JP2010054098A

JP2010054098A - 空調機制御システム

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Publication number: JP2010054098A
Application number: JP2008218163A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Hisanaga; 哲生久永; Ritsu Tei; 立鄭; Toshikatsu Naito; 敏勝内藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-27
Also published as: JP5188324B2

Abstract

【課題】室内の人数の増減に応じて適切に空調機を制御可能な空調機制御システムを提供する。
【解決手段】空間を伝播する波を室内10に放射する送信機1、波を受信する受信機2、受信機2が受信した波の振幅をモニタする振幅モニタ301、及びモニタされた波の振幅の変化に基づいて、室内10用の空調機5を制御する制御モジュール302を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は空調技術に関し、特に空調機制御システムに関する。

ビル等の居住空間においては、空調機が室内の温度等を測定し、設定温度との差がなくなるよう、空調機が適当な温度の空気を適当な風量で室内に供給する。また、室内の二酸化炭素(CO₂)濃度が高くならないよう、空調機が一定の外気を室内に供給する。しかし、より効率的に空調機を駆動するためには、室内の在室者の人数を把握し、人数に基づいて空調機を制御することが求められる。人数に応じて、室内への外気の取入れを最小限にすれば、空調機の消費エネルギを最小限に抑えることが可能になるからである。エレベータ等では、荷重の変化からエレベータ内の人数を推測し、推測された人数に応じて、空調機を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献1参照。）。しかし、各個人の体重の違い、及び荷物の有無等により、荷重の変化から人数を推定するのは誤差が生じやすい。また、監視カメラによって室内の人数を求める方法もあるが、在室者のプライバシーを侵害するという問題が生じる。

また、室内の在室者は、静止したり、動き回ったりする。そのため、在室者の活動度は、在室者の意思によって任意に変化する。活動度が高いほど、人は低い温度を快適に感じるため、在室者の活動度を把握し、活動度に基づいて空調機を制御することも求められる。人の活動度を求める方法として、人感センサにより人の発する赤外線を計測する方法が提案されている（例えば、特許文献2参照。）。しかし、赤外線を計測する方法は、人の着衣量の違いや、OA機器や飲食物等の暖かい物体の存在により、人の活動度の推定に誤差が生じやすい。また、監視カメラによって人の動きを監視する方法もあるが（例えば、特許文献3参照。）、在室者のプライバシーを侵害するという問題がある。さらに、在室者に加速度センサを装着させ、加速度センサの出力に基づいて在室者の活動度を計測する方法が提案されている（例えば、特許文献4参照。）。しかし、在室者総てに加速度センサを装着させるのは現実的でない。
特開平9-269262号公報特開平2-166335号公報特開平4-121542号公報特開2006-247410号公報

本発明は、室内の人数の増減又は人の活動度に応じて適切に空調機を制御可能な空調機制御システムを提供することを目的とする。

本発明の特徴は、（イ）空間を伝播する波を室内に放射する送信機と、（ロ）波を受信する受信機と、（ハ）受信機が受信した波の振幅をモニタする振幅モニタと、（ニ）モニタされた波の振幅の変化に基づいて、室内用の空調機を制御する制御モジュールと、を備える空調機制御システムであることを要旨とする。発明者は、室内に放射された波の振幅が、室内の在室者数に応じて変化することを見出した。よって、本発明の空調機制御システムによれば、室内に放射された波の振幅の変化に基づいて空調機が制御されるため、室内の在室者数の増減に応じて、室内の空調が適切に制御にされる。

また、本発明の他の特徴は、（イ）空間を伝播する波を室内に放射する送信機と、（ロ）波を受信する受信機と、（ハ）受信機が受信した波の周波数をモニタする周波数モニタと、（ニ）モニタされた波の周波数の変化に基づいて、室内用の空調機を制御する制御モジュールと、を備える空調機制御システムであることを要旨とする。発明者は、室内に放射された波の周波数特性が、室内の人の活動度に応じて変化することを見出した。よって、本発明の空調機制御システムによれば、室内に放射された波の周波数の変化に基づいて空調機が制御されるため、室内の人の活動度に応じて、室内の空調が適切に制御される。

さらに、本発明の他の特徴は、（イ）拡散符号で変調された変調波を室内に放射する送信機と、（ロ）変調波を受信する受信機と、（ハ）受信した変調波を、逆拡散符号で復調し、復調波を生成する復調モジュールと、（ニ）復調波の信号強度をモニタする復調波モニタと、（ホ）モニタされた復調波の信号強度の変化に基づいて、室内用の空調機を制御する制御モジュールと、を備える空調機制御システムであることを要旨とする。発明者は、復調波の信号強度が、室内の在室者数に応じて変化することを見出した。よって、本発明の空調機制御システムによれば、復調波の信号強度の変化に基づいて空調機が制御されるため、室内の在室者数の増減に応じて、室内の空調が適切に制御される。

本発明によれば、室内の人数の増減又は人の活動度に応じて適切に空調機を制御可能な空調機制御システムを提供可能である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

(第1の実施の形態)
第1の実施の形態に係る空調機制御システムは、図1に示す室内10用の空調機5を制御するためのシステムである。空調機5は、室内10の温度、湿度、及び二酸化炭素(CO₂)濃度等を調節可能な装置である。空調機5は、室内10の温度及び湿度が設定された温度及び湿度になるよう、適当な温度及び湿度に制御された風を室内10に送り込むことが可能である。また空調機5は、在室者の呼気によって室内10のCO₂濃度が上昇した場合、室内10を換気して、室内10のCO₂濃度を低下させることが可能である。

第1の実施の形態に係る空調機制御システムは、空間を伝播する波を室内10に放射する送信機1と、波を受信する受信機2と、受信機2及び空調機5に接続された中央演算処理装置(CPU)300を備える。CPU300は、受信機2が受信した波の振幅をモニタする振幅モニタ301、及びモニタされた波の振幅の変化に基づいて、空調機5を制御する制御モジュール302を備える。なお、空間を伝播する波とは、電波及び超音波等を指す。以下においては、空間を伝播する波として電波を用いる例を説明する。

図1において、送信機1と受信機2は、天井11裏に一定の間隔をおいて配置されている。例えば送信機1と受信機2の間隔は、5mである。ただし、送信機1と受信機2は、天井11の室内10側に配置されていてもよい。送信機1は一定振幅の電波を、一定の間隔、又は連続的に放射する。図2は、20m×12m×3mの室内に、1個の受信機から2.4GHzの電波を放射した際の、電波の軌跡をシミュレーションした結果である。シミュレーション結果からも明らかなように、図1に示す送信機1から放射された電波は、室内10の総ての空間に放射され、室内10の壁や人3等で反射される。したがって受信機2は、天井11裏をなんら干渉されずに伝播した直接波と、室内10の壁や人3等で反射された複数の反射波との合成波を受信する。

ここで、複数の反射波は、反射位置によってそれぞれパス長が異なる経路を伝播する。そのため、複数の反射波のそれぞれが、受信機2に到達するまでの伝播時間は異なる。よって、複数の反射波のそれぞれには位相差が生じ、合成波の振幅が直接波の振幅から変化する。電波の周波数が例えば2.4GHzのように高い場合、人体も電波をよく反射する。したがって、人3が室内10に入ってくると、合成波の振幅は変化する。さらに多くの人3が室内10に入ってくると、反射面積が増えるために、合成波の振幅はより大きく変化する。

振幅モニタ301は、合成波の振幅をモニタする。モニタは、例えば１秒毎に実施してもよい。なお、振幅モニタ301は、必ずしも合成波の振幅を直接モニタする必要はなく、合成波の受信信号強度(RSSI: Received Signal Strength Indicator)等から間接的に合成波の振幅をモニタすればよい。図3は、室内10に人3がいない場合の、合成波の受信信号強度の経時変化の例を示す。室内10に人3がいない場合、合成波の受信信号強度はほとんど変化しない。しかし、図4に示すように、室内10に人3が在室しているときは、人3が在室していないときと比べて、合成波の受信信号強度に変化が生じる。さらに図5、図6、図7に示すように、室内10の在室者数が増えるにつれて、合成波の受信信号強度も変化する。

図1に示す振幅モニタ301は、さらに、一定時間内の合成波の受信信号強度の標準偏差を算出する。図8は、室内10の在室者数が0人乃至4人のそれぞれの場合における、振幅モニタ301が算出した合成波の受信信号強度の標準偏差の一例である。図9に示すように、室内10の在室者数が増加するにつれて、合成波の受信信号強度の標準偏差は増加する。反対に、室内10の在室者数が減少するにつれて、合成波の受信信号強度の標準偏差は減少する。なお、図8及び図9に示す標準偏差の単位は、デシベル(dB)である。

振幅モニタ301が算出した標準偏差が、図8に示すように0.36近傍から1.84に増加した場合、図1に示す制御モジュール302は、室内10に人3が一人入ってきたとみなして、標準偏差が0.36近傍であった場合と比較して、空調機5の冷房を強めるか、あるいは暖房を弱める。空調機5が冷房機能で運転している場合、制御モジュール302は、具体的には、空調機5から室内10に供給される風の温度を低下させるか、空調機5から室内10に供給させる風量を増加させ、室内10の温度を設定温度に維持する。振幅モニタ301が算出した標準偏差がさらに増加した場合、制御モジュール302は、室内10の在室者数がさらに増加したものとみなして、空調機5から室内10に供給される風の温度をさらに低下させるか、空調機5から室内10に供給させる風量をさらに増加させ、室内10の温度を設定温度に維持する。また、在室者数の増加に伴うCO₂濃度の上昇に備えて、空調機5に室内10を換気させてもよい。さらに、在室者数の増加に伴う湿度の上昇に備えて、空調機5から室内10に供給される風の湿度を低下させてもよい。

また、振幅モニタ301が算出した標準偏差が減少した場合、制御モジュール302は、室内10の在室者数が減少したものとみなして、空調機5の冷房を弱めるか、あるいは暖房を強める。空調機5が冷房機能で運転している場合、制御モジュール302は、具体的には、空調機5から室内10に供給される風の温度を上昇させるか、空調機5から室内10に供給させる風量を減少させ、室内10の温度を設定温度に維持する。さらに制御モジュール302は、振幅モニタ301が算出した標準偏差が、図8に示すように0.36近傍になった場合、図1に示す室内10の在室者数が0になったとみなして、空調機5の出力を下げるか、あるいは空調機5を停止する。

室内10の人3は、熱を発し、呼気によりCO₂を排出する。したがって、第1の実施の形態に係る空調機制御システムがない場合、室内10の在室者数が増えるに従って、室内の気温が上昇し、CO₂濃度も上昇する。従来においては、室内10の在室者数を正確に把握することは困難であったため、室内10の在室者数の増加を直接検出せず、室内10の気温の上昇に応じて、室内10に冷風を送っていた。そのため、室内10の温度が設定温度から一時的に上昇し、在室者の温熱快適性等が失われていた。また、従来は、室内10のCO₂濃度の上昇に応じて、室内10を換気していたが、一時的であれ、CO₂濃度の上昇は、在室者に眠気をもたらす等の問題があった。

これに対し、第1の実施の形態に係る空調機制御システムを用いれば、室内10の在室者数の増加を瞬時に検出し、室内10の温度上昇を待たずして、空調機5から室内10に冷風を供給させ、室内10の温度を設定温度に保つことが可能となる。したがって、在室者数の増加に伴う室内10の温度の一時的な上昇を抑制することが可能となり、在室者の温熱快適性を向上することが可能となる。

また、室内10の在室者数の増加を検出することにより、室内10のCO₂濃度の上昇を待たずして、空調機5に室内10を換気させ、室内10のCO₂濃度を低く維持することが可能となる。したがって、在室者数の増加に伴う室内10のCO₂濃度の一時的な上昇を抑制することが可能となり、在室者の作業能率等を向上することが可能となる。

また、従来においては、室内10の在室者数の減少を検出できなかったため、発熱体である在室者数が減少しても、減少前と同じ冷風が室内10に供給されていた。そのため、室内10の温度が設定温度から一時的に低下し、室内10に残っている在室者に寒気をもたらすという問題があった。これに対し、第1の実施の形態に係る空調機制御システムを用いれば、室内10の在室者数の減少を瞬時に検出し、室内10の温度低下を待たずして、空調機5の冷房を弱めさせ、室内10の温度を設定温度に保つことが可能となる。

なお、図2のシミュレーション結果に示すように、図1に示す室内10は、壁、床、天井、及び什器等で反射した非常に多くの反射波によって埋め尽くされる。そのため、送信機1及び受信機2の配置には制約はない。よって、送信機1と受信機2を結ぶ直線上、すなわち直接波パス上に人3がいなくとも、人3は検出可能である。

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態に係る空調機制御システムは、図10に示す室内10用の空調機5を制御するためのシステムであり、送信機1、受信機2、受信機2が受信した波の周波数をモニタする周波数モニタ303、及びモニタされた波の周波数の変化に基づいて、室内10用の空調機5を制御する制御モジュール302を備える。周波数モニタ303及び制御モジュール302は、CPU300に含まれている。空調機5、送信機1、及び受信機2のそれぞれは、第１の実施の形態と同様であるので、説明は省略する。

ここで、人の活動度と受信電波の周波数変化の関係について説明する。周囲30m×20m、高さ3mの部屋があるとする。部屋の床と天井はコンクリートでできており、壁は石膏ボードでできていると仮定する。図11に示すように、垂直ダイポールアンテナである送信機と受信機を天井近くに配置する。送信機から送信される電波の周波数は2.45GHzであり、出力は1mWであるとする。部屋の中央付近にいる人が矢印方向に移動したときの受信電波の受信信号強度を、レイトレーシング法の伝播シミュレーションで算出すると、図12に示す結果が得られる。受信信号強度は、人の移動に応じて変化するが、完全にランダムではなく、多少の周期性が認められる。

そこで、二つのパターンで人が移動したときの受信信号強度の変化を周波数分析してみる。図13において、条件Aでは、200mmの距離を人が1秒で移動する。条件Bでは、400mmの距離を人が1秒で移動する。したがって、条件Aにおいて人の活動度は低く、条件Bにおいて人の活動度は高い。条件Aで取得された受信信号強度のデータをフーリエ変換して得られるパワースペクトルを図14に示す。また、条件Bで取得された受信信号強度のデータをフーリエ変換して得られるパワースペクトルを図15に示す。図14に示すように、人の活動度が低い場合は、2Hzにピークが現れる。一方、図15に示すように、人の活動度が高い場合は、5Hzにピークが現れる。

以上示したように、人の移動速度に比例して、ピーク周波数は高周波側に変化する。したがって、受信信号強度を周波数分析することにより、室内の人の活動度を求めることが可能になる。ここで、室内の人は、活動度が高くなると、低い温度を快適に感じる。そのため、図10に示す周波数モニタ303がモニタする合成波の高周波成分が増加した場合、制御モジュール302は、室内10の在室者の活動度が上昇したものとみなして、室内10の空調機5の設定温度を低下させる。また、在室者の活動度の上昇に伴うCO₂濃度の上昇に備えて、空調機5に室内10を換気させてもよい。さらに、在室者の活動度の上昇に伴う湿度の上昇に備えて、空調機5から室内10に供給される風の湿度を低下させてもよい。

また、室内の人は、活動度が低くなると、高い温度を快適に感じる。そのため、周波数モニタ303がモニタする合成波の高周波成分が減少した場合、制御モジュール302は、室内10の活動度が低下したものとみなして、室内10の空調機5の設定温度を上昇させる。

フーリエ変換は、マイクロコンピュータやデジタル信号処理(DSP : Digital Signal Processing)を用いて、離散フーリエ変換(DFT : Discrete Fourier Transform)又は高速フーリエ変換(FFT : Fast Fourier Transform)演算を行うことにより、容易に実行可能である。そのため、第2の実施の形態に係る空調機制御システムによれば、室内10の在室者の活動度の上昇を瞬時に検出し、室内10の空調機の設定温度を低下させることが可能になる。また、室内10の在室者の活動度の低下も瞬時に検出し、室内10の空調機の設定温度を上昇させることが可能になる。

(第3の実施の形態)
第3の実施の形態に係る空調機制御システムは、図16に示すように、拡散符号で変調された変調波を室内10に放射する送信機41、変調波を受信する受信機42、及び受信機42に接続されたCPU400を備える。CPU400は、受信した変調波を、逆拡散符号で復調し、復調波を生成する復調モジュール401、復調波の信号強度をモニタする復調波モニタ402、及びモニタされた復調波の信号強度の変化に基づいて、室内10用の空調機5を制御する制御モジュール403を備える。

送信機41で送信される変調波は、拡散符号で2次変調されている。ここで拡散符号とは、擬似ランダム信号（PN：Psudo Noise）とも呼ばれるデジタル信号である。変調波は室内10で人3等によって反射され、受信機2に到達する。受信機2で受信された変調波の信号は、CPU400の復調モジュール401に伝達され、復調モジュール401によって復調される。復調モジュール401が用いる逆拡散符号は、拡散符号と同じであってもよい。

復調波モニタ402は、復調モジュール401が生成した復調波の信号強度をモニタする。ここで、室内10に人3が存在する場合、人3表面で反射された変調波と、人3表面で反射されなかった変調波との間に、伝播時間の相違が生じる。そのため、復調波の信号強度は、室内10の在室者数が増えるほど低下し、室内10の在室者数が減るほど強まる。

復調波モニタ402がモニタする復調波の信号強度が低下した場合、制御モジュール403は、室内10の在室者数が増加したものとみなして、空調機5から室内10に供給される風の温度を低下させるか、空調機5から室内10に供給させる風量を増加させ、室内10の温度を設定温度に維持する。また、在室者数の増加に伴うCO₂濃度の上昇に備えて、空調機5に室内10を換気させてもよい。さらに、在室者数の増加に伴う湿度の上昇に備えて、空調機5から室内10に供給される風の湿度を低下させてもよい。

また、復調波モニタ402がモニタする復調波の信号強度が強まった場合、制御モジュール403は、室内10の在室者数が減少したものとみなして、空調機5から室内10に供給される風の温度を上昇させるか、空調機5から室内10に供給させる風量を減少させ、室内10の温度を設定温度に維持する。

第3の実施の形態に係る空調機制御システムによれば、送信機1から放射される電波が変調波であっても、室内10の在室者数の増減を正確に把握し、空調機5を適切に制御することが可能になる。

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、第1の実施の形態においては、空調機5が冷房機能を運転している例を説明したが、空調機5の暖房機能を運転している際も、室内10の在室者数の増減にあわせて、空調機5から室内10に供給させる風の温度を上下させてもよいことはもちろんである。また、近年、室内10にワイヤレス方式の温度センサ、湿度センサ、及び空調機5のリモートコントローラ等が配置されていることが多い。そのため、人3の検出専用に送信機1を設けず、温度センサ等が発した通信用の電波の特性の変動をモニタすることにより、制御モジュール302は空調機5を制御してもよい。

この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る空調機制御システムの模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る電波のマルチパスを示す模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度を示す第１のグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度を示す第２のグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度を示す第３のグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度を示す第４のグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度を示す第５のグラフである。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度の標準偏差を示す表である。本発明の第１の実施の形態に係る電波の受信信号強度の標準偏差を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る空調機制御システムの模式図である。本発明の第２の実施の形態に係るシミュレーション条件を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る受信信号強度を示すグラフである。本発明の第２の実施の形態に係る人の移動のグラフである。本発明の第２の実施の形態に係るパワースペクトルを示す第１のグラフである。本発明の第２の実施の形態に係るパワースペクトルを示す第２のグラフである。本発明の第３の実施の形態に係る空調機制御システムの模式図である。

符号の説明

1, 41・・・送信機
2, 42・・・受信機
3・・・人
10・・・室内
11・・・天井
300, 400・・・CPU
301・・・振幅モニタ
302, 403・・・制御モジュール
303・・・周波数モニタ
401・・・復調モジュール
402・・・復調波モニタ

Claims

空間を伝播する波を室内に放射する送信機と、
前記波を受信する受信機と、
前記受信機が受信した波の振幅をモニタする振幅モニタと、
前記モニタされた波の振幅の変化に基づいて、前記室内用の空調機を制御する制御モジュールと、
を備えることを特徴とする空調機制御システム。
前記振幅モニタが、前記受信した波の強度の標準偏差を算出し、前記標準偏差に基づいて、前記空間に存在する人の数を推定することを特徴とする請求項１に記載の空調機制御システム。
前記標準偏差が増加した場合、前記制御モジュールが、前記空調機から前記室内に供給される風の温度を低下させるか、前記空調機から前記室内に供給される風量を増加させ、
前記標準偏差が減少した場合、前記制御モジュールが、前記空調機から前記室内に供給される風の温度を上昇させるか、前記空調機から前記室内に供給される風量を減少させること
を特徴とする請求項２に記載の空調機制御システム。
前記標準偏差が増加した場合、前記制御モジュールが、前記空調機に前記室内を換気させることを特徴とする請求項２又は３に記載の空調機制御システム。
空間を伝播する波を室内に放射する送信機と、
前記波を受信する受信機と、
前記受信機が受信した波の周波数をモニタする周波数モニタと、
前記モニタされた波の周波数の変化に基づいて、前記室内用の空調機を制御する制御モジュールと、
を備えることを特徴とする空調機制御システム。
前記周波数モニタが、前記受信した波のピーク周波数を求め、前記ピーク周波数に基づいて、前記空間に存在する人の活動度を推定することを特徴とする請求項５に記載の空調機制御システム。
前記受信した波の高周波成分が増加した場合、前記制御モジュールが、前記空調機の設定温度を低下させ、
前記受信した波の高周波成分が減少した場合、前記制御モジュールが、前記空調機の設定温度を上昇させること
を特徴とする請求項５又は６に記載の空調機制御システム。
前記受信した波の高周波成分が増加した場合、前記制御モジュールが、前記空調機に前記室内を換気させることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の空調機制御システム。
拡散符号で変調された変調波を室内に放射する送信機と、
前記変調波を受信する受信機と、
前記受信した変調波を、逆拡散符号で復調し、復調波を生成する復調モジュールと、
前記復調波の信号強度をモニタする復調波モニタと、
前記モニタされた復調波の信号強度の変化に基づいて、前記室内用の空調機を制御する制御モジュールと、
を備えることを特徴とする空調機制御システム。
前記復調波の強度が低下した場合、前記制御モジュールが、前記空調機から前記室内に供給される風の温度を低下させることを特徴とする請求項９に記載の空調機制御システム。