JP2014077585A

JP2014077585A - 温水供給システム

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Publication number: JP2014077585A
Application number: JP2012225396A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Sato; 将一佐藤; Yasuo Niwa; 泰生丹羽
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-05-01
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: JP5914289B2

Abstract

【課題】複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムにおいて、総合的な熱効率を向上することが可能な技術を提供する。
【解決手段】本明細書は、複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムを開示する。その温水供給システムは、要求熱量を特定する手段と、要求熱量に基づいて、全ての熱源機の平均熱効率を評価値とした進化的アルゴリズムを用いて、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定する手段と、それぞれの熱源機に対する要求出力に基づいて、それぞれの熱源機の運転条件を決定する手段を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、温水供給システムに関する。

特許文献１に、複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムが開示されている。この技術では、接続された熱源機に流入する給水量を平均化することによって、負荷の変動に対する応答性が高められている。

特開平１０−１０３６０５号公報

一般的に、個々の熱源機の熱効率はその熱源機の出力に応じて変動する。例えば、熱源機として燃焼号数を多段階で切換可能なバーナを備える燃焼機を用いる場合、出力と熱効率の関係はバーナの燃焼号数ごとに異なっている。このような燃焼機では、要求される出力の大きさに応じて、バーナの燃焼号数を切り換える。また、このような燃焼機では、同じ燃焼号数でバーナを燃焼させる場合、出力が低いほど熱効率が高く、出力が高くなるほど熱効率は低くなる。

個々の熱源機の熱効率が要求される出力に応じて変動する場合、温水供給システムの総合的な熱効率は、それぞれの熱源機に対する要求出力の配分の仕方によって変化する。特許文献１の技術では、それぞれの熱源機への給水量を等しくするため、それぞれの熱源機に対する要求出力も等しくなる。しかしながら、それぞれの熱源機に対する要求出力を等しくすることで、必ずしも温水供給システムの総合的な熱効率が高くなるとは限らない。温水供給システムの総合的な熱効率が高くなるように、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定することが可能な技術が期待されている。

本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムにおいて、総合的な熱効率を向上することが可能な技術を提供する。

本明細書は、複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムを開示する。その温水供給システムは、要求熱量を特定する手段と、要求熱量に基づいて、全ての熱源機の平均熱効率を評価値とした進化的アルゴリズムを用いて、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定する手段と、それぞれの熱源機に対する要求出力に基づいて、それぞれの熱源機の運転条件を決定する手段を備えている。

上記の温水供給システムでは、全ての熱源機の平均熱効率を評価値とした進化的アルゴリズムを用いて、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定する。このような構成とすることによって、それぞれの熱源機における出力と熱効率の関係に基づいて、全ての熱源機の平均熱効率が最も高くなるような、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定することができる。温水供給システムの総合的な熱効率を向上することができる。

上記の温水供給システムでは、前記平均熱効率が、それぞれの熱源機に対する要求出力を重みとした、それぞれの熱源機の熱効率についての加重平均値であるように構成することができる。

温水供給システムの総合的な熱効率に対しては、要求出力の大きな熱源機の熱効率の方が、要求出力の小さな熱源機の熱効率よりも、大きな影響を及ぼす。上記のように、それぞれの熱源機に対する要求出力を重みとした、それぞれの熱源機の熱効率についての加重平均値を、平均熱効率として進化的アルゴリズムの評価値として使用することで、温水供給システムの総合的な熱効率をより高めることができる。

実施例の温水供給システム２の構成を模式的に示す図である。熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおける出力と熱効率の関係を示す図である。温水供給システム２における給湯開始処理を説明するフローチャートである。各熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件の決定処理を説明するフローチャートである。遺伝的アルゴリズムにおける各個体の遺伝子情報の構造を示す図である。遺伝的アルゴリズムにおける選択操作を説明する図である。遺伝的アルゴリズムにおける交叉操作を説明する図である。遺伝的アルゴリズムにおける世代数と最良評価値の関係を示す図である。

以下に説明する実施例の主要な特徴を以下に列記する。
（特徴１）複数の熱源機は、燃焼号数を多段階で切換可能なバーナを備える燃焼機を含む。
（特徴２）進化的アルゴリズムは、遺伝的アルゴリズムである。

図１は、本実施例の温水供給システム２を示している。本実施例の温水供給システム２は、例えばビルやマンション、集合住宅等に設置され、温水利用箇所Ｃへの給湯を行う。温水供給システム２は、外部の給水源Ｓから給水管４を介して供給される低温の水を加熱して、給湯管６を介して温水利用箇所Ｃへ給湯設定温度の水を供給する。

温水供給システム２は、複数の熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。本実施例では、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、何れも同一の構成を備える熱源機である。温水供給システム２は、接続する熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの個数を増減することによって、様々な給湯需要に対応することが可能である。

熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃはそれぞれ、燃焼号数を多段階で切換可能なバーナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、バーナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃへ供給される燃料ガスの流量を調整可能な流量調整弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、バーナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃへ燃焼用の空気を供給するファン１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、給水管４から受け入れた水をバーナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの燃焼ガスとの熱交換によって加熱して給湯管６へ送り出す熱交換器１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの各構成要素の動作を制御するコントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ等を備えている。

図２は、個々の熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおける、出力と熱効率の関係を示している。熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃでは、要求される出力の大きさに応じて、バーナ１２ａ，１２ｂ，１２ｃの燃焼号数を切り換える。図２では、燃焼号数が４段階で切り換わる場合について示している。図２に示すように、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃでは、同じ燃焼号数でバーナを燃焼させる場合、出力が低いほど熱効率が高く、出力が高くなるほど熱効率は低くなる。図２に示すような、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの出力と熱効率の関係については、試験等によって予め取得されて、後述するメインコントローラ３０に記憶されている。

温水供給システム２はさらに、給水温度センサ２２、給湯温度センサ２４および給湯水量センサ２６を備えている。給水温度センサ２２は、給水源Ｓから温水供給システム２へ供給される水の温度を検出する。給湯温度センサ２４は、温水供給システム２から温水利用箇所Ｃへ供給する水の温度を検出する。給湯水量センサ２６は、温水供給システム２から温水利用箇所Ｃへ供給する水の流量を検出する。給水温度センサ２２、給湯温度センサ２４および給湯水量センサ２６の検出信号は、後述するメインコントローラ３０へ出力される。

温水供給システム２はさらに、リモコン２８とメインコントローラ３０を備えている。リモコン２８は、ユーザが給湯設定温度の設定などの操作を行う操作部（図示せず）と、ユーザに温水供給システム２の動作状態を知らせる表示部（図示せず）を備えている。リモコン２８は、メインコントローラ３０に接続されている。メインコントローラ３０は、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃのコントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃとそれぞれ通信可能となっている。メインコントローラ３０は、コントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの通信によって、温水供給システム２に接続されている熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを識別する。また、メインコントローラ３０は、コントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの通信によって、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの動作を制御する。

温水利用箇所Ｃにおいて給湯要求が生じると、メインコントローラ３０は、図３に示す給湯開始処理を実行する。

ステップＳ２では、リモコン２８から給湯設定温度Ｔｏｕｔを取得する。

ステップＳ４では、給湯水量センサ２６から給湯水量Ｗｆを取得する。

ステップＳ６では、給水温度センサ２２から給水温度Ｔｉｎを取得する。

ステップＳ８では、要求熱量Ｑｒを算出する。要求熱量Ｑｒは、次式で算出される。
Ｑｒ＝（Ｔｏｕｔ−Ｔｉｎ）×Ｗｆ

ステップＳ１０では、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定する。この処理については、図４を参照しながら後で詳しく説明する。

ステップＳ１２では、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを、ステップＳ１０で決定された運転条件で作動させる。これによって、温水利用箇所Ｃに対して、給湯設定温度Ｔｏｕｔでの給湯が行われる。

メインコントローラ３０は、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定するために、図４に示す処理を実行する。本実施例のメインコントローラ３０は、遺伝的アルゴリズムを使用して、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの平均熱効率が高くなるように、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定する。

ステップＳ２２では、遺伝的アルゴリズムにおける個体数Ｎを設定する。

ステップＳ２４では、遺伝的アルゴリズムにおける最大世代数Ｍを設定する。

ステップＳ２６では、Ｎ個の個体それぞれについて、遺伝子情報の初期値を決定する。図５に示すように、本実施例では、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力の配分割合が、遺伝子情報として使用される。本実施例では、遺伝子情報は全２４ビットのデータとして表現されている。遺伝子情報の上位８ビットは、熱源機１０ａに対する要求熱量の配分割合を示しており、遺伝子情報の中位８ビットは、熱源機１０ｂに対する要求熱量の配分割合を示しており、遺伝子情報の下位８ビットは、熱源機１０ｃに対する要求熱量の配分割合を示している。各個体の遺伝子情報の初期値は、それぞれランダムに決定される。

ステップＳ２８では、世代数ｍを初期値０に設定する。

ステップＳ３０では、Ｎ個の個体それぞれについて、評価値を算出する。本実施例では、その個体の遺伝子情報に基づいた運転条件でそれぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを運転した場合の、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの平均熱効率を、評価値として算出する。

例えば、その個体の遺伝子情報において、熱源機１０ａに対する要求熱量の配分割合がＲａであり、熱源機１０ｂに対する要求熱量の配分割合がＲｂであり、熱源機１０ｃに対する要求熱量の配分割合がＲｃである場合、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃは以下で与えられる。
熱源機１０ａに対する要求出力Ｐａ＝Ｑｒ×Ｒａ／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ）
熱源機１０ｂに対する要求出力Ｐｂ＝Ｑｒ×Ｒｂ／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ）
熱源機１０ｃに対する要求出力Ｐｃ＝Ｑｒ×Ｒｃ／（Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ）

熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの、出力に対する熱効率のデータは、事前の試験等によって取得され、メインコントローラ３０に記憶されている。従って、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃから、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの熱効率γａ，γｂ，γｃを特定することができる。本実施例においては、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの熱効率γａ，γｂ，γｃについて、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃで加重平均を取ることによって、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの平均熱効率γを算出する。
γ＝（γａ×Ｐａ＋γｂ×Ｐｂ＋γｃ×Ｐｃ）／（Ｐａ＋Ｐｂ＋Ｐｃ）

ステップＳ３２では、遺伝的アルゴリズムにおける選択操作を行う。図６に示すように、選択操作においては、２つの個体の組を抽出し、評価値を比較する。そして、評価値の高い個体の遺伝子情報を、評価値の低い個体の遺伝子情報に、完全にコピーする。ステップＳ３２においては、抽出する２つの個体の組を変更しながら、所定の回数にわたって上述の処理を行う。

ステップＳ３４では、遺伝的アルゴリズムにおける交叉操作を行う。図７に示すように、交叉操作においては、２つの個体の組を抽出し、熱源機１０ａに対する要求熱量の配分割合を示す遺伝子情報（上位８ビットの遺伝子情報）と、熱源機１０ｂに対する要求熱量の配分割合を示す遺伝子情報（中位８ビットの遺伝子情報）と、熱源機１０ｃに対する要求熱量の配分割合を示す遺伝子情報（下位８ビットの遺伝子情報）のそれぞれについて、所定の交叉点より下位（または上位）の遺伝子情報を、互いに入れ換える。ステップＳ３４においては、抽出する２つの個体の組を変更しながら、所定の回数にわたって上述の処理を行う。なお、ステップＳ３４での交叉操作では、ステップＳ３２の選択操作で抽出された２つの個体の組の組み合わせとは異なる組み合わせで、２つの個体の組を抽出する。

ステップＳ３６では、世代数ｍを１増加させる。

ステップＳ３８では、世代数ｍが最大世代数Ｍに達したか否かを判断する。世代数ｍが最大世代数Ｍに達していない場合（ステップＳ３８でＮＯの場合）、処理はステップＳ３０に戻る。世代数ｍが最大世代数Ｍに達すると（ステップＳ３８でＹＥＳとなると）、処理はステップＳ４０へ進む。

ステップＳ４０では、全ての個体の中で最も評価値の高い個体を特定し、その遺伝子情報に基づいて、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃを特定する。そして、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求出力Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃに基づいて、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定する。

図８は上述した遺伝的アルゴリズムにおける世代数ｍと、最良の評価値（すなわち、最良の平均熱効率）の関係を示している。図８から明らかなように、世代数ｍを重ねるごとに最良の評価値が上昇する。従って、十分な大きさの最大世代数Ｍを設定しておくことにより、高い平均熱効率を実現する熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定することができる。

本実施例のメインコントローラ３０は、新たに熱源機が追加されたり、既存の熱源機が取り除かれたりすると、上記の遺伝的アルゴリズムで使用する遺伝子情報のデータ構造を変更し、かつ評価値の計算方法を変更する。例えば、新たに熱源機１０ｄ（図示せず）が追加された場合には、図５に示す遺伝的アルゴリズムで使用する遺伝子情報に、熱源機１０ｄに対する要求熱量の配分割合を示す８ビットを新たに追加する。そして、評価値の算出において、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを使用する場合の平均熱効率を算出する。また、熱源機１０ｃが取り除かれた場合には、図５に示す遺伝的アルゴリズムで使用する遺伝子情報から、熱源機１０ｃに対する要求熱量の配分割合を示す８ビットを削除する。そして、評価値の算出において、熱源機１０ａ，１０ｂを使用する場合の平均熱効率を算出する。このような構成とすることによって、温水供給システム２に接続される熱源機の増減に応じて、それぞれの熱源機の運転条件の決定処理を自動的に修正することができる。

本実施例の温水供給システム２によれば、接続された熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの平均熱効率が高くなるように、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃに対する要求熱量の配分割合が決定される。このような構成とすることによって、総合的な熱効率が高くなるように、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃの運転条件を決定することができる。

なお、上記の実施例では、遺伝的アルゴリズムにおける操作として、選択操作と交叉操作を行う構成について説明したが、これに加えて、例えば突然変異操作や、エリート保存操作を行うように構成してもよい。

上記の実施例では、温水供給システム２が、外部の給水源Ｓから供給される水を加熱して温水利用箇所Ｃへ給湯する構成について説明した。これとは異なり、例えば温水供給システム２が、放熱機器（例えば暖房機器）から低温の水を受け入れ、熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃで加熱して高温となった水をその放熱機器へ戻す構成としてもよい。

上記の実施例では、温水供給システム２に、同一の構成を有する熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを接続する場合について説明したが、それぞれの熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃは異なる構成を有していてもよく、例えば熱源機１０ａを燃焼号数が３段階で切換可能な燃焼機とし、熱源機１０ｂを燃焼号数が４段階で切換可能な燃焼機とし、熱源機１０ｃを燃焼号数が５段階で切換可能な燃焼機としてもよい。

上記の実施例では、温水供給システム２に接続する熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃが、全てバーナを備える燃焼機である場合について説明したが、他の種類の熱源機が接続される構成としてもよい。

上記の実施例では、メインコントローラ３０が熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃとは別個に設けられている構成について説明したが、メインコントローラ３０が熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃのコントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃの何れかに組み込まれている構成としてもよい。

上記の実施例では、メインコントローラ３０がコントローラ２０ａ，２０ｂ，２０ｃとの通信によって、温水供給システム２に接続されている熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを識別する構成について説明したが、例えばリモコン２８にディップスイッチを設け、施工時に作業者がディップスイッチを操作しておくことで、メインコントローラ３０がディップスイッチの状態から温水供給システム２に接続されている熱源機１０ａ，１０ｂ，１０ｃを識別する構成としてもよい。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２温水供給システム
４給水管
６給湯管
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ熱源機
１２ａ，１２ｂ，１２ｃバーナ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ流量調整弁
１６ａ，１６ｂ，１６ｃファン
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ熱交換器
２０ａ，２０ｂ，２０ｃコントローラ
２２給水温度センサ
２４給湯温度センサ
２６給湯水量センサ
２８リモコン
３０メインコントローラ

Claims

複数の熱源機を並列に接続した温水供給システムであって、
要求熱量を特定する手段と、
要求熱量に基づいて、全ての熱源機の平均熱効率を評価値とした進化的アルゴリズムを用いて、それぞれの熱源機に対する要求出力を決定する手段と、
それぞれの熱源機に対する要求出力に基づいて、それぞれの熱源機の運転条件を決定する手段を備える温水供給システム。
前記平均熱効率が、それぞれの熱源機に対する要求出力を重みとした、それぞれの熱源機の熱効率についての加重平均値である請求項１の温水供給システム。