JP2014020650A - 湿度推定装置及び空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】湿度センサを備えていなくても空調システムが取得可能な情報に基づいて精度よく室内相対湿度を推定することができる湿度推定装置及び推定された室内相対湿度に基づいて精度よくＰＭＶを推定し、快適かつ省エネ効果を期待できる空調システムを提供する。
【解決手段】初期状態における室内の相対湿度である初期室内相対湿度を推定する初期室内相対湿度推定部１と、初期状態から現時点までに冷房により室内において除湿される水蒸気量である除湿水蒸気量を推定する除湿水蒸気量推定部２と、初期状態から現時点までに換気により室内に流出入する水蒸気量である換気水蒸気量を推定する換気水蒸気量推定部３と、初期室内相対湿度と、除湿水蒸気量と、換気水蒸気量と、に基づいて現時点における相対湿度である現時点室内相対湿度を推定する現時点室内相対湿度推定部４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＭＶやＳＥＴ＊等の快適性指標に基づいて空調運転の制御が行われる空調システムに用いられる湿度推定装置、この湿度推定装置を用いた空調システムに関するものである。

快適性を保ちつつ、省エネルギー化を進めるためにＰＭＶやＳＥＴ＊等の快適性指標に基づいて空調システムが制御されている。

例えばＰＭＶ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、室温、室内相対湿度、平均輻射温度、気流速度、活動量（人体の内部発熱量）、着衣量の６つの変数により求められる快適性指標である。

このような快適性指標に基づいて空調システムを制御することにより、大多数の人の快適性を保ちつつ、省エネルギー化を進めることが可能となると考えられている。

ところで、ＰＭＶを算出するためには上述した６つの変数の値を何らかの形で測定又は推定する必要がある。例えば、室温、気流速度については空調システムに設けられている室温センサの測定値や制御値を用いており、平均輻射温度、活動量、着衣量等は予め定めた値や日付から季節性等を考慮して推定される等している。

一方、室内相対湿度に関しては、空調システムが湿度センサを備えている場合には前記湿度センサの測定値が用いられているが、既存の室内機には湿度センサが設けられていないことも多い。

例えば湿度センサを備えていない既存の空調システムにＰＭＶによる制御を後付けする場合、例えば特許文献１に示されるように湿度以外の空調システムが取得可能なパラメータを用いて湿度を推定し、推定された湿度に基づいてＰＭＶを算出する事が行われている。

より具体的に説明すると特許文献１に記載されている湿度推定装置は、室内に流入する水蒸気量と、人体から発生する水蒸気量に基づいて室内の水蒸気量を推定するように構成されている。

しかしながら、特許文献１に記載されているような湿度推定装置を用いたとしても推定される室内相対湿度は、湿度センサにより測定される室内相対湿度と比較すると大きく乖離していることがあり、ＰＭＶの推定精度に悪影響を与えていることがある。そして、ＰＭＶを正しく推定できないために、空調システムが目標ＰＭＶ通りに動作しようとしても快適性や省エネ効果が低下してしまうことになる。

特開２０１１−０８５８２３号公報

そこで、本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、湿度センサを備えていなくても空調システムが取得可能な情報に基づいて精度よく室内相対湿度を推定することができる湿度推定装置及び推定された室内相対湿度に基づいて精度よくＰＭＶを推定し、快適かつ省エネ効果を期待できる空調システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明の湿度推定装置は、空調システムに用いられる湿度推定装置であって、初期状態における室内の相対湿度である初期室内相対湿度を推定する初期室内相対湿度推定部と、初期状態から現時点までに冷房により室内において除湿される水蒸気量である除湿水蒸気量を推定する除湿水蒸気量推定部と、初期状態から現時点までに換気により室内に流出入する水蒸気量である換気水蒸気量を推定する換気水蒸気量推定部と、前記初期室内相対湿度と、除湿水蒸気量と、前記換気水蒸気量と、に基づいて現時点における相対湿度である現時点室内相対湿度を推定する現時点室内相対湿度推定部とを備えた事を特徴とする。

このようなものであれば、前記除湿水蒸気量推定部及び前記換気水蒸気量推定部によって室内の空気中から失われる水蒸気量を推定しているので、所定時間経過後における室内相対湿度を初期状態の初期室内相対湿度から推定することができる。

言い換えると、本発明は従来湿度の推定には考慮されていなかった空気中から失われる水分量を考慮したうえで室内相対湿度の推定を行っているので、推定誤差を小さくすることができる。

従って、ＰＭＶ等の室内相対湿度を用いて算出される快適性指標を湿度センサなしで精度よく推定する事が可能となるので、既存の湿度センサを有しない空調システムにおいても快適性指標に基づく制御が可能になる。

このことから、湿度センサを新たに付加することなく快適性を確保しつつ、省エネ効果の期待できる空調システムを構築する事ができる。

大元となる初期室内相対湿度を精度よく推定し、現時点室内相対湿度を高精度で推定できるようにするには、前記初期室内湿度推定部が、気象情報から取得される外気温度及び外気相対湿度に基づいて初期状態における室内の水蒸気量である初期室内水蒸気量を推定し、初期室内水蒸気量と初期状態における室温である初期室温から初期室内相対湿度を推定するものであればよい。このようなものであれば、湿度センサがなかったとしても例えば空調開始時においては外気水蒸気量と室内水蒸気量は略同じであることから、インターネット等で取得可能な気象情報から外気温度及び外気相対湿度を取得するだけで精度よく初期室内相対湿度を推定することができる。また、初期室内相対湿度は一度だけ精度よく推定を行っておけば、以降は時間経過による除湿水蒸気量及び換気水蒸気量により室内の水蒸気量の変化を反映させることで精度よく現時点室内相対湿度を推定することができる。

空調システムが通常備えているセンサや機器情報だけに基づいて、新たにセンサを付加することなく除湿水蒸気量を推定するには、前記除湿水蒸気量推定部が、室内機の定格冷房能力と、潜熱比とに基づいて除湿水蒸気量を推定するものであればよい。

潜熱比を規定の値ではなく、個々の空調システムの特徴や運転状態を反映したものにし、より精度よく除湿水蒸気量を推定できるようにするには、前記除湿水蒸気量推定部が、潜熱比を初期室内水蒸気量と、初期状態での室温である初期室温と、蒸発器における冷媒の蒸発温度とに基づいて推定するものであればよい。

簡単な構成で換気水蒸気量を推定するには、前記換気水蒸気量推定部が、外気水蒸気量と、現時点室内相対湿度に基づいて算出される現時点室内水蒸気量と、換気率に基づいて換気水蒸気量を推定するものであればよい。

前記湿度推定装置と、前記湿度推定装置により推定された現時点室内相対湿度に基づいて現時点での快適性指標である現時点快適性指標を算出する現時点快適性指標算出部と、前記現時点快適性指標算出部において算出される現時点快適性指標が目標快適性指標となるように空調運転を制御する空調制御部とを備えた空調システムであれば、精度よく推定された現時点室内相対湿度に基づいて、現時点の状態を正確に表した現時点快適性指標を推定することができ、快適性指標による空調運転を略誤差なく行うことが可能となる。したがって、この空調システムによれば、快適性の確保と省エネルギー化を両立させることができるようになる。

このように本発明の湿度推定装置によれば、室内の水蒸気量のうち特に除湿による減少量や換気による減少量を初期室内相対湿度に反映させていくことにより、時間経過があったとしても精度よく現時点室内相対湿度を推定することができる。また、この湿度推定装置を用いた空調システムであれば、湿精度よく推定される現時点室内相対湿度に基づいてＰＭＶやＳＥＴ＊等といった快適性指標を推定することができ、湿度センサを設けなくても快適性と省エネルギー化を両立した空調運転が可能となる。

本発明の一実施形態に係る空調システム及び湿度推定装置を示す模式図。 同実施形態における潜熱比の算出過程を示す模式図。

本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態の空調システム２００は、例えば複数の室内機を有するビルマルチタイプのエアコンを構成するものであって、外部のコントロールルームから各室内機の空調運転を制御できるように構成してある。

より具体的には、前記空調システム２００は、コントロールルームにおいてインターネット等から取得可能な気象情報等及び各室内機に設けられているセンサから取得可能な測定値、取得可能な運転状態に関する情報等に基づいて、各空調器を快適性指標であるＰＭＶにより制御するよう構成してある。

本実施形態の空調システム２００は、図１に示すように各室内機が湿度センサを備えていなくてもＰＭＶによる空調運転を可能とするために、少なくとも湿度推定装置１００、快適性指標算出部５、空調制御部６を備えている。前記空調システム２００の一部は、ＣＰＵ、メモリ、入出力機器等を備えたいわゆるコンピュータによって構成してあり、メモリに格納されているプログラムを実行することによって上述した各部の機能を発揮するようにしてある。

各部について説明する。なお、以下の説明において水蒸気量は絶対湿度と読み替えても構わない。

前記湿度推定装置１００は、空調運転が開始された時点での各室内機に対応する室内の初期室内相対湿度を推定し、その後は室内における水蒸気量の変化を推定し、その水蒸気量の変化を初期室内相対湿度に反映させていくことにより、現時点での室内相対湿度を推定するものである。

すなわち、前記湿度推定装置１００は、初期室内相対湿度推定部１と、除湿水蒸気量推定部２と、換気水蒸気量推定部３と、現時点室内相対湿度推定部４とを備えたものである。

前記初期室内相対湿度推定部１は、インターネット等により取得される気象情報と、室内機に設けられている室温センサで測定される室温によって湿度センサを用いずに室内の初期状態の相対湿度である初期室内相対湿度を推定するものである。

より具体的には、前記初期室内相対湿度推定部１は、まず、気象情報から取得される外気温度及び外気相対湿度から外気水蒸気量を算出し、この外気水蒸気量に基づいて初期状態における室内の水蒸気量である初期室内水蒸気量を推定する。

すなわち、前記初期室内相対湿度推定部１は、式１に示すＴｅｔｅｎｓの式に外気温度を代入して外気飽和水蒸気圧算出し、得られた外気飽和水蒸気圧を式２に示す気体の状態方程式に代入して外気飽和水蒸気量を算出する。その後、前記初期室内相対湿度推定部１は、式３に示すように外気飽和水蒸気量に外気相対湿度を乗じることにより外気水蒸気量を算出する。

ここで、Ｅ_Ｏは外気飽和水蒸気圧、Ｔ_Ｏは外気温度、Ａｓ_Ｏは外気飽和水蒸気量、Ａ_Ｏは外気水蒸気量、Ｈｒ_Ｏは外気相対湿度である。

そして、前記初期室内相対湿度推定部１は、空調運転を開始した時点では室内と室外とにおいて水蒸気量にはほとんど差がないことを利用して算出された外気水蒸気量を初期室内水蒸気量とし、この初期室内水蒸気量を初期室温で決定される室内飽和水蒸気量で割ることにより初期室内相対湿度を算出するように構成してある。なお、このようにして推定される初期室内相対湿度は、実測値に対して５％程度の誤差しか有しておらず、空調運転を開始した時点における相対湿度に関しては気象情報及び室温だけで十分な精度で推定できることが分かる。

前記除湿水蒸気量推定部２は、初期状態から現時点までの冷房運転の除湿作用により減少する室内の水蒸気量を推定するものである。より具体的には、前記除湿水蒸気量推定部２は、室内機の定格冷房能力と、潜熱比とに基づいて除湿水蒸気量を推定するように構成してある。

前記定格冷房能力は、制御対象である室内機の冷房能力に室内の容積を除することで算出される値である。ここで室内機の冷房能力に関しては予め取得可能な値であり、室内の容積は室内機が設置されている部屋の大きさが分かっている場合にはその値を用い、分からない場合には、その室内機が設置されるのが推奨されている部屋の大きさ等を当てはめて求めることができる。

一方、潜熱比については前記除湿水蒸気量推定部２が、初期室内水蒸気量と、初期状態での室温である初期室温と、蒸発器における冷媒の蒸発温度とに基づいて推定するように構成してある。すなわち、前記除湿水蒸気量推定部２は、図２に示すような湿り空気線図に記載されている関係と、初期室内水蒸気量、初期室温、蒸発温度を用いて顕熱比を求め、その後、潜熱比を算出するように構成してある。

具体的には、前記除湿水蒸気量推定部２は、前記初期室内相対湿度推定部１が算出した初期室内水蒸気量（初期室内絶対湿度）と、初期室温との組み合わせに対応するエンタルピーを前記湿り空気線図から取得する。同様に、前記除湿水蒸気量推定部２は、例えば蒸発器近傍の冷媒配管に設けられた温度センサから蒸発温度を取得し、その蒸発温度と相対湿度が１００％のときのエンタルピーを取得する。そして、前記除湿水蒸気量推定部２は、各エンタルピーの差を初期室温及び蒸発温度の差で割ることで顕熱比（ＳＨＦ）を算出する。これは、図２の湿り空気線図における吸い込み空気ポイントと蒸発器接触空気ポイントとの間を結ぶ直線の傾きに対応する。この後、前記除湿水蒸気量推定部２は、定義に基づいて１−ＳＨＦにより潜熱比を算出する。このようにして、前記除湿水蒸気量推定部２は、室内の初期状態及び蒸発温度を反映した潜熱比を算出することができる。

さらに、前記除湿水蒸気量推定部２は、単位容積あたりの冷房能力に潜熱比を乗じ、その値を水の凝集潜熱で割ることで除湿水蒸気量を算出する。なお、前記除湿水蒸気量推定部２は、冷房運転時にのみ動作して除湿水蒸気量を算出するように構成してあり、除湿が生じない暖房運転時には動作しない。

前記換気水蒸気量推定部３は、初期状態から現時点までに換気により室内に流出入する水蒸気量である換気水蒸気量を推定するものである。より具体的には、前記換気水蒸気量推定部３は、式４に示すように単位時間あたりの室内空気の換気率を外気水蒸気量と室内水蒸気量の差を乗じることで流出入する水蒸気量を算出するように構成してある。

ここで、Ａ_ｄは流出入する水蒸気量である換気水蒸気量、Ａ_Ｏは外気水蒸気量、Ａ_Ｐは室内水蒸気量、Ｖは換気率である。

なお、前記換気率は室内機が設けられている部屋の値が分かっている場合にはその値を用い、分からない場合は一般的な推奨値を用いる。例えば建築基準法では換気率として１分間に約１％の空気が換気されるように定められているのでこの値を用いてもよい。また、外気水蒸気量は、インターネット等から気象情報を取得し、外気相対湿度及び外気温度から算出される。さらに、前記室内水蒸気量は、初期水蒸気量だけでなく、後述する現時点室内相対湿度推定部４により算出される現時点室内水蒸気量を逐次用いることで、前記換気水蒸気量推定部３は、換気水蒸気量を推定するようにしてある。

前記現時点室内相対湿度推定部４は、初期室内相対湿度と、除湿水蒸気量と、換気水蒸気量と、現時点室温に基づいて初期状態から所定時間経過後における現時点の相対湿度である現時点室内相対湿度を推定するように構成してある。

具体的には、前記現時点室内相対湿度推定部４は、初期室内相対湿度及び初期室温から算出される初期室内水蒸気量から、除湿水蒸気量及び換気水蒸気量を引く、すなわち、空気中から失われた水蒸気量を引くことで現時点での室内水蒸気量である現時点室内水蒸気量を算出する。そして、前記現時点室内相対湿度推定部４は、現時点室内水蒸気量を現時点室温により定まる飽和水蒸気量で割って現時点室内相対湿度を算出するように構成してある。

このように前記湿度推定装置１００は、正確に推定される初期相対湿度及び初期室内水蒸気量にから、逐次、除湿水蒸気量、換気水蒸気量を反映させていくことで、現時点室内相対湿度を精度よく推定することができる。

前記現時点快適性指標算出部５は、前記湿度推定装置１００により推定された現時点室内相対湿度と、室温、平均輻射温度、気流速度、活動量、着衣量により快適性指標である現時点でのＰＭＶを算出するものである。ここで、現時点室内相対湿度以外のパラメータである室温、平均輻射温度、気流速度に関しては室内機のセンサで測定される、あるいは、取得可能な値を使用している。活動量、着衣量に関しては、日付や時間帯等により推定されるあるいは予め定めた値が使用される。

そして、前記空調制御部６は、前記現時点快適性指標が目標快適性指標となるように空調運転を制御するものである。より具体的には、現時点のＰＭＶが目標ＰＭＶとなるように各室内機の設定温度を適宜変更することにより、目標ＰＭＶが達成されるようにしてある。

このように本実施形態の空調システム２００によれば、室内機が湿度センサを備えていなくても、室内機が備えている温度センサや冷媒配管の温度、インターネット等で取得可能な気象情報により室内相対湿度を精度よく推定し、その室内相対湿度に基づいて正確にＰＭＶを算出することができる。従って、室内の状況を正確に反映したＰＭＶにより空調運転がなされることになるので、快適性を保ちつつ、省エネルギー化を達成することができる。

また、本実施形態の空調システムであれば、既存の湿度センサを備えていない空調システムにも適応することができ、例えばプログラムの書き換えだけで、快適性を向上させるとともに省エネルギー化を進めることができる。

その他の実施形態について説明する。

前記実施形態では潜熱比の算出も行っていたが、予め定められた値を用いても構わない。また、快適性指標としてはＰＭＶだけでなく、ＳＥＴ＊等のその他の指標を用いて空調運転を制御しても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

１００ ：湿度推定装置
２００ ：空調システム
１ ：初期室内相対湿度推定部
２ ：除湿水蒸気量推定部
３ ：換気水蒸気量推定部
４ ：現時点室内相対湿度推定部
５ ：現時点快適性指標算出部
６ ：空調制御部

Claims (6)

1. 空調システムに用いられる湿度推定装置であって、
   初期状態における室内の相対湿度である初期室内相対湿度を推定する初期室内相対湿度推定部と、
   初期状態から現時点までに冷房により室内において除湿される水蒸気量である除湿水蒸気量を推定する除湿水蒸気量推定部と、
   初期状態から現時点までに換気により室内に流出入する水蒸気量である換気水蒸気量を推定する換気水蒸気量推定部と、
   初期室内相対湿度と、除湿水蒸気量と、換気水蒸気量と、に基づいて現時点における相対湿度である現時点室内相対湿度を推定する現時点室内相対湿度推定部とを備えた事を特徴とする湿度推定装置。
2. 前記初期室内湿度推定部が、気象情報から取得される外気温度及び外気相対湿度に基づいて初期状態における室内の水蒸気量である初期室内水蒸気量を推定し、初期室内水蒸気量と初期状態における室温である初期室温から初期室内相対湿度を推定する請求項１記載の湿度推定装置。
3. 前記除湿水蒸気量推定部が、室内機の定格冷房能力と、潜熱比とに基づいて除湿水蒸気量を推定する請求項１又は２記載の湿度推定装置。
4. 前記除湿水蒸気量推定部が、潜熱比を初期室内水蒸気量と、初期状態での室温である初期室温と、蒸発器における冷媒の蒸発温度とに基づいて推定する請求項３記載の湿度推定装置。
5. 前記換気水蒸気量推定部が、外気水蒸気量と、現時点室内相対湿度に基づいて算出される現時点室内水蒸気量と、換気率に基づいて換気水蒸気量を推定する請求項１乃至４いずれかに記載の湿度推定装置。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の湿度推定装置と、
   前記湿度推定装置により推定された現時点室内相対湿度に基づいて現時点での快適性指標である現時点快適性指標を算出する現時点快適性指標算出部と、
   前記現時点快適性指標算出部において算出される現時点快適性指標が目標快適性指標となるように空調運転を制御する空調制御部とを備えた空調システム。