JP6933530B2 - 換気制御方法および換気制御システム - Google Patents

Description

本発明は、室内の換気回数を制御する換気制御方法および換気制御システムに関する。

従来より、実験動物施設をはじめとする各種の研究施設や製造施設では、室内の清浄度維持や汚染物質の希釈のために、施設建設時に大量の換気回数（１時間あたりの各部屋の換気回数）にて設計・建築されることが多い。なお、換気回数としては、実用上は部屋の換気風量を部屋体積で除した数値が用いられている。

これらの施設では、空気環境を第一優先とする考えに基づき、従来は常時換気回数を一定とする定風量方式が主流となっており、省エネルギーの観点で課題があった。そこで、近年になって、室内の空気質の維持と省エネルギーとを両立させる手法として、部屋の利用状況や室内空気の汚れ具合に応じて換気回数を柔軟に変更する、デマンド・コントロール換気という手法が主に米国において採用され始めてきた（例えば、非特許文献１参照）。

「Demand Control Ventilation」、〔平成２９年８月９日検索〕、インターネット＜http://www.flowcontroltechnology.com/aircurity.aspx＞

デマンド・コントロール換気の手法には、大きく分けて、集中計測・差分制御方式と個別計測・直接制御方式とがある。この制御方式について、それぞれのシステムの概要、制御方式、課題を以下に記す。

（１）集中計測・差分制御方式
図６に、集中計測・差分制御方式のシステムの概要を示す。図６において、１０１，１０２は各部屋の室内、１０３，１０４は部屋１０１，１０２への給気ダクト、１０５，１０６は部屋１０１，１０２からの排気ダクトである。給気ダクト１０３，１０４には、ダクト挿入型のプローブ１０７，１０８が設置され、排気ダクト１０５，１０６にはダクト挿入型のプローブ１０９，１１０が設置されている。また、部屋１０１には室内設置型のプローブ１１１が設けられている。

このシステムでは、バキュームポンプ１１２で、エアデータルータ１１３を介して、プローブ１０７〜１１１が設置されている各箇所の空気を順番に吸引し、この吸引した各箇所の空気の空気質（ＣＯ２濃度、粉塵濃度、総揮発性有機化合物濃度（ＴＶＯＣ濃度）など）を１台のセンサ１１４で計測する。このセンサ１１４で計測された各箇所の空気の空気質は情報管理サーバ１１５に送られ、データ無線端末１１６を通して、データセンタ１１７へ送信される。データセンタ１１７では、部屋１０１，１０２へ供給される空気（給気）の空気質と室内空気（または排気）の空気質との差分に基づいて、部屋１０１や１０２の室内の清浄度や汚れ具合を判断する。このデータセンタ１１７での判断結果に基づいて部屋１０１や１０２の室内の換気回数がフィードバック制御される。

しかしながら、この集中計測・差分制御方式では、プローブ１０７〜１１１が設置されている各箇所からセンサ１１４まで吸引用のチューブを施工しなければならないため、工事費が多額となる。また、計測対象ガスがチューブ内面に残留・付着することにより計測精度が悪化する虞があり、計測値の信頼性が低い（他系統との相互干渉）。

（２）個別計測・直接制御方式
個別計測・直接制御方式では、各部屋の室内または排気ダクト１箇所に個別に空気質を計測するセンサを設置して、室内空気の洗浄度や汚れ具合を判断し、直接この計測値を用いて各部屋の室内の換気回数をフィードバック制御する。

図７に、個別計測・直接制御方式のシステムの概要を示す。図７において、２０１は各部屋の室内、２０２は室内２０１への給気ダクト、２０３は室内２０１からの排気ダクト、２０４は給気ダクト２０２に設けられた可変風量制御バルブ（給気ＶＡＶ）、２０５は排気ダクト２０３に設けられた可変風量制御バルブ（排気ＶＡＶ）、２０６は室圧センサ、２０７はＣＯ２センサである。

このシステムでは、ＣＯ２センサ２０７によって室内２０１からの排気のＣＯ２濃度を計測し、この計測されるＣＯ２濃度を規定値に保つように室内２０１の換気回数を制御する。すなわち、給気ＶＡＶ２０４および換気ＶＡＶ２０５によって、室内２０１への給気および排気の風量を調整する。

また、このシステムでは、室圧センサ２０６によって室内２０１の室圧を計測し、この計測される室圧を目標値に保つように室内２０１の室圧を制御する。すなわち、排気ＶＡＶ２０５が調整する室内２０１からの排気の風量を制御する。

なお、この換気回数の制御と室圧の制御とは、給気ＶＡＶ２０４と排気ＶＡＶ２０５との相互通信によって協調して行われる。

しかしながら、この個別計測・直接制御方式では、ＣＯ２センサには経年による計測値のずれ（ドリフトと呼ぶ）があるため、計測値が徐々に室内空気の状態を正しく反映できなくなってしまう。

また、研究施設や製造施設においては、室内のＣＯ２濃度の規定値が存在しない。すなわち、室内の清浄度維持や汚染物質の希釈のために換気回数が多いため、実際の室内のＣＯ２濃度はビル管理法で規定された１０００ｐｐｍよりもかなり低い数値で推移する。このため、室内または排気ダクト１箇所のＣＯ２濃度の計測値によって制御を行う方法は不適切である。

また、室内または排気ダクトのＣＯ２濃度の計測値自体（差分でない）は、施設の周囲環境や外気状況によって大きく変動するため（１００ｐｐｍ程度）、換気の大小による汚染物質の希釈や滞留の度合いを必ずしも反映していない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、個別計測・直接制御方式をベースとした基準差分値参照方式とすることにより、より効果的に室内の換気回数を制御することが可能な換気制御方法および換気制御システムを提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、室内（１）への給気の空気質を第１の空気質として計測する第１の空気質計測ステップ（Ｓ１０１）と、室内の空気質あるいは室内からの排気の空気質を第２の空気質として計測する第２の空気質計測ステップ（Ｓ１０２）と、予め定められたスケジュールに従って、定期的かつ一時的に室内の換気回数を設計規定換気回数に変更して、その際の第１の空気質の計測値と第２の空気質の計測値との差分を基準差分値（ΔＳｒ）として取得する基準差分値取得ステップ（Ｓ２０２）と、基準差分値が取得される毎に、次の基準差分値が取得されるまでの間、第１の空気質の計測値と第２の空気質の計測値との差分の実測値（ΔＳｐｖ）と今回取得された基準差分値（ΔＳｒ）との差（Δα）に基づいて室内の換気回数を制御する換気回数制御ステップ（Ｓ２０７）とを備えることを特徴とする。

この発明では、予め定められたスケジュールに従って、定期的かつ一時的に室内の換気回数を設計規定換気回数に変更して、その際の第１の空気質の計測値と第２の空気質の計測値との差分を基準差分値として取得する。例えば、運用上室内の空気質が最もよくなると予想される時間をスケジュールされた時間（例えば、毎週月曜日のＡＭ１：００）とし、このスケジュールされた時間に達する毎に基準差分値を取得する。そして、基準差分値が取得される毎に、次の基準差分値が取得されるまでの間、第１の空気質の計測値と第２の空気質の計測値との差分の実測値（実測差分値）と今回取得された基準差分値との差に基づいて室内の換気回数を制御する。なお、本発明において、空気質としては、例えばＣＯ２濃度、粉塵濃度、ＴＶＯＣ濃度などが挙げられる。

本発明では、空気質の計測値に経年によるドリフトが発生した場合でも、基準差分値が定期的に取得され、かつ換気回数の制御が実測差分値と基準差分値との差に基づいて行われるため、空気質の計測値の真値に対するドリフトの影響が相殺されて、実質上問題にならなくなる。また、設計規定換気回数における第１の空気質の計測値と第２の空気質の計測値との差分を基準差分値とし、この基準差分値を実測差分値との差を求める際の基準にしているため、周囲環境や外気状況などの影響を受けず、あくまでも設計規定換気回数で換気をした場合の室内環境を基準としたデマンド・コントロール換気制御が実現できる。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、個別計測・直接制御方式をベースとした基準差分値参照方式とすることにより、空気質の計測値の真値に対するドリフトの影響が相殺され、周囲環境や外気状況などの影響を受けず、あくまでも設計規定換気回数で換気をした場合の室内環境を基準としたデマンド・コントロール換気制御が実現されるものとなり、より効果的に室内の換気回数を制御することが可能となる。

図１は、本発明に係る換気制御システムの一実施の形態の概要を示す図である。 図２は、この換気制御システムにおける換気回数制御装置の要部を示す機能ブロック図である。 図３は、この換気回数制御装置における各部の処理動作をより具体的に説明するためのフローチャートである。 図４は、給気側のＣＯ２濃度の計測および排気側のＣＯ２濃度の計測が所定の周期で行われていることを示すフローチャートである。 図５は、実測差分値ΔＳｐｖと基準差分値ΔＳｒとの差Δαを示す図である。 図６は、集中計測・差分制御方式のシステムの概要を示す図である。 図７は、個別計測・直接制御方式のシステムの概要を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、従来技術の「個別計測・直接制御方式」をベースとして、「基準差分値参照方式」による、デマンド・コントロール換気制御を行う。

図１に、本実施の形態の換気制御システムの概要を示す。図１において、１は各部屋の室内、２は室内１への給気ダクト、３は室内１からの排気ダクト、４は給気ダクト２に設けられた可変風量制御バルブ（給気ＶＡＶ）、５は排気ダクト３に設けられた可変風量制御バルブ（排気ＶＡＶ）、６は室圧センサ、７，８はＣＯ２センサ、９は空調機、１０は換気回数制御装置である。

この換気制御システム３００において、給気ダクト２、排気ダクト３、給気ＶＡＶ４、排気ＶＡＶ５、室圧センサ６、ＣＯ２センサ８は、各部屋毎に設けられている。すなわち、室内１−１〜１−ｎに対し、給気ダクト２−１〜２−ｎ、排気ダクト３−１〜３−ｎ、給気ＶＡＶ４−１〜４−ｎ、排気ＶＡＶ５−１〜５−ｎ、室圧センサ６−１〜６−ｎ、ＣＯ２センサ８−１〜８−ｎが設けられている。

また、この換気制御システム３００において、ＣＯ２センサ７は、給気ダクト２−１〜２−ｎにつながる空調機９からのメイン給気ダクト１１に設けられている。すなわち、ＣＯ２センサ８は各部屋の排気ダクト３毎に設置（ｎ箇所）されているが、ＣＯ２センサ７はメイン給気ダクト１１にのみ設置（１箇所）されている。以下、ＣＯ２センサ７を給気側のＣＯ２センサと呼び、ＣＯ２センサ８を排気側のＣＯ２センサと呼ぶ。

換気回数制御装置１０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、図２にその要部の機能ブロック図を示すように、スケジュール記憶部１０−１と基準差分値取得部１０−２と基準差分値記憶部１０−３と換気回数制御部１０−４とを備えている。

この換気回数制御装置１０において、スケジュール記憶部１０−１には、運用上室内の汚染物質の発生が最も少ないと予想される時間（この例では、室内のＣＯ２濃度が最も小さいと予想される時間）をスケジュールされた時間（例えば、毎週月曜日のＡＭ１：００）Ｔとし、このスケジュールされた時間Ｔが室内１毎に記憶されている。

すなわち、スケジュール記憶部１０−１には、室内１−１〜１−ｎについて、スケジュールされた時間ＴがＴ１〜Ｔｎとして記憶されている。なお、このスケジュールは、初期の連続計測データと施設特性を考慮して決定するものとする。例えば、室内１が夜行性のマウスの飼育室である場合には昼間の時間として時間Ｔを決定し、室内１が昼行性のマーモセットの飼育室である場合には深夜の時間として時間Ｔを決定する。

基準差分値取得部１０−２は、スケジュール記憶部１０−１に記憶されているスケジュールされた時間Ｔ（Ｔ１〜Ｔｎ）に達する毎に、一時的に室内１（１−１〜１−ｎ）の換気回数を設計規定換気回数に変更して、その際の給気側のＣＯ２センサ７からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ１と排気側のＣＯ２センサ８（８−１〜８−ｎ）からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ２（Ｓ２₁〜Ｓ２ｎ）との差分を基準差分値ΔＳｒ（ΔＳｒ₁〜ΔＳｒｎ）として取得する。この取得された基準差分値ΔＳｒ（ΔＳｒ₁〜ΔＳｒｎ）は基準差分値記憶部１０−３に更新・記憶される。

換気回数制御部１０−４は、基準差分値取得部１０−２によって基準差分値ΔＳｒ（ΔＳｒ₁〜ΔＳｒｎ）が取得される毎に、次の基準差分値ΔＳｒ（ΔＳｒ₁〜ΔＳｒｎ）が取得されるまでの間、給気側のＣＯ２センサ７からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ１と排気側のＣＯ２センサ８（８−１〜８−ｎ）からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ２（Ｓ２₁〜Ｓ２ｎ）との差分の実測値ΔＳｐｖ（ΔＳｐｖ₁〜ΔＳｐｖｎ）と今回取得された基準差分値ΔＳｒ（ΔＳｒ₁〜ΔＳｒｎ）との差Δα（Δα₁〜Δαｎ）に基づいて、室内１（１−１〜１−ｎ）の換気回数を制御する。すなわち、給気ＶＡＶ４（４−１〜４−ｎ）および換気ＶＡＶ５（５−１〜５−ｎ）によって、室内１（１−１〜１−ｎ）への給気および排気の風量を調整する。

この換気回数制御装置１０における各部の処理動作について、図３に示すフローチャートを参照して、室内１−１を代表してより具体的に説明する。

なお、図２において、給気側のＣＯ２センサ７によるＣＯ２濃度の計測（給気側のＣＯ２濃度の計測）および排気側のＣＯ２センサ８によるＣＯ２濃度の計測（排気側のＣＯ２濃度の計測）は、所定の周期（例えば１分毎）で行われているものとする（図４に示すステップＳ１０１，Ｓ１０２）。

換気回数制御装置１０において、基準差分値取得部１０−２は、スケジュール記憶部１０−１に記憶されているスケジュール時間Ｔ１になると（ステップＳ２０１のＹＥＳ）、一時的（例えば、１０分間）に室内１−１の換気回数を設計規定換気回数（例えば、１時間あたり１５回）に変更して、その際の給気側のＣＯ２センサ７からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ１とＣＯ２センサ８−１からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ２₁との差分を基準差分値ΔＳｒ₁として取得する（ステップＳ２０２）。この場合、室内１−１の換気回数の設計規定換気回数への変更は、給気ＶＡＶ４−１および換気ＶＡＶ５−１によって、室内１−１への給気の風量を設計規定風量に調整することによって行う。

そして、基準差分値取得部１０−２は、ステップＳ２０２で取得した基準差分値ΔＳｒ₁を基準差分値記憶部（メモリ）１０−３に記憶させる（ステップＳ２０３）。この場合、前回取得した基準差分値ΔＳｒ₁が基準差分値記憶部１０−３に記憶されていれば、その記憶されている前回の基準差分値ΔＳｒ₁を今回取得した基準差分値ΔＳｒ₁に書き替える。すなわち、基準差分値記憶部１０−３に記憶されている基準差分値ΔＳｒ₁を更新する。

換気回数制御装置１０において、換気回数制御部１０−４は、基準差分値取得部１０−２によって基準差分値ΔＳｒ₁が取得されると、この取得された基準差分値ΔＳｒ₁を今回取得された基準差分値ΔＳｒ₁として基準差分値記憶部１０−３から読み出し（ステップＳ２０４）、また、その時の給気側のＣＯ２センサ７からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ１と排気側のＣＯ２センサ８−１からのＣＯ２濃度の計測値Ｓ２₁との差分を実測差分値ΔＳｐｖ₁として取得し（ステップＳ２０５）し、この実測差分値ΔＳｐｖ₁と今回取得された基準差分値ΔＳｒ₁との差Δα₁を求め（ステップＳ２０６：図５参照）、この差Δα₁に基づいて室内１−１の換気回数を制御する（ステップＳ２０７）。すなわち、給気ＶＡＶ４−１および換気ＶＡＶ５−１によって、室内１−１への給気の風量を調整する。

なお、換気回数制御（ステップＳ２０７）は、計測周期とは別に設定する所定の周期（例えば１５分毎）で行うものとする。これは、制御の安定性向上と頻繁な動作によるＶＡＶの摩耗防止のために有効である。

換気回数制御装置１０は、以降、ステップＳ２０１において次回のスケジュール時間Ｔ１に達したことが確認されるまでの間、ステップＳ２０１のＮＯに従って、ステップＳ２０４〜Ｓ２０７の処理動作を繰り返す。これにより、基準差分値ΔＳｒ₁が取得される毎に、次の基準差分値ΔＳｒ₁が取得されるまでの間、実測差分値ΔＳｐｖ₁と今回取得された基準差分値ΔＳｒ₁との差Δα₁に基づいて、室内１−１の換気回数が制御されるものとなる。すなわち、その時々の実測差分値ΔＳｐｖ₁が基準差分値ΔＳｒ₁に対してどの程度の差あるか、という観点で室内１−１の空気質が判断され、この判断結果に基づいて室内１−１の換気回数が制御されるものとなる。

以上の説明から分かるように、本実施の形態によれば、ＣＯ２濃度の計測値Ｓ１，Ｓ２に経年によるドリフトが発生した場合でも、基準差分値ΔＳｒが定期的に取得され、かつ換気回数の制御が実測差分値ΔＳｐｖと基準差分値ΔＳｒとの差Δαに基づいて行われるため、ＣＯ２濃度の計測値Ｓ１，Ｓ２の真値に対するドリフトの影響が相殺されて、実質上問題にならなくなる。

また、設計規定換気回数における給気側のＣＯ２濃度の計測値Ｓ１と排気側のＣＯ２濃度の計測値Ｓ２との差分を基準差分値ΔＳｒとし、この基準差分値ΔＳｒを実測差分値ΔＳｐｖとの差を求める際の基準にしているため、周囲環境や外気状況などの影響を受けず、あくまでも設計規定換気回数で換気をした場合の室内環境を基準としたデマンド・コントロール換気制御が実現されるものとなる。

このようにして、本実施の形態では、より効果的に室内の換気回数を制御することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、ＣＯ２濃度を空気質として計測するようにしたが、粉塵濃度、ＴＶＯＣ濃度などを空気質として計測するようにしてもよい。すなわち、本発明において、空気質を計測するセンサは、ＣＯ２濃度を計測するセンサに限られるものではない。例えば、粉塵濃度を計測するセンサ、ＴＶＯＣ濃度を計測するセンサなど、様々な可能性があり、センサ種類に依らず本発明を適用することが可能である。

また、本発明は、実験動物施設、バイオクリーン／バイオハザード実験施設、医薬品製造施設、各種クリーンルームなどのような建物施設の風量制御システムに搭載できる可能性がある。

また、上述した実施の形態では、ＣＯ２センサ８（８−１〜８−ｎ）を用いて室内１（１−１〜１−ｎ）からの排気のＣＯ２濃度を計測するようにしたが、室内（１−１〜１−ｎ）のＣＯ２濃度を計測するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態では、スケジュール記憶部１０−１、基準差分値取得部１０−２、基準差分値記憶部１０−３、換気回数制御部１０−４の機能を換気回数制御装置１０に持たせるようにしたが、換気回数制御装置１０で持っている機能を給気ＶＡＶ４−１〜４−ｎ、または排気ＶＡＶ５−１〜５−ｎに分散して持たせるようにしてもよい。この場合には、各換気回数制御装置１０（１０−１〜１０−ｎ）は、給気ダクト側のＣＯ２濃度計測値Ｓ１をコントローラ間通信などの手段によって取得する。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の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、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…室内、２（２−１〜２−ｎ）…給気ダクト、３（３−１〜３−ｎ）…排気ダクト、４（４−１〜４−ｎ）…給気ＶＡＶ、５（５−１〜５−ｎ）…排気ＶＡＶ、７…給気側のＣＯ２センサ、８（８−１〜８−ｎ）…排気側のＣＯ２センサ、９…空調機、１０…換気回数制御装置、１０−１…スケジュール記憶部、１０−２…基準差分値取得部、１０−３…基準差分値記憶部、１０−４…換気回数制御部。１１…メイン給気ダクト。

Claims (7)

1. 室内への給気の空気質を第１の空気質として計測する第１の空気質計測ステップと、
   前記室内の空気質あるいは前記室内からの排気の空気質を第２の空気質として計測する第２の空気質計測ステップと、
   定期的に到来する前記室内の空気質を悪くする汚染物質の発生量が最も少ない時間を定めたスケジュールに従って、前記時間が到来するたびに一時的に前記室内の換気回数を設計規定換気回数に変更して、その際の前記第１の空気質の計測値と前記第２の空気質の計測値との差分を基準差分値として取得する基準差分値取得ステップと、
   前記基準差分値が取得される毎に、次の基準差分値が取得されるまでの間、前記第１の空気質の計測値と前記第２の空気質の計測値との差分の実測値と今回取得された基準差分値との差に基づいて、前記室内の換気回数を制御する換気回数制御ステップと
   を備えることを特徴とする換気制御方法。
2. 請求項１に記載された換気制御方法において、
   前記基準差分値が取得される毎に取得された基準差分値をメモリに更新記憶させる基準差分値更新記憶ステップ
   を備えることを特徴とする換気制御方法。
3. 請求項１又は２に記載された換気制御方法において、
   前記空気質は、ＣＯ２濃度である
   ことを特徴とする換気制御方法。
4. 請求項１又は２に記載された換気制御方法において、
   前記空気質は、粉塵濃度である
   ことを特徴とする換気制御方法。
5. 請求項１又は２に記載された換気制御方法において、
   前記空気質は、総揮発性有機化合物濃度である
   ことを特徴とする換気制御方法。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載された換気制御方法において、
   前記第１の空気質計測ステップは、
   空調機から各部屋の室内への給気ダクト内の空気質を前記第１の空気質として計測し、
   前記第２の空気質計測ステップは、
   前記各部屋の室内の空気質あるいは前記各部屋の室内からの排気ダクト内の空気質を前記第２の空気質として計測し、
   前記基準差分値取得ステップは、
   前記各部屋の前記基準差分値を取得し、
   前記換気回数制御ステップは、
   前記各部屋の基準差分値が取得される毎に、次の基準差分値が取得されるまでの間、前記第１の空気質の計測値と前記第２の空気質の計測値との差分の実測値と今回取得された基準差分値との差に基づいて、前記各部屋の室内の換気回数を制御する
   ことを特徴とする換気制御方法。
7. 室内への給気の空気質を第１の空気質として計測するように構成された第１の空気質計測部と、
   前記室内の空気質あるいは前記室内からの排気の空気質を第２の空気質として計測するように構成された第２の空気質計測部と、
   定期的に到来する前記室内の空気質を悪くする汚染物質の発生量が最も少ない時間を定めたスケジュールに従って、前記時間が到来するたびに一時的に前記室内の換気回数を設計規定換気回数に変更して、その際の前記第１の空気質の計測値と前記第２の空気質の計測値との差分を基準差分値として取得するように構成された基準差分値取得部と、
   前記基準差分値が取得される毎に、次の基準差分値が取得されるまでの間、前記第１の空気質の計測値と前記第２の空気質の計測値との差分の実測値と今回取得された基準差分値との差に基づいて、前記室内の換気回数を制御するように構成された換気回数制御部と
   を備えることを特徴とする換気制御システム。

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