JP7260770B2 - ポンプ台数制御装置、ポンプ台数制御方法、ポンプ台数制御プログラム - Google Patents

Description

本開示は、ポンプ台数制御装置、ポンプ台数制御方法、ポンプ台数制御プログラムに関する。

従来から、空気調和機等の負荷装置に熱源機から熱媒体を供給する熱源システムが知られている。この熱源システムでは、熱源機から離れた負荷装置に熱媒体を供給するために、熱源機と負荷装置との間に、並列に接続された複数台のポンプを設け、熱媒体の流量値と、運転中のポンプに指令した周波数指令値と、に基づいてポンプの運転台数を増減させる（特許文献１）。

特許第６２１０２１９号公報

しかしながら、従来技術では、記憶部に予め記憶されたポンプの特性情報を用いるため、熱源システムに特性が不明なポンプが存在する場合や、経年劣化等でポンプの特性が変化した場合等においては、適切にポンプの運転台数を増減させることが困難である。

本開示は、適切にポンプの運転台数を制御するポンプ台数制御装置、ポンプ台数制御方法、ポンプ台数制御プログラムを提供する。

本開示の第１の態様によるポンプ台数制御装置は、
並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置であって、
前記ポンプの運転条件及び要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習する学習部と、
少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得する状態変数取得部と、
起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得する取得部と、を備え、
前記学習部は、
前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出する報酬算出部を備え、
前記報酬算出部により算出された報酬を用いて、前記入力と前記出力との関係を学習する。

本開示の第１の態様によれば、適正にポンプの運転台数を制御するポンプ台数制御装置を提供することができる。

本開示の第２の態様によるポンプ台数制御装置は、
前記報酬算出部は、
前記消費エネルギーが小さいほど高い報酬を与える。

本開示の第２の態様によれば、消費エネルギーが小さくなるように、ポンプの運転台数を制御することができる。

本開示の第３の態様によるポンプ台数制御方法は、
並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置によるポンプ台数制御方法であって、前記ポンプ台数制御装置が、
前記ポンプの運転条件及び要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習部に学習させ、
少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得し、
起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得し、
前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出し、
算出された報酬を用いて、前記学習部に、前記入力と前記出力との関係を学習させる。

本開示の第４の態様によるポンプ台数制御プログラムは、
並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置において実行されるポンプ台数制御プログラムであって、前記ポンプ台数制御装置に、
前記ポンプの運転条件及び要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習部に学習させる処理と、
少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得する処理と、
起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得する処理と、
前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出する処理と、
算出された報酬を用いて、前記学習部に、前記入力と前記出力との関係を学習させる処理と、を実行させる。

熱源システムのシステム構成の一例を示す図である。 ポンプ台数制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 ポンプ台数制御装置の機能構成を説明する図である。 ポンプ台数制御装置の動作を説明するフローチャートである。 ポンプを最大周波数で動作させたときの吐出流量とポンプ効率との相関の一例を示す図である。

以下に、図面を参照して、実施形態について説明する。図１は、熱源システムのシステム構成の一例を示す図である。

本実施形態の熱源システム１００は、熱源機１１０と、１次ポンプ１２０と、２次ポンプ１３０と、負荷１４０と、流量計１５０と、ポンプ台数制御装置２００と、を有する。

本実施形態の熱源機１１０は、負荷１４０に対して、冷却用又は加熱用の熱媒体を供給する装置である。熱媒体とは、例えば、水等である。１次ポンプ１２０は、熱源機１１０へ熱媒体を圧送する。

本実施形態の熱源システム１００では、熱源機１１０及び１次ポンプ１２０の組み合わせは、並列に複数設置されている。

本実施形態の２次ポンプ１３０は、熱源機１１０から送られてくる熱媒体を負荷１４０へ圧送する。また、本実施形態の２次ポンプ１３０は、互いに並列に接続されて設置されており、負荷１４０からの要求に応じて、負荷１４０に供給する熱媒体の流量を制御する。

尚、図１の例では、熱源システム１００は、熱源機１１０、１次ポンプ１２０、２次ポンプ１３０を２台ずつ有するものとしたが、これに限定されない。熱源システム１００に含まれる熱源機１１０、１次ポンプ１２０、２次ポンプ１３０の台数は任意であって良い。

流量計１５０は、ポンプから圧送された熱媒体の単位時間当たりの流量を測定する流量計である。

本実施形態の負荷１４０は、例えば、空気調和機（空調機）である。負荷１４０は、熱媒体に対して放熱又は吸熱を行い、その後の熱媒体を熱源機１１０へ還流させる。

ポンプ台数制御装置２００は、２次ポンプ１３０の運転台数を負荷１４０が必要とする要求負荷に応じて増減台させる。負荷１４０が必要とする要求負荷は、例えば、熱媒体の単位時間当たりの流量である。

より具体的には、本実施形態のポンプ台数制御装置２００は、運転中の２次ポンプ１３０の運転条件と要求負荷とを環境の現在状態を表す状態変数として取得する。また、ポンプ台数制御装置２００は、熱源システム１００において、起動している全てのポンプの消費エネルギーを判定データとして取得する。

そして、ポンプ台数制御装置２００は、判定データから算出される報酬を用いて、運転する２次ポンプ１３０の台数と、運転中の２次ポンプ１３０の運転条件及び負荷要求との関係を学習する。尚、状態変数には、現在運転中である２次ポンプ１３０の台数が含まれても良い。

以下に、本実施形態のポンプ台数制御装置２００のハードウェア構成について説明する。図２は、ポンプ台数制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

ポンプ台数制御装置２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２３を有する。ＣＰＵ２１、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３は、いわゆるコンピュータを形成する。また、ポンプ台数制御装置２００は、補助記憶装置２４、出力装置２５、入力装置２６、Ｉ／Ｆ（Interface）装置２７、ドライブ装置２８を有する。ポンプ台数制御装置２００の各ハードウェアは、バス２９を介して相互に接続される。

ＣＰＵ２１は、補助記憶装置２４にインストールされている各種プログラム（例えば、ポンプ台数制御プログラム等）を実行する演算デバイスである。ＲＯＭ２２は、不揮発性メモリである。ＲＯＭ２２は、主記憶デバイスとして機能し、補助記憶装置２４にインストールされている各種プログラムをＣＰＵ２１が実行するために必要な各種プログラムやデータ等を格納する。具体的には、ＲＯＭ２２はＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラム等を格納する。

ＲＡＭ２３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の揮発性メモリである。ＲＡＭ２３は、主記憶デバイスとして機能し、補助記憶装置２４にインストールされている各種プログラムがＣＰＵ２１によって実行される際に展開される作業領域を提供する。

補助記憶装置２４は、各種プログラムや、各種プログラムが実行される際に用いられる情報を格納する。

出力装置２５は、ポンプ台数制御装置２００が取得した情報を出力する出力デバイスである。出力装置２５は、例えば、表示装置等であっても良い。入力装置２６は、例えば、ポンプ台数制御装置２００に対して各種操作を行うための入力デバイスである。Ｉ／Ｆ装置２７は、ポンプ台数制御装置２００が他の機器と通信を行うための通信デバイスである。

ドライブ装置２８は記録媒体３０をセットするためのデバイスである。ここでいう記録媒体３０には、ＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク、光磁気ディスク等のように情報を光学的、電気的あるいは磁気的に記録する媒体が含まれる。また、記録媒体３０には、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等のように情報を電気的に記録する半導体メモリ等が含まれていてもよい。

尚、補助記憶装置２４にインストールされる各種プログラムは、例えば、配布された記録媒体３０がドライブ装置２８にセットされ、記録媒体３０に記録された各種プログラムがドライブ装置２８により読み出されることでインストールされる。あるいは、補助記憶装置２４にインストールされる各種プログラムは、のネットワークよりダウンロードされることで、インストールされてもよい。

次に、図３を参照して、ポンプ台数制御装置２００の機能構成について説明する。図３は、ポンプ台数制御装置の機能構成を説明する図である。

本実施形態のポンプ台数制御装置２００は、例えば、ＣＰＵ２１が、補助記憶装置２４にインストールされたポンプ台数制御プログラムを読み込んで実行することで、図３の示す機能を実現する。

本実施形態のポンプ台数制御装置２００は、状態変数取得部２１０、判定データ取得部２２０、学習部２３０を有する。

本実施形態の状態変数取得部２１０は、状態変数を取得し、学習部２３０に入力する。

本実施形態の状態変数とは、学習対象が存在する環境の現在状態を示すデータである。具体的には、本実施形では、状態変数として、熱源システム１００における２次ポンプ１３０の運転条件と、負荷１４０から要求される要求負荷と、を取得する。

２次ポンプ１３０の運転条件とは、運転中の２次ポンプ１３０の台数、各２次ポンプ１３０の吐出圧力を含む。

本実施形態の状態変数取得部２１０は、吐出圧力と対応するデータとして、２次ポンプ１３０を駆動するモータを制御するインバータに設定された周波数を取得しても良い。また、状態変数取得部２１０は、吐出圧力と対応するデータとして、熱媒体の流路を切り換える切換弁の内部のバルブの開度が取得されても良い。インバータに対する周波数の設定や、バルブの開度の調整は、ポンプ台数制御装置２００によって行われる。

負荷１４０から要求される要求負荷は、例えば、流量計１５０によって測定される熱媒体の単位時間当たりの流量の値である。

つまり、本実施形態の状態変数は、２次ポンプ１３０の吐出圧力、インバータに設定された周波数、バルブの開度のうち、少なくとも何れか１つと、流量計１５０によって測定された流量値と、を含む。

本実施形態の判定データ取得部２２０は、状態変数取得部２１０が取得する状態変数の下で、熱源システム１００を動作させた時に、起動している全てのポンプの消費エネルギーの指標を示す判定データを取得し、学習部２３０へ入力する。

具体的には、判定データ取得部２２０は、判定データとして、熱源システム１００の消費電力、エネルギー消費効率（ＣＯＰ；Coefficient Of Performance）、ＣＯ_２排出量、エネルギーコストの何れかを取得しても良い。

エネルギーコストとは、例えば、電気やガスを使用するのにかかる費用を意味する。

つまり、本実施形態の学習部２３０には、状態変数に含まれる運転条件としての、吐出圧力、２次ポンプ１３０を駆動するモータを制御するインバータに設定された周波数、熱媒体の流路を切り換える切換弁の内部のバルブの開度の少なくとも何れ１つと、状態変数に含まれる要求負荷としての流量値とが入力される。

また、本実施形態の学習部２３０には、判定データとして、熱源システム１００の消費電力、エネルギー消費効率、ＣＯ_２排出量、エネルギーコストの少なくとも何れか１つが入力される。

本実施形態の学習部２３０は、学習アルゴリズムの一例として強化学習を実行する。本実施形態の学習部２３０は、報酬算出部２３１と、関数更新部２３２と、を有する。

報酬算出部２３１は、判定データに基づき、消費エネルギーが小さくなるほど、報酬が大きくなるように、報酬を算出する。関数更新部２３２は、状態変数と、運転する２次ポンプ１３０の台数との関係を示す関数である台数算出モデル２３３を有し、報酬算出部２３１によって算出された報酬に応じて、台数算出モデル２３３を更新する。

より具体的には、学習部２３０は、報酬算出部２３１で算出される報酬が最大となるように、関数更新部２３２により、台数算出モデル２３３のモデルパラメータを変更する。また、学習部２３０は、モデルパラメータが変更された台数算出モデル２３３に対して、状態変数を入力することで、台数算出モデル２３３を実行させる。これにより、台数算出モデル２３３は、運転する２次ポンプ１３０の台数を出力する。

本実施形態のポンプ台数制御装置２００は、台数算出モデル２３３により、２次ポンプ１３０の台数が出力されると、出力された台数の２次ポンプ１３０を起動させ、状態変数取得部２１０による状態変数の取得と、判定データ取得部２２０による判定データの取得を繰り返す。

このように、本実施形態では消費エネルギーが小さくなるほど、算出される報酬が大きくなるように、台数算出モデル２３３について強化学習を行う。これにより、学習部２３０は、ある運転条件において、消費エネルギーが最も小さくなるように、運転する２次ポンプ１３０の台数を決定することができる。

次に、図４を参照して、本実施形態のポンプ台数制御装置２００の動作について説明する。図４は、ポンプ台数制御装置の動作を説明するフローチャートである。

本実施形態のポンプ台数制御装置２００は、状態変数取得部２１０により、状態変数を取得する（ステップＳ４０１）。続いて、ポンプ台数制御装置２００は、判定データ取得部２２０により、消費エネルギーを取得する（ステップＳ４０２）。

続いて、ポンプ台数制御装置２００は、学習部２３０の報酬算出部２３１により、消費エネルギーが、前回取得した消費エネルギーよりも減少したか否かを判定する（ステップＳ４０３）。

ステップＳ４０３において、消費エネルギーが減少した場合、報酬算出部２３１は、報酬を増やし（ステップＳ４０４）、学習部２３０は、後述するステップＳ４０６へ進む。

ステップＳ４０３において、消費エネルギーが増加した場合、報酬算出部２３１は、報酬を減らし（ステップＳ４０５）、学習部２３０は、後述するステップＳ４０６へ進む。

ステップＳ４０４、４０５に続いて、学習部２３０は、算出された報酬と、状態変数とに基づき、台数算出モデル２３３を更新する（ステップＳ４０６）。尚、本実施形態では、算出された報酬が増加した場合にのみ、台数算出モデル２３３を更新するようにしても良い。

続いて、学習部２３０は、台数算出モデル２３３を実行し、運転する２次ポンプ１３０の台数を決定する（ステップＳ４０７）。尚、本実施形態では、ステップＳ４０１で取得した状態変数を入力することにより、台数算出モデル２３３を実行するものとしたが、これに限定されない。台数算出モデル２３３に入力される状態変数は、台数算出モデル２３３が更新された後に取得されても良い。続いて、ポンプ台数制御装置２００は、決定された台数の２次ポンプ１３０を起動させる（ステップＳ４０８）。

続いて、ポンプ台数制御装置２００は、学習部２３０による学習を継続するか否かを判定する（ステップＳ４０９）。ステップＳ４０９において、学習を継続する場合は、ポンプ台数制御装置２００は、ステップＳ４０１に戻る。また、ステップＳ４０９において、学習を継続しない場合には、学習部２３０は処理を終了する。尚、本実施形態では、報酬が所定の閾値未満である場合は学習を継続し、報酬が所定の閾値以上となった場合に学習を終了しても良い。

このように、本実施形態によれば、熱源システム１００における２次ポンプ１３０の運転条件と、負荷１４０からの要求負荷に応じて、消費エネルギーが最も小さくなるように、起動させる２次ポンプ１３０の台数を決定することができる。

したがって、本実施形態では、図５に示すような、２次ポンプ１３０毎の特性情報を保持しておく必要がない。図５は、ポンプを最大周波数で動作させたときの吐出流量とポンプ効率との相関の一例を示す図である。

本実施形態のポンプ台数制御装置２００では、このような、２次ポンプ１３０の特性情報を保持していなくても、熱源システム１００における２次ポンプ１３０の運転条件と、負荷１４０の要求負荷のみで、起動させる２次ポンプ１３０の台数を決定することができる。

したがって、本実施形態では、例えば、熱源システム１００に、それぞれの特定が異なる２次ポンプ１３０が混在していた場合や、経年劣化等によって２次ポンプ１３０の特性が変化した場合であっても、適正な台数の２次ポンプ１３０を運転させることができる。

また、本実施形態によれば、例えば、熱源システム１００の設置の際や、設備の入れ替えの際等に、２次ポンプ１３０の特性情報を入力する手間を削減することができる。

以上、実施形態を説明したが、特許請求の範囲の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態や詳細の多様な変更が可能なことが理解されるであろう。

１００ 熱源システム
１１０ 熱源機
１２０ １次ポンプ
１３０ ２次ポンプ
１４０ 負荷
２００ ポンプ台数制御装置
２１０ 状態変数取得部
２２０ 判定データ取得部
２３０ 学習部
２３１ 報酬算出部
２３２ 関数更新部
２３３ 台数算出モデル

Claims (4)

1. 並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置であって、
   前記ポンプの吐出圧力、前記ポンプを駆動するモータを制御するインバータに設定された周波数、熱媒体の流路を切り換える切換弁の内部のバルブの開度の少なくとも何れか１つである運転条件及び流量値である要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習する学習部と、
   少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得する状態変数取得部と、
   起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得する取得部と、
   前記学習部は、
   前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出する報酬算出部を備え、
   前記報酬算出部により算出された報酬を用いて、前記入力と前記出力との関係を学習する、ポンプ台数制御装置。
2. 前記報酬算出部は、
   前記消費エネルギーが小さいほど高い報酬を与える、請求項１記載のポンプ台数制御装置。
3. 並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置によるポンプ台数制御方法であって、前記ポンプ台数制御装置が、
   前記ポンプの吐出圧力、前記ポンプを駆動するモータを制御するインバータに設定された周波数、熱媒体の流路を切り換える切換弁の内部のバルブの開度の少なくとも何れ１つである運転条件及び流量値である要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習部に学習させ、
   少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得し、
   起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得し、
   前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出し、
   算出された報酬を用いて、前記学習部に、前記入力と前記出力との関係を学習させる、ポンプ台数制御方法。
4. 並列に接続された複数のポンプにおいて、起動させるポンプの台数を学習するポンプ台数制御装置において実行されるポンプ台数制御プログラムであって、前記ポンプ台数制御装置に、
   前記ポンプの吐出圧力、前記ポンプを駆動するモータを制御するインバータに設定された周波数、熱媒体の流路を切り換える切換弁の内部のバルブの開度の少なくとも何れ１つである運転条件及び流量値である要求負荷の入力と、前記起動させるポンプの台数の出力との関係を学習部に学習させる処理と、
   少なくとも前記ポンプの運転条件及び要求負荷を含む状態変数を取得する処理と、
   起動しているポンプによって消費される消費エネルギーを取得する処理と、
   前記消費エネルギーに基づいて報酬を算出する処理と、
   算出された報酬を用いて、前記学習部に、前記入力と前記出力との関係を学習させる処理と、を実行させるポンプ台数制御プログラム。

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