【導(dǎo)讀】空調(diào)控制是空調(diào)設(shè)備能源節(jié)省技術(shù)中非常重要和關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。另外，空調(diào)控制還起著創(chuàng)建舒適空間的作用。但同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省和舒適并不容易——因?yàn)榧骖檭烧咝枰紤]不斷變化的多種相關(guān)因素，并自動(dòng)優(yōu)化空調(diào)設(shè)備的稼動(dòng)狀態(tài)。
據(jù)說(shuō)大規(guī)模設(shè)施的能源消耗中大約有40～50%來(lái)自空調(diào)！全球變暖等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越關(guān)心可應(yīng)用于消耗大量能源的設(shè)備的能源節(jié)省技術(shù)，比如大樓等大規(guī)模設(shè)施中的暖通空調(diào)（HVAC）設(shè)備。
空調(diào)控制是空調(diào)設(shè)備能源節(jié)省技術(shù)中非常重要和關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。另外，空調(diào)控制還起著創(chuàng)建舒適空間的作用。但同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省和舒適并不容易——因?yàn)榧骖檭烧咝枰紤]不斷變化的多種相關(guān)因素，并自動(dòng)優(yōu)化空調(diào)設(shè)備的稼動(dòng)狀態(tài)。
本文介紹通過(guò)AI進(jìn)行的大規(guī)模設(shè)施的空調(diào)自動(dòng)控制技術(shù)如何兼顧能源節(jié)省和舒適度。
中央空調(diào)和獨(dú)立空調(diào)
大樓、商場(chǎng)等大規(guī)模設(shè)施使用的空調(diào)設(shè)備大致可分為獨(dú)立空調(diào)和中央空調(diào)2種。每種空調(diào)方式的特征不一樣：中央空調(diào)是集中控制建筑物整體的的空調(diào)，將熱源機(jī)產(chǎn)生的供暖和制冷熱量通過(guò)熱介質(zhì)從輸送設(shè)備的風(fēng)道和管道輸送到各樓層；獨(dú)立空調(diào)像家用空調(diào)一樣獨(dú)立控制每個(gè)房間的空調(diào)。設(shè)施內(nèi)的舒適性是通過(guò)利用這些空調(diào)方式的特征并使其進(jìn)行分擔(dān)而產(chǎn)生的。
在空間特別大的大規(guī)模設(shè)施中，能夠有效控制整個(gè)建筑物溫度的中央空調(diào)（下圖）被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)能源節(jié)省和舒適性的關(guān)鍵。但是，由于中央空調(diào)是集中控制的，因此靈活性較低，非常不擅長(zhǎng)追隨根據(jù)天氣和人流量而動(dòng)態(tài)變化的能源節(jié)省和舒適性理想條件。因此，大多數(shù)情況下，大規(guī)模設(shè)施的中央空調(diào)系統(tǒng)都有固定的溫度設(shè)置。在某些情況下，還需要通過(guò)同時(shí)使用獨(dú)立空調(diào)和中央空調(diào)以兼顧能源節(jié)省和舒適性。
中央空調(diào)存在這些問(wèn)題，但可以采取以下措施來(lái)克服：
對(duì)整個(gè)設(shè)施的能源節(jié)省和舒適性進(jìn)行數(shù)值化并評(píng)估；
? 利用數(shù)值化后的數(shù)據(jù)，將兼顧能源節(jié)省和舒適性的理想稼動(dòng)條件反饋到熱源機(jī)并控制空調(diào)。
? 接下來(lái)，我們將對(duì)如何推行這一措施，如何對(duì)能源節(jié)省和舒適性進(jìn)行數(shù)值化和評(píng)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(jié)省與舒適性
對(duì)整個(gè)設(shè)施的能源節(jié)省和舒適性進(jìn)行數(shù)值化并評(píng)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(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)評(píng)估(Predicted Mean Vote, PMV)和不適指數(shù)(Discomfort Index, DI）
無(wú)論采用何種空調(diào)方式，用于空調(diào)能源節(jié)省評(píng)估的數(shù)值指標(biāo)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(nèi)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(diào)的能源節(jié)省性能就越好。COP可以說(shuō)是汽車燃油效率的空調(diào)版指標(biāo)。
但是，需要注意的是，COP是在假設(shè)室外溫度一定的條件下的指標(biāo)，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(jié)省性能。
影響室內(nèi)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(diào)舒適性數(shù)值化并讀入的設(shè)備一般稱為環(huán)境傳感器。從環(huán)境傳感器獲得的數(shù)據(jù)是環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)值化結(jié)果，可以用于計(jì)算多種舒適性評(píng)估指標(biāo)。
評(píng)估舒適性時(shí)大多使用溫?zé)嶂笜?biāo)，例如預(yù)計(jì)平均熱感覺(jué)評(píng)估（Predicted Mean Vote：PMV）和不適指數(shù)（Discomfort Index：DI）。下表列出了定義和使用方法。
表中的熱負(fù)荷項(xiàng)QL，是根據(jù)與溫度、濕度、氣流、輻射、代謝和衣物相關(guān)的數(shù)值得到的。
利用AI和環(huán)境傳感器自動(dòng)控制空調(diào)
要想實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)（以下簡(jiǎn)稱空調(diào)）的能源節(jié)省，需要進(jìn)行控制以將COP保持在較高水平。為此，根據(jù)上節(jié)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(fù)荷熱量）
? 從熱源機(jī)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(qiáng)的冷卻能力來(lái)保持建筑物內(nèi)部處于恒溫狀態(tài)，因此，負(fù)荷熱量會(huì)相應(yīng)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(jī)的制冷耗電量。因此，為了節(jié)省能源而進(jìn)行的將COP保持在較高水平就意味著控制供水溫度。一般來(lái)說(shuō)，集中控制的空調(diào)保持設(shè)定溫度恒定，也就是說(shuō)供水溫度恒定，但近年來(lái)由于AI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(diào)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(diào)供水溫度實(shí)時(shí)控制（下圖）。
在供水溫度反映到空調(diào)溫度時(shí)，負(fù)荷熱量的影響會(huì)導(dǎo)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(fù)荷熱量的預(yù)估信息。
該負(fù)荷熱量預(yù)估信息（以下稱為預(yù)計(jì)負(fù)荷熱量）是通過(guò)讓AI學(xué)習(xí)過(guò)去的負(fù)荷熱量數(shù)據(jù)、日期信息和天氣相關(guān)信息等環(huán)境數(shù)據(jù)，并生成預(yù)計(jì)負(fù)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(xí)表示該預(yù)計(jì)負(fù)荷熱量、過(guò)去的COP和供水溫度之間的關(guān)系的數(shù)據(jù)，并生成預(yù)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(jì)算預(yù)計(jì)負(fù)荷熱量需要環(huán)境數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)還包括外部氣溫?cái)?shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)等環(huán)境傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。這表明來(lái)自環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)在過(guò)程1中生成AI模型1有重要貢獻(xiàn)，因此是空調(diào)自動(dòng)控制中不可或缺的數(shù)據(jù)獲取方法。
此外，如上述第2項(xiàng)中的表2所示，這些環(huán)境數(shù)據(jù)還用于對(duì)建筑物內(nèi)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(diào)設(shè)備AI控制的效果驗(yàn)證方法
在上文第3項(xiàng)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(jié)省能源的控制（以下簡(jiǎn)稱AI控制）中，通過(guò)實(shí)施該技術(shù)會(huì)給減少熱源機(jī)耗電量和CO2排放量帶來(lái)多大效果？在此對(duì)其驗(yàn)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(yàn)證其效果是合適的。但是，在現(xiàn)實(shí)中，兩種情況下的日期、天氣、接納人數(shù)等條件并不一致，此外，也很難直接測(cè)量熱源機(jī)的耗電量和CO2排放量，所以在此無(wú)法適用此驗(yàn)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(rèn)能源節(jié)省效果的驗(yàn)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(shè)供水溫度恒定后算出。具體驗(yàn)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(rèn)能源節(jié)省效果和CO2排放量削減效果。
公式二
熱源機(jī)耗電量的削減量（kWh）＝熱源機(jī)的實(shí)際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）
公式三
CO2排放量（kg）＝熱源機(jī)的實(shí)際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）×0.420
熱源機(jī)的CO2排放系數(shù)（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(jié)省效果越大，CO2排放量的削減效果也越大。
結(jié) 論
在本文中，我們介紹了通過(guò)使用AI的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兼顧大規(guī)模設(shè)施空調(diào)設(shè)備的能源節(jié)省和舒適性的想法。
在人流量大的大規(guī)模設(shè)施中，實(shí)現(xiàn)兼顧能源節(jié)省和舒適性的空調(diào)稼動(dòng)并不是一個(gè)容易解決的問(wèn)題，但實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的關(guān)鍵是第3項(xiàng)討論的使用AI和環(huán)境傳感器的空調(diào)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(jié)省和舒適性的理想空調(diào)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(xù)推進(jìn)利用AI和傳感器的能源節(jié)省舉措，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和人類生活更加友好的世界。希望我們的努力能夠?yàn)閯?chuàng)建更加美好的環(huán)境做出貢獻(xiàn)。
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