JP2016507717A - 広範囲の温度モニタリングを使用した、ゾーンに基づく暖房、換気、及び空調（ｈｖａｃ）制御 - Google Patents

Abstract

空調（ＡＣ）システムを制御するためのシステム及び方法は、局所的制御のために局所的動的システムを形成するために、局所的条件に基づいて制御機能を達成するために１つ以上のゾーンを定義する工程であって、ゾーンは、部屋の高温及び低温領域、又は熱を発生する機器の位置を考慮して定義され、ゾーン定義は、時刻又は占有率に基づいて動的に変更し、あるいは、ゾーンは、エネルギー節約及び快適性のトレードオフを考慮する、又は所定の温度制約を有する機器を考慮する、感度分析に基づくカスタマイズ可能な方法で定義される、工程と、機器の重要性、熱を発生するゾーン、及びＡＣへの近接に基づいて、部屋の所定の位置に配置された多数のセンサーによりモニタリングし、既存の動作条件に基づいて適切な温度設定点を決定する工程と、所定の位置における温度情報を適用して、ＡＣシステムの作動の規則を生成する工程とを含む。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１３年６月１９日出願の仮特許出願第６１／８３６８８８号、及び２０１３年１０月３０日出願の同第６１／８９７４２３号に対する優先権を主張し、その内容は参照として組み込まれる。

（発明の分野）
本発明は、空調制御システムに関する。

持続可能な電気エネルギーインフラストラクチャの形成は、再生可能エネルギー技術の導入、様々な貯蔵技術及び効率的な需要管理を伴う。本報告は、需要管理、特に、室温制御のための空調エネルギー消費の低減に焦点を当てている。現在のスマートグリッド技術は、生産者により集中管理されるネットワークから、より分散し、より局所レベルで対応するネットワークへと移行しつつある。

需要管理は、スマートグリッドの重要な要素であり、その理由はｉ）エネルギー消費を削減し、よってコストを削減するべく、需要を調整することができること、及びｉｉ）需要を低減する、又はシフトすることにより、資源の貯蔵及び間欠的生成を行うに当たり柔軟性をもたらすこと、である。ほぼ全ての種類の電気需要が、管理の対象として考慮されてきた。暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）システム、及び電気自動車（ＥＶ）における需要は、これらのサイズ、及びこれらを低減若しくは管理することによりもたらされる利益のために、最も一般的に管理の対象として考慮されてきた。

一態様において、ＨＶＡＣ制御システムは、広範なビルに容易に適用することができる、柔軟でありかつカスタマイズ可能なゾーンの定義を含む。

別の態様において、このシステムはビル内及びビル周辺の温度及び湿度の、広範囲にわたるモニタリング（又は感知）を含む。ゾーンの定義、及び広範囲にわたる感知に基づく制御方法は、Ａ／Ｃの使用量を決定し、効率的に制御する。

上記の態様の実施には、以下の１つ以上が含まれる場合がある。このシステムは、大型小売店及び商業地における、空調（Ａ／Ｃ）電力消費を低減する一方で、以下の方法により適切な温度を維持する。まず、暖房及び冷却源、人の存在、及び高感度機器の位置などの様々な要因に基づいて温度が制御されるべき区域に対して異なるゾーンが指定される（図１）。次に、上記の要因に基づく部屋の各ゾーン、及びＡ／Ｃ通気孔の付近に、多数の温度センサーが設置される。次に、既存の動作条件に基づいて、適切な温度設定点が決定される。最後に、様々なゾーンにおける温度情報が、ゾーンに基づく制御及び作動アルゴリズムにより使用され、各ゾーンにおけるＡ／Ｃの作動が決定される。設定点との温度の差の平均値、及びＡ／Ｃ動作の現在の状態に基づいて、制御アルゴリズムが作動信号を決定する（図２）。この制御の決定は、部屋の占有状況、又は時刻（これらは温度値ほど直接的に温度快適性に関係しない）よりもむしろ、温度に基づいて行われる。このゾーンに基づく手法は、各ゾーンにおける多数の温度センサー情報を使用し、その結果モニタリングを改善する。多数の作動装置が各ゾーンにおいて制御され得、結果として更なる制御柔軟性、並びに冗長性をもたらす。

このシステムの利点として、以下の１つ以上が挙げられる。このシステムは、空調（ＡＣ）電力消費を低減する一方で、ビルの所望の場所における適切な温度を維持するための、モニタリング及び制御用途をもたらす。このシステムは、より低いＡＣ電力消費により、より低いエネルギーコストを可能にする。電力消費が低減されるのは、ＡＣ使用量を決定する制御において、広範囲に及ぶ感知情報を使用することと、これに加えて適切なゾーンを定義することによるコントローラの局所的動作との結果である。加えて、このシステムはまた、１）ゾーンの定義をその部屋の特定のＨＶＡＣの必要性に基づかせることと、２）各ゾーン内に温度センサーを配置するために所望の位置を選択することと、２）これらの位置において所望される設定点（基準温度値）を選択することと、によって温度制御に更なる柔軟性をもたらす。

他の利点として、以下の１つ以上が挙げられる。このシステムは、様々な大きさ及び構造の部屋及びビルに対して容易に拡張可能かつ適用可能である。このシステムの動作は、障害を対応するゾーンに限定することにより、信頼性の高いものとなる。システムは各ゾーンにおいて多数の装置を用いて適用することができ、多数の装置を使用することにより、柔軟性及び冗長性をもたらすことができる。

Ａ／Ｃ動作をモニタリング及び制御するために、代表的なゾーン定義を示す。このシステムは、関心の部屋／ビルを、異なるゾーンに分割し、四角形は単一又は多数のＡ／Ｃに接続する通気孔を表す。 ２つの部分の、順次実行される制御アルゴリズムの代表的なフローを示している。 ２つの部分の、順次実行される制御アルゴリズムの代表的なフローを示している。 調節可能な作動による、装置のマップに基づく制御ストラテジを示す。 部屋周辺の温度のモニタリング及び制御に基づき空調使用量を低減するための１つの手法を示す。 部屋周辺の温度及び湿度のモニタリング及び制御に基づき、ＨＶＡＣ使用量を低減するための、より包括的なゾーンに基づく制御手法を示す。

図１は、Ａ／Ｃ動作をモニタリング及び制御するための、代表的なゾーン定義を示す。このシステムは、関心の部屋／ビルを、異なるゾーンに分割し、四角形は単一又は多数のＡ／Ｃに接続する通気孔を表す。Ａ／Ｃの使用量を低減するためのこの手法は、広範囲のモニタリング、及びゾーンに基づく制御という２つの特徴に基づいている。まず、システムモデルを必要とせずにより良い温度ピクチャをもたらすために、関心のビル／部屋に多数の温度センサーが配備される。次に、ゾーンの柔軟な定義に基づき、様々な大きさ及び構造のビルに適用することができる汎用的でスケーラブルなソリューションを生じる、ゾーンに基づく制御手法が開発される。発明者らの制御手法は、広範囲にわたるモニタリング及び局所的な制御による、効率的なＡ／Ｃ手法を生じる。加えて、この手法は、通信問題などの予期せぬ問題を特定のゾーンに限定するために、冗長性をもたらす。提示されるモニタリング及び制御法は、様々な大きさ及びレイアウトのテレコム基地局、及び小売店に配備され、この手法の汎用性及び拡張性を強調する。エネルギー節約の可能性、及び発明者ら固有のゾーンに基づく制御の柔軟な局所的動作などの二次的利益が、結果として強調される。局所的条件、及び考察対象となるビルによって、節約量は１５％〜３５％で異なるが、あらゆる状況においても、発明者らの手法がＡ／Ｃ使用量を削減することが示された。

図１のシステムは、対象の部屋／ビルを異なるゾーンへと分割する。ゾーンは同様の区域をまとめるために定義される。例えば、大量の熱を絶えず発生する一定の機器が存在し、その区域が一般的に他の区域よりも高温となることが予想される場合、部屋／ビルのこの部分は、ゾーンとして定義され得る。このような定義は、条件を局所化し、よってコントローラが局所的に機能してそのゾーンにおいて必要な局所条件を生成するのに役立つ。もしもこのようなゾーンが定義されることなく、部屋全体の温度情報に基づいて関心の領域全体が制御されれば、この高温の区域が所望の設定点からの温度のずれを生じ、Ａ／Ｃが必要でない区域において動作し続けることとなるであろう。また、ゾーンの定義が必ずしも熱条件のみに依存しないことに留意するのも重要である。多くの他の要因、例えば、占有率（図１のゾーン３）、機器の感度（ゾーン２）、外部区域との熱移動、空気流条件、物理的分離（壁など）、及び他のこのような要因などが、ゾーンを定義するために使用され得る。ゾーンの定義は、制御機能を局所化し、これにより、関心の領域全体に単一のコントローラを有する場合よりも、より効率的でカスタマイズ可能な動作を生じるための方法としてみなされるべきである。この柔軟性は、以前の手法ではもたらされなかった。一度ゾーンが定義されると、温度センサーが各ゾーンに配備されて、ゾーンの熱に関する記述をもたらし得る。本発明の重要な技術革新は、発明者らが、多数のセンサーを配備する上での柔軟性をもたらし、これにより、現在利用されているサーモスタットによる単一点における感知よりも、多くの情報によって機能することである。これらのセンサーは、温度が厳密に維持されるべき場所（例えば、高感度の機器、高占有率の区域）に配置され得るか、又は最適センサー配備手法によって配置され得る。一度各ゾーンにおけるセンサーが配置され、特定されると、下記に示される制御アルゴリズム（図２）が展開されて、各ゾーンにおけるＡ／Ｃのオン／オフが計算される。

この例において、制御アルゴリズムのフローは、順次実行される２部分として示されている。まず、この実施形態において、全てのゾーン、及び様々な位置の温度データが回収される。コントローラはこれらの温度値（図１の左上の第１ブロック）を読み取り、このデータを前処理する。前処理は、センサーＩＤを読み取ることと、これらのＩＤが、各センサーＩＤの設定点を記載するファイル内に、記載されていることを確認することとからなる。その後、センサー読み取り値は、これらが割り当てられるゾーンに基づいて分離される。いずれかのセンサーデータが欠けているか、又はいずれかのセンサーが適切に機能していない場合、その読み取り値は破棄され、各ゾーンにおける有用な温度読み取り値のセットが取得される。

制御アルゴリズムはその後、記録される温度値と、各センサーの所望の温度設定点を比較し、設定点からの正のずれを回収して、各ゾーンに関して平均を求める。コントローラは、このずれの平均値に基づいて各ゾーンに対してオン／オフ信号を推奨する。平均値が閾値よりも高い場合（例えば、０．４℃）は、オン信号が推奨され、ずれの平均が０℃以下である場合はオフ信号が推奨される。ずれの値が０℃〜０．４℃であるとき、前の時間ステップと同じ信号が推奨される。その他２つの条件がオン／オフの推奨を生じ得る。第１に、いずれかのセンサー温度が絶対最大許容値（３３℃）よりも高い場合、他の要因とは無関係に、Ａ／Ｃがオンになるよう推奨される。第２に、全ての温度が絶対最大許容値よりも低く、少なくとも１つのセンサー温度が所望の絶対最小値（例えば、２２℃）よりも低い場合、ずれの平均が０．４℃超であってもＡ／Ｃはオフのままであるよう推奨される。これは、ゾーンのいくつかの部分が過剰に冷却されないことを確実にし、これが更なるエネルギーの節約を生じる。

推奨されるオン／オフ信号は、コントローラのヒステリシス部分により使用され、これがオン／オフ作動を最終決定する。オン／オフ推奨は１（又はそれ以上）時間ステップだけ遅延し、次の時間ステップにおいてオン／オフ推奨が反復されると、Ａ／Ｃが作動する。例えば、Ａ／Ｃがオフであり、ずれの平均が０．４℃超であるためにオン信号が推奨される場合、作動はＡ／Ｃをオンにはせず、オフモードで次の時間ステップまで待機する。次の時間ステップにおいてオン命令が反復されると、Ａ／Ｃが作動してオンになる。同じ論理がオフコマンドにも適用され、以下の図３の論理を追うことにより、よりよく理解することができる。

この方法において、発明者らは、発明者らの制御アルゴリズムにより処理した、各ゾーンの多数のセンサー情報を使用して、各ゾーンのＡ／Ｃ装置のオン／オフ作動をもたらす。このアルゴリズムは、オン／オフの切り替えのみができるＡ／Ｃと使用される。オン／オフのみの代わりに、命令される温度レベルで動作するＡ／Ｃユニットにおいては、温度のずれの平均を、Ａ／Ｃの動作範囲に対してマッピングすることにより、このアルゴリズムの変化形態を開発することができる。

図２〜３は、２つの部分の、順次実行される制御アルゴリズムの代表的なフローを示している。プログラムにより温度データが回収され、保存される（１０）。制御プログラムがこれらの温度値を読み取り、データを前処理する（２０）。前処理は、回収されたデータが、設定点ファイル内に存在するセンサーＩＤと一致するかどうかを確認することからなる。いずれかのセンサーデータが欠けているか、又は一定のセンサーが適切に機能していない場合、その読み取り値は破棄され、有用な読み取り値のセットが取得される。コントローラはその後、記録される温度値と、各センサーの所望の温度設定点を比較し、設定点からの正のずれを回収して、平均を求める。（３０）コントローラは、このずれの平均値に基づいて各ゾーンに対してオン／オフ、又は０／１信号を推奨する。一実施形態において、温度のずれが所定の範囲内（例えば、０．４℃）であるかどうかが確認される（３２）。平均値が０．４℃よりも大きい場合は、オン信号が推奨され（３４）、ずれの平均が０℃以下である場合はオフ信号が推奨される（３８）。ずれの値が０℃〜０．４℃であるとき、前の時間ステップと同じ信号が推奨される。その他２つの条件がオン／オフの推奨を生じ得る。第１に、いずれかのセンサー温度が絶対最大許容値（インストールされたアプリケーションにおいては３３℃であり、柔軟に変更される）よりも高い場合、他の要因とは無関係に、ＡＣがオンになるよう推奨される。第２に、全ての温度が絶対最大許容値よりも低く、少なくとも１つのセンサー温度が所望の絶対最小値（例えば、インストール時には２２℃であり、柔軟に変更される）よりも低い場合、ずれの平均が０．４℃超であってもＡ／Ｃはオフのままであるよう推奨される。これは、部屋のいくつかの領域が過剰に冷却されないことを確実にし、これが更なるエネルギーの節約を生じる。

図２に示されるように、推奨されるオン／オフ信号は、その後コントローラのヒステリシス部分により使用され、これがオン／オフ作動をもたらす。オン／オフ推奨は１（又はそれ以上）時間ステップだけ遅延し、次の時間ステップにおいてオン／オフ推奨が反復されると、ＡＣが作動する。例えば、ＡＣがオフであり、ずれの平均が０．４℃超であるためにオン信号が推奨される場合、作動はＡＣをオンにはせず、オフモードで次の時間ステップまで待機する。次の時間ステップにおいてオン命令が反復されると、ＡＣが作動してオンになる。

この方法により、発明者らは、規則に基づく制御アルゴリズムと共に多数のセンサー情報を利用して、オン／オフ作動をもたらす。このアルゴリズムは、オン／オフの切り替えのみができるＡＣと使用される。オン／オフのみではなく、命令される温度レベルで動作するＡＣユニットのために、このアルゴリズムの変化形態が開発される。以下に示されるように、このアルゴリズムは、正のずれの平均を、利用可能な設定点範囲へと線形にマッピングする。

図４は、マップに基づく制御ストラテジを示す。この場合においてＡＣは常にオンであり、異なる動作レベルへと移動するため、ＡＣに規定の動作レベルをもたらすに当たって、ヒステリシスは存在しない。このマップに基づくストラテジは、オン／オフだけでなく異なる設定で動作する柔軟性を備えるＡＣのために使用される。

図５は、部屋周辺の温度のモニタリング及び制御に基づき空調使用量を低減するための１つの手法を示す。システムはセンサーの位置を確認し、センサーの代表的な群を選択する。加えて、システムは、より大きな部屋のために大量のセンサーを設定するフレームワークと、センサーの各群と接続される、異なるユニット間の通信を提供する。制御において、システムは、モニタリングを通じて得られる情報が使用される方法を可能にする。プロセスは全てのセンサーのデータを利用し、ＡＣをオン／オフにする基準値を計算する。情報を使用するこの方法は、ＡＣ使用量の低減を生じるだけではなく、また、マップに基づく制御を有するＡＣを操作するように適合されるべく、十分に柔軟である。モニタリング及び制御アプリケーションは、室内気候制御において関心の対象となる湿度など、他の変数を含め、エネルギー需要を制御するため、容易に適合させることができる。

一実施形態は、ＡＣにおいて二通りで動作し（ブロックＡ１及びブロックＢ１）、これらはオン／オフコマンド、又は所望の動作レベルのコマンド（より高度な）により作動する。いずれにおいても、モニタリング及び制御は、別々の重要な要素であり、これらが統合されて最終的なソリューションが得られる。Ａ１及びＢ１のモニタリングの態様は類似である。しかしながら、より大きな部屋の場合においては、部屋周辺の温度をよりよくモニタリングするために、より多くのセンサーが必要とされる。したがって、発明者らは多数のモニタリングアプリケーションを配備することを必要とし、これらのアプリケーションの間の通信は、発明者らが達成した必要な工程である（ブロックＢ４２）。モニタリング及び制御の両方と関連する別の態様は、センサー読み取り値の詳細化である。ブロックＡ４２において、センサーの代表的なセットの選択は、制御が実行される前のインストールの一部分であり、制御はセンサーの代表的なセットに高度に集中し得る。同様に、コントローラに関し、ブロックＡ４５は、ずれの平均又は最大値に基づき規則を確立するのではなく、規則は個別のセンサー読み取り値にもとづき得ることを強調している。例えば、ＡＣオンコマンドは、特定のセンサーの動作において、より重く重み付けされてもよい。

制御態様はやはりＡ１及びＢ１において同様である。ＡＣがオン／オフ装置としてのみ機能し得る場合、制御ストラテジは、温度のずれに依存する規則に基づく。しかしながら、ＡＣに動作するレベルが提供されるべきとき、マップに基づくストラテジが必要とされる。これは、上記の１ａにおいてより詳細に説明される。開発されるモニタリング及び制御フレームワークにおける制御のために、多変数モデルに基づく手法も利用することができる（ブロックＡ４５、Ａ４６、Ｂ４６、Ｂ４７）。

システムは、以下の１つの特徴を呈する：
１．モニタリング：既存の技術は、温度制御装置（ＡＣ）の作動を決定するために単一の位置における部屋条件を利用するか、又は静的温度マップを取得する。発明者らの制御アルゴリズムは、室温及び他のそのような条件の、動的なピクチャを取得するために、部屋周辺の多数のセンサーによる、モニタリングフレームワークを利用する。

２．センサー選択及び制御：発明者らの制御方法論は、ＡＣの作動に関する決定を行うために、多数のセンサー情報を含む。この方法により、発明者らは所望の位置において好適な温度を維持する一方で、空調を効率的に利用することができる。非明示的に、発明者らはまた、センサー位置を選択するため／その読み取り値が利用するに当たりより有用であるセンサーを選択するために、基準を確立する。

これは、需要管理における初期の作業であるため、発明者らは、改善された温度モニタリング及び制御により空調（Ａ／Ｃ）需要を低減することにのみに焦点を当てる。しかしながら、この技術は、本報告において提示されるものと同様のフレームワークを使用して、他の種類の需要もまたモニタリング及び制御され得るという知見と共に開発されている。

一実施形態は、テレコム基地局（ＢＴＳ）、及び１つの電話局で温度モニタリング及び制御システムを使用する。ＢＴＳにおいて、Ａ／Ｃユニットはオン／オフタイプであり、一方で電話局はより高度な気候制御システムを有し、これは入力として望ましい温度レベルを必要とする。この差異に加えて、電話局は部屋の規模が遥かに大きく、通信インフラの動作にとってより重要である。この理由のため、部屋の全領域をカバーするために、電話局ではより多くのセンサーが配置された。ＢＴＳの１つにおいて、１０個のセンサーが配置され、制御のためにそれらのデータが使用される一方で、別のＢＴＳはより大きく６つのＡ／Ｃを備えた。したがって、そこでは２０個のセンサーが配置され、６つのＡ／Ｃの２つを制御するために２つのコントローラが使用される。

電話局では、その大きさのために、５０個のセンサーが配置されて、５個のコントローラ基板に接続される。しかしながら、これらの基板のうちの１つのみが実際のコントローラであり、他の４つはスレーブ基板であり、これらに接続されたセンサーの温度データを収集して、このデータをｆｔｐを介してマスター基板に伝送し、これが動作温度レベルを提供する。電話局でＡ／Ｃを制御することは許可されなかった。発明者らのシステムは機能し、データ及び出力をモニタリングしたが、コントローラはＡ／Ｃと通信しなかった。部屋に多数のＡ／Ｃが存在してもよく、必ずしも全てのＡ／Ｃを制御する必要はない。Ａ／Ｃを作動させるためにリレーが使用され、リレーは、既存のシステム（サーモスタットがオン又はオフ作動信号を送信する）のサーモスタットを代替する。Ａ／Ｃにより、作動モードは異なる。電話局において、気候制御システムはより高度であり、所望の動作レベルの命令が、Ａ／Ｃにより要求される入力である。温度センサーは機器に近接するように配置され、所望の温度が制御される、部屋の様々な位置に配置される、テレコム基地局及び電話局における機器周辺の温度が発明者らの主たる関心であり、センサーはラック上に配置される。最後に、リナックス（登録商標）系プロセッサであるコントローラは、データを収集し、制御命令を計算し、これはリレーに送信され、これがＡ／Ｃを作動させる。次に、発明者らは、この実施の各要素を更に詳細に記載する。

各温度センサーは、９ビットセ氏温度測定値を提供する、ＤＳ１８Ｓ２０デジタルサーモメーターである。センサーは、３．０Ｖ〜５．５Ｖの範囲の電源を備えるデータ回線から電力供給される。各センサーは固有の６４ビットのシリアルコードを有し、このＩＤは追跡され、制御アルゴリズム、加えてデータ処理において利用される。一般的に各コントローラ基板において最大１０個のセンサーが接続され、それを超えるセンサーが同じコントローラに接続されると、通信の信頼性が低くなる。センサーは容易に壁に取り付けられるか、又は吊るされる。

リレー基板は、Ｐｏｗｅｒ ＰＣＢ Ｒｅｌａｙ ＲＴ１回路を有し、１つのワイヤーアダプタを介してコントローラに接続される。センサーは、１つのワイヤーアダプタを介してコントローラに、チェーンとして接続される。

ＢＴＳ用途のためのモニタリングプロセスは、センサー出力を回収し、ｃｓｖ及びｘｍｌファイルに書き込むＪａｖａ（登録商標）ファイルである。電話局用途のためのモニタリングプロセスは、マスター及びスレーブ基板のための別個のＪａｖａ（登録商標）ファイルを有し、ｆｔｐを介して通信する。温度データは３０秒ごとに回収される。

制御プロセスのフローは、順次実行される２部分として示されている。図２〜３に２部分が示される。制御アルゴリズム（Ｃ言語で書かれている）がこれらの温度値を読み取り、データを前処理する。前処理は、回収されたデータが、センサーＩＤ、及び各センサーの所望の温度設定点を含む設定点ファイル内に存在するセンサーＩＤと一致するかどうかを確認することからなる。いずれかのセンサーデータが欠けているか、又は一定のセンサーが適切に機能していない場合、その読み取り値は破棄され、有用な読み取り値のサブセットが保持される。

コントローラはその後、記録される温度値と、各センサーの所望の温度設定点を比較し、設定点からの正のずれを回収して、平均を求める。各センサーは、部屋内の条件及びセンサー位置によってその独自の設定点を有し得る。コントローラは、このずれの平均値に基づいてオン／オフ、又は０／１信号を推奨する。平均値が０．４℃よりも大きい場合は、オン信号が推奨され、ずれの平均が０℃以下である場合はオフ信号が推奨される。ずれの値が０〜０．４℃であるとき、前の時間ステップと同じ信号が推奨される。

その他２つの条件がオン／オフの推奨を生じ得る。第１に、いずれかのセンサー温度が絶対最大許容値（インストールされたアプリケーションにおいては３３℃であり、柔軟に変更される）よりも高い場合、他の要因とは無関係に、ＡＣがオンになるよう推奨される。第２に、全ての温度が絶対最大許容値よりも低く、少なくとも１つのセンサー温度が所望の絶対最小値（例えば、設定時には２２℃であり、柔軟に変更される）よりも低い場合、ずれの平均が０．４℃超であってもＡＣはオフのままであるよう推奨される。これは、部屋のいくつかの領域が過剰に冷却されないこと（エネルギー消費の増加を生じ得るため）を確実にする。

リレーが接続され、これはＡ／Ｃへの電力を供給又は停止するためのスイッチを形成する。したがって、コントローラは、１／０信号を送信することにより、Ａ／Ｃを、オン／オフにそれぞれ切り替えることができる。

リレーを配置し、Ａ／Ｃへの電力をオンにし、電力が流れていることを確かめるために電流及び電圧を点検した後、コントローラのコマンドライン（コントローラボードのシリアルポートからアクセスできる）からＡ／Ｃをオン及びオフに切り替える。電流を点検し、コンプレッサーを観察し、Ａ／Ｃが冷気の送達を停止したことを観察することにより、コンプレッサーがオフになったことを確認する。オン／オフの手順（２、３回）を報告し、接続の安定性を確かめる。

一度コントローラ及びリレー基板がＡ／Ｃに接続され、作動が確認されると、コントローラが始動される（プロセッサ基板が始動するときに、コントローラもまた自動的に始動する）。コントローラを始動する前に、コントローラを実行するために必要な変数及びファイルが、適切に設定されていることを確認する。これらの変数は、全ての位置における温度、及びセンサーＩＤに基づいて更新される。この初期設定の後に、プロセッサが再始動され、始動時にコントローラが実行することを観察する。加えて、コントローラの命令がセンサーの温度によって、Ａ／Ｃのオン、オフを実際に切り替えているかどうかを点検する。オン／オフデータ、及び温度データは外部記憶装置に記録され、コントローラの性能を理解するために分析される。

モニタリングは、数日間連続で動作した際に信頼可能であることが示される。同様に、このモニタリングデータを使用して、コントローラが、何日にもわたり確実に実行することが示される。Ａ／Ｃのオン時間の割合を観察すると、発明者らのソリューションが配備された２つの基地局位置において、Ａ／Ｃ使用量は３０％超削減される。加えて、同程度のエネルギー節約が、発明者らのシステムから別個に回収された電力メーター読み取り値から得られた。

図６は、制御ゾーンを定義する代表的なプロセスと、ゾーンの気候ピクチャを取得するために使用されるモニタリング手法と、所望の気候条件を達成するために使用される制御方法とを示す。この手法は、温度制御だけでなく気候制御のために、あらゆる種類の部屋又はビルに適用可能である。これは、温度モニタリング及び制御による、Ａ／Ｃ使用量のための上記の手法が、湿度、空気流条件など、温度以外の変数を制御することにより、あらゆるＨＶＡＣ装置に適用できるためである。ブロックＡ１以下では、システムは「ゾーン」を定義するために様々な手法を使用している。ゾーンを定義する目的は、関心の部屋又はビル全体のデータにより機能する単一のコントローラではなく、局所的条件に基づいて制御機能を達成することである。ゾーンは、空気流条件に基づいて定義され得（Ａ１１）、ここで異なるゾーンの間の空気流は最小限とし、よって局所的制御に役立つ局所的動的システムが形成される。同様に、ゾーンは、部屋の高温及び低温領域、又は熱を発生する機器の位置を考慮することにより定義することができる（Ａ１２）。ゾーンの定義は、例えば、時刻に基づいて、又は占有率に基づいて動的に変更することができ（Ａ１３）、モニタリング及び制御アルゴリズムは、この変更を考慮することができる。ゾーンはまた、壁部などの物理的分離に基づいて定義されてもよい（Ａ１４）。ゾーンはまた、部屋／ビルの一定の領域に人が来る頻度を考慮し、人による占有率に基づいて定義されてもよい（Ａ１５、Ａ２１、Ａ２２）。最後に、ゾーンは、エネルギー節約対快適性のトレードオフを最適に考慮するため、感度分析に基づいて（Ａ２４）、又は厳密な温度制約を有する一定の機器の重要性に基づいて（Ａ２３）、カスタマイズ可能な方式で定義することができる。

一度ゾーンが定義されると、ゾーンの気候ピクチャを取得するために、モニタリング手法が使用される。システムは、各ゾーンにセンサーを配備することができ（Ｂ１１）、この種類のセンサーが配備される（Ｂ１２）。センサーは、領域情報（すなわち、部屋の構造、及びセンサーの配置に関する特定の制約）に基づいて配備され得る（Ｂ２１。［１０］に詳述されるように、センサーはまた、最適な配備を評価するために、より厳密な手法により配備されてもよい（Ｂ２２）。最後に、部屋の中の温度、湿度、及び空気流条件（Ｂ２３、Ｂ２４、Ｂ２５）を評価するために異なるセンサーを使用して、改善された気候ピクチャ、及びしたがって改善されたコントローラ性能を得ることができる。コントローラは、各ゾーンにおいて回収されたデータにより機能し、特定のゾーン内の気候を調整する。コントローラは、通常モード（Ｃ１１）又は安全モード（２１）で動作することができる。安全モードは、感知に関する問題、又は温度が所望の動作範囲外であるときなど、偶発的事象に際して発動する。この場合、できる限り多くのゾーンにおいて通常動作を維持すること、及び問題のあるゾーンにおける一定の快適レベルを達成すること（Ｃ２３）に、全ての作業が集中する。このようにして、偶発的事象の影響が局限化され、修正され得る。通常動作において、各ゾーンにおける、温度読み取り値の、それらの所望の値からのずれを使用する、規則に基づく制御ストラテジなど、様々な制御ストラテジが、各ゾーンの制御に使用され得る（Ｃ３１、Ｃ３２）。モデルに基づく手法により（厳密に分散された制御を可能にする）、より高度なコントローラが実現され得る（Ｃ２２）。多変数ＰＩＤ制御（Ｃ３４）など、より一般的な制御手法に加えて、モデルに基づく手法は、最適化に役立ちやすい（Ｃ３３）。

発明者らは、制御するゾーンの柔軟な定義を可能にし、これは、あらゆる種類の部屋又はビルに対して適用可能な、カスタマイズ可能かつ拡張可能なソリューションを生じる。加えて、これらのゾーンは、いくつかの異なる基準に基づいて定義することができる（ボックスＡ１及びその分岐）。以前の手法は、部屋／ビルの特定の物理的態様に厳密に基づいてゾーンを定義し、ゾーンの定義に当たり、ここで他の検討事項を可能にする。発明者らの手法における制御の決定は、部屋の占有率又は時刻ではなく、温度値に基づいている。温度は、熱快適性に直接関係しない、既存のシステムで使用される変数ではなく、熱快適性を直接表す物理的変数である。このゾーンに基づく手法は、各ゾーンにおける多数の温度センサー情報を使用し、単一点の感知手法よりも改善されたモニタリングを生じる。多数の作動装置が各ゾーンにおいて制御され得、結果として更なる制御柔軟性、並びに冗長性をもたらす。ゾーンに基づく手法は、局所的条件に基づき装置を制御することにより、及び温度設定を局所的に変化させるよう柔軟性をもたらすことにより、効率性の改善を生じる。柔軟なゾーン定義、広範囲にわたるモニタリング、及び多数のセンサーに基づく制御の、一体的なソリューションは共に、局所的熱要件をサポートするためにゾーンに基づき、効率的なＨＶＡＣ制御の重要な問題を解決する。

最後に、発明者らのシステムは、Ａ／Ｃの何らかの中断が、甚大な犠牲を生じ得るような、活発なビシネスの場において、実施されたことに留意することが重要である。エネルギー節約、及びシステム設計に対する具体的な考察に加えて、発明者らのソリューションがこのような実際的な環境において確実に機能するという事実から、別の付加価値が得られる。これを完成するために、制御と直接関係しない、いくつかの問題が管理されるべきである。ネットワーク通信の問題により、特定のゾーンのセンサー温度情報が、利用不可能となることが何度かあった。このような事象が生じる場合、この特定のゾーンは「セーフモード」に入り、問題が解決するまで、全てのリレーはオンにされる。このようにして、制御システムは、影響を受けないゾーンにおいて効率的に動作し、一方で影響を受けたゾーンを確実に操作した。単一のゾーンによる代替手段は、全てのＡ／Ｃ装置をオンにして、所望の温度を確実に確保するものである。このようにして、ゾーンに基づく手法は、効率性の改善により、信頼性のあるソリューションを提供する。

本発明は、ハードウェア、ファームウェア、若しくはソフトウェア、又はこれら３つの組み合わせにおいて実施され得る。好ましくは本発明は、プロセッサ、データ記憶システム、揮発性及び不揮発性メモリ、及び／又は記憶素子、少なくとも１つの入力装置、並びに少なくとも１つの出力装置を有する、プログラム可能なコンピュータにおいて実行されるコンピュータプログラムにて実施される。

例として、システムをサポートするためのコンピュータのブロック図が、以下で説明される。コンピュータは好ましくは、プロセッサ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、プログラムメモリ（好ましくは書き込み可能な読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、例えばフラッシュＲＯＭ）、及びＣＰＵバスにより接続された入力／出力（Ｉ／Ｏ）コントローラを含む。コンピュータは任意により、ハードディスク及びＣＰＵバスに接続されたハードドライブコントローラを含み得る。ハードディスクは、本発明のようなアプリケーションプログラム及びデータを記憶するために使用され得る。あるいは、アプリケーションプログラムは、ＲＡＭ又はＲＯＭに記憶され得る。Ｉ／Ｏコントローラは、Ｉ／Ｏバスにより、Ｉ／Ｏインターフェースに接続される。Ｉ／Ｏインターフェースは、シリアルリンク、ローカルエリアネットワーク、ワイヤレスリンク、及び並列リンクなどの通信リンクを介して、アナログ又はデジタルの形態でデータを送受信する。任意により、ディスプレイ、キーボード、及びポインティング装置（マウス）がまた、Ｉ／Ｏバスに接続されてもよい。あるいは、Ｉ／Ｏインターフェース、ディスプレイ、キーボード、及びポインティング装置のために別個の接続（別個のバス）が使用されてもよい。プログラミング可能な処理システムが予めプログラムされてもよく、又はこれは別のソース（例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又は別のコンピュータ）からプログラムをダウンロードすることにより、プログラム（及び再プログラム）されてもよい。

各コンピュータプログラムは、機械可読記憶媒体、又は汎用若しくは特定目的プログラム可能コンピュータにより読み取り可能な装置（例えば、プログラムメモリ、又は磁気ディスク）に有形に記憶され、記憶媒体又は装置がコンピュータにより読み込まれるときに、本明細書に記載される手順を実行するように、コンピュータの動作を構成及び制御する。本発明のシステムはまた、コンピュータプログラムを備えるものとして構成されるコンピュータ可読記憶媒体において実現されるものとみなすこともでき、このように構成された記憶媒体は、コンピュータを特定の規定の様式で動作させ、本明細書に記載される機能を実行する。

本発明は、特許法に対応し、かつ当業者に対して、新規な原理を適用し、必要に応じてこのような専用の構成要素を構成及び使用するのに必要な情報を提供するため、本明細書においてかなり詳細に記載されている。しかしながら、本発明は詳細の異なる機器及び装置によって実施することができ、機器の詳細及び動作手順の双方における様々な修正が、本発明自体の範囲から逸脱することなく、行われ得ることが理解される。

Claims (17)

1. 空調（ＡＣ）システムを制御するための方法であって、
   局所的制御のために局所的動的システムを形成するために、局所的条件に基づいて制御機能を達成するために１つ以上のゾーンを定義する工程であって、ゾーンは、部屋の高温及び低温領域、又は熱を発生する機器の位置を考慮して定義され、前記ゾーン定義は、時刻又は占有率に基づいて動的に変更し、あるいは、ゾーンは、エネルギー節約及び快適性のトレードオフを考慮する、又は所定の温度制約を有する機器を考慮する、感度分析に基づくカスタマイズ可能な方法で定義される、工程と、
   前記機器の重要性、熱を発生するゾーン、及び前記ＡＣへの近接に基づいて、前記部屋の所定の位置に配置された多数のセンサーによりモニタリングし、既存の動作条件に基づいて適切な温度設定点を決定する工程と、
   前記所定の位置における温度情報を適用して、前記ＡＣの作動信号を生成する工程とを含む、方法。
2. 前記設定点からの前記温度のずれの平均値、及びＡＣ動作の現在状態に基づいて、前記作動信号を決定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記部屋の大きさ及びＡＣの配置に基づいて重要な位置を選定する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. センサーの代表的なサブセットを選択する工程を含む、請求項１に記載の方法。
5. 規則に基づく制御を前記ＡＣシステムに適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
6. 平均及び最大の温度のずれを使用する工程を含む、請求項５に記載の方法。
7. 状態空間モデルを形成及び使用して、ＡＣシステムダイナミクスをキャプチャする工程を含む、請求項１に記載の方法。
8. 多変数ＰＩＤ制御を前記ＡＣシステムに適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
9. 最適化及び予測制御を前記ＡＣシステムに適用する工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. 統合的な温度ピクチャを取得するための、多数のユニット間の通信を含む、請求項１に記載の方法。
11. 空調（ＡＣ）システムであって、
    局所的制御のために局所的動的システムを形成するために、局所的条件に基づいて制御機能を達成するための１つ以上のゾーン設定であって、前記ゾーンは、部屋の高温及び低温領域、又は熱を発生する機器の位置を考慮して定義され、前記ゾーン定義は、時刻又は占有率に基づいて動的に変更し、あるいは、ゾーンは、エネルギー節約及び快適性のトレードオフを考慮する、又は所定の温度制約を有する機器を考慮する、感度分析に基づくカスタマイズ可能な方法で定義される、ゾーン設定と、
    前記機器の重要性、熱発生ゾーン、及び前記ＡＣへの近接に基づいて、前記部屋の中の所定の位置に配置された１つ以上のセンサーと、
    既存の動作条件に基づいて適切な温度設定点を決定するコードと、
    前記所定の位置における温度情報を適用して、前記ＡＣの作動信号を生成するコードとを含む、システム。
12. 前記設定点からの前記温度のずれの平均値、及びＡＣ動作の現在の状況に基づいて前記作動信号を決定するためのコードを含む、請求項１１に記載のシステム。
13. センサーの代表的なサブセットを選択するコードを含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 規則に基づく制御を前記ＡＣシステムに適用するコードを含む、請求項１１に記載のシステム。
15. 平均及び最大の温度のずれを使用するコードを含む、請求項１５に記載のシステム。
16. 最適化及び予測制御を前記ＡＣシステムに適用するコードを含む、請求項１１に記載のシステム。
17. 統合的な温度ピクチャを取得するための、多数のユニット間の通信のためのコードを含む、請求項１１に記載のシステム。
    

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