特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─2

省エネルギー化に向けた空調制御の取り組みとセンサネットワーク

西野淳

橋本哲

ダイキン工業（株）

空気調和，センサネットワーク，省エネルギー，見える化，MEMS用が期待されており，以下では運用時の省エネ手法に的を1．はじめに絞って説明する。表 1 に運用時に行われる省エネ手法と地球温暖化問題や，東日本大震災以降の電力不足を背景として，節電や省エネルギー（以下，省エネ）への関心が利用されるセンサの一例を示す。また，この要旨を以下に概説する。

高まっている。現在，日本の CO2 排出量は，工場分野で不在エリア制御は，人のいないエリアの無駄な空調や照着実に削減が進められているが，民生部門（事務所ビルな明を抑制する制御であり，人の有無を検知する人感センサど）では増加傾向にあり，その対策が急務となっている。

が必要とされる。なお，現状の人感センサ（焦電型）は，本稿では，民生部門における CO2 排出量の約 40％を占動きが少ない人の検知精度が悪く，改善が求められてい（1）める空調機（図 1） を対象とし，この省エネを推進するる。

ために行っている取り組みの一例を紹介する。以下では，換気量制御は，在室者が少ない場合に生じる過剰換気をまず，現状認識として，センサや IT を用いて省エネを推抑制する制御であり，在室者数に比例して増加する CO2進する情報システム（以下，省エネ情報システム）の概要

濃度や在室者数そのものを検知するセンサが必要とされる。と市場動向および課題を概説する。次に，現在，NEDO

窓開閉ガイダンスは，春や秋に低温外気を積極的に取り（2）研究 として，複数企業とともに検討している中小オフィ入れ空調機の運転を抑制する手法（外気冷房）であり，室ス向けの省エネ情報システム（以下，グリーンセンサ・ネ

内と外気の温湿度を検知するセンサが必要とされる。

ットワークシステム，または，GSN）のコンセプトと取り組みの概要を紹介する。

照明設備

空調設備

2．省エネ情報システムの現状と課題

人感センサ
照度センサ
高効率照明

温度センサ
湿度センサ
個別リモコン

2.1

代表的な省エネ手法と利用されるセンサ

換気設備
CO2 センサ
CO2 制御外気冷房

省エネ情報システムは，図 2 に示すように，設備ごとの電力量と運転情報を収集するセンサとそれを集中管理するシステムで構成される。管理者は，その情報に基づいてエネルギー消費が過剰な設備を抽出し，改善することで省中央監視機械室

BEMS 導入

電気室

中央監視室

エネを進めている。
省エネ手法には，空調機など設備そのものの性能向上を受変電設備
電力センサ
高効率トランス

図2

センサを利用した省エネ情報システム

表1

運用時の省エネ手法と利用されるセンサ図る手法とその運用時に生じる過剰運転やロス発生を抑制する手法に大別される。センサネットワークは運用時の活部門別 CO2 排出量
その他
3％
運輸部門
31％

民生部門
33％

産業部門
33％

図1206

民生部門の用途別 CO2 排出量
その他
給湯
14 . 0％
1 . 0％
OA 機器
21 . 0％空調
43 . 0％照明
21 . 0％

部門別および用途別 CO2 排出量© 2013 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

省エネ手法の代表例

利用されるセンサ
ロスの要因

不在エリア制御不在エリアの無駄
運転

CO2 濃度に基づく
換気量制御

過剰換気

温湿度 人感 CO2○○

断熱不良箇所の抽出・改善○

断熱不良による熱負荷の増加○○

窓開閉ガイダンス 無駄な空調運転（外気冷房）
（冷房）

サーモグ
ラフィ

○

○

IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─2

省エネルギー化に向けた空調制御の取り組みとセンサネットワーク

断熱不良箇所の改善は，窓や壁からの過剰放熱を低減

中小規模ビルへの省エネ情報システム導入を加速するにし，空調機の負荷そのものを抑制する手法であり，断熱性は，システム導入・運用にかかる手間や費用の低減が重要能の低い箇所を特定するために壁や窓の表面温度を検知すである。具体的には，以下の 3 点が主な課題になる。
一つ目の課題は，設置工事を不要にすることである。設るセンサが必要とされる。
2.2

置工事が必要になると，表 2 に示すように，テナント側省エネ情報システムの市場動向

一般的に省エネ情報システムは，法規制のある大中規模ビルを中心に導入されており，国内の市場規模は 500 億円程度と言われている。図 3 に示す国土交通省の建物着工
2との調整作業が必要で，工事そのものにも費用が発生するなど既設ビルに導入しにくい実情がある。
二つ目は，システムの導入・運用にかかる費用の投資回統計によると，ビル総面積の約半分を 5 000 m 未満の中収期間を短縮することである。利益に直結せず高額になる小規模ビルが占めている。我が国の省エネ推進には，これ設備への投資が敬遠される中で，システム自体のコストをら中小規模ビルでの取り組みが重要と言える。

安価にすることと確実な省エネ効果が強く求められている。
三つ目は，誰でも容易に省エネを実現できることであ5 000 m2 未満：52.8％

い。限られた時間の中で，運用課題を抽出し，確実に対策

2〜699 m2700〜1 999 m
17 . 6％47 . 2％る。エネルギー管理者が不在であることの多い中小規模ビルでは，高度な計測データ分析や対策実施を行うのが難し

15 . 9％2 000〜2 999 m2
3 000〜4 999 m2
5 000 m2〜8 . 7％できる情報やツールが求められている。
これらの課題解決は大規模建物を中心に導入されている
従 来 の Building Energy Management System（BEMS）
では難しく，工事不要で低コストを実現できる新しいコン

10 . 6％

セプトや革新的なセンサ開発が必要になる。次章では，図総面積：43 392 989 m

4 に示した位置付けで検討しているグリーンセンサ・ネッ

図3

トワークシステムの概要を紹介する。

2

2011 年

建物規模別の延床面積比（国土交通省 建物着工統計より）

表2

3．グリーンセンサ・ネットワークシステムの開発

システム導入に工事が必要な場合に生じる問題
対象者

要工事の問題点

新的な省エネ情報システムの開発を進めている。以下でビルオーナ

テナント

テナントの業務に支障がでる。（テナントとの調整作業が必要）○○

高額の工事費が発生する。（工事費 50万円〜）○○

省エネ志向のテナントがいても，テナント判断で導入できない。（退出時に，原状回復のルールがあり，その費用負担も必要）

前述した課題の解決を目指し，工事不要・低コストの革は，そのコンセプトと技術開発の方向について説明する。
3.1

開発コンセプトコンセプトの全体像を図 5 に示す。ここでは，「天井面にセンサ端末を貼るだけで，これまで見えなかったエネルギーロスをリアルタイムに見える化，さらに対策も提案○し，省エネを推進するシステム」としている。以下に，このコンセプトの狙いと特長を説明する。
（１）コンセプトの狙い

省工事性

BEMS：Building Energy Management System
GSN

工事不要が求められる
簡単工事なら許容されるエネ製品にするだけでなく，その運用・管理も重要になる。例えば，不要な空調運転などによるエネルギーロスが生じていないかを常に把握し，発生している場合はすぐに法規制対応（省エネ法）

改善することで，ロス発生を最小限に抑えることができ

大中規模ビル

中小規模ビル

政府支援
（補助金）

工事を許容
従来 BEMS

市場拡大

中長期回収（2 〜 10 年）を許容

図4

省エネを推進するには，空調機などの設備そのものを省る。このような省エネ行動を誘発する見える化を，簡単な設置作業のみで実現できるシステムを目指す。
（２）システムの特長

短期回収が必須 低コスト性

センサ端末は，超小型（MEMS）で，太陽電池と無線BEMS 市場におけるグリーンセンサネットワーク通信機能を一体化した構成とする。これにより，貼るだけシステムの位置付けで設置可能とし，電源・通信の配線工事を不要にする。また，

電学誌，133 巻 4 号，2013 年

207

特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─2
センサ端末（部屋全体を監視）
温度分布と人数・位置を同時検出（赤外線アレーセンサ）

天井面に貼るだけ対策

2×5 cm【特長】
太陽電池と無線機能を一体化し，電源・配線工事を不要化。
アプリケーション（省エネ推進）

省エネ活動

標準機能（見える化）①ロス発生場所をリアルタイム表示②ロス発生の通知（Twitter，メール）■ロス発生通知・2F 事務所西側でロス発生。
詳細位置［http://○○○］
対策一覧［http://○○○］
・1F 会議室東側でロス発生。
詳細位置［http://○○○］
対策一覧［http://○○○］
・・・

ロス発生
例：冷え過ぎ

図5

省エネ手法
1．不在エリア制御
2．換気量制御
3．窓開閉ガイダンス
4．断熱不良箇所の抽出・改善【機能】ロスが発生するや否や通知し，ロス発生の最小化を手伝う。
オプション機能（自動制御）③設備運用の自動化

ロス発生のリアルタイム検知結果を元に，空調機等の ON / OFF，設定を最適化。

グリーンセンサ・ネットワークシステムのコンセプト

機器本体の費用，工事費用，電池交換費用の低減を図る。
アプリケーションは，ロスの発生場所と程度をリアルタ

隔ごとに以下のデータを生成する仕様とする。
・検出した人の位置（ｘ，ｙ）［有：1，無：0］

イムに見える化する機能を持たせる。ここでは，一目見て・検出した人数の最大・最小値［人／分］

直観的に把握できるように，ロスの発生場所を部屋の平面・赤外線アレー（ｘ，ｙ）の最大・最小値［℃／分］

図と重ね合わせ，ロスの程度に応じて色分けして表示す・センサ周辺（天井付近）の平均温度［℃／分間］る。また，ロスが発生し次第，対策と併せてメールなどで（２）スマートアプリケーション通知する。これにより，「今，どこで，何をすれば，どれ投資回収期間の短縮を主目的として，単一種類のセンサくらい効果があるか」を把握でき，ユーザの省エネ行動を（赤外線アレーセンサ）で，表 1 に示す複数の省エネ手法起こしやすくする。なお，省エネ対策を行う人手作業を省を同時に運用できる構成とする。

くオプションとして，自動制御を行う機能も持たせる。
3.2

コンセプトを実現するための技術

省エネ効果を最大化するには，エネルギーロスが発生し次第，すぐに解消することが大切であり，これを支援する

前述したコンセプトを実現するためには，設置作業が簡見える化機能を組み込む。具体的には，ロス発生の推定

単でデータ処理機能を備えたセンサ（以下，スマートセン

を，不在エリアの無駄運転，過剰な換気，過剰な空調運

サ）と，単一種類のセンサで，複数の省エネ手法を運用す

転，断熱不良による熱負荷増加という四つの問題に対してるアプリケーション（以下，スマートアプリケーション）行う。そして，その発生場所を部屋の平面図と重ね合わせの開発が重要となる。図 6 に，試作システムと構成技術て表示し，誰でも直観的に把握可能にする。この処理は 1の概要を示す。以下では，これらを実現する技術の概要を分ごとに自動更新し，最新状況の確認を容易にする。

説明する。

また，ロス発生場所の見える化と併せて，その対策を通（１）スマートセンサ知する機能も持たせる。対策は，ロス種類別にクラウドサ

温度計測や人検知など複数用途に利用できることに注目

ーバ側にあらかじめ蓄積しておき，ロス発生のリアルタイし，本特集の 3 番目の記事で紹介される赤外線アレーセン

ム検知結果をもとに選択し，在室者に通知する。

サを用いる。これを太陽電池および無線通信機能と一体化

さらに，オプションとして空調機を自動制御する機能をし，電源・配線工事を不要化する。また，リアルタイム処組み込む。この機能は，ロス発生のリアルタイム検知結果理を可能にするために，センサ側で 1 次データ処理（分散をもとに，空調機などの ON / OFF，設定（温度，風向）の処理）を行い，クラウドサーバ側の処理負荷を減らす。セ

制御指令データをクラウド側から送信することで実現する。

ンサ側で行う 1 次データ処理は，表 1 に記す複数の省エネ

このような工夫により，コストパフォーマンスの高いシ手法を実行できるように，在室者の人数・位置と室内温度ステムの実現を目指す。なお，このシステムの効果に関し分布に関する情報を生成可能にする。この処理は，1 分間ては，建物特性などにも依存するが，10％以上の省エネの208

IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─2

省エネルギー化に向けた空調制御の取り組みとセンサネットワーク〈GSN（現地オフィス）〉
空調機〈クラウドサーバ〉

自動制御コントローラ

タブレット端末

制御指令
LAN
赤外線
アレーセンサ 特定省電力無線

アプリケーション【省エネ手法】
・不在エリア制御

・分析機能（見える化）・換気量制御・窓開閉ガイダンス
・自動制御機能

Wi-Fi 子機（市販品）

・断熱不良箇所の抽出・改善

見える化

Wi-Fi

（920 MHz 帯） コンセントレータ

M2M クラウド

LTE または，3 G

センサデータDB
制御指令データ

データ収集・転送

計測＆処理【技術 1：スマートセンサ】
・太陽電池と無線機能を一体化し，電源・配線工事を不要化。
・リアルタイム処理を可能にする分散処理。

12

空調消費電力量
不在制御（予測）10

制御無し

864制御あり200

外気温 30℃
51015

空調消費電力量［kWh/ 時］

空調消費電力量［kWh/ 時］

図6200【技術 2：スマートアプリケーション】
・単一種類センサで、複数の省エネアプリを運用。
・省エネ行動を誘発する見える化。

グリーンセンサ・ネットワークシステムの構成

180

空調消費電力量
換気量制御（予測）的で，位置検知技術の導入も検討している。図 8 に，基160

制御無し

地局からの位置基準信号を用いる方式（3）に関して，同オフ

140ィスで評価した結果の一例を示す。この結果では測位誤差

120
100

20 25 30
在席人数［人］制御あり

8020 22 24 26 28 30 32 34
日平均外気温度［℃］（a）空調機の不在エリア制御

図7

データ蓄積（b）換気量制御

1 m 以下の精度が得られ，人手入力による登録ミス防止を含めて，有用性を確認している。

4．おわりに
省エネ情報システムの概要と，中小オフィス向けに検討省エネ効果の試算結果（一例）しているグリーンセンサ・ネットワークシステムの概要を
基地局

計測位置（等間隔）

柱

頻度［％］

リーダ

18 m

センサ

タッチ・タッチするだけで登録

ID タグ 自身の位置情報を出力実測したエリア紹介した。中小オフィスの省エネは社会的課題でもあり，

70％
60％
50％
40％
30％
20％
10％
0％

頻度

難しく，発想を新たにして，革新的なコンセプトやセンサを開発する必要がある。例えば，太陽電池による自立電源化，MEMS を用いた超小型化と無線通信による工事レス
0 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0
測位誤差［m］

15 m（a）システム概要

図8

今後，本格的に取り組む必要がある。しかし，この実現は（b）評価結果

センサ位置の自動登録技術（UWB 方式（3）の結果）化などを同時実現することで，ユーザ自らが購入して設置できるようなものにする。また，多種・大量データを活用してロス発生を予測し，事前にその発生を知らせることにより実用性を高めるなど，今後，他社との協創を進めながら，この実現を目指したいと考えている。

達成を目標としている。参考までに，実オフィスでの計測〈謝辞〉 本稿に記載の成果の一部は，独立行政法人新エネデータをもとに，省エネ効果を試算した結果の一例を図 7

ルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の共同研究業務に示す。の結果得られたものです。

このほか，導入時に必要となる試運転工数を削減する目

文 献

西野

（１）省エネルギーセンター：「最終エネルギー消費量とエネルギー期限
CO2 排出量の実績と見通し 2002 年度版」，（2002）（２）技術研究組合 NMEMS 技術研究機構 HP：http://www.nmems.or.jp/index.html（３）J. Zhang, P. V. Orlik, Z. Sahinoglu, A. F. Molisch, and P. Kinney : “UWB
Systems for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of the IEEE,
Vol.97, No.2, pp.313─331（2009）にしの・あつし淳

2003 年大阪府立大学大学院工学研究科修士課程修了。同年ダイキン工業（株）入社。2011 年よりグリーンセンサ・ネットワークシス
テム技術開発プロジェクトに従事。

橋本哲

はしもと・さとし
1988 年ダイキン工業（株）入社。1991 年姫路工業大学大学院工学研究科博士課程修了。2011 年よりグリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクトに従事。工学博士。

電学誌，133 巻 4 号，2013 年

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