(57)【要約】【課題】熱需要を満たし、且つヒートポンプ式給湯システム全体の消費電力量が最小となる運転スケジュールを除霜運転を反映して生成するヒートポンプ式給湯システムの運転制御装置を提供する。【解決手段】運転制御装置１０１は、ヒートポンプ式給湯システム２００の運転制御情報を生成する。熱源設備特性モデル化手段２１はヒートポンプの特性を保有し、ヒートポンプ７１の蒸発器の着霜量を算出する着霜量推定手段２１ａと、この着霜量に基づきヒートポンプ７１の特性を補正する熱源効率補正手段２１ｂとを有する。最適化計算手段３は、熱需要の予測値を入力すると共に、着霜量に基づき補正されたヒートポンプ特性、ヒートポンプ式給湯システムの給湯設備特性及び搬送設備特性を含む設備特性モデルを入力し、熱需要の予測値と設備特性モデルとを対象として最適化手法を適用してヒートポンプ式給湯システム２００の運転スケジュールを生成する。【選択図】図２
2010249333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた熱源であるヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯システムの運転を制御する運転制御情報を生成する運転制御情報生成装置において、
前記ヒートポンプの特性を保有する熱源設備特性モデル化手段であって、前記蒸発器に付着する霜の付着量を示す着霜量を所定の手順に従って算出する着霜量推定手段と、前記着霜量推定手段によって算出された前記着霜量に基づいて前記ヒートポンプの特性を補正する熱源効率補正手段とを有する熱源設備特性モデル化手段と、
前記ヒートポンプ式給湯システムに要求される熱需要の予測値を入力すると共に、前記熱源設備特性モデル化手段によって補正された前記ヒートポンプの特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの給湯設備の特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの搬送設備の特性とを含む設備特性モデルを入力し、入力された前記熱需要の予測値と前記設備特性モデルとを対象として所定の最適化手法を適用することにより前記ヒートポンプ式給湯システムの運転スケジュールを前記運転制御情報として生成する最適化計算手段と
を備えたことを特徴とする運転制御情報生成装置。
【請求項２】
前記運転制御情報生成装置は、さらに、
所定の気象データと過去の前記熱需要の実績値とに基づいて前記熱需要の予測値を算出し、算出された前記熱需要の予測値を前記最適化計算手段に出力する熱需要予測手段
を備えたことを特徴とする請求項１記載の運転制御情報生成装置。
【請求項３】
前記運転制御情報生成装置は、さらに、
前記最適化計算手段によって生成された前記運転スケジュールに従って、前記ヒートポンプ式給湯システムの運転を制御する設備制御手段
を備えたことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の運転制御情報生成装置。
【請求項４】
前記運転制御情報生成装置は、さらに、
前記設備制御手段によって運転中の前記ヒートポンプ式給湯システムの所定の箇所の温度を検出する複数の温度センサの各温度センサから検出温度に相当する検出信号を入力し、各温度センサから入力した前記検出信号に基づいて、前記最適化計算手段によって生成された前記運転スケジュールが妥当かどうかを評価するスケジュール評価手段と、
前記スケジュール評価手段によって妥当でないと評価されると、前記スケジュール評価手段による評価結果に従って前記運転スケジュールを修正するスケジュール修正手段と
を備え、
前記設備制御手段は、
前記スケジュール修正手段によって前記運転スケジュールが修正されると、修正された前記運転スケジュールに従って、前記ヒートポンプ式給湯システムの運転を制御することを特徴とする請求項３記載の運転制御情報生成装置。
【請求項５】
前記熱源設備特性モデル化手段は、さらに、
前記ヒートポンプによって実行される冷凍サイクルにおける冷媒の温度変化をモデル化し、モデル化された前記冷媒の温度を前記ヒートポンプの特性に反映する冷媒回路モデル化手段
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の運転制御情報生成装置。
【請求項６】
前記熱源設備特性モデル化手段は、さらに、
前記冷媒回路モデル化手段によってモデル化された前記冷媒の温度変化を前記着霜量推定手段によって算出された前記着霜量に基づいて補正し、補正された前記冷媒の温度変化を前記ヒートポンプの特性に反映する冷媒温度補正手段
を備えたことを特徴とする請求項５記載の運転制御情報生成装置。
【請求項７】
前記熱源設備特性モデル化手段は、
前記ヒートポンプ式給湯システムが前記ヒートポンプと切替可能な熱源である代替熱源装置を備えた場合における前記代替熱源装置の特性をモデル化し、
前記最適化計算手段は、
前記ヒートポンプ式給湯システムにおいて前記代替熱源が使用される条件を制約式として、前記最適化手法を適用することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の運転制御情報生成装置。
【請求項８】
前記熱源設備特性モデル化手段は、さらに、
前記ヒートポンプ式給湯システムが太陽熱を利用して温水を生成する太陽熱温水器を前記ヒートポンプと共に熱源として備えた場合における前記太陽熱温水器の特性をモデル化する太陽熱温水器モデル化手段を備え、
前記最適化計算手段は、
前記ヒートポンプ式給湯システムにおいて前記太陽熱温水器が使用される条件を制約式として、前記最適化手法を適用することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の運転制御情報生成装置。
【請求項９】
前記運転制御情報生成装置は、さらに、
前記設備特性モデルに対して使用年数の経過による特性の経年劣化を反映するよる設備劣化補正手段
を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の運転制御情報生成装置。
【請求項１０】
圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた熱源であるヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯システムの運転を制御する運転制御情報を生成するコンピュータである運転制御情報生成装置に、
（１）前記蒸発器に付着する霜の付着量を示す着霜量を所定の手順に従って算出する着霜量推定処理、
（２）前記着霜量推定処理によって算出された前記着霜量に基づいて、予め記憶する前記ヒートポンプの特性を補正する熱源効率補正処理、
（３）前記ヒートポンプ式給湯システムに要求される熱需要の予測値を入力すると共に、補正された前記ヒートポンプの特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの給湯設備の特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの搬送設備の特性とを含む設備特性モデルを入力し、入力された前記熱需要の予測値と前記設備特性モデルとを対象として所定の最適化手法を適用することにより前記ヒートポンプ式給湯システムの運転スケジュールを前記運転制御情報として生成する最適化計算処理、
を実行させるための運転制御情報生成プログラム。
【請求項１１】
請求項１０記載の運転制御情報生成プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１２】
圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた熱源であるヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯システムの運転を制御する運転制御情報を生成する運転制御情報生成装置が行う運転制御情報生成方法において、
（１）着霜量推定手段が、前記蒸発器に付着する霜の付着量を示す着霜量を所定の手順に従って算出し、
（２）熱源効率補正手段が、前記着霜量推定手段によって算出された前記着霜量に基づいて、予め記憶する前記ヒートポンプの特性を補正し、
（３）最適化計算手段が、前記ヒートポンプ式給湯システムに要求される熱需要の予測値を入力すると共に、補正された前記ヒートポンプの特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの給湯設備の特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの搬送設備の特性とを含む設備特性モデルを入力し、入力された前記熱需要の予測値と前記設備特性モデルとを対象として所定の最適化手法を適用することにより前記ヒートポンプ式給湯システムの運転スケジュールを前記運転制御情報として生成する
ことを特徴とする運転制御情報生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプを用いた給湯システムを対象として、システム全体の効率が最も良くなるように設備の運転スケジュールを生成する運転制御情報生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプにより温水を生成し、その温水を建物内の各室に設けられたラジエータに循環させて建物の暖房を行うヒートポンプ式給湯システムがある。この給湯システムにおける従来の設備の運用方法は、設備に備え付けられたセンサからの信号に基づきコントローラで制御している（特許文献１）。例えば、居室内の放熱器から給湯タンクへと戻ってくる湯の温度が第１所定温度よりも高く、且つ、居室の室内温度が第２所定温度よりも高い場合に、ヒートポンプの圧縮機のインバータ周波数を最小周波数に近づける第１制御が為され、居室の室内温度が第２設定温度よりも低い第３設定温度よりも低くなった場合に、あるいは、前記居室の室内温度が第３設定温度よりも一定時間継続して低くなった場合に、前記第１制御を解除する。
【０００３】
一方、ヒートポンプ以外の熱源の制御例としては、前記のようなリアルタイムの制御に加えて、前日に翌日の負荷を予測し、空調／熱源プラントに要する電力料金やガス料金等に関する目的関数の和を最小化する最適化手法を用いて、空調／熱源プラントの最適運転スケジュールを作成する熱源運転支援システムがある（特許文献２）。特許文献２では熱源の特性に簡易近似式を用いたプラント簡易モデルを用いて、複数台の熱源機器の運転計画を求める方法が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３９３０６号公報
【特許文献２】特開２００４−３１７０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の手法では、リアルタイムのセンサデータに基づいた制御であるため、例えば負荷が小さい時間帯は圧縮機を低周波で運転する制御となり、ヒートポンプが常に沸上効率の高い状態で運転できないという課題がある。また、ヒートポンプの熱交換器に付着した霜を取る除霜運転時は、ヒートポンプの回路を切替えて冷凍サイクルで得た熱によって霜を融解し除去するため、給湯、暖房設備に熱を供給することができず、熱供給不足と判定された場合は、電気ヒータ等を起動し不足熱量を補う制御がなされることがある。例えば電気ヒータが起動した場合、ヒートポンプに比べて２〜３倍の電力を消費することから、システム全体での消費電力量が増加するという課題がある。
【０００６】
一方、特許文献２の手法は、あらかじめシステムの電気料金やガス料金が最小となるように熱源の運転スケジュールを決定するが、熱源の運転状態を決定する際に用いる熱源特性に、入力エネルギー量と出力エネルギー量との簡易近似式のみを用いているため、当該ヒートポンプ式給湯システムに適用する場合、低外気温時に発生するヒートポンプの除霜運転を考慮できないという課題がある。
【０００７】
本発明は、ヒートポンプ特有の除霜運転を含めた、システム全体での消費電力量の最も少ないヒートポンプ式給湯システムの運転計画の作成とそれに基づく設備の制御を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の運転制御情報生成装置は、
圧縮機、放熱器、膨張弁及び蒸発器を備えた熱源であるヒートポンプを用いて給湯を行うヒートポンプ式給湯システムの運転を制御する運転制御情報を生成する運転制御情報生成装置において、
前記ヒートポンプの特性を保有する熱源設備特性モデル化手段であって、前記蒸発器に付着する霜の付着量を示す着霜量を所定の手順に従って算出する着霜量推定手段と、前記着霜量推定手段によって算出された前記着霜量に基づいて前記ヒートポンプの特性を補正する熱源効率補正手段とを有する熱源設備特性モデル化手段と、
前記ヒートポンプ式給湯システムに要求される熱需要の予測値を入力すると共に、前記熱源設備特性モデル化手段によって補正された前記ヒートポンプの特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの給湯設備の特性と、前記ヒートポンプ式給湯システムの搬送設備の特性とを含む設備特性モデルを入力し、入力された前記熱需要の予測値と前記設備特性モデルとを対象として所定の最適化手法を適用することにより前記ヒートポンプ式給湯システムの運転スケジュールを前記運転制御情報として生成する最適化計算手段と
を備えたことを特徴とする
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱需要を満たし、且つヒートポンプ式給湯システムの構成要素である、熱源設備、給湯設備、搬送設備等の特性をモデル化し、外気温、流量、設備の入出湯温度等の条件から決まる設備の特性を用いて除霜運転を含めた最適なヒートポンプ式給湯システムの運転スケジュールを生成するので、ヒートポンプ式給湯システム全体の消費電力量を最小化できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１のヒートポンプ式給湯システム２００の構成を示す図。
【図２】実施の形態１の運転制御装置１０１の構成図。
【図３】実施の形態１のヒートポンプ７１の特性データの一例を示す図。
【図４】実施の形態２の運転制御装置１０２の構成図。
【図５】実施の形態２のヒートポンプ７１の冷媒回路を示す図。
【図６】実施の形態４の運転制御装置１０４の構成図。
【図７】実施の形態４のヒートポンプ式給湯システム２００の構成図。
【図８】実施の形態５の運転制御装置１０５の構成図。
【図９】実施の形態６の運転制御装置のハードウェア構成。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１〜図３を実施の形態１の運転制御装置１０１（運転制御情報生成装置）を説明する。運転制御装置１０１は、ヒートポンプ式給湯システム２００の運転を制御する運転制御情報を生成する。
【００１２】
図１はヒートポンプ式給湯システムの一例である。ヒートポンプ式給湯システム２００の制御装置２１０に運転制御装置１０１から運転スケジュールが入力されることにより、制御される。
【００１３】
図１に示すように、ヒートポンプ式給湯システム２００は、熱源であるヒートポンプ７１、給湯設備である給湯タンク７６、暖房設備であるラジエータまたはファンコイルユニット７７と床暖房７８、補助熱源７２、電動弁７３、循環ポンプ７５等を備え、これらが配管７４で接続されている。制御装置２１０は、運転制御装置１０１から入力された運転スケジュールに従って、ヒートポンプ７１、補助熱源７２、電動弁７３、循環ポンプ７５等の設備を制御する。
【００１４】
室内には室内温度センサ７９が配置されている。給湯タンク７６はタンク内の湯温を直接的にあるいはタンク壁面より間接的に計測するタンク温度センサ８０を備えている。配管７４内には供給する湯温を計測する出湯温度センサ８１と、ヒートポンプ７１への戻り湯温度を計測する戻り湯温度センサ８２が配置されている。また、ヒートポンプ７１は外気温を計測する外気温度センサ８３を備えている。
【００１５】
なお、本実施の形態１においては、暖房設備として、ラジエータまたはファンコイルユニットと床暖房を用いたが、それ以外でもよい。また、暖房設備がなく給湯設備のみの場合でもよい、給湯設備がなく暖房設備のみの構成でもよい。
【００１６】
ヒートポンプ式給湯システム２００では、熱源であるヒートポンプ７１が冷凍サイクルによって外界から熱を取り込み、ヒートポンプ７１の室外機内部に収めた、あるいは外部で接続した水熱交換器（凝縮器）を介して水を加温する。これにより、温水が配管７４内を流れる。ヒートポンプ７１の故障や一時的に能力が低下した場合には、補助熱源７２（実施の形態３で後述する代替熱源として利用可能である）により、温水は更に加熱される。温水は、電動弁７３及び循環ポンプ７５の運転状態によって、給湯タンク７６または暖房設備のラジエータ／ファンコイルユニット７７と床暖房７８とに供給される。なお、給湯設備と暖房設備への熱供給は同時に行われず、電動弁７３によって運転をどちらかに切り替える構成である。給湯タンク７６は、直接加熱型であれば配管７４を流れる温水がそのまま利用され、間接加熱型であれば給湯タンク７６内で更に熱交換設備を介して加温された温水が利用される。なお温度センサ７９〜８３の計測情報（検出信号）は運転制御装置１０１へ送られる。
【００１７】
図２は、運転制御装置１０１の構成図である。運転制御装置１０１は、熱需要予測手段１、設備特性モデル化手段２、最適化計算手段３、スケジュール評価手段４、スケジュール修正手段５、設備制御手段６を備えている。
【００１８】
（熱需要予測手段１）
熱需要予測手段１は、最適運転スケジュールを算出する際に必要な、熱需要予測値（給湯負荷＋暖房負荷予測値）を求める。熱需要予測値は手入力で設定してもよいが、熱需要予測手段１は、例えば翌日の天気予報値と最高・最低外気温予報値等の「気象データ」と、ヒートポンプ式給湯システム２００の「熱需要の実績値」とに基づいて熱需要予測値を計算する。なお、気象データは手入力することも可能であるが、インターネット等で提供される日本気象協会等のオンラインサービスを利用して、外部のシステムから通信手段を介して自動的に取得してもよい。また、ヒートポンプ７１に備え付けられている外気温度センサ８３から取得した外気温の過去データを基に、翌日の気象データを作成することも可能である。
【００１９】
（設備特性モデル化手段２）
設備特性モデル化手段２は、着霜量推定手段２１ａおよび熱源効率補正手段２１ｂを備えた熱源設備特性モデル化手段２１、給湯設備特性モデル化手段２２、暖房設備特性モデル化手段２３、および搬送設備特性モデル化手段２４を備えている。ここで「モデル化」とは、「入力に対する出力が特定できるように特性を定義すること」を意味する。
【００２０】
（熱源設備特性モデル化手段２１）
熱源設備特性モデル化手段２１は、熱源であるヒートポンプ７１や補助熱源７２の消費電力量と熱供給量、外気温等の関係をモデル化する。
【００２１】
図３はヒートポンプ７１の特性データの一例であり、外気温及び出湯温度とＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の関係を表している。補助熱源７２の特性データは消費電力量と熱供給量との関係を固定値や一次式の簡易近似式で表したものでもよい。このように、熱源設備特性モデル化手段２１はヒートポンプ７１の特性データを保有する。
【００２２】
（着霜量推定手段２１ａ）
着霜量推定手段２１ａは、ヒートポンプ７１の熱交換器（蒸発器）への着霜量を推定する。例えば、着霜量推定手段２１ａに熱交換器への着霜量をレベル別に設定しておき、着霜量推定手段２１ａは、所定外気温の時間帯に連続運転時間が第１設定時間以上、第２設定時間未満であった場合、熱交換器への着霜レベルを決定する。ここで用いる外気温は、翌日の天気予報値と最高・最低外気温予報値等の気象データを基に着霜量レベルを決定する外気温作成をしてもよい。また、ここで用いる外気温は、ヒートポンプ７１に備え付けた外気温度センサ８３から取得した外気温の過去データを基に作成することも可能である。より正確な着霜量を推定するために、ヒートポンプ周辺の湿度情報を加えて着霜量を決定してもよい。ここで用いる湿度情報はヒートポンプ７１に湿度センサを設置し、湿度センサから取得した過去データを基に決定してもよい。このように、着霜量推定手段２１ａは、ヒートポンプ７１の蒸発器に付着する着霜量を所定の手順に従って算出する。
【００２３】
（熱源効率補正手段２１ｂ）
熱源効率補正手段２１ｂは、着霜量推定手段２１ａによって決定された熱交換器の着霜量に基づいて、熱源設備の特性を補正する。例えば、熱源効率補正手段２１ｂは、着霜量推定手段２１ａにより求められた着霜量レベルに基づいて、ヒートポンプ７１のＣＯＰを所定の割合だけ低下させる。このよに、熱源効率補正手段２１ｂは、着霜量推定手段２１ａによって算出された着霜量に基づいてヒートポンプ７１の特性を補正する。
【００２４】
（給湯設備特性モデル化手段２２）
給湯設備特性モデル化手段２２は、給湯タンク７６の出入湯温度、流量、外気温、タンク内温度の関係をモデル化する。例えば、タンク出湯温度を目的変数、タンク流入温度と流量、外気温等を説明変数として関数を作成してもよい。
【００２５】
（暖房設備特性モデル化手段２３）
暖房設備特性モデル化手段２３は、暖房設備であるラジエータ、床暖房及びファンコイルユニットの出入湯温度、流量、室内温度、および放熱量（室内熱供給量）の関係をモデル化する。例えば、出湯温度を目的変数、流入温度と流量、室内温度、屋外への放熱量を説明変数として関数を作成してもよい。屋外への放熱量は外気温や居室の断熱性能によって変化するため、正確に求めるためには建物材質の物性値を含めた室内伝熱モデルを解く必要があるが、簡易的に翌日の外気温を用いて屋外への放熱量を補正してもよい。
【００２６】
（搬送設備特性モデル化手段２４）
搬送設備特性モデル化手段２４は、ポンプ、バルブ、配管など搬送経路の設備に関する特性をモデル化する。例えばポンプであれば流量、消費電力を目的変数、運転信号を説明変数として関数を作成してもよい。これらの特性データは、カタログ上のデータを用いてもよいし、既納入製品の運転データの収集結果から求めたデータを用いてもよい。
【００２７】
（最適化計算手段３）
最適化計算手段３は、設備制御手段６で制御可能な設備の運転状態（熱源運転信号とポンプ運転信号と切替バルブ状態と補助熱源運転停止状態等）を制御変数とし、システム全体の消費電力量が最小となるように制御変数を決定する。ヒートポンプ式給湯システム２００の最適運転スケジュールを求める問題は、次式（１）により表される目的関数を最小化するような各設備の運転状態Ｘ（ｋ）を求める最適化問題として定式化される。
（目的関数）
【００２８】
【数１】
2010249333.tif 000003
【００２９】
なお、上式（１）において、ＰＨＰ，ＰＨ，ＰＰはそれぞれ式（２）〜式（４）のように表される。
【００３０】
【数２】
2010249333.tif 000004
【００３１】
ここで、
Ｐ：消費電力（ｗ）
Ｘ：運転状態
ｆ：特性関数
添え字
ＨＰ：ヒートポンプ、
Ｈ：ヒータ、
Ｐ：ポンプ、
消費電力Ｐの単位はｗ（ワット）である。運転状態Ｘの単位は、運転状態Ｘの対象によって異なる。
ここで、上式（１）乃至（４）により各設備の運転状態Ｘ（ｋ）を求める際には、各設備による熱供給条件や特性条件等の制約条件が満たされていなければならない。また、ヒートポンプ７１は除霜運転を含めて運転状態Ｘ（ｋ）を決定する。除霜運転は一般的に熱交換特性が低下したときに行うため、例えば、熱源効率補正手段２１ｂによって補正した熱源の熱交換特性の補正量がある一定値を超えていた場合、ヒートポンプ７１の回路を切替えて冷凍サイクルで得た熱によって霜を除去するいわゆる「除霜運転」を開始する。除霜運転開始から停止までの時間は所定の時間をあらかじめ設定しておくこともよい。また、着霜量推定手段２１ａによって推定した着霜レベルに従って時間を設定しておいてもよい。除霜運転の開始の判定例としては、多少効率が低下しても熱需要を満たすために除霜運転しないほうが最適となる場合もありえるため、数時間先までの熱需要の予測値合計が閾値以下の場合（今の効率が低くても、除霜運転時間分の熱需要をあらかじめためておくことができる量の閾値）でもよい。
以上のようにして定式化された最適化問題を最適化計算手段３によって解く。
最適化計算手段３はＰＳＯ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｗａｒｍ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）や遺伝アルゴリズムなどの非線形組み合わせ最適化手法を用いる。組み合わせ最適化問題は離散変数の数が多くなると、計算時間が指数的に増加する。計算ステップを制御時間に合わせることが望ましいが、数分単位であった場合、本システムの運転スケジュールを実時間内で求めるのは困難である。そこで実時間で求めるために、ヒューリスティクス的に組み合わせ最適化計算を行う手法の一つに前記ＰＳＯがある。以下に最適化手法にＰＳＯを用いた例について説明する。
【００３２】
（ＰＳＯによる最適化計算）
ＰＳＯの最大の特徴は、複数の探索点から構成された群れによる探索である。また各エージェント（探索点）がお互いに情報を共有し、それに基づいて各エージェントが解空間を探索する。ＰＳＯは非常にシンプルなアルゴリズムで構成され、基本的な算術演算しか用いてないにもかかわらず、連続型の非線形な解空間を持つ最適化問題を高速に解くことができる。
【００３３】
ＰＳＯでは、群れを構成する各エージェントは、解空間において、現在の位置と速度情報を持っている。また、各エージェントは今までの探索における最良値「ｐｂｅｓｔ」とその位置を記憶している。さらに、それまでの探索における群れの最良値「ｇｂｅｓｔ」とその位置情報を群れ全体で共有している。各エージェントは「ｐｂｅｓｔ」へ向かうベクトル、「ｇｂｅｓｔ」へ向かうベクトル、および前回の移動ベクトルｖｋの線形結合として新たな移動ベクトルｖｋ＋１を生成し、次の位置ｘｋ＋１に移動する。また、ＰＳＯは元々２次元空間上で群れの動きを表現する過程から開発された手法であるが、これを多次元空間に拡張することもできる。ｋ＋１回目の移動でエージェントｉが移動する際、ｎ次元空間におけるｊ番目の直行座標軸に射影される移動ベクトルｖｉｊｋ＋１は次式で与えられる。
【００３４】
【数３】
2010249333.tif 000005
【００３５】
ｖ：個体の速度、
ｘ：個体の位置、
ｐｂｅｓｔ：個体が持つ最良位置、
ｇｂｅｓｔ：群れが持つ最良位置、
ω、ｃ１，ｃ２：重み係数、
ｒａｎｄ（）：［０，１］一様乱数、
【００３６】
上述したＰＳＯのアルゴリズムをまとめると以下のようになる。
ＳＴＥＰ−１において、初期解作成制約を満たす範囲内で、エージェントごとにランダムに初期解を作成する。
ＳＴＥＰ−２（探索点の評価）において、現在の位置における目的関数値を計算し、評価する。現在までのｐｂｅｓｔと比較し、評価値が良い場合はその探索点を新しくｐｂｅｓｔとする。また、現在のｇｂｅｓｔよりも評価値の高いｐｂｅｓｔが見つかった場合はその探索点をｇｂｅｓｔとする。
ＳＴＥＰ−３（探索点の更新）において、式（６）により、各エージェントの位置と速度を更新する。
ＳＴＥＰ−４（探索の終了判定）において、設定した反復回数まで探索を繰り返したら終了し、そのときのｇｂｅｓｔを最適解とする。
【００３７】
このように最適化計算手段３は、ヒートポンプ式給湯システム２００に要求される熱需要の予測値を入力すると共に、熱源設備特性モデル化手段２１によって補正されたヒートポンプ特性と、給湯設備特性、搬送設備特性を含む設備特性モデルを入力し、入力された熱需要の予測値と設備特性モデルとを対象として所定の最適化手法を適用することにより運転スケジュールを生成する。
【００３８】
（スケジュール評価手段４）
スケジュール評価手段４は、既に作成している運転スケジュール（既に前日に作成した当日の運転スケジュール）に基づいて運転されているヒートポンプ式給湯システム２００の設備に備え付けられた各センサの検出信号に基づく給湯設備の湯温、外気温、戻り湯温度情報等と、運転スケジュール作成に使用した外気温や運転スケジュールから得られる対応する予測値（給湯設備の湯温、戻り湯温度など）との差分を演算する。すなわち、スケジュール評価手段４は、設備制御手段６によって運転中のヒートポンプ式給湯システム２００の所定の箇所の温度を検出する複数の温度センサの各温度センサから検出温度に相当する検出信号を入力し、各温度センサから入力した検出信号に基づいて、最適化計算手段３によって生成された前記運転スケジュールが妥当かどうかを評価する。
【００３９】
（スケジュール修正手段５）
スケジュール修正手段５は、スケジュール評価手段４によって求められた実績と運転スケジュールから得られた予測値との差分が所定の閾値を超えていた場合、運転スケジュールを補正する。たとえば、タンク温度が運転スケジュールによって得られる予測値よりも低くなっている場合、ヒートポンプ７１の運転信号を現状より１段階上げる。
【００４０】
（設備制御手段６）
設備制御手段６は、最適化計算手段３により得られた運転スケジュール、あるいは前記スケジュール修正手段によって修正された運転スケジュールに基づき、ヒートポンプ式給湯システム２００を制御する。図１に示すように、設備制御手段６はヒートポンプ式給湯システム２００の備える制御装置２１０を介してヒートポンプ式給湯システム２００を制御する。あるいは、ヒートポンプ式給湯システム２００は制御装置２１０を持たず、設備制御手段６がヒートポンプ式給湯システム２００を直接に制御してもよい。これは実装による。
【００４１】
このような構成とすることにより、着霜量推定手段２１ａおよび熱源効率補正手段２１ｂに関して説明したように、熱交換器（蒸発器）への着霜による効率変化をモデル化しているため、熱需要を満たし、かつ除霜運転を含めた消費電力量の最も少ないヒートポンプ式給湯システム２００の運転が可能となる。
【００４２】
実施の形態２．
図４、図５を参照して実施の形態２を説明する。熱源特性をより詳細にモデル化するため、設備特性モデル化手段２において、ヒートポンプ内部の冷媒温度をパラメータとして追加してもよい。
【００４３】
図４は、実施の形態２の運転制御装置１０２の構成を示す図である。運転制御装置１０２の熱源設備特性モデル化手段２１が、さらに、冷媒回路モデル化手段２０１と冷媒温度補正手段２０２とを備えている。
【００４４】
図５は、ヒートポンプ７１内部の冷媒回路を示す。冷凍サイクルにおいて、冷媒は、
圧縮機７１ｄで臨界圧力を超える圧力まで圧縮され、
放熱器７１ａで冷却されて段々と温度が下がり超臨界状態から液体状態に移行し、
膨張弁７１ｂで減圧され、
蒸発器７１ｃで蒸発して気体となって再び圧縮機７１ｄに吸入される。
【００４５】
冷媒回路モデル化手段２０１は、圧縮機圧力や外気温、放熱器７１ａ及び蒸発器７１ｃの熱交換特性等を用いて冷凍サイクルの冷媒の温度変化をモデル化し、ヒートポンプ戻り湯温度と冷媒の熱交換を詳細に模擬する。すなわち、冷媒回路モデル化手段２０１は、ヒートポンプ７１によって実行される冷凍サイクルにおける冷媒の温度変化をモデル化し、モデル化された冷媒の温度をヒートポンプ特性に反映する。
【００４６】
このとき、着霜による冷媒温度変化を模擬するため、冷媒温度補正手段２０２は、着霜量推定手段２１ａから得た着霜量データを用いて冷媒温度を補正してもよい。すなわち冷媒温度補正手段２０２は、冷媒回路モデル化手段２０１によってモデル化された冷媒の温度変化を着霜量推定手段２１ａによって算出された着霜量に基づいて補正し、補正された冷媒の温度変化をヒートポンプ特性に反映する。
【００４７】
運転制御装置１０２は冷媒回路モデル化手段２０１と冷媒温度補正手段２０２とを備えたことにより、実施の形態１と同様に、熱需要を満たし、かつ除霜運転を考慮した消費電力量の最も少ない運転が可能な運転スケジュールを生成できると共に、ヒートポンプ内部の機器の効率や冷媒状態を的確に把握できるので、冷媒状態の変化によるヒートポンプ７１の効率変化を含めた最適な運転スケジュールを生成できる。
【００４８】
実施の形態３．
次に、熱源設備に、ヒートポンプ７１の他にボイラ等の代替熱源を有する場合を説明する。実施の形態３の運転制御装置は、実施の形態１の運転制御装置１０１と同じ構成である。
【００４９】
外気温が低く、熱需要量が高くなる時間帯において、ヒートポンプ式給湯システム２００の消費電力量が所定の電力を超えた場合、強制的に電力の供給をストップされる場合がある。このような事態に備えて、ヒートポンプ式給湯システム２００は、ヒートポンプ７１とは別にボイラ等を代替熱源として備える場合がある。この構成で最適な運転スケジュールを作成するために、最適化計算手段３に、ヒートポンプ以外の代替熱源の運転停止条件を制約式として追加する。すなわち、最適化計算手段３に、ヒートポンプ以外の代替熱源が利用される場合の利用開始条件を制約式として追加する。
【００５０】
このような構成にすることにより、実施の形態１と同様に、熱需要を満たし、かつ除霜運転を考慮した消費電力量の最も少ない運転が可能となると共に、強制的なヒートポンプ７１の停止まで含めた設備の最適な運転が可能となる。
【００５１】
実施の形態４．
図６、図７を参照して実施の形態４の運転制御装置１０４を説明する。実施の形態４は、ヒートポンプ式給湯システム２００が太陽熱温水器を備える場合に、太陽熱温水器を考慮した運転スケジュールを生成する実施形態である。ヒートポンプ式給湯システム２００には熱源として太陽熱温水器を追加してもよい。晴の日には、太陽熱温水器からの供給熱量が増加し、ヒートポンプ７１の稼動時間を短縮できる可能性がある。
【００５２】
図６は、運転制御装置１０４の構成を示す図である。運転制御装置１０１の熱源設備特性モデル化手段２１が、さらに、太陽熱温水器モデル化手段４０１を備えた構成である。
【００５３】
図７は、太陽熱温水器８０２を追加したヒートポンプ式給湯システム２００を示す。
【００５４】
図７の構成で最適な設備の運転スケジュールを作成するために、熱源設備特性モデル化手段２１は、太陽熱温水器８０２の入出湯温度・流量と日射量の関係をモデル化する太陽熱温水器モデル化手段４０１を備えたる。日射量は気象データとして外部システムから取得するか、外気温や日付から推定してもよい。また、最適化計算手段３には、制御変数に太陽熱温水器８０２へ水を供給するポンプ８０１の運転状態が追加される。制約条件としては、太陽熱温水器８０２の特性が追加される。
【００５５】
このような構成にすることにより、実施の形態１と同様に、熱需要を満たし、かつ除霜運転を考慮した消費電力量の最も少ない運転スケジュールの生成が可能となると共に、太陽熱温水器８０２からの供給熱量を含めた設備の最適な運転スケジュールの生成が可能となる。
【００５６】
実施の形態５．
次に実施の形態５を説明する。実施の形態５は、設備の経年劣化に関する。図８は、運転制御装置１０５の構成を示す図である。運転制御装置１０１の設備特性モデル化手段２が、さらに、設備劣化補正手段５０１を備えた構成である。
【００５７】
年数の経過にともない、設備の能力は、熱交換器の汚損や、住居の断熱性低下など、導入時の能力から低下する。その結果、最適解として得られた結果（運転スケジュール）よりも多くのエネルギーを消費する可能性がある。そこで、設備特性モデル化手段２の設備劣化補正手段５０１は、それぞれの設備の特性データに対して、使用年数を考慮した補正係数を乗じることにより、使用年数経過による性能劣化を反映する。
【００５８】
このような構成にすることにより、実施の形態１と同様に、熱需要を満たし、かつ除霜運転を考慮した消費電力量の最も少ない運転が可能となると共に、使用年数経過による設備データの更新を生じることなく実態にあった設備の諸元を得ることができる。
【００５９】
実施の形態６．
実施の形態６は、実施の形態１〜５の運転制御装置のハードウェア構成の一例を説明する。
【００６０】
図９は、コンピュータで実現される運転制御装置のハードウェア資源の一例を示す図である。図９において、運転制御装置は、プログラムを実行するＣＰＵ８１０を備えている。ＣＰＵ８１０は、バス８２５を介してＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）８１１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）８１２、表示装置８１３、操作キー８１４、インタフェースボード８１６、フラッシュメモリ８２０と接続され、これらのハードウェアデバイスを制御する。フラッシュメモリ８２０の代わりに、磁気ディスク装置でもよい。
【００６１】
ＲＡＭ８１２は、揮発性メモリの一例である。ＲＯＭ８１１、フラッシュメモリ８２０等の記憶媒体は、不揮発性メモリの一例である。これらは、記憶装置あるいは記憶部、格納部、バッファの一例である。インタフェースボード８１６、操作キー８１４などは、入力部、入力装置の一例である。また、インタフェースボード８１６、表示装置８１３などは、出力部、出力装置の一例である。
【００６２】
インタフェースボード８１６は、各温度センサや制御装置２１０、あるいはインターネットに接続している。
【００６３】
磁気ディスク装置８２０には、オペレーティングシステム８２１（ＯＳ）、プログラム群８２３、ファイル群８２４が記憶されている。プログラム群８２３のプログラムは、ＣＰＵ８１０、オペレーティングシステム８２１により実行される。
【００６４】
上記プログラム群８２３には、以上に述べた実施の形態の説明において「〜手段」として説明した機能を実行するプログラムが記憶されている。プログラムは、ＣＰＵ８１０により読み出され実行される。
【００６５】
ファイル群８２４には、以上に述べた実施の形態の説明において、「〜モデル」として説明した情報や、「〜の判定結果」、「〜の演算結果」、「〜の抽出結果」、「〜の生成結果」、「〜の処理結果」として説明した情報や、データや信号値や変数値やパラメータなどが、「〜ファイル」や「〜データベース」の各項目として記憶されている。「〜ファイル」や「〜データベース」は、ディスクやメモリなどの記録媒体に記憶される。ディスクやメモリなどの記憶媒体に記憶された情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、読み書き回路を介してＣＰＵ８１０によりメインメモリやキャッシュメモリに読み出され、抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・表示などのＣＰＵの動作に用いられる。抽出・検索・参照・比較・演算・計算・処理・出力・表示のＣＰＵの動作の間、情報やデータや信号値や変数値やパラメータは、メインメモリやキャッシュメモリやバッファメモリに一時的に記憶される。
【００６６】
また、以上に述べた実施の形態の説明において、「〜手段」として説明したものは、「〜部」、「〜回路」、「〜機器」であってもよく、また、「〜ステップ」、「〜手順」、「〜処理」であってもよい。すなわち、「〜手段」として説明したものは、ＲＯＭ８１１に記憶されたファームウェアで実現されていても構わない。或いは、ソフトウェアのみ、或いは、素子・デバイス・基板・配線などのハードウェアのみ、或いは、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、さらには、ファームウェアとの組み合わせで実施されても構わない。プログラムはＣＰＵ８１０により読み出され、ＣＰＵ８１０により実行される。すなわち、プログラムは、以上に述べた「〜手段」としてコンピュータを機能させるものである。あるいは、以上に述べた「〜手段」の手順や方法をコンピュータに実行させるものである。
【００６７】
以上の実施の形態１〜５では、運転制御装置を説明したが、運転制御装置の動作を、運転制御装置が行う方法として把握することも可能である。また、運転制御装置の動作をコンピュータに実行させるプログラムとして把握することも可能である。また、このプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体として把握することも可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  熱需要予測手段、２  設備特性モデル化手段、３  最適化計算手段、４  スケジュール評価手段、５  スケジュール修正手段、６  設備制御手段、１１  熱需要予測値、２１  熱源設備特性モデル化手段、２１ａ  着霜量推定手段、２１ｂ  熱源効率補正手段、２２  給湯設備特性モデル化手段、２３  暖房設備特性モデル化手段、２４  搬送設備特性モデル化手段、７１  ヒートポンプ、７１ａ  放熱器、７１ｂ  膨張弁、７１ｃ  蒸発器、７１ｄ  圧縮機、７１ｅ  冷媒温度センサ、７１ｆ  冷媒圧力センサ、７２  補助熱源、７３  電動弁、７４  配管、７５  ポンプ、７６  給湯タンク、７８  床暖房、７９  室内温度センサ、８０  タンク内部温度センサ、８１  出湯温度センサ、８２  戻り湯温度センサ、８３  外気温度センサ、１０１，１０２，１０４，１０５  運転制御装置、２００  ヒートポンプ式給湯システム、２０１  冷媒回路モデル化手段、２０２  冷媒温度補正手段、４０１  太陽熱温水器モデル化手段、５０１  設備劣化補正手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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