JP2016114340A - 熱源システム管理装置、熱源システム管理方法、及びプログラム - Google Patents

熱源システム管理装置、熱源システム管理方法、及びプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】熱源システムのエネルギ効率を高くする熱源システム管理装置等を提供する。【解決手段】熱源システム管理装置１００は、熱源システム２００に対する熱需要の予測値に予測誤差を加算して熱需要予測上限値を算出する熱需要予測上限値算出部１０３２と、熱需要予測上限値の熱が需要施設に供給されるように熱源システム２００の運転計画を作成する運転計画作成部１０３３と、熱需要予測上限値から、需要施設で消費された熱量を減算して余剰蓄熱量を算出する処理を繰り返す余剰蓄熱量算出部１０３４と、余剰蓄熱量を打ち消すように冷凍機の将来の稼働率を小さくして運転計画を逐次変更する運転計画変更部１０３５と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、熱源システムを管理する熱源システム管理装置等に関する。
近年、地球温暖化の防止が喫緊の課題となっており、ＣＯ２の排出量の削減や省エネ化が求められている。この点に関して製造業ではオイルショックを契機に、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化が積極的に進められ、エネルギの消費量は略横ばいで推移している。
一方、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が普及するにつれて、エネルギの消費量が年々増加している。今後、より一層の省エネ化を進めるために、ビルや工場等の需要施設に熱エネルギを供給する熱源システムの高効率化が求められている。例えば、熱源システムの高効率化を図るための技術として、以下に示すものが知られている。
すなわち、特許文献１には、蓄熱槽を介して熱供給を行う熱源機器を運転する際、所定時間後の予測蓄熱量が所定の制限範囲を超えないと予想される間は、現時点の運転状態を継続する熱源機器の運転方法について記載されている。
特開平６−３１３６０５号公報
特許文献１には、熱源機器の起動／停止回数を少なくするように運転計画を作成する技術については記載されているが、蓄熱槽に蓄えられた冷熱をその日のうちに使い切るための技術については、特に記載されていない。
例えば、特許文献１に記載の技術において、蓄熱槽に蓄えられた冷熱をその日のうちに使い切るために、熱需要の予測値を過不足なく満たすように運転計画を作成することが考えられる。しかしながら、気象予報の予測値が実際の気温等に完全に一致することは稀である。仮に、気象予報の予測値よりも翌日の気温等が高くなった場合、蓄熱槽に蓄えられた冷熱では、充分な冷熱を負荷側に供給できなくなる可能性がある。
また、特許文献１に記載の技術において、熱需要の予測値を上回る冷熱を熱源機器で生成し、需要施設に余裕を持って冷熱を供給することも考えられる。しかしながら、実際の気温等が気象予報の予測値以下になった場合、熱源機器で生成した冷熱の一部が無駄になり、システム全体のエネルギ効率が大幅に低下してしまう。
そこで、本発明は、熱源システムのエネルギ効率を高くする熱源システム管理装置等を提供することを課題とする。
前記した課題を解決するために、本発明に係る熱源システム管理装置は、一つ又は複数の熱源機と、前記熱源機で生成される冷熱又は温熱を蓄える蓄熱槽と、を備える熱源システムに対する熱需要の予測値に、所定の予測誤差を加算することによって熱需要予測上限値を算出する熱需要予測上限値算出部と、前記熱需要予測上限値の熱が前記熱源システムの負荷側に供給されるように、前記熱源システムの運転計画を作成する運転計画作成部と、前記運転計画に従って前記蓄熱槽から前記負荷側に放熱する放熱運転中、前記熱需要予測上限値から、前記負荷側で消費された熱量を減算することによって余剰蓄熱量を算出する処理を繰り返す余剰蓄熱量算出部と、前記余剰蓄熱量を打ち消すように、前記熱源機の将来の稼働率を小さくして前記運転計画を逐次変更する運転計画変更部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、熱源システムのエネルギ効率を高くする熱源システム管理装置等を提供できる。
本発明の一実施形態に係る熱源システム管理装置を含む構成図である。 熱源システム管理装置の機能ブロック図である。 ４台の冷凍機のエネルギ消費特性を示す説明図である。 熱源システム管理装置が実行する処理を示すフローチャートである。 （ａ）は熱源システムの運転計画に関する説明図であり、（ｂ）は各時間帯の電力単価を示す説明図であり、（ｃ）は蓄熱残量の予測値を示す説明図である。 （ａ）は放熱運転中に需要施設で消費された冷熱量の推移を示す説明図であり、（ｂ）は各時間帯の電力単価を示す説明図であり、（ｃ）は蓄熱残量の予測値及び蓄熱残量の実測値を示す説明図である。
≪実施形態≫
図１は、本実施形態に係る熱源システム管理装置１００を含む構成図である。なお、図１に示す実線矢印は各配管を流れる冷水の向きを表し、破線矢印は信号線を表している。以下では、熱源システム管理装置１００の管理対象である熱源システム２００について説明した後、熱源システム管理装置１００について詳細に説明する。
＜熱源システムの構成＞
熱源システム２００は、冷凍機２１１ａ等によって「熱媒体」である水に冷熱を与え、この冷熱を、蓄熱槽２１３を介して需要施設Ｆ（ビル、工場等）に供給するシステムである。熱源システム２００は、冷熱を生成して蓄熱槽２１３に蓄える一次側システム２１０と、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱を消費する二次側システム２２０と、を備えている。
（一次側システム）
一次側システム２１０は、４つの一次側ユニットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄと、蓄熱槽２１３と、を備えている。
一次側ユニットＡは、冷凍機２１１ａ（熱源機）と、一次側冷水ポンプ２１２ａと、を備えている。冷凍機２１１ａは、例えば、ターボ冷凍機であり、配管ｈ１を介して流入する冷水に冷熱を与える冷熱源である。一次側冷水ポンプ２１２ａは、蓄熱槽２１３から冷凍機２１１ａに向けて冷水を圧送するポンプであり、冷凍機２１１ａよりも上流側に設置されている。
他の一次側ユニットＢ，Ｃ，Ｄも、前記した一次側ユニットＡと同様の構成を備えている。なお、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄは、それぞれ異なる特性（例えば、後記する消費電力特性：図３参照）を有していてもよいし、同一の特性を有していてもよい。
図１に示すように、４つの一次側ユニットＡ〜Ｄは並列に接続されている。一次側ユニットＡ〜Ｄの上流側は、配管ｈ２を介して蓄熱槽２１３の上部に接続されている。一次側ユニットＡ〜Ｄ下流側は、配管ｈ３を介して蓄熱槽２１３の下部に接続されている。そして、蓄熱槽２１３の上部から配管ｈ２を介して圧送された冷水が冷凍機２１１ａ等で冷やされ、冷やされた冷水が配管ｈ３を介して蓄熱槽２１３の下部に流入するようになっている。
なお、一次側ユニットＡ〜Ｄは、それぞれ個別に稼働させることが可能である。例えば、後記する運転計画に基づいて一次側ユニットＡのみが稼働される場合もあり、また、一次側ユニットＡ〜Ｄの全てが稼働される場合もある。
蓄熱槽２１３は、例えば、温度成層型蓄熱槽であり、冷凍機２１１ａ等で冷やされた冷水を貯留することで冷熱を蓄えるものである。ちなみに、冷水は低温であるほど密度が大きく沈降しやすい。したがって、蓄熱槽２１３に貯留されている冷水は、鉛直方向において温度勾配があり、下方に向かうにつれて低温になっている。図１では、比較的高温（例えば、１２℃）の冷水と、この冷水の下側に沈降している比較的低温（例えば、５℃）の冷水と、の温度界面Ｓを図示している。
（二次側システム）
二次側システム２２０は、二次側冷水ポンプ２２１と、熱負荷装置２２２（負荷）と、を備えている。
二次側冷水ポンプ２２１は、蓄熱槽２１３から熱負荷装置２２２に向けて冷水を圧送するポンプであり、熱負荷装置２２２よりも上流側の配管ｈ４に設置されている。
熱負荷装置２２２は、例えば、需要施設Ｆの室内空気を冷やすための熱交換器であり、需要施設Ｆに設置されている。熱負荷装置２２２の伝熱管ｒを介して低温の冷水と室内空気とが熱交換することで、蓄熱槽２１３から供給される冷熱が消費される。
図１に示すように、伝熱管ｒの上流側は、配管ｈ４を介して蓄熱槽２１３の下部に接続されている。伝熱管ｒの下流側は、配管ｈ５を介して蓄熱槽２１３の上部に接続されている。そして、蓄熱槽２１３の下部から配管ｈ４を介して圧送された冷水が、伝熱管ｒにおいて室内空気と熱交換し、熱交換によって昇温した冷水が配管ｈ５を介して蓄熱槽２１３の上部に流入するようになっている。
なお、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄ、一次側冷水ポンプ２１２ａ〜２１２ｄ、及び二次側冷水ポンプ２２１は、後記する熱源システム管理装置１００によって作成（又は変更）される運転計画に従って稼働する。
（温度検出器・流量検出器）
温度検出器Ｔ１は、冷凍機２１１ａ等で冷やされた冷水の温度を検出するセンサであり、配管ｈ３に設置されている。温度検出器Ｔ２は、熱負荷装置２２２での熱交換によって昇温した冷水の温度を検出するセンサであり、配管ｈ５に設置されている。温度検出器Ｔ１，Ｔ２の検出値は、熱源システム管理装置１００に入力される。
流量検出器Ｑ１は、冷凍機２１１ａ等で冷やされた冷水の流量を検出するセンサであり、配管ｈ３に設置されている。流量検出器Ｑ２は、熱負荷装置２２２での熱交換によって昇温した冷水の流量を検出するセンサであり、配管ｈ５に設置されている。流量検出器Ｑ１，Ｑ２の検出値は、熱源システム管理装置１００に入力される
＜熱源システム管理装置の構成＞
図２は、熱源システム管理装置１００の機能ブロック図である。
熱源システム管理装置１００は、気象予報に基づいて熱源システム２００の運転計画を作成し、この運転計画に基づく制御指令を冷凍機２１１ａ〜２１１ｄ、一次側冷水ポンプ２１２ａ〜２１２ｄ、及び二次側冷水ポンプ２２１に出力する装置である。また、熱源システム管理装置１００は、温度検出器Ｔ１，Ｔ２及び流量検出器Ｑ１，Ｑ２の検出値に基づいて運転計画を逐次変更する機能も有している。
熱源システム管理装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、各種インタフェースなどの電子回路を含んで構成され、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出してＲＡＭに展開し、ＣＰＵが各種処理を実行するようになっている。
図２に示すように、熱源システム管理装置１００は、入力部１０１と、記憶部１０２と、演算処理部１０３と、出力部１０４と、表示制御部１０５と、を備えている。
入力部１０１は、気象予報、温度検出器Ｔ１，Ｔ２の検出値、流量検出器Ｑ１，Ｑ２の検出値等が入力された場合、これらの情報を演算処理部１０３に出力する機能を有している。前記した気象予報には、気温予測値と、湿度予測値と、が含まれている。例えば、１時間毎の気温・湿度を２４時間ぶん予測した気象予報が、定期的に（例えば、６時間毎に）熱源システム管理装置１００に配信される。
記憶部１０２には、エネルギ消費特性情報１０２１、電力単価情報１０２２、運転実績情報１０２３、及び運転計画１０２４を含む情報が格納されている。なお、記憶部１０２として、磁気ディスク装置、光ディスク装置、半導体記憶装置等を用いることができる。
エネルギ消費特性情報１０２１は、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄ（図１参照）の負荷率と、消費電力と、の関係を示すエネルギ消費特性に関する情報である。例えば、冷凍機２１１ａの「負荷率」とは、冷凍機２１１ａの定格運転時の冷凍能力（冷熱量）に対して、冷凍機２１１ａで生成する冷熱量が占める割合である。
図３は、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄのエネルギ消費特性を示す説明図である。図３に示すように、冷凍機２１１ａ等のエネルギ消費特性は、下に凸の曲線状を呈しており、負荷率が大きくにつれて冷凍機２１１ａ等の消費電力が大きくなっている。このようなエネルギ消費特性は、事前の実験やシミュレーションによって取得され、例えば、所定の関数として予め記憶部１０２（図２参照）に格納されている。
なお、冷凍機２１１ａ等のエネルギ消費特性は、冷凍機２１１ａ等に供給される冷却水の温度によって変化する。また、冷却水の温度は外気温度や湿度に影響されるため、冷凍機２１１ａ等のエネルギ消費特性は、外気温度や湿度によって変化する。
図３に示すように、任意の負荷率に関して、冷凍機２１１ａの消費電力は他の冷凍機２１１ｂ〜２１１ｄよりも小さくなっている。つまり、４台の冷凍機２１１ａ〜２１１ｄのうち冷凍機２１１ａが最もエネルギ効率が高い。また、図３に示す曲線の位置関係から、冷凍機２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄの順に効率が高いことが分かる。
また、例えば、冷凍機２１１ａに着目すると、負荷率が大きくなるほど、負荷率の変化に対する消費電力の変化（勾配）が大きくなっている。つまり、負荷率が大きいほど冷凍機２１１ａのエネルギ効率が高くなり、また、定格運転時（負荷率＝１）に最もエネルギ効率が高くなることが分かる。なお、他の冷凍機２１１ｂ〜２１１ｄについても同様である。したがって、本実施形態では、基本的に冷凍機２１１ａ等を定格運転し、部分負荷での運転は必要に応じて適宜行うようにしている。
図２に示す電力単価情報１０２２は、冷凍機２１１ａ等を稼働することで１ｋＷｈの電力量を消費したときの電気料金であり、電力会社との契約によって予め設定されている。通常、夜間の電気料金は安価であり、昼間の電気料金は高くなっている（図５（ｂ）参照）。
図２に示す運転実績情報１０２３は、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄに関する過去の運転実績を示す情報である。具体的に説明すると、運転実績情報１０２３には、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを稼働した過去の日時、その日（例えば、１時間毎）の気温・湿度、及び需要施設Ｆで消費された冷熱量が含まれる。
運転計画１０２４は、後記する運転計画作成部１０３３によって作成された運転計画である。この運転計画は、熱源システム２００の運転中に運転計画変更部１０３５によって逐次変更される。なお、運転計画の作成・変更については、後記する。
演算処理部１０３は、各種の演算処理を行う機能を有している。演算処理部１０３は、熱需要予測部１０３１と、熱需要予測上限値算出部１０３２と、運転計画作成部１０３３と、余剰蓄熱量算出部１０３４と、運転計画変更部１０３５と、を備えている。
熱需要予測部１０３１は、入力部１０１を介して取得された気象予報と、過去の運転実績情報１０２３と、に基づいて、需要施設Ｆの熱負荷（冷房負荷）を予測する。このような処理は気象予報が配信されるたびに行われるが、本実施形態では一例として、一日に一回、午前０時にその日の熱需要を予測する場合について説明する。
熱需要予測部１０３１は、例えば、運転実績情報１０２３に含まれる過去の熱需要のうち、気温・湿度等が、気象予報で予測された気温・温湿等と似通っているものを複数抽出する。そして、熱需要予測部１０３１は、抽出した過去の熱需要の平均値をとることで、翌日の熱需要を予測する。
なお、熱需要の予測方法はこれに限定されず、例えば、過去の気象予報、室内機（熱負荷装置２２２）の設定温度、需要施設Ｆを構成する躯体の構造等に基づいて熱需要を算出してもよい。また、熱源システム管理装置１００とは別に、熱需要を予測する装置（図示せず）を設けて、この装置から入力部１０１を介して熱需要を取り込むようにしてもよい。
熱需要予測上限値算出部１０３２は、熱需要予測部１０３１によって算出された熱需要の予測値に、所定の予測誤差を加算することによって熱需要予測上限値を算出する。なお、「予測誤差」とは、熱需要予測部１０３１によって予測される熱需要と、需要施設Ｆで実際に消費される冷熱量と、の誤差である。予測誤差の値（例えば、熱需要の予測値の１０％）は、運転実績情報１０２３に含まれる過去の熱需要予測値と運転実績との比較に基づいて予め設定されている。
なお、予測誤差は、気象予報で予測されていたよりも気温が高くなった場合でも、実際の熱需要が熱需要予測上限値を超えることがないように設定されている。ちなみに、熱需要の予測値は、予測対象となる期間の各時刻で異なる値になるため（図５（ａ）の破線を参照）、この予測値に所定の予測誤差を加算した熱需要予測上限値も、各時刻で異なる値になる（図５（ｂ）の実線を参照）。
図２に示す運転計画作成部１０３３は、前記した熱需要予測上限値の熱が需要施設Ｆに供給されるように、熱源システム２００の運転計画を作成する。つまり、運転計画作成部１０３３は、所定の余裕（予測誤差）をもって、熱需要の予測値よりも大きな冷熱を需要施設Ｆに供給できるように運転計画を作成する。
前記した運転計画には、熱源システム２００の運転モード（蓄熱運転、放熱運転）と、その運転モードを実行する時間帯と、一次側ユニットＡ〜Ｄのうち稼働／停止されるものを特定する情報と、が含まれる。
なお、「蓄熱運転」とは、冷凍機２１１ａ等によって冷水に冷熱を与え、この冷熱を蓄熱槽２１３に蓄える運転モードである。
また、「放熱運転」とは、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱を需要施設Ｆに放熱する運転モードである。この「放熱運転」には、冷凍機２１１ａ等を稼働しつつ需要施設Ｆに冷熱を供給する場合（いわゆる追掛運転）と、全ての冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを停止した状態で需要施設Ｆに冷熱を供給する場合と、が含まれる。
図２に示す余剰蓄熱量算出部１０３４は、運転計画に従って行われる放熱運転中、前記した熱需要予測上限値から、需要施設Ｆで消費された冷熱量を減算することによって余剰蓄熱量を算出する。放熱運転時に需要施設Ｆで消費される冷熱量は、通常、熱需要予測上限値よりも小さいため、その分だけ冷熱が余る。この余った分の冷熱が、余剰蓄熱量である。余剰蓄熱量算出部１０３４は、放熱運転中、余剰蓄熱量を算出する処理を所定周期で（例えば、１時間毎に）繰り返す。
運転計画変更部１０３５は、前記した余剰蓄熱量を打ち消すように、冷凍機２１１ａ等の将来の稼働率を小さくして運転計画を逐次変更する。なお、運転計画変更部１０３５が実行する処理については後記する。
出力部１０４は、運転計画作成部１０３３によって作成された運転計画や、その後に運転計画変更部１０３５によって変更された運転計画に基づく制御指令を、熱源システム２００の各機器に出力する。
表示制御部１０５は、マウスやキーボードを介した操作に応じて、運転実績情報や運転計画等を表示装置３００に表示させる。
＜熱源システム管理装置の動作＞
図４は、熱源システム管理装置１００が実行する処理を示すフローチャートである。なお、図４に示す「ＳＴＡＲＴ」の時刻は、例えば、午前０時であり、その日の２４時間分（１時間毎）の気象予報が配信されたものとする。
ステップＳ１０１において熱源システム管理装置１００は、熱需要予測部１０３１によって、その日の熱需要を予測する。例えば、熱源システム管理装置１００は、その日の１時間毎の熱需要を２４時間ぶん予測する。
図５（ａ）は、熱源システム２００の運転計画に関する説明図である。図５（ａ）に示す０時（図４の「ＳＴＡＲＴ」時）が現在の時刻である。図５（ａ）の横軸はその日の各時刻であり、縦軸は冷熱量である。なお、図５（ａ）に示す直線Ｕの下側は蓄熱運転によって蓄熱槽２１３に蓄えられる冷熱量である。直線Ｕの上側は冷凍機２１１ａ等で生成される冷熱量、又は蓄熱槽２１３から需要施設Ｆに放熱される冷熱量である。
図５（ａ）に示す例では、破線（熱需要の予測値）で示すように、熱需要が７時から８時半頃まで急上昇し、８時半頃から１５時過ぎまで緩やかに上昇し、１５時過ぎから低下すると予測されている。
なお、図５（ａ）に示す複数の矩形領域は、所定の時間帯に冷凍機２１１ａ〜２１１ｄで生成される冷熱量を表している。直線Ｕの上側の１段目は冷凍機２１１ａで生成される冷熱量であり、２，３，４段目は、冷凍機２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄで生成される冷熱量である。例えば、符号Ｗ１で示す矩形領域の面積は、２時〜３時に冷凍機２１１ａで生成される冷熱量を表している。
図４のステップＳ１０２において熱源システム管理装置１００は、熱需要予測上限値算出部１０３２によって、各時刻（１時間毎）における熱需要予測上限値を算出する（熱需要予測上限値算出ステップ）。すなわち、熱源システム管理装置１００は、ステップＳ１０１で求めた熱需要の予測値に所定の予測誤差（例えば、熱需要の予測値の１０％：図５（ａ）参照）を加算することで熱需要予測上限値を算出する。なお、図５（ａ）に示す実線は、各時刻における熱需要予測上限値の推移を示している。
図４のステップＳ１０３において熱源システム管理装置１００は、運転計画作成部１０３３によって、熱源システム２００のその日の運転計画を作成する（運転計画作成ステップ）。まず、熱源システム管理装置１００は、運転計画の対象となる期間（一日分）を複数の時間帯（１時間毎）に分割し、各時間帯での冷熱の生成コスト（単位熱量当たりの生成コスト）を、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄのそれぞれについて算出する。そして、熱源システム管理装置１００は、冷熱の生成コストの小さい冷凍機を優先的に稼働させるように運転計画を作成する。
図５（ｂ）は、各時間帯の電力単価を示す説明図である。図５（ｂ）に示す例では、夜間（１８時〜翌朝の７時）の電力単価は、昼間よりも安くなっている。この安価な夜間電力を用いて蓄熱運転を行い、昼間に放熱運転を行うように運転計画が作成される。
まず、蓄熱運転の運転計画について説明する。熱源システム管理装置１００は、電力単価の安い夜間（７時まで）に冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを定格負荷で稼働したと仮定し、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄのそれぞれに関して、各時間帯の冷熱の生成コストを算出する。冷熱の生成コストは、冷凍機２１１ａ等を定格運転したとき消費電力量（図３の縦軸を参照）に、電力単価（図５（ｂ）参照）を掛け、生成した冷熱量で除算することで求められる。
前記したように、冷凍機２１１ａのエネルギ効率が最も高いため（図３参照）、各時間帯での冷熱の生成コストは冷凍機２１１ａが最も低くなる。同様に、図３に示すエネルギ消費特性によれば、冷凍機２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄの順に冷熱の生成コストが高くなる。
図５（ａ）に示す運転計画では、蓄熱槽２１３に所定量の冷熱が蓄えられるように（例えば、満蓄に近い状態になるように）、１時〜７時に冷凍機２１１ａ，２１１ｂのみが定格運転される。ちなみに、直線Ｕの下側に記載した網掛部分の面積は、蓄熱槽２１３に蓄えられる冷熱量を表している。
次に、放熱運転の運転計画について説明する。まず、熱源システム管理装置１００は、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱を利用しない場合を仮定し、前記した熱需要予測上限値に基づいて冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを稼働したときに生成される冷熱量を算出する。そして、熱源システム管理装置１００は、冷熱の生成コストの小さい冷凍機２１１ａ等から優先的に稼働するように運転計画を作成する。
例えば、図５（ａ）に示す７時〜８時では、冷熱の生成コストの最も小さい冷凍機２１１ａのみを定格運転するように運転計画が作成される。また、熱需要が急上昇する８時〜９時では、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを全て定格運転するように運転計画が作成される。なお、図５（ａ）に示す冷熱量Ｐ１は、冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを全て定格運転した場合において単位時間当たりに生成される冷熱量である。
図５（ａ）に示す例では、９時頃〜１７時頃において、熱需要予測上限値が冷熱量Ｐ１を上回っている。この足りない分の冷熱量（以下、不足分の冷熱量という）は、熱需要予測上限値を時間で積分した値から、放熱運転中に冷凍機２１１ａ等で生成する冷熱量を減算することで求められる。
図５（ａ）に示すように、不足分の冷熱量（冷熱量Ｐ１の直線と、熱需要予測上限値の曲線と、によって囲まれる面積）は、蓄熱槽２１３に蓄えられる冷熱量（直線Ｕの下側の網掛部分の面積）よりも小さい。つまり、熱需要予測上限値に基づいて冷凍機２１１ａ等を可能な限り稼働した場合には、冷熱が余る。この余った分の冷熱を、冷凍機２１１ｄ等を一時的に停止することで打ち消すように運転計画が作成される。
次に、放熱運転中に一時的に停止させる冷凍機の優先順位について説明する。
熱源システム管理装置１００は、放熱運転を行う際の冷熱の生成コストを冷凍機２１１ａ〜２１１ｄに関して算出する。そして、熱源システム管理装置１００は、放熱運転を行う予定の各時間帯（図５（ａ）では、７時〜２１時を１時間毎に分割した時間帯）と、その時間帯に稼働する冷凍機と、の組合せに関して、冷熱コストの高いものから順位付けする。
例えば、図３に示すように、定格運転（負荷率＝１）を行う場合、冷凍機２１１ｄは最も効率が低くなっている。また、図５（ｂ）に示すように、１１時〜１３時の電力単価は、他の時間帯と比べて高くなっている。仮に１１時〜１３時に冷凍機２１１ｄを稼働すると電力コストの増加を招くため、この時間帯には冷凍機２１１ｄを停止させておくことが望ましい。
したがって、図５（ａ）に示す例では、１１時〜１２時の時間帯と冷凍機２１１ｄとの組合せには順位１が付けられ、１２時〜１３時の時間帯と冷凍機２１１ｄとの組合せには順位２が付けられている。ちなみに、各組合せに関して冷熱コストが等しいものが存在する場合、例えば、時間帯が早いものほど高順位にする等の規則が設定されている。
同様にして、熱源システム管理装置１００は、時間帯と冷凍機との組み合わせに関して、例えば、順位１〜８を付ける（図５（ａ）の矩形内の数字を参照）。このように熱源システム管理装置１００は、放熱運転中に停止させる冷凍機を選択する際、冷熱の生成コストの大きいものを優先的に停止させるように運転計画を作成する。
図５（ａ）に示す例では、順位１〜４に対応して冷凍機２１１ｄを１０時〜１４時まで停止すれば、熱需要予測上限値の熱需要があった場合において、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱をその日のうちに使い切ることができると予測されている。
なお、蓄熱運転によって蓄熱槽２１３に蓄えられる冷熱量（直線Ｕの下側の網掛部分の面積）と、放熱運転によって需要施設Ｆに供給される冷熱量（直線Ｕの上側の網掛部分の面積）と、は等しくなっている。また、図５（ａ）に示す順位５〜８は、後記する運転計画の変更（Ｓ１０９：図４参照）を行う際に用いられる。
図５（ｃ）は、蓄熱残量の予測値を示す説明図である。図５（ｃ）の破線で示すように、蓄熱槽２１３の蓄熱残量は、蓄熱運転を行う１時〜７時において増加し、その後の放熱によってなだらかに減少した後、放熱運転の終了時（１７時）にはゼロになると予測されている。
再び、図４に戻って説明を続ける。
ステップＳ１０４において熱源システム管理装置１００は、ステップＳ１０３で作成した運転計画に基づいて、蓄熱運転を実行する。図６（ｂ）に示すように、熱源システム管理装置１００は、電力単価が安価な夜間（１時〜７時）に、冷凍機２１１ａ，２１１ｂ及び一次側冷水ポンプ２１２ａ，２１２ｂを稼働させて蓄熱運転を実行する。
図６（ｃ）は、蓄熱残量の予測値及び蓄熱残量の実測値を示す説明図である。図６（ｃ）の実線で示すように、蓄熱槽２１３の蓄熱残量の実測値は、運転計画どおりに上昇している。蓄熱運転中、比較的低温（例えば、５℃）の冷水と、比較的高温（例えば、１２℃）の冷水と、の温度界面Ｓ（図１参照）は徐々に上昇する。
ちなみに、冷凍機２１１ａ等から蓄熱槽２１３に供給される単位時間当たりの冷熱量Ｑ1、蓄熱槽２１３から需要施設Ｆに供給される単位時間当たりの冷熱量Ｑ2は、以下に示す（数式１）、（数式２）で表される。ここで、ρw［ｋｇ／ｍ3］は冷水の密度であり、ＣPw［Ｊ／（ｋｇ・℃）］は冷水の比熱である。また、Ｔs［℃］は冷水の送水温度（温度検出器Ｔ１の検出値）であり、Ｔr［℃］は冷水の戻り温度（温度検出器Ｔ２の検出値）である。また、Ｗ1［ｍ3／ｓ］は一次側流量（冷凍機２１１ａ等からの送水流量の合計値）であり、Ｗ2［ｍ3／ｓ］は二次側流量（蓄熱槽２１３から需要施設Ｆへの送水流量）である。
Ｑ1＝ρw・ＣPw・Ｗ1・（Ｔｒ−Ｔs） ・・・（数式１）
Ｑ2＝ρw・ＣPw・Ｗ2・（Ｔｒ−Ｔs） ・・・（数式２）
また、単位時間当たりの蓄熱槽２１３への蓄熱量ＱT（冷熱の増加分）と、単位時間当たりの蓄熱槽２１３からの放熱量（冷熱の減少分）と、は以下に示す（数式３）で表される。
ＱT=−ＱH＝Ｑ1−Ｑ2 ・・・（数式３）
図４のステップＳ１０５において熱源システム管理装置１００は、蓄熱運転の終了時刻（例えば、７時：図６（ａ）参照）になったか否かを判定する。蓄熱運転の終了時刻になった場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、熱源システム管理装置１００の処理はステップＳ１０６に進む。蓄熱運転の終了時刻になっていない場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）、熱源システム管理装置１００の処理はステップＳ１０４に戻る。
ステップＳ１０６において熱源システム管理装置１００は、ステップＳ１０３で作成した運転計画に基づいて放熱運転を実行する。例えば、熱源システム管理装置１００は、７時〜８時には（図６（ａ）参照）、冷凍機２１１ａ、一次側冷水ポンプ２１２ａ、及び二次側冷水ポンプ２２１を稼働する。そうすると、冷凍機２１１ａで冷やされた冷水が蓄熱槽２１３の下部に供給され、同量の冷熱量の冷水が蓄熱槽２１３から需要施設Ｆに供給される。なお、需要施設Ｆでの熱消費によって昇温した冷水は、配管ｈ５を介して蓄熱槽２１３の上部に戻され、冷凍機２１１ａ等によって再度冷却される。
図４のステップＳ１０７において熱源システム管理装置１００は、放熱運転の開始（又は、前回の運転計画の変更）から所定時間Δｔ１が経過したか否かを判定する。所定時間Δｔ１は、運転計画の変更（Ｓ１０９）を行う周期である。本実施形態では、所定時間Δｔ１を１時間としている。
放熱運転の開始から所定時間Δｔ１が経過した場合（Ｓ１０７：Ｙｅｓ）、熱源システム管理装置１００の処理はステップＳ１０８に進む。放熱運転の開始から所定時間Δｔ１が経過していない場合（Ｓ１０７：Ｎｏ）、熱源システム管理装置１００はステップＳ１０７の処理を繰り返す。
図６（ａ）は、放熱運転中に需要施設Ｆで消費された冷熱量の推移を示す説明図である。なお、図６（ａ）では現在時刻が１０時であり、１０時までが「運転実績」、１０時以後が「運転計画」になっている。また、図６（ａ）に示す太線は、需要施設Ｆで実際に消費された単位時間当たりの冷熱量の推移を表している。
図４のステップＳ１０８において熱源システム管理装置１００は、余剰蓄熱量算出部１０３４によって、余剰蓄熱量を算出する（余剰蓄熱量算出ステップ）。図６（ａ）に示すように現在時刻が１０時である場合、熱源システム管理装置１００は、９時〜１０時における熱需要予測上限値から、需要施設Ｆで消費された冷熱量を減算することによって余剰蓄熱量（斜線部分Ｊ１の面積）を算出する。なお、需要施設Ｆで消費された冷熱量は、前記した（数式３）に基づいて算出される。
ステップＳ１０９において熱源システム管理装置１００は、運転計画変更部１０３５によって、運転計画を変更する（運転計画変更ステップ）。
例えば、図６（ａ）に示す９時〜１０時の時間帯では、熱需要予測上限値から、需要施設Ｆで消費された冷熱量を減算した分の余剰蓄熱量が蓄熱槽２１３内に余っている（Ｓ１０９：Ｙｅｓ）。つまり、当初の運転計画で予測されていた１０時の時点での冷熱残量よりも多くの冷熱が蓄熱槽２１３に蓄えられている（図６（ｃ）参照）。熱源システム管理装置１００は、この余剰蓄熱量を打ち消すように、冷凍機２１１ａ等の将来の稼働台数を減らす（稼働率を小さくする）。
ちなみに、運転計画を変更する際、どの冷凍機をどの時間帯に停止させるかは、ステップＳ１０３の運転計画で作成した順位１〜８に基づいて決定される。すなわち、熱源システム管理装置１００は、冷熱の生成コストの大きい冷凍機を優先的に停止するように運転計画を変更する。なお、冷凍機のエネルギ消費特性は外気温度や湿度によって変化するため、運転計画を変更する際、停止させる冷凍機の順位を再度決定してもよい。
図６（ａ）に示すように、順位１〜４については既に割り当てられ、１０時〜１４時に冷凍機２１１ｄを停止することが確定している。したがって、熱源システム管理装置１００は、順位５に基づいて、１１時〜１２時において冷凍機２１１ｃを部分負荷で運転するように運転計画を変更する。つまり、熱源システム管理装置１００は、図６（ａ）に示す斜線部分Ｊ１の余剰蓄熱量を、斜線部分Ｊ２に移して冷凍機２１１ｃの負荷率を小さくする。ちなみに、１１時〜１２時における冷凍機２１１ｃの負荷率は、定格運転時に生成される冷熱量から、余剰蓄熱量を差し引いた分の冷熱が生成されるように設定される。
なお、本実施形態では、１１時〜１２時において冷凍機２１１ｃを部分負荷で運転するように運転計画を変更したが（図６参照）、他の方法として、冷凍機２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃの定格運転時に生成される冷熱量から、余剰蓄熱量を差し引いた分の冷熱を、冷凍機２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃを等負荷率（均等な部分負荷）にして供給する運転計画に変更してもよい。
このように熱源システム管理装置１００は、余裕をもって熱需要予測上限値の冷熱を需要施設Ｆに供給し、需要施設Ｆで消費し切れずに余った分の冷熱を、将来の冷凍機２１１ｄ等の停止（又は部分負荷での運転）に割り当てるように運転計画を逐次変更する。したがって、熱需要の予測値を上回る熱需要があったとしても、蓄熱槽２１３内の冷熱が不足することはない。
また、熱源システム管理装置１００は、前記した順位１〜８に基づいて、冷熱の生成コストの低い冷凍機２１１ｄ等を優先的に停止するように運転計画を逐次変更する。したがって、冷凍機２１１ｄ等の稼働に要するコストを最小限に抑えることができる。
なお、図４のフローチャートでは省略したが、例えば、図６（ａ）に示す７時〜８時の時間帯には、需要施設Ｆで実際に消費された冷熱量が、熱需要予測上限値に略等しくなっている。このように余剰蓄熱量が非常に小さい場合、８時において運転計画の変更を行わないようにしてもよい。
図４のステップＳ１１０において熱源システム管理装置１００は、変更した運転計画を実行する。図６（ａ）に示す例では、現在時刻が１０時のときに１１時〜１２時の運転計画が変更されている。したがって、１０時〜１１時には当初の予定どおりに冷凍機２１１ｄのみが停止され、１１時〜１２時には、１０時と１１時において２回変更された運転計画が実行される（例えば、冷凍機２１１ｃ，２１１ｄが停止される）。
図４のステップＳ１１１において熱源システム管理装置１００は、放熱運転の終了時刻（例えば、２４時）になったか否かを判定する。放熱運転の終了時刻になった場合（Ｓ１１１：Ｙｅｓ）、熱源システム管理装置１００は処理を終了する（ＥＮＤ）。放熱運転の終了時刻になっていない場合（Ｓ１１１：Ｎｏ）、熱源システム管理装置１００の処理はステップＳ１０６に戻る。
なお、ステップＳ１０６〜Ｓ１１１の処理は、例えば、１時間毎に繰り返し実行される。そして、運転計画の変更（Ｓ１０９）が行われる度に、前記した余剰蓄熱量を打ち消すように将来の冷凍機２１１ｄ等の稼働台数が変更される。
放熱運転中、蓄熱槽２１３で蓄えられていた冷熱は消費されて温度界面Ｓ（図１参照）の高さが徐々に低くなり、放熱運転の終了時には蓄熱槽２１３の蓄熱残量が略ゼロになる。これは、蓄熱槽２１３内の冷熱を使い切るように当初の運転計画を立て（図６（ａ）参照）、さらに、余剰蓄熱量を冷凍機２１１ｄ等の将来の停止に割り当てるようにしたからである。
＜効果＞
本実施形態によれば、熱需要の予測値よりも大きい熱需要予測上限値に基づいて、運転計画が作成される。そして、熱需要の予測値よりも多い冷熱が蓄熱槽２１３に供給され、需要施設Ｆで実際に消費される冷熱が蓄熱槽２１３から需要施設Ｆに供給され、余った分の冷熱が蓄熱槽２１３に蓄えられる。したがって、例えば、実際の熱需要が予測値を上回った場合でも、熱需要予測上限値よりも小さければ、冷熱が不足することはない。
また、需要施設Ｆで消費されずに余った分の余剰蓄熱量は、冷凍機２１１ｄ等の将来の停止（又は負荷率の減少）に割り当てられる。したがって、放熱運転の終了時には蓄熱槽２１３の蓄熱残量を略ゼロにすることができる。つまり、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱をその日のうちに過不足なく使い切ることができるため、蓄熱槽２１３での放熱損失を抑制できる。
また、熱源システム管理装置１００は、冷熱の生成コストの低い冷凍機２１１ａ等を優先的に稼働させ、冷熱の生成コストの高い冷凍機２１１ｄ等を優先的に停止させる。これによって、熱源システム２００の省エネ化を図ることができるとともに、電力コストを最小限に抑えることができる。
≪変形例≫
以上、本発明に係る熱源システム管理装置１００について実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、熱源システム管理装置１００が、運転計画変更部１０３５によって運転計画を変更する際（Ｓ１０９：図４参照）、蓄熱槽２１３の蓄熱残量が「蓄熱残量下限値」を下回らないように冷凍機２１１ａ等の稼働台数を調整するようにしてもよい。
前記した「蓄熱残量下限値」は、熱需要予測上限値の熱を需要施設Ｆに供給可能にするための蓄熱残量の下限値であり、時間の経過とともに変動する。具体的に説明すると、現在時刻（例えば、１０時）以後において、図６（ａ）に示す熱需要予測上限値の曲線と、冷熱量Ｐ１と、によって囲まれる面積に相当する冷熱量が「蓄熱残量下限値」である。前記したように、「蓄熱残量下限値」以上の冷熱を蓄熱槽２１３に蓄えておくことで、蓄熱槽２１３内の冷熱が不足することを確実に防止できる。
また、熱源システム管理装置１００の構成として、蓄熱槽２１３における放熱損失を算出する「放熱損失算出部」を追加してもよい。この放熱損失は、外気温度と、蓄熱槽２１３に貯留されている冷水の温度分布と、に基づいて算出される。
なお、蓄熱槽２１３から外気への単位時間当たりの放熱損失ＱL［Ｗ］は、以下の（数式４）で表される。ここで、Ｓ［−］は蓄熱率（蓄熱量／最大蓄熱容量）であり、ｈ［Ｗ／（ｍ2・℃）］は蓄熱槽２１３から外気への熱伝達率であり、ＴO［℃］は外気温度である。また、ＴC［℃］は蓄熱槽２１３に貯留されている低温の冷水の温度であり、ＴH［℃］は蓄熱槽２１３に貯留されている比較的高温の冷水の温度である。Ａc［ｍ2］は蓄熱槽２１３において低温の冷水が満たされている部分の表面積であり、ＡH［ｍ2］は蓄熱槽２１３において比較的高温の冷水が満たされている部分の表面積である。
ＱL＝Ｓ・ｈ・Ａc・(ＴO−ＴC)＋（１−Ｓ）・ｈ・ＡH ・(ＴO-ＴH) ・・・（数式４）
そして、運転計画作成部１０３３は、熱需要予測上限値に放熱損失ＱLを加算した熱が冷凍機２１１ａ等で生成されるように運転計画を作成する（Ｓ１０３：図４参照）。これによって、蓄熱槽２１３の蓄熱残量を正確に算出することができ、蓄熱槽２１３に蓄えられた冷熱を過不足なくその日のうちに使い切ることができる。
また、実施形態では、需要予測上限値が冷熱量Ｐ１（図６（ａ）参照）を上回る時間帯（９時頃〜１７時頃：図６（ａ）参照）が存在する場合について説明したが、これに限らない。例えば、比較的涼しい季節では、需要予測上限値が冷熱量Ｐ１を上回る時間帯が存在しないこともあるが、この場合でも実施形態と同様の方法で運転計画を作成・変更すればよい。
また、実施形態では、熱源システム２００が４台の冷凍機２１１ａ〜２１１ｄを備える場合について説明したが、これに限らない。すなわち、冷凍機の台数は、３台以下であってもよいし、５台以上であってもよい。なお、冷凍機が１台である場合には、熱源システム管理装置１００は、余剰蓄熱量を打ち消すように当該冷凍機の将来の負荷率（稼働率）を小さくすることで運転計画を変更する。
また、実施形態では、需要施設Ｆの冷房を行うために、蓄熱槽２１３から低温の冷水を需要施設Ｆに供給する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、需要施設Ｆの暖房を行うために、熱源機（ヒートポンプ、ボイラ、電熱機器等）で生成した温熱を蓄熱槽２１３に蓄え、この温熱を需要施設Ｆに供給するようにしてもよい。なお、高温水は蓄熱槽２１３の上部に蓄えられるため、実施形態（図１参照）で説明した向きとは逆向きに温水を循環させるようにする。
また、実施形態では、熱媒体が水である場合について説明したが、水以外の熱媒体を用いてもよい。
また、各拠点に設置された複数の熱源システム２００と、熱源システム管理装置１００と、がネットワークを介して情報をやり取りするクラウド・コンピューティングのシステムであってもよい。
また、実施形態では、熱源システム管理装置１００をエネルギ・ネットワーク制御システムに適用する場合について説明したが、これに限らない。すなわち、熱源システム管理装置１００を冷暖房制御システムに適用し、所定地域内での冷暖房に伴う熱需要に基づいて、運転計画を作成・変更するようにしてもよい。また、熱源システム管理装置１００を熱供給プラント制御システムに適用し、工場や発電所等のプラントの熱需要に基づいて、運転計画を作成・変更するようにしてもよい。
また、実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、実施形態では、プログラムによって、コンピュータである熱源システム管理装置１００に一連の処理（図４参照）を実行させる場合について説明したが、これに限らない。すなわち、熱源システム管理装置１００が備える各構成（図２参照）の機能を、集積回路で設計する等によってハードウェアで実現してもよい。また、各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報を、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、又は、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に格納してもよい。
１００ 熱源システム管理装置
１０３ 演算処理部
１０３１ 熱需要予測部
１０３２ 熱需要予測上限値算出部
１０３３ 運転計画作成部
１０３４ 余剰蓄熱量算出部
１０３５ 運転計画変更部
２００ 熱源システム
２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃ，２１１ｄ 冷凍機（熱源機）
２１３ 蓄熱槽
２２２ 熱負荷装置（負荷）
Ｆ 需要施設（負荷）

Claims (7)

  1. 一つ又は複数の熱源機と、前記熱源機で生成される冷熱又は温熱を蓄える蓄熱槽と、を備える熱源システムに対する熱需要の予測値に、所定の予測誤差を加算することによって熱需要予測上限値を算出する熱需要予測上限値算出部と、
    前記熱需要予測上限値の熱が前記熱源システムの負荷側に供給されるように、前記熱源システムの運転計画を作成する運転計画作成部と、
    前記運転計画に従って前記蓄熱槽から前記負荷側に放熱する放熱運転中、前記熱需要予測上限値から、前記負荷側で消費された熱量を減算することによって余剰蓄熱量を算出する処理を繰り返す余剰蓄熱量算出部と、
    前記余剰蓄熱量を打ち消すように、前記熱源機の将来の稼働率を小さくして前記運転計画を逐次変更する運転計画変更部と、を備えること
    を特徴とする熱源システム管理装置。
  2. 前記熱源システムは、複数台の前記熱源機を備え、
    前記運転計画作成部は、前記運転計画の対象となる期間を複数の時間帯に分割し、各時間帯での単位熱量当たりの生成コストを前記熱源機それぞれについて算出し、前記生成コストの大きい熱源機を優先的に停止させるように前記運転計画を作成すること
    を特徴とする請求項１に記載の熱源システム管理装置。
  3. 前記運転計画変更部は、複数台の前記熱源機のうち、前記余剰蓄熱量を打ち消すために停止させる熱源機を選択する際、各時間帯での単位熱量当たりの生成コストの大きい熱源機を優先的に停止させるように前記運転計画を逐次変更すること
    を特徴とする請求項１に記載の熱源システム管理装置。
  4. 前記運転計画変更部は、前記負荷側で消費された熱量に基づいて、前記蓄熱槽に蓄えられている熱の残量である蓄熱残量を算出し、当該蓄熱残量が、前記熱需要予測上限値の熱を前記負荷側に供給可能にするための蓄熱残量下限値を下回らないように、前記運転計画を逐次変更すること
    を特徴とする請求項１に記載の熱源システム管理装置。
  5. 外気温度と、前記蓄熱槽に貯留されている熱媒体の温度分布と、に基づいて、前記蓄熱槽における放熱損失を算出する放熱損失算出部を備え、
    前記運転計画作成部は、前記熱需要予測上限値に前記放熱損失を加算した熱が前記熱源機で生成されるように、前記運転計画を作成すること
    を特徴とする請求項１に記載の熱源システム管理装置。
  6. 一つ又は複数の熱源機と、前記熱源機で生成される冷熱又は温熱を蓄える蓄熱槽と、を備える熱源システムに対する熱需要の予測値に、所定の予測誤差を加算することによって熱需要予測上限値を算出する熱需要予測上限値算出ステップと、
    前記熱需要予測上限値の熱が前記熱源システムの負荷側に供給されるように、前記熱源システムの運転計画を作成する運転計画作成ステップと、
    前記運転計画に従って前記蓄熱槽から前記負荷側に放熱する放熱運転中、前記熱需要予測上限値から、前記負荷側で消費された熱量を減算することによって余剰蓄熱量を算出する処理を繰り返す余剰蓄熱量算出ステップと、
    前記余剰蓄熱量を打ち消すように、前記熱源機の将来の稼働率を小さくして前記運転計画を逐次変更する運転計画変更ステップと、を含むこと
    を特徴とする熱源システム管理方法。
  7. 請求項６に記載の熱源システム管理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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