OPT(Optimization of Energy System)

Home EMSを主軸とした次世代協調型EMS実現手法の創出

2011年3月11日に起きた東日本大震災に起因する福島第一原子力発電所の事故以来,エネルギー安定供給および省エネルギーの重要性が再認識されている.こうした状況の中,家庭における省エネルギーという観点では,高効率なエネルギー機器の開発だけでなく,各機器が協調しエネルギー需給が全体最適となるよう適切にエネルギーシステムを運用することも非常に重要である.後者を実現するためのシステムとして,機器間の情報通信を用いて家庭単位のエネルギー管理を一括して行うHEMS(Home Energy Management System)が注目されている.HEMSは,家庭内の機器と相互に接続し,それらの運用を適切に管理することで,エネルギー消費量削減や経済性向上に寄与する.ここで接続する機器としては,エアコンや冷蔵庫,照明といった家電製品のみならず,太陽電池や燃料電池といった「創」エネルギー機器,そして蓄電池や貯湯タンク等の「蓄」エネルギー機器が挙げられる.これらの機器の持つ潜在能力を最大限に活用するためには,その運用方策を予め計画しておく必要がある.すなわち,不確実な将来のエネルギー需要を予測し,その需要を供給するための機器の運用方策を予め決定し,実際の需要を満たすように機器を制御する必要がある.

本研究室では上記一連の流れをHEMSにより実現させるべく「予測・運用計画・制御」手法を提案している.具体的には家庭用燃料電池・コジェネレーションシステムやヒートポンプ給湯器などの特性同定試験に基づいて,最新の機器の効率等を反映した機器のモデル化を行い,最適化手法を用いた最適な機器の運用計画の導出を行っている.また,シミュレーションを用いた実時間での機器の制御により省エネルギー性や経済性といったシステムの運用成績を評価する.人の生活サイクルは一般的に24時間であるため,評価は1日単位としている.

また,今後は配電系統のEMSであるGrid Energy Management System(GEMS)と協調運用をし,地域全体として最適化することを念頭に置く.すなわち家庭内機器のみならず電力系統側とも相互通信をすると仮定し,デマンドレスポンス(DR)信号やPVの逆潮抑制情報を用いた家庭用エネルギーシステムの最適運用を実現するための手法構築を行う予定である.

Renewal Engineering: ビル用エネルギー設備の最適更新計画

今日の日本国内におけるオフィスビル等の各種建築物における耐用年数は,建築技術の向上に伴い,60年前後と長寿命化の傾向にあるのに対し,これらの建築物に導入されるエネルギー供給システムの構成機器類の耐用年数は15年から25年程度とはるかに短い.従って,エネルギー供給システムの設計および導入は建築物の新築時だけでなく,リニューアルを実施する機会の方が圧倒的に多い.さらに近年の環境問題に対する意識の高まりにより,膨大なエネルギーを消費する大型の建築物にとって,老朽化したシステムのリニューアルによる大幅な環境保全性の向上が期待でき,同時に収益にも影響を与えることとなる.

しかし,エネルギー供給システムが新設導入された後,ある期間を経て更新される場合において,すべての機器が撤去されて新しいシステムに置き換えられることはほとんど無く,その寿命に達した一部の機器のみが更新されることが一般的である.また,従来この種のリニューアル計画に対する立案は,設計者の試行錯誤的・経験的勘に頼って実施されてきたのが現状であり,必ずしも合理的にシステム設計がなされてきたわけではない.さらに,エネルギー供給システムが新設導入された建築物に対するリニューアル計画は,前記のように一般的にシステムの更新を複数回にわたって実施していく必要がある.
前記の背景を踏まえ,本研究では実際の病院施設やオフィスビルにおけるエネルギー供給システムを対象として,経済性や環境保全の観点から合理的なリニューアル計画問題を立案する.問題解決のための方法論として,数理計画法の中でも一般的に広く用いられている,連続変数および0-1整数変数を含む混合整数線形計画法を最適化手法として採用している.
リニューアル計画問題の立案にあたっては,以下に列挙する諸条件を総合的に考慮する必要がある.また,長期間での評価を行うという特性から,近年では特にエネルギー需要量やエネルギー料金の将来的な変動について,より現実的で合理的な評価手法の立案を目指している.

  1. 対象とする建築物の用途および規模
  2. システム評価期間ならびに更新回数
  3. 年間にわたり時々刻々と複雑に変化する各種エネルギー需要量
  4. 既存システムの機器構成および機器容量
  5. 新規導入候補機器群に含まれる導入可能機種・容量
  6. 各機器の機器性能特性値および機器性能向上・劣化特性
  7. 各機器耐用年数
  8. 各機器購入価格
  9. 各機器メンテナンス価格
  10. 撤去・導入時のリニューアル工事価格
  11. 各種入力エネルギー料金体系
  12. 割引率(金利)