JP2013185768A - 空調制御装置及び空調制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外気処理に要するエネルギーを効率的に削減することが可能な、空調制御装置及び空調制御方法を提供する。
【解決手段】外気処理手段で調整された外気を室内に供給する給気手段とを有する空調制御装置において、外気処理手段で空調調整された外気を回転数に応じた風量で給気手段に送風する給気用ファンと、給気用ファンにより送風される外気の風量を計測する風量センサと、将来の所定期間における外気及び室内の空気の状態の予測値に基づき、所定期間における空調処理に要する外気処理エネルギーを最小化する外気の風量に係る条件を算出する外気導入量最適化手段と、風量センサで計測される風量が、外気導入量最適化手段で算出された条件に応じた風量に追従するように、給気用ファンの回転数を制御する外気導入量制御手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、空調制御装置及び空調制御方法に関する。

従来、空調制御装置では、制御対象の室内で発生する熱により加熱された空気を冷却するとともに、外気を導入することによりＣＯ２等の望ましくない気体の室内濃度を低減する空調制御を行っている。係る空調制御のうち、前者は加熱された空気を冷却するためのエネルギーを要し、後者は外気を適当な温度に冷却（夏季）或いは加熱（冬季）するためのエネルギーを要する。このうち、後者の外気処理に要するエネルギーは主に外気の導入量に比例するため、この外気導入量を抑えることでエネルギーの削減を図る技術が従来提案されている。例えば、制御対象の室内のＣＯ２濃度に応じて、外気処理を行う装置を停止させたり、外気導入を行うファンの回転数を変化させたりする技術が提案されている。

特開平６−２１３４９４号公報 特開２０１０−７１４８９号公報

ところで、外気処理に要するエネルギーは外気導入量だけでなく、外気の状態の影響を受けることが分かっている。しかしながら、上記従来の技術では、外気の状態についは何ら考慮されておらず、外気の状態が変化する一日や所定期間を通した積算値の観点において、外気処理に要するエネルギーを効率的に削減することができない可能性があった。

実施の形態の空調制御装置は、外気の空調処理を行う外気処理手段と、前記外気処理手段で調整された外気を空調制御対象の室内に供給する給気手段とを有する空調制御装置において、前記外気処理手段は、給気用ファンと、風量センサと、外気導入量最適化手段と、外気導入量制御手段とを備える。給気用ファンは、外気の調整を行う外気コイルと併せて設置され、ファンの回転数に応じた量の外気を外気コイルに取り込むとともに、当該外気コイルで調整された外気を回転数に応じた風量で給気手段に送風する。風量センサは、給気用ファンにより送風される外気の風量を計測する。外気導入量最適化手段は、将来の所定期間における外気及び室内の空気の状態の予測値に基づき、当該所定期間における空調処理に要する外気処理エネルギーを最小化する外気の風量に係る条件を算出する。外気導入量制御手段は、風量センサで計測される風量が、外気導入量最適化手段で算出された条件に応じた風量に追従するように、給気用ファンの回転数を制御する。

図１は、実施形態に係る空調制御装置の構成例を示す図である。 図２は、図１に示した外気導入量制御部の構成の一例を模式的に示す図である。 図３は、図１に示した外気導入量制御部の構成の他の例を模式的に示す図である。 図４は、図１に示した外気導入量最適化部の構成例を模式的に示す図である。 図５は、外気ＣＯ２濃度の時間経過の一例を示す図である。 図６は、図１に示した外気導入量最適化部が実行する外気導入量最適化処理の一例を示すフローチャートである。 図７は、外気導入量最適化処理による外気導入量の時間推移の一例を示す図である。 図８は、上記外気導入量最適化処理による居室内ＣＯ２濃度の時間推移の一例を示す図である。 図９は、図１に示した空調制御装置の他の構成例を示す図である。 図１０は、実施形態に係るビル管理システム３の構成を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る空調制御装置及び空調制御方法の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る空調制御装置の構成例を示す図である。同図に示すように、空調制御装置１は、外気の空調処理を行う外気処理部１０と、空調制御対象の室内となる居室２からの還気の空調処理を行う還気処理部２０と、給気ユニット３０とを備える。

外気処理部１０は、ＣＯ２濃度センサ１１と、給気用ファン１２と、外気用コイル１４と、風量センサ１５と、外気導入量制御部１６と、外気導入量最適化部１７と、外気ＣＯ２濃度センサ１３とを有する。

ＣＯ２濃度センサ１１は、居室２内から取り込まれた排気或いは還気のＣＯ２濃度を計測する。

給気用ファン１２は、外気用コイル１４と併せて設置されるとともにインバータにより制御され、後述する外気導入量制御部１６の制御により設定された回転数で運転することにより、この回転数に応じた量の外気を外気用コイル１４に取り込ませるとともに、外気用コイル１４で調整された外気を設定された回転数に応じた風速で給気ユニット３０に送風する。ここで、外気用コイル１４で調整された外気は、ダクト４０を通じて給気ユニット３０に送風される。

外気ＣＯ２濃度センサ１３は、給気用ファン１２が運転されることにより取り込まれる外気のＣＯ２濃度を計測する。

外気用コイル１４は、給気用ファン１２が運転されることにより取り込まれる外気の温度及び湿度のうち、少なくとも一つを冷水或いは温水を用いて調整する。

風量センサ１５は、給気用ファン１２によって送風された外気の風量（ｍ³／ｈ）を計測する。なお、風量の代わりに風速を計測し、後述する外気導入量制御部１６にて風量に換算する形態としてもよく、この場合、外気導入量制御部１６から外気導入量最適化部１７に風量が通知されるものとする。

外気導入量制御部１６は、給気用ファン１２の回転数の設定値を制御することで、外気導入量を制御する。ここで、外気導入量制御部１６は、以下に説明する二つの制御方法（第１の制御方法及び第２の制御方法）のうち、何れか一方の制御方法を用いて外気導入量を制御する。

第１の制御方法として、外気導入量制御部１６は、風量センサ１５で計測される風量が、後述する外気導入量最適化部１７で算出される外気導入量設定と略同等となるよう、給気用ファン１２の回転数の設定値を制御する。この場合、給気用ファン１２の回転数の設定値の制御には、風量センサ１５で計測される風量と外気導入量設定との偏差に基づくＰＩＤ制御等を用いることができる。

第２の制御方法として、外気導入量制御部１６は、ＣＯ２濃度センサ１１で計測される排気或いは還気のＣＯ２濃度が、後述する外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定と略同等となるように、給気用ファン１２の回転数の設定値を制御する。この場合、給気用ファン１２の回転数の設定値の制御には、ＣＯ２濃度センサ１１で計測されるＣＯ２濃度と、外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定との偏差に基づくＰＩＤ制御等を用いることができる。

なお、図１に示すように、居室２内に当該居室２のＣＯ２濃度を計測する室内ＣＯ２濃度センサ３１が複数個設けられる構成の場合には、ＣＯ２濃度センサ１１の代わりに、室内ＣＯ２濃度センサ３１で計測されるＣＯ２濃度を用いて、給気用ファン１２の回転数の設定値を制御する形態としてもよい。この場合、室内ＣＯ２濃度センサ３１の各々で計測されるＣＯ２濃度の少なくとも一つ、或いは重み付き平均値等を、排気あるいは還気のＣＯ２濃度として用いることができる。

以下、図２及び図３を参照して、外気導入量制御部１６の構成について説明する。ここで、図２は、上述した第１の制御方法を採用する場合での、外気導入量制御部１６の構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、外気導入量制御部１６は、減算器１６１、１６２と、フィルタ部１６３、１６４と、ＰＩＤ制御器１６５、１６６と、加算器１６７と、フィルタ部１６８とを備えている。

減算器１６１は、後述する外気導入量最適化部１７で算出される外気導入量設定から、風量センサ１５で計測される外気の風量（外気風量）を減算し、その減算結果を入力値としてフィルタ部１６３に出力する。フィルタ部１６３は、減算器１６１からの入力値をそのまま出力値としてＰＩＤ制御器１６５に出力する。

ＰＩＤ制御器１６５は、フィルタ部１６３の出力値に基づき、給気用ファン１２の回転数の設定値を導出する。ここで、ＰＩＤ制御器１６５は、予め定められたゲイン等に基づき、フィルタ部１６３の出力値が大きいほど回転数が上昇するよう演算を行うものとする。なお、第１の制御方法の場合には、減算器１６１の減算結果がそのままＰＩＤ制御器１６５に入力されるため、フィルタ部１６３を設けずに、減算器１６１とＰＩＤ制御器１６５とを直接繋ぐ形態としてもよい。

一方、減算器１６２では、予め設定された居室２内のＣＯ２濃度の上限値（居室内ＣＯ２濃度上限値）から、ＣＯ２濃度センサ１１（或いは室内ＣＯ２濃度センサ３１）で計測される居室２内のＣＯ２濃度（居室内ＣＯ２濃度）を減算し、その減算結果を入力値としてフィルタ部１６４に出力する。フィルタ部１６４は、減算器１６２からの入力値が負、つまり居室内ＣＯ２濃度がＣＯ２濃度上限値を上回る場合、その入力値をそのまま出力値としてＰＩＤ制御器１６６に出力する。また、フィルタ部１６４は、減算器１６２からの入力値が正（０も含む）、つまり居室内ＣＯ２濃度がＣＯ２濃度上限値以下の場合、出力値０としてＰＩＤ制御器１６６に出力する。

ＰＩＤ制御器１６６では、フィルタ部１６４からの入力値に基づき、給気用ファン１２の回転数の設定値を導出する。ここで、ＰＩＤ制御器１６６は、予め定められたゲイン等に基づき、フィルタ部１６３の出力値が小さいほど回転数が上昇するよう演算を行うものとする。

加算器１６７は、ＰＩＤ制御器１６５及びＰＩＤ制御器１６６での演算結果（回転数の設定値）を加算し、その加算結果を後段のフィルタ部１６８に出力する。

フィルタ部１６８は、加算器１６７の加算結果が、予め定められた給気用ファン１２の回転数の上限値（Ｆｍａｘ）を超える場合、この上限値を回転数の設定値として給気用ファン１２に出力する。また、フィルタ部１６８は、加算器１６７の加算結果が、予め定められた給気用ファン１２の回転数の下限値（Ｆｍｉｎ）未満の場合、この下限値を回転数の設定値として給気用ファン１２に出力する。また、フィルタ部１６８は、加算器１６７の加算結果が、給気用ファン１２の回転数の下限値（Ｆｍｉｎ）以上で且つ上限値（Ｆｍａｘ）以下となる場合、この加算結果を回転数の設定値として給気用ファン１２に出力する。

このように、第１の制御方法を採用する場合には、外気導入量については通常のＰＩＤ制御ループとし、ＣＯ２濃度についてはビル管理法或いは管理者が定めたＣＯ２濃度の上限値を超える場合にＰＩＤ制御ループが動作する構成とする。これにより、ＣＯ２濃度センサ１１で計測される排気或いは還気のＣＯ２濃度を、ＣＯ２濃度の上限値を超えないよう制御できるとともに、後述する外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定と略同等となるよう制御することができる。

また、図３は、上述した第２の制御方法を採用する場合での、外気導入量制御部１６の構成例を模式的に示す図である。なお、この構成では、図２で説明した構成と外部入力値及びフィルタ設定が異なるが、図２の構成との対比関係を考慮し、同一の構成要素（符号）を用いて説明する。

減算器１６１は、後述する外気導入量最適化部１７で算出される外気導入量設定から、風量センサ１５で計測される外気の風量（外気風量）を減算し、その減算結果を入力値としてフィルタ部１６３に出力する。フィルタ部１６３は、減算器１６１からの入力値によらず、常に出力値０としてＰＩＤ制御器１６５に出力する。

ＰＩＤ制御器１６５は、フィルタ部１６３の出力値に基づき、給気用ファン１２の回転数を算出する。ここで、ＰＩＤ制御器１６５は、ＰＩＤ制御器１６５は、給気用ファン１２の回転数として“０”或いは予め定められた定数を算出するものとする。そのため、第２の制御方法を採用する場合には、図３の構成から、減算器１６１、フィルタ部１６３及びＰＩＤ制御器１６５を取り除く形態としてもよい。

一方、減算器１６２では、後述する外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定から、ＣＯ２濃度センサ１１（或いは室内ＣＯ２濃度センサ３１）で計測される居室２内のＣＯ２濃度（居室内ＣＯ２濃度）を減算し、その減算結果を入力値としてフィルタ部１６４に出力する。フィルタ部１６４は、減算器１６２からの入力値をそのまま出力値としてＰＩＤ制御器１６６に出力する。

ＰＩＤ制御器１６６は、フィルタ部１６４の出力値に基づき、給気用ファン１２の回転数を算出する。ここで、ＰＩＤ制御器１６６は、予め定められた設定値に基づき、フィルタ部１６４の出力値が大きいほど回転数が上昇するよう算出を行うものとする。なお、第２の制御方法の場合には、フィルタ部１６４を設けずに、減算器１６２の減算結果を入力値として、ＰＩＤ制御器１６６に直接出力する形態としてもよい。また、加算器１６７及びフィルタ部１６８の動作は、第１の制御方法での動作と同様である。

このように、第２の制御方法を採用する場合には、ＣＯ２濃度については通常のＰＩＤ制御ループとし、外気導入量に関するＰＩＤ制御ループは動作しない構成とする。これにより、ＣＯ２濃度センサ１１で計測される排気或いは還気のＣＯ２濃度を、ＣＯ２濃度の上限値を超えないよう制御できるとともに、後述する外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定と略同等となるよう制御することができる。

なお、第１の制御方法及び第２の制御方法の何れを採用するかは、特に問わないものとするが、例えば、居室２の環境に応じて定めることが好ましい。また、外気導入量制御部１６において、フィルタ部１６３、フィルタ部１６４のフィルタ係数等を切り替えることで、両制御方法を切り替え可能に構成する形態としてもよい。

図１に戻り、外気導入量最適化部１７は、マイコンやＰＣ（Personal Computer）等のコンピュータであって、外気導入量の制御に係る外気導入量設定やＣＯ２濃度設定を算出する。以下、外気導入量最適化部１７の構成について説明する。

図４は、外気導入量最適化部１７の構成例を模式的に示す図である。同図に示すように、外気導入量最適化部１７は、記憶部１７１１、表示部１７１２、外気情報取得部１７１３、居室内情報取得部１７１４、比エンタルピー予測部１７１５、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７、居室内ＣＯ２発生量算出部１７１８、ピークシフト時間設定入力部１７１９、外気処理エネルギー最適化部１７２０、最適外気導入量出力部１７２１、最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２及び誤差修正部１７２３を備える。

また、外気導入量最適化部１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のコンピュータ構成の他、キーボード等の入力デバイス、気象予測等を提供する外部装置と通信するための通信デバイス等を備えるものとする（何れも図示せず）。

なお、上述した外気情報取得部１７１３、居室内情報取得部１７１４、比エンタルピー予測部１７１５、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７、居室内ＣＯ２発生量算出部１７１８、ピークシフト時間設定入力部１７１９、外気処理エネルギー最適化部１７２０、最適外気導入量出力部１７２１、最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２及び誤差修正部１７２３の何れか又は全てを、プロセッサとプログラムとの協働により実現させるソフトウェア構成としてもよいし、専用のプロセッサ等で実現させるハードウェア構成としてもよい。

記憶部１７１１は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Disk）等の記憶装置を有し、外気導入量最適化部１７が動作するための各種プログラムや設定情報を記憶している。また、記憶部１７１１は、ＣＯ２濃度センサ１１や外気ＣＯ２濃度センサ１３等の外部から入力される各種計測値の他、これら計測値から外気導入量最適化部１７の各部或いは他の装置で導出される各種データ（例えば、外気の比エンタルピー、給気の比エンタルピー、外気のＣＯ２濃度、居室２内のＣＯ２発生量等）を履歴情報として蓄積する。

表示部１７１２は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示デバイスを有し、図示しないプロセッサの制御に従い、各種の情報（例えば、図７、図８に示すグラフ）やユーザインタフェース（ＧＵＩ）等を表示する。

外気情報取得部１７１３は、風量センサ１５で計測される外気の風量（外気風量）、外気ＣＯ２濃度センサ１３で計測される外気のＣＯ２濃度（外気ＣＯ２濃度）を取得する。居室内情報取得部１７１４は、ＣＯ２濃度センサ１１（或いは室内ＣＯ２濃度センサ３１）で計測される居室２内のＣＯ２濃度（居室内ＣＯ２濃度）を取得する。

比エンタルピー予測部１７１５は、外気導入量を最適化する時間帯（以下、最適化対象時間という）における、外気の比エンタルピー及び居室２内への給気の比エンタルピーを予測する。ここで、最適化対象時間とは、後述する外気処理エネルギー最適化部１７２０の機能を有効化する時間帯であって、図示しない入力デバイス等を介して、任意の時間帯を設定することが可能であるとする。なお、外気処理エネルギー最適化部１７２０では、自己の機能を無効化する最適化対象時間以外の時間帯（後述するピークシフト時間は含まず）では、ＣＯ２濃度設定として居室内ＣＯ２濃度の上限値を外気導入量制御部１６に出力することで、居室内ＣＯ２濃度上限値に基づく通常の外気導入量制御を行うものとする。

また、外気の比エンタルピー及び給気の比エンタルピーの予測方法は、特に問わないものとする。例えば、記憶部１７１１に履歴情報として記憶された過去の外気の比エンタルピー、給気の比エンタルピーに基づき、最適化対象時間での比エンタルピーを予測する形態としてもよい。また、気象予測から得られる将来の所定時間分の外気温度・湿度等を用いて、下記式（４）等により最適化対象時間での比エンタルピーを予測（算出）する形態としてもよい。

外気ＣＯ２濃度予測部１７１６は、最適化対象時間における、外気のＣＯ２濃度（外気ＣＯ２濃度）を予測する。ここで、外気ＣＯ２濃度の予測方法は、特に問わないものとする。例えば、記憶部１７１１に履歴情報として記憶された過去の外気ＣＯ２濃度に基づき、最適化対象時間での外気ＣＯ２濃度を予測する形態としてもよい。また、気象予測から得られる将来の所定時間分の外気温度・湿度等を用いて、最適化対象時間での外気ＣＯ２濃度を予測（算出）する形態としてもよい。

また、図５に示すように、外気ＣＯ２濃度の変化量が１日を通じて所定の範囲内に収まるような場合、その平均値や代表値等の固定値を、最適化対象時間での外気ＣＯ２濃度の予測値とする形態としてもよい。ここで、図５は、外気ＣＯ２濃度の時間経過の一例を示す図であり、４地点での計測結果Ｌ１１〜Ｌ１４を示している。同図において、縦軸は外気ＣＯ２濃度（ｐｐｍ）を表し、横軸は時間経過（１〜２４時）を表している。ここで、計測結果Ｌ１１〜Ｌ１４は、１日を通じて３７０〜４２０ｐｐｍの範囲で推移していることが分かる。このような場合、この範囲の平均となる３９０ｐｐｍや代表値としての４００ｐｐｍ等を、最適化対象時間での外気ＣＯ２濃度の予測値としてもよい。

図４に戻り、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７は、最適化対象時間における、居室２内のＣＯ２発生量（居室内ＣＯ２発生量）を予測する。ここで、居室内ＣＯ２発生量の予測方法は、特に問わないものとする。例えば、記憶部１７１１に履歴情報として記憶された過去の居室内ＣＯ２発生量に基づき、最適化対象時間での居室内ＣＯ２発生量を予測する形態としてもよい。また、気象予測から得られる将来の所定時間分の外気温度・湿度等を用いて、最適化対象時間での居室内ＣＯ２発生量を予測（算出）する形態としてもよい。

居室内ＣＯ２発生量算出部１７１８は、外気情報取得部１７１３及び居室内情報取得部１７１４で取得された外気ＣＯ２濃度と居室内ＣＯ２濃度とに基づき、下記式（１）を用いることで、現在の居室内ＣＯ２発生量Ｃ（ｍＬ／ｈ）を算出する。ここで、ｘ１は、居室内情報取得部１７１４により取得される居室内ＣＯ２濃度（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）であり、ｘ２は、外気情報取得部１７１３により取得される外気ＣＯ２濃度（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）である。また、Ｆｏａは、現在の外気導入量（ｍ³／ｈ）であり、外気情報取得部１７１３により取得される風量センサの計測値（風量）に相当する。

ピークシフト時間設定入力部１７１９は、外気処理部１０での外気処理に要するエネルギーを、最適化対象時間よりも低下させたい時間帯（以下、ピークシフト時間という）を設定するための機能部である。例えば、ピークシフト時間設定入力部１７１９は、図示しない入力デバイス及び表示部１７１２に表示されたピークシフト時間の入力を促すＧＵＩと協働し、入力されたピークシフト時間（例えば、１０時〜１１時）を設定情報として記憶部１７１１等に保持する。

外気処理エネルギー最適化部１７２０は、ＲＴＣ（Real Time Clock）等の計時部（図示せず）で計時される時刻に基づき、最適化対象時間及びピークシフト時間の間、比エンタルピー予測部１７１５、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７で予測された各予測値等を用いて、最適化対象時間及びピークシフト時間における外気導入量設定或いは室内ＣＯ２濃度設定を導出する。

具体的に、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、下記式（２）を、最適化変数となるＦｏａ［ｋ］に関する線形計画問題として算出する。

上記式（２）において、ｋ（１〜ｎ：但しｎは整数）は最適化対象時間の時間範囲に対応した添え字である。Ｑ［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、外気処理エネルギー（ｋｗ）であり、ｗ［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における重み係数である。なお、ｗ［ｋ］のデフォルト値は“１”であり、ピークシフト時間設定入力部１７１９で設定されたピークシフト時間の時、ｗ［ｋ］を１より大きな所定値とされる。

また、上記式（２）において、ｘ１［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、居室内ＣＯ２濃度（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）であり、ｘ１＿ｓｖ［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、居室内ＣＯ２濃度の上限値（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）である。なお、ｘ１＿ｓｖ［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］によらず固定値としてもよい。また、Ｆｏａ［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、外気導入量（ｍ³／ｈ）である。

上記式（２）のうち、外気処理エネルギーＱ［ｋ］は、比エンタルピー予測部１７１５で予測された外気の比エンタルピー及び給気の比エンタルピーを用いて、下記式（３）により導出される。なお、ｈ１［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、給気の比エンタルピー（ｋＷ／ｍ³）、ｈ２［ｋ］は、最適化対象時間［ｋ］における、外気の比エンタルピー（ｋＷ／ｍ³）である。また、ｔは、最適化対象時間の時間単位（例えば、ｈ：ｈｏｕｒ）である。

上記式（３）において、給気の比エンタルピーｈ１［ｋ］と、外気の比エンタルピーｈ２［ｋ］との算出に係る、比エンタルピーｈの計算式は、下記式（４）で与えられる。

なお、上記式（４）において、Ｃａは、空気の比重（ｋｇ／ｍ³）であり、Ｃｐａは、空気の定圧比熱（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））であり、Ｃｐｗは、水蒸気の定圧比熱（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））である。また、ｒ０は０°のときの水の蒸発熱（ｋＪ／ｋｇ）であり、Ｔは外気或いは給気の空気温度（℃）、Ｘは外気或いは給気の絶対湿度（ｋｇ／ｋｇＤＡ）である。

また、上記式（２）において、室内ＣＯ２濃度ｘ１［ｋ］は、最適化対象時間の開始時点の室内ＣＯ２濃度ｘ０を用いて、下記式（５）により帰納的に計算する。ここで、下記式（５）は、最適化変数Ｆｏａ［ｋ］に関する非線形の式となっているが、新たな最適化変数として“１÷（Ｆｏａ［ｋ］×ｔ＋Ｖ１）を導入することにより、ｘ［ｋ］に関する線形計画問題として算出することができる。

上記式（５）において、ｘ１［ｋ＋１］は、最適化対象時間［ｋ＋１］における、室内ＣＯ２濃度（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）、Ｃ［ｋ］は、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７で予測された、最適化対象時間［ｋ］における、居室内ＣＯ２発生量（ｍＬ／ｈ）である。また、Ｖ１は、居室２の容積（ｍ³）、Ｘ２［ｋ］は、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６で予測された、最適化対象時間［ｋ］における、外気ＣＯ２濃度（ｐｐｍ＝ｍＬ／ｍ³）である。

なお、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、最適化対象時間及びピークシフト時間以外の間、外気導入量Ｆｏａ［ｋ］の導出を停止するとともに、室内ＣＯ２濃度ｘ１［ｋ］の代わりに、室内ＣＯ２濃度の上限値の出力を行うものとする。

ここで、上記各式により導出される外気導入量Ｆｏａ［ｋ］、外気導入量Ｆｏａ［ｋ］は、最適化対象時間（ピークシフト時間）において、外気処理エネルギーを最小化するための条件となる。そのため、この条件に応じた風量で給気用ファン１２のファンを回転させることで、最適化対象時間における外気処理エネルギーを最小化することができる。

最適外気導入量出力部１７２１は、上記式（２）に基づき外気処理エネルギー最適化部１７２０により導出された外気導入量Ｆｏａ［ｋ］を、外気導入量設定として外気導入量制御部１６に出力する。また、最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２は、上記式（５）に基づき外気処理エネルギー最適化部１７２０により導出された外気導入量Ｆｏａ［ｋ］を、室内ＣＯ２濃度設定として外気導入量制御部１６に出力する。

ここで、最適外気導入量出力部１７２１及び最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２は、ＲＴＣ等の計時部（図示せず）で計時される時刻に基づき、この時刻に対応する外気導入量設定或いは室内ＣＯ２濃度設定を、外気導入量制御部１６に出力する。なお、上述したように、外気導入量制御部１６には、外気導入量Ｆｏａ［ｋ］及び室内ＣＯ２濃度設定の何れか一方が出力されればよいため、最適外気導入量出力部１７２１及び最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２の何れか一方のみが動作する排他構成としてもよい。

誤差修正部１７２３は、最適化対象時間及びピークシフト時間の間、居室内ＣＯ２発生量算出部１７１８が算出した現在の居室内ＣＯ２発生量と、この現在時刻について居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７が予測した居室内ＣＯ２発生量とを比較し、両値の差が所定の閾値以内か否かを判定する。誤差修正部１７２３は、両値の差が閾値を超えると判定した場合、居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７を動作させることで予測値を新たに算出させ、この新たな予測値を用いて外気処理エネルギー最適化部１７２０を動作させる。

誤差判定の対象は居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７の予測値に限らず、比エンタルピー予測部１７１５や、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６の予測値についても同様に処理することができる。例えば、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６の予測値と、外気ＣＯ２濃度センサ１３の実測値との差が、所定の閾値を超えた場合には、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６に新たな予測値を算出させる形態としてもよい。また、比エンタルピー予測部１７１５の予測値となる外気の比エンタルピー及び給気の比エンタルピーの何れか一方又は両方で、対応する実測値との差が所定の閾値を超えた場合には、その差（誤差）の生じた予測値を、比エンタルピー予測部１７１５に新たに算出させる形態としてもよい。

なお、比較の対象となる現在の外気の比エンタルピー及び給気の比エンタルピーは、誤差修正部１７２３が、上記式（４）等を用いて、現在の外気及び居室２内の空気の状態から算出するものとする。また、一の予測値について実測値との差が所定の閾値を超えた場合、比エンタルピー予測部１７１５、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６及び居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７の全てで、予測値の再算出を行わせる形態としてもよい。

以下、図６を参照し、上述した外気導入量最適化部１７の動作について説明する。ここで、図６は、外気導入量最適化部１７が実行する外気導入量最適化処理の一例を示すフローチャートである。

まず、ピークシフト時間設定入力部１７１９では、図示しない入力デバイス等を介して、ピークシフト時間の入力を受け付ける（ステップＳ１１）。なお、ピークシフト時間の入力が行われない場合、ピークシフト時間を無設定とすることで、ステップＳ１２に移行するものとする。

比エンタルピー予測部１７１５、外気ＣＯ２濃度予測部１７１６及び居室内ＣＯ２発生量予測部１７１７は、最適化対象時間における予測値（外気・給気の比エンタルピー、外気ＣＯ２濃度及び居室内ＣＯ２発生量）を各々算出する（ステップＳ１２）。

続いて、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、ステップＳ１２で算出された各予測値を用いて、外気処理エネルギーを最小化する外気導入量或いは室内ＣＯ２濃度を算出する（ステップＳ１３）。ここで、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、図示しない計時部で計時される時刻に基づき、現在時刻がステップＳ１１で入力されたピークシフト時間に該当するか否かを判定する（ステップＳ１４）。

ここで、ピークシフト時間外と判定した場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、上記式（２）のｗ［ｋ］を“１”に設定し（ステップＳ１５）、ステップＳ１７に移行する。また、ピークシフト時間内と判定した場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、上記式（２）のｗ［ｋ］を“１”より大きな所定値に設定し（ステップＳ１６）、ステップＳ１７に移行する。

続いて、最適外気導入量出力部１７２１及び最適ＣＯ２濃度設定出力部１７２２は、図示しない計時部で計時される時刻に基づき、この時刻に応じた外気導入量Ｆｏａ［ｋ］或いは室内ＣＯ２濃度設定を、外気導入量制御部１６に出力する（ステップＳ１７）。

次いで、誤差修正部１７２３は、最適化に用いた予測値と、現在の計測値とを比較し、その誤差が所定の閾値以内か否かを判定する（ステップＳ１８）。ここで、誤差が閾値を超えると判定した場合（ステップＳ１８；Ｎｏ）、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、ステップＳ１２に再び戻ることで予測値を新たに算出させる。

ステップＳ１８において、誤差が閾値以内と判定した場合（ステップＳ１８；Ｙｅｓ）、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、図示しない計時部で計時される時刻に基づき、最適化対象時間が終了したか否かを判定する（ステップＳ１９）。ここで、最適化対象時間中と判定した場合には（ステップＳ１９；Ｎｏ）、ステップＳ１４に再び戻る。また、ステップＳ１９において、最適化対象時間が終了したと判定した場合（ステップＳ１９；Ｙｅｓ）、外気処理エネルギー最適化部１７２０は、居室内ＣＯ２濃度の上限値に基づき外気導入量を制御するモードに変更し（ステップＳ２０）、処理を終了する。

以下、図７及び図８を参照して、上記外気導入量最適化処理による処理結果の一例について説明する。

図７は、上記外気導入量最適化処理による外気導入量の時間推移の一例を示す図である。また、図８は、上記外気導入量最適化処理による居室内ＣＯ２濃度の時間推移の一例を示す図であり、図７の各時間と対応している。

図７において、縦軸は外気導入量（ｍ³／ｈ）を表しており、横軸は時刻（１時〜２４時）を表している。また、図８において、縦軸は居室内ＣＯ２濃度（ｐｐｍ）を表しており、横軸は時刻（１時〜２４時）を表している。なお、図７及び図８では、最適化対象時間は１時〜２４時となっている。また、居室内ＣＯ２濃度の上限値は１０００（ｐｐｍ）となっている。

図７において、外気導入量Ｌ２１は、ピークシフト時間が設定されていない場合（以下、通常最適化時という）での外気導入量を表している。また、外気導入量Ｌ２２は、ピークシフト時間として１０時〜１１時が設定された場合での外気導入量を表している。また、図８において、居室内ＣＯ２濃度Ｌ３１は、ピークシフト時間が設定されていない場合での外気導入量を表している。また、居室内ＣＯ２濃度Ｌ３２は、ピークシフト時間として１０時〜１１時が設定された場合での外気導入量を表している。

ここで、外気導入量Ｌ２１と、外気導入量Ｌ２２とを比較すると、外気導入量Ｌ２１では、外気導入量のピークが１１時辺りに存在するのに対し、外気導入量Ｌ２２では、外気ピークシフト時間に先立つ７時辺りより急峻に立ち上がり、９時辺りでピークを迎える。また、居室２の居室内ＣＯ２濃度を参照すると、外気導入量Ｌ２２に対応する居室内ＣＯ２濃度Ｌ３２では、外気導入量のピークを早めに迎えるため、外気導入量Ｌ２１に対応する居室内ＣＯ２濃度Ｌ３１よりもなだらかに変化する。そして、居室内ＣＯ２濃度Ｌ３１及び居室内ＣＯ２濃度Ｌ３２の何れにおいても、上限値１０００ｐｐｍを超過することなく推移していく。

このように、上記の外気導入量最適化処理を実行することで、最適化対象時間において外気処理に要するエネルギーを最小化（最適化）することができる。また、ピークシフト時間設定入力部１７１９で設定されたピークシフト時間において、このピークシフト時間におけるエネルギーのピークを他の時間帯に効率的に移行させることできる。

図１に戻り、還気処理部２０は、外気処理部１０と同様にファンとコイルを有し（何れも図示せず）、ファンが運転することにより取り込まれる還気の温度及び湿度の少なくとも一つを、冷水或いは温水を用いて調整する。また、還気処理部２０は、調整した還気を、ダクト４０を通じて給気ユニット３０に送風する。なお、還気処理部２０は、ファンとコイルをパッケージ化して居室２内に配置する構成としてもよく、この場合、還気処理部２０は、居室２内の空気を直接取り込み、ダクト４０を介さずに居室２内に給気を送風する。

給気ユニット３０では、外気処理部１０から送風された外気と、還気処理部２０から送風された還気とが混合された空気がダクト４０を介して取り込まれ、取り込まれた空気が居室２内に給気される。

以上のように、本実施形態の空調制御装置１によれば、最適化対象時間における外気の状態の影響を予測し、この予測値に基づき算出した外気処理に要するエネルギーを最小化（最適化）する条件（外気導入量設定、居室内ＣＯ２濃度設定）の応じた回転数で給気用ファン１２を動作させることできる。これにより、最適化対象時間において外気処理に要するエネルギーを最小化（最適化）することができるため、最適化対象時間を通した積算値の観点において、外気処理に要するエネルギーを効率的に削減することができる。また、最適化対象時間内のピークシフト時間において、当該ピークシフト時間でのエネルギーのピークを、他の時間帯に効率的に移行させることができるため、ピーク時間帯におけるエネルギーを低減するピークシフトを実現できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、追加等を行うことができる。また、上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、外気処理部１０と還気処理部２０とを個別の構成としたが、これに限らず、図９に示すように、一体化した構成としてもよい。

ここで、図９は、空調制御装置１の他の構成例を示す図である。図９に示す構成では、外気処理部１０及び還気処理部２０に代えて、外気・還気処理部５０を備えている。なお、図１と同様の構成要素について、同一の符号を付与し説明を省略する。

外気・還気処理部５０において、外気・還気混合部１８は、外気と還気との混合比率を調整するダンパ等の機構を備え（図示せず）、ダンパの開度に基づいて、外気と還気とを混合する。外気・還気混合部１８で混合された空気は、外気用コイル１４にて温度及び湿度の少なくとも一方が冷水或いは温水で調整され、給気用ファン１２にて給気ユニット３０に送風される。また、この構成において、外気導入量制御部１６は、風量センサ１５で計測された外気風量が、外気導入量最適化部１７で算出された外気導入量設定と等しくなるように、外気・還気混合部１８のダンパ開度を制御する。なお、外気導入量制御部１６は、ＣＯ２濃度センサ１１で計測された排気或いは還気のＣＯ２濃度が、外気導入量最適化部１７で算出されるＣＯ２濃度設定と等しくなるよう、外気・還気混合部１８のダンパ開度を制御する形態としてもよい。

また、上記実施形態では、外気導入量最適化部１７を、居室２に併設される外気処理部１０が備える構成を説明したが、これに限らず、例えば図１０に示すように、外気処理部１０の外部に存在する外部装置が備える構成としてもよい。

ここで、図１０は、ビル管理システム３の構成を模式的に示す図である。ビル管理システム３では、ビル内の各居室２を空調制御の対象としており、居室２毎に空調制御装置１Ａが設置されている。ここで、空調制御装置１Ａは、外気導入量最適化部１７を取り除いたものであり、当該空調制御装置１Ａの外気導入量制御部１６は、中央監視装置６０から入力される外気導入量設定或いは室内ＣＯ２濃度設定に基づき、給気用ファン１２の回転数の設定値を制御する（何れも図示せず）。

中央監視装置６０は、ビル管理システム３内の外気処理部１０Ａを管理するサーバ装置等であって、ＬＡＮ（Local Area Network）等のネットワークＮ１を介して、各空調制御装置１Ａ（外気処理部１０）と通信可能に接続されている。ここで、中央監視装置６０は、外気導入量最適化部１７を備え、各空調制御装置１Ａで計測される外気及び居室２内の空気の状態値に基づいて、外気導入量設定或いは室内ＣＯ２濃度設定を個別に算出し、ネットワークＮ１を介して、対応する空調制御装置１Ａの外気導入量制御部１６に入力する。これにより、各居室２の空調制御を上記実施形態と同様に行うことができるため、一の外気導入量最適化部１７により、各居室２を集中管理することができる。

なお、図１０の構成の場合、空調制御装置１Ａの各々が備える外気ＣＯ２濃度センサ１３を、ビル全体で一つ設けることで、センサコストを低減させることができる。また、外気導入量最適化部１７を中央監視装置６０に設けるのではなく、中央監視装置６０とインターネット等のネットワークＮ２を介して接続される外部サーバ７０に設ける形態としてもよい。この場合、外部サーバ７０では、外気導入量最適化部１７の機能をサービス（例えばＷｅｂサービス等）として中央監視装置６０に提供する形態としてもよい。

また、上記実施形態の外気処理部１０（外気導入量最適化部１７）で実行されるプログラムは、各装置が備える記憶媒体（ＲＯＭ又は記憶部）に予め組み込んで提供するものとするが、これに限らず、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。さらに、記憶媒体は、コンピュータ或いは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、ＬＡＮやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶又は一時記憶した記憶媒体も含まれる。

また、上記実施形態の外気処理部１０（外気導入量最適化部１７）で実行されるプログラムをインターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよく、インターネット等のネットワーク経由で提供又は配布するように構成してもよい。

１、１Ａ 空調制御装置
２ 居室
３ ビル管理システム
１０ 外気処理部
１１ ＣＯ２濃度センサ
１２ 給気用ファン
１３ 外気ＣＯ２濃度センサ
１４ 外気用コイル
１５ 風量センサ
１６ 外気導入量制御部
１６１、１６２ 減算器
１６３、１６４、１６８ フィルタ部
１６５、１６６ ＰＩＤ制御器
１６７ 加算器
１７ 外気導入量最適化部
１７１１ 記憶部
１７１２ 表示部
１７１３ 外気情報取得部
１７１４ 居室内情報取得部
１７１５ 比エンタルピー予測部
１７１６ 外気ＣＯ２濃度予測部
１７１７ 居室内ＣＯ２発生量予測部
１７１８ 居室内ＣＯ２発生量算出部
１７１９ ピークシフト時間設定入力部
１７２０ 外気処理エネルギー最適化部
１７２１ 最適外気導入量出力部
１７２２ 最適ＣＯ２濃度設定出力部
１７２３ 誤差修正部
１８ 外気・還気混合部
２０ 還気処理部
３０ 給気ユニット
３１ 室内ＣＯ２濃度センサ
４０ ダクト
５０ 外気・還気処理部
６０ 中央監視装置
７０ 外部サーバ
Ｎ１、Ｎ２ ネットワーク

Claims (10)

1. 外気の空調処理を行う外気処理手段と、前記外気処理手段で調整された外気を空調制御対象の室内に供給する給気手段とを有する空調制御装置において、
   前記外気処理手段は、
   前記外気の調整を行う外気コイルと併せて設置され、ファンの回転数に応じた量の外気を前記外気コイルに取り込むとともに、当該外気コイルで調整された外気を前記回転数に応じた風量で前記給気手段に送風する給気用ファンと、
   前記給気用ファンにより送風される外気の風量を計測する風量センサと、
   将来の所定期間における前記外気及び前記室内の空気の状態の予測値に基づき、当該所定期間における前記空調処理に要する外気処理エネルギーを最小化する前記外気の風量に係る条件を算出する外気導入量最適化手段と、
   前記風量センサで計測される風量が、前記外気導入量最適化手段で算出された前記条件に応じた風量に追従するように、前記給気用ファンの回転数を制御する外気導入量制御手段と、
   を備える空調制御装置。
2. 前記外気導入量最適化手段は、
   前記所定期間における前記空調処理前の外気の状態を予測する第１予測手段と、
   前記所定期間における前記室内の空気の状態を予測する第２予測手段と、
   前記第１予測手段及び前記第２予測手段の予測値に基づき、前記外気の調整に要するエネルギーを最小化する前記外気の風量に係る条件を算出する外気処理エネルギー最適化手段と、
   を備える請求項１に記載の空調制御装置。
3. 前記第１予測手段は、前記所定期間における前記外気の状態として、当該外気のエンタルピーと当該外気の二酸化炭素濃度とを予測し、
   前記第２予測手段は、前記所定期間における前記室内の空気の状態として、当該室内での二酸化炭素発生量と前記給気手段が前記室内に供給する給気のエンタルピーとを予測し、
   前記外気処理エネルギー最適化手段は、前記第１予測手段及び前記第２予測手段の予測値を用いて、前記所定期間における前記外気処理エネルギーが最小で、且つ前記室内の二酸化炭素濃度が所定の規定値以下となることを条件とする最適化問題を解くことで、前記外気の風量に係る条件を算出する請求項２に記載の空調制御装置。
4. 外気処理エネルギー最適化手段は、前記外気の風量に係る条件として、前記外気の前記室内への導入量又は当該導入量で前記給気用ファンを運転したときの前記室内の二酸化炭素濃度を算出する請求項２又は３に記載の空調制御装置。
5. 前記外気導入量最適化手段は、前記所定期間のうち、ピークシフト時間となる特定時間帯の指定を受け付ける設定入力手段を更に備え、
   前記外気処理エネルギー最適化手段は、前記所定期間のうち、前記ピークシフト時間における前記外気処理エネルギーのピークを、当該ピークシフト時間以外の他の時間帯にシフトさせる請求項１〜４の何れか一項に記載の空調制御装置。
6. 前記室内の空気の状態を計測する室内状態センサを更に備え、
   前記外気導入量制御手段は、前記室内状態センサで計測される前記室内の空気の状態が所定の規定値を超える場合、前記給気用ファンの回転数が増加するよう制御する請求項１〜５の何れか一項に記載の空調制御装置。
7. 前記外気導入量最適化手段は、前記室内状態センサで計測される前記室内の空気の状態と、当該計測時における前記第２予測手段の予測値が示す前記室内の空気の状態との差が所定の閾値を超えた場合に、前記第２予測手段による予測を実行させる誤差修正手段を更に備える請求項６に記載の空調制御装置。
8. 前記調整前の外気の状態を計測する外気状態センサを更に備え、
   前記誤差修正手段は、前記外気状態センサで計測される外気の状態と、当該計測時における前記第１予測手段の予測値が示す前記外気の状態との差が所定の閾値を超えた場合に、前記第１予測手段による予測を実行させる、
   請求項７に記載の空調制御装置。
9. 前記外気導入量最適化手段は、空調制御対象となる複数の前記室内を備えた建屋の監視システム又は当該監視システムと通信可能に接続される外部装置に設けられる請求項１〜８の何れか一項に記載の空調制御装置。
10. 風量計測手段が、外気の調整を行う外気コイルと併せて設置され、ファンの回転数に応じた量の外気を前記外気コイルに取り込むとともに、当該外気コイルで調整された外気を前記回転数に応じた風量で送風する給気用ファンから送風された外気の風量を計測し、
    外気導入量最適化手段が、将来の所定期間における前記外気及び前記室内の空気の状態の予測値に基づき、当該所定期間における前記空調処理に要する外気処理エネルギーを最小化する前記外気の風量に係る条件を算出し、
    外気導入量制御手段が、前記風量センサで計測される風量が前記外気導入量最適化手段で算出された前記条件に応じた風量に追従するように、前記給気用ファンの回転数を制御する、
    ことを含む空調制御方法。

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