50-1 中熊 霞 1. はじめに 蓄熱空調システムは電力負荷の平準化に寄与する有 効な手段であり、ピークシフトを図れる。蓄熱システム は、水蓄熱方式、土壌蓄熱方式などがあるが、個々の利 点を最大限に生かした蓄熱方式の組み合わせやシステ ム運転を考えることによってより一層の負荷平準化や 省エネルギーを実現できる可能性がある。 本研究は、水蓄熱システムと土壌蓄熱システムを組 み合わせた空調システムについて省エネルギーおよび ピーク電力削減を実現できる運転方法を明らかにする ものである。 2. 対象システム概要 対象とする建物の概要を表 1、空調システム図を図 1 に、空調システムの機器仕様を表 2 に示す。対象シス テムは冷温水系と年間冷水系に系統が分かれており、 冷温水系には蓄熱容積約 1,000m3の水蓄熱システム、年 間冷水系には蓄熱容積約 10,000m3の土壌蓄熱システム、 建物の 4 階～6 階には躯体蓄熱システムがそれぞれ採 用されている。また、対象建物には熱源機器はなく、地 域熱供給(以下、DHC)によって供給される冷温水を用い て空調を行っている。 3. シミュレーションモデル概要 計算フロー図を図 2 に示す。2 次側流量･供給熱量を 算出可能とするため 5 分間隔で出力できるように改造 した HASP/ACLD8501 を用いて基準階の負荷を算出した。 内部発熱は在室人数をもとに既往研究 1）を参考に設定 した。対象室の熱収支から設定温度(冬期:22℃、夏 期:28℃、6 月のみ:26℃)を実現するために必要な除去･ 供給熱量を算出し、風量を求める。冷水系は夏期に土壌 から採熱し執務室からの還気空気をプレクールする。 冷 温 水 系 コ イ ル で は 給 気 温 度 が 給 気 設 定 温 度 ( 冬 期:28℃、夏期:15.4℃)となるよう冷温水系 2 次側流量 が制御される。シミュレーションの入力は外気温湿度、 DHC からの受入水温度で、出力は冷水二次ポンプ、冷 水ポンプ、冷却塔ファンの電力消費量、土壌蓄熱量、土 壌採熱量、水蓄熱量、水蓄熱採熱量である。 2011 年 11 月から 2012 年 10 月の外気条件を入力と した計算値と実測値を比較する。図 3 に冷温水系、冷 所在地 香川県高松市 用途 事務所ビル 延床面積 13.922 ㎡ 階数 地下 1 階、地上 7 階、塔屋 1 階 構造 S 造、一部 SRC 造 竣工 2004 年 3 月 水蓄熱 システム 蓄熱：夜間(HEX-1 を介し DHC から熱を受け入れる) 放熱：日中にデマンド値を超えたときに放熱する 土壌蓄熱 システム 蓄熱：冬期(冬季の外気を熱源とする) 放熱：夏期の 8:30～17:30 の間、強制放熱を行う
蓄熱方式を複合した空調システムの効率的運用に関する研究
図 1 空調システム図 図 2 計算フロー図 表 1 建築概要 機器名 記号 仕様 冷却能力：498.8kW 冷却水出入口温度差：5.5℃（37.5 → 32℃） 交換熱量：1000kW 一次側冷水出入口温度差・流量：7℃（6 → 13℃）,122.9m3/h 二次側冷水出入口温度差・流量：7℃（14 → 7℃）,122.9m3/h 交換熱量：1000kW 一次側冷水出入口温度差・流量：7℃（7 → 14℃）,122.9m3/h 二次側冷水出入口温度差・流量：10℃（18 → 8℃）,86.0m3/h 交換熱量：1000kW 一次側冷水出入口温度差・流量：7℃（6 → 13℃）,122.9m3/h 二次側冷水出入口温度差・流量：10℃（17 → 7℃）,86.0m3/h 交換熱量：350kW 一次側冷水出入口温度差・流量：7℃（6 → 13℃）, 43.0m3/h 二次側冷水出入口温度差・流量：10℃（17 → 7℃）,30.1m3/h 冷温水一次ポンプ PCH-1,2 定格流量 66.0m3/h、定格消費電力 11kW、定格楊程 20kPa 冷温水一次ポンプ PCH-3,4 定格流量 90.0m3/h、定格消費電力 15kW、定格楊程 30kPa 冷水ポンプ PC-1 定格流量 90.0m3/h、定格消費電力 15kW、定格楊程 30kPa 冷水二次ポンプ PC-2,3 定格流量 24.0m3/h、定格消費電力 5.5kW、定格楊程 30kPa 冷水ポンプ PC-4 定格流量 5.4m3/h、定格消費電力 0.4kW、定格楊程 10kPa CT-1 冷却塔 HEX-1 HEX-2 HEX-3 HEX-4 熱交換器 表 2 空調一次側・二次側システムの機器仕様 表 1 空調システムの機器仕様 START 機器能力･初期値入力 設定温度･湿度から必要な供給 熱量を算出し、 風量を求める 熱交換器の計算 蓄熱槽の計算 供給熱量から室温を計算 電力消費量の計算 END 冷水系 2 次側流量の設定 仮冷温水系 2 次側流量から冷 水コイルでの供給熱量を算出 給気温度が給気設定温度 と一致している 熱交換器の計算 蓄熱槽の計算 YES NO50-2 水系供給熱量の比較を示す。冷温水系供給熱量では夏 期の供給熱量がやや大きく計算されている。冷水系供 給熱量では中間期の値が算出されていない。2 次側モデ ルは執務室が空調を行っている夏期、冬期を再現して いるが、実際は中間期に電気室等の特別室の空調を行 っているため、差が出ている。中間期以外の月では冷水 系供給熱量と冷温水系供給熱量の傾向を概ね捉えてい るといえる。図 4 土壌蓄熱の蓄放熱量の比較を示す。 放熱量の計算値は実測値を概ね捉えている。 4. 運転方法の検証 4.1 土壌蓄熱放熱運転方法の検証 表 3 に放熱運転の検討ケースを示す。表 3 の 25 ケー スに対象建物の負荷と蓄熱容量を用いた現状の条件ケ ース(C)、負荷を半分に削減したケース(LC)、蓄熱容量 を半分に縮小するケース(RC)の 3 つを組み合わせた全 75 ケースの検討を行う。冷水系統にバイパスが無いた め、採熱時の土壌蓄熱流量あるいは HEX-4 の流量は冷 水系 2 次側流量と等しい。 計算結果ではケースごとに土壌蓄熱からの送水温度 が変わるが室温はいずれも設定室温(28℃)を実現して いる。 図 5 に土壌蓄熱放熱量と年間の積算消費電力量の関 係を示す。DHC の消費電力量は DHC のシステム COP を 3.2 と仮定し、DHC からの受入熱量を 3.2 で除した ものである。積算消費電力量の削減には、流量の影響よ りも運転時間の影響が大きい。運転時間が長いほど放 熱量が増加し、DHC からの受入れ熱量が減少するため である。流量が現状運転(14 ㎥/h)の各ケースについて土 壌蓄熱放熱時間と放熱量･放熱時のポンプ消費電力量 の関係を図 6 に示す。運転時間が長くなるほど土壌蓄 熱の放熱量が増加するが、冷水系ポンプの消費電力量 も増加する。放熱時間が 549h と 1011h の放熱量の差は 約 20 kWh で、これを COP(3.2)で除して DHC 想定消費 放熱流量[㎥/h] 強制放熱時間 CaseC-6-2 8 (現状の運転-6 ㎥/h) 9:30～16:30 (現状の運転-2h) CaseC-6+0 8:30～17:30 (現状の運転+0h) CaseC-6+1.5 8:00～18:30 (現状の運転+1.5h) CaseC-6+2.5 8:00～19:30 (現状の運転+2.5h) CaseC-6+4 8:00～21:00 (現状の運転+4h) CaseC-3-2 11 (現状の運転-3 ㎥/h) 9:30～16:30 (現状の運転-2h) CaseC-3+0 8:30～17:30 (現状の運転+0h) CaseC-3+1.5 8:00～18:30 (現状の運転+1.5h) CaseC-3+2.5 8:00～19:30 (現状の運転+2.5h) CaseC-3+4 8:00～21:00 (現状の運転+4h) CaseC+0-2 14 (現状の運転+0 ㎥/h) 9:30～16:30 (現状の運転-2h) CaseC+0+0 8:30～17:30 (現状の運転+0h) CaseC+0+1.5 8:00～18:30 (現状の運転+1.5h) CaseC+0+2.5 8:00～19:30 (現状の運転+2.5h) CaseC+0+4 8:00～21:00 (現状の運転+4h) CaseC+3-2 17 (現状の運転+3 ㎥/h) 9:30～16:30 (現状の運転-2h) CaseC+3+0 8:30～17:30 (現状の運転+0h) CaseC+3+1.5 8:00～18:30 (現状の運転+1.5h) CaseC+3+2.5 8:00～19:30 (現状の運転+2.5h) CaseC+3+4 8:00～21:00 (現状の運転+4h) CaseC+6-2 20 (現状の運転+6 ㎥/h) 9:30～16:30 (現状の運転-2h) CaseC+6+0 8:30～17:30 (現状の運転+0h) CaseC+6+1.5 8:00～18:30 (現状の運転+1.5h) CaseC+6+2.5 8:00～19:30 (現状の運転+2.5h) CaseC+6+4 8:00～21:00 (現状の運転+4h) 0 100 200 300 400 500 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 熱量 [G J ] [月] 冷温水系(実測値) 冷温水系(計算値) 冷水系(実測値) 冷水系(計算値) 0 50 100 150 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 熱量 [G J ] [月] 実測値 計算値 0 1 2 3 4 0 10 20 30 40 50 60 70 549 709 634 895 1011 放熱時の ポンプ 消費電 力量 [ kW h ] 土壌蓄熱 放熱量 [kWh] 土壌蓄熱放熱時間[h] C:放熱量 LC:放熱量 RC:放熱量 C:消費電力量 LC:消費電力量 RC:消費電力量 図 4 土壌蓄熱の蓄放熱量の比較 図 3 冷温水系、冷水系供給熱量の比較 表 3 検討ケース 図 6 土壌蓄熱放熱時間と放熱量･放熱時 のポンプ消費電力量の関係 図 5 土壌蓄熱放熱量と積算消費電力量の関係 ○:現状の運転(C) □:負荷を半分に削減したケース(LC) △:土壌蓄熱容量を半分に縮小するケース(RC) 215 225 235 245 255 265 25 45 65 85 105 125 145 165 185 205 225 年 間 消費電 力量 [k W h ] 土壌蓄熱放熱量[MJ] C-6-2 C-6+0 C-6+1.5 C-6+2.5 C-6+4 C-3-2 C-3+0 C-3+1.5 C-3+2.5 C-3+4 C+0-2 C+0+0 C+0+1.5 C+0+2.5 C+0+4 C+3-2 C+3+0 C+3+1.5 C+3+2.5 C+3+4 C+6-2 C+6+0 C+6+1.5 C+6+2.5 C+6+4 大 流 量 小
50-3 電力量に換算すると約 5kWh となる。これに対し、放 熱時のポンプの消費電力量の差は約 0.3kWh と小さい。 そのため、土壌蓄熱放熱時間を長くすることで積算消 費電力量は削減される。負荷を半分に削減したケース は現状の条件のケースと比べ空調稼働時間が短くなる ため放熱時のポンプの消費電力量は小さくなる。蓄熱 容量を半分に縮小するケースは、運転時間を長くして も放熱量の増加は少ないため、運転時間の延長には限 界があるといえる。運転時間が最も長い各ケース(8 時 ～21 時まで強制放熱) について流量と放熱量･放熱時 のポンプ消費電力量の関係を図 7 に示す。流量が 8 ㎥ /h と 20 ㎥/h の放熱量の差は約 10kWh で DHC 想定消費 電力量に換算すると約 3kWh となる。これに対し、放熱 時のポンプの消費電力量の差は約 3 kWh と大差ない。 ｢放熱量の増加量｣と｢消費電力量の増加量｣はあまり差 が無く、2 つのバランスから設定する必要がある。放熱 運転は運転時間を長くし、流量は放熱量の増加による 「放熱時のポンプの消費電力量の増加」と「熱源側の消 費電力量の減少」のバランスから設定することで、全体 の消費電力量は削減される。 4.2 土壌蓄熱蓄熱運転方法の検証 表 4 に蓄熱運転のケース検討を示す。表 4 の 16 ケー スに対象建物の負荷と土壌蓄熱容量を用いた現状の条 件ケース(I)、負荷を半分に削減したケース(LI)、蓄熱容 量を半分に縮小するケース(RI) の 3 つを組み合わせた 全 48 ケースの検討を行う。図 8 に土壌蓄熱効率と年間 の積算消費電力量の関係を示す。土壌蓄熱効率は年間 放熱量を年間蓄熱量で除した値である。土壌蓄熱効率 が高いほど積算消費電力量は削減される傾向にある。 図 9 に外気･土壌温度差が 2℃の各ケースについて流量 と蓄熱量･蓄熱時の消費電力量(PC-1、冷却塔ファン、冷 却塔ポンプ)の関係を示す。流量を増加することで蓄熱 量を増やすことができる。しかし、図 8 より蓄熱量を 増やすことで蓄熱効率は低くなり、積算消費電力量の 蓄熱流量[㎥/h] 外気･土壌温度差[℃] CaseⅠ-18-1 10 (現状の運転-18 ㎥/h) 1 (現状の運転-1℃) CaseⅠ-18+0 2 (現状の運転+0℃) CaseⅠ-18+2 4 (現状の運転+2℃) CaseⅠ-18+4 6 (現状の運転+4℃) CaseⅠ-9-1 19 (現状の運転-9 ㎥/h) 1 (現状の運転-1℃) CaseⅠ-9+0 2 (現状の運転+0℃) CaseⅠ-9+2 4 (現状の運転+2℃) CaseⅠ-9+4 6 (現状の運転+4℃) CaseⅠ+0-1 28 (現状の運転+0 ㎥/h) 1 (現状の運転-1℃) CaseⅠ+0+0 2 (現状の運転+0℃) CaseⅠ+0+2 4 (現状の運転+2℃) CaseⅠ+0+4 6 (現状の運転+4℃) CaseⅠ+9-1 37 (現状の運転+9 ㎥/h) 1 (現状の運転-1℃) CaseⅠ+9+0 2 (現状の運転+0℃) CaseⅠ+9+2 4 (現状の運転+2℃) CaseⅠ+9+4 6 (現状の運転+4℃) 210 220 230 240 250 260 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% 105% 110% 積算消費 電力量 [kWh] 土壌蓄熱効率[-] Ⅰ-18-1 Ⅰ-18+0 Ⅰ-18+2 Ⅰ-18+4 Ⅰ-9-1 Ⅰ-9+0 Ⅰ-9+2 Ⅰ-9+4 Ⅰ+0-1 Ⅰ+0+0 Ⅰ+0+2 Ⅰ+0+4 Ⅰ+9-1 Ⅰ+9+0 Ⅰ+9+2 Ⅰ+9+4 0 2 4 0 10 20 30 40 50 60 70 8 11 14 17 20 流量[㎥/h] 放熱時の ポンプ 消費電 力量 [ kW h ] 土壌蓄熱 放熱量 [ｋ Wh] C:放熱量 LC:放熱量 RC:放熱量 C:消費電力量 LC:消費電力量 RC:消費電力量 0 5 10 0 20 40 60 80 10 19流量[㎥/h]28 37 蓄熱時の 消費電 力量 [k Wh ] 土壌蓄熱 蓄熱量 [kWh] Ⅰ:蓄熱量 LⅠ:蓄熱量 RⅠ：蓄熱量 Ⅰ:消費電力量 LⅠ:消費電力量 RⅠ：消費電力量 表 4 ケース検討 図 9 流量と蓄熱量･蓄熱時の消費電力量の関係 図 8 土壌蓄熱効率と積算消費電力量の関係 図 7 流量と放熱量･放熱時のポンプ消費電力量の関係 図 10 土壌蓄熱放熱時間と蓄熱量の関係 0 20 40 60 80 700 800 900 1000 1100 1200 土 壌 蓄熱蓄 熱量 [k W h ] 土壌蓄熱運転時間[h] Ⅰ:蓄熱量 LⅠ:蓄熱量 RⅠ：蓄熱量 ○:現状の運転(I) □:負荷を半分に削減したケース(LI) △:土壌蓄熱容量を半分に縮小するケース(RI) 大 流 量 小
50-4 削減にはならない。容量を縮小したケースの蓄熱量の 傾向が違うのは流量を小さくしても運転時間を大幅に 伸ばさずに蓄熱量を確保できるためである。流量が最 も小さい(10 ㎥/h)の各ケースを取り出し、土壌蓄熱運転 時間と蓄熱量の関係を図 10、土壌蓄熱運転時間と蓄熱 時の消費電力量の関係を図 11 に示す。放熱時間が短く なるほど蓄熱量は減少する。蓄熱効率は 100％に近くな るほど積算消費電力量は削減される。しかし、長期間運 用すると熱のバランスが崩れる可能性があることから 100％以内となるように設定する必要がある。蓄熱運転 は流量を小さくし、放熱量に見合った蓄熱運転時間に 設定することで、年間の積算消費電力量は削減される。 4.4 蓄熱複合化の検証 水蓄熱においても土壌蓄熱と同様な検討を行い蓄熱 目標値を現状値より 2GJ 小さい 5GJ、デマンド値を現 状値の 125％とし、ピーク時間帯(冬 9:00～12:00、夏 13:00～16:00)に強制放熱を行うケースが省エネルギー かつピーク時間帯消費電力量を削減し、効率的運転を 行う結果となった。そこで、土壌蓄熱と水蓄熱の効率的 な運用を組み合わせたケースと現状の運転、および蓄 熱システムを使用しない場合とを比較する。表 5 に検 討ケースを示す。図 12 に冬期と夏期の積算消費電力量 と ピ ー ク 時 間 帯 消 費 電 力 量 の 関 係 を 示 す 。 冬 期 は Case01 が最も積算消費電力量小さく、ピーク時間帯消 費電力量は Case02 が最も削減されている。水蓄熱は使 用しないほうが蓄熱時の熱ロスが無いため積算消費電 力は削減される。ピーク時間帯消費電力量はピーク時 間帯に水蓄熱の強制放熱を行うと削減される。夏期は Case02 が最も積算消費電力とピーク時間帯の消費電力 量が削減される。土壌蓄熱の放熱量を増加させ、冷温水 系にかかる負荷を削減し、水蓄熱の強制放熱時間を設 定したためである。図 13 に年間の積算消費電力量と DHC 想定消費電力量の関係を示す。数値は積算消費電 力量と DHC 想定消費電力量の和で Case00 を 100％と したときの値である。システム全体の省エネルギー性 のみ考慮すると蓄熱システムを使用しないケースが最 も省エネルギーとなる。しかし、ピーク時間帯の消費電 力量削減を考慮すると蓄熱システムを活用する必要が ある。水蓄熱と土壌蓄熱の効率的な運転を組み合わせ たケースは Case00 に対して 8.1％の積算消費電力量が 削減され、37％ピーク時間帯消費電力量が削減される。 5. まとめ 本研究は開発したシミュレーションモデルを用い土 壌蓄熱、水蓄熱及びその組み合わせについて効率的な 運転方法の検証を行った。得られた知見を以下に示す。 土壌蓄熱放熱運転 ･放熱運転時間を長く設定 ･ポンプの消費電力量の増加と熱源側の効率のバラン スから流量を設定 土壌蓄熱運転蓄熱運転 ･流量を小さく設定 ･放熱に必要な熱量を確保できる最低時間運転とする 土壌蓄熱、水蓄熱を適切に組み合わせることで現状 の運転と比べて年間の消費電力量を 8％削減でき、ピー ク時間帯消費電力を夏期・冬期とも約 37％削減できる ことが明らかとなった。 内容 Case00 現状の運転 水蓄熱:蓄熱目標値７GJ、デマンド値夏期 7.2GJ/冬期 3.6GJ 強制放熱を行わない 土壌蓄熱:[放熱]2 次側流量 23 ㎥/h、 強制放熱時間 8:25～17:30 :[蓄熱]蓄熱時流量 28 ㎥/h、外気土壌温度差 2℃ Case01 水蓄熱・土壌蓄熱を使用しない Case02 水蓄熱と土壌蓄熱の効率的な運転を組み合わせたケース 水 蓄 熱 : 蓄 熱 目 標 5GJ 、 デ マ ン ド 値 夏 期 9GJ/ 冬 期 4.5GJ 冬 9:00～12:00/夏 13:00～16:00 迄強制放熱を行う 土壌蓄熱:[放熱]2 次側流量 23 ㎥/h､ 強制放熱時間 8:00～21:00 :[蓄熱]蓄熱時流量 10 ㎥/h、外気土壌温度差 4℃ 参考文献 1)今井新也：空調システム設計における執務室の内部発熱の設定方法に関 する研究（その５内部発熱の設定方法の提案, 空気調和・衛生工学会大会 学術講演論文集, 2013 年 9 月 100 200 300 0 10 20 30
Case00 Case01 Case02 DHC
想定消費電力量 [kW h] 積算消費電力量 [kW h ] PC-1電力 PC-2電力 PC-3電力 PCH-1電力 PCH-2電力 PCH-3電力 Fan電力 冷却塔ポンプ電力 DHC想定電力 表 5 検討ケース 図 13 積算消費電力量と DHC 想定消費電力量の関係 図 12 積算消費電力量とピーク時間帯消費電力量の関係 (夏期) 0 100 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 積算消費 電力量 [kWh] ピーク時間帯消費電力量[kWh]
Case00(夏期) Case01(夏期) Case02(夏期) Case00(冬期) Case01(冬期) Case02(冬期) 図 11 土壌蓄熱放熱時間と蓄熱時の消費電力量の関係 100％ 82.7％ 91.8％ 0 1 2 3 4 600 800 1000 1200 土壌蓄熱 蓄熱時 消費電 力量 [k W h ] 土壌蓄熱運転時間[h] Ⅰ:消費電力量 LⅠ:消費電力量 RⅠ：消費電力量
