JAIST Repository: 住宅における温熱環境シミュレータの開発と評価実験

Japan Advanced Institute of Science and Technology

JAIST Repository

https://dspace.jaist.ac.jp/

Title

住宅における温熱環境シミュレータの開発と評価実験

Author(s)

グェン, ホアイソン; 牧野, 義樹; リム, アズマン オ

スマン; 丹, 康雄; 篠田, 陽一

Citation

電子情報通信学会技術研究報告. IN, 情報ネットワー

ク, 112(4): 31-36

Issue Date

2012-04-05

Type

Journal Article

Text version

publisher

URL

http://hdl.handle.net/10119/11584

Rights

Copyright (C) 2012 The Institute of Electronics,

Information and Communication Engineers (IEICE).

グェン ホアイソン, 牧野 義樹, リム アズマン オス

マン, 丹 康雄, 篠田 陽一, 電子情報通信学会技術研

究報告. IN, 情報ネットワーク, 112(4), 2012,

31-36.

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一般社団法人 電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS， INFORMATI ON A1叩 COMMUNICATIONENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report IN2012-7(2012-04)

住宅における温熱環境シミュレータの開発と評価実験

グ ェ ン ホ ア イ ソ ン

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牧 野 義 樹

T

リ ム ア ズ マ ン オ ス マ ン

T

丹 康 雄

T

篠 田 陽

_ t T北 陸 先 端 科 学 技 術 大 学 院 大 学 〒 923-1292石川県能美市旭台 1-1

1ハノイ国家大学技術大学 144 Xuan Thuy

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E-mail: {hsnguyen

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p あらまし 空調システムは快適な環境を作り出す一方、住宅エネルギー消費の大きな部分を占めている。住宅に おける省エネルギーを実現するために温熱環境を含んだ空調システムの挙動をサイバーフィジカルシステムとして 総合的に理解することが重要である。我々は住宅における温熱環境のシミュレータの開発をすると共にシミュレー ションの精度向上のためのパラメータ同定を行い、 実験結果の妥当性を実環境の計測データを比較することで検 証してきた。本稿では開発したシミュレータの詳細を述べた上でシミュレーション結果と実験結果との比較を行う。 キ ー ワ ー ド 温熱環境、空調システム、サイバーフィジカルシステム

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Houses

Hoaison NGUYEN t t Yoshiki MAKINO t Azman Osman LIM t Yasuo TAN t and Y oichi SHINODA t t Japan Advanced Institute of Science and Technology 1-1 Asahidai

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923-1292 Japan

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ac.jp Abstract Air conditional system can bring to us a comfortable environment， but it also consumes a large portion of electrical energy. To realize energy savings

，

it is essential to understand the behavior of air conditional system as cyber physical system， which inc1udes both thermal environment and air conditional system. In this research， we implement a thermal simulator for houses and perform system identification to estimate system parameters. We evaluate the correctness of our simulator by conducting experiment and comparing experiment results with simulation results.

Keyword Thermal environment

，

Air conditional system

，

Cyber physical system

備

1.はじめに

に 室 内 外 温 湿 度 に 影 響 を 受 け る 。 ま た 、 空 調 シ ス テ ム の 駆 動 で 室 内 の 混 湿 度 が 変 化 し て 行 く 。 近 年 実 環 境 と サ イ バ ー 空 間 を 融 合 す る い わ ゆ る サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム が 注 目 さ れ 、 z研 究 が 活 発 に 行 わ れ て い る [12-14]0温 熱 環 境 の 情 報 を 住 宅 に 設 定 さ れ る セ ン サ ー で 取 得 し 、 取 得 し た 情 報 を エ ネ ル ギ ー サ ー ピ ス プ ロ パ イ ダ に 送 り 、 温 熱 環 境 の 振 る 舞 い を 予 測 し 、 そ れ に 基 づ い て 空 調 シ ス テ ム の コ ス ト パ フ ォ ー マ ン ス を 最 適 化 す る と い う よ う な サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム が 考 え られる。 空 調 シ ス テ ム は 室 内 の 温 度 を 適 切 に 調 節 す る こ と に よ っ て 外 部 環 境 の 気 温 の 高 低 に 関 係 な く 我 々 に 快 適 な 環 境 を も た ら す こ と が で き る 。 そ の た め に 電 力 を 消 費 し 、 住 宅 エ ネ ル ギ ー 消 費 の 大 き な 部 分 を 占 め て い る 。 住 宅 に お け る 省 エ ネ ル ギ ー を 実 現 す る た め に モ デ ル 予 想 制 御 や ニ ュ ー ラ ル ネ ッ ト ワ ー ク 、 フ ァ ジ イ ロ ジ ッ ク な ど と い っ た 空 調 シ ス テ ム の 最 適 制 御 に 関 す る 研 究 [1

-

4

]

が 盛 ん に 行 っ て い る 。 ま た 、 ホ ー ム ネ ッ ト ワ ー ク に よ る 家 電 の 状 態 把 握 及 び 制 御 に よ り 省 エ ネ ル ギ ー の 実 現 を 図 る シ ス テ ム と し て HEMS (Home Energy Management System)が 開 発 さ れ つ つ あ り 、 注 目 を 集 め ている [5]。 こ れ ら の シ ス テ ム を 対 象 と し て 性 能 評 価 や 利 用 環 境 で の 機 能 検 証 を 行 う 需 要 が 高 ま っ て い る 。 空 調 シ ス テ ム の 消 費 電 力 は 変 化 が 激 し い 温 熱 環 境 に 大 き く 依 存 す る 。 空 調 シ ス テ ム へ の 熱 負 荷 は 室 内 外 の 温 度 差 に よ る 熱 伝 達 や 日 射 熱 取 得 な ど に よ っ て 決 め ら れ 、 ル ー ム エ ア コ ン の COP(成績係数)は負荷率の他 聞 3 1-従 っ て 、 空 調 シ ス テ ム やHEMSシ ス テ ム の 有 用 性 を 検 証 す る た め に は 空 調 シ ス テ ム の 挙 動 を 温 熱 環 境 も 含 め て 総 合 的 に 検 証 . 評 価 す る 必 要 が あ る 。 ま た 、 空 調 シ ス テ ム を サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム と し て 実 現 す る た め に 温 熱 環 境 の 振 る 舞 い を 理 解 し な け れ ば な ら な い 。 こ れ ら の 評 価 は 実 証 実 験 ま た は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り 実 施 さ れ る こ と が 一 般 的 で あ る 。 し か し 、 実 証 実 験 を 行 う た め に は 検 証 シ ス テ ム の 実 装 が 必 須 で あ り 、 This article is a technical report without peer review， and its polished and/or extended version may be published elsewhere. Copyright(Cj2012 by IEICE

開 発 の 早 い 段 階 で の 検 証 が 難 し い 。 一 方 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う 場 合 、 実 環 境 に 近 い 温 熱 環 境 で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う こ と が 難 し い 。 今 ま で 空 調 シ ス テ ム の シ ミ ュ レ ー タ は 多 数 開 発 さ れ て い る [6，7，8]。 し か し 、 こ れ ら の シ ミ ュ レ ー タ は 日 射 や 風 速 な ど と い っ た 天 候 情 報 の 細 か い パ ラ メ ー タ を 取 り 入 れ て い な い 。 ま た 、 温 熱 環 境 の セ ン サ ー 情 報 を 取 得 し 、 サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム と し て 制 御 を 行 う と い う よ う な シ ス テ ム の 検 証 が 無 い 。 本 研 究 で は 実 際 の プ レ ハ ブ 住 宅 を 温 熱 環 境 と し て モ デ ル 化 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 い 、 実 環 境 に 近 い 条 件 の 下 で 空 調 シ ス テ ム の 挙 動 を 評 価 す る 。 さ ら に 、 温 熱 シ ミ ュ レ ー タ を 用 い て サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム の 実 現 に 必 要 な 温 熱 環 境 の 振 る 舞 い の 予 測 を 検 討 し 、 そ の 予 測 の 精 度 を 評 価 す る 。 そ の 実 現 を 向 け て 、 ま ず 外 気 温 湿 度 、 風 速 、 日 射 時 間 な ど と い っ た 外 部 環 境 の 情 報 を セ ン サ ー で 取 得 し 、 こ れ ら を 入 力 と し て 与 え た 時 に 、 室 内 の 温 度 を 計 算 す る シ ミ ュ レ ー タ の 設 計 及 び 実 装 を 行 っ た 。 さ ら に 、 建 物 の 温 熱 特 性 に 関 す る 各 未 定 パ ラ メ ー タ を 推 定 す る た め に 、 実 環 境 で 測 定 可 能 な パ ラ メ ー タ の 計 測 を 行 い 、 計 測 し た 結 果 を シ ミ ュ レ ー タ に 入 力 さ せ 、 シ ス テ ム 同 定 を 行 う 。 そ し て 、 シ ス テ ム 伺 定 後 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 と 計 測 実 験 結 果 を 比 較 し 、 誤 差 を 求 め て シ ミ ュ レ ー タ を 評 価 す る 。 ま た 、 ル ー ム エ ア コ ン を 実 際 に 駆 動 さ せ 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 と 実 験 結 果 を 比 較 し 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 精 度 を 高 める。 本 レ ポ ー ト で は ま ず 熱 負 荷 計 算 モ デ ル を 述 べ て か ら シ ミ ュ レ ー タ の 構 成 と 実 験 環 境 及 び 実 験 結 果 を 記 述 する。

2

.

シ ミ ュ レ } シ ョ ン と 評 価 実 験 の 対 象 次 世 代 の ホ ー ム ネ ッ ト ワ ー ク で は 、 住 宅 内 の 情 報 家 電 、 セ ン サ ー に よ り 状 況 を 認 識 . 予 測 し 、 状 況 に 最 適 な サ ー ビ ス を 提 供 す る ( 図 1)。本研究で我々は省エネ ル ギ ー を 実 現 す る た め に 、 セ ン サ ー か ら 受 け 取 っ た 温 熱 環 境 に 関 す る 情 報 が ホ ー ム ゲ ー ト ウ ェ イ を 経 由 し 、 サ ー ビ ス プ ロ パ イ ダ ー に 送 信 さ れ 、 そ こ で デ ー タ 解 析 を 行 い 、 そ の 解 析 結 果 に 基 づ い て 、 空 調 シ ス テ ム へ の 適 切 な 制 御 を 行 う よ う な サ イ バ ー フ ィ ジ カ ル シ ス テ ム を想定する。 こ う い う シ ス テ ム を 実 現 す る た め に 、 温 熱 環 境 の 振 る 舞 い を 理 解 し な け れ ば な ら な い 。 そ れ で 、 本 研 究 で

我 々 は TANS2(Testbed for Ambient Network System 2)

と 呼 ん で い る プ レ ハ ブ 住 宅 ( 図 2) を 対 象 と し て モ デ ル 化 し 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 及 び 評 価 実 験 を 行 っ た 。 図 1 . 次

i

佐 代 ホ … ム ネ ッ ト ワ … ク TANS2は 石 川 県 能 美 市 に 位 置 し 、 表1に 示 さ れ る よ う に 軽 量 鉄 骨 造 の 建 物 で あ り 、 ホ ー ム ネ ッ ト ワ ー ク の 実 験 に 行 う こ と を 目 的 と す る 実 験 室 で あ る 。 TANS2 には ECHONET ゲ ー ト ウ ェ イ と ECHONET対 応 エ ア コ ン 、 電 力 計 及 び 各 セ ン サ ー が 設 置 さ れ 、 室 内 の 状 態 を 計 測 し な が ら 家 電 の 制 御 を 行 う こ と が 可 能 で あ る 。 さ らに、 TANS2の 周 辺 に 太 陽 電 池 式 日 照 計 、 気 温 計 、 湿 度 計 及 び 風 速 計 が 配 置 さ れ 、 外 部 環 境 情 報 を 計 測 す る ことができる。

争

壁 3.862m x 2.400mx2，960m 軽 量 鉄 骨 造 ウ レ タ ン フ ォ ー ム ( 厚 さ :40mm) ガノレバリウム鉄版(厚さ:O.35mm) 普 通 後 層 ガ ラ ス ( 空 気 層 :12mm) ガノレバリウム鉄版(厚さ:O.5mm) ポ リ エ チ レ ン フ ォ ー ム ( 厚 さ :40mm) ウ レ タ ン フ ォ ー ム ( 厚 さ 25mm 窓 屋 根 天 井

命

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図 2.'1'.r.¥詩的の;概薬臨

3

.

熱 負 荷 計 算 モ デ ル

熱 伝 導 方 程 式 は 以 下 の 式 で 表 す 。 温 度 の 分 布 を 求 め る に は こ の 方 程 式 を 解 く 必 要 が あ る が 複 雑 な 計 算 が 必 要である。ここで、 αは熱拡散率である。 T a qh w v

α

⋮ ⋮ 町 一 計 4E 、 . ， ノ E A 〆 ， ‘ ‘ 、 本 シ ミ ュ レ ー タ で は 簡 単 の た め に 室 内 の 温 度 を 一

-32-e

•

様 に 分 布 す る と 仮 定 し 、 以 下 の 熱 平 衡 式 を 用 い て 計 算 する。 C v Z = Q i 7 1 - Q o M ( 2 ) Qinは 室 内 に 流 入 す る 熱 量 で あ り 、 Qoutは 室 内 か ら 流 出する熱量である。 QinとQoutは 以 下 の よ う な 要 素 が 含まれる。 熱 伝 達 に よ る 熱 量 日 射 取 得 熱 量 空 調 供 給 熱 量 室 内 の 電 気 機 器 に よ る 発 熱 量 3.1.熱伝達 TANS2 の 躍 が 軽 量 の 薄 壁 の た め 両 側 の 温 度 変 化 に 対 し て そ の 差 に 比 例 す る 熱 流 が 常 時 起 こ る も の と 仮 定 するO 熱 伝 達 に よ る 熱 量 は 以 下 の 式 で 室 内 外 の 温 度 差 及 び 壁 や 窓 の 熱 貫 流 率 と 面 積 に よ っ て 計 算 さ れ る 。

Q

= U.A.l:l

t

(3) U(W/m2K)は 熱 貫 流 率 で あ り 、 室 内 外 の 温 度 差 を 1

o

c

と し た 場 合 に 、 単 位 面 積 当 た り の 1秒 間 で 壁 体 を 通 る 熱量である。 A は壁の面積であり、 L1Tは 室 内 外 の 温 度差である。 熱 貫 流 率 は 壁 や 窓 の 材 料 の 熱 抵 抗 と 厚 さ に よ っ て 決まる。 U = 1 J ( W / 7 7 1 2 K ) ( 4 ) Ri

十九+2:芋

+ R

。

/~k Ri: 室 内 側 表 面 熱 伝 達 抵 抗 (m2K/W) Ra:外 気 層 の 熱 抵 抗 (m2_K/W) dk:第k層 の 材 料 厚 さ (m) λk:第k層 の 材 料 の 熱 伝 導 率 (W/mK) Ro:外 気 側 表 面 熱 伝 達 抵 抗 (m2_K/W) 外 気 側 表 面 熱 伝 達 は 対 流 熱 伝 達 と 放 射 熱 伝 達 と い う 二 つ の 要 素 か ら 成 り 立 っ て い る 。 対 流 熱 伝 達 率 は 風 速 の 一 次 元 関 数 ま た は 指 数 関 数 と し て 計 算 さ れ る こ と が 多 い 。 本 シ ミ ュ レ ー タ で は 以 下 の 近 似 式 で 対 流 熱 伝 達 率 を 計 算 す る[9]。 建 物 水 平 屋 根 面 の 場 合

h

=

3

.

9

6

U

+

6.42

(W

jm2

_K

₎

₍

₅

_α) 建 物 垂 直 面 の 場 合 h = 10.21U

+

4.47(W jm2_{K) (5b)} ま た 、 放 射 熱 伝 達 率 は 壁 体 の 外 表 面 温 度 の 関 数 で あ る 。 外 表 面 温 度 を 求 め る た め に 外 表 面 で の 熱 平 衡 式 を 解く必要がある。 3.2.日 射 取 得 日 射 は 住 宅 の 温 熱 環 境 に 大 き な 影 響 を 与 え る が 、 日 射 量 を 直 接 的 に 測 定 で き る の は 基 本 的 に 気 象 台 の み に 限 ら れ る 。 そ こ で 、 よ り 測 定 し や す い 日 照 時 間 か ら 全 同 33-天 日 射 量 日 射 量 を 推 定 す る 方 法 が い く つ か 提 案 さ れ て いる。 本 研 究 で は 日 照 時 聞 か ら 水 平 面 全 天 日 射 量 を 推 定 す る 方 法 と し て 二 宮 ら が 提 案 し た 手 法 [10]を採用した。 こ の 手 法 は 時 刻 別 日 照 率 SDhが0の場合と 1の 場 合 に 時 刻 別 日 射 量 と 大 気 外 水 平 面 白 射 量 の 関 係 を 求 め 、 任 意 の 日 照 率 SDhに 対 す る 水 平 面 全 天 日 射 量 THhを 次 式 で推定する。 THh=THh，SDh=o(1-SDh)チTHh，SD=lSDh (6) THh，SDh=uは 時 刻 別 日 照 率 SDhが 0の 時 の 水 平 面 全 天 日射量であり、 THh.SDh=lは 時 刻 別 日 照 率 SDhが 1の 時 の 水 平 面 全 天 日 射 量 で あ る 。 THh，SDh=O及 びTHh.SDh=lは 大 気 外 水 平 面 日 射 量 及 び 太 陽 高 度 と そ の 日 の 天 気 や 日 照 率 に よ っ て 推 定 で き る 。 大 気 外 水 平 面 白 射 量 は 太 陽 定 数 と 太 陽 角 度 か ら 計 算 で きる [11]。また、日照率は 10分単位で計算する。 日 射 熱 量 を 算 出 す る た め に は 、 寵 達 日 射 最 と 天 空 日 射 量 が 必 要 と な り 、 全 天 日 射 量 か ら 直 達 . 拡 散 日 射 を 推 定 す る い わ ゆ る 直 散 分 離 手 法 が 一 般 的 に 使 わ れ る 。 全 天 日 射 量 か ら 天 空 日 射 量 を 推 定 す る た め に 、 Reindl ら が 提 案 し た 直 散 分 離 手 法 [12 ]を採用する。この手法 は 水 平 面 天 空 日 射 量 THdと 水 平 面 全 天 日 射 量TH_hとの 比 を 晴 天 指 数 (Clearnesslndex)、太陽高度、大気温度、 相 対 湿 度 と い っ た パ ラ メ ー タ か ら 推 定 で き る 。 ま た 、 法 線 面 宜 接 日 射 量 THbは 以 下 の 式 で 計 算 で き る 。 hは 太陽高度である。 THb

=

(THh -THd)jsin(h) (7 ) 水 平 面 天 空 日 射 量 と 法 線 面 直 接 日 射 量 を 用 い て 、 建 物 の ガ ラ ス 窓 に 入 射 す る 日 射 熱 量 を 計 算 で き る 。 さ ら に 、 壁 や 窓 が 日 射 熱 を 吸 収 す る ご と に よ っ て 、 外 表 面 温 度 が 外 気 温 度 よ り 高 い 。 外 表 面 に お い て 流 入 す る 熱 量 と 流 出 す る 熱 量 が 平 衡 す る と 仮 定 す る と 日 射 相 当 外 気 温 度 を 以 下 の 式 で 求 め る 。 九=九十手(THb

+

TH_d)

一

手

IL .(8) UQ uo ω :壁 や ガ ラ ス 窓 の 日 射 吸 収 係 数 α 外 気 側 表 面 の 日 射 吸 収 率

h:

放 射 量 α。:対流熱伝達率 3.3.空 調 シ ス テ ム の モ デ ル 化 本 研 究 で は TANS2 に 設 置 し で あ る ル ー ム エ ア コ ン の 動 作 を モ デ ル 化 し 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う 必 要 が あ る 。 し か し 、 そ の ル ー ム エ ア コ ン の 内 部 論 理 制 御 が な い た め 、 ル ー ム エ ア コ ン の 実 際 の 動 作 に 基 づ い て 簡 な モ デ ル を 作 り 、 そ の モ デ ル と 実 際 に 駆 動 す る ル ー ム エ ア コ ン の 動 作 と 比 較 す る 。 図 3は 今 回 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で 用 い る ル ー ム エ ア コ ン の 暖 房 モ ー ド の モ デ ル を 表 す 。 こ の モ デ ル は 6

つ の 状 態 が あ り 、 室 内 温 度 と 設 定 温 度 、 そ し て 過 去 の 室 内 温 度 の 関 係 で 状 態 が 遷 移 す る 。 ま た 、 各 状 態 に は 異なる

cop

( 成 績 係 数 ) が 設 け ら れ 、 室 内 外 の 温 度 に よってその値が変わる。 s 卸釧 M 山明川帆仙サ悦k帥悦:ch附 側 o伽n=l幻 …a町 叩 ，rmU均Ip 〆 」 訓 P何owe町f刊 =0 !...一九t旦:三三t仁悦……“……d一…w……町一…一m司弘 p仰ow附er戸=R川刷*勺(t吋-引tt， 〆

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句 崎 弘 、 -.'On = 0 ア On;;冶 、 ¥ 白_、、 t-startτ>Twl 丸白 On で'0 On'弓口 ¥ to :=t ¥% ぞ 3 ¥ 1 予告 "一一一一一」一一一一「¥ ¥ 九 嶋 ¥ ラ /…ー……主主…・"....-...ーーー 一 一 6、・¥ co悶tantHeating ¥ ¥ 出tH四 伽 唱 powe戸p o w e ¥ i ¥ ' - " . 1power= Rf*(t-to)

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I power= Rsp*(t-to) I power= p仰。 W悦舎訂er+R民凡町引Jl本吋叩恥(t作-寸:-toω i 川Q 。叫u叫t= 叩p仰ow阿町げ功本句切'∞CοP久s叩 IQout= P問。側wer附 P，円5剖l 図 3.Jレ ー ム エ ア コ ン の モードの動作モデ、/レ

4

.

シ ミ ュ レ ー タ の 構 成

本 シ ミ ュ レ ー タ の 構 成 は 図4の よ う に 3つ の モ ジ ュ ールから成り立っている。 シ ス テ ム モ デ リ ン グ :TANS2を 立 方 体 と し て モ デ リ ン グ し 、 壁 や 窓 に 関 す る 各 パ ラ メ ー タ を 読 み 込 む 。 ま た 、 空 調 シ ス テ ム と し て ル ー ム エ ア コ ン の モ デ ル 化 し 、 関 連 す る 各 々 パ ラ メ ー タ を 読 み 込 む 。 さ ら に 、 外 部 環 境 の 情 報 と し て 温 度 、 湿 度 、 風 速 と 風 向 き 、 日 照 時 間 を 計 測 デ ー タ か ら 読 み 取 り 、 外 気 側 表 面 熱 伝 達 率 や 日 射 量 な ど 推 定 す る 。 温 熱 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン : 流 出 す る 熱 量 と 流 入 す る 熱 量 を 計 算 し 、 そ の 計 算 結 果 か ら 室 内 の 温 度 を 推 定 す る 。 ま た 、 室 内 の 温 度 及 び 設 定 温 度 と 外 気 温 度 で エ ア コ ン の 状 態 を 推 定 し 、 エ ア コ ン が 消 費 す る電力を推定する。 結 果 分 析 : シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 結 果 と 計 測 結 果 と の 比較を行う。 Thermal Simulation トba.ttr羽nsfercaicu!a.tor 図 5. 1.議熱シミュレーションのそジューノレ シ ス テ ム モ デ リ ン グ の モ ジ ュ ー ル 及 び 結 果 分 析 は MATLABで 実 装 し 、 温 熱 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の モ ジ ュ ー ル を Simulinkで 実 装 す る ( 図 5)。 ま た 、 温 熱 環 境 の モ デ ル 化 に あ た っ て 、 壁 材 料 の 熱 抵 抗 や 室 内 の 電 気 機 器 か ら の 発 熱 量 な ど い く つ か の 未 知 パ ラ メ ー タ が あ り 、 計 測 実 験 で シ ス テ ム 同 定 を 行 う 必要がある。 そ の た め に 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 計 測 実 験 を 複 数 の 段 階 に 分 け て 行 う 。 熱 伝 達 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 : ル ー ム エ ア コ ン を 駆 動 せ ず 日 射 が 無 い 夜 間 ( 午 後6時から翌日 の 午 前6時 ま で の 1 2時 間 ) で 行 い 、 熱 抵 抗 や 発 熱 量 な ど 熱 伝 達 に 関 す る パ ラ メ ー タ を 推 定 す る 。 日 射 及 び 熱 伝 達 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 : ル ー ム エ ア コ ン を 駆 動 せ ず 昼 間 で 行 い 、 日 射 吸 収 係 数 な ど 日 射 に 関 す る パ ラ メ ー タ を 推 定 す る 空 調 駆 動 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 : ル ー ム エ ア コンを駆動し、

cop

な ど ル ー ム エ ア コ ン に 関 す る パラメータを推定する。 従 っ て 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 評 価 実 験 の 流 れ は 図6 のようになっている。 図 6. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 評 犠 実 験 の 流 れ

5

.

シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 評 価 実 験 の 結 果

同 定 実 験 を 行 っ た 後 、 各 未 知 パ ラ メ ー タ を 推 定 し 、 ￨Sim州 iMATLAB￨ さ ら に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 評 価 実 験 を 行 っ た 。 暖 房 モ 図 4.シ ミ ュ レ ー タ の 』ι一一一一一一 開

34-ー ド だ け の シ ミ ュ レ 34-ー シ ョ ン と 実 験 を 行 っ た 。 今 凹 の 実 験 で 室 内 の 温 湿 度 を 測 定 す る た め に 、 室 内 の 真 ん 中 に高さ 30cmの 所 に 一 つ の 温 湿 度 セ ン サ ー を 設 置 し 、 測定を行う。

•

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定 U 4 4 q d ︿ 0 し E 3 u v E φ a E ω ト :-Room匂mper山reらimul必州 ; .R∞m鵠mper.山間抑制問ment)! i Outside temperature 。} 図

7

.

のシミュレ…ション?と爽験の 図 8.日 射 及 の シ ミ ュ レ … シ ョ ン と の 結 果 5.1.日射及び熱伝達のシミュレーションと評価実験 日 射 が 無 い 条 件 下 で の 熱 伝 達 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 の 結 果 を 図 7で 示 す 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 の 結 果 の 誤 差 は 最 大 で 1

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で あ る 。 日 射 が 無 い 夜 の 条 件 下 で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 い 、 温 度 の 変 動 は 比 較 的 に 少 な い た め 、 か な り い い 精 度 が 得 ら れ た 。 日 射 が あ る 場 合 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 の 結 果 の 誤 差 は 最 大 で 1.50 Cであり、日射がない場合と比べて、 増加する(図 8)。その原因は日射量が正確に推定する こ と が で き な か っ た こ と に あ る と 考 え ら れ る 。 ま た 、 日 射 が あ る 場 合 、 室 内 外 の 温 度 の 変 動 が 大 き い の で 室 内 の 温 度 分 布 に 空 調 シ ス テ ム が 駆 動 す る と き 5.2.空調システムのシミュレーションと評価実験 日 射 が 無 い 時 と 比 べ て 日 射 が あ る 時 は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 が 大 き い 。 そ こ で 、 ル ー ム エ ア コ ン の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 評 価 実 験 を 日 射 が あ る と き と 日 射 が 無いときと分けて行った。 日 射 が 無 い 条 件 下 で の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 実 験 結 果 は 図9に 示 す 。 室 内 の 温 度 に 対 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 は 最 大 で 約 lO Cで あ っ た が 、 消 費 エ ネ ル ギ ー に 対 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 は 最 大 で 約 30%で あった。 ま た 、 日 射 が あ る 条 件 下 で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を す る と き 、 評 価 実 験 の 結 果 と 比 べ て 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 は 最 大 で 約 20 Cで あ っ た ( 図 10)。 そ し て 、 消 費 エ ネ ル ギ ー に 対 し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 は 多 い と ころで 50%で あ っ た 。 25 20f O C~. ~ 15 コ ーd ' "誌 念 10 5 ト ...Ro印 有temperatu問(剖mulation) 円四omtempe悶ture(measuret"ent) 日 Outsidetermpera七ure 5争 Time (xl0s) (a) ( ﹀ ﹀ ﹀ ﹂ @ 言 。 a 一一-Air conditioner pow副(simulaむon) 1...::...:.Nr..s.?0.~!!:!9.~.~r...p..?.~y.~~.S!:':!~~.~~r.~.I.!}.~n~ì. 一 一 g B U 旦 U L '00 600 800 1000 J Time (x10s) (b) 図 9日射が無いときの空調システムのシミュレー ションと実験結果:室温(a)及 び 消 費 電 力 (b) 1-Room temperature (Sim叫 副on) Room tempe印 刷re加leasurement) i Ou化到detemperature 5000 5200 5400 5600 5800 6000 Timeな105) (a) 1200 1000 D D O D O D 8 6 4 ( 主 ﹀ L@ 、r s a 一 一 S E ο 旦 出 2001 -J自国 (b) 図 10日射があるときの空調システムのシミュレー ションと実験結果:室温(a)及 び 消 費 電 力 (b) 日 射 が あ る と き 、 温 度 の 変 動 が 大 き く 、 温 度 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 が 大 き く な る に つ れ て ル ー ム エ ア コ ン の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 誤 差 も 大 き く な っ た 。

5ふ 考 察

シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 は 日 射 が 無 い と き と 日 射 が あ る と き 、 精 度 が か な り 異 な る 。 日 射 量 の 推 定 の 精

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-度 を 改 善 す る 必 要 が あ る 。 ま た 、 今 田 室 温 の 測 定 は 一 点 の み で あ り 、 か つ 空 気 の 温 度 が 室 内 に 一 様 に 分 布 す る と 仮 定 し た が よ り 高 い 精 度 で シ ミ ュ レ ー シ ョ ン す る た め に 室 内 の 温 度 分 布 も シ ミ ュ レ ー タ に 取 り 入 れ る 必 要 が あ り 、 今 後 の 検 討 課 題 と な る 。 ル ー ム エ ア コ ン の 簡 単 な 制 御 モ デ ル な の で ノ レ ー ム エ ア コ ン の 制 御 の 細 か い 処 理 を シ ミ ュ レ ー シ ョ ン で き な い 。 ま た 、 ル ー ム エ ア コ ン の 内 部 状 態 は 室 温 に 大 き く 依 存 し 、 内 部 状 態 の 遷 移 を よ り 正 確 に シ ミ ュ レ } シ ョンする必要がある。

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結 論

本 研 究 で は TANS2と い う 実 環 境 を モ デ ル 化 し 、 温 熱 環 境 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 っ た 。 さ ら に 、 シ ス テ ム 同 定 の た め の 計 測 実 験 を 用 い て 、 未 知 パ ラ メ ー タ を 推 定 で き る こ と に よ っ て 実 環 境 に 近 い モ デ 、 ル を 作 る こ とができた。 今 後 、 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 精 度 を 上 げ る と 共 に 、 ホ ー ム ネ ッ ト ワ ー ク サ ー ビ ス で あ 忍 空 調 シ ス テ ム を サ イ バ ー フ ィ ジ カ ノ レ シ ス テ ム と し 、 制 御 を 行 う 方 法 を 検 討 したい。 謝 辞 本 研 究 を 進 め る に あ た り 、 北 陸 先 端 科 学 技 術 大 学 院 大 学 丹 研 究 室 及 び リ ム 研 究 室 の 学 生 及 び 研 究 補 助 員 よ り 、 有 意 義 で 貴 重 な 意 見 を 頂 い た 。 ま た 、 実 験 環 境 の 構 築 も 研 究 補 助 員 及 び 学 生 ら の 貢 献 に よ る も の で あ り 、 こ こ に 感 謝 の 意 を 表 す 。 本 研 究 は 日 本 通 信 機 構(NICT) の 北 陸 先 端 科 学 技 術 大 学 院 大 学 へ の 委 託 研 究 「 大 規 模 エ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 検 証 技 術 の 試 用 及 び ユ ー ザ イ ン タ フ ェ イ ス の 試 用 に 関 す る 研 究 開 発jプ ロ ジ ェ ク ト の成果である。

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