JP3805968B2 - 空調システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調システムに係り、特に室内空間の居住域の空気温度を推測して空調機を制御する空調システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、室内空間の上方から空調空気を供給するように構成された空調システムでは、室内空間の下方にある居住域の空気温度が設定温度と一致するように空調制御を行う。この空調制御を行う方法としては、以下の３つの方法がある。
（１）居住域に温度センサを設置して、この温度センサで測定した居住域空気温度を基に空調機を制御する方法。
（２）居住域にある机等の家具の表面温度変化を放射温度センサで検出し、熱収支方法によって居住域空気温度を推測して空調機を制御する方法（例えば、特開平５−３１２３７３号公報）。
（３）天井付近の空気温度を温度センサで測定し、この温度センサの測定値にオフセットをつけることにより居住域空気温度を推測して空調機を制御する方法。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の（１）の方法では、温度センサを居住域内の適切な場所に設置する必要があるが、室内空間の下方の壁面に温度センサを設けたとしても、壁面温度と実際の居住域空気温度とは必ずしも一致しない。居住域空気温度を正確に測定するには、居住域にある机等の家具の上に温度センサを設置することが望ましい。しかしながら、家具上に設置場所を確保できない場合や、適当な家具がない場合には、居住域空気温度の測定にとって不適切な位置に温度センサを設置することになるため、居住域空気温度を正確に測定することが難しく、居住者にとって快適な空調制御を実現できないという問題点があった。
【０００４】
また、従来の（２）の方法では、居住域にある机等の家具の表面温度変化を放射温度センサで検出して居住域空気温度を推測するが、一般に居住域空気温度の変化は机等の家具の表面温度変化よりも大きい。また、机等の家具上には例えばコンピュータなどの熱源が置かれたり、家具の近くに熱源となる人がいたりするので、家具の表面温度変化だけを正確に測定することは困難である。したがって、放射温度センサで検出した机等の家具の表面温度変化から居住域空気温度を正確に推測することが難しく、居住者にとって快適な空調制御を実現できないという問題点があった。
【０００５】
そして、従来の（３）の方法では、室内空間の天井付近の空気温度を温度センサで測定しているが、天井付近の空気温度と室内空間の下方にある居住域の空気温度とはかなり異なっており、その差も一定でないことから、居住域空気温度を正確に推測することが難しく、居住者にとって快適な空調制御を実現できないという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、居住域空気温度の推測精度を高めることができ、居住者にとって快適な空調制御を実現することができる空調システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の空調システムは、室内空間（１０）の居住域にある物体の表面温度を測定する表面温度測定手段（３）と、給気温度を測定する給気温度測定手段（２）と、空調機（１，１ａ，８，９）の給気供給能力を示す値を測定する供給能力測定手段（４，６３）と、前記表面温度と前記給気温度と前記空調機の給気供給能力を示す値に基づいて前記居住域の空気温度を推測する空気温度推測手段（６１，６１ａ）と、この推測された居住域空気温度に基づいて前記空調機を制御する制御手段（６２）とを備えるものである。
また、本発明の空調システムは、室内空間（１０）の居住域にある物体の表面温度を測定する表面温度測定手段（３）と、給気温度を測定する給気温度測定手段（２）と、空調機（１，１ａ，８，９）の給気供給能力を示す値を測定する供給能力測定手段（４，６３）と、外気温度を測定する外気温度測定手段（５）と、前記表面温度と前記給気温度と前記空調機の給気供給能力を示す値と前記外気温度に基づいて前記居住域の空気温度を推測する空気温度推測手段（６１，６１ａ）と、この推測された居住域空気温度に基づいて前記空調機を制御する制御手段（６２）とを備えるものである。
また、本発明の空調システムの１構成例において、前記空調機の給気供給能力を示す値は、前記給気の流量、流速、又は前記給気を前記室内空間に送る前記空調機内の送風機の回転数である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
［実施の形態の１］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態となる空調システムの構成を示すブロック図である。
本実施の形態の空調システムは、給気温度と吹出風量とを調整するＶＡＶ（Variable Air Volume ）方式の空調システムである。
【０００８】
空調機１は、図示しない熱交換機と可変風量の送風機とを有し、熱交換機によって加熱又は冷却した給気を送風機によって室内空間１０に送る。給気温度センサ２は、空調機１から送り出された給気の温度を測定する。室内空間１０の天井に設置された放射温度センサ３は、室内空間１０の下方の居住域にある物体（例えば机等の家具）の表面温度を測定する。風量センサ４は、給気の風量を測定する。なお、風量センサの代わりに、風速を測定する風速センサを用いてもよい。
【０００９】
外気温度センサ５は、外気の温度を測定する。コントローラ６は、給気温度センサ２、放射温度センサ３、風量センサ４及び外気温度センサ５の各測定値に基づいて居住域空気温度を推測し、この居住域空気温度が設定温度と一致するよう空調機１を制御する。７は空調機１からの給気を室内空間１０に吹き出す吹出口である。
【００１０】
以下、このような空調システムの動作を説明する。図２は図１の空調システムの動作を示すフローチャート図、図３はコントローラ６の構成を示すブロック図である。コントローラ６は、空気温度推測手段６１と制御手段６２とから構成される。
【００１１】
前述のとおり、給気温度センサ２は給気温度を測定し、放射温度センサ３は居住域の物体の表面温度を測定し、風量センサ４は吹出風量を測定し、外気温度センサ５は外気温度を測定する（図２ステップ１０１）。
コントローラ６の空気温度推測手段６１は、センサ２〜５によって測定された給気温度、居住域の物体表面温度、吹出風量（あるいは風速）、外気温度から、ニューラルネットワークモデルにより居住域空気温度を推測する（ステップ１０２）。
【００１２】
図４はニューラルネットワークモデルの１構成例を示す図である。図４において、Ｎkiは第ｋ層、ｉ番目のニューロンである。本実施の形態のニューラルネットワークモデルは、第１層である入力層、第２層である隠れ層（中間層）、第３層である出力層の３層からなり、各層に神経細胞と同じような荷重和処理を行う素子であるニューロンＮkiを備えている。
【００１３】
このようなニューラルネットワークモデルを用いて居住域空気温度を推測するには、あらかじめニューラルネットワークモデルに学習を行わせる必要がある。この学習のため、室内空間１０の居住域に居住域空気温度センサ（グローブ温度計）を仮設する。
【００１４】
そして、センサ２〜５によって測定した給気温度、居住域の物体表面温度、吹出風量、外気温度をサンプル的な入力変数としてニューラルネットワークモデルに与えると共に、この入力変数に対するニューラルネットワークモデルの望ましい出力変数として、センサ２〜５と同時に居住域空気温度センサで測定した居住域空気温度をニューラルネットワークモデルに与える。これにより、目的とする出力変数が得られるようニューラルネットワークモデルに学習を行わせる。
【００１５】
ニューラルネットワークモデルを学習させる方法としては、例えばバックプロパゲーション（Back Propargation ）法がある。この学習の際、入力変数と出力変数との組を複数組与えることにより、入出力の相関関係が一定でない場合でも、適切な居住域空気温度が推測できるようニューラルネットワークモデルに学習を行わせることができる。学習後、仮設した居住域空気温度センサを撤去する。
【００１６】
こうして、ニューラルネットワークモデルをあらかじめ学習させておけば、センサ２〜５によって測定した給気温度、居住域の物体表面温度、吹出風量、外気温度から未知の居住域空気温度を推測することができる。なお、２次元の温度分布を測定できる放射温度センサ３を用いる場合には、放射温度センサ３で測定した２次元の温度分布の平均値を居住域の物体表面温度としてニューラルネットワークモデルに入力すればよい。
次に、コントローラ６の制御手段６２は、空気温度推測手段６１によって推測された居住域空気温度が空調システムのオペレータ又は室内空間１０の居住者によって設定された設定温度と一致するよう空調機１を制御する（ステップ１０３）。
【００１７】
すなわち、制御手段６２は、居住域空気温度と設定温度に基づいて操作量を演算すると共に風量を決定して、空調機１に出力する。空調機１の熱交換機は、室内空間１０から空調機１に戻された空気と外気との混合気を前記操作量に応じて加熱又は冷却して給気とし、送風機は、この給気をコントローラ６で決定された風量で室内空間１０に送り出す。
図１の空調システムは、以上のようなステップ１０１〜１０３の動作を一定時間ごとに繰り返す。こうして、居住者にとって快適な空調制御を実現することができる。
【００１８】
［実施の形態の２］
図５は本発明の第２の実施の形態となる空調システムの構成を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。
本実施の形態の空調システムは、ＶＡＶ方式の空調機１の代わりに、ファンコイルユニット（以下、ＦＣＵとする）１ａと温水バルブ８と冷水バルブ９とからなる空調機を用いるものである。
【００１９】
温水バルブ８は、図示しない温水熱源から供給される温水の流量を調節し、冷水バルブ９は、図示しない冷水熱源から供給される冷水の流量を調節する。
ＦＣＵ１ａは、温水バルブ８を通して送られてきた温水により空気を加熱する加熱コイルと、冷水バルブ９を通して送られてきた冷水により空気を冷却する冷却コイルと、加熱又は冷却された給気を送り出す送風機とから構成される。
【００２０】
以下、このような空調システムの動作を説明する。図６はコントローラ６ａの構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、空調システムとしての動作は実施の形態の１と同様であるので、図２を用いて説明する。
まず、給気温度センサ２はＦＣＵ１ａから送り出された給気の温度を測定し、放射温度センサ３は居住域の物体の表面温度を測定し、外気温度センサ５は外気温度を測定する。さらに、コントローラ６ａの回転数測定手段６３は、ＦＣＵ１ａの送風機に与えられる回転数制御信号に基づいて送風機の回転数を測定する（図２ステップ１０１）。
【００２１】
次に、コントローラ６ａの空気温度推測手段６１ａは、センサ２，３，５によって測定された給気温度、居住域の物体表面温度、外気温度と、回転数測定手段６３によって測定された送風機の回転数とから、ファジィ推論により居住域空気温度を推測する（ステップ１０２）。
【００２２】
居住域空気温度をファジィ推論するため、空気温度推測手段６１ａには、あらかじめファジィ多項式（ファジィルール）とメンバシップ関数とが設定されている。
ファジィ多項式は、入力変数と出力変数との関係を”ｉｆ 入力変数 ｔｈｅｎ 出力変数”形式で記述したものであり、例えばＮＬが「かなり低い」、ＮＭが「少し低い」、ＺＲが「中くらい」、ＰＭが「すこし高い」、ＰＬが「かなり高い」という言葉を表すとすれば、以下のように記述できる。
【００２３】
ｉｆ 給気温度＝ＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ又はＰＬのいずれか１つ ＡＮＤ 表面温度＝ＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ又はＰＬのいずれか１つ ＡＮＤ 外気温度＝ＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ又はＰＬのいずれか１つ ＡＮＤ 送風機回転数＝ＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ又はＰＬのいずれか１つ ｔｈｅｎ 居住域空気温度＝ＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ又はＰＬのいずれか１つ
【００２４】
ファジィ多項式は、室内空間１０の居住域に居住域空気温度センサを仮設し、センサ２，３，５によって測定した給気温度、居住域の物体表面温度、外気温度と、回転数測定手段６３によって測定した送風機の回転数と、これらと同時に居住域空気温度センサで測定した居住域空気温度とを基に作成すればよい。空調システムの設計者は、このようなファジィ多項式を冷房と暖房のそれぞれについて複数作成する。
【００２５】
また、設計者は、入力変数又は出力変数とＮＬ，ＮＭ，ＺＲ，ＰＭ，ＰＬといったあいまいな表現との受け渡しを行う図７のようなメンバシップ関数を作成する。メンバシップ関数は設計者の経験等により主観的に決定される。このようなメンバシップ関数を入力変数（給気温度、表面温度、外気温度、送風機回転数）のそれぞれについて作成すると共に、出力変数（居住域空気温度）について作成する。そして、設計者は、作成したファジィ多項式とメンバシップ関数とを空気温度推測手段６１ａに設定する。
【００２６】
空気温度推測手段６１ａは、ステップ１０２において、センサ２，３，５から給気温度、表面温度、外気温度が入力され、回転数測定手段６３から送風機回転数が入力されると、あらかじめ設定されたファジィ多項式とメンバシップ関数とを用いて、居住域空気温度を推測する。なお、メンバシップ関数を公知の手法を用いて学習又はセルフチューニングにより設定してもよい。また、２次元の温度分布を測定できる放射温度センサ３を用いる場合には、放射温度センサ３で測定した２次元の温度分布の平均値を居住域の物体表面温度として、ファジィ多項式の作成と居住域空気温度の推測とを行えばよい。
【００２７】
次に、コントローラ６の制御手段６２は、空気温度推測手段６１ａによって推測された居住域空気温度がオペレータ又は居住者によって設定された設定温度と一致するよう空調機を制御する（ステップ１０３）。すなわち、制御手段６２は、居住域空気温度と設定温度に基づいて操作量を演算し、バルブ８，９の図示しない変換器は、制御手段６２によって演算された操作量に応じてバルブを駆動する。これにより、バルブ８，９の開度、つまり温水、冷水の流量が制御される。ＦＣＵ１ａの加熱コイル又は冷却コイルは、室内空間１０からＦＣＵ１ａに戻された空気と外気との混合気を加熱又は冷却し、ＦＣＵ１ａの送風機は、加熱又は冷却された給気を室内空間１０に送り出す。
【００２８】
図５の空調システムは、以上のようなステップ１０１〜１０３の動作を一定時間ごとに繰り返す。こうして、居住者にとって快適な空調制御を実現することができる。
なお、本実施の形態では、給気温度センサ２によって給気温度を測定しているが、コントローラ６ａに給気温度測定手段を設け、この給気温度測定手段においてバルブ８，９の開度から給気温度を求めるようにしてもよい。
【００２９】
また、実施の形態の１では、居住域空気温度の推測にニューラルネットワークモデルを使用し、実施の形態の２では、ファジィ推論を使用しているが、これに限るものではなく、実施の形態の１でファジィ推論を使用し、実施の形態の２でニューラルネットワークモデルを使用してもよいことは言うまでもない。なお、上述のニューラルネットワークモデルやファジィ推論は、演算装置、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。
【００３０】
また、実施の形態の１，２では、入力変数として外気温度を測定しているが、外気温度については測定しなくてもよい。この場合は、外気温度を入力しないことを前提として、ニューラルネットワークモデル、あるいはファジィ多項式及びメンバシップ関数を設定することになる。ただし、外気温度を入力変数として加えると、外気温度が居住域空気温度に及ぼす影響が大きい季節（夏や冬）において、居住域空気温度の推測をより適切に行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、表面温度測定手段、給気温度測定手段、供給能力測定手段及び空気温度推測手段を設けることにより、表面温度測定手段によって測定した表面温度に加えて、給気温度と空調機の給気供給能力を示す値とを用いて居住域空気温度を推測するので、居住域空気温度の推測精度を高めることができ、居住者にとって快適な空調制御を実現することができる。その結果、室内空間の居住域に温度センサを設ける必要がなくなる。
【００３２】
また、外気温度測定手段を設けることにより、表面温度と給気温度と空調機の給気供給能力を示す値に加えて、外気温度を用いて居住域空気温度を推測するので、外気温度が居住域空気温度に及ぼす影響が大きい季節（夏や冬）であっても、居住域空気温度の推測を適切に行うことができ、居住者にとって快適な空調制御を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態となる空調システムの構成を示すブロック図である。
【図２】 図１の空調システムの動作を示すフローチャート図である。
【図３】 本発明の第１の実施の形態におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図４】 ニューラルネットワークモデルの１構成例を示す図である。
【図５】 本発明の第２の実施の形態となる空調システムの構成を示すブロック図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態におけるコントローラの構成を示すブロック図である。
【図７】 メンバシップ関数の１例を示す図である。
【符号の説明】
１…空調機、１ａ…ファンコイルユニット、２…給気温度センサ、３…放射温度センサ、４…風量センサ、５…外気温度センサ、６、６ａ…コントローラ、７…吹出口、８…温水バルブ、９…冷水バルブ、６１、６１ａ…空気温度推測手段、６２…制御手段、６３…回転数測定手段。

Claims (3)

1. 加熱又は冷却した空気（給気）を室内空間に供給する空調機を備えた空調システムにおいて、
   前記室内空間の居住域にある物体の表面温度を測定する表面温度測定手段と、
   給気温度を測定する給気温度測定手段と、
   前記空調機の給気供給能力を示す値を測定する供給能力測定手段と、
   前記表面温度と前記給気温度と前記空調機の給気供給能力を示す値に基づいて前記居住域の空気温度を推測する空気温度推測手段と、
   この推測された居住域空気温度に基づいて前記空調機を制御する制御手段とを備えることを特徴とする空調システム。
2. 加熱又は冷却した空気（給気）を室内空間に供給する空調機を備えた空調システムにおいて、
   前記室内空間の居住域にある物体の表面温度を測定する表面温度測定手段と、
   給気温度を測定する給気温度測定手段と、
   前記空調機の給気供給能力を示す値を測定する供給能力測定手段と、
   外気温度を測定する外気温度測定手段と、
   前記表面温度と前記給気温度と前記空調機の給気供給能力を示す値と前記外気温度に基づいて前記居住域の空気温度を推測する空気温度推測手段と、
   この推測された居住域空気温度に基づいて前記空調機を制御する制御手段とを備えることを特徴とする空調システム。
3. 請求項１又は２記載の空調システムにおいて、
   前記空調機の給気供給能力を示す値は、前記給気の流量、流速、又は前記給気を前記室内空間に送る前記空調機内の送風機の回転数であることを特徴とする空調システム。

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