建築の省エネ診断における空調システムシミュレーションプログラムの開発 [ PDF

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(1)建物の省エネ診断における空調システムシミュレーションの開発. 井崎智伸 1 はじめに. 比と、最大出力時における消費電力の変化を表す特性. 空調システムシミュレーションは、建物の企画・計. の入力比、そして部分負荷率と消費電力率の比を表す. 画段階にて、省エネ手法の取り入れや空調システム構. 部分負荷効率の３つの特性曲線を利用して模擬される。. 成の検討の際にその手段の一つとして用いられてきた。. これらの特性はデフォルトで準備されているが、可能. しかし、年々考案される新たな省エネ手法すべてに対. な限りカタログなどよりその特性のデータを入手し用. 応することは容易ではなく、実際に、研究で用いられ. いることが望ましい。. る空調システムシミュレーションもすべての省エネ手. (3) 熱交換器. 法に対応しているわけではない。. HASP/ACSS に準備されている熱交換器のモデルを利. また、近年、建物の運用にあわせたシステム最適運. 用しており、冷却塔の模擬などは、これを使って組み. 用の確立の重要性が説かれるようになり、その過程に. 立てる。ただし、空調機コイル（水と空気での熱交換）. おいて必要となるシステムの自動制御の最適化やシス. では別にコイルの詳細な設定が可能な計算モデルが準. テムの故障検知、診断への適応が求められる。その検. 備されている。. 討を行うためには今までより細部にわたるシステムの. (4) 制御. 模擬が求められる。. 熱源の容量制御、変風量、変流量方式の制御などは、. 本研究では、先に述べた現在の空調システムシミュ. 制御値が、設定値からの許容誤差範囲に収まるか限界. レーションにおける問題点の改善による優れた空調シ. 値に達するまで２分法による収束計算を行い、制御を. ステムシミュレーションの構築を目的としている。. 模擬する。また、その他に、ONOFF 制御のモデルがあ. 2 現在用いているシミュレーションの構成. り、ONOFF 切替えの条件設定し、設定値に幅を持たせ. 現在用いている空調システムシミュレーションは、空. た制御を再現する。熱源やポンプの台数制御もこれの. 気調和衛生工学会より公表されている HASP/ACLD/. 応用で再現される。. 85011）、HASP/ACSS/85022）を基礎として改良を重ねて構. (5) 搬送系. 築してきたものである。現在、その構成は、空調おけ. 最大流量と、流量最大時における搬送機器の消費電. る各モジュールで計算モデルを準備しそれをつなぎ合. 力を定めておく。変風量、変流量など流量が変動する. わせることで 1 つの空調システムを再現するようにで. 場合は、現在の流量/最大流量と現在の消費電力/流量. きている。以下に空調システムシミュレーションを構. 最大時消費電力の関係を特性として設定し、それを用. 成する計算モデルを紹介していく。. い各時の消費電力を算出する・. (1)建物側熱挙動計算. (6) その他空調用機器. 建物の熱挙動計算は 1 時間間隔であった HASP/ACLD. 水蓄熱層、氷蓄熱層等の蓄熱層の計算モデルは既往. の計算時間間隔を 1 分単位まで短縮することができる. の研究を通じて準備されており、それを用いることで. ように改良したものを用いる。HASP/ACLD では、空調. 計算が可能である。. の立ち上がりや停止時には室温が跳躍に近い形で変化. 個別分散型空調方式の計算モデルも既往の研究を通. するため直角三角波による応答を導入していたが、計. して準備してあり、それを用いることで再現が可能で. 算時間間隔を短くしたことで 2 等辺三角波による応答. ある。. のみで跳躍に近い変化にも対応できるようになってい. 3 現状の空調システムシミュレーションに抱える問題. る。. (1) 模擬できない建築的省エネルギー手法. (2) 熱源. 模擬が困難な建築的省エネ手法の一つに屋上緑化. 熱源の計算モデルは HASP/ACSS に用いられていたモ. がある。現在用いている建物側の計算では、屋上に盛. デルがそのまま採用されている。入口空気温度と入口. られた土による断熱強化の効果は反映できるが、植栽. 水温よる熱源の最大処理熱量の変動を示す特性の能力. による蒸散効果による熱の発散が模擬できない。 32-1.

(2) 開口部の仕様変更の中で、ルーバー、エアバリヤ、エアフローウィンドーなどは未対応である。. 日本のそれと異なり、機械分野のほうより発展してきたという背景がある。そのため、搬送系における計算. 蓄熱の方式のひとつである躯体蓄熱方式は、室全体. では細部にわたる模擬が可能である。. で熱の挙動を求める HASP/ACLD の計算方式では、一部. アメリカに手開発された空調システムシミュレー. 躯体における熱の備蓄を再現することができず、将来. ションプログラムのひとつに米国国立標準技術研究所. 的にも対応は難しく思われる。. （ NIST ）が開発した HVACSIM+ が挙げられる。. (2) 計算モデルの準備されていない空調機器. HVACSIM+について検証したこところ、搬送系のプログラムは充実しているが、建物の熱挙動計算にて、短. 加湿機の計算モデルが準備できておらず、未対応で. い計算時間間隔では発散してしまう、大気放射の影響. ある。. が無考慮である、外界条件の風向を考慮に入れていな. 全熱交換器の計算モデルが準備できておらず、未対応である。. いなどの建物の熱負荷計算における問題点が見つかっ. (3) 搬送系計算の細部にいたる模擬ができない. た。そこで、現在用いている空調システムシミュレーションに HVACSIM+の搬送系計算を取り入れた。. 1 で述べたように、自動制御の最適化やシステムの故障検知、診断を検討するには、細部にわたる搬送系. 今回取り入れた搬送系計算モデルは、ファン、ポン. の模擬が必要となる。しかし、現状の搬送系の計算で. プにより与えられる圧力とファン、ポンプ消費電力を. は、その再現が細部にまでは至っていない。. 計算するモデル、ダンパ、バルブにおける抵抗の変化. 4 計算モデルの追加. を求めるモデル、それらを総合して、各経路の流量と圧力損失を算出する流量バランス計算モデルになる。. 3 で述べた問題点の改善のために、加湿器と全熱交. 5 流量計算モデルの精度検証. 換器の計算モデルの追加、詳細な搬送系計算の導入を. HVACSIM+ より取り入れた搬送系計算モデルの精. 行った。. 度検証を HVAC&R 実験解析システムにおける実測結. (1) 加湿器加湿パンを用いる加湿方式と浸透膜気化式加湿器の. 果を用いて行った。図 5 に HVAC&R 実験解析システ. 計算モデルを追加した。加湿パンの内部にある温水の. ムに用いられている空調システムの概要を示す。一階. 水面より発生する蒸気により加湿する方式で、温水加. 吹出口の VAV 開度を様々な値で固定して、その際の給. 湿用には蒸気または電気ヒーターを用いる。パン形加. 気ファン、還気ファンの消費電力と各階吹出風量の実. 湿器の構造を図 1 に示す。浸透膜気化式加湿器は、水. 測を行った。実測結果を表 1 に示す。1 階のダンパを. 噴霧式の場合のような加湿水中に含まれる不純物が空. 閉じると他の階の吹出風量が増加していることが確認. 気中に放出され室内空気を汚染する心配がない、蒸気. できる。このような挙動は以前用いていた搬送系の計. 噴出し方式のように熱源を必要とすることがなく、省. 算手法で再現できなかった。. エネであるなどの理由により、近年、オフィス空調に適しているとされている気化式加湿器の一種である。構造と設置の例を下の図 2 に示す。計算モデルは、設備設計参考書 3）に記載されている計算式やカタログに記載されている特性を基に構成し、. 図1. パン形加湿器. 空調用システムシミュレーションに取り入れた。 (2) 全熱交換器. 図2. 浸透膜気化式加湿器. 全熱交換器の計算モデルの追加を行った。全熱交換器には回転型と静止型の二種類がある。それぞれの構造を図 3、図 4 に示す。加湿器の場合と同様に設備設計参考書に記載されている計算式やカタログに記載されている特性を基にしている。 (3) 搬送系計算図3. アメリカにおける空調システムシミュレーションは 32-2. 回転式全熱交換器. 図4. 静止型全熱交換器.

(3) 水搬送は、給気温度が設定値になるように AHU へ. 示す。各室は中間階であるとし、その上下の室は空調. の流量を冷温水弁の開度で調整し、AHU 前での配管. 室としている。また、北側を除く各方位の立面を図 9. 内圧が設定値となるようにバイパス弁の開度を調整す. に示す。南側の開口部にだけ 1ｍの庇があるものとす. るという制御を行っている。冷温水弁の開度を固定し、. る。また、計算対象の空調システム図を図 10 に示す。. 設定圧力ごとのバイパス弁の開度と AHU 前の配管内. AHU を各階 1 台設置する各階ユニット中央方式によ. 圧力を調べた。図 3-8 に配管内圧力の計算結果と実測. って各室の空調を行う。熱源には空冷式ヒートポンプ. 値との比較を示す。調整を行っているにもかかわらず、. チラーを用い、送水温度が夏期 7 度、冬期 50 度とな. 圧力が高い範囲で実測結果と計算結果に大きな差異が. るように容量制御を行う。空気搬送は、室内温度に応. 生じている。ただ、システム自体の設定圧力は 160kPa. じて、還気経路、給気経路に設置した可動式ダンパ. となっており、その近傍に注目すると、ある程度の再. (VAV ユニット)を開閉させ、還気風量、給気風量を変. 現は出来ていることがわかる。先に述べたように水搬. 動させる変風量方式とする。設定外気導入量は在室人. 送の流量等のデータが入手できておらず、現状ではこ. 数より算出した 2700m3/h 一定とする。水搬送の制御. れ以上の検討は困難である。しかし、HVAC＆R 実験. は、AHU 吹出空気温度に応じ空調機側二方弁を開閉. 解析システムに不足しているセンサー等は今後追加し. し、AHU に送る水量を調整する。また、その際に圧. ていく予定となっており、今後より多くのデータを利. 力計が一定の圧力を示すようにバイパス弁を調整する。. 用することでこの計算の精度も向上できると思われる。. (2) 省エネ手法や加湿器の効果先に述べた空調システムを基本モデルとして、基本. 6 追加モデルを用いたシミュレーション (1) 計算対象モデル. モデルに浸透膜気化式加湿機の導入、全熱交換機の導入、ファン回転数制御などを行った際にどのような効. 追加した計算モデルを用いて、簡単なモデルを対象. 果が現れるかを検討した。各パターンでの年間積算消. にシミュレーションを行った。計算対象の建物条件を表 1 に示す。対象は、オフィ. 費電力を図 11 に示す。冬期における加湿機の有無による室内相対湿度の. スビルを想定し、所在地は福岡市としている。計算対象は同じ構成の 5 室とする。平面図を図 8 に. 違いを図 12 に示す。加湿器がない状態では約 25%とビル衛生管理法に定められる 40%∼70%の基準を満たせ. 200m3/h. 外気. 還気ﾌｧﾝ. VAVﾕﾆｯﾄ (導入予定). 880m /h. /h 二次ﾎﾟﾝﾌﾟ. VAVﾕﾆｯﾄ. 表1. 風量計圧力計. /h ｴｱﾊﾝﾄﾞﾘﾝｸﾞﾕﾆｯﾄ. 電力計. 還ﾍｯﾀﾞｰﾊﾞｲﾊﾟｽ一次ﾎﾟﾝﾌﾟ. VAVﾕﾆｯﾄ (導入予定). 空冷ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟﾁﾗｰ. 320m3/h. 図5. 給気風量（計算値） 1F吹出風量（計算値） 2F吹出風量（計算値）地階吹出風量（計算値）. 1.0. 2000. 0.8. 風量[m3/h]. 消費電力[kW]. 2500. 1500 1000 500 0.2. 図6. 0.4 0.6 1階VAV開度[-]. 0.8. 0.4. 1,000 3,000. 2,000. 3,000. 2,000. 3,000. 図9. 0.2. 図7. 実測値（冷温水弁開度=0.0）実測値（冷温水弁開度=0.2）実測値（冷温水弁開度=0.4）計算値（冷温水弁開度=0.0）計算値（冷温水弁開度=0.2）計算値（冷温水弁開度=0.4）. 図8. 0.6. 0.2. 0.4 0.6 1階VAV開度[-]. 0.8. 2,000. 各階平面図. 3,000. 2,000. 3,000. 新鮮外. ファン消費電力の比較. 排気ヘッダー. 排気. 実測値（冷温水弁開度=0.6）実測値（冷温水弁開度=0.8）実測値（冷温水弁開度=1.0）計算値（冷温水弁開度=0.6）計算値（冷温水弁開度=0.8）計算値（冷温水弁開度=1.0）. 給気. AHU. 還気給気. 180. 給気. 160. AHU. AHU. 還気. 140. 給気. 120. 還気給気. 図8. 0.2. 0.4 0.6 バイパス弁開度[-]. 0.8. 3,000 1,000. HP チラー. 1. 還気. 0. 2,000. 各階立面. 200. 100. 外気. 30,000. 給気ファン消費電力(計算値) 還気ファン消費電力(計算値) 給気ファン消費電力(実測値) 還気ファン消費電力(実測値). 0 0. 1. 給気風量の比較. 配管内圧力[kPa]. 0. 計算対象空調室. HVAC&R 実験解析システム空調システム図. 給気風量（実測値） 1F吹出風量（実測値） 2F吹出風量（実測値）地階吹出風量（実測値）. 0. 福岡市 3.0ｍ 0.1 人/m2 20W/m2 20W/m2. 1,200 1,700 1,100. 地階. 空調室. 計算条件. 所在地天井高在室者数照明機器. ｲﾝﾊﾞｰﾀｰ (導入予定). ﾊﾞｲﾊﾟｽ弁. 往ﾍｯﾀﾞｰ. 800m3/h. 1階. 給気ﾌｧﾝ. 1800m3 2000m3 冷温水弁. 3. 2階. 30,000. ﾊﾟｲﾌﾟﾀﾞｸﾄﾊﾞﾙﾌﾞ温度計湿度計. 1. AHU. AHU. 還気. 図 10. 配管内圧力の比較 32-3. 空調システム図. バイパス. バイパス配管内圧力計測点. ヘッダー.

(4) ていなかった。加湿器を用いることでそれが改善され. のとなり、設定した新鮮外気導入量を満たさないこと. ているが、夕方あたりから 40%を下回ることもある。. になる。. これは、冬期、立ち上がり後一時間以外は、外気導入. 7 まとめ. ファンのみの運転となり、通過空気温度が外気温度と. 本研究では、現在利用している空調システムシミュ. 同じである、通過風速が遅いなどの原因により、加湿. レーションの問題点を明らかにし、そのうちいくつか. 量が少なくなるためである。浸透膜気化式加湿機を採. について改善策としての計算モデルの追加を行った。. 用する場合は空調機の運用方法、加湿器設置位置など. しかし、問題点がすべて解決できたわけでなく、そ. の検討が必要となりそうである。また、年間消費電力. れの解決が今後の課題として残る。また、今回の改善. が増えているのは、加湿のための潜熱処理による空調. で性能検証に用いる空調システムシミュレーションと. 機処理熱量の増加に伴い冬期消費電力が増加しためで. してよりよいものになったと言えるが、制御最適化や. ある。. 故障、検知診断の検討手法自体が確立できていない。. ファン回転数制御によるファン消費電力の低下が大. そういった、シミュレーションプログラムをどのよう. きなものとなっている。ダンパの開閉による風量制御. な形で用いるかというのも今後の課題といえる。. では風量を絞った時にファンの効率が悪くなってしま. 【参考文献】 1) 建築設備技術者協会：HASP/ACLD/8501 解説，1986.2 2) 建築設備技術者協会：空調システム標準シミュレーションプログラム HASP/ACSS/8502 プログラム解説書，1986.2 3) 井上宇市編：空気調和ハンドブック，1996.1. うのに対し、回転数制御による風量調整ではファンの効率がそのように低下することはない。ファン回転数制御の効果が大きく現れていることから、風量を絞っ. C8D?@AB. 678?@AB. 2E?@AB. ての運転が多く見られたことが伺える。 678./9:;. (3)フォルトによって発生する問題 ./012345. 空調機のフィルタが汚れなどにより目詰まりを起 )*+,-!. こした場合、還気経路の VAV ユニットのひとつが動作 $%&'(. 不良にて常に全開になってしまった場合の 2 ケースに 50. 風量の比較を示す。フィルタの目詰まりによりフィル. JK*H. 100. FG*H[I]. タにおける圧力損失が定格風量に対し 1kPa 増加したものとして計算を行っている。場空調機の定格風量 24450ｍ3/h に対して最大でも 19000ｍ3/h しか風量がで. 250. 300. 年積算消費電力の比較. 図 11. 図 13 にフィルタ目詰まりでの運転と正常運転での. #00 #50 200 <=>?@AB(GWh). $%&'(*H. )*5,-L*H. 100. 80. 80. 60. 60. 40. 40. 20 0. 20 0. 6. なくなっていることがわかる。これは、空調機での最. 図 12. 12 2月2日 JK*HMNOP*H. 18. 0. FG*H[I]. 0. ついて検討を行った。. 0 !"[!]. 室内相対湿度の比較. 大処理熱量が小さくなり、室温が設定温度になるまで 6Q(RSTUV!WXKYZ. 3. ファン消費電力が増加するなどの、問題を発生させる。. 20000 10000. ひとつの部屋の還気経路 VAV ユニットが常に全開に. 0. なる不具合が生じた時の正常な側と不具合の生じた部. 0. 図 13. 屋の搬送経路における風量を、それぞれ図 14、図 15. 6. 12 8月4日空調機出入口空気温度・風量. 18. 0. !"[!]. フィルタ目詰まりと正常時での風量の比較外気導入経路量. 30000. に示す。給気風量の変化に合わせて還気経路のダンパ. [\!WXKYZ. 風量[m /h]. 30000. にかかる時間が長くなる。余分な抵抗がかかることで. 給気経路風量. 還気経路風量. 3. 風量[m /h]. 20000. を調整することで室の外気導入量を調整していたため、. 10000. 不具合の生じた部屋における外気導入量に問題が生じ. 0. -10000. 0. 6. ている。今回の場合換気経路が常に全開であるとした. 12 8月4日空調機出入口空気温度・風量. 図 14. ため不具合の生じた部屋において新鮮外気を取り入れ. !"[!]. 給気経路風量. 還気経路風量. 20000. 3. 風量[m /h]. られていない。これは室内空気環境の悪化につながる。. 0. 正常側風量. 外気導入経路量. 30000. 18. 10000. また、不具合の生じた部屋において給気量を還気量が. 0. -10000. 上回った際、他の室が外気導入経路より取り入れる空. 0. 6. 図 15. 気が外気と不具合の生じた部屋の空気との混合したも 32-4. 12 8月4日空調機出入口空気温度・風量. 18. ダンパ動作不良側風量. 0 !"[!].

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