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 2023)
• 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の導入・検証、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）これまで家庭用エネルギーリソース（ER）群の最適制御手法として階層型の最適制御手法（以下、階層制御）を提案している。2023年度は更に各世帯を繋ぐグリッドの電力品質の評価、安定化を実現するため、グリッドシミュレーションの解析モデルを構築し、階層制御に組み込んだ。これにより、デマンドレスポンス等を想定し、世帯間の電力融通を考慮した場合のグリッドの電圧変動をリアルタイムに評価することが可能となった。オフィスの空調を対象とした最適制御手法としてモデル予測制御（MPC）をベースとした検討を行ってきたが、2023年度は非線形MPCやAdaptive MPCの導入を試みた。
２）これまでModelica IBPSA Library のIDEAS LibraryやBuildings Libraryを用いて、躯体蓄熱放射空調（熱源含む）を導入したオフィス1フロアモデルの構築を行ってきたが、2023年度はCFD解析結果との比較による解析モデル内の各種パラメータの再設定等を行った。
３）２）にて再設定・再構築したオフィスの1フロアモデルに、１）にて提案した非線形MPCやAdaptive MPCを組み込み、多入出力系の集中制御を試みた。結果として、特にAMPCは計算負荷を抑制しつつ、高い制御性能を維持できることを確認した。またAdaptive MPCによるケーススタディの一環として、ピークシフト制御を行ったところ、省エネ性や快適性を維持したまま、電力需要逼迫時にTABSの運転停止が可能であることを確認した。

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

2024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。家庭用エネルギーリソースの階層制御に関しては、世帯数や階層数の増加による大規模化やグリッドシミュレーションの結果を踏まえた電力品質（電圧）の安定化のための制約やフィードバックループの追加等の検討を行う。オフィスの空調システムに関しては躯体蓄熱放射空調（熱源含む）を導入したオフィスを対象に、電気料金やCO2排出係数の動的な変化を前提に、評価期間におけるコスト関数（電気料金やCO2排出量）を最小化するように定式化し、デマンドレスポンスの対応可能性を検証する。尚、本研究の最終年度として研究の取りまとも行う。

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)
• [Int'l Joint Research] KU Leuven(ベルギー)
• [Journal Article] PROPOSAL OF OPTIMAL CONTROL METHOD FOR TABS USING MPC (2024)
  • Author(s): 古賀 聖人, 白石 靖幸, 藤本 悠介
  • Journal Title: Journal of Environmental Engineering (Transactions of AIJ) Volume: 89 Issue: 817 Pages: 141-146
  • DOI: 10.3130/aije.89.141
  • ISSN: 1348-0685, 1881-817X
  • Year and Date: 2024-03-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 全電化街区におけるPV-EC-BT 群の最適制御，一括制御との比較に基づく階層制御の有効性の検証 (2024)
  • Author(s): 川西紗英，大澤結，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会九州支部研究報告
• [Presentation] 家庭用リソース（PV-BT-EC 群）の階層制御による運用最適化，電力品質の予測・評価のためのグリッドシミュレーションとの連成解析 (2024)
  • Author(s): 大澤結，白石靖幸，渡邊政幸，山本周平
  • 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 の最適運用手法の検証，( 第1 報) 建築躯体の熱容量を利用したピークシフト効果の検証 (2024)
  • Author(s): 京塚萌夏，古賀聖人，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 の最適運用手法の検証， ( 第２報) 非線形MPC を用いた熱源及び熱運送設備の運用コスト最小化 (2024)
  • 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] 複合物理モデリングを用いたTABSの運用最適化手法の検証，建築躯体の熱容量を利用した電力需要のピークシフト (2023)
  • Author(s): 古賀聖人，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 全電化街区(PV-BT-EC群)の階層制御による運用最適化，PPAモデルによる調整力の確保とDR効果の検証 (2023)
  • Author(s): 大澤結，白石靖幸
  • Organizer: 日本建築学会大会
• [Presentation] 全電化街区(PV-BT-EC 群) の階層制御による運用最適化，PPAモデルによる調整力の確保とDR効果の検証 (2023)
  • Author(s): 大澤結，白石靖幸
  • Organizer: 空気調和・衛生工学会大会
• [Presentation] Method for Evaluating an Air-Conditioning System with Natural Ventilation by Coupled Analysis of a Building Energy Simulation Tool and Computational Fluid Dynamics (2023)
  • Author(s): Ryuichi Yasunaga, Yasuyuki Shiraishi
  • Organizer: 43th AIVC-11th TightVent & 9th venticool Conference (AIVC2023)
  • 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