JP7152236B2 - 空調制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＶＡＶ（Variable Air Volume）方式のセントラル空調システムで用いられる空調制御技術に関する。

近年、ビルなどの比較的広い空調空間を持つ建物では、空調システムとして、ＶＡＶ方式のセントラル空調システムが導入されている。ＶＡＶ方式のセントラル空調システムは、空調空間を複数に分割して設けた各ゾーンに、可変風量型の空調機器（ＶＡＶ）を配置し、空調機（ＡＨＵ：Air Handling Unit）で調整した給気を各ゾーンに供給し、各ゾーンのＶＡＶで空調空間に送風する給気風量を制御するシステムである。

従来、このようなＶＡＶ方式のセントラル空調システムでは、空調空間内のあるゾーンにおける温熱環境を最適制御するための空調制御技術として、分布系シミュレーションの１つであるＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）解析のＣＦＤ順解析とＣＦＤ逆解析を利用した、負荷連動型の空調制御技術が提案されている（例えば、特許文献１－２など参照）。

このような負荷連動型の空調制御技術は、空調制御周期ごとに、ＣＦＤ順解析処理とＣＦＤ逆解析処理を繰り返し実行することにより、ＡＨＵの給気温度や各ＶＡＶの風量に関する最適値を特定するものである。具体的には、ＣＦＤ順解析処理により、空調空間に関する、壁体、ＶＡＶの吹き出し量（風量）や吹き出し温度などの境界条件や、空調空間内に存在する人体やＰＣなどの発熱体からの発熱状況に基づいて、空調空間内の温度分布を導出する。また、ＣＦＤ逆解析処理により、ＣＦＤ順解析処理で得られた温度分布のうち対象ゾーンの温度を設定温度に修正した温度分布に基づいて、ＡＨＵの給気温度や各ゾーンの給気風量などの空調制御パラメータを特定する。

特開２０１１－８９６７７号公報 特開２０１５－３６５８９号公報 特開２０１６－８７８２号公報

田中俊六ほか、「最新 建築環境工学［改訂3版］」、井上書院、2007.7.10

このような従来の負荷連動型の空調制御技術では、ＡＨＵの給気温度や各ゾーンの給気風量などの空調制御パラメータを最適値に収束させるためには、数分程度の空調制御周期ごとにＣＦＤ解析を複数回繰り返し実行する必要がある。しかしながら、ＣＤＦ解析処理は膨大な演算処理を必要とするため、一般的な産業用コントローラからなる空調制御装置では、空調制御周期に処理が追いつかないという問題点があった。このため、演算能力の高い産業用コントローラを用いた場合には、空調制御装置のコストアップ要因となるという問題点があった。また、空調制御周期を延長した場合には、空調制御の応答性が低下するという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、少ない処理負担で給気温度や給気風量などの空調制御パラメータを特定でき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、指定された給気温度の空調空気を生成して供給する空調機ＡＨＵと、前記空調機ＡＨＵから供給された前記空調空気を、空調対象となる空間を分割して設けられたＮ個のゾーンに対して、指定された給気風量で供給する複数の空調機器ＶＡＶとを有する空調システムで用いられて、前記ゾーンＺ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）の設定温度Ｔｃｒ_iに基づいて、前記空調機ＡＨＵから供給すべき前記空調空気に関する給気温度Ｔｓａと、前記ゾーンＺ_iに対して給気すべき前記空調空気に関する給気風量Ｗｚ_iとを計算する空調制御装置であって、前記ゾーンＺ_iから検出された、当該ゾーンＺ_iに存在する物体に関する表面温度とその表面面積との組からなる表面温度データと、前記ゾーンＺ_iと隣接する各隣接ゾーンＺ_rの接面積を示す隣接ゾーンデータとに基づいて、前記ゾーンＺ_iを前記設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算し、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて前記空調機ＡＨＵから供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する熱負荷計算部と、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、前記空調機ＡＨＵの前記給気温度Ｔｓａを計算する給気温度計算部と、前記給気温度Ｔｓａ、前記設定温度Ｔｃｒ_i、および前記表面温度データに基づいて、前記ゾーンＺ_iごとに前記給気風量Ｗｚ_iを計算する給気風量計算部とを備えている。

また、本発明にかかる上記空調制御装置の一構成例は、前記熱負荷計算部が、前記表面温度データに基づいて前記ゾーンＺ_iに存在する物体の表面から前記ゾーンＺ_iに供給される物体供給熱量Ｑｗ_iを計算し、前記隣接ゾーンデータに基づいて前記ゾーンＺ_iの各隣接ゾーンＺ_rから前記ゾーンＺ_iに供給される隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iを計算し、前記物体供給熱量Ｑｗ_iと隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとの和を前記ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iとして計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記空調制御装置の一構成例は、前記給気温度計算部が、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iの平均値である平均設定温度Ｔｓｐを計算し、前記空調機ＡＨＵの最小風量Ｗ_AHUminと空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで前記空調機熱負荷Ｑ_AHUを除算し、得られた除算結果を前記平均設定温度Ｔｓｐから減算することにより前記給気温度Ｔｓａを計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記空調制御装置の一構成例は、前記給気温度計算部が、前記給気温度Ｔｓａが前記空調機ＡＨＵの最低給気温度を下回る場合、前記最低給気温度を前記給気温度Ｔｓａとし、前記給気温度Ｔｓａが前記空調機ＡＨＵの最高給気温度を上回る場合、前記最高給気温度を前記給気温度Ｔｓａとするようにしたものである。

また、本発明にかかる上記空調制御装置の一構成例は、前記給気風量計算部が、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記給気温度Ｔｓａとの温度差と空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで、前記ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iを除算することにより、前記ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記空調制御装置の一構成例は、前記表面面積が、前記物体を撮像したときの撮像面における投影面積からなるものである。

また、本発明にかかる空調制御方法は、指定された給気温度の空調空気を生成して供給する空調機ＡＨＵと、指定された給気風量で前記空調空気を空間に供給するＮ（Ｎは２以上の整数）個の空調機器ＶＡＶとを有する空調システムの空調制御装置で用いられて、前記空調機器ＶＡＶｉ（ｉ＝１，２，…，Ｎ）とそれぞれ対応するゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iに基づいて、前記空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａおよび前記空調機器ＶＡＶｉの給気風量Ｗｚ_iを計算する空調制御方法であって、熱負荷計算部が、前記ゾーンＺ_iから検出された、当該ゾーンＺ_iに存在する物体に関する表面温度とその表面面積との組からなる表面温度データと、前記ゾーンＺ_iと隣接する各隣接ゾーンＺ_rの接面積を示す隣接ゾーンデータとに基づいて、前記ゾーンＺ_iを前記設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算し、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて前記空調機ＡＨＵから供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する熱負荷計算ステップと、給気温度計算部が、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、前記空調機ＡＨＵの前記給気温度Ｔｓａを計算する給気温度計算ステップと、給気風量計算部が、前記給気温度Ｔｓａ、前記設定温度Ｔｃｒ_i、および前記表面温度データに基づいて、前記ゾーンＺ_iごとに前記給気風量Ｗｚ_iを計算する給気風量計算ステップとを備えている。

本発明によれば、各ゾーンのゾーン熱負荷に基づいて、空調機から供給すべき空調機熱負荷が計算され、この空調機熱負荷に基づいて空調機の給気温度が計算され、この給気温度に基づいて各ゾーンの給気風量が計算されることになる。したがって、これらの計算処理はすべて四則演算で実現することができ、従来のＣＦＤ解析処理のように、高度で複雑な演算処理を必要とするものではない。このため、少ない処理負担で給気温度や給気風量などの空調制御パラメータを特定することができる。

空調制御装置の構成を示すブロック図である。 空調制御パラメータ計算処理を示すフローチャートである。 実験に用いた空間の構成例である。 ＡＨＵ給気温度の推移を示すグラフである。 ゾーン温度の推移を示すグラフである。 ＶＡＶ給気風量の推移を示すグラフである。 消費電力の推移を示すグラフである。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
［空調制御装置］
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかる空調制御装置１０について説明する。図１は、空調制御装置の構成を示すブロック図である。

この空調制御装置１０は、全体として産業用コントローラやサーバ装置などの演算処理装置からなり、制御対象である空間Ｒから検出されたデータに基づいて、同じく空間Ｒに設置されている空調システム２０の空調機ＡＨＵ（Air Handling Unit）および空調機器ＶＡＶ（Variable Air Volume：可変風量装置）で用いる給気風量や給気温度などの空調制御パラメータを計算して指示する機能を有している。

図１に示すように、空間Ｒには、空調システム２０と施設管理システム３０とが設置されている。空調制御装置１０は、通信回線Ｌ１を介して、空調システム２０の空調コントローラ２１、および、施設管理システム３０の施設管理装置３１と接続されている。

空調システム２０は、制御対象である空間Ｒの空調環境を実際に調整するための既存のシステムであり、主な構成として、通信回線Ｌ２を介して相互に接続された、空調コントローラ２１、１つのＡＨＵ、およびＮ（Ｎは２以上の整数）個のＶＡＶを備えている。
空調コントローラ２１は、全体として産業用コントローラからなり、空調制御装置１０から指示された空調制御パラメータに基づいて、ＡＨＵおよびＶＡＶを制御する機能を有している。

ＡＨＵは、一般的な空調機からなり、空調コントローラ２１から指定された給気温度の空調空気を生成して、各ＶＡＶへ送風する機能を有している。
ＶＡＶは、空間Ｒを分割して設けた複数のゾーンＺごとに設置された一般的な可変風量装置からなり、ＡＨＵから送風された空調空気を、空調コントローラ２１から指定された給気風量で、空間Ｒへ給気する機能を有している。

図１では、空間Ｒには３（Ｎ＝３）つのゾーンＺ＃１，ゾーンＺ＃２，ゾーンＺ＃３と、３つのＶＡＶ＃１，ＶＡＶ＃２，ＶＡＶ＃３とが設置されており、１つのゾーンＺに１対１で１つのＶＡＶが設置されている場合が示されている。以下では、これを一般化して、空間Ｒに１つのＡＨＵが配置されており、このＡＨＵに対してＮ個のゾーンＺ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）と１対１で対応するＮ個のＶＡＶ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）が接続されている場合を例として説明する。

なお、ゾーンＺとＶＡＶの個数やゾーンＺとＶＡＶとの関係についてはこれに限定されるものではなく、少なくとも１つのゾーンＺに１つのＶＡＶが配置されていればよい。例えば、１つのゾーンＺに複数のＶＡＶが設置されている場合、これら複数のＶＡＶを１つの代表ＶＡＶに置換してゾーンＺの給気風量を計算し、最終的には得られた給気風量をそれぞれのＶＡＶで案分すれば、以下と同様にして本発明を適用できる。
また、ＡＨＵの個数についても、これに限定されるものではない。例えば、空間Ｒに複数のＡＨＵを配置して、各ＡＨＵに複数のＶＡＶを接続した構成である場合でも、それぞれのＡＨＵごと（空調系統ごと）に空調機熱負荷および給気風量を計算すれば、以下と同様にして本発明を適用できる。

施設管理システム３０は、管理対象施設である空間Ｒに設けた各ゾーンＺにおける状態を管理するための既存のシステムであり、具体的には人検知システムなどのシステムを利用すればよい。施設管理システム３０は、主な構成として、通信回線Ｌ３を介して相互に接続された、施設管理装置３１および複数の赤外線検出センサＳを備えている。

施設管理装置３１は、全体として産業用コントローラからなり、各赤外線検出センサＳで検出した温度分布（熱画像）を画像処理することにより、各ゾーンＺ内に存在する各物体に関する表面温度とその表面面積との組をそれぞれ検出して、表面温度データとして空調制御装置１０へ通知する機能を有している。なお、１つの物体表面に表面温度が異なる領域が存在する場合、これら領域ごとに別個に表面温度とその表面面積との組をそれぞれ検出すればよい。

表面面積については、ゾーンＺ_iに存在する物体を赤外線検出センサＳにより撮像したときの撮像面における投影面積を用いてもよい。これにより、赤外線検出センサＳにより検出した表面温度と対応した表面面積を得ることができ、後述する物体供給熱量Ｑｗ_iをより正確に計算することができる。なお、物体の表面面積を求めるにあたっては、単一の赤外線検出センサＳにより撮像した、２次元的な撮像画像における投影面積に基づいて算出してもよいし、２以上の赤外線検出センサＳを用いて撮像した多面的な撮像画像を用いて、立体的に表面面積を求めるよう構成してもよい。

赤外線検出センサＳは、サーモパイル、サーミスタ、ポロメータタイプなどの赤外線センサからなり、自己の検出範囲内に位置する、壁、床、机、ＰＣ、人などの物体Ｏの表面温度を示す温度分布を検出して施設管理装置３１へ出力する機能を有している。
赤外線検出センサＳとゾーンＺとの関係については、特にない。赤外線検出センサＳの検出範囲に基づいて、ゾーンＺの全てをカバーするよう、例えば空間Ｒの天井や壁に分散配置すればよい。

次に、図１を参照して、空調制御装置１０の構成について詳細に説明する。空調制御装置１０は、主な機能部として、通信Ｉ／Ｆ部１１、操作入力部１２、表示部１３、記憶部１４、および演算処理部１５を備えている。

通信Ｉ／Ｆ部１１は、通信回線Ｌ１を介して空調コントローラ２１および施設管理装置３１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、タッチパネル、マウス、操作ボタン、スイッチ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。
表示部１３は、ＬＣＤやＬＥＤなどの表示素子からなり、演算処理部１５から出力されたデータを可視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で実行される空調制御処理に用いるプログラム１４Ｐや各種の処理データを記憶する機能を有している。プログラム１４Ｐは、空調制御装置１０に接続された外部装置や記録媒体から、記憶部１４に予め格納される。記憶部１４で記憶する処理データとしては、空間Ｒの形状やＶＡＶの配置位置などの形状データのほか、施設管理システム３０から取得した表面温度データや人検知データ、ゾーンＺの位置や隣接ゾーンとの接面積などのゾーンデータ、ＡＨＵやＶＡＶの性能データなどのデータがある。

演算処理部１５は、ＣＰＵとその周辺回路を有し、ＣＰＵと記憶部１４のプログラム１４Ｐとを協働させることにより、各種の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、データ取得部１５Ａ、熱負荷計算部１５Ｂ、給気温度計算部１５Ｃ、給気風量計算部１５Ｄ、および空調指示部１５Ｅがある。

データ取得部１５Ａは、施設管理システム３０の施設管理装置３１から、通信Ｉ／Ｆ部１１および通信回線Ｌ１を介して、各ゾーンＺ内に存在する各物体から検出された表面温度Ｔｗとその表面面積Ａｗとの組を取得し、表面温度データとして記憶部１４に保存する機能と、各ゾーンＺ内に存在する人を検知した人検知結果を取得し、人検知データとして記憶部１４に保存する機能とを有している。なお、物体の表面温度や表面面積については、施設管理装置３１から取得した熱画像データに基づいて、データ取得部１５Ａや熱負荷計算部１５Ｂが、表面温度や表面面積を求めるようにしてもよい。

熱負荷計算部１５Ｂは、記憶部１４から取得した表面温度データと隣接ゾーンデータとに基づいて、ゾーンＺ_iを設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算する機能と、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて空調機ＡＨＵから供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する機能とを備えている。

より具体的には、熱負荷計算部１５Ｂは、表面温度データに基づいてゾーンＺ_iに存在する物体の表面からゾーンＺ_iに供給される物体供給熱量Ｑｗ_iを計算する機能と、隣接ゾーンデータに基づいてゾーンＺ_iの各隣接ゾーンＺ_rからゾーンＺ_iに供給される隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iを計算する機能と、物体供給熱量Ｑｗ_iと隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとの和をゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iとして計算する機能とを有している。

給気温度計算部１５Ｃは、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａを計算する機能を有している。
より具体的には、給気温度計算部１５Ｃは、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iの平均値である平均設定温度Ｔｓｐを計算する機能と、空調機ＡＨＵの最小風量Ｗ_AHUminと空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで空調機熱負荷Ｑ_AHUを除算し、得られた除算結果を平均設定温度Ｔｓｐから減算することにより給気温度Ｔｓａを計算する機能とを有している。

また、給気温度計算部１５Ｃは、得られた給気温度Ｔｓａが空調機ＡＨＵの最低給気温度を下回る場合、最低給気温度を給気温度Ｔｓａとする機能と、得られた給気温度Ｔｓａが空調機ＡＨＵの最高給気温度を上回る場合、最高給気温度を給気温度Ｔｓａとする機能とを有している。

給気風量計算部１５Ｄは、給気温度Ｔｓａ、設定温度Ｔｃｒ_i、および表面温度データに基づいて、ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算する機能を有している。
より具体的には、給気風量計算部１５Ｄは、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと給気温度Ｔｓａとの温度差と空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで、ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iを除算することにより、ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算する機能を有している。

空調指示部１５Ｅは、給気温度計算部１５Ｃで計算された空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａや、給気風量計算部１５Ｄで計算されたゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを、通信Ｉ／Ｆ部１１および通信回線Ｌ１を介して、空調システム２０の空調コントローラ２１へ指示する機能を有している。

［本実施の形態の動作］
次に、図２を参照して、本実施の形態にかかる空調制御装置１０の動作として、空調システム２０で用いる空調制御パラメータ、具体的には、ＡＨＵの給気温度Ｔｓａおよび各ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算する空調制御パラメータ計算動作について説明する。図２は、空調制御パラメータ計算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、予め設定されている空調制御周期の到来に応じて、図２の空調制御パラメータ計算処理を実行する。

まず、データ取得部１５Ａは、施設管理システム３０の施設管理装置３１から、通信Ｉ／Ｆ部１１および通信回線Ｌ１を介して、各ゾーンＺ_i内に存在する各物体に関する表面温度データを取得し、記憶部１４に保存する（ステップＳ１００）。

次に、熱負荷計算部１５Ｂは、記憶部１４から、表面温度データおよび隣接ゾーンデータと、各ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iとを取得し（ステップＳ１０１）、これら表面温度データおよび隣接ゾーンデータと、各ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iとに基づいて、ゾーンＺ_iを設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要となるゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算する（ステップＳ１０２）。

各ゾーンＺ_iにおけるゾーン熱負荷Ｑｚ_iは、ゾーンＺ_i内に存在する物体からゾーンＺ_iに供給される物体供給熱量Ｑｗ_iと、ゾーンＺ_iに隣接する隣接ゾーンＺ_rからゾーンＺ_iに供給される隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとに要約される。したがって、ゾーン熱負荷Ｑｚ_iは、次の式（１）に示すように、これら物体供給熱量Ｑｗ_iと隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとの和から求められる。

また、表面温度データに含まれるゾーンＺ_iの各物体から検出された組ｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ：Ｍは２以上の整数）の表面温度および表面面積を、それぞれＴｗ_(i,m)およびＡｗ_(i,m)とし、物体からゾーンＺ_iの空気への対流熱伝導率をＫｗとし、ゾーンＺ_iの設定温度をＴｃｒ_iとした場合、物体供給熱量Ｑｗ_iは、次の式（２）で求められる。なお、Ｋｗは、非特許文献１（p. 194）などに記載の公知の値を用いればよい。

また、隣接ゾーンデータに含まれるゾーンＺ_iに隣接する隣接ゾーンＺ_rとの接面積をＡｚ_(i,r)とし、隣接ゾーンＺ_rからゾーンＺ_iの空気への対流熱伝導率をＫｚとし、隣接ゾーンＺ_rの設定温度をＴｎ_(i,r)とした場合、隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iは、次の式（３）で求められる。なお、Ｋｚは、空間Ｒでのフィールド実験や実運用などにより経験的に決定すればよい。

この後、熱負荷計算部１５Ｂは、次の式（４）に示すように、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iを合計することにより、ＡＨＵから各ＶＡＶへ供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する（ステップＳ１０３）。

次に、給気温度計算部１５Ｃは、次の式（５）に示すように、設定温度Ｔｃｒ_iの平均値である平均設定温度Ｔｓｐを計算する（ステップＳ１０４）。ここでは、空調機熱負荷Ｑ_AHUにおける各ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iの重み付けにより、設定温度Ｔｃｒ_iを加重平均したものを平均設定温度Ｔｓｐとしている。

続いて、給気温度計算部１５Ｃは、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａを計算する（ステップＳ１０５）。記憶部１４の性能データで設定されているＡＨＵの最小風量をＷ_AHUminとし、空気の低圧比熱をＣ（＝１００６［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］）とし、空気の密度をρ（＝１．２［ｋｇ／ｍ³］）とした場合、給気温度Ｔｓａは次の式（６）で求められる。

また、給気温度計算部１５Ｃは、上記式（６）で得られた給気温度Ｔｓａが、記憶部１４の性能データで設定されている、ＡＨＵの最低給気温度Ｔｓａ_minと最高給気温度Ｔｓａ_maxとからなる動作可能範囲に収まるよう調整する（ステップＳ１０６）。具体的には、給気温度Ｔｓａが、最低給気温度Ｔｓａ_minを下回る場合、最低給気温度Ｔｓａ_minを給気温度Ｔｓａとし、最高給気温度Ｔｓａ_maxを上回る場合、最高給気温度Ｔｓａ_maxを給気温度Ｔｓａとする。

この後、給気風量計算部１５Ｄは、給気温度Ｔｓａ、設定温度Ｔｃｒ_i、および表面温度データに基づいて、各ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算し（ステップＳ１０７）、一連の空調制御パラメータ計算処理を終了する。
ゾーンＺ_iの物体供給熱量をＱｗ_iとするとともに隣接ゾーン供給熱量をＱｒ_iとし、空気の低圧比熱をＣとし、空気の密度をρとし、ゾーンＺ_iの設定温度をＴｃｒ_iとした場合、ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iは、次の式（７）で求められる。

［空調制御方法の比較］
次に、図３を参照して、本実施の形態にかかる空調制御装置１０による空調制御方法の比較について説明する。図３は、実験に用いた空間の構成例である。
図３に示すように、１５ｍ×８ｍの大きさの矩形形状をなす空間Ｒを、３×２の６（Ｎ＝６）つのゾーンに分割し、各ゾーンＺ_i（ｉ＝１，２，…，６）に対して１対１でＶＡＶ_iを配置した。これらＶＡＶ_iは、１つのＡＨＵに共通接続されているため、ＡＨＵの給気温度Ｔｓａは、各ゾーンＺ_iで共通となる。一方、各ゾーンＺ_iには個別のＶＡＶ_iが設置されているため、各ゾーンＺ_iでの給気風量Ｗｚ_iは、個別に制御可能である。

実験では、夏場の暑い日中を想定し、空間Ｒに対する屋外からの熱負荷を生成する外気チャンバーを５０℃に設定し、空間Ｒに対する隣室からの熱負荷を制御する隣室チャンバーを３２℃に設定した。
各ゾーンＺ_iのうち１つのゾーンＺ_pを執務ゾーンに想定し、この執務ゾーンＺ_pの設定温度Ｔｃｒ_pを２５．５℃に設定して、Ａ，Ｂ，Ｃの３種類の空調制御方法で冷房運転を行った。

このうち、方法Ａは、執務ゾーンＺ_pのみに従来の空調コントローラに搭載されているＰＩＤ制御を適用したもので、方法Ｂは、すべてのゾーンＺ_iに従来の空調コントローラに搭載されているＰＩＤ制御を適用したものである（例えば、特許文献３など参照）。方法Ｃは、本実施の形態にかかる空調制御方法を適用したものである。
なお、これら方法Ａ，Ｂ，Ｃのうち、執務ゾーンＺ_p以外のゾーンＺ_iにおける設定温度が必要な場合には、Ｚ_pと同じく２５．５℃に設定した。また、方法Ａ，Ｂでは、給気温度Ｔｓａの初期値を２０℃とした。また、各ゾーンＺ_iには、発熱する物体は存在せず、壁、床、天井などの内壁以外からの熱量は供給されないものとし、内壁温度は、各内壁に設置した温度センサで計測した。

図４は、ＡＨＵ給気温度の推移を示すグラフである。図５は、ゾーン温度の推移を示すグラフである。図６は、ＶＡＶ給気風量の推移を示すグラフである。図７は、消費電力の推移を示すグラフである。

図４のグラフによれば、方法Ａ，Ｂに比べて方法Ｃの給気温度が運転開始から低く設定できている。これは方法Ｃが、計算により得られたＡＨＵの熱負荷に基づいて給気温度を決定しているからである。このため、図５に示されているように、温度変化が運転開始から早期に始まっており、応答性が改善されていることがわかる。一方、方法Ａ，Ｂは、ＰＩＤ制御により給気風量を決定し、これら給気風量が最大風量に達した時点で給気温度を低減しているため、このような制御遅延が応答性に現れている。

また、図６のグラフによれば、方法Ｂに比べて方法Ｃのほうが給気風量が小さいことがわかる。このため、図７に示すように、空気搬送動力に要する消費電力が削減されていることがわかる。なお、方法Ａは、執務ゾーンＺ_p以外のゾーンＺ_iにおけるＶＡＶはすべて停止しているため、方法Ｂ，Ｃとの直接的な比較は行えない。

［本実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、熱負荷計算部１５Ｂが、当該ゾーンＺ_iに存在する物体に関する表面温度とその表面面積との組からなる表面温度データと、ゾーンＺ_iと隣接する各隣接ゾーンＺ_rの接面積を示す隣接ゾーンデータとに基づいて、ゾーンＺ_iを設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算し、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて空調機ＡＨＵから供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算し、給気温度計算部１５Ｃが、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａを計算し、給気風量計算部１５Ｄが、給気温度Ｔｓａ、設定温度Ｔｃｒ_i、および表面温度データに基づいて、ゾーンＺ_iごとに給気風量Ｗｚ_iを計算するようにしたものである。

これにより、各ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて、空調機ＡＨＵから供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUが計算され、このＱ_AHUに基づいて空調機ＡＨＵの給気温度Ｔｓａが計算され、このＴｓａに基づいて各ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iが計算されることになる。
したがって、これらの計算処理はすべて四則演算で実現することができ、従来のＣＦＤ解析処理のように、高度で複雑な演算処理を必要とするものではない。このため、少ない処理負担で給気温度や給気風量などの空調制御パラメータを特定することができる。

実際の検証では、同一処理能力の産業用コントローラで比較すると、従来のＣＦＤ解析処理では、前述したＣＦＤ順解析とＣＦＤ逆解析を行うために必要な所要時間は数分程度であるのに比較して、本実施の形態にかかる所要時間は１秒以下であった。したがって、本実施の形態によれば、演算能力の高い産業用コントローラを用いる必要はなく、空調制御装置１０のコストアップを回避することが可能である。また、計算処理がすべて四則演算で実現できるため、１分程度の空調制御周期にも十分追従でき、空調制御において高い応答性を得ることが可能となる。

また、ＣＦＤ解析のような高度で複雑な演算処理を必要としない、従来の空調コントローラに搭載されているＰＩＤ制御に基づく空調制御もある。しかし、このような従来の空調制御では、温度センサで検出した室温に基づいてＰＩＤ制御により給気風量を決定し、これら給気風量が最大風量に達した時点で給気温度を低下させるというような調整を行っている。このため、空間の壁、床、人などの物体から、空間内の空気が温度変化し、その温度変化を温度センサで検出するという、熱伝搬過程に起因して給気温度の調整に遅延が発生する。

これに比べて、本実施の形態では、空間内に存在する物体から検出した表面温度に基づいて、ＡＨＵの熱負荷を計算し、このＡＨＵの熱負荷に基づいて給気温度を決定しているため、このような遅延は発生せず、これに伴う給気風量の増大も回避される。このため、空調制御において良好な応答性を得ることができるとともに、給気風量の増大により発生する空気搬送動力の低減、すなわち省エネ効果を得ることが可能となる。また、装置の稼働後に、熱伝搬過程に起因した給気温度の調整を行う必要が無くなるという利点も得られる。

また、本実施の形態において、熱負荷計算部１５Ｂが、表面温度データに基づいてゾーンＺ_iに存在する物体の表面からゾーンＺ_iに供給される物体供給熱量Ｑｗ_iを計算し、隣接ゾーンデータに基づいてゾーンＺ_iの各隣接ゾーンＺ_rからゾーンＺ_iに供給される隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iを計算し、物体供給熱量Ｑｗ_iと隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとの和をゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iとして計算するようにしてもよい。
これにより、より正確に各ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算することができる。

また、本実施の形態において、給気温度計算部１５Ｃが、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iの平均値である平均設定温度Ｔｓｐを計算し、空調機ＡＨＵの最小風量Ｗ_AHUminと空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで空調機熱負荷Ｑ_AHUを除算し、得られた除算結果を平均設定温度Ｔｓｐから減算することにより給気温度Ｔｓａを計算するようにしてもよい。
これにより、空気搬送動力が最も少ない状況を前提とした給気温度Ｔｓａを得ることができ、空気搬送動力の低減による省エネ効果を得ることが可能となる。

これに加えて、本実施の形態において、給気温度計算部１５Ｃが、計算した給気温度Ｔｓａが空調機ＡＨＵの最低給気温度を下回る場合、最低給気温度を給気温度Ｔｓａとし、給気温度Ｔｓａが空調機ＡＨＵの最高給気温度を上回る場合、最高給気温度を給気温度Ｔｓａとするようにしてもよい。
これにより、計算した給気温度Ｔｓａが極端な場合でも、空気搬送動力が最も少ない状況を前提とした実用可能な給気温度Ｔｓａを得ることができ、空気搬送動力の低減による省エネ効果を得ることが可能となる。

また、本実施の形態において、給気風量計算部１５Ｄが、ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと給気温度Ｔｓａとの温度差と空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで、ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iを除算することにより、ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算するようにしてもよい。
これにより、ゾーンＺ_iごとに異なる設定温度Ｔｃｒ_iとが設定されている場合でも、各ゾーンＺ_iで必要となる給気風量Ｗｚ_iを正確に計算することができる。したがって、空調機ＡＨＵから供給された空調空気を、各ゾーンＺ_iに対して正しく配分することが可能となる。

また、本実施の形態において、表面面積として、物体を撮像したときの撮像面における投影面積を用いてもよい。これにより、赤外線検出センサＳにより検出した表面温度と対応した表面面積を得ることができ、ゾーンＺ_iにおける物体供給熱量Ｑｗ_iをより正確に計算することができる。

［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…表示部、１４…記憶部、１５…演算処理部、１５Ａ…データ取得部、１５Ｂ…熱負荷計算部、１５Ｃ…給気温度計算部、１５Ｄ…給気風量計算部、１５Ｅ…空調指示部、２０…空調システム、２１…空調コントローラ、３０…施設管理システム、３１…施設管理装置、ＡＨＵ…空調機、ＶＡＶ…空調機器、Ｒ…空間、Ｚ，Ｚ_i…ゾーン、Ｓ…赤外線検出センサ、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３…通信回線。

Claims (7)

1. 指定された給気温度の空調空気を生成して供給する空調機と、前記空調機から供給された前記空調空気を指定された給気風量で空調対象となる空間に供給する複数の空調機器とを有する空調システムで用いられて、前記空間を分割して設けたＮ（Ｎは２以上の整数）個のゾーンＺ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）ごとに設定した設定温度Ｔｃｒ_iに基づいて、前記空調機から供給すべき前記空調空気に関する給気温度Ｔｓａと、前記ゾーンＺ_iと対応する前記空調機器から当該ゾーンＺ_iに給気すべき前記空調空気に関する給気風量Ｗｚ_iとを計算する空調制御装置であって、
   前記ゾーンＺ_iから検出された、当該ゾーンＺ_iに存在する物体に関する表面温度とその表面面積との組からなる表面温度データと、前記ゾーンＺ_iと隣接する各隣接ゾーンＺｒの接面積を示す隣接ゾーンデータとに基づいて、前記ゾーンＺ_iを前記設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算し、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて前記空調機から供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する熱負荷計算部と、
   前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、前記空調機の前記給気温度Ｔｓａを計算する給気温度計算部と、
   前記給気温度Ｔｓａ、前記設定温度Ｔｃｒ_i、および前記表面温度データに基づいて、前記ゾーンＺ_iごとに前記給気風量Ｗｚ_iを計算する給気風量計算部と
   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、
   前記熱負荷計算部は、前記表面温度データに基づいて前記ゾーンＺ_iに存在する物体の表面から前記ゾーンＺ_iに供給される物体供給熱量Ｑｗ_iを計算し、前記隣接ゾーンデータに基づいて前記ゾーンＺ_iの各隣接ゾーンＺ_rから前記ゾーンＺ_iに供給される隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iを計算し、前記物体供給熱量Ｑｗ_iと隣接ゾーン供給熱量Ｑｒ_iとの和を前記ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iとして計算することを特徴とする空調制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空調制御装置において、
   前記給気温度計算部は、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iの平均値である平均設定温度Ｔｓｐを計算し、前記空調機の最小風量Ｗ_AHUminと空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで前記空調機熱負荷Ｑ_AHUを除算し、得られた除算結果を前記平均設定温度Ｔｓｐから減算することにより前記給気温度Ｔｓａを計算することを特徴とする空調制御装置。
4. 請求項３に記載の空調制御装置において、
   前記給気温度計算部は、前記給気温度Ｔｓａが前記空調機の最低給気温度を下回る場合、前記最低給気温度を前記給気温度Ｔｓａとし、前記給気温度Ｔｓａが前記空調機の最高給気温度を上回る場合、前記最高給気温度を前記給気温度Ｔｓａとすることを特徴とする空調制御装置。
5. 請求項１～請求項４のいずれかに記載の空調制御装置において、
   前記給気風量計算部は、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記給気温度Ｔｓａとの温度差と空気の低圧比熱Ｃおよび密度ρとで、前記ゾーンＺ_iのゾーン熱負荷Ｑｚ_iを除算することにより、前記ゾーンＺ_iの給気風量Ｗｚ_iを計算することを特徴とする空調制御装置。
6. 請求項１～請求項５のいずれかに記載の空調制御装置において、
   前記表面面積は、前記物体を撮像したときの撮像面における投影面積からなることを特徴とする空調制御装置。
7. 指定された給気温度の空調空気を生成して供給する空調機と、前記空調機から供給された前記空調空気を指定された給気風量で空調対象となる空間に供給する複数の空調機器とを有する空調システムの空調制御装置で用いられて、前記空間を分割して設けたＮ（Ｎは２以上の整数）個のゾーンＺ_i（ｉ＝１，２，…，Ｎ）ごとに設定した設定温度Ｔｃｒ_iに基づいて、前記空調機から供給すべき前記空調空気に関する給気温度Ｔｓａと、前記ゾーンＺ_iと対応する前記空調機器から当該ゾーンＺ_iに給気すべき前記空調空気に関する給気風量Ｗｚ_iとを計算するための空調制御方法であって、
   熱負荷計算部が、前記ゾーンＺ_iから検出された、当該ゾーンＺ_iに存在する物体に関する表面温度とその表面面積との組からなる表面温度データと、前記ゾーンＺ_iと隣接する各隣接ゾーンＺ_rの接面積を示す隣接ゾーンデータとに基づいて、前記ゾーンＺ_iを前記設定温度Ｔｃｒ_iへ制御するのに必要なゾーン熱負荷Ｑｚ_iを計算し、これらゾーン熱負荷Ｑｚ_iに基づいて前記空調機から供給すべき空調機熱負荷Ｑ_AHUを計算する熱負荷計算ステップと、
   給気温度計算部が、前記ゾーンＺ_iの設定温度Ｔｃｒ_iと前記空調機熱負荷Ｑ_AHUとに基づいて、前記空調機の前記給気温度Ｔｓａを計算する給気温度計算ステップと、
   給気風量計算部が、前記給気温度Ｔｓａ、前記設定温度Ｔｃｒ_i、および前記表面温度データに基づいて、前記ゾーンＺ_iごとに前記給気風量Ｗｚ_iを計算する給気風量計算ステップと
   を備えることを特徴とする空調制御方法。

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