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技術 熱源制御システムおよび制御方法

出願人 三機工業株式会社
発明者 藤澤隆広菊池克行田代博一
出願日 2015年11月30日 (4年11ヶ月経過) 出願番号 2015-234145
公開日 2017年6月8日 (3年5ヶ月経過) 公開番号 2017-101862
状態 特許登録済
技術分野 空調制御装置 その他の空気調和方式
主要キーワード 従属関数 リアルタイムコントローラ 生成熱量 事前シミュレーション 処理熱量 次流量 最適制御値 運転順序
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (5)

課題

従来と比べて、事前シミュレーションリアルタイム制御時の演算量やデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、精度の高い制御目標値を算出する最適制御を可能とする熱源制御システムを提供する。

解決手段

熱源制御システムの制御装置は、外気湿球温度熱源機生成熱量および冷水出口温度と、熱源機、冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ最小消費エネルギーとの対応関係を示す第1の情報を用いて、最小消費エネルギーを求める第1の式を生成し、冷水流量に基づいて1次冷水ポンプ消費エネルギーを求める第2の式と第1の式とを合計して各々の単独熱源ユニットでの消費エネルギーを求める第3の式を生成し、各々の単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、複数の単独熱源ユニットにおける冷水流量、冷水出口温度、冷却水流量及び冷却塔ファンの風量の合計4つの制御目標値の最適化計算運転時にリアルタイムで実行する。

概要

背景

居室など人に対する快適性を保つ保健空調や、工場等での物の生産効率を向上維持させる工場空調などで、対象建物などに設置される空調機など、空調空気熱交換する空気−水熱交換器を備える空調負荷の総台数が多量にある場合、空調設備熱源制御システムにおいては、季節建物内の熱負荷の変動に対して冷凍量を調節するのに大型の冷凍機1台では困難であったり、1台でたとえ調節可能でも部分負荷特性が悪くなったりすることがよくあり、これらの状況を良くする目的で、冷凍機を小分けにして台数の一部を空調負荷の量に応じて停止できるよう、冷凍機1台ごとに、冷凍機(熱源機R)と、冷水ポンプ(1次ポンプ)と、冷却塔と、冷却水ポンプとを含む単位とする熱源を複数設け、例えば負荷流量または負荷熱量などの運転条件に応じて稼働する熱源台数の増減台数制御を行うことが従来から行われている。

また、省エネルギーを目的として、熱源制御システムでの熱源台数の増減台数制御において、熱負荷と外気状態値とを独立変数言い換えればリアルタイム情報に基づく検索キー)として、独立変数のおのおのが変化した場合を所定の制約条件の下、エネルギーを最小化する最適負荷配分や各機器最適制御量従属変数として予めシミュレーションで求め、各機器の最適制御量を示すデータテーブルを予め生成し、このデータテーブルに基づき、リアルタイム計測情報指令情報に基づきその値に近い独立変数を選択し、従属変数をデータテーブルから求めて、熱源の最適制御を行うことも提案されている(例えば、特許文献1参照)。

ところで、熱源制御システムでの熱源台数の増減台数制御として、熱源機R自体の発停制御のほかに、圧縮機の制御による冷凍熱量制御や、冷凍機の凝縮器と冷却塔とで循環する冷却水を搬送する冷却水ポンプの流量可変による冷却水温変化や、外気と冷却水との熱交換度合いを制御できる冷却塔ファン風量制御などを、システム制御項目として更なる省エネルギを図る熱源システム構築する考え方が最近浸透している。そのため、個々の構成機器ごとのローカル制御装置は設置されるものの、熱源を構成する機器の各種可変量制御を、逐次変化する外気や空調負荷に対し、一体どう組み合わせてシステム全体を運転するのが良いのか、熱源の最適制御がさらに難しくなっている。

概要

従来と比べて、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時の演算量やデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、精度の高い制御目標値を算出する最適制御を可能とする熱源制御システムを提供する。熱源制御システムの制御装置は、外気湿球温度、熱源機の生成熱量および冷水出口温度と、熱源機、冷却塔ファンおよび冷却水ポンプの最小消費エネルギーとの対応関係を示す第1の情報を用いて、最小消費エネルギーを求める第1の式を生成し、冷水流量に基づいて1次冷水ポンプ消費エネルギーを求める第2の式と第1の式とを合計して各々の単独熱源ユニットでの消費エネルギーを求める第3の式を生成し、各々の単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、複数の単独熱源ユニットにおける冷水流量、冷水出口温度、冷却水流量及び冷却塔ファンの風量の合計4つの制御目標値の最適化計算を運転時にリアルタイムで実行する。

目的

本発明の目的は、従来と比べて、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時での演算量とデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、事前の想定値ではなくリアルタイムの計測値および運転状態の情報を使って冷熱源システムの消費エネルギーの最小値を求めることで精度の高い制御目標値を算出する最適制御を可能とする熱源制御システムおよびその制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

空調機群若しくは空気と熱交換する水空気熱交換器群で形成される2次側に位置する空調負荷と、前記空調負荷に向けて冷水送出する往ヘッダと、前記空調負荷から送出される冷水を受ける還ヘッダと、前記往ヘッダに冷水1次往配管を介しかつ前記還ヘッダに冷水1次還配管を介してそれぞれに熱源機が接続される複数の単独熱源ユニットと、記憶部を含み、複数の前記単独熱源ユニットを制御する制御装置と、を備え、各々の前記単独熱源ユニットは、前記還ヘッダに冷水1次還配管を介して接続されて配管内の冷水に流速を与え送出しその送出冷水流量を制御もする1次冷水ポンプと、冷水1次還配管の前記1次冷水ポンプの下流側に接続されて1次冷水ポンプから送出される冷水を冷凍し、自身の下流の冷水1次往配管を介して往ヘッダに接続される熱源機と、前記熱源機の冷水冷凍の結果発生する排熱外気と熱交換して冷却する、外気を搬送する冷却塔ファンを有する冷却塔と、前記冷却塔と前記熱源機との間で排熱を搬送するために循環する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプと、を含み、前記記憶部は、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記単独熱源ユニットのうちの前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーとの対応関係を示す第1の情報と、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却水ポンプによる冷却水流量制御目標値との対応関係を示す第2の情報と、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却塔ファンの風量の制御目標値との対応関係を示す第3の情報と、をそれぞれ記憶し、前記制御装置は、前記第1の情報を用いて前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーを求める第1の式と、前記熱源機への冷水流量に基づいて前記1次冷水ポンプの消費エネルギーを求める第2の式とを合計することで、前記単独熱源ユニットの消費エネルギーを求める第3の式を生成し、各々の前記単独熱源ユニットに対応する複数の第3の式に、運転時に逐次取得し続ける外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の計測値を所定のサンプリング時刻ごとに代入し、各々の前記単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、前記単独熱源ユニットの冷水流量の制御目標値および冷水出口温度の制御目標値を求める最適化計算を運転時にリアルタイムで実行し、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第2の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却水ポンプの冷却水流量の制御目標値を求め、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第3の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却塔ファンの風量の制御目標値を求めることを特徴とする熱源制御システム

請求項2

空調機群若しくは空気と熱交換する水空気熱交換器群で形成される2次側に位置する空調負荷と、前記空調負荷に向けて冷水を送出する往ヘッダと、前記空調負荷から送出される冷水を受ける還ヘッダと、前記往ヘッダに冷水1次往配管を介しかつ前記還ヘッダに冷水1次還配管を介してそれぞれに熱源機が接続される複数の単独熱源ユニットと、複数の前記単独熱源ユニットを制御する制御装置と、を備え、各々の前記単独熱源ユニットは、前記還ヘッダに冷水1次還配管を介して接続されて配管内の冷水に流速を与え送出しその送出冷水流量を制御もする1次冷水ポンプと、冷水1次還配管の前記1次冷水ポンプの下流側に接続されて1次冷水ポンプから送出される冷水を冷凍し、自身の下流の冷水1次往配管を介して往ヘッダに接続される熱源機と、前記熱源機の冷水冷凍の結果発生する排熱を外気と熱交換して冷却する、外気を搬送する冷却塔ファンを有する冷却塔と、前記冷却塔と前記熱源機との間で排熱を搬送するために循環する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプと、を含む熱源制御システムの制御方法であって、運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記単独熱源ユニットのうちの前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーとの対応関係を示す第1の情報を生成し、運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却水ポンプによる冷却水流量の制御目標値との対応関係を示す第2の情報を生成し、運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却塔ファンの風量の制御目標値との対応関係を示す第3の情報を生成し、前記制御装置が、運転時のリアルタイム制御のときに、前記第1の情報を用いて前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーを求める第1の式と、前記熱源機への冷水流量に基づいて前記1次冷水ポンプの消費エネルギーを求める第2の式とを合計することで、前記単独熱源ユニットの消費エネルギーを求める第3の式を生成し、各々の前記単独熱源ユニットに対応する複数の第3の式に、運転時逐次取得し続ける外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の計測値を所定のサンプリング時刻ごとに代入し、各々の前記単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、前記単独熱源ユニットの冷水流量の制御目標値および冷水出口温度の制御目標値を求める最適化計算を実行し、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第2の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却水ポンプの冷却水流量の制御目標値を求め、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第3の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却塔ファンの風量の制御目標値を求めることを特徴とする熱源制御システムの制御方法。

技術分野

0001

本発明は、複数台熱源を備えた空調設備熱源制御システムおよびその制御方法に関する。特に、熱源システム全体消費エネルギー空調負荷の熱量や外気湿球温度に応じて最小となるように熱源の運転を最適化する熱源制御システムおよびその制御方法に関する。

背景技術

0002

居室など人に対する快適性を保つ保健空調や、工場等での物の生産効率を向上維持させる工場空調などで、対象建物などに設置される空調機など、空調空気熱交換する空気−水熱交換器を備える空調負荷の総台数が多量にある場合、空調設備の熱源制御システムにおいては、季節建物内の熱負荷の変動に対して冷凍量を調節するのに大型の冷凍機1台では困難であったり、1台でたとえ調節可能でも部分負荷特性が悪くなったりすることがよくあり、これらの状況を良くする目的で、冷凍機を小分けにして台数の一部を空調負荷の量に応じて停止できるよう、冷凍機1台ごとに、冷凍機(熱源機R)と、冷水ポンプ(1次ポンプ)と、冷却塔と、冷却水ポンプとを含む単位とする熱源を複数設け、例えば負荷流量または負荷熱量などの運転条件に応じて稼働する熱源台数の増減台数制御を行うことが従来から行われている。

0003

また、省エネルギーを目的として、熱源制御システムでの熱源台数の増減台数制御において、熱負荷と外気状態値とを独立変数言い換えればリアルタイム情報に基づく検索キー)として、独立変数のおのおのが変化した場合を所定の制約条件の下、エネルギーを最小化する最適負荷配分や各機器最適制御量従属変数として予めシミュレーションで求め、各機器の最適制御量を示すデータテーブルを予め生成し、このデータテーブルに基づき、リアルタイム計測情報指令情報に基づきその値に近い独立変数を選択し、従属変数をデータテーブルから求めて、熱源の最適制御を行うことも提案されている(例えば、特許文献1参照)。

0004

ところで、熱源制御システムでの熱源台数の増減台数制御として、熱源機R自体の発停制御のほかに、圧縮機の制御による冷凍熱量制御や、冷凍機の凝縮器と冷却塔とで循環する冷却水を搬送する冷却水ポンプの流量可変による冷却水温変化や、外気と冷却水との熱交換度合いを制御できる冷却塔ファン風量制御などを、システム制御項目として更なる省エネルギを図る熱源システム構築する考え方が最近浸透している。そのため、個々の構成機器ごとのローカル制御装置は設置されるものの、熱源を構成する機器の各種可変量制御を、逐次変化する外気や空調負荷に対し、一体どう組み合わせてシステム全体を運転するのが良いのか、熱源の最適制御がさらに難しくなっている。

先行技術

0005

特許第5489046号公報

発明が解決しようとする課題

0006

熱源の最適制御において、ハードとしての冷凍機の制御ポイントは冷凍した冷水出口温度として温度センサを設置し、冷凍機出口冷水温度が一定になるよう制御するので出口温度は安定しているが、入口温度は、熱源側とは無関係に負荷量が逐次大きく変化する空調負荷の状況に応じて空気−水熱交換器で熱交換されて戻ってくるので安定していないため、冷凍機の出入口での温度差は逐次変動する。そのため、各冷凍機生成熱量から冷水流量制御目標値事前のシミュレーションで算出する際に、熱量=冷凍機の出入口温度差×流量であるので、変化する熱量、変化する出入口温度差とも事前に想定して制御目標値(冷水流量)を算出することは非常に困難である。事前シミュレーションとして独立変数や計算条件簡単化するための対策として、例えば、冷凍機の出入口での温度差を5℃と想定して固定値で計算すると、計算は簡単になるが実際は入口温度不安定で出入口温度差も不安定となり、熱源の最適制御の精度を向上させることに限界が生じる。一方で、熱源の最適制御に適用するデータテーブルの計算条件や独立変数として、多数の温度差のパターンを設定すると、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時の演算量やデータテーブルのデータ量が膨大なものとなり実用的ではない。

0007

また、熱源の最適制御において、冷凍機の運転台数運転順序を事前に想定してシミュレーションを行う場合、シミュレーションでの演算量やデータテーブルのデータ量は抑制できるが、例えば独立変数を外気湿球温度としてデータテーブルを作ると、空調負荷側の総熱量によらず冷凍機の運転台数と運転順序が決まっており、各冷凍機の部分負荷特性曲線のどこで運転するかなどから、必ずしも消費エネルギーが最小となるとは言えない場合も出てきて熱源の最適制御の精度を向上させることに限界が生じる。そこで、冷凍機の運転台数と運転順序とを予め決めず独立変数から決めようとすると、運転順序と台数の組み合わせパターン数のデータテーブルが必要となり、膨大な事前計算とリアルタイム制御時の選択演算が生じて演算ハードに金額が掛かり演算時間も長くなり実用的ではない。また、例えば機器の故障時や点検時等において運転台数や運転順序が事前の想定と変わった場合の運転に対応することが困難になる。

0008

本発明の目的は、従来と比べて、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時での演算量とデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、事前の想定値ではなくリアルタイムの計測値および運転状態の情報を使って冷熱源システムの消費エネルギーの最小値を求めることで精度の高い制御目標値を算出する最適制御を可能とする熱源制御システムおよびその制御方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0009

本発明に係る熱源制御システムの一例は、
空調機群若しくは空気と熱交換する水空気熱交換器群で形成される2次側に位置する空調負荷と、
前記空調負荷に向けて冷水を送出する往ヘッダと、
前記空調負荷から送出される冷水を受ける還ヘッダと、
前記往ヘッダに冷水1次往配管を介しかつ前記還ヘッダに冷水1次還配管を介してそれぞれに熱源機が接続される複数の単独熱源ユニットと、
記憶部を含み、複数の前記単独熱源ユニットを制御する制御装置と、
を備え、
各々の前記単独熱源ユニットは、
前記還ヘッダに冷水1次還配管を介して接続されて配管内の冷水に流速を与え送出しその送出冷水流量を制御もする1次冷水ポンプと、冷水1次還配管の前記1次冷水ポンプの下流側に接続されて1次冷水ポンプから送出される冷水を冷凍し、自身の下流の冷水1次往配管を介して往ヘッダに接続される熱源機と、前記熱源機の冷水冷凍の結果発生する排熱を外気と熱交換して冷却する、外気を搬送する冷却塔ファンを有する冷却塔と、前記冷却塔と前記熱源機との間で排熱を搬送するために循環する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプと、を含み、
前記記憶部は、第1の情報、第2の情報、第3の情報をそれぞれ記憶する。

0010

第1の情報は、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記単独熱源ユニットのうちの前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーとの対応関係を示す。

0011

第2の情報は、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却水ポンプによる冷却水流量の制御目標値との対応関係を示す。

0012

第3の情報は、各々の前記単独熱源ユニットに生成される情報であって、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却塔ファンの風量の制御目標値との対応関係を示す。

0013

そして、前記制御装置は以下の処理を行う。

0014

制御装置は、前記第1の情報を用いて前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーを求める第1の式と、前記熱源機への冷水流量に基づいて前記1次冷水ポンプの消費エネルギーを求める第2の式とを合計することで、前記単独熱源ユニットの消費エネルギーを求める第3の式を生成する。

0015

制御装置は、各々の前記単独熱源ユニットに対応する複数の第3の式に、運転時に逐次取得し続ける外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の計測値を所定のサンプリング時刻ごとに代入し、各々の前記単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、前記単独熱源ユニットの冷水流量の制御目標値および冷水出口温度の制御目標値を求める最適化計算を運転時にリアルタイムで実行する。

0016

制御装置は、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第2の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却水ポンプの冷却水流量の制御目標値を求める。

0017

制御装置は、運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第3の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却塔ファンの風量の制御目標値を求める。

0018

本発明の他の例は、
空調機群若しくは空気と熱交換する水空気熱交換器群で形成される2次側に位置する空調負荷と、
前記空調負荷に向けて冷水を送出する往ヘッダと、
前記空調負荷から送出される冷水を受ける還ヘッダと、
前記往ヘッダに冷水1次往配管を介しかつ前記還ヘッダに冷水1次還配管を介してそれぞれに熱源機が接続される複数の単独熱源ユニットと、
複数の前記単独熱源ユニットを制御する制御装置と、
を備え、
各々の前記単独熱源ユニットは、
前記還ヘッダに冷水1次還配管を介して接続されて配管内の冷水に流速を与え送出しその送出冷水流量を制御もする1次冷水ポンプと、冷水1次還配管の前記1次冷水ポンプの下流側に接続されて1次冷水ポンプから送出される冷水を冷凍し、自身の下流の冷水1次往配管を介して往ヘッダに接続される熱源機と、前記熱源機の冷水冷凍の結果発生する排熱を外気と熱交換して冷却する、外気を搬送する冷却塔ファンを有する冷却塔と、前記冷却塔と前記熱源機との間で排熱を搬送するために循環する冷却水の流量を制御する冷却水ポンプと、を含む熱源制御システムの制御方法である。

0019

この制御制御方法では、
運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記単独熱源ユニットのうちの前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーとの対応関係を示す第1の情報を生成し、
運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却水ポンプによる冷却水流量の制御目標値との対応関係を示す第2の情報を生成し、
運転前のシミュレーションにより、各々の前記単独熱源ユニットについて、外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量および前記熱源機の冷水出口温度と、前記冷却塔ファンの風量の制御目標値との対応関係を示す第3の情報を生成し、
前記制御装置が、運転時のリアルタイム制御のときに、
前記第1の情報を用いて前記熱源機、前記冷却塔ファンおよび前記冷却水ポンプの最小消費エネルギーを求める第1の式と、前記熱源機への冷水流量に基づいて前記1次冷水ポンプの消費エネルギーを求める第2の式とを合計することで、前記単独熱源ユニットの消費エネルギーを求める第3の式を生成し、
各々の前記単独熱源ユニットに対応する複数の第3の式に、運転時に逐次取得し続ける外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の計測値を所定のサンプリング時刻ごとに代入し、各々の前記単独熱源ユニットでの消費エネルギーの合計値が最小となるように、前記単独熱源ユニットの冷水流量の制御目標値および冷水出口温度の制御目標値を求める最適化計算を実行し、
運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第2の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却水ポンプの冷却水流量の制御目標値を求め、
運転時の所定のサンプリング時刻に取得した外気湿球温度、前記熱源機の生成熱量、前記熱源機の冷水出口温度の値に基づき、前記第3の情報を用いて前記単独熱源ユニットの前記冷却塔の風量の制御目標値を求める。

発明の効果

0020

本発明の熱源制御システムおよびその制御方法によれば、従来と比べて、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時での演算量とデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、事前の想定値ではなくリアルタイムの計測値および運転状態の情報を使って冷熱源システムの消費エネルギーの最小値を求めることで精度の高い制御目標値を算出する最適制御が可能となる。

0021

また、独立変数(言い換えればリアルタイム情報に基づく検索キー)として、独立変数のおのおのが変化した場合を所定の制約条件の下、エネルギーを最小化する冷却水の熱量や温度場を代表する値の設定値や冷凍機、冷却水ポンプ、冷却塔ファン各機器の動力値従属関数による従属変数として予めシミュレーションで求め、各機器の消費エネルギーの合計が最小になる運転状況を示すよう予め生成されるデータテーブルにて単独熱源ユニットの最適制御量を求めるのだが、単独熱源ユニットの独立変数に外気湿球温度、冷凍機生成熱量、冷凍機冷水出口温度の3変数としたことで、種類の異なる単独熱源ごとに冷凍機冷水出口温度をそれぞれ省エネルギーの観点で変更できるので、更なる最適運転制御が可能となる。また、単独熱源ごとに冷凍機冷水出口温度を変更することが可能なことで、最適制御が難しい1次ポンプ方式でも、ヘッダ間バイパス量極小にした最適制御が可能となる。

0022

さらに、リアルタイムの各冷凍機や各単独熱源の運転状態を使ってリアルタイムで最適計算ができ、冷凍機の運転台数および運転順序を予め想定した最適計算は不要となり、現在運転中の冷凍機だけでの最適な運転が演算処理が容易な形で可能となる。

図面の簡単な説明

0023

1次2次ポンプ方式の熱源制御システムの構成例を示す図である。
1次ポンプ方式の熱源制御システムの構成例を示す図である。
比較例での熱源制御システムの最適化計算制御例を示す図である。
本発明の実施形態における熱源制御システムの最適化計算制御例を示す図である。

実施例

0024

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

0025

本発明は、複数台の単独熱源ユニットからなる複合熱源を備えた熱源制御システムに適用できる。ここで、単独熱源ユニットは、冷凍機1台に関係する構成機器のまとまりであって、冷凍機(熱源機R)と、1次冷水ポンプと、冷却塔と、冷却水ポンプとの4つの機器を含む。また、複合熱源は、n台(nは2以上の正の整数)の単独熱源ユニットで構成されるシステム全体を指すものとする。

0026

熱源制御システムは、1次ポンプ方式および1次2次ポンプ方式のいずれであってもよい。以下、1次2次ポンプ方式の熱源制御システムの構成と、1次ポンプ方式の熱源制御システムの構成とをそれぞれ説明する。なお、以下の説明では、冷水の場合を説明する。

0027

(1次2次ポンプ方式の熱源制御システムの構成例)
図1は、1次2次ポンプ方式の熱源制御システム100の構成例を示す。1次2次ポンプ方式は、往きヘッダおよび還りヘッダを境として冷凍機側と空調負荷側との各々の冷水流量を同一としなくて良いようにしてヘッダ間バイパス流量を最適化できるよう、冷凍機(熱源機R)11と往きヘッダ102と還りヘッダ103までを接続する冷水1次往配管15と冷水1次還配管16の、各々の圧力損失分揚程として受持ち、1次側に冷水を循環させるために1次冷水ポンプ12を使用し、空調機104などの空調負荷側に冷水を循環させるために、往きヘッダと冷水2次往配管39と冷水2次還配管41と空調機104の熱交換器部分のそれぞれの圧力損失を合計した揚程を受持つ冷水2次ポンプ(85a,85b)を使用する配管方式である。

0028

図1に示す熱源制御システム100は、n台の単独熱源ユニット101(1)〜101(n)と、往ヘッダ102と、還ヘッダ103と、空調機(AHU)104と、リアルタイムコントローラ105と、外気湿球温度を計測する外気温湿度センサ106とを有する。ここで、外気温湿度センサ106は、計測した外気湿球温度をリアルタイムコントローラ105に信号として出力する。なお、図1の例では、簡単のため空調機(AHU)104を1台のみ示すが、空調負荷としての空調機(AHU)104の台数は複数である。

0029

本実施形態において、n台の単独熱源ユニット101は、各要素(特に冷凍機の形式による違い、冷却塔の伝熱面積による違いがあれば、)の性能に相違がある場合があるものの、その基本構成は同一または同様である。ここでは1つの単独熱源ユニット101(n)の構成を説明し、個々の単独熱源ユニット101に関する重複説明は省略する。単独熱源ユニット101(n)は、上記のように、冷凍機(熱源機R)11と、1次冷水ポンプ12と、冷却塔13と、冷却水ポンプ14とを有する。

0030

冷凍機(熱源機R)11は、例えば、ターボ冷凍機インバータターボ冷凍機吸収式冷凍機冷温水発生機スクリューチラーヒートポンプチラーなどである。部分負荷特性が確認できる場合には、本実施形態の冷凍機(熱源機R)11として排熱回収型の冷凍機を用いることもできる。

0031

冷凍機(熱源機R)11は、冷水1次往配管15により往ヘッダ102と接続されており、冷水1次還配管16により還ヘッダ103と接続されている。ここで、冷水1次往配管15は、冷水の1次側であり、熱源機Rで冷却(冷凍という)された冷水を往ヘッダ102へ送水する配管である。また、冷水1次還配管16は、冷水の1次側であり、空調機104で熱交換され温度が上昇した冷水が還りヘッダ103に戻り合流した還冷水を還ヘッダ103から熱源機Rまで送水する配管である。

0032

冷凍機(熱源機R)11には、リアルタイムコントローラ105から冷水出口温度SP(Set Point:設定値)の情報が入力される。冷凍機(熱源機R)11からは、熱源運転状態を示す情報がそれぞれリアルタイムコントローラ105へ出力される。

0033

冷水1次往配管15には、冷凍機(熱源機R)11の冷水出口温度を計測する温度センサ17が設けられている。温度センサ17の温度PV(Process Value:計測値)は、リアルタイムコントローラ105へ出力される。

0034

冷水1次還配管16には、還ヘッダ103から冷凍機(熱源機R)11に向かって、流量計18と、1次冷水ポンプ12と、冷凍機(熱源機R)の冷水入口温度を計測する温度センサ19とがそれぞれ設けられている。温度センサ19の温度PVは、リアルタイムコントローラ105へ出力される。また、流量計18の流量PVは、リアルタイムコントローラ105へ出力される。なお、1次冷水ポンプはポンプモータ電源としてインバータ(INV)を備えている。そして、1次冷水ポンプ12の回転数は、リアルタイムコントローラ105の指示によりインバータ(INV)により電源が周波数制御されることで可変する。

0035

また、冷凍機(熱源機R)11には、排熱を熱交換する凝縮器など熱交換器の入口出口に冷却水を出し入れ可能に接続される環状の冷却水配管21により冷却水ポンプ14を介して冷却塔13が接続されている。冷却水配管21を通じて冷却水ポンプ14の搬送力により、熱源機Rからは、熱源機Rの排熱で温度が上昇した冷却水が冷却塔13へ送水される。また、冷却水配管21を通じて冷却水ポンプ14の搬送力により、冷却塔13からは、冷却塔13が備える冷却塔ファンで外気と冷却水とを熱交換して熱を放出し温度が下がった冷却水が熱源機Rへ送水される。

0036

冷却塔13は、冷却塔ファンによる外気との直接接触または外気との間接接触で冷凍機(熱源機R)11の排熱で温度が上昇した冷却水を冷却する。冷却水ポンプ14は、冷却塔13で冷却された冷却水を冷凍機(熱源機R)11に送る。なお、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14はそれぞれインバータ(INV)を各モータの電源に備えている。そして、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14の回転数は、リアルタイムコントローラ105の指示によりそれぞれインバータ(INV)により電源が周波数制御されることで可変する。

0037

また、往ヘッダ102および還ヘッダ103は、バイパス路31を介して接続されている。

0038

このように、図1に示す熱源制御システム100では、n台の単独熱源ユニット101と、往ヘッダ102と、還ヘッダ103と、これらを接続する冷水1次側往配管15および冷水1次側還配管16とバイパス路31とによって熱源の1次側が構成される。

0039

一方、図1に示す熱源制御システム100では、熱源の2次側において、並列に配置された2次冷水ポンプ85a,85bを挟んで、往ヘッダ102の下流側に第2の往ヘッダ83を配置し、冷水2次往配管の短管で往きヘッダ102と第2の往きヘッダ83とを2次冷水ポンプ85a、85bを介してそれぞれが接続されている。また、往ヘッダ102と第2の往ヘッダ83との間には、図示しないが空調負荷へ送出する冷水の圧力制御に利用したりするバイパス用の管路87が接続されている。

0040

第2の往ヘッダ83と還ヘッダ103との間には、第2の往ヘッダ83と空調機(AHU)104とを接続する冷水2次往配管39と、空調機(AHU)104と還ヘッダ103とを接続する冷水2次還配管41とが設けられている。ここで、冷水2次往配管39は、冷水の2次側であり、熱源機Rで冷凍された冷水を第2の往ヘッダ83から空調機104に送水する配管である。冷水2次往配管39には、複数の空調機104をまとめた空調負荷への送水温度を計測する温度センサ43が設けられている。また、冷水2次還配管41は、冷水の2次側であり、空調機104で熱交換され温度が上昇した冷水を空調機104から還ヘッダ103に送水する配管である。冷水2次還配管41には、複数の空調機104をまとめた空調負荷で熱交換された後に還ヘッダ103へ戻る冷水温度を計測する温度センサ51と、流量計53とが設けられている。温度センサ43,51および流量計53のそれぞれの計測値は、リアルタイムコントローラへ出力される。

0041

このように、図1に示す熱源制御システム100では、往ヘッダ102と、還ヘッダ103と、第2の往ヘッダ83と、空調機(AHU)104と、これらを接続する配管によって熱源の2次側が構成される。

0042

リアルタイムコントローラ105は、制御装置の一例であって、例えば、ハードを構成する主要な機器は、PLC(Programmable Logic Controller)である。リアルタイムコントローラ105は、プログラムの実行により熱源制御システム100の動作を統括的に制御する。例えば、リアルタイムコントローラ105は、単独熱源ユニット101の稼働台数を変更する熱源の台数制御や、1次冷水の流量を調整する1次流量変流量制御、冷却水量の変流量制御、冷却塔ファンの変風量制御、熱源の冷水出口温度の設定変更制御などを実行する。また、リアルタイムコントローラ105は、プログラムや各種のデータテーブルを記憶する記憶部107を有している。記憶部107は、例えば不揮発性半導体メモリハードディスクなどである。

0043

(1次ポンプ方式の熱源制御システムの構成例)
図2は、1次ポンプ方式の熱源制御システム100Aの構成例を示す。1次ポンプ方式は、熱源システムの冷水を搬送する冷水ポンプを冷水1次ポンプ1段だけとし、構成が単純であり、空調負荷側の冷水流量制御によって余剰をヘッダ間バイパスする方式なので空調負荷への冷水往き温度が基本的に安定するところが有利なシステムである。ところがヘッダ間バイパスに多流量が流れたり、冷水1次ポンプが冷水配管系の全揚程を受け持つため、省エネルギーとしての最適制御が難しいシステムでもある。
なお、図2の説明において、図1に示す熱源制御システムと同様の要素については、共通の符号を付して重複説明を省略する。

0044

1次ポンプ方式は、1次冷水ポンプのみで冷水を空調機(AHU)まで循環させる配管方式である。図2に示す熱源制御システム100Aは、熱源の2次側において、図1に示す第2の往ヘッダ83、2次冷水ポンプ85a,85bおよび管路87がなく、往ヘッダ102に冷水2次往配管39が接続されている。

0045

このように、図2に示す熱源制御システム100Aでは、往ヘッダ102と、還ヘッダ103と、空調機(AHU)104と、これらを接続する配管によって熱源の2次側が構成される。

0046

(熱源制御システムの制御の比較例)
次に、本発明の実施形態の比較例として、図3に示す熱源制御システムの制御例を説明する。

0047

図3に示すステップS101〜S103の処理は、リアルタイムコントローラ105とは異なる比較形態コンピュータによって実行される事前のシミュレーションでの処理を示している。また、図3に示すステップS104以降の処理は、図1または図2に示す熱源制御システムのリアルタイムコントローラ105と同じ場所に位置する比較形態コントローラで実行される処理である。

0048

まず、比較形態コンピュータは、事前のシミュレーションにより複合熱源の最適運転関数を生成する(ステップS101〜S103)。このシミュレーションでは、比較形態コンピュータは、各々の単独熱源ユニット101のうち熱源機11のみを演算対象とし、熱源機11の冷凍熱量Qc_Rを制御変数(つまり従属関数で求める最適制御値:従属変数)とする。

0049

ステップS101では、比較形態コンピュータは、以下の式(1)により、複合熱源のエネルギー消費量を算出する。
Etotal=F(WB,Qc2,Qc_R[1-n]) ……(1)
ここで、「Etotal」は複合熱源のエネルギー消費を示す評価値であり、「F()」は、カッコ内に代入される条件に対して、複合熱源のエネルギー消費量(最適制御値)を返す関数(従属関数)である。また、「WB」は外気湿球温度を示す変数(独立変数)であり、「Qc2」は2次冷水の負荷熱量を示す変数(独立変数)であり、「Qc_R[i]」は熱源機11iでの冷凍熱量を示す変数である。なお、符号「i」は、複合熱源を構成するいずれかの単独熱源ユニット(またはその要素)を指定する引数であって、本実施形態では1−nの範囲内で整数の値をとる。

0050

シミュレーションにおいて、比較形態コンピュータは、WBおよびQc2の値を拘束条件(つまり、独立変数)とし、評価値Etotalが最小値(最適値)をとるようなQc_R[1-n]の組み合わせを算出する。

0051

このシミュレーションにおいて、比較形態コンピュータは、拘束条件のQc2を0〜100%の範囲で1%ずつ変化させて、評価値Etotalが最小値をとるQc_R[i]を算出する。このとき、稼働させる熱源機11の台数は1台に限られない。但し、複数の熱源機11を稼働させる場合の稼働順序は予め設定される。

0052

同様に、比較形態コンピュータは、拘束条件のWBを5パターン(例えば、夏季高温時、夏季低温時、中間期高温時、中間期低温時、冬季)設定し、評価値Etotalが最小値をとるQc_R[i]を算出する。このとき、稼働させる熱源機11の台数は1台に限られない。但し、複数の熱源機11を稼働させる場合の稼働順序は予め設定される。なお、WBのパターンを5パターンに制限する理由は、WBのパターン数を多くすると、事前シミュレーションの時間や演算量が膨大になるためである。

0053

ステップS102では、比較形態コンピュータは、WBの各パターンについて、拘束条件のQc2を変化させたときに、評価値Etotalが最小値をとるQc_R[i](またはQc_R[1-n]の組み合わせ)を関数化し、式(2)に示す最適運転関数として出力する。
Qc_R[i]=Fop(Qc2) ……(2)
ここで、「Fop()」は、カッコ内に代入される条件に対して、シミュレーションに基づく最適解の値を返す関数(従属関数)である。

0054

ステップS103では、上記の式(2)で得られる最適解は熱源機11の生成冷凍熱量(Qc_R[i])であることから、比較形態コンピュータは、式(3)により式(2)を制御目標値である冷水流量の形式に変換する。
Vc_R[i]=Qc_R[i]/Cpw・ρw・(Tc_in_R[i]-Tc_out_R[i])=Qc_R[i]/Cpw・ρw・ΔTc_R[i] …(3)
ここで、「Vc_R[i]」は、熱源機11iに対応する冷水流量(つまり1次ポンプによる冷水流量)を示す変数である。「Cpw」は水の比熱を示す物理定数であり、「ρw」は水の密度を示す物理定数である。「Tc_in_R[i]」は、熱源機11iの冷水入口温度を示す変数であり、「Tc_out_R[i]」は、熱源機11iの冷水出口温度を示す変数である。「ΔTc_R[i]」は、熱源機11iの冷水入口温度と冷水出口温度との温度差を示す変数である。

0055

また、「Tc_in_R[i]」は、空調機104側(空調負荷側)の運転状況に応じて変化する冷水還温度(温度センサー51)の値であり、事前のシミュレーションの段階では未知の値である。そのため、図3の例では、比較形態コンピュータは、シミュレーションにおいて、ΔTc_R[i]を固定値の5℃と仮定して計算式に組み込むものとする。

0056

上記の処理により、式(3)の関係を用いて式(2)を変形することで、比較形態コンピュータは、WBのパターン別にそれぞれ式(4)に示す各熱源機の最適冷水流量を求める最適運転関数を得ることができる。すなわち、図3の例では、事前のシミュレーションによりWBに応じた5パターン分の最適運転関数が生成される。
Vc_R[i]=Fop(Qc2) ……(4)
なお、上記の処理で求めたパターン毎の最適運転関数は、比較形態コントローラの記憶部に格納されることとなる。

0057

ステップS104では、熱源制御システム100の比較形態コントローラは、記憶部に格納された複数のパターンの最適運転関数のうちから、制御に使用する最適運転関数を選択する。

0058

例えば、比較形態コントローラは、内部のタイマ(不図示)から月日の情報を取得し、取得した月日に対応付けされた最適運転関数を選択する。一例として、比較形態コントローラは、実際の外気湿球温度に拘わらず、8月であれば夏季高温時の最適運転関数を選択し、12月であれば冬季の最適運転関数を選択する。

0059

ステップS105では、比較形態コントローラは、ステップS104で選択された最適運転関数に、2次冷水の負荷熱量(Qc2)の計測値を代入することで、1次冷水ポンプ12の冷水流量の制御目標値を算出する。そして、比較形態コントローラは、算出された制御目標値に基づいて、熱源制御システム100の1次冷水ポンプ12を制御する。以上で、図3に示す比較例の説明を終了する。

0060

(実施形態の熱源制御システムの制御例)
次に、本発明の実施形態として、図4に示す熱源制御システムの制御例を説明する。図4に示す熱源制御システムの制御例では、事前のシミュレーション時とリアルタイム制御時とでそれぞれ最適化を行うことで、4つの制御目標値を同時に求めることが可能であるとともに、リアルタイム制御時の計算量を大幅に削減しつつ、精度の高い計算を可能としている。

0061

図4に示すステップS201〜S205の処理は、リアルタイムコントローラ105とは異なるコンピュータによって実行される事前のシミュレーションでの処理である。

0062

ここで、ステップS201〜S205の事前シミュレーションでは、各単独熱源ユニット101につき、熱源機11、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14の3つの機器の消費エネルギーを最小化して動力の最適値にする最適化計算をそれぞれ行っている。この最適化計算では、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]を拘束条件(独立変数)とし、冷却水量と冷却塔ファン風量を制御変数(従属変数)として、拘束条件を固定した状態で、制御変数を演算する途上の多種の状態値について、状態値の一部を仮固定し残り一部を変化させて繰返し計算し、その後順次仮固定分を変化させ繰返し計算を行うことで、制御変数(Vcd_CDP[i]およびVg_CT[i])の組み合わせである最適解を算出している。そして、事前シミュレーションでは、拘束条件を実用的な範囲の様々なパターンで変化させて、上記の最適化計算を各パターンで行っている。そして、その計算結果をまとめることで、「3つの機器の最小消費エネルギーを求める関数」、「冷却水流量の最適運転関数」、「冷却塔風量の最適運転関数」の3種類の関数をそれぞれ生成する。

0063

以下、図4のステップS201〜S205の処理の内容を詳細に説明する。

0064

ステップS201では、コンピュータは、以下の式(5)により、各々の単独熱源ユニット101について、単独熱源ユニット101内の熱源機11、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14のエネルギー消費量の最適化を行う。この式(5)は、単独熱源ユニットごとに生成される式であって、拘束条件(WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i])および制御変数(Vcd_CDP[i],Vg_CT[i])の入力に対して、熱源機、冷却塔、冷却水ポンプの消費エネルギーを出力する式を最適化問題の形とし方程式を解き戻す形にまとめたものである。
E_RCDPCT[i]=FE_RCDPCT[i](WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i],Vcd_CDP[i],Vg_CT[i]) ……(5)
ここで、「E_RCDPCT[i]」は、単独熱源ユニット101iに含まれる熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの3つの機器のエネルギー消費量を示す評価値である。「FE_RCDPCT[i]()」は、カッコ内に代入される条件に対して、熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの3つの機器のエネルギー消費量を返す関数である。また、「Vcd_CDP[i]」は冷却水ポンプ14iの冷却水流量を示す変数であり、冷却水による処理熱量Qcd=冷却塔入口温度と冷却塔出口温度の差分(冷却水ΔT)×冷却水流量の関係は自明であり、前記冷却水ポンプ14iの冷却水流量を示す変数を、冷却水ΔT想定値で代替する場合もある。「Vg_CT[i]」は冷却塔13iの冷却塔ファンの風量を示す変数であり、冷却塔での冷却水冷却塔出口温度の設定値に近づくべく制御する対象は冷却塔ファンの風量であり、冷却塔ファン風量の多少と、冷却塔出口温度設定値への近づき度合いの多少とは相関があることは自明であり、前記冷却塔ファンの風量を示す変数を、冷却塔出口温度設定値で代替する場合もある。

0065

つまり、事前のシミュレーションにおいて、ステップS201でのコンピュータは、WB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]の値を拘束条件とし、評価値E_RCDPCT[i]が最小値(最適値)をとる制御変数(Vcd_CDP[i]およびVg_CT[i])の組み合わせを最適解として算出する最適化演算を行う。

0066

具体的には、ステップS201でのコンピュータは、以下の手法により、3つの拘束条件を組み合わせて得られる全てのパターンについて最適化演算を行う。

0067

一例として、拘束条件のうちのWBは、2〜27℃の範囲において5℃刻みで変化して6通りの値をとるものとする。また、拘束条件のうちのQc_R[i]は、10〜100%の範囲において10%刻みで変化して10通りの値をとるものとする。また、拘束条件のうちのTc_out_R[i]は、7〜12℃の範囲において0.5℃刻みで変化して11通りの値をとるものとする。このとき、3つの拘束条件の組み合わせは、660種類(6×10×11)のパターンとなる。

0068

そして、コンピュータは任意の拘束条件の組み合わせを1種類選択し、選択された拘束条件の組み合わせの下で、式(5)による評価値E_RCDPCT[i]が最小値(最適値)をとる制御変数の組み合わせ(Vcd_CDP[i]およびVg_CT[i])を最適解として算出する。この評価値E_RCDPCT[i]の算出のときには、コンピュータは、Vcd_CDP[i]を0〜100%の範囲において10%刻みで変化させ、Vg_CT[i]を0〜100%の範囲において10%刻みで変化させるものとする。この最適化演算により、選択された1種類の拘束条件の組み合わせに対しては、最適解となる制御変数の組み合わせ(Vcd_CDP[i]およびVg_CT[i])が1つ算出される。

0069

次に、コンピュータは、拘束条件の組み合わせを変化させて、660種類の全てのパターンについて上記と同様の最適化演算を実行する。これにより、コンピュータは、拘束条件の組み合わせと、その条件で最適解となる制御変数の組み合わせとの対応関係の情報を、660種類の全てのパターン分取得する。

0070

ステップS202では、コンピュータは、ステップS201でのWB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]の組み合わせにおける最適解の算出結果に基づいて、「熱源機11i、冷却塔13iおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーの算出関数」を生成する。この「熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーの算出関数」は、各々の単独熱源ユニットについてそれぞれ生成される。

0071

例えば、コンピュータは、ステップS201での最適解の算出結果に基づいて、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]の3つの変数から、熱源機11i、冷却塔13iおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーを求めるための式(6)に示す関数を生成する。
E_RCDPCT_min[i]=FE_RCDPCT_min[i](WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]) ……(6)
ここで、「E_RCDPCT_min[i]」は、熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーを示す変数であり、「FE_RCDPCT_min[i]()」は、シミュレーションの結果に基づいて、カッコ内に代入される変数に対して、熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーを返す関数である。

0072

また、ステップS202で生成される「熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーの算出関数」は第1の情報の一例である。ステップS201で説明したように、事前シミュレーションでの最適化演算は拘束条件の組み合わせの各パターンに対して行われ、各パターンに対応する3つの機器の最小消費エネルギーも求められている。これを利用して、第1の情報の関数は、3つの拘束条件のパターンの入力と、そのパターンでの最小消費エネルギーを示す出力値とが対応付けされたデータテーブルの形式で生成される。第1の情報のデータテーブルは、リアルタイムコントローラ105の記憶部107に格納されることとなる。

0073

ステップS203では、コンピュータは、ステップS201でのWB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]の組み合わせにおける最適解の算出結果に基づいて、「冷却水ポンプ14iの最適運転関数」を生成する。この「冷却水ポンプ14iの最適運転関数」は、各々の単独熱源ユニットについてそれぞれ生成される。

0074

例えば、コンピュータは、ステップS201での最適解の算出結果に基づいて、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]の3つの変数から、冷却水ポンプ14iの冷却水流量を求めるための式(7)に示す関数を生成する。
Vcd_CDP[i]=FVcd_CDP[i](WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]) ……(7)
ここで、「FVcd_CDP[i]()」は、ステップS201での最適解の算出結果に基づいて、カッコ内に代入される条件に対して、冷却水ポンプ14iの冷却水流量を返す関数である。

0075

また、ステップS203で生成される「冷却水ポンプ14iの最適運転関数」は第2の情報の一例である。ステップS201で説明したように、事前シミュレーションでの最適化演算は拘束条件の組み合わせの各パターンに対して行われ、各パターンに対応する最適解の冷却水流量も求められている。これを利用して、第2の情報の関数は、3つの拘束条件のパターンの入力と、そのパターンでの冷却水流量を示す出力値とが対応付けされたデータテーブルの形式で生成される。第2の情報のデータテーブルは、リアルタイムコントローラ105の記憶部107に格納されることとなる。

0076

ステップS204では、コンピュータは、ステップS201でのWB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]の組み合わせにおける最適解の算出結果に基づいて、「冷却塔13iの最適運転関数」を生成する。この「冷却塔13iの最適運転関数」は、各々の単独熱源ユニットについてそれぞれ生成される。

0077

例えば、コンピュータは、ステップS201での最適解の算出結果に基づいて、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]の3つの変数から、冷却塔13iの冷却塔ファンの風量を求めるための式(8)に示す関数を生成する。
Vg_CT[i]=FVg_CT[i](WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]) ……(8)
ここで、「FVg_CT[i]()」は、ステップS201での最適解の算出結果に基づいて、カッコ内に代入される条件に対して、冷却塔13iの冷却塔ファンの風量を返す関数である。

0078

また、ステップS203で生成される「冷却塔13iの最適運転関数」は第3の情報の一例である。ステップS201で説明したように、事前シミュレーションでの最適化演算は拘束条件の組み合わせの各パターンに対して行われ、各パターンに対応する最適解の冷却塔の風量も求められている。これを利用して、第3の情報の関数は、3つの拘束条件のパターンの入力と、そのパターンでの冷却塔ファンの風量を示す出力値とが対応付けされたデータテーブルの形式で生成される。第3の情報のデータテーブルは、リアルタイムコントローラ105の記憶部107に格納されることとなる。

0079

なお、第1の情報から第3の情報のデータテーブルは、S201の最適化演算の結果に基づいて同時に決定される。また、S202〜S204で生成される第1の情報から第3の情報のデータテーブルでは、WB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]の各変数の刻みが離散的であり、データテーブル上では限られたWB,Qc_R[i]およびTc_out_R[i]のパターンについてのみ出力値の情報が保持されている。そのため、後述のリアルタイム制御時に、データテーブル上で変数の刻みがない箇所に対応する最小消費エネルギーの情報が必要となる場合、リアルタイムコントローラ105は、データテーブルの出力値を用いて公知の3次元線形補間をすることで、所望の変数に対応する出力値を求めることとなる。

0080

ステップS205において、コンピュータは、全ての単独熱源ユニット101についてステップS202〜S204の各関数が生成されたか否かを判定する。全ての単独熱源ユニット101についてステップS202〜S204の各関数が生成された場合(YES)には、コンピュータは事前のシミュレーションの処理を終了する。一方、いずれかの単独熱源ユニット101についてステップS202〜S204の各関数が生成されていない場合(NO)には、ステップS201に戻って、コンピュータは上記の処理を繰り返す。ステップS201からS205のループにより、シミュレーションのときには、単独熱源ユニット101(1)〜101(n)についてそれぞれステップS202〜S204の各関数が生成されることとなる。

0081

そして、図4に示す制御例のステップS206以降の処理は、図1または図2に示す熱源制御システム100のリアルタイムコントローラ105で実行されるリアルタイム制御時の処理である。

0082

熱源制御システム100のリアルタイム制御において、リアルタイムコントローラ105は、上記の第1の情報を用いて、複合熱源のシステム全体の消費エネルギーを最適化問題の式の形にする。そして、リアルタイムコントローラ105は、WB,Vc2,Tcr2を拘束条件、Vc_R[1-n],Tc_out_R[1-n]を制御変数として複合熱源の消費エネルギーが最小となるように最適化を行い、冷水流量と冷水出口温度を最適解として制御目標値とする演算を行う。リアルタイム制御時の演算入力には、事前想定値ではなくリアルタイムの計測値と運転状態の情報を用いることで、リアルタイムコントローラ105は、冷凍熱量を冷凍機冷水で入口温度差を一定と仮定して制御変数とする場合より、冷凍熱量としての温度と流量をそれぞれ制御変数にした精度の高い最適化を行うことができる。そして、ステップS201でのコンピュータは拘束条件のうち外気湿球温度WBを2〜27℃の範囲で5℃刻み変化の6通りの値だけを実行しているが、リアルタイム制御時の演算入力には、事前想定値である6通りの値ではなくリアルタイムの外気湿球温度計測値を代入するので精度の高い最適化を行うことができる。

0083

つまり、事前シミュレーションを行うコンピュータでは、拘束条件のうち外気湿球温度WBを、例えば、2〜27℃の範囲で5℃刻み変化の6通りの値だけを実行してデータテーブル関数を作成しているが、リアルタイム制御時の演算入力には、事前想定値である6通りの値ではなくリアルタイムの外気湿球温度計測値を代入するので精度の高い最適化を行うことができる。

0084

また、熱源制御システム100のリアルタイム制御において、リアルタイムコントローラ105は、上記の第2の情報を用いて、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]を関数の入力として冷却水流量の最適運転関数から冷却水流量の制御目標値を求める演算を行う。同様に、熱源制御システム100のリアルタイム制御において、リアルタイムコントローラ105は、上記の第3の情報を用いて、WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]を関数の入力として冷却塔風量の最適運転関数から冷却塔風量の制御目標値を求める演算を行う。

0085

これらの処理によって、リアルタイムコントローラ105は、リアルタイム制御時に4つの制御目標値(冷水流量、冷凍機冷水出口温度、冷却水流量、冷却塔風量)を同時に算出することができる。なお、リアルタイム制御時には、例えば5〜20分程度の周期で4つの制御目標値を算出する動作を実行する。

0086

以下、図4のステップS206以降の処理の内容を詳細に説明する。

0087

ステップS206では、熱源制御システム100のリアルタイムコントローラ105は、以下の式(9)により、複合熱源のエネルギー消費量の最適化を行う。
Etotal=Σ{FE_RCDPCT_min[i](WB,Qc_R[i],Tc_out_R[i])+FE_CP[i](Vc_R[i])}
=FEtotal(WB,Vc2,Tcr2,Vc_R[1-n],Tc_out_R[1-n]) ……(9)
ここで、「FE_CP[i]」は、カッコ内に代入される条件に対して、ハードとしてのポンプの実際の流量と動力との性能曲線から得られる関係から求めた、1次冷水ポンプ12の消費エネルギーを返す関数である。「FEtotal()」は、カッコ内に代入される条件に対して、複合熱源のエネルギー消費量を返す関数である。「Vc2」は、2次冷水流量を示す変数であり、「Tcr2」は2次冷水還温度を示す変数である。

0088

なお、ステップS206において、リアルタイムコントローラ105は、拘束条件のWB,Vc2およびTcr2にはセンサの計測値を代入し、評価値Etotalが最適値となる制御変数Vc_R[1-n]およびTc_out_R[1-n]の組み合わせをリアルタイムで求める。

0089

各々の単独熱源ユニット101iでのエネルギー消費量を求める式は、熱源機11i、冷却塔13iの冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14iの最小消費エネルギーを求める式(第1の式)である上記の式(6)と、1次冷水ポンプ12の消費エネルギーとを求める式(第2の式)を合計することで導くことができる(なお、各々の単独熱源ユニット101iでのエネルギー消費量を求める式を第3の式とも称する)。

0090

そして、複合熱源でのエネルギー消費量は、複合熱源のうちから稼働させる単独熱源ユニット101(1)〜101(n)の組み合わせを決定し、稼働させる単独熱源ユニット101(1)〜101(n)のエネルギー消費量を合計することで、式(9)の最上行のようにまとめることができる。この複合熱源でのエネルギー消費量は、整理すると式(9)の最下行のような最適化問題の形式で表すことができる。なお、式(9)の整理の過程は省略する。

0091

上記の考えに基づいて式(9)を導出し、複合熱源の全ての機器での消費エネルギーの合計値が最小値となるように式(9)に基づく最適化計算を行うと、リアルタイムコントローラ105は、最適解として熱源機11(1)〜11(n)に対応する冷水流量と冷水出口温度とをそれぞれ得ることができる。

0092

例えば、リアルタイムコントローラ105は、拘束条件がWB,Vc2およびTcr2のときに、評価値Etotalが最小値(最適値)となる制御変数Vc_R[1-n]およびTc_out_R[1-n]の組み合わせを求める。リアルタイム制御時の最適化演算では、式の入力となる拘束条件は、リアルタイム制御時の状況に応じて一意に決定されている。つまり、リアルタイムコントローラ105は、拘束条件のWB,Vc2およびTcr2にはセンサの計測値を代入し、評価値Etotalが最適値となる制御変数Vc_R[1-n]およびTc_out_R[1-n]の組み合わせをリアルタイムで求める。なお、上記の演算のときに点検や故障等により稼働していない熱源機11iについては、Vc_R[i]=0として最適化演算を行えばよい。この操作が行えるため、リアルタイムの各冷凍機や各単独熱源の運転状態を使ってリアルタイムで最適計算ができ、冷凍機の運転台数および運転順序を予め想定した最適計算は不要となり、現在運転中の冷凍機だけでの最適な運転が演算処理が容易な形で可能となる。

0093

このような最適化演算により、リアルタイムコントローラ105は、熱源機11(1)〜11(n)に対応する冷水流量を一次冷水ポンプ12の制御目標値(Vc_R[1-n])とし、熱源機11(1)〜11(n)に対応する冷水出口温度を熱源機11(1)〜(n)の制御目標値(Tc_out_R[1-n])とする。

0094

ステップS207では、リアルタイムコントローラ105は、ステップS203で生成された「冷却水ポンプ14iの最適運転関数」のデータテーブルを用いて、冷却水ポンプ14の冷却水流量の制御目標値(Vcd_CDP[1-n])を求める。このとき、リアルタイムコントローラ105は、関数入力となるWB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]にはセンサの計測値を代入し、制御目標値(Vcd_CDP[1-n])をリアルタイムで求める。演算結果である「Vcd_CDP[i]」の実際量が冷却水流量である場合は、冷却水ポンプインバータ周波数に比例させ、「Vcd_CDP[i]」の実際量が冷却水ΔT想定値である場合は、「冷凍機の冷却水出口温度設定値=冷凍機の冷却水入口温度計測値(冷凍機の運転不具合防止のため計測必要)+冷却水ΔT想定値」とし、冷凍機の冷却水出口温度計測値が冷却水出口温度設定値になるように冷却水ポンプの変流量制御を行う。前者は計算ロジックそのものであるが熱媒の流量だけを管理し、温度場については直接制御していない。流量を管理しているので負荷に見合った流量は管理できる。後者のΔTを代表値に用いることで、冷凍機の凝縮器における冷却水出口温度が低下すると、蒸発器との圧力差が小さくなりすぎる場合があり、圧縮ガス漏洩防止のための圧縮機周辺金属筐体の隙間充填をかねた潤滑油の循環が滞り焼きつきの原因になるが、これを防止する働きをも、演算結果である「Vcd_CDP[i]」の実際量に持たせることができる。

0095

ここで、ステップS207で関数の入力となるQc_R[i]の値は、次の式(10)から求める。
Qc_R[i]=Cpw・ρw・Vc_R[i]・(Tc_in_R[i]-Tc_out_R[i]) …(10)
ここで、式(10)での「Vc_R[i]」および「Tc_out_R[i]」はいずれもステップS206での演算結果である。また、式(10)での「Tc_in_R[i]」は計測値である。「Cpw」は水の比熱を示す物理定数であり、「ρw」は水の密度を示す物理定数である。

0096

ステップS208では、リアルタイムコントローラ105は、ステップS204で生成された「冷却塔13iの冷却塔ファンの最適運転関数」のデータテーブルを用いて、冷却塔13の風量の制御目標値(Vg_CT[1-n])を求める。このとき、リアルタイムコントローラは、関数入力となるWB,Qc_R[i],Tc_out_R[i]にはセンサの計測値を代入し、制御目標値(Vg_CT[1-n])をリアルタイムで求める。演算結果である「Vg_CT[i]」の実際量が冷却塔風量である場合は、冷却塔風量ファンインバータ周波数に比例させ、「Vg_CT[i]」の実際量が冷却塔出口温度設定値である場合は、冷却塔出口温度計測値が冷却塔出口温度設定値となるように冷却塔ファン変風量制御を行う。冷却塔出口設定値とは、冷凍機への冷却水入口温度設定値と同じになることが多く、冷凍機の凝縮器における冷却水入口温度が低下すると、蒸発器との圧力差が小さくなりすぎる場合があり、圧縮ガスの漏洩防止のための潤滑油の循環が滞り焼きつきの原因になったり、冷凍機の凝縮器における冷却水入口温度が上昇しすぎると、凝縮器が異常高圧になったりするが、これらを防止する働きをも、演算結果である「Vg_CT[i]」の実際量に持たせることができる。
なお、ステップS208においても、Qc_R[i]の算出方法はステップS207と同様である。

0097

このようにして、リアルタイム制御時には、リアルタイムコントローラ105は、算出された4つの制御目標値に基づいて、熱源制御システム100の複合熱源に含まれる各要素を制御する。以上で、図4に示す制御例の説明を終了する。

0098

以下、本実施形態の制御例での作用効果を述べる。

0099

まず、図4に示す本実施形態の制御では、単独熱源ユニット101の要素のうち、2次側の温度差ΔTと冷水流量を考慮せずに熱量だけの問題となる熱源機11、冷却塔13および冷却水ポンプ14の消費エネルギーの場合と、2次側の温度差ΔTにより熱量から冷水流量を考慮する必要のある1次冷水ポンプ12の消費エネルギーの場合とを切り分けて考える。

0100

前者については事前のシミュレーションが可能であるため、リアルタイムの制御での演算負荷を軽減する観点からシミュレーションによる事前演算が好ましい。一方、後者については、2次側の運転状況に応じてΔTの値が逐次変化し、事前のシミュレーションでの特定は非常に困難であるが、リアルタイムでの演算時には計測値を使用すれば足りるので、リアルタイム制御時にはその特定が容易である。

0101

前者については、事前のシミュレーションに基づいて「熱源機11、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14の最小消費エネルギーの算出関数」、「冷却水ポンプ14の最適運転関数」、「冷却塔13の最適運転関数」のデータテーブルをそれぞれ生成する(S201〜S204)。そして、リアルタイムコントローラ105は、これらの関数のデータテーブルに計測値を入力することで熱源機11、冷却塔13および冷却水ポンプ14の最小消費エネルギーや、制御目標値(Vcd_CDP[1-n],Vg_CT[1-n])をそれぞれリアルタイムで求める(S206〜S208)。

0102

また、後者については事前のシミュレーションによるテーブル作成は行わずに、リアルタイムコントローラ105はリアルタイムの演算で1次冷水ポンプ12の消費エネルギーを求めている(S206)。そして、リアルタイムコントローラ105は、データテーブルで求めた熱源機11、冷却塔13の冷却塔ファンおよび冷却水ポンプ14の最小消費エネルギーと、リアルタイムの演算で求めた1次冷水ポンプ12の消費エネルギーを合計して単独熱源ユニット101ごとにエネルギー消費量を求める式を生成している(S206)。これにより、本実施形態によれば、上記のように流量と温度とを分解して最適化計算を行うことで、事前のシミュレーションとリアルタイム制御時の演算量やデータテーブルのデータ量を抑制しつつ、従来よりも精度の高い制御目標値を算出する最適制御が可能となる。

0103

また、本実施形態では、外気湿球温度や冷凍機冷水の入口出口温度差ΔTの算出に入口温度の計測値および出口温度の計測値や演算値を用いるので、これらのパラメータを固定値とする場合と比べて精度の高い制御目標値を算出する最適制御が可能となる。

0104

さらに、図4に示す本実施形態の制御では、単独熱源ユニット101の最適化は事前のシミュレーションで部分的には行うものの、複合熱源全体としての最適化の計算はリアルタイムで実行している(S206)。そのため、リアルタイムコントローラ105は、演算時に稼働できない単独熱源ユニット101を除外して最適化を行うことができ、単独熱源ユニット101の稼働台数と稼働順序を自由に設定することが可能となる。また、複合熱源全体としての最適化の計算はリアルタイムで実行し、その結果による空調負荷への冷水供給温度を演算決定できるため、単独熱源ユニット101ごとの冷水出口温度をそれぞれの最小消費エネルギー基準で変更することが可能となる。つまり、それぞれの単独熱源の冷水出口温度とその冷水流量の合算で狙った空調負荷への冷水供給温度になるよう演算するのである。また、この演算が可能なため、リアルタイムでの空調負荷側の冷水供給温度と冷水還温度と冷水流量の各計測値から、単独熱源ユニット101ごとの冷水出口温度をそれぞれの最小消費エネルギー基準で変更することで、ヘッダ間バイパス流量も極小化しながらの最適制御が可能となる。

0105

(実施形態の補足事項
上記の実施形態の説明では、熱源の最適制御の一例として、熱源制御システムでのエネルギー消費量を最適化する計算例を説明した。しかし、本発明は、熱源制御システムにおいて、例えばCO2の排出量やコストなどの他の指標が小さくなるように制御目標値を算出する最適制御の計算にも同様に適用できる。

0106

以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。

0107

11…冷凍機(熱源機R)、12…1次冷水ポンプ、13…冷却塔、14…冷却水ポンプ、100…熱源制御システム、101…単独熱源ユニット、102…往ヘッダ、103…還ヘッダ、104…空調機(AHU)、105…リアルタイムコントローラ、106…外気温湿度センサ、107…記憶部

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