JP2016061512A - 熱源プラントの運転計画作成装置および運転計画作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器からビルや工場等の需要家に冷水や温水を供給する熱源プラントの最適運転計画を高速で作成することのできる熱源プラントの運転計画作成装置および運転計画作成方法を提供する。【解決手段】各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成し、各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する。【選択図】図４

Description

本発明は、熱源プラントの運転計画作成装置および運転計画作成方法に係り、例えば、蓄熱槽を活用しながら各熱源機器からビルや工場等の需要家に冷水や温水を供給する熱源プラントの最適運転計画を立案する運転計画作成装置および運転計画作成方法に関する。

近年、地球温暖化防止が喫緊の課題となっており、エネルギー起源のＣＯ_２排出を削減することが求められている。この点に関し、製造業では、石油ショックを契機に、製造プロセスの改変、高効率省エネ機器の導入、燃料転換等による省エネ化が積極的に進められ、エネルギー消費はほぼ横ばいで推移している。

しかし、製造業のエネルギー消費量は国内の約４０％と依然として高い割合を占めている。また、住宅、業務部門では、快適さや利便性を求めるライフスタイルの普及を背景にエネルギー消費は年々増加している。

今後、より一層の省エネ・ＣＯ_２排出削減を実現するためには、ビルや工場等の需要家に電気や熱エネルギーを供給する熱源設備を高効率で運転することが求められている。

このような要請に対し、特許文献１には、目的関数を最小にする混合整数線型計画法を用いて、各熱源機器の起動・停止および負荷率（出力／定格出力）を最適化した蓄熱槽を含む熱源システムの最適運転スケジュールを決定する従来技術が開示されている。

特許文献１に開示されている熱源運転支援制御方法は、前記熱源システムを構成する各機器の運転・停止状態を表す変数の一部を予め連続変数に設定する変数設定手順と、前記熱源システムの負荷を予測する負荷予測演算手順と、この負荷予測演算手順で予測した負荷予測値と前記目的関数と前記運転・停止状態を表す変数とに基づいて、前記熱源システムの最適運転スケジュールを決定する最適運転スケジュール演算手順とを備えた方法である。

特許文献１に開示されている熱源運転支援制御方法によれば、熱源システムを構成する各機器の運転・停止状態を表す変数の一部を予め連続変数に設定するようにしたので、目的関数を最小にする混合整数線型計画法により熱源システムの最適運転スケジュールを演算する際の機器の運転・停止状態を表す整数変数の個数を減らすことができ、経済性だけでなく、省エネルギー性や環境保全性、制御性といった多様な要求に対応可能な最適運転スケジュールを合理的な計算時間で決定することができる。

特開２００４−３１７０４９号公報

ところで、従来では、一般にビルや工場等の需要家単位で個別に熱源システムを構成する各熱源機器の運転計画が作成されており、最適運転計画の作成に要する時間的な制約は厳しくなかった。しかしながら、近時では、クラウドサービスといった複数の需要家を対象として最適運転計画を作成して配信するサービスが開始されており、最適運転計画作成の更なる高速化が望まれている。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器からビルや工場等の需要家に冷水や温水を供給する熱源プラントの最適運転計画を高速で作成することのできる熱源プラントの運転計画作成装置および運転計画作成方法を提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置は、蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成装置であって、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする。

また、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置は、蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成装置であって、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする。

また、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成方法は、蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成方法であって、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする。

また、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成方法は、蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成方法であって、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、予め設定された蓄熱計画期間において、蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コスト、あるいは、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が小さい順に各熱源機器の各時間帯に割当てて、各熱源機器の運転計画を作成したり、予め設定された放熱計画期間において、蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コスト、あるいは、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が大きい順に各熱源機器の各時間帯に割当てて、各熱源機器の運転計画を作成するといった、ルールベースで複数の熱源機器を有する熱源プラントの運転計画を立案することにより、短時間で熱源プラントの最適運転計画を作成でき、例えばクラウドサービス等において低コストで多数の顧客に対する運転計画を作成することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置の実施形態１が適用される熱源プラントと需要家から成るエネルギーネットワークの全体構成を概略的に示す全体構成図。 図１に示す運転計画作成装置の内部構成を示す内部構成図。 図１に示す運転計画作成装置による運転計画作成フローを説明したフロー図。 図１に示す運転計画作成装置による運転計画作成フローを説明した説明図であり、上段から、作成途中の運転計画の一例、当該運転計画作成装置により作成された運転計画の一例を示す図。 本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置の実施形態２による運転計画作成フローを説明したフロー図。 実施例および比較例１、２で採用される冷凍機の消費電力特性を示す図。 実施例における蓄熱計画期間の各時間帯での各冷凍機の冷熱コストと蓄熱割当て順位を示す図。 実施例における放熱がない場合を仮定して作成された運転計画を示す図。 実施例における放熱計画期間の各時間帯での各冷凍機の冷熱コストと放熱割当て順位を示す図。 実施例により作成された熱源プラントの各冷凍機の運転計画を示す図。 比較例２により作成された熱源プラントの各冷凍機の運転計画を示す図。 実施例および比較例１、２により作成された運転計画における各時間帯の平均COPを示す図。 実施例および比較例１、２により作成された運転計画における各時間帯の冷熱コストを示す図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

＜実施形態１＞
図１は、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置の実施形態１が適用される熱源プラントと需要家から成るエネルギーネットワークの全体構成の一例を示したものである。エネルギーネットワーク１０を構成する熱源プラント（熱供給プラントともいう）１１は、冷房・暖房のいずれを対象としてもよいが、ここでは冷房を対象として熱媒体に水を使用し、冷水を供給する事例で説明する。

このうち、熱を供給する側の熱源プラント１１内には複数の冷凍機（熱源機器）１３と１次側（冷凍機）送水ポンプ１４などの熱源設備が設置されており、それぞれの冷凍機１３で冷却した冷水２１を蓄熱槽１７に供給する。蓄熱槽１７に蓄えられた冷水２１は２次側送水ポンプ２０により需要家１２の熱負荷装置２３に送られ、当該熱負荷装置２３で温められた水（温水）２２が蓄熱槽１７に戻される。蓄熱槽１７に蓄えられた温水２２は冷凍機１３に戻され、各冷凍機１３で再度冷却されて熱供給プラント１１と需要家１２との間で循環利用される。

図１に示す熱源プラント１１内に配設された蓄熱槽１７は温度成層型であり、この蓄熱槽１７の内部では、低温部（冷水）１９と高温部（温水）１８の間に温度界面が形成され、冷水を蓄熱すると低温部１９の領域が増大し、冷水を放熱すると低温部１９の領域が減少するようになっている。

熱源プラント１１が供給する冷水の制御のために、熱源機器運転制御装置２４が設置されており、熱源機器運転制御装置２４は温度検出器１５、１６でそれぞれ冷水送水温度、温水戻り温度などを取り込み、冷凍機１３、送水ポンプ１４、２０などの熱源設備の運転制御を行っている。

なお、各冷凍機１３から蓄熱槽１７へ供給する冷熱量Q₁、蓄熱槽１７から需要家１２へ供給する冷熱量Q₂、蓄熱槽１７への蓄熱量Q_T、蓄熱槽１７からの放熱量Q_Hは、それぞれ以下の式（１）〜（３）で与えられる。

［数１］
Q₁ = ρ_w・Ｃ_Pw・W₁・（T_ｒ - T_s ） …（１）
Q₂ = ρ_w・Ｃ_Pw・W₂・（T_ｒ - T_s ） …（２）
Q_T = -Q_H = Q₁ - Q₂ …（３）
ここで、ρ_w（kg/m³）は冷水の密度、C_Pw（J/kg/℃）は冷水の比熱、Ts（℃）は冷水の送水温度、Tr（℃）は温水の戻り温度、W₁（m³/s）は１次側流量（全ての冷凍機の送水流量の合計）、W₂（m³/s）は２次側流量（蓄熱槽から需要家への送水流量）である。

また、熱源機器運転制御装置２４には、運転計画作成装置１が内蔵されており、熱源機器運転制御装置２４は、運転計画作成装置１により運転計画対象日の気温、湿度等の気象予報、需要家１２のエネルギー需要予測結果などに基づいて予め作成された運転計画対象日（運転計画期間）における各冷凍機１３の運転計画に基づいて、冷凍機１３の運転制御を行っている。

図２は、図１に示す運転計画作成装置の内部構成を示したものである。この運転計画作成装置１は、図示するように、主に、入力部３と、運転計画演算部４と、運転計画表示部５と、運転計画データ記憶部６と、運転計画出力部７と、運転計画の作成等を行うために各部３〜７を連携する処理部２と、を備えている。

運転計画作成装置１の入力部３では、外部から、運転計画対象日（予め設定された運転計画期間）の気温、湿度等の気象予報、需要家１２のエネルギー需要予測結果、冷凍機（熱源機器）１３のエネルギー消費特性、電力やガス等の消費エネルギー単価、消費エネルギーに対するCO₂原単位等を入力する。運転計画演算部４では、入力部３で入力された各種入力データに基づいて、後述するルールベースの運転計画作成方法により蓄熱槽１７を用いた熱源プラント１１の各冷凍機１３の運転計画を作成する。運転計画表示部５では、運転計画演算部４により作成された運転計画を表示すると共に、蓄熱槽１７を使用しないと仮定した場合の運転計画における各冷凍機１３の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストやCO₂排出量、蓄熱・放熱が割当てられた冷凍機１３を所定の表示装置を介して表示する（図７および図９参照）。運転計画データ記憶部６では、入力部３へ入力された各種入力データおよび運転計画演算部４により作成された運転計画等を記憶する。運転計画出力部７では、運転計画演算部４により作成された運転計画に基づいて各冷凍機１３の運転制御を行うために、その運転計画結果を熱源機器制御装置２４の制御部（不図示）等へ出力する。

図３は、図１に示す運転計画作成装置による運転計画作成フロー（本発明に係る熱源プラントの運転計画作成方法の実施形態１）を説明したフロー図である。また、図３は、図１に示す運転計画作成装置による運転計画作成フローを説明した説明図であり、上段から、作成途中の運転計画の一例、当該運転計画作成装置により作成された運転計画の一例を示す図である。

なお、以下では、熱源機器として4台のターボ冷凍機を用いた冷水生成の場合を例にとり、そのターボ冷凍機の運転コストを最小にする蓄熱・放熱運転計画の作成手順を説明する。ここでは、運転計画の時間間隔（運転計画期間における各時間帯の時間）は１時間とし、電気料金等がその時間帯毎に変化するとしている。また、図４に示す4台のターボ冷凍機A〜Dの各効率は、冷凍機Aが最も高く、B、C、Dの順に低下するとしている。また、運転計画期間のうち、蓄熱槽に蓄熱する蓄熱計画期間は、料金の安い夜間電力を利用して蓄熱するために0〜7時に設定され、蓄熱槽から放熱する放熱計画期間は、空調使用時間、すなわち冷凍機の運転時間である7〜24時に設定されている。

まず、ステップＳ１１では、入力部３で入力した需要家１２のエネルギー需要予測結果等により冷水熱需要（需要家１２で必要とされるエネルギー需要）を入力する。

次に、ステップＳ１２では、運転計画期間のうち予め設定された蓄熱計画期間における蓄熱運転計画を作成するために、蓄熱がない（蓄熱槽を利用しない）場合（図４中の上段の図）を想定し、蓄熱計画期間の各時間帯において、全ての冷凍機１３が定格負荷で稼働した状態を仮定する。

次に、ステップＳ１３では、蓄熱計画期間の各時間帯において、各冷凍機１３の消費電力量（消費エネルギー）および電気料金単価（消費エネルギー単価）を考慮して各冷凍機１３の各時間帯での冷熱コスト（供給エネルギー当りの運転コスト）を評価し、その冷熱コストが小さい順に各時間帯の各冷凍機１３を順位付けする。ここで、冷熱コストとは、冷水の単位熱量を生成するために使用した電気料金を意味している。なお、冷熱コストが同じものが存在する場合には、予め設定した割当て順位に基づいて各時間帯の各冷凍機１３を順位付けすればよい。

次に、ステップＳ１４では、その冷熱コストが小さい順に、蓄熱計画期間の各時間帯で各冷凍機１３を定格負荷で稼働したと仮定して各冷凍機１３の運転により各時間帯で蓄熱槽１７に蓄熱される蓄熱量を、蓄熱槽１７に蓄熱可能な蓄熱容量に達するまで、各冷凍機１３の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各冷凍機１３の蓄熱運転計画を作成する（図４中の下段の図）。なお、図４中の上段の図では、１〜１０までの順位付けがされ、図４中の下段の図では、それに応じた蓄熱運転計画が表示されている。

次に、ステップＳ１５では、運転計画期間のうち予め設定された放熱計画期間における放熱運転計画を作成するために、放熱がない（蓄熱槽を利用しない）場合（図４中の上段の図）を想定し、放熱計画期間の各時間帯において、ステップＳ１１で入力した冷水熱需要を満たすように各時間帯で冷凍機１３の効率が高い順、言い換えれば定格運転時の消費エネルギーが小さい順（図示例では、冷凍機A、B、C、Dの順）に各冷凍機１３を起動した状態を仮定する。

次に、ステップＳ１６では、放熱計画期間の各時間帯において、各冷凍機１３の消費電力量および電気料金単価を考慮して各時間帯で起動したと仮定した各冷凍機１３の冷熱コストを評価し、その冷熱コストが大きい順に各時間帯の各冷凍機１３を順位付けする。

そして、ステップＳ１７では、放熱計画期間の各時間帯において、その冷熱コストが大きい順に各冷凍機１３を停止し、冷水熱需要を満たすように放熱計画期間の各時間帯で蓄熱槽１７から放熱される放熱量を、蓄熱槽１７に蓄熱可能な蓄熱容量に達するまで、停止した各冷凍機１３の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各冷凍機１３の放熱運転計画を作成する（図４中の下段の図）。なお、図４中の上段の図では、１〜１０までの順位付けがされ、図４中の下段の図では、それに応じた放熱運転計画が表示されている。

このように、本実施形態１によれば、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コスト（冷水または温水供給による単位熱量における消費エネルギーの価格）が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成すると共に、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成するといった、ルールベースで複数の熱源機器を有する熱源プラントの運転計画を立案することにより、複数の熱源機器を有する熱源プラントの運転コストを低減するような最適運転計画を短時間で作成でき、例えばクラウドサービス等において低コストで多数の顧客に対する運転計画を作成することが可能となる。

＜実施形態２＞
図５は、本発明に係る熱源プラントの運転計画作成装置の実施形態２による運転計画作成フロー（本発明に係る熱源プラントの運転計画作成方法の実施形態２）を説明したフロー図である。

上記した実施形態１では、熱源機器（冷凍機）の運転コストを低減することを目的にした運転計画を作成したが、本実施形態２は、熱源機器（冷凍機）からのCO₂排出量を低減することを目的とした運転計画を作成するものである。なお、実施形態２の運転計画作成装置の装置構成は、実施形態１の運転計画作成装置の装置構成と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

すなわち、本実施形態２では、まず、ステップＳ１１Ａで、図３のステップＳ１１と同様、需要家のエネルギー需要予測結果等により冷水熱需要（需要家で必要とされるエネルギー需要）を入力する。

次に、ステップＳ１２Ａでは、図３のステップＳ１２と同様、運転計画期間のうち予め設定された蓄熱計画期間における蓄熱運転計画を作成するために、蓄熱がない（蓄熱槽を利用しない）場合を想定し、蓄熱計画期間の各時間帯において、全ての冷凍機が定格負荷で稼働した状態を仮定する。

次に、ステップＳ１３Ａでは、蓄熱計画期間の各時間帯において、各冷凍機の消費電力量（消費エネルギー）および電力のCO₂原単位（消費エネルギーに対するCO₂原単位）を考慮して各冷凍機の各時間帯での冷熱量に対するCO₂原単位（すなわち、冷水の単位熱量を生成するために排出されたCO₂排出量）を評価し、そのCO₂原単位が小さい順に各時間帯の各冷凍機を順位付けする。なお、冷熱量に対するCO₂原単位が同じものが存在する場合には、予め設定した割当て順位に基づいて各時間帯の各冷凍機を順位付けすればよい。

次に、ステップＳ１４Ａでは、そのCO₂原単位が小さい順に、蓄熱計画期間の各時間帯で各冷凍機を定格負荷で稼働したと仮定して各冷凍機の運転により各時間帯で蓄熱槽に蓄熱される蓄熱量を、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱容量に達するまで、各冷凍機の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各冷凍機の蓄熱運転計画を作成する。

次に、ステップＳ１５Ａでは、図３のステップＳ１５と同様、運転計画期間のうち予め設定された放熱計画期間における放熱運転計画を作成するために、放熱がない（蓄熱槽を利用しない）場合を想定し、放熱計画期間の各時間帯において、ステップＳ１１Ａで入力した冷水熱需要を満たすように各時間帯で冷凍機の効率が高い順、言い換えれば定格運転時の消費エネルギーが小さい順に各冷凍機を起動した状態を仮定する。

次に、ステップＳ１６Ａでは、放熱計画期間の各時間帯において、各冷凍機の消費電力量および電力のCO₂原単位を考慮して各時間帯で起動した各冷凍機の冷熱量に対するCO₂原単位を評価し、そのCO₂原単位が大きい順に各時間帯の各冷凍機を順位付けする。

そして、ステップＳ１７Ａでは、放熱計画期間の各時間帯において、そのCO₂原単位が大きい順に各冷凍機１３を停止し、冷水熱需要を満たすように放熱計画期間の各時間帯で蓄熱槽から放熱される放熱量を、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱容量に達するまで、停止した各冷凍機の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各冷凍機の放熱運転計画を作成する。

このように、本実施形態２によれば、予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での冷熱量当たりのCO₂排出量が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成すると共に、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での冷熱量当たりのCO₂排出量が大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成するといった、ルールベースで複数の熱源機器を有する熱源プラントの運転計画を立案することにより、熱源プラントの各熱源機器からのCO₂排出量を低減するような最適運転計画を短時間で作成でき、例えばクラウドサービス等において低コストで多数の顧客に対する運転計画を作成することが可能となる。

なお、上記した実施形態１、２では、主に冷房を対象として熱媒体に水を使用し、熱源プラントから需要家に冷水を供給して需要家の冷房を行う事例を説明したが、熱源プラントの熱源機器としてボイラまたはヒートポンプなどの温熱源機器を使用して需要家の暖房を行ってもよい。また、熱源機器として冷凍機と温熱源機器を適宜に組み合わせて使用してもよいことは勿論である。

また、上記した実施形態１、２では、理解を容易とするために、熱源プラントの蓄熱槽から外気への放熱損失を考慮していなかったが、その放熱損失を考慮すれば、当該運転計画作成装置により作成される運転計画の精度を向上させることができる。例えば、放熱損失を考慮して、蓄熱槽に蓄熱した直後に当該蓄熱槽に蓄熱された熱量を放熱する、言い換えれば、蓄熱槽に蓄熱した熱量を使用する直前に当該蓄熱槽に熱量を蓄熱するような運転計画を作成することにより、効率的な運転を実現し得る熱源プラントの運転計画を作成することができる。なお、蓄熱槽から外気への放熱損失Q_L(W)は以下の式（４）で表される。

［数２］
Q_L = S・h・A_c・(T_O - T_C) + (1-S)・h・A_H ・(T_O - T_H) …（４）
ここで、Sは蓄熱率（蓄熱量／最大蓄熱容量）（-）、hは蓄熱槽から外気への熱伝達率（W/m²/℃）、T_Oは外気温度（℃）、T_Cは蓄熱槽における冷水温度（℃）、T_Hは蓄熱槽における温水温度（℃）、A_cは蓄熱槽における冷水部分の表面積（m²）、A_Hは蓄熱槽における温水部分の表面積（m²）である。

［熱源プラントの平均COPと冷熱コストを評価した解析とその解析結果］
本発明者等は、上記したルールベースの運転計画作成方法により作成された蓄熱・放熱運転計画の省エネ効果を確認するために、３種類の運転計画作成方法（実施例、比較例１、２）を用いて熱源プラントのある一日の運転計画を作成した際の、各時間帯（１時間毎）における平均COP（coefficient of performance）と冷熱コストを評価した。

ここで、各運転計画作成方法で採用した、熱源機器としてのターボ冷凍機、蓄熱槽、ターボ冷凍機と蓄熱槽の間を流通する冷水の仕様は、以下の表１で示す仕様であった。また、各運転計画作成方法で採用した6台のターボ冷凍機（RC1〜RC6）の消費電力特性（負荷率に対する消費電力）は、図６で示す特性であった。また、各時間帯における電気料金単価は、以下の表２で示す条件であった。なお、表１で示すように、各運転計画作成方法では、冷凍機の冷却水温度は一定（言い換えれば、外気温度は一定）と仮定し、蓄熱槽の放熱損失はないと仮定した。また、蓄熱槽を用いた蓄熱運転は、電気料金単価の最も安い夜間、特に0〜6時の間に実施すると仮定した。

まず、実施例および比較例１、２による運転計画作成方法を概説すると、以下の表３に示すように、実施例による運転計画作成方法は、上記した実施形態１のルールベースによる運転計画作成方法に基づく方法であり、上記したように冷凍機の定格運転時の効率の高い順から起動する優先順位運転を行い、運転された各冷凍機の負荷率は等負荷とした。

一方で、比較例１による運転計画作成方法は、蓄熱・放熱運転を実施しない場合において数理計画法を用いて最適運転計画を作成する方法である。ここでは、数理計画法として、混合整数線形計画法を用いた。

また、比較例２による運転計画作成方法は、蓄熱・放熱を実施した場合において数理計画法を用いて最適運転計画を作成する方法である。ここでは、数理計画法として、混合整数線形計画法を用いた。

次に、実施例による運転計画作成方法を詳述すると、図３に基づき説明したステップＳ１２〜Ｓ１４の手順により、図７で示すように、蓄熱計画期間（0〜6時）に冷凍機を全台起動したと仮定して、蓄熱計画期間（0〜6時）の各時間帯での各冷凍機の冷熱コストを求めた。ここで、冷凍機の冷却水温度は一定（言い換えれば、外気温度は一定）と仮定し、蓄熱槽の放熱損失はないと仮定したため、各冷凍機の定格負荷における消費電力量は時間方向で一定である。また、この時間帯の電気料金単価は夜間料金（12.1\/kWh）で最も安く、最も効率の高い冷凍機RC1の冷熱コストが1.77\/kWhで最小となり、冷凍機RC2〜RC6の順に冷熱コストが増大する。上記したように、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱容量を満たすための蓄熱は冷熱コストの小さい順に割り当てられるため、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱容量は、図７における丸１〜丸８の各時間帯における各冷凍機に割当てられた。

次に、図３に基づき説明したステップＳ１５〜Ｓ１７の手順により、図８で示すように、放熱がない場合を想定し、放熱計画期間の各時間帯において冷水熱需要を満たすように各時間帯で効率が高い順に冷凍機を起動した場合の運転計画を作成した。図８で示すように、ここでは、冷水熱需要が7時〜18時に発生しており、最大冷水熱需要は約5000kWhであり、その際には、ターボ冷凍機が6台起動している。次いで、図９で示すように、その運転計画中で放熱計画期間に起動している冷凍機に対し、各冷凍機の負荷率における消費電力量および時間帯別の電気料金単価を考慮した冷熱コストを求めた。図９で示すように、各冷凍機の負荷率における消費電力量および時間帯別の電気料金単価を考慮した結果、最も効率の低い冷凍機RC6の冷熱コストが15時台で3.56\/kWhで最大となった。上記したように、蓄熱槽に蓄熱された蓄熱容量に達するまで、放熱量は冷熱コストの大きい順に割り当てられ、図９における丸１〜丸８の各時間帯における冷凍機に割当てられた。

これにより、実施例によるルールベースの運転計画作成方法では、図１０に示すような熱源プラントの各冷凍機の運転計画が作成された。図１０に示す運転計画は、図１１に示す比較例２により作成された熱源プラントの各冷凍機の運転計画（数理計画法を用いて作成された運転計画）と比較して、各時間帯における冷凍機の稼働台数および負荷率が若干異なるものの、同様の運転パターンになることが確認された。

なお、比較例１、２による運転計画作成方法は、従来知られた方法であるため、ここではその詳細な説明を割愛する。

［熱源プラントの平均COPと冷熱コストを評価した解析結果］
図１２および図１３はそれぞれ、実施例および比較例１、２により作成された運転計画における各時間帯の平均COPおよび冷熱コストを示したものである。

図１２に示すように、比較例２では、冷凍機の起動台数と負荷率を最適化しているため、各時間帯における平均COP（6台の冷凍機の平均COP）が最も高くなっている。また、比較例１では、冷凍機の起動台数と負荷率を最適化しているものの、蓄熱槽を用いた蓄熱・放熱を実施していないために低効率の冷凍機の運転時間が長くなり、特に9〜17時台の平均COPが最も低くなっている。一方で、実施例では、起動している各冷凍機を等負荷運転としているが、比較例２（蓄熱・放熱を実施した場合において数理計画法を用いて最適運転計画を作成する方法）の平均COPに近い平均COPとなることが確認された。

また、図１３に示すように、実施例では、放熱計画期間において比較例１よりも冷熱コストが小さく、かつ、比較例２と同様の分布を有することが確認された。

以下の表４は、図１３に示す冷熱コストを時間積分して得られた１日当たりの熱源プラントの運転コストと省エネ率を示したものである。ここで、省エネ率の比較基準は、比較例１とした。

表４に示すように、実施例の１日当たりの運転コストは、比較例１の１日当たりの運転コストよりも低く、かつ、比較例２の１日当たりの運転コストと同等であることが確認された。また、実施例と比較例２の省エネ率はそれぞれ7.3%、8.0%であって、同等であることが確認された。

この解析結果により、数理計画法を用いないルールベースの熱源プラントの運転計画作成は、省エネを目的とした運転計画として有効であることが確認された。

なお、本発明は上記した実施形態１、２に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態１、２は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

蓄熱槽を用いて各熱源設備からビルや工場等に冷水や温水を供給する熱源プラントにおいて、供給エネルギー当りの運転コストやCO₂排出量を考慮したルールベースの運転計画を立案することにより、多数の需要家を対象として省エネやCO₂排出量低減を実現する最適運転計画を作成し得る熱源プラントの運転計画作成装置および方法を提供できる。

１…運転計画作成装置、２…処理部、３…入力部、４…運転計画演算部、５…運転計画表示部、６…運転計画データ記憶部、７…運転計画出力部、１０…エネルギーネットワーク、１１…熱供給プラント、１２…需要家、１３…冷凍機、１４…１次側（冷凍機）送水ポンプ、１５…送水温度検出器、１６…戻り温度検出器、１７…蓄熱槽、１８…高温部、１９…低温部、２０…２次側送水ポンプ、２１…冷水、２２…温水、２３…熱負荷装置、２４…熱源機器運転制御装置

Claims (16)

1. 蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成装置であって、
   予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、
   予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、熱源プラントの運転計画作成装置。
2. 前記放熱計画期間の各時間帯において、各熱源機器の定格運転時の消費エネルギーが小さい順に各熱源機器を起動して、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすようにすることを特徴とする、請求項１に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
3. 各時間帯における蓄熱槽から外気への放熱を考慮して蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、前記蓄熱計画期間及び／又は前記放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
4. 各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コスト、及び／又は、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量が割当てられた熱源機器を表示することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
5. 蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成装置であって、
   予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、
   予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、熱源プラントの運転計画作成装置。
6. 前記放熱計画期間の各時間帯において、各熱源機器の定格運転時の消費エネルギーが小さい順に各熱源機器を起動して、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすようにすることを特徴とする、請求項５に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
7. 各時間帯における蓄熱槽から外気への放熱を考慮して蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、前記蓄熱計画期間及び／又は前記放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
8. 各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量、及び／又は、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量が割当てられた熱源機器を表示することを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載の熱源プラントの運転計画作成装置。
9. 蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成方法であって、
   予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、
   予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギー単価から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コストが大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、熱源プラントの運転計画作成方法。
10. 前記放熱計画期間の各時間帯において、各熱源機器の定格運転時の消費エネルギーが小さい順に各熱源機器を起動して、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすようになっていることを特徴とする、請求項９に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。
11. 各時間帯における蓄熱槽から外気への放熱を考慮して蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、前記蓄熱計画期間及び／又は前記放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。
12. 各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りの運転コスト、及び／又は、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量が割当てられた熱源機器を表示することを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。
13. 蓄熱槽を活用しながら複数の熱源機器から需要家へ冷水もしくは温水を供給する熱源プラントの運転計画作成方法であって、
    予め設定された蓄熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を定格負荷で稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が小さい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、蓄熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成する、及び／又は、
    予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすように予め設定された放熱計画期間の各時間帯で各熱源機器を稼働したと仮定して、各熱源機器の消費エネルギーおよび消費エネルギーに対するCO₂原単位から得られる各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量が大きい順から蓄熱槽の蓄熱容量に達するまで放熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、熱源プラントの運転計画作成方法。
14. 前記放熱計画期間の各時間帯において、各熱源機器の定格運転時の消費エネルギーが小さい順に各熱源機器を起動して、予め設定された需要家のエネルギー需要を満たすようになっていることを特徴とする、請求項１３に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。
15. 各時間帯における蓄熱槽から外気への放熱を考慮して蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量を各熱源機器の各時間帯に割当てて、前記蓄熱計画期間及び／又は前記放熱計画期間における各熱源機器の運転計画を作成することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。
16. 各熱源機器の各時間帯での供給エネルギー当りのCO₂排出量、及び／又は、蓄熱槽に蓄熱可能な蓄熱量が割当てられた熱源機器を表示することを特徴とする、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の熱源プラントの運転計画作成方法。

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