JP2014129897A - 熱供給制御装置、熱供給システム及び熱供給制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数プラント、複数需要家で構成されるシステムにおいて、各供給プラントのポンプの総消費電力を低減する熱供給システム及び方法を提供すること。
【解決手段】 各需要家建物の熱交換器1次側の必要流量と、圧力損失式、ポンプ揚程曲線式、流量保存則を用いて各熱供給プラントのポンプの消費電力が最小となる回転数を算出し、回転数の増加に対して消費電力の増加量が少ないポンプを需要家建物のバルブ開度に応じて制御し、その他の熱供給プラントのポンプを算出した回転数を目標値として制御することで熱供給を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の熱供給プラントにより生成された冷温水を複数の需要建物へ送水するポンプの回転数を制御し、最小の動力で各需要建物へ必要な量の冷温水を供給できる熱供給システム及びその制御方法に関する。

従来の地域冷暖房装置等で冷温水を搬送する熱供給システムにおいて、特許文献１に記載の技術では、一つの場所（熱製造プラント）で製造した熱を搬送する際に、必要最小限の動力で複数の熱交換器に効率良く熱を送り届けることができる、送水制御システム及びその制御方法を提供している。具体的には、複数の熱交換器の中から最も循環揚程を要求するものを、予め設定しておいた差圧（最適差圧）と、実測されたバルブ＋熱交換器の差圧を比較することで探索して特定し、その熱交換器に合わせてポンプの回転数をインバータ制御することで、必要最小限のポンプ吐出圧力にて熱を搬送できる送水制御システムを提供する。

特開2011‐242057号公報

上記特許文献１に記載の技術によれば、熱供給プラントが一つである場合に、循環揚程を最も必要とする熱交換器を随時特定し、特定した熱交換器のバルブ開度が最大となるように供給プラントのポンプ回転数を制御する事で必要最小限のポンプ動力にて熱を搬送する。しかし、供給プラントが複数になった場合、全ての供給プラントのポンプが、特定された一つのバルブ開度に応じて回転数を増減させると、ポンプの消費電力特性が考慮されていないため、消費電力最小で熱を搬送する事が出来ない。

そこで本発明の目的は、複数プラント、複数需要家で構成されるシステムにおいて、各供給プラントのポンプの総消費電力を低減する熱供給システム及び方法を提供することにある。

本発明は、冷温水などの熱媒体を生成する熱源機と該熱媒体を搬送するポンプを備えた複数の熱供給プラントから、空調機などの熱利用機器と熱交換器とプラントからの熱媒体の流量を調整するバルブとを備えた複数の需要家建物へ熱配管を通して熱媒体を送り、前記需要家建物が空調などに利用する熱供給システムにおいて、各需要家建物の熱需要を満たし、熱媒体を搬送するポンプの消費電力が最小となるようにポンプの回転数、流量を算出し、算出した流量と、ポンプの消費電力特性とを用いて、需要家建物にあるバルブの開度に応じて回転数を制御するポンプを選択する。

本発明によれば，複数プラント、複数需要家で構成されるシステムにおいて、各供給プラントのポンプの総消費電力を低減する事が可能になる。

本発明の実施形態に関する熱供給システムの全体構成を示す図である。 配管網制御装置300の処理フロー図である。 ポンプ消費電力最小化処理S302の処理フロー図である。 ポンプ・バルブ選択処理S303の処理フロー図である。 ポンプの流量、回転数によって消費電力の変化量が変わる様子を示す図である。 ポンプ制御方式配信処理S304の処理フロー図である。 ポンプ制御装置103の処理フロー図である。 バルブ制御装置211の処理フロー図である。 ポンプ消費電力最小化処理S302の実施タイミングを制御する機能を備えた配管網制御装置300の処理フロー図である。 時間に基づいて実施判定する処理S305の処理フロー図である。 流量の変化に基づいて実施判定する処理S305の処理フロー図である。 中央制御装置を備えた実施形態に関する熱供給システムの全体構成を示す図である。

以下，図面を参照しつつ、本発明実施のための最良の形態について説明する。
＜第一の実施形態＞
図１に熱供給システムの構成例を示す。このシステムは，冷凍機やボイラなどの熱源機を備えた複数の熱供給プラント100と、オフィスビルや商業施設や工場等の需要家建物200と、熱配管網制御装置300と、熱供給プラント100と需要家建物200を繋ぎ、冷水もしくは温水等の熱供給媒体を搬送するための熱配管網400と、有線もしくは無線による通信線500とを備えている。

熱供給プラント100は、冷温水を生成するボイラや冷凍機等の熱源機101と、熱源機101により生成された熱供給媒体を、熱配管網400を通して各需要家建物へ搬送するためのポンプ102と、ポンプ102を制御するためのポンプ制御装置103とを備えている。ポンプ制御装置103の処理フローは、図７にて後述する。

需要家建物200は、空調などの熱利用機器201と、熱供給プラントから送られてきた熱供給媒体の熱を熱利用機器201で利用するために熱移動を行う熱交換器202と、熱交換器202の1次側の流量を調整するためのバルブ203と、熱交換器202の1次側出口の温度Tを計測する温度センサ204と、熱交換器202を介して得た熱量を熱利用機器201へ搬送するためのポンプ206と、熱利用機器201の必要とする熱量に合わせて熱交換器202の2次側の流量を調整するためのバルブ207と、熱利用機器201の入口温度Tsを計測する温度センサ208と、熱利用機器201の出口温度Trを計測する温度センサ209と、熱利用機器201への流量Fを計測する流量センサ210と、各温度センサや流量の値をもとにバルブ203を制御するバルブ制御装置211とを備えている。バルブ制御装置211の処理フローは、図８にて後述する。

配管網制御装置300は、各需要家建物のバルブ制御装置211を通して各種センサの計測値を収集し、各熱供給プラントに設置されたポンプ102の消費電力の総和が最小となるように、各ポンプ102の回転数や流量、各バルブ203の開度を算出する。その後、算出結果通りに制御するポンプと、需要家建物のバルブ203の開度に追従して回転数を変化させるポンプと、追従先の需要家建物のバルブ203とを特定し、ポンプ制御装置103へ制御信号を送る。配管網制御装置300の処理フローは、図２に後述する。

図２に、配管網制御装置300の処理フロー概要を示す。

処理S301の熱交換器1次側必要流量算出処理では、各需要家建物のバルブ制御装置211を介して収集した温度計測値Ts、Tr、流量計測値Fと、設計書などに記載の熱交換器202の温度変化情報をもとに、熱交換器1次側の必要流量を算出する。処理301では、先ずTsとTrの差と流量Fの積にもとづいて、熱利用機器の熱需要量を算出する。次に、熱利用機器の熱需要量を、熱交換器202の温度変化情報で割った商をもとに、熱交換器1次側の必要流量を算出する。熱交換器202の温度変化情報とは、熱交換器における1次側の入口温度と出口温度の差に関する情報で、仕様書等から事前に設定可能な値とする。

処理S302のポンプ消費電力最小化処理では、処理S301で算出した各熱需要建物200の熱交換器202の1次側の必要流量を満たすための、各熱供給プラント100のポンプ102の消費電力の総和が最小となる各ポンプ102の回転数と流量、各需要家建物200のバルブ203の開度を算出する。処理S302の詳細フローは図３に後述する。

処理S303のポンプ・バルブ選択処理では、処理S302で算出した各ポンプ102の回転数と、その際のポンプ102の流量、各需要家建物200のバルブ203の開度をもとに、算出した回転数通りに制御するポンプと、バルブ203の開度に合わせてポンプ102の回転数を制御するポンプ102とバルブ203の1対の組合せとを特定する。処理S303の詳細フローは図４に後述する。ポンプ消費電力最小化処理で算出したポンプの回転数を全てのポンプに適用し制御した場合、ポンプ消費電力最小化処理で用いる圧力損失式などに含まれるモデル誤差により、各需要家建物の熱交換器202の1次側に必要な流量を供給できない、もしくは必要最低限以上の消費電力で1次側に必要な流量を供給している場合がある。処理S303によりバルブの開度に応じてポンプの回転数を制御するポンプとバルブの組合せを選択し、他ポンプについてはポンプ消費電力最小化処理で算出したポンプ回転数となるように制御することで、ポンプ消費電力最小化処理で用いる圧力損失式などに含まれるモデル誤差を処理S303で選択したポンプが補い、ポンプの総消費動力を必要最小限に抑えつつ、各需要家建物が必要とする熱量を供給することができる。

処理S304のポンプ制御処理では、各ポンプ制御装置103に対し制御指令を送信する。処理S304の詳細フローは図６に後述する。処理S301乃至処理304の処理を繰り返し実行することで、熱媒体を各熱供給プラントから各熱需要建物へ搬送する。

図３に、処理S302のポンプ消費電力最小化処理の処理フローを示す。本処理では、処理S301で算出した各需要家建物の熱交換器1次側の必要流量と、各熱供給プラントのポンプ102、熱源機103、熱供給プラントと需要家建物を繋ぐ熱配管400、各需要家建物のバルブ203、熱交換器202の設計書などに記載の各種特性情報とを入力とし、各需要家建物の熱交換器1次側の必要流量を満たし、かつ各熱供給プラントのポンプ102の総消費電力が最小となるための各ポンプ102の回転数と、各需要家建物のバルブ203のバルブ開度を算出する。算出するに当たり、各熱供給プラントのポンプ102の総消費電力Eを、各熱供給プラントのポンプ102の回転数wを変数とする関数f(w) とする。

関数f(w) について、滑降シンプレックス法などの数値解析手法を用いて、各熱供給プラントのポンプ102の総消費電力Eが最小となる各熱供給プラントのポンプ102の回転数w を算出する。
以下、各熱供給プラントのポンプ102の回転数w を用いて各熱供給プラントのポンプ102の総消費電力Eを算出する処理及び、滑降シンプレックス法を用いたEを最小とする各熱供給プラントのポンプ102の回転数w を算出する処理について説明する。
処理S3021では、処理S3022で必要となる初期値として、各熱供給プラントのポンプ102の回転数の組合せを、ポンプ102の数＋１以上作成する。例えば、各ポンプの定格回転数を基準に作成する。
処理S3022では、各熱供給プラントと各需要家建物を繋ぐ熱配管400、熱源機101、熱交換器202、バルブ203の圧力損失式と、各熱供給プラントのポンプ102の揚程曲線式と、熱配管400の分岐・合流点の流量保存式とから成る非線形連立方程式を解く事で、各熱供給プラントのポンプ102の流量、吐出圧力、各需要家建物のバルブ203の開度を算出する。なお、処理S3021で作成した初期値の数だけ非線形連立方程式を解き、各熱供給プラントのポンプ102の流量、吐出圧力、各需要家建物のバルブ203の開度を算出する。
熱配管400、熱源機101及び熱交換器202の圧力損失式は次式（数２）で与えられる。

バルブの圧力損失式は次式（数３）で与えられる。

ポンプの揚程曲線は次式（式４）で与えられる。

熱配管の分岐点、合流点の流量保存式は次式（数５）で与えられる。

左辺第一項は、分岐・合流点における各熱配管からの流入量の合計であり、左辺第二項は、分岐・合流点における各熱配管からの流出量の合計である。

熱交換器202が接続する分岐・合流点における流量保存式は次式（数６）で与えられる。

ここで、左辺は、熱交換器202への流入量の合計であり、左辺Qdemandは処理S301で算出した熱交換器1次側の必要流量である。

数2乃至数6、からなる連立方程式をニュートン法等の近似解放を用いて解く事で、各熱供給プラントのポンプ102の回転数w について、各熱供給プラントのポンプ102の流量と吐出圧力、各需要家建物のバルブ203のバルブ開度を算出する。

処理S3023では、処理S3022で用いた各ポンプの回転数w 、処理S3022で算出した各ポンプの流量、吐出圧力を用いてポンプの総消費エネルギーの値を算出する。処理S3021で作成した初期値の数だけ総消費エネルギーの値を算出する。ポンプの総消費エネルギー式は次式（数７）で与えられる。

ポンプ効率は次式（数８）で与えられる。

処理S3022、処理S3023により、各熱供給プラントのポンプ102の回転数w に対して、各熱供給プラントのポンプ102の総消費電力Eを算出できる。
処理S3024では、直前の処理3023で算出した総消費エネルギーの最小値と、前回の総消費エネルギーの最小値を比較し、差分が予め設定しておいた値以内の場合、処理を終了する。差分が予め設定しておいた値以上の場合、処理S3025に進む。処理S3025では、処理3026による処理の実施回数が予め設定しておいた回数以上実施されているかどうかを判定する。処理3026による処理の実施回数が予め設定しておいた回数以上の場合、処理を終了する。処理3026による処理の実施回数が予め設定しておいた回数以下の場合、処理3026に進む。処理3026では、処理3022で用いた各熱供給プラントのポンプ102の回転数の組合せを更新し、処理S3022に進む。各熱供給プラントのポンプ102の回転数の組合せの更新処理ロジックは、滑降シンプレックス法における手順に基づいて更新する。これらの処理により、Eを最小とする各熱供給プラントのポンプ102の回転数w を算出できる。

図４に、処理S303のポンプ・バルブ選択処理の処理フローを示す。
処理S3031では、処理S302のポンプ消費電力最小化処理で算出した各需要家建物のバルブ203の中から、開度が最大であるバルブを選択する。
処理S3032では、各熱供給プラントのポンプ102について、性能情報と処理302の演算結果のポンプ流量を用いて、予め設定した所定の回転数増加分に対して消費電力の増加が小さいポンプを選択する。図５にポンプの流量によって回転数増加に対する消費電力の増加量が異なる様子を示す。パターン１は、ある需要量に対して処理S302のポンプ消費電力最小化処理で算出したポンプA及びポンプBの流量について、ポンプ回転数が増加した際のポンプ消費動力の変化を表す。パターン１では、ポンプBのほうがポンプ回転数増加に伴う消費電力増加が小さいため、処理S3031ではポンプBが選択される。パターン２は、パターン２とは異なる需要に対して処理S302のポンプ消費電力最小化処理で算出したポンプA及びポンプBの流量について、ポンプ回転数が増加した際のポンプ消費動力の変化を表す。パターン２では、ポンプAのほうがポンプ回転数増加に伴う消費電力増加が小さいため、処理S3031ではポンプAが選択される。このようにポンプ流量によって消費電力の増加量が異なるため、処理S302のポンプ消費電力最小化処理の結果に応じて適切なポンプを選択する処理S3031が必要となる。

処理S3032にて回転数増加に対して消費電力の増加が小さいポンプを選択することで、ポンプ消費電力最小化処理結果と異なる回転数でポンプが動作することにより増加する消費電力を最小限に抑える。これにより、ポンプの総消費電力量の増加を最低限に抑えることができ、ポンプ消費電力最小化処理結果により近い総消費電力量で熱供給が可能になる。

図６に、処理S304のポンプ制御処理の処理フローを示す。
処理S3041では、処理S303により選択されたポンプ102を制御するポンプ制御装置103に、ポンプ選択通知と選択されたバルブの開度を送信する。
処理S3042では、処理S303では選択されなかったその他のポンプ102を制御する各ポンプ制御装置103に、処理S302により算出された各ポンプ102の回転数を送信する。

図７に、ポンプ制御装置103の処理フローを示す。
処理S1031では、ポンプ制御装置103の制御対象であるポンプ102が処理S303のポンプ・バルブ選択処理で選択されたポンプであることを示すポンプ選択通知を、配管網制御装置300から受信しているかどうかを確認する。受信している場合、処理S1032へ進む。受信していない場合、処理S1035へ進む。処理S1032では、ポンプ選択通知と共に受信しているバルブ開度を、予め設定してあるバルブ開度(例えば90%や100%等)と比較する。受信したバルブ開度が予め設定してあるバルブ開度以上の場合は処理S1033へ進み制御対象のポンプ102の回転数を増加させる。受信したバルブ開度が予め設定してあるバルブ開度未満の場合は処理S1034へ進み制御対象のポンプ102の回転数を減少させる。処理1035では、配管網制御装置300より受信したポンプ回転数となるように制御対象となるポンプ102の回転数を制御する。

＜第二の実施形態＞
第一の実施形態では，図２において、処理S301から処理S304まで実行し、処理S301へ戻る処理フローを説明したが、第二の実施形態では、配管網制御装置300が処理S302のポンプ消費電力最小化処理を実施するタイミングを制御する機能を備える熱供給システムについて説明する。

第二の実施形態における熱供給システムの構成例は、図１に示す第一の実施形態における熱供給システムの構成例と同じであるが、配管網制御装置300の処理フローが異なる。

以下、第一の実施形態の配管網制御装置300の処理との違いを中心に説明する。

図９に第二の実施形態における配管網制御装置300の処理フロー概要を示す。処理S301では第一の実施例と同一の処理を行い、処理S305へ進む。処理S305ではポンプ消費電力最小化処理の実行判定を行い、実行可の場合は処理S302のポンプ消費電力最小化処理へ、実行不可の場合は処理S301へ戻る。処理S302以降の処理は、第一の実施例と同一の処理を行う。

図１０に第二の実施形態における処理S305の処理フローを示す。処理S30511で前回の処理S304のポンプ制御方式配信処理から事前に定めておいた所定の時間を経過したか判定する。経過していた場合、処理302へ進み(図中処理S30512)、経過していない場合、処理S301へ戻る(図中処理S30513)。処理S301の後に上記処理S30511から処理S30513までの処理を行うことで、処理S304から配信された制御方式を各熱供給プラントのポンプ102が実行するまでの時間を与え、制御系が安定する効果が期待できる。

＜第三の実施形態＞
第二の実施形態では，図１０において、所定時間経過後に処理S302のポンプ消費電力最小化処理を実行する処理フローを説明したが、第三の実施形態では、処理S305のポンプ消費電力最小化処理実行判定処理が異なる熱供給システムについて説明する。第三の実施形態における熱供給システムの構成例は、第二の実施形態における熱供給システムの構成例と同じであるが、処理S305の処理フローが異なる。以下、処理S305の処理との違いを中心に説明する。

図１１に第三の実施形態における処理S305の処理フローを示す。
処理S30521で、処理S301で算出した流量と、前回の処理S302で用いた処理S301が算出した流量との差分が事前設定値を超えている需要家建物が存在する、もしくは、各需要家建物の上記差分の総和が事前設定値を超えているかを判定。合致する場合、処理302へ進み(図中処理S30522)、合致していない場合、処理S301へ戻る(図中処理S30523)。

処理S301の後に上記処理S30521から処理S30523までの処理を行うことで、需要家建物の微小な需要変動や、温度計208、温度計209、流量計210の計測誤差に伴うポンプの制御方式の頻繁な更新が低減され、制御系が安定する効果が期待できる。

＜第四の実施形態＞
第一から第三の実施形態では，ポンプ制御装置及びバルブ制御装置が各熱供給プラント、各需要家建物に分散配置された構成例について説明したが、第四の実施形態では、異なる構成例について説明する。

図１２に、第四の実施形態における熱供給システムの構成例を示す。
中央制御装置600は、配管制御装置300と、ポンプ制御装置103と、バルブ制御装置211を備える。配管制御装置300は第一から第三の実施形態と同じ処理を実施する。ポンプ制御装置104は、第一から第三の実施形態と同じ機能を備えているが、各熱供給プラントのポンプ102を集中制御可能な点が異なる。バルブ制御装置212は、第一から第三の実施形態と同じ機能を備えているが、各需要家建物のバルブ203、バルブ207、1次側還り温度計204、2次側往き温度計208、2次側還り温度計209、流量計210、を集中制御可能な点が異なる。その他の各種処理は第一から第三の実施例と同一である。

100：熱供給プラント、101：熱源機、102：ポンプ、103：ポンプ制御装置200：需要家建物、300：熱配管網制御装置、400：熱配管網、500：通信線

Claims (8)

1. 熱媒体を搬送するポンプと、当該ポンプからの熱媒体の流量を調整するバルブと、を制御する熱供給制御装置において、
   前記バルブに接続される設備の熱需要を満たし、前記ポンプの消費電力が最小となるよう当該ポンプの回転数及び流量を算出するポンプ消費電力最小化処理部と、
   前記算出した流量と、前記ポンプの消費電力特性と、を用いて、前記バルブの開度に応じて回転数を制御するポンプを選択するポンプ・バルブ選択処理部と、
   を備えることを特徴とする熱供給制御装置。
2. 請求項1に記載の熱供給制御装置において、
   前記ポンプ消費電力最小化処理部は、前記設備の熱交換器1次側必要流量を入力とし、前記熱交換器1次側必要流量を満たしかつ総消費電力が最小となる各熱供給プラントのポンプ回転数を出力し、
   前記ポンプ・バルブ選択処理部は、前記ポンプ消費電力最小化処理で求めたポンプ回転数、ポンプ流量、ポンプ吐出圧をもとに、ポンプ回転数の増加に対する消費電力の増加量が最も少ないポンプと、前記ポンプ消費電力最小化処理で求めた前記各需要家建物にある前記バルブの開度をもとに、最もバルブ開度が大きいバルブを選択する事を特徴とする熱供給制御装置。
3. 請求項2に記載の熱供給制御装置において、
   前記ポンプ・バルブ選択処理部により選択したバルブの開度に応じて、前記ポンプ・バルブ選択処理部により選択したポンプの回転数を増減させ、その他の選択されていないポンプについては、前記ポンプ消費電力最小化処理が算出したポンプ回転数に従って制御する事を特徴とする熱供給制御装置。
4. 請求項3に記載の熱供給制御装置であって、
   前記ポンプ消費電力最小化処理部の実施タイミングを制御するポンプ消費電力最小化処理実施判定処理部をさらに備えることを特徴とする熱供給制御装置。
5. 請求項4に記載の熱供給制御装置であって，
   前記ポンプ消費電力最小化処理実施判定機能は、前記ポンプ・バルブ選択処理の演算結果が各熱供給プラント、各需要家建物へ配信されてから所定の時間経過したかどうかを判定すること、を備えることを特徴とする熱供給制御装置。
6. 請求項4に記載の熱供給制御装置であって，
   前記ポンプ消費電力最小化処理実施判定機能は、前記設備の熱交換器の1次側必要流量について、前記ポンプ消費電力最小化処理部で用いた時点から判定時までの変化量が事前設定値を超えている需要家建物が存在する、もしくは、前記設備の前記変化量の総和が事前設定値を超えているかに基づいて判定すること、
   を備えることを特徴とする熱供給制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱供給制御装置と、前記ポンプと、前記バルブと、を備えることを特徴とする熱供給システム。
8. 熱媒体を搬送するポンプと、当該ポンプからの熱媒体の流量を調整するバルブと、当該ポンプ及びバルブを制御する熱供給制御装置とを用いた熱供給制御方法において、
   前記バルブに接続される設備の熱需要を満たし、前記ポンプの消費電力が最小となるよう当該ポンプの回転数及び流量を算出するポンプ消費電力最小化ステップと、
   前記算出した流量と、前記ポンプの消費電力特性と、を用いて、前記バルブの開度に応じて回転数を制御するポンプを選択するポンプ・バルブ選択ステップと、
   を備えることを特徴とする熱供給制御方法。

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