における指定箇所の環境状態を推定するために、n個のセンサーのうちm個のセンサーを選択し、選択されたm個のセンサーの測定結果に基いて、指定箇所の環境状態を推定する空調用センサーシステム。
【選択図】 図1

Description

本発明は、空調の制御に用いられる空調用センサーシステムに関する。
一般的に、ビルなどに設置される空調システムでは、小規模な場合には室内に設置された一台あるいは一群の空調機を居住者がリモートコントローラにより操作し、希望する室温を設定して運転される。また、大規模な場合には、天井付近に給気口および吸引口(排気口)があり、例えば冷房の場合、離れた場所におかれた空調機からダクトを通じて冷風を導入して給気口から室内に給気し、室内の暖かい空気あるいは汚染された空気を吸引口からダクトを通じて排気をおこなう。この場合、居室内あるいは吸引口付近に設けられた温度センサーを用いてビル内に設けられた中央制御室において全体の運転が制御される。場合によっては、両者が併用されることもある。
また、一台および一群の空調機を局所的に制御する場合には、室内に設置されたリモートコントローラを居住者が操作して希望する温度を設定し、対応する空調機がリモートコントローラの位置あるいは空調機の給気口付近に設置された温度センサーの測定値が設定された温度になるように空調機を制御する。
この場合、リモートコントローラの位置あるいは空調機の給気口付近の温度は設定値に近い値となるが、居住者の位置は通常はこれらの位置と異なるため、居住者の位置において必ずしも希望の温度になるとは限らず、必ずしも快適な空調が得られないことが多い。
ビル内の中央制御室において運転制御された空調機の場合にも、室内あるいは空調機の吸引口付近に設置されたセンサーにより測定された温度を用いて制御を行うため、居住者の位置によっては快適な空調が得られないことが多い。
そこで、各居住者ごとに空調機の吹出し口を設ける等して個別に快適な環境を設けるものとしてパーソナル空調装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。また、居室をいくつかのエリアに分けて、各エリアを担当する複数の空調機を連携制御することが開示されている(例えば、特許文献2参照)。
特公平07−88950号公報 特開2005−134021号公報
しかしながら、先行技術文献に開示されている方式では、センサーの位置と空調の制御対象となる位置(例えば、居住者の位置)が必ずしも一致しないため、空調の制御対象にしたい位置を最適に管理できるとは限らない。
例えば、居住者ごとに空調機を配置する場合、居住者ごとの位置の環境状態(温度、湿度、二酸化炭素濃度など)を測定する必要があり、このために居住者の位置に温度センサー等を配置する必要がある。しかし、居住者が移動したり、机等の配置が変化した場合にはセンサーを設置し直し、制御アルゴリズムを見直す必要がある。
また、センサーを設置する数は、設置箇所又はコストなどにより限られており、室内の任意の点を測定するように、センサーを設けることは、現実的には困難である。
そこで、本発明の目的は、限られた数のセンサーを用いて、室内の空調の制御対象となる位置における環境状態を推定することのできる空調用センサーシステムを提供することにある。
本発明の観点に従った空調用センサーシステムは、室内の環境状態を測定するための少なくとも2つ以上であるn個のセンサーと、前記室内における指定された指定箇所の環境状態を推定するために、前記n個のセンサーのうちn個よりも少ないm個の前記センサーを選択するセンサー選択手段と、前記センサー選択手段により選択された前記m個のセンサーの測定結果に基いて、前記指定箇所の環境状態を推定する環境状態推定手段とを備えた構成である。
本発明によれば、限られた数のセンサーを用いて、室内の空調の制御対象となる位置における環境状態を推定することのできる空調用センサーシステムを提供することができる。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムの構成を示すブロック図である。なお、以降において、同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
本空調システムは、空調用センサーシステムを採用して、室内の空調を管理するシステムである。本空調用センサーシステムは、部屋の全体の環境状態(温度及び湿度など)を表す分布(以下、「環境状態分布」という。)を作成する。本空調システムは、空調用センサーシステムで作成された環境状態分布に基いて、空調を管理する機器を制御する。
まず、本空調システムの適用された部屋について説明する。
入口は、南側に位置している。部屋の入口側には、廊下がある。奥の壁は、北側に位置している。奥の壁は、窓があり、屋外に接している。入口から見て左右(東側及び西側)には、別の部屋が隣接している。
本空調システムは、センサーSR11〜SR16,SR21〜SR26,SR31〜SR36,SR41〜SR46,SR51,SR52,SR61〜SR63(以下、総称して「センサーSR」という。)と、制御装置1と、空調装置101,102とからなる。
図2は、第1の実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーの設置位置を示す配置図である。
センサーSR11〜SR63は、温度及び湿度を測定するためのセンサーである。センサーSR11〜SR16は、部屋の入口から見て、奥(北側)の壁に設置されている。センサーSR21〜SR26は、部屋の入口から見て、右側(東側)の壁に設置されている。センサーSR31〜SR36は、部屋の入口から見て、左側(西側)の壁に設置されている。センサーSR41〜SR46は、部屋の入口側(南側)の壁に設置されている。センサーSR51,SR52は、天井(上側)の空調機の吸気口付近に設置されており、センサーSR51は西側、センサーSR52は東側に設置されている。センサーSR61〜SR63は、室内の机上(下側)に設置されている。
センサーSR11〜SR13,SR21〜SR23,SR31〜SR33,SR41〜SR43は、部屋の上部に設置されている。センサーSR14〜SR16,SR24〜SR26,SR34〜SR36,SR44〜SR46は、部屋の下部に設置されている。
センサーSR12,SR15,SR22,SR25,SR32,SR35,SR42,SR45は、壁の中央付近に設置されている。
制御装置1は、センサーSR11〜SR63により測定した温度及び湿度に基いて、部屋の全体の環境状態分布を作成する。制御装置1は、作成した環境状態分布に基いて、空調装置101,102を制御する。
制御装置1は、コンピュータである。コンピュータは、演算部及び記憶部を有している。従って、制御装置1で行われる各種の演算処理は、主に演算部で行われる。また、制御装置1は、必要に応じて、各種情報を記憶部から取得し、各種情報を記憶部に保存する。制御装置1は、例えばパーソナルコンピュータ(以下、「パソコン」という。)形のコンピュータである。演算部は、例えば中央処理装置(CPU)である。記憶部は、例えばハードディスク及びメモリである。
空調装置101,102は、冷房、暖房、除湿又は換気などの空調を行うための機器である。
次に、制御装置1について詳細に説明する。
制御装置1は、測定値受信部11と、環境状態推定部12と、環境状態分布作成部13と、空調制御部14とを有する。
測定値受信部11は、センサーSR11〜SR63により測定した温度及び湿度を受信する。
環境状態推定部12は、室内の任意に指定された箇所(以下、「指定箇所」という。)における温度及び湿度を推定する。
環境状態分布作成部13は、環境状態推定部12により推定した室内の全ての各点における温度及び湿度に基いて、環境状態分布を作成する。
空調制御部14は、環境状態分布作成部13により作成された環境状態分布に基いて、空調装置101,102を制御する。
図3は、第1の実施形態に係る制御装置1における環境状態分布の作成方法について説明するためのイメージ図である。ここでは、主として温度に関する環境状態について説明するが、湿度及び二酸化炭素(以下、「CO2」という。)濃度の各分布も同様にして求めることができる。
環境状態推定部12は、室内の全ての壁面をメッシュ状に区切り、区切られたメッシュ単位の区画(以下、「メッシュ点」という。メッシュ点は、イメージIM1中の「×」などである。)の温度を推定する(イメージIM1)。
環境状態推定部12は、各センサーSRの勢力範囲を定めて、任意に指定されたメッシュ点の温度を推定する。勢力範囲とは、あるセンサーSRが受け持つ領域である。壁面上の任意の点は、各センサーSRの何れかの勢力範囲に属する。勢力範囲は、ボロノイ領域を用いて定める(イメージIM2)。
図4を参照して、ボロノイ領域について説明する。
ボロノイ領域は、近くにある2つのセンサーSRから等距離にある点を結んだ線分(2つのセンサーSRを結んだ線の垂直二等分線)で区切られた領域である。即ち、各センサーSRは、ボロノイ領域内の位置であれば、他の全てのセンサーSRよりも近くにあることを示している。
室内の全ての壁面は、図5に示すように、ボロノイ領域を用いることにより、センサーSRの数だけの領域に区切られる。
環境状態推定部12は、各メッシュ点がどのセンサーSRの勢力範囲に属しているかを判定する。環境状態推定部12は、メッシュ点が属している勢力範囲のセンサーSRが測定した温度を、そのメッシュ点における温度と推定する。このようにして、環境状態推定部12は、全てのメッシュ点における温度を推定する(イメージIM3)。
環境状態分布作成部13は、環境状態推定部12により推定された壁面上の各メッシュ点の環境状態を用いて、流体シミュレーションなどを行うことにより、指定箇所の環境状態を推定する。これを繰り返すことで、環境状態分布作成部13は、室内における環境状態分布を作成する(イメージIM4)。例えば、環境状態分布作成部13は、熱伝導の式又はナビエストークス方程式を解いて、乱流モデルまで含めて室内の気流や温度の分布を計算する。なお、机等まで含めた現実的な形状の部屋における3次元の環境状態分布を求めてもよい。
図6は、第1の実施形態に係る空調制御部14による空調装置101,102を制御する手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、CO2濃度についても、温度及び湿度と同様に、環境状態分布が作成されているものとする。
空調制御部14には、CO2指定値、温度指定値及び湿度指定値が予め設定されている。ここで、CO2指定値は、CO2濃度の管理範囲の上限となる値である。温度指定値は、温度を制御するための目標とする温度である。湿度指定値は、湿度を制御するための目標とする湿度である。空調制御部14は、空調の制御を行う場所(指定箇所)の環境状態を環境状態分布作成部13により作成した環境状態分布により、環境状態(CO2濃度、温度及び湿度)を得る。
空調制御部14は、CO2濃度とCO2指定値を比較する(ステップS101)。CO2濃度の方が高い場合、空調制御部14は、空調装置101,102を換気運転し(ステップS101のNO,ステップS102)、再度、CO2濃度とCO2指定値を比較する(ステップS101)。CO2濃度の方が低い場合、次のステップS103に進む(ステップS101のYes)。
空調制御部14は、外気湿度と室内湿度を比較する(ステップS103)。室内湿度の方が高い場合、空調制御部14は、空調装置101,102を換気運転し(ステップS103のYes、ステップS104)、再度、外気湿度と室内湿度を比較する(ステップS103)。室内湿度の方が低い場合、次のステップS105に進む(ステップS103のNo)。
空調制御部14は、温度と温度指定値を比較する(ステップS105)。温度と温度指定値が異なる場合は、空調制御部14は、空調装置101,102を空調運転(冷房又は暖房)し(ステップS105のNo、ステップS106)、再度、温度と温度指定値を比較する(ステップS105)。温度と温度指定値が同じ場合、次のステップS107に進む(ステップS105のYes)。
空調制御部14は、湿度と湿度指定値を比較する(ステップS107)。湿度と湿度指定値が同じ場合、一巡の制御を終了する(ステップS107のNo)。湿度と湿度指定値が異なる場合、外気湿度と室内湿度を比較する(ステップS108)。室内湿度の方が高い場合、空調制御部14は、空調装置101,102を換気運転する(ステップS108のYes、ステップS110)。室内湿度の方が低い場合、空調制御部14は、空調装置101,102を除湿運転する(ステップS108のNo、ステップS109)。
空調制御部14は、上述の一連の制御を繰り返し行うことにより、指定箇所の環境状態の管理を行う。
ステップS101では、CO2濃度の監視を行っている。CO2濃度はビル管理法によって1000ppm以下にすることが定められているため優先度が高い。なお、同様にして、ホルムアルデヒドの濃度を監視してもよい。
ステップS102では湿度の調整を行っている。除湿にはエネルギーを必要とするので、外気の湿度が湿度の設定値より小さい場合には外気を取り入れている。但し、これにはファン動力も必要とし、必ずしも省エネにならない場合があるため、省エネになるかどうかの判断のための計算をしてもよい。
ステップS103では空調装置101,102によって温度を設定するが、一般に空調を行うと湿度が変化するため、湿度を再度モニターする。
ステップS104で湿度を監視するが、ここでも外気を有効に利用する。
以下に、本実施形態による効果作用について述べるが、その前に、センサー1つでの制御(従来の制御)による運転での室内の環境状態について述べる。具体的には、センサーSR45(空調機用のリモートコントローラに設けられているセンサー)のみを空調装置101,102の制御に用い、他の各センサーSRは、モニターとしてのみ使用する。空調装置101,102は、それぞれが独立して制御される。
まず、暖房運転について説明する。設定温度を26℃とする。外気の温度は約18℃であり、約1時間の運転を行う。
空調装置101,102のスイッチを入れてから約1時間でセンサーSR45付近の温度は26℃程度で一定となる。一方、机上の温度は、25℃程度であり、設定値よりも1℃低い。また、奥側(北側)の温度は総じて低めであり、左右(東側及び西側)の温度は高めである。
天井に設置された空調装置付近のセンサーSR51,SR52の温度は大きく波打ち、それぞれ40℃程度、33℃程度となる。波を打つのは室温を一定に制御するために空調機の暖房性能を変化させるために起こる。
壁面に配置されたセンサーのうち、上側の中央のセンサーSR12,SR22,SR32,SR42の温度も高めとなり、波を打つ。センサーSR52の温度よりセンサーSR51の温度が高いことを反映してセンサーSR32の温度もセンサーSR22の温度よりも高くなる。
以上のように、室内の空気の温度は場所によってかなり異なる。
窓際では外気温度の影響を受けて温度が低くなるが、概して平面上の位置による温度の変化よりも高さによる温度の変化の方が大きい。また、2台ある空調機の給気温度の差を反映して室内の温度が空間的に異なる。
この例では部屋の温度を26℃にするために、2台の空調機が、約40℃の空気と33℃の空気を給気しており、非効率的である。これは2台の空調機が単独に制御されているためである。
次に、冷房運転について説明する。外気温は26.5℃、外気の相対湿度は55%である。
図7は、冷房時における室内の垂直方向の温度分布を示す測定結果である。図8は、冷房時における室内の垂直方向の相対湿度の分布を示す測定結果である。
冷房時における空調装置は、温度は8.7℃、相対湿度は88%、吸引口での温度は25.7℃、相対湿度は49%である。
図7に示すように、冷房時にも居室内の温度は垂直方向にかなり変化しており、上側ほど温度が高い。一方、図8に示すように、相対湿度はほぼ一定に見えるが、絶対湿度が一定であれば温度が高いほど相対湿度が小さいため、この場合は上側ほど絶対湿度が高い。
以上のように、冷房時においても温度及び湿度は場所によって異なる。
本実施形態によれば、環境状態分布(温度、湿度など)を作成して、空調装置101,102を制御するため、センサーSRが設置されていない位置付近においても環境状態を管理することができる。また、制御装置1は、環境状態分布に基いて、空調装置101,102を制御するため、室内の環境状態を効率的に制御することができる。さらに、センサーSRは、勢力範囲をボロノイ領域を用いて定めるため、設置位置を自由に変更できる。このため、様々な環境下においても適用することができる。
なお、ここでは主に環境状態を温度及び湿度を中心として述べたが、CO2濃度、ホルムアルデヒド濃度などについても、同様にセンサーを設けることにより、環境状態分布を作成することができ、室内の任意の位置における環境状態を管理することができる。
(第2の実施形態)
本実施形態に係る空調用センサーシステムについて説明する。
本空調用センサーシステムは、第1の実施形態に係る制御装置1における環境状態分布を作成するまでの方法が異なる点以外は、第1の実施形態と同様である。
次に、環境状態推定部12における各メッシュ点の環境状態を推定する方法について説明する。
環境状態推定部12は、室内の全ての空間をメッシュ状に区切り、区切られた単位の空間をメッシュ点とする。環境状態推定部12は、環境状態を推定するメッシュ点と各センサーSRとの距離を演算する。環境状態推定部12は、このメッシュ点との距離から最も近いセンサーSRを3つ選択する。環境状態推定部12は、選択した3つセンサーSRの測定値に基いて、このメッシュ点の環境状態を推定する。このようにして、室内の全ての空間におけるメッシュ点の環境状態を推定する。
環境状態分布作成部13は、環境状態推定部12により推定された各メッシュ点の推定値をプロットすることで、環境状態分布を作成する。
環境状態推定部12におけるメッシュ点と各センサーSRとの距離を演算する方法は、ユークリッド距離(いわゆる通常の距離)や、一般的なミンコフスキー距離(座標の差の絶対値のk乗の和の1/k乗)、分散共分散行列を考慮したマハラノビスの汎距離、高さの差のみを用いる距離などである。なお、これらの距離をさらに2乗してもよい。
環境状態推定部12におけるメッシュ点の環境状態を推定する方法は、単純に平均をする方法、メッシュ点からの距離に反比例した重みを掛けて和をとる方法などである。後者の場合には、距離0の点があれば、他の点の測定値が無視されるほど非常に大きな値を重みとして用いることで、推定するメッシュ点が計測点と一致した場合にも測定値と矛盾無く推定値を求めることができる。
図9は、第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された温度に関する環境状態分布を示すイメージ図である。
図10は、第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された湿度に関する環境状態分布を示すイメージ図である。
図11は、第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された快適性指標(以下、「PMV」という。なお、「PMV」は、「Predicted Mean Vote」の略称。)に関する環境状態分布を示すイメージ図である。
環境状態分布作成部13は、図11に示すように、温度に関する環境状態分布(図9)及び湿度に関する環境状態分布(図10)に基いて、PMVに関する環境状態分布を作成する。ここで、PMVとは、暑さ寒さを表すISO(International Organization for Standardization)で規定された指標であり、温度及び湿度の関数である。
具体的には、室内の各点において、前述した環境状態推定部12における距離の計算により、その場所から最も近い3つの計測器を選び、これらの計測器の測定値に、距離に反比例する重みを掛けて平均をとることで計算する。これにより、図9〜11に示すように、室内各点の温度、湿度、快適性指標PMVの等高線を得る。
本実施形態によれば、ボロノイ領域を用いなくても、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。一般的に、ボロノイ領域を求める演算方法は複雑であることが多い。このため、本実施形態による距離の演算を用いることにより、プログラムを単純化でき、演算による制御装置1の処理負荷を軽減することができる。
また、環境状態分布作成部13では、環境状態推定部12による各メッシュ点の推定値をプロットすることで、環境状態分布を作成できるため、プログラムを単純化でき、演算による制御装置1の処理負荷を軽減することができる。なお、これに流体シミュレーションなどを併せて行い、さらに詳細な環境状態分布を作成してもよい。
(第3の実施形態)
図12は、第3の実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーSRの勢力範囲を示すイメージ図である。
本空調用センサーシステムは、第2の実施形態に係る制御装置1におけるセンサーSRを選択する方法が異なる以外は、第2の実施形態と同様である。
次に、環境状態推定部12における各メッシュ点の環境状態を推定するためにセンサーSRを選択する方法について説明する。
図12に示すように、センサーSRの勢力範囲を3次元のボロノイ領域を計算して定める。例えば演算方法は、各メッシュ点と全てのセンサーとの距離を計算し、各点が最も近いセンサーSRの勢力範囲に属するとして、そのような勢力範囲を結合することにより3次元のボロノイ領域が計算される。これにより、室内の任意のメッシュ点は、いずれかのセンサーSRの勢力範囲に含まれる。
環境状態推定部12は、環境状態を推定するメッシュ点の属している勢力範囲のセンサーSRを選択する。環境状態推定部12は、選択したセンサーSRにより測定された測定値をこのメッシュ点の環境状態の推定値とする。
本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また、環境状態分布作成部13では、環境状態推定部12による各メッシュ点の推定値をプロットすることで、環境状態分布を作成できるため、プログラムを単純化でき、演算による制御装置1の処理負荷を軽減することができる。なお、これに流体シミュレーションなどを併せて行い、さらに詳細な環境状態分布を作成してもよい。
(第4の実施形態)
図13は、第4の実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーSRの勢力範囲を示すイメージ図である。
本空調用センサーシステムは、第2の実施形態に係る制御装置1におけるセンサーSRを選択する方法が異なる以外は、第2の実施形態と同様である。
次に、環境状態推定部12における各メッシュ点の環境状態を推定するためにセンサーSR1,SR2,SR3を選択する方法について説明する。
センサーSR1は、部屋の側壁601に設けられている。センサーSR2,SR3は、部屋の側壁602に設けられている。センサーSR1,SR2,SR3は、それぞれ異なる高さに設けられている。
環境状態推定部12は、メッシュ点の環境状態を推定するために、このメッシュ点と最も高低差の少ないセンサーを選択する。即ち、各メッシュ点の勢力範囲は、図13に示すように、室内の3次元空間を、高低差のある平面で区切られた空間により定まる。隣り合う2つ平面で区切られた空間は、この空間内にあるセンサーの勢力範囲となる。これにより、室内の任意のメッシュ点は、いずれかのセンサーSR1,SR2,SR3の勢力範囲に含まれる。従って、選択されるセンサーは、環境状態を推定しようとするメッシュ点との高さがもっとも近いものが選択される。
環境状態推定部12は、環境状態を推定するメッシュ点の属している勢力範囲のセンサーを選択する。環境状態推定部12は、選択したセンサーにより測定された測定値をこのメッシュ点の環境状態の推定値とする。
本実施形態によれば、ボロノイ領域を用いなくても、第3の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。温度や湿度等の空調のためのパラメータは、高さによって一様になる性質を持つものが多い。このため、本実施形態による演算でも推定値の精度を保ちながら、プログラムを単純化でき、演算による制御装置1の処理負荷を軽減することができる。
(第5の実施形態)
図14は、第5の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムによる空調制御を説明するためのイメージ図である。
本空調システムは、第1の実施形態に係る空調システムと同様であり、異なる部分について主に説明する。
本空調システムは、換気装置201及び空調機301が高所に設置され、換気装置202及び空調機302とが比較的に低所に設置されている。
換気装置201の近傍には、温度センサーSRT1、湿度センサーSRH1及びCO2センサーSRG1が設置されている。換気装置202の近傍には、温度センサーSRT2、湿度センサーSRH2及びCO2センサーSRG2が設置されている。空調機301の近傍には、温度センサーSRT3、湿度センサーSRH3及びCO2センサーSRG3が設置されている。空調機302の近傍には、温度センサーSRT4、湿度センサーSRH4及びCO2センサーSRG4が設置されている。
換気装置201及び空調機301は、例えば、天井付近に設置されている。換気装置201及び空調機301は、室内の上部の環境状態を管理するための機器である。
換気装置202及び空調機302は、例えば、標準的な人の身長をほとんど超える高さで、換気装置201及び空調機301よりも低い位置に設置されている。換気装置202及び空調機302は、室内の下部の環境状態を管理するための機器である。ここで、標準的な人間の身長をほとんど超える高さは、例えば床から約2メートルである。
温度センサーSRT1,SRT2,SRT3,SRT4は、温度を測定するためのセンサーである。制御装置1は、温度センサーSRT1,SRT2,SRT3,SRT4により測定した測定値に基いて、環境状態分布として温度分布を作成する。
湿度センサーSRH1,SRH2,SRH3,SRH4は、湿度を測定するためのセンサーである。制御装置1は、湿度センサーSRH1,SRH2,SRH3,SRH4により測定した測定値に基いて、環境状態分布として湿度分布を作成する。
CO2センサーSRG1,SRG2,SRG3,SRG4は、CO2を測定するためのセンサーである。制御装置1は、CO2センサーSRG1,SRG2,SRG3,SRG4により作成した測定値に基いて、環境状態分布としてCO2濃度分布を作成する。
換気装置201,202は、外部の空気を室内に給気し、室内の空気を外部に排気する。
空調機301,302は、室内の空気を循環させて、空調を制御する。具体的には、空調機301,302は、冷房、暖房又は除湿を行う。
空調制御部14は、温度分布、湿度分布又はCO2濃度分布に基いて、換気装置201,202及び空調機301,302を制御する。
次に、本空調システムによる空調制御部14の動作について説明する。
空調制御部14は、CO2濃度分布により、室内上部が所定の値(1000ppm)以上のCO2濃度を検出すると、室内上部に設置された換気装置201を動作させる。これにより、室内上部の空気が換気される。空調制御部14は、室内上部のCO2濃度が所定の値以下に下がると、換気装置201を停止させる。
また、空調制御部14は、室内上部において、CO2濃度が高く、外気と比べて温度が高く、温度指定より高い場合、換気装置201を動作させる。
空調制御部14は、CO2濃度分布により、室内下部が所定の値(1000ppm)以上のCO2濃度を検出すると、室内下部に設置された換気装置202を動作させる。空調制御部14は、室内下部のCO2濃度が所定の値以下に下がると、換気装置202を停止させる。
また、空調制御部14は、室内下部のCO2濃度が低い場合は、換気装置202を動作させない。従って、空調制御部14は、室内下部の温度又は湿度が高い場合は、空調機302を動作させる。このとき、空調制御部14は、室内上部の温度を空調機302の制御には用いない。
なお、空調制御部14は、湿度センサーSRH1,SRH2,SRH3,SRH4により測定した湿度を平均して、換気装置201,202及び空調機301,302を制御してもよい。
本実施形態によれば、第1の実施形態の作用効果に加え、室内の空気、湿度、CO2濃度などの空間分布を効率的に調整することができる。
また、吸引口が天井付近の空気を吸込む位置に配置されたものと、人の頭の位置よりも高い位置かつ天井よりも一定距離だけ低い位置に配置し、天井付近の吸引口は、その付近の二酸化炭素濃度の測定値が一定の値を超えた場合に必要な場所の空気を排気し、それよりも低い位置に配置された吸引口は、空気を循環させて冷気とし、室内に供給することで、室内の空調を効率的に行うことができる。
(第6の実施形態)
図15は、第6の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムによる空調制御を説明するためのイメージ図である。
本空調システムは、第1の実施形態に係る空調システムと同様であり、異なる部分について主に説明する。
本空調システムは、部屋RM1,RM2を有する建物に適用されている。部屋RM1は、窓際の部屋である。従って、部屋RM1は、外壁に太陽光が当たる部屋である。部屋RM2は、奥側の部屋である。
本空調システムは、各部屋RM1,RM2にそれぞれ設けられた温度センサーSRT、湿度センサーSRH、及びCO2濃度センサーSRGと、各部屋に設けられた室内の空気を吸引する吸引口AB1,AB2と、吸引口AB1,AB2により吸引された空気を外部に排出するための経路を形成するダクトD1と、吸引口AB1,AB2により吸引された空気を外部に排出するための空気の流れを作り出すファンFN1と、室内の空気を循環させるための経路を形成するダクトD2と、ダクトD2に設けられた温度センサーSRTと、室内の空気を循環させるための空気の流れを作り出すFN2,FN3,FN4,FN5と、各部屋RM1,RM2の空調を制御するための空調機301とを備えている。また、CO2濃度センサーSRGは、各部屋に少なくとも1つを天井付近に設置している。空調機301は、冷水コイル311と、直膨コイル312とを備えている。
空調機301は、部屋RM1,RM2の両方に、ダクトD2を介して、冷風を送る機器である。空調機301は、窓際の部屋RM1と奥側の部屋RM2とで、運転パターンが異なっている。
空調制御部14は、室内上部のCO2濃度が所定の値を超えた部屋のみの換気を行う。これにより、空調を行った部屋は、吸引口AB1又は吸引口AB2により換気され、換気された空気は、ダクトD1を通って外部に出力される。この換気量は、空調機301による空気導入量とつり合っている。それ以外は、循環により空調が行われている。外気導入量が多ければ多いほどファンFN1〜FN5の動力を必要とし、消費電力が大きくなる。一方、外気導入量が少ない場合には、冷水コイル311により循環させる空気の温度を下げて室内への給気温度を下げることにより必要な空調負荷を満たす。
本実施形態によれば、第1の実施形態の作用効果に加え、効率良く空調を管理することができる。
(第7の実施形態)
図16は、第7の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムの構成を示すイメージ図である。
本空調システムは、第1の実施形態に係る空調システムと同様であり、異なる部分について主に説明する。本空調システムは、ビルに適用されている。
本空調システムは、各階ごとに、温度センサーSRTと、湿度センサーSRHと、CO2センサーSRGと、位置情報センサーSRXと、局所空調装置101Pと、アクセスポイント(無線基地局)APが設けられている。また、ビル監視制御装置1Aと、中央熱源機器101Sとが中央制御室に設置されている。中央熱源機器101Sには、温度センサーSRTAと、流量計SRPが設けられている。
各階のセンサーSRT,SRH,SRG,SRXは、無線センサーであり、測定値が無線により、同じ階のアクセスポイントAPに送信される。各階のアクセスポイントAPは、ビル監視制御装置1AとLAN(local area network)2により接続されている。各階の局所空調装置101Pは、中央熱源機器101Sから熱(冷房又は暖房)の供給を受けられるように接続されている。
無線の規格としては特定小電力無線を用いている。特定小電力無線とは、送信出力10mW以下の無線であり、「電波法第4条の3」に該当する無線局である。周波数帯としては429MHz近辺を用いる。現在、ビル等のオフィスでは無線LAN(2.4GHz帯)が多用されており、上記の周波数を用いることにより遠方との通信を確保した上でオフィスにおける他の無線との混信を避けることができる。これにより、例えば微弱無線よりも、無線の到達距離が長いため、空調室や天井裏、ダクトなど、オフィスにおける通常の通信と比べて電波の到達の障害が大きい空調機用の無線には適している。
ビル監視制御装置1Aは、第1の実施形態に係る制御装置1と同様の機能を有している。具体的には、ビル監視制御装置1Aは、各階のセンサーSRT,SRH,SRGに基いて、各階ごとの環境状態分布(温度分布、湿度分布、CO2濃度分布)を作成する。ビル監視制御装置1Aは、各階ごとの環境状態分布に基いて、中央熱源機器101Sを制御する。中央熱源機器101Sは、各階ごとに設置されている局所空調装置101Sを作動させることで、各階の空調を管理する。例えば、ビル監視制御装置1Aは、パソコン型のサーバを有している。
位置情報センサーSRXは、自己の位置情報を送信するセンサーである。自己の位置情報は、例えば、ビル回数及び部屋回数などである。例えば、位置情報センサーSRXは、GPS(Global Positioning System)を利用したセンサーである。
温度センサーSRTAは、中央熱源機器101から各階の局所空調装置101Sへ送られる熱源の温度を管理するためのセンサーである。
流量計SRPは、中央熱源機器101から各階の局所空調装置101Sへ送られる熱源の流量を管理するためのセンサーである。
図17は、第7の実施形態に係る温度センサーSRT及び湿度センサーSRHを兼ね備えたセンサーの外形図である。
本センサーは、太陽電池パネル701及び電池702を備えている。本センサーは、太陽パネル701により、蛍光灯下で太陽電池だけでも動作可能であるが、夜間も利用する場合には電池も必要になる。ディップスイッチ703は、種々の設定をするためのスイッチである。照明等により発電する電池(例えば太陽電池)と照明等を必要とせずに発電する電池(乾電池、蓄電池などの)とを組み合せることで、センサーは、24時間稼動することができる。
図18は、第7の実施形態に係るCO2センサーSRGの外形図である。
CO2センサーSRGは、消費電力の観点から大型化しており、太陽電池よりも通常の電池の方が適している。CO2濃度は、安全のためにも重要であるため、表示窓704にCO2濃度値が表示される。
図19は、第7の実施形態に係る無線センサーの電波強度の測定結果を示すグラフ図である。0dBmは1mWに相当し、10dBm小さくなるごとに信号強度は1/10になる。20メートル以上はなれた場所の会議室内や、50メートル離れた場所の柱の影等でも問題なく測定することができる。本センサーは、80メートル程度は十分に測定することができる。大規模なビルでも各階に1〜4箇所のアクセスポイントAPを設置することでことで、本実施形態に係る構成を構築することができる。
本実施形態によれば、空調システムをビルに適用することができ、第1の実施形態による作用効果を得ることができる。特に、多数のセンサーを配置する場合、各種センサーからの測定値の送信を、無線を利用することにより、配線の敷設に関する労力を軽減することができる。
また、位置情報センサーSRXを設けることにより、本空調システムに、位置情報の入力をする手間が省け、位置情報の入力ミスを防止することができる。
なお、各実施形態において、センサーを室内に設置する個数は、限定するものではなく、少なくとも2つ以上設けていれば、自由に増減することができる。また、センサーSRの設置位置も実施形態に限定するものではなく、設置環境に応じて、自由に変更することができる。
各実施形態において、環境状態を推定するために選択するセンサーの個数は、いくつであってもよいし、1つであってもよい。各実施形態の選択方法を自由に組み合せることができる。
各実施形態において、センサーは、環境状態を測定するためのセンサーであれば、種類を問わない。また、1つのセンサーが数種類の環境状態を測定するものであってもよい。センサーは、例えば、温度、湿度、二酸化炭素濃度、ホルムアルデヒド濃度などを測定するものである。
各実施形態において、環境状態を管理するための機器は、実施形態に限らない。例えば、空調システムは、空調機、加湿器、除湿器、又は換気扇を設けて制御してもよいし、室内に適宜、吸引口又は給気口を設けてもよい。また、温度を調整するための機器として、床暖房又は天井ファンなどを用い、これらの機器を組み合せることにより、特に垂直方向の温度分布を効果的に調整することができる。
各実施形態において、空調システムは、空調に必要な機器の運転を制御するために、空調関連機器の給気温度、風量、外気取り入れ量、冷水流量バルブ、ダンパー開度、その他の空調関連機器の制御に必要なパラメータ、または、二つ以上の空調機が存在する場合には、それぞれの空調機における前述のパラメータを演算によって求めてもよい。また、空調システムは、必要とされる場所のみで空調あるいは換気を行い、二箇所以上の場所の温度、湿度、二酸化炭素濃度、等のパラメータのうちの一つ以上のパラメータを独立に設定するものとしてもよい。
各実施形態において、空調システムは、吸引口より吸込まれた空気の二酸化炭素やその他の汚染物質の濃度を測定し、汚染物質の濃度が一定の値を超えていれば排気し、超えていなければ循環させるように制御してもよい。これにより、室内の環境状態を効率的に管理することができる。
各実施形態において、空調システムは、居室内の壁、床、天井、空調機の給気口、排気口付近のうち、二箇所以上に置かれた複数の前述の温度等のセンサーの測定値から幾つかを選択し、それらの値を平均化することにより指定された場所の温度等の推定値としてもよい。また、居室内の壁、床、天井、空調機の給気口、排気口付近のうち、二箇所以上に置かれた複数の前述の温度、湿度、二酸化炭素濃度、等のセンサーの測定値から同じ高さにあるとみなせる二つ以上のセンサーを選択し、そのうちの幾つかを選択してそれらの測定値を平均化することにより、その居室におけるその高さでの温度、湿度、二酸化炭素濃度、等の推定値としてもよい。
第1の実施形態において、センサーSRの勢力範囲を、ボロノイ領域を用いていて求めたが、ボロノイ領域を求める代わりに、環境状態を推定しようとするメッシュ点と、全てのセンサーSRとの距離を計算して、一番近いセンサーSRを求めてもよい。これにより、同様の効果が得られる。また、一般的に、ボロノイ領域を求めることは困難であり、これを避けるができる。
第5の実施形態において、空調制御部14は、温度分布,湿度分布,CO2濃度分布に基いて、換気装置201,202及び空調機301,302を制御したが、換気装置201,202及び空調機301,302の各々の近傍に設けられたセンサーのみを用いて、独立に制御してもよい。
第7の実施形態において、位置情報センサーSRXは、ビルの階数と部屋番号をディップスイッチ等で設定し、そのデータを温度や湿度などのデータと一緒に送信するだけのものであってもよい。また、センサーを用いずに、ビル監視制御装置1Aに直接入力してもよい。
第7の実施形態において、ビル監視制御装置1Aによって照明やセキュリティーと連動させ、人のいない部屋は空調を行わないようにしてもよいし、CO2濃度を監視することにより部屋の使用状況も把握できるようにしてもよい。これにより、ビルエネルギー管理やセキュリティー管理を有効に行うことができる。
第7の実施形態において、無線センサーは、予め定められた所定の時間間隔で測定を行い、その結果を無線で無線基地局(アクセスポイントAP)に送信し、それ以外の時間には消費電力を抑えたスリープモードとなるようにしてもよい。また、無線センサーは、無線基地局から無線により指示があった場合にのみ測定を行い、その結果を無線で無線基地局に送信し、それ以外の時間には無線基地局からの呼び出しを判別可能な程度に消費電力を抑えたスリープモードとなるようにしてもよい。さらに、無線センサーは、各センサーにおいて測定値に対して与えられた式に基づく演算を行い、その結果が所定の値になった場合にのみ、無線による信号を無線基地局に送信してもよい。また、無線センサーは、他の実施形態に適用することもできる。
各実施形態において、コンピュータは、演算部(例えば、CPU(central processing unit)・チップセットなどの演算素子、ファームウェア、プログラム(ソフトウェア)など)と記憶部(例えば、ハードディスク、メモリ、各種記憶媒体など)とを有していれば、他の構成であってもよい。よって、1台のコンピュータ(例えばパソコン)であってもよいし、2台以上のコンピュータをシステム化したものであってもよい。また、記憶部は、任意の台数の記憶装置(例えばストレージ)とを情報の送受信可能にネットワーク化されたものでもよい。また、データベースを記憶する記憶装置は、いくつかのデータベースを1つにまとめてもよいし、1つのデータベースを複数の記憶装置に記憶したものであってもよい。コンピュータは、適用される環境に応じて、適宜構成を変更できる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の第1の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムの構成を示すブロック図 本実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーの設置位置を示す配置図 第1の実施形態に係る制御装置における環境状態分布の作成方法について説明するためのイメージ図 平面におけるセンサーのボロノイ領域を説明するためのイメージ図 立体の表面におけるセンサーのボロノイ領域を説明するためのイメージ図 第1の実施形態に係る空調制御部による空調装置を制御する手順を示すフローチャート 冷房時における室内の垂直方向の温度分布を示す測定結果を表したグラフ図 冷房時における室内の垂直方向の相対湿度の分布を示す測定結果を表したグラフ図 第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された温度に関する環境状態分布を示すイメージ図 第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された湿度に関する環境状態分布を示すイメージ図 第2の実施形態に係る空調用センサーシステムにより作成された快適性指標に関する環境状態分布を示すイメージ図 第3の実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーの勢力範囲を示すイメージ図 第4の実施形態に係る空調用センサーシステムのセンサーの勢力範囲を示すイメージ図 第5の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムによる空調制御を説明するためのイメージ図 第6の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムによる空調制御を説明するためのイメージ図 第7の実施形態に係る空調用センサーシステムを用いた空調システムの構成を示すイメージ図 第7の実施形態に係る温度センサー及び湿度センサーを兼ね備えたセンサーの外形図 第7の実施形態に係るCO2センサーの外形図 第7の実施形態に係る無線センサーの電波強度の測定結果を示すグラフ図
符号の説明
1…制御装置、11…測定値受信部、12…環境状態推定部、13…環境状態分布作成部、14…空調制御部、101,102…空調装置、SR11〜SR63…センサー。

Claims (15)

  1. 室内の環境状態を測定するための少なくとも2つ以上であるn個のセンサーと、
    前記室内における指定された指定箇所の環境状態を推定するために、前記n個のセンサーのうちn個よりも少ないm個の前記センサーを選択するセンサー選択手段と、
    前記センサー選択手段により選択された前記m個のセンサーの測定結果に基いて、前記指定箇所の環境状態を推定する環境状態推定手段と
    を有することを特徴とする空調用センサーシステム。
  2. 前記指定箇所と前記各n個のセンサーとの距離を演算する距離演算手段を有し、
    前記センサー選択手段は、前記距離演算手段により演算した距離が近い順番に前記センサーをm個選択すること
    を特徴とする請求項1に記載の空調用センサーシステム。
  3. 前記指定箇所と前記各n個のセンサーとの高低差を演算する高低差演算手段を有し、
    前記センサー選択手段は、前記高低差演算手段により演算した高低差が少ない順番に前記センサーをm個選択すること
    を特徴とする請求項1に記載の空調用センサーシステム。
  4. 前記各n個のセンサーの勢力範囲を演算する勢力範囲演算手段を有し、
    前記センサー選択手段は、前記勢力範囲演算手段により演算された前記勢力範囲に基いて、前記指定箇所が属する前記勢力範囲の該センサーを選択すること
    を特徴とする請求項1に記載の空調用センサーシステム。
  5. 前記勢力範囲演算手段は、前記各n個のセンサーの勢力範囲を前記各n個のセンサーによるボロノイ領域により演算すること
    を特徴とする請求項4に記載の空調用センサーシステム。
  6. 室内の環境状態を測定するための少なくとも2つ以上であるn個のセンサーと、
    前記n個のセンサーの測定結果を境界条件に用い、熱伝導に関する式又はナビエストークスの式のいずれか1つを用いて、前記室内における指定された指定箇所の環境状態を推定する環境状態推定手段と
    を有することを特徴とする空調用センサーシステム。
  7. 前記環境状態推定手段により推定した前記指定箇所の環境状態に基いて、前記室内における環境状態の分布を作成する環境状態分布作成手段
    を有することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の空調用センサーシステム。
  8. 前記n個のセンサーから測定結果を無線により受信する無線基地局を有し、
    前記環境状態推定手段は、前記m個のセンサーの測定結果を前記無線基地局を介して取得すること
    を特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の空調用センサーシステム。
  9. 前記n個のセンサーと前記無線基地局との無線は、特定小電力無線を用いること
    を特徴とする請求項8に記載の空調用センサーシステム。
  10. 前記n個のセンサーは、予め定めた時間間隔で測定し、測定をしていない間は、消費電力を抑える状態になること
    を特徴とする請求項8に記載の空調用センサーシステム。
  11. 前記無線基地局は、前記n個のセンサーに測定させるための測定指令を出力し、
    前記n個のセンサーは、前記無線基地局からの前記測定指令により測定し、測定していない間は、消費電力を抑える状態になること
    を特徴とする請求項8に記載の空調用センサーシステム。
  12. 前記各n個のセンサーは、
    電源として照明により発電する第1の発電手段と、
    電源として照明によらずに発電する第2の発電手段と
    を有すること請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の空調用センサーシステム。
  13. 請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の空調用センサーシステムを用い、前記室内の空調を制御する空調システムにおいて、
    前記室内の空調をする空調手段と、
    前記環境状態推定手段により推定された前記指定箇所の環境状態に基づいて、前記空調手段を制御する空調制御手段と
    を有することを特徴とする空調システム。
  14. 前記空調手段は、
    前記室内の天井又は前記天井付近に設けられ、空気を排出する第1の排気手段と、
    前記第1の排気手段よりも低く、前記室内の底面から略2メートル以上の高さに設けられ、空気を排出する第2の排気手段とを含むこと
    を特徴とする請求項13に記載の空調システム。
  15. 前記空調制御手段は、前記指定箇所の環境状態が予め定めた値による環境状態を満たしていない場合、前記空調手段を動作させること
    を特徴とする請求項13又は請求項14に記載の空調システム。
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