JP2011214794A - Air conditioning system control device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ビルなどの建物に設置された空調機の負荷予測を的確に行う空調負荷予測機能を有し、熱源機器の熱出力を空調負荷に対応して有効に利用することができるように空調機の運転スケジュールを立案して制御する空調システム制御装置に関するものである。 The present invention has an air conditioning load prediction function for accurately predicting the load of an air conditioner installed in a building such as a building so that the heat output of a heat source device can be effectively used corresponding to the air conditioning load. The present invention relates to an air conditioning system control apparatus that plans and controls an operation schedule of an air conditioner.
近年、ビルなどの空調システムを構成する各種の空調機の省エネ化の要求が高まっており、この要求を満たすために、空調機の動力を低減化した空調システム制御装置が数多く提案されている。
従来から、多くの空調システム制御装置においては、以下のように、空調負荷に応じて空調システムの運転状態を変える制御方法が提案されている。
In recent years, demands for energy saving of various air conditioners constituting an air conditioning system such as a building have increased, and in order to satisfy these demands, many air conditioning system control devices with reduced power of the air conditioners have been proposed.
Conventionally, in many air conditioning system control devices, a control method for changing the operating state of an air conditioning system in accordance with an air conditioning load has been proposed as follows.
まず、第1の従来技術として、制御対象となる空調機と、周囲環境に関する過去の実績データとを入力情報とし、空調機の空調負荷を出力層として、ニューラルネットワークにより空調負荷モデルを構築し、空調負荷予測および省エネとなる熱源の運転制御を行う方法が提案されている(たとえば、特許文献1、2を参照)。
First, as a first prior art, an air conditioner to be controlled and past performance data about the surrounding environment are used as input information, and an air conditioner load of the air conditioner is used as an output layer, and an air conditioning load model is constructed by a neural network. A method of performing air conditioning load prediction and heat source operation control for energy saving has been proposed (see, for example,
また、第2の従来技術として、建物の建築仕様(壁の部材、厚さ、物性値など)に基づく詳細な建物モデル(以下、単に「建物モデル」という)、もしくは日射量および外気温などの計測データとに係数を乗じる簡易式によって空調負荷を計算し、運転日前日が休日であるか否か、または、休日の日数などに基づいて、マルチエアコンの起動時間を計画するマルチエアコンの予冷・予熱分散制御システムも提案されている(たとえば、特許文献3を参照)。 In addition, as a second conventional technique, a detailed building model (hereinafter simply referred to as “building model”) based on the building construction specifications (wall members, thickness, physical property values, etc.), or the amount of solar radiation and the outside temperature Calculate the air conditioning load by a simple formula that multiplies the measurement data by a coefficient, and plan the start time of the multi air conditioner based on whether the day before the operation day is a holiday or the number of days off. A preheat dispersion control system has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、上記特許文献1、2および3の簡易式に基づく制御技術においては、物理式を考慮していないので、再現できない物理現象が存在する。
たとえば、空調負荷に対する日射の影響としては、日射が窓などから直接室内に侵入して空調負荷となる成分と、一度外壁に吸収され貫流熱として空調負荷となる成分とが存在するが、これらを物理式なしで再現することはできない。
一方、上記特許文献3に記載の、上記ニューラルネットモデルや簡易式を用いない、建築仕様に基づく詳細な建物モデルによる制御技術においては、空調負荷計算に必要な膨大な設定パラメータを建物毎に入手することが困難である。
However, in the control technology based on the simplified formulas of
For example, the effects of solar radiation on air conditioning load include components that directly enter the room through windows or the like and become air conditioning loads, and components that are once absorbed by the outer wall and become air conditioning loads as through-flow heat. It cannot be reproduced without a physical formula.
On the other hand, in the control technique based on the detailed building model based on the building specification without using the neural network model or the simple formula described in the above-mentioned
従来の空調システム制御装置は、特許文献1、2に記載の入出力データに基づくニューラルネットワークモデルや、特許文献3に記載の簡易的な計算式を用いているが、いずれも物理式を一切考慮していないので、再現できない物理現象が存在することから、熱負荷の予測精度が悪化するという課題があった。
Conventional air-conditioning system control devices use a neural network model based on input / output data described in
一方、上記ニューラルネットモデルや簡易式を用いずに、物理式に則った詳細な建物モデルを用いて上記問題を解決することも考えられるが、膨大な設定パラメータが対象建物ごとに必要となるので、所要の設定パラメータを入手することは実質的に困難であり、実用化することができないという課題があった。 On the other hand, it is conceivable to solve the above problem using a detailed building model that conforms to the physical formula without using the above neural network model or simple formula, but enormous setting parameters are required for each target building. However, it is practically difficult to obtain the required setting parameters, and there is a problem that it cannot be put into practical use.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、建物モデルに必要な膨大なパラメータを設定しなくても、物理式に則って空調負荷を予測する建物モデルを実現し、建物モデルにより予測した空調負荷を入力変数として、空調システムを構成する空調機の総所要動力を最小とするような空調システムの運転状態を決定し、決定された目標値にしたがって各空調機を制御し、複数の空調対象空間の空調を効率的に行うとともに、省エネ化を実現した空調システム制御装置を得ることを目的とする The present invention has been made to solve the above-described problems, and realizes a building model that predicts an air conditioning load according to a physical formula without setting a huge amount of parameters necessary for the building model. The air conditioning load predicted by the building model is used as an input variable to determine the operating state of the air conditioning system that minimizes the total required power of the air conditioning system that constitutes the air conditioning system, and each air conditioner is determined according to the determined target value. The purpose is to obtain an air-conditioning system control device that controls and efficiently air-conditions multiple air-conditioning spaces and realizes energy saving.
この発明に係る空調システム制御装置は、建物内に設置された空調機を制御する空調システム制御装置において、気象データ配信会社との間で通信手段を介してデータ通信を行う気象データ取得部と、空調機との間で通信手段を介してデータ通信を行う空調機運転データ取得部と、気象データ取得部および空調機運転データ取得部により取得したデータを保存するデータ記憶部と、建物の仕様に基づく建物モデルを保有するとともに、データ記憶部から所定の学習用入力データを取得し、建物モデルに基づき熱特性パラメータを学習により求めるパラメータ学習部と、データ記憶部から所定の予測用入力データを取得し、熱特性パラメータ、建物モデルおよび所定の予測用入力データに基づき、建物の熱負荷を予測する熱負荷予測部と、熱負荷予測部により求めた熱負荷および所定の予測用入力データに基づき、省エネとなる空調機の運転スケジュールを立案するスケジュール作成部と、スケジュール作成部により求めた運転スケジュールを空調機に送信する運転スケジュール出力部と、を備え、データ記憶部は、熱特性パラメータおよび運転スケジュールを保存するものである。 An air conditioning system control device according to the present invention is an air conditioning system control device that controls an air conditioner installed in a building, and a weather data acquisition unit that performs data communication with a weather data distribution company via a communication means; Air conditioner operation data acquisition unit that performs data communication with air conditioners via communication means, data storage unit that stores data acquired by the weather data acquisition unit and air conditioner operation data acquisition unit, and building specifications Owns a building model based on it, obtains predetermined learning input data from the data storage unit, obtains a thermal characteristic parameter by learning based on the building model, and acquires predetermined prediction input data from the data storage unit A thermal load prediction unit for predicting the thermal load of the building based on the thermal characteristic parameters, the building model, and predetermined input data for prediction; Based on the heat load obtained by the prediction unit and predetermined input data for prediction, a schedule creation unit for planning an air conditioner operation schedule for energy saving, and an operation schedule output for transmitting the operation schedule obtained by the schedule creation unit to the air conditioner The data storage unit stores the thermal characteristic parameters and the operation schedule.
この発明によれば、汎用的な建物モデルと物理パラメータを学習演算するパラメータ学習部とを備えることにより、個別の建物の熱特性パラメータを算出することができるので、熱特性を考慮した空調機の運転スケジュールを立案することができ、各建物において省エネルギー効果を実現することができる。 According to the present invention, since the general building model and the parameter learning unit that learns and calculates the physical parameters can be calculated, the thermal characteristic parameters of the individual buildings can be calculated. An operation schedule can be made and an energy saving effect can be realized in each building.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る空調システム制御装置を示すブロック図である。
図1において、空調システム制御装置3は、気象データ配信会社1および空調機2との間で、インターネットなどの通信手段100を介してデータ通信可能に構成されており、気象データ配信会社1および空調機2からの入力情報と、空調機特性データ8d(たとえば、ユーザにより入力される)とに基づき、制御対象となる建物(図示せず)に設置された空調機2を制御する。
FIG. 1 is a block diagram showing an air conditioning system control apparatus according to
In FIG. 1, the air conditioning
空調システム制御装置3は、気象データ配信会社1に接続された気象データ取得部4と、空調機2に接続された空調機運転データ取得部5および運転スケジュール出力部6と、データ記憶部8と、建物モデル10aを有するパラメータ学習部10と、建物の熱負荷を予測する熱負荷予測部13と、空調機2の運転スケジュール15を立案するスケジュール作成部14と、を備えている。
The air conditioning
データ記憶部8は、気象データ取得部4および空調機運転データ取得部5を介して取得したデータを保存して、学習用入力データ9をパラメータ学習部10に入力し、予測用入力データ12を熱負荷予測部13に入力する。
The
また、データ記憶部8は、パラメータ学習部10で計算された熱特性パラメータ11と、スケジュール作成部14で計算された運転スケジュール15とを、計算結果として保存する。
運転スケジュール出力部6は、データ記憶部8に格納された運転スケジュール15を、通信手段100を介して空調機2に送信する。
The
The operation
パラメータ学習部10は、データ記憶部8から所定の学習用入力データ9を取得し、熱伝導方程式に基づく汎用的な建物モデル10aに基づき、学習演算により熱特性パラメータ11(建物モデル10a中の物理パラメータ)を求める。
The
熱負荷予測部13は、パラメータ学習部10内の建物モデル10aと、パラメータ学習部10で計算された熱特性パラメータ11と、データ記憶部8に格納された所定の予測用入力データ12とに基づき、建物の熱負荷を予測する。
The thermal
スケジュール作成部14は、熱負荷予測部13により求めた熱負荷と、予測用入力データ12とに基づき、熱特性を考慮して省エネとなる空調機2の運転スケジュール15を立案してデータ記憶部8に格納する。
運転スケジュール出力部6は、スケジュール作成部14により求めた運転スケジュール15を、データ記憶部8から読み出して空調機2に伝達する。
The
The operation
なお、図1においては、代表的に1台の空調機2を示しているが、複数台の空調機2が許容可能である。また、空調機2は、室外機および室内機から構成されるビル用マルチエアコン、パッケージエアコン、ルームエアコンや、吸収冷凍機などの大型熱源機であってもよい。
In addition, in FIG. 1, although the one
次に、図2および図3を参照しながら、図1に示したこの発明の実施の形態1による動作について説明する。
図2は図1の空調システム制御装置3による具体的な計算処理を示すフローチャートである。
また、図3は空調システム制御装置3が有する建物モデル10aを図式的に示す説明図であり、建物モデル10aで考慮する各因子の例を示している。
Next, the operation according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 is a flowchart showing a specific calculation process by the air conditioning
Moreover, FIG. 3 is explanatory drawing which shows the
図2において、空調システム制御装置3は、まず、気象データ取得部4および空調機運転データ取得部5を介して、各データを取得して保存する(ステップS21)。
すなわち、空調システム制御装置3は、気象データ取得部4を介して、気象データ配信会社1から所定地点の気象データを取得し、また、空調機運転データ取得部5を介して、空調機2の運転データを取得し、各データをデータ記憶部8に保存する。
In FIG. 2, the air conditioning
That is, the air conditioning
所定地点の気象データは、少なくとも日射量および外気温を含み、過去のデータのみでなく、将来の予報値をも含むものとする。なお、将来の予報値で日射量が得られない場合には、晴れまたは曇りなどの天気予報情報であってもよく、代表的な日射量データを天気予報に基づき補正してもよい。 The weather data at the predetermined point includes at least the amount of solar radiation and the outside temperature, and includes not only past data but also future forecast values. In addition, when the amount of solar radiation cannot be obtained with a future forecast value, it may be weather forecast information such as sunny or cloudy, and typical solar radiation amount data may be corrected based on the weather forecast.
また、空調機2の運転データは、少なくとも各空調機2が室内に供給(または、除去)した熱量と、空調機2が設置された部屋の室温とを含む。なお、空調機2からの供給熱量が得られない場合には、熱量計算に必要な他のパラメータ(たとえば、各室外機の運転周波数、蒸発温度、凝縮温度などの既設センサで取得可能なデータ)であってもよい。また、室温は、室内機の吸込み温度で代替してもよい。
さらに、上記データ取得処理(ステップS21)は、定期的にかつ自動的に実行されてもよい。
The operation data of the
Furthermore, the data acquisition process (step S21) may be executed regularly and automatically.
続いて、空調機2の性能を表す空調機特性データ8dを、データ記憶部8に登録する(ステップS22)。
なお、空調機特性データ8dは、あらかじめユーザ操作によりデータ記憶部に登録してもよく、または、空調機2の運転データから推定により求めてもよい。
Subsequently, air conditioner
The air conditioner
空調機特性データ8dは、少なくとも、各空調機2の消費電力と供給(除去)熱量との関係を含む。または、空調機運転データ取得部5において空調機2が供給(除去)する熱量が得られず、室外機の運転周波数などから熱量を計算する必要がある場合には、空調機特性データ8dは、各室外機の運転周波数、蒸発温度、凝縮温度と供給熱量および消費電力との関係を含む。
The air conditioner
次に、ユーザ操作により、制御対象となる建物の番号、学習期間などの計算条件が設定される(ステップS23)。
続いて、パラメータ学習部10は、必要な学習用入力データ9をデータ記憶部8から抽出して取得し(ステップS24)、建物モデル10aに基づく学習処理により、熱特性パラメータを推定する(ステップS25)。
なお、学習用入力データ9は、少なくとも、所定地点の過去の気象データ、対象建物に設置された各空調機2の過去の運転データおよび空調機特性データ8dを含む。
Next, calculation conditions such as the number of the building to be controlled and the learning period are set by a user operation (step S23).
Subsequently, the
The learning
ここで、図3に示した建物モデル10aを有するパラメータ学習部10について、さらに具体的に説明する。
図3に示す建物モデル10aにおいては、熱負荷の影響因子として、外気温(TO)41と、日射量(QS)42と、隣室温度(TOZ)43と、室内温度(TZ)44と、空調除去熱量(QHVAC)45と、室内発生熱量(QOCC+QEQP)(人体+OA機器+照明)46とが考慮されている。
Here, the
In the
上記熱負荷の影響因子の関係を理論式(熱伝導方程式)で表現すると、以下の式(1)〜(3)が導かれる。 When the relationship of the influence factors of the heat load is expressed by a theoretical formula (heat conduction equation), the following formulas (1) to (3) are derived.
式(1)〜式(3)において、QSは日射量[kW/m2]、QOCCは人体発熱量[kW]、QEQPはOA機器発熱量[kW]、QHVACは空調機2の除去(供給)熱量[kW]である。
また、TOは外気温[℃]、T1は外壁室外側表面温度[℃]、T2は外壁室内側表面温度[℃]、TZは室内温度[℃]、TOZは隣室温度[℃]である。
In formulas (1) to (3), Q S is the amount of solar radiation [kW / m 2], Q OCC human body heating value [kW], Q EQP is OA equipment heating value [kW], Q HVAC the
T O is the outside air temperature [° C.], T 1 is the outside wall room outer surface temperature [° C.], T 2 is the outside wall room inner surface temperature [° C.], TZ is the room temperature [° C.], and T OZ is the adjacent room temperature [ ° C].
また、R1は室外側熱伝達率[W/(m2・K)]、R2は外壁熱伝導率[W/(m・K)]、Rzは室内側熱伝達率[W/(m2・K)]、ROZは内壁熱伝導率[W/(m・K)]、RWINは窓熱伝達率[W/(m2・K)]である。 R 1 is the outdoor heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)], R 2 is the outer wall heat conductivity [W / (m · K)], and Rz is the indoor heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)], R OZ is the inner wall thermal conductivity [W / (m · K)], and R WIN is the window heat transfer coefficient [W / (m 2 · K)].
また、C1は外壁室外側熱容量[J/K]、C2は外壁室内側熱容量[J/K]、Czは室内熱容量[J/K]である。
さらに、αは室内へ透過する日射量の係数(−)、βは外壁へ照射する日射量の係数(−)、γはOA機器発熱量の係数(−)、δは空調除去(供給)熱量の係数(−)、ρは人体発熱量の係数(−)である。
C 1 is the outer wall outdoor heat capacity [J / K], C 2 is the outer wall indoor heat capacity [J / K], and Cz is the indoor heat capacity [J / K].
Furthermore, α is the coefficient of solar radiation that penetrates into the room (−), β is the coefficient of solar radiation to irradiate the outer wall (−), γ is the coefficient of heat generation of OA equipment (−), and δ is the amount of heat removed from air conditioning (supply). The coefficient (−) and ρ are coefficients (−) of the amount of heat generated by the human body.
ここで、人体発熱量QOCCに関しては、30%(0.3×QOCC)が、放射により内側壁面温度T2に影響し、残りの70%(0.7×QOCC)が、対流により室内温度(Tz)44の上昇に影響するものとしている。この割合は任意に変更可とする。
また、1フロアに1ゾーンのみが存在する場合には、隣室温度(TOZ)43は存在しないので、隣室温度(TOZ)43および内壁熱伝導率ROZは無視されている。
Here, regarding the calorific value Q OCC , 30% (0.3 × Q OCC ) affects the inner wall surface temperature T 2 by radiation, and the remaining 70% (0.7 × Q OCC ) is due to convection. It is assumed that the rise in the room temperature (Tz) 44 is affected. This ratio can be changed arbitrarily.
Also, when only 1 zone one floor is present, since the adjoining room temperature (T OZ) 43 is not present, the next room temperature (T OZ) 43 and an inner wall thermal conductivity R OZ are neglected.
式(1)〜式(3)を状態空間モデルに置き換えると、以下の式(4)、式(5)のように表される。 When Expressions (1) to (3) are replaced with a state space model, they are expressed as Expressions (4) and (5) below.
式(4)、式(5)において、θは未知の熱特性パラメータのベクトルであり、実績室温と計算室温との誤差が最小となるように決定される。
なお、ここでは、予測対象を室温としているが、室温を目標室温として与え、熱負荷(=空調機除去熱量QHVAC)を予測することも可能である。
式(4)において、A(θ)は、以下のパラメータ行列(状態遷移行列)で表される。
In Equations (4) and (5), θ is a vector of unknown thermal characteristic parameters, and is determined so that the error between the actual room temperature and the calculated room temperature is minimized.
Here, although the prediction target is room temperature, it is also possible to predict the heat load (= air conditioner removal heat quantity Q HVAC ) by giving the room temperature as the target room temperature.
In Expression (4), A (θ) is represented by the following parameter matrix (state transition matrix).
また、B(θ)は、以下のパラメータ行列(状態遷移行列)で表される。 B (θ) is represented by the following parameter matrix (state transition matrix).
さらに、θおよびCは、それぞれ、以下のパラメータ行列(観測値行列)で表される。 Furthermore, θ and C are each represented by the following parameter matrix (observation value matrix).
なお、人体発熱量QOCC、OA機器発熱量QEQPは、測定することが困難なので、対象フロアの消費電力量(消費電力データ)から推定してもよい。
たとえば、空調機、照明、OA機器の消費電力データが入手可能な場合には、照明消費電力とOA機器消費電力Qとを合計することによって、OA機器発熱量QEQPを求めてもよい。
The human body heat generation amount Q OCC and the OA device heat generation amount Q EQP are difficult to measure, and may be estimated from the power consumption (power consumption data) of the target floor.
For example, when power consumption data of an air conditioner, lighting, and OA equipment is available, the OA equipment heat generation amount Q EQP may be obtained by summing the lighting power consumption and the OA equipment power consumption Q.
また、人体発熱量QOCCは、「在室人数」に「1人当たり発熱量」を乗じることにより、以下の式(6)の計算により求めてもよい。 Further, the human body calorific value Q OCC may be obtained by calculating the following equation (6) by multiplying the “number of people in the room” by the “calorific value per person”.
QOCC=「1人当たり発熱量」*「在室人数」 ・・・(6) Q OCC = “Heat generation amount per person” * “Number of people in the room” (6)
さらに、在室人数は、フロア内にセンサを設置して人数をカウントするか、または、以下の式(7)のように、OA機器消費電力Qに対する確率密度関数P(x)および「最大在室人数」を与えて、OA機器消費電力Qの実測値(または、予測値)から推定演算してもよい。 Further, the number of people in the room can be determined by installing sensors on the floor and counting the number of people, or by using the probability density function P (x) and the “maximum occupancy rate” for the OA equipment power consumption Q as in the following equation (7). The “number of people in the room” may be given, and the calculation may be performed from an actual measurement value (or predicted value) of the OA device power consumption Q.
在室人数=「最大在室人数」*P(x) ・・・(7) Number of people in the room = “Maximum number of people in the room” * P (x) (7)
なお、OA機器消費電力Qが得られない場合は、対象建物の用途に応じて、人体発熱量QOCCおよびOA機器発熱量QEQPの代表的なデータを用いてもよい。 If the OA device power consumption Q cannot be obtained, representative data of the human body heat generation amount Q OCC and the OA device heat generation amount Q EQP may be used in accordance with the application of the target building.
一方、空調機除去熱量QHVACは、空調機運転データ取得部5で取得可能であれば、その値をそのまま用いればよい。また、空調機除去熱量QHVACが取得不可能の場合には、空調機特性データ8dを用いて熱量を計算することができる。
たとえば、空調機特性データ8dとして、室外機の圧縮機周波数f、蒸発温度ET、凝縮温度CTと供給熱量との関係式を、以下のように準備する。
On the other hand, if the air conditioner removal heat quantity Q HVAC can be acquired by the air conditioner operation
For example, as the air conditioner
上記関係式において、各係数a、b、c、dは、圧縮機の種別によって異なる値が与えられる。なお、各係数a、b、c、dは、実測値から求めてもよい。
また、室外機の圧縮機周波数f、蒸発温度ET、凝縮温度CTと供給熱量との関係は、室外機の冷媒回路をモデル化した空調機モデルを用いて算出してもよい。
In the above relational expression, the coefficients a, b, c, and d are given different values depending on the type of the compressor. Each coefficient a, b, c, d may be obtained from an actual measurement value.
Further, the relationship among the compressor frequency f, the evaporation temperature ET, the condensation temperature CT, and the supply heat amount of the outdoor unit may be calculated using an air conditioner model that models the refrigerant circuit of the outdoor unit.
以上のデータと、前述の式(4)、式(5)とに基づき、パラメータ行列A(θ)、B(θ)およびCを同定することができる。
パラメータ行列A(θ)、B(θ)およびCの同定手順は、以下のステップA1〜A7のようになる。
The parameter matrices A (θ), B (θ), and C can be identified based on the above data and the above-described equations (4) and (5).
The identification procedure of the parameter matrices A (θ), B (θ) and C is as shown in steps A1 to A7 below.
まず、学習パラメータの初期値ベクトルθと状態ベクトルXとを決定し(ステップA1)、初期値ベクトルθにより、状態遷移行列A(θ)、B(θ)、観測値行列C(θ)を定義する(ステップA2)。 First, an initial value vector θ and a state vector X of learning parameters are determined (step A1), and state transition matrices A (θ) and B (θ) and an observation value matrix C (θ) are defined by the initial value vector θ. (Step A2).
続いて、状態遷移行列A(θ)、B(θ)と、t=kにおける観測値ベクトルu(k)と、t=k−1の状態推定値X(k−1)とを用いて、状態ベクトルX(k)を生成する(ステップA3)。 Subsequently, using the state transition matrices A (θ) and B (θ), the observed value vector u (k) at t = k, and the estimated state value X (k−1) at t = k−1, A state vector X (k) is generated (step A3).
また、観測値行列C(θ)および状態ベクトルX(k)からシステム応答ベクトルY’(k+1)を推定する(ステップA4)。
次に、観測値(実測値)と予測値との差分e(θ、k)を、以下の式によりを計算する(ステップA5)。
Further, the system response vector Y ′ (k + 1) is estimated from the observation value matrix C (θ) and the state vector X (k) (step A4).
Next, the difference e (θ, k) between the observed value (actually measured value) and the predicted value is calculated by the following equation (step A5).
e(θ、k)=Y(k)−Y’(k−1) e (θ, k) = Y (k) −Y ′ (k−1)
以下、上記ステップA2〜A5を、すべての観測値について実行し、以下の式(8)のように、パラメータ行列E(θ)を求める(ステップA6)。 Thereafter, the above steps A2 to A5 are executed for all the observed values, and a parameter matrix E (θ) is obtained as in the following equation (8) (step A6).
E(θ)=[e(θ、1)、e(θ、2)、e(θ、3)、・・・、e(θ、n)]
・・・(8)
E (θ) = [e (θ, 1), e (θ, 2), e (θ, 3),..., E (θ, n)]
... (8)
式(8)において、nは観測値の数である。
最後に、パラメータ行列E(θ)のノルムを最小にするパラメータベクトルθ*を、非線形最小2乗法を用いて、以下の(9)のように求める(ステップA7)。
In equation (8), n is the number of observations.
Finally, a parameter vector θ * that minimizes the norm of the parameter matrix E (θ) is obtained as shown in (9) below using the nonlinear least square method (step A7).
θ*=argmin(E(θ)* E(θ)) ・・・(9) θ * = argmin (E (θ) * E (θ)) (9)
なお、上記ステップA3〜A7においては、非線形最小2乗法以外に、最尤法を用いてもよい。
また、観測値ベクトルu(k)の集合uの行列分解により、状態遷移行列A、Bと観測値行列Cを直接求める部分空間法を用いてもよい。
以上のように、パラメータ学習部10において、学習により、熱特性パラメータ11が求められる。
In steps A3 to A7, a maximum likelihood method may be used in addition to the nonlinear least square method.
Further, a subspace method for directly obtaining the state transition matrices A and B and the observation value matrix C by matrix decomposition of the set u of the observation value vectors u (k) may be used.
As described above, the
図2に戻り、空調システム制御装置3は、パラメータ学習部10により求めた熱特性パラメータ11をデータ記憶部8に保存する(ステップS26)。
次に、ユーザ要求に応じて、空調機2の運転スケジュール15を引き続き立案するか否かを判定し(ステップS27)、立案しない(すなわち、NO)と判定されれば、図2の処理ルーチンを終了する。
Returning to FIG. 2, the air conditioning
Next, in response to a user request, it is determined whether or not the
一方、ステップS27において、ユーザ要求により、引き続き、空調機2の運転スケジュールを立案する(すなわち、YES)と判定されれば、ユーザ操作により、対象建物番号、学習期間などの計算条件を設定する(ステップS28)。
On the other hand, if it is determined in step S27 that the operation schedule of the
続いて、熱負荷予測部13は、対象建物の熱特性パラメータ11と、建物モデル10aと、予測に必要な予測用入力データ12とを取得し(ステップS29)、対象建物の熱負荷を予測演算により求める(ステップS30)。
なお、予測用入力データ12は、基本的に学習用入力データ9と同じ項目を含むが、データに将来の予測値を含めてもよい。
Subsequently, the thermal
The
次に、スケジュール作成部14は、熱負荷予測部13で予測された熱負荷に対して、空調機特性データ8dに基づき、空調機2の消費電力が最小となり、かつ必要な熱負荷が除去可能な空調機2の運転スケジュール15を立案する(ステップS31)。
Next, the
なお、空調機2の運転スケジュール15には、少なくとも空調機2の運転停止時間を含まれるが、各空調機2の供給(除去)熱量を含めてもよい。特に、ビル用マルチエアコン、パッケージエアコン、またはルームエアコンの場合には、室外機の運転周波数または室内機の設定温度を含めてもよい。
In addition, although the
ここで、スケジュール作成部14による運転スケジュール15の計算例について、具体的に説明する。
運転スケジュール15は、空調機2の消費電力の合計を目的関数とし、各室外機の供給熱量および運転停止を制御変数とした最適化問題を解くことにより、以下の式(10)〜式(14)のように求める。
Here, the calculation example of the driving
The
式(10)〜式(14)において、Piは室外機iの消費電力、Qiは室外機iの供給熱量、uiは室外機iの運転停止[0/1]、Qtotalは室内熱負荷、Tzは室内温度、maxTzは室内温度の上限値、minTzは室内温度の下限値、maxQiは室外機iの供給熱量上限値、minQiは室外機iの供給熱量下限値である。 In Expressions (10) to (14), Pi is the power consumption of the outdoor unit i, Qi is the amount of heat supplied to the outdoor unit i, ui is the shutdown of the outdoor unit i [0/1], Q total is the indoor thermal load, Tz is the room temperature, maxTz is the upper limit value of the room temperature, minTz is the lower limit value of the room temperature, maxQi is the upper limit value of the supplied heat amount of the outdoor unit i, and minQi is the lower limit value of the supplied heat amount of the outdoor unit i.
スケジュール作成部14は、組合せ最適により離散値である室外機の運転停止を求め、各組合せにおける最適な室外機供給熱量を非線形最適により求める。
また、膨大な組合せの中から、効率的に最適解に近づくように組合せを変更し、限られた候補の中から目的関数が最小となる解を最適な運転スケジュール15として出力する。
なお、最適化の手法としては、組合せ最適に動的計画法または問題空間探索法を用いてもよく、または、非線形最適に2次計画法を用いてもよい。
The
In addition, the combination is changed so as to approach the optimal solution efficiently from a huge number of combinations, and the solution having the minimum objective function is output as the
As an optimization method, dynamic programming or problem space search may be used for combinatorial optimization, or quadratic programming may be used for nonlinear optimization.
図2に戻り、スケジュール作成部14により作成された運転スケジュール15は、データ記憶部8に保存される(ステップS32)。
最後に、運転スケジュール15は、運転スケジュール出力部6から、通信手段100を介して空調機2に送信され(ステップS33)、図2の処理ルーチンを終了する。
Returning to FIG. 2, the
Finally, the
これにより、空調機2は、運転スケジュール15に基づき運転される。
上記ステップS21〜S33は、計算条件をあらかじめデータ記憶部8に登録することにより、すべて自動的に実行させることもできる。
Thereby, the
The above steps S21 to S33 can all be automatically executed by registering the calculation conditions in the
以上のように、この発明の実施の形態1(図1〜図3)によれば、建物内に設置された空調機2を制御する空調システム制御装置3において、気象データ配信会社1との間で通信手段100を介してデータ通信を行う気象データ取得部4と、空調機2との間で通信手段100を介してデータ通信を行う空調機運転データ取得部5と、気象データ取得部4および空調機運転データ取得部5により取得したデータを保存するデータ記憶部8と、建物の仕様に基づく建物モデル10aを保有するとともに、データ記憶部8から所定の学習用入力データ9を取得し、建物モデル10aに基づき熱特性パラメータ11を学習により求めるパラメータ学習部10と、を備えている。
As described above, according to the first embodiment (FIGS. 1 to 3) of the present invention, in the air conditioning
また、空調システム制御装置3は、データ記憶部8から所定の予測用入力データ12を取得し、熱特性パラメータ11、建物モデル10aおよび所定の予測用入力データ12に基づき、建物の熱負荷を予測する熱負荷予測部13と、熱負荷予測部13により求めた熱負荷および所定の予測用入力データ12に基づき、省エネとなる空調機2の運転スケジュール15を立案するスケジュール作成部14と、スケジュール作成部14により求めた運転スケジュール15を空調機2に送信する運転スケジュール出力部6と、を備えている。
データ記憶部8は、熱特性パラメータ11および運転スケジュール15を保存する。
Further, the air conditioning
The
さらに、建物モデル10a内の物理パラメータとしては、少なくとも、室外からの熱流入を表す、外壁および窓の熱抵抗値(熱伝達率の逆数)および熱容量と、隣接ゾーンからの熱流入を表す内壁の熱抵抗値(熱伝達率の逆数)と、室内の熱容量と、日射の外壁および内壁への吸収率と、内部発熱の内壁への吸収率とを含む。
Furthermore, as physical parameters in the
上記構成により、パラメータ学習部10において、個別の建物の熱特性パラメータ11を自動的に学習することができるので、各建物の熱特性パラメータ11や位置情報(たとえば、方位)、ならびに、詳細な建物仕様(たとえば、窓面積や屋根面積)を入手しなくても、物理式に基づいた高精度の熱負荷予測が可能となる。
With the above configuration, the
また、熱特性パラメータ11の学習演算を定期的に実行することにより、季節的な変動(たとえば、窓から入射する日射量Qsの変動)や、室内環境の変化(たとえば、窓にブラインドが設置されたなど)を含めたモデル化が可能となる。
したがって、個別の建物における熱負荷予測の精度が向上し、スケジュール作成部14において、建物の熱特性に応じた空調機2の運転スケジュール15が求めることができるので、各建物において省エネルギー効果が得られる。
Further, by periodically performing the learning calculation of the thermal
Accordingly, the accuracy of the thermal load prediction in each individual building is improved, and the
実施の形態2.
なお、上記実施の形態1(図1)では、パラメータ学習部10における学習期間について具体的に言及しなかったが、図4のように、パラメータ学習部10A内に学習期間決定部10bを設けてもよい。
In the first embodiment (FIG. 1), the learning period in the
図4はこの発明の実施の形態2に係る空調システム制御装置3Aを示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「A」を付して詳述を省略する。
図4において、前述(図1)との相違点は、パラメータ学習部10A内に学習期間決定部10bが追加された点のみである。
FIG. 4 is a block diagram showing an air conditioning system control device 3A according to
In FIG. 4, the difference from the above (FIG. 1) is only that a learning
通常、熱特性パラメータ11は、パラメータ学習部10Aにおける学習用入力データ9が豊富にあればあるほど、実際の値に近い値が推定可能であるが、学習用入力データ9が長期間の場合には、パラメータ学習部10Aにおける計算負荷が増大して、パラメータの推定演算に多大な時間を要することになる。
また、建物モデル10aそのものの精度が低い場合には、学習用入力データ9を長期間にわたって取得しても、パラメータ学習の精度が向上することはない。
Normally, the more the learning
If the accuracy of the
この発明の実施の形態2においては、図4のように、パラメータ学習部10Aに学習期間決定部10bを加えることにより、建物モデル10aの高精度化を含めて、最適な学習期間(学習用入力データ9として取得するデータ期間)を決定することができる。
In the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 4, by adding a learning
以下、図5および図6を参照しながら、この発明の実施の形態2による学習期間決定部10bについて説明する。
図5は図4の空調システム制御装置3Aにおける学習期間と予測精度との関係を示す説明図であり、ある対象建物に対して、学習期間を1日から10日まで変化させた場合の精度変化を、予測対象日の予測値と実測値との平均二乗誤差(RMSE:Root Mean Square Error)で示している。
また、図6は図4の空調システム制御装置3Aの学習期間と推定された熱特性パラメータ11(壁熱容量[MJ/K])との関係を示す説明図である。
Hereinafter, the learning
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the learning period and the prediction accuracy in the air conditioning system control device 3A of FIG. 4, and the accuracy change when the learning period is changed from 1 day to 10 days for a certain target building. Is represented by a mean square error (RMSE: Root Mean Square Error) between the predicted value and the actual measurement value of the prediction target day.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the learning period of the air conditioning system control device 3A of FIG. 4 and the estimated thermal characteristic parameter 11 (wall heat capacity [MJ / K]).
図5においては、学習期間が4日以上の場合に、誤差平均値RMSEが1℃未満となり、パラメータ推定が成功したように見える。
一方、図6においては、学習期間が5日以上の場合に、壁熱容量[MJ/K]の変動が小さくなっている。
In FIG. 5, when the learning period is 4 days or more, the error average value RMSE is less than 1 ° C., and it seems that the parameter estimation is successful.
On the other hand, in FIG. 6, when the learning period is 5 days or longer, the fluctuation of the wall heat capacity [MJ / K] is small.
熱特性パラメータ11のうち、壁熱容量は、基本的には不変の物性値であり、学習期間の違いによって変化してはならないので、図6から明らかなように、学習期間が5日未満の場合には、真に近い値を推定できているとは言えない。
したがって、図5の誤差平均値が一定値未満となる学習期間を選択するのみでなく、基本的には不変の物性値(壁熱容量など)の変動が一定値未満となる学習期間を決定する必要がある。
Among the heat
Therefore, it is necessary not only to select a learning period in which the error average value in FIG. 5 is less than a certain value, but basically to determine a learning period in which fluctuations in invariable physical property values (such as wall heat capacity) are less than a certain value. There is.
学習期間決定部10bは、たとえば計算条件設定時(図2内のステップS23)において学習期間決定モードを選択した場合には、学習用入力データ9を含めて、前後10日〜数10日の程度の範囲内で、余分にデータを取得し、所定の熱特性パラメータ11の予測値と実測値との誤差、および、所定の熱特性パラメータ11の変動をシミュレーションすることにより、適切な学習期間を決定する。
For example, when the learning period determination mode is selected at the time of calculation condition setting (step S23 in FIG. 2), the learning
ここで、適切な学習期間とは、たとえば、熱特性パラメータ11の予測値と実測値との誤差が第1の閾値以下となる最短学習期間と、熱特性パラメータ11の分散が第2の閾値以下となる最短学習期間とのうち、長い方の値を選択してもよい。
学習期間決定部10bで決定した学習期間は、熱特性パラメータ11とともにデータ記憶部8に保存される。
Here, the appropriate learning period is, for example, the shortest learning period in which the error between the predicted value and the actual measurement value of the thermal
The learning period determined by the learning
なお、定期的に学習した熱特性パラメータ11を長期的にモニタリングすることによって、建物部材の変化を検証してもよい。たとえば、年4回の学習結果を10年分保存しておいた場合、40個の学習結果を比較することによって、建物部材の変化(たとえば、外壁反射塗料の劣化)を検知することができる。
In addition, you may verify the change of a building member by monitoring the thermal
以上のように、この発明の実施の形態2(図4〜図6)に係る空調システム制御装置3Aのパラメータ学習部10Aは、学習期間決定部10bを有し、学習期間決定部10bは、熱特性パラメータ11(建物内の消費電力など)の予測値と実測値との誤差が第1の閾値以下となり、かつ熱特性パラメータの変動が第2の閾値以下となる最短の学習期間を計算する。
As described above, the
これにより、建物ごとに適切な学習期間を決定することができるので、計算時間の短縮が可能になるとともに、予測精度を向上させることができる。
また、熱特性パラメータ11の予測精度が向上するので、実際の建物に近いモデル化が可能となる。
さらに、熱特性パラメータ11の予測精度が向上することによって、真値に近い物性値がモニタリングできるので、建物の性能評価(たとえば断熱性能の評価)が可能となる。
Thereby, since an appropriate learning period can be determined for each building, calculation time can be shortened and prediction accuracy can be improved.
In addition, since the prediction accuracy of the thermal
Furthermore, since the physical property value close to the true value can be monitored by improving the prediction accuracy of the thermal
実施の形態3.
なお、上記実施の形態1(図1)では、建物モデル10aの修正について言及しなかったが、図7のように、パラメータ学習部10B内に建物モデル修正部10cを設けてもよい。
In the first embodiment (FIG. 1), the correction of the
図7はこの発明の実施の形態3に係る空調システム制御装置3Bを示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「B」を付して詳述を省略する。
図7において、前述(図1)との相違点は、パラメータ学習部10B内に建物モデル修正部10cが追加された点のみである。
FIG. 7 is a block diagram showing an air conditioning system control device 3B according to
In FIG. 7, the difference from the above (FIG. 1) is only that a building model correcting unit 10c is added in the parameter learning unit 10B.
図7において、熱特性パラメータ11は、建物モデル10aが詳細であればあるほど、実際の値に近い値が推定できるはずであるが、建物モデル10aは、多くの建物に適用可能な汎用的なモデルでなければならないので、詳細にすると逆に建物間で予測精度が大きく異なるモデルとなってしまう。
In FIG. 7, the more detailed the
また、前述の図5から明らかなように、学習期間を4日から10日に増加させたとしても、予測精度が劇的に向上することはない。つまり、図5は建物モデル10aの限界を示しており、建物モデル10aそのものを変更しない限り、学習期間を延長しても、それ以上予測精度が向上しないことを示している。
Further, as is clear from FIG. 5 described above, even if the learning period is increased from 4 days to 10 days, the prediction accuracy is not dramatically improved. That is, FIG. 5 shows the limit of the
そこで、図7のように、パラメータ学習部10B内に建物モデル修正部10cを加えることにより、対象建物に最も適合した建物モデル10aを作成することが可能となる。
建物モデル修正部10cは、たとえば室温予測の場合、建物モデル10aを構築する際に、1つのゾーンの代表温度を求める建物モデルとするか、東西2ゾーンに分割して各ゾーンの代表温度を求める建物モデルとするか、または、さらに細かいゾーンに分割して、各ゾーンの代表温度を求める建物モデルとするか、を自動的に判定する。
Therefore, as shown in FIG. 7, a
For example, in the case of room temperature prediction, the building model correction unit 10c uses a building model for obtaining a representative temperature of one zone when building the
たとえば、空調機運転データにn個の室外機のデータが含まれていた場合、ゾーン分割の最小単位はn個であると判定し、nゾーン分割時の精度とゾーン分割無しの精度とを比較する。 For example, if n outdoor unit data is included in the air conditioner operation data, the minimum unit of zone division is determined to be n, and the accuracy at the time of n zone division is compared with the accuracy without zone division. To do.
また、nゾーン分割時には、各ゾーン間の内壁熱伝達率を比較することによって、ゾーン間の影響度を計算することができるので、影響度が強いゾーンをm個にグルーピングして、再度mゾーン分割時の精度を比較することによって、最適なゾーン分割数を求める。または、ユーザ操作により、あらかじめゾーン分割を定義してもよい。 In addition, when dividing n zones, the degree of influence between zones can be calculated by comparing the inner wall heat transfer coefficient between the zones. The optimum number of zone divisions is obtained by comparing the accuracy of division. Alternatively, zone division may be defined in advance by a user operation.
また、ゾーン分割のみでなく、新しい熱特性パラメータを加えた建物モデル10aを作成してもよい。
たとえば、建物モデル10aで要求する精度が得られない場合、いくつかのオプションを準備しておき、以下の条件の要求精度を満たすような詳細な建物モデル10aを構築してもよい。
Moreover, you may create the
For example, when the accuracy required by the
すなわち、オプション条件としては、
(A)建物モデル10aに対して壁の熱容量設定ポイントを増やす、
(B)窓の熱容量を追加する、
(C)外壁を天井、床に分割する、
などがあげられる。
That is, as an optional condition,
(A) Increase the heat capacity setting point of the wall with respect to the
(B) Add the heat capacity of the window,
(C) Dividing the outer wall into a ceiling and a floor,
Etc.
以上のように、この発明の実施の形態3(図7)に係る空調システム制御装置3Bのパラメータ学習部10Bは、建物モデル10aを、対象となる建物に近づけるように更新する建物モデル修正部10cを有するので、対象建物に対応した建物モデル10aを自動的に作成でき、熱特性パラメータ11の予測精度が向上する。
As described above, the parameter learning unit 10B of the air-conditioning system control device 3B according to Embodiment 3 (FIG. 7) of the present invention updates the
すなわち、室内の空間的な違い(たとえば方位)やゾーン分割の変化(たとえばパーテションの移動)を含めたモデル化が可能となる。
また、汎用的(基本的)な建物モデルの物理パラメータを学習することにより、各建物に適用可能なモデルを自動的に作成することができ、標準的ではない建物(たとえば、極端に断熱性の高い建物)に対しても、対応可能な建物モデル10aを自動的に作成することができる。
That is, modeling including spatial differences (for example, azimuth) in the room and changes in zone division (for example, movement of partitions) can be performed.
Also, by learning the physical parameters of a general (basic) building model, a model that can be applied to each building can be created automatically, and non-standard buildings (for example, extremely insulating) It is possible to automatically create a
1 気象データ配信会社、2 空調機、3、3A、3B 空調システム制御装置、4 気象データ取得部、5 空調機運転データ取得部、6 運転スケジュール出力部、8 データ記憶部、8d 空調機特性データ、9 学習用入力データ、10、10A、10B パラメータ学習部、10b 学習期間決定部、10a 建物モデル、10c 建物モデル修正部、11 熱特性パラメータ、12 予測用入力データ、13 熱負荷予測部、14 スケジュール作成部、15 運転スケジュール、100 通信手段、S21 データ取得・保存ステップ、S22 空調機特性データ登録ステップ、S23 計算条件設定ステップ、S24 学習用入力データ取得ステップ、S25 パラメータ学習ステップ、S26 パラメータ保存ステップ、S28 計算条件設定ステップ、S29 予測用入力データ取得ステップ、S30 熱負荷計算ステップ、S31 運転スケジュール作成ステップ、S32 運転スケジュール保存ステップ、S33 運転スケジュール出力ステップ、41 外気温、42 日射量、43 隣室ゾーン温度、44 室内温度、45 空調機供給熱量、46 室内発生熱量。
1 weather data distribution company, 2 air conditioners, 3, 3A, 3B air conditioning system control device, 4 weather data acquisition unit, 5 air conditioner operation data acquisition unit, 6 operation schedule output unit, 8 data storage unit, 8d air conditioner
Claims (3)
気象データ配信会社との間で通信手段を介してデータ通信を行う気象データ取得部と、
前記空調機との間で通信手段を介してデータ通信を行う空調機運転データ取得部と、
前記気象データ取得部および前記空調機運転データ取得部により取得したデータを保存するデータ記憶部と、
前記建物の仕様に基づく建物モデルを保有するとともに、前記データ記憶部から所定の学習用入力データを取得し、前記建物モデルに基づき熱特性パラメータを学習により求めるパラメータ学習部と、
前記データ記憶部から所定の予測用入力データを取得し、前記熱特性パラメータ、前記建物モデルおよび前記所定の予測用入力データに基づき、前記建物の熱負荷を予測する熱負荷予測部と、
前記熱負荷予測部により求めた熱負荷および前記所定の予測用入力データに基づき、省エネとなる前記空調機の運転スケジュールを立案するスケジュール作成部と、
前記スケジュール作成部により求めた前記運転スケジュールを前記空調機に送信する運転スケジュール出力部と、を備え、
前記データ記憶部は、前記熱特性パラメータおよび前記運転スケジュールを保存することを特徴とする空調システム制御装置。 In an air conditioning system controller that controls an air conditioner installed in a building,
A weather data acquisition unit that performs data communication with a weather data distribution company via a communication means;
An air conditioner operation data acquisition unit for performing data communication with the air conditioner via a communication means;
A data storage unit for storing data acquired by the weather data acquisition unit and the air conditioner operation data acquisition unit;
A parameter learning unit that has a building model based on the specifications of the building, obtains predetermined learning input data from the data storage unit, and obtains a thermal characteristic parameter by learning based on the building model;
Obtaining a predetermined prediction input data from the data storage unit, and based on the thermal characteristic parameter, the building model and the predetermined prediction input data, a thermal load prediction unit for predicting a thermal load of the building;
Based on the thermal load obtained by the thermal load prediction unit and the predetermined input data for prediction, a schedule creation unit that formulates an operation schedule of the air conditioner to be energy-saving,
An operation schedule output unit that transmits the operation schedule obtained by the schedule creation unit to the air conditioner, and
The data storage unit stores the thermal characteristic parameter and the operation schedule.
前記学習期間決定部は、前記熱特性パラメータの予測値と実測値との誤差が第1の閾値以下となり、かつ前記熱特性パラメータの変動が第2の閾値以下となる最短の学習期間を計算することを特徴とする請求項1に記載の空調システム制御装置。 The parameter learning unit includes a learning period determination unit,
The learning period determination unit calculates a shortest learning period in which an error between the predicted value and the actual measurement value of the thermal characteristic parameter is equal to or less than a first threshold value, and a variation in the thermal characteristic parameter is equal to or less than a second threshold value. The air-conditioning system control apparatus according to claim 1.
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