JP6958314B2 - 全館空調システム - Google Patents

Description

本発明は、全館空調システムに関する。

全館空調システムは、新築だけでなく既築の建造物に対しても設置のし易さが求められている。全館空調システムを設置する際には、空調機やコントローラ，各部のダンパやセンサなど複数のユニットに対して、電源線や信号線を壁の内側等に渡して配線する必要があり、その手間がかかり工事費用もかかってしまう。

このような手間や費用を削減するには、電源線や信号線を無線化することが望ましい。例えば温度センサについては、電池を電源として、検出した温度情報を無線信号で間欠的に送信することが考えられる。この場合、温度情報を送信する間隔が短くなるほど、空調における温度制御の精度が高くなるが、その一方で消費電力が増加することになる。すると、電池のサイズを大きくする必要があり、センサユニットのサイズが大型化したり電池のコストがアップすることに繋がる。この問題を解決するには、通信を行う頻度を低下させても、温度制御の精度を維持できるように何らかの工夫をする必要がある。
特許文献１には、例えば空調制御の実行状態に基づいて、無線センサからの計測データの送信周期を変更する技術が開示されている。

特許第４６６８７７０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、空調制御の実行中においては計測データの送信周期が変更されない状態が継続するため、消費電力の削減効果に限界がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、空調制御の実行中に通信を行う頻度を低下させても、温度制御の精度を維持できる全館空調システムを提供することにある。

請求項１記載の全館空調システムによれば、空調制御部は、複数の区域に対して個別に空調可能な空調ユニットに対して、各区域それぞれの空調に関する制御内容を指示する。温度センサ部は、複数の区域にそれぞれ配置され、サンプリング周期毎に温度を検出すると共に温度変化の傾きの変化量を求める。そして、傾きの変化量が閾値を超えると、検出した温度及び温度変化の傾きを無線通信により送信する。温度予測部は、それらを受信すると、その受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、空調制御部に送信する。

このように構成すれば、温度センサ部は、対応する区域の温度が比較的大きく変化した場合にだけ温度予測部に対して温度等を送信するので、無線通信を行う頻度を低下させることができる。また温度予測部は、温度センサ部からの送信が行われない期間においても、既に受信した温度及び温度変化の傾きに基づいて、対応する区域の温度を予測した温度情報を空調制御部に送信できる。したがって、空調制御部は、その温度情報により各区域の空調ユニットに制御内容を指示できる。

そして、対応する区域の温度が大きく変化すれば、温度センサ部より温度等が送信されてそれらの情報が更新され、温度予測部は、更新された情報に基づいて新たに温度予測を行う。したがって、温度センサ部が無線通信を行う頻度を低下させても、空調制御の精度を低下させることなく維持できる。

請求項２記載の全館空調システムによれば、温度センサ部も、自身が求めた温度変化の傾きに基づいて出される温度を予測する。そして、実際に検出された温度と予測した温度との差が一定の範囲を超えると、その時点の温度変化の傾きを求めて検出した温度と共に無線通信により送信する。温度予測部は、請求項１と同様に、受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、空調制御部に送信する。

すなわち、温度センサ部は、温度予測部と同じ手法で温度予測を行うので、予測した温度と実際に検出された温度との差が大きくなれば、温度予測部が予測に使用している情報を更新する必要があることになる。そこで、温度センサ部がその場合に無線通信を行い、温度等の情報を温度予測部に送信すれば、温度予測部は適切なタイミングで予測に使用する情報を更新できる。したがって、温度センサ部が無線通信を行う頻度を低下させても、空調制御の精度を維持できる。

請求項３記載の全館空調システムによれば、温度センサ部は、サンプリング周期毎に温度を検出すると、予め記憶した複数の温度変化の予測式から選択したものを用いて検出される温度の予測を行う。予測式は、過去の温度変化の履歴から、その変化のパターンに適合するものを複数選択して用意しておく。

そして、温度センサ部は、実際に検出した温度と予測した温度との差が一定の範囲を超えると、別の温度予測式を再度選択して、検出した温度と使用している予測式の情報とを送信する。温度予測部は、それらを受信すると、受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測式を用いて予測し、温度情報として空調制御部に送信する。これにより、温度予測部は、適切な予測式を用いて温度を予測できる。

請求項４から７記載の全館空調システムによれば、予測式の１つとして、温度変化を、１次関数で近似した式（請求項４）,２次関数で近似した式（請求項５）,正弦関数で近似した式（請求項６）,温度が一定となる式（請求項７）をそれぞれ用いる。温度変化のパターンは、空調対象となる区域の広さや気密性に応じてある程度決まる。

例えば、気密性が高く狭い部屋では、温度変化の傾きは直線に近くなり、気密性が高く広い部屋では、温度変化の傾きは曲線に近くなる。また、気密性が低く広い部屋では、温度変化の傾きは正弦波に近くなり、気密性が低く狭い部屋では温度があまり変化しない。したがって、上述した各予測式を用いることで、それぞれの対象区域に応じた温度変化にある程度適合させることができる。

第１実施形態であり、空調制御部,温度予測部, 温度センサ部の間で行われる通信処理を示すシーケンス図 全館空調システムの構成を、要旨に係る部分について示す機能ブロック図 一般的な冷房における空調制御の一例を示す図 温度センサ部により行われる処理内容を示すフローチャート 温度予測部により行われる受信待ち受け処理を示すフローチャート 温度予測部により行われる温度予測処理を示すフローチャート 第２実施形態であり、空調制御部,温度予測部, 温度センサ部の間で行われる通信処理を示すシーケンス図 温度センサ部により行われる処理内容を示すフローチャート 第３実施形態であり、空調制御部,温度予測部, 温度センサ部の間で行われる通信処理を示すシーケンス図 温度センサ部により行われる処理内容を示すフローチャート 温度予測式の一例を示す図（その１） 温度予測式の一例を示す図（その２） 温度予測式の一例を示す図（その３） 温度予測式の一例を示す図（その４） 温度予測部により行われる受信待ち受け処理を示すフローチャート 温度予測部により行われる温度予測処理を示すフローチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図１から図６を参照して説明する。図２は、全館空調システムの構成を、要旨に係る部分について示す機能ブロック図である。尚、各構成要素間の接続は、電源系及び制御系又は通信系についてのみ示している。全館空調システムは、空調機１，空調制御部２及び温度予測部３等を備えている。この例では、３つの区域,例えば部屋を空調制御の対象としており、それぞれの部屋に対応して温度センサ部４（１）〜４（３）及びダンパ５（１）〜５（３）が配置されている。ダンパ５は空調ユニットに相当する。

空調機１及び空調制御部２には、ブレーカ及び電源線６を介して商用交流電源が供給されている。空調機１は熱サイクルを内蔵しており、その熱サイクルにより暖気又は冷気を生成する。生成された暖気又は冷気は、図示しないダクト及びダンパ５（１）〜５（３）を介して各部屋に供給される。空調制御部２は、制御線７を介して空調機１を制御する。

空調制御部２と温度予測部３とは、電源線８及び制御線９を介して接続されている。温度予測部３には、空調制御部２内の図示しない電源回路により生成された直流電源が動作用電源として供給される。そして、空調制御部２は、制御線９を介して温度予測部３と有線通信を行う。また、空調制御部２と画面１０とは、電源線１１及び制御線１２を介して接続されている。画面１０には、同じく上記直流電源が動作用電源として供給され、空調制御部２は、制御線１２介して画面１０にて行う空調制御に関する情報の表示を制御する。

温度予測部３は、ダンパコントローラとしての機能も備えており、温度予測部３とダンパ５とは、電源線１３及び制御線１４を介して接続されている。ダンパ５には、温度予測部３を介して上記直流電源が動作用電源として供給され、温度予測部３は、制御線１４を介してダンパ５の開閉を制御する。

温度センサ部４は、例えばサーミスタからなる温度センサとマイクロコンピュータとを備えており、電池駆動で動作する。温度センサ部４は、温度予測部３とは無線通信を行い、検出した部屋の温度等の情報を温度予測部３に送信する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図３は、一般的な冷房における空調制御の一例であり、縦軸の部屋の温度は華氏で示している。制御目標温度が８１．５°Ｆであり、冷房をＯＦＦしている間に部屋の温度がそこから例えば＋０．５°Ｆを超えると冷房をＯＮにしている。その時点から少し時間が経過すると、部屋の温度が低下し始め、制御目標温度から例えば−１°Ｆを下回ると冷房をＯＦＦにしている。

このようにして、空調制御中の部屋の温度は上昇と下降とを繰り返すが、温度変化の傾きは、空調をＯＮ，ＯＦＦしたタイミングの後に大きく変化する。それ以外は、ほぼ一定である。この傾向を踏まえて、本実施形態では以下のように制御を行う。

図１は、空調制御部２,温度予測部３, 温度センサ部４の間で行われる通信処理を示すシーケンスである。また、図４は温度センサ部４により行われる処理内容,図５及び図６は温度予測部３により行われる処理内容を示すフローチャートである。

図４に示すように、温度センサ部４は、ステップＳ１において１周期前の検出温度Ｔn-1及び温度変化の傾きΔＴn-1と、現周期の検出温度Ｔn及び温度変化の傾きΔＴnとを、それぞれ任意の値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに初期設定する。それから、部屋の温度をサンプリングするタイミングが到来するのを待つ（Ｓ２）。サンプリング周期は、例えば１分間程度である。サンプリングするタイミングになると、温度Ｔsampを検出して現在温度の変数Ｔnに代入する（Ｓ３）。それから、温度変化の傾きΔＴnを次式により算出する（Ｓ４）。
ΔＴn＝（Ｔn-1−Ｔn）／（サンプリング周期）

続いて、傾きΔＴnの変化量ΔΔＴを（ΔＴn-1−ΔＴn）で算出すると（Ｓ５）、変化量ΔΔＴが許容範囲内にあるか否かを、以下のように判断する（Ｓ６）。
α＜ΔΔＴ＜β
閾値α，βについても任意に定める。

変化量ΔΔＴが許容範囲内にあれば（ＹＥＳ）、温度の変数Ｔnを変数Ｔｎ-1に代入すると共に、傾きの変数ΔＴnをΔＴn-1に代入して（Ｓ８）ステップＳ２に戻る。一方、ステップＳ６において、変化量ΔΔＴが許容範囲外にあれば（ＮＯ）、現在の温度Ｔnと傾きΔＴnとを温度予測部３に送信してから（Ｓ７）ステップＳ８に移行する。

図５は、温度予測部３による受信待ち受け処理のフローチャートである。温度予測部３は、温度センサ部４からの温度Ｔn及び傾きΔＴnの受信待ちをしており（Ｓ１１）、それらを受信すると、温度Ｔnを変数Ｔに代入すると共に、傾きΔＴnを変数ΔＴに代入して（Ｓ１２）ステップＳ１１に戻る。

図６は、温度予測部３による温度予測処理のフローチャートである。温度予測部３は、ステップＳ１３において変数ＴとΔＴとを、それぞれ任意の値γ，δに初期設定する。それから、空調制御部２への送信時間待ちをする（Ｓ１４）。送信時間間隔は、例えば１分程度とする。送信時間になると、温度予測を以下の式で行う（Ｓ１５）。
Ｔ＝Ｔ＋ΔＴ
そして、予測した温度Ｔを空調制御部２に送信すると（Ｓ１６）ステップＳ１４に戻る。

以上のように処理を行う結果、温度センサ部４から温度予測部３への無線による送信は、温度変化の傾きが大きく変化したことでステップＳ７を実行するタイミングとなる。そして、温度予測部３は、温度センサ部４からの温度データの受信の有無にかかわらず、一定の周期，例えば１分間隔で温度情報Ｔを空調制御部２に送信する。それ受けて、空調制御部２も１分間隔で空調機１を制御する。空調機１は、各部屋の空調制御量を満たす能力を得るためにコンプレッサを駆動して熱サイクルを動作させる。空調制御部２は、各部屋の制御量に応じた指令を温度予測部３に伝達し、温度予測部３は、各部屋のダンパ５の開度を制御する。

以上のように本実施形態によれば、空調制御部２は、複数の区域に対して個別に空調可能なダンパ５に対して、各区域それぞれの空調に関する制御内容を指示する。温度センサ部４は、複数の区域にそれぞれ配置され、サンプリング周期毎に温度Ｔsampを検出すると共に温度変化の傾きΔＴnの変化量ΔΔＴを求める。そして、傾きの変化量ΔΔＴが許容範囲を超えると、検出した温度Ｔn及び温度変化の傾きΔＴnを無線通信により送信する。温度予測部３は、それらを受信すると、その受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、空調制御部２に送信する。

このように構成すれば、温度センサ部４は、対応する区域の温度が比較的大きく変化した場合にだけ温度予測部３に対して温度等を送信するので、無線通信を行う頻度を低下させることができる。また温度予測部３は、温度センサ部４からの送信が行われない期間においても、既に受信した温度及び温度変化の傾きに基づいて、対応する区域の温度を予測した温度情報Ｔを空調制御部２に送信できる。したがって、空調制御部２は、その温度情報により各区域の空調ユニットに制御内容を指示できる。

そして、対応する区域の温度が大きく変化すれば、温度センサ部４より温度等が送信されてそれらの情報が更新され、温度予測部３は、更新された情報に基づいて新たに温度予測を行う。したがって、温度センサ部４が無線通信を行う頻度を低下させても、空調制御の精度を低下させることなく維持できる。
（第２実施形態）

以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図７に示すように、第２実施形態の温度センサ部２１は、温度予測部３と同様に自身も温度予測を行う。図８に示すように、ステップＳ１に替わるステップＳ２１において、温度センサ部２１は、予測温度Ｔp及び予測温度変化の傾きΔＴpと、現周期の検出温度Ｔn及び温度変化の傾きΔＴnと、１周期前の予測温度Ｔp-1とを、それぞれ任意の値Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅに初期設定する。それから、ステップＳ２及びＳ３を実行すると、温度変化の傾きΔＴnを用いて次式により温度予測を行う（Ｓ２２）。
Ｔp＝Ｔp-1＋ΔＴn

次に、予測温度Ｔpと、ステップＳ３で検出した温度Ｔnとの差ΔＴpnを求める（Ｓ２３）。
ΔＴpn＝Ｔp−Ｔn
そして、温度差ΔＴpnが許容範囲内にあるか否かを、以下のように判断する（Ｓ２４）。
α＜ΔＴpn＜β
これらの閾値α，βについても任意に定める。温度差ΔＴpnが許容範囲内にあれば（ＹＥＳ）、予測温度の変数Ｔｐを変数Ｔｐ-1に代入して（Ｓ２５）ステップＳ２に戻る。

一方、ステップＳ２４において温度差ΔＴpnが許容範囲外にあれば（ＮＯ）、ステップＳ４，Ｓ７を実行してからステップＳ２５に移行する。尚、温度予測部３が行う処理内容は第２実施形態と同じである。

以上のように第２実施形態によれば、温度センサ部２１も、自身が求めた温度変化の傾きΔＴnに基づいて検出される温度を予測する。そして、実際に検出された温度Ｔnと予測した温度Ｔｐとの差ΔＴpnが一定の範囲を超えると、その時点の温度変化の傾きΔＴnを求めて検出した温度Ｔnと共に無線通信により送信する。温度予測部３は、第１実施形態と同様に、受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、空調制御部２に送信する。

すなわち、予測した温度Ｔｐと実際に検出された温度Ｔnとの差が大きくなれば、温度予測部３が予測に使用している情報を更新する必要があることになる。そこで、温度センサ部２１がその場合に無線通信を行い、温度等の情報Ｔn，ΔＴnを温度予測部３に送信すれば、温度予測部３は適切なタイミングで予測に使用する情報を更新できる。したがって、温度センサ部２１が無線通信を行う頻度を低下させても、空調制御の精度を維持できる。
（第３実施形態）

図９に示すように、第３実施形態の温度センサ部３１は、第２実施形態のように温度予測を行う際に使用する、過去の温度変化の特性に適合するように選択された複数の予測式を予め記憶している。そして、それらを適宜選択して温度予測を行う。図１０に示すように、温度センサ部３１は、最初のステップＳ３１でステップＳ２１と同様に初期設定を行うが、第３実施形態では変数ΔＴn，Ｔp-1は使用しない。それから、第２実施形態と同様にステップＳ２及びＳ３を実行すると、予測式Ｆ（ｔ）を用いて温度予測を行う（Ｓ３２）。

図１１から図１４には、使用する予測式の一例を示している。図１１に示すのは２次関数を用いたもので、気密性が比較的高く、比較的広い部屋に適合する温度変化パターンであり、は以下のようになる。
Ｔp＝Ａｘ²＋Ｂｘ＋Ｃ …（１）

図１２に示すのは１次関数を用いたもので、気密性が比較的高く、比較的狭い部屋に適合する温度変化パターンであり、温度が上昇する過程の予測式は以下のようになる。
Ｔp＝Ａｘ＋Ｃ …（２）

図１３に示すのは正弦関数を用いたもので、気密性が比較的低く、比較的広い部屋に適合する温度変化パターンであり、予測式は以下のようになる。
Ｔp＝Ａｓｉｎ（Ｂθ）＋Ｃ …（３）

図１４に示すのは、気密性が比較的低く、比較的狭い部屋に適合するもので温度が変化しないパターンであり、予測式は以下のようになる。
Ｔp＝Ｃ …（４）
尚、係数Ａ，Ｂ，Ｃは、各予測式毎に設定される値である。

再び、図１０を参照する。第２実施形態と同様にステップＳ２３及びＳ２４を実行し、温度差ΔＴpnが許容範囲内にあれば（ＹＥＳ）ステップＳ２に戻る。温度差ΔＴpnが許容範囲外にあれば（ＮＯ）、ステップＳ３２で用いた予測式とは異なる予測式Ｆ（ｔ）を選択し、選択した予測式に対応する係数Ａ，Ｂ，Ｃを決定する（Ｓ３３）。それから、温度Ｔｎと、選択した予測式を特定する番号と、対応する係数とを温度予測部３２に送信すると（Ｓ３４）ステップＳ２に戻る。

ここで、ステップＳ３２で最初に使用する予測式Ｆ（ｔ）は、上述した４つの何れでも良い。また、ステップＳ３３で次に選択する予測式Ｆ（ｔ）も、その他の何れでも良い。例えば、最初に（１）式を選択し、以降（２）→（３）→（４）→…の順で選択しても良い。また、経験的に、（２）式が適合する部屋が多いと判断した際には、最初に（２）式を選択しても良い。

図１５に示すように、温度予測部３２は、ステップＳ１１において温度センサ部３１から温度Ｔn等を受信すると、「温度変数Ｔ」，「予測式Ｎｏ．」，「予測式係数Ａ，Ｂ，Ｃ」に、それぞれ受信したデータを設定する（Ｓ４１）。それから、「予測式Ｎｏ．」を対応する予測式Ｆ（ｔ）に変換すると（Ｓ４２）、「変数Ｔ」から予測式Ｆ（ｔ）の現在時間ｔを決定する（Ｓ４３）。

図１６に示す温度予測処理では、温度予測部３２は、「時間変数ｔ」，「予測式Ｎｏ．」，「予測式係数Ａ，Ｂ，Ｃ」を、それぞれ任意の値γ，δ，ζ，η，ωに初期設定する（Ｓ４４）。それから、ステップＳ１４で送信タイミング待ちをし、送信タイミングになると予測式Ｆ（ｔ）を用いて温度予測を行う（Ｓ４５）。それから、ステップＳ１６を実行する。

以上のように第３実施形態によれば、温度センサ部３１は、サンプリング周期毎に温度を検出すると、予め記憶した複数の温度変化の予測式Ｆ（ｔ）から選択したものを用いて温度の予測を行う。そして、実際に検出した温度Ｔnと予測した温度Ｔpとの差ΔＴpnが一定の範囲を超えると、別の温度予測式Ｆ（ｔ）を再度選択して、検出した温度Ｔnと使用している予測式Ｆ（ｔ）の情報とを送信する。

温度予測部３２は、それらを受信すると、受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測式Ｆ（ｔ）を用いて予測し、温度情報として空調制御部２に送信する。これにより、温度予測部３２は、適切な予測式を用いて温度を予測できる。この場合、予測式として例えば（１）〜（４）式を用いることで、空調対象となる区域の広さや気密性に応じて、それぞれに適合する予測式によって温度を適切に予測できる。

本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
予測式は例示したものに限ることはなく、より複雑な関数を用いて予測しても良い。
また、予測式を３つ以下，又は５つ以上使用しても良い。
空調制御の対象とする区域は、「２」又は「４」以上でも良い。

図面中、１は空調機、２は空調制御部、３は温度予測部、４は温度センサ部、５はダンパを示す。

Claims (7)

1. 複数の区域に対して個別に空調可能な空調ユニットと、
   この空調ユニットに対して、前記複数の区域それぞれの空調に関する制御内容を指示する空調制御部と、
   前記複数の区域にそれぞれ配置され、サンプリング周期毎に温度を検出すると共に温度変化の傾きの変化量を求め、前記変化量の大きさが許容範囲を超えると、検出した温度及び温度変化の傾きを無線通信により送信する温度センサ部と、
   前記温度及び温度変化の傾きを受信すると、その受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、前記空調制御部に送信する温度予測部とを備える全館空調システム。
2. 複数の区域に対して個別に空調可能な空調ユニットと、
   この空調ユニットに対して、前記複数の区域それぞれの空調に関する制御内容を指示する空調制御部と、
   前記複数の区域にそれぞれ配置され、サンプリング周期毎に温度を検出すると共に温度変化の傾きを求め、前記傾きに基づいて検出される温度を予測し、実際に検出した温度と予測した温度との差が一定の範囲を超えると、その時点の温度変化の傾きを求めて検出した温度と共に無線通信により送信する温度センサ部と、
   前記温度及び温度変化の傾きを受信すると、その受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を予測した温度情報を生成し、前記空調制御部に送信する温度予測部とを備える全館空調システム。
3. 複数の区域に対して個別に空調可能な空調ユニットと、
   この空調ユニットに対して、前記複数の区域それぞれの空調に関する制御内容を指示する空調制御部と、
   前記複数の区域にそれぞれ配置され、サンプリング周期毎に温度を検出し、予め記憶した複数の温度変化の予測式から選択したものを用いて、検出される温度の予測を行い、実際に検出した温度と予測した温度との差が一定の範囲を超えると、別の温度予測式を再度選択して、検出した温度と使用している予測式の情報とを送信し、
   前記温度及び予測式の情報を受信すると、その受信時点以降の経過時間に応じた各区域の温度を、前記予測式を用いて予測した温度情報を生成し、前記空調制御部に送信する温度予測部とを備える全館空調システム。
4. 前記予測式の１つとして、温度変化を１次関数で近似した式を用いる請求項３記載の全館空調システム。
5. 前記予測式の１つとして、温度変化を２次関数で近似した式を用いる請求項３又は４記載の全館空調システム。
6. 前記予測式の１つとして、温度変化を正弦関数で近似した式を用いる請求項３から５の何れか一項に記載の全館空調システム。
7. 前記予測式の１つとして、温度が一定となる式を用いる請求項３から６の何れか一項に記載の全館空調システム。

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