JP6588800B2 - 熱源運転支援装置および方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1は、数理計画法が目的関数を最小にする演算(最適化)を行うことに着目し、経済性、省エネルギー性、環境保全、制御性などを考慮した目的関数を設定して、その解を得るようにしたものである。また、熱源機器の発停を0/1の値をとる整数変数で合わすことにより、最適運転スケジュール問題を混合整数線形計画法により定式化したものである。
このような要請に対し導入される台数制御は、予め設定された優先順位テーブルに従い、負荷熱量または負荷流量が閾値を超えたら優先順位の高い順に起動し、下回ったら優先順位の低い順に停止を行うことで、数秒単位の速い制御が特徴である。
しかしながら、このような連携方法によれば、最適運転計画で決定した結果と台数制御による実際の運転とがかけ離れてしまい、経済性、省エネルギー性、環境保全など、熱源システムに対する各種要請に対応できないという問題点があった。
[熱源運転支援装置]
まず、図1を参照して、本発明の一実施の形態にかかる熱源運転支援装置10について説明する。図1は、熱源運転支援装置の構成を示すブロック図である。
この熱源運転支援装置10は、全体としてサーバ装置やパーソナルコンピュータなどの情報処理装置からなり、熱源システム20に関する目的関数および制約条件を定式化し、熱源システム20に設けられた複数の熱源機器に関する運転計画として、当該制約条件下で当該目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定する機能を有している。
図2は、熱源システムの構成例である。図3は、図2の熱源機器に関するパラメータ表である。これらは熱源システムの一例であり、本実施の形態はこの構成に限定されるものではない。
一方、HPC、GLX、GLCから出力された冷水は、空調設備の冷水需要に対して供給されており、HPH、GLH、HEXから出力された温水は、空調設備の温水需要に対して供給されている。
熱源運転支援装置10には、主な機能部として、上位網I/F部11、操作入力部12、画面表示部13、通信I/F部14、記憶部15、および演算処理部16が設けられている。
操作入力部12は、キーボード、マウス、タッチパネルなどの操作入力装置からなり、オペレータの操作を検出して演算処理部16へ出力する機能を有している。
画面表示部13は、LCDなどの画面表示装置からなり、演算処理部16から出力された、操作メニュー、設定内容、最適運転計画、台数制御用優先順位などの各種情報を画面表示する機能を有している。
記憶部15で記憶する主な処理データとして、運用目的データ15A、熱源機器データ15B、エネルギー需給データ15C、エネルギー契約データ15D、および運転優先順位テーブル15Eがある。
熱源機器データ15Bは、熱源システム20で用いる各熱源機器に関する機器効率、最大(定格)生成熱量、最小生成熱量などの各種動作特性を示すデータである。
図4は、熱源システムにおけるエネルギー需給例である。ここでは、過去の実績データから、月ごとの代表日における冷温水需要量および電力需要量(空調以外)の時刻変化を示すパターンが示されている。この際、例えば、平日・休日を示す各月の代表日に関する24パターン、および、夏期・冬期のピーク日に関する2パターンからなる合成26パターン用意すればよい。
図5は、運転優先順位テーブルの構成例であり、図5(a)は冷房用運転優先順位テーブルを示し、図5(b)は暖房用運転優先順位テーブルを示している。ここでは、行方向に異なる候補iが並べられており、列方向にはそれぞれの候補iにおいて、優先して運転されるべき熱源機器が、その起動順位jに対応して左から順に配置されている。
演算処理部16で実現される主な処理部として、データ取得部16A、目的関数設定部16B、制約条件設定部16C、運転計画特定部16D、および運転支援出力部16Eが設けられている。
次に、本実施の形態にかかる熱源運転支援装置10における最適運転計画の定式化について説明する。熱源運転支援装置10は、最適運転計画特定処理において、混合整数線形計画法に基づいて最適運転計画を特定する際、目的関数および制約条件を定式化した後、周知の汎用ソルバーにより、制約条件下で目的関数が最小となる解、すなわち最適運転計画を特定する。
まず、目的関数の定式化について説明する。目的関数は、熱源システム20に対して要請される運用目的を関数式で表したものである。熱源システム20の運用目的は、経済性、省エネルギー性、環境保全、制御性などの観点から予め決定され、運用目的データ15Aにより具体的な指標および数値が熱源運転支援装置10に設定される。目的関数設定部16Bは、記憶部15の運用目的データ15Aに基づいて最適運転計画特定処理で用いる目的関数を定式化する。
次に、機器特性制約条件の定式化について説明する。機器特性制約条件は、熱源システム20を構成する各熱源機器に関する機器特性から生じる制約条件である。各熱源機器に関する機器特性は、熱源機器データ15Bにより具体的な数値が熱源運転支援装置10に設定される。目的関数設定部16Bは、記憶部15の熱源機器データ15Bに基づいて最適運転計画特定処理で用いる機器特性制約条件を定式化する。以下では、熱源機器の具体例として、空冷ヒートポンプ、ジェネリンク、およびコージェネレーションに関する機器特性制約条件と、熱源機器間の等負荷率制約とについて説明する。
空冷ヒートポンプは、電力により熱量を生成する熱源機器であることから、機器特性制約条件は、生成熱量と電力消費量に関する制約条件から構成される。時刻kにおける空冷ヒートポンプmに関する電力消費量,生成熱量,および発停状態を示す0−1変数をそれぞれEm,k,Qm,k,δm,kとし、空冷ヒートポンプmの機器効率に関する係数をpm,qmとし、空冷ヒートポンプmに対する電力消費量の上下限をバーEm,アンダーバーEmとした場合、空冷ヒートポンプmに投入されたエネルギー量(電力消費量)と生成熱量との関係は次の式(2)で表され、電力消費量の上下限制約は次の(3)式で表される。
ジェネリンクは、排熱利用型冷温水発生機の通称でガスと排熱により熱を生成する熱源機器であることから、機器特性制約条件は、生成熱量、ガス消費量、および排熱投入量に関する制約条件から構成される。時刻kにおけるジェネリンクmに関するガス消費量,排熱投入量,および生成熱量をそれぞれFm,k,QXin m,k,Qm,kとし、ジェネリンクmに関するガス・排熱モードの発停状態を示す0−1変数をそれぞれδF m,k,δX m,kとし、ジェネリンクmの機器効率に関する係数をpF m,qF m,pX m,qX mとし、ガス消費量の上下限をバーFm,アンダーバーFmとし、ジェネリンクmに対する排熱投入量の上下限をバーQXin m,アンダーバーQXin mとした場合、ジェネリンクmに投入されたエネルギー量(ガス消費量および排熱投入量)と生成熱量との関係は次の式(4)で表され、ガス消費量の上下限制約は次の(5)式で表され、排熱投入量の上下限制約は次の(6)式で表される。
コージェネレーションは、ガスにより電力と熱を生成する熱源機器であることから、機器特性制約条件は、生成電力量、生成排熱量、およびガス消費量に関する制約条件から構成される。時刻kにおけるコージェネレーションmに関するガス消費量,生成電力量,生成排熱量,および発停状態を示す0−1変数をそれぞれFm,k,EG m,k,QXout m,k,δm,kとし、ジェネリンクmに関するガス−電力およびガス−熱の効率に関する係数をそれぞれpF m,qF m,pX m,qX mとした場合、コージェネレーションmに投入されたガス量(ガス消費量)と生成電力量との関係は次の式(7)で表され、コージェネレーションmに投入されたガス量(ガス消費量)と生成排熱量との関係は次の式(8)で表され、ガス消費量の上下限制約は次の(9)式で表される。
通常、複数の熱源機器を並列的に起動している場合、熱源機器間での圧力バランスを保つため、両者の負荷率が等しくなるよう制御されている。この際、熱源機器mの負荷率は、熱源機器mで生成した熱量を熱源機器mの最大生成熱量で除算した値である。この等負荷率制御に従うと、並列的に起動している任意の2つの熱源機器間における負荷率の差がゼロに制約されることになる。また並列的に起動している任意の2つの熱源機器については、これら熱源機器の発停状態を示す0−1変数の和が2となることを条件として利用する。時刻kにおける熱源機器m,m’に関する生成熱量,最大生成熱量,および発停状態を示す0−1変数をそれぞれQm,k,Qm',k,バーQm,k,バーQm',k,δm,k,δm',kとした場合、これら熱源機器m,m’に関する等負荷率制約は次の(10)式で表される。
次に、エネルギー需給制約条件の定式化について説明する。エネルギー需給制約条件は、熱源システム20全体におけるエネルギー需給の収支をゼロとするという定義から生じる制約条件であり、具体的には、冷温水、電力、ガスのそれぞれについて需要と供給が等しくなるという制約条件である。これら熱源システム20全体における冷温水、電力、ガスの需要量は、エネルギー需給データ15Cにより具体的な数値が熱源運転支援装置10に設定される。目的関数設定部16Bは、記憶部15のエネルギー需給データ15Cに基づいて最適運転計画特定処理で用いるエネルギー需給制約条件を定式化する。
次に、エネルギー契約制約条件の定式化について説明する。電力・ガスエネルギー会社と需要家とは、様々なエネルギー契約を締結しており、これを逸脱するとペナルティ料金を支払う必要がある。特に長期間にわたる運転計画を求めるにはこれらのエネルギー契約を考慮する必要がある。エネルギー契約制約条件はこのようなエネルギー契約から生じる制約条件である。
次に、運転優先順位制約条件の定式化について説明する。本発明では、最適運転計画と台数制御とを連携させるため、異なる時刻k間で共通の運転優先順位が適用されるような新たな制約条件を導入する。前述の図5で説明したように、運転優先順位テーブル15Eには、運転優先順位の候補iと起動順位jに対応した熱源番号が格納されているものとする。この運転優先順位テーブル15Eを集合Sとし、集合Sのうち候補iの起動順位j=1,2,…,Mに関する熱源機器をS[i,j]とし、候補iに関する採用/非採用(有効/無効)を示す0−1変数をγiとし、時刻kにおける熱源機器mに関する発停状態を示す0−1変数をδm,kとすると、運転優先順位制約条件は次の式(18)で表され、候補iは常にいずれか1つだけが排他的に採用されるという制約条件は次の式(19)で表される。
次に、図6を参照して、本実施の形態にかかる熱源運転支援装置10の動作について説明する。図6は、熱源運転支援装置の最適運転計画特定処理を示すフローチャートである。
熱源運転支援装置10は、操作入力部12で検出された最適運転計画特定指示に応じて、図6の最適運転計画特定処理を実行する。ここでは、最適運転計画特定処理の開始にあたって、記憶部15には予め各種処理データがデータ取得部16Aにより登録されているものとする。
一方、制約条件設定部16Cは、記憶部15の熱源機器データ15B、エネルギー需給データ15C、およびエネルギー契約データ15Dに基づいて、機器特性制約条件、エネルギー需給制約条件、およびエネルギー契約制約条件をそれぞれ定式化し、最適運転計画の特定に用いる制約条件として設定する(ステップ101)。
本実施の形態にかかる最適運転計画特定処理で特定した台数制御用優先順位に基づいて、熱源システム20を運転した場合のシミュレーション結果について説明する。
このように、本実施の形態は、制約条件設定部16Cが、運転優先順位テーブル15Eに基づいて、候補における熱源機器に関する運転優先順位を示す条件と、候補のうちのいずれか1つの候補を排他的に採用するための条件とを運転優先順位制約条件として定式化し、制約条件の1つとして設定し、運転計画特定部16Dが、運転優先順位制約条件を含む制約条件下で目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定し、運転支援出力部16Eが、特定された最適運転計画と、当該最適運転計画を特定した際に運転優先順位制約条件に基づき候補として採用された運転優先順位からなる台数制御用優先順位とを、熱源システム20に関する運転支援情報として出力するようにしたものである。
これにより、熱源システム20の運転モードに応じたより最適な最適運転計画および台数制御用優先順位を得ることができる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。
Claims (4)
- 熱源システムに関する目的関数および制約条件を定式化し、当該熱源システムに設けられた複数の熱源機器に関する運転計画として、当該制約条件下で当該目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定する熱源運転支援装置であって、
前記熱源機器に関する運転優先順位を規定した候補が複数登録されている運転優先順位テーブルを記憶する記憶部と、
前記運転優先順位テーブルに基づいて、前記候補における前記熱源機器に関する運転優先順位を示す条件と、前記候補のうちのいずれか1つの候補を排他的に採用するための条件とを運転優先順位制約条件として定式化し、前記制約条件の1つとして設定する制約条件設定部と、
前記運転優先順位制約条件を含む前記制約条件下で前記目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定する運転計画特定部と、
前記運転計画特定部で特定された前記最適運転計画と、当該最適運転計画を特定した際に前記運転優先順位制約条件に基づき前記候補として採用された前記運転優先順位からなる台数制御用優先順位とを、前記熱源システムに関する運転支援情報として出力する運転支援出力部と
を備え、
前記運転優先順位テーブルを示す集合Sのうち、候補iの起動順位jに関する熱源機器をS[i,j]とし、候補iに関する採用/非採用(有効/無効)を示す0−1変数をγiとし、時刻kにおける熱源機器mに関する発停状態を示す0−1変数をδm,kとし、候補iのうち時刻kにおける熱源機器mに関する発停状態を示す0−1変数をξi,m,kとした場合、前記運転優先順位制約条件は、次の式(A)−式(E)
- 請求項1に記載の熱源運転支援装置において、
前記運転優先順位テーブルは、少なくとも運転期間、冷暖房、負荷量のいずれかに応じて選択される前記熱源システムの運転モードごとに、前記候補が登録された複数の運転モード別テーブルを含み、
前記制約条件設定部は、任意の運転モードにおける前記最適運転計画を特定する場合、当該運転モードに対応する前記運転モード別テーブルに基づき運転優先順位制約条件を設定する
ことを特徴とする熱源運転支援装置。 - 熱源システムに関する目的関数および制約条件を定式化し、当該熱源システムに設けられた複数の熱源機器に関する運転計画として、当該制約条件下で当該目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定する熱源運転支援方法であって、
前記熱源機器に関する運転優先順位を規定した候補が複数登録されている運転優先順位テーブルを記憶部で記憶する記憶ステップと、
前記運転優先順位テーブルに基づいて、前記候補における前記熱源機器に関する運転優先順位を示す条件と、前記候補のうちのいずれか1つの候補を排他的に採用するための条件とを運転優先順位制約条件として定式化し、前記制約条件の1つとして設定する制約条件設定ステップと、
前記運転優先順位制約条件を含む前記制約条件下で前記目的関数が最小となる最適運転計画を混合整数線形計画法により特定する運転計画特定ステップと、
前記運転計画特定ステップで特定された前記最適運転計画と、当該最適運転計画を特定した際に前記運転優先順位制約条件に基づき前記候補として採用された前記運転優先順位からなる台数制御用優先順位とを、前記熱源システムに関する運転支援情報として出力する運転支援出力ステップと
を備え、
前記運転優先順位テーブルを示す集合Sのうち、候補iの起動順位jに関する熱源機器をS[i,j]とし、候補iに関する採用/非採用(有効/無効)を示す0−1変数をγ i とし、時刻kにおける熱源機器mに関する発停状態を示す0−1変数をδ m,k とし、候補iのうち時刻kにおける熱源機器mに関する発停状態を示す0−1変数をξ i,m,k とした場合、前記運転優先順位制約条件は、次の式(A)−式(E)
- 請求項3に記載の熱源運転支援方法において、
前記運転優先順位テーブルは、少なくとも運転期間、冷暖房、負荷量のいずれかに応じて選択される前記熱源システムの運転モードごとに、前記候補が登録された複数の運転モード別テーブルを含み、
前記制約条件設定ステップは、任意の運転モードにおける前記最適運転計画を特定する場合、当該運転モードに対応する前記運転モード別テーブルに基づき運転優先順位制約条件を設定する
ことを特徴とする熱源運転支援方法。
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