固体酸化物形燃料電池の導入効果に関する研究 －エネルギー需要に応じた最適機器仕様と排熱の有効利用について－ [ PDF
4
0
0
全文
(2) 表 4 在室スケジュール （ⅰ）6 人家族. 様と合わせて床暖房用温水の熱源はサブボイラーとし、 SOFC の排熱は利用しない。床暖房を使用する場合は、居間. 在室スケジュール *色塗りの時間が在室時間帯（数字は在室人数） 対象日. の在室スケジュールに則って運転を行い、床暖房だけで室. 平日. 温が設定温度に達しない場合にはエアコンを併用する設定 休日. とした。以上により作成した戸建住宅と集合住宅の合計 324. 1. 対象室 LDK 主寝室 子供室１ 子供室2 和室 LDK 主寝室 子供室１ 子供室2 和室. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 1 1 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 2 1 1 2. 8 6. 9 2. 10. 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23. 1. 2. 2. 1 1 1 1 1 2. 6. 2. 2. 4. 1 1. 1. 2. 2. 6. 1 1. 1 1. 6. 5. 2. 2. 1. 1 1 2 2. 1 1 2 2. 1 1 2. 1 1 2. 1. 6. 4. 2. 1 1. 1. 6. 4 1 1. 2 1 1 2 2 1 1 2. （ⅱ）4 人家族. 通りの負荷の年間需要分布を図 3 に示す。戸建住宅を想定. 在室スケジュール *色塗りの時間が在室時間帯（数字は在室人数） 対象日. した場合は電力需要が 2925～9203kWh/年、給湯需要が 2251. 1. 対象室 LDK 主寝室 子供室１ 子供室2 LDK 主寝室 子供室１ 子供室2. 平日. ～5645kWh/年、集合住宅では電力需要が 1906～6811kWh/年、 休日. 給湯需要が 2075～4193kWh/年の範囲内で分布している。. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 1 1 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 2 1 1. 8 4. 9 1. 10. 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23. 1. 1. 1. 1. 1. 1 1 1 1. 4. 1. 2. 1 1 2. 1 4. 4. 3. 3. 2. 1. 1. 2. 2. 1 1 2. 1 1. 1 1. 1 1. 1. 4. 3. 1. 4. 1 1 1. 1. 1 1. 1 1. 2 1 1 2 1 1. （ⅲ）3 人家族. 2.3 シミュレーション結果. 在室スケジュール *色塗りの時間が在室時間帯（数字は在室人数） 対象日. まず、定格発電出力 0.7kW、貯湯容量 90L（以下、. 平日. 0.7kW-90L と表記）の場合の 1 次エネルギー削減率を図 4 に. 1. 対象室 LDK 主寝室 子供室１ LDK 主寝室 子供室１. 休日. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 1 1 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 2 1. 8 4. 9 1. 10. 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23. 1. 1. 1. 1. 1 1 1 1. 4. 1. 2. 4. 3. 3. 2. 4. 1 2. 1 2. 1 2. 1. 1. 1. 1. 4. 3. 1 2. 1. 4. 1 1. 1. 1. 2 1 2 1. （ⅳ）2 人家族. 示す。電力負荷が 4527 kWh のとき 1 次エネルギー削減率が. 在室スケジュール *色塗りの時間が在室時間帯（数字は在室人数） 対象日. 最大（22.7％）となり、電力負荷が 6000 kWh 以上または 4000. 対象室 LDK 主寝室 LDK 主寝室. 平日. kWh 以下になると削減率は徐々に低下し、2500 kWh 以下で. 休日. はマイナスとなる。現行機の仕様（0.7kW-90L）では、エネ. 次に、戸建住宅と集合住宅それぞれについて、表 2 の全 ての要素で水準 2 を選択して作成される負荷（以下、標準負. 3. 2. 2. 4. 2. 2. 2. 2. 2. 5 2 2. 6. 7 1 1. 2 2. 2. 戸建4人. 8. 9. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23. 2. 1. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2. 2 1 1. 2. 2. 1. 2. 戸建2人. 集合4人. 集合3人. 集合2人. 6000. 給湯需要［kWh/年］. ことが分かる。. 2. 2. 戸建6人. 7000. ルギー需要が小さすぎると省エネルギー効果が得られない. 1. 5000 4000 3000 2000 1000 1000. 荷と表記）を使用し、定格発電出力と貯湯容量を変化させた. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. 9000. 10000. 電力需要［kWh/年］. 図 3 負荷モデルの年間需要分布. ときの 1 次エネルギー削減率の比較を行った（図 5）。戸建. 戸建住宅. 次エネルギー削減率が最大となり、集合住宅では 0.3kW ま. 1次エネルギー削減率［％］. 住宅の場合、定格発電出力が 0.5kW または 0.7kW の時に 1 たは 0.5kW の時に最大となる。また、貯湯容量が大きくな るにつれて1次エネルギー削減率は増加するが、ある量以上 になると横ばいに推移する。燃料電池は設置スペースが限 られることが多いため、本稿では、貯湯容量を 20L 増加させ. 集合住宅. 25 20 15 10. 5 0 -5 -10 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. 9000. 10000. 電力需要［kWh/年］. たときの 1 次エネルギー削減率の増加量が 1.0 ポイント以下. 図 4 0.7kW-90L の 1 次エネルギー削減率. 機器仕様となった。 図 6 に世帯構成別最適定格発電出力の割合、図 7 にエネル. 1.5kW 0.7kW. 20. 1.3kW 0.5kW. 1.1kW 0.3kW. 10 0. -10 -20. ギー需要別最適機器仕様を示す。世帯構成人数が増加する. 10. 30. 50. 70. 90. 1.5kW 0.7kW. 0.9kW. 110 130 150. 1次エネルギー削減率[％]. では 0.7kW-90L、集合住宅の標準負荷では0.5kW-70Lが最適. 1次エネルギー削減率[％]. になるときを最適値とした。その結果、戸建住宅の標準負荷. 20. 1.3kW 0.5kW. 0.9kW. 10 0. -10 -20. 10. 30. 50. 70. 90. 110 130 150. 貯湯容量[L]. 貯湯容量[L]. （ⅰ）戸建住宅. ほど最適定格発電出力は大きくなる（図 6） 。今回検討した. 1.1kW 0.3kW. （ⅱ）集合住宅. 図 5 標準負荷での機器仕様別 1 次エネルギー削減率. エネルギー需要および最適な貯湯容量選定方法では、最適. 0.9kW 0.5kW. 定格発電出力が 0.3kW～0.9kW、最適貯湯容量が 50L～110L. 0.7kW 0.3kW. 0.3kW-50L 0.3kW-70L. 2人. 6000. 4人. で、省エネルギー効果が得られることが示された。 2人. 戸建住宅. 3. 排熱の放熱を抑える運転制御方法の検討 これまでの検討結果から、貯湯容量をより小さい 10L や. 0.7kW-50L 0.7kW-70L × 0.9kW-70L 0.7kW-90L 0.7kW-110L. 7000. 3人. 給湯需要［kWh/年］. ギー需要が小さな家庭でも、適切な機器仕様を選定すること. 集合住宅. となり、その組合せは図 7 に示す 11 通りとなった。エネル. 0.5kW-50L 0.5kW-70L 0.5kW-90L 0.5kW-110L. 4人. 5000 4000 3000 2000. 6人. 30Lとしたケースでは、余剰排熱のファンによる放熱が増加 し、エネルギー消費量削減効果が小さくなることが確認さ. 0%. 50% 割合. 100%. れた。しかし、集合住宅への適用を考えた場合、貯湯槽を. 図 6 世帯構成別最適 定格出力の割合. 43-2. 1000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000. 電力需要［kWh/年］. 図 7 エネルギー需要別最適機器仕様.
(3) 1. 10. 0.5. 5. 0. 0 0. 2. 4. 6. 15. 1.5. 15. 1. 10. 1. 10. 0.5. 5. 0. 0 2. 4. 40. 0.4. 20. 0.2. 放熱量[kW]. 0.6. 0 0. 2. 4. 6. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日. 0 0. 2. 4. （ⅱ）貯湯温度と放熱状況 図 8 case0 の中間期運転状況. 第2層 第5層. 0.8. 0.6. 40. 0.4. 20. 0.2. 0. 0 2. 4. 6. 現在SOFCに採用されている方法と同様に、常時電力負荷に追従して運転する。. case1. 貯湯槽内の温度を常時監視し、貯湯槽を7分割した際の最上槽の温度が60℃以 上になった場合に、SOFCの発電出力の最大値を50%に落として運転する。. case2. 一週間前の日の電力負荷から日積算排熱回収量を算出し、その排熱回収量と 給湯負荷が等しくなるような発電出力の最大値を求める。それを当該日の上限 出力値と設定し、発電出力がその数値以下になるように運転を行う。. エネルギー消費量[kWh/日]. 制御方法. case0. 0.8. 0.6. 40. 0.4. 20. 0.2. 0. 0. 買電. 23.4. 第2層 第5層. 2. 4. 6. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日. （ⅱ）貯湯温度と放熱状況 図 10 case2 の中間期運転状況. 45 30. 最下層 第4層 最上層. 60. 0. （ⅱ）貯湯温度と放熱状況 図 9 case1 の中間期運転状況. 運転方法. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日. 放熱量 第3層 第6層. 80. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日. 表 5 運転制御方法. 6. （ⅰ）発電状況. 最下層 第4層 最上層. 60. 0. 20. 5. 0. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日. 放熱量 第3層 第6層. 80. 0.8. 0. 6. 0.5. （ⅰ）発電状況. 第2層 第5層. 60. 給湯負荷. 1.5. 0. 貯湯温度[℃]. 貯湯温度[℃]. 80. 発電量. 2. 8 10 12 14 16 18 20 22 24 4月26日 最下層 第4層 最上層. 電力負荷. 20. （ⅰ）発電状況 放熱量 第3層 第6層. 給湯負荷. 給湯[kW]. 15. 発電量. 放熱量[kW]. 1.5. 電力負荷. 電力[kW]. 2. 給湯[kW]. 20. 放熱量[kW]. 給湯負荷. 給湯[kW] 電力[kW]. 電力[kW]. 発電量. 貯湯温度[℃]. 電力負荷. 2. FCガス. 22.1. 21.4. case1. case2. サブボイラーガス. 24.9. 25.6. 26.6. case1. case2. 15 0. case0. 2次エネルギー消費量. case0. 1次エネルギー消費量. 図 11 代表日のエネルギー消費量. 設置するスペースは十分ではなく、更なる小容量化が必要で. を行っており、その間の発電出力は最大で 0.35kW となる。. ある。そこで、貯湯温度の監視によるフィードバック制御や. 貯湯槽は20時頃に満蓄となり、日積算放熱量はcase0と比較. 前週のエネルギー使用状況から判断する学習制御により、. して 5 分の 1 以下に減尐する。case2 では、1 週間前の 4 月. 一部の時間帯で電力負荷追従をせず発電出力を下げて貯湯. 19 日の排熱回収量と給湯負荷が等しくなるような発電出力. 槽が満蓄になる時間を遅らせる運転制御方法を提案し、そ. の最大値が 45.3％となったため、一日を通して“発電出力. の省エネルギー効果を算定する。. 45.3％以下”で制御を行い、放熱は無くなっている。. 3.1 シミュレーション概要. 図 11 に各ケースにおける代表日エネルギー消費量を示す。. 提案する運転方法での SOFC 導入効果算出には、前章で構. case1やcase2の運転方法とすることで放熱量を減尐させるこ. 築したプログラムをベースとし、機器の出力に関する制御. とができたが、1 次エネルギー消費量は増加する結果となっ. 文を追記して再構築した。表 5 に運転制御方法を示す。. た。発電出力を下げたことによる発電効率の低下と買電量. SOFC の定格発電出力と貯湯容量は 0.7kW-90L とし、電. の増加が主な要因と考えられる。したがって、SOFC におい. 力・給湯負荷条件は集合住宅の標準負荷とした。運転制御. ては、現在採用されている常時電力負荷追従運転の方が省. 方法は case1、case2 の 2 つを提案し、通常運転を行う case0. エネルギー効果が得られることが示された。. と比較した。case1 は貯湯槽の蓄熱状況から判断して満蓄に. 4. 浴槽を利用した貯湯槽小容量化に関する検討. なりそうな時に出力を下げるため、熱ロスを確実に低減さ. 前章において、一部の時間帯で出力を抑えて余剰排熱を削. せることができる。case2 は一週間前のエネルギー需要から. 減することによる省エネルギー効果を検討したが、制御方. 排熱回収量と給湯負荷が等しくなるような上限出力を設定. 法を変更しても1次エネルギーを削減することはできず、制. し運転を行うため規則的な生活をしている家庭では排熱を. 御方法の改善による余剰排熱の削減は難しいことが明らか. 有効に利用できる可能性がある。今回は case1 や case2 のよ. となった。そこで、貯湯槽を小容量化した上で排熱を有効. うな運転を行うことで得られる省エネルギー効果を試算す. 活用する方策として、貯湯槽が満蓄になり余剰排熱が出た. るため、給湯需要が比較的小さい中間期の代表日を選び運. 際に尐しずつ浴槽に湯張りをしていく運転方法（以下、排熱. 転状況や 1 次エネルギー削減効果の比較を行った。. 浴槽出湯運転と表記）を提案し、その効果を検証する。. 3.2 シミュレーション結果. 4.1 シミュレーション概要. 図 8～10 に代表日（4 月 26 日）における各ケースの運転. 排熱浴槽出湯運転では、衛生的観点から一日に一回、入. 状況を示す。case0 の運転状況をみると、電力負荷は0.12kW. 浴後に浴槽内の湯を排水する。その後、貯湯槽が満蓄とな. から 1.7kW の間で推移しており、給湯は湯はり時に最大で. った際には浴槽に出湯する。出湯温度は、安全性や浴槽か. 19.5kW の負荷がある。貯湯槽は 18 時半頃に満蓄となる。. らの熱損失による温度低下などを考慮して決める必要があ. case1 では、貯湯槽最上層温度が 60℃以上という条件に当て. る。今回の検討では 45℃とした。入浴時刻直前になって、. はまる 2 時から 21 時の間で“発電出力 50％以下”という制御. 浴槽が満水である 180L に達していない場合、貯湯槽から出. 43-3.
(4) 表 6 検討ケース. が、SOFC の現行機が浴槽追焚きの加熱回路を持たないため、 蓄熱量[kWh]. サブボイラーで加熱するものとした。住宅の電力・給湯負 荷条件は、集合住宅の標準負荷とした。 検討ケースを表 6 に示す。検討では排熱浴槽出湯運転を. 1. 0. 浴槽水温 浴槽水量. 200 150 100 50 0. 200 150 100 50 0. 0 2 4 6 8 10121416182022 2月26日. （ⅰ）蓄熱量・サブボイラーガス （ⅱ）浴槽水温・水量 図 12 case1(0.7kW-20L) 蓄熱量[kWh]. および「高断熱浴槽」の性能を参考に熱貫流率を設定した。 浴槽からの熱損失量は、熱負荷計算プログラム THERB にて. サブボイラーガス消費量 貯湯槽蓄熱量. 2 1. 30 15. 0. 予め計算した浴室温度と湯温との差に、湯の表面積と熱貫 あるため、機器の定格発電出力は 0.3kW、0.5kW、0.7kW の. 2. 50 40 30 20 10 0. 0 2 4 6 8 10121416182022 2月26日. る。浴槽の性能は JIS A 55327)に規定される「非高断熱浴槽」. 流率を乗じて求める。貯湯槽の小容量化を目指した検証で. 30. 0 0 2 4 6 8 10121416182022 2月26日. ガス熱量[kW] 浴槽水温[℃]. case2を計算し、排熱浴槽出湯運転を行わないcase0と比較す. 12 180L. 15. 0. 行い浴槽が通常の性能である case1 と高断熱浴槽を使用する. case2 する 高断熱浴槽. －. サブボイラーガス消費量 貯湯槽蓄熱量. 2. case1 する 通常浴槽. 浴槽水量[L]. る。加熱源として貯湯槽の湯を活用することも考えられる. case0 しない －. 浴槽水量[L]. 40℃に満たない場合はサブボイラーにより 40℃まで加熱す. 浴槽水温[℃]. ケース 排熱浴槽出湯運転 浴槽タイプ 浴槽の熱貫流率 [ W/(m2･K)] 浴槽容量. ガス熱量[kW]. 湯し、不足分を補う。湯温の低下により浴槽内の水温が. 浴槽水温 浴槽水量. 50 40 30 20 10 0. 0 2 4 6 8 10121416182022 2月26日. （ⅰ）蓄熱量・サブボイラーガス （ⅱ）浴槽水温・水量 図 13 case2(0.7kW-20L). 3 通り、貯湯容量は10L、20L、30L、50L、70L、90L の6 通 りで変化させて検討を行う。. 1次エネルギー削減率[%]. case0. 4.2 シミュレーション結果 図 12～図 13 に 0.7kW-20L の計算結果を示す。case1、 case2 共に入浴時以外はサブボイラーが稼働しておらず、貯. case1. case2. 20 15. 10 5. 0 10L 20L 30L 50L 70L 90L 10L 20L 30L 50L 70L 90L 10L 20L 30L 50L 70L 90L. 湯槽の蓄熱量のみで給湯負荷を賄えている。入浴直前の浴. 0.3kW. 0.5kW. 0.7kW. 図 14 1 次エネルギー削減率. 槽水量は 127L、浴槽水温は case1 が 22.2℃、case2 が 36.0℃ ーガス消費量が通常浴槽の case1 に比べ抑えられている。. case0との1次エネルギー 消費量の差[GJ/年]. であり、高断熱浴槽とした case2 では入浴直前のサブボイラ 各ケースの 1 次エネルギー削減率を図 14 に、case0 との 1 次エネルギー消費量の差を図 15 に示す。排熱浴槽出湯運転 は定格発電出力が 0.3kW の場合は貯湯槽が 10L であっても. case1-case0. 5. case2-case0. 4. 3 2 1 0 -1 10L 20L 30L 50L 70L 90L 10L 20L 30L 50L 70L 90L 10L 20L 30L 50L 70L 90L. 効果が小さいが、定格発電出力が 0.5kW や 0.7kW の場合に. 0.3kW. 0.5kW. 0.7kW. は、貯湯容量が 30L 以下の時に特に有効である。case0 では. 図15 排熱浴槽出湯運転の1次エネルギー削減効果. 貯湯容量が10Lの場合、定格発電出力が0.7kW の時が最も1. に応じた適切な機器仕様を選定することで、省エネルギー効. 次エネルギー削減率が低いが、case2 では 0.3kW が最も低く. 果がさらに高められることが示された。また、余剰排熱の有. なっており、排熱浴槽出湯運転を採用することによって. 効活用法として、貯湯槽が満蓄となった際に排熱で浴槽に湯. SOFC の最適な仕様が変わることが示された。0.7kW-10L に. 張りを行う排熱浴槽出湯運転の有用性を確認し、SOFC の省. おける排熱浴槽出湯運転の省エネルギー効果は case1 で. エネルギー効果を大きく低下させることなく集合住宅にお. 2.1GJ/年、case2 で 4.3GJ/年であり、高断熱浴槽を用いること. ける貯湯槽の小容量化が実現できることを示した。. で排熱浴槽出湯運転の効果は通常の浴槽に比べ2倍程度に向. 【参考文献】 1) 黒木洋，他 3名：家庭用固体高分子形燃料電池 CGSの運転方法と導入効果 家庭 用分散型電熱源の導入効果に関する研究 その 1，日本建築学会環境系論文集， No.610，pp.67-73，2006年 12 月 2) （一般財団法人）建築環境・省エネルギー機構：住宅の熱負荷計算プログラム評 定要領，1995 年 3) 宇田川光弘：標準問題の提案 伝熱解析の現状と課題，日本建築学会環境工学委 員会第 15回熱シンポジウム，1985 年 4) 長谷川兼一，他 7名：低負荷型ライフスタイルの省エネルギー効果，日本建築学 会環境系論文集，No.608，pp.97-104，2006 年 10月 5) 空気調和・衛生工学会：シンポジウム 住宅における生活スケジュールとエネル ギー消費 テキストと付属プログラム SCHEDULE Ver.2.0，2000年 6) Ozaki A. ， Watanabe T. and Takase S. : Simulation Software of the Hydrothermal Environment of Buildings Based on Detailed Thermodynamic Models ， eSim 2004 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation，pp.45-54，2004 7) 財団法人日本規格協会：JIS A 5532:2006，浴槽，2006 年. 上している。 5. おわりに 本研究では、まず住宅のエネルギー需要と SOFC の導入 効果の関係性を明らかにし、エネルギー需要に応じた最適 な定格発電出力と貯湯容量を明らかにした。さらに排熱の 放熱を抑える運転制御方法や余剰排熱の有効活用法を提案 し、その効果を検討した。その結果、今回検討したエネル ギー需要の範囲内では、最適定格発電出力が 0.3kW～0.9kW、 最適貯湯容量が 50L～110L となり、住宅のエネルギー需要 43-4.
(5)
関連したドキュメント
【資料１】最終エネルギー消費及び温室効果ガス排出量の算定方法（概要）
エネルギー大消費地である東京の責務として、世界をリードする低炭素都市を実 現するため、都内のエネルギー消費量を 2030 年までに 2000 年比 38％削減、温室 効果ガス排出量を
～2030 年までに東京のエネルギー消費量を 2000 年比
高効率熱源機器の導入(1.1) 高効率照明器具の導入(3.1) 高効率冷却塔の導入(1.2) 高輝度型誘導灯の導入(3.2)
• 熱負荷密度の高い地域において、 開発の早い段階 から、再エネや未利用エネルギーの利活用、高効率設 備の導入を促す。.
テナント所有で、かつ建物全体の総冷熱源容量の5%に満
核分裂あるいは崩壊熱により燃料棒内で発生した熱は、燃料棒内の熱
核分裂あるいは崩壊熱により燃料棒内で発生した熱は、燃料棒内の熱
