研究論文用

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ひでかにばし
5 years ago
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1 熱電気へのエネルギー変換性能を比較する可視化図法 ~ 各種住宅用エネルギー変換機器の比較 ~ Visualizing Method for Comparing Energy Conversion Performance to Heat and Electricity - Comparison among Various Residential Energy Conversion Equipments - 石川明 * 加藤丈佳 * 鈴置保雄 Akira Ishikawa Takeyoshi Kato Yasuo Suzuoki ( 原稿受付日 2007 年 10 月 11 日, 受理日 2008 年 2 月 26 日 ) This paper presents a method to visualize the performance of residential energy conversion apparatuses for heat/electricity supply, which is useful for the comparison among various apparatuses. Considering the difference in the energy usability or exergy, the energy conversion performance is visualized by the two-dimensional vector diagram consisting of electricity flow and heat/fuel flow. The energy conversion performance is shown as the differential vector between input (fuel and electricity consumption) and output (heat and electricity demand) vectors. Because the output is set at the origin of the diagram, the comparison of performance between various apparatuses can be visualized in one diagram. The proposed diagram is demonstrated to show the operating performance of various apparatuses by using the actual data of hot-water and electricity demand observed in 8 households. * 1. はじめに日本における民生用エネルギー消費は, 京都議定書の基準年である 1990 年以降も増加を続けている. そのため, 民生用エネルギー機器技術に関する選択や意思決定などの局面で, その技術的特徴や限界について俯瞰的に比較することは重要であると考えられる. 俯瞰的な比較を可能にするためには, 個々の機器システムをできるだけ少ない共通の要素に単純化し, 一定の変換規則によって一意かつシンプルな計算方法で客観的でその特徴を示すなど, 透明性の高い方法で分析することが必要である. 同じ種類の機器については, 同じ方法指標により, 性能を比較することができる. しかし, ヒートポンプ (HP) とコージェネレーションシステム (CGS) のように, エネルギーの質 ( エクセルギー ) が大きく異なる熱と電力の相互変換を伴う機器の性能を比較する場合, 比較の基準点や指標が異なるため, 適切な方法で評価しないと, それぞれの性能や特徴を誤って理解してしまう可能性がある. そこで本論文では, 燃料を含む熱量に関する入出力と, 電力の入出力の二つの独立した軸からなる平面上のベクトルを考えることで, 熱と電力の相互変換を伴う機器の性能を直観的に比較し, その定量的な理解を深めるための可視化図法を提案する. 本論文の構成は以下の通りである. まず,CO 2 ヒートポンプ給湯機 (CO 2 -HP) と住宅用コージェネレーション (H-CGS) を例として, 提案する可視化図法の概要を説明し, 可視化図法を用いて可能となる直観的な性能比較の方法を * 名古屋大学大学院工学研究科電子情報システム専攻名古屋市千種区不老町述べる. 次に,8 世帯における温水電力需要の実測データを用いて, CO 2 -HP や H-CGS だけでなく潜熱回収型給湯器などの様々な住宅用エネルギー機器を考慮して, 個々の住宅に温水および電力を供給するシステムについて, 提案する可視化図法を用いてシステムとしての性能を比較した例を示す. 2. 図法について 2.1 熱電力の入出力のベクトル表示給湯器のように入力, 出力の関係がエネルギー量 ( 熱量 ) のみの関係として表される場合,(1) 式のように, 入出力の差は損失となる. 損失 = 入力 - 出力 (1) しかし,CO 2 -HP や CGS のように熱と電力の相互変換を伴うシステムでは, 熱の他に電力も入出力となる. このような場合, 熱量基準で同じエネルギー量であっても低温の熱と電力ではその価値 ( エクセルギー ) が異なるため, 同一の基準で入出力の差を評価することはできない. そこで本論文では, 熱と電力の独立した 2 軸からなる平面を考え, 平面上のベクトルによって両者の入出力差を扱うこととする. このように, 電力以外の熱の入出力について, その価値 ( エクセルギー ) の差を考慮せずに一つの軸上で表すことで, 熱と電力の相互変換を伴う機器の性能を 2 次元のベクトル図によって直観的に比較する. その理由は以下の通りである. 燃料から電力への変換効率は需要家第 23 回エネルギーシステム経済環境コンファレンスの発表内容を一部含む. 42

2 端で見れば, 通常 50% 以下であるがこの値は熱量基準, エクセルギー基準でほぼ等しい. 一方, 民生用の熱需要は温度レベルが低く, ボイラ等による燃料から熱への変換効率は, エクセルギー基準では 10% 以下であるが, これを熱量基準で見れば通常 80% 以上である. しかも, 仕事に変換する必要のない低温の熱は, エクセルギー量で評価する必要がなく, むしろエネルギー量として直接表現できた方が, 一般的には理解しやすい. そのため, 住宅において燃料を使用する代表的なエネルギー変換機器であるボイラ ( 給湯器 ) では, 入力 ( 燃料 ) と出力 ( 温水 ) との関係は (1) 式のように表され, 熱エネルギー量を共通の単位としている. 以上のことを考慮して, 熱の入出力に関しては熱量を単位として扱い, 電力はこれと区別して 2 次元のベクトル図を用いることとする. これにより, 熱と電力の相互変換を伴う機器の性能を直観的に比較することが可能となる. 熱と電力の入出力を二つの独立した軸からなる平面上のベクトルで扱う場合, 例えば,HP は電力を入力とし熱を出力とするため, 入出力は図 1 のようになる.CGS は燃料を入力とし, 熱 ( 温水 ) と電力を出力とするため, 入出力は図 2 のようになる. なお, 図 1 と図 2, における各記号はそれぞれ次の通りである. I CGS, I HP, : CGS,HP の燃料電力入力 O CGS, O HP : CGS, HP の熱電力出力また, これらに加えて, 後述の図 3 と図 4 における各記号はそれぞれ次の通りである. 力(力)電 HPの効果入 OIHP 出 I HP 入出力差換算係数 α 点 Oに等価な点 IHP HP 入力 ( 電力 ) OHP O HP 出力 ( 熱 ) 熱 ( 燃料入力熱出力 ) 図 1 HP の入出力差の例電熱量から電力への力(換算係数 (=α) 入点 Oに等価な点出 O OICGS 力)CGS 入出力差 OCGS CGSの効果 CGS 出力 ( 熱電力 ) ICGS CGS 入力 ( 燃料 ) I 熱 ( 燃料入力熱出力 ) 図 2 CGS の入出力差の例 D :demand 熱電力需要 OD :origin of demand 需要原点 C :consumption 燃料電力消費 C B,C CGS,C HP : 給湯器,CGS,HP 導入時の燃料電力消費図 1 および図 2 に示すように, 熱と電力の両方が入出力となる場合について,(2) 式のように入出力差ベクトルを考える. 入出力差 = 入力 - 出力 (2) (2) 式は (1) 式を熱と電力の 2 軸に拡張したものであるため, 入出力差ベクトルは (1) 式の損失に対応する. したがって, 入出力差ベクトルによって熱と電力の両方が入出力となる機器の性能を直観的に表すことができる. ただし, 熱と電力とのエネルギー価値は異なるため, 入出力差ベクトルは, 一般的なエネルギー損失とは意味が異なる. そこで, 図 1 および図 2 に熱と電力の等価的な換算を表す補助線を追加し, 補助線との対比によって, 一般的なエネルギー損失と同様に, 機器の損失を評価する. 例えば, 一次エネルギー ( 燃料の化学エネルギー ) から電力への換算係数をαとして, 入出力ベクトルの始点 O を通り傾き-αの直線 ( 図 1 および図 2 の斜めの破線 ) を引くと, この直線上の点は全て一次エネルギーに換算して点 O と等価な点を表す. この時, 入出力ベクトルの終点 I と傾き-αの直線との水平距離は, 一次エネルギーに換算した入出力差, すなわち一般的なエネルギー損失を表す. ここで, 給湯器について同様に入出力ベクトルを描くと, 入力 > 出力であるため, 終点 I は傾き-αの直線の右側に位置し, 両者の差は損失を表す. 一方, 熱と電力の相互変換を伴う HP や CGS の場合, 図 1 および図 2 に示すように, 入出力ベクトルの終点 I は傾き-αの直線の左側に位置する可能性がある. この場合, 出力よりも入力の方が小さいことを表すため, 本論文では, 両者の差は損失とは区別して効果と呼ぶこととする. 効果が大きい程, 性能が高いことを表す. 傾き-αの補助線の引き方は, 何を重視するかにより, 様々な考え方が可能である. 例えば, エネルギー効率を重視するのであれば, 上述のように一次エネルギー換算値を用いるのが妥当と考えられる. その場合でも, 系統側の発電効率の向上等に伴い,α は変化する可能性がある. 一方, 提案可視化図法において,CGS や HP 等の入出力差ベクトルはαの値とは無関係である. したがって, 提案可視化図法では,αが変化した場合に効果がどのように変化するのかも直観的に把握できる. このように, 系統電力と燃料消費との関係についての様々な考え方をした場合でも, この図法によれば異なる種類の機器の性能について, 直観 43

3 的かつ定量的な比較が可能となる. ただし,αの設定において,CO 2 排出量を重視する場合には, 燃料ごとに排出量原単位が異なるため, 共通の換算係数 αを用いることができない場合もある. したがって, CO 2 排出量を重視する場合においては, 需要家の燃料が同一の場合に限り,αによる基準線を図示することができる点に留意する必要がある. 2.2 同一の需要に関する熱電力供給システムの比較図 1 および図 2 は機器単体の入出力差ベクトルを示すが, HPと CGS とで入出力が異なるため, 単純な比較はできない. そこで, 同一の熱電力需要を持つ需要家に対して, 比較対象のエネルギー機器が含まれる熱電力の供給システムを考え, システムとしての入出力差ベクトルを用いて様々なエネルギー機器の比較を行うように提案図法を拡張する. 需要家の電力需要と系統電力消費について考えると, 図 1 の場合は (3) 式のような関係がある. 系統電力消費 =HP 入力 ( 電力 )+ 電力需要 (3) また, 図 2 の場合は (4) 式のような関係がある. 系統電力消費 = 電力需要 -CGS 出力 ( 電力 ) (4) (3) 式および (4) 式を一般化すると, 電力の入出力の関係は (5) 式のようになる消費 - 需要 = 入力 - 出力 (5) 熱に関しても同様の関係が得られる. そこでこれらをベクトルとして拡張することにより, 需要家の需要 ( 熱電力 ) を賄うような熱電力供給システムにおける消費 ( 燃料系統電力 ) との関係, すなわちシステム入出力差ベクトルは (6) 式のようになる. 入出力差 = 消費需要差 = 消費 - 需要 (6) なお, 機器単体の入出力差とシステムとしての入出力差を区別するため, 以下では必要に応じてそれぞれを機器入出力差ベクトル, システム入出力差ベクトルと呼ぶことにする. (6) 式の関係を用いて, 各システムを導入した場合の需要家の燃料消費, 電力消費を示すことができる. システム以外の熱供給がない状態では各システムの熱出力が熱需要に等しくなる. このとき, 機器入出力差を表す図 1 および図 2 をシステム入出力差と読み替え, 燃料消費, 電力消費を表す図に変換すると図 3 のようになる. 図 3 において C B,C HP,C CGS はそれぞれ, 給湯器,HP,CGS( 補助熱源を含む ) を導入した際の燃料と電力の消費を表す. この時需要は点 D で表され, 図 1 および図 2 における点 O が点 D と共通であることがわかる. また, 図 1 および図 2 における効果は同様に点 D を通る傾き-αの直線との水平距離で示される. システム入出力差ベクトルは OI HP =DC HP, OI CGS =DC CGS のように需要と消費の関係としても表すことができる. また, 図 3 において, 点 D はシステム入出力差ベクトルの始点であり, 様々な熱と電力の比が点 D を通る直線の傾きとして表されるため, システムの特性を視覚的に示すことができる. 例えば,HP では DC HP の傾きの絶対値が COP の逆数となる. また, 需要を表す O D D の傾きは需要の熱電比の逆数であり,CGS 出力を示す O CGS の傾きは CGS の熱電比の逆数になる. このような図 3 の意味を説明したものが図 4 である.CGS について, 図 4 の点 C CGS と点 D を結ぶ直線の傾きを-βとすると,CGS の効果が正となるのはα <βの時である.βは, 電力と燃料熱の換算係数 α( 系統の発電効率に相当 ) と比較されるため,βを CGS の見かけ発電効率と呼ぶことにする. 一方,HP についてはγ=1/COP であり,HP の効果が正となるのはγ<αの時である. このように図 4 においては,HP や CGS の性能は入出力差ベクトルの傾きとして表れ, これと系統電力の燃料 ( 一次エネルギー ) 換算係数との大小関係, 給湯器,HP,CGS を導入した際の燃料と電力の消費が視覚的に一度に把握できる点にベクトル図の特徴がある. 同様にして, システム入出力差ベクトルを用いて, 他のエネルギー機器の性能を評価できる. その際, 需要家が系統電力に接続されている場合, 電力需要に対し, 電力を供給するための機器は必ずしも必要でない. 一方, 熱需要に CHP 電力 ( 消費需要 ) OD CHP 電力 ( 消費需要 ) OD HP の効果 IHP OHP OCGS OIHP ICGS =DCHP 給湯器の損失 D CB 効果 OICGS =DCCGS CCGS 損失傾き -α CGS の効果熱 ( 燃料消費熱需要 ) 図 3 同一の需要に対する複数の機器の比較 HPの効果基準線 ( 傾き=-α: 系統電力の傾き=-γ:1/COP 燃料換算係数 ) 低い COP 傾き=-β: 見かけ発電効率高い D 高い熱電比低い給湯器の損失 CB 高い低い CCGS CGS の効果図 4. HP と CGS の図法の見方高い低い熱 ( 燃料消費熱需要 ) 44

4 対しては熱が直接供給される場合を除き, 燃料や電力などを熱に変換する機器が必要となる. システム入出力差ベクトルを用いた各種家庭用エネルギー機器の性能比較については, 提案図法の応用例として4 章において示す. 2.3 複数の需要に関する複数のシステムの比較図 3 において,(6) 式に示される各々のシステム入出力差ベクトルは, 点 D を始点とするベクトルである. これに注目すれば, 図 5 に示すように需要家が複数であっても, それぞれの需要を表す点 D i (i: 需要家の番号 ) を共通の原点にとり, これを始点とするシステム入出力差ベクトル DCi を視覚的に比較することができる. その結果, 前述のようにシステム入出力差ベクトルの傾きに注目すれば, 需要の大小によらず, システム性能を比較することができる. なお,HP や CGS は単純なカタログ性能では同じ直線上にプロットされる. しかし, 一般にエネルギー変換機器は定格で連続運転されるのではない. その結果, 例えば,CGS の場合には, 需要により, 起動停止時刻などの運転パターン, 年間の稼働率, 補助熱源の使用割合などが異なり, 実使用時の総合効率に差が生じて入出力差ベクトルの傾きが異なる.HP も使用時の外気温などにより実質的な COP に差が生じばらつきを生じるため, これを反映すれば傾きは異なる. このような運用上のばらつきについても実績値を用いたベクトル図により把握できる. このことは実例を用いた 4 節にて後述する. また, 点 D は効果の基準点でもあり, 図 3 における効果の基準線も複数の需要家について共通となる. この時, 図 3 における原点 O D は, 需要家ごとに異なる点 O Di として示される. そこで, これらの点を原点 D と区別するため, 需要原点と呼ぶことにする. 3 エネルギーの単位と機器の利用率について日本では季節の変動も考慮する必要があるため, 提案図法において使用機器の実使用時の効率を示すためには, 通常は1 年間の運転に対し, 年間のエネルギー量などを合計して効率等を求める. しかし, エネルギー量を単位として用いると, 期間 (1 日や1 年など ) の取り方によってエネルギー量が大きく変わり, 利用率を直観的に把握することが困難になる. そこで, エネルギー量の時間平均 ( エネルギーの平均フロー ) として W を単位として用いると, 別途表などで示される機器の定格出力との比較により, 機器の稼働率を容易に把握できるようになる. つまり, 次の 4.2 節の図 6 のように, 横軸は平均熱フロー ( 燃料消費変化熱需要 ) とし, 単位は W th (Watt-thermal) とする. 縦軸は平均電力フロー ( 系統電力消費変化電力需要 ) とし, 単位は We(Watt-electric) とする. 図 6 において CGS などの定格電力 ( 消費変化需要 ) DC2_HP OD1 需要原点 OD2 出力を縦軸に記入すれば, 図のみで容易に稼動率の把握が可能となる. しかし, 図 6 には多数の機器をプロットしたことから図中への定格出力の記入は図が煩雑になるため省略し, 表 1 と比較することで稼動率を読み取ることとした. GE-CGS を例にとれば, 縦軸の電気出力は平均 157W e であり, 表 1 の定格出力 880W e との比較により, 稼働率が約 18% であることがわかる. 4 応用例 DC1_HP D1 D2 D DC1_B DC2_B DC1_CGS DC2_CGS 傾き -α 熱 ( 燃料消費変化熱需要 ) 図 5 複数の需要に対する複数の機器の比較提案可視化図法の応用例として, 表 1 に示す家庭用の各種エネルギー機器について, 表 2に示す 8 軒の需要家 2) の 1 年間の需要データをもとに, 各需要家に設置した場合のシステム入出力差ベクトルを計算した. なお, ここでは機器単体ではなく, 給湯電力需要を満足するために設置された機器を組み合わせたシステムに対し,1 年間に消費される電力ガスの消費量を求め, これを 1 年の時間で割ることにより, 平均出力によるシステム入出力差ベクトルを求めている. 4.1 家庭用各種エネルギーシステムの入出力差ベクトル算出方法以下に各システムのシステム入出力差ベクトルの算出方法を述べる. <ガス給湯器 > 従来型給湯器と, 潜熱回収型給湯器については, 給湯需要から熱効率カタログ 7) 値によりガス需要を求めた. <CO2 ヒートポンプ給湯機 > CO 2 HP 給湯機については, 実働機器の実測 COP( ) の平均値 3.02 を使用した 4). 給湯需要からこの COP により所要電力量を求めた. < 太陽熱温水器 > 太陽熱温水器を導入する場合, 需要家の燃料消費は 2.2 節で述べたように, 補助熱源の消費分を考慮しなければならない. そのため, 太陽熱温水器と補助給湯器を組み合わせて一つのシステムと考え, これによる消費と需要の差を 45

5 表 1 各機器の諸元入力 (kw) 出力 (kw) 貯湯槽効率 (HHV) 容量平均 / 電力ガス電力熱発電備考 (L) 総合従来型給湯器 % カタロク 7) 潜熱回収型給湯器 % カタロク 7) COP CO 2 HP 給湯機 * ),5) =3.02 文献太陽熱給湯器 * ホームヘーシ 9) GE-CGS - 6) * % 65.4% 文献 FC-CGS - 3),8) * % 72.3% 文献太陽光発電ホームヘーシ 10) 系統電力 % - 省エネ法 * 総合効率入出力等から計算で求めた出力需要家番号所在地床面積 (m 2 ) 表 2 各需要家のデータ平均需要 (W) 間取り家族構成給湯電力太陽熱温水器のシステム入出力差ベクトルとした. 熱電比 * 1 神奈川県 149 4LDK 核家族 6 人千葉県 112 4LDK 核家族 4 人大阪府 165 6LDK 核家族 4 人奈良県 146 6LDK 核家族 6 人北海道 148 5LDK 核家族 4 人広島県 201 6LDK 核家族 5 人宮崎県 101 4LDK 高齢夫婦北海道 119 4LDK 核家族 4 人平均 * 冷暖房を含まない ( 熱電比 = 給湯 / 電力 ) 太陽熱温水器は, 運転実績データ 9) ( 受熱部 6m 2 ) をもとに, 全日日射量と給水温度上昇の近似式を作成し, 地点毎の 2005 年の各日の全日日射量から給湯利用量を計算した. なお, 夏季など温水量が必要給湯量を上回る場合には, 必要給湯量を有効な利用量とした. また補助給湯器として潜熱回収型給湯器を用いるものとした. 太陽熱温水器は屋根の向きなどによる日照条件や機器本体の重量等による設置の制約もあるが, ここでは考慮していない. <ガスエンジン CGS> GE-CGS の効率については, 各種損失を考慮した定格運転時の効率 6) を HHV に換算して用いることとした. CGS の総合効率向上のためには, 排熱を無駄なく活用する運転モードが求められる. また, ガスエンジンは部分負荷では効率が低下する. ここでは, 排熱利用のため貯湯槽満蓄時に停止し, 逆潮流なし ( 余剰電力は貯湯槽ヒータ回収 ) で電力需要が 740W 以上の時に定格出力で運転するものとした. これを各需要家モデルに当てはめ, 各月ごとに代表週の 10 分毎データによるシミュレーションを行い,12 ヶ月を合計した. この運転パターンにおいて不足する給湯需要に対しては補助熱源を用いるものとし, 補助熱源の効率は 80%(HHV) とした. なお, 起動停止に伴う損失は考慮しないこととした. < 燃料電池 CGS> FC-CGS も運転パターンが総合効率に大きく影響する. そのため, 運転パターンについては, 文献 2) の実績値 ( 発電量排熱利用量 ) を用いることにした. 運転モードは8 軒中 6 軒において逆潮流あり, 残り2 軒が余剰電力ヒータ加温である. また, 余剰熱は6 軒がラジエータ放熱, 残り 2 軒が貯湯槽満蓄時停止としている 2). 逆潮流分は他の発電分と同様に, 系統電力消費を削減するものとしてシステム入出力差ベクトルを計算することとする. なお, 文献 2) には燃料消費量が明示されていないため, 燃料電池の運転中平均負荷に対し, シミュレーション用の部分負荷効率を用いることとし, 補助熱源の効率は 80%(HHV) とした. また, 起動停止等に伴う損失は考慮しないこととした. < 太陽光発電 > 太陽光発電を導入する場合,2.2 節で述べたように給湯器を含めて一つのシステムとして考えないと他のシステムと同じレベルでの比較ができない. そのため, 太陽光発電システムにおいても給湯器を含めて 1つのシステムと考え, これによる消費と需要の差をシステム入出力差ベクトルとする. 太陽光発電の設備容量は標準的な出力である約 3kW(24m 2 ) とした. 発電電力量はメーカーホームページ 10) による理想的な条件での試算結果に対し, 屋根の向きや汚れ等による性能低下を考慮し, 試算結果 90% とした. また, 給湯需要に対応する機器は潜熱回収型給湯器とした. なお, 太陽光発電は逆潮流が認められているため, 電力需要パターンは考慮していない. 4.2 システム入出力差ベクトルによるエネルギーシステムの比較 8 軒の需要家について 7 種類のシステム入出力差ベクトルを示したものが図 6 である. システム入出力差ベクトルを用いることで, 需要の違いによるばらつきを打ち消し, 各システムの特徴をガス電力消費の変化として視覚化できる. さらに, 系統電力の一次エネルギー換算値として, 需要端発電効率 36.6%( 省エネ法 ) を, 原点を通る効果の基準線 (α=36.6%) として示した. 以下に需要および各システムの特徴について述べる. < 電力給湯需要 > 図 6 では, 電力, 給湯需要はグラフの第 3 象限にプロットされ, 需要の各点から原点に向かうベクトルが各需要家の需要を示す ( 図中の5,7は表 2 の需要家番号を示す ). 熱需要は 310W th ~920W th, 電力需要は 470W e ~1090W e, 熱電比 (= 給湯 / 電力 ) の平均は 0.92 である. 需要から各機器のプロットに向かうベクトルが, 各機器を導入した時のガ 3) 46

6 ス電力消費に相当する. <ガス給湯器 > 従来型給湯機や潜熱回収型給湯機については, 原点の右側にプロットされ, 原点からの水平距離が熱損失を表す. 従来型給湯器の損失は平均 122W th である. カタログ値による計算ではあるが, 潜熱回収型給湯機の損失は平均 45W th と少なく, 条件によっては CGS や CO 2 -HP と比較して遜色ない損失となる場合もある. <CO 2 ヒートポンプ給湯機 > COP を一定としたため, 図 6 では,γ=1/3.02=33% の線上で, 給湯電力需要の真上にプロットされる. 系統電力 (36.6%) を基準とした場合, わずかに効果が認められる. ( 文献 4 では COP= に対し,γ=34%~31%, 定格 COP=4.29,γ=23%). 消費電力増加は平均 196W e である. < 太陽熱温水器 > 太陽熱温水器の出力は天候や季節の影響を大きく受け, 熱需要の全量を供給することはできない. 図 6 では原点の左側にプロットされ, 給湯需要の 1/2-2/3 程度の熱量を供給できる. システムの効果 ( 原点との水平距離 ) の平均は 298W th である. <ガスエンジン CGS> 計算結果からβ=29%~34%( 平均 32%, カタロク値 43%) となった. 表 2 の多くの需要家で平均電力需要は GE-CGS の出力 880W e より小さく, 熱電比も 0.47~1.64 と GE-CGS の熱電比 3 より小さい. そのため, 全体の平均では GE-CGS の電気出力は 157W e で, 稼働率も約 18% と FC-CGS に比較して低くなっている. 補助熱源の使用割合はグラフには明示されていないが, シミュレーシ計算結果の平均では給湯需要の約 15% となった. 図 6 のデータを個別に見ると, 電力需要と熱電比が大きい需要家 5の平均出力が 225W e で最も大きい. 一方, 需要家 7は電力需要が最も小さく熱電比も 2 番目に小さいため, 平均出力は 81W e と最も小さくなった. これらの GE-CGS の入出力差を表す点は, 系統電力による基準線の近傍にプロットされ, その効率 (=β) と平均出力 (= 稼働率 ) の分布を視覚的に確認できる. < 燃料電池 CGS> 計算結果からβ=37%~44%( 平均 38.6%, 定格値 53%) である. 見掛け発電効率は平均で 7% ほど GE-CGS より高い. また, 熱電比が小さく部分負荷運転も可能なことから, 電気出力の平均は 378W e と発電電力量は GE-CGS の 2 倍以上となっており, 稼働率も 38% と高くなっている. なお, 補助熱源の使用割合は給湯需要の 29% となっている. < 太陽光発電 > 図 6 では, 潜熱回収型給湯器の下側にプロットされ, 電気出力の平均は 355W e であり, 電力需要の 1/2 程度を供給できる. 効果 ( 基準線との水平距離 ) は最も大きく, 燃料電池 CGS と比較すると, 発電電力量は同程度であるが, 一次エネルギー消費が約 1000W th 少ないことがわかる. 4.3 提案図法の効果のまとめ図 6 により,8 軒の異なる需要に対し,7 種類の異なる民生用エネルギーシステムを導入した場合の入出力差ベクトルを示した. 図 6 より, 複数の異なる需要に対してもシステム入出力差ベクトルと基準線の傾きの差やベクトルの大きさによりエネルギーシステムの効果を定量的かつ俯瞰的に把握することができる. 図 6 において CGS や HP は, 基準線の近傍にプロットされている. このことは CGS や HP の効果はあまり大きな値ではなく, 原点と同程度, 言い換えれば効率 100% のガス給 500 従入出力差ベクトルの評価 (2.1 節参照 ) CO 2 HP 潜来給湯機給熱型効果損失湯回給系統電力器収湯型器平均熱フロー (Wth)( ガス消費変化熱需要 ) 0-1, 太陽熱温水器 ,000 1,500 5 給湯電力需要 5 給湯器損失平均 122W th GE-CGS 太陽光発電 FC-CGS 大きい記号は各機器の平均値を示す -1,000 平均電力フロー (We) ( 消費変化需要 ) 給湯電力需要系統電力 (36.6%) 従来型給湯器 CO2-HP 給湯機 GE-CGS 太陽光発電 3kW 潜熱回収型給湯器太陽熱温水器 FC-CGS 定格カタログ値図 6. 各種民生用エネルギーシステムの比較 -1,500 47

7 湯器と同程度の一次エネルギー消費量であることがわかる. 次に CGS や HP の一次エネルギー削減量について考える. 一次エネルギー削減量は, 基準とするシステムとの効果損失の差として相対的な値となる. そのため, 従来型ガス給湯器を基準とした場合は, ガス給湯器の損失分が省エネ効果とほぼ等しくなる. しかし, 効率が 90% を超える潜熱回収型ガス給湯器を基準とすれば,HP や CGS の一次エネルギー削減量は相対的に小さくなる. 基準となるシステムが決まっており, 一次エネルギー削減量のみを比較する目的であれば, 図 6 を基準となるシステムを共通の原点に変更することで削減量の比較はより容易になる. 図 6 は試算の一例であり, 給湯器の効率は表 1 に示したカタログ値を用いているため, 実際の運用値とは若干異なる可能性はあるが,HP や CGS を省エネ機器として考えるならば, 更なる効率の向上が望ましいと言える. なお, FC-CGS は現在, 開発途上にある機器であり更なる効率の向上に期待したい. このように一次エネルギー消費量には大きな差は無いが, ガス電力消費という点で考えると HP はガス消費を減らし電力消費を増加させる. 逆に CGS は電力消費を削減し, ガス消費を増加させる. つまり, ガス電力の消費については全く対照的な効果を生じることが, システム入出力差ベクトルの向きから視覚的に理解できる. 系統電力消費とガス消費を統合した効果は, 電力とガスのエネルギー換算係数によって異なる. しかし, 換算係数が変化しても, 太陽エネルギーを用いた太陽光発電と太陽熱温水器の効果が高いことに変わりはない. 一方,CGS と CO 2 -HP の効果は, 系統電力の一次エネルギー換算係数により大きな影響を受け, 換算係数によっては効果がわずかしか認められないか損失側になる場合もある. そのため, 換算係数を一意に定めて評価するのではなく, 換算係数を一つのパラメータとして効果の意味を考える必要がある. このような目的に対しても, 提案したシステム入出力差ベクトルによる図法は有効である. 5 まとめ以上のように, 提案した図法は, 一枚の図でエネルギーの平均フローのみを用いて, 個々の需要家と熱電力供給システムの入出力差ベクトルについて全体像を俯瞰しながら同時に比較することができる点に特徴がある. 特に CGS の場合は, 需要と電気出力効果を同時に視覚的定量的に示すことができ, 利用率や需要家の熱電比, 入出力差ベクトルの傾きと大きさを比較しながら種々の検討を行えるため, 様々な局面で有効であると考えられる. 本報では家庭用ヒートポンプと CGS のデータを図示したが, これは研究として公開されている家庭用機器のデータが比較的豊富で容易に入手できるためであり, 図法自体の制約によるものではない. また, 本報では複数のシステム入出力差ベクトルについて同時に 1 枚の図に示したが, 1 種類の入出力差ベクトルのみの図示であっても, 図法の特徴を理解するならば, 同様の方法で図示された他の入出力差ベクトルとの比較は容易であるため, 十分に有用である. この方法は民生用の熱電力変換機器について同様に利用でき, 適切な単位化を行うことで, 大型 CGS, 大規模地域冷暖房等の規模が異なるエネルギーシステムの比較にも応用可能である. そのため, 同様の問題の検討や, 実績データなどの結果を表示する際に, この図法が有効に利用されることを期待する. 参考文献 (URL のアクセス確認 ) 1) 石川明, 加藤丈佳, 鈴置保雄 : 物質投入量を考慮したエネルギーシステムの評価 - 家庭用電熱供給システムの比較評価の視覚化 -, 第 23 回エネルギーシステム経済環境コンファレンス,2-3, ~26 2) ( 財 ) 建築環境省エネルギー機構, 住宅用燃料電池の導入に関する技術研究成果報告会資料, ) ( 財 ) 建築環境省エネルギー機構, 住宅用燃料電池の実用化に関する総合研究 ( その3), ) 柴田善朗, 村越千春, 中上英俊, 実使用条件下における CO 2 冷媒ヒートポンプ給湯機の性能評価, 第 22 回エネルギーシステム経済環境コンファレンス, ~27 5) 小林和幸, 村端秀峰ほか, 自然冷媒 (CO 2 ) ヒートポンプ給湯機の開発 ( その 3) 多機能タイプの開発, 空気調和衛生工学会学術講演会公演論文集, ~19 6) 木谷健一, 伊東弘一, 天野嘉春, 橋詰匠, 家庭用ガスエンジンコージェネレーションシステムの特性分析, 第 25 回エネルギー資源学会研究発表会講演論文集 P ) 東邦ガス, ガス発電給湯冷暖房システム, ガス給湯冷暖房システム設計資料編 ) 東京ガスにおける家庭用燃料電池コージェネレーションシステム開発 9) チリウヒータホームページ 10) 京セラニュースリリース新型 ECONOROOTS( エコノルーツ ) type R 48

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PowerPoint プレゼンテーション T13K707D 蜂谷亮祐指導教員赤林伸一教授研究目的住宅における冷暖房のエネルギー消費量は住宅全体のエネルギー消費の約 1/ 4 を占め冷暖房機器の運転効率の向上は省エネルギーの観点から極めて重要である動力照明他 38.1% 厨房 9.1% 冷房 % 2014 年度 34,330 MJ/ 世帯暖房 22.9% 給湯 27.8% 24.9% 図世帯当たりのエネルギー消費原単位と用途別エネルギー消費の推移