JP4134781B2

JP4134781B2 - 空調設備

Info

Publication number: JP4134781B2
Application number: JP2003084432A
Authority: JP
Inventors: 義文杉原; 裕二宮島; 匠杉浦; 弘夫境; 昇大島; 忠克中島; 宏成菊池
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: JP2004293844A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００２−９８３５８号公報には、冷温水を熱源側のみから循環供給させて建物の空調を行う一次ポンプ方式熱源変流量システムが開示されている。このシステムは、空調機に冷温水を供給する冷温水発生機と、冷温水発生機に冷却水を供給する冷却塔と、前記冷温水と冷却水とを空調負荷に応じて循環供給させるように可変制御を行うポンプ可変流量制御装置等から構成され、冷温水と冷却水と流量を変化させることによって、冷却水ポンプ、冷水ポンプの消費電力を削減している（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−９８３５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００２−９８３５８号公報に開示された空調方法は、冷温水や冷却水の流量のみを変化させて冷却水ポンプ、冷水ポンプの消費電力を削減する方法なので、空調設備全体の消費電力を削減するための制御ではなく、よって、空調設備全体の消費電力を削減することはできない。
本発明は、このような事情を鑑みてされたもので、空調設備全体の消費エネルギー量、運転コスト又は二酸化炭素排出量を削減することができる空調設備を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を次に示す手段、方法により解決する。ポンプによって冷水を冷凍機に循環供給して空調を行う空調設備であって、前記冷凍機を流れる冷水の流量を変化可能な空調設備において、空調設備を構成する機器のシミュレーションモデルとして、少なくとも、前記ポンプの特性曲線と配管の抵抗係数から前記ポンプの消費電力を求める計算と、前記冷凍機のサイクルシミュレーションにより前記冷凍機の燃料消費量、消費電力を求める計算と、冷水コイルで必要となる冷水流量を求める計算と、がモジュール化されたプログラムとして空調設備シミュレータに構築され、前記空調設備の運転状態をセンサにより計測し、その計測値を入力とし、少なくとも、前記空調設備を構成する冷水コイルで必要な冷水の流量を伝熱の非線形方程式を解いて求める計算と、前記冷水の流路の抵抗係数を用いて前記ポンプの消費電力を計算する計算と、前記冷凍機の消費電力、燃料消費量を求める計算を含むシミュレーション計算とを、前記空調設備シミュレータを用いて、非線形最適化手法に従って、又は、全ての組み合わせを計算するように、制御目標値を変えて行い、前記空調設備シミュレータによって、前記空調設備の動作の実行可能領域を表す制約条件の関数と、前記消費電力の合計と前記燃料消費量に基づいて空調設備全体の消費エネルギー量、運転コスト又は二酸化炭素排出量を評価する評価関数と、を計算し、前記制約条件を満たし、かつ前記評価関数を最小あるいは最大とする制御目標値の組み合わせを最適制御目標値として決定し、最適制御目標値で空調設備を運転する。ポンプによって冷水を冷凍機に循環供給して空調を行う空調設備であって、前記冷凍機を流れる冷水の流量を変化可能な空調設備において、空調設備を構成する少なくとも前記冷凍機、前記ポンプ、冷却コイルの機器特性データであって、空調設備のシミュレーションに用いる機器特性データが記憶されている機器情報データベースと、少なくとも、前記ポンプの特性曲線と配管の抵抗係数から前記ポンプの消費電力を計算するプログラムと、前記冷凍機のサイクルシミュレーションにより前記冷凍機の燃料消費量、消費電力を求める計算と、前記冷却コイルで必要となる冷水流量を求める計算と、がモジュール化されたプログラムとして構築されたシュミレーションモデルを備え、前記機器情報データベースに記憶されている構成機器の機器特性データから、少なくとも冷凍機の消費電力、燃料消費量と、前記ポンプの吐出流量及び消費電力とを計算し、前記消費電力の合計と前記燃料消費量に基づいて空調設備全体の消費エネルギー量、運転コスト又は二酸化炭素排出量を評価する評価関数を計算する空調設備シミュレータと、前記空調設備シミュレータを用いて、非線形最適化手法に従って、又は、全ての組み合わせを計算するように制御目標値を変えて、前記空調設備の動作の実行可能領域を表す制約条件を満たし、かつ前記評価関数を最小あるいは最大とする制御目標値の組み合わせを求めて最適制御目標値とする最適化手段と、を備え、最適制御目標値により空調設備の構成機器を運用する。
【０００６】
また、冷水コイルの差圧を計測する差圧計を備え、冷水コイルの差圧を計測することにより、冷水コイルを流れる冷水の流量を求め、シミュレーションパラメータを同定する。
また、冷凍機の冷却水入口と出口の間の差圧を計測する差圧計を備え、冷凍機の冷却水入口と出口の間の差圧を計測することにより、冷凍機を流れる冷却水の流量を求める。
【０００７】
また、冷凍機の冷水入口と出口の間の差圧を計測する差圧計を備え、冷凍機の冷水入口と出口の間の差圧を計測することにより、冷凍機を流れる冷水の流量を求める。
また、インバータにより冷水ポンプの流量を変化させることのできる空調設備において、冷水流量が冷水流量の下限値であり、バイパスを冷水が流れている場合、バイパス流量が設定値以下になるように、冷凍機の冷水出口設定温度を上昇させる。
また、熱交換器の汚れ係数あるいは伝熱係数をセンサの計測値を基に同定して、同定したパラメータを用いて空調設備のシミュレーション計算を行う。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態例の空調設備を示す構成図である。図１の空調設備は、冷却塔１１、冷却水ポンプ１２、吸収式冷凍機１４、冷水ポンプ１６、冷水往ヘッダ１７、冷水還ヘッダ１８、空気調和機１９ａ、１９ｂを備えたセントラル空調方式の空調設備である。
まず冷水生産側の設備の詳細な構成について説明する。冷却塔１１の風量を変化させるために、冷却塔１１のファンにはインバータ３１が接続されている。冷却水の流量を変化させるために、冷却水ポンプ１２にはインバータ４２が接続されている。冷水の流量を変化させるために、冷水ポンプ１６にはインバータ３３が接続されている。吸収式冷凍機１４は、外部の指令によって冷水出口温度の制御目標値を変化させることが可能な吸収式冷凍機である。また吸収式冷凍機１４は、冷却水、冷水ともに定格流量の１／２まで流量を小さくできる仕様の吸収冷凍機である。
【０００９】
冷却水配管には、吸収式冷凍機１４の冷却水入口／出口間での圧力損失を計測する差圧センサ６６と、吸収式冷凍機１４の冷却水入口温度を計測する温度センサ４１、吸収式冷凍機１４の冷却水出口温度を計測する温度センサ４２が接続されている。冷水一次配管には、吸収式冷凍機１４の冷水入口／出口間での圧力損失を計測する差圧センサ６７と、吸収式冷凍機１４の冷水入口温度を計測する温度センサ４３、吸収式冷凍機１４の冷水出口温度を計測する温度センサ４４が接続されている。また、屋外の冷却塔１１の付近には、冷却塔１１に流入する外気の温湿度を計測するための温湿度センサ５１が設置されている。
【００１０】
差圧センサ６６、６７で計測される差圧より、吸収式冷凍機１４の冷却水、冷水の入口／出口の圧力損失特性（抵抗係数）を用いて吸収式冷凍機１４を通る冷却水、冷水流量を計算する。ここで、流量センサを接続せず、差圧センサ６６、６７を接続する効果としては、流量センサより差圧センサの方が、イニシャルコストが小さくなることである。また、吸収式冷凍機１４の冷却水、冷水の入口／出口の圧力損失を計測したのは、吸収式冷凍機１４の冷却水、冷水の入口／出口の抵抗係数が配管に比べて大きいこと、性能試験において圧力損失の特性（定格流量における圧力損失）が計測されているためである。
【００１１】
そのため、吸収式冷凍機１４の冷却水、冷水の入口／出口の間の圧力損失を計測する差圧センサを接続することにより、小さいイニシャルコストで、精度よく冷却水、冷水流量を求めることができる。
なお、吸収式冷凍機１４の冷却水、冷水の入口／出口の圧力損失の特性は、吸収式冷凍機１４の性能試験票に記載の値を用いても良いが、より精度良く流量を求めるためには、試運転の時、あるいは定期的に、超音波流量計等の取り付け取り外しの簡単な流量計を取り付けて、流量と差圧の関係を求めておく。
また、冷却水の配管は１本の循環流路であるため、超音波流量計等の取り付け取り外しの簡単な流量計を試運転の時、あるいは定期的に取り付けて、インバータ３２の周波数と流量の関係を求めておけば、インバータ３２の周波数から冷却水流量が換算できる。そのため、差圧センサ６６は前記のような操作を行っておけば取り付けなくてもよい。
【００１２】
次に負荷側の設備の詳細な構成について説明する。空気調和機１９ａは、冷水コイル２０a、加湿器２１a、ファン２２aを備えている。空気調和機１９ａを通る風量を変化させるために、ファン２２ａにはインバータ２４ａが接続されている。
冷水二次配管には、冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水入口／出口間での圧力損失を計測する差圧センサ６８ａ、６８ｂが接続されている。
差圧センサ６８a、６８ｂで計測される差圧より、冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷却水、冷水の入口／出口の圧力損失特性（抵抗係数）を用いて冷却コイル２０ａ、２０ｂを通る冷却水、冷水流量を計算する。ここで、流量センサを接続せず、差圧センサ６８a、６８ｂを接続する効果としては、流量センサより差圧センサの方が、イニシャルコストが小さくなることである。また、冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水の入口／出口の圧力損失を計測したのは、冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水の入口／出口の抵抗係数が配管に比べて大きいためである。
そのため、冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水の入口／出口の間の圧力損失を計測する差圧センサを接続することにより、小さいイニシャルコストで、精度よく冷水流量を求めることができる。
【００１３】
なお、冷却コイル２０ａ、２０ｂの入口／出口の圧力損失の特性は、冷却コイル２０ａ、２０ｂ単体で流量と差圧の関係を求めておく。あるいは、冷却コイル２０ａ、２０ｂの入口／出口の圧力損失の特性は、試運転の時、あるいは定期的に、超音波流量計等の取り付け取り外しの簡単な流量計を取り付けて、流量と差圧の関係を求めておく。
空気調和機１９ａの外気取込ダクトには、設定した風量の外気が取り込めるようにＶＡＶ(Variable Air Volume)ユニット８１ａが設置されており、取込んだ外気の温湿度が計測する温湿度センサ５３ａが接続されている。なお、ＶＡＶユニット８１ａにはＶＡＶユニット８１ａを通過する風量を計測する流量センサと、風量を変化させるためのダンパと、ダンパの開度を計測するダンパ開度センサと、制御手段を備えており、ＶＡＶユニットを通過する風量が外部から指令される風量目標値になるようにＰＩＤ制御される。また、他のＶＡＶユニット８２ａ、８３ａ、８１ｂ、８２ｂ、８３ｂも同様の構成となっている。
部屋２５ａ内の空気を吸込む内気吸込ダクトには、内気吸込ダクトに吸込まれた空気の流量を計測する流量センサ６２ａと温湿度を計測する温湿度センサ５４ａが接続されている。吹出しダクトには、空気調和機１９ａから出る吹出し空気の温湿度を計測する温湿度センサ５５ａが接続されている。吹出しダクトの各吹出し口には、各吹出し口から吹出される空気の風量が制御されるようにＶＡＶユニット８２ａ、８３ａが設置されている。
【００１４】
各吹出し口の風量は、ＶＡＶユニット８２ａ、８３ａとファン２２ａのインバータ３４ａによりＶＡＶ制御される。次にＶＡＶ制御の方法を説明する。
部屋２５ａには、室内の空気の温湿度を計測する温湿度センサ５２ａと、部屋２５ａの室内の温度目標値を設定する温度目標値設定ユニット９１ａが設置されている。ＶＡＶユニット８２ａでは、部屋２５ａの温度は、温度目標値設定ユニット９１ａで設定された部屋２５ａの室内の温度目標値と、温湿度センサ５２ａで計測された部屋２５ａの室内空気の温度と、温湿度センサ５５ａで計測された吹出しダクト内の空気温度を基に部屋２５ａへの吹出し風量目標値がＰＩＤ制御により演算されて、さらに、その吹出し風量目標値になるようにＶＡＶユニット８１ａ内のダンパがＰＩＤ制御される。また、部屋２６ａ、２７ａも、部屋２５ａと同様の構成となっており、それぞれの部屋の温度が制御される。
【００１５】
ファン２２ａのインバータ３４ａの周波数は、吹出し風量目標値にした時に最も圧力損失の大きい吹出しダクト経路の吹出し口に設置されているＶＡＶユニットのダンパを全開として、そのＶＡＶユニットの吹出し風量が吹出し風量目標値となるようにＰＩＤ制御される。
冷水流量は、流量調整バルブ７１、７２ａ、７２ｂと冷水ポンプ１６のインバータ３３によりＶＷＶ制御される。次にＶＷＶ制御の方法について説明する。
空気調和機１９ａの吹出し温度は、流量調整バルブ７２ａにより制御される冷水コイル２０ａに流入する冷水流量により制御される。流量調整バルブ７１では外部から与えられる吹出し温度目標値と、温湿度センサ５５ａで計測された吹出し温度の計測値を基に、流量調整バルブ７２ａがＰＩＤ制御される。なお、部屋２５ｂ、２６ｂ、２７ｂの空調を行う空気調和機１９ｂの系統も、部屋２５ａ、２６ａ、２７ａの空調を行う空気調和機１９ａの系統と同様の構成となっており、同様の方法で制御される。
【００１６】
流量調整バルブ７１は、吸収式冷凍機１４を流れるの冷水流量が定格流量１／２より小さくならないように制御する流量調整バルブである。差圧センサ６７で計測された差圧から吸収式冷凍機１４を流れる冷水の流量を計算する。吸収式冷凍機１４を流れる冷水の流量が、吸収式冷凍機１４の冷水流量の定格流量１／２以上の場合は、流量調整バルブ７１の流量調節バルブは全閉となり、冷水の流量が、吸収式冷凍機１４の冷水流量の定格流量１／２より小さい場合は、吸収式冷凍機１４の冷水流量の定格流量１／２になるように流量調整バルブ７１の流量調節バルブは制御される。
冷水ポンプ２６のインバータ３３の周波数は、冷水流量目標値にした時に最も圧力損失の大きい配管経路に設置されている流量調整バルブの流量調整バルブを全開として、その流量調整バルブの冷水流量が冷水流量目標値となるようにＰＩＤ制御される。
【００１７】
差圧センサ６７、６８ａ、６８ｂを用いることにより次のような効果がある。差圧センサ６６、６７、６８ａ、６８ｂを用いて差圧を計測して、計測した差圧からそれぞれを流れる流量を計算しているため、流量計を用いる場合に比べてイニシャルコストを低減できる。また、差圧を計測する場所が、冷凍機の入口出口間、および冷温水コイルの入口出口間であり、抵抗係数が大きいところで計測しているため、精度良く流量を求めることができるという特長がある。
【００１８】
次に空調設備の通信ネットワークについて説明する。吸収式冷凍機１４、インバータ３１、３２、３３、３４ａ、３４ｂ、温度センサ４１、４２、４３、４４、温湿度センサ５１、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂ、５７ａ、５７ｂ、流量センサ６２ａ、６２ｂ、圧力センサ６５、差圧センサ６６、６７、６８ａ、６８ｂ、流量調整バルブ７１、７２ａ、７２ｂ、ＶＡＶユニット８１ａ、８１ｂ、８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂ、温度目標値設定ユニット９１ａ、９１ｂ、最適計算用計算機１、監視制御装置２は、通信手段を備えている。
吸収式冷凍機１４、インバータ３１、３２、３３、３４ａ、３４ｂ、温度センサ４１、４２、４３、４４、温湿度センサ５１、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、５５ａ、５５ｂ、５６ａ、５６ｂ、５７ａ、５７ｂ、流量センサ６１、６２ａ、６２ｂ、圧力センサ６５、流量調整バルブ７１、７２ａ、７２ｂ、ＶＡＶユニット８１ａ、８１ｂ、８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂ、温度目標値設定ユニット９１ａ、９１ｂ、最適計算用計算機１、監視制御装置２は、通信ネットワーク３に接続されており、通信ネットワーク３を介してデータの送受信が行える。
【００１９】
次に最適計算用計算機１の詳細を説明する。図２は、最適計算用計算機１の構成を示した図である。最適計算用計算機１は、通信ネットワーク３に接続されている機器と通信を行う通信手段１０１と、空調設備のシミュレーションに用いる空調機器の特性データや、配管、ダクトの抵抗係数等のシミュレーションに必要なシミュレーションパラメータ等が記憶されている機器特性データベース１０４と、機器特性データベース１０４のデータを用いて空調設備のシミュレーションを行う空調シミュレータ１０３と、空調設備シミュレータ１０３を用いて空調設備の最適制御目標値を計算する最適化手段１０２と、センサの計測データを用いて配管、ダクトの抵抗係数等のシミュレーションパラメータを同定するパラメータ同定手段１０５から構成される。
最適計算用計算機１は、温湿度センサ５１、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ、５５ａ、５５ｂで計測された温湿度と、流量センサ６２ａ、６２ｂで計測された流量と、ＶＡＶユニット８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂで計測された流量を通信ネットワーク３を介して受信して、空調設備全体のランニングコストを最小とする冷却水温度制御目標値、冷却水流量制御目標値、冷水温度制御目標値、空気調和機吹出し温度制御目標値を計算する。以下では空調設備全体のランニングコストを最小とする冷却水温度制御目標値、冷却水流量制御目標値、冷水温度制御目標値、空気調和機吹出し温度制御目標値の組合せを、最適制御目標値と呼ぶ。
【００２０】
最適計算用計算機１は、冷却塔１１、冷却水ポンプ１２、吸収式冷凍機１４、冷水ポンプ１５、空気調和機１９ａ、１９ｂ、ＶＷＶ制御、ＶＡＶ制御等のシミュレーションモデルが記述された空調設備シミュレータ１０３と、冷却塔１１、冷却水ポンプ１２、吸収式冷凍機１４、冷水ポンプ１５、空気調和機１９ａ、１９ｂ、機器特性データと、ＶＷＶ制御、ＶＡＶ制御等の制御パラメータと、配管、ダクトの抵抗係数等のシミュレーションに必要なシミュレーションパラメータ等が記憶されている機器特性データベース１０４を備えている。この空調設備シミュレータ１０３は、温度センサ、湿度センサの計測値と冷却水温度の制御目標値、冷却水流量の制御目標値、冷水温度の制御目標値、空気調和機の吹出し温度の制御目標値を入力すると、機器特性データベース１０４のデータとシミュレーションモデルを用いて全体の評価関数を計算する。ここでは、評価関数をランニングコストとして説明する。
【００２１】
空調設備シミュレータ１０３のシミュレーションモデルとしては、冷却塔１１、冷却水ポンプ１２、吸収式冷凍機１４、冷水ポンプ１５、空気調和機１９ａ、１９ｂ、ＶＷＶ制御、ＶＡＶ制御等のシミュレーションモデルが、それぞれ機器ごとにモジュール化されプログラムとして構築されている。例えば、冷却塔１１のエンタルピ差基準総括体積熱伝達率を用いた理論に基づいて冷却塔１１の冷却水出口の冷却水温度及び消費電力等を計算するプログラム、冷却水ポンプ１２、冷水ポンプ１６の特性曲線と配管の抵抗係数から冷却水ポンプ１２、冷水ポンプ１６の吐出流量及び消費電力を計算するプログラム、吸収式冷凍機１４のサイクルシミュレーションにより吸収式冷凍機１４の冷却水出口の温度及びガス消費量等を計算するプログラム、空気調和機１９ａ、１９ｂの冷水コイル２０ａ、２０ｂで必要となる冷水流量及び冷水コイル２０ａ、２０ｂの冷水出口の冷水温度及びファン２２ａで消費電力等を計算するプログラム、ＶＷＶ制御時の配管の圧力損失を計算するプログラム、ＶＡＶ制御時のダクトの圧力損失を計算するプログラム等がモジュール化されたプログラムとして構築されている。
【００２２】
空調設備シミュレータ１０３のプログラムでは、温度センサ、湿度センサの計測値と冷却水温度の制御目標値、冷却水流量の制御目標値、冷水温度の制御目標値、空気調和機の吹出し温度の制御目標値を入力すると、吸収式冷凍機１４のガス消費量、及び、ファン２２ａ、２２ｂ、インバータ３４ａ、３４ｂ、冷水ポンプ１６、インバータ３３、冷却水ポンプ１２、インバータ３２、冷却塔１１のファン、インバータ３１で消費される消費電力を計算する。そして、ガス消費量及び消費電力の合計を計算して、ガス単価、電力単価を用いてガス料金、電力料金を計算し、ガス料金、電力料金を合計して評価関数であるランニングコストを計算する。
【００２３】
最適化手段１０２は、空調設備シミュレータ１０３を用いて、評価関数であるランニングコストを最小とする冷却水温度の制御目標値、冷却水流量の制御目標値、冷水温度の制御目標値、空気調和機の吹出し温度の制御目標値を計算する手段である。
図４を用いて空調設備シミュレータ１０３の動作を説明する。空調設備シミュレータ１０３は、汎用性、拡張性を持たせるために各計算プログラムは、構成機器ごとにオブジェクト指向で構築されている。そして各オブジェクトを順次呼び出して計算することにより、評価関数である空調設備全体のランニングコストと、空調設備の運転できる範囲を表す制約条件関数を計算する。なお制約条件関数の詳細は後で説明する。
【００２４】
まず入力４０１では、運転状態パラメータ（最適化パラメータを含む）の値を与える。運転状態パラメータは、外気の温度、湿度、外気の取込み風量、室内から戻るリターン空気の温度、湿度、風量、吹出し温度制御目標値、冷却水設定温度制御目標値、冷水設定温度制御目標値、冷却水ポンプインバータ周波数制御目標値である。このうち、冷却水設定温度制御目標値、冷水設定温度制御目標値、冷却水ポンプインバータ周波数制御目標値、吹出し温度制御目標値は、最適化パラメータとして最適制御目標値を計算する。また、運転制御システムにおいては、最適化パラメータ以外の運転状態パラメータは、センサ、および構成機器の制御装置から通信により自動的に入力される。
【００２５】
次にＶＡＶ制御オブジェクト４０２では、ＶＡＶ制御の計算を行う。ＶＡＶ制御によって各ＶＡＶモジュール８２ａ、８２ｂ、８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂへ流れる風量を計算する。そして、ダクトの圧力損失を計算する。
次にファンオブジェクト４０３では、ファンの消費電力等を計算する。ＶＡＶ制御７０２で計算された風量を流すためのファン２２ａ、２２ｂに接続されているインバータ３４ａ、３４ｂのインバータ周波数を計算し、さらに、ファン２２ａ、２２ｂに接続されているインバータ３４ａ、３４ｂの消費電力等を計算する。
次に冷却コイルオブジェクト４０４では、外気とリターン空気の混合から空調機入口の空気の温度、湿度、冷却負荷を計算し、吹出し空気温度制御目標値を実現する冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水必要流量、およびその時の冷却コイル２０ａ、２０ｂの冷水出口温度等を伝熱の非線形方程式を解いて計算する。
次にＶＷＶオブジェクト４０５では、冷水還ヘッダ１８の温度、冷水流量、冷水往ヘッダ１７と冷水還ヘッダ１８間の各冷水配管の損失ヘッド等を計算する。
次に冷水ポンプオブジェクト４０６では、冷水ポンプ１６の特性、空調機側の配管の最大損失ヘッド、吸収式冷凍機１４側配管の配管抵抗特性を用いて作成した非線形方程式を解くことにより、冷水ポンプ１６に接続されているインバータ３３の周波数、冷水ポンプ１６に接続されているインバータ３３の消費電力等を計算する。
【００２６】
次に冷却水ポンプオブジェクト４０７では、冷却水ポンプ１２の特性と配管抵抗特性を用いて作成した非線形方程式を解くことにより、冷却水流量と冷却水ポンプ１２に接続されているインバータ３２の消費電力等を計算する。
次に冷却塔オブジェクト４０８では、局所の交換熱量が水の温度の飽和空気と実際の空気のエンタルピ差に比例するとし、蒸発による流量変化を無視した理論を用いて作成した非線形方程式を解くことにより、冷却塔１１のファンに接続されているインバータ３１の周波数、冷却塔１１のファンに接続されているインバータ３１の消費電力等を計算する。
次に冷凍機オブジェクト４０９では、吸収冷温水機シミュレータを用いて、冷凍サイクルの連立非線形方程式を解いて、吸収式冷凍機１４の冷却水出口温度、消費電力、ガス消費量等を計算する。
【００２７】
次に出力４１０では、各機器の消費電力、ガス消費量から評価関数である空調設備全体のランニングコストを計算する。また、空調設備の運転できる範囲を表す制約条件関数も同様に計算する。
次に、図５を用いて最適化手段を説明する。評価関数は、空調設備全体のランニングコストである。制約条件関数は、空調設備が動作できる実行可能領域を表す関数である。実際の空調システムにおいては、構成機器の能力限界から、あるいは構成機器の安全運転のための安全装置から、運転が制限されている。また、物理法則からの制限もある。
例えば、冷却塔１１の冷却水出口温度１１の上限値と下限値、吸収式冷凍機１４の冷水出口温度の下限値と上限値、吸収式冷凍機１４の冷却水入口温度の下限値、吸収式冷凍機１４の冷却水出口温度の上限値、吸収式冷凍機１４の冷水、吸収式冷凍機１４のガス流量の上限値と下限値、冷却水流量の下限値、冷却コイル２０ａ、２０ｂの吹出し温度の上限値と下限値、インバータ３１、３２、３３、３４ａ、３４ｂ周波数の下限値と上限値等である。このような制約条件を制約条件関数として表す。
【００２８】
制約条件関数は、制約条件を満たす場合は負の値、制約条件を満たさない場合は正の値となるようにすべての制約条件に関して設定する。これらの制約条件関数は、前記の空調設備シミュレータで、評価関数のランニングコストと同様に計算される。制約条件関数を満たし、かつ非線形な評価関数を最小とする制約付きの非線形最適化問題とする。そして、図８に示したペナルティ関数により、制約付き非線形最適化問題を無制約非線形最適化問題に変換する。そして、準ニュートン法、共役勾配法、最急降下法の最適化手法を利用して最適制御目標値を計算する。
また、制約付き非線型計画問題を逐次二次計画法を利用して最適制御目標値を計算してもよい。あるいは、制御目標値を変えて全ての組合せを計算して、その中で制約条件を満たし、かつ最もランニングコストの小さい制御目標値の組合せを選び出す方法により最適制御目標値を求めてもよい。
【００２９】
このようにすることにより、空調設備が動作可能（実行可能領域）で、かつ評価関数である空調設備全体のランニングコストが最小とする最適制御目標値を求めることができる。
以上では、評価関数をランニングコストとしてランニングコストを最小とする最適値を求めたが、評価関数を他のものに変えることも可能である。例えば、一次エネルギー消費量の原油換算、二酸化炭素排出量等を最小にすることも換算係数の変更で可能である。また、ランニングコスト、一次エネルギー消費量の原油換算、二酸化炭素排出量等にそれぞれの重み係数をかけて評価関数を作成して、その評価関数を最小とする最適値を求めることも可能である。
パラメータ同定手段１０５では、配管抵抗係数、ダクト抵抗係数、冷却コイル２０ａ、２０ｂの汚れ係数（あるいは伝熱係数）、冷却塔のエンタルピー差基準伝熱係数１１、インバータ３１、３２、３３、３４ａ、３４ｂのインバータ効率等のシミュレーションパラメータを同定する。
【００３０】
配管抵抗係数、ダクト抵抗係数は、配管、ダクトの形状より計算を行うこともできるが、実際の配管抵抗係数、ダクト抵抗係数と少しずれが生じる場合がほとんどである。そのため、配管抵抗係数、ダクト抵抗係数等のシミュレーションパラメータは、センサの計測値により最小二乗法を用いて同定する方法を用いる。
また、冷却コイル２０ａ、２０ｂは、汚れにより伝熱性能が劣化する。そこで、センサの計測値に基づき冷却コイル２０ａ、２０ｂの汚れ係数（あるいは伝熱係数）を同定する。たとえば、冷却コイル２０ａの場合、温度センサ４５ａ、４６ａ、差圧計６８ａ、温湿度センサ５３ａ、５４ａ、５５ａ、ＶＡＶユニット８１ａ、８２ａ、８３ａ、８４ｂの計測値により、冷却コイル２０aの冷水の入口温度、出口温度、流量、および空気の入口温度湿度、出口温度湿度、流量を求め、これらの値より冷却コイル２０ａの汚れ係数（あるいは伝熱係数）を最小二乗法を用いて同定する。なお、温度センサ４５ａを設けない場合は、温度センサ４３の温度計測値を冷却コイル２０ａの入口温度とする。また、同様にして他のパラメータの同定も行う。
【００３１】
監視制御装置２は、通信ネットワーク３に接続された機器と通信を行なう通信手段１２１と、センサの計測データや機器の運転状況や機器へ指令した制御目標値等を記録する記録手段１２２と、最適計算用計算機１で計算した最適制御目標値を記憶しておく最適制御目標値記憶手段１２３と、最適制御目標値記憶手段１２３に記憶されている最適計算用計算機１で計算された最適制御目標値を参照して、さらにセンサの計測値等により空調機器が冷却負荷を正常に処理しているか等を監視して異常が発生した場合は対策を行って吸収吸収式冷凍機１４等の機器への送る最終的な制御目標値を生成する制御目標値生成手段１２４を備えている。
制御目標値生成手段１２４は、最適制御目標値記憶手段１２３に記憶されている最適計算用計算機１で計算した新しい最適制御目標値を受け取り、現在の制御目標値から新しい制御目標値に急激に変化しないように間を補間して、徐々に制御目標値が変化するように空調設備に制御目標値を送る。
【００３２】
制御目標値生成手段１２４は、センサの計測値等により空調機器が冷却負荷を正常に処理しているか等を監視して異常が発生した場合は対策を行う。最適計算用計算機１は、少し前の温度、湿度を基に最適な制御目標値を計算しているため、外気の温度、湿度が急激に変化すると冷却水流量、あるいは冷水流量、あるいは吹出し風量が足りなくなる等の恐れがあることが分かった。このような不具合を防ぐため、制御目標値生成手段１２４は、最適計算用計算機で計算した最適制御目標値を基準として下記ルールに従って調整することにより、不具合が起こることを防ぐ。
「もし冷却水出口温度が上限値を越えた場合、冷却水入口温度目標値を既定値下げ、冷却水流量を既定値上げる。」「もし空調機ファン２２aのインバータ３４ａの周波数が最大値になっても風量が足りない場合、吹出し温度目標値を既定値下げる。」「もし冷水ポンプ１６のインバータ３３の周波数が最大値になっても冷水流量が足りない場合、冷水温度目標値を既定値下げる。」制御目標値生成手段１２４には、このようにＩＦ、ＴＨＥＮ形式で、状況と対応策が記述されており、状況変化による不具合に対応することが可能となる。
監視制御装置２では、計算量の多い最適化計算を行っておらず、前述したように簡単なルールにより制御しているため処理周期を短くすることができる。このため急激な状況の変化に対しても迅速に安全に対応することが可能となる。また、急激な状況の変化が起こった場合には、監視制御装置２では最適計算用計算機１で計算した最適制御目標値を中心に負荷状況等の変化に対応して調整しているため、最適制御目標値とまではいかないが、準最適制御目標値で空調設備を制御することが可能となる。
【００３３】
なお、本実施形態では、冷水生産側の吸収式冷凍機の系統が１系統、負荷側の空気調和機の系統が２系統であるがが、冷水生産側、負荷側どちらの系統も系統数で限定されるものではなく、系統数はいくつでもよい。また、吸収式冷凍機１４の代わりに、ターボ冷凍機、スクリューチラー等の別方式の冷凍機を用いても、暖房も可能な吸収式冷温水機を用いてもよい。また、空気調和機１９ａ、１９ｂの代わりにファンコイルユニット、あるいはその他の熱交換器にしてもよい。また、冷却水ポンプ１２、冷水ポンプ１６、ファン２２ａ、２２ｂの流量を変化させるためにインバータを用いたが、変速機等を用いて回転数を変えて流量を制御してもよい。また、流量調整バルブ、ダンパあるいはＶＷＶユニット、ＶＡＶユニットを用いて流量を変化させることもできる。この場合、インバータの場合に比べてランニングコストは大きくなるが、イニシャルコストは小さくなる。
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。システムの基本構成は、第一の実施の形態と同様に図１の通りである。ただし、最適計算用計算機１は、頻繁には通信を行わないため、ネットワーク３に接続されていなくてもよく、最適計算用計算機１と監視制御装置２との間のデータ交換は、別のメディアを介してもよい。
【００３４】
第２の実施形態では、最適計算用計算機１で制御目標値生成用テーブルデータを作成し、監視制御装置２は最適計算用計算機１で生成した制御目標値生成用テーブルデータを用いて最適な制御目標値を生成する。
図６に最適計算用計算機１を示す。パラメータ同定手段１０５では、監視制御装置２の記録手段１２２により記録された空調システムの運転記録である運転データ１２８を用いて、シミュレーションパラメータを同定し、機器特性データベースに記録する。また、機器特性データベース１０４と空調設備シミュレータ１０３と最適化手段１０２を用いて、最適制御目標値のテーブルデータを生成する。テーブルデータは、各空調機１９ａ、１９ｂの冷却負荷と外気の湿球温度でテーブル化されている。
【００３５】
図７に監視制御装置２を示す。監視制御装置２の制御目標値生成手段１２４では、最適計算用計算機１で作成された制御目標値生成用テーブルデータを基に、補間により最適制御目標値を生成する。監視制御装置２の記録手段１２では、空調システムの運転記録である運転データ１２８を記録する。
次に、第三の実施形態について説明する。第三の実施形態では、空調機の空気吹出し温度は一定とし、空気吹出し流量は第一の実施の形態と同様のＶＡＶ制御により制御する。冷水流量は第一の実施の形態と同様のＶＷＶ制御により制御する。
図８に、冷水温度冷水温度の決定方法を示す。以下に冷水温度、冷水温度、冷却水流量の制御目標値の決定方法を説明する。まず、冷水温度の決定方法を、図６を用いて説明する。
まず、冷水コイルを流れる流量、バイパス弁を流れる冷水流量、冷水温度、冷水コイルの入口温度、出口温度等の空調設備の状態量を計測する（６０１）。次に、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値を求め、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値が冷水流量の下限値以下の場合はステップ６０３へ、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値が冷水流量の下限値よりも大きい場合はステップ６０７へ進む（６０２）。ここで、冷水流量の下限値は、吸収式冷凍機１４の冷水流量の下限値と、インバータ周波数を小さくして冷水ポンプの流量を小さくした時の下限値の大きい方の値を、冷水流量の下限値としている。
【００３６】
次に、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値が冷水流量の下限値以下場合の操作について説明する。冷水コイルを流れる冷水流量の合計値が冷水流量の下限値以下場合は、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値にバイパス弁を流れる冷水流量を加算した値が、冷水流量の下限値になるようにバイパス弁の開度が制御される。バイパス弁を流れるバイパス流量が設定値（ここでは、０）以下の場合は、ステップ６０５へ進み（６０３）、冷水温度を変更しない（６０５）。また、バイパス弁を流れるバイパス流量が設定値より大きい場合は、ステップ６０４に進む（６０３）。次に、冷水温度が冷水温度の上限値（吸収式冷凍機１４で制御できる冷水温度の上限値を冷水温度の上限値とする）以上の場合は、ステップ６０７へ進み（６０４）、冷水温度が冷水温度の上限値になるように吸収式冷凍機１４へ指令する（６０７）。冷水温度が冷水温度の上限値より小さい場合は、ステップ６０６へ進み（６０４）、冷水温度を設定した刻み幅だけ上げるように吸収式冷凍機１４へ指令する（６０６）。ここで、冷水温度を上げる幅は、比例制御を用いて、バイパス流量に比例ゲインをかけた値としてもよい。
【００３７】
次に、冷水コイルを流れる冷水流量の合計値が冷水流量の下限値より大きい場合の操作について説明する。冷水コイルを流れる冷水流量が冷水流量の下限値より大きい場合は、テーブルデータの参照して、テーブルデータの冷水温度で吸収式冷凍機１４に指令する（６０８）。ここで、テーブルデータは、冷却負荷を入力して冷水温度を出力するテーブルデータである。計測した状態量から冷却負荷を計算して、テーブルデータを基に冷水温度を決定する。なお、テーブルデータはシミュレーションあるいは運転試験結果により作成したものである。
次に、冷却水温度、流量を外気の湿球温度と冷却水冷却熱量によるテーブルデータを作成しておく。センサの計測値より外気の湿球温度と冷却水冷却熱量を求め、テーブルデータにより冷却水温度、流量を求め、その冷却水温度、流量で制御する。なお、テーブルデータはシミュレーションあるいは運転試験結果により作成したものである。
【００３８】
また、冷却塔ファンの消費電力は、全体の中で比較的小さいので、下記のような制御をしてもよい。冷却水温度は、下限値以下になった時のみ下限値を下回らないように制御し、それ以外は、冷却塔ファンを電源の周波数で運転し、冷却水温度は制御しない。また、冷却塔ファンインバータを取り付けず、冷却塔をＯＮ／ＯＦＦ制御としてもよい。この場合、冷却水温度の制御精度が下がるが、イニシャルコストが下がるという長所がある。
なお、第三の実施形態も第二の実施形態と同様に、最適計算用計算機１は、頻繁には通信を行わないため、ネットワーク３に接続されていなくてもよく、最適計算用計算機１と監視制御装置２との間のデータ交換は、別のメディアを介してもよい。また、前記テーブルデータを運転試験結果等により作成し、空調設備のシミュレーションを行わない場合は、最適計算用計算機１はなくてもよい。
次に、第四の実施形態について説明する。第四の実施形態では、空調機の空気吹出し温度は一定とし、空気吹出し流量は第一の実施の形態と同様のＶＡＶ制御により制御する。冷水流量は第一の実施の形態と同様のＶＷＶ制御により制御する。
【００３９】
第四の実施形態では、最適計算用計算機１を使わない構成として、テーブルデータを使わない。
第三の実施形態と違うところは、冷水流量が下限値より大きく、ステップ６０２のところでＮｏとなった場合の処理である。以下その処理方法について説明する。冷水流量が下限値より大きく、ステップ６０２のところでＮｏとなった場合は、まずステップ６１０に進む。
冷水温度が冷水温度の下限値（吸収式冷凍機１４で制御できる冷水温度の下限値を冷水温度の下限値とする）以下の場合は、ステップ６１２へ進み（６１０）、冷水温度が冷水温度の下限値になるように吸収式冷凍機１４へ指令する（６１２）。冷水温度が冷水温度の下限値より大きい場合は、ステップ６１１へ進み（６１０）、冷水温度を設定した刻み幅だけ下げるように吸収式冷凍機１４へ指令する（６１１）。ここで、冷水温度を下げる幅は、比例制御を用いて、冷水流量と冷水流量の下限値の差に比例ゲインをかけた値としてもよい。
【００４０】
第四の実施形態は、最適計算用計算機１を使わないため、第三の実施形態と比較してイニシャルコストが小くなるがランニングコストは大きくなる。
【発明の効果】
空調設備全体のランニングコストの合計が最小となる最適運転方法で冷凍空調設備を運転することができるイニシャルコストの小さい実用的な空調設備を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態例の空調設備を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態例の最適計算用計算機の構成を示した図である。
【図３】本発明の第１の実施形態例の監視制御装置の構成を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態例の空調設備シミュレータの計算手順を説明するフローチャート図である。
【図５】本発明の第１の実施形態例の最適化方法を示した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態例の最適計算用計算機の構成を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態例の監視制御装置の構成を示した図である。
【図８】本発明の第３の実施形態例の冷水温度の制御目標値の決定方法を説明するフローチャート図である。
【図９】本発明の第４の実施形態例の冷水温度の制御目標値の決定方法を説明するフローチャート図である。
【符号の説明】
１・・・最適計算用計算機、２・・・監視制御装置、３・・・通信ネットワーク、１１・・・冷却塔、１２・・・冷却水ポンプ、１４・・・吸収式冷凍機、１６・・・冷水ポンプ、１７・・・冷水往ヘッダ、１８・・・冷水還ヘッダ、１９・・・空気調和機、２０・・・冷水コイル、２１・・・加湿器、２２ファン、３１〜３４・・・インバータ、４１〜４６・・・温度センサ、５１〜５８・・・温湿度センサ、６１〜６２・・・流量センサ、６５・・・圧力センサ、７１〜７２・・・流量調整バルブ、８１〜８３・・・ＶＡＶユニット、９１〜９３・・・温度目標値設定ユニット。

Claims

ポンプによって冷水を冷凍機に循環供給して空調を行う空調設備であって、前記冷凍機を流れる冷水の流量を変化可能な空調設備において、
空調設備を構成する機器のシミュレーションモデルとして、少なくとも、前記ポンプの特性曲線と配管の抵抗係数から前記ポンプの消費電力を求める計算と、前記冷凍機のサイクルシミュレーションにより前記冷凍機の燃料消費量、消費電力を求める計算と、冷水コイルで必要となる冷水流量を求める計算と、がモジュール化されたプログラムとして空調設備シミュレータに構築され、
前記空調設備の運転状態をセンサにより計測し、その計測値を入力とし、
少なくとも、前記空調設備を構成する冷水コイルで必要な冷水の流量を伝熱の非線形方程式を解いて求める計算と、前記冷水の流路の抵抗係数を用いて前記ポンプの消費電力を計算する計算と、前記冷凍機の消費電力、燃料消費量を求める計算を含むシミュレーション計算とを、前記空調設備シミュレータを用いて、非線形最適化手法に従って、又は、全ての組み合わせを計算するように、制御目標値を変えて行い、
前記空調設備シミュレータによって、前記空調設備の動作の実行可能領域を表す制約条件の関数と、前記消費電力の合計と前記燃料消費量に基づいて空調設備全体の消費エネルギー量、運転コスト又は二酸化炭素排出量を評価する評価関数と、を計算し、
前記制約条件を満たし、かつ前記評価関数を最小あるいは最大とする制御目標値の組み合わせを最適制御目標値として決定し、最適制御目標値で空調設備を運転することを特徴とする空調設備。
ポンプによって冷水を冷凍機に循環供給して空調を行う空調設備であって、前記冷凍機を流れる冷水の流量を変化可能な空調設備において、
空調設備を構成する少なくとも前記冷凍機、前記ポンプ、冷水コイルの機器特性データであって、空調設備のシミュレーションに用いる機器特性データが記憶されている機器情報データベースと、
少なくとも、前記ポンプの特性曲線と配管の抵抗係数から前記ポンプの消費電力を計算するプログラムと、前記冷凍機のサイクルシミュレーションにより前記冷凍機の燃料消費量、消費電力を求める計算と、前記冷水コイルで必要となる冷水流量を求める計算と、がモジュール化されたプログラムとして構築されたシュミレーションモデルを備え、前記機器情報データベースに記憶されている構成機器の機器特性データから、少なくとも冷凍機の消費電力、燃料消費量と、前記ポンプの吐出流量及び消費電力とを計算し、前記消費電力の合計と前記燃料消費量に基づいて空調設備全体の消費エネルギー量、運転コスト又は二酸化炭素排出量を評価する評価関数を計算する空調設備シミュレータと、
前記空調設備シミュレータを用いて、非線形最適化手法に従って、又は、全ての組み合わせを計算するように制御目標値を変えて、前記空調設備の動作の実行可能領域を表す制約条件を満たし、かつ前記評価関数を最小あるいは最大とする制御目標値の組み合わせを求めて最適制御目標値とする最適化手段と、を備え、
最適制御目標値により空調設備の構成機器を運用することを特徴とする空調設備。
前記冷水コイルの差圧を計測する差圧計を備え、前記冷水コイルの差圧を計測することにより、前記冷水コイルを流れる冷水の流量を求め、シミュレーションパラメータを同定することを特徴とする請求項１あるいは請求項２の空調設備。
前記冷凍機の冷却水入口と出口の間の差圧を計測する差圧計を備え、前記冷凍機の冷却水入口と出口の間の差圧を計測することにより、前記冷凍機を流れる冷却水の流量を求めることを特徴とする請求項１あるいは請求項２の空調設備。
前記冷凍機の冷水入口と出口の間の差圧を計測する差圧計を備え、前記冷凍機の冷水入口と出口の間の差圧を計測することにより、前記冷凍機を流れる冷水の流量を求めることを特徴とする請求項１あるいは請求項２の空調設備。
前記制約条件を満たし、かつ前記評価関数を最小あるいは最大とする空調設備の構成機器の最適制御目標値を出力するテーブルデータである制御目標値生成用テーブルデータを作成し、前記制御目標値生成用テーブルデータを用いて最適な制御目標値を生成することを特徴とする請求項１あるいは請求項２の空調設備。
前記制御目標値生成用テーブルデータは、空調機の冷却負荷と外気の湿球温度を入力とし、構成機器の最適制御目標値を出力するテーブルデータであることを特徴とする請求項６の空調設備。
インバータにより冷水ポンプの流量を変化させることのできる空調設備において、
冷水流量が冷水流量の下限値であり、バイパスを冷水が流れている場合、バイパス流量が設定値以下になるように、冷凍機の冷水出口設定温度を上昇させることを特徴とする空調設備。
熱交換器の汚れ係数あるいは伝熱係数をセンサの計測値を基に同定して、同定した熱交換器の汚れ係数あるいは伝熱係数を用いて空調設備のシミュレーション計算を行うことを特徴とした請求項１あるいは２の空調設備。