給湯器及び暖房機器の種類別ストック分布推計モデルに基づく温暖化対策効果のポテンシャル予測

全文

(1)A-16 給湯器及び暖房機器の種類別ストック分布推計モデルに基づく温暖化対策効果のポテンシャル予測 Prediction of global warming mitigation measure effects based on a stock distribution estimation model of water heating and space heating equipment 学生会員. ○黒川. 正会員. 松岡. 祐輔（大阪大学）綾子（大阪大学）. Yusuke KUROKAWA*1. 森國. 太朗（大阪大学）. 技術ﾌｪﾛｰ. 下田. 吉之（大阪大学）. Taro MORIKUNI*1. Ayako TANIGUCHI-MATSUOKA*1. *1. 非会員. Yoshiyuki SHIMODA*1. Osaka University. This research developed a regression model that estimates the stock distribution of the type of water heating and space heating equipment in Japan. Using the estimated stock distribution as an input condition, an energy use simulation model estimated CO2 reduction effects by global warming mitigation measures related to water heating and space heating. As a result, it was revealed that promotion of installing fuel cells in households that have great hot water demand such as large family are important to reduce CO2 effectively. In addition, installing room air conditioners in households having fuel cells contribute to CO2 reduction. 1．はじめに気候変動枠組条約第21回締約国会議に先立ち提出された日本の約束草案では、2030 年度における温室効果ガス排出量を 2013 年度比で 26%、とりわけ家庭部門では 39% 削減するという目標が立てられている 1 )。この削減目標達成に向けて家庭部門の温室効果ガス排出量のうち大きな割合を占めている給湯、暖房用途での対策が急務である。政府は地球温暖化対策計画 2 )で高効率給湯器の目標普及台数（潜熱回収型給湯器：2700 万台、ヒートポンプ給湯機（以下、HP 給湯機）：1400 万台、燃料電池：530 万台）を掲げており、温室効果ガス排出量を 6.17 [Mt-CO2] 削減できると見込んでいる。高効率給湯器導入による削減効果は導入世帯の世帯人数や地域によって大きく異なる。例えば、燃料電池や HP 給湯機では給湯使用の大きな世帯では効果が大きいが、単身世帯など給湯使用の少ない世帯では効果が小さい 3 )。高効率給湯器を削減効果の高い世帯に優先的に普及させていくことが削減目標達成に向け必要である。しかし現状として各世帯の給湯器保有状況と世帯属性の関係が把握できておらず、高効率給湯器が削減効果の大きい世帯へ導入される傾向にあるのか不明である。本研究では給湯器の普及傾向を把握し、高効率給湯器の多消費世帯への普及を促進するための課題. 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集｛2019.9.18 〜 20（札幌）｝第9巻. を明らかにする。また住宅の給湯システムと暖房システムの組み合わせにはある程度関係性がある。例えば，HP 給湯機を導入する場合は、住宅全体がオール電化となり、暖房機器も電気熱源となる。したがって、高効率給湯器の大規模な普及に伴う暖房機器ストックの変化によって暖房用途の温室効果ガス排出量も変化すると考えられる。本研究では、アンケート結果を基に世帯属性、給湯器種類、暖房機器種類の関係を分析し、給湯器及び暖房機器の種類別ストック分布推計モデル（住宅設備決定モデル）を開発する。これを用いて推計した住宅設備ストック分布を入力条件とし、家庭部門エネルギーエンドユースモデル 4 )により 2030 年温室効果ガス排出量を推計する。そして温暖化対策削減ポテンシャルの予測を行うことにより、効果的な温室効果ガス削減に向けた高効率給湯器、暖房機器普及方策の議論に資することを本論文の目的とする。 2．アンケート分析による住宅設備決定モデルの開発住宅設備決定モデルの開発には給湯器・暖房機器に関する WEB アンケート調査 5 )を用いる。アンケート項目としては、住宅居住者の年齢や性別、人数等の世帯属性及び保有する機器の台数や大きさ、種類などがある。本研究 -69-.

(2) 𝑝0：基準カテゴリーをとる確率，𝑝𝑖：カテゴリーi をとる確率， x：説明変数，n：説明変数の数. 目的変数は各世帯の給湯器と居間、その他の部屋の暖房機器である。説明変数はアンケート調査によって得られた世帯情報のうち、設備決定に影響を及ぼす世帯情報である。説明変数を選択する際は多重共線性を考慮して、統計的指標であるクラメールの連関係数を使用することにより説明変数同士の相関を確認した。本モデルは最初に住宅がオール電化か否かを判定するモデルを構築し、続いて世帯情報とオール電化か否かを説明変数の 1 つとして、各世帯の給湯器種類決定モデルを構築した。それと同様に居間とその他の部屋の暖房機器の種類決定モデルを構築した。本モデルのフロー図を図 1 に示す。選択された説明変数を目的変数が給湯器と居間の暖房機器の場合について表 1 に示す。表 1 選択された説明変数目的変数. 説明変数として投入. その他の世帯情報. ＋. ②給湯器種類推計モデル説明変数として投入. ＋. その他の世帯情報. ③居間の暖房機器種類推計モデル説明変数として投入. ＋. 給湯器省エネ基準地域区分. 説明変数として投入. その他の世帯情報. ③その他の部屋暖房機器種類推計モデル. 図 1 住宅設備決定モデル. 都市ガスの有無建て方・所有説明変数建築時期世帯人数オール電化か否か世帯年収目的変数. 建築省エネ基準. 省エネ基準地域_8 省エネ基準地域_5.6.7 省エネ基準地域_3.4 省エネ基準地域_1.2 2011年以降 2010年以前世帯人数_5人以上世帯人数_4人世帯人数_3人世帯人数_1.2人 0%. α1 , ⋯ , 𝛼𝑖−1 ：定数項, β1 , ⋯ , 𝛽𝑛 ：回帰係数. ①オール電化か否かの決定. 世帯人数時期地域区分. では多項ロジスティック回帰分析によりモデルを構築する。多項ロジスティック回帰分析の回帰式を式 (1)に示す。 i は目的変数のカテゴリー数である．この式から各目的変数のカテゴリーをとる確率pを導出する。 𝑝𝑖 ln ( ) = 𝛼𝑖 + 𝛽𝑖1 𝑥1 + ⋯ + 𝛽𝑖𝑛 𝑥𝑛 (1) 𝑝0. 居間暖房機器. 20%. 40%. 従来型燃焼式ガス. 燃料電池. 電気温水器. 潜熱回収型ガス. 潜熱回収型石油. HP給湯機. 60%. 80%. 100%. 従来型燃焼式石油. 図 2 給湯器と各説明変数の関係電気温水器従来型燃焼式石油 HP給湯機燃料電池潜熱回収ガス給従来型燃焼式ガス 0%. エアコン石油ストーブ. 20%. 40%. 60%. 電気ストーブガス温水床暖房. 80%. 100%. ガスストーブその他. 図 3 暖房機器と各説明変数の関係. 省エネ基準地域 1、2 といった寒冷地では従来型燃焼式石油の確率が高く、建築時期では 2011 年以降で潜熱回収型ガスの確率が高い。また世帯人数が多いほど HP 給湯機の確率が大きくなることがわかる。これらから、寒冷地や建築時期が古い建物で高効率給湯器が普及しにくい傾向があることが明らかとなった。また図 3 から給湯器に使用される二次エネルギー源と同じ 2 次エネルギー源の暖房機器を使用する世帯が多いことがわかった。また燃料電池を所有する家庭ではガス温水床暖房の保有率が高いことが明らかとなった。. 省エネ基準地域区分建て方. 3．ケーススタディによる 2030 年 GHG 削減政策の評価開発した住宅設備決定モデルを用いて全国世帯の給湯器及び暖房機器のストックを推計し、それを家庭部門エネルギーエンドユースモデル（以下、家庭モデル）2 ) の入力条件の作成に用いて 2030 年度の CO2 排出量の推計を行った。家庭モデルでは都道府県ごとに算出したエネルギー消費量を合計することで日本全国の家庭部門エネルギー消費量を推計する。そして算出した電気、ガス、灯油のエネルギー消費量に、それぞれの CO2 排出係数（表 2）を乗じることにより CO2 排出量を算出した。なお燃料電池による発電分の CO2 排出量導出時のみ 2030 年火力平均係数を使用した。. 建築時期説明変数世帯年収未就学児給湯器. フロー図. なお本モデルに対して、ホスマー・レメショウ検定を適用し、目的変数の全カテゴリーに対して、p 値が有意確率を越えたため、モデルの精度は良いといえる。給湯器種類推計モデルにより算出された確率を、説明変数のカテゴリーごとに図 2 に、居間の暖房機器種類推計モデルにより算出された確率を給湯器種類ごとに図 3 に示す。また本研究では、従来型給湯器は燃焼式ガス、燃焼式石油、電気温水器の 3 種類、燃料電池は PEFC と SOFC の 2 種類、潜熱回収型給湯器は潜熱回収ガス、潜熱回収石油の 2 種類と定義している。. 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集｛2019.9.18 〜 20（札幌）｝. 表 2 エネルギー源別 CO2 排出量. -70-. エネルギー源. 電気. 電気（2030年火力平均）. CO2排出係数. 0.37[kg-CO2/kWh]. 0.66[kg-CO2/kWh]. エネルギー源. ガス. 灯油. CO2排出係数. 54.6[kg-CO2/GJ]. 68.6[kg-CO2/GJ].

(3) 2030 年家庭部門での目標削減量の達成に向けて給湯、暖房用途での対策について考察するため、家庭モデルの入力条件である各世帯の給湯器種類と暖房機器種類を変更した 3 つのケース（目標到達ケース、給湯器対策ケース、暖房機器対策ケース）で CO2 排出量を推計する。各ケースについて以下に記す。 3.1 目標到達ケース目標到達ケースは後述する給湯器対策ケース、暖房機器対策ケースと温室効果ガス排出量を比較し、対策の重要性を評価するためのものである。本ケースでは高効率給湯器を世帯の給湯消費特性を考慮せずに、現在の普及傾向通り、政府の地球温暖化対策計画での目標台数だけ普及されることを想定した。さらにそれによる暖房機器のストック変化を考慮した。各世帯の給湯器種類は住宅設備決定モデルで算出した確率に基づき、地球温暖化対策計画に記載の普及台数目標に整合するようにサンプリングすることで決定した。暖房機器種類も同様に住宅設備決定モデルで算出した確率を用いてストック分布を決定した。給湯器及び暖房機器のストック分布は後述の給湯器対策ケース、暖房機器対策ケースにおいて示す。. 上記のように給湯器を配分した給湯器対策ケースと 3.1 で記載した目標到達ケースにおける世帯人数別給湯器ストック分布及び地域別給湯器ストック分布をそれぞれ図 4、図 5 に示す。なお燃料電池 2 種類の割合は PEFC が約 83%、SOFC が約 17%となった。従来型給湯器. 潜熱回収型給湯器. HP給湯機. 燃料電池. 100%. -71-. 世帯数割合. 80% 60%. 40% 20%. 0%. 1人 2人 3人 4人 5人 6人. 1人 2人 3人 4人 5人 6人. 図 4 世帯人数別給湯器ストック分布（左目標到達ケース、右給湯器対策ケース）従来型給湯器. 潜熱回収型給湯器. HP給湯機. 燃料電池. 100% 80%. 世帯数割合. 60% 40% 20%. 北海道東北関東中部近畿中国四国九州. 0%. 北海道東北関東中部近畿中国四国九州. 3.2 給湯器対策ケース給湯器対策ケースでは高効率給湯器を削減効果の高い世帯に優先的に普及させ、高効率給湯器を最適な世帯へ導入することの重要性を示す。なお、2030 年度における世帯数は約 5123 万世帯であり、高効率給湯器の目標台数の合計が 4630 万台であるから、約 493 万世帯は従来型給湯器を保有していることになる。本ケースでは CO2 排出削減効果が最大となるように配分させるために、まず CO2 排出量が小さい世帯順に従来型給湯器を配分した。次に世帯間で削減効果にばらつきが多く、また削減効果が大きい順（燃料電池、HP 給湯機、潜熱回収型給湯器）に配分することで効果が最大になるように配分した。以下に配分方法の詳細を示す。 ( 1 ) 従来型ガス給湯器の配分従来型ガス給湯器を使用した場合の CO2 排出量を全世帯分推計し、CO2 排出量が小さい世帯から順に配分していく。 ( 2 ) 燃料電池の配分燃料電池 2 種類( PEFC、SOFC )をそれぞれ使用した場合の CO2 排出量を全世帯分推計し、CO2 排出量が小さい方の燃料電池を世帯ごと決定する。そして( 1 )で選択された世帯を除き、選択された燃料電池を導入した時の CO2 排出削減効果（従来型ガス給湯器基準）が大きい世帯から順に目標台数分配分していく。この時オール電化世帯空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集｛2019.9.18 〜 20（札幌）｝. が燃料電池導入世帯に選ばれた場合、その世帯は除外する。 ( 3 ) HP 給湯機の配分 ( 1 )、( 2 )で選択された世帯を除くオール電化の世帯に HP 給湯機を配分する。そして残りの世帯で HP 給湯機を導入した時の CO2 排出削減効果（従来型ガス給湯器基準）が大きい世帯から順に目標台数分配分していく。 ( 4 ) 潜熱回収型給湯器の配分 ( 1 )、( 2 )、( 3 )で選択された世帯以外の世帯に潜熱回収型給湯器を配分していく。. 図 5 地域別給湯器ストック分布（左目標到達ケース、右給湯器対策ケース）. 図 4 から HP 給湯機の普及率が世帯人数が多くなるほど高まる点は両ケースで共通であるが、燃料電池の普及率が目標到達ケースでは世帯人数別で一定であり給湯器対策ケースと傾向が異なる。これは現状の普及傾向のまま目標台数分燃料電池が普及するより世帯人数の多い世帯ほど燃料電池の導入率が高まるように普及させる方が、.

(4) 削減効果が大きくなることを示している。従来型給湯器の保有率で比較すると目標到達ケースでは給湯器対策ケースより多人数世帯で従来型給湯器を保有している割合が大きい。多人数世帯の従来型給湯器を優先的に燃料電池や HP 給湯機にすべきであることが明らかとなった。図 5 から、給湯器対策ケースでは燃料電池や HP 給湯機が北海道、東北、中部地方で普及率が比較的高いことが明らかとなった。これは寒冷地で給湯需要が大きくなり、削減効果の大きい給湯器が優先的に導入されたことが考えられる。逆に目標到達ケースでは寒冷の地域で HP 給湯機の導入率が小さく、燃料電池はどの地域も一定の普及率であり、現状の普及傾向のままでは高効率給湯器の普及が効果的な温室効果ガス削減に寄与するとは言い難いことが明らかとなった。 CO2 排出量は目標到達ケース、給湯器対策ケースでそれぞれ約 128 [Mt-CO2]、約 111 [Mt-CO2]となり、高効率給湯器の世帯配分を工夫することで約 17 [Mt-CO2]の削減効果が得られた。以上から高効率給湯器を普及させる世帯を変化させることで削減効果に大きな差が生じることが明らかとなり、給湯需要に大きく影響を与える世帯属性に基づき配分方法を工夫させることが効果的に CO2 排出量を削減させるために重要であることが示された。 3.3 暖房機器対策ケース高効率給湯器の普及に伴う暖房機器のストック変化による暖房用途での温室効果ガス排出量の増加を想定し、対策を講じた場合の削減ポテンシャルを評価する。燃料電池が大量に普及すると同熱源を使用するガス温水床暖房とガスストーブの保有率が高まる可能性がある。ガス床暖房とガスストーブは暖房機器の中でもエネルギー消費量が多く、2030 年の目標台数分高効率給湯器が導入されると暖房用途で CO2 排出量が増加する可能性がある。そこで、燃料電池はエアコンと組み合わせるのが最も省エネルギーであるという森國ら 6 )の知見に基づき、燃料電池導入世帯の暖房機器をエアコンに変更し、CO2 排出量推計を行った。暖房対策ケースの普及率を図 6 に示す。エアコン. ガスストーブ. 電気ストーブ. ガス温水床暖房. 石油ストーブ. その他. おける給湯、暖房用途の CO2 排出量を図 7 に示す。給湯. 20%. 40%. 60%. 80%. 40.0. 60.0. 80.0. 参考文献 1) 2). 地球温暖化対策推進本部；日本の約束草案，2015 年 7 月環境省；地球温暖化対策計画，2016 年 5 月. 3). 松岡綾子，他 4 名；長期エネルギー需給見通しにおける家庭部門 CO2 排出量削減見込み量の検証，日本建築学会環境系論文集第 84 巻, No.757, 2019 下田吉之他；;家庭用エネルギーエンドユースモデルを用いた我が国民生家庭部門の温室効果ガス削減ポテンシャル予測，エネルギー・資源，30-3（2009）, 1-9 松岡綾子，他 3 名；アンケート調査における給湯器種類の正答率に関する分析，第 35 回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集, 2019 森國太朗，他 3 名；世帯の需要特性に応じた給湯および暖房システムの最適組み合わせの提案，第 34 回エネルギーシステム・経済・環境コンファレンス講演論文集, 553-558, 2018. 6). -72-. 20.0. 4. まとめ住宅設備決定モデルから、燃料電池が普及することで温室効果ガス排出量が比較的多いガス熱源の暖房機器の普及拡大が示唆された。また高効率給湯器を削減効果の高い世帯に、優先的に目標台数分導入した場合と無対策に目標台数分導入した場合では、CO2 排出量に約 17 [Mt-CO2]の差が生じ、さらに燃料電池導入世帯が保有する暖房機器をエアコンにすることで、約 0.6 [MtCO2]の削減ポテンシャルがあることが明らかとなった。今後の課題としては市場の変化や政策等で給湯器や暖房機器の普及傾向が変化した場合の将来推計や、地球温暖化対策計画の目標台数に縛られないより効果的な高効率給湯器普及ケースの検討が挙げられる。. 暖房機器ストック分布. 空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集｛2019.9.18 〜 20（札幌）｝. 0. 給湯、暖房用途での CO2 排出量は発電量を差し引くと目標到達ケースで約 60.5 [Mt-CO2]、暖房対策ケースで約 59.6 [Mt-CO2]となり、約 188 万世帯に燃料電池とエアコンを併用させることによる CO2 削減ポテンシャルは約 0.9 [Mt-CO2]であることがわかった。これは政府試算で高効率給湯器を目標台数導入することによる温室効果ガス削減量 6.17 [Mt-CO2]の約 15%にあたる。高効率給湯器の導入に伴い普及拡大する可能性のある CO2 排出量の多い暖房機器の普及を抑制することは、効果的に CO 排出量を削減する上で非常に重要であると考えられる。. 5). 暖房機器対策ケースでは目標到達ケースと比較して、約 188 万の燃料電池保有世帯の暖房機器をエアコンに変更することとなった。目標到達ケース、暖房対策ケースに. 60.5. 図 7 各ケースにおける給湯、暖房用途の CO2 排出量. 100%. 図 6 暖房機器対策ケース、目標到達ケースにおける. 59.6. CO2排出量[Mt-CO2]. 4) 0%. 発電量. 目標到達ケース -20.0. 電気ヒータ式床暖房. 暖房機器対策ケース目標到達ケース. 暖房. 暖房機器対策ケース.

(5)