産業用熱源システムの省エネ・省コスト技術の有効性検証 [ PDF

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(1)産業用熱源システムの省エネ・省コスト技術の有効性検証. 宋永学 1．はじめに近年の環境問題に関連して、空調システムにおける省エネルギーや環境負荷低減を実現する高効率技術の. 500. 開発が緊急の課題になっている。従来の空調システム. 400. の研究においては、オフィスビルや商業施設を対象と. 300. することが多く、産業用施設を対象とすることは稀であったが、今回、幸いにもその貴重かつ詳細な実測デ. *STU. 600. V)TU. WXTU. 200 (00. ータを入手する機会を得た。本研究は、産業用施設に導入された熱源システムの. 0 (965. 省エネ・省コスト技術の有効性と、その設計から運用. 69. 73. 77. 8(. 85. 89. 93. 97. 図 1．過去 30 年間エネルギー消費推移. に至るまでのシステム性能評価および将来的な運用方法について、実測データ及びシステムシミュレーショ. 後は民生部門と運輪部門がほぼ二分している（民生部. ンにより明らかにすることを目的とする。本稿では、. 門は事務用と家庭用を含む）。産業用エネルギー消費の. 研究の初期段階として、本システムに導入された高効. 伸びに関して、1973 年からは大きいな変化が見られな. 率化技術について概説し、実測データとシミュレーシ. いが、現在でも全体エネルギー消費の中で上位を占め. ョンによりシステム性能について検討した。. ていることが分かる。. 2．空調システムの概要. 3．熱源システム概要及び高効率化技術. 産業用空調とは、室内において生産または格納され. 本研究の対象建物は、2001 年 9 月末（氷蓄熱槽周り. る物品、あるいは室内で運転している機械に対して、. は 10 月末）に竣工され、熊本県菊池郡に位置されてい. 最も適当な室内条件を維持し、副次的には室内人員の. る IT 産業用の映像デバイス生産工場である（以下、熊. 快適性を維持も目的とする。各種工場・倉庫・電話局、. 本 TEC）。. または電算機室の空調はこれに属する。. 3.1. 設備概要. 生産工場などの産業空調では材料や製品の品質を確. 本システムは 24 時間、365 日運転され、主にターボ. 保するための温湿度条件とその制御性が作業者の快適. 冷凍機、スクリュー冷凍機、冷却塔、氷蓄熱槽で構成. 性より優先される。図 1 に日本の過去 30 年間のエネル. されていて、省エネを図るためのいくつかの高効率化. ギー消費量推移を示す。全体の値の中で産業用が半分、. 技術が導入されている。図 2 にシステム系統図を示す。 3.2. ;JR 2(234567(4.(MW8. 統合型冷却塔. 従来型システムにおいては冷凍機と冷却塔は 1 対 1 の関係であるが、熊本 TEC では冷却塔及び冷却水系統. LMN. (22345677.0MW8. を全体統合することにより、外気冷却限界までの低温冷却水を製造することを目的. (22345677.0MW8 )*+,)*+,. /01+. 9#:;<=6(.4MW>[email protected]>6?8. )*;J/' KHEX>3. としている。冷却塔は 3 系統（12 セル系統×2，21 セル系統×1）で構成されており、外気冷却限界までの低温冷却水. )*+,-. GH'HEX62.3MW8. !"#$#"%&'HEX((.8MW). )*+,. /01+. ;/2OP%Q>6? IE'HEX62.6MW8. )*;J/' KHEX>3. を製造し、各熱源に最適な冷却水温度で送水する。図 3 に熊本 TEC で採用したターボ冷凍機及びスクリュー冷凍機. A$"B#;<= 60.8MW>2?8. の冷却水入口温度別の性能曲線（冷凍能力 100％）を CDEF628.5GJ>2?8. 図 2．システム系統図 33-1. 示す。.

(2) (0. 3.3. 7];/(9#:). 冷水フリークーリング. 本システムには熱源 COP を向上させるため、生産棟からの還冷水が熱源に入る前に、冷却塔冷却水との熱冷水フリークーリングを行う条件は、冷却塔冷却水出. 8. ^_`%a5]6A$"B#8 ^_`%a8]6A$"B#8. 口温度が 13℃以下になった場合とする。熱交換器用冷水ポンプ制御はオン-オフのみとする。 3.4. 5]^_`%6A$"B#8. 7. COP. 交換を行う冷水フリークーリングが採用されている。. 9. 6 5 4 3. ターボ冷凍機. 2. ターボ冷凍機の運転順序方法を表 1 に示す。ターボ. (0. (5. 冷凍機では、季節による負荷変動に対応するため、送. 等分するのではなく、ベース機以外の冷凍機でまず処理を行い（全負荷運転）、残りの負荷をベース機で処理する。表 2 に季節ごとのベース機送水基準温度を示す。また、図 4 ターボ冷凍機冷水出口温度別の入力特性を示す（冷凍能力 100％の場合）。出口温度が高いほどよ. 9#:=i}v (v 2v 3v 4v 5v 6v =i~c 400RT (200RT 8000wx 7 8 ( 2 3 4 6800wx 6 7 ( 2 3 4 6 ( 2 3 4 9#: 5600wx 5 W{ 4400wx 4 5 ( 2 3 > |} 3200wx 3 4 ( 2 > > 2000wx 2 3 ( > > > 800wx ( 2 > > > > >. り小さい入力で同じ能力を発揮することが分かる。. 35. 7v 8v 5 6 5 > > > > > > > > > > > yzW{. (04. 氷蓄熱槽. 外融式カプセル蓄熱材を利用した氷蓄熱システムにはスクリュー冷凍機が用いられる。過蓄熱運転は休日の割安な電力料金を利用した蓄熱運転方法である。電力会社との契約形態により、休日に使用する分に関し. Ycde6f8. 3.5. 30. 表 1．ターボ冷凍機運転順番. ース機を 1 台設定し、他の冷凍機の冷水出口温度をベわち、ターボ冷凍機で処理する負荷を全ての冷凍機で. 25. 図 3．熱源の性能曲線. 水温度の設定切替を行い、複数台運転をする場合、ベース機のそれより 1℃下げた状態で運転を行う。すな. 20. ;J/YZ[\6]8. (00 96 92. ては全て夜間電力料金が適用される。通常蓄熱に比べ、蓄熱時間の延長によって氷蓄熱槽の蓄熱容量が増加し、. 88 5. 電力夜間移行率の向上が可能になる。放熱運転には、高負荷放熱運転と低負荷放熱運転の 2. 7 9 9#:;<=;/bZ[\6]8. ((. 図 4．ターボ冷凍機冷水製造温度と入力の関係. 種類があり、氷蓄熱槽に蓄えた熱量を、放熱用熱交換表 2．冷水切替運転モード. 器を介して生産棟へ供給する。高負荷放熱運転は、夏季のピークシフトを目的とし、ターボ冷凍機の増･減段によって生じる部分負荷を氷蓄熱槽からの放熱でまかなう可変放熱を行う。これに. [\ j/[\kl 6mh,noh8 j/[\kl 6gh8. =i pq6r#A=8 r#A=st pq6r#A=8 r#A=st. j/pu[\ 7] 6] 9] 8]. より、ターボ冷凍機部分負荷運転防止による高効率化及び増・減段時の送水温度安定化を図る。高負荷放熱. 4．実測結果及び考察 2002 年 4 月∼12 月に測定されたデータを基に熱源. 時間帯はピーク時間帯を含めた前後の時間とする。低負荷放熱運転は、中間季・冬季の低負荷時に対応. やシステム性能評価を行なう。この時期において追掛. するものである。放熱時間帯において、氷蓄熱槽から. 運転と冷水フリークーリングは行なわれていない。図 5. の放熱をターボ冷凍機台数制御のベースに組み入れ、. に 2 次側負荷変動を、図 6 に熱源の部分負荷比を、図. 放熱が行われる 8 時∼22 時までの 14 時間の間に一定. 7 に熱源及びシステム COP を示す。2002 年の 4 月∼6. な熱量を生産棟に供給する。. 月におけるターボ冷凍機の部分負荷率比は 0.7 前後に、. また、スクリュー冷凍機は蓄熱時間帯以外で 7℃の. 7 月∼9 月の夏季においては 0.8 前後の値を示している。. 冷水を作る際に、スクリュー冷凍機の COP がターボ冷. 2 次側負荷の増大によってターボ冷凍機の部分負荷比. 凍機のそれより高効率と判断される場合にはスクリュ. が変わるが、10 月以降からは負荷の減少より大幅に部. ー冷凍機による追掛運転を行う。. 分負荷率比が落ちている運転を示している。 33-2.

(3) 表 3．シミュレーション CASE 分け UŠ. 2O‡•‚[Mcal]. 6000 5000 4000 3000. CASE(. 2000 (000 0 4•. 5•. (.2. 6•. CASE2. 7•. 8• 9• (0• ((• (2• 2002€ 図 5．2 次側負荷変動. 9#:;<=. CASE3. A$"B#;<=. CASE4. TU•‚ƒ. (.0 0.8. CASE5. 0.6 CASE6. 0.4 0.2 4•. 5•. 6•. 7•. 8•. 9• (0• ((• (2•. CASE7. 2002€. ÂÃÄÅ A$"B#;<=Ž'••‘oDEW{Ž’“” •–—•‚IEW{Ž’” 9#:;<=§;/bZ[\kl¸Žr#A=7]ž º»st§=6] ÀÁEˆ ˜™;JRš›œ•ž;J/bZkl[\Ž32]œŸ GHW{Ž’¡“• ¢£¤9#:,A$"B#;<=Ž'• !"#$#"%&W{Ž’¡“• 2O‡•‚Ž¥¦§;<=¨ƒ©ªUŸ 6TU•‚W{8 ;JRŽ5«•žj/[\¬-®¨§•[;J/Ž¯ 5«¤ ;JR s°CASE(œ±² ;JR;J/bZ[\¼Æ¿ž ;/!"# ;/!"#$#"%&ŽÇÈŸ $#"%& s°CASE2œ±² 32];J/³'´COP5.99§—µ¶9#:;<=Ž·' —µ¶ 32];J/³'´COP3.04§—µ¶A$"B#;<=·' ;<= s°CASE3œ±² ;JR;J/bZ[\¼Æ¿žA$"B#;<=§GHW{ ŽÇÈŸ GHW{ s°CASE4œ±² 9#:;<=§;/bZ[\kl¸Ž 4¹(0• yr#A=7]žº»st§=6]¼kl ;/j/ [\ÏÐ ((¹3• yr#A=9]žº»st§=8]¼kl s°CASE5œ±² r#A=ÉÊ 2O‡•‚Žr#A=st¨®½01Ž•6¥•‚W{8ž ËÌ6Íu ¾¿§•‚Žr#A=¨01Ÿ 6TU•‚W{8 TECŽÎl8 s°CASE6œ±² ‹YŒ•. CASE1∼7 を設定した。CASE1 は高効率化技術を導. 図 6．熱源の部分負荷比. 入しない従来型熱源システムであり、CASE2 から順次 „A…†COP. 9#:;<=COP. 高効率化技術の要素を取り入れ、最終的には CASE7. A$"B#;<=COP. が当該システムと一致する。表 3 に検討 CASE 一覧を. 7.0. 示す。今回電力料金比の計算には基本料金を除く料金. COP. 6.0. 単価であり、一般的な産業用季時別電力料金体系を使. 5.0. 用した。. 4.0. 5.2. 設計時想定負荷を用いた計算. 設計時想定した 2 次側負荷と拡張アメダス（菊池）. 3.0. 標準年外気気象データを入力し、計算を行なった結果. 2.0. を図 8 に示す。. (.0 4•. 5•. 6•. 7•. 8• 9• 2002€. (0•. ((•. (2•. 図 7．熱源及びシステム COP. これはターボ冷凍機の運転方法が秋においても夏モードで作動されているためだと考えられる。このようなターボ冷凍機運転の不具合により、10 月からのターボ冷凍機の COP が大幅に落ち、その結果システム全体の低 COP に影響を与えている。. GWh 40 35 30 25 20 (5 (0 5 0. しかし、スクリュー冷凍機の場合は夜間蓄熱運転を行なう際、全負荷運転で稼働されるため、季節による部. (.0. 分負荷比の変動はほとんど見られない。その代わり、. 0.8. スクリュー冷凍機冷却水入口温度変化により中間季に. 0.6. は 4.5 前後を、夏季には 3 程度の COP を示している。 5．シミュレーションによる計算結果及び考察 5.1. Eˆ. P%Q. !‰%. case( case2 case3 case4 case5 case6 case7. Eˆ. P%Q. !‰%. 0.4 0.2. 計算 CASE. 0.0. 導入した高効率化技術の有効性を確認するために 33-3. case( case2 case3 case4 case5 case6 case7. 図 8．年間エネルギー消費量・電力料金比（設計負荷）.

(4) CASE1 では個別冷却塔方式が採用されている。冷却. を採用した CASE4 は 32℃の冷却水利用時、COP6.0. 塔冷却水出口温度を 32℃とし、それ以下になるとファ. のターボ冷凍機と COP3.0 のスクリュー冷凍機を採用. ンの停止を行ったため、ファン電力が他の CASE に比. した。その結果、熱源全体は前 CASE と比べ 7.6％削. べ極端に少なくなっているが、冷凍機へ入る冷却水温. 減することができ、熱源 COP が 6.05 となった。. 度が高くなるため熱源 COP が低くなり、システム COP. また、ベース機容量制御で部分負荷運転を抑制し、全負荷運転を行なった CASE７は熱源 COP が 6.77、. は検討 CASE の中で最低の結果となった。. システムが COP4.31 となり、検討 CASE で最も高い. CASE2 は統合型冷却塔により、この CASE 以降のファン電力量は CASE1 に比べ大きな値となっている. 値を示した。. が、冬季及び中間季に低温冷却水が得られたため、. 5.3. 実測負荷を用いた計算. CASE1 に比べ熱源のエネルギー消費量を 17％削減で. 熊本 TEC の 2002 年の 2 次側の発生負荷は設計時に. き、熱源 COP が 0.85 向上した。高効率ターボ冷凍機. 比べ、非常に小さかったため、低負荷運転における省. GWh. Eˆ. P%Q. エネ・省コスト効果を確かめるため、実測負荷及び外. !‰%. 気気象を入力とし、1 分間隔で計算を行なった。ただ. (6 (4 (2 (0 8 6 4 2 0. し、5､6 月は外気気象データが欠損だったため、今回の計算には反映していない。図 9 に年間エネルギー消費量及び電力料金比を示す。設計負荷計算と比べ、エネルギー消費量の削減分の割合はあまり変わらないが、 COP 面では全体的に落ちている。これは、負荷が小さく、システム全体が部分負荷運転になっているためだ. case( case2 case3 case4 case5 case6 case7. Eˆ. (.0. P%Q. と考えられる。. !‰%. 5.4. 将来運転提案. 0.8. 将来運転提案をするため、caseA∼F までの 6 つのパ. 0.6. ターンについて計算を行なった。条件は前節と同様で. 0.4. ある。現在熊本 TEC のターボ冷凍機運転は不具合であるため、マニュアル通りの運転や熱源の処理負荷を抑. 0.2. えるための冷水フリークーリング及び追掛運転の有無、. 0.0. case( case2 case3 case4 case5 case6 case7. また低負荷放熱運転時の放熱量の変化等について計算. 図 9．年間エネルギー消費量・電力料金比（実測負荷）. を行なった。図 10 に計算結果を、表 4 に検討 CASE を示す。. GWh (8 (6 (4 (2 (0 8 6 4 2 0 (.6 (.4 (.2 (.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0. Eˆ. P%Q. 表 4．将来運転検討 CASE. !‰% W{šÑ. caseA caseB caseC caseD caseE caseF. 9#:;<=ÒÓBÔ3W{. Õ. >. Õ. Õ. Õ. Õ. ;/!"#$#"%&W{. Õ. >. >. >. >. >. GHW{. Õ. >. Õ. Õ. >. >. IEW{šÑÖ×. >. >. >. Õ. Õ. >. 現在、発生する負荷下ではマニュアル通りのターボ冷凍機運用、冷水フリークーリング及び追掛運転をしない caseF の場合、最も良い結果ができた。. caseA caseB caseC caseD caseE caseF Eˆ. P%Q. 6．まとめ. !‰%. 本研究では、熱源システムの省エネ・省コストを図るため導入された技術の説明、及びまた実測結果による性能評価を行なった。また、シミュレーションより、エネルギー消費量に関しては高負荷と低負荷に関わらず同じような 25％程度の削減効果ができた。また、現時負荷下での将来運転提案の場合は、冷水フリークー caseA caseB caseC caseD caseE caseF. リング及び追掛運転等を行なわない場合が、最も経済. 図 10．年間エネルギー消費量・電力料金比（将来運転） 33-4. 性があると判明された。.

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