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Architectural Institute of Japan
NII-Electronic Library Service
Arohiteotural エnstitute of Japan
【カ テ ゴ リーII】 日本 建築学 会計画系 倫 史 築 第550号,71−77,2001年 12月
J.Archit. Plann. Environ. Eng .、 AIJ, No .55{1,71−77, Dec.,20〔ll
事務所建 築 に お け る空調 シ ス テ ム に 潜熱蓄熱式床暖房を併用 した場合 の
床暖房 へ の 投入 熱量 の 予測制御 に 関する研 究
その 1 空調負荷 の 時系列変動 を考慮 した ヒーター稼働率の 予測制御
ASTUDY ON PREDICTION CONTROL OF THE LATENT STORAGE FLOOR −HEATING
SYSTEM IN AN OFFICE ROOM UNDER AIR CONDITIONING
Prediction control of required thermal energy using time series analysis
三 島 真 巳 * 2, 浅 野 良 晴
* 1,岸 本 孝 志 * 3
Mami n4JSHIA4A ,}loshihant ASAI >O and Taんa /shi KISHIMOTO
The authors made into a pre{liction contU )1 model of the required thermal energy fc)r an office room in which therewas the combination system ofthe latent storage floor heat血g and the air conditioning . This model is based on the
day series and the time series load predictユon . The authors set a condition in constmcting the model that the gainedheat load should not be over the lost heat load血 each hour. The fbllowing results were obtaine {L:1)The gained heatload didn
’t comc over the lost heat load血 each houL 2)The load was cut about 70% ih total and 50% 血 apeak ,3)SET 串 had been kept betWeen the comfortable runge during the working ime.
Kayi −ierdS : Loadprediction, Day series heat ioad,7}〃 ie series heat load, Prediction control
Latent storage floor−heating system /br ()Ptce automation , Air handling unit 負荷予測、日系列、時系列 、予測制御、eA 用潜熱蓄熱式床暖房、空 調
1.は じ めに
従来 、事務所建築で は、フ リー
ア クセ ス フ ロ ア と電気床暖 房を同 時
に 採用す る こ とは で き なか っ た。しか し、フ リーア ク セ ス フ ロ ア に 対
応 し た 床暖房パ ネル ユ ニ ッ トが 開発 され、フ リーア クセ ス フ ロ ア の 事
務所 建築で も床 暖房 を使用 で きるよ うに な っ た。この 床暖房 パ ネル は、空調 と併用 す る こ とに よ り、空調 の み の 運 転 に よ る電 力 消 費量に 対 し
て ピ ーク カ ッ トの 効果 をもたらす。また、空調 設備 容 量 を 小 さ くし 、さ
らに、日中の ラ ン ニ ン グ コ ス トを軽減 し電 力 の 平 準化を 推進 する こ と
が で き る。しか し、こ れ らの 効果 の 前 提 と して 、深夜電 力を利用 し て前
日の 夜 間か ら翌 日の 朝に か けて 蓄 熱 を行 な うに あ た り、翌 日の 負荷変
動 に 対応 した 適切 な投入 熱量 の 予 測制御 が 必要 となるe
従 来 の 敷設 型床 暖 房 に お け る蓄熱予 測制 御 を扱 っ た 既 往の 論文
ω施 で は、室内の 暖房 方法 と して 床暖房の み の 使用 で あ っ た。従 っ て 、
空調 との 併用運 転を前提 と した床暖房の 蓄熱制御 に は、既往の 論文の
方法 と同様 の 予 測制御 方法をそ の ま ま適用 す る こ とは で きない 。そ こ
で、本論文 で は、空調 と併用す る こ と を前 提 と した 場 合の 、床 暖房に お
け る 蓄熱 予 測制御モ デル の 構築 をす る こ とに した。
既往 の 論文 (3)で は 、床暖房 の 蓄熱 量 の 予測 制御 に お い て 、フ ァ ジ ィ
推 論 の 評 価項 目 に 、翌 日の 日積算負荷の 可能性範 囲 と、前 目の 生活時
間帯 の 平 均 室 温 を用い て い た。さ ら に、既往 の 論文 の 評価項 目に は、室 温 の 代わ りに、新標 準有効温 度 SET’(以 下 SEr )の 平均値 を用い て い
た。こ れ らの 前件部の 評価項 目は 日系 列 的な 値 を使 用 して お り、時 系
列 的な変化 に 対 応 させ て い な い 。その た め、日積 算負荷 が 同 じ値 とな
る 日や 、平均 S肝 が 同 じ値 とな る 日で も、時刻変動の プロ フ ァ イ ル に
よ っ ては 全 く異 なっ た室内温熱環境が 形成 され る 可能性が あ る.こ れ
を防止 す る方法 として、日系列 の 負荷予 測 に 加 え て 、時系列の 負荷変
動傾 向を予 測 し、そ の 結果 を 潜熱 蓄熱材 の 蓄熱量 に反 映 させ る こ とが
考 え られ る。今 まで に、吉 田CIO
が時系列 的な負荷 変動の 予 測 の 必 要 性
を 提 唱 した り、川 島α2)
が 時系列負荷予 測 方法 の 提 案を した り して い
る が、実際 に 時 系列 的 な負荷変動 を予 測 し、制 御に 反映 させ た 既往 の
論 文や 運 転 実績は 少 な い 。そ こ で 、本論文 で は、既往の 論文ω一(6)
の よ う
に フ ァ ジ ィ推論 の 評価 項 目に 日系列的 な負荷 の 変動値 を用 い て 制御
量を決定す る だけで は なく、− H の 時系 列 的な 負荷の 変動 要素を取 り
入 れて フ ァ ジ ィ 推論 を行 ない 、制御量 を検討す る こ とに した。その 上
で 、昼 間 の 空 調 時間 帯 にお い て 、床暖房を最大限に使 い なが ら、暖房 負
荷 を必 要 最大限 に 削 減 す る こ とを 目指 し た。詳細 に述べ る と、フ ァ ジ
ィ 推論 の 前件 部 に、日 積算食荷 だ け で なく、時 系列 的 な負 荷の 変動 を
示 す 値 を取 入 れ て 推 論 を行い 、床暖房 蓄熱量の 制 御量 の 予 測を行 う。さ らに、予測 され た制御 量に基 づ い て暖房運 転 を した場合の 空調負荷
と室 内 温熱 環境 を明 らかにす る ため に、シ ミュレー
シ ョ ン を用い て 検
証 を行 っ て い る。その 結果、日中に潜熱蓄熱材 か ら放熱 され て い る 場
合 の 、一時間当た りの 取得熱 量 は、損 失 熱 量 を 上 回 る こ とは な く、そ の
上 で 、空調機が 分担す る時間 最大暖 房 負 荷 と 日積算暖房負 荷は 大幅 に
.削減 され る こ とが 明 らか とな っ た。この 事 か ら、本 論文 の フ ァ ジ ィ 推
’1信州 大 学工 学 部 社 会 開 発工 学 科 教授
・工 博
靴信州 人学 ⊥ 学 部 利:会 開 発⊥ 学科 大学院 生
*:,き ん で ん
Assoc. Prof ., Dept.〔,f Architecture and Civil Engineering, Faculty of Eng., Univ.〔〕「
Shinshu, Dr. Eng.Graduate Studellt, Dept. Df A 匸
.chi 亡ecture ar 自d Civil Engineering, Faculty {レf Eng.,
Ulliv、 of ShinshuKinden COrporati〔〕n
一 71 一
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論 は 有 効な制御方 法 で あ る と考 えた。
2.T 事 と OA用床 シ ス テ ム の 概要
本論文 で は長野県下伊那郡豊丘 村に 立 地 して い る T 事務所 ビル の
事務ス ペ ース を解析対象 として い る,図 1 に 丁事務所全体平 面図を示
す eま た、そ の 中に OA用 床暖房の ヒ ーター系統割付図 を示す.表 1に建
物主 仕様 を 示 す。こ こ で は全 室 と もに、比 例 制 御 に よ る 空 調 運 転 が 行
なわ れて い る。ま た、事務 ス ペ ース と東西 の 隣室 は OA 用 床暖房 を、待
合ス ペ ース で は 湿式工 法 の 埋 設 型電気床 暖房 を敷設 し て い る。ま た 、
事務ス ペ ース と待合ス ペ ース の 間に は たれ壁 が な く、カ ウン ターで 仕
切 られ て い る。事務ス ペ ース は、床面 積 683.48m2、室容積 2392.18m3、OA
用 床暖房敷設 面積 522m2、ヒー
ター容 量 104.4kW、在室人員 44入 で、勤
務時間帯が 8 時か ら 18時ま で で あ る。ま た、事務ス ペ ース の OA用 床暖
房パ ネル の ヒー
ター
は 34 系統に 分か れ て い る がJ 系統 毎に敷設 され
てい る パ ネル の 枚数 が 異な る た め、1 系統 に お ける ヒ ーター容量 は
1.65kW〜3.30kW ま で と異なる。こ れ らの ヒ ーター系統の 組 み合 わせ を
変 え る こ とに よ っ て 、ヒ ーター稼働率を 調整 して、翌 日の 暖房負荷 に
対応 し た熱量 を蓄熱す る こ とが で き る e なお 、本論 文 で は、事務 ス ペ ー
ス の ヒー
ター
系統全 体に 対 し て 、実際に 電力供 給す る ヒー
ター
の 面積
割合 を ヒーター稼働率 とす る,また、ヒ
ーター1 系統にお け る 、ヒ
ータ
ー系 統全体 に対 する 面積 率は 2〜3%と なる。しか し 、系統毎に ヒ
ーター
容 量 が 異な るた め、面 積 率 も異な る こ とか ら、数系 統ずつ 組み 合 わせ
て制御 を行 うこ と とす る.また、予 測 した ヒ ーター稼働 率が 小 さい 場
合は、開 口部近 くの ヒ ーター
系 統を優先的 に採用 して い くこ と とす る。
こ れ をま と めて、本論 文 で は、ヒーター
系統全体に 対す る 面積率 を 10%
刻み で 区切 り、ヒー
ター
稼働率 の 予測 を行 う.
蓄熱材 へ の 加熱時間は 夜 22 時か ら翌 日の 朝 8 時 まで の 夜間電 力を
使 用 して い る。そ して 蓄熱材上面 温 度が あ らか じ め設 定 し た加熱停止
温 度 32℃ に達 した 時 に ヒ ーターへの 通 電を停止 する。T 事務所 で は、
コ ン トロー
ラー
に よ る内部演算に よ り加熱必 要 時間 を算 出 し、朝 8 時
に蓄熱材 上 面温 度が 32℃ に な る よ うに 逆算して加熱 開始 時刻 を予 測
して い る。図 2 は OA用床 暖房敷設部 の 断 面詳細で あ り、そ の 各部の仕
様 を表 2 に示 す,さらに 、その うち の 潜熱蓄熱材の 物性 を表 3 に示 す。
3. 予 にお け る取 量・損失熱量 の い 方
本 論 文 で 解析対 象 と して い る T 事務所は、図 1 に 示すよ うに、東 西
北に作 業室等の 隣室 を持 ち、南 には 待合ス ペ ース が あるe本論 文で は 、
待合 ス ペ ース をペ リメ
ータ ゾーン として、事務ス ペ ース を イ ン テ リア
ゾー
ン とみなす こ と と した。ま た、本論文 で は、両 ゾーン の 相互 の熱 干
渉は 考 え て い な い 。す なわ ち、日射に よ る取 得熱量 は、ペ リメー
タゾー
ン で ある待合 ス ペー
ス に 影響 し 、イ ン テ リア ゾーン で あ る 事務ス ペ ー
ス に は影響 し ない もの とする e
本論文で は 、事務 ス ペ ース の 空調設定温 度を一
定 と した 場 合 、損 失
熱量は 、外気温 度 の 変化 に の み 影響 され る もの と扱 う。さ らに、取 得 熱
量に つ い て は 、時 間帯に 関 わ らず 変化 しな い 固 定 取 得 熱 量 と、時 間 毎
に変化 する 取得熱量の 2 種類 に分 けて 扱 う.前者 は、機器発熱量、照明
発熱 量、人体発熱量 とす るe 後者は床 面か らの 放熱量 とする。
床面か らの 放熱 量の 時系列変化の 傾 向を把握す るため、シ ミ ュ レー
シ ョ ン を用い て 検証 し た 。なお、こ の シ ミ ュ レー
シ ョ ン プ ロ グ ラム に
つ い て は 次章 で 詳 細 に 説 明 す る。計 算条件 と して 、空 調 設 定温 度 を
一 72一
一 .
08
.NO
76.000図 王 T 事 務 所 全 体 平 面 図
表 1 建物主 仕様
名称 T 事務 所
所在 地 長野県下伊 那郡豊丘 村
建 物構 造 RC・S已
外壁 フ ォーム ポ リス チ レ ン
:
内壁 ロ ッ ク ウー
ル
断熱仕様 … 壁 グラス ウール
: 天 井 グラス ウール
土間下 フ ォーム ポ リス チ レ ン
i 屋根 ス テ ン レ ス外 部仕上 げ i 外壁 タイル
天 井 石 膏ボード
内部仕上 げ 1 内壁 合板
i 床 OA 用 フ ロ ア パ ネル
… ペ ア窓仕様 1 ガ ラス
内側 3 、空気層 6m 、 外側 3
建築 面積 l m2 2496,6
延べ 床 面 積署 m2 4618.3i 空調 氷 蓄熱式空調
暖房方法 1 床暖房 潜熱蓄熱式電気床暖房
吩.
畳…..」
「11
」
「近
F」
。
雪
゜
塁〜
写
〇一【
図 2 0A 用 暖房断面図
表 20A 用 床暖募パ ネル の 仕様
゜ ト
名称 OA フ ロ ア 用 蓄熱床 暖房パ ネル
パ ネル 面積 i m2 0.25
蓄熱 材 重 量 i kg 3
ヒ ーター
容量 i kW/枚 0.051 タイ ル カーペ ッ ト O,13
熱伝導率 1
ケイカル 板 O.37[10
−3kW/蝋 ユ 潜熱 蓄熱 材 0.66
1 断熱材 .03
21.5℃に した。こ の 条件で は SET+は 快適域 か ら外れない こ とを確 か め
て い る e さ らに、加熱停止 温度 32℃、ヒ ーター稼働 率 IOO%で 床暖房 を
運転 した。ヒー
ター
通 電 停止 後 の 床 面 か らの 放熱 量 と、そ れ に 伴 う蓄
熱材温 度の 変化 の 仕 方 を図 3 に示 す uまた、1998 年 12 月に T 事務所
事 務 室 に お い て、室 内温 熱環境の 実測調査 を行 っ た。そ こ で 、事務室
の 室 温、床 面 温度 を 把握 し 、そ の 数値を基 に 床 面 か らの 放熱 量 を算 出
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し た。算出 し た数値の 平均値 を、シ ミ ュ レー
シ ョ ン に よ っ て 算出され
た 12 月 平均値 と同 時に 図 3 に示 す.床面か らの 放熱 量に つ い て 、実測
値 とシ ミ ュ レーシ ョ ン 値の 相関を求め た とこ ろ、RZ=O. 955 と高い 値 と
な っ た。これ を 図 4 に示 す。さら に、実測値 とシ ミ ュ レーシ ョ ン 値で t
検定 を行 っ た所、両 者 の 間 に差 が ある とい う仮説 は棄 却 され た。そ こ
で、シ ミュレ ーシ ョ ン値を用 い て、床 面 か ら の放熱 量 と蓄熱 材温 度 の
相関 を求め、図 5 に示 す。両者 の 相 関は R2=O.974と高い こ とか ら、ヒ ー
ター
通 電 停止 後の 床面 か ら の 放 熱量 は 蓄熱材温 度 の 変動に 依存す る
もの とい え る。ま た、ヒー
ター稼働 率 を変 え た場合 にお い て も図 5 の
関係 は 変 らない こ とを確か め た.こ れ は、OA 用 ユ ニ ッ ト間 の 横方 向へ
の 熱 の 伝 わ りは ない こ とに よ る。従 っ て 、ヒ ーター稼働 率 を変 え る こ
とに よ っ て、翌 日の 床面 か らの 放熱量 を調整す るこ とが可能 と な る。
4.シ ミュレー
シ ョ ン の 概
本論文 に お け る負荷計算、及 び 制 御対 象 は、T 事務 所の 事務 ス ペ ー
ス と して い る。事 務ス ペ ース にお け る 8 時 か ら 17時 ま で の 時 間 毎 の 負
荷の 積算値 を、熱性 能評価 シ ミ ュ レーシ ョ ン プ ロ グ ラ ム 「ESPAR/M」Oo)
を用 い て 算出 して い る e シ ミ ュ レーシ ョ ン に お け る空調 運 転 の 室 内設
定温度 を決め るに あ た り、室温 を 21.5℃ 、相対湿 度 を 50%、換気 回 数 を
1回 /h、着衣量を 1clo、作業量を IMet、空調時の 風速を G. lm/s と して
シ ミュレ ーシ ョ ン を行 な っ た。そ の 結果、こ の 条件で は SET’
は快 適域
か ら 外れ ない こ とを確 か めて い る。なお 快適 域に つ い て は、既往 の 研
究 報 告〔η
に お け る 実 測 とア ン ケー
ト調 査 よ り、T 事務所 の 事務室 の
SEr の 快適 域は、23± 0,5℃ で あ る こ とが 明 らか に され て い る。そ こで、
こ の 条件 で 負荷計 算を 行 うこ と とした。また、そ の 他 の 条 件 と して、実
測値 か ら得 られ た機器 発熱量 22.4W/m2 、人 体 発 熱 量 5.2解 m2、照 明 発 熱
量 8.7W/m2 の 取得熱量 が あると した.さらに、外気 温度や水平面全 天 日
射量 な どの 外気条件は標準気象データ「松本亅を用い た。他の 部屋 は 室
温 を 21.5℃、湿度 5脇 と、換気回数 1 回〆h と固定 したuなお 、本論文 で
は、熱負 荷シ ミ ュ レーシ ョ ン の 第 1 段階 とし て、床暖房を併用 しな い
状 態で の 空 調 運 転 時 に お け る負荷 を計算 して い る。そ し て 、算 出 され
た 暖 房 負 荷 を基 に床 暖 房 の 必 要 投 入 熱 量 を 予 測 して い る.た だ し 、ヒ
ーター通 電時 にお け る夜 間 の 躯 体への 蓄 熱 効 果 を考慮 して い る。さ ら
に、第 2 段階 と して 、床暖房 を併用 した状 態で の 空 調運 転時に お け る
負荷 を計算 して い る。
シ ミ ュ レーシ ョ ン の 解析期 間は 12 月 1 目か ら 31 日まで と し、助走
期 間 は解 析開始 日の一
ヶ 月 前か らと し た.
表 3 潜熱蓄熱材の 性 能
物 性 NaSOぺ 10H20
融解温 度 i ℃ 32.0凝固 温 度 、 ℃ 30.0蓄熱量
ikJ/k, i潜熱 129.8△T40 ℃ i I い 25.1比 重 kg如 3 1340.0
熱伝弊 i 脚 価 0.7比 熱 l kJ/kgK 15.5
仕様限界温度 } ℃ 50.0
α
α
α α α
α
α
α
α
[ 葭己
咽
慧e憩
灸陋蟹
6一
刻 [h]
9
埋8
パ7
口 6お 514
ム 3
,厚2
酷
単位
[10−2kW
/m2]
゜ IT
韓諞轟呀猛89
図 4 実測値 と シ ミュレ ーシ ョ ン 値の 楫関図 0.050
響・…
0.040
響 0.035
愛0,030
鑾・i… 0.(尼022 24 26 28 30 32 蓄熱材温度 [℃]
図 5 床 面 か らの 放熱量 と蓄熱材 温度の 相関図
一稼働率の 最大値 を 算出す る e した が っ て、こ こ で は以 下の 大小 関係
を必要条件 と して い る。
◆
笶く)、9738
A ムq.、 ≧ max (tht (2)
ヒ ータ ー稼働率の 最終予 測値 を 基 に シ ミュレー
シ ョ ン を行 う.さ ら
に、負荷計算の 結果 か ら、式 (2)が 満た され て い る こ とを検証 す る。
5.ヒ ーター 率 の 予 測制 モ デル
本論 文 にお け る、ヒーター稼働率 の
.予測制御の 手順 を次に 示 す。
日系列 の 負荷 変動 を 予 測 し、ヒ ーター稼働率 の 初期 予 測を行 う.す
な わ ち、日積算負荷 a の 可能性範囲 ゾ、を予 測 し 、空調 時間帯にお ける
床面か らの 積 算放熱 量 彫が ジ,を上 回 ら な い よ うな ヒ ーター稼働率 の
最大値 を 算出す る.し た が っ て 、こ こ で は 以 下 の 大小 関係 を必 要条件
と して い る b
ゾt ≧ max の (1>
負 荷 の 時 系 列 変 動 を予 測 し、ヒー
ター
稼 働 率 の 最 終 予 測 を行 な う。
す な わ ち、勤務 時 間 帯 の どの 時 刻 に お い て も、時間 当た りの 床面 か ら
の 放熱量 免 が 、時間 当た りの 空調 負 荷 鰯 を h回 らな い よ うな ヒータ
5.1.ヒ ーター 率の 予 の 方法
負 荷の 日系 列変動 の 予 測は、既往 の 論 文 (3〕−C5)と同様の 手法を用い
た.す なわ ち、目積算負荷 を予 測す るに あた り、シ ミュ レ ーシ ョ ン に よ
り求 め た計算値を も と に、前 日の 日積算負荷か ら翌 日に 起 りうる予測
範 囲を求 めて い る.次 に そ の 手 順 を述べ る.
ま ず、フ ァ ジ ィ数 は 可 能性 分布 と して 扱 え る が、この フ ァ ジ ィ 数 を
係 数 と して 扱 う線 形 シ ス テ ム を可 能 性 線形 シ ス テ ムC9}
とす る.基 準 日
(各 月 の 1 日)か ら 「i」日 目にお け る 目積 算暖房負 荷の 可 能性範囲を 呂
と し、次式 で 表す。
ゾ、=ガ 1÷ A
’2・i (3)
一 73 一
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こ こ で の 垢 は可能性分布 に 基づ い て い る。た だ し 、ジ,,A’1,A
’2 は そ
れぞれ の 区間に お い て 三 角 メ ン バ シ ッ プ 関数 をあて は めた フ ァ ジ ィ
集合 で あ る。それ らの 区 間 を次式に 示すe(表記の 仕方は文献 に従 う)
ジ,=(yi , e∂
サA1 ≡(α b σ1)ゆ
オ 2=
(α 2 ,の
4rO
ρ0
こ こ で 、yi,α 1,α 2 は Y’i, A’1,A
’:の 中心 を、ei, CL,C2 は 1”. A
’L,A
’2 の 左
右 の 広 が りを表す。
したが っ て、式(3)の Y *iは、S}(4)か ら式(6)ま で を用 い て 次式の 形に
整理 す る こ と が 出来 る。
ジ广{α ,ら) (7)
区間線形 回帰分析(9}に より、呂を算 出す るにあた り、A’1!’2 を算出す
る必 要 が あるeA’,y4
’2 は次 の 線形計画問題 と して扱 うこ とで解 く こ と
が で き る。
目的 関数 :
J(c广 min Σe ・i
制約条件 :
y + (1−h)ei≦ の
・’+ (1−h)Cj
・i
y−(1−h)el ≧ の
・’一(i−h>Cj・i
た だ し、h=O
ρノ≧ 0 σ=置,2)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
式 (8)の 緬 を解 くこ とに よ っ て イ 1孟 の 区間が 定ま り、式 (3)の ジ、
が 求 まる。こ こ に おける詳 細な解法 は文献〔3)一
で 述 べ られて い るの で、
本論文 で は概略す るに とどめた。
上記 の 方法 に よ っ て 算出 した事務 ス ペ ース の ジ、につ い て、12 月 の
結果 を図 6 に 示 す。図 中 の 『◆一◆』 の 部分 が 呂 で あ る。次に、式 (D
を満 た す よ うな 勿 を 与 え る ヒー
ター
稼 働 率 を 求め るeす なわ ち、図 3
の シ ミュレー
シ ョ ン 値 に 基 づ き、先 に 予測 され た 日積 算負 荷 の 可能 性
範囲 の 最小値 に 見合 っ た 積算 放熱 量を与 え る ヒー
ター稼働 面積 を求
め、その 割合を算出す る。そ して 12 月 の 1 ヶ 月間の ヒー
ター稼働率 の
初期予測結果を図 7 に示す。
5.2.ヒ ーター 率の 終予 1
5.1 に よ る方法 で 目積 算負 荷を 予 測 した 場 合、時間 帯に よ っ て は取
得 熱 量 が損 失 熱量 よ り多 くな る 可 能性 が あ り うるe本 節で は、そ の よ
うな こ とが な い よ うに、制御量の 補正 方法を示 す。す な わ ち、日中の 負
荷の 時系列変動の 状 況を ズ , とい う数値で 表す.そ して、ガ t を前件部
に含む フ ァ ジ ィ 推論を実施 し、日積算負荷 か ら求め た ヒー
ター
稼働率
の 初期予 測を 補正 し 、最 終予測値 を求め る。
フ ァ ジ ィ推論 の 前件部及び後件部 の 各評価項 目を示す。
前件部… 負荷の 時系列変動の 状況 : Pt、
前 目に お ける 時間 当た りの 空調負荷 の 最小値 : min {9i.1〆}
蓄熱開始 時の 蓄熱材温 度 : ff、
後件部…ヒーター稼働 率の 補正 量 : μ
前件 部 の 負荷 の 時系列変動 の 状 況 〆、の 算出手順を次に示 す。
「i」日 目に お け る 、空調運転 開始 し て か ら 「t」時 間後の 時間 当た り
一 74 一
O.5’
s。.、冒
皿
O.30
,2
0.1
冨一8
靂ーへ
ー
一 日積算負荷の トレ ン ド
ー シ ミ ュ レーシ ョ ン 結果 に よる 日積算負荷
O −一一K )前 日差か ら予測 され る翌日の 可能性範囲 名
◆ → 日積算負荷の 可能性範囲 若
図6 日藤負論可鑷 蕗25 28 31[d]
d] 図 7 ヒ ーター稼働率の 初期予測値 1.oo O.OS O.08 GO .07 き 0.06粛0.05
「10 .04 遭 O.03 O.02 0.01
0・000123456789[t]
図 8 曲線 恥 と平 均 線 L と接線 L ’i,1の 空調負荷 を 輪 とす る。こ こ で、「i」日 目の 日積算負荷 を次の よ うに
定義す る。
n ∩ Σ9μ
=q」 ただ し(t
−0,1,…,n),併 1,2,…,m ) (13>t一〇
次 に、時刻 毎の 積算負荷 の 基準 化 を行 い 、こ れ を L」,t と して 式 (14)
に示 す。な お、Li.r は基 準化 され た積算負荷 の 時系列 変動 プ ロ フ ィー
ル を表 して い る。 Σ 4,,、Ltt#
qi ただ し初期値 とし一C・L・・
=O (14>
12月 1 日の L4tを図 8 に示 す。さ らに、勤 務 時 間 帯 にお け る負 荷 の 平
均値 を基準化 した もの を 平均線 Zと し次 式に示 す と とも に、図 8 に 表
す。こ こ で、tは空調運 転開始 して か ら経過 した時 間、t’は 空調運転時間
とす るn
_ t L =一一 (15) t
’
さらに、観測及 び シ ミ ュ レ ーシ ョ ン の 結果か ら、五と、Li.tの 間 に は 次
の 大 小 関 係 が 出現 して い た。
ム≦ Li,t (16)
こ こ で 、Lt,に対 し、L と同 じ傾 きの 直線を上方 か ら近 づ け た 場合に
傷 に 接す る 線を L ’i」と し て 図 8 に 示 す。点 Piρ,Li,p )で Li.t と L ’ixが接
し て い る 場合、L’i,tは次式 で 表 され る.
恥 一θ
ラρ丿
悔 (17)
こ こ で 、p は 自然 数 で あ り、式 (i7)は 常に 次 の 条件を 満足 して い な
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けれ ばな らない 。
五≦ ムゴ., ≦ム
’」,,
したが っ て、次式に変形 で き る.
チ・ ・(’
ラρ〉
・ L・,P
(18)
(19)
接 点 P の 時 間座 標 p は L’i.t が L に 対 し て 最も大きく膨 らむ 時刻を
示 して い る。こ の 時の p に お ける Li.p と L の 差 を Wi と した とき、嗜 は
Li,の 変動幅 で あ り、次式で 褒す こ とが で き る。
t「v
・ =
L ・・t−7 (2 )
こ こ で 式 (17)よ り、p を、シ ミュレー
シ ョ ン結 果を 用 い て 算出 し た
とこ ろ、12月 の ほ とん どの 日に お い て 厂 4 とな っ た。12 月 に お ける p
の 値 を図 9に 示 す。こ こ で 、実値か ら求め た 嗜 と、常 に p=4 と仮 定 し
た 場 合 の 隅 を そ れ ぞれ 算出 し た。2 つ の 略 の 相関図 を図 10 に示 す。
さ ら に双 方 の データ 問で 、有意水準 95%で t 検定 を行 っ た,そ の 結果 、2
つ の データ間に 差があ る とい う仮説 は棄却 され 、2 つ のデータ の 間に
差が ある と言 えない こ とが 明 らか に な っ た。従 っ て 、本論 文 で は p−4
として 彫 を解析 して い く。
次 に、嗜 は 9iを基 準 化 して 算出 した値 な の で 、略 の み に 従 っ て 制御
量 を 予 測 す る と、実際の 負荷に 対応で きない こ とが ある。そ こ で、略 に
対 して qiの 重 み をっ け て ガ,と し、次式 (2D で 表す。こ れ を フ ァ ジ ィ推
論の 前 件部 とす る.
雫 tmi =σ・
’(Lゾ 7) (21)
1
098765432101
饗駄
1:’ 0.
lil§iil
1 35791113151719212325272931
0,4
0.3
聖
翻2
O.1
図 9 接点 P の p の 値
O.O e.1 0.2 0.3 0.4 モ デル 値図 10 実測値 か ら求 め られ る 彫 と本 論 文 で 作成 した 罵
略 の トレ ン ド
シ ミュ レー
シ ョ ン結果に 贈◎一{ 冫前 日差か ら予測 され る翌 日 の 彪.の 可能性範囲
◆一 ◆ 最終的な 略 の 可能性範囲1
07050
0
01
4 7 10 13 16 19 22 25 28 31d
]d
図 ll 畝 の 可能 固鎚囲
次 に、フ ァ ジィ 推論 の 三 角 メ ン バ シ ッ プ 関数 を定め る た め に 、塔 LO I.0の 可 能性範 囲 を予 測 す る。可能 性 推 定モ デ ル の 作成手順は 5.1.と同様
で あ る。12月 の 略 の 可 能 性 範囲を図 12 に 示す。図中の 『◆一◆』の 部
既 明 能性 範 ・・ 中蛹 ・ 平均値 ・ と した。中央勵 ・・ 幅・、 時系列蘇 ゆ 糊
轗 嬲叢篇
の
略 の 可能性範囲幅の 平均値 5 とした。っ ま り、左端 は δ順 右端 は b + i 齠 ZO PB i.0 1.0
りも 5〆t が小 さければ下 げ る こ と と した。 M }:P。 sitive Big
・ ・ 鄭 ・す ・eま た・前 件部 a・… … 既 ・・ 論嫂 睇 ・扱 ・・本 鸛
響霧幣 、。 。二劣燦鏃 驫論 文 で は・T事 務所の 実測データ よ り ・ヒータ
ーへ の 通 電必要 時間 を求 表 4 フ ァ ジ ィ推論 の 制 御規則 表
め る重 回 帰式 を 作成 し 、蓄熱材 上 面温度 が 設 定温 度 に 達す る ま で に要
す る必要時間を算 出 した.さらに、朝 8 時か ら蓄熱 時間を逆算 して通
電開始時刻を決定 した。
以 上 の 手順 をもとに、フ ァ ジ ィ 推論 に よ る ヒー
ター
稼働率の 最終予
測 を行な う。図 13 に フ ァ ジ ィ 推 論 の 各 評 価項 目の 三 角 メ ン バ シ ッ プ
関数 を 示 す。ま た、表 4 に 制 御 規 則 表 を 示 す。推論 方法 と し て は、Mamdani の 推論 方法
を使 用 し、推 論結果の 非フ ァ ジ ィ化に は 重心法
C9)を用 い て い る。
6.シ ミュレーシ ョ ン に よ る 証
ヒー
ター稼働率 の 初期 予測値 と最終予測値 を図 13 に 示 す。これ よ
り、補正 され て い る 日 は 18 日あ っ た。次に 12月 15日か ら 21 日ま で の
勤務 時間帯 にお け る 結果を図 14 に示 す。こ こ では、SET*、室 温、外気 温
度、空 調 機 が 分担 す る暖房負荷の うち床 暖房 を併用 した場 合 の 暖房 負
’ 7mln
’.L , μ
1NB NB 旧
2 冊 ZO NB3NB PB ZO4ZO NB 冊
5ZO ZO ZO6ZO PB PB7PB NB ZO8PB ZO PB9PB PB PB
〃r μ
10PB NB
荷、床暖房 を併用 しなか っ た 場合 の 暖房 負 荷、暖房 を併用 した こ とに
よる 暖房負荷 の 削減率 を時間 毎に 示 す、下 の 棒グ ラ フ よ り、OA 用床暖
房を併用 した場合 の 負荷は、常に Okw /m2 以上 で あ る こ とが わ か る。Okv /m2 以 下 に なる と空調 吹出 し温 度が 室温 よ りも低 くな り、室 内を
冷やす こ とにな る とを考え る と、室内の 取得 熱量 が損失 熱量 を上 回る
一 75 −.一
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こ とは なか っ た と言 える。また、空調機が分担す る 暖房 負荷 は時間 当
た り最大 92%まで 削減 され て い た。さらに、SEr は 23℃か ら 24.0℃ の
間 に あ っ た。午後 に快適域 の 上 限値 を 若干 上回 っ て い る が、概ね 快 適
域に 収ま っ て い た。次 に、12月 の 日積算負荷 に関 して、床 暖 房 を併 用 し
た 場 合 と床 暖房 を 併 用 しな か っ た場 合 と を合 わせ て 図 15 に示 す。床
暖房 を併用 した こ とに よ り、日積 算負荷 は大幅 に削減 された こ とが 分
か る。削減 され た 日積 算負荷 と、深 夜電力に よ り蓄熱材へ投 入 された
熱量 とを比較 して み る と、後者 の 方が若干 多 くなる場合は あ る もの の 、
昼間の 電力消費 量の 多 くの 割合 が夜間へ移行 され、電 力 の 平 準 化 に つ
なが る もの とい え る.ま た、負荷 の 削減 量 につ い て は、ま とめ て 表 5 に
表すuピ ーク負荷 は平 均 49%、目積 算負荷 は 平均 71%削 減 され て い た e
7.ま とめ
本論文で は、空調シ ス テ ム と OA 用床暖房 とを併用運転す る事務所
に おい て 、事務 ス ペ ース を対象に、可能性線 形 シ ス テ ム とフ ァ ジィ 推
論 を 用 い て 床暖房 蓄熱 量 の 予 測 制 御 方法 の 構 築 を 行 な っ た。ま た、従
来 の 日系列 的な負 荷 予 測 に加 え、時 系 列 的 な 負 荷変 動 の 予 測 を行 な う
こ とに よ っ て、取 得 熱 が 損 失 熱 量 を上 回 ら ない よ うな 予 測 制 御方 法 を
提 案 した。さ らに、12月 にお い て 、シ ミ ュ レ ーシ ョ ン を用 い て 検証を 行
な っ た。その 結果、以下の こ とが明 らか にな っ た。
(D負荷の 時系列変動 を考慮 した ヒ ーター稼働 率の 最終 予 測に基 づ い
て、熱負荷 シ ミ ュ レ ーシ ョ ン を実施 した結果、全て の 目に お い て、取得
熱 量 は損 失熱量 を 上 回 る こ とは な か っ た。こ の こ とは、本 論 文 の 制 御
方法 が 有効 で あ る こ とを示 してい る と考 え る。
(2) OA 用 床 暖 房 を 併 用 させ て 空 調 運 転 を す る こ とに よ っ て 空調 機 が
分担 す る暖房 負荷 の 日積算値 は最大 100%、平均で 71%削減 で きた。
ピーク シ フ ト率は最 大 64%、平均 で 49% 削減で きる こ とがわか っ た。
こ の こ とか ら、空調の 間欠運 転で も、床 暖房 を 併用す る こ とに よ り、
ピーク シ フ トが行 われ 、一日を通 して の 電 力の 平準化が期待 で きる こ
とが わ か っ た。
(3)さ ら に、解析 期 間 中 の 勤 務 時 間 帯 の 平 均 SETtは概 ね 快適 域 の 中 に
お さま っ た。こ の こ とか ら、OA 用床 暖房 を 併用 した 空調 シ ス テ ム に よ
り快適 な 室 内 温熱環境 を形成す るこ とが で きた と考 え る.
本論文 の 今後の 課題 を述べ る。今回 は 12 月の 結果を示 して い るが、
今後 は他 の 期間へ拡張 して適用 した い 。ま た本論文 で は、イ ン テ リア
ゾーン とペ リ メー
タ ゾーン との 間 に 熱干 渉が ない もの と し て検討 を
進 めた が、熱 干 渉を 無視 で き な い 場 合 に つ い て の モ デル の 構 築 を行 っ
て い く こ と も必 要 で あ る と考 え る。
記号
に
し
ユ
ゾ
.4
ズ
ー
勇
α
α 1eiClc2h
: 目積算負荷の 可能性範囲 [kWh/m2 ]
:塔の 区 間係 数 [一ユ
:ジrの 区 間係 数 匚一]
: 日数 を示 すパ ラ メー
タ [司
:ジ「の 中心 [一
]
:A’1 の 中心 匚一]
;A’:の 中心 [一]
: ジ、の左 右の 広が り 匚一]
:A’1の左右の 広が り[一]
:A’z の 左右の 広が り[一]
;適合度 を計 るパ ラ メ ーター[一]
24,5
一24−0923.5
椙23.OM22.5
840
唾
君
[9]
鐘恢《
12100806
劔
0200
α α
α α α α α
[ \
蚤]檸
轜
薹ili觀i璽::l J.6
靈 0.4 0.2 0,0
薗 DA 用床暖房を併用しない 口
. 〔叭 . . した 口
荷 の 削
22・0跚
21.5 肇21.0 益
100洫
80 勲 s 60 ur
・・ 覊 1° 99罷
’79穐
179巴
179聡
’7911,
’79協
179望117 腮
図 14 シ ミ ュ レーシ ョ ン 結果 (12月 15 日 〜12月 21 日)
譱攣
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31[d} 図 15 シ ミュレーシ ョ ン 結果 (12月)
表 5 床暖房を 併用 した 事 に よる空 調負荷 の 削減値と削減率
負荷の 削減値 負荷の 削減率
項 目ピー
ク負荷
k駻ゴ
日積算負荷
k陥 /
ピーク負荷
%
日積算負荷
%
鰍 0.69 0.43 63.6 100.O
最小 0.23 0.17 37.2 54.7
鞠 0.49 0.31 49.0 70.7
J〈の : 可能性範 囲の 条件 匚
一ユ
min Σ c・i: 可能性範 囲の 和 の 最小値 [一
]
g :勤務時 間帯 にお け る床面か らの 放熱量の 積 算値 匚kWh/m2 ]
9x, :空調 運 転 開始 時 か ら 「t」時間後 の 床 面か らの 放熱 量 の 積算値
[kWh/皿2]
げ、:負荷 の 時 系 列 変 動 の 状況 [一
]
min {ei−1、t} : 暖房対象 日 の 前 日 にお け る時 間 当た りの 空調 負 荷 の
最小値 [kW/m2 ]
e , :蓄熱 開始時の 蓄熱材温度 [℃]
μ : ヒー
ター稼働率の 補正 量[一]
t :時 間 を示 す パ ラ メー
タ、空調 開始 して か ら経 過 した時間 [h]
4 : 「i」日 目の 日積算負荷 〔kWh如2]
Σ4’; 「’」日 目の 日積算負荷 [kWhfm2]f厂oqi
.r : 「’」H 目空調運転 開始 し て か ら「t」時 間後の 空 調負 荷 [kW/m2 ]
Li,t :基 準化 した 負荷 匚一]
Li,o :基 準化 した負荷の 初期値 [一]
i : 基準化 した負荷 の 平均値 を表 す 直線 [一
]
一 76 一
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十
tJ : 1 日の 全空調 時間 匚時 間]
L ’i」 L と 同 じ傾 き で Lttに接 す る直 線 [一
]
p :接点 P の t座 標 卜 ]
L炉
房
一C
:接点 Pの L 」,t座 標 [一]
:ムμ
の 変動幅 匚一
]
: py’iの 可 能性範囲 の 中央 の 平 均値 [一]
: PFiiの 可 能性範囲 の 幅の 平 均 値 [一]
min {毋 、} ;勤務 時 間帯に お け る床面か らの 放熱 量の 最小値 [k曜 m2 ]
0 :蓄 熱 材 の 融解温 度 〔℃ ]
b : フ ァ ジ ィ 推論後件 部の パ ラ メータ[一]
参考文献
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型電気床暖房の 予測制御 に 関す る 論文 そ の 1 厳寒期に お け る投入 熱量 の フ
ァ ジィ予 測制御、日本建 築学会計画系論文報告集、第 494 号、pp.45〜52、1997.4(2)水野、浅野 ; 考人ホ
ーム にお ける深夜電力を利用 した潜熱 ・
顕熱蓄熱材併用
型電気床暖房の 予測制御 に 関す る 論文 そ の 2 フ ァ ジィ・ニ ューラ ル ネ ッ トワ
ーク融合モ デル に よ る 投入 熱 量 の 予測、日本建 築学会計画 系論文報告集、第 501
号、pp,53〜60、1997.11(3)高村 、浅野 二老 人 ホ ーム に お ける深夜電力を利用 した 潜熟・顕熱蓄熱材 併用型
電気床暖房の 予 測制御 に関す る論 文 そ の 3 可 能性推定モ デル を用 い た負 荷 予
測 とフ ァ ジィ 推論 に よる予 測制御、目本建 築学 会計画系論 文報告集、第 517 号、PP.59〜64、箆999.3(4)鳩 野 、浅野 :学校建築 にお け る深 夜電 力を 利用 した 潜熱 蓄熱式床暖房 の 予 測
制御法 に 関す る論文 日本建 築学会計画 系論文 報告集、第 469 号、pp.25〜33、1995.3(5)高村、浅野 :学校建 築に お け る深夜電 力を利用 した 潜熱 蓄熱式 床 暖房の 予 測
制御法に 関す る論文 そ の 2 フ ァジ ィ・ニ ュー一ラル ネ ッ トワ
ーク融合モ デル を
用い た投入熱量 の 予測制御 日本建築学会計画系論 文報告集、第 504号、pp.71〜77、正998.2(6)浅野、三垣 :SErの 時系列変化 を考慮 した潜熱
・顕熱蓄熱材 併用型電気床暖房
の 予測制御 に 関す る論文 その 1 フ ァ ジ ィ・二 =
一ラル ネッ トワーク融合モ デ
ル を用 い た没入 熱量の 予 測制御、日本建築学 会計画 系論文報告集、第 528 号、pp.43〜50、20GO.2(7>浜 口 、浅 野 、他 :T 事務所 にお け る床 暖房 と空調 の 併用 運転の性 能 評 価 に関 す
る論文 その 1床暖房運転時の 実態調査、日本建築学会学術講演会 1999 年度大会
梗鱇 、1025〜1026
(8)三 島、浅野、他 :T 事務所に お け る床 暖房 と空 調の 併用 運転 の性 能 評 価 に関す
る 論文 その 2 シ ミュレー
シ ョ ン に よる検証 と実測結果か らの 評 価、日本建築学
会学術 講演 会 1999 年度大会 梗概集、1027〜1028
(9)田 中英夫 : 「フ ァ ジ ィ モ デ リン グ とそ の応用」、pp.134〜158、朝倉書店、199e(10>熱性能評衝シ ミ=レ
ーシ ョ ンプ ロ グラム 「ESPARIItl:住宅産業情報サ
ービ ス 、1979
(tl》吉田治典;飜 こおける熱負荷予測の役割 と背景 空気調和衛生工学、第 73巻、第 9
号、PP.7〜IO、1999.09(12)川島実:負荷予測ベ ン チマ
ークテス トの 概要報告 空気調和衛生工学、第 73 巻、第 9
e. pa.37〜42、1999.09
1::2001.T−3 月 2H 原稿 受理 ,2桝〕上年 8 月 3 日採用 決定 )
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