熱源インバータ制御による省エネルギー効果に関する研究 [ PDF

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(1)熱源インバータ制御による省エネルギー効果に関する研究久良知. 1. はじめに. 充. そこで、熱源機器にインバータ制御を導入した場合. 地球環境問題の深刻化に伴い、昨今では様々な省エ. に生産熱量と消費電力の間にどのような関係があるか、. ネルギーへの取り組みが進められている。建築空調分. また安全な運転が可能かであるかを明らかにするため、. 野でも省エネ技術が開発されてきたが、その多くは建. 実験を行った。表 1 に実験対象の熱源機器仕様を、図. 物計画による空調負荷削減や、適切な空調システムの. 1 に得られた部分負荷率と電力消費率の関係（熱源イ. 設計と採用に重点がおかれてきた。しかし省エネの推. ンバータ特性）を示す。熱源機器 A については暖房時. 進には、こうした「省エネ設計」に加え空調システム. の特性についても実験した。結果、冷房時には理論値. の適切な運用・管理が不可欠である。しかし空調シス. ほどではないが、部分負荷運転時に全負荷運転時より. テムの中核となる熱源機器ではその部分負荷効率の悪. も効率の良い熱量生産が可能であることが明らかとな. さから全負荷運転を基本とされてきた。そこで、部分. った。しかし暖房時では部分負荷運転にしても効率の. 負荷時に高効率なインバータ制御を熱源機器に導入で. 向上は見られなかった。原因として暖房時では冷房時. きれば、柔軟な運用が可能になるばかりでなく、大き. に比べ、冷媒と外気温との温度差が大きいため熱損失. な省エネ効果を挙げられる可能性がある。. が大きくなることや、低部分負荷時における機器発熱. このような背景のもと本研究では現時点で一般的で. の減少が冷房時ではプラスに作用するが暖房時ではマ. ない熱源インバータ制御の効果を明らかにし、この技. イナスに作用することなどが推測されるが、詳しい原. 術を用いた有効な空調システム運用を提案する。. 因は明らかになっておらず、今後の課題である。. 2. 熱源インバータ制御. 3. 熱源インバータ制御運用実測. 建築設備分野におけるインバータとは、50Hz か. 第 3 章では熱源インバータ制御を実際に空調システ. 60Hz で供給される交流電流を一度直流電流に変換. ムに導入した場合、どの程度の効果が得られるのか把. し、再度交流に戻す際に、周波数を変換して電動機. 握するため冷房運転を対象に蓄熱空調システム、非蓄. の出力を調節する装置である。その際、電動機の回. 熱空調システムについて実測調査を実施した。期間は. 転数と軸動力の間には式 1 のような関係が成立する。. 2002 年 10 月 14 日から 25 日、実施したのは東京都大. 3. P / P0 = (N / N 0 ). ･･･式 1. 田区のオフィス兼実験施設である。実測対象建物概要. N 0 ：定格回転速度、N ：運転時の回転速度、. を表 2 に、空調システム系統図を図 2 に示す。. P0 ：定格時の軸動力、 P ： N のときの軸動力. 表 1 実験対象熱源機器仕様. 回転数が減少すると、その 3 乗に比例して所要軸動. 熱源機器A 空冷ヒートポンプチラー全密閉スクロール式冷却能力：58.6kW 加熱能力：67.0kW 定格電力：23.7kW(冷暖共通). 力は減少し、所要電力量も大きく減少する。よって、インバータ制御を行うと部分負荷時に高効率な運転が期待できる。しかし、熱源機器にインバータを設置す. 熱源機器B 空冷ヒートポンプチラー全密閉レシプロ式冷却能力：46.7kW 加熱能力：41.2kW 定格電力：17.1kW(冷暖共通). る手法は、日本国内ではほとんど前例がなく、熱源機器への適用に関しては参考にできる資料がないのが現. タ制御を導入するには、その部分負荷特性の把握が必要不可欠である。また、多くの熱源機器では圧縮機が冷媒を循環させるためのポンプの役割も兼ねているの. 電力消費率 [-]. 状である。空調システムに対し、適切に熱源インバー. 冷房時(A). で、圧縮機モーターの回転数を減少させた際に、送出圧力が不足して冷媒が正常に循環しなくなり、機器故. 冷房時(B). 暖房時(A). 1. 0.5. 0 0. 0.5. 0 1 部分負荷率 [-]. 0.5. 1. 図 1 熱源インバータ特性(左:熱源機器 A、右:熱源機器 B). 障の原因となる恐れがある。 35-1.

(2) 3-1. 24 日に熱源機器がほとんど運転されなかったため、23. 実測概要. 日と 25 日の値を平均し算出している。なお、16 日の. (1) 蓄熱空調システム. 17 時から 22 時、22 日の 18 時から 24 時は運用の切り. 対象空調システムで行われている通常の運用である caseA と、caseA に熱源インバータ制御と 1 次ポンプ. 替えを行ったため、検討データから除外した。. インバータ制御を併用した caseB を実施した。. (1) 蓄熱空調システム. <caseA> (14 日 22:00∼16 日 17:00). caseB では caseA と比べ、熱源 COP が 3.25 から 4.09 に向上し、１次側 COP は 2.96 から 3.83 に向上した。. 従来から対象空調システムで行われている運用で、蓄熱運転、追いかけ運転をする際に熱源機器(R-1)、1. 外気温が低いほど熱源機器の効率は上がるため、同一. 次ポンプ(PCH-1)を全負荷で運転する。. の気象条件下でないと厳密には比較できないが、それ. <caseB> (16 日 22:00∼18 日 18:00). を考慮しても caseB での省エネ効果は顕著である。. 1 次側の運用においては 1 次側 COP が高いほど効率. caseA と caseB では 2 次側の運用は変更していないの. がよいといえる。そこでこれまでに得られたインバー. で、システム全体を考えても熱源機器と 1 次ポンプの. タ特性から 1 次側 COP が最高となる点(最高効率点)を. 電力消費量の削減分は省エネが図られているといえる。. 求めた。その結果、最高効率点は両機器の部分負荷率. (2) 非蓄熱空調システム. が 0.6 の時と算出された。そこで caseB では蓄熱運転、. caseD では caseC と比べ、熱源 COP が 3.04 から 3.54. 追いかけ運転をする際に熱源機器、1 次ポンプともイ. に向上し、１次側 COP は 2.06 から 2.98 に向上した。. ンバータ制御により最高効率点で運転した。. 同一の気象条件下でないと厳密には比較できないが、. ただし、実測の際に熱源冷水出口温度設定上昇につ. 非蓄熱空調システムにおいても熱源機器･1 次ポンプイ. いての効果についても検証するため、caseB では関係. ンバータ制御の省エネ効果は十分に確認された。. する設定値が 2℃上げていた。. 表 2 実測対象建物概要所在地. 東京都大田区. 主要用途構造・階数. オフィス・実験施設鉄骨造・地上4階. 同様に 2 ケースを実施し、比較した。. 敷地面積. 4353.7m2. <caseC> (21 日 0:00∼22 日 18:00). 建築面積. 703.97m2. (2) 非蓄熱空調システム非蓄熱空調システムの実測でも蓄熱空調システムと. 延べ床面積（対象床面積） 1697.05m2(741.76m2). 対象空調システムの通常時の運用で、熱源機器では熱源冷水入口温度が 14℃に近づくように圧縮機の運転台数を、4 台(出力 100％)、4 台中 2 台(出力 50％)、0. 2次ポンプ PCH-4. 台(出力 0％)を切り替える圧縮機台数制御運転を行う。. AC-2E AC-2W FCU-2 AC-3E AC-3W AC-4E. 往ヘッダー. 2次ポンプ PCH-4 還ヘッダー往ヘッダー. 2階東空調機 2階西空調機 2階ﾌｧﾝｺｲﾙﾕﾆｯﾄ 3階東空調機 4階西空調機 4階東空調機. 還ヘッダー. バイパス. 熱交換器 HE-1. 熱交換器 1次ポンプ PCH-2. 圧縮機台数制御に加えて、熱源インバータ制御、1. AC-2E AC-2W FCU-2 AC-3E AC-3W AC-4E. バイパス. 熱交換器 2次ポンプ PCH-3. <caseD> (23 日 0:00∼25 日 24:00). 2階東空調機 2階西空調機 2階ﾌｧﾝｺｲﾙﾕﾆｯﾄ 3階東空調機 4階西空調機 4階東空調機. 熱源機器 R-1. 1次ポンプ PCH-1. 熱源機器 R-1. 1次ポンプ PCH-1. 次ポンプインバータ制御を行う。熱源機器の周波数は 2 次ポンプの流量に応じて 25∼50Hz の範囲で、1 次ポ. 蓄熱槽 <低温側>. ンプは 30∼50HZ の範囲で変化させる。2 次ポンプは. <高温側>. a) 蓄熱空調システム. b) 非蓄熱空調システム. 図 2 実測対象空調システム. インバータ制御により、空調機の処理熱量に応じて流. 表 3 実測結果. 量を変化させるため、熱源機器もある程度負荷に応じ. . て運転されると考えられる。. caseA. caseB. caseC. 空調機処理熱量合計. [kWh]. 460.9. 323.3. 93.2. 90.0. 3-2. 熱源機器生産熱量. [kWh]. 521.0. 369.1. 115.9. 107.6. 熱源機器電力消費量. [kWh]. 161.0. 90.5. 38.2. 30.5. 1次ﾎﾟﾝﾌﾟ電力消費量. [kWh]. 15.4. 6.1. 18.3. 5.7. 空調機電力消費量合計. [kWh]. 115.8. 120.1. 117.1. 125.6. 実測結果. 熱源機器生産熱量、空調機除去熱量、電力消費量について、それぞれの日積算平均値を求め、熱源 COP、１次側 COP を算出した(表 3)。ただし蓄熱空調システ. 2次側ﾎﾟﾝﾌﾟ＊電力消費量合計 [kWh] ｼｽﾃﾑ電力消費量. [kWh]. caseD. 19.9. 20.3. 8.4. 8.8. 312.1. 237.0. 182.0. 170.6. ムでは、蓄熱開始からの積算値を比較するため、前日. 熱源COP. [-]. 3.25. 4.09. 3.04. 3.54. 22 時からを 1 日として算出した。また、caseD の値は. 1次側COP. [-]. 2.96. 3.83. 2.06. 2.98. 35-2. (＊：PCH-2、PCH-3、PCH-4).

(3) 1 次側 COP が高い点(高効率点)でも運転される。. 4. 熱源インバータ制御の導入効果に関する検討第 4 章では空調システムシミュレーションを用いて. <case A-4>. 熱源インバータ制御と 1 次ポンプインバータ制御を併. 近年、インバータが内蔵されたインバータチラーが. 用した運用を導入した場合、年間でどの程度の効果が. 販売されている。本研究で検討するインバータ制御は. あるか、蓄熱空調システム、非蓄熱空調システムそ. 既存の熱源機器に後発的に導入できる点で優位性があ. れぞれについて検討した。. ると考えられるが省エネ効果に大きな違いがある場合. 4-1 計算概要. にはその優位性も揺らぎかねない。そこで、インバー. 計算対象に 4 階建ての事務所ビルと付随する空調シ. タチラーの部分負荷特性を用いたケースを caseA-4 と. ステムを想定した。計算対象建物概要を表 4 に、空調. して比較検討した。ただし、参考としたインバータチ. システム系統略図を図 3 示す。計算時間間隔は 1 分で. ラーは冷房専用機のため、暖房時は部分負荷率 1.0(圧. あり、空調時間帯は 8:00∼19:00、土曜日、日曜日、祭. 縮機 4/4 台)、0.5(2/4 台)の 2 点で運転する。. 日は運転しないものとしている｡4 月∼11 月を冷房運. 4-1-2. 転とし、4、5、10、11 月を中間期(設定室温 24℃)、6~9. <caseB-1>. 非蓄熱空調システムの検討ケース. 月を夏期(設定室温 26℃)とした。また、12 月∼3 月の. 熱源機器の圧縮機台数制御を、冷温水入口温度が. 冬期(設定室温 22℃)は暖房運転としている。コストの. 冷房時には 12℃、暖房時には 40℃に近づくように出力. 算出には東京電力の『業務用電力』、『業務用季節別時. を 0%、50%（圧縮機 2/4 台）、100%（圧縮機 4/4 台）. 間帯別電力』を参考とした。. で変化させる。ただし、圧縮機の運転台数は変更後 5. 4-1-1. 分間変更させない。1 次ポンプは定速運転とする。. 蓄熱空調システムの検討ケース. <case A-1>. <caseB-2>. 従来から一般的に行われている運用方法で、夜間蓄. 計算モデルでは、2 次ポンプは各空調機が要求する. 熱時間帯(22:00∼翌 8:00)の蓄熱運転、空調時間帯の追. 流量に応じてインバータ制御により流量を変化させて. いかけ運転では、熱源機器、1 次ポンプともに全負荷. いる。その部分負荷率は空調負荷に準じた値となるの. で運転させるケースを caseA-1 とする。. で、この値を熱源機器、1 次ポンプの部分負荷率と見. <case A-2>. なしてインバータ制御する。圧縮機台数はより 1 次側. 蓄熱運転、追いかけ運転では、1 次側 COP が最もよ. COP が高くなるように切り替えるが、変更後 5 分間は. い点(最高効率点)で熱源機器、1 次ポンプを運転すれば. 変更させない。また全負荷運転時よりも 1 次側 COP. 高効率となる。そこで、熱源機器、1 次ポンプにイン. が悪くなる範囲では運転しない。表 4 計算対象建物概要. バータ制御を導入し、蓄熱量が不足しない限り、最高効率点で運転するケースを caseA-2 とする。. 所在地. 東京都. <case A-3>. 主要用途構造・階数. オフィス鉄骨造・地上4階. 対象床面積. 808.96m2. 対象室容積. 2588.67m3. これまでは熱源インバータ制御を導入するにあたり、熱源機器が持つ 4 台の圧縮機全てにインバータを設置し、同じ周波数で制御することを基本としてきた。しかし、4 台の圧縮機のうち 2 台のみをインバータで制御し、もう 2 台を ON/OFF で制御することも可能であ. 2次ポンプ PCH-4 往ヘッダー. の設置台数が半数になるのでイニシャルコストを軽減. 1階東空調機 1階西空調機 2階東空調機 2階西空調機 3階東空調機 3階西空調機 4階東空調機 4階西空調機. 還ヘッダー. バイパス. る。このような制御(以下、1/2 熱源インバータ制御)は、省エネ効果は小さくなると予測されるが、インバータ. AC-1E AC-1W AC-2E AC-2W AC-3E AC-3W AC-4E AC-4W. 熱交換器 HE-1. 熱交換器 1次ポンプ PCH-2. 熱源機器 R-1. 熱交換器2次ポンプ PCH-3 1次ポンプ PCH-1. 2次ポンプ PCH-4 往ヘッダー. できる。そこで、1/2 熱源インバータ制御により、 caseA-2 と同様の運用を行うものを caseA-3 とする。. AC-1E AC-1W AC-2E AC-2W AC-3E AC-3W AC-4E AC-4W. ただし、caseA-3 の最高効率点は圧縮機運転台数が 2. 熱源機器 R-1 1次ポンプ PCH-1. <高温側>. a) 蓄熱空調システム. b) 非蓄熱空調システム. 図 3 計算対象空調システム. 台の時となるため、圧縮機運転台数が４台の時に最も 35-3. 還ヘッダー. バイパス. 蓄熱槽 <低温側>. 1階東空調機 1階西空調機 2階東空調機 2階西空調機 3階東空調機 3階西空調機 4階東空調機 4階西空調機.

(4) <caseB-3>. 昇した。冬期にも１次ポンプインバータ制御が有効に. 1/2 熱源インバータ制御を用いて、caseB-2 と同様の. 働き、0.56 から 0.73 に効率が向上している。冷房期間. 制御を行う。. に両者間に熱源生産熱量の差が見られるが、これは 1. <caseB-4>. 次ポンプインバータ制御による電力削減に伴い、１次. インバータチラーの部分負荷特性を用いて、caseB-2. ポンプの発熱による熱損失が減少したことに拠る。. と同様の制御を行う。ただし、インバータチラーの部. caseB-3 でもシステム COP が夏期には 2.61、中間期に. 分負荷特性は既に圧縮機台数制御が勘案されているた. は 1.81 に上昇しており、caseB-2 ほどではないものの. め、冷房期には計算上常に圧縮機運転台数を 4 台とし. 十分な省エネ効果が見られる。また、caseB-4 と比較. ている。また、冷房専用機種のため、暖房時には熱源. しても caseB-2 では遜色ない効果が得られている。年. 機器は出力 0%、50%（圧縮機 2/4 台）、100%（圧縮機. 間で比較すると、caseB-1 から caseB-2 で約 26%の電. 4/4 台）の 3 点で運転され、1 次ポンプはそれに応じて. 力消費量削減となり、約 26%(156,000 円)の省コストと. 部分負荷率 0.5 もしくは 1.0 に制御される。. なる。caseB-3 でも、caseB-2 には満たないものの 24%. 4-2. の電力消費量削減、約 23%(141,000 円)の省コストを達. 計算結果. 計算結果を表 5、図 4、図 5 に示す。なお、日積算平. 成しており、十分な効果が得られた。caseB-4 と比較. 均値を求めるにあたり、蓄熱空調システムでは、前日. しても、caseB-2 では同等以上の効果が得られている。. 22 時からを 1 日として算出した。. 5. まとめ. (1) 蓄熱空調システム. 本研究では、熱源機器にインバータ制御を導入した. caseA-2 では caseA-1 と比べて、夏期にはシステム. 場合の部分負荷特性を明らかにした。また、熱源イン. COP が 2.14 から 2.32 に、中間期には 1.37 から 1.47. バータ制御と 1 次ポンプインバータ制御を導入した運. に上昇しており、その省エネ効果を確認できる。. 用の省エネ効果について、実測とシミュレーションに. caseA-3 でも、caseA-2 には若干劣るものの、十分な省. より明らかにした。. エネ効果が得られている。また、caseA-3 と比較して. その結果、熱源インバータ制御には大きな省エネ効. も遜色ない省エネ効果が得られている。冬期に関して. 果の可能性があることが確認された。また、熱源機器. は、1 次ポンプで微量の電力消費量削減がみられるが、. に設置するインバータを半数にした場合でも充分な効. システム COP に影響を与えるほどの効果はない。年. 果があることを確認し、状況に応じてエネルギー削減. 間で比較すると、caseA-1 から caseA-2 で約６%の電力. 量優先した運用と導入時コスト優先した運用という 2. 消費量削減となり、約 5%(27,000 円)の省コストとなる。. つの選択肢を示すことが出来た。. 1. caseA-3 でも、caseA-2 とほぼ同等の省エネ効果が得ら. caseA-1. 28.2. caseA-1. 243. れており、高効率点でも運転する点で caseA-2 とは若. caseA-2. 25.3. 21.5. 46.8. caseA-2. 217. 干運用が異なることを考慮しても十分な効果があると. caseA-3. 25.6. 21.4. 47.0. caseA-3. caseA-4. 25.8. 21.5. 47.4. caseA-4. いえる。また、caseA-4 と比較した場合でも、caseA-2、. 36.4. caseB-1. caseA-3 では同等以上の効果を発揮している。 (2) 非蓄熱空調システム夏期には caseB-2 では caseB-1 と比べ、システム CO. caseB-2. 23.6. caseB-3. 24.9. caseB-4. P が 2.05 から 2.75 に、中間期では 1.25 から 1.81 に上. 16.8 15.7. 15.7. 20. 53.1. 39.4 40.6. 15.7. 24.0. 0. 49.7. 21.5. 39.7. 40. 60. 546. 303 303. 519. 219. 301. 520. 222. 303. 525. 417. caseB-1. 189. caseB-2. 273. 177. caseB-3. 288. 177. caseB-4. 277. 177. 0. (MWh). 2. 200. 400. 607. 450 465 454. 600. 800. (千円). 図 5 年間電力コスト. 図 4 年間電力消費量. 表 5 計算結果(各期間日積算平均値・COP) 夏期空調機処理熱量合計. [kWh] 709.9. 熱源機器生産熱量. [kWh] 795.8. 熱源機器電力消費量. [kWh] 213.1. 1次ﾎﾟﾝﾌﾟ電力消費量. [kWh]. 空調機電力消費量合計. [kWh]. 16.3 51.7 50.6 [kWh] 331.8 [-] 3.73 [-] 3.47 [-] 2.14. 2次側ﾎﾟﾝﾌﾟ＊電力消費量合計 [kWh] ｼｽﾃﾑ電力消費量熱源COP 1次側COP システムCOP. 中間期. 冬期. caseA-1 caseA-2 caseA-3 caseA-4 caseB-1 caseB-2 caseB-3 caseB-4 caseA-1 caseA-2 caseA-3 caseA-4 caseB-1 caseB-2 caseB-3 caseB-4 caseA-1 caseA-2 caseA-3 caseA-4 caseB-1 caseB-2 caseB-3 caseB-4. 710.1 793.6 192.1 14.1 51.7 50.4 308.2 4.13 3.85 2.30. 710.2 794.1 192.6 14.9 51.7 49.3 308.5 4.12 3.83 2.30. 710.1 794.1 200.1 14.1 51.7 50.8 316.7 3.97 3.71 2.24. 702.1 798.3 220.9 40.7 58.9 22.2 342.7 3.61 3.05 2.05. 710.2 747.6 176.0 9.9 51.6 20.3 257.8 4.25 4.02 2.75. 710.2 746.9 190.7 10.1 51.7 19.9 272.4 3.92 3.72 2.61. 710.2 747.9 176.5 9.9 51.6 20.2 258.3 4.24 4.01 2.75. 210.2 295.9 62.3 5.8 46.4 39.4 153.8 4.75 4.35 1.37. 210.2 294.8 53.3 4.2 46.4 39.4 143.3 5.53 5.13 1.47. 210.2 296.1 53.7 5.3 46.4 39.1 144.5 5.51 5.02 1.46. 35-4. 210.2 294.7 53.9 4.1 46.4 39.4 143.8 5.46 5.08 1.46. 209.0 281.8 64.5 40.7 48.1 13.4 166.8 4.37 2.68 1.25. 209.9 236.7 47.8 9.4 46.4 12.2 115.9 4.95 4.13 1.81. 209.9 236.7 47.9 9.4 46.4 12.2 116.0 4.94 4.13 1.81. 209.9 237.1 52.5 9.4 46.4 12.0 120.3 4.52 3.83 1.74. 68.5 106.6 33.2 2.1 52.9 16.2 104.4 3.21 3.02 0.66. 68.7 106.7 33.3 1.7 52.9 16.3 104.2 3.20 3.05 0.66. 68.7 106.7 33.3 1.7 52.9 16.3 104.2 3.20 3.05 0.66. 68.7 106.7 33.3 1.7 52.9 16.3 104.2 3.20 3.05 0.66. 68.6 72.7 23.2 40.7 53.0 4.8 121.7 3.14 1.14 0.56. 68.2 80.5 26.6 9.5 53.1 4.7 94.0 3.02 2.23 0.73. 68.3 80.2 26.6 9.6 53.1 4.7 94.0 3.01 2.22 0.73. 68.4 79.4 25.5 9.7 52.9 4.9 93.1 3.11 2.25 0.74.

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