JP4396557B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、空調システムに係り、特に蓄熱槽を有する空調設備を備えた空調システムに好適である。

従来の空調設備としては、特開２００４−５３１２７号公報（特許文献１）に示されたものがある。この空調設備は、１台以上の空調機と、該空調機に冷温熱媒体を供給する冷温熱発生機と、該冷温熱発生機に放吸熱媒体を供給する放吸熱機とを有している。そしてこの空調設備は、設定された空調条件を充たす範囲内で、空調設備の消費エネルギー量、運転コスト又は排出二酸化炭素量が最低となるように、空調機の送風温度、冷温熱発生機の冷温熱媒体温度、放吸熱機よりの放吸熱媒体温度、更には、空調機の送風量、冷温熱発生機の冷温熱媒体流量及び放吸熱機よりの放吸熱媒体流量などの設定値を最適化する構成を備えている。

特開２００４−５３１２７号公報

しかし、特許文献１の空調設備では、それぞれの時刻における時間毎に、空調機の送風温度、冷温熱発生機の冷温熱媒体温度、放吸熱機よりの放吸熱媒体温度などの設定値を最適化するものであり、特許文献１の空調設備では、空調設備に蓄熱槽を備えて該蓄熱槽の利用スケジュールを最適化することについての開示がなかった。換言すれば、従来の空調設備では、蓄熱槽を有効に利用して所定期間における空調設備のエネルギー消費量を削減することは開示されていなかった。このため、蓄熱槽を備えた空調設備において、所定期間における空調設備全体のエネルギー消費量またはランニングコストをさらに削減することが望まれる。

本発明の目的は、空調設備のエネルギー消費量あるいはランニングコストを削減できる空調システムを提供することにある。

前述の目的を達成するために、本発明では、空調機に蓄熱槽を介して冷温水発生機を接続した空調設備と、前記空調設備を制御する空調設備制御装置とを備える空調システムにおいて、前記空調設備は、冷温水発生機から一次冷温水を前記蓄熱槽に供給すると共に前記蓄熱槽から二次冷温水を前記空調機に供給する冷温水系統を有し、前記一次冷温水及び前記二次冷温水の何れかの温度あるいは流量を制御するように構成され、前記空調設備制御装置は、気象予報会社サーバより入手した予報データに基づいて前記空調設備の負荷を予測する負荷予測手段と、前記空調設備を表すデータを格納した空調設備データベースと、前記空調設備データベースのデータに基づいて前記空調設備の評価関数を計算する空調設備シミュレータと、前記空調設備の前記評価関数を最小とする最適制御目標値を計算する運転条件最適化手段と、前記蓄熱槽の利用スケジュールを最適化するスケジュール最適化手段とを備え、前記空調設備データベースは、前記空調設備の機器構成を表すシステムデータと、前記各構成機器の仕様や特性などを表す機器データと、前記空調設備の制御方法を表す制御データとを格納しており、前記空調設備シミュレータは、前記予報データに含む外気の温度や湿度及び前記空調設備の負荷の状態量と、前記蓄熱槽の蓄熱率の変化量と、前記空調設備の構成機器の運転と停止との組合せ状態と、前記一次冷温水の温度及びその流量、前記二次冷温水の温度及びその流量の制御目標値とを入力として、空調設備の構成機器のエネルギー消費量を計算するものであり、前記スケジュール最適化手段は、前記負荷予測手段の予測結果と前記運転条件最適化手段の計算結果とに基づいて、前記蓄熱槽の使用スケジュールの最適化を行なうものである。

係る本発明のより好ましい具体的な構成例は次の通りである。
（１）前記スケジュール最適化手段は、前記蓄熱槽の使用スケジュールの最適化方法として、所定期間の動的計画法を用いたこと。

本発明に空調システムよれば、空調設備のエネルギー消費量あるいはランニングコストを削減できる。

以下、本発明の複数の実施例について図を用いて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。

本発明の第１実施例の空調システムを図１〜図５を用いて説明する。

まず、本実施例の空調システムの全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の第１実施例の空調システムの全体構成図である。

本実施例の空調システム１０は、空調設備１０１と、この空調設備１０１を制御する空調設備制御装置１００とを備えて構成されている。空調設備１０１と空調設備制御装置１００とは、ローカルネットワーク１０３を介して接続されている。空調システム１０には気象予報会社が管理する気象予報会社サーバ１０２が接続されている。この気象予報会社サーバ１０２は、インターネット１０５、ゲートウエイ１０４及びローカルネットワーク１０３を介して、空調設備制御装置１００に接続されている。この気象予報会社は、気象予報会社サーバ１０２を通して、利用者が管理する利用者端末である空調設備制御装置１００に気象に関する予報データを提供する。

空調設備制御装置１００は、負荷予測手段１１０、スケジュール最適化手段１１１、運転条件最適化手段１１２、空調設備シミュレータ１１３、空調設備データベース１１４、空調設備制御手段１１５及び通信手段１１６を備えて構成されている。

負荷予測手段１１０は、所定期間（例えば２４時間以上の期間）の空調設備１０１の負荷を予測する手段である。具体的には、この負荷予測手段１１０は、インターネット１０５、ゲートウエイ１０４、ローカルネットワーク１０３及び通信手段１１６を介して、気象予報会社サーバ１０２より現在から所定期間（本実施例では２４時間）の外気の温度や湿度を含む所定時間（本実施例では一時間）毎の予報データを受信する。この負荷予測手段１１０は、この受信した予報データと共に、空調設備１０１の過去の運転データも使い、空調設備１０１の所定期間の負荷を予測する。この予測結果は、過去の運転データを用いた重回帰分析などにより求められる。なお、受信した予報データ及び予測結果は、図示していない気象情報データベースに格納され、次の分析の際などに利用される。

空調設備データベース１１４は、空調設備１０１を表すデータベースである。具体的には、空調設備データベース１１４は、空調設備１０１の機器構成を表すシステムデータと、各構成機器の仕様や特性などを表す機器データと、空調設備１０１の制御方法を表す制御データとを格納している。

空調設備シミュレータ１１３は、空調設備データベース１１４により表される空調設備１０１の構成機器のエネルギー消費量である消費電力量やガス消費量などを計算する。この空調設備シミュレータ１１３は、外気の温度や湿度及び各空調機９ａ、９ｂ（図２参照）の負荷などの状態量と、蓄熱槽５（図２参照）の蓄熱率の変化量と、空調設備１０１の構成機器の運転／停止状態と、冷却水の温度及びその流量、一次冷温水の温度及びその流量、二次冷温水の温度及びその流量、空調機９ａ、９ｂの給気温度及びその風量などの制御目標値とを入力として、空調設備１０１の構成機器のエネルギー消費量である消費電力量やガス消費量などを計算し、運転条件最適化手段１１２に出力するものである。なお、空調設備１０１の構成機器として、ガスを用いる機器を使用しない場合には、ガス消費量の計算は省略される。

運転条件最適化手段１１２は、空調設備シミュレータ１１３の計算結果、気象予報会社サーバ１０２からの予測データ及びスケジュール最適化手段１１１のスケジュール最適化結果に基づいて、最適な空調設備１０１の運転条件を計算し、空調設備制御手段１１５に出力するものである。即ち、運転条件最適化手段１１２は、外気の温度や湿度、各空調機９ａ、９ｂの負荷などの状態量、蓄熱槽５の蓄熱率の変化などの制約条件が決まった場合に、空調設備１０１の評価関数で評価されるエネルギー消費量あるいはランニングコストが最小となるような、空調設備１０１の構成機器の運転と停止との組み合わせと、冷却水の温度及びその流量、一次冷温水の温度及びその流量、二次冷温水の温度及びその流量、空調機９ａ、９ｂの給気温度及びその風量などの制御目標値とを計算する。その具体的な最適化方法としては、特開２００４−５３１２７号公報に開示されている最適化方法を用いるが、その場合には、蓄熱槽５のスケジュール最適化の計算結果も用いて最適化方法を適用するが必要である。

スケジュール最適化手段１１１は、負荷予測手段１１０の予測結果と運転条件最適化手段１１２の計算結果とに基づいて、所定期間（本実施例では２４時間）の蓄熱槽５の使用スケジュールの最適化を行なうものであり、最適化の計算結果は運転条件最適化手段１１２及び空調設備制御手段１１５に出力される。その最適化方法としては、動的計画法などが用いられ、その詳細については後述する。

空調設備制御手段１１５は、スケジュール最適化手段１１１と運転条件最適化手段１１２で最適化した空調設備１０１の構成機器の運転、停止の組み合わせと、冷却水の温度及びその流量、一次冷温水の温度及びその流量、二次冷温水の温度及びその流量、空調機９ａ、９ｂの給気温度及びその風量などの制御目標値とを、一定の間隔毎に、スケジュールにしたがい空調設備１０１へ送信するものである。

運転中に予測した負荷と実際の負荷との間に誤差が生じる場合があるが、その場合は計画をやり直す。なお、小さな予測誤差の場合には、蓄熱スケジュールは変更せずに、運転条件最適化手段１１２を使って、空調設備１０１の構成機器の運転と停止との組み合わせと、冷却水の温度及びその流量、一次冷温水の温度及びその流量、二次冷温水の温度及びその流量、空調機９ａ、９ｂの給気温度及びその風量などの制御目標値との最適化を行なう。

次に、空調設備１０１の具体的構成について図２を参照しながら説明する。図２は図１に用いられる空調設備１０１の構成図である。

空調設備１０は、空調機９ａ、９ｂに蓄熱槽５を介して冷温水発生機３ａ、３ｂを接続して構成されている。この空調設備１０１は、冷却塔１ａ、１ｂ、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ、冷温水発生機３ａ、３ｂ、冷温水一次ポンプ４ａ、４ｂ、蓄熱槽５、冷温水二次ポンプ６、冷温水往ヘッダ７、冷温水還ヘッダ８、空調機９ａ、９ｂを備えたセントラル空調方式の空調設備である。空調設備１０１の主要構成機器は２系統で構成されている。

各冷却塔１ａ、１ｂは、対応する各冷温水発生機３ａ、３ｂの冷却水を外気で冷却するためのものである。各冷却塔１ａ、１ｂには、その冷却水と熱交換させる外気を通風するファンを備えている。冷却塔１ａ、１ｂに通風する風量を変化させて冷却水の温度を制御するために、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。冷却塔１ａ、１ｂと冷温水発生機３ａ、３ｂとの間を循環す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。冷温水発生機３ａ、３ｂは、ターボ冷凍機、スクリューチラーや吸収冷温水機などが用いられる。冷温水発生機３ａ、３ｂの一次冷温水は、蓄熱槽５との間で循環される。冷温水発生機３ａ、３ｂから蓄熱槽５に供給される一次冷温水の流量を変化させるために、冷温水一次ポンプ４ａ、４ｂにはそれぞれインバータ７２ａ、７２ｂが接続されている。

蓄熱槽５は、冷温水発生機３ａ、３ｂから供給される一次冷温水と熱交換されて蓄熱されると共に、その蓄熱部と二次冷温水とが熱交換されて蓄熱された熱が取出されるように構成されている。二次冷温水は、冷温水二次ポンプ６により蓄熱槽５から冷温水往ヘッダ７を介して空調機９ａ、９ｂへ供給される。冷温水往ヘッダ７へ供給する二次冷温水の流量を変化させるために、冷温水二次ポンプ６にはインバータ７３が接続されている。

空調機９ａ、９ｂを流れる空気は、供給された二次冷温水と熱交換されて所定の場所に給気される。空調機９ａ、９ｂを流れる空気の風量を変化させるために、空調機９ａ、９ｂのファンにはそれぞれインバータ７４ａ、７４ｂが接続されている。空調機９ａ、９ｂは、空調設備制御装置１００の指令によって給気温度の制御目標値を変化させることが可能な空調機である。

以上のように、空調設備１０１は、冷却水の温度及び流量と、一次冷温水の温度及び流量と、二次冷温水の温度及び流量と、空調機９ａ、９ｂの給気温度及び流量とからなる制御目標値を、空調設備制御装置１００の指令あるいは空調設備１０１に備えられたローカル制御装置の指令により変化させることのできる空調設備である。

次に、空調設備制御装置１００の制御による空調システム１０の動作を、図１から図５を参照しながら説明する。図３は図１の空調設備制御装置１００の動作を説明するフローチャート図、図４は図３の動作における離散化方法を説明する図、図５は図３の動作における動的計画法により作成するデータテーブル３５０の説明図である。図４において、横軸は時間Ｔ（ｈ）、縦軸は蓄熱率Ｘ（％）である。ここで、時間Ｔは蓄熱スケジュール計画を開始した時刻からの時間であり、実際の時刻ではない。時間Ｔは１時間、蓄熱率ＸはΔＸの間隔でメッシュが切られている（ただし間隔は任意であり、別の間隔でも良い）。

図３に示すように、まず、蓄熱スケジュールを計画する所定期間（本実施例では２４時間）分の外気の温度や湿度などの予報データが、気象予報会社サーバ１０２から負荷予測手段１１０及び運転条件最適化手段１１２に入力される（ステップ２０１）。なお、受信する予報データは、所定時間（本実施例では一時間）毎の予報データで構成されている。

次いで、過去のデータから作成された熱負荷予測関数により２４時間の熱負荷の変化を計算する（ステップ２０２）。熱負荷予測関数は、外気の温度や湿度などの関数であり、過去のデータより重回帰分析などを用いて求められる。

次いで、時間Ｔ＝２３とする（ステップ２０３）。次いで、Ｘｓ＝０とする（ステップ２０４）。次いで、（Ｔ，Ｘｓ）における評価関数Ｆ（Ｔ，Ｘｓ）＝∞とする（ステップ２０５）。実際には無限大の数値を入力することはできないため、十分大きな値を入力する。次いで、Ｘｅ＝０（ステップ２０６）とする。

次いで、（Ｘｓ，Ｔ）から（Ｘｅ，Ｔ）の区間の空調設備１０１の運転方法の最適化を行なう（ステップ２０６）。Ｔ＝２３、Ｘｓ＝０、Ｘｅ＝０の場合、図４の矢印３０１の区間の空調設備１０１の運転条件の最適化を行なう。この運転条件の最適化は、空調設備データベース１１４、空調設備シミュレータ１１３を使い、運転条件最適化手段１１２により外気の温度、湿度、各空調機の負荷などの状態量、蓄熱槽５の蓄熱率の変化を拘束条件とし、空調設備１０１のエネルギー消費量あるいはランニングコストが最小となるような空調設備１０１の構成機器の運転と停止との組み合わせと、冷却水の温度及びその流量、一次冷温水の温度及びその流量、二次冷温水の温度及びその流量、空調機９ａ、９ｂの給気温度及びその風量などの制御目標値と、その時の空調設備１０１のエネルギー消費量（あるいはランニングコスト）ΔＦ（Ｔ，Ｘｓ，Ｘｅ）と、を計算することにより行なわれる。その最適化方法は、上述したように特開２００４−５３１２７号公報に開示されている最適化方法が用いられる。

次いで、Ｆ（Ｔ，Ｘｓ）とＦ（Ｔ，Ｘｅ）＋ΔＦ（Ｔ，Ｘｓ，Ｘｅ）を比較し、小さいほうをＦ（Ｔ，Ｘｓ）として、Ｆ（Ｔ，Ｘｓ）とそれに対応するＸｅをＸｅ（Ｔ，Ｘｓ）として図５のデータテーブル３５０の該当場所の値として記録する。

次いで、Ｘｅと１００とを比較し（ステップ２０９）、Ｘｅが１００の場合はステップ２１１に進み、それ以外の場合はステップ２１０に進む。ステップ２１０へ進むと、ステップ２１０でＸｅをΔＸ増加させた後、ステップ２０７へ戻る。ステップ２０７へ戻ると、ステップ２０７における最適化と、ステップ２０８における評価関数の比較及びその結果のデータテーブルへの記録と、ステップ２０９におけるＸｅと１００との比較とを行ない、Ｘｅが１００になるまでこれらのステップを繰返す。

ステップ２１１へ進むと、ステップ２１１でＸｓと１００とを比較し、Ｘｓが１００の場合はステップ２１３に進み、それ以外の場合はステップ２１２に進む。ステップ２１２へ進むと、ステップ２１２でＸｓをΔＸ増加させステップ２０６へ戻る。ステップ２０７へ戻ると、ステップ２０７でＸｅ＝０とし、ステップ２０７における最適化と、ステップ２０８における評価関数の比較及びその結果のデータテーブルへの記録と、ステップ２０９におけるＸｅと１００との比較とを行ない、Ｘｅが１００になるまでこれらのステップ２１０、２０７、２０８、２０９を繰返した後、ステップ２１１に戻る。ステップ２１１に戻ると、ステップ２１１でＸｓが１００になるまで上述のステップを繰返す。

ステップ２１３へ進むと、ステップ２１３でＴと０とを比較し、Ｘｓが０の場合はステップ２１５に進み、それ以外の場合はステップ２１４に進む。ステップ２１４に進むと、ステップ２１４でＴから１を引いてステップ２０４へ戻る。ステップ２０４に戻った後、Ｔが１００になるまで上述したステップ２０４からステップ２１３に至る動作を繰返す。

ステップ２１５へ進むと、ステップ２１５で、始点（０，Ｘｓ）からデータテーブル３５０にしたがってＸｓ（Ｔ＋１）＝Ｘｅ（Ｔ，Ｘｓ（Ｔ））として終点（２４，Ｘｅ）までの経路を作成する。即ち、時間ごとの運転条件の最適化と運転スケジュールの最適化とを組み合わせて空調設備１０１の最適運用計画を作成する。この運転スケジュールの最適化は蓄熱槽５の蓄熱スケジュールを考慮したものである。

同じ外気の条件でかつ同じ冷却負荷でも、空調設備１０１の運転方法を変えると、空調設備１０１のエネルギー消費量が変化するので、空調設備１０１の最適運用計画を作成し、これに基づいて空調設備１０１を運転することにより、エネルギー消費量あるいはランニングコストを最小とする最適な運転方法、運用計画を見つけ出し、空調システムを運転することができる。これにより、本実施例では、空調設備１０１のエネルギー消費量あるいはランニングコストを削減できる。

なお、本発明は、空調設備１０１の構成が変わった場合についても適用可能である。例えば、図１の冷却塔１ａ、１ｂ、冷却水ポンプ２ａ、２ｂ、冷温水機３ａ、３ｂの部分が空冷ヒートポンプチラーである空調設備の場合でも、冷却水温度及びその流量についての考慮がなくなるだけで、上述した実施例と同様に最適な運用計画を計画することが可能である。空調設備１０１の構成機器が変わった場合には、このような考慮を行なうことにより、本発明を適用することができる。

次に、図６を用いて本発明の第２実施例を説明する。図６は本発明の第２実施例における離散化方法を説明する図である。なお、ここでは第１実施例と違う部分のみ説明する。

第２実施例の冷温水発生機３ａ、３ｂは、空調設備制御装置１００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冷温水発生機である。図６は図４と比較して蓄熱槽５の冷温水往温度の軸が増えている点で相違する。

第２実施例では、蓄熱率Ｘと蓄熱槽５の冷温水往温度ｔ１を変化させて動的計画法により蓄熱スケジュールを探索し、時間ごとの運転条件の最適化と運転スケジュールの最適化とを組み合わせて空調設備１０１の最適運用計画を作成する。この第１実施例よれば、運用計画を作成する時間が長くなるが、第１実施例よりもさらにエネルギー消費量あるいはランニングコストを削減することができる。

本発明の第１実施例の空調システムの全体構成図である。 図１における空調設備の構成図である。 図１における空調設備制御装置の動作を説明するフローチャート図である。 図３の動作における離散化方法を説明する図である。 図３の動作における動的計画法により作成するデータテーブルの説明図である。 本発明の第２実施例における離散化方法を説明する図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ…冷却塔、２ａ、２ｂ…冷却水ポンプ、３ａ、３ｂ…冷温水発生機、４ａ、４ｂ…冷温水一次ポンプ、５…蓄熱槽、６…冷温水二次ポンプ、７…冷温水往ヘッダ、８…冷温水還ヘッダ、９ａ、９ｂ…空調機、１００…空調設備制御装置、１０１…空調設備、１０２…気象予報会社サーバ、１０３…ローカルネットワーク、１０４…ゲートウエイ、１０５…インターネット、１１０…負荷予測手段、１１１…スケジュール最適化手段、１１２…運転条件最適化手段、１１３…空調設備シミュレータ、１１４…空調設備データベース、１１５…空調設備制御手段、１１６…通信手段。

Claims (2)

1. 空調機に蓄熱槽を介して冷温水発生機を接続した空調設備と、
   前記空調設備を制御する空調設備制御装置とを備える空調システムにおいて、
   前記空調設備は、冷温水発生機から一次冷温水を前記蓄熱槽に供給すると共に前記蓄熱槽から二次冷温水を前記空調機に供給する冷温水系統を有し、前記一次冷温水及び前記二次冷温水の何れかの温度あるいは流量を制御するように構成され、
   前記空調設備制御装置は、
   気象予報会社サーバより入手した予報データに基づいて前記空調設備の負荷を予測する負荷予測手段と、
   前記空調設備を表すデータを格納した空調設備データベースと、
   前記空調設備データベースのデータに基づいて前記空調設備の評価関数を計算する空調設備シミュレータと、
   前記空調設備の前記評価関数を最小とする最適制御目標値を計算する運転条件最適化手段と、
   前記蓄熱槽の利用スケジュールを最適化するスケジュール最適化手段とを備え、
   前記空調設備データベースは、前記空調設備の機器構成を表すシステムデータと、前記各構成機器の仕様や特性などを表す機器データと、前記空調設備の制御方法を表す制御データとを格納しており、
   前記空調設備シミュレータは、前記予報データに含む外気の温度や湿度及び前記空調設備の負荷の状態量と、前記蓄熱槽の蓄熱率の変化量と、前記空調設備の構成機器の運転と停止との組合せ状態と、前記一次冷温水の温度及びその流量、前記二次冷温水の温度及びその流量の制御目標値とを入力として、空調設備の構成機器のエネルギー消費量を計算するものであり、
   前記スケジュール最適化手段は、前記負荷予測手段の予測結果と前記運転条件最適化手段の計算結果とに基づいて、前記蓄熱槽の使用スケジュールの最適化を行なうものである
   ことを特徴とする空調システム。
2. 請求項１に記載された空調システムにおいて、
   前記スケジュール最適化手段は、前記蓄熱槽の使用スケジュールの最適化方法として、所定期間の動的計画法を用いた
   ことを特徴とする空調システム。

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