空調熱源システム改修時における機器容量のダウンサイジング効果 [ PDF

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空調熱源システム改修時における機器容量のダウンサイジング効果

鈴木智也 1. はじめに空調システムの熱源機器・ポンプ等の機器容量は最大負荷計算に基づき選定される。一般的に新築時の設計段階では、運用実態が不明確であるため、機器容量に余裕をもたせる。見込んでいる余裕が大きく、過剰な容量の機器が選定されることが多いといわれている。新築物件においてある程度余裕を見込むことは避けられないが、機器改修の際は過去データを分析し、適切な空調システムの機器容量を選定することが可能である。仮に負荷に対して適切な機器容量を選定することができれば、効率向上により省エネルギー効果が得られるだけでなく、イニシャルコストやランニングコストの削減効果も得られる可能性がある。しかし、現状の改修設計では、新築時と同様の機器容量が選定されている事例がほとんどである。そこで本研究では、空調熱源システムの機器容量を変更した際のエネルギー面とコスト面の効果を定量化することを目的としてシミュレーションによる分析を行う。 2. 対象システム概要対象システム図を図 1 に、熱源機器を表 1 に示す。対象システム(以降、施設 HC・CASE HC)には 4 台の熱源機器が設置されている。冷房期の運転順は R2(H)→R2(S) →R1(1) → R1(H)である。暖房期は地域暖房施設より熱供給を受ける。 2.1 モデルの概要計算モデルは 2 次側負荷や気象データを入力値とし、1 次側システムを対象に構築した。計算では、熱源機器及び各熱源機器に対応するポンプ・冷却塔の機器容量変更を行う。 3. 実建築物におけるダウンサイジング効果施設 HC における検討内容を表 2 に示す。施設 HC の熱源機器能力は冷房時最大負荷に対して 25%の余裕(最大負荷の 1.25 倍の能力)がある。ここでは、冷房期におけるダウンサイジングによる省エネルギー効果の検討を行う。CASE HC1 では現行システムのまま熱源機器・ポンプの容量を一律変更する。CASE HC2 では現行システムの台数制御を変更した場合と台数制御と機器容量をともに変更している。負荷帯別の積算熱量比率を図 2 に、各検討 CASE におけるシステム全体の1 次エネルギー消費量の積算値を図 3、図 4 に示す。図 2 は負荷帯別に負荷熱量を積算し，負荷の合計値に対する比率を求めたものであり、負荷分布を示している。図中の 1 台あたりの負荷率は各CASEでの台数制御による負荷率の変化を示している。なお、CASE HC2-0 は現行システムにおける台数制御閾値(増減段負荷率)をそのまま用いたケースである。現行システムをダウンサイジングすると効率の低い4台目の 2 次側往ヘッダー地域暖房施設 CT2 熱交換器 HEX1 HEX2 INV 熱交換器還ヘッダー冷却塔 CT1 冷却塔 INV 熱源機器 R2(H) INV INV 熱源機器 R2(S) 熱源機器 R1(S) 熱源機器 R1(H) 図 1 システム図定格能力[kW] 定格COP R2(H) 1,111 5.61(冷房時) R2(S) 1,440 5.6 R1(S) 1,440 5.6 R1(H) 2,356 0.68 機器名称(運転順) 吸収式冷凍機水冷スクリューチラー水冷スクリューチラー空冷ヒートポンプモジュールチラー表 1 熱源機器制御閾値変更 80～120 各熱源機器を10%～20%容量変更 -0 -1 変更検討内容検討CASE ※CASE HC2-0は現行システムCASE HC1-100 と同じもの変更 CASE HC1 100 R1(S) ：100%　R1(H)：100% R2(S) ：100%　R2(H)：100% -CASE HC2 R1(S) ：100%　R1(H)：100% R2(S) ：100%　R2(H)：100% 2 R1(S) ・R2(S) ・ R2(H)を10% R1(H)を50%ダウンサイジング表 2 検討 CASE 図 2 積算熱負荷比率(冷房期負荷分布) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 12 1 台あたりの負荷率 [% ] 負荷帯別積算熱負荷比率 [% ] 負荷熱量[kW} 積算熱量比率 1台当りの負荷率(CASE HC2-0) 1台当りの負荷率(CASE HC2-1) 1台当りの負荷率(CASE HC2-2) 熱源機器最適負荷率

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48-2 機器の処理熱量の割合が増加するためエネルギー消費量が増加する。台数制御変更を組み合わせたCASE HC2-1 およびCASE HC2-2 では、機器の負荷率がシステムの最適な負荷率(図 2 中の網掛け部分)になるように制御閾値を設定した。台数制御変更を行うことで2%の省エネルギー効果が得られた(CASE HC2-1)。また、CASE HC1 ではダウンサイジングによる省エネルギー効果がなかったが、台数制御変更も行うことで省エネルギー効果が得られた(CASE HC2-2)。ただし， 1～3 台目までの機器容量を小さくすると低効率な 4 台目の熱源機器の処理熱量の割合が増加するため、その効果は小さい。本検討より、台数制御で最後に稼動する機器の効率が低い場合はダウンサイジングによる省エネルギー効果が得にくいことが確認できた。また、台数制御閾値を変更し省エネルギー効果が得られたように、発生する負荷熱量に対して各熱源機器にかかる負荷率をコントロールすることで省エネルギーなシステムを構築することが可能であるといえる。 4. 熱源機器更新時の機器容量決定手法改修時には負荷率の年間分布がわかっていることから負荷データを用いて簡単な計算を行い、負荷傾向に合った機器容量を選択することで効率良く運転できるシステムを構成する手法を考案した。この手法で図 2 のような冷房負荷の分布を用いて機器容量の構成を決定する。例えば、図 2 のような負荷分布であれば負荷の出現比率が高い2,400kW 付近で効率良く運転できれば理論的には省エネルギーとなる。そこで、冷凍能力を基準に機器容量比率のパターン(例えば 4:3:2:1 など)をいくつか設定し、各負荷率のシステム COP を概算した後、熱負荷出現比率で加重平均することで冷房期の平均システムCOP を求める。暖房期ではあらかじめ合計加熱能力を決めておき、暖房期専用の熱源機器の機器容量は合計加熱能力から冷暖房併用機器の分を差し引いたものとした。暖房期の平均システムCOP も冷房期と同様に求める。最後に、冷暖房期各々の負荷熱量の積算値と平均システム COP よりエネルギー消費量を概算し足し合わせた時に最小となる機器容量の比率を最適な機器容量として採用する。 5. ダウンサイジング効果の定量化ダウンサイジングによって省エネルギー効果以外にピークカット効果やイニシャルコスト削減効果も得られる可能性がある。より一般的なダウンサイジング効果を求めるため、機器性能の違いや電気式・ガス式の機器を組み合わせた場合の違い等を検討する必要がある。そのため表 3 の機器構成について検討した。以降では、想定したシステムが更新される時にダウンサイジングしない場合(以下、単純更新もしくは CASE#-50(余裕率 50%))を基準に、ダウンサイジング方法を 2 つ設定し効果を比較する。1 つ目の手法は余裕率が 20%になるように全ての熱源機器を一律ダウンサイジングする手法(CASE#-A)で、2 つめの手法は 4 節で考案した手法を用いてシステム全体の余裕率が20%になるようにダウンサイジングし機器容量比率を決定する手法(CASE#-B)である。計算モデルは 2 節で紹介したシステムを参考にした。また一般化するため地域暖房施設からの熱供給をボイラーに置き換え、表3の機器構成について計算できるように熱源機器の特性を追加した。 5.1 コストの算出各熱源機器・ポンプのコストを算出する1)_{。参考とした熱} 源機器のコスト事例を表 4 に示す。なお、イニシャルコスト (表 4 中の機器価格)は本体価格の他、搬入費・据付費等も含む金額である。また、各機器の更新周期を 15 年とし 15 年間で発生する修繕費も合わせて算出し積算する。年間の電気料金・ガス料金をシミュレーションで計算されるエネルギー消費量を基に算出する。電気料金は東京電力の業務用季節別時間帯別電力（契約電力 500kW 以上）2）_を参考に、ガス料金は東京ガスの空調用 A 契約3)_{を参考にした。} 5.2 ダウンサイジング効果シミュレーション結果を表 5 に、計算に入力した冷房期の負荷分布を図 6 に示す。図の X 軸は最大負荷を 1 とした時の比率を示している。入力した負荷は最大負荷付近で多くの熱量が発生しており、低負荷付近(負荷率 0.2%以下)ではほとんど発生していない範囲がある。負荷分布の違いによる効果を検討するために図 6 のような負荷分布を入力した。 (1) CASE M1 冷房期におけるシステム全体の 1 次エネルギー消費量を図 7 に、暖房期におけるシステム全体の 1 次エネルギー消費量を図 8 に、15 年間でかかるコストを図 9 に示す。CASE M1- 機器能力[kW] 機器価格[万円] 修繕費(15年間)[万円] 132 1,200 276 265 2,180 850 525 2,220 910 1,050 3,840 1,267 279 1,110 466 697 1,980 732 AHP TR AR 表 4 機器コスト ※TR ターボ冷凍機 AHP 空冷ヒートポンプモジュールチラー AR ガス吸収式冷温水機表 3 検討機器構成

CASE M1 CASE M2 CASE M3

R1 TR AHP AHP R2 TR TR TR R3 TR TR TR R4 TR TR AR R5 ボイラーボイラーボイラー 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 CASE HC1-80 CASE HC1-90 CASE HC1-100 CASE HC1-110 CASE HC1-120 1 次エネルギー消費量 [G J ] R1(H) R2(H) R1(S) R2(S) 1次側搬送系 2次側搬送系 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

CASE HC2-0 CASE HC2-1 CASE HC2-2

1 次エネルギー消費量 [G J ] R1(H) R2(H) R1(S) R2(S) 1次側搬送系 2次側搬送系図 3 エネルギー消費量図 4 エネルギー消費量 (CASE HC1) (CASE HC2)

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B は機器容量比率を 1 台目から順に 3:2:2:3 の比率で分割している。ダウンサイジングによる省エネルギー効果は CASE M1-A で 4.9%、CASE M1-B で 4.0%であった。CASE M1-B で最も効果がある結果ではなかった。4 節の手法には改良の余地があるが省エネルギー効果は得られている。冷房期はダウンサイジングにより TR の効率が向上するため省エネルギー効果が得られた。また、暖房期のボイラーは負荷率 20%以下で急激に効率が低下する。ダウンサイジングにより低負荷運転の割合が減ったため効果が得られた。また、CASE M1-A において冷暖房期ともにダウンサイジングによりポンプの容量が減少するため稼動した際のエネルギー消費量が削減される。ダウンサイジングによるピークカット効果は CASE M1-A で 7.2%、CASE M1-B で 8.1%であった。15 年間でかかるコストは CASE M1-A で 1.63 億円(8.7%)、CASE M1-B で 1.57 億円(8.3%)の削減効果となる。4 台目に稼動する機器の効率が 3 台目までと同程度であると省エネルギー効果が得やすいこと、ダウンサイジングにより搬送動力の削減効果が大きいことが確認できた。 (2) CASE M2 年間のエネルギー消費量を図 10 に、冷房期における熱源機器の 1 次エネルギー消費量を図 11 に、1 次側ポンプのエネルギー消費量を図 12 に、暖房期における熱源機器の 1 次エネルギー消費量を図 13 に、1 次側ポンプのエネルギー消費量を図 14 に、15 年間でかかるコストを図 15 に示す。CASE M2-B は機器容量比率を 1 台目から順に 4:2:2:2 の比率で分割している。ダウンサイジングによる省エネルギー効果は CASE M2-A で 3.7%、CASE M2-B で 9.3%であった。冷房期の熱源機器のうち R1 の COP が低いため R1 の処理熱量の割合が小さい CASE M2-A の方が熱源機器の省エネルギー効果は大きい。一方、4 台目の R4 が稼動することで冷却水ポンプ

のエネルギー消費量が増加するため 1 次側ポンプの省エネルギー効果は CASE M2-B のほうが大きい。暖房期の熱源機器の COP の大小は R5<R1 である。CASE M2-B は他の CASE よりも R1 の機器容量が大きいため、熱源機器のエネルギー消費量の削減効果が大きい。ダウンサイジングによるピークカット効果は CASE M2-A で 17.2%、CASE M2-B で 1.2%であった。15 年間でかかるコストは CASE M2-A で 1.92 億円 (10%)、CASE M2-B で 1.5 億円(8.0 %)の削減効果となる。 (3) CASE M3 年間のエネルギー消費量を図 16 に、冷房期における熱源機器の 1 次エネルギー消費量を図 17 に、1 次側ポンプのエネルギー消費量を図 18 に、暖房期における熱源機器の 1 次エネルギー消費量を図 19 に、1 次側ポンプのエネルギー消費量を図 20 に、15 年間でかかるコストを図 21 に示す。CASE M3-B は機器容量比率を 1 台目から順に 4:2:2:2 の比率で分割している。ダウンサイジングによる省エネルギー効果は CASE M3-A で 0.5%、CASE M3-B で 7.3%であった。冷房期の熱源機器の COP の大小は R4<R1<R2≒R3 である。冷房期の CASE M3-A は R1 の処理熱量の割合が大きいが効率の高い R2・R3 の処理熱量の割合も大きいため、熱源機器の省エネルギー効果は最も高い。しかし、R4 が稼動することで冷却水ポンプのエネルギー消費量が増加するため、1 次側ポンプの省エネルギー効果は CASE M3-B の方が大きい。暖房期の熱源機器の COP の大小は R4<R5<R1 である。CASE M3-B は他の CASE よりも R1 の機器容量が大きいため、熱源機器のエネルギー消費量の削減効果が大きい。一方で、R1 に付随するポンプのエネルギー消費量は増加している。1 次側ポンプの省エネルギー効果は CASE M3-A が大きい。ダウンサイジングによるピークカット効果は CASE M3-A で 15.7%であった。CASE M3-B はガス式の機器である R4 の処理熱量の割合が小さい上に、効率の低い R1 の処理熱量の割合が大きいためピークカット効果は得られなかった。15 年間でかかるコスト CASE M3-A で 1.26 億円(7.5%)、CASE M3-B で 2,200 万円 (1.3%)の削減効果となる。3 節では最後に稼動する機器の効率が低い場合ダウンサイジングによってエネルギー消費量が増加した。一方、CASE M3-A のような単純なダウンサイジングでも省エネルギー効果を得ることができた。CASE M の負荷は最大負荷付近の負荷熱量の比率が高い。単純更新の図 6 冷房期負荷分布図 7 冷房期のエネルギー消費量(M1) 図 7 暖房期のエネルギー消費量(M1) 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000

CASE M1-50 CASE M1-A CASE M1-B

15 年間でかかるコスト [万円 ] イニシャルコスト電気料金ガス料金修繕費図 9 15 年間でかかるコスト(M1) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

1 次エネルギー消費量 [G J] R1 R2 R3 R4 冷却塔 1次側ポンプ 2次側ポンプ 0 5000 10000 15000 20000 25000

1 次エネルギー消費量 [G J] R5 1次側ポンプ 2次側ポンプ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 .0 2 0 .0 6 0 .1 0 0 .1 4 0 .1 8 0 .2 2 0 .2 6 0 .3 0 0 .3 4 0 .3 8 0 .4 2 0 .4 6 0 .5 0 0 .5 4 0 .5 8 0 .6 2 0 .6 6 0 .7 0 0 .7 4 0 .7 8 0 .8 2 0 .8 6 0 .9 0 0 .9 4 0 .9 8 累積値 [% ] 積算熱負荷比率 [% ] 負荷比率[-] 冷房期積算熱負荷比率累積値

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48-4 場合でも R4 の処理熱量の割合が高く、ダウンサイジング時と処理熱量の割合は大きく変わらない。このような負荷分布の場合には最後に稼動する機器の効率が低くとも省エネルギー効果が得られる可能性がある。また、最後に稼動する冷凍機がガス式(CASE M3)の場合、電気式(CASE M2)よりも冷却水ポンプのエネルギー消費量が大きいため負荷分布によってはダウンサイジングによりエネルギー消費量が増加する可能性がある。 6. おわりに今回の検討でダウンサイジングによる省エネルギー効果は最大で 9.3％、省コスト効果は最大で 1.96 億円(10.4％)という結果であった。機器更新の際に負荷分布に応じて機器容量を変更しダウンサイジングすることで省エネルギー効果と省コスト効果を得られると明らかになった。本論では本報で示した負荷分布以外でも検討を行っている。選定された熱源機器の効率が全て同程度であれば負荷分布によらずダウンサイジングによる省エネルギー効果が得られている。最大負荷付近の負荷熱量の比率が低い負荷分布の場合、ダウンサイジングによって 4 台目の処理熱量の割合が増加しやすい。4 台目の機器効率が低い場合、ダウンサイジングによるエネルギー消費量は増加する。一方、最大負荷付近の負荷熱量の比率が高い負荷分布であれば、ダウンサイジング後も 4 台目の処理熱量の割合は大きく変わらないため省エネルギー効果が得られる可能性がある。ダウンサイジングの効果は負荷分布により変わるため、様々な負荷分布で検討する必要がある。表 4 各 CASE 検討結果一覧冷房期暖房期年間冷房期暖房期年間電気料金ガス料金合計削減額合計値削減額 CASE M1-50 12,730 25,828 38,557 - 4,707 5,320 10,026 - 25,981 - 11,035 18.74 -CASE M1-A 12,249 24,438 36,687 3.77 5.38 4.85 7.21 4,288 5,001 9,289 738 21,975 4,006 9,771 17.11 8.72 CASE M1-B 12,562 24,438 37,000 1.32 5.38 4.04 8.11 4,320 5,001 9,321 705 22,081 3,900 9,819 17.17 8.37 CASE M2-50 12,447 23,215 35,662 - 5,132 4,331 9,463 - 30,290 - 15,273 18.75 -CASE M2-A 11,781 22,576 34,357 5.34 2.75 3.66 17.38 4,521 4,141 8,661 802 25,450 4,839 12,922 16.83 10.25 CASE M2-B 12,076 20,254 32,330 2.98 12.76 9.34 1.21 5,258 3,230 8,488 975 28,330 1,959 16,841 17.25 8.01 CASE M3-50 13,147 20,870 34,017 - 4,406 4,104 8,510 - 26,717 - 14,097 16.85 -CASE M3-A 12,821 21,020 33,841 2.47 - 0.51 15.75 3,931 4,161 8,092 418 22,573 4,144 11,898 15.59 7.49 CASE M3-B 12,332 19,196 31,529 6.20 8.02 7.31 - 5,101 3,116 8,217 294 26,799 - 16,167 16.62 1.34 -ピークカット率 [%] 年間ランニングコスト[万円] イニシャルコスト[万円] メンテナンスコスト[万円] コスト総計 (15年間)[億円] 省コスト率 [%] 1次エネルギー消費量[GJ] 省エネルギー率[％] 【参考文献】 1) 国土交通省大臣官房官庁営繕部監修：建築物のライフサイクルコスト, 2005.9 2) 電気供給約款 , 東京電力株式会社 HP, 2014.3 参照 , http://www.tepco.co.jp/e-rates/custom/shiryou/yakkan/pdf/260301jukyuk00-j.pdf 3) 空調用 A 契約（選択約款）―東京地区等―, 東京ガス株式会社 HP, 2014.4 参照, http://eee.tokyo-gas.co.jp/ryokin/about/menu/yakkan_140401/tokyo/aca_140401.pdf 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

1 次エネルギー消費量 [G J] R1(AHP) R2(TR) R3(TR) R4(AR) 図 17 冷房期の熱源機器エネルギー消費量(M3) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1 次エネルギー消費量 [G J] PR1 PR2 PR3 PR4 PHX2 PCR1 PCR2 PCR3 PCR4 図 16 年間エネルギー消費量(M3) 0 5000 10000 15000 20000 25000

1 次エネルギー消費量 [G J] R1(AHP) R4(AR) R5(ボイラー) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

1 次エネルギー消費量 [G J] PR1 PR4 PR5 PHX1 PHX2 図 21 15 年間でかかるコスト(M3) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

1 次エネルギー消費量 [G J] 冷房期暖房期図 19 暖房期の熱源機器エネルギー消費量(M3) 図 20 暖房期の 1 次側ポンプエネルギー消費量(M3) 図 18 冷房期の 1 次側ポンプエネルギー消費量(M3) 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000

15 年間でかかるコスト [万円 ] イニシャルコスト電気料金ガス料金修繕費 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

1 次エネルギー消費量 [G J] R1(AHP) R2(TR) R3(TR) R4(TR) 図 11 冷房期の熱源機器エネルギー消費量(M2) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

1 次エネルギー消費量 [G J] PR1 PR5 PHX1 PHX2 図 10 年間エネルギー消費量(M2) 0 5000 10000 15000 20000 25000

1 次エネルギー消費量 [G J] R1(AHP) R5(ボイラー) 図 14 暖房期の 1 次側ポンプエネルギー消費量(M2) (M2) (M2) 図 13 暖房期の熱源機器エネルギー消費量(M2) 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

1 次エネルギー消費量 [G J] 冷房期暖房期 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

1 次エネルギー消費量 [G J] PR1 PR2 PR3 PR4 PHX2 PCR1 PCR2 PCR3 PCR4 図 12 冷房期の 1 次側ポンプエネルギー消費量(M2) 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000

15 年間でかかるコスト [万円 ] イニシャルコスト電気料金ガス料金修繕費図 15 15 年間でかかるコスト(M2)