JP7490831B2 - 空調システムの制御装置、制御方法、制御プログラムおよび空調システム - Google Patents
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高める事ができる。
おり、冷却水循環ポンプ51で冷却水を強制循環させる。冷却水循環ポンプ51は、冷凍機20の凝縮器の管側を通る冷却水の流速を確保する目的で設置されるターボポンプであり、回転速度を変更可能なインバータ制御のモータによって駆動される。冷却水循環ポンプ51は、1つの冷凍機20に対して1つ用意される。よって、冷却水循環系50には、冷凍機20と同じ台数の冷却水循環ポンプ51が設けられる。なお、冷却塔30の内部には、冷却水の水位を維持するボールタップ式の補給水弁が設けられているため、冷却水循環ポンプ51の吸込圧力はほぼ一定に保たれる。
力、及び冷水1次ポンプ41の動力である。システム全体のCOPの最大化は、これらの動力及び消費電力の合計値を最小化することに相当する。冷水2次ポンプ42の動力を含めても良いことはいうまでもない。
有するコンピュータであり、コンピュータプログラムを実行することにより、空調システム1全体の制御を司る。すなわち、中央コントローラ3は、コンピュータプログラムを実行すると、例えば、リアルタイム(10分毎)に外気条件(外気の温度や湿度)や室内条件(室内の温度や湿度)、熱源負荷条件(冷凍機の製造熱量等)等の値を各機器のコントローラから取得し、予め作成してある冷凍機20、補機類(冷却水ポンプや冷水ポンプ等)、空調機10といった各空調機器の運転状態と機器固有のCOPとの相関を示した特性データを読み出し、所定のルールエンジンに従って各機器の制御目標値の最適化処理を実行する。そして、中央コントローラ3は、空調システム1全体のCOPが最大となるように最適化処理を施した各機器の制御目標値を各機器のコントローラへ出力する。各機器のコントローラは、制御対象のパラメータが、最適化処理が施された新たな制御目標値になるように制御量を調整する。最適化処理が施された制御目標値へ向かって各機器のコントローラが制御量を調整することにより、結果的に空調システム1全体のCOPが最大となる。
ステップS103では、中央コントローラ3は、上述の通り、冷凍機冷水出口温度の推論を行う。この推論では、中央コントローラ3は、室内条件を取得できない場合には、仮想室内設計条件および仮想空調機設計に基づいて冷凍機冷水出口温度の推論を行う。また、中央コントローラ3は、室内の温度および相対湿度の情報が取得できる場合には、室内の温度および相対湿度の変化状態に基づいて冷凍機冷水出口温度の推論を行う。ステップS103の推論では、中央コントローラ3は、外気の除湿の要否を判定する。外気の除湿が不要な場合、かつ、空調負荷が小さいと判定された場合、空調機10は室内の潜熱負荷を無視できるため、室内の顕熱負荷を処理できればよい。そこで、中央コントローラ3は、室内の顕熱負荷を処理可能な空調機10の運転条件を決定することで、冷凍機冷水出口温度の最適化を図る。冷凍機冷水出口温度が最適化されることで冷凍機20の運転効率が
高まり、空調システム1全体のCOPの向上が期待できる。中央コントローラ3は、ステップS103の推論処理をリアルタイム(例えば10分毎)に行う。中央コントローラ3は、ステップS104の冷却水温度の推定に際し、この推定された冷水温度を基にして、合計消費電力が最も小さくなる冷却水温度を選定する。
図4は、中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論フローを例示する第1の図である。図4では、室内条件が取得できない場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローが例示される。図4は、図3のステップS103の処理の詳細の一例を示す図である。以下、図4を参照して、室内条件が取得できない場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローについて説明する。
中央コントローラ3は、仮想空調機の設計情報として、コイル入口水温tw1、コイル出
口水温tw2、コイル通水量L、コイル通水熱量qw、コイル入口空気温度ta1、コイル出口空気温度ta2および給気風量Gを以下のように決定する。中央コントローラ3は、設定ファ
イルを読み込み、初期設定によって登録された空調機10のコイル11のコイル入口水温tw1、コイル出口水温tw2、冷凍機20の台数および冷水2次ポンプ42の定格流量を取得する。ここでは、例えば、コイル入口水温tw1として7℃、コイル出口水温tw212℃、冷凍機20の台数として3台、冷水2次ポンプ42の定格流量として4,030L/minが取得されたものとする。さらに、空調システム1は100台の仮想空調機を備えるものと仮定する。
の温度であるコイル出口空気温度ta2を空調機コントローラ14から取得する。ただし、
これから空調システム1を稼働する場合のように、まだコイル11を空気が流れていない場合には、コイル入口空気温度ta1およびコイル出口空気温度ta2として設定ファイルに登録された初期設定値が採用される。ここでは、例えば、コイル入口空気温度ta1として2
6℃、コイル出口空気温度ta2として17.5℃と登録されていたものとする。さらに、
コイル11に流入する空気の相対湿度は50%RHであると仮定する。
RHの空気がコイル出口空気温度ta2である17.5℃まで冷却されると、相対湿度は8
5%RHとなることがわかる。このような仮定の上で、仮想空調機の給気風量Gは、例えば、以下の数式で算出される。
央コントローラ3は、仮想空調機の設計情報を決定できる。決定された仮想空調機の設計情報を記憶する中央コントローラ3は、「記憶手段」の一例である。
さらに、中央コントローラ3は、仮想室内設計条件を決定する。仮想室内設計条件の決定においては、制御目標となる室内の温度を上述のコイル出口空気温度ta2と仮定し、室
内の相対湿度をコイル出口空気の相対湿度である85%RHと仮定する。
)、処理はステップS202に進められる。室内空気の絶対湿度が外気の絶対湿度以下の場合、中央コントローラ3は除湿必要と判定し(S201にて除湿必要)、処理はステップS205に進められる。外気の絶対湿度を算出する中央コントローラ3は、「第1算出手段」の一例である。仮想室内設計条件における室内の絶対湿度を算出する中央コントローラ3は、「第2算出手段」の一例である。
ントローラ3は、室内の顕熱負荷を処理可能な冷凍機冷水出口温度(図中では、冷水温度)を算出する。中央コントローラ3は、システム全体のCOPが最大となる合理的な冷凍機冷水出口温度を算出するに当たり、以下の1~6に記載の事項を仮定する。
1.コイル通水熱量qwと室内熱負荷処理量qaとが等しい。
2.コイル通水量Lは、計測値と等しい。
3.コイル通水出入口温度差(tw2-tw1)は、計測値と等しい。
4.給気風量Gは、負荷に応じて減少させる。給気風量Gの下限値αは定格値の20%とする。なお、給気風量Gの下限値αは、設定ファイルに登録された値を変更することで変更可能である。
5.給気風量Gが下限値に達し、負荷が小さい場合は、コイル入口水温tw1を上昇させ
る。
6.コイル入口水温tw1の上限値は、以下の式4によって決定される。
。ΔtCDS-CSは、例えば、冷凍機20の能力に基づいて決定され、本実施形態では5℃と
している。式4では、外気湿球温度(t')と冷却塔アプローチ温度(tap)の和によって
、冷却塔冷却水出口温度が算出される。冷却水は冷却塔30から冷凍機20へ供給されるため、冷却塔冷却水出口温度は冷凍機冷却水入口温度と等しい。そのため、中央コントローラ3は、冷凍機冷却水入口温度に対して冷凍機20の能力を考慮した冷凍機冷却水入口と冷水出口の温度差(ΔtCDS-CS)に基づいてコイル入口水温tw1の上限値であるCSLimを
決定できる。なお、コイル入口水温tw1の下限値は、例えば、初期設定時に設定ファイル
に登録された値を採用できる。コイル入口水温tw1の上限値であるCSLimを決定する中央コントローラ3は、「第2決定手段」の一例である。
現在の冷凍機冷水出口温度(コイル入口水温)、ta1はコイル入口空気温度、ta2はコイル出口空気温度である。また、Δt1は、仮想空調機が最低風量αで運転したときにコイルを通過した空気の温度変化を示す最低風量温度変化である。すなわち、式5によれば、今回算出するコイル入口水温tw1newは、現在のコイル入口水温tw1に対して、コイルを通過し
た空気の温度変化から最低風量温度変化Δt1を引いた値が加算されることで算出される。なお、最低風量温度変化Δt1は、例えば、以下の式6によって決定される。
3は冷凍機冷水出口温度を前回算出した温度(tw1old)からマイナス1.0℃した温度を冷凍機冷水出口温度として決定する。図6に例示される表は、例えば、中央コントローラ3のメモリ上に保持される。冷凍機冷水出口温度を変更する場合(S203で変更許可)、処理はステップS204に進められる。冷凍機冷水出口温度を変更しない場合(S203で変更不許可)、処理はステップS206に進められる。
図7は、中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論フローを例示する第2の図である。図7では、室内条件が取得できる場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローが例示される。図7は、図3のステップS103の処理の詳細の一例を示す図である。図7の処理では、中央コントローラ3は、室内の温度および相対湿度の情報を空調機コントローラ14から取得する。中央コントローラ3は、今回取得した室内の温度および相対湿度と前回取得した室内の温度および相対湿度との変化量に応じて、冷凍機冷水出口温度を変更するか否かを判定する。中央コントローラ3は、取得した室内の温度または相対湿度が上昇傾向にある場合、冷水の温度が下がるように、ステップS106で熱源コントローラ21に出力される冷凍機冷水出口温度のメモリの設定値を変更する。また、中央コントローラ3は、取得した室内の温度または相対湿度が低下傾向にある場合、冷水の温度が上がるように、ステップS106で熱源コントローラ21に出力される冷凍機冷水出口温度のメモリの設定値を変更する。以下、図7を参照して、室内条件が取得できる場合における中央コントローラ3による冷凍機冷水出口温度の推論の処理フローについて説明する。
第1下限値である。tαは温度に係る許容範囲の補正値であり、本実施形態では初期値を
0.5としている。tRM_SP_H(n)は、第n番目の室内の室内温度許容第1上限値である。tRM_SP_HH(n)は、第n番目の室内の室内温度許容第2上限値である。φRM_SP_LL(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第2下限値である。φRM_SP_L(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第1下限値である。φ%(n)は、第n番目の室内に適用される相対湿度の許容範囲である。φαは、相対湿度に係る許容範囲の補正値であり、初期値は0.5となっている。φRM_SP_H(n)は、第n番目の室内の室内湿度許容第1上限値である。φRM_SP_HH(n)は
、第n番目の室内の室内湿度許容第2上限値である。下限値および上限値をこのように第1と第2の2段階で設定しているのは、冷水の温度変化に伴う室内環境の過渡的な変動量を抑制し、且つ、室内で発生する熱量や外気条件の変化に伴う室内環境の制御範囲からの逸脱を抑制するためである。ステップS303で設定された室温および相対湿度の許容範囲を記憶する中央コントローラ3のメモリは、「記憶手段」の一例である。
対湿度φRM_PV(n)を空調機コントローラ14から取得する。
n)<φRM_SP_H(n)の領域、tRM_PV(n)<tRM_SP_HH(n)かつφRM_SP_H(n)<φRM_PV(n)<φRM_SP_HH(n)の領域において、「2↓」と記載されている。tRM_SP_L(n)<tRM_PV(n)<tRM_SP_H(n)かつφRM_PV(n)<φRM_SP_L(n)の領域、tRM_SP_LL(n)<tRM_PV(n)<tRM_SP_L(n)かつφRM_SP_LL(n)<φRM_PV(n)<φRM_SP_H(n)の領域、tRM_PV(n)<tRM_SP_L (n)かつφRM_SP_L(n)<φRM_PV(n)<φRM_SP_H(n)の領域において、「2↑」と記載されている。また、tRM_SP_L(n)<tRM_PV(n)<tRM_SP_H(n)かつφRM_SP_L(n)<φRM_PV(n)<φRM_SP_H(n)の領域では、「なし」と記載されている。室内空調状態判定テーブルは、例えば、中央コントローラ3のメモリ上に保持される。
度を上限値に設定変更する。その後、処理は終了される。
度を上限値に設定変更する。その後、処理は終了される。ステップS308からS314Aの処理を実行する中央コントローラ3は、「決定手段」の一例である。ステップS308A、S309A、S310A、S311A、S312A、S313AおよびS314A
の処理を実行する中央コントローラ3は、「指示手段」の一例である。
ステップS104では、中央コントローラ3は、冷却塔冷却水出口温度(冷却水温度)の推論を行う。中央コントローラ3は、冷却水温度を決定するためのパラメータであるアプローチ温度を所定の範囲内で仮定する。中央コントローラ3は、仮定したアプローチ温度ごとに、外気条件に応じて定まる冷却水温度から空調システム1のエネルギー消費量を算出し、エネルギー消費量が最小となる冷却水温度を決定する。中央コントローラ3は、決定した冷却水温度で制御されるように、ステップS106で冷却塔コントローラ32に出力される冷却水温度のメモリの設定値を変更する。
空気エンタルピーから、冷却塔ファン31の風量を算出する。
G0は、冷却水の流量や放熱量等に基づいて算出される風量である。中央コントローラ3
は、冷却塔ファン31の風量Gが定格風量G0以下である場合に、空調システム1のエネ
ルギー消費量を算出する。一方、冷却塔ファン31の風量Gが定格風量G0より大きい場
合には、中央コントローラ3は、ステップS402に戻り、次のアプローチ温度を仮定して、ステップS403以降の処理を繰り返す。中央コントローラ3は、冷却塔ファン31の風量Gが定格風量G0より大きい場合に演算処理を実行しないことで、演算量を抑制す
ることができる。
ステップS105では、中央コントローラ3は、冷凍機20の運転台数の推論を行う。中央コントローラ3は、事前に作成した運用設計シートに基づいて冷凍機20の運転台数を推論する。運用設計シートは、運転条件(冷凍機冷水出口温度及び冷却塔冷却水出口温度)ごとに、空調システム1のエネルギー消費量が最小となる冷凍機20の運転台数を特定する運用情報を含むものであり、運転条件に応じた冷凍機20の性能データ及びポンプ、ファン等の各機器の特性データに基づいて予め作成されたものである。特性データは、例えば、ポンプの吐出量といった各機器の性能に対する動力を示すデータである。冷凍機20は、「熱源機」の一例である。また、運用設計シートは「運用情報」の一例である。
に記載された運用設計シートTR_MAP_132は、運転優先順位が熱源1、熱源3、熱源2の順である場合の運用設計シートである。中央コントローラ3は、冷凍機20の運転優先順位を監視し、冷凍機20のローテーションやメンテナンスなどにより優先順位の変更があった場合には、対応する運用設計シートを参照して、冷凍機20の運転台数を推論する。
み込む。具体的には、コンピュータは、空調システム1を構成する冷凍機20、冷却塔30、各種ポンプ及び各種ファン等の補機の台数等の情報を読み込む。
と熱源全体負荷率の組み合わせ条件における熱源の運転台数として選択し、この運転台数を補助記憶装置に格納する。このようにして、冷水温度毎に、冷却水温度と熱源全体負荷率に応じた熱源の運転台数を求め、その求められた運転台数をテーブル、すなわち図15に示すような運用設計シートに格納する。なお、冷却水循環ポンプ51、冷却塔ファン31の動力、及び冷水1次ポンプ41の負荷率は、冷凍機20の熱源全体負荷率と同じと仮定して消費電力の値を求めている。
Claims (6)
- 複数の熱源機と冷却塔と空調機を備える空調システムを、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度、及び、前記複数の熱源機の運転台数をリアルタイムに推論して制御する空調システムの制御装置であって、
外気の温度および相対湿度を含む外気条件と、熱源設計に基づいて仮定される空気の温度と相対湿度と含む仮想室内設計条件とに基づいて、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度を推論する冷水温度推論手段と、
前記推論された冷水温度及び前記外気条件に基づいて、前記空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度を推論する冷却水推論手段と、
前記空調システムの運転条件である冷水の温度及び冷却水の温度に応じた各熱源機の性能データに基づいて生成された、前記空調システムのエネルギー消費量がより小さくなる前記複数の熱源機の運転台数に関する運用情報、前記推論された冷水の温度、前記推論された冷却水の温度、及び、熱源負荷率に基づいて、前記空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる熱源機の運転台数を推論する熱源機運転台数推論手段と、を備え、
前記冷水温度推論手段により前記冷水の温度をリアルタイムに推論させ、前記冷却水推論手段により前記冷却水の温度をリアルタイムに推論させ、次いで、前記熱源機運転台数推論手段により前記熱源機の運転台数をリアルタイムに推論させて、前記推論された冷却水の温度で前記冷却塔を制御し、前記推論された冷水の温度及び前記推論された運転台数に基づいて、前記複数の熱源機を制御して前記空調機に冷水を供給させる、
空調システムの制御装置。 - 前記制御装置は、稼働中の冷凍機の運転負荷率から、前記冷却塔が放熱すべき放熱量を推論し、
前記冷却塔に冷却水を供給する冷却水循環ポンプの動力と、熱を系外に放出する冷却塔ファンの風量を算出し、
前記冷却水循環ポンプの動力と、前記冷却塔ファンの風量に基づいて、前記冷却塔を制御する、
請求項1に記載の空調システムの制御装置。 - 前記制御装置は、算出した前記冷却塔ファンの風量が前記冷却塔ファンの定格風量を上回る場合、アプローチ温度を変更し、前記冷却水の温度を再推論する、
請求項2に記載の空調システムの制御装置。 - 複数の熱源機と冷却塔と空調機を備える空調システムを、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度、及び、前記複数の熱源機の運転台数をリアルタイムに推論して制御するコンピュータが、
外気の温度および相対湿度を含む外気条件と、熱源設計に基づいて仮定される空気の温度と相対湿度と含む仮想室内設計条件とに基づいて、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度をリアルタイムに推論し、
前記推論された冷水温度及び前記外気条件に基づいて、前記空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度をリアルタイムに推論し、
次いで、前記空調システムの運転条件である冷水の温度及び冷却水の温度に応じた各熱源機の性能データに基づいて生成された、前記空調システムのエネルギー消費量がより小さくなる前記複数の熱源機の運転台数に関する運用情報、前記推論された冷水の温度、前記推論された冷却水の温度、及び、熱源負荷率に基づいて、空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる熱源機の運転台数をリアルタイムに推論し、
前記推論された冷却水の温度で前記冷却塔を制御し、前記推論された冷水の温度及び前記推論された運転台数に基づいて、前記複数の熱源機を制御して前記空調機に冷水を供給させる、
空調システムの制御方法。 - コンピュータに、
複数の熱源機と冷却塔と空調機を備え、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度、及び、前記複数の熱源機の運転台数をリアルタイムに推論して制御する空調システムの、
外気の温度および相対湿度を含む外気条件と、熱源設計に基づいて仮定される空気の温度と相対湿度と含む仮想室内設計条件とに基づいて、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度をリアルタイムに推論させ、
前記推論された冷水温度及び前記外気条件に基づいて、前記空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度をリアルタイムに推論させ、
次いで、前記空調システムの運転条件である冷水の温度及び冷却水の温度に応じた各熱源機の性能データに基づいて生成された、前記空調システムのエネルギー消費量がより小さくなる前記複数の熱源機の運転台数に関する運用情報、前記推論された冷水の温度、前記推論された冷却水の温度、及び、熱源負荷率に基づいて、空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる熱源機の運転台数をリアルタイムに推論させ、
前記推論された冷却水の温度で前記冷却塔を制御し、前記推論された冷水の温度及び前記推論された運転台数に基づいて、前記複数の熱源機を制御して前記空調機に冷水を供給させる、
空調システムの制御プログラム。 - 室内の空気を調和する空調機と、
前記空調機に冷水を供給する複数の熱源機と、
前記熱源機に冷却水を供給する冷却塔と、
前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度、及び、前記複数の熱源機の運転台数をリアルタイムに推論して制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
外気の温度および相対湿度を含む外気条件と、熱源設計に基づいて仮定される空気の温度と相対湿度と含む仮想室内設計条件とに基づいて、前記熱源機から前記空調機に供給される冷水の温度を推論する冷水温度推論手段と、
前記推論された冷水温度及び前記外気条件に基づいて、空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる、前記冷却塔から前記熱源機に供給される冷却水の温度を推論する冷却水推論手段と、
前記空調システムの運転条件である冷水の温度及び冷却水の温度に応じた各熱源機の性能データに基づいて生成された、前記空調システムのエネルギー消費量がより小さくなる前記複数の熱源機の運転台数に関する運用情報、前記推論された冷水の温度、前記推論された冷却水の温度、及び、熱源負荷率に基づいて、前記空調システム全体のエネルギー消費量が最小となる熱源機の運転台数を推論する熱源機運転台数推論手段と、を備え、
前記冷水温度推論手段により前記冷水の温度をリアルタイムに推論させ、前記冷却水推論手段により前記冷却水の温度をリアルタイムに推論させ、次いで、前記熱源機運転台数推論手段により前記熱源機の運転台数をリアルタイムに推論させて、前記推論された冷却水の温度で前記冷却塔を制御し、前記推論された冷水の温度及び前記推論された運転台数に基づいて、前記複数の熱源機を制御して前記空調機に冷水を供給させる、
空調システム。
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