JP6282071B2 - 空調制御システム及び空調制御方法 - Google Patents
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Description
また、夜間(例えば、23時〜翌日の午前7時)の電気料金を、昼間の電気料金よりも安くすることで、電力需要の平準化を促すといった対策もとられている。
なお、詳細については、発明を実施するための形態において説明する。
図1は、本実施形態に係る空調制御システムを含む構成図である。なお、図1に示す実線矢印は電力線を表し、破線矢印は信号線を表している。
空調制御システムSは、気象情報に基づいて将来の需要電力を予測し、その予測結果を用いて空調設備Aの運転スケジュールを設定するシステムである。
以下では、まず、空調設備A(空調制御システムSの制御対象)、太陽光発電機G1、風力発電機G2、及び気象情報サーバ300等について順次説明した後、本実施形態に係る空調制御システムSについて詳細に説明する。
空調設備Aは、冷凍機201で冷水を冷却して蓄熱槽202に貯留し、その後、冷凍機201及び蓄熱槽202のうち少なくとも一方から室内機205(熱負荷)に向けて冷水を循環させる装置である。
空調設備Aは、冷却水が循環する一次側空調設備と、冷水が循環する二次側空調設備と、を備えている。
一次側空調設備は、冷却塔101と、冷却水ポンプ102と、を備えている。
冷却塔101は、外気を取り込んで送風する送風機101aを有し、冷凍機201を通流する冷水から吸熱して昇温した冷却水を冷やす設備である。冷却塔101は、例えば、開放式の冷却塔であり、その内部に担持された充填材(図示せず)に冷却水を流し込むように構成されている。
なお、図1に示す配管p1の流入口は冷凍機201に接続され、流出口は冷却塔101の上部に接続されている。配管p2の流入口は冷却塔101の下部に接続され、流出口は冷凍機201に接続されている。
冷却水ポンプ102は、冷却塔101で放熱して冷やされた冷却水を冷凍機201に向けて圧送するポンプであり、配管p2に設置されている。
二次側空調設備は、冷凍機201と、蓄熱槽202と、第一冷水ポンプ203と、第二冷水ポンプ204と、室内機205と、を備えている。
冷凍機201(熱源機)は、例えば、周知の冷凍サイクルを利用したターボ冷凍機であり、配管q4を介して流入する冷水を冷却するための冷熱源である。
また、配管q1の流入口は冷凍機201に接続され、流出口は蓄熱槽202の下部領域に臨んでいる。配管q4の流入口は蓄熱槽202の上部領域に臨んでおり、流出口は冷凍機201に接続されている。
なお、前記した冷却水ポンプ102、第一冷水ポンプ203、及び第二冷水ポンプ204のうち一つ又は複数をインバータ(図示せず)で駆動してもよい。
室内熱交換器205aは、伝熱管rを通流する低温の冷水と、室内ファン205bによって取り込まれる高温の空気と、の間で熱交換を行うものである。室内ファン205bは、室内空気を取り入れて室内熱交換器205aに送り込むファンである。
「蓄熱運転」とは、冷凍機201で冷水を冷やし、冷やされた冷水を蓄熱槽202に貯留する運転モードである。
「追掛運転」とは、冷凍機201で冷やされた冷水をそのまま室内機205に供給する運転モードである。
「放熱運転」とは、蓄熱槽202に貯留されている低温の冷水を、室内機205を経由するように循環させる運転モードである。
太陽光発電機G1は、太陽光の光エネルギを電気エネルギに変換する発電機であり、複数の太陽電池モジュール(図示せず)を有している。太陽光発電機G1には、その発電状態に応じて、直流/交流変換や電力変動補償を実行するPCS(Power Conditioning Subsystems:図示せず)が接続されている。
風力発電機G2は、風力によって回転するブレード(図示せず)と、このブレードの回転軸に連結される発電機と、を有している。風力発電機G2には、その発電状態に応じて周波数変換や電力変動補償を実行するPCS(図示せず)が接続されている。
太陽光発電機G1及び風力発電機G2の発電電力は、前記したPCSの駆動に応じて各機器に供給されたり(図1の実線矢印を参照)、逆に電力系統Eに送出されたりする。
気象情報サーバ300は、例えば、気象庁から取得した気象情報を管理するサーバであり、ネットワークNを介してコントローラ400に接続されている。なお、前記した気象情報には、翌日の気温予測値・湿度予測値・日射量予測値・風速予測値が含まれている。
図1に示す室内には、照明装置R1及び業務用パソコンR2を含む機器が複数設置されている。照明装置R1及び業務用パソコンR2の消費電力は、日付・曜日・時間帯等によって、ほぼ決まったパターンで変動する。このように、空調設備Aに含まれない照明装置R1等は、気象条件の変動に関わらず稼働又は停止することがほとんどである。例えば、平日の昼間において照明装置R1は天候に関わらず稼働され、夜間において照明装置R1は天候に関わらず停止される。
以下では、空調設備Aが備える機器(冷凍機201等)と、空調設備Aに含まれない機器(照明装置R1等)と、を併せて「負荷装置」と記すことがあるものとする。
次に、空調設備Aを制御する空調制御システムSについて詳細に説明する。本実施形態において空調制御システムSは、図1、図2に示すコントローラ400を備えている。
コントローラ400は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、各種インタフェースなどの電子回路を含んで構成され、設定されたプログラムに従って各種処理を実行する。
気象情報取得部421は、施設Kを含む所定地域の気象情報を、気象情報サーバ300から所定時間ごと(例えば、6時間ごと)に取得する。前記した「気象情報」には、翌日の気温予測値と、湿度予測値と、日射量予測値と、風速予測値と、が含まれる。
これは、翌日に蓄熱運転・放熱運転を行わない(つまり、冷凍機201を絶え間なく稼働させる)と仮定した場合の需要電力に相当する。
すなわち、発電電力予測部425は、気象情報取得部421によって取得される日射量予測値と、気温予測値と、に基づいて、太陽光発電機G1の発電電力を算出する。ちなみに、外気温が低いほど太陽光発電機G1の発電効率は高くなる。
例えば、契約電力5kWであり、翌日の14時における発電電力が1kWであると予測された場合、当該時刻における供給可能電力は6kWになる。
なお、スケジュール設定部427が実行する処理の詳細については後記する。
(1.運転スケジュールの設定)
図3は、コントローラが実行する処理の流れを示すフローチャートである。
ステップS101においてコントローラ400は、気象情報取得部421によって、気象情報サーバ300から翌日の24時間ぶんの気象情報を取得する(気象情報取得ステップ)。前記したように、気象情報には、温度予測値、湿度予測値、日射量予測値、及び風速予測値が含まれる。気象情報の取得時刻は、例えば、23:00である。
図5は、需要電力の予測処理の流れを示すフローチャートである。ステップS1021においてコントローラ400は、熱負荷予測部422によって、施設K内の熱負荷を予測する(熱負荷予測ステップ)。なお、翌日の気象情報、室内の設定温度、照明装置R1等の使用条件等に基づき、熱源シミュレータによって熱負荷を算出することが好ましい。
本実施形態では、放熱運転又は追掛運転を行う可能性のある時間帯(翌日の8時〜22時半)についてのみ熱負荷を算出するようにした。図7に示す例では、翌日の15時付近で施設K内の熱負荷が最大(負荷率:約58%)になっている。
ステップS1023においてコントローラ400は、需要電力予測部424によって、負荷装置の需要電力Pdemを各時間帯に関して予測する(需要電力予測ステップ)。
すなわち、コントローラ400は、ステップS1022で算出した消費エネルギに対応する電力値と、電力消費パターンDB411(図2参照)に格納されている電力消費パターンと、を足し合わせることで需要電力Pdemを算出する。換言すると、コントローラ400は、空調設備Aの需要電力と、空調設備A以外の機器の需要電力と、を足し合わせることによって、前記した負荷装置の需要電力Pdemを算出する。
ステップS1031においてコントローラ400は、発電電力予測部425によって、太陽光発電機G1の発電電力を各時間帯に関して予測する。当該処理には、ステップS101で取得した気温予測値及び日射量予測値が用いられる。
ステップS1032においてコントローラ400は、発電電力予測部425によって、風力発電機G2の発電電力を各時間帯に関して予測する。当該処理には、ステップS101で取得した風速予測値が用いられる。
また、必要蓄熱量Q1の初期値としてゼロを設定する。必要蓄熱量Q1は、需要電力Pdemが供給可能電力Psupを超える領域の電力量(図8の斜線部分)を打ち消すために、蓄熱槽202に蓄えられる冷熱量である。
前記した値n及び必要蓄熱量Q1は、ステップS105〜S110の処理を行うたびに逐次更新される(S108、S110)。
一方、需要電力Pdemが供給可能電力Psup以下である場合(S105→No)、コントローラ400の処理はステップS109に進む。
ステップS107においてコントローラ400は、ステップS106で算出した超過電力ΔPに対応する蓄熱量ΔQを算出する。すなわち、コントローラ400は、超過電力ΔP×所定時間Δtで算出される電力量を打ち消すために必要となる蓄熱量ΔQを算出する。この蓄熱量ΔQは、空調設備Aを構成する機器の仕様情報、外気湿球温度等に基づいて算出される。
n<kである場合(S109→No)、コントローラ400の処理はステップS110に進む。この場合、気象情報の予測対象となる時間帯のうちステップS105〜S108の処理が行われていないものが存在する。
一方、n=kである場合(S109→Yes)、コントローラ400の処理は図4のステップS111に進む。
ステップS116においてコントローラ400は、ステップS115で算出した蓄熱量ΔQ2を蓄熱量Qproから減算することで、残りの蓄熱量Qremを算出する。なお、初回の計算では蓄熱量Qproとして必要蓄熱量Q1が用いられるが(S112)、後記するステップS118で蓄熱量Qproの値が逐次更新される(減少していく)。
ステップS118においてコントローラ400は、暫定的な蓄熱量QproとしてステップS116で算出した残りの蓄熱量Qremを代入する。次に、ステップS119においてコントローラ400は、値mをインクリメントする。
例えば、所定時間Δtが1時間であり、値mが4の状態で必要蓄熱量Q1が満たされた場合、コントローラ400は翌日に4時間の(例えば、午前3時〜7時の時間帯で)蓄熱運転を行うように運転スケジュールを設定する。
通常、夜間の電力価格は、昼間の電力価格よりも安い。したがって、コントローラ400は、安価な夜間電力を用いて蓄熱運転し、昼間に追掛運転及び放熱運転を実行するように運転スケジュールを設定する。
図10に示す点αの熱負荷(負荷率58%)は、図7に示すグラフの15時付近における熱負荷に対応し、点αの需要電力(5.3kW)は、図8に示すグラフの15時付近における需要電力に対応している。点βは、負荷装置の需要電力が供給可能電力Psupに等しい状態(負荷率38%、需要電力5kW)に対応している。
なお、蓄熱運転時に冷凍機201で生成する冷熱量に余裕を持たせ、放熱運転時の冷水流量を適宜調整することで、空調設備Aの状態を点γに移行させてもよい。
次に、運転スケジュールに沿った空調設備Aの動作について、図11を参照しつつ簡単に説明する。
図11は、各運転モードを実行した場合における空調設備の熱負荷の時間的変化を示すグラフである。なお、空調設備Aの定格処理熱量を100%とした負荷率で空調設備Aの熱負荷を表している。また、図11に示す破線は、図7に示す熱負荷(負荷率)に対応している。
蓄熱運転の開始時刻(例えば、午前3時:図11参照)になった場合、コントローラ400は、制御信号生成部428によって蓄熱運転を実行する。すなわち、コントローラ400は、図1に示す冷凍機201及び冷却塔101を割安の夜間電力で運転し、冷却水ポンプ102を運転する。これによって、配管p1,p2を介して冷却水が循環する。
この場合、比較的高温の冷水を冷却するため、冷凍機201を運転する際のエネルギ効率を高くすることができる。
次に、追掛運転の開始時刻(例えば、午前8時:図11参照)になった場合、コントローラ400は、制御信号生成部428によって追掛運転を実行する。すなわち、コントローラ400は、図1に示す冷凍機201及び冷却塔101を運転し、冷却水ポンプ102を運転する。また、コントローラ400は、第一冷水ポンプ203及び第二冷水ポンプ204を運転する。
次に、放熱運転の開始時刻(例えば、13時:図11参照)になった場合、コントローラ400は、制御信号生成部428によって放熱運転を実行する。すなわち、コントローラ400は、図1に示す冷凍機201、冷却塔101、及び冷却水ポンプ102を停止させる。また、コントローラ400は、第一冷水ポンプ203を運転し、第二冷水ポンプ204を停止させる。
図11に示す例では、18時付近においてコントローラ400は、一時的に放熱運転を中断している。これは、図8に示す18時付近において、需要電力Pdemが供給可能電力Psupを一時的に下回ったからである。なお、このような需要電力の一時的な変動を無視して放熱運転を継続するようにしてもよい。
放熱運転を終了した後、図11の21時〜22時半においてコントローラ400は、追掛運転を再度実行し、処理を終了する。
本実施形態係る空調制御システムSによれば、コントローラ400は、比較的安価な夜間電力で蓄熱運転を実行し、昼間に追掛運転・放熱運転を含む運転モードを実行する。これによって、空調設備Aの電力コストを従来よりも削減できる。
また、コントローラ400は、昼間に比べて電力需要が少ない夜間に蓄熱運転し、電力需要が多くなる昼間に放熱運転することで空調設備Aの処理負荷を低減する。これによって、空調設備Aを含む負荷装置の需要電力を平準化できる。
なお、前記した最低限必要な冷熱に所定の余裕を持たせるように冷凍機201を運転し、蓄熱槽202に蓄える冷熱を適宜調整してもよい。
第2実施形態に係る空調制御システムS1は、負荷装置に電力供給可能な電源設備として、内燃力発電機G3(図12参照)と、蓄電池Bと、を追加した点が第1実施形態と異なるが、その他の点は第1実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第1実施形態と重複する部分については説明を省略する。
内燃力発電機G3は、ガスエンジン発電機、ディーゼルエンジン発電機等であり、負荷装置に対して電力供給可能に接続されている。内燃力発電機G3は、外部からの操作に応じてエンジンを駆動し、発電するように構成されている。
蓄電池Bは、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池等であり、コントローラ400からの指令に応じて太陽光発電機G1及び風力発電機G2で発電された電力を充電したり、負荷装置に放電したりするように構成されている。
図13は、コントローラが実行する処理の流れを示すフローチャートである。
第1実施形態で説明したステップS101〜S111(図3、図4参照)の処理を実行した後、図13のステップS201においてコントローラ400は、蓄熱槽202の蓄熱容量QCで、需要電力Pdemを供給可能電力Psup以下に抑えられるかどうかを判定する。つまり、コントローラ400は、ステップS111で取得した必要蓄熱量Q1が、蓄熱槽202の蓄熱容量QC以下であるか否かを判定する。なお、蓄熱槽202の蓄熱容量QCは予め記憶部410に格納されている。
一方、蓄熱槽202の蓄熱容量QCでは足りない場合(S201→No)、コントローラ400の処理はステップS202に進む。
ステップS203においてコントローラ400は、空調設備Aの運転スケジュールを設定する。例えば、コントローラ400は、負荷特性DB412(図2参照)を参照し、蓄熱運転時の外気湿球温度に基づいてCOPを最大とするように空調設備Aの負荷率を設定する。なお、蓄熱可能な時間帯(例えば、午前0時〜7時)の中で最大限の冷熱を蓄えることを優先し、空調設備Aの負荷率を高めに設定してもよい。
ステップS205においてコントローラ400は、内燃力発電機G3の運転スケジュールを設定する。すなわち、コントローラ400は、負荷装置の需要電力Pdemが供給可能電力Psupを超える時間帯において、内燃力発電機G3から空調設備Aに電力供給するように、内燃力発電機G3の運転スケジュールを設定する。
内燃力発電機G3の発電電力で足りる場合(S206→Yes)、コントローラ400は処理を終了する(END)。一方、内燃力発電機G3の発電電力では足りない場合(S206→No)、コントローラ400の処理はステップS207に進む。
本実施形態によれば、コントローラ400は、翌日の需要電力に応じて、内燃力発電機G3及び蓄電池Bの運転スケジュールを設定する。これによって、空調設備Aによる蓄熱運転・放熱運転のみでは需要電力Pdemが供給可能電力Psupを超える場合でも、内燃力発電機G3(及び蓄電池B)からの供給電力によって、その不足分を補うことができる。
したがって、負荷装置を稼働させるための買電電力が契約電力を超える事態を確実に回避し、年間を通じた電気コストを従来よりも削減できる。
以上、本発明に係る空調制御システムS,S1について各実施形態により説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、各実施形態では、蓄熱運転時においてCOPが最大となるように空調設備Aの負荷率を設定する場合について説明したが、これに限らない。当該方法で設定される負荷率で蓄熱運転し続けた場合に冷熱量が足りず、需要電力Pdemが供給可能電力Psupを補えないこともあり得る。この場合に高めの負荷率で蓄熱運転し、その後の放熱運転によって昼間の需要電力Pdemを抑えるようにしてもよい。
また、第2実施形態で説明した蓄電池Bに代えて、又は、蓄電池Bとともに電気二重層キャパシタ等のキャパシタを用いて負荷装置に電力供給してもよい。
101 冷却塔(負荷装置)
102 冷却水ポンプ(負荷装置)
201 冷凍機(熱源機、負荷装置)
202 蓄熱槽
203 第一冷水ポンプ(負荷装置)
204 第二冷水ポンプ(負荷装置)
205 室内機(負荷装置)
205a 室内熱交換器
205b 室内ファン(負荷装置)
300 気象情報サーバ
400 コントローラ
410 記憶部
420 演算処理部
421 気象情報取得部
422 熱負荷予測部
423 消費エネルギ予測部
424 需要電力予測部
425 発電電力予測部
426 供給可能電力予測部
427 スケジュール設定部
428 制御信号生成部
A 空調設備
G1 太陽光発電機
G2 風力発電機
G3 内燃力発電機
B 蓄電池
K 施設
R1 照明装置(負荷装置)
R2 業務用パソコン(負荷装置)
Claims (6)
- 気象情報を管理する気象情報サーバから、気温予測値、湿度予測値、及び日射量予測値を含む気象情報を取得する気象情報取得部と、
前記気象情報取得部によって取得される前記気象情報に基づいて、施設内の熱負荷を予測する熱負荷予測部と、
前記熱負荷予測部によって予測される前記熱負荷に基づき、冷凍機で冷やされて蓄熱槽に貯留される冷媒によって前記施設を空調可能な空調設備の消費エネルギを予測する消費エネルギ予測部と、
前記消費エネルギ予測部によって予測される前記消費エネルギに基づいて、前記空調設備を含む負荷装置の需要電力を予測する需要電力予測部と、
前記需要電力予測部によって予測される前記需要電力に基づいて、前記空調設備の運転スケジュールを設定するスケジュール設定部と、
前記スケジュール設定部によって設定される運転スケジュールに従って、前記蓄熱槽の冷媒に蓄熱する蓄熱運転と、前記蓄熱槽の冷媒と室内空気とを熱交換させる放熱運転と、含む複数の運転モードを実行するための制御信号を生成する制御信号生成部と、を備え、
前記スケジュール設定部は、
前記需要電力が、前記負荷装置に供給可能な電力である供給可能電力を超える領域の電力量を算出し、少なくとも当該電力量を打ち消すように前記空調設備の運転スケジュールを設定し、
予め設定されている前記蓄熱運転の終了予定時刻から所定時間ごとに時間を遡って、前記冷凍機の処理負荷の和を積算し、前記和が前記領域に相当する必要蓄熱量に達した時刻を前記蓄熱運転の開始予定時刻として設定し、さらに、前記領域に対応する時間帯を前記放熱運転の時間帯として設定すること
を特徴とする空調制御システム。 - 外気湿球温度と、前記空調設備の負荷率と、前記空調設備のエネルギ消費効率と、の関係を示す特性情報が格納される記憶部を備え、
前記スケジュール設定部は、前記特性情報を参照し、蓄熱運転時の外気湿球温度に基づいて、前記空調設備のエネルギ消費効率を最大にするように、前記空調設備の負荷率を設定すること
を特徴とする請求項1に記載の空調制御システム。 - 前記気象情報に基づいて、太陽光が照射されることで発電する太陽光発電機の発電電力を予測する発電電力予測部と、
前記発電電力予測部によって予測される前記太陽光発電機の発電電力と、予め設定される買電電力の上限閾値と、の和をとることで、前記供給可能電力を予測する供給可能電力予測部と、を備えること
を特徴とする請求項1に記載の空調制御システム。 - 前記スケジュール設定部は、
前記需要電力が前記供給可能電力を超える領域の電力量を打ち消すために必要な蓄熱量が前記蓄熱槽の蓄熱容量よりも大きい場合、その不足分を補うように、前記負荷装置に電力供給可能な内燃力発電機の運転スケジュールを設定すること
を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の空調制御システム。 - 前記スケジュール設定部は、
前記需要電力が前記供給可能電力を超える領域の電力量を打ち消すために必要な蓄熱量が前記蓄熱槽の蓄熱容量よりも大きい場合、その不足分を補うように、前記負荷装置に電力供給可能な蓄電池の運転スケジュールを設定すること
を特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の空調制御システム。 - 気象情報を管理する気象情報サーバから、気温予測値、湿度予測値、及び日射量予測値を含む気象情報を取得する気象情報取得ステップと、
前記気象情報取得ステップで取得される前記気象情報に基づいて、施設内の熱負荷を予測する熱負荷予測ステップと、
前記熱負荷予測ステップで予測される前記熱負荷に基づき、冷凍機で冷やされて蓄熱槽に貯留される冷媒によって前記施設を空調可能な空調設備の消費エネルギを予測する消費エネルギ予測ステップと、
前記消費エネルギ予測ステップで予測される前記消費エネルギに基づいて、前記空調設備を含む負荷装置の需要電力を予測する需要電力予測ステップと、
前記需要電力予測ステップで予測される前記需要電力に基づいて、前記空調設備の運転スケジュールを設定するスケジュール設定ステップと、
前記スケジュール設定ステップで設定される運転スケジュールに従って、前記蓄熱槽の冷媒に蓄熱する蓄熱運転と、前記蓄熱槽の冷媒と室内空気とを熱交換させる放熱運転と、含む複数の運転モードを実行するための制御信号を生成する制御信号生成ステップと、を含み、
前記スケジュール設定ステップにおいて、
前記需要電力が、前記負荷装置に供給可能な電力である供給可能電力を超える領域の電力量を算出し、少なくとも当該電力量を打ち消すように前記空調設備の運転スケジュールを設定し、
予め設定されている前記蓄熱運転の終了予定時刻から所定時間ごとに時間を遡って、前記冷凍機の処理負荷の和を積算し、前記和が前記領域に相当する必要蓄熱量に達した時刻を前記蓄熱運転の開始予定時刻として設定し、さらに、前記領域に対応する時間帯を前記放熱運転の時間帯として設定すること
を特徴とする空調制御方法。
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