【導讀】空調控制是空調設備能源節省技術(shù)中非常重要和關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節。另外，空調控制還起著(zhù)創(chuàng )建舒適空間的作用。但同時(shí)實(shí)現能源節省和舒適并不容易——因為兼顧兩者需要考慮不斷變化的多種相關(guān)因素，并自動(dòng)優(yōu)化空調設備的稼動(dòng)狀態(tài)。
據說(shuō)大規模設施的能源消耗中大約有40～50%來(lái)自空調！全球變暖等環(huán)境問(wèn)題日益嚴重，人們越來(lái)越關(guān)心可應用于消耗大量能源的設備的能源節省技術(shù)，比如大樓等大規模設施中的暖通空調（HVAC）設備。
空調控制是空調設備能源節省技術(shù)中非常重要和關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節。另外，空調控制還起著(zhù)創(chuàng )建舒適空間的作用。但同時(shí)實(shí)現能源節省和舒適并不容易——因為兼顧兩者需要考慮不斷變化的多種相關(guān)因素，并自動(dòng)優(yōu)化空調設備的稼動(dòng)狀態(tài)。
本文介紹通過(guò)AI進(jìn)行的大規模設施的空調自動(dòng)控制技術(shù)如何兼顧能源節省和舒適度。
中央空調和獨立空調
大樓、商場(chǎng)等大規模設施使用的空調設備大致可分為獨立空調和中央空調2種。每種空調方式的特征不一樣：中央空調是集中控制建筑物整體的的空調，將熱源機產(chǎn)生的供暖和制冷熱量通過(guò)熱介質(zhì)從輸送設備的風(fēng)道和管道輸送到各樓層；獨立空調像家用空調一樣獨立控制每個(gè)房間的空調。設施內的舒適性是通過(guò)利用這些空調方式的特征并使其進(jìn)行分擔而產(chǎn)生的。
在空間特別大的大規模設施中，能夠有效控制整個(gè)建筑物溫度的中央空調（下圖）被認為是實(shí)現能源節省和舒適性的關(guān)鍵。但是，由于中央空調是集中控制的，因此靈活性較低，非常不擅長(cháng)追隨根據天氣和人流量而動(dòng)態(tài)變化的能源節省和舒適性理想條件。因此，大多數情況下，大規模設施的中央空調系統都有固定的溫度設置。在某些情況下，還需要通過(guò)同時(shí)使用獨立空調和中央空調以兼顧能源節省和舒適性。
中央空調存在這些問(wèn)題，但可以采取以下措施來(lái)克服：
對整個(gè)設施的能源節省和舒適性進(jìn)行數值化并評估；
? 利用數值化后的數據，將兼顧能源節省和舒適性的理想稼動(dòng)條件反饋到熱源機并控制空調。
? 接下來(lái)，我們將對如何推行這一措施，如何對能源節省和舒適性進(jìn)行數值化和評估，以及理想稼動(dòng)條件的探索方法進(jìn)行相關(guān)解說(shuō)。
量化能源節省與舒適性
對整個(gè)設施的能源節省和舒適性進(jìn)行數值化并評估，首先需要理解兩個(gè)用于量化的基本概念：
? 能耗效率(Coefficient of Performance, COP）
? 預計平均熱感覺(jué)評估(Predicted Mean Vote, PMV)和不適指數(Discomfort Index, DI）
無(wú)論采用何種空調方式，用于空調能源節省評估的數值指標之一是能耗效率（Coefficient of Performance：COP）。
COP的定義如下公式所示：
公式一
COP＝制熱和制冷能力［kW］/制熱和制冷耗電量［kW］
其中，制熱和制冷能力是指進(jìn)行制熱或制冷時(shí)從外部排出的熱量（制冷時(shí)）或向內部供給的熱量（制熱時(shí)）；制熱或制冷耗電量指進(jìn)行制熱或制冷所需的電力。
可以看出，COP越大，空調的能源節省性能就越好。COP可以說(shuō)是汽車(chē)燃油效率的空調版指標。
但是，需要注意的是，COP是在假設室外溫度一定的條件下的指標，因此在室外溫度變動(dòng)的實(shí)際使用條件下，它可能會(huì )偏離真實(shí)的能源節省性能。
影響室內舒適性的因素包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、照度和氣壓等。將空調舒適性數值化并讀入的設備一般稱(chēng)為環(huán)境傳感器。從環(huán)境傳感器獲得的數據是環(huán)境數據的數值化結果，可以用于計算多種舒適性評估指標。
評估舒適性時(shí)大多使用溫熱指標，例如預計平均熱感覺(jué)評估（Predicted Mean Vote：PMV）和不適指數（Discomfort Index：DI）。下表列出了定義和使用方法。
表中的熱負荷項QL，是根據與溫度、濕度、氣流、輻射、代謝和衣物相關(guān)的數值得到的。
利用AI和環(huán)境傳感器自動(dòng)控制空調
要想實(shí)現中央空調（以下簡(jiǎn)稱(chēng)空調）的能源節省，需要進(jìn)行控制以將COP保持在較高水平。為此，根據上節中的公式一，可以知道需要減少制熱和制冷時(shí)的耗電量。
而且，人們知道，制熱和制冷時(shí)的耗電量會(huì )因：
? 建筑物整體的制熱和制冷所需的能量（負荷熱量）
? 從熱源機釋放后的熱介質(zhì)溫度（供水溫度）
而大幅變化。
例如，在夏天，室外氣溫越高，就需要越強的冷卻能力來(lái)保持建筑物內部處于恒溫狀態(tài)，因此，負荷熱量會(huì )相應地增加，也就是說(shuō)制冷耗電量會(huì )增加。
另一方面，熱介質(zhì)（此處為涼水）的供水溫度越接近室溫，就越能減少熱源機的制冷耗電量。因此，為了節省能源而進(jìn)行的將COP保持在較高水平就意味著(zhù)控制供水溫度。一般來(lái)說(shuō)，集中控制的空調保持設定溫度恒定，也就是說(shuō)供水溫度恒定，但近年來(lái)由于A(yíng)I技術(shù)的迅速發(fā)展等原因，人們提出了可以利用AI自動(dòng)控制供水溫度的空調控制技術(shù)方案。村田制作所正在嘗試基于以下想法進(jìn)行中央空調供水溫度實(shí)時(shí)控制（下圖）。
在供水溫度反映到空調溫度時(shí)，負荷熱量的影響會(huì )導致時(shí)間滯后。因此，如果要提供適合提高或維持COP水平的供水溫度，就需要負荷熱量的預估信息。
該負荷熱量預估信息（以下稱(chēng)為預計負荷熱量）是通過(guò)讓AI學(xué)習過(guò)去的負荷熱量數據、日期信息和天氣相關(guān)信息等環(huán)境數據，并生成預計負荷熱量的AI模型來(lái)獲得的（在過(guò)程1中生成AI模型1）。
通過(guò)讓AI學(xué)習表示該預計負荷熱量、過(guò)去的COP和供水溫度之間的關(guān)系的數據，并生成預估供水溫度的AI模型，可以獲得高水平的COP（在過(guò)程2中生成AI模型2）。
另外，正如上述2中所示，計算預計負荷熱量需要環(huán)境數據。該數據還包括外部氣溫數據和濕度數據等環(huán)境傳感器測量的數據。這表明來(lái)自環(huán)境傳感器的數據對在過(guò)程1中生成AI模型1有重要貢獻，因此是空調自動(dòng)控制中不可或缺的數據獲取方法。
此外，如上述第2項中的表2所示，這些環(huán)境數據還用于對建筑物內的舒適性變化進(jìn)行可視化。特別是本公司正在進(jìn)行使用DI的可視化。
空調設備AI控制的效果驗證方法
在上文第3項解說(shuō)的利用AI保持較高水平的COP，并控制供水溫度以幫助節省能源的控制（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AI控制）中，通過(guò)實(shí)施該技術(shù)會(huì )給減少熱源機耗電量和CO2排放量帶來(lái)多大效果？在此對其驗證方法進(jìn)行介紹。
通常，通過(guò)在相同條件下比較使用和不使用AI控制時(shí)的耗電量和CO2排放量來(lái)驗證其效果是合適的。但是，在現實(shí)中，兩種情況下的日期、天氣、接納人數等條件并不一致，此外，也很難直接測量熱源機的耗電量和CO2排放量，所以在此無(wú)法適用此驗證方法（下圖）。
因此，作為替代方案，人們提出了通過(guò)比較：
1.采用AI控制時(shí)的COP
2.不采用AI控制時(shí)（供水溫度恒定）的COP
之間的COP之比來(lái)確認能源節省效果的驗證方法。
采用AI控制時(shí)的COP在過(guò)程2中獲得，無(wú)AI控制COP是使用相同過(guò)程2中的AI模型，并假設供水溫度恒定后算出。具體驗證方法如下所示。
首先，考慮COP比值＝［（a）采用AI控制時(shí)的COP/（b）不采用AI控制時(shí)的COP］。通過(guò)使用該比值的以下公式二和公式三可以確認能源節省效果和CO2排放量削減效果。
公式二
熱源機耗電量的削減量（kWh）＝熱源機的實(shí)際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）
公式三
CO2排放量（kg）＝熱源機的實(shí)際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）×0.420
熱源機的CO2排放系數（單位：kg-CO2/kWh）
從以上2個(gè)公式可以看出，COP比1大得越多，耗電量削減效果即能源節省效果越大，CO2排放量的削減效果也越大。
結 論
在本文中，我們介紹了通過(guò)使用AI的控制來(lái)實(shí)現兼顧大規模設施空調設備的能源節省和舒適性的想法。
在人流量大的大規模設施中，實(shí)現兼顧能源節省和舒適性的空調稼動(dòng)并不是一個(gè)容易解決的問(wèn)題，但實(shí)現這一點(diǎn)的關(guān)鍵是第3項討論的使用AI和環(huán)境傳感器的空調控制技術(shù)。盡管該控制技術(shù)仍處于開(kāi)發(fā)階段，但通過(guò)利用此技術(shù)自動(dòng)維持兼顧能源節省和舒適性的理想空調稼動(dòng)條件的可能性正變得越來(lái)越大。
今后，村田制作所將繼續推進(jìn)利用AI和傳感器的能源節省舉措，以實(shí)現對環(huán)境和人類(lèi)生活更加友好的世界。希望我們的努力能夠為創(chuàng )建更加美好的環(huán)境做出貢獻。
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