JP5801214B2

JP5801214B2 - 地域熱エネルギー供給網の制御装置

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Publication number: JP5801214B2
Application number: JP2012018866A
Authority: JP
Inventors: 亮介中村; 勉河村; 白石　朋史; 朋史白石; 良和石井; 和信森田; 秀世河野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: CN104272029B; JP2013155988A; CN104272029A; WO2013115286A1

Description

本発明は、分散した熱源施設・排熱源から分散した需要家に温冷熱を供給する熱エネルギー供給網において、熱源設備や搬送設備が熱供給のために消費するエネルギー量またはＣＯ_２排出量を低減する地域熱エネルギー供給網の制御装置に関する。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１は、地域冷暖房システムに好都合に適用できるとともに、自動的に且つ効率よく運転することができる熱媒体の搬送システムを記載している。

また、特許文献２は、中央プラントの熱源システムのエネルギー利用効率の向上と低コスト化を図るとともに、地域熱供給配管設備の熱搬送動力を拡大することにより設備のイニシャルコストおよびランニングコストを低減するとともに、さらに需要家側設備の選択範囲を拡大することが可能な新規かつ改良された地域熱供給システムを記載している。

特開２００９−２４３７１８号公報特開平９−２１０４１３号公報

特許文献１には、過去の熱負荷状態から演算される予測熱負荷を先取りし、それに基づいて熱発生ユニットを制御することで効率よく熱供給プラントを運転する方法が記載されている。しかし、この方法は熱発生ユニットが集中的に存在している場合を考慮するもので、熱源が分散的に存在している場合における地域熱エネルギー供給網全体のエネルギー消費量を低減する方法については述べられていない。

特許文献２には、複数の需要家設備群の熱供給に対して、往還路配管をカスケード接続して、カスケード接続下流側の需要家設備群にはカスケード接続上流側の需要家設備群から返水された熱源水を供給する方法が記載されている。この構成により、中央熱源システムのエネルギー利用効率を向上させることが可能だが、この場合も熱源設備が集中している場合にその熱を有効利用するための方式であり、熱源が分散的に存在している場合に、地域熱エネルギー供給網全体のエネルギー消費量を低減する方法については述べられていない。

そこで本発明では、大規模な地域熱エネルギー供給網において分散した熱源・排熱源が存在し、熱媒の放熱ロスや圧力損失が無視できない場合、それらを考慮して、熱源設備や搬送設備の運転を最適化し、地域熱エネルギー供給網全体のエネルギー消費量を削減する方法を提供することを目的とする。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、地域内に分散して存在する熱源と需要家を接続して、温熱または冷熱の供給を行う地域熱エネルギー供給網について、前記熱源の熱生成量と前記需要家の熱需要量を予測する手段と、前記地域熱エネルギー供給網における熱媒のエネルギー損失量を評価する手段と、を備えて、前記熱生成量、前記熱需要量、前記熱媒のエネルギー損失量の情報を利用して、前記地域熱エネルギー供給網におけるエネルギー消費量が最小となるように、前記地域熱エネルギー供給網に接続された設備の運転計画を作成し、該運転計画に基づいて前記設備を制御する地域熱エネルギー供給網の制御装置、を特徴とするものである。

本発明によれば、地域内に熱源と需要家が分散して存在する場合に、熱媒の放熱ロスや圧力損失を考慮して、地域熱エネルギー供給網に接続された熱源設備や搬送設備の運転を最適化し、地域熱エネルギー供給網全体のエネルギー消費量やＣＯ_２排出量を削減することを可能とする。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

地域熱エネルギー供給網の制御装置の構成図の例である。配管接点における熱媒の流入・流出を表す図の例である。実施例１における地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である。熱源装置Ａ301と熱源装置Ｂ302の効率特性の例である。複数の熱源設備から複数の需要家へ熱を供給する地域熱エネルギー供給網の例である。実施例２における地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である。実施例３における地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である。排熱供給源または自然エネルギーによる熱供給源が存在する場合に全熱需要量を求めるためのフローを表す図の例である。実施例４における地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である。実施例５における地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である。

以下、実施例について、図面を参照して説明する。

［実施例１］
本実施例では、地域熱エネルギー供給網の制御装置の例とその適用例を説明する。
図１は、地域熱エネルギー供給網の制御装置の一つの例を示す。地域熱エネルギー供給網の制御装置101は、データベース107からの情報を元にして、地域熱エネルギー供給網109における各熱需要家の熱需要量を予測する熱需要予測部102と、各排熱源からの排熱量を予測する排熱量予測部103と、自然エネルギーによる熱生成量を予測する自然エネルギーによる熱生成量予測部111とを備えて、更にユーザ108が入力する情報に基づいて地域熱エネルギー供給網の放熱・圧損まで評価可能なモデルを作製する放熱・圧損評価モデル作成部104と、放熱・圧損評価モデル作成部104において作成された地域熱エネルギー供給網のモデルを最適計算のためのモデル式へと変換し、熱需要予測部102と排熱量予測部103と自然エネルギーによる熱生成量予測部111の情報とを合わせて最適化計算に必要な数式を生成するモデル数式化部110と、モデル数式化部110によって作成された式に基づいて地域熱エネルギー供給網109のエネルギー使用量を最小化するような熱源設備と熱媒の搬送設備の運転計画を最適化する最適計算部105と、最適計算部105によって作成された運転計画に基づいて、熱源設備と熱源の搬送設備を稼働させるように、それらの設備またはそれらの制御装置に対して制御信号を送信する制御部106とで構成される。なお熱源設備とは、温冷熱を生成するヒートポンプ、ボイラ、吸収冷凍機等を表す。

熱需要予測部102と排熱量予測部103は、データベース107から曜日・天気・気温等の過去の条件や予測値、各熱需要家が使用した熱量や排熱源となる施設からの排熱量の実績データや、熱源設備・搬送設備の運転計画最適化を実施する期間における各熱需要家や排熱源となる施設の稼働計画等の情報を利用して、重回帰・主成分解析や記憶ベース推論等の手法を用いて、予測を行う。自然エネルギーによる熱生成量予測部111は、天気・気温・日射量等の気象条件の予測値を用いて、自然エネルギー供給設備の設備特性を利用してその熱生成量を求める。あるいは前記予測値と共に気象条件とその条件下での出力についての過去の実績データを用いて、重回帰・主成分解析や記憶ベース推論等の手法を用いることで、熱生成量を予測する。

放熱・圧損評価モデル作成部104は、ユーザ108が放熱・圧損評価モデルを生成するのに必要な情報（配管については、配管径・熱伝達率・配管長・配管同士の接続関係を、熱源装置については、その定格熱源供給量、出力温度、熱源装置の特性、定格消費エネルギーを、需要家については、その熱需要量等を、その他、熱交換器やポンプの特性値や設置箇所等を、含む情報を意味する。）を入力する。入力手段としては、ユーザがテキストベースで書き下す方式でもよいし、GUIを用いて各装置等のコンポーネントを配置して接続しつつ、必要な値を入力する方式を用いてもよい。

モデル数式化部110には、モデル作成部104から得られる情報を与えることで、パラメータの値を変更するのみで最適化計算が可能となるような制約式や目的関数を予め持たせておく。その例として、図２に示す、各配管のつなぎ目である接点ｑ204において成立する、質量保存則とエンタルピ保存則について数１、数２に示す。

数１及び数２において、ｗ_oは接点ｑ204から流出する熱媒の質量流量を、ｗ_Iは接点ｑ204へ流入する熱媒の質量流量を、ｊは接点ｑ204より熱媒が流出する配管201の番号を、ｋは接点ｑへ熱媒が流入する配管202の番号となる。なお流れ方向は矢印203により示す。ｈ_oは接点ｑ204より流出するエンタルピ、ｈ_Iは接点ｑ204へ流入するエンタルピである。こうした保存則等の、従来の最適化計算に用いられている式は同様に式を用意しておき使用する。本発明ではこれに加えて配管の損失を考慮した式を加えて計算する。放熱損失については数３の関係で、圧力損失については数４で与えられる。

数３において、ｐは配管番号を、Ｑ_Rは配管における放熱量を、ｈは配管の熱伝達率を、ｄは配管の径を、Ｔ_Oは配管の出口温度を、Ｔ_Iは配管の入口温度を、Ｌは配管の長さを表す。数４においてΔＰ_Pは配管の両端の差圧を、Ａは比例定数を、ｄは配管の径を、Ｌは配管の長さを、ｗは配管内の質量流量を表す。さらに数４の圧力損失を使用して求められるポンプの出入り口間の差圧ΔP_Mを利用して、ポンプの消費電力は、次の数５に示す式で与えられる。

ここでｍはポンプ番号を、Ｅ’_Mはポンプの消費電力を、Ｂは比例係数を、Ｖは体積流量を、η_Mはポンプ効率を、η_Eは電動機効率を表す。これらの式を用いることで、従来の熱源設備運転最適化計算において、熱量の需要と供給の関係を与える制約式である数６は数８で、最適化対象の全設備消費エネルギーで目的関数である数７は数９で与えられる。

数６について、ｉは熱源設備の番号を、Ｅ_Fは熱源設備ｉの消費エネルギーを示す。数７について、Ｑ_Fは熱源設備の供給熱量を、ｌは需要家を、Ｑ_Dは需要家の熱需要量を示す。数８において、ｍはポンプ番号を、Ｅ’_Mはポンプの消費電力を示す。数９について、Ｑ_Rは配管における放熱量を表す。これらの式を用いることで、配管の損失を考慮した熱源設備とポンプの運転計画最適化が可能となる。なお陽には示していないが数６の熱源設備の消費エネルギーについては、設備の起動停止コストなどの従来の設備の運転計画最適化に含まれるものも含むものとする。モデル数式化部110は、放熱・圧損評価モデル作成部104でユーザ108が入力した情報を利用してこれらの計算に用いる制約式や目的関数を生成する。例えば数３については、配管モデルについて、それぞれに対して設定パラメータとなる配管長さ等を入力してもらうことで全ての配管についての制約式を生成する。その他の式としては、エンタルピの定義式、熱交換の式、熱源設備の用役やエネルギーの特性式等がある。これらの式のうち、パラメータとして予測値を入力する箇所に、熱需要予測部102、排熱量予測部103、自然エネルギー熱生成量予測部111によって得られた値を入力することで、最適計算に使用する式を生成する。

最適計算部105は、こうしてモデル数式化部110で得られた制約式と目的関数を用いて最適化計算を実行する。目的関数は対象とする熱供給網全体の消費エネルギーであり、最適化の変数は熱源設備の負荷率、オンオフを示す０−１変数、管網の質量流量（または各配管接続部の圧力）である。従来の負荷率とオンオフのみを対象にしたものから質量流量の最適化を含め、数３で与えられる放熱や数５で与えられるポンプの消費エネルギーを含めて系全体の最適化を行う。この最適化問題は、数３や後述の式が非線形であることから非線形計画問題であり、その解を求める手段としては解析的手法を用いてもよいし、遺伝的アルゴリズムや焼きなまし法等のメタヒューリスティックな手法を用いてもよい。実質的に線形化が可能な場合は、線形計画法を用いてもよい。

図３は、本発明に係る地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である実施例１を示す。熱源装置Ａ301と熱源装置Ｂ302は温水を生成し、該温水は、供給配管網305を通過して需要家303に供給される。一方、使用済みの温水は、戻り配管網306を通過して熱源装置Ａ301と熱源装置Ｂ302に戻るシステムである。（この実施例１では、ポンプ304による消費エネルギーは熱源装置Ａ、Ｂに対して十分小さいと仮定する。）

図４は、熱源装置Ａ301および熱源装置Ｂ302がそれぞれ有する効率特性を示す。負荷率ｘ１、ｘ２は、各装置にかける熱負荷Ｑ_１、Ｑ_２について、各装置にかけられる最大熱負荷量（共にＱ_MAXとする）に対する比を示す。このように効率が異なる２台の装置を用いると、２つの装置の供給熱量の和が同じ値であっても、各装置の出力の取り方で全消費エネルギーは異なる。配管網の影響を考慮しない単純な熱源設備の運転最適化の（熱源設備のオンオフと負荷率を最適化変数とする）場合、例えば、Ｑの熱量が必要な場合、数７を用いることでエネルギーが最小となるＱ_１とＱ_２の組合せを求める。これを図４のα（401）とβ（403）とする（α＋β＝Ｑ）。

しかし、配管の放熱が無視できない場合には、配管網305と306における放熱量がΔＱであるとすると、需要家303の需要がＱであっても、熱源装置Ａ301と熱源装置Ｂ302でΔＱ分の熱量を補う必要が出てくるため、総熱需要量Ｑ_netはＱ＋ΔＱとなる。こうした場合は、運転計画最適化の対象となる設備の内いくつかを、負荷の自動追従機として使用して不足分を補う。ここでは、熱源装置Ｂがその役目を担っているとする。そうすると熱源装置Ｂ302の熱供給量は、β（403）からβ’（404）に移動する。しかし図４を見ると分かるように、この運転では熱源装置Ｂの効率はわずかにしか上昇しない。一方、この熱量を熱源装置Ａで補うと運転点がα（401）からα’（402）へと移動する。この場合は、熱源装置Ａの効率がより大きく上昇するため、熱源装置Ｂで補う場合と比べて、熱源装置ＡとＢのエネルギー消費量の和が減少することが分かる。特に、図６に示すように、複数の需要家と熱源設備が存在し、流れ方が一意に決定しないような配管網501のような状況においては、流れ方によって放熱量変わり、従来手法では対応することができなくなる。

一方、本発明である地域熱エネルギー供給網の制御装置101では、この放熱を考慮することを特徴としている。数９を用いることで、流路とその経路に対する放熱量を最適化計算に含めて計算が可能となるため、放熱を考慮した最適化が可能となる。目的関数を具体的に書き下すと系全体での消費エネルギーとなるため、数１０となる。ここで、Ｅ_Aは熱源設備Ａの消費エネルギー、Ｅ_Bは熱源設備Ｂの消費エネルギーを表す。

この実施例１の場合には、熱需要量Ｑ_netは数１１となる。Ｑ_Aは熱源装置Ａの供給熱量、Ｑ_Bは熱源装置Ｂの供給熱量、ΔＱは放熱量を表す。

以上の条件で最適化計算を行うことで配管網の放熱ロスを考慮した省エネ運転が可能となる。この実施例では熱源装置の運転点としてα’（402）とβ（403）の組合せが選択されることとなる。

［実施例２］
図６は、本発明に係る地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である実施例２を示す。ここでは、ポンプａ601とポンプｂ602によって各熱源装置への質量流量が定められている。そのため、質量流量の変化によってポンプの搬送動力が異なる。ここで、熱源装置Ａ301の生成熱量をＱ_A、効率をη_A、使用エネルギーをＥ_Aとし、熱源装置Ｂ302の生成熱量をＱ_B、効率をη_B、使用エネルギーをＥ_Bとする。そうすると、Ｅ_AとＥ_Bは、次式の数１２で表される。

そしてポンプの電力は、数４と数５を用いて表される。
これらの式を用いて図６に示した地域熱エネルギー供給網における全電力消費量は以下の数１３で表される。ここで、ポンプＡの使用エネルギーをＥ_a’、ポンプの使用エネルギーをＥ_b’で示す。

この値を最小化すべき目的関数として設定し、実施例１と同様に各配管網の質量流量と熱源装置の負荷率とオンオフ変数（０または１）を変数として、最適計算部105で運転計画を立てることで、省エネが可能となる。

［実施例３］
図７は、本発明に係る地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である実施例３を示す。熱源装置Ａ301の他に、排熱源701があり、熱交換器702を通じて地域熱エネルギー供給網の配管へと熱を供給する。熱交換器702に流入させる質量流量はポンプ703で決めるとし、排熱により熱供給を受けた熱媒を供給配管網305と戻り配管網306のどちらの配管網に送るかを、指定するための弁704および弁705を備える。

このとき、地域熱エネルギー供給網の制御装置101は、排熱量予測部103で、排熱源701の排熱温度を予測する。そして、熱源装置Ａ301の出力する温水温度と比較して、それよりも高い温度であれば弁704を開き、弁705を閉じることで供給配管網305に熱を供給する。熱交換器702の出口の温度が低く、熱源装置Ａ301の出力する温水温度よりも高い温度にできないが、戻り配管網306内の温水温度よりも高い温度にできる場合は、弁704を閉じ、弁705を開くことで、熱を供給する。また、戻り配管網306内の温水温度を上げることができない場合は、ポンプ703の質量流量を０とし、弁704と弁705を共に閉じる。これにより、排熱源701の排熱が分散して存在している場合に、その排熱を有効に使用することで、省エネを実現することができる。

その具体的な計算方法を図８のフローに示す。このフローは需要家の熱需要量Ｑ’をはじめに評価し（S801）、次に排熱量Ｑ_dを評価し（S802）、自然エネルギーによる供給熱量Ｑ_nを評価する（S803）、最後に排熱量Ｑ_dと自然エネルギーによる供給熱量Ｑ_nを需要家の熱需要量Ｑ’から引くことで正味の熱需要量Ｑ_netを求める（S802）ものである。このフローを用いて、放熱を含めた熱需要量Ｑ’が数９と同様の式で与えられるとした場合、これから排熱量Ｑ_dを差し引いたものを総熱需要量Ｑ_netとする後に、実施例１，２と同様の最適化計算を行うことで解を求めることができる。

［実施例４］
図９は、本発明に係る地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である実施例４を示す。ここでは、熱源装置Ａ301の他に、自然エネルギー利用熱源901があり、熱交換器702を通じて地域熱エネルギー供給網の配管へと熱を供給するとして、熱交換器702に流入させる全体の質量流量はポンプ703で決めるとし、自然エネルギーにより熱供給を受けた熱媒を供給配管網305と戻り配管網306のどちらの配管網に送るかを、指定するための弁704および弁705を備える。

このとき、地域熱エネルギー供給網の制御装置101は、天気予報やこれまでの実績データをデータベース107から読み取り、それに基づいて生成する温水温度を予測する。熱源装置Ａ301の出力する温水温度と比較して、それよりも高い温度であれば弁704を開き、弁705を閉じることで供給配管網305に熱を供給する。自然エネルギーにより温められた熱媒の温度が低いか、熱源装置Ａ301の出力する温水温度よりも高い温度にできないが、戻り配管網306内の温水温度よりも高い温度にできる場合は、弁704を閉じ、弁705を開くことで、熱を供給する。また、戻り配管網306内の温水温度を上げることができない場合は、ポンプ703の質量流量を０とし、弁704と弁705を共に閉じる。これにより、自然エネルギー利用熱源901が存在している場合に、その排熱を有効に使用することで、省エネを実現することができる。
具体的な計算では、実施例３と同様に、図９に示すフローの手順をとる。

［実施例５］
図１０は、本発明に係る地域熱エネルギー供給網の制御装置101の適用例である実施例５を示す。温熱または冷熱を供給する配管網1024と、需要家が使用した後の熱媒が戻る配管網1025があり、その間に熱供給設備1001と1004、排熱供給源1005、自然エネルギーによる熱供給設備1002と1006、熱需要家1003と1007が存在し、各設備への熱媒の供給は搬送設備1017〜1023によって行われる。排熱や自然エネルギーによる熱供給は、熱交換器1014〜1016によって供給配管網1024または戻り配管網1025に与えられ、それらの切り替えを弁1008〜1013によって行う。

このように、各設備が分散して存在している場合でも、実施例１の場合と同様に、放熱・圧損評価モデル作成部104でこの熱供給システムのモデルを作成し、熱需要予測部102により熱の需要家1003と1007の熱需要を予測し、排熱量予測部103により排熱供給源1005の排熱量を予測して、それらの情報を元にしてモデル数式化部110でモデルを数式化し、最適計算部105により、熱供給設備1001と1004のオンオフと負荷率、搬送設備1017〜1023の質量流量、また弁1008〜1013で熱媒の質量流量を最適化する運転計画を作成することで、供給配管網1024と戻り配管網1025の各配管網中での熱媒の質量流量と温度を指定し、地域熱エネルギー供給網の総消費エネルギーを最小化することができる。

101 地域熱エネルギー供給網の制御装置
102 熱需要予測部
103 排熱量予測部
104 放熱・圧損評価考慮モデル作成部
105 最適計算部
106 制御部
107 データベース
108 ユーザ
109 地域熱エネルギー供給網
110 モデル数式化部
111 自然エネルギーによる熱生成量予測部

Claims

地域内に分散して存在する熱源と需要家を接続して、温熱または冷熱の供給を行う地域熱エネルギー供給網について、
前記熱源の熱生成量と前記需要家の熱需要量を予測する手段と、
前記地域熱エネルギー供給網における熱媒のエネルギー損失量を評価する手段と、を備えて、
前記熱生成量、前記熱需要量、前記熱媒のエネルギー損失量の情報を利用して、前記地域熱エネルギー供給網におけるエネルギー消費量が最小となるように、前記地域熱エネルギー供給網に接続された設備の運転計画を作成し、該運転計画に基づいて前記設備を制御する地域熱エネルギー供給網の制御装置。
請求項１に記載された制御装置において、
前記熱媒のエネルギー損失量が、放熱による熱損失及び圧力損失を含むことを特徴とする地域熱エネルギー供給網の制御装置。
請求項２に記載された制御装置において、
前記熱源が、太陽熱若しくは地熱等の自然エネルギー又は排熱による熱源であることを特徴とする地域熱エネルギー供給網の制御装置。
請求項３に記載された制御装置において、
前記運転計画に基づいて制御対象となる前記設備が、温熱若しくは冷熱を生成する温冷熱製造装置若しくは設備、又は熱媒を搬送するための設備、又は熱媒の流量を調整するための設備であることを特徴とする地域熱エネルギー供給網の制御装置。
請求項４に記載された制御装置において、
前記設備の制御方法が、前記温熱若しくは冷熱を生成する温冷熱製造装置若しくは設備についてはオンオフ制御又はその負荷率の調節であること、前記熱媒を搬送するための設備についてはオンオフ制御又はその搬送流量の調節であること、前記熱媒の流量を調整するための設備についてはその流量の調整であることを特徴とする地域熱エネルギー供給網の制御装置。
請求項５に記載された制御装置において、
前記熱媒の流量を調整することが、太陽熱若しくは地熱等の自然エネルギーによる熱源から放出される熱媒について、かかる熱媒を冷温熱の供給配管網に送出若しくは戻り配管網に送出するかの調整、及び流れを止めるオンオフの制御を含むことを特徴とする地域熱エネルギー供給網の制御装置。