JP6073001B2 - 空調管理装置 - Google Patents

Description

この発明は、工場内での空調管理を行う空調管理システムに関するものである。

従来、製品の生産が行われる工場での需要エネルギ量の最適化を図るエネルギ需要最適化システムが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。ここでは、過去の外気情報および生産量と消費エネルギとの相関関係を求め、相関関係から当日の外気情報と生産量に対応する消費エネルギが求められ、この消費エネルギに基づいて製品の生産計画を修正する。

特開２００４−１５１８３０号公報

しかしながら、特許文献１における当日の外気情報は、過去の似たような外気情報の日における消費エネルギを求めるために使用されるものであり、生産にあたって必要なエネルギを算出するのに用いられるものではない。また、特許文献１は、生産計画を修正するためのものであり、工場に設けられる空調設備の運転を制御するためのものではない。すなわち、特許文献１には、工場で生じる熱量を予測し、エネルギ効率を考慮して各空調設備の運転計画を作成することについては開示されていない。

この発明は上記に鑑みてなされたもので、空調設備が設置される工場で生じる熱量を生産計画にしたがって予測し、エネルギ効率を考慮して各空調設備の運転計画を作成し、これに基づいて工場における空調管理を行う空調管理システムを得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる空調管理装置は、工場内の発熱体の発熱量を関数化した発熱体の動作モデルと、生産計画情報で規定される前記発熱体の動作状態と、を用いて単位時間ごとの発生熱量を予測する第１処理と、前記工場を構成する建物の熱伝達率と熱容量とを含む関数化された建物の熱モデルと、気象データと、を用いて単位時間ごとの侵入熱量を予測する第２処理と、前記工場内に設定された温度および湿度と、単位時間ごとの前記発生熱量および前記侵入熱量と、を用いて空調設備で除去する単位時間ごとの除去熱量を予測する第３処理と、を実行する熱負荷予測部と、前記単位時間ごとの除去熱量を前記空調設備で除去するための前記空調設備の運転計画を単位時間ごとに作成する運転計画部と、前記運転計画にしたがって前記空調設備の運転を制御する制御指令部と、表示部と、を備え、前記運転計画部は、前記単位時間ごとの除去熱量と、前記工場内に設定される温度および湿度と前記空調設備の動作モデルとに基づいて、前記空調設備全体での消費エネルギを最小化する前記単位時間ごとの除去熱量を除去する前記運転計画を立て、前記生産計画情報は、前記工場内で稼働させる機械設備の数、稼働させる時間を含み、前記熱負荷予測部は、単位時間当たりの前記発熱体の発熱量、および前記侵入熱量を、前記表示部にグラフ表示する機能を有することを特徴とする。

この発明によれば、空調設備が設置される工場で生じる熱量を生産計画にしたがって予測し、エネルギ効率を考慮して各空調設備の運転計画を作成し、これに基づいて工場における空調管理を行うことができるという効果を有する。

関連技術の構成を模式的に示すブロック図 実施の形態１による空調管理システムの模式的構成の一例を示すブロック図 実施の形態１による空調管理装置の構成の一例を処理の流れとともに示す図 実施の形態１による照明の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１による搬送用電動機部の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１による電気ヒータ部の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１による炉送風機部の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１によるリフロー炉の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１による作業員の発熱モデルの概要を示す図 実施の形態１による工場内を複数の空調ゾーンに区画した場合の照明、機械および作業員の配置情報の一例を模式的に示す図 実施の形態１による空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報の一例を示す図 実施の形態１による単位時間ごとの発熱量と空調除去熱量の予測値の一覧の一例を示す図 実施の形態１による単位時間ごとの各構成要素の発熱量と空調除去熱量の予測値をグラフ表示した図 実施の形態１による工場における空調設備と外調機の構成の一例を模式的に示す図 実施の形態１による空調機、熱源機および外調機の運転計画出力項目の一例を示す図 実施の形態１による熱源機の媒体の出力特性曲線の一例を示す図 実施の形態１による空調管理処理の手順の一例を示すフローチャート 実施の形態１による機械がリフロー炉の場合の運転状況の一例を示す図 実施の形態２による空調管理装置の機能構成を模式的に示すブロック図 実施の形態３による工場内の機械設備における単位時間当たりの生産個数と内部発熱量との関係の一例を模式的に示す図 実施の形態４による空調管理システムの構成の一例を模式的に示す図 実施の形態４による機械設備の構成の一例を示す図 生産量−発熱量対応情報の一例を示す図 実施の形態５による空調管理システムの構成の一例を模式的に示す図

以下に添付図面を参照して、この発明の実施の形態にかかる空調管理システムを詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下では、最初に出願人による関連出願とその課題について説明し、その後にこの発明の実施の形態について説明する。

図１は、関連技術の構成を模式的に示すブロック図であり、（ａ）は第１関連技術による空調システム制御装置の構成の一例を模式的に示すブロック図であり、（ｂ）は、第２関連技術による２次計画問題計算装置の構成の一例を模式的に示すブロック図である。

第１関連技術として、特開２０１１−２１４７９４号公報に記載された空調システム制御装置がある。この空調システム制御装置７００は、図１（ａ）に示されるように、外部から空調機運転データを取得する空調機運転データ取得部７０１と、気象データを取得する気象データ取得部７０２と、熱伝導方程式に基づく汎用的な建物モデル７０３ａを有し、建物モデル７０３ａの物理パラメータを学習により求めるパラメータ学習部７０３と、物理パラメータと建物モデル７０３ａとに基づき熱負荷を予測する熱負荷予測部７０４と、予測熱負荷に基づき各空調機の運転スケジュールを決定するスケジュール作成部７０５と、運転スケジュールを各空調機に送信する運転スケジュール出力部７０６と、を備えている。

ここで、１台以上の空調機が許容可能である。また、空調機は、室外機および室内機から構成されるビル用マルチエアコン、パッケージエアコン、ルームエアコンまたは吸収冷凍機などの大型熱源機であってもよい。

この空調システムの制御装置では、物理式に則って空調負荷を予測する建物モデルを実現する。また、建物モデルにより予測した空調負荷を入力変数として、空調システムを構成する空調機の総所要動力を最小とする空調システムの運転状態を決定する。そして、決定された目標値にしたがって各空調機を制御し、複数の空調対象空間の空調を効率的に行うとともに省エネルギ化が実現される。

第２関連技術として、特開２０１０−７９３２３号公報に記載された２次計画問題計算装置がある。この２次計画問題計算装置８００は、図１（ｂ）に示されるように、制御変数および制約式群のラグランジュ乗数群である変数の初期値を求めて変数記憶手段８０１に記憶する初期化手段８０２と、２次計画問題の最適性条件乖離量であるミスマッチ量を算出するミスマッチ量算出手段８０３と、ミスマッチ量が減少するように変数の修正方向および修正量を求める修正量算出手段８０４と、修正量算出手段８０４で算出した変数の修正方向および修正量を記憶する修正量記憶手段８０５と、修正量が第一閾値以下の制御変数または制御変数のスラック変数に対応する変数記憶手段８０１に固定フラグを設定する固定変数設定手段８０６と、固定フラグを有さない変数について修正方向および修正量によって変数記憶手段８０１の数値を更新する変数修正手段８０７と、収束判断して変数記憶手段８０１に記憶された制御変数の値を出力する繰返手段８１０と、を備えている。

空調システムは、様々な効率特性を有する空調設備を組合せて構成される。各空調設備の熱交換能力は、外気温度および湿度、あるいは熱交換器内を循環する熱媒の温度および流量などの使用条件の影響を受けて変化する多変数システムである。これらの空調設備の使用条件を考慮して空調システム全体の消費エネルギが最小となる最適解を求める手段として、第２関連技術の２次計画問題計算装置は有効である。

一般的に工場においては建物内の居住者のために新鮮な外気を取り込む必要が有るが、第１関連技術では、取込んだ外気の熱量が考慮されていないため、建物全体の熱負荷量を予測することは難しい。また、事務所ビルにおける空調負荷の変動パターンは、居住者、照明、ＯＡ（Office Automation）機器および気象条件よって、毎日ほぼ一定の傾向を示す。一方、工場における空調負荷の変動パターンは、生産計画情報に基づいて大きく変動する。さらに、工場では生産計画に基づいて生産が完了したゾーンでも、指定の温度を維持するために空調設備が稼働し不要な電力を消費する場合があり、ゾーン毎に指定温度を変更する省エネルギが要求されている。しかし、第１関連技術では、工場での空調システムの制御まで対応していない。そこで、第２関連技術を用いて、第１関連技術を工場での空調システムの制御へ適用できるようにした実施の形態について以下で説明する。

実施の形態１．
図２は、実施の形態１による空調管理システムの模式的構成の一例を示すブロック図である。空調管理システムは、製品を製造し、空調設備を有する工場１０と、工場１０での空調設備を管理する空調管理装置２０と、を備える。

工場１０は、生産計画にしたがって加工または組み立てなどを行う機械設備１１を動作させながら製品を製造する施設である。工場１０は、半導体装置を製造する装置を備えるクリーンルーム、旋盤もしくはマシニングセンタなどの工作機械、レーザ加工装置または放電加工装置などの装置を用いて材料を加工する工場、あるいはプログラマブルコントローラを用いて機械設備を制御しながら製品を組み立てる工場などが例示される。図１では、工場１０として、クリーンルーム１０Ａと、展示室と事務室とを有する組立室１０Ｂと、が示されている。

工場１０は、加工または組み立てなどを行う機械設備１１と、工場１０内の照明設備１２と、工場１０内の温度および湿度などの室内環境が予め定められた範囲に収まるように制御する空調設備と、を有する。空調設備は、機械設備１１が配置される工場１０内で発生する熱量を除去して工場１０内を設定温度および設定湿度となるように調整する空調機１３と、工場１０内の設定温度および設定湿度となるように工場１０内に外気を導入する外調機１４と、を備える。外調機１４は、熱源機１４１ａ，１４１ｂと、ポンプ１４２と、熱交換器１４３と、を有する。

図３は、実施の形態１による空調管理装置の構成の一例を処理の流れとともに示す図である。空調管理装置２０は、気象データ取得部２１と、空調機特性データ取得部２２と、生産計画情報取得部２３と、データ記憶部２４と、熱負荷予測部２５と、運転計画部２６と、制御指令部２７と、を備える。

気象データ取得部２１は、工場が設置されている地域の空調管理を行う日の単位時間ごとの気象データを、ネットワークを介して取得する。気象データとして、３０分ごとの日射量、外気温湿度などを挙げることができる。気象データは、気象データ配信会社から取得される。

空調機特性データ取得部２２は、制御対象の工場１０で使用される空調機の特性情報である空調機特性データを読み込む。空調機特性データは、各空調機の消費電力と供給熱量との関係を含む情報である。また、空調機が供給する熱量、すなわち空調機が除去する熱量を計算する必要がある場合には、空調機特性データは、各室外機の運転周波数、蒸発温度、凝縮温度と供給熱量および消費電力との関係を含む。

生産計画情報取得部２３は、工場１０における生産計画情報を取得する。生産計画情報は、工場１０内で稼働させる機械設備１１の数、稼働させる時間および条件、工場１０内で点灯させる照明設備１２の数、点灯時間、並びに工場１０内に入室する作業員１５の数、入室時間などを含むものである。また、以下に示す例では、工場１０内が複数の空調ゾーンＡから空調ゾーンＣに区画されている場合を示す。空調ゾーンは、空調設備で温度と湿度とを調整可能な範囲である。生産計画情報では、各機械設備１１、照明設備１２および作業員１５がどの空調ゾーンに存在するかを区分けすることが可能である。また、作業員１５については、工場１０内のどのエリアに何時に存在するか、または工場１０内の人が存在しないエリアと時間などについてさらに詳細な情報を規定していてもよい。

データ記憶部２４は、気象データ取得部２１および空調機特性データ取得部２２を介して取得したデータを保存する。

熱負荷予測部２５は、空調機特性データと、気象データと、生産計画情報と、を入力データとして、工場１０内の発熱体についての動作モデルと、建物の熱モデルと、を用いて、単位時間ごとの各空調ゾーン内で発生する熱量と各空調ゾーン内に流入する熱量を算出する。生産計画情報では、時間によって動かす機械設備１１の種類または数が異なるので、これらによって機械発熱量も変化する。また、時間によって日射量、外気温、外気湿度が異なるので、これによっても工場１０内に流入する熱量が異なってくる。そのため、算出は、単位時間ごとに行うことが望ましい。単位時間は、３０分、１時間などである。また、熱量の算出は、１日単位または気象データが取得可能な時間まで行うことが望ましい。そして、熱負荷予測部２５は、算出した各空調ゾーン内に流入する熱量と各空調ゾーンで発生する熱量を単位時間ごとに合計した各空調ゾーンの空調除去熱量を求める。

熱負荷予測部２５は、発熱量予測部２５１と、侵入熱予測部２５２と、除去熱量予測部２５３と、を有する。発熱量予測部２５１は、生産計画情報に基づいて、単位時間当たりの各空調ゾーン内での発熱量を予測する。侵入熱予測部２５２は、単位時間当たりの各空調ゾーン内に侵入する侵入熱を予測する。除去熱量予測部２５３は、空調機の設定温湿度に基づいて、単位時間当たりの各空調ゾーン内での除去熱量を予測する。また、発熱量予測部２５１、侵入熱予測部２５２および除去熱量予測部２５３は、生産計画情報が工場１０内を複数の空調ゾーンに分割していない場合には、工場１０全体を一つの空調ゾーンとして単位時間当たりの発熱量、侵入熱および除去熱量を予測する。

発熱量予測部２５１は、図３に示されるように、工場１０内に存在し、熱を発するものについての動作モデルを用いて発熱量を算出するものである。工場１０内で熱を発するものとして、照明設備１２、機械設備１１および作業員１５などを例示することができる。以下においては、照明設備１２を照明１２と称し、機械設備１１を機械１１と称する。生産計画情報には、機械１１の稼働状態、照明１２の点灯状態または作業員１５の配置状態が単位時間ごとに時系列で規定される。そのため、生産計画情報と連携して単位時間ごとの発熱量を予測することができる。

図４は、実施の形態１による照明の発熱モデルの概要を示す図である。照明１２の発熱モデルは、照明１２についての生産計画情報を入力とし、照明の定格電力を予め決められた定数とし、照明発熱量を出力とする関数である。照明１２についての生産計画情報は、生産計画情報に規定されている単位時間ごとの照明１２のオンまたはオフの指示である。この照明発熱モデルは、次式（１）の関数で表すことができる。ただし、照明１２がＯＮの場合の生産計画情報を「１」とし、照明１２がＯＦＦの場合の生産計画情報を「０」とする。
照明発熱量＝生産計画情報（時間、ＯＮまたはＯＦＦ）×照明個数×照明定格電力 ・・・（１）

工場１０内で使用される機械１１は、旋盤、レーザ加工機、成膜装置、エッチング装置、リフロー炉、ベルトコンベアなど多数存在する。ここでは、リフロー炉の場合を例に挙げて機械の発熱量を算出する例を説明する。リフロー炉は、発熱する部品で考えると、搬送用電動機部と、電気ヒータ部と、炉送風機部と、から構成される。そこで、これらの各構成部品についてモデル化し、これらのモデルを組み合わせたものがリフロー炉の発熱量となる。

図５は、実施の形態１による搬送用電動機部の発熱モデルの概要を示す図である。搬送用電動機部の発熱モデルは、搬送用電動機部についての生産計画情報を入力とし、搬送用電動機部の定格電力と、負荷率と、電動機効率と、を予め決められた定数とし、搬送用電動機部の発熱量を出力とする関数である。搬送用電動機部についての生産計画情報は、生産計画情報に規定されている単位時間ごとのリフロー炉の搬送用電動機部の搬送速度である。この搬送用電動機部の発熱モデルは、次式（２）の関数で表すことができる。
搬送用電動機発熱量＝生産計画情報（時間、速度）×電動機定格電力×負荷率×（１―電動機効率） ・・・（２）

図６は、実施の形態１による電気ヒータ部の発熱モデルの概要を示す図である。電気ヒータ部の発熱モデルは、電気ヒータ部についての生産計画情報を入力とし、電気ヒータ部の定格電力と、負荷率と、ヒータ効率と、を予め決められた定数とし、電気ヒータ部の発熱量を出力とする関数である。電気ヒータ部についての生産計画情報は、生産計画情報に規定されている単位時間ごとのリフロー炉の電気ヒータ部の温度である。この電気ヒータ部の発熱モデルは、次式（３）の関数で表すことができる。
電気ヒータ発熱量＝生産計画情報（時間、温度）×電気ヒータ定格電力×負荷率×（１―電気ヒータ効率） ・・・（３）

図７は、実施の形態１による炉送風機部の発熱モデルの概要を示す図である。炉送風機部の発熱モデルは、炉送風機部についての生産計画情報を入力とし、空気風量と、全圧と、係数と、ファン効率と、を予め決められた定数とし、炉送風機部の発熱量を出力とする関数である。炉送風機部についての生産計画情報は、生産計画情報に規定されている単位時間ごとのリフロー炉の炉送風機部の風量である。この炉送風機部の発熱モデルは、次式（４）の関数で表すことができる。
炉送風機発熱量＝生産計画情報（時間、風量）×（空気風量×全圧）／（９．８×６１２０×ファン効率） ・・・（４）

図８は、実施の形態１によるリフロー炉の発熱モデルの概要を示す図である。リフロー炉の発熱モデルは、図５から図７に示される搬送用電動機部の発熱モデルと、電気ヒータ部の発熱モデルと、炉送風機部の発熱モデルと、を足し合わせた構造を有する。具体的には、生産計画情報を、搬送用電動機部の発熱モデルと電気ヒータ部の発熱モデルと炉送風機部の発熱モデルの共通の入力とする。搬送用電動機部の発熱モデルと電気ヒータ部の発熱モデルと炉送風機部の発熱モデルのそれぞれの出力は加算され、加算したものがリフロー炉モデルの出力であるリフロー炉発熱量となる。

図９は、実施の形態１による作業員の発熱モデルの概要を示す図である。作業員１５の発熱モデルは、作業員１５についての生産計画情報を入力とし、人体発熱量を予め決められた定数とし、作業員１５の発熱量を出力とする関数である。作業員１５についての生産計画情報は、生産計画情報に規定されている単位時間ごとの作業員１５の人数である。この作業員１５の発熱量モデルは、次式（５）の関数で表すことができる。
作業員発熱量＝生産計画情報（時間、人数）×人体発熱量 ・・・（５）

なお、作業員１５の発熱モデルは生産計画情報に基づいて工場１０内に何人居るかなどだけであったが、さらに工場１０内での作業員の位置情報を用いて、より詳細な作業員１５の発生熱量を算出するようにしてもよい。たとえば、作業員１５の作業位置、行動範囲などの位置情報をパターン化することで、複数の空調ゾーン間を作業員１５が移動する場合などで、各空調ゾーンでの作業員１５の発熱量をより正確に推定することができる。

これらのモデルは、モデルの対象の特性が異なるものごとに設定される。照明１２の発熱モデルの場合には、照明１２の定格電力が異なるものごとに設定される。機械１１の発熱モデルも同様である。

図１０は、実施の形態１による工場内を複数の空調ゾーンに区画した場合の照明、機械および作業員の配置情報の一例を模式的に示す図である。この図に示されるように、工場１０内に３つの空調機１４Ａから空調機１４Ｃが配置され、それぞれの空調機１４Ａから空調機１４Ｃで空調制御できる領域が空調ゾーンＡから空調ゾーンＣとなる。各空調ゾーンＡから空調ゾーンＣには、図に示されるように照明と機械と作業員とが配置されている。このように、工場１０内が複数の空調ゾーンＡから空調ゾーンＣに分かれている場合には、照明発熱量、機械発熱量、作業員発熱量はそれぞれ空調ゾーンＡから空調ゾーンＣごとに求められる。このとき、各空調ゾーンＡから空調ゾーンＣに存在する照明、機械および作業員を含む空調ゾーンＡから空調ゾーンＣごとの発熱モデル対応情報を用いて、空調ゾーンＡから空調ゾーンＣごとの発熱量を求める。

図１１は、実施の形態１による空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報の一例を示す図である。空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報は、空調ゾーンごとに、この空調ゾーンに含まれる照明１２の照明モデルと、機械１１の機械モデルと、作業員１５の作業員モデルおよび人数と、が規定されている。図１１の空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報は、図１０の照明、機械および作業員の配置情報に基づいて作成されたものである。そして、空調ゾーンＡから空調ゾーンＣごとに求められた発熱量の合計が空調ゾーン発熱量となる。発熱量予測部２５１は、第１関連技術の熱負荷予測部において、工場特有の生産計画に基づいた空調ゾーンごとの発熱量を予測できるようにしたものである。

侵入熱予測部２５２は、図３に示されるように、建物の熱モデルと気象データとを用いて、単位時間当たりの工場建物の各空調ゾーン内に侵入する熱量である空調ゾーン侵入熱量を算出するものである。建物の熱モデルは、建物の壁体、屋根、ガラスなどから侵入する熱量を、外気温および日射量などの気象データを用いて計算するための関数である。建物の熱モデルとして、外気温、日射量、作業員１５、機械１１および照明１２などの発生熱量と、設定室温に対する空調機１３の処理熱量の実測値と、から熱伝達率と熱容量とを含む建物熱特性を推定し、この熱伝達率と熱容量とを用いて、建物の外部から内部に侵入する熱量を推定する関数が作成される。

除去熱量予測部２５３は、図３に示されるように、発熱量予測部２５１で算出された発熱量と、侵入熱予測部２５２で算出された侵入熱と、工場１０内の各空調ゾーンに設定された温湿度と、を用いて各空調ゾーンの単位時間当たりの除去熱量を算出する。以下では、空調ゾーンの除去熱量を空調ゾーン除去熱量という。設定温湿度と除去熱量は運転計画部２６に出力される。

図１２は、実施の形態１による単位時間ごとの発熱量と空調除去熱量の予測値の一覧の一例を示す図である。ここでは、図１０のように区画した複数の空調ゾーンＡから空調ゾーンＣについて単位時間ごとの発熱量と空調除去熱量の予測値が算出されている。時間は、予測の対象となる時間帯を示すものである。この時間帯の長さは、単位時間であり、この例では１時間である。各空調ゾーンＡから空調ゾーンＣについて、単位時間ごとに、上記した発熱量予測部２５１で予測された照明発熱量、機械発生熱量および作業員発熱量と、侵入熱予測部２５２で予測された侵入熱量と、除去熱量予測部２５３で予測された空調除去熱量の値が示されている。この例では、空調ゾーン内に存在するすべての機械の機械発生熱量を１つにまとめて表示しているが、より詳しく制御を行うためには、機械１１ごとに機械発生熱量を表示することが望ましい。また、熱負荷予測部２５は、各動作モデルを用いて算出した発生熱量と侵入熱量と空調除去熱量とをテーブル形式で表示しているが、図示しない表示部にグラフ表示させるようにしてもよい。

図１３は、実施の形態１による単位時間ごとの各構成要素の発熱量と空調除去熱量の予測値をグラフ表示した図である。ここでは、機械発生熱量を３つの種類の機械（１）から（３）に分けて表示している。これらの図で、横軸は時間であり、縦軸は発熱量または除去熱量を示している。この例でも、空調ゾーンＡから空調ゾーンＣごとに発熱量と空調除去熱量の予測値のグラフが作成されている。図１３で、グラフＧ１は照明発熱量の時間変化を示す図であり、グラフＧ２からグラフＧ４はそれぞれ機械（１）から（３）の機械発熱量の時間変化を示す図であり、グラフＧ５は作業員発熱量の時間変化を示す図であり、グラフＧ６は侵入熱量の時間変化を示す図であり、グラフＧ７は空調除去熱量の時間変化を示す図である。

図１３のグラフＧ６に示されるように建物に侵入する熱量は、朝から１３時前後にかけて上昇し、そこから夕方にかけて減少する。これは、太陽からの日射量と外気温によるものである。また、図１３のグラフＧ２からＧ４に示されるように、機械（１）、（３）は、９時から使用可能な状態にするために、電源が９時前から投入されている一方、機械（２）は、機械（１）、（３）で処理されたものを処理する機械設備であり、９時からの電源投入でもよい。このように、生産計画にしたがって処理を行うことで、機械設備によって電源投入の開始時刻が異なることになる。また、１２時から１３時の間は、作業員１５が昼休みとなるので、機械設備も休止状態になり、一時的に発生熱量が減少している。ただし、１３時から再び作業が始まること、また機械設備の電源をすべて落としてしまうと再稼働させるまでに時間がかかってしまうので、休止状態にしてもよい部分のみ休止状態としている。

図１３のグラフＧ１，Ｇ５に示されるように、照明発熱量と作業員発熱量は、作業員１５が工場１０内に存在する９時から１２時と１３時から２０時くらいまでの間に主に発生している。また、１２時から１３時は、作業員１５の昼休みであるので、この間は、作業員１５は工場１０内に存在しないので、発生熱量は０になる。また、この時の照明１２もほとんど消灯されるため、発生熱量は０に近い数値となる。

図１３のグラフＧ７は、図１３のグラフＧ１からグラフＧ６の各発生熱量を全部加算したものであり、総発生熱量を示している。つまり、この総発生熱量は、空調設備で除去しなければならない熱量であり、空調除去熱量となる。空調除去熱量は、空調設備への熱負荷の需要を与えるものでもあるので、空調熱負荷需要ともいう。

運転計画部２６は、熱負荷予測部２５で予測された空調除去熱量を、工場に設置された空調機１３と外調機１４とを用いて除去するための運転計画を立てる。運転計画は、空調ゾーンごとに立てられる。図１４は、実施の形態１による工場における空調設備と外調機の構成の一例を模式的に示す図である。この例では、空調設備は、空調機１３と、熱源機１４１と、ポンプ１４２と、外調機１４と、を有する。

空調機１３は、工場１０内の空気を吸い込み、空調除去熱量を除去するように吸い込んだ空気の温度と湿度を調整した後、再び工場１０内に戻すものである。空調機１３として、パッケージエアコンなどを例示することができる。空調機１３は、工場１０内で発生する熱量、すなわち空調除去熱量を除去する空調設備である。

熱源機１４１は、工場１０外の空気を加熱または冷却する際の熱源であり、水などの媒体を加熱または冷却し、熱交換器１４３との間で循環させる。熱源機１４１として、冷却用熱源機１４１ａと加熱用熱源機１４１ｂが設置される。これは、冷却用熱源機１４１ａで工場１０外の空気の湿度を除湿した後、加熱用熱源機１４１ｂで除湿した空気を予め定められた温度に加熱するためである。ポンプ１４２は、熱源機１４１と外調機１４との間で媒体を流すのに使用される。外調機１４は、工場１０外の空気を、熱源機１４１から送られる媒体で予め定められた温度に冷却または加熱する熱交換器１４３と、予め定められた温度にされた空気を工場１０内に送り込むファン１４４と、を有する。熱交換器１４３は、工場１０外の空気を予め定められた湿度にする機能も有する。このように、外調機１４は、熱源機１４１を用いて外気を工場１０内の設定温度および設定湿度にして、工場１０内に供給する空調設備である。

運転計画部２６では、第１関連技術の運転計画部において、熱源機１４１をモデル化した熱源機モデルと、外調機１４をモデル化した外調機モデルと、空調機１３をモデル化した空調機モデルと、から第２関連技術を用いて空調システム全体で最適な省エネルギ運転になるように空調機１３、冷却用熱源機１４１ａ、加熱用熱源機１４１ｂ、および外調機１４の運転計画を作成する。この運転計画部２６は、第１関連技術のスケジュール作成部に対応するものであり、また第２関連技術の２次計画問題計算装置に該当するものである。つまり、運転計画部２６では、２次計画法を用いて熱源機１４１、外調機１４および空調機１３の運転計画を作成する。このとき、空調システム全体で最適な省エネルギ運転となるように熱源機１４１、外調機１４、空調機１３の運転計画を作成する。

運転計画は、各空調ゾーン内の空調設備を動作させるための運転パラメータを単位時間ごとに示したものである。図１５は、実施の形態１による空調機、熱源機および外調機の運転計画出力項目の一例を示す図である。空調機モデルは、運転計画出力項目として、運転または停止と、温度設定と、送風能力設定と、を出力する。送風能力設定は、風量であり、風量は圧縮機周波数ｆによって変化する。冷却用熱源機モデルは、運転計画出力項目として、運転または停止と、冷水温度設定と、を出力する。加熱用熱源機モデルは、運転計画出力項目として、運転または停止と、温水温度設定と、を出力する。外調機モデルは、運転計画出力項目として、運転または停止と、給気温度設定と、給気湿度設定と、を出力する。

ここで、予測された空調除去熱量と外調機の給気温度および湿度条件に対応して熱源機１４１の冷水および温水の送水温度設定を最適化する場合について説明する。上記したように、工場１０内には、機械１１、照明１２、作業員１５などの発熱体が存在する。また、工場１０内には、新鮮な外気を送り込むことが求められる。そこで、外気の温度および湿度を有効活用することによって、大幅な省エネルギを実現することができる。

空調機１３と、外調機１４および熱源機１４１と、を組み合わせた空調システムでは、初めにベースとなる外調機１４および熱源機１４１の省エネルギとなる最適運転計画を計算する。これは、工場１０内または各空調ゾーンの温度と湿度が設定値となり、かつ消費電力が最小となるように冷却用熱源機１４１ａと加熱用熱源機１４１ｂの出力温度を決定するものである。

図１６は、実施の形態１による熱源機の媒体の出力特性曲線の一例を示す図であり、（ａ）は冷水出力特性曲線を示し、（ｂ）は温水出力特性曲線を示す。これらの図で、横軸は、媒体の出力温度であり、縦軸はそれぞれ冷却用熱源機モデルと加熱用熱源機モデルの効率を表す成績係数ＣＯＰである。一般的に、冷却用熱源機モデルと冷水の出力温度との関係は、図１６（ａ）のように表され、加熱用熱源機モデルの効率を表す成績係数ＣＯＰと温水の出力温度との関係は、図１６（ｂ）のように表される。

また、熱源機１４１の成績係数ＣＯＰは、熱源機１４１の出力をＲ［Ｗ］とし、入力エネルギをＥＲ［Ｗ］とすると、次式（６）で示される。そして、（６）式より熱源機１４１の出力Ｒ［Ｗ］は、次式（７）のように変換できる。
COP=R/ER ・・・（６）
R=COP×ER ・・・（７）

ここで、熱源機１４１の成績係数ＣＯＰは、外気温度をＴａ［Ｋ］とし、ａを係数とし、ｃを定数とすると、次式（８）で示される。
COP(Ta)=a×Ta+c ・・・（８）

以上より、時刻ｔと外気温度Ｔａ［Ｋ］とを考慮した熱源機ｊ号機の出力Ｒ（ｊ，ｔ）［Ｗ］は、次式（９）のように表される。ただし、ｊは自然数である。
R(j,t)=COP(Ta)×ER(j,t) ・・・（９）

また、熱源機１４１の出力Ｒ［Ｗ］は、循環する水の温度と流量によって、次式（１０）のように表される。ただし、ＣＰは水の比熱であり、４．２１８Ｊ／（Ｋｇ・Ｋ）であり、ρは密度［Ｋｇ／ｍ³］であり、Ｔｉｎは熱源機戻り温度［Ｋ］であり、Ｔｏｕｔは熱源機送水温度［Ｋ］であり、Ｒｆは熱源機送水流量［ｍ³／ｓ］である。
R=CP×ρ×(Tin-Tout)×Rf ・・・（１０）

時刻ｔを考慮した熱源機ｊ号機の出力Ｒ（ｊ，ｔ）［Ｗ］は、（１０）式から次式（１１）のように表される。
R(j,t)=CP×ρ×(Tin(j,t)-Tout(j,t))×Rf(j,t) ・・・（１１）

また、（９）式と（１１）式とから入力エネルギＥＲ［Ｗ］は、次式（１２）のように表される。
ER(j,t)=R(j,t)/COP(Ta)
=(CP×ρ×(Tin(j,t)-Tout(j,t))×Rf(j,t))/COP(Ta) ・・・（１２）

なお、入力エネルギＥＲ［Ｗ］の計算式については、（１２）式ではなく、次式（１３）の回帰式でも表すこともできる。ただし、ａ１からａ９は熱源機の特性式の係数であり、たとえば国土交通省が提供している空調設備シミュレーションツール（ＬＣＥＭツール）によって算出することができる。
ER(j,t)=a1×Ta+a2×Tout(j,t)+a3×Tin(j,t)+a4×Rf(j,t)+a5×Ta×Rf(j,t)+a6×Tout(j,t)×Rf(j,t)+a7×Tin(j,t)×Rf(j,t)+a8×Rf(j,t)²+a9 ・・・（１３）

なお、２つのＥＲ（ｊ，ｔ）の計算式である（１２）式と（１３）式とは、得られる入力条件によって使い分けられる。

ここで、熱源水のポンプ消費電力Ｐｐ［Ｗ］は、次式（１４）のように表される。ただし、ａ１０からａ１１はポンプ固有の係数である。
Pp(j,t)=a10×Rf(j,t)+a11 ・・・（１４）

つぎに、熱需給バランスについて考える。すなわち、予測される熱負荷需要予測値に対して必要とされる熱源機出力Ｒ［Ｗ］の関係は次式（１５）以下のように表される。
熱負荷需要予測値-ΣR(j,t)=0 ・・・（１５）

また、２次計画法で計算するための評価関数である目的関数を求める。時刻ｔにおける空調システム全体の熱源機１４１の入力エネルギＥＲ［Ｗ］と熱源水のポンプ消費電力Ｐｐ［Ｗ］の合計、および電力量単価ＣＤから、電力費用ｆ（ｘ）を次式（１６）のように求める。そして、この電力費用ｆ（ｘ）を最小化させる次式（１７）が、目的関数となる。
f(x)={ΣER(j,t)+ΣPp(j,t)}×CD ・・・（１６）
minf(x)={ΣER(j,t)+ΣPp(j,t)}×CD ・・・（１７）

２次計画法で計算するための制御変数としては、（１２）式および（１３）式で示されるＥＲ（ｊ，ｔ）の式に含まれる熱源機送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］、熱源機戻り温度Ｔｉｎ［Ｋ］および熱源機送水流量Ｒｆ［ｍ³／ｓ］と、（１７）式に含まれるポンプ消費電力Ｐｐ［Ｗ］となる。

２次計画法で計算するための制約条件式としては、熱源機ｊ号機における出力Ｒ（ｊ）［Ｗ］、送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］および送水流量Ｒｆ［ｍ³／ｓ］となる。熱源機ｊ号機における出力Ｒ（ｊ）［Ｗ］、送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］および送水流量Ｒｆ［ｍ³／ｓ］は、それぞれ次式（１８）から（２０）に示されるように上限および下限があり、これらの範囲が制約条件式となる。
R(j)min≦R(j)≦ R(j)max ・・・（１８）
Tout(j)min≦Tout(j)≦Tout(j)max ・・・（１９）
Rf(j)min≦Rf(j)≦Rf(j)max ・・・（２０）

以上において、たとえば（１５）式を制約式とし、（１８）から（２０）式を制約条件式として、２次計画法を使用して（１７）式を目的関数として電力費用ｆ（ｘ）が最小となるように冷却用熱源機１４１ａと加熱用熱源機１４１ｂの出力温度が運転パラメータとして決定される。なお、ここで、最小とは、空調機１３、熱源機１４１および外調機１４が定格値運転を行う場合の消費エネルギ量、すなわち電力量の総和に対して、実際に運転させる空調機１３、熱源機１４１、外調機１４の消費エネルギ量を最小化することをいう。

制御指令部２７は、運転計画部２６によって算出された空調設備の運転パラメータに基づいて、工場１０に設けられる空調機１３、熱源機１４１および外調機１４を含む空調設備の運転制御を行う。この制御指令部２７による運転制御によって、図１２と図１３に示される空調除去熱量を除去することができ、工場１０内の温度を設定温度に保つことが可能になる。

つぎに、空調管理装置２０における処理について説明する。図１７は、実施の形態１による空調管理処理の手順の一例を示すフローチャートである。なお、ここでは、ユーザによって工場１０についての照明１２、機械１１および作業員１５の配置情報と空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報と建物の熱モデルが既に作成されている状態にあるものとする。まず、空調機特性データ取得部２２は、空調機特性データを読み込み、データ記憶部２４に記憶する（ステップＳ１１）。また、気象データ取得部２１は、空調管理を行う日の気象データを、ネットワークを介して取得し、データ記憶部２４に記憶する（ステップＳ１２）。さらに、生産計画情報取得部２３は、空調管理を行う日の生産計画情報を取得する（ステップＳ１３）。

ついで、熱負荷予測部２５は、ある時間における工場１０内の各空調ゾーンでの発熱量を、単位時間ごとに算出する（ステップＳ１４）。これは、上記したように空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報を用いて、単位時間ごとに空調ゾーン発熱量を算出する。また、熱負荷予測部２５は、ある時間における工場１０内の各空調ゾーンへの侵入熱を、単位時間ごとに算出する（ステップＳ１５）。これは、上記したように建物の熱モデルと気象データとを用いて算出する。さらに、熱負荷予測部２５は、算出した発熱量と侵入熱と、工場１０内に設定された温湿度とを用いて、工場１０内の各空調ゾーンでの空調除去熱量を単位時間ごとに算出する（ステップＳ１６）。

ついで、運転計画部２６は、２次計画法を用いて、各空調ゾーンの空調設備の運転パラメータを算出する（ステップＳ１７）。たとえば、各時間における空調除去熱量を除去することができ、かつ空調設備での消費電力を最小とすることができる熱源機１４１へ流入する媒体の温度と熱源機１４１から流出する媒体の温度とを含む空調設備の運転パラメータを求める。

そして、制御指令部２７は、算出した空調設備の運転パラメータを用いて、工場１０の空調設備を制御する（ステップＳ１８）。以上によって、空調管理処理が終了する。

なお、熱負荷予測部２５は、生産計画情報を入力として、機械の発熱モデルから各機械１１の発生熱量を予測しているが、個々の機械１１の特性を考慮して発生熱量を予測してもよい。図１８は、実施の形態１による機械がリフロー炉の場合の運転状況の一例を示す図であり、（ａ）は、リフロー炉の様子を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は機械特性を考慮しない場合の炉内の温度とベルトコンベアの運転状態の一例を示す図であり、（ｃ）は機械特性を考慮した場合の炉内の温度とベルトコンベアの運転状態の一例を示す図である。

リフロー炉２００は、予め定められた方向に製品を搬送するベルトコンベア２０１と、ベルトコンベア２０１上の製品２１０を加熱する加熱部２０２と、ベルトコンベア２０１を覆うように設けられる断熱材２０３と、を有する。加熱部２０２への電力が供給されることによって断熱材２０３で囲まれた領域が加熱される。そして、製品２１０に乗せられたはんだがリフローされることになる。

図１８（ｂ）に示されるように、加熱部２０２によって炉内の温度を２００℃にする場合、炉内の温度はいきなり２００℃にはならない。このため、前もって加熱部２０２に電力を供給し、製品２１０の生産が始まる９時に炉内の温度が２００℃になるようにする。工場１０が昼休みとなる１２時から１３時の間では、リフロー炉２００の電源を切ってしまうと、リフロー炉２００内の温度が低下するが、１３時には再び２００℃にしなければならず、２００℃になるまでの時間が周囲の温度との関係で予測できない。このため、昼休みの間でも加熱部２０２は運転状態にしていた。

一方、図１８（ｃ）に示されるように、室温がわかれば、加熱部２０２への電力の供給をやめた後の炉内の温度の下がり、また１３時までに２００℃にするためにいつ加熱部２０２への電力の供給を開始すればよいのかを計算によって求めることが可能になる。このようにして、昼休み中における機械設備１１の電力の供給を必要最小限にすることで、１日全体として見た場合の工場１０の消費電力を削減することができる。

機械において熱変換を行う乾燥炉、リフロー炉などでは、運転における必要熱量は次式（２１）で表される。
機械必要熱量＝｛加熱対象物容積［Ｖｏｌ］×加熱対象物比熱［ｊ／ｄｅｇ・ｋｇ］×（機械装置目標温度―室温）｝×安全率＋（機械装置目標温度―室温）×機械装置断熱係数 ・・・（２１）

生産計画情報より機械設備１１ごとの加熱対象物の材質（金属、ベークライトなど）、体積、数量を取得し、上記（２１）式に入力することで、立ち上げ時から連続運転時を経てクールダウン運転時までに必要な入力エネルギ量と、装置から漏洩する内部発熱負荷量と、を推定することができる。このように機械設備１１ごとの立ち上げパターンがモデル化されることで、機械設備１１の発生熱量の推定に、立ち上げパターンを効率的に使用することができる。

実施の形態１では、熱負荷予測部２５で、工場１０の建物の熱モデルと、熱を発生する工場１０内に配置される機械１１、照明１２および作業員１５の熱モデルと、を用いて、気象データと生産計画情報と空調機特性データとを入力として、工場１０内で空調設備を用いて除去すべき単位時間当たりの熱量である空調除去熱量を１日の期間で算出した。これによって、工場１０内で除去すべき熱量を正確に予測することができ、この予測に基づいて空調設備の制御を行うことができるという効果を有する。

また、運転計画部２６は、熱負荷予測部２５で予測した単位時間ごとの空調除去熱量を、空調システム全体の熱源機１４１の出力と等しくした状態で、空調システム全体での熱源機１４１の入力エネルギと、空調システム全体での熱源水ポンプ消費電力との合計に電力量単価を乗じた電力費用が最小となるように、２次計画法を用いて冷却用熱源機１４１ａと加熱用熱源機１４１ｂの出力温度を含む空調設備の運転パラメータを算出した。そして、制御指令部２７は、空調設備の運転パラメータに基づいて空調設備を制御する。これによって、工場１０内の温度を目標温度に精密に維持することができるという効果を有する。

室内の温度を計測し、この設定温度からのずれを検出して空調設備をフィードバック制御するという従来の方法では、温度を検出してから設定温度に達するまでに１５分以上の時間を要していた。しかし、実施の形態１の方法では、フィードバック制御ではなく、予め発生する熱量を予測し、これを除去するように制御しているので、各時間における工場１０内の温度を設定温度に高精度で設定することが可能になる。さらに、従来では、最大負荷条件で空調設備の定格能力を決定していたため、軽負荷時ではエネルギ効率が低下していたが、実施の形態１では、軽負荷時でもエネルギ効率を低下させることがない。

実施の形態２．
実施の形態１で説明したように、１日の気象情報と生産計画情報とを入力データとして、工場の熱モデルを用いて１日の各時間における空調除去熱量を算出しているので、従来の方法に比してばらつきの少ない温湿度制御を行うことができる。従来では、上記したように１５分以上の遅れを有するフィードバック制御によって工場などの建物内の空調制御を行っていたため、温度制御が難しく、工場１０内の設定温度として２３℃±２℃のような誤差範囲を大きく持たせる形で設定温度を設定していた。実施の形態２では、外気温度によって、工場１０内の設定温度を変更する方法について説明する。

図１９は、実施の形態２による空調管理装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。この空調管理装置２０は、熱負荷予測部２５に外気処理量予測部２５４をさらに備える。外気処理量予測部２５４は、工場１０内に存在する作業員１５の数と、強制的に作動する排気ファンの排気量と、に基づいて単位時間ごとに工場１０内に導入する外気処理量を予測する。強制的に作動する排気ファンは、高い温度で運転が行われる機械１１などに設けられる。工場１０内に存在する作業員１５と、強制的に作動する排気ファンによる排気量と、は、生産計画情報から取得することができる情報である。

運転計画部２６は、熱負荷予測部２５で算出された外気処理量に対して、外調機１４と熱源機１４１とを組み合わせた空調システムの消費電力を、２次計画法により消費電力最小化条件で解く。その結果、運転計画部２６は、室内環境条件範囲内に対しての外調機１４の給気温度と給気湿度の設定値とを空調設備の運転パラメータとして算出する。

制御指令部２７は、運転計画部２６で求められた給気温度と給気湿度を外調機１４に設定する。なお、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。また、実施の形態２による空調管理装置の処理手順は、実施の形態１で説明したものと同様であるので、その説明を省略する。

ここで、実施の形態２による運転計画部２６での空調設備の運転パラメータの算出例について説明する。予測された熱負荷需要の外気処理量に対して、熱源機１４１と外調機１４の消費電力を２次計画法によって消費電力最小化条件で解くことで、室内環境条件範囲内に対しての外調機１４の給気温度および給気湿度の設定値を求めることができる。

まず、熱交換器特性モデルＱＨによって熱交換量を求める。外調機１４の冷水熱交換器１４３は、冷却用熱源機１４１ａから供給される冷水を接続し、外調機１４のファン１４４で取込んだ外気と熱交換する。また、外調機１４の温水熱交換器１４３は、加熱用熱源機１４１ｂから供給される温水を接続し、外調機１４のファン１４４で取込んだ外気と熱交換する。

時刻ｔにおける熱交換器ｊ号機の外気エンタルピ量ｅｉにおける熱交換器特性モデルの熱量ＱＨ（ｊ，ｔ）は、次式（２２）で示される。また、外気エンタルピ量ｅｉは、次式（２３）で示される。ただし、Ｔａｉｎは熱交換器入口の空気温度［Ｋ］であり、Ｔａｏｕｔは熱交換器出口の空気温度［Ｋ］であり、Ｗは水流量［ｍ³／ｓ］であり、ｗは空気流量［ｍ³／ｓ］であり、ｃｐは空気の比熱であり、１．００６Ｊ／（Ｋｇ・Ｋ）である。
QH(j,t)=W(j,t)×Cp(j,t)×(Tin(j,t)-Tout(j,t))
=w(j,t)×cp(j,t)×(Taout(j,t)-Tain(j,t)) ・・・（２２）
ei=w(j,t)×cp(j,t)×(Taout(j,t)-Tain(j,t)) ・・・（２３）

熱交換器の熱交換率ＨＸＲは、制御条件により以下のように分類される。
＜温度だけを制御する場合＞
温度だけを制御する場合には、熱交換器の熱交換率ＨＸＲは次式（２４）のように示される。ただし、露点温度にならないものとする。
HXR×W(j,t)×Cp(j,t)×(Tin(j,t)-Tout(j,t))
=w(j,t)×cp(j,t)×(Taout(j,t)-Tain(j,t)) ・・・（２４）

＜温湿度を制御する場合＞
温度と湿度を制御する場合には、熱交換器の熱交換率ＨＸＲは次式（２５）のように示される。ただし、Ｄｅｎｖは外気の空気密度［ｋｇ／ｍ³］であり、Ｄｓｕｐは供給空気の密度［ｋｇ／ｍ³］であり、Ｅｅｎｖは外気の比エンタルピ［ＫＪ／（ｋｇ・Ｋ）］であり、Ｅｓｕｐは供給空気の比エンタルピ［ＫＪ／（ｋｇ・Ｋ）］である。
HXR×W(j,t)×Cp(j,t)×(Tin(j,t)-Tout(j,t))
=w(j,t)×(Denv(t)×Eenv(t)-Dsup(j,t)×Esup(j,t)) ・・・（２５）

また、ファン１４４の時刻ｔにおける消費電力量Ｆｐ（ｔ）［Ｗ］は、次式（２６）のように表される。ただし、ａ１２，ａ１３はファン１４４の消費電力特性の係数とする。
Fp(t)=a12×w(j,t)+a13 ・・・（２６）

つぎに、熱需給バランスについて考える。予測される熱負荷需要に対して必要とされる熱交換器特性モデルの熱量ＱＨ［Ｗ］の関係は、次式（２７）のように表される。
熱負荷需要予測値−QH(j,t)=0 ・・・（２７）

また、２次計画法で計算するための評価関数である目的関数を求める。時刻ｔにおける熱交換器特性モデルの熱量ＱＨ［Ｗ］とファン１４４の消費電力Ｆｐ（ｔ）［Ｗ］および電力量単価ＣＤから、電力費用ｆ（ｘ）を次式（２８）のように求める。そして、この電力費用ｆ（ｘ）を最小化させる次式（２９）が、目的関数となる。
f(x)={ΣQH(j,t)+ΣFp(j,t)}×CD ・・・（２８）
minf(x)={ΣQH(j,t)+ΣFp(j,t)}×CD ・・・（２９）

２次計画法で計算するための制御変数としては、（２２）式で示されるＱＨ（ｊ，ｔ）の式に含まれる熱源機戻り温度Ｔｉｎ［Ｋ］、熱源機送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］、ファン１４４の空気流量ｗ［ｍ³／ｓ］、およびファン１４４の消費電力Ｆｐ［Ｗ］となる。

２次計画法で計算するための制約条件式としては、熱交換器特性モデルの出力である熱量ＱＨ［Ｗ］、熱源機送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］、水流量Ｗ［ｍ³／ｓ］および空気流量ｗ［ｍ³／ｓ］となる。熱交換器特性モデルの熱量ＱＨ［Ｗ］、熱源機送水温度Ｔｏｕｔ［Ｋ］、水流量Ｗ［ｍ³／ｓ］および空気流量ｗ［ｍ³／ｓ］は、それぞれ次式（３０）から（３３）に示されるように上限および下限があり、これらの範囲が制約条件式となる。
QH(j)min≦QH(j)≦QH(j)max ・・・（３０）
Tout(j)min≦Tout(j)≦Tout(j)max ・・・（３１）
W(j)min≦W(j)≦W(j)max ・・・（３２）
w(j)min≦w(j)≦w(j)max ・・・（３３）

運転計画部２６は、予測された熱負荷需要の外気処理量に対して、熱源機１４１と外調機１４の消費電力を２次計画法によって消費電力最小化条件で解くことで、室内環境条件範囲内に対しての外調機１４の給気温度および湿度の設定値を求める。具体的には、たとえば（２７）式を制約式とし、（３０）から（３３）式を制約条件式として、２次計画法を使用して（２９）式を目的関数として電力費用ｆ（ｘ）が最小となるように外調機１４の給気温度および湿度が運転パラメータとして決定される。そして、このようにして求められた運転パラメータによって、ばらつきの少ない温度および湿度の制御が可能となる。そのため、外気温度によって設定温度２１℃から２５℃の範囲で、また外気湿度によって設定湿度４０％から６０％の範囲で、熱源機１４１と外調機１４のエネルギ消費量を最小に抑えることができる。

実施の形態２では、工場１０内での作業員１５の数と排気ファンの排気量とを用いて単位時間ごとの外気処理量を予測し、予測された熱負荷需要が熱交換器熱量と等しくなる条件で、２次計画法を用いて、熱交換器熱量とファンの消費電力との和が最小となるように、外調機１４の給気温度と給気湿度とを求める。そして、求めた給気温度と給気湿度を用いて外調機１４の運転を行う。これによって、ばらつきの少ない温度と湿度の制御が可能になるという効果を有する。また、外気を工場１０内に導入する際に、工場１０内に導入する空気の温度と、導入する前までの工場１０内の温度との差が小さくなるので、空調管理システムで消費される電力を抑えることができるという効果を有する。

実施の形態３．
実施の形態１では、機械設備の動作モデルを用いて発生熱量を算出していた。機械設備の発生熱量は、空調熱負荷に占める割合が大きく、また変動幅も大きい。そこで、実施の形態３では、機械設備の発生熱量の予測をさらに精度よく行うことができる方法について説明する。

図２０は、実施の形態３による工場内の機械設備における単位時間当たりの生産個数と内部発熱量との関係の一例を模式的に示す図である。ここでは、単位時間当たりの生産個数がａ，ｂ，ｃのときのそれぞれの内部発熱量Ａ，Ｂ，Ｃを予め算出し、これらのデータから生産個数に対する内部発熱量の関係を示す曲線Ｌ１を作成したものであり、図中実線で示されている。なお、図中の点線で示される曲線Ｌ２は、実際の単位時間当たりの生産個数に対する内部発熱量を示している。曲線Ｌ１，Ｌ２は、生産量−発熱量対応情報である。曲線Ｌ１では、単位時間当たりの生産個数が０からａの範囲では、発熱量が０からＡに単調増加する直線で示され、ａからｂの範囲では一定値Ａであり、ｂからｃの範囲では一定値Ｂであり、ｃ以降の範囲では一定値Ｃである。そして、この曲線Ｌ１は、実際の曲線Ｌ２に近似している。

発熱量予測部２５１は、機械設備１１の発生熱に関しては生産計画情報から得られる時間当たりの生産個数から、図２０に示されるような情報を用いて機械設備１１の内部発熱量を算出する。なお、上記した説明では、単位時間当たりの生産個数としているが、機械の稼働率としてもよい。また、図２０では、３点を計測して曲線Ｌ１を作成しているが、計測する点数を多くすることで、曲線Ｌ１の実際の曲線Ｌ２からのずれの度合いが小さくなるので、より精密な機械設備１１の発熱量の予測を行うことが可能になる。

実施の形態３では、単位時間当たりの生産個数または機械の稼働率と機械設備１１の発熱量との間の相関関係を予め求め、この関係から、生産計画情報から得られる時間当たりの生産個数または機械の稼働率に対応する機械発熱量を求めた。これによって、機械設備１１の発熱量をさらに精密に推定することができるという効果を有する。

実施の形態４．
実施の形態４では、単位時間当たりの生産個数または機械の稼働率と機械設備の発熱量との相関関係を生成することができる空調管理システムについて説明する。

図２１は、実施の形態４による空調管理システムの構成の一例を模式的に示す図である。空調管理システムは、実施の形態１の構成に、単位時間当たりの生産量と機械設備１１の発熱量との対応関係を示す生産量−発熱量対応情報を各機械設備１１から取得する生産量−発熱量対応情報取得部２５５をさらに備える。生産量−発熱量対応情報取得部２５５は、取得した生産量−発熱量対応情報を対応する機械設備１１の動作モデルと対応付けてデータ記憶部２４に格納する。なお、実施の形態１で説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図２２は、実施の形態４による機械設備の構成の一例を示す図である。この図に示されるように、機械設備１１は、制御対象である機械１１１と、機械１１１を制御する制御装置１１２と、制御装置１１２での制御の状態を表示する表示器１１３と、機械設備１１での消費電力をモニタする消費電力計測装置である電力モニタ１１４と、が通信ケーブル１１５を介して接続された構成を有する。そして、電力モニタ１１４は、図示しない空調管理システムと通信ケーブルを介して接続される。

図２３は、生産量−発熱量対応情報の一例を示す図である。電力モニタで取得した図２３に示される情報が空調管理システムの生産量−発熱量対応情報取得部２５５で取得される。各機械設備１１の消費電力は発熱量と等しくなるので、この関係を用いて、空調管理装置２０の発熱量予測部２５１は実施の形態３の場合に比してよりきめ細かい発熱量を取得することができる。

実施の形態４では、工場１０内の機械設備１１に電力モニタ１１４を設け、各機械設備１１の単位時間当たりの生産個数または稼働率と消費電力との関係を生産量−発熱量対応情報として蓄積し、これを空調管理装置２０で取得し、機械設備１１の発熱量を求める際に使用するようにした。これによって、各機械設備１１の発熱量について実施の形態３の場合に比してより正確な値を求めることができ、工場１０内の空調管理をより正確に行うことができるという効果を有する。

なお、上記の説明では、生産量−発熱量対応情報取得部２５５を実施の形態１の構成に対して付した場合を説明したが、実施の形態２の構成に対して付してもよい。

実施の形態５．
実施の形態５では、定期的に空調管理システムの動作状態を記録しておき、正常時の動作状態と比較することで、空調管理システムに異常がないかを判定する場合を説明する。

図２４は、実施の形態５による空調管理システムの構成の一例を模式的に示す図である。空調管理システムは、実施の形態１の構成に、動作状態取得部２５６と、動作状態格納部２５７と、予防保全部２５８と、をさらに備える。

動作状態取得部２５６は、生産計画に対応した設備稼働情報の運転データ、生産量に対応した空調原単位および各動作モデルから得られる推定情報を含む動作状態値をある時間間隔で記録する。設備稼働情報として、熱源機１４１、空調設備、機械設備１１などを挙げることができる。運転データとして、消費電力、単位時間当たりの起動回数、設備プロセス値などを挙げることができる。推定情報として、機器運転効率、発生熱量などを挙げることができる。動作状態格納部２５７は、動作状態取得部２５６で取得した動作状態値を格納する。

予防保全部２５８は、正常動作時の基準となる動作状態値と、取得した動作状態値とを比較し、異常の有無を判定する。具体的には、予防保全部２５８は、基準となる動作状態値からの判定対象の動作状態値の乖離量が予め設定された閾値を外れている場合に、ユーザに対して警告のメッセージを通知する処理などを行う。なお、予防保全処理は、毎回行われる必要はなく、１日に１回または１週間に１回など定期的に行われればよい。また、動作状態取得部２５６による運転データは、熱負荷予測部２５による空調熱負荷の予測期間よりも短いことが望ましい。

機械設備１１の消費電力は、機械設備１１を使い続けると大きくなる傾向がある。そのため、乖離量が予め設定された値を超えた場合には、機械設備１１が寿命に近いことを示していることになるので、ユーザに対して通知を行う。そして、ユーザは、通知に基づいて、機械設備１１の部品の交換などの処理を行う。なお、実施の形態１で説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。

実施の形態５では、空調管理システムでの動作状態値を記録し、予め定められた期間ごとに基準の動作状態値と比較して異常がないかを判断するようにした。これによって、判断結果を経年変化に伴う設備故障、劣化の予防保全に活用することができるという効果を有する。

以上のように、この発明にかかる空調管理システムは、製品を生産する工場における空調管理に有用である。

１０ 工場、１０Ａ クリーンルーム、１０Ｂ 組立室、１１ 機械設備、１２ 照明設備、１３ 空調機、１４ 外調機、１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ 空調機、１５ 作業員、２０ 空調管理装置、２１ 気象データ取得部、２２ 空調機特性データ取得部、２３ 生産計画情報取得部、２４ データ記憶部、２５ 熱負荷予測部、２６ 運転計画部、２７ 制御指令部、１１１ 機械、１１２ 制御装置、１１３ 表示器、１１４ 電力モニタ、１１５ 通信ケーブル、１４１ 熱源機、１４１ａ 冷却用熱源機、１４１ｂ 加熱用熱源機、１４２ ポンプ、１４３ 熱交換器、１４４ ファン、２００ リフロー炉、２０１ ベルトコンベア、２０２ 加熱部、２０３ 断熱材、２１０ 製品、２５１ 発熱量予測部、２５２ 侵入熱予測部、２５３ 除去熱量予測部、２５４ 外気処理量予測部、２５５ 生産量−発熱量対応情報取得部、２５６ 動作状態取得部、２５７ 動作状態格納部、２５８ 予防保全部、７００ 空調システム制御装置、７０１ 空調機運転データ取得部、７０２ 気象データ取得部、７０３ パラメータ学習部、７０３ａ 建物モデル、７０４ 熱負荷予測部、７０５ スケジュール作成部、７０６ 運転スケジュール出力部、８００ ２次計画問題計算装置、８０１ 変数記憶手段、８０２ 初期化手段、８０３ ミスマッチ量算出手段、８０４ 修正量算出手段、８０５ 修正量記憶手段、８０６ 固定変数設定手段、８０７ 変数修正手段、８１０ 繰返手段。

Claims (11)

1. 工場内の発熱体の発熱量を関数化した発熱体の動作モデルと、生産計画情報で規定される前記発熱体の動作状態と、を用いて単位時間ごとの発生熱量を予測する第１処理と、前記工場を構成する建物の熱伝達率と熱容量とを含む関数化された建物の熱モデルと、気象データと、を用いて単位時間ごとの侵入熱量を予測する第２処理と、前記工場内に設定された温度および湿度と、単位時間ごとの前記発生熱量および前記侵入熱量と、を用いて空調設備で除去する単位時間ごとの除去熱量を予測する第３処理と、を実行する熱負荷予測部と、
   前記単位時間ごとの除去熱量を前記空調設備で除去するための前記空調設備の運転計画を単位時間ごとに作成する運転計画部と、
   前記運転計画にしたがって前記空調設備の運転を制御する制御指令部と、
   表示部と、
   を備え、
   前記運転計画部は、前記単位時間ごとの除去熱量と、前記工場内に設定される温度および湿度と前記空調設備の動作モデルとに基づいて、前記空調設備全体での消費エネルギを最小化する前記単位時間ごとの除去熱量を除去する前記運転計画を立て、
   前記生産計画情報は、前記工場内で稼働させる機械設備の数、稼働させる時間を含み、
   前記熱負荷予測部は、単位時間当たりの前記発熱体の発熱量、および前記侵入熱量を、前記表示部にグラフ表示する機能を有することを特徴とする空調管理装置。
2. 前記工場内は、複数の空調ゾーンに分割され、
   前記熱負荷予測部は、前記各空調ゾーンに対して単位時間ごとの前記除去熱量を予測し、
   前記運転計画部は、前記各空調ゾーンに対して単位時間ごとの前記運転計画を作成することを特徴とする請求項１に記載の空調管理装置。
3. 前記熱負荷予測部は、前記第１処理では、前記発熱体として、前記空調ゾーンでの前記機械設備、照明設備および作業員の配置情報にしたがって作成された、前記機械設備、前記照明設備および前記作業員の発熱量を算出する関数化した前記発熱体の動作モデルと前記空調ゾーンとを対応付けた空調ゾーンごとの発熱モデル対応情報を用いて、単位時間ごとの前記各空調ゾーンでの前記発生熱量を算出し、前記第２処理では、前記工場の外部から内部へ侵入する熱量を算出する前記建物の熱モデルを用いて前記侵入熱量を算出することを特徴とする請求項２に記載の空調管理装置。
4. 前記熱負荷予測部は、単位時間当たりの前記機械設備、前記照明設備、前記作業員の発熱量および前記侵入熱量を、前記空調ゾーンごとに前記表示部にグラフ表示する機能を有することを特徴とする請求項３に記載の空調管理装置。
5. 前記空調設備は、第１媒体を冷却する冷却用熱源機と、第２媒体を加熱する加熱用熱源機と、前記工場外の空気を前記第１媒体または前記第２媒体と接触させて設定された温度と湿度にして前記工場内に導入する外調機と、を備え、
   前記運転計画部は、前記熱負荷予測部で予測した単位時間ごとの前記除去熱量を、前記冷却用熱源機と前記加熱用熱源機の出力と等しくした状態で、前記冷却用熱源機と前記加熱用熱源機の入力エネルギと、前記冷却用熱源機および前記加熱用熱源機にそれぞれ接続されるポンプの消費電力との合計を最小化するように、２次計画法を使用して前記冷却用熱源機と前記加熱用熱源機の出力温度を前記空調ゾーンごとに決定することを特徴とする請求項２に記載の空調管理装置。
6. 前記熱負荷予測部は、単位時間ごとに前記工場内に導入する外気処理量を予測する機能をさらに有し、
   前記運転計画部は、予測された前記外気処理量に対して、前記熱負荷予測部で予測した単位時間ごとの前記除去熱量を、前記冷却用熱源機および前記加熱用熱源機にそれぞれ接続される熱交換器での熱量と等しくした状態で、前記熱交換器の熱量と、前記工場外の空気を前記工場内に送風するファンの消費電力との合計を最小化するように、２次計画法を使用して前記外調機の給気温度と給気湿度とを求めることを特徴とする請求項５に記載の空調管理装置。
7. 前記発熱モデル対応情報は、前記生産計画情報から取得した前記各空調ゾーンに存在する前記作業員の人数をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の空調管理装置。
8. 前記機械設備の動作モデルは、前記機械設備の稼働率または単位時間当たりの生産個数と発熱量との間の関係を定義した生産量−発熱量対応情報であり、
   前記熱負荷予測部は、前記生産計画情報中の前記機械設備の稼働率または単位時間当たりの生産個数に対応する前記機械設備の発熱量を、前記生産量−発熱量対応情報から取得することを特徴とする請求項３に記載の空調管理装置。
9. 前記熱負荷予測部は、前記機械設備の消費電力を計測する消費電力計測装置から前記機械設備の発熱量を取得し、前記生産計画情報から前記稼働率または単位時間当たりの生産個数を取得する機能をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の空調管理装置。
10. 前記熱負荷予測部は、前記機械設備が熱処理を伴う機械である場合に、加熱対象物の材質、体積および数量を前記生産計画情報から取得し、前記機械設備の立ち上げ時から連続運転時を介してクールダウン運転までの必要な電力エネルギ量と、前記機械設備から漏洩する漏洩熱量と、を推定することによって、前記機械設備の発熱量を予測することを特徴とする請求項３に記載の空調管理装置。
11. 前記機械設備の消費電力または発熱量を含む動作状態値を取得する動作状態取得部と、
    取得した前記動作状態値を基準となる動作状態値と比較して、閾値以上乖離しているかを判定し、乖離している場合にユーザに対して通知を行う予防保全部と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の空調管理装置。

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