都河川水を利用した空調熱源システムの設計段階における性能検証に関する研究 [ PDF

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(1)河川水を利用した空調熱源システムの設計段階における性能検証に関する研究. 趙飛表 1 主要な構成機器. 1．はじめに No. 名称. 冷却能力. 加熱能力. 台数. R-1,R-2. ﾋｰﾄﾎﾟﾝﾌﾟ. 1760kW. 2000kW. 2. R-3. 熱回収ﾁﾗｰ. 350kW. 450kW. 1. R-4. ｲﾝﾊﾞｰﾀﾀｰﾎﾞ. 1410kW. －. 1. R-5,R-6. ﾀｰﾎﾞ. 3200kW. －. 2. HEX-1. 水-水熱交換器. 1600kW. －. 1. HEX-2. 水-水熱交換器. 1600kW. 1600kW. 1. HEX-3,HEX-4. 水-水熱交換器. 3200kW. 3200kW. 2. イニシャルコミッショニングは、設計段階にシステ. T-1. 冷水槽. 約 700m3. 1. T-2. 冷温水槽. 約1020m3. 1. ムの性能を検証できることにより、設計プラン変更が. T-3. 冷温水槽. 約 680m. 3. 1. 空調システムの設計は、運用段階想定される様々な状況を考慮して適切に行う必要がある。しかし、実際にはシステムを設計段階で十分に検討する時間を確保できないことが多く、運用段階において非効率な状態で運転となり設計の目標を満足できない可能性がある。. できる。想定の様々な条件下性能を把握することがで. タターボ冷凍機（R-4）で、直送系熱源はターボ冷凍機. き、まだ性能低下の要因を見つけることができる。設. （R-5・R-6）で構成されている。蓄熱槽は季節により. 計段階から運用の改善について検討することができる. 冷水槽と温水槽を切り替え、5～10 月の夏期、3・4 月・. より、制御への活用が期待できる。以上の背景より、. 11 月の中間期は冷水を主体とし、12～2 月の冬期は温. 設計段階にある河川水利用の空調システムシを研究対. 水を主体とする。. 象として、シミュレーションモデルを用いた、イニシ. 夏期は R-1、R-2、R-4 が、中間期・冬期は R-3、R-4. ャルコミッショニングの過程を通じて、イニシャルコ. が冷水蓄熱を行う。温水蓄熱は、中間期・冬期のみ行. ミッショニングの有効性を確認する。. い、R-1、R-2、R-3 が対応する。また、夏期は直送系の R-5、R-6 を部分負荷効率が高. 2．対象システムの概要. い負荷率約 80％を閾値として優先的に運転させ、不足. 熱源システムフローを図 1 に示す。また、主要な構. 分を蓄熱槽からの放熱運転で処理する．中間期・冬期. 成機器について表 1 に示す。熱源は、河川水を冷却水・. はすべて蓄熱槽からの放熱運転により負荷を処理する。. 熱源水として 100％利用し、冷水・温水の温度成層型蓄熱槽を持った設備である。蓄熱系熱源はヒートポン. 3．システム性能の検討. プチラー（R-1・R-2）、熱回収チラー（R-3）、インバー. 3.1 設計想定負荷でのシステム性能と運転挙動. 河川水. 温水冷水. 設計階段の空調システムを対象とし、構築したシス. （凡例）冷水温水河川水冷温水. R-4 1410kW. C. テムシミュレーションモデルを用いて、シ。想定するシステム性能が発揮できるか確認する。. HEX-1 1600kW. 3.1.1 システム COP と生産熱量システム COP 算出式を式-1 に示す。. HEX-2 1600kW/1600kW. HEX-3 3200kW/3200kW. システムCOP = HEX-4 3200kW/3200kW R-1 1760kW/2000kW. して 1.375 という結果となった。図-3 に年間の機器生産熱量(冷熱・温熱)と二次側負荷を示す。直送系熱源. R-3 350kW/450kW. R-6 3200kW. …式-1. 図-2 に示すシステム COP は目標値である 1.42 に対. C R-2 1760kW/2000kW. R-5 3200kW. 冷暖房負荷合計値システム合計消費電力. C. の生産熱量の割合が大きく、システム COP も大きくな. R-3. っていた。これは熱源機器自体の効率がやや高いこと. C. に加えて、蓄熱槽を介した熱供給よりも搬送動力の面 C. 冷温水槽. 冷温水槽. で有利であるためと考えられる。. 冷水槽. 3.1.2 WTF による分析. 温度成層型水蓄熱槽(2400 m3). 図 1 熱源システム図. ポンプ搬送動力がシステム COP へどのように影. 43- 1.

(2) 熱源生産熱量. 消費電力(ｼｽﾃﾑ合計). ｼｽﾃﾑCOP. 目標値1.4. 最低値1.2. 200,000. 2.0. 180,000. 1.8. 160,000. 1.6. 140,000. 1.4. 120,000. 1.2. 100,000. 1.0. 80,000. 0.8. 60,000. 0.6. 40,000. 0.4. 20,000. 0.2. 0. 0.0. R01生産熱量. R02生産熱量. R01生産熱量 R5生産熱量. 暖房負荷[kWh]. R03生産熱量. R02生産熱量 R6生産熱量. R03生産熱量冷房負荷[kWh]. R04生産熱量. 70,000. 180,000. 140,000. 50,000. 熱量[kW]. 熱量[kW]. 160,000. ｼｽﾃﾑCOP[-]. 40,000. 30,000. 100,000 80,000 60,000. 20,000. 40,000 10,000. 20,000 0. 0 3月. 4月. 5月. 6月. 7月. 8月. 9月. 10月. 11月. 12月. 1月. 8月(ﾋﾟｰｸ) 2月(ﾋﾟｰｸ). ZQRF 60. 80000. 45. 80000. 40. 50. 30. 40000 30000. WTF[-]. 40. 50000. 20. 熱量[kW/h]. 60000. 25 50000 20 40000 15 30000 20000. 20000. 10000. 0. 0. (a) 蓄熱系. 25. 50000. 20. 40000. 15. 30000. 11月. 12月. 2月 8月（ピー（ピーク）ク）. WTFCD 70. 200000. 5. 20000. 50 150000. 40 30. 100000. 20. 10. 50000 10. 5. 10000 0. 0. 0. 0. 時間[-]. 時間[-]. CaseB0.5. 系. CaseB0.75. 時間[-]. (d) 河川水. (c) 熱交換器 CaseB1.0. CaseB1.25. 系. CaseB1.5. CaseB1.75. CaseB2.0. 1.8 1.6. WTF の定義を式-2 に示す。. 1.4. システム COP[-]. WTF =. 10月. 60. 30. (b)直送系図-4 月別系統の WTF 響を及ぼすか確認するために、WTF の分析を行った。. 系統にて処理する全熱量. 9月. ZQCD. 60000. 10. -5. 時間[-]. 8月. 70000. 0. 0. 7月. 250000. 10. 10000. 6月. 35. 80000. 30. 60000. 5月. WTFHA. 90000. 35. 70000. 70000. ZQHA. WTFRF. 90000. WTF[-]. 90000. 4月. 図-3 年間の機器生産熱量と二次側冷熱負荷. 熱量[kW/h]]. WTFRT. 3月. (b)冷房. 図-2 生産熱量・エネルギー消費量・システム COP ZQRT. 2月. (a)暖房. …式-2. 系統合計ポンプ電力消費量. 1.2. 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2. 0.0. 図-4(a)に示すように熱源一次ポンプの WTF は高いものの、放熱時に熱交換器を稼働する必要があるため、. 図-5 システム COP の比較蓄熱系熱源合計電力消量. の WTF は 6 月を除いて 35 を超えている。直送系熱源比率[%]. おり、直送系熱源の処理負荷によって WTF が変動す. 蓄熱系ポンプ電力消量. 蓄熱系熱源合計電力消量. 90%. 90%. 80%. 80%. 70%. 70%. 60%. 60%. 50% 40%. 50% 40%. 30%. 30%. 20%. 20%. 10%. 0% caseB0.5 caseB0.75 caseB1.0 caseB1.25 caseB1.5 caseB1.75 caseB2.0. ては、低負荷となる期間で小さい。低負荷時にインバ. 蓄熱系ポンプ電力消量. 直送系熱源合計電力消費量. 100%. 10%. ることが分かる。熱交換器系統の WTF(図-4(c))につい. 直送系熱源1次ポンプ合計電力消費量. 100%. 比率[%]. 搬送動力の面では不利である。図-4(b)より直送系熱源の処理する負荷が小さい 6 月は WTF がやや下がって. 0% case0.5 case0.75 case1.0 case1.25 case1.5 case1.75 case2.0. 図-6 系統別電力消費量の比率（左：4 月、右：8 月）. ータ制御により搬送動力の低減を図るが、搬送効率の. COP が変化する要因を分析する。. 面ではそれほど寄与していないと思われる。河川水ポ. 図-6 に熱源機器・ポンプの電力消費量の割合を示す。. ンプの WTF は 40～60 と非常に高い(図-4(d))。圧力変. 4 月は、負荷が小さいケースほどポンプの占める割合. 動が大きいと予想される河川水系統では、圧力を加味. が大きい。この影響により、負荷が小さいケースほど. した計算法を検討する必要がある。. システム COP が低下したと考えられる。一方、8 月は、. 3.2 設計時の想定値と異なる負荷となる場合. caseB0.5 を除いて熱源機器の電力消費量とポンプの電. 設計想定負荷を 0.5 倍、0.75 倍、1.25 倍、1.5 倍、1.75. 力消費量の割合はほぼ同じとなっており。8 月のシス. 倍、2.0 倍と変化させて、それぞれの負荷においてシ. テム COP が低い caseB0.5 では、ポンプの電力消費量. ステム COP がいくらになるか検討を行う。設計想定負. の割合が大きい。搬送系動力の増大に繋がったものと. 荷を 0.5 倍したケースを caseB0.5 と表現し、他のケー. 考えられる。. スも同様に表す。比較対象となる設計想定負荷での計. 3.3 実システムの負荷を用いたシステム性能の検証. 算ケースは caseB1.0 とする。. 実システムの負荷は、用途と規模がほぼ同等である. 図-5 に示す通り、負荷が大きくなるほどシステム. 近隣施設の実測データを利用した。熱源冷却能力の合. COP が高くなる傾向にある。その傾向は特に 4 月に顕. 計値は 11,330kW であり、基本モデルの熱源冷却能力. 著である。一方、8 月は負荷の変化による COP の変. である 11,670kW と同等であることがわかる。. 化が小さい。そこで 4 月と 8 月を取り上げシステム. 43- 2. WTF[-]. 2月. 熱量[kW/h]]. 1月. 熱量[kW/h]]. 120,000. WTFHA[-]. 熱源生産熱量・消費電力[kWh]. 60,000.

(3) 実測負荷. 1,400. 設計想定負荷. 河川水ポンプ電力消費量合計. 2.5. 1,200 電力消費量[MWh]. システムCOP[-]. 2 1.5 1 0.5 0 0. 10. 20. 図-7. 30. 40 50 60 負荷熱量合計[MWh]. 70. 80. 90. 100. 277. 1,000. 熱交換器ポンプ電力消費量合計. 800 663. 600. 直送系熱源一次ポンプポンプ電力消費量合計. 400. 179 55. 200. 222. 98 15 185. Case1. Case2. 蓄熱槽熱源一次ポンプ電力消費量合計. 0. 負荷熱量とシステム COP の関係. 図-11 各系統のポンプ年間電力消費量比較. 図-7 に負荷熱量と SCOP の関係を示す。負荷熱量が大きいほど SCOP が向上することがわかる。10～40MJ. 中間期と冬期の向上率が高い。図-9 に月別 WTF の比. 程度の負荷での効率が低く，低負荷日の効率を向上さ. 較をしめす。各系統ポンプ電力消費量の大幅減少とと. せることが課題である．. もに WTF も大きく向上している。Case2 のシステム全体合計の WTF は年間 77.2 になっている。. 4. システム性能の改善提案. 図-10 と 11 に熱源機器及び各系統のポンプ年間電力. 4.1 揚程を考慮したポンプ電力消費量計算法の導入. 消費量の比較について示す。熱源機器の計算結果は. 実システムデータを入力して、基準 Case として検討. Case1 と Case2 ですべて同じである。一方、各系統の. する（Case1）。ここで各系統におけるポンプの圧力損. ポンプ電力消費量については大きな変化が見られる。. 失を考慮して流量とプンボの電力消費量の関係式を導. ポンプ全体では、61％減少する結果となった。. 入し、揚程を考慮したポンプ消費電力の計算を行える. 4.2 中間期と冬期冷却水絞り運転の導入. ように変更する（Case2）。. 中間期や冬期の河川水温度が低い時期には、河川水. 図-8 にシステム COP の比較を示す。年間のシステ. 流量を減らしても熱源機器の効率を大きく落とすこと. ム COP が 1.52 に向上し、約 30.8％向上する結果とな. なく運転できるため、河川水ポンプのポンプ動力を削. っていた。いずれの月においても向上しており、特に. 減することができる。具体的には、R-1 および R-2 に. 80%. 1.52. 負荷に関わらず 55％に制御する。R-4 は河川水温度が. 70%. 1.40. 60%. 1.16. 1.20. 1.00. 50% 40%. 0.80. 30%. 0.60 0.40. 20%. 0.20. 10%. 0.00. 18℃以下の時、河川水流量を 75％に制御する。（Case3）. 増減[%]. システムCOP[-」. おいて河川水温度が 10～17℃の場合は河川水流量を. 増減. Case2. 1.60. Case2 と Case3 のシステム COP の比較を図-12 に示す。年間システム COP は 1.53 となり、約 1.1％向上する結果となった。月別でみると、夏期を除いて向上し. 0%. 年間. ている。最も向上したのは 3 月の 4.2％であった（冬. 図-8 システム COP の比較. Case2. Case2. Case1. 増減. 増減. Case3. 1.80. 120. 300%. 100. 250%. 80. 200%. 40%. 1.53. 1.60. 150%. 40. 100%. 20. 50%. システムCOP[-」. 60. 増減[%]. WTF[-]. 1.40. 1.52. 1.20. 30%. 25%. 1.00. 20%. 0.80. 15%. 0.60 0.40. 10%. 0.20. 5%. 0.00. 0% 1月. 0. 35%. 増減[%]. Case1 1.80. 2月. 3月. 4月. 5月. 6月. 7月. 8月. 9月 10月 11月 12月年間. 0%. 図-12 システム COP の比較 Case2. 図-9 月別 WTF の比較. 増減. 140. 70%. 1,800. 120. 60%. 336. 336. 1,400. R-05電力消費量. 519. R-04電力消費量. 1,000. 76. 76. R-03電力消費量. 417. 417. R-02電力消費量. 40. 502. 502. R-01電力消費量. 20. 600 400 200. WTF[-]. 1,200. 519. 800. 50%. 100. 40%. 80. 30% 60. 20% 10% 0%. 0. 0 Case1. -10% 1月. Case2. 図-10 熱源機の年間電力消費量比較. 2月. 3月. 4月. 5月. 6月. 7月. 8月. 9月 10月 11月 12月年間. 図-13 河川水 WTF の比較 43- 3. 増減[%]. 1,600. 電力消費量[MWh]. Case3. 2,000.

(4) Case2. 336. 519. 508. R-04電力消費量. 76 417. 72 420. R-03電力消費量. R-05電力消費量. 1,000. 506. Case2. Case4. 1.40. R-02電力消費量. 500 502. 80%. 1.54. 1.60. システムCOP[-」. 電力消費量[MWh]. 1,500. R-01電力消費量. 0. 70%. 1.52. 60%. 1.20. 50%. 1.00. 40%. 0.80. 30%. 0.60. 20%. 0.40. 10%. 0.20. 0%. 0.00. 図-14 熱源機の年間電力消費量比較. -10% 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月年間. 図-16 システム COP の比較. 600 500. 河川水ポンプ電力消費量合計. 400. 179. 143. 熱交換器ポンプ電力消費量合計. 200. 98 15. 98 15. 直送系熱源一次ポンプポンプ電力消費量合計. 100. 185. 185. 蓄熱槽熱源一次ポンプ電力消費量合計. Case2. Case4. 300. 生産熱量[MWh]. 電力消費量[MWh]. 増減. Case4. 1.80. 336. 増減[%]. 2,000. 0. 図-15 各系統のポンプ年間電力消費量比較期と中間期にシステム COP が向上していることが確. 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0. 336. 331. 519. 509. R-04電力消費量. 76. 76. R-03電力消費量. 417. 403. R-02電力消費量. 502. 493. Case2. Case4. R-05電力消費量. R-01電力消費量. 認できる）。河川水系統 WTF の比較について図-13 に. 図-17 熱源機の年間電力消費量比較図-17 に熱量機器の電力消費量の比較に示す。年間. 示す。冬期及び中間期おいて WTF は最大約 70％改善. では、R-03 を除いて機器の消費電力が減少している、. している。熱源機器及び各系統ボンプの電力消費量の. 減少幅は 1.5％程度であり。熱源出口温度の変更は、. 比較について図 14 と図 15 に示す。R-04 の電力消費量. 負荷系統への送水温度条件を緩和できる中間期と冬期. は減少している、一方、R-01、R-02 の電力消費量は少. に実施しやすい手法であると考えられるが、計算結果. し増えている。河川水系統のポンプの電力消費量は年. では夏期に実施するのが効果的で、中間期と冬期に実. 間 20％以上削減されている。. 施しても効果は小さいことが分かった。. 4.3 送水温度を１度変更した際の効果熱源機器のメーカーにより、冷水製造時に熱源機器. 5．まとめ. の出口温度を上げるとともに COP が向上する、一方、. 本研究では、河川水を利用した空調熱源システムの. 温水冷水製造時に熱源機器の出口温度を下げるととも. 設計段階におけるシミュレーションモデルを開発した。. に COP が向上する。ここに送水温度を１度変更するこ. 開発したモデルを用いた、設計想定負荷におけるシス. とから COP の向上が期待できる。（Case4）. テム COP を算出し、設計性能達成することを確認した。. 表 2 設定温度の変更設定温度の変更（出入口温度） Case1 冷房 14℃→6℃ R-01、R-02 暖房 39℃→45℃ 一次側 11.7℃→5℃ R-03 二次側 39℃→45℃ R-04 冷房 11℃→5℃ R-05、R-06 冷房 14℃→6℃ 一次側 5℃→15℃ HEX-1 二次側 16℃→6℃ 一次側 5℃→15℃ HEX-2，HEX-3，HEX-4（冷水）二次側 16℃→6℃ 一次側 45℃→35℃ HEX-2，HEX-3，HEX-4（温水）二次側 35℃→45℃ 冷水槽 11℃→5℃ 蓄熱槽温水槽 39℃→45℃ 仕様名. 負荷が低い時、性能低下の要因を発見したより、イニシャルコミッショニングの有効性を確認した。 Case3 15℃→7℃ 38℃→44℃ 12.7℃→6℃ 38℃→44℃ 12℃→6℃ 15℃→7℃ 6℃→16℃ 17℃→7℃ 6℃→16℃ 17℃→7℃ 44℃→34℃ 34℃→44℃ 16℃→6℃ 38℃→44℃. WTF を向上させるため、河川水の流量制御方法を変えたところ、1.1％システム COP を向上。熱源 COP 向上するため、送水温度を１℃変更したところ、1.53 ％システム COP を向上。イニシャルコミッショニングによって、設計段階で、目標達成できるか確認でき、システム構成が制御法の改善に役立てることができる【参考文献】 1). 西山満他、熱源システムのイニシャルコミッショニングに関する研究、. 第 1 報. 図-16 にシステム COP の計算結果にしめす。Case2 と. 対象熱源システム概要とシミュレーションモデル、日本建築学. 会九州支部研究報告、2011 年 3 月. 比較している、年間システム COP は 1.54 となり、1.53％. 2). 向上した。月別でみると、11 月が除いて全年向上して. 究、第 2 報. 山下周一他、熱源システムのイニシャルコミッショニングに関する研ベースモデルにおけるシステム性能の評価、日本建築学会. 九州支部研究報告、2011 年 3 月. いる。最も向上したのは３月の 3.982％、計算結果よ. 3）趙飛他、熱源システムのイニシャルコミッショニングに関する研究第 3 報設計時と異なる条件下におけるシステム性能変化、日本建築学会. り本キースの効果が高いことが確認された。. 九州支部研究報告、2011 年 3 月. 43- 4.

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