JP4021471B2 - 建物のエネルギー管理システム - Google Patents

Description

本発明は、建物で消費する電力等のエネルギーを最適な状態で管理し、省エネルギーを大幅に行なうコンピュータによるエネルギー管理システムに関する。

従来から、建物等に対して、供給される電力を制御して省エネルギーを行うためのシステムは色々と提案されている。しかしながら、これらのシステムは、電力需要家が受変電設備を設置して電力供給を受ける際には、電力会社と需要家との間で電気供給約款に基づく供給契約を行い、その上で契約電力に関する制御を行うものが多い。本発明の発明者が提案した「節電制御装置及び省エネルギーシステム」（特許文献１参照）もその１つである。この発明は、契約電力の監視用計器として用いられる最大需要電力計（最大デマンド計）を用いて、大型店舗等における営業に支障がない状態で、空調設備、冷凍設備、原動機設備、照明設備等の電力消費装置に対する電力供給の制御を、各装置ごとに順番をつけて（すなわち、順位づけて）行うことにより、また、スケジュール制御とピークカット制御とを行うことにより、消費電力を低減させ、消費電力が最大デマンド設定値を越えないようにし、ひいては、契約電力の低減を図り得るようにしたものである。

さて、建物に対して現在では、各設備ごとに、電気設備では電子安定器、インバーター等の導入、機械設備では空調熱源、ポンプ類の台数制御及びセンサー、インバーター制御の導入が対応実施され、一定の省エネ化が進められている。しかしながら、季節、期間別と２４時間別に、建物全体及び各階、各部屋毎に余剰稼動を制御した、適切な建物全体の制御システムがなされておらず、消費エネルギー量の最大数値を基に稼動しているために、未だ充分なる省エネルギー効果を得ることは難しいのが現状である。
特開２００３−２３７２９号公報

本発明の目的は、建物で消費する電力等のエネルギーを最適な状態で管理することにより、省エネルギーを大幅に行ない、建物における省エネを実現するコンピュータによるエネルギー管理システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、建物の空調設備を含む制御対象機器の消費エネルギーを管理するエネルギー管理システムであって、所定単位時間ごとのオン・オフ・パターンを複数記憶しているデジタル・パターン記憶手段と、所定単位時間ごとの定格運転からの割合を、時間別に複数記憶しているアナログ・パターン記憶手段と、予め設定した温度を監視する温度監視手段と、所定時間ごとの余剰負荷を削減するように、月別又は月別・時間別に予め定めた１年分のプログラムを記憶するプログラム記憶手段と、前記プログラム記憶手段からプログラムを読み出し、該プログラムにより指定されている、現在の月・時刻のオン・オフ・パターンを前記デジタル・パターン記憶手段から読み出して、所定単位時間ごとに前記制御対象機器のオン・オフを行うデジタル制御手段と、前記プログラム記憶手段からプログラムを読み出し、該プログラムにより指定されている、現在の月・時刻の運転割合を前記アナログ・パターン記憶手段から読み出して、前記制御対象機器の出力を前記所定時間ごとに、余剰負荷を削減するように、定格運転からの出力割合を制御するアナログ制御手段と、予め設定した温度を監視し、前記予め設定した温度を越える又は下回る温度を検出したときに、前記プログラムによる制御を中止する温度監視手段とを備えることを特徴とする。
前記デジタル・パターン記憶手段に記憶されている前記オン・オフ・パターンは、所定時間ごとの前記制御対象機器のオフ時間を制御単位ごとにずらすとよい。

建物の使用電力を示す信号を受けて、所定時間ごとの使用電力を予測するデマンド予測手段と、前記デマンド予測を受けて、警報を発生するデマンド警報発生手段とを備えてもよい。
前記プログラム記憶手段は、さらに１年分の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別比エンタルピーを記憶しており、外気の温度・湿度を測定する温度・湿度測定手段と、前記温度・湿度測定手段からの外気の温度・湿度から、現時刻の比エンタルピーを算出する比エンタルピー算出手段と、冷房運転のとき、算出した比エンタルピーと、前記プログラム記憶手段から読み出した月別、期間別（上・中・下旬）、時間別比エンタルピーの同じ時刻の値とを比較して、算出した比エンタルピー値が前記プログラム記憶手段から読み出した比エンタルピー値の何月に相当するかを判断し、相当すると判断された月のプログラムから読み出すように、前記デジタル制御手段及びアナログ制御手段を修正する修正手段とをさらに備えてもよい。
前記プログラム記憶手段は、さらに１年分の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別の温度を記憶しており、前記修正手段は、暖房運転のとき、前記温度・湿度測定手段で測定した温度と、前記プログラム記憶手段から読み出した、同じ時刻の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別の温度とを比較して、測定した温度が前記プログラム記憶手段から読み出した温度の何月に相当するかを判断し、相当すると判断された月のプログラムから読み出すように、前記デジタル制御手段及びアナログ制御手段を修正するとよい。

上述のエネルギー管理システムは、既存の電気設備、機械設備の各機器の容量と建物全体の必要なエネルギー量を算出することで余剰エネルギーを調べて、電気設備、機械設備の各機器毎に制御して、建設の設計時点に算出設置された最大消費容量の各設備を、年間通して必要かつ最適な稼動を行うことにより、余剰エネルギーを大幅に制御するシステムである。
併せて、異常気温と収容人員増加及び業態変更が生じても建物内のアメニティーは、保全する機能を持つシステムである。

本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
本発明のエネルギー管理システムは、空調設備等の余剰を削除するように、電気設備、機械設備の各機器毎に制御して、建設の設計時点に算出設置された最大消費容量で設置されている各設備を、年間を通して必要かつ最適な稼動を行うことにより、エネルギーを大幅に制御するシステムである。併せて、異常気温と収容人員増加及び業態変更が生じても建物内のアメニティーは、保全する機能を持つシステムである。
本発明のエネルギー管理システムにより、各設備機器の稼動、制御の状況は、顧客の本社、管理会社等と回線で接続して、リアルタイムに、現場、顧客本社、管理会社等から、パソコンによるモニターができる。また、外的な要因である気候または顧客の都合による、レイアウト変更及び制御数値の増減は、回線を通じてパソコンによる変更対応が可能である。
また、コンピュータ・システムが万一に故障した場合は、予め設定されたバイパスを通じて、各設備に電力がリアルタイムに流れることにより設備機器は稼動でき、建物のアメニティーは保全される。
なお、以下で説明するコンピュータ・システムの省エネ対象設備は、以下の通りである。
・電気設備（受変電設備、電灯・動力設備）
・機械設備（換気設備、空調設備、給排水衛生設備）

図１に、本発明のエネルギー管理システムの全体構成を示す。
高圧受電設備１００に設置された、電力会社の積算電力計ＶＣＴにパルス検出器１１０を接続し、パルス検出器１１０をコンピュータ制御システム２００に接続する。
断路器Ｚ−ＤＳ・高圧真空断路ＶＣＢを経由し、変圧器Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，高圧受電設備１００のサーキット・ブレーカＭＣＢから、配電盤１７２，１７４，１７６，１７８とサーキット・ブレーカＭＣＢを経路して、各負荷設備１８２，１８４，１８６，１８８に電力は供給されている。コンピュータ制御システム２００は、各負荷設備１８２，１８４，１８６，１８８にも接続されており、負荷設備に対して、負荷設備の種類によりデジタルやアナログの制御や監視等を行っている。負荷設備には、照明設備，各コンセント，空調設備，機械設備等がある。

図２に、コンピュータ制御システム２００の構成を示す。このコンピュータ制御システム２００は、省エネ対象の建物内に設置されている。
図２において、演算制御ユニット２２０は、制御・監視プログラムの実行、コンピュータ制御システム全体の監視・制御を行う演算装置である。演算制御ユニット２２０により、制御・監視プログラムの実行により行う監視・制御の各機能である、プログラム運転機能２２１，アナログ出力制御機能２２３，制御パターン修正機能２２２，温度監視機能２２４，デマンド監視・制御機能２２５，通信機能２２６，自己診断機能２２７については、後で詳しく説明する。

通信装置２５０は、通信機能２２６の制御により、コンピュータ制御システム２００と遠隔監視装置２７０と回線を介して接続している。入出力装置２１０は、各負荷設備である空調機１８６，外調機等１８７や、圧力・ＣＯ_２センサ１９２や温度センサ１９４等のセンサ及び消費電力を示すパルス検出器１１０等とのインターフェースである。インターフェースとして、接続対象に応じて、デジタル出力を出力するデジタル出力装置（ＤＯ）２１２，アナログ出力を出力するアナログ出力装置（ＡＯ）２１３，アナログ入力のためのアナログ入力装置（ＡＩ）２１４，温度入力のための温度入力装置（ＴＩ）２１５，デジタル入力のためのデジタル入力装置（ＤＩ）２１６，パルス入力のためのパルス入力装置（ＰＩ）２１７等を備えている。

表示装置（タッチパネル）２４０は、省エネ対象機器の制御運転状態の表示を行う装置であり、タッチパネルでもあるので、入力もできる。また、各装置の故障を検知し、制御盤表面のランプ・ブザーにて警報を発生して、知らせることも行っている。電源装置２３０は、装置全体に対して電源を供給している。
遠隔監視装置（遠方監視場所に設置される）２７０は、コンピュータ制御システム２００と通信装置２７１を介して情報の送受信を行い、省エネ対象機器の制御・運転状態の監視、日報・月報データの入手が可能である。また、省エネ対象機器に各種制御情報を送信することで、遠方からの制御情報の更新も可能である。そのために、コンピュータ・プログラムによる、省エネ・プログラム設定機能２７２，履歴データ収集機能２７４，制御運転状況表示機能２７６，故障自動通知機能２７８等を備えている。遠隔監視装置２７０は、通常のパーソナル・コンピュータと同様の構成でよい。

＜演算制御ユニット２２０による各機能＞
演算制御ユニット２２０は、コンピュータ・プログラムを実行することにより、各機能を実現している。以下に、各機能を詳しく説明する。
（プログラム運転機能２２１）
プログラム運転機能２２１を、図３，図４に示すフローチャートにより詳しく説明する。デジタル制御（運転／停止）（図３参照）とアナログ制御（回転数制御）（図４参照）に分類され、以下の通り、制御プログラムに従ってコンピュータ制御システム２００で制御されている。
１）予め作成した制御数値により、遠隔監視装置２７０から省エネプログラム設定機能２７２により、制御プログラム（制御月・時刻・制御パターン）を入力する。この制御プログラムについては、後で詳しく説明する。
２）負荷設備の制御対象機器毎に解析された制御月・時刻・制御パターンの運転／停止信号は、デジタル出力装置２１２に、運転（リレー接点‘閉’）停止（リレー接点‘開’）信号として出力する。
３）信号を受け取ったデジタル出力装置２１２は、運転（リレー接点‘閉’）停止（リレー接点‘開’）の信号を、空調機１８６や外調機等１８７のリレー駆動装置（図示せず）に伝達し、リレーユニットの励磁（リレー接点‘閉’）または開放（リレー接点‘開’）して制御する。
４）空調機１８６は、リレーユニットが励磁（リレー接点‘閉’）した信号を運転と判定し運転状態となる。また、リレーユニットが開放（リレー接点‘開’）した信号は停止し、空調機は停止状態となり、自動的に運転、停止が制御される。
５）外調機、エアハン等１８７の回転数制御の場合は、解析した回転数制御値を、アナログ出力制御機能２２３へ伝達し、アナログ出力装置２１３を介して回転制御数値をアナログ値４〜２０ｍＡに変換し、端子台ユニット経由で、インバータ装置に出力し回転数制御する。

以下に、図３のフローチャートにより、プログラム制御の処理について説明する。入力された制御プログラムは、遠隔監視装置２７０より送信され（Ｓ３０２）、コンピュータ制御システム２００で受信される（Ｓ３０４）と、演算制御ユニット２２０のメモリ内の格納エリアに格納される。格納エリアに格納された制御プログラムは、負荷設備の制御対象機器毎に、制御月・時刻・制御パターンにより、運転（オン）／停止（オフ）／回転数を出力して制御する。

新規に送られてきた制御プログラムのデータは、１時間のうち０分と３０分に更新されて（Ｓ３０６，Ｓ３０８）、制御が実行される。これは、需要電力（デマンド）が、あらかじめ定められている期間を通した電力の平均値のことであり、一般に、この「あらかじめ定められている期間」は電気供給約款によって定められていて、３０分間であるからである。そして、一カ月の間におけるこのデマンド（需要電力）の最大値を最大需要電力（最大デマンド）という。プログラム制御も１時間のうち０分と３０分ごとに行って、このデマンド監視と同調して行っている。

つぎに、制御対象の制御種別を判定し（Ｓ３１０）、例えば回転数制御等のアナログ制御の場合は、図４に示したフローチャートの制御へといく。アナログ制御におけるプログラム制御は、後のアナログ制御のところで説明する。
さて、デジタル制御の場合、設定温度を逸脱した温度の異常を検出する（Ｓ３１２でＹＥＳ）と、プログラム制御を解除して（Ｓ３１４）、強制的に対象制御機器を運転状態とする信号を出力する（Ｓ３２２）。温度監視については、図５のフローを用いて、後で詳しく説明する。
プログラム制御を行う場合、現在の年月日、時刻を得て（Ｓ３１６）、制御プログラムからその時の制御パターンを取得する（Ｓ３１８）。取得後に、制御パターンが現在の気象状況において最適パターンであるかを判定し、制御パターンと温度、湿度に乖離があればパターン修正を行うとよい（Ｓ３１９）。このパターン修正処理（Ｓ３１９）については、あとで詳細を説明する。ここで得られた最適制御パターンにより、対象機器の運転・停止を判定して（Ｓ３２０）、運転指令を出力する（Ｓ３２２）か、停止指令を出力する（Ｓ３２４）かを行う。そして、制御信号をデジタル出力装置２１２から制御対象機器に出力する。これにより、プログラム制御に定められたパターンにより、対象機器が運転を一時的に停止（オフ）する。表示装置２４０や遠隔監視装置２７０に現在の運転状況を表示する（Ｓ３２８）。この制御プログラムについては、後で詳しく説明する。
なお、制御パターン修正処理（Ｓ３１９）については、必要に応じて行うとよい。

（アナログ出力制御機能２２３）
アナログ制御は、予め作成した制御数値により、遠隔監視装置の省エネプログラム設定機能２７２で、制御設定データ（制御対象機器と監視装置（センサ）の関連付け、監視装置の上限・下限の設定値、インバータへの出力範囲、目標デマンド値等）を入力している。入力された制御設定データにより、アナログ出力制御機能２２３で、負荷設備の制御対象機器毎に、監視装置の上限・下限の設定値、インバータへの出力範囲を設定して制御する。監視装置の設定値をはずれると、定格運転を行う。

具体的に圧力，温度のセンサからの信号と制御との関連について説明する。
圧力センサ１９２や温度センサ１９４で検知した制御監視圧力値や温度値は、電気信号のアナログ値に変換され、アナログ入力装置２１４や温度入力装置２１５に伝達される。受信したアナログ信号値は、演算制御ユニット２２０のアナログ出力制御機能２２３に伝達される。アナログ出力制御機能２２３では、圧力センサや温度センサからの値により、制御信号に変換され、アナログ出力装置２１３やデジタル出力装置２１２からのインバータ制御出力信号で制御対象機器１８７を制御する。
対象機器は、受信したインバータ制御出力信号のアナログ信号値に基づき、外調機、エアハン、ポンプの制御対象機器の周波数変更を行い、空調機自動風量制御，エアハン自動風量制御，ポンプ自動流量制御を実行する。
定格運転を行う場合は、デジタル出力装置２１２から、インバータ定格運転信号を制御対象機器１８７に送信する。制御対象機器１８７は、インバータ定格運転信号を受け取ると、アナログ出力制御による回転数制御を中止し、インバータにて設定された定格値（例：４７Ｈｚ）にて定格運転を復帰実行運転する。

アナログ制御のフローを、図４を用いて説明する。
アナログ入力装置（ＡＩ）２１４からアナログ入力すると、制御監視信号として取り込み（Ｓ４０４）、制御対象機器との対応付けを行う（Ｓ４０６）。そして、制御監視信号が設定値を外れていると、警報として出される（Ｓ４０８）。例えば、ある部屋の上限温度が２９℃に設定されていると、２９℃をオーバーした場合、アナログ制御は中止され（Ｓ４２６）、対象機器に定格信号を出力する（Ｓ４２８）。対象機器は、入出力装置の接点出力２１４からの定格信号を受けて定格運転を始める。
なお、制御対象機器は、スイッチ（接点）によるインターロック信号として、出力可能信号を出力できる。このスイッチをデジタル入力装置２１６から取り込み（Ｓ４２０）、このスイッチが入っていない場合（ＯＦＦ）（Ｓ４２２）は、アナログ制御が行われず、定格運転が行われる（Ｓ４２８）。出力可能信号がＯＮの場合は、アナログ制御が行われる（Ｓ４２４）。

アナログ制御は、監視信号の設定値内の場合に、制御監視信号に対応して制御出力信号値を算出することで行う（Ｓ４１０）。これは通常のアナログ制御である。
上述の出力可能信号がＯＮのとき、算出された制御信号は対象機器に出力されるために（Ｓ４３２）、入出力装置のアナログ出力装置（ＡＯ）２１３に出力される。
この値は、表示値に変換されて（Ｓ４３４）、表示装置に表示される（Ｓ４３６）。
さて、アナログ制御においても、機器によってはプログラム制御が行われる。それが図３からのＡであり、現在の年月日・時刻を判定して（Ｓ４１２）、それに従った制御パターンを判定する（Ｓ４１４）。ここでもデジタル制御と同様に、その制御パターンが現在の気象状況に於いて最適パターンであるかを判定し、制御パターンと温度、湿度に乖離があればパターン修正を行う（Ｓ４１５）こともできる。この処理については、後で説明する。そして、制御パターンに対応した制御出力信号値を算出する（Ｓ４１６）。これは例えば、空気調和器のファンの制御等で行われる。後の制御は上述の通りである。

（温度監視機能２２４）
図３における温度監視機能について、図５で詳しく説明する。温度監視機能は、設定温度を超過した場合、プログラム制御やデマンド制御（最大電力量の制御）の解除を行う。
図５のフローチャートにおいて、温度入力装置２１５からの室内温度を入力して（Ｓ５０４）、運転モードが冷房制御か、暖房制御かを調べ（Ｓ５０６）、それぞれの設定温度を判定する（Ｓ５０８，Ｓ５１４）。温度監視動作（Ｓ５１０，Ｓ５１６）では、冷房制御，暖房制御それぞれで判定した温度と検出した室内温度とを比較して、異常温度かどうかを調べる（Ｓ５１０，Ｓ５１６）。異常であった場合（Ｓ５１０，Ｓ５１６でＹＥＳ）は、プログラム運転制御・デマンド制御を解除する（Ｓ５１２）。正常温度であった場合は、プログラム運転制御・デマンド制御を行う（Ｓ５１８）。前に、プログラム運転制御・デマンド制御の解除を行っていた場合はプログラム運転制御・デマンド制御を再開する。

（デマンド監視・制御機能２２５）
デマンド監視・制御は、電力会社との契約で最大電力量を定めているので、その範囲で電力を供給する制御である。この制御を図６のフローチャートで説明する。
図６において、図１の電力計Ｗｈに取り付けたパルス検出器１１０は、入出力装置２１０のパルス入力装置２１７から演算制御ユニット２２０に取り込まれ（Ｓ６０４）、パルス入力の積算値より、現在のデマンド値を算出するとともに、その値を表示装置に表示する（Ｓ６０６）。この値から次の式により予測デマンド値を算出する（Ｓ６０８）。

ここで、Δｔ／ΔＰは予測係数，（３０−ｔ）は３０分の積算時間の残り時間であり、Δｔは監視時間間隔（例えば１０秒）、ΔＰは監視時間間隔中の電力変化量である。
この予測デマンド値が予め設定された目標デマンド値を超過する場合は、１６段階の警報を発生し（Ｓ６０８）、１６段階の警報に従って、スケジュール運転が設定されている「デマンド遮断対象機器」に対して停止信号を発して順次制御する。

（通信機能２２６）
本システムでは、遠隔監視装置２７０で、コンピュータ制御システム２００の監視・制御の履歴データ，運転制御状況を収集・表示することができる。
これは、遠隔監視装置２７０から、各要求信号を、コンピュータ制御システム２００に通信装置２７１，２５０を経由して伝達することで行われる。
コンピュータ制御システム２００では、受け取った要求信号が履歴データ要求信号であると判定し、システムに格納されている履歴データ（最大２４ヶ月分の電力使用量集計データ、イベント履歴集計データ等）を、遠隔監視装置２７０に返送して、表示や印刷を行なうことができる。
コンピュータ制御システム２００が、受け取った要求信号が運転制御表示要求信号であると判定した場合は、システムに格納されている「デマンド監視データ」「スケジュール運転状況データ」「インバータ運転状況データ」「監視温度・設定値データ」等を例えば３秒周期にて、遠隔監視装置２７０に送信することにより、情報を認識対応することができる。
また、遠隔監視装置２７０から、パターンによるプログラム制御のためのパターンを作成・変更すること等もできる。

（自己診断機能２２７）
コンピュータ監視システム２００の機能の一つである自己診断機能により、コンピュータ自体の故障の有無を判定している。
自己診断機能にて故障を検知した場合（ＣＰＵ故障、入出力装置故障）、故障機器とエラーコードを格納し、そのデータを遠隔監視装置２７０に自動送信を行うとともに、自動的に制御を解除して各制御負荷設備は、定格運転して建物のアメニティーは保全される。
自己診断機能にて故障を検知したとき、「ＣＰＵ異常」の場合と「電源装置異常」を検知した場合は、コンピュータ監視システムの制御盤面の「ＣＰＵ異常」のランプを点灯するとともに、故障ブザーを鳴らす。

前述した自己診断機能には、設備機器に故障が発生した場合、その故障信号を捉え遠隔監視装置２７０に通知することができる。
設備機器の故障は、設備機器の故障時に出力される接点信号をデジタル入力装置２１６にて検知し、演算制御ユニット２２０にて故障設備機器名を判定し、通信装置２５０から遠隔監視装置２７０にその故障設備を通知する。遠隔監視装置２７０では、通知された故障設備名を制御運転状況表示機能２７６からモニターに表示して、設備の故障を知らせることができる。
以上で、本コンピュータ監視システム２００の概略を説明した。
以下では、本コンピュータ監視システム２００におけるプログラム制御について詳しく説明する。

＜プログラム制御＞
図７〜１４を用いて、本発明のプログラム制御について詳しく説明する。
このプログラム制御は、通常はデマンド制御のみであったが、建物の負荷を精密に見積もり、空調・換気設備が過剰に動作しないようにキメの細かい制御を行うように空調・換気設備の動作制御プログラムを作成して、それに基いて空調・換気設備を制御しようとするものである。図７は、このようなプログラム制御を行うためのプログラムを作成するためのフローチャートである。

図７において、まず、対象の建物の負荷・換気計算を行う（Ｓ７０２）。
（１）建物の設備容量の算定は、用途、機能、規模、場所等の内的及び外的な要因により電気設備、機械設備の構成、容量、種別が定められる。
（２）建物で消費するエネルギー数値は、電気設備、機械設備とも使用状況面では、建物の最大収容時、最大稼動時とする。また気候現象面では真夏、真冬、時間面では日中、深夜において最大となる。
（３）換気設備の負荷は、建物内の人間の数等によるものであり、これを実際の使用状況を見積もることにより、余剰を計算する。
この負荷計算は、例えば、社団法人空気調和・衛生工学会「設計用最大熱負荷計算法」（丸善1989年12月発行）に記載の計算法によって行うことができる。そして、対象建物に設置されている空調・換気設備の容量も算出する（Ｓ７０４）。
なお、建設時の電気設備・機械設備の容量は、建物で消費するエネルギーに最大数値と経年劣化、レイアウト変更等も見込数値を合計して最大負荷数値を設定している。

これらの計算で出された必要とされる熱・換気負荷と空調・換気設備の容量とを比較して、その差が負荷余剰として把握することができる（Ｓ７０６）。これにより、本コンピュータ制御システム２００により省エネの制御を行う省エネ対象機器を選択する（Ｓ７０８）。これは、前述の建物の負荷計算は、各部屋・各フロア等の同じ空調設備で制御している単位ごとに計算するので、それにより省エネ対象機器を選択することができる。そして、省エネ対象機器毎に負荷余剰率を計算する（Ｓ７１０）。最近のその地方の毎月の平均気温から、各月毎の１年分の気温変化係数を算出する（Ｓ７１２）。その気温変化係数から、各月の１日の１時間ごとの平均負荷余剰率を計算する。

図８，図９により、図７の各段階の計算の仕方について詳しく説明する。図８（ａ）は、建物の負荷計算と空調機器の容量とを比較して、負荷余剰率を、ある空調単位について計算したところを示している。まず、「設備容量」として、冷房と暖房についての容量を示している。「冷房負荷」，「暖房負荷」として示しているのが建物の負荷計算をした結果を示している。これは最大で計算しているので、「冷房負荷」では８月、「暖房負荷」では１月で計算している。「冷房負荷」については、９時，１２時，１４時，１６時について算出している。この冷房と暖房の「設備容量」と「冷房負荷」，「暖房負荷」との差が「余剰容量」である。そして、この差を「設備容量」で割って、「余剰率」を計算している。「冷房負荷」については、余剰率を平均して、「平均負荷」を計算している。
換気の余剰は、建物内の人間の数等を実際の使用状況の最大で見積もることにより、外気を取り入れる必要性から最大の「余剰率」を計算することができる（図８（ａ）参照）。

また、各月の「月別空調稼動係数」は、図９を用いて説明する。図９は、例として、７月と８月の毎時間ごとの平均気温を示している。まず、９時から１６時までの平均気温を「時間別平均気温１」として算出し、それ以外の時間ごとの気温の平均を「時間別平均気温２」として算出し、この２つの平均気温を足して２で割ることで「２４時間平均気温」として算出している。冷房を行う期間（４月〜１１月）に関しては、８月の「２４時間平均気温」との比を「気温変化係数」（７月は０．８７）として算出している。この「気温変化係数」をすべての月に対して算出し、８月の稼働率（１−余剰率＝１−０．１８＝０．８２）に掛けて、各月の「月別空調稼動係数」を算出する。７月の場合は、{８月の稼働率（０．８２）}×{７月の気温変化係数（０．８７）}＝{７月の月別空調稼動係数（０．７１）}で計算できる。

さて、図８（ｂ）における各月の各時間ごとの余剰率は、この図９に示す「月別空調稼動係数」により、冷房の場合は、（８月の各時間ごとの余剰率）×（８月の「月別空調稼動係数」／各月の「月別空調稼動係数」）で計算する。
暖房（１２月〜４月）についても、冷房の場合と同様に１月を基準として余剰率を算出するが、冷房の場合と異なり、温度があがると余剰率が低下するように算出している。

稼働率は（１−余剰率）であり、これを基に制御プログラムを作成する。デジタル制御の制御プログラムの例を図１０，図１１に示す。図１０は、制御単位で空調機の系列（１６系列）ごとに、３０分間の停止している時間と運転している時間を１分ごとに制御している制御パターンの例を示している。３０分間で１分停止すると、稼働率は２９／３０で９７％，図１０の系統Ｎｏ．１のように３０分間で３分停止すると９０％の稼働率となる。制御単位で、図１０のように複数の系列がある場合は、それぞれの系列でずらして停止するように制御すると、ピーク電力が低くなるとともに、モータ等の起動電流も重ならなくなるので好都合である。この制御パターンには番号がふられ、複数の制御パターンがコンピュータ制御システム２００の記憶装置に格納されて、番号により特定して読み出すことができる。これを図１１で説明する。

図１１は、３０分ごとにどの制御パターンを読み出すかを設定した制御プログラムを示している。このような制御プログラムをコンピュータ制御システム２００の記憶装置内に格納しておき、現在時刻により、どの制御パターンで制御するかをきめ細かく設定することができる。

アナログ制御についても、プログラム制御を行うことができる。アナログ制御のプログラム制御を図１２，図１３で説明する。
アナログのプログラム制御の場合は停止・運転のように２値化の制御ではなく、図１２に示す制御パターンのように、３０分ごとの最大出力（定格出力）からの割合で示している。アナログ制御のプログラム制御においても、複数の制御パターンに番号がふられ、コンピュータ制御システム２００の記憶装置に格納されており、制御パターンを番号により特定して読み出すことができる。
番号による読み出しは、図１３に排気ファン（換気設備）に対する例で示すように、機器ごとに設定する。各月ごとの機器ごとに制御パターンを番号で設定し、年間スケジュールとして、コンピュータ制御システム２００の記憶装置内に格納される。

図１４は、図５で説明した温度監視機能のスケジュール・デマンドの設定温度を示している。このように、冷房時の上限、暖房時の下限の設定温度を示している。これは、空調機系統ごとに設定することができる。

（制御パターン修正機能２２２）
制御パターン修正機能２２２（即ち、図３のＳ３１９，図４のＳ４１５）について、図１５，図１６のフローチャート及び図１７−１，図１７−２，図１７−３により説明する。
図３や図４のフローチャートにおいて、現在の年月日、時刻により、制御プログラムからその時の制御パターンを取得する（Ｓ３１８，Ｓ４１４）が、その制御パターンが現在の気象状況において最適パターンであるかを判定し、制御パターンと温度、湿度に乖離があればパターン修正を行う機能が、このパターン修正機能である。
修正フローは、図１５において、まず、冷房運転中か暖房運転中かを判断し（Ｓ１５０１）、制御対象機器が冷房運転中の場合（図１５）と、暖房運転中の場合（図１６）の、二通りの修正フローに分かれる。図１５の冷房運転時は、外気の温度センサ１９２により外気温度が温度入力装置２１５から、外気湿度がアナログ入力装置２１４から、それぞれ演算制御ユニット２２０に入力される（Ｓ１５０３，Ｓ１５０４）。入力された温度と湿度より外気の湿り空気全熱量である比エンタルピーを演算ユニットにて算出する（Ｓ１５０５）。算出した比エンタルピーの値と、予め設定した制御プログラムによる、月別、期間（初・中・下旬）、時間（９時・１２時・１４時・１６時・１８時・２０時・２２時・２４時・２時・４時・６時）別の年間気象推移データ（図１７−１（上旬），図１７−２（中旬），図１７−３（下旬）：記憶されている）に示す比エンタルピー値を比較し、算出した現在の比エンタルピー値が年間気象推移データで示す比エンタルピー値の何月に相当するかを判断して、最適制御パターンを判定する。例えば、６月１日９時の制御パターンを判定する場合で以下説明する。

まず、修正時刻を判定する（Ｓ１５０６）。時刻は９時・１２時・１４時・１６時・１８時・２０時・２２時・２４時・２時・４時・６時の１１点としている。これは前述したプログラム制御のパターン作成時の負荷計算時刻と合致させている。時刻が合致しない場合は、パターン修正は行わず現状の制御パターンにて制御を続行する。今回測定時間が９時で一致しているので、パターン修正の判定ルーチンに進み、測定日が６月１日より初旬の期間と判定する（Ｓ１５０７）。６月１日９時の温度・湿度より算出した外気比エンタルピーが例えば６９．８１（ｋｊ／ｋｇＤＡ）の場合、図１７−１、図１７−２、図１７−３の年間気象推移表の上旬・９時の項目（図１７−１参照）により、８月の比エンタルピーに相当することが解る（Ｓ１５０８，Ｓ１５１０）。この場合、６月にもかかわらず８月の気象状況と判断して、８月の制御パターンを制御プログラムに投入して制御を行うよう制御パターンを修正する（Ｓ１５１１）。
前記の外気比エンタルピー６９．８１（ｋｊ／ｋｇＤＡ）が６月の比エンタルピーに相当している場合は、パターン修正はしないで現状パターンにて制御を続行する（Ｓ１５０９）。

次に、図１６を用いて、暖房運転時のパターン修正フローについて説明する。暖房運転時は、外気温度センサにより外気温度が温度入力装置２１５から、演算制御ユニット２２０に入力する（Ｓ１６０３）。入力した温度値と、予め設定した制御プログラムによる、月別、期間（上・中・下旬）別、時間（９時・１２時・１４時・１６時・２０時・２２時・２４時・２時・４時・６時）別の年間気象推移データ（図１７−１（上旬），図１７−２（中旬），図１７−３（下旬））に示す温度値を比較し、算出した現在の温度値が年間気象推移データで示す温度値の何月に相当するかを判断し、最適制御パターンを判定する（Ｓ１６０８）。判定された該当月が、現在制御月と同じ場合はパターン修正を行なわず現状パターンにて制御を行い（Ｓ１６０９）、該当月が現在制御月と異なる場合は、その該当月の制御パターンを制御プログラムに投入し制御を行なうよう制御パターンを修正する（Ｓ１６１０，Ｓ１６１１）。

本発明のエネルギー管理システムの全体構成を示す図である。 コンピュータ制御システムの機能を示す図である。 デジタル制御の処理フローを示す図である。 アナログ制御の処理フローを示す図である。 温度監視制御の処理フローを示す図である。 デマンド予測の処理フローを示す図である。 負荷余剰を算出する手順を示す図である。 各月ごとの負荷余剰を算出することを説明する図である。 時刻ごとの平均温度により、各月ごとの負荷余剰を計算するための平均温度の例を示す図である。 ある制御単位のオン・オフの制御パターンを示す図である。 制御パターンを読み出すためのプログラム例である。 アナログ制御のためのパターン例である。 アナログ制御のプログラム例である。 設定温度の例である。 冷房運転時の修正フローを示す図である。 暖房運転時の修正フローを示す図である。 年間気象推移データの上旬の部分を示す表である。 年間気象推移データの中旬の部分を示す表である。 年間気象推移データの下旬の部分を示す表である。。

Claims (5)

1. 建物の空調設備を含む制御対象機器の消費エネルギーを管理するエネルギー管理システムであって、
   所定単位時間ごとのオン・オフ・パターンを複数記憶しているデジタル・パターン記憶手段と、
   所定単位時間ごとの定格運転からの割合を、時間別に複数記憶しているアナログ・パターン記憶手段と、
   予め設定した温度を監視する温度監視手段と、
   所定時間ごとの余剰負荷を削減するように、月別又は月別・時間別に予め定めた１年分のプログラムを記憶するプログラム記憶手段と、
   前記プログラム記憶手段からプログラムを読み出し、該プログラムにより指定されている、現在の月・時刻のオン・オフ・パターンを前記デジタル・パターン記憶手段から読み出して、所定単位時間ごとに前記制御対象機器のオン・オフを行うデジタル制御手段と、
   前記プログラム記憶手段からプログラムを読み出し、該プログラムにより指定されている、現在の月・時刻の運転割合を前記アナログ・パターン記憶手段から読み出して、前記制御対象機器の出力を前記所定時間ごとに、余剰負荷を削減するように、定格運転からの出力割合を制御するアナログ制御手段と、
   予め設定した温度を監視し、前記予め設定した温度を越える又は下回る温度を検出したときに、前記プログラムによる制御を中止する温度監視手段と
   を備えることを特徴とするエネルギー管理システム。
2. 請求項１に記載のエネルギー管理システムにおいて、
   前記デジタル・パターン記憶手段に記憶されている前記オン・オフ・パターンは、所定時間ごとの前記制御対象機器のオフ時間を制御単位ごとにずらしていることを特徴とするエネルギー管理システム。
3. 請求項１又は２に記載のエネルギー管理システムにおいて、
   建物の使用電力を示す信号を受けて、所定時間ごとの使用電力を予測するデマンド予測手段と、
   前記デマンド予測を受けて、警報を発生するデマンド警報発生手段と
   を備えることを特徴とするエネルギー管理システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のエネルギー管理システムにおいて、
   前記プログラム記憶手段は、さらに１年分の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別比エンタルピーを記憶しており、
   外気の温度・湿度を測定する温度・湿度測定手段と、
   前記温度・湿度測定手段からの外気の温度・湿度から、現時刻の比エンタルピーを算出する比エンタルピー算出手段と、
   冷房運転のとき、算出した比エンタルピーと、前記プログラム記憶手段から読み出した月別、期間別（上・中・下旬）、時間別比エンタルピーの同じ時刻の値とを比較して、算出した比エンタルピー値が前記プログラム記憶手段から読み出した比エンタルピー値の何月に相当するかを判断し、相当すると判断された月のプログラムから読み出すように、前記デジタル制御手段及びアナログ制御手段を修正する修正手段と
   をさらに備えることを特徴とするエネルギー管理システム。
5. 請求項４に記載のエネルギー管理システムにおいて、
   前記プログラム記憶手段は、さらに１年分の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別の温度を記憶しており、
   前記修正手段は、暖房運転のとき、前記温度・湿度測定手段で測定した温度と、前記プログラム記憶手段から読み出した、同じ時刻の月別、期間別（上・中・下旬）、時間別の温度とを比較して、測定した温度が前記プログラム記憶手段から読み出した温度の何月に相当するかを判断し、相当すると判断された月のプログラムから読み出すように、前記デジタル制御手段及びアナログ制御手段を修正することを特徴とするエネルギー管理システム。

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