JP2014010631A - エネルギーネットワークの最適運転制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地域内エネルギーネットワーク上の再生可能エネルギーや排熱を無駄なく有効利用するためのエネルギー供給設備の最適運転制御装置又は方法。
【解決手段】需要家のエネルギー使用情報、供給家の運転計画及び気象予報等の情報を入力する入力部と、前記情報を用いて需要家が使用する熱エネルギー需要量を予測する演算部と、再生可能エネルギー設備の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、供給家の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、エネルギーネットワーク上の蓄熱可能量の演算部と、複数のエネルギー供給設備の最適運転計画の演算部と、前記最適運転計画に基づいて各エネルギー供給設備の起動・停止および負荷率を指令又はガイダンスとして出力するエネルギー供給設備運転指令部と、前記演算結果と運転結果を表示する結果表示部とを備えて、エネルギーネットワークの配管内の熱媒温度を変化することより熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、エネルギーセンターとエネルギー需要家から構成される地域内や複数の製造工場から構成される工業団地で使用される電力や熱を融通しあうエネルギーネットワークにおいて、各種エネルギー供給設備の最適運転計画を実施する方法および装置に関するものである。

近年、地球温暖化防止が喫緊の課題となっており、エネルギー起源のCO₂排出を削減することが求められている。製造業では、石油ショックを契機に、製造プロセスの改変、高効率省エネ機器の導入、燃料転換等による省エネが積極的に進められ、エネルギー消費は、ほぼ横ばいで推移している。しかし、製造業のエネルギー消費量は国内の約40% と依然として高い割合を占めている。また、住宅、業務部門では、快適さや利便性を求めるライフスタイルの普及を背景に、エネルギー消費は年々増加している。今後、省エネ・CO₂排出削減を実現するためには、再生可能エネルギーの積極的な活用や電気や熱の相互融通によりエネルギーを有効利用することが求められている。

エネルギーをネットワーク化して相互融通により省エネを行う従来技術としては、例えば特許文献１に示すように、熱供給プラントと複数の需要家をネットワーク化した地域冷暖房プラントにおいて、エネルギー供給設備で冷水、温水を生成して蓄熱槽に蓄え、必要に応じて需要家に供給する運転制御装置がある。

特開平８−１９０５４０号公報

エネルギーネットワークでは、分散した再生可能エネルギー、工場排熱等の熱エネルギーを空間的および時間的に相互融通して有効利用するために、蓄熱槽を利用する方法がある。しかし、従来技術では、図７に示すような温度成層型の蓄熱槽が一般的であり、蓄熱槽内の流れや高温水と低温水の境界での熱伝導により高温水と低温水が混合して蓄熱効率が低下するという問題点があった。また、蓄熱槽を設置するためには、設置スペースを確保しなければならず、初期投資が増大するという問題点もあった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点の解決を課題としてなされたものであり、エネルギーネットワーク内で生成される熱エネルギーを、初期投資を抑えて高効率に蓄熱若しくは放熱を実施する運転制御装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るエネルギー供給設備の最適運転制御装置は、地域内エネルギーネットワーク上のエネルギー需要家のエネルギー使用情報、エネルギー供給家の運転計画及び気象予報等の情報を入力する入力部と、前記入力された情報を用いて需要家が使用する熱エネルギー需要量を予測する演算部と、再生可能エネルギー設備の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、エネルギー供給家の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、前記エネルギーネットワーク上の蓄熱可能量を演算する演算部と、複数のエネルギー供給設備の最適運転計画を演算する演算部と、前記演算した最適運転計画に基づいて前記複数のエネルギー供給設備の各設備の起動若しくは停止および定格出力に対する出力である負荷率を指令として又は運転管理者に対するガイダンスとして出力するエネルギー供給設備運転指令部と、前記最適運転計画の演算結果と運転結果を表示する結果表示部とを備えて、前記エネルギーネットワークの配管内の熱媒温度を変化させることにより熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画を行うことを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置、およびその方法である。

本発明に係るエネルギー供給設備の最適運転制御装置、およびその方法によれば、地域内や工業団地のエネルギーネットワーク内で生成する再生可能エネルギーおよび排熱等の供給家からのエネルギーを無駄なく有効活用することができるので、省エネおよびCO₂削減を実現することができる。

本発明による実施例１のエネルギーネットワークの構成を示す。 本発明による実施例１のエネルギーネットワーク最適運転制御装置の構成を示す。 本発明による実施例１のエネルギー供給設備運転の評価フローを示す。 本発明による実施例１のエネルギー供給設備運転の蓄熱・放熱計画の一例を示す。 本発明による実施例２のエネルギー供給設備運転の蓄熱・放熱計画の一例を示す。 エネルギー供給設備のCO₂排出特性の一例を示す。 従来の蓄熱槽の一例を示す。

本発明の実施形態では、地域内の各需要家のエネルギー使用情報、各エネルギー供給家の運転計画、気象予報等の情報を用いて、需要家が使用するエネルギー需要量、再生可能エネルギー設備のエネルギー供給量、供給家のエネルギー供給量を予測して、エネルギー供給家およびエネルギーセンターにおける複数種類のエネルギー供給設備の最適運転計画を実施し、各エネルギー供給設備の起動・停止および負荷率をエネルギー供給設備に指令または運転管理者へガイダンスを出力する際に、ネットワーク内の熱エネルギーを配管内の熱媒の温度を変化させることによって蓄熱・放熱を行う。これにより、ネットワーク内でエネルギーを無駄なく利用することにより、CO₂排出量を最小化するエネルギー供給設備の最適運転制御装置および方法を提供することができる。

［実施例１］
図１は、本発明による実施例１のエネルギーネットワークの構成を示す。エネルギーネットワークは、エネルギーを供給するエネルギーセンター１、エネルギーの需要家２、再生可能エネルギー設備としての太陽熱集熱設備３、排熱を供給する工場４から構成されている。

エネルギーセンター１内のエネルギー供給設備は、ボイラ５、熱交換器６から構成されている。エネルギーセンター内のボイラ５で生成された蒸気は、熱交換器６で低温水１１を加熱して高温水１０を生成する。高温水１０は、送液ポンプ７より往管１２を通って需要家２に送られ、低温水１１となり復管１３を通して戻ってくる。エネルギーネットワーク配管１２、１３と、需要家２、太陽熱集熱設備３および工場４との熱交換は熱交換器１４で行われる。

ネットワーク内のボイラ５、送液ポンプ７、温度計８、流量制御弁９、需要家２、太陽熱集熱設備３および工場４は、情報通信ネットワーク１７で繋がっており、エネルギーネットワーク監視制御装置１６で制御される。エネルギーセンターの熱交換器６で生成される高温水１０の温度は、エネルギーネットワーク監視制御装置１６から指示値が与えられ、温度計８とボイラからの蒸気の流量調節弁９を用いて制御される。

図２は、本発明による実施例１のエネルギーネットワーク監視制御装置の構成を示す。本装置は、需要家のエネルギー使用情報、気象予報、熱の供給家の運転計画、設備仕様、設備状態量、等の情報を入力する入力部１０１、前記情報に基づく需要家の熱需要量の演算部１０２、再生可能エネルギーの熱供給量の演算部１０３、供給家の排熱を含む熱供給量の演算部１０４、ネットワーク上の蓄熱可能量の演算部１０５、ネットワーク上の熱余剰量の演算部１０６、以上の情報に基づきエネルギー供給設備最適運転計画を演算する演算部１０７、前記最適運転計画結果に基づきエネルギー供給設備の運転方法を判断して指令を行うエネルギー供給設備運転指令部１０８、入力情報、演算結果、運転指令の結果を表示する結果表示部１０９、および入力情報、演算結果、運転指令の結果を記憶するデータ記憶部１１０、から構成される。

図３は、エネルギーネットワーク監視制御装置のエネルギー供給設備最適運転制御の評価フローを示す。まず、地域内の気象予報、およびエネルギー需要家のエネルギー使用情報、エネルギー供給家の運転計画、設備仕様、設備状態量等のエネルギーネットワークに関する情報を入力する（ステップ２０１）。つぎに、需要家のエネルギー使用情報と気象予報に基づいて、記憶ベース推論やニューラルネット等による需要予測手法を用いて、需要家が使用する熱エネルギー需要量を予測する（ステップ２０２）。

次に、気象予報、再生可能エネルギーについての設備仕様および設備状態量に基づき再生可能エネルギー設備である太陽熱集熱設備３で発生する熱の供給量を予測する（ステップ２０３）。次に、排熱等のエネルギー供給家である工場４の運転計画に基づき発生する熱供給量を予測する（ステップ２０４）。つぎに、エネルギーネットワーク上での蓄熱可能量を評価する（ステップ２０５）。

本実施例では、蓄熱可能量は、往管１２内の高温水１０の温度と最高制限温度との温度差に基づく熱量である。ここで、最高制限温度は、熱源機器及び配管等の設備で構造健全性を確保できる許容温度である。また、本実施例ではないが、冷水を供給する場合の蓄熱可能量は、往管内の冷水の温度と最低制限温度との温度差に基づく熱量である。この場合、最低制限温度は、冷水が凍結しない温度、かつ、熱源機器及び配管等の設備で構造健全性を確保できる許容温度である。

つぎに、各エネルギー供給設備で生成する高温水の温度と負荷率、および蓄熱量、放熱量を最適化パラメータとして最適運転計画を演算し、実施する（２０６）。

図４は、実施例１に係る太陽熱または／および工場排熱の蓄熱・放熱計画の一例を示す。太陽熱または／および工場排熱の供給量が、温水熱需要より大きい場合、配管内の温水の温度を上昇させて蓄熱を実施する。図４では、配管内温水温度として往管１２の温水温度を示す。その後、太陽熱または／および工場排熱の供給量が温水需要より小さくなると、配管内の温水の温度を低下させて、配管内の温水に蓄熱した熱を放熱して需要家に熱を供給する。配管内の温水温度が基準温度に達すると放熱が完了するため、温水供給設備を起動して需要家に熱を供給する。これにより、太陽熱または／および工場排熱を無駄にすることなく有効利用できるため、蓄熱・放熱を実施しない場合に比べてCO₂排出削減を行うことができる。

本実施例では、配管内の温水温度が基準温度に達して放熱が完了した後に温水供給設備を起動したが、配管内の温水温度を変化させて蓄熱または放熱しているときに温水供給設備を起動させてもよい。温水供給設備の運転は、最適化運転計画で決定する。また、図１のエネルギーネットワークの構成では、太陽熱集熱設備３からの太陽熱および工場４からの排熱を往管１２に供給しているが、復管１３に供給してもよい。さらに、エネルギー供給設備は、ボイラ５と熱交換器６の組み合わせに限らず、温水を供給するヒートポンプなど、複数種類の熱源機器が複数台あってもよい。

［実施例２］
図５は、本発明による実施例２として、温水供給設備を高効率で運転するための蓄熱若しくは放熱計画の一例を示す。従来の温水供給設備の運転方法は、需要家の熱需要に一致させて温水を供給していた。その場合、熱需要に応じて温水供給設備の起動台数および定格出力に対する出力である負荷率は変化しているため、温水供給設備は低効率の条件で運転されている場合があった。

本実施例では、温水供給設備は最高効率の負荷率で台数運転を実施し、余剰熱量が発生した場合は温水温度を上昇させて蓄熱を行う。往管内温水温度が基準温度より高い場合であって、熱需要が温水供給設備で供給する熱量より大きい場合、温水温度を低下させて放熱することにより温水を供給する。本実施例の運転を行うことにより、温水供給設備は最高効率で運転できることより、CO₂排出削減を行うことが可能となる。

ここで、実施例１および実施例２における最適運転計画について説明する。最適運転計画とは具体的には、CO₂排出量が最小となるように、各エネルギー供給設備の起動・停止、負荷率、生成する熱媒体の温度および蓄熱量（もしくは放熱量）を決定することである。エネルギーネットワーク内の各需要家の熱需要量Q_dを合計した総熱需要量は、太陽熱集熱設備等の再生可能エネルギーによる熱量Q_r、清掃工場等のエネルギー供給家による熱量Q_f、ボイラやヒートポンプ等のエネルギー供給設備による熱量Q_e、配管内への蓄熱量Q_s（放熱：正の値、蓄熱：負の値）、配管からの熱損失Q_hを用いて以下の式で与えられる。

ここで、式(1)は、運転計画期間を任意の整数Nで分割した時間間隔Δt当りの熱量を表す。例えば、運転計画期間を24時間とし、1時間間隔で分割した場合の、ある時刻の1時間当たりの熱量を示す。また、iは需要家の番号、mは再生可能エネルギー設備の番号、kはエネルギー供給家の番号、jはエネルギー供給設備の番号、nは蓄熱（もしくは放熱）を行う配管の番号、oは熱損失を評価する配管および機器の番号を表す。

エネルギーネットワーク内でのCO₂排出量を最小化するエネルギー供給設備の最適運転計画のための評価関数Jは、以下の式で与えられる。

ここで、tは運転計画期間をN分割した場合の時刻の番号、Ep_j,tはエネルギー供給設備jの電力使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量、Eg_j,tはエネルギー供給設備jの燃料使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量である。

図６にエネルギー供給設備の電気および燃料使用に伴うCO₂排出量における熱媒体温度と負荷率の特性曲線の一例を示す。一般に、CO₂排出量は各エネルギー供給設備の熱媒体の出口温度T_jと負荷率z_jの関数となるため、エネルギー供給設備jの起動停止変数（1：起動、0：停止）をx_jとすると、電力使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量Ep_j,tおよび燃料使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量Eg_j,tは次式で表される。

ここで、a_jはエネルギー供給設備jの熱媒体出口温度T_jおよび負荷率z_jにおける電力使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量、b_jはエネルギー供給設備jの熱媒体出口温度T_jおよび負荷率z_jにおける燃料使用に伴う時間間隔Δt 当りのCO₂排出量である。

制御パラメータは、各エネルギー供給設備の起動停止変数x_j、負荷率z_j、生成する熱媒体の出口温度T_j、往管内への蓄熱量Q_s,ｎ（放熱：正の値、蓄熱：負の値）である。

最適化解析では、式(2)の評価関数Jを最小化するように、線形計画法やメタヒューリスティクスなどの最適化手法を用いて最適化を行う。

本実施例では、評価関数Jとして、電力や燃料の使用に伴うCO₂排出量としたが、電力料金や燃料費を用いると、運転コストを最小化する最適運転計画を実施することが可能となる。

エネルギーセンターとエネルギー需要家から構成される地域内や複数の製造工場が立地する工業団地で使用される電力や熱を相互融通しあうエネルギーネットワークにおいて、再生可能エネルギーや工場排熱を相互融通することにより、省エネ、CO₂排出低減を実現するエネルギー供給設備の最適運転方法および装置を提供することができる。

１…エネルギーセンター、２…エネルギー需要家、３…太陽熱集熱設備、４…工場、５…ボイラ、６…熱交換器、７…送水ポンプ、８…温度計、９…流量調節弁、１０…高温水、１１…低温水、１２…往管、１３…復管、１４…熱交換器、１５…蓄熱槽、１６…エネルギーネットワーク監視制御装置、１７…情報通信ネットワーク、
１０１…入力部、１０２…需要家の熱需要量の演算部、１０３…再生可能エネルギーの熱供給量の演算部、１０４…供給家の熱供給量の演算部、１０５…ネットワーク上の蓄熱可能量の演算部、１０６…ネットワーク上の熱余剰量の演算部、１０７…エネルギー供給設備最適運転計画演算部、１０８…エネルギー供給設備運転指令部、１０９…結果表示部、１１０…データ記憶部

Claims (12)

1. 地域内エネルギーネットワーク上のエネルギー需要家のエネルギー使用情報、エネルギー供給家の運転計画及び気象予報等の情報を入力する入力部と、
   前記入力された情報を用いて需要家が使用する熱エネルギー需要量を予測する演算部と、
   再生可能エネルギー設備の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、
   エネルギー供給家の熱エネルギー供給量を予測する演算部と、
   前記エネルギーネットワーク上の蓄熱可能量を演算する演算部と、
   複数のエネルギー供給設備の最適運転計画を演算する演算部と、
   前記演算した最適運転計画に基づいて前記複数のエネルギー供給設備の各設備の起動若しくは停止および負荷率を指令として又は運転管理者に対するガイダンスとして出力するエネルギー供給設備運転指令部と、
   前記最適運転計画の演算結果と運転結果を表示する結果表示部とを備えて、
   前記エネルギーネットワークの配管内の熱媒温度を変化することより熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画を行うことを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
2. 請求項１に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御装置において、
   前記熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画と、前記複数のエネルギー供給設備の運転を同時に最適化することを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
3. 請求項２に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御装置において、
   前記複数のエネルギー供給設備の各設備の運転の起動若しくは停止、負荷率、生成する熱媒体の出口温度、並びに配管内の熱媒体への蓄熱量若しくは放熱量を最適化パラメータとして最適運転計画を実施することを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
4. 請求項３に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御装置において、
   前記複数のエネルギー供給設備を順次起動若しくは停止する台数運転状態にあって、各エネルギー供給設備を設定した範囲の効率の出力で運転し、余剰のエネルギーは配管内の熱媒体へ蓄熱し、不足するエネルギーは配管内の熱媒体からの放熱により供給することを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかの項に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御装置において、
   前記配管内の熱媒体を温水とし、蓄熱する場合は温水温度を上昇させ、放熱する場合は温水温度を低下させることを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
6. 請求項１ないし４のいずれかの項に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御装置において、
   配管内の熱媒体を冷水とし、蓄熱する場合は冷水温度を低下させ、放熱する場合は冷水温度を上昇させることを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転制御装置。
7. 地域内エネルギーネットワーク上のエネルギー需要家のエネルギー使用情報、エネルギー供給家の運転計画及び気象予報等の情報を入力するステップと、
   前記入力された情報を用いて需要家が使用する熱エネルギー需要量を予測する演算部ステップと、
   再生可能エネルギー設備の熱エネルギー供給量を予測するステップと、
   エネルギー供給家の熱エネルギー供給量を予測するステップと、
   前記エネルギーネットワーク上の蓄熱可能量を演算するステップと、
   複数のエネルギー供給設備の最適運転計画を演算するステップと、
   前記演算した最適運転計画に基づいて前記複数のエネルギー供給設備の各設備の起動・停止および負荷率を指令として又は運転管理者に対するガイダンスとして出力するステップと、
   前記最適運転計画の演算結果と運転結果を表示するステップと、
   前記エネルギーネットワークの配管内の熱媒温度を変化することより熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画を行うステップと、と含むことを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。
8. 請求項７に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御方法において、
   前記エネルギーネットワークの配管内の熱媒温度を変化することより熱エネルギーの蓄熱若しくは放熱計画を行うステップは、前記エネルギー供給設備の運転を同時に最適化することを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。
9. 請求項８に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御方法において、
   前記複数のエネルギー供給設備の各設備の運転の起動若しくは停止、負荷率、生成する熱媒体の出口温度、並びに配管内の熱媒体への蓄熱量若しくは放熱量を最適化パラメータとして最適運転計画を実施するステップを含むことを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。
10. 請求項９に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御方法において、
    起動された前記エネルギー供給設備は設定した範囲の効率の出力で運転することを条件として、熱需要量に対して余剰のエネルギーは前記配管内の熱媒体へ蓄熱し、不足する熱エネルギーは前記配管内の熱媒体からの放熱により供給しつつ、前記複数のエネルギー供給設備を順次起動若しくは停止することを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。
11. 請求項７ないし１０のいずれかの項に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御方法において、
    前記配管内の熱媒体を温水とし、蓄熱する場合は温水温度を上昇させ、放熱する場合は温水温度を低下させることを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。
12. 請求項７ないし１０のいずれかの項に記載のエネルギー供給設備の最適運転制御方法において、
    前記配管内の熱媒体を冷水とし、蓄熱する場合は冷水温度を低下させ、放熱する場合は冷水温度を上昇させることを特徴とするエネルギー供給設備の最適運転方法。

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