JP2020180782A - 空調システムの制御装置、制御方法、制御プログラムおよび空調システム - Google Patents
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、空調システムの各機器の情報を基に、空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定し、推定した冷水温度を熱源機の制御目標値に設定し、推定した冷却水温度を冷却塔の制御目標値に設定する。
と、冷却塔と、制御装置と、を備え、制御装置は、少なくとも外気と熱負荷の情報を基に、空調機が室内条件を制御で満たすことが可能な冷水温度を推定し、空調システムの各機器の情報を基に、空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定し、推定した冷水温度を熱源機の制御目標値に設定し、推定した冷却水温度を冷却塔の制御目標値に設定する、空調システムであってもよい。
る。空調機10のコイル11を通る冷水は、空調機10と冷凍機20との間で冷水の循環経路を形成する冷水循環系40によって運ばれる。また、冷凍機20を冷却する冷却水は、冷却塔30と冷凍機20との間で冷却水の循環経路を形成する冷却水循環系50によって運ばれる。なお、図1では、空調機10が1つと、冷却塔30と冷凍機20が2つずつ図示されているが、空調機10と冷却塔30と冷凍機20の各台数は、室内4の数や大きさ、室内4で発生する熱量、空調システム1が設置される地域の気候、その他の様々な設計要素に基づいて適宜決定される。
情報が入力される。熱源コントローラ21は、これらの情報に基づいて、冷却水循環ポンプ51の回転速度、冷水1次ポンプ41の回転速度、冷凍機20の能力を左右する圧縮機の回転速度やベーン開度の調整を行う。また、熱源コントローラ21は、温度センサの測定値や流量センサの測定値、冷却水循環ポンプ51の運転状態、冷水1次ポンプ41の運転状態、冷凍機20の運転状態といった各種の情報を上位装置へ送信する機能も有する。
有するコンピュータであり、コンピュータプログラムを実行することにより、空調システム1全体の制御を司る。すなわち、中央コントローラ3は、コンピュータプログラムを実行すると、例えば、リアルタイム(10分毎)に外気条件(外気の温度や湿度)や室内条件(室内の温度や湿度)、熱源負荷条件(冷凍機の製造熱量等)等の値を各機器のコントローラから取得し、予め作成してある冷凍機20、補機類(冷却水ポンプや冷水ポンプ等
)、空調機10といった各空調機器の運転状態と機器固有のCOPとの相関を示した特性データを読み出し、所定のルールエンジンに従って各機器の制御目標値の最適化処理を実行する。そして、中央コントローラ3は、空調システム1全体のCOPが最大となるように最適化処理を施した各機器の制御目標値を各機器のコントローラへ出力する。各機器のコントローラは、制御対象のパラメータが、最適化処理が施された新たな制御目標値になるように制御量を調整する。最適化処理が施された制御目標値へ向かって各機器のコントローラが制御量を調整することにより、結果的に空調システム1全体のCOPが最大となる。
ステップS103では、中央コントローラ3は、上述の通り、冷凍機冷水出口温度の推論を行う。この推論では、中央コントローラ3は、室内条件を取得できない場合には、仮想室内設計条件および仮想空調機設計に基づいて冷凍機冷水出口温度の推論を行う。また、中央コントローラ3は、室内の温度および相対湿度の情報が取得できる場合には、室内の温度および相対湿度の変化状態に基づいて冷凍機冷水出口温度の推論を行う。ステップS103の推論では、中央コントローラ3は、外気の除湿の要否を判定する。外気の除湿が不要な場合、かつ、空調負荷が小さいと判定された場合、空調機10は室内の潜熱負荷を無視できるため、室内の顕熱負荷を処理できればよい。そこで、中央コントローラ3は、室内の顕熱負荷を処理可能な空調機10の運転条件を決定することで、冷凍機冷水出口温度の最適化を図る。冷凍機冷水出口温度が最適化されることで冷凍機20の運転効率が高まり、空調システム1全体のCOPの向上が期待できる。中央コントローラ3は、ステップS103の推論処理をリアルタイム(例えば10分毎)に行う。中央コントローラ3は、ステップS104の冷却水温度の推定に際し、この推定された冷水温度を基にして、合計消費電力が最も小さくなる冷却水温度を選定する。
図4は、中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論フローを例示する第1の図である。図4では、室内条件が取得できない場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローが例示される。図4は、図3のステップS103の処理の詳細の一例を示す図である。以下、図4を参照して、室内条件が取得できない場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローについて説明
する。
中央コントローラ3は、仮想空調機の設計情報として、コイル入口水温tw1、コイル出
口水温tw2、コイル通水量L、コイル通水熱量qw、コイル入口空気温度ta1、コイル出口空気温度ta2および給気風量Gを以下のように決定する。中央コントローラ3は、設定ファ
イルを読み込み、初期設定によって登録された空調機10のコイル11のコイル入口水温tw1、コイル出口水温tw2、冷凍機20の台数および冷水2次ポンプ42の定格流量を取得する。ここでは、例えば、コイル入口水温tw1として7℃、コイル出口水温tw212℃、冷凍機20の台数として3台、冷水2次ポンプ42の定格流量として4,030L/minが取得されたものとする。さらに、空調システム1は100台の仮想空調機を備えるものと仮定する。
の温度であるコイル出口空気温度ta2を空調機コントローラ14から取得する。ただし、
これから空調システム1を稼働する場合のように、まだコイル11を空気が流れていない場合には、コイル入口空気温度ta1およびコイル出口空気温度ta2として設定ファイルに登録された初期設定値が採用される。ここでは、例えば、コイル入口空気温度ta1として2
6℃、コイル出口空気温度ta2として17.5℃と登録されていたものとする。さらに、
コイル11に流入する空気の相対湿度は50%RHであると仮定する。
示される空気線図に係るデータは、例えば、中央コントローラ3のメモリ上に保持される。図5の空気線図を参照すると、コイル入口空気温度ta1として26℃で相対湿度50%
RHの空気がコイル出口空気温度ta2である17.5℃まで冷却されると、相対湿度は8
5%RHとなることがわかる。このような仮定の上で、仮想空調機の給気風量Gは、例えば、以下の数式で算出される。
さらに、中央コントローラ3は、仮想室内設計条件を決定する。仮想室内設計条件の決定においては、制御目標となる室内の温度を上述のコイル出口空気温度ta2と仮定し、室
内の相対湿度をコイル出口空気の相対湿度である85%RHと仮定する。
1.コイル通水熱量qwと室内熱負荷処理量qaとが等しい。
2.コイル通水量Lは、計測値と等しい。
3.コイル通水出入口温度差(tw2−tw1)は、計測値と等しい。
4.給気風量Gは、負荷に応じて減少させる。給気風量Gの下限値αは定格値の20%とする。なお、給気風量Gの下限値αは、設定ファイルに登録された値を変更することで変更可能である。
5.給気風量Gが下限値に達し、負荷が小さい場合は、コイル入口水温tw1を上昇させ
る。
6.コイル入口水温tw1の上限値は、以下の式4によって決定される。
塔アプローチ温度(℃)、ΔtCDS-CSは冷凍機冷却水入口と冷水出口の温度差(℃)であ
る。ΔtCDS-CSは、例えば、冷凍機20の能力に基づいて決定され、本実施形態では5℃
としている。式4では、外気湿球温度(t’)と冷却塔アプローチ温度(tap)の和によって、冷却塔冷却水出口温度が算出される。冷却水は冷却塔30から冷凍機20へ供給されるため、冷却塔冷却水出口温度は冷凍機冷却水入口温度と等しい。そのため、中央コントローラ3は、冷凍機冷却水入口温度に対して冷凍機20の能力を考慮した冷凍機冷却水入口と冷水出口の温度差(ΔtCDS-CS)に基づいてコイル入口水温tw1の上限値であるCSLim
を決定できる。なお、コイル入口水温tw1の下限値は、例えば、初期設定時に設定ファイ
ルに登録された値を採用できる。
現在の冷凍機冷水出口温度(コイル入口水温)、ta1はコイル入口空気温度、ta2はコイル出口空気温度である。また、Δt1は、仮想空調機が最低風量αで運転したときにコイルを通過した空気の温度変化を示す最低風量温度変化である。すなわち、式5によれば、今回算出するコイル入口水温tw1newは、現在のコイル入口水温tw1に対して、コイルを通過し
た空気の温度変化から最低風量温度変化Δt1を引いた値が加算されることで算出される。なお、最低風量温度変化Δt1は、例えば、以下の式6によって決定される。
3は冷凍機冷水出口温度を前回算出した温度(tw1old)からマイナス1.0℃した温度を冷凍機冷水出口温度として決定する。図6に例示される表は、例えば、中央コントローラ
3のメモリ上に保持される。冷凍機冷水出口温度を変更する場合(S203で変更許可)、処理はステップS204に進められる。冷凍機冷水出口温度を変更しない場合(S203で変更不許可)、処理はステップS206に進められる。
図7は、中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論フローを例示する第2の図である。図7では、室内条件が取得できる場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローが例示される。図7は、図3のステップS103の処理の詳細の一例を示す図である。図7の処理では、中央コントローラ3は、室内の温度および相対湿度の情報を空調機コントローラ14から取得する。中央コントローラ3は、今回取得した室内の温度および相対湿度と前回取得した室内の温度および相対湿度との変化量に応じて、冷凍機冷水出口温度を変更するか否かを判定する。中央コントローラ3は、取得した室内の温度または相対湿度が上昇傾向にある場合、冷水の温度が下がるように、ステップS106で熱源コントローラ21に出力される冷凍機冷水出口温度のメモリの設定値を変更する。また、中央コントローラ3は、取得した室内の温度または相対湿度が低下傾向にある場合、冷水の温度が上がるように、ステップS106で熱源コントローラ21に出力される冷凍機冷水出口温度のメモリの設定値を変更する。以下、図7を参照して、室内条件が取得できる場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローについて説明する。
S301に戻される。
第1下限値である。tαは温度に係る許容範囲の補正値であり、本実施形態では初期値を
0.5としている。tRM_SP_H(n)は、第n番目の室内の室内温度許容第1上限値である。tRM_SP_HH(n)は、第n番目の室内の室内温度許容第2上限値である。φRM_SP_LL(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第2下限値である。φRM_SP_L(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第1下限値である。φ%(n)は、第n番目の室内に適用される相対湿度の許容範囲である。φαは、相対湿度に係る許容範囲の補正値であり、初期値は0.5となっている。φRM_SP_H(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第1上限値である。φRM_SP_HH(n)は
、第n番目の室内の室内湿度許容第2上限値である。下限値および上限値をこのように第1と第2の2段階で設定しているのは、冷水の温度変化に伴う室内環境の過渡的な変動量を抑制し、且つ、室内で発生する熱量や外気条件の変化に伴う室内環境の制御範囲からの
逸脱を抑制するためである。
対湿度φRM_PV(n)を空調機コントローラ14から取得する。
とになった部屋が存在するか否かを判定する。2回連続で「2↓」と記載された領域に属する部屋が存在する場合(S309でYES)、処理はS309Aに進められる。「2↓」と記載された領域に2回連続で属する部屋が存在しない場合(S309でYES)、処理はS310に進められる。
度を上限値に設定変更する。その後、処理は終了される。
い。その後、処理は終了される。
度を上限値に設定変更する。その後、処理は終了される。
ステップS104では、中央コントローラ3は、冷却塔冷却水出口温度(冷却水温度)の推論を行う。中央コントローラ3は、冷却水温度を決定するためのパラメータであるアプローチ温度を所定の範囲内で仮定する。中央コントローラ3は、仮定したアプローチ温度ごとに、外気条件に応じて定まる冷却水温度から空調システム1のエネルギー消費量を算出し、エネルギー消費量が最小となる冷却水温度を決定する。中央コントローラ3は、決定した冷却水温度で制御されるように、ステップS106で冷却塔コントローラ32に出力される冷却水温度のメモリの設定値を変更する。
チ温度を加算した温度として算出される。冷却塔30の運転流量負荷率は、40%から100%と想定される。
ステップS105では、中央コントローラ3は、冷凍機20の運転台数の推論を行う。
中央コントローラ3は、事前に作成した運用設計シートに基づいて冷凍機20の運転台数を推論する。運用設計シートは、運転条件(冷凍機冷水出口温度及び冷却塔冷却水出口温度)ごとに、空調システム1のエネルギー消費量が最小となる冷凍機20の運転台数を特定する運用情報を含むものであり、運転条件に応じた冷凍機20の性能データ及びポンプ、ファン等の各機器の特性データに基づいて予め作成されたものである。特性データは、例えば、ポンプの吐出量といった各機器の性能に対する動力を示すデータである。冷凍機20は、「熱源機」の一例である。また、運用設計シートは「運用情報」の一例である。
性能データを補完する。性能データの補完により、コンピュータは、各運転条件に対する冷凍機20の消費電力を推論し、空調システム1のエネルギー消費量が最小となる冷凍機20の運転台数を特定することができる。
することに起因する。よって、中央コントローラ3に使用される運用設計シートでは、図17に示すグラフのように、熱源の増減段ポイントが冷却水温度毎に微妙に異なる位置に設定されることになる。
ファンの消費電力の合計値を、エネルギー消費量として算出する。コンピュータは、上述した計算処理を、全ての冷水温度と冷却水温度と熱源全体負荷率の組み合わせ条件について行う。そして、コンピュータは、この組み合わせ条件毎に算出されたエネルギー消費量を、その組み合わせ条件における算出結果として補助記憶装置に格納する。次に、熱源が2台以上の場合、熱源全体負荷率を熱源台数で割った値を元に個別に熱源の消費電力の値を計算する。この複数台の熱源の消費電力の値をポンプ及びファンの消費電力に加算してエネルギー消費量とする。熱源の性能が異なる場合等、熱源の優先順位が設定されている場合は、その優先順位に従い個別に熱源の消費電力を計算する。熱源が2台以上ある場合には、複数の熱源の組み合わせパターン(熱源が1台の場合や2台以上の場合)の全てについて、上述して熱源が2台以上の場合における空調システム1のエネルギー消費量の算出を行う。そして、冷水温度と冷却水温度と熱源全体負荷率の全ての組み合わせ条件について、複数の熱源の全ての組み合わせパターンにおけるエネルギー消費量を相互に比較し、エネルギー消費量が最小となる場合における熱源の運転台数を、冷水温度と冷却水温度と熱源全体負荷率の組み合わせ条件における熱源の運転台数として選択し、この運転台数を補助記憶装置に格納する。このようにして、冷水温度毎に、冷却水温度と熱源全体負荷率に応じた熱源の運転台数を求め、その求められた運転台数をテーブル、すなわち図15に示すような運用設計シートに格納する。なお、冷却水循環ポンプ51、冷却塔ファン31の動力、及び冷水1次ポンプ41の負荷率は、冷凍機20の熱源全体負荷率と同じと仮定して消費電力の値を求めている。
中央コントローラ3が行う上記のような冷凍機冷水出口温度の設定値の調整、冷凍機20の運転台数の調整が行われることにより、このような調整が行われない場合に比べて電力消費が十数パーセント削減できるという試算結果が得られた。
Claims (7)
- 熱源機と冷却塔を有する空調システムの制御装置であって、
少なくとも外気と熱負荷の情報を基に、空調機が室内条件を満たすことが可能な冷水温度を推定し、
少なくとも外気と前記空調システムの各機器の情報及び前記推定された冷水温度を基に、前記空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定し、
前記推定した冷却水温度に基づいて前記冷却塔を制御するとともに、前記推定した冷水温度と前記推定した冷却水温度に基づいて前記熱源機を制御する、
空調システムの制御装置。 - 前記冷水温度の推定においては、前記空調機が室内条件を制御で満たすことが可能な範囲で高い値を採用する、
請求項1に記載の空調システムの制御装置。 - 前記冷却水温度の推定においては、仮定する幾つかの冷却水温度それぞれにおける前記空調システム全体のエネルギー消費量を算出し、算出したエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を採用する、
請求項1または2に記載の空調システムの制御装置。 - 前記熱負荷の情報は、前記熱源機から取得される運転状態の情報である、
請求項1から3の何れか一項に記載の空調システムの制御装置。 - 熱源機と冷却塔を有する空調システムの制御方法であって、
少なくとも外気と熱負荷の情報を基に、空調機が室内条件を満たすことが可能な冷水温度を推定し、
少なくとも外気と前記空調システムの各機器の情報及び前記推定された冷水温度を基に、前記空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定し、
前記推定した冷却水温度に基づいて前記冷却塔を制御するとともに、前記推定した冷水温度と前記推定した冷却水温度に基づいて前記熱源機を制御する、
空調システムの制御方法。 - 熱源機と冷却塔を有する空調システムの制御プログラムであって、
前記空調システムの制御装置に、
少なくとも外気と熱負荷の情報を基に、空調機が室内条件を満たすことが可能な冷水温度を推定する処理と、
少なくとも外気と前記空調システムの各機器の情報及び前記推定された冷水温度を基に、前記空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定する処理と、
前記推定した冷却水温度に基づいて前記冷却塔を制御させるとともに、前記推定した冷水温度と前記推定した冷却水温度に基づいて前記熱源機を制御させる処理と、を実行させる、
空調システムの制御プログラム。 - 熱源機と、冷却塔と、制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
少なくとも外気と熱負荷の情報を基に、空調機が室内条件を満たすことが可能な冷水温度を推定し、
少なくとも外気と空調システムの各機器の情報及び前記推定された冷水温度を基に、前記空調システム全体のエネルギー消費量が小さくなる冷却水温度を推定し、
前記推定した冷却水温度に基づいて前記冷却塔を制御するとともに、前記推定した冷
水温度と前記推定した冷却水温度に基づいて前記熱源機を制御する、
空調システム。
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