1 VRV エネルギーシミュレーション技術の開発 2007 年 10 月 17 日ダイキン環境技術研究所塩地純夫

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ときもちやま
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1 1 VRV エネルギーシミュレーション技術の開発 2007 年 10 月 17 日ダイキン環境技術研究所塩地純夫

最近では英語の sustainable ( 持続可能なという意味 ) を使ってサステナブルビルなどと称することが一般的となっているロンドンのサステナブルビル BedZED 屋上 : 風力利用の換気装置ダブルスキン構造

2 What is the Sustainable Building? 2 地球温暖化など地球規模の環境問題が注目されるようになって以来住宅建築の分野では環境に優しい建物 (Green Building) の研究と建築が世界的に行われているこのような建物は当初様々な呼び名があったがが最近では英語の sustainable ( 持続可能なという意味 ) を使ってサステナブルビルなどと称することが一般的となっているロンドンのサステナブルビル BedZED 屋上 : 風力利用の換気装置ダブルスキン構造ソーラパネルオランダのサステナブルビルオールソーラシステム地下水利用 (HP 蓄熱 ) CO2 排出削減の具体化など地球環境を考えた現実的な取組みが急ピッチで進んでいる特に建築物に関しては環境負荷の小さい建築物や空調システムが期待されている

3 各国の省エネビル規制動向 3 (Standard of Sustainable Building) EPBD BREEAM ESCALE CASBEE Gobas 公共建築省エネ設計基準 (GB ) クリーン建築評価基準 GBtool LEED Title24 NABERS 環境に優しい建物 : サステナブルビルを評価するための指標が各国で策定され施行されているエネルギーシミュレーション必須の場合がある

4 省エネビル規制動向とエネルギーシミュレーション 4 (HVAC energy simulation map) EU >Esp-r(UK) >Calener(Spain) China >DeST >DOE2 Japan >HASP >BECS BEST LCEM US >DOE2,Energy Plus(DOE) >HAP(Carier) >Trace(Trane) 05 年から北京市の商業施設のエネルギー消費量評価は義務化されている 08 北京オリンピック施設全てに DeST でのシミュレーションが適用されている公共建築物に関して LCEM は推進中シミュレーションを実施して LEED の格付けを得ることで CA や NY など州政府による税金控除低利融資などのインセンティブが与えられるまた公共建築物に関しては義務付けされている CA の Title24 では州条例でエネルギーシミュレーションを義務つけている (99 年から ) エネルギーシミュレーションを活用することで規制に対応した建物の省エネ性 ( 躯体構造 ) を評価最適な空調システムの検討が実施できるしかし VRV はない

5 VRV エネルギーシミュレーションの目的 5 VRV エネルギー分析結果 < 電力消費量 & 必要空調能力 : 必要なタイムステップごと系統ごと > 3.5E+11 3E E+11 2E E+11 1E+11 5E+10 冷却塔ファン (J) ポンプ (J) 水冷チラー (J) ファン (J) 7.00E E E E E E E+00 0 May June July August September October 0.00E < 機器効率 (COP)/ 負荷率 : ゾーンごと系統ごと > 1) 年間消費電力量による省エネセントラル方式との比較 2) 個別分散することでの省エネ性部分負荷特性利用していないソーンの空調を停止 central system Which is? VRV system Best? VRV system 3) 適正な VRV システムの設計最大負荷計算法よりも高精度な容量選定ゾーニングと系統設計の最適化

EnergyPlus+VRV の開発 (1) 6 (Input data and calculation result) Input data A) 建物構造 B) 内部負荷 ( スケジュール ) B) 気象データ C)VRV 系統 D)VRV 機器特性 1) 能力特性カーブ 2) 入力特性カーブ 3) 部分負荷特性カーブ Calculation result A) ゾーンごとの負荷 B)

6 EnergyPlus+VRV の開発 (1) 6 (Input data and calculation result) Input data A) 建物構造 B) 内部負荷 ( スケジュール ) B) 気象データ C)VRV 系統 D)VRV 機器特性 1) 能力特性カーブ 2) 入力特性カーブ 3) 部分負荷特性カーブ Calculation result A) ゾーンごとの負荷 B) ゾーンごとの温度湿度 C)VRV 系統ごとの能力 D)VRV 系統ごとの消費電力 E)VRV 系統ごとの負荷率 : ( 全ての情報 / 時間間隔指定 ) Catalog Power = (Q total ) (EIR) (RTF) Power= 消費電力 Q total = 能力 ( 負荷 ) EIR= 入力特性 RTF= 部分負荷特性 Electricity:Facility [J](Monthly) GeneralLights:Elect ricity [J](Monthly) Electricity:Plant [J](Monthly) Gas:Plant [J](Monthly) Electricity:Building [J](RunPeriod) Electricity:HVAC [J](RunPeriod) Gas:Facility [J](RunPeriod) 01 / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0: / :0 0:0 0 January July SPACE1-1:Zone/Sys Air Temp[C](Hourly) SPACE2-1:Zone/Sys Air Temp[C](Hourly) SPACE3-1:Zone/Sys Air Temp[C](Hourly) SPACE4-1:Zone/Sys Air Temp[C](Hourly) VRV モジュールは特性カーブを使用 Ver1.2.1 で開発

7 EnergyPlus+VRV の開発 (2) 7 Get the Input data of VRV outdoor units and attached indoor unit star performance table (each combination ratio) Indoor unit Num. Outdoor Unit Num. OutdoorUnitNomCap : Subroutine SimVRVOutdoorUnit Cooling Flow-chart Outdoor Unit Num=1 Indoor Unit Num=1 Block Outer loop (Outdoor Sum) Block Inner loop (Indoor Sum) Outdoor Unit Num= Outdoor Unit Num+1 Indoor Unit Num= Indoor Unit Num+1 OutdoorUnitNum >NumoutdoorUnit No IndoorUnitNum >NumIndoorUnit No Yes Yes Call outputvariable End

EnergyPlus+VRV の開発 (3) 8 VRV module 配管ロス配管長高低差 Modify the Unitary-System(Cooling) Capacity1 =Load1 Zone1 Load1 Zone2 Load2 Capacity2 =Load2 既存の Dxcoil モジュールをカスタマイズ顕熱比露点温度 / バイパスファクタで潜熱

8 EnergyPlus+VRV の開発 (3) 8 VRV module 配管ロス配管長高低差 Modify the Unitary-System(Cooling) Capacity1 =Load1 Zone1 Load1 Zone2 Load2 Capacity2 =Load2 既存の Dxcoil モジュールをカスタマイズ顕熱比露点温度 / バイパスファクタで潜熱顕熱を分離して負荷処理を行なう Power consumption = P outdoor +P indoorfan P outdoor = Q total EIR RTF Q total =Σcapacity(Load) EIR=Power input performance RTF=Part load performance Modify the Unitary-System(Heating) Power consumption = P outdoor +P indoorfan

9 EnergyPlus+VRV の開発 (4) 9 (Energy calculation) P outdoor = (Q total ) (EIR) (RTF) 技術資料記載の能力表から室内機接続容量比率ごとに特性式 ( 外気温度 + 室内温度の特性式 ) を作成 Q total =Total cooling capacity(w): Cooling Q total =a+b(t wb,i )+c(t wb,i ) 2 +d(t db,o )+e(t db,o ) 2 +f(t wb,i )(T db,o ) Heating Q total =a+b(t wb,o )+c(t wb,o ) 2 +d(t wb,o ) EIR = Energy input ratio = (1/cop rated )( EIRTempModFac) COP rated is COP in the ratings condition (input value) Cooling EIRTempModFac=a+b(T wb,i )+c(t wb,i ) 2 +d(t db,o )+e(t db,o ) 2 +f(t wb,i )(T db,0 ) Heating EIRTempModFac=a+b(T wb,o )+c(t wb,o ) 2 +d(t wb,o ) T wb,i =WB temperature of the air-entering indoor unit T db,o = DB temperature of the air-entering outdoor unit T wb,o = WB temperature of the air-entering outdoor unit

セントラルシステムとの比較 (1) 10 1) 比較対象建物の概略構造 5.0 4.0 10.0 4.0 5.0 North Zone 28.

10 セントラルシステムとの比較 (1) 10 1) 比較対象建物の概略構造 North Zone 28.0 West Zone Centre Core East Zone N Interior Zones South Zone Ten floors Office building 1 フロアーの平面図 Floor to Floor Height :3.5m(Room:2.7m) 空調領域 7840 m2 )

11 セントラルシステムとの比較 (2) 11 2) 比較対象建物の概略情報建物情報項目概要 1) 所在地東京 2) 建物タイプ 10 階建てのオフィスビル 3) 床面積 784m2 10=7840m2センターコアにはエレベータ給湯室などを含む 4) 窓と日除け窓はペアガラス ( 厚さ :3mm/ 空気層 :12.7mm) 窓高さ1.5m( 床 0.8m~) WWR( 日射対策はなし 5) 運転日月曜日 ~ 金曜日 (7:00~17:00) 6) 内部負荷在室人員 5m2 / 人 ( ペリメータインテリアゾーン ) 25m2 / 人 ( センターコア ) 照明 25W/ m2 ( ペリメータインテリアゾーン ) 15W/ m2 ( センターコア ) その他の発熱体 (PCなど) 20W/ m2 ( ペリメータインテリアゾーン ) 0W/ m2 ( センターコア ) 7) 設定温度夏季 25 8) 隙間風 0.1 回換気相当 9) 機械換気 4.0m3/(m2 h) ( ペリメータインテリアゾーン ) 0.6m3/(m2 h) ( センターコア ) 10) 夏季冷房期間 5 月 1 日 ~10 月 31 日建物躯体構造 1) 外壁コンクリート (150mm)+ 断熱材 (20mm)+ 空気層 +プラスター (15mm) 2) 内壁プラスター (13mm)+コンクリート(100mm)+プラスター(13mm) 3) 床と天井コンクリート (150mm)+ 空気層 +プラスター (10mm)+スレートタイル(10mm 夏季設定温度 :26

セントラルシステムとの比較 (3) 12 3) 空調負荷計算結果と VRV 室内機配置イメージ DACCS 結果 (1F 1 ゾーンのみ ) 10 階空調負荷 1400KW と考えて VR V は 1 階あたり 140KW の室外機セントラル熱源は 1400KW チラーを使うものとした 5.0 4.0 10.0 4.0 5.

12 セントラルシステムとの比較 (3) 12 3) 空調負荷計算結果と VRV 室内機配置イメージ DACCS 結果 (1F 1 ゾーンのみ ) 10 階空調負荷 1400KW と考えて VR V は 1 階あたり 140KW の室外機セントラル熱源は 1400KW チラーを使うものとした室内ターミナル配置 North Zone VRV は各ゾーンに室内機を 1 台配置するセントラルシステムでも各ゾーンにターミナルを 1 台配置する 28.0 West Zone Centre Core East Zone N Interior Zones South Zone VRV 室外機 h は各階設置

13 w t w t w t w t w t セントラルシステムとの比較 (4) 13 4) 比較対象空調システム HP 特性カーブを使用 COP= w t 8 w t w t 10 7 VRF VAV FPFA VRV Fancoil Note: 1. VRF outdoor unit; 2.VRF Indoor unit; 3.Refrigerant loop; 4. Diffuser; 5. Duct; 6. Chiller; 7. Pump; 8. AHU; 9. Fan-coil Unit; 10. Water Pipe B)VAV システム ( 冷房 ) 1 水冷 Screw チラー (CUW300D5Y 特性を使用 ): 能力 =1400KW,COP=4.7,Design Water Volume=autosize 2 ポンプ :Volume flow rate=autosize,power consumption=autosize, Moter Efficiency=0.9,PLF あり 3AHU:Coil=Water flow & Air flow autosize, Fan=autosize 4VAV:No-reheat, Air-flow=autosize 5 クーリングタワー :Design Water flow rate & Air flow rate=autosize, Fan-power=autosize C)Fancoil システム ( 冷房 ) 1 水冷 Screw チラー (CUW300D5Y 特性を使用 ) : 能力 =1400KW,COP=4.7,Design Water Volume=autosize 2 ポンプ :Volume flow rate=autosize,power consumption=autosize, Moter Efficiency=0.9,PLF あり 3Fan-coil:Air flow rate & cold water flow rate=autosize 4 クーリングタワー :Design Water flow rate & Air flow rate=autosize, Fan-power=autosize

14 セントラルシステムとの比較 (5) 14 5) 計算結果 (5/31~10/31 の合計電力消費量 ) J 1.6E E E+12 1E+12 8E+11 6E+11 4E+11 2E+11 0 VRV VAV Fan c oil 冷却塔ポンプ送風熱源 *VRV の熱源は室外機の電力消費量 ( 圧縮機 + ファン ) *VRV の送風は室内機ファンの電力消費量 VRV<FanCoil<VAV という電力消費量になる結果を得たコイル出口温度の違いから VRV よりも FanCoil の電力消費量が大きい結果となっているダクトの圧力損失から VA V のファン入力が大きくなっていると考えられる

15 実測値とシミュレーション結果の比較 (1) 15 1) 実測対象の建物とシミュレーションモデル Upper floor 1737 (Height:4.5m) Lower floor1762 (Height:4.5m) m m * 実測対象居室の空調機設定温度は m 8m * 上下左右前後の隣接部屋を全てモデル化実際の建屋 EnergyPlus のモデルイメージ

16 実測値とシミュレーション結果の比較 (2) 16 2) 実測対象居室の計測環境配電盤パルス変換器電力測定器 *A 室 B 室とも内部負荷としてヒータ照明を使用 5.6m A 室 (45 m2 ) 電力パルス Ethernet 制御系コントローラ実験用 PC USB 温湿度データ収集器 B 室 (45 m2 ) データレコーダ 8m 4HP 室内機加湿器 :550L/h 4HP 室内機 DⅢ-NET ( 内外ライン ) 高さ 3.3m 加湿器 :550L/h 8HP 室外機温湿度測定器

17 実測値とシミュレーション結果の比較 (3) 17 3) 実測結果の例 (2006 年 8 月 26 日 ) 室内機能力推定値 (kwh) Room A 8/26 室内機能力推定値 (kwh) Room B 室外機能力推定値室外機電力消費量室内温度室内湿度室内温度室内湿度時間 (C) (%) (C) (%) (kwh) (kwh) 0: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :

18 実測値とシミュレーション結果の比較 (4) 18 4) 建物のシミュレーションモデル 1) 気象データ = 気象台から購入 2) 建物構造 ( 物性値は BLAST の DB を使用 ) Name Outer wall Inter wall Ceiling and floor Material /Thickness (unit: m) (eramic/porcelain 0.01)+( Plaster (Lightweight).013)+( AAC Block.2)+ ( Plaster (Lightweight).013) (Plaster (Lightweight).013)+( Aerated Concrete Slab.2)+ (Plaster (Lightweight).013) (Wooden Flooring.019)+( Air gap)+( Cast Concrete (Dense) 0.1)+ ( Air gap)+ Ceiling Tiles 3) 建物構造 ( 物性値は BLAST の DB を使用 ) 24th to 25th room people light Elec equipment Set point Infiltration ( C) schedule (ACH) A&B 900W(100W 9) 360W(30w*12 本 ) 880W 26 9am ~ 5pm th to 27th room people light Elec equipment Set point Infiltration ( C) schedule (ACH) A&B 1400W(100W 14) 360W(30w*12 本 ) 880W 26 9am ~ 5pm 0.5 *People,Electric equipment に関して実測ではヒータを使用計算では合計発熱量を Elec quipment として設定

19 実測値とシミュレーション結果の比較 (5) 19 5) 実測結果とシミュレーション結果の比較例 (2006 年 8 月 26 日 ) 冷房 TC 実測値能力 (W) 計算結果能力 (W) :00:00 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 *12 時で 28% の誤差冷房 PI 実測値入力 (W) 計算結果入力 (W) 10:00:00 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 *12 時で 22% の誤差エネルギー消費量の予測誤差は冷房能力の予測誤差に依存する

20 まとめ 20 エネルギーシミュレーションは建物の省エネ性や空調設備の省エネ性を分析するために重要な技術である今後国ごとでの規制やインセンティブ環境の整備がすすむことでさらに普及すると考えられる VRV のエネルギーシミュレーションを活用することでセントラルシステムとのエネルギー分析を実現できる同一ソフトによるシステム間の比較が重要だと言える VRV エネルギーシミュレーションの計算結果と実測値との誤差要因には建物負荷の計算誤差気象データ VRV 計算ロジック / 特性カーブに起因する計算誤差が考えられる建物負荷の計算誤差を解決するためには躯体構造の詳細モデル化 ( 梁や什器 etc) 内部負荷の詳細な設定 ( 周囲ゾーンの温度変化 etc) 適正な隙間風量の設定が重要だと言える

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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