次世代複合物理モデリングを活用した分散型マルチエネルギーの最適設計

• Project/Area Number: 20KK0102
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 23:Architecture, building engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Kitakyushu
• Principal Investigator: 白石 靖幸 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (50302633)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 池田 卓矢 北九州市立大学, 国際環境工学部, 准教授 (00848319) ; 山田 浩史 北九州市立大学, 国際環境工学部, 講師 (80778184)
• Project Period (FY): 2020-10-27 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000); Fiscal Year 2024: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: Modelica / エネルギーシミュレーション / エネルギーリソース / 建築設備 / 最適制御 / 再生可能エネルギー

Outline of Research at the Start

本研究では、再生可能エネルギーの大量導入社会を見据え、建築・設備の全コンポーネットを広義のエネルギーリソースとして考える分散型マルチエネルギーを提案し、同エネルギーの設計・運用支援に資する「人工知能技術を駆使した最先端の最適制御」と「次世代の建物-街区エネルギーシミュレーション（次世代複合物理モデリング）」との連成解析ツールを開発し、その有効性を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、主に１）人工知能技術を駆使した最先端の最適制御の開発、２） 次世代の建物-街区エネルギーシミュレーション（次世代複合物理モデリング）の導入、３）分散型マルチエネルギーの最適設計を実現する連成解析ツールの構築とその検証　に大きく分類される。2022年度の主な成果は以下の通りである。
１）家庭用エネルギーリソース（ER）の最適制御手法として、昨年度開発を行った混合整数線形計画法（MILP）による制御手法を全電化型の複数ER（１世帯分）を対象に拡張した。更に街区（複数世帯）を対象に、各世帯の要求（省エネ、コスト削減等）を満足しつつ、街区としての要求（系統貢献、デマンドレスポンス等）を満たす、階層型の最適制御手法を提案し、北九州市内の10世帯の電力需要データを用いたシミュレーションを実施し、その有効性を確認した。尚、新たなERとして、EVモデルを作成すると共に、マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いた走行需要データの推定手法に関する検討も行った。
２）これまで、Modelica IBPSA Library のIDEAS Library (KU Leuvenの研究者らが開発)を用いて、躯体蓄熱放射空調が導入されたオフィスの1フロアモデルの作成を行ってきたが、今年度はBuildings Library（Lawrence Berkeley National Laboratoryの研究者らが開発）を用いて空調熱源（空冷チラー）のモデル構築を行った。
３）２）にて開発した空調熱源のモデルをオフィスの1フロアモデルに組み込み、多入出力系のスパースMPC（モデル予測制御とスパースモデリングの併用手法）にて制御を行うことで、TABSの積算送水流量、熱源のエネルギー消費量共に大幅に削減されることを次世代物理複合モデリングと最適制御との連成解析により確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究計画に従い、概ね予定通りに研究を進めている。

Strategy for Future Research Activity

2023年度も引き続き、北九州市立大学・国際環境工学部を主たる研究拠点とし、KUL関係者らと定期的なオンラインミーティングを行いつつ、研究課題に取り組む。研究代表者である白石に加え、研究分担者もしくは大学院生がKULを訪問し、IDEAS（KU Leuvenの研究者らが開発）のモデリング・ハンドリング技術の更なる習得や最適制御手法との連成解析に関する意見交換を集中的に行い、本研究を推進させる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Journal Article] OPTIMIZATION OF ANNUAL OPERATION PLAN OF PV, BT AND FC COOPERATION SYSTEM FOR HOUSES (2023)
  • Author(s): OKUDA Momoka、SHIRAISHI Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of Environmental Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 88 Issue: 805 Pages: 195-203
  • DOI: 10.3130/aije.88.195
  • ISSN: 1348-0685, 1881-817X
  • Year and Date: 2023-03-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Optimal control of TABS using a combined method of MPC and heat load prediction (2022)
  • Author(s): Koga Kiyoto、Shiraishi Yasuyuki
  • Journal Title: JAPAN ARCHITECTURAL REVIEW Volume: 6 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1002/2475-8876.12311
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 複合物理モデリングを用いたTABSの最適制御手法の検証，Modelica IBPSA Libraryを用いた熱源モデルの導入及び電力消費量の算出 (2023)
  • Author(s): 古賀聖人，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 家庭用リソース（PV-BT-EC）の階層制御による運用最適化，全電化街区を対象とした調整力及び電力融通効果の検証 (2023)
  • Author(s): 奥田桃加，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御，電気自動車利用時の不確実性を考慮した運用手法の検討 (2023)
  • Author(s): 大澤結，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 家庭用エネルギーシステム（PV-FC-BT）の階層型最適制御 世帯間ネットワーク構築による電力融通効果の検証 (2022)
  • Author(s): 白石靖幸, 奥田桃加
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御 （第 1 報） 省エネ性・経済性を考慮した各機器の運転計画最適化 (2022)
  • Author(s): 奥田桃加, 大澤結, 白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] オフィスにおけるTABSの運用方法に関する研究 （第6報）複合物理モデリングによる大規模TABSの構築と同モデルを用いた最適制御手法の検証 (2022)
  • Author(s): 井ノ口綾音, 白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御 （第2報）多様なライフスタイルを想定した電気自動車の運用手法の検討 (2022)
  • Author(s): 大澤結, 奥田桃加, 白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 家庭用エネルギーシステム（PV-FC-BT）の階層型最適制御, -世帯間ネットワーク構築による電力融通効果の検証- (2022)
  • Author(s): 奥田桃加, 白石靖幸
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御, （第１報）省エネ性・経済性を考慮した各機器の運転計画最適化 (2022)
  • Author(s): 井ノ口綾音, 白石靖幸, 奥田桃加, 大澤結
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御手法, (第2報)多様なライフスタイルを想定した電気自動車の運用手法の検討 (2022)
  • Author(s): 大澤結, 奥田桃加, 白石靖幸
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 大規模TABSを対象とした最適制御と複合物理モデリング(Modelica-IDEAS)による検証 (2022)
  • Author(s): 出口史晃, 白石靖幸, Dirk Saelens, Arash. E. Beyzaee
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] Optimal control of TABS in hot and humid regions (2022)
  • Author(s): Kiyoto Koga, Fumiaki Deguchi, Yasuyuki Shiraishi, Arash Erfani, Dirk Saelens
  • Organizer: 42th AIVC-10th TightVent & 8th venticool Conference (AIVC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimal Control of Circuit type Double Skin Facade using Air Conditioning Exhaust in a Cascade Manner (2022)
  • Author(s): Yuko Morishige, Yasuyuki Shiraishi
  • Organizer: 42th AIVC-10th TightVent & 8th venticool Conference (AIVC2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御，(第1報) 各機器の運転計画最適化による改善効果の検討 (2022)
  • Author(s): 奥田桃加，大澤結，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 全電化住宅におけるエネルギーリソースの最適制御，(第2報)多様なライフスタイルを想定した電気自動車の運用手法の検討 (2022)
  • Author(s): 大澤結，奥田桃加，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 複合物理モデリングを用いたTABSのScalabilityに関する研究，‐ CFD解析との比較による予測精度の検証と1フロアモデルへの拡張 ‐ (2022)
  • Author(s): 出口史晃，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 家庭用エネルギーシステム（PV-FC-BT）の階層型最適制御，-世帯間ネットワーク構築による電力融通効果の検証- (2022)
  • Author(s): 中尾沙織，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] Optimal Control of TABS by Sparse MPC (2021)
  • Author(s): Yasuyuki Shiraishi, Masaaki Nagahara, Dirk Saelens
  • Organizer: Building Simulation 2021 Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimal control of TABS using internal heat load prediction (2021)
  • Author(s): Fumiaki Deghuchi, Yasuyuki Shiraishi
  • Organizer: Building Simulation 2021 Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of introducing hybrid power system for housing (2021)
  • Author(s): Saori Nakao, Yasuyuki Shiraishi, Yusuke Shigematsu
  • Organizer: Building Simulation 2021 Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3電池連携システムにおける最適制御手法の提案，(第3報) 燃料電池の起動停止時刻の最適化による改善効果の検証 (2021)
  • Author(s): 奥田桃加，中尾沙織，白石靖幸，重松佑亮
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] 3電池連携システムにおける家庭用燃料電池システムの最適制御，(第4報) 省エネ性・経済性を考慮した各機器の年間運用計画最適化 (2021)
  • Author(s): 中尾沙織，奥田桃加，白石靖幸，重松佑亮
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] オフィスにおけるTABSの運用方法に関する研究，（第4報）SVR、LSTM、RFによる負荷予測を用いた最適制御 (2021)
  • Author(s): 泉孝太郎，出口史晃，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 個別分散空調の室内機を対象とした最適連携制御手法の提案，－スパースモデリングと多入出力型のモデル予測制御との併用－ (2021)
  • Author(s): 出口史晃，白石靖幸，永原正章
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 3電池連携システムにおける最適制御手法の提案，（第1報）ルールベース制御による導入効果の検証 (2021)
  • Author(s): 中尾沙織，奥田桃加，白石靖幸，重松佑亮
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 3 電池連携システムにおける最適制御手法の提案，（第 2 報）燃料電池の起動停止時刻の最適化による改善効果の検証 (2021)
  • Author(s): 奥田桃加，中尾沙織，白石靖幸，重松佑亮
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 個別分散空調システムの最適連携制御手法の提案，（第１報）ニューラルネットワークを用いた居住域の温熱環境予測 (2021)
  • Author(s): 出口史晃
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 個別分散空調システムの最適連携制御手法の提案，(第2報) スパースモデリングと多入出力型のモデル予測制御との併用 (2021)
  • Author(s): 佐野誠斗志
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] オフィスにおける躯体蓄熱型放射空調システムの運用方法に関する研究，(第5報) l1正則化パラメータλの調整とADMM導入に向けた検討 (2021)
  • Author(s): 鶴田謙
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告