JP5312286B2 - 空気調和機の制御装置、冷凍装置の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の空気調和機を制御する空気調和機の制御装置、及び複数の冷凍装置を制御する冷凍装置の制御装置に関するものである。

複数の空気調和機（以下「空調機」ともいう。）、または冷凍装置（以下「冷凍機」ともいう。）からなるシステムの消費電力を低減するために、経験的なルールや計画手法（数理計画やメタヒューリスティック手法など）により協調運転条件を求めて、空調機または冷凍機の制御要素を制御するものがある。

例えば、特許文献１に記載の複数冷凍機の運転技術では、複数冷凍機の冷凍容量と消費電力との関係をモデル化した近似式を求め、稼働実績データの重心を比較し相対値の変化分に基づき近似式を補正し、補正近似式に基づき複数冷凍機の全体消費電力を演算し、消費電力を小さくする場合の各冷凍機の冷凍容量を設定し運転状態を制御する。

例えば、特許文献２に記載の空調機運転制御装置では、多数の空調機器を組合せた装置における空調機器の最適運転条件を遺伝的アルゴリズム、相互統合型ニューロにより決定する。

例えば、特許文献３に記載の運転制御方法では、１つの室内（空調ゾーン）に複数の空調機を有する場合に、各空調機の運転効率から優先的に運転すべき空調機を設定して、運転開始指示または出力増大指示を与えて、省エネルギー性と耐久性・信頼性向上を図る制御用コンピュータによる中央制御を行う。

特開２００７−８５６０１号公報（３頁２７〜３９行、図４） 特開平８−５１２６号公報（３頁左４９〜右３３行、図１） 特開２００８−５７８１８号公報（３頁４５〜４頁５行、図１０）

同一空間を空調対象として複数の空調機（または冷凍機）が設置される場合、各空調機がそれぞれ単独で運転制御を行うと、一部の空調機の空調能力が過大となったり、一部の空調機の空調能力が過小となるなどの運転制御が行われ、システム全体としてのエネルギー消費量の削減を図ることができない。このため、複数の空調機の協調制御を行いエネルギー消費量の削減を図ることが望まれている。

従来の技術においては、複数の空調機または冷凍機からなるシステムの全体消費電力を低減するための、適切な空調能力または冷凍能力を決定する効率的な制御を行うことができない、という問題点があった。

例えば、前記特許文献１では、全体空調負荷を運転している空調機の容量比に応じて割り当てて空調能力を決定し、割り当てた空調能力に対する消費電力を、空調能力と消費電力の関係を示す近似モデル式から評価している。
しかし、容量比による割り当てでは、消費電力をさらに低減する空調能力の配分が存在する、もしくは、必ずしも消費電力を低減する空調能力の決定ができない。
本来は空調能力と消費電力の関係から、消費電力を低減することができる空調能力を決定する必要がある。

また、運転する空調機の台数により全体空調負荷に見合う空調能力の配分量が変わるため、この空調能力の配分による消費電力量の多寡は、運転台数の選択と密接に関わっている。システム全体の消費電力の低減には、運転台数の選択も欠かせない。
このような観点から先行技術を見ると、前記の空調能力の決定と運転台数の選択を統合的に決定する効率的な制御を行うことができない、という問題点があった。

また、先行技術例では演算方法の計算負荷が高い場合や、演算に必要な参照データが多い場合があり、実用上の制約から計算能力が低くメモリ量に限界のあるマイコンに実装できない、という問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、空調対象空間内の全体空調負荷と、空調機の空調能力の総和とのバランスを保ちながら消費電力の総和を低減することができる空気調和機の制御装置を得ることを目的とする。

また、冷凍対象空間内の全体冷凍負荷と、冷凍機の冷却能力の総和とのバランスを保ちながら消費電力の総和を低減することができる冷凍装置の制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る空気調和機の制御装置は、
同一空間を空調対象として設置された複数の空気調和機を制御する空気調和機の制御装置であって、
前記複数の空気調和機毎に、消費電力を、空調能力を変数として近似した二次関数の係数の情報と、前記空調能力の範囲に関する情報とを含む性能モデルデータが記憶されるデータ記憶手段と、
前記複数の空気調和機の空調負荷の合計値である全体空調負荷を求める全体空調負荷算出手段と、
前記性能モデルデータと前記全体空調負荷とに基づいて、前記複数の空気調和機のそれぞれの空調能力を求める空調能力配分演算手段と、
前記空調能力に関する制御信号を、前記複数の空気調和機にそれぞれ送出する制御信号送出手段と
を備え、
前記空調能力配分演算手段は、
前記二次関数を前記空気調和機毎に加算して前記複数の空気調和機の消費電力の和を近似した多変数関数に、前記複数の空気調和機の空調能力の和が前記全体空調負荷と等しくなる制約条件を係数にもつ中間変数を加算した第２の多変数関数において、該第２の多変数関数の各空調能力が極値となる条件を満たす前記中間変数を、前記全体空調負荷と前記二次関数の係数とにより表した第１算出式と、
前記制約条件のもと、前記多変数関数が極値となる前記各空気調和機の空調能力を、前記中間変数と前記二次関数の係数とにより表した第２算出式と、
が予め設定され、
前記全体空調負荷算出手段が求めた前記全体空調負荷と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第１算出式に基づき、前記中間変数を求め、
該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記各空気調和機の空調能力をそれぞれ求め、
当該各空調能力のうち前記空調能力の範囲に属さない前記空気調和機の空調能力を、前記空調能力の範囲の限界値とし、
前記空調能力の範囲に属する空気調和機について、再度、前記中間変数を求め、該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記空調能力の範囲に属する各空気調和機の空調能力をそれぞれ求めるものである。

この発明に係る冷凍装置の制御装置は、
同一空間を冷却対象として設置された複数の冷凍装置を制御する冷凍装置の制御装置であって、
前記複数の冷凍装置毎に、消費電力を、冷凍能力を変数として近似した二次関数の係数の情報と、前記冷凍能力の範囲に関する情報とを含む性能モデルデータが記憶されるデータ記憶手段と、
前記複数の冷凍装置の冷凍負荷の合計値である全体冷凍負荷を求める全体冷凍負荷算出手段と、
前記性能モデルデータと前記全体冷凍負荷とに基づいて、前記複数の冷凍装置のそれぞれの冷凍能力を求める冷凍能力配分演算手段と、
前記冷凍能力に関する制御信号を、前記複数の冷凍装置にそれぞれ送出する制御信号送出手段と
を備え、
前記冷凍能力配分演算手段は、
前記二次関数を前記冷凍装置毎に加算して前記複数の冷凍装置の消費電力の和を近似した多変数関数に、前記複数の冷凍装置の冷凍能力の和が前記全体冷凍負荷と等しくなる制約条件を係数にもつ中間変数を加算した第２の多変数関数において、該第２の多変数関数の各冷凍能力が極値となる条件を満たす前記中間変数を、前記全体冷凍負荷と前記二次関数の係数とにより表した第１算出式と、
前記制約条件のもと、前記多変数関数が極値となる前記各冷凍装置の冷凍能力を、前記中間変数と前記二次関数の係数とにより表した第２算出式と、
が予め設定され、
前記全体冷凍負荷算出手段が求めた前記全体冷凍負荷と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第１算出式に基づき、前記中間変数を求め、
該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記各冷凍装置の冷凍能力をそれぞれ求め、
当該各冷凍能力のうち前記冷凍能力の範囲に属さない前記冷凍装置の冷凍能力を、前記冷凍能力の範囲の限界値とし、
前記冷凍能力の範囲に属する冷凍装置について、再度、前記中間変数を求め、該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記冷凍能力の範囲に属する各冷凍装置の冷凍能力をそれぞれ求めるものである。

この発明は、複数の空気調和機の空調能力がそれぞれ空調能力の範囲に属し、且つ、複数の空気調和機の空調能力の和が全体空調負荷となる空調能力であって、複数の空気調和機の消費電力の和を最小とする複数の空気調和機のそれぞれの空調能力を求める。
このため、複数の空気調和機の空調能力をそれぞれ空調能力の範囲内としつつ、全体空調負荷と空気調和機の空調能力の総和とのバランスを保ちながら消費電力の総和を低減することができる。

また、複数の冷凍装置の冷凍能力がそれぞれ冷凍能力の範囲に属し、且つ、複数の冷凍装置の冷凍能力の和が全体冷凍負荷となる冷凍能力であって、複数の冷凍装置の消費電力の和を最小とする複数の冷凍装置のそれぞれの冷凍能力を求める。
このため、複数の冷凍機の冷凍能力をそれぞれ冷凍能力の範囲内としつつ、全体冷凍負荷と冷凍装置の冷凍能力の総和とのバランスを保ちながら消費電力の総和を低減することができる。

実施の形態１に係る空気調和機の全体構成図である。 実施の形態１に係る制御装置の機能ブロック図である。 実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路を概略的に示す図である。 空調能力と消費電力の関係を表す代表的なグラフである。 実施の形態１に係る性能モデルデータのデータ形式を示す図である。 実施の形態１に係る運転情報データのデータ形式を示す図である。 実施の形態１に係る空調負荷データのデータ形式を示す図である。 実施の形態１に係る協調制御処理の動作を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る制約条件Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^maxを満足しない場合の処理を説明する図である。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る空気調和機の全体構成図である。
図１において、本実施の形態における空気調和機の制御装置（以下「制御装置１０」という。）は、同一空間（以下「空調対象空間１」という。）を空調対象として設置された複数の空気調和機を制御するものである。
複数の空気調和機（以下「空調機」ともいう。）は、それぞれ、室内機２と室外機３とを備えている。各室内機２は、空調対象空間１の中に配置される。各室外機３は、空調対象空間１の外に配置される。室内機２と室外機３は冷媒配管により接続される。
この空調機は、制御装置１０からの制御により、冷媒配管中を流れる冷媒の圧力を変化させて冷媒の吸熱、放熱により、空調対象空間１の空気調和を行うものである。
なお、ここでは例として、４台の空調機からなる空調機システムの全体構成を示しているが、一般的に、空調機はＮ（≧２）台でも良い。
なお、以下の説明において、４台の空調機を区別するときは、空調機Ｎｏ１〜Ｎｏ４で示す。

制御装置１０は、各室内機２と通信線で接続されている。制御装置１０は、室内機２及び室外機３に設置されているセンサ等によりセンシングされた計測データや運転状態に関する情報を入力情報として受け取る。
また、制御装置１０は、ユーザが設定する空調機に関する設定情報や、当該制御装置１０内部で演算した結果データ等を室内機２及び室外機３へ制御信号として送出する。
この制御装置１０は、本発明を適用しない場合の通常のコントロール機能も併せ持ったリモコン等により構成しても良いし、通常のリモコンとは別に設けても良い。
なお、制御装置１０は、計算機等であっても良い。また、制御装置１０と各室内機２との通信は無線通信であっても良い。

図２は実施の形態１に係る制御装置の機能ブロック図である。
図２に示すように、制御装置１０は、データ格納部１０１、データ記憶部１０２、データ設定部１０３、全体空調負荷演算部１０４、空調能力配分演算部１０５、及び制御信号送出部１０６を備えている。

なお、「データ格納部１０１」は、本発明における「データ格納手段」に相当する。
なお、「データ記憶部１０２」は、本発明における「データ記憶手段」に相当する。
また、「全体空調負荷演算部１０４」は、本発明における「全体空調負荷算出手段」に相当する。
また、「空調能力配分演算部１０５」は、本発明における「空調能力配分演算手段」に相当する。
また、「制御信号送出部１０６」は、本発明における「制御信号送出手段」に相当する。

データ格納部１０１は、ユーザから入力された設定データ、通信線を通じて入力される空調負荷データや運転情報データ、演算部で実行する演算途中の中間データ、演算終了後に得られる制御用の出力データを格納する。各データの内容は後述する。

データ記憶部１０２は、全体空調負荷演算部１０４及び空調能力配分演算部１０５が演算に使用する基本的な定義データなどを記憶し、演算で必要なときに参照される。
データ記憶部１０２に記憶されるデータとしては、例えば、空調能力と消費電力との関係を定義した性能モデルを表す関数の係数データ、及び最大空調能力・最小空調能力（以下「性能モデルデータ」という。）などが、各空調機毎に記憶される。データの内容は後述する。

データ設定部１０３は、演算に関する必要な種々のデータをセットしたり、初期化処理を実行する。

全体空調負荷演算部１０４は、データ格納部１０１から次の制御タイミングにおける各空調機の能力値（空調負荷）を参照する。そして、次の制御タイミングにおける各空調機の空調負荷の合計値である全体空調負荷を演算して求める。そして、実行後に得られる全体空調負荷データをデータ格納部１０１に書き込む。

空調能力配分演算部１０５は、データ格納部１０１から全体空調負荷データを参照する。また、データ記憶部１０２から性能モデルデータを参照する。そして、全体空調負荷とのバランスを保持し消費電力を低減する空調能力を、性能モデルを考慮して各室外機に割り当てる配分量を演算して求める処理を実行する。そして、実行後に得られる空調能力値をデータ格納部１０１に書き込む。詳細は後述する。

制御信号送出部１０６は、演算結果として得られた各空調機の空調能力をデータ格納部１０１より読み出し、当該空調能力を指示する制御信号を、通信線を通じて各空調機に送出する処理を実行する。

なお、全体空調負荷演算部１０４、空調能力配分演算部１０５、制御信号送出部１０６は、これらの機能を実現する回路デバイスなどのハードウェアで実現することもできるし、マイコンやＣＰＵなどの演算装置（コンピュータ）上で実行されるソフトウェアとして実現することもできる。

なお、データ格納部１０１、データ記憶部１０２、データ設定部１０３は、例えばフラッシュメモリなどの記憶装置で構成することができる。

図３は実施の形態１に係る空気調和機の冷媒回路を概略的に示す図である。
図３に示すように、各空調機は、室内機２と室外機３とが、液接続配管及びガス接続配管を介して接続されている。
なお、ここでは、１つの空調機の室内機２及び室外機３が１台である場合を説明するが、本発明はこれに限らず、複数備える構成であっても良い。

室内機２は、室内熱交換器２１、室内送風機２２、温度センサ２３を備えている。
室外機３は、圧縮機３１、四方弁３２、室外熱交換器３３、室外送風機３４、絞り装置３５を備えている。これら圧縮機３１、室外熱交換器３３、絞り装置３５、室内熱交換器２１は環状に接続され、冷媒回路を構成する。

室内熱交換器２１は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器からなる。この室内熱交換器２１は、冷房運転時には冷媒の蒸発器として機能して室内の空気を冷却する。また、室内熱交換器２１は、暖房運転時には冷媒の凝縮器として機能して室内の空気を加熱する。

室内送風機２２は、室内熱交換器２１に付設され、室内熱交換器２１に供給する空気の流量を可変することが可能なファン等からなる。この室内送風機２２は、室内機２内に室内空気を吸入し、室内熱交換器２１により冷媒との間で熱交換した空気を供給空気として空調対象空間１内に供給する。

温度センサ２３は、例えばサーミスタにより構成される。この温度センサ２３は、室内熱交換器２１内の気液二相状態の冷媒の温度を検出する。すなわち、暖房運転時における凝縮温度、冷房運転時における蒸発温度を検出する。

圧縮機３１は、運転容量を可変することが可能であり、例えばインバータにより制御されるモータ（図示せず）によって駆動される容積式圧縮機を用いる。この圧縮機３１は、制御装置１０により制御される。
なお、本実施の形態では、圧縮機３１が１台のみの場合を説明するが、これに限定されず、室内機２の接続台数等に応じて、２台以上の圧縮機３１が並列に接続されたものであっても良い。

四方弁３２は、冷媒の流れの方向を切り換えるための弁である。この四方弁３２は、冷房運転時には、圧縮機３１の吐出側と室外熱交換器３３とを接続し、圧縮機３１の吸入側と室内熱交換器２１とを接続するように、冷媒流路を切り換える。また、四方弁３２は、暖房運転時には、圧縮機３１の吐出側と室内熱交換器２１とを接続し、圧縮機３１の吸入側と室外熱交換器３３とを接続するように、冷媒流路を切り換える。

室外熱交換器３３は、例えば伝熱管と多数のフィンとにより構成されるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器からなる。この室外熱交換器３３は、そのガス側が四方弁３２に接続され、その液側が絞り装置３５に接続される。室外熱交換器３３は、冷房運転時には冷媒の凝縮器として機能し、暖房運転時には冷媒の蒸発器として機能する。

室外送風機３４は、室外熱交換器３３に付設され、室外熱交換器３３に供給する空気の流量を可変することが可能なファン等からなる。この室外送風機３４は、室外機３内に室外空気を吸入し、室外熱交換器３３により冷媒との間で熱交換した空気を室外に排出する。

絞り装置３５は、室外機３の液側配管に接続配置されている。この絞り装置３５は、絞り開度が可変であり、冷媒回路内を流れる冷媒の流量の調節等を行う。

温度センサ３６は、例えばサーミスタにより構成される。この温度センサ３６は、室外熱交換器３３内の気液二相状態の冷媒の温度を検出する。すなわち、冷房運転時における凝縮温度、暖房運転時における蒸発温度を検出する。

以上、本実施の形態における空気調和機の制御装置１０の構成を説明した。
次に、データ格納部１０１、データ記憶部１０２に格納される各種データについて説明する。

［性能モデルデータ］
図４は空調能力と消費電力の関係を表す代表的なグラフである。
図５は実施の形態１に係る性能モデルデータのデータ形式を示す図である。
空調機の消費電力は、主に圧縮機消費電力、電子基盤入力電力、室内／室外ファン入力電力などからなる。空調機における空調能力と消費電力の関係は、例えば図４に示すようになり、例えば以下の（数式１）のような二次式で十分に近似できる。

ここで、Ｗｋ（ｋＷ）は空調機ｋ（ｋ＝１，２，３…）の消費電力を示す。Ｑ_k（ｋＷ）は空調機ｋの空調能力を示す。ａ_k，ｂ_k，ｃ_kは係数データを示す。

各空調機に対する（数式１）の係数データは、空調機の最小能力値Ｑ^min（ｋＷ）と最大能力値Ｑ^max（ｋＷ）と併せて、性能モデルデータと定義する。
この性能モデルデータは、各空調機毎に、例えば図５に示すデータ形式でデータ記憶部１０２に記憶される。

なお、空調機の最小能力値Ｑ^min及び最大能力値Ｑ^maxは、空調機に応じて予め設定した値でも良いし、運転状態により動的に設定するようにしても良い。
運転状態により設定する場合には、例えば、所定の初期値を設定して、運転時間の経過に伴い最大能力値Ｑ^maxを低下させるようにしたり、室外温度の低下に伴い最小能力値Ｑ^minを上昇させるようにする。このような運転状態に応じて動的に設定することで、外気温に応じた適正な冷媒の循環量を確保することができる。

［運転情報データ］
図６は実施の形態１に係る運転情報データのデータ形式を示す図である。
各空調機に対する運転情報データは、現在の運転状態と次の制御タイミングにおける外部からの制御情報（ユーザによる主電源ＯＦＦ等）や空調機による制御判断（空調機のサーモＯＦＦ後に機器保護のための強制停止時間がある等）に基づいて設定される次の制御タイミングでの運転状態を表す。
例えば、後述する協調制御により運転する場合に「１」、協調制御により運転を停止する場合に「０」、空調機の電源がＯＦＦの場合に「−１」、協調制御の対象外とする場合に「−２」、と定義して、図６に示すデータ形式でデータ格納部１０１に格納する。

この運転情報データは、例えば、協調制御上、次のように扱う。
ある空調機に対する運転情報データが「１」のとき、当該空調機は次の制御タイミングで協調制御により運転させる状態（以下「バランス運転」という。）であり、それ以降に制御機能がサーモＯＮ／ＯＦＦへ必要に応じて状態を遷移させることができる。
ある空調機に対する運転情報データが「０」のとき、当該空調機は次の制御タイミングで協調制御により運転を停止させる状態（以下「バランス停止」という。）であり、それ以降に制御機能がサーモＯＮ／ＯＦＦへ必要に応じて状態を遷移させることができる。
なお、バランス停止の状態においては、圧縮機３１のみを一時停止状態とするようにしても良い。
以上の２状態が協調制御の対象となる状態である。

ある空調機に対する運転情報データが「−１」のとき、当該空調機の電源がＯＦＦの状態である。電源ＯＦＦはユーザによる主電源スイッチの開放状態であり、ユーザにより主電源スイッチの閉路状態に切り換えられない限りサーモＯＮ／ＯＦＦ状態または協調制御対象外の状態への復帰はない。
ある空調機に対する運転情報データが「−２」のとき、当該空調機は、主電源スイッチは閉路状態でありサーモＯＮ／ＯＦＦの状態であるが、ユーザによる設定または制御機能による判断により、協調制御対象となる空調機群から離脱し、協調制御の対象外の状態となる。

［空調負荷データ］
各空調機に対する空調負荷データは、各空調機に具備されているセンサによる計測情報に基づいて次の制御タイミングで出力すべき空調能力を決定する。
ただし、空調負荷データは、電源ＯＦＦの状態にある空調機及び協調制御対象外の状態にある空調機からは得られないものとする。

本実施の形態では、当該空調能力を次の制御タイミングにおける各空調機の空調負荷（ｋＷ）とする。例えば、空調機の設定温度と室内温度との差（ΔＴ_j）に応じて圧縮機３１の回転数（Ｈｚ）を決定し、この回転数に応じて空調能力（ｋＷ）を求め、これを当該空調機の空調負荷（ｋＷ）とする。

空調負荷データは通信線を通じて制御装置１０に送信され、図７に示すデータ形式でデータ格納部１０１に格納する。

図７は実施の形態１に係る空調負荷データのデータ形式を示す図である。
図７においては、例えば図６に示す運転情報データのもとで得られた空調負荷データであり、電源ＯＦＦの状態である空調機Ｎｏ４以外の空調負荷（≧０）を表す。
例えば、ここでは電源ＯＦＦの状態である空調機に対しては空調負荷を「−１」と表現する。また、協調制御対象外の状態である空調機に対しては空調負荷を「−２」と表現すれば良い。

次に、実施の形態１の複数台の空調機による協調制御処理内容について説明する。
上記（数式１）の二次式で表される空調能力と消費電力との関係を使用して、次の制御タイミングで運転している空調機（ここでは空調機Ｎｏ１，２，３，４の４台とする）に対して消費電力を低減する空調能力の割り当ては次のように行う。

ある全体空調負荷Ｌに対して、全体空調負荷Ｌと運転中の空調能力Ｑ_k（ｋ＝１，２，３…）の総和のバランスを保ちながら消費電力Ｗ_k（ｋ＝１，２，３…）の総和を最小にする問題を考える。
ここで、Ｑ^min、Ｑ^maxは空調機の最小能力と最大能力である。

すなわち、各空調機の消費電力の和を、各空調機の空調能力Ｑを変数とした多変数関数とする。そして、各空調機の空調能力Ｑの和が全体空調負荷Ｌとなる制約条件のもと、上記の多変数関数が極値となる各空調機の空調能力Ｑをそれぞれ求める。

上記（数式２）の問題の解は解析的に求めることができる。
ここでは、例えばラグランジュの未定乗数法を用いる場合を説明する。なお、上記の問題の解を求めるものであればこれに限るものではない。

まず、上記（数式２）に、各空調機の空調能力Ｑの和が全体空調負荷Ｌとなる制約条件を係数とする中間変数μを加え、以下の（数式３）のような第２の多変数関数Ｆを考える。

次に、上記（数式３）の極値条件から以下の（数式４）を得る。

上記（数式４）を整理すると、第２の多変数関数Ｆの各変数が極値となる条件を満たす中間変数μは、次の（数式５）で与えられる。

すなわち、全体空調負荷Ｌと空調能力Ｑ_kの総和とのバランス維持を表す制約式である（数式２）の、ラグランジュ乗数である中間変数μを用いると、各空調機の空調能力Ｑは次のように代数式で与えられる。

このように、中間変数μと、性能モデルデータとに基づき、各空調機の空調能力Ｑをそれぞれ求めることで、協調制御対象の複数の空調機により、最小の消費電力で全体空調負荷Ｌに見合うだけの空調能力を求めることができる。

次に、実施の形態１における協調制御処理の動作を具体的に説明する。

図８は実施の形態１に係る協調制御処理の動作を示すフローチャートである。
以下、図８のフローチャートに沿って説明する。

（Ｓ１０１）
開始処理Ｓ１０１により、制御装置１０は、一連の演算処理をフローにしたがって開始する。

（Ｓ１０２）
まず、初期データ読み込み処理Ｓ１０２において、データ設定部１０３は、データ記憶部１０２に予め記憶されている性能モデルデータＤ１０１を参照する。
また、データ設定部１０３は、データ格納部１０１に格納されている、協調制御対象であり計測可能な状態（バランス運転及びバランス停止の状態）の各空調機が計測した、次の制御タイミングにおける空調負荷データＤ１０２を参照する。
また、データ設定部１０３は、次の制御タイミングにおいて、バランス運転及びバランス停止の状態の空調機の運転情報データＤ１０３を参照する。
そして、データ設定部１０３は、参照した性能モデルデータＤ１０１、空調負荷データＤ１０２、運転情報データＤ１０３を、初期データとして設定して演算の初期化を実行する。

具体的には、データ設定部１０３は、運転情報データＤ１０３より制御対象となる運転台数をメモリ上の変数にセットし、運転台数分の性能モデルデータを空調機Ｎｏごとにメモリ上の変数にセットする。
このとき、全体空調負荷Ｌに対する変数、中間変数μ及び各空調機の空調能力Ｑ_k（ｋ＝１，２，３…）に対する変数を「０」に初期化しておく。

（Ｓ１０３）
次に、全体空調負荷演算部１０４は、空調負荷データＤ１０２から全体空調負荷Ｌを求める。
具体的には次のように演算して求める。
まず、運転情報データＤ１０３に基づいて協調制御対象である空調機（バランス運転及びバランス停止の状態の空調機）を得る。そして、空調負荷データＤ１０２から、協調制御対象である空調機の空調負荷を得て、その合計値を全体空調負荷Ｌとして求める。

例えば、運転情報データＤ１０３が、例えば図６であったとし、空調負荷データＤ１０２が、例えば図７のようにＬ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，−１であるとすると、協調制御対象であり、空調負荷の計測可能な状態の空調機Ｎｏ１〜３から求められる全体空調負荷は、Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃である。

（Ｓ１０４）
続いて、空調能力配分演算部１０５は、性能モデルデータＤ１０１と、空調負荷データＤ１０２、及び運転情報データＤ１０３から、上記（数式５）にしたがって中間変数μを求める。
そして、その結果をデータ格納部１０１の変数に格納する。

（Ｓ１０５）
次に、空調能力配分演算部１０５は、運転している空調機の中で最初の空調機（例えば、空調機Ｎｏが最も小さいもの）を一つ選択する。

（Ｓ１０６）
空調能力配分演算部１０５は、上記処理Ｓ１０５により選択した空調機に対して、データ格納部１０１に格納されている中間変数μと性能モデルデータＤ１０１とから、上記（数式６）にしたがって空調能力Ｑ_kを求める。
そして、その結果をデータ格納部１０１の変数に格納する。

ここで、上記演算により求めた各空調機の空調能力Ｑ_kが、制約条件Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^maxの範囲に属さない場合が考えられる。
この場合のリカバー計算について説明する。

図９は実施の形態１に係る制約条件Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^maxを満足しない場合の処理を説明する図である。図９の横軸は空調能力を示し、縦軸は上記（数式５）により求まる中間変数を示す。
例えば、運転情報データＤ１０３が図６であったとすると、バランス運転の状態の空調機は空調機Ｎｏ１、３である。このとき、上述の処理により、空調機Ｎｏ１の空調能力Ｑ₁と、空調機Ｎｏ３の空調能力Ｑ₃とが求まる。
例えば図９に示すように、空調能力Ｑ₁（点Ａ３）が、Ｑ^min（点Ａ２）からＱ^max（点Ａ１）の範囲内であったとする。
また、空調能力Ｑ₃（点Ｂ３）が、Ｑ^min（点Ｂ２）からＱ^max（点Ｂ１）の範囲外（Ｑ^min以下）であったとする。

空調能力配分演算部１０５は、以下のような処理を行う。
まず、性能モデルデータＤ１０３に設定された空調能力の範囲（Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^max）に属さない空調機の空調能力Ｑ_kを、空調能力の範囲の限界値（Ｑ^minまたはＱ^max）とする。例えば、空調能力Ｑ_kが最小能力値Ｑ^minを下回った場合には、空調能力Ｑ_kを最小能力値Ｑ^minとする。空調能力Ｑ_kが最大能力値Ｑ^maxを超えた場合には、空調能力Ｑ_kを最大能力値Ｑ^maxとする。
図９の例では、空調機Ｎｏ３の空調能力Ｑ₃を、最小能力値Ｑ₃ ^minと同値のＱ₃’（点Ｂ２）に固定する。

次に、空調能力の範囲に属さない空調機以外の空調機について、再度、空調能力を求める。
このとき、全体空調負荷Ｌから空調能力の範囲に属さない空調機の空調能力を除いた第２の全体空調負荷Ｌ’を求める。
そして、この第２の全体空調負荷Ｌ’を用いて、改めて上記（数式５）にしたがって中間変数μ’を求める。この中間変数μ’と性能モデルデータＤ１０１とから、上記（数式６）にしたがって、空調能力の範囲に属する空調機の空調能力を求める。
すなわち、空調能力の範囲に属する空調機の空調能力の和が、第２の全体空調負荷Ｌ’となり、且つ、空調能力の範囲に属する空調機の消費電力の和が最小となるように、空調能力の範囲に属する空調機の空調能力を求める。

図９の例では、全体空調負荷Ｌから空調機３の空調能力Ｑ₃’を除いた第２の全体空調負荷Ｌ’を求める。この例では空調能力の範囲に属する空調機が１台であるため、空調機Ｎｏ１の空調能力Ｑ₁が、第２の全体空調負荷Ｌ’と同値のＱ₁’（点Ａ４）となる。つまり、空調能力Ｑ₃がＱ₃’に増加したため、Ｑ₁’はＱ₁より減少することになる。

また、例えば、協調制御の対象となる空調機が４台で、内１台が制約条件Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^maxから外れた場合は、制約条件を外れた空調機の空調能力を制約条件の限界値に固定し、残りの３台にて改めて中間変数μを算出することになる。

尚、図９においては、制約条件が１台外れるケースで説明したが、複数台外れる場合であっても、制約条件を外れた空調機を１台づつ制約条件内（限界値）に固定し、改めてそれぞれの中間変数μを算出する。

以上のようなリカバー計算を行うことで、各空調機の空調能力Ｑ_kがそれぞれ空調能力の範囲（Ｑ^min≦Ｑ≦Ｑ^max）に属し、且つ、各空調機の空調能力Ｑ_kの和が全体空調負荷Ｌとなる空調能力であって、各空調機の消費電力Ｗ_kの和を最小とするような、それぞれの空調能力Ｑ_kを求めることができる。

（Ｓ１０７）
続いて、空調機選択終了判定処理Ｓ１０７において、空調能力配分演算部１０５は、すべての運転している空調機に対して処理を終了したかどうかを判断する。

（Ｓ１０８）
終了していない場合には、未選択空調機選択処理Ｓ１０８に進み、空調能力配分演算部１０５は、未選択の空調機の中から次の空調機を選択して、処理Ｓ１０６に戻り処理を繰り返す。
空調機をすべて選択し空調能力の演算を完了した場合には、制御信号送出処理Ｓ１０９に進む。

（Ｓ１０９）
制御信号送出処理Ｓ１０９において、制御信号送出部１０６は、各空調機に対して一連の演算の結果求められた空調能力値を出力データとしてデータ格納部１０１より読み出す。
そして、当該空調能力値を実現する制御信号を、次の制御タイミングに合わせて通信線を通じて、各空調機に送出する。

（Ｓ１１０）
終了処理Ｓ１１０により、一連の演算処理を終了する。

このような協調制御により、必要な全体空調負荷Ｌに見合うだけの能力を、運転中の協調制御対象となる各空調機に消費電力を低減するように配分して運転することができるため、全体空調システムとして消費電力を低減するような運転条件を求めて空調機を制御することができる。

以上のように本実施の形態においては、性能モデルデータと全体空調負荷Ｌとに基づいて、複数の空調機の空調能力Ｑの和が全体空調負荷Ｌとなり、且つ、複数の空調機の消費電力Ｗの和が最小となるように、複数の空調機のそれぞれの空調能力Ｑを求める。
このため、空調対象空間１内の全体空調負荷Ｌと、運転中の空調機の空調能力Ｑ_kの総和とのバランスを保ちながら消費電力Ｗ_kの総和を低減することができる。

また、複数の空調機のそれぞれの空調能力Ｑを求める過程において、空調能力の範囲に属さない空調機の空調能力を、空調能力の範囲の限界値とし、この空調機以外の空調機について、再度、空調能力を求める。
これにより、各空調機の空調能力をそれぞれ空調能力の範囲内としつつ、各空調機の空調能力の和が全体空調負荷となる空調能力であって、各空調機の消費電力の和を最小とする各空調機の空調能力を求めることができる。
したがって、空調能力が各空調機の最小能力値から最大能力値までの範囲を外れた場合であっても、実際の運用状況に対応しつつ、より詳細な省エネルギーを図ることができるという効果がある。

また、全体空調負荷Ｌと性能モデルデータとを用いて（数式５）に基づき中間変数μを求め、この中間変数μと、性能モデルデータとに基づき、（数式６）により各空調機の空調能力Ｑ_kをそれぞれ求める。
このため、空調機の空調能力の総和が全体空調負荷となり、消費電力の総和が最小となる空調能力を、全体空調負荷Ｌと性能モデルデータとから算出することができる。

なお、実施の形態１では、図８で示すフローチャートを用いて複数台の空調機による協調制御処理内容を説明したが、このフローチャートは実質的に協調制御処理内容を実行するプログラムにより実現しても良い。このプログラムは、制御装置１０としてのリモコンのマイコンに搭載されるが、制御装置１０としてリモコンを使用せずに計算機で構成する場合には、例えば、記録媒体であるハードディスク等に格納されているものが考えられる。

また、このプログラムを記録したコンピュータ読取可能な媒体は、ハードディスクの他にＣＤ−ＲＯＭやＭＯ等であっても良い。
さらには、記録媒体を介することなくプログラム自体を、電気通信回線を介して取得するようにすることもできる。

なお、上記実施の形態１においては、複数の空調機を制御する空調機の制御装置１０について説明したが、これに限らず、同一空間を冷却対象として設置された複数の冷凍装置を制御する冷凍装置の制御装置であっても、上記実施の形態１の動作を適用することができる。
例えば、冷凍用のショーケース等の内部を、室内熱交換器２１により冷却する冷凍装置を複数備えるシステムにおいて、同様に、複数の冷凍装置毎に冷凍能力と消費電力との関係と、冷凍能力の範囲に関する情報とを含む性能モデルデータを記憶させ、複数の冷凍装置の冷凍負荷の合計値である全体冷凍負荷を求める。
そして、性能モデルデータと全体冷凍負荷とに基づいて、複数の冷凍装置の冷凍能力がそれぞれ冷凍能力の範囲に属し、且つ、複数の冷凍装置の冷凍能力の和が全体冷凍負荷となる冷凍能力であって、複数の冷凍装置の消費電力の和を最小とする複数の冷凍装置のそれぞれの冷凍能力を求めることで、上記実施の形態１と同様の協調制御を行うことが可能である。これにより、各冷凍装置の冷凍能力をそれぞれ冷凍能力の範囲内としつつ、全体冷凍負荷と冷凍装置の冷凍能力の総和とのバランスを保ちながら消費電力の総和を低減することができる。

１ 空調対象空間、２ 室内機、３ 室外機、１０ 制御装置、２１ 室内熱交換器、２２ 室内送風機、２３ 温度センサ、３１ 圧縮機、３２ 四方弁、３３ 室外熱交換器、３４ 室外送風機、３５ 絞り装置、３６ 温度センサ、１００ 運転制御手段、１０１ データ格納部、１０２ データ記憶部、１０３ データ設定部、１０４ 全体空調負荷演算部、１０５ 空調能力配分演算部、１０６ 制御信号送出部。

Claims (3)

1. 同一空間を空調対象として設置された複数の空気調和機を制御する空気調和機の制御装置であって、
   前記複数の空気調和機毎に、消費電力を、空調能力を変数として近似した二次関数の係数の情報と、前記空調能力の範囲に関する情報とを含む性能モデルデータが記憶されるデータ記憶手段と、
   前記複数の空気調和機の空調負荷の合計値である全体空調負荷を求める全体空調負荷算出手段と、
   前記性能モデルデータと前記全体空調負荷とに基づいて、前記複数の空気調和機のそれぞれの空調能力を求める空調能力配分演算手段と、
   前記空調能力に関する制御信号を、前記複数の空気調和機にそれぞれ送出する制御信号送出手段と
   を備え、
   前記空調能力配分演算手段は、
   前記二次関数を前記空気調和機毎に加算して前記複数の空気調和機の消費電力の和を近似した多変数関数に、前記複数の空気調和機の空調能力の和が前記全体空調負荷と等しくなる制約条件を係数にもつ中間変数を加算した第２の多変数関数において、該第２の多変数関数の各空調能力が極値となる条件を満たす前記中間変数を、前記全体空調負荷と前記二次関数の係数とにより表した第１算出式と、
   前記制約条件のもと、前記多変数関数が極値となる前記各空気調和機の空調能力を、前記中間変数と前記二次関数の係数とにより表した第２算出式と、
   が予め設定され、
   前記全体空調負荷算出手段が求めた前記全体空調負荷と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第１算出式に基づき、前記中間変数を求め、
   該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記各空気調和機の空調能力をそれぞれ求め、
   当該各空調能力のうち前記空調能力の範囲に属さない前記空気調和機の空調能力を、前記空調能力の範囲の限界値とし、
   前記空調能力の範囲に属する空気調和機について、再度、前記中間変数を求め、該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記空調能力の範囲に属する各空気調和機の空調能力をそれぞれ求める
   ことを特徴とする空気調和機の制御装置。
2. 前記空調能力配分演算手段は、
   前記全体空調負荷から前記空調能力の範囲に属さない前記空気調和機の空調能力を除いた第２の全体空調負荷を求め、
   前記第２の全体空調負荷と、前記空調能力の範囲に属する前記空気調和機の前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第１算出式に基づき、前記中間変数を求め、
   該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記空調能力の範囲に属する空気調和機の空調能力を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の空気調和機の制御装置。
3. 同一空間を冷却対象として設置された複数の冷凍装置を制御する冷凍装置の制御装置であって、
   前記複数の冷凍装置毎に、消費電力を、冷凍能力を変数として近似した二次関数の係数の情報と、前記冷凍能力の範囲に関する情報とを含む性能モデルデータが記憶されるデータ記憶手段と、
   前記複数の冷凍装置の冷凍負荷の合計値である全体冷凍負荷を求める全体冷凍負荷算出手段と、
   前記性能モデルデータと前記全体冷凍負荷とに基づいて、前記複数の冷凍装置のそれぞれの冷凍能力を求める冷凍能力配分演算手段と、
   前記冷凍能力に関する制御信号を、前記複数の冷凍装置にそれぞれ送出する制御信号送出手段と
   を備え、
   前記冷凍能力配分演算手段は、
   前記二次関数を前記冷凍装置毎に加算して前記複数の冷凍装置の消費電力の和を近似した多変数関数に、前記複数の冷凍装置の冷凍能力の和が前記全体冷凍負荷と等しくなる制約条件を係数にもつ中間変数を加算した第２の多変数関数において、該第２の多変数関数の各冷凍能力が極値となる条件を満たす前記中間変数を、前記全体冷凍負荷と前記二次関数の係数とにより表した第１算出式と、
   前記制約条件のもと、前記多変数関数が極値となる前記各冷凍装置の冷凍能力を、前記中間変数と前記二次関数の係数とにより表した第２算出式と、
   が予め設定され、
   前記全体冷凍負荷算出手段が求めた前記全体冷凍負荷と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第１算出式に基づき、前記中間変数を求め、
   該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記各冷凍装置の冷凍能力をそれぞれ求め、
   当該各冷凍能力のうち前記冷凍能力の範囲に属さない前記冷凍装置の冷凍能力を、前記冷凍能力の範囲の限界値とし、
   前記冷凍能力の範囲に属する冷凍装置について、再度、前記中間変数を求め、該中間変数と、前記性能モデルデータの前記二次関数の係数の情報とを用いて前記第２算出式に基づき、前記冷凍能力の範囲に属する各冷凍装置の冷凍能力をそれぞれ求める
   ことを特徴とする冷凍装置の制御装置。

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