JP5793350B2 - 空調制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調制御技術に関し、特に空間内の目的場所における空調環境を制御するための空調制御技術に関する。

空間内を所望の空調環境に維持する場合、空気調和すべき空調空間に空調設備を設けるとともに、当該空調エリアを代表する位置に温度センサを配置し、温度センサの出力に応じて空調機器から供給される調和空気の風量・風向・温度などの操作量を決定するものとなっている。
また、オフィスなどの大空間の場合、例えば大空間を区分して設けた空調エリアごとに、シングルループのフィードバック制御系を複数構成する形態が考えられる。

しかしながら、例えばオフィスでは、熱源となる人・照明・電気機器などの配置や、空気の流れの障害となる机、椅子、間仕切りなどの配置については作業効率が優先されており、このような室内レイアウトが空調制御を優先して設計されることはない。このため、空調設備の吹出口と温度センサの位置関係は、いわゆる温度干渉が強くならざるを得なくなる。

したがって、シングルループのフィードバック制御系を複数構成する形態では、このような温度干渉により操作量が安定しにくくなり、良好な制御が困難になる。例えば、所望の空調環境に移行させる際に温度変化幅が大きいと、制御状態にばらつきが生じ、全系的な安定状態を各フィードバック制御系が個別に探索するようなちぐはぐな動作になるため、操作量が安定しなくなる。

これに対して、従来、分布系熱流動解析手法を用いて、空間内の目的場所における空調環境を制御する空調制御技術が提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。この技術は、対象となる空調空間における初期の空調状況を順解析することにより、当該空調空間の温度および気流の分布を示す分布データを推定し、この分布データと目的場所における目標温度とを逆解析することにより、空調制御に関する新たな操作量を推定し、この新たな操作量に基づいて、空調空間に設置されている各空調設備の吹出口における吹出速度や吹出温度を算出するようにしたものである。

特許第４０１６０６６号公報

原山和也・本田光弘・綛田長生原、「分布系シミュレーションを用いた室内任意空間の温熱環境制御技術の開発」、平成22年度大会、I−20、社団法人空気調和・衛生工学会、平成22年9月1日 加藤信介・小林光・村上周三、「不完全混合室内における換気効率・温熱環境形成効率評価指標に関する研究 第2報-CFDに基づく局所領域の温熱環境形成寄与率評価指標の開発」、東大生研：空気調和・衛生工学論文集No.69、pp.39-47、1998.4 安部恒平、桃瀬一成、木本日出夫、「随伴数値解析を利用した自然対流場の最適化」、日本機械学会論文集（B編）、70巻691号、pp.729-736、2004.3

しかしながら、このような従来技術では、目的場所の温度が目標温度に達するのに時間を要するため、良好な応答性が得られないという問題点があった。
前述したように、分布データと目的場所における目標温度とを逆解析して、空調制御に関する新たな操作量を推定した場合、得られた操作量は、目的場所の温度が目標温度となった状態における定常的な操作量を示している。このため、このような操作量から算出した吹出速度や吹出温度で各空調設備を制御した場合、目的場所の温度は目標温度に達するものの、目標温度に達するまでの所要時間が長くなってしまう。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、空調空間を目的の空調環境へ制御するための操作量を分布系流動解析手法で算出する場合でも、良好な応答性が得られる空調制御技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる空調制御装置は、空調空間に設けられた空調機器を制御する空調システムに対して、空調機器での操作量を指示することにより、空調空間を任意の目的空調環境へ制御する空調制御装置であって、空調空間の構成および空調空間内の空調環境への影響を示す条件データと、目的空調環境下における空調空間内の目的場所での目標値を示す目的データとに基づいて、空調空間内の空調環境を分布系流動解析することにより、空調空間を目的空調環境へ制御するための操作量を、空調機器ごとに算出する操作量算出部と、操作量算出部で得られた操作量を分布系流動順解析することにより、空調空間に設けられた各センサの計測位置における目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定する状態推定部と、状態推定部で推定した状態設定値とセンサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により操作量算出部で得られた各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を空調システムへ指示することにより、空調機器を連動させてフィードバック制御するフィードバック制御部とを備えている。

この際、フィードバック制御部で、予め設定された偏差と操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、偏差に対応する新たな操作量を算出し、操作量を新たな操作量とするための係数を連動係数として算出するようにしてもよい。

また、フィードバック制御部で、各センサごとに個別の連動係数を求め、これら個別係数を統計処理することにより、各センサに共通する連動係数を求めるようにしてもよい。

また、本発明にかかる空調制御方法は、空調空間に設けられた空調機器を制御する空調システムに対して、空調機器での操作量を指示することにより、空調空間を任意の目的空調環境へ制御する空調制御方法であって、操作量算出部が、空調空間の構成および空調空間内の空調環境への影響を示す条件データと、目的空調環境下における空調空間内の目的場所での目標値を示す目的データとに基づいて、空調空間内の空調環境を分布系流動解析することにより、空調空間を目的空調環境へ制御するための操作量を、空調機器ごとに算出する操作量算出ステップと、状態推定部が、操作量算出部で得られた操作量を分布系流動順解析することにより、空調空間に設けられた各センサの計測位置における目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定する状態推定ステップと、フィードバック制御部が、状態推定部で推定した状態設定値とセンサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により操作量算出部で得られた各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を空調システムへ指示することにより、空調機器を連動させてフィードバック制御するフィードバック制御ステップとを備えている。

この際、フィードバック制御ステップで、予め設定された偏差と操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、偏差に対応する新たな操作量を算出し、操作量を新たな操作量とするための係数を連動係数として算出するようにしてもよい。

また、フィードバック制御ステップで、各センサごとに個別の連動係数を求め、これら個別係数を統計処理することにより、各センサに共通する連動係数を求めるようにしてもよい。

本発明によれば、分布系熱流動解析手法を用いて、空間内の目的場所における空調環境を制御する場合でも、良好な応答性が得られる。また、各吹出口から吹き出す調和空気に対する操作量のバランスを大きく崩すことなく、吹出口ごとに調和空気を連動させてフィードバック制御することができ、高い安定性が得られる。

第１の実施の形態にかかる空調制御装置の構成を示すブロック図である。 空調システムの構成例を示す説明図である。 空調制御装置での空調制御動作を示すフロー図である。 第１の実施の形態にかかる空調制御処理を示すフローチャートである。 第１の実施の形態にかかる個別偏差の算出例である。 第１の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。 連動係数の時間変化を示すグラフである。 連動風量の時間変化を示すグラフである。 計測温度の時間変化を示すグラフである。 目的場所温度の時間変化を示すグラフである。 第２の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。 第３の実施の形態にかかる個別偏差の算出例である。 第３の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる空調制御装置について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる空調制御装置の構成を示すブロック図である。図２は、空調システムの構成例を示す説明図である。

この空調制御装置１０は、全体として、パーソナルコンピュータやサーバ装置などの情報処理装置からなり、空調システム２０を制御することにより、空調空間３０の目的場所Ｘにおける空調環境を制御する機能を有している。

空調システム２０には、主な構成として、空調処理装置２１、空調機器２２、および温度センサ２３が設けられている。
空調処理装置２１は、全体として、パーソナルコンピュータやサーバ装置などの情報処理装置からなり、通信回線Ｌを介して空調制御装置１０から指示された操作量に基づいて、空調機器２２により各吹出口から空調空間３０へ吹き出す調和空気を制御することにより、空調空間３０全体の空調環境を制御する機能と、温度センサ２３により空調空間３０内の温度を計測し、通信回線Ｌを介して空調制御装置１０へ通知する機能とを有している。

図２の例では、空調空間３０がゾーンＺ１〜Ｚ５の５つのゾーンに区分されている。これらゾーンＺ１〜Ｚ５には、空調機器２２としてＶＡＶ１〜ＶＡＶ５がそれぞれのゾーンＺ１〜Ｚ５の天井に設けた吹出口Ｆ１〜Ｆ５にそれぞれ設置されているとともに、温度センサ２３としてＴＨ１〜ＴＨ５がそのゾーンの壁にそれぞれ設置されている。これらゾーンＺ１〜Ｚ５は、壁により空間として明確に区分されているわけではなく、それぞれのＶＡＶ１〜ＶＡＶ５から吹き出された調和空気が互いに対流する。このため、ゾーン間で温度干渉が発生する状況にある。

ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５は、空調処理装置２１を介して空調制御装置１０から指示された、吹出風量Ｖｍ１〜Ｖｍ５などの操作量に基づいて、空調機（図示せず）から供給された調和空気を調整し、各吹出口Ｆ１〜Ｆ５からそれぞれに対応するゾーンＺ１〜Ｚ５へ吹き出す機能を有している。
ＴＨ１〜ＴＨ５は、それぞれに対応するゾーンＺ１〜Ｚ５内の室温Ｔｐ１〜Ｔｐ５を計測し、空調処理装置２１へ通知する機能を有している。

［発明の原理］
温度分布と空調空間３０内の目的場所における目標温度とから新たに生成した設定温度分布をＣＦＤ逆解析すれば、各吹出口から吹き出す調和空気に関する、空調空間３０を設定温度分布とするための操作量をそれぞれ推定できる。このようにして得られた操作量は、設定温度分布を維持するための定常的な操作量であるため、空調空間３０の温度分布が設定温度分布に到達するまでの到達時間が長い。

一般に、設定値までの到達時間を短縮する場合、フィードバック制御が用いられる。フィードバック制御は、予め設定された制御特性に基づいて、設定値と計測値との偏差に対応する、前回の操作量に対する差分、すなわち操作量差分を求め、この操作量差分に基づき対象を制御する制御方法である。

例えば、フィードバック制御のうち最も一般的なＰＩＤ制御では、偏差に対する、比例成分（Ｐ：Proportinal）、積分成分（Ｉ：Integral）、微分成分（Ｄ：Differential）の３つの成分の組み合わせで操作量差分を求める制御特性を用いる。比例成分に対する係数をＫｐ、積分成分に対する係数をＫｉ、微分成分に対する係数をＫｄとした場合、偏差に対する操作量差分は、次の式（１）で求められる。
操作量差分＝Ｋｐ×偏差＋Ｋｉ×偏差の累積値＋Ｋｄ×前回偏差との差 …（１）

したがって、このようなフィードバック制御を、例えば前述の図２に示したように、ゾーンＺ１〜Ｚ５ごとに実行すれば、空調空間３０の温度分布が設定温度分布に到達するまでの到達時間を短縮できる。実際には、ゾーンＺ１〜Ｚ５の温度は、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５で計測するため、これら温度センサＴＨ１〜ＴＨ５の位置における設定温度が必要となる。これについては、操作量をＣＦＤ順解析すれば、これら温度センサＴＨ１〜ＴＨ５の位置における設定温度を求めることができる。

このようにして、ゾーンＺ１〜Ｚ５の温度センサＴＨ１〜ＴＨ５で計測した計測温度が設定温度となるよう、設定温度と計測温度との偏差に応じた操作量を求めて、各吹出口からの調和空気を各ゾーンで独立して制御した場合、ゾーン間での干渉が発生する。このため、各ゾーンの温度センサにおける室温が設定温度に到達しても、空調空間３０内の目的場所における室温が目標温度に達しているとは限らない。これは、各ゾーンの温度センサにおける室温が設定温度に到達させるための操作量の組合せは、複数存在するからである。

したがって、目的場所における室温が目標温度に達するよう、各ゾーンでのフィードバック制御を調整する必要がある。本発明では、ゾーン間での干渉があまり変化しない場合、目的場所における室温が目標温度から逸れ難いことに着目し、ゾーン間での干渉があまり変化しないよう、すなわち各ゾーンでの調和空気に対する操作量のバランスが大きく崩れないよう、各ゾーンの新たな操作量を連動させて補正するようにしたものである。

本発明では、操作量を連動させて補正するため、連動係数を導入し、各ゾーンの調和空気に関する操作量と、連動係数とをパラメータとして、操作量を補正した連動操作量を求める計算式を定義する。この計算式については、操作量に連動係数を乗算することにより連動操作量を求める方法、あるいは、操作量に設定した調整幅に連動係数を乗算し、得られた値を操作量に加える方法など、各種の計算方法がある。

連動係数を求める方法については、分布系流動順解析で求めた操作量について、さらに分布系流動逆解析することにより、各ゾーンに設けられたセンサの計測位置における空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定し、得られた状態設定値と当該センサで得られた状態計測値との偏差に対応する新たな操作量を、予め設定された空調制御特性に基づいて求め、元の操作量を新たな操作量とするための係数を連動係数として計算すればよい。

このような発明の原理に基づいて、本実施の形態にかかる空調制御装置１０は、空調空間３０の空調環境をＣＦＤ逆解析することにより、空調空間３０を目的空調環境へ制御するための操作量を空調機器２２ごとに算出し、得られた操作量をＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０に設けられた各センサの計測位置における目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定し、得られた状態設定値とセンサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を空調システム２０へ指示することにより、空調機器２２を連動させてフィードバック制御するようにしたものである。

［空調制御装置］
次に、図１および図３を参照して、本実施の形態にかかる空調制御装置１０の構成について詳細に説明する。図３は、空調制御装置での空調制御動作を示すフロー図である。
この空調制御装置１０には、主な機能部として、通信インターフェース部（以下、通信Ｉ／Ｆ部という）１１、操作入力部１２、画面表示部１３、記憶部１４、および演算処理部１５が設けられている。

通信Ｉ／Ｆ部１１は、専用のデータ通信回路からなり、通信回線Ｌを介して接続された空調システムなどの外部装置との間でデータ通信を行う機能を有している。
操作入力部１２は、キーボードやマウスなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出して演算処理部１５へ出力する機能を有している。
画面表示部１３は、ＬＣＤやＰＤＰなどの画面表示装置からなり、演算処理部１５からの指示に応じて、操作メニューや入出力データなどの各種情報を画面表示する機能を有している。

記憶部１４は、ハードディスクや半導体メモリなどの記憶装置からなり、演算処理部１５で用いる各種処理情報やプログラム１４Ｐを記憶する機能を有している。
プログラム１４Ｐは、演算処理部１５に読み出されて実行されるプログラムであり、予め外部装置や記録媒体から通信Ｉ／Ｆ部１１を介して記憶部１４へ格納される。

演算処理部１５は、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサとその周辺回路を有し、記憶部１４からプログラム１４Ｐを読み込んで実行することにより、各種処理部を実現する機能を有している。
演算処理部１５で実現される主な処理部として、データ入力部１５Ａ、操作量算出部１５Ｂ、状態推定部１５Ｃ、フィードバック制御部１５Ｄ、および空調指示部１５Ｅがある。

データ入力部１５Ａは、空調システム２０などの外部装置や記録媒体から通信Ｉ／Ｆ部１１を介して入力された、演算処理部１５で用いる各種処理情報を、記憶部１４へ予め格納する機能を有している。

操作量算出部１５Ｂは、データ入力部１５Ａで取得した境界条件データ１４Ａと設定条件データ１４ＢとをＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０全体の温度分布などの空調環境を推定する機能と、ＣＦＤ順解析で得られた空調環境とデータ入力部１５Ａで取得した目的データ１４ＣとをＣＦＤ逆解析することにより、空調空間３０を目的空調環境へ制御するための操作量を空調機器２２ごとに算出し、操作量データ１４Ｄとして出力する機能とを有している。

分布系流動解析手法とは、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）を基本として、境界条件から空間の温度や気流等の分布を数値計算によって求める技術である。一般的なＣＦＤでは、対象空間を網目状の小空間に分割し、隣接する小空間間における熱流を解析する。

操作量算出部１５ＢにおけるＣＦＤ順解析は、この分布系流動解析手法を用いて、空調空間３０に関する境界条件データ１４Ａおよび設定条件データ１４Ｂから、空調空間３０内の温度分布や気流分布などの空調環境を算出する技術であり、具体的には非特許文献２などの公知技術を用いればよい。
一方、操作量算出部１５ＢにおけるＣＦＤ逆解析は、ＣＦＤ順解析を行うことにより、所望の空調環境を実現したい場所に対する設備の感度（または寄与）を求め、この感度の大きさによって操作量を調整することにより、目的の空調環境を実現するための最終的な操作量を算出する技術であり、具体的には非特許文献２や非特許文献３などの公知技術を用いればよい。

境界条件データ１４Ａは、空調空間３０の空調環境に対する影響度を示すデータであり、空調空間３０の空調環境に与える影響が変化する構成要素ごとに、当該時点における境界条件として、風速、風向・温度で示される影響度が登録されている。この境界条件データ１４Ａには、データ入力部１５Ａにより空調システム２０から取得した、各空調機器２２から吹き出す調和空気の吹出風量や吹出温度など、空調システム２０における調和空気の制御状況を示すデータも含まれている。

設定条件データ１４Ｂは、空調空間３０に関する位置および形状や、空調システム２０で生成された調和空気の吹出口など、空調空間３０の空調環境に影響を与える構成要素に関する位置および形状を示す空間条件データ、空調空間３０に配置された各発熱体に関する配置位置および発熱量、さらには形状を示す発熱体データなど、熱流動解析処理を行う際の設定条件となる各種データが含まれている。

目的データ１４Ｃは、空調空間３０内の目的場所Ｘにおける目標温度Ｔｘｓを示すデータである。
操作量データ１４Ｄは、空調空間３０を目的空調環境へ制御するための、空調機器２２ごとの操作量を示すデータである。

状態推定部１５Ｃは、操作量算出部１５Ｂで得られた操作量データ１４Ｄに含まれる各操作量をＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０に設けられた各センサの計測位置における空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定し、状態推定値データ１４Ｅとして出力する機能とを有している。
状態推定部１５ＣにおけるＣＦＤ順解析は、操作量算出部１５ＢにおけるＣＦＤ順解析と同様の技術であり、具体的には非特許文献２などの公知技術を用いればよい。

フィードバック制御部１５Ｄは、状態推定部１５Ｃで得られた状態推定値データ１４Ｅに含まれる状態設定値と、空調システム２０からの状態計測値データ１４Ｆに含まれる各センサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数を求める機能と、この連動係数により操作量算出部１５Ｂで得られた各操作量を補正することにより連動操作量を求める機能と、得られた各連動操作量を含む連動操作量データ１４Ｇを、空調指示部１５Ｅから空調システム２０へ指示することにより、空調機器２２を連動させてフィードバック制御する機能とを有している。

空調指示部１５Ｅは、フィードバック制御部１５Ｄからの連動操作量データ１４Ｇに含まれる連動操作量を、通信Ｉ／Ｆ部１１を介して空調システム２０へ指示する機能を有している。

［第１の実施の形態の動作］
次に、図４を参照して、本実施の形態にかかる空調制御装置１０の動作について説明する。図４は、第１の実施の形態にかかる空調制御処理を示すフローチャートである。
空調制御装置１０の演算処理部１５は、起動時あるいはオペレータ操作に応じて、図４の空調制御処理を開始する。なお、空調制御処理の実行開始に先立って、境界条件データ１４Ａや設定条件データ１４Ｂが予め記憶部１４に格納されているものとする。ここでは、各空調機器２２から吹き出す空調空気の風量を操作することにより、空調空間３０内の温度を制御する場合を例として説明する。

まず、操作量算出部１５Ｂは、データ入力部１５Ａで取得した境界条件データ１４Ａと設定条件データ１４Ｂとを記憶部１４から読み出してＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０全体の空調環境を推定する（ステップ１００）。
次に、操作量算出部１５Ｂは、ＣＦＤ順解析で推定した空調環境と、空調空間３０内の目的場所Ｘにおける目標温度Ｔｘｓを示す目的データ１４ＣとをＣＦＤ逆解析することにより、各空調機器２２に関する、空調空間３０を目的空調環境へ制御するための操作量として、各空調機器２２での風量Ｖｓｉを算出し、操作量データ１４Ｄとして出力する（ステップ１０１）。

続いて、状態推定部１５Ｃは、操作量算出部１５Ｂで得られた操作量データ１４Ｄに含まれる各風量ＶｓをＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０に設けられた各温度センサ２３の計測位置における設定温度Ｔｓをそれぞれ推定し、状態推定値データ１４Ｅとして出力する（ステップ１０２）。この際、状態推定部１５Ｃは、必要に応じて、境界条件データ１４Ａや設定条件データ１４Ｂを参照する。

この後、データ入力部１５Ａは、各温度センサ２３で計測した計測温度Ｔｐを空調システム２０から取得して、状態計測値データ１４Ｆとして記憶部１４へ格納する（ステップ１１０）。

続いて、フィードバック制御部１５Ｄは、状態推定部１５Ｃからの状態推定値データ１４Ｅに含まれる設定温度Ｔｓと、記憶部１４から読み出した状態計測値データ１４Ｆに含まれる温度センサ２３での計測温度Ｔｐとから、これら温度センサ２３での個別偏差ΔＴを算出する（ステップ１１１）。
この際、個別偏差ΔＴについては、温度センサ２３ごとに、状態推定部１５Ｃで推定した当該温度センサＴＨｉの設定温度Ｔｓｉと、当該温度センサＴＨｉで計測した計測温度Ｔｐｉとの個別偏差ΔＴｉ＝Ｔｓｉ−Ｔｐｉを求める。

図５は、第１の実施の形態にかかる個別偏差の算出例である。ここでは、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５の計測位置における設定温度Ｔｓｉ［゜Ｃ］が、それぞれ「２６．０」，「２６．５」，「２６．５」，「２７．０」，「２５．０」であり、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での計測温度Ｔｐ［゜Ｃ］が、それぞれ「２８．０」，「２７．０」，「２８．０」，「２７．０」，「２６．０」となっている。したがって、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での個別偏差ΔＴｉ［゜Ｃ］は、「２．０」，「０．５」，「１．５」，「０．０」，「１．０」となる。

次に、フィードバック制御部１５Ｄは、このようにして算出した個別偏差ΔＴｉに基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数Ｒａを算出する（ステップ１１２）。
連動係数Ｒａの算出方法としては、これら個別偏差ΔＴｉと対応する個別係数Ｒｉを求め、これら個別係数Ｒｉを統計処理することにより、連動係数Ｒａを求める。

この際、個別係数Ｒｉは、予め設定された偏差と操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、個別偏差ΔＴｉに対応する新たな操作量Ｖｎｉを算出し、操作量算出部１５Ｂで得られた操作量Ｖｓｉを新たな操作量Ｖｎｉとするための係数を個別係数Ｒｉとして算出する。
この際、統計処理としては、平均値算出、中央値算出、最大値または最小値選択などの処理を用いればよい。また、統計処理として、目的場所Ｘからの距離が最も近い、あるいは遠い温度センサＴＨｉの個別係数Ｒｉを連動係数Ｒａとして選択する処理を行うようにしてもよい。

なお、個別係数Ｒｉの算出方法は、操作量Ｖｓから連動係数Ｒａにより連動操作量Ｖｍを算出する算出式に依存する。例えば、操作量Ｖｓｉに連動係数Ｒａを乗算して得られた差分操作量を操作量Ｖｓｉに加えて連動操作量Ｖｍｉを算出する場合、個別係数Ｒｉは、操作量Ｖｓｉで新たな操作量Ｖｎｉを除算したものを１から減算することにより求められる。具体的には、操作量Ｖｓｉ＝１００［ｍ³／ｍｉｎ］で、新たな操作量Ｖｎｉ＝１２０［ｍ³／ｍｉｎ］の場合、個別係数ＲｉはＲｉ＝１−Ｖｎｉ／Ｖｓｉ＝１−１２０／１００＝２０％となる。

この後、フィードバック制御部１５Ｄは、このようにして算出した連動係数Ｒａにより状態推定部１５Ｃで推定した各設操作量Ｖｓを補正して各連動操作量Ｖｍを算出し、連動操作量データ１４Ｇとして出力する（ステップ１１３）。

図６は、第１の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。ここでは、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する操作量である風量Ｖｓｉ［ｍ³／ｍｉｎ］が、それぞれ「１００」，「４０」，「６０」，「３０」，「１０」となっている。したがって、前述の例によれば、連動係数Ｒａ＝２０％の場合、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動操作量である連動風量Ｖｍｉ［ｍ³／ｍｉｎ］は、例えばＶｍｉ＝Ｖｓｉ×（１＋Ｒａ）で求められ、それぞれ「１２０」，「４８」，「７２」，「３６」，「１２」となる。

続いて、空調指示部１５Ｅは、フィードバック制御部１５Ｄで得られた連動操作量に基づいて、空調空間３０全体の空調環境を制御する空調推定制御を、通信Ｉ／Ｆ部１１を介して空調システム２０へ指示する（ステップ１１４）。

この後、フィードバック制御部１５Ｄは、境界条件データ１４Ａ、設定条件データ１４Ｂ、あるいは目的データ１４Ｃに変更があった場合（ステップ１１５：ＹＥＳ）、操作量Ｖｓおよび設定温度Ｔｓを再計算するため、ステップ１００へ戻る。
一方、境界条件データ１４Ａ、設定条件データ１４Ｂ、あるいは目的データ１４Ｃに変更がない場合（ステップ１１５：ＮＯ）、新たな計測温度Ｔｐに応じた連動操作量Ｖｍを計算するため、ステップ１１０へ戻る。

［動作例］
本実施の形態にかかる空調制御装置１０の動作例について説明する。
図７は、連動係数の時間変化を示すグラフであり、横軸が時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸が連動係数Ｒａ［％］を示している。この例では、空調制御が開始された時刻Ｔ０において、ある程度大きな連動係数値を示しており、その後の時刻Ｔ１までの期間に補正不要を示すゼロまで低下し、これ以降の時刻Ｔ２までゼロで一定である。

図８は、連動風量の時間変化を示すグラフであり、横軸が時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸が連動操作量に対応する連動風量Ｖ［ｍ³／ｍｉｎ］を示している。ここでは、本実施の形態を適用してフィードバック制御を行った場合における、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動風量Ｖｍ１〜Ｖｍ５の変化が示されている。連動風量Ｖｍ１〜Ｖｍ５は、空調制御が開始された時刻Ｔ０において、ある程度大きな操作量を示しており、その後の時刻Ｔ１までの期間に元の風量Ｖｓ１〜Ｖｓ５まで低下し、これ以降の時刻Ｔ２まで一定である。これら連動風量Ｖｍ１〜Ｖｍ５は、個別に増減することなく互いに連動して変化していることが分かる。

図９は、計測温度の時間変化を示すグラフであり、横軸が時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸が計測温度Ｔｐ［゜Ｃ］を示している。ここでは、本実施の形態を適用してフィードバック制御を行った場合における、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での計測温度Ｔｐ１〜Ｔｐ５の変化が示されている。計測温度Ｔｐ１〜Ｔｐ５は、空調制御が開始された時刻Ｔ０において、図５に示した計測温度Ｔｐｉをそれぞれ示しており、その後の時刻Ｔ１までの期間に設定温度Ｔｓ１〜Ｔｓ５までそれぞれなだらかに推移し、これ以降の時刻Ｔ２まで一定である。

図１０は、目的場所温度の時間変化を示すグラフであり、横軸が時間［ｍｉｎ］を示し、縦軸が目的場所温度Ｔｘ［゜Ｃ］を示している。ここでは、本実施の形態を適用してフィードバック制御を行った場合における、目的場所Ｘにおける目的場所温度Ｔｘａの変化と、各空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５での風量を風量Ｖｓ１〜Ｖｓ５に固定した場合における、目的場所Ｘにおける目的場所温度Ｔｘｂの変化とが示されている。

目的場所温度Ｔｘａ［゜Ｃ］は、空調制御が開始された時刻Ｔ０において、初期値「２７．５」を示しており、その後の時刻Ｔ１までの期間に目標温度「２６．０」までなだらかに推移し、これ以降の時刻Ｔ２まで一定である。一方、目的場所温度Ｔｘｂ［゜Ｃ］は、空調制御が開始された時刻Ｔ０において、初期値「２７．５」を示しており、時刻Ｔ１より後の時刻Ｔ２になって初めて目標温度「２６．０」に到達している。
したがって、本実施の形態を適用してフィードバック制御を行った場合、目標温度までの到達時間が時刻Ｔ２から時刻Ｔ１へ短縮されたことになる。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、操作量算出部１５Ｂで、空調空間３０の空調環境をＣＦＤ逆解析することにより、空調空間３０を目的空調環境へ制御するための操作量を空調機器２２ごとに算出し、状態推定部１５Ｃで、これら操作量をＣＦＤ順解析することにより、空調空間３０に設けられた各センサの計測位置における目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定するようにしたものである。

そして、フィードバック制御部１５Ｄで、得られた状態設定値とセンサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を空調システム２０へ指示することにより、空調機器２２を連動させてフィードバック制御するようにしたものである。

これにより、空調制御開始から空調空間３０が目的空調環境となるまでの全体の到達時間を短縮することができる。空調空間３０を目的の空調環境へ制御するための操作量を分布系流動解析手法で算出する場合でも、良好な応答性が得られる。また、各空調機器２２の吹出口から吹き出す調和空気に対する操作量のバランスを大きく崩すことなく、吹出口ごとに調和空気を連動させてフィードバック制御することができ、高い安定性が得られる。

また、本実施の形態では、空調制御装置１０において、空調空間２０の空調環境のうち温度分布を制御する場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、風速、湿度、ＣＯ２など、空調空間２０における温度以外の空調環境についても、温度センサ２３に代えて、これら状態を検出するセンサを用いることにより、前述と同様に制御することができ、同様の作用効果を奏することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態にかかる空調制御装置１０について説明する。
第１の実施の形態では、フィードバック制御部１５Ｄにおいて連動操作量を算出する際、連動係数Ｒａを操作量Ｖｓに乗算して得られた差分操作量を操作量Ｖｓに加算することにより連動操作量Ｖｍを求める場合を例として説明した。本実施の形態では、予め割り当てた調整幅Ｖｗに連動係数Ｒａを乗算した値を操作量Ｖｓに加算することにより連動操作量Ｖｍを求める場合について説明する。

本実施の形態において、フィードバック制御部１５Ｄは、操作量Ｖｓに対して、予め設定された調整率Ｒｗを乗算することにより調整幅Ｖｗを算出する機能を有している。
図１１は、第２の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。ここでは、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する操作量である風量Ｖｓ［ｍ³／ｍｉｎ］が、それぞれ「１００」，「４０」，「６０」，「３０」，「１０」となっている。したがって、調整率Ｒｗ＝６０％（±３０％）の場合、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に関する調整幅Ｖｗｉ［ｍ³／ｍｉｎ］は、Ｖｗｉ＝Ｖｓｉ×Ｒｗで求められ、それぞれ「６０」，「２４」，「３６」，「１８」，「６」となる。

したがって、連動係数Ｒａ＝２０％の場合、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動操作量である連動風量Ｖｍｉ［ｍ³／ｍｉｎ］は、例えばＶｍｉ＝Ｖｓｉ＋Ｖｗｉ×Ｒで求められ、それぞれ「１１２」，「４４．８」，「６７．２」，「３３．６」，「１１．２」となる。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、予め割り当てた調整幅Ｖｗに連動係数Ｒａを乗算した値を操作量Ｖｓに加算することにより連動操作量Ｖｍを求めるようにしたので、連動操作量Ｖｍの変化を調整幅Ｖｗで制限することができ、高い安定性が得られる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態にかかる空調制御装置１０について説明する。
第１の実施の形態では、フィードバック制御部１５Ｄにおいて連動操作量を算出する際、各温度センサ２３の位置における温度について、それぞれ同じ方向へ変化するよう、各吹出口から吹き出す調和空気の操作量を調整する場合について説明した。
しかしながら、温度センサＴＨ１の位置では温度を下げる方向で操作量を調整し、温度センサＴＨ２の位置では温度を上げる方向で操作量を調整する必要がある場合もある。

本実施の形態では、フィードバック制御部１５Ｄにおいて、各温度センサ２３の位置でそれぞれ個別の方向で温度を調整する場合、それぞれの温度センサ２３の位置における個別偏差ΔＴｉの極性に応じて、連動係数Ｒａによる操作量Ｖｓの増減を決定する場合について説明する。なお、以下では、本実施の形態を第１の実施の形態にかかる連動風量の算出方法に適用した場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、第２の実施の形態にかかる連動風量の算出方法など、他の連動風量の算出方法にも同様にして適用できる。

図１２は、第３の実施の形態にかかる個別偏差の算出例であり、第１の実施の形態と同様に、フィードバック制御部１５Ｄにおいて、温度センサ２３ごとに、状態推定部１５Ｃで推定した当該温度センサＴＨｉの設定温度Ｔｓｉと、当該温度センサＴＨｉで計測した計測温度Ｔｐｉとの個別偏差ΔＴｉ＝Ｔｓｉ−Ｔｐｉを求め、これら個別偏差ΔＴｉを統計処理することにより代表偏差ΔＴを求める。

図１２の例では、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５に対する設定温度Ｔｓｉ［゜Ｃ］が、それぞれ「２６．０」，「２６．５」，「２６．５」，「２７．０」，「２５．０」であり、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での計測温度Ｔｐｉ［゜Ｃ］が、それぞれ「２５．５」，「２７．０」，「２８．０」，「２６．５」，「２６．０」となっている。この場合、温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での個別偏差ΔＴｉ［゜Ｃ］は、「−０．５」，「０．５」，「１．５」，「−０．５」，「１．０」となる。

続いて、フィードバック制御部１５Ｄは、予め設定された温度偏差と調和空気の操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、前述の代表偏差ΔＴに対応する連動係数Ｒａを算出する。この際、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動係数Ｒａには、対応する温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での個別偏差ΔＴｉの極性が付与される。

図１３は、第３の実施の形態にかかる連動操作量の算出例である。ここでは、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する操作量である風量Ｖｓ［ｍ³／ｍｉｎ］が、それぞれ「１００」，「４０」，「６０」，「３０」，「１０」となっている。ここで、空調制御特性に基づいて各個別偏差ΔＴｉから求めた連動係数ＲａがＲａ＝２０％であった場合、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動係数Ｒａｉ［％］は、それぞれ対応する温度センサＴＨ１〜ＴＨ５での個別偏差ΔＴｉの極性に基づいて、「−２０」，「＋２０」，「＋２０」，「−２０」，「＋２０」となる。

したがって、連動係数Ｒａ＝２０％の場合、空調機器ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５に対する連動操作量である連動風量Ｖｍｉ［ｍ³／ｍｉｎ］は、例えばＶｍｉ＝Ｖｓｉ×（１＋Ｒｉ）で求められ、それぞれ「８８．０」，「４４．８」，「６７．２」，「２６．４」，「１１．２」となる。

［第３の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、それぞれの温度センサ２３の位置における個別偏差ΔＴｉの極性に応じて、連動係数Ｒａによる操作量Ｖｓの増減を決定するようにしたので、温度センサ２３の位置における温度を、それぞれ個別の方向で調整することができ、高い精度で、目的場所の温度を目標温度へ調整することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…空調制御装置、１１…通信Ｉ／Ｆ部、１２…操作入力部、１３…画面表示部、１４…記憶部、１４Ａ…境界条件データ、１４Ｂ…設定条件データ、１４Ｃ…目的データ、１４Ｄ…操作量データ、１４Ｅ…状態推定値データ、１４Ｆ…状態計測値データ、１４Ｇ…連動操作量データ、１５…演算処理部、１５Ａ…データ入力部、１５Ｂ…操作量算出部、１５Ｃ…状態推定部、１５Ｄ…フィードバック制御部、１５Ｅ…空調指示部、２０…空調システム、２１…空調処理装置、２２…空調機器、２３…温度センサ、３０…空調空間、Ｚ１〜Ｚ５…ゾーン、ＶＡＶ１〜ＶＡＶ５…空調機器、Ｆ１〜Ｆ５…吹出口、ＴＨ１〜ＴＨ５…温度センサ、Ｘ…目的場所、Ｔｘｓ…目標温度、Ｔｘ，Ｔｘａ，Ｔｘｂ…目的場所温度、Ｔｓ，Ｔｓｉ…設定温度、Ｔｐ，Ｔｐｉ…計測温度、ΔＴｉ…個別偏差、Ｖｓ，Ｖｓｉ…操作量（風量）、Ｒａ…連動係数、Ｒｉ…個別係数、Ｖｍ，Ｖｍｉ…連動操作量（連動風量）、Ｒｗ…調整率、Ｖｗ，Ｖｗｉ…調整幅。

Claims (6)

1. 空調空間に設けられた空調機器を制御する空調システムに対して、前記空調機器での操作量を指示することにより、前記空調空間を任意の目的空調環境へ制御する空調制御装置であって、
   前記空調空間の構成および前記空調空間内の空調環境への影響を示す条件データと、前記目的空調環境下における前記空調空間内の目的場所での目標値を示す目的データとに基づいて、前記空調空間内の空調環境を分布系流動解析することにより、前記空調空間を前記目的空調環境へ制御するための操作量を、前記空調機器ごとに算出する操作量算出部と、
   前記操作量算出部で得られた前記操作量を分布系流動順解析することにより、前記空調空間に設けられた各センサの計測位置における前記目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定する状態推定部と、
   前記状態推定部で推定した前記状態設定値と前記センサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、前記各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により前記操作量算出部で得られた前記各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を前記空調システムへ指示することにより、前記空調機器を連動させてフィードバック制御するフィードバック制御部と
   を備えることを特徴とする空調制御装置。
2. 請求項１に記載の空調制御装置において、
   前記フィードバック制御部は、予め設定された偏差と操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、前記偏差に対応する新たな操作量を算出し、前記操作量を前記新たな操作量とするための係数を前記連動係数として算出することを特徴とする空調制御装置。
3. 請求項２に記載の空調制御装置において、
   前記フィードバック制御部は、前記各センサごとに個別の連動係数を求め、これら個別係数を統計処理することにより、前記各センサに共通する前記連動係数を求めることを特徴とする空調制御装置。
4. 空調空間に設けられた空調機器を制御する空調システムに対して、前記空調機器での操作量を指示することにより、前記空調空間を任意の目的空調環境へ制御する空調制御方法であって、
   操作量算出部が、前記空調空間の構成および前記空調空間内の空調環境への影響を示す条件データと、前記目的空調環境下における前記空調空間内の目的場所での目標値を示す目的データとに基づいて、前記空調空間内の空調環境を分布系流動解析することにより、前記空調空間を前記目的空調環境へ制御するための操作量を、前記空調機器ごとに算出する操作量算出ステップと、
   状態推定部が、前記操作量算出部で得られた前記操作量を分布系流動順解析することにより、前記空調空間に設けられた各センサの計測位置における前記目的空調環境の状態を示す状態設定値をそれぞれ推定する状態推定ステップと、
   フィードバック制御部が、前記状態推定部で推定した前記状態設定値と前記センサで計測した状態計測値との偏差に基づいて、前記各操作量を連動させて補正するための連動係数を求め、この連動係数により前記操作量算出部で得られた前記各操作量を補正することにより連動操作量を求め、得られた各連動操作量を前記空調システムへ指示することにより、前記空調機器を連動させてフィードバック制御するフィードバック制御ステップと
   を備えることを特徴とする空調制御方法。
5. 請求項４に記載の空調制御方法において、
   前記フィードバック制御ステップは、予め設定された偏差と操作量差分との関係を示す空調制御特性に基づいて、前記偏差に対応する新たな操作量を算出し、前記操作量を前記新たな操作量とするための係数を前記連動係数として算出することを特徴とする空調制御方法。
6. 請求項５に記載の空調制御方法において、
   前記フィードバック制御ステップは、前記各センサごとに個別の連動係数を求め、これら個別係数を統計処理することにより、前記各センサに共通する前記連動係数を求めることを特徴とする空調制御方法。

Images