CN104272029B - 区域热能供给网的控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种区域热能供给网的控制装置，该区域热能供给网通过使区域内分散存在的热源与需求住户连接来进行热能或冷能的供给，其中，该区域热能供给网的控制装置具备：预测所述热源的热生成量和所述需求住户的热需求量的机构；以及评价所述区域热能供给网的热介质的能量损失量的机构，利用所述热生成量、所述热需求量、所述热介质的能量损失量的信息以使所述区域热能供给网的能量消耗量达到最小的方式制作与所述区域热能供给网连接的设备的运转计划，根据该运转计划来控制所述设备，由此，在区域热能供给网中存在分散的热源·排热源的情况下，能够考虑到热介质的散热损失、压力损失使热源设备、搬运设备的运转达到最佳，并且能够减少区域热能供给网整体的能量消耗量。

Description

区域热能供给网的控制装置
技术领域
本发明涉及一种区域热能供给网的控制装置，其在从分散的热源施设、排热源向分散的需求住户供冷、供热的热能供给网中减少热源设备、搬运设备为了进行热供给而消耗的能量或者CO2排出量。
背景技术
作为本技术领域的背景技术，例如，专利文献1记载有能够理想地应用于区域供冷供热***并且能够自动且高效地运转的热介质的搬运***。
另外，专利文献2记载有一种新颖且经过改进的区域热供给***，其实现了中央成套设备的热源***的能量利用效率的提高与低成本化，并且通过增大区域热供给配管设备的热搬运动力来减少设备的原始成本以及运行成本，还能够扩大需求住户侧设备的选择范围。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－243718号公报
专利文献2：日本特开平9－210413号公报
发明概要
发明要解决的课题
在专利文献1中记载有如下方法：预先获得根据过去的热负荷状态计算出的预测热负荷，通过根据该预测热负荷来控制发热单元，从而高效地运转热供给成套设备。但是，该方法是考虑到发热单元集中存在的情况的方法，对于减少热源分散存在的情况下的区域热能供给网整体的能量消耗量的方法没有进行描述。
在专利文献2中记载有如下方法：对于多个需求住户设备组的热供给，将往复路配管串联连接，向串联连接下游侧的需求住户设备组供给从串联连接上游侧的需求住户设备组返回的热源水。根据该结构，虽能够提高中 央热源***的能量利用效率，但该情况也是在热源设备集中的情况下有效地利用其热量的方式，没有叙述在热源分散存在的情况下减少区域热能供给网整体的能量消耗量的方法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供在大规模的区域热能供给网中存在分散的热源·排热源而不能忽略热介质的散热损失、压力损失的情况下，考虑到这些问题使热源设备、搬运设备的运转最佳化并减少区域热能供给网整体的能量消耗量的方法。
用于解决课题的手段
本申请包含多个解决所述课题的方法，列举其中一例，区域热能供给网的控制装置通过连接在区域内分散存在的热源与需求住户来进行热能或冷能的供给，其特征在于，该区域热能供给网的控制装置具备：预测所述热源的热生成量和所述需求住户的热需求量的机构；以及评价所述区域热能供给网中的热介质的能量损失量的机构，利用所述热生成量、所述热需求量、所述热介质的能量损失量的信息以使所述区域热能供给网中的能量消耗量达到最小的方式制作与所述区域热能供给网连接的设备的运转计划，根据该运转计划来控制所述设备。
本说明书包含本申请的优先权的基础、即日本专利申请2012－018866号的说明书以及/或者附图所记载的内容。
发明效果
根据本发明，在区域内分散存在热源与需求住户的情况下，能够考虑到热介质的散热损失、压力损失使与区域热能供给网连接的热源设备、搬运设备的运转最佳化，能够减少区域热能供给网整体的能量消耗量、CO2排出量。
利用以下实施方式的说明来明确上述以外的课题、结构以及效果。
附图说明
图1是区域热能供给网的控制装置的构成图的例子。
图2是表示配管接点处的热介质的流入·流出的图的例子。
图3是实施例1的区域热能供给网的控制装置101的应用例。
图4是热源装置A301与热源装置B302的功率特性的例子。
图5是从多个热源设备向多个需求住户供热的区域热能供给网的例子。
图6是实施例2的区域热能供给网的控制装置101的应用例。
图7是实施例3的区域热能供给网的控制装置101的应用例。
图8是表示用于在排热供给源或者基于自然能量的热供给源存在的情况下求出全部热需求量的流程的图的例子。
图9是实施例4的区域热能供给网的控制装置101的应用例。
图10是实施例5的区域热能供给网的控制装置101的应用例。
附图标记说明
101 区域热能供给网的控制装置
102 热需求预测部
103 排热量预测部
104 散热·压力损失评价模型制作部
105 最佳计算部
106 控制部
107 数据库
108 需求住户
109 区域热能供给网
110 模型算式化部
111 基于自然能量的热生成量预测部
具体实施方式
以下，参照附图对实施例进行说明。
[实施例1]
在本实施例中，对区域热能供给网的控制装置的例子及其应用例进行说明。
图1示出区域热能供给网的控制装置的一例。区域热能供给网的控制装置101具备：热需求预测部102，其根据来自数据库107的信息来预测区域热能供给网109中的各个热需求住户的热需求量；排热量预测部103，其预测来自各排热源的排热量；以及基于自然能量的热生成量预测部111，其预测基于自然能量的热生成量，该区域热能供给网的控制装置101还包括：散热·压力损失评价模型制作部104，其根据需求住户108输入的信息来制作能够评价区域热能供给网的散热·压力损失的模型；模型算式化部110，其将在散热·压力损失评价模型制作部104中制作的区域热能供给网的模型变换为用于进行最佳计算的模型式，汇焓需求预测部102的信息、排热量预测部103的信息以及基于自然能量的热生成量预测部111的信息而生成最佳化计算所需的算式；最佳计算部105，其根据利用模型算式化部110制作的式而使最小化区域热能供给网109的能量使用量的热源设备与热介质的搬运设备的运转计划达到最佳；以及控制部106，其根据利用最佳计算部105制作的运转计划向以上设备或者以上设备的控制装置发送控制信号，以使热源设备与热源的搬运设备工作。需要说明的是，所谓热源设备表示生成热能冷能的热泵、蒸发器、吸收制冷机等。
热需求预测部102与排热量预测部103从数据库107利用星期、天气、气温等过去的条件、预测值、各个热需求住户已使用的热量、来自作为排热源的施设的排热量的实绩数据、使热源设备·搬运设备的运转计划达到最佳的期间内的各个热需求住户、作为排热源的施设的运转计划等信息，使用多重回归·主成分分析、记忆基础推理等方法来进行预测。基于自然能量的热生成量预测部111使用天气、气温、日照量等气象条件的预测值，利用自然能量供给设备的设备特性而求出该热生成量。或者在使用所述预测值的同时一并使用气象条件和关于该条件下的输出的过去的实绩数据，通过使用多重回归·主成分分析、记忆基础推理等方法来预测热生成量。
散热·压力损失评价模型制作部104由需求住户108输入生成散热·压力损失评价模型所必需的信息(关于配管包括配管直径、热传递率、配管长度、配管彼此的连接关系等信息，关于热源装置包括其额定热源供给量、输出温度、热源装置的特性、额定消耗能量等信息，关于需求住户包括其热需求量等信息，其他包括换热器、泵的特性值、设置位置等信息。)。 作为输入方法，既可以采用用户按照文本基础(text base)填写的方式，也可以采用使用GUI而配置并连接各装置等的组件并且输入必要的值的方式。
通过向模型算式化部110给予从模型制作部104获得的信息而使模型算式化部110预先具有仅改变参数值就能够进行最佳化计算那样的约束方程、目标函数。作为其例子，数1、数2示出在图2所示的各配管的接口即接点q204处成立的、质量守恒定律与焓守恒定律。
[数1]
[数2]
在数1以及数2中，wO是从接点q204流出的热介质的质量流量，wI是向接点q204流入的热介质的质量流量，j是使热介质从接点q204流出的配管201的编号，k是使热介质向接点q流入的配管202的编号。需要说明的是，流动方向由箭头203示出。HO是从接点q204流出的焓，hI是向接点q204流入的焓。与这样的守恒定律等在以往的最佳化计算中使用的式同样地准备并使用式。在本发明中，在此基础上加入考虑到配管的损失的式来计算。数3的关系表示散热损失，数4表示压力损失。
[数3]
QR(p)＝πhd(p)L(p)(TI(p)-TO(p))
[数4]
ΔPP(p)＝A×d(p)1.42×L(p)-0.29×w(p)-0.54
在数3中，p表示配管编号，QR表示配管中的散热量，h表示配管的热传递率，d表示配管的直径，TO表示配管的出口温度，TI表示配管的入口温度，L表示配管的长度。在数4中，ΔPP表示配管的两端的差压，A表示比例常量，d表示配管的直径，L表示配管的长度，w表示配管内的 质量流量。此外，泵的耗电量利用使用数4的压力损失求出的泵的出入口之间的压差ΔPM而根据以下的数5所示的式来求得。
[数5]
这里，m表示泵编号，E’M表示泵的耗电量，B表示比例系数，V表示体积流量，ηM表示泵功率，ηE表示电动机功率。通过使用这些式，在以往的热源设备运转最佳化计算中，作为给予热量的需求与供给的关系的约束方程的数7通过数9来获取，作为最佳化对象的全设备消耗能量时的目标函数的数6通过数8来获取。需要说明的是，对于热量的需求与供给之间的关系，除了数9所示的区域热能供给网整体的关系之外，还添加使各需求住户的热需求与来自配管的供给热量平衡的制约条件。
[数6]
[数7]
[数8]
[数9]
在数6中，i表示热源设备的编号，EF表示热源设备i的消耗能量。在数7中，QF表示热源设备的供热量，I表示需求住户，QD表示需求住户的热需求量。在数8中，m表示泵编号，E’M表示泵的耗电量。在数9中，QR表示配管的散热量。通过使用这些式，能够使考虑到配管的损失的热源设备与泵的运转计划达到最佳。需要说明的是，虽没有明示，但数6的热 源设备的耗能量包含设备的起动停止消耗等以往的设备的运转计划最佳化所包含的耗能量。模型算式化部110利用由需求住户108通过散热·压力损失评价模型制作部104输入的信息而生成在以上计算中使用的约束方程、目标函数。例如，数3通过向各个配管模型输入成为设定参数的配管长度等从而生成针对全部配管的约束方程。作为其他式，具有焓的定义式、换热的式、热源设备的效用、能量的特性式等。通过向这些式中的、输入预测值作为参数的位置输入利用热需求预测部102、排热量预测部103、基于自然能量的热生成量预测部111获得的值，由此生成在最佳计算中使用的式。
最佳计算部105使用如此利用模型算式化部110获得的约束方程与目标函数来执行最佳化计算。目标函数是作为对象的热供给网整体的消耗能量，最佳化的变量是热源设备的负荷率、表示接通切断的0－1变量、管网的质量流量(或者各配管连接部的压力)。根据以往的仅以负荷率和接通切断作为对象的目标函数，包含质量流量的最佳化、且包含根据数3获得的散热、根据数5获得的泵的消耗能量而进行***整体的最佳化。该最佳化问题因数3、后述的式为非线性而为非线性规划问题，作为求得其解的方法，既可以使用分析的方法，也可以使用遗传算法、退火法等启发式的方法。在实际上能够线性化的情况下，也可以使用线性规划法。
图3示出本发明的区域热能供给网的控制装置101的应用例即实施例1。热源装置A301与热源装置B302生成热水，该热水通过供给配管网305供给至需求住户303。另一方面，使用后的热水通过返回配管网306返回到热源装置A301与热源装置B302。(在该实施例1中，假定泵304的消耗能量比热源装置A、B小很多。)
图4示出热源装置A301以及热源装置B302各自具有的功率特性。负荷率x1、x2表示施加于各装置的热负荷Q1、Q2与施加于各装置的最大热负荷量(也称作QMAX)之比。这样，若使用功率不同的两台装置，即使两台装置的供热量之和是相同的值，总消耗能量也会因各装置的输出的获得方法而不同。在不考虑配管网的影响的简单热源设备的运转达到最佳(以热源设备的接通切断与负荷率作为最佳化变量)的情况下，例如，在需要Q热量的情况下，通过使用数7来求出能量最小时的Q1与Q2的组 合。将其设为图4的α(401)与β(403)(α+β＝Q)。
但是，在不能忽略配管的散热的情况下，若配管网305、306的散热量为ΔQ，则即便需求住户303的需要是Q，也需要利用热源装置A301与热源装置B302补偿ΔQ量的热量，总热需求量Qnet为Q+ΔQ。在这样的情况下，将成为运转计划最佳化的对象的设备中的几个用作负荷的自动追踪机来补充不足部分。这里，热源装置B承担该作用。于是，热源装置B302的热供给量从β(403)移动至β’(404)。但是，观察图4可知，在该运转中热源装置B的功率仅是略微上升。另一方面，若利用热源装置A补充该热量，则运转点从α(401)向α’(402)移动。在该情况下可知，由于热源装置A的功率更大幅度上升，因此与利用热源装置B进行补充的情况相比，热源装置A、B的能量消耗量之和减少。特别是，如图5所示，在存在多个需求住户与热源设备且流动方式是没有唯一确定的配管网501这样的状况下，利用流动方式来改变散热量，在以往方法中没有出现对应的方法。
另一方面，本发明的区域热能供给网的控制装置101的特征在于，考虑到其散热。通过使用数9，能够将流路和相对于其路径的散热量包括在最佳化计算内进行计算，因此能够实现考虑到散热的最佳化。若具体写出目标函数，则成为***整体的消耗能量，以数10示出。这里，EA表示热源设备A的消耗能量，EB表示热源设备B的消耗能量。
[数10]
E＝EA+EB
在该实施例1的情况下，数11示出热需求量Qnet。QA表示热源装置A的供热量，QB表示热源装置B的供热量，ΔQ表示散热量。
[数11]
Qnet＝QA+QB+ΔQ
通过在以上条件下进行最佳化计算，能够进行考虑到配管网的散热损失的节能运转。在该实施例中，选择α’(402)与β(403)的组合作为热源装置的运转点。
[实施例2]
图6示出本发明的区域热能供给网的控制装置101的应用例即实施例2。这里，利用泵a601与泵b602确定朝向各热源装置的质量流量。因此，泵的搬运动力因质量流量的变化而不同。这里，以热源装置A301的生成热量作为QA，以功率作为ηA，以使用能量作为EA，以热源装置B302的生成热量作为QB，以功率作为ηB，以使用能量作为EB。于是，利用下式的数12来表示EA与EB。
[数12]
并且，使用数4和数5表示泵的电力。
使用这些式，利用以下的数13表示图6所示的区域热能供给网的全部耗电量。这里，Ea’表示泵A的使用能量，Eb’表示泵的使用能量。
[数13]
E＝EA+EB+E′a+E′b
为了使该值最小而设定目标函数，与实施例1相同，以各配管网的质量流量、热源装置的负荷率以及接通切断变量(0或者1)作为变量，利用最佳计算部105建立运转计划，由此能够节能。
[实施例3]
图7示出本发明的区域热能供给网的控制装置101的应用例即实施例3。除了热源装置A301之外还存在排热源701，通过换热器702向区域热能供给网的配管供热。流入到换热器702的质量流量由泵703确定，还具备用于指定将利用排热来接受热供给的热介质输送至供给配管网305或返回配管网306中的哪一个的阀704以及阀705。
此时，区域热能供给网的控制装置101利用排热量预测部103来预测排热源701的排热温度。然后，与热源装置A301所输出的热水温度比较，若是由排热量预测部103预测的排热源701的排热温度高于热源装置A301所输出的热水温度，则打开阀704并关闭阀705，由此向供给配管网305供热。在换热器702的出口的温度较低、无法达到比热源装置A301所输出的热水温度高的温度而达到比返回配管网306内的热水温度高的温度的情况下，关闭阀704并打开阀705来进行供热。另外，在无法升高返回配 管网306内的热水温度的情况下，使泵703的质量流量为0，一并关闭阀704与阀705。由此，在排热源701的排热分散存在的情况下，能够通过有效地使用其排热来实现节能。
图8的流程示出其具体的计算方法。该流程以需求住户的热需求量Q’为代表进行评价(S801)，接下来评价排热量Qd(S802)，评价基于自然能量的供热量Qn(S803)，最后从排热量Qd与基于自然能量的供热量Qn中减去需求住户的热需求量Q’，从而求出实质的热需求量Qnet(S802)。在使用该流程而根据与数9相同的式获得包含散热的热需求量Q’的情况下，以从该热需求量Q’减去排热量Qd后的结果作为总热需求量Qnet，之后能够通过进行与实施例1、2相同的最佳化计算来求解。
[实施例4]
图9示出本发明的区域热能供给网的控制装置101的应用例即实施例4。这里，除了热源装置A301之外还存在自然能量利用热源901，通过换热器702向区域热能供给网的配管供热，利用泵703确定流入到换热器702的整体的质量流量，还具备用于指定将利用自然能量接受热供给后的热介质输送至供给配管网305或返回配管网306中的哪一个的阀704以及阀705。
此时，区域热能供给网的控制装置101从数据库107读取天气预报、此前的实绩数据并预测基于此生成的热水温度。与热源装置A301所输出的热水温度比较，若预测的热水温度比热源装置A301所输出的热水温度高，则打开阀704并关闭阀705来向供给配管网305供热。在因自然能量而变热的热介质的温度低、虽无法达到比热源装置A301所输出的热水温度高的温度但能够达到比返回配管网306内的热水温度高的温度的情况下，关闭阀704并打开阀705来供热。另外，在无法升高返回配管网306内的热水温度的情况下，使泵703的质量流量为0，一并关闭阀704与阀705。由此，在自然能量利用热源901存在的情况下，能够通过有效地使用其排热来实现节能。
在具体的计算中，与实施例3同样地采用图9所示的流程的顺序。
[实施例5]
图10示出本发明的区域热能供给网的控制装置101的应用例即实施 例5。实施例5中存在用于热能或冷能的供给的配管网1024以及供需求住户使用后的热介质返回的配管网1025，在配管网1024与配管网1025之间存在热供给设备1001、1004、排热供给源1005、基于自然能量的热供给设备1002、1006、热需求住户1003、1007，利用搬运设备1017～1023向各设备供给热介质。利用换热器1014～1016向供给配管网1024或者返回配管网1025输送排热、基于自然能量的热供给，利用阀1008～1013进行它们的切换。
这样，即使在各设备分散存在的情况下，与实施例1的情况相同，利用散热·压力损失评价模型制作部104制作该热供给***的模型，利用热需求预测部102预测热需求住户1003、1007的热需求，利用排热量预测部103预测排热供给源1005的排热量，根据这些信息利用模型算式化部110使模型算式化，利用最佳计算部105来制作使热供给设备1001、1004的接通切断与负荷率、搬运设备1017～1023的质量流量以及基于阀1008～1013的热介质的质量流量达到最佳的运转计划，由此指定供给配管网1024与返回配管网1025的各配管网中的热介质的质量流量和温度，能够使区域热能供给网的总消耗能量最小化。
在本说明书中引用的全部刊物、专利以及专利申请作为参考而引入本说明书。

Claims (6)

1.一种区域热能供给网的控制装置，该区域热能供给网通过连接在区域内分散存在的热源与需求住户来进行热能或冷能的供给，其中，
该区域热能供给网的控制装置具备：
预测所述热源的热生成量和所述需求住户的热需求量的机构；以及
评价所述区域热能供给网中的热介质的能量损失量的机构，
利用所述热生成量、所述热需求量、所述热介质的能量损失量的信息以使所述区域热能供给网中的能量消耗量达到最小的方式制作与所述区域热能供给网连接的设备的运转计划，根据该运转计划来控制所述设备。
2.根据权利要求1所述的区域热能供给网的控制装置，其特征在于，
所述热介质的能量损失量包含散热所导致的热损失以及压力损失。
3.根据权利要求2所述的区域热能供给网的控制装置，其特征在于，
所述热源是基于自然能量或者排热的热源。
4.根据权利要求3所述的区域热能供给网的控制装置，其特征在于，
根据所述运转计划成为控制对象的所述设备是生成热能或冷能的制冷制热装置或设备，或者是用于搬运热介质的设备，或者是用于调整热介质的流量的设备。
5.根据权利要求4所述的区域热能供给网的控制装置，其特征在于，
在所述设备的控制方法中，对所述生成热能或冷能的制冷制热装置或设备进行接通切断控制或者其负荷率的调节，对所述用于搬运热介质的设备进行接通切断控制或者其搬运流量的调节，对所述用于调整热介质的流量的设备进行其流量的调整。
6.根据权利要求5所述的区域热能供给网的控制装置，其特征在于，
调整所述热介质的流量对于从基于自然能量的热源释放出的热介质而言，包含将所述热介质送出到冷能热能的供给配管网或者送出到返回配管网的调整、以及阻止流动的接通切断的控制。
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