JP2004353973A

JP2004353973A - 変動パターンに基づく空調制御装置および方法

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Publication number: JP2004353973A
Application number: JP2003152851A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Koide; 敏彦小出; Tsuneji Asaji; 恒二朝治; Yuzo Masuda; 雄三桝田
Original assignee: ENERGY SAVE KK; Toyota Motor Corp
Current assignee: ENERGY SAVE KK; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】被空調者の快適感を損なうことなく、消費エネルギーの低減する空調制御をする。
【解決手段】変動パターンに基づいて変動する目標ＰＭＶ値と室内ＰＭＶ値とに基づいて空調を制御する。変動パターンは、被空調者にとって快適な快適ＰＭＶ値ｕ２とこの値より室外ＰＭＶ値に近い省エネＰＭＶ値ｕ１との間を変動する変動パターンであって、快適ＰＭＶ値ｕ２から省エネＰＭＶ値ｕ１へ徐々に変動する第１変動と省エネＰＭＶ値ｕ１から快適ＰＭＶ値ｕ２へ急激に変動する第２変動とを繰り返す。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置を制御する空調制御装置に係わり、特に、被空調者の快適性を損なうことなく省エネルギーを図る空調制御装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、被空調者の快適性を維持しつつ、省エネルギーを実現させるための様々な空調装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、事前に設定された設定温度を基準として室内温度を１／ｆ揺らぎで変動させる空調装置が開示されている。人は、一定温度の環境に長く置かれるとその環境に馴化してしまい、当初は快適と感じていた温度であっても不快と感じることがある。不快と感じた被空調者は設定温度を空調負荷の高いほうへ変更してしまい、結果として、エネルギーを無駄に消費することがある。この空調装置は、室内温度を１／ｆ揺らぎで周期的に変化させることにより、馴れによる快適感の減退を防止するものである。これにより、被空調者の快適感を持続させ、設定温度の変更による消費エネルギーの無駄を防止することができる。つまり、この空調装置は、被空調者の快適感を持続させることにより、省エネルギー化を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−６１７３７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、設定温度すなわち被空調者が快適と感じる温度を基準として揺らぎを与えているため、被空調者の感覚によっては、省エネルギーとならない場合がある。
【０００６】
そこで、本発明では、被空調者の快適感を損ねることなく、より消費エネルギーを低減することができる空調制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の空調制御装置は、対象室内に空調を施す空調機器を制御する空調制御装置であって、対象室内の快適度の指標である環境値を取得する室内環境値取得手段と、所定の変動パターンをもって変動する目標環境値と取得された室内環境値とに基づいて空調機器を制御する制御手段と、を有し、変動パターンは、被空調者にとって快適な快適環境値とこの値より室外環境値に近い省エネ環境値との間を変動するパターンであって、快適環境値から省エネ環境値へ徐々に変動する第１変動と省エネ環境値から快適環境値へ急激に変動する第２変動とを繰り返すパターンであることを特徴とする。
【０００８】
目標環境値を省エネ環境値へ徐々に変動させることにより、被空調者の快適と感じる範囲を広げる、または、空調負荷の小さいほうへ移動させることができる。また、目標環境値を省エネ環境値から快適環境値へ急激に変動させることにより、被空調者に快適感を印象付けることができる。そのため、被空調者の快適感を損ねることなく、より消費エネルギーを低減することができる。
【０００９】
ここで、空調機器は、対象室内に空調空気を提供するものであれば、エアコン、クーラ、ヒータ等、どのようなものであってもよい。また、環境値は、快適度の指標としてＩＳＯ７７３０で規定されているＰＭＶ値を用いることが好適であるが、温度など他の指標であってもよい。また、省エネ環境値は、不快と感じる被空調者が全体の２割未満となるような所定の値であることが望ましいが、他の値であってもよい。
【００１０】
第２変動は、被空調者がその変動を体感できる所定の環境値差および速度での変動であることが好適であるがこれに限定されるものではない。また、第１変動は、所定の範囲で揺らぐ小変動を有していることが好適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１に、本発明の実施の形態である空調装置１０の概略構成図を示す。この空調装置１０は、インバータ方式の空調手段１４とこの空調手段１４の制御を行う制御装置１２に大別される。
【００１３】
制御装置１２は、対象空間の環境状態（温度、湿度、風速など）を検出するセンサ部１８、諸パラメータを設定入力する設定入力部２０、およびこれらから出力される情報に基づいて空調手段１４を制御する主制御部１６から構成されている。
【００１４】
空調手段１４は、室内外にそれぞれ配置された熱交換器２６、３２、３４、冷媒を圧縮する圧縮機２２、圧縮機２２の周波数を変化させるインバータ２４などから構成されている。
【００１５】
冷房運転時においては、圧縮機２２で吸入し圧縮された冷媒は、四方弁３０を経て室外熱交換器２６に送られ、ここで凝縮液化される。室外熱交換器２６を出た冷媒は膨張弁４０で減圧され、第１熱交換器３４に導かれる。この第１熱交換器３４を出た冷媒は、全開状態の電磁弁３６を通過して第２熱交換器３２に流入する。各熱交換器３４、３２では冷媒が室内空気から蒸発潜熱を奪い気化する。そしてこれら熱交換器３４、３２を経た冷媒は、再び四方弁３０を経て圧縮機２２に吸入される。
【００１６】
暖房運転時においては、四方弁３０が切り替えられ、冷房時と逆の流れになる。また、冷暖房時における冷・温風の風量および風向は室内ファン３８を制御することにより調整される。
【００１７】
主制御部１６は、上述の四方弁３０などの切り替え、インバータ２４の制御を行うことにより、空調手段１４の制御を行う。
【００１８】
次に、このような空調装置１０の制御装置１２について詳述する。
【００１９】
図２に制御装置１２のブロック図を示す。制御装置１２は、上述したようにセンサ部１８、設定入力部２０、および主制御部１６から構成されている。
【００２０】
センサ部１８は、室内の温度、風速、湿度、および床の輻射温度を検出する４種類の検出器４６、４８、５０、５２を有している。このセンサ部１８は、室内に設置され、検出した値を所定の間隔でデジタル値に変換して主制御部１６に出力する。なお、各検出器を複数箇所に設置し、その平均値をとるようにしてもよい。また、風速検出器４８を用いず、空調手段１４の室内ファン３８の風量を風速値として用いてもよい。また、輻射温度検出部５２を設けず、事前に測定した値を入力するようにしてもよい。
【００２１】
設定入力部２０は、例えば、空調装置１０の操作用リモコンなどに設けられる。これは、着衣量および作業量を入力できる着衣量・作業量入力部５８と後述する変動パターンを入力する変動パターン入力部６０を有している。着衣量は、被空調者の着衣量であり、「夏服」、「合服」、「冬服」の３段階で設定できる。ここで入力された着衣量は、衣服の熱抵抗を表すｃｌｏ値に変換される。一方、作業量は、被空調者の作業量を「軽」、「中」、「重」の３段階で設定でき、動作代謝率を表すｍｅｔ値に変換される。そして、入力された着衣量および作業量は、被空調者条件値として後述するＰＭＶ値算出部５４に出力され、記憶される。
【００２２】
変動パターン入力部６０では、図３に示すような空調の目標ＰＭＶ値の変動を表した変動パターンを入力、設定できる。入力された変動パターンは、主制御部１６の空調制御部５６に送られ、記憶される。なお、パターンそのものを入力しなくとも、このパターンを特定するためのパラメータ（周期、振幅など）のみを入力するようにしてもよい。その場合は、主制御部１６において、各パラメータに基づいて変動パターンを形成するようにすればよい。
【００２３】
主制御部１６は、ＰＭＶ値算出部５４と空調制御部５６から構成されている。ＰＭＶ値算出部５４は、センサ部１８および着衣量・作業量入力部５８から送られた温度、湿度、風速、輻射温度、着衣量、作業量の６項目に基づいてＰＭＶ値を算出する。
【００２４】
ここで、ＰＭＶ（ＰｒｅｄｉｃｔｅｄＭｅａｎＶｏｔｅ）とは、平均予想温冷感申告と訳され、快適性を評価する指標の一つである。現在では、ＩＳＯ−７７３０として国際規格化されている。
【００２５】
このＰＭＶ値は、温度、湿度、輻射温度、風速、着衣量および作業量を快適方程式と呼ばれる式に当てはめることにより算出できる。そして、ＰＭＶ値では、０を中立として、プラスになるほど暑く、マイナスになるほど寒いと評価される。
【００２６】
本実施の形態では、このＰＭＶ値に基づいて空調制御を行う。ＰＭＶ値を用いることにより、より被空調者の体感に近い制御が可能となり、消費エネルギーを抑えつつ、快適性を高めることが可能となる。
【００２７】
空調制御部５６では、この算出されたＰＭＶ値と変動パターンに基づき空調制御に必要な制御量を算出する。そして算出した制御量から必要な制御信号を空調手段１４のインバータ２４等に出力する。
【００２８】
次に、空調制御の目標ＰＭＶ値の変動を表す変動パターンについて図３を用いて説明する。
【００２９】
図３は、冷房時における変動パターンの一例である。変動パターン入力部６０で入力される変動パターンは、空調の目標ＰＭＶ値の変動を表したものであり、空調制御部５６は、この変動パターンから目標ＰＭＶ値を取得する。変動パターンは、２つの所定のＰＭＶ値ｕ１とｕ２との間を一定周期で変動するパターンである。快適ＰＭＶ値であるｕ２は、被空調者が快適と体感できる値であり、空調負荷が比較的高い値である。一方、省エネＰＭＶ値ｕ１は、快適ＰＭＶ値ｕ２より室外ＰＭＶ値に近い値で、空調負荷が比較的低いが被空調者にとって不快に近い値である。
【００３０】
この変動パターンでは、快適ＰＭＶ値ｕ２から省エネＰＭＶ値ｕ１へ徐々に変動させる第１変動と省エネＰＭＶ値ｕ１から快適ＰＭＶ値ｕ２へ急激に変動させる第２変動とを繰り返す。
【００３１】
目標ＰＭＶ値をこのように変動させることにより、被空調者の体感する快適領域を広げる、または、空調負荷の小さい方へ移動させることができる。すなわち、第１変動において、快適ＰＭＶ値ｕ２から省エネＰＭＶ値ｕ１に徐々に変動させることにより、被空調者を徐々に空調負荷の小さい環境（室外ＰＭＶ値に近い環境）に馴らすことができる。そのため、省エネＰＭＶ値ｕ１が本来であれば不快と体感するＰＭＶ値であっても、不快と認識しにくくなるのである。
【００３２】
また、省エネＰＭＶ値ｕ１から快適ＰＭＶ値ｕ２へ急激に変動させることにより、被空調者に快適感を印象付け、全体として快適な空調が施されていると認識させることができる。したがって、被空調者の快適感を損なうことなく、消費エネルギーを低減した空調を提供することができる。
【００３３】
このような変動パターンの各パラメータは、次の条件に基づいて決定される。
【００３４】
省エネＰＭＶ値ｕ１は、不快と感じる被空調者が全体の２割未満となるＰＭＶ値である。これは、ＡＮＳＩ／ＡＳＨＡＲＥ（アシュレー規格）において、規定されている快適環境範囲の限界値である。すなわち、ＡＮＳＩ／ＡＳＨＡＲＥでは、快適と呼ばれる環境は、不快と感じる人が多くても２割未満の環境であるとして定義されている。
【００３５】
快適ＰＭＶ値ｕ２は、被空調者に快適感を印象付けるために被空調者が第２変動を体感できる値である。また、消費エネルギーを抑えるためには、できるだけ省エネＰＭＶ値ｕ１に近い値であることが望ましい。そして、変動の傾きが急激であるほど、その変動は体感されやすいが、この傾きは空調手段１４の能力から一定の限界がある。したがって、快適ＰＭＶ値ｕ２は、空調手段１４の限界に近い傾きで急激に変動させたときに、被空調者がその変動を体感でき、かつ、最も省エネＰＭＶ値ｕ１に近い値となる。
【００３６】
第１変動時間ｔ１は、温度変動率が２．２［℃／時］以内であり、かつ、６０分以内という条件から決定される。これは、ＡＮＳＩ／ＡＳＨＡＲＥによって決められた快適性を保つための条件である。これによれば、快適性を保つためには、温度変動率が２．２［℃／時］であることが望ましい。また、被空調者には６０分以内に快適感を印象付けることが望ましい。したがって、この２つの条件を満たす範囲で第２変動時間ｔ２が決定される。
【００３７】
なお、本実施の形態では、より最適な変動パターンを得るために、各パラメータを上述の種々の条件から決定しているが、必ずしも、これらの条件に従う必要は無い。被空調者にとって快適な快適ＰＭＶ値とこの値より室外ＰＭＶ値に近い省エネＰＭＶ値との間を変動する変動パターンであって、快適ＰＭＶ値から省エネＰＭＶ値へ徐々に変動する第１変動と省エネＰＭＶ値から快適ＰＭＶ値へ急激に変動する第２変動とを繰り返す変動パターンであれば、各パラメータは、他の条件に基づいて決定されてもよい。
【００３８】
つぎに、このような制御装置１２での空調制御について説明する。
【００３９】
空調を施す場合、空調制御部５６は、入力された変動パターンから各時間の空調目標の目標ＰＭＶ値を取得する。また、ＰＭＶ値算出部５４から送られた室内ＰＭＶ値も取得する。空調制御部５６は、この２つのＰＭＶ値の差を算出し、この差から必要な制御量を算出する。本実施の形態では、得られたＰＭＶ値差から目標ＰＭＶ値に到達させるために必要な温度変化量を算出する。そして、その温度変化に必要な圧縮機２２の回転周波数を算出する。空調制御部５６は、この回転周波数をインバータ２４などに出力し、空調を制御する。そして、室内ＰＭＶ値が目標ＰＭＶ値になるようにする。
【００４０】
ここで、目標ＰＭＶ値は、上述した変動パターンをもって変動するものである。そのため、室内ＰＭＶ値が変動パターンと同じような変化になるように空調制御がなされさることになる。
【００４１】
以上、説明したように、本実施の形態では、目標ＰＭＶ値を省エネＰＭＶ値へ徐々に変動させるため、被空調者の快適と感じる範囲を広げる、または、空調負荷の小さいほうへ移動させることができる。また、目標ＰＭＶ値を省エネＰＭＶ値から快適ＰＭＶ値へ急激に変動させることにより、被空調者に快適感を印象付けることができる。そのため、被空調者の快適感を損ねることなく、より消費エネルギーを低減することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態においては、単に第１変動と第２変動を繰り返す変動パターンを用いたが、必要に応じて他のパターンと組み合わせた変動パターンを用いてもよい。例えば、オフィスなどに使用される場合には、図４に示すように出勤者が少ない早朝および残業時間、業務を行わない昼休みは、快適性を低くし、出勤者のピークとなる時間帯は快適感を印象付けるために快適性の高いＰＭＶ値となるような変動パターンを使用してもよい。
【００４３】
また、第１変動および第２変動は、直線である必要はなく、図５に示すように段階的に変化するものであっても良い。
【００４４】
また、本実施の形態では、ＰＭＶ値を用いたが、従来から多用されている温度のみを用いた空調制御でもよい。その場合は、温度で定義した変動パターンを用いればよい。
【００４５】
次に、他の実施の形態について図６、図７を用いて説明する。
【００４６】
図６は、この実施の形態における制御装置１２のブロック図であり、図７は、この実施の形態で使用される変動パターンである。
【００４７】
本実施の形態では、設定入力部２０に揺らぎ量入力部６２が、主制御部１６に揺らぎ補正部６４が設けられている。
【００４８】
揺らぎ量入力部６２には、後述する変動パターンに追加される揺らぎ量を入力する。ここで入力される揺らぎ量は、例えば、揺らぎを決定するための振幅、周期などの値である。入力された揺らぎ量は、揺らぎ補正部６４に送られる。この揺らぎ補正部６４には、変動パターン入力部６０で入力された基準の変動パターンも送られている。揺らぎ補正部６４では、基準の変動パターンと揺らぎ量に基づいて、図７に示すような揺らぎ補正後の変動パターンを形成する。
【００４９】
この補正後の変動パターンは、図７に示すように、所定の許容量ｗで揺らぎなら、省エネＰＭＶ値ｕ１と快適ＰＭＶ値ｕ２との間で変動する。ここで、許容量ｗは、温度変化に換算して、少なくとも１．１℃以下であることが望ましい。被空調者の快適感を損ねないためには短時間での変動幅は１．１℃以下であることが望ましいからである（ＡＮＳＩ／ＡＳＨＲＡＥ５５−９２）。
【００５０】
なお、揺らぎ量入力部６２、揺らぎ補正部６４を設けず、変動パターン入力部６０に補正後の変動パターン（図７）を直接入力するようにしてもよい。
【００５１】
このように、基準パターンに加えて、この所定の許容量で揺らぐ小変動があることにより、被空調者に対して、間欠的に温熱的刺激（体感変化）を与えることができる。一般に、人は、定期的に温熱的刺激を加えると快適感が持続しやすい。そのため、この小変動があることにより、被空調者の快適感をより長く持続させることができる。
【００５２】
次に、インバータを有しない空調装置の場合について説明する。
【００５３】
この空調装置１０では、圧縮機２２の周波数を変更するインバータが無いため、空調制御は、主に圧縮機２２のＯＮ／ＯＦＦ制御によって行われる。すなわち、目標ＰＭＶ値に達するまで圧縮機２２を稼動させ、室内ＰＭＶ値が目標ＰＭＶ値に到達すると圧縮機２２を停止させる。そして、室内ＰＭＶ値が所定のＰＭＶ値以上に目標ＰＭＶ値と離れたら、再び圧縮機２２を稼動させる。
【００５４】
このような空調装置１０においては、図８に示すような変動パターンを用いる。これは、省エネＰＭＶ値ｕ１と快適ＰＭＶ値ｕ２との間を変動するものであり、かつ、所定の許容量ｗが規定されている。制御装置１２は、室内ＰＭＶ値が許容量ｗを超えて室外ＰＭＶ値に近づけば（冷房時では、高くなれば）、圧縮機２２を稼動させて、冷房または暖房を行う。反対に室内ＰＭＶ値が許容量ｗを超えて過剰負荷側に移動すれば（冷房時では、低くなれば）、圧縮機２２を停止させて、冷房または暖房を停止する。
【００５５】
したがって、この場合の冷房時における室内ＰＭＶ値の変化と圧縮機２２の稼動状況、および室内ＰＭＶ値は図８に示すようになる。すなわち、室内ＰＭＶ値が許容量ｗを超えて高くなれば圧縮機２２が起動し、冷房が施される。そのため、室内ＰＭＶ値は、低下していく。そして、冷房が持続し、室内ＰＭＶ値が許容量ｗを超えて低くなると、圧縮機２２は停止される。冷房が止まるため、室内ＰＭＶ値は、次第に上昇していき、再び、許容量ｗを超える。許容量ｗを超えると再び圧縮機２２が起動される。このような動作を繰り返しながら、徐々に第１変動と第２変動とを繰り返す。つまり、本実施の形態において、室内ＰＭＶ値は、省エネＰＭＶ値ｕ１と快適ＰＭＶ値ｕ２との間を変動するとともに、所定の許容量ｗの幅で小変動するのである。
【００５６】
この許容量ｗは、圧縮機２２の機能的制約に基づいて定められる必要がある。すなわち、通常、圧縮機２２の起動、停止には圧縮機保護のために、条件が設けられている。例えば、圧縮機の起動後に最低限必要な稼動時間などが定められている。許容量ｗは、これらの圧縮機２２の機械的特性を考慮した値でなければならない。また、上述したように温度変化に換算して、少なくとも１．１℃以下であることが望ましい。
【００５７】
以上、説明したように、インバータ２４方式でない空調装置１０の場合でも、変動パターンを定義することにより、被空調者の快適感を損ねることなく、より消費エネルギーを低減することができる。また、許容量ｗを与えることにより、被空調者に対して、間欠的に温熱的刺激（体感変化）を与えることができ、被空調者の快適感をより長く持続させることができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、被空調者の快適感を損ねることなく、より消費エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である空調装置の概略構成図である。
【図２】制御装置のブロック図である。
【図３】冷房時における変動パターンの一例を示す図である。
【図４】他の実施の形態で使用される変動パターンを示す図である。
【図５】他の実施の形態で使用される変動パターンを示す図である。
【図６】他の実施の形態における制御装置のブロック図である。
【図７】他の実施の形態で使用される変動パターンを示す図である。
【図８】他の実施の形態で使用される変動パターンを示す図である。
【符号の説明】
１０空調装置、１２制御装置、１４空調手段、１６主制御部、１８センサ部、２０設定入力部、２２圧縮機、２４インバータ、５４ＰＭＶ値算出部、５６空調制御部、５８着衣量・作業量入力部、６０変動パターン入力部、６２揺らぎ量入力部、６４ゆらぎ補正部。

Claims

対象室内に空調を施す空調機器を制御する空調制御装置であって、
対象室内の快適度の指標である環境値を取得する室内環境値取得手段と、
所定の変動パターンをもって変動する目標環境値と取得された室内環境値とに基づいて空調機器を制御する制御手段と、
を有し、変動パターンは、
被空調者にとって快適な快適環境値とこれより室外環境値に近い省エネ環境値との間を変動するパターンであって、快適環境値から省エネ環境値へ徐々に変動する第１変動と省エネ環境値から快適環境値へ急激に変動する第２変動とを繰り返すパターンであることを特徴とする空調制御装置。
請求項１に記載の空調制御装置であって、
第２変動は、被空調者がその変動を体感できる所定の環境値差および速度での変動であることを特徴とする空調制御装置。
請求項１または２に記載の空調制御装置であって、
省エネ環境値は、不快と体感する被空調者が全被空調者の２割未満となる所定の値であることを特徴とする空調制御装置。
請求項１乃至３のいずれか１に記載の空調制御装置であって、
環境値取得手段は、
温度、湿度、輻射温度および気流速度である室内条件を取得する室内条件取得手段と、
着衣量および作業量である被空調者条件を設定できる被空調者条件設定手段と、
室内条件および被空調者条件に基づいてＰＭＶ値を算出するＰＭＶ算出手段と、
を有し、ＰＭＶ値を環境値として用いることを特徴とする空調制御装置。
請求項１乃至４のいずれか１に記載の空調制御装置であって、
第１変動の変動時間は、６０分以下であることを特徴とする空調制御装置。
請求項１乃至５のいずれか１に記載の空調制御装置であって、
変動パターンにおける温度変動率は、２．２℃／時間より小さいことを特徴とする空調制御装置。
請求項１乃至６のいずれか１に記載の空調制御装置であって、
第１変動は、所定の許容範囲で揺らぐ小波変動を有することを特徴とする空調制御装置。
請求項７に記載の空調制御装置であって、
小波変動の許容範囲は、少なくとも１．１℃より小さいことを特徴とする空調制御装置。
対象室内に空調を施す空調機器を制御する空調制御方法であって、
対象室内の快適度の指標である環境値を取得する室内環境値取得工程と、
所定の変動パターンをもって変動する目標環境値と取得された室内環境値とに基づいて空調機器を制御する制御工程と、
を有し、変動パターンは、
被空調者にとって快適な快適環境値とこの値より室外環境値に近い省エネ環境値との間を変動するパターンであって、快適環境値から省エネ環境値へ徐々に変動する第１変動と省エネ環境値から快適環境値へ急激に変動する第２変動とを繰り返すパターンであることを特徴とする空調制御方法。