JP4385738B2 - 空調設備 - Google Patents
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Description
本発明は、空調設備、空調設備のエネルギー管理システム、及び空調設備の流量計測方法に関する。
特許文献１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、空気調和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、冷温水と冷却水の流量を変化させることによって、冷却水ポンプ、冷温水ポンプの消費電力を削減している。
特開２００２−９８３５８号公報
しかしながら、特許文献１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、冷温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。
また、空調設備全体の消費エネルギー量、運転コストを削減することができる空調設備では、センサを多く備える必要があり、センサのイニシャルコストが増える。本発明は、さらにセンサのイニシャルコストを削減することを目的とする。
請求項１に記載の発明によれば、冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備において、前記複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備を提供する。
請求項２に記載の発明によれば、複数台の冷温水機からの冷温水を空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備において、前記複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備を提供する。
請求項３に記載の発明によれば、空調設備の冷却負荷あるいは冷水流量を表示あるいは記録するエネルギー管理システムにおいて、複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とするエネルギー管理システムを提供する。
請求項４に記載の発明によれば、空調設備の冷却負荷あるいは冷水流量を表示あるいは記録するエネルギー管理システムにおいて、前記空調設備の複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とするエネルギー管理システムを提供する。
請求項５に記載の発明によれば、冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備の流量計測方法において、前記複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備の流量計測方法を提供する。
請求項６に記載の発明によれば、複数台の冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備の流量計測方法において、前記複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備の流量計測方法を提供する。
本発明は、既知の熱量（Ｑ）計算式〔Ｑ＝Ｖ（ＴOUT −ＴIN）・ｃ・ρ〕に基づき流量（Ｖ）を制御することによって、その空気調和機による空調対象空間の温度を制御することを前提としている。
複数の空気調和機が設置された空調設備の場合、空気調和機毎に高価な電磁流量計を設けることによって、その空気調和機の冷温水コイルに流れる冷温水の流量を空気調和機毎に計測することができ、空調対象空間の温度を制御できる。しかし、空気調和機毎に高価な電磁流量計を設けたのでは、設備コストが膨大になる。
この不具合を解消するため、本発明は、流量計を１台設け、各々の空気調和機に設けていた電磁流量計に代えて安価な差圧センサを設けた。そして、冷暖房運転前に、１台の空気調和機の冷温水コイルに冷温水が流れるようにバルブを切り換え、その冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を、差圧センサと流量センサとによって求める。そして、この関係を各空気調和機の冷温水コイルに関しても求めておく。この後、冷暖房運転時に、流量計測の対象となる冷温水コイルの差圧センサによって差圧を計測し、前記求めた流量と差圧との関係により、その冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める。
したがって、本発明によれば、空調設備の設備コスト、空調設備全体の消費エネルギー量、運転コストを削減することができる。
また、冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を計測する差圧センサと全体の冷温水流量を測る流量センサとを備え、冷暖房運転前に、冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求めておき、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を計測し、前記流量と差圧との関係により、前記空気調和機の冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求めることもできる。
本発明によれば、空調設備全体のランニングコスト、及びイニシャルコストの合計が最小となる設備及び方法で冷温水コイルに流れる冷温水の流量を計測することができるので、ランニングコスト及びイニシャルコストを最小限に抑えた実用的な空調設備、空調設備のエネルギー管理システム、及び空調設備の流量計測方法を提供することができる。
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、第１の実施の形態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１ａ、１ｂ、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水ポンプ４ａ、４ｂ、冷温水往ヘッダ１０、冷温水還負荷側ヘッダ１１、冷温水還熱源側ヘッダ１２、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃを備えたセントラル空調方式の空調設備である。
まず、熱源側の設備の詳細な構成について説明する。冷却塔１ａ、１ｂの風量を変化させるために、冷却塔１ａ、１ｂのファンにはそれぞれインバータ７０ａ、７０ｂ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２ａ、２ｂにはインバータ７１ａ、７１ｂが接続されている。冷温水の流量を変化させるために、冷温水ポンプ４ａ、４ｂにはインバータ７２ａ、７２ｂが接続されている。吸収冷温水機３ａ、３ｂは、外部の指令によって冷温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冷温水機である。また、吸収冷温水機３ａ、３ｂは冷却水、冷温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温水機である。
更に、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、インバータ７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、温度センサ３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３、３４、３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、温湿度センサ３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、流量センサ５３、差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、流量調整バルブ８０、８１ａ、８１ｂ、８１ｃ、最適計算用計算機１０１、中央監視制御装置１０２は、通信手段を備えており、通信ネットワーク１０３を介してデータの送受信を行うことができる。また、中央監視画面表示装置１０５は、中央監視制御装置１０２の表示装置であり、各センサの計測結果および各センサの計測結果から計算される冷暖房負荷等が表示される。
吸収冷温水機３ａ、３ｂで冷却された冷温水は、冷温水往ヘッダ１０へ流入し、負荷側へ送られる。そして負荷側から流出した冷温水は、冷温水還負荷側ヘッダ１１に流入して合流し、冷温水還熱源側ヘッダ１２に流入する。冷温水還負荷側ヘッダ１１と冷温水還熱源側ヘッダ１２の間の配管には、冷温水の全体の循環量を計測するため、１台の流量センサ５３が備えられている。また、冷温水往ヘッダ１０と冷温水還熱源側ヘッダ１２には、それぞれの冷温水の温度を計測する温度センサ３３、３４が接続されている。
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５ａ、５ｂ、５ｃは、それぞれ冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃ、加湿器７ａ、７ｂ、７ｃ、ファン８ａ、８ｂ、８ｃを備えている。空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃを通る風量を変化させるために、ファン８ａ、８ｂ、８ｃにはそれぞれインバータ７３ａ、７３ｂ、７３ｃが接続されている。
冷温水二次配管には、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水入口出口間での圧力損失を計測するために、それぞれ差圧センサ５２ａ、５２ｂ、５２ｃが接続されている。また、冷温水二次配管には、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃから流出した冷温水の温度を計測するため、それぞれ温度センサ３５ａ、３５ｂ、３６ｃが接続され、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水流量を変化させるため、流量調整バルブ８１ａ、８１ｂ、８１ｃが接続されている。
空気調和機５ａには、外気９０ａと室内からのリターン空気９１ａがダクトで合流した後、流入する。空気調和機５ｂ、５ｃについては図示していないが、空気調和機５ａと同様に、外気と室内からのリターン空気がダクトで合流した後、空気調和機５ｂ、５ｃに流入する。空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃの空気入口のダクトには、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃに流入する空気温湿度を計測するための温湿度センサ３６ａ、３６ｂ、３６ｃが接続されている。また、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃの空気出口のダクトには、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃによって温湿度が整えられた給気９２ａ、９２ｂ、９２ｃの温湿度を計測する温湿度センサ３７ａ、３７ｂ、３７ｃが設けられている。
次に、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃに流れる冷温水流量の計測方法について説明する。
まず、試運転時、あるいは冷暖房期間以外の負荷がない時期に、吸収冷温水機３ａ、３ｂを停止した状態で、冷温水を空調調和機５ａ、５ｂ、５ｃに各々別個に循環供給して流量と差圧との関係を求める作業を行う。そして、その流量と差圧との関係に基づき、差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃの計測値から流量を求める。すなわち、図６に示す流量（Ｖ）と差圧（圧力損失Δｐ）との関係をグラフ化して予め取得し、差圧センサで計測された差圧（圧力損失Δｐ）に基づいて流量（Ｖ）を逆算する。流量（Ｖ）と差圧（圧力損失Δｐ）との関係は、各冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃ毎に取得しておく。なお、差圧（圧力損失Δｐ）は、既知の算出式であるΔｐ＝ａＶ2 にて算出できる（ａ：冷温水コイルの径）。
詳細な方法を次に説明する。
冷温水コイル６ａを流れる冷温水流量と冷温水コイル６ａの入口出口間の差圧の関係を求める方法を説明する。まず、流量調節バルブ８０、８１ｂ、８２ｂを閉め、流量調節バルブ８１ａを開けた状態で、冷却水ポンプ４ａ、４ｂの片方、あるいは両方を運転して冷温水を冷温水コイル６ａに流す。そうすると１台の流量センサ５３で計測した流量が冷温水コイル６ａを流れる冷温水流量となる。この状態で、冷温水ポンプ４ａ、４ｂに接続されたインバータ７２ａ、７３ｂの周波数を変化させることにより冷温水流量を変化させて、冷温水コイル６ａを流れる冷温水の流量と冷温水コイル６ａの冷温水入口出口間の差圧の関係を求める。
実際の冷暖房運転の時は、前記した冷温水コイル６ａを流れる冷温水の流量と冷温水コイル６ａの冷温水入口出口間の差圧の関係を基に、差圧センサ５２ａの計測値から冷温水コイル６ａを流れる冷温水の流量を求める。なお、冷温水コイル６ｂ、６ｃについても冷温水コイル６ａと同様の方法で行う。
吸収冷温水機３ａを流れる冷温水の流量と吸収冷温水機３ａの冷温水入口出口間の差圧の関係を求める場合は、冷温水ポンプ４ｂが停止している状態で冷温水ポンプ４ａを運転して、吸収冷温水機３ａにのみ冷温水が流れるようにする。そうすると１台の流量センサ５３で計測した流量が吸収冷温水機３ａを流れる冷温水流量となる。この状態で、冷温水ポンプ４ａに接続されたインバータ７２ａの周波数を変化させる方法と流量調整バルブ８１ａの開度を変化させる方法の片方あるいは両方により冷温水流量を変化させて、吸収冷温水機３ａを流れる冷温水の流量と吸収冷温水機３ａの冷温水入口出口間の差圧の関係を求める。
実際の冷暖房運転の時は、前記した吸収冷温水機３ａを流れる冷温水の流量と吸収冷温水機３ａの冷温水入口出口間の差圧の関係を基に、差圧センサ５１ａの計測値から吸収冷温水機３ａを流れる冷温水の流量を求める。なお、吸収冷温水機３ｂについても吸収冷温水機３ａと同様の方法で行う。
吸収冷温水機３ａの熱交換器、冷温水コイル６ａには運転とともにスケール等が付着し、流量と差圧の関係が変化する場合があるが、変化は非常に緩やかであるため、定期的（年１回程度）に前述の流量と差圧の関係を求める操作を行うことにより、この影響を避けることができる。この場合、前回取得した図６のデータと今回取得したデータとを比較し、一致すれば冷温水コイルには詰まりが生じていないことを確認できる。一方でデータにずれがある場合、すなわち、同流量に対して圧力損失が前回よりも大きくなっていた場合には冷温水コイルに詰まりが生じていることを確認できる。
実際の冷暖房運転時には、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの流量、および流量センサ５３により計測される全体の冷温水流量は、中央監視制御装置１０２の表示装置１０５に表示される。また、温度センサ３４、３２ａの温度と差圧センサ５１ａの計測値により吸収冷温水機３ａの冷暖房負荷を計算できる。同様に吸収冷温水機３ｂの冷暖房負荷も計算できる。温度センサ３３、３５ａと差圧センサ５２ａの計測値より冷温水コイル６ａの冷却負荷が計算できる。同様に冷温水コイル６ｂ、６ｃの冷暖房負荷も計算できる。計算された吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷暖房負荷についても中央監視制御装置１０２の表示装置１０５に表示される。これらの表示により各機器の負荷を把握することができ、無駄な冷暖房負荷がないか監視することができる。
電磁流量計等の流量センサ５３は、差圧センサより価格が高い。図１のような差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃと流量センサ５３の配置を行い、前述の方法を用いることにより、小さいイニシャルコストで、精度よく冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃ、吸収冷温水機３ａ、３ｂの流量を計測することができる。
また、差圧の大きい吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水入口出口間に差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃを配置したことにより差圧の計測精度が高い。
また、差圧の大きい吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水入口出口間に差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃを配置し、オリフィスを用いないことにより、配管抵抗の増加がなく、冷温水ポンプ４ａ、４ｂの消費電力の増加がない。
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７１ａの周波数と流量の関係を求めておけば、インバータ７１ａの周波数から冷却水流量を換算できる。
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１０１の構成を示した図である。最適計算用計算機１０１は、通信ネットワーク１０３に接続されている機器と通信を行う通信手段２０１と、空調設備のシミュレーションに用いる空気調和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２０４と、機器特性データベース２０４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設備シミュレータ２０３と、空調設備シミュレータ２０３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２０２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２０５から構成される。
最適計算用計算機１０１は、実際の冷暖房運転時には、温湿度センサ３８、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３７ａ、３７ｂ、３８ｃで計測された温湿度と、温度センサ３３、３５ａ、３５ｂ、３５ｃと、流量センサ５３で計測された流量、差圧センサ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの差圧を通信ネットワーク１０３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、冷温水温度制御目標値、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、冷温水温度制御目標値の組合せを、最適制御目標値と呼ぶ。
最適計算用計算機１０１は、冷却塔１ａ、１ｂ、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水ポンプ４ａ、４ｂ、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃ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２０３と、冷却塔１ａ、１ｂ、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水ポンプ４ａ、４ｂ、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃ、ＶＷＶ制御等の機器特性データと、ＶＷＶ制御等の制御パラメータと、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水入口出口間の抵抗係数、指数、およびその他の配管、ダクトの抵抗係数、指数等のシミュレーションに必要なパラメータ等が記憶されている機器特性データベース２０４を備えている。この空調設備シミュレータ２０３は、温湿度センサ３８、３６ａ、３６ｂ、３６ｃ、３７ａ、３７ｂ、３８ｃで計測された温湿度と、温度センサ３３、３５ａ、３５ｂ、３５ｃと、流量センサ５３で計測された流量、差圧センサ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの差圧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、冷温水温度の制御目標値等の制御目標値を入力すると、機器特性データベース２０４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。なお、計算フローについては、後述する。
評価関数としては、ランニングコスト、あるいは、一次エネルギー消費量の原油換算、あるいは二酸化炭素排出量のうち一つを選択する。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もよい。
最適化手段２０２は、空調設備シミュレータ２０３を用いて、評価関数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、冷温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。
パラメータ同定手段２０５では、前述した流量と差圧の関係を表す式の係数、指数、配管抵抗係数、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃ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パラメータをセンサの計測結果を基に最小二乗法等を用いて同定する。
図３を用いて空調設備シミュレータ２０３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関数を計算する。
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。
次に、状態量計算オブジェクト４０２では、センサで計測できない状態量の計算を行う。例えば、差圧センサ５２ａの計測値から冷温水コイル６ａの冷温水流量を求め、前記冷温水コイル６ａ冷温水流量と温度センサ３３、３５ａの計測値から冷温水コイル６ａの冷却負荷を求める。また、温湿度計３６ａ、３７ａの温度、湿度の計測値からそれぞれ空気調和機５ａの入口空気と出口空気の比エンタルピーを求める。そして、前記冷温水コイル６ａの冷却負荷と空気調和機５ａの入口と出口の空気の比エンタルピーから冷温水コイル６ａを通過する空気の風量を計算する。これらの例のように状態量計算オブジェクト４０２では、エネルギーバランス（熱バランス）、マスバランス等を用いて直接センサで計測できない状態量を計算する。
また、差圧センサ５２ａ、温度センサ３３、３５ａ、温湿度センサ３６ａ、３７ａから空気調和機５ａの空気の風量を求めているのは、空気の風量を精度良く計測することが難しいためである。なお、通常冷房中では、加湿器７ａは動作しないため、加湿量は考慮しないが、加湿器７ａが動作する場合は当然考慮する。また、ファン８ａでの発熱量は、ファン７３ａの消費電力から推定して考慮するとより精度が向上する。
また、室内のリターン空気９０ａと外気９１ａを混合し、空気の温湿度が均一になるダクト経路を設けた後に温湿度センサ３６ａを配置することにより、直接空気調和機５ａの入口空気の温度、湿度を計測することができる。
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。状態量計算オブジェクト４０２で計算された風量を流すためのファン８ａ、８ｂ、８ｃに接続されているインバータ７３ａ、７３ｂ、７３ｃのインバータ周波数と消費電力等を計算する。
次に、冷温水コイルオブジェクト４０４では、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温水必要流量、およびその時の冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの冷温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、冷温水還熱源側ヘッダ１２の温度、冷温水流量、冷温水往ヘッダ１０と冷温水還負荷側ヘッダ１１間の各冷温水配管の損失ヘッド等を計算する。
次に、冷温水ポンプオブジェクト４０６では、冷温水ポンプ４ａ、４ｂの特性、空気調和機側の配管の最大損失ヘッド、吸収冷温水機３ａ、３ｂ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、冷温水ポンプ４ａ、４ｂに接続されているインバータ７２ａ、７２ｂの周波数と消費電力等を計算する。
次に、冷却水ポンプオブジェクト４０７では、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ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２ａ、２ｂ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１ａ、１ｂのファンに接続されているインバータ７０ａ、７０ｂの周波数と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、吸収冷温水機３ａ、３ｂの冷却水出口温度、消費電力、ガス消費量等を計算する。
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関数も同様に計算する。
例えば、冷却塔１ａ、１ｂの冷却水出口温度の上限値と下限値、吸収冷温水機３ａ、３ｂの冷温水出口温度の下限値と上限値、吸収冷温水機３ａ、３ｂの冷却水入口温度の下限値、吸収冷温水機３ａ、３ｂの冷却水出口温度の上限値、吸収冷温水機３ａ、３ｂの冷温水、吸収冷温水機３ａ、３ｂのガス流量の上限値と下限値、冷却水流量の下限値、冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの吹出し温度の上限値と下限値、インバータ７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、７３ａ、７３ｂ、７３ｃ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関数として表す。
制約関数は、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、ペナルティ法により、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。
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。
なお、本実施形態では、熱源側の吸収冷温水機の系統が２系統、負荷側の空気調和機の系統が３系統であるが、熱源側、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、吸収冷温水機３ａ、３ｂ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よい。また、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃ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。
次に、図４を用いて本発明の第２の実施の形態例を詳細に説明する。図４は、本発明の第４の実施形態例の空調設備を示す構成図である。
図１との違いは次の通りである。図４の空調設備では、ファン８ａ、８ｂ、８ｃが冷温水コイル６ａ、６ｂ、６ｃの前に配置され、ファン８ａ、８ｂ、８ｃの出口に温湿度センサ３６ａ、３６ｂ、３６ｃに配置されている。
この配置により、リターン空気９０ａ、９０ｂ、９０ｃと外気９１ａ、９１ｂ、９１ｃがファン８ａ、８ｂ、８ｃで十分混合され、混合された後の温度、湿度が温湿度センサ３６ａ、３６ｂ、３６ｃで計測される。また、ファンの発熱の影響を受けたあとの温度、湿度を温湿度センサ３６ａ、３６ｂ、３６ｃを計測しているため、差圧センサ５２ａ、温度センサ３３、３５ａ、温湿度センサ３６ａ、３７ａから空気調和機５ａの空気の風量を求めている時、ファンの発熱の影響を考慮しなくてよい。
次に、図５を用いて本発明の第３の実施の形態例を詳細に説明する。図５は、本発明の第３の実施形態例の空調設備を示す構成図である。第３の実施形態例は構成機器を減らし、イニシャルコストが第１、第２の実施形態例より小さい実施形態例である。
図１との違いは次の通りである。図５の空調設備では、インバータ７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂ、最適計算用計算機１０１と中央監視制御装置１０２が接続されていない。代わりに、運転状態の記録管理、表示を行う中央監視装置１０６が接続されている。本実施形態では、冷却水流量、冷温水温度、冷温水流量は一定であり、冷却水温度は冷却塔１ａ、１ｂのＯＮ／ＯＦＦ制御で制御する。
本装置では、差圧センサ５２ａ、５２ｂ、５２ｃで差圧が計測され、冷温水流量に換算される。差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃにおける差圧と流量の関係を求める時は、インバータ７２ａ、７２ｂがないため、冷温水ポンプ４ａ、４ｂの台数の変化、流量調整バルブ８０、８１ａ、８１ｂ、８１ｃによる流路切換えと流量調整により、流路と流量を変えて差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃにおける差圧と流量の関係を求める。
本構成により、吸収冷温水機３ａ、３ｂ、空気調和機５ａ、５ｂ、５ｃの冷却負荷を中央監視装置１０６表示でき、かつ、差圧センサ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃを用いているため流量センサを用いた場合に比べてイニシャルコストが小さくなる。
１ａ、１ｂ…冷却塔、２ａ、２ｂ…冷却水ポンプ、３ａ、３ｂ…吸収冷温水機、４ａ、４ｂ…冷温水ポンプ、５ａ、５ｂ、５ｃ…空気調和機、６ａ、６ｂ、６ｃ…冷温水コイル、７ａ、７ｂ、７ｃ…加湿器、８ａ、８ｂ、８ｃ…ファン、１０…冷温水往ヘッダ、１１…冷温水還負荷側ヘッダ、１２…冷温水還熱源側ヘッダ、５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…差圧センサ、５３…流量センサ、１０１…最適計算用計算機、１０２…中央監視制御装置、１０３…通信ネットワーク
Claims (6)
- 冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備において、
前記複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備。 - 複数台の冷温水機からの冷温水を空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備において、
前記複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備。 - 空調設備の冷却負荷あるいは冷水流量を表示あるいは記録するエネルギー管理システムにおいて、
複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とするエネルギー管理システム。 - 空調設備の冷却負荷あるいは冷水流量を表示あるいは記録するエネルギー管理システムにおいて、
前記空調設備の複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とするエネルギー管理システム。 - 冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備の流量計測方法において、
前記複数台の空気調和機の冷温水コイルの冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水コイルの流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水コイルを流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備の流量計測方法。 - 複数台の冷温水機からの冷温水を複数台の空気調和機に循環供給して空調を行う空調設備の流量計測方法において、
前記複数台の冷温水機の冷温水入口出口間の差圧を各々個別に計測する複数の差圧センサと全体の冷温水流量を測る１台の流量センサと制御装置とを備え、前記制御装置は、予め冷温水が流れている冷温水機の流量と差圧との関係を前記差圧センサと前記流量センサとによって求め、記憶する機能と、冷暖房運転時には、前記差圧センサにより計測した差圧を基に前記記憶したそれぞれの差圧センサの差圧と流量の関係から流量に換算して、前記冷温水機を流れる冷温水の流量を求める機能を備えることを特徴とする空調設備の流量計測方法。
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