JP3187260B2 - ペリメータ空気調和の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、オフィス用ビルディン
グ等のペリメータ空気調和の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、オフィス用ビルディングなどの空
気調和においては、オフィス空間におけるそのペリメー
タゾーンが外界の影響を大きく受けるため、インテリア
ゾーンと区別して別途の空調設備を設け制御することが
行なわれている。このようなぺリメータゾーンにおける
制御として、例えば特開平３−２８６９４４号公報に開
示されているようなものがある。

【０００３】これを図５に示すと、オフィス空間が中央
部のインテリアゾーンＩとその外周の外壁Ｈに沿うペリ
メータゾーンＰに分けられ、それぞれのゾーンに面した
天井Ｓに、インテリア吹出ユニット５２ｉおよびペリメ
ータ吹出ユニット５２ｐが設置されている。インテリア
用温度調整器５６ｉには運転モード設定器５８ｉ、イン
テリア用室温設定器５９ｉ、およびインテリアゾーンの
室温を検出するインテリア用室温センサ５７ｉが接続さ
れている。また、ペリメータ用温度調整器５６ｐは運転
モード選択手段５８ｐとペリメータゾーンの室温を設定
するぺリメータ用室温設定手段５９ｐを内蔵し、ぺリメ
ータゾーンの室温を検出するペリメータ用室温センサ５
７ｐと補正値設定器６０が接続されている。

【０００４】ペリメータ用温度調整器５６ｐの運転モー
ド選択手段５８ｐは、インテリアゾーンの室温設定値と
ペリメータゾーンの室温検出値とを比較して、ぺリメー
タゾーンにおける冷・暖の運転モードを選択する。また
ペリメータ用室温設定手段５９ｐは、インテリアゾーン
の運転モードと上記選択されたぺリメータゾーンの運転
モードの組み合わせから、補正値設定器６０に予め設定
されている補正値を読み込み、この補正値をインテリア
ゾーンの室温設定値に加えてペリメータゾーンの室温設
定値としている。

【０００５】上記補正値は、ぺリメータゾーンの直射日
光の輻射熱などによる人体の体感温度と室温センサによ
る室温検出値との差を補正しようとするものであり、空
調運転時の気流、方位、作業状態あるいは着衣状態など
によって経験的に予め設定され、補正値設定器６０に記
憶される。そしてインテリア用温度調整器５６ｉおよび
ペリメータ用温度調整器５６ｐは、それぞれの上記各室
温設定値に基づいて各吹出ユニット５２ｉ、５２ｐの冷
風・暖風の切り替えダンパ５４ｉ、５４ｐ、ならびに風
量制御ダンパ５５ｉ、５５ｐの開閉を制御する。

【０００６】また従来のペリメータゾーンの制御例の第
２として、特開平２−１１０２４１号公報に輻射熱検出
器を用いたものが開示されている。ここでは図６に示す
ように、インテリアゾーンＩとペリメータゾーンＰのそ
れぞれに面した天井Ｓに、空調機８４と接続されたイン
テリア吹出ユニット７６ｉおよびペリメータ吹出ユニッ
ト７６ｐが設置され、これらには特に図示しないが前述
第１の従来例と同様に風量制御ダンパなどが付設されて
いる。

【０００７】インテリアゾーンにはインテリア用室温セ
ンサ７８ｉが設けられ、ペリメータゾーンにはペリメー
タ用室温センサ７８ｐと輻射熱を検出する輻射熱検出器
８０とが設置される。インテリア用室温センサ７８ｉの
検出値は温度情報として室温入力手段８１に入力され、
ぺリメータ用室温センサ７８ｐと輻射熱検出器８０の検
出値は体感温度決定入力手段８２に入力される。この体
感温度決定入力手段８２では、予測平均申告値（ＰＭ
Ｖ：Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ Ｍｅａｎ Ｖｏｔｅ）などの
温熱環境評価に従って体感温度が決定され、温度情報と
して用いられる。制御装置８３は、室温入力手段８１を
介してインテリアゾーンの室温情報を取り込み、インテ
リア吹出ユニット７６ｉからの吹き出し風量を制御す
る。 そしてペリメータゾーンについては、温度情報と
して体感温度決定入力手段８２で決定された体感温度に
基づいて、ぺリメータ吹出ユニット７６ｐからの吹き出
し風量を制御する。

【０００８】本発明の技術分野に関連するその他の従来
技術例を以下に列挙する。特開平４−３１６９４８号公
報では、制御パラメータとしてクロー値・輻射温度・温
度（室温）・温度を用いる。また、ＰＭＶ変換部がＰＭ
Ｖ現在値を算出し、温度変換部がＰＭＶ現在値とＰＭＶ
設定値とを比較し、室温設定値を決める。ＰＩＤ制御部
は、室温現在値が室温設定値に近づくように冷温水弁を
制御する。特開平３−７９９４７号公報では、部屋の天
井に集電型赤外線センサを設置して放射温度を検出し、
この放射温度と温度測定器からの室温とを用いて空調制
御を行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前者第１
の従来例においては、次の２つの問題がある。第１の問
題点は、外部負荷の急激な変化に対して空調制御が追随
できないことである。本来、ぺリメータゾーンの気温の
変化は、図７に示すように、外部負荷が大きな要因とな
っている。この要因の大きさ故にインテリアゾーンと区
別している。外部負荷の熱量Ｑがぺリメータゾーンに入
射する場合、この入射と同時に空調機から熱量−Ｑを放
出し、外部負荷を打ち消してしまえば理論的にぺリメー
タゾーンの気温は一定に保たれる。ところが第１の従来
例では、空調制御パラメータとして気温を用いている。
入射した外部負荷によって気温が変化するまでには時間
がかかり、結果として外部負荷に対しての空調制御の遅
れが発生してしまう。

【００１０】第２の問題点は、ぺリメータゾーンにおい
て室温センサを設置する場所の選定が困難な点である。
即ち、室温センサを設置する場所として、居住域の気温
を正確に測定でき、居住者の邪魔にならず、施工・保守
が容易である等の条件を満足する必要がある。ところ
が、ぺリメータゾーンにおいては、壁面・柱面・天井面
・床面・窓面のいずれも、これらの条件を十分に満足し
ない。まず、ぺリメータ壁面に設置した場合には、室温
センサが壁面温度の影響を受けてしまい、室温を正確に
測定できない。これは、ぺリメータ壁面に面した外壁は
外気に直接接触しているので、壁材の熱伝達により外気
温度が室内側のぺリメータ壁面に伝わり、壁面近傍の空
気温度に影響を与えるからである。この問題は室温と外
気温との差が大きい夏冬季に顕著となる。

【００１１】また外壁に接しない状態で室内に単独で設
けられている柱に室温センサを設置した場合を考える
と、ぺリメータゾーンでは水平方向に気温分布の変化が
大きく、窓に面した領域と柱に面した領域とでは日射の
影響による温度差が大きくなる。このため、一般に室温
センサは日射の当たらない柱の影に設置される例が多
い。この場合は逆に窓に面した領域の温度が的確に測定
され難くなる。ぺリメータゾーンの空調ではこの窓に面
した領域に関する制御が重要である。しかし、その領域
の環境温度を的確に測定する室温センサの適当な設置部
位が、一般的には見い出し難い。

【００１２】また、室温センサをペリメータゾーンの天
井面や床面近傍に設置した場合も、室内の気温分布ムラ
の影響を受けてしまい、居住域の室温を正確に測定でき
ない。その理由は、窓やぺリメータ壁面から入ってくる
外部負荷によって加熱・冷却された室内空気が、その比
重差によって天井あるいは床付近に滞留するからであ
る。これも室温と外気温との差が大きい夏冬季に顕著と
なる。さらに当然のことながら、窓ガラス面に室温セン
サを設置することは、施工性・意匠性の点で問題がある
ため一般的には行なわれない。以上のように、室温セン
サを用いてその室温を制御しようとするときには、室温
センサの設置位置が限られることによって、ペリメータ
ゾーンでの的確な環境温度の測定が難しい。また室内温
度制御のみではぺリメータゾーンにおける変化の激しい
負荷変動に追従できない等の問題がある。

【００１３】また後者第２の従来例においては、輻射熱
検出器８０を用いている点が前者と相違するが、室温セ
ンサ７８ｐと輻射熱検出器８０の両検出値から体感温度
を決定するようにしているから、第１の従来例と同じく
室温センサの設置位置による問題を有している。また、
輻射熱検出器の検出値を一旦体感温度に変換しこれに基
づいてペリメータ吹出ユニットからの吹き出し風量を制
御するので、この点においても必ずしも外部負荷の影響
を直接的に反映した制御にならない。

【００１４】上記のように、従来ペリメータゾーンの温
度制御に関し各種の提案がなされているが、何れも建物
の空調制御システムに実際に適用するには、現場の施工
や運用において難解であり不向きである。外界に面した
窓面や壁面では、外気や日射の影響で表面温度が室温と
隔たりが生じることがある。その際、窓面は温放射面も
しくは冷放射面になり、ペリメータゾーンの温熱環境を
悪化させる。したがって本発明は、上記従来の問題点に
鑑み、より単純化および高精度化が可能なペリメータ空
気調和の制御装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明は、室内外周部に外部との間で熱量を入／出
する熱放射面を有するペリメータゾーンに向けて空調機
の吹き出し口を備え、ペリメータゾーンの空気温度を測
定する空気温度測定手段を有して、室内温度設定値と上
記空気温度とに基づいて空調を行なうペリメータ空気調
和の制御装置において、熱放射面の放射温度を測定する
放射温度測定手段を有し、放射温度をＴr、室内温度設
定値をＴSP、所定の補正係数をθとして、α＝−θ・
（Ｔr −ＴSP）で得られる補正値αを室内温度設定値Ｔ
SPに加味して設定される制御値を用いて空調を行うよう
構成されたものとした。

【００１６】上記放射温度測定手段は、ペリメータゾー
ンの天井部に設置されて、非接触で熱放射面の平均的温
度を前記放射温度として測定するものとすることができ
る。さらには、上記制御値には、放射温度Ｔr の所定範
囲において補正値αが加味されない不感帯を設定し、あ
るいはまた、上記の補正値αに空調機の熱負荷処理能力
に対応して上限値または下限値を設定することができ
る。

【００１７】

【作用】空調機は操作者が設定する室内温度設定値と空
気温度測定手段が測定したペリメータゾーンの空気温度
の差等に基づいて、その吹き出し口からの吹き出し風量
あるいは吹き出し温度などが制御される。この際、室内
温度設定値は、放射温度測定手段により測定された熱放
射面の放射温度に基づいて補正される。これにより、空
気温度測定手段の設置場所による精度の変動等にかかわ
りなく、簡単な構成で、外部負荷の急激な変化に対して
高精度でしかも応答性良くペリメータゾーンの室温が制
御される。

【００１８】そしてとくに、上記補正として α＝−θ
・（Ｔr −ＴSP） で得られる補正値αを室内温度設定
値ＴSPに加味するので、ペリメータゾーン居住者にとっ
て快適な空調が行なわれる。また、放射温度測定手段を
ペリメータゾーンの天井部に設置することにより、熱放
射面の平均的温度を非接触で測定することができる。さ
らに、放射温度Ｔr の所定範囲において補正値αが加味
されない不感帯を設定することにより、エネルギーロス
やミキシングロスが防止される。

【００１９】

【実施例】次に、添付図面を参照して本発明によるペリ
メータ空気調和の制御装置の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明のペリメータ空気調和の制御装置を用いた
空調システムの実施例の構成を示したものである。本実
施例の空調システムは、空調用の冷温水の流量等を制御
する空調機制御装置１、ペリメータゾーン２内に設置さ
れた放射温度Ｔr および室温測定Ｔe 用の放射温度セン
サ２１および空気温度センサ２２、パラメータ設定等を
行う制御盤３とにより構成される。尚、空調機制御装置
１は、内部に補正テーブル１１とＰＩＤフィードバック
制御系の制御部１２とを備えている。

【００２０】２つの温度センサ、放射温度センサ２１お
よび空気温度センサ２２、のペリメータゾーン２への設
置の状態を図２に示している。図２は、ペリメータゾー
ン２の縦断面におけるセンサの配置図であり、底部が床
面、左側面部が外部との間で熱放射が行なわれる熱放射
面としての窓面Ｗ、上部が天井Ｓである。窓面Ｗ部から
略１ｍの間隔を置いた天井Ｓ面に、放射温度センサ２１
および空気温度センサ２２が設けられている。放射温度
センサ２１は、測定方向を窓面Ｗ方向として設定され、
この放射温度センサ２１を基点とした視野内の物体の温
度に比例する赤外線放射量を放射温度Ｔr として計測す
る。窓面から２ｍ程度離れた天井面に設置することによ
り、窓面の代表的・平均的な温度の非接触での計測を可
能としている。また、空気温度センサ２２は天井面部の
空気温度Ｔe の測定を行うセンサである。

【００２１】外界に面した窓面や壁面では、外気や日射
等、外部からの熱的負荷の影響を強く受け、表面温度が
室温と隔たりが生じることがある。その際、窓面は温放
射面もしくは冷放射面になり、ペリメータゾーンの温熱
環境を悪化させ、居住者にとって不快になることがあ
る。そこで窓・壁面の表面温度を計測し、その値で空調
機の設定値を補正することで、ペリメータゾーンの快適
性の向上を図る。以下にこの補正のアルゴリズムについ
て詳述する。なお、熱放射面としては窓のほか壁面も含
まれる。

【００２２】空調機制御装置１では、ペリメータゾーン
の温度設定値（ＴSP）を制御盤３から得る一方、放射温
度センサ２１から放射温度の計測値により得、この計測
値に基づいた補正値αを補正テーブル１１より算出す
る。算出した補正値αをＴSPに加えて、制御部１２への
設定値を（ＴSP＋α）とする。図３は補正テーブルの基
本的な設定要領を示す。補正テーブルの傾斜角度θ1 、
θ2 を決定するには、ＰＭＶ指標を基にする。ＰＭＶ
は、下に示すように６つのパラメータを持つ関数であ
る。 −ＰＭＶ＝ｆ（Ｔe ，ＭＲＴ，Ｖair ，ＲＨ，ＣＬＯ，
ＭＥＴ） 但し、Ｔe ：空気温度 ＭＲＴ：平均放射温度 Ｖair ：風速 ＲＨ ：湿度 ＣＬＯ：着衣量 ＭＥＴ：活動量

【００２３】さらに、 ＴOT（作用温度）■（Ｔe ＋ＭＲＴ）／２ …（１） の関係を用いると、 ＰＭＶ＝（ＴOT，Ｖair ，ＲＨ，ＣＬＯ，ＭＥＴ）とな
る。ＰＭＶ＝０という最適な設定を行うことを考えた場
合、Ｖair 、ＲＨ、ＣＬＯ、ＭＥＴが既知であれば、Ｐ
ＭＶ＝０ となるＴOTが求められる。また、ペリメータ
ゾーンでは、 ＭＲＴ＝α・Ｔe ＋（１−α）Ｔr …（２） 但し、０＜α＜１となる。上記の関係式（１）および
（２）より、ＴOT＝β・Ｔe ＋（１−β）Ｔr 但し、０＜β＜１となる。 Ｔe ＝｛ＴOT−（１−β）｝／β …（３）

【００２４】作用温度ＴOTをＰＭＶ＝０となるように決
定すれば、空気温度Ｔe は、放射温度Ｔr の一次関数と
なり、ここでの補正テーブルの傾斜角度θ1 、θ2 の傾
きに対応する。実際には放射温度Ｔr および空気温度Ｔ
e を計測して求め、この計測値Ｔe に補正を加えて温度
制御を行なえば、ＰＭＶ＝０が実現する。また、一次関
数の傾きはβにより決定されるが、この値は現場の状況
（階層、方位、窓面面積、季節等）で決まるので、実際
には現場毎の設定パラメータとする。

【００２５】図３の補正テーブルのパラメータの設定値
例を以下に示す。 αmax ：補正の最大値の初期値＝２ θ1 ：傾斜角度の初期値＝０．２ θ2 ：傾斜角度の初期値＝０．１ ＴSP：ペリメータゾーンの温度設定値＝２５ また、この補正テーブルに基づいた補正数値例を下記の
表１に示す。

【表１】 表１は、記号ＴSPをペリメータゾーンの室内温度設定値
とし、放射温度測定値Ｔr 、補正値α、制御値（ＴSP＋
α）の各関係を表している。

【００２６】この補正値αは下記の式（４）により得、
さらに制御値を、（ＴSP＋α）によって得る。 α＝−θ・（Ｔr −ＴSP） …（４） 上記式（４）から、放射温度が３５°の場合、 α＝−０．２×（３５−２５）＝−２ として得られる。この補正値（−２）から、制御部１２
への制御値つまり最終的な設定温度は、気温２５度に補
正値（−２）を加えた演算結果の２３度となる。表１か
らわかるように、温度設定値ＴSPより放射温度Ｔr の解
離が大きいほど、制御値は解離方向と反対側へ大きく補
正される。

【００２７】図４は、空調機１を構成する補正テーブル
１１のより具体的な一例を示している。この補正テーブ
ルは、横軸を図２のぺリメータ空間における放射温度Ｔ
r 、縦軸の中心位置を正係数αの基準値「０」として表
している。ぺリメータ空間に対する放射温度の高低が大
きい、つまり温度設定値ＴSPに対する解離が大きい場合
は、上下限の設定により平坦化された一定の高い補正係
数としている。また、放射温度の高低における中間部分
を所定の傾斜角度θ1 およびθ2 の傾斜補正係数とし、
さらに中央部分に温度設定値ＴSPに対して補正を行なわ
ない不感帯Ｄifを設けている。この不感帯Ｄifによりエ
ネルギーロスを防ぎ、効率の良い空調効果を得ることを
意図している。

【００２８】図４の（ａ）に示した補正テーブルが冬期
用、また図４の（ｂ）が夏期用の一例である。尚、夏期
用と冬期用の補正テーブルの大きな相違点は、温度設定
値ＴSPに対する不感帯の設定位置にある。この不感帯は
放射温度Ｔr 軸上空調エネルギーを要求する側に設けら
れる。つまり、冬期テーブルでは、放射温度Ｔr が温度
設定値ＴSPを超過すると直ちに補正計数αを負方向へ低
減させるが、放射温度Ｔr が温度設定値ＴSPより低下し
た場合は直ちに補正計数αを増加させないで、暖房エネ
ルギーの消費を抑制する。これに対し夏期テーブルで
は、放射温度Ｔrが温度設定値ＴSPより低下した場合に
は直ちに補正計数αを増加させるが、超過した場合には
直ちに低減させない。

【００２９】以上のようにして、放射温度センサ２１に
て窓面の代表温度を計測し、その計測値により、空気温
度センサによるペリメータの乾球温度での設定値を補正
する。例えば、夏の晴天時には窓面表面温度は、４０°
Ｃ程度に達し強い温放射面となりペリメータの環境が悪
化する。その際に窓面温度を計測し乾球温度を自動的に
補正すれば、居住者の快適性は向上する。実際の補正は
数種類のパラメ−タをもった関数で行う。 先の図４の
（ａ）および図４の（ｂ）がその代表的な例である。制
御部１２は、天井面部の空気温度Ｔe 、および制御値と
して補正テーブル１１に基づく補正された設定値（ＴSP
＋α）を入力値とし、空調弁の制御を行う。また、各種
のパラメータは制御盤３により設定される。

【００３０】上記の手順に基づきペリメータゾーンの温
度に応じた補正を加味して空調機の制御を行うことによ
り、下記の各種の利点を生じる。 １）窓面や壁面からの放射の影響を設定値に反映させる
ことで、ペリメータゾーンの理想の快適性を高め得る。 ２）補正を行なわない不感帯を設けることで、エネルギ
ーロスやミキシングロスを防ぐことができる。 ３）補正のアルゴリズム自体は簡易であり、空調のコン
トローラや中央監視装置に容易に導入できる。 ４）シンプルな論理手順であり、現場の管理者にとって
も理解・操作し易い。 ５）従来のシステムの大枠を活用しており、システム構
成の複雑化が無く、施工管理が容易である。 尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではある
がこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱し
ない範囲において種々変形実施可能である。

【００３１】

【発明の効果】以上のとおり、本発明は、室内温度設定
値とペリメータゾーンの空気温度とに基づいて空調を行
なうペリメータ空気調和の制御装置において、放射温度
測定手段を備えてこれで測定した熱放射面の放射温度に
基づいて、α＝−θ・（Ｔr −ＴSP）で得られる補正値
αを室内温度設定値に加味して設定される制御値を用い
て空調を行うものとしたので、放射温度と空気温度とを
測定することにより、窓面や壁面からの放射によるペリ
メータゾーンへの影響が定性的に知られ、この影響の度
合を空調の温度設定値に反映させるから、簡単な構成
で、外部負荷の急激な変化に対して高精度でしかも応答
性良くペリメータゾーンの室温が制御され、ペリメータ
ゾーン居住者にとって理想の快適な空調が行なわれる。

【００３２】また、放射温度測定手段を天井面に設置す
ることにより、空間の有効利用が高められる。さらに、
放射温度Ｔr の所定範囲において補正値αが加味されな
い不感帯を設定することにより、エネルギーロスやミキ
シングロスが防止される効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すペリメータ空気調和のシ
ステム構成図である。

【図２】ペリメータゾーンにおける放射温度センサおよ
び空気温度センサの設置例を示す図である。

【図３】補正値の設定要領を示す説明図である。

【図４】補正テーブルの具体例を示す図である。

【図５】従来のペリメータ空気調和のシステム構成例を
示す図である。

【図６】他の従来のペリメータ空気調和のシステム構成
例を示す図である。

【図７】ペリメータゾーンにおける空調の原理を示す説
明図である。

【符号の説明】

１ 空調機制御装置 ２ ペリメータゾーン ３ 制御盤 １１ 補正テーブル １２ 制御部 ２１ 放射温度センサ（放射温度測定手段） ２２ 空気温度センサ（空気温度測定手段） Ｓ 天井 Ｗ 窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F24F 11/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 室内外周部に外部との間で熱量を入／出
   する熱放射面を有するペリメータゾーンに向けて空調機
   の吹き出し口を備え、該ペリメータゾーンの空気温度を
   測定する空気温度測定手段を有して、室内温度設定値と
   前記空気温度とに基づいて空調を行なうペリメータ空気
   調和の制御装置において、 前記熱放射面の放射温度を測定する放射温度測定手段を
   有し、前記放射温度をＴr 、室内温度設定値をＴSP、所定の補
   正係数をθとして、 α＝−θ・（Ｔr −ＴSP） で得られる補正値αを室内温度設定値ＴSPに加味して設
   定される 制御値を用いて前記空調を行うよう構成された
   ことを特徴とするペリメータ空気調和の制御装置。
2. 【請求項２】 前記放射温度測定手段は、前記ペリメー
   タゾーンの天井部に設置され、非接触で前記熱放射面の
   平均的温度を前記放射温度として測定することを特徴と
   する請求項１記載のペリメータ空気調和の制御装置。
3. 【請求項３】 前記制御値には、前記放射温度Ｔr の所
   定範囲において前記補正値αが加味されない不感帯が設
   定されることを特徴とする請求項１または２記載のペリ
   メータ空気調和の制御装置。
4. 【請求項４】 前記補正値αには、前記空調機の熱負荷
   処理能力に対応して上限値または下限値が設定されてい
   ることを特徴とする請求項１、２または３記載のペリメ
   ータ空気調和の制御装置。