JP5320128B2 - 送水温度制御装置および方法 - Google Patents

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Description

この発明は、熱源機器からの循環ポンプを介する負荷機器への冷温水の送水温度を制御する送水温度制御装置および方法に関するものである。
従来より、冷温水を熱媒体とする空調制御システムでは、熱源機器で冷温水を生成し、この熱源機器で生成した冷温水を循環ポンプを介して負荷機器へ送るようにしている。この場合、熱源機器からの負荷機器への冷温水の送水圧は、循環ポンプの出力を調整することによって一定値に維持される。
このような空調制御システムにおいて、例えば、熱源機器を冷凍機とした場合、冷凍機からの冷水の送水温度をより高くすれば、負荷機器側での冷却能力は下がるので、冷水の要求流量が増大する。冷水の要求流量が増大すると、送水圧が下がるので、この送水圧を一定値に維持するために、循環ポンプの出力が上がる。一方、冷凍機は、生成する冷水の温度を高くすると、効率が向上するために、冷凍機出力が下がる。すなわち、送水温度を上げると、冷凍機の使用エネルギー量は減少し、循環ポンプの使用エネルギー量は増大する。
これに対し、冷凍機からの冷水の送水温度をより低くすれば、負荷機器側での冷却能力は上がるので、冷水の要求流量が減少する。冷水の要求流量が減少すると、送水圧が上がるので、この送水圧を一定値に維持するために、循環ポンプの出力が下がる。一方、冷凍機は、生成する冷水の温度を低くすると、効率が低下するために、冷凍機出力が上がる。すなわち、送水温度を下げると、冷凍機の使用エネルギー量は増大し、循環ポンプの使用エネルギー量は減少する。
このように、冷凍機からの負荷機器への冷温水の送水温度の設定次第で、冷凍機や循環ポンプでの使用エネルギー量は変化する。送水温度の設定が低ければ、冷凍機の使用エネルギー量（消費電力量ｏｒ燃料消費量）が上がる分、循環ポンプの使用エネルギー量（消費電力量）は下がる。送水温度の設定が高ければ、冷凍機の使用エネルギー量（消費電力量ｏｒ燃料消費量）が下がる分、循環ポンプの使用エネルギー量（消費電力量）は上がる。すなわち、冷凍機と循環ポンプの使用エネルギー量がトレードオフになる。熱源機器を温熱機とした場合でも同じことが言える。
ここで、熱源機器と循環ポンプの合計使用エネルギー量が最小となる送水温度を設定することができれば、冷凍機と循環ポンプの使用エネルギー量のトレードオフをなくして省エネルギーを図ることができる。このような点に着目し、例えば特許文献１では、送水温度，還水温度，冷温水の流量など現在の負荷状況に関連する各種のパラメータの値を収集し、この収集したパラメータの値を予め定められている関数モデルに代入することによって現在の熱源機器と循環ポンプの合計使用エネルギー量を算出し、この算出に用いた関数モデルにおいて送水温度の値を少しずつ変えて行くことによって、熱源機器と循環ポンプの合計使用エネルギー量が最小となる現在の負荷状況に応ずる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度として決定するようにしている。
特開２００３−２６２３８４号公報 特開２００２−１８３１１１号公報
しかしながら、この特許文献１に示された最適送水温度の決定方法によると、熱源機器や循環ポンプの定格特性などによって定められる固定された関数モデルを使用しているために、熱源機器や循環ポンプの特性の変化や外的な環境の変化などに対応できず、長期間にわたって最適な送水温度の決定を行うことができないという問題があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、熱源機器や循環ポンプの特性の変化や外的な環境の変化に対応し、長期間にわたって常に最適な送水温度の決定を行うことが可能な送水温度制御装置および方法を提供することにある。
このような目的を達成するために本発明は、熱源機器からの循環ポンプを介する負荷機器への冷温水の送水温度を制御する送水温度制御装置において、熱源機器の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして熱源機器の使用エネルギー量、循環ポンプの使用エネルギー量、送水温度および外気温度の実績値を定期的に収集・蓄積する実績値収集手段と、熱源機器の使用エネルギー量と循環ポンプの使用エネルギー量との合計使用エネルギー量を第１軸とし、送水温度を第２軸とし、外気温度を第３軸とする３次元空間に、実績値収集手段によって収集・蓄積された関連パラメータの実績値をプロットし、この３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルを作成し、この作成した応答曲面モデルの断面を現在の外気温度で切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量が最小となる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度として決定する最適送水温度決定手段とを設けたものである。
この発明によれば、熱源機器の運転中、熱源機器の使用エネルギー量（ＰＷ１）、循環ポンプの使用エネルギー量（ＰＷ２）、送水温度（ＴＳ）、外気温度（ｔｏｕｔ）の実績値が定期的に収集され蓄積されて行く。そして、熱源機器の使用エネルギー量と循環ポンプの使用エネルギー量との合計使用エネルギー量（ＰＷ＝ＰＷ１＋ＰＷ２）を第１軸とし、送水温度（ＴＳ）を第２軸とし、外気温度（ｔｏｕｔ）を第３軸とする３次元空間に、収集・蓄積された関連パラメータの実績値がプロットされ、この３次元空間にプロットされた関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルが作成される。そして、この作成された応答曲面モデルの断面が現在の外気温度で切り出され、この切り出された応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量が最小となる送水温度が求められ、この送水温度が現在の最適送水温度（ＴＳｓｐ）として決定される。
なお、本発明において、合計使用エネルギー量は、コストに換算されたエネルギー量としてもよい。例えば、熱源機器の使用エネルギー量がガスなどの燃料消費量であり、循環ポンプの使用エネルギー量が消費電力量であるような場合、熱源機器および循環ポンプの使用エネルギー量をコスト（金額）に換算して合計し、合計使用エネルギー量とする。また、コスト換算値の他、ＣＯ２排出量、１次エネルギー換算値、重油換算値などとすることも考えられる。
本発明によれば、熱源機器の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして熱源機器の使用エネルギー量、循環ポンプの使用エネルギー量、送水温度および外気温度の実績値を定期的に収集・蓄積するようにし、熱源機器の使用エネルギー量と循環ポンプの使用エネルギー量との合計使用エネルギー量を第１軸とし、送水温度を第２軸とし、外気温度を第３軸とする３次元空間に、実績値収集手段によって収集・蓄積された関連パラメータの実績値をプロットし、この３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルを作成し、この作成した応答曲面モデルの断面を現在の外気温度で切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量が最小となる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度として決定するようにしたので、リアルタイムで学習しながら成長し続ける応答曲面モデルを使用するようにして、熱源機器や循環ポンプの特性の変化や外的な環境の変化に対応し、長期間にわたって常に最適な送水温度の決定を行うことが可能となる。
本発明に係る送水温度制御装置が付設された空調制御システムの一実施の形態の要部を示す図である。 この空調制御システムにおける熱源機器制御装置（送水温度制御装置）が有する最適送水温度決定機能を説明するためのフローチャートである。 ３次元空間に関連パラメータの実績値をプロットした状態を示すイメージ図である。 ３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルを作成した状態を示すイメージ図である。 曲面モデルの断面を現在の外気温度ｔｏｕｔRで切り出した状態を示す図である。 このこの空調制御システムにおける熱源機器制御装置の機能ブロック図である。
以下、本発明を実施の形態に基づき詳細に説明する。図１はこの発明に係る送水温度制御装置が付設された空調制御システムの一実施の形態の要部を示す図である。
図１において、１は冷温水を生成する熱源機器、２は熱源機器１が生成する冷温水を搬送する冷温水ポンプ（循環ポンプ）、３は往ヘッダ、４は往水管路、５は往ヘッダ３から往水管路４を介して送られてくる冷温水の供給を受ける負荷機器（空調機）、６は還水管路、７は負荷機器５において熱交換され還水管路６を介して送られてくる冷温水が戻される還ヘッダ、８は往ヘッダ３から負荷機器５への冷温水の供給通路に設けられた流量制御バルブである。
また、９は負荷機器５から送り出される室内への給気温度ｔＳを計測する給気温度センサ、１０は熱源機器１からの冷温水の出口温度を負荷機器５への送水温度ＴＳとして計測する送水温度センサ、１１は往ヘッダ３における冷温水の圧力を熱源機器１から負荷機器５への冷温水の送水圧ＰＳとして計測する圧力センサ、１２は外気の温度を外気温度ｔｏｕｔとして計測する外気温度センサ、１３は流量制御バルブ８の開度を制御する開度制御装置（空調制御装置）、１４は冷温水ポンプ２の出力を制御する冷温水ポンプ制御装置、１５は熱源機器１の出力を制御する熱源機器制御装置（送水温度制御装置）、１６は往ヘッダ３と還ヘッダ７とをつなぐバイパス管路、１７はバイパス管路１６に設けられたバイパス弁である。
この空調制御システムにおいて、開度制御装置１３は、給気温度センサ９によって計測される室内への給気温度ｔＳ（ｔＳｐｖ）を設定温度ｔＳｓｐに一致させるように流量制御バルブ８の開度を制御する。冷温水ポンプ制御装置１４は、圧力センサ１１によって計測される熱源機器１からの負荷機器５への冷温水の送水圧ＰＳ（ＰＳｐｖ）を設定値ＰＳｓｐに維持するように冷温水ポンプ２の出力およびバイパス弁１７の弁開度を制御する。
熱源機器制御装置１５は、熱源機器１の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして熱源機器１の使用エネルギー量（燃料消費量）ＰＷ１、冷温水ポンプ２の使用エネルギー量（消費電力量）ＰＷ２、送水温度センサ１０によって計測される熱源機器１から負荷機器５への冷温水の送水温度ＴＳ、外気温度センサ１２によって計測される外気温度ｔｏｕｔの実績値を定期的に収集・蓄積し、この収集・蓄積した関連パラメータの実績値に基づいて熱源機器１および冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷ（ＰＷ１＋ＰＷ２）が最小となる現在の負荷状況に応ずる送水温度ＴＳPWminを求め、この送水温度ＴＳPWminを現在の最適送水温度ＴＳｓｐとして決定し、この決定した最適送水温度ＴＳｓｐを熱源機器１へ送る。熱源機器１は、熱源機器制御装置１５からの最適送水温度ＴＳｓｐを受けて、熱源機器１からの冷温水の出口温度を最適値ＴＳｓｐに合わせ込むように自己の能力を調整する。
熱源機器制御装置１５は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して制御装置としての各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、本実施の形態特有の機能としてその概要について上述した最適送水温度決定機能を有している。以下、図２に示したフローチャートに従って、熱源機器制御装置１５が有する最適送水温度決定機能の詳細について説明する。
熱源機器制御装置１５は、熱源機器１の運転中（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、ステップＳ１０２以下の処理動作を定期的に繰り返す。ステップＳ１０２において、熱源機器制御装置１５は、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして、熱源機器１の使用エネルギー量（燃料消費量）ＰＷ１と、冷温水ポンプ２の使用エネルギー量（消費電力量）ＰＷ２と、送水温度センサ１０によって計測される熱源機器１からの負荷機器５への冷温水の送水温度ＴＳ（ＴＳｐｖ）と、外気温度センサ１２によって計測される外気温度ｔｏｕｔの実績値を収集する。
この関連パラメータの実績値の収集に際して、熱源機器制御装置１５は、熱源機器１の使用エネルギー量（燃料消費量）ＰＷ１と冷温水ポンプ２の使用エネルギー量（消費電力量）ＰＷ２については、コスト（金額）に換算して合計し、合計使用エネルギー量ＰＷとする。以下では、ＰＷ＝ＰＷ１＋ＰＷ２として説明を進めるが、この合計使用エネルギー量ＰＷはコスト換算されたものである。
そして、熱源機器制御装置１５は、熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷ（ＰＷ１＋ＰＷ２）を第１軸とし、送水温度ＴＳを第２軸とし、外気温度ｔｏｕｔを第３軸とする３次元空間に、収集された熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷ、送水温度ＴＳおよび外気温度ｔｏｕｔの実績値をプロットする（ステップＳ１０３）。
図３にこの場合のイメージ図を示す。図３では、Ｚ軸を熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷを示す軸（第１軸）、Ｙ軸を送水温度ＴＳを示す軸（第２軸）、Ｘ軸を外気温度ｔｏｕｔを示す軸（第３軸）としている。この実施の形態において、収集した関連パラメータの実績値は、このような３次元空間にプロットした形でメモリに蓄積させて行くものとする。
次に、熱源機器制御装置１５は、この３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より、多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデル（３次元立体像）を作成する（ステップＳ１０４）。なお、多次元スプラインによる補間技術については、ＲＳＭ−Ｓ（例えば、特許文献２参照）として公知であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
図４にこの場合のイメージ図を示す。図４において、熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷを示すＺ軸は、原点から離れるほどその合計使用エネルギー量ＰＷの値が小さくなって行くものとする。この場合、３次元空間に山のような形の応答曲面モデルが作成されているが、この応答曲面モデルの頂上Ｐｔｏｐがこれまでの経験から最も合計使用エネルギー量ＰＷが小さくなると推定される点である。すなわち、この点Ｐｔｏｐで示される外気温度ｔｏｕｔおよび送水温度ＴＳの時、熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷが最小となる。
しかし、この応答曲面モデルにおいて、点Ｐｔｏｐで示される外気温度ｔｏｕｔが現在の外気温度ｔｏｕｔRであるとは限らない。そこで、熱源機器制御装置１５は、この応答曲面モデルの断面を現在の外気温度ｔｏｕｔRで切り出し（図５参照）、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量ＰＷが最小となる送水温度ＴＳPWminを求め、この送水温度ＴＳPWminを現在の最適送水温度ＴＳｓｐとして決定する（ステップＳ１０５）。そして、この決定した最適送水温度ＴＳｓｐを熱源機器１へ送る（ステップＳ１０６）。
熱源機器制御装置１５は、熱源機器１の運転中（ステップＳ１０１のＹＥＳ）、上述したステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理動作を繰り返す。これにより、本実施の形態では、リアルタイムで学習しながら成長し続ける応答曲面モデルを使用して、熱源機器１や冷温水ポンプ２の特性の変化や外的な環境の変化に対応し、長期間にわたって常に最適な送水温度ＴＳｓｐの決定を行うことができる。
図６にこの熱源機器制御装置１５の機能ブロック図を示す。熱源機器制御装置１５は、熱源機器１の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして、熱源機器１の使用エネルギー量（燃料消費量）ＰＷ１と、冷温水ポンプ２の使用エネルギー量（消費電力量）ＰＷ２と、熱源機器１からの冷温水の送水温度ＴＳと、外気温度ｔｏｕｔの実績値を定期的に収集・蓄積する実績値収集部１５Ａと、この実績値収集部１５Ａによって収集・蓄積された関連パラメータの実績値に基づいて、関連パラメータが収集される毎に、熱源機器１および冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷ（ＰＷ１＋ＰＷ２）が最小となる現在の負荷状況に応ずる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度ＴＳｓｐとして決定する最適送水温度決定部１５Ｂとを備えている。
この熱源機器制御装置１５において、最適送水温度決定部１５Ｂは、実績値収集部１５Ａによって収集された関連パラメータの実績値（ＰＷ、ＴＳ、ｔｏｕｔ）を３次元空間にプロットし、このプロットした関連パラメータの実績値からＲＳＭ−Ｓの技術により応答曲面モデルを作成し、この作成した応答曲面モデルの断面を現在の外気温度ｔｏｕｔRで切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量ＰＷが最小となる送水温度ＴＳPWminを求め、この送水温度ＴＳPWminを現在の最適送水温度ＴＳｓｐとして決定する。
なお、本発明の権利範囲からは外れるが、冷却塔を用いたシステムでは、合計使用エネルギー量ＰＷに冷却塔のファンの使用エネルギー量ＰＷ３や冷却水ポンプの使用エネルギー量ＰＷ４などを含ませるようにしてもよい。また、２次ポンプを用いたシステムでは、２次ポンプの使用エネルギー量ＰＷ５などを合計使用エネルギー量ＰＷに含ませるようにしてもよい。また、空調機が変風量対応しているシステムでは、空調機の使用エネルギーなどを、合計使用エネルギー量ＰＷに含ませるようにしてもよい。
また、本発明の権利範囲からは外れるが、必ずしも外気温度ｔｏｕｔを用いなくてもよく、他のパラメータを用いるようにしてもよい。
例えば、冷却塔を用いたシステムにおいて、外気温度ｔｏｕｔに代えて、送水温度ＴＳと還水温度ＴＲと負荷機器５への冷温水の流量Ｆとから算出される負荷熱量Ｑと熱源機器１への冷却水の温度ｔＣを現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして用いてもよい。この場合、関連パラメータの実績値は、熱源機器１と冷温水ポンプ２の合計使用エネルギー量ＰＷ（ＰＷ１＋ＰＷ２）を第１軸、送水温度ＴＳを第２軸、負荷熱量Ｑを第３軸、冷却水温度ｔＣを第４軸とする４次元空間にプロットされることになり、この４次元空間にプロットした実績値をＲＳＭ−Ｓによって補間して応答曲面モデル（４次元立体像）が作成されることになる。この他、関連パラメータとして、冷却水流量、空調機の給気温度、送水圧力などを用いてもよい。
なお、この場合の４次元空間とは、コンピュータ上の仮想空間である。この場合、現在の負荷熱量ＱRと現在の冷却水温度ｔＣRでその応答曲面モデルを切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量ＰＷが最小となる送水温度ＴＳPWminを求め、この送水温度ＴＳPWminを現在の最適送水温度ＴＳｓｐとして決定する。また、同様の考え方で、現在の負荷状況に関連する関連パラメータが増えるにつれ、５次元空間、６次元空間とその多次元空間の次元数が増して行き、この多次元空間にプロットした実績値をＲＳＭ−Ｓ技術によって応答曲面モデルを作成することにより、この作成した応答曲面モデルから現在の最適送水温度ＴＳｓｐを決定することができる。
また、上述した実施の形態では、熱源機器１および冷温水ポンプ２の使用エネルギー量をコスト（金額）に換算して合計し、合計使用エネルギー量ＰＷとしたが、熱源機器１の使用エネルギー量ＰＷ１が消費電力量である場合には、コスト換算せずに熱源機器１の使用エネルギー量ＰＷ１と冷温水ポンプ２の使用エネルギー量ＰＷ２とを合計したものを合計使用エネルギー量ＰＷとしてもよい。また、熱源機器１の使用エネルギー量ＰＷ１が消費電力量である場合でも、コストに換算したエネルギー量を合計使用エネルギー量ＰＷとしてもよい。また、合計使用エネルギー量ＰＷをＣＯ２排出量、１次エネルギー換算値、重油換算値などとしてもよい。
また、本発明の権利範囲からは外れるが、定期的に収集・蓄積された関連パラメータの実績値から他の技術を用いて応答曲面モデルに相当する関数モデルを作成し、この作成した関数モデルから現在の最適送水温度ＴＳｓｐを決定するようにしてもよい。
また、上述した実施の形態では、熱源機器１を１つとしたシステムで説明したが、熱源機器１が複数あるようなシステムでも同様にしてそれぞれの熱源機器１からの最適送水温度ＴＳｓｐを決定することが可能である。この場合、それぞれの熱源機器１からの送水温度ＴＳが関連パラメータとして増えるのみで、すなわち３次元空間の次元数が増えるのみで、作成される応答曲面モデルは１つでよい。
本発明の送水温度制御装置および方法は、熱源機器からの循環ポンプを介する負荷機器への冷温水の送水温度を制御する送水温度制御装置および方法として、冷凍機や温水機を用いた各種のシステムに利用することが可能である。
１…熱源機器、２…冷温水ポンプ（循環ポンプ）、３…往ヘッダ、４…往水管路、５…負荷機器（空調機）、６…還水管路、７…還ヘッダ、８…流量制御バルブ、９…給気温度センサ、１０…送水温度センサ、１１…圧力センサ、１２…外気温度センサ、１３…開度制御装置（空調制御装置）、１４…冷温水ポンプ制御装置、１５…熱源機器制御装置（送水温度制御装置）、１５Ａ…実績値収集蓄積部、１５Ｂ…最適送水温度決定部、１６…バイパス管路、１７…バイパス弁。

Claims (4)

  1. 熱源機器からの循環ポンプを介する負荷機器への冷温水の送水温度を制御する送水温度制御装置において、
    前記熱源機器の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして前記熱源機器の使用エネルギー量、前記循環ポンプの使用エネルギー量、前記送水温度および外気温度の実績値を定期的に収集・蓄積する実績値収集手段と、
    前記熱源機器の使用エネルギー量と前記循環ポンプの使用エネルギー量との合計使用エネルギー量を第１軸とし、前記送水温度を第２軸とし、前記外気温度を第３軸とする３次元空間に、前記実績値収集手段によって収集・蓄積された前記関連パラメータの実績値をプロットし、この３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルを作成し、この作成した応答曲面モデルの断面を現在の外気温度で切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量が最小となる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度として決定する最適送水温度決定手段と
    を備えることを特徴とする送水温度制御装置。
  2. 請求項１に記載された送水温度制御装置において、
    前記合計使用エネルギー量は、コストに換算されたエネルギー量である
    ことを特徴とする送水温度制御装置。
  3. 熱源機器からの循環ポンプを介する負荷機器への冷温水の送水温度を制御する送水温度制御方法おいて、
    前記熱源機器の運転中、現在の負荷状況に関連する関連パラメータとして前記熱源機器の使用エネルギー量、前記循環ポンプの使用エネルギー量、前記送水温度および外気温度の実績値を定期的に収集・蓄積する実績値収集ステップと、
    前記熱源機器の使用エネルギー量と前記循環ポンプの使用エネルギー量との合計使用エネルギー量を第１軸とし、前記送水温度を第２軸とし、前記外気温度を第３軸とする３次元空間に、前記実績値収集手段によって収集・蓄積された前記関連パラメータの実績値をプロットし、この３次元空間にプロットした関連パラメータの実績値より多次元スプラインによる補間技術を用いて応答曲面モデルを作成し、この作成した応答曲面モデルの断面を現在の外気温度で切り出し、この切り出した応答曲面モデルの断面において合計使用エネルギー量が最小となる送水温度を求め、この送水温度を現在の最適送水温度として決定する最適送水温度決定ステップと
    を備えることを特徴とする送水温度制御方法。
  4. 請求項３に記載された送水温度制御方法において、
    前記合計使用エネルギー量は、コストに換算されたエネルギー量である
    ことを特徴とする送水温度制御方法。
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