JP5674193B2 - 空調環境モニタリングシステム - Google Patents

Description

本発明は、現時点における室内の気流・温度分布などの空調環境をリアルタイムに３次元グラフィック表示することにより、空調設備の現時点における空気調和状況をモニタリングして、空調設備の適切な運転・制御を支援するための空調環境モニタリングシステムに関するものである。

大空間において人が存在する領域を快適な温度範囲に制御する技術として、連続した１つの空調空間を複数の空調設備で空調する際に、上記空調空間を複数の空調エリアに区画し、各空調エリア毎に所定の空調環境に制御する空調制御方法において、予め、上記空調空間について温熱環境シミュレーションを行うと共に当該空調空間内に複数の温度検出位置を設定し、上記温熱環境シミュレーションに基づいて、上記各空調設備単位に上記複数の温度検出位置への寄与率をそれぞれ求めると共に、各空調エリアで最適温度となるときの上記各温度検出位置での目標温度をそれぞれ抽出しておき、各空調設備による空調制御温度を、それぞれ各温度検出位置への当該空調設備の寄与率を重みとして、上記複数の温度検出位置のうちの２以上の温度検出位置における各目標温度と温度センサで検出した実際の温度との差に基づき各空調設備の吹出し温度を変化させることにより各空調設備による空調制御温度を調整する空調制御方法が知られている（特許文献１）。

この空調制御方法は、予め温熱環境シミュレーションを行った際の温度検出位置に対する空調設備の寄与率を前提としている。
一方、例えば空調制御の設定変更により空調吹出しの風量が想定時の風量より増加したり、実際の空調ダクトの摩擦損失が想定より大きく実際の空調吹出しの風量が想定時の風量より少ないことなどの状況が発生し、実際の気流分布がシミュレーションを行った際の気流分布と異なる場合は、寄与率も変化する可能性が高い。
このため、予め計算された寄与率と実際の寄与率が乖離した場合、予め計算された寄与率を用いて適切な温度に制御することが困難であることが予想される。

これを回避する技術として、空調室と処理装置と端末とを少なくとも備える空調制御システムにおいて、処理装置は、シミュレーションモデルデータと検出器の測定データとに基づいて、シミュレーションにより空調室内の温度分布を求め、空調室内の所定位置の温度が予め定めた温度範囲を逸脱した場合は、複数の対策パラメータを順次付加してシミュレーションを行い、当該シミュレーションの結果から求められる温度が温度範囲内となるまで対策パラメータの付加及びシミュレーションを繰り返す機能を備えた空調制御システムが提案された（特許文献２）。

この空調制御システムによれば、センサーの測定データ及びシミュレーションモデルデータを用いてシミュレーションにより空調対象領域内の温度分布を求め、予め定めた推奨温度範囲を逸脱するエリアがある場合は、当該エリアについて対策パラメータを付加してシミュレーションを行い、シミュレーション結果が推奨温度範囲内になるか否かを判定し、結果が推奨温度範囲内になるまで順次対策パラメータを付加してシミュレーションを繰り返すことにより、適切な制御を行うことができるとされている。

このシステムの予め定めた推奨温度範囲を逸脱するか否かの判断が、空調対象領域の限られた位置のシミュレート温度に基づいてなされているので、サーバ等の発熱体を収容するサーバ室の空調制御のようにある程度大きな制御温度幅が許容される場合には適しているといえる。
しかしながら、大空間の観客席や事務室・会議室等の人が居住する空間のように精緻な温度制御を要求される場合には、限られた位置のシミュレート温度に基づく空調制御ではいわゆる温度ムラの発生を防止することができず、上記のシステムは精緻な空調制御には適しているとはいえない。

また、予め定めた推奨温度範囲を逸脱するエリアがある場合に、当該エリアについて付加する対策パラメータの範囲は予め設定することになるため、問題が発生した場合は端末に通報する以外の対策をとることができない。このため、室内の什器・空調機器のレイアウト変更・人の移動・日射などの外乱の影響などの多くの環境を変動させる要因がある室での環境制御の際には、全ての対策パラメータを事前に設定することが困難であり、問題が発生する頻度が多くなることが予想される。

特開２０００−１７１０７１号公報 特開２０１０−１３９１１９号公報

本発明は、上述した種々の課題を解決するために創作されたもので、定期的に観測する実測データを入力データとして環境シミュレーションを定期的に実施して、建築物の室内空間の計測が困難である領域を極めて多く含む空間の温度・気流などの環境物理要素の３次元空間分布をリアルタイムで視覚的に把握して、精緻で無駄のない温度制御に有用な情報を提供して省エネルギーに資することが可能な空調環境モニタリングシステムを提供することを目的とするものである。

請求項１に係る発明は、空調対象空間となる建築物の室の適宜位置に配置された室内風速・室内温度を計測するセンサー群と、前記各センサーの計測データを取得し記録する記録処理と室内気流シミュレーション処理を実行し、空気温度の室内空間分布をモニターに出力表示するコンピュータと、から構成された空調環境モニタリングシステムにおいて、解析対象の領域の流体を適切な間隔で分割した空間格子について予め推定したシミュレーションモデルデータと前記各センサーから取得した計測データとに基づいて、シミュレーションにより前記室内の温度分布を求めるシミュレーション部と、シミュレーションした前記空間格子について３次元グラフィック表示するための処理をするグラフィック表示処理部と、入力部と前記３次元グラフィック表示処理部からの指令により３次元グラフィック表示する表示部とを有する端末装置と、を具備することとした。

請求項２に係る発明は、前記グラフィック表示処理部がその視点を変更自在であることを特徴としている。

請求項３に係る発明は、前記グラフィック表示処理部が、前記空間格子を選択した平面乃至同一座標面に沿った２次元断面を切り取って表示処理し、断面上に等値線・色分けにより温度分布を、ベクトルにより風速分布を簡易的に３次元グラフィック表示することを特徴としている。

請求項４に係る発明は、前記グラフィック表示処理部が、前記空間格子から選択した平面乃至同一座標面に沿った２次元断面を切り取って表示処理し、断面上に等値線・色分けにより温度分布を、ベクトルにより風速分布を簡易的に３次元グラフィック表示することを特徴としている。

請求項５に係る発明は、前記端末装置が、温熱環境を変動させる要因が前記センサーの測定値で把握できないものであるとき、入力部から新たな形状データ・境界条件データを入力してシミュレーションモデルデータを更新することを特徴としている。

請求項６に係る発明は、前記端末装置が、室内形状データの変更に伴ってデータ変更が必須となる境界条件・室内形状データについては、階層化して登録していることを特徴としている。

請求項７に係る発明は、前記コンピュータが、各センサーの測定電圧値と対応する環境物理量をテーブルにしたセンサー別の較正変換表を格納しており、各センサーの測定電圧値を温度・風速などの環境物理量に変換するとき、前記較正変換表を参照して変換することを特徴としている。

請求項８に係る発明は、前記コンピュータが、空調設備の空気吹出口近傍の２つの位置で実測して作成した、２つの風速スカラ量の差と対応する風向きをテーブルにした風速・風向き変換表を格納しており、風向きを推定するとき空気吹出口近傍の複数の位置の風速スカラ量の差を演算して求め、前記風速・風向き変換表を参照して、前記求めた風速スカラ量の差から風向きを推定する風向き推定手段を備えていることを特徴としている。

請求項９に係る発明は、前記コンピュータが、前記表示部に出力表示した後待機し、所定時間経過後自動的に又は前記入力部からの入力により強制的に、前記各センサーの検知電圧値を取得、記憶し、その時点における室内の空調環境をシミュレーションすることを特徴としている。

請求項１０に係る発明は、前記コンピュータが、前記入力部からの入力により、前記３次元グラフィック表示を強制終了する強制終了処理手段を備えていることを特徴としている。

請求項１１に係る発明は、請求項１に記載された空調環境モニタリングシステムを含む空調制御システムにおいて、室内の３次元気流・空気温度分布のシミュレーション結果が適切な制御範囲から外れているとき、新たな対策案を検討するために前記室内の温度分布を求めるシシミュレーションを実施して空調制御を最適化する空調制御システムとした。

請求項１に係る発明によれば、定期的に観測する実測データを入力データとして環境シミュレーションを定期的に実施して、建築物の室内空間の計測が困難である領域を極めて多く含む空間の温度・気流などの環境物理要素の３次元空間分布をリアルタイムで視覚的に把握して、精緻で無駄のない温度制御に有用な情報を提供して省エネルギーに資することが可能な空調環境モニタリングシステムを提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、３次元グラフィック表示の視点を固定しないで変更自在にすることで、あらゆるポイント・角度から室内気流、室内温度、体感温度の分布をリアルタイムに表示して、現時点における空調制御による室内空調状況を正確に把握することが可能となり、ターゲットとする室内空間の適正な空調制御に資することができ、快適な空調空間を確保することができる。
また、逆に過剰空調している空間をも把握できることから、当該空調を適正化して省エネルギーに資することもできる。

請求項３に係る発明によれば、例えば室内空間を上下に分割して下方領域のみ空調対象(ターゲット)とする一方上方領域は空調対象外として、ターゲットのみを切り取ってその格子についてのみ表示するための表示処理を実行すればよいので、コンピュータのシミュレーション負荷を軽減し、シミュレーションを迅速に遂行することができ、しかも空調制御の精度の低下を招くことはない。

請求項４に係る発明よれば、前記空間格子から選択した平面乃至同一座標面に沿った２次元断面を切り取って必要最小限の情報処理を実行することで、求められる空調制御のための情報を請求項３に係る発明に比較してさらに効果的に取得することができる。

請求項５に係る発明によれば、各センサーの測定値の変化に顕れない温熱環境の変動に追随して、空調制御の精度を大きく向上することができる。

請求項６に係る発明によれば、状況の変化に対応して迅速にシミュレーションモデルを変更することができる。

請求項７に係る発明によれば、各センサーの測定電圧値を温度・風速などの環境物理量に簡易・迅速に変換することができる。

請求項８に係る発明によれば、簡単な構成で風向を推測することができる。

請求項９に係る発明によれば、各センサーの測定値を自動的・定期的に取得することができるばかりでなく、必要に応じて随時取得することもできる。

請求項１０に係る発明によれば、モニタリングを簡易に終了することができる。

請求項１１に係る発明によれば、空調制御システムにおいて新たな空調対策項目を導入する際、新規対策項目の運転量と温度分布変化量の関係を目視しながら検討することができる。

図１は、本発明の空調環境モニタリングシステムの実施形態の１例の構成図である。 図２は、本発明の空調環境モニタリングシステムの実施形態の１例の概略的処理フロー図である。 図３は、室内の風速分布を空間の３次元形状と共に融合表示した例である。 図４は、室内の空気温度の分布を空間の３次元形状と共に融合表示した例である。 図５は、図面左側の窓からの日射の影響を受けて、室内左側の温度分布が高く、室内右側の温度分布が低いことを表示する図である。 図６は、自然換気したときの気温分布を表示するものである。 図７は、左図の５ポイントについて温度と風速を計測して、左図Ａ−Ａ線断面の気温を右下図に表示する例である。 図８は、１室の壁面に視点をおいて室内を展望して空調設備の空気吹出口からの空気流を３次元的に表示したものである。

≪システム構成≫
本発明の空調環境モニタリングシステムの構成について、図１を参照して説明する。
本実施形態の空調環境モニタリングシステムは、公共建物、多数の観客席を有する大空間、ホテル、執務室、病院、商品売り場などの空調対象空間に設置された各種センサーと、各種センサーが検出した測定値を取得・記録するデータロガーと、室内気流シミュレーションを実行する解析サーバと、解析サーバから受取ったシミュレーション結果を３次元にグラフィック表示処理してグラフィック表示信号を生成する描画サーバと、端末装置である計測・描画用ＰＣとから構成されており、これらはＬＡＮやＷＡＮなどの通信ネットワークで接続されている。

なお、本実施形態では、ハードウェアを解析サーバと描画サーバの個別システムで構成しているが、これらを１台のハードウェアで構成してもよいこともちろんである。

≪システム処理フローの概要≫
図１と図２を参照して、空調環境モニタリングシステムの本実施態様例について説明する。
センサーは、温度センサー・風速センサー・日射センサー・人感センサーなどにより、空調吹出風速・温度・日射量・人間の在/不在を測定する。測定は主に、気流の出入り・熱量の出入り・室内での熱量の発生等の原因となっている場所を対象として行われ、その検出結果は、後述する室内気流シミュレーションの境界条件を決定付けることとなる重要なファクターとなる。

データロガーは、端末装置である計測・描画用ＰＣからの定期的な指令あるいは端末装置の入力部からの随時の指令により、各センサーが検出している電圧値を取得・記録し（ステップ１）、記録した検出値を端末装置に送信する。

端末装置は、パーソナルコンピュータであり、基本的にシミュレーションモデル用のパラメータ等のデータや命令を入力する入力部と、シミュレーション結果を３次元グラフィック表示する表示部を備えている。

端末装置は予め、ＬＡＮ等を経由して解析サーバにアクセスし、入力部から室内形状データ、境界条件等を入力して基本モデルを作成した後、解析サーバに室内気流シミュレーションを実行させてシミュレーションモデルデータ、すなわちシミュレーション境界条件データを作成し、このシミュレーション境界条件データを解析サーバのシミュレーションデータ記憶部に保存しておく。

端末装置は、全てのセンサーについて今回の電圧値が前回のそれと差があるか否か判断（ステップ２）し、全く差がなければ何も処理することなく待機する。
そして端末装置は通常、センサーが検出した前記各電圧値を温度・風速などの環境物理量に変換するのであるが、その際電圧で得られたセンサーの検出値を予め端末装置内に記憶している、各センサーの電圧値をこれに対応する環境物理量に変換する較正変換テーブルをルックアップして、温度・風速・輻射熱・発熱量などの物理量に変換する（ステップ３）こととしている。

端末装置は各センサーの実際の配置位置を考慮して、この変換した環境物理量からシミュレーション境界条件となる計測シミュレーションパラメータを算出し、算出結果を端末装置の記憶装置に保存する。これにより、各センサーの電圧値を変換して得た温度・風速等の環境物理量からシミュレーション境界条件にデータ変換する（ステップ４）前処理を行って計測シミュレーションパラメータを得る。

計測シミュレーションパラメータは解析サーバに送られる。
解析サーバは、端末装置から受け取った計測シミュレーションパラメータと、シミュレーションデータ記憶部から読み出したシミュレーション境界条件データ（ステップ５）と、に基づいて今回シミュレーションするためのシミュレーション境界条件データを生成してシミュレーション境界条件データ記憶部に保存し直す（ステップ７）とともに、汎用の数値流体解析プログラムに渡して室内気流シミュレーションを実行させる。

室内気流シミュレーションプログラムは、先ず室内外への出入り気流・出入り熱量及び室内での発生熱量等の境界条件データを取得して、室内形状データと解析対象の領域の流体を適切な間隔で分割した空間格子データとに基づいて室内空間をメッシュ分割する（ステップ８．９）。
取得した境界条件データよりシミュレーションを実行し、メッシュ単位での室内の温度分布及び気流速度分布を算出する（ステップ１０）。

解析サーバは算出結果を描画サーバに出力し、描画サーバは汎用されている室内の３次元気流・空気温度分布の表示プログラムを実行し（ステップ１１）、空間格子データ上に配置された風速・空気温度、体感温度のシミュレーション結果とシミュレーションの入力条件に用いた空間の形状データを３次元座標上に配置してグラフィック処理する。
なお、体感温度は、基本的には室内気温と風速の乗算にて得られるが、着衣量や運動による発熱量等も影響する。

このようにシミュレーション結果と形状データを融合表示することにより、室内気流シミュレーションを実施した解析空間の範囲内で端末操作により自由に移動、回転、拡大・縮小して空気の流れや温度分布を３次元の粒子の動き・等値線・色分けにより表現することができる。また、端末操作により解析領域の回転、サイズ変更ができる。さらに、解析領域内の物体形状の表示は、物体毎に表示・非表示の選択が可能である。この選択により、物体の影に隠れて表示しにくい気流・温度分布の表示も容易に可能となる。

また、エントランスホールやドーム状建物等の大きな高さの空間であってそのうちの下方部分のみ空調すればよい場合、グラフィック表示処理部は、シミュレーションした空間格子のうちから３次元グラフィック表示する領域を空間格子内において選択的に連続して切り取り、切り取った格子について表示するための表示処理を実行し、表示処理結果を端末装置の表示部に３次元グラフィック表示する。

また、空間内に平面ないし同一座標面に沿った２次元断面を表示して、断面上に等値線・色分けにより温度分布、ベクトルにより風速分布を簡易的に表現することが可能である。
このグラフィック処理により、図５の右下に示されるように任意の縦断面図あるいは図示を省略する横断面図として２次元表示制御するものである。

さらに、室内の什器・空調機器のレイアウト変更・在室者数の増減・日射の強弱等の温熱環境を変動させる要因があり、かつその要因がセンサーの測定値で把握できない場合は、端末装置の入力部からの入力により新たな形状データ・境界条件データを構築することにより、シミュレーションモデルデータを更新することができる。

上述したように、予め基本となる室内形状データは事前に作成して保存されている。室内形状データを変更して再構築する際には、保存された形状データを呼び出して、マウスでピックして３次元空間内に配置することにより、位置を決定できるようにしてある。
また、形状データの拡大・縮小もマウス操作により可能にしてある。この操作により、例えば空調吹出し口の面積の変更も容易に可能である。

また、本実施形態は、室内形状データの変更に伴ってデータ変更が必須となる境界条件についても階層化して登録してある。
例えば、「空調吹出し口：形状」と「吹出される気流の風速・温度：境界条件」とは、形状を新たに設定すると付随して境界条件の設定が必須となる関係にある。
そこでこの設定が容易になるように、両者を階層化して登録することにより、上位の設定項目を読み込むと、下位の設定項目が自動的に表示され、設定漏れを防止することができるとともに必須項目の選定を迅速化することができ、設定作業を容易にすることができる。
また境界条件は、デフォルト値（ユーザが入力するはずの値に入力が無かった場合に使う為に、プログラム側で予め用意しておく値）を予め登録してある。

さらに、本実施形態は、室内形状データの変更に伴ってデータ変更が必須となる室内形状データについても階層化して登録してある。
例えば空調設備の吹出し口と吸込み口のように、２つ以上の形状が同時に登録されることが予想される組み合わせについても階層化して登録することにより、迅速に形状設定を可能にしてある。

さらにまた、本発明の空調環境モニタリングシステムを空調制御に組み込む場合にあっては、端末装置の入力部からの入力に際して対策パラメータを追加変更することも可能であるため、室内の３次元気流・空気温度分布のシミュレーション結果が適切な制御範囲から外れている場合は、新たな対策案を検討するためにシミュレーションを実施することも可能である。

ステップ１１でグラフィック処理した結果データは、端末装置に出力されて端末装置内部に格納された汎用の３次元表示ソフトウェアにて３次元駆動表示される。

端末装置は所定時間が経過したとき（ステップ１２）、データロガーに各センサーの検出電圧値を取得・記録させ、上述した一連の処理を繰り返し実行してその時点における空調環境を表示させてその内容を精査して、空調設備の運転・制御内容の変更・見直しに反映させようとするものである。
なお、本実施形態では所定時間間隔でシミュレーションを実行しているが、端末装置の入力部からのシミュレーション開始指令によってシミュレーションを再開する機能を付加することが好ましい。

以下に、端末装置の表示部での表示例について概説する。
図３は、コンピュータサーバ等発熱体が配置されている室内の風速分布を、気流シミュレーション格子データと室内空間の３次元形状とを３次元グラフィック処理して融合表示した例である。同じく図４は、室内の空気温度の分布を室内空間の３次元形状と共に融合表示した例である。

図５は、図面左側の窓からの外乱である日射の影響を受けて、室内左側の温度分布が高く、室内右側の温度分布が低いことが表示されて、このことを明確に把握することができるようにしている。
特許文献２の従来技術によれば、室内気流シミュレーションによって、流れの中で全格子について解析格子データが存在していたとしても、規定された所定の位置が極めて限定的な数に設定されていて、例えば２つの座席の間に前記所定の位置が設定されているときは、冷房を抑制する方向に制御されていくこととなるが、左側の座席近傍は益々冷房不足となる。この場合、空調設備管理者に対し苦情が殺到しても、その原因が全く把握できない。

本発明は図５をモニタリングすることにより室内温度状況を正確に把握して、空調吹出口の空気温度、気流方向、気流速度を精緻に調整して室内空気の温度ムラを極力なくして室内空間を快適に、しかもターゲット以外はラフな温度管理を許容して省エネルギーを実現できるものである。

図６に示される実施形態は、自然換気を取り入れるものである。
本発明はこの実施形態に示されるように、シミュレーション結果はマニュアル制御に活用するものに限らず、そのシミュレーション結果を自動空調制御運転に反映させることもできるものである。

図７に示される表示例は、左図の５ポイントについて温度と風速を計測して、左図Ａ−Ａ線断面の気温を右下図に表示する例である。

図８に示される表示例は、１室の室外から室内を展望した視点で、空調設備の空気吹出口からの空気流を３次元的に表示したものである。
空調設備の空気吹出口からの空気の流量、風向を微調整しながら、最適気流を探索しているところである。

Claims (1)

1. 空調対象空間となる建築物の室の適宜位置に配置された室内風速・室内温度を計測するセンサー群と、
   前記各センサーの計測データを取得し記録する記録処理と、
   室内気流シミュレーション処理を実行し、
   空気温度の室内空間分布をモニターに出力表示するコンピュータと、
   から構成された空調環境モニタリングシステムにおいて、
   前記コンピュータは、解析対象の領域の流体を適切な間隔で分割した空間格子について
   予め推定したシミュレーションモデルデータと前記各センサーから取得した計測データと
   に基づいて、シミュレーションにより前記室内の温度分布を求めるシミュレーション部と、
   シミュレーションした前記空間格子について３次元グラフィック表示するための処理をするグラフィック表示処理部と入力部と、
   前記３次元グラフィック表示処理部からの指令により３次元グラフィック表示する表示部を有する端末装置と、
   空調設備の空気吹出口近傍の２つの位置で実測して作成した、２つの風速スカラ量の差と対応する風向きをテーブルにした風速・風向き変換表を格納しており、
   風向きを推定するとき空気吹出口近傍の複数の位置の風速スカラ量の差を演算して求め、前記風速・風向き変換表を参照して、前記求めた風速スカラ量の差から風向きを推定する風向き推定手段
   を具備することを特徴とする空調環境モニタリングシステム。