JP2010237745A - エネルギーシステム最適化方法、エネルギーシステム最適化装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】現実の諸条件を精度良くモデル化し、実用的な計算時間内で、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法等を提供する。
【解決手段】第１ステップでは、需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５を入力とし、第１ステップ算出結果２６を出力する。第１ステップ算出結果２６は、機器の最適な組み合わせ、料金メニューの最適組み合わせを含む。第２ステップでは、需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５、機器詳細データ３１、設計データ３２を入力とし、第２ステップ算出結果３３を出力する。設計データ３２は、機器の組み合わせ、料金メニューの組み合わせである。第２ステップ算出結果３３は、最適運用計画、年間トータルコストを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法、エネルギーシステム最適化装置及びプログラムに関するものである。

工場、病院、ホテル、学校、オフィスビル等の業務用施設を運営する事業者は、社会的要請により年々厳しくなる環境規制をクリアしながら、エネルギーシステムにかかるコストを抑えたいというニーズがある。このようなニーズに応えるために、エネルギーシステムの設計及び運用計画を算出する方法が考案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１では、混合整数線形計画法により、システム運用費、一次エネルギー量（電力、都市ガス、水）、ＣＯ２の排出量のいずれかを目的関数として、蓄熱槽を含む複合熱源システムの最適な運転スケジュールを算出する方法が示されている。
特許文献２では、混合整数線形計画法により、コスト、ＣＯ２の排出量等のいずれかを目的関数として、蓄電池を含む複合熱源システムの最適な設備設計を算出する方法が示されている。

特開２００４−３１７０４９号公報 特開２００９−２６０９２号公報

しかしながら、特許文献１、特許文献２では、電気料金やガス料金について事業者ごとに選択できる料金メニューが考慮されていない。また、複数の熱源機器を導入する場合、現実のシステムでは負荷を按分して運転を行う。しかしながら、特許文献１、特許文献２では、このような熱負荷按分計算ができない。このように、特許文献１、特許文献２の方法では、現実との乖離が大きく、実用的なレベルとは言えない。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、現実の諸条件を精度良くモデル化し、実用的な計算時間内で、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法等を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法であって、計算対象施設における複数のエネルギー需要を含む需要データと、前記エネルギーを供給する機器の定格効率値、イニシャルコストおよびメンテナンスコストを含む機器データと、前記機器を稼働するために外部から購入する電気およびガスの料金メニューデータとを入力し、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、最適な前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせを算出する第１ステップと、前記需要データと、前記機器データと、前記料金メニューデータと、前記機器の部分負荷効率および稼働制約を含む機器詳細データと、前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせとを入力し、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、前記機器の運用計画を算出する第２ステップと、を含むことを特徴とするエネルギーシステム最適化方法である。

第１の発明によって、現実の諸条件を精度良くモデル化し、実用的な計算時間内で、最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出することができる。

第１の発明は、前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、コストを最小とする最適化の場合、更に、一次エネルギー消費量の上限及び／またはＣＯ２排出量の上限を入力し、前記一次エネルギー消費量の上限及び／またはＣＯ２排出量の上限を制約条件として最適化計算を行うことが望ましい。これによって、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出することができる。

第１の発明における前記料金メニューデータは、料金メニューごとの契約条件を含み、前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、コストを最小とする最適化の場合、前記契約条件を制約条件として最適化計算を行うことが望ましい。これによって、現実の契約条件を満たす料金メニューの中から、コストを最小とする最適な料金メニューの組み合わせを決定することができ、現実との乖離を少なくすることができる。

第１の発明は、前記第１ステップにおいて、前記機器のイニシャルコストとして前記機器の容量に比例する係数を入力し、コージェネレーションシステムを除く前記機器のメンテナンスコストとして前記機器の定格容量に比例する係数を入力し、前記コージェネレーションシステムのメンテナンスコストとして前記コージェネレーションシステムの単位発電量に比例する係数を入力し、前記第２ステップにおいて、前記コージェネレーションシステムのメンテナンスコストとして前記コージェネレーションシステムの単位発電量に比例する係数を入力することが望ましい。これによって、計算時間の過大を防ぎながら、現実に即した最適化計算を行うことができる。

第１の発明は、前記第２ステップにおいて、更に、前記機器のそれぞれを負荷按分の計算対象とするか否かを示す計算対象フラグを入力し、負荷按分の計算対象とされた前記機器の稼働は負荷率を同一とする制約を制約条件として最適化計算を行うことが望ましい。これによって、現実のシステムで行う負荷按分運転をモデル化することができる。

第１の発明は、例えば、前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、前記機器の補機動力が定流量ポンプの場合、前記機器の補機動力の消費電力として前記機器の出力に比例する係数を入力する。これによって、計算時間の過大を防ぎながら、機器の補機動力を定流量ポンプとして扱うことができる。

第１の発明は、例えば、前記第２ステップにおいて、前記機器の補機動力が変流量ポンプの場合、前記機器の部分負荷率ごとの係数を入力して前記機器の補機動力の消費電力を線形補間する。これによって、計算時間の過大を防ぎながら、機器の補機動力を変流量ポンプとして扱うことができる。

第１の発明は、例えば、前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、更に、市場から調達するＣＯ２クレジットの市場価格と、グリーン電力証書、グリーン熱証書、バイオ燃料のコストとを入力し、前記ＣＯ２クレジット、前記グリーン電力証書、前記グリーン熱証書の購入及び前記バイオ燃料の使用を前記機器の組み合わせの一つの選択肢とすることもできる。

第２の発明は、最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化装置であって、計算対象施設における複数のエネルギー需要を含む需要データと、前記エネルギーを供給する機器の定格効率値、イニシャルコストおよびメンテナンスコストを含む機器データと、前記機器を稼働するために外部から購入する電気およびガスの料金メニューデータとを入力する第１の入力手段と、前記第１の入力手段によって入力されたデータを入力とし、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、最適な前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせを算出する第１の算出手段と、前記需要データと、前記機器データと、前記料金メニューデータと、前記機器の部分負荷効率および稼働制約を含む機器詳細データと、前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせとを入力する第２の入力手段と、前記第２の入力手段によって入力されたデータを入力とし、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、前記機器の運用計画を算出する第２の算出手段と、を具備することを特徴とするエネルギーシステム最適化装置である。

第３の発明は、コンピュータを第２の発明のエネルギーシステム最適化装置として機能させるプログラムである。

本発明により、現実の諸条件を精度良くモデル化し、実用的な計算時間内で、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法等を提供することができる。

エネルギーシステム最適化装置１を実現するコンピュータのハードウェア構成図 エネルギーシステム最適化方法の第１ステップにおけるデータフローを示す図 エネルギーシステム最適化方法の第２ステップにおけるデータフローを示す図 需要データ２１の一例を示す図 機器データ２２の入力画面例を示す図 制限データ２３、環境データ２４の入力画面例を示す図 電気料金の入力画面例を示す図 ガス料金の入力画面例を示す図 ガス料金の契約条件の入力画面例を示す図 第１ステップ算出結果２６の表示画面例を示す図 第２ステップの入力画面例（１）を示す図 第２ステップの入力画面例（２）を示す図 ジェネリンクの定式化の一例を示す図 定流量ポンプ利用時の補機動力の総和を示す図 変流量ポンプ利用時の補機動力の総和を示す図 第１ステップによる算出結果例を示す図 第１ステップによる月別コストの算出結果例を示す図 第１ステップにおける８月電力の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図 第１ステップにおける８月冷房の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図 第１ステップにおける８月蒸気の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図 第２ステップにおける計算条件例を示す図 第２ステップによる月別コストの算出結果例を示す図 第２ステップにおける８月電力の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図 第２ステップにおける８月冷房の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図 第２ステップにおける８月蒸気の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、エネルギーシステム最適化装置１を実現するコンピュータのハードウェア構成図である。尚、図１のハードウェア構成は一例であり、用途、目的に応じて様々な構成を採ることが可能である。

エネルギーシステム最適化装置１は、制御部３、記憶部５、メディア入出力部７、通信制御部９、入力部１１、表示部１３、周辺機器Ｉ／Ｆ部１５等が、バス１７を介して接続される。

制御部３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。

ＣＰＵは、記憶部５、ＲＯＭ、記録媒体等に格納されるプログラムをＲＡＭ上のワークメモリ領域に呼び出して実行し、バス１７を介して接続された各装置を駆動制御し、エネルギーシステム最適化装置１が行う後述する処理を実現する。
ＲＯＭは、不揮発性メモリであり、コンピュータのブートプログラムやＢＩＯＳ等のプログラム、データ等を恒久的に保持している。
ＲＡＭは、揮発性メモリであり、記憶部５、ＲＯＭ、記録媒体等からロードしたプログラム、データ等を一時的に保持するとともに、制御部３が各種処理を行う為に使用するワークエリアを備える。

記憶部５は、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であり、制御部３が実行するプログラム、プログラム実行に必要なデータ、ＯＳ（オペレーティングシステム）等が格納される。プログラムに関しては、ＯＳ（オペレーティングシステム）に相当する制御プログラムや、後述する処理をコンピュータに実行させるためのアプリケーションプログラムが格納されている。
これらの各プログラムコードは、制御部３により必要に応じて読み出されてＲＡＭに移され、ＣＰＵに読み出されて各種の手段として実行される。

メディア入出力部７（ドライブ装置）は、データの入出力を行い、例えば、ＣＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＤＶＤドライブ（−ＲＯＭ、−Ｒ、−ＲＷ等）、ＭＯドライブ等のメディア入出力装置を有する。

通信制御部９は、通信制御装置、通信ポート等を有し、コンピュータとネットワーク１９間の通信を媒介する通信インタフェースであり、ネットワーク１９を介して、他のコンピュータ間との通信制御を行う。

入力部１１は、データの入力を行い、例えば、キーボード、マウス等のポインティングデバイス、テンキー等の入力装置を有する。
入力部１１を介して、コンピュータに対して、操作指示、動作指示、データ入力等を行うことができる。

表示部１３は、ＣＲＴモニタ、液晶パネル等のディスプレイ装置、ディスプレイ装置と連携してコンピュータのビデオ機能を実現するための論理回路等（ビデオアダプタ等）を有する。

周辺機器Ｉ／Ｆ（インタフェース）部１５は、コンピュータに周辺機器を接続させるためのポートであり、周辺機器Ｉ／Ｆ部１５を介してコンピュータは周辺機器とのデータの送受信を行う。周辺機器Ｉ／Ｆ部１５は、ＵＳＢやＩＥＥＥ１３９４やＲＳ−２３２Ｃ等で構成されており、通常複数の周辺機器Ｉ／Ｆを有する。周辺機器との接続形態は有線、無線を問わない。

バス１７は、各装置間の制御信号、データ信号等の授受を媒介する経路である。

本実施の形態では、混合整数線形計画法によって、コスト等を目的関数としたエネルギーシステムの最適化計算を行う。コストを最小にする最適化では、機器の性能や特性、設備稼働に伴う制約をモデル化し、厳密なエネルギー料金体系を反映して、現実との乖離を小さくする。但し、制約をモデル化するための変数が増えると計算時間が過大となることから、本実施の形態に係るエネルギーシステム最適化方法では、計算ステップを２段階に分けて計算を行い、実用的な計算時間内に計算可能とする。
第１ステップでは、機器の定格効率値を基にエネルギーシステムの設計及びその運用計画を計算する。第２ステップでは、第１ステップで決定した機器と料金メニューを入力とし、詳細な機器条件と現実の稼働制約を考慮した精度の高い運用計画を計算する。

（第１ステップの入出力データ）
図２は、エネルギーシステム最適化方法の第１ステップにおけるデータフローを示す図である。
図２に示すように、第１ステップでは、需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５を入力とし、第１ステップ算出結果２６を出力する。
エネルギーシステム最適化装置１は、需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５を入力する入力手段（入力部１１等）を有する。また、エネルギーシステム最適化装置１は、線形計画のソルバーを用いて、混合整数線形計画法によるコスト等を目的関数としたエネルギーシステムの最適化計算を行う算出手段（制御部３等）を有する。線形計画のソルバーは、例えば、市販のソフトウェアを用いることができる。また、エネルギーシステム最適化装置１は、算出手段による算出結果（第１ステップ算出結果２６）を出力する出力手段（表示部１３等）を有する。また、エネルギーシステム最適化装置１は、入力手段によって入力された各種のデータ、及び算出手段によって算出された各種のデータを記憶する記憶手段（記憶部５等）を有する。

需要データ２１は、計算対象施設ごとに入力するものであり、電力、冷房、暖房、給湯、蒸気等のエネルギー需要に関するデータである。需要データ２１は、月別、曜日別（平日、土曜、休日）、時刻別の需要データである。需要データ２１は、過去の履歴データでも良いし、計算対象施設の将来の使用状況を考慮した予測データでも良い。

図４は、需要データ２１の一例を示す図である。図４に示す需要データ２１は、計算対象施設の８月の電力のエネルギー需要に関するデータである。横軸は時間、縦軸は需要を示している。エネルギーシステム最適化装置１は、第１ステップにおいて、需要データ２１に対して、最適な機器と料金メニューの組み合わせを計算する。

機器データ２２に含まれる機器は、例えば、水冷チラー、空冷チラー、ターボ冷凍機、ヒートポンプ式給湯器（以下、ＨＰ式給湯器）、コージェネレーション、温水ボイラ、蒸気ボイラ、ガスエンジンヒートポンプ（以下、ＧＨＰ）、直焚吸収式冷温水機、蒸気吸収式冷温水機、温水吸収式冷温水機、熱交換機、ジェネリンク等である。

図５は、機器データ２２の入力画面例を示す図である。機器名称５１は、各機器の名称である。定格効率値・補機動力係数５２は、各機器の定格効率値、補機動力係数である。定格効率値は、各機器の定格容量におけるエネルギー消費効率を示しており、例えば、冷水ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）は、単位消費電力当たりの冷水能力を表し、数字が大きいほど効率が良い。例えば、図５に示す例では水冷チラーの冷水ＣＯＰは３．７８である。補機動力とは、各機器の冷温水ポンプ、冷却水ポンプ、ファン動力等である。図５に示す補機動力係数は、各機器の定格容量に対する補起動力合計の係数である。例えば、水冷チラーの補機動力係数は、０．０８である。配管ロス５３は、各機器の配管ロスの値である。５４は、各機器を計算対象とするか否かを選択するチェックボックスである。これは、計算対象施設によっては導入できない機器を対象外とするためである。エネルギーシステム最適化装置１は、チェックボックスのチェック有無を計算対象フラグとして入力する。

制限データ２３は、計算対象施設ごとに入力するものであり、年間一次エネルギー消費量の上限、年間ＣＯ２排出量の上限等である。
環境データ２４は、一次エネルギー効率、ＣＯ２排出係数、ＣＯ２クレジット市場価格、グリーン電力証書価格、グリーン熱証書価格、コージェネレーションシステム（以下、ＣＧＳ）によるＣＯ２削減係数等である。ＣＯ２クレジットやグリーン電力証書などを計算対象に含めるか否かのチェックボックスを用い、選択可能とする。

図６は、制限データ２３、環境データ２４の入力画面例を示す図である。図６に示す例では、年間ＣＯ２排出量上限６１は２０００（ｔ）である。また、年間一次エネルギー消費量上限６２は１０００００（ＧＪ）である。制限データ２３は、コスト最小化計算時の制約条件として入力可能である。これによって、計算対象施設が既存のものであれば、エネルギーシステム最適化装置１を用いて、一次エネルギー消費量、ＣＯ２排出量の削減計画を立案できる。更に、エネルギーシステム最適化装置１を用いれば、既存設備における削減量の限界値及び機器更新のタイミングを算出し、機器更新時の最適機器の選定まで一貫して行うことが可能となる。
６３は、系統受電による時刻別（受電パラメータ別）の発電効率である。６４は、受電によるＣＯ２排出係数である。６５は、ガスによるＣＯ２排出係数である。これらの入力項目において、環境データ２４の一次エネルギー効率、ＣＯ２排出係数を入力する。ＣＯ２クレジット市場価格（不図示）は、市場からＣＯ２クレジットを調達する時の単位ＣＯ２排出量当たりのコストである。例えば、年間ＣＯ２排出量の上限を設定してコストを最小にする最適化計算を行う場合、ＣＯ２クレジットを購入することで、年間ＣＯ２排出量の上限の制約を満たすことが可能となる。ＣＧＳによるＣＯ２削減係数（不図示）は、ＣＧＳの単位発電量に対するＣＯ２削減量の係数である。
尚、バイオ燃料についても最適化計算の対象とすることができる。この場合、バイオ燃料の単位熱量当たりのコスト、単位熱量当たりのＣＯ２排出係数、一次エネルギー係数、時間流量の上限値を入力する。
ＣＯ２クレジット、グリーン電力証書、グリーン熱証書の購入やバイオ燃料の使用は、最適な機器の組み合わせを決定する際の選択肢の一つとなる。

料金メニューデータ２５は、電力料金、ガス料金の料金メニューである。電力料金の場合には基本料金、従量料金、ガス料金の場合にはガス流量倍率（＝年間ガス使用量／最大時間ガス使用量）、負荷率（月平均使用量／最大需要期月平均使用量×１００）等の詳細な契約条件を含む。

図７は、電気料金の入力画面例を示す図である。
業務用・産業用料金メニュー７１は、業務用と産業用に分かれる。業務用には、業務用、特高Ａがある。産業用には、高圧、特高Ｂがある。これらの料金メニューは、基本料金、夏季／その他季の従量料金から構成される。
同様に、業務用・産業用季時別料金メニュー７２は、業務用と産業用に分かれる。これらの料金メニューは、基本料金、ピーク時／昼夏季／昼その他季／夜間の従量料金から構成される。
同様に、業務用・産業用休日高負荷・休日高稼働料金メニュー７３は、業務用と産業用に分かれる。これらの料金メニューは、基本料金、夏季（平日）／夏季（休日）／その他季（平日）／その他季（休日）の従量料金から構成される。
７４は、各料金メニューを計算対象とするか否かを選択するチェックボックスである。エネルギーシステム最適化装置１は、チェックボックスのチェック有無を計算対象フラグとして入力する。
尚、コスト最小化計算で用いられる電気料金の料金メニューはこれらに限るものではない。

図８は、ガス料金の入力画面例を示す図である。図９は、ガス料金の契約条件の入力画面例を示す図である。図９に示す契約条件は、図８に示す料金メニューと対応している。
８１は、業務用季節別と産業用の料金メニューである。９１は、業務用季節別と産業用の契約条件である。業務用季節別と産業用は、年間のガス使用量が多い顧客にとってメリットがある料金メニューである。９１に示すように、業務用季節別と産業用の料金メニューは、契約最大時間流量（契約期間における一時間あたりの最大の使用予定量）の下限、年間ガス使用量の下限、契約最大時間流量倍率（年間使用量を契約最大時間流量又は機器定格流量で除したもの）、契約年間負荷率（年間の月平均使用量を最大需要期（１２〜３月）の月平均使用量で除したもの）の契約条件がある。契約条件は、コスト最小化計算における制約条件となる。

８２は、ＣＧＳパッケージ割引の料金メニューである。９２は、ＣＧＳパッケージ割引の契約条件である。ＣＧＳパッケージ割引は、ＣＧＳでガスを使用する顧客が利用できる料金メニューである。従って、コスト最小化計算においては、ＣＧＳを含めた設備設計をしたときに選択できる。９２に示すように、ＣＧＳパッケージ割引は、契約最大時間流量の下限、年間ガス使用量の下限、契約最大時間流量倍率、契約年間負荷率、ＣＧＳの定格（契約締結において導入しなければならないコージェネレーションシステムの最低容量）の契約条件がある。

８３は、高負荷率割引の料金メニューである。９３は、高負荷率割引の契約条件である。高負荷率割引は、冬季のガス使用量が少ない顧客にメリットがある料金メニューである。９３に示すように、高負荷率割引は、契約最大時間流量の下限、年間ガス使用量の下限、契約最大時間流量倍率、契約年間負荷率の契約条件がある。

８４は、一般料金の料金メニューである。
８５は、ガス空調の料金メニューである。９４は、ガス空調の契約条件である。９４に示すように、ガス空調の契約条件は、契約年間負荷率、機器定格流量倍率（年間使用量を機器定格流量で除したもの）の契約条件がある。
８６は、各料金メニューを計算対象とするか否かを選択するチェックボックスである。エネルギーシステム最適化装置１は、チェックボックスのチェック有無を計算対象フラグとして入力する。
８７は、空調オプション（０または１）である。０の場合、ＧＨＰと直焚きで１種類の空調ガス料金しか考慮しない。１の場合、ＧＨＰと直焚きで２種類の異なる空調ガス料金も含めて考慮する。
尚、コスト最小化計算で用いられるガス料金の料金メニューはこれらに限るものではない。

図１０は、第１ステップ算出結果２６の表示画面例を示す図である。１００ａは、一次エネルギー最小化の実行ボタンである。１００ｂは、ＣＯ２最小化の実行ボタンである。１００ｃは、コスト最小化の実行ボタンである。エネルギーシステム最適化装置１は、１００ａから１００ｃのボタンが押下されると、ボタンごとの最適化計算を実行する。図１０では、機器の最適組み合わせ、及び料金メニューの最適組み合わせを表示している。他の算出結果（一次エネルギー使用量、ＣＯ２排出量、運用計画等）は、別の表示画面に表示される。

機器名称１０１は、各機器の名称である。１０２〜１０５は、最適化計算結果である。入力１０２は、各機器に入力されるエネルギーであり、図１０に示す値は年間を通しての最大値である。出力１０３は、各機器から出力されるエネルギーであり、図１０に示す値は年間を通しての最大値である。出力１０３の値が０でない機器は、最適化計算によって選択されたことを意味する。また、出力１０３の値は、機器の定格容量値である。補機出力は、補機動力の定格消費電力のことであり、機器の出力に比例して発生する量として係数を定義して算出する。
エネルギーシステム最適化装置１のユーザは、出力１０３の値によって機器の最適組み合わせ、及び機器の容量値を判断することができる。

イニシャルコスト１０４は、各機器の初期導入費用であり、機器の容量に比例する値である。メンテナンスコスト１０５は、各機器の保守費用であり、コージェネレーションを除く機器については、機器の容量（ｋＷ）に比例して発生するコストとして係数を定義して算出する。コージェネレーションについては、単位発電量（ｋＷｈ）に比例して発生するコストとして係数を定義して算出する。これによって、計算時間の過大を防ぎながら、現実に即した最適化計算を行うことができる。

１０６ａ〜１０６ｅは、算出結果の表示の切り替えを実行するボタンである。エネルギーシステム最適化装置１は、コスト最小化計算において、低コスト順に上位５つの料金メニューの組み合わせ及び機器の最適組み合わせを算出する。例えば、ユーザがコスト１表示１０６ａを押下すると、コスト最小化計算において最もコストの低い算出結果を表示する。
１０７は、電気料金とガス料金の料金メニューである。
エネルギーシステム最適化装置１のユーザは、料金メニュー１０７によってコストの低い電気料金とガス料金の料金メニューを判断することができる。

（第２ステップの入出力データ）
図３は、エネルギーシステム最適化方法の第２ステップにおけるデータフローを示す図である。
図３に示すように、第２ステップでは、需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５、機器詳細データ３１、設計データ３２を入力とし、第２ステップ算出結果３３を出力する。
需要データ２１、機器データ２２、制限データ２３、環境データ２４、料金メニューデータ２５については、第１ステップの説明と同様となるので説明を省略する。
尚、第２ステップでは、第１ステップと異なり、機器データ２２のイニシャルコストとＣＧＳを除くメンテナンスコストは入力しない。
エネルギーシステム最適化装置１は、機器詳細データ３１、設計データ３２を入力する入力手段（入力部１１等）を有する。また、エネルギーシステム最適化装置１は、線形計画のソルバーを用いて、混合整数線形計画法によるコスト等を目的関数としたエネルギーシステムの最適化計算を行う算出手段（制御部３等）を有する。線形計画のソルバーは、例えば、市販のソフトウェアを用いることができる。また、エネルギーシステム最適化装置１は、算出手段による算出結果（第２ステップ算出結果３３）を出力する出力手段（表示部１３等）を有する。また、エネルギーシステム最適化装置１は、入力手段によって入力された各種のデータ、及び算出手段によって算出された各種のデータを記憶する記憶手段（記憶部５等）を有する。

機器詳細データ３１は、各機器の部分負荷定格効率値、補機動力出力係数、ＣＧＳ最低稼働負荷率、熱源切替負荷率等である。第２ステップでは、電気、熱負荷按分計算を行う為、熱源機器の中で稼働負荷率を同一とする制約を与える。
負荷按分について説明する。例えば、容量が６００ＲＴと１４００ＲＴの熱源機器をエネルギーシステムに導入する場合を考える。この場合、６００ＲＴ：１４００ＲＴ＝３：７であるから、需要１０００ＭＪに対して、それぞれの熱源機器が３００ＭＪと７００ＭＪを供給するように運転を行い、負荷を按分する。
第１ステップでは、最適機器の組み合わせを算出するため、計算負荷を考慮して負荷按分計算は行っていない。一方、第２ステップでは、機器は既に選択されており、最適機器の組み合わせを算出するための計算負荷はかからないことから、負荷按分計算を行い、現実に即した運用計画を算出する。
設計データ３２は、機器の組み合わせ、料金メニューの組み合わせである。設計データ３２は、計算対象施設が新規にエネルギーシステムの設計を考えている場合、第１ステップの算出結果を利用する。一方、計算対象施設が既存施設の場合、現実に設置している機器を入力することができる。また、料金メニューについてもユーザが入力することができる。

図１１は、第２ステップの入力画面例（１）を示す図である。
機器名称１１１は、各機器の名称である。１１２は、各機器の部分負荷効率値と補機動力出力係数（消費電力係数）である。負荷率は、２５％、５０％、７５％、１００％である。１１３は、コージェネレーションシステム（ＣＧＳ）の最低稼働負荷率である。１１４は、機器と補機動力の容量値（定格出力）である。１１５は、各機器を電気、熱（冷房、暖房）負荷按分の計算対象とするか否かを選択するチェックボックスである。エネルギーシステム最適化装置１は、チェックボックスのチェック有無を計算対象フラグとして入力する。
例えば、ＣＧＳの排熱を優先的に使い、不足分を他の熱源機で補う場合を考える。この場合、ユーザがＣＧＳを熱負荷按分対象から外し（チェックボックスのチェックを外し）、他の熱源機を熱負荷按分対象とする（チェックボックスをチェックする）ことで、エネルギーシステム最適化装置１は、ＣＧＳを除く熱源機に対して負荷按分計算を行う。これによって、ＣＧＳの排熱を優先的に使い、不足分を他の熱源機で補うように運用計画を算出することができる。

図１２は、第２ステップの入力画面例（２）を示す図である。
１２１には、熱源の切替負荷率を入力する。例えば、２台の熱源機が負荷按分対象の場合を考える。需要の増加により、１台目の熱源機が入力した切替負荷率に達すると、エネルギーシステム最適化装置１は、２台目の熱源機を稼働し、負荷按分供給を行うように運用計画を算出する。また、全ての負荷按分対象の熱源機が稼働している場合のみ、切替負荷率を超えて供給するように運用計画を算出する。
１２２には、一次エネルギー消費量とＣＯ２排出量の上限を入力する。図１２に示す例では、ＣＯ２排出量のチェックボックスがチェックされ、値が入力されていることから、エネルギーシステム最適化装置１は、入力された値をＣＯ２排出量の上限として制約条件に加えて、運用計画を算出する。

１２３は、系統受電による時刻別（受電パラメータ別）の発電効率である。これにより、系統受電による一次エネルギー消費量を算出する。１２４は、受電によるＣＯ２排出係数である。１２５は、ガスによるＣＯ２排出係数である。これらの入力項目において、環境データ２４の一次エネルギー効率、ＣＯ２排出係数を入力する。１２６は、電気料金メニューである。１２７は、ガス料金メニューである。１２８は、コージェネレーションシステム（ＣＧＳ）のメンテナンスコストである。１２９ａは、一次エネルギー最小化計算の実行ボタンである。１２９ｂは、ＣＯ２最小化計算の実行ボタンである。１２９ｃは、コスト最小化計算の実行ボタンである。

このように、第２ステップでは、第１ステップにおいて算出対象であった導入機器および料金メニューを入力とし、第１ステップでは考慮していない機器詳細データ３１を入力とし、現実に即した詳細な運用計画を算出する。

（線形計画問題の定式化）
線形計画問題の定式化について説明する。第１ステップと第２ステップに共通して、目的関数は、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量である。エネルギーシステム最適化装置１は、これらのいずれかを最小にする最適化計算を行う。また、例えば、コストを最小にする最適化計算の場合、一次エネルギー消費量、ＣＯ２排出量の上限を任意に入力し、制約条件とすることもできる。従って、コスト、一次エネルギー消費量、ＣＯ２排出量の３つを統合して算出することが可能となる。これによって、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出することができる。

制約条件の一つは、需要データ２１のエネルギー需要を機器データ２２に含まれる機器群によって供給することである。また、任意に入力される制限データ２３も制約条件となる。また、料金メニューデータ２５に含まれる契約条件も制約条件となる。図９に示したガス料金の契約条件は、例えば、以下のように定式化できる。
・契約最大時間流量≧定数
・年間ガス使用量≧定数
・定数＞契約最大時間流量倍率≧定数
・定数＞契約年間負荷率≧定数
・ＣＧＳの定格≧定数
・機器定格流量倍率≧定数

図１３は、ジェネリンクの定式化の一例を示す図である。ジェネリンクは、ＣＧＳから発生する排熱を利用し、冷暖房を行うガス吸収冷温水機である。ジェネリンクは、図１３の左図のように、負荷率が低い部分では、ＣＧＳの排熱のみで冷水供給を行う。一方、温水単独運転可能負荷率を超えると、ガス焚き稼働と温水排熱稼働が併用される。そして、本来では負荷率の上昇につれて温水排熱稼働割合は縮小する。しかしながら、計算時間が過大になることを防止するため、右図のように、温水排熱稼働割合を一定とする。
また、温水単独運転可能負荷率をαとすると、αの前後でジェネリンクの挙動は大きく異なる。そこで、負荷率がα以下の場合に０、αより大きい場合に１をとる０−１変数を導入し、ジェネリンクの挙動を定式化する。

図１４は、定流量ポンプ利用時の補機動力の総和を示す図である。図１４に示すように、定流量ポンプの補機動力の消費電力は、機器の出力に比例する。そこで、機器の出力に比例する係数を入力することで、定流量ポンプの消費電力をモデル化する。これによって、計算時間が過大になることなく、定流量ポンプ利用時の補機動力の運用も考慮した設備設計、運用計算が可能となる。

図１５は、変流量ポンプ利用時の補機動力の総和を示す図である。図１５に示すように、変流量ポンプの補機動力の消費電力は、機器の出力に対して二次関数的に増加する。そこで、機器の部分負荷率（２５％、５０％、７５％、１００％）ごとの係数を入力して線形補間することで、変流量ポンプの消費電力をモデル化する。これによって、計算時間が過大になることなく、変流量ポンプ利用時の補機動力の運用も考慮した運用計画が可能となる。

（計算結果例）
図１６から図２５を参照しながら、本実施の形態における計算結果例を説明する。以下に説明する計算結果例では、コストを最小にする最適化計算を行っている。
図１６は、第１ステップによる算出結果例を示す図である。図１６に示すように、料金メニューの最適な組み合わせと機器の最適な組み合わせが算出される。
図１７は、第１ステップによる月別コストの算出結果例を示す図である。図１７に示すように、熱源機器のイニシャルコスト、ＣＧＳのイニシャルコスト、電気料金、ガス料金、熱源機器のメンテナンスコスト、ＣＧＳのメンテナンスコストが算出される。第１ステップでは機器が決定されていないため、熱源機器のイニシャルコスト、ＣＧＳのイニシャルコスト、熱源機器のメンテナンスコスト、ＣＧＳのメンテナンスコストも最適化計算の対象となる。

図１８は、第１ステップにおける８月電力の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。図１９は、第１ステップにおける８月冷房の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。図２０は、第１ステップにおける８月蒸気の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。
図１８から図２０に示すように、月別、時間別の供給バランスが算出される。これらの結果から、年間を通した各機器の最大出力値を算出して、図１６に示す機器の容量とする。

図２１は、第２ステップにおける計算条件例を示す図である。図２１に示すように、料金メニューは、第１ステップで算出された結果を用いても、ユーザが新たに入力しても構わない。機器の組み合わせは、第１ステップで算出された結果に基づいて、現実に導入可能な機器を選択する。他の計算条件は、ＣＧＳの最低稼働負荷率（図１１の１１３）が１００％、熱源の切替負荷率（図１２の１２１）が１００％である。また、冷房と暖房の需要に対して熱源機器を熱負荷按分計算対象とする。

図２２は、第２ステップによる月別コストの算出結果例を示す図である。図２２に示すように、電気料金、ガス料金、ＣＧＳのメンテナンスコストが算出される。第２ステップでは機器が決定されているため、熱源機器のイニシャルコスト、ＣＧＳのイニシャルコスト、熱源機器のメンテナンスコストは最適化計算の対象とならない。一方、ＣＧＳのメンテナンスコストは、単位発電量に比例する為、最適化計算の対象となる。

図２３は、第２ステップにおける８月電力の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。図２４は、第２ステップにおける８月冷房の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。図２５は、第２ステップにおける８月蒸気の需要に対する供給バランスの算出結果例を示す図である。
図２３から図２５に示すように、月別、時間別の供給バランスが算出される。ＣＧＳの最低稼働負荷率が１００％という計算条件によって、図２３に示すように、ＣＧＳ１とＣＧＳ２は１００％稼働するか、全く稼働しないかのいずれかになっている。また、熱源切替負荷率が１００％という計算条件によって、図２４に示すように、直焚き吸収式冷凍機が１００％の負荷を超えない場合には直焚き吸収式冷凍機のみが稼働している。また、冷房の需要に対して熱源機器を熱負荷按分計算対象にするという計算条件によって、図２４に示すように、ジェネリンクと直焚き吸収式冷凍機の負荷が同一となっている。

以上、本実施の形態では、現実に即した詳細な料金メニューや、負荷按分計算など現実に即した機器の稼働制約を考慮していることから、現実を精度良く再現した最適化計算を行うことができる。
また、本実施の形態では、機器の定格効率値を基にエネルギーシステムの設計及びその運用計画を計算する第１ステップ、第１ステップで決定した、又はユーザが新たに指定する機器と料金メニューを入力とし、詳細な機器条件と現実の稼働制約を考慮した運用計画を計算する第２ステップの２段階で計算を行っていることから、実用的な計算時間内に計算を終えることができる。
また、コストを最小にする最適化計算の場合、一次エネルギー消費量、ＣＯ２排出量の上限を任意に入力し、制約条件とすることもできることから、環境性を担保しつつ、コスト競争力の高い最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出することができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明にかかるエネルギーシステム最適化方法等の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１………エネルギーシステム最適化装置
３………制御部
５………記憶部
７………メディア入出力部
９………通信制御部
１１………入力部
１３………表示部
１５………周辺機器Ｉ／Ｆ部
１７………バス
１９………ネットワーク
２１………需要データ
２２………機器データ
２３………制限データ
２４………環境データ
２５………料金メニューデータ
２６………第１ステップ算出結果
３１………機器詳細データ
３２………設計データ
３３………第２ステップ算出結果

Claims (10)

1. 最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化方法であって、
   計算対象施設における複数のエネルギー需要を含む需要データと、前記エネルギーを供給する機器の定格効率値、イニシャルコストおよびメンテナンスコストを含む機器データと、前記機器を稼働するために外部から購入する電気およびガスの料金メニューデータとを入力し、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、最適な前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせを算出する第１ステップと、
   前記需要データと、前記機器データと、前記料金メニューデータと、前記機器の部分負荷効率および稼働制約を含む機器詳細データと、前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせとを入力し、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、前記機器の運用計画を算出する第２ステップと、
   を含むことを特徴とするエネルギーシステム最適化方法。
2. 前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、コストを最小とする最適化の場合、更に、一次エネルギー消費量の上限及び／またはＣＯ２排出量の上限を入力し、前記一次エネルギー消費量の上限及び／またはＣＯ２排出量の上限を制約条件として最適化計算を行うことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
3. 前記料金メニューデータは、料金メニューごとの契約条件を含み、
   前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、コストを最小とする最適化の場合、前記契約条件を制約条件として最適化計算を行うことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
4. 前記第１ステップにおいて、前記機器のイニシャルコストとして前記機器の容量に比例する係数を入力し、コージェネレーションシステムを除く前記機器のメンテナンスコストとして前記機器の定格容量に比例する係数を入力し、前記コージェネレーションシステムのメンテナンスコストとして前記コージェネレーションシステムの単位発電量に比例する係数を入力し、
   前記第２ステップにおいて、前記コージェネレーションシステムのメンテナンスコストとして前記コージェネレーションシステムの単位発電量に比例する係数を入力することを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
5. 前記第２ステップにおいて、更に、前記機器のそれぞれを負荷按分の計算対象とするか否かを示す計算対象フラグを入力し、負荷按分の計算対象とされた前記機器の稼働は負荷率を同一とする制約を制約条件として最適化計算を行うことを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
6. 前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、前記機器の補機動力が定流量ポンプの場合、前記機器の補機動力の消費電力として前記機器の出力に比例する係数を入力することを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
7. 前記第２ステップにおいて、前記機器の補機動力が変流量ポンプの場合、前記機器の部分負荷率ごとの係数を入力して前記機器の補機動力の消費電力を線形補間することを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
8. 前記第１ステップ及び／または前記第２ステップにおいて、更に、市場から調達するＣＯ２クレジットの市場価格と、グリーン電力証書、グリーン熱証書、バイオ燃料のコストとを入力し、前記ＣＯ２クレジット、前記グリーン電力証書、前記グリーン熱証書の購入及び前記バイオ燃料の使用を前記機器の組み合わせの一つの選択肢とすることを特徴とする請求項１に記載のエネルギーシステム最適化方法。
9. 最適なエネルギーシステムの設備設計及び運用計画を算出するエネルギーシステム最適化装置であって、
   計算対象施設における複数のエネルギー需要を含む需要データと、前記エネルギーを供給する機器の定格効率値、イニシャルコストおよびメンテナンスコストを含む機器データと、前記機器を稼働するために外部から購入する電気およびガスの料金メニューデータとを入力する第１の入力手段と、
   前記第１の入力手段によって入力されたデータを入力とし、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、最適な前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせを算出する第１の算出手段と、
   前記需要データと、前記機器データと、前記料金メニューデータと、前記機器の部分負荷効率および稼働制約を含む機器詳細データと、前記機器の組み合わせ及び前記料金メニューの組み合わせとを入力する第２の入力手段と、
   前記第２の入力手段によって入力されたデータを入力とし、前記エネルギー需要を前記機器群によって供給する線形計画問題において、コスト、一次エネルギー消費量またはＣＯ２排出量を目的関数とし、混合整数線形計画法によって最適化計算を行い、前記機器の運用計画を算出する第２の算出手段と、
   を具備することを特徴とするエネルギーシステム最適化装置。
10. コンピュータを請求項９に記載のエネルギーシステム最適化装置として機能させるプログラム。