JP2004069134A - 空調システム - Google Patents
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Abstract
【課題】最適な省エネルギー化を図った空調運転を行うことができる空調システムを提供することである。
【解決手段】最適化制御器は、冷温水を生産する熱源機の動力、空調コイルで熱交換された空気を送出するファンの動力、熱源機からの冷温水を送出するポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。ローカル制御器は、コイル温度および冷温水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプを制御す
【選択図】 図１
【解決手段】最適化制御器は、冷温水を生産する熱源機の動力、空調コイルで熱交換された空気を送出するファンの動力、熱源機からの冷温水を送出するポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。ローカル制御器は、コイル温度および冷温水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプを制御す
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、例えば、ビルや病院などの建家内の冷暖房を行う空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ビルの空調システムにおける部屋温度の制御方式には、部屋の温度を測定してこれが目標値になるように、熱源機が製造する冷水または温水の流量を制御する定風量制御方式（ＣＡＶ方式）と、冷水または温水の水量は一定で風量を変える可変風量制御方式（ＶＡＶ方式）とがある。また、両者を組み合わせたハイブリッド方式もある。
【０００３】
定風量制御方式では、冷水（温水）の流量を制御するために水循環系にポンプとバルブとを設け、ポンプは一定回転数で水を送り出す一方、バルブで所望の流量に調節する。この定風量制御方法ではポンプ動力が中問負荷のときに無駄になるので、近年ではバルブではなくインバータ制御ポンプにより流量制御が行われる場合が増えてきた。
【０００４】
一方、可変風量制御方式では空調ファンが一定回転数で空気を循環させ、その空気流量をダンパーで調節するものである。この空気の流量調節により室温を目標値に制御する。この場合も省エネルギーの観点からダンパーではなくインバータ制御ファンにて空気流量を制御することが近年行われるようになっている。
【０００５】
このように、従来の空調システムの制御では、部屋温度のフィードバックによりバルブやダンパーを制御し、または、インバータ制御ポンプやインバータ制御ファンを制御することにより、部屋温度を所定の値に制御している。
【０００６】
一方、冷却塔は熱源機の発生する熱を大気中に放散するための装置であるが、従来は一定温度の冷却水を製造するように制御されている。空調用では一般的に約３２℃程度である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の空調システムでは、水流量または空気流量のみを操作して室温を制御しているので、必ずしも最もエネルギー消費が少ない状態で運用されるとは限らない。
【０００８】
冷水戻り温度と冷凍機成績係数（ＣＯＰ）との間、ファンやポンプに関し、その流量と所要動力との間には密接な相関関係がある。冷水戻り温度は一般的には高いほうが冷凍機成績係数（ＣＯＰ）は高くなる。また、ファンやポンプの所要動力は良く知られているように流量の３乗に比例する。特に、インバータ制御ファンとインバータ制御ポンプとを備えた空調システムでは、水流量と空気流量とをどのようにも調節可能であるが、室温のみにより制御しているので、必ずしも最もエネルギー消費が少ない点で運用されるとは限らなかった。
【０００９】
いま、図４に示すような空調システムを考える。熱源機である冷凍機１の温度をＴｒ、その基準温度をＴｒ０、ポンプ２による冷却流量をＦＷ、その基準流量をＦＷ０、ポンプ２の動力をＰｐｕｍｐ、その基準動力をＰｐｕｍｐ０、空調コイル３の温度をＴｃ、その基準温度をＴｃ０、ファン４による空調風量をＦａ、その基準風量をＦａ０、ファン４の動力をＰｆａｎ、その基準動力をＰｆａｎ０、室内５の室内温度をＴａ、その基準温度をＴａ０とする。
【００１０】
ポンプ２の動力Ｐｐｕｍｐの関係式は（１）式に示され、ファン４の動力Ｐｆａｎの関係式は（２）式で示される。また、ポンプ２の動力とファン４の動力との合計ｆ（Ｔｃ）を（３）式に示す。
【００１１】
【数１】
（１）式に示されるように、ポンプ２の動力Ｐｐｕｍｐは流量ＦＷの３乗に比例し、また必要流量は負荷が変わらなければ温度差に反比例する。同様に、ファン４の動力Ｐｆａｎも、（２）式に示すように流量Ｆａの３乗に比例し、また必要流量は負荷が変わらなければ温度差に反比例する。
【００１２】
図５は、（３）式のポンプ２の動力とファン４の動力との合計ｆ（Ｔｃ）を空調コイル温度Ｔｃについてプロットした特性図である。図５に示すように、総動力ｆ（Ｔｃ）は空調コイル温度Ｔｃにより大きく変化する。
【００１３】
しかるに、従来の空調システムでは部屋温度のみによりポンプ２またはファン４の制御を行っているので、ポンプ２の動力およびファン４の動力の両者の最小化は考慮されておらず、例えば、運用点１にて運用されていた。
【００１４】
一方、冷却塔の製造する冷却水に関しても、冷却水温度が低いほど冷凍機１の成績係数（ＣＯＰ）は改善しその消費動力は低減するが、冷却水温度を低くするためには冷却塔ファンの消費動力が増大するという特性を有する。
【００１５】
図６は、熱源機（冷凍機）がガス炊きボイラによる蒸気吸収式冷凍機である場合の冷却水温度に対する冷却塔ファンの消費動力（電力消費量）およびガス消費量の関係を示す特性図である。図６から明らかなように、冷却水温度によりガスおよび電気の総合動力コストは変化する。特に、時間帯により電気料金は大きく変化するので、従来の一定冷却水温度制御では動力コストが最小化されないという問題があった。
【００１６】
また、熱源機である冷凍機１は冷温水の送り温度（Ｃｈｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）によってもその効率は変化する。その一例を図７に示す。
【００１７】
特性曲線Ｓ１は負荷（Ｌｏａｄ）が１００％、特性曲線Ｓ２は負荷（Ｌｏａｄ）が７８％、特性曲線Ｓ３は負荷（Ｌｏａｄ）が５７％、特性曲線Ｓ４は負荷（Ｌｏａｄ）が３７％の時の特性曲線をそれぞれ示している。従来は、このような冷凍機１の運用最適化は考慮されず常に一定の温度で運用されるのが一般であった。
【００１８】
本発明の目的は、最適な省エネルギー化を図った空調運転を行うことができる空調システムを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、冷温水を生産する熱源機の動力、空調コイルで熱交換された空気を送出するファンの動力、熱源機からの冷温水を送出するポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。ローカル制御器は、コイル温度および冷温水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプを制御する。
【００２１】
請求項２の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、熱源機の動力、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値と冷却塔の冷却水温度目標値とを求める。ローカル制御器は、コイル温度、冷温水温度および冷却水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように、ファン、ポンプおよび冷却水ポンプを制御する。
【００２３】
請求項３の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファンおよび前記ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファンおよび前記ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする空調システム。
【００２４】
請求項３の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、熱源機の動力、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。協調制御器はモデル予測制御アルゴリズムを有し、コイル温度および冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプに搬送熱量を指示する。ローカル制御器は、協調制御器からのファンおよびポンプの搬送熱量に基づいてファンおよびポンプの回転数を制御する。
【００２５】
請求項４の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファン、前記ポンプ、前記冷却水ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファン、前記ポンプ、前記冷却水ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
請求項４の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値と冷却塔の冷却水温度目標値とを求める。協調制御器はモデル予測制御アルゴリズムを有し、コイル温度、冷温水温度および冷却水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように、ファン、ポンプおよび冷却水ポンプに搬送熱量を指示する。ローカル制御器は、協調制御器からのファン、ポンプおよび冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて、ファン、ポンプ、冷却水ポンプの回転数を制御する。
【００２８】
請求項５の発明に係る空調システムは、請求項３の発明において、前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする。
【００２９】
請求項５の発明に係る空調システムにおいては、請求項３の発明の作用に加え、ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数を用いて、回転数制御することにより流量制御を行う。
【００３０】
請求項６の発明に係る空調システムは、請求項４の発明において、前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする。
【００３１】
請求項６の発明に係る空調システムにおいては、請求項４の発明の作用に加え、ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す関数を用いて、回転数制御することにより流量制御を行う。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係る空調システムの構成図である。冷却塔６からの冷却水は冷却水ポンプ７により熱源機である冷凍機１に供給される。冷却水ポンプ７はローカル制御器８ａによりインバータ９ａを介して制御される。ローカル制御器８ａは冷却塔６の冷却水温度Ｔｃｌをフィードバックし冷却水温度が所定の設定値になるように制御する。同様に、冷凍機１からの冷温水はポンプ２により空調コイル３に供給される。ポンプ２はローカル制御器８ｂによりインバータ９ｂを介して制御される。ローカル制御器８ｂは冷却塔１の冷温水温度Ｔｒをフィードバックし冷温水温度Ｔｒが所定の設定値になるように制御する。
【００３３】
また、空調コイル３からの空気はファン４により室内５に供給される。ファン４はローカル制御器８ｃによりインバータ９ｃを介して制御される。ローカル制御器８ｃは空調コイル３の空調コイル温度Ｔｃをフィードバックし空調コイル温度Ｔｃが所定の設定値になるように制御する。また、ダンパ１０はローカル制御器８ｄにより制御される。
【００３４】
このように、本発明の実施の形態における空調システムでは、冷却塔６の冷却水の温度を変化させる機能、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて熱源機である冷凍機１の冷温水の出力温度を変化させる機能、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて空調コイル３の温度を変化させる機能を有している。
【００３５】
最適化制御器１１は、空調システムのエネルギー消費が最も少なくなるように、熱源機出力温度Ｔｒ、コイル温度Ｔｃ、および冷却水温度Ｔｃｌの目標値を設定するものであり、気温と空調負荷とを入力して、最も省エネルギーを実現する熱源機（冷凍機）出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を線形または非線形計画法により求める。
【００３６】
協調制御器１２は、熱源機（冷凍機）出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を実現するために、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４に搬送熱量を指示するものであり、冷却水ポンプ７の回転数、ポンプ２の回転数、ファン４の回転数を操作し、コイル温度Ｔｃ、熱源機冷温水温度Ｔｒ、冷却水温度Ｔｃｌを所定の設定値に制御するアルゴリズムとして、モデル予測制御アルゴリズムを有する。ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは、協調制御器１２から、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４に搬送熱量を受けて、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の回転数を指示する。
【００３７】
次に、最適化制御器１１について説明する。最適化制御器１１では、冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を、下式の総合動力Ｊが最小になるように求める。
【００３８】
【数２】
ここで、ＱＨＶＡＣは冷凍機１の負荷、ηは効率（ηｃｈｉｌｌｅｒは冷凍機１の効率、ηｐｕｍｐはポンプ３の効率、ηｆａｎはファン４の効率）、Ｐは定格動力（Ｐｐｕｍｐはポンプ３の定格動力、Ｐｆａｎはファン４の定格動力）、Ｆは流量（Ｆｗａｔｅｒは冷温水の流量、Ｆａｉｒはファン４の空気流量）である。また、この評価関数は以下の制約条件を考慮して最小化される。
【００３９】
（制約条件）
【数３】
（４）式は空調コイル３部分で成立する熱量計算式であり、（５）式は冷凍機１部分での温度範囲の制約条件である。ポンプ２や冷却塔６についても同様に制約条件を設定することが可能である。
【００４０】
この場合、最適化すべき評価関数の変数として、熱源機消費エネルギー（ＱＨＶＡＣ）、ファン動力Ｐｆａｎ、ポンプ動力Ｐｐｕｍｐ等を入力し、制約条件として熱源機の負荷許容範囲、冷温水、冷却水許容範囲、インバータファンやポンプの許容運転範囲等を入力することになる。
【００４１】
ポンプ動力Ｐｐｕｍｐ、ファン動力Ｐｆａｎは、流量Ｆの概ね３乗に比例するので、（４）式で消費エネルギーを表現でき、それを制約条件下で最小化することにより、所望の最適温度目標値を得る。最適化制御器１１では、非線形または線形計画法を所定の時間周期で解くことになる。例えば、冷凍機１、冷却塔６、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４等の特性カーブに微小偏差を加えて複数の最適解を求め、その平均値またはメディアンを最適運転指示値とする。
【００４２】
このように、最適化制御器１１は、気温と空調負荷とを入力して、最も省エネルギーを実現する冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を求め、求めたこれら目標値は協調制御器１２に入力される。
【００４３】
次に、協調制御器１２について説明する。協調制御器１２は制御アルゴリズムとしてモデル予測制御アルゴリズムを有し、冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊が与えられると、冷凍機出力温度Ｔｒ、コイル温度Ｔｃ、冷却水温度Ｔｃｌがそれぞれその目標値になるように、冷却水ポンプ７の回転数、ポンプ２の回転数、ファン４の回転数を操作する指令をローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃに出力する。
【００４４】
すなわち、協調制御器１２のモデル予測制御アルゴリズムは、冷却水ポンプ７、ポンプ２およびファン４の運搬すべき熱量を算出する。ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは、この搬送熱量を受けて、冷却水ポンプ７、ポンプ２およびファン４の回転数を制御する。この場合、ローカル制御器８ａには、冷却水ポンプ回転数と冷却水ポンプ７を流れる冷却水流量との関係を表す関数が予め記憶されており、ローカル制御器８ｂには、ポンプ回転数とポンプ２を流れる冷温水の流量との関係を表す関数が予め記憶されており、同様に、ローカル制御器８ｃには、ファン回転数とファン４を流れる空気流量との関係を表す関数が予め記憶されている。従って、ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは回転数制御（流量制御）することにより温度制御することになる。
【００４５】
ここで、本発明の実施の形態では、制御すべき温度は３種類あり、同時にその制御端も３台のインバータ９ａ、９ｂ、９ｃである。そして、それぞれの冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４には運用制限がかかっている。このような複雑な制御系を安定に操作するには、操作量の制限を直接に考慮した最適化制御が最も優れている。このような制御方式をモデル予測制御方式と呼び、従来は化学プラントの分野で使われてきた。
【００４６】
本発明の実施の形態では、このモデル予測制御方式を用いることにより、制約の多いビルなどの空調系に適した協調制御方式を実現する。モデル予測制御アルゴリズムの構成を図２に示す。このモデル予測制御アルゴリズムは、制御しようとする対象の予測モデル１３を内部に持ち、操作出力部１４からの操作量および制御対象１５の制御量を入力し、操作量の制御量に対する影響を常に評価しながら、最適化計算１６により多数の制御量を同時に制御する。さらに、本発明の実施の形態では、ビル空調システムの空調コイル３や冷凍機１の温度などが下式に示すように、流量と温度の掛け算に関係し双線形系となっている。
【００４７】
【数４】
この空調システムを単純にポンプ２やファン４の回転数変化による流量操作だけで制御しようとすると、そのときの空調コイル３や冷凍機１、部屋の温度により大きく特性が変化し大変安定性の悪いものとなる。
【００４８】
そこで、モデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器１２が出力するのは、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の搬送熱量とし、それを受けて実際に流量を制御するＰＩＤ調節系のローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃを設け、カスケード制御系を採用している。
【００４９】
この構成により、協調制御器１２によるモデル予測制御は、線形システムを制御することになり温度によらず安定した応答が得られる。一方、ＰＩＤ調節系は搬送熱量を目標値として、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の回転数を制御する。搬送熱量や空気、水の流量は実際には測定していないので、前述のように回転数から流量を校正カーブにより算出する関数を持たせている。温度は図１に示したように測定しているので、搬送熱量は下式により容易に計算できる。
【００５０】
【数５】
この空調システムによる制御動作の一例を図３に示す。この実施の形態では、ダンパー制御との協調を保つために空気流量変化に制限値を設けた場合を示している。このように、多数の制御量を制限を満たしながら制御できる。
【００５１】
ここで、本発明の空調システムをビルエネルギー管理システムに組み込んでシステムを構成すると、他のさまざまなビルエネルギー管理システムと協調を図ることができ、さらに全体としての最適化を図ることができる。特に、最適化制御器１１と協調制御器１２とをビル管理システムに組み込むのが、最も他の制御システムとの整合性がよい。また、本発明の空調システムを熱源機制御装置に組み込むこともできる。近年、熱源機の制御装置も容量が大きくなり、本システムを包含させることもできる。これにより安価なシステムを実現することができる。
【００５２】
また、空調システムの一部、例えば、冷凍機１と冷却塔６に関する最適協調制御システム、冷凍機１と空調コイル３に関する最適協調制御システムもまったく同様に構成することができる。ビル等の状態によっては、インバータ化できないポンプやファンが存在することが多く、このような簡略システムは、そのようなケースに省エネを実現することができる。
【００５３】
例えば、ビルや商店、地域などに冷水または温水を供給する少なくとも１台の熱源機を有する空調システムに対して、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて熱源機の冷水または温水の出力温度または空調コイルの温度を変化させる。このような機能をビルエネルギー管理システムに組み込むようにしても良いし、熱源機制御装置に組み込むようにしても良い。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、冷却水温度、冷凍機冷温水温度、空調コイル温度を最適化計算により常に最適効率で運用できるように目標値を計算することにより、最適省エネルギー空調運転が可能となる。
【００５５】
また、冷却水温度と所要電力および所要ガスは密接な関係にあり、時間帯別に電力料金は大きく異なるので，省エネルギーおよび省コストの最適運転はそれに応じて、時間帯による冷却水温度、冷凍機冷温水温度、空調コイル温度の最適スケジューリングにより大幅な省コストを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る空調システムの構成図。
【図２】本発明の実施の形態における協調制御器のモデル予測制御アルゴリズムの構成図。
【図３】本発明の実施の形態に係る空調システムによる制御動作の一例を示す特性図。
【図４】従来の空調システムの構成図。
【図５】従来の空調システムにおけるポンプ動力とファン動力との合計を空調コイル温度についてプロットした特性図。
【図６】従来の空調システムの冷凍機がガス炊きボイラによる蒸気吸収式冷凍機である場合の冷却水温度に対する冷却塔ファンの消費動力（電力消費量）およびガス消費量の関係を示す特性図。
【図７】従来の空調システムの熱源機が吸収式冷凍機である場合の成績係数（ＣＯＰ）と冷温水の送り温度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…冷凍機、２…ポンプ、３…空調コイル、４…ファン、５…室内、６…冷却塔、７…冷却水ポンプ、８…ローカル制御器、９…インバータ、１０…ダンパ、１１…最適化制御器、１２…協調制御器、１３予測モデル、１４…操作量出力部、１５…制御対象、１６…最適化計算
【発明の属する技術の分野】
本発明は、例えば、ビルや病院などの建家内の冷暖房を行う空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ビルの空調システムにおける部屋温度の制御方式には、部屋の温度を測定してこれが目標値になるように、熱源機が製造する冷水または温水の流量を制御する定風量制御方式（ＣＡＶ方式）と、冷水または温水の水量は一定で風量を変える可変風量制御方式（ＶＡＶ方式）とがある。また、両者を組み合わせたハイブリッド方式もある。
【０００３】
定風量制御方式では、冷水（温水）の流量を制御するために水循環系にポンプとバルブとを設け、ポンプは一定回転数で水を送り出す一方、バルブで所望の流量に調節する。この定風量制御方法ではポンプ動力が中問負荷のときに無駄になるので、近年ではバルブではなくインバータ制御ポンプにより流量制御が行われる場合が増えてきた。
【０００４】
一方、可変風量制御方式では空調ファンが一定回転数で空気を循環させ、その空気流量をダンパーで調節するものである。この空気の流量調節により室温を目標値に制御する。この場合も省エネルギーの観点からダンパーではなくインバータ制御ファンにて空気流量を制御することが近年行われるようになっている。
【０００５】
このように、従来の空調システムの制御では、部屋温度のフィードバックによりバルブやダンパーを制御し、または、インバータ制御ポンプやインバータ制御ファンを制御することにより、部屋温度を所定の値に制御している。
【０００６】
一方、冷却塔は熱源機の発生する熱を大気中に放散するための装置であるが、従来は一定温度の冷却水を製造するように制御されている。空調用では一般的に約３２℃程度である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の空調システムでは、水流量または空気流量のみを操作して室温を制御しているので、必ずしも最もエネルギー消費が少ない状態で運用されるとは限らない。
【０００８】
冷水戻り温度と冷凍機成績係数（ＣＯＰ）との間、ファンやポンプに関し、その流量と所要動力との間には密接な相関関係がある。冷水戻り温度は一般的には高いほうが冷凍機成績係数（ＣＯＰ）は高くなる。また、ファンやポンプの所要動力は良く知られているように流量の３乗に比例する。特に、インバータ制御ファンとインバータ制御ポンプとを備えた空調システムでは、水流量と空気流量とをどのようにも調節可能であるが、室温のみにより制御しているので、必ずしも最もエネルギー消費が少ない点で運用されるとは限らなかった。
【０００９】
いま、図４に示すような空調システムを考える。熱源機である冷凍機１の温度をＴｒ、その基準温度をＴｒ０、ポンプ２による冷却流量をＦＷ、その基準流量をＦＷ０、ポンプ２の動力をＰｐｕｍｐ、その基準動力をＰｐｕｍｐ０、空調コイル３の温度をＴｃ、その基準温度をＴｃ０、ファン４による空調風量をＦａ、その基準風量をＦａ０、ファン４の動力をＰｆａｎ、その基準動力をＰｆａｎ０、室内５の室内温度をＴａ、その基準温度をＴａ０とする。
【００１０】
ポンプ２の動力Ｐｐｕｍｐの関係式は（１）式に示され、ファン４の動力Ｐｆａｎの関係式は（２）式で示される。また、ポンプ２の動力とファン４の動力との合計ｆ（Ｔｃ）を（３）式に示す。
【００１１】
【数１】
【００１２】
図５は、（３）式のポンプ２の動力とファン４の動力との合計ｆ（Ｔｃ）を空調コイル温度Ｔｃについてプロットした特性図である。図５に示すように、総動力ｆ（Ｔｃ）は空調コイル温度Ｔｃにより大きく変化する。
【００１３】
しかるに、従来の空調システムでは部屋温度のみによりポンプ２またはファン４の制御を行っているので、ポンプ２の動力およびファン４の動力の両者の最小化は考慮されておらず、例えば、運用点１にて運用されていた。
【００１４】
一方、冷却塔の製造する冷却水に関しても、冷却水温度が低いほど冷凍機１の成績係数（ＣＯＰ）は改善しその消費動力は低減するが、冷却水温度を低くするためには冷却塔ファンの消費動力が増大するという特性を有する。
【００１５】
図６は、熱源機（冷凍機）がガス炊きボイラによる蒸気吸収式冷凍機である場合の冷却水温度に対する冷却塔ファンの消費動力（電力消費量）およびガス消費量の関係を示す特性図である。図６から明らかなように、冷却水温度によりガスおよび電気の総合動力コストは変化する。特に、時間帯により電気料金は大きく変化するので、従来の一定冷却水温度制御では動力コストが最小化されないという問題があった。
【００１６】
また、熱源機である冷凍機１は冷温水の送り温度（Ｃｈｉｌｌｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）によってもその効率は変化する。その一例を図７に示す。
【００１７】
特性曲線Ｓ１は負荷（Ｌｏａｄ）が１００％、特性曲線Ｓ２は負荷（Ｌｏａｄ）が７８％、特性曲線Ｓ３は負荷（Ｌｏａｄ）が５７％、特性曲線Ｓ４は負荷（Ｌｏａｄ）が３７％の時の特性曲線をそれぞれ示している。従来は、このような冷凍機１の運用最適化は考慮されず常に一定の温度で運用されるのが一般であった。
【００１８】
本発明の目的は、最適な省エネルギー化を図った空調運転を行うことができる空調システムを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項１の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、冷温水を生産する熱源機の動力、空調コイルで熱交換された空気を送出するファンの動力、熱源機からの冷温水を送出するポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。ローカル制御器は、コイル温度および冷温水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプを制御する。
【００２１】
請求項２の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、熱源機の動力、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値と冷却塔の冷却水温度目標値とを求める。ローカル制御器は、コイル温度、冷温水温度および冷却水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように、ファン、ポンプおよび冷却水ポンプを制御する。
【００２３】
請求項３の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファンおよび前記ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファンおよび前記ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする空調システム。
【００２４】
請求項３の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、熱源機の動力、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値を求める。協調制御器はモデル予測制御アルゴリズムを有し、コイル温度および冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように、ファンおよびポンプに搬送熱量を指示する。ローカル制御器は、協調制御器からのファンおよびポンプの搬送熱量に基づいてファンおよびポンプの回転数を制御する。
【００２５】
請求項４の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファン、前記ポンプ、前記冷却水ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２６】
請求項４の発明に係る空調システムは、空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファン、前記ポンプ、前記冷却水ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２７】
請求項４の発明に係る空調システムにおいては、最適化制御器は、ファンの動力、ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように、空調コイルのコイル温度目標値と熱源機の冷温水温度目標値と冷却塔の冷却水温度目標値とを求める。協調制御器はモデル予測制御アルゴリズムを有し、コイル温度、冷温水温度および冷却水温度が最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように、ファン、ポンプおよび冷却水ポンプに搬送熱量を指示する。ローカル制御器は、協調制御器からのファン、ポンプおよび冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて、ファン、ポンプ、冷却水ポンプの回転数を制御する。
【００２８】
請求項５の発明に係る空調システムは、請求項３の発明において、前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする。
【００２９】
請求項５の発明に係る空調システムにおいては、請求項３の発明の作用に加え、ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数を用いて、回転数制御することにより流量制御を行う。
【００３０】
請求項６の発明に係る空調システムは、請求項４の発明において、前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする。
【００３１】
請求項６の発明に係る空調システムにおいては、請求項４の発明の作用に加え、ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す関数を用いて、回転数制御することにより流量制御を行う。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係る空調システムの構成図である。冷却塔６からの冷却水は冷却水ポンプ７により熱源機である冷凍機１に供給される。冷却水ポンプ７はローカル制御器８ａによりインバータ９ａを介して制御される。ローカル制御器８ａは冷却塔６の冷却水温度Ｔｃｌをフィードバックし冷却水温度が所定の設定値になるように制御する。同様に、冷凍機１からの冷温水はポンプ２により空調コイル３に供給される。ポンプ２はローカル制御器８ｂによりインバータ９ｂを介して制御される。ローカル制御器８ｂは冷却塔１の冷温水温度Ｔｒをフィードバックし冷温水温度Ｔｒが所定の設定値になるように制御する。
【００３３】
また、空調コイル３からの空気はファン４により室内５に供給される。ファン４はローカル制御器８ｃによりインバータ９ｃを介して制御される。ローカル制御器８ｃは空調コイル３の空調コイル温度Ｔｃをフィードバックし空調コイル温度Ｔｃが所定の設定値になるように制御する。また、ダンパ１０はローカル制御器８ｄにより制御される。
【００３４】
このように、本発明の実施の形態における空調システムでは、冷却塔６の冷却水の温度を変化させる機能、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて熱源機である冷凍機１の冷温水の出力温度を変化させる機能、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて空調コイル３の温度を変化させる機能を有している。
【００３５】
最適化制御器１１は、空調システムのエネルギー消費が最も少なくなるように、熱源機出力温度Ｔｒ、コイル温度Ｔｃ、および冷却水温度Ｔｃｌの目標値を設定するものであり、気温と空調負荷とを入力して、最も省エネルギーを実現する熱源機（冷凍機）出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を線形または非線形計画法により求める。
【００３６】
協調制御器１２は、熱源機（冷凍機）出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を実現するために、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４に搬送熱量を指示するものであり、冷却水ポンプ７の回転数、ポンプ２の回転数、ファン４の回転数を操作し、コイル温度Ｔｃ、熱源機冷温水温度Ｔｒ、冷却水温度Ｔｃｌを所定の設定値に制御するアルゴリズムとして、モデル予測制御アルゴリズムを有する。ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは、協調制御器１２から、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４に搬送熱量を受けて、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の回転数を指示する。
【００３７】
次に、最適化制御器１１について説明する。最適化制御器１１では、冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を、下式の総合動力Ｊが最小になるように求める。
【００３８】
【数２】
【００３９】
（制約条件）
【数３】
【００４０】
この場合、最適化すべき評価関数の変数として、熱源機消費エネルギー（ＱＨＶＡＣ）、ファン動力Ｐｆａｎ、ポンプ動力Ｐｐｕｍｐ等を入力し、制約条件として熱源機の負荷許容範囲、冷温水、冷却水許容範囲、インバータファンやポンプの許容運転範囲等を入力することになる。
【００４１】
ポンプ動力Ｐｐｕｍｐ、ファン動力Ｐｆａｎは、流量Ｆの概ね３乗に比例するので、（４）式で消費エネルギーを表現でき、それを制約条件下で最小化することにより、所望の最適温度目標値を得る。最適化制御器１１では、非線形または線形計画法を所定の時間周期で解くことになる。例えば、冷凍機１、冷却塔６、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４等の特性カーブに微小偏差を加えて複数の最適解を求め、その平均値またはメディアンを最適運転指示値とする。
【００４２】
このように、最適化制御器１１は、気温と空調負荷とを入力して、最も省エネルギーを実現する冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊を求め、求めたこれら目標値は協調制御器１２に入力される。
【００４３】
次に、協調制御器１２について説明する。協調制御器１２は制御アルゴリズムとしてモデル予測制御アルゴリズムを有し、冷凍機出力温度目標値Ｔｒ＊、コイル温度目標値Ｔｃ＊、冷却水温度目標値Ｔｃｌ＊が与えられると、冷凍機出力温度Ｔｒ、コイル温度Ｔｃ、冷却水温度Ｔｃｌがそれぞれその目標値になるように、冷却水ポンプ７の回転数、ポンプ２の回転数、ファン４の回転数を操作する指令をローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃに出力する。
【００４４】
すなわち、協調制御器１２のモデル予測制御アルゴリズムは、冷却水ポンプ７、ポンプ２およびファン４の運搬すべき熱量を算出する。ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは、この搬送熱量を受けて、冷却水ポンプ７、ポンプ２およびファン４の回転数を制御する。この場合、ローカル制御器８ａには、冷却水ポンプ回転数と冷却水ポンプ７を流れる冷却水流量との関係を表す関数が予め記憶されており、ローカル制御器８ｂには、ポンプ回転数とポンプ２を流れる冷温水の流量との関係を表す関数が予め記憶されており、同様に、ローカル制御器８ｃには、ファン回転数とファン４を流れる空気流量との関係を表す関数が予め記憶されている。従って、ローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃは回転数制御（流量制御）することにより温度制御することになる。
【００４５】
ここで、本発明の実施の形態では、制御すべき温度は３種類あり、同時にその制御端も３台のインバータ９ａ、９ｂ、９ｃである。そして、それぞれの冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４には運用制限がかかっている。このような複雑な制御系を安定に操作するには、操作量の制限を直接に考慮した最適化制御が最も優れている。このような制御方式をモデル予測制御方式と呼び、従来は化学プラントの分野で使われてきた。
【００４６】
本発明の実施の形態では、このモデル予測制御方式を用いることにより、制約の多いビルなどの空調系に適した協調制御方式を実現する。モデル予測制御アルゴリズムの構成を図２に示す。このモデル予測制御アルゴリズムは、制御しようとする対象の予測モデル１３を内部に持ち、操作出力部１４からの操作量および制御対象１５の制御量を入力し、操作量の制御量に対する影響を常に評価しながら、最適化計算１６により多数の制御量を同時に制御する。さらに、本発明の実施の形態では、ビル空調システムの空調コイル３や冷凍機１の温度などが下式に示すように、流量と温度の掛け算に関係し双線形系となっている。
【００４７】
【数４】
【００４８】
そこで、モデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器１２が出力するのは、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の搬送熱量とし、それを受けて実際に流量を制御するＰＩＤ調節系のローカル制御器８ａ、８ｂ、８ｃを設け、カスケード制御系を採用している。
【００４９】
この構成により、協調制御器１２によるモデル予測制御は、線形システムを制御することになり温度によらず安定した応答が得られる。一方、ＰＩＤ調節系は搬送熱量を目標値として、冷却水ポンプ７、ポンプ２、ファン４の回転数を制御する。搬送熱量や空気、水の流量は実際には測定していないので、前述のように回転数から流量を校正カーブにより算出する関数を持たせている。温度は図１に示したように測定しているので、搬送熱量は下式により容易に計算できる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
ここで、本発明の空調システムをビルエネルギー管理システムに組み込んでシステムを構成すると、他のさまざまなビルエネルギー管理システムと協調を図ることができ、さらに全体としての最適化を図ることができる。特に、最適化制御器１１と協調制御器１２とをビル管理システムに組み込むのが、最も他の制御システムとの整合性がよい。また、本発明の空調システムを熱源機制御装置に組み込むこともできる。近年、熱源機の制御装置も容量が大きくなり、本システムを包含させることもできる。これにより安価なシステムを実現することができる。
【００５２】
また、空調システムの一部、例えば、冷凍機１と冷却塔６に関する最適協調制御システム、冷凍機１と空調コイル３に関する最適協調制御システムもまったく同様に構成することができる。ビル等の状態によっては、インバータ化できないポンプやファンが存在することが多く、このような簡略システムは、そのようなケースに省エネを実現することができる。
【００５３】
例えば、ビルや商店、地域などに冷水または温水を供給する少なくとも１台の熱源機を有する空調システムに対して、冷房負荷量または暖房負荷量に応じて熱源機の冷水または温水の出力温度または空調コイルの温度を変化させる。このような機能をビルエネルギー管理システムに組み込むようにしても良いし、熱源機制御装置に組み込むようにしても良い。
【００５４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、冷却水温度、冷凍機冷温水温度、空調コイル温度を最適化計算により常に最適効率で運用できるように目標値を計算することにより、最適省エネルギー空調運転が可能となる。
【００５５】
また、冷却水温度と所要電力および所要ガスは密接な関係にあり、時間帯別に電力料金は大きく異なるので，省エネルギーおよび省コストの最適運転はそれに応じて、時間帯による冷却水温度、冷凍機冷温水温度、空調コイル温度の最適スケジューリングにより大幅な省コストを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る空調システムの構成図。
【図２】本発明の実施の形態における協調制御器のモデル予測制御アルゴリズムの構成図。
【図３】本発明の実施の形態に係る空調システムによる制御動作の一例を示す特性図。
【図４】従来の空調システムの構成図。
【図５】従来の空調システムにおけるポンプ動力とファン動力との合計を空調コイル温度についてプロットした特性図。
【図６】従来の空調システムの冷凍機がガス炊きボイラによる蒸気吸収式冷凍機である場合の冷却水温度に対する冷却塔ファンの消費動力（電力消費量）およびガス消費量の関係を示す特性図。
【図７】従来の空調システムの熱源機が吸収式冷凍機である場合の成績係数（ＣＯＰ）と冷温水の送り温度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…冷凍機、２…ポンプ、３…空調コイル、４…ファン、５…室内、６…冷却塔、７…冷却水ポンプ、８…ローカル制御器、９…インバータ、１０…ダンパ、１１…最適化制御器、１２…協調制御器、１３予測モデル、１４…操作量出力部、１５…制御対象、１６…最適化計算
Claims (6)
- 空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする空調システム。
- 空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプを制御するローカル制御器とを備えたことを特徴とする空調システム。
- 空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値を求める最適化制御器と、前記コイル温度および前記冷温水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値および冷温水温度目標値になるように前記ファンおよび前記ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファンおよび前記ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファンおよび前記ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする空調システム。
- 空調用の冷温水を生産する熱源機と、前記熱源機の発生する熱を冷却水で熱交換し大気中に放散する冷却塔と、前記熱源機で生産された冷温水の熱を空気に熱交換する空調コイルと、前記冷却塔と前記熱源機との間の冷却水循環を受け持つ冷却水ポンプと、前記熱源機と前記空調コイルとの間の水循環を受け持つポンプと、冷暖房される部屋と前記空調コイルとの間の空気循環を担当するファンと、前記熱源機の動力、前記ファンの動力、前記ポンプの動力を含む空調所要動力が最小になるように前記空調コイルのコイル温度目標値と前記熱源機の冷温水温度目標値と前記冷却塔の冷却水温度目標値とを求める最適化制御器と、前記コイル温度、前記冷温水温度および前記冷却水温度が前記最適制御器で求められたコイル温度目標値、冷温水温度目標値および冷却水温度目標値になるように前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプに搬送熱量を指示するモデル予測制御アルゴリズムを有した協調制御器と、前記協調制御器からの前記ファン、前記ポンプおよび前記冷却水ポンプの搬送熱量に基づいて前記ファン、前記ポンプ、前記冷却水ポンプの回転数を制御するローカル制御装置とを備えたことを特徴とする空調システム。
- 前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする請求項３記載の空調システム。
- 前記ローカル制御器は、予め設定された空気流量とファン回転数との関係を表す関数、冷温水流量とポンプ回転数との関係を表す関数、冷却水流量と冷却水ポンプ回転数との関係を表す関数を有することを特徴とする請求項４記載の空調システム。
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Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007156881A (ja) * | 2005-12-06 | 2007-06-21 | Yamatake Corp | 制御系解析装置およびプログラム |
| JP2008075977A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Shinko Kogyo Co Ltd | 業務用空調制御システム |
| EP2012068A1 (en) * | 2007-06-04 | 2009-01-07 | RHOSS S.p.A. | Method for regulating the delivery temperature of a service fluid in output from a refrigerating machine |
| JP2009198088A (ja) * | 2008-02-21 | 2009-09-03 | Takasago Thermal Eng Co Ltd | 空調制御システム、空調制御用プログラムおよび空調制御方法 |
| JP2009216375A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-09-24 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 冷却システムおよび冷却方法 |
| DE112009000227T5 (de) | 2008-01-28 | 2010-11-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Klimaanlagensteuersystem |
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| JP5247812B2 (ja) * | 2008-10-29 | 2013-07-24 | 三菱電機株式会社 | 空気調和装置 |
| WO2016194190A1 (ja) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | 三菱電機株式会社 | ヒートポンプ利用システムの制御装置及びそれを備えたヒートポンプ利用システム |
| WO2018078709A1 (ja) | 2016-10-24 | 2018-05-03 | 三菱電機株式会社 | 空調システム、空調制御装置、空調方法及びプログラム |
| CN109974077A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-07-05 | 深圳市宏事达能源科技有限公司 | 一种基准点跟踪法智能水力平衡控制系统装置 |
| WO2021149677A1 (ja) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 空調システム制御装置、空調システム、空調システム制御方法およびプログラム |
| WO2021205684A1 (ja) * | 2020-04-09 | 2021-10-14 | 三菱電機株式会社 | 空調システム |
| CN113865014A (zh) * | 2021-09-14 | 2021-12-31 | 浙江中控技术股份有限公司 | 大型冷水空调系统的能耗协调优化方法、装置及设备 |
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Families Citing this family (3)
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|---|---|---|---|---|
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Cited By (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007156881A (ja) * | 2005-12-06 | 2007-06-21 | Yamatake Corp | 制御系解析装置およびプログラム |
| JP2008075977A (ja) * | 2006-09-21 | 2008-04-03 | Shinko Kogyo Co Ltd | 業務用空調制御システム |
| US8036779B2 (en) | 2007-04-04 | 2011-10-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Air-conditioning system controller |
| EP2012068A1 (en) * | 2007-06-04 | 2009-01-07 | RHOSS S.p.A. | Method for regulating the delivery temperature of a service fluid in output from a refrigerating machine |
| DE112009000227T5 (de) | 2008-01-28 | 2010-11-25 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Klimaanlagensteuersystem |
| JP2009216375A (ja) * | 2008-02-13 | 2009-09-24 | Hitachi Plant Technologies Ltd | 冷却システムおよび冷却方法 |
| JP2009198088A (ja) * | 2008-02-21 | 2009-09-03 | Takasago Thermal Eng Co Ltd | 空調制御システム、空調制御用プログラムおよび空調制御方法 |
| JP5247812B2 (ja) * | 2008-10-29 | 2013-07-24 | 三菱電機株式会社 | 空気調和装置 |
| US9273875B2 (en) | 2008-10-29 | 2016-03-01 | Mitsubishi Electric Corporation | Air conditioning apparatus having indoor, outdoor, and relay units |
| JPWO2016194190A1 (ja) * | 2015-06-04 | 2017-09-21 | 三菱電機株式会社 | ヒートポンプ利用システムの制御装置及びそれを備えたヒートポンプ利用システム |
| EP3306216A4 (en) * | 2015-06-04 | 2019-02-20 | Mitsubishi Electric Corporation | CONTROL DEVICE FOR HEAT PUMP USING SYSTEM AND HEAT PUMPING SYSTEM THEREFORE EQUIPPED |
| WO2016194190A1 (ja) * | 2015-06-04 | 2016-12-08 | 三菱電機株式会社 | ヒートポンプ利用システムの制御装置及びそれを備えたヒートポンプ利用システム |
| US11300302B2 (en) | 2016-10-24 | 2022-04-12 | Mitsubishi Electric Corporation | Air conditioner system, air conditioner control device, air conditioner method, and program for control using water circulation and based on indoor latent and sensible heat loads |
| WO2018078709A1 (ja) | 2016-10-24 | 2018-05-03 | 三菱電機株式会社 | 空調システム、空調制御装置、空調方法及びプログラム |
| EP3531035A4 (en) * | 2016-10-24 | 2019-10-30 | Mitsubishi Electric Corporation | AIR CONDITIONER SYSTEM, AIR CONDITIONER CONTROL DEVICE, AIR CONDITIONER METHOD, AND PROGRAM |
| CN109974077A (zh) * | 2019-03-14 | 2019-07-05 | 深圳市宏事达能源科技有限公司 | 一种基准点跟踪法智能水力平衡控制系统装置 |
| JP2021116948A (ja) * | 2020-01-23 | 2021-08-10 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 空調システム制御装置、空調システム、空調システム制御方法およびプログラム |
| WO2021149677A1 (ja) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | 三菱重工サーマルシステムズ株式会社 | 空調システム制御装置、空調システム、空調システム制御方法およびプログラム |
| CN114930092A (zh) * | 2020-01-23 | 2022-08-19 | 三菱重工制冷空调系统株式会社 | 空调系统控制装置、空调系统、空调系统控制方法以及程序 |
| WO2021205684A1 (ja) * | 2020-04-09 | 2021-10-14 | 三菱電機株式会社 | 空調システム |
| JP7439629B2 (ja) | 2020-04-09 | 2024-02-28 | 三菱電機株式会社 | 空調システム |
| CN113865014A (zh) * | 2021-09-14 | 2021-12-31 | 浙江中控技术股份有限公司 | 大型冷水空调系统的能耗协调优化方法、装置及设备 |
| JP7453294B2 (ja) | 2022-08-25 | 2024-03-19 | 株式会社中部プラントサービス | 冷却水系統設備の制御方法、冷却水系統設備の制御装置 |
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| Publication number | Publication date |
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