ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2014 省エネルギー革新技術開発事業先導研究快適・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 (特非) ウェアラブル環境情報ネット推進機構東京大学 (株) 竹中工務店研究開発期間：平成23年12月～平成26年2月１．研究開発の背景、目的、目標１．１．背景＜社会的必要性等＞エアコンを超える超省エネの快適ヒューマンファクター製品は現われていない。本開発品は新しい市場を創る可能性を秘めている。 2 3 ＜技術的状況等＞１．国内外で、身につけるウェアラブル機器の開発が活発になってきた。首につけるウェアラブル機器が注目されている。２．部屋全体の空気を冷やす従来の空調に対して、身体のみを冷暖房する本ウェアラブル装置は消費電力が1/10以下。ただし、装置の携帯が必要。３．本装置は温度制御されるため過度の冷熱がない。ただし、従来の携帯型商品の冷凍パッドやカイロに対して、装置はやや高価で大型。脳波センサ 4 直接冷暖房のイメージ省エネ 1/10 頸動脈従来のエアコン(空気を介して冷暖房) 本開発のウェアコン(人体に直接冷暖房) １．研究開発の背景、目的、目標１．２．従来の課題、目的、目標 5 6  課題  ヒューマンファクターを定量化する指標としての快適性は、深部体温により決まる  深部体温を適性値に設定すれば，生理的障害の発生を抑制し、労働生産性低下などのリスクを回避できる  目的  各種生体センサで推定した最適深部体温に深部体温が一致するように動脈血を冷却・加温する、個別電子体温調節システムを開発  集中空調システムの消費電力を最小としながら、快適・健康な執務室環境を一人一人に提供できることを実地試験により実証する帯状回快不快温度感覚（情動）深部体温空調システム温度計環境変動環境温度視床視床下部下垂体末梢温度受容体熱流入外部内部環境環境冷却（給熱）排熱随意筋運動血管・筋運動褐色脂肪細胞熱産生自律性調節行動調節行動深部体温の恒常性を確保する生理機構個別空調ヒューマンファクター研究における各項目の関連性機能実装 (1)深部体温制御装置の開発評価機・アルゴリズムの実装・最適化（回路、意匠）試作機機器仕様の最適化 (2)深部体温最適制御アルゴリズムの開発・耐暑・耐寒状態識別技術・快不快評価技術臨床試験生体リスク評価 (3)モデル空間構築による実地検証・省エネルギー効果の可視化・ヒューマンファクタに基づく集中空調システムの最適駆動法 7 ２．研究開発体制、研究開発内容 8 ２．１．研究開発体制研究開発責任者ウェアラブル環境情報ネット推進機構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学校法人放送大学学園独立行政法人情報通信研究機構コガソフトウェア株式会社２．研究開発体制、研究開発内容２．２．研究開発内容（１）深部体温制御装置の開発（２）深部体温最適制御アルゴリズムの開発（３）モデル空間構築による実地検証 9 （１）深部体温制御装置の開発頸動脈流を冷媒とする超省エネ携帯冷房の具体化頸動脈で血流を冷やし，脳を冷やす．熱流チューブ ※暖房時は冷却水不用 10 熱伝達モデルによる設計 11 ペルチェ素子効率が全体性能を支配． ⇒ペルチェを高効率品に交換すれば，消費電力低減の可能性あり. （２）深部体温最適制御アルゴリズムの開発 12 高温高湿環境下の発汗量と快不快感の関係頸部冷却あり 20 -3 PMV B 発汗被験者A 快不快 0 10 PMV C 快不快 B 快不快不快 C 発汗 3 0 0.5 1 1.5 A 発汗発汗 g/m2/min 快 0 時間（h) すべての被験者で，快適性低下後に発汗発汗量に個人差あり → 発汗量により快不快の推定可能．個人ごとの補正必要． 13 脳波による快不快感の計測快主観評価不快 35 35℃ 基幹脳活動指数（脳波）気温 25℃ 0 15 経過時間（分） 10 主観評価と快不快指数は係数0.7以上で相関．ただし脳波は安静時のみ測定可能 → 快不快の検出可能だが，日常生活での温度制御には利用不可能（３）モデル空間構築による実地検証恒温恒湿実験室（モデル空間）における実地検証を実施実験室竹中工務店技術研究所温熱環境実験室被験者数日本人16名（男性8名・女性8名，20～35歳）実験条件 Case1 Case2 Case3 32℃60％RH 32℃60％RH 28℃60％RH 実験タイムスケジュール頸部冷却あり頸部冷却なし頸部冷却なし 1日1条件（環境曝露120分）、平日午後に実施：実験室環境測定機器（温湿度・グローブ温度・風速・鉛直温度分布）被験者席③ 被験者席④ 被験者席① 被験者席② 4,900 2,450 出入口 1,900 5,700 実験室レイアウト実験の様子 14 15 頸部冷却の有無による快不快度の違い実施したVAS (Visual Analog Scale) アンケート（回答例）体全体（着用感含む）の快不快度不快快適実験中4回のVAS評価の平均各回VAS評価 p < 0.05 8 被01 被03 被05 被07 被09 被11 被13 被15 平均 6 不快 4 2 0 頸部冷却なし頸部冷却あり頸部冷却により16人中11人（約69％）の快適性が増加被02 被04 被06 被08 被10 被12 被14 被16 快適 10 10 8 6 4 不快 快適 p < 0.01 2 0 頸部冷却なし頸部冷却あり頸部冷却により延べ64人中39人（約61％）の快適性が増加３．成果、実績、展望等 16 ３．１．成果本研究から、温度環境のヒューマンファクターを生理学的に解明し、下図のように整理しました。すなわち、外界温湿度が上がると、体表温度が上がり、血流を介して深部温が上がる。一方、生命活動の維持に最適な温度は37℃であり、セット温度として脳内で設定されている。深部温とセット温度の差が扁桃体で測定され、その差に比例して、脳幹部でドーパミンが消費され、交感神経が活動し、発汗する。それにより体表温度が下がる。このループにより、深部温はセット温度 ±0.1℃に保たれることになる。 17 省エネ快適機器に絞った場合の個別冷暖房システムの構成デスクワーク TYPE I 環境センサ TYPE II 環境センサ（最も安価に提供できる）ラジエータ・制御部冷却・加温部（どのハードでも個人適合酷暑日はエアコンと連動）ラジエータ制御部冷却・加温部家庭生活・屋外作業 TYPE III （移動可能）環境センサ冷却・加温部バッテリ TYPE IV 環境センサ生体センサエアコンラジエータ・制御部（究極のシステム）ラジエータ制御部冷却・加温部バッテリクラウドエアコンクラウド 18 暑熱感による不快感と作業能率低下のメカニズム３．成果、実績、展望等３．２．実績等学会発表･論文等 45件精密工学会、人間情報学会他特許出願等 5件招待講演等 10件 19 ３．成果、実績、展望等 20 ３．３．今後の展望今回開発したウェアコン技術とエアコンと連携したシステムを2016年を目標に実用化を予定しています。また、本技術は、省エネ分野だけでなく、健康･スポーツ･医療･作業分野へも応用可能です。さらに、国外においても、高温多湿モンスーン地域を中心に展開を考えています。開発した技術の応用範囲３．成果、実績、展望等 21 ３．４．原油換算省エネ効果省エネルギー効果を解析した結果、消費電力は冷却時は28 W以下、加温時は 10 W以下でした。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りました。省エネ効果算定式指標A ：単位あたりの省エネルギー効果量：43.6 L/年指標Ｂ：市場規模（導入量）２０２５年： 3,065,400 台２０３０年： 6,130,800 台省エネ効果量： A X B ＝ 134,000 ｋL/年（2025年） 267,000 kL/年（2030年）原油換算省エネ効果 2025年時点： 134,000 kL/年(累計：748,000 kL ) 2030年時点： 267,000 kL/年(累計：1,811,000 kL ) *原油削減量(kL/年） = 消費エネルギー[kWh/年] * 9.63 [MJ/kWh] / 38200 [MＪ/kL]