特許 5849879 ヒートポンプシステム及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5849879

(24)【登録日】2015年12月11日

(45)【発行日】2016年2月3日

(54)【発明の名称】ヒートポンプシステム及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 27/00 20060101AFI20160114BHJP

【ＦＩ】

   F25B27/00 P

【請求項の数】4

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-159043(P2012-159043)

(22)【出願日】2012年7月17日

(65)【公開番号】特開2014-20655(P2014-20655A)

(43)【公開日】2014年2月3日

【審査請求日】2014年9月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】特許業務法人スズエ国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100159651

【弁理士】

【氏名又は名称】高倉 成男

(74)【代理人】

【識別番号】100088683

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100095441

【弁理士】

【氏名又は名称】白根 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100119976

【弁理士】

【氏名又は名称】幸長 保次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(74)【代理人】

【識別番号】100134290

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 将訓

(72)【発明者】

【氏名】浜田 義信

【審査官】 伊藤 紀史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０４７５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２７５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３２２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９２３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５０５５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４６１８７６（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０４５８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２５６４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−００５１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６６５２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ２７／００

Ｆ２４Ｆ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプと、空気熱源を利用する空気熱ヒートポンプとを備え建築物の空調を行うヒートポンプシステムであって、
向こう１ヶ月未満の所定期間における前記ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化する前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプのそれぞれの最適な運転スケジュールを、遺伝的アルゴリズムを用いるモデル計算によって求める運転モデル設定装置と、
前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプの運転を、前記運転モデル設定装置により求められたそれぞれの運転スケジュールに基づいて制御する制御装置と、
を備え、
前記トータルシステム効率ＳＣＯＰは、任意時間ｉのシステム効率ＳＣＯＰ_ｉを前記向こう１ヶ月未満の所定期間について合計した値であり、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}、空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉ、地中熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉ、空気熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ａ，ｉ及びその他の電力量固定値Ｗ_ｏ，ｉを用いて下記式で表され、
ＳＣＯＰ＝ΣＳＣＯＰ_ｉ＝Σ〔（Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｑ_Ａ，ｉ）／（Ｗ_Ｇ，ｉ＋Ｗ_Ａ，ｉ＋Ｗ_ｏ，ｉ）〕
前記運転モデル設定装置は、
前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉとの合計である空調負荷総量Ｑ_ｉの時間推移を、過去の空調負荷の実績値に基づいて定め、
地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の最適な運転スケジュールを、前記地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の無作為に設定される初期化母集団の運転スケジュール群を基点として前記遺伝的アルゴリズムの処理フローに基づき選択→交配→交叉→突然変異→評価の各ステップを繰り返して、前記評価のステップでは前記トータルシステム効率ＳＣＯＰの値を計算し効率の高い運転スケジュールを選択することとし、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰを最大化する地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の運転スケジュールを導出することにより求め、
前記空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉの最適な運転スケジュールを、下記式から演算によって求めることを特徴とするヒートポンプシステム。
Ｑ_Ａ，ｉ＝Ｑ_ｉ−Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}

【請求項2】

前記向こう１ヶ月未満の所定期間は、向こう２４時間であることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプシステム。

【請求項3】

地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプと、空気熱源を利用する空気熱ヒートポンプとを備え建築物の空調を行うヒートポンプシステムの制御方法であって、
向こう１ヶ月未満の所定期間における前記ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化する前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプのそれぞれの最適な運転スケジュールを、遺伝的アルゴリズムを用いるモデル計算によって求める第１の工程と、
前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプの運転を、第１の工程において求められたそれぞれの運転スケジュールに基づいて制御する第２の工程と、
を有し、
前記トータルシステム効率ＳＣＯＰは、任意時間ｉのシステム効率ＳＣＯＰ_ｉを前記向こう１ヶ月未満の所定期間について合計した値であり、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}、空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉ、地中熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉ、空気熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ａ，ｉ及びその他の電力量固定値Ｗ_ｏ，ｉを用いて下記式で表され、
ＳＣＯＰ＝ΣＳＣＯＰ_ｉ＝Σ〔（Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｑ_Ａ，ｉ）／（Ｗ_Ｇ，ｉ＋Ｗ_Ａ，ｉ＋Ｗ_ｏ，ｉ）〕
前記第１の工程は、
前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉとの合計である空調負荷総量Ｑ_ｉの時間推移を、過去の空調負荷の運転実績値に基づいて定め、
地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の最適な運転スケジュールを、前記地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の無作為に設定される初期化母集団の運転スケジュール群を基点として前記遺伝的アルゴリズムの処理フローに基づき選択→交配→交叉→突然変異→評価の各ステップを繰り返して、前記評価のステップでは前記トータルシステム効率ＳＣＯＰの値を計算し効率の高い運転スケジュールを選択することとし、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰを最大化する地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の運転スケジュールを導出することにより求め、
前記空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉの最適な運転スケジュールを、下記式から演算によって求めることを特徴とするヒートポンプシステムの制御方法。
Ｑ_Ａ，ｉ＝Ｑ_ｉ−Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}

【請求項4】

前記所定期間は、２４時間であることを特徴とする請求項３に記載のヒートポンプシステムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプを備えるヒートポンプシステム及びその運転方法に係る技術に関する。

【背景技術】

【0002】

地中熱利用ヒートポンプ装置として、地盤の熱的状況を測定する測定手段と、測定した地盤の熱的状況に基づいて採放熱の限界値を設定する限界値設定手段と、設定した採放熱の限界値を超えないようにヒートポンプ本体の運転を制御する運転制御手段とを備えるものが知られている（特許文献１）。

【0003】

この技術では、限界値設定手段は、運転開始から数年間、前年との地中温度の差が小さくなり安定するまでの期間において、当該測定手段にて測定した前年の測定結果に基づく地盤の熱的状況から、地盤の年間における熱的状況の基準変動値を毎年再設定し、設定した基準変動値に基づいて当該限界値を再設定するように構成されている。これによれば、地盤の熱的状況に適応し長期間にわたって安定した運転が実現できる地中熱利用ヒートポンプ装置やその制御方法を実現することができる。

【0004】

また、地中熱利用ヒートポンプシステムの設計方法として、地中熱利用ヒートポンプシステムの運転のシミュレーションにより熱収支を解析し、熱源側の温度の時系列変化を求める工程と、暖房期間開始時と次年の冷房期間終了時、及び、冷房期間開始時と次年の暖房期間終了時のうち少なくともいずれかにおいて、当該シミュレーションの結果である熱源側の温度が略一致するように当該ヒートポンプシステムで処理する熱負荷及び当該ヒートポンプシステムの仕様のうち少なくともいずれかを変更しながら当該シミュレーションを繰り返して当該ヒートポンプシステムで処理する熱負荷及び当該ヒートポンプシステムの仕様を決める工程と、を有する技術が知られている（特許文献２）。

【0005】

この技術によれば、夏期の地中への放熱量、冬期の地中からの採熱量、及び周辺地盤との熱収支をバランスさせ、地中熱交換器周囲温度を安定させた設計が可能となり、地中熱利用ヒートポンプシステムの長期的な運転を実現させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４７８２４６２号公報

【特許文献2】特許第４６９４９３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、運転開始から数年間、前年との地中温度の差が小さくなり安定するまでの期間において、前年の測定結果に基づく地盤の熱的状況から、地盤の年間における熱的状況の基準変動値を毎年再設定し、設定した基準変動値に基づいて採放熱の限界値を再設定する。従って、この方法に従えば、ヒートポンプシステムの運転が長期（たとえば数年間）にわたり安定しない場合が考えられる。この点で、地中熱利用ヒートポンプ装置のより早期の安定的な運転を期待する使用者にとって望ましいものとはいえない。

【0008】

また、特許文献２に記載の技術では、暖房期間開始時と次年の冷房期間終了時、及び、冷房期間開始時と次年の暖房期間終了時のうち少なくともいずれかにおいて、シミュレーションの結果である熱源側の温度が略一致するように地中熱利用ヒートポンプシステムの仕様が決められる。従って、この方法では、少なくとも１年間は地中熱利用ヒートポンプシステムの仕様が決まらないことになる。この点で、特許文献１に記載の技術と同様に、地中熱利用ヒートポンプ装置のより早期の安定的な運転を期待する使用者にとって望ましいものとはいえない。

【0009】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、短期間で運転や制御の安定化を実現することのできる地中熱利用ヒートポンプシステム及びその制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するための、本発明の第１の態様に係るヒートポンプシステムは、地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプと、空気熱源を利用する空気熱ヒートポンプとを備え建築物の空調を行うヒートポンプシステムであって、向こう１ヶ月未満の所定期間における前記ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化する前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプのそれぞれの最適な運転スケジュールを、遺伝的アルゴリズムを用いるモデル計算によって求める運転モデル設定装置と、前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプの運転を、前記運転モデル設定装置により求められたそれぞれの運転スケジュールに基づいて制御する制御装置と、を備え、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰは、任意時間ｉのシステム効率ＳＣＯＰ_ｉを前記向こう１ヶ月未満の所定期間について合計した値であり、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}、空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉ、地中熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉ、空気熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ａ，ｉ及びその他の電力量固定値Ｗ_ｏ，ｉを用いて下記式で表され、
ＳＣＯＰ＝ΣＳＣＯＰ_ｉ＝Σ〔（Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｑ_Ａ，ｉ）／（Ｗ_Ｇ，ｉ＋Ｗ_Ａ，ｉ＋Ｗ_ｏ，ｉ）〕
前記運転モデル設定装置は、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉとの合計である空調負荷総量Ｑ_ｉの時間推移を、過去の空調負荷の実績値に基づいて定め、地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の最適な運転スケジュールを、前記地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の無作為に設定される初期化母集団の運転スケジュール群を基点として前記遺伝的アルゴリズムの処理フローに基づき選択→交配→交叉→突然変異→評価の各ステップを繰り返して、前記評価のステップでは前記トータルシステム効率ＳＣＯＰの値を計算し効率の高い運転スケジュールを選択することとし、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰを最大化する地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の運転スケジュールを導出することにより求め、前記空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉの最適な運転スケジュールを、下記式から演算によって求めることを特徴とする。
Ｑ_Ａ，ｉ＝Ｑ_ｉ−Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}

【0011】

本発明の第２の態様に係るヒートポンプシステムは、第１の態様に係るヒートポンプシステムであって、前記向こう１ヶ月未満の所定期間は、向こう２４時間であることを特徴とする。

【0013】

本発明の第４の態様に係るヒートポンプシステムの制御方法は、地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプと、空気熱源を利用する空気熱ヒートポンプとを備え建築物の空調を行うヒートポンプシステムの制御方法であって、向こう１ヶ月未満の所定期間における前記ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化する前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプのそれぞれの最適な運転スケジュールを、遺伝的アルゴリズムを用いるモデル計算によって求める第１の工程と、前記地中熱ヒートポンプ及び前記空気熱ヒートポンプの運転を、第１の工程において求められたそれぞれの運転スケジュールに基づいて制御する第２の工程と、を有し、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰは、任意時間ｉのシステム効率ＳＣＯＰ_ｉを前記向こう１ヶ月未満の所定期間について合計した値であり、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}、空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉ、地中熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉ、空気熱ヒートポンプの電力投入量Ｗ_Ａ，ｉ及びその他の電力量固定値Ｗ_ｏ，ｉを用いて下記式で表され、
ＳＣＯＰ＝ΣＳＣＯＰ_ｉ＝Σ〔（Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｑ_Ａ，ｉ）／（Ｗ_Ｇ，ｉ＋Ｗ_Ａ，ｉ＋Ｗ_ｏ，ｉ）〕
前記第１の工程は、前記任意時間ｉにおける地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉとの合計である空調負荷総量Ｑ_ｉの時間推移を、過去の空調負荷の運転実績値に基づいて定め、地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の最適な運転スケジュールを、前記地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の無作為に設定される初期化母集団の運転スケジュール群を基点として前記遺伝的アルゴリズムの処理フローに基づき選択→交配→交叉→突然変異→評価の各ステップを繰り返して、前記評価のステップでは前記トータルシステム効率ＳＣＯＰの値を計算し効率の高い運転スケジュールを選択することとし、前記トータルシステム効率ＳＣＯＰを最大化する地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の運転スケジュールを導出することにより求め、前記空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉの最適な運転スケジュールを、下記式から演算によって求めることを特徴とする。
Ｑ_Ａ，ｉ＝Ｑ_ｉ−Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}

【0014】

本発明の第５の態様に係るヒートポンプシステムの制御方法は、第４の態様に係る制御方法であって、前記所定期間は、２４時間であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明（特に本発明の第１及び第４の態様）によれば、向こう１ヶ月未満の所定期間という短期間におけるヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化するように、そのヒートポンプシステムが備える地中熱ヒートポンプ及び空気熱ヒートポンプのそれぞれの運転スケジュールをモデル計算によって求め、求められたそれぞれの運転スケジュールに基づいて地中熱ヒートポンプ及び空気熱ヒートポンプの運転を制御するので、長期間（少なくとも１年間）にもわたりヒートポンプステムの運転が安定しない、或いはヒートポンプシステムの設計が決まらない、というような事態は避けることができ、従って地中熱利用ヒートポンプ装置のより早期の安定的な運転を望む使用者にとってより望ましい、地中熱利用ヒートポンプシステム及びその制御方法を実現することができる。

【0017】

特に、本発明の第２及び第５の態様によれば、ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化するための比較的優れた運転スケジュールを、向こう２４時間という実用時間としてかなり短い期間で決定するので、ヒートポンプシステム運転や制御の安定化に長期間を要しない、従ってヒートポンプシステムのより早期の安定的な運転を望む使用者にとってより望ましい、ヒートポンプシステム及びその制御方法を実現することができる
本発明が奏する作用効果は、地中熱ヒートポンプ及び空気熱ヒートポンプのそれぞれの運転スケジュールを遺伝的アルゴリズムを用いるモデル計算によって求める場合が特に顕著である（本発明の第２及び第５の態様参照）。遺伝的アルゴリズムというヒューリスティック手法によるモデル計算を用いれば、ヒートポンプシステムのトータルシステム効率を最大化するための比較的優れた運転スケジュールを、実用時間内で、且つ、比較的短時間で求めることができるからである。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１の実施の形態におけるヒートポンプ空調システムの構成を示す図。

【図2】第１の実施の形態における運転モデル設定装置の詳細の構成と信号の流れを示す図。

【図3A】第１の実施の形態において使用する各パラメータの変数名及びその定義式を示す図。

【図3B】第１の実施の形態において使用する各パラメータの変数名及びその定義式を示す図。

【図3C】第１の実施の形態において使用する各パラメータの変数名及びその定義式を示す図。

【図4】第１の実施の形態における地中熱交換器出口熱媒温度と地中熱ヒートポンプ効率の関係を示す図。

【図5】第１の実施の形態における外気温度と空気熱ヒートポンプ効率の関係を示す図。

【図6】第１の実施の形態における過去の外気温度の実績値時間推移を示す図。

【図7】第１の実施の形態における外気温度の予測方法を説明する図。

【図8】第１の実施の形態における過去の空調負荷の時間推移を示す図。

【図9】第１の実施の形態における空調負荷の予測方法を説明する図。

【図10】第１の実施の形態における効率演算部が実行する演算式を示す図。

【図11】第１の実施の形態におけるＧＡの処理手順を示すフロー図。

【図12】図１１に示すフロー図の各ステップの処理内容を解説する図。

【図13】第１の実施の形態におけるＧＡを用いた最適スケジュール解の探索方法を説明するための図。

【図14】第１の実施の形態における地中熱ヒートポンプ電力投入量を求める手順を示すフロー図。

【図15】第１の実施の形態における過去の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値の時間推移を示す図。

【図16】第１の実施の形態における過去の地中放出熱量の実績値の時間推移を示す図。

【図17】地中放出熱量と地中熱交換器出口熱媒温度との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明のヒートポンプシステムの実施の形態として、建築物の空調を行うヒートポンプ空調システム１を例として説明する。

【0020】

図１は、第１の実施の形態におけるヒートポンプ空調システムの構成を示す図である。
ヒートポンプ空調システム１は、空気熱ヒートポンプ２、地中熱ヒートポンプ３、運転管理装置４を備えている。そして、地中熱ヒートポンプ３には、循環水ポンプ５と循環水流量計６とを有する地中埋設管７が接続されている。また、運転管理装置４は、運転モデル設定装置１０、制御装置１１を備えている。

【0021】

空気熱ヒートポンプ２は、大気との熱交換によって放熱及び採熱を行なう。即ち、空気の熱エネルギーをポンプ（コンプレッサ）の働きによって対象領域（たとえば建築物の室内）を冷却又は加熱するエネルギーに変換する。地中熱ヒートポンプ３は、地中との熱交換によって放熱及び採熱を行なう。即ち、地中埋設管７を介して地中の熱エネルギーを取り出してポンプ（コンプレッサ）の働きによって対象領域を冷却又は加熱するエネルギーに変換する。

【0022】

運転モデル設定装置１０は、空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３のそれぞれの出力割合をどのように設定すればヒートポンプ空調システム１の総合効率（ＣＯＰ）を最適とできるかを計算する。制御装置１１は、運転モデル設定装置１０が求めたそれぞれの出力割合を指定する信号（出力制限率信号）又は当該信号に基づく制御信号を空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３に出力する。空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３の運転は、それぞれに対して出力された信号に基づき実行され、これにより管理される。

【0023】

図１に示すようにヒートポンプ空調システム１には電源８から電力が供給されている。また、ヒートポンプ空調システム１には、モデル計算に用いるパラメータを取得するための、外気温度計９ａ、地中熱交換器入口熱媒温度計９ｂ、地中熱交換器出口熱媒温度計９ｃが設けられている。

【0024】

図２は、第１の実施の形態における運転モデル設定装置１０の詳細の構成と信号の流れを示す図である。
運転モデル設定装置１０は、パラメータ計測装置２０、パラメータ演算装置３０、実績記録装置４０、外気温度予測装置４１、空調負荷予測装置４２、負荷割合最適化装置５０を備えている。

【0025】

パラメータ計測装置２０は、運転モデル設定に必要な種々のパラメータを計測する。パラメータ演算装置３０は、計測されたパラメータを組み合わせて演算を行い空調負荷を求める。パラメータ演算装置３０が演算した結果は、以下では演算値として扱われる。ここで、空調負荷とは、ヒートポンプ空調システム１の空調機が必要とするエネルギー（見方を変えれば電力）のことである。

【0026】

実績記録装置４０は、パラメータ計測装置２０の種々の計測値とパラメータ演算装置３０の種々の演算値とを履歴情報として保存し、データベース化する機能を有する装置である。実績記録装置４０が保存した値は、以下では実績値として扱われる。実績記録装置４０は、そこに保存されている実績値を用いて他の構成ブロックが演算して得られた演算値を履歴情報として更に保存し、データベース化する機能を有していてもよい。

【0027】

外気温度予測装置４１は、上述の計測値及び実績値に基づいて将来の外気温度の推移を予測する。空調負荷予測装置４２は、上述の計測値、演算値及び実績値に基づいて将来の空調負荷の推移を予測する。

【0028】

負荷割合最適化装置５０は、上述の実績値及び予測値に基づいて、空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３の最適な運転スケジュールをモデル計算により求める。制御装置１１は、負荷割合最適化装置５０が求めた運転スケジュールに従って、空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３のそれぞれに出力制限率信号又はその出力制限率信号に基づく制御信号を与える。

【0029】

その他の構成ブロックについては、引き続くヒートポンプ空調システム１の運転管理装置４の動作説明において併せて説明する。

【0030】

続いて、ヒートポンプ空調システム１の運転管理装置４の動作について説明する。

【0031】

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃは、第１の実施の形態において使用する各パラメータの変数名及びその定義式を示す図である。以下、これらの変数名及び定義式を参照しつつ動作を説明する。

【0032】

まず、パラメータ計測装置２０の動作について説明する。
外気温度計測装置２１は、外気温度計９ａを用いて空気熱ヒートポンプ２の周囲の外気温度を計測する。計測された外気温度Ｔ_ｏｕｔは、計測値として外気温度予測装置４１及び空調負荷演算装置３１に送られる。トータル電力投入量計測装置２２は、電源８からヒートポンプ空調システム１に供給されるトータル電力Ｗ_{Ｔｏｔａｌ}を計測する。トータル電力Ｗ_{Ｔｏｔａｌ}は、式（７）に示すように、システム待機電力投入量Ｗ_ｓ、循環ポンプ電力量Ｗ_ｐ、空気熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ａ、地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇの和に等しい。計測されたトータル電力Ｗ_{Ｔｏｔａｌ}は、パラメータ演算装置３０の空調負荷演算装置３１に送られる。なお、システム待機電力投入量Ｗ_ｓ、循環ポンプ電力量Ｗ_ｐは、本運転管理装置以外の設備に使用される電力であり、既知の固定値である。
Ｗ_{Ｔｏｔａｌ}＝Ｗ_Ａ＋Ｗ_Ｇ＋Ｗ_ｐ＋Ｗ_ｓ ・・・式（７）
地中熱交換器出口熱媒温度計測装置２３は、地中熱交換器出口熱媒温度計９ｃを用いて地中から取り出された熱媒（循環水、不凍液など）の温度を計測する。計測された地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}は、計測値として空調負荷演算装置３１及び地中放熱量演算装置３２に送られる。地中熱交換器入口熱媒温度計測装置２４は、地中熱交換器入口熱媒温度計９ｂを用いて地中に送り出される熱媒の温度を計測する。計測された地中熱交換器入口熱媒温度Ｔ_Ｇ＿ｉｎは、計測値として地中放熱量演算装置３２に送られる。

【0033】

熱媒循環流量計測装置２５は、循環水流量計６を用いて地中埋設管内を循環する熱媒循環流量Ｍ_Ｗを計測する。計測された熱媒循環流量Ｍ_Ｗは、計測値として地中放熱量演算装置３２に送られる。
パラメータ計測装置２０の各部が計測した値は、実績記録装置４０にも送られて履歴情報として記録される。

【0034】

続いて、パラメータ演算装置３０の動作について説明する。
地中放熱量演算装置３２は、地中熱交換器入口熱媒温度Ｔ_Ｇ＿ｉｎ、地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}、熱媒循環流量Ｍ_Ｗ、及び熱媒比熱Ｃ_ｐを用いて式（５）により地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}を計算する。そして、地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}を演算値として空調負荷演算装置３１に出力する。なお、地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}が負の値となるときは、地中から熱を吸熱していることを表す。
Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}＝Ｍ_Ｗ×Ｃ_ｐ×（Ｔ_Ｇ＿ｉｎ−Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}） ・・・式（５）
空調負荷演算装置３１は、ヒートポンプ空調システム１の空調機が必要とする全エネルギー（空調負荷総量）を求める。空調負荷総量Ｑは、式（１）に示されるように、空気熱ヒートポンプ２に求められる空調負荷Ｑ_Ａと、地中熱ヒートポンプ３に求められる空調負荷Ｑ_Ｇ＿ｉｎとの和で表される。
Ｑ＝Ｑ_Ａ＋Ｑ_Ｇ＿ｉｎ ・・・式（１）
ここで式（１）に示す、地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ｇ＿ｉｎは、式（５）に示す地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}と地中熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ｇとを用いて式（２）または式（３）で表される。式（２）は、冷房時の地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ｇ＿ｉｎであり、式（３）は、暖房時の地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ｇ＿ｉｎである。
［冷房時］Ｑ_Ｇ＿ｉｎ＝［ＣＯＰ_Ｇ／（ＣＯＰ_Ｇ＋１）］×Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ} ・・・式（２）
［暖房時］Ｑ_Ｇ＿ｉｎ＝［ＣＯＰ_Ｇ／（ＣＯＰ_Ｇ−１）］×Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ} ・・・式（３）
なお、式（２）または式（３）は、式（６）に示す定義式、及び式（６−１）の関係から導かれる。
ＣＯＰ_Ｇ＝Ｑ_Ｇ＿ｉｎ／Ｗ_Ｇ ・・・式（６）
Ｑ_Ｇ＿ｉｎ＝Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}±Ｗ_Ｇ ・・・式（６−１）
さらに、地中熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ｇは、地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}の関数として式（８）または式（９）で表すことができる。ここで、式（８）は、冷房時の地中熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ｇであり、式（９）は、暖房時の地中熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ｇである。なお、ｆ_Ｇ１、ｆ_Ｇ２は地中熱ヒートポンプ固有の関数である。図４は、第１の実施の形態における地中熱交換器出口熱媒温度と地中熱ヒートポンプ効率の関係を示す図である。
［冷房時］ＣＯＰ_Ｇ＝ｆ_Ｇ１（Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}） ・・・式（８）
［暖房時］ＣＯＰ_Ｇ＝ｆ_Ｇ２（Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}） ・・・式（９）
式（１）に示す空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａは、式（４）に示す空気熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ａと空気熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ａとの積として求められる。
Ｑ_Ａ＝ＣＯＰ_Ａ×Ｗ_Ａ ・・・式（４）
ここで、空気熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ａは、式（７）を変形した式（７−１）によって求めることができる。
Ｗ_Ａ＝Ｗ_{Ｔｏｔａｌ}−Ｗ_Ｇ−Ｗ_ｐ−Ｗ_ｓ ・・・式（７−１）
さらに、空気熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ａは、外気温度Ｔ_ｏｕｔの関数として式（１０）または式（１１）で表すことができる。ここで、式（１０）は、冷房時の空気熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ａであり、式（１１）は、暖房時の空気熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ａである。なお、ｆ_Ａ１、ｆ_Ａ２は空気熱ヒートポンプ固有の関数である。図５は、第１の実施の形態における外気温度と空気熱ヒートポンプ効率の関係を示す図である。
〔冷房時〕ＣＯＰ_Ａ ＝ ｆ_Ａ１（Ｔ_ｏｕｔ） ・・・式（１０）
〔暖房時〕ＣＯＰ_Ａ ＝ ｆ_Ａ２（Ｔ_ｏｕｔ） ・・・式（１１）
パラメータ演算装置３０は、空調負荷演算装置３１が求めた空調負荷総量Ｑを空調負荷予測装置４２に出力すると共に、空調負荷演算装置３１及び地中放熱量演算装置３２が求めた空調負荷総量Ｑ及びその他の演算値を実績記録装置４０に出力する。実績記録装置４０は、入力した演算値を履歴情報として保存する。

【0035】

次に、外気温度予測装置４１の動作について説明する。
外気温度予測装置４１は、実績記録装置４０においてデータベース化されて保存されている過去の外気温度の実績値から、当日の外気温度の予測値を求める。

【0036】

図６は、過去の外気温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_ｏｕｔを示す図である。<DB>Ｔ_ｏｕｔは、実績記録装置４０に保存されている過去の外気温度の実績値から一定の基準に従って得られる。たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）として向こう一定時間（たとえば２４時間）にわたり、任意の単位時間帯（たとえば１時間）に入るデータを、実績記録装置４０に保存されている過去の外気温度の実績値から取得し、取得されたデータから当該単位時間帯における平均値を演算する。より具体的には、たとえば、実績記録装置４０に保存されている過去７日分の外気温度の実績値の中から、時間ｋから向こう２４時間において、たとえば５時００分から５時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値（＋２７．０度）を演算する。こうして得られる複数個の時間帯における複数個の平均値から近似曲線（たとえば最小自乗近似曲線）を演算し、演算された近似曲線を過去の外気温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_ｏｕｔとする。

【0037】

外気温度予測装置４１は、当日の時間ｋにおける外気温度Ｔ_{ｏｕｔ、ｋ}から向こう一定時間（たとえば一日に相当する２４時間分）の将来の外気温度の時間推移（<予測>Ｔ_ｏｕｔ）を次のようにして予測する。
図７は、第１の実施の形態における外気温度の予測方法を説明する図である。外気温度予測装置４１は、当日の時間ｋにおける外気温度Ｔ_{ｏｕｔ、ｋ}（図７中の「当日外気温度」に相当する）を外気温度計測装置２１から取得する。次に、過去の同時間ｋにおける外気温度ＰＴ_{ｏｕｔ、ｋ}を、時間ｋを基点とする向こう一定時間にわたる過去の外気温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_ｏｕｔに照らして取得する。当日の時間ｋにおける外気温度Ｔ_{ｏｕｔ、ｋ}を過去の同時間ｋにおける外気温度ＰＴ_{ｏｕｔ、ｋ}と比較して温度差ΔＴ_ｋを求める。そして、式（１３）により、当日の時間ｋにおける予測外気温度の時間推移（<予測>Ｔ_ｏｕｔ）を求める。即ち、時間ｋを基点とする向こう一定時間にわたる過去の外気温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_ｏｕｔに温度差ΔＴ_ｋをバイアス値として加算して<予測>Ｔ_ｏｕｔを求める。
<予測>Ｔ_ｏｕｔ ＝ <DB>Ｔ_ｏｕｔ＋ΔＴ_ｋ
＝ <DB>Ｔ_ｏｕｔ＋Ｔ_{ｏｕｔ、ｋ}−ＰＴ_{ｏｕｔ、ｋ} ・・・式（１３）
たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）としたときの向こう２４時間において、当日の時間ｋの外気温度Ｔ_{ｏｕｔ、ｋ}が２６.０度であり、過去の時間ｋにおける<DB>Ｔ_ｏｕｔ、すなわち過去の外気温度ＰＴ_{ｏｕｔ、ｋ}が＋２４．０度であったとすると、温度差ΔＴ_ｋは＋２．０度となるので、時間ｋにおける <予測>Ｔ_ｏｕｔは、<DB>Ｔ_ｏｕｔに＋２．０度だけ加算されたものとなる。

【0038】

上述のように求められる<予測>Ｔ_ｏｕｔは、必要時に取り出せるように保存し、データベース化しておく。その保存場所は、実績記憶装置４０であってもよいし、外気温度予測装置４１が記録部を備える場合には、その記録部であってもよい。

【0039】

次に、空調負荷予測装置４２の動作について説明する。
空調負荷予測装置４２は、実績記録装置４０においてデータベース化されて保存されている過去の空調負荷の実績値から、当日の空調負荷の予測値を求める。

【0040】

図８は、過去の空調負荷の実績値の時間推移<DB>Ｑを示す図である。<DB>Ｑは、実績記録装置４０に保存されている過去の空調負荷の実績値から一定の基準に従って得られる。たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）として向こう一定時間（たとえば２４時間）にわたり、任意の単位時間帯（たとえば１時間）に入るデータを、実績記録装置４０に保存されている過去の空調負荷の実績値から取得し、取得されたデータから当該単位時間帯における平均値を演算する。より具体的には、たとえば、実績記録装置４０に保存されている過去７日分の空調負荷の実績値の中から、時間ｋから向こう２４時間において、たとえば５時００分から５時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値（３６．０Ｗ）を演算する。こうして得られる複数個の時間帯における複数個の平均値から近似曲線（たとえば最小自乗近似曲線）を演算し、演算された近似曲線を過去の外気温度の実績値の時間推移<DB>Ｑとする。

【0041】

空調負荷予測装置４２は、時間ｋにおける当日の空調負荷Ｑ_ｋから向こう一定時間（たとえば一日に相当する２４時間分）の将来の外気温度の時間推移（<予測>Ｑ）を次のようにして予測する。
図９は、第１の実施の形態における空調負荷の予測方法を説明する図である。空調負荷予測装置４２は、当日の時間ｋにおける空調負荷Ｑ_ｋ（図７中の「当日空調負荷」に相当する）を空調負荷演算装置３１から取得する。次に、過去の同時間ｋにおける外気温度ＰＱ_ｋを、時間ｋを基点とする向こう一定時間にわたる過去の空調負荷の実績値の時間推移<DB>Ｑに照らして取得する。時間ｋにおける空調負荷Ｑｋ_iを同時間ｋにおける過去の空調負荷ＰＱ_ｋと比較して負荷差ΔＱ_ｋを求める。そして、式（１３）により、当日の時間ｋにおける予測空調負荷の時間推移（<予測>Ｔ_ｏｕｔ）を求める。即ち、時間ｋを基点とする向こう一定時間にわたる過去の空調負荷の実績値の時間推移<DB>Ｑに負荷差ΔＱ_ｋをバイアス値として加算して<予測>Ｑを求める。
<予測>Ｑ ＝ <DB>Ｑ＋ΔＱ_ｋ
＝ <DB>Ｑ＋Ｑ_ｋ−ＰＱ_ｋ ・・・式（１４）
たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）としたときの向こう２４時間において、当日の時間ｋの空調負荷Ｑ_ｋが３９Ｗであり、過去の時間ｋにおける<DB>Ｑ、すなわち過去の外気温度ＰＱ_ｋが３６Ｗであったとすると、負荷差ΔＱ_ｋは＋３Ｗとなるので、時間ｋにおける <予測>Ｑは、<DB>Ｑに＋３Ｗだけ加算されたものとなる。

【0042】

上述のように求められる<予測>Ｑは、必要時に取り出せるように保存し、データベース化しておく。その保存場所は、実績記憶装置４０であってもよいし、空調負荷予測装置４２が記録部を備える場合には、その記録部であってもよい。

【0043】

続いて、負荷割合最適化装置５０の動作について説明する。
負荷割合最適化装置５０は、地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１とエネルギーフローモデル演算装置５２とを備えている。エネルギーフローモデル演算装置５２には、モデル生成部５３と効率演算部５４とが設けられている。負荷割合最適化装置５０は、将来の任意の所定期間（評価期間）、たとえば将来の２４時間におけるシステムＣＯＰ（ＳＣＯＰ）が最大となるような、空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３との運転スケジュールを決定する。

【0044】

エネルギーフローモデル演算装置５２は、空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３との運転スケジュールの種々のパターンについてシステムＣＯＰを繰り返して演算して最適なシステムＣＯＰを求める。地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１は、エネルギーフローモデル演算装置５２における演算に使用する地中熱交換器出口熱媒温度の予測値を計算する。このように、地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１とエネルギーフローモデル演算装置５２とが協働して、空気熱ヒートポンプ２の運転と地中熱ヒートポンプ３の運転との最適な負荷割合を計算する。以下、その詳細な内容について説明する。

【0045】

効率演算部５４は、向こう２４時間のシステムＣＯＰ（ＳＣＯＰ_２４ｈ）を、例えば、式（１９）で定義される演算式に従って計算する。
ＳＣＯＰ_２４ｈ＝Σ〔（Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｑ_Ａ，ｉ）／（Ｗ_Ｇ，ｉ＋Ｗ_Ａ，ｉ＋Ｗ_Ｐ，ｉ＋Ｗ_Ｓ，ｉ）〕
・・・式（１９）
Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}：任意時間ｉの地中熱ヒートポンプの空調負荷
Ｑ_Ａ，ｉ：任意時間ｉの空気熱ヒートポンプの空調負荷
Ｗ_Ｇ，ｉ：任意時間ｉの地中熱ヒートポンプの電力投入量
Ｗ_Ａ，ｉ：任意時間ｉの空気熱ヒートポンプの電力投入量
Ｗ_ｏ，ｉ：任意時間ｉのその他の電力量の固定値
なお、任意時間ｉは、向こう２４時間内の任意の時間であり、式（２０）は常に成立しているものとする。また、Ｗ_ｏ，ｉの典型例は、任意時間ｉの循環ポンプの電力量（Ｗ_Ｐ，ｉ）や任意時間ｉのシステム待機電力投入量（Ｗ_Ｓ，ｉ）であり、多くの場合、Ｗ_ｏ，ｉ＝Ｗ_Ｐ，ｉ＋Ｗ_Ｓ，ｉとしてよい。
Ｑ_ｉ＝Ｑ_Ａ，ｉ＋Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ} ・・・式（２０）
Ｑ_ｉ：任意時間ｉの空調負荷総量
図１０は、第１の実施の形態における効率演算部５４が実行する演算式を示す図である。

【0046】

モデル生成部５３は、式（１９）で示すＳＣＯＰ_２４ｈが最大となるＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}、Ｑ_Ａ，ｉの向こう２４時間のスケジュールパターンを遺伝的アルゴリズム（以下、ＧＡという。）を用いて検索する。

【0047】

図１１は、第１の実施の形態におけるＧＡの処理手順を示すフロー図である。このフロー図は、一般的なＧＡの処理を表している。図１２は、このフロー図の各ステップの処理内容を解説する図である。従って、図１１の各処理についての一般的な説明は省略する。

【0048】

図１３は、第１の実施の形態におけるＧＡを用いた最適スケジュール解の探索方法を説明するための図である。
図１３に示されるそれぞれの２次元座標系では、横軸が将来の時間ｉを示し、縦軸が空調負荷総量Ｑ_ｉと地中熱ヒートポンプ３の空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}を示しており、従って図１３中の各図は、時間ごとのＱ_ｉとＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の推移を表している。ここで、空調負荷総量Ｑ_ｉは、これまでの実績値から求められる予測値、すなわち先述の<予測>Ｑの時間iにおける値に相当し、地中熱ヒートポンプ３の空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}は、ＧＡの処理の開始時に初期世代として無作為に設定される設定値である場合には、時間iにおける<設定>Ｑ_{Ｇ_IN}の値、ＧＡの処理の終了時に、最終的に最適なものとして選択される最適値である場合には、時間iにおける<結果>Ｑ_{Ｇ_IN}の値、ＧＡの処理の開始後、終了前の途中において選択される選択値である場合には、時間iにおける<選択>Ｑ_{Ｇ_IN}（図示せず）の値、に相当する。

【0049】

時間ｉにおける空気熱ヒートポンプ２の空調負荷Ｑ_Ａ，ｉは、式（２０）により、Ｑ_ｉとＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}との差として定まる。

【0050】

無作為に設定された初期化母集団のスケジュール群（初期世代）を基点に、ＧＡの処理フローに基づき選択→交配→交叉→突然変異→評価を繰り返し、最終世代である最適スケジュール解を導出する。

【0051】

具体的には、図１１のステップＳ０６の処理において、式（１９）に示すＳＣＯＰ_２４ｈの値を計算し、その結果で効率の高いスケジュールを複数選択する。そして選択したスケジュールを更に交配→交叉→突然変異→評価を行なって、より効率の高いスケジュールを複数選択する。この処理を所定回数繰り返すことで、ＳＣＯＰ_２４ｈの値の高い地中熱ヒートポンプ３の空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}を得ることができる。ステップＳ０７に示す終了条件を充足したときは、例えば、上述の処理を１０００回繰り返したときは、得られた複数のスケジュールのうち最も効率の高いスケジュールを最適スケジュールとする。

【0052】

図１３の下図における<結果>Ｑ_{Ｇ_IN}は、上述のＧＡの処理により求まったＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の最適スケジュールである。

【0053】

ところで、式（１９）に示すＳＣＯＰ_２４ｈの値を計算するためには、任意の時間ｉにおける地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉと空気熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ａ，ｉとを求める必要がある。
図１４は、第１の実施の形態における地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉを求める手順を示すフロー図である。

【0054】

ステップＳ１１において、エネルギーフローモデル演算装置５２は、上述のＧＡの処理を実行する際に用いられた地中熱ヒートポンプ３の空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}（任意の時間iにおける、<設定>Ｑ_{Ｇ_IN}の値と<選択>Ｑ_{Ｇ_IN}の値）を取り出す。そしてこの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}のそれぞれの値に対応する地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉを以下の繰り返し処理によって計算し求める。

【0055】

まず地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉの初期値を設定する。この初期値は、任意の値で良いが、前回の計算で得られたＷ_Ｇ，ｉの値を採用しても良い。

【0056】

ステップＳ１２において、任意の時間ｉにおける地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}を次の式によって算出する。
Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}＝Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＋Ｗ_Ｇ，ｉ
そして、ステップＳ１３において、算出されたＱ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}を地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１に渡して、地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}の予測値を計算させる。

【0057】

図１５は、過去の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}を示す図である。<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}は、実績記録装置４０に保存されている過去の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値から一定の基準に従って得られる。たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）として向こう一定時間（たとえば２４時間）にわたり、任意の単位時間帯（たとえば１時間）に入るデータを、実績記録装置４０に保存されている過去の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値から取得し、取得されたデータから当該単位時間帯における平均値を演算する。より具体的には、たとえば、実績記録装置４０に保存されている過去１４日分の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値の中から、時間ｋから向こう２４時間において、たとえば７時００分から７時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値を演算する。こうして得られる複数個の時間帯における複数個の平均値から近似曲線（たとえば最小自乗近似曲線）を演算し、演算された近似曲線を過去の地中熱交換器出口熱媒温度の実績値の時間推移<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}とする。

【0058】

図１６は、過去の地中放出熱量の実績値の時間推移<DB>Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}を示す図である。<DB>Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}は、実績記録装置４０に保存されている過去の地中放出熱量の実績値から一定の基準に従って得られる。たとえば、任意の時間ｋを基点（横軸の０点）として向こう一定時間（たとえば２４時間）にわたり、任意の単位時間帯（たとえば１時間）に入るデータを、実績記録装置４０に保存されている過去の地中放出熱量の実績値から取得し、取得されたデータから当該単位時間帯における平均値を演算する。より具体的には、たとえば、実績記録装置４０に保存されている過去１４日分の地中放出熱量の実績値の中から、時間ｋから向こう２４時間において、たとえば７時００分から７時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値を演算する。こうして得られる複数個の時間帯における複数個の平均値から近似曲線（たとえば最小自乗近似曲線）を演算し、演算された近似曲線を過去の地中放出熱量の実績値の時間推移<DB>Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}とする。

【0059】

すると、<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}及び<DB>Ｑ_＿ｏｕｔはそれぞれ式（１６）及び式（１７）として表すことができる。
Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}＝ｆ_４（ｉ） ・・・式（１６）
Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}＝ｆ_５（ｉ） ・・・式（１７）
ここで、任意の時間ｉは、時間ｋを基点とする向こう一定時間（たとえば２４時間）内の任意の時間である。

【0060】

そして、式（１６）及び式（１７）を用いると、地中放出熱量Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}と地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}との関係式（１８）を得ることができる。図１７は、この式（１８）に相当する、地中放出熱量と地中熱交換器出口熱媒温度との関係を示す図である。

【0061】

Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｔ}＝ｆ_６（Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｔ}） ・・・式（１８）
従って、ステップＳ１３において、式（１８）に示す関数ｆ_６を用いれば、算出されたＱ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}から地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}の予測値を求めることができる。

【0062】

なお、上述のように求められる関係式（１８）並びに、必要に応じて<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}及び<DB>Ｑ_＿ｏｕｔ（または式（１６）及び式（１７））は、必要時に取り出せるように保存し、データベース化しておく。その保存場所は、実績記憶装置４０であってもよいし、地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１が記録部を備える場合には、その記録部であってもよい。

【0063】

図１４のステップＳ１４において、エネルギーフローモデル演算装置５２は、地中熱交換器出口熱媒温度予測装置５１が計算した地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}から、式（８）または式（９）を用いて地中熱ヒートポンプ効率ＣＯＰ_Ｇ，ｉを求める。
［冷房時］ＣＯＰ_Ｇ，ｉ＝ｆ_Ｇ１（Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}）
［暖房時］ＣＯＰ_Ｇ，ｉ＝ｆ_Ｇ２（Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}）
ステップＳ１５において、次の式を用いて地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉを計算する。この式は、Ｗ_Ｇ，ｉ演算値を求める式である。
Ｗ_Ｇ，ｉ＝Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}／ＣＯＰ_Ｇ，ｉ
そして、ステップＳ１６において、ステップＳ１５で求めたＷ_Ｇ，ｉの演算値とＷ_Ｇ，ｉの初期値との差が許容範囲内かどうか、即ち、演算が収束したかどうかを調べる。
例えば、指標Ｉ＝｜（Ｗ_Ｇ，ｉの初期値−Ｗ_Ｇ，ｉの演算値）／Ｗ_Ｇ，ｉの初期値｜を求める。そして、指標Ｉ≧０．００００１ならば、Ｗ_Ｇ，ｉの初期値にＷ_Ｇ，ｉの演算値を代入してステップＳ１２からの処理を実行する。一方、指標Ｉ＜０．００００１ならば、ステップＳ１７において、地中熱交換器出口熱媒温度Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ，ｉ}及び地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉを決定する。

【0064】

以上の手順によって、ＧＡによりＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}を決定することができる。Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}が決定すると、式（２０）よりＱ_Ａ，ｉを求めることができるので、下記式（２３）が成立することにより、Ｗ_Ａ，ｉを求めることができる。
Ｗ_Ａ，ｉ＝Ｑ_Ａ，ｉ／ＣＯＰ_Ａ，ｉ・・・ 式（２３）
ここで、ＣＯＰ_Ａ，ｉは上述の式（１０）または式（１１）を用いて求められる。
［冷房時］ＣＯＰ_Ａ，ｉ＝ｆ_Ａ１（Ｔ_{ｏｕｔ，ｉ}）
［暖房時］ＣＯＰ_Ａ，ｉ＝ｆ_Ａ２（Ｔ_{ｏｕｔ，ｉ}）
このようにして求めた、地中熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ｇ，ｉと空気熱ヒートポンプ電力投入量Ｗ_Ａ，ｉとを用いてＳＣＯＰ_２４ｈを式（１９）に従って計算することができる。

【0065】

負荷割合最適化装置５０は、ＧＡの処理によって求めたＳＣＯＰ_２４ｈが最大になるＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の向こう２４時間のスケジュールパターンとＱ_Ａ，ｉの向こう２４時間のスケジュールパターンとから地中熱ヒートポンプの出力制限率α_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と空気熱ヒートポンプの出力制限率α_Ａ、ｉとを求める。

【0066】

地中熱ヒートポンプの定格出力をＱ_{Ｇ＿ｉｎ，ＭＡＸ}と置くと、出力制限率α_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}の２４ｈスケジュールパターンは、式（２１）より求まる。
α_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}＝Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}／Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ＭＡＸ} ・・・ 式（２１）
また、空気熱ヒートポンプの定格出力をＱ_{Ａ，ＭＡＸ}と置くと出力制限率α_Ａ、ｉの向こう２４時間のスケジュールパターンは、式（２２）より求まる。
α_Ａ、ｉ＝ Ｑ_Ａ，ｉ／Ｑ_{Ａ，ＭＡＸ} ・・・ 式（２２）
制御装置１１は、出力制限率α_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}及び出力制限率α_Ａ、ｉから地中熱ヒートポンプ３と空気熱ヒートポンプ２のそれぞれの出力割合を指定する信号（出力制限率信号）又は当該信号に基づく制御信号を出力する。空気熱ヒートポンプ２と地中熱ヒートポンプ３の運転は、それぞれに対して出力された信号に基づき実行され、これにより管理される。

【0067】

以上、説明した実施の形態によれば、将来の任意期間における全エネルギー（空調負荷総量）が最適な値になるように２熱源型ヒートポンプの運転を制御することができるため、ハイブリッド式ヒートポンプ空調システムの経済的な運転や省エネルギー化を図ることができる。

【0068】

なお、上述の実施の形態では、評価期間を２４時間として将来の２４時間におけるシステム効率ＳＣＯＰ_２４ｈを最大化するように運転スケジュールを作成したが、本発明はこの形態に限定されず、将来の適宜の期間における効率を最大化するように運転スケジュールを作成することができる。

【0069】

例えば、将来の１ヶ月未満の所定期間におけるシステム効率ＳＣＯＰ_２４ｈを最大化するように運転スケジュールを作成することができる。この所定期間として１ヶ月未満の値を設定することで、長期間（少なくとも１年間）にもわたりヒートポンプステムの運転が安定しない、或いはヒートポンプシステムの設計が決まらない、というような事態は避けることができ、地中熱利用ヒートポンプ装置のより早期の安定的な運転を望む使用者にとってより望ましい、地中熱利用ヒートポンプシステム及びその制御方法を実現することができる。

【0070】

ここで、将来の運転スケジュールとして１ヶ月未満の所定期間を設定したが、この値は実際のヒートポンプシステムの運転において、使用者がより早期の安定的な運転を達成するために望ましいと考えている値である。

【0071】

なお、このように将来の適宜の期間における効率を最大化するように運転スケジュールの設定を可能としているのは、上述のようにモデル計算によるスケジューリング手法を適用しているからである。但し、モデル計算に適用する手法は、遺伝的アルゴリズムに限定されず、数理計画法、焼きなまし法、局所探索法を用いることができる。

【0072】

また、図６に示された<DB>Ｔ_ｏｕｔや図９に示された<DB>Ｑの近似曲線を求める際に、実績記録装置４０に保存されている過去７日分の実績値の中から、時間ｉから向こう２４時間において、たとえば５時００分から５時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値を演算するという説明をした。図１５に示された<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}や図１６に示された<DB>Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}の近似曲線を求める際には、実績記録装置４０に保存されている過去１４日分の地中放出熱量の実績値の中から、時間ｋから向こう２４時間において、たとえば７時００分から７時５９分までの１時間の時間帯に入るものを取得して、取得した実績値の平均値を演算するという説明をした。しかし、本発明はこれらのような形態に限定されず、本発明においては、<DB>Ｔ_ｏｕｔ、<DB>Ｑ、<DB>Ｔ_{Ｇ＿ｏｕｔ}及び<DB>Ｑ_{Ｇ＿ｏｕｔ}の少なくとも一つを求める際、過去何日分の実績値から平均値を求めるか、どの程度の長さの時間帯にするかなどは、状況や必要に応じて任意に選択できる。

【0073】

また、上述の実施の形態では、式（２０）に示す関係、すなわち任意の時間ｉにおける空調負荷総量Ｑ_ｉと、地中熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_{Ｇ＿ｉｎ，ｉ}と、空気熱ヒートポンプの空調負荷Ｑ_Ａ，ｉとの関係から地中熱ヒートポンプの運転スケジュールのみを求めたが、地中熱ヒートポンプと空気熱ヒートポンプとの両方の運転スケジュールをＧＡの処理を用いて求めても良い。

【0074】

以上、地中熱源を利用する地中熱ヒートポンプを備えるヒートポンプシステム及びその運転方法に係る技術について説明した。ここで、地中熱ヒートポンプに加えて、空気熱源を利用する空気熱ヒートポンプを備える２熱源型ヒートポンプシステムも、地中熱ヒートポンプを備えるヒートポンプシステムに該当するので、当該２熱源型ヒートポンプシステム及びその制御方法も、本発明の技術的範囲に含まれる。

【0075】

更に、上述の各実施の形態で説明した機能は、ハードウェアを用いて構成するに留まらず、ソフトウェアを用いて各機能を記載したプログラムをコンピュータに読み込ませて実現することもできる。また、各機能は、適宜ソフトウェア、ハードウェアのいずれかを選択して構成するものであっても良い。

【0076】

本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよく、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

【符号の説明】

【0077】

１…ヒートポンプ空調システム、２…空気熱ヒートポンプ、３…地中熱ヒートポンプ、４…運転管理装置、５…循環水ポンプ、７…地中埋設管、８…電源、１０…運転モデル設定装置、１１…制御装置、２０…パラメータ計測装置、２１…外気温度計測装置、２２…トータル電力投入量計測装置、２３…地中熱交換器出口熱媒温度計測装置、２４…地中熱交換器入口熱媒温度計測装置、２５…熱媒循環流量計測装置、３０…パラメータ演算装置、３１…空調負荷演算装置、３２…地中放熱量演算装置、４０…実績記録装置、４１…外気温度予測装置、４２…空調負荷予測装置、５０…負荷割合最適化装置、５１…地中熱交換器出口熱媒温度予測装置、５２…エネルギーフローモデル演算装置、５３…モデル生成部、５４…効率演算部。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】