ヒートポンプとその応用 2014．11．No.88
２．建物概要
建 物 名 称 赤坂Ｋタワー 所 在 地 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 建 築 主 鹿島建設㈱ 建 築 用 途 事務所，共同住宅，店舗，駐車場 敷 地 面 積 5,121.21㎡ 建 築 面 積 2,310.03㎡ 延 床 面 積 53,703.47㎡ 建 物 高 さ 158.0m 構 造 RC＋Ｓ造，制震構造 階 数 地下３階，地上30階，塔屋２階 工 期 平成20年12月〜平成24年１月 設計・監理 KAJIMA DESIGN 施 工 者 鹿島・鉄建建設JV 基準階計画（図－１）はこれからのオフィスの多様な形 態を想定し，フレキシブルかつ更新性に優れた機能の融 合をコンセプトとした。柱をなくしてオフィスレイアウ トの自由度を高めるために物理的距離が最小になる正方 形に貸室形状を近づけた。RC組柱の外部配置，新EV運 行システム（行き先階先行予約システム）採用による東西 薄型コア配置などの技術的解決により，比較的スリムな 塔状比の超高層建築でありながら，フロア専有面積で約 400坪を確保，レイアウト自由度を確保している。また， 設備機器は各階の外周部四隅に分散配置され，テナント 分割や設備増強等のニーズへの柔軟な対応，将来の設備 更新時における仮設スペースの確保などを盛り込んだ平 面計画としている。１．はじめに
赤坂Ｋタワーは，赤坂見附の都市景観の中で40年にわ たり存在感を示していた鹿島旧本社ビルのデザインの流 れを継承しつつ，地域の新たなランドマークとなること をめざした高さ約160m，地上30階建，賃貸オフィス， 賃貸住宅および店舗からなる超高層複合ビルである。 （写真－１） 東京都総合設計制度を活用し，業務機能を核とした土 地の高度利用をはかる一方，建物の高層化によって敷地 の４割以上を緑あふれる広場の公開空地として整備し て，地域の活性化と市街地の環境改善に寄与し，安全で 快適な都市アメニティの提供をめざして計画された。建 物は最新の建築技術を結集し，次世代の超高層建築に求 められる高度な安全性，快適性，機能性，環境性能の実 現をめざした。端正なプロポーションのアウトフレーム 構造の組柱・梁による庇効果と超高性能ガラスにより， 建築骨格としての本質的な環境負荷低減と設備機能の充 実による快適な居室内環境を両立させている。 また，超高強度コンクリートを用いた躯体と，高性能 外装・設備システム，インテリアを物理的な交錯を少な くして明確に分離することで，更新性や拡張性にも配慮 し，末永く使い続けられる建築のあり方を追求している。 ■キーワード／システムCOP・水蓄熱・建物負荷抑制・空気搬送動力削減 鹿島建設㈱ 建築設計本部 設備設計統括グループ弘 本 真 一
AKASAKA K-TOWERの空調設備計画
写真－１ 建物外観 図３−５−１ 28.5m アメニティ スペース EV ホール 42.0m 16.7m 貸室面積 約1,340㎡ 設備バルコニー 空調機械室 N 図－１ オフィス基準階平面図５．熱源最適統合制御システム
上記の高効率熱源システムの採用に加えて熱源機器， 補機類を最適に制御し，さらなる省エネルギーを実現す るために，熱源最適統合制御を開発し採用した。これは， 熱源機器そのものが高効率であっても，従来型の制御で は熱源機器本体や補機系統それぞれの制御が独立してお り，部分最適しか実現できていなかった。しかし，本制 御は熱源システムを構成する機器全体で連携を取り，シ ステム系全体で最もエネルギー消費量が最少となる制御 へとチューニングすることで効率の最大化を狙っている。 具体的には，稼働中の熱源負荷率や外気温度などの情 報を取り込み，熱源システム全体として最小のCO2排出 量となるように，図－３に示すような事前に予測した最 適運転ポイントに向けて，熱源台数や冷水送水温度，冷 却水流量などを自動的に修正制御するものである。３．設備計画コンセプト
ハード・ソフト両面からさまざまな環境配慮技術を採 用し，超高層かつ賃貸ビルとしては最高レベルの省エネ ルギー・省CO2計画を実施した。ファサード計画では， 直達日射の室内への進入を年間で75％カットするアウト フレーム構造体の庇効果に加え，当社オリジナルの超高 性能Low－Eペアガラスと人感センサ連動ブラインド制 御システムの採用による空調負荷の低減をめざした。設 備計画では，高効率熱源機器の採用，熱源システム・設 備機器最適制御システムの構築や人感センサ連動照明制 御など，さまざまな環境配慮技術を導入した結果，標準 的な事業ビルと比べ約40％程度の省エネルギー・省CO2 を実現する環境にやさしい建物となっている。 国土交通省の平成20年度住宅・建築物省CO2推進モデ ル事業に採択されるとともに，CASBEE2010新築でスコ ア＝Ｓランク，BEE値＝4.4の第三者認証も取得している。４．空調設備概要
熱源設備の高効率化は建物全体のエネルギー消費量削 減に対し大きく寄与する。本計画では高効率機器選定と 水蓄熱槽を採用し，省CO2に配慮した計画とした。冷熱 源は高効率インバータターボ冷凍機530Rt×２台，260Rt ×１台（蓄熱用）を採用し，躯体ピットを利用した温度成 層型水蓄熱槽2,000Rt（水槽容量800㎥，出入口温度差 ８℃）を具備した。温熱源には潜熱回収型温水器655kW ×３台を採用し，年間を通じて熱源システムの高効率化 をはかった。本計画における冷熱源システムフロー図を 図－２に示す。 熱源単体ではなく，熱源システム全体の総合効率向上 のために，３槽に分割された水蓄熱槽を日積算負荷に応 じて台数制御を行い，蓄熱ロスを抑制している。また冷 水の往還温度差を大温度差化（Δt＝８℃）し，冷却水， 冷温水系ポンプは全てインバータによる変流量制御にて 計画した。 群管理制御についても外皮性能の高度化，内部発熱の 増大により年間を通じた冷房負荷の常態化が予測され， 冷熱運用時の負荷平準化と低負荷時の効率的運用を計画 の主眼としている。具体的には，夏期の13：00〜16：00 のピーク調整時間帯は，蓄熱運転（放熱ポンプ２台）を第 １優先として稼働し，その他の時間帯はインバータター ボ冷凍機を優先させることで負荷平準化をはかってい る。中間期および冬期の小負荷時は，蓄熱運転（放熱ポ ンプ１台）を優先的に稼働し，蓄熱槽の台数制御と併用 して蓄熱ロス最小化をはかっている。 また，主要熱源機械室を２階に設置することで，将来 更新時の搬出入の簡素化，基幹設備の都市災害リスクを 回避し，長寿命ビルとしての基本性能にも配慮している。 図３−５−２ ターボ冷凍機（530RT） ターボ冷凍機（530RT） ターボ冷凍機（260RT） 空調機へ 蓄熱時 空調機より 蓄熱時 放熱時 高密度 温度成層型 水蓄熱槽 【休止中】 高密度 温度成層型 水蓄熱槽 【休止中】 高密度 温度成層型 水蓄熱槽 【蓄熱】 水−水プレート熱交換機 （500RT） 水−水プレート熱交換機（500RT） 12℃ ４℃ ７℃ ７℃ 15℃ ５℃ 13℃ 15℃ 図－２ 冷熱源システム概念図 図３−５−３ 冷却水流量 最適運転 ポイント CO2 排出量 大 小 冷水送水温度 高 低 少 多 図－３ 熱源最適運転ポイント推定のイメージヒートポンプとその応用 2014．11．No.88 どと比較しても高い数値であり，自己熱源としての高効 率運用は達成していると考えている。
７．高密度温度成層型水蓄熱槽の
性能検証
比較的温度成層が付きやすく，高い蓄熱槽効率が望め る縦型（水深≒6.0m）の水蓄熱槽の夏期代表日の温度プ ロファイルの実績を図－７に示す。放熱運転時にプレー ト熱交換器を介して負荷側に熱搬送するため，二次側の 負荷の影響を受けずに，往き還り温度差を付けて水蓄熱 槽に還すことが可能になっている。結果として，初年度 でも特にチューニングを必要とせず良好な温度プロファ イルを形成できた。 図－８に年間の月別平均蓄熱槽効率の実績を示す。夏 期においては蓄熱槽効率が0.95前後を維持できる。しか し，初年度中間期（10〜12月）においては，外気冷房主体 となり放熱負荷が減ったことから，蓄熱ロスが目立つ結 果となった。これは，計画時に盛り込んだ水蓄熱槽の台 数制御モードを稼働させずに運用した結果でもあり，そ の後冬期に入って，負荷に合わせて蓄熱槽の台数制御 モードを活用すると，蓄熱槽効率が改善した。建物管理 者との運用上の意思疎通をはかり，今年度以降は月別の 冷熱需要の傾向がつかめているので，台数制御モードの６．熱源システムCOPの実績評価
図－４に2013年度の冷熱源の月別平均システムCOP 実績を示す。本データは水蓄熱にかかる補機（放熱ポン プ動力，蓄熱ポンプ動力）も考慮した一次エネルギーベー スの平均システムCOPである。蓄熱によるロス分と補 機動力を加えても，インバータターボ冷凍機の高効率運 用により比較的高い数値での運用を実現できている。冷 熱源の年間平均システムCOPは1.49であり，初年度の運 用としては想定（COP＝1.40）に近い実績値となった。 一方，温熱源であるガス焚き潜熱回収型温水ヒータの 月別平均システムCOP実績を図－５に示す。年間平均 で0.78となっている。温水ヒータのCOPについては改善 の余地は少ないが，運用上，年間を通じて温水負荷需要 が少ないのが現状である。今後も冬期については，昼間 は冷房負荷が発生している状況もあり，外調機の給気温 度を下げ気味にチューニングするなど，温熱源運用の抑 制をはかっていく予定である。 図－６に冷熱源と温熱源の一次エネルギーベースの総 合システムCOPの月別平均値を示す。潜熱回収型温水 ヒータが稼働する冬期に落ち込みがあるが，年間の平均 値として1.09となった。近年の高効率型の地域冷暖房な ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 １ ２ ３ 年間 （月） 図３−５−４ 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 システム ＣＯＰ ︵一次︶ 1.00 1.24 1.40 1.52 1.52 1.48 1.60 1.66 1.87 1.46 1.39 1.91 1.49 図－４ ターボ冷凍機＋水蓄熱 月別平均システムCOP 図３−５−７ 22 ２ ６ 10 14 18 （時） （℃） 時 刻 16 14 12 10 8 6 4 2 0 蓄熱槽内温度1-1 蓄熱槽内温度1-2 蓄熱槽内温度1-3 蓄熱槽内温度1-4 蓄熱槽内温度1-5 蓄熱槽内温度1-6 蓄熱槽内温度1-7 蓄熱槽内温度1-8 蓄熱槽内温度1-9 蓄熱槽内温度1-10 槽内温度 図－７ 高密度温度成層型水蓄熱槽温度プロファイル 図３−５−５ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 １ ２ ３ 年間 （月） 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 システム ＣＯＰ ︵一次︶ 0.75 0.75 0.78 0.80 0.80 0.77 0.78 0.68 図－５ 潜熱回収型温水ヒータシステムCOP 図３−５−６ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 １ ２ ３ 年間 （月） システム ＣＯＰ ︵一次︶ 0.84 1.04 1.33 1.48 1.49 1.49 1.09 1.44 0.98 0.90 0.85 0.85 0.92 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 図－６ 熱源トータル（冷水＋温水）システムCOP９．基準階空調システム
基準階空調システムは，汎用性の高い全空気式であり ながら潜顕熱負荷分離システムとしており，搬送動力の 削減と熱媒温度差確保による熱源効率向上を意図して計 画している。 基本構成は新鮮外気導入と湿度環境を調整するアンビ エント外調機，内部発熱増加時に追従する単一ダクト VAV空調機，窓回りの負荷を処理し間仕切り対応も容 易な個別分散型パッケージを併用したシステムである。 ベース室内負荷を処理するアンビエント外調機は， CO2濃度制御や外気冷房制御，低温送風にも対応してお り，搬送動力や熱源負荷の抑制に寄与している。システ ム全体としての負荷変動追従に関しては，図－10に示す ように負荷に応じて自動的にVAV空調機が全停止した り，ペリメータパッケージが省エネ（高顕熱）モードに切 り替わったりするよう空調機運転モードを可変させる制 御を組み込んでいる。 テナントビルとしての基本機能としては，１フロア当 たり最大４テナントまで対応可能であり，VAVは９ゾー ン，PACは10ゾーンと間仕切りニーズに応じてきめ細 かく制御が可能である。 運用を細やかに活用し，「昼間に必要な分だけ夜間に貯 める」の設計意図を確実に実践していきたい。８．外装計画と窓回り環境への配慮
建物の熱負荷を抑制するために，建築／構造とのデザ インの統合化にて高遮熱性能を有する外装計画を施して いる。年間の直達日射を75％カットする庇効果が期待で きるアウトフレーム架構，ガラス単体で日射遮蔽係数 0.29を達成するオリジナルの超高性能Low－eガラスで 構成している。これに自動制御ブラインドを加えること で，PAL値＝195MJ/㎡・年の高性能ファサードを実現 した。（図－９） 自動制御ブラインドには，省エネ性と快適な視環境を 両立するために，昼光を利用する制御と日射侵入による 空調負荷とをバランスさせるスラット角制御，窓回りの まぶしさ感を防止する制御を組み合わせた制御を開発し た。また，人感センサにより不在時にはブラインドを全 閉とし，基準照度を落とす照明連動制御も加えている。 図３−５−８ 蓄熱効率 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 １ ２ ３（月） 図－８ 温度成層型蓄熱槽の月別平均蓄熱効率 図３−５−10 ■アンビエント外調機，VAV空調機，ペリメータPACが同時稼働する。 高 負 荷 ■負荷が少なくなるとアンビエント外調機が優先的に稼働し VAV空調機はストップする。 中 負 荷 ペリメータ 個別空調 アンビエント 外調機 SA SA VAVVAVロードリセット制御 RA RA OA OA EA EA EA OA EA OA 給気温度16℃ SA RA OA OA 給気温度16℃ ゾーン負荷用 VAV空調機 図－10 負荷により可変する空調運転モード 図－９ オフィス基準階窓回り概要ヒートポンプとその応用 2014．11．No.88
