JP2011202942A - 暖房／換気／空調（ｈｖａｃ）システムを制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定サイトにおける暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムの起動においてエネルギ節約のシステムを提供する。
【解決手段】移動サイト１０２から固定サイト１０１への移動時間λ２２１を求めると共に、固定サイト１０１における暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システム１５０の調節時間を求めることによって、ＨＶＡＣシステム１５０を制御する方法である。ＨＶＡＣは、移動時間λ２２１が調節時間よりも短い場合にＯＮ状態に維持され、そうでない場合に、ＨＶＡＣはＯＦＦ状態に維持され、調節時間は建物熱モデルを使用して求められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、包括的には、暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムの分野に関し、より詳細には、エネルギー節減プログラマブルＨＶＡＣシステムに関する。

暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムは、大量のエネルギーを消費する。一般に、使用環境の暖房動作及び冷房動作は、１つ又は複数のサーモスタットで自動的に制御される。サーモスタットは、中央に１つ配置することもできるし、複数個を分散させることもできる。通常、ＨＶＡＣシステムの動作は、事前に設定された温度範囲（limit）に従っている。

多くの使用環境は、時に人に占有されていない場合があるので、これによって、エネルギーが浪費される。人に占有されていることは、動き検出器で判断することができる。しかしながら、使用環境を望ましい温度に暖房又は冷房するのに必要とされる時間はかなりの時間を要し、おそらく、使用環境が人に占有される時間よりも長い時間を要する。

動作スケジュールを使用することは可能である。しかしながら、これは、占有期間が不規則であるとき又はスケジュールが頻繁に変化するときには実用的ではない。また、スケジュールは、休日、休暇、旅行、計画にない（予期せぬ）欠席、及び占有ルーチンに対する他の変更に対応していない。したがって、スケジュールは、人に占有されていることの最良の推量であるにすぎない。

或るシステムは、ロケーションアウェア移動電話（location-aware mobile phone）から得られた移動先から自宅までの移動距離に基づくジャストインタイムの暖房及び冷房を使用することによって、手動及びプログラマブルのホームサーモスタットを補強している（非特許文献１）。このシステムは、居住空間の占有者がその空間に到着するのに必要な時間が、その空間を快適な温度にするのに要する時間よりも短くなるときにのみその空間の暖房又は冷房を開始する。

そのシステムは、電話等のＧＰＳ対応デバイスを使用して、ユーザの現在のロケーションを求め、公に利用可能なマッピングシステム（ＭａｐＱｕｅｓｔ）を使用して、ユーザの現在のロケーションから、調節される空間に到着する時間を計算している。

空間を快適な温度にするのに必要な時間を計算するために、そのシステムは、暖房／冷房ルックアップテーブルに記憶された経験的データを使用する。屋内及び屋外の温度の所与の組み合わせについて、このテーブルは、空間を快適な温度に暖房又は冷房するのに要する時間を記憶している。各テーブルは、特定のロケーションに設置された暖房／冷房システムのタイプに特有のものである。それらのテーブルは、測定結果から住宅ごとに個別に構築しなければならないので、そのシステムは一般性（一般化すること）に欠けている。さらに、限られた時間期間からの観測データは、通常、将来遭遇し得る屋内及び屋外の温度のすべての可能な組み合わせを含んでいない。

そのシステムの別の不利な点は、移動時間及び調節時間を常に再計算して比較する必要があるということである。ＧＰＳ対応移動デバイスは、バッテリによって電力供給を受けるので、そのデバイスと調節される空間との間の絶え間ない通信は、移動デバイスのバッテリを消耗させ、その結果、データ通信トラフィックが多くのコストを要する可能性もある。

グプタ（Gupta）他、「従来のサーモスタットへのＧＰＳ制御の付加：エネルギー節減の可能性の探究及び設計課題（Adding GPS-Control to Traditional Thermostats: An Exploration of Potential Energy Savings and Design Challenges）」（Book Pervasive Computing, Volume 5538/2009, pp. 95-114 May 2009）

本方法は、移動サイトから固定サイトへの移動時間を求めると共に、事前に計算された建物熱モデルに基づいて固定サイトにおける暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムの調節時間を求めることによって、ＨＶＡＣシステムを制御する。

ＨＶＡＣは、移動時間が調節時間よりも短い場合にＯＮ状態に維持され、そうでない場合に、ＯＦＦ状態に維持され、調節時間は建物熱モデルを使用して求められる。

空間占有者によって携行される移動デバイス及び調節される空間に設置された建物ＨＶＡＣシステムは、データトラフィックが最小限となるプロトコルに従って通信する。

本発明の実施形態によるＨＶＡＣシステムを制御するシステムの概略図である。 本発明の実施形態によるＨＶＡＣシステムを制御するフロー図である。 本発明の実施形態によるＨＶＡＣシステムを制御する状態遷移図である。 本発明の実施形態によって使用される条件付きロジックのテーブルである。 移動時間の関数としての環境条件のグラフである。

本発明の実施形態は、暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムを動作させる方法を提供する。この方法は、人が、制御されている使用環境に到着する移動時間、及びＨＶＡＣシステムの調節時間を使用する。

図１は、固定サイト（職場）１０１、及びロケーションｘ２１１における移動サイト１０２を示す。例えば、移動サイトは、固定サイトに向かって移動している。移動サイトは、固定サイトに向かっている人を含む。移動サイトは、移動通信デバイス１７０を携行する自動車、公共交通機関、自転車、又は人とすることができる。デバイス１７０は、移動送受信機１７１、移動ロケーター１７２、及び移動プロセッサ１７３を含む。

固定サイト１０１はＨＶＡＣシステム１５０を含む。ＨＶＡＣシステム１５０は、固定プロセッサ１５１と、移動送受信機１７１と同様の固定送受信機１５２とに接続されている。最も単純な形態では、ＨＶＡＣシステムは、ボイラー、及び場合によっては空気循環手段を含む。

固定サイト及び移動サイトは、送受信機１５２及び１７１を使用して、例えばインターネットといったネットワーク１６０を介して相互に通信することができる。

移動サイトが固定サイト１０１に到着する移動時間λ２２１は、移動サイト１０２のロケーションｘ２１１から推定することができる。ロケーションは、例えば全地球測位システム（ＧＰＳ）といったロケーター１７２、又は車両の移動電話といった移動通信デバイスを使用して検知することができ、移動サイトのロケーションは、移動電話サービスプロバイダーによって提供される。ロケーターは、固定ロケーションＢｌｕｅＴｏｏｔｈビーコンと通信するＢｌｕｅＴｏｏｔｈデバイスとすることもできる。移動時間は、ネットワークを介して入手可能な範囲で、移動サイトと固定サイトとの間の交通条件及び天候条件も考慮することができる。

図２Ａに示すように、固定サイトは、環境条件２２９及び建物熱モデル２２８から調節時間Θ２３１を推定する（２３０）。環境条件は、固定サイトの外部温度及び直射日光照明を含むことができる。これらは一定であるか又はゆっくりと変化すると仮定されるが、そうでない場合、それらは、日周変動及び年周変動について天気予報に従って調整することができる。天気予報も、ネットワークを介して容易に入手可能である。

建物熱モデル２２８は、環境条件（例えば外部温度、日射）と、熱を建物の内外に能動的に移動させるＨＶＡＣシステム１５０の動作とに対する建物の熱応答を表す。一般的なタイプの建物熱モデルは、グレイボックスモデルであり、このグレイボックスモデルでは、建物は熱回路としてモデル化される。建物熱モデルは、窓を通る熱利得及び熱貫流、対流及び伝導、遮光、並びに断熱等のファクタを含むことができる。建物熱モデルは、ＨＶＡＣシステム１５０によって供給される任意の熱量について、建物の状態を連続的に追跡し、建物の内部温度の今後の展開を予測することができる。調節時間Θ２３１を計算するために、建物熱モデルは、ＨＶＡＣシステム１５０が全出力で動作されている場合の内部温度の今後の展開を求めるのに使用される。内部温度が快適なしきい値、例えば７０Ｆに達するに必要な時間が調節時間Θ２３１となるように求められる。

次に、移動時間２２１と調節時間２３１との間の差２４０を使用して、ＨＶＡＣシステム１５０の動作２５０をどのように維持するのかを求めることができる。

図２Ｂに示すように、ＨＶＡＣは、調節時間制約２６２が満たされるまでＯＦＦ状態２６１に維持される。次に、ＨＶＡＣは、調節時間制約２６４が満たされるまでＯＮ状態２６３に維持される。すなわち、移動時間が調節時間よりも短い場合に、ＨＶＡＣがＯＮ状態に維持され、そうでない場合に、ＨＶＡＣがＯＦＦ状態に維持される。移動時間２２１は、これまでの移動パターンから得られた確率的情報に基づくと共に、移動モード、日時、日付、及び曜日を考慮して決定される。また、移動時間は、公共交通機関のスケジュールに基づくこともできる。移動時間は、固定ロケーションにおいて求めることもできるし、移動ロケーションにおいて求めることもできる。移動時間は、定期的に送信することもできるし、固定サイト又は移動サイトのいずれかが、移動時間の通信を明示的に開始することもできる。

図２Ａは本発明者らの方法を示す。移動サイトのロケーションｘ２１１は、定期的に検知される（２１０）。ロケーションを使用して、固定サイトまでの移動時間λ２２１を推定することができる（２２０）。しきい値時間ε２３９を使用して、効率性を減少させるＯＮ状態とＯＦＦ状態との間の高速な遷移を回避することができる。

図３は、本発明者の発明の一実施形態が固定サイトと移動サイトとの間の通信をスケジューリングするのに使用するロジックを示す。この実施形態では、規則正しくスケジューリングされた通信がなく、固定サイト又は移動サイトのいずれかが、通信を開始することができる。図３は、ＨＶＡＣシステムの現在維持されている状態３０１と、サイト３０２と、移動時間λ、調節時間Θ、及びしきい値時間εに基づく制約３０３とを示す。

サイト間に通信があるときはいつでも、移動サイトは移動時間λ２２１を固定サイトへ通信し、固定サイトは調節時間Θ２３１とＨＶＡＣシステムの現在維持されている状態３０１とを移動サイトへ通信する。固定サイトはλを記憶し、移動サイトはΘを記憶する。ＨＶＡＣの各現在の状態３０１について、制約３０３がＨＶＡＣシステムの対応する状態について真になったときに、通信がサイト３０２によって開始される。

図４（ａ）及び図４（ｂ）にそれぞれ示すように、ＨＶＡＣシステムがＯＮであるとき、システムはさまざまなモードで動作することができることに留意すべきである。例えば、移動が比較的大きい場合、ＨＶＡＣは、長い期間にわたって使用環境をゆっくりと調節することができる。すなわち、ＨＶＡＣシステムの出力はゆっくりと「上昇」する。これによって、エネルギー消費が最小になる。移動時間が変化した場合、調節時間はそれに応じて変化することができる。移動時間が短い場合、ＨＶＡＣは、所望の内部環境条件に達するように最大能力で動作することが必要となり得る。すなわち、調節時間は移動時間に実質的に比例する。このように、一実施形態では、移動サイトから固定サイトへの移動時間が求められ、ＨＶＡＣシステムの動作が、その移動時間に従って設定される。

別の実施形態では、移動サイトによる通信を最小にするように、この方法の複数のインスタンスが協調することができる。例えば、移動サイトに関連した人は、固定職場サイト及び固定住居にいる可能性がある。この場合、その人が出勤しているのか又は帰宅しているのかに応じて、移動時間及び調節時間を各サイトについて求めることができる。

ＨＶＡＣシステムは、複数の個人が占有することができる環境用のものとすることができる。この場合、移動時間、調節時間、及び条件付きロジックは、各個人について求められ、ＨＶＡＣは、条件が１つでも該当すべきであることを示しているときにＯＮ状態に維持され、すべての条件が、該当すべきでないことを示しているときにＯＦＦ状態に維持される。

Ｎ人の個人が同じ使用環境を共有するが、環境条件について異なる好みを有する場合、固定サイトは、各占有者（Θ_１，Θ_２，Θ_３．．．Θ_Ｎ）について別個のΘを計算することができ、各移動サイトは、個別のλ、すなわち（λ_１，λ_２，λ_３，．．．，λ_Ｎ）を通信することができる。さらに、ＨＶＡＣシステムは、各占有者（ε_１，ε_２，ε_３．．．ε_Ｎ）について、別個のしきい値時間εを使用することができる。ＨＶＡＣは、調節時間（Θ_１，Θ_２，Θ_３．．．Θ_Ｎ）のいずれかがその対応する移動時間（λ_１，λ_２，λ_３，．．．，λ_Ｎ）よりも大きいときにＯＮ状態に遷移する。ＨＶＡＣは、Θ_Ｎにしきい値時間ε_Ｎを加えたものが、すべての対応するＮについて移動時間λ_Ｎよりも小さいとき、ＯＦＦ状態に遷移する。

この方法は、例えば照明装置、ボイラー、コーヒーメーカー、及び冷水器といった他の機器にも使用することができることに留意すべきである。照明装置の場合、Θ＝０である。デスクトップコンピューターの場合、調節時間は、そのコンピューターをアクティブ化するのに必要とされる時間であり、Θは定数である。

したがって、一般的な場合、このシステムは、個人が使用環境にいるときにＯＮ状態に維持する必要があると共に、使用環境が人に占有されていないときにＯＦＦ状態に維持する必要がある使用環境における任意の機器又はそのような使用環境用のための任意の機器である。このシステムは、占有者が到着するかなり前に空間の調節を開始することによって占有者の快適さを保証することができるように、調節時間がゼロよりもかなり大きいが、同時に、長い期間中、エネルギーを安全に保存することができるように、調節時間がこのような長い期間の占有者の移動時間よりも小さいときのエネルギー節減において最も効果的である。

本発明を好ましい実施形態の例として説明してきたが、本発明の精神及び範囲内において、他のさまざまな適応及び変更を行うことができることが理解されるべきである。したがって、本発明の真の精神及び範囲内に入るすべての変形及び変更をカバーすることが添付の特許請求の範囲の目的である。

Claims (26)

1. 暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムを制御する方法であって、
   移動サイトから固定サイトへの移動時間を求めるステップと、
   前記固定サイトにおけるＨＶＡＣシステムの調節時間を求めるステップと、
   前記移動時間が前記調節時間よりも短い場合に、前記ＨＶＡＣをＯＮ状態に維持し、そうでない場合に、前記ＨＶＡＣをＯＦＦ状態に維持するステップと
   を含み、前記調節時間は建物熱モデルを使用して求められ、各前記ステップはプロセッサで実行される、方法。
2. 前記調節時間はしきい値時間を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記移動サイトは移動送受信機及び移動ロケーターを含み、前記固定サイトは固定送受信機を含み、前記プロセッサは前記固定サイトにおける固定プロセッサ及び前記移動サイトにおける移動プロセッサを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記固定サイト及び前記移動サイトはネットワークを介して通信する、請求項１に記載の方法。
5. 前記移動ロケーターは全地球測位システムである、請求項３に記載の方法。
6. 前記移動ロケーターは、固定ロケーションＢｌｕｅＴｏｏｔｈビーコンと通信するＢｌｕｅＴｏｏｔｈデバイスである、請求項３に記載の方法。
7. 前記移動ロケーターは移動電話であり、前記移動サイトのロケーションは移動電話サービスプロバイダーによって提供される、請求項３に記載の方法。
8. 前記移動時間は、前記移動サイトのロケーションから求められる、請求項１に記載の方法。
9. 前記移動時間は交通条件及び天候条件に依存する、請求項１に記載の方法。
10. 前記移動時間は、これまでの移動パターンから得られた確率的情報に基づくと共に、移動モード、日時、日付、及び曜日を考慮する、請求項１に記載の方法。
11. 前記移動時間は、公共交通機関のスケジュールに基づいて求められる、請求項１に記載の方法。
12. 前記移動時間は、前記固定サイト又は前記移動サイトのいずれかにおいて求められる、請求項１に記載の方法。
13. 前記移動時間は、前記固定サイトへ定期的に送信される、請求項１に記載の方法。
14. 前記移動時間は、前記固定サイト又は前記移動サイトのいずれかによる要求により送信される、請求項１に記載の方法。
15. 前記調節時間は一定である、請求項１に記載の方法。
16. 前記調節時間は、日周変動及び年周変動について、天気予報に従って調整される、請求項１に記載の方法。
17. 前記調節時間は、前記固定サイトにおける内部環境条件について調整される、請求項１に記載の方法。
18. 前記調節時間は、前記ＨＶＡＣシステムの性能を最大にする、請求項１に記載の方法。
19. 前記移動サイト及び前記固定サイトは、以下の制約、すなわち
    ＨＶＡＣがＯＦＦであり、サイトが固定式であり、かつΘ＞λであること、
    ＨＶＡＣがＯＦＦであり、サイトが移動式であり、かつλ＜Θであること、
    ＨＶＡＣがＯＮであり、サイトが固定式であり、かつΘ＜λ−εであること、
    ＨＶＡＣがＯＮであり、サイトが移動式であり、かつλ＞Θ＋εであること、
    のいずれかが真である場合にのみ、前記移動時間及び前記調節時間を通信し、ここで、λは前記移動時間であり、Θは前記調節時間であり、εはしきい値時間である、請求項１に記載の方法。
20. 前記調節時間は前記移動時間に実質的に比例する、請求項１に記載の方法。
21. それぞれが移動時間λを前記固定サイトへ通信するＮ個の複数の移動サイトが存在し、前記ＨＶＡＣシステムは、前記移動時間λ_Ｎのいずれかが前記調節時間Θよりも小さいときにＯＮになり、前記移動時間λ_Ｎのすべてが前記調節時間Θにしきい値時間εを加えたものよりも大きいときにＯＦＦになる、請求項１に記載の方法。
22. 前記固定サイトは、Ｎ個の複数の移動サイトのそれぞれについて別個の調節時間Θ_Ｎを推定する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記調節時間はゆっくりと変化する、請求項１に記載の方法。
24. 前記モデルは、窓を通る熱利得及び熱貫流、対流及び伝導、遮光、並びに断熱を考慮する、請求項１に記載の方法。
25. 前記調節時間は熱的性質の制約を満たす、請求項２４に記載の方法。
26. 暖房／換気／空調（ＨＶＡＣ）システムを制御する方法であって、
    移動サイトからＨＶＡＣシステムを含む固定サイトへの移動時間を求めるステップと、
    前記移動時間に従って前記ＨＶＡＣシステムの動作を設定するステップと、
    を含む方法。

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