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1 太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発 NEDO 省エネフォーラム発表資料 平成 28 年 1 月 26 日 NEDO 省エネルギー部

2 PJ PJ 日本のエネルギー消費の内訳と推移 部門別最終エネルギー消費の推移 18 8, 16 7, 運輸部門 22.5% 業務部門 2.5% 家庭部門 14.% 産業部門 43.% 軸ラベル 6, 5, 4, 3, 2, 1, 軸ラベル % % % % 産業部門家庭部門業務部門運輸部門 産業部門家庭部門業務部門運輸部門 出展 : 平成 25 年度エネルギー需給実績 ( 速報 ) ( 資源エネルギー庁 ) 出展 : 平成 25 年度エネルギー需給実績 ( 速報 ) ( 資源エネルギー庁 ) 民生 ( 家庭 業務 ) 部門で全エネルギー消費量の約 3 割を占め 産業 運輸部門に比べて 過去から増加傾向にある 家庭部門のエネルギー消費量は民生部門の半分弱を占める 2 2

3 日本や外国の住宅におけるエネルギー消費 日本の住宅の消費エネルギーは暖房 給湯で半分以上を占める 日本の暖房は 1GJ/ 年間程度でフランスや米国に比べて 4 分の 1 から 5 分の 1 程度 日本の給湯は 14GJ/ 年間程度でフランスと米国の中間の使用量 (GJ) GJ 7GJ 95GJ 日本 (212) フランス (21) USA(29) 33 冷房暖房給湯その他 住宅一軒あたりの年間エネルギー消費量 株式会社住環境計画研究所の資料より引用 3

4 背景 家庭部門における省エネルギーには住宅の省エネルギーの推進が必要 民生部門の最終エネルギー消費量は全体の約 3 割を占めるその中で家庭部門は半分弱を占める 22 年までに標準的な新築住宅で 23 年までに新築住宅の平均で ZEH の実現を目指す ねらい 我が国における住宅の省エネルギーを推進するため そのエネルギー消費の約 1/2 を占める空調 給湯に着目し そのエネルギー消費の削減を目指す 世帯当たりの用途別のエネルギー消費割合 (21 年度 ) 冷房動力 2.9% 暖房照明他 26.8% 34.8% 58% 厨房 7.8% 給湯 27.7% 4 4

5 太陽光発電 ( 住宅用 )(KW) 太陽熱システム ( 住宅用 )( 件数 ) 太陽熱エネルギー利用の現状 太陽熱をそのまま使用するのは無駄がない 太陽光と比べて普及していない 日本の北部の地域での導入実績が少ない NEDO がメリットを明確化していく 住宅用太陽光発電と太陽熱システムの設置数 ( 国内 ) 2,5, 16, 2,, 太陽光発電 (KW) 14, 太陽熱システム ( 件 ) 12, 1,5, 1, 8, 1,, 6, 5, 4, 2, 太陽熱システム設置台数の地域別割合 ( 国内 (%) ) 北海道, 1.1 東北, 4 四国, 3.9 九州, 13.1 北海道東北 関東 中国, 8.8 近畿, 8.9 関東, 36.3 北陸中部近畿 中国 四国 中部, 22.9 九州 北陸, 1 出典ソーラシステム振興協会の HP より入手したデータより NEDO 作成 出典ソーラシステム振興協会の HP より入手したデータより NEDO 作成 5

6 太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発 我が国における住宅の省エネルギーを推進するため そのエネルギー消費の約 1/2 を占める空調 給湯に着目し そのエネルギー消費の半減を目指す 実証研究で取得したデータを住宅の省エネ基準への反映に活かすよう 平成 28 年度末に太陽熱活用システムの評価法を構築する ~213 年 214 年 215 年 216 年 ~ 省エネ要素技術開発 実住宅における太陽熱活用システム実証 基準化 高性能断熱材の開発 ( 平均熱伝導率.1W/m K) 高機能パッシブ蓄熱建材の開発 ( 厚さ 15mm 以下 ) 戸建住宅用太陽熱活用システムの開発 ( 空調 給湯エネルギーを一次エネルギー換算で 5% 減 ) 太陽熱活用システム新築住宅実証評価 太陽熱活用システム改築住宅実証評価 太陽熱活用住宅省エネ基準反映 6

7 実住宅における太陽熱活用システムの評価 空調 給湯エネルギーが 1 次エネルギー換算で半減される可能性があることを全国の 8 つの気候区分で実証する 7

8 冬期 夏期 太陽熱活用システム OM ソーラーグループ ( 空気集熱式暖房給湯システム ) 空気集熱式システム 暖房 給湯に太陽熱を利用 太陽熱冷房可能 ( 一部地域で採用 ) 高効率給湯器の組み合わせ 給湯利用で夏期でも有効に太陽熱を利用する 冬期 夏期 FH アライアンスグループ ( 空気循環太陽熱暖房システム ) 太陽熱集熱部位で得られた熱を空気循環により建物全体へ配熱 蓄熱 太陽熱温水システムで集熱した熱エネルギーから給湯を除いた余剰熱量を空調ユニットの熱源として使用 太陽熱は屋根 ( 温水パネル ) と壁面 ( ダブルスキン ダイレクトゲイン ) の両方から集熱 ダブルスキンは庇 袖壁により日射遮蔽し 冷房負荷軽減 なお 外側のスキンは開放して利用する ダイレクトゲインは冷房負荷を増大するため 庇など日射遮蔽する ダブルスキン採熱室 太陽熱温水パネル 夏の日射遮蔽 ダイレクトゲイン 8

9 太陽熱エネルギー活用型住宅実証地点 日本の気候区分 札幌市 ( 株 ) 大洋建設 旭川市 ( 株 ) カワムラ 鹿児島県鹿児島市ヤマサハウス ( 株 ) 福岡県福岡市 ( 株 ) 安成工務店 滋賀県湖南市 ( 株 ) 木の家専門点谷口工務店 宮崎県宮崎市アイ ホーム ( 株 ) 沖縄市中頭郡 ( 株 ) アイムホーム 福井県坂井市松栄建設 ( 株 ) 大阪府堺市 ( 株 ) コアー建築工房 愛知県春日井市丸七ホーム ( 株 ) 静岡県浜松市 OM 建築工房 ( 株 ) 伊達市小松建設 ( 株 ) 岩手県花巻市花住ホーム ( 株 ) 宮城県仙台市サイト工業 ( 株 ) 埼玉県本庄市 ( 株 ) 小林建設 東京都町田市 ( 株 ) 鈴木工務店 既築改築実証地点 (FH アライアンスグループ ) 既築改築実証地点 (OM ソーラーグループ ) 新築実証地点 (FH アライアンスグループ ) 新築実証地点 (OM ソーラーグループ ) 9

10 熱量 [GJ/period] 実証結果 FH アライアンスグループ 1 ダイレクトゲイン ダブルスキン トロンブウォール FCU 太陽熱給湯 給湯負荷 空調負荷 旭川札幌岩手福井愛知宮崎 旭川札幌岩手福井愛知宮崎 空調 給湯負荷 (%) 太陽熱利用 (%) 太陽熱利用による集熱量および空調 給湯負荷の年間積算期間 : 平成 27 年 4 月 1 日 ~ 平成 28 年 3 月 31 日 1

11 熱量 [GJ/period] 実証結果 FH アライアンスグループ改築 ( 旭川 ) 8 給湯負荷太陽熱給湯空気循環 暖房負荷ダイレクトゲイントロンブウォール 太陽熱利用 導入前 ( 計算値 ) 導入後 ( 実測値 ) 暖房 給湯負荷 59.6GJ 31.2GJ 太陽熱利用 GJ( 全体の 47.6%) 太陽熱利用による集熱量および暖房 給湯負荷の年間積算 (215 年 1 月 1 日から 216 年 5 月 1 日 ) 11

12 熱量 [GJ/period] 実証結果 OM ソーラーグループ ダイレクトゲイン 集熱暖房 内部発熱 太陽熱冷房 太陽熱給湯 給湯負荷 空調負荷 伊達仙台浜松鹿児島沖縄 伊達仙台浜松鹿児島沖縄 空調 給湯負荷 (%) 太陽熱利用 (%) 太陽熱利用による集熱量および空調 給湯負荷の年間積算 ( 平成 27 年 5 月 1 日から平成 28 年 4 月 3 日 沖縄 : 平成 27 年 11 月 1 日から平成 28 年 4 月 3 日 ) 12

13 熱量 [GJ/period] 年間熱負荷積算 OM ソーラーグループ ( 改築 ) 6 ダイレクトゲイン集熱暖房内部発熱 太陽熱給湯給湯負荷空調負荷 埼玉東京滋賀大阪福岡 空調 給湯負荷 太陽熱利用 太陽熱利用による集熱量および空調 給湯負荷の年間積算 [ % ] ( シミュレーション結果 暖房 :12 月 1 日から翌年 3 月 31 日 給湯 :1 月 1 日から12 月 31 日 ) 13

14 太陽熱エネルギー活用型住宅省エネルギー基準への反映 太陽熱活用システムの評価法の構築 太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発 高性能断熱材の開発 高機能パッシブ蓄熱建材の開発 戸建住宅用太陽熱活用システムの開発 太陽熱活用システムの実住宅での評価 ( 上記 3 点の実証 ) 太陽熱活用システムの評価法の構築 実証研究で取得したデータを住宅の省エネルギー基準への反映に 活用する 技術開発から普及段階へ移行する 詳細なシミュレーションをしなくても導入効果が予測できる簡易評価法が普及を加速するとして期待されている 出典 : 佐藤エネルギーリサーチ 日本太陽エネルギー学会研究発表会 ( 宮崎 ) 資料 14

15 まとめ 太陽熱活用システム実住宅における実証 新築住宅 11 か所において 太陽熱活用システムによる差 実証地域による差は見られるが 空調 給湯エネルギーが半減できる可能性は実証できた 平成 28 年度 実証住宅におけるデータ計測を継続し 新築住宅 改築住宅を問わず 空調 給湯エネルギーの半減を引き続き評価する 太陽熱活用システム評価法の構築 空気集熱式暖房給湯システムおよび空気循環太陽熱暖房システムについて簡易評価法を構築した 精緻なシミュレーションと比較し 簡易評価法の精度が十分であることが確認できた 平成 28 年度 太陽熱活用システム評価法の構築を完成させる 15

16 NEDO 省エネルギー技術フォーラム 216 太陽熱エネルギー活用型住宅の技術開発に係る太陽熱活用システムの評価方法の検討 事業実施法人名 : 佐藤エネルギーリサーチ ( 株 ) 研究開発期間 : 平成 27 年 3 月 ~ 平成 27 年 6 月 平成 28 年 2 月 ~ 平成 28 年 8 月

17 1-1. 研究開発の背景 1 住宅における熱エネルギー需要は 5% を超える 太陽熱エネルギーの活用余地は十分にある 動力その他, 8,874 暖房, 7,131 冷房, 771 電灯, 2,36 給湯, 15,397 厨房, 1,957 家庭用 2 次エネルギー消費構造 ( 関東 ) 単位 [MJ/ 年 世帯 ]

18 1-1. 研究開発の背景 2 NEDO では家庭用の暖房 給湯エネルギー削減に着目し 以下の研究を実施してきた 高性能断熱材の開発 高機能パッシブ蓄熱建材の開発 戸建住宅用太陽熱活用システムの開発 太陽熱活用システムの実住宅での評価 ( 上記 3 点の実証 ) 技術開発から普及段階へ移行する 詳細なシミュレーションをしなくても導入効果が予測できる簡易評価法が普及を加速するとして期待されている

19 1-2. 研究開発の目的 対象システム 1 空気集熱式暖房給湯システム 2 空気循環太陽熱暖房システム 空気集熱器 送風ファン 外気 給湯用熱交換器 居室 貯湯槽 南側居室 北側非居室 T 空気集熱部位 床下空間 土壌 空気集熱式暖房給湯システム 空気循環太陽熱暖房システム

20 2-1. 研究開発体制 研究開発責任者 佐藤エネルギーリサーチ株式会社 太陽熱活用システムの評価方法検討委員会 ( 委員長 : 宇田川光弘工学院大学名誉教授 )

21 暖房熱負荷 [kw] 2-2. 研究開発内容 1 太陽熱を利用しない住宅 ( 非集熱住宅 ) の暖房負荷 給湯負荷は既知 2 太陽熱を利用するときの暖房負荷 給湯負荷の削減量を簡易に計算する方法を構築太陽熱を利用する住宅の毎時の暖房負荷を求めるのが目標 ( 給湯負荷は日積算値で可 ) b) 空気集熱暖房 給湯システムの暖房負荷削減量 2 1 a) 非集熱住宅の暖房負荷 ( 既知 ) c) 余剰集熱量から給湯熱負荷削減量を求める

22 2-3 簡易評価法構築のフロー 1 実測データを用いた評価法精度の確認 精緻なシミュレーションの検証 2 精緻なシミュレーションプログラムによる簡易評価法の検証 3 熱収支式を基礎とする評価法の構築 熱収支モデルから年間暖房熱負荷 年間給湯熱負荷削減量を求める際の補正係数等を作成する 精緻なシミュレーションには EESLISM for Windows 7.2 を使用した

23 [ ] [m3/h] [ ] [m3/h] [ ] [m3/h] 1 実測データを用いた評価法精度の確認 ( 空気集熱式暖房給湯システム : 仙台 ) 集熱器出口温度計算値測定値風量床下温度測定値風量リビング温度計算値 外気温 計算値 外気温 徐々に計算値と測定値のずれが大きくなっている 測定が竣工直後に行われたため ( 再検証が必要 ) 風量 測定値 外気温 1 5

24 3 熱収支式を基礎とする評価法の構築 ( 空気集熱式暖房給湯システム ) 1 集熱量の計算 4 給湯負荷削減量の計算 3 暖房負荷削減量の計算 6 暖房負荷削減量の再計算 2 床下温度の計算 5 床下温度の再計算

25 期間集熱効率カテゴリスコア 集熱効率の数量化 Ⅰ 類分析の例 集熱量の計算 給湯熱負荷削減量の計算 床下温度の計算 床下温度の計算.4 高効率型空気集熱器 暖房負荷削減量の計算 従来型空気集熱器 余剰集熱量の計算 暖房負荷削減量の計算 太陽熱システムの暖房 給湯熱負荷の計算.3 y =.2948 x R 2 = y =.2362 x R 2 = 空気集熱面積比 空気集熱面積比 = 空気集熱器面積 / 全屋根面積

26 2 精緻なシミュレーションプログラムによる簡易評価法の検証 ( 空気集熱式暖房給湯システム ) 全 1,8 ケースで精緻なシミュレーションとの検証を行った ( 各種係数は本シミュレーションの一部で作成した ) A: 対象地域 1 地域 ( 北見 ) B: 断熱性能 H11 基準超 C : 空気集熱面積比 D: 基礎断熱性能 (UA 値 ) 2 地域 ( 岩見沢 ) H11 基準 67% 基準 1. 3 地域 ( 盛岡 ) H4 基準基準 地域 ( 長野 ) S55 基準 5 地域 ( 宇都宮 ) 6 地域 ( 岡山 ) 7 地域 ( 宮崎 ) E: 付加蓄熱体 F: 集熱器方位角 傾斜角 G: 給湯使用量 33% 基準.5 なし南面 3 2 人家族相当 5cc 1 本 ( 基準容量 ) 5cc 2 本 ( 基準 2 倍 ) 2cc 25 本 ( 基準容量 ) 2cc 5 本 ( 基準 2 倍 ) 南面 45 東面 3 西面 3 4 人家族相当 給湯機能なし

27 暖房負荷削減量 [kw] 床下温度 [ ] 代表日の比較例 簡易評価法 精緻なシミュレーション 1 2 1/28 1/29 1/3 1/31 2/1 1 1/28 1/29 1/3 1/31 2/1 床下温度にやや差が見られるが 簡易評価法としては十分な精度

28 簡易評価法 簡易評価法 精緻なシミュレーションとの検証結果 ( 年間熱負荷 ) 6 LDK 暖房負荷 [GJ/ 年 ] 15 給湯熱負荷 [GJ/ 年 ] 4 y = 1.63x R² = y = 1.263x R² = 精緻なシミュレーション 精緻なシミュレーション

29 温度 [ ] 集熱量 [kw] 温度 [ ] 1 実測データを用いた評価法精度の確認 ( 空気循環太陽熱暖房システム : 宮崎 ) 集熱部位温度 測定値 集熱ファン発停 計算値 外気温 3 集熱量 集熱ファン発停 2 1 計算値 測定値 リビング温度 計算値 集熱温度の再現性は十分高い 2 1 測定値 外気温

30 3 熱収支式を基礎とする評価法の構築 ( 空気循環太陽熱暖房システム ) 2 集熱量の計算 3 暖房負荷削減量の計算 1 暖房負荷の補正 ( 集熱部位による断熱性能向上 日射取得性能低下 )

31 拡張外壁置換法の概念 拡張外壁置換法とは 隣接する非空調室の定常熱収支式から置換係数を求め その係数を用いて非空調空間の外壁 空間 空調空間との間の内壁を一つの外壁として置換する手法 (*) この手法を利用集熱部位を設置室の外壁として置換する 設置室 集熱部位 設置室 集熱部位の外皮を空調室の外壁 開口部に置換 (*) 木本慶介 石野久彌 郡公子 佐藤誠 村上周三 : 熱負荷計算における非空調空間の仮定法に関する研究第 2 報拡張外壁置換法への展開 空気調和 衛生工学会論文集 No.25, pp.1-8, 214.4

32 2 精緻なシミュレーションプログラムによる簡易評価法の検証 ( 空気集熱式暖房給湯システム ) 全 1,44 ケースで精緻なシミュレーションとの検証を行った A: 対象地域 B: 断熱仕様 C: 延床面積当 D: 空気集熱器仕様たり集熱面積 E: 空気循環 F : 集熱部位量方位 外側複層ガラス 空ダブルスキン 1 地域 ( 北見 ) H4 基準相当気集熱面日射吸収率 3m3/h 1%.5 外側複層ガラス 空 5 地域 ( 宇都ダブルスキン H11 基準相当気集熱面日射吸収率 6m3/h 宮 ) 2%.9 外側 LowE 複層ガラ H11 基準超相トロンブウォース 空気集熱面日射 12m3/h 当ル1% 吸収率.5 外側 LowE 複層ガラトロンブウォース 空気集熱面日射ル3% 吸収率.9 東南東南南西 西

33 暖房負荷 [MJ] 代表日の暖房負荷変動比較 3 初冬季 全室暖房負荷変動 厳冬季 /1 1/11 1/12 1/13 1/14 1/15 1/1 1/11 1/12 1/13 1/14 1/15 精緻な計算全室 簡易計算全室 簡易評価法としては十分な精度

34 簡易計算 [GJ] 簡易計算暖房負荷積算 [MJ] 全ケースにおける再現性検証結果 9. 全室年間暖房負荷 8. WC1F_Qldon [MJ] 北見 H4 基準相当 y = 1x R² =.9984 北見 64. H11 基準相当 48. 北見 H11 基準超相当 宇都宮 H4 基準相当 宇都宮 H11 基準相当 精緻な計算 [GJ] 宇都宮 H11 基準超相当 精緻な計算暖房負荷積算 [MJ] どのケースにおいても概ね良好な再現が確認できた

35 3-1. 成果 空気集熱式暖房給湯システム 空気循環太陽熱暖房システム を対象に熱収支式に基づく簡易評価法を構築 簡易評価法を NEDO 実証事業で取得した測定データで検証した精緻なシミュレーションと比較し 十分な精度であることを確認した

36 3-2. 今後の展望 空気集熱式暖房給湯システム についての精緻なシミュレーションの検証が不十分なため再度行う必要がある それぞれの集熱システムの簡易評価法を統合することで システム全体でなく部分的な機器開発を行うようなメーカーの評価も可能なように再整理が必要

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