JP2011085323A - 湿度推定装置および湿度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度測定器が設置されていない建物においても、空調制御に利用するための室内湿度値を推定することが可能な湿度推定装置および湿度推定方法を提供する。
【解決手段】取得した空調機の給気ファンの回転数と、予め設定されたファン差圧とに基づいて空調機の推定給気流量を算出する給気流量推定部１１と、取得した給気温度値と予め設定された給気相対湿度とに基づいて空調機の推定給気絶対湿度値を算出する給気絶対湿度推定部１２と、取得した室内温度値と入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに応じて推定室内水蒸気発生量を算出する室内水蒸気発生量推定部１３と、算出された推定給気流量と、推定給気絶対湿度値と、推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定湿度値を算出する室内絶対湿度推定部１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビル、病院などの建物の室内の空調制御を行う空調機において、空調設定値の算出に利用する室内湿度値を推定する湿度推定装置および湿度推定方法に関する。

一般的に、建築設備全体の消費エネルギーの約半分を空調関連のエネルギー消費が占めており、空調制御の省エネルギー化を推進することは建築設備全体の省エネルギー化に大きく貢献する。

一方、アメニティ空間としての事務所ビル等の室内では、在室者の温熱感覚、いわゆる快適性を満足することが要求されている。この快適性の確保と省エネルギー化とは相反する面を持つものであるが、在室者が快適と感じる範囲を超えた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。

そこで、快適性の確保と省エネルギー化とを両立させるために、ＰＭＶと呼ばれる快適性指数を用いた制御が広く採用されている。ここで、快適性指標ＰＭＶについて説明する。

ＰＭＶとは、暑さ、寒さに対する人間の温熱感覚に影響を与える変数として（ａ）空気温度、（ｂ）相対湿度、（ｃ）平均輻射温度、（ｄ）気流速度、（ｅ）活動量（人体の内部発熱量）、（ｆ）着衣量の６つを用いて求められる快適性指標である。

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ＰＭＶ値の範囲は−０．５〜＋０．５である。

上記の６つの変数のうち、作業強度を表す活動量は通常、代謝量metの単位を用い、着衣量はcloの単位を用いる。

単位ｍｅｔ（メット）は、代謝量を表し、熱的に快適な状態における安静時代謝を基準とし、１ｍｅｔは下記式（１）で表される。

〔数１〕
1met ＝ 58.2 W/m^２ ＝ 50 kcal/m^２・h （１）
また、単位ｃｌｏ（クロ）は、衣服の熱絶縁性を表し、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あり、通常の熱抵抗値に換算すると下記式（２）で表される。

〔数２〕
1clo ＝ 0.155 m^２・℃/W ＝ 0.18 m^２・h・℃/kcal （２）
下記式（３）を用いて快適な範囲内（−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を図ることができ、省エネルギーを達成できる。

〔数３〕

ここで、Ｍ：活動量［ｋｃａｌ／ｈ］
Ａ：人体表面積［ｍ^２］
Ｌ：人体熱負荷［ｋｃａｌ／ｍ^２ｈ］（Fangerの快適方程式より算定）
以上がＰＭＶに関する説明である。

このＰＭＶ等を利用して在室者の快適性を確保しつつ省エネルギー化を実現する技術として、たとえば、特許文献１に記載の環境エネルギー管理システムがある。このシステムは、エージェント技術を応用した装置とシステムで構成し、エージェント装置が有する自律制御機能、論理グループ機能および階層化機能と、管理マネージャ装置が有するエージェント装置からのデータ収集機能、エージェント装置を一括管理・制御する機能、温熱環境計算とエネルギー最適化計算機能および得られた計算結果に基づく空気調和設備の制御機能により、室内の温熱環境の最適化とエネルギー消費の最小化の両立を実現している。

特開２００６−３０４５９５号公報

ところで、人間の快適性を左右するパラメータは、温度、湿度、風速など多くあるが、上記の特許文献１に記載の環境エネルギー管理システムでは、エージェント機能を活用して、温熱環境計算とエネルギー最適化計算機能および得られた計算結果に基づく空気調和設備の制御機能により、室内の温熱環境の最適化とエネルギー消費の最小化の両立を実現している。

しかし、人の感じる快適性は温熱環境のみでなく湿度にも大きく依存するため湿度環境の制御も望まれているが、多くの建物においては湿度測定器が設置されていないため、湿度環境の制御を行うことができないという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、湿度測定器が設置されていない建物においても、空調制御に利用するための室内湿度値を推定することが可能な湿度推定装置および湿度推定方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の湿度推定装置は、空調機に接続された湿度推定装置において、前記空調機の給気ファンの運転制御情報を取得し、この給気ファンの運転制御情報と、予め設定されたファン差圧とに基づいて、前記空調機の推定給気流量を算出する給気流量推定部と、前記空調機の給気温度値を取得し、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度値とに基づいて、前記空調機の推定給気絶対湿度値を算出する給気絶対湿度推定部と、前記空調機による制御対象の室内の室内温度値を取得し、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに基づいて、推定室内水蒸気発生量を算出する室内水蒸気発生量推定部と、前記給気流量推定部で算出された前記空調機の推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定部で算出された前記空調機の推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定部で算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定絶対湿度値を算出する室内絶対湿度推定部とを備えることを特徴とする。

また、本発明の湿度推定方法は、空調機に接続された湿度推定装置が、前記空調機の給気ファンの運転制御情報を取得し、この給気ファンの運転制御情報と、予め設定されたファン差圧とに基づいて、前記空調機の推定給気流量を算出する給気流量推定ステップと、前記空調機の給気温度値を取得し、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度値とに基づいて、前記空調機の推定給気絶対湿度値を算出する給気絶対湿度推定ステップと、前記空調機による制御対象の室内の室内温度値を取得し、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに基づいて、推定室内水蒸気発生量を算出する室内水蒸気発生量推定ステップと、前記給気流量推定ステップで算出された前記空調機の推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定ステップで算出された前記空調機の推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定ステップで算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定絶対湿度値を算出する室内絶対湿度推定ステップとを有することを特徴とする。

本発明の湿度推定装置および湿度推定方法によれば、湿度測定器が設置されていない建物においても、空調制御に利用するための室内湿度値を推定することができる。

本発明の一実施形態による湿度推定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による湿度推定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による湿度推定装置の給気流量推定部に保持された給気流量テーブルの情報をグラフ化したものである。 本発明の一実施形態による湿度推定装置の給気絶対湿度推定部に保持された給気湿度テーブルの情報をグラフ化したものである。 本発明の一実施形態による湿度推定装置の室内水蒸気発生量推定部に保持された水蒸気発生量テーブルの情報をグラフ化したものである。

〈一実施形態による湿度推定装置の構成〉
本発明の一実施形態による湿度推定装置１０の構成について、図１を参照して説明する。

本実施形態における湿度推定装置１０は建物の室内を空調する空調機内に設けられ、給気流量推定部１１と、給気絶対湿度推定部１２と、室内水蒸気発生量推定部１３と、室内絶対湿度推定部１４とを有する。本実施形態において、空調制御対象の室内には複数（ｎ台）の空調機１〜ｎが設置されているものとする。

給気流量推定部１１は、空調機１〜ｎ内のＤＤＣ(Direct Digital Controller：図示せず)等から給気ファンの運転制御情報として制御中の給気ファンの回転数を取得し、この給気ファンの回転数と、予め設定されたファン差圧とに基づいて、空調機１〜ｎごとの推定給気流量を算出する。

給気絶対湿度推定部１２は、空調機１〜ｎ内のＤＤＣ等から制御中の給気温度値を取得し、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度値とに基づいて空調機１〜ｎごとの推定給気絶対湿度値を算出する。

室内水蒸気発生量推定部１３は、空調制御対象の室内に設置された温度センサから室内温度値を取得し、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに基づいて、推定室内水蒸気発生量を算出する。

室内絶対湿度推定部１４は、給気流量推定部１１で算出された空調機１〜ｎごとの推定給気流量と、給気絶対湿度推定部１２で算出された空調機１〜ｎごとの推定給気絶対湿度値と、室内水蒸気発生量推定部１３で算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定湿度値を算出する。

〈一実施形態による湿度推定装置の動作〉
次に、本実施形態による湿度推定装置１０の動作について図２のフローチャートを参照して説明する。

まず、給気流量推定部１１において、空調機１〜ｎ内のＤＤＣ等から給気ファンの運転制御情報として制御中の給気ファンの回転数（Ｍａｘの回転数を１００％としたときの割合で示す）が取得され、この給気ファンの回転数と、予め設定されたファン差圧とに基づいて空調機１〜ｎごとの推定給気流量が算出される（Ｓ１）。

給気流量推定部１１には、予め図３にグラフで示されるような給気ファンの複数の回転数（Ｍａｘの回転数を１００％としたときの、例えば３５％、５０％、１００％の回転数）に関するファン差圧と給気流量との関係を示す給気流量テーブルが保持されており、例えば取得された給気ファンの回転数が５０％であり、予め設定された差圧がｐ値である場合、図３で示される推定給気流量テーブルに基づいて給気流量ｑが推定給気流量として算出される。この給気流量テーブルは、各給気ファンのファン特性に基づいて空調機１〜ｎごとに予め設定されている。

また給気絶対湿度推定部１２において、空調機１〜ｎ内のＤＤＣ等から制御中の給気温度値が取得され、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度とに基づいて空調機１〜ｎごとの推定給気絶対湿度値が算出される。（Ｓ２）。

給気絶対湿度推定部１２には、予め図４のグラフで示されるような、複数の給気相対湿度値（例えば５０％、７０％、９０％）に関する給気温度値と給気絶対湿度値との関係を示す給気湿度テーブルが保持されており、例えば取得された給気温度値がｒ度であり、予め設定された給気相対湿度が９０％である場合、図４の給気湿度テーブルに基づいて給気絶対湿度値ｓが推定絶対湿度値として算出される。この給気湿度テーブルは空気線図の一部であり、条件により変化せず固定された情報である。

また、室内水蒸気発生量推定部１３において、空調制御対象の室内に設置された温度センサから室内温度値が取得され、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の活動量および人数とに基づいて推定室内水蒸気発生量が算出される（Ｓ３）。

室内水蒸気発生量推定部１３には、予め図５のグラフで示されるような、複数の活動量Met（例えばMet＝1.0、1.2、2.6）に関する室内温度値と一人の人から発生する水蒸気発生量との関係を示す水蒸気発生量テーブルが保持されており、例えば取得された室内温度値がｔ度であり、在室者の室内での活動状況に応じて予め設定された活動量Metが1.2である場合、図５の水蒸気発生量テーブルに基づいて一人の人から発生する水蒸気発生量ｕが推定水蒸気発生量として算出される。そして、この推定水蒸気発生量に在室者の人数がかけ合わせられることにより、空調制御対象の室内の推定室内水蒸気発生量が算出される。

次に、室内絶対湿度推定部１４において、給気流量推定部１１で算出された空調機１〜ｎごとの推定給気流量と、給気絶対湿度推定部１２で算出された空調機１〜ｎごとの推定給気絶対湿度値と、室内水蒸気発生量推定部１３で算出された推定室内水蒸気発生量とから、下記式（４）に基づいて当該室内の推定湿度値Hrが算出される（Ｓ４）。

〔数４〕

である。上記式により推定湿度値Hrは、空調制御対象の室内の在室者から発生する水蒸気量と給気に含まれる水蒸気量との総和を給気流量の総和で割ることにより、単位給気流量あたりの水蒸気量で表される。

このようにして算出された当該室内の推定湿度値が利用されて各空調機１〜ｎにおいてＰＭＶが算出され、空調制御対象の室内の空調制御に利用される。

以上の本実施形態によれば、湿度測定器が設置されていない建物においても室内絶対湿度値を推定することができ、この推定された室内絶対湿度値が利用されることにより室内温度のみならず室内湿度も考慮した空調制御が可能となり、室内の温熱環境の最適化とエネルギー消費の最小化の両立に貢献することができる。

本実施形態において、図３には給気ファンの回転数が、Ｍａｘの回転数を１００％としたときの３５％、５０％、１００％のときの給気流量テーブルを示したが、これら以外の回転数のときにはこれらの既知の回転数の値から補間処理により算出された値を用いて給気流量を推定することができる。

また図４には給気相対湿度値が５０％、７０％、９０％のときの給気湿度テーブルを示したが、設定された給気相対湿度がこれら以外の値のときにはこれらの既知の給気相対湿度値から補間処理により算出された値を用いて給気絶対湿度値を推定することができる。

また図５には活動量が1.0、1.2、2.6のときの水蒸気発生量テーブルを示したが、入力された活動量がこれら以外の値のときにはこれらの既知の活動量から補間処理により算出された値を用いて水蒸気発生量を推定することができる。

また本実施形態においては、給気流量推定部１１で推定給気流量を算出する際に運転制御情報として給気ファンの回転数を用いた場合について説明したが、これに替えて給気ファンの回転をインバータで制御する際の周波数値、または給気ファンの固定された複数の運転モードから選択された運転モード（例えば「強モード」、「中モード」、「弱モード」）を示す情報に基づいて推定給気流量を算出するようにしてもよい。この場合給気流量テーブルには、給気ファンの回転をインバータで制御する際の複数の周波数値、または給気ファンの運転モードに関するファン差圧と給気流量との関係を示す値を予め保持しておくものとする。

１０…湿度推定装置
１１…給気流量推定部
１２…給気絶対湿度推定部
１３…室内水蒸気発生量推定部
１４…室内絶対湿度推定部

Claims (5)

1. 空調機に接続された湿度推定装置において、
   前記空調機の給気ファンの運転制御情報を取得し、この給気ファンの運転制御情報と、予め設定されたファン差圧とに基づいて、前記空調機の推定給気流量を算出する給気流量推定部と、
   前記空調機の給気温度値を取得し、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度値とに基づいて、前記空調機の推定給気絶対湿度値を算出する給気絶対湿度推定部と、
   前記空調機による制御対象の室内の室内温度値を取得し、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに基づいて、推定室内水蒸気発生量を算出する室内水蒸気発生量推定部と、
   前記給気流量推定部で算出された前記空調機の推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定部で算出された前記空調機の推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定部で算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定絶対湿度値を算出する室内絶対湿度推定部と
   を備えることを特徴とする湿度推定装置。
2. 前記空調制御対象の室内には複数の空調機が設置され、
   前記給気流量推定部では、空調機ごとに推定給気流量が算出され、
   前記給気絶対湿度推定部では、空調機ごとに推定給気絶対湿度値が算出され、
   前記室内絶対湿度推定部では、前記給気流量推定部で算出された空調機ごとの推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定部で算出された空調機ごとの推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定部で算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定絶対湿度値を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の湿度推定装置。
3. 前記給気ファンの運転制御情報は、給気ファンの回転数、給気ファンの回転をインバータで制御する際の周波数値、または給気ファンの固定された複数の運転モードから選択された運転モードを示す情報である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の湿度推定装置。
4. 空調機に接続された湿度推定装置が、
   前記空調機の給気ファンの運転制御情報を取得し、この給気ファンの運転制御情報と、予め設定されたファン差圧とに基づいて、前記空調機の推定給気流量を算出する給気流量推定ステップと、
   前記空調機の給気温度値を取得し、この給気温度値と、予め設定された給気相対湿度値とに基づいて、前記空調機の推定給気絶対湿度値を算出する給気絶対湿度推定ステップと、
   前記空調機による制御対象の室内の室内温度値を取得し、この室内温度値と、入力された当該室内の在室者の人数および活動量とに基づいて、推定室内水蒸気発生量を算出する室内水蒸気発生量推定ステップと、
   前記給気流量推定ステップで算出された前記空調機の推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定ステップで算出された前記空調機の推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定ステップで算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定絶対湿度値を算出する室内絶対湿度推定ステップと
   を有することを特徴とする湿度推定方法。
5. 前記制御対象の室内には複数の空調機が設置され、
   前記給気流量推定ステップでは、空調機ごとに推定給気流量が算出され、
   前記給気絶対湿度推定ステップでは、空調機ごとに推定給気絶対湿度値が算出され、
   前記室内絶対湿度推定ステップでは、前記給気流量推定ステップで算出された空調機ごとの推定給気流量と、前記給気絶対湿度推定ステップで算出された空調機ごとの推定給気絶対湿度値と、前記室内水蒸気発生量推定ステップで算出された推定室内水蒸気発生量とから、当該室内の推定湿度値を算出する
   ことを特徴とする請求項４に記載の湿度推定方法。

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