TWI309705B - Air conditioning controller - Google Patents

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TWI309705B
TWI309705B TW096112729A TW96112729A TWI309705B TW I309705 B TWI309705 B TW I309705B TW 096112729 A TW096112729 A TW 096112729A TW 96112729 A TW96112729 A TW 96112729A TW I309705 B TWI309705 B TW I309705B
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Kenzo Yonezawa
Yasuo Takagi
Yutaka Iino
Nobutaka Nishimura
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Toshiba Kk
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Description

1309705
'【發明所屬之技術領域】 本發明關於不會犧牲居住空間的舒適性，而達到因應 季節之極細微且效果大的省能空調控制之空調控制裝置。 【先前技術】 現在’建築設備全體之消耗能量的大約一半可說是空 調相關的能量消耗所佔據。因此，在空調控制面上推廣省 能，對建築設備全體的省能即可具有極大貢獻。在作爲舒 適空間之事務所大樓等’被要求符合室內的居住者之溫熱 感覺即所謂的舒適性。省能與舒適性亦具有相反的面。 但’藉由在居住者的舒適性之範圍內抑制過剩的能源消 耗，能夠節省能源浪費。 作爲其一例’使用舒適性指標PMV之空調控制爲眾 所皆知。 例如在日本特開平0 5 - 1 2 6 3 8 0號公報所揭示，採用舒 適性PMV，使省能與居住者的舒適性並存之舒適空調控制 已實用化。又，例如日本特開平10-292941號公報所示， 亦發明出儘可能地抑制消耗能源之空調的溫度、濕度控制 算則。作爲非專利文獻，具有東芝評論，V〇1.59N〇.4,P40-P43 ( 2004 ) 「大樓舒適空調控制系統的開發與實用 化」。 【發明內容】 -5- 1309705 it ： 〔發明所欲解決之課題〕 在日本特開平05 - 1 263 8 0號公報所記載之裝置，採用 自動運算溫度設定値，使舒適性指標PMV成爲一定之方 式。在此情況，不控制濕度是由於在通常的空調機，爲了 使濕度降低，需要暫時進行過度冷卻後，再加溫來將溫度 保持成一定之故。例如，當在夏季的冷氣房時進行除濕控 制時，需要進行供給空氣之再加熱。 根據上述理由，在以往的濕度控制，比起僅控制溫度 之方式，會有過剩地消耗能源之問題產生。 本發明是爲了解決上述問題而開發完成之發明，其目 的在於提供：控制室內溫度與室內濕度雙方，使省能與居 住者的舒適性並存之空調控制裝置。 〔用以解決課題之手段〕 爲了達到上述目的，本發明之空調控制裝置，是以人 體的溫熱感覺作爲舒適性指標來加以使用之空調控制裝 置，其特徵爲： 具備：算出與前述舒適性指標的目標値對應之室內溫 度與室內濕度的組合之室內溫度-室內濕度組運算單元； 從藉由前述室內溫度-室內濕度組運算單元所算出的室內 溫度-室內濕度的組合中，在每一定周期選擇成爲省能的 室內溫度-室內濕度的組合，決定溫度設定値及濕度設定 値之溫度設定値-濕度設定値決定單元；及個別地控制室 內溫度及室內濕度，以成爲藉由前述溫度設定値-濕度設 -6 - 1309705 f > t 定値決定單元所決定的前述溫度設定値及前述濕度設定値 之溫度-濕度控制單元。 若根據本發明的話，能夠控制室內溫度與室內濕度雙 方，不會犧牲居住空間的舒適性，而達到因應季節之極細 微且效果大的省能空調控制。 【實施方式】 (關於舒適性指標PMV) 首先，以下簡單地說明在本發明的實施形態所載用之 舒適性指標PMV。 考量人體的舒適性’來確保適當的室內溫熱環境之 際，考慮人體對冷熱之溫熱感覺極爲重要。作爲對此造成 影響之變數，具有下述者。 (1 )空氣溫度 (2 )相對濕度 (3 )平均輻射溫度 (4 )氣流速度 (5)活動量（人體內部的發熱量） (6 )穿衣量 人的發熱量爲對流所引起之散熱量、輻射所引起之散 熱量、來自於人的蒸發熱量、呼吸所引起之散熱量及蓄熱 量的總合。在這些熱平衡式成立之情況，人體呈熱中立’ 人處於不熱不冷之舒適狀態。相反地’在熱平衡式失衡之 情況，人會感覺到熱或冷。丹麥工科大學方格（Fanger) 1309705 t日修⑵正替換頁 •教授在1 96 7年發表舒適方程式之導出，以此作爲出發 點，將人體的熱負荷與人的冷熱感，由歐美人的多數被試 驗者之問卷進行統計分析並加以結論，而提案出Predicted Mean Vote ( PMV )。其在近年也被IS O規格所提起，並 在最近經常被使用。成爲冷熱感的指標之PMV是作爲下 述7階段評價尺度之數値來加以表示。 + 3 :熱 + + 2 :溫暖 + 1 :稍微溫暖 〇 :均非上述情況，舒適。 -1 :稍涼 -2 :涼 -3 :冷 對人而言，舒適的範圍爲-0.5〜+0.5。 在上述所示的（1)〜（6)的6個變數中’表示作業 強度的活動量，通常以代謝量met所表示，穿衣量使用 c 1 〇單位。 • met : 表示代謝量之單位，以熱狀態時之舒適狀態的安靜時 代謝作爲基準。 1 (met) = 58.2(W/m2) = 50(kcal/m2 · h) c 1 ο -8- 1309705
顯示衣服的熱絕緣性之單位。1 c 1 〇是指在氣溫21 飞、相對濕度50%、氣流5cm/s以下的室內’來自於身體 表面的散熱量爲與1 met的代謝平衡之穿衣狀態的値’換 算成通常的熱抵抗値時，則如下： 1 (clo) = 0.1 55(m2 · °C / W) = 〇 . 1 8 (m2 · h· °C/kcal) 在舒適的範圍內（-0.5<PMV< + 0.5) ’藉由在冷氣時 朝更熱的方向側，而在暖氣時朝更冷的方向側設定PMV 目標時，來謀求減輕空調負荷，而能達到省能。 成爲冷熱感的指標之PMV與由方格的舒適方程式所 算出的人體熱負荷L之對應，是由多數的被試驗者之資料 進f了統目十分析，作爲Predicted Mean Vote (PMV)，將其 作爲人體熱負荷L及代謝量Μ的函數，以下述數學式賦 予。 [數學式] PMV = (〇.3 52 . exp(-〇.〇42 · Μ/Α) + 〇·〇32) · l 在此’ Μ:活動量（kcal/m2. h) • A :人體表面積（m2 ) L:人體熱負荷（kcal/m2· h) PMV的詳細內容記載於”空氣調和•衛生工學會 (編）：空氣調和·衛生工學便覽I卷第1編•第3章 -9- 1309705
(第1實施形態） 其次，參照圖面，說明本發明的第1實施形態之空調 控制裝置。在以下的實施形態之說明，使用PMV作爲舒 適性指標。又，成爲在實施形態的控制對象之空調機，作 爲能抑制消耗能量且個別地控制室內溫度與室內濕度之系 統。 圖1是顯示本發明的第1實施形態之空調控制裝置的 方塊圖。 圖1所示的空調控制裝置1 a是具備：算出與PMV目 標値的目標値對應之室內溫度與室內濕度的組合之室內溫 度-室內濕度組運算單元2 ;從藉由前述室內溫度-室內濕 度組運算單元2所算出的室內溫度-室內濕度的組合中， 在每一定周期選擇成爲省能的室內溫度-室內濕度的組 合，決定溫度設定値及濕度設定値之溫度設定値-濕度設 定値決定單元3 a ;及個別地控制室內溫度及室內濕度，以 成爲藉由溫度設定値-濕度設定値決定單元3 a所決定的溫 度設定値及濕度設定値之溫度-濕度控制單元4。空調控制 裝置1 a是控制空調機5，來調節室內6的溫度及濕度。圖 中的符號7爲室內6的溫度計，8爲室內6的濕度計。 室內溫度-室內濕度組運算單元2是根據例如在每一 季節所訂定的PMV目標値，求出符合該値之室內溫度與 室內濕度組。圖2是顯示對PMV目標値之室內溫度與室 內濕度之組合的一例。在圖2中，橫軸爲室溫（t )，縱 -10- 1309705 f > ι 軸爲濕度（％ )。在圖2所示的例子，對象爲事務所大 樓，作爲PMV目標値，夏天的冷氣時期設爲舒適範圍上 下+0.5附近之+0.3，而冬天的暖氣時期設爲舒適範圍下 限-0.5附近之-0.3。 所設定之事務所大樓的計算條件爲活動量：1.2met、 風速（氣流速度 v) : 〇.lm/s、夏天的穿衣量爲0.5clo、 冬天的穿衣量爲l.Oclo。在風速S O.lm/s，PMV的値不會 因風速v改變。 溫度設定値-濕度設定値決定單元3a是由前述室內溫 度與室內濕度之無數組中，在每一定周期決定成爲省能之 溫度-濕度値。例如，溫度設定値-濕度設定値決定單元3a 選擇：根據習知的關係式，由外氣溫度與外氣濕度的測量 値算出之外氣焓與根據習知的關係式，由室內溫度與室內 濕度所算出之室內空氣焓之差成爲極小之室內溫度與室內 濕度之値。 溫度-濕度控制單元4是以Direct Digital Controller (DDC )等所構成。溫度-濕度控制單元4是根據室內溫 度測量値、室內濕度測量値，自動控制流動於空調機的冷 溫水或空氣配管的調節器開度等的操作量，個別地控制溫 度、濕度，使室內溫度與室內濕度與在每一定周期由固液 分離部3所輸出的溫度設定値及濕度設定値一致。 圖3是顯示藉由溫度-濕度控制單元4調整了溫度及 濕度的空調機5之具體系統結構。 如圖3所示，空調機5具備：導入外氣，藉由冷媒進 -11 - 1309705 f >ί .行冷卻或加熱之直接膨脹式線圏1 1。空調機5具備：藉由 - —冷水或溫水，將受到直接膨脹式線圏1 1所冷卻或加熱的 外氣予以冷卻或加溫’調節對室內之供氣溫度的冷溫水線 圈1 2。空調機5藉由供氣風扇1 3，將以冷溫水線圏i 2進 行了溫度調整後的空氣供給至室內6。 在直接膨脹式線圈11，壓縮冷媒之壓縮機14、使已 被壓縮的冷媒凝縮之凝縮器15、及使已被凝縮之冷媒膨脹 的膨脹閥1 6以此順序連接著，藉此，構成冷媒循環。 在冷溫水線圈1 2 ’由中央熱源（未圖示）經由控制閥 1 7供給冷溫水’所供給之空氣被冷卻或加溫，再供給至室 內6。將冷卻冷溫水線圈1 2後的冷水作爲返回冷水，供給 至凝縮器15，將凝縮器15冷卻後返回至中央熱源。 來自於室內6的返回氣（回歸氣）藉由返回氣風扇18 經由調節器19排氣。又，返回氣的一部分經由調節器 20、配管21供給至配管22 ’在配管22，與經由調節器26 所導入的外氣混合後’供給至直接膨脹式線圈11。又，返 回氣的一部分經由調節器23、配管24，供給至直接膨脹 式線圈1 1流出側的配管25 ’在配管25，與受到直接膨脹 式線圈1 1所冷卻的外氣、返回氣混合後，供給至冷溫水 線圏1 2。 在成爲空調控制對象之室內6 ’設有測量室內6溫度 的溫度計7 ;與測量室內6濕度之濕度計8。溫度計7是 連接於溫度-濕度控制單元4的溫度用DDC41，濕度計8 是連接於溫度-濕度控制單元4的濕度用DDC42。根據溫 -12- 1309705
Jfr “修(更)正替換頁 -度計7所測量的溫度之室內溫度訊號被傳； -D D C 4 1，藉由D D C 4 1，執行對冷溫水線圈1 2供 的控制閥1 7之控制。根據濕度計8所測量的濕 濕度訊號傳送至單元DDC42，藉由DDC42’執 氣供給至直接膨脹式線圏11的調節器20、與將 給至冷溫水線圈1 2的調節器23之控制。 在以上的結構，經由調節器26、配管22所 氣，藉由直接膨脹式線圈1 1所冷卻。由於構成 式線圈11的蒸發器之冷媒蒸發溫度爲5 °C左右， 除去外氣的濕氣成分。室內濕度是以濕度計8所 來控制室內溫度之濕氣成分除去是藉由調節通過 式線圈11的蒸發器之外氣與返回氣的混合比即 計8所測量的濕度，調節DDC42之調節器23及 的開度來進行。 通過直接膨脹式線圈11之混合空氣是與由 內的返回氣量（返回空氣量）減去通過直接膨脹 的返回氣量後之量再次混合，導入至冷溫水線园 此，藉由與來自於室內6之返回氣混合，可溫暖 膨脹式線圈1 1所過度冷卻之空氣。室內6的溫 藉由調節供氣溫度來進行。此控制是藉由對冷溫 的冷水/溫水流量，根據室內6的溫度計7之訊號 自動控制控制閥1 7的閥開度來進行的。 若根據以上第1實施形態的話，藉由採用上 手段，能夠控制室內溫度與室內濕度雙方，不會 舍至單元 給冷溫水 度之室內 行將返回 返回氣供 導入的外 直接膨脹 故，能夠 測量，用 直接膨脹 根據濕度 調節器20 返回至室 式線圈1 1 S 12 〇 如 受到直接 度控制是 水線圈1 2 ，DDC41 述所述之 犧牲居住 -13-
1309705 者的舒適性，而達到因應季節之極細微且效果大的省 1周控制。 (第2實施形態） 圖4是顯示本發明的第2實施形態之空調控制裝 方塊圖。在圖4中，對與圖1相同的構成部分賦予相 號，並省略其說明。 圖4所示的空調控制裝置lb具備：算出與PMV 値的目標値對應之室內溫度與室內濕度的組合之室 度-室內濕度組運算單元2。空調控制裝置lb是具備 穿衣量設定値與活動量設定値算出現在的PMV値之 現在値的PMV現在値運算單元5 1。空調控制裝置1 b 有：用來在PMV目標値與所算出的PMV現在値偏離 況，使PMV現在値與PMV目標値一致地修正溫度設 的溫度設定値修正單元52。空調控制裝置lb是具備 藉由前述室內溫度-室內濕度組運算單元2所算出的 溫度-室內濕度的組合中，在每一定周期選擇成爲省 室內溫度-室內濕度的組合，並且根據藉由溫度設定 正單元52所修正的溫度設定値，來決定修正完畢之 設定値的溫度設定値-濕度設定値決定單元3 b。空調 裝置1 b是具備：個別地控制室內溫度與室內濕度， 爲溫度設定値-濕度設定値決定單元3b所決定的溫度 濕度値之溫度-濕度控制單元4。 PMV現在値運算單元51是由穿衣量及活動量 能空 置的 同符 目標 內溫 :由 PMV 是具 之情 定値 ••從 室內 能的 値修 溫度 控制 以成 値及 設定 -14- 1309705 f 〜έ: 値、或溫度-濕度等的測量値來運算Ρ Μ V値。溫度設定値 修正單兀5 2是根據模糊推論，運算修正値，求取該次周 期之溫度設定値。具體之方法如日本特許第3049266號 (日本特開平5- 1 263 80號）公報、或日本特開平ιοί 4 1 7 3 6 號 公報所 揭示。 PMV現在値運算單元51及溫度設定値修正單元52的 具體構成例如圖5所示。此例揭示於日本特許第3 0 4 9 2 6 6 號。
如圖5所示，PMV現在値運算單元51具備：以類神 經網路NN ( neural network )爲主要構成部之類神經PMV 運算部5 3、及將問卷所收集到的資料供給至類神經網路 NN之設定部54。 類神經PMV運算部53是具備：藉由學習來求取類神 經PMV之類神經網路NN ;藉由PMV運算式求取初期的 PMV之PMV運算部55 ;及運算出類神經網路NN各層間 之重量的倒傳遞學習部56;及在學習時切換成設定部54 側之切換開關57。類神經PMV運算部53是輸入穿衣狀 態、活動狀態、室內6的濕度、溫度、平均輻射溫度、氣 流速度的各變數’運算類神經PMV。因此，如圖4所示， 在室內6 ’除了溫度計7、濕度計8外，另設有氣流速度 計61與平均輻射溫度計6 2，其測量値之溫度、平均輻射 溫度、氣流速度、濕度的各變數被供給至類神經Ρ Μ V運 算部'53。前述穿衣狀態與活動狀態是由外部所設定之値。 溫度設定値修正單元5 2是具備：求取所運算的類神 -15- 1309705 -經PMV與PMV目標値的偏差Ep之偏差運算部71 ;運算 -偏差Ep的變化量△ Ep之變化量運算部72 ;輸入差Ep與 偏差EP的變化量△ EP ’根據模糊推論來運算室溫設定値 的變化量之模糊運算部73;及累積加算所運算的室溫設定 値之變化量’求取室溫設定値之加算部74。 在此情況，變化量運算部72是輸入藉由偏差運算部 7 1所求出的PMV値之偏差Ep，運算與其前次値之差，將 差Ep的變化量△ Ep供給至模糊運算部73。 在模糊運算部73，預先設定有模糊控制規則表（未圖 示）與隸屬函數（未圖示），由這些模糊控制規則表與各 隸屬函數求取溫度設定値的變化量（補正量）。然後，加 算部74是將溫度設定値的變化量加算至前次溫度設定 値，求取此次的溫度設定値，再供給至溫度設定値-濕度 設定値決定單元3b。溫度設定値-濕度設定値決定單元3b 是根據藉由加算部7 4所求得的溫度設定値，決定修正完 畢之溫度設定値。 之後的溫度設定値-濕度設定値決定單元3b的動作及 溫度-濕度控制單元4的動作是與圖1所示的第1實施形 態相同。 若根據以上第2實施形態的話，藉由採用上述手段’ 能夠控制室內溫度與室內濕度雙方，不會犧牲居住者的舒 適性，而達到因應季節之極細微且效果大的省能空調控 制。 ~ 16 - 1309705 日修(更)正替換頁 (其他實施形態） 本發明不限於上述第1 '第2實施形態，在不超出本 發明的技術思想範圍內可進行各種變更並加以實施。 例如，在上述各實施形態，於溫度設定値-濕度設定 値決定單元3 a、3 b是由室內溫度與室內濕度組（圖2)選 擇溫度與濕度的値之情況，亦可設定濕度的下限限制値 (例如3 0% )。這是由於考量人的健康，避免過度乾燥狀 態之故。同樣地，爲了避免過度濕度狀態，亦可設定濕度 的上限限制値（例如7 0 % )。 又，在上述各實施形態，採用PMV値作爲舒適性指 標，但亦可採用”新有效溫度“或”標準有效溫度“作爲PMV 以外的舒適性指標。 且，在第2實施形態，顯示採用模糊運算來作爲溫度 設定修正單元的結構（參照圖5 )之例子，但亦可以採用 PID運算等。 又，各實施形態是可加以組合並實施，在該情況下可 獲得利用組合所達到之效果。 【圖式簡單說明】 圖1是顯示本發明的第1實施形態之空調控制裝置的 方塊圖。 圖2是顯示符合PMV目標値之室內溫度與室內濕度 組的例子之說明圖。 圖3是顯示適用本發明之採用直接膨脹式線圈與冷溫 -17-
1309705 水線圏的空調系統之一例的方塊圖。 圖4是顯示本發明的第2實施形態之空調控制裝置的 方塊圖。 圖5是顯示本發明的第2實施形態之PMV現在値算 出單元及溫度設定値修正單元之詳細結構的方塊圖。 【主要元件符號說明】
Ep :偏差 △ Ep :變化量 la, lb :空調控制裝置 2 :室內溫度-室內濕度組運算單元 4 :溫度-濕度控制單元 5 :空調機 3 a，3b :溫度設定値-濕度設定値決定單元 6 :室內 7 :溫度計 8 :濕度計 11 :直接膨脹式線圏 1 2 :冷溫水線圈 1 3 :供氣風扇 14 :壓縮機 1 5 :凝縮器 1 6 :膨脹閥 1 7 :控制閥 -18- Ι3097Ό5 ^ v (7 18 :返回氣風扇 19,20,23,：調節器 21，22,24,25 :配管
41 :溫度用DDC
42 :濕度用DDC 51 : PMV現在値運算單元 5 2 :溫度設定値修正單元 53 :類神經PMV運算部 54 :設定部 6 1 :氣流速度計 62 :平均輻射溫度計 7 1 :偏差運算部 72 :變化量運算部 73 :模糊運算部 74 :加算部 -19-

Claims (1)

  1. (1) (1)1309705 十、申請專利範圍 1. 一種空調控制裝置，是以人體的溫熱感覺作爲舒適 性指標來加以使用之空調控制裝置，其特徵爲： 具備： 算出與前述舒適性指標的目標値對應之室內溫度與室 內濕度的組合之室內溫度-室內濕度組運算單元； 從藉由前述室內溫度-室內濕度組運算單元所算出的 室內溫度-室內濕度的組合中，在每一定周期選擇成爲省 能的室內溫度室內濕度的組合，決定溫度設定値及濕度設 定値之溫度設定値-濕度設定値決定單元；及 個別地控制室內溫度及室內濕度，以成爲藉由前述溫 度設定値-濕度設定値決定單元所決定的前述溫度設定値 及前述濕度設定値之溫溫度-濕度控制單元。 2 · —種空調控制裝置，是以人體的溫熱感覺作爲舒適 性指標來加以使用之空調控制裝置，其特徵爲： 具備： 算出與前述舒適性指標的目標値對應之室內溫度與室 內濕度的組合之室內溫度-室內濕度組運算單元； 從藉由前述室內溫度-室內濕度組運算單元所算出的 室內溫度-室內濕度的組合中，在每一定周期選擇成爲省 能的室內溫度-室內濕度的組合，決定溫度設定値及濕度 設定値之溫度設定値-濕度設定値決定單元； 由穿衣量設定値及活動量設定値、與溫度測量値及濕 度測量値，求取前述舒適性指標的現在値之舒適性指標現 -20- 1309705
    在値運算單元； 當藉由前述舒適性指標現在値運算單 舒適性指標的現在値與前述舒適性指標 時，以藉由修正以前述溫度設定値-濕度 所選擇的前述溫度設定値，使前述舒適性 前述舒適性指標的目標値一致的方式，求 溫度設定値修正單元；及 根據前述設定値修正單元所求得的溫 地控制室內溫度及室內濕度，以成爲前ί 度設定値決定單元所決定的溫度設定値及 溫度-濕度控制單元。 3. 如申請專利範圍第1或2項之空 中，使用 PMV ( Predicted Mean Vote)作 標。 4. 如申請專利範圍第1或2項之空 中，前述溫度設定値-濕度設定値決定單 內溫度與室內濕度所求得之室內空氣焓| 外氣溫度與外氣濕度所求得之外氣焓之差 溫度與室內濕度之組合。 5. 如申請專利範圍第1或2項之空 中，前述溫度設定値-濕度設定値決定單 制範圍內，決定濕度設定値。 元所求得的前述 的目標値不一致 設定値決定單元 指標的現在値與 取溫度設定値之 度設定値，個別 起溫度設定値-濕 濕度設定値之溫 調控制裝置，其 :爲前述舒適性指 調控制裝置，其 元是選擇：在室 〔enthalpy )與在 成爲極小的室內 調控制裝置，其 元是在任意的限 -21 -
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