修士論文・博士論文一覧｜九州大学 大学院人間環境学府

47-1

山口 奈津子

1. めに

地球環境 保全 要視 昨今 建物 ライ

サイ 中 CO₂排出 大部 占 空気調和

設備シス 省エネ 建築 喫

緊 課題 あ 建物間熱融通 効 手段 あ

近接 建物 配管 接続 冷暖 用 冷温水

互 い 融 通 建 物 単 体 成 得 い

CO2削減や省エネ 見込 入

例 未 少 く 効 性 周 知 必 要 あ

今後 進展 期待 研究 あ

研究1)2) い 大阪市 2 複合施

設 対象 熱融通 関 検討 進 本

論文 対象施設 熱融通効果 示

過程 得 知見やシ ュ ションモ

活用 様々 条件 建物 熱融通

入効果 明 目指

2. 対象シス 概要

本研究 対象施設 東地区熱供給施設 以 東

地区 西地区熱供給施設 以 西地区 2棟 あ 表1 施設概要 示 2012年度 竣工 東地 区 続 西地区 2017年度 竣工 迎え 同年度

熱融通 運用 開始

対象 熱源シス 冷水 温水 温 度成層

型蓄熱槽 備え 河川水 冷却水 熱源水 利用

図1 両地区 熱源シス 表2 機器仕様 示 蓄熱槽 両地区 3槽構成 あ 季節 応 冷水槽 温水槽 替え 蓄熱時 間

建物間熱融通

導入効果に 関

研究

CT-A1 CT-A2 CT-A3

HEX-A3 HEX-A2 HEX-A1

R-A03

R-A02 R-A05

R-A01 供給先へ

直送系熱源

R-A04

RHEX-A1 蓄熱系熱源

CT-1 CT-2 CT-3

R-04 HEX-3 HEX-2 HEX-1

HEX-4

R-03

R-02 R-05 R-06

R-01 供給先へ

河川水(取水)

直送系熱源 蓄熱系熱源

東地区 西地区

ラン連係配管

タ ライ弁 電動弁自動弁

凡例 冷水 電動制御弁 温水

河川水

冷温水 ン

河川水(放流) HEX-A6

HEX-A5 HEX-A4

図1 熱源シス ー

西地区熱供給施設 東地区熱供給施設

在地 大阪市 大阪市

敷地面積 8,377m

2

8,150m2

延床面積 150,432m2 146,209m2

階数 地 階 地 階 地 階 地 階

構造

主 用途 事務 商業施設 文化施設 宿泊施設等 事務 商業施設 劇場等

竣工 年 年

造 造 造

47-2 帯 22 時 翌朝 8時 あ 翌日 使い

蓄熱 負荷 大 機器

運転台数 制御 両地区 間 ラン

連 配管 設置 地区間 熱融通

実現 融通 熱 最大値 ラン 連

ン 最大流

3. シ ュ ーションモ 概要

図2 本研究 使用 シ ュ ションモ 計算 示 ラ Fortran 用い 作 成 あ 1 ス ッ 計算 行う 入力 値 両建物 冷暖 負荷 び河川水温度 用

い 2017年4 ～11 実測値 用い 精度 検証 本モ 以降 検討 用い

十 精度 確認

4. 対象シス に け 熱融通効果

対 象 シ ス 効 果 的 熱 融 通 制 御 検 討

あ 表3 示 ス条件 い シ ュ ション 行 評価指標 式1 示 シス COP 以 SCOP 使用 本稿 両地区全

体 SCOP 総合SCOP 表記 本 検討 行 2016 年当時 蓄熱槽 び連 配管 熱 損 失 や 西 地 区 ラ ン 内 動 力 計

算モ 組 込 い 計算

結果 映 い い

SCOP =�_���

��

QWE：両地区冷暖 負荷合計[kWh]

EWE：両地区シス 電力消費 合計 1次 [kWh]

※熱源機器動力 び ン 動力

表4 各 ス 年間 処理熱 電力消 費 総合SCOP び 総合 SCOP向 率 整理

総合SCOP 向 率 セ 効率 高い ス 色付 い 向 率 い case0 比

較 向 ス 正 数 ス

負 数 表 結果 全体的 傾向

一定負荷 常 移行 case4 や case5 制御 い 熱融通効果 高い いう知見 得

5. 熱融通効果 一般化に関 検討

5.1 本検討 目的と概要

建物間熱融通 省エネ 効 手法 あ

入事例 少 く 現状 制御 要点や

入効果 明確 い 様々 建物

熱融通 効果 整理 今後 入 進

一助 得 本検討 高い熱融通効果 得

機器 稼働状態や 計画 注目 熱融通 c ase 番号 0 1 2 3_500 3_1000 3_1500 3_2000 処理熱量[GWh ] 29.9 29.9 29.4 29.9 29.8 29.8 29.8 電力消費量[GWh ] 14.9 14.6 15.8 14.7 14.7 14.7 14.4 総合 [] 2.01 2.05 1.86 2.04 2.05 2.04 2.08 総合 向 率[% ] 0.0 2.2 -7.1 1.7 1.9 1.8 3.7

c ase 番号 3_2500 4_500 4_1000 4_1500 4_2000 4_2500 5 処理熱量[GWh ] 29.8 29.9 29.8 29.8 29.8 29.7 29.5 電力消費量[GWh ] 14.2 14.3 14.3 14.4 14.4 14.2 14.1 総合 [] 2.11 2.10 2.10 2.08 2.08 2.11 2.12 総合 向 率[% ] 5.0 4.6 4.5 3.8 3.8 4.9 5.6

表4 各ケースに け シ ュ ーション 結果

初期値 読込み ラ 設定値等

時刻繰 返し

入力 タ 読込み 河川水温度負荷

両地区間 熱融通負荷 決定

機器運転モ 決定

ン 運転 数 決定

東地区 ム

計算サ ル チン

西地区 ム

計算サ ル チン

河川水排水温度 計算

集計出力

PID制御値 計算

河川水系

直送系

熱交換器系 入力

制御

流量

負荷系 START

各系統流量 計算

ン エネル 計算

START

直送系熱源 計算

蓄熱系熱源 計算

熱交換器 計算

蓄熱槽 計算

END END

負荷側 計算

a) 全体シ ュ ーション ー b) 両地区計算サ ーチン

図2 シ ュ ー ション ー

No 機器 数 No 機器 数

冷凍能力 2,750kW 冷凍能力 1,760kW

加熱能力 2,800kW 加熱能力 2,000kW

冷却能力熱回収時 850kW 3.27 冷凍能力 340kW 3.30

加熱能力熱回収時 1,100kW 4.23 加熱能力 450kW 4.37

冷凍能力冷 時 1,020kW R-04 イン タタ 冷凍機 冷凍能力 1,410kW 1

R-A05 タ 冷凍機 冷凍能力 3,200kW 1 R-05,R-06 タ 冷凍機 冷凍能力 3,200kW 2

HEX-A1 熱交換器冷水 み 交換熱量 1,600kW 1 HEX-1 熱交換器冷水 み 交換熱量 1,600kW 1

HEX-A2 熱交換器温水 み 交換熱量 1,600kW 1 交換熱量冷 時 1,600kW

交換熱量冷 時 3,200kW 交換熱量暖 時 1,600kW

交換熱量暖 時 3,200kW 交換熱量冷 時 3,200kW

HEX-A6 採熱用熱交換器 交換熱量 1,700kW 1 交換熱量暖 時 3,200kW

容量 1,050m

3

容量 684m

3

蓄熱量 10,378kWh 蓄熱量 6,363kWh

容量 650m

3

容量 1020m

3

蓄熱量 6,424kWh 蓄熱量 9,488kWh

容量 2,000m

3

容量 696m

3

蓄熱量 19,767kWh 蓄熱量 6,474kWh

CT-2 冷温水槽 CT-3 冷温水槽 1

1 1

7.67 4.75

HEX-3,HEX-4 熱交換器冷水温水 2

2

3 R-A03,R-A04

-CT-A2

R-03 熱回収 ン

CT-A3

HEX-2 熱交換器冷水温水

CT-A1 CT-1 冷水槽

-定格 []

冷温水槽

-7.50

5.82

-冷水槽

-冷温水槽

-4.43

熱回収 ン

モ ュ ル構成

4.18

5.71 5.22 ン

5.00 5.09

仕様 R-01,R-02 ン

1 1

東地区 ム

西地区 ム

2

1

1 2 1

-

HEX-A3,HEX-A4,HEX-A5 熱交換器冷水温水

-仕様 定格 []

R-A01,R-A02

表2 対象シス 機器一 覧

条件

case0 融通し い

case1 夜間負荷を全 西地区 移行

case2 〃 東地区 移行

東地区 負荷 [kW]未満 場合 み西地区 移行 =

東地区 負荷 うち [kW]を常 西地区 移行 =

case5 東地区 負荷 うち最大融通 能熱量を常 西地区 移行

case3_A

※ [kW]未満 場合 全 負荷を西地区 移行

case4_B

表3 検討ケース 条件

47-3 条件等 建物間熱融通 入 要点 明

目的 い 近年 エネ

情勢 業務部門 省エネ 推進 肝要

あ 踏 え 業務施設 点 置い 論

本検討 熱融通 効果 影響 え 要素

建物間 距離 負荷 タ ン 違い びシス

性能 差 挙 い 検討 い 既

往 研 究 開 発 シ ュ シ ョ ン モ 活 用

表2 示 対象シス 共通 機器構成 想定 検討項目 従 各機器 仕

様値や入力値等 適宜変更

本稿 い 負荷 タ ン 違い シス 性

能 差 関 検討 取 以 詳述

5.2 検討結果

負 荷 タ ン 違 い 関 わ 検 討 行 う あ

建物規模 50,000m

2 _75,000m2 _100,000m2 ₃

種

類 建物用途 業務 商業 宿泊 3種類 想 定 負荷 タ ン 作成 際 空気調和

衛生工学会 定 用途別負荷変動比率 図3 び 図4 使用

3)

各 季節 設定 表5 示 あ 建物 在地 大阪市 都市環境エ

ネ 協 会 定 地 域 数 用 い 大 阪 市 熱

負荷原単 算出 表6 以 図3 図 4 び表6 値 負荷 タ ン 作成 表7 示 組 合わ ス検討 行 シ ュ シ

ョン 建物A 東地区シス 建物B 西地区シ

ス サ チン 適用 計算 規模 応

建物B 機器 定格値 変更

建物規模 違い 熱融通効果 整理 表8 示 色付 セ SCOP 向 率 各項目

い 最大 あ 表 表 規模差 大

い ほ 熱 融 通 効 果 高 い い う 傾 向 見 取

季節 代表日 取 両建物 挙動

析 全 ス 結果 6 傾向 類

熱融通 要点 図5 示 中 熱融通効果 大 い ス 特徴 一方 負

荷 全 移行 い 点 挙 主 負

荷需要 い 中間期 見 冷熱需要 温熱需要

生 場合 一方 負荷 寄 熱回 運

転 行う 高い効果 得 特 SCOP

向 建物A 負荷 移行 高い

COP 熱 回 ン 効 率 的 冷 温 熱

生産 足 負荷 性能 高いイ

ン タタ 冷凍機 処理 場合 あ

続い 負荷 タ ン 検討結果 踏 え シス

容 余剰 機器COP 差 いう2 観点 シス 性能 差 関 わ 検討 行 SCOP 向 率 CASE2_3 表8参照 取 機 器 定格値 変更 析 SCOP 最 大

く向 検討結果 抜粋 表9 示 検討条件 中間期 全 冷暖 負荷 移行

う連 ン 仕様値 変更 建物

0% 10% 20% 30% 40%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ₁0 ₁1 ₁2

冷 暖

0% 10% 20% 30% 40%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ₁0 ₁1 ₁2

冷 暖

0% 10% 20% 30% 40%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ₁0 ₁1 ₁2

冷 暖

0% 5% 10% 15% 20%

22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

夏期冷 中間期冷 冬期冷

夏期暖 中間期暖 冬期暖

0% 5% 10% 15% 20%

22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

夏期冷 中間期冷 冬期冷

夏期暖 中間期暖 冬期暖

0% 5% 10% 15% 20%

22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

夏期冷 中間期冷 冬期冷

夏期暖 中間期暖 冬期暖

[時] [時] [時]

図4 時刻別負 荷変動比率

(a) 業務 (b) 商業 (c) 宿 泊

(a) 業務 (b) 商業 (c) 宿 泊

図3 月別負荷 変動比率

延床面積[m

2_]

用途 延床面積[m

2_]

用途

CASE 1_1 100,000 業務 100,000 業務

CASE 1_2 100,000 業務 100,000 商業

CASE 1_3 100,000 業務 100,000 宿泊

CASE 2_1 100,000 業務 75,000 業務

CASE 2_2 100,000 業務 75,000 商業

CASE 2_3 100,000 業務 75,000 宿泊

CASE 3_1 100,000 業務 50,000 業務

CASE 3_2 100,000 業務 50,000 商業

CASE 3_3 100,000 業務 50,000 宿泊

建物 東モ ル 計算 建物 西モ ル 計算

表7 検討ケー ス一覧

季節 冬期 中間期 夏期 中間期 冬期

表5 季節 分 類

冷 [MJ㎡年] 暖 [MJ㎡年]

特大規模 m

2

以 432.30 158.40

大規模 m

2

～ m

2_{) 280.50 113.40}

中規模 m

2

～ m

2_{) 202.40 108.90}

小規模 m

2

未満 170.50 169.20

552.20 120.60

487.30 565.20

建物用途

年間熱負荷原単 大阪

事務

商業

宿泊

47-4 A シス 容 約1.2 倍 増や 熱源機器

COP 向 あ 条件 全 季

節 SCOP 大幅 向 シス 性

能 差 あ 建 物 間 熱 融 通 高 い 効 果 期

待 シス 容 余剰 比 機器COP

差 SCOP 向 寄 確認

5.3 建物間熱融通 導入効果

以 検 討 建 物 規 模 大 差 あ 場 合

両建物 熱源機器 COP 差 あ 場合 い 高い熱融通効果 得や い

負 荷 タ ン 検 討 効 果 高 く ス

い 一方 建物 高いCOP 機器

年間SCOP 大 く向 新

築 あ い 設 備 更 新 建 物 既 存 建 物 間

熱融通 非常 効 あ 対 新築建物

間 熱融通 負荷需要 い時期 一方

負 荷 全 移 行 連 ン 設 計

要 あ 本検討 数種類 用途 組

合わ 複合施設 考慮 入 い い 2 棟 規 模や用途別 負荷変動 注視 図5 照合

一定程度 効果 見込 熱融通 計画

見

6. わ に

本研究 大阪市 2 複合施設 対象 熱融通 関 検討結果 踏 え 様々 条件

建物 熱融 通 入効果 い 考察 制御や

シス 計画 要点 整理 検討条件 組 合

わ 方やシス 構成 蓄熱槽 無 費用対

効果 関 今後 検討 余地 あ

謝辞

本研究を進め あた 関西電力株式会社 株式会社日

建設計 および株式会社関電エネ ギーソ ューションの関係 者の皆様 協力を頂きました 記 して 謝 意 を表 しま す

参考文献

1) 山口奈津子：地域冷暖房施設 おけ 熱融通制御の省 エ ネ ギ ー 効 果 関 す 研 究 ， 九 州 大 学 建 築 学 科 成27 度卒業論文，2016 2月

2) 小 野 信 秀 ： 地 域 冷 暖 房 シ ス テ ム お け 効 率 的 熱 融 通 制 御 関 す 研 究 ， 九 州 大 学 大 学 院 人 間 環 境 学 府 空間システム専攻建築環境学コース 成 28 度修士 論文，2017 2月

3) 一般社団法人 都市環境エネ ギー協会： 地域冷暖房 技術手引書 改訂第4版 ，2013 11月

ム性能 差

case0 caseS 建物 ム容量を大 く

熱源機器 を向 さ

1.465 1.482 1.696

( - ) (1.14%) (8.54%)

1.571 1.593 1.828

( - ) (1.45%) (5.89%)

1.450 1.492 1.727

( - ) (2.91%) (15.52%)

1.327 1.344 1.510

( - ) (1.25%) (8.81%)

負荷 タ ン 違い

年間

向 率

夏期

向 率

中間期

向 率

冬期

向 率

検討条件

表9 CASE2_3に け シス 性能 検討結果

CASE CASE1_1 CASE2_1 CASE3_1 CASE1_2 CASE2_2 CASE3_2 CASE1_3 CASE2_3 CASE3_3

規模

(A)100,000m2

(B)100,000m2

(A)100,000m2

(B)75,000m2

(A)100,000m2

(B)50,000m2

(A)100,000m2

(B)100,000m2

(A)100,000m2

(B)75,000m2

(A)100,000m2

(B)50,000m2

(A)100,000m2

(B)100,000m2

(A)100,000m2

(B)75,000m2

(A)100,000m2

(B)50,000m2

用途

1.550 1.501 1.433 1.589 1.548 1.491 1.546 1.482 1.430 (2.23%) (2.75%) (2.08%) (2.16%) (2.59%) (4.10%) (1.55%) (1.14%) (5.14%)

1.635 1.600 1.566 1.642 1.603 1.566 1.636 1.593 1.558 (0.43%) (1.05%) (1.45%) (0.22%) (0.45%) (0.79%) (1.72%) (1.45%) (2.07%)

1.527 1.490 1.440 1.656 1.656 1.642 1.567 1.492 1.507 (11.59%) (15.25%) (16.10%) (6.11%) (9.86%) (17.51%) (1.37%) (2.91%) (18.86%)

1.349 1.295 1.144 1.428 1.363 1.251 1.429 1.344 1.197 (4.74%) (5.23%) (0.24%) (5.53%) (4.49%) (6.11%) (2.62%) (1.25%) (2.09%)

業務 業務 業務 商業 業務 宿泊

年間

冬期

向 率 向 率

夏期

向 率

中間期

向 率

表8 建物規模 違いに 熱融通効果 比較

大

規模差

季節

無

夏期冬期 中間期 異

小

季節

夏期冬期 中間期

時刻別負荷変動

時間帯

季節間 け

別負荷変動差

傾向 傾向 傾向 傾向 傾向 傾向

両建物 負荷 大 い為

特 夏期：8

冬期：1 負荷を移行し

運転状況 さほ 変わ

融通効果 小さい

性能 高い機器を高負

荷 運転さ 良い

負荷 小さい時期

ム容量 余裕 あ 為

高い融通効果を見込

但し 負荷 大小 注意

全 負荷を移行し 一方

ムを停止

能性 高い

負荷 小さい時期 長く

ム容量 一定程度

余裕 あ 為 比較的高い

融通効果を見込

全 負荷を移行し 一方

ムを停止

能性 高い

冷熱 建物A イン タ

タ 冷凍機 効率 ◎

…夏期： → 負荷を移行

温熱 建物B ン

効率 ◎

…冬期 → 負荷を移行

負荷 小さい時期

ム容量 余裕 あ 為

高い融通効果を見込

全 負荷を移行し 一方

ムを停止

能性 高い

負荷 タ ン 大 く異

為 負荷を移行 こ

一方 負荷 時間帯

運転を改善

季節 負荷を全

移行し 一方 ム

を停止 能性 あ

該当 検討

CASE1_1：夏期,冬期

CASE1_2：夏期,冬期

CASE1_3：夏期,冬期

CASE1_1：中間期

CASE1_2：中間期

CASE1_3：中間期

CASE2_1：夏期

CASE2_2：冬期

CASE3_1：夏期

CASE3_2：冬期

CASE2_1：冬期

CASE2_2：夏期

CASE3_1：冬期

CASE3_2：夏期

CASE2_1：中間期

CASE2_2：中間期

CASE3_1：中間期

CASE3_2：中間期

(CASE2_3：夏期,中間期,冬期)

CASE3_3：夏期,中間期,冬期