在大規(guī)模設(shè)施的能源消耗中，暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)占據(jù)了約40%到50%的能源使用量。隨著全球變暖等環(huán)境問題的加劇，人們越來越關(guān)注如何在大規(guī)模設(shè)施（如辦公樓、商場等）中實現(xiàn)能源節(jié)省，尤其是針對那些高能耗的設(shè)備，如暖通空調(diào)系統(tǒng)。

空調(diào)控制在暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色。它不僅能夠有效降低能源消耗，還能創(chuàng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境。然而，要同時實現(xiàn)節(jié)能和舒適并非易事，因為這需要綜合考慮多種動態(tài)變化的因素，并自動優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

本文將探討如何利用人工智能（AI）技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模設(shè)施中暖通空調(diào)系統(tǒng)的自動控制，從而在節(jié)能的同時確保舒適度。通過AI驅(qū)動的控制策略，系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度和人員密度，并據(jù)此自動調(diào)整空調(diào)設(shè)備的運行參數(shù)。這種方法不僅提高了能源利用效率，還為用戶提供了更加個性化和舒適的環(huán)境。

中央空調(diào)和獨立空調(diào)

大樓、商場等大規(guī)模設(shè)施使用的空調(diào)設(shè)備大致可分為獨立空調(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)，將熱源機產(chǎn)生的供暖和制冷熱量通過熱介質(zhì)從輸送設(shè)備的風(fēng)道和管道輸送到各樓層；獨立空調(diào)像家用空調(diào)一樣獨立控制每個房間的空調(diào)。設(shè)施內(nèi)的舒適性是通過利用這些空調(diào)方式的特征并使其進行分擔(dān)而產(chǎn)生的。

在空間特別大的大規(guī)模設(shè)施中，能夠有效控制整個建筑物溫度的中央空調(diào)（下圖）被認(rèn)為是實現(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，非常不擅長追隨根據(jù)天氣和人流量而動態(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，還需要通過同時使用獨立空調(diào)和中央空調(diào)以兼顧能源節(jié)省和舒適性。

中央空調(diào)存在這些問題，但可以采取以下措施來克服：

對整個設(shè)施的能源節(jié)省和舒適性進行數(shù)值化并評估；

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條件反饋到熱源機并控制空調(diào)。

接下來，我們將對如何推行這一措施，如何對能源節(jié)省和舒適性進行數(shù)值化和評估，以及理想稼動條件的探索方法進行相關(guān)解說。

量化能源節(jié)省與舒適性

對整個設(shè)施的能源節(jié)省和舒適性進行數(shù)值化并評估，首先需要理解兩個用于量化的基本概念：

能耗效率(Coefficient of Performance, COP）

預(yù)計平均熱感覺評估(Predicted Mean Vote, PMV)和不適指數(shù)(Discomfort Index, DI）

無論采用何種空調(diào)方式，用于空調(diào)能源節(jié)省評估的數(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行制熱或制冷時從外部排出的熱量（制冷時）或向內(nèi)部供給的熱量（制熱時）；制熱或制冷耗電量指進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的實際使用條件下，它可能會偏離真實的能源節(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，可以用于計算多種舒適性評估指標(biāo)。

評估舒適性時大多使用溫?zé)嶂笜?biāo)，例如預(yù)計平均熱感覺評估（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)境傳感器自動控制空調(diào)

要想實現(xiàn)中央空調(diào)（以下簡稱空調(diào)）的能源節(jié)省，需要進行控制以將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的耗電量。

而且，人們知道，制熱和制冷時的耗電量會因：

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保持建筑物內(nèi)部處于恒溫狀態(tài)，因此，負(fù)荷熱量會相應(yīng)地增加，也就是說制冷耗電量會增加。

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(jié)省能源而進行的將COP保持在較高水平就意味著控制供水溫度。一般來說，集中控制的空調(diào)保持設(shè)定溫度恒定，也就是說供水溫度恒定，但近年來由于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行中央空調(diào)供水溫度實時控制（下圖）。

在供水溫度反映到空調(diào)溫度時，負(fù)荷熱量的影響會導(dǎo)致時間滯后。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)計負(fù)荷熱量）是通過讓AI學(xué)習(xí)過去的負(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)計負(fù)荷熱量的AI模型來獲得的（在過程1中生成AI模型1）。

通過讓AI學(xué)習(xí)表示該預(yù)計負(fù)荷熱量、過去的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（在過程2中生成AI模型2）。

另外，正如上述2中所示，計算預(yù)計負(fù)荷熱量需要環(huán)境數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)還包括外部氣溫數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)等環(huán)境傳感器測量的數(shù)據(jù)。這表明來自環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)對在過程1中生成AI模型1有重要貢獻，因此是空調(diào)自動控制中不可或缺的數(shù)據(jù)獲取方法。

此外，如上述第2項中的表2所示，這些環(huán)境數(shù)據(jù)還用于對建筑物內(nèi)的舒適性變化進行可視化。特別是本公司正在進行使用DI的可視化。

空調(diào)設(shè)備AI控制的效果驗證方法

在上文第3項解說的利用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（以下簡稱AI控制）中，通過實施該技術(shù)會給減少熱源機耗電量和CO2排放量帶來多大效果？在此對其驗證方法進行介紹。

通常，通過在相同條件下比較使用和不使用AI控制時的耗電量和CO2排放量來驗證其效果是合適的。但是，在現(xiàn)實中，兩種情況下的日期、天氣、接納人數(shù)等條件并不一致，此外，也很難直接測量熱源機的耗電量和CO2排放量，所以在此無法適用此驗證方法（下圖）。

因此，作為替代方案，人們提出了通過比較：

采用AI控制時的COP

不采用AI控制時（供水溫度恒定）的COP

之間的COP之比來確認(rèn)能源節(jié)省效果的驗證方法。

采用AI控制時的COP在過程2中獲得，無AI控制COP是使用相同過程2中的AI模型，并假設(shè)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控制時的COP/（b）不采用AI控制時的COP］。通過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

熱源機耗電量的削減量（kWh）＝熱源機的實際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）

公式三

CO2排放量（kg）＝熱源機的實際耗電量（kWh）×（1?1/COP比）×0.420

熱源機的CO2排放系數(shù)（單位：kg-CO2/kWh）

從以上2個公式可以看出，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，我們探討了如何通過應(yīng)用人工智能（AI）控制技術(shù)來實現(xiàn)大規(guī)模設(shè)施空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能與舒適性兼顧。在人員密集的大規(guī)模設(shè)施中，要在節(jié)能的同時確保空調(diào)系統(tǒng)的舒適性并非易事，但關(guān)鍵在于利用AI和環(huán)境傳感器的空調(diào)控制技術(shù)，如文中第三部分所討論的那樣。盡管這項控制技術(shù)仍處于開發(fā)階段，但通過該技術(shù)自動維持節(jié)能與舒適性平衡的理想空調(diào)運行條件的可能性正逐漸增加。

展望未來，村田制作所將繼續(xù)推進基于AI和傳感器的節(jié)能措施，致力于打造一個對環(huán)境和人類生活更加友好的世界。我們期待通過這些努力為創(chuàng)造更美好的環(huán)境貢獻一份力量。