JP2006226572A - 空調システムのシミュレーション方法およびシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 容易に所望の空調システムのシミュレーションモデルを構築し、また、必要に応じてシミュレーションモデルの構成の変更等を簡単できるようにすること。
【解決手段】 表計算ソフトのスプレッドシート上で、空調システムを構成する冷却塔、吸収式冷凍機、冷却水ポンプなどの各機器を模擬するモデル（オブジェクト）を作成する。このオブジェクトは、シート上の一塊のセル群に空調システムの構成する機器の諸元を表す属性データ、機器の特性を示す演算式などを書き込み、このセルの集合を機器を模擬するモデルとして扱うようにしたものである。上記のように作成されたオブジェクトは、オブジェクトのメニューとして表示される。これらのオブジェクトの中から、検証しようとする空調システムを構成する機器を模擬するオブジェクトを選択し、作業エリアにコピーし、これらを結合してシミュレーションモデルを構築する。
【選択図】 図１

Description

本発明は空調システムのシミュレーションを行なうための空調システムのシミュレーション方法およびシミュレーション装置に関し、特に、表計算ソフトを活用して、空調システムのシミュレーションを行なうようにした空調システムのシミュレーション方法およびシミュレーション装置に関するものである。

ビル等の空調システムは、例えば図２１に示されるように、冷却塔１０１、冷凍機１０２、空調機１０３、ポンプ１０４等の複数の機器から構成され、機器相互で影響しあいながら運転される。これらの機器が有効に機能して、システム全体として最適な状態で動作するか否かを検証するには、一般に、上記機器類をモデル化してこれらを連携させた検証対象となる空調システムのシミュレーション装置を構築し、シミュレーション動作を実行させることにより、静的あるいは動的な特性などを解析している。
空調システムのシミュレーション装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが提案されている。

特許文献１には、表示画面上のポインタでコンポーネントパレットの所望のコンポーネントを指示して、コンポーネント格納部より対応するコンポーネントを取り出し、取り出したコンポーネントを、ポインタを操作することで全体ダイヤグラムウインドウの所望の位置に移動させ、これらのコンポーネントを接続していくことで、シミュレーションモデルを構築し、これらコンポーネントを、ブロック化、スーパーブロック化してこれらを階層構造とし、この階層化された空調設備情報を汎用空調シミュレーションプログラムに対応するように変換を行うことにより、空調システムのシミュレーションを行なうようしたものである。
特許文献１に記載のものによれば、シミュレーション対象を視覚的に構成するコンポーネントのブロック化、階層化を、それらの関係を熟知していなくても間違えなく行うことができる。
特開平８−６１７４２号公報

従来、シミュレーションモデルを構築するには、シミュレーション対象となる各要素の特性を把握した上で、シミュレーション対象となるシステムの構成にあわせてプログラム開発を行う必要があり、専門的な知識を有する多くの人手が必要であった。また、シミュレーション対象となるシステムの構成が変わった場合には、それに対応させて、プログラムの手直しが必要であった。
上記特許文献１に記載のものでは、シミュレーション対象となるコンポーネントを表示画面上で移動して配置し、これらを接続することでシミュレーションモデルを構築することができるが、このようなシミュレーション支援システムを構築するには、特許文献１に記載されるように、入力部、コンポーネント格納部、コンポーネント取り出し部、コンポーネント配置メモリ、コンポーネント配置編集部、コンポーネント接続部、コンポーネントブロック情報格納部、ブロック階層化部、シミュレーションデータ生成部等を作成しする必要があり、同様に多大な労力が必要であった。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであって、その目的は、極めて容易に、所望の空調システムのシミュレーションモデルを構築することができ、また、必要に応じて、シミュレーションモデルの構成の変更、属性データの変更などを極めて簡単に行うことができる空調システムのシミュレーション方法および装置を提供することである。

上記課題を本発明においては、次のように解決する。
スプレッドシート上に予め用意された、空調システムを構成する各装置および室内外環境を模擬するセル群から構成される模擬要素をスプレッドシート上の作業領域にコピーして空調システムのシミュレーションモデルを作成し、該シミュレーションモデルに外部条件を与えて、シミュレーションを実行させることにより、空調システムのシミュレーションを行う。
上記模擬要素は、少なくとも、他の模擬要素から与えられるデータ、もしくは当該模擬要素のセルに入力されたデータに基づき、該模擬要素からの模擬出力を求める演算式を格納した第１のセル群と、他の模擬要素から与えられたデータ、もしくは、上記演算式による演算結果を他の模擬要素に受け渡すための第２のセル群とから構成される模擬要素を含み、上記演算式は、該要素が占めるセル群に対して特定位置にある第２のセル群のデータを参照して演算を行い、上記第２のセル群は上記演算結果を参照するように構成されている。
そして、上記模擬要素をスプレッドシート上の作業領域にコピーする際、上記各模擬要素は、隣合う模擬要素の第２のセル群の内の特定のセル群が参照関係にあるように、上記スプレッドシート上の作業領域にコピーされ、上記模擬要素の内の特定の模擬要素の第２のセル群に、外部条件となる入力データを与え、繰り返し演算を実行させることにより、シミュレーション処理を実行させ、上記第２のセル群から、シミュレーション結果を得る。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）表計算における一塊のセル群により、空調システムにおける各装置を模擬する各模擬要素を構成し、これらの模擬要素を独立させ、模擬要素間でデータの受け渡しができるようにしたので、これらの模擬要素をコピーして貼り付け、結合していくことで、簡単に所望の空調システムのシミュレーションモデルを作成することができる。また、全体の構成を考慮することなく、模擬要素を結合していくだけでシミュレーションモデルを構成することができるので、大掛かりなシステムのシミュレーションモデルも容易に作成することができる。
（２）各模擬要素は独立しているので、各模擬要素における演算式の作成・変更なども、他の模擬要素との関係を考慮することなく行なうことができる。また空調システムの各装置を模擬する各模擬要素の結合関係等を容易に把握することができ理解も容易である。
このため、コンピュータに習熟していないものでも、簡単に、空調システムのシミュレーションモデルの作成、修正などを行ない空調システムの検証を行なうことができる。
（２）上記模擬要素は、他の模擬要素から与えられたデータを他の模擬要素に受け渡すための第２のセル群を有しているので、これらの模擬要素を単に結合していくことで、データの受け渡しが可能であり、模擬要素の一部で生じたデータをシミュレーションモデル全体に反映させていくことができる。
また、表計算における繰り返し演算機能を利用することで、２以上の未知数を含む模擬要素があっても、シミュレーションを実行することによりシミュレーションモデル全体で解を収束させることができ、シミュレーションモデル全体をバランスさせ、正しい解を求めることが出来る。

図１、図２は本発明の実施例の空調システムのシミュレーション装置の概要を説明する図であり、まず、同図により、本実施例による空調システムのシミュレーションの概要について説明する。
本発明の実施例では、表計算ソフトを用いて、空調システムのシミュレーションを実現しており、以下では表計算ソフトとしてエクセル（登録商標）を用いる場合につい説明するが、同等の機能を有するその他の表計算ソフトで実現することもできる。
空調システムのシミュレーションを行うにあたり、図１（ａ）に示すように、表計算ソフトのスプレッドシート（以下シートという）上で、空調システムを構成する冷却塔、吸収式冷凍機、冷却水ポンプなどの各機器、室内外環境等を模擬するモデル３０（以下ではオブジェクトと呼ぶ）を作成し、記憶手段に格納する。
このオブジェクト３０は、シート上の一塊のセル群に空調システムの構成する上記機器等の諸元を表す属性データ、機器の特性を示す演算式などを書き込み、このセルの集合を上記空調システムを構成する機器を模擬するモデルとしたり、外気温度、室内環境等を格納したセル群を室内外環境のモデルとして扱うようにしたものである（後述する）。
利用者は、予め定められたルールに基づき、セル群に必要なデータ、演算式を書き込むことで、随時新たなオブジェクトを作成することもできるし、また、既存のオブジェクトの一部を修正して、必要とするオブジェクトを作成することができる。

上記のように作成されたオブジェクト３０は、記憶手段に格納され、図１（ｂ）に示すようにシート３１上にオブジェクトのメニューとして表示されるので、作成したオブジェクトを再利用することができる。
上記のように、空調システムを構成する機器を模擬するオブジェクトを作成し、図１（ｃ）に示すように、これらのオブジェクトの中から、検証しようとする空調システムを構成する機器を模擬するオブジェクトを選択し、作業エリア３２にコピーし、これらを結合してシミュレーションモデルを構築する。その際、上記オブジェクトの諸元や演算式などを変更することもできる。
例えば、図２（ａ）に示すように機器単体のモデルを作成して、図２（ｂ）に示すように、これらを必要に応じて組み合わせ、サブシステムモデルを作成する。なお、図２（ａ）のダミーは、単体モデルとの間でデータを受渡しするためのセル群であり、このダミー上に他のオブジェクトを重ねてコピーすることで、オブジェクトが結合され、オブジェクト間でデータの受渡しが可能となる。上記図２（ａ）あるいは（ｂ）の段階で、外部からデータを与えて、シミュレーションを行い、単体モデル、サブシステムの検証を行ってもよい。

以上のように、サブシステムモデルが作成されたら、これらを組み合わせて、図２（ｃ）に示すように、全体モデルを作成する。
ここで、オブジェクト間のデータの受渡しは、隣同士のオブジェクト（左右、もしくは上下）間のみで行われる。また、オブジェクトとしては、上記のように隣のオブジェクトのデータを入力データとして、結果を反対側のオブジェクトに渡す機器を模擬するオブジェクト以外に、隣のオブジェクトのデータを単に中継して、反対側のオブジェクトに渡す機能を備えたオブジェクトも用意されている。
このため、オブジェクト間の受渡しタイプが合うように、オブジェクトを結合していくことで、全体の構成を考えることなく、シミュレーションモデルを作成することができ、大掛かりなシミュレーションモデルを比較的容易に作成することができる。また、シート上に、オブジェクトの結合関係が表示されるので、モデルの構成を容易に理解することができ、また、修正も容易である。
以上のようにして、検証しようとする空調システムのシミュレーションモデルが作成されたら、該モデルにデータを与えて、シミュレーションを実行し、シミュレーション結果を得る。その際、必要に応じて、オブジェクトの一部で生じた現象を全体に反映させていくため、全体を繰り返し計算させることで、正しい解を求める。

図３は、本発明を実現するためのハードウェア構成例を示す図であり、同図に示すように、本実施例は、キーボード、ポインティングデバイス等から構成される入力部１、表示部、プリンタなどから構成される出力部２、ＣＰＵ３、メモリ４、ハードディスク等の外部記憶装置５、ＬＡＮ、インターネットなどと接続するための通信部６を備えた通常のパソコン１０等で実現することができる。上記外部記憶装置５には、エクセル（登録商標）などの表計算ソフトが格納され、該表計算ソフトを利用して、上記したように、空調システムのシミュレーションモデルを作成する。
図４は、本発明において、空調システムのシミュレーションを行う場合のデータ入力方法を説明する図である。
同図（ａ）に示すように、パソコン１０の表計算ソフト上で、前記したようにシミュレーションモデルを作成した後、該モデルのセルに直接、キーボードからデータを入力し、シミュレーションを行うことができる。
また、同図（ｂ）に示すように、計測データをシミュレーションモデルに入力し、空調システムのシミュレーションを行うこともできる。すなわち、空調システムの流量センサ、温度センサ等からデータを取得し、計測システム１０ａを介してパソコン１０に計測データを与え、このデータをシミュレーションモデルのセルに直接書き込む。これによりリアルタイムに空調システムのシミュレーションを行うことが可能である。

以下、本発明の具体的な構成例について説明する。
図５は、本発明の実施例のオブジェクトの基本構成を示す図である。同図に示すように、オブジェクトは、制御部１１、隣のオブジェクトとのデータの受け渡しをする通信部１２、演算部１３、属性データ部１４から構成される。
制御部１１を構成するセルには、制御データが格納され、演算部１３を構成するセルには該オブジェクトが模擬する機器の運転状態を解析する演算式が格納される。また、属性データ部１４を構成するセルには、機器固有の諸元である属性データが格納される。
通信部１２は、隣のオブジェクト（左右、または上下のオブジェクト）のデータを参照するセル群と、上記演算部１３における演算結果が格納されるセル群から構成され、演算結果が格納されるセル群、および単にデータを受け渡しするために設けられたセル群のデータは隣のオブジェクトから参照される。
演算部１３は、制御部１１を構成するセル群のデータ、通信部１２を構成するセル群のデータ、および属性データ部１４を構成するセル群のデータを参照して、演算を行い、演算結果を、通信部１２を構成するセルに渡す。
なお、図５では、オブジェクトが制御部１１、通信部１２、演算部１３、属性データ部１４に分けられている場合について示したが、これは、オブジェクトの機能の理解を容易にするために示したものであり、実際のオブジェクトは、必ずしもこのように分割して構成する必要はなく、これらを一つにまとめて、全体をオブジェクトとして扱ってもよい。また、各オブジェクトには、前記図１に示したように、そのオブジェクトが空調システムのどの機器のモデルかを示す「冷却塔」、「冷却水ポンプ」などの名称が表記される。

図６により上記オブジェクトにおける制御部、通信部の機能について説明する。
同図（ａ）に示すように、各オブジェクトの制御部１１には、自由に入力可能なセルが設けられる（以下「入力ａ」のセルという）。このセルには、利用者がデータを自由に入力することができ、例えば、シミュレーションを行なう際に、シミュレーションモデルに与える設定情報等を格納することができる。例えば、同図（ａ）に示すように、制御部１１の「入力ａ」のセルｃ１０にデータＤＤＤを格納を格納すると、このデータＤＤＤは、当該オブジェクトの演算部１３で参照され、演算部１３での演算に使用される。また、前記図４（ｂ）に示した計測データをシミュレーションモデルに与える場合にも、上記制御部１１を利用することができ、ここに外部データを与えることで、シミュレーションモデルに計測データを反映させることができる。

通信部１２には、左側のオブジェクトのセルを参照して、データを取得するセル（以下「入力ｂ」のセルという）、右側のオブジェクトのセルを参照して、データを取得するセル（以下「入力ｃ」のセルという）が設けられる。
例えば、同図（ａ）に示すように、「入力ｂ」のセルＣ１１は、左側のオブジェクトのセルＣ０１を参照して、セルＣ０１に格納されたデータＡＡＡを取得する。「入力ｃ」のセルＣ１２は、右側のオブジェクトのセルＣ２１を参照して、セルＣ２１に格納されたデータＢＢＢを取得する。
さらに、左側および／または右側のオブジェクトセルにデータを渡すためのセル（「出力」のセルという）が設けられる。例えば、同図（ａ）に示すように、「出力」のセルＣ１３は、左隣および／または右隣のオブジェクトから参照され、データＣＣＣを左隣および／または右隣のオブジェクトのセルＣ０２および／またはＣ２２に渡す。。
各オブジェクトの演算部１３は、「入力ｂ」、「入力ｃ」のセル、また必要に応じて上記「入力ａ」のセル、属性データ部１４のデータ等を参照して演算を行い、その結果を上記通信部１２のセルに渡す。当該オブジェクトに隣接するオブジェクトは、通信部１２を介して隣接するオブジェクトのデータを取得する。
各オブジェクトを上記構成とすることにより、各オブジェクトを独立させることができ、各オブジェクトにおける演算式の作成・変更なども、他のオブジェクトとの関係を考慮することなく行なうことができる。

また、上記のように構成された通信部１２を設けることで、隣合うオブジェクトの上記セル群が互いに参照関係にあるように、オブジェクト同士を結合することで、オブジェクト間でデータの受け渡しが可能となる。
すなわち、上記「入力ｂ」、「入力ｃ」のセルと、隣接するオブジェクトにおける上記「入力ｂ」、「入力ｃ」のセルにより参照されるセルとの位置関係、および、上記「出力」のセルと、隣接するオブジェクトにおける上記「出力」のセルを参照するセルとの位置関係を予め設定しておき、オブジェクトに他のオブジェクトを結合する際、隣接するオブジェクトを、結合されるオブジェクトに対して所定の位置関係になるようにコピーすることで、オブジェクト同士を、データの受け渡し可能に結合することができる。
このため、これらのオブジェクトをコピーして貼り付け、結合していくことで、簡単に所望の空調システムのシミュレーションモデルを作成することができる。

また、図６（ｂ）に示すように、上記通信部１２を介して、データを一方の側に隣接するオブジェクトから他方の側に隣接するオブジェクトに渡すこともできる。
例えば、左隣のオブジェクトから右隣のオブジェクトにデータを中継する場合には、同図に示すように「入力ｂ」のセルＣ１１により左側のオブジェクトの通信部１２のセルＣ０１からデータＡＡＡを取得し、右隣のオブジェクトの「入力ｂ」のセルＣ２１に渡す。 これにより、右隣のオブジェクトから左隣のオブジェクトにデータを中継することができる。
上記のようにデータの中継を可能としたので、これらのオブジェクトを単に結合していくことで、特定のオブジェクトで発生したデータを、必要とする他のオブジェクトにまで伝達することができる。

次に上記オブジェクトの具体例について説明する。
（ａ）冷凍機
図７（ａ）に冷凍機を模擬するオブジェクトの例を示す。このオブジェクトの制御部１１のセルには、冷水往温度Ｔｃ（入力ａ）が格納される。
通信部１２には、冷却水量Ｖｄ（入力ｂ）、冷却水往温度Ｔｄ（入力ｂ）、冷却水還温度Ｔｄｒ（出力）、冷水量Ｖｃ（入力ｃ）、冷水還温度Ｔｃｒ（入力ｃ）、ガス消費量ｇｒｅｆ（出力）を格納するセルが設けられる。演算部１３のセルには演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
図７（ｂ）は冷凍機オブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと出力データを示す図である。同図に示すように、冷凍機オブジェクトの演算部１３は、例えば上記制御部１１、通信部１２、属性データ部１４から得た冷水往温度Ｔｃ、冷水量Ｖｃ、冷却水往温度Ｔｄ、冷却水量Ｖｄ、冷水還温度Ｔｃｒ等に基づき、以下の（１）〜（３）式により、ガス消費量Ｇｒｅｆ、冷却水還温度Ｔｄｒを算出する。なお、入力と出力の型式を一致させていれば、演算式は自由に入れ替えが可能である。

式（１）に示すようにガス消費率（ｇｒｅｆ）を用い、これに属性データに記述された定格のガス消費量（Ｇｒｅｆ＿ｒ）を乗じることで任意の運転状態におけるガス消費量（Ｇｒｅｆ）を算出する。
Ｇｒｅｆ＝ｇｒｅｆ・Ｇｒｅｆ＿ｒ…（１）
ガス消費率（ｇｒｅｆ）は式（２）に示すように、Ｃ１：負荷率ｑの関数、Ｃ２：冷水往温度Ｔｃの関数、Ｃ３：冷水量Ｖｃの関数、Ｃ４：冷却水往温度Ｔｄの関数、Ｃ５：冷却水量Ｖｄの関数、のパラメーターから構成され、定格仕様において各パラメーターは全て１．０となりｇｒｅｆ＝１．０である。
ｇｒｅｆ＝Ｃ１・Ｃ２・Ｃ３・Ｃ４・Ｃ５…（２）
Ｃ１＝ｆ（ｑ） ：冷凍機負荷率影響係数
但し、ｑ＝ｆ（Ｔｃ，Ｔｃｒ，Ｖｃ）
Ｃ２＝ｆ（Ｔｃ） ：冷水往温度影響係数
Ｃ３＝ｆ（Ｖｃ） ：冷水量影響係数
Ｃ４＝ｆ（Ｔｄ） ：冷却水温度影響係数
Ｃ５＝ｆ（Ｖｄ） ：冷却水量影響係数
なお、冷却水還温度Ｔｄｒは次の関数として表される
Ｔｄｒ＝ｆ（Ｃ６・Ｃ７・Ｖｄ・Ｔｄ）…（３）
Ｃ６：冷却水熱量とガス熱量の相関係数
Ｃ７：部分負荷時と定格時の冷凍機の成績係数の比

（ｂ）冷却塔
図８（ａ）に冷却塔を模擬するオブジェクトの例を示す。このオブジェクトの制御部１１のセルには、冷却水往温度設定値Ｔｄｓｅｔ（入力ａ）が格納され、通信部１２には、冷却水量（入力ｃ）Ｖｄ、冷却水還温度Ｔｄｒ（入力ｃ）、外気湿球温度ＷＢ（入力ｂ）、冷却水往温度Ｔｄ（入力ｂ）、ファン電力ＰＷｃｔ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
図８（ｂ）は冷却塔オブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと演算結果データの一例を示す図である。同図に示すように、冷却塔オブジェクトの演算式は、上記制御部１１、通信部１２、属性データ部１４から得た、外気湿球温度ＷＢ、冷却水往温度設定値Ｔｄｓｅｔ、冷却水還温度Ｔｄｒ、冷却水量Ｖｄ等に基づき、例えば、以下の（４）（５）式により冷却水往温度Ｔｄ、ファン電力ＰＷｃｔを演算する。
まず、式（４）の実験式より冷却水往温度Ｔｄを求める。
Ｔｄ＝Ｔｄｓ・Ｃ２・Ｃ３ （４）
Ｔｄｓ＝ｆ（ＷＢ） ：外気湿球温度ＷＢの影響係数
Ｃ２＝ｆ（Ｔｄｒ） ：冷却水還温度Ｔｄｒ影響係数
Ｃ３＝ｆ（Ｔｄｒ，Ｖｄ，ＷＢ） ：冷却水水量影響係数
冷却塔ファン動力ＰＷｃｔは、式（５）より求める。
ここに、Ｔｄｓｅｔは冷却水往温度設定値（冷却水の設定温度）であり、散水しているところにファンで水を送って冷却しているとき、ファンを停止する冷却水の設定温度である。また、Ｔｄはフリークーリング状態の冷却水往温度である。
ｐｗｃｔ＝ｆ（Ｔｄｒ・Ｔｄｓｅｔ・Ｔｄ）
これに属性データに記述された定格の冷却塔ファン消費量ＰＷｃｔ＿ｒを乗じることで任意の運転状態における冷却塔ファン消費量ＰＷｃｔ（ファン電力）を算出する。
ＰＷｃｔ＝ｐｗｃｔ・ＰＷｃｔ＿ｒ （５）

（ｃ）空調機（ファンコイルも同じ）
図９（ａ）に空調機を模擬するオブジェクトの例を示す。
このオブジェクトの通信部１２には、風量Ｑｔ（入力ｃ）、冷水往温度Ｔｃ（入力ｂ）、コイル入口空気温度ＤＢ１（入力ｃ）、コイル入口空気エンタルピｉａ１（入力ｃ）、コイル出口空気温度ＤＢ２（入力ｃ）、コイル出口空気エンタルピｉａ２（入力ｃ）、冷水量Ｖｃ（出力）、冷水還温度Ｔｃｒ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
図９（ｂ）は空調機オブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと演算結果データの一例を示す図である。同図に示すように、空調機オブジェクトの演算部１３は、上記制御部１１、通信部１２、属性データ部１４から得た、風量Ｑｔ、冷水往温度Ｔｃ、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２に基づき、例えば、以下の式（６）により、冷水還温度Ｔｃｒを演算する。
なお、以下の式において、冷水還温度Ｔｃｒ、冷水量Ｖｃは、未知数であり、以下の関数ｆにおける空気で求めた熱量と、水より求めた熱量が一致するまで、繰り返し計算を行なって収束させ、冷水量Ｖｃと冷水還温度Ｔｃｒを求める。
Ｔｃｒ＝ｆ（Ｑｔ・ＤＢ１・ｉａ１・ＤＢ２・ｉａ２・Ｔｃ・Ｔｃｒ・Ｖｃ）…（６）

（ｄ）冷却水ポンプ、冷水ポンプ、送風機
図１０に冷却水ポンプを模擬するオブジェクトの例を示す。
このオブジェクトの制御部１１のセルには、水量Ｖｄ（入力ａ）が格納され、通信部１２には、水量Ｖｄ（入力ｃ）、冷却水往温度Ｔｄ（入力ｂ）、冷却水還温度Ｔｄｒ（入力ｃ）、吐出圧Ｐ（出力）、消費電力Ｐｗｐ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
なお、上記通信部１２に格納される冷却水往温度Ｔｄ、冷却水還温度Ｔｄｒは、単なる中継のためのデータである。このような、そのオブジェクト内で使用されないデータを格納するセルを設けることにより、前記したようにオブジェクト同士を単純に結合していくことで、所望のシュミレーション装置を構成することができる。
図１１（ａ）に冷水ポンプを模擬するオブジェクトの例を示す。図１０と同様、制御部１１のセルには、水量Ｖｃ（入力ａ）が格納され、通信部１２には、水量Ｖｃ（入力ｃ）、冷却水往温度Ｔｄ（入力ｂ）、冷却水還温度Ｔｄｒ（入力ｃ）、吐出圧Ｐ（出力）、消費電力ＰＷｐ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
なお、上記通信部１２に格納される冷水量Ｖｃ、冷水往温度Ｔｃ、冷水還温度Ｔｃｒは、単なる中継のためのデータである。

図１１（ｂ）は、上記ポンプオブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと演算結果データの一例を示す図である。同図に示すように、上記冷却水ポンプ、冷水ポンプオブジェクトの演算部１３は、上記制御部１１、通信部１２から得た、冷却水量または冷水水量Ｗ（＝ＶｃまたはＶｄ）に基づき、例えば、以下の式（７）により、ポンプ動力（＝消費電力）ＰＷｐ、吐出圧Ｐを演算する。
ＰＷｐ＝ｆ（Ｗ・Ｐ・η）…（７）
Ｐ＝ｆ（Ｗ）
Ｐ：揚程
η：ポンプ効率

図１２（ａ）に送風機を模擬するオブジェクトの例を示す。
このオブジェクトの通信部１２には、風量Ｑｔ（入力ｃ）、コイル入口空気温度ＤＢ１（入力ｃ）、コイル入口空気エンタルピｉａ１（入力ｃ）、コイル出口空気温度ＤＢ２（入力ｃ）、コイル出口空気エンタルピｉａ２（入力ｃ）、静圧Ｐ（出力）、消費電力Ｐｗｆａｎ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。また、属性データ部１４のセルには、機器固有の諸元が格納される。
なお、上記コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２は、単なる中継のためのデータである。
図１２（ｂ）は送風機オブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと演算結果データの一例を示す図である。
同図に示すように、上記送風機オブジェクトの演算部１３は、上記通信部１２から得た、風量Ｑｔに基づき、例えば、以下の式（８）により、ポンプ動力（＝消費電力）Ｐｗｐ、吐出静圧Ｐを演算する。
ＰＷｆａｎ＝ｆ（Ｑｔ・Ｐ・η）…（８）
Ｐ＝ｆ（Ｑｔ）
Ｐ：吐出静圧
η：送風機効率

（ｅ）ヘッダー
図１３（ａ）にヘッダーを模擬するオブジェクトの例を示す。
このオブジェクトの通信部１２には、入口水量Ｖｃ１，Ｖｃ２，…，Ｖｃｎ（入力ｂ）、入口水温Ｔｃ１，Ｔｃ２，…，Ｔｃｎ（入力ｂ）、出口水量Ｖｃａ１，Ｖｃａ２，…，Ｖｃａｍ（出力）、出口水温Ｔｃａ１，Ｔｃａ２，…，Ｔｃａｍ（出力）が格納されるセルが設けられる。演算部１３のセルには、演算式が格納される。
図１３（ｂ）にヘッダーオブジェクトの演算部１３の演算式への入力データと演算結果データの一例を示し、図１３（ｃ）にヘッダーにおける上記入口水量、入口水温、出口水量、出口水温を示す。図１３（ｃ）に示すように、ヘッダーは、Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋，…，＋Ｖｃｎ＝Ｖｃａ１＋Ｖｃａ２＋，…，＋Ｖｃａｍになるように入口水量をまとめて、複数に分岐する。
同図に示すように、上記ヘッダーオブジェクトの演算部１３は、上記通信部１２から得た、入口水量Ｖｃ１，Ｖｃ２，…，Ｖｃｎ、入口水温Ｔｃ１，Ｔｃ２，…，Ｔｃｎに基づき、例えば、以下の式（９）により、出口水温Ｔｃａを演算する。
Ｔｃａ＝ｆ（Ｔｃ１，Ｖｃ１，Ｔｃ２，Ｖｃ２，…，Ｔｃｎ，Ｖｃｎ）…（９）
ここで、出口側をｍ通りに分岐した場合、出口側の温度は全てＴｃａであり（Ｔｃａ＝Ｔｃａ１，Ｔｃａ２，…，Ｔｃａｍ）であり、入口側の水量と出口側の水量は次のようになる。
Ｖｃ１＋Ｖｃ２＋，…，＋Ｖｃｎ＝Ｖｃａ１＋Ｖｃａ２＋，…，＋Ｖｃａｍ

（ｆ）外気
図１４に外気を模擬する外気オブジェクトの例を示す。
外気オブジェクトの通信部１２のセルには、外気湿球温度ＷＢ（出力）が格納される。（ｇ）室内
図１５に室内を模擬する室内オブジェクトの例を示す。
室内オブジェクトの通信部には、コイル入口室内温度ＤＢ１（出力）、コイル入口室内エンタルピｉａ１（出力）、コイル出口室内温度ＤＢ２（出力）、コイル出口室内エンタルピｉａ２（出力）、風量Ｑｔ（出力）が格納される。

図１６は上記オブジェクト等から構成されるオブジェクトのメニューの一例を示す図であり、上記メニューから検証対象となる空調システムの各機器に相当するオブジェクトを前記した作業エリアにコピーし、必要に応じて制御部にデータを設定したり、演算部の演算式を変更したり、属性データ部１４に属性データを設定し、これらオブジェクトを結合することにより、所望のシミュレーションモデルを構築することができる。
図１７は、上記オブジェクトを結合して、作成したシミュレーションモデルの例を示す図である。
同図に示すように、ヘッダーオブジェクトを用いて、複数のサブシステムを組み合わせることにより、大規模なシミュレーションモデルを構築することもできる。
上記のようにシミュレーションモデルが構築されたら、外気オブジェクト、室内オブジェクトなどにデータを与え、また、必要に応じて各オブジェクトに制御データを設定することで、シミュレーションを行うことができ、シミュレーション結果として、例えば、冷却塔、冷却水ポンプ、冷凍機ガス、冷水ポンプ、送風機の各消費エネルギーを求めたり、また、冷却水温度、冷凍機成績係数、冷水量などを求めることができる。

次に上記オブジェクトを用いたシミュレーションモデルの具体例について説明する。
図１８（ａ）は、上記外気オブジェクト２１、冷却塔オブジェクト２２、冷却水ポンプオブジェクト２３、冷凍機オブジェクト２４、冷水ポンプオブジェクト２５、空調機オブジェクト２６、送風機オブジェクト２７、室内オブジェクト２８を前記したように結合しシュミレーションモデルを作成した場合ににおける、表示画面上に示されるオブジェクトの結合関係を示す図である。また、図１８（ｂ）は、同図（ａ）に示すシミュレーション装置において、各オブジェクト間で受け渡されるデータ、および、冷却水、冷水、気流のの流れを示す図である。
図１８において、外部データとしては、外気オブジェクト２１に外気湿球温度ＷＢが与えられ、室内オブジェクト２８に、風量Ｑｔ、コイル入口室内温度ＤＢ１、コイル入口室内エンタルピｉａ１、コイル出口室内温度ＤＢ２、コイル出口室内エンタルピｉａ２が与えられる。また、冷却水ポンプオブジェクト２３の制御部１１に冷却水量Ｖｄが与えられ、冷凍機オブジェクト２４の制御部に冷水往温度Ｔｃが与えられる。
冷却塔オブジェクト２２は、冷却水往温度設定値Ｔｄｓｅｔが与えられると、外気オブジェクト２１から与えられる上記外気湿球温度ＷＢ、冷却水ポンプオブジェクト２３から渡される冷却水量Ｖｄ、冷却水還温度Ｔｄｒから冷却水往温度Ｔｄ、ファン電力ＰＷｃｔを求める。
冷却水ポンプオブジェクト２５は、制御部に与えられた冷却水量Ｖｄから吐出圧Ｐと、消費電力ＰＷｐを求める。また、冷却塔オブジェクト２２と冷凍機オブジェクト２４間で、冷却水往温度Ｔｄ、冷却水還温度Ｔｄｒを中継する。

冷凍機オブジェクト２４は、制御部１１に与えられた冷水往温度Ｔｃと、冷却水ポンプオブジェクト２３から渡される冷却水量Ｖｄ、冷却水往温度Ｔｄと、冷水ポンプオブジェクト２５から渡される冷水量Ｖｃ、冷水還温度Ｔｃｒから、冷却水還温度Ｔｄｒ、ガス消費量Ｇｒｅｆを求める。冷却水還温度Ｔｄｒは、冷却水ポンプオブジェクト２３を介して冷却塔オブジェクト２２に渡される。
ここで、冷凍機の状態は、冷却塔から出でくる冷却水往温度Ｔｄに影響を受け、冷却塔の状態は、冷凍機から出てくる冷却水還温度Ｔｄｒに影響を受ける。したがって、この場合は、表計算ソフトの反復計算機能を利用して、解が収束するまで繰り返し計算を行う必要がある。この例では、３０〜４０回の反復計算で４桁程度の充分の精度に収束させることができた。

冷水ポンプオブジェクト２５は、空調機オブジェクト２６から冷水量Ｖｃが与えられると、吐出圧Ｐと、消費電力ＰＷｐを求める。また、冷凍機オブジェクト２４と空調機オブジェクト２６間で、冷水量Ｖｃ、冷水往温度Ｔｃ、冷水還温度Ｔｃｒを中継する。
空調機オブジェクト２６は、室内オブジェクト２８から渡される風量Ｑｔ、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２から冷水量Ｖｃ、冷水還温度Ｔｃｒを求める。
送風機オブジェクト２７は、室内オブジェクト２８から渡される風量Ｑｔから静圧Ｐ、消費電力ＰＷｆａｎを求める。また、空調機オブジェクト２６と、室内オブジェクト２８間で、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２を中継する。
室内オブジェクト２８は、風量Ｑｔ、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２を、送風機オブジェクト２７を介して、空調機オブジェクト２６に渡す。

以上のように構成したシミュレーションモデルにより、外気湿球温度ＷＢ、送風量Ｑｔ、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２を与えて、前記したように冷却塔、冷却水ポンプ、冷凍機ガス、冷水ポンプ、送風機の各消費エネルギーを算出し、また、冷却水温度、冷凍機成績係数、冷水量などを求めることができる。
なお、図１８の例では、冷却水ポンプオブジェクト２３の消費電力ＰＷｐは冷却水量Ｖｄを与えた時点で定まり、また、送風機オブジェクト２７の消費電力ＰＷｆａｎは、風量Ｑｔを与えた時点で定まる。
また、図１９に、上記のシミュレーションモデルによるシミュレーション結果の一例を示す。同図は、コイル入口空気温度ＤＢ１、コイル入口空気エンタルピｉａ１、コイル出口空気温度ＤＢ２、コイル出口空気エンタルピｉａ２を固定し、外気湿球温度ＷＢ、風量Ｑｔを変えたときのシミュレーション結果を示す。なお、図１９の冷凍機電力は、使用する冷凍機に応じて定まる値である。

図２０に本実施例のシミュレーションモデルにおける上記反復計算の収束過程を示す。同図は、上記図１８において、外気オブジェクト２１、冷却塔オブジェクト２２、冷却水ポンプオブジェクト２３、冷凍機オブジェクト２８のみからなるシミュレーションの収束過程を示したものであり、同図に示すように、冷却水往温度Ｔｄ、冷却水還温度Ｔｄｒ、ガス消費率Ｇｒｅｆは、１０回程度で実用上収束した。なお、シミュレーションモデルの規模が大きくなると、指数的に解が収束するまでの回数は増加し、前記したように、図１８のモデルでは、収束回数は３０〜４０回であった。

本発明の実施例の空調システムのシミュレーション装置の概要を説明する図（１）である。 本発明の実施例の空調システムのシミュレータの概要を説明する図（２）である。 本発明を実現するためのハードウェア構成例を示す図である。 本発明において、空調システムのシミュレーションを行う場合のデータ入力方法を説明する図である。 本発明の実施例のオブジェクトの基本構成を示す図である。 オブジェクトにおける制御部、通信部の機能を説明する図である。 冷凍機オブジェクトの構成例および冷凍機オブジェクトの演算式への入力データと出力データを示す図である。 冷却塔オブジェクトの構成例および冷却塔オブジェクトの演算式への入力データと出力データを示す図である。 空調機オブジェクトの構成例および空調機オブジェクトの演算式への入力データと出力データを示す図である。 冷却水ポンプオブジェクトの構成例を示す図である。 冷水ポンプオブジェクトの構成例およびポンプオブジェクトの演算式への入力データと出力データを示す図である。 送風機オブジェクトの構成例および送風機オブジェクトの演算式への入力データと出力データを示す図である。 ヘッダーオブジェクトの構成例、ヘッダーオブジェクトの演算式への入力データと出力データおよびヘッダーへの入力、出力を示す図である。 外気オブジェクトの構成例を示す図である。 室内オブジェクトの構成例を示す図である。 オブジェクトメニューの一例を示す図である。 オブジェクトを結合して、作成したシミュレーションモデルの例を示す図である。 シミュレーションモデルの一例および各オブジェクト間で受け渡されるデータ等を説明する図である。 図１８に示したシミュレーションモデルによるシミュレーション結果の一例を示す図である。 反復計算の収束過程を示す図である。 空調システムの構成例を示す図である。

符号の説明

１０ パソコン
１０ａ 計測システム
１１ 制御部
１２ 通信部
１３ 演算部
１４ 属性データ部
２１ 外気オブジェクト
２２ 冷却塔オブジェクト
２３ 冷却水ポンプオブジェクト
２４ 冷凍機オブジェクト
２５ 冷水ポンプオブジェクト
２６ 空調機オブジェクト
２７ 送風機オブジェクト
２８ 室内オブジェクト

Claims (2)

1. スプレッドシート上に予め用意された、空調システムを構成する各装置および室内外環境を模擬するセル群から構成される模擬要素をスプレッドシート上の作業領域にコピーして空調システムのシミュレーションモデルを作成し、該シミュレーションモデルに外部条件を与えて、シミュレーションを実行させることにより、空調システムのシミュレーションを行うシミュレーション方法であって、
   上記模擬要素は、少なくとも、他の模擬要素から与えられるデータ、もしくは当該模擬要素のセルに入力されたデータに基づき、該模擬要素からの模擬出力を求める演算式を格納した第１のセル群と、他の模擬要素から与えられたデータ、もしくは、上記演算式による演算結果を他の模擬要素に受け渡すための第２のセル群とから構成される模擬要素を含み、
   上記演算式は、該要素が占めるセル群に対して特定位置にある第２のセル群のデータを参照して演算を行い、上記第２のセル群は上記演算結果を参照するように構成され、
   上記模擬要素をスプレッドシート上の作業領域にコピーする際、
   隣合う模擬要素の第２のセル群の内の特定のセル群が参照関係にあるように、上記各模擬要素を作業領域にコピーし、上記模擬要素の内の特定の模擬要素の第２のセル群に、外部条件となる入力データを与え、繰り返し演算を実行させることにより、シミュレーション処理を実行させる
   ことを特徴とする空調システムのシミュレーション方法。
2. スプレッドシート上に予め用意された、空調システムを構成する各装置および室内外環境を模擬するセル群から構成される模擬要素をスプレッドシート上の作業領域にコピーして空調システムのシミュレーションモデルを作成し、該シミュレーションモデルに外部条件を与えて、シミュレーションを実行させることにより、空調システムのシミュレーションを行うシミュレーション装置であって、
   上記模擬要素は、少なくとも、他の模擬要素から与えられるデータ、もしくは当該模擬要素のセルに入力されたデータに基づき、該模擬要素からの模擬出力を求める演算式を格納した第１のセル群と、他の模擬要素から与えられたデータ、もしくは、上記演算式による演算結果を他の模擬要素に受け渡すための第２のセル群とから構成される模擬要素を含み、
   上記演算式は、該要素が占めるセル群に対して特定位置にある第２のセル群のデータを参照して演算を行い、上記第２のセル群は上記演算結果を参照するように構成され、
   隣合う模擬要素の第２のセル群の内の特定のセル群が参照関係にあるように、上記各模擬要素が、上記スプレッドシート上の作業領域にコピーされ、
   上記模擬要素の内の特定の模擬要素の第２のセル群に、外部条件となる入力データを与え、繰り返し演算を実行させることにより、シミュレーション処理を実行させる
   ことを特徴とする空調システムのシミュレーション装置。
   
   
   
   
   
   

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