空调设备兼顾能源节省与舒适性―通过AI进行空调自动控制
近年来，全球变暖等环境问题日益严重，已成为全球性问题，对于可应用于消耗大量能源的设备的能源节省技术，人们的关心程度越来越高。例如，在大楼等大规模设施中的空调设备消耗了大量能源，因此人们自然会积极将能源节省技术应用于空调设备*1。村田制作所（以下简称“本公司”）也在致力于实施多种能源节省措施，针对空调设备的能源节省措施就是其中之一。
空调设备能源节省技术特别应该应用的领域是发挥其性能的空调控制。空调控制也起着创建舒适空间的作用，但同时实现能源节省和舒适并不容易。这是因为兼顾这两者需要考虑不断变化的多种相关因素，同时，还需要自动优化空调设备的稼动状态。
在本文中，我们以大规模设施的空调控制为对象，对兼顾能源节省和舒适时应该注意的要点，以特别作为空调控制技术而备受关注、通过AI进行的自动控制为中心进行解说。
*1 据说大规模设施的能源消耗中大约有40～50%来自空调。
1. 空调设备―中央空调和独立空调
大楼、商场等大规模设施使用的空调设备大致可分为独立空调和中央空调2种。表1分别列出了每种空调方式的特征。设施内的舒适性是通过利用这些空调方式的特征并使其进行分担而产生的。
| 空调方式 | 特征 |
|---|---|
| 中央空调 | ・集中控制建筑物整体的的空调 ・将热源机产生的供暖和制冷热量通过热介质从输送设备的风道和管道输送到各楼层的空调机 |
| 独立空调 | 像家用空调一样独立控制每个房间的空调 |
在空间特别大的大规模设施中，能够有效控制整个建筑物温度的中央空调（图1）被认为是实现能源节省和舒适性的关键。但是，由于中央空调是集中控制的，因此灵活性较低，非常不擅长追随根据天气和人流量而动态变化的能源节省和舒适性理想条件*2。因此，大多数情况下，大规模设施的中央空调系统都有固定的温度设置。
*2 在某些情况下，通过同时使用独立空调和中央空调可以兼顾能源节省和舒适性。
中央空调存在这些问题，但可以采取以下措施来克服。
- 对整个设施的能源节省和舒适性进行数值化并评估
- 利用数值化后的数据，将兼顾能源节省和舒适性的理想稼动条件反馈到热源机并控制空调
接下来，我们将对如何推行这一措施，如何对能源节省和舒适性进行数值化和评估，以及理想稼动条件的探索方法进行相关解说。
2. 空调的能源节省与舒适性
空调能源节省的数值化―COP
无论采用何种空调方式，用于空调能源节省评估的数值指标之一就是能耗效率（Coefficient of Performance：COP）。COP的定义如公式1所示。
制热和制冷能力：指进行制热或制冷时从外部排出的热量（制冷时）或向内部供给的热量（制热时）
制热或制冷耗电量：指进行制热或制冷所需的电力
因此，COP越大，空调的能源节省性能就越好。COP可以说是汽车燃油效率的空调版指标。
但是，需要注意的是，COP是在假设室外温度一定的条件下的指标，因此在室外温度变动的实际使用条件下，它可能会偏离真实的能源节省性能。
空调舒适性的数值化―PMV和DI
影响室内舒适性的因素包括温度、湿度、二氧化碳浓度、照度和气压等。将它们数值化并读入的设备一般称为环境传感器。
从环境传感器获得的数据是环境数据的数值化结果，可以用于计算多种舒适性评估指标。评估舒适性时大多使用温热指标，例如预计平均热感觉评估（Predicted Mean Vote：PMV）和不适指数（Discomfort Index：DI）。表2列出了定义和使用方法。
温热指标 | 定义表达式 | 指标的看法 | 适用对象 | |
|---|---|---|---|---|
预计平均 | PMV = M：代谢率［W/m²］ | +3 | 热 | 适宜温度范围内的 |
不适指数 | DI = Td：干球温度［°C］ | ～50 | 冷得受不了 | 仅在开冷空调时 |
*3 热负荷项QL根据与温度、湿度、气流、辐射、代谢和衣物相关的数值得到。
3. 利用AI和环境传感器进行的空调自动控制
要想实现中央空调（以下简称空调）的能源节省，需要进行控制以将COP保持在较高水平。为此，根据上一项中的公式1，可以知道需要减少制热和制冷时的耗电量。而且，人们知道，制热和制冷时的耗电量会因
・建筑物整体的制热和制冷所需的能量（负荷热量）
・从热源机释放后的热介质温度（供水温度）
而大幅变化。
例如，在夏天，室外气温越高，就需要越强的冷却能力来保持建筑物内部处于恒温状态，因此，负荷热量会相应地增加，也就是说制冷耗电量会增加。
另一方面，热介质（此处为凉水）的供水温度越接近室温，就越能减少热源机的制冷耗电量。因此，为了节省能源而进行的将COP保持在较高水平就意味着控制供水温度。
一般来说，集中控制的空调保持设定温度恒定，也就是说供水温度恒定（见上述第1项），但近年来由于AI技术的迅速发展等原因，人们提出了可以利用AI自动控制供水温度的空调控制技术方案。在本公司，正在尝试基于以下想法进行控制（图2）。
- 在供水温度反映到空调温度时，负荷热量的影响会导致时间滞后。因此，如果要提供适合提高或维持COP水平的供水温度，就需要负荷热量的预估信息。
- 该负荷热量预估信息（以下称为预计负荷热量）是通过让AI学习过去的负荷热量数据、日期信息和天气相关信息等环境数据，并生成预计负荷热量的AI模型来获得的（在过程1中生成AI模型1）。
- 通过让AI学习表示该预计负荷热量、过去的COP和供水温度之间的关系的数据，并生成预估供水温度的AI模型，可以获得高水平的COP（在过程2中生成AI模型2）。
另外，正如上述2中所示，计算预计负荷热量需要环境数据。该数据还包括外部气温数据和湿度数据等环境传感器测量的数据。这表明来自环境传感器的数据对在过程1中生成AI模型1有重要贡献，因此是空调自动控制中必不可缺的数据获取方法。
此外，如上述第2项中的表2所示，这些环境数据还用于对建筑物内的舒适性变化进行可视化。特别是本公司正在进行使用DI的可视化。
4. 空调设备AI控制的效果验证方法
在上文第3项解说的利用AI保持较高水平的COP，并控制供水温度以帮助节省能源的控制（以下简称AI控制）中，通过实施该技术会给减少热源机耗电量和CO2排放量带来多大效果？在此对其验证方法进行介绍。
通常，通过在相同条件下比较使用和不使用AI控制时的耗电量和CO2排放量来验证其效果是合适的。但是，在现实中，两种情况下的日期、天气、接纳人数等条件并不一致，此外，也很难直接测量热源机的耗电量和CO2排放量，所以在此无法适用此验证方法（图3）。
因此，作为替代方案，人们提出了通过比较
（a）采用AI控制时的COP
（b）不采用AI控制时（供水温度恒定）的COP
之间的COP之比来确认能源节省效果的验证方法。
此外，（a）中的COP在图2中的过程2中获得，（b）是使用相同过程2中的AI模型，并假设供水温度恒定后算出的。
具体验证方法如下所示。
首先，考虑COP比值＝［（a）采用AI控制时的COP/（b）不采用AI控制时的COP］。通过使用该比值的以下公式2和公式3可以确认能源节省效果和CO2排放量削减效果。
*4 热源机的CO2排放系数（单位：kg-CO2/kWh）
从以上2个公式可以看出，COP比1大得越多，耗电量削减效果即能源节省效果越大，CO2排放量的削减效果也越大。
5. 总结
在本文中，我们介绍了通过使用AI的控制来实现兼顾大规模设施空调设备的能源节省和舒适性的想法。
在人流量大的大规模设施中，实现兼顾能源节省和舒适性的空调稼动并不是一个容易解决的问题，但实现这一点的关键是第3项讨论的使用AI和环境传感器的空调控制技术。尽管该控制技术仍处于开发阶段，但通过利用此技术自动维持兼顾能源节省和舒适性的理想空调稼动条件的可能性正变得越来越大。
今后，本公司将继续推进利用AI和传感器的能源节省举措，以实现对环境和人类生活更加友好的世界。希望我们的努力能够为创建更好的环境做出贡献。