住宅におけるマイクロコージェネレーションシステムと太陽光発電システムの導入効果に関する研究 [ PDF

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(1)住宅におけるマイクロコージェネレーションシステムと太陽光発電システムの導入効果に関する研究. 永田 1. はじめに地球環境問題に対応するエネルギー自立型サステナブル住宅の住宅仕様、設備仕様を提案し、その省エネルギー効果を定量化することが本研究の目的である。. 修三. 15200 3600. 2800. 3800. 400. 5000. nook. 車庫便所洗面所. 居間 up. 本論文では今年度建設予定の第 3 期実験棟における太陽光発電と固体高分子形燃料電池の併. 5400. 7600. 台所. 食堂. 1800. 用システム検討の第 1 段階として、各設備システムと運用方法の検討、省エネルギー効果の定量的. 玄関. a) 2 階平面図. 把握を目的とし、それぞれの要素について段階的に数値シミュレーションによる検討を行う。. 15200 3600. 2800. 3800. 400. 5000. 浴室. 2800. 4000. 2. 入力用負荷データ住宅の負荷形態は住宅の建物仕様や居住者の. 寝室. ミュレーションを行う際はどのような負荷データを用いるかが重要な点となる。実験棟における. 3200. バルコニー. 家族構成、住まい方によって様々である。よって、個別分散型電熱源システムのエネルギー需給シ. 便所. 洗面所. down. 主寝室. 和室. N バルコニー. a) 1 階平面図. 年間の予測負荷データ（1 分間隔、電力負荷と給湯負荷から成る）作成概要を以下に述べる。. 単位[mm]. 図 1 実験棟平面図. 生活スケジュール自動生成プログラム SCHEDULE Ver2.01）による居住者（ 4 人家族を. 表 1 実験棟の部位構成部位. 想定）の生活パターンと多数室室温変動・熱負荷算出プログラム TrP2）により算出した暖冷房負荷. 材料（室内側より表示、[ ]内単位： mm）. 壁. 石膏ボード[12]､グラスウール[100]、密閉中空層、合板[5]、非密閉中空層、煉瓦[110]. 窓. 普通複層ガラス（フロートガラス[3]）. を基に、負荷データを作成した。図 1 に実験棟の平面図、表 1 に部位構成、図 2 に壁体構成を示す。. 天井. この実験棟は福岡市内に計画中のもので、細部の. 床. 仕様はまだ決定されていない。今回の検討では次世代省エネルギー基準のⅣ地域における指針に. ドア. 石膏ボード[12]､グラスウール[180] 合板[10]、合板[12]、グラスウール[100] 金属製高断熱構造扉. 室室外 5040 12 内側 110 5 100 側. 従い外壁の断熱材（グラスウール）厚さを決定した。熱損失係数は 1.95〔W/m2 K〕、夏期日射取得. 煉瓦通気層防水シート木製パネル空気層グラスウール. 係数は 0.0045 でともにⅣ地域の基準値以下である。TrP により算出した暖冷房負荷を 4 通りの異なる設備で賄うこととし、それぞれの予測負荷データを作成した。暖冷房負荷算出時の計算条件を. 内装材単位[ｍｍ]. 表 2 に、予測負荷データの概要を表 3 に示す。EHP エアコンは従来機の COP を暖房 3.5、冷房 3.0 と. 図 2 壁体構成（ブリックベニア仕様）. し、トップランナー機は暖房、冷房ともに COP 34-1.

(2) を 5.1 とした。. 表 2. 計算条件（空調設定について）空調対象室. 3. 太陽光発電システムの導入効果 3-1. 計算概要まず、拡張アメダス気象データ（福岡、標準年）の外気温度、大気放射量、アレイ面日射量（斜面. 居間、主寝室、子供室1（和室）、子供室2（寝室）計4室. 夏季冷房期間. 6月1日∼9月30日（4ヶ月間）. 冬季暖房期間. 11月1日∼3月31日（5ヶ月間）冷房：27℃、暖房20℃ （居間に床暖房を設置した場合は居間のみ18℃）. 設定温度空調スケジュール. 在室時. 気象データ. 日射量）を入力とし、アレイ面表面温度とアレイ面日射量から時刻毎の発電量を算出し、それを 1. 拡張アメダス気象データ（福岡市標準年）. 表 3. 実験棟における予測負荷データの概要. 分間隔に換算した。太陽光発電（以下 PV）モジュールは多結晶 Si を想定した。1kW から 4kW ま. 予測負荷データⅠ. EHPエアコン（従来機）により暖冷房. での標準出力を変化させ、予測負荷データⅠを入力とした場合の従来システム（図 3）と PV シス. 予測負荷データⅡ. EHPエアコン（トップランナー機）により暖冷房. 予測負荷データⅢ. EHPエアコン（従来機）により暖冷房居間に温水式床暖房を設置 EHPエアコン（トップランナー機）により暖冷房居間に温水式床暖房を設置. 予測負荷データⅣ. テム（図 4）の 1 次エネルギー消費量を比較する。 3-2. 計算結果図 5 に従来システムと各 PV システムを設置し. 買電. 系統電力買電. た場合の年間１次エネルギー消費量を示す（余剰電力を 1 次エネルギーに換算した値をマイナス. 電力. 系統電力逆潮流. 電力. 発電. 温水ボイラー. PV. 給湯. 温水ボイラー. 給湯. ガス. 値で記載）。標準アレイ出力 4kW の PV システムで逆潮流無しの場合約 16.7[GJ/年]、逆潮流有りの. ガス. 図 3 従来システム. 場合で 48.5[GJ/年]の１次エネルギー消費量削減となる。発電容量が大きいほど１次エネルギー消. 図 4 PV システム. 80.00. 費削減量は大きくなるが、逆潮流の有り無しによる 1 次エネルギー消費削減量の差も大きくなる. 1次エネルギー消費量[GJ/年]. 1次エネルギー消費量（ガス）. ことを確認した。 4. 固体高分子形燃料電池 CGS の導入効果 4-1. 計算概要図 6 に固体高分子形燃料電池コージェネレー. 60.00. 16.01 16.01. 16.01. 16.01. 42.61. 40.93. 40.00 20.00 0.00. 余剰電力（1次エネルギー換算）. 54.14. 0.00. 45.79 - 3.52. - 12.20. 2kWPV 3kWPV. 図5. 宅の電力負荷を，ガス温水ボイラーにより給湯負荷を賄う。一方，PEFC-CGS モデルではガスを改. - 22.39. - 20.00 - 40.00 従来システム 1kWPV. ションシステム（PEFC-CGS）モデルを示す。従来システムモデルでは系統からの買電により住. 1次エネルギー消費量（電力）. 16.01. 37.19. - 31.56. 1kWPV 2kWPV 3kWPV 4kWPV. 南面に設置南面に設置南面に設置南面に3kW、西面に1kW設置. 4kWPV. 1次エネルギー消費量の比較. 系統電力. 買電. 電力発電. ガス. 排熱. 質して得られた水素を用いて PEFC を作動し、その発電と系統からの買電により電力負荷を賄う。給湯負荷は排熱回収により貯湯槽に蓄えられた湯で賄うが，貯湯がない場合は温水ボイラー（効. PEFC-CGS 貯湯槽. 温水ボイラー. 給湯. ガス. 図 6 PEFC-CGS. 率：80%（HHV））を使用する。貯湯の熱損失は直接考慮せず，代わりに毎日午前 2 時に貯湯を廃. 表 4. PEFC-CGS の仕様発電効率/ 排熱回収効率定格発電出力定格排熱出力発電出力変化速度最大増加速度最大減少速度. 棄するものとする。市水温度は夏季 25℃，中間期 18℃，冬季 10℃とする。表 4 に PEFC-CGS の仕様を示す。発電出力は 1kW とし、発電効率、排熱回収効率は実機の仕様書に記載された目標値を採用した（発電効率を. 貯湯温度貯湯槽容量. 35％、40％とした場合の検討についても後述する）。排熱回収効率は常に定格効率とし，貯湯温. 31.7%/ 51.5% 1kW 1.63kW 50W/ min 250W/ min 60℃ 200L ※効率はHHV基準. 34-2.

(3) 度 60℃、貯湯槽容量 200L とする。発電効率は部分負荷特性を考慮する。運転方法はこれまでの検. し、各住宅設備システムにおける 1 次エネルギー消費量を比で示す。従来システム 1 に PEFC-CGS. 討で最も現実性の高い運転方法であると考えられる DSS 電力負荷追従運転とする。これは 1 日 2. を設置する（PEFC-CGS1）と、年間約 16%の 1 次エネルギー消費量削減効果がある。また、床暖. 回まで起動・停止を繰り返し、作動中は電力負荷に追従して部分負荷制御運転を行うものである。. 房を設置する（従来システム３）と、冬季の 1 次エネルギー消費量は増加してしまう。しかし、こ. 予測負荷データⅠ∼Ⅳを使用して様々な住宅設備システムに関して検討を行った。全電化システ. れに PEFC-CGS を設置する（PEFC-CGS3）と年間 1 次エネルギー消費量は 104 から 82 まで大幅. ムにおける CO2 HP 給湯機の COP は 3.0 とする。 4-2. 計算結果. に削減され、PEFC-CGS1 の 84 よりも小さな値となった。床暖房設備により給湯負荷が増加したた. 図 7 に計算結果を示す。図 3 の従来システムに予測負荷データⅠ∼Ⅳを入力とするシステムを. め、効率的に PEFC を作動させることができたためである。しかしながらトップランナーEHP エア. それぞれ従来システム 1∼4 とする。従来システ. コンも考慮すると、PEFC-CGS2 の年間 1 次エネ. ム１における年間 1 次エネルギー消費量を 100 と. ルギー消費量 76 が最も小さい値となった。PEFC. 年間1 次エネルギー消費量. 100. 84 PEFC - C GS 設置. 86. 従来システム1. PEFC- CG S 1. EHPエアコン（従来機）. EHPエアコン（従来機） C O 2 HP給湯機設置. 91. 全電化システム1 EHPエアコン（トップランナー機）. 76 従来システム2. P EFC - CGS 設置. EHPエアコン（トップランナー機）. 104. 82. 居間に床暖房設置. P EFC- CG S 2 EHPエアコン（トップランナー機）. PEFC - CGS 設置. 居間に床暖房設置. 従来システム3. PEFC- CGS 3. EHPエアコン（従来機）. EHPエアコン（従来機）. 89 居間に床暖房設置 C O 2 HP給湯機設置. 98. 全電化システム2 居間に床暖房設置. EHPエアコン（トップランナー機）. 従来システム4 EHPエアコン（トップランナー機）. 居間に床暖房設置 PE FC- C GS 設置. 78. PEFC- CG S 4 EHPエアコン（トップランナー機） 1 次エネルギー換算値電力：昼間1 0 .2 5 （MJ / kWh ）、夜間 9 .6 2 （MJ /kWh）ガス：4 5 .9 （MJ /Nm 3）. 図７. 各住宅設備システムの年間 1 次エネルギー消費量比較. 34-3.

(4) -CGS を導入する際は、床暖房設備と併設すると、その稼動効率、効果度が高く、年間 1 次エネルギ. 凍機やデシカント空調などと組み合わせることで夏季における稼働率を上げることができ、さら. ー消費量を最小とするためにはルームエアコンをトップランナー機とすることが望ましい。. に年間の 1 次エネルギー消費削減量が伸びる可能性がある。今後はその点についての検討が必要である。 6. おわりに. 5. MACC 発電の電力 1 次エネルギー換算値を用いた PEFC-CGS の検討 5.1 計算概要. 太陽光発電システム、固体高分子形燃料電池 CGS についてそれぞれ省エネルギー効果を定量. これまでの検討では省エネ法の定める電力の 1 次エネルギー換算値を用いていて電力消費量か. 的に把握した。両システムを併用した場合についても試算済みであるが、今後は実機の運用実験を. ら 1 次エネルギー消費量への換算を行ったが、数年後には多くの発電所が超高効率火力発電. 通してさらに数値シミュレーションの精度を上げ、個別分散電熱源システムの最適仕様を検討す. （MACC）を採用し、その電力 1 次エネルギー換. る。全電化システム. 算値は受電端効率 50%を想定して、7.2[MJ/kWh] となると言われている。系統電力の高効率化によ. 年間 1 次エネルギー消費量. 1 00. り、全電化システムの省エネルギー効果が大幅に向上することとなる。しかし PEFC についても現. 78 CO 2 H P給湯機設置. 全電化システム1. 従来システム1. 在盛んに開発研究が行われているため、数年後には機器効率が上昇しているものと考えられる。そ. E HP エアコン（トップランナー機）. E HP エアコン（従来機）. 82 居間に床暖房設置 CO 2 H P給湯機設置. こで、PEFC-CGS の排熱回収効率は現行機の 51.5%とし、発電効率を 35%、40%（2010 年以降. 全電化システム2 E HP エアコン（トップランナー機）. の導入段階における仕様目標、HHV）とし、系統電力は MACC 発電によるものと想定した場合の. 1 次エネルギー換算値電力：7 .2 （MJ /kWh）ガス：45 .9 （MJ /Nm 3）. 図 8 全電化システムの省エネルギー効果. 住宅設備システムの検討を行う。ここでは、全電化システム 1、全電化システム 2 と前検討で省エ. （系統電力：MACC 発電）. ネルギー効果の高かった PEFC-CGS2 、 PEFC-CGS4 を対象とする。. 固体高分子形燃料電池 CGS. 固体高分子形燃料電池 CGS. 発電効率： 35 % 排熱回収効率： 51 .5 %. 5.2 計算結果算出した各システムにおける年間の 1 次エネルギー消費量の比を図 8、図 9 にまとめて示す。従来システム 1 の年間 1 次エネルギー消費量を 100 とすると全電化システム 1 は 78、PEFC-CGS2. 1 00. 80 PE FC - C GS 設置. 77 PE FC - C GS 設置. 従来システム 1. PE FC- CGS2. P EFC- CGS 2. EH Pエアコン（従来機）. EHPエアコン（トップランナー機）. EHP エアコン（トップランナー機）. 居間に床暖房設置 PE FC - C GS 設置. における数値は、発電効率 35%の場合で 80、発電効率 40%の場合で 77 となった。また、床暖房. 発電効率： 4 0 % 排熱回収効率： 5 1 .5%. 年間 1次エネルギー消費量. 88. 居間に床暖房設置 P EF C- C GS 設置. 85. P EFC- CGS4. P EFC- CGS 4. EHPエアコン（トップランナー機）. EH Pエアコン（トップランナー機）. 1 次エネルギー換算値電力： 7 .2 （ MJ /kW h）ガス：4 5 .9 （MJ /Nm 3 ）. を設置する場合は PEFC-CGS よりも全電化システムの方が省エネルギー効果が高く、現行の電力. 図 9 PEFC-CGS の省エネルギー効果（系統電力：MACC 発電）. 1 次エネルギー換算値を用いた検討とは逆の結果となった。MACC 発電の本格導入時期、全電化システムと固体高分子形燃料電池 CGS のどちらが省エネルギー性能の高いシステムであるかは、 PEFC の発電効率が 40%程度を達成しているか否かという点で評価できそうである。しかしながら、系統電力の発電効率が受電端で 50％を達成したとしても、総合効率では PEFC-CGS の 80∼90% の方が高い値である。PEFC-CGS には、吸収式冷 34-4. 【謝辞】本研究は科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業研究課題“スループットを最大化する住空間システム”研究代表者：松藤泰典教授（九州大学大学院）によるものである。記して、謝意を表します。【参考文献】 1) 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 Ver2.0｣ , 2000 年 2) 林徹夫：マイコンによる住宅の多数室室温変動・熱負荷計算プログラムの開発 ,住宅総合研究財団研究年報 , No20, pp.334-346, 1992 年.

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