Autoadaptの詳細

家庭用循環ポンプの制御カーブの適応的選択

Carsten Skovmose Kallesøe*, Niels Bidstrup*, Manfred Bayer

概要

家庭用暖房装置の速度制御循環ポンプは、90年代初頭以来、市場で販売されています。これらの循環ポンプの大半は、ポンプ制御カーブを内蔵しています。それによって速度が調整され、実際の流量と熱の需要に従って圧力が調整されます。通常循環ポンプは、暖房システムの変化に対応するため様々なポンプ制御カーブを備えています。

これによってさらに快適性が向上し、エネルギー消費量が削減できます。このオプションからメリットを得るには、設置後に、循環ポンプの制御カーブを正しく設定することが必要です。しかしほとんどの場合において、特定の暖房システムについての情報がわからないため不可能です。本稿では新たな制御法「 AUTOADAPT」について記載します。この方法は、循環ポンプの設定を、設置される暖房システムに自動的に適合させます。

AUTOADAPTの計算機機能では、操作中の暖房システムの特徴を計測して分析し、ポンプ制御カーブの設定をそれに応じて調整します。ドイツでのフィールドテストの結果では、75%の事例で、AUTOADAPT がこれまでと同じ快適性のレベルと、これまでより低いエネルギー消費量の設定を選択したことが示されています。

* Grundfos Management A/S, Poul Due Jensens Vej 7, DK-8850 Bjerringbro, Denmark (e-mail: {ckallesoe,nbidstrup}@grundfos.com)

1.はじめに

循環ポンプは、すべての水ベースの暖房システムで使用されます。これらのシステムには、ラジエーター温水システムと床暖房システムが含まれています。熱源は、ボイラー、ソーラーヒーター、ヒートポンプなどです。循環ポンプの作業は、相違があるにもかかわらず、これら全てのシステムで同一です。つまり、水流を制御するために熱制御に必要な圧力を提供すること、そしてそれによって家に熱流量を供給することを意味します。ボイラーを搭載した単純なラジエーター暖房システムの概要は、図 1に記載しています。

この図に示したセントラル・ヒーティングシステムは、温度調整弁に基づく熱制御を備えた 2 本の配管システムです。セントラル・ヒーティングシステムの仕事は、ユーザーが選択した現在のバルブに合わせて各部屋の温度を制御することです。温度制御の方法は温度調整弁であり、熱源はラジエーターです。図 1を参照してください。部屋に提供される熱エネルギーは、温度とラジエーターを通じた水流によって制御されます。（図 1 のボイラー）熱源は温度を制御し、温度調整弁は、流量を制御します。

図 1で示す例では、ボイラー温度の設定点は、ラジエーターが家全体に必要な熱量を提供できるように選択されています。しかし、図1に示す2部屋には総合的に異なる必要条件がみられます。温度調整弁が、これらの違いを処理します。つまり水量を制御することによって、熱の流れは各ラジエーターに合わせて個々に制御されます。これにより、家の各部屋の温度が制御されます。これはまさに、すべてのセントラル・ヒーティングシステムで部屋の温度がいかに制御されるかを示しています。

温度調整弁は、水流をコントロールすることができる圧力を必要とします。循環ポンプは、この圧力を提供します。このためには、循環ポンプはシステムの配管の背圧を克服し、温度調整弁でコントロールを有効にするのに十分な圧力を提供する必要があります。今日、高性能の循環ポンプには、速度制御装置が搭載されています。この速度制御装置は、部分負荷時の圧力を減少させるために使用されます。それによってエネルギーが保存され、温度調整弁の性能が向上します。循環ポンプでは、部分負荷時の圧力低下は比例圧力曲線によって実行されます。グルンドフォスの 6 m ALPHA ポンプに関する初期の比例圧力曲線は、図 2で表示しています。

図1:2部屋のある家でのセントラル・ヒーティングシステムの配管構造の概略図。セントラル・ヒーティングシステムは２本の配管式システムであり、実際の生活のアプリケーションで最も使用されているシステムです。

図2:循環ポンプの制御に使用される比例圧力曲線。明るい青色の領域は、セントラル・ヒーティングシステムのサイズやタイプによって制御曲線を配置できる領域を示しています。

現在速度制御が搭載された循環ポンプは、長年市場で流通しており、これは証明済みの技術となっています。速度制御の循環ポンプの可能性を十分に活用するには、指定の暖房システムに応じて制御曲線が選択されていることが重要です。制御曲線の選択は、システムの配管、ラジエーター、熱源に基づいたものであることが必要です。さらに、家の断熱材のレベルは制御曲線の最適な位置に影響を与えます。これは、制御曲線は知識に基づいて選択すべきであることを意味しており、この知識は従来設置者が利用できなかったものでした。したがって、多くの循環ポンプは、一定の暖房システムの最適な制御曲線で制御されていません。

設置者の役に立つように、当社では適応アルゴリズム、AUTOADAPTを提案しています。このアルゴリズムは、一定の暖房システムにとって最適である曲線に、循環ポンプの制御曲線を適合させます。本稿で提唱するAUTOADAPTは、2001年以来グルンドフォスの循環ポンプMAGNAでご利用いただいているAUTOADAPTの開発版です。

2.AUTOADAPTの新しいアルゴリズム

序章では、循環ポンプの制御曲線の選択は、暖房システムの性能と電気エネルギーの使用に影響すると論じました。したがって、曲線を正しく選択することが重要となります。AUTOADAPTでは、最適な曲線が自動的に選択されます。したがって、設置者は、今後の循環ポンプの設置時に配管と電気接続のみを処理するだけで済みます。

このセクションでは、AUTOADAPTの機能について説明します。ただし、より詳しい説明をお求めの場合は、(Kallesøe and Bidstrup (2008 年)) を参照してください。AUTO-ADAPTの機能は、図 3に示す通り、3つの作業に分割できます。

図3:AUTOADAPTのアルゴリズムの構造。アルゴリズムは、3つの作業で構成されます。これらは、分析作業、選択作業、管理作業です。

最初の作業は、循環ポンプが設置された暖房システムを分析することです。「システムアナライザー」がこれを行います。この分析の目的は、循環ポンプの圧力が高すぎる、低すぎる、または良好であるかを確認することです。分析の部分はセクション 2.1 で説明します。2 番目の作業は、システムアナライザーから得られた知識を使用して、循環ポンプにとって適切な比例圧力曲線を選択することです。これを行うのは「曲線セレクター」です。セレクターについては、セクション 2.2 で説明します。最後に、循環ポンプは、選択した比例圧力曲線に従って制御されます。これは、図2に示す曲線に従って行われます。次に、図3の最初の2 つの機能ブロックについて詳細に説明します。

2.1 システムアナライザー

AUTOADAPTのアルゴリズムは、ポンプが設置された暖房システムの条件に、比例圧力曲線を適応させます。暖房システムの負荷状況を管理することは、適応の基礎を形成します。

これを理解するには、まず、負荷条件が循環ポンプの流量と圧力に及ぼす影響について理解することが必要です。図4に示す暖房システムを使用して、負荷条件とバルブ動作間の関係について説明することができます。暖房システムの作動方法に関する詳細な説明は、(Otto (1991), Petitjean (1994), Tiator (1998))を参照してください。

つまり、指定のボイラーの設定点で、熱流はラジエーターを通じた水流によって制御されるということです。温度調整弁は、バルブ全体の圧力降下を制御することで水流を制御します。したがって、循環ポンプの圧力が高すぎる場合は、バルブ内の圧力降下が高くなります。つまり、バルブがほとんどの時間閉じており、その結果温度制御が低下するということです。さらに、この場合には振動挙動が発生しやすく(Andersen et al., 2000)音響ノイズが発生することがあります。この現象は、ここでは下方の飽和を意味します。循環ポンプの圧力が低すぎるという逆の場合では、バルブ全体の圧力降下が低くなります。つまりバルブがほとんどの時間ほぼ完全に開いていなければならないとうことです。これも温度制御が低下することを意味します。

システムのバルブの平均的な開放状態を測定するには、合計透水係数を使用します。この係数は、一定の流量でのシステム内の合計圧力損失について説明します。これは、ボイラー、配管、バルブ全体での圧力損失です。図 4を参照してください。ボイラー、配管内の圧力損失は所定の流量で一定であるため、バルブの開口部を変更すると透水係数が変化することになります。ポンプで使用可能な測定結果から、合計透水係数が求められます。したがって、

ksys-値が透水係数であり、流量がポンプ内の流量であり、圧力がポンプ全体での圧力である場合に求められます。Ksys-値は、AUTOADAPT アルゴリズムの分析の部分にとって基礎となります。

AUTOADAPT のアルゴリズムでシステムアナライザーの機能について説明するには、図 5、図 6、図 7を参照してください。これらの数字では、緑色の曲線は経時の ksys-値での変化を示します。赤と青の曲線は、ksys-値の最大値と最小値です。ここでは、それぞれkhigh と klow と称します。最後に黒い曲線は、赤と青の曲線間のエリアを、エリアAおよびエリアBのように2つのサブエリアに分割します。黒の曲線は、kref と表示され、khigh およびklowの値から計算されます。飽和レベルは、エリアksysの値での時間量を、エリアBでの時間と比較することで、計測できます。図 5、図 6、図 7では、曲線は3種類の状態で表示されます。

図5では、循環ポンプの圧力が低すぎます。これは、弁全体での圧力が低すぎるということです。前述のとおり、圧力が低すぎる時には弁は温度を適切に制御することができません。図5では定圧状態が見られます。これは、エリアBでのksys値（緑色の曲線）での時間がエリアAでの時間よりも長いからです。これは上方の飽和を意味します。

図5:セントラル・ヒーティングシステムでの一連のksys値の時系列の例。弁がほぼ完全に開いたときに飽和が発生している。

図 6では別のksys値の時系列が表示されています。この場合、循環ポンプの圧力が高すぎます。ここでは再び温度制御が不十分になります。この高圧状態は、図6で見られます。この状態は、エリアAのksys値（緑色の曲線）が、エリアBよりも長時間エリアAにあるという事実によってわかります。

図6:セントラル・ヒーティングシステムでのksys値の時系列の例。ここでは弁がほぼ完全に閉じた時に飽和が発生している。

圧力が指定の暖房システムで適度な値である場合には、エリアBの ksys-値は、エリア A での時間と同じです。この事例は図 7で表示されています。

図 7:セントラル・ヒーティングシステムでのksys値の時系列の例。ここでは飽和が発生していません。

図 5から図 7では、ksys-値の時系列の評価を使用すると、上方の飽和と、下方の飽和、および飽和なしを区別することが可能です。これは圧力を増加するか、減少させるか、そのままの状態にするかを決定するために、AUTO-ADAPT のアルゴリズムで使用されます。

2.2 曲線セレクター

AUTOADAPT のアルゴリズムでは、従来の比例圧力曲線を使用して圧力が制御されます。これは曲線セレクターの作業は、指定の暖房システムで、この比例圧力曲線の最適な位置を選択することだという意味です。すなわち曲線セレクターは、図 2の青色のエリアの比例圧力曲線を選択できるということです。比例圧力曲線を使用する利点は、認知度の高い圧力制御方法が、AUTOADAPT制御で継承されるという点にあります。

比例圧力曲線の最適な位置は、セクション 2.1 で説明したシステムアナライザーで得られた分析結果を使用するとわかります。ポンプによって提供された圧力が低すぎる場合、暖房システムが十分な熱を供給できないということです。したがって、システムの弁は、ほとんどの時間ほぼ完全に開いた状態でなければならず、上方の飽和が発生します。この例は、図 5で表示されています。これを克服するために、増圧する必要があります。このように、比例圧力曲線を増やす必要があります。これはまさにAUTOADAPT アルゴリズムの働きです。

圧力が高い逆のケースでは、暖房システムはあまりに多くの熱を供給することができます。これは弁がほとんどの時間閉じているということです。この例は、図 6で表示されています。これを打開するには、減圧が必要です。このように、比例圧力曲線を増加させる必要があります。この場合も、これはまさにAUTOADAPT アルゴリズムの働きです。

ksys曲線がエリア A とエリアB の間に等しく供給される場合は、システムは飽和されません。図7を参照してください。これは、圧力を変更する理由がないことを意味します。したがって、AUTOADAPT アルゴリズムでは比例圧力曲線の位置は変更されません。

3.結論

本稿では、小型循環ポンプ用の適応アルゴリズムであるAUTOADAPT について紹介しました。このアルゴリズムは、循環ポンプの圧力曲線を、循環ポンプが設置された暖房システムに合わせて適合することができます。これにより、速度制御循環ポンプを簡単に設置できます。設置者は、もはや最適な圧曲線の発見に時間を割く必要はないからです。

ドイツで実施された120回のテストを含むフィールドテストで、このアルゴリズムが試験されています。このフィールドテストの結果は、本テストの実施者が、アルゴリズムの性能に満足しているか、非常に満足していることを示しています。さらに、フィールドテストでは、暖房システムの75.2%でAUTOADAPTがALPHA2 の標準的な循環ポンプの初期位置と比較して、圧力を低下させていることを示しています。したがって、75.2%の実施者で、快適性に影響を与えずに電気エネルギーが節約されます。ALPHA2の循環ポンプの標準設定と比較して、AUTOADAPTのフィールドテスト実施者11.4% のみが、圧力が増加しています。これらの事例では、設置した場所にAUTOADAPTがなければ、ユーザーが手動で設定を変更しなければなりません。これは、ほとんどのアプリケーションで快適性に影響を与えずに、AUTOADAPTを使用しながら、電気エネルギーを保存することが可能であることを示しています。

本稿では、AUTOADAPTの機能を、温度調整弁搭載の２管式暖房システムによって説明します。ただし、このアルゴリズムは、床暖房システム等でも同様に効果があります。これはまた、このフィールドテストに含まれる各種の暖房システムによっても示されています。したがって、AUTOADAPT は、別の種類の暖房システムで動作します。

4.参照

Andersen P., T.S.Pedersen, J. Stoustrup, J. Svensen, B. Lovmand, N. Bidstrup (2000).ポンプ制御を使用するセントラル・ヒーティングシステムではオシレーターは除外しています。アメリカ制御会議論文集,2000。

Ingolf Tiator (1998).Heizungsanlagen。Vogel 1998.

Jürgen Otto (1991).Pumpenheizungen richtig geplant。Krammer Verlag Düsseldorf, 1991.

Robert Petitjean (1994).総合ハイドロニックバランス。Tour & Andersson Hydronics AB.1994

C. S.Kallesøe and N. Bidstrup (2008).家庭用循環ポンプの適応制御。国際回転機器会議に提出。ドイツ、デュッセルドルフ2008