JP2017058062A - 空気調和機 - Google Patents

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宜正 石川
Yoshimasa Ishikawa
宜正 石川
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大輔 川添
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Hiroyuki Daimon
寛幸 大門
健介 足達
Kensuke Adachi
健介 足達
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Abstract

【課題】人が感じる暑いや寒いといった感覚は、着衣量等によっても変わるため、従来の活動量に応じた補正だけでは居住者を十分に快適にすることはできず、改善の余地があった。【解決手段】空調すべき領域を区分した複数の領域毎に人の存在を検知する人検知手段と、人の表面温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が検知した表面温度から当該人の位置や温度を演算する画像処理手段と、制御手段と風向変更羽根を備え、前記制御手段は、人が存在する領域毎に温冷感を演算し、前記領域毎の温冷感に応じて、風向変更羽根を停留させる時間を補正する空気調和機。【選択図】図14

Description

本発明は、人の位置や温冷感に応じて、風向や設定温度を補正する空気調和機に関するものである。
従来の空気調和機は、空調すべき領域を複数の人体検知センサにより複数の領域に区分し、区分された各領域における人の存在を人体検知センサにより検知するとともに、各領域における人の活動量を活動量検知手段により検知して、複数の領域のうち少なくとも二つの領域に人がいることを検知した場合、これら二つの領域に対して交互に風向変更羽根を向けるとともに、それぞれの領域に風向変更羽根を向けている停留時間を、活動量検知手段により検知された人の活動量に応じて可変補正することで、省エネで快適な空調を行っていた(例えば、特許文献1参照)。
また、検知した人の位置と活動量に応じて設定温度を適宜補正することにより快適な空調を行っていた(例えば、特許文献2参照)。
特開2008−215676号公報 特開2008−215764号公報
しかしながら、人が感じる暑いや寒いといった感覚は、着衣量等によっても変わるため、従来の活動量に応じた補正だけでは居住者を十分に快適にすることはできず、改善の余地があった。
本発明はこのような点に鑑みてなしたもので、人が感じる暑いや寒いといった感覚を総合的に検知して風向や設定温度を補正することで、居住者の活動量や着衣量等や人数や位置が変わっても、常に快適にすることができる空気調和機を提供することを目的としている。
本発明は上記目的を達成するため、本発明は、空調すべき領域を区分した複数の領域毎に人の存在を検知する人検知手段と、人の表面温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が検知した表面温度から当該人の位置や温度を演算する画像処理手段と、制御手段と風向変更羽根を備え、前記制御手段は、人が存在する領域毎に温冷感を演算し、前記領域毎の温冷感に応じて、風向変更羽根を停留させる時間を補正するものである。
本発明によれば、人が存在する領域毎の温冷感に応じて風向変更羽根を停留させる時間を補正することにより、居住者の活動量や着衣量等や人数や位置が変わっても、常に快適にすることができる。
本発明の実施の形態における空気調和機の外観斜視図 同空気調和機の赤外線センサ設置部分を示すための外観斜視図 図2のA−A断面図 同空気調和機の人体検知手段の正面図 同空気調和機の人体検知領域を示した図 同空気調和機の人体検知センサの人領域変換図 同空気調和機の活動量変換図 同空気調和機の温度検知手段の正面図 同空気調和機の制御ブロック図 同空気調和機の人領域を切り出す手法を説明するための熱画像図 同空気調和機の領域毎の温冷感の演算手法を説明するための概念図 同空気調和機の風向制御を説明するためのフローチャート 同空気調和機の暖房時の領域毎の風向設定を示した図 同空気調和機の暖房時の停留時間の補正方法を示した図 同空気調和機の暖房時の領域温度補正値を示した図 同空気調和機の温冷感温度補正値を示した図 従来の空気調和機の外観斜視図
第1の発明は、空調すべき領域を区分した複数の領域毎に人の存在を検知する人検知手段と、人の表面温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が検知した表面温度から当該人の位置や温度を演算する画像処理手段と、制御手段と風向変更羽根を備え、前記制御手段は、人が存在する領域毎に温冷感を演算し、前記領域毎の温冷感に応じて、風向変更羽根を停留させる時間を補正するものである。
これによれば、人が存在する領域毎の温冷感に応じて風向変更羽根を停留させる時間を補正することにより、居住者の活動量や着衣量等や人数や位置が変わっても、常に快適にすることができる。
また、第2の発明は、第1の発明の制御手段は、前記領域毎の温冷感に応じて設定温度を補正するものである。
これによれば、人が存在する領域毎の温冷感に応じて設定温度を補正することにより、居住者の温冷感をより広範囲に調整できるため、更に快適にすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
本実施の形態の空気調和機は、冷媒配管及び制御用配線等により互いに接続された室内機と室外機とで構成され、室外機には圧縮機が設けられている。
図1〜図3はこの空気調和機の室内機を示している。図1〜図3、特に図3に示すように、室内機の外観を構成する空気調和機本体1は、空気を吸い込む吸込み口2と、熱交換された空気を吹き出す吹出し口3とを備えている。また、空気調和機本体1は、空気調和機本体1の前面を覆う前面パネル4を備えている。
空気調和機本体1の内部には、室内空気に含まれる塵埃を補足するためのフィルタ5と、取り入れた室内空気を熱交換する熱交換器6と、吸込み口2からフィルタ5を通して取り入れた室内空気を熱交換器6で熱交換して吹出し口3から室内に吹き出すための気流を発生させる貫流式のファン7とが設けられている。
吹出し口3には、当該吹出し口3を開閉するとともに、空気の吹出し方向を上下方向に変更することができる上下風向変更羽根8が設けられている。上下風向変更羽根8は、上羽根8aと下羽根8bとからなり、上羽根8a、下羽根8bはそれぞれ、左右両端のいずれかの回転軸において、ステッピングモータ等からなる駆動モータの回転軸に連結されている(図示せず)。そして、この駆動モータの動作により、上羽根8a、下羽根8bは、それぞれ上下方向に回動する。なお、上下風向変更羽根8は上羽根8aと下羽根8bからなるものではなく一つの羽根で構成されるものであってもよい。
また、ファン7の下流側から吹出し口3の上流側に至る通風路9には、空気の吹出し方向を左右に変更することができる複数枚の左右風向変更羽根10が設けられている。複数枚の左右風向変更羽根10は、動きを連動させる連結桟により連結され、連結桟はステッピングモータ等からなる駆動モータの回転軸に連結されている(図示せず)。そして、この駆動モータの動作により、複数枚の左右風向変更羽根10は、それぞれ左右方向に回動する。
また、前記空気調和機本体1の天面と前面パネル4とフィルタ5との間には制御手段11が配置してある。この制御手段11は空気調和機本体1を構成する台枠の一部を利用して装着してあり、前記ファン7、上下風向変更羽根8、左右風向変更羽根10、圧縮機等を制御して当該空気調和機の運転を制御するようになっている。
ここで、上記のような構成を持つこの空気調和機には、図1に示すように前記空気調和機本体1の前面部分すなわち前面パネル4と、吹出し口3との間にセンサ保持枠体12が設けてある。センサ保持枠体12の前面は、略垂直に設けられた前面パネル4に対して、傾斜して設けられている。
上記センサ保持枠体12には、その一方端側に人体を検知する人体検知手段13、他方端側に床面や人体温度の熱画像を取得する温度検知手段14が組み込んである。なお、人体検知手段13と温度検知手段14は、図1に示されるようにカバー15で覆われており、図2はカバー15を取り外した状態を示している。
ここで、人体検知手段による人体検知方法について説明する。図4は人体検知手段の正面図であり、人体検知手段13には複数の人体検知センサ13l、13c、13rが設けられており、各人体検知センサは人体から放射される赤外線量の変化に応じて制御手段11にパルス信号を出力するようになっている。
図5は人体検知領域を示した図であり、各人体検知センサ13l、13c、13rが検知する領域は下記となるように配光が設定されている。
人体検知センサ13l:LM、CM、LF、CF
人体検知センサ13c:CN、LM、CM、RM
人体検知センサ13r:CM、RM、CF、RF
このような構成において、制御手段11は所定時間T1秒(例えば3秒)の間に、各人体検知センサ13l、13c、13rの反応が有るか否かを判定し、この反応結果の組合せから図6の表に従い、人が居る領域に変換する。これを所定回数M(例えば10回)繰り返し、各領域毎の反応回数をT1×M秒間累積する。所定回数M繰り返した時点で、各領域毎の累積反応回数が1回以上であれば、その領域に人は存在するとし、1回未満であれば、その領域に人は存在しないと判断する。
また、人体検知手段13では人を検知した領域の活動量も同時に検知しており、以下活
動量の検知方法について説明する。上述の領域毎の累積反応回数は過去数回分(例えば4回分)覚えており、この過去4回分の履歴から図7のように領域毎の活動量を3段階で算出している。ここで活動量「大」とは、室内の清掃等広域で活動している場合のことで、代謝量増加により暑く感じる。活動量「中」とは、炊事等狭域で活動している場合のことで、代謝量増加によりやや暑く感じる。活動量「小」とは、食事等同じ場所で多少活動している場合のことで、代謝量に大きな変化は見られない。
次に、領域毎の温冷感演算方法について説明する。図8は温度検知手段の正面図である。温度検知手段14は、物質から輻射されている赤外線を検出することで物質の表面温度を非接触で検知する赤外線センサ16と、前記赤外線センサ16を保持しているセンサホルダー17と、前記センサホルダー17を左右方向に自在に回転させる駆動モータ18から構成されている。
赤外線センサ16の上下視野角は人体検知手段13の上下視野角αと同程度を有しているが、左右視野角は人体検知手段13の左右視野角βより狭いため、駆動モータ18をT2秒毎(例えば120秒)に走査させることで人体検知手段13の左右視野角βと同程度の領域を検知できるようにしている。このように温度検知手段14は空気調和機本体1の前方の空間に存在する物体の二次元的な熱画像103をT2秒毎に取得することができる。
温度検知手段14で取得された熱画像103は、画像処理手段104に送信される。画像処理手段104での機能を、図9を用いて説明する。
まず画像処理手段104は、取得した熱画像103を解析することにより、人102が存在する領域(CN〜RFのいずれか)を特定し、制御手段11に出力する。人の存在領域の特定については、以下の人の画像領域の温度における平均値を算出する過程における、人の画像領域の特定方法と同様であり、詳細は後述する。
さらに画像処理手段104は、取得した熱画像103から、人102に該当する画像領域を切り出し、人102に該当すると判断された画像領域の温度の平均値(A値)を人体温度として求める。さらに画像処理手段104は、温度センサ106で検出された周囲温度をその人の周囲温度(B値)として取得する。さらに画像処理手段104は、C値としてA値とB値の差分温度、即ちC=A−Bを算出し、制御手段11に出力する。なお、熱画像103の解析で複数人の人を検知した場合は、それぞれの人毎に存在領域とC値を算出する。
ここで、画像処理手段104における、人102の平均温度(A値)の算出方法を図10にて説明する。人は代謝により常に放熱しているため、表面温度は周囲温度よりも必ず高くなる。よって、温度センサ106で検出した周囲温度と比較して所定温度以上の画像領域を人102に該当する画像領域とするができる。このようにして画像処理手段104は、A値を算出するための人の画像領域を特定する。
例えば、周囲温度が25℃の場合、周囲温度よりも1℃以上高い画像領域を人102の画像領域とすると、図10(a)で囲む画像領域を人の画像領域とすることができる。この様に、所定温度以上の画像領域を人の画像領域として決めてもよい。またこれに加えて、連続している26℃以上の画素数が所定画素数以上であることを人の画像領域を特定するための条件として追加しても構わない。こうすることで、例えば図10(b)の様に、画像内に人102以外に、点灯時に発熱する照明器具等が含まれていて該当領域が26℃以上の画像領域が存在している場合であっても、例えば26℃以上で連続して10画素以上の画像領域を人として認識するようにしておけば、これらの照明器具等の発熱物体を人
として検出することはなくなるため、精度の高い人検出が可能になる。
また、人の存在領域の特定については、人の画像領域の最下部を足先として、足先の画像位置から図5に示す領域CN〜RFのどこに属するのか算出する。
制御手段11では、人体検知手段13からの人存在領域とその領域の活動量、および画像処理手段104からの人毎の存在領域とC値を使って、人が存在する領域とその領域の温冷感をT1×M秒毎に算出するが、その方法について、図11の領域毎の温冷感の演算手法を説明するための概念図を用いて説明する。
表1は、人体検知手段13からの人存在領域とその領域の活動量の例であり、3つの領域に人の存在を検知している。また表2は、画像処理手段104からの人毎の存在領域とC値の例であり、3つの領域に4人のC値を検知している。まず、ステップS1では、表1の各領域に該当する人のC値を表2から求めて、表3を決定している。ただし、表2では領域RFに2人のC値を検知しているため、表3の領域RFには両者のC値の平均値を採用している。また、表2には領域CMに該当する人は存在しないため、領域CMのC値は不明となる。
そこで、ステップS2では、C値が確定している他の領域の平均値を割り当てることで代用している。つまり領域CNと領域RFのC値の平均値を割り当てている。これは、人体検知手段13と温度検知手段14の検知が同期していないため、このようなことが起こり得るが、人体検知手段13も温度検知手段14も両方検知している領域の平均値を割り当てることで、大きな誤差が生じないようにしている。また、表1の各領域に該当する人のC値が表2に全く無い場合も在り得るが、このような場合は、表3のC値は全領域とも前回(T1×M秒前)の全C値の平均値を使うことで、大きな誤差が出ないようにすることができる。
ステップS3では、表5を使って表6に示すような人が存在する各領域の温冷感を決定している。ここで表5は活動量とC値から温冷感を算出するための表であるが、C値が小さくなるほど体からの散熱量が小さくなるため、暑い(暖かい)方向に変化させている。また、同じC値でも活動量が大きくなるほど代謝量が増加するため、暑い(暖かい)方向に変化させている。
以上のように、熱画像と活動量を組み合わせて温冷感を演算することで、着衣量や活動量等が変わっても高精度で温冷感を推定することができる。
本実施の形態では人の存在位置を人体検知手段で検知しているが、温度検知手段で得られた熱画像を使って人の存在位置を検知しても良い。
また、本実施の形態では人体検知手段で活動量を検知しているが、温度検知手段で得られた熱画像を使って活動量を検知しても良い。
次に、人体検知手段13により検知された人の存在領域CN〜RFに応じて、上下風向変更羽根8と左右風向変更羽根10の風向制御が行われるが、これらの制御について以下説明する。
暖房時の風向制御は、人がいると判定された領域における人の足元手前に風向きを制御することで足元近傍に温風を到達させ、冷房時の風向制御は、人の頭上上方に風向きを制御することで頭上上方に冷風を到達させる。本実施の形態では、風向制御を複数の領域を含むブロック毎に判定しているので、このブロックについてまず説明する。
各領域CN〜RFは、次のように左右方向の三つのブロックに区分することで、左右に離れた複数の領域に人が居ても、複数の領域近辺を確実に空調できるようにしている。
ブロックL:領域LM、LF
ブロックC:領域CN、CM、CF
ブロックR:領域RM、RF
図12は風向制御を説明するためのフローチャートであるが、空気調和機の運転開始後、ステップS11において人が存在するかとその領域にC値を検知しているかを判定し、両方満たせばステップS12、ステップS14へと進む。ステップS11での判定は、存在を検知した人のC値が取得できているかの判定であり、正しくC値が取得できるまで待つためのものである。
ステップS14において、人がいる領域が一つ、すなわち空調すべき領域が一つの場合、ステップS15において、その領域に応じて設定された風向に固定される。図13は暖房時の領域毎の風向設定を示した図であるが、図13(a)は上下風向変更羽根の水平向き基準で下方向の角度を示しており、領域が近くなるほど下向きになっている。図13(b)は左右風向変更羽根の正面向き基準で左方向の角度を示しており、左右の端領域(LM、LF、RM、RF)は左右方向に曲げている。
ステップS14において、空調すべき領域が一つではないと判定されると、ステップS16において、空調すべき領域が一つのブロックかどうかを判定し、空調すべき領域が一つのブロックの場合、ステップS17にてそのブロック内で距離が最大の領域に風向を所定時間停留させた後、最小の領域に風向を所定時間停留させることを繰り返し、距離最大領域と最小領域を交互に空調する。これにより空調すべき領域全てを空調できるようにしている。
一方ステップS16にて、空調すべき領域が複数のブロックに存在する場合、ステップS18にて、冷房時は左端ブロック内で距離が最大の領域に風向を所定時間停留させた後、右端ブロック内で距離が最大の領域に風向を所定時間停留させることを繰り返し、両端ブロック内で最も遠い領域を交互に空調する。距離が最大の領域としている理由は、冷房時には手前の領域の人に吹き出し風が直接当たらず、頭上に吹き出し風がいくようにするためである。また、暖房時は左端ブロック内で距離が最小の領域に風向を所定時間停留させた後、右端ブロック内で距離が最小の領域に風向を所定時間停留させることを繰り返し、両端ブロック内で最も近い領域を交互に空調する。距離が最小の領域としている理由は、暖房時は手前の領域の人に吹き出し風が当たらず、足元に吹き出し風がいくようにするためである。
また、ステップS12では運転中に人が居なくなったかどうかを判定しており、人が居なくなったらステップS13にて、過去に検知頻度が高かった領域、つまり最も人が居る確立が高い領域を目標領域として風向設定している。
ここで、各領域において空調がし易い、空調がし難い度合いを空調要求度という表現により表し、空調要求度が高いほど空調がよりし難い、空調要求度が低いほど空調がよりし易いとする。例えば、空調すべき領域が空気調和機本体1から遠いほど、あるいは空気調和機本体1から見て左右端寄りの領域ほど、吹き出し風が届きにくくなるため、空調要求度が高くなる。そこで、風向を停留させる時間は、風向が向いている領域の空調要求度に応じて、例えば下記のように設定される。
領域CN :60秒(空調要求度低)
領域LM、CM、RM、CF:90秒(空調要求度中)
領域LF、RF :120秒(空調要求度高)
上記のような風向制御において、領域毎の温冷感に応じて風向変更羽根を停留させる時間を補正する方法について説明する。
暖房時、温冷感が小さい人は温冷感が大きい人よりも「寒く」感じているのに対し、冷房時は、温冷感が大きい人は温冷感が小さい人よりも「暑く」感じていることから、空調すべき領域における温冷感に応じて各領域の停留時間を増減させる。
図14は暖房時の停留時間の補正方法を示した表であるが、まず空調すべき領域が一つのブロックの場合、そのブロック内で距離が最大の領域と最小の領域に風向を停留させるが、それぞれの領域の温冷感差に応じて補正する。両領域の温冷感差が小さければ補正無しとし、温冷感差が大きくなると温冷感が小さい領域の停留時間を長めに、更に温冷感差が大きくなると温冷感が大きい領域の停留時間も短くすることで、寒いと感じている領域を長い時間空調させている。冷房時は、暖房とは逆方向の補正方法になるだけなので、説明は省略する。
次に空調すべき領域が二つのブロックの場合、両端ブロック内で風向を停留させるため、それぞれのブロック毎の温冷感差に応じて停留時間を補正する。ここで、ブロック毎の温冷感とは、ブロックL、C、Rそれぞれのブロック内で、人が存在する領域の温冷感の平均値としている。
次に空調すべき領域が三つのブロックの場合、ブロックLとブロックRで風向を停留させるが、ブロックCの温冷感に応じた停留時間補正を追加している。このように、ブロックCの温冷感に応じてブロックLとブロックR停留時間を変えることで、ブロックLとブロックRの間を風向が移動する頻度が変わり、ブロックCの空調度合いを変えることができる。
以上のように、人が存在する領域毎の温冷感に応じて風向変更羽根を停留させる時間を補正することにより、居住者の着衣量や活動量等や人数や位置に応じて領域毎の空調度合いを変えることができるため、居住者を常に快適にすることができる。
上述したように、人がいる領域に応じて風向制御が行われるが、空調要求度が高いほどリモコンで設定した設定温度と人がいる領域の実温度との温度差が大きくなる傾向がある。そこで、この温度差を極力小さくするための温度制御について以下説明する。
暖房時は、空調要求度が高い領域は温風が届きにくいので、この領域は設定温度を高めに補正する。一方、空調要求度が低い領域は設定温度を低めに補正する。冷房時は逆に、空調要求度が高い領域ほど冷風が届きにくいので、この領域は設定温度を低めに補正する一方、空調要求度が低い領域ほど設定温度を高めに補正する。図15は暖房時の領域温度補正値を示した図であるが、各領域の空調要求度に応じて領域温度補正値を変えている。
一例として、暖房時、リモコン設定温度が23℃で、領域LFに人がいる場合、領域温度補正値は+1℃となるので、制御目標値(リモコン設定温度+領域温度補正値)は24℃となる。冷房時は、暖房とは逆方向の補正方法になるだけなので、説明は省略する。
次に、複数の領域に人がいる場合の領域温度補正について詳述すると、人が居る全領域の領域温度補正値の合計値を人が居る領域の数で除した値を領域温度補正値とする。一例
として、暖房時、リモコン設定温度が23℃で、領域CNとRMに人がいる場合、領域温度補正値は(−1+0)/2=−0.5℃となるので、制御目標値(リモコン設定温度+領域補正値)は22.5℃となる。
上記のような温度制御において、領域毎の温冷感に応じて、設定温度を補正する方法について説明する。図16は温冷感温度補正値を示した表であるが、領域毎の温冷感が1以上であれば暑めに感じているため、これらの領域は設定温度を低めに補正する。一方、領域毎の温冷感が−1以下であれば、寒めに感じているため、これらの領域は設定温度を高めに補正している。なお、温冷感温度補正値に関しては冷房も暖房も共通となる。
一例として、暖房時、リモコン設定温度が23℃で、領域LFに人が居て、領域LFの温冷感が−1の場合、領域温度補正値は+1℃、温冷感温度補正値は+1℃となるので、制御目標値(リモコン設定温度+領域温度補正値+温冷感温度補正値)は25℃となる。
次に、複数の領域に人がいる場合の温冷感温度補正値について詳述すると、人が居る全領域の温冷感温度補正値の合計値を人が居る領域の数で除した値を温冷感温度補正値とする。一例として、暖房時、リモコン設定温度が23℃で、領域CNと領域RMに人が居て、それぞれの領域の温冷感が+1と0の場合、領域温度補正値は(−1+0)/2=−0.5℃となり、温冷感温度補正値は(−1+0)/2=−0.5となるので、制御目標値(リモコン設定温度+領域補正値+温冷感温度補正値)は22℃となる。
以上のように、人が存在する領域毎の温冷感に応じて設定温度を補正することにより、部屋全体の温度調整幅が広がるため、温冷感の調整幅も広がり、居住者を更に快適にすることができる。
本実施の形態では検出した領域毎の温冷感の値に応じて補正を行っているが、検出した領域毎の温冷感の値と、リモコンで設定された室温時の代表的な温冷感の値(事前に設定された値)との差に応じて温度補正を行っても良い。
また、本実施の形態ではリモコンで設定された温度に対して補正を行っているが、演算した温冷感が0(どちらでも無い)となるように温度補正を行っても良い。
以上のように本発明は、人がいる位置や温冷感に応じて空調制御することで最適空調制御を達成することができるので、一般家庭用はもちろん業務用の空気調和機等にも適用できる。
1 空気調和機本体
2 吸込み口
3 吹出し口
4 前面パネル
5 フィルタ
6 熱交換器
7 ファン
8 上下風向変更羽根
9 通風路
10 左右風向変更羽根
11 制御手段
12 センサ保持枠体
13 人体検知手段
14 温度検知手段
15 カバー
16 赤外線センサ
17 センサホルダー
18 駆動モータ
102 人
103 熱画像
104 画像処理手段

Claims (2)

  1. 空調すべき領域を区分した複数の領域毎に人の存在を検知する人検知手段と、人の表面温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段が検知した表面温度から当該人の位置や温度を演算する画像処理手段と、制御手段と風向変更羽根を備え、前記制御手段は、人が存在する領域毎に温冷感を演算し、前記領域毎の温冷感に応じて、風向変更羽根を停留させる時間を補正する空気調和機。
  2. 前記制御手段は、前記領域毎の温冷感に応じて設定温度を補正する請求項1に記載の空気調和機。
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