熱源システムシミュレーションを用いた新聞印刷工場における
コミッショニングと省エネルギー効果実証
EXPERIMENTAL PROOF OF ENERGY SAVING EFFECT BY COMMISSIONING USING
HEAT SOURCE SYSTEM SIMULATION FOR A NEWSPAPER PRINTING FACTORY
久保木 真俊
＊１，富 樫 英 介
＊２，牛 尾 智 秋
＊１，田 辺 新 一
＊３Masatoshi KUBOKI, Eisuke TOGASHI, Tomoaki USHIO
and Shin-ichi TANABE
In recent years, commissioning (Cx) is attracting attention as the key process for energy saving during building operation phase. This research is particularly focused on Cx in high energy-consuming building defined by the Law concerning the Rational Use of Energy. For better efficient operation, heat source system simulation is developed and considered about the combination of heating source equipments, cooling water temperature and capacity usage ratio of free cooling. The quantity control is changed when low cooling load arises in transitional season and free cooling utilization increases for the proper setting of chilled water temperature in winter. As this improvement plan is reflected the actual building operation, it can reduce the energy consumption by 219.7 MJ/(m2･year), running cost by 2,339,000 yen/year and carbon-dioxide emissions by 8.7 kg-CO
2/(m2･year), compared to
the present heat source system operation. It is shown that the necessary of Cx for global environment conservation in this research. １．はじめに 建築設備における適切な省エネルギー実現のため，コミッショニ ングと総称される設備性能検証の重要性が認識され始めている1）。 コミッショニングは，建築設備が期待性能を維持し，かつ使用者の ニーズに応じた運用が適切に実施されることを確認し，必要に応じ 改善案を提示する過程と定義される。 コミッショニングへの関心は国内外で高まりつつある。2005年に は省エネルギー性，費用対効果の検証を目的とし国際エネルギー機 関（IEA）内に Annex47が設置された2）。日本国内では空気調和・衛 生工学会内にコミッショニング委員会が採択され，ライフサイクル に亘るコミッショニングを理想形とする，省エネルギーと環境最適 化・業務効率化に重点を置いた性能検証過程指針が報告されている。 一方，既往研究では，空気調和設備（以下空調設備）における適 切なメンテナンスが実施されないことによる機器性能低下や負荷の 変化に対応していない過剰な能力での運転が設備運用の非効率化を 生む大きな要因となることが報告されている3）。 近年の空調設備に関しては，システムシミュレーションを用いた より高度な性能改善方法が提案されている。 小野ら4）は既設のテナントビルの熱源システムにおいて最適な熱 源組み合わせを導き出し，頻繁な起動停止を，選択解より除外する ような実現可能性についても言及している。一方，新宮ら5）は既設 地域冷暖房システムについて，熱源システムモデル構築し，システ ム効率が最大となる冷却水温度の最適値を導き出している。同様に 近藤ら6）の検討において，シミュレーションを用いた冷却水温度の 最適化は，エネルギー性能の改善を図る有用な手段として主張され ている。さらに菊池ら7）はフリークーリングシステムに着目し，シ ステムシミュレーションを用い，冷却水温度，流量の最適化による 効率的エネルギー運用を提案している。 これらの性能改善手法は，実運用に反映され，その価値を生み出 すことで，確立された手法となると考えられる。宮田ら8）の土壌蓄 熱空調システム分析に関する研究ではシステムシミュレーションの 構築，性能改善の提案から効果の実証に至る一連の過程が報告され ており，先進的な研究と言える。 以上の既往研究から，シミュレーションによる性能改善提案には 実現象へのフィードバックによる性能保証が不可欠となると予測さ れる。そこで本研究は空調システムシミュレーションを用い，コミッ ショニングがもたらす効果を運用実績に基づき，省エネルギー・コ スト面から定量評価し，実益として実証することを目的とした。 ２．コミッショニング体制 本研究におけるコミッショニングは発注者であるインフラ事業者 より第３者的立場の大学研究機関が性能検証責任者（以下 CA）に 任命され，新築建物に対する当初コミッショニングとして実施され た。コミッショニング遂行の目的は室内環境が設計条件を満たして 日本建築学会環境系論文集 第74巻 第642号，991-999，2009年 8 月 J. Environ. Eng., AIJ, Vol. 74 No. 642, 991-999, Aug., 2009
【カテゴリーⅠ】 環境系 642号
本研究の一部は，2008年度大会（広島）［ 1 ］において発表を行った。
＊１ ㈱日建設計 NIKKEN SEKKEI LTD.
＊２ 早稲田大学大学院理工学研究科 Waseda University
＊３ 早稲田大学創造理工学部建築学科 Department of Architecture, Waseda University
Keywords: Commissioning, Heat source system simulation, Energy saving, Newspaper Printing Factory
いることを確認するとともに，空調設備に関してより効率的な運用 方法を実現することとされた。 コミッショニング管理チーム（以下 CMT）は CA，設備設計者， 自動制御技術者で構成される。CMT は，空調設備に関して，BEMS データ及び実測調査を基に機能性能試験を実施した後，CA を中心 として要求性能の確認とともに，運用改善点の把握を行った。 その後，より効率的な運用実現のためにエネルギーシミュレー ションを構築し，シミュレーション結果を基にした運用改善手法を 提案，発注者や建物オーナーの同意を得た後，効果検証を実施し， 性能検証報告書として一連の過程がまとめられた。 ３．研究対象建物概要 3.1 建物・設備概要 研究対象建物は，エネルギー使用の合理化に関する法律（省エネ ルギー法）基準によって第二種エネルギー管理指定工場に該当し， 適切なエネルギー運用が特に要求される。建物概要を表１に示す。 図１に熱源システム図，表２に熱源機器能力を示す。高効率ター ボ冷凍機，熱回収型空冷ヒートポンプ（以下 HP），フリークーリ ングが可能な密閉式冷却塔，変流量制御可能な冷水・冷却水ポン プ，変風量制御可能な送風ファン等の省エネルギー設備が導入され ている。 3.2 熱負荷特性 図２に中間期代表日１日の冷熱及び温熱負荷経時変化を示す。図 中 AC は空調機系統を意味する。本新聞印刷工場では０∼４時に朝 刊印刷，13∼18時に夕刊印刷が実施される。新聞印刷時には輪転機 が稼動し，それに伴い冷熱・温熱負荷共に増加する。朝刊印刷３時 頃のピーク負荷時，冷熱負荷の約63％が輪転機廻りより発生してい る。暖房負荷は主に室内湿度制御のための再熱負荷となり，冷熱に 比べ小さいが熱回収型空冷 HP による年間24時間運転を要する。 ４．熱源システムシミュレーション 正確な省エネルギー性評価，より効率的なシステム運用を検討す るための熱源システムシミュレーションモデルを作成した。 4.1 入出力項目 表３に図１のシミュレーション全体の入出力項目を示す。境界条 件である入力項目は Building Environment and Energy Management System（以下 BEMS）のデータを用いた。出力項目は適切な計算結 果を保証する収束誤差，冷熱/温熱未処理負荷及び省エネルギー性 検証のための各熱源機器，ポンプ，ファンの消費電力が算出される。 以降4.2から4.4までは各モデル単位でのパラメータ推定を実施 し，4.5熱源システム計算においてパラメータ調整を行った各モデ ルを用い，図１の熱源システム全体を構築し，表３の入出力結果よ りシステムシミュレーションとしての精度確認を行うこととした。 4.2 熱源機器モデル ターボ冷凍機と HP モデルを作成した。式⑴にターボ冷凍機，⑵ に HP モデル出力計算式を示す。各消費電力に影響を与えると予測 される因子から係数を算出し，その相乗によって電動機入力比が決 定する。ターボ冷凍機モデルは印刷室の除湿性能検討が要求されて いたため，負荷率と冷却水温度のみで機器特性を表現するのは困難 と考え，説明変数に冷水温度を加え，式１のような関数とした。 空冷 HP モデルについては冷暖同時取り出し機能が導入されてい 表２ 熱源機器能力一覧 図１ 熱源システム図 表１ 研究対象建物概要 図２ 冷熱・温熱負荷特性 表３ 熱源システムシミュレーション入出力項目
るため，説明変数として冷温熱負荷の比率を考慮した特性を表現す る必要があると判断し，式２のような関数を選択した。 このような特性表現は，国土交通省大臣官房官庁営繕部より公表 されている LCEM（ライフサイクルエネルギーマネジメント）ツー ル内の熱源オブジェクトにも適用されている。 ai∼iiの各係数の値は BEMS データを基に非線形連立代数方程式 を立て Levenberg-Marquardt 法9），注1）を用いて数値計算的に解き， 一定値を推測した。 r a a LF r b b T r c c T E r rE ch ch ch chw in chi cw in ch ch i ch i 0 0 1 1 0 1 2 0 1 0 2 ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ・ ， ， ， ， ， ， ＝
%
………… ⑴ r d d CHR r e e CLF r f f HLF r g g T r h h T r i i T E r rE hp hp hp hp hp hp chw in hp hw in hp db hp hp i hp i 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 1 5 0 1 0 5 ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ＋ ・ ＝ ＋・ ＝ ・ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ＝%
……… ⑵ 図３，４に2007年10月 BEMS データを境界条件とした計算結果と 実績値の比較を示す。ターボ冷凍機では相関係数 R2＝0.84，２乗平 均 平 方 根 誤 差 RMSE＝4.98kW，HP は R2＝0.95，RMSE＝6.32kW となり，一定のパラメータ値を用いても，相関から大きく外れるこ となく，近似できることが確認された。 4.3 冷却塔モデル HASP/ACSS10）定義の物理モデルを用いた理論式を⑶に示す。A 新聞印刷工場には密閉式冷却塔が導入されており，冷却塔ファンと 散水ポンプ台数によって冷却水出口温度制御が成されている。 / Q cpw G T T Q cpe G WB WB Q UA ETD ETD in T WB T WB T WB T WB d d d d d a d d d d d 1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 ) ) ) ＝ − ＝ − ＝ ＝ − − − − − ^ ^ ^ ^ _ ^ ^ h h h hi h h ………⑶ 冷却ファン稼働台数に伴う風量は式⑶によって再現可能となる が，散水ポンプ稼働台数による影響は理論式内に反映されていない。 そこで熱交換性能 UA を，消費電力実績値を基に推定した散水ポン プ稼働台数から補正することとした。 図５に UA 値補正用関数を示す。出口温度を一定とするために運 転台数が切り替わり定常的な運転とならないため，ファン・散水ポ ンプ稼動台数が消費電力量からの推定値であるため，実挙動とはあ る程度の誤差が生じると予測されるが，図６のメーカー特性とは， ほぼ同様の出力結果を示している。この精度は，後述する月単位の冷 却塔の設定温度を検討する上では十分の精度を有すると判断した。 4.4 ポンプモデル HVACSIM＋（J）定義の物理モデルを用いた。理論式を⑷に示す。 . C NDw C N DP C a a C a C a C a C e e C e C e C e C P P C N D E w P T T P PC 1000 0 001 1 1 f h h f f f f f f f f i o h o i p i 3 2 2 0 1 2 2 3 3 4 4 0 1 2 2 3 3 4 4 1 2 2 0 t t D h t htD t h ＝ ＝ ＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ＝ − ＝ ＝ ＋ −^ hd −n …⑷ 無次元流量係数 Cfから無次元圧力水頭係数 Chと効率 η を算出す るための各係数はメーカーより公表された計算書に基づき求めた。 式⑷にはモーターのモデルが組み込まれていないものの，無次元圧 力水頭係数，効率算出用の各特性係数値について，モーター動力を Ehp ：消費電力［kW］ CHR ：冷温熱負荷比［ ］ CLFhp ：冷熱負荷率［ ］ HLFhp：温熱負荷率［ ］ Tchw,in：冷水入口温度［℃］ Thw,in ：温水入口温度［℃］ Tdb ：外気乾球温度［℃］ rEhp ：定格消費電力［kW］ rhp,i ：係数［ ］ Ech ：消費電力［kW］ LFch ：冷熱負荷率［ ］ Tchw,in ：水入口温度［℃］ Tcw,in ：冷却水入口温度［℃］ rEch ：定格消費電力［kW］ rch,i ：係数［ ］ Qd ：放熱・吸熱量［kW］ Cpe ：湿り空気比熱［kJ/kg℃WB］ Ga ：空気風量［kg/sec］ Td2 ：冷却水出口温度［℃］ WB2：湿球出口温度［℃WB］ UA ：熱交換性能［kW/℃］ cpw ：水比熱［kJ/kg℃］ Gd ：冷却水流量［kg/sec］ Td1 ：冷却水入口温度［℃］ WB1 ：湿球入口温度［℃WB］ ETD：対数平均温度差［℃］ Cf ：無次元流量係数［ ］ Ch：無次元圧力水頭係数［ ］ Cp：流体の比熱［kJ/kg℃］ D ：羽根・回転翼の直径［m］ Ep：ポンプ消費電力［kW］ N ：回転数［rps］ Pi ：入口圧力［kPa］ Po：出口圧力［kPa］ Ti ：入口温度［℃］ To：出口温度［℃］ w ：質量流量［kg/sec］ η ：効率［ ］ ρ ：流体密度［kg/m3］ （BEMS＝実績値，シミュレーション＝計算値） 図３ ターボモデル計算結果 図４ HP モデル計算結果 図５ UA 値補正用関数 図６ 冷却塔モデル計算結果 図７ 冷水，冷却水ポンプモデル出力結果含むメーカー計算書を基に推定しているため，モーター動力をモデ ル内に反映可能と判断した。図７に冷水，冷却水ポンプの BEMS データを境界条件とした計算結果と実績値の比較を示す。 一部，起動・停止時の非定常特性で相関から外れる結果となった が，BEMS データとシミュレーション結果には概ね相関が見られた。 4.5 熱源システム計算 各機器を構成単位とした熱源システム計算フローを図８に示す。 システム計算は冷水・温水・冷却水系統に分かれる。各系統で非 線形連立代数方程式を立て，Levenberg-Marquardt 法9），注1）によって 収束計算を行う静的シミュレーションである。システム計算は冷水 系統，温水系統，冷却水系統に分かれており，各系統で収束計算を 行う。ただし，複数系統にまたがって用いるパラメータは，系統同 士で連成計算を行い，各系統の共通した値を決定する。冷却水−冷 水系統間では冷却水温度，温水−冷水系統間では冷熱/温熱負荷比 率を共通のパラメータとし，連成計算を行う必要がある。そこで計 算順序を冷却水−温水−冷水系統の順とし，冷水系統の計算結果を 温水・冷却水系統に反映可能とした。 精度検証として2007年10月 BEMS データを境界条件とした計算 結果と実績値の比較を図９に，積算消費電力量を表４に示す。R2＝ 0.97，RMSE＝8.36kW となり，一定の精度が確認された。 ５．設備性能検証 運用開始直後から空調設備性能検証を目的とした室内温湿度環 境，熱源稼働状況，冷却水温度状況調査を2007年２∼10月 BEMS データ及び室内に温度センサーを設置し実施した。 5.1 新聞製作室内温湿度 既往研究によれば，「印刷紙の水分含有率は，５∼７％とし，紙 の伸縮率（縦方向）を0.2％以内に維持するのが好ましい。そのた めには相対湿度を50％程度に確保する必要がある。30∼40％の低湿 度環境では静電気が生じ，製本作業に支障をきたす11）。」とされて いる。 新聞印刷の品質維持のため設計条件として輪転機稼動時間を除 き，冷房時55％RH±５％，暖房時50％RH±５％の室内環境が要求 されており，蒸気式加湿装置には二方弁制御が導入されている。図 10に代表日新聞製作室内温湿度変化を示す。輪転機稼動時は湿し水 を印刷紙に吹き付け高湿度環境であるが，稼動時間外，空調機停止 時間以外は約50％RH に維持されており，制御機能の有効性が確認 された。 5.2 熱源稼動状況 図11に2007年10月の冷熱負荷に対するターボ冷凍機と HP 系統 COP注2）を示す。この時点では，ターボ冷凍機がベース運転として 稼動している。高負荷部分では，ターボ冷凍機系統が高効率で冷熱 を処理している。一方，低負荷部分では，ターボ冷凍機系統よりも， HP系統が効率の優る結果となった。この結果から，低負荷時に HP を優先稼動させることでシステム効率向上の可能性が考えられた。 図12に2007年２月フリークーリング時における外気湿球温度と冷 却水冷却塔出口温度の関係を示す。設計段階では冷却塔ファンと散 水ポンプによる冷却水13℃一定制御で，冬季の冷房ピーク負荷を賄 うと予測され，その実現可能条件として外気湿球温度5.4℃以下が 設定された。しかし，実運用で5.4℃時にも冷却水を約11℃に一定 制御可能であることがわかった。このことから，冷却除湿能力上支 障のない範囲でフリークーリング稼動条件である外気湿球温度をよ り高めに再調整し，稼働時間増大を見込むことが考えられた。 5.3 冷却水温度 冷却水の冷却塔出口温度は28℃に一定制御されている。図13に 2007年７∼９月の冷却水出口温度経時変化を示す。８月の外気温が 表４ 積算消費電力量 図９ システム計算結果 ※負荷率30％以上の場合 図８ 熱源システム計算フロー 図10 新聞製作室内温湿度変化 図12 FC 時冷却水温度 図11 熱源系統 COP注2） 図13 冷却水出口温度経時変化
高い季節は，28℃を超える時間帯が見られた。一方，中間期はより 適切に温度設定することによって冷凍機効率向上が予測された。 以上の検証から室内温湿度環境は設計時の要求条件を満たしてい るものの，低負荷時の熱源台数制御，フリークーリング稼動条件， 冷却水設定温度について運用改善の可能性が見出された。 ６．運用改善案の検討 現状（2007年10月時点）調査で明らかになった検討事項について， 熱源システムシミュレーションを用いた運用改善案を考察した。 6.1 熱源台数制御 図14に現状運転（HP＋ターボ各１台）と低負荷発生時に HP２台， HP２台分の能力以上の冷熱負荷発生時はさらにターボ冷凍機を稼 動したケース（HP＋HP（＋ターボ））での熱源システム消費電力 量をシミュレーションによって算出した結果を示す。現状はターボ 冷凍機と HP 各１台稼動によって冷熱負荷を処理している。結果か ら現状は HP２台運転に比べ，図中 A 部分で非省エネルギー，B 部 分で省エネルギーな運転がなされていると予測された。 2007年10月中１日の平均外気乾球温度24℃以下の日について冷熱 負荷のデュレーションカーブを図15のように作成した。図14中 A 部分に該当する非省エネルギー運転発生率は，図15の太枠内にあた り，平日で79.2％，夕刊印刷のない休日で88.2％となった。 低冷熱負荷発生時の熱源を HP２台または１台，HP２台の能力以 上の冷熱負荷発生時にはターボ冷凍機・HP 各１台運転をするよう な熱源台数制御をすることで図14中，A と B 両部分の省エネルギー が実現され，かつ負荷発生頻度から特に A 部分の改善効果が高い と予測された。現状は熱源の負荷率が最小21％まで落ち込むのに対 し，改善案では最小40％となり，低負荷率改善にも繋がると予測さ れた。図15から中間期における時間帯別の負荷発生頻度を算出し， 平日・休日別に HP２台あるいは１台で処理可能な冷熱負荷が95％ 以上の確率で発生する時間帯を特定した。現状と提案した平日，休 日別の改善案スケジュールを図16に示す。 事前に2007年10月現状比の省エネルギー率を試算した結果，約 9.8％と予測された。改善案について，建物管理者より同意を得，ピー ク負荷となる輪転機が稼動する朝刊・夕刊印刷時を除き，熱源台数 制御の改善を2007年11月６∼18日まで実施することとなった。 6.2 冷却水設定温度 図17に冷却水温度に対するターボ冷凍機と冷却塔ファンの消費電 力合算値の関係を外気湿球温度条件別に示す。 冷却塔には冷却ファン３台が導入されており，冷却水往温度が設 定値よりも高ければ増段，低ければ減段制御が行われる。同負荷・ 同外気条件の場合，冷却水往温度の設定を低くするほど，増段運転 発生を招くため冷却塔ファン消費電力が増加する。一方，ターボ冷 凍機は冷却水温度低下により効率が上昇するために消費電力が低下 する。負荷率20％，外気湿球温度18℃，冷却水温度20℃のごく稀な ケース以外は，設定値を下げることで消費電力低下につながると予 測された。2007年10月実績値を基に１日のシステム消費電力量を冷 却水設定温度別に算出した結果を表５に示す。現状28℃設定比24℃ 設定で2.7％，20℃設定で5.2％の削減率と試算された。 以上の検証結果から冷却水設定温度を可能な限り低く設定するこ とで熱源システム全体の効率向上が考えられた。ただし，自動制御 上，常に設定値を変更していくことは現実的でないと判断し，月別 に冷却水温度を設定することとした。 月別設定値を表６に示す。拡張アメダス神戸の標準気象データを 用いて負荷率100％発生時，100％負荷を処理可能となる月別の最小 ※ 外気乾球温度をアメダス神戸平年値11月最高気温17℃，機器増段条件を負 荷率80％以上，負荷率20％未満では消費電力量一定，複数台運転時は負荷 率が各熱源同一と仮定 図14 台数制御別熱源システム消費電力量 ※太枠線内は HP２台で処理可能な負荷範囲 図15 冷熱負荷デュレーションカーブ 図16 平日・休日別熱源運転スケジュール 図17 冷却水温度別ターボ冷凍機・冷却ファン合算消費電力 表５ 冷却水設定温度別消費電力量
冷却水冷却塔出口温度を設定値とした。 6.3 フリークーリング稼動条件 フリークーリングは2007年２月実績値で最も効率の良い熱源と なった。冷却塔２台によるフリークーリングと再熱用 HP を１台稼 動すれば，冬季のピーク負荷は充分に処理可能となる。ただし，外 気湿球温度によって稼動可能時間が限られるため，冬季でもターボ 冷凍機が稼動する時間帯が見られた。一方，設計段階においてフリー クーリング時，冷却水13℃一定制御が成されると予測されていたが， 現状調査から，実際には約11℃の一定制御が可能であることがわ かった。これは，冷却水温度をより低めに設定することが可能であ ることを示し，省エネルギー効果増大が見込まれる。 冷却水温度の上限値特定のために HASP/ACSS に導入される冷 却コイルモデルを用いて，冷却除湿が適切に行われ未処理負荷が発 生しない範囲の冷却コイル入口冷却水温度を算出した。結果を表７ に示す。空気温度，絶対湿度の出入口温度を表７中のコイル能力決 定時の設定値に従った場合，冷却水温度上限は12℃となった。 次に冷却塔モデルを用いて，負荷率100％，1231kW の冷熱負荷 発生時，最大能力で出口温度を12℃に実現可能な外気湿球温度を求 めた結果を図18に示す。 冷却水出入口温度差３℃と仮定すると出口温度を12℃以下に保つ には，外気湿球温度は7.5℃WB 以下の必要がある。これをフリー クーリング稼動条件とし，拡張アメダス神戸の標準気象データに基 づき稼働時間，稼働率を算出すると，冷却水11℃設定，外気湿球温 度5.4℃WB 以下の条件よりも12∼２月で約300時間，14％増加とな る。 標準気象データ12∼２月の外気条件で，冷却塔・ターボ冷凍機が 処理する冷熱負荷をターボ冷凍機の負荷率30％未満の低負荷かつ冷 却塔１台によるフリークーリングで処理可能な範囲にある400kW と仮定した場合のシステム消費電力量をフリークーリング稼動条件 別に算出した。結果を表８に示す。削減率10.8％の試算となった。 ７．運用改善効果の検証 運用改善案を建物管理者の同意の下，試験的に実施した後，その 省エネルギー効果について BEMS データを基に検証した。 7.1 熱源台数制御変更による改善効果 2007年11月６∼18日まで図16に提案した熱源台数制御を実施し た。改善後の代表日における熱源稼動状況を図19に示す。改善後は 提案に沿った台数制御が成されていることが確認された。 図20に改善前後におけるターボ冷凍機 COP注3）を示す。比較日は 同じ熱源の組み合わせ運転をしていた改善前（10月25∼27日，11月 ５日）と改善後（11月６∼９日）の４日間とした。期間内，総冷熱負 荷は改善前120.5GJ，改善後148.3GJ，平均外気温は改善前19.6℃， 改善後17.6℃であった。改善前に比べ，改善後は冷熱負荷300kW 付 近の低負荷運転発生が減少していることが確認された。 図21に改善前後の熱源システム効率を示す。事前予測した性能曲 線と同様に負荷が350∼500kW 付近において熱源システム全体の効 率が向上している傾向が確認された。 冷熱負荷が改善前比で改善後平日約99.1％，休日約98.5％と同程 度発生した場合の熱源システム消費電力量を算出した。結果を表９ に示す。また，その内訳を示したものを図22に示す。消費電力量削 減率は平日で16.4％，休日で10.8％となった。この台数制御適用範 囲をフリークーリング期間の12∼２月以外，１日の平均外気乾球温 度24℃以下の日と考えると拡張アメダスデータより可能日数は160 日となり，年間の熱源システム消費電力量の約８％の削減にあたる。 図21 改善前後の熱源システム COP注4） 図22 改善前後の熱源システム消費電力量１（平日） 表６ 月別冷却水出口温度設定値 ※負荷率100％を100％処理可能となる最小の冷却水冷却塔出口温度 表７ 冷却水入口温度の検討 図18 フリークーリング（FC）稼動条件の検討 表８ フリークーリング稼動条件別消費電力量 図19 改善前後の熱源稼動状況１ 図20 改善前後ターボ単体 COP注3）
7.2 冷却水設定温度変更による改善効果 2007年12月19日より冷却水温度設定値が28から22℃に改善され た。図23に改善前後の冷熱負荷に対する冷却水冷却塔出口温度を示 す。改善後は設定値どおり22℃が実現されていることが確認され た。図24に改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費電力の関係を示 す。冷熱負荷200∼400kW の範囲で消費電力削減傾向が見られる。 12月中，改善前後の200∼500kW の冷熱負荷出現範囲における ターボ冷凍機が処理した冷熱量と消費電力量の１時間平均値を算出 した。図25にターボ冷凍機系統，図26に熱源システム全体消費電力 量の結果を示す。冷熱負荷は改善前比で改善後約101.7％と同程度 であるが，消費電力量は熱源システム全体・ターボ冷凍機系統とも に減少した。冷水・冷却水搬送動力が増加しているものの，ターボ 冷凍機動力削減量が上回る結果となった。 表10に改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費電力量の結果を示 す。改善前後で HP 系統消費電力量一定と仮定すると，冷却水22℃ 設定で28℃設定比，約5.3％削減される結果となった。 7.3 フリークーリング稼動条件変更による改善効果 2007年12月19日よりフリークーリング稼働条件が外気湿球温度 5.4から7.5℃以下に変更された。図27に改善前後のターボ冷凍機稼 働状況を示す。改善前に比べ，改善後は外気湿球温度5.4∼7.5℃の 範囲におけるターボ冷凍機稼働時間が減少している。変更範囲内で ターボ冷凍機が停止し，フリークーリング稼働時間が増加している 状況が確認された。図28に改善前後の冷却水冷却塔出口温度の経時 変化を示す。放熱運転時は28から22℃に，フリークーリング時は前 後で変わらず，11℃程度に維持されている。このことから，稼働条 件改善後も空調機除湿能力は一定に保たれていたと考えられる。 図29に冷熱負荷が改善前比で改善後約105.8％と同程度発生した 時の，１日における熱源稼働状況を示す。改善前は，外気湿球温度 が日中６℃程度に上昇した時点でフリークーリングが停止されてい る。改善後は６℃以上の外気条件でもフリークーリング有効となっ ていることが確認された。改善前後で外気湿球温度5.4∼7.5℃の範 囲に該当する範囲で，フリークーリング稼働時間が増加すると仮定 すると改善後の稼働時間増加は2007年12月20日∼2008年１月７日で 82時間となった。１日あたりでは約4.3時間の増加にあたる。 表９ 改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費電力量１ 図24 改善前後の熱源システム 消費電力量 図23 冷却水実現出口温度 図26 改善前後の熱源システム 消費電力量２ 図25 改善前後のターボ冷凍機系統 消費電力量１ 表10 改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費電力量２ 図27 改善前後ターボ冷凍機稼働状況 図28 改善前後の冷却水温度経時変化 図29 改善前後の熱源稼動状況２
同日におけるターボ冷凍機系統・熱源システム消費電力量の内訳 を示したものを図30，31に示す。7.5℃以下条件では，ターボ冷凍 機・冷水搬送動力がなくなり，冷却水搬送動力はほぼ一定となって いる。HP 系統動力にも大きな相違は見られなかった。 表11に改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費量の関係を示す。 改善前後で HP 系統消費電力量一定と仮定すると，フリークーリン グ稼働条件を外気湿球温度5.4から7.5℃以下に改善することによる 消費電力削減量は約1.6MWh となる。熱源システムにおける削減率 は，約34.0％となり，フリークーリング稼働増加時間は約10時間の ため１時間あたり160kWh の削減と試算された。 ８．省エネルギー性の定量評価 8.1 省エネルギー手法導入効果 性能改善手法によって得られた効果を環境面，コスト面から定量 的に評価した。比較条件一覧を表12に示す。図32にケース別年間消 費電力量を示す。性能改善による効果は，冷却水温度改善で−1.8％， フリークーリング稼働条件改善で−4.3％，熱源台数制御改善で− 8.6％，＋１，＋２，＋３合算ケースで−12.9％となった。 表13に各省エネルギー手法導入効果を示す。①＋②＋③の性能改 善手法導入効果は，１次エネルギー219.7MJ/（m2・年），CO 2 8.7kg-CO2/（m2・年），ランニングコスト233.9万円/年の削減と試算された。 初期投資回収年数は総じて３年以内，総計では1.3年程度の試算と なった。 8.2 他事例との比較 新聞印刷工場の他事例とともに省エネルギー性能を比較すること で，より正確な評価を可能とすると考えた。図33に A 新聞印刷工 場と他事例の年間延床面積・新聞発行部数あたりの１次エネルギー 消費量，表14に建物特性をまとめた結果を示す。新聞発行部数あた りでは B 新聞社印刷工場の1/2程度の値を示し，D 新聞印刷工場と 比較すると延床面積あたりで約４割程度低い結果となった。 図31 改善前後の熱源システム 消費電力量３ 図30 改善前後のターボ冷凍機系統 消費電力量２ 表11 改善前後の冷熱負荷と熱源システム消費電力量３ ※冷熱負荷，消費電力とも対象期間の１時間平均値を示す 表12 比較条件一覧 図32 ケース別年間熱源システム消費電力量 表13 各省エネルギー手法の定量評価結果 ※１ 省エネルギー法施行規則 9.76MJ/kWh に基づく（2008年４月現在） ※２ 関西電力株式会社2006年度 CO2排出量0.338kg-CO2/kWh に基づく ※３ 1,000円未満は四捨五入 ※４ 実施設計者・自動制御業者見積価格に基づく ※５ 関西電力株式会社規定 工場における特別高圧電力（TOU）契約 （2000kW 以上）として算出，「重負荷時間」13.22円/kWh：毎年７月１ 日から９月30日までの期間の毎日午前10時から午後５時までの時間，「昼 間時間」9.11円/kWh：毎日午前８時から午後10時までの時間，「夜間時 間」6.91円/kWh：「重負荷時間」および「昼間時間」以外の時間（2008 年４月現在） ※６ 初期投資回収年数［年］＝イニシャルコスト［円］/ランニングコスト年間 削減量［円/年］ 図33 事例別１次エネルギー消費量
９．まとめ 本研究では，室内環境質を維持した適切な省エネルギーを実現す るために新聞印刷工場の空調設備に関するコミッショニングを実施 し，以下のような研究成果を得た。 １）熱源システムシミュレーションを作成し，実績値との比較によ る精度検証を行い，一定の再現性が確認された。 ２）BEMS データを基に性能検証を実施し，適切な室内温湿度環 境の実現及び，熱源台数制御，フリークーリング稼動条件，冷却 水温度に関する改善点を整理した。 ３）熱源システムシミュレーションによって熱源台数制御，冷却水 設定温度，フリークーリング稼動条件について改善案を提案した。 ４）熱源台数制御に関する改善案を実運用に反映し，その効果につ いて事後検証を実施した。省エネルギー率は，改善前比で平日約 16.4％，休日約10.8％となった。 ５）冷却水設定温度に関する改善案を実運用に反映し，その効果に ついて事後検証を実施した。省エネルギー率は，約5.3％となった。 ６）フリークーリング稼働条件に関する改善案を実運用に反映し， その効果について事後検証を実施した。省エネルギー量は，１時 間あたり160kWh となった。 ７）性能改善手法導入効果について検証した。性能改善手法によ り，１次エネルギー219.7MJ/（m2・年），CO 28.7kg-CO2/（m2・年）， ランニングコスト233.9万円/年の削減と試算された。初期投資回 収年数は1.3年程度の試算となった。 謝辞 本研究は朝日建物管理㈱・関西電力㈱・㈱日建設計・㈱三晃空調・ 日本電技㈱と早稲田大学の産学連携研究によって実施されました。 性能検証にご協力頂いた関係各位に謝意を表します。また，本研究 に多大なご尽力頂いた関西電力㈱林英人氏，㈱日建設計松島孝幸 氏，当時早稲田大学大学院生宇佐美雅俊氏に御礼申し上げます。 本論文に関する既発表論文 ［１］ 久保木真俊，松島孝幸，宇佐美雅俊，牛尾智秋，林 英人，田辺新一： 高効率熱源システム導入した新聞印刷工場におけるエネルギー削減手法 に関する研究（第１，２，３報），日本建築学会大会学術講演論文集 D-2，pp1251-1256，2008.09 ［２］ 久保木真俊，松島孝幸，宇佐美雅俊，牛尾智秋，林 英人，田辺新一： 高効率熱源システム導入した新聞印刷工場における省エネルギー効果検 証（第１，２，３報），空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集， pp1611-1622，2008.08 参考文献 1） 境 弘夫他：空調省エネ最適化制御システム（その１）最適化の意義と 動向の展望，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，2004 2） 中原信生：Annex40の研究背景と経過，成果の概要，IBEC No. 150， pp4-11，2005.09 3） 山本清博他：建物運用最適化を目的とした既設建物のコミッショニング 第二報 ガイドラインに基づくコミッショニングの実践，日本建築学会 大会学術講演梗概集 D-2，pp1299-1300，2003.07 4） 小野永吉他：シミュレーションを用いた複合熱源システムの最適組合せ 運転法に関する研究，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，2007 5） 新宮浩丈他：地域冷暖房熱源システムの復コミッショニング及び最適冷却 水温度に関する研究，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，2007 6） 近藤武士他：既存建物のエネルギー性能に対するコミッショニングプロ セス適用の検討，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，2007 7） 菊池宏成他：フリークーリング有効利用熱源システムの検討，空気調和・ 衛生工学会大会学術講演論文集，2008 8） 宮田征門他：杭基礎を利用した自然エネルギーによる土壌蓄熱空調シス テムの性能分析，空気調和・衛生工学会大会学術講演論文集，2008 9） 中川 徹，小柳義夫：最小二乗法による実験データ解析，東京大学出版 会，1982.05 10） 日本建築設備士協会：空調システム標準シミュレーションプログラム HASP/ACSS/8502プログラミングガイド，プログラム解説書，1986 11） 北村英樹：印刷工場の空調と換気，建築設備と配管工事，pp42-45， 1986.04 12） 社団法人 空気調和・衛生工学会：竣工設備調査用紙一覧，空気調和・衛 生工学，1995.02 13） 馬渕順三他：読売新聞府中別館の空気調和設備，空地調和・衛生工学 第79巻 第10号，pp77-82，2005 14） 財団法人 省エネルギーセンター：2004 2005年度 ESCO 導入事例集 15） 社団法人 ABC 協会及び社団法人日本新聞協会2007年調べ 注 注１）Levenberg-Marquardt 法は非線形連立代数方程式用の数値計算解法で あり，下式によって定義される。 x xS x xS xk xS x AA I A f x j j k k m j 2 1 2 2 2 2 2 2 D a a D a D m ＝− ＝− ＝ ＋ − ＝ −１ u u _ i _ ^hi
