■キーワード／ ZEB・潜熱処理システム・汎用機器 三建設備工業㈱ 技術本部技術研究所
佐 藤 英 樹
三建設備工業つくばみらい技術センター
汎用機器を用いた潜熱処理システムの運転実績
床 面 積 １階 1,103㎡（148㎡） ２階 622㎡（318㎡） ３階 533㎡（258㎡） （ ）内は事務室面積を表す３．システム概要
図－１に導入した要素技術の概要を，図－２に熱源お よび潜熱・顕熱分離空調システムフローを示す。再生可 能エネルギーの利用，高効率機器の導入，照明負荷の削 減，躯体断熱強化による負荷削減，高効率運転制御など が主な技術である。 ３－１ 熱源システム 冷房時の放射パネルや外気の予冷に供給する冷水は， 年間約16℃で安定している地下水を揚水井から汲み上げ て熱交換器経由で熱のみを利用する。採熱後の井水は， 地盤沈下や空気接触による水質変化などによる環境汚染 を考慮し，直接空気に触れさせずに還元井から地中の帯 水層に戻す。負荷が大きい時は，地下水をカスケード利 用した熱源水にて水熱源チラーを追いかけ運転して冷水 を生成する。暖房時は太陽熱集熱パネルから得られる温 水を利用する。温水は，供給可能温度に応じて，天井放１．はじめに
三建設備工業つくばみらい技術センターでは，ゼロエ ネルギービル（ZEB）をめざして，地中熱利用の天井放射 空調システムを中心とした改修工事を行い1），2010年１ 月より運用を開始した。2011年度は，再生可能エネルギー のさらなる利用をはかるため，新たに太陽熱利用システ ムを導入した2）。また，快適性を維持しながら省エネル ギーも両立する潜熱・顕熱分離空調の改善を実施した。 本報では，導入した主な要素技術のうち，汎用機器で 構成し，かつ，再生可能エネルギーを最大限活用した潜 熱処理システムとその運転実績について紹介する。２．建物概要
所 在 地 茨城県つくばみらい市 建物用途 研究施設 構 造 鉄筋コンクリート造 階 数 地上３階 敷地面積 4,123㎡ 建築面積 1,103㎡ 延床面積 2,258㎡（724㎡） 図−１ 要素技術の概要 太陽集熱パネル 太陽光発電パネル 放射パネル 昼光利用 自然通風 放射パネル 床放射 タスク空調 クールピット 予冷・加熱 井水利用 地中熱利用 水熱源チラー 放射パネル 蓄熱槽 再生可能エネルギー利用 その他の ZEB 関連技術 実験室 アトリウム デマンド制御 潜熱処理ユニット 実験室 外気 R 見える化 低エクセルギー 冷温水 揚水井 還元井 PAC PAC LED 外断熱 複層ガラス高断熱 人感センサ 事務室 会議室 ≪凡例≫ PMV 制御 PMV 制御 熱源統合制御 照度制御 図－１ 要素技術の概要ヒートポンプとその応用 2013．10．No.86 ─ 57 ─ ３－３ 潜熱処理システム 顕熱交換器，空気熱源ヒートポンプエアコン，滴下浸 透気化式加湿器による構成に，プレ処理として外調機の コイルのみを利用した外気処理を加えたシステムにより 潜熱の処理を行う。除湿時は地下水との熱交換で得られ る冷水で予冷・除湿した後，顕熱交換器，エアコンの順 に通過して冷却・除湿する。エアコンを出た空気は，再 び顕熱交換器を通過することにより再熱し室内に供給す る。天井放射空調では結露防止のため，パネル表面温度 より低い露点温度の室内環境を安定的に維持する必要が ある。加湿時は太陽熱で得られる温水で導入外気を加熱 し，室内の絶対湿度により気化式加湿器をON/OFFさ せて加湿を行う。
４．システムの運転状況
４－１ 運転パターン 潜熱処理システムの運転パターンを表－１に示す。各 条件とも顕熱交換器および空気熱源ヒートポンプエアコ ンは室内の在室人員から算出した500㎥/hで運転する。 エアコンの設定温度は，冷房時20℃，暖房時23℃とし， 温調モード時のエアコンのコンプレッサは，本体サーモ により制御される。冷房時は予冷コイル利用なしを Case１－１，予冷コイル利用ありをCase１－２とする。 暖房時には室内センサから算出した絶対湿度により加湿 器の電磁弁のON/OFFを行い，室内湿度を制御する。 射パネルや外気処理に利用する。太陽熱の供給熱量が不 足する場合は，地下水から採熱した水を水熱源チラーの 蒸発器側に流すことにより凝縮器側で温水を生成し，暖 房用熱源水として天井放射パネルや外気処理に利用す る。放射パネルでは，冷房時の冷水温度が約18℃，暖房 時の温水温度が32℃と低エクセルギーの冷温水を利用す るため，熱源機器を高効率で運転することができる。 ３－２ 顕熱処理システム 対象エリアの顕熱負荷は天井放射パネルで処理を行う。 ２階事務室の天井放射パネルは，ペリメータ２系統，イ ンテリア２系統の合計４ゾーンに分割する。天井放射パ ネルの床面積に対する敷設率は約46％である。パネルの 制御は各系統のPMVが一定となるように行う。室内， 外気，パネル表面の各温度計測値から現在の平均放射温 度MRTを演算し，この演算結果と室内湿度，パラメー タ値からPMV現在値を算出する。次に，PMV現在値と PMV設定値から目標MRTを演算して目標MRTを満足 する放射パネル表面温度設定値を算出し，送水温度と送 水流量を制御する（図－３）。 図−２ 熱源および潜熱顕熱分離空調システムフロー PW HEX PCH 還元井 PCH PW 天井放射パネル 揚水井 PH PH コイル利用 （予冷・加熱） 外気 給気 顕熱処理 潜熱処理 再生可能エネルギー利用熱源 HM HEX HEX HP：水熱源チラー HEX：熱交換器 HST：太陽熱蓄熱槽 PH，PCH，PW：ポンプ AHU：外調機 AHEX：顕熱交換器 PAC：空気熱源ヒートポンプエアコン HM：滴下浸透気化式加湿器 HP PAC AHU AHEX HST 図－２ 熱源および潜熱・顕熱分離空調システムフロー 各壁面温度算出 MRT算出 PMV算出 目標MRTの算出 目標パネル表面温度の算出 制御出力（流量・送水温度など） PMV設定 室内湿度 室内温度 外気温度 躯体情報 人体情報風速 図−３ 顕熱処理システムの制御フロー 図－３ 顕熱処理システムの制御フロー 表−１ 潜熱処理システム運転パターン 顕熱 交換器 加湿器 外調機 状態 状態 モード 設定温度 状態 コイル利用 Case1-1（除湿） 強運転 弱運転冷房 温調 停止 停止 20℃ なし Case1-2（除湿） 強運転 弱運転冷房 温調 強運転 弱運転 強運転 弱運転 温調 20℃ あり Case2-1（加湿）暖房 23℃ （ON/OFF）運転 （ON/OFF） あり Case2-2（加湿）暖房 送風 − 運転 あり 検証 Case PAC 潜熱 処理 表－１ 潜熱処理システム運転パターン空気となる。最終的な吹出絶対湿度は，コイル利用の有 無にかかわらず７g/kg’一定となる。地下水利用の予冷 コイルはプレ処理としての除湿効果は十分にあると考え られる。図－５に外気絶対湿度とシステム除湿能力の関 係を示す。外気絶対湿度と除湿能力には正の相関が見ら れ，外気絶対湿度が高いほど除湿効果が大きい。つまり， 外気が多湿でも安定した除湿能力が確保できるシステム であるといえる。 また，Case２－２では，コンプレッサを停止する送風 モードで運転する。 ４－２ 予冷コイル利用の効果 図－４に夏季の予冷コイルの有無による絶対湿度変化 を示す。予冷コイルを利用しない場合，予冷コイル出口 の絶対湿度は外気絶対湿度とほぼ等しく，顕熱交換器に て12g/kg’まで除湿される。その後，空気熱源ヒートポ ンプエアコンにより除湿され，吹出絶対湿度は７g/kg’ になる。予冷コイルを利用した場合，外気絶対湿度によ らずコイル出口の絶対湿度は14g/kg’定となる。これは 地下水が一定温度で供給されているためである。エアコ ン入口は予冷コイルの効果により10g/kg’で除湿された 室内 28℃,40% 9.5g/kg ⒜ Case1-1 30 25 20 15 10 5 100%90% 80%70% 60% 50% 40% 100%90%80%70% 60% 50% 40% 30% 20% 30% 20% 10% ④吹出 ⑥吹出 ⑤ 除湿量 11.1g/kg 除湿量11.1g/kg 温 度 （℃） ③PAC出 ①外気 ①外気 ②加熱後 ②加熱後 （g/kg ） ②PAC入 ③PAC入 ④PAC出 温 度 室内28℃,40% 9.5g/kg OA SA 顕熱交換器 処理熱 量（外気−PAC出） 処理熱 量（外気−PAC出） 処理熱 量（太陽熱利用のみ） 処理熱 量（外気−顕熱交出） 顕熱交換器利用PAC熱量 コイル利用（井水利用） PAC 加湿器 1 4 外調機 予冷コイル −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ⒞ Case2-1 （℃） −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 2 3 OA SA 顕熱交換器 コイル利用（井水利用） PAC 加湿器 1 5 外調機 予冷コイル 3 4 OA SA 顕熱交換器 コイル利用（太陽熱利用） PAC 加湿器 1 6 外調機 加熱コイル 3 4 2 5 OA SA 顕熱交換器 送風モード コイル利用（太陽熱利用） PAC 加湿器 1 3 外調機 予熱コイル 2 2 100％ 100％ 21％ 57％ 顕熱交換器＋予冷利用PAC熱量37％ 0% 10% 0% 100%90%80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 100%90%80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 絶 対 湿 度 ⒝ Case1-2 温 度 （℃） （g/kg ） −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 30 25 20 15 10 5 （g/kg ） 0 絶 対 湿 度 30 25 20 15 10 5 0 絶 対 湿 度 30 25 20 15 10 5 0 絶 対 湿 度 55 顕熱交換器＋予熱利用PAC熱量 室内 22℃,40% 6.6g/kg 室内 22℃,40% 6.6g/kg 加湿量 5.8g/kg 加湿量5.8g/kg 2 100％ 100％ ③PAC入 ④PAC出 ②予冷後 ①外気 ①外気 ⑤吹出 ③吹出 温 度 ⒟ Case2-2 （℃） −10 −5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 （g/kg ） 55 PAC熱量＝０％ 図－６ 対象室の空調システム 図−４ 予冷コイルの有無による絶対湿度変化 絶対湿度 ０ ６ ０ ６ ０ 時 間 外気 12 12 30 25 20 15 10 ５ ０ 18 18 （h） （g/kg ） 予冷コイル出口 給気 PAC 入口 予冷あり 予冷なし 図－４ 予冷コイルの有無による絶対湿度変化 図−５ 外気絶対湿度とシステム除湿能力 ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 10 12 14 16 18 20 22 外気絶対湿度 （g/kg ） システム除湿能力 Case1-1 予冷なし Case1-2 予冷あり （kg/h） y = 0.5999x − 4.4273 R2 = 0.9645 図－５ 外気絶対湿度とシステム除湿能力
ヒートポンプとその応用 2013．10．No.86 ─ 59 ─ ５－２ システムの空調運転時の室内環境 図－８に夏季代表日の室内環境の経時変化を示す。空 調運転時における外気最高気温は32℃，その時の相対湿
５．運転実績
５－１ 夏季・冬季運転例 潜熱処理システムの空気状態点を図－６に，空気熱源 ヒートポンプエアコンの消費電力量を図－７に示す。図 －４でも示すように，本システムでは外気状況によらず ７g/kg’前後の除湿空気を安定して供給でき，室内で約 10g/kg’状態を維持することができる。エアコンと顕熱 交換器を組み合わせることで，エアコンで処理する熱量 を全処理熱量の１/２程度に削減し，さらに，予冷コイ ルを利用することで１/３程度まで削減が可能となる。 また，顕熱交換器で再熱することにより吹出温度が上昇 するため，ドラフトが抑制される。冬季加湿時では，加 熱コイルを利用するCase２－１の場合，エアコンの出 口温度が若干高くなるが，加熱コイルの効果により38℃ 程度に抑えられる。全処理熱量に対してエアコンの処理 熱量は１/５程度と少ない。加熱コイルのみで加湿前の 状態をコントロールするCase２－２では，エアコンで の処理熱量はコンプレッサを停止させるため０となり， 省エネ効果の大きい運転となる。気化式加湿器により吹 出絶対湿度は室内条件よりも若干高くなるが，室内のセ ンサにより加湿器の電磁弁をON/OFFさせるため，室 内の相対湿度が上昇するなどの影響は見られない。 Case１－１の空気熱源ヒートポンプエアコンの消費 電力は1.4〜1.8kW，平均消費電力量で1.7kWh，予冷コ イルありのCase１－２では1.4〜1.8kW，平均消費電力 量で1.5kWh程度である。予冷により約10％のエネルギー 削減効果がある。冬季では，エアコンで加熱すべき熱量 は全処理熱量に対して10〜32％，消費電力は0.5〜1.2kW となり，入口条件により大きく異なる。消費電力量は 0.9kWh程度である。Case２－２では，エアコンの消費 電力は送風機のみとなり，平均電力量で0.3〜0.4kWhと なる。加熱コイルのみで目標温度に達する場合は，消費 電力量を約１/２に削減できる。 （a）Case1-1 図−７ 各運転パターン時の空気熱源ヒートポンプエアコン消費電力量 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 7 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 時 間 （h） （kWh） 消費電力 量 （c）Case2-1 （b）Case1-2 （d）Case2-2 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 7 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 時 間 （h） （kWh） 消費電力 量 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 7 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 時 間 （h） （kWh） 消費電力 量 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 7 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 時 間 （h） （kWh） 消費電力 量 図－７ 各運転パターン時の空気熱源ヒートポンプエアコン消費電力量 図−９ 冬季代表日の室内環境経時変化（2011/12/27) 60 時 刻12 14 16 18 20 22（h） 10 8 6 4 2 0 0 50 40 30 20 10 10 0 室内温度 （℃） 温 度 0 50 100 （％） 相 対 湿 度 パネル表面温度 地下水温度 外気温度 送水温度 外気湿度 室内湿度 ※着衣量0 9clo，代謝量1 1metで計算 （-） 2 0 1 5 1 0 0 5 0 0 PMV 快適範囲 空調運転時間 （揚水時のみ表示） パネル 図－９ 冬季代表日の室内環境経時変化（₂₀₁₁╱₁₂╱₂₇） 図−８ 夏季代表日の室内環境経時変化（2011/９/15） 0 50 100 15 20 25 30 35 40 時 刻 （h） （-） （℃） （％） 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 PMV 送水温度パネル 室内湿度 外気湿度 空調運転時間 外気温度 室内温度 パネル表面温度 地下水温度 ※着衣量0 45clo，代謝量1 1metで計算 快適範囲 温 度 相 対 湿 度 （揚水時のみ表示） 図－８ 夏季代表日の室内環境経時変化（₂₀₁₁╱９╱₁₅）度は約45％である。最高絶対湿度は17g/kg’である。こ の日の運転は，PMV設定値を＋0.5としている。地下水 温度は約16℃で安定しており，パネル送水温度は17〜 20℃，パネル表面温度は23〜27℃である。室内温度は約 27℃，相対湿度は約45％と安定している。PMV値は立 ち上げ時を除き＋0.5を満足する。 図－９に冬季代表日の室内環境の経時変化を示す。空 調運転時における外気最低気温は0.9℃，その時の相対 湿度は56％である。この日は，PMV設定値－0.3で運転 を行っている。井水温度は夏季同様約16℃で安定してお り，パネル送水温度は33〜42℃，パネル表面温度は30〜 35℃である。室内温度は約21℃，相対湿度は約45％であ る。PMV値は立ち上げ時を除き，目標PMVの－0.3を維 持している。
