成果報告書詳細
管理番号20140000000318
タイトル平成23年度-25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 (事前研究一体型) 「快適・省エネヒューマンファクターに基づく個別適合型冷暖房システムの研究開発」
公開日2014/9/18
報告書年度2011 - 2013
委託先名特定非営利活動法人ウェアラブル環境情報ネット推進機構 国立大学法人東京大学 株式会社竹中工務店
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約 空気を介さず直接人体を冷暖房することでエネルギー消費を効率的に低減する技術を開発することを目的とし、快適性や装着感などのヒューマンファクターに基づき個々人に最適制御されるウェアラブル機器を開発した。
 まず頸部冷暖房デバイスを開発した。本デバイスはペルチェ素子により頸部を冷却または加温し、冷却時はペルチェ素子の熱を水の循環とラジエータにより放熱する。主な仕様は、総重量650g、冷却部にペルチェ素子とマイクロ温度センサを装備、頸部温度を20-40℃で無段階に設定可能、過冷却と低温熱傷を防止、ラジエータ部に室温湿度センサを装備、室温と湿度によりペルチェ素子駆動電圧制御可能、等である。またセンサ情報、操作履歴、消費電力等の動作状況を無線送信し、クラウドに蓄積し、個人適合制御との併用により、任意のデバイスを個人に適合可能とした。多数の利用者情報(年齢、性別、身長、BMI)を一括管理し、個人特性と最適制御条件の関係を分析可能とした。
 次に、深部体温最適制御アルゴリズムを開発した。まず高温時の快適性計測には、発汗センサが最適なことを示した。ついで頸部温度を個人に適合して制御するアルゴリズムを開発した。手動でのペルチェ温度設定値を教師情報とし、室の温度と湿度の双1次式により最適温度を決定する学習アルゴリズムを開発した。この制御アルゴリズムは主観評価により手動操作と同等の快適度が確認され、またCPT(Continuous Performance Test持続的注意機能検査)により、室温を2度以上変えた場合と同等の作業効率が得られることが確認された。また、文献調査および夏季と冬季の長期装着実験により、身体リスクがないことを示した。
 深部体温制御アルゴリズム最適化のため、暑熱に対する快不快認知機構の脳機能モデルを構築した。このモデルにより本来独立な自律的体温制御機構と快不快を認知する機構が扁桃体を介して相互作用することを明らかにした。さらに、自律的体温制御機構に直接的に働きかける頸部冷却が暑熱に対する不快感を速やかに軽減し注意散逸を防止できることがわかり、被験者試験によりこうした効果を検証した。
 個別冷暖房装置の効果を実証するため、夏季・冬季を想定したモデル空間を再現できる実験室にて、実地検証を実施した。室温湿度32℃60%RHの環境で、頸部冷却により延べ64人中39人(約61%)の快適性が増加した。また、作業効率の評価に用いたCPTの成績が、頸部冷却により平均反応時間が短くなる(作業効率が高まる)傾向を示すことが検定により認められた。さらに暑熱空間で頸部冷却を実施したときと,空調が施されている通常空間(室温湿度28℃60%RH)との差は検定で認められず、両者が同等であるといえることがわかった。また、室温湿度16℃50%RHの環境では、頸部加温により延べ24人中22人(約92%)の快適性が増加した。
 省エネルギー効果を解析した結果、個別冷暖房装置1台当たりの消費電力は、冷却時は約28 W以下、加温時は約10 W以下であった。使用条件として,夏季においては気温27℃以上で個別冷暖房装置の冷却機能のみ使用し、気温31℃以上ではエアコンと併用するものとし,冬季においては気温20℃以下で個別冷暖房装置の加温機能のみ使用し、気温16℃以下ではエアコンと併用するものとした。この使用条件下における想定利用者一人あたりの原油換算年間省エネ効果量は43.6リットルであり、本課題の目標値を上回った。
英文要約Title:Research and development of individually adaptive temperature-conditioning systems based on human comfort and energy saving factors (FY2011-FY2013) Final Report

Our objective is the development of effective energy saving technology for direct temperature-conditioning of human body without going through air. We have developed a wearable equipment for individually adaptive temperature-conditioning based on human factors such as comfort and sense of fit.
First, we have developed a neck cooling and warming device using Peltier elements. The device weighs less than 650 grams and is capable of regulating linearly user’s neck temperature between 20°C and 40°C. Peltier elements’ temperature at neck is controlled by sensor readings of air temperature and humidity, and neck temperature to prevent from over heating and cooling. Device’s operating conditions including sensor data, control log, and power consumption are sent wirelessly to a monitoring system and accumulated in a cloud storage. Operating data and user’s physical data (age, sex, height, BMI) are managed in a unified way, enabling analysis of correlation between individual differences and optimal control conditions.
Then, we have developed a learning algorithm for body core temperature optimal control by adaptive individual control of neck temperature. Manually set Peltier elements’ temperature was used as training data, and a first-order equation of air temperature and humidity pair was used to decide the optimal neck temperature. According to self-assessments comfort level was equivalent to manual control, and Continuous Performance Test (CPT) proved equivalent task performance can be obtained even in an environment more than 2 degrees hotter. Also, according to literature and long-term equipping experiments during summer and winter, we could demonstrate that there is no health risk.
To optimize the algorithm, we build a model of the perception mechanisms of comfort/discomfort states regarding hot environment. According to this model, it has been revealed that the autonomous temperature control mechanism and comfort/discomfort perception mechanism, which are originally independent, are interacting through the amygdala. Moreover, we have discovered and verified through subjects’ experiments that neck cooling, which influences directly the autonomous temperature control mechanism, can reduce quickly heat discomfort and then avoid loss of attention.
We have developed a personal cooling and warming equipment, embedding the body core temperature control algorithm in the neck cooling and warming device. Its effect were investigated by setting up an experimentation room that can reproduce the environment of a typical office space in summer and winter. In hot environment (32°C 60%RH), comfort level augmented with neck cooling for about 61% (39 of 64) of the subjects. Furthermore, neck cooling was demonstrated to improve task performance since reaction time of CPT was significantly lower (0.01 level) than without neck cooling, while having no significant difference with normal conditions (28°C 60%RH). In cold environment (16°C 50%RH), comfort level augmented with neck warming for about 92% (22 of 24) of the subjects.
Power consumption of the equipment was less than 28W during cooling and 10W during warming. Assuming the use of personal cooling equipment from 27°C and joint use with air-conditioning from 31°C in summer, and use of personal warming equipment from 20°C and joint use with air-conditioning from 16°C in winter, the expected energy saving for one user is 43.6 liters of crude oil, which exceeds the objective of 34.6 liters.
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