JP4623747B2 - 環境設備制御システム - Google Patents

Description

本発明は、空調機器のような環境設備を制御するための環境設備制御システムに関するものである。

地球温暖化により、ビル内に設置されている空調設備のような環境設備を制御するためのエネルギー節減について社会的な関心が増大している。BEMS（ビル及びエネルギー管理システム）が、現在、ビルでのエネルギー管理に最適であると提案されている。実際のところ、殆どのビル管理者は、エネルギー節減と快適さに基づいて、常に適切な管理を行っているとは言い難い。特にビル内での閉ざされた居住者空間の温度制御に関しては、快適さとエネルギー節減が相反することがあり、現状では、慣習的な温度設定を行い、居住者からの要求に応える形で温度を調節している。

温度制御は、ビルの特性や居住者の好みを十分に考慮せずに行われているため、居住者が快適と感じる最適の状態に必ずしも居住空間が維持されることが無く、空調機器のエネルギーが浪費されることがある。更に、居住者は自分自身が環境を制御できないとすることに不満を持つことがある。

上記の問題に対応するために、日本特許公開公報2004-205202号公報では、居住者からの要求、即ち、温度を上げる、温度を下げる、温度を維持すること反映して温度制御を行うシステムを提案している。このシステムは、周囲温度、輻射温度、湿度、気流速度代謝率、着衣指標のような環境パラメータに基づいて初期の目標温度を与えるように構成されている。このシステムは居住者からの要求を集めてこれを分析することにより、初期目標温度を運用目標温度に変更し、これらの要求を分析する毎に、優勢である要求を満足させるために、この運用目標温度に向けて環境温度を変化または維持させる指令を与える。

上述のシステムでは、初期目標温度（Ts）は、上記の環境パラメータによって決定される、例えば、Fangerの快適方程式による公知の温度快適予測を利用して与えられる快適範囲（X）の中心近くに設定される。図５Aに示すように、快適範囲の中央の温度（Ts’）は、大多数の居住者が快適を感じる温度である。言い換えると、このシステムは、居住者からの優勢な要求とエネルギー節減との両方を満足させるような出発温度があるかもしれないにも拘わらず、常に、かなりのエネルギー消費の代償を伴う温度（Ts’）から出発する。この意味において、従来のシステムは、エネルギー節減を主眼としながら居住者からの要求に合致する温度制御を達成するには不十分である。

本発明は上記の不備に鑑みてなされ、居住者の要求に基づきながらも、エネルギー節減方式によって快適な居住者空間を実現するための調和した温度制御を行う環境設備制御システムを与えるものである。本発明に係るシステムは、居住環境即ち閉じられた居住空間を制御するために構成された設備と、本システムの起動時にこの設備が居住空間を制御するための初期目標値を与える初期化部を備える。このシステムは、更に、各居住者からの快適性要求を収集する要求収集部、計画作成部、及び設備制御部を備える。計画作成部は、快適性要求の分析を行いこの分析に基づいて初期目標値を運用目標値に変更し、設備制御部を介してこの運用目標値を実現させる特有の制御計画を作成する。このように、本システムはエネルギー節減の方向にシフトした初期目標値を使用し、居住者からの要求を分析して制御計画を更新する際に、運用目標値を常にエネルギー節減側を出発点としてエネルギー節減側で変動させることができ、エネルギー節減の制御を行うことができる。初期目標値は、各動作サイクルの最後、例えば、一日の動作終了時点で、更新されて翌日の動作に備えられる。このため、本システムには過去の所定期間に取得された運用目標値を収集する較正部が備えられる。このようにして収集された運用目標値に重み付けを行って補正目標値を求め、この補正目標値がシステムの次回の起動時に、初期目標値となる。このため、本システムは、補正された目標値で起動されて、要求を考慮した上でエネルギー節減を行う合理的な制御を達成することができる。

この較正部は、過去の所定期間で繰り返される動作サイクルのそれぞれの終了時に決定された運用目標値の移動平均を取得し、この移動平均に所定のオフセット値を加算したものを上記の補正目標値とするように構成することができる。このオフセット値を適切に選択することで、初期目標値が常にエネルギー節減側に設定されて、環境に優しいエネルギー節減の制御を実現できる。

好ましくは、上記の初期化部が、上記の居住環境の環境パラメータを収集して、居住者が快適であると考える快適範囲を評価し、上記の設備が消費するエネルギーを節約する方向にこの快適範囲を超える値として上記の初期目標値を設定することができる。この初期目標値は、例えば、Fangerの快適方程式による公知の温度快適予測を利用して与えられ、温度快適性を考慮してエネルギー節減側に移動させることができる。

上述した有用な特徴及びその他の本発明の特徴は、添付する図面を参照した好ましい実施形態に係る以下の詳細な説明によってより明確になる。

図１と図２に、本発明の好ましい実施形態に係る環境設備制御システムが示される。本実施形態において、本システムは、ビル内の閉じられた居住空間の温度を管理するための空調設備２００を制御するように特別に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。本システムは、例えば、図２に示されるビル内のオフィスルームや領域のような多くの居住者や人員が存在する比較的大きな空間（Ｓ）の環境温度を制御するために導入される。

本システムはサーバー１００を有し、このサーバーはネットワークを介して複数の個人端末３００、例えば、居住空間内の居住者に属するパーソナルコンピュータに接続される。図３に示すように、サーバー１００は種々の機能ユニットを実現するように構成され、これらの機能ユニットが組み合わされ、個人端末３００を通じて収集された居住者の要求を考慮して、空調設備２００を制御する制御計画を決定する。基本的に、この機能ユニットには、初期化部１０、要求収集部３０、環境情報収集部２０、計画作成部４０、設備制御部５０で構成される。本システムは、一日毎に動作する、即ち、２４時間の間で起動して停止するように設計されている。これに関連して、初期化部１０は、システムの起動時に初期目標温度を与えるように構成される。要求収集部３０は、定期的に、例えば、１分毎に、各端末３００に割り当てられたコードやアドレス、及び各端末３００から送信される居住者要求を収集する。このため、各端末３００は、図４に示すように、入力ウィンドウフォーム３１０をディスプレイ上に発生させるようにプログラムされ、居住者に対して、例えば、ラジオボタン３１１、３１２、３１３の一つを選択して、ボタン３１４を押すことで「温度を上げる」、「温度を維持する」、「温度を下げる」の要求を送信することを促す。入力ウィンドウフォーム３１０には、端末のアドレスを示すラベル３１６が含まれる。

更に、入力ウィンドウフォーム３１０には、「快適感」、「温度感」を７段階で示す記入欄、及び、居住者のコメントを書き込むテキストボックスが含まれる。これらへの回答はサーバー１００に送られ、ここで分析されてビルの管理者で閲覧される満足度レポートが作成される。

要求は、端末のアドレスと共に要求収集部３０に送信され、記憶手段（図示せず）に保存される要求テーブル７０に書き込まれ、対応する端末のアドレスに関連づけられた時系列データが与えられる。アドレスは、記憶手段に設けられた所定の関連テーブルを参照して、居住者空間、居住者空間内での端末の位置、及び、対応する空調設備２００を識別するために使用される。環境情報収集部２０は、温度センサー２２で得られる室温や、部屋アクセス管理システム２４で得られる空間内での居住者の人数を収集する。

初期目標温度（Ｔｓ）は、予測平均申告（ＰＭＶ）指標及びこれに関連する予測不快者率（ＰＰＤ）指標についてのＦａｎｇｅｒの快適方程式を使用して求められる。この例では、初期目標温度は、ＰＰＤが５０％の時の温度、即ち、居住者の５０％が温度環境に満足していない場合の温度と設定される。ＰＰＤ及びＰＭＶは以下の等式で規定される関数である。

上の式中のＴａは、周囲温度、即ち室温、Ｔｒは輻射温度、Ｈは湿度、Ｖは気流速度、ｌｃｌは居住者の衣服に関する着衣指標、Ｍが代謝率である。従って、５０％ＰＰＤ（初期目標温度）は、これらの環境パラメータで決定される。本実施形態において、Ｔａ、Ｔｒ、Ｈ、Ｖはそれぞれセンサーによって検知されて環境情報収集部２０で収集され、ｌｃｌ及びＭは部屋即ち環境空間の条件を考慮して管理人によって入力される。図５Ａに示すように、このようにして決定された初期目標温度（Ｔｓ）は、快適範囲（Ｘ）からエネルギー節減側に外れている。例えば、冷房が必要な時にはＴｓが２８℃に設定される。この例では、快適範囲（Ｘ）はＰＰＤが１０％以下であって、２３℃〜２６℃の範囲と規定される。

上記の初期目標温度は、管理者によってリセットされない限り、システムを稼働させる最初の時に一度だけ決定され、毎日の動作が終了される度に、補正されて更新される。一日の中での動作においては、初期目標温度は、居住者の要求に基づき、以下に示す方法によって変化する運用目標温度に変更される。

計画作成部４０は、端末３００から収集した要求を、基準テーブル７２に記憶された基準、及び、設備動作情報テーブル７４に記憶された空調設備２００の動作状態を参照して分析することで、制御計画を決定するものであり、その詳細は後に説明する。制御計画は、空調設備２００によって達成される目標温度、暖房か冷房かを示す動作モード、空調設備を識別する設備指標を含む。制御計画は制御履歴テーブル７６に記憶され、設備コントローラ５０がこれを常に参照することで、更新された制御計画を読み出して、最新の温度管理信号を作成する。この信号はネットワークを介して空調管理部１２０に送信され、図１に示すように、この制御計画にて特定される空調設備２００のローカルコントローラ２１０へこの信号が分配される。この信号を受信すると、ローカルコントローラ２１０は空調設備２００に制御信号を与えて、温度を上げたり、下げたり、或いは維持する。

次に、図５Ｂ〜図９を参照して、この制御計画を決定する詳細について説明する。環境情報収集部２０が居住者の人数を収集した後（図９のステップ１）、計画作成部４０が、１分毎に、要求デーブル７０からデータを読み出して、各端末からの有効な要求を取得して、温度を上げる要求、温度を下げる要求、温度を維持する要求をしている居住者の人数を計算する。有効な要求とは、図５Ｂに示すように、直前の要求取得期間ＤＡＰにおける各端末３００からの最新の要求であり、この図では、理解を容易とするために、４つの端末即ち居住者“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”からの要求を示し、温度を上げる要求と温度を下げる要求をそれぞれ“▲”、“▼”で示している。有効な要求を取得するために、図６Ａに示すように、計画作成部４０は収集された要求の時系列データを処理して、図６Ｂの表に示すように、対応する時系列データに変えて、１分ごとに各端末からの要求の種類を決定する。これらの表において、“１”、“０”、“−１”はそれぞれ、温度を上げる、温度を維持する、温度を下げる要求を意味し、空白欄は、直前の要求取得期間ＤＡＰで対応する端末から要求や応答が無かったことを示す。計画作成部４０は、制御計画に基づいて温度を変化させている期間となる要求排除期間ＤＲＰを作成するように構成されており、この期間では、計画作成部４０は制御計画を行うことが禁止され、即ち要求を排除するようになっている。要求排除期間は約３０分とされる。例えば、温度が時間ｔ１（１１：００）で安定している時、計画作成部４０は図６Ｂの表から１１：００での有効な要求を読み取り、温度を上げる要求の数、温度を下げる要求の数を取得し、基準テーブル７２に記憶される基準を参照して制御計画を決定する。この場合、設備コントローラ５０は、制御計画を決定する１サイクル（この場合、１分）よりも長い間隔で、制御履歴テーブル７６を読み出す。言い換えると、要求取得期間ＤＡＰの期間中は制御計画を１分毎に作成する、即ち設備コントローラ５０が制御履歴テーブルを読み出して、空調設備２００に対する制御を開始する前に、制御計画を作成する。

本実施形態において、本システムは、図７のグラフに示される基準を与えるように構成される。この基準は第１基準Ｒ１、第２基準Ｒ２を有し、それぞれが、居住空間内の全居住者の人数における温度を下げる要求の数である第１割合（Ｐ１）及び、全居住者数における温度を上げる要求の数である第２割合の関数である。第１及び第２の基準Ｒ１、Ｒ２は、異なる係数即ち傾斜角度を有し、第１と第２の割合（Ｐ１、Ｐ２）を座標軸とする座標で規定される直角二等辺三角形を３つの分離領域、即ち、温度降下領域“▼”、中立領域“■”、温度上昇領域“▲”に区画する。この基準には、さらに正方形の中立領域“■”があり、それぞれ第１下限値Ｌ１（＝１０％Ｐ１）と第２下限値Ｌ２（＝１０％Ｐ２）に対応する第３の基準線Ｒ３によって制限される。

第１と第２の基準Ｒ１、Ｒ２の傾斜角度は、制御履歴テーブル７６から読み出される現在の目標温度を含むパラメータ、設備動作情報テーブル７４から読み出す空調設備の動作状況、及び温度センサーによって検知する現在の周囲温度によって変化する。以下の表に示すように、基準テーブル７２は、現在の目標温度、周囲温度、設備の状況（暖房または冷房）の異なる組み合わせに対して、第１と第２の基準Ｒ１、Ｒ２の角度を指定するフォーマットで構成される。

これらのパラメータを受け取ると、計画作成部４０は、基準テーブル７２から第１と第2の基準を取り出し、特定の基準を確立して（図９のステップ２）、制御計画を決定する、即ち、端末３００から収集した要求に基づいて、温度を上げるか、下げるか或いは維持する。計画作成部４０は、要求テーブル５０からの有効な要求に基づいて、居住空間内の全居住者数における温度上昇要求の数である現在の第1割合、全居住者数における温度下降要求の数である現在の第2割合を求めて、現在の第1割合と現在の第2割合との比である現在の要求比率を与える（図９のステップ３）。現在の要求比率は選択された基準を参照して分析されて、温度変動（ΔT）を決定し、この温度変動が現在の目標温度に加えられる（図９のステップ４）。例えば、現在の要求比率が、図７のグラフでの温度下降領域“▼”に有る場合、即ち、要求が第2の基準R2より下である場合、温度変動（ΔT）が“−１”と設定される。現在の要求比率が中立領域”■”内である場合、即ち、図７において、第1と第2の基準R1、R2の間に有るか、第3の基準R3より下に有る場合は、ΔT＝０とされる。また、現在の要求比率が温度上昇領域“▲”内に有る場合、即ち、第1の基準R1より上の場合は、ΔT＝１とされる。

次いで、計画作成部４０は次の運用目標温度（Tn）を、現在の目標温度（Tc）＋ΔT（図９のステップ５、６）と決定し、次の運用目標温度（Tn）が所定の範囲（Tmin≦Tn≦Tmax）内に有るかをチェックする（図９のステップ７）。範囲内にない場合は、次の運用目標温度は現在の目標温度（Tn=Tc）にリセットされる（図９のステップ８）。それ以外は、次の運用目標温度（Tn）が有効であるとされ、制御履歴テーブル８０に書き込まれてこれを更新する。この時、次の運用目標温度が制御計画に含められ、この制御計画が制御履歴テーブル７６に書き込まれて（図９のステップ９、１０）、空調設備２００をこの制御計画に基づいて制御して居住空間での次の目標温度を実現する。

初期目標温度（Ts=28℃）が殆どの居住者が快適であると予測される快適範囲（X）を超えて設定されているため、上記の要求に基づく制御によって、運用目標温度が、図８の階段線に示されるように、徐々に低下して実際の室温となる。この結果、室温は、図８の点線で示されるように、初期目標温度（＝２５．５℃）が快適範囲（X）内に設定されており、その後に実際の室温となる場合に比べて、エネルギー節減側とのある比較的高い温度に落ち着く傾向となる。

サーバーには更に較正部６０が備えられ、一日の運転が終了した時点で、制御履歴テーブル７６から所定の期間、例えば、過去一週間での最終の目標温度を読み出して、この温度に重み付けを行って目標温度を補正して、次の動作サイクルの開始時点で使用される初期目標温度とする（図９のステップ１１、１２）。実際は、この較正部６０は過去一週間での最終の目標温度の移動平均を取得し、この移動平均に所定のオフセット値を加算したものを補正目標温度とする。オフセット値は、暖房と冷房とでそれぞれ“−１”、“＋１”と設定される。初期化部１０は、毎日の運転、即ち動作サイクルの最初に、作動して、このようにして決定される初期目標温度を与えることで、上述したように居住者からの要求を参照して、温度制御を行う。

本発明の好ましい実施形態に係る環境設備制御システムを示すブロック図。 上記のシステムによって制御されるビルの環境空間例を示す平面図。 上記のシステムの構成を示すブロック図。 環境空間内の各居住者に属する個人端に現れる入力ウィンドウを示す図。 上記のシステムの動作を説明するグラフ図。 上記のシステムの動作を説明するグラフ図。 居住者からの要求を処理するために上記のシステムで使用される表。 居住者からの要求を処理するために上記のシステムで使用される表。 要求分析による制御計画の選択を説明するグラフ図。 上記のシステムによって作成されて時間と共に変化する運用目標温度を示すグラフ図。 上記のシステムの動作を説明するフロー図。

Claims (3)

1. 居住環境を制御する設備と、
   システムの起動時に上記設備によって制御される居住環境に関するエネルギー節減の方向にシフトした初期目標値を与える初期化部と、
   個々の居住者から快適性要求を収集する要求収集部と、
   上記の快適性要求の分析を行ってこの分析に基づいて上記の初期目標値を運用目標値に変更し、この運用目標値を実現するための制御計画を作成する計画作成部と、
   上記の制御計画に基づいて上記の設備を制御する設備制御部とを備えた環境設備制御システムであって、
   過去の所定期間内での上記運用目標値を収集して、これに重み付けを行って補正目標値を求め、上記システムの次回の起動時に、この補正目標値を上記の初期目標値とする較正部を備えたことを特徴とする環境設備制御システム。
2. 上記較正部は上記の過去の所定期間で繰り返される動作サイクルのそれぞれの終了時に決定された上記の運用目標値の移動平均を取得し、この移動平均に所定のオフセット値を加算したものを上記の補正目標値とするように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の環境設備制御システム。
3. 上記初期化部は、上記の居住環境の環境パラメータを収集して、居住者が快適であると考える快適範囲を評価し、上記の設備が消費するエネルギーを節約する方向にこの快適範囲を超える値として上記の初期目標値を設定するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の環境設備制御システム。