ｽﾗｲﾄﾞ ﾀｲﾄﾙなし

平成28年 10月26日

太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発

NEDO省エネフォーラム 発表資料

22

部門別最終エネルギー消費の推移

出展：平成25年度エネルギー需給実績（速報） （資源エネルギー庁） 出展：平成25年度エネルギー需給実績（速報） （資源エネルギー庁） 民生（家庭・業務）部門で 全エネルギー消費量の約3割を占め、産業、運輸部門に比べて、 過去から増加傾向にある。家庭部門のエネルギー消費量は民生部門の半分弱を占める。

日本のエネルギー消費の内訳と推移

1990-2013 ▲12.5% 1990-2013 ▲0.7% 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 PJ 軸ラベル 産業部門 家庭部門 業務部門 運輸部門 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 PJ 軸ラベル 産業部門 家庭部門 業務部門 運輸部門 家庭部門 14.0% 運輸部門 22.5% 産業部門 43.0% 1990-2013 44.5% 1990-2013 20.0% 業務部門 20.5%

3

日本や外国の住宅におけるエネルギー消費

• 日本の住宅の消費エネルギーは暖房・給湯で半分以上を占める。

• 日本の暖房は１０GJ／年間程度でフランスや米国に比べて

４分の1から５分の１程度。

• 日本の給湯は１４GJ／年間程度でフランスと米国の中間の使用量

株式会社住環境計画研究所の資料 より引用 1 0.1 6 10 50 39 14 6 17 18 14 33 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 日本(2012) フランス(2010) USA(2009) 冷房 暖房 給湯 その他 43GJ 70GJ 95GJ （GJ）

住宅一軒あたりの年間エネルギー消費量

4 4

家庭部門における省エネルギーには

住宅の省エネルギーの推進が必要

• 民生部門の最終エネルギー消費量は全体の約3割を占める

その中で家庭部門は半分弱を占める

• 2020年までに標準的な新築住宅で、2030年までに新築住宅の

平均でＺＥＨの実現を目指す

• 我が国における住宅の省エネルギーを推進するため、そのエ

ネルギー消費の約1/2を占める空調・給湯に着目し、そのエネ

ルギー消費の削減を目指す

冷房 2.9% 暖房 26.8% 給湯 27.7% 厨房 7.8% 動力・ 照明他 34.8% 58%

背景

ねらい

世帯当たりの用途別のエネルギー消費割合 （2010年度）

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 0 500,000 1,000,000 1,500,000 2,000,000 2,500,000 太 陽 熱 シ ス テ ム （ 住宅 用 ） （ 件数 ） 太 陽 光 発 電 （ 住 宅 用） (K W ） 住宅用太陽光発電と太陽熱システムの設置数(国内） 太陽光発電（KW） 太陽熱システム(件） 【出典 ソーラシステム振興協会のHPより入手したデータよりNEDO作成】 北海道, 1.1 東北, 4 関東, 36.3 北陸, 1 中部, 22.9 近畿, 8.9 中国, 8.8 四国, 3.9 九州, 13.1 太陽熱システム設置台数の地域別割合（国内） 北海道 東北 関東 北陸 中部 近畿 中国 四国 九州 （％） 【出典 ソーラシステム振興協会のHPより入手したデータよりNEDO作成】

• 太陽熱をそのまま使用するのは無駄がない

• 太陽光と比べて普及していない

• 日本の北部の地域での導入実績が少ない

NEDOがメリット

を明確化していく

太陽熱エネルギー利用の現状

5

6 高性能断熱材の開発 （平均熱伝導率 ≦0.01W/m・K） 高機能パッシブ蓄熱建材の 開発 （厚さ 15mm以下） 戸建住宅用太陽熱活用シ ステムの開発 （空調・給湯エネルギーを 一次エネルギー換算で 50%減） 省エネ要素技術開発 太陽熱活用システム 新築住宅実証評価 太陽熱活用システム 改築住宅実証評価 太陽熱活用 住宅省エネ基準 反映 実住宅における太陽熱活用システム実証・基準化 ～2013年 2014年 2015年 2016年～

太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発

• 我が国における住宅の省エネルギーを推進するため、そのエネルギー消費

の約1/2を占める空調・給湯に着目し、そのエネルギー消費の半減を目指す

• 実証研究で取得したデータ を住宅の省エネ基準への反映に活かすよう、

平成28年度末に太陽熱活用システムの評価法を構築する

空調・給湯エネルギーが1次エネルギー換算で半減される可能性があるこ

とを全国の８つの気候区分で実証する。

実住宅における太陽熱活用システムの評価

・空気集熱式システム ・暖房・給湯に太陽熱 を利用 ・太陽熱冷房可能 （一部地域で採用） ・高効率給湯器の組 み合わせ、給湯利用 で夏期でも有効に太 陽熱を利用する OMソーラーグループ （空気集熱式暖房給湯システム） FHアライアンスグループ （空気循環太陽熱暖房システム） ・太陽熱集熱部位で得ら れた熱を空気循環により 建物全体へ配熱、蓄熱。 ・太陽熱温水システムで集 熱した熱エネルギーから 給湯を除いた余剰熱量を 空調ユニットの熱源として 使用。 ・太陽熱は屋根（温水パネ ル）と壁面（ダブルスキン、 ダイレクトゲイン）の両方 から集熱 ・ダブルスキンは庇、袖壁 により日射遮蔽し、冷房負 荷軽減。 なお、外側のスキンは開 放して利用する。 ダイレクトゲインは冷房負 荷を増大するため、庇など 日射遮蔽する。 夏 期 夏 期 冬 期 冬 期 ダブルスキン採熱室 太陽熱温水パネル 夏の日射遮蔽 ダイレクトゲイン

太陽熱活用システム

8

太陽熱エネルギー活用型住宅実証地点

新築実証地点 （FHアライアンスグループ） 新築実証地点 （OMソーラーグループ） 日本の気候区分 既築改築実証地点 （OMソーラーグループ） 埼玉県本庄市 (株)小林建設 東京都町田市 (株)鈴木工務店 滋賀県湖南市 (株)木の家専門点谷口工務店 大阪府堺市 (株)コアー建築工房 福岡県福岡市 (株)安成工務店 既築改築実証地点 （FHアライアンスグループ） 旭川市 (株)カワムラ 札幌市 (株)大洋建設 伊達市 小松建設(株) 岩手県花巻市 花住ホーム(株) 宮城県仙台市 サイト工業(株) 福井県坂井市 松栄建設(株) 沖縄市中頭郡 (株)アイムホーム 静岡県浜松市 OM建築工房(株) 愛知県春日井市 丸七ホーム(株) 宮崎県宮崎市 アイ・ホーム(株) 鹿児島県鹿児島市 ヤマサハウス(株) 9

10

実証結果 FHアライアンスグループ

7.4 _7.0 9.3 _3.8 8.1 7.4 4.3 _3.3 4.1 3.0 3.7 6.0 5.2 3.2 3.7 4.0 3.5 5.3 5.3 4.7 3.3 13.5 12.7 11.3 11.8 11.7 12.8 4.2 5.0 6.3 5.8 5.9 4.9 46.1 21.7 29.3 23.9 _{20.0 18.8}

0

20

40

60

80

100

旭川

札幌

岩手

福井

愛知

宮崎

熱量

[G

J

/period

]

ダイレクトゲイン

ダブルスキン

トロンブウォール

FCU

太陽熱給湯

給湯負荷

空調負荷

旭川

札幌

岩手

福井

愛知

宮崎

空調・給湯負荷(%)

59.4

50.1

51.8

51.9

47.9

44.5

太陽熱利用(%)

40.6

49.9

48.2

48.1

52.1

55.5

太陽熱利用による集熱量および空調・給湯負荷の年間積算 期間：平成27年4月1日~平成28年3月31日

20.0 6.0 39.6 25.3 14.0 3.0 10.5 0.8 0 20 40 60 80 導入前（計算値） 導入後（実測値） 熱量 [G J/ peri od ] 給湯負荷 暖房負荷 太陽熱給湯 ダイレクトゲイン 空気循環 トロンブウォール 11 暖房・給湯負荷 59.6GJ 31.2GJ 太陽熱利用 - 28.4GJ(全体の47.6%)

太陽熱利用

太陽熱利用による集熱量および暖房・給湯負荷の年間積算 （2015年10月1日から2016年5月1日）

実証結果 FHアライアンスグループ

改築（旭川）

12

実証結果 ＯＭソーラーグループ

伊達

仙台

浜松

鹿児島

沖縄

空調・給湯負荷(%)

61.8

49.8

42.2

47.2

33.8

太陽熱利用(%)

38.2

50.2

57.8

52.8

66.2

5.3 11.8 10.5 6.8 5.0 2.6 4.5 _4.6 3.3 _3.6 3.7 4.9 _3.6 3.0 _2.2 0.7 2.1 6.7 2.5 _4.5 5.5 2.0 12.2 13.6 _9.3 4.8 3.8 17.4 9.9 _8.2 13.6 2.7 0 10 20 30 40 50 60

伊達

仙台

浜松

鹿児島

沖縄

熱量［

G

J/pe

ri

od

］

ダイレクトゲイン 集熱暖房 内部発熱 太陽熱冷房 太陽熱給湯 給湯負荷 空調負荷 太陽熱利用による集熱量および空調・給湯負荷の年間積算 （平成27年5月1日から平成28年4月30日、沖縄： 平成27年11月1日から平成28年4月30日）

6.2 _{5.2 3.6 3.2} 5.6 5.8 _6.4 4.6 5.6 3.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 14.0 _13.4 11.9 10.5 10.6 4.0 _2.7 5.2 _{4.5 5.3} 10.7 6.2 13.8 _10.8 6.8 0 10 20 30 40 50 60 埼玉 東京 滋賀 大阪 福岡 熱量［ G J/per iod ］ ダイレクトゲイン 集熱暖房 内部発熱 太陽熱給湯 給湯負荷 空調負荷

年間熱負荷積算 OMソーラーグループ （改築）

空調・給湯負荷 32.8 23.5 43.8 39.5 33.7 太陽熱利用 67.2 76.5 56.2 60.5 66.3 [ ％ ] 太陽熱利用による集熱量および空調・給湯負荷の年間積算 （シミュレーション結果、暖房：12月1日から翌年3月31日、給湯：1月1日から12月31日） 13

太陽熱エネルギー活用型住宅

省エネルギー基準への反映

【太陽熱活用システムの評価法の構築】

14

太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発

・高性能断熱材の開発

・高機能パッシブ蓄熱建材の開発

・戸建住宅用太陽熱活用システムの開発

・太陽熱活用システムの実住宅での評価（上記３点の実証）

・太陽熱活用システムの評価法の構築

⇒ 実証研究で取得したデータを住宅の省エネルギー基準への反映に

活用する。

詳細なシミュレーションをしなくても

導入効果が予測できる簡易評価法が

普及を加速するとして期待されている

技術開発から普及段階へ移行する

出典：佐藤エネルギーリサーチ㈱ 日本太陽エネルギー学会 研究発表会（宮崎）資料

まとめ

太陽熱活用システム 実住宅における実証

• 新築住宅11か所において、太陽熱活用システムによる差、実証地域による

差は見られるが、空調・給湯エネルギーが半減できる可能性は実証できた。

• 平成28年度、実証住宅におけるデータ計測を継続し、新築住宅、

改築住宅を問わず、空調・給湯エネルギーの半減を引き続き評価する。

太陽熱活用システム評価法の構築

• 空気集熱式暖房給湯システムおよび空気循環太陽熱暖房システム

について簡易評価法を構築した。

精緻なシミュレーションと比較し、簡易評価法の精度が十分であること

が確認できた。

• 平成28年度、太陽熱活用システム評価法の構築を完成させる。

15

ＮＥＤＯ 省エネルギー技術フォーラム 2016

研究開発期間：平成27年3月～平成27年6月

平成28年2月～平成28年8月

事業実施法人名：佐藤エネルギーリサーチ(株)

太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発に係る

太陽熱活用システムの評価方法の検討

１－１．研究開発の背景①

暖房, 7,131

冷房, 771

給湯, 15,397

厨房, 1,957

電灯, 2,036

動力その他,

8,874

家庭用2次エネルギー消費構造（関東） 単位[MJ/年・世帯]

住宅における熱エネルギー需要は50%を超える

太陽熱エネルギーの活用余地は十分にある

１－１．研究開発の背景②

NEDOでは家庭用の暖房・給湯エネルギー削減に着目し、以下の研究を

実施してきた

高性能断熱材の開発

高機能パッシブ蓄熱建材の開発

戸建住宅用太陽熱活用システムの開発

太陽熱活用システムの実住宅での評価（上記３点の実証）

技術開発から普及段階へ移行する

詳細なシミュレーションをしなくても

導入効果が予測できる簡易評価法が

普及を加速するとして期待されている

対象システム

① 「空気集熱式暖房給湯システム」

② 「空気循環太陽熱暖房システム」

１－２．研究開発の目的

空気集熱器 貯湯槽 給湯用熱交換器 床下空間 居室 土壌 外気 T _{空気集熱部位} 送風ファン 南側居室 北側非居室 空気集熱式暖房給湯システム 空気循環太陽熱暖房システム

２－１．研究開発体制

研究開発責任者

佐藤エネルギーリサーチ

株式会社

太陽熱活用システムの評価方法検討委員会 （委員長：宇田川光弘工学院大学名誉教授）

２－２．研究開発内容

① 太陽熱を利用しない住宅（非集熱住宅）の暖房負荷、

給湯負荷は既知

② 太陽熱を利用するときの暖房負荷、給湯負荷の削減

量を簡易に計算する方法を構築

0

1

2

3

4

5

0

6

12

18

暖房熱負荷

[kW]

a）

非集熱住宅

の暖房負荷（既知）

b）空気集熱暖房・給湯システムの

暖房負荷削減量

c) 余剰集熱量から給湯熱負荷削減量を求める

太陽熱を利用する住宅の毎時の暖房負荷を求めるのが目標

（給湯負荷は日積算値で可）

２－３ 簡易評価法構築のフロー

③熱収支式を基礎とする評価法の構築

②精緻なシミュレーションプログラムによる

簡易評価法の検証

精緻なシミュレーションの検証

熱収支モデルから年間暖房熱負荷、年間給

湯熱負荷削減量を求める際の

補正係数

等を

作成する

①実測データを用いた評価法精度の確認

①実測データを用いた評価法精度の確認

（空気集熱式暖房給湯システム：仙台）

0 500 1000 1500 2000 -20 0 20 40 60 80 [m 3 /h ] [℃ ] 測定値 計算値 風量 外気温 集熱器出口温度 0 500 1000 1500 2000 -10 0 10 20 30 40 [m 3 /h ] [℃ ] 測定値 計算値 風量 外気温 床下温度 0 500 1000 1500 2000 -5 5 15 25 35 [m 3 /h ] [℃ ] 測定値 計算値 風量 外気温 リビング温度 徐々に計算値と測定値の ずれが大きくなっている ➝ 測定が竣工直後に行われたため （再検証が必要）

③熱収支式を基礎とする評価法の構築

（空気集熱式暖房給湯システム）

①集熱量の計算

②床下温度の計算

③暖房負荷削減量の計算

④給湯負荷削減量の計算

⑤床下温度の再計算

⑥暖房負荷削減量の再計算

集熱効率の数量化Ⅰ類分析の例

集熱量の計算 床下温度の計算 暖房負荷削減量の計 算 余剰集熱量の計算 床下温度の計算 暖房負荷削減量の計 算 給湯熱負荷削減量の 計算 太陽熱システムの 暖房・給湯熱負荷の計 算

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

期間集熱効率カテゴリス

コア

空気集熱面積比

高効率型空気集熱器

従来型空気集熱器

y = 0.2362 x

0.2928

_{- 0.2}

R

2

_{= 0.9966}

y = 0.2948 x

0.3401

_{- 0.2}

R

2

_{= 0.998}

空気集熱面積比＝空気集熱器面積／全屋根面積

②精緻なシミュレーションプログラムによる簡易評価法

の検証

（空気集熱式暖房給湯システム）

A：対象地域 B：断熱性 能 C ： 空 気 集熱 面積比 D：基礎 断熱 性能（UA値） E：付加 蓄熱体 F：集熱器 方位角 ・傾斜角 G ： 給 湯 使 用 量 1地域（北見） H11 基 準 超 33% 基準×0.5 なし 南面30° 2人家族相当 2地域（岩見沢） H11基準 67% 基準×1.0 500cc×1000本 （基準容量） 南面45° 4人家族相当 3地域（盛岡） H4基準 基準×1.5 500cc×2000本 （基準2倍） 東面30° 給湯機能なし 4地域（長野） S55基準 2000cc×250本 （基準容量） 西面30° 5地域（宇都宮） 2000cc×500本 （基準2倍） 6地域（岡山） 7地域（宮崎）

全10,080ケースで精緻なシミュレーションとの検証を行った

（各種係数は本シミュレーションの一部で作成した）

代表日の比較例

10 20 30 40 01/28 01/29 01/30 01/31 02/01 床下温度 [℃] 簡易評価法 精緻なシミュレーション

0

1

2

01/28

01/29

01/30

01/31

02/01

暖房負荷削減量

[k

W]

床下温度にやや差が見られるが、簡易評価法としては十分な精度

精緻なシミュレーションとの検証結果（年間熱負荷）

y = 1.063x

R² = 0.9982

0

20

40

60

0

20

40

60

簡易評価法

精緻なシミュレーション

LDK暖房負荷[GJ/年]

y = 1.0263x

R² = 0.9896

0

5

10

15

0

5

10

15

簡易評価法

精緻なシミュレーション

給湯熱負荷[GJ/年]

0 10 20 30 40 50 温度 [℃ ] 測定値 計算値 集熱フ ァ ン 発停 外気温 集熱部位温度 -1 0 1 2 3 集熱量 [k W ] 測定値 計算値 集熱フ ァ ン 発停 集熱量 0 10 20 30 40 温度 [℃ ] 測定値 計算値 リ ビ ン グ温度 外気温

①実測データを用いた評価法精度の確認

（空気循環太陽熱暖房システム：宮崎）

集熱温度の再現性は十分高い

③熱収支式を基礎とする評価法の構築

（空気循環太陽熱暖房システム）

②集熱量の計算

③暖房負荷削減量の計算

①暖房負荷の補正

（集熱部位による断熱性能向上、

日射取得性能低下）

拡張外壁置換法の概念

拡張外壁置換法とは・・・

隣接する非空調室の定常熱収支式から置換係数を求め、その係数を用いて非空調空間の 外壁、空間、空調空間との間の内壁を一つの外壁として置換する手法(*)

この手法を利用

集熱部位を設置室の外壁として置換する

集熱部位 設置室 設置室 集熱部位の外皮を 空調室の外壁、開口部に置換 (*)木本慶介、石野久彌、郡公子、佐藤誠、村上周三：熱負荷計算における非空調空間の仮定法に関する研究 第2報 拡張外壁置換 法への展開、空気調和・衛生工学会論文集 No.205, pp.1-8, 2014.4

②精緻なシミュレーションプログラムによる簡易評価法

の検証

（空気集熱式暖房給湯システム）

A：対象地域 B：断熱仕様 C： 延床 面 積当_{たり集熱面積} D：空気集熱器仕様 E：空気循環_量 F ： 集 熱 部 位_方位 １地域（北見） Ｈ０４基準相当 ダブルスキン １０％ 外側複層ガラス・空 気集熱面日射吸収率 0.5 300m3/h 東 ５ 地 域 （ 宇 都 宮） Ｈ１１基準相当 ダブルスキン ２０％ 外側複層ガラス・空 気集熱面日射吸収率 0.9 600m3/h 南東 Ｈ１１基準超相 当 トロンブウォー ル１０％ 外 側 LowE 複 層 ガ ラ ス・空気集熱面日射 吸収率0.5 1200m3/h 南 トロンブウォー ル３０％ 外 側 LowE 複 層 ガ ラ ス・空気集熱面日射 吸収率0.9 南西 西

全1,440ケースで精緻なシミュレーションとの検証を行った

代表日の暖房負荷変動比較

0 5 10 15 20 25 30 暖房負荷 [M J]

全室 暖房負荷変動

精緻な計算 全室 簡易計算 全室 初冬季 厳冬季 10/10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 1/10 1/11 1/12 1/13 1/14 1/15 簡易評価法としては十分な精度

全ケースにおける再現性検証結果

y = 1x R² = 0.9984 0.0 18.0 36.0 54.0 72.0 90.0 0.0 18.0 36.0 54.0 72.0 90.0 簡易計算 [G J] 精緻な計算 [GJ]

全室 年間暖房負荷

0.0 16.0 32.0 48.0 64.0 80.0 0.016.032.048.064.080.0 簡易計算 暖房負荷積算 [MJ ] 精緻な計算 暖房負荷積算 [MJ] WC1F_Qldon [MJ] 北見 H04基準相当 北見 H11基準相当 北見 H11基準超相当 宇都宮 H04基準相当 宇都宮 H11基準相当 宇都宮 H11基準超相当

どのケースにおいても

概ね良好な再現が確認できた

３－１．成果

「空気集熱式暖房給湯システム」、「空気循環太陽熱

暖房システム」を対象に熱収支式に基づく簡易評価法

を構築

簡易評価法をNEDO実証事業で取得した測定データで

検証した精緻なシミュレーションと比較し、十分な精度

であることを確認した

３－２．今後の展望

「空気集熱式暖房給湯システム」についての精緻なシ

ミュレーションの検証が不十分なため再度行う必要が

ある

それぞれの集熱システムの簡易評価法を統合するこ

とで、システム全体でなく部分的な機器開発を行うよう

なメーカーの評価も可能なように再整理が必要