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空調システム制御の最適設定による省エネルギー効果と室内温熱環境に関する研究
吉田 健一 1. はじめに 民生業務用施設の運用段階におけるエネルギー消費のう ち、約半分は空調設備によるものと言われている。よって、 今なお増加し続けている民生業務部門のエネルギー消費量 を減らすためには、空調設備の省エネルギーが不可欠となる。 特に、既存建物の運用段階におけるエネルギー消費は、その 膨大なストック数のために全体に占める割合が大きく、その 削減は極めて重要である。そのような背景のもと、既往研究 により、既存建物を対象とした省エネルギー支援ツール開発 の一環として、その重要な要素技術のひとつである空調シス テム運用の最適化ツールの開発が進められてきた1)。また、 熱源機器の部分負荷運転対策として熱源機器低負荷運転回 避制御が提案され、その効果が検証されている2)。これによ り、空調システムの制御上の設定値を最適化することによっ て省エネルギー化が図れる可能性があることが判ってきた が、その検討範囲は熱源システムのみを対象としており、そ の最適化が室内温熱環境に与える影響については十分に検 討されているとは言えない。 そこで本研究では、熱源機器低負荷運転回避制御も含めた 空調システム制御の最適設定によって得られる省エネルギ ー効果と室内温熱環境への影響を、建物、空調システム、制 御のトータルなシミュレーションによって検討する。 2. 建物概要 本研究で対象とした空調システム系統図を図 1、建物概要 を表 1、空調システム機器仕様を表 2 に示す。対象とした大 学施設の建物には、図書館、図書事務室、研究室等の各室が 含まれている。建物 6～7 階の個人研究室にはビルマルチ型 のパッケージエアコンが導入されているが、それ以外の共用 部を含めた全ての空調スペースには外気処理空調機（AHU） とファンコイルユニット（FCU）が設置され、ガス吸収式冷 温水機から冷温水が供給され 24 時間空調が行われている。 AHU と FCU では 2 方弁による冷温水の流量制御が行われる。 なお、熱源機器の装置容量が空調負荷に対して過大である ことが明らかになっているため、現在は 2 台のガス吸収式冷 温水機のうち 1 台（RH-1）のみが運転されている。また、本 建物は地上 7 階建であるが、簡単のため、基準階が複数層重 なっているものとして計算する。 3. 空調システムシミュレーションの方法 各機器と制御ロジック、及び各室のモデルを作成し、これ らを組み合わせることで空調システムをモデル化した。空調 システムシミュレーションの概要を図 2 に示す。機器モデル はメーカー提供の性能曲線や仕様書を基に作成し、モデルの 推定精度を高めるために、実測値を用いてモデルパラメータ 西系統 東系統 西系統 東系統 PCH-1 PCD-1 PCH-2 PCD-2 R-2 (ガス吸収式) R-1 (ガス吸収式) CT-1 CT-2 INV INV INV バイパス弁 ：差圧流量計 ：インバータ ：温度センサ AHU FCU 図 1 空調システム系統図 用途 大学キャンパス 延床面積 22882m2 階数 地下1階, 地上7階 構造 SRC造 竣工 1998年3月 表 1 対象建物概要 機器名 記号 仕様 ガス吸収式 冷温水機 RH-1, 2 冷却能力 985kW, 暖房能力 823kW, 冷水温度7-12℃, 温水温度45-40℃, 冷房時定格ガス消費量 76.4Nm3 /h, 暖房時定格ガス消費量 76.3Nm3/h 冷却塔 CT-1, 2 冷却能力 1822.7kW, ファン台数2台, ファン定格出力 5.5kW/台, ファン定格風量1240m3/min 冷却水 ポンプ PCD-1, 2 定格流量 282m 3 /h, 定格軸動力 18.5kW, 定格揚程 15m 冷温水 ポンプ PCH-1, 2 定格流量 120m 3 /h, 定格軸動力 18.5kW, 定格揚程 30m AHU-1 送風量5700m 3 /h, 冷温水量219ℓ/min, 定格動力3.7kW, 全外気 AHU-2 送風量4400m 3 /h, 冷温水量169ℓ/min, 定格動力3.7kW, 全外気 FCU-1 送風量480m3 /h, 冷温水量8ℓ/min, 定格動力0.015kW FCU-2 送風量640m3/h, 冷温水量10ℓ/min, 定格動力0.02kW FCU-3 送風量960m3 /h, 冷温水量15ℓ/min, 定格動力0.03kW 空調機 表 2 機器仕様53-2 の補正を行った。制御ロジックモデルは制御仕様書を基に作 成した。室モデルには，HASP/ACLD/8501 の計算時間間隔を 1 分に変更したプログラムを使用し、出力された仮想冷房負 荷を入力として与えた。図 3 に建物の基準階ゾーニング及び 空調機区分を示す。 シミュレーションの入力は外界気象条件、仮想冷房負荷、 給気温度設定値θsa,SP、熱源機器出口冷温水温度設定値θwR,o,SP、 冷却塔出口冷却水温度設定値θwct,o,SP、冷却塔出入口冷却水温 度差設定値Δθwct,SPであり、出力は熱源ガス消費及び空調機フ ァン、冷温水ポンプ、熱源補機、冷却水ポンプ、及び冷却塔 ファンの電力消費である。シミュレーションの計算時間間隔 は 1 分とした。 本シミュレーションに導入した制御を以下に示す。 1) FCU は室内温度が設定値となるようにコイルの入口流 量を PI 制御する。なお、実際は一部の FCU は室使用者 の手元による ON/OFF 運転が行われているが、シミュレ ーションによる再現は困難なため、全ての FCU に関し て同様の制御を行うものとする。 2) AHU は、給気温度が設定値となるようにコイルの入口 流量を PI 制御する。 3) バイパス弁開度は、実際には往還ヘッダ間差圧が設定値 となるように PI 制御を行っている。しかし本シミュレ ーションでは簡単のために、空調機側の要求流量が熱源 側の流量になるものとし、その値が冷温水ポンプの最低 流量以下、あるいは定格流量以上となる場合にはその差 分をバイパスに流すことにする。 4) 熱源機器は、熱源機器出口冷温水温度が設定値となるよ うに部分負荷率を調整する。ただし、部分負荷率が 100% を超える場合は部分負荷率に 100%を与え、熱源機器出 口冷温水温度を計算する。 5) 冷却塔出入口冷却水温度差が設定値となるように冷却 水流量を PI 制御する。ただし、冷却水ポンプの定格流 量の 70%を最低流量とする。 6) 冷却塔出口冷却水温度が設定値となるように冷却塔フ ァンの運転台数（0～2 台）を発停制御する。冷却塔出口 冷却水温度が設定値より 1.5K 以上高くなった場合に冷 却塔ファンの運転台数を 1 台増段し、設定値より 1.0K 以上低くなった場合に 1 台減段する。効果待ち時間は 1 分とする。 4. シミュレーション結果 空調システム制御の最適設定による省エネルギー効果と 室内温熱環境への影響の推定をシミュレーションにより行 う。熱源機器低負荷運転回避制御のフローを図 4 に示す。本 制御は、熱源機器の部分負荷率が小さくなった際にその運転 を停止させ冷温水のみを循環させる制御で、効率の悪い低負 荷帯での運転を避けることを目的としている。 図 3 基準階のゾーニングと空調機区分 N
1
2
3
4
5
FCU-1 ×14台 FCU-3 ×10台 FCU-2 ×14台 FCU-2 ×24台 FCU-3 ×6台 FCU-1 ×2台 FCU-3 ×9台 AHU-2 AHU-1 ※ゾーン 5 については、 AHU-1, 2 両方から給気されている。 コイル出口 冷温水温度 気象条件 (外気温湿度) 熱源消費電力 熱源ガス消費 CTファン 消費電力 冷却水ポンプ 消費電力 冷却水 流量 熱源出口 冷却水温度 CTファン 運転台数 冷却塔出口冷却水温度 冷却塔出入口 冷却水温度差SP 冷却塔出口 冷却水温度SP 冷却水ポンプ モデル 冷却塔 モデル CTファン 運転台数 制御モデル 冷却水流量 制御モデル 一次側 流量 冷温水ポンプ モデル 熱源出口 冷温水温度 処理熱量 制御モデル ガス吸収式 冷温水機 モデル 熱源出口 冷温水温度SP 冷温水ポンプ 消費電力 バイパス流量 冷温水流量 制御モデル 還気温度 還気湿度 給気温度SP 給気湿度 給気温度 ＡＨＵ モデル ＡＨＵ 入口流量 制御モデル ＡＨＵ入口流量 給気ファン消費電力 給気風量 室内温度SP ＦＣＵ 入口流量 制御モデル 給気ファン消費電力 室モデル 給気温度 給気湿度 給気風量 ＦＣＵ モデル ＦＣＵ入口流量 図 2 空調システムシミュレーションの概要 図 4 熱源機器低負荷運転回避制御のフロー TS＞TS,SP1 FQ＞FQ,SP TS＞TS,SP2 群司令起動 熱源機器運転 熱源機器停止 往水温度 判定 部分負荷率 判定 往水温度 判定 TS ：往水温度 FQ ：部分負荷率 TS,SP1：往水温度設定値 （熱源機器運転停止条件） TS,SP2：往水温度設定値 （熱源機器運転再開条件） FQ,SP：部分負荷率設定値 （熱源機器運転停止条件）53-3 次の 5 ケースに関して検討を行った。 ・ Case0：従来運転を行うケース（比較対象） ・ Case1：従来運転の設定値を最適化するケース ・ Case2：熱源機器低負荷運転回避制御を行うケース ・ Case3：熱源機器低負荷運転回避制御を行い、かつ その設定値を最適化するケース ・ Case4：Case1 と Case3 を同時に行うケース 本検討では低負荷日と中負荷日に関して各 3 日間、計 6 日 間を対象として、一日毎に最適な設定値を1組求めた。なお、 助走期間は各期間の前日 2 日間とした。各ケースにおける設 定値を表 3 に示す。ただし、ここでは当該時刻の境界条件を 未知のものとして扱わず、すべて既知のものとして検討して いる。すなわち、この場合の省エネルギー効果は最大限の値 として算出されるが現実には実現不可能な値である。また、 最適設定値を探査する際に、室内温熱環境に悪影響を及ぼさ ないように室内温湿度によるペナルティをかけた。室内温度 が室内温度設定値（夏期：26℃）より 2K 以上高くなった場 合、あるいは室内湿度が 75%以上になった場合には、その設 定値は除外される。 シミュレーションの外界気象条件には標準気象データを 用いた。図 5 に検討対象日の入力空調負荷、図 6 に日積算一 次エネルギー消費量の比較、表 4 に日積算一次エネルギー消 費量削減率、図 7、8 に空調システム運用における設定値と 熱源機器低負荷運転回避制御の設定値、図 9 に室内温湿度の 比較、表 5 に熱源機器低負荷運転回避制御による熱源機器停 止時間をそれぞれ示す。
Case1 では、θwR,o,SP、Δθwct,SP、θsa,SPを出来る限り上げる運転
が最適解として得られ（図 7-a, c, d）、約 21～27%の省エネル ギーとなった（図 6, 表 4）。ガス吸収式冷温水機は、全エネ ルギー消費量のうちガス消費量の割合が非常に高いため、多
表 3 各ケースにおける設定値
Case0 Case1 Case2 Case3 Case4
θwR,o,SP[℃] 7 7~12（刻み1℃） 7 7 7~12（刻み1℃） θwct,o,SP[℃] 32 25~32（刻み1℃） 32 32 25~32（刻み1℃） Δθwct,SP[K] 5 2~9（刻み1K） 5 5 2~9（刻み1K） θsa,SP[℃] 17 13~20（刻み1℃） 17 17 13~20（刻み1℃） FQ,SP[%] - - 20 10~30（刻み5%） 10~30（刻み5%） TS,SP1[℃] - - 9 7~12（刻み1℃） 7~12（刻み1℃） TS,SP2[℃] - - 12 10~15（刻み1℃） 10~15（刻み1℃） 図 5 空調負荷 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 空 調 負荷［ kW ］ 空調負荷 負荷率20% 負荷率25% 負荷率30% 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 図 6 日積算一次エネルギー消費量の比較 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 Ca se 0 Ca se 1 Ca se 2 Ca se 3 Ca se 4 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 日 積 算一 次エ ネ ル ギ ー 消 費 量［ MJ ］ 熱源機器電力消費量 冷却塔ファン電力消費量 冷却水ポンプ電力消費量 冷温水ポンプ電力消費量 熱源機器ガス消費量 表 4 日積算一次エネルギー消費量削減率 （Case3, 4 において左：Case1 比, 右：Case2 比）、単位［%］ Case1 Case2 Case3 35.5 1.9 48.4 21.1 37.7 5.3 13.2 13.2 7.5 7.5 19.9 19.9 Case4 60.0 39.1 64.0 45.0 54.0 30.1 30.1 30.1 29.8 29.8 31.3 31.3 中負荷日3 26.8 34.3 24.4 34.6 21.4 34.2 23.4 0.0 24.0 0.0 23.6 0.0 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 図 8 熱源機器低負荷運転回避制御の設定値 a） 部分負荷率（運転停止条件）FQ,SP b） 往水温度（運転停止条件）TS,SP1 c） 往水温度（運転再開条件）TS,SP2 10 15 20 25 30 35 部 分 負 荷 率 設定 値［ % ］ Case3 Case2 Case4 6 7 8 9 10 11 12 13 往 水 温 度設定 値［ ℃ ］ 9 10 11 12 13 14 15 16 往水 温度 設 定値［ ℃］ 図 7 空調システム従来制御の設定値
a） 熱源機器出口冷水温度θwR,o,SP b） 冷却塔出口冷却水温度θwct,o,SP c） 冷却塔出入口冷却水温度差Δθwct,SP d） 給気温度θsa,SP
6 7 8 9 10 11 12 13 熱源 出口 冷 水 温 度 設 定 値［ ℃ ］ Case0, 2, 3 Case1 Case4 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 冷却 塔出口 冷却水 温度設 定値［ ℃ ］ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 冷 却 塔出 入口 冷 却 水 温 度差 設 定値［ K ］ 16 17 18 19 20 21 給 気 温 度設定 値［ ℃ ］
53-4 少他の電力消費量が増加してもガス消費量を減らす運転が 選択されている。また、θsa,SPが上がったために、室内相対湿 度が Case0 に比べ高くなっている（図 9-a）。なお、低負荷日 において夜間や早朝に室温が下がっているのは、外気温が室 内温度設定値より低くなっているためである。 Case2 では、低負荷日に関して約 34%の省エネルギー効果 が見られたのに対し、中負荷日では効果が見られなかった （表 4）。これは、中負荷日において熱源機器停止条件の一つ であるFQ,SP（=20%）以下となる負荷帯がなかったためであ る（図 5）。 一方で Case3 では、FQ,SPを 25%、あるいは 30%まで上げる ことにより熱源機器停止時間が増え（図 8, 表 5）、低負荷日 で Case2 に比べ約 2～21%、中負荷日では約 7～20%の省エネ ルギーとなった（図 6, 表 4）。なお、図 9-c において、いず れのケースにおいても熱源機器の発停による室内温湿度の 振動が見られる。 Case4 では、低負荷日において、Case2、3 に比べ 1 回あた りの熱源機器停止時間が長くなった（表 5）。熱源機器を一日 の約 60～70%停止させることで、60%程度の省エネルギーと なった（図 6, 表 4）。中負荷日においては、室内に悪影響を 及ぼさない範囲でθsa,SPが上がり（図 7-d）、熱源機器処理熱量 が小さくなることにより熱源機器停止回数が増えた（図 9-d, 表 5）。結果として、Case0 に比べ約 30%の省エネルギーにな っており、二つの手法を併用することにより、より高いエネ ルギー消費量の削減効果が得られることが判った。また、 Case1 の結果と併せると、室内温熱環境、特に室内相対湿度 に最も影響を与える設定値がθsa,SPであることが判った。 5. まとめ 空調システム制御の最適設定によって得られる省エネル ギー効果及び室内温熱環境への影響を比較検討した。検討結 果より、熱源機器低負荷運転回避制御を含めた空調システム 制御の設定値を最適化することで、低負荷日において約 60%、 中負荷日において約 30%のエネルギー消費量を削減可能で あること、また、その際も室内環境に悪影響を与えないこと を明らかにした。一方で、本研究で用いたようなトータルな シミュレーションはその煩雑さのため、他の建物へそのまま 適用することが困難である。今後は、実建物への実装を勘案 し、より汎用性を高めていくことが必要であると感じる。 【謝辞】 本研究を進めるにあたり、立命館大学および株式会社アレフネットの関係者の方々に ご協力を頂きました。ここに記して謝意を表します。 【参考文献】 1）吉田健一，他：空調用熱源システム運用におけるコミッショニングツールの開発（第 1 報）リアルタイム運用最適化ツールの概要とシミュレーションによる省エネ効果の推定， 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，pp. 1367-1370, 2009 年9 月 2）李霽憲，他：空調用熱源システム運用におけるコミッショニングツールの開発（第 2 報） リアルタイム運用最適化ツールの実装と提案した熱源機器運転台数制御による省エネ効 果の検証，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，pp. 371-1374, 2009 年9 月
a） Case0 と Case1 の比較 b） Case0 と Case2 の比較
図 9 室内温湿度の比較
c） Case2 と Case3 の比較 d） Case0 と Case4 の比較
24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内温 度 ［℃］ Case1 Case0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室 内 相 対湿度［ % ］ 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内温 度 ［℃］ Case2 Case0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室 内 相 対湿度［ % ］ 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内温度［℃ ］ Case3 Case2 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内 相対 湿 度 ［ % ］ 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 24.5 25.0 25.5 26.0 26.5 27.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内温度［℃ ］ Case4 Case0 55.0 60.0 65.0 70.0 75.0 80.0 1 1441 2881 4321 5761 7201 8641 室内 相対 湿 度 ［ % ］ 低負荷日1 低負荷日2 低負荷日3 中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3 表 5 熱源機器低負荷運転回避制御による熱源機器停止時間
Case2 Case3 Case4 Case2 Case3 Case4 Case2 Case3 Case4 Case2 Case3 Case4 Case2 Case3 Case4 Case2 Case3 Case4 熱源機器停止回数［-］ 38 36 37 37 42 30 38 33 22 0 16 21 0 8 20 0 22 19 熱源機器停止時間［min］ 583 611 883 612 810 990 609 679 844 0 241 315 0 135 300 0 330 285 熱源機器停止平均継続時間［ min］ 15.3 17.0 23.9 16.5 19.3 33.0 16.0 20.6 38.4 - 15.1 15.0 - 16.9 15.0 - 15.0 15.0
中負荷日1 中負荷日2 中負荷日3
